JP2000065802A - レーザー超音波検査装置及びレーザー超音波検査方法 - Google Patents
レーザー超音波検査装置及びレーザー超音波検査方法Info
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- JP2000065802A JP2000065802A JP10238871A JP23887198A JP2000065802A JP 2000065802 A JP2000065802 A JP 2000065802A JP 10238871 A JP10238871 A JP 10238871A JP 23887198 A JP23887198 A JP 23887198A JP 2000065802 A JP2000065802 A JP 2000065802A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 複数のモードの板波を切り換えて発生させ、
効率よくそれぞれのモードでの欠陥検査を実行できるレ
ーザー超音波検査装置及びレーザー超音波検査方法を提
供する。 【解決手段】 音響光学素子１２には発振器１５から、
音響光学素子１４には発振器１６から、それぞれ所定の
周波数の超音波信号を供給することにより、レーザービ
ーム１７，１８の光周波数は元々の光周波数ｆ0 からシ
フトし、二つのレーザービームは鋼材１上で干渉し合
う。この干渉縞は、ｘ軸方向に移動する。薄い鋼材１に
レーザー光が照射されると、その照射点を源とする板波
が生じ、干渉縞の空間的な周期が板波のあるモードの波
長に一致し、かつ、干渉縞の移動速度がその板波の伝播
速度に等しければ、そのモードの板波は増幅され、指向
性の高い板波超音波となって、干渉縞の移動方向に伝播
する。
効率よくそれぞれのモードでの欠陥検査を実行できるレ
ーザー超音波検査装置及びレーザー超音波検査方法を提
供する。 【解決手段】 音響光学素子１２には発振器１５から、
音響光学素子１４には発振器１６から、それぞれ所定の
周波数の超音波信号を供給することにより、レーザービ
ーム１７，１８の光周波数は元々の光周波数ｆ0 からシ
フトし、二つのレーザービームは鋼材１上で干渉し合
う。この干渉縞は、ｘ軸方向に移動する。薄い鋼材１に
レーザー光が照射されると、その照射点を源とする板波
が生じ、干渉縞の空間的な周期が板波のあるモードの波
長に一致し、かつ、干渉縞の移動速度がその板波の伝播
速度に等しければ、そのモードの板波は増幅され、指向
性の高い板波超音波となって、干渉縞の移動方向に伝播
する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、検査対象に光周波
数が僅かに異なる二つのレーザービームを照射して干渉
させ、この干渉縞に基づいて検査対象に板波を発生させ
るとともに、この板波の反射エコーを観測することによ
って検査対象内部の欠陥を非破壊で検出するレーザー超
音波検査装置及びレーザー超音波検査方法に関連する。
数が僅かに異なる二つのレーザービームを照射して干渉
させ、この干渉縞に基づいて検査対象に板波を発生させ
るとともに、この板波の反射エコーを観測することによ
って検査対象内部の欠陥を非破壊で検出するレーザー超
音波検査装置及びレーザー超音波検査方法に関連する。
【０００２】
【従来の技術】比較的薄い鋼材の内部を非破壊で検査す
る方法として、タイヤ型探触子を用いて鋼材に板波（Ｌ
ａｍｂ波）を発生させ、欠陥で反射されたこの板波の反
射エコーを観測することによって、欠陥検査を行う装置
が知られている。この装置については、例えば特開平９
−２５１０１０号公報に開示されている。なお、板波の
詳しい性質については後述する。
る方法として、タイヤ型探触子を用いて鋼材に板波（Ｌ
ａｍｂ波）を発生させ、欠陥で反射されたこの板波の反
射エコーを観測することによって、欠陥検査を行う装置
が知られている。この装置については、例えば特開平９
−２５１０１０号公報に開示されている。なお、板波の
詳しい性質については後述する。
【０００３】図８は、このタイヤ型探触子を用いた欠陥
検査装置の概略を示した図である。図８において、検査
対象である鋼材５０は、厚さが約３ｍｍで、例えば毎分
９０ｍの速度で矢印で示した長手方向に搬送されてい
る。タイヤ型探触子５１は、鋼材５０の一方の側端部と
接するよう配置され、鋼材５０の搬送に伴って回転す
る。
検査装置の概略を示した図である。図８において、検査
対象である鋼材５０は、厚さが約３ｍｍで、例えば毎分
９０ｍの速度で矢印で示した長手方向に搬送されてい
る。タイヤ型探触子５１は、鋼材５０の一方の側端部と
接するよう配置され、鋼材５０の搬送に伴って回転す
る。
【０００４】図９は、タイヤ型探触子５１の内部を示す
断面図である。タイヤ型探触子５１は、鋼材５０の搬送
に伴って回転するタイヤ部６０、回転するタイヤ部６０
の回転軸となる軸６１、軸６１に取り付けられた超音波
振動子６２、超音波振動子６２から発せられた超音波を
タイヤ部６０まで伝達する伝達媒質６３などからなる。
軸６１は固定されており、一方タイヤ部６０を左右から
閉じる蓋６４，６５は、タイヤ部６０と共に回転するよ
うにされているので、蓋６４及び６５と軸６１とは互い
に摺接している。伝達媒質６３は、蓋６４及び６５によ
って、タイヤ部６０の内部に封入されている。
断面図である。タイヤ型探触子５１は、鋼材５０の搬送
に伴って回転するタイヤ部６０、回転するタイヤ部６０
の回転軸となる軸６１、軸６１に取り付けられた超音波
振動子６２、超音波振動子６２から発せられた超音波を
タイヤ部６０まで伝達する伝達媒質６３などからなる。
軸６１は固定されており、一方タイヤ部６０を左右から
閉じる蓋６４，６５は、タイヤ部６０と共に回転するよ
うにされているので、蓋６４及び６５と軸６１とは互い
に摺接している。伝達媒質６３は、蓋６４及び６５によ
って、タイヤ部６０の内部に封入されている。
【０００５】超音波振動子６２から超音波が発せられる
と、超音波は伝達媒質６３を介してタイヤ部６０に達
し、更にタイヤ部６０と接している鋼材５０に伝えられ
る。この超音波の周波数及びこの鋼材に対する入射角が
適当な値に設定されていると、鋼材５０には、板波が発
生する。板波は、鋼材５０を、タイヤ型探触子５１が配
置された方の側端部から搬送方向と直角な方向に向けて
伝播し、もう一方の側端部で反射されて、再びタイヤ型
探触子５１のところに戻り、超音波探触子６２によって
観測される。この板波の伝播経路の途中に欠陥がある
と、板波はその欠陥によっても反射され、この反射エコ
ーも超音波探触子６２によって観測される。欠陥による
反射エコーは、鋼材の側端部で反射される反射エコーよ
りも時間的に先行して観測されるので、これを観測する
ことによって、鋼材の内部に欠陥があることが分かる。
と、超音波は伝達媒質６３を介してタイヤ部６０に達
し、更にタイヤ部６０と接している鋼材５０に伝えられ
る。この超音波の周波数及びこの鋼材に対する入射角が
適当な値に設定されていると、鋼材５０には、板波が発
生する。板波は、鋼材５０を、タイヤ型探触子５１が配
置された方の側端部から搬送方向と直角な方向に向けて
伝播し、もう一方の側端部で反射されて、再びタイヤ型
探触子５１のところに戻り、超音波探触子６２によって
観測される。この板波の伝播経路の途中に欠陥がある
と、板波はその欠陥によっても反射され、この反射エコ
ーも超音波探触子６２によって観測される。欠陥による
反射エコーは、鋼材の側端部で反射される反射エコーよ
りも時間的に先行して観測されるので、これを観測する
ことによって、鋼材の内部に欠陥があることが分かる。
【０００６】図８及び図９に示すような構成で、板波超
音波を伝播させ、そのエコーを観測するという動作を、
従来は、例えば５ｍｓｅｃごとに１回の割合で行ってい
た。鋼材５０の搬送速度を毎分９０ｍとすると、５ｍｓ
ｅｃの時間に進む距離は７．５ｍｍである。したがっ
て、距離にして７．５ｍｍ間隔ごとに、鋼材内部の欠陥
の検査を行うことができる。
音波を伝播させ、そのエコーを観測するという動作を、
従来は、例えば５ｍｓｅｃごとに１回の割合で行ってい
た。鋼材５０の搬送速度を毎分９０ｍとすると、５ｍｓ
