JPH02141643A - 機械的性質測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 １更立旦的 ［産業上の利用分野］ この発明は物質の剛性率等の機械的性質を測定する測定
装置に関する。

［従来の技術］ 一般に機械的性質測定装置は静的測定装置と動的測定装
置とに大別される。従来の静的測定装置としては、例え
ば引張試験機がある。引張試験機は測定試料に引張荷重
を与えてひずみを生じさせ、この生じたひずみと与えた
荷重とが描く関係から測定試料の縦弾性係数等の機械的
性質を求めるようにしたものである。

一方、動的測定装置としては、例えば共振周波数を用い
た測定装置がある。この測定装置は、測定試料に振動を
与えてその共振周波数を検出し、共振周波数に基づいて
測定試料の同様な曙械的性質を求めるものである。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上述した従来装置では測定試料の寸法や
形状に規制があり、種々の問題が発生していた。

第１に、引張試験機や共振周波数を用いた測定装置にお
いては、測定試料に生ずるひずみの検出、または測定試
料への共振の誘起という測定原理よ、共に測定試料とし
て寸法が大きくかつ棒形状又は線形形状のものを用意し
なければならなかった。

現実には測定試料として数ミリ（例えば５Ｍないし１０
ｍ）程度の材料片しか入手できない場合がしばしばあり
、従来の装置ではこうした小片による測定は極めて困難
であった。

第２に、従来装置では、例えば測定条件の一つである温
度を一定にして測定する場合、測定試料の寸法が大きく
形状が棒状又は線状であるため、その温度分布を同一に
することが容易でなく、厳密な測定が困難であるという
問題があった。ことに高温条件下の測定では、周囲温度
との差が大きいこともあって、測定試料の温度分布を均
一にすることが困難であった。加えて、高温条件下では
測定試料の弾性限度が低下しかつクリープが生じること
もあり、引張試験機のように大きなひずみを検出するも
のでは正確な測定が期しがたかった。

本発明の機械的性質測定装置は、上述した問題点を解決
し、この種の測定を正確かつ容易なものとすることを目
的とする。

灸皿二里感 ［課題を解決するための手段］ 本発明の機械的性質測定装置は、第１図に例示するよう
に、 超音波の送信部および受信部と、該送信部および受信部
が取り付けられ前記超音波を伝播する緩衝部とからなり
、測定試料Ｓに当接される超音波測定子Ｍ１と、 前記超音波の前記超音波測定子Ｍ１における前記送信部
と前記受信部間の伝播時間に基づき、前記測定試料Ｓ内
の前記超音波の伝播時間を算出する試料内伝播時間算出
手段Ｍ２と、 前記測定試料Ｓ内の超音波の伝播時間と前記測定試料の
超音波伝播方向の厚みＤとから前記測定試料Ｓ内の前記
超音波の伝播速度を算出する試料的伝播速度演算手段Ｍ
３と、 前記測定試料Ｓ内の超音波の伝播速度と前記測定試料Ｓ
の密度とに基づき、前記測定試料Ｓの剛性率等の機械的
諸性質を算出する機械的性質演算手段Ｍ４と を備えることを要旨とする。

［作用Ｊ 上記構成を有する本発明の機械的性質測定装置は、超音
波測定子Ｍ１を測定試料Ｓに当接して測定を行なう。こ
の時、超音波測定子Ｍ１の送信部から送信した超音波は
緩衝部を介して測定試料Ｓ内に伝播する。伝播した超音
波は、測定試料Ｓ内を通過または反射し、緩衝部を介し
て超音波測定子Ｍ１の受信部に到達する。試料内伝播時
間陣出手段Ｍ２は、超音波の送信部と受信部間の伝播時
間に基づき測定試料Ｓ内の超音波の伝播時間を算出し、
試料的伝播速度演算手段Ｍ３はこの測定試料Ｓ内の超音
波の伝播時間と厚みとから測定試料Ｓ内の伝播速度を演
算する。機械的性質演算手段Ｍ４は、こうして求めた超
音波の試料的伝播速度と測定試料Ｓの密度とに基づいて
剛性率等の機械的性質を演算する。機械的性質を求める
演算はば例えば次の各式により行なう。

