JP5419677B2 - ポアソン比の計測方法、及び、計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザを用いて非接触で被検査体に超音波を発生させるレーザ超音波法において、熱弾性効果を利用して、被検査体の表面にダメージを与えずに超音波を発生させ、ポアソン比を計測する方法に関するものである。

ポアソン比は、材料に応力を与えたときの横ひずみと縦ひずみの比であり、弾性変形域での変形を把握するうえで、ヤング率などと同様に、重要な材料の強度指標である。ポアソン比を適切に調整することにより、強度のばらつきが少ない材料を製造することができる。このような観点で、ポアソン比を計測することは重要な意味を持つ。

一般に、ポアソン比は引張試験により求められる。すなわち、材料から引張試験片を切削加工し、ひずみゲージを貼り付け、引張試験機で、一定の速度で引っ張り、引張方向のひずみ、及び、その垂直方向のひずみを計測することで、ポアソン比を求める。

しかし、この方法は、試験機の荷重計測精度や、試験片を引張試験機に取り付ける際に発生する初期ひずみの影響が、計測精度に影響する。また、引張試験は、破壊的方法の試験であるから、実物についてはポアソン比を計測することはできないという欠点がある。

非破壊で、被検査体のポアソン比を計測する方法がこれまでいくつか提案されている。例えば、特許文献１、及び、特許文献２には、被検査体に超音波探触子から超音波を入射し、接触式超音波探触子を用いて、被検査体を伝搬する超音波の縦波音速、及び、横波音速（以下、それぞれ、単に、縦波音速、及び、横波音速と記す）を計測し、計測した縦波音速と横波音速、及び、被検査体の密度から、ヤング率、及び、ポアソン比を計測する方法が開示されている。これらの方法は、実物を破壊することなく、実物のヤング率、ポアソン比を計測できるという利点がある。しかし、接触式の計測法の場合、計測の高速化の観点から、やや難がある。

例えば、圧電探触子を使用する方法は、被検査体と変換機の間に超音波の伝達媒質が必要であるが、伝達媒質は高温下において、その機能が低下する。また、電磁超音波探触子を使用する方法は、該探触子を通常、数ｍｍ程度まで被検査体に近接させる必要がある。それゆえ、いずれの方法も、例えば、鋼板の製造ラインや、特に熱間圧延工程のような劣悪な環境下で使用することは不可能であるという欠点がある。

一方、パルスレーザを利用して超音波を発生させ、被検査体内部を伝搬した超音波を、連続波レーザを利用して検出する、非接触式の計測方法（以下、レーザ超音波法）について、種々の応用が提案されている。

例えば、本発明者らは、特許文献３〜６で、検査対象物内部の欠陥の検出装置、及び、オンライン結晶粒径測定装置に係る発明を提案した。

レーザ超音波法によるポアソン比の計測方法については、非特許文献１で、アブレーションによる超音波励起を利用した、ポアソン比、縦波音速、及び、横波音速の計測方法が報告されている。

非特許文献１には、被検査体にフルーエンス（単位面積当たりのエネルギー量）約５．１ｍＪ／ｍｍ^２のパルス出力のＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザ光を照射して超音波励起し、発生した板波超音波の、群速度ゼロのＳ１モードの周波数（以下、Ｓ１ｆ）、群速度ゼロのＡ２モードの周波数（以下、Ａ２ｆ）を、連続波出力の２倍波Ｎｄ：ＹＡＧレーザを用いて検出し、その値からポアソン比、縦波音速、横波音速を算出した実験結果が記載されている。

非接触式のレーザ超音波法は、破壊的な引張試験が不要であるので、高速性、高信頼性が要求される、製造ラインにおけるオンラインでの非破壊検査として、種々の応用が期待される。

レーザにより超音波を励起する方法には、高エネルギーのレーザ光を被検査体の表面に照射し、瞬間的温度上昇による熱弾性効果により超音波を励起する方法と、更に高いエネルギーにより被検査体の表面の一部を気化（アブレーション）させたときに発生する圧力波を利用して超音波を励起する方法がある。

