(57)【要約】【課題】測定対象物の残留応力分布を直接測定することができる残留応力分布測定装置及び残留応力分布測定方法を提供する。【解決手段】ビーム取得部４０ａ，４０ｂは、超音波発生部２０ａ，２０ｂにより発生された縦波、圧延方向変位横波、幅方向変位横波の各超音波が対象物２表面に戻ってきた位置にレーザビームＬ３を導き、反射したレーザビームＬ３を取得する。コンピュータ７０は干渉計５０ａ，５０ｂで検出されたレーザビームＬ３の周波数変化を表す波形データに基づき各進行方向に発生した各超音波の伝播時間を求めると共に、各超音波について発生位置・検出位置の間の水平距離を求める。伝播時間と水平距離とに基づき厚さ方向に沿って区分された対象物２の各層での各超音波の音速を算出した後、各層の縦波音速に基づき各層の内部温度を求め、各超音波の音速と内部温度とに基づき各層の残留応力を算出する。【選択図】　　　　図１
2004077460.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状の測定対象物をその厚さ方向に沿って複数の層に区分し、前記測定対象物の表面上の所定位置で前記各層の残留応力を測定する残留応力分布測定装置であって、
周波数の異なる第一レーザビーム及び第二レーザビームを、それぞれ所定の入射角度で前記測定対象物の同一位置（超音波発生位置）に照射することにより、前記第一レーザビーム及び前記第二レーザビームの干渉を生じさせ、前記測定対象物の内部に、前記測定対象物の表面に対して斜めに進行する超音波を発生させると共に、前記測定対象物の表面に平行な面に沿って移動可能に構成された超音波発生手段と、
前記超音波発生手段が発生させる縦波の超音波、前記測定対象物の縦幅方向に変位した横波の超音波、前記測定対象物の横幅方向に変位した横波の超音波の各々について、当該超音波が前記測定対象物の底面で反射して再び表面に戻ってきた位置（超音波検出位置）に、第三レーザビームを導き、前記測定対象物の表面で反射した前記第三レーザビームを取得すると共に、前記測定対象物の表面に平行な面に沿って移動可能に構成されたビーム取得手段と、
前記超音波発生手段の位置情報と前記ビーム取得手段の位置情報とに基づいて、当該超音波について前記超音波発生位置と前記超音波検出位置との間の距離を求める距離算出手段と、
前記ビーム取得手段で取得された前記第三レーザビームに基づいて、当該超音波の振動に起因して生じる前記第三レーザビームの周波数の変化を検出する周波数変化検出手段と、
前記周波数変化検出手段で検出された前記第三レーザビームの周波数変化を表す波形データに基づいて当該超音波が前記測定対象物の内部を伝播した伝播時間を求める演算手段と、
を備え、前記各超音波についてその発生時の進行方向を前記層の数と同じ数だけ予め設定しておき、前記距離算出手段は、前記各超音波について、前記超音波発生手段が前記各進行方向に当該超音波を発生させる度に前記超音波発生位置と前記超音波検出位置との間の距離を求め、前記演算手段は、前記各超音波について、前記超音波発生手段が前記各進行方向に当該超音波を発生させる度に当該進行方向に発生した当該超音波の伝播時間を求め、前記各進行方向に発生した当該超音波の伝播時間及び前記距離算出手段で得られた前記各進行方向に発生した当該超音波についての前記超音波発生位置と前記超音波検出位置との間の距離に基づいて前記各層における当該超音波の音速を算出し、且つ、その算出した前記各層における前記一の超音波の音速に基づいて前記各層の内部温度を求め、前記各層における前記各超音波の音速及び前記各層の内部温度に基づいて前記各層の残留応力を算出することを特徴とする残留応力分布測定装置。
【請求項２】
前記第一レーザビーム及び前記第二レーザビームは、一のレーザ装置から発生された単一のレーザビームを二つに分岐し、その分岐された一方のレーザビームを音響光学素子に入射させることにより得られたものであることを特徴とする請求項１記載の残留応力分布測定装置。
【請求項３】
前記超音波発生手段は、前記第一レーザビーム及び前記第二レーザビームのうち少なくともいずれか一方の入射角度を調整することにより、前記各超音波についてその発生時の進行方向を制御することを特徴とする請求項１又は２記載の残留応力分布測定装置。
【請求項４】
前記超音波発生手段、前記ビーム取得手段及び前記周波数検出手段を二組設けたことを特徴とする請求項１、２又は３記載の残留応力分布測定装置。
【請求項５】
板状の測定対象物をその厚さ方向に沿って複数の層に区分し、前記測定対象物の表面上の所定位置で前記各層の残留応力を測定する残留応力分布測定方法であって、
周波数の異なる第一レーザビーム及び第二レーザビームを、それぞれ所定の入射角度で前記測定対象物の同一位置（超音波発生位置）に照射することにより、前記第一レーザビーム及び前記第二レーザビームの干渉を生じさせ、前記測定対象物の内部に、前記測定対象物の表面に対して斜めに進行する超音波を発生させる第一ステップと、
当該超音波が前記測定対象物の底面で反射して再び表面に戻ってきた位置（超音波検出位置）に、第三レーザビームを導くと共に、前記測定対象物の表面で反射した前記第三レーザビームを取得する第二ステップと、
当該超音波について前記超音波発生位置と前記超音波検出位置との間の距離を求める第三ステップと、
前記第二ステップで取得された前記第三レーザビームに基づいて、当該超音波の振動に起因して生じる前記第三レーザビームの周波数の変化を検出する第四ステップと、
前記第四ステップで検出された前記第三レーザビームの周波数変化を表す波形データに基づいて当該超音波が前記測定対象物の内部を伝播した伝播時間を求める第五ステップと、
前記第一ステップで発生させる縦波の超音波、前記測定対象物の縦幅方向に変位した横波の超音波、前記測定対象物の横幅方向に変位した横波の超音波の各々について、その発生時の進行方向を前記層の数と同じ数だけ予め設定しておき、その設定された前記各進行方向に当該超音波を順に発生させて、前記第一ステップから前記第五ステップまでを繰り返すことにより、前記各超音波について、前記各進行方向に発生した当該超音波についての前記超音波発生位置と前記超音波検出位置との間の距離及び前記各進行方向に発生した当該超音波の伝播時間を求める第六ステップと、
前記各超音波について、前記各進行方向に発生した当該超音波の伝播時間及び前記各進行方向に発生した当該超音波についての前記超音波発生位置と前記超音波検出位置との間の距離に基づいて、前記各層における当該超音波の音速を算出する第七ステップと、
前記第七ステップで算出した前記各層における前記一の超音波の音速に基づいて前記各層の内部温度を求める第八ステップと、
前記各層における前記各超音波の音速及び前記各層の内部温度に基づいて前記各層の残留応力を算出する第九ステップと、
を具備することを特徴とする残留応力分布測定方法。
【請求項６】
前記第一レーザビーム及び前記第二レーザビームは、一のレーザ装置から発生された単一のレーザビームを二つに分岐し、その分岐された一方のレーザビームを音響光学素子に入射させることにより得られたものであることを特徴とする請求項５記載の残留応力分布測定方法。
【請求項７】
前記第一ステップでは、前記第一レーザビーム及び前記第二レーザビームのうち少なくともいずれか一方の入射角度を調整することにより、前記各超音波についてその発生時の進行方向を制御することを特徴とする請求項５又は６記載の残留応力分布測定方法。
【請求項８】
板状の測定対象物をその厚さ方向に沿って複数の層に区分し、前記測定対象物の表面上の所定位置で前記各層の残留応力を測定する残留応力分布測定装置であって、
前記測定対象物の表面の所定位置（超音波発生位置）において、前記測定対象物の内部に、前記測定対象物の表面に対して斜めに進行する超音波を発生させると共に、前記測定対象物の表面に平行な面に沿って移動可能に構成された超音波発生手段と、
前記超音波発生手段が発生させる縦波の超音波、前記測定対象物の縦幅方向に変位した横波の超音波、前記測定対象物の横幅方向に変位した横波の超音波の各々について、当該超音波が前記測定対象物の底面で反射して再び表面に戻ってきた位置（超音波検出位置）において当該超音波を検出すると共に、前記測定対象物の表面に平行な面に沿って移動可能に構成された超音波検出手段と、
前記超音波発生手段の位置情報と前記超音波検出手段の位置情報とに基づいて、当該超音波について前記超音波発生位置と前記超音波検出位置との間の距離を求める距離算出手段と、
前記超音波検出手段で得られた当該超音波の波形データに基づいて当該超音波が前記測定対象物の内部を伝播した伝播時間を求める演算手段と、
を備え、前記各超音波についてその発生時の進行方向を前記層の数と同じ数だけ予め設定しておき、前記距離算出手段は、前記各超音波について、前記超音波発生手段が前記各進行方向に当該超音波を発生させる度に前記超音波発生位置と前記超音波検出位置との間の距離を求め、前記演算手段は、前記各超音波について、前記超音波発生手段が前記各進行方向に当該超音波を発生させる度に当該進行方向に発生した当該超音波の伝播時間を求め、前記各進行方向に発生した当該超音波の伝播時間及び前記距離算出手段で得られた前記各進行方向に発生した当該超音波についての前記超音波発生位置と前記超音波検出位置との間の距離に基づいて前記各層における当該超音波の音速を算出し、且つ、その算出した前記各層における前記一の超音波の音速に基づいて前記各層の内部温度を求め、前記各層における前記各超音波の音速及び前記各層の内部温度に基づいて前記各層の残留応力を算出することを特徴とする残留応力分布測定装置。
【請求項９】
前記超音波発生手段及び前記超音波検出手段としてそれぞれ、探触子を用いたことを特徴とする請求項８記載の残留応力分布測定装置。
