JP5248043B2 - レーザ超音波送信方法およびその送信装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ超音波送信技術に係り、特に、被測定物表面へのレーザ光照射で発生するアブレーション現象を利用して被測定物の内部に超音波を発生させ、送信するレーザ超音波送信方法およびその送信装置に関する。

超音波技術は、材料（被測定物）に発生した表面き裂や巣等の内在欠陥の非破壊検査、材料特性の分析、あるいは板厚、流量、水位、温度等の測定から医療診断にいたる幅広い技術分野で利用されている。

通常の超音波技術では、超音波信号の送受信は、圧電素子、超音波探触子などの接触センサを超音波の伝播媒質を介して被測定物に接触させて行うが、この送受信を超音波送信用・受信用のレーザ技術で代替するレーザ超音波法も提案されている（例えば、非特許文献１）。レーザ超音波法は原理的に被測定物に非接触で測定でき、被測定物が高温、高所、高放射線場、小型、複雑形状部など接触が困難な場合や、近接性が悪く遠隔操作による非接触の測定手法が求められる部位等様々な分野への応用が期待されている。

レーザによる超音波受信には、超音波受信用のレーザ光（以下、受信レーザ光）の直進性や干渉性を利用して、超音波によって誘起される受信点の表面変位または振動速度を検出する技術が用いられる。超音波信号検出用の光学系としては、マイケルソン干渉法、マッハツェンダ干渉法、コンフォーカル・ファブリペロー干渉計、位相共役光学素子を用いた干渉計、ナイフエッジ法などが提案されている（例えば、非特許文献２）。

一方、レーザによる超音波送信は、時間的にパルス状あるいは強度変調されたレーザ光（以下、送信レーザ光）を被測定物に照射することで行なう。例えば、平均出力１０Ｗ程度の中規模レーザ光源でも、レーザ発振を時間的に数百マイクロ秒（μｓ）からナノ秒（ｎｓ）オーダのパルス状に時間制御し、さらにレーザ光の照射スポットを空間的にミリメートルオーダまで絞り込めば、集光点に照射されるパワーとしてＧＷ／ｃｍ^２を実現することができる。

このようなレーザ光を被測定物に照射すると、中規模レーザ源では入射パワーは１０Ｗ程度でしかないため被測定物の材料全体を加熱する効果はごく小さいが、この程度のレーザパワーでも被測定物の材料表面の極微小領域を加熱したり、材料表面からその数原子層をプラズマ化したりすることは十分可能である。

レーザ光のパワー密度が小さい場合には、表面微小領域の急加熱−急冷却過程により熱応力が発生し、発生した熱応力が材料の歪み元となって超音波信号が発生する（熱歪みモード）。一方、パワー密度が大きいと被測定物の対象表面の数原子層がプラズマ化し、プラズマ膨張の反力として材料（被測定物）に圧力が加わって振動が発生する（アブレーションモード）。

このレーザ技術を超音波の送信・受信技術と組み合せることで、遠隔操作可能で、遠隔・非接触の超音波送受信法であるレーザ超音波法を実現することができる。また、特にレーザによる超音波送信に着目した場合、遠隔・非接触という利点ばかりでなく、レーザ超音波送信法は次のメリットを有する。
・周波数帯域として広帯域な超音波を発生可能である、
・材料表面を伝播する表面波、内部を伝播する縦波および横波、材料の薄板部を伝播する板波など多様な超音波モードを発生することができる、
・対象の表面形状や粗さ等への依存性が小さい（発生する超音波の強度、指向性、モード等は照射条件に依存し、送信レーザの入射角度等には影響を受けにくい）、
・照射スポットを微小に設定することが可能で、小型部品や複雑形状・狭あい部などに適用可能である、
・超音波の音源を「点」とみなすことができ、空間分解能の高い測定が可能である、
などの特徴がある。

レーザによる超音波送信技術はレーザ超音波受信だけでなく、通常の圧電素子や電磁超音波探触子などの受信技術と組み合せて利用してもメリットが大きい。

このようなレーザ超音波送信方法は基本原理としては確立されており、すでに産業的な利用も開始されている。

しかし、従来のレーザ超音波送信方法において、より高強度の超音波信号を送信しようとする場合には、アブレーションモードを利用する必要がある。このアブレーションモードを利用する場合は被測定物表面がプラズマ化することとなり、被測定物表面の材質に与える影響が懸念される。

アブレーションモードを利用したレーザ超音波送信技術に、特許文献１に記載された超音波発生装置が知られている。

特許文献１に記載のレーザ超音波送信技術では、図１５（Ａ），（Ｂ）に示すように、被測定物ａ表面の材質に与える影響を「表層のダメージ」として「数μｍ以下の表層が吹き飛ぶ」と推定し、この「アブレーションによる被試験体表面の損傷」を避けるために、被測定物ａの表面に、利用する超音波の波長以下の厚さを有する薄板ｂを接触配置し、この薄板ｂにパルスレーザ光源ｃからの送信レーザ光ｄを照射するようにしたものである（図１５）。

このレーザ超音波送信技術によれば、超音波の発生、すなわちプラズマ化は薄板ｂ上で生じるため送信レーザ光ｄにより被測定物表面を損傷することはなく、また、薄板ｂ伝播中に超音波が減衰することなく、被測定物ａに対して強い超音波を発生させることができる。
特開平１０−１２８２３６号公報 C. B. Scruby and L. E. Drain; "Laser Ultrasonics Technique and Applications" Adam Hilger, Bristol, Philadelphia and New York, (1990) 447p. 山脇："レーザー超音波と非接触材料評価"、溶接学会誌、第６４巻、No.2、P.104-108(1995)

