JPH04204315A - 単―モード超音波の発生法及びそれを利用した物体の厚さ測定法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、材料の非破壊検査、超音波による材料の処理
・加工、超音波によるモータ・アクチコエータの駆動の
ために利用する単一モード超音波の発生方法に関するも
のであり、さらに詳しくは、複数の振動モードが存在可
能で単一モードの超音波の発生が困難な物体について、
制御と解析の容易な単一モードの超音波を発生させるた
めの方法に関するものである。

さらに、この方法を直接的に利用し、物体の寸法、例え
ば板の厚さを測定する方法に関するものである。

［従来の技術］ 複数モードの超音波が伝搬する物体に単一モードの超音
波を発生させるには、特定のモードが支配的になる周波
数範囲が選択される。しかし、同一周波数で伝搬速度の
近接した複数のモードが存在する場合には、この方法は
有効でない。

また、物体に所要モードの超音波を励起する臨界角の方
向から斜めに超音波を入射して、当該モードの超音波を
発生する方法がある。この場合には、物体に液体や固体
のくさびを接触させる必要があり、熱間圧延中の板など
の高温・高速運動物体や、蒸着中の薄膜等の真空中の物
体への適用が困難である。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明の技術的課題は、物体に接触せずに単一モードの
超音波を発生する方法を提供し、さらにその方法の直接
的な利用により、物体の厚さを簡易に測定する方法を得
ることにある。

［課題を解決するための手段、作用］ 上記課題を解決するための本発明の超音波発生法は、伝
搬できる複数の超音波のモードが存在可能な物体に、エ
ネルギービームな所要のモードの超音波の波長程度の幅
に集束して照射し、この解射位置を当該モードの超音波
の位相速度に等しい速度で走査することによって、当該
モードの超音波を選択的に高効率で発生させること特徴
とするものである。

また、本発明に基づく物体の厚さ測定方法は、上記方法
により発生した超音波の周波数を測定し、周波数と位相
速度との関係から物体の厚さを計測することを特徴とす
るものである。

以下、本発明の方法をさらに具体的に説明する。

各種の構造物には様々な異なる波動モードを持つ超音波
の伝搬が許される場合が多い。例えば、板には変位の分
布が中心線に関して対称なモード及び非対称なモードが
あり、棒には曲げやねじりや伸縮などのモードが存在す
る。これらのモードの超音波は、構造物の形状、材質や
欠陥の非破壊検査、光との相互作用などによる信号処理
、さらに物質の加工や駆動にも利用される。しかし、通
常、超音波の発生源に近い場所では多くのモードが混在
していて、波動場が複雑であり、計測・制賓の困難な場
合が多い。そこで、発生源近傍でも単一モードの超音波
を発生する方法が望まれている。

このような羊−モード超音波を発生させるための本発明
の方法の原理を、図面を参照して以下に説明する。

物体を伝搬する異なるモードの超音波は、周波数の関数
として位相速度を表す分散曲線の形が異なる。いま、第
１図に示すような分散曲線を持つ２つのモードがあると
仮定する。超音波を発生する通常の方法では、一定の周
波数Ｆで振動する音源を物体に接触させるか、液体を介
して入射させる。即ち、第１図の横軸の周波数を先に規
定する。その結果、周波数Ｆが第１図に示すような値の
場合、位相速度■、のモードＡと、位相速度■６のモー
ドＢが同時に発生する。発生した超音波の継続時間をＴ
とすると、発生後ＴＶ’、／ｆＶ’、−Ｖ’、ｊ程度の
時間内ではモードＡとＢが重なって計測と制御が困難で
ある。ここで、■゛１とＶ’ｓはモードＡとＢの群速度
である。

しかし、第１図の関係を逆転して、発生する超音波の速
度を先に決定できれば、速度を■えとじた場合のモード
Ａのみが発生し、速度がＶＢの場合にはモードＢのみが
発生する。この場合、仮に図に示した周波数範囲の外に
別のモードがあり、その超音波が同時に発生したとして
も、観測した波形の周波数フィルタリングによって容易
に除去でき、実質的に単一モードの超音波の発生を実現
することができる。

本発明の方法では、この速度選択を実現するために、レ
ーザなどのエネルギービームを予め計算などで求めた所
要のモードの超音波の波長程度の幅に集束して物体に照
射し、この照射位置を当該モードの超音波の位相速度に
等しい速度で走査して、当該モードの超音波の変位を位
相整合条件を保持したまま順次重畳し、選択的に当該モ
ードの超音波を増幅するものであり、即ち、エネルギー
ビームの音速同期走査により単一モード超音波を発生さ
せるものである。他のモードの超音波の変位は、位相が
ずれて重畳されるので、結果的には消去される。

本発明において用いるエネルギ・ビームとしては、上記
レーザのほか、赤外線、イオンビーム等を用いることが
できる。

また、分散曲線の形は物体の代表的寸法によって変化す
ることが知られている。例えば、板の場合は、材質が一
定であれば周波数Ｆと厚さＤの積ＦＤが位相速度■の関
数として計算によって一義的に決まる。従って、位相速
度■に同期して発生した超音波の周波数Ｆを測定すれば
、板の厚さは、 Ｄ＝　　（ＦＤ）／Ｆ として容易に測定することができる。