【請求項１０】
板状の測定対象物をその厚さ方向に沿って複数の層に区分し、前記測定対象物の表面上の所定位置で前記各層の残留応力を測定する残留応力分布測定方法であって、
前記測定対象物の表面の所定位置（超音波発生位置）において、前記測定対象物の内部に、前記測定対象物の表面に対して斜めに進行する超音波を発生させる第一ステップと、
当該超音波が前記測定対象物の底面で反射して再び表面に戻ってきた位置（超音波検出位置）において当該超音波を検出する第二ステップと、
当該超音波について前記超音波発生位置と前記超音波検出位置との間の距離を求める第三ステップと、
前記第二ステップで検出することにより得られた当該超音波の波形データに基づいて当該超音波が前記測定対象物の内部を伝播した伝播時間を求める第四ステップと、
前記第一ステップで発生させる縦波の超音波、前記測定対象物の縦幅方向に変位した横波の超音波、前記測定対象物の横幅方向に変位した横波の超音波の各々について、その発生時の進行方向を前記層の数と同じ数だけ予め設定しておき、その設定された前記各進行方向に当該超音波を順に発生させて、前記第一ステップから前記第四ステップまでを繰り返すことにより、前記各超音波について、前記各進行方向に発生した当該超音波についての前記超音波発生位置と前記超音波検出位置との間の距離及び前記各進行方向に発生した当該超音波の伝播時間とを求める第五ステップと、
前記各超音波について、前記各進行方向に発生した当該超音波の伝播時間及び前記各進行方向に発生した当該超音波についての前記超音波発生位置と前記超音波検出位置との間の距離に基づいて、前記各層における当該超音波の音速を算出する第六ステップと、
前記第六ステップで算出した前記各層における前記一の超音波の音速に基づいて前記各層の内部温度を求める第七ステップと、
前記各層における前記各超音波の音速及び前記各層の内部温度に基づいて前記各層の残留応力を算出する第八ステップと、
を具備することを特徴とする残留応力分布測定方法。
【請求項１１】
前記第一ステップでは探触子を用いて超音波を発生させると共に、前記第二ステップでは探触子を用いて超音波を検出することを特徴とする請求項１０記載の残留応力分布測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば鋼材の残留応力分布を測定する残留応力分布測定装置及び残留応力分布測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、熱間の厚板製造プロセスにおいては、制御圧延の圧下条件や冷却条件をコントロールすることにより、所望の仕様特性を有する厚板を製造している。かかる圧下条件や冷却条件をコントロールする際に参考となる情報として、厚板の温度情報や残留応力情報等がある。
【０００３】
従来は、温度情報については、放射温度計などを用いて厚板の表面温度を測定すると共に、シミュレーション等のモデル計算を行って厚板の内部温度を推定していた。一方、残留応力情報については、接触型超音波プローブなどを用いて測定対象物の表面のみの残留応力を測定するか、あるいは試験片の厚み方向において残留応力の平均値のみを測定していた（例えば、非特許文献１参照。）。また、オンラインで鋼材の残留応力分布を直接測定する技術はなく、残留応力分布を推定して求める技術のみが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【非特許文献１】
「音弾性」財団法人非破壊検査協会出版、１９９４年、ｐ．９４−１０７
【特許文献１】
特開２０００−３０１２２０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来は、測定対象物の残留応力分布を直接測定することはできなかった。また、従来は、熱間の厚板製造プロセスにおいて、残留応力情報を考慮した圧延制御は行われていないというのが実情である。しかし、厚板製造プロセスでは、残留応力の影響により、鋼材が反ってしまうという問題がある。このため、熱間オンラインで残留応力についての情報が得られれば、残留応力低減のための制御が行えるなど、より良い圧延制御が可能である。
【０００６】
本発明は上記事情に基づいてなされてものであり、測定対象物の残留応力分布を直接測定することができる残留応力分布測定装置及び残留応力分布測定方法を提供することを目的とするものである。
【０００７】
本発明は上記事情に基づいてなされたものであり、熱間オンラインで測定対象物の残留応力分布を測定することができる残留応力分布測定装置及び残留応力分布測定方法を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、板状の測定対象物をその厚さ方向に沿って複数の層に区分し、前記測定対象物の表面上の所定位置で前記各層の残留応力を測定する残留応力分布測定装置であって、周波数の異なる第一レーザビーム及び第二レーザビームを、それぞれ所定の入射角度で前記測定対象物の同一位置（超音波発生位置）に照射することにより、前記第一レーザビーム及び前記第二レーザビームの干渉を生じさせ、前記測定対象物の内部に、前記測定対象物の表面に対して斜めに進行する超音波を発生させると共に、前記測定対象物の表面に平行な面に沿って移動可能に構成された超音波発生手段と、前記超音波発生手段が発生させる縦波の超音波、前記測定対象物の縦幅方向に変位した横波の超音波、前記測定対象物の横幅方向に変位した横波の超音波の各々について、当該超音波が前記測定対象物の底面で反射して再び表面に戻ってきた位置（超音波検出位置）に、第三レーザビームを導き、前記測定対象物の表面で反射した前記第三レーザビームを取得すると共に、前記測定対象物の表面に平行な面に沿って移動可能に構成されたビーム取得手段と、前記超音波発生手段の位置情報と前記ビーム取得手段の位置情報とに基づいて、当該超音波について前記超音波発生位置と前記超音波検出位置との間の距離を求める距離算出手段と、前記ビーム取得手段で取得された前記第三レーザビームに基づいて、当該超音波の振動に起因して生じる前記第三レーザビームの周波数の変化を検出する周波数変化検出手段と、前記周波数変化検出手段で検出された前記第三レーザビームの周波数変化を表す波形データに基づいて当該超音波が前記測定対象物の内部を伝播した伝播時間を求める演算手段と、を備え、前記各超音波についてその発生時の進行方向を前記層の数と同じ数だけ予め設定しておき、前記距離算出手段は、前記各超音波について、前記超音波発生手段が前記各進行方向に当該超音波を発生させる度に前記超音波発生位置と前記超音波検出位置との間の距離を求め、前記演算手段は、前記各超音波について、前記超音波発生手段が前記各進行方向に当該超音波を発生させる度に当該進行方向に発生した当該超音波の伝播時間を求め、前記各進行方向に発生した当該超音波の伝播時間及び前記距離算出手段で得られた前記各進行方向に発生した当該超音波についての前記超音波発生位置と前記超音波検出位置との間の距離に基づいて前記各層における当該超音波の音速を算出し、且つ、その算出した前記各層における前記一の超音波の音速に基づいて前記各層の内部温度を求め、前記各層における前記各超音波の音速及び前記各層の内部温度に基づいて前記各層の残留応力を算出することを特徴とするものである。
【０００９】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の残留応力分布測定装置において、前記第一レーザビーム及び前記第二レーザビームは、一のレーザ装置から発生された単一のレーザビームを二つに分岐し、その分岐された一方のレーザビームを音響光学素子に入射させることにより得られたものであることを特徴とするものである。
【００１０】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の残留応力分布測定装置において、前記超音波発生手段は、前記第一レーザビーム及び前記第二レーザビームのうち少なくともいずれか一方の入射角度を調整することにより、前記各超音波についてその発生時の進行方向を制御することを特徴とするものである。
【００１１】
請求項４記載の発明は、請求項１、２又は３記載の残留応力分布測定装置において、前記超音波発生手段、前記ビーム取得手段及び前記周波数検出手段を二組設けたことを特徴とするものである。
【００１２】
上記の目的を達成するための請求項５記載の発明は、板状の測定対象物をその厚さ方向に沿って複数の層に区分し、前記測定対象物の表面上の所定位置で前記各層の残留応力を測定する残留応力分布測定方法であって、周波数の異なる第一レーザビーム及び第二レーザビームを、それぞれ所定の入射角度で前記測定対象物の同一位置（超音波発生位置）に照射することにより、前記第一レーザビーム及び前記第二レーザビームの干渉を生じさせ、前記測定対象物の内部に、前記測定対象物の表面に対して斜めに進行する超音波を発生させる第一ステップと、当該超音波が前記測定対象物の底面で反射して再び表面に戻ってきた位置（超音波検出位置）に、第三レーザビームを導くと共に、前記測定対象物の表面で反射した前記第三レーザビームを取得する第二ステップと、当該超音波について前記超音波発生位置と前記超音波検出位置との間の距離を求める第三ステップと、前記第二ステップで取得された前記第三レーザビームに基づいて、当該超音波の振動に起因して生じる前記第三レーザビームの周波数の変化を検出する第四ステップと、前記第四ステップで検出された前記第三レーザビームの周波数変化を表す波形データに基づいて当該超音波が前記測定対象物の内部を伝播した伝播時間を求める第五ステップと、前記第一ステップで発生させる縦波の超音波、前記測定対象物の縦幅方向に変位した横波の超音波、前記測定対象物の横幅方向に変位した横波の超音波の各々について、その発生時の進行方向を前記層の数と同じ数だけ予め設定しておき、その設定された前記各進行方向に当該超音波を順に発生させて、前記第一ステップから前記第五ステップまでを繰り返すことにより、前記各超音波について、前記各進行方向に発生した当該超音波についての前記超音波発生位置と前記超音波検出位置との間の距離及び前記各進行方向に発生した当該超音波の伝播時間を求める第六ステップと、前記各超音波について、前記各進行方向に発生した当該超音波の伝播時間及び前記各進行方向に発生した当該超音波についての前記超音波発生位置と前記超音波検出位置との間の距離に基づいて、前記各層における当該超音波の音速を算出する第七ステップと、前記第七ステップで算出した前記各層における前記一の超音波の音速に基づいて前記各層の内部温度を求める第八ステップと、前記各層における前記各超音波の音速及び前記各層の内部温度に基づいて前記各層の残留応力を算出する第九ステップと、を具備することを特徴とするものである。
