JP5580426B2

JP5580426B2 - 金属組織並びに材質の計測装置及び計測方法

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Publication number: JP5580426B2
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Inventors: 光彦佐野
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Filing date: 2010-10-15
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Description

本発明は、パルスレーザー光により励起される超音波による金属組織並びに材質の金属組織並びに材質の計測装置及び計測方法に関する。

超音波による金属組織並びに材質の計測は広く行われてきた。たとえば、特許文献１には、超音波を励起、鋼板内を伝播させると、鋼板の結晶粒径によって減衰特性が異なるという原理を利用して、鋼板の結晶粒径を測定する結晶粒径測定装置が開示されている。

超音波の減衰、結晶粒径、及び、超音波の周波数は、一般的に以下の（式１）に示した散乱則に従うことが知られている。

ここで、αは超音波の減衰率(dB/mm)、Dは結晶粒径(mm)、fは超音波の周波数(MHz)、ｎは散乱形態を示す係数であり通常1〜4程度である。

即ち、超音波の周波数が高くなるにつれ、結晶粒での散乱による減衰が大きくなり、その傾向は結晶粒径が大きいほど著しくなる。そこで、この減衰率の違いに基づいて金属材の材質、例えば結晶粒径の計測が可能となる。

ここで、被測定材において超音波を励起させるには、圧電振動子による方法（第１の方法）、電磁力による方法（第２の方法）、パルスレーザー光による方法（第３の方法）などが知られている。このうち、第１の方法は、音響特性を整合させた媒質（液体）を介して圧電振動子を被測定材に密着させる必要があり、また、励起される超音波の周波数は通常、数MHz程度以下である。第２の方法は、非接触での超音波励起が可能であるが、被測定材との間隔（スタンドオフ距離）は通常数ミリ程度に限られ、また、被測定材は磁性体である必要がある。すなわち、第２の方法は、非磁性体である熱間加工中（熱間オーステナイト組織）の炭素鋼や、同じく非磁性体であるステンレス鋼の検査には適用することができない。

これらに対し、第３の方法は、非接触測定が可能で、スタンドオフ距離を大きく(数100mm)とることができ、非磁性体の測定も可能であるという利点があるため、広く用いられている。

特開２００６−８４３９２号公報

しかしながら、例えば上記の結晶粒径の計測において、励起される超音波の周波数が高すぎると、結晶粒での散乱による減衰率が大きすぎるために、励起された超音波が検出点に到達する前に微弱となり、検出した超音波波形の信号ノイズ比が悪化し、計測精度が低下する。一方、励起される超音波の周波数が低すぎると、結晶粒径と相関性のない、超音波の拡散による減衰が著しくなるので、やはり計測が困難となってしまう。

そこで、金属組織並びに材質の計測においては、励起される超音波の周波数を適正に選択する必要がある。

しかしながら、第３の方法により励起された超音波の周波数分布は、主に使用するパルスレーザー光のパルス幅などの装置固有の因子に応じて決まる。これはパルスレーザー発振器の構造に依存するため変更することは容易ではないので、測定対象に応じて、適正な周波数の超音波を励起させることは事実上困難であった。

例えば、動作が安定し、産業用に広く用いられているQスイッチ固体パルスレーザー発振器から出力されるパルスレーザー光のパルス幅は、通常、数ナノ秒以上である。このようなパルスレーザー光を被測定材に照射すると、励起される超音波は半波長のパルス超音波であり、その周波数成分は、主に２０〜５０（ＭＨｚ）付近にピークを持ち、１０〜１００（ＭＨｚ）に亘る拡がりをもつ。よく知られるように、フーリエ変換やウェーブレット変換などの周波数分析の手法によれば、検出した波形から特定の周波数成分を取り出すことができる。しかし、これらの手法には、解析対象とする現象の記録時間が短いほど、周波数分解能が低下する性質がある。半波長のパルス超音波の記録時間は極めて短いので、周波数分解能が低くなり、このため、他の周波数成分の混在を避けることは困難であった。

また、特に高周波数の成分については、その振幅強度が小さいので、信号／ノイズ比が低かった。これらにより、金属組織並びに材質の計測、特に、金属材における結晶粒径の測定では精度が不十分となる問題があった。

また、パルス幅が１ナノ秒以下のパルスレーザー光を発振する短パルスレーザー発振器は市販されているものの、この短パルスレーザー発振器から発振されるパルスレーザー光のパルスあたりの光エネルギーは非常に小さいため、このパルスレーザー光で励起される超音波は微弱であり、十分な強度の検出信号が得られず、信号／ノイズ比が悪く、金属組織並びに材質の計測、特に、金属材における結晶粒径の測定では精度が不十分となる問題があった。

本発明は前記課題を鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、通常のパルス幅のパルスレーザー発振器を用いつつ、所望の周波数成分をより多く含み、１波長半以上の持続時間の超音波振動を励起させることにより、金属組織並びに材質の計測、特に、結晶粒径数ミクロン以下の金属材の結晶粒径をより高い精度で計測する金属組織並びに材質の計測装置及び材質計測方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明に係る金属組織並びに材質の計測装置の第１の特徴は、第１のレーザー光を発振するパルスレーザー発振器と、前記発振された第１のレーザー光を複数の分割光に分割する光分割部と、前記光分割部により分割された分割光をそれぞれ伝播させ、その光伝播時間が異なる複数の光路と、前記複数の光路をそれぞれ伝播した複数の分割光を被測定材の同一位置に重ねて照射する集光部と、前記被測定材に第２のレーザー光を照射し、前記被測定材から反射及び散乱された第２のレーザー光を基準光と干渉させて生じる光量変化に基づいて、前記複数の分割光により励起された複数の超音波が一部重ね合わされて得られる超音波を、被測定材の内部を伝播した後に、検出するレーザー干渉計部と、前記レーザー干渉計部により検出された複数の超音波の周波数による減衰の違いに基づいて、前記被測定材の金属組織及び材質を算出する波形解析部と、を備え、前記複数の分割光のうち、先に前記被測定材に到着した分割光と次に前記被測定材に到着した分割光とにおいて、前記被測定材への光伝搬時間の差をΔｔとし、前記第１のレーザー光のパルス幅をｔｐとし、先に前記被測定材に到着した分割光と次に前記被測定材に到着した分割光それぞれによって励起された超音波が一部重なり合うように定められた定数をａとすると、Δｔ＜ａ・ｔｐを満たすことを特徴とする。

