JP4059418B2 - レーザー超音波検査方法 - Google Patents
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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超音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（Ｌａｍｂ波）を発生させ、欠陥で反射されたこの板波超音波（以下、単に「板波」ともいう）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。
【０００３】
図６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６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（９０ｍｐｍ）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７は、タイヤ型探触子５１の内部を示した断面図である。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、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、板波超音波が発生する。
【０００６】
板波超音波は、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。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、板波超音波は、鋼材を伝播する途中で減衰する。この減衰量は、伝播距離が長くなるほど大きくなるため、鋼材の幅が大きくなると、それだけ伝播させるべき板波超音波の強度を高めなければならない。また、伝播距離が長くなると、粒界での反射などに起因するノイズも大きくなり、このため、検出部の感度を相当程度高くすることが必要となる。さらに、タイヤ型探触子を用いた欠陥検査装置は、鋼材上で板波超音波を発生させる位置を変えようとしても、その構成から、容易に板波超音波を発生させる位置を変えることはできない。
【０００８】
本発明は、このような技術的背景のもとでなされたものであり、その目的は、鋼材上で比較的容易に超音波を発生させる位置を変えることができるレーザー超音波装置を用いて、発生させる板波超音波の強度が比較的小さくても十分な欠陥検出を行うことができるようにすることである。
【０００９】
【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記載の発明は、レーザー光源から発射される波長λ ０ 、周波数ｆ ０ のレーザービームを第一のレーザービーム及び第二のレーザービームに分けて、それぞれのレーザービームを、所定速度で搬送される板状の検査対象の幅方向中央部に照射して板波超音波を発生させ、当該板波超音波の欠陥からの反射エコーを観測することによって検査対象に存在する欠陥を検出するレーザー超音波検査方法において、第一のレーザービーム及び第二のレーザービームを発するレーザー発生手順と、第一及び第二のレーザービームについて、音響光学素子を用いて第一のレーザービームの光周波数ｆ １ よりも第二のレーザービームの光周波数ｆ ２ が大きい第一の光周波数差（ｆ ２ −ｆ １ ＞０）と、第一のレーザービームの光周波数ｆ １ よりも第二のレーザービームの光周波数ｆ ２ が小さい第二の光周波数差（ｆ ２ −ｆ １ ＜０）のいずれかに設定するとともに、これらの光周波数差の切り換えを行う周波数差設定手順と、第一又は第二の光周波数差を持った第一及び第二のレーザービームを板状の前記検査対象の幅方向中央部に入射角θで対向する方向から照射して両レーザービームの干渉縞を生じさせるレーザービーム照射手順と、前記検査対象に発生した板波超音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順とを備え、前記周波数差設定手順に先立ち、前記検査対象に発生させる特定のモードの板波超音波の波長λ ａｃｏ と音速ｖ ａｃｏ との関係を予め求めておき、前記干渉縞の空間的な周期が当該特定のモードの板波超音波の波長λ ａｃｏ と同じくなると共に前記干渉縞の移動速度が当該特定のモードの板波超音波の音速ｖ ａｃｏ と等しくなるように、第一のレーザービームの光周波数ｆ １ 、第二のレーザービームの光周波数ｆ ２ 及び入射角θを所定の関係から設定し、前記周波数差設定手順によって第一の光周波数差と第二の光周波数差を所定の周期で切り換えることにより、反対向きに進行する二つの板波超音波を切り換えて交互に発生させ、それぞれの板波超音波の反射エコーを観測して前記検査対象に存在する欠陥を検出することを特徴とする。
【００１０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載のレーザー超音波検査方法において、前記所定の関係は、前記特定のモードの板波超音波の波長をλ ａｃｏ 、その音速をｖ ａｃｏ とすると、光周波数差（ｆ ２ −ｆ １ ）及び入射角θについての、
ｖ ａｃｏ ＝λ ０ （ｆ ２ −ｆ １ ）／２ｓｉｎθ
λ ａｃｏ ＝λ ０ ／２ｓｉｎθ
という連立方程式で表されることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、本発明の実施の一形態について説明する。
【００１５】
図１は、本発明の実施の一形態に係るレーザー超音波検査装置の全体的な構成を示した図である。本実施形態の説明では、検査対象とされる鋼材１の幅方向をｘ軸方向、鋼材１の長手方向をｙ軸方向、これらの軸に垂直な方向をｚ軸方向とする。図１では、図の横方向（左から右に向かう方向）がｘ軸方向、縦方向（下から上に向かう方向）がｚ軸方向となっており、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軸方向が鋼材１の長手方向となる。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。鋼材１の厚さは、３ｍｍとする。
【００１６】