【００１３】
請求項６記載の発明は、請求項５記載の残留応力分布測定方法において、前記第一レーザビーム及び前記第二レーザビームは、一のレーザ装置から発生された単一のレーザビームを二つに分岐し、その分岐された一方のレーザビームを音響光学素子に入射させることにより得られたものであることを特徴とするものである。
【００１４】
請求項７記載の発明は、請求項５又は６記載の残留応力分布測定方法において、前記第一ステップでは、前記第一レーザビーム及び前記第二レーザビームのうち少なくともいずれか一方の入射角度を調整することにより、前記各超音波についてその発生時の進行方向を制御することを特徴とするものである。
【００１５】
上記の目的を達成するための請求項８記載の発明は、板状の測定対象物をその厚さ方向に沿って複数の層に区分し、前記測定対象物の表面上の所定位置で前記各層の残留応力を測定する残留応力分布測定装置であって、前記測定対象物の表面の所定位置（超音波発生位置）において、前記測定対象物の内部に、前記測定対象物の表面に対して斜めに進行する超音波を発生させると共に、前記測定対象物の表面に平行な面に沿って移動可能に構成された超音波発生手段と、前記超音波発生手段が発生させる縦波の超音波、前記測定対象物の縦幅方向に変位した横波の超音波、前記測定対象物の横幅方向に変位した横波の超音波の各々について、当該超音波が前記測定対象物の底面で反射して再び表面に戻ってきた位置（超音波検出位置）において当該超音波を検出すると共に、前記測定対象物の表面に平行な面に沿って移動可能に構成された超音波検出手段と、前記超音波発生手段の位置情報と前記超音波検出手段の位置情報とに基づいて、当該超音波について前記超音波発生位置と前記超音波検出位置との間の距離を求める距離算出手段と、前記超音波検出手段で得られた当該超音波の波形データに基づいて当該超音波が前記測定対象物の内部を伝播した伝播時間を求める演算手段と、を備え、前記各超音波についてその発生時の進行方向を前記層の数と同じ数だけ予め設定しておき、前記距離算出手段は、前記各超音波について、前記超音波発生手段が前記各進行方向に当該超音波を発生させる度に前記超音波発生位置と前記超音波検出位置との間の距離を求め、前記演算手段は、前記各超音波について、前記超音波発生手段が前記各進行方向に当該超音波を発生させる度に当該進行方向に発生した当該超音波の伝播時間を求め、前記各進行方向に発生した当該超音波の伝播時間及び前記距離算出手段で得られた前記各進行方向に発生した当該超音波についての前記超音波発生位置と前記超音波検出位置との間の距離に基づいて前記各層における当該超音波の音速を算出し、且つ、その算出した前記各層における前記一の超音波の音速に基づいて前記各層の内部温度を求め、前記各層における前記各超音波の音速及び前記各層の内部温度に基づいて前記各層の残留応力を算出することを特徴とするものである。
【００１６】
請求項９記載の発明は、請求項８記載の残留応力分布測定装置において、前記超音波発生手段及び前記超音波検出手段としてそれぞれ、探触子を用いたことを特徴とするものである。
【００１７】
上記の目的を達成するための請求項１０記載の発明は、板状の測定対象物をその厚さ方向に沿って複数の層に区分し、前記測定対象物の表面上の所定位置で前記各層の残留応力を測定する残留応力分布測定方法であって、前記測定対象物の表面の所定位置（超音波発生位置）において、前記測定対象物の内部に、前記測定対象物の表面に対して斜めに進行する超音波を発生させる第一ステップと、当該超音波が前記測定対象物の底面で反射して再び表面に戻ってきた位置（超音波検出位置）において当該超音波を検出する第二ステップと、当該超音波について前記超音波発生位置と前記超音波検出位置との間の距離を求める第三ステップと、前記第二ステップで検出することにより得られた当該超音波の波形データに基づいて当該超音波が前記測定対象物の内部を伝播した伝播時間を求める第四ステップと、前記第一ステップで発生させる縦波の超音波、前記測定対象物の縦幅方向に変位した横波の超音波、前記測定対象物の横幅方向に変位した横波の超音波の各々について、その発生時の進行方向を前記層の数と同じ数だけ予め設定しておき、その設定された前記各進行方向に当該超音波を順に発生させて、前記第一ステップから前記第四ステップまでを繰り返すことにより、前記各超音波について、前記各進行方向に発生した当該超音波についての前記超音波発生位置と前記超音波検出位置との間の距離及び前記各進行方向に発生した当該超音波の伝播時間とを求める第五ステップと、前記各超音波について、前記各進行方向に発生した当該超音波の伝播時間及び前記各進行方向に発生した当該超音波についての前記超音波発生位置と前記超音波検出位置との間の距離に基づいて、前記各層における当該超音波の音速を算出する第六ステップと、前記第六ステップで算出した前記各層における前記一の超音波の音速に基づいて前記各層の内部温度を求める第七ステップと、前記各層における前記各超音波の音速及び前記各層の内部温度に基づいて前記各層の残留応力を算出する第八ステップと、を具備することを特徴とするものである。
【００１８】
請求項１１記載の発明は、請求項１０記載の残留応力分布測定方法において、前記第一ステップでは探触子を用いて超音波を発生させると共に、前記第二ステップでは探触子を用いて超音波を検出することを特徴とするものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施形態である残留応力分布測定装置の概略構成図、図２はある鋼材についての内部温度と縦波音速との関係を示すグラフである。
【００２０】
本実施形態の残留応力分布測定装置は、測定対象物の内部の残留応力分布を非接触で測定するものである。ここで、測定対象物としては、例えば、製鉄所において、熱間プロセスにより製造される板状の鋼材（厚板）を想定している。かかる厚板の表面温度は、通常、７００℃ぐらいである。特に、本実施形態では、厚板をその厚さ方向に沿って複数の層に区分して考え、所定の測定位置において各層の残留応力を算出することにより、厚板の内部残留応力分布を求めることにする。
【００２１】
残留応力は、音速比法を利用した次式から求めることができる。すなわち、音速比をＲ、厚板の圧延方向（縦幅方向）の応力をσ１、厚板の幅方向（横幅方向）の応力をσ２とすると、
Ｒ≡２ＶＬ／（ＶＳ１−ＶＳ２）
＝Ｒ０＋ＣＲ・（σ１＋σ２）＋Ｆ・（Ｔ−Ｔ０）
である。ここで、ＶＬは縦波超音波の音速、ＶＳ１は厚板の圧延方向に変位した横波超音波の音速、ＶＳ２は厚板の幅方向に変位した横波超音波の音速である。また、Ｒ０は無応力時かつ室温Ｔ０時の音速比、ＣＲは音弾性定数である。音速比Ｒ０、音弾性定数ＣＲ、及び無応力時のパラメータＦは、予めサンプル（鋼材試験片）で測定しておく。したがって、厚板の各層を伝播する音速ＶＬ，ＶＳ１，ＶＳ２と、各層の内部温度Ｔとが得られれば、それらを上式に代入することにより、各層における残留応力σ１＋σ２を算出することができる。
【００２２】
ところで、よく知られているように、各種の鋼材では、その内部温度とその内部を伝播する縦波の音速との間に密接な関係がある。図２にある鋼材についての内部温度と縦波の音速との関係の一例を示す。図２において、横軸は鋼材の内部温度、縦軸は縦波の音速である。このグラフから、縦波の音速が遅いほど、鋼材の内部温度は高いという傾向があることが分かる。本実施形態の残留応力分布測定装置では、厚板の各層における縦波の速度を求めた後、図２に示すような内部温度と縦波音速との関係を利用して、厚板の内部温度を求めることにする。このとき、厚板の各層における縦波の音速はレーザ超音波法を用いて算出する。
【００２３】
本実施形態の残留応力分布測定装置は、図１に示すように、超音波発生用レーザ１０と、第一超音波発生部２０ａ及び第二超音波発生部２０ｂと、超音波検出用レーザ３０と、第一ビーム取得部４０ａ及び第二ビーム取得部４０ｂと、第一ファブリ・ペロー干渉計５０ａ及び第二ファブリ・ペロー干渉計５０ｂと、第一光検出器６０ａ及び第二光検出器６０ｂと、コンピュータ７０とを備える。また、この残留応力分布測定装置には、光学部品として、ビームスプリッタ８１，８２、ミラー８４、集光レンズ８６，８７，８８，８９、光ファイバ９１，９２，９３，９４等が設けられている。
【００２４】
超音波発生用レーザ１０は、測定対象物２内に超音波を励起させるためのレーザである。超音波発生用レーザ１０としては、例えばＹＡＧレーザやＣＯ２レーザなどの高エネルギーパルスレーザを使用する。以下では、この超音波発生用レーザ１０から発せられたレーザビームの周波数をｆ１、その波長をλ１とする。
【００２５】
