JP4962461B2

JP4962461B2 - 超音波計測装置

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Publication number: JP4962461B2
Application number: JP2008258469A
Authority: JP
Inventors: 雅夫木下; 正輝蝦名; 一弘秋濱
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2008-10-03
Filing date: 2008-10-03
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2028-10-03
Also published as: JP2010091281A

Description

本発明は、超音波を利用して、測定部の寸法、欠陥の有無や大きさ、もしくは内部組織の状態を計測する超音波計測装置に関する。

測定物表面に超音波を供給し、測定物内を伝播した超音波を検出することで、測定部の寸法、欠陥の有無や大きさ、もしくは内部組織の状態を計測する超音波計測装置が知られている。そして、非接触で測定物表面に超音波を供給する手法として、レーザ光を用いる技術が知られている（例えば下記特許文献１）。特許文献１においては、測定物表面に熱歪みまたはアブレーション（溶融）を発生させるのに必要かつ十分なエネルギー密度まで空間的に点状等に集光されたレーザ光を用いて、非接触で測定物表面に超音波を供給している。

特開２００８−１０２１６０号公報

特許文献１においては、非接触で測定物表面に超音波を供給する際に、測定物表面にレーザ光を集光させて熱歪みまたはアブレーション（溶融）を発生させている。そのため、測定物表面に熱歪みまたはアブレーションによる損傷が生じるという問題点がある。

また、特許文献１において、測定物の計測環境の変化や測定物の状態変化が生じた場合には、一定出力のレーザ光を測定物表面に集光させても、熱歪みまたはアブレーションの発生状態が変化し、測定物表面に供給される超音波の出力も変化する。測定物の計測環境の変化や測定物の状態変化に関わらず、一定出力の超音波を測定物表面に供給するためには、熱歪みまたはアブレーションの発生状態（プラズマの発生状態）に応じて測定物表面に供給する超音波の出力を制御できることが望ましい。

本発明は、測定物表面を損傷させることなく非接触で測定物表面に超音波を供給することを目的の１つとする。また、本発明は、プラズマの発生状態に応じて測定物表面に供給する超音波を制御することを目的の１つとする。

本発明に係る超音波計測装置は、上述した目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。

本発明に係る超音波計測装置は、測定物表面に超音波を供給する超音波供給手段と、測定物内を伝播した超音波を検出する超音波検出手段と、を備える超音波計測装置であって、測定物表面近傍には、雰囲気より比熱の大きいターゲットが測定物表面と非接触状態で配置され、超音波供給手段は、ターゲットを起点としてプラズマを発生させることで、測定物表面に超音波を供給し、前記プラズマが発生したときのイオン電流を計測する電流計測手段と、電流計測手段で計測されたイオン電流に基づいて測定物表面に供給する超音波を制御する超音波制御手段と、をさらに備えることを要旨とする。

本発明によれば、測定物表面を溶融させずにその近傍のターゲットを起点としてプラズマを発生させることができ、発生させたプラズマを測定物表面に接触させずに超音波を測定物表面に励振することができる。そのため、測定物表面を損傷させることなく非接触で測定物表面に超音波を供給することができる。

本発明の一態様では、ターゲット及び測定物が導電性を有する場合は、電流計測手段は、ターゲットと測定物との間に直流電圧が印加された状態で、前記プラズマが発生したときのイオン電流を計測することが好適である。また、本発明の一態様では、ターゲットが導電性を有する場合は、電流計測手段は、導電性端子がターゲットと微小間隙を空けて配置され、且つターゲットと導電性端子との間に直流電圧が印加された状態で、前記プラズマが発生したときのイオン電流を計測することが好適である。

本発明の一態様では、超音波供給手段は、レーザ光を発生させるレーザ光発生装置と、レーザ光発生装置からのレーザ光をターゲットに集光させる集光レンズと、を含み、ターゲットに集光されたレーザ光によりターゲットを起点としてプラズマを発生させ、ターゲットに集光されるレーザ光の光軸が測定物表面と略平行であることが好適である。この態様では、超音波供給手段は、レーザ光発生装置からのレーザ光をその光軸が測定物表面と略平行となる方向へ反射させるレーザ光反射器をさらに含むことが好適である。

本発明の一態様では、超音波供給手段は、ターゲットに近接する位置に微小間隙を空けて配置された放電用電極を含み、放電用電極間に電圧を印加して放電を発生させることで、ターゲットを起点としてプラズマを発生させることが好適である。

本発明の一態様では、超音波供給手段は、電磁波を発生させる電磁波発生源と、電磁波発生源からの電磁波をターゲットへ放射する電磁波放射器と、を含み、電磁波放射器からターゲットへ放射された電磁波によりターゲットを起点としてプラズマを発生させることが好適である。この態様では、電磁波放射器及びターゲットの周囲に、電磁波放射器から放射された電磁波をシールドする手段が設けられていることが好適である。

また、本発明の参考例に係る超音波計測装置は、測定物表面に超音波を供給する超音波供給手段と、測定物内を伝播した超音波を検出する超音波検出手段と、を備える超音波計測装置であって、超音波供給手段は、測定物表面近傍の空間位置を起点としてプラズマを発生させることで、測定物に超音波を供給することを要旨とする。

本発明の参考例によれば、測定物表面を溶融させずにその近傍の空間位置を起点としてプラズマを発生させることができ、発生させたプラズマを測定物表面に接触させずに超音波を測定物表面に励振することができる。そのため、測定物表面を損傷させることなく非接触で測定物表面に超音波を供給することができる。

本発明の一態様では、前記プラズマを発生させる測定物表面近傍の空間位置に雰囲気より比熱比の高いガスを供給するガス供給手段をさらに備えることが好適である。

本発明の一態様では、超音波供給手段は、レーザ光を発生させるレーザ光発生装置と、レーザ光発生装置からのレーザ光を測定物表面近傍の空間位置に集光させる集光レンズと、を含み、前記測定物表面近傍の空間位置に集光されたレーザ光により該測定物表面近傍の空間位置を起点としてプラズマを発生させ、前記測定物表面近傍の空間位置に集光されるレーザ光の光軸が測定物表面と略平行であることが好適である。この態様では、超音波供給手段は、レーザ光発生装置からのレーザ光をその光軸が測定物表面と略平行となる方向へ反射させるレーザ光反射器をさらに含むことが好適である。

