JP2013542400A - レーザーピーニング方法 - Google Patents

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Abstract

レーザーピーニング処理で照射されるレーザーによって被加工部材へ入力される衝撃力を評価する方法である。この評価方法は、信号取得ステップ、入力関数算出ステップ及び評価ステップを備える。信号取得ステップでは、検出波形を取得する。検出波形は、被加工部材に生じる弾性波を検出するＡＥセンサによりレーザーピーニング処理時に出力されたものである。入力関数算出ステップでは、レーザー照射による入力関数Ｉ（ｔ）を算出する。評価ステップでは、レーザー照射による入力関数Ｉ（ｔ）を用いて衝撃力を評価する。

Description

本発明は、レーザーピーニング時のレーザー照射の衝撃力の評価方法、評価システム、レーザーピーニング方法及びレーザーピーニングシステムに関する。より詳しくは、レーザーピーニング時に被加工部材（材料）へ入力される衝撃力を、ＡＥ（Acoustic Emission）センサを利用して得られた結果を用いて評価する方法、評価システム及び上記評価方法により得られた知見に基づいてレーザーを照射するレーザーピーニング方法及びレーザーピーニングシステムに関する。
従来、ショットピーニング強度は、アルメンストリップを用いたアークハイト値を用いて評価される。しかし、現状の品質管理では、ショットピーニング強度は、アークハイト値ではなく残留応力のピーク値と深さを用いて管理される場合がある。この残留応力は、Ｘ線回折法で測定することができる（例えば、特許文献１参照）。しかし、Ｘ線回折法により材料表面の残留応力は非破壊で測定できるが、内部の残留応力分布を得たい場合は被加工部材の測定部位を削らなければならないので、破壊せずに実際の製品の残留応力分布を測定することはできない。またＸ線回折法は、Ｘ線を使用する都合上、遮蔽した空間での測定となり、被加工部材の大きさに制限が生じる。歯車のような複雑形状物にX線を入射させることが困難であることからも評価方法として制限が多い。
ところで、アルメンストリップを用いてショットピーニング強度を評価する場合には、ショットピーニング処理中にどの程度の力が被加工部材の表面に加えられたかを評価することができない。そこで、ＡＥセンサを用いてショットピーニング処理中にショットピーニング強度を検出する装置が検討されている（例えば、特許文献２参照。）。特許文献２記載の装置は、ショット（投射材）投射領域に配置されたＡＥセンサを備えている。ＡＥセンサは、ショット投射によって発生した弾性波を高周波電気信号（ＡＥ波形）に変換する。この装置は、ＡＥ波形を変換して得られる電圧波形のピーク値及び波形発生回数を用いて、ショットの投射量及び投射強さを検出する。
特開２００３−３１５１７１号公報 特開平４−１９０７１号公報
しかし、ショットピーニングでは、例えば１処理（数十秒）あたり何万個ものショットが被加工部材に衝突する。また、ショットが衝突する場所は、加工面に対してランダムである。さらに、投射材の粒径には、バラツキがある。そのため、計測されるＡＥ波形が毎回異なるおそれがある。
一方、ピーニングの種類としてレーザーピーニングがある。レーザーピーニングの特徴は出力エネルギーの再現性である。再現性があるため処理が確実に行われているとされ、信頼性の高い処理である。レーザーピーニングは照射される場所が予め分かることや再現性がある。このため、計測されるＡＥ波形のバラツキが少ないことが予想される。
しかし、レーザーピーニングの一連の現象は１００ｎｓ以内で終了してしまうのに対し、ＡＥセンサの時間分解能は数μｓである。よって、単にＡＥセンサを用いてレーザーピーニング時のレーザー照射を評価することは困難である。
このため、当技術分野においては、レーザーピーニング時における被加工部材の表面に加わる力を適切に評価する評価方法及び評価システムが望まれている。また、これらの評価方法によって得られた知見に基づいてレーザーを照射するレーザーピーニング方法及びレーザーピーニングシステムも望まれている。
本発明者は、ＡＥセンサとレーザーピーニングとの関係を鋭意検討した結果、レーザー照射や速度の速い衝撃波を計測するのではなく、材料の変化から衝撃波を推定することが出来るという知見を得て、レーザーピーニング時のレーザー照射をＡＥセンサにより評価することに成功した。
本発明の一側面に係る評価方法は、レーザーピーニング処理で照射されるレーザーによって被加工部材へ入力される衝撃力を評価する方法である。この評価方法は、信号取得ステップ、入力関数算出ステップ及び評価ステップを備える。信号取得ステップでは、検出波形を取得する。検出波形は、被加工部材に生じる弾性波を検出するＡＥセンサによりレーザーピーニング処理時に出力されたものである。入力関数算出ステップでは、レーザー照射による入力関数Ｉ（ｔ）を算出する。検出波形をＶ（ｔ）、レーザー照射による入力関数をＩ（ｔ）、ＡＥセンサの応答関数をＳ（ｔ）、被加工部材のグリーン関数をＧ（ｔ）とし、畳み込み積分を＊とすると、
Figure 2013542400
 となる。この第１の関係式と、予め取得されたＡＥセンサの応答関数Ｓ（ｔ）、予め取得された被加工部材のグリーン関数Ｇ（ｔ）、及び信号取得ステップで取得された検出波形Ｖ（ｔ）とに基づいて、レーザー照射による入力関数Ｉ（ｔ）を算出する。評価ステップでは、レーザー照射による入力関数Ｉ（ｔ）を用いて衝撃力を評価する。
レーザー照射の一連の現象は、１００ｎｓ以内で終了してしまうため、材料にどのような作用を及ぼしているか不明である。ＡＥセンサの時間分解能は、数μｓであり、レーザー照射に比べてかなり遅い。しかし、レーザーピーニングの効果は、材料の変化である。このため、材料の変化を読み取れる弾性波をＡＥセンサで計測し、それから入力エネルギーを推定することができる。これにより、レーザーピーニング時に被加工部材の表面に加わる力を適切に評価することが可能となる。
一実施形態においては、入力関数算出ステップでは、信号取得ステップで取得された検出波形のうち最初に検出されたピークの振幅値である第１ピーク振幅値を含む１波長分のＡＥ波形を少なくとも用いて入力関数Ｉ（ｔ）を算出してもよい。第１ピーク振幅値が現象を直接的に表しているからである。
一実施形態においては、入力関数算出ステップでは、信号取得ステップで取得された検出波形のうち、第１ピーク振幅値を最大値として減衰する振幅値を有する第１検出波形の後に検出される第２検出波形の振幅値を用いて入力関数Ｉ（ｔ）を算出してもよい。検出波形の第２検出波形は、アブレーション後に発生したキャビテーションバブルが崩壊することによる衝撃を示す。このため、第２検出波形の振幅値を用いることにより、キャビテーションバブルの崩壊による衝撃を評価することができる。
一実施形態においては、第２検出波形は、第１検出波形が検出されてから少なくとも１００μｓ後に検出されてもよい。
一実施形態においては、入力関数算出ステップは、推定ステップを含んでもよい。推定ステップでは、信号取得ステップで取得された検出波形のピーク振幅値の減衰を表す関数を推定又は特定してもよい。入力関数算出ステップは、推定ステップにより推定又は特定された関数及びピーク振幅値を用いてレーザー照射による入力関数Ｉ（ｔ）を算出してもよい。このように構成することで、第１ピーク振幅値以外のピークの振幅値を用いて入力関数Ｉ（ｔ）を算出することができる。