超音波発生用レーザ１０から発せられたレーザビームは、ビームスプリッタ８１によって、二つのレーザビームに分岐させられる。その分岐した一方のレーザビームは第一超音波発生部２０ａに入射し、もう一方のレーザビームは第二超音波発生部２０ｂに入射する。
【００２６】
各超音波発生部２０ａ，２０ｂは、干渉縞走査法を用いて、測定対象物２の内部に、その表面に対して斜めに進行する超音波を発生させるものであり、請求項１又は８記載の発明における「超音波発生手段」に対応する。各超音波発生部２０ａ，２０ｂは、ビームスプリッタ２１と、ミラー２２と、音響光学素子２３とを有する。
【００２７】
各超音波発生部２０ａ，２０ｂに導かれたレーザビームは、ビームスプリッタ２１によって、ビームスプリッタ２１で反射される第一レーザビームＬ１と、ビームスプリッタ２１を透過する第二レーザビームＬ２とに分けられる。第一レーザビームＬ１はそのまま測定対象物２の表面に入射する。一方、第二レーザビームＬ２は、ミラー２２で反射された後、音響光学素子２３に入射する。
【００２８】
音響光学素子２３は、音響光学効果（ａｃｏｕｓｔｏ−ｏｐｔｉｃ　ｅｆｆｅｃｔ）を利用した素子であり、ここでは、周波数シフタとして利用する。音響光学素子２３に適当な周波数の電気信号を与えると、音響光学素子２３の内部に設けられた媒体が超音波振動を行い、弾性歪みや圧力が場所によって変化する。これにより、その媒体には屈折率変動が生じ、外部からの光がこの屈折率の変動領域に入射すると、その光は回折を起こす。このとき、その回折した光は超音波振動に起因するドップラーシフトを受け、一次回折光の周波数は、元の入射光の周波数から超音波の周波数分だけシフトした値となる。したがって、音響光学素子２３から出射される第二レーザビームＬ２の周波数は、元の周波数ｆ１からシフトする。こうして周波数がシフトした第二レーザビームＬ２は、測定対象物２の表面に入射する。ここで、周波数がシフトした第二レーザビームＬ２の周波数をｆ２とする。
【００２９】
次に、干渉縞走査法について説明する。図３は干渉縞走査法の原理を説明するための図、図４は本実施形態の残留応力分布測定装置における各超音波発生部２０ａ，２０ｂの具体的な構成を説明するための図である。
【００３０】
ここでは、図３に示すように、ビームスプリッタ２１で反射した第一レーザビームＬ１は、測定対象物２の厚さ方向（測定対象物表面の法線方向）に対して角度（入射角度）θをもって測定対象物２に入射するものとする。一方、音響光学素子２３から出射された第二レーザビームＬ２は、第一レーザビームＬ１とは反対側から、測定対象物２の厚さ方向に対して角度（入射角度）θをもって、第一レーザビームＬ１の照射位置と同一の照射位置に入射するものとする。すなわち、第一レーザビームＬ１と第二レーザビームＬ２とは互いに角度２θをなして測定対象物２上の同じ位置に照射される。以下では、かかる第一レーザビームＬ１と第二レーザビームＬ２が照射される測定対象物２上の位置を「超音波発生位置」又は単に「発生位置」と称する。また、第一超音波発生部２０ａでは、第一レーザビームＬ１と第二レーザビームＬ２とは、測定対象物２の幅方向に垂直な同一平面内にあり、一方、第二超音波発生部２０ｂでは、第一レーザビームＬ１と第二レーザビームＬ２とは、測定対象物２の圧延方向に垂直な同一平面内にあるものとする。
【００３１】
このような状況で、ビームスプリッタ２１で反射した第一レーザビームＬ１と音響光学素子２３から出射された第二レーザビームＬ２とが測定対象物２上の同一位置（超音波発生位置）に照射されると、二つのビームは干渉しあい、光波が強め合うところと弱め合うところが交互に現れる干渉縞を生じる。しかも、二つのレーザビームＬ１，Ｌ２の光周波数がわずかに異なることから、この干渉縞は測定対象物２の表面上を移動する。ここで、干渉縞の移動方向は、第一超音波発生部２０ａが発生させた場合は測定対象物２の圧延方向であり、第二超音波発生部２０ｂが発生させた場合は測定対象物２の幅方向である。また、干渉縞の走査速度ＶＲ、干渉縞の波長λａｃｏは、
ＶＲ＝λ１・（ｆ２−ｆ１）／２ｓｉｎθ
λａｃｏ＝λ１／２ｓｉｎθ
で与えられる。
【００３２】
干渉によって生じる干渉縞は熱応力のパターンに対応するので、このパターンに応じた超音波が発生する。この超音波の波長は、干渉縞の波長λａｃｏと同じである。特に、干渉縞の走査速度ＶＲを測定対象物２の内部における超音波の音速よりも大きくすることによって、測定対象物２の表面に対して斜めに進行する超音波を発生させることができる。このとき、縦波超音波と横波超音波が同時に発生する。かかる超音波は、第一超音波発生部２０ａが発生させた場合は、測定対象物２の幅方向に垂直な平面内を進行し、第二超音波発生部２０ｂが発生させた場合は、測定対象物２の圧延方向に垂直な平面内を進行する。第一超音波発生部２０ａが発生させた横波超音波は、圧延方向に変位した横波であり、一方、第二超音波発生部２０ｂが発生させた横波超音波は、幅方向に変位した横波である。また、本実施形態では、縦波超音波については、第一超音波発生部２０ａが発生させたものだけを考え、第二超音波発生部２０ｂが発生させたものは考えないことにする。すなわち、本実施形態では、超音波として、第一超音波発生部２０ａが発生させた縦波、第一超音波発生部２０ａが発生させた圧延方向変位横波、そして、第二超音波発生部２０ｂが発生させた幅方向変位横波の三つを考える。また、第一超音波発生部２０ａが発生させた縦波の音速をＶＬ、圧延方向変位横波の音速をＶＳ１、幅方向変位横波の音速をＶＳ２とする。
【００３３】
かかる超音波についてその発生時の進行方向角度（測定対象物２の厚さ方向に対する角度）をφ、そのときの測定対象物２の内部における超音波の音速をＶＣとすると、
φ＝ｓｉｎ−１（ＶＣ／ＶＲ）
という関係がある。したがって、干渉縞の走査速度ＶＲ、すなわち、入射角度θあるいは周波数差ｆ２−ｆ１を調整することによって、超音波の発生時における進行方向角度φを制御することができる。但し、超音波の音速ＶＣは温度依存性があるため、表面温度を計測し、予め計測していた温度と音速との関係のデータに基づいてＶＣを決める。
【００３４】
ところで、後に詳述するが、測定対象物２の各層における超音波の音速を求めるには、その超音波の発生時の進行方向角度を層の数と同じ数だけ予め設定しておき、その設定した各進行方向角度に当該超音波を発生させる度に、各進行方向角度に発生した当該超音波が測定対象物２の底面で反射して再び表面に戻ってくるまでの伝播時間を測定する必要がある。このため、超音波の発生時の進行方向角度φを制御する必要があるが、本実施形態では、かかる制御を、レーザビームの入射角度θを調整することによって行うことにする。具体的には、入射角度θの調整を容易に行えるようにするために、各超音波発生部２０ａ，２０ｂを、図４に示すような構成としている。すなわち、ビームスプリッタ２１で反射された第一レーザビームＬ１を測定対象物２の表面に垂直に入射させることにする。また、音響光学素子２３から出射された第二レーザビームＬ２を反射し、測定対象物２に照射するためのミラー２４を設ける。そして、リニアステージ等を用いて、このミラー２４の位置を、第一超音波発生部２０ａにおいては測定対象物２の圧延方向に沿って、第二超音波発生部２０ｂにおいては測定対象物２の幅方向に沿って移動させることにより、第二レーザビームＬ２の入射角度の制御を行う。ここで、図４では、第二レーザビームＬ２の実際の入射角度は２θであるが、本実施形態では、その半分の角度θのことも入射角度と称することにする。
【００３５】
尚、当然のことではあるが、超音波発生時の進行方向角度φについての制御は、第二レーザビームＬ２の代わりに第一レーザビームＬ１の入射角度を調整することにより、あるいは、第一レーザビームＬ１及び第二レーザビームＬ２の両方の入射角度を調整することにより、行うようにしてもよい。
【００３６】
図５に、縦波の発生時の進行方向角度φを２０度、３０度、４０度、５０度に制御する場合の入射角度θの設定値の一例を示す。この例では、周波数差ｆ２−ｆ１を８０ＭＨｚとしている。図５に示すように、縦波の発生時の進行方向角度φを２０度にするには入射角度θを０．１４度に設定すればよい。また、縦波の発生時の進行方向角度φを３０度にするには入射角度θを０．２１度に、その発生時の進行方向角度φを４０度にするには入射角度θを０．２６度に設定すればよい。そして、縦波の発生時の進行方向角度φを５０度にするには入射角度θを０．３２度に設定すればよい。
【００３７】
この例から分かるように、入射角度θの設定値はとても小さいので、通常は、測定対象物２の表面からある程度遠く離れた位置、例えば４ｍ離れた位置に、ミラー２４を設置することにしている。図５の表に示した「ビーム間隔」とは、測定対象物２の表面から４ｍ離れた高さ位置において測った、第一レーザビームＬ１と第二レーザビームＬ２との間隔のことである。具体的に、縦波の発生時の進行方向角度φを２０度にするにはビーム間隔を９．８ｍｍに設定すればよい。また、縦波の発生時の進行方向角度φを３０度にするにはビーム間隔を１４．４ｍｍに、その発生時の進行方向角度φを４０度にするにはビーム間隔を１８．５ｍｍに設定すればよい。そして、縦波の発生時の進行方向角度φを５０度にするにはビーム間隔を２２．０ｍｍに設定すればよい。
【００３８】
尚、縦波と同時に横波も発生するので、図５には、その縦波と同時に発生した横波の進行方向角度も示している。縦波と横波の進行方向が異なるのは、測定対象物２の内部における縦波の音速と横波の音速とが相違するからである。
【００３９】
