JPH0933490A - 非接触非破壊材料評価方法及び装置 - Google Patents
非接触非破壊材料評価方法及び装置Info
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- JPH0933490A JPH0933490A JP7209234A JP20923495A JPH0933490A JP H0933490 A JPH0933490 A JP H0933490A JP 7209234 A JP7209234 A JP 7209234A JP 20923495 A JP20923495 A JP 20923495A JP H0933490 A JPH0933490 A JP H0933490A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 被検体上の広い範囲にわたって位相速度走査
法による非接触非破壊材料評価方法及び装置を提供する
ことを目的とする。 【解決手段】 レーザービーム熱源を超音波の位相速度
で走査して単一モードの超音波を選択的に発生する位相
速度走査（ＰＶＳ）法の一環として、レーザーの走査干
渉縞（ＳＩＦ）で発生した試料内部に高い指向性で伝搬
する高周波バルク超音波（縦波、横波）を用いた試料表
面下の新しい非接触非破壊欠陥検出方法である。ＳＩＦ
は周波数の異なる２本のレーザービームＢ１，Ｂ２を試
料１２表面下で交差干渉させて発生する。バルク超音波
の伝搬方向は、レーザーの入射角を変えることで簡単に
制御可能である。試料１２表面で発生したバルク超音波
は表面下の欠陥で反射し、再び試料表面で工学的ナイフ
エッジ法等によって非接触で検出する。
法による非接触非破壊材料評価方法及び装置を提供する
ことを目的とする。 【解決手段】 レーザービーム熱源を超音波の位相速度
で走査して単一モードの超音波を選択的に発生する位相
速度走査（ＰＶＳ）法の一環として、レーザーの走査干
渉縞（ＳＩＦ）で発生した試料内部に高い指向性で伝搬
する高周波バルク超音波（縦波、横波）を用いた試料表
面下の新しい非接触非破壊欠陥検出方法である。ＳＩＦ
は周波数の異なる２本のレーザービームＢ１，Ｂ２を試
料１２表面下で交差干渉させて発生する。バルク超音波
の伝搬方向は、レーザーの入射角を変えることで簡単に
制御可能である。試料１２表面で発生したバルク超音波
は表面下の欠陥で反射し、再び試料表面で工学的ナイフ
エッジ法等によって非接触で検出する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、材料評価、非破
壊検査等において使用する非接触非破壊材料評価方法及
び装置に関するものである。
壊検査等において使用する非接触非破壊材料評価方法及
び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】セラミックの微小亀裂やＩＣパッケージ
のボイド等、材料や構造物の強度や信頼性を損なう微小
欠陥の検出法として周波数50〜100 ＭＨｚ以上の超音波
による超音波顕微鏡（ＳＡＭ）やレーザー走査型超音波
顕微鏡（ＳＬＡＭ）を用いた欠陥の映像法が有用であり
（［１］I.R.Smith,R.A,Harvey and D.J,Fathers,IEEET
ran,Sknics and Ultrason.SU-32(1985)274.［２］L.W.K
esseler,J.Acoust.Soc.Am.55(1974)909 参照）、ＳＡ
Ｍで亀裂を観察したときに発生するフリンジによる評価
などが知られている（［３］K.Yamanaka and Y.Enomot
o,J.Appl.Phys.53(1982)846 参照）。
のボイド等、材料や構造物の強度や信頼性を損なう微小
欠陥の検出法として周波数50〜100 ＭＨｚ以上の超音波
による超音波顕微鏡（ＳＡＭ）やレーザー走査型超音波
顕微鏡（ＳＬＡＭ）を用いた欠陥の映像法が有用であり
（［１］I.R.Smith,R.A,Harvey and D.J,Fathers,IEEET
ran,Sknics and Ultrason.SU-32(1985)274.［２］L.W.K
esseler,J.Acoust.Soc.Am.55(1974)909 参照）、ＳＡ
Ｍで亀裂を観察したときに発生するフリンジによる評価
などが知られている（［３］K.Yamanaka and Y.Enomot
o,J.Appl.Phys.53(1982)846 参照）。
【０００３】本発明の発明者らは、カプラーを用いない
超音波顕微鏡を開発するために、レーザー超音波法を拡
張してレーザービームを超音波の位相速度で走査するこ
とにより、大振幅単一モードの表面波を非接触で励起す
る位相速度走査（ＰＶＳ）法（［４］K.Yamanaka,Y.Nag
ata and T.Koda:Appl.Phys.Lett.,58(1991)1591.［５］
K.Yamanaka,Y.Nagata and T.Koda:Review of Progress
in Quantitative Nondestructive Evaluation,eds.D.O.
Thompson and D.E.Chimenti(Plenum,New York,1992)Vo
l.11,p.633 参照）を提案した。非破壊検査で使用され
る熱弾性効果によるレーザー超音波発生法（［６］D.A.
Hutchins:Physical Acoustics,eds.W.P.Mason and R.N.
