JPH0278951A

JPH0278951A - 弾性定数測定装置

Info

Publication number: JPH0278951A
Application number: JP63230699A
Authority: JP
Inventors: Takao Inukai; 隆夫犬飼; Nagatoshi Okabe; 永年岡部
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-09-15
Filing date: 1988-09-15
Publication date: 1990-03-19

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】（産業上の利用分野）この発明は、弾性定数測定装置に係り、特に約１０００
℃以上の超へ波でセラミックスの弾性定数を良好に求め
る弾性定数測定装置に＋ｎケる。

（従来の技術）一般に、セラミックスは全屈ヤプラスｆ°ツクのように
塑性変形を生ずることが少ないため、しラミックスの機
械的＋Ｉｔ買を代表する値として弾性定数は最も基本と
なる計である。

弾性定数Ｅを求める従来の・ｆ法として、固体内を伝Ｍ
する音波の速度Ｃを測定し、別に測定した密度ρとからという関係式より弾性室ｆ＆Ｅを求める方法と、その物
体の特定モニドの自由振動周波数ｆを求め、別に求めた
密瓜ρから弾性定数［を求める方法がある。これらの手
法のうり、約１０００℃以上の超高温下に、１３ける弾
性定数を求めることが可能なものは、レンジの耐熱性の
観点から、音速測定にＪ：６７’′Ｊ法が一般的である
。

第５図に高温下での音速測定の代表的／１例を説明づる
。

第５図（△）において、試ｎ１は高温炉２中にあり、こ
の試料１の−＋；＋にバッフ１０ツド３と」？ばれる超
８波の導波路が耐高温接６剤で接合され、このバッフ）
Ｉロッド３の高温炉２外の他端に、パルス波を入射し、
その反射波を受４Ｑ　！Ｊるトシンス７？−ｚ−＋Ｊ°
５が接るさ゛れている。ここで、符号４は耐高温接着面
である。

この場合の音速測定の原叩を第６図に示す。

まず、１−ランスデユー奢す５からパルス波（Ｉ波）を
発振さＵ、１＆盾而４からの直接反射波７、試ｒ１底面
からの反射波８、底面からの反則波がさらに接着面６で
再反則した波９雪が次／ノとトランスアユーナ５に返っ
てくる。これらの各反射波７，８゜９の時間間隔ｒは行
程２Ｌ（試ｆ″ｌ長をＬとする）の間の６波の伝播時間
に相当するので、音速ＣはＣ＝２Ｌ／ｒ　　　　　　　
　　・・・・・・（２）で計算できる。この式（２）で
求めた音速Ｃを、（１）に代入して、弾性定数Ｅを求め
る。なＪ３、第６図中符″；″ｉ１０は、１〜ランスデ
ー１−リ゛５から入力されに人割波を示づ。

また、超高温下での音速測定の他の例を第５図（［３）
に示り。この場合には、細長い試Ｅ１１の先端に段１１
八が形成されており、この段１１Δを右する部分が高温
炉２中に設置され、試ｒ１１１の高温炉２外の他端にパ
ルス波の送受信を行なうトランスデユーサ５が接合され
ている。

この場合の“高温測定方法を第７図に承り。トシンスデ
１−１ノ５から発した印加パルス１２は１ｔｉ１１内に
伝罷され、ｔＳ潟炉２中のΔ、Ｂ両底面で反射し、トラ
ンスデユーサ５へ返る。このときのへ底面からの反（ト
）パルス１３と８底面からの反０・１パルス１４との時
間差τを求め、このτと段差オとから１音速Ｃは、Ｃ＝２Ｌ／τ　　　　　　　　・・・・・・（３）と５
１ｔ、１できる。この（３）式によって求められた６速
Ｃを（１）式に代入して弾性定数Ｅを免出する。

（発明が解決しようとする課題）ところで、以上のように音速を求めて弾性定数を算出す
る従来の技術にＪ３いて、第５図（△）の場合には、バ
ッファロッド３と試料１とを接合さＩる接を剤の選択が
４ニーポイン］・となる。特に、約１０００℃以上の超
高温下では、現在迄のとこ、　　ろパルス波を安定的に
通過させる接着剤を見つｔＪ出ずことができない。その
ため、超高温下におけるセラミックスの弾性定数を安定
的に検出Ｃきないのが現状である。

