JPWO2008084538A1 - 金属材料の組織材質計測装置 - Google Patents

Abstract

金属材料の内部にパルス超音波を伝播させるために上記金属材料に照射するレーザ光の照射位置と、レーザ干渉計の検出位置との相対位置を容易に調整でき、金属材料の組織材質を精度良く計測することができる金属材料の組織材質計測装置を提供する。上記目的を達成するため、レーザ発振機からのレーザ光照射位置とレーザ干渉計の検出位置とを相対的に移動可能に構成し、パルス超音波が送信されてからレーザ干渉計によって検出されるまでの時間に基づいて、レーザ発振機からのレーザ光照射位置とレーザ干渉計の検出位置とを、計測する金属材料の組織材質に応じた相対位置に合わせて制御する。そして、上記位置合わせ完了後に、レーザ干渉計が電気信号として出力したパルス超音波の波形に基づいて、金属材料の組織材質を算出する。

Description

この発明は、金属材料の組織材質を計測する組織材質計測装置に関するものである。

近年、金属材料の組織材質を用途に応じて作り分けようという様々な試みが成されている。例えば、熱間圧延後の金属材料を冷却する際に、冷却水を高圧で大量に噴射して鋼板の冷却速度を高めることにより、金属組織を変化させて、所望の引張強度や延性を持たせようとする方法が採用し始められている。ところが、従来では、このような製造方法を実用化するにあたって、製造した金属材料が要求される組織材質を満足しているか否かを効率的に計測する方法がなかった。

即ち、従来では、金属材料の引張強度や、延性、成形性といった機械的性質を引張試験等の破壊試験により計測していた。しかし、かかる計測方法では、検査結果が得られるまでに数時間から数日を要し、また、破壊試験故に全数計測が実施できないといった問題があった。このため、かねてより非破壊で金属材料の組織材質を計測することが強く望まれていた。

このような問題に対しては、金属材料の組織材質の計測を非破壊で行う方法の一つとして、金属材料、例えば、金属片に超音波を送信し、その伝播特性に基づいて、金属片の組織材質を計測する方法が知られている。この方法では、超音波の振動モードの何れを利用するかにより、様々な組織材質の特性値を計測することが可能となる。例えば、縦波の高周波成分の減衰特性から、金属片の結晶粒径を検出することができ、更に結晶粒径と強い相関のある降伏応力や引張応力の計測値を得ることができる。また、横波の伝播速度から金属片の弾性率を検出することができ、更に弾性率の異方性から、金属片の成形性を表す組織材質の特性値の一つであるランクフォード値（ｒ値）の計測値を得ることができる。

上記方法により金属片（金属材料）の組織材質を計測するに際し、金属片内に超音波を送信する手段及び金属片内を伝播した超音波を受信する手段としては、例えば、金属片に圧電素子を接触させる方法が広く知られている。しかし、この方法では、圧電素子を液体等を介して金属片に密着させる必要があり、特に製造ラインでのオンライン計測に適さないといった問題や、発振周波数が低く（＜１ＭＨｚ）、特に結晶粒径の計測には適さないといった問題があった。

これに対し、近年では、金属片の表面にパルスレーザ光を照射することにより、金属片内にパルス状の超音波を送信させる方法が用いられるようになった（例えば、特許文献１参照）。この方法では、例えば、金属片から離れた位置からパルスレーザ光を照射して、金属片内に超音波を送信することができるといった利点や、レーザ光のパルス幅を短くすること等により、数１０ＭＨｚ以上の高周波成分を含むパルス超音波を金属片内に送信することができるといった利点がある。

また、近年、レーザ干渉計を利用して、金属片内を伝播した超音波を受信する方法も用いられるようになった。この方法では、超音波送信用とは別途に金属片に対してレーザ光を照射することにより、その反射光を基準光と干渉させて金属片の表面に現れる微小な超音波振動を読み取る。したがって、上記方法には、例えば、金属片から離れた位置から、金属片の表面に現れる微小な超音波振動を受信することができるといった利点や、数１０ＭＨｚ以上の高周波の超音波振動を受信することができるといった利点がある。

