(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体材料表層部の密度と縦弾性係数を測定する方法であって、超音波を固体材料表層部に対して発信し、その受信波から漏洩クリーピング波、表面SV波、及び漏洩Rayleigh波の音速をそれぞれ求め、また漏洩Rayleigh波の振幅スペクトルと本発明者の式（１）を用いて漏洩Rayleigh波の減衰係数の値を求め、該３つの音速の値と該減衰係数の値から、Viktrovの式（２）及び式（３）を用いることで固体材料表層部の密度と縦弾性係数を測定する方法。
【数１】
0004736036.tif 000013
【数２】
0004736036.tif 000014
【数３】
0004736036.tif 000015
【請求項２】
固体材料表層部の表面が円弧形状であることを特徴とする請求項１記載の固体材料表層部の密度と縦弾性係数の測定方法。
【請求項３】
固体材料表層部の表面が平面であることを特徴とする請求項１記載の固体材料表層部の密度と縦弾性係数の測定方法。
【請求項４】
固体材料の材質が金属であることを特徴とする請求項１記載の密度と縦弾性係数の測定方法。
【請求項５】
固体材料の材質がセラミック材料であることを特徴とする請求項１記載の密度と縦弾性係数の測定方法。
【請求項６】
固体材料の材質がプラスチック材料であることを特徴とする請求項１記載の密度と縦弾性係数の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
固体材料表層部の物性値を測定する方法に関し、詳しくは固体材料表層部の密度、縦弾性係数または横弾性係数を測定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
材料表面を高機能・高性能にする表面処理技術が開発されている。例えば金型であれば、長寿命をはかるために表面に窒化物を形成させることが行われている。また、環境保全の観点から潤滑剤の使用量を減らすために、金型表面にダイアモンドライクなコ−ティング膜を施すことも行われている。
そして金型に代表されるように、表層部の物性がそのバルク材とは異なっている製品が近年増加している。また表層部がそのバルク材の物性と同一であったとしても、使用している間に例えば熱疲労などによって表層部の物性が変化する例も数多く存在する。そのため表層部の物性、例えば密度や縦弾性係数を測定することが必要である。
固体材料表層部の物性値、例えば密度や縦弾性係数を非破壊的に測定する方法として、次の非特許文献に記載されたものがある。これは漏洩表面波が表面からほぼ一波長の間を伝搬する特性を利用して表層部の物性を測定する方法である。
【０００３】
この方法の概要は次の通りである。水浸法で固体材料表層部に超音波を発信し、反射波を計測して漏洩クリーピング波、表面SV波、及び漏洩Rayleigh波の音速を各々算出する。また、漏洩Rayleigh波の振幅スペクトルからデフォ−カス量ｚの変化にともなう漏洩Rayleigh波の受信振幅A(z)の変化割合を求め、下記のXiangの式（１a）を用いて漏洩Rayleigh波の減衰係数γを算出する。
【数４】
0004736036.tif 000002
【０００４】
次に、下記のViktrovの式（２）を用いて表層部の密度ρを求める。
【数５】
0004736036.tif 000003
さらに、Viktrovの式（２）で算出した表層部の密度ρの値、漏洩クリーピング波の音速Vl、及び表面SV波の音速Vtとから、表層部の縦弾性係数を算出する。
【０００５】
【非特許文献１】川嶋ほか：機論A,64-625(1998),2315.
【非特許文献２】D.Xiang et al：Review of Progress in Quantitative NDE,15(1996),1431.
【非特許文献３】I.A.Viktrov：Rayleigh and Lamb Waves, Plenum Press(1967).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記の非特許文献に記載の方法は、被測定対象である固体材料表層部の表面が平面である場合には有効であるが、被測定対象である固体材料表層部の表面が曲面形状である場合には式（１a）が適用できないため、固体材料表層部の表面が曲面形状の場合にはその密度と縦弾性係数を求めることが不可能である。しかし、固体材料例えば金型の表層部の表面は一般的には曲面形状となるため、固体材料表層部の表面が曲面形状となる場合であってもその物性が測定できる方法が望まれている。
【０００７】
本発明はかかる実状を背景になされたものである。
すなわち、本発明は、測定の対象となる固体材料表層部の表面が平面に加え、円弧形状（曲面形状）の場合においても、表層部の密度と縦弾性係数を非破壊的に測定できる方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以上のような課題背景に対して、本発明者は鋭意工夫を重ねた結果、漏洩Rayleigh波の減衰係数を本発明者が導き出した式によって算出することで問題が解決できることを見出し、その知見に基づき本発明を行った。
【０００９】