本発明に係る金属組織並びに材質の計測装置の第２の特徴は、第１の特徴において、複数の光路のうち、少なくとも一つの光路の長さの差を変更する光路長変更部を更に備えたことにある。

本発明に係る金属組織並びに材質の計測装置の第３の特徴は、第１の特徴において、複数の光路のうち、少なくとも一つの光路上に高屈折率材を備えたことにある。

本発明に係る金属組織並びに材質の計測装置の第４の特徴は、第１の特徴において、複数の光路のうち、第１の光路とそれよりも光伝播時間が長い第２の光路との長さの差が、第２の光路とそれよりも光伝播時間が長い第３の光路との長さの差と異なることにある。

本発明に係る材質計測方法の第１の特徴は、第１のレーザー光を複数の分割光に分割し、前記分割光をそれぞれ光伝播時間が異なる複数の光路を伝播させ、前記複数の光路をそれぞれ伝播した複数の分割光を被測定材の同一位置に照射し、前記被測定材に第２のレーザー光を照射し、前記被測定材から反射及び散乱された第２のレーザー光を基準光と干渉させて生じる光量変化に基づいて、前記複数の分割光により励起された複数の超音波が一部重ね合わされて得られる超音波を、被測定材の内部を伝播した後に検出し、前記検出された超音波の周波数による減衰の違いに基づいて、前記被測定材の金属組織及び材質を算出し、前記複数の分割光のうち、先に前記被測定材に到着した分割光と次に前記被測定材に到着した分割光とにおいて、前記被測定材への光伝搬時間の差をΔｔとし、前記第１のレーザー光のパルス幅をｔｐとし、先に前記被測定材に到着した分割光と次に前記被測定材に到着した分割光それぞれによって励起された超音波が一部重なり合うように定められた定数をａとすると、Δｔ＜ａ・ｔｐを満たすことにある。

以上のように、本発明によれば、通常のパルス幅のパルスレーザー発振器を用いつつ、所望の周波数成分をより多く含み、１波長半以上の持続時間の超音波振動を励起させることにより、金属組織並びに材質の計測、特に、結晶粒径数ミクロン以下の金属材の結晶粒径をより高い精度で計測することができる。

本発明に係る第１の実施形態の金属組織並びに材質の計測装置の構成を示した図である。本発明に係る第１の実施形態の金属組織並びに材質の計測装置に備えられたレーザー干渉計の構成を示した図である。（Ａ）は、本発明に係る第１の実施形態の金属組織並びに材質の計測装置に備えられたパルスレーザー発振器により射出されたパルスレーザー光の一例を示した図であり、（Ｂ）は、本発明に係る第１の実施形態の金属組織並びに材質の計測装置により励起された超音波の一例を示した図である。本発明に係る第２の実施形態の金属組織並びに材質の計測装置の構成を示した図である。本発明に係る第３の実施形態の金属組織並びに材質の計測装置の構成を示した図である。本発明に係る第３の実施形態の金属組織並びに材質の計測装置３に備えられたハーフミラー２５の一例を示した図である。本発明に係る第４の実施形態の金属組織並びに材質の計測装置の構成を示した図である。本発明に係る第４の実施形態の金属組織並びに材質の計測装置に備えられたレーザー干渉計３３の構成を示した図である。本発明に係る第５の実施形態の金属組織並びに材質の計測装置の構成を示した図である。本発明に係る第６の実施形態の金属組織並びに材質の計測装置の構成を示した図である。本発明に係る第７の実施形態の金属組織並びに材質の計測装置の構成を示した図である。（Ａ）は、本発明に係る第７の実施形態の金属組織並びに材質の計測装置に備えられたパルスレーザー発振器により射出されたパルスレーザー光の一例を示した図であり、（Ｂ）は、本発明に係る第７の実施形態の金属組織並びに材質の計測装置７により励起された超音波の一例を示した図である。

本発明に係る各実施形態について、以下に図面を用いて説明する。

＜第１の実施形態＞
本発明に係る第１の実施形態では、金属材に、超音波を励起させて結晶粒径を計測する金属組織並びに材質の計測装置を例に挙げて説明する。

≪金属組織並びに材質の計測装置の構成≫
図１は、本発明に係る第１の実施形態の金属組織並びに材質の計測装置の構成を示した図である。

図１に示すように、本発明に係る第１の実施形態の金属組織並びに材質の計測装置１は、パルスレーザー発振器１１と、１／２波長板１２と、第１の偏光ビームスプリッター１３と、反射鏡１４，１５と、第２の偏光ビームスプリッター１６と、集光レンズ１７と、レーザー干渉計３０と、オシロスコープ３１と、波形解析コンピューター３２とを備えている。

パルスレーザー発振器１１は、Nd:YAG（ネオジウムドープイットリウム・アルミニウム・ガーネット）が採用されたQスイッチ固体パルスレーザー光源を備えており、パルス幅数ナノ秒〜１０数ナノ秒程度のパルスレーザー光２０１を発振する。なお、パルスレーザー光源は、例えば、半導体励起固体レーザー光源、パルスガスレーザー光源、ファイバーレーザー光源、半導体レーザー光源、フラッシュランプを採用してもよいし、これらの光源と、レーザー増幅器等を組み合わせて用いてもよい。また、Qスイッチ固体パルスレーザーの出力は、直線偏光であるが、後述のように偏光状態が異なっていても本発明を適用することは可能である。

１／２波長板１２は、直線偏光の偏光方向を回転させる光学素子であり、１／２波長板１２をパルスレーザー発振器１１より発振されたパルスレーザー光２０１の光軸回りに回転させると、偏光方向が回転角の２倍の角度だけ回転する。ここでは、後述する第１の偏光ビームスプリッター１３により分割される第１の分割光２０２の光量と第２の分割光２０３の光量との比が、１：１となるような角度で固定されている。