日本特公昭６１−５４１７９号公報

ところで、パルス状のレーザ光を照射することにより金属片内に送信されるパルス超音波は、その振動モードに応じた強い指向性を持つ。ここで、図７は金属片内に送信されたパルス超音波の指向性を示す図であり、（ａ）は縦波の振動強度分布を示す図、（ｂ）は横波の振動強度分布を示す図である。図７に示すように、金属片の一面に対して垂直にレーザ光が照射された場合、縦波は、レーザ光が照射される上記金属片の一面に対して垂直な方向に強い指向性を持つ。また、横波は上記金属片の一面に対しておよそ４５度の方向に強い指向性を持つ。

したがって、金属片内に伝播したパルス超音波をレーザ干渉計により受信する場合、検出しようとするパルス超音波の振動モードに応じて、最適な受信位置、即ち、受信用のレーザ光を照射する位置が存在する。例えば、送信用に照射領域が微小なレーザ光を用いて金属片の一面（以下、「超音波送信面」ともいう）にレーザ光を照射した場合、縦波の場合は、超音波送信面からの鉛直線が、金属片の上記一面に対して逆側の他面（以下、「超音波受信面」ともいう）と交差する位置が最適な受信位置となり、横波の場合は、超音波送信面からの鉛直線に対して４５度を成す直線が、超音波受信面と交差する位置が最適な受信位置となる。そして、上記最適な受信位置に受信用のレーザ光を照射することにより、強い信号強度を得ることが可能となる。

つまり、受信用のレーザ光を照射する位置（レーザ干渉計の検出位置）を上記最適な受信位置に精度良く合わせることができれば、必要とする振動モードの超音波振動のみを良好に受信することができ、他の振動モードの超音波振動や種々の外乱ノイズの影響を受けずに、測定誤差を少なくすることが可能となる。しかし、特許文献１記載のものも含めて従来のものでは、送信用のレーザ光照射位置と受信用のレーザ光照射位置との位置関係は手動で調整されており、調整する者の技量によって計測精度にばらつきが生じることを避け得ないという問題が生じていた。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、金属材料の内部にパルス超音波を伝播させるために上記金属材料に照射されるレーザ光の照射位置と、レーザ干渉計の検出位置との相対位置を容易に調整でき、金属材料の組織材質を精度良く計測することができる金属材料の組織材質計測装置を提供することである。

この発明に係る金属材料の組織材質計測装置は、金属材料の組織材質を計測する金属材料の組織材質計測装置において、金属材料の一面にレーザ光を照射し、金属材料内にパルス超音波を送信するレーザ発振機と、金属材料の一面とは逆側の他面において、金属材料の内部を伝播したパルス超音波を検出し、電気信号として出力するレーザ干渉計と、レーザ発振機からのレーザ光照射位置とレーザ干渉計の検出位置とを相対的に移動可能に構成する移動手段と、パルス超音波が送信されてからレーザ干渉計によって検出されるまでの時間に基づいて移動手段を制御することにより、レーザ発振機からのレーザ光照射位置とレーザ干渉計の検出位置とを、計測する金属材料の組織材質に応じた相対位置に合わせる制御手段と、レーザ干渉計が電気信号として出力したパルス超音波の波形に基づいて、金属材料の組織材質を算出する算出手段と、とを備えたものである。

この発明によれば、金属材料の組織材質を計測する金属材料の組織材質計測装置において、金属材料の一面にレーザ光を照射し、金属材料内にパルス超音波を送信するレーザ発振機と、金属材料の一面とは逆側の他面において、金属材料の内部を伝播したパルス超音波を検出し、電気信号として出力するレーザ干渉計と、レーザ発振機からのレーザ光照射位置とレーザ干渉計の検出位置とを相対的に移動可能に構成する移動手段と、パルス超音波が送信されてからレーザ干渉計によって検出されるまでの時間に基づいて移動手段を制御することにより、レーザ発振機からのレーザ光照射位置とレーザ干渉計の検出位置とを、計測する金属材料の組織材質に応じた相対位置に合わせる制御手段と、レーザ干渉計が電気信号として出力したパルス超音波の波形に基づいて、金属材料の組織材質を算出する算出手段と、を備えることにより、金属材料の内部にパルス超音波を伝播させるために上記金属材料に照射するレーザ光の照射位置とレーザ干渉計の検出位置との相対位置を容易に調整でき、金属材料の組織材質を精度良く計測することができる