ｅｃの時間に進む距離は７．５ｍｍである。したがっ
て、距離にして７．５ｍｍ間隔ごとに、鋼材内部の欠陥
の検査を行うことができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】ところで、板波には様
々なモードがあり、それぞれのモードによって伝播速度
（音速）を初めとする種々の性質が異なる。特に、欠陥
の検出という観点からは、欠陥が鋼材の表面に近くにあ
るか中央部にあるかによって、板波の反射エコーの強度
が異なる。そして、近年、欠陥の位置による反射エコー
の強度の変化の仕方が、板波のモードによって異なるこ
とが分かってきた。すなわち、あるモードでは鋼材の表
面近傍に存在する欠陥からの反射エコーの強度はかなり
高いが鋼材の中央部に存在する欠陥からの反射エコーの
強度は極端に弱かったり、また別のモードでは、鋼材の
表面近傍に存在する欠陥からの反射エコーも中央部に存
在する欠陥からの反射エコーもほぼ同じ強度を有する、
といった違いが知られてきた。
々なモードがあり、それぞれのモードによって伝播速度
（音速）を初めとする種々の性質が異なる。特に、欠陥
の検出という観点からは、欠陥が鋼材の表面に近くにあ
るか中央部にあるかによって、板波の反射エコーの強度
が異なる。そして、近年、欠陥の位置による反射エコー
の強度の変化の仕方が、板波のモードによって異なるこ
とが分かってきた。すなわち、あるモードでは鋼材の表
面近傍に存在する欠陥からの反射エコーの強度はかなり
高いが鋼材の中央部に存在する欠陥からの反射エコーの
強度は極端に弱かったり、また別のモードでは、鋼材の
表面近傍に存在する欠陥からの反射エコーも中央部に存
在する欠陥からの反射エコーもほぼ同じ強度を有する、
といった違いが知られてきた。
【０００８】このように、同じモードでも、欠陥の存在
する位置によって板波の反射エコーの強度が異なると、
そのモードだけでを用いている限り、反射エコーの強度
が弱いところに存在する欠陥については見逃す危険性が
ある。一方、これまで用いられてきたタイヤ型探触子を
用いて板波を発生・観測する装置では、鋼材に発生させ
ることのできる板波のモードが固定されており、１台の
タイヤ型探触子で複数のモードの板波を発生させること
はできない。このため、かりに複数の板波モードを用い
て検査しようとすると、同じような装置を複数用意し
て、一つの装置であるモードでの検査が終了した後、別
の装置で別のモードでの検査を行なうということが必要
となり、不経済であるとともに、検査に要する手間も余
分にかかってしまう。
する位置によって板波の反射エコーの強度が異なると、
そのモードだけでを用いている限り、反射エコーの強度
が弱いところに存在する欠陥については見逃す危険性が
ある。一方、これまで用いられてきたタイヤ型探触子を
用いて板波を発生・観測する装置では、鋼材に発生させ
ることのできる板波のモードが固定されており、１台の
タイヤ型探触子で複数のモードの板波を発生させること
はできない。このため、かりに複数の板波モードを用い
て検査しようとすると、同じような装置を複数用意し
て、一つの装置であるモードでの検査が終了した後、別
の装置で別のモードでの検査を行なうということが必要
となり、不経済であるとともに、検査に要する手間も余
分にかかってしまう。
【０００９】本発明は、上記事情に基づいてなされたも
のであり、複数のモードの板波を切り換えて発生させ、
効率よくそれぞれのモードでの欠陥検査を実行できるレ
ーザー超音波検査装置及びレーザー超音波検査方法を提
供することを目的とする。
のであり、複数のモードの板波を切り換えて発生させ、
効率よくそれぞれのモードでの欠陥検査を実行できるレ
ーザー超音波検査装置及びレーザー超音波検査方法を提
供することを目的とする。
【００１０】
【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記載の発明であるレーザー超音波検査装置
は、第一のレーザービーム、および第一のレーザービー
ムと僅かに光周波数が異なる第二のレーザービームを発
するレーザー発生手段と、前記第一及び第二のレーザー
ビームを、それぞれ所定の入射角で、検査対象の共通の
照射位置に照射して両ビームの干渉を生じさせるレーザ
ービーム照射手段と、前記照射位置に照射される第一及
び第二のレーザービームについて、それぞれの光周波数
の差を所定の光周波数差にするとともに、この光周波数
差を異なる値に切り換え可能とする光周波数差設定手段
と、前記検査対象に発生した板波の反射エコーを観測し
て欠陥検出を行う反射エコー観測手段とを有し、前記第
一及び第二のレーザービームの入射角及び光周波数差を
所定の値に設定することによって前記検査対象に板波を
発生させるとともに、前記光周波数差設定手段により前
記光周波数差を複数の値の間で切り換えることによって
それぞれの光周波数差に応じた複数のモードの板波を順
次発生させ、各モードの板波について前記反射エコー観
測手段による欠陥検出を行うことを特徴とする。
めの請求項１記載の発明であるレーザー超音波検査装置
は、第一のレーザービーム、および第一のレーザービー
ムと僅かに光周波数が異なる第二のレーザービームを発
するレーザー発生手段と、前記第一及び第二のレーザー
ビームを、それぞれ所定の入射角で、検査対象の共通の
照射位置に照射して両ビームの干渉を生じさせるレーザ
ービーム照射手段と、前記照射位置に照射される第一及
び第二のレーザービームについて、それぞれの光周波数
の差を所定の光周波数差にするとともに、この光周波数
差を異なる値に切り換え可能とする光周波数差設定手段
と、前記検査対象に発生した板波の反射エコーを観測し
て欠陥検出を行う反射エコー観測手段とを有し、前記第
一及び第二のレーザービームの入射角及び光周波数差を
所定の値に設定することによって前記検査対象に板波を
発生させるとともに、前記光周波数差設定手段により前
記光周波数差を複数の値の間で切り換えることによって
それぞれの光周波数差に応じた複数のモードの板波を順
次発生させ、各モードの板波について前記反射エコー観
測手段による欠陥検出を行うことを特徴とする。
【００１１】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明において、前記検査対象は一定速度で搬送されてお
り、前記レーザービーム照射手段は前記検査対象の一方
の側端部に前記第一及び第二のレーザービームを照射し
て前記検査対象の搬送方向と直角な方向に伝播する板波
を発生させ、前記光周波数差設定手段は一定の時間間隔
で前記光周波数差を複数の値の間で順次切り換えること
によって前記複数のモードの板波を順次発生させ、これ
により、前記検査対象について搬送方向において一定間
隔で各モードの板波での欠陥検出を行うことを特徴とす
る。
明において、前記検査対象は一定速度で搬送されてお
り、前記レーザービーム照射手段は前記検査対象の一方
の側端部に前記第一及び第二のレーザービームを照射し
て前記検査対象の搬送方向と直角な方向に伝播する板波
を発生させ、前記光周波数差設定手段は一定の時間間隔
で前記光周波数差を複数の値の間で順次切り換えること
によって前記複数のモードの板波を順次発生させ、これ
により、前記検査対象について搬送方向において一定間
隔で各モードの板波での欠陥検出を行うことを特徴とす
る。
【００１２】請求項３記載の発明は、請求項１又は２記
載の発明において、前記レーザー発生手段は、ＣＯ2 レ
ーザーから発生された単一のレーザービームを二つのレ
ーザービームに分岐し、これらのレーザービームのいず
れか一方又は両方を対応する音響光学素子に入射させ、
前記音響光学素子に所定の周波数の電気信号を供給して
入射したレーザービームの光周波数をシフトさせること
により、前記第一及び第二のレーザービームを発するこ
とを特徴とする。
載の発明において、前記レーザー発生手段は、ＣＯ2 レ
ーザーから発生された単一のレーザービームを二つのレ
ーザービームに分岐し、これらのレーザービームのいず
れか一方又は両方を対応する音響光学素子に入射させ、
前記音響光学素子に所定の周波数の電気信号を供給して
入射したレーザービームの光周波数をシフトさせること
