JP5715234B2 - 金属材の特性測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光を用いた金属材の特性測定装置に関する。

近年、金属材の強度、成形性などの特性の向上は著しい。これに伴い、製造工程、及び検査工程において金属材の特性、及び、金属材の特性と強い相関を持つ諸特性を測定することの必要性が高まっている。

例えば、金属材の強度と結晶粒径の間には強い相関があり、結晶粒径を数十μｍから１μｍ程度まで小さくすれば、強度が高いだけでなく、成形加工性、リサイクル性にも優れた高性能な金属材が得られる事が知られている。このような金属材の品質管理は、破壊試験によって行うことが多い。例えば、圧延後の製品コイルから試験片を切り出し、引張試験などにより強度を確認する。しかし、このような方法では測定値が得られるまでのリードタイムが数時間〜数日と長く、その間に不良品が連続して発生することを防止できない。

これに対し、レーザ超音波法による金属材の特性測定が試みられている（例えば、特許文献１参照。）。レーザ超音波法は、金属材の表面にパルスレーザ光を照射し、そのときに発生する高周波のパルス状の超音波（以下において、「パルス超音波」という。）の金属材における伝播挙動を解析して、金属材の結晶粒径などの特性を非接触で測定する方法である。この方法によれば、迅速に測定結果が得られる。

パルス超音波の伝播挙動を用いて検出される金属材の特性は、例えば、結晶粒径、弾性率、成形性（ｒ値）、弾性波速度など様々である。また、金属材の結晶粒径と、引張強度、降伏強度、及び降伏伸びとの間には強い相関関係があることが知られており、金属材の結晶粒径の測定方法と同様の測定方法によって、これらの特性値を得ることもできる。

特開２００８−１１６２０９号公報

レーザ超音波法を用いた金属材の特性測定において、パルス超音波が金属材内部を伝播する間に、金属材の特性測定に利用する「（i）結晶粒界での散乱によるパルス超音波の減衰」だけでなく、「（ii）パルス超音波の直進方向以外への拡散」によっても、パルス超音波の振幅が減少する。パルス超音波の振幅が減少すると、信号対ノイズ比が悪化し、特性測定装置の測定精度が低下する。

したがって、結晶粒界での散乱によるパルス超音波の減衰をより明確に検出するために、パルス超音波の拡散を抑制する必要がある。パルス超音波の拡散を抑制するためには、パルスレーザ光のスポットサイズを大きくする方法がある。つまり、スポットの外周部では、周囲の金属材により振動が拘束されるので、パルス超音波の進行方向が変化し拡散が生じるが、スポットサイズを大きくすれば、外周部による影響を相対的に小さくでき、パルス超音波の直進方向以外への拡散を抑制できる。

しかしながら、一般的なレーザ発振器から出射されるパルスレーザ光を単に拡大して照射するだけでは、十分な効果が得られないという問題があった。即ち、レーザ発振器から出射されるパルスレーザ光のビーム断面内の光量分布（ビームプロファイル）は均一でなく、ビーム中心付近の光量が周辺よりも大きいことが一般的である。このため、パルスレーザ光を単に拡大してスポットサイズを大きくした場合には、金属材のスポット中央部で励起されるパルス超音波の振幅は大きく、スポット周辺部で励起されるパルス超音波の振幅は小さい。

このパルス超音波の振幅差により、パルス超音波の伝播方向がパルスレーザ光の照射面に垂直な方向に揃わず、あたかもスポットサイズが小さい場合のようにパルス超音波が周辺へ拡散する。このため、伝播距離に対してパルス超音波の振幅が著しく減少し、検出するパルス超音波の波形の信号対ノイズ比が悪化する。その結果、測定精度が低下するという問題があった。