本発明の一態様では、超音波供給手段は、測定物表面近傍の空間位置に微小間隙を空けて配置された放電用電極を含み、放電用電極間に電圧を印加して放電を発生させることで、前記測定物表面近傍の空間位置を起点としてプラズマを発生させることが好適である。

本発明の一態様では、超音波供給手段は、電磁波を発生させる電磁波発生源と、電磁波発生源からの電磁波を測定物表面近傍の空間位置へ放射する電磁波放射器と、を含み、電磁波放射器から前記測定物表面近傍の空間位置へ放射された電磁波により該測定物表面近傍の空間位置を起点としてプラズマを発生させることが好適である。この態様では、電磁波放射器の周囲に、電磁波放射器から放射された電磁波をシールドする手段が設けられていることが好適である。

また、本発明の参考例に係る超音波計測装置は、プラズマの発生により測定物表面に超音波を供給する超音波供給手段と、測定物内を伝播した超音波を検出する超音波検出手段と、前記プラズマが発生したときのイオン電流を計測する電流計測手段と、電流計測手段で計測されたイオン電流に基づいて測定物表面に供給する超音波を制御する超音波制御手段と、を備えることを要旨とする。

本発明の参考例によれば、プラズマが発生したときのイオン電流を計測することで、プラズマの発生状態を把握することができる。そして、計測したイオン電流に基づいて測定物表面に供給する超音波を制御することで、プラズマの発生状態に応じて測定物表面に供給する超音波を制御することができる。

以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態という）を図面に従って説明する。

「実施形態１」
図１は、本発明の実施形態１に係る超音波計測装置の概略構成を示す図である。本実施形態に係る超音波計測装置は、測定物１０の表面１０ａに超音波２７を供給する超音波供給ユニット１２と、測定物１０の内部を伝播した超音波２７を検出する超音波検出ユニット１４と、超音波検出ユニット１４で検出された超音波信号を演算処理する信号処理ユニット１６と、を備える。

超音波供給ユニット１２は、レーザ光２３を発生させるためのレーザ光発生装置２２と、レーザ光発生装置２２からのレーザ光２３を所定位置１１に集光させるための集光レンズ２４と、集光レンズ２４（レーザ光発生装置２２）からのレーザ光２３をこの所定位置１１へ向けて反射させるためのレーザ光反射器としてのプリズム２６と、を含む。集光レンズ２４によりレーザ光２３のエネルギーを所定位置１１に集光させることで、この所定位置１１にてブレークダウン（レーザーブレークダウン）が発生してプラズマが発生する。このプラズマの発生により、測定物１０の表面１０ａに超音波２７が非接触で供給される。測定物１０の表面１０ａに励振された超音波（弾性波）２７は、測定物１０の内部をその厚さ方向に沿って（測定物１０の裏面１０ｂへ向けて）伝播する。さらに、測定物１０の内部の超音波２７は、測定物１０の裏面１０ｂで反射して、測定物１０の表面１０ａへ向けて伝播する（戻る）。レーザ光発生装置２２からは、高パワーのレーザ光２３がパルス状に（間欠的に）出力される。そのため、レーザ光２３の集光によるブレークダウン（プラズマ）は間欠的に発生し、超音波２７は測定物１０の表面１０ａに間欠的に供給される。レーザ光発生装置２２からのレーザ光２３のパワー及び出力時期は、信号処理ユニット１６により制御される。

超音波検出ユニット１４は、測定物１０の表面１０ａにおける超音波供給位置またはその付近での振動を検出することで、測定物１０の内部を伝播した超音波２７を検出する。ここでの超音波検出ユニット１４としては、例えば、レーザ光１３の干渉を利用して測定物１０の表面１０ａの振動を非接触で検出する光干渉計を用いることができる。ただし、超音波検出ユニット１４として、光干渉計以外に、電磁超音波探傷器やレーザー変位計や圧電型センサを用いることも可能である。測定物１０の内部を伝播する超音波（弾性波）２７の挙動は、測定部１０の寸法、欠陥の有無や大きさ、内部組織の状態に応じて変化するため、超音波検出ユニット１４で検出される超音波信号も、測定部１０の寸法、欠陥の有無や大きさ、内部組織の状態に応じて変化する。そのため、信号処理ユニット１６は、超音波検出ユニット１４で検出された超音波信号を演算処理することで、超音波２７を供給、検出した位置での測定部１０の寸法（例えば厚さ）、欠陥の有無や大きさ、もしくは内部組織の状態を計測することが可能である。その際には、超音波検出ユニット１４は、プラズマが発生する毎に（レーザ光発生装置２２からレーザ光２３が出力される毎に）、測定物１０の内部を伝播した超音波２７を検出する。そして、信号処理ユニット１６は、超音波検出ユニット１４からの超音波信号に基づいてプラズマが発生する毎に計測した測定部１０の寸法、欠陥の有無や大きさ、もしくは内部組織の状態の計測結果を平均化する。さらに、測定部１０の計測位置を変更する場合には、測定物１０の表面１０ａにおける超音波２７を供給、検出する位置を変更する。その際には、測定物１０をその表面１０ａに平行な方向に移動させることもできるし、超音波供給ユニット１２によるプラズマ発生位置（レーザ光２３の集光位置）及び超音波検出ユニット１４による振動検出位置を測定物１０の表面１０ａに平行な方向に移動させることもできる。