すなわち本発明は（１）、固体材料表層部の密度と縦弾性係数とを測定する方法であって、超音波を固体材料表層部に対して発信し、その受信波から漏洩クリーピング波、表面SV波、及び漏洩Rayleigh波の音速をそれぞれ求め、また漏洩Rayleigh波の受信振幅と本発明者の式（１）を用いて漏洩Rayleigh波の減衰係数の値を求め、該音速の値と該減衰係数の値から、Viktrovの式（２）及び式（３）を用いることで固体材料表層部の密度と縦弾性係数を測定する方法に存する。
【００１０】
【数１】
0004736036.tif 000004
【００１１】
【数２】
0004736036.tif 000005
【００１２】
【数３】
0004736036.tif 000006
【００１３】
また本発明は、（２）固体材料表層部の表面が円弧形状であることを特徴とする（１）記載の固体材料表層部の密度と縦弾性係数の測定方法に存する。
【００１４】
また本発明は、（３）固体材料表層部の表面が平面であることを特徴とする（１）記載の固体材料表層部の密度と縦弾性係数の測定方法に存する。
【００１５】
また本発明は、（４）固体材料の材質が金属であることを特徴とする（１）記載の密度と縦弾性係数の測定方法に存する。
【００１６】
また本発明は、（５）固体材料の材質がセラミック材料であることを特徴とする（１）記載の密度と縦弾性係数の測定方法に存する。
【００１７】
また本発明は、（６）固体材料の材質がプラスチック材料であることを特徴とする（１）記載の密度と縦弾性係数の測定方法に存する。
【００１８】
なお、本発明の目的に沿ったものであれば、上記（１）から（６）を適宜組み合わせた構成も採用可能である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明を用いることで、固体材料表層部の表面が、平面の場合は勿論、円弧形状であっても、その密度と縦弾性係数の測定が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
〔実施形態〕
以下図面を用いて、本発明の実施形態について説明をする。
本発明は、固体材料表層部の表面が平面の場合に加え円弧形状の場合においても、表層部の密度や弾性係数の測定をする方法である。
図１に示す通り、対象となる固体材料表層部（例えば金型の表層部）の表面を水等の液体中に沈め、対象となる固体材料表層部にたいして超音波を発信して、表層部表面からの反射波のピ−ク値を観察しながら、該固体材料の軸方向と線収束型超音波トランスデュ−サの軸方向とが一致するように注意深く調整をする。さらに、発信された超音波の焦点が該固体材料表層部の表面に一致するように、注意深く調整をする。
【００２１】
次に、デフォ−カス量ｚを一定間隔（例えば0.5mm）で変化させながら反射波を受信し、それをパソコンに転送して収録する。そして、収録した反射波の波形から垂直反射波とそれ以外の反射波（漏洩クリーピング波、表面SV波、及び漏洩Rayleigh波）とを切り分け、相互相関法によって垂直反射波とそれ以外の反射波との到達時間差を各々算出する。さらに、それらの到達時間差と固体材料と超音波トランスデュ−サとの間の幾何学的関係とから、漏洩クリーピング波、表面SV波、及び漏洩Rayleigh波の音速を算出する。これらの計算はコンピュータの演算処理によって容易に行うことができる。
【００２２】
また、固体材料表層部の表面が円弧形状の場合、Rayleigh波の音速は周波数によって変化することが理論的に知られているため、位相スペクトル法で漏洩Rayleigh波の位相速度を算出する。そして、漏洩Rayleigh波の位相速度にきわだった分散が観測されない場合には、漏洩Rayleigh波の音速は一定であるとみなし、相互相関法によって求めた漏洩クリーピング波、表面SV波、及び漏洩Rayleigh波の音速を用いて以降の計算を行う。なお、際立った分散が観測される場合には位相スペクトル法で求めた音速を用いて以降の計算を行う。
【００２３】
次に、受信した漏洩Rayleigh波をフ−リエ変換して得られる振幅スペクトルから求まるデフォ−カス量ｚの変化にともなう漏洩Rayleigh波の受信振幅A(z)の変化割合d[lnA(z)]/dzと本発明者の式（１）を用いて漏洩Rayleigh波の減衰係数γの値を算出する。
【数１】
0004736036.tif 000007
【００２４】
こうして求めた漏洩クリーピング波の音速Vl、表面SV波の音速Vt、漏洩Rayleigh波の音速VR、及びRayleigh波の減衰係数γの値と下記のViktrovの式（２）を用いて固体材料表層部の密度ρを算出する。
【数２】
0004736036.tif 000008
【００２５】
さらに、該密度ρの値、漏洩クリーピング波の音速Vl、及び表面SV波の音速Vtと下記の式（３）を用いて固体材料表層部の縦弾性係数（ヤング率）Eを算出する。
【数３】
0004736036.tif 000009
【００２６】
そして下記の式（４）を用いることで横弾性係数Gを算出することができる。
【数６】
0004736036.tif 000010
【実施例】
【００２７】
以下本発明を実施例に基づいて説明するが、その発明は実施例に限定されるものではない。
〔実施例１〕
以下、本発明の妥当性を実証するための実験を行った。