上記問題点に鑑み、本発明は、測定精度の低下が抑制された、パルスレーザ光を用いた金属材の特性測定装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、（イ）パルスレーザ光を出射するレーザ発振器と、（ロ）パルスレーザ光の光軸と垂直な面にマトリクス状に敷き詰められた複数の同一形状の小レンズを有し、複数の小レンズの各々にパルスレーザ光をビーム断面について分割した一部分が入射するように配置されたレンズアレイと、（ハ）レンズアレイの複数の小レンズからの出射光を、測定対象の金属材の表面の同一領域に、少なくとも集光スポットにおいてアブレーションを励起するために必要な光量密度を有するように重ねて集光させる集光レンズと、（ニ）集光レンズにより集光されたパルスレーザ光により励起され金属材の内部を伝播したパルス超音波を電気信号として検出するレーザ干渉計と、（ホ）電気信号を処理する信号処理装置とを備える金属材の特性測定装置が提供される。

本発明によれば、測定精度の低下が抑制された、パルスレーザ光を用いた金属材の特性測定装置を提供できる。

本発明の第１の実施形態に係る金属材の特性測定装置の構成を示す模式図である。 本発明の第１の実施形態に係る金属材の特性測定装置が有するレンズアレイの構成例を示す模式図であり、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＩＩｂ−ＩＩｂ方向に沿った断面図、図２（ｃ）は図２（ａ）のＩＩｃ−ＩＩｃ方向に沿った断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る金属材の特性測定装置による集光スポット形状の例を示す写真である。 測定対象の金属材内部に励起されるパルス超音波の検出波形の例を示すグラフである。 ピストン音源から送信されたパルス超音波が拡散する様子を示す模式図である。 パルスレーザ光の光量分布の例を示すグラフであり、図６（ａ）はガウス分布を示し、図６（ｂ）は均一分布を示す。 本発明の第１の実施形態に係る金属材の特性測定装置による波形解析方法の例を説明するためのフローチャートである。 本発明の第１の実施形態に係る金属材の特性測定装置によって検出されたパルス超音波の検出波形の例を示すグラフである。 本発明の第１の実施形態に係る金属材の特性測定装置の他の構成を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態に係る金属材の特性測定装置の構成を示す模式図である。 パルスレーザ光のビームプロファイルの経時変化を示す写真であり、図１１（ａ）は経時変化前のビームプロファイルを示す写真であり、図１１（ｂ）は経時変化後のビームプロファイルを示す写真である。

次に、図面を参照して、本発明の第１及び第２の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。以下に示す第１及び第２の実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施形態は、構成部品の構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る金属材の特性測定装置１は、図１に示すように、パルスレーザ光Ｌｐを出射するレーザ発振器１０と、パルスレーザ光Ｌｐの光軸と垂直な面にマトリクス状に敷き詰められた複数の同一形状の小レンズＬｓを有するレンズアレイ２０と、複数の小レンズＬｓからの出射光Ｌｄを測定対象の金属材１００の表面１０１の同一領域に重ねて集光させる集光レンズ３０と、出射光Ｌｄが照射されて金属材１００の内部を伝播するパルス超音波ＳＷを解析する解析装置４０とを備える。レンズアレイ２０の複数の小レンズＬｓには、パルスレーザ光Ｌｐの光軸に垂直なビーム断面について分割した一部がそれぞれ入射され、複数の小レンズＬｓは光軸に垂直なビーム断面の形状が互いに同一の出射光Ｌｄをそれぞれ出射する
図１に示した特性測定装置１では、金属材１００の表面１０１にパルスレーザ光Ｌｐを照射して小規模な爆発を起こし、金属材１００にパルス超音波ＳＷを励起させる。このパルス超音波ＳＷは金属材１００内を伝播しながら減衰し、パルスレーザ光Ｌｐが照射された表面１０１に対向する金属材１００の裏面１０２の微小な振動として現れる。

解析装置４０の検出装置が、この微小な振動を電気信号として検出する。図１は、検出装置としてレーザ干渉計４１を採用した例である。レーザ干渉計４１は、集光レンズ３０により集光されたパルスレーザ光Ｌｐにより励起され金属材１００の内部を伝播するパルス超音波を電気信号として検出する。具体的には、レーザ干渉計４１は金属材１００の裏面１０２に微弱な検出用レーザ光Ｌｆを照射し、検出用レーザ光Ｌｆの金属材１００からの反射光Ｌｒと基準光とを干渉させることにより、金属材１００の裏面１０２に現れた微小振動を電圧の変化として検出する。レーザ干渉計４１により検出された電気信号を解析装置４０の信号処理装置４２が処理して、金属材１００の特性が測定される。例えば、検出された電気信号をデジタルオシロスコープ４２１を介して信号処理コンピュータ４２２に取り込み、波形解析により金属材１００の特性が判定される。

