JP3753300B2

JP3753300B2 - Generation of elastic waves on a spherical surface.

Info

Publication number: JP3753300B2
Application number: JP2000088252A
Authority: JP
Inventors: 一司山中; 祐輔塚原
Original assignee: Tohoku University NUC; Toppan Inc
Current assignee: Tohoku University NUC; Toppan Inc
Priority date: 2000-03-28
Filing date: 2000-03-28
Publication date: 2006-03-08
Anticipated expiration: 2020-03-28
Also published as: JP2001272381A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、少なくとも球面の一部で形成されていて円環状に連続している外表面を有した基材の上記外表面において上記外表面の連続する方向に向かう弾性波を発生させる、球面上の弾性波の発生法に関係している。
【０００２】
【従来の技術】
構造物の基材の信頼性を確保する為に、基材の表面と表面直下の欠陥を迅速かつ高感度で非破壊検査をすることが強く望まれている。このような非破壊検査の為には弾性表面波を利用することが効果的であることが分かっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら弾性表面波は発生源から遠ざかるにつれて拡散し伝搬効率が落ちる。しかも基材が少なくとも球面の一部で形成されていて円環状に連続している外表面を有している場合、上記拡散の度合いが大きく伝搬効率が非常に悪い。
【０００４】
この発明は、上記事情の下でなされ、基材の少なくとも球面の一部で形成されていて円環状に連続している外表面に上記基材の外表面の連続する方向に向かう弾性波を非接触で発生させる、球面上の弾性波の発生法を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上述したこの発明の目的を達成する為に、この発明に従った球面上の弾性波の発生法は：
少なくとも球面の一部で形成されていて円環状に連続している外表面を有した基材の上記外表面において、上記外表面の連続する方向と上記外表面に沿い交差する方向の所定の範囲に波動を照射し、この結果として上記基材の外表面の連続する方向に向かう弾性波を発生させる、ことを特徴としている。
【０００６】
このように構成されたことを特徴とする、この発明に従った球面上の弾性波の発生法においては、上記波動がレーザー光であり、上記所定の範囲に熱弾性効果を伴った干渉縞を発生させる、ことが好ましい。
【０００７】
レーザー光による波動の照射は制御が容易である。
【０００８】
上記基材の外表面の連続する方向に向かう弾性波を効率良く発生させるには、上記弾性波の波長は上記球面の半径の１／１０以下であり、また上記外表面に沿い上記連続する方向と交差する方向における上記弾性波の幅が上記球面の直径の半分以下で上記半径の１／１００以上である、ことが好ましい。
【０００９】
上記所定の範囲は、上記所定の範囲において発生した上記弾性波が上記外表面に沿い上記連続する方向と交差する方向に拡散せずに上記連続する方向にのみ向かい上記連続する方向に沿い上記外表面を一周するよう選択される。
【００１０】
そして実際には、波長パラメータ（上記球面の上記連続する方向における周囲長さ／弾性波波長）が１００乃至８００である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下この発明の第１の実施の形態に従った、球面上の弾性波の発生法について添付の図面中の図１を参照しながら詳細に説明する。
【００１２】
なお図１の（Ａ）は、この発明の第１の実施の形態に従った、球面上の弾性波の発生法に使用される装置の全体を概略的に示す平面図であり；図１の（Ｂ）は、図１の（Ａ）の装置により弾性表面波が発生される球形状の基材の拡大された側面図である。
【００１３】
球形状の基材１０は支持体１２上に載置されている。基材１０の外周面において支持体１２との接点を通過しない最大円周線１０ａと外周面に沿い直交する方向の所定の範囲Ｗには弾性表面波を発生させるよう波動照射手段１４から波動が照射される。
【００１４】
所定の範囲Ｗは最大円周線１０ａに沿い球形状の基材１０の外周面（外表面）の一部で規定されている円環状に連続している円環領域１０ｂを規定している。
【００１５】
波動照射手段１４は、ＹＡＧパルスレーザー光源１４ａから出射されたレーザービームＬをスプリッタ１４ｂにより２つに分割し、分割された一方のレーザービームＬ１を遅延素子１４ｃを介して第１の副回動反射鏡１４ｄに導き、第１の副回動反射鏡１４ｄからさらに主回動反射鏡１４ｅに導き、主回動反射鏡１４ｅから支持体１２上の基材１０の外周面の所定の範囲Ｗに照射している。分割された他方のレーザービームＬ２は反射鏡１４ｆ及びブラグセル（Ｂｒａｇｇｃｅｌｌ）１４ｇを介して第２の副回動反射鏡１４ｈに導かれ、第２の副回動反射鏡１４ｈからさらに主回動反射鏡１４ｅに導かれ、主回動反射鏡１４ｅから支持体１２上の基材１０の外周面の所定の範囲Ｗに照射されている。
【００１６】
２つのレーザービームＬ１，Ｌ２は、所定の範囲Ｗにおいて熱弾性効果を伴う干渉縞を発生させるよう第１の副回動反射鏡１４ｄ，第２の副回動反射鏡１４ｈ，そして主回動反射鏡１４ｅにより位置決めされる。
【００１７】
上述した如く所定の範囲Ｗにおいて発生された熱弾性効果を伴う干渉縞は、所定の範囲Ｗにおいて弾性表面波を発生する。所定の範囲Ｗが特定の条件に従い設定されている時、上記弾性表面波は球形状の基材１０の外周面（外表面）の円環領域１０ｂに沿い円環領域１０ｂの連続する方向と交差する方向に拡散せずに上記連続する方向（最大円周線１０ａに沿った矢印Ｙで示す方向）にのみ向かい上記連続する方向に沿い上記外表面を少なくとも一周する。なお上記特定の条件については後で述べる。
【００１８】
図１の（Ａ）の装置はさらに、球形状の基材１０の外周面（外表面）の円環領域１０ｂ中に発生し円環領域１０ｂ中を上述した如く伝搬する弾性表面波を非接触で検出する為の弾性表面波非接触検出手段１６を備えている。弾性表面波非接触検出手段１６は、Ａｒレーザー光源１６ａと、Ａｒレーザー光源１６ａから出射されたレーザービームＲを球形状の基材１０の外周面（外表面）の円環領域１０ｂ中で２つのレーザービームＬ１，Ｌ２が照射される位置から離れた位置へと導く種々の光学部材１６ｂと、上記離れた位置で反射されたレーザービームＲ´をＡｒレーザー光検出器（ＡＰＤ）１６ｅに導く光学部材１６ｃ及びナイフエッジ１６ｄを備えている。
【００１９】
上記弾性表面波を球形状の基材１０の外周面（外表面）の円環領域１０ｂに沿い円環領域１０ｂの連続する方向と交差する方向に拡散せずに、上記連続する方向（最大円周線１０ａに沿った矢印Ｙで示す方向）にのみ向かい上記連続する方向に沿い上記外表面を少なくとも一周するよう伝搬させる上記特定の条件は、本願の発明者等が球面において所定の範囲の円弧内で上記円弧と直交する方向に弾性表面波を発生させることにより、弾性表面波が上記円弧の方向に拡散することなく上記円弧と直交する方向に上記球面を周回することを発見したことによりなされた。
【００２０】
なお上記所定の範囲よりも小さな弾性表面波の発生源では、話しを簡単にする為に弾性表面波の発生源を点とすると、弾性表面波は発生源を中心にして球形状の基材の外表面上を同心円状に広がった後に、球形状の基材の外表面において上記発生源とは正反対の側の地点に向かい同心円状に集束し、また上記正反対の側の地点から球形状の基材の外表面上を同心円状に広がった後に、球形状の基材の外表面において上記正反対の側の地点とは正反対に位置する弾性表面波の発生源に再度集束する。即ち、弾性表面波の発生源から放射された弾性表面波は上記外表面においてその進行方向と直交する方向に拡散してしまう。
【００２１】
幅の広い弾性表面波の発生源では、発生源から発生された弾性表面波は上記所定の範囲の中心を通過し、上記所定の範囲の円弧と直交する方向に沿い伝搬するとともに、上記円弧を含む円周線を赤道と仮に考えた時の極に該当する位置に向かい集束し、極に該当する位置を通過した後は上記円周線上において上記所定の範囲とは正反対の側で上記所定の範囲と同じ所定の範囲に拡散し、さらに別の極に該当する位置に向かい集束し、別の極に該当する位置を通過した後は上記所定の範囲に再度拡散するという、球の半周毎の集束と拡散とを繰り返す。
【００２２】
そして、弾性表面波が上記円弧の方向に拡散することなく上記円弧と直交する方向に上記球面を周回する為の特定の条件は以下のようにして求められた。
【００２３】
図２には、本発明の効果を示す計算のための座標系が示されている。ｘｙｚ座標軸と半径ｒの球面の交点をＡ，Ｂ，Ｃとして、円弧ＡＣに対し平行な円弧ＤＦ上の点Ｐから発生した弾性表面波が円弧ＣＧ上の点Ｑに達するとする。角度φ_o，θ_o，φ₁，θ₁を図２中に示したように取ると、点Ｐ，Ｑの座標は
（ｒｃｏｓφ_oｃｏｓθ_o，ｒｓｉｎφ_o，ｒｃｏｓφ_oｓｉｎθ_o）及び
（ｒｃｏｓφ₁ｃｏｓθ₁，ｒｃｏｓθ₁ｓｉｎφ₁，ｒｓｉｎθ₁）
となるため、