Thurston (Academic,San Diego,1988)Vol.XVIII,p.21参
照）では一般に振幅の小さな超音波しか発生できない
が、この方法ではこれを解決している。周波数が100 Ｍ
Ｈｚ以上の場合は単一ビームの代わりに干渉縞を位相速
度で走査する走査干渉縞（ＳＩＦ）（［７］H.Nisino,
Y.Tsukahara,Y.Nagata,T.Koda and K.Yamanaka;Appl.Ph
ys.Lett.62(1993)2036.［８］ K.Yamanaka,O.V.Koloso
v,Y.Nagata,T.Koda,H.Nishino and Y.Tsukahara:J.App
l.Phys.74(1993)6511［９］H.Nishino,Y.Tsukahara,Y.N
agata,T.Koda and K.Yamanaka:Jpn.J.Appl.Phys.33(199
4)3260 参照）方式を開発した。また、走査干渉縞（Ｓ
ＩＦ）方式を指向性のあるバルク超音波の励起法に拡張
した（平成４年特許願第３５５５２２号明細書、図
面）。このバルク超音波の励起法、特に位相速度走査法
は発生する弾性波の放射方向の制御が可能であり、また
試料表面でのエネルギー密度を低くでき、試料の損傷が
起きにくく、且つ任意の周波数の弾性波が発生でき、周
波数と指向性の独立制御が可能である利点を有する。
超音波顕微鏡を開発するために、レーザー超音波法を拡
張してレーザービームを超音波の位相速度で走査するこ
とにより、大振幅単一モードの表面波を非接触で励起す
る位相速度走査（ＰＶＳ）法（［４］K.Yamanaka,Y.Nag
ata and T.Koda:Appl.Phys.Lett.,58(1991)1591.［５］
K.Yamanaka,Y.Nagata and T.Koda:Review of Progress
in Quantitative Nondestructive Evaluation,eds.D.O.
Thompson and D.E.Chimenti(Plenum,New York,1992)Vo
l.11,p.633 参照）を提案した。非破壊検査で使用され
る熱弾性効果によるレーザー超音波発生法（［６］D.A.
Hutchins:Physical Acoustics,eds.W.P.Mason and R.N.
Thurston (Academic,San Diego,1988)Vol.XVIII,p.21参
照）では一般に振幅の小さな超音波しか発生できない
が、この方法ではこれを解決している。周波数が100 Ｍ
Ｈｚ以上の場合は単一ビームの代わりに干渉縞を位相速
度で走査する走査干渉縞（ＳＩＦ）（［７］H.Nisino,
Y.Tsukahara,Y.Nagata,T.Koda and K.Yamanaka;Appl.Ph
ys.Lett.62(1993)2036.［８］ K.Yamanaka,O.V.Koloso
v,Y.Nagata,T.Koda,H.Nishino and Y.Tsukahara:J.App
l.Phys.74(1993)6511［９］H.Nishino,Y.Tsukahara,Y.N
agata,T.Koda and K.Yamanaka:Jpn.J.Appl.Phys.33(199
4)3260 参照）方式を開発した。また、走査干渉縞（Ｓ
ＩＦ）方式を指向性のあるバルク超音波の励起法に拡張
した（平成４年特許願第３５５５２２号明細書、図
面）。このバルク超音波の励起法、特に位相速度走査法
は発生する弾性波の放射方向の制御が可能であり、また
試料表面でのエネルギー密度を低くでき、試料の損傷が
起きにくく、且つ任意の周波数の弾性波が発生でき、周
波数と指向性の独立制御が可能である利点を有する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の方
法は発生したバルク超音波は直径数ミリ程度のビーム状
で広い範囲を検査するのは困難であった。
法は発生したバルク超音波は直径数ミリ程度のビーム状
で広い範囲を検査するのは困難であった。
【０００５】この発明は上記の如き事情に鑑みてなされ
たものであって、必要な距離を保持して被検体表面に照
射されたプローブ光と干渉性エネルギービームを組とし
て、これを被検体と相対的に走査することによって、も
しくはプローブ光のみを走査することにより広い範囲で
被検体の材料評価を行える位相速度走査法による非接触
非破壊材料評価方法及び装置を提供することを目的とす
るものである。
たものであって、必要な距離を保持して被検体表面に照
射されたプローブ光と干渉性エネルギービームを組とし
て、これを被検体と相対的に走査することによって、も
しくはプローブ光のみを走査することにより広い範囲で
被検体の材料評価を行える位相速度走査法による非接触
非破壊材料評価方法及び装置を提供することを目的とす
るものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】この目的に対応して、こ
の発明の非接触非破壊材料評価方法は、２本の周波数の
わずかに異なる干渉性エネルギービームを被検体上で交
差させて照射して、走査される干渉縞を生成し、この干
渉縞の作用によって被検体表面に干渉縞間隔と同じ間隔
を持つ歪み分布を形成することによって、前記被検体内
部を伝搬する弾性波の音速と干渉縞の走査速度の比で決
まる方向に前記弾性波を放射し、前記被検体の表面に設
置したプローブ光によって前記表面から出射するバルブ
超音波を非接触検出し、前記被検体、前記干渉性エネル
ギービーム及び前記プローブ光のうちの少くとも一を走
査することによって前記非接触検出の検出点を移動させ
ることを特徴とし、またこの発明の非接触非破壊材料評
価装置は、２本の周波数のわずかに異なる干渉性エネル
ギービームを被検体の表面で、所定の角度で交差干渉さ
せる走査干渉縞形成装置と、前記被検体の表面から出射
するバルク超音波を検出するバルク超音波検出装置とを
