JPH0720094A - 超音波振動測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は，超音波振動測定装置に係り，当該
測定装置に対して試料が位置ずれ等を生じた場合でも，
比較的安定して超音波振動を測定し得るようにすること
を目的とする。 【構成】 パルスレーザ１から励起光が照射され，測定
用レーザ３から測定光が照射される。ここで材料２が上
下方向へ位置ずれした場合には，その位置ずれ量がＰＳ
Ｄ１８で検出され，材料２の表面２ａからの散乱光３１
が所定の平行光となるようにビーム径変換レンズ７がそ
の光軸方向へ移動調整される。また，散乱光３１の散乱
点がレンズ４の光軸に対してずれた場合には，その位置
ずれ量がＰＳＤ２１で検出され，干渉計１３に入射する
角度が所定の角度となるように，ミラー８，９が適宜揺
動調整される。これにより，材料２からの反射光は好適
にファブリーペロー干渉計１３に入射される。尚，当該
測定装置においては，励起光と測定光とを同一の光軸を
通して試料の同一表面側へ照射し得るようにすることに
よっても，位置ずれによる不都合の発生を抑制すること
ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，超音波振動測定装置に
係り，例えば材料試験，評価等に利用される超音波振動
測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】該材料中を伝播して材料表面に到達する
超音波の検出を，レーザ発振器を用いて非接触で行う技
術として，レーザ超音波法が知られている。同手法にお
ける超音波の検出は，上記材料表面に検出用の連続発振
レーザ（測定用レーザ）を照射しておき，超音波の到達
に伴う材料表面における振動をレーザ反射光の光干渉を
利用して捕らえるものである。このようなレーザ超音波
法に関する技術としては，例えばMeasurment Science&
Technology(Vol.2,No.7,628 〜634 ページ,1991)に紹介
されたものが挙げられる。これは，レーザ超音波法によ
り，例えば材料中における空洞のような欠陥の位置を特
定する場合に用いられる。即ち，材料の一方側の面に励
起光を照射することにより超音波パルスを発生させ，該
材料中を伝播した超音波パルスをその材料の反対側の面
で受信し，超音波パルスの発生点から測定点に至る間で
空洞のような欠陥があれば，超音波パルスの大きさが欠
陥がない場合と比較して小さくなるという現象を利用し
たものである。上記した従来技術にかかる装置を図５に
示すと共に，その測定手順を詳述する。上記装置におい
て，材料２の一方側の面にパルスレーザ１から発射され
たレーザ光（励起光）を照射して，該材料２に超音波を
発生させる。超音波の検出は材料２内部を伝播した超音
波を発生面の反対側の面で測定用レーザ３から発射され
たレーザ光（測定光）を照射することにより行う。上記
材料２表面で反射された測定用レーザ光の散乱光３１
は，パルスレーザ１による超音波が材料２の検出面に到
達したことによる表面振動に伴って周波数変調を受け
る。そして，上記散乱光３１は，レンズ４，２７によっ
て平行光にされ，例えばファブリーペロー干渉計１３に
導き入れられる。上記ファプリーペロー干渉計１３によ
り散乱光３１の周波数変調が光量の変化に変換され，こ
の変化が光検出器１５によって電気信号に変換されて信
号処理器１６により測定される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが，上記のよう
な従来の測定装置においては，材料２の当該装置に対す
る設置距離は不変であることを前提として各光学素子が
固定構造となっていることから，材料２の位置が変化す
ると，当該装置中の光学素子に至る結像関係や励起光あ
るいは測定光の照射位置関係が変化して安定的な測定を
行いえないという問題点がある。従って，当該測定装置
においては，材料が設置位置から何らかの原因によりず
れた場合にはその測定を一旦中止して，元の位置に戻さ
なければならず，装置の汎用性，測定精度，測定の安定
性等を考慮した場合，必ずしも好ましいとは言えない。
そこで，本発明は上記事情に鑑みて創案されたものであ
り，測定装置に対して試料が位置ずれを生じた場合で
も，比較的安定して超音波振動を測定し得ると共に，取
扱性に優れた測定装置の提供を目的とするものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に，本発明が採用する第１の手段は，その要旨とすると
ころが，励起光の照射により超音波振動を誘起させた試
料に第１の光学系を通して測定光を照射し，該測定光の
試料表面からの反射光を第２の光学系を通して干渉計に
入射させて検出し，その検出データに基づいて上記試料
の超音波振動を測定する超音波振動測定装置において，
上記第１の光学系に，上記励起光と上記測定光を同一の
光軸を通して上記試料表面に照射させる光学素子群を設
けた点に係る超音波振動測定装置である。また，上記目
的を達成するために，本発明が採用する第２の手段は，
その要旨とするところが，励起光の照射により超音波振
動を誘起させた試料に第１の光学系を通して測定光を照
射し，該測定光の試料表面からの反射光を第２の光学系
を通して干渉計に入射させて検出し，その検出データに
基づいて上記試料の超音波振動を測定する超音波振動測
定装置において，上記第２の光学系に，通過する光の進
行態様を調節する調節手段を設けた点に係る超音波振動
測定装置である。尚，この場合の調節手段としては，例
えば反射光の広がり角を調節する広がり角調節機構や反
射光の干渉計に対する入射角を調節する入射角調節機構
を備えることにより具現化される。