以下に、図１に示した特性測定装置１の詳細について説明する。

レーザ発振器１０には、例えば、大出力で特性が安定しているＱスイッチ固体パルスレーザを採用可能である。特に発振用固体媒質にネオジウムドープ：イットリウム・アルミニウム・ガーネット（Nd:YAG）を用いたパルス幅数ｎｓ〜数十ｎｓ程度のＱスイッチ固体パルスレーザは、産業用途に広く用いられており、レーザ発振器１０に好適である。

レーザ発振器１０から放出されるパルスレーザ光Ｌｐは、一般に僅かな広がり角を持つ。このため、凹レンズ１１１と凸レンズ１１２を組み合わせた拡大系１１を用いてほぼ平行光とされたパルスレーザ光Ｌｐが、レンズアレイ２０に入射する。

レンズアレイ２０の構成例を図２（ａ）〜図２（ｃ）に示す。レンズアレイ２０は、入射されるパルスレーザ光Ｌｐの光軸と垂直な面に同一形状の多数の小レンズＬｓが敷き詰められた構造を有し、図２はｎ個の正方形の小レンズＬｓ１〜Ｌｓｎがマトリクス状に配置された例を示している。図２（ａ）でハッチングをかけた領域がパルスレーザ光Ｌｐのビームが照射される領域であり、パルスレーザ光Ｌｐのビーム径がＤｂである。

正方形の他、長方形、六角形、及び、円形などいずれの形状も小レンズＬｓに採用可能である。但し、小レンズＬｓ間に隙間があると集光効率が下がるので、レンズアレイ２０に小レンズＬｓが隙間なく配置されていることが好ましい。図２（ｃ）に示した小レンズＬｓの間隔ｗは、入射されるパルスレーザ光Ｌｐのビーム断面内に、後述するように十分な数の小レンズＬｓが含まれるように定める。ここで、「小レンズＬｓの間隔」とは、隣接する小レンズＬｓの中心間の距離である。

レンズアレイ２０にパルスレーザ光Ｌｐを入射させると、パルスレーザ光のビーム断面内に含まれるように配置されたレンズアレイ２０を構成する個々の小レンズＬｓに、ビーム断面について分割したパルスレーザ光Ｌｐの一部がそれぞれ入射され、小レンズＬｓのそれぞれは小レンズＬｓの形状（例えば正方形）の像を結像する。レンズアレイ２０に入射するパルスレーザ光Ｌｐのビーム断面内の光量分布（ビームプロファイル）がどのような分布であっても、パルスレーザ光Ｌｐのごく一部分から作り出された各小レンズＬｓの出射光Ｌｄは均一な光量分布を有する。

レンズアレイ２０から出射された各出射光Ｌｄは、凸レンズの集光レンズ３０によって金属材１００の表面１０１に集光される。なお、集光レンズ３０の焦点距離は、スタンドオフ距離ＳＤ（集光レンズ３０と金属材１００の表面１０１との間隔）にほぼ等しい。

そして、複数の小レンズＬｓによる各像は、集光レンズ３０の焦点位置、即ち、金属材１００の表面１０１上の一点に重ね合わせて投影される。このようにして、小レンズＬｓと同じ形状（例えば正方形）で均一な光量分布の複数のパルスレーザ光が照射される集光スポットＳＰを金属材１００の表面１０１に形成するように、パルスレーザ光Ｌｐは整形される。集光スポットＳＰの形状は小レンズＬｓの形状と同一であり、大きさは集光レンズ３０の焦点距離によって定まる。