図１Ａに、アブレーションを利用した超音波励起の原理を模式的に示し、図１Ｂに熱弾性効果を利用した超音波励起の原理を模式的に示す。

図１Ａに示すように、対象物１に対してレーザ光２を照射すると、高いエネルギーにより、対象物の一部が蒸発する（図中、３参照）。このときに、反力として発生する圧力波として、超音波４が発生する。ここで、図中、超音波４の矢印は、発生する超音波の指向性を示す。対象物１の表面には、対象物の一部が蒸発することにより、レーザ光の照射痕が生ずる。

図１Ｂに示すように、対象物１に対してレーザ光２を照射すると、レーザによる急速加熱により、瞬間的に対象物１の表面の温度が上昇し、温度上昇領域５が形成され、温度上昇領域５での熱膨張と収縮に伴い超音波４が発生する。ここで、図中、超音波４の矢印は、発生する超音波の指向性を示す。
ただし、鋼材に照射する場合、フルーエンス約２ｍＪ／ｍｍ^２以下であれば、対象物にアブレーションによる照射痕は生じない。

例えば、非特許文献１に記載の、従来のレーザ超音波法によるポアソン比の計測技術においては、アブレーションによる超音波励起を利用しているが、アブレーションにより被検査体の表面に照射痕が生じる。そのため、照射痕が許されない用途では、この方法による計測はできず、用途が限定されてしまうという問題がある。

しかしながら、同様の計測を、熱弾性効果による超音波励起を利用して行なおうとすると、発生した超音波の検出が難しく、板波超音波のＡ２ｆの計測ができないという問題がある。すなわち、超音波伝搬の指向性の違いにより、熱弾性効果を利用した超音波励起では、超音波の検出が難しく、特に、Ｓ／Ｎが悪いＡ２ｆの計測は、事実上不可能である。

熱弾性効果による超音波励起の、超音波伝搬の指向性については、例えば、非特許文献２に記載されている。

特開平５−１３３８６１号公報 特開平５−１２６８０５号公報 特開２００３−１２１４２３号公報 特開２００３−２１５１１０号公報 特開２００４−１２５６１５号公報 特開２００６−０８４３９２号公報

Dominique Clorennec, etc, ‘Local and non-contact measurements of bulk acoustic wave velocities in thin isotropic plates and shells using zero group velocity Lamb modes’ , Journal of Applied Physics, 101, 034908, 2007. C.B.Scruby and L.E.Drain, "Laser Ultrasonic-Techniques and Applications", ISBN0-7503-0050-7, Adam Hilger, p.289, 1990 A. Gibson and J.S. Popovics, "Lamb Wave Basis for Impact-Echo Method Analysis" , J. Eng. Mech., vol. 131 (4), 438-443, (2005).

本発明は、上記の事情に鑑み、レーザ超音波法において、被検査体の表面にダメージを与えず、レーザの照射痕が生じない、熱弾性効果による超音波励起を利用した、ポアソン比の計測方法、及び、計測装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、熱弾性効果で励起される超音波を受信し、ポアソン比を算出する方法について、鋭意検討した。その結果、板波超音波と表面波超音波を受信すれば、ポアソン比を算出できることを見出した。

本発明は、上記の知見に基づいてなされたもので、要旨は以下のとおりである。

（１）被検査体の表面にパルスレーザ光を照射して、熱弾性効果により超音波を発生させ、該被検査体の表面に連続波レーザ光を照射して、該被検査体を伝搬する超音波を受信して、被検査体のポアソン比を計測する方法であって、
（ｉ）被検査体を伝搬する板波超音波と表面波超音波を受信して、
（ii）前記板波超音波の周波数を算出し、
（iii）前記表面波超音波の伝搬時間を計測し、該伝搬時間と伝搬距離とから、該表面波超音波の伝搬速度を算出し、
（iv）前記板波超音波の周波数と前記表面波超音波の伝搬速度とに基づいて、前記被検査体のポアソン比を算出し、
前記板波超音波の周波数は、群速度がゼロのＳ１モードの板波超音波の周波数であることを特徴とする、ポアソン比の計測方法。