また、第５図（Ｂ）の場合には、段イ・１試１１１１１
１よＩＳ編炉２の内外迄届く長い試料でなければならな
い。したがって、小型の試料しか入手でさ°ない場合に
は、この第５図（Ｂ）の方法で音速を測定できず、その
結果、弾性定数を測定できない。

この発明は、上記事情を考ｂ７１してなされたものであ
り、約１０００℃以Ｆの超高温下で小型の試料であって
も安定的にｔＦ性定数の測定を行なうことがぐきる弾性
定数測定装置を促供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段）この発明は、試料と略同径に形成され、この試別に精密
研磨面を介して圧着されたバッファ１］ツドと、上記試
料より大径に形成され、この試料に精密研磨面を介して
ｒｘ′６されたベース板と、上記バララフ０ツドの先端
に取り付けられ、このバッファロッドおよび上記試杓内
を伝播するパルス波を送受信し、このパルス波の総伝播
時間を検知するパルス波送受信器と、上記バッフｉ・１
］ツドの一部おＪ：び試別を加熱する加熱器と、上記バ
ッファロッドの長手方向複数箇所の温度から上記パルス
波がバッフ？ロット内を伝播１６時間を搾出する温度補
正器と、上記パルス波送受信器で検知されたパルス波の
総伝播時間および上記温度補正器で口出されたパルス波
のバッファロッド内伝掻時間に基づいて上記試料の弾性
定数を求める弾性定数９７出器ど、を右して構成された
しのである。

（作用）したがって、この発明に係る弾性定数測定装置によれば
、試料とバッファ０ンドおよびベース板とが粘密ｒＩｌ
ｌＩｆ面を介して発着されたことから、接谷剤を用いる
必要がない。ぞのため、超高温下にＪ３いて、試ＦＩ　
に　Ｊ、びバッファロッド内を伝播覆るパルス波の時間
を正確に測定でき、その結果、試ｖ１の弾＋１定数を高
精度に測定できる。また、バッフ？［］ツドを用いるの
で長く大型な試料が必要むく、小型な試料であってｂ弾
性定数を測定できる。

（実／１１！！例）以下、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は、この発明に係る弾性定数測定！装置の一実施
例を示す概念図ぐある。

試Ｆ１２１はしラミック（Ｓ　ｉ　Ｃ、Ｓ　ｉ　３Ｎ　
４等）であり、略円社形状に形成される。この試＄１２
１の上面および下面は略平行で、精密平面研摩されてい
る。そして、試料２１は、この試料２１より大径のベー
ス月２２上に載Ｗ１される。ベース材２２の上面も精密
平面研摩されている。したがって、試ＦＩ２１は、その
下面をベース２２の上面に圧力　。

を加えることによって密着される。符号２３は、試ｆ４
２１とベース材２２との境界２３である。

また、試料２１上にバッファロッド２４が配ｔされる。

このバッファロッド２４はパルス波例えば超８波の尋波
路であり、＾融点余病あるいはセラミックス等から構成
される。このバッファ［１ツド２４は、試料２１と略同
径の円柱形状であり、バッファロッド２４の下面は精密
平面ｒｄｌ　＋！？！される。

したがって、バッファロッド２４の下面は、試料２１の
上面にバカを加えることにより密着される。

ここで、符号２５は、試料２１とバラフンロッド２４と
の境界である。

さて、バッファロッド２４の上面にトランスデユーサ２
６が接着され、この！・ランスデューサ２６に発振器′
Ｍ！増幅器２７が接続される。トランスデユー丈２６は
、パルス波としての超音波２８を送受信する圧電素子で
ある。この超音波２８は、第２図に示１ように、バッフ
ァロッド２４および試料２１の長手方向に伝播する。ま
た、トランスデユーサ２６は、境界２５で反射した超８
波ら受信するが、この超音波は１ネルギが小さいので、
！・ランスゲ１−サ２６には、このエネルギの小さな反
射超音波をカットするような閾値が設定される。さらに
、Ｉ−ランスデューサ゛２６は、超音波２８を送信して
から境界２３で反射した反射波を受信する迄の超音波の
総伝播時間丁を検知する。