である。従って、角ＰＯＱ＝θとおくと余弦定理より

の関係が成り立つ。
点Ｐで発生した弾性表面波の点Ｑにおける粒子変位の半径方向成分は、
【００２４】
【数１】

【００２５】
と表わすことが出来る（Ｖｉｋｔｏｒｏｖ，ＲａｙｌｅｉｇｈａｎｄＬａｍｂＷａｖｅｓＰ４２）。なおここで、Ｃは定数、ｍは円周の長さと弾性表面波の波長との比で、波数パラメータと呼ぶ。またＣ_Rはレイリー波速度，ｔは時間である。角度θは式（２）から求められる。点Ｅから見こむ角度が２θ_Aの円弧状音源による点Ｑの音場は、式（３）を式（２）に含まれる角度θ₀を独立変数にとって、−θ_Aからθ_Aまで積分することにより得られる。音場分布は点Ｑの迎角θ₁を変化させて計算することで求められる。
【００２６】
図３の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），そして（Ｄ）には、点ＰがＸＺ面上にあるφ_o＝０の場合について、上記の式（２）及び（３）を使用して求めた弾性表面波が球形状の基材１２上を伝搬する４つの状態が示されている。
【００２７】
図３の（Ａ），（Ｂ），そして（Ｃ）は、波数パラメータｍ＝６００の場合の音場（粒子変位の大きさの角度θ₁依存性）を調べた結果である。図の各々において、最も下のプロットは球面上の弾性表面波の伝搬を表す角度（伝搬角）φ₁が１０°の場合の音場であり、上に向かって２０°ずつ増加した場合の音場が順にプロットしてある。
【００２８】
図３の（Ａ）は、開口半角θ_A＝３０°の場合である。この場合には、弾性表面波の伝搬状態は集束ビーム形状である。即ち、伝搬角φ₁が増加するにつれて音場の幅が減少し、φ₁＝９０°で最小になった後は再び幅が増加し、対極点１８０°で音源上と同じ分布が再現される。以降は１８０°毎に上記同じ変化が繰り返えされ、何周回っても同じ変化が繰り返えされる。この場合、開口半角θ_A＝３０°よりも音場が広がることがなく、θ₁＜θ_Aの帯状部分に弾性表面波のエネルギーが閉じ込められている。この場合には、球形状の基材１２の外表面においてθ₁＞θ_Aの部分に他の物体を接触させても音場に擾乱は生じない。
【００２９】
図３の（Ｃ）は、開口半角θ_A＝１°の場合である。この場合には、弾性表面波の伝搬状態は点音源の場合と類似した発散ビーム形状である。即ち、伝搬角φ₁が増加するにつれて音場の幅も増加し、φ₁＝９０°で最大になった後は再び幅が減少し、対極点１８０°で音源上と同じ分布が再現される。この場合は、図３の（Ａ）を参照しながら上述した集束ビームの場合とは異なり、θ₁＜θ_Aの帯状部分に弾性表面波のエネルギーが閉じ込められることが無く、φ₁＝９０°ではθ₁＝５０°程度にまで広がってしまう。この場合には、球形状の基材１２の外表面においてφ₁＝９０°において球形状の基材１２の外表面のθ₁＞θ_Aの部分に他の物体を接触させると音場に擾乱が生じる。
【００３０】
図３の（Ｂ）は、開口半角θ_A＝３．５°の場合である。この場合には、弾性表面波の伝搬状態は伝搬角φ₁が増加しても音場の幅は殆ど変化しないコリメートビーム形状である。。即ち、θ₁＜θ_Aの帯状部分に弾性表面波のエネルギーが閉じ込められている。このようなコリメートビームが得られる開口半角θ_Aをコリメート角θ_colと呼ぶ。
【００３１】
図３の（Ａ）乃至（Ｃ）から明かなように、開口半角θ_Aがコリメート角θ_colに略等しい時、最も幅の狭い帯状部分に弾性表面波のエネルギーが閉じ込められている
さらに、波数パラメータを変化させて上述したのと同様の数値解析を行った結果、波数パラメータｍによりコリメート角θ_colが変化することが分かった。図３の（Ｄ）は、波数パラメータｍが３００の場合に弾性表面波の伝搬状態がコリメートビーム形状になるのは、開口半角θ_Aが略４．５°であることを示しており、この場合のコリメート角θ_colは略４．５°になる。
【００３２】
以下には、波数パラメータｍが変化した場合のコリメート角θ_colの値を示す。
【００３３】
波数パラメータｍコリメート角θ_col
（球の周囲長／弾性表面波波長）
１５０７．０
３００４．５
４５０４．０
６００３．５
７５０３．０
なおこれは、数値計算による近似値である。
【００３４】
以上詳述したことから明かなように、この実施の形態では、波数パラメータｍから上記の式（３）を使用してコリメート角θ_colを求めるようにしている。そして、球形状の基材１０の外表面上の所定の幅Ｗの円環領域１０ｂ中の所望の位置に、波動照射手段１４から波動（即ち、レーザー光Ｌ１，Ｌ２）がコリメート角θ_colにより規定される幅より広く照射され弾性表面波を発生させると、この弾性表面波は球形状の基材１０の外表面上で、所定の幅Ｗの範囲内を上記コリメート角θ_colの方向に拡散することなく伝搬する。図１では、上記コリメート角θ_colと直交する方向が最大円周線１０ａに沿った方向に相当している。
【００３５】
さらに、本願の発明に従った球面上における弾性表面波発生方法を図１の（Ａ）の装置を使用して実行した本願の発明の発明者達の実験について詳細に説明する。
【００３６】
弾性表面波（ＳＡＷ）の位相速度で走査された干渉縞の熱弾性効果を使用して、直径８ｍｍの鋼製軸受球上に中心周波数３０ＭＨｚのＳＡＷの波束を生じさせた。この結果、驚くべき多くの回数（２０回）のＳＡＷの周回伝搬を観測出来た。１回目の周回と１２回目の周回におけるＳＡＷの時間間隔は９３μｓである。一方、２波形の正確な重複が可能なので、上記時間間隔を２ｎｓの分解能で決定することが出来た。従って、速度の測定においては０．００２％の非常に高い分解能を達成することが出来た。そして５０ｎｍの厚さの銀の付着による２ｍ／ｓの速度変化も容易に検出することが出来た。この方法は非接触なので、軸受球の非破壊検査の為に有用である。
【００３７】
機械の回転軸や軸受球のような湾曲した表面を伴った物体は、非破壊検査（ＮＤＥ）の重要な対象である。この目的の為に、弾性表面波（ＳＡＷ）を使用して表面または表面近傍の性質を評価する必要がしばしばある。レーザー超音波は非接触なので湾曲した表面には有用である。ローヤーその他（D. Royer, E. Dieulesaint, X. Jia and Y. Shui）は応用物理レター第５２巻（１９８８）第９号第７０６頁乃至第７０８頁の「球体上の弾性表面波の光学的発生及び検出」（ D. Royer et al. “ Optical generation and detection of surface acoustic waves on a sphere ” , Appl. Phys. Lett. Vol. 52 (1988), No. 9, PP 706-708 ）において、球上にレーザーにより発生されたＳＡＷを記載している。ローヤーその他は、ＱスイッチＹＡＧレーザーを約０．５ｍｍの直径のスポットへと集光することにより球上にＳＡＷを発生させている。ＳＡＷは、極、即ち発生点とは直径方向に反対側の地点、で、最も大きな振幅（約３ｎｍ）で検出される（Ｉ．Ａ．ヴィクトロフ；レイリー及びラム波（プリーナム社、ニューヨーク、１９６７年）第３３頁：I. A. Viktrov; Rayleig and Lamb Waves (Plenum, New York, 1967) P. 33）。しかし、周波数が低く帯域幅が広いので、球に特有な伝搬の間の波形変化と大きな分散効果が生じている（Ｉ．Ａ．ヴィクトロフ；レイリー及びラム波（プリーナム社、ニューヨーク、１９６７年）第３３頁：I. A. Viktrov; Rayleig and Lamb Waves (Plenum, New York, 1967) P. 33）。
【００３８】
このような従来例に対し、本願の発明者の一人である山中一司等はＳＡＷを選択的に励起出来る位相速度走査（ＰＶＳ）法を開発した（応用物理レター第５８巻（１９９１）第１５９１頁： K. Yamanaka, Y. Nagata, and T. Koda, Appl. Phys. Lett. Vol. 58 (1991), pp 1591 ）。本願の二人の発明者である山中一司及び塚原祐輔等（ H. Nishino, Y. Tsukahara, Y. Nagata, T. Koda and K. Yamanaka ； K. Yamanaka, O. Kolosov, H. Nishino, Y. Tsukahara, Y. Nagata, and T. Toda ）のＰＶＳ法の走査干渉縞（ＳＩＦ）方式(日本応用物理ジャーナル第３２巻（１９９３年）パート１第５Ｂ号第２５３６頁乃至第２５３９頁の「レーザー干渉縞の位相速度走査による１００ Mz 帯レイリー波の発生」： H. Nishino et al. “ Generation of 100-Mz-Band Rayleigh waves by Phase Velocity Scanning of a Laser Interference Fringe ” Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 32 (1993), Part 1, No. 5B, PP. 2536-2539 ；応用物理ジャーナル第７４巻（１９９３年）第１１号第６５１１頁乃至第６５２２頁の「位相速度走査法による弾性表面波の励起及びコヒーレント振幅増大の分析」； K. Yamanaka et al. “ Analysis of excitation and coherent amplitude enhancement of surface acoustic waves by the phase velocity scanning method ” J. Appl. Phys. Vol. 74 (1993), No. 11, pp. 6511-6522)においては、縞の走査速度Ｖ_SがＳＡＷの位相速度Ｖ_Rと一致した時に高周波数ＳＡＷ（３０乃至１１０ＭＨｚ）の波束が効果的に励起される。この場合は、周波数が高く帯域幅が狭いので、分散の効果が無視でき、伝搬の間に波形は変わらない。このことは、速度測定における高精度を容易に実現する為に有益である（日本応用物理ジャーナル第３６巻（１９９７年）パート１第５Ｂ号第２９３９頁乃至第２９４５頁の山中一司による「干渉縞の位相速度走査によるレーザー超音波おける精密測定」：K. Yamanaka, “ Precise Measurement in Laser Ultrasonics by Phase Velocity Scanning of Interference Fringes ” Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 36 (1997), Part 1, No. 5B, PP. 2939-2945）。
【００３９】
実験は、８ｍｍの直径の鋼製軸受球上で行われた。１つの球が購入されたままで使用された。他の２つの球は、表面に真空蒸着により銀（Ａｇ）が蒸着された。表面の湾曲のために厚さは球上で均一ではないが、最大厚さは約５０ｎｍと１５０ｎｍであった。
【００４０】
図１の（Ａ）が、球形状の基材１０（８ｍｍの直径の鋼製軸受球）上に弾性表面波を発生させ、それを検出する為の装置を示している。３ｍｍの直径の２本のＹＡＧレーザービームＬ１，Ｌ２が基材１０の外表面の所定の範囲Ｗ（図１の（Ｂ））に対し略直角に向けられており、一方のＹＡＧレーザービームＬ１に対し他方のＹＡＧレーザービームＬ２はブラグセル１４ｇを使用して３０ＭＨｚだけ周波数が偏移されている。異なった周波数を伴った２本のレーザービームＬ１，Ｌ２の干渉により、基材１０の外表面の所定の範囲Ｗ（図１の（Ｂ））において２本のレーザービームＬ１，Ｌ２が照射された部分に走査干渉縞が形成される。第１の副回動反射鏡１４ｄ，第２の副回動反射鏡１４ｈ，さらに主回動反射鏡１４ｅのような機械的な調整手段により、干渉縞の平均隙間がＳＡＷの波長に等しくされるとともに、干渉縞の走査速度は位相速度に等しくされ、干渉縞とＳＡＷとの位相の整合が行われる。レーザービームＬ１，Ｌ２は、干渉縞とＳＡＷとの間の長い相互作用時間を達成する為に、１００ｎｓ程度の特別に設計された長いパルスを有している。長い相互作用時間は、バルク超音波（ＢＡＷ）を抑制（日本応用物理ジャーナル第３６巻（１９９７年）パート１第５Ｂ号第２９３９頁乃至第２９４５頁の山中一司による「干渉縞の位相速度走査によるレーザー超音波おける精密測定」：K. Yamanaka, “ Precise Measurement in Laser Ultrasonics by Phase Velocity Scanning of Interference Fringes ” Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 36 (1997), Part 1, No. 5B, PP. 2939-2945）する一方で、ＰＶＳ法におけるＳＡＷの選択的な発生と増幅の為には必須である。