この発明の実施の形態１における金属材料の組織材質計測装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態１における金属材料の組織材質計測装置を示す要部構成図である。 超音波パルス列の一例を示す図である。 この発明の実施の形態１における金属材料の組織材質計測装置の配置を示す図である。 図４に示す金属材料の組織材質計測装置の計測状態を示す図である。 この発明の実施の形態１における金属材料の組織材質計測装置の動作を説明するための図である。 金属片内に送信されたパルス超音波の指向性を示す図である。 この発明の実施の形態１における金属材料の組織材質計測装置の他の計測状態を示す図である。

符号の説明

１ 金属片、 ２ レーザ発振機、 ３ レーザ干渉計、 ４ 移動手段、
５ 制御手段、 ６ 信号処理手段、 ７ 粒径算出手段、
８ 縦波エコー抽出手段、 ９ 周波数分析手段、
１０ 周波数別減衰曲線同定手段、 １１ 多次関数フィッティング手段

先ず、本発明の具体的な実施の形態を説明する前に、非破壊で行われる結晶粒径の測定方法として、結晶粒子による散乱によって発生する超音波の減衰を利用した方法について説明する。
超音波は、様々な振動モードを持つが、結晶粒子による散乱を利用する粒径計測方法では、上記振動モードのうち縦波を利用する。縦波の減衰は、減衰定数ａを用いて次式で表される。

［数１］
ｐ＝ｐ_０・ｅｘｐ（−ａ・ｘ） ‥‥（１）
ここで、ｐ及びｐ_０は音圧、ｘは鋼板中の伝播距離である。
また、縦波の周波数が“レーリー領域”である場合、上記減衰定数ａは次式で表される。

［数２］
ａ＝ａ_１・ｆ＋ａ_４・ｆ^４ ‥‥（２）
ここで、ａ_１及びａ_４は係数、ｆは縦波周波数であり、上記の通り減衰定数ａは超音波周波数ｆの４次関数で近似される。また、（２）式の第１項は内部摩擦による吸収減衰項、第２項はレーリー散乱項を示している。なお、上記レーリー領域とは、結晶粒径が縦波の波長に比べて十分に小さい領域を意味し、例えば、次式を満たす範囲とされている。

［数３］
０．０３＜ｄ／λ＜０．３ ‥‥（３）
ここで、ｄは結晶粒径、λは縦波の波長を示している。
また、（２）式の４次の係数ａ_４は、次式を満たすことが知られている。

［数４］
ａ_４＝Ｓ・ｄ^３ ‥‥（４）
ここで、Ｓは散乱定数である。即ち、係数ａ_４は結晶粒径ｄの３乗に比例する。

送信器で送信される縦波は、その波形中に、ある分布の周波数成分を含んでいるので、受信波形を周波数分析することにより、各周波数成分の減衰率を得ることができる。さらに、送受信の時間差を検出することにより鋼板内での伝播距離が判るので、各周波数成分の減衰率と伝播距離とに基づき、（２）式の各係数を導くことができる。そして、標準サンプル等で予め散乱定数Ｓを決めておくことにより、（４）式によって結晶粒径ｄを得ることができる。

次に、本発明に係る金属材料の組織材質計測装置をより詳細に説明するため、添付の図面に従ってこれを説明する。なお、各図中、同一又は相当する部分には同一の符号を付しており、その重複説明は適宜に簡略化ないし省略する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における金属材料の組織材質計測装置を示す構成図、図２はこの発明の実施の形態１における金属材料の組織材質計測装置を示す要部構成図である。