本実施形態では、超音波供給ユニット１２は、測定物１０の表面１０ａ近傍の空間位置１１を起点としてレーザーブレークダウンを発生させてプラズマを発生させる。そして、プラズマの発生に伴うガス温度の急激な上昇で衝撃波（圧力波／超音波）を発生させる。その衝撃波（圧力波／超音波）が測定物１０の表面１０ａをたたくことで、測定物１０の表面１０ａに超音波２７が非接触で供給される。そのために、プリズム２６は、集光レンズ２４（レーザ光発生装置２２）からのレーザ光２３を、反射後の光軸２３ｂが測定物１０の表面１０ａと平行（あるいはほぼ平行）となる方向で且つ測定物１０の表面１０ａと微小空隙を空けて近接するように反射させる。さらに、集光レンズ２４は、レーザ光２３のエネルギーを測定物１０の表面１０ａ近傍の空間位置１１に集光させる。これによって、測定物１０の表面１０ａ近傍の空間位置１１に集光されるレーザ光２３の光軸２３ｂが、測定物１０の表面１０ａと平行（あるいはほぼ平行）であり、測定物１０の表面１０ａと微小空隙を空けて近接配置される。そして、測定物１０の表面１０ａ近傍の空間位置１１に集光されたレーザ光２３のエネルギーにより、この空間位置１１を起点としてブレークダウン（空中ブレークダウン）を発生させてプラズマを発生させる。なお、図１に示す例では、レーザ光発生装置２２から出力された（プリズム２６で反射される前の）レーザ光２３の光軸２３ａが測定物１０の表面１０ａと垂直である。ただし、レーザ光発生装置２２から出力されたレーザ光２３の光軸２３ａは、必ずしも測定物１０の表面１０ａと垂直でなくてもよい。また、プリズム２６の代わりにミラーを用いてレーザ光２３を反射させることも可能である。また、プリズム２６やミラーを用いずに、レーザ光発生装置２２から出力され測定物１０の表面１０ａ近傍の空間位置１１に集光されるレーザ光２３の光軸を、測定物１０の表面１０ａと平行（あるいはほぼ平行）にし、測定物１０の表面１０ａと微小空隙を空けて近接配置することも可能である。

レーザ光２３は、それを絞った点以降で再び拡がる。図２に示すように、測定物１０の表面１０ａ近傍の空間位置１１に集光されるレーザ光２３の光軸２３ａが測定物１０の表面１０ａと垂直である場合は、この空間位置１１以降で拡がったレーザ光２３が測定物１０の表面１０ａに照射されることで、測定物１０の表面１０ａにおけるレーザ光２３の照射部分が溶融して温度上昇する。そのため、測定物１０の表面１０ａ近傍の空間位置１１だけでなく、測定物１０の表面１０ａ（レーザ光２３が照射された位置）でもブレークダウンが発生してプラズマが発生する。その結果、測定物１０の表面１０ａ（レーザ光２３が照射された位置）に、熱歪みまたはアブレーション（溶融）による損傷が生じる。

これに対して本実施形態では、レーザ光２３を測定物１０の表面１０ａに照射させずにその近傍の空間位置１１に集光させることができる。そのため、測定物１０の表面１０ａを溶融させずに（ほとんど温度上昇させずに）その近傍の空間位置１１を起点として空中ブレークダウンを発生させてプラズマを発生させることができる。空中ブレークダウンにより発生したプラズマを測定物１０の表面１０ａに接触させずに超音波２７を測定物１０の表面１０ａに励振することができるので、測定物１０の表面１０ａを損傷させずに超音波２７を非接触で測定物１０の表面１０ａに供給することができる。さらに、空中ブレークダウンを発生させる空間位置１１と測定物１０の表面１０ａとの距離を短くすることで、高パワーの超音波２７を測定物１０の表面１０ａに供給することができ、超音波検出ユニット１４で検出される超音波信号のＳ／Ｎを向上させることができる。さらに、超音波２７を非接触で測定物１０の表面１０ａに供給することで、超音波２７を供給する装置を測定物１０の表面１０ａ上に接触させて設置する必要がなく、計測時間の短縮及び信頼性向上を図ることができる。そして、高温場、減圧場、濡れ面（塗膜面）、隙間等の特殊環境場への適用が可能となる。

ここで、本願発明者が行った実験結果について説明する。レーザ光２３を測定物１０の表面１０ａ近傍の空間位置１１に集光させて空中ブレークダウン（プラズマ）を発生させた場合に測定物１０の内部を伝播した超音波２７を検出することで測定物１０の寸法（厚さ）を計測する確認実験を行った。測定物１０については、厚さ１±０．０８ｍｍのアルミニウム板とし、レーザ光２３の照射条件については、レーザ光２３の波長を５３２ｎｍ、レーザ光２３のビーム径をφ１ｍｍ以下、レーザ光２３のパルス幅を５ｎｓ、レーザ光２３の入射エネルギーを２０ｍＪとした。また、測定物１０の内部を伝播した超音波２７については、圧電型センサを用いて検出した。

空中ブレークダウンを発生させる（レーザ光２３を集光させる）空間位置１１と測定物１０の表面１０ａとの距離が１ｍｍである場合において圧電型センサの出力波形を調べた実験結果を図３に示し、空間位置１１（ブレークダウン点）と測定物１０の表面１０ａとの距離を変化させた場合において圧電型センサの最大出力（ｍＶ）を調べた実験結果を図４に示す。図３に示す圧電型センサの出力波形において、約０．２μｓ付近の時間での振動がブレークダウンによる振動に相当する。そして、約２μｓ以降の時間での振動（周期０．３μｓの振動）が測定物１０の内部を伝播した超音波（縦波）２７の振動に相当し、この振動周期は測定物１０の厚さに応じて変化する。そこで、この振動周期（図３に示す例では０．３μｓ）を調べることで、測定物１０の表面１０ａを損傷させずに測定物１０の厚さを計測することが可能となる。また、図４に示すように、空間位置１１（ブレークダウン点）と測定物１０の表面１０ａとの距離を短くするにつれて、圧電型センサの最大出力も大きくなる。そこで、レーザ光２３を集光させる空間位置１１と測定物１０の表面１０ａとの距離を短くすることで、測定物１０の内部を伝播した超音波２７を検出するセンサの出力を大きくすることができ、Ｓ／Ｎを向上させることができる。