【００４１】
ＳＡＷは干渉縞に対して直角な、基材１０の最大直径線１０ａ（図１の（Ｂ））に沿い、所定の範囲Ｗの円環領域１０ｂ（図１の（Ｂ））中を繰り返し伝搬する。次にＳＡＷは、干渉縞から３〜４ｍｍ離れた位置で集光されたＡｒレーザーを用いた光学的ナイフエッジ法による弾性表面波非接触検出手段１６により１周毎に検出される。検出後には、２０ＭＨｚ以下の周波数成分はフィルタにより除去される。このフィルタによる除去は、レーザービームの非干渉成分により発生するＢＡＷを除去することに役立つ。パルス幅が長い（１００ｎｓ）ので、ＢＡＷの周波数は１０ＭＨｚ以下であり、ＳＡＷの周波数からは完全に分離している。
【００４２】
図４は、図１の（Ａ）の弾性表面波非接触検出手段１６により検出された信号を示している。多数の波束が観察される。まず基材１０の頂部にシリコン油を滴下することにより、この多数の波束はＢＡＷでなくＳＡＷであることを確かめた。シリコン油滴が小さく、基材１０の外周面において最大直径線１０ａ（図１の（Ｂ））に沿う所定の範囲Ｗの円環領域１０ｂ（図１の（Ｂ））中における、干渉縞と弾性表面波非接触検出手段１６によりＳＡＷが検出される地点との間に到達しない間は、上記信号は変わらない。しかし、シリコン油滴が円環領域１０ｂ（図１の（Ｂ））中における干渉縞と弾性表面波非接触検出手段１６により弾性表面波が検出される地点との間に到達すると、上記信号は完全に消滅する。このことは、上記信号の全てがＳＡＷでありＢＡＷでないことを証明している。さらに、ＳＡＷは、上記の円環領域１０ｂ（図１の（Ｂ））中のみで基材１０の外周面を周回し、円環領域１０ｂ（図１の（Ｂ））外には拡散しないことを証明している。ＳＡＷの周回数は約２０回であり、これは約５０ｃｍの伝搬距離に相当する。なお、ゼロレベル近傍のノイズはブラグセル１４ｇを駆動する為の３０ＭＨｚ信号の漏れであり、注意深い遮蔽により除去することが出来る。
【００４３】
図５の（Ａ）は、実験に使用された基材１０上で、１周目に図１の（Ａ）の弾性表面波非接触検出手段１６により検出された信号（上部）と、５０ｎｍの厚さの銀で被覆された球形状の基材上で１周目に検出された信号（中間）と、そして１５０ｎｍの厚さの銀で被覆された球形状の基材上で１周目に検出された信号（下部）を示している。図５の（Ｂ）は、図５の（Ａ）と同じ条件の球形状の基材上で１２周目で検出された同様の信号を示している。信号対雑音比は非常に高い。図５の（Ａ）及び（Ｂ）における信号の時間間隔は大きい（９３μｍ）が、これらの形状はほとんど変わっていない。
【００４４】
パルスエコー重複法（ｐｕｌｓｅｅｃｈｏｏｖｅｒｌａｐｍｅｔｈｏｄ）、又は相互相関法を適用する時には、２つの信号の同一性が精密な時間間隔測定の為に重要である。そこでこの同一性を調べるために、１２周目の信号を１周目の信号に向かい移動させることによりこれらの信号を重複させた。移動量が９３．４７０μｓの時、図６の（Ｃ）中に示されている如く、１２周目の信号の位相は１周目の信号の位相よりわずかに遅れた。移動量が８ｎｓだけ増加した時、図６の（Ａ）中に示されている如く、１２周目の信号の位相は１周目の信号の位相よりわずかに前進した。しかしながら、移動量を、２つの信号の相互相関関数におけるピークから決定される９３．４７４μｓとした時には、これらは図６の（Ｂ）中に示されている如く、ほぼ完全に重複する。この結果、４ｎｓの変化が容易に検出可能な位相ずれを生じさせることが分かった。従って、２つの信号の位相遅延の決定の不確かさは４ｎｓ以下であり、約２ｎｓ程度である。全時間間隔は９３μｓであるので、この不確かさの相対的な大きさは０．００２％であると見積もられる。
【００４５】
この極めて高い分解能を利用して、５０ｎｍと１５０ｎｍの厚さの銀（Ａｇ）フィルムの蒸着による小さな速度変化を検出することを試みた。図５を見るだけでも、銀フィルムの蒸着による１周目の信号（図５の（Ａ））と１２周目の信号（図５の（Ｂ））との間の時間間隔の差異が明瞭に認められる。定量測定の為に、１周目の信号と１２周目の信号における相互相関関数を計算した。そして、実験に使用された基材１０上での時間間隔は９３．４７４μｓであり、５０ｎｍの厚さの銀で被覆されている球形状の基材上での時間間隔は９３．５５６μｓであることを見い出した。球形状の基材１０の直径は８ｍｍなので、夫々におけるＳＡＷ速度は２９５７．６ｍ／ｓと２９５５．０ｍ／ｓであり、２．６ｍ／ｓの差である。３つの異なった測定において得られたＳＡＷ速度を図７中で銀被覆のフィルム厚さの関数として示した。この図からは、銀被覆のフィルム厚さの増加に伴うＳＡＷ速度の減少の明瞭な傾向が見られる。測定された速度の典型的なばらつきの大きさは１０ｃｍ／ｓ程度である。絶対値が２９５８ｍ／ｓであると考えると、相対的なばらつきは０．００３４％と小さいことがわかる。
【００４６】
多数回周回によるＳＡＷの長距離伝搬は、本願の発明者により最初に実現された独特な特徴である。その理由は以下のように要約することが出来る。
【００４７】
（１）全てのレーザー超音波法に共通であるが、励起と検出とが完全に非接触で行われる。従って、ＳＡＷは、超音波カプラーまたは変換器による減衰や分散を受けない。
【００４８】
（２）ＰＶＳ法においては、ＳＡＷの振幅はレーザーパルス幅Ｔに比例している。従って、振幅は従来のレーザー超音波よりも大きい（応用物理ジャーナル第７４巻（１９９３年）第１１号第６５１１頁乃至第６５２２頁の本願の二人の発明者である山中一司及び塚原祐輔等（ K. Yamanaka, O. Kolosov, H. Nishino, Y. Tsukahara, Y. Nagata, and T. Ｔ oda ）による「位相速度走査法による弾性表面波の励起及びコヒーレント振幅増大の分析」； K. Yamanaka et al. “ Analysis of excitation and coherent amplitude enhancement of surface acoustic waves by the phase velocity scanning method ” J. Appl. Phys. Vol. 74 (1993), No. 11, pp. 6511-6522)。
【００４９】
（３）ＰＶＳ法のもう１つの特徴としては、位相合致条件がＳＡＷによりみたされた時にＢＡＷが抑制されることである（日本応用物理ジャーナル第３６巻（１９９７年）パート１第５Ｂ号第２９３９頁乃至第２９４５頁の山中一司による「干渉縞の位相速度走査によるレーザー超音波おける精密測定」：K. Yamanaka, “ Precise Measurement in Laser Ultrasonics by Phase Velocity Scanning of Interference Fringes ” Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 36 (1997), Part 1, No. 5B, PP. 2939-2945）。従って、ＳＡＷはＢＡＷにより妨害されない。
【００５０】
（４）周波数が３０ＭＨｚであり速度が３０００ｍ／ｓ近傍であるので、波数と球の半径（４ｍｍ）との積ｋａは最大で８０πである。ｋａのこの範囲では、分散効果が無視出来（応用物理レター第５２巻（１９８８）第９号第７０６頁乃至第７０８頁のローヤーその他（ D. Royer, E. Dieulesaint, X. Jia and Y. Shui ）による「球体上の弾性表面波の光学的発生及び検出」： D. Royer et al. “ Optical generation and detection of surface acoustic waves on a sphere ” , Appl. Phys. Lett. Vol. 52 (1988), No. 9, PP 706-708 ；Ｉ．Ａ．ヴィクトロフ；レイリー及びラム波（プリーナム社、ニューヨーク、１９６７年）第３３頁： I. A. Viktrov; Rayleig and Lamb Waves (Plenum, New York, 1967) P. 33 ）、そして波形が、図６中に示されている如く、ＳＡＷの伝搬に従い変化しない。
【００５１】
結論として、球形状の基材上における高周波弾性表面波の多数回周回伝搬に基づく新規な、球面上における弾性表面波発生方法を提供した。この方法はＳＡＷ速度における小さな変化の精密測定の為に有用であり、表面傷，欠陥，そして残留応力により生じる非線形効果の精密測定にも有用である。鋼製やセラミック製の軸受球の高感度ＮＤＥ（非破壊評価）システムもこの方法を基礎にして構成することが出来る。
【００５２】
【発明の効果】
以上詳述したことから明かなように、この発明に従った球面上の弾性波の発生法によれば、基材の少なくとも球面の一部で形成されていて円環状に連続している外表面に、上記基材の外表面の連続する方向に向かう弾性波を非接触で発生させることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は、この発明の第１の実施の形態に従った、球面上の弾性波の発生法に使用される装置の全体を概略的に示す平面図であり；そして、（Ｂ）は、（Ａ）の装置により弾性表面波が発生される球形状の基材の拡大された側面図である。
【図２】球形状の基材の外周面に弾性表面波を発生させ伝搬させる為に必要な所定の幅を規定する為に使用する式の基礎となる座標系を概略的に示す斜視図である。
【図３】（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），そして（Ｄ）は、図２の座標系を使用して作成された式により計算された波数パラメータｍ（円周の長さと弾性表面波の波長の比）と開口半角（振動手段を設ける幅の１／２）を変えて得られた弾性表面波が球形状の基材の外周面上を伝搬する４つの状態を概略的に示す図である。
【図４】図１の（Ａ）の装置により球形状の基材の外周面の所定の領域に発生されたＳＡＷ（弾性表面波）の信号を示している。
【図５】（Ａ）は、基材の表面条件を変化させた時の第１回目の周回のＳＡＷの波形を示す図であり；そして、（Ｂ）は、基材の表面条件を変化させた時の第１２回目の周回のＳＡＷの波形を示す図である。
【図６】（Ａ），（Ｂ），そして（Ｃ）は、図５の（Ａ）の３つのＳＡＷの波形と図５の（Ｂ）の３つのＳＡＷの波形とを重複させて示す図である。
【図７】図１の（Ａ）の装置により球形状の基材の外周面の所定の領域に発生されるＳＡＷ速度を、基材の外周面に被覆される銀フィルムの厚さの関数として示す図である。
【符号の説明】
１０基材
１０ａ最大円周線
１０ｂ円環領域
１２支持体
１４波動照射手段
１６弾性表面波非接触検出手段[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention provides a spherical surface for generating an elastic wave in a continuous direction of the outer surface on the outer surface of a base material having an outer surface that is formed of at least a part of a spherical surface and is continuous in an annular shape. It is related to the generation method of elastic waves.
