JPH0712781A - 超音波による探傷方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、光ビームを照射し光音響効果によ
って試料内に超音波を発生させ、その超音波を検出して
試料内の傷等を抽出する超音波による探傷方法に関し、
異なる所定位置から伝播する超音波により試料内部に振
幅の大きな合成波を生成することによって光ビームを透
過しない試料でも非接触に内部情報を高分解能で検出可
能な超音波による探傷方法を提供することを目的とす
る。 【構成】 試料13表面の照射位置14、15に交互に光ビー
ム11を照射し、光音響効果により位相のずれた超音波1
6、17を発生させて照射位置14、15から試料13内に伝播
させる。そして、その超音波16、17により振幅０の中心
面18ａと振幅大の箇所18ｂとを有する合成波18を生成
し、その合成波18を圧電素子等により検出するとともに
光ビーム11を照射位置14、15の間隔を保持しながら走査
して圧電素子等による検出情報から試料13内の傷や不純
物の位置を特定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波による探傷方法
に関し、詳しくは、光ビームを照射し光音響効果によっ
て試料内に超音波を発生させ、その超音波を検出して試
料内の傷等を抽出する超音波による探傷方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、試料に超音波を照射してその試料
内を伝播する超音波を検出することにより試料内の傷や
不純物の位置等を特定する超音波顕微鏡で行なわれる超
音波による探傷方法が知られている。この種の超音波に
よる探傷方法の超音波照射方法としては、図７に示すよ
うに、音響レンズ１により超音波２を試料３内に伝播さ
せ集束させるため、カップラー４として水を用いなけら
ばならなかった。

【０００３】そのため、近年、図８に示すように、変調
された光ビーム５を不透明な試料３表面に照射すること
により光エネルギを試料３表面で熱変換してその熱歪み
等により弾性波を生じさせ（光音響効果）ることによっ
て試料３内に超音波２を非接触で発生させ、光ビームを
走査するとともに試料３内を伝播する超音波２を裏面側
の圧電素子６により検出して内部情報を抽出（光音響分
光法）し試料３内の傷や不純物の位置等を特定する超音
波による探傷方法が用いられている。この探傷方法とし
ては、特開昭６４−４６６４４号公報に記載されてい
る。このような超音波による探傷方法は、光ビームを照
射することにより試料の表面から超音波が発生するが、
発生した超音波は照射位置を中心に広がって伝播するた
め、分解能が低く試料内部の欠陥位置やその大きさを特
定することが困難という不具合があった。

【０００４】この不具合を解消するため、特開平２−２
４３９５６号公報には、集光スポットが試料内部になる
ように試料を透過する所定波長の光ビームを用いること
によりその集光スポットから超音波を発生させるように
して試料の深さ方向に走査可能にする超音波による探傷
方法が記載されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来例にあっては、試料内に光ビームを透過させる
ことにより試料内部の集光スポットから超音波を発生さ
せるため光学的に不透明な試料の欠陥を検査することは
できないという問題があった。そこで、請求項１または
２記載の発明は、試料の異なる位置に光ビームを照射す
ることによって試料内に振幅の大きな合成波を非接触に
生成して、その合成波を検出することにより光ビームを
透過しない試料でも高分解能で内部情報を抽出可能な超
音波による探傷方法を提供することを目的とする。

【０００６】請求項３または４記載の発明は、光ビーム
を円の縁上に照射することによって合成波をその円の中
心に生成することにより容易に欠陥の位置を特定可能に
することを目的とする。請求項５または６記載の発明
は、光ビームを照射する円の半径を徐々に小さくするこ
とにより試料表面からの所定深度位置に集束する合成波
を生成することにより容易に欠陥の深度位置を特定可能
にすることを目的とする。