「実施形態２」
図５は、本発明の実施形態２に係る超音波計測装置の概略構成を示す図である。以下の実施形態２の説明では、実施形態１と同様の構成または対応する構成には同一の符号を付し、説明を省略する構成については実施形態１と同様である。

本実施形態では、超音波供給ユニット１２は、高電圧（直流電圧）を発生させる高電圧発生装置３２と、高電圧発生装置３２からの高電圧（直流電圧）が印加される放電用電極３４，３６と、を含む。高電圧発生装置３２は、直流電源４１，４２、スイッチング素子（トランジスタ）４３、トランス４４、及びコンデンサ４５を含んで構成される。直流電源４１とトランス４４との間に設けられたスイッチング素子４３をオンにすることで、直流電源４１からの直流電圧がトランス４４で昇圧されてから放電用電極３４に印加される。放電用電極３４，３６は、測定物１０の表面１０ａ近傍の空間位置１１に互いに微小間隙を空けて配置されている。放電用電極３６は接地されている。放電用電極３４，３６として、耐久性の高い内燃機関用の点火栓を用いることも可能である。

スイッチング素子４３をオンにして高電圧発生装置３２からの直流電圧（例えば数ｋＶ以上）を放電用電極３４，３６間に印加することで、放電用電極３４，３６間の空隙（測定物１０の表面１０ａ近傍の空間位置１１）にブレークダウン（空気の絶縁破壊）が発生して直流放電が発生する。このブレークダウンの発生に伴い、数μｓ〜ｍｓの間、数Ａ〜数十Ａの電流を放電用電極３４に供給することで、放電用電極３４，３６間の空隙（測定物１０の表面１０ａ近傍の空間位置１１）では、供給電力に応じたプラズマが発生する。そして、プラズマの発生に伴うガス温度の急激な上昇で衝撃波（圧力波／超音波）を発生させる。その衝撃波（圧力波／超音波）が測定物１０の表面１０ａをたたくことで、測定物１０の表面１０ａに超音波２７が非接触で供給される。高電圧発生装置３２では、スイッチング素子４３を間欠的にオンにすることで、放電用電極３４，３６間には高電圧がパルス状に（間欠的に）印加される。そのため、直流放電によるプラズマは間欠的に発生し、超音波２７は測定物１０の表面１０ａに間欠的に供給される。

本実施形態でも、放電用電極３４，３６間に高電圧を印加することで、測定物１０の表面１０ａを溶融させずに（ほとんど温度上昇させずに）その近傍の空間位置１１（放電用電極３４，３６間）を起点として空中ブレークダウンを発生させてプラズマを発生させることができる。その結果、測定物１０の表面１０ａを損傷させずに超音波２７を非接触で測定物１０の表面１０ａに供給することができる。さらに、本実施形態では、レーザ光２３を利用する場合と比較してプラズマの生成効率が高いため、高出力な超音波２７の供給が容易となる。また、レンズ等の光学部品が不要となり、光軸の調整が不要となる。

「実施形態３」
図６は、本発明の実施形態３に係る超音波計測装置の概略構成を示す図である。以下の実施形態３の説明では、実施形態１，２と同様の構成または対応する構成には同一の符号を付し、説明を省略する構成については実施形態１，２と同様である。

本実施形態の超音波供給ユニット１２において、マイクロ波発生装置（電磁波発生源）５１は、例えば固体素子やマグネトロンや進行波増幅管により構成することができ、マイクロ波（電磁波）を発生、増幅させる役割を果たす。マイクロ波発生装置５１は、マイクロ波のゲイン及びパルス幅を制御することで、その出力を制御することができる。マイクロ波発生装置５１から出力されたマイクロ波は、方向性結合器５２及びスタブチューナ５３を介して同軸ケーブル（電磁波伝送路）５４に供給される。同軸ケーブル５４の先端部には、マイクロ波発生装置５１からのマイクロ波を放射するマイクロ波放射器（電磁波放射器）５５が設けられている。ここでのマイクロ波放射器５５については、例えば同軸ケーブル５４の開放した内側導体端部により構成することができる。マイクロ波放射器５５（同軸ケーブル５４の先端部）は、測定物１０の表面１０ａ近傍に配置されており、マイクロ波は、測定物１０の表面１０ａ近傍の空間位置１１へ放射される。マイクロ波放射器５５（同軸ケーブル５４の先端部）の周囲には、例えば金網や導電性カバー等の、マイクロ波放射器５５から放射されたマイクロ波をシールドすることで周囲部に漏れるのを防ぐためのシールド部材５６が設けられている。なお、スタブチューナ５３はインピーダンス整合のために設けられており、方向性結合器５２は途中で反射したマイクロ波がマイクロ波発生装置５１に戻るのを防ぐために設けられている。また、電磁波伝送路として同軸ケーブル５４の代わりに導波管を用いることも可能であり、その場合は、例えば導波管の開放した端部によりマイクロ波放射器５５を構成することができる。

マイクロ波発生装置５１で発生させた高出力のマイクロ波をマイクロ波放射器５５から測定物１０の表面１０ａ近傍の空間位置１１に放射することで、この空間位置１１でブレークダウンが発生してマイクロ波放電が発生する。このブレークダウンの発生に伴い、プラズマが発生する。そして、プラズマの発生に伴うガス温度の急激な上昇で衝撃波（圧力波／超音波）を発生させる。その衝撃波（圧力波／超音波）が測定物１０の表面１０ａをたたくことで、測定物１０の表面１０ａに超音波２７が非接触で供給される。マイクロ波発生装置５１では、マイクロ波をパルス状に（間欠的に）発生させることで、マイクロ波放射器５５からは、マイクロ波がパルス状に（間欠的に）放射される。そのため、マイクロ波放電によるプラズマは間欠的に発生し、超音波２７は測定物１０の表面１０ａに間欠的に供給される。