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り、パルスＣＯ2レーザーである。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１ＫＨｚ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、ｆ0 ＝ｃ［ｍ／ｓｅｃ］／１０．６［μｍ］となる（ｃは光速である）。
【００１７】
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けられる。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。
【００１８】
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）として用いる。音響光学素子に、発振器などから適当な周波数の電気信号を入力すると、内部に設けられた媒体が超音波振動を行い、場所によって弾性歪みや圧力が変化する。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光が入射すると、その光を回折させる。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。
【００１９】
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。
【００２０】
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上の共通の照射位置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。本実施形態では、この照射位置１９を、鋼材１の幅方向の中央部に配置する。本実施形態のように、板波超音波を発生させるためにレーザービームを用いると、タイヤ型探触子を用いる場合に比べて、レーザービームを照射する位置を比較的容易に変えることができ、照射位置選定の自由度が高まるという利点がある。このように、照射位置１９を鋼材１の幅方向の中央部に配置したことによって、後述のような効果が得られる。
【００２１】
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を起こし、ｘ軸方向に沿って強め合うところと弱め合うことろが交互に生じる干渉縞が現れる。そして、この干渉縞は、二つのレーザービーム１７，１８のうちどちらの光周波数が高いかによって、ｘ軸の正方向あるいは負方向に移動する。
【００２２】
鋼材１にレーザービームが照射されると、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。板波超音波は、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。板波超音波には、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。本実施形態では、取り扱いの容易さなどから、Ａ0モードを用いる。ただし、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。
【００２３】
前述の干渉縞の空間的な周期が板波超音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。
【００２４】
本実施形態では、二つのレーザービーム１７，１８による干渉縞を、鋼材１の表面上でｘ軸に沿って、ｘ軸の正方向（図１の左から右に向かう方向）に移動させる場合と、ｘ軸の負方向（図１の右から左に向かう方向）に移動させる場合を交互に繰り返す。このため、鋼材１の中央部から図1の右に向かって進行する板波超音波と、、鋼材１の中央部から左に向かって進行する板波超音波が交互に発生する。右に向かって進行する板波超音波は、鋼材１の右側の端部で反射されて発生位置に戻る。一方、左に向かって進行する板波超音波は、鋼材１の左端の端部で反射されて発生位置に戻る。
【００２５】
このようにして発生位置に戻ってきた板波超音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１９に照射される。照射位置１９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。板波超音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１９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。
【００２６】
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３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３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、これにより板波超音波の反射エコーを観測できる。
【００２７】
ところで、板波超音波の伝播経路に欠陥が存在すると、板波超音波は欠陥でも反射される。欠陥で反射されるエコーは、鋼材１の両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。したがって、超音波を発生させた照射位置１９で反射エコーを観測して、超音波が発生してから反射エコーが観測されるまでの時間を測定することによって、鋼材１の内部における欠陥の有無を調べることができる。さらに、板波超音波の音速及び鋼材の寸法が既知であることから、欠陥の位置も特定できる。
【００２８】
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。
【００２９】
図４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４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の照射位置１９における光の振幅は、
I = I1・exp i[(−k1sinθ)x ω1t] + I2・exp i[(k2sinθ)x ω2t] （２）