により、前記第一及び第二のレーザービームを発するこ
とを特徴とする。
【００１３】請求項４記載の発明は、請求項３記載の発
明において、前記光周波数差設定手段は、音響光学素子
に電気信号を供給する一又は二以上の発振器であり、前
記音響光学素子に供給する電気信号の周波数を変えるこ
とによって、第一及び第二のレーザービームの光周波数
差の設定及び光周波数差の切り換えを行うことを特徴と
する。
明において、前記光周波数差設定手段は、音響光学素子
に電気信号を供給する一又は二以上の発振器であり、前
記音響光学素子に供給する電気信号の周波数を変えるこ
とによって、第一及び第二のレーザービームの光周波数
差の設定及び光周波数差の切り換えを行うことを特徴と
する。
【００１４】請求項５記載の発明は、請求項１，２，３
又は４記載の発明において、前記複数のモードの板波
は、Ａ0 モードの板波及びＳ0 モードの板波であること
を特徴とする。請求項６記載の発明は、請求項１，２，
３，４又は５記載の発明において、前記反射エコー観測
手段は、検査対象の観測点に観測用レーザービームを照
射し、その反射波をファブリ・ペロー干渉計に導き、前
記反射光が前記観測点の超音波振動によって受けるドッ
プラーシフトを前記ファブリ・ペロー干渉計の出射光強
度の変化として捉えることを特徴とする。
又は４記載の発明において、前記複数のモードの板波
は、Ａ0 モードの板波及びＳ0 モードの板波であること
を特徴とする。請求項６記載の発明は、請求項１，２，
３，４又は５記載の発明において、前記反射エコー観測
手段は、検査対象の観測点に観測用レーザービームを照
射し、その反射波をファブリ・ペロー干渉計に導き、前
記反射光が前記観測点の超音波振動によって受けるドッ
プラーシフトを前記ファブリ・ペロー干渉計の出射光強
度の変化として捉えることを特徴とする。
【００１５】請求項７記載の発明であるレーザー超音波
検査方法は、光周波数が僅かに異なる二つのレーザービ
ームを検査対象の所定位置に照射して干渉させ、その干
渉縞の空間的な周期及び前記干渉縞の移動速度を調整す
ることによって前記検査対象に板波を発生させるととも
に、前記二つのレーザービームの光周波数の差を調整す
ることによって複数のモードの板波を発生させ、複数の
モードの板波を用いて前記検査対象に含まれる欠陥の検
出を行うことを特徴とする。
検査方法は、光周波数が僅かに異なる二つのレーザービ
ームを検査対象の所定位置に照射して干渉させ、その干
渉縞の空間的な周期及び前記干渉縞の移動速度を調整す
ることによって前記検査対象に板波を発生させるととも
に、前記二つのレーザービームの光周波数の差を調整す
ることによって複数のモードの板波を発生させ、複数の
モードの板波を用いて前記検査対象に含まれる欠陥の検
出を行うことを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下に図面を参照して、本発明の
実施の形態について説明する。図１は、本発明の一実施
形態のレーザー超音波検査装置の全体的な構成を示す図
である。本実施形態の説明では、検査対象とされる薄い
鋼材１の幅方向をｘ軸、鋼材１の長手方向をｙ軸、これ
らの軸に垂直な方向をｚ軸とする。図１では、図の横方
向（左から右に向かう方向）がｘ軸、縦方向（下から上
に向かう方向）がｚ軸となっており、図１のｘ軸方向は
鋼材１の幅方向となり、紙面に垂直なｙ軸方向が長手方
向となる。鋼材１は、紙面の裏側から表側に向かう長手
方向（ｙ軸方向）に搬送される。なお、鋼材１の厚さ
は、３ｍｍとする。
実施の形態について説明する。図１は、本発明の一実施
形態のレーザー超音波検査装置の全体的な構成を示す図
である。本実施形態の説明では、検査対象とされる薄い
鋼材１の幅方向をｘ軸、鋼材１の長手方向をｙ軸、これ
らの軸に垂直な方向をｚ軸とする。図１では、図の横方
向（左から右に向かう方向）がｘ軸、縦方向（下から上
に向かう方向）がｚ軸となっており、図１のｘ軸方向は
鋼材１の幅方向となり、紙面に垂直なｙ軸方向が長手方
向となる。鋼材１は、紙面の裏側から表側に向かう長手
方向（ｙ軸方向）に搬送される。なお、鋼材１の厚さ
は、３ｍｍとする。
【００１７】図１において、ＣＯ2 レーザー１０は、超
音波発生用のレーザー光源である。ＣＯ2 レーザーは、
高エネルギーのレーザービームを、繰り返し周波数１Ｋ
Ｈｚ以上で繰り返し発射することができるため、検査対
象が絶え間なく搬送されている工場などでのオンライン
検査に適している。ＣＯ2 レーザー１０は数種類の波長
のレーザービームを発生することができるが、ここで
は、波長λ0 ＝１０．６μｍのレーザービームを用い
る。このレーザービームの光周波数をｆ0 とすると、ｆ
0 ＝ｃ［ｍ／ｓｅｃ］／１０．６［μｍ］となる。ここ
で、ｃは光速である。
音波発生用のレーザー光源である。ＣＯ2 レーザーは、
高エネルギーのレーザービームを、繰り返し周波数１Ｋ
Ｈｚ以上で繰り返し発射することができるため、検査対
象が絶え間なく搬送されている工場などでのオンライン
検査に適している。ＣＯ2 レーザー１０は数種類の波長
のレーザービームを発生することができるが、ここで
は、波長λ0 ＝１０．６μｍのレーザービームを用い
る。このレーザービームの光周波数をｆ0 とすると、ｆ
0 ＝ｃ［ｍ／ｓｅｃ］／１０．６［μｍ］となる。ここ
で、ｃは光速である。
【００１８】図１において、ＣＯ2 レーザー１０から発
射されたレーザービームは、ビームスプリッタ１１によ
って、ここで反射されるレーザービームとここを透過す
るレーザービームの二つに分岐される。ビームスプリッ
タ１１で反射されたレーザービームは、音響光学素子
（ＡＯＭ）１２に入射し、一方ビームスプリッタ１１を
透過したレーザービームは、ミラー１３を経て音響光学
素子（ＡＯＭ）１４に入射する。
射されたレーザービームは、ビームスプリッタ１１によ
って、ここで反射されるレーザービームとここを透過す
るレーザービームの二つに分岐される。ビームスプリッ
タ１１で反射されたレーザービームは、音響光学素子
（ＡＯＭ）１２に入射し、一方ビームスプリッタ１１を
透過したレーザービームは、ミラー１３を経て音響光学
素子（ＡＯＭ）１４に入射する。
【００１９】音響光学素子１２，１４は、音響光学効果
を利用した素子であり、ここでは、音響光学周波数シフ
タ（Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ
Ｓｈｉｆｔｅｒ：ＡＯＦＳ）として利用する。音響光
学素子に、適当な周波数の電気信号を供給すると、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。これに起因して、媒体には超
音波の波長を周期とする屈折率変動が生じ、この屈折率
の変動領域に入射した光を回折させる。このとき、回折
した光は超音波によるドップラーシフトを受け、一次回
折光の光周波数は、入射光の光周波数から超音波の周波
数分だけシフトした値となる。すなわち、入射光の光周
波数をｆi 、一次回折光の光周波数をｆd 、超音波の周
波数（発振器の信号周波数）をｆa とすると、 ｆd ＝ｆi ±ｆa （１） となる。ここで、±の符号は、回折される方向によって
決まる。
を利用した素子であり、ここでは、音響光学周波数シフ
タ（Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ
Ｓｈｉｆｔｅｒ：ＡＯＦＳ）として利用する。音響光
学素子に、適当な周波数の電気信号を供給すると、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。これに起因して、媒体には超
音波の波長を周期とする屈折率変動が生じ、この屈折率
の変動領域に入射した光を回折させる。このとき、回折
した光は超音波によるドップラーシフトを受け、一次回
折光の光周波数は、入射光の光周波数から超音波の周波
数分だけシフトした値となる。すなわち、入射光の光周
波数をｆi 、一次回折光の光周波数をｆd 、超音波の周
波数（発振器の信号周波数）をｆa とすると、 ｆd ＝ｆi ±ｆa （１） となる。ここで、±の符号は、回折される方向によって
決まる。
【００２０】本実施形態では、音響光学素子１２には発