有し、前記バルク超音波検出装置はレーザービーム発生
装置と前記レーザービーム発生装置で発生したレーザー
ビームを前記被検体の表面上でプローブ光のスポットと
して結像させる光学系と、前記プローブ光の前記被検体
の表面からの反射光を検出する検出装置とを有し、必要
な距離を保持して被検体表面に照射された前記プローブ
光と前記干渉性エネルギービームを組として、これを被
検体と相対的に走査することによって、もしくは前記プ
ローブ光のみを走査することによって検出点を移動させ
ることを特徴としている。
の発明の非接触非破壊材料評価方法は、２本の周波数の
わずかに異なる干渉性エネルギービームを被検体上で交
差させて照射して、走査される干渉縞を生成し、この干
渉縞の作用によって被検体表面に干渉縞間隔と同じ間隔
を持つ歪み分布を形成することによって、前記被検体内
部を伝搬する弾性波の音速と干渉縞の走査速度の比で決
まる方向に前記弾性波を放射し、前記被検体の表面に設
置したプローブ光によって前記表面から出射するバルブ
超音波を非接触検出し、前記被検体、前記干渉性エネル
ギービーム及び前記プローブ光のうちの少くとも一を走
査することによって前記非接触検出の検出点を移動させ
ることを特徴とし、またこの発明の非接触非破壊材料評
価装置は、２本の周波数のわずかに異なる干渉性エネル
ギービームを被検体の表面で、所定の角度で交差干渉さ
せる走査干渉縞形成装置と、前記被検体の表面から出射
するバルク超音波を検出するバルク超音波検出装置とを
有し、前記バルク超音波検出装置はレーザービーム発生
装置と前記レーザービーム発生装置で発生したレーザー
ビームを前記被検体の表面上でプローブ光のスポットと
して結像させる光学系と、前記プローブ光の前記被検体
の表面からの反射光を検出する検出装置とを有し、必要
な距離を保持して被検体表面に照射された前記プローブ
光と前記干渉性エネルギービームを組として、これを被
検体と相対的に走査することによって、もしくは前記プ
ローブ光のみを走査することによって検出点を移動させ
ることを特徴としている。
【０００７】さらに被検体を広い範囲で評価するために
被検体を走査するｘ−ｙステージ装置、あるいは干渉エ
ネルギービーム及びプローブ光を走査するガルバノメー
ターのうちのいずれか一を有することを特徴としてい
る。
被検体を走査するｘ−ｙステージ装置、あるいは干渉エ
ネルギービーム及びプローブ光を走査するガルバノメー
ターのうちのいずれか一を有することを特徴としてい
る。
【０００８】
【発明の実施の形態】以下、この発明の詳細を一実施の
形態を示す図面について説明する。
形態を示す図面について説明する。
【０００９】まず、この発明によるバルク超音波の発生
原理を詳細に説明する。
原理を詳細に説明する。
【００１０】一般に半無限試料表面上を超音波の線音源
が線音源と垂直方向に音速ｃのバルク超音波より速い速
度ｖ（＞ｃ）で走査されるときバルク超音波が試料内部
方向に励振され、音源とバルク超音波の試料表面上の波
面の位相整合性から伝搬方向φは φ＝ｓｉｎ-1（ｃ／ｖ） （１） となる。（１）式は線音源の速度をバルク超音波の位相
速度の試料表面方向成分に等しい速度で走査したときに
バルク超音波が発生することを示している。これはＰｈ
ａｓｅｄ−ａｒｒａｙによる指向性を持った波動の励振
と（音源の走査が連続か不連続かの差異のみで）基本的
に同義である。
が線音源と垂直方向に音速ｃのバルク超音波より速い速
度ｖ（＞ｃ）で走査されるときバルク超音波が試料内部
方向に励振され、音源とバルク超音波の試料表面上の波
面の位相整合性から伝搬方向φは φ＝ｓｉｎ-1（ｃ／ｖ） （１） となる。（１）式は線音源の速度をバルク超音波の位相
速度の試料表面方向成分に等しい速度で走査したときに
バルク超音波が発生することを示している。これはＰｈ
ａｓｅｄ−ａｒｒａｙによる指向性を持った波動の励振
と（音源の走査が連続か不連続かの差異のみで）基本的
に同義である。
【００１１】図１に示すように、２本の周波数の異なる
レーザービームの干渉により得られるＳＩＦの走査速度
ｖf はレーザーの周波数をω1 、ω2 、波数をＫ＝ｋ1
−ｋ2 （ｋ1 、ｋ2 はレーザービームの波数ベクトル）
及び入射角をθとすると ｖf ＝ω2 ／２Ｋｓｉｎθ ここに ω2 ＝｜ω1 −ω2 ｜ （２） となる（図１）。ＳＩＦは等間隔にある多くの線音源を
速度ｖf で走査したものと考えられるので、（１）式よ
りｃ＜ｖf でバルク超音波が発生し、その伝搬方向は
（１）式に（２）式を代入して φ＝ｓｉｎ-1（２ｃＫｓｉｎθ／ω2 ） （３） と入射角θの関数で与えられる（［１０］K.Yamanaka,
H.Nishino,Y.Tsukahara,Y.Nagata and T.Koda:Proc.Ult
rasonics International '93,Vienna,Austria,p.807.
参照）。以上からｖ＞ｃのときにバルク波は励起され、
バルク超音波の伝搬方向φはレーザービームの入射角θ
によって制御が可能であることが分かる。
レーザービームの干渉により得られるＳＩＦの走査速度
ｖf はレーザーの周波数をω1 、ω2 、波数をＫ＝ｋ1
−ｋ2 （ｋ1 、ｋ2 はレーザービームの波数ベクトル）
及び入射角をθとすると ｖf ＝ω2 ／２Ｋｓｉｎθ ここに ω2 ＝｜ω1 −ω2 ｜ （２） となる（図１）。ＳＩＦは等間隔にある多くの線音源を
速度ｖf で走査したものと考えられるので、（１）式よ
りｃ＜ｖf でバルク超音波が発生し、その伝搬方向は
（１）式に（２）式を代入して φ＝ｓｉｎ-1（２ｃＫｓｉｎθ／ω2 ） （３） と入射角θの関数で与えられる（［１０］K.Yamanaka,
H.Nishino,Y.Tsukahara,Y.Nagata and T.Koda:Proc.Ult
rasonics International '93,Vienna,Austria,p.807.