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 ，ｋ2 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の光周波数を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。
【００３０】
（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、
I・I* = I1 2 + I2 2 + 2I1I2cos [(2Ksinθ) x ωat] （３）
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。
【００３１】
（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。
【００３２】
（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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
また、干渉縞の移動速度を、特定の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、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。さらに、（３）式から分かるように、ωaの符号によって、すなわちｆ1とｆ2大小によって、干渉縞がｘ軸の正方向に移動するか負方向に移動するかが決まる。
【００３６】
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、前述のように、そのモードの板波は急激に増幅され、高い指向性でほぼ干渉縞の移動方向にのみ伝播する。
【００３７】
続いて、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、ここでは約２ＭＨｚとする。板厚３ｍｍの鋼材について、Ａ0 モードで２ＭＨｚの超音波を伝播させる場合の音速は、約２９００［ｍ／ｓｅｃ］である。なお、板波の波長λacoは、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 ＋ｆxＭＨｚ
とする。ここでは、実際の取り扱いの便宜を考慮して、４０ＭＨｚというオフセットを設けて発振器１５の発振周波数を固定している。
【００３８】
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 （ｆx［ＭＨｚ］−４０［ＭＨｚ］）
となる。このｖf が発生させようとするＡ0モードの板波の音速２９００［ｍ／ｓｅｃ］に一致するという条件から、発振器１６の発振周波数ｆxを求めると、約４２．０７［ＭＨｚ］（これを「ｆx+」とする）となる。このとき、発振器１５、発振器１６の発振周波数の差ｆdiffは、２．０７［ＭＨｚ］である。したがって、発振器１６の発振周波数ｆxをｆx+＝４２．０７［ＭＨｚ］とすれば、ｘ軸方向の正方向に進行するＡ0モードの板波が発生する。一方、発振器１６の発振周波数ｆxを、４２．０７［ＭＨｚ］の代わりに、４０−ｆdiff＝３７．９３［ＭＨｚ］（これを「ｆx-」とする）とすれば、ｘ軸方向の負方向に進行するＡ0モードの板波が発生する。
【００３９】
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４２．０７［ＭＨｚ］と３７．９３［ＭＨｚ］との間で短時間で電子的に切り換えることは容易である。したがって、鋼材１の幅方向の中央部にレーザービーム１７，１８を照射した状態で、ｘ軸に沿って正方向に進行する板波と負方向に進行する板波を短時間で交互に切り換えて発生させることは、十分に可能である。
【００４０】
次に、図５を参照して、二つのレーザービーム１７，１８を干渉させて発生させた板波超音波の進行方向を、ｘ軸方向の正方向と負方向の間で切り換える動作のタイミングについて説明する。図５（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、一般的な値として９０ｍｐｍ（＝１５００ｍ／ｓｅｃ）の速度で図の上から下に向かって搬送されているものとする。このとき、板波超音波の伝播幅を、代表的な値として１５mmとする。鋼材１を隙間なく検査するためには、図の点Ｒ0で右側に向かう板波超音波を発生させたあと、鋼材が７．５ｍｍ移動した点Ｌ0で左側に向かう板波超音波を発生させ、さらに鋼材が７．５ｍｍ移動した点Ｒ1で右側に向かう板波超音波を発生させるようにする必要がある。したがって、板波超音波の向きを切り換える時間間隔は、
７．５〔ｍｍ〕÷１５００〔ｍｍ／ｓｅｃ〕=５〔ｍｓｅｃ〕
となる。
【００４１】
図６（ｂ）は、前述の発振器１６の発振周波数ｆxを、ｆx+とｆx-との間で切り換えるための１００Ｈｚのパルス信号を示している。すなわち、この信号が立ち上がったときにｆx＝ｆx+ 、立ち下がったときにｆx＝ｆx-となるように発振器１６の発振周波数ｆxを切り換えることによって、鋼材１上では、７．５ｍｍ間隔で板波超音波の発生方向が切り換えられることになる。
【００４２】
ところで、従来は、鋼材の一方の端部にレーザービームを照射して板波超音波を発生させ、ここから他方の端部に向けて伝播させていた。しかし、これだと板波超音波が他端で反射して再び元の発生位置に戻るまでに伝播する距離は、鋼材１の幅の約2倍となる。
【００４３】