振器１５から、また、音響光学素子１４には発振器１６
から、それぞれ所定の周波数の超音波信号を供給する。
したがって、音響光学素子１２から出射されるレーザー
ビーム１７及び音響光学素子１４から出射されるレーザ
ービーム１８の光周波数は、前述の（１）式に基づい
て、元々の光周波数ｆ0 からシフトする。発振器１５，
１６の発信周波数の具体的な値については、後述する。
振器１５から、また、音響光学素子１４には発振器１６
から、それぞれ所定の周波数の超音波信号を供給する。
したがって、音響光学素子１２から出射されるレーザー
ビーム１７及び音響光学素子１４から出射されるレーザ
ービーム１８の光周波数は、前述の（１）式に基づい
て、元々の光周波数ｆ0 からシフトする。発振器１５，
１６の発信周波数の具体的な値については、後述する。
【００２１】音響光学素子１２から出射されたレーザー
ビーム１７と、音響光学素子１４から出射されたレーザ
ービーム１８は、適当な光学系（図示せず）によって鋼
材１の端部の共通の照射位置１９に照射される。このと
き、これら二つのレーザービーム１７，１８の中心軸
は、ｘ軸及びｚ軸を含む面内（ｘ−ｚ面内）にあるもの
とする。
ビーム１７と、音響光学素子１４から出射されたレーザ
ービーム１８は、適当な光学系（図示せず）によって鋼
材１の端部の共通の照射位置１９に照射される。このと
き、これら二つのレーザービーム１７，１８の中心軸
は、ｘ軸及びｚ軸を含む面内（ｘ−ｚ面内）にあるもの
とする。
【００２２】音響光学素子１２から出射されるレーザー
ビーム１７の光周波数と音響光学素子１４から出射され
るレーザービーム１８の光周波数が僅かに異なっている
と、共通の照射位置１９上で二つのレーザービームは干
渉し合い、強め合うところと弱め合うことろが交互に現
れる干渉縞を生じる。更に、この干渉縞は、後述のよう
にｘ軸方向に移動する。
ビーム１７の光周波数と音響光学素子１４から出射され
るレーザービーム１８の光周波数が僅かに異なっている
と、共通の照射位置１９上で二つのレーザービームは干
渉し合い、強め合うところと弱め合うことろが交互に現
れる干渉縞を生じる。更に、この干渉縞は、後述のよう
にｘ軸方向に移動する。
【００２３】鋼材１にレーザー光が照射されると、その
照射点を源とする超音波が発生する。特に、本実施形態
のように、鋼材１の厚さが３ｍｍ程度という十分に薄い
ものである場合には、板波（「Ｌａｍｂ波」ともいう）
と呼ばれる超音波が生じる。前述の干渉縞の空間的な周
期が板波のあるモードの波長に一致し、かつ、干渉縞の
移動速度がその板波の伝播速度に等しければ、そのモー
ドの板波は増幅され、指向性の高い板波超音波となっ
て、干渉縞の移動方向に伝播する。本実施形態では、二
つのレーザービームによる干渉縞を、鋼材１の表面上で
ｘ軸の正方向（図１の左から右に向かう方向）に移動さ
せるので、板波もこの同じ方向に伝播する。
照射点を源とする超音波が発生する。特に、本実施形態
のように、鋼材１の厚さが３ｍｍ程度という十分に薄い
ものである場合には、板波（「Ｌａｍｂ波」ともいう）
と呼ばれる超音波が生じる。前述の干渉縞の空間的な周
期が板波のあるモードの波長に一致し、かつ、干渉縞の
移動速度がその板波の伝播速度に等しければ、そのモー
ドの板波は増幅され、指向性の高い板波超音波となっ
て、干渉縞の移動方向に伝播する。本実施形態では、二
つのレーザービームによる干渉縞を、鋼材１の表面上で
ｘ軸の正方向（図１の左から右に向かう方向）に移動さ
せるので、板波もこの同じ方向に伝播する。
【００２４】板波は、図２に示すように、薄い板の全体
が振動して伝播する超音波である。これに対して、十分
な厚さの試料に対して超音波を発生させると、その表面
だけを伝わる表面波や、表面から内部に向かって進行す
る超音波などが発生する。板波には、図２（ａ）に示す
ように、媒質の表側の変位と裏側の変位が対称となる
「Ｓモード」と、図２（ｂ）に示すように媒質の表側の
変位と裏側の変位が非対称となる「Ａモード」がある。
更に、Ｓモード、Ａモードには、それぞれ、多数の高調
波モードが存在する。板波のモードの表し方は、基本波
にはＳ0 モード、Ａ0 モードのように添字０を付けて表
し、高調波にはその次数に応じた添字を付けて表す。但
し、鋼材内部の欠陥検出には、単純な取扱が可能なＳ0
モード及びＡ0 モードを用いることが多く、本実施形態
でもＳ0 モード及びＡ0 モードのみを用いる。但し、こ
れは本発明の一例であり、他のモードを用いる場合も、
本発明の技術的範囲に含まれる。
が振動して伝播する超音波である。これに対して、十分
な厚さの試料に対して超音波を発生させると、その表面
だけを伝わる表面波や、表面から内部に向かって進行す
る超音波などが発生する。板波には、図２（ａ）に示す
ように、媒質の表側の変位と裏側の変位が対称となる
「Ｓモード」と、図２（ｂ）に示すように媒質の表側の
変位と裏側の変位が非対称となる「Ａモード」がある。
更に、Ｓモード、Ａモードには、それぞれ、多数の高調
波モードが存在する。板波のモードの表し方は、基本波
にはＳ0 モード、Ａ0 モードのように添字０を付けて表
し、高調波にはその次数に応じた添字を付けて表す。但
し、鋼材内部の欠陥検出には、単純な取扱が可能なＳ0
モード及びＡ0 モードを用いることが多く、本実施形態
でもＳ0 モード及びＡ0 モードのみを用いる。但し、こ
れは本発明の一例であり、他のモードを用いる場合も、
本発明の技術的範囲に含まれる。
【００２５】板波の音速（位相速度）は、モードによっ
て、また、周波数ｆ［ＭＨｚ］と媒質の厚さｄ［ｍｍ］
を掛けたｆｄ積によって大きく異なる。図３は、鋼材に
ついて板波の音速を理論的に導いた結果を示したグラフ
であり、縦軸が音速（移送速度）［ｍ／ｓｅｃ］、横軸
がｆｄ積［ＭＨｚ・ｍｍ］を表している。図３のグラフ
において、Ｓ0 モードとＡ0 モードについて、ｆｄ積を
徐々に大きくしていくと、音速は、最終的に２９５０
［ｍ／ｓｅｃ］に収束することが分かる。この値は、鋼
材の表面波の音速に対応する。
て、また、周波数ｆ［ＭＨｚ］と媒質の厚さｄ［ｍｍ］
を掛けたｆｄ積によって大きく異なる。図３は、鋼材に
ついて板波の音速を理論的に導いた結果を示したグラフ
であり、縦軸が音速（移送速度）［ｍ／ｓｅｃ］、横軸
がｆｄ積［ＭＨｚ・ｍｍ］を表している。図３のグラフ
において、Ｓ0 モードとＡ0 モードについて、ｆｄ積を
徐々に大きくしていくと、音速は、最終的に２９５０
［ｍ／ｓｅｃ］に収束することが分かる。この値は、鋼
材の表面波の音速に対応する。
【００２６】以上の板波の性質に関する説明は、実森彰
郎「産業用超音波センシングと信号処理」（（社）日本
鉄鋼協会計測・制御・システム工学部会シンポジウム
「センシングと信号処理技術の最新動向」１９９７年１
１月１２日）によった。板波の伝播経路に欠陥がなけれ
ば、板波は、図１に示す鋼材１の右側の端部で反射され
る。一方、伝播経路に欠陥が存在すると、板波はこの欠
陥でも反射される。欠陥で反射されるエコーは、鋼材１
の右側端部で反射されるエコーよりも時間的に先行して
発生源に戻る。板波の音速及び鋼材の寸法を既知とすれ
ば、超音波を発生させた位置又はその近傍で反射エコー
を観測し、かつ、超音波を発生させてから反射エコーが
観測されるまでの時間を求めることによって、鋼材１の
内部における欠陥の有無を調べることができ、また、欠
陥がある場合にはその位置を特定することができる。
郎「産業用超音波センシングと信号処理」（（社）日本
鉄鋼協会計測・制御・システム工学部会シンポジウム
「センシングと信号処理技術の最新動向」１９９７年１
１月１２日）によった。板波の伝播経路に欠陥がなけれ
ば、板波は、図１に示す鋼材１の右側の端部で反射され
る。一方、伝播経路に欠陥が存在すると、板波はこの欠
陥でも反射される。欠陥で反射されるエコーは、鋼材１
の右側端部で反射されるエコーよりも時間的に先行して
発生源に戻る。板波の音速及び鋼材の寸法を既知とすれ
ば、超音波を発生させた位置又はその近傍で反射エコー
を観測し、かつ、超音波を発生させてから反射エコーが
観測されるまでの時間を求めることによって、鋼材１の
内部における欠陥の有無を調べることができ、また、欠
陥がある場合にはその位置を特定することができる。