第１の偏光ビームスプリッター１３は、パルスレーザー光２０１の横偏光（紙面に平行な方向に偏光している）成分を第１の分割光２０２として透過させると共に、パルスレーザー光２０１の縦偏光（紙面に垂直な方向に偏光している）成分を第２の分割光２０３として光路を光軸に対して直角方向に反射させる光学素子である。

反射鏡１４，１５は、第１の偏光ビームスプリッター１３により反射された第２の分割光２０３を反射させて、後述する第２の偏光ビームスプリッター１６に入射されるように配置されている。

この反射鏡１４，１５は、第１の分割光２０２が被測定材１００に照射されたときに励起される超音波と、第２の分割光２０３が被測定材１００に照射されたときに励起される超音波とが一部重なり合うように、第２の分割光２０３が分割されてから被測定材１００に到達するまでの時間を遅延させるように配置されている。ここで、被測定材１００は、金属材に限らず、ガラス、セラミックス、又は硬質プラスチック等の非金属材でもよい。

第２の偏光ビームスプリッター１６は、入射された第１の分割光２０２と第２の分割光２０３とを合成する。

集光レンズ１７は、第２の偏光ビームスプリッター１６により合成された第１の分割光２０２と第２の分割光２０３とを、被測定材１００の同一位置に集光させる。これにより、被測定材１００の表面にプラズマが形成され、被測定材１００内に超音波が励起される。そして、励起した超音波が、被測定材１００内を伝播して対向する面に達すると、微小振動として現れる。レーザー干渉計３０は、第１の分割光２０２と第２の分割光２０３とが被測定材１００に照射されることにより生じた微少振動を電気信号として検出する。

オシロスコープ３１は、レーザー干渉計３０により検出された電気信号に基づいて波形を表示する。

波形解析コンピューター３２は、レーザー干渉計３０により検出された電気信号に基づいて、被測定材１００の結晶粒径を算出する。例えば、波形解析コンピューター３２は、レーザー干渉計３０により検出された波形から、縦波超音波の繰返し反射エコーの波形を抽出し、それを連続ウェーブレット変換して、周波数別の振動パワーを得る。そして、波形解析コンピューター３２は、複数の縦波エコーの振動パワーを対数関数でフィッティングし、周波数別の減衰率αを得る。これらの値に基づき、上述した（式１）に示す関係式を用いることで、結晶粒径を算出する。

図２は、本発明に係る第１の実施形態の金属組織並びに材質の計測装置１に備えられたレーザー干渉計３０の構成を示した図である。

図２に示すように、レーザー干渉計３０は、狭線幅レーザー光源１０１と、ビームスプリッター１０２と、集光レンズ１０３，１０４，１０６と、フォトリフラクティブ結晶１０５と、フォトダイオード１０７とを備える。

狭線幅レーザー光源１０１は、波数安定性が高く、可干渉性が良い狭線幅のレーザー光２１１を射出する光源である。

ビームスプリッター１０２は、狭線幅レーザー光源１０１から射出されたレーザー光２１１を２分割し、一方を検出光２１１として集光レンズ１０３方向へ透過し、他方をポンプ光２１３として屈折させてフォトリフラクティブ結晶１０５に入射させる。

集光レンズ１０３は、第１の分割光２０２と第２の分割光２０３とが照射された被測定材１００の面と対向する面に、検出光２１１を集光する。

集光レンズ１０４は、被測定材１００に反射された検出光２１１を集光してフォトリフラクティブ結晶１０５に入射させる。

フォトリフラクティブ結晶１０５は、光が照射されると、その明暗に応じて電荷が移動し、屈折率変化が誘起される結晶である。

検出光２１１とポンプ光２１３とがフォトリフラクティブ結晶１０５に入射されると、フォトリフラクティブ結晶１０５で交差し、干渉縞を生じる。すると、この干渉縞の明暗に応じてフォトリフラクティブ結晶１０５内に縞状の屈折率分布が形成される。これが回折格子として作用し、ポンプ光２１３の一部が検出光２１２側に移動する。ここで、被測定材１００が高速振動し、検出光２１２の光路が変化すると、検出光２１２と屈折率分布の位相がずれ、ポンプ光２１３から検出光２１２に移動する光量が変化する。

フォトダイオード１０７は、受光した光を電気信号に変換するので、ポンプ光２１３から検出光２１２に移動する光量の変化、すなわち、被測定材の高速振動を電気信号として検出する。

≪金属組織並びに材質の計測装置の作用≫
次に、本発明に係る第１の実施形態の金属組織並びに材質の計測装置１の作用について、図１，図２を参照して説明する。

パルスレーザー発振器１１から射出されたパルスレーザー光２０１は、第１の偏光ビームスプリッター１３により、第１の分割光２０２と第２の分割光２０３とに分割される。第１の偏光ビームスプリッター１３により透過された第１の分割光２０２は、第２の偏光ビームスプリッター１６も透過し、被測定材１００に到達する。

一方、第１の偏光ビームスプリッター１３により反射された第２の分割光２０３は、反射鏡１４，１５と第２の偏光ビームスプリッター１６と反射されて、被測定材１００に到達する。

このように、第１の分割光２０２と第２の分割光２０３とは、パルスレーザー発振器１１から射出されてから被測定材１００に到達するまでの光路が異なるので、第１の分割光２０２より第２の分割光２０３が遅れて被測定材１００に到達する。

図３（Ａ）は、本発明に係る第１の実施形態の金属組織並びに材質の計測装置１に備えられたパルスレーザー発振器１１により射出されたパルスレーザー光の一例を示した図であり、図３（Ｂ）は、本発明に係る第１の実施形態の金属組織並びに材質の計測装置１により励起された超音波の一例を示した図である。

図３（Ａ）に示すように、ｔ１時点において、被測定材１００に到達した第１の分割光２０２の光強度が最大となり、ｔ３時点において、被測定材１００に到達した第２の分割光２０３の光強度が最大となっている。

そして、図３（Ｂ）に示すように、ｔ２時点において、ｔ１時点に被測定材１００に到達した第１の分割光２０２により励起された超音波の振幅が最大となっており、ｔ４時点において、ｔ３時点に被測定材１００に到達した第２の分割光２０３により励起された超音波の振幅が最大となっている。