この集光スポットＳＰ内では複数の小レンズＬｓにより投影される像が重ね合わされているので、干渉縞による明暗が生じる。ただし、重ね合わされる像の数を十分に多くすれば、この干渉縞の間隔をごく小さくすることができ、集光スポットＳＰ内においてほぼ均一な光量分布を得ることができる。重ね合わされる像の数が１５個を下回ると、金属材１００内部を伝播するパルス超音波ＳＷの波形へ干渉縞が及ぼす影響が無視できない場合があり、また、光量均一化の効果が不十分となる場合がある。したがって、入射されるパルスレーザ光Ｌｐのビーム断面内に１５以上の小レンズＬｓが含まれるように、レンズアレイ２０における小レンズＬｓの間隔が設定される。

レンズアレイ２０の焦点距離は、金属材１００の表面１０１に形成される集光スポットＳＰの大きさが所望の値になるように、実験または光線追跡シミュレーション計算により決定される。実用的には、レンズアレイ２０の焦点距離は、スタンドオフ距離ＳＤと同程度から、スタンドオフ距離ＳＤの１０分の１程度の範囲である。レンズアレイ２０の製造には種々の制約があるため、所望の焦点距離の小レンズＬｓを得られない場合がある。この場合は、複数のレンズアレイ２０を組み合わせて配置してもよい。

パルスレーザ光Ｌｐは光量密度の尖頭値が高いため、レンズアレイ２０の素材については、例えば、石英ガラスなどの損傷閾値の高いガラス製のものが好適である。ただし、金属材１００の特性測定に必要な波長、出力によってはプラスチック製のレンズアレイ２０なども採用可能である。

金属材１００の表面１０１における集光スポットＳＰの形状をバーンペーパーに焼き付け記録した例を図３に示す。図３は、小レンズＬｓを１．１ｍｍ間隔で１８行１８列のマトリクス状に配置したレンズアレイ２０に、ビーム径Ｄｂが１４ｍｍのパルスレーザ光Ｌｐを入射して形成された集光スポットＳＰの形状である。したがって、図３は約１２７個の小レンズＬｓの像が重ね合わせされた例である。集光スポットＳＰの形状は、レンズアレイ２０の小レンズＬｓの形状と同じ正方形であり、小レンズＬｓの形状が上手く重なり合って投影されていることがわかる。図３に示した例では、集光スポットＳＰのサイズＤｓは４．５ｍｍである。

集光スポットＳＰへのパルスレーザ光Ｌｐの照射によって金属材１００にパルス超音波ＳＷが励起され、このパルス超音波ＳＷが金属材１００内を伝播する。図４に例示するように、金属材１００に励起されるパルス超音波ＳＷは様々な振動モードの成分をもつ。例えば金属材１００の結晶粒径の測定には、縦波成分の繰り返し反射エコー（図４において矢印で示した、波形の尖った部分）を利用する。図４において、波形Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３がそれぞれ縦波の第１エコー、第２エコー、第３エコーである。

なお、図4において、縦軸は相対的な振幅（単位a.u.：Arbitrary Unit）を示している。横軸はパルスレーザ光Ｌｐが出射されてからの経過時間である。パルスレーザ光Ｌｐが出射された後で、最初に金属材１００の裏面１０２にパルス超音波ＳＷが到達する時刻に第１エコーが検出される。そして、裏面１０２で反射された後、更に表面１０１で反射されたパルス超音波ＳＷが裏面１０２に到達する時刻に、第２エコー以降の反射エコーが検出される。したがって、第１エコーが検出されるまでの時間は金属材１００の厚みに対応し、その後の各エコーが検出される間隔は金属材１００の厚みの２倍に対応する。

ここで、金属材１００の内部を伝播するパルス超音波ＳＷを、図５を参照して説明する。図５は、平板状のピストン音源５００から送信されたパルス超音波ＳＷが拡散する様子を示す模式図である。

パルス超音波ＳＷがピストン音源５００から送信された場合、平面波Ｗｐとして直進する領域を近距離音場（フレネルゾーン）といい、パルス超音波ＳＷが直進する距離（近距離音場限界距離ｘ）は、以下の式（１）で表される：

ｘ＝ｄ²／（４λ） ・・・（１）

式（１）において、ｄはピストン音源５００の直径であり、金属材１００に照射されたパルスレーザ光Ｌｐのスポットサイズに相当する。λはパルス超音波ＳＷの波長（ｍｍ）である。