【００２７】この板波の反射エコーの観測にもレーザー
を利用する。図１において、アルゴン（Ａｒ）レーザー
２０は、板波超音波エコー観測用のレーザー光源であ
る。Ａｒレーザー２０から発射されたレーザービーム
は、ハーフミラー２１及び適当な光学系（図示せず）を
経て、鋼材１の表面の照射位置２４に照射される。照射
位置１９と照射位置２４は、ともにｘ軸上にある。照射
位置２４に照射されたレーザービームの一部はここで反
射され、反射光は更にハーフミラー２１で反射されて、
ファブリ・ペロー干渉計２２に入射する。板波の反射エ
コーが鋼材１を伝播して戻ってくると、照射位置２４で
反射されるレーザービームの反射波は、この超音波振動
によってドップラーシフトを受け、光周波数が変位す
る。なお、図１では、照射位置２４と照射位置１９を離
して示したあるが、実際には両者は十分近傍に配置され
ている。
を利用する。図１において、アルゴン（Ａｒ）レーザー
２０は、板波超音波エコー観測用のレーザー光源であ
る。Ａｒレーザー２０から発射されたレーザービーム
は、ハーフミラー２１及び適当な光学系（図示せず）を
経て、鋼材１の表面の照射位置２４に照射される。照射
位置１９と照射位置２４は、ともにｘ軸上にある。照射
位置２４に照射されたレーザービームの一部はここで反
射され、反射光は更にハーフミラー２１で反射されて、
ファブリ・ペロー干渉計２２に入射する。板波の反射エ
コーが鋼材１を伝播して戻ってくると、照射位置２４で
反射されるレーザービームの反射波は、この超音波振動
によってドップラーシフトを受け、光周波数が変位す
る。なお、図１では、照射位置２４と照射位置１９を離
して示したあるが、実際には両者は十分近傍に配置され
ている。
【００２８】ファブリ・ペロー干渉計２２は、入射光の
光周波数によって、出射光の強度が図４のように変化す
る。すなわち、出射光強度は、ある特定の光周波数にお
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。このピークを示す光周波数は、ファブリ・ペ
ロー干渉計２２の共振器長を調節することによって変え
ることができる。そこで、曲線の傾きが最大となる光周
波数（例えば図４のＡ点）がＡｒレーザーの光周波数と
一致するよう予めファブリ・ペロー干渉計２２の共振器
長を調整しておけば、光周波数の僅かな変位±Δνを、
相対的に大きな透過光強度の変化±ΔＩに変換できる。
透過光強度は、光検出器２３を用いて電気信号に変換さ
れるので、最終的には、光周波数の変位を電気的な波形
として捉えることができ、これにより板波の反射エコー
を観測できる。
光周波数によって、出射光の強度が図４のように変化す
る。すなわち、出射光強度は、ある特定の光周波数にお
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。このピークを示す光周波数は、ファブリ・ペ
ロー干渉計２２の共振器長を調節することによって変え
ることができる。そこで、曲線の傾きが最大となる光周
波数（例えば図４のＡ点）がＡｒレーザーの光周波数と
一致するよう予めファブリ・ペロー干渉計２２の共振器
長を調整しておけば、光周波数の僅かな変位±Δνを、
相対的に大きな透過光強度の変化±ΔＩに変換できる。
透過光強度は、光検出器２３を用いて電気信号に変換さ
れるので、最終的には、光周波数の変位を電気的な波形
として捉えることができ、これにより板波の反射エコー
を観測できる。
【００２９】次に、図１の発振器１５から音響光学素子
１２へ供給する信号および発振器１６から音響光学素子
１４に供給する信号の周波数をどのような値とし、音響
光学素子１２，１４から出射されるレーザービームの光
周波数をどの程度シフトさせるかについて説明する。図
５は、図１に示した二つのレーザービーム１７，１８
と、照射位置１９の近傍を拡大して示している。座標軸
の取り方は、図１の場合と同様である。図５に示すよう
に、レーザービーム１７の入射角はｚ軸からｘ軸の負側
に計ってθとし、レーザービーム１８の入射角はｚ軸の
ｘ軸の正側に計ってθとする。このとき、二つのレーザ
ービーム１７，１８を照射した照射位置１９における光
の振幅は、
１２へ供給する信号および発振器１６から音響光学素子
１４に供給する信号の周波数をどのような値とし、音響
光学素子１２，１４から出射されるレーザービームの光
周波数をどの程度シフトさせるかについて説明する。図
５は、図１に示した二つのレーザービーム１７，１８
と、照射位置１９の近傍を拡大して示している。座標軸
の取り方は、図１の場合と同様である。図５に示すよう
に、レーザービーム１７の入射角はｚ軸からｘ軸の負側
に計ってθとし、レーザービーム１８の入射角はｚ軸の
ｘ軸の正側に計ってθとする。このとき、二つのレーザ
ービーム１７，１８を照射した照射位置１９における光
の振幅は、
【００３０】
【数１】
【００３１】と表すことができる。ここで、（２）式の
右辺第１項はレーザービーム１７の光の振幅の変化を表
し、右辺第２項はレーザービーム１８の光の振幅の変化
を表す。また、Ｉ1 ，Ｉ2 は、それぞれのレーザービー
ムの最大振幅を表し、ｋ1 ，ｋ 2 は、各レーザービーム
の波数を表し、ω1 ，ω2 は、各レーザービームの角周
波数を表す。レーザービーム１７の光周波数をｆ1 、波
長をλ1 、レーザービーム１８の光周波数ｆ2 、波長を
λ2 とすると、これらの間には、 ｋ1 ＝２π／λ1 ，ｋ2 ＝２π／λ2 ω1 ＝２πｆ1 ，ω2 ＝２πｆ2 λ1 ＝ｃ／ｆ1 ，λ2 ＝ｃ／ｆ2 という関係がある。
右辺第１項はレーザービーム１７の光の振幅の変化を表
し、右辺第２項はレーザービーム１８の光の振幅の変化
を表す。また、Ｉ1 ，Ｉ2 は、それぞれのレーザービー
ムの最大振幅を表し、ｋ1 ，ｋ 2 は、各レーザービーム
の波数を表し、ω1 ，ω2 は、各レーザービームの角周
波数を表す。レーザービーム１７の光周波数をｆ1 、波
長をλ1 、レーザービーム１８の光周波数ｆ2 、波長を
λ2 とすると、これらの間には、 ｋ1 ＝２π／λ1 ，ｋ2 ＝２π／λ2 ω1 ＝２πｆ1 ，ω2 ＝２πｆ2 λ1 ＝ｃ／ｆ1 ，λ2 ＝ｃ／ｆ2 という関係がある。
【００３２】（２）式に基づいて、照射位置１９におけ
る光の強度を計算すると、
る光の強度を計算すると、
【００３３】
【数２】
【００３４】となる。ここで、Ｋ（＝２π／λ0 ≒ｋ1
≒ｋ2 ）は、ＣＯ2 レーザー１０から発射されたレーザ
ービームの波数であり、またωa は、 ωa ＝ω2 −ω1 ＝２π（ｆ2 −ｆ1 ） である。（３）式の右辺第３項は、干渉縞が波のように
ｘ軸方向に移動することを示している。そこで干渉縞の
進行速度をｖf 、干渉縞の波数をｋf 、干渉縞の波長を
λf とすると、 ｋf ＝２Ｋ sinθ （４） ｖf ＝ωa ／２Ｋ sinθ＝λ0 （ｆ2 −ｆ1 ）／２ sinθ （５） と表される。なお、λ0 は、前述のように、ＣＯ2 レー
ザー１０から放射されるレーザービームの波長である。
≒ｋ2 ）は、ＣＯ2 レーザー１０から発射されたレーザ
ービームの波数であり、またωa は、 ωa ＝ω2 −ω1 ＝２π（ｆ2 −ｆ1 ） である。（３）式の右辺第３項は、干渉縞が波のように
ｘ軸方向に移動することを示している。そこで干渉縞の
進行速度をｖf 、干渉縞の波数をｋf 、干渉縞の波長を
λf とすると、 ｋf ＝２Ｋ sinθ （４） ｖf ＝ωa ／２Ｋ sinθ＝λ0 （ｆ2 −ｆ1 ）／２ sinθ （５） と表される。なお、λ0 は、前述のように、ＣＯ2 レー
ザー１０から放射されるレーザービームの波長である。
【００３５】（４）式から、二つのレーザービームの入
射角θを変えることによって、干渉縞の波長（空間的な
周期）λf （＝２π／ｋf ）を調整できることが分か
る。また、（５）式から、二つのレーザービームの入射
角θと、二つのレーザービームの光周波数差を適当に調
整することによって、干渉縞の移動速度を変え得ること
が分かる。
射角θを変えることによって、干渉縞の波長（空間的な
周期）λf （＝２π／ｋf ）を調整できることが分か
る。また、（５）式から、二つのレーザービームの入射
角θと、二つのレーザービームの光周波数差を適当に調