このように、第１の分割光２０２より第２の分割光２０３が遅れて被測定材１００に到達するので、第１の分割光２０２が被測定材１００に照射されたときに励起された超音波と第２の分割光２０３が被測定材１００に照射されたときに励起された超音波とが一部重なり合う。これにより、特定の周波数成分を多く含む超音波を励起させることができる。

ここで、励起させる超音波の周波数をｆとした場合、第１の分割光２０２と、第２の分割光２０３との被測定材１００の表面への到達時刻の差Δｔは（式２）で表される。

Δｔ＝ｋ／ｆ（式２）
ここで、ｋはパルスレーザー光の波形の立上り・立下り特性に対する補正係数で、0.5〜2程度である。

この到達時刻差Δｔを得るために必要となる、第１の分割光２０２と第２の分割光２０３の光路の長さの差ΔLは、（式３）で表される。

ΔL＝ｃ₀・Δｔ（式３）
ここで、ｃ₀は空気中での光速で、約3×10⁸m/sである。

したがって、反射鏡１４，１５を、第１の分割光２０２と第２の分割光２０３の光路の長さの差がΔLとなるように、（つまり、おおよそΔL/2の位置に）設置すればよい。

ところで、上記Δｔがパルスレーザー光のパルス幅に比べ長すぎると、第１の分割光２０２で励起される超音波と第２の分割光２０３で励起される超音波が、重なり合わず、各々個別に伝播し、所望の周波数成分を多く含む超音波を励起させる効果が得られない。

したがって、第１の分割光２０２と、第２の分割光２０３との被測定材１００表面への到達時刻の差Δｔが、パルスレーザー光のパルス幅ｔ_Pに対して以下の（式４）を満たしていればよい。

Δｔ＜ａ・ｔ_P （式４）
ここで、ａは定数であり、第１の分割光２０２で励起される超音波と第２の分割光２０３で励起される超音波が重なり合うためには、概ねａは５程度であればよい。

このように、（式２）〜（式４）を用いて、光路の長さの差ΔLを算出し、反射鏡１４，１５を、光路の長さの差ΔLとなるように、（つまり、おおよそΔL/2の位置に）設置することにより、被測定材１００に、特定の周波数成分を多く含む超音波を励起させることができる。

以上のように、本発明に係る第１の実施形態の金属組織並びに材質の計測装置１によれば、第１の分割光２０２と、それよりも光伝播時間が長い光路を経る第２の分割光２０３との被測定材１００の表面への到達時刻の差に応じて、特定の周波数成分を多く含む超音波を励起させることができるので、金属組織並びに材質の計測、特に、金属材１００の結晶粒径を精度良く測定することができる。

また、本発明に係る第１の実施形態の金属組織並びに材質の計測装置１では、第１の分割光が被測定材１００に照射されたときに発生する超音波と第２の分割光が被測定材１００に照射されたときに発生する超音波とが一部重なり合うように、第２の分割光が分割されてから被測定材１００に到達するまでの時間を遅延させるための反射鏡１４，１５を備える構成としたが、これに限らず、反射鏡１４，１５に代えて、プリズムやリトロリフレクターを備える構成としてもよい。

さらに、本発明に係る第１の実施形態の金属組織並びに材質の計測装置１では、フォトリフラクティブ結晶１０５を有する２光波混合方式のレーザー干渉計３０を備える構成としたが、これに限らない。レーザー干渉計３０は、被測定材１００の粗面である場合でも高周波数の振動を測定可能なファブリペロー干渉計や、被測定材１００の表面が鏡面仕上げである場合に高周波数の振動を測定可能なマイケルソン干渉計を備える構成としてもよい。

なお、本発明に係る第１の実施形態では、被測定材１００の材質の一つとして結晶粒径を計測する金属組織並びに材質の計測装置１を例に挙げて説明したが、これに限らず、被測定材１００の引張強度、降伏強度、成形性、被測定材結晶の配向性等を計測するようにしてもよい。

＜第２の実施形態＞
本発明に係る第１の実施形態では、２つのビームスプリッターを用いて、第１の分割光２０２と第２の分割光２０３との光路の長さに差を設ける金属組織並びに材質の計測装置１を例に挙げて説明したが、これに限らない。

本発明に係る第２の実施形態では、１つのビームスプリッターを用いて、第１の分割光２０２と第２の分割光２０３との光路の長さに差を設ける金属組織並びに材質の計測装置を例に挙げて説明する。

図４は、本発明に係る第２の実施形態の金属組織並びに材質の計測装置の構成を示した図である。

図４に示すように、本発明に係る第２の実施形態の金属組織並びに材質の計測装置２は、パルスレーザー発振器１１と、１／２波長板１２と、偏光ビームスプリッター２２と、集光レンズ１７と、反射鏡１８，１９と、１／４波長板２０，２１と、レーザー干渉計３０と、オシロスコープ３１と、波形解析コンピューター３２とを備えている。

これらの構成のうち、反射鏡１８，１９と、１／４波長板２０，２１と、偏光ビームスプリッター２２以外の構成については、それぞれ本発明の実施例１である金属組織並びに材質の計測装置１が備えるそれぞれ同一符号が付された構成と同一であるので、説明を省略する。

１／４波長板２０は、直線偏光を円偏光に、また、円偏光を直線偏光に変える光学素子であり、直線偏光が１／４波長板２０を２回通過すると、偏光方向が９０度回転する性質を持つ。１／４波長板２１も１／４波長板２０と同様の構成を有する。

反射鏡１８は、第１の偏光ビームスプリッター１３により反射され、１／４波長板２０により円偏光に変えられた第１の分割光２０２を、第１の偏光ビームスプリッター１３方向に反射させる。

反射鏡１９は、第１の偏光ビームスプリッター１３により透過され、１／４波長板２１により円偏光に変えられた第２の分割光２０３を、第１の偏光ビームスプリッター１３方向に反射させる。

偏光ビームスプリッター２２は、パルスレーザー光２０１の横偏光（紙面に平行な方向に偏光している）成分を第２の分割光２０３として透過させると共に、パルスレーザー光２０１の縦偏光（紙面に垂直な方向に偏光している）成分を第１の分割光２０２として光路を光軸に対して直角方向に反射させる。そして、偏光ビームスプリッター２２は、反射鏡１８により反射された第１の分割光２０２と反射鏡１９により反射された第２の分割光２０３とを合成する。