これに対して、本実施形態に係るレーザー超音波検査装置では、鋼材１の幅方向の中央部に超音波発生用のレーザービームを照射して、ここから鋼材１の両側へ向けて超音波を発生させ、端部で反射されて戻ってきた超音波を鋼材１の幅方向の中央部で検出するようにしたことにより、板波超音波の伝播距離は鋼材１の幅とほぼ等しくなる。すなわち、板波超音波の伝播距離が、従来の２分の１に短縮される。このようにした結果、伝播経路の途中における超音波の減衰や、粒界における反射に起因するノイズの影響が小さくなり、したがって、従来と同様の装置をそのまま利用した場合でも、欠陥検出の感度を向上させることができ、また、従来と同程度の感度を得ようとする場合には、超音波発生用のレーザービームの出力を小さくすることができる。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、板状の検査対象の中央部に二つのレーザービームを照射して板波超音波を発生させるとともに、この中央部から一方の端部へ向かう板波超音波と他方の端部へ向かう板波超音波を所定の周期で交互に発生させることにより、検査対象の側端部において板波超音波を発生させる場合に比べて、板波超音波の伝播距離を約２分に１に短縮させることができ、このため、伝播経路の途中における超音波の減衰や、粒界における反射に起因するノイズの影響が小さくなり、したがって、従来と同様のレーザー超音波検査装置をそのまま利用した場合でも、欠陥検出の感度を向上させることができ、また、従来と同程度の感度を得ようとする場合には、超音波発生用のレーザービームの出力をより小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態に係る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。
【図２】板波超音波の性質を説明するための概略図である。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】板波超音波の進行方向をｘ軸方向の正方向と負方向の間で切り換える動作のタイミングについて説明するための図である。
【図６】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７】タイヤ型探触子の内部を示す断面図である。
【符号の説明】
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 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
【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超音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（Ｌａｍｂ波）を発生させ、欠陥で反射されたこの板波超音波（以下、単に「板波」ともいう）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。
【０００３】
図６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６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（９０ｍｐｍ）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７は、タイヤ型探触子５１の内部を示した断面図である。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、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、板波超音波が発生する。
【０００６】
板波超音波は、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。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、板波超音波は、鋼材を伝播する途中で減衰する。この減衰量は、伝播距離が長くなるほど大きくなるため、鋼材の幅が大きくなると、それだけ伝播させるべき板波超音波の強度を高めなければならない。また、伝播距離が長くなると、粒界での反射などに起因するノイズも大きくなり、このため、検出部の感度を相当程度高くすることが必要となる。さらに、タイヤ型探触子を用いた欠陥検査装置は、鋼材上で板波超音波を発生させる位置を変えようとしても、その構成から、容易に板波超音波を発生させる位置を変えることはできない。
【０００８】
本発明は、このような技術的背景のもとでなされたものであり、その目的は、鋼材上で比較的容易に超音波を発生させる位置を変えることができるレーザー超音波装置を用いて、発生させる板波超音波の強度が比較的小さくても十分な欠陥検出を行うことができるようにすることである。
【０００９】
【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記載の発明は、レーザー光源から発射される波長λ ０ 、周波数ｆ ０ のレーザービームを第一のレーザービーム及び第二のレーザービームに分けて、それぞれのレーザービームを、所定速度で搬送される板状の検査対象の幅方向中央部に照射して板波超音波を発生させ、当該板波超音波の欠陥からの反射エコーを観測することによって検査対象に存在する欠陥を検出するレーザー超音波検査方法において、第一のレーザービーム及び第二のレーザービームを発するレーザー発生手順と、第一及び第二のレーザービームについて、音響光学素子を用いて第一のレーザービームの光周波数ｆ １ よりも第二のレーザービームの光周波数ｆ ２ が大きい第一の光周波数差（ｆ ２ −ｆ １ ＞０）と、第一のレーザービームの光周波数ｆ １ よりも第二のレーザービームの光周波数ｆ ２ が小さい第二の光周波数差（ｆ ２ −ｆ １ ＜０）のいずれかに設定するとともに、これらの光周波数差の切り換えを行う周波数差設定手順と、第一又は第二の光周波数差を持った第一及び第二のレーザービームを板状の前記検査対象の幅方向中央部に入射角θで対向する方向から照射して両レーザービームの干渉縞を生じさせるレーザービーム照射手順と、前記検査対象に発生した板波超音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順とを備え、前記周波数差設定手順に先立ち、前記検査対象に発生させる特定のモードの板波超音波の波長λ ａｃｏ と音速ｖ ａｃｏ との関係を予め求めておき、前記干渉縞の空間的な周期が当該特定のモードの板波超音波の波長λ ａｃｏ と同じくなると共に前記干渉縞の移動速度が当該特定のモードの板波超音波の音速ｖ ａｃｏ と等しくなるように、第一のレーザービームの光周波数ｆ １ 、第二のレーザービームの光周波数ｆ ２ 及び入射角θを所定の関係から設定し、前記周波数差設定手順によって第一の光周波数差と第二の光周波数差を所定の周期で切り換えることにより、反対向きに進行する二つの板波超音波を切り換えて交互に発生させ、それぞれの板波超音波の反射エコーを観測して前記検査対象に存在する欠陥を検出することを特徴とする。