整することによって、干渉縞の移動速度を変え得ること
が分かる。
【００３６】そこで、まず、干渉縞の波長を所望の波長
となるよう（４）式からθを決め、このθを（５）式に
代入して、所望の速度ｖf となるように二つのレーザー
ビームの周波数差（ｆ2 −ｆ1 ）を決め、この周波数差
（ｆ2 −ｆ1 ）が得られるように、音響光学素子１２，
１４に供給する信号の周波数を決定する。干渉縞の波長
（λf ＝２π／ｋf ）を特定のモードの板波超音波の波
長λaco（＝２π／ｋaco ）と一致させるには、（４）
式より、 λaco ＝λ0 ／２ sinθ （６） を満たすことが必要であり、したがって、二つのレーザ
ービームの入射角θを（６）式から求めた値に調整すれ
ば、干渉縞の波長λf が、発生させようとする超音波の
波長λaco と一致する。
となるよう（４）式からθを決め、このθを（５）式に
代入して、所望の速度ｖf となるように二つのレーザー
ビームの周波数差（ｆ2 −ｆ1 ）を決め、この周波数差
（ｆ2 −ｆ1 ）が得られるように、音響光学素子１２，
１４に供給する信号の周波数を決定する。干渉縞の波長
（λf ＝２π／ｋf ）を特定のモードの板波超音波の波
長λaco（＝２π／ｋaco ）と一致させるには、（４）
式より、 λaco ＝λ0 ／２ sinθ （６） を満たすことが必要であり、したがって、二つのレーザ
ービームの入射角θを（６）式から求めた値に調整すれ
ば、干渉縞の波長λf が、発生させようとする超音波の
波長λaco と一致する。
【００３７】また、干渉縞の移動速度を、特定モードの
板波超音波の音速と同じにするには、（６）式を満たす
よう定められたθを（５）式に代入し、更に、発生させ
ようとする超音波の音速ｖaco が（５）式のｖf と等し
くなるように、二つのレーザービーム１７と１８の光周
波数差（ｆ2 −ｆ1 ）を設定すればよいことが分かる。
板波超音波の音速と同じにするには、（６）式を満たす
よう定められたθを（５）式に代入し、更に、発生させ
ようとする超音波の音速ｖaco が（５）式のｖf と等し
くなるように、二つのレーザービーム１７と１８の光周
波数差（ｆ2 −ｆ1 ）を設定すればよいことが分かる。
【００３８】このように、二つのレーザービームの入射
角θと、周波数差（ｆ2 −ｆ1 ）を適当に調整すること
によって、まず、干渉縞の空間的な周期をあるモードの
板波の波長と同じくし、更に、干渉縞の移動速度が当該
モードの板波の音速（伝播速度）と等しくなるようにす
れば、そのモードの板波は急激に増幅され、そして、高
い指向性でほぼ干渉縞の移動方向にのみ伝播する。
角θと、周波数差（ｆ2 −ｆ1 ）を適当に調整すること
によって、まず、干渉縞の空間的な周期をあるモードの
板波の波長と同じくし、更に、干渉縞の移動速度が当該
モードの板波の音速（伝播速度）と等しくなるようにす
れば、そのモードの板波は急激に増幅され、そして、高
い指向性でほぼ干渉縞の移動方向にのみ伝播する。
【００３９】ここで、発振器１５，１６の発信周波数と
して設定すべき具体的な値を求める。鋼材１の厚さは前
述のように３ｍｍであり、鋼材１に発生させる板波の周
波数を、ここでは２ＭＨｚとする。したがって、前述の
ｆｄ積は６［ＭＨｚ・ｍｍ］となる。図３で、横軸のｆ
ｄ積が６［ＭＨｚ・ｍｍ］のところをみると、Ｓ0 モー
ドの音速は約３１００［ｍ／ｓｅｃ］、Ａ0 モードの音
速は約２９００［ｍ／ｓｅｃ］である。なお、板波の波
長は、どちらの場合も近似的に１．４ｍｍとする。ま
た、二つのレーザービーム１７，１８の光周波数ｆ1 及
びｆ2 を、 ｆ1 ＝ｆ0 ＋４０ＭＨｚ ｆ2 ＝ｆ0 ＋ｘＭＨｚ とする。ここで、実際の取扱いの便宜を考慮して、４０
ＭＨｚというオフセットを設け、発振器１５の発振周波
数を固定する。
して設定すべき具体的な値を求める。鋼材１の厚さは前
述のように３ｍｍであり、鋼材１に発生させる板波の周
波数を、ここでは２ＭＨｚとする。したがって、前述の
ｆｄ積は６［ＭＨｚ・ｍｍ］となる。図３で、横軸のｆ
ｄ積が６［ＭＨｚ・ｍｍ］のところをみると、Ｓ0 モー
ドの音速は約３１００［ｍ／ｓｅｃ］、Ａ0 モードの音
速は約２９００［ｍ／ｓｅｃ］である。なお、板波の波
長は、どちらの場合も近似的に１．４ｍｍとする。ま
た、二つのレーザービーム１７，１８の光周波数ｆ1 及
びｆ2 を、 ｆ1 ＝ｆ0 ＋４０ＭＨｚ ｆ2 ＝ｆ0 ＋ｘＭＨｚ とする。ここで、実際の取扱いの便宜を考慮して、４０
ＭＨｚというオフセットを設け、発振器１５の発振周波
数を固定する。
【００４０】上のｆ1 ，ｆ2 の式及び（６）式を（５）
式に代入すると、干渉縞の移動速度ｖf は、 ｖf ＝λaco （ｘ［ＭＨｚ］−４０［ＭＨｚ］） となる。このｖf が各モードの音速に一致するという条
件から、必要な発振器１６の発振周波数ｘ［ＭＨｚ］を
算出する。ｖf ＝２９００［ｍ／ｓｅｃ］、すなわちＡ
0 モードの音速と一致させるために必要なｘの値（＝ｘ
1 ）を求めると、 ｘ1 ＝４２．０７１４［ＭＨｚ］ となる。また、ｖf ＝３１００［ｍ／ｓｅｃ］、すなわ
ちＳ0 モードの音速と一致させるために必要なｘの値
（＝ｘ2 ）を求めると、 ｘ2 ＝４２．２１４３［ＭＨｚ］ となる。すなわち、発振器１６の発振周波数ｘ［ＭＨ
ｚ］をｘ1 ＝４２．０７１４［ＭＨｚ］とすると、鋼材
１にはＡ0 モードの板波が発生し、ｘ2 ＝４２．２１４
３［ＭＨｚ］とすると、Ｓ0 モードの板波が発生する。
式に代入すると、干渉縞の移動速度ｖf は、 ｖf ＝λaco （ｘ［ＭＨｚ］−４０［ＭＨｚ］） となる。このｖf が各モードの音速に一致するという条
件から、必要な発振器１６の発振周波数ｘ［ＭＨｚ］を
算出する。ｖf ＝２９００［ｍ／ｓｅｃ］、すなわちＡ
0 モードの音速と一致させるために必要なｘの値（＝ｘ
1 ）を求めると、 ｘ1 ＝４２．０７１４［ＭＨｚ］ となる。また、ｖf ＝３１００［ｍ／ｓｅｃ］、すなわ
ちＳ0 モードの音速と一致させるために必要なｘの値
（＝ｘ2 ）を求めると、 ｘ2 ＝４２．２１４３［ＭＨｚ］ となる。すなわち、発振器１６の発振周波数ｘ［ＭＨ
ｚ］をｘ1 ＝４２．０７１４［ＭＨｚ］とすると、鋼材
１にはＡ0 モードの板波が発生し、ｘ2 ＝４２．２１４
３［ＭＨｚ］とすると、Ｓ0 モードの板波が発生する。
【００４１】ところで、発振器には、４０ＭＨｚもしく
はそれ以上の周波数の信号を、５ＫＨｚのステップでコ
ントロールできるものが市販されており、このような発
振器を発振器１５，１６として用いれば、発振器１５の
発振周波数を４０ＭＨｚに固定した状態で、発振器１６
の発振周波数をｘ1 ＝４２．０７１４［ＭＨｚ］とｘ 2
＝４２．２１４３［ＭＨｚ］との間で電子的に切り換え
ることは容易である。
はそれ以上の周波数の信号を、５ＫＨｚのステップでコ
ントロールできるものが市販されており、このような発
振器を発振器１５，１６として用いれば、発振器１５の
発振周波数を４０ＭＨｚに固定した状態で、発振器１６
の発振周波数をｘ1 ＝４２．０７１４［ＭＨｚ］とｘ 2
＝４２．２１４３［ＭＨｚ］との間で電子的に切り換え
ることは容易である。
【００４２】次に、板波のモードを切り換えることの必
要性について説明する。あるモードの板波を用いて欠陥
からの反射エコーを観測し、これに基づいて欠陥を検出
しようとする場合、欠陥の位置によって反射エコー強度
が異なること、そして、この欠陥の位置による反射エコ
ー強度の異なり方が、板波のモードによって異なること
が、最近指摘された。これについては、例えば「超音波
板波法の数値シミュレーション」（廣瀬壮一：平成７年
度秋期大会講演概要集）において説明されている。
要性について説明する。あるモードの板波を用いて欠陥
からの反射エコーを観測し、これに基づいて欠陥を検出
しようとする場合、欠陥の位置によって反射エコー強度
が異なること、そして、この欠陥の位置による反射エコ
ー強度の異なり方が、板波のモードによって異なること
が、最近指摘された。これについては、例えば「超音波
板波法の数値シミュレーション」（廣瀬壮一：平成７年
度秋期大会講演概要集）において説明されている。
【００４３】図６は、前記論文に掲載されている数値シ