【０００７】請求項７記載の発明は、光ビームを照射す
る円の半径を小さくする速度を制御することにより合成
波が集束する試料表面からの深度位置を変化させること
により試料の深さ方向に走査可能にすることを目的とす
る。請求項８記載の発明は、光ビームを照射する円の半
径を小さくする速度制御を容易にすることにより合成波
が集束する試料表面からの深度位置を容易に変化させる
ことを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的達成のため、請
求項１記載の発明は、変調された光ビームを照射して試
料に光音響効果によって超音波を発生させ、光ビームを
走査するとともにその超音波を検出することにより内部
情報を抽出して試料内の傷や不純物の位置等を特定する
超音波による探傷方法において、試料の少なくとも２箇
所以上の異なる所定位置に光ビームを照射して、それぞ
れの位置から試料内を伝播する超音波により振幅の大き
な合成波を生成し、該合成波を検出することを特徴とす
るものである。

【０００９】請求項２記載の発明は、前記光ビームを、
試料の少なくとも２箇所以上の所定位置に同時に照射す
ることを特徴とするものである。また、請求項３記載の
発明は、前記光ビームを同時に照射される少なくとも２
箇所以上の所定位置を、同一円周上に配置することを特
徴とするものであり、請求項４記載の発明は、照射する
前記光ビームを、円環状に整形することを特徴とするも
のである。

【００１０】さらに、請求項５記載の発明は、前記円周
の半径を、光ビームの照射を開始してから徐々に小さく
することを特徴とするものであり、請求項６記載の発明
は、前記円環の半径を、光ビームの照射を開始してから
徐々に小さくすることを特徴とするものである。そし
て、請求項７記載の発明は、光ビームの照射を開始して
から徐々に小さくする前記半径の変化速度を制御するこ
とを特徴とするものであり、請求項８記載の発明は、光
ビームを透過する円環状の透過領域を形成されたマスク
により光ビームを整形し、該マスクと光ビームを照射さ
れる試料との間に介装されたレンズを該試料表面からの
距離を変化させるように移動制御し、円環状に整形され
た光ビームの半径を変化させることを特徴とするもので
ある。

【００１１】

【作用】請求項１記載の発明では、試料の少なくとも２
箇所以上の異なる所定位置に光ビームが照射されて、そ
れぞれの位置から試料内を伝播する超音波が発生され、
その超音波が互いに干渉することにより振幅の大きな合
成波が生成される。したがって、超音波が非接触で発生
され、その超音波による合成波が検出されることにより
分解能が向上される。

【００１２】請求項２記載の発明では、光ビームが試料
の少なくとも２箇所以上の所定位置に同時に照射され
る。したがって、それぞれの位置の中心に合成波が生成
され、その合成波が検出される。また、請求項３記載の
発明では、同一円周上に配置された少なくとも２箇所以
上の所定位置に光ビームが同時に照射される。したがっ
て、振幅の大きな合成波がその円周の中心に生成され
る。

【００１３】請求項４記載の発明では、円環状に整形さ
れた光ビームが照射される。したがって、より振幅の大
きな合成波がその円環の中心に生成される。さらに、請
求項５記載の発明では、光ビームが照射される円周の半
径が光ビームの照射を開始してから徐々に小さくされ
る。したがって、試料表面から所定深さに合成波が集束
され、振幅が大きくされる。

【００１４】請求項６記載の発明では、円環状の光ビー
ムの半径が光ビームの照射を開始してから徐々に小さく
される。したがって、試料表面から所定深さに合成波が
集束され、より振幅が大きくされる。そして、請求項７
記載の発明では、光ビームが照射される円周あるいは円
環の半径が徐々に小さくされるとともにその小さくされ
る速度が制御される。したがって、合成波が集束され振
幅が大きくされる試料表面からの深さが制御される。

【００１５】請求項８記載の発明では、光ビームが透過
領域を形成されたマスクにより円環状に整形され、マス
クと試料との間に介装されたレンズが試料表面からの距
離を変化され、円環状に整形された光ビームの半径が変
化される。したがって、円環状の光ビームの半径を小さ
くする速度が容易に制御される。