また、超音波が測定対象物２の内部を伝播し、その底面で反射して再び表面に戻ってくる位置（以下では、「超音波検出位置」又は単に「検出位置」という。）は、おおよそ予測することができる。一例として、図６にビーム間隔と縦波の検出候補位置との関係を示す。ここで、横軸は、測定対象物２の表面から４ｍ離れた高さ位置におけるビーム間隔であり、縦軸は、レーザビームＬ１，Ｌ２の入射位置から圧延方向に沿って測った、縦波の検出候補位置である。かかる検出候補位置は、測定対象物２の厚さに依存するので、図６では、例として、測定対象物２の板厚が３０ｍｍ、５０ｍｍである場合を示している。ところで、この図６のグラフは、縦波の進行方向が測定対象物２の内部で一定であると仮定して求めたものである。しかしながら、実際には、測定対象物２の内部温度は場所によって異なり、超音波の音速も一定ではないので、超音波の進行方向は、測定対象物２の内部で変化する。このため、図６のグラフを利用して求めた縦波の検出候補位置は、実際の検出位置とは異なる。このような理由から、図６では、検出位置ではなく、「検出候補位置」という表現を使っている。本実施形態では、かかる図６に示すようなビーム間隔と検出候補位置との関係を、実際の超音波の検出位置を得るための参考として利用する。具体的には、まず、図６のようなグラフを利用して、超音波の検出候補位置を見い出す。次に、実際に超音波を発生させることにより、その検出候補位置の周辺領域において、測定対象物２内を伝播してきた超音波の強度を検出する。そして、最も大きな強度位置を、実際の超音波の検出位置として決定する。
【００４０】
また、各超音波発生部２０ａ，２０ｂは一体的に構成されており、測定対象物２の表面に平行な面上において測定対象物２の圧延方向及び幅方向に沿って移動することができる。各超音波発生部２０ａ，２０ｂの位置情報はコンピュータ７０により認識されており、コンピュータ７０は各超音波発生部２０ａ，２０ｂの位置情報に基づいて各超音波発生部２０ａ，２０ｂにおける超音波発生位置を知ることができる。
【００４１】
超音波検出用レーザ３０は、超音波発生用レーザ１０からのレーザビームの照射によって測定対象物２内に発生し、測定対象物２内を伝播してきた超音波を検出するためのレーザである。超音波検出用レーザ３０としては、単一周波数のレーザビームを発するものを用いる。
【００４２】
超音波検出用レーザ３０から発せられたレーザビーム（第三レーザビーム）Ｌ３は、ビームスプリッタ８２によって、二つの第三レーザビームＬ３に分岐させられる。その分岐した一方の第三レーザビームＬ３は、集光レンズ８６で集光された後、光ファイバ９１に入射する。この光ファイバ９１は、当該第三レーザビームＬ３を第一ビーム取得部４０ａに導くものである。また、ビームスプリッタ８２で分岐したもう一方の第三レーザビームＬ３は、ミラー８４で反射し、集光レンズ８７で集光された後、光ファイバ９２に入射する。この光ファイバ９２は、当該第三レーザビームＬ３を第二ビーム取得部４０ｂに導くものである。
【００４３】
各ビーム取得部４０ａ，４０ｂは、第三レーザビームＬ３を所定の超音波検出位置に導くと共に、測定対象物２の表面で反射・散乱した第三レーザビームＬ３を取得するものであり、図１に示すように、二つの集光レンズ４１，４２と、ハーフミラー４３とを有する。特に、第一ビーム取得部４０ａは、第三レーザビームＬ３を、第一超音波発生部２０ａによって発生された縦波又は横波の検出位置に導き、第二ビーム取得部４０ｂは、第三レーザビームＬ３を、第一超音波発生部２０ｂによって発生された横波の検出位置に導く。各ビーム取得部４０ａ，４０ｂは、請求項１記載の発明における「ビーム取得手段」に対応する。
【００４４】
また、各ビーム取得部４０ａ，４０ｂは一体的に構成されており、測定対象物２の表面に平行な面上において測定対象物２の圧延方向及び幅方向に沿って移動することができる。各ビーム取得部４０ａ，４０ｂの位置情報はコンピュータ７０により認識されており、コンピュータ７０は各ビーム取得部４０ａ，４０ｂの位置情報に基づいて各ビーム取得部４０ａ，４０ｂにおける超音波検出位置を知ることができる。
【００４５】
各ビーム取得部４０ａ，４０ｂに入射した第三レーザビームＬ３は、集光レンズ４１で集光され、ハーフミラー４３を透過した後、測定対象物２上の所定の超音波検出位置に照射される。測定対象物２の表面は粗面であるため、かかる第三レーザビームＬ３は測定対象物２の表面においてほぼ等方的に散乱される。このとき、当該検出位置に、測定対象物２の内部を伝播してきた超音波が戻ってくると、当該検出位置が超音波振動をする。これにより、測定対象物２の表面で散乱された第三レーザビームＬ３は、測定対象物２の表面の超音波振動に起因するドップラーシフトを受けて周波数が変化する。
【００４６】
測定対象物２の表面で散乱された第三レーザビームＬ３のうち、その一部は、ハーフミラー４３で反射された後、集光レンズ４２で集光される。第一ビーム取得部４０ａの集光レンズ４２で集光された第三レーザビームＬ３は、光ファイバ９３に入射する。この光ファイバ９３は、かかる第三レーザビームＬ３を第一ファブリ・ペロー干渉計５０ａに導くものである。光ファイバ９３から出射した第三レーザビームＬ３は、集光レンズ８８で集光された後、第一ファブリ・ペロー干渉計５０ａに入射する。一方、第二ビーム取得部４０ｂの集光レンズ４２で集光された第三レーザビームＬ３は、光ファイバ９４に入射する。この光ファイバ９４は、かかる第三レーザビームＬ３を第二ファブリ・ペロー干渉計５０ｂに導くものである。光ファイバ９４から出射した第三レーザビームＬ３は、集光レンズ８９で集光された後、第二ファブリ・ペロー干渉計５０ｂに入射する。
【００４７】
各ファブリ・ペロー干渉計５０ａ，５０ｂは、超音波振動に起因して生じる第三レーザビームＬ３の周波数変化を検出するものであり、互いに対向する二つの反射ミラー５１，５２を有する。この二つの反射ミラー５１，５２は共振器を構成し、第三レーザビームＬ３を二つの反射ミラー５１，５２の間で多重反射させることによりバンドパスフィルタとして機能する。二つの反射ミラー５１，５２間の距離を調節することにより、この共振器を透過する光の周波数を調節することができる。各ファブリ・ペロー干渉計は、請求項１記載の発明における「周波数変化検出手段」に対応する。
【００４８】
ここで、ファブリ・ペロー干渉計５０ａ，５０ｂにおける共振曲線について説明する。図７はこの共振曲線の一例を示す図である。図７において、横軸は入射する光の周波数ｆを、縦軸はファブリ・ペロー干渉計５０ａ，５０ｂからの出力、すなわちファブリ・ペロー干渉計５０ａ，５０ｂを透過する光の強度Ｉを示している。図７から分かるように、透過光強度Ｉは、特定の周波数において急峻なピークを示すが、ピークの前後では速やかに低下する。このピークを示す周波数は、ファブリ・ペロー干渉計５０ａ，５０ｂの反射ミラー５１，５２間の距離を調節することによって変えることができる。そこで、図７に示す曲線の傾きが最大となる点（共振曲線動作点）Ａにおける周波数が、ちょうど第三レーザビームＬ３の発振周波数と一致するように反射ミラー５１，５２間の距離が調節されていれば、周波数のわずかな変化±Δｆを、相対的に大きな透過光強度の変化±ΔＩに変換することができる。これにより、ファブリ・ペロー干渉計５０ａ，５０ｂは、測定対象物２の表面の超音波振動に起因するドップラーシフトを受けて周波数が変化した第三レーザビームＬ３が入力したときに、その周波数の変化を透過光強度の変化として出力する。
【００４９】
第一ファブリ・ペロー干渉計５０ａから出力された透過光強度は、第一光検出器６０ａに送られ、一方、第二ファブリ・ペロー干渉計５０ｂから出力された透過光強度は、第二光検出器６０ｂに送られる。各光検出器６０ａ，６０ｂは、透過光強度を電気信号に変換するものである。これにより、超音波振動は、最終的に電気的な信号として捉えられる。各光検出器６０ａ，６０ｂからの信号は、コンピュータ７０に送られ、波形データとして記録される。
【００５０】
尚、本実施形態では、請求項８記載の発明における「超音波検出手段」として、第一ビーム取得部４０ａ、第一ファブリ・ペロー干渉計５０ａ及び第一光検出器６０ａと、第二ビーム取得部４０ｂ、第二ファブリ・ペロー干渉計５０ｂ及び第二光検出器６０ｂとが対応する。
【００５１】
コンピュータ７０は、かかる波形データに基づいて、超音波が測定対象物２の内部を伝播し、その底面で反射して再び表面に戻ってくるまでの伝播時間を求める。超音波発生用レーザ１０からレーザビームが発せられたタイミングと、かかるレーザビームが測定対象物２に照射するタイミングとは予め分かっている。このため、コンピュータ７０は、各光検出器６０ａ，６０ｂから送られた波形データに基づいて、周波数変化を検出したタイミングを調べることにより、超音波の伝播時間を求めることができる。また、コンピュータ７０は、縦波、圧延方向変位横波の各々について、超音波発生部２０ａの位置情報とビーム取得部４０ａの位置情報とに基づいて発生位置と検出位置との間の水平距離を求めると共に、幅方向変位横波について、超音波発生部２０ｂの位置情報とビーム取得部４０ｂの位置情報とに基づいて発生位置と検出位置との間の水平距離を求める。すなわち、コンピュータ７０は、請求項１又は８記載の発明における「演算手段」及び「距離算出手段」に対応する。
【００５２】
本実施形態では、縦波、圧延方向変位横波、幅方向変位横波の各超音波について、その発生時の進行方向角度を測定対象物２の層の数と同じ数だけ予め設定しておき、コンピュータ７０は、各超音波について、第一又は第二の超音波発生部２０ａ，２０ｂが各進行方向角度に超音波を発生させる度に、当該進行方向に発生した超音波の伝播時間及び水平距離を求める。すなわち、縦波、圧延方向変位横波、幅方向変位横波の各超音波について、その発生時の進行方向角度を制御して、上記の伝播時間の測定処理と水平距離の算出処理とを所定回数だけ繰り返す。その後、コンピュータ７０は、各超音波について、各進行方向角度に発生した超音波の伝播時間と、各進行方向に発生した超音波についての発生位置と検出位置との間の水平距離とに基づいて、測定対象物２の各層における超音波の音速を算出する。