ミュレーションの結果を示したグラフであり、実線はＡ
0 モードを用いたとの欠陥の深さによる反射エコーの大
きさの変化を示しており、破線はＳ0 モードを用いたと
きの欠陥の深さによる反射エコーの大きさの変化を示し
ている。図６の横軸は、欠陥の深さを表しており、最も
右側が表側の表面、最も左側が裏側の表面、横軸の中間
が表側と裏側の中央部に対応する。また、縦軸は板波の
反射エコーの強度を表している。
ミュレーションの結果を示したグラフであり、実線はＡ
0 モードを用いたとの欠陥の深さによる反射エコーの大
きさの変化を示しており、破線はＳ0 モードを用いたと
きの欠陥の深さによる反射エコーの大きさの変化を示し
ている。図６の横軸は、欠陥の深さを表しており、最も
右側が表側の表面、最も左側が裏側の表面、横軸の中間
が表側と裏側の中央部に対応する。また、縦軸は板波の
反射エコーの強度を表している。
【００４４】図６から分かるように、鋼材の表面近くに
欠陥がある場合の反射エコー強度は、Ａ0 モードの方が
Ｓ0 モードよりも高い。一方、欠陥が鋼材の中心部にあ
る場合の反射エコー強度は、Ｓ0 モードの方がＡ0 モー
ドよりも高い。したがって、Ｓ0 モードの板波だけを用
いて欠陥検出を行う場合には、表面近くにある欠陥を見
逃す危険性が高く、また、Ａ0 モードの板波だけを用い
て欠陥検出を行う場合には、中心部の近くにある欠陥を
見逃す危険性が高い。このため、Ｓ0 モードとＡ0 モー
ドの両方を用いて欠陥検出を行えば、欠陥を見逃す危険
性を低下させることができる。
欠陥がある場合の反射エコー強度は、Ａ0 モードの方が
Ｓ0 モードよりも高い。一方、欠陥が鋼材の中心部にあ
る場合の反射エコー強度は、Ｓ0 モードの方がＡ0 モー
ドよりも高い。したがって、Ｓ0 モードの板波だけを用
いて欠陥検出を行う場合には、表面近くにある欠陥を見
逃す危険性が高く、また、Ａ0 モードの板波だけを用い
て欠陥検出を行う場合には、中心部の近くにある欠陥を
見逃す危険性が高い。このため、Ｓ0 モードとＡ0 モー
ドの両方を用いて欠陥検出を行えば、欠陥を見逃す危険
性を低下させることができる。
【００４５】そこで、本実施形態では、発振器１６の発
振周波数である前述のｘ［ＭＨｚ］の値を変えることに
よって、Ｓ0 モードとＡ0 モードを相互に切り換える。
このｘの値の切り換えは、前述のように、完全に電子的
に行うことができるので、Ｓ 0 モードとＡ0 モードを切
り換えは極めて容易に行うことが可能である。この点
が、従来のタイヤ型探触子を用いた装置と大きく異なる
点である。これにより、両方のモードで鋼材１の欠陥検
査を行うことが可能となり、欠陥が鋼材１の表面近くに
ある場合でも、中心部にある場合でも、見逃す危険性を
少なくできる。
振周波数である前述のｘ［ＭＨｚ］の値を変えることに
よって、Ｓ0 モードとＡ0 モードを相互に切り換える。
このｘの値の切り換えは、前述のように、完全に電子的
に行うことができるので、Ｓ 0 モードとＡ0 モードを切
り換えは極めて容易に行うことが可能である。この点
が、従来のタイヤ型探触子を用いた装置と大きく異なる
点である。これにより、両方のモードで鋼材１の欠陥検
査を行うことが可能となり、欠陥が鋼材１の表面近くに
ある場合でも、中心部にある場合でも、見逃す危険性を
少なくできる。
【００４６】次に、図７を参照して、Ｓ0 モードとＡ0
モードの切り換えの態様を説明する。図７（ａ）は、搬
送されている鋼材１を上から見た様子を示しており、鋼
材１は毎分９０ｍの速度で上から下に搬送されているも
のとする。図７（ｂ）は、前述の周波数ｘを、ｘ1 （＝
４２．０７１４）［ＭＨｚ］とｘ2 （＝４２．２１４
３）［ＭＨｚ］の間で切り換えるための２００Ｈｚのパ
ルス信号を示しており、この信号がハイレベルのときに
ｘ＝ｘ1 ［ＭＨｚ］、ローレベルのときにｘ＝ｘ 2 ［Ｍ
Ｈｚ］となる。
モードの切り換えの態様を説明する。図７（ａ）は、搬
送されている鋼材１を上から見た様子を示しており、鋼
材１は毎分９０ｍの速度で上から下に搬送されているも
のとする。図７（ｂ）は、前述の周波数ｘを、ｘ1 （＝
４２．０７１４）［ＭＨｚ］とｘ2 （＝４２．２１４
３）［ＭＨｚ］の間で切り換えるための２００Ｈｚのパ
ルス信号を示しており、この信号がハイレベルのときに
ｘ＝ｘ1 ［ＭＨｚ］、ローレベルのときにｘ＝ｘ 2 ［Ｍ
Ｈｚ］となる。
【００４７】図７（ｂ）に示す信号の１周期は５ｍｓｅ
ｃとなり、ｘ1 及びｘ2 の持続時間は各々２．５ｍｓｅ
ｃずつとなる。そして、鋼材１の搬送速度は毎分９０ｍ
であるから、鋼材１はこの２．５ｍｓｅｃの間に３．７
５ｍｍだけ進む。したがって、鋼材１が３．７５ｍｍ搬
送されるごとに、Ｓ0 モードとＡ0 モードが切り換えら
れることになり、また、同じモードでの欠陥検出は、
７．５ｍｍごとに行われることになる。
ｃとなり、ｘ1 及びｘ2 の持続時間は各々２．５ｍｓｅ
ｃずつとなる。そして、鋼材１の搬送速度は毎分９０ｍ
であるから、鋼材１はこの２．５ｍｓｅｃの間に３．７
５ｍｍだけ進む。したがって、鋼材１が３．７５ｍｍ搬
送されるごとに、Ｓ0 モードとＡ0 モードが切り換えら
れることになり、また、同じモードでの欠陥検出は、
７．５ｍｍごとに行われることになる。
【００４８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
単一の装置で複数のモードの板波を発生・検出すること
が可能となるので、従来のタイヤ型探触子を用いた装置
のように、一つのモードでの検査しか実行できないため
に欠陥を見逃すといった危険は少なくなり、また、複数
のモードの板波で検査するために装置をそのモードの数
に合わせて複数用意する必要もなく、したがって、効率
的に、高い精度で欠陥を検出することが可能となる。
単一の装置で複数のモードの板波を発生・検出すること
が可能となるので、従来のタイヤ型探触子を用いた装置
のように、一つのモードでの検査しか実行できないため
に欠陥を見逃すといった危険は少なくなり、また、複数
のモードの板波で検査するために装置をそのモードの数
に合わせて複数用意する必要もなく、したがって、効率
的に、高い精度で欠陥を検出することが可能となる。
【図１】本発明の一実施形態のレーザー超音波検査装置
の全体的な構成を示す図である。
の全体的な構成を示す図である。
【図２】板波の性質を説明するための概略図である。
【図３】鋼材について板波の音速を理論的に導いた結果
を示したグラフであり、縦軸が移送速度［ｍ／ｓｅ
ｃ］、横軸がｆｄ積［ＭＨｚ・ｍｍ］を表している。
を示したグラフであり、縦軸が移送速度［ｍ／ｓｅ
ｃ］、横軸がｆｄ積［ＭＨｚ・ｍｍ］を表している。
【図４】入射光の光周波数の変化によって出射光強度が
どのように変化するかを示したファブリ・ペロー干渉計
の特性図である。
どのように変化するかを示したファブリ・ペロー干渉計
の特性図である。
【図５】二つのレーザービームの照射位置の近傍を拡大
して示した図である。
して示した図である。
【図６】欠陥の位置によって反射エコー強度がどのよう
に変化するかについて数値シミュレーションを行った結
果を示したグラフである。
に変化するかについて数値シミュレーションを行った結
果を示したグラフである。
【図７】板波のＳ0 モードとＡ0 モードの切り換えの態
様を説明するための図である。
様を説明するための図である。
【図８】タイヤ型探触子を用いた欠陥検査装置の概略を
示した図である。
示した図である。
【図９】タイヤ型探触子の内部を示す断面図である。
１ 鋼材 １０ ＣＯ2 レーザー １１ ビームスプリッタ １２，１４ 音響光学素子（ＡＯＭ） １３ ミラー １５，１６ 発振器 １７，１８ レーザービーム １９，２４ 照射位置 ２０ アルゴン（Ａｒ）レーザー ２１ ハーフミラー ２２ ファブリ・ペロー干渉計 ２３ 光検出器
Claims (7)
- 【請求項１】 第一のレーザービーム、および第一のレ
ーザービームと僅かに光周波数が異なる第二のレーザー
ビームを発するレーザー発生手段と、 前記第一及び第二のレーザービームを、それぞれ所定の
入射角で、検査対象の共通の照射位置に照射して両ビー
ムの干渉を生じさせるレーザービーム照射手段と、 前記照射位置に照射される第一及び第二のレーザービー