一方、近距離音場限界距離ｘより遠い領域を遠距離音場といい、パルス超音波ＳＷは球面波Ｗｓとして拡散する。遠距離音場では、結晶粒径などの材質特性とは無関係に、パルス超音波ＳＷの振幅が伝播距離の二乗に比例して急速に減少する。したがって、波形解析に用いるパルス超音波ＳＷを明瞭に検出するには、スポットサイズを大きくし、近距離音場限界距離ｘをより長くすることが好ましい。

例えば、厚み２ｍｍの鋼材の粒径を測定するにあたり、繰り返し反射の第１〜第５エコーの波形を鋼材の裏面から検出する場合、第５エコーの伝播距離は以下の式（２）で表される：

２（ｍｍ）×(１＋４×２（往復）)＝１８（ｍｍ） ・・・（２）

鋼材の縦波超音波の伝播速度ｖは約５９００ｍ／ｓなので、３０ＭＨｚの縦波超音波の波長λ＝ｖ／ｆは、０．１９７ｍｍである。したがって、式（１）によれば、波形解析に３０ＭＨｚ以上の周波数成分を用いる場合、スポットサイズの直径を４ｍｍ程度以上にすることが好ましいことが分かる。

上記の数値は設計上の目安であり、実際には、測定目的に応じて、どの程度のノイズ対信号比の劣化を許容できるかによって、より小さなスポットサイズにしても問題ない場合もある。また、拡散による振幅の減少を表す公知の式などを用いて超音波波形を補正することにより、より小さなスポットサイズの場合においても、超音波エコーを明瞭に検出することができる場合もある。

一方、パルス超音波ＳＷの拡散の抑制に関してはスポットサイズの上限についての制約は特に存在しない。但し、レーザ発振器１０の出力に応じて、金属材１００の表面１０１でアブレーションを起こすのに必要な光量密度を確保することのできるスポットサイズの上限値は存在するので、それ以下であればよい。したがって、金属材１００の厚みなどに応じてスポットサイズの上限を調整することは特に必要ではない。

上記のパルス超音波ＳＷの拡散についての検討は、平板状のピストン音源５００を前提とする。しかし、レーザ発振器１０から出射されるパルスレーザ光Ｌｐのビーム断面内の光量分布（ビームプロファイル）は、必ずしも均一ではない。特に、産業用途に広く利用されているレーザ発振器のパルスレーザ光の光量分布は、ビーム中心付近の光量が大きく、凸レンズによる集光性の良好な「ガウス分布（正規分布）」か、それに近い分布である。図６（ａ）に示すようにビームプロファイルがガウス分布である場合には、図６（ｂ）に示したビームプロファイルが均一である場合と比較して、ビーム中心付近の光量と周辺の光量との差が大きい。なお、図６（ａ）、図６（ｂ）の縦軸は光量、横軸は集光スポット内の位置を示す。

ガウス分布を有するパルスレーザ光を、上述のように十分な大きさのスポットサイズで金属材１００の表面１０１に集光する場合、数枚のレンズによる縮小光学系を介するのが一般的である。この場合、集光スポット内の光量分布は、レーザ発振器から出射されるパルスレーザ光の光量分布がそのまま投影される。このため、集光スポット中央部では励起される超音波エコーの振幅が大きく、逆に、集光スポット周辺部では励起される超音波エコーの振幅が小さい。既に述べたように、この振幅差によって、スポットサイズが小さい場合のようにパルス超音波が周辺へ拡散する。その結果、レーザ干渉計で検出する超音波波形の信号対ノイズ比が悪化、測定精度が低下する。

しかしながら、図１に示した特性測定装置１によれば、レンズアレイ２０を構成する複数の小レンズＬｓが、均一な光量分布を持つ像を集光レンズ３０の焦点位置に重ね合わせて投影する。このため、パルスレーザ光Ｌｐは、金属材１００の表面１０１において小レンズＬＳと同じ形状で均一な光量分布をもち、図６（ｂ）に示すような光量分布の集光スポットを形成するように整形される。

したがって、パルスレーザ光Ｌｐにより金属材１００に励起されるパルス超音波ＳＷの拡散を小さく抑えることができる。この結果、伝播距離に対してパルス超音波ＳＷの振幅は減少しにくい。