【００１０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載のレーザー超音波検査方法において、前記所定の関係は、前記特定のモードの板波超音波の波長をλ ａｃｏ 、その音速をｖ ａｃｏ とすると、光周波数差（ｆ ２ −ｆ １ ）及び入射角θについての、
ｖ ａｃｏ ＝λ ０ （ｆ ２ −ｆ １ ）／２ｓｉｎθ
λ ａｃｏ ＝λ ０ ／２ｓｉｎθ
という連立方程式で表されることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、本発明の実施の一形態について説明する。
【００１５】
図１は、本発明の実施の一形態に係るレーザー超音波検査装置の全体的な構成を示した図である。本実施形態の説明では、検査対象とされる鋼材１の幅方向をｘ軸方向、鋼材１の長手方向をｙ軸方向、これらの軸に垂直な方向をｚ軸方向とする。図１では、図の横方向（左から右に向かう方向）がｘ軸方向、縦方向（下から上に向かう方向）がｚ軸方向となっており、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軸方向が鋼材１の長手方向となる。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。鋼材１の厚さは、３ｍｍとする。
【００１６】
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り、パルスＣＯ2レーザーである。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１ＫＨｚ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、ｆ0 ＝ｃ［ｍ／ｓｅｃ］／１０．６［μｍ］となる（ｃは光速である）。
【００１７】
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けられる。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。
【００１８】
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）として用いる。音響光学素子に、発振器などから適当な周波数の電気信号を入力すると、内部に設けられた媒体が超音波振動を行い、場所によって弾性歪みや圧力が変化する。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光が入射すると、その光を回折させる。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。
【００１９】
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。
【００２０】
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上の共通の照射位置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。本実施形態では、この照射位置１９を、鋼材１の幅方向の中央部に配置する。本実施形態のように、板波超音波を発生させるためにレーザービームを用いると、タイヤ型探触子を用いる場合に比べて、レーザービームを照射する位置を比較的容易に変えることができ、照射位置選定の自由度が高まるという利点がある。このように、照射位置１９を鋼材１の幅方向の中央部に配置したことによって、後述のような効果が得られる。
【００２１】
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を起こし、ｘ軸方向に沿って強め合うところと弱め合うことろが交互に生じる干渉縞が現れる。そして、この干渉縞は、二つのレーザービーム１７，１８のうちどちらの光周波数が高いかによって、ｘ軸の正方向あるいは負方向に移動する。
【００２２】
鋼材１にレーザービームが照射されると、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。板波超音波は、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。板波超音波には、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。本実施形態では、取り扱いの容易さなどから、Ａ0モードを用いる。ただし、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。
【００２３】
前述の干渉縞の空間的な周期が板波超音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。
【００２４】
本実施形態では、二つのレーザービーム１７，１８による干渉縞を、鋼材１の表面上でｘ軸に沿って、ｘ軸の正方向（図１の左から右に向かう方向）に移動させる場合と、ｘ軸の負方向（図１の右から左に向かう方向）に移動させる場合を交互に繰り返す。このため、鋼材１の中央部から図1の右に向かって進行する板波超音波と、、鋼材１の中央部から左に向かって進行する板波超音波が交互に発生する。右に向かって進行する板波超音波は、鋼材１の右側の端部で反射されて発生位置に戻る。一方、左に向かって進行する板波超音波は、鋼材１の左端の端部で反射されて発生位置に戻る。
【００２５】
このようにして発生位置に戻ってきた板波超音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１９に照射される。照射位置１９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。板波超音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１９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。