参照）。以上からｖ＞ｃのときにバルク波は励起され、
バルク超音波の伝搬方向φはレーザービームの入射角θ
によって制御が可能であることが分かる。
【００１２】以上が効果的にバルク超音波を発生する場
合の原理である。
合の原理である。
【００１３】次に、この発明の非接触非破壊材料評価方
法において使用する装置について説明する。図２に示す
ように、非接触非破壊材料評価装置１は、走査干渉縞形
成装置２とバルク超音波検出装置３とを備えている。
法において使用する装置について説明する。図２に示す
ように、非接触非破壊材料評価装置１は、走査干渉縞形
成装置２とバルク超音波検出装置３とを備えている。
【００１４】走査干渉縞形成装置２は、レーザー光源
４、ビームスプリッタ５、ミラー６、音響光学素子７と
を備えている。
４、ビームスプリッタ５、ミラー６、音響光学素子７と
を備えている。
【００１５】バルク超音波検出装置３は、プローブ光形
成装置８と光検出装置１１とを備えている。プローブ光
形成装置８は、試料１２の表面にプローブ光のスポット
を形成するための装置であって、レーザー光源１３と光
学系１４とを備えている。光検出装置１１は、光学系１
５と、光学的ナイフエッジ１６、光検出器１７、バンド
パスフィルタ１８、オシロスコープ２１及び他の光検出
器２２を備えている。被検体上の検出点の移動は、被検
体、干渉性エネルギービーム及びプローブ光のうちの少
くとも一を走査することによって行う。なお、この実施
例ではバルク超音波の検出に光学的ナイフエッジを使用
する光学的ナイフエッジ法を採用した例を説明したが、
光学的ナイフエッジ法に替えてヘテロダイン干渉法やフ
ァブリペロー干渉法を用いてよい。このような構成の非
接触非破壊材料評価装置１において、非接触非破壊材料
評価を行う場合の操作は次の通りである。
成装置８と光検出装置１１とを備えている。プローブ光
形成装置８は、試料１２の表面にプローブ光のスポット
を形成するための装置であって、レーザー光源１３と光
学系１４とを備えている。光検出装置１１は、光学系１
５と、光学的ナイフエッジ１６、光検出器１７、バンド
パスフィルタ１８、オシロスコープ２１及び他の光検出
器２２を備えている。被検体上の検出点の移動は、被検
体、干渉性エネルギービーム及びプローブ光のうちの少
くとも一を走査することによって行う。なお、この実施
例ではバルク超音波の検出に光学的ナイフエッジを使用
する光学的ナイフエッジ法を採用した例を説明したが、
光学的ナイフエッジ法に替えてヘテロダイン干渉法やフ
ァブリペロー干渉法を用いてよい。このような構成の非
接触非破壊材料評価装置１において、非接触非破壊材料
評価を行う場合の操作は次の通りである。
【００１６】周波数のわずかに異なる２本のレーザービ
ームを被検体上で交差させて照射して、高速で走査され
る干渉縞によって発生したバルク超音波を、欠陥からの
反射波を検出するために、必要な距離を保持して被検体
表面に照射されたプローブ光と干渉性エネルギービーム
を組として、これを被検体と相対的に走査することによ
って、もしくはプローブ光のみを走査することにより被
検体の広い範囲を非接触非破壊的に検出する。
ームを被検体上で交差させて照射して、高速で走査され
る干渉縞によって発生したバルク超音波を、欠陥からの
反射波を検出するために、必要な距離を保持して被検体
表面に照射されたプローブ光と干渉性エネルギービーム
を組として、これを被検体と相対的に走査することによ
って、もしくはプローブ光のみを走査することにより被
検体の広い範囲を非接触非破壊的に検出する。
【００１７】すなわち、具体的に説明すると、レーザー
光源１３から発生したレーザー光をレーザービームＢ１
とＢ２に分割し、レーザービームＢ１は音響光学素子７
を通して周波数シフトを行う。一方、レーザービームＢ
２を相互入射角θで試料１２面上に入射して、交差干渉
させることにより、走査干渉縞（ＳＩＦ）を形成する。
走査干渉縞が形成されると前述したバルク超音波の発生
原理により、試料１２内にバルク超音波が励起され、伝
搬方向はレーザービームの入射角θによって制御可能と
なる。試料１２内に伝搬されたバルク超音波は試料１２
内の欠陥によって反射回折され、試料１２面上に出る。
この試料表面上に出たバルク超音波は、バルク超音波検
出装置３で検出される。バルク超音波検出装置３では、
レーザー光源１３で発生したレーザービームは、光学系
１４で絞られて、試料１２面上にスポットを形成し、試
料１２の表面の変形を検出する。試料１２の表面からの
反射光は光学系１５で絞られ、ビームの一部分がカット
されて光検出器１７の受光面に集光させて検出する。検
出された光の波形は更に、オシロスコープ２１にストア