ムについて、それぞれの光周波数の差を所定の光周波数
差にするとともに、この光周波数差を異なる値に切り換
え可能とする光周波数差設定手段と、 前記検査対象に発生した板波の反射エコーを観測して欠
陥検出を行う反射エコー観測手段と、 を有し、前記第一及び第二のレーザービームの入射角及
び光周波数差を所定の値に設定することによって前記検
査対象に板波を発生させるとともに、前記光周波数差設
定手段により前記光周波数差を複数の値の間で切り換え
ることによってそれぞれの光周波数差に応じた複数のモ
ードの板波を順次発生させ、各モードの板波について前
記反射エコー観測手段による欠陥検出を行うことを特徴
とするレーザー超音波検査装置。 - 【請求項２】 前記検査対象は一定速度で搬送されてお
り、前記レーザービーム照射手段は前記検査対象の一方
の側端部に前記第一及び第二のレーザービームを照射し
て前記検査対象の搬送方向と直角な方向に伝播する板波
を発生させ、前記光周波数差設定手段は一定の時間間隔
で前記光周波数差を複数の値の間で順次切り換えること
によって前記複数のモードの板波を順次発生させ、これ
により、前記検査対象について搬送方向において一定間
隔で各モードの板波での欠陥検出を行うことを特徴とす
る請求項１記載のレーザー超音波検査装置。 - 【請求項３】 前記レーザー発生手段は、ＣＯ2 レーザ
ーから発生された単一のレーザービームを二つのレーザ
ービームに分岐し、これらのレーザービームのいずれか
一方又は両方を対応する音響光学素子に入射させ、前記
音響光学素子に所定の周波数の電気信号を供給して入射
したレーザービームの光周波数をシフトさせることによ
り、前記第一及び第二のレーザービームを発することを
特徴とする請求項１又は２記載のレーザー超音波装置。 - 【請求項４】 前記光周波数差設定手段は、音響光学素
子に電気信号を供給する一又は二以上の発振器であり、
前記音響光学素子に供給する電気信号の周波数を変える
ことによって、第一及び第二のレーザービームの光周波
数差の設定及び光周波数差の切り換えを行うことを特徴
とする請求項３記載のレーザー超音波装置。 - 【請求項５】 前記複数のモードの板波は、Ａ0 モード
の板波及びＳ0 モードの板波であることを特徴とする請
求項１，２，３又は４記載のレーザー超音波検査装置。 - 【請求項６】 前記反射エコー観測手段は、検査対象の
観測点に観測用レーザービームを照射し、その反射波を
ファブリ・ペロー干渉計に導き、前記反射光が前記観測
点の超音波振動によって受けるドップラーシフトを前記
ファブリ・ペロー干渉計の出射光強度の変化として捉え
ることを特徴とする請求項１，２，３，４又は５記載の
レーザー超音波装置。 - 【請求項７】 光周波数が僅かに異なる二つのレーザー
ビームを検査対象の所定位置に照射して干渉させ、その
干渉縞の空間的な周期及び前記干渉縞の移動速度を調整
することによって前記検査対象に板波を発生させるとと
もに、前記二つのレーザービームの光周波数の差を調整
することによって複数のモードの板波を発生させ、複数
のモードの板波を用いて前記検査対象に含まれる欠陥の
検出を行うことを特徴とするレーザー超音波検査方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10238871A JP2000065802A (ja) | 1998-08-25 | 1998-08-25 | レーザー超音波検査装置及びレーザー超音波検査方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10238871A JP2000065802A (ja) | 1998-08-25 | 1998-08-25 | レーザー超音波検査装置及びレーザー超音波検査方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000065802A true JP2000065802A (ja) | 2000-03-03 |
Family
ID=17036508
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10238871A Withdrawn JP2000065802A (ja) | 1998-08-25 | 1998-08-25 | レーザー超音波検査装置及びレーザー超音波検査方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000065802A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007086028A (ja) * | 2005-09-26 | 2007-04-05 | Toshiba Mitsubishi-Electric Industrial System Corp | レーザ超音波材質計測装置 |
| JP2010071884A (ja) * | 2008-09-19 | 2010-04-02 | Nippon Steel Corp | レーザ超音波法による材料中の縦波と横波の音速の計測方法及び装置 |
| WO2020008745A1 (ja) * | 2018-07-04 | 2020-01-09 | 株式会社島津製作所 | 欠陥検出装置 |
| RU2798750C1 (ru) * | 2023-02-27 | 2023-06-26 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Устройство для измерения скорости ультразвуковых волн с помощью нелинейного оптического эффекта вынужденного рассеяния мандельштама-бриллюэна |
-
1998
- 1998-08-25 JP JP10238871A patent/JP2000065802A/ja not_active Withdrawn
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007086028A (ja) * | 2005-09-26 | 2007-04-05 | Toshiba Mitsubishi-Electric Industrial System Corp | レーザ超音波材質計測装置 |
| JP2010071884A (ja) * | 2008-09-19 | 2010-04-02 | Nippon Steel Corp | レーザ超音波法による材料中の縦波と横波の音速の計測方法及び装置 |
| WO2020008745A1 (ja) * | 2018-07-04 | 2020-01-09 | 株式会社島津製作所 | 欠陥検出装置 |
| JPWO2020008745A1 (ja) * | 2018-07-04 | 2021-05-20 | 株式会社島津製作所 | 欠陥検出装置 |
| EP3819633A4 (en) * | 2018-07-04 | 2021-08-11 | Shimadzu Corporation | FAULT DETECTION DEVICE |
| US11391700B2 (en) | 2018-07-04 | 2022-07-19 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Defect detection device |
| RU2798750C1 (ru) * | 2023-02-27 | 2023-06-26 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Устройство для измерения скорости ультразвуковых волн с помощью нелинейного оптического эффекта вынужденного рассеяния мандельштама-бриллюэна |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20051101 |