剛性率Ｇ ソ 体積弾性率Ｋ ・・・（２） 縦弾性係数Ｅ ［Ｋ≦Ｆｆ／ｓ　２　コ　・　（３） ポリソン比ν 式中、ＣＰは縦波超音波の伝播速度、Ｃ３は横波超音波
の伝播速度、ρＣＫ’ｊ／ｍｍ３１は測定試料の密度、
ＣＩ［謔／Ｓ２］は重力加速度である。

上記各式（１）ないしく４）は、縦波および／または横
波の音波が無限に広いとみなしえる固体中に伝播する際
の伝播速度の式および剛性率等の機械的性質間の関係式
から導出したものである。

以下にその各式を示す。

縦波超音波伝播速度ＣＰ 横波超音波伝播速度Ｃ３ 横ひずみと縦ひずみの比であるポアソン比νッ＝Ｅ−２
Ｇ＝３に−Ｅ＝　３に一２Ｇ２Ｇ　　　　６Ｋ　　　２
　（３に十Ｇ）・・・（７） ［実施例］ 以上説明した本発明の構成・作用を一層明らかにする為
に、次に本発明の好適な実施例について説明する。第２
図は実施例の機械的性質測定装置の概略構成図である。

図示するように、この機械的性質測定装置は、超音波を
送受信する超音波測定子１と、その送信波のコントロー
ルと受信波の検知を行なう超音波送受信装置２と、送受
信波に基づき各種演算を行なうコンピュータ３と、測定
試料Ｓの厚みを測定する厚み測定器５、および測定試料
Ｓを内部に配置し所定温度に保持する電気炉６とから構
成される。

超音波測定子１は、縦波振動子１１および横波振動子１
３とこれらを取りつけた緩衝部１５とからなる。実施例
の縦波振動子１１および横波振動子１３はそれぞれ超音
波の送信部と受信部を兼ねるものであり、緩衝部１５の
一端に並設されている。超音波の送信周波数は縦波振動
子１１が１０［ＭＨ２］、横波振動子１３が５［ＭＨ２
］、各振動子１１．１３の直径は共に６．３５［＃］で
ある。これらの各振動子１１．１３の送信周波数と直径
、さらに厚みは、測定試料の厚みと所望する分解能に応
じて変更することが好ましい。送信周波数を高くすれば
、測定装置の分解能は一般に良好となる。また振動子の
直径と厚みを大きくすれば超音波の送信出力は増大する
ので、測定試料の厚みが大きいものでも良好に測定する
ことができる。尚、横波振動子１３は、その振動面の垂
直方向に横波超音波を送信できるものである。横波振動
子１３としてはこの他、縦波振動子を傾斜配置して用い
てもよい。この場合の横波超音波は斜行する縦波超音波
より生ずる。

緩衝部１５は、超音波の媒質として有効な水ガラス、石
英、マグネシウム、ニッケル等よりなり、その先端表面
は、測定試料Ｓとの当接面１５ａとして高い平滑度に仕
上げられている。従って超音波振動子１１．１５からの
超音波は効率よく測定試料Ｓ内に入射する。

超音波送受信装置２は、超音波測定子１の縦波および横
波振動子１１．１３の超音波送信コントロールと、両振
動子１１．１３の受信超音波の検知を行なうものである
。

コンピュータ３は、ＣＲＴデイスプレィ３１やキーボー
ド３３等の入出力機器と電子制御装置３５等から構成さ
れる。電子制御装置３５は周知のＣＰＵ３７、ＲＯＭ３
９、ＲＡＭ４１等を中心に算術論理演痒回路として構成
され、ビデオＲＡＭ４３と、上記入出力機器のための入
出力ボート４５、および超音波送受信装置２と厚み測定
器５のための測定器入出力ボート４７等を備える。この
電子制御装置３５はＲＯＭ３９に記″匹されている所定
の手順を実行することにより試料内伝播時間算出手段と
、試料内伝播速度演算手段、および機械的性質演算手段
として働くものである。

厚み測定器５は、所定傾斜角を有する検査光を投光しか
つその反射光を受光する投受光センサ５１を備えており
、測定物上面の高さと測定物が置かれた基準面の高さを
測定し、その高低差を測定物の厚みとして出力するもの
である。