【００２６】
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３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３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、これにより板波超音波の反射エコーを観測できる。
【００２７】
ところで、板波超音波の伝播経路に欠陥が存在すると、板波超音波は欠陥でも反射される。欠陥で反射されるエコーは、鋼材１の両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。したがって、超音波を発生させた照射位置１９で反射エコーを観測して、超音波が発生してから反射エコーが観測されるまでの時間を測定することによって、鋼材１の内部における欠陥の有無を調べることができる。さらに、板波超音波の音速及び鋼材の寸法が既知であることから、欠陥の位置も特定できる。
【００２８】
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。
【００２９】
図４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４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の照射位置１９における光の振幅は、
I = I1・exp i[(−k1sinθ)x ω1t] + I2・exp i[(k2sinθ)x ω2t] （２）
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 ，ｋ2 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の光周波数を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。
【００３０】
（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、
I・I* = I1 2 + I2 2 + 2I1I2cos [(2Ksinθ) x ωat] （３）
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。
【００３１】
（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。
【００３２】
（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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
また、干渉縞の移動速度を、特定の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、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。さらに、（３）式から分かるように、ωaの符号によって、すなわちｆ1とｆ2大小によって、干渉縞がｘ軸の正方向に移動するか負方向に移動するかが決まる。
【００３６】
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、前述のように、そのモードの板波は急激に増幅され、高い指向性でほぼ干渉縞の移動方向にのみ伝播する。
【００３７】
続いて、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、ここでは約２ＭＨｚとする。板厚３ｍｍの鋼材について、Ａ0 モードで２ＭＨｚの超音波を伝播させる場合の音速は、約２９００［ｍ／ｓｅｃ］である。なお、板波の波長λacoは、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 ＋ｆxＭＨｚ
とする。ここでは、実際の取り扱いの便宜を考慮して、４０ＭＨｚというオフセットを設けて発振器１５の発振周波数を固定している。
【００３８】
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 （ｆx［ＭＨｚ］−４０［ＭＨｚ］）
となる。このｖf が発生させようとするＡ0モードの板波の音速２９００［ｍ／ｓｅｃ］に一致するという条件から、発振器１６の発振周波数ｆxを求めると、約４２．０７［ＭＨｚ］（これを「ｆx+」とする）となる。このとき、発振器１５、発振器１６の発振周波数の差ｆdiffは、２．０７［ＭＨｚ］である。したがって、発振器１６の発振周波数ｆxをｆx+＝４２．０７［ＭＨｚ］とすれば、ｘ軸方向の正方向に進行するＡ0モードの板波が発生する。一方、発振器１６の発振周波数ｆxを、４２．０７［ＭＨｚ］の代わりに、４０−ｆdiff＝３７．９３［ＭＨｚ］（これを「ｆx-」とする）とすれば、ｘ軸方向の負方向に進行するＡ0モードの板波が発生する。
【００３９】
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４２．０７［ＭＨｚ］と３７．９３［ＭＨｚ］との間で短時間で電子的に切り換えることは容易である。したがって、鋼材１の幅方向の中央部にレーザービーム１７，１８を照射した状態で、ｘ軸に沿って正方向に進行する板波と負方向に進行する板波を短時間で交互に切り換えて発生させることは、十分に可能である。
【００４０】
次に、図５を参照して、二つのレーザービーム１７，１８を干渉させて発生させた板波超音波の進行方向を、ｘ軸方向の正方向と負方向の間で切り換える動作のタイミングについて説明する。図５（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、一般的な値として９０ｍｐｍ（＝１５００ｍ／ｓｅｃ）の速度で図の上から下に向かって搬送されているものとする。このとき、板波超音波の伝播幅を、代表的な値として１５mmとする。鋼材１を隙間なく検査するためには、図の点Ｒ0で右側に向かう板波超音波を発生させたあと、鋼材が７．５ｍｍ移動した点Ｌ0で左側に向かう板波超音波を発生させ、さらに鋼材が７．５ｍｍ移動した点Ｒ1で右側に向かう板波超音波を発生させるようにする必要がある。したがって、板波超音波の向きを切り換える時間間隔は、