特許文献１に記載のレーザ超音波送信技術では、薄板ｂと被測定物ａとは超音波的に接触させる必要があり、レーザ超音波法の最大の特徴である遠隔操作性、非接触性が損なわれたり、全く失われてしまう虞がある。

本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、レーザ超音波送信法の遠隔操作性、非接触性を損なうことなく、しかも、被測定物表面への送信レーザ光照射の影響が実質的に及ばないレーザ超音波送信方法およびその送信装置を提供するものである。

本発明に係るレーザ超音波送信方法は、上述した課題を解決するために、被測定物表面へのレーザ光の照射で発生するアブレーション現象を利用して超音波信号を被測定物に発生させるレーザ超音波送信方法において、前記被測定物表面における前記アブレーションの発生位置およびその近傍に前記レーザ光が照射し、かつ、表面酸化に対して不活性な酸化防止流体を流し、前記酸化防止流体が、ヘリウムガス、ネオンガス、アルゴンガス等の不活性ガス、窒素ガス、あるいはこれらガスの混合気体のいずれかであり、前記酸化防止流体は、前記レーザ光の伝播経路およびレーザ照射光学系の少なくとも一部を有する流体噴出装置に設けられ、前記レーザ光が通過する内側ノズル口および前記内側ノズル口よりも外側に配置された外側ノズル口を有する流体噴出ノズルにより、前記外側ノズル口から前記レーザ光の照射方向とほぼ同方向に前記被測定物表面へ絞られて噴出され、また前記内側ノズル口から吸収されることを特徴とするレーザ超音波送信方法である。

本発明に係るレーザ超音波送信装置は、上述した課題を解決するために、被測定物表面に照射される送信レーザ光を出力する送信レーザ光源と、この送信レーザ光源から出力された送信レーザ光を所望の集光条件で前記被測定物の表面に照射し、アブレーション現象により被測定物内に超音波を発生させて超音波信号を送信させるレーザ照射光学系と、前記被測定物近傍に配置され、前記照射光学系によって前記被測定物表面に照射された前記送信レーザ光の照射位置およびその近傍を、表面酸化に対して不活性な酸化防止流体を流す流体噴出装置とから構成され、前記酸化防止流体が、ヘリウムガス、ネオンガス、アルゴンガス等の不活性ガス、窒素ガス、あるいはこれらガスの混合気体のいずれかであり、前記流体噴出装置は、前記送信レーザ光の伝播経路および前記レーザ照射光学系の少なくとも一部を備えて前記送信レーザ光が通過する内側ノズル口および前記内側ノズル口よりも外側に配置される外側ノズル口を有し、前記外側ノズル口から前記送信レーザ光の照射方向とほぼ同方向に酸化防止流体が絞られて噴出され、また前記内側ノズル口から吸収される中空の流体噴出ノズルを備えたことを特徴とするものである。

本発明に係るレーザ超音波送信方法およびその送信装置においては、遠隔操作性、非接触性を損なうことなく、被測定物の送信レーザ光照射点の酸化を防止することができる。

本発明に係るレーザ超音波送信方法およびその送信装置の実施形態について添付図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
図１は、本発明に係るレーザ超音波送信装置の第１実施形態を説明する構成図である。

このレーザ超音波送信装置１０は、検査対象物である被測定物１１の表面に、レーザ発生装置としての送信レーザ光源１２から出力された送信レーザ光ＧＬを案内して照射し、走査するレーザ照射光学系１３と、送信レーザ光ＧＬが照射される照射位置およびその近傍に被測定物１１の表面に酸化防止流体Ｆを吹き付ける流体噴出装置１４と、流体噴出装置１４から噴出し、吹き付けられた流体Ｆを回収する流体回収装置１５とを有する。

送信レーザ光源１２はパルス状あるいは強度変調された送信レーザ光ＧＬを出力しており、出力された送信レーザ光ＧＬは、空間的に伝送されてミラーレンズの走査光学系からなるレーザ照射光学系１３を経由し、被測定物１１に照射される。被測定物１１に照射される送信レーザ光ＧＬは、対物レンズ１７等で集光条件が適宜定められて被測定物１１上に一次元あるいは二次元走査可能に照射される。

また、流体噴出装置１４は、送信レーザ光ＧＬの透過率が高く、かつ表面酸化に対し不活性な物質が用いられる。この物質にはＨｅガス、Ｎｅガス、Ａｒガス等の不活性ガスや窒素ガスあるいはこれらのガスの混合気体等の気体、あるいは被測定物１１の表面酸化に寄与する物質を含まない液体等の酸化防止流体Ｆがあり、この酸化防止流体Ｆは液体源１８に貯溜されている。この流体源１８に貯溜された酸化防止流体Ｆは流体伝送手段としての流体供給管あるいはホース１９を経て流体噴出ノズル（流体噴出手段）２０から被測定物１１の送信レーザ光ＧＬの照射点あるいは照射部またはその近傍に向けて噴出される。

流体供給管１９の途中には送信レーザ光の伝播に際し、散乱体となり得る塵芥、微粒子等の異物または酸化に寄与する物質を除去する濾過装置２１や必要に応じて設けられる流体ポンプ（図示せず）が設置される。流体ポンプの代りに流体源１８を加圧させてもよい。酸化防止流体Ｆがヘリウムガス等の不活性気体や窒素ガスの場合、流体噴出ノズル２０に代えて吹出ダクトであってもよい。