上記発振固着増幅Ｆｉ２７は、トランスデユーサ２６を
年初させるものである。これらトランスデ」−サ２６お
よび発振器兼増幅器２７によってパルス波送受信器が構
成される。

上記試料２１の周囲およびバッファロッド２４の下部周
囲には、加熱３２９が紀行される。この加熱器２９によ
って試料２１およびバッファロッド２４の下部が約１０
００℃以上に加熱される。

また、バッファロッド２４の長手方向複数箇所に熱電対
３０が貼着され、これらの熱電対３０がＷＡｒ！１計３
１に接ｖｃされる。これらの熱電対３０およびｉ　Ｉｆ
ｆ　Ｒｔ　３１によって、バッファ【−鳳ツド２４の長
手方向の温度分布が検出される。

Ｉ！度計３１には温度補正ｉ！３２が接続される。

この温度補正器３２は、温度計３１で検出されたバッフ
ァロッド２４のｍ　ｔｔ分布からこのバッファロッド２
４内における超音波２８の伝播時間Ｔ。

を口出する。つまり、熱電対３０および温度計３１によ
って求められた２＆Ｉ瓜分布が例えば第３図の実１ｉ１
Ａで示す分布であると、バッファロッド２４における艮
手力向各位置の８速は、音速の８！泣異常特性から、実
線Ｂで示（ようになる。そこで温度補正器３２は、この
各位置における音速に基づいてこの各位置での微小伝播
時間を求め、この微小伝播時間をバッファロッド２４の
長手方向全長に亘って積分し、バッファロッド２４内に
おける超音波２８の伝Ｉ峙間■８を算出する。

温度補正器３２に、８ｒ速検出器３３および弾性定数変
換器３４から成る弾性定数算出器３５が接続される。

弾性定数変換器３４は、まずトランスデユーサ２６およ
び発振器兼増幅器２７で検出されたバッファロッド２４
および試料２１内を伝播する超音波２８の総伝揺時間「
と、渇１良補正器３２で紳出されたバッファロッド２４
内にＪｊ　Ｇノる超音波２８の伝播時間Ｔ８とから、超
音波２８が試ｒ１２１内を伝播する時間ＴＡを、］−４＝Ｔ−ＴＢにＪ：つて求める。次に、弾性定数変換器３４は、試ｆ
１２１の艮手方向長さ（試料長）（（と、上記試ｒ１２
１内超合波伝１１！ｉ１１．′を間ＴＡトカラＣ＝　２
８　／　Ｔ　Ａによって、試ｖ１２１内にお１プる超音波２８の音速Ｃ
を求める。

弾性定数変換に３４は、この試ｔ′１２１内における超
音波２８の音３１ｉＣと、他の手段で測定された試料２
１の密度ρとから、を用いＣ１試料２１の弾性定数Ｆを演ｒ１する。

次に作用を説明する。

加熱器２９によってバッファロッド２４の下部および試
ｖ［２１を加熱し、約１０００℃以上の一定潟度に保持
する。この状態で、発振器兼増幅器２７によってトラン
スデ７−ザ２６を作動ざｕｌこのトランスデユー！す２
６から超音波２８を甲−パルス波として送信する。

すると、この超音波２８は、第３図に示−Ｊ　Ｊ、うに
、バッフ７ノロツド２４内を伝播して境界２５に達する
。試料２１がバッファロッド２／Ｉと路間仔なので、境
界２５に遼した超音波２８は、イの大部分が境界２５を
通過して一℃料２１内を伝播し境界２３に到）デする。