【０００５】

【作用】第１の測定装置においては，励起光と測定光と
が同一の光軸を通して試料表面に照射されることから，
励起光と測定光とが異なる光軸を通して試料に照射され
る場合に該試料の位置ずれや傾きが生じて試料表面に対
する励起光の照射位置と測定光の照射位置との間に生ず
る相対的な位置関係のずれに伴う測定精度上の不都合が
回避される。第２の振動測定装置においては，例えば試
料に位置ずれが生じた場合は，一定の広がり角度で反射
光が干渉計に入射されるように広がり角調節機構が調整
される。また，その時上記干渉計に入射する角度が測定
に影響を及ぼす場合には，上記干渉計に対する反射光の
入射角が常に一定となるように入射角調節機構が調整さ
れる。これにより，試料に位置ずれ等が生じた場合でも
好適に対応して安定的な超音波振動の測定が可能とな
る。

【０００６】

【実施例】以下添付図面を参照して，本発明を具体化し
た実施例につき説明し，本発明の理解に供する。尚，以
下の実施例は，本発明を具体化した一例であって，本発
明の技術的範囲を限定する性格のものではない。ここ
に，図１は本発明の一実施例にかかる超音波振動測定装
置の概略構成図，図２は本発明の他の実施例に係る超音
波振動測定装置の概略構成図，図３は同測定装置の変形
例を示す要部構成図，図４は同測定装置の他の変形例を
示す要部構成図である。また，前記従来の超音波振動測
定装置と共通する要素には同一の符号を使用すると共
に，その詳細な説明は省略する。まず，図１に示す超音
波振動測定装置Ａでは，材料２の表面２ａに対して，測
定用レーザ３，孔開ミラー４０，ダイクロイックミラー
４１，集光レンズ４２が同一の光軸４３上に配列されて
おり，上記孔開ミラー４０，ダイクロイックミラー４１
は光軸４３に対して４５度傾斜して配置されている。上
記孔開ミラー４０に対応して光軸４３に対する直角方向
には，ビーム径変換レンズ４４，４５，ファブリーペロ
ー干渉計１３が配置されており，上記ファブリーペロー
干渉計１３には例えばオシロスコープ４６が接続されて
いる。上記ダイクロイックミラー４１に対応して光軸４
３に対する直角方向には，レンズ４７，パルスレーザ１
が配置されている。この場合，上記孔開ミラー４０，ダ
イクロイックミラー４１，集光レンズ４２等により，上
記測定用レーザ３からの測定光とパルスレーザ１からの
励起光を同一の光軸４３を通して材料２の表面２ａに照
射させる光学素子群が構成されている。