流体噴出装置１４は基本的に、酸化防止流体貯溜機能、その流体伝送機能、流体噴出機能から構成されるが、必要に応じてレーザ光伝播に際し散乱体となり得る微粒子や、酸化に寄与する物質等を除く濾過機能が具備される。なお、酸化防止流体が気体の場合、濾過機能の具体例としては、いわゆるフィルタだけでなく、表面酸化に寄与する物質である水分を取り除くための乾燥機能なども含まれる。なお、流体源１８は、それ自体が加圧されており自噴する流体源１８とその噴出を制御する流体制御手段としての流量制御機能で構成されるものでもよいし、流体ポンプなどの流体駆動機能と流体源１８から構成されるものでも良い。

流体噴出ノズルあるいは吹出ダクト２０から噴出された酸化防止流体Ｆは、必要に応じて設けられる流体回収装置１５で回収される。酸化防止流体Ｆの供給、回収は、図１に示される流路形態ではなく、酸化防止流体Ｆの循環形態を採用し、酸化防止流体Ｆが循環サイクルを描くように構成してもよい。

酸化防止流体Ｆとしてヘリウムガス等の不活性ガスで、かつ、大きな熱伝導率を有する物質を選択すると、被測定物１１表面の酸化防止だけでなく、送信レーザ光ＧＬの伝播による光路の揺らぎも防止できる。被測定物１１を設置した環境雰囲気が空気である場合、アルゴン（Ａｒ）ガスを選択すると、その密度差を利用して光照射点近傍にＡｒガスを滞留させやすく、不活性雰囲気を形成・維持しやすいという利点がある。また、環境雰囲気が空気である場合、窒素ガスを選択すると、回収の必要性がなく、また密度差がないため光学的な屈折率の変化が小さいという利点がある。

一方、レーザ照射光学系１３により被測定物１１へ照射される送信レーザ光ＧＬのレーザ照射条件は、一例としてレーザ条件１のように設定される。
［レーザ条件１］
送信レーザ光の波長：５３２ｎｍ
送信レーザ光のパルス幅：５〜１０ｎｓ
送信レーザ光のパルスエネルギ：約３０ｍＪ

送信レーザ光ＧＬは、被測定物１１の表面を一次元あるいは二次元的に走査（平面走査）しながら、複数回照射される。送信レーザ光ＧＬを複数回照射した場合の被測定物１１の表面に与える影響を分析する。送信レーザ光ＧＬはパルスレーザ光であり、このパルスレーザ光のパルス幅を１ｎｓ〜１０ｎｓ、パルスエネルギを１００μＪ〜１Ｊの範囲内で設定してもよい（レーザ光条件２）。

被測定物１１として代表的な金属材料である例えばステンレス鋼板を選定した場合、［レーザ条件１］は、良好なレーザ超音波信号が得られる標準的な条件となる。

被測定物表面に付与される送信レーザ光ＧＬの影響は、
・外観変化
・表面粗さ
・金属組織観察（ミクロ観察）
・硬さ測定（被測定物の深さ方向分布）
・金属組成分析
の各々の観点から分析され、分析した結果は図２ないし図６に示されるように表示される。

図２に示されるように、縦横ｌ＊ｍ寸法、例えば１００ｍｍ×５０ｍｍの矩形プレート状の被測定物１１の表面に矩形（ｍ＊ｎ寸法）、例えば５０ｍｍ×２０ｍｍの照射領域２３を設定し、この照射領域２３に送信レーザ光源１２から例えば［レーザ光条件１］で送信レーザ光ＧＬを照射し、二次元走査（平面走査）させる。送信レーザ光ＧＬの照射により、被測定物１１の照射領域２３が酸化反応により黒色化し、表面が酸化する。

また、［レーザ条件１］で照射した被測定物１１の表面においては、図３ないし図５に示すように、表面粗さ、表面近傍の金属組織、硬さ分布には、照射領域２３と未照射領域２４との間に有意な変化は見られない。この変化は、図６（Ａ），（Ｂ）に示すように金属組織において見られる。特に、金属組織に関しては、送信レーザ光ＧＬの照射により被測定物１１の表層から深さ方向に約５００ｎｍの範囲で酸化することがわかり、図６（Ａ）からこの酸化の程度は表層から１００ｎｍの深さ範囲で大きいことがわかる。

このｎｍオーダの金属組成変化が、被測定物１１の材料の強度、機能等に与える影響は極めて小さいと推定される。一方、被測定物１１の表面の色変化は、構造材等では問題となっていないものの、被測定物１１の外観上の問題となる。

このレーザ超音波送信装置１０は、被測定物１１の表面に送信レーザ光ＧＬを照射すると、この送信レーザ光ＧＬの照射の影響が被測定物１１の表層にアブレーション現象を生じさせ、送信レーザ光ＧＬの照射部から被測定物１１内に超音波ＵＳを生成させ、レーザ超音波送信を実現することができる。

図１に示されたレーザ超音波送信装置１０では、被測定物１１の表面の黒色変化をもたらす酸化を防止するため、被測定物１１の表面に流体噴出装置１４から酸化防止流体Ｆを噴出させる。酸化防止流体Ｆは、表面酸化に寄与する物質を含まず、かつ送信レーザ光ＧＬの波長に対して高い光透過率を有する酸化防止流体Ｆを噴出させ、送信レーザ光ＧＬの照射点（アブレーション発生位置である照射位置およびその近傍）の酸化を防止することができる。

次に、レーザ超音波送信装置の作用を説明する。

このレーザ超音波送信装置１０は、送信レーザ光源１２を起動させると、この送信レーザ光源１２からパルス状あるいは強度変調された送信レーザ光ＧＬが出力される。出力された送信レーザ光ＧＬは、レーザ照射光学系１３で適宜集光されて被測定物１１の表面に照射され、この表面上で二次元（平面）走査される。