[0002]
[Prior art]
In order to ensure the reliability of the base material of the structure, it is strongly desired that the surface of the base material and the defect immediately below the surface are subjected to nondestructive inspection with high speed and high sensitivity. It has been found that the use of surface acoustic waves is effective for such nondestructive inspection.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, the surface acoustic wave diffuses away from the source and the propagation efficiency decreases. Moreover, when the substrate is formed of at least a part of a spherical surface and has an outer surface that is continuous in an annular shape, the degree of diffusion is large and the propagation efficiency is very poor.
[0004]
The present invention is made under the above circumstances, and an elastic wave that is formed of at least a part of a spherical surface of a base material and that is continuous in an annular shape is not applied to the outer surface of the base material in a continuous direction. It is to provide a method for generating an elastic wave on a spherical surface that is generated by contact.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the object of the present invention described above, the method of generating an elastic wave on a spherical surface according to the present invention is:
A predetermined range in a direction in which the outer surface continues and intersects with the outer surface in the outer surface of the base material having an outer surface that is formed of at least a part of a spherical surface and is continuous in an annular shape. As a result, an elastic wave is generated in the continuous direction of the outer surface of the substrate.
[0006]
In the method of generating elastic waves on a spherical surface according to the present invention, characterized in that it is configured as described above, the wave is laser light, and interference fringes with a thermoelastic effect are formed in the predetermined range. It is preferable to generate.
[0007]
The wave irradiation by the laser beam is easy to control.
[0008]
In order to efficiently generate an elastic wave toward the continuous direction of the outer surface of the substrate, the wavelength of the elastic wave is 1/10 or less of the radius of the spherical surface, and the continuous direction along the outer surface. It is preferable that the width of the elastic wave in the direction intersecting with is not more than half the diameter of the spherical surface and not less than 1/100 of the radius.
[0009]
The predetermined range is that the elastic wave generated in the predetermined range is not diffused in a direction crossing the continuous direction along the outer surface, and is directed only in the continuous direction and is not in the continuous direction. Selected to go around the surface.
[0010]
In practice, the wavelength parameter (peripheral length in the continuous direction of the spherical surface / elastic wave wavelength) is 100 to 800.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a method of generating an elastic wave on a spherical surface according to the first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 1 in the accompanying drawings.
[0012]
FIG. 1A is a plan view schematically showing an entire apparatus used for a method of generating an elastic wave on a spherical surface according to the first embodiment of the present invention; FIG. 2B is an enlarged side view of a spherical base material on which surface acoustic waves are generated by the apparatus of FIG.
[0013]
A spherical substrate 10 is placed on a support 12. Waves are applied from the wave irradiation means 14 so as to generate a surface acoustic wave in a predetermined range W in a direction orthogonal to the maximum circumferential line 10a that does not pass through the contact point with the support 12 on the outer peripheral surface of the base material 10. Irradiated.
[0014]
The predetermined range W defines an annular region 10b that is continuous in an annular shape defined by a part of the outer peripheral surface (outer surface) of the spherical substrate 10 along the maximum circumferential line 10a.
[0015]
The wave irradiation means 14 divides the laser beam L emitted from the YAG pulse laser light source 14a into two by the splitter 14b, and the first sub-rotation reflection of one of the divided laser beams L1 through the delay element 14c. Guided to the mirror 14d, further guided from the first sub-rotating reflecting mirror 14d to the main rotating reflecting mirror 14e, and irradiated from the main rotating reflecting mirror 14e to a predetermined range W on the outer peripheral surface of the substrate 10 on the support 12. is doing. The other divided laser beam L2 is guided to the second sub-rotating reflecting mirror 14h via the reflecting mirror 14f and the Bragg cell 14g, and further from the second sub-rotating reflecting mirror 14h. The light is guided to the mirror 14e and irradiated from the main rotating reflecting mirror 14e to a predetermined range W on the outer peripheral surface of the substrate 10 on the support 12.