本実施形態でも、マイクロ波放射器５５から高出力のマイクロ波を放射することで、測定物１０の表面１０ａを溶融させずに（ほとんど温度上昇させずに）その近傍の空間位置１１（マイクロ波放射器５５）を起点として空中ブレークダウンを発生させてプラズマを発生させることができる。その結果、測定物１０の表面１０ａを損傷させずに超音波２７を非接触で測定物１０の表面１０ａに供給することができる。さらに、本実施形態でも、レーザ光２３を利用する場合と比較してプラズマの生成効率が高いため、高出力な超音波２７の供給が容易となる。また、レンズ等の光学部品が不要となり、光軸の調整が不要となる。

「実施形態４」
図７は、本発明の実施形態４に係る超音波計測装置の概略構成を示す図である。以下の実施形態４の説明では、実施形態１〜３と同様の構成または対応する構成には同一の符号を付し、説明を省略する構成については実施形態１〜３と同様である。

本実施形態では実施形態１と比較して、測定部１０を覆う（測定物１０周囲の）雰囲気の空気より比熱比の高いガス６５を蓄えるガスボンベ６２と、ガスボンベ６２に蓄えられたガス６５を噴射するガス供給器６４と、が設けられている。ここでのガス供給器６４は、空中ブレークダウンによりプラズマを発生させる（レーザ光２３を集光させる）、測定物１０の表面１０ａ近傍の空間位置１１に、空気（雰囲気）より比熱比の高いガス６５を供給する。ガス供給器６４からのガス６５の噴射時期は信号処理ユニット１６により制御され、プラズマを発生させる（レーザ光発生装置２２からレーザ光２３を出力する）ときに、ガス供給器６４から測定物１０の表面１０ａ近傍の空間位置１１へ向けてガス６５を噴射する。空気より比熱比の高いガス６５としては、例えばヘリウム（Ｈｅ）やアルゴン（Ａｒ）等を用いることができる。また、ガス供給器６４からプラズマを発生させる空間位置１１に、水蒸気を供給することもできる。

本実施形態では、プラズマを発生させる（レーザ光２３を集光させる）空間位置１１に、空気（雰囲気）より比熱比の高いガス６５を供給することで、空中ブレークダウン発生時のガス温度を上昇させることができるので、より高い強度のプラズマを効率よく発生させることができ、より強い衝撃波（超音波）を発生させることができる。その結果、同一出力の超音波２７をより少ないレーザ光２３のエネルギーで効率よく供給することができる。さらに、超音波検出ユニット１４で検出される超音波信号のＳ／Ｎを向上させることができる。

以上の実施形態４の説明では、超音波供給ユニット１２がレーザ光２３を利用して測定物１０の表面１０ａ近傍の空間位置１１にプラズマを発生させる場合について説明した。ただし、本実施形態では、実施形態２と同様に、高電圧発生装置３２と放電用電極３４，３６とを含んで超音波供給ユニット１２を構成することもでき、放電用電極３４，３６間に生じる直流放電を利用して測定物１０の表面１０ａ近傍の空間位置１１にプラズマを発生させることもできる。その場合においても、プラズマを発生させる空間位置１１（直流放電が発生する放電用電極３４，３６間の空隙）に空気（雰囲気）より比熱比の高いガス６５を供給することで、より高い強度のプラズマを効率よく発生させることができる。また、実施形態３と同様に、マイクロ波発生装置５１と方向性結合器５２とスタブチューナ５３と同軸ケーブル５４（マイクロ波放射器５５）とを含んで超音波供給ユニット１２を構成することもでき、マイクロ波放射器５５からのマイクロ波放電を利用して測定物１０の表面１０ａ近傍の空間位置１１にプラズマを発生させることもできる。その場合においても、プラズマを発生させる空間位置１１（マイクロ波放電が発生するマイクロ波放射器５５）に空気（雰囲気）より比熱比の高いガス６５を供給することで、より高い強度のプラズマを効率よく発生させることができる。

「実施形態５」
図８は、本発明の実施形態５に係る超音波計測装置の概略構成を示す図である。以下の実施形態５の説明では、実施形態１〜４と同様の構成または対応する構成には同一の符号を付し、説明を省略する構成については実施形態１〜４と同様である。

本実施形態では実施形態１と比較して、測定物１０の表面１０ａ近傍に、測定部１０を覆う（測定物１０周囲の）雰囲気の空気より比熱の大きい固体であるターゲット７２が測定物１０の表面１０ａと非接触状態で配置されている。図８に示す例では、ターゲット７２として金属針を設けており、金属針の先端部が測定物１０の表面１０ａと微小間隙を空けて近接配置されている。ただし、ターゲット７２として、金属等の導電性部材以外に、セラミック等の非導電性部材を用いることも可能である。

本実施形態では、超音波供給ユニット１２は、測定物１０の表面１０ａ近傍に配置されたターゲット７２（金属針）の先端部を起点としてブレークダウン（レーザーブレークダウン）を発生させてプラズマを発生させることで、衝撃波（圧力波／超音波）を発生させる。その衝撃波（圧力波／超音波）が測定物１０の表面１０ａをたたくことで、測定物１０の表面１０ａに超音波２７が非接触で供給される。そのために、プリズム２６は、集光レンズ２４（レーザ光発生装置２２）からのレーザ光２３を、反射後の光軸２３ｂが測定物１０の表面１０ａと平行（あるいはほぼ平行）となり且つターゲット７２（金属針）の先端部を通る方向へ反射させる。さらに、集光レンズ２４は、レーザ光２３のエネルギーをターゲット７２の先端部に集光させる。これによって、ターゲット７２の先端部に集光されるレーザ光２３の光軸２３ｂが、測定物１０の表面１０ａと平行（あるいはほぼ平行）であり、測定物１０の表面１０ａと微小空隙を空けて近接配置される。そして、ターゲット７２の先端部に集光されたレーザ光２３のエネルギーにより、空気（雰囲気）より比熱の大きいターゲット７２の先端部を起点としてブレークダウン（ターゲットブレークダウン）を発生させてプラズマを発生させる。レーザ光発生装置２２からは、高パワーのレーザ光２３がパルス状に（間欠的に）出力されるため、ターゲット７２へのレーザ光２３の集光によるターゲットブレークダウン（プラズマ）は間欠的に発生し、超音波２７は測定物１０の表面１０ａに間欠的に供給される。