一方、流体噴出装置１４の流体源１８から酸化防止流体Ｆ、例えばヘリウムガス（Ｈｅ）等の不活性ガスが被測定物１１上の送信レーザ光ＧＬの照射点、照射部およびその付近に向けて吹き出され、送信レーザ光ＧＬの照射点の酸化を防止している。

被測定物１１の表面に照射される送信レーザ光ＧＬの照射条件の一例として［レーザ条件１］に設定した条件が用いられる。被測定物１１の表面への照射条件は種々の態様が考えられる。

送信レーザ光ＧＬを被測定物１１に照射させることで、被測定物１１の表層にアブレーション現象が生起されて超音波が発生し、この超音波ＵＳは被測定物１１内に放射状に送信される。

このレーザ超音波送信装置１０においては、被測定物１１に照射される送信レーザ光ＧＬの照射条件は種々考えられ、送信レーザ光ＧＬの照射の影響で被測定物１１の表層にアブレーション現象を生じさせるものであれば、如何なる照射条件にも適用できる。

具体的には、送信レーザ光源１２として波長５３２ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザ第２高調波光源だけでなく、その基本波や高調波を含む固体レーザ光源、エキシマレーザ光源、炭酸ガスレーザなどガスレーザ光源、パルスレーザ光源、半導体レーザ光源など、被測定物１１表面にアブレーション現象を発生させるいずれかのレーザ光源を用いた場合にも適用できる。

また、送信レーザ光ＧＬのパルス幅に関しても、５〜１０ｎｓのＱスイッチ発振だけでなく、ピコ秒やフェムト秒発振の極短パルスレーザ光源、数百ナノ秒から数百マイクロ秒のロングパルスレーザ光源においても、被測定物１１表面にアブレーション現象が発生する場合の表面酸化防止に適用できる。

このレーザ超音波送信装置１０は、このように構成すれば、遠隔走査可能で非接触という特長を保持したまま、被測定物１１の材質に与える影響がごく小さいアブレーションモードによるレーザ超音波送信を実現することが可能となる。

［第２実施形態］
本発明に係るレーザ超音波送信装置の第２実施形態を図７および図８を参照して説明する。

図７は、レーザ超音波送信装置の第２実施形態を説明する構成図である。このレーザ超音波送信装置１０Ａは送信レーザ光源１２から出力される送信レーザ光ＧＬを光ファイバ２５にてケーブル送信し、レーザ照射光学系２７に案内される。レーザ照射光学系２７は、光ファイバ２５が接続される筒状レンズホルダ２８内にレンズ光学系２９が組み込まれ、このレンズ光学系２９で送信レーザ光ＧＬは一旦拡開されて平行光となった後、被測定物１１の表面上に適宜集光条件で絞り込まれて照射される。

一方、レーザ照射光学系２７は流体噴出ノズル３３の筒状本体３４に格納されている。レーザ照射光学系２７の筒状レンズホルダ２８は中空の流体噴出ノズル３３内に、図８に示すように平面視クロス状のバー状サポートブリッジ３５等の固定手段で、略同心円状に保持される。

一方、流体噴出ノズル３３は、流体伝送用ホース３７を介して加圧された流体源１８に接続されて流体噴出装置３８が構成される。加圧流体源１８から供給された酸化防止流体Ｆは、流体噴出ノズル３３に導かれ、そのノズル口３９から被測定物１１の表面に噴出される。流体噴出ノズル３３の流路断面積は、酸化防止流体Ｆの流れ方向に従って小さくなる（絞られる）先細構造を有する。

流体噴出ノズル３４のノズル口３９は先端がレーザ照射光学系２７の先端より長さＬだけ被測定物１１に近い位置まで延びている。流体噴出ノズル３３のノズル形状は、筒状本体３４の口径φ_１が最終的にノズル口３９の口径φ_２（φ_１＞φ_２）となるように先端に向って絞られる構造としてもよい。

このレーザ超音波送信装置１０Ａでは、送信レーザ光源１２から出力される送信レーザ光ＧＬを光ファイバ２５でケーブル伝送する例を示したが、流体噴出ノズル３３に適当な光学窓（透過窓）を設けることで送信レーザ光ＧＬをケーブル伝送に代えて光ファイバを用いない空間伝送としてもよい。

次に、図７および図８に示したレーザ超音波送信装置１０Ａの作用を説明する。

このレーザ超音波送信装置１０Ａにおいては、送信レーザ光源１２を発振させると、この送信レーザ光源１２から出力される送信レーザ光ＧＬは、光ファイバ入射用光学系３０、光ファイバ２５を経由してレーザ照射光学系２７に導かれ、このレーザ照射光学系２７によって適当な集光条件で被測定物１１に照射される。

一方、レーザ照射光学系２７は中空の流体噴出ケーブル３３に格納されており、この流体噴出ノズル３３の筒状本体３４内に加圧された流体源１８からの酸化防止流体Ｆが流体伝送用ホース（流体供給管）３７を介して供給され、筒状本体３４に供給された酸化防止流体Ｆは、ノズル口３９から被測定物１１の送信レーザ光ＧＬの照射部に向けて吹き出され、照射部を酸化防止流体Ｆで覆い、被測定物１１の表面酸化を防止している。

また、レーザ照射光学系２７から被測定物１１の表面に送信レーザ光ＧＬを照射し、この送信レーザ光ＧＬを被測定物１１の表面上に必要に応じ一次元あるいは二次元走査している。送信レーザ光ＧＬを被測定物１１に照射すると、送信レーザ光ＧＬの照射の影響が被測定物１１の表面に及び、被測定物１１の表層にアブレーション現象を生じさせ、このアブレーション現象により被測定物１１内に超音波信号を発生させる。発生した超音波は被測定物１１内を超音波信号となって中心に放射状に送信される。