[0016]
The two laser beams L1 and L2 have a first sub-rotation reflecting mirror 14d, a second sub-rotation reflecting mirror 14h, and a main rotation reflection so as to generate interference fringes with a thermoelastic effect in a predetermined range W. Positioned by the mirror 14e.
[0017]
As described above, the interference fringes with the thermoelastic effect generated in the predetermined range W generate surface acoustic waves in the predetermined range W. When the predetermined range W is set according to a specific condition, the surface acoustic wave intersects the continuous direction of the annular region 10b along the annular region 10b on the outer peripheral surface (outer surface) of the spherical substrate 10. The outer surface is at least one round along the continuous direction facing only in the continuous direction (the direction indicated by the arrow Y along the maximum circumferential line 10a) without diffusing in the direction to be performed. The specific conditions will be described later.
[0018]
The apparatus shown in FIG. 1A further contacts the surface acoustic wave generated in the annular region 10b on the outer peripheral surface (outer surface) of the spherical substrate 10 and propagating through the annular region 10b as described above. The surface acoustic wave non-contact detection means 16 is provided for detection by. The surface acoustic wave non-contact detecting means 16 includes an Ar laser light source 16 a and two laser regions R emitted from the Ar laser light source 16 a in the annular region 10 b on the outer peripheral surface (outer surface) of the spherical substrate 10. Various optical members 16b for guiding the laser beams L1 and L2 to positions away from the irradiated positions, and optical members for guiding the laser beam R 'reflected at the separated positions to the Ar laser photodetector (APD) 16e. 16c and a knife edge 16d.
[0019]
The surface acoustic wave is not diffused in the direction intersecting with the continuous direction of the annular region 10b along the annular region 10b on the outer peripheral surface (outer surface) of the spherical substrate 10, and the continuous direction (maximum circle) The specific condition for propagating at least one round of the outer surface along the continuous direction and only in the direction indicated by the arrow Y along the circumferential line 10a is as follows. By generating a surface acoustic wave in a direction perpendicular to the arc, the surface acoustic wave circulates in the direction perpendicular to the arc without diffusing in the direction of the arc. It was.
[0020]
In the case of a surface acoustic wave source smaller than the above-mentioned predetermined range, if the surface acoustic wave source is a point for the sake of simplicity, the surface acoustic wave is generated from a spherical substrate centering on the source. After concentrically spreading on the outer surface, it converges concentrically on the outer surface of the spherical substrate toward the point on the opposite side of the source, and the spherical base from the opposite point. After concentrically spreading on the outer surface of the material, it is focused again on the surface acoustic wave source located on the outer surface of the spherical substrate opposite to the point on the opposite side. That is, the surface acoustic wave radiated from the surface acoustic wave generation source diffuses in the direction perpendicular to the traveling direction on the outer surface.
[0021]
In a surface acoustic wave generator having a wide width, the surface acoustic wave generated from the source passes through the center of the predetermined range, propagates along a direction orthogonal to the arc of the predetermined range, and travels along the arc. Concentrate toward the position corresponding to the pole when the circumference line is considered to be the equator, and after passing through the position corresponding to the pole, the predetermined range on the opposite side of the predetermined range on the circumference line Each half of the sphere is diffused to the same predetermined range as the range, converged toward a position corresponding to another pole, and then diffused again to the predetermined range after passing through a position corresponding to another pole. Repeat focusing and diffusion.
[0022]
The specific conditions for circulating the spherical surface in the direction orthogonal to the arc without diffusing the surface acoustic wave in the direction of the arc were determined as follows.
[0023]
FIG. 2 shows a coordinate system for calculation showing the effect of the present invention. It is assumed that the surface acoustic wave generated from the point P on the arc DF parallel to the arc AC reaches the point Q on the arc CG, with the intersections of the xyz coordinate axis and the spherical surface having the radius r as A, B, and C. Angle φ_o, Θ_o, Φ₁, Θ₁Is taken as shown in FIG. 2, the coordinates of the points P and Q are
(Rcosφ_ocosθ_o, Rsinφ_o, Rcosφ_osinθ_o)as well as
(Rcosφ₁cosθ₁, R cos θ₁sinφ₁, Rsinθ₁)
So that