したがって、本発明に係る第２の実施形態の金属組織並びに材質の計測装置２では、反射鏡１８，１９が、本発明に係る第１の実施形態の金属組織並びに材質の計測装置１と同様に、第１の分割光２０２と第２の分割光２０３の光路の長さの差がΔLとなるように、（つまり、おおよそΔL/2の位置に）設置されている。

以上のように、本発明に係る第２の実施形態の金属組織並びに材質の計測装置１によれば、１つのビームスプリッターを用いて、第１の分割光２０２と第２の分割光２０３との光路差を設け、この光路差によって生じる被測定材１００の表面への到達時刻の差に応じて、特定の周波数成分を多く含む超音波を励起させることができるので、金属組織並びに材質の計測、特に、金属材１００の材質、特に結晶粒径を精度良く測定することができる。

＜第３の実施形態＞
本発明に係る第１の実施形態では、直線偏光のパルスレーザー光を発振するパルスレーザー発振器１１を備え、この直線偏光のパルスレーザー光から分割された第１の分割光２０２と第２の分割光２０３との光路の長さに差を設ける金属組織並びに材質の計測装置１を例に挙げて説明したが、パルスレーザー光は直線偏光に限らず、無偏光でもよい。

図５は、本発明に係る第３の実施形態の金属組織並びに材質の計測装置の構成を示した図である。

図５に示すように、本発明に係る第３の実施形態の金属組織並びに材質の計測装置３は、パルスレーザー発振器２４と、ハーフミラー２５と、集光レンズ１７，２７と、反射鏡１４，１５，２６と、レーザー干渉計３０と、オシロスコープ３１と、波形解析コンピューター３２とを備えている。

これらの構成のうち、パルスレーザー発振器２４と、ハーフミラー２５と、反射鏡２６と、集光レンズ２７以外の構成については、それぞれ本発明の実施例１である金属組織並びに材質の計測装置１が備えるそれぞれ同一符号が付された構成と同一であるので、説明を省略する。

パルスレーザー発振器２４は、パルス幅数ナノ秒〜１０数ナノ秒程度の無偏光のレーザー光であるパルスレーザー光２０１を発振する。

ハーフミラー２５は、パルスレーザー発振器２４により発振されたパルスレーザー光２０１を第１の分割光２０２と第２の分割光２０３とに分割する反射鏡である。

図６（Ａ），（Ｂ）は、本発明に係る第３の実施形態の金属組織並びに材質の計測装置３に備えられたハーフミラー２５の一例を示した図である。

図６（Ａ）に示すように、ハーフミラー２５は、パルスレーザー発振器２４により発振されたパルスレーザー光２０１を透過させる光透過板３０１に、パルスレーザー光２０１を反射させる反射部材３０２が設けられている。光透過板３０１の総面積と反射部材３０２の総面積とは、１：１となるように反射部材３０２が製作されている。

また、ハーフミラー２５は、図６（Ｂ）に示すように構成されてもよい。

図６（Ｂ）に示した例では、ハーフミラー２５は、パルスレーザー発振器２４により発振されたパルスレーザー光２０１を反射させる反射鏡３０３に複数の穴３０４が設けられている。ここで、反射鏡３０３の総面積と穴３０４の総面積とは、１：１となるように穴３０４が設けられている。

反射鏡２６は、反射鏡１５により反射された第２の分割光２０３を集光レンズ２７方向へ反射させる。

集光レンズ２７は、反射鏡２６により反射された第２の分割光２０３を被測定材１００表面の第１の分割光２０２が集光された点と略同一点に照射されるように集光する。

したがって、本発明に係る第３の実施形態の金属組織並びに材質の計測装置３では、反射鏡１４，１５，２６が、本発明に係る第１の実施形態の金属組織並びに材質の計測装置１と同様に、第１の分割光２０２と第２の分割光２０３の光路の長さの差がΔLとなるように、（つまり、おおよそΔL/2の位置に）設置されている。

以上のように、本発明に係る第３の実施形態の金属組織並びに材質の計測装置３によれば、被測定材１００に照射するパルスレーザー光が無偏光の場合においても、第１の分割光２０２と、それよりも光伝播時間が長い光路を経る第２の分割光２０３との被測定材１００の表面への到達時刻の差に応じて、特定の周波数成分を多く含む超音波を励起させることができるので、金属組織並びに材質の計測、特に、金属材１００の材質、特に結晶粒径を精度良く測定することができる。

なお、本発明に係る第３の実施形態の金属組織並びに材質の計測装置３では、ハーフミラー２５を備える構成としたが、ハーフミラー２５の代わりに無偏光のレーザー光を分割する無偏光ビームスプリッターを備える構成としてもよい。

＜第４の実施形態＞
本発明に係る第１の実施形態では、第１の分割光２０２と第２の分割光２０３とが照射された被測定材１００の表面と対向する面にレーザー光２１１を照射し、被測定材１００から反射されたレーザー光２１１を基準光と干渉させて生じる光量変化に基づいて、前記第１の分割光２０２と第２の分割光２０３により励起され、被測定材の内部を伝播した超音波を検出レーザー干渉計３０を備える金属組織並びに材質の計測装置１を例に挙げて説明したが、これに限らない。

本発明に係る第４の実施形態では、第１の分割光２０２と第２の分割光２０３とが照射された被測定材１００の同一面にレーザー光２１１を照射し、被測定材１００から反射されたレーザー光２１１を基準光と干渉させて生じる光量変化に基づいて、前記第１の分割光２０２と第２の分割光２０３により励起され、被測定材の内部を伝播した超音波を検出するレーザー干渉計を備える金属組織並びに材質の計測装置４を例に挙げて説明する。

図７は、本発明に係る第４の実施形態の金属組織並びに材質の計測装置の構成を示した図である。

図７に示すように、本発明に係る第４の実施形態の金属組織並びに材質の計測装置４は、パルスレーザー発振器１１と、１／２波長板１２と、第１の偏光ビームスプリッター１３と、反射鏡１４，１５と、第２の偏光ビームスプリッター１６と、集光レンズ１７と、レーザー干渉計３３と、オシロスコープ３１と、波形解析コンピューター３２とを備えている。