以上説明した本実施形態では、レーザ光２３を測定物１０の表面１０ａに照射させずにその近傍に配置されたターゲット７２の先端部に集光させることができる。そのため、測定物１０の表面１０ａを溶融させずに（ほとんど温度上昇させずに）その近傍のターゲット７２の先端部を起点としてターゲットブレークダウンを発生させてプラズマを発生させることができる。ターゲットブレークダウンにより発生したプラズマを測定物１０の表面１０ａに接触させずに超音波２７を測定物１０の表面１０ａに励振することができるので、測定物１０の表面１０ａを損傷させずに超音波２７を非接触で測定物１０の表面１０ａに供給することができる。

さらに、本実施形態では、ブレークダウンの発生の際には、空気（雰囲気）より比熱の大きいターゲット７２の先端部が溶融して温度上昇することで、より高い強度のプラズマを効率よく発生させることができ、より強い衝撃波（超音波）を発生させることができる。その結果、同一出力の超音波２７をより少ないレーザ光のエネルギーで効率よく供給することができる。そして、超音波検出ユニット１４で検出される超音波信号のＳ／Ｎを向上させることができる。さらに、ブレークダウンを発生させるターゲット７２の先端部と測定物１０の表面１０ａとの距離を短くすることで、より高パワーの超音波２７を測定物１０の表面１０ａに供給することができ、超音波検出ユニット１４で検出される超音波信号のＳ／Ｎをさらに向上させることができる。

なお、ブレークダウン発生時に溶融するターゲット７２の先端部の形状については、例えば図９に示すように径の小さい鋭利な形状にすることで、熱容量を小さくすることができるので、ブレークダウン発生時の温度上昇を大きくすることができ、高密度プラズマを生成することができる。一方、ターゲット７２の先端部を鋭利な形状にせず、例えば図１０に示すように曲面形状にすることで、ブレークダウン発生時のターゲット７２の消耗を少なくすることができる。また、例えば図１１に示すように、レーザ光を測定物１０の表面１０ａへ向けて反射させるための反射面７２ａをターゲット７２の先端部に形成することも可能である。

また、例えばアルミニウムや銅等の融点の低い材料をターゲット７２に用いることで、ブレークダウン発生時の温度上昇を大きくすることができ、高密度プラズマを生成することができる。一方、例えばＳｉＣやＨｆやＷ等の融点の高い材料をターゲット７２に用いることで、ブレークダウン発生時のターゲット７２の消耗を少なくすることができる。また、例えばＰｔやイリジウム等の材料をターゲット７２に用いることで、ブレークダウン発生時のターゲット７２の消耗を少なくしつつ、高密度プラズマを生成することができる。

ここで、本願発明者が行った実験結果について説明する。レーザ光２３をターゲット７２の先端部に集光させてターゲットブレークダウン（プラズマ）を発生させた場合に測定物１０の内部を伝播した超音波２７を検出することで測定物１０の寸法（厚さ）を計測する確認実験を行った。実施形態１と同様に、測定物１０については、厚さ１±０．０８ｍｍのアルミニウム板とし、レーザ光２３の照射条件については、レーザ光２３の波長を５３２ｎｍ、レーザ光２３のビーム径をφ１ｍｍ以下、レーザ光２３のパルス幅を５ｎｓ、レーザ光２３の入射エネルギーを２０ｍＪとした。また、測定物１０の内部を伝播した超音波２７については、圧電型センサを用いて検出した。

ターゲットブレークダウンを発生させるターゲット７２の先端部と測定物１０の表面１０ａとの距離が１ｍｍである場合において圧電型センサの出力波形を調べた実験結果を実施形態１（ターゲット７２無しの空中ブレークダウンの例）と比較して図１２に示し、ターゲット７２の先端部（ブレークダウン点）と測定物１０の表面１０ａとの距離を変化させた場合において圧電型センサの最大出力（ｍＶ）を調べた実験結果を実施形態１と比較して図１３に示す。図１２に示す圧電型センサの出力波形（ターゲットブレークダウン時）において、約１．２μｓ以降の時間での振動（周期０．３μｓの振動）が測定物１０の内部を伝播した超音波（縦波）２７に相当し、この振動周期は測定物１０の厚さに応じて変化する。図１２，１３に示すように、ブレークダウン点と測定物１０の表面１０ａとの距離が同じ条件では、本実施形態のターゲットブレークダウン時（ターゲット７２有り）の方が実施形態１の空中ブレークダウン時（ターゲット７２無し）よりも圧電型センサの出力が大きくなる。そのため、同一の圧電型センサの出力を得る場合には、本実施形態のターゲットブレークダウンの方が実施形態１の空中ブレークダウンよりも少ない超音波２７（レーザ光２３）のエネルギー供給で済む。

また、圧電型センサの検出信号のスペクトル密度を調べた実験結果を実施形態１（ターゲット７２無しの空中ブレークダウンの例）と比較して図１４に示す。図１４に示すように、本実施形態のターゲットブレークダウン時の方が実施形態１の空中ブレークダウン時よりも同一周波数におけるスペクトル密度が高くなる。そのため、圧電型センサで検出された振動が高い周波数であっても、測定物１０の厚さや欠陥を計測することができ、より薄い測定物１０の厚さやより小さな欠陥の検出が可能となる。