It is. Therefore, if the angle POQ = θ, the cosine theorem

The relationship holds.
The radial component of the particle displacement at point Q of the surface acoustic wave generated at point P is
[0024]
[Expression 1]

[0025]
(Viktorov, Rayleigh and Lamb Waves P42). Here, C is a constant, m is a ratio of the circumference length to the surface acoustic wave wavelength, and is called a wave number parameter. Also C_RIs Rayleigh wave velocity and t is time. The angle θ is obtained from the equation (2). The angle seen from point E is 2θ_AThe sound field at the point Q by the arcuate sound source is expressed by the angle θ included in the expression (3) in the expression (2).₀For the independent variable_ATo θ_AIs obtained by integrating up to. Sound field distribution is angle of attack θ of point Q₁It is calculated by changing
[0026]
In (A), (B), (C), and (D) of FIG. 3, the point P is on the XZ plane._oIn the case of = 0, four states in which the surface acoustic waves obtained using the above formulas (2) and (3) propagate on the spherical substrate 12 are shown.
[0027]
(A), (B), and (C) of FIG. 3 show the sound field (angle θ of the magnitude of particle displacement) when the wave number parameter m = 600.₁(Dependency) is the result of examining. In each of the figures, the bottom plot is an angle (propagation angle) φ representing the propagation of a surface acoustic wave on a spherical surface.₁Is the sound field in the case of 10 °, and the sound field in the case of increasing by 20 ° upward is plotted in order.
[0028]
FIG. 3A shows an opening half angle θ._A= 30 °. In this case, the propagation state of the surface acoustic wave is a focused beam shape. That is, the propagation angle φ₁As the value increases, the width of the sound field decreases and φ₁After reaching the minimum at = 90 °, the width increases again, and the same distribution as on the sound source is reproduced at the counter electrode 180 °. Thereafter, the same change is repeated every 180 °, and the same change is repeated no matter how many turns. In this case, the opening half angle θ_A= The sound field does not spread more than 30 °, θ₁<Θ_AThe energy of the surface acoustic wave is confined in the belt-like portion. In this case, θ on the outer surface of the spherical substrate 12₁> Θ_AEven if another object is brought into contact with this part, the sound field is not disturbed.
[0029]
FIG. 3C shows the opening half angle θ._A= 1 °. In this case, the propagation state of the surface acoustic wave has a divergent beam shape similar to that of the point sound source. That is, the propagation angle φ₁The width of the sound field also increases as₁After reaching the maximum at = 90 °, the width decreases again, and the same distribution as that on the sound source is reproduced at the counter electrode 180 °. In this case, unlike the case of the focused beam described above with reference to FIG.₁<Θ_AThe energy of the surface acoustic wave is not confined in the band-like portion of₁= Θ at 90 °₁Spreads to about 50 °. In this case, φ is formed on the outer surface of the spherical substrate 12.₁= Θ of the outer surface of the spherical substrate 12 at 90 °₁> Θ_AIf another object is brought into contact with this part, the sound field is disturbed.
[0030]
FIG. 3 (B) shows the opening half angle θ._A= 3.5 °. In this case, the propagation state of the surface acoustic wave is the propagation angle φ₁The width of the sound field hardly changes even when the value increases. . That is, θ₁<Θ_AThe energy of the surface acoustic wave is confined in the belt-like portion. Aperture half angle θ at which such a collimated beam can be obtained_AThe collimating angle θ_colCall it.
[0031]
As is clear from (A) to (C) of FIG._AIs the collimating angle θ_colWhen the surface wave energy is confined to the narrowest band,
Further, as a result of performing the same numerical analysis as described above by changing the wave number parameter, the collimating angle θ is determined by the wave number parameter m._colWas found to change. In FIG. 3D, when the wave number parameter m is 300, the propagation state of the surface acoustic wave becomes a collimated beam shape._AIs approximately 4.5 °, and in this case the collimating angle θ_colIs approximately 4.5 °.
[0032]
Below, the collimating angle θ when the wave number parameter m changes_colIndicates the value of.
[0033]
Wave number parameter m Collimating angle θ_col
(Surround length / surface acoustic wave wavelength)
150 7.0
300 4.5
450 4.0
600 3.5
750 3.0
This is an approximate value by numerical calculation.
[0034]
As is clear from the above detailed description, in this embodiment, the collimation angle θ is calculated from the wave number parameter m using the above equation (3)._colAsking for. Then, the waves (that is, the laser beams L1 and L2) are collimated by the collimating angle θ at a desired position in the annular region 10b having a predetermined width W on the outer surface of the spherical substrate 10._colWhen the surface acoustic wave is generated by being irradiated wider than the width defined by the above, the surface acoustic wave has a predetermined width W within the range of the collimating angle θ on the outer surface of the spherical substrate 10._colPropagate without spreading in the direction of. In FIG. 1, the collimating angle θ_colThe direction perpendicular to the direction corresponds to the direction along the maximum circumferential line 10a.
[0035]
Furthermore, the experiment of the inventors of the present invention in which the surface acoustic wave generation method on the spherical surface according to the present invention was executed using the apparatus of FIG. 1A will be described in detail.
[0036]
A thermoelastic effect of interference fringes scanned at the surface velocity of the surface acoustic wave (SAW) was used to generate a SAW wave packet with a center frequency of 30 MHz on a steel bearing ball with a diameter of 8 mm. As a result, a surprising number of times (20 times) of SAW circulation was observed. The SAW time interval between the first round and the twelfth round is 93 μs. On the other hand, since the two waveforms can be accurately overlapped, the time interval can be determined with a resolution of 2 ns. Therefore, a very high resolution of 0.002% could be achieved in the speed measurement. A speed change of 2 m / s due to adhesion of silver having a thickness of 50 nm could be easily detected. Since this method is non-contact, it is useful for non-destructive inspection of bearing balls.
[0037]
  Objects with curved surfaces, such as a rotating shaft of a machine or a bearing ball, are important targets for non-destructive inspection (NDE). For this purpose, it is often necessary to use surface acoustic waves (SAW) to evaluate the properties at or near the surface. Laser ultrasound is non-contact and is useful for curved surfaces. Royer et al. (D. Royer, E. Dieulesaint, X. Jia and Y. Shui) are applied physics letters.Volume 52 (1988) No. 9, pp. 706 to 708, “Optical Generation and Detection of Surface Acoustic Waves on a Sphere” ( D. Royer et al. “ Optical generation and detection of surface acoustic waves on a sphere ” , Appl. Phys. Lett. Vol. 52 (1988), No. 9, PP 706-708 )Describes a SAW generated by a laser on a sphere. Lower et al. Generate SAW on a sphere by focusing a Q-switched YAG laser into a spot with a diameter of about 0.5 mm. SAW is detected with the largest amplitude (about 3 nm) at the pole, that is, the point diametrically opposite to the generation point (I. A. Viktoroff; Rayleigh and Lamb Wave (Pleenham, New York, 1967) p. 33:I. A. Viktrov; Rayleig and Lamb Waves (Plenum, New York, 1967) P. 33). However, since the frequency is low and the bandwidth is wide, there is a waveform change and a large dispersion effect during propagation unique to the sphere (I. A. Viktoroff; Rayleigh and Lamb Wave (Pleenham, New York, 1967) p. 33:I. A. Viktrov; Rayleig and Lamb Waves (Plenum, New York, 1967) P. 33).
[0038]
  In contrast to such conventional examples, the inventors of the present applicationKanji Yamanaka, one of theEtc. Phase velocity scanning (PVS) that can selectively excite SAWThe lawdeveloped(Applied Physics Letter Vol. 58 (1991), page 1591: K. Yamanaka, Y. Nagata, and T. Koda, Appl. Phys. Lett. Vol. 58 (1991), pp 1591 ).The two inventors of this application, Kanji Yamanaka and Yusuke Tsukahara ( H. Nishino, Y. Tsukahara, Y. Nagata, T. Koda and K. Yamanaka ; K. Yamanaka, O. Kolosov, H. Nishino, Y. Tsukahara, Y. Nagata, and T. Toda )ofPVS scanning interference fringe (SIF) method (Japan Applied Physics Journal, Vol. 32 (1993), Part 1 5B, pages 2536 to 2539, “100 by laser phase velocity scanning of laser interference fringes” Mz Occurrence of Rayleigh waves H. Nishino et al. “ Generation of 100-Mz-Band Rayleigh waves by Phase Velocity Scanning of a Laser Interference Fringe ” Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 32 (1993), Part 1, No. 5B, PP. 2536-2539 Applied physics journal Vol. 74 (1993) No. 11 pages 6511 to 6522 “excitation of surface acoustic waves and analysis of coherent amplitude increase by phase velocity scanning method”; K. Yamanaka et al. “ Analysis of excitation and coherent amplitude enhancement of surface acoustic waves by the phase velocity scanning method ” J. Appl. Phys. Vol. 74 (1993), No. 11, pp. 6511-6522), Fringe scanning speed V_SIs the SAW phase velocity V_RThe wave packet of the high frequency SAW (30 to 110 MHz) is effectively excited. In this case, since the frequency is high and the bandwidth is narrow, the effect of dispersion can be ignored and the waveform does not change during propagation. This is useful to easily achieve high accuracy in speed measurement ("Precise measurement in laser ultrasonics by phase velocity scanning of interference fringes" by Kanji Yamanaka, Japan Applied Physics Journal, Vol. 36 (1997) Part 1 5B No. 2939 to 2945:K. Yamanaka, “ Precise Measurement in Laser Ultrasonics by Phase Velocity Scanning of Interference Fringes ” Jpn.J. Appl. Phys.Vol. 36(1997),Part 1, No. 5B, PP. 2939-2945).
[0039]
The experiment was carried out on 8 mm diameter steel bearing balls. One sphere was used as purchased. The other two spheres had silver (Ag) deposited on the surface by vacuum deposition. Although the thickness is not uniform on the sphere due to the curvature of the surface, the maximum thickness was about 50 nm and 150 nm.
[0040]
  FIG. 1A shows an apparatus for generating a surface acoustic wave on a spherical substrate 10 (steel bearing ball having a diameter of 8 mm) and detecting it. Two YAG laser beams L1 and L2 having a diameter of 3 mm are directed substantially perpendicular to a predetermined range W ((B) of FIG. 1) on the outer surface of the substrate 10, and one YAG laser beam L1 is directed to the YAG laser beam L1. On the other hand, the frequency of the other YAG laser beam L2 is shifted by 30 MHz using the Bragg cell 14g. Due to the interference of the two laser beams L1 and L2 with different frequencies, the two laser beams L1 and L2 were irradiated in a predetermined range W (FIG. 1B) on the outer surface of the substrate 10. A scanning interference fringe is formed in the portion. The average gap of the interference fringes is made equal to the SAW wavelength by mechanical adjusting means such as the first sub-rotating reflecting mirror 14d, the second sub-rotating reflecting mirror 14h, and the main rotating reflecting mirror 14e. At the same time, the scanning speed of the interference fringes is made equal to the phase speed, and the phase matching between the interference fringes and the SAW is performed. The laser beams L1, L2 have a specially designed long pulse on the order of 100 ns in order to achieve a long interaction time between the interference fringes and the SAW. Long interaction time suppresses bulk ultrasound (BAW) ("Precise measurement in laser ultrasonics by phase velocity scanning of interference fringes" by Kanji Yamanaka, Japan Applied Physics Journal, Vol. 36 (1997) Part 1 5B No. 2939 to 2945:K. Yamanaka, “ Precise Measurement in Laser Ultrasonics by Phase Velocity Scanning of Interference Fringes ” Jpn.J. Appl. Phys.Vol. 36(1997),Part 1, No. 5B, PP. 2939-2945On the other hand, it is essential for the selective generation and amplification of SAW in the PVS method.