【００５３】
また、コンピュータ７０は、その算出した各層における縦波の音速に基づいて測定対象物２の各層における内部温度を求める。ここで、コンピュータ７０には、各種の鋼材についての内部温度と縦波音速との対応関係を示すデータベースが構築されている。このため、コンピュータ７０は、そのデータベースを利用して、測定対象物２の各層における縦波の音速から各層の内部温度を容易に求めることができる。
【００５４】
次に、各進行方向角度に発生した超音波の伝播時間及び水平距離から測定対象物２の各層における超音波の音速を算出する方法について詳しく説明する。図８及び図９は測定対象物２の各層における超音波の音速を算出する方法を説明するための図である。
【００５５】
熱間プロセスで製造される厚板の場合、その内部温度は場所によって異なり、超音波の音速も一定ではない。このため、超音波の進行方向は厚板の内部で変化する。本実施形態では、第一又は第二の超音波発生部２０ａ，２０ｂによって発生された超音波の伝播領域に対応する測定対象物２の領域においては、超音波の音速が測定対象物２の各層内で一定であると仮定する。この場合、測定対象物２の各層の厚さを小さく設定すればするほど、その仮定した超音波の音速は実際の値に近似する。したがって、各層の厚さを十分小さく設定すれば、内部温度や残留応力を高い精度で測定することが可能である。
【００５６】
いま、図８及び図９に示すように、測定対象物２である厚板をその厚さ方向に沿って四つの層に区分した場合を考えることにする。これら各層を、厚板の表面側から順番に、第１層、第２層、第３層、第４層と称する。ここで、第ｋ層（ｋ＝１，２，３，４）における厚さをｄｋ、そこでの超音波の平均音速をＶｋとする。そして、超音波の発生時における進行方向角度がφｊ（ｊ＝１，２，３，４）のとき、当該超音波の伝播時間をｔｊとする。
【００５７】
また、上記の仮定の下では、各層における超音波の進行方向は一定であるので、図９に示すように、超音波は各層の境界面を通過する際に屈折すると考える必要がある。但し、図８では、かかる屈折を省略し、超音波の伝播経路を直線で示している。ここで、図９に示すように、超音波が測定対象物２の第１層を進行方向角度φｊ（ｊ＝１，２，３，４）で伝播したとき、第１層と第２層の境界面における屈折角度をφｊ２、第２層と第３層の境界面における屈折角度をφｊ３、第３層と第４層の境界面における屈折角度をφｊ４とする。
【００５８】
超音波が測定対象物２の第１層を進行方向角度φｊ（ｊ＝１，２，３，４）で伝播した場合、当該超音波の伝播時間ｔｊは、
ｔｊ＝２［ｄ１／（Ｖ１・ｃｏｓφｊ）＋ｄ２／（Ｖ２・ｃｏｓφｊ２）＋ｄ３／（Ｖ３・ｃｏｓφｊ３）＋ｄ４／（Ｖ４・ｃｏｓφｊ４）］
である。ここで、各境界面においてスネルの法則を適用すると、
ｃｏｓφｊｍ＝｛１−（Ｖｍ／Ｖ１）２（１−ｃｏｓ２φｊ）｝１／２
≡Ｆ（Ｖ１，Ｖｍ，ｃｏｓφｊ）
と表すことができる。ただし、ｍ＝２，３，４である。したがって、
ｔｊ＝２［ｄ１／（Ｖ１・ｃｏｓφｊ）
＋ｄ２／（Ｖ２・Ｆ（Ｖ１，Ｖ２，ｃｏｓφｊ））
＋ｄ３／（Ｖ３・Ｆ（Ｖ１，Ｖ３，ｃｏｓφｊ））
＋ｄ４／（Ｖ４・Ｆ（Ｖ１，Ｖ４，ｃｏｓφｊ）］
となる。ここで、ｊ＝１，２，３，４である。
【００５９】
かかる四つの伝播時間ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４の式において、当該超音波の発生時の進行方向角度φ１，φ２，φ３，φ４は干渉縞走査法により既知のパラメータであり、各層の厚さｄ１，ｄ２，ｄ３，ｄ４も予め分かっている。したがって、コンピュータ７０は、レーザ超音波法を利用して求めた当該超音波についての伝播時間ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４を、上記の各式に代入し、当該超音波の音速Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４を未知数とする非線形連立方程式を解くことにより、各層における当該超音波の音速Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４を算出する。
【００６０】
ここで、解くべき連立方程式は非線形であるので、その解は一意的でなく、各層における当該超音波の音速Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４として複数組の解が得られる。このため、コンピュータ７０は、各進行方向角度φｊ（ｊ＝１，２，３，４）に発生した当該超音波についての発生位置と検出位置との間の水平距離ｘｊを表す式を、複数組の解のうちから適切な一の組の解を選択するための判定式として利用する。水平距離ｘｊ（ｊ＝１，２，３，４）を表す式は、
ｘｊ＝２［ｄ１・ｔａｎφｊ＋ｄ２・ｔａｎφｊ２＋ｄ３・ｔａｎφｊ３＋ｄ４・ｔａｎφｊ４］
で与えられる。ここで、スネルの法則により、
ｔａｎφｊｍ＝（Ｖｍ／Ｖ１）（１−ｃｏｓ２φｊ）１／２×｛１−（Ｖｍ／Ｖ１）２（１−ｃｏｓ２φｊ）｝−１／２
である。ただし、ｍ＝２，３，４である。コンピュータ７０は、まず、かかる四つの水平距離を表す式に、超音波発生部の位置情報及びビーム取得部の位置情報に基づいて求めた当該超音波の水平距離ｘ１，ｘ２，ｘ３，ｘ４を代入する。次に、これらの式に、四つの伝播時間ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４の式を解いて得られた各組の解を代入して、四つの水平距離を表す式が満たされるか否かを判定する。そして、四つの水平距離を表す式を満たす一組の解を、各層における当該超音波の音速Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４として決定する。
【００６１】
実際には、コンピュータ７０は、専用の非線形回帰計算ソフトを用いて、各層における超音波の音速を求める。かかる専用の非線形回帰計算ソフトとしては、例えば、Ｌｅｖｅｎｂｅｒｇ−Ｍａｒｑｕａｒｄｔアルゴリズムモジュールを用いて作成したものを使用することができる。
【００６２】
このようにして、縦波、圧延方向変位横波、幅方向変位横波の各々について、測定対象物２の各層における当該超音波の音速を算出することにより、測定対象物２の内部での音速分布を得ることができる。また、各層における縦波の音速に基づいて各層の内部温度を得ることができる。したがって、コンピュータ７０は、各層における内部温度と各層における各超音波の音速を、音速比法を利用した式に代入して計算することにより、当該超音波照射位置近傍での各層の残留応力を求めることができる。
【００６３】
次に、本実施形態の残留応力分布測定装置において、測定対象物２の残留応力分布を測定する手順について説明する。図１０はその残留応力分布測定装置において測定対象物２の残留応力分布を測定する手順を説明するためのフローチャートである。
【００６４】
まず、オペレータは、測定対象物２をその厚さ方向に沿って区分する層の数、各層の厚さを設定すると共に、干渉縞走査法により発生させる縦波、圧延方向変位横波、幅方向変位横波の各々について、その進行方向角度を層の数と同数だけ設定する（Ｓ１）。そして、オペレータは、これらの設定値や計算に必要なパラメータ値をコンピュータ７０に入力する（Ｓ２）。
【００６５】
次に、縦波、圧延方向変位横波、幅方向変位横波の各超音波について伝播時間を測定する（Ｓ３）。本実施形態では、超音波発生部とビーム取得部を二組設けたことにより、二つの超音波についての伝播時間の測定処理を同時に行うことができる。例えば、縦波の伝播時間と幅方向変位横波の伝播時間を同時に測定し、その後に、圧延方向変位横波の伝播時間を測定することにする。
【００６６】
具体的には、まず、オペレータは、縦波についてステップＳ１で設定した複数の進行方向角度のうち、一の進行方向角度を選択すると共に、幅方向変位横波についても一の進行方向角度を選択する。そして、その選択した縦波の進行方向角度に縦波が発生するように、第一超音波発生部２０ａにおけるミラー２４の位置を調節し、また、その選択した横波の進行方向角度に横波が発生するように、第二超音波発生部２０ｂにおけるミラー２４の位置を調節する。その後、図６に示すようなビーム間隔と検出候補位置との関係を参考にして、実際に、超音波発生用レーザ１０からレーザビームを発することにより、第一超音波発生部２０ａによって発生された縦波の実際の検出位置と、第二超音波発生部２０ｂによって発生された横波の実際の検出位置とを検出する。そして、超音波検出用レーザ３０から発せられた第三レーザビームＬ３が当該縦波の検出位置に照射されるように、第一ビーム取得部４０ａの位置を調整すると共に、第三レーザビームＬ３が当該横波の検出位置に照射されるように、第二ビーム取得部４０ｂの位置を調整する。
【００６７】
こうして位置調整がされた後、コンピュータ７０は、第一超音波発生部２０ａの位置情報と第一ビーム取得部４０ａの位置情報とに基づいて、当該選択した進行方向に発生する縦波についての発生位置と検出位置との間の水平距離を求める。また、第二超音波発生部２０ｂの位置情報と第二ビーム取得部４０ｂの位置情報とに基づいて、当該選択した進行方向角度に発生する幅方向変位横波についての発生位置と検出位置との間の水平距離を求める。これらの水平距離はコンピュータ７０の所定のメモリに記憶される。
【００６８】