され、もう一系統をバンドパスフィルタ１８で、包絡線
検出した波形をオシロスコープ２１にストアして解析す
る。オシロスコープ２１のトリガーは、光検出器２２で
レーザー光源４からのレーザービームの散乱光を検出し
て使用する。
光源１３から発生したレーザー光をレーザービームＢ１
とＢ２に分割し、レーザービームＢ１は音響光学素子７
を通して周波数シフトを行う。一方、レーザービームＢ
２を相互入射角θで試料１２面上に入射して、交差干渉
させることにより、走査干渉縞（ＳＩＦ）を形成する。
走査干渉縞が形成されると前述したバルク超音波の発生
原理により、試料１２内にバルク超音波が励起され、伝
搬方向はレーザービームの入射角θによって制御可能と
なる。試料１２内に伝搬されたバルク超音波は試料１２
内の欠陥によって反射回折され、試料１２面上に出る。
この試料表面上に出たバルク超音波は、バルク超音波検
出装置３で検出される。バルク超音波検出装置３では、
レーザー光源１３で発生したレーザービームは、光学系
１４で絞られて、試料１２面上にスポットを形成し、試
料１２の表面の変形を検出する。試料１２の表面からの
反射光は光学系１５で絞られ、ビームの一部分がカット
されて光検出器１７の受光面に集光させて検出する。検
出された光の波形は更に、オシロスコープ２１にストア
され、もう一系統をバンドパスフィルタ１８で、包絡線
検出した波形をオシロスコープ２１にストアして解析す
る。オシロスコープ２１のトリガーは、光検出器２２で
レーザー光源４からのレーザービームの散乱光を検出し
て使用する。
【００１８】
装置構成 図２にＳＩＦによるバルク超音波励起の実験装置を、ま
た図３には試料周りの詳細な図を示す。バルク超音波発
生用にはＱ−ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｎｄ：ＹＡＧパルスレ
ーザー（レーザ光源４）の第二高調波（５３２ｎｍ）を
用いた。エネルギーとパルス幅は９ｍＪ／１００ｎｓ前
後で使用した。発振したレーザー光はビームスプリッタ
ー（５）によって２本のビームに分けた。一方のビーム
はＴｅＯ2 の音響光学素子７（Ｂｒａｇｇ ｃｅｌｌ）
を通ることによってビーム光の周波数がＢｒａｇｇ ｃ
ｅｌｌの駆動周波数ω2 だけシフトした。この周波数の
シフトしたビームと他方のビームを試料１２面上で必要
な入射角で交差干渉させることにより、試料１２面上に
ＳＩＦを形成させる。ＳＩＦによって発生したバルク超
音波は試料中を伝わり（欠陥などがあれば反射・回折し
て）試料面上の位置に設置したプローブ光１９（図３）
によって検出を非接触で行う。プローブ光にはＣＷアル
ゴンレーザー（５１４．５ｎｍ、５０ｍＷ）を使用し、
検出方法には光学的ナイフエッジ法を用いた。検出感度
を最大にするためにプローブ光は試料面上で検出するバ
ルク超音波の波長程度にできるだけ長焦点のレンズによ
って絞った（［１１］H.Nishino,Y.Tsukahara,Y.Nagat
a,T.Koda and K.Yamanaka;submitted to Jpn.J.Appl.Ph
ys.参照）。試料面上で反射したプローブ光はもうひと
つのレンズによってアバランシェフォトダイオード（Ａ
ＰＤ）（光検出器１７）の受光面に集光させ、ＡＰＤの
手前にナイフエッジをはさみ検出感度が最大になるよう
にナイフエッジを動かしてビームの一部をカットするこ
とによりアライメントを行った。ＡＰＤからの検出波形
は一系統はそのままデジタルオシロスコープに入力、ス
トアされ、もう一系統はバンドパスフィルター（バンド
パスフィルタ１８）（中心周波数ω、バンド幅１０ＭＨ
ｚ）を通った後、包絡線検出した波形を同じデジタルオ
シロスコープに入力、ストアし、コンピューターに転送
して解析（画像化）などを行った。デジタルオシロスコ
ープのトリガーにはパルスレーザーの散乱光を別のＡＰ
Ｄで検出することで得た。
た図３には試料周りの詳細な図を示す。バルク超音波発
生用にはＱ−ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｎｄ：ＹＡＧパルスレ
ーザー（レーザ光源４）の第二高調波（５３２ｎｍ）を
用いた。エネルギーとパルス幅は９ｍＪ／１００ｎｓ前
後で使用した。発振したレーザー光はビームスプリッタ
ー（５）によって２本のビームに分けた。一方のビーム
はＴｅＯ2 の音響光学素子７（Ｂｒａｇｇ ｃｅｌｌ）
を通ることによってビーム光の周波数がＢｒａｇｇ ｃ
ｅｌｌの駆動周波数ω2 だけシフトした。この周波数の
シフトしたビームと他方のビームを試料１２面上で必要
な入射角で交差干渉させることにより、試料１２面上に
ＳＩＦを形成させる。ＳＩＦによって発生したバルク超