パルスレーザ光Ｌｐにより励起されたパルス超音波ＳＷが金属材１００内を伝播し、金属材１００の裏面１０２に現れる微小振動がレーザ干渉計４１によって電気信号として検出される。上記のようにパルス超音波ＳＷの振幅の減少が抑制されているため、レーザ干渉計４１で検出する超音波波形の信号対ノイズ比が向上し、良好な測定精度を得ることが可能である。

レーザ干渉計４１には、金属材１００の表面１０１が粗面であっても高周波数の振動を測定できるフォトリフラクティブ干渉計を採用可能である。或いは、ファブリペロー干渉計も粗面で高周波数の振動を測定できるため、同様に採用可能である。また、金属材１００の表面１０１が鏡面であれば、マイケルソン干渉計なども採用可能である。

レーザ干渉計４１で検出した電圧波形を、例えばデジタルオシロスコープ４２１に収録し、信号処理コンピュータ４２２で解析することで、金属材１００の特性測定を行うことができる。

金属材１００内を伝播する縦波超音波の結晶粒での散乱による減衰率は、縦波超音波の周波数、及び、金属材１００の結晶粒径により異なる。例えば、レイリー散乱、ストカスティック散乱などが知られている。

散乱減衰に基づく波形解析方法の例を図７に示すフローチャートを参照して以下に説明する。

図７のステップＳ１において読み込まれた波形データを、ステップＳ２において、フーリエ変換等により各周波数成分に分解する。次に、ステップＳ３において、各々の周波数成分において各縦波エコーを抽出する。ステップＳ４において、抽出された縦波エコーの振幅の変化を対数関数で近似して、各周波数成分の減衰率α（ｆ）を計算する。

減衰率α、周波数ｆ、及び結晶粒径Ｄには、以下の式（３）の相関関係がある：

α＝Ｋ×Ｄ^n-1×ｆⁿ ・・・（３）

式（３）で、αは減衰率（ｄＢ／ｍｍ）、Ｄは結晶粒径（ｍｍ）、ｆは周波数（ＭＨｚ）、Ｋ及びｎは係数である。

式（３）を変形すると以下の式（４）が得られる：

Ｄ＝｛α／（Ｋ×ｆⁿ）｝^1/(n-1) ・・・（４）

ステップＳ５において、いずれかの周波数ｆの減衰率α（ｆ）に基づき、式（４）を用いて結晶粒径を判定する。なお、係数Ｋ、ｎの値は、結晶粒径が既知の試験材を測定する実験によって予め同定される。係数ｎの値は、理論的には結晶粒径Ｄと波長λの比Ｄ／λに応じて定まる。即ち、レイリー散乱域（０．０３≦Ｄ／λ≦０．３）でｎ＝４、ストかスティック散乱域（０．３≦Ｄ／λ≒１）でｎ＝３である。

図８は、第１の実施形態に係る金属材の特性測定装置１で検出された超音波の波形の一例である。図8において、縦軸は相対的な振幅（単位a.u.：Arbitrary Unit）を示している。横時はパルスレーザ光Ｌｐが出射されてからの経過時間である。測定対象の金属材１００は、板厚１．３５ｍｍの鋼板で、結晶粒径は約４μｍである。レーザ干渉計４１で検出した超音波波形が、縦波の第１エコー（波形Ｅ１）から第１３エコー（波形Ｅ１３）まで明瞭に検出できている。

以上に説明したように、本発明の第１の実施形態に係る金属材の特性測定装置１によれば、測定対象の金属材１００に照射されるパルスレーザ光のビーム断面内の光量分布を均一にすることができる。このため、金属材１００に励起されるパルス超音波ＳＷの拡散が抑制される。その結果、測定精度の低下が抑制された、パルスレーザ光を用いた金属材の特性測定装置１が提供される。

なお、集光レンズ３０とレンズアレイ２０の位置関係は図１に示した例と前後逆でも差し支えない。即ち、レーザ発振器１０と集光レンズ３０との間にレンズアレイ２０が配置されていてもよいし、或いは、レーザ発振器１０とレンズアレイ２０との間に集光レンズ３０が配置されていてもよい。