その際、レーザ照射光学系２７は流体噴出ノズル３３内に共通軸を有するように同心円状に収容され、酸化防止流体Ｆは送信レーザ光ＧＬと同軸で余分なスペースを取ることなくノズル口３９から吹き出され、送信レーザ光ＧＬの照射部及び照射点付近を酸化防止流体で覆って照射点の酸化を効率的に防止することができる。流体噴出装置３８は、送信レーザ光ＧＬの伝播経路およびレーザ照射光学系２７の少なくとも一部を共有し、送信レーザ光ＧＬの照射方向と同じ方向に酸化防止流体Ｆを噴出させている。

また、流体噴出ノズル３３に収容されるレーザ照射光学系２７を保持する固定手段としてのクロスバー状サポートブリッジ３５の断面形状を、翼状構造あるいはフィン形状に構成し、レーザ照射光学系２７の下流側の酸化防止流体Ｆに、乱流あるいは回転流、ヘリカル流の流れを生じさせてもよい。さらに、流体噴出ノズル３３のノズル口３９を複数個に分岐させ、各ノズル口から酸化防止流体Ｆをリニア状あるいはリング状に吹き出すようにしてもよい。

［第３実施形態］
本発明に係るレーザ超音波送信装置の第３実施形態を図９を参照して説明する。

図９は、レーザ超音波送信装置１０Ｂの第３実施形態を説明する構成図である。この実施形態に示されるレーザ超音波送信装置１０Ｂは、流体噴出ノズル４０の流体噴出構造を第２実施形態に示されたレーザ超音波送信装置１０Ａと異にし、他の構成は実質的に異ならないので、同じ構成には、同じ符号を付して説明を省略する。

流体噴出ノズル４０は、ノズル口側に被測定物１１を覆うチャンバボックス４１を備え、チャンバボックス４１内に酸化防止流体Ｆの雰囲気を形成する流体滞留チャンバ４４を形成したものである。このチャンバボックス４１は流体噴出ノズル４０の先端部に流体滞留構造を構成しており、チャンバボックス４１により、酸化防止流体Ｆを送信レーザ光ＧＬの照射位置およびその近傍に滞留させている。

このレーザ超音波送信装置１０Ｂにおいても、送信レーザ光源１２が発振されると、送信レーザ光源１２から出力された送信レーザ光ＧＬは、光ファイバ入射用光学系３０、光ファイバ２５を経由してレーザ照射光学系４０に導かれ、レーザ照射光学系４０によって適切な集光条件で被測定物１１に照射される。ここで、レーザ照射光学系４０は中空の流体噴出ノズル４０の内部に設置され、流体伝送用ホース３７によって加圧された流体源１８に接続される。

一方、流体噴出ノズル４０は吹出口（ノズル口）側にチャンバボックス４１を、被測定物１１の表面を部分的に覆うように設けられ、内部に酸化防止流体Ｆを滞留させる滞留チャンバ４４を構成しており、酸化防止流体Ｆは、流体噴出ノズル４０のノズル口側チャンバ構造（流体滞留構造）により、送信レーザ光ＧＬの照射光を覆うようにある程度滞留され、照射点の酸化を有効的に防止している。

第３実施形態に示されるレーザ超音波送信装置１０Ｂにおいては、送信レーザ光源１２からの送信レーザ光ＧＬを光ファイバ２５を用いてケーブル伝送する例を示したが、流体噴出ノズル４０に適当な光学窓を設けることで、光ファイバを用いない空間伝送させることができ、空間伝送された送信レーザ光に対しても同様な作用効果を奏する。

このレーザ超音波送信装置１０Ｂは、被測定物１１の表面に照射される送信レーザ光ＧＬの照射点付近を、流体源１８から供給される酸化防止流体Ｆを吹き出させることができるので、被測定物１１の酸化を効率よく、有効的に防止できる。

（第１実施例）
第３実施形態の第１実施例として、レーザ超音波送信装置１０Ｂ_１の流体噴出ノズル４０Ａのノズル口（吹出口）側に設けられるチャンバボックス４１Ａを送信レーザ光ＧＬの光軸に対し非対称形状に成形し、チャンバボックス４１Ａ内に形成される滞留チャンバ４４Ａを光軸に対し非対称とすることで、滞留チャンバ４４Ａ内の酸化防止流体Ｆの流れも非対称となる。送信レーザ光ＧＬの照射点が滞留チャンバ４４Ａの中心位置となる配置よりも、滞留チャンバ４４Ａ内で酸化防止流体Ｆの渦流や旋回流を積極的に生じさせて、送信レーザ光ＧＬの照射点およびその近傍付近の酸化を効率よく防止することができる。

他の構成は、図９に示されたレーザ超音波送信装置１０Ｂの構成および作用と異ならないので、同じ構成には同一符号を付して説明を省略する。

（第２実施例）
第３実施形態の第２実施例として、図１１に示されるレーザ超音波送信装置１０Ｂ_２がある。

このレーザ超音波送信装置１０Ｂ_２は、流体噴出ノズル４０のノズル口（吹出口）側に形成されるチャンバボックス４１に弾性シール材を設けた密閉手段４６を設け、この密閉手段４６により被測定物１１を内包する空間を密閉構造に構成したものである。

この場合、被測定物１１はチャンバボックス４１により気密（あるいは液密）に覆われ、チャンバボックス４１内の滞留チャンバ４４Ａが気密に構成される。気密の滞留チャンバ４４Ａにより、滞留チャンバ４４Ａ内に多量の酸化防止流体Ｆを供給しなくても、酸化防止流体Ｆを、より一層効率的に滞留させることができ、被測定物１１の表面のレーザ光照射点およびその近傍付近を有効的に少量の酸化防止流体Ｆで酸化を防止することができる。