音波は試料中を伝わり（欠陥などがあれば反射・回折し
て）試料面上の位置に設置したプローブ光１９（図３）
によって検出を非接触で行う。プローブ光にはＣＷアル
ゴンレーザー（５１４．５ｎｍ、５０ｍＷ）を使用し、
検出方法には光学的ナイフエッジ法を用いた。検出感度
を最大にするためにプローブ光は試料面上で検出するバ
ルク超音波の波長程度にできるだけ長焦点のレンズによ
って絞った（［１１］H.Nishino,Y.Tsukahara,Y.Nagat
a,T.Koda and K.Yamanaka;submitted to Jpn.J.Appl.Ph
ys.参照）。試料面上で反射したプローブ光はもうひと
つのレンズによってアバランシェフォトダイオード（Ａ
ＰＤ）（光検出器１７）の受光面に集光させ、ＡＰＤの
手前にナイフエッジをはさみ検出感度が最大になるよう
にナイフエッジを動かしてビームの一部をカットするこ
とによりアライメントを行った。ＡＰＤからの検出波形
は一系統はそのままデジタルオシロスコープに入力、ス
トアされ、もう一系統はバンドパスフィルター（バンド
パスフィルタ１８）（中心周波数ω、バンド幅１０ＭＨ
ｚ）を通った後、包絡線検出した波形を同じデジタルオ
シロスコープに入力、ストアし、コンピューターに転送
して解析（画像化）などを行った。デジタルオシロスコ
ープのトリガーにはパルスレーザーの散乱光を別のＡＰ
Ｄで検出することで得た。
【００１９】以上の装置により欠陥検出のためのＢ−ｍ
ｏｄｅ、Ｃ−ｍｏｄｅ像を得る際には試料を必要なステ
ージにてスキャンしながらバルク超音波の発生検出を行
い画像の構成を行った。
ｏｄｅ、Ｃ−ｍｏｄｅ像を得る際には試料を必要なステ
ージにてスキャンしながらバルク超音波の発生検出を行
い画像の構成を行った。
【００２０】バルク超音波の発生 上述の装置を用いて発生検出した典型的な８０ＭＨｚ横
波、バルク超音波の包絡線検出波形とキャリア波形を図
４、図５に示す。ここに示した波形は試料にＳｉ3 Ｎ4
（縦波音速１１７５０ｍ／ｓ、横波音速７６９０ｍ／
ｓ）を用いている。同じＳｉ3 Ｎ4 を用いて８通りのレ
ーザーの入射角θについてバルク超音波の励起実験を行
い、その伝播方向を得た結果について図６に示す。図中
実線と点線は（３）式から得た入射角θと伝搬方向φの
関係をそれぞれ縦波と横波について計算した理論値を示
したものである。線Ｌ１と線Ｌ２は実験的に求めたもの
である。最も大きな入射角θは０．１３６度で走査速度
は８９８０ｍ／ｓと横波より速く上述の原理条件（ｖ＞
ｃ）を満たしている。さらに入射角θが０．０９６度よ
り小さいときにはＳＩＦの走査速度は１２７００ｍ／ｓ
で縦波の音速よりも速くなり、結果として横波に加え縦
波が励起されていることを示す。
波、バルク超音波の包絡線検出波形とキャリア波形を図
４、図５に示す。ここに示した波形は試料にＳｉ3 Ｎ4
（縦波音速１１７５０ｍ／ｓ、横波音速７６９０ｍ／
ｓ）を用いている。同じＳｉ3 Ｎ4 を用いて８通りのレ
ーザーの入射角θについてバルク超音波の励起実験を行
い、その伝播方向を得た結果について図６に示す。図中
実線と点線は（３）式から得た入射角θと伝搬方向φの
関係をそれぞれ縦波と横波について計算した理論値を示
したものである。線Ｌ１と線Ｌ２は実験的に求めたもの
である。最も大きな入射角θは０．１３６度で走査速度
は８９８０ｍ／ｓと横波より速く上述の原理条件（ｖ＞
ｃ）を満たしている。さらに入射角θが０．０９６度よ
り小さいときにはＳＩＦの走査速度は１２７００ｍ／ｓ
で縦波の音速よりも速くなり、結果として横波に加え縦
波が励起されていることを示す。
【００２１】以上伝搬方向については理論的な推定値に
非常によく一致した実験値が得られている。さらに発生
したバルク超音波の指向性の程度（超音波ビームの広が
り角）はピストン音源の指向性（［１３］J.Zemanek;J.
Acoust.Soc.Am.49(1971)181参照）とよく一致している
ことが検証されており（［１１］H.Nishino,Y.Tsukahar
a,Y.Nagata,T.Koda and K.Yamanaka;submitted to Jpn.
J.Appl.Phys.参照）、非常にビーム広がりの小さい単一
指向性が得られている。
非常によく一致した実験値が得られている。さらに発生
したバルク超音波の指向性の程度（超音波ビームの広が
り角）はピストン音源の指向性（［１３］J.Zemanek;J.
Acoust.Soc.Am.49(1971)181参照）とよく一致している
ことが検証されており（［１１］H.Nishino,Y.Tsukahar
a,Y.Nagata,T.Koda and K.Yamanaka;submitted to Jpn.