一実施形態においては、ＡＥセンサの応答関数Ｓ（ｔ）及び被加工部材のグリーン関数Ｇ（ｔ）は、キャリブレーションおよび有限要素法を用いたシミュレーションによって取得されてもよい。キャリブレーション及びシミュレーションによってＡＥセンサの応答関数Ｓ（ｔ）及び被加工部材のグリーン関数Ｇ（ｔ）を予め取得することができる。
一実施形態においては、キャリブレーションが、シャープペンシルの芯を折ることにより得られるデータを用いて行われてもよい。また、一実施形態においては、有限要素法を用いたシミュレーションでは、被加工部材の形状、材質及び擬似的な衝撃力に関するデータを用いて被加工部材のグリーン関数Ｇ（ｔ）を得てもよい。
一実施形態においては、計算上の検出波形をＶｔｅｓｔ（ｔ）、ＡＥ源による計算上の入力関数をＩｔｅｓｔ（ｔ）、畳み込み積分を＊とすると、
Figure 2013542400
 となる第２の関係式を用いて被加工部材のグリーン関数Ｇ（ｔ）をシミュレーションにより取得してもよい。
一実施形態においては、ＡＥセンサを用いて、グリーン関数Ｇ（ｔ）が既知の芯を折ることにより得られる検出波形Ｖｅ（ｔ）を取得し、芯を折る際の入力関数Ｉｃａｌ（ｔ）を用いて、計算上の検出波形Ｖｃａｌ（ｔ）を、
Figure 2013542400
 となる第３の関係式により取得し、
Figure 2013542400
 となる第４の関係式、第３の関係式及びシミュレーションにより得られたグリーン関数Ｇ（ｔ）を用いてＡＥセンサの応答関数Ｓ（ｔ）を算出してもよい。
また、本発明の別の側面に係る評価システムは、レーザーピーニング処理で照射されるレーザーによって被加工部材へ入力される衝撃力を評価する評価システムである。評価システムは、信号取得部、入力関数算出部及び評価部を備える。信号取得部は、被加工部材に生じる弾性波を検出するＡＥセンサによりレーザーピーニング処理時に出力された検出波形を取得する。入力関数算出部は、検出波形をＶ（ｔ）、レーザー照射による入力関数をＩ（ｔ）、ＡＥセンサの応答関数をＳ（ｔ）、被加工部材のグリーン関数をＧ（ｔ）とし、畳み込み積分を＊とすると、
Figure 2013542400
 となる第１の関係式を用いて、予め取得されたＡＥセンサの応答関数Ｓ（ｔ）、予め取得された被加工部材のグリーン関数Ｇ（ｔ）、及び信号取得部で取得された検出波形Ｖ（ｔ）に基づいて、レーザー照射による入力関数Ｉ（ｔ）を算出する。評価部は、レーザー照射による入力関数Ｉ（ｔ）を用いて衝撃力を評価する。
この評価システムによれば、材料の変化を読み取れる弾性波をＡＥセンサで計測したデータに基づいて、入力エネルギーを推定することができる。これにより、レーザーピーニング時に被加工部材の表面に加わる力を適切に評価することが可能となる。
一実施形態においては、入力関数算出部は、信号取得部で取得された検出波形のうち最初に検出されたピークの振幅値である第１ピーク振幅値を含む１波長分のＡＥ波形を少なくとも用いて入力関数Ｉ（ｔ）を算出してもよい。第１ピーク振幅値が現象を直接的に表しているからである。
一実施形態においては、入力関数算出部は、信号取得部で取得された検出波形のうち、第１ピーク振幅値を最大値として減衰する振幅値を有する第１検出波形の後に検出される第２検出波形を用いて入力関数Ｉ（ｔ）を算出してもよい。検出波形の第２検出波形は、アブレーション後に発生したキャビテーションバブルが崩壊することによる衝撃を示す。このため、第２検出波形を用いることにより、キャビテーションバブルの崩壊による衝撃を評価することができる。
一実施形態においては、評価システムは、レーザー源及びＡＥセンサをさらに備えてもよい。レーザー源は、被加工部材へレーザーを照射する。ＡＥセンサは、被加工部材に取り付けられ、被加工部材内に生じる弾性波を受信して検出波形を出力する。ここで、レーザー源は、ＡＥセンサが取り付けられた箇所とは異なる箇所へレーザーを照射する。
一実施形態においては、ＡＥセンサから出力された検出波形は、最大サンプリングレート１０ＭＨｚで連続的に計測された波形であってもよい。
一実施形態においては、評価システムは解析部をさらに備えてもよい。解析部は、ＡＥセンサから出力された検出波形を解析して波形特性を示すパラメータを算出する。信号取得部は、記録媒体に接続されており、記録媒体にＡＥセンサから出力された検出波形を連続的に記録し、又は、解析部から出力されたパラメータを連続的に記録してもよい。
一実施形態においては、ＡＥセンサの応答関数Ｓ（ｔ）及び被加工部材のグリーン関数Ｇ（ｔ）は、キャリブレーションおよび有限要素法を用いたシミュレーションによって取得されてもよい。
一実施形態においては、入力関数算出部は、計算上の検出波形をＶｔｅｓｔ（ｔ）、ＡＥ源による計算上の入力関数をＩｔｅｓｔ（ｔ）、畳み込み積分を＊とすると、
Figure 2013542400
 となる第２の関係式を用いて被加工部材のグリーン関数Ｇ（ｔ）をシミュレーションにより取得してもよい。
一実施形態においては、入力関数算出部は、ＡＥセンサを用いて、グリーン関数Ｇ（ｔ）が既知の芯を折ることにより得られる検出波形Ｖｅ（ｔ）を取得し、芯を折る際の入力関数Ｉｃａｌ（ｔ）を用いて、計算上の検出波形Ｖｃａｌ（ｔ）を、
Figure 2013542400
 となる第３の関係式により取得し、
Figure 2013542400
 となる第４の関係式、第３の関係式及びシミュレーションにより得られたグリーン関数Ｇ（ｔ）を用いてＡＥセンサの応答関数Ｓ（ｔ）を算出してもよい。
本発明の別の側面に係るレーザーピーニング方法は、レーザーによってピーニング処理を行う方法である。レーザーピーニング方法は、信号取得ステップ及び調整ステップを備える。信号取得ステップは、被加工部材に生じる弾性波を検出するＡＥセンサによりレーザーピーニング処理時に出力された検出波形を取得する。調整ステップでは、信号取得ステップで取得された検出波形のうち最初に検出されたピークの振幅値である第１ピーク振幅値、及び、前記第１ピーク振幅値を最大値として減衰する振幅値を有する第１検出波形の後に検出される第２検出波形の振幅値を用いてレーザーのパワー密度を調整する。
本発明の別の側面に係るレーザーピーニング方法では、第１検出波形及び第２検出波形の振幅値を用いてレーザーのパワー密度が調整される。このように、アブレーションの衝撃を示す第１検出波形だけでなく、キャビテーションバブルが崩壊することによる衝撃を示す第２検出波形を含めてパワー密度を調整することで、所望のピーニングを実現することができる。
一実施形態においては、調整ステップでは、パワー密度をサチュレーションしている範囲内の最小のパワー密度に調整してもよい。このように調整することにより、最小のパワーで所望のピーニングを実現することができる。
一実施形態においては、入力関数算出ステップをさらに備えてもよい。入力関数算出ステップは、検出波形をＶ（ｔ）、レーザー照射による入力関数をＩ（ｔ）、ＡＥセンサの応答関数をＳ（ｔ）、被加工部材のグリーン関数をＧ（ｔ）とし、畳み込み積分を＊とすると、
Figure 2013542400
 となる第１の関係式を用いて、予め取得されたＡＥセンサの応答関数Ｓ（ｔ）、予め取得された被加工部材のグリーン関数Ｇ（ｔ）、及び信号取得ステップで取得された検出波形Ｖ（ｔ）に基づいて、レーザー照射による入力関数Ｉ（ｔ）を算出してもよい。調整ステップでは、レーザー照射による入力関数Ｉ（ｔ）を用いてレーザーのパワー密度を調整してもよい。