[0041]
The SAW propagates repeatedly in the circular region 10b (FIG. 1B) in a predetermined range W along the maximum diameter line 10a (FIG. 1B) of the base material 10 perpendicular to the interference fringes. To do. Next, the SAW is detected every round by the surface acoustic wave non-contact detection means 16 by an optical knife edge method using an Ar laser focused at a position 3 to 4 mm away from the interference fringes. After detection, frequency components of 20 MHz or less are removed by a filter. This removal by the filter is useful for removing the BAW generated by the non-interference component of the laser beam. Since the pulse width is long (100 ns), the BAW frequency is 10 MHz or less, which is completely separated from the SAW frequency.
[0042]
FIG. 4 shows a signal detected by the surface acoustic wave non-contact detecting means 16 in FIG. A large number of wave packets are observed. First, silicon oil was dropped on the top of the base material 10 to confirm that this many wave packets were not BAW but SAW. In the annular region 10b (FIG. 1B) in a predetermined range W along the maximum diameter line 10a (FIG. 1B) on the outer peripheral surface of the base material 10 with small silicon oil droplets, The signal does not change unless it reaches the point where the SAW is detected by the surface acoustic wave non-contact detection means 16. However, when the silicon oil droplet reaches between the interference fringe in the annular region 10b (FIG. 1B) and the point where the surface acoustic wave is detected by the surface acoustic wave non-contact detecting means 16, the signal is It disappears completely. This proves that all of the signals are SAW and not BAW. Furthermore, the SAW circulates around the outer peripheral surface of the base material 10 only in the annular region 10b (FIG. 1B) and does not diffuse outside the annular region 10b (FIG. 1B). Prove that. The number of SAW laps is about 20, which corresponds to a propagation distance of about 50 cm. Incidentally, noise near zero level is a leakage of a 30 MHz signal for driving the Bragg cell 14g, and can be removed by careful shielding.
[0043]
FIG. 5A shows a signal (upper part) detected by the surface acoustic wave non-contact detecting means 16 in FIG. 1A on the first round on the substrate 10 used in the experiment, and 50 nm. The signal detected in the first round on a spherical substrate coated with a thick silver (middle), and on the first round on a spherical substrate coated with 150 nm thick silver The detected signal (lower part) is shown. FIG. 5B shows a similar signal detected at the 12th turn on a spherical base material under the same conditions as in FIG. The signal to noise ratio is very high. Although the time intervals of the signals in FIGS. 5A and 5B are large (93 μm), their shapes are hardly changed.
[0044]
When applying the pulse echo overlap method or the cross-correlation method, the identity of the two signals is important for precise time interval measurements. Therefore, in order to examine this identity, the signals in the 12th round are moved toward the signal in the 1st round to overlap these signals. When the movement amount was 93.470 μs, as shown in FIG. 6C, the phase of the 12th round signal was slightly delayed from the phase of the 1st round signal. When the movement amount increased by 8 ns, as shown in FIG. 6A, the phase of the twelfth round signal slightly advanced from the phase of the first round signal. However, when the amount of movement is 93.474 μs determined from the peak in the cross-correlation function of the two signals, they overlap almost completely as shown in FIG. 6B. As a result, it was found that a change of 4 ns causes a phase shift that can be easily detected. Therefore, the uncertainty in determining the phase delay of the two signals is 4 ns or less, about 2 ns. Since the total time interval is 93 μs, the relative magnitude of this uncertainty is estimated to be 0.002%.
[0045]
Using this extremely high resolution, an attempt was made to detect small speed changes due to the deposition of 50 nm and 150 nm thick silver (Ag) films. Even if only FIG. 5 is seen, the difference of the time interval between the 1st round signal (FIG. 5 (A)) and the 12th round signal ((B) of FIG. 5) by vapor deposition of a silver film is clear. Is recognized. For the quantitative measurement, a cross-correlation function was calculated for the first round signal and the 12th round signal. The time interval on the base material 10 used in the experiment is 93.474 μs, and the time interval on the spherical base material covered with 50 nm-thick silver is 93.556 μs. I found out. Since the spherical substrate 10 has a diameter of 8 mm, the SAW speeds in each are 2957.6 m / s and 2955.0 m / s, which is a difference of 2.6 m / s. The SAW velocities obtained in three different measurements are shown in FIG. 7 as a function of the film thickness of the silver coating. From this figure, a clear trend of decreasing SAW speed with increasing silver coating film thickness can be seen. A typical variation in measured speed is on the order of 10 cm / s. Assuming that the absolute value is 2958 m / s, it can be seen that the relative variation is as small as 0.0034%.
[0046]
The long distance propagation of SAW by multiple rounds is a unique feature first realized by the inventors of the present application. The reason can be summarized as follows.
[0047]
(1) Although common to all laser ultrasonic methods, excitation and detection are performed completely in a non-contact manner. Thus, the SAW is not subject to attenuation or dispersion by the ultrasonic coupler or transducer.
[0048]
  (2) In the PVS method, the SAW amplitude is proportional to the laser pulse width T. Therefore, the amplitude is larger than conventional laser ultrasound (Applied Physics Journal, Vol. 74 (1993) No. 11, pages 6511 to 6522, two inventors of this application, Kazuji Yamanaka and Yusuke Tsukahara ( K. Yamanaka, O. Kolosov, H. Nishino, Y. Tsukahara, Y. Nagata, and T. T oda ) "Analysis of surface acoustic wave excitation and coherent amplitude increase by phase velocity scanning method"; K. Yamanaka et al. “ Analysis of excitation and coherent amplitude enhancement of surface acoustic waves by the phase velocity scanning method ” J. Appl. Phys. Vol. 74 (1993), No. 11, pp. 6511-6522).
[0049]
  (3) Another feature of the PVS method is that when phase matching conditions are met by SAWInBAW is to be suppressed ("Precise measurement in laser ultrasonics by phase velocity scanning of interference fringes" by Kanji Yamanaka, Japan Applied Physics Journal, Vol. 36 (1997) Part 1 5B No. 2939 to 2945:K. Yamanaka, “ Precise Measurement in Laser Ultrasonics by Phase Velocity Scanning of Interference Fringes ” Jpn.J.Appl. Phys.Vol. 36(1997),Part 1, No. 5B, PP. 2939-2945). Therefore, SAW is not disturbed by BAW.
[0050]
  (4) Since the frequency is 30 MHz and the speed is near 3000 m / s, the product ka of the wave number and the radius (4 mm) of the sphere is 80π at the maximum. In this range of ka, the dispersion effect can be ignored (Applied Physics Letter Vol. 52 (1988) No. 9, pp. 706 to 708 D. Royer, E. Dieulesaint, X. Jia and Y. Shui ) "Optical generation and detection of surface acoustic waves on a sphere": D. Royer et al. “ Optical generation and detection of surface acoustic waves on a sphere ” , Appl. Phys. Lett. Vol. 52 (1988), No. 9, PP 706-708 I. A. Viktoroff; Rayleigh and Lamb Wave (Pleenham, New York, 1967) p. 33: IA Viktrov; Rayleig and Lamb Waves (Plenum, New York, 1967) P. 33 )And the waveform does not change with SAW propagation as shown in FIG.
[0051]
In conclusion, a novel surface acoustic wave generation method on a spherical surface based on multiple round propagation of high frequency surface acoustic waves on a spherical substrate was provided. This method is useful for precise measurement of small changes in SAW velocity and also for precise measurement of nonlinear effects caused by surface flaws, defects, and residual stresses. A highly sensitive NDE (nondestructive evaluation) system for steel or ceramic bearing balls can also be constructed on the basis of this method.
[0052]
【The invention's effect】
As is apparent from the above detailed description, according to the elastic wave generating method on the spherical surface according to the present invention, the outer surface formed of at least a part of the spherical surface of the base material and continuous in an annular shape. In addition, it is possible to generate non-contact elastic waves in the direction in which the outer surface of the base material continues.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 (A) is a plan view schematically showing an entire apparatus used for a method of generating an elastic wave on a spherical surface according to the first embodiment of the present invention; B) is an enlarged side view of a spherical base material on which surface acoustic waves are generated by the apparatus of (A).
FIG. 2 is a perspective view schematically showing a coordinate system serving as a basis of an expression used for defining a predetermined width necessary for generating and propagating a surface acoustic wave on the outer peripheral surface of a spherical base material. is there.
3 (A), (B), (C), and (D) are wave number parameters m (circumference length and elastic surface) calculated by an equation created using the coordinate system of FIG. 4 schematically shows four states in which a surface acoustic wave obtained by changing the ratio of the wavelength of the wave) and the half angle of the opening (1/2 of the width at which the vibrating means is provided) propagates on the outer peripheral surface of the spherical substrate. FIG.
4 shows a SAW (surface acoustic wave) signal generated in a predetermined region on the outer peripheral surface of a spherical base material by the apparatus of FIG.
FIG. 5A is a diagram showing a SAW waveform of the first round when the surface condition of the base material is changed; and FIG. 5B is a diagram showing the surface condition of the base material being changed. It is a figure which shows the waveform of SAW of the 12th round at the time.
6 (A), (B), and (C) are diagrams showing the three SAW waveforms in FIG. 5 (A) and the three SAW waveforms in FIG. 5 (B) in an overlapping manner. It is.
FIG. 7 shows the SAW speed generated in a predetermined region of the outer peripheral surface of a spherical substrate by the apparatus of FIG. 1A as a function of the thickness of the silver film coated on the outer peripheral surface of the substrate. FIG.
[Explanation of symbols]
10 Base material
10a Maximum circumference line
10b Torus region
12 Support
14 Wave irradiation means
16 Non-contact detection means for surface acoustic wave