以上の実施形態５の説明では、超音波供給ユニット１２がレーザ光２３を利用してターゲット７２の先端部にプラズマを発生させる場合について説明した。ただし、本実施形態では、実施形態２と同様に、高電圧発生装置３２と放電用電極３４，３６とを含んで超音波供給ユニット１２を構成することもできる。その場合には、例えばターゲット７２の先端部が放電用電極３４，３６間の空隙に位置するように、放電用電極３４，３６をターゲット７２の先端部に近接する位置に配置する。これによって、放電用電極３４，３６間への直流電圧の印加により生じる直流放電を利用して、ターゲット７２の先端部を起点としてプラズマを発生させることができる。また、実施形態３と同様に、マイクロ波発生装置５１と方向性結合器５２とスタブチューナ５３と同軸ケーブル５４（マイクロ波放射器５５）とを含んで超音波供給ユニット１２を構成することもできる。その場合には、同軸ケーブル５４の先端部（マイクロ波放射器５５）をターゲット７２の先端部に近接する位置に配置し、マイクロ波発生装置５１で発生させたマイクロ波をマイクロ波放射器５５からターゲット７２の先端部へ放射する。これによって、マイクロ波放射器５５からターゲット７２の先端部へのマイクロ波の放射により生じるマイクロ波放電を利用して、ターゲット７２の先端部を起点としてプラズマを発生させることができる。その際には、マイクロ波放射器５５（同軸ケーブル５４の先端部）及びターゲット７２の周囲に、例えば金網や導電性カバー等の、マイクロ波放射器５５から放射されたマイクロ波をシールドすることで周囲部に漏れるのを防ぐためのシールド部材５６を設けることが好ましい。

「実施形態６」
図１５は、本発明の実施形態６に係る超音波計測装置の概略構成を示す図である。以下の実施形態６の説明では、実施形態１〜５と同様の構成または対応する構成には同一の符号を付し、説明を省略する構成については実施形態１〜５と同様である。

本実施形態では実施形態５と比較して、導電性のターゲット７２と導電性の測定物１０との間に直流電圧を印加する直流電源８１が設けられている。さらに、ターゲット７２の先端部でプラズマ（ブレークダウン）が発生したときに流れる、ターゲット７２と測定物１０間の電流（イオン電流）を計測する電流計８２が設けられている。図１５に示す例では、電流計８２を直流電源８１とターゲット７２との間に配置しているが、直流電源８１と測定物１０との間に配置することも可能である。信号処理ユニット１６は、電流計８２で計測されたイオン電流量に基づいて、レーザ光発生装置２２から出力されるレーザ光のパワーを制御する。これによって、イオン電流量に基づいて、ターゲット７２の先端部で発生するプラズマのパワーを制御し、測定物１０の表面１０ａに供給する超音波２７のパワーを制御する。

測定物１０の計測環境の変化や、ターゲット７２の溶融による消耗や、測定物１０の状態変化が生じた場合には、一定パワーのレーザ光２３を集光させても、ブレークダウンに伴うプラズマの強度が変化し、測定物１０の表面１０ａに供給される超音波２７のパワーも変化する。その場合は、測定物１０の計測精度を高めるために、測定物１０の計測結果を平均化する回数を増やす必要がある。その結果、測定物１０の計測時間の増大やデータ処理量の増大を招くことになる。

これに対して本実施形態では、ターゲット７２と測定物１０との間に直流電圧が印加された状態で、プラズマが発生したときのイオン電流を電流計８２により計測することで、ブレークダウンに伴うプラズマ（ガス電離）の発生状態を把握することができ、プラズマの発生状態に応じて測定物１０の表面１０ａに供給する超音波２７のパワーを制御することができる。例えば、信号処理ユニット１６は、電流計８２で計測されたイオン電流量が所定の一定値になるように、レーザ光発生装置２２から出力されるレーザ光２３のパワーを増減することで、ブレークダウンに伴うプラズマの強度を一定にすることができ、測定物１０の表面１０ａに供給される超音波２７のパワーを一定にすることができる。そのため、測定物１０の計測環境の変化や、ターゲット７２の溶融による消耗や、測定物１０の状態変化に関わらず、一定パワーの超音波２７を測定物１０の表面１０ａに非接触で供給することができる。その結果、測定物１０の計測精度の低下を招くことなく、測定物１０の計測結果を平均化する回数を減らすことができ、測定物１０の計測時間の短縮及びデータ処理量の減少を図ることができる。

なお、測定物１０が非導電性の場合は、図１６に示すように、導電性端子としての探針８３を導電性のターゲット７２の先端部と微小間隙を空けて近接配置する（ブレークダウン発生領域に挿入する）。そして、直流電源８１によりターゲット７２と探針８３との間に直流電圧を印加する。その状態で、ターゲット７２の先端部でプラズマ（ブレークダウン）が発生したときに流れる、ターゲット７２と探針８３間の電流（イオン電流）を電流計８２により計測する。また、測定物１０及びターゲット７２が非導電性の場合は、一対の探針（導電性端子）をターゲット７２の先端部近傍に互いに微小間隙を空けて配置し、直流電源８１により一対の探針間に直流電圧を印加する。その状態で、ターゲット７２の先端部でプラズマ（ブレークダウン）が発生したときに流れる、一対の探針間の電流（イオン電流）を電流計８２により計測する。

以上の実施形態６の説明では、超音波供給ユニット１２がレーザ光２３を利用してプラズマを発生させる場合について説明した。ただし、本実施形態では、実施形態２と同様に、高電圧発生装置３２と放電用電極３４，３６とを含んで超音波供給ユニット１２を構成することもでき、放電用電極３４，３６間に生じる直流放電を利用してプラズマを発生させることもできる。その場合には、信号処理ユニット１６は、電流計８２で計測されたイオン電流量に基づいて、スイッチング素子４３のオン時間を制御する等、放電用電極３４，３６への供給電力を制御することで、測定物１０の表面１０ａに供給する超音波２７のパワーを制御する。また、実施形態３と同様に、マイクロ波発生装置５１と方向性結合器５２とスタブチューナ５３と同軸ケーブル５４（マイクロ波放射器５５）とを含んで超音波供給ユニット１２を構成することもでき、マイクロ波放射器５５からのマイクロ波放電を利用してプラズマを発生させることもできる。その場合には、信号処理ユニット１６は、電流計８２で計測されたイオン電流量に基づいて、マイクロ波発生装置５１から出力されるマイクロ波のパワーを制御することで、測定物１０の表面１０ａに供給する超音波２７のパワーを制御する。