こうして準備が整うと、次に、超音波発生用レーザ１０からレーザビームを発することにより測定対象物２の内部に超音波を発生させると共に、超音波検出用レーザ３０から第三レーザビームを発する。これにより、第一ビーム取得部４０ａ及び第一ファブリ・ペロー干渉計５０ａは、縦波の超音波の振動に起因して生じる第三レーザビームの周波数変化を検出し、第二ビーム取得部４０ｂ及び第二ファブリ・ペロー干渉計５０ｂは、幅方向変位横波の超音波の振動に起因して生じる第三レーザビームの周波数変化を検出する。そして、コンピュータ７０は、それらの周波数変化を表す波形データに基づいて、縦波の伝播時間と幅方向変位横波の伝播時間とを求める。これらの伝播時間はコンピュータ７０の所定のメモリに記憶される。
【００６９】
次に、ステップＳ１において設定したすべての進行方向角度に対して、上記の処理を繰り返すことにより、各進行方向角度に発生した縦波の伝播時間、各進行方向に発生した縦波についての発生位置と検出位置との間の水平距離、各進行方向に発生した幅方向変位横波の伝播時間、各進行方向に発生した幅方向変位横波についての発生位置と検出位置との間の水平距離が得られる。
【００７０】
その後、同様にして、第一超音波発生部２０ａ、第一ビーム取得部４０ａ及び第一ファブリ・ペロー干渉計５０ａを用いて、各進行方向角度に発生した圧延方向変位横波についての発生位置と検出位置との間の水平距離を求めると共に、各進行方向角度に発生した圧延方向変位横波の伝播時間を測定する。こうして、縦波、圧延方向変位横波、幅方向変位横波の各超音波について、当該超音波を各進行方向角度に発生させたときの水平距離と伝播時間とが得られる。
【００７１】
次に、コンピュータ７０は、各進行方向角度に発生した各超音波の伝播時間と各進行方向角度に発生した各超音波についての発生位置と検出位置との間の水平距離とに基づいて、測定対象物２の各層における縦波の音速、圧延方向変位横波の音速、幅方向変位横波の音速を算出する（Ｓ４）。その後、コンピュータ７０は、当該測定対象物２についての内部温度と縦波音速との対応関係を示すデータベースを利用し、測定対象物２の各層における縦波の音速から各層の内部温度を求める（Ｓ５）。そして、コンピュータ７０は、各層における内部温度と各超音波の音速を、音速比法を利用した式に代入して計算することにより、超音波照射位置近傍での各層における残留応力（圧延方向の応力と幅方向の応力との和）を求める。こうして得られた各層の残留応力は、例えば、コンピュータ７０の画面に表示される。
【００７２】
次に、本発明者等は、本実施形態の残留応力分布測定装置を用いて各層における超音波の音速が十分な精度で求められるかどうかを検証した。この検証は、次のようにして行われた。まず、各層の内部温度を仮定する。そして、その仮定した各層の内部温度から、内部温度と超音波（ここでは縦波とする。）の音速との対応関係を示すデータベースを利用して各層における超音波の音速を求める。その後、これら各層における超音波の音速を用いて、各進行方向角度に発生する超音波についての伝播時間のデータと水平距離のデータとを作成する。次に、その作成した伝播時間のデータと水平距離のデータとをコンピュータ７０にインプットする。コンピュータ７０は専用の非線形回帰計算ソフトを用いて各層における超音波の音速を算出する。そして、こうして算出された各層における超音波の音速が、最初に仮定した内部温度から求められる超音波の音速と一致するかどうかを調べた。
【００７３】
図１１は各層における超音波の音速を算出する方法を検証する際に作成した各種のデータの一例を示す図である。本検証においては、層の数を６とし、各層の厚さをすべて５ｍｍと仮定した。そして、図１１に示すように、第１層の内部温度を７７５℃、第２層の内部温度を７９０度、第３層の内部温度を８３０℃、第４層の内部温度を８１０℃、第５層の内部温度を８５０℃、第６層の内部温度を７７０℃と仮定した。また、超音波が第１層を伝播する進行方向角度φｊ（ｊ＝１，２，・・・　，６）をそれぞれ、１５度、２０度、２５度、３０度、３５度、４０度と仮定した。
【００７４】
このような各種のデータを仮定した後、まず、内部温度と超音波の音速との対応関係を示すデータベースを用いて、上記の仮定した各層の内部温度から各層における超音波の音速を求めた。具体的には、図１１に示すように、第１層における超音波の音速は６００８．３８ｍ／ｓｅｃ、第２層における超音波の音速は５８６４．１５ｍ／ｓｅｃ、第３層における超音波の音速は５４７９．５５ｍ／ｓｅｃ、第４層における超音波の音速は５６７１．８５ｍ／ｓｅｃ、第５層における超音波の音速は５２８７．２５ｍ／ｓｅｃ、第６層における超音波の音速は６０５６．４５ｍ／ｓｅｃである。
【００７５】
次に、これら各層における超音波の音速を用いて、進行方向角度がφｊ（ｊ＝１，２，・・・　，６）である場合に超音波が各層を伝播するのに要する時間（各層における伝播時間）を求めた。かかる各層における伝播時間は図１１に示されている。その後、各進行方向角度φｊ（ｊ＝１，２，・・・　，６）に発生した超音波の（トータルの）伝播時間と、発生位置と検出位置との間の水平距離とを求めた。図１１に示すように、進行方向角度がφ１である場合は、超音波の伝播時間が１．０８３×１０−５ｓｅｃ、発生位置と検出位置との間の水平距離が１．５２８０×１０−２ｍである。進行方向角度がφ２である場合は、超音波の伝播時間が１．１１１×１０−５ｓｅｃ、発生位置と検出位置との間の水平距離が２．０７０４×１０−２ｍである。進行方向角度がφ３である場合は、超音波の伝播時間が１．１４７×１０−５ｓｅｃ、発生位置と検出位置との間の水平距離が２．６４３３×１０−２ｍである。進行方向角度がφ４である場合は、超音波の伝播時間が１．１９４×１０−５ｓｅｃ、発生位置と検出位置との間の水平距離が３．２５７７×１０−２ｍである。進行方向角度がφ５である場合は、超音波の伝播時間が１．２５４×１０−５ｓｅｃ、発生位置と検出位置との間の水平距離が３．９２６９×１０−２ｍである。進行方向角度がφ６である場合は、超音波の伝播時間が１．３２９×１０−５ｓｅｃ、発生位置と検出位置との間の水平距離が４．６６８２×１０−２ｍである。
【００７６】
こうして、仮定した内部温度に基づいて、各進行方向角度φｊ（ｊ＝１，２，・・・　，６）に発生した超音波の伝播時間のデータと、発生位置と検出位置との間の水平距離のデータとを求めた後、これらの超音波の伝播時間のデータと水平距離のデータとを測定値としてコンピュータ７０にインプットした。そして、コンピュータ７０は、専用の非線形回帰ソフトを用いて、各層における超音波の音速を演算した。本検証では、コンピュータ７０で用いる非線形回帰ソフトとして、前述したＬｅｖｅｎｂｅｒｇ−Ｍａｒｑｕａｒｄｔアルゴリズムモジュールを用いて作成したものを使用した。ここで、超音波発生時の進行方向角度がφｊ（ｊ＝１，２，・・・　，６）のとき、回帰計算のＦＩＴＴＩＮＧ評価式を、
Δｊ＝｛（ｘｊＣＡＬ−ｘｊＭＥＳ）／ｘｊＩＮＩＴ｝２＋｛（ｔｊＣＡＬ−ｔｊＭＥＳ）／ｔｊＩＮＩＴ｝２とした。添字「ＣＡＬ」は当該回帰計算における計算値を表す。また、添字「ＭＥＳ」は上記のインプットされた測定値を表し、添字「ＩＮＩＴ」は当該回帰計算における初期値（暫定推定値）を表す。
【００７７】
かかる演算の結果、第１層における超音波の音速として６．００９７×１０３ｍ／ｓｅｃ、第２層における超音波の音速として５．８２２５×１０３ｍ／ｓｅｃ、第３層における超音波の音速として５．５４４１×１０３ｍ／ｓｅｃ、第４層における超音波の音速として５．６３７３×１０３ｍ／ｓｅｃ、第５層における超音波の音速として５．２６２５×１０３ｍ／ｓｅｃ、第６層における超音波の音速として６．０９６７×１０３ｍ／ｓｅｃが得られた。
【００７８】
この演算により得られた各層における超音波の音速（計算音速値）を、図１１において最初に求めた各層における超音波の音速（仮定音速値）と比較すると、各層における計算音速値と仮定音速値との誤差は１％程度である。したがって、本実施形態の残留応力分布測定装置を用いることにより、各層における超音波の音速、したがって残留応力を十分な精度で求めることができる。
【００７９】
本実施形態の残留応力分布測定装置では、レーザ超音波法及び干渉縞走査法を用いることにより、測定対象物の内部にその表面に対して斜めに進行する超音波を発生させ、縦波、圧延方向変位横波、幅方向変位横波の各超音波について、それを複数の進行方向の各々に発生させたときの伝播時間を求める。また、各進行方向に発生した当該超音波についての発生位置と検出位置との間の水平距離を求める。そして、各超音波について、その求めた複数の伝播時間及び水平距離に基づいて、厚さ方向に沿って予め区分された測定対象物の各層における音速を算出した後、各層における縦波の音速に基づいて各層の内部温度を求め、各超音波についての各層の音速、各層の内部温度に基づいて各層の残留応力を算出する。したがって、本実施形態の残留応力分布測定装置を用いると、測定対象物の残留応力分布を直接求めることができる。特に、レーザ超音波法及び干渉縞走査法を用いているので、熱間オンラインで測定対象物の残留応力分布を求めることができる。
【００８０】
尚、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内において種々の変形が可能である。
【００８１】
上記の実施形態では、縦波の音速に基づいて測定対象物の内部温度を求める場合について説明したが、横波の音速に基づいて測定対象物の内部温度を求めるようにしてもよい。この場合は、コンピュータに、各種の鋼材についての内部温度と横波の音速との対応関係のデータベースを構築しておく必要がある。
【００８２】
また、上記の実施形態では、測定対象物をその厚さ方向に沿って四つの層に区分して各層の内部温度を測定する場合について説明したが、一般に、測定対象物を四つ以上の複数の層に区分して、各層の内部温度や残留応力を測定してもよい。特に、区分する層の数が多ければ多いほど、測定対象物の内部における温度分布や残留応力分布の測定精度が向上する。このため、かかる測定精度を考慮して、測定対象物を区分する層の数を決定する必要がある。