本発明の別の側面に係るレーザーピーニング方法は、レーザーによるアブレーションを液体中で発生させることにより衝撃波を得るとともに、該液体中に発生した圧力変化によるキャビテーションバブルを生成させ、該キャビテーションバブルの崩壊による衝撃波を得ることで、２回のピーニング作用が得られることを特徴とする。この方法によれば、１回のレーザー照射で２回のピーニング作用を得ることができる。
また、本発明の別の側面に係るレーザーピーニング方法は、キャビテーションバブルによる衝撃波を得るために、前記アブレーションは前記液体中で発生させ、前記液体は、水であり、該水は、前記アブレーションによる衝撃波が外部に拡散することを封じ込めることにより衝撃波のベクトルを変え、前記水中で前記レーザーが減衰しないで、且つ前記水がアブレーションしないように、前記レーザーの波長は、１０６４ｎｍの第２高調波としての５３２ｎｍであることを特徴とする。この方法によれば、１回のレーザー照射で２回のピーニング作用を得ることができる。
本発明の別の側面に係るレーザーピーニングシステムは、レーザーによってピーニング処理を行うシステムである。このレーザーピーニングシステムは、信号取得部及び調整部を備える。信号取得部は、被加工部材に生じる弾性波を検出するＡＥセンサによりレーザーピーニング処理時に出力された検出波形を取得する。調整部は、信号取得部で取得された検出波形のうち最初に検出されたピークの振幅値である第１ピーク振幅値、及び、第１ピーク振幅値を最大値として減衰する振幅値を有する第１検出波形の後に検出される第２検出波形の最初のピークの振幅値を用いてレーザーのパワー密度を調整する。
本発明の別の側面に係るレーザーピーニングシステムでは、第１検出波形及び第２検出波形の振幅値を用いてレーザーのパワー密度が調整される。このように、アブレーションの衝撃を示す第１検出波形だけでなく、キャビテーションバブルが崩壊することによる衝撃を示す第２検出波形を含めてパワー密度を調整することで、所望のピーニングを実現することができる。
一実施形態においては、調整部は、パワー密度をサチュレーションしている範囲内の最小のパワー密度に調整してもよい。このように調整することにより、最小のパワーで所望のピーニングを実現することができる。
一実施形態においては、入力関数算出部をさらに備えてもよい。入力関数算出部は、検出波形をＶ（ｔ）、レーザー照射による入力関数をＩ（ｔ）、ＡＥセンサの応答関数をＳ（ｔ）、被加工部材のグリーン関数をＧ（ｔ）とし、畳み込み積分を＊とすると、
Figure 2013542400
 となる第１の関係式を用いて、予め取得されたＡＥセンサの応答関数Ｓ（ｔ）、予め取得された被加工部材のグリーン関数Ｇ（ｔ）、及び信号取得部で取得された検出波形Ｖ（ｔ）に基づいて、レーザー照射による入力関数Ｉ（ｔ）を算出してもよい。調整部では、レーザー照射による入力関数Ｉ（ｔ）を用いてレーザーのパワー密度を調整してもよい。
以上説明したように、本発明の種々の側面及び実施形態によれば、レーザーピーニング時における被加工部材の表面に加わる力を適切に評価する評価方法およびその評価システムが提供される。また、これらの評価方法及び評価システムによって得られた知見に基づいて照射するレーザーピーニング方法、及びレーザーピーニングシステムが提供される。
レーザーピーニング時のＡＥ波形を計測する際の概略図である。 計測器のハードウェア（ａ）の構成ブロック図およびソフトウェア（ｂ）の機能ブロック図である。 レーザーを１回照射した時に得られたＡＥ波形を示すグラフである。 検出波形、センサの応答関数、媒体試料のグリーン関数、ＡＥ源による入力関数の関係を表した概念図である。 疑似入力関数を示すグラフである。 圧折の入力関数を示すグラフである。 シャープペンシル芯圧折法で用いる治具を示す図である。 計測されるＡＥ波形の一般的な波形を示したグラフである。 ＡＥ波形の第１検出波形及び第２検出波形である。 ＡＥ波形の第１検出波形である。 図８のＡＥ波形から導きだされた衝撃力を示すグラフである。 評価システムの動作を示すフローチャートである。 レーザーピーニングシステムの概要図である。 レーザーピーニングシステムの動作を示すフローチャートである。 衝撃力をパルスエネルギーに対してプロットしたグラフである。（ａ）は、材料がＡ７０７５の場合であり、（ｂ）は材料がＳ５０Ｃの場合である。 第１検出波形の第１ピーク振幅値（強度）をパワー密度に対してプロットしたグラフである。 第２検出波形の第１ピーク振幅値（強度）をパワー密度に対してプロットしたグラフである。 衝撃力をパワー密度に対してプロットしたグラフである。 衝撃力をパワー密度に対してプロットしたグラフである。 第１検出波形と第２検出波形との時間間隔をパルスエネルギーに対してプロットしたグラフである。（ａ）は、材料がＡ７０７５の場合であり、（ｂ）は材料がＳ５０Ｃの場合である。 第１検出波形と第２検出波形との時間間隔をパルスエネルギーに対してプロットしたグラフである。（ａ）は、材料がＡ７０７５の場合であり、（ｂ）は材料がＳ５０Ｃの場合である。 第１検出波形と第２検出波形との時間間隔をパルスエネルギーに対してプロットしたグラフである。（ａ）は、材料がＡ７０７５の場合であり、（ｂ）は材料がＳ５０Ｃの場合である。
以下、図面を参照して種々の実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。
一実施形態で用いられるレーザーピーニングは、単パルスレーザーによるアブレーションを起因としたプラズマ圧力を水によって閉じ込め、反作用としての衝撃波によりピーニング効果を得るものである。
レーザーピーニングの一連の現象は、１００ｎｓ以内で終了してしまう。このため、レーザーピーニングが材料にどのような作用をおよぼしているか不明である。ＡＥセンサの時間分解能は数μｓであるため、衝撃波を計測するためにはかなり遅い。しかし、ＡＥセンサは、金属内部に伝わる音を拾う。また、レーザーピーニングの効果は材料の変化である。材料の変化は弾性波に現れる。したがって、速度の速い衝撃波ではなく、材料の変化を読み取れる弾性波を計測し、入力エネルギーを推定する。すなわち、レーザーピーニング時の衝撃力を計測し、レーザーピーニングが材料に与える影響をレーザーのパルスエネルギーではなく材料へ実際に与えた衝撃力、応力又は実際に入力されたエネルギーで材料の変化を評価する。
以下、ＡＥセンサの原理を概説する。固体材料が変形あるいは破壊するとき、歪みエネルギーを消費する。消費される歪みエネルギーの多くは、材料の変形やき裂の発生および進展に消費される。しかし、残りのエネルギーは音や熱などに変換される。このときの音の発生する現象をＡＥと呼び、「それまで蓄えていたひずみエネルギーが開放されて弾性波の生じる現象」と定義されている。その弾性波を計測するセンサがＡＥセンサである。ＡＥセンサは、弾性波を受信してＡＥ波形（検出波形）を出力する。なお、ＡＥを発生させる歪みそのものをＡＥ源という。
図１は、レーザーピーニング時のＡＥ波形を計測する際の概略図である。まず、ＡＥセンサ１が被加工部材２に取り付けられる。なお、計測時に被加工部材２を水中に配置するため、ＡＥセンサ１は防水性を有するものが好ましい。ＡＥセンサ１の取り付けは、例えば瞬間接着剤が用いられる。
次に、ＡＥセンサ１が貼り付けられてない箇所（図１ではセンサの貼り付けられた反対側）にレーザー源７からレーザー３を照射して、レーザーピーニングを行う。レーザー源７としては、例えば単パルスレーザーを出力するものが用いられる。レーザーピーニング時に発生する衝撃波によって被加工部材２にピーニング効果を与えるとともに、被加工部材２の変形によって弾性波が発生する。その弾性波をＡＥサンサ１で測定し、その信号を弾性波計測手段としての計測器４で取得する。