図１において、１は被測定材からなる板状の金属片（金属材料）、２は金属片１の上方に設けられ、金属片１の上面にパルスレーザ光を照射して、金属片１内にパルス超音波を送信するパルス超音波送信用のレーザ発振機、３は金属片１の下方に設けられ、金属片１の下面に対して上記送信用とは別途のレーザ光を照射することにより、金属片１の下面において、金属片１の内部を伝播したパルス超音波を検出し、電気信号として出力するパルス超音波受信用のレーザ干渉計である。なお、上記レーザ発振機２やレーザ干渉計３は、その本体（光源）を金属片１から離れた場所に設置して、本体から金属片１の上方又は下方まで光ファイバを敷設するように構成しても良い。

４はレーザ発振機２から照射されるパルスレーザ光の金属片１上の照射位置と、レーザ干渉計３による金属片１上の検出位置とを相対的に移動可能に構成する移動手段、５はパルス超音波が送信されてからレーザ干渉計３によって検出されるまでの時間に基づいて移動手段４を制御することにより、レーザ発振機２から照射されるパルスレーザ光の金属片１上の照射位置とレーザ干渉計３による金属片１上の検出位置とを、計測する金属片１の組織材質に応じた相対位置に合わせる制御手段、６はレーザ干渉計３からの検出信号を受信して、金属片１の組織材質算出のために、受信した検出信号を処理する信号処理手段、７は信号処理手段６の処理結果、即ち、レーザ干渉計３が電気信号として出力したパルス超音波の波形に基づいて、金属片１の組織材質を算出するための算出手段であり、その一例として、金属片１の結晶粒径を算出する粒径算出手段を示している。

なお、パルス超音波送信用の上記レーザ発振機２には、例えば、Ｑスイッチ動作が可能で高エネルギ、短パルスで発振可能なＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）レーザ等が適している。レーザ発振機２として上記ＹＡＧレーザを採用した場合には、レーザ光のパルス幅はおよそ数ｎｓ〜１０数ｎｓ程度となる。そして、レーザ発振機２からのパルスレーザ光は、レンズによって絞る等して目的のビーム径とした上で、被測定材となる金属片１の上面に照射される。レーザ発振機２からのパルスレーザ光が金属片１の表面に照射されると、金属片１の内部にパルス超音波が励起される。ここで、金属片１内部で励起されるパルス超音波のパルス幅は、レーザ発振機２からのパルスレーザ光のパルス幅の数倍となる。

また、上記レーザ干渉計３は、送信用のパルスレーザ光が照射される金属片１上面とは逆側を向くその下面に、送信用とは別途の受信用のレーザ光を照射し、その反射光を基準光と干渉させて干渉縞の明暗をフォトディテクタで検出することにより、パルス超音波が金属片１の下面に現れる際の微小振動の波形を電気信号として出力する。なお、レーザ干渉計３としては様々な方式のものが提案されているが、金属片１の表面が粗面の場合には、ファブリペロー干渉計、或いは、フォトリフラクティブ素子を用いた二波混合方式の干渉計が適している。そして、上記信号処理手段６は、レーザ干渉計３が電気信号として出力するパルス超音波の波形に基づき、金属片１の組織材質を算出するために必要な種々の処理を行い、例えば、粒径算出手段７に金属片１の結晶粒径を算出させる。

次に、信号処理手段６の処理動作及び粒径算出手段７の算出動作を、図２に基づいて詳細に説明する。図２において、信号処理手段６は、例えば、記憶手段（図示せず）、縦波エコー抽出手段８、周波数分析手段９、周波数別減衰曲線同定手段１０、多次関数フィッティング手段１１から構成される。

信号処理手段６では、先ず、レーザ干渉計３が電気信号として出力したパルス超音波の波形が、記憶手段に蓄えられる。記憶手段に蓄えられた波形には、第１超音波エコー、第２超音波エコー、・・・、といった超音波パルス列が観察される。図３は超音波パルス列の一例を示す図である。