図９に、レーザ発振器１０とレンズアレイ２０との間に集光レンズ３０が配置された例を示す。図９に示した特性測定装置１によっても、レンズアレイ２０の複数の小レンズＬｓがそれぞれ出力する出射光Ｌｄを、集光レンズ３０によって測定対象の金属材１００の表面１０１の同一領域に集光させることができる。

また、図１、図９に示すように、レンズアレイ２０及び集光レンズ３０と金属材１００と間には窓板５１が設置される。窓板５１は、レーザ発振器１０、レンズアレイ２０、及び集光レンズ３０が格納された筐体５０から外部にパルスレーザ光Ｌｐを出射するために、筐体５０に設置されている。

レーザ発振器をはじめ、レンズ、反射鏡などの光学機器は、その光学的な効率を高めるために、特殊な素材であったり、特殊なコーティングが施してあることが多く、塵などが付着すれば容易に損傷したり、光学的な効率が低下する。そこで、機器全体を密閉度の高い筐体に収め、窓板を介してレーザ光を取り出すのが一般的である。

しかし、実際の生産ラインに窓板を設置した場合には、この窓板に液体や粉末などが付着する場合がある。この場合、窓板の当該部分の透過率が低下する。透過率が低下した部分にレーザ光が当たると、レーザ光のエネルギーを吸収して発熱し、窓板の当該部分が損傷する。そして、レーザ光の照射を継続すると、損傷が進展、拡大する。このような損傷が発生すると、従来の集光系では、損傷部分が言わば遮光マスクのように作用し、集光スポットの形状内の光量分布は不均一になってしまう。

これに対し、図１、図９に示した特性測定装置１では、金属材１００の表面１０１の集光スポットＳＰにおいてパルスレーザ光の光量分布を均一にすることができる。つまり、窓板５１の液体や粉末などが付着した部分の損傷によって窓板５１を通過するパルスレーザ光Ｌｐのビームプロファイルが劣化しても、金属材１００に励起されるパルス超音波ＳＷの拡散が小さく抑えられる。その結果、伝播距離に対してパルス超音波ＳＷの振幅が減少しにくく、レーザ干渉計４１で検出する超音波波形の信号対ノイズ比はほとんど変化しない。つまり、窓板５１が損傷した場合でも、良好な測定精度を維持することが可能である。したがって、窓板５１が損傷しても、即座に交換する必要がなく、生産スケジュール上の休止期間に合わせて窓板５１の交換を行えばよい。このため、特性測定装置１の稼動率の低下を回避することが可能である。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る金属材の特性測定装置１は、図１０に示すように、レーザ発振器１０から出射されたパルスレーザ光Ｌｐの波長を変換する波長変換結晶６０を更に備えることが、図１に示した第１の実施形態と異なる点である。その他の構成については、第１の実施形態と同様である。

金属材１００の研磨した表面１０１におけるレーザ光の吸収率は、波長が短いほど大きい。したがって、レーザ発振器１０から出射されるパルスレーザ光Ｌｐを波長変換結晶６０によって短い波長に変換してから金属材１００に照射することにより、研磨面などの反射率の高い金属材において、同一のパルスレーザ光出力に対してより大きな振幅のパルス超音波ＳＷを励起することができる。

図１０に示した特性測定装置１によれば、レーザ発振器１０から出射されるパルスレーザ光Ｌｐが波長変換結晶６０によってより短い波長に変換してから金属材１００に照射される。波長が短いほど金属材１００の表面１０１におけるパルスレーザ光の吸収率が大きいので、研磨面などにおいて同一のパルスレーザ光出力に対して振幅のより大きなパルス超音波ＳＷを励起することができる。例えば、波長１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザからのパルスレーザ光Ｌｐを、ＬＢＯ（ＬｉＢ₃Ｏ₅）又はＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ₄）などの波長変換結晶６０によって、波長５３２ｎｍ、或いは波長３５５ｎｍのパルスレーザ光Ｌｐに変換して、金属材１００の表面１０１に照射する。