【００８３】
また、上記の実施形態では、超音波発生部、ビーム取得部、ファブリ・ペロー干渉計及び光検出器を二組設けた場合について説明したが、それらの構成要素を一組だけ設けるようにしてもよい。この場合は、縦波、圧延方向変位横波、幅方向変位横波の各超音波についての伝播時間を個別に測定することになる。あるいは、かかる構成要素を三組設けるようにしてもよい。これにより、各超音波の伝播時間を一度に測定することができる。
【００８４】
更に、上記の実施形態では、測定対象物として、熱間プロセスで製造される厚板を用いた場合について説明したが、本発明の残留応力分布測定装置は、かかる厚板以外のどのような物に対しても適用することができる。
【００８５】
また、上記の実施形態では、レーザ超音波法を用いて、測定対象物の内部にその表面に対して斜めに進行する超音波を発生させ、測定対象物の底面で反射して再び表面に戻ってきた超音波を検出する場合について説明したが、例えば、探触子を用いて、超音波の発生・検出を行うことも可能である。図１２は本発明の変形例である残留応力分布測定装置の概略構成図である。
【００８６】
図１２に示す残留応力分布測定装置は、第一の探触子１１０と、第二の探触子１２０と、探傷器１３０と、コンピュータ１４０とを備える。第一の探触子１１０は、測定対象物２の内部に、その表面に対して斜めに進行する超音波を発生させるものである。ここで、第一の探触子１１０は、縦波の超音波、測定対象物２の縦幅方向に変位した横波の超音波、測定対象物２の横幅方向に変位した横波の超音波を発生させる。第二の探触子１２０は、第一の探触子１１０が発生させた超音波の各々について、測定対象物２の底面で反射して再び表面に戻ってきた当該超音波を受信し、当該超音波の波形データを検出するものである。第一の探触子１１０及び第二の探触子１２０はそれぞれ、測定対象物２の表面上で移動することができる。二つの探触子１１０，１２０の移動はコンピュータ１４０により制御される。各探触子１１０，１２０の位置情報はコンピュータ１４０により認識されており、コンピュータ１４０は各探触子１１０，１２０の位置情報に基づいて超音波発生位置及び超音波検出位置を知ることができる。第一の探触子１１０は、請求項８記載の発明における「超音波発生手段」に対応し、第二の探触子１２０は、請求項８記載の発明における「超音波検出手段」に対応する。
【００８７】
探傷器１３０は、発生制御部１３１と、データ処理部１３２と、記憶部１３３と、波形表示部１３４とを有する。発生制御部１３１は、第一の探触子１１０による超音波の発生を制御するものである。具体的には、超音波発生のタイミング、発生させる超音波についてエネルギーや波形を制御する。データ処理部１３２は、第二の探触子１２０が検出した超音波の波形データを増幅したり、ノイズを除去したりするものである。データ処理部１３２で処理された波形データは、記憶部１３３に記憶される。波形表示部１３４は、波形データを表示するものである。
【００８８】
尚、探触子１１０，１２０及び探傷器１３０としては、市販のものを使用することができる。
【００８９】
コンピュータ１４０は、上記の実施形態におけるコンピュータ７０と同じ機能を有するものであり、請求項８記載の発明における「距離算出手段」及び「演算手段」に対応する。この変形例でも、測定対象物２をその厚さ方向に沿って複数の層に区分している。そして、縦波、縦幅方向変位横波、幅方向変位横波の各超音波について、測定対象物２の第１層における当該超音波の進行方向角度を測定対象物２の層の数と同じ数だけ予め設定している。コンピュータ１４０は、各超音波について、第一の探触子１１０が各進行方向角度に当該超音波を発生させる度に、当該進行方向角度に発生した超音波の伝播時間を求めると共に、当該進行方向角度に発生した超音波についての発生位置と検出位置との間の水平距離を求める。その後、コンピュータ１４０は、各超音波について、各進行方向角度に発生した当該超音波の伝播時間と、各進行方向角度に発生した当該超音波についての発生位置と検出位置との間の水平距離とに基づいて、測定対象物２の各層における超音波の音速を算出する。また、コンピュータ１４０は、その算出した各層における縦波の音速に基づいて測定対象物２の各層における内部温度を求め、各層における各超音波の音速及び各層の内部温度に基づいて各層における残留応力を算出する。
【００９０】
尚、変形例の残留応力分布測定装置では、第１層における超音波の進行方向角度の算出方法が上記の実施形態のものと異なる。すなわち、第一の探触子１１０から発生した超音波は、第一の探触子１１０と測定対象物２との境界面で屈折して測定対象物２内に入る。このとき、第１層における超音波の進行方向角度（境界面での屈折角）は、境界面への超音波の入射角、測定対象物２の外部を伝播する超音波の音速、測定対象物２の表層を伝播する超音波の音速を用いて、スネルの法則より算出される。ここで、測定対象物２の表層を伝播する超音波の音速は、測定対象物２の表面温度を測定し、その測定した表面温度から求めることができる。
【００９１】
かかる変形例の残留応力分布測定装置でも、上記の実施形態における残留応力分布測定装置と同様に、測定対象物の残留応力分布を直接測定することができる。但し、探触子を用いて超音波の発生、検出を行うので、変形例の残留応力分布測定装置は、熱間オンラインで測定対象物の残留応力分布を測定する場合に用いるには適さない。
【００９２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の残留応力分布測定装置では、測定対象物の内部にその表面に対して斜めに進行する超音波を発生させ、縦波、縦幅方向変位横波、横幅方向変位横波の各超音波について、それを複数の進行方向の各々に発生させたときの伝播時間を求める。また、各進行方向に発生した当該超音波についての発生位置と検出位置との間の距離を求める。そして、各超音波について、その求めた複数の伝播時間及び発生位置と検出位置との間の距離に基づいて厚さ方向に沿って予め区分された測定対象物の各層における音速を算出した後、一の超音波についての各層の音速に基づいて各層の内部温度を求め、各超音波についての各層の音速、各層の内部温度に基づいて各層の残留応力を算出する。したがって、本発明の残留応力分布測定装置を用いると、測定対象物の残留応力分布を直接求めることができる。特に、レーザ超音波法及び干渉縞走査法を用いることにより、熱間オンラインで測定対象物の残留応力分布を求めることができる。
【００９３】
また、本発明の残留応力分布測定方法によれば、上記と同様に、測定対象物の残留応力分布を直接求めることができる。特に、レーザ超音波法及び干渉縞走査法を用いることにより、熱間オンラインで測定対象物の残留応力分布を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態である残留応力分布測定装置の概略構成図である。
【図２】ある鋼材についての内部温度と縦波音速との関係を示すグラフである。
【図３】干渉縞走査法の原理を説明するための図である。
【図４】本実施形態の残留応力分布測定装置における各超音波発生部の具体的な構成を説明するための図である。
【図５】縦波の発生時の進行方向角度φを制御する場合のレーザビームの入射角度θの設定値の一例を示す図である。
【図６】ビーム間隔と縦波の検出候補位置との関係を示すグラフである。
【図７】本実施形態の残留応力分布測定装置におけるファブリ・ペロー干渉計の共振曲線の一例を示す図である。
【図８】測定対象物の各層における超音波の音速を算出する方法を説明するための図である。
【図９】測定対象物の各層における超音波の音速を算出する方法を説明するための図である。
【図１０】本実施形態の残留応力分布測定装置において測定対象物の残留応力分布を測定する手順を説明するためのフローチャートである。
【図１１】各層における超音波の音速を算出する方法を検証する際に作成した各種のデータの一例を示す図である。
【図１２】本発明の変形例である残留応力分布測定装置の概略構成図である。
【符号の説明】
２　　測定対象物
１０　　超音波発生用レーザ
２０ａ　　第一超音波発生部
２０ｂ　　第二超音波発生部
２１　　ビームスプリッタ
２２，２４　　ミラー
２３　　音響光学素子
３０　　超音波検出用レーザ
４０ａ　　第一ビーム取得部
４０ｂ　　第二ビーム取得部
４１，４２　　集光レンズ
４３　　ハーフミラー
５０ａ　　第一ファブリ・ペロー干渉計
５０ｂ　　第二ファブリ・ペロー干渉計
５１，５２　　反射ミラー
６０ａ　　第一光検出器
６０ｂ　　第二光検出器
７０　　コンピュータ
８１，８２　　ビームスプリッタ
８４　　ミラー
８６，８７，８８，８９　　集光レンズ
９１，９２，９３，９４　　光ファイバ
１１０　　第一の探触子
１２０　　第二の探触子
１３０　　探傷器
１３１　　発生制御部
１３２　　データ処理部
１３３　　記憶部
１３４　　波形表示部
１４０　　コンピュータ
【図１】
2004077460.tif 000003
【図２】
2004077460.tif 000004
【図３】
2004077460.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2004077460.tif 000010
【図９】
2004077460.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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