次に、これら複数個の縦波エコー信号を、縦波エコー抽出手段８によって抽出する。なお、具体的な抽出動作は以下の通りである。
縦波のおおよその速度Ｖ（ｍ／ｓ）は、予め測定する等しておくことで既知（例えば、鋼板の場合は約５９００ｍ／ｓ）となるので、レーザ発振機２からのパルスレーザ光が金属片１の上面に照射されてから第１エコーが検出されるまでの時間ｔ_１（ｓ）は次式で計算できる。

［数５］
ｔ_１＝ｈ／Ｖ ‥‥（５）
ここで、ｈは金属片１の厚み（ｍ）である。また、第２エコー以降が検出されるまでの時間ｔ_ｉは次式で計算できる。

［数６］
ｔ_ｉ＝ｔ_{（ｉ−１）}＋２ｈ／Ｖ ‥‥（６）
ここで、ｉはエコーの番号である。したがって、縦波エコー抽出手段８は、記憶手段に記憶された波形から、時刻（ｔ_ｉ−Δｔ）から（ｔ_ｉ＋Δｔ）までの波形を切り出せば良い。なお、波形収録範囲を決定するための上記時間幅Δｔは、パルス超音波のパルス幅よりも十分に大きい値とする。

次に信号処理手段６では、縦波エコー抽出手段８によって抽出された複数個の縦波エコーの周波数分析を行う。
即ち、各縦波エコー信号のスペクトル強度の差から、周波数毎の減衰量を算出する。次に、必要であれば、拡散減衰補正、透過損失補正を行い、減衰定数の周波数特性を算出する。減衰定数の周波数特性は、４次曲線等の多次関数に最小二乗法等でフィッティングさせることにより、多次関数の係数ベクトルを求める。そして、上記の減衰定数に４次曲線を最小二乗法等でフィッティングさせた際に得られる多次関数の係数ベクトルと、校正のために、別途に粒径が既知の金属片を測定することで得られる散乱係数Ｓとから、各サブ組織の体積比による補正を行う前の結晶粒径の測定値ｄ_０を算出する。

なお、上記処理は、具体的には以下の通りである。
各縦波エコーに含まれているエネルギは、反射の際の損失や材料中の伝播に伴う減衰によって徐々に小さくなる。ここで、第１エコーと第２エコーの部分だけを取り出し、周波数解析してそれぞれのエネルギ（パワースペクトラム）を求めると、第２エコーは、第１エコーに比べ、材料板厚ｈの２倍分だけ伝播距離が長いため、上記（１）式に従ったエネルギの減衰が生じている。また、第１エコーのパワースペクトラムとの差として、両者間の減衰量を求めると、右上がりの曲線となる。この曲線は、上記（２）式の減衰定数ａに伝播距離の差２ｈを乗じたものに相当する。これより、単位伝播距離での上記（２）式の各係数を最小二乗法等により求める。そして、予め標準サンプルによって求めておいた散乱定数Ｓと上記求められた係数の内のａ_４とから、上記（３）式を逆算することにより、結晶粒径の測定値ｄ_０を求めることができる。

また、上記移動手段４は、例えば、送信用のレーザ発振機２及び金属片１の間に配置されたミラー（図示せず）と、このミラーが設けられた電動の可動台（図示せず）とから構成される。なお、移動手段４は、レーザ発振機２から照射されるパルスレーザ光の金属片１上の照射位置と、レーザ干渉計３による金属片１上の検出位置とを相対的に変化させることができれば良く、例えば、送信用のレーザ発振機２自体が載置された電動の可動台や、受信用のレーザ干渉計３自体が載置された電動の可動台等で構成しても良い。