J.Appl.Phys.参照）、非常にビーム広がりの小さい単一
指向性が得られている。
【００２２】以上、ＳＩＦを用いることにより、非接触
非破壊で広がり角の小さな単一指向性のバルク超音波を
非検体の内部に任意の伝搬方向に正確に発生・制御する
ことが可能であり、材料の内部欠陥の探傷に非常に有用
であると考えられる。
非破壊で広がり角の小さな単一指向性のバルク超音波を
非検体の内部に任意の伝搬方向に正確に発生・制御する
ことが可能であり、材料の内部欠陥の探傷に非常に有用
であると考えられる。
【００２３】表面下欠陥の画像化 上記の装置構成により、表面下に人口欠陥を持つジュラ
ルミン試料の画像化実験を行った。ジュラルミン試料は
図７に示す様に、表面から１０ｍｍφのエンドミルで穴
を開け、さらに穴底の中心部に２ｍｍφのエンドミルで
穴を開けたものを使用した。レーザーの入射角θは０．
２０３度に設定し、横波（３０００ｍ／ｓ）が伝搬角３
０．０度になるようにして図７中の斜線の領域を０．１
ｍｍ／ｓｔｅｐで７０×７０ポイント試料をｘ−ｙスキ
ャンして各ステップについて包絡線検出波形を記録し
た。全データを得るのに約８時間を要した。発生した横
波は欠陥によって反射し、検出面で光学的ナイフエッジ
法によって検出を行った。励起用レーザーの試料面上で
のスポットの中心とプローブ光のスポットとの距離は約
３ｍｍに設定した。
ルミン試料の画像化実験を行った。ジュラルミン試料は
図７に示す様に、表面から１０ｍｍφのエンドミルで穴
を開け、さらに穴底の中心部に２ｍｍφのエンドミルで
穴を開けたものを使用した。レーザーの入射角θは０．
２０３度に設定し、横波（３０００ｍ／ｓ）が伝搬角３
０．０度になるようにして図７中の斜線の領域を０．１
ｍｍ／ｓｔｅｐで７０×７０ポイント試料をｘ−ｙスキ
ャンして各ステップについて包絡線検出波形を記録し
た。全データを得るのに約８時間を要した。発生した横
波は欠陥によって反射し、検出面で光学的ナイフエッジ
法によって検出を行った。励起用レーザーの試料面上で
のスポットの中心とプローブ光のスポットとの距離は約
３ｍｍに設定した。
【００２４】図７中の太い斜線上をスキャンしたＢ−ｍ
ｏｄｅ画像を図９に示す。欠陥の断面図を図８に示す。
図９の縦軸はスキャン位置、横軸は伝搬時間と横波音速
から得た試料深さ方向の位置を示す。より白く表示され
たところは反射波の振幅が大きいことを示す。Ｂ−ｍｏ
ｄｅ画像がよく欠陥の位置を検出していることがわか
る。また図８に示すように欠陥の一部は検出面に対して
２度の傾斜がある（加工に用いたエンドミルの刃先形状
による）がＢ−ｍｏｄｅ画像でも１．７６度の傾斜が確
認できた。
ｏｄｅ画像を図９に示す。欠陥の断面図を図８に示す。
図９の縦軸はスキャン位置、横軸は伝搬時間と横波音速
から得た試料深さ方向の位置を示す。より白く表示され
たところは反射波の振幅が大きいことを示す。Ｂ−ｍｏ
ｄｅ画像がよく欠陥の位置を検出していることがわか
る。また図８に示すように欠陥の一部は検出面に対して
２度の傾斜がある（加工に用いたエンドミルの刃先形状
による）がＢ−ｍｏｄｅ画像でも１．７６度の傾斜が確
認できた。
【００２５】次に、図１０、図１１、図１２及び図１３
にそれぞれジュラルミン試料の上から見た欠陥の透視図
と検出表面から深さ１．４６ｍｍ、１．６１ｍｍ、１．
７２ｍｍに対応するＣ−ｍｏｄｅ画像を示す。Ｃ−ｍｏ
ｄｅ画像でより白く表示されたところは反射波の振幅が
大きいことを示す。図８でも示したように図１０の透視
図の１０ｍｍφのエンドミルで穴を開けたＡの領域は２
度の傾斜をもってエンドミルの外周付近が高く、中心部
は低くなっている。そのためにＣ−ｍｏｄｅ画像で、試
料深さが１．４６ｍｍでは欠陥の外周付近に反射波が強
く、１．６１ｍｍではほぼ欠陥の全体が見えるようにな
り、さらに深さが増して１．７２ｍｍとなると今度は中
心部分で振幅の大きな画像が得られており、欠陥の実観
測値と傾向がよく一致している。更に欠陥の中心部分の
２ｍｍφのエンドミルで彫った部分が実測よりも横方向
に長くなって画像化されているが、これは横波が試料垂
直方向から角度３０度で伝播しているために発生した横
波の影であると考えられ、それから計算すると横方向に
は欠陥を中心にして４ｍｍ画像上では表示されると考え
られる。これはＣ−ｍｏｄｅ像と一致していることが分
かる。
にそれぞれジュラルミン試料の上から見た欠陥の透視図
と検出表面から深さ１．４６ｍｍ、１．６１ｍｍ、１．
７２ｍｍに対応するＣ−ｍｏｄｅ画像を示す。Ｃ−ｍｏ
ｄｅ画像でより白く表示されたところは反射波の振幅が
大きいことを示す。図８でも示したように図１０の透視
図の１０ｍｍφのエンドミルで穴を開けたＡの領域は２
度の傾斜をもってエンドミルの外周付近が高く、中心部
は低くなっている。そのためにＣ−ｍｏｄｅ画像で、試
料深さが１．４６ｍｍでは欠陥の外周付近に反射波が強
く、１．６１ｍｍではほぼ欠陥の全体が見えるようにな
り、さらに深さが増して１．７２ｍｍとなると今度は中
心部分で振幅の大きな画像が得られており、欠陥の実観
測値と傾向がよく一致している。更に欠陥の中心部分の
２ｍｍφのエンドミルで彫った部分が実測よりも横方向
に長くなって画像化されているが、これは横波が試料垂
直方向から角度３０度で伝播しているために発生した横
波の影であると考えられ、それから計算すると横方向に
は欠陥を中心にして４ｍｍ画像上では表示されると考え
られる。これはＣ−ｍｏｄｅ像と一致していることが分
かる。
【００２６】
【発明の効果】以上の説明から明らかな通り、この発明
によれば、被検体、干渉性エネルギービームあるいはプ
ローブ光を走査することによって検出点を移動させ、広
い範囲で被検体の材料評価を行える位相速度走査法によ
る非接触非破壊材料評価方法及び装置を得ることができ
る。
によれば、被検体、干渉性エネルギービームあるいはプ
ローブ光を走査することによって検出点を移動させ、広
い範囲で被検体の材料評価を行える位相速度走査法によ
る非接触非破壊材料評価方法及び装置を得ることができ
る。
【図１】この発明のバルク超音波発生原理を示す説明
図。
図。
【図２】この発明の非接触非破壊評価装置の構成説明
図。
図。
【図３】バルク超音波発生検出を示す説明図。
【図４】ＳＩＦで発生したバルク超音波の包絡線検出波
形を示すグラフ。
形を示すグラフ。
【図５】ＳＩＦで発生したバルク超音波のキャリア信号
を示すグラフ。
を示すグラフ。