ベース板２２が試ＩＩ　２１　、、ｌり大径なので、境
Ｗ２３に到達した超γτ波２８は、この境界２３で大部
分が全反射し、試料２１　、Ｉ３　Ｊ：びバッファロッ
ド２４内を伝播してトランスデユーサ２６へ戻る。、ト
ランスデユーザ２６および発振器兼増幅器２７は、トラ
ンスデユーサ２６が超音波２８を送信してから受信する
迄の超音波の総伝１１１１時間丁を検知する。

一方、熱電対３０Ｊ３よび温度：ｔ３１にＪ、つてバッ
ファロッド２４内の長手方向温度分布が検出され、この
温１良分子ｌｉ　Ｇ−基づいて温１良補正器３２が、合
波の温度分布特性からＪＵ音波２８のバッファロッド２
４内にお【ノる伝播り間Ｔ８を惇出ザる。

ＥＳＳ積検出器３３、上記総伝播時間Ｔと伝１ｍ　ｔ＋
５間Ｔ、とから、試料２１内にＪｊける超音波２８の伝
播時間ＴＡを求めて試１２１内の音速Ｃをｔ’＞　ｊｌ
ｊし、弾性定数変換器３４がこの音速Ｃから試料２１の
弾性定数［を１ｉｔｔ　ｏする。

上記実施例によれば、試料２１とバッファロッド２４お
よびベース板２２とが精密研磨面２３゜２５を介して圧
着されたことから、接着剤を用いる必要がない。そのた
め、約ｉ　ｏｏｏ℃以上の超へ４下において、試Ｐｉ　
２１　Ｊｊよびバッファロッド２４内を伝播する超音波
２８の時間Ｔを正確に測定でき、その結果、試Ｆ１２１
の弾性定数Ｅを高精度にて測定できる。また、バッファ
ロッド２４を用いるので、長く大型な試わが必要なく、
小型の試料２１であっても、′？）ｌ’ｆｌｆ数Ｆを測
定′Ｃさ・る。

これらのことから、約１０００℃以上の超高温Ｆで小型
の試ｎｒあっても安定的に弾性定数Ｆを測定できる。

第４図はこの発明に係る弾性定数測定装置の他の実施例
を示す概念図である。なお、この他の実施例にＪｊいて
前記実施例と同様な部分は同一の符弓を付すことにより
説明を省略する。

上記実施例では、試ｎ２１おＪ５びバッファ［■ラド２
４内へ単一パルス波としての超音波２８を伝播さＵるｂ
のにつき述べたが、この他の実ＸＭ例では、バッファロ
ッド２４の１而に硬球４１を落下・衝突さμて、バッフ
ァ１］ツド２４Ｊ３よび試ｆ′Ｉ２１内に甲−パルス波
としての圧力波を１大揺ざｌるものである。

この圧力波は、超音波２８と同様に境界２３において大
部分が全反射し、バッファ　０ツド２４の上面近傍に貼
着込れた歪ゲージ４２によって検出される。トランジＩ
ントし］−ダ／１３は、硬球４１がバッファロッド２４
のＦ而に衝突してから、境界２３で仝反０４　Ｌ、バッ
ファロッド２４の１面に戻ってくる迄の総伝播時間を検
出４゛る。

ｈ　ｘ湯度補正３４４は、熱電対３ｏおＪ：び温度工１
３１によって検出されたバッフ７ノロツド２／１の長手
方向温度分布から、圧力波の温庶分イｌｉ　’４島？４
にＪ、ＬづいＣ１前記実施例の温度補正器３２と同様に
、バッフｌ’　Ｌ’ｌツド２４内にＪ３する圧ツノ波の
伝播８．１間を求める。圧力波シ１　ｉ　ｚ　４５は、
トランジ１ントレコーグ４３で求められた超合波総伝Ｉ
Ｍ１￥問と、４度補正不４４で求められた伝播時間とか
ら、バイ１２１内にお１ノる圧力波の伝１ｉｆｔ助聞を
求め、試ｒ１２１内の圧ツノ波の速度を枠出する。ぞし
Ｃ１弾性定数変換器３４が、そのバカ波の速１復から、
１１ｒ１記実施例と同様にして試料２１の弾性定数をル
１ｉＱする。