図２を用いて計測器４の詳細を説明する。図２（ａ）は、計測器４のハードウェア構成のブロック図、図２（ｂ）は計測器４のソフトウェアの機能ブロック図である。計測器４は、物理的には、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）等の主記憶装置、キーボード等の入力デバイス、ディスプレイ等の出力デバイス、ハードディスク等の補助記憶装置などを含む通常のコンピュータシステムとして構成される。図２（ａ）に示すように、計測器４は、Ａ／Ｄコンバータ４１、演算部４２、記録部４３及び表示部４４を備えている。計測器４には、１又は複数のＡＥセンサ１がプリアンプを介して接続されている。Ａ／Ｄコンバータは、プリアンプに接続され、ＡＥセンサ１が出力した検出波形（ＡＥ波形）を取得する。そして、Ａ／Ｄ変換を行い、演算部４２へ出力する。演算部４２は、計測器４の機器を制御したり、ＡＥ波形の解析、編集又は記録したりする。記録部４３は、演算部４２に接続されており、演算部４２の出力を記録する。表示部４４は、演算部４２に接続されており、演算部４２の出力を表示する。
図２（ｂ）は、計測器４の上記各構成のソフトウェア（機能的構成）である。インプット処理では、Ａ／Ｄコンバータ４１及び演算部４２が機能する。すなわち、Ａ／Ｄコンバータ４１及び演算部４２が信号取得部として機能する。信号取得部は、オンライン（リアルタイム）で計測されたＡＥ波形を取得し記録する。例えば、信号取得部は、レーザー源７から連続的に出力された短パルスレーザーに応じて連続的にＡＥ波形を記録する。図３に、計測されたＡＥ波形の一例を示す。さらに、信号取得部は、記録媒体からＡＥ波形や編集されたＡＥ波形を取得可能に構成される。よって、計測器４は、即時解析と事後解析が可能な構成とされている。
演算処理では、演算部４２が機能する。演算部４２は、周波数フィルタ、高速フーリエ変換、最小自乗電圧、ＡＥイベントなどの演算処理を行う。すなわち、演算部４２は、ＡＥ波形を解析して波形特性を示すパラメータを算出する解析部として機能する。パラメータとしては、例えば以下に示すものが用いられる。最大振幅、第１ピーク振幅値、ＲＭＳ（Ｒｏｏｔ ｍｅａｍ ｓｑｕａｒｅ）電圧値、立ち上がり時刻、イベントの持続時間、振幅値がしきい値を超えた回数、イベントの発生位置、ピーク強度周波数、平均周波数等である。なお、第１ピーク振幅値は、検出波形のうち最初に検出されたピークの振幅値である。立ち上がり時刻は、しきい値電圧を超えてから最大振幅を記録するまでの時刻である。イベントの持続時間は、しきい値電圧を超えてから、最後にしきい値電圧を下回るまでの時間である。解析は計測中だけでなく計測後も可能で、異なる条件で解析を行うことができる。
また、演算部４２は、ＡＥ波形を用いてレーザー照射による入力関数Ｉ（ｔ）を算出し、衝撃力を評価する機能を有している。すなわち、演算部４２は、入力関数算出部及び評価部として機能する。この機能については後述する。
アウトプット処理では、少なくとも演算部４２が機能する。演算部４２は、算出したＡＥパラメータや、周波数フィルタを通した検出波形を記録部４３へ出力する。なお、記録部４３として、ハードディスクやメモリが用いられる。また、演算部４２は、表示部４４へＡＥパラメータや検出波形を出力してグラフ表示することができる。なお、表示部４４として、例えばディスプレイが用いられる。
ここで、演算部４２が入力関数算出部及び評価部として機能する場合の詳細を説明する。演算部４２は、逆問題解析手法を用いてＡＥ波形から入力関数を算出する。図４は、検出波形Ｖ（ｔ）、センサの応答関数Ｓ（ｔ）、媒体試料（材料、被加工部材）のグリーン関数Ｇ（ｔ）、ＡＥ源（ここでは歪み）による入力関数Ｉ（ｔ）の関係を表した概念図である。図４のモデルは、計測された検出波形Ｖ（ｔ）が、入力関数Ｉ（ｔ）、グリーン関数Ｇ（ｔ）及び応答関数Ｓ（ｔ）によって定まることを示している。計測されたＡＥ波形（検出波形）Ｖ（ｔ）は、ＡＥ源による入力関数Ｉ（ｔ）と媒体試料（材料）のグリーン関数Ｇ（ｔ）、センサの応答関数Ｓ（ｔ）の畳み込み積分で表される。これ以下の数式（第１の関係式）で表現できる。
Figure 2013542400
 なお＊は畳み込み積分を示す。
上記式に示すように、媒体試料のグリーン関数Ｇ（ｔ）、センサの応答関数Ｓ（ｔ）が予め既知の場合には、検出波形Ｖ（ｔ）から逆畳み込み積分を行うことでＡＥ源による入力関数Ｉ（ｔ）を算出できる。そして、このＡＥ源による入力関数Ｉ（ｔ）すなわち衝撃力関数に基づいて衝撃力を得ることが可能となる。以下では、媒体試料のグリーン関数Ｇ（ｔ）、センサの応答関数Ｓ（ｔ）の導出方法の一例を説明する。
まず、グリーン関数Ｇ（ｔ）の導出方法から説明する。グリーン関数Ｇ（ｔ）は、被加工部材２の形状、機械的性質及び荷重に基づいて導出される。例えば有限要素法を用いたシミュレーションソフトを用いる。このようなシミュレーションソフトとして、ＬＳ−ＤＹＮＡ（登録商標）（Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのＣＡＥソフトウェア）が用いられる。以下ではこのソフトを例に説明する。
まず、ＬＳ−ＤＹＮＡ上で被加工部材２の形状を再現する。次に、被加工部材２の機械的性質及び擬似的な荷重をＬＳ−ＤＹＮＡに与える。例えば、被加工部材２の機械的性質である密度、ヤング率、ポアソン比を与える。次に、作成した被加工部材２の形状に入力点（実際に力が掛かる点）と力の掛かる方向と出力点（センサを貼る位置）を与える。そして、入力点に作用する荷重の擬似入力信号（疑似入力関数）Ｉｔｅｓｔ（ｔ）を与える。例えば、図５に示す疑似入力信号とする。図５のグラフは、横軸が時間、縦軸が衝撃力である。シミュレーションを行うことで、出力点での検出波形Ｖｔｅｓｔ（ｔ）を得ることができる。Ｖｔｅｓｔ（ｔ）は、以下の数式（第２の関係式）で表される。
Figure 2013542400
 Ｖｔｅｓｔ（ｔ）を用いてＩｔｅｓｔ（ｔ）を逆畳み込み積分を行うことでグリーン関数Ｇ（ｔ）が導出される。なお、逆畳み込み積分については数値計算用ソフトＭＡＴＬＡＢ（登録商標）（ＭａｔｈＷｏｒｋｓ社のソフトウェア）を用いることができる。
次に、センサ応答関数Ｓ（ｔ）の導出方法について説明する。まずキャリブレーションを行い、ＡＥ波形Ｖｅ（ｔ）を計測する。Ｖｅ（ｔ）は、以下の数式（第４の関係式）で表される。
Figure 2013542400
 入力関数Ｉｃａｌ（ｔ）は既知である。例えば、図６に示す入力関数が用いられる。図６に示すグラフは、横軸が時間、縦軸が衝撃力である。
キャリブレーションは、所定の形状及び材質の芯を折ることにより行われる。例えば、シャープペンシルの芯の圧折を用いて行われる。以下ではシャープペンシルの芯を用いたキャリブレーションを説明する。この方法は、ＡＥセンサ近傍の測定対象面でシャープペンシルの芯を折り、その際に生じるＡＥ波を音源として、ＡＥセンサに入力した信号の振幅値を確認するものである。
シャープペンシル芯圧折法は、ＡＥセンサを被加工部材２に取り付け、その近傍でシャープペンシル５の芯を圧折する。あるいは、ＡＥセンサをグリーン関数Ｇ（ｔ）が既知の材料に取り付け、その近傍でシャープペンシル５の芯を圧折してもよい。例えば、硬度２Ｈ、径０．５ｍｍの芯を長さ３ｍｍ出し、約３０度の角度で圧折する（このための治具６を図７に示す）。このとき開放される応力は、１μｓの間に５ニュートンになる。これを基準として計測器４の感度を調整したり、得られたデータの物理量を推定したりする。このシャープペンシル芯圧折法には、実際の測定状態で検証できるという特徴がある。なお、相互校正法、接触法などその他の校正法でもよい。