【図６】バルク超音波の入射角と伝搬方向の変化を示す
グラフ。
グラフ。
【図７】画像化実験に用いた試料の説明図。
【図８】試料の人口欠陥の概念断面図。
【図９】図８に示す人口欠陥部分のＢ−ｍｏｄｅ画像。
【図１０】試料のＣスキャンした領域の透視図。
【図１１】試料の検出表面からのＣモード画像。
【図１２】試料の検出表面からのＣモード画像。
【図１３】試料の検出表面からのＣモード画像。
１ 非接触非破壊材料評価装置 ２ 走査干渉縞形成装置 ３ バルク超音波検出装置 ４ レーザー光源 ５ ビームスプリッタ ６ ミラー ７ 音響光学素子 ８ プローブ光形成装置 １１ 光検出装置 １２ 試料 １３ レーザー光源 １４ 光学系 １５ 光学系 １６ 光学的ナイフエッジ １７ 光検出器 １８ バンドパスフィルタ １９ プローブ光 ２１ オシロスコープ ２２ 光検出器
フロントページの続き (72)発明者 塚原 祐輔 東京都台東区台東一丁目５番１号 凸版印 刷株式会社内 (72)発明者 長 秀雄 東京都江戸川区西瑞江３−11−65 (72)発明者 永田 可彦 茨城県つくば市並木１丁目２番地 工業技 術院機械技術研究所内 (72)発明者 甲田 壽男 茨城県つくば市並木１丁目２番地 工業技 術院機械技術研究所内 (72)発明者 山中 一司 茨城県つくば市並木１丁目２番地 工業技 術院機械技術研究所内
Claims (3)
- 【請求項１】 ２本の周波数のわずかに異なる干渉性エ
ネルギービームを被検体上で交差させて照射して、走査
される干渉縞を生成し、この干渉縞の作用によって被検
体表面に干渉縞間隔と同じ間隔を持つ歪み分布を形成す
ることによって、前記被検体内部を伝搬する弾性波の音
速と干渉縞の走査速度の比で決まる方向に前記弾性波を
放射し、前記被検体の表面に設置したプローブ光によっ
て前記表面からの出射するバルブ超音波を非接触検出
し、前記被検体、前記干渉性エネルギービーム及び前記
プローブ光のうちの少くとも一を走査することによって
前記非接触検出の検出点を移動させることを特徴とする
非接触非破壊材料評価方法。 - 【請求項２】 前記非接触検出は光学的ナイフエッジ
法、ヘテロダイン干渉法またはファブリーペロー干渉法
によって行うことを特徴とする請求項１記載の非接触非
破壊材料評価方法。 - 【請求項３】 ２本の周波数のわずかに異なる干渉性エ
ネルギービームを被検体の表面で、所定の角度で交差干
渉させる走査干渉縞形成装置と、前記被検体の表面から
出射するバルク超音波を検出するバルク超音波検出装置
とを有し、前記バルク超音波検出装置はレーザービーム
発生装置と前記レーザービーム発生装置で発生したレー
ザービームを前記被検体の表面上でプローブ光のスポッ
トとして結像させる光学系と、前記プローブ光の前記被
検体の表面からの反射光を検出する検出装置とを有し、
必要な距離を保持して被検体表面に照射された前記プロ
ーブ光と前記干渉性エネルギービームを組として、これ
を被検体と相対的に走査することによって、もしくは前
記プローブ光のみを走査することによって前記非接触検
出の検出点を移動させることを特徴とする非接触非破壊
材料評価装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7209234A JPH0933490A (ja) | 1995-07-25 | 1995-07-25 | 非接触非破壊材料評価方法及び装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7209234A JPH0933490A (ja) | 1995-07-25 | 1995-07-25 | 非接触非破壊材料評価方法及び装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0933490A true JPH0933490A (ja) | 1997-02-07 |
Family
ID=16569584
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7209234A Pending JPH0933490A (ja) | 1995-07-25 | 1995-07-25 | 非接触非破壊材料評価方法及び装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0933490A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010066252A (ja) * | 2008-08-13 | 2010-03-25 | Kobe Steel Ltd | 超音波顕微鏡 |
| JP2015081858A (ja) * | 2013-10-23 | 2015-04-27 | 株式会社東芝 | レーザ超音波検査装置及び方法 |
| CN109142546A (zh) * | 2017-08-10 | 2019-01-04 | 大连天亿软件有限公司 | 横波斜探头反衍变探伤法 |
-
1995
- 1995-07-25 JP JP7209234A patent/JPH0933490A/ja active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010066252A (ja) * | 2008-08-13 | 2010-03-25 | Kobe Steel Ltd | 超音波顕微鏡 |
| JP2015081858A (ja) * | 2013-10-23 | 2015-04-27 | 株式会社東芝 | レーザ超音波検査装置及び方法 |
| CN109142546A (zh) * | 2017-08-10 | 2019-01-04 | 大连天亿软件有限公司 | 横波斜探头反衍变探伤法 |
| CN109142546B (zh) * | 2017-08-10 | 2020-03-10 | 大连天亿软件有限公司 | 横波斜探头反衍变探伤法 |
| US11226314B2 (en) * | 2017-08-10 | 2022-01-18 | Teware, Inc. | Reflection-diffraction-deformation flaw detection method with transverse wave oblique probe |
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