これらの構成のうち、レーザー干渉計３３以外の構成については、それぞれ本発明の実施例１である金属組織並びに材質の計測装置１が備えるそれぞれ同一符号が付された構成と同一であるので、説明を省略する。

図８は、本発明に係る第４の実施形態の金属組織並びに材質の計測装置４に備えられたレーザー干渉計３３の構成を示した図である。

図８に示すように、レーザー干渉計３０は、狭線幅レーザー光源１０１と、ビームスプリッター１０２と、集光レンズ１０３，１０４，１０６と、フォトリフラクティブ結晶１０５と、フォトダイオード１０７と、波長選択フィルタ１０８とを備える。これらの構成のうち、波長選択フィルタ１０８以外の構成については、それぞれ本発明の実施例１である金属組織並びに材質の計測装置１のレーザー干渉計３０が備えるそれぞれ同一符号が付された構成と同一であるので、説明を省略する。

図８に示すように、レーザー干渉計３３では、第１の分割光２０２と第２の分割光２０３とが照射された被測定材１００の表面に、レーザー光２１１から分割された検出光２１１を照射させ、被測定材１００の表面で反射された検出光２１１を集光してフォトリフラクティブ結晶１０５に入射させる。

このとき、被測定材１００の表面で反射した第１の分割光２０２と第２の分割光２０３とがフォトリフラクティブ結晶１０５に入射しないように、検出光２１１の光路上に波長選択フィルタ１０８が設けられている。

以上のように、本発明に係る第４の実施形態の金属組織並びに材質の計測装置４によれば、第１の分割光２０２と第２の分割光２０３とが照射された被測定材１００の表面にレーザー光２１１を照射することにより、被測定材１００から反射されたレーザー光２１１を基準光と干渉させて生じる光量変化に基づいて、前記第１の分割光２０２と第２の分割光２０３により励起され、被測定材１００の内部を伝播した超音波を検出することができる。

＜第５の実施形態＞
本発明に係る第１の実施形態では、第１の分割光２０２で励起される超音波と第２の分割光２０３で励起される超音波が重なり合うように、反射鏡１４，１５が固定された金属組織並びに材質の計測装置１を例に挙げて説明したが、反射鏡１４，１５を可動式としてもよい。

本発明に係る第５の実施形態では、第１の分割光２０２で励起される超音波と第２の分割光２０３で励起される超音波が重なり合うように、可動式の反射鏡１４，１５が設けられた金属組織並びに材質の計測装置１を例に挙げて説明する。

図９は、本発明に係る第５の実施形態の金属組織並びに材質の計測装置の構成を示した図である。

図９に示すように、本発明に係る第５の実施形態の金属組織並びに材質の計測装置５は、パルスレーザー発振器１１と、１／２波長板１２と、第１の偏光ビームスプリッター１３と、反射鏡１４，１５と、第２の偏光ビームスプリッター１６と、集光レンズ１７と、レーザー干渉計３３と、オシロスコープ３１と、波形解析コンピューター３２と、光路長演算部４１と、駆動部４２と、モーター４３と、回転軸４４と、反射鏡筐体４５とを備えている。

これらの構成のうち、光路長演算部４１と、駆動部４２と、モーター４３と、回転軸４４と、反射鏡筐体４５以外の構成については、それぞれ本発明の実施例１である金属組織並びに材質の計測装置１が備えるそれぞれ同一符号が付された構成と同一であるので、説明を省略する。ここで、光路長演算部４１と、駆動部４２と、モーター４３と、回転軸４４と、反射鏡筐体４５とを、光路長変更部という。

光路長演算部４１は、利用者の操作に基づいて、励起される超音波の周波数が入力されると、入力された周波数の超音波が励起するような第２の分割光２０３の光路長を算出する。

駆動部４２は、光路長演算部４１により算出された第２の分割光２０３の光路長とするための駆動信号を生成する。

モーター４３は、駆動部４２により生成された駆動信号に基づいて、回転軸４４を回転させることにより、反射鏡１４，１５を内部に備える反射鏡筐体４５をＸ１又はＸ２方向に移動させる。

以上のように、本発明に係る第５の実施形態の金属組織並びに材質の計測装置５によれば、第１の分割光と、それよりも光伝播時間が長い光路を経る第２の分割光との被測定材１００表面への到達時刻の差を、可変とすることで、計測内容に応じて必要となる特定の周波数成分を多く含む超音波を励起させることができる。したがって、計測内容に応じて、計測に用いる超音波の周波数成分を適正に変更することができ、金属組織並びに材質の計測、特に、金属材１００の結晶粒径を精度良く測定することができる。

なお、本発明に係る第５の実施形態の金属組織並びに材質の計測装置５では、モーターの駆動により反射鏡筐体４５をＸ１又はＸ２方向に移動させたが、これに限らず、油圧または空気圧によりシリンダーを用いて反射鏡筐体４５をＸ１又はＸ２方向に移動させるようにしてもよい。

＜第６の実施形態＞
本発明に係る第１の実施形態では、第１の分割光２０２で励起される超音波と第２の分割光２０３で励起される超音波が重なり合うように、反射鏡１４，１５を設置された金属組織並びに材質の計測装置１を例に挙げて説明したが、より短い光路で第２の分割光の被測定材１００到達時間を遅延させるために、第２の分割光の光路上に高屈折率材を備えるようにしてもよい。

本発明に係る第６の実施形態では、第２の分割光の光路上に高屈折率材を備えた金属組織並びに材質の計測装置を例に挙げて説明する。

図１０は、本発明に係る第６の実施形態の金属組織並びに材質の計測装置の構成を示した図である。

図１０に示すように、本発明に係る第６の実施形態の金属組織並びに材質の計測装置６は、パルスレーザー発振器１１と、１／２波長板１２と、第１の偏光ビームスプリッター１３と、反射鏡１４，１５と、第２の偏光ビームスプリッター１６と、集光レンズ１７と、レーザー干渉計３０と、オシロスコープ３１と、波形解析コンピューター３２と、高屈折率材５１，５２とを備えている。

これらの構成のうち、高屈折率材５１，５２以外の構成については、それぞれ本発明の実施例１である金属組織並びに材質の計測装置１が備えるそれぞれ同一符号が付された構成と同一であるので、説明を省略する。