【００１６】

【実施例】以下、本発明を図面に基づいて説明する。図
１は本発明に係る超音波による探傷方法の第１実施例を
示す図である。なお、本実施例は請求項１または２記載
の発明に対応する。まず、構成を説明する。

【００１７】同図において、11は光ビームであり、光ビ
ーム11はレンズ12により試料13表面の照射位置14、15に
集光され照射される。この光ビーム11は公知のビーム発
振装置により変調され出射される例えばレーザビームで
あり、図示していない走査機構により後述する超音波の
試料13内を伝播する速度と同等の速度で移動するように
なっており、例えば試料13表面の照射位置14、15間を往
復して交互に照射するとともに、この照射位置14、15の
間隔を保持して所定方向に走査するようになっている。

【００１８】16、17は超音波であり、超音波16、17は試
料13表面の照射位置14、15に光ビーム11を照射すること
により光ビーム11の光エネルギが試料13の表面で熱変換
してその熱歪み等により弾性波が生じること（光音響効
果）によって発生し、照射位置14、15から試料13内に所
定速度で伝播する。18は合成波であり、合成波18は超音
波16、17が互いに干渉して生成されるものであり、この
合成波18を生成する超音波16、17は光ビーム11が前記速
度で移動して照射位置14、15を交互に照射することによ
り発生するため位相が１８０度ずれて試料13内を伝播す
る。そのため、合成波18は超音波16、17の山（図中、実
線で示す）と谷（図中、破線で示す）が重なり打ち消し
合って振幅が０となる中心面18ａと、その両側で超音波
16、17が強め合い振幅が大きくなる箇所18ｂと、を有し
ている。この合成波18は、図示していないが試料13表面
の裏面側に設けられた例えば圧電素子により検出される
ようになっており、合成波18の中心面18ａおよび振幅大
の箇所18ｂの強度が試料13内部の傷や不純物によって変
化して検出される。この検出情報から試料13内部の傷や
不純物等の欠陥の位置が特定されるようになっている。

【００１９】次に、作用を説明する。まず、光ビーム11
を試料13表面の照射位置14、15に交互に照射し、光音響
効果によって位相のずれた超音波16、17を発生させ照射
位置14、15から試料13内にその超音波を伝播させる。そ
して、その超音波16、17により振幅０の中心面18ａと振
幅大の箇所18ｂとを有する合成波18を生成し、その合成
波18を前記圧電素子により検出するとともに、光ビーム
11を照射位置14、15の間隔を保持しながら所定方向に走
査することにより前記圧電素子の検出情報から試料13内
の欠陥の位置を特定する。

【００２０】このように本実施例によれば、試料13の照
射位置14、15に光ビーム11を交互に照射することによ
り、照射位置14、15から試料13内を伝播する超音波16、
17を非接触に発生させこの超音波16、17により振幅０の
中心面18ａと振幅大の箇所18ｂとを有する合成波18を生
成することができ、この合成波18を前記圧電素子により
検出することにより分解能を向上させることができる。
そのため、その検出情報から光ビームを透過しない試料
13でも内部欠陥である傷や不純物等の位置や大きさ等を
高精度に検出することができる。

【００２１】なお、本実施例では、試料13の照射位置14
ａ、14ｂに光ビーム11を交互に照射して位相のずれた超
音波16、17を発生させているが、超音波16、17の位相が
同期するよう光ビーム11を同時に照射位置14、15に照射
して振幅が大きくなる箇所を照射位置14、15間の中心に
してもよい。また、合成波18を前記圧電素子により検出
しているが、放物面等の集束ポイントで検出するように
してより分解能を向上させてもよい。

【００２２】次に、図２および図３は本発明に係る超音
波による探傷方法の第２実施例を示す図である。なお、
本実施例は請求項１〜３または５の何れか記載の発明に
対応する。また、本実施例では上述実施例と同様の構成
には同一の符合を付してその説明を省略する。まず、構
成を説明する。