【０００７】上記のように構成された超音波振動測定装
置Ａにおいては，測定用レーザ３からのレーザ光が孔開
ミラー４０の孔開部分，ダイクロイックミラー４１，集
光レンズ４２を通して光軸４３に沿って材料２の表面２
ａに照射される，他方，パルスレーザ１から放射された
レーザ光は，ダイクロイックミラー４１にてその進行方
向が屈折され，光軸４３に沿って材料２の表面２ａに照
射される。これにより，測定用レーザ３からのレーザ光
とパルスレーザ１からのレーザ光とが同一の光軸４３に
沿って材料２に照射されることとなる。その結果，材料
２の表面２ａにおいては，励起光と測定光とが同一点に
照射されることになる。これにより，表面２ａのレーザ
光の照射部位において超音波が発生し，その超音波は材
料２の裏面側で反射されて表面２ａへ再び到達する。測
定用レーザ３からのレーザ光は，その影響を受けて表面
２ａにおいて拡散反射されるが，この散乱光は集光レン
ズ４２にて集光されほぼ平行光となる。この平行光はダ
イクロイックミラー４１を透過して孔開ミラー４０にて
９０度偏向され，レンズ４４，４５を通してファブリー
ペロー干渉計１３へ導き入れられる。そして，ファブリ
ーペロー干渉計１３からの出力を例えばオシロスコープ
４６にて測定することにより，超音波波形の観察が行わ
れる。本実施例に係る超音波振動測定装置Ａにおいて
は，上述の如く材料２の表面上での超音波の発生点と検
出点とが同一となることから，材料２に例えば位置ずれ
や傾きが生じた場合に励起光の光軸と測定光の光軸とに
相対的なずれを生じて安定的な測定をなし得ないという
不都合を回避することができる。また，上記のような測
定装置においては，例えば材料２の表面が比較的粗い面
であっても，励起光と測定光の光軸が同一であると共
に，同一点に照射されて好適にその散乱光が集光される
ことから，その超音波振動を精度よく測定することがで
きる。更に，上記実施例においては，以下に示すように
その構成を部分的に変更しても同等の効果を得ることが
できる。 孔開ミラー４２に代えて，その中央部分に高透過率
材料を組み込んだミラーを使用する。 測定用レーザ３とパルスレーザ１の相対位置を変更
した構成とする。 レンズ４４，４５により構成しているビーム径変換
用の光学系は，例えば凸レンズを２個用いることにより
実現することも可能である。 孔開ミラー４０としてレンズ効果を備えたものを用
いることにより，上記構成中のレンズ４４を省略するこ
とができる。 ファプリーペロー干渉計１３に代えて時間差型光干
渉計を用いても同様の効果を得ることができる。

【０００８】引き続き図２に基づいて，超音波振動測定
装置Ｂについて説明する。この実施例に係る超音波振動
測定装置Ｂでは，材料２からの反射光をファブリーペロ
ー干渉計１３へ導く第２の光学系に，通過する光の進行
態様を調節する調節手段を設けることにより当初の目的
を達成し得るように構成されている。以下，その具体的
構成について説明する。尚，当該実施例では，材料２
（鋼板）の結晶粒径測定に適用した場合を例に説明す
る。まず，搬送により上下方向へ振動している材料２
（鋼板）に，パルスレーザ１からレンズ１４を通してレ
ーザ光（励起光）を照射して超音波を発生させ，その超
音波による振動を測定するために，測定用レーザ３から
レンズ１４を通してレーザ光（測定光）を照射する。測
定用レーザ３から照射されたレーザ光で材料２の表面２
ａで反射して散乱した散乱光３１はレンズ４で集光さ
れ，ミラー５にて反射されてビーム径変換レンズ６，７
を通過することにより，ビーム径の変換が行われてほぼ
平行光となる。その後，回転機構付のミラー８，９によ
りその進行方向が偏向されてビームスプリッタ１０によ
り散乱光３２，３３に分割される。一方の散乱光３２
は，レンズ２０を経て二次元位置センサＰＳＤ２１へ入
射され，他方の散乱光３３は１／４波長板１２を経てフ
ァブリーペロー干渉計１３へ入射される。このファブリ
ーペロー干渉計１３の出力光はビームスプリッタ１１，
レンズ１４を通して光検出器１５に入射されてその強度
変化が検出され，信号処理器１６にてその測定がなされ
る。他方，上記散乱光３１の一部がレンズ１７を通して
一次元位置センサＰＳＤ１８に入射され，材料２の上下
方向に関する位置信号が検出される。ここで，上記材料
２が上下方向へ位置ずれを生じた場合には，散乱光３１
の広がり角が変化してファブリーペロー干渉計１３に対
しては所定幅の平行光を入射させることができない。そ
こで，当該装置においては以下に示すような手順にて制
御がなされる。