したがって、この他の実施例においても、前記実ｆＭ例
と同様に１０００℃以上の超高温下にＪ″３いて小型の
メ斜であっても安定的に弾性定数を測定できる。

〔発明の効！Ｊｌりしたがって、この発明に係る（ｌＩｌ竹定数測定装置に
よれば、試料と路間ＩＶに形成され、この試料に精密ｒ
ｄｌ　７９通を介して几着されたバッファ１コツトと、
上記試料Ｊ、り大径に形成され、この試１′！１に精密
研磨面を介して圧着されたベース板と、上記バッファロ
ッドの先端に取りｒ＝１４〕られ、このバッファ【］ツ
ドおよび上記試料内を伝Ｉｌｌ！　？ｌるパルス波を送
受信し、このパルス波の総伝播時間を検知するパルス波
送受信３と、上記バッファロッドの一部おＪ、び試料を
加熱する加熱器と、上記バッフ、ノ［１ツドの長手方向
複数箇所の温度から上記パルス波がバッフ／７０ツド内
を伝届する時間をｎ出４る温度補正器と、上記パルス波
送受信器で検知されたパルス波の総伝播１５聞および上
記温度補正器（・弁出されたパルス波のバッ゛〕７０ツ
ド内伝ＪＳ　Ｉ＋、’１間に基づいて上記試料の弾性定
数を求める仔性定数綿出器とを有して構成されたことか
ら、バッフ？「１ツドと試料とを捗看剤を用いることな
く圧着できるので、約１０００’ＣＬＪ、上の超高４下
であってム安定的に弾性定数を測定できるとともに、バ
ッファロッドを用いるので、小型の試料であっても弾性
定数を測定できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係る弾性定数測定装置の一実施例を
示す概念図、第２図は超音波の伝播状況を承り図、第３
図はバッファ［１ツド内におＧＪる試ｖ１の位置とバッ
フ？ロッド内温度および音速との関係を承りグラフ、第
４図はこの発明の他の実施例を示す概念図、第５図（Ａ
）、（８）は従来の、弾性室ａ瀾定装置のそれぞれ構造
を示づ概念図、第６図は第５図（Ａ）の測定装置にａ３
ける超音波の伝播状況を承り図、第７図は第５図（１３
）における測定装置にめいてｊＢｒｆ波の伝播状況を示
す図である。２１・・・試料、２２・・・ベース板、２３・・・境界
、２４・・・バッファロッド、２５・・・境界、２６・
・・１−ランス１コーリ、２７・・・発振器」６増幅器
、２８・・・超音波、２９・・・加熱器、３２・・・温
度補止器、３３・・・音速検出思、３４・・・弾性定数
変換器、３５・・・弾性定数口出３、■・・・パンフ７
ｏツドおよび、ｊｔ籾内を伝Ｈする超音波の総伝播時間
、ＴＡ・・・試料内を伝１１１１１６焔＆波の伝播時間
、ＴＢ・・・バッファ／ロッド内を伝播４る超音波の伝
播時間、Ｃ・・・試料内の超音波の速１哀、Ｅ・・・試
料の弾性定数。出願人代理人　　　波　多　野　　　久第１図第４図徊刑！す硬　　　　　　　　　　　　８

Claims

【特許請求の範囲】

試料と略同径に形成され、この試料に精密研磨面を介し
て圧着されたバッファロッドと、上記試料より大径に形
成され、この試料に精密研磨面を介して圧着されたベー
ス板と、上記バッファロッドの先端に取り付けられ、こ
のバッファロッドおよび上記試料内を伝播するパルス波
を送受信し、このパルス波の総伝播時間を検知するパル
ス波送受信器と、上記バッファロッドの一部および試料
を加熱する加熱器と、上記バッファロッドの長手方向複
数箇所の温度から上記パルス波がバッファロッド内を伝
播する時間を算出する温度補正器と、上記パルス波送受
信器で検知されたパルス波の総伝播時間および上記温度
補正器で算出されたパルス波のバッファロッド内伝播時
間に基づいて上記試料の弾性定数を求める弾性定数算出
器と、を有して構成されたことを特徴とする弾性定数測
定装置。