【００２３】同図において、11ａ〜11ｄは光ビームであ
り、光ビーム11ａ〜11ｄは前記ビーム発振装置から出射
された光ビームを分岐などして試料13表面の照射位置14
ａ〜14ｄに同時に照射されるよう構成されており、この
光ビーム11ａ〜11ｄはその照射位置14ａ〜14ｄに光音響
効果によって試料13内を伝播する超音波16ａ〜16ｄ（16
ａ、16ｃのみ図示）を発生させる。この照射位置14ａ〜
14ｄは試料13表面の同一の円周21上となるよう配置され
ており、光ビーム11ａ〜11ｄが照射を開始してから徐々
に円周21の中心に向かって所定速度で走査することによ
り円周21の半径を徐々に小さくするようになっている。

【００２４】28は合成波であり、合成波18は光ビーム11
ａ〜11ｄの照射直後に発生する超音波16ａ〜16ｄと、光
ビーム11ａ〜11ｄが円周21の中心に向かって走査したと
きに発生する超音波16ａ’〜16ｄ’（16ａ’、16ｃ’の
み図示）と、が互いに干渉して合成される。このため、
この合成波28の波面は近似的に凹面状になる。そして、
この合成波18はこれら超音波16ａ〜16ｄおよび超音波16
ａ’〜16ｄ’が試料13内を伝播することによりポイント
23に集束しポイント23での振幅を大きくする。

【００２５】次に、作用を説明する。まず、試料13表面
の円周21上の照射位置14ａ〜14ｄに光ビーム11ａ〜11ｄ
を照射して光音響効果によって超音波16ａ〜16ｄを発生
させた後、その光ビーム11ａ〜11ｄを徐々に円周21の中
心に向かって走査し超音波16ａ’〜16ｄ’を生じさせ
て、これら超音波を試料13内部に伝播させる。そして、
その超音波16ａ〜16ｄおよび超音波16ａ’〜16ｄ’によ
り凹面状の波面を有する合成波28を生成し、その合成波
28がポイント23に集束して振幅が大きくなる。そのポイ
ント23の内部情報を前記圧電素子により検出しその検出
情報からポイント23の傷や不純物の有無を特定する。

【００２６】このように本実施例によれば、試料13に照
射する光ビーム11ａ〜11ｄを円周21の中心に向かって走
査することにより、試料13内を伝播する超音波16ａ〜16
ｄおよび超音波16ａ’〜16ｄ’を非接触に生じさせ、こ
れら超音波による合成波28をポイント23に集束させて振
幅を大きくすることができ、ポイント23での内部情報を
前記圧電素子により検出することにより分解能を向上さ
せることができる。そのため、その検出情報から光ビー
ムを透過しない試料13内の傷や不純物等の深さ方向の位
置を高精度に検出することができる。

【００２７】なお、本実施例では、光ビーム11ａ〜11ｄ
を走査して合成波28をポイント23に集束させるようにし
ているが、照射位置14ａ〜14ｄを固定して円周21の中心
軸上の振幅を大きくなるようにして欠陥位置を容易に特
定できるようにしてもよい。次に、図４〜図６は本発明
に係る超音波による探傷方法の第３実施例を示す図であ
る。なお、本実施例は請求項１〜４または６〜８のいづ
れかに記載の発明に対応する。また、本実施例では上述
実施例と同様の構成には同一の符合を付してその説明を
省略する。

【００２８】まず、構成を説明する。同図において、11
ｅは光ビームであり、光ビーム11ｅは前記ビーム発振装
置から出射された光ビームを円環状の透過領域31ａを形
成されたマスク31により円環状に整形されるようになっ
ており、この光ビーム11ｅはレンズ32により集光されて
試料13表面に照射され、その円環状の照射面14ｅから光
音響効果によって試料13内を伝播する超音波16ｅを発生
させる。この光ビーム11ｅは、図６に示すように、照射
を開始してからレンズ32を所定速度で試料13表面から離
隔して照射面14ｅの半径を徐々に小さくするようになっ
ている。