【０００９】即ち，ＰＳＤ１８により得られる材料２の
位置信号に基づいて制御回路１９によりその変位量が算
出され，その変位量に基づいて，散乱光を平行光となす
ためのレンズ７のその光軸方向にかかる移動量が算出さ
れる。これにより，レンズ７がその光軸方向へフィード
フォワード制御により適宜移動駆動され，散乱光３１は
平行光としてファブリーペロー干渉計１３に入射され
る。この場合，レンズ７，ＰＳＤ１８，制御回路１９等
により，材料２の表面２ａからの反射光の広がり角を調
節する広がり角調整機構が構成されている。また，上記
材料２が上下方向の位置ずれを生じた結果，測定用レー
ザ３からのレーザ光の散乱点はレンズ４の光軸からずれ
る。そのため，反射光の光軸がずれてファブリーペロー
干渉計１３に対する入射角が変化し，この場合にも正確
な測定をなし得ない。そこで，当該装置においては，以
下に示すような制御がなされる。即ち，散乱光３２のレ
ンズ２０による焦点位置のずれ量がＸＹ方向に関してＰ
ＳＤ２１により検出される。そして，このずれ量に基づ
いて，ミラー８，９がそれぞれ制御回路２２，２３によ
りフィードバック制御にて揺動駆動される。ここで，ミ
ラー８によりＸ軸方向にかかる光軸調整がなされ，ミラ
ー９によりＹ軸方向にかかる光軸調整がなされる。この
場合，ミラー８，９，ＰＳＤ２１，制御回路２２，２３
等により，反射光のファブリーペロー干渉計１３に対す
る入射角を調節する入射角調節機構が構成されている。
本実施例に係る測定装置は上記したように構成されてい
るため，試料２が位置ずれ等を生じた場合でも，安定的
に且つ精度良く超音波振動を測定して鋼板の結晶粒径の
測定を行うことができる。引き続き，以下に他の実施例
に係る振動測定装置について説明する。まず，図３で
は，ファブリーペロー干渉計１３に，光ファイバー２５
を用いて反射光を導き入れる場合の例を示す。当該測定
装置においては，光ファイバー２５を使用することによ
り，ファブリーペロー干渉計１３を測定対象となる材料
２から離して設置することができる。尚，ここで，材料
２が位置ずれ等を生じた場合には，前記実施例の場合と
同様，レンズ７，ミラー８，，９を適宜駆動制御して，
光ファイバー２５のコアの中心に常に焦点が合うように
制御することで，常に安定的に且つ精度の良い測定をな
すことができる。