通常、波長変換結晶６０の損傷を防ぐため、波長変換結晶６０に入射するパルスレーザ光Ｌｐの光量密度を損傷閾値以下にする。したがって、使用するパルスレーザ光Ｌｐの出力が大きければ、サイズの大きい波長変換結晶６０を用い、入射するパルスレーザ光Ｌｐのビーム径を大きくする必要がある。

ところが、サイズの大きな波長変換結晶６０を用いると、結晶内の温度ムラや経時変化によって、波長変換結晶６０から出射されるレーザ光のビームプロファイルが劣化するという問題がある。例えば、図１１（ａ）及び図１１（ｂ）はＹＡＧレーザ光の波長を５３２ｎｍに変換した場合のビームプロファイルの経時変化の例を示す。図１１（ａ）は使用開始直後、図１１（ｂ）は１０ヶ月経過後のビームプロファイルである。

図１１（ｂ）では光量が大きい領域Ｄ１と光量が小さい領域Ｄ２とが混在しているなど、図１１（ａ）と図１１（ｂ）とを比較すると、ビームプロファイルが大きく経時変化していることがわかる。このようなビームプロファイルの劣化は、金属材１００に励起されるパルス超音波ＳＷの拡散状況に無視できない影響を及ぼす。即ち、伝播距離に対して超音波振幅が著しく減少し、レーザ干渉計４１で検出する超音波波形の信号対ノイズ比が悪化する。その結果、測定精度が低下するという問題がある。

これに対し、図１０に示した特性測定装置１によれば、波長変換結晶６０の経年変化や温度ムラ等によりビームプロファイルの劣化が生じても、金属材１００の表面１０１の集光スポットＳＰにおけるパルスレーザ光の光量分布を均一にすることができる。このため、金属材１００で励起されるパルス超音波ＳＷの拡散を小さく抑えることができる。この結果、伝播距離に対してパルス超音波ＳＷの振幅が減少しにくくなり、レーザ干渉計４１で検出する超音波波形の信号対ノイズ比が向上し、良好な測定精度を得ることが可能である。

他は、第１の実施形態と実質的に同様であり、重複した記載を省略する。

上記のように、本発明は第１及び第２の実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。即ち、本発明はここでは記載していない様々な実施形態などを含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

本発明の金属材の特性測定装置は、金属材の特性を非接触で測定する製造業に利用可能である。

１…特性測定装置
１０…レーザ発振器
１１…拡大系
２０…レンズアレイ
３０…集光レンズ
４０…解析装置
４１…レーザ干渉計
４２…信号処理装置
５０…筐体
５１…窓板
６０…波長変換結晶
１００…金属材
１０１…表面
１０２…裏面
１１１…凹レンズ
１１２…凸レンズ
４２１…デジタルオシロスコープ
４２２…信号処理コンピュータ

Claims (4)

1. パルスレーザ光を出射するレーザ発振器と、
   前記パルスレーザ光の光軸と垂直な面にマトリクス状に敷き詰められた複数の同一形状の小レンズを有し、前記複数の小レンズの各々に前記パルスレーザ光をビーム断面について分割した一部分が入射するように配置されたレンズアレイと、
   前記レンズアレイの前記複数の小レンズからの出射光を、測定対象の金属材の表面の同一領域に、少なくとも集光スポットにおいてアブレーションを励起するために必要な光量密度を有するように重ねて集光させる集光レンズと、
   前記集光レンズにより集光される前記パルスレーザ光により励起され前記金属材の内部を伝播したパルス超音波を電気信号として検出するレーザ干渉計と、
   前記電気信号を処理する信号処理装置と
   を備えることを特徴とする金属材の特性測定装置。
2. 前記レーザ発振器と前記レンズアレイの間に前記レーザ発振器から出射された前記パルスレーザ光の波長を変換する波長変換結晶を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の金属材の特性測定装置。
3. 前記レーザ干渉計が、前記パルス超音波の縦波成分の繰り返し反射エコーを検出することを特徴とする請求項１に記載の金属材の特性測定装置。
4. 前記レンズアレイ及び前記集光レンズと前記金属材との間に設置され、前記集光レンズにより集光された前記パルスレーザ光が通過する窓板を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の金属材の特性測定装置。