一方、ＬＳ−ＤＹＮＡ上で上述した方法と同様に作成したモデルに、既知の芯の圧折による入力信号（入力関数）Ｉｃａｌ（ｔ）を入力し、シミュレーションを行うことで出力信号の検出波形Ｖｃａｌ（ｔ）が得られる。Ｖｃａｌ（ｔ）は次の数式（第３の関係式）で表される。
Figure 2013542400
 上述した第４の関係式と上記の第３の関係式の入力信号Ｉｃａｌ（ｔ）は同一である。すなわち、第４の関係式のＶｅ（ｔ）は実験値であり、第３の関係式のＶｃａｌ（ｔ）は推定値である。この２つの検出波形Ｖｅ（ｔ）及びＶｃａｌ（ｔ）を用いて、センサ応答関数Ｓ（ｔ）を導出することができる。すなわち、Ｖｅ（ｔ）からＶｃａｌ（ｔ）を逆畳み込み積分を行うことでセンサ応答関数Ｓ（ｔ）を導出することができる。なお、逆畳み込み積分については数値計算用ソフトＭＡＴＬＡＢ（登録商標）（ＭａｔｈＷｏｒｋｓ社のソフトウェア）を用いることができる。
以上、グリーン関数Ｇ（ｔ）とセンサの応答関数Ｓ（ｔ）とは、予め計算しておくことが可能である。そして、計算されたグリーン関数Ｇ（ｔ）及びセンサの応答関数Ｓ（ｔ）と、実際に計測したＡＥ波形Ｖ（ｔ）と、第１の関係式とに基づいて、畳み込み積分することでＡＥ源による入力関数Ｉ（ｔ）を求めることができる。
なお、演算部４２は、ＡＥセンサ１から取得したＡＥ波形のうち、第１の関係式で用いるＡＥ波形のデータ範囲を以下のように選択する。図８は、ＡＥ波形の一例である。演算部４２は、図８に示すＡＥ波形のうち最初に検出されたピークの振幅値である第１ピーク振幅値を含む１波長分を選択する。
さらに、演算部４２は、ＡＥセンサ１から取得したＡＥ波形のうち、第１の関係式で用いるＡＥ波形のデータ範囲を以下のように選択してもよい。例えば、演算部４２は、第１ピーク振幅値を最大値として減衰する振幅値を有する第１検出波形の後に検出される第２検出波形を採用してもよい。第２検出波形であるか否かは、例えば、第１検出波形のピークの振幅値が所定の値以下となった後に、所定の値以上のピークの振幅値を有する検出波形を計測した場合には、該検出波形を第２検出波形として判断する。あるいは、第１検出波形の最初のピークの発生時刻から所定時間経過後に計測された検出波形を第２検出波形としてもよい。なお、第２検出波形のうち第１の関係式で用いるＡＥ波形のデータ範囲は、第１検出波形と同様の手法で選択される。
さらに、演算部４２は、ピーク振幅値の減衰を表す関数を検出波形から推定又は特定して、該関数を用いて振幅値を導出してもよい。ピーク振幅値の減衰を表す関数を明らかにすれば、第１ピーク振幅値に限らず、どのピーク振幅値を用いてもよい。複数のピーク振幅値を用いてもよい。なお、ピーク振幅値の減衰を表す関数はＡＥ波形から推定もしくは特定できる。例えばフィッティングを用いて特定できる。
図９及び図１０は、ＡＥ波形の一例である。図９に示すＡＥ波形は、アブレーション時に生じる圧力を押さえ込む媒体として水を用いて計測されたものである。このとき、レーザー源７の波長としては、水をアブレーションさせない波長（１０６４ｎｍの第２高調波としての５３２ｎｍ）が用いられる。レーザー源７の波長は、１０６４ｎｍでも可能である。一方、図１０に示すＡＥ波形は、アブレーション時に生じる圧力を押さえ込む媒体としてガラスを用いて計測されたものである。図９及び図１０を比較すると、図９では、第１ピーク振幅値を最大値として減衰する振幅値を有する第１検出波形の後に検出される第２検出波形が観測されている。この第２検出波形は、第１検出波形が検出されてから少なくとも１００μｓ後に検出される。図９の検出波形では、第１検出波形がアブレーションによる衝撃を示しており、第２検出波形がキャビテーションバブルの崩壊による衝撃を示している。すなわち、第１検出波形のみならず第２検出波形についても衝撃力を評価することにより、より正確なレーザーピーニング処理の評価が可能となる。
衝撃力の評価方法について説明する。演算部４２は、ＡＥ波形Ｖ（ｔ）より導き出した入力関数Ｉ（ｔ）を用いて衝撃力を評価する。図１１は、図８に示すＡＥ波形Ｖ（ｔ）より導き出した入力関数Ｉ（ｔ）を示すグラフである。図１１に示すように、演算部４２は、例えば入力関数Ｉ（ｔ）の最大値を衝撃力として評価する。なお、図１１では第１検出波形を用いて衝撃力を評価する場合を説明したが、第２検出波形を用いた場合でも同様に衝撃力を評価できる。そして、第１検出波形を用いて評価した衝撃力及び第２検出波形を用いて評価した衝撃力を用いて総合的に衝撃力を評価してもよい。例えば、衝撃力の総和を算出して評価してもよい。
評価システムは、上述した計測器４を備える。評価システムは、レーザー源７、ＡＥセンサ１及びプリアンプを必要に応じて備える。また、記録部４３は計測器４から参照可能及び書き込み可能に構成されればよい。このため、評価システムは記録部４３を備えなくてもよい。
次に、評価システムの動作（評価方法）を説明する。図１２は、評価システムの動作を示すフローチャートである。図１２に示すように、評価システムは、信号取得処理から開始する（Ｓ１０：信号取得ステップ）。Ｓ１０の処理では、Ａ／Ｄコンバータ４１及び演算部４２がＡＥセンサ１からのＡＥ波形を取得する（オンライン処理）。なお、ＡＥ波形を取得した際に、ＡＥ波形のピーク振幅値の減衰を表す関数を推定又は特定してもよい（推定ステップ）。もしくは、演算部４２が、記録部４３を参照して過去に記録されたＡＥ波形を取得する（オフライン処理）。Ｓ１０の処理が終了すると、入力関数算出処理へ移行する（Ｓ１２：入力関数算出ステップ）。
Ｓ１２の処理では、演算部４２が、上述した第１の関係式を用いて、予め取得された前記ＡＥセンサの応答関数Ｓ（ｔ）、予め取得された前記被加工部材のグリーン関数Ｇ（ｔ）、及びＳ１０で取得された検出波形Ｖ（ｔ）に基づいて、レーザー照射による入力関数Ｉ（ｔ）を算出する。Ｓ１２の処理が終了すると、評価処理へ移行する（Ｓ１４：評価ステップ）。
Ｓ１４の処理では、演算部４２が、Ｓ１２で算出された入力関数Ｉ（ｔ）を用いて衝撃力を評価する。Ｓ１４の処理が終了すると、図１２に示す制御処理が終了する。
以上で評価システムの動作を終了する。図１２に示す制御処理を実行することで、レーザーピーニング処理の評価を適切に行うことができる。
次に、上述した評価システムを用いて、又は、評価システムを用いて得られた知見に基づいてレーザーを照射するレーザーピーニング方法及びレーザーピーニングシステムを説明する。
図１３は、レーザーピーニングシステムの概要図である。図１３に示すように、レーザーピーニングシステムは、レーザー源７、ＡＥセンサ１、計測器４及び調整部８を備えている。レーザー源７、ＡＥセンサ１及び計測器４の機能は上述した評価システムと同様である。調整部８は、計測器４の測定結果に基づいてレーザー源７の出力を調整する。例えば、調整部８は、レーザー源７のパワー密度（パルスエネルギー）を調整する。