なお、第２実施例では、流体噴出ノズル４０のチャンバボックス４１内に被測定物１１を収納させた例を示したが、被測定物の表面が大きな場合には、流体噴出ノズル４０を被測定物１１上に気密（あるいは液密）に載置させた密閉構造としてもよい。

［第４実施形態］
図１２は、本発明に係るレーザ超音波送信装置の第４実施形態を示す構成図である。

この実施形態に示されたレーザ超音波送信装置１０Ｃは、二重筒構造の流体噴出ノズル５０を備え、酸化防止流体Ｆを被測定物１１の照射領域を強制的に循環させるように構成した技術が、第２実施形態に示されたレーザ超音波送信装置１０Ａと異なり、他の構成は実質的に異ならないので同じ構成には同一符号を付して詳細な説明を省略する。

流体噴出ノズル５０は、外筒５１と内筒５２とが共通軸を有するように同心円状に配設されて多重筒構造、例えば二重筒構造に構成され、内筒５２内にレーザ照射光学系２７が収容される。レーザ照射光学系２７は内筒５２内にクロスバー状のサポートブリッジ３５等の固定手段を介して保持される。流体噴出ノズル５０は、レーザ照射光学系２７の筒状レンズホルダ２８を含めると、三重筒構造を構成している。

流体噴出ノズル５０の内筒５２は外筒５１の頂部を貫いて図１２において上方に突出し、その突出部に流体回収管５３が接続される。この流体回収管５３の他端側は流体回収装置１５に接続される。

一方、流体噴出ノズル５０の外筒５１には、加圧された流体源１８に接続される流体伝送用ホース（液体供給管）３７が接続される。流体源１８から流体伝送ホース３７を通って流体噴出ノズル５０に供給される酸化防止流体は、外筒５１と内筒５２との間の環状あるいはスリーブ状外側流体流路５４を経て外側ノズル口５５から絞り込まれて被測定物１１の表面に向けて吹き出される一方、この吹き出された酸化防止流体Ｆは被測定物１１の表面で流れの向きを変え、反転して内側ノズル口５６に吸い込まれる。内側ノズル口５６に吸い込まれた流体は、内筒５２と筒状レンズホルダ２８の間の環状あるいはスリーブ状の内側流体流路５７を経て上昇し、内側流体流路５７の頂部から流体回収管５３を経て流体回収装置１５に吸い込まれ、強制的に回収される。

また、レーザ照射光学系２７から被測定物１１の表面に向け、絞られて照射される送信レーザ光ＧＬの光軸は、流体噴出口５０の各ノズル口５５，５６と共通軸を有するように、同心円状に構成される。

さらに、流体噴出ノズル５０は、ノズル口５５，５６の吹出口側と吸込口側とを逆にし、内側ノズル口５６から吹き出し、外側ノズル口５５から吸い込むように構成してもよい。

次に、レーザ超音波送信装置１０Ｃの作用を説明する。

このレーザ超音波送信装置１０Ｃは送信レーザ光源１２を駆動させると、送信レーザ光源１２から送信レーザ光ＧＬが発振される。送信レーザ光源１２から出力された送信レーザ光ＧＬは、光ファイバ入射用光学系３０、光ファイバ２５を経由してレーザ照射光学系２７に導かれ、このレーザ照射光学系２７によって適切な集光条件で被測定物１１の表面に絞られて照射される。

一方、レーザ照射光学系２７は流体噴出ノズル５０の内筒５２内に収容される。流体噴出ノズル５０の外筒５１内には加圧された流体源１８から流体伝送用配管３７を経由して酸化防止流体Ｆが導かれ、この流体Ｆは外筒５１と内筒５２の間の環状外側流体流路５４から外側ノズル口５５を経て吹き出される。吹き出された酸化防止流体Ｆは被測定物１１の表面で流路を変更して反転し、内側ノズル口５６から吸い込まれる。

その際、外側流体流路５４と内筒５２内に形成される内側流体流路５７は互いに独立して同心状に構成され、外側（外環）流体流路５４を通って被測定物１１の送信レーザ光ＧＬの照射点およびその近傍に吹き出される。一方、内側流体流路５７は流体回収配管５３を介して流体回収装置１５に接続されており、その流体回収機能の吸引力により、送信レーザ光ＧＬの照射点およびその近傍に吹き付けられた流体Ｆは、内側流体流路５７に吸引され、流体回収装置１５に回収される。

この外側流体流路５４と内側流体流路５７による酸化防止流体Ｆの吹出し、吸込み構造に構成し、酸化防止流体Ｆを送信レーザ光ＧＬの照射点領域に新しい酸化防止流体Ｆを吹き出させる構造とすれば、照射点付近に酸化防止流体Ｆを吹き出させることができる。

酸化防止流体Ｆを周辺の環境に放出したくない場合に適した構造となる。

また、レーザ照射光学系２７から照射された送信レーザ光ＧＬの照射点およびその近傍付近では、送信レーザ光ＧＬの照射の影響で被測定物１１の表層にアブレーション現象を生じさせ、被測定物１１の内部に照射点をポイントとして超音波ＵＳを放射状に発生させ、被測定物１１の内部に送信させることができる。

レーザ超音波送信装置１０Ｃをこのような構成にすれば、遠隔操作による非接触という特徴を保持したまま、被測定物１１の材質に与える影響が極く小さいアブレーションモードによるレーザ超音波送信を実施することができる。