固体材料表層部表面の半径がR=38.9mmの凸かまぼこ形状のホウ珪酸ガラスを用いた。ホウ珪酸ガラスを選んだのは、均質に製造された材料であるため形状の影響のみを観察するのに好適であるからである。
【００２８】
図１に示す通り、該固体材料を水で満たした水槽中に完全に沈め、リモ−トパルサ−用いて、線収束型で広帯域のPVDF超音波トランスデューサ（中心周波数10MHz、焦点距離15mm）から該固体材料表層部に超音波を発信した。そして、デジタルオシロに映し出される表層部の表面からの反射波のピ−ク値を観察しながら、該固体材料の軸方向と凹かまぼこ形状をしている線収束型超音波トランスデュ−サの軸方向とが一致するように注意深く調整をした。また、デジタルオシロに映し出される表層部の表面からの反射波のピ−ク値が最大になる位置を見つけだすことにより、超音波の焦点を固体材料表層部の表面に一致させた。このような調整を終えた後、デフォーカス量zを0.5mm間隔で1.5mmから5mmまで変化させながら反射波を超音波レシ−バで受信した。
受信した反射波は、デジタルオシロでAD変換してGPIBを介しパソコンに転送して収録した。パソコンに収録した反射波形から垂直反射波とその他の波を切り分けて、相互相関法によって垂直反射波とその他の波の到達時間差を求めた。こうして求めた到達時間差と幾何学的関係とから、漏洩クリーピング波、表面SV波、及び漏洩Rayleigh波の音速を各々算出した。
【００２９】
なお本実施例では、図２に示すように漏洩Rayleigh波の音速に際立った分散は観測されなかった。よって漏洩Rayleigh波の音速を周波数に依らず一定であるとみなし、相互相関法によって求めた漏洩クリーピング波、表面SV波、及び漏洩Rayleigh波の音速を用いて以降の計算を行った。
さらに、パソコンに収録したRayleigh波をフ−リエ変換して得られる振幅スペクトルからデフォ−カス量ｚの変化にともなう漏洩Rayleigh波の受信振幅A(z)の変化割合を求め、該受信振幅A(z)の変化割合と本発明者の式（１）を用いて漏洩Rayleigh波の減衰係数γの値を算出した。
【００３０】
次に、該漏洩Rayleigh波の減衰係数γ、漏洩クリーピング波の音速Vl、表面SV波の音速Vt及びViktrovの式（２）を用いて、該固体材料表層部の密度ρを算出した。密度ρの算出に当たって、周波数fについては、漏洩Rayleigh波の減衰係数γの算出において受信振幅A(z)の変化割合d[lnA(z)]/dzを求めたときのデフォーカス量zにおける振幅スペクトルが最大となる周波数fの変動範囲の中間の周波数、具体的には9×106 Hzとした。漏洩Rayleigh波の減衰係数γについても、9×106 Hzのときの値を用いた。
【００３１】
そして、該密度ρ、漏洩クリーピング波の音速Vl、表面SV波の音速Vt及び式（３）を用いて、該固体材料表層部の縦弾性係数を求めた。さらに式（４）を用いて横弾性係数を算出した。
なお、音速は温度変化に敏感に左右されるため、空調の効いた室内で水槽内の水の温度を２０℃に保って実験を行った。また、液体（水）を伝搬する音速VLと液体（水）の音波吸収係数αLとは、２０℃における一般的な値として知られているVL=1482.34 m/sとαL＝25.6×10-18  f２（mm−１）とした。ここでfは周波数（Hz）である。
【００３２】
〔実施例２〕
固体材料表層部表面の半径がR=−47.0mmの凹かまぼこ形状のホウ珪酸ガラスを用いたこと以外は全て実施例１と同様の手順で行った。
【００３３】
〔実施例３〕
固体材料表層部の表面が平面のホウ珪酸ガラスを用い、R=1015 mmとしたこと以外は全て実施例１と同様の手順で行った。
【００３４】
実施例１〜３の結果を表１及び図３に示す。
なお、実施例で用いた固体材料メーカーが公表している該固体材料の密度と縦弾性係数の値を表１に併記している。
表１に示す通り、実施例１、２の測定結果とメーカーが公表している密度と縦弾性係数の値との差は数パ−セントであり、本発明の方法による測定結果は実用上十分な精度であることが実証された。また、実施例３のように、固体材料表層部の表面が平面の場合は、曲率半径Rを極めて大きい値とすることで、平面に近似させることができる。その精度も表１の結果によって実証された。
【００３５】
図３は実施例１〜３における漏洩Rayleigh波の減衰係数の算出結果である。形状が変化しても値のバラツキは小さく、本発明者の式（１）が信頼できることが実証された。
表２には実施例１〜３で求めた各反射波の音速を示す。
【００３６】
【表１】
0004736036.tif 000011
【００３７】
【表２】
0004736036.tif 000012
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図１は超音波トランスデューサと固体材料間の位置関係を示した図である。
【図２】図２は漏洩Rayleigh波の音速の分散の算出結果を示したグラフである。
【図３】図３は各実施例の減衰係数の算出結果を示したグラフである。
【図１】
0004736036.tif 000016
【図２】
0004736036.tif 000017
【図３】
0004736036.tif 000018