【００１０】上記実施例では，ファブリーペロー干渉計
１３に反射光を平行光として入射させるためにレンズ７
を位置調整しているが，このレンズ７に代えて，レンズ
４や６を位置調整し得るようにしても同様の効果を得る
ことができる。また，ビーム径の変換のためにレンズ
６，７を用いているが，このレンズ６，７を省略してレ
ンズ４を位置調整可能に構成することでも，上記実施例
の場合と同様の効果を得ることができる。更に，上記実
施例におけるレンズ７に代えて，より高い結像能力を有
する光学素子として，凹レンズ，凹面鏡あるいは凸面鏡
を使用しても良い。凹レンズ２７を使用した場合を図４
（ａ）に，凹面鏡２９を使用した場合を同図（ｂ）に，
凸面鏡３７を使用した場合を同図（ｃ）にそれぞれ示
す。ここで，各図中，２８はハーフミラー，３０はミラ
ーである。また，上記実施例では，ファブリーペロー干
渉計１３に平行光を入射するために，材料２の変移量を
測定してレンズ７を駆動するフィードフォワード制御を
実施しているが，ファブリーペロー干渉計１３の前方に
ビームスプリッタを設定して散乱光を分割し，この散乱
光の拡散の程度を電気信号として出力してフォーカス誤
差信号を検出する方法（例えば非点収差法，フーコ法，
臨界角法等）により，拡散の程度が０，即ち平行となる
ようにレンズ７をフィードバック制御にて自動調整する
ように構成することも可能である。更に，上記実施例に
おいては，干渉計としてはファブリーペロー干渉計に限
定されることはなく，例えばリング干渉計，時間差干渉
計等を用いることも可能である。更にまた，上記実施例
において，偏光素子としてのミラーに代えてプリズム等
を使用することも可能であり，更には，散乱光３３の広
がり角が０度，即ち正確な平行光とならなくともある程
度収束された収束光あるいは拡散光であっても良い。即
ち，その定量性が補償されればよい。

【００１１】

【発明の効果】本発明に係る超音波振動測定装置は上記
したように構成されているため，当該測定装置に対して
試料が位置ずれ等を生じた場合でも，比較的安定して超
音波振動を測定することがてきる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例にかかる超音波振動測定装
置の概略構成図。

【図２】 本発明の他の実施例に係る超音波振動測定装
置の概略構成図。

【図３】 同測定装置の変形例を示す要部構成図。

【図４】 同測定装置の他の変形例を示す要部構成図。

【図５】 従来の超音波振動測定装置の概略構成図。

【符号の説明】

１…パルスレーザ ２…材料 ３…測定用レーザ ７…ビーム径変換レンズ ８，９…ミラー １３…ファブリーペロー干渉計 １５…光検出器 １６…信号処理器 １８，２１…ＰＳＤ １９，２２，２３…制御回路 ４０…孔開ミラー ４１…ダイクロイックミラー ４２…集光レンズ ４３…光軸 Ａ，Ｂ…超音波振動測定装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小川 岳夫 兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内 (72)発明者 高松 弘行 兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内 (72)発明者 柳井 敏志 兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内 (72)発明者 赤松 勝 兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 励起光の照射により超音波振動を誘起さ
   せた試料に第１の光学系を通して測定光を照射し，該測
   定光の試料表面からの反射光を第２の光学系を通して干
   渉計に入射させて検出し，その検出データに基づいて上
   記試料の超音波振動を測定する超音波振動測定装置にお
   いて，上記第１の光学系に，上記励起光と上記測定光を
   同一の光軸を通して上記試料表面に照射させる光学素子
   群を設けたことを特徴とする超音波振動測定装置。
2. 【請求項２】 励起光の照射により超音波振動を誘起さ
   せた試料に第１の光学系を通して測定光を照射し，該測
   定光の試料表面からの反射光を第２の光学系を通して干
   渉計に入射させて検出し，その検出データに基づいて上
   記試料の超音波振動を測定する超音波振動測定装置にお
   いて，上記第２の光学系に，通過する光の進行態様を調
   節する調節手段を設けたことを特徴とする超音波振動測
   定装置。
3. 【請求項３】 上記第２の光学系に設けられる調節手段
   が，上記反射光の広がり角を調節する広がり角調節機構
   を備えた請求項２記載の超音波振動測定装置。
4. 【請求項４】 上記第２の光学系に設けられる調節手段
   が，上記反射光の上記干渉計に対する入射角を調節する
   入射角調節機構を備えた請求項２又は３記載の超音波振
   動測定装置。