高屈折率材５１は、第１の偏光ビームスプリッター１３と反射鏡１４との間の第２の分割光２０３の光路上に設けられ、高屈折率材５２は、反射鏡１５と第２の偏光ビームスプリッター１６との間の第２の分割光２０３の光路上に設けられている。

高屈折率材５１，５２は、第２の分割光２０３の光路を短縮するため、空気より屈折率が高い媒質により形成されている。

ここで、空気より屈折率が高い媒質、即ち高屈折率材５１，５２中の光速ｃ₁は空気中より遅くなり、（式５）で表される。

ｃ₁=ｃ₀／ｎ（式５）
ｎは、高屈折率材５１，５２の屈折率である。したがって、本発明に係る第６の実施形態の金属組織並びに材質の計測装置６における第１の分割光２０２と第２の分割光２０３との光路の長さの差ΔL’は、（式６）で表される。

ΔL’＝ｃ₁・Δｔ＝ｃ₀・Δｔ／ｎ（式６）
これにより、例えば、高屈折率材５１，５２が、屈折率ｎが１．４５である石英ガラスにより形成されている場合、第２の分割光２０３の光路長をおおよそ３１％短縮できる。

なお、高屈折率材５１，５２の第２の分割光２０３の入射面と出射面には、反射防止膜（ARコート）を施し、これらの面での反射による光量ロスを抑制することが望ましい。

以上のように、本発明に係る第６の実施形態の金属組織並びに材質の計測装置６によれば、第２の分割光２０３の光路上に高屈折率材を備えるようにしたので、装置の設置スペースの制約などにより、高屈折率材を用いない場合における第２の分割光２０３の光路の長さを十分に確保できない場合においても、第１の分割光２０２と、それよりも光伝播時間が長い光路を経る第２の分割光２０３との被測定材１００の表面への到達時刻の差に応じて、特定の周波数成分を多く含む超音波を励起させることができるので、金属組織並びに材質の計測、特に、金属材の結晶粒径を精度良く測定することができる。

＜第７の実施形態＞
本発明に係る第３の実施形態では、無偏光のパルスレーザー光を発振するパルスレーザー発振器２４を備え、このパルスレーザー光から分割された第１の分割光２０２と第２の分割光２０３との光路の長さに差を設ける金属組織並びに材質の計測装置１を例に挙げて説明した。

本発明に係る第７の実施形態では、無偏光のパルスレーザー光を発振するパルスレーザー発振器２４を備え、この無偏光のパルスレーザー光から分割された第１の分割光２０２と第２の分割光２０３と第３の分割光との光路の長さに差を設ける金属組織並びに材質の計測装置１を例に挙げて説明する。

図１１は、本発明に係る第７の実施形態の金属組織並びに材質の計測装置の構成を示した図である。

図１１に示すように、本発明に係る第７の実施形態の金属組織並びに材質の計測装置７は、パルスレーザー発振器２４と、集光レンズ１７，２７，６４と、反射鏡１４，１５，２６，６２，６３と、無偏光ビームスプリッター６０，６１と、レーザー干渉計３０と、オシロスコープ３１と、波形解析コンピューター３２とを備えている。

これらの構成のうち、集光レンズ６４と、反射鏡６２，６３と、無偏光ビームスプリッター６０，６１以外の構成については、それぞれ本発明の実施例３である金属組織並びに材質の計測装置３が備えるそれぞれ同一符号が付された構成と同一であるので、説明を省略する。

無偏光ビームスプリッター６０は、パルスレーザー発振器２４から発振されたパルスレーザー光２０１を第１の分割光２０２を透過させ、第４の分割光２０５を無偏光ビームスプリッター６１方向へ反射させる。ここで、無偏光ビームスプリッター６０は、第１の分割光２０２の光量と第４の分割光２０５の光量との比が１：２となるように製作されている。

無偏光ビームスプリッター６１は、無偏光ビームスプリッター６０により分割された第４の分割光２０５を分割して、第２の分割光２０３として反射鏡６２方向へ反射させると共に、第３の分割光２０４として透過させる。ここで、無偏光ビームスプリッター６１、第２の分割光２０３の光量と第３の分割光２０４の光量との比が１：１になるように製作されている。

反射鏡６２，６３は、無偏光ビームスプリッター６１により分割された第２の分割光２０３を集光レンズ６４の方向へ反射させる。

集光レンズ６４は、反射鏡６２，６３により反射された第２の分割光２０３を、被測定材１００表面の第１の分割光２０２が集光された点と略同一点に照射されるように集光する。

そして、無偏光ビームスプリッター６０，６１と、反射鏡２６，６２，６３と、集光レンズ６４とは、第２の分割光２０３の光路が、第１の分割光２０２が被測定材１００に照射されたときに励起される超音波と第２の分割光２０３が被測定材１００に照射されたときに励起される超音波とが一部重なり合うような光路となるように配置されている。

また、無偏光ビームスプリッター６０，６１と、反射鏡１４，１５，２６と、集光レンズ２７とは、第３の分割光２０４の光路が、第２の分割光２０３が被測定材１００に照射されたときに励起される超音波と第３の分割光２０４が被測定材１００に照射されたときに励起される超音波とが一部重なり合うような光路となるように配置されている。

以上のように、本発明に係る第７の実施形態の金属組織並びに材質の計測装置７によれば、発振されたパルスレーザー光のうち、第１の分割光２０２と、それよりも光伝播時間が長い光路を経る第２の分割光２０３の被測定材１００表面への到達時刻の差が、第２の分割光２０３と、それよりも光伝播時間が長い光路を経る第３の分割光２０４の被測定材１００表面への到達時刻の差と異なるようにすることにより、１回のパルスレーザー光の照射で周波数成分が異なる２種類の超音波を励起させることができ、金属組織並びに材質の計測、特に、金属材の結晶粒径を精度良く測定することができる。

図１２（Ａ）は、本発明に係る第７の実施形態の金属組織並びに材質の計測装置７に備えられたパルスレーザー発振器２４により射出されたパルスレーザー光の一例を示した図であり、図１２（Ｂ）は、本発明に係る第７の実施形態の金属組織並びに材質の計測装置７により励起された超音波の一例を示した図である。