７．５〔ｍｍ〕÷１５００〔ｍｍ／ｓｅｃ〕=５〔ｍｓｅｃ〕
となる。
【００４１】
図６（ｂ）は、前述の発振器１６の発振周波数ｆxを、ｆx+とｆx-との間で切り換えるための１００Ｈｚのパルス信号を示している。すなわち、この信号が立ち上がったときにｆx＝ｆx+ 、立ち下がったときにｆx＝ｆx-となるように発振器１６の発振周波数ｆxを切り換えることによって、鋼材１上では、７．５ｍｍ間隔で板波超音波の発生方向が切り換えられることになる。
【００４２】
ところで、従来は、鋼材の一方の端部にレーザービームを照射して板波超音波を発生させ、ここから他方の端部に向けて伝播させていた。しかし、これだと板波超音波が他端で反射して再び元の発生位置に戻るまでに伝播する距離は、鋼材１の幅の約2倍となる。
【００４３】
これに対して、本実施形態に係るレーザー超音波検査装置では、鋼材１の幅方向の中央部に超音波発生用のレーザービームを照射して、ここから鋼材１の両側へ向けて超音波を発生させ、端部で反射されて戻ってきた超音波を鋼材１の幅方向の中央部で検出するようにしたことにより、板波超音波の伝播距離は鋼材１の幅とほぼ等しくなる。すなわち、板波超音波の伝播距離が、従来の２分の１に短縮される。このようにした結果、伝播経路の途中における超音波の減衰や、粒界における反射に起因するノイズの影響が小さくなり、したがって、従来と同様の装置をそのまま利用した場合でも、欠陥検出の感度を向上させることができ、また、従来と同程度の感度を得ようとする場合には、超音波発生用のレーザービームの出力を小さくすることができる。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、板状の検査対象の中央部に二つのレーザービームを照射して板波超音波を発生させるとともに、この中央部から一方の端部へ向かう板波超音波と他方の端部へ向かう板波超音波を所定の周期で交互に発生させることにより、検査対象の側端部において板波超音波を発生させる場合に比べて、板波超音波の伝播距離を約２分に１に短縮させることができ、このため、伝播経路の途中における超音波の減衰や、粒界における反射に起因するノイズの影響が小さくなり、したがって、従来と同様のレーザー超音波検査装置をそのまま利用した場合でも、欠陥検出の感度を向上させることができ、また、従来と同程度の感度を得ようとする場合には、超音波発生用のレーザービームの出力をより小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態に係る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。
【図２】板波超音波の性質を説明するための概略図である。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】板波超音波の進行方向をｘ軸方向の正方向と負方向の間で切り換える動作のタイミングについて説明するための図である。
【図６】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７】タイヤ型探触子の内部を示す断面図である。
【符号の説明】
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 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 (2)
- レーザー光源から発射される波長λ ０ 、周波数ｆ ０ のレーザービームを第一のレーザービーム及び第二のレーザービームに分けて、それぞれのレーザービームを、所定速度で搬送される板状の検査対象の幅方向中央部に照射して板波超音波を発生させ、当該板波超音波の欠陥からの反射エコーを観測することによって検査対象に存在する欠陥を検出するレーザー超音波検査方法において、
第一のレーザービーム及び第二のレーザービームを発するレーザー発生手順と、
第一及び第二のレーザービームについて、音響光学素子を用いて第一のレーザービームの光周波数ｆ １ よりも第二のレーザービームの光周波数ｆ ２ が大きい第一の光周波数差（ｆ ２ −ｆ １ ＞０）と、第一のレーザービームの光周波数ｆ １ よりも第二のレーザービームの光周波数ｆ ２ が小さい第二の光周波数差（ｆ ２ −ｆ １ ＜０）のいずれかに設定するとともに、これらの光周波数差の切り換えを行う周波数差設定手順と、
第一又は第二の光周波数差を持った第一及び第二のレーザービームを板状の前記検査対象の幅方向中央部に入射角θで対向する方向から照射して両レーザービームの干渉縞を生じさせるレーザービーム照射手順と、
前記検査対象に発生した板波超音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順とを備え、
前記周波数差設定手順に先立ち、前記検査対象に発生させる特定のモードの板波超音波の波長λ ａｃｏ と音速ｖ ａｃｏ との関係を予め求めておき、前記干渉縞の空間的な周期が当該特定のモードの板波超音波の波長λ ａｃｏ と同じになると共に前記干渉縞の移動速度が当該特定のモードの板波超音波の音速ｖ ａｃｏ と等しくなるように、第一のレーザービームの光周波数ｆ １ 、第二のレーザービームの光周波数ｆ ２ 及び入射角θを所定の関係から設定し、
前記周波数差設定手順によって第一の光周波数差と第二の光周波数差を所定の周期で切り換えることにより、反対向きに進行する二つの板波超音波を切り換えて交互に発生させ、それぞれの板波超音波の反射エコーを観測して前記検査対象に存在する欠陥を検出することを特徴とするレーザー超音波検査方法。 - 前記所定の関係は、前記特定のモードの板波超音波の波長をλ ａｃｏ 、その音速をｖ ａｃｏ とすると、光周波数差（ｆ ２ −ｆ １ ）及び入射角θについての、
ｖ ａｃｏ ＝λ ０ （ｆ ２ −ｆ １ ）／２ｓｉｎθ
λ ａｃｏ ＝λ ０ ／２ｓｉｎθ
という連立方程式で表されることを特徴とする請求項１記載のレーザー超音波検査方法。
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