［実施例］ 第２図は、本発明の方法を実施する装置の一例を示して
いる。

この装置においては、レーザ１がらのパルスビームがコ
リメータ２によって矩形に集束され、さらにビーム偏向
器３及びレンズ４を経て、物体５の表面に照射される。

ビーム偏向器３は、照射するビームを物体表面で操作す
るためのもので、このビーム偏向器３がらの同期信号で
レーザ１をトリガすることにより、物体５上を高速移動
するレーザパルスを得ることができる。

ビーム偏向器３として、図示したような回転多面体鏡を
用いる場合には、回転数を変えて物体５上におけるビー
ムの掃引速度が所要モードの超音波の位相速度に近い値
になるように制御することができる。また、ビームの幅
は、レンズの焦点距離や物体との距離を変えて、所定の
値に制御すればよい。

なお、ビーム偏向器３には、音響光学偏向器や、５０ｋ
Ｈｚ以上の高い振動数で駆動可能な微小振動鏡を用いる
こともできる。また、励起源に赤外線やイオンビームを
用いる場合は、ビーム集束装置とビーム偏向器を適切な
ものに置き換えればよい。

第３図ｆａ）　ｆｂ）は、厚さ　１．５ｍｍのアルミニ
ウム板の板波の対称及び非対称の基本モードのそれぞれ
一つを選択して単一モードの超音波を発生した結果を示
したものである。同図（ａ）には様々な位相速度でレー
ザビームを走査した場合の発生信号の波形、同図（ｂ）
にはこの波形のスペクトル解析によって求めた周波数Ｆ
と走査速度■の関係を・で示す。この速度と周波数の関
係は、板波の分散曲線の計算値（実線）とほぼ一致して
おり、本発明の方法で板波の２つの近接したモードが選
択的に発生できたことを実証している。

以上においては、矩形のビームを一方向に掃引する方法
及び装置について記したが、同様の原理は円環状のビー
ムを高速で収縮することによっても実現される。

第４図は、それを実現する装置の構成例を示すもので、
レーザ１１からのパルスビームが可変焦点レンズ１２及
び円錐レンズＩ３を経て物体Ｉ４の表面に円環状に集束
して照射される。可変焦点レンズ１２は例えば電気光学
効果によって屈折率が電場で変化するような材料で形成
され、同期信号発生器１５からの同期信号でレーザ１１
及び可変焦点レンズ１２を動作させることにより、速度
■で収縮する円環状のビームを得ることができる。

この方法では、円環の中心で極めて大振幅の単一モード
超音波が得られ、計測のみでなく、超音波による駆動や
加工処理作用も期待することができる。

［発明の効果］ 以上に詳述した本発明の方法によれば、次に列挙するよ
うな効果を期待することができる。

（１）発生する超音波は、発生直後から単一モードの超
音波として伝搬するので、計測と制御が容易である。

（２）発生した超音波の周波数の測定値及び走査速度か
ら理論的に決定される周波数と板の厚さの積の値から、
板の厚さを測定できる。

（３）物体に接触せずに単一モードの超音波を発生する
ので、熱間圧延中の板などの高温・高速運動物体や、蒸
着中の薄膜等の真空中の物体への適用が可能である。

（４）発生する超音波はビーム走査方向に向かって伝搬
するので、指向性が極めてよい。

（５）物体表面へのビーム照射を分散するので、物体表
面でのエネルギ密度を低くでき、物体の損傷を一防一ぐ
効果がある。しかも、位相整合された波は重ね合わせの
結果強い超音波となり、信号検出は容易である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る超音波発生法の原理を説明するた
めの２つのモードの分散曲線のモードを示すグラフ、第
２図は本発明を実施する装置例の構成図、第３図ｆａ）
　ｆｂ）は本発明を板に適用した場合の計測結果を示し
、同図（ａｔ　には様々な位相速度でレーザビームを走
査した場合の発生信号の波形図、同図ｆｂｌ　にはこの
波形のスペクトル解析によって求めた周波数と走査速度
の関係を示すグラフである。また、第４図は他の装置例
の構成図である。 １．１１・・レーザ、　　３　・・ビーム偏向器、５．
１４・・物体、　　　１２・・可変焦点レンズ。 第１図 周液数×厚ご　ＦＤ、　ｍ／ｓ 第２図 第３図（α） 走査速度 １μｓ 第３図（し）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、伝搬できる複数の超音波のモードが存在可能な物体
   に、エネルギービームを所要のモードの超音波の波長程
   度の幅に集束して照射し、この照射位置を当該モードの
   超音波の位相速度に等しい速度で走査することによって
   、当該モードの超音波を選択的に高効率で発生させるこ
   と特徴とする単一モード超音波の発生法。 ２、請求項１に記載の方法で発生した超音波の周波数を
   測定し、周波数と位相速度との関係から物体の厚さを計
   測することを特徴とする物体の厚さ測定法。