電気炉６は、内部に測定試料Ｓを配置し、これをヒータ
６１により所定の温度に昇温、保持するものであって、
天井には超音波測定子１の緩衝部１５の横断面とほぼ同
じ大きさの開閉口６３を備えている。この電気炉６は温
度調節機構として、温度の指示設定と設定した指示温度
および実際温度の比較をする温度指示調節器６５と、炉
内の測定試料Ｓとほぼ同じ高さに位置決めした温度計６
７と、温度指示調節器６５の出力に基づきヒータ６１の
加熱調節を行なうヒータ電源制御器６９を備えている。

このように構成された機械的性質測定装置による測定を
第３図のフローチャートに沿って説明する。電気炉６に
より測定試料Ｓを測定条件の温度に昇温しかつ保持した
（炎、電気炉６の開閉口６３から厚み測定器５の投受光
センサ５１の検査光を測定試料Ｓに向は投光し、測定試
料Ｓの条件温度下の厚みを測定する（ステップ１００）
。

次に、超音波測定子１の緩衝部１５を電気炉開閉口６３
に挿入し、その当接面１５ａを測定試料Ｓの上面に当て
る。こうした後、超音波送受信装置２のコントロールの
もと超音波振動子１の縦波および横波振動子１１．１３
より超音波を送信する（ステップ１１０）。実施例装置
では、第４図の説明図に示すように、各振動子１１．１
３から送信した超音波Ｗの一部Ｗ１は、緩衝部］５と測
定試料Ｓ上面との境界面において反射し、緩衝部１５を
逆進して各振動子１１，１３に伝播する。

これに対し、測定試料Ｓに入射した超音波Ｗ２は、測定
試料Ｓの底面とテーブル面との境界面において反射して
測定試料Ｓを往復し、緩衝部１５を逆進して各振動子１
１．１３に伝播する。

第５図は超音波送受信装＠２が検出するパルスの一例を
示すものである。横軸は時間、縦軸はパルスの大きさを
表わす。超音波送受信装置２は、測定試料上面による反
射波Ｗ１が各振動子１１゜１３に到達するのに要した伝
播時間Ｔ１と、測定試料底面による反射波Ｗ２が各振動
子１１．’１３に到達するのに要した伝播時間Ｔ２を測
定する（ステップ１２０）。

コンピュータ３の電子制御装置３５は、測定試料上面の
反射波Ｗ１の伝播時間Ｔ１と測定試料底面の反ｑ：ｉ波
Ｗ２の伝播時間Ｔ２とに基づき各種演算を行なう（ステ
ップ１３０）。実施例では、測定試料上面の反射波Ｗ１
と測定試料底面の反射波Ｗ２は共に緩衝部１５を往復す
るので、両反射波Ｗ１．Ｗ２の伝播時間ＴＩ、Ｔ２の差
を超音波の試料的往復伝播時間として降出する。この試
料的往復伝播時間と測定試料Ｓの厚みとから超音波の試
汎内伝播速度を演算し、求めた試料内伝播速度と測定試
料Ｓの密度とを［作用］の項の式（１）。

（２）、（３）、（４）に代入して測定試料Ｓの剛性率
、体積弾性率、縦弾性係数およびポアソン比を演算出力
する。

この実施例装置の測定結果を表１ないし表３に示す。表
１は測定試料の内容を、表２は縦波および横波超音波の
試料内伝播速度の演算内容を表３は求めた機械的性質の
結果を示すものである。表３の右欄には、比較のために
従来の共振周波数を用いた測定装置により求めた縦弾性
係数をのせた。

実施例装置により求めた縦弾性係数はこれによく一致す
ることがわかる。なお、測定は常温において実施した。

以上説明した実施例のは械的性質測定装置は、縦波およ
び横波超音波の測定試料Ｓ内の伝播速度を求めることに
より測定試料Ｓの機械的性質を測定するものであるから
、測定試料Ｓがいかなる大きさ、形状であってもその測
定が可能である。しかもその測定は、超音波測定子１を
測定試料Ｓに当接して行なうので簡単にかつ短時間に実
施できる。