また、上記制御手段５は、金属片１の組織材質を計測する際の計測精度をより向上させるため、パルス超音波が送信されてからレーザ干渉計３によって検出されるまでの時間に基づいて、上記移動手段４を操作する。即ち、前述の通り、縦波は強い指向性を持ち、金属片１の表面に対して垂直にレーザ光が照射された場合には、超音波送信面に対して垂直な方向の振幅強度が最も強くなる。したがって、受信用のレーザ干渉計３が検出する信号強度は、その検出位置を、送信用のレーザ発振機２から照射されるパルスレーザ光の照射位置から鉛直線上に合わせた時に最も高くなり、ノイズや他の振動モードの信号との分離の良い、縦波波形を得ることが可能となる。このため、例えば、金属片１の結晶粒径を計測する場合には、レーザ発振機２からのパルスレーザ光の照射位置とレーザ干渉計３による検出位置とが上記配置となるように、制御手段５により移動手段４が操作される。

なお、図４はこの発明の実施の形態１における金属材料の組織材質計測装置の配置を示す図、図５は図４に示す金属材料の組織材質計測装置の計測状態を示す図である。図４において、送信用のレーザ発振機２と受信用のレーザ干渉計３とは、金属片１を間に挟んで上下に対向して配置されている。ここで、図５は図４に示す金属片１を上方から見た状態を示しており、実線の丸は、金属片１の上面におけるレーザ発振機２からのレーザ光の照射位置（以下、図４乃至図６における説明において「送信レーザ照射位置」という）を、破線の丸は、金属片１の下面におけるレーザ干渉計３の検出位置（以下、図４乃至図６における説明において「受信干渉計検出位置」という）を示している。パルス超音波の縦波を利用した金属片１の組織材質の計測においては、図５（ａ）に示すように、送信レーザ照射位置と受信干渉計検出位置とが鉛直方向に重なった状態が好ましく、かかる場合に、金属片１の内部を伝播する超音波振動は、金属片１の厚さ方向に最短距離で受信干渉計検出位置に到達し、レーザ干渉計３による波形受信状態が最も良好となる。一方、図５（ｂ）に示すように、送信レーザ照射位置と受信干渉計検出位置とに鉛直方向のずれが生じている場合には、レーザ干渉計３によって受信される波形が微弱となり、計測誤差の原因となってしまう。

そこで、制御手段５は、以下に述べるように移動手段４を制御し、送信レーザ照射位置と受信干渉計検出位置との位置関係を最適な状態にする。制御手段５は、先ず、レーザ発振機２からパルスレーザ光が照射されてから、レーザ干渉計３によって第１エコーが検出されるまでの時間を実測する。ここで、レーザ干渉計３によって第１エコーが検出されるまでの時間、即ち、第１エコー到達時間の定義は、様々に考えられるが、例えば、収録した波形をパルスレーザ光照射時刻から順に走査し、受信波形の電圧レベルがある閾値を超えるまでの時間とすることもできる。なお、この定義は任意であり、例えば、第１エコーのピークが到達するまでの時間や、検出する電圧がピーク電圧の所定の割合に達するまでの時間と定義しても良い。そして、第１エコー到達時間が最短となる位置が、被計測物中の伝播距離が最短となる位置であり、かかる場合に、送信レーザ照射位置と受信干渉計検出位置との相対的な位置が最適な状態となる。

次に、第１エコー到達時間が最短となるように移動手段４を制御するための制御手段５の具体的な動作を、図６に基づいて説明する。ここで、図６はこの発明の実施の形態１における金属材料の組織材質計測装置の動作を説明するための図であり、図４に示す金属片１を下方から見た状態を示している。図６（ａ）は送信レーザ照射位置と受信干渉計検出位置との位置合わせを行っていない初期状態を示している。先ず、受信干渉計検出位置を原点として仮想的にＸ軸及びＹ軸を設定する。なお、上記初期状態では、通常、送信レーザ照射位置と受信干渉計検出位置との間に、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のずれが発生している。