【００２９】38は合成波であり、合成波38は、上述第２
実施例と同様に、円環状の光ビーム11ｅが照射されるこ
とにより発生する超音波16ｅと、光ビーム11ｅが徐々に
照射面14ｅの中心に向かって走査されることにより発生
する超音波16ｅ’と、が互いに干渉して合成される。こ
のため、この合成波38の波面は近似的に凹面状になり、
ポイント33に集束しポイント33での振幅を大きくする。

【００３０】また、この光ビーム11ｅを集光させるレン
ズ32の試料13表面から離隔する速度は図示していない制
御手段によって制御されるようになっており、合成波38
の集束するポイント33が試料13の深さ方向に可変可能に
なっている。次に、作用を説明する。まず、試料13表面
の照射面14ｅにマスク31により円環状に整形された光ビ
ーム11ｅをレンズ32により集光して照射し、光音響効果
によって超音波16ｅを生じさせるとともにレンズ32を所
定速度で試料13の表面から離隔させ照射面14ｅの半径を
徐々に小さくして超音波16ｅ’を生じさせ、超音波16
ｅ、16ｅ’を試料13内部に伝播させる。そして、その超
音波16ｅ、16ｅ’により凹面状の波面を有する合成波38
を生成してその合成波38がポイント33に集束することに
より振幅を大きくしてポイント33の内部情報を前記圧電
素子により検出し、その検出情報からポイント33の傷や
不純物の有無を特定する。

【００３１】そして、レンズ32の試料13の表面から離隔
する速度を制御して合成波38が集束するポイント33の位
置を試料13の深さ方向に変えることにより試料13の深さ
方向に探傷する。このように本実施例によれば、上述第
２実施例の作用効果に加え、光ビーム11ｅを円環状に整
形するので、ポイント33での振幅をより大きくすること
ができ、そのポイント33の合成波38を検出することによ
り分解能をより向上させることができ、傷や不純物等の
有無をより高精度に検出することができる。

【００３２】さらに、レンズ32の試料13の表面から離隔
する速度を制御して合成波38が集束するポイント33の位
置を試料13の深さ方向に変えることができ、試料13の欠
陥を深さ方向に探傷することができる。なお、本実施例
に限らず上述第２実施例においても光ビームの走査する
走査速度を制御することにより合成波が集束するポイン
トの深さを制御可能であることはいうまでもない。ま
た、本実施例では、光ビーム11ｅを走査して合成波38を
ポイント33に集束させるようにしているが、照射面14ｅ
を固定してその中心軸上の振幅を大きくなるようにして
欠陥位置を容易に特定できるようにしてもよい。

【００３３】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、試料の異
なる所定位置に光ビームを照射して、それぞれの位置か
ら試料内を伝播する超音波により振幅の大きな合成波を
生成し、その合成波を検出するので、非接触で振幅の大
きな合成波を発生させ、その合成波を検出することによ
り分解能を向上させることができ、光ビームを透過しな
い試料内でも内部の傷や不純物等の位置や大きさ等を高
精度に検出することができる。

【００３４】請求項２記載の発明によれば、光ビームを
試料の少なくとも２箇所以上の所定位置に同時に照射す
るので、それぞれの位置の中心に合成波を生成し、その
合成波を検出することにより容易に欠陥の位置を特定す
ることができる。また、請求項３記載の発明によれば、
同一円周上に配置された少なくとも２箇所以上の所定位
置に光ビームを同時に照射するので、振幅の大きな合成
波をその円周の中心に生成することができ、その合成波
を検出することにより分解能を向上させることができ、
試料内部の欠陥の位置を容易に特定することができる。

【００３５】請求項４記載の発明によれば、円環状に整
形された光ビームを照射するので、より振幅の大きな合
成波をその円環の中心に生成して分解能をより向上させ
ることができ、より高精度に試料内部の欠陥の位置を容
易に特定することができる。さらに、請求項５記載の発
明によれば、光ビームを照射する円周の半径を光ビーム
の照射を開始してから徐々に小さくするので、試料表面
から所定深さの位置に合成波を集束させ振幅を大きくす
ることができ、その合成波を検出することにより試料内
部の欠陥の深さを高精度に特定することができる。