調整部８は、例えば、図９に示す第1検出波形の第１ピーク振幅値、及び、第２検出波形の振幅値を用いてレーザーのパワー密度を調整する。例えば、調整部８は、第２検出波形の振幅値が最大値に近づくパワー密度範囲と、第1検出波形の第１ピーク振幅値が最大値に近づくパワー密度範囲とに基づいて、レーザー源７のパワー密度を調整する。あるいは、調整部８は、計測器４が評価した入力関数Ｉ（ｔ）又は衝撃力に基づいてパワー密度を調整してもよい。すなわち、第１検出波形から導出される入力関数Ｉ（ｔ）又は衝撃力と、第２検出波形から導出される入力関数Ｉ（ｔ）又は衝撃力とに基づいて、パワー密度を調整してもよい。なお、アブレーション時に生じる圧力を押さえ込む媒体として水を用い、かつ、レーザー源７の波長が１０６４ｎｍの第２高調波としての５３２ｎｍである場合には、パワー密度をサチュレーションしている範囲内の最小のパワー密度に調整することが好適である。より好ましくは、５ＧＷ／ｃｍ２を含む３〜８ＧＷ／ｃｍ２の範囲で調整することが好適である。この範囲で調整することで最小のパワーで最大のピーニング効果を得ることができる。アブレーション時に生じる圧力を押さえ込む方法は、水中に被加工部材２を設置する方法と流水に浴する方法どちらでも可能である。流水に浴する方法とは、被加工部材２に水をかけながら加工を行う方法である。
次に、レーザーピーニングシステムの動作（レーザーピーニング方法）を説明する。図１４は、レーザーピーニングシステムの動作を示すフローチャートである。図１４に示すように、レーザーピーニングシステムは、レーザー照射処理から開始する（Ｓ１８）。Ｓ１８の処理では、調整部８により調整されたパワー密度を有するレーザーがレーザー源７から被加工部材２へ照射される。Ｓ１８の処理が終了すると、信号取得処理へ移行する（Ｓ２０：信号取得ステップ）。Ｓ２０の処理では、Ａ／Ｄコンバータ４１及び演算部４２がＡＥセンサ１からのＡＥ波形を取得する（オンライン処理）。なお、ＡＥ波形を取得した際に、ＡＥ波形のピーク振幅値の減衰を表す関数を推定又は特定してもよい（推定ステップ）。Ｓ２０の処理が終了すると、入力関数算出処理へ移行する（Ｓ２２：入力関数算出ステップ）。
Ｓ２２の処理では、演算部４２が、上述した第１の関係式を用いて、予め取得された前記ＡＥセンサの応答関数Ｓ（ｔ）、予め取得された前記被加工部材のグリーン関数Ｇ（ｔ）、及びＳ１０で取得された検出波形Ｖ（ｔ）に基づいて、レーザー照射による入力関数Ｉ（ｔ）を算出する。Ｓ２２の処理が終了すると、評価処理へ移行する（Ｓ２４：評価ステップ）。
Ｓ２４の処理では、演算部４２が、Ｓ２２で算出された入力関数Ｉ（ｔ）を用いて衝撃力を評価する。Ｓ２４の処理が終了すると、レーザー調整処理へ移行する（Ｓ２６：調整ステップ）。
Ｓ２６の処理では、調整部８が、Ｓ２４で評価された衝撃力を用いてパワー密度を調整する。Ｓ２６の処理が終了すると、図１４に示す制御処理を終了する。
以上でレーザーピーニングシステムの動作を終了する。図１４に示す制御処理を実行することで、測定結果をフィードバックしてレーザーピーニング処理を行うことができる。なお、ＡＥ波形からレーザー源７を調整する場合には、Ｓ２２及びＳ２４に示す制御処理を実行しなくてもよい。また、入力関数からレーザー源７を調整する場合には、Ｓ２４に示す制御処理を実行しなくてもよい。
なお、上述したレーザーピーニングシステムの動作によって、レーザーによるアブレーションを液体中で発生させることにより衝撃波を得るとともに、該液体中に発生した圧力変化によるキャビテーションバブルを生成させ、該キャビテーションバブルの崩壊による衝撃波を得ることができる。すなわち、一度のレーザー照射で、２回のピーニング作用を得ることができる。なお、キャビテーションバブルによる衝撃波を得るためには、アブレーションは液体中で発生させる必要がある。液体としては、水が用いられる。水は、アブレーションによる衝撃波が外部に拡散することを封じ込めることによりベクトル（力の方向）を変える。ベクトルとは衝撃波の力の方向である。水中でレーザーが減衰しないで、且つ水がアブレーションしないように、レーザーの波長は、１０６４ｎｍの第２高調波としての５３２ｎｍが用いられる。このように、レーザー源からレーザービームを被加工材の表面に照射することにより、アブレーションを発生させ、アブレーションの衝撃によりピーニング処理を行う際に、被加工部材２のアブレーション時に生じる圧力を押さえ込む媒体として水を使用するとともに、レーザービームの波長を１０６４ｎｍの第２高調波としての５３２ｎｍとすることにより、アブレーション後にキャビテーションバブルを発生させ、該キャビテーションバブルの崩壊による衝撃によりピーニング効果を得ることができる。
上述したように、一実施形態に係る評価システム及び評価方法によれば、材料の変化を読み取れる弾性波をＡＥセンサで計測し、それから入力エネルギーを推定することができる。これにより、レーザーピーニング時に被加工部材の表面に加わる力を適切に評価することが可能となる。このため、レーザーピーニングにおける最適条件の模索が容易となる。
また、一実施形態に係る評価システム及び評価方法によれば、現象を直接的に表す第1ピーク振幅値を含む１波長分のＡＥ波形を用いることで、適切な評価をすることができる。
また、一実施形態に係る評価システム及び評価方法によれば、第２検出波形を用いることにより、アブレーションによる衝撃だけでなく、キャビテーションバブルの崩壊による衝撃を評価することができる。
また、一実施形態に係る評価システム及び評価方法によれば、第１ピーク振幅値を含む１波長分のＡＥ波形を用いて入力関数Ｉ（ｔ）を算出することができる。
また、一実施形態に係るレーザーピーニングシステム及びレーザーピーニング方法によれば、第１検出波形及び第２検出波形の振幅値を用いてレーザーのパワー密度が調整される。このように、アブレーションの衝撃を示す第１検出波形だけでなく、キャビテーションバブルが崩壊することによる衝撃を示す第２検出波形を含めてパワー密度を調整することで、所望のピーニングを実現することができる。また、１回のレーザー照射で２回のピーニング効果を得ることができる。
なお、上述した実施形態は、変形し、又は他のものに適用してもよい。例えば、上記実施形態では、演算部４２がＡＥパラメータの算出と衝撃力（グリーン関数及び応答関数）の算出の両方を実施する例を説明したが、これに限られるものではない。例えば、演算部４２がＡＥパラメータの算出のみを行い、他の演算部で衝撃力の演算を行ってもよい。他の演算部は、計測器４に備えてもよいし、他のコンピュータに備えてもよい。
（ＡＥ波形の計測）
ＡＥ波形を計測した。レーザーを照射する被加工部材２は、厚さ及び材質の異なるものを用いた。被加工部材２は、平面幅が３５ｍｍ×３５ｍｍである。厚さは、５ｍｍ、１０ｍｍ、２０ｍｍの３種類用意した。材質は、Ａ７０７５（ＪＩＳ規格）、Ｓ５０Ｃ（ＪＩＳ規格）の２種類用意した。すなわち、被加工部材２は、計６種類用意した。
レーザー源７として、ＱスイッチＮｄ−ＹＡＧレーザーを使用した。レーザー源７の主な仕様を表１に示す。
Figure 2013542400
被加工部材２に照射されるレーザーのエネルギーは偏光板の角度を変えることで調節した。またレーザーは集光レンズによってエネルギー密度を２３倍にし，水中に冶具で固定した被加工部材２の面の中央に照射した。１つの条件につきレーザー３を５回照射した。
照射面の反対側の中央にＡＥセンサ１を１個取り付け、レーザー照射時のＡＥを計測した。ＡＥの計測を行う計測器４は、サンプリングレート１から最大１０ＭＨｚで連続的に信号を計測できる装置を使用した。なお、実施例においてはサンプリングレート１０ＭＨｚで連続的に計測した。
レーザーを１回照射するごとに図３のような波形が確認された。
（衝撃力の評価）
図１５は、計測されたＡＥ波形から実施形態で説明したようにして求められた衝撃力をパルスエネルギーに対してプロットしたグラフである。（ａ）はＡ７０７５のもので、（ｂ）はＳ５０Ｃのものである。