そこで、制御手段５は、先ず、Ｘ軸をｍ分割し、Ｘ軸方向に（ｍ＋１）個の基準点を取る。次に、制御手段５は、移動手段４を操作して送信レーザ照射位置をＸ軸方向に移動させ、送信レーザ照射位置が上記Ｘ軸上の各基準点となる位置で、レーザ発振機２からパルスレーザ光を照射する。なお、上記各基準点でレーザ発振機２からパルスレーザ光が照射されてパルス超音波が送信されることにより、Ｘ軸方向の各基準点における受信波形がレーザ干渉計３により検出される。信号処理手段６は、記録された受信波形を解析し、Ｘ軸方向に設定された各基準点における第１エコー到達時間を検出する。そして、検出された各基準点での第１エコー到達時間を比較して、Ｘ軸上での被計測物中の伝播距離が最短となる位置を探す。この点が、送信レーザ照射位置と受信干渉計検出位置との相対距離が、Ｘ軸方向において最も短い位置となる。

次に、制御手段５は、図６（ｂ）に示すように、Ｙ軸をｎ分割し、Ｙ軸方向に（ｎ＋１）個の基準点を取る。そして、制御手段５は、移動手段４を操作して送信レーザ照射位置をＹ軸方向に移動させ、送信レーザ照射位置が上記Ｙ軸上の各基準点となる位置で、レーザ発振機２からパルスレーザ光を照射する。なお、上記各基準点でレーザ発振機２からパルスレーザ光が照射されてパルス超音波が送信されることにより、Ｙ軸方向の各基準点における受信波形がレーザ干渉計３により検出される。信号処理手段６は、記録された受信波形を解析し、Ｙ軸方向に設定された各基準点における第１エコー到達時間を検出する。そして、検出された各基準点での第１エコー到達時間を比較して、Ｙ軸上での被計測物中の伝播距離が最短となる位置を探す。この点が、送信レーザ照射位置と受信干渉計検出位置との相対距離が、Ｙ軸方向において最も短い位置となる。

以上の動作によって、送信レーザ照射位置と受信干渉計検出位置との相対距離が最も短い、縦波送受信に最適な位置関係とすることが可能となる。なお、図６（ｃ）は、上記動作によって縦波送受信に最適な位置関係となった状態を示している。ここで、上記動作におけるＸ軸及びＹ軸での分割方法は、上述したような法分割でも良いし、Ｘ軸及びＹ軸の交点に向かっての等比分割にしても良い。また、計測位置の両端となる第１点と（ｍ＋１）点或いは（ｎ＋１）点とを始めに計測し、第１点と（ｍ＋１）点或いは（ｎ＋１）点とを両端とする線分内を計測するようにしても良い。

この発明の実施の形態１によれば、制御手段５による移動手段４の制御によって、送信用のレーザ発振機２から照射されるパルスレーザ光の照射位置と受信用のレーザ干渉計３の検出位置とを、金属片１の組織材質を算出するために最適な位置関係となるように自動的に補正できる。これにより、レーザ発振機２からのレーザ光照射位置とレーザ干渉計３の検出位置との位置合わせ完了後に、安定して縦波波形を取得することが可能となり、結晶粒径等の金属片１の組織材質を精度良く計測することが可能となる。

なお、上記においては、パルス超音波が送信されてからレーザ干渉計３によって検出されるまでの時間が最小となるように移動手段４を制御することにより、パルス超音波の縦波の波形に基づいて金属片１の結晶粒径を算出する場合について説明した。一方で、横波等の他の振動モードの波形を検出して、弾性率やランクフォード値等の組織材質を計測する場合には、以下のように動作させれば良い。即ち、移動手段４の制御において、制御手段５は、パルス超音波が送信されてからレーザ干渉計３によって検出されるまでの時間が最小となる位置を基準とし、レーザ発振機２からのレーザ光照射方向と所定モードのパルス超音波の進行方向とのなす角をθとして、レーザ干渉計３の検出位置を、レーザ発振機２からのレーザ光照射位置に対して、金属片１の下面に沿って距離（ｋ×ｈ×ｔａｎθ）だけ相対移動させる。ここで、ｋは検出するエコーの番号ｎで決まる整数である。上記ｋは、例えば、図８（ａ）に示すように、送信面と受信面とが上面と下面のような反対面である場合には、ｋ＝２ｎ−１で表される。具体的には、第１エコーを検出する場合はｎ＝１であり、ｋ＝２×１−１＝１となる。一方、図８（ｂ）に示すように、送信面と受信面とが同一面である場合には、ｋ＝２ｎで表される。具体的には、第２エコーを検出する場合はｎ＝２であり、ｋ＝２×２＝４となる。かかる制御により、最も良好なパルス超音波の横波の波形を得ることができる。