図１２（Ａ）に示すように、ｔ１１時点において、被測定材１００に到達した第１の分割光２０２の光強度が最大となり、ｔ１３時点において、被測定材１００に到達した第２の分割光２０３の光強度が最大となり、ｔ１５時点において、被測定材１００に到達した第３の分割光２０４の光強度が最大となっている。

そして、図１２（Ｂ）に示すように、ｔ１２時点において、ｔ１１時点に被測定材１００に到達した第１の分割光２０２により励起された超音波の振幅が最大となり、ｔ１４時点において、ｔ１３時点に被測定材１００に到達した第２の分割光２０３により励起された超音波の振幅が最大となり、ｔ１６時点において、ｔ１５時点に被測定材１００に到達した第３の分割光２０４により励起された超音波の振幅が最大となっている。

このように、第１の分割光２０２より第２の分割光２０３が遅れて被測定材１００に到達するので、第１の分割光２０２が被測定材１００に照射されたときに励起された超音波と第２の分割光２０３が被測定材１００に照射されたときに励起された超音波とが一部重なり合う。

また、第２の分割光２０３より第３の分割光２０４が遅れて被測定材１００に到達するので、第２の分割光２０３が被測定材１００に照射されたときに励起された超音波と第３の分割光２０４が被測定材１００に照射されたときに励起された超音波とが一部重なり合う。

これにより、１回のパルスレーザー光の照射で周波数成分が異なる２種類の超音波を励起させることができ、金属組織並びに材質の計測、特に、金属材の結晶粒径を精度良く測定することができる。

なお、本発明に係る第７の実施形態の金属組織並びに材質の計測装置７は、本発明に係る第６の実施形態の金属組織並びに材質の計測装置６と同様に、第２の分割光２０３の光路上及び第３の分割光２０４の光路上に、高屈折率材を備えるようにしてもよい。

産業上の利用の可能性

本発明は、熱間圧延設備において、被圧延材の材質計測に適用することができる。

１，２，３，４，５，６，７…金属組織並びに材質の計測装置
１１，２４…パルスレーザー発振器
１２…１／２波長板
１３…第１の偏光ビームスプリッター
１４，１５，１８，１９，２６，６２，６３…反射鏡
１６…第２の偏光ビームスプリッター
１７，２７，６４…集光レンズ
２０，２１…１／４波長板
２２…偏光ビームスプリッター
２５…ハーフミラー
３０，３３…レーザー干渉計
３１…オシロスコープ
３２…波形解析コンピューター
４１…光路長演算部
４２…駆動部
４３…モーター
４４…回転軸
４５…反射鏡筐体
５１，５２…高屈折率材
６０，６１…無偏光ビームスプリッター
６１…無偏光ビームスプリッター
１００…被測定材
１０１…狭線幅レーザー光源
１０２…ビームスプリッター
１０３，１０４，１０６…集光レンズ
１０５…フォトリフラクティブ結晶
１０７…フォトダイオード
１０８…波長選択フィルタ

Claims

第１のレーザー光を発振するパルスレーザー発振器と、
前記発振された第１のレーザー光を複数の分割光に分割する光分割部と、
前記光分割部により分割された分割光をそれぞれ伝播させ、その光伝播時間が異なる複数の光路と、
前記複数の光路をそれぞれ伝播した複数の分割光を被測定材の同一位置に重ねて照射する集光部と、前記被測定材に第２のレーザー光を照射し、前記被測定材から反射及び散乱された第２のレーザー光を基準光と干渉させて生じる光量変化に基づいて、前記複数の分割光により励起された複数の超音波が一部重ね合わされて得られる超音波を、被測定材の内部を伝播した後に、検出するレーザー干渉計部と、
前記レーザー干渉計部により検出された超音波の周波数による減衰の違いに基づいて、前記被測定材の金属組織及び材質を算出する波形解析部と、を備え、
前記複数の分割光のうち、先に前記被測定材に到着した分割光と次に前記被測定材に到着した分割光とにおいて、前記被測定材への光伝搬時間の差をΔｔとし、前記第１のレーザー光のパルス幅をｔｐとし、先に前記被測定材に到着した分割光と次に前記被測定材に到着した分割光それぞれによって励起された超音波が一部重なり合うように定められた定数をａとすると、
Δｔ＜ａ・ｔｐ
を満たすことを特徴とする金属組織並びに材質の計測装置。
請求項１において、前記複数の光路のうち、少なくとも１つの光路の長さの差を変更する光路長変更部
を更に備えたことを特徴とする請求項１記載の金属組織並びに材質の計測装置。
請求項１において、前記複数の光路のうち、少なくとも１つの光路上に高屈折率材
を備えたことを特徴とする請求項１記載の金属組織並びに材質の計測装置。
請求項１において、前記複数の光路のうち、第１の光路とそれよりも光伝播時間が長い第２の光路との長さの差が、第２の光路とそれよりも光伝播時間が長い第３の光路との長さの差と異なることを特徴とする金属組織並びに材質の計測装置。
第１のレーザー光を複数の分割光に分割し、
前記分割光をそれぞれ光伝播時間が異なる複数の光路を伝播させ、
前記複数の光路をそれぞれ伝播した複数の分割光を被測定材の同一位置に照射し、
前記被測定材に第２のレーザー光を照射し、
前記被測定材から反射及び散乱された第２のレーザー光を基準光と干渉させて生じる光量変化に基づいて、前記複数の分割光により励起された複数の超音波が一部重ね合わされて得られる超音波を、被測定材の内部を伝播した後に検出し、
前記検出された超音波の周波数による減衰の違いに基づいて、前記被測定材の金属組織及び材質を算出し、
前記複数の分割光のうち、先に前記被測定材に到着した分割光と次に前記被測定材に到着した分割光とにおいて、前記被測定材への光伝搬時間の差をΔｔとし、前記第１のレーザー光のパルス幅をｔｐとし、先に前記被測定材に到着した分割光と次に前記被測定材に到着した分割光それぞれによって励起された超音波が一部重なり合うように定められた定数をａとすると、
Δｔ＜ａ・ｔｐ
を満たすことを特徴とする金属組織並びに材質の計測方法。