今回得られた衝撃力は、衝撃波計測方法の１つであるＶＩＳＡＲ（Ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ａｎｙ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）法によって得られる値とほぼ同等となった。このことより、今回得られた衝撃力は、適正な数値といえる。また、図１５が示すように、材質や厚さの違いでＡＥ波形から計算した衝撃力の傾向が異なることがわかる。以上より、本発明の評価方法及び評価システムが有効であることが確認された。
なお、キャリブレーションを使わない時は、ＶＩＳＡＲ法との絶対値の評価はできないが、相対評価は可能である。
（ＡＥ波形に基づくパワー密度の調整）
図１６は、計測された第１検出波形の第１ピーク振幅値（強度）をパワー密度に対してプロットしたグラフである。Ａ−１は被加工部材表面に直接レーザーを照射した場合、Ａ−２は被加工部材の表面にガラスを貼り付けてレーザーを照射した場合、Ａ−３は被加工部材の表面に犠牲層（ＳＵＳ３０４：厚さ１５μm）を貼り付けてレーザーを照射した場合、Ａ−４は被加工部材に犠牲層、ガラスの順で貼り付けてレーザーを照射した場合である。図１７は、計測された第２検出波形の最初に検出されたピークの振幅値（強度）をパワー密度に対してプロットしたグラフである。Ａ−１は被加工部材表面に直接レーザーを照射した場合、Ａ−３は被加工部材の表面に犠牲層（ＳＵＳ３０４：厚さ１５μm）を貼り付けてレーザーを照射した場合である。図１６に示すように、パワー密度が１０ＧＷ／ｃｍ２付近から第１検出波形の強度がほぼ一定となった。一方、図１７に示すように、パワー密度が約５ＧＷ／ｃｍ２付近で第２検出波形の強度がほぼ一定となった。このため、パワー密度をサチュレーションしている範囲内の最小のパワー密度に調整することが好適であることが確認された。好ましくは、５ＧＷ／ｃｍ２を含む３〜８ＧＷ／ｃｍ２の範囲で調整することが好適であることが確認された。
（衝撃力に基づくパワー密度の調整）
図１８は、ＡＥ波形から推定された衝撃力をパワー密度に対してプロットしたグラフである。Ａ−１は被加工部材表面に直接レーザーを照射した場合で１ｓｔ ｉｍｐａｃｔは第１検出波形から推定した衝撃力、２ｎｄ ｉｍｐａｃｔは第２検出波形から推定した衝撃力である。Ａ−２は被加工部材の表面にガラスを貼り付けてレーザーを照射した場合の衝撃力である。図１９は、ＡＥ波形から推定された衝撃力をパワー密度に対してプロットしたグラフである。Ａ−３は被加工部材の表面に犠牲層（ＳＵＳ３０４：厚さ１５μｍ）を貼り付けてレーザーを照射した場合で１ｓｔ ｉｍｐａｃｔは第１検出波形から推定した衝撃力、２ｎｄ ｉｍｐａｃｔは第２検出波形から推定した衝撃力である。Ａ−４は被加工部材に犠牲層、ガラスの順で貼り付けてレーザーを照射した場合である。図１８及び図１９に示すように、衝撃力を用いてパワー密度を評価した場合であっても、パワー密度をサチュレーションしている範囲内の最小のパワー密度に調整することが好適であることが確認された。
（第１検出波形と第２検出波形との時間間隔）
図２０、図２１及び図２２は、第１検出波形と第２検出波形との時間間隔をパルスエネルギーに対してプロットしたグラフである。図中の（ａ）はＡ７０７５のもので、（ｂ）はＳ５０Ｃのものである。図２０は試料の厚さが５ｍｍの場合である。図２１は試料の厚さが１０ｍｍの場合である。図２２は試料の厚さが２０ｍｍの場合である。図２０〜図２２に示すように、レーザー出力が一番小さい場合における時間間隔の最小値は、図２０の（ｂ）に示す３００μｓ程度であった。このため第２検出波形は第１検出波形が検出されてから少なくとも１００μｓ後には検出されることが確認された。
１…ＡＥセンサ、２…被加工部材、４…計測器（計測システム）、６…調整部、７…レーザー源、４２…演算部（信号取得部、入力関数算出部、評価部）、４３…記録部（記憶媒体）。

Claims (27)

  1. レーザーピーニング処理で照射されるレーザーによって被加工部材へ入力される衝撃力を評価する評価方法であって、
    前記被加工部材に生じる弾性波を検出するＡＥセンサによりレーザーピーニング処理時に出力された検出波形を取得する信号取得ステップと、
    検出波形をＶ（ｔ）、レーザー照射による入力関数をＩ（ｔ）、前記ＡＥセンサの応答関数をＳ（ｔ）、前記被加工部材のグリーン関数をＧ（ｔ）とし、畳み込み積分を＊とすると、
    Figure 2013542400
     となる第１の関係式を用いて、予め取得された前記ＡＥセンサの応答関数Ｓ（ｔ）、予め取得された前記被加工部材のグリーン関数Ｇ（ｔ）、及び前記信号取得ステップで取得された検出波形Ｖ（ｔ）に基づいて、レーザー照射による入力関数Ｉ（ｔ）を算出する入力関数算出ステップと、
    レーザー照射による入力関数Ｉ（ｔ）を用いて衝撃力を評価する評価ステップと、
    を備える評価方法。
  2. 前記入力関数算出ステップでは、前記信号取得ステップで取得された検出波形のうち最初に検出されたピークの振幅値である第１ピーク振幅値を含むＡＥ波形を少なくとも用いて入力関数Ｉ（ｔ）を算出する請求項１に記載の評価方法。
  3. 前記入力関数算出ステップでは、前記信号取得ステップで取得された検出波形のうち、前記第１ピーク振幅値を最大値として減衰する振幅値を有する第１検出波形の後に検出される第２検出波形を用いて入力関数Ｉ（ｔ）を算出する請求項２に記載の評価方法。
  4. 前記第２検出波形は、前記第１検出波形が検出されてから少なくとも１００μｓ後に検出される請求項３に記載の評価方法。
  5. 前記入力関数算出ステップは、
    前記信号取得ステップで取得された検出波形のピーク振幅値の減衰を表す関数を推定又は特定する推定ステップをさらに含み、
    前記推定ステップにより推定又は特定された関数及びピーク振幅値を用いてレーザー照射による入力関数Ｉ（ｔ）を算出する請求項１に記載の評価方法。
  6. 前記ＡＥセンサの応答関数Ｓ（ｔ）及び前記被加工部材のグリーン関数Ｇ（ｔ）は、キャリブレーションおよび有限要素法を用いたシミュレーションによって取得される請求項１に記載の評価方法。
  7. 前記キャリブレーションが、シャープペンシルの芯を折ることにより得られるデータを用いて行われる請求項６に記載の評価方法。
  8. 前記有限要素法を用いたシミュレーションでは、前記被加工部材の形状、材質及び擬似的な衝撃力に関するデータを用いて前記被加工部材のグリーン関数Ｇ（ｔ）を得る請求項６に記載の評価方法。
  9. 計算上の検出波形をＶｔｅｓｔ（ｔ）、ＡＥ源による計算上の入力関数をＩｔｅｓｔ（ｔ）、畳み込み積分を＊とすると、
    Figure 2013542400
     となる第２の関係式を用いて前記被加工部材のグリーン関数Ｇ（ｔ）をシミュレーションにより取得する請求項６に記載の評価方法。
  10. 前記ＡＥセンサを用いて、グリーン関数Ｇ（ｔ）が既知の芯を折ることにより得られる検出波形Ｖｅ（ｔ）を取得し、
    前記芯を折る際の入力関数Ｉｃａｌ（ｔ）を用いて、計算上の検出波形Ｖｃａｌ（ｔ）を、
    Figure 2013542400
     となる第３の関係式により取得し、
    Figure 2013542400
     となる第４の関係式、前記第３の関係式及びシミュレーションにより得られた前記グリーン関数Ｇ（ｔ）を用いて前記ＡＥセンサの応答関数Ｓ（ｔ）を算出する請求項９に記載の評価方法。
  11. レーザーピーニング処理で照射されるレーザーによって被加工部材へ入力される衝撃力を評価する評価システムであって、