また、実施の形態１においては、送信用のレーザ発振機２を金属片１の上方に配置して金属片１に対して上方からパルスレーザ光を照射するとともに、金属片１の下方に配置した受信用のレーザ干渉計３によって超音波振動変位を検出するように構成したが、レーザ発振機２及びレーザ干渉計３の配置は上下逆であっても構わない。また、レーザ発振機２とレーザ干渉計３とを金属片１の上下何れか一方に配置しても何ら問題は生じない。本装置を設置する環境条件等により、その配置は任意に選択することができる。

以上のように、この発明に係る金属材料の組織材質計測装置によれば、金属材料の内部にパルス超音波を伝播させるために上記金属材料に照射されるレーザ光の照射位置と、レーザ干渉計の検出位置との相対位置を容易に調整でき、金属材料の組織材質を精度良く計測することができる
なお、本発明は、上記実施の形態そのままの構成に限定されるものではなく、実施の段階においては、その要旨を変更しない範囲で構成要素を変形して具現化することが可能である。また、上記実施の形態に開示された複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施の形態に示されている全構成要素から幾つかの構成要素を削除しても良い。更に、異なる構成要素を適宜組み合わせても良い。

Claims (5)

1. 金属材料の組織材質を計測する金属材料の組織材質計測装置において、
   前記金属材料の一面にレーザ光を照射し、前記金属材料内にパルス超音波を送信するレーザ発振機と、
   前記金属材料の一面とは逆側の他面において、前記金属材料の内部を伝播した前記パルス超音波を検出し、電気信号として出力するレーザ干渉計と、
   前記レーザ発振機からのレーザ光照射位置と前記レーザ干渉計の検出位置とを相対的に移動可能に構成する移動手段と、
   前記パルス超音波が送信されてから前記レーザ干渉計によって検出されるまでの時間に基づいて前記移動手段を制御することにより、前記レーザ発振機からのレーザ光照射位置と前記レーザ干渉計の検出位置とを、計測する前記金属材料の組織材質に応じた相対位置に合わせる制御手段と、
   前記レーザ干渉計が電気信号として出力した前記パルス超音波の波形に基づいて、前記金属材料の組織材質を算出する算出手段と、
   を備えたことを特徴とする金属材料の組織材質計測装置。
2. 制御手段は、パルス超音波が送信されてからレーザ干渉計によって検出されるまでの時間が最小となるように、移動手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の金属材料の組織材質計測装置。
3. 算定手段は、レーザ干渉計が電気信号として出力したパルス超音波の縦波の波形に基づいて、金属材料の結晶粒径を算定することを特徴とする請求項２に記載の金属材料の組織材質計測装置。
4. 制御手段は、パルス超音波が送信されてからレーザ干渉計によって検出されるまでの時間が最小となる位置を基準とし、金属材料の板厚をｈ、レーザ発振機からのレーザ光照射方向と所定モードのパルス超音波の進行方向とのなす角をθとして、前記レーザ干渉計の検出位置を、レーザ発振機からのレーザ光照射位置に対して、前記金属材料の他面に沿って距離ｈｔａｎθの所定の整数倍だけ相対移動させるように、移動手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の金属材料の組織材質計測装置。
5. 算定手段は、レーザ干渉計が電気信号として出力したパルス超音波の横波の波形に基づいて、金属材料の弾性定数及びランクフォード値の少なくとも何れか一方を算定することを特徴とする請求項４に記載の金属材料の組織材質計測装置。

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