また、高温条件下の測定を行なう場合、測定試料を小さ
くできるのでその温度分布状態を均一にしやすく、測定
精度は極めて高い。この測定の際、超音波測定子１の各
振動子１１．１３は緩衝部１５により炉内部より隔てら
れるので、その温度は適性な動作温度範囲内（上限的５
０　’Ｃ）に維持できる。したがって、実施例装置によ
れば、常温から高温（約１０００℃）まで極めて広範囲
の中から温度条件を設定しその条件下で測定試料の機械
的性質の測定ができる。尚、１０００″Ｃ以上であって
も、緩衝部１５の耐熱性によっては測定を実施すること
ができる。また、低温、極低温条件下の測定も可能であ
る。

さらに、縦波および横波超音波を用いる測定が実施でき
るから、−挙に剛性率、体積弾性率、縦弾性係数、ポア
ソン比の全てを得ることができる。

本実施例装置は、上述の効果に加え超音波測定子１の送
信部および受信部を１つの超音波振動子１１　（１３）
が兼ねるという構成を有するものであるから次の効果を
奏する。測定の際には超音波測定子１を測定試料の一点
に当接するだけでよく、−層簡単に測定を行なうことが
できる。また、超音波測定子１のこの当接操作は測定試
料Ｓの厚みに何ら影響されず、その簡便性に変わりない
。さらにコンピュータ３の演算処理において、測定試料
上面の反射波Ｍ１の伝播時間Ｔ１と測定試料底面の反射
波Ｍ２の伝播時間Ｔ２とに含まれる緩衝部１５内の伝播
時間は、両反射波Ｍ１．Ｍ２の伝播時間ＴＩ、Ｔ２の差
を求めることにより相殺することができ、両反射波Ｍ１
．Ｍ２の伝播時間Ｔ１、Ｔ２の差をそのまま超音波の試
料内往復伝播時間とすることができる。

以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこう
した実施例に回答限定されるものではなく、例えば横波
超音波のみを用いる構成、超音波の受信部と送信部が分
離した構成等、本発明の要旨を逸脱しない範囲において
、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。

発明の効果 以上詳述したように、本発明の機械的性質測定装置は、
測定試料内の超音波の伝播速度を求め、この試料的伝播
速度に基づいて測定試料の剛性率の機械的性質を演算す
るものであるから、測定試料がいかなる大きさ、寸法で
あっても測定できるという優れた効果を奏する。たとえ
ば、従来測定が困難であったわずか５ｏｎないし１０Ｍ
角程０材料片であっても容易に測定できる。

測定操作はただ超音波測定子を測定試料に当接するのみ
であり、簡単にかつ短時間に測定ができる。

また、測定試料をその使用温度条件の下測定する場合で
も、測定試料を小さくして温度分布を均一にしやすいこ
とから、低温から高温まで正確な測定が実現できる。特
に本発明装置の超音波測定子の超音波送信部および受信
部は緩衝部によって測定環境から隔てられその保護が図
られるから、温度条件の他あらゆる環境条件下での測定
に有効である。

さらに、本発明において縦波および横波の両超音波を用
いて測定するように構成したものは、剛性率、体積弾性
率、縦弾性係数およびポアソン比等の機械的諸性質を一
挙に（ｑることができるという優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本的構成を例示するブロック図、第
２図は本発明一実施例としての機械的性質測定装置の概
略構成図、第３図に）≠ｈキ；壬＃井はその測定過程を
示すフローチャート、第４図は実施例装置における超音
波伝播経路の説明図、第５図は超音波送受信装置におＣ
フる超音波の検知例を示すタイミングチャートである。 １・・・超音波測定子　　２・・・超音波送受信装置３
・・・コンピュータ ６・・・電気炉 ５・・・厚み測定器 Ｓ・・・測定試料

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　超音波の送信部および受信部と、該送信部および受
   信部が取り付けられ前記超音波を伝播する緩衝部とから
   なり、測定試料に当接される超音波測定子と、 前記超音波の前記超音波測定子における前記送信部と前
   記受信部間の伝播時間に基づき、前記測定試料内の前記
   超音波の伝播時間を算出する試料内伝播時間算出手段と
   、 前記測定試料内の超音波の伝播時間と前記測定試料の超
   音波伝播方向の厚みとから前記測定試料内の前記超音波
   の伝播速度を算出する試料内伝播速度演算手段と、 前記測定試料内の超音波の伝播速度と前記測定試料の密
   度とに基づき、前記測定試料の剛性率等の機械的諸性質
   を算出する機械的性質演算手段とを備えた機械的性質測
   定装置。