    前記被加工部材に生じる弾性波を検出するＡＥセンサによりレーザーピーニング処理時に出力された検出波形を取得する信号取得部と、
    検出波形をＶ（ｔ）、レーザー照射による入力関数をＩ（ｔ）、前記ＡＥセンサの応答関数をＳ（ｔ）、前記被加工部材のグリーン関数をＧ（ｔ）とし、畳み込み積分を＊とすると、
    Figure 2013542400
     となる第１の関係式を用いて、予め取得された前記ＡＥセンサの応答関数Ｓ（ｔ）、予め取得された前記被加工部材のグリーン関数Ｇ（ｔ）、及び前記信号取得部で取得された検出波形Ｖ（ｔ）に基づいて、レーザー照射による入力関数Ｉ（ｔ）を算出する入力関数算出部と、
    レーザー照射による入力関数Ｉ（ｔ）を用いて衝撃力を評価する評価部と、
    を有する評価システム。
  12. 前記入力関数算出部は、前記信号取得部で取得された検出波形のうち最初に検出されたピークの振幅値である第１ピーク振幅値を含むＡＥ波形を少なくとも用いて入力関数Ｉ（ｔ）を算出する請求項１１に記載の評価システム。
  13. 前記入力関数算出部は、前記信号取得部で取得された検出波形のうち、前記第１ピーク振幅値を最大値として減衰する振幅値を有する第１検出波形の後に検出される第２検出波形を用いて入力関数Ｉ（ｔ）を算出する請求項１２に記載の評価システム。
  14. 前記被加工部材へレーザーを照射するレーザー源と、
    前記被加工部材に取り付けられ、前記被加工部材内に生じる弾性波を受信して検出波形を出力する少なくとも１つのＡＥセンサと
    を備え、
    前記レーザー源は、前記ＡＥセンサが取り付けられた箇所とは異なる箇所へレーザーを照射する請求項１１に記載の評価システム。
  15. ＡＥセンサから出力された検出波形は、最大サンプリングレート１０ＭＨｚで連続的に計測された波形である請求項１４に記載の評価システム。
  16. 前記ＡＥセンサから出力された検出波形を解析して波形特性を示すパラメータを算出する解析部を備え
    前記信号取得部は、記録媒体に接続されており、前記記録媒体に前記ＡＥセンサから出力された検出波形を連続的に記録し、又は、前記解析部から出力された前記パラメータを連続的に記録する請求項１１に記載の評価システム。
  17. 前記ＡＥセンサの応答関数Ｓ（ｔ）及び前記被加工部材のグリーン関数Ｇ（ｔ）は、キャリブレーションおよび有限要素法を用いたシミュレーションによって取得される請求項１１に記載の評価システム。
  18. 前記入力関数算出部は、計算上の検出波形をＶｔｅｓｔ（ｔ）、ＡＥ源による計算上の入力関数をＩｔｅｓｔ（ｔ）、畳み込み積分を＊とすると、
    Figure 2013542400
     となる第２の関係式を用いて前記被加工部材のグリーン関数Ｇ（ｔ）をシミュレーションにより取得する請求項１７に記載の評価システム。
  19. 前記入力関数算出部は、
    前記ＡＥセンサを用いて、グリーン関数Ｇ（ｔ）が既知の芯を折ることにより得られる検出波形Ｖｅ（ｔ）を取得し、
    前記芯を折る際の入力関数Ｉｃａｌ（ｔ）を用いて、計算上の検出波形Ｖｃａｌ（ｔ）を、
    Figure 2013542400
     となる第３の関係式により取得し、
    Figure 2013542400
     となる第４の関係式、前記第３の関係式及びシミュレーションにより得られた前記グリーン関数Ｇ（ｔ）を用いて前記ＡＥセンサの応答関数Ｓ（ｔ）を算出する請求項１８に記載の評価システム。
  20. レーザーによってピーニング処理を行うレーザーピーニング方法であって、
    被加工部材に生じる弾性波を検出するＡＥセンサによりレーザーピーニング処理時に出力された検出波形を取得する信号取得ステップと、
    前記信号取得ステップで取得された検出波形のうち最初に検出されたピークの振幅値である第１ピーク振幅値、及び、前記第１ピーク振幅値を最大値として減衰する振幅値を有する第１検出波形の後に検出される第２検出波形の振幅値を用いてレーザーのパワー密度を調整する調整ステップと、
    を備えるレーザーピーニング方法。
  21. 前記調整ステップでは、パワー密度をサチュレーションしている範囲内の最小のパワー密度に調整する請求項２０に記載のレーザーピーニング方法。
  22. 検出波形をＶ（ｔ）、レーザー照射による入力関数をＩ（ｔ）、前記ＡＥセンサの応答関数をＳ（ｔ）、前記被加工部材のグリーン関数をＧ（ｔ）とし、畳み込み積分を＊とすると、
    Figure 2013542400
     となる第１の関係式を用いて、予め取得された前記ＡＥセンサの応答関数Ｓ（ｔ）、予め取得された前記被加工部材のグリーン関数Ｇ（ｔ）、及び前記信号取得ステップで取得された検出波形Ｖ（ｔ）に基づいて、レーザー照射による入力関数Ｉ（ｔ）を算出する入力関数算出ステップと、
    をさらに備え、
    前記調整ステップでは、レーザー照射による入力関数Ｉ（ｔ）を用いてレーザーのパワー密度を調整する
    請求項２０に記載のレーザーピーニング方法。
  23. レーザーによるアブレーションを液体中で発生させることにより衝撃波を得るとともに、該液体中に発生した圧力変化によるキャビテーションバブルを生成させ、該キャビテーションバブルの崩壊による衝撃波を得ることで、２回のピーニング作用が得られることを特徴とするレーザーピーニング方法。
  24. 前記キャビテーションバブルによる衝撃波を得るために、前記アブレーションは前記液体中で発生させ、前記液体は、水であり、該水は、前記アブレーションによる衝撃波が外部に拡散することを封じ込めることにより衝撃波のベクトルを変え、前記水中で前記レーザーが減衰しないで、且つ前記水がアブレーションしないように、前記レーザーの波長は、１０６４ｎｍの第２高調波としての５３２ｎｍであることを特徴とする請求項２３記載のレーザーピーニング方法。
  25. レーザーによってピーニング処理を行うレーザーピーニングシステムであって、
    被加工部材に生じる弾性波を検出するＡＥセンサによりレーザーピーニング処理時に出力された検出波形を取得する信号取得部と、
    前記信号取得部で取得された検出波形のうち最初に検出されたピークの振幅値である第１ピーク振幅値、及び、前記第１ピーク振幅値を最大値として減衰する振幅値を有する第１検出波形の後に検出される第２検出波形の最初のピークの振幅値を用いてレーザーのパワー密度を調整する調整部と、
    を備えるレーザーピーニングシステム。
  26. 前記調整部は、パワー密度をサチュレーションしている範囲内の最小のパワー密度に調整する請求項２５に記載のレーザーピーニングシステム。
  27. 検出波形をＶ（ｔ）、レーザー照射による入力関数をＩ（ｔ）、前記ＡＥセンサの応答関数をＳ（ｔ）、前記被加工部材のグリーン関数をＧ（ｔ）とし、畳み込み積分を＊とすると、
    Figure 2013542400
     となる第１の関係式を用いて、予め取得された前記ＡＥセンサの応答関数Ｓ（ｔ）、予め取得された前記被加工部材のグリーン関数Ｇ（ｔ）、及び前記信号取得部で取得された検出波形Ｖ（ｔ）に基づいて、レーザー照射による入力関数Ｉ（ｔ）を算出する入力関数算出部と、
    をさらに備え、
    前記調整部では、レーザー照射による入力関数Ｉ（ｔ）を用いてレーザーのパワー密度を調整する
    請求項２５に記載のレーザーピーニングシステム。
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