また、以上の実施形態６の説明では、ターゲット７２の先端部を起点とするターゲットブレークダウンによりプラズマを発生させる場合について説明した。ただし、本実施形態では、実施形態１〜４と同様に、ターゲット７２を省略して、測定物１０の表面１０ａ近傍の空間位置１１を起点とする空中ブレークダウンによりプラズマを発生させることもできる。その際に、測定物１０が導電性の場合は、空中ブレークダウンを発生させる空間位置１１に探針（導電性端子）を配置し、直流電源８１により探針と測定物１０との間に直流電圧を印加する。その状態で、測定物１０の表面１０ａ近傍の空間位置１１でプラズマ（ブレークダウン）が発生したときに流れる、探針と測定物１０間の電流（イオン電流）を電流計８２により計測する。また、測定物１０が非導電性の場合は、空中ブレークダウンを発生させる空間位置１１に一対の探針（導電性端子）を互いに微小間隙を空けて配置し、直流電源８１により一対の探針間に直流電圧を印加する。その状態で、ターゲット７２の先端部でプラズマ（ブレークダウン）が発生したときに流れる、一対の探針間の電流（イオン電流）を電流計８２により計測する。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明の実施形態１に係る超音波計測装置の概略構成を示す図である。測定物表面近傍の空間位置に集光されるレーザ光の光軸が測定物表面と垂直である超音波計測装置の概略構成を示す図である。空中ブレークダウンを発生させる空間位置と測定物表面との距離が１ｍｍである場合において圧電型センサの出力波形を調べた実験結果を示す図である。空中ブレークダウンを発生させる空間位置と測定物表面との距離を変化させた場合において圧電型センサの最大出力を調べた実験結果を示す図である。本発明の実施形態２に係る超音波計測装置の概略構成を示す図である。本発明の実施形態３に係る超音波計測装置の概略構成を示す図である。本発明の実施形態４に係る超音波計測装置の概略構成を示す図である。本発明の実施形態５に係る超音波計測装置の概略構成を示す図である。ターゲット先端部の構成例を示す図である。ターゲット先端部の他の構成例を示す図である。ターゲット先端部の他の構成例を示す図である。ターゲット先端部と測定物表面との距離が１ｍｍである場合において圧電型センサの出力波形を調べた実験結果を示す図である。ターゲット先端部と測定物表面との距離を変化させた場合において圧電型センサの最大出力を調べた実験結果を示す図である。圧電型センサの検出信号のスペクトル密度を調べた実験結果を示す図である。本発明の実施形態６に係る超音波計測装置の概略構成を示す図である。本発明の実施形態６に係る超音波計測装置の他の概略構成を示す図である。

符号の説明

１０測定物、１０ａ表面、１０ｂ裏面、１２超音波供給ユニット、１３，２３レーザ光、１４超音波検出ユニット、１６信号処理ユニット、２２レーザ光発生装置、２３ａ，２３ｂ光軸、２４集光レンズ、２６プリズム、２７超音波、３２高電圧発生装置、３４，３６放電用電極、４１，４２，８１直流電源、４３スイッチング素子、４４トランス、４５コンデンサ、５１マイクロ波発生装置、５２方向性結合器、５３スタブチューナ、５４同軸ケーブル、５５マイクロ波放射器、５６シールド部材、６２ガスボンベ、６４ガス供給器、６５ガス、７２ターゲット、８２電流計、８３探針。

Claims

測定物表面に超音波を供給する超音波供給手段と、
測定物内を伝播した超音波を検出する超音波検出手段と、
を備える超音波計測装置であって、
測定物表面近傍には、雰囲気より比熱の大きいターゲットが測定物表面と非接触状態で配置され、
超音波供給手段は、ターゲットを起点としてプラズマを発生させることで、測定物表面に超音波を供給し、
前記プラズマが発生したときのイオン電流を計測する電流計測手段と、
電流計測手段で計測されたイオン電流に基づいて測定物表面に供給する超音波を制御する超音波制御手段と、
をさらに備える、超音波計測装置。
請求項１に記載の超音波計測装置であって、
ターゲット及び測定物が導電性を有する場合は、電流計測手段は、ターゲットと測定物との間に直流電圧が印加された状態で、前記プラズマが発生したときのイオン電流を計測する、超音波計測装置。
請求項１に記載の超音波計測装置であって、
ターゲットが導電性を有する場合は、電流計測手段は、導電性端子がターゲットと微小間隙を空けて配置され、且つターゲットと導電性端子との間に直流電圧が印加された状態で、前記プラズマが発生したときのイオン電流を計測する、超音波計測装置。
請求項１〜３のいずれか１に記載の超音波計測装置であって、
超音波供給手段は、
レーザ光を発生させるレーザ光発生装置と、
レーザ光発生装置からのレーザ光をターゲットに集光させる集光レンズと、
を含み、ターゲットに集光されたレーザ光によりターゲットを起点としてプラズマを発生させ、
ターゲットに集光されるレーザ光の光軸が測定物表面と略平行である、超音波計測装置。
請求項４に記載の超音波計測装置であって、
超音波供給手段は、レーザ光発生装置からのレーザ光をその光軸が測定物表面と略平行となる方向へ反射させるレーザ光反射器をさらに含む、超音波計測装置。
請求項１〜３のいずれか１に記載の超音波計測装置であって、
超音波供給手段は、
ターゲットに近接する位置に微小間隙を空けて配置された放電用電極を含み、
放電用電極間に電圧を印加して放電を発生させることで、ターゲットを起点としてプラズマを発生させる、超音波計測装置。
請求項１〜３のいずれか１に記載の超音波計測装置であって、
超音波供給手段は、
電磁波を発生させる電磁波発生源と、
電磁波発生源からの電磁波をターゲットへ放射する電磁波放射器と、
を含み、電磁波放射器からターゲットへ放射された電磁波によりターゲットを起点としてプラズマを発生させる、超音波計測装置。
請求項７に記載の超音波計測装置であって、
電磁波放射器及びターゲットの周囲に、電磁波放射器から放射された電磁波をシールドする手段が設けられている、超音波計測装置。