また、このレーザ超音波送信装置１０Ｃは流体噴出ノズル５０内に外側（外環）流体流路５４と内側流体流路５７の二重流路構造とし、一方を往路に他方を復路に利用した例を示した。二重流路構造を流速差のある２つの噴出流路として用いてもよい。このようにすれば、外側の速い流体流によって内側から噴出する遅い流体流が閉じ込められ、より効果的に送信レーザ光ＧＬの照射点およびその近傍付近の酸化を防止することが可能となる。

［第５実施形態］
図１３は本発明に係るレーザ超音波送信装置の第５実施形態を説明する構成図である。

この実施形態に示されたレーザ超音波送信装置は送信レーザ光源１２の発振タイミングに基づいて流体制御手段６０を制御駆動する制御装置６１を備えたものであり、他の構成および作用は第１実施形態で説明したレーザ超音波送信装置１０と異ならないので、同じ構成には同一符号を付して説明を省略する。

図１３に示されたレーザ超音波送信装置１０Ｄは、流体噴出装置１４の流体源１８から噴出した酸化防止流体Ｆで覆って照射点およびその近傍付近の酸化を防止するものである。

送信レーザ光ＧＬは、送信レーザ光源１２で発振されて出力され、レーザ照射光学系１３を経由して適宜集束条件で絞られて被測定物１１の表面に照射され、走査される。照射された送信レーザ光ＧＬにより被測定物１１の表面にアブレーション現象が生起され、被測定物１１の材質に与える影響が極く小さいアブレーションモードによるレーザ超音波送信を実施することができる。

第５実施形態に示されたレーザ超音波送信装置１０Ｄは、流体噴出装置１４の内部に、例えば流体送信用ホース３７に酸化防止流体の流れを制御する流体制御手段６０、例えば流量調整弁や電磁弁を備え、送信レーザ光源１２から出力される送信レーザ光ＧＬの発信タイミング信号に基づいて制御装置６１により流体制御手段６０の作動制御を行なうものである。

具体的には、送信レーザ光源１２から送信レーザ光ＧＬがパルス状に発振する場合、この送信レーザ光ＧＬの照射により、被測定物１１上でアブレーション現象が発生するタイミングに合せて、送信レーザ光ＧＬの照射点領域が酸化防止流体が吹き出されるように、酸化防止流体Ｆの流れを流体制御手段６０でＯＮ／ＯＦＦ制御あるいは調整制御することで、酸化防止流体Ｆを効率よく有効的に使用できるようにしたものである。

［第６実施形態］
図１４は本発明に係るレーザ超音波送信装置の第６実施形態を説明する構成図である。

この実施形態に示されたレーザ超音波送信装置１０Ｅは、レーザ超音波送信機能とレーザ超音波受信機能とを組み合せた利用例を示すもので、レーザ超音波受信装置６３を備える。他の構成および作用は、第５実施形態に示されたレーザ超音波送信装置１０Ｄと実質的に異ならないので、同じ構成には同一符号を付してその説明を省略する。

第６実施形態に示されたレーザ超音波送信装置１０Ｅには、レーザ超音波受信装置６３が併設されて備えられ、両装置１０Ｅおよび６３は組み合せて利用される。

レーザ超音波受信装置６３は、送信レーザ光源１２と連動する受信レーザ光源６４を有し、この受信レーザ光源６４から発振され、出力された受信レーザ光ＤＬが受信用照射光学系６５を経由して対物レンズ６６から被測定物１１の表面上に適宜集光されて照射される。被測定物１１の表面上に照射された受信レーザ光ＤＬの反射・散乱成分は対物レンズ６６を集光レンズとして機能させることで、集光される。集光された反射・散乱成分は、ハーフミラー等のビームスプリッタ６７により光干渉計６８に入力させ、この光干渉計６８にて超音波信号成分を受信し、検出するようになっている。

一方、送信レーザ光源１２から出力された送信レーザ光ＧＬは、レーザ照射光学系１３を経由して被測定物１１の表面上に絞られて照射され、被測定物１１の表層付近にアブレーション現象を生じさせる。送信レーザ光ＧＬの照射影響によるアブレーション現象を利用することにより、被測定物１１の内部に超音波ＵＳが発生し、発生した超音波信号が被測定物１１内を送信される。

このレーザ超音波送信装置１０Ｅは、レーザ超音波受信装置６３と組み合せて用いることで、レーザ照射光学系１３から被測定物１１の表面に照射された送信レーザ光ＧＬによるアブレーション現象により、被測定物１１内に発生した超音波は、被測定物１１内を放射状に送信される。送信された超音波は、受信照射光学系６５から照射される受信レーザ光ＤＬの反射・散乱成分に影響を与え、受信レーザ光ＤＬの反射・散乱成分を集光させ、この反射・散乱成分を光干渉計６８で測定することにより検出される。

第６実施形態に示されたレーザ超音波送信装置１０Ｅを併設されたレーザ超音波受信装置６３と組み合せて利用することにより、完全遠隔操作により非接触で、かつ被測定物１１の材質に与える影響が小さいアブレーションモードによるレーザ超音波送受信を実施することができる。レーザ超音波送受信により、被測定物１１の内部をアブレーション現象により発生した超音波の伝播状態を分析することで、被測定物１１材料の表面亀裂や巣等の内在欠陥を、遠隔操作により非接触で非破損検査することができる。