【００３６】請求項６記載の発明によれば、円環状の光
ビームの半径を光ビームの照射を開始してから徐々に小
さくするので、合成波を集束させより振幅を大きくする
ことができ、その合成波を検出することにより試料内部
の欠陥の深さをより高精度に特定することができる。そ
して、請求項７記載の発明によれば、光ビームを円周上
の所定位置に照射し、あるいは円環状の光ビームを照射
して、その半径を徐々に小さくする速度を制御するの
で、合成波が集束して振幅が大きくなる試料表面から深
度の位置を制御してその集束位置を試料の深さ方向に走
査することができ、試料内部の欠陥の深さを容易に特定
することができる。

【００３７】請求項８記載の発明によれば、円環状に整
形された光ビームの半径をレンズの試料表面からの距離
を変化することにより変化させるので、光ビームの半径
を小さくする速度を容易に制御することができ、合成波
を集束させる試料表面からの深さを容易に変化させ試料
内部の欠陥の深さを容易に特定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る超音波による探傷方法の第１実施
例を示す側面図である。

【図２】本発明に係る超音波による探傷方法の第２実施
例を示す斜視図である。

【図３】その第２実施例を説明する側面図である。

【図４】本発明に係る超音波による探傷方法の第３実施
例を示す斜視図である。

【図５】その第３実施例を説明する側面図である。

【図６】その第３実施例の動作を説明する斜視図であ
る。

【図７】その従来例を示す側面図である。

【図８】その他の従来例を示す側面図である。

【符号の説明】

11、11ａ〜11ｄ、11ｅ 光ビーム 12、32 レンズ 13 試料 14、14ａ〜14ｄ、15 照射位置 14ｅ 照射面 16、16ａ〜16ｄ、16ｅ、17 超音波 18、、28、38 合成波 31 マスク 31ａ 透過領域

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】変調された光ビームを照射して試料に光音
   響効果によって超音波を発生させ、光ビームを走査する
   とともにその超音波を検出することにより内部情報を抽
   出して試料内の傷や不純物の位置等を特定する超音波に
   よる探傷方法において、 試料の少なくとも２箇所以上の異なる所定位置に光ビー
   ムを照射して、それぞれの位置から試料内を伝播する超
   音波により振幅の大きな合成波を生成し、該合成波を検
   出することを特徴とする超音波による探傷方法。
2. 【請求項２】前記光ビームを、試料の少なくとも２箇所
   以上の所定位置に同時に照射することを特徴とする請求
   項１記載の超音波による探傷方法。
3. 【請求項３】前記光ビームを同時に照射される少なくと
   も２箇所以上の所定位置を、同一円周上に配置すること
   を特徴とする請求項２記載の超音波による探傷方法。
4. 【請求項４】照射する前記光ビームを、円環状に整形す
   ることを特徴とする請求項１記載の超音波による探傷方
   法。
5. 【請求項５】前記円周の半径を、光ビームの照射を開始
   してから徐々に小さくすることを特徴とする請求項３記
   載の超音波による探傷方法。
6. 【請求項６】前記円環の半径を、光ビームの照射を開始
   してから徐々に小さくすることを特徴とする請求項４記
   載の超音波による探傷方法。
7. 【請求項７】光ビームの照射を開始してから徐々に小さ
   くする前記半径の変化速度を制御することを特徴とする
   請求項５または６記載の超音波による探傷方法。
8. 【請求項８】光ビームを透過する円環状の透過領域を形
   成されたマスクにより光ビームを整形し、該マスクと光
   ビームを照射される試料との間に介装されたレンズを該
   試料表面からの距離を変化させるように移動制御し、円
   環状に整形された光ビームの半径を変化させることを特
   徴とする請求項６または７記載の超音波による探傷方
   法。