Claims

A predetermined range in a direction in which the outer surface continues and intersects with the outer surface in the outer surface of the base material having an outer surface that is formed of at least a part of a spherical surface and is continuous in an annular shape. A method of generating an elastic wave on a spherical surface, characterized in that a wave is irradiated to the surface of the base material and, as a result, an elastic wave directed in a continuous direction of the outer surface of the substrate is generated.

2. The method of generating an elastic wave on a spherical surface according to claim 1, wherein the wavelength of the elastic wave is 1/10 or less of the radius of the spherical surface.

The width of the acoustic wave in the direction intersecting the direction in which the continuous along the outer surface is the radius of the 1/100 or more than half the diameter of the sphere, according to claim 1 or 2, characterized in that Of elastic waves on the spherical surface of

The predetermined range is such that the elastic wave generated in the predetermined range is not diffused in a direction intersecting the continuous direction along the outer surface, and is directed only in the continuous direction, and is along the continuous direction. The method of generating an elastic wave on a spherical surface according to any one of claims 1 to 3, wherein the method is selected so as to make a round on the outer surface.

A predetermined range in a direction in which the outer surface continues and intersects with the outer surface in the outer surface of the base material having an outer surface that is formed of at least a part of a spherical surface and is continuous in an annular shape. the irradiated wave, this results in a method of generating acoustic wave on a sphere that Ru to generate acoustic waves toward the direction in which the continuous outer surfaces of the substrate, a the wave laser beam, the predetermined A method for generating elastic waves on a spherical surface, characterized in that interference fringes with a thermoelastic effect are generated in a range.

6. The method for generating an elastic wave on a spherical surface according to claim 5, wherein the laser beam is irradiated onto the predetermined range of the outer surface by a phase velocity scanning method.

The method for generating an elastic wave on a spherical surface according to claim 5 or 6, wherein a wavelength of the elastic wave is 1/10 or less of a radius of the spherical surface.

The width of the elastic wave in a direction intersecting with the continuous direction along the outer surface is not more than half of the diameter of the spherical surface and not less than 1/100 of the radius. The method for generating an elastic wave on a spherical surface according to any one of the above.

The predetermined range is such that the elastic wave generated in the predetermined range is not diffused in a direction intersecting the continuous direction along the outer surface, and is directed only in the continuous direction, and is along the continuous direction. The method for generating an elastic wave on a spherical surface according to any one of claims 5 to 8, wherein the method is selected so as to make a round of the outer surface.