本発明に係るレーザ超音波送信装置の第１実施形態を説明する構成図。 レーザ光照射する被測定物の照射領域の一例を示す図。 レーザ照射した場合の被測定物表面粗さ変化の一例を示す図。 レーザ照射した場合の被測定物表面近傍の金属組織相変化の一例を示す図。 レーザ照射した場合の被測定物硬さの深さ分布変化の一例を示す図。 前記レーザ超音波送信装置によりレーザ照射した場合の被測定物組成の深さ分布変化の一例を照射領域と未照射領域とを比較して示す図。 本発明に係るレーザ超音波送信装置の第２実施形態を示す構成図。 図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿う平断面図。 本発明に関わるレーザ超音波送信装置の第３実施形態を示す構成図。 本発明に係るレーザ超音波送信装置の第３実施形態の第１実施例を示す構成図。 本発明に係るレーザ超音波送信装置の第３実施形態の第２実施例を示す構成図。 本発明に係るレーザ超音波送信装置の第４実施形態を示す構成図。 本発明に係るレーザ超音波送信装置の第５実施形態を示す構成図。 本発明に係るレーザ超音波送信装置の第６実施形態を示す構成図。 従来のレーザ超音波送信装置を示す図。

符号の説明

１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｂ_１，１０Ｂ_２，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ レーザ超音波送信装置
１１ 被測定物（検査対象物）
１２ 送信レーザ光源（パルスレーザ光源）
１３ レーザ照射光学系（送信レーザ用）
１４ 流体噴出装置
１５ 流体回収装置
１７ 対物レンズ
１８ 流体源
１９ 流体供給管（ホース、ダクト）
２０ 流体噴出ノズル（吹出ダクト）
２１ 濾過装置
２３ 照射領域
２４ 未照射領域
２５ 光ファイバ
２７ レーザ照射光学系
２８ 筒状レンズホルダ
２９ レンズ光学系
３０ 光ファイバ入射光学系
３３ 流体噴出ノズル
３４ 筒状本体
３５ サポートブリッジ
３７ 流体伝送用ホース（流体供給管）
３８ 流体噴出装置
３９ ノズル口
４０ 流体噴出ノズル
４１，４１Ａ チャンバボックス
４４，４４Ａ 滞留チャンバ
５０ 流体噴出ノズル
５１ 外筒
５２ 内筒
５３ 流体回収管
５４ 外側流体流路
５５ 外側ノズル口
５６ 内側ノズル口
５７ 内側流体流路
６０ 流体制御手段
６１ 制御装置
６３ レーザ超音波受信装置
６４ 受信レーザ光源
６５ 受信用照射光学系（受信レーザ用）
６６ 対物レンズ（集光レンズ）
６７ ビームスプリッタ
６８ 光干渉計

Claims (5)

1. 被測定物表面へのレーザ光の照射で発生するアブレーション現象を利用して超音波信号を被測定物に発生させるレーザ超音波送信方法において、
   前記被測定物表面における前記アブレーションの発生位置およびその近傍に前記レーザ光が照射し、かつ、表面酸化に対して不活性な酸化防止流体を流し、
   前記酸化防止流体が、ヘリウムガス、ネオンガス、アルゴンガス等の不活性ガス、窒素ガス、あるいはこれらガスの混合気体のいずれかであり、
   前記酸化防止流体は、前記レーザ光の伝播経路およびレーザ照射光学系の少なくとも一部を有する流体噴出装置に設けられ、前記レーザ光が通過する内側ノズル口および前記内側ノズル口よりも外側に配置された外側ノズル口を有する流体噴出ノズルにより、前記外側ノズル口から前記レーザ光の照射方向とほぼ同方向に前記被測定物表面へ絞られて噴出され、また前記内側ノズル口から吸収されることを特徴とするレーザ超音波送信方法。
2. 被測定物表面に照射される送信レーザ光を出力する送信レーザ光源と、
   この送信レーザ光源から出力された送信レーザ光を所望の集光条件で前記被測定物の表面に照射し、アブレーション現象により被測定物内に超音波を発生させて超音波信号を送信させるレーザ照射光学系と、
   前記被測定物近傍に配置され、前記照射光学系によって前記被測定物表面に照射された前記送信レーザ光の照射位置およびその近傍を、表面酸化に対して不活性な酸化防止流体を流す流体噴出装置とから構成され、
   前記酸化防止流体が、ヘリウムガス、ネオンガス、アルゴンガス等の不活性ガス、窒素ガス、あるいはこれらガスの混合気体のいずれかであり、
   前記流体噴出装置は、前記送信レーザ光の伝播経路および前記レーザ照射光学系の少なくとも一部を備えて前記送信レーザ光が通過する内側ノズル口および前記内側ノズル口よりも外側に配置される外側ノズル口を有し、前記外側ノズル口から前記送信レーザ光の照射方向とほぼ同方向に酸化防止流体が絞られて噴出され、また前記内側ノズル口から吸収される中空の流体噴出ノズルを備えたことを特徴とするレーザ超音波送信装置。
3. 前記流体噴出ノズルは、一方が酸化防止流体を保持するための流体源、他方が前記酸化防止流体を回収するための流体回収手段に接続された二重流体流路構造を内部に有することを特徴とする請求項２に記載のレーザ超音波送信装置。
4. 前記流体噴出装置は、酸化防止流体を保持するための流体源と、
   この流体源から流出する酸化防止流体を伝送する流体伝送手段と、
   この流体伝送手段にて伝送された酸化防止流体を前記送信レーザ光の照射位置およびその近傍に噴出する前記外側ノズル口を配置した流体噴出手段とを有するとともに、
   前記流体噴出装置は、前記送信レーザ光の伝播に際し散乱体となり得る微粒子および酸化に寄与する物質の少なくとも一方を取り除く濾過手段を前記流体伝送手段に備えたことを特徴とする請求項２に記載のレーザ超音波送信装置。
5. 前記流体源からの流体の流出を制御する流体制御手段と、前記送信レーザ光の発振タイミングに基づいて前記流体制御手段の動作を制御する制御装置とを有することを特徴とする請求項３または４に記載のレーザ超音波送信装置。

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