（２）前記パルスレーザ光を前記被検査体に照射し前記板波超音波を発生させる際に、該パルスレーザ光を点状スポットで照射することを特徴とする（１）のポアソン比の計測方法。

（３）前記連続波レーザ光を前記被検査体に照射し前記板波超音波を受信する際に、前記連続波レーザ光を、前記パルスレーザ光を照射する前記点状スポット域内に照射することを特徴とする（２）のポアソン比の計測方法。

（４）前記パルスレーザ光を前記被検査体に照射し前記表面波超音波を発生させる際に、該パルスレーザ光を線状に照射することを特徴とする、（１）〜（３）のいずれかのポアソン比の計測方法。

（５）前記板波超音波、及び、前記表面波超音波を受信する方法は、前記連続波レーザ光を前記被検査体の表面に照射し、該板波超音波、及び、該表面波超音波の振動によりドップラーシフトを受けた該連続波レーザ光の反射光を受光し、該反射光を干渉計で干渉させ、該干渉計から出力される光の強度変化を検知する方法であることを特徴とする、（１）〜（４）のいずれかのポアソン比の計測方法。

（６）被検査体の表面にパルスレーザ光を照射して、熱弾性効果により超音波を発生させ、該被検査体の表面に連続波レーザ光を照射して、該被検査体を伝搬する超音波を受信して、被検査体のポアソン比を計測する装置であって、
（ｉ）被検査体の表面にパルスレーザ光を照射し超音波励起することにより、超音波を発生させるためのレーザ光源を含む超音波発生部、
（ii）被検査体の表面に連続波レーザ光を照射することにより、被検査体を伝搬する板波超音波及び表面波超音波を受信するためのレーザ光源を含む受信部、
（iii）受信した前記板波超音波から該板波超音波の周波数を算出する第一の処理部、
（iv）受信した前記表面波超音波の伝搬時間を計測し、該伝搬時間と伝搬距離とから該表面波超音波の伝搬速度を算出する第二の処理部、及び、
（ｖ）前記板波超音波の周波数と前記表面波超音波の伝搬速度とから、被検査体のポアソン比を算出する第三の処理部
を備え、
前記板波超音波の周波数は、群速度がゼロのＳ１モードの板波超音波の周波数であることを特徴とする、ポアソン比の計測装置。

（７）さらに、前記超音波発生部には、前記パルスレーザ光を前記被検査体に点状スポットで照射する照射光学系を含むことを特徴とする（６）のポアソン比の計測装置。

（８）前記連続波レーザ光を、前記パルスレーザ光を照射する前記点状スポット域内に照射することを特徴とする（７）のポアソン比の計測装置。

（９）さらに、前記超音波発生部には、前記パルスレーザ光を前記被検査体に線状スポットで照射する照射光学系とを含むことを特徴とする、（７）又は（８）のポアソン比の計測装置。

（１０）さらに、前記超音波発生部には、前記点状スポットで照射する照射光学系と、前記線状スポットで照射する照射光学系を切り替える機構を含むことを特徴とする（９）のポアソン比の計測装置。

（１１）さらに、前記受信部には、前記板波超音波、及び、前記表面波超音波の振動によりドップラーシフトを受けた前記連続波レーザ光の反射光を受光して、受光した該連続波レーザ光の反射光を干渉させる干渉計と、該干渉計から出力される光の強度変化を電気信号として出力する光検出部とを含むことを特徴とする（６）〜（１０）のいずれかのポアソン比の計測装置。

本発明によれば、アブレーションが生じない程度の低いエネルギーのレーザ光を用いて、熱弾性効果によって超音波を励起するので、被検査体の表面にダメージを与えず、レーザ光の照射痕を生じさせずに、非接触、かつ、非破壊で、ポアソン比を計測することができる。

レーザ光によるアブレーションを利用した超音波励起の原理を模式的に説明する、図である。 レーザ光による熱弾性効果を利用した超音波励起の原理を模式的に説明する、図である。 板波超音波の群速度と、周波数×板厚との関係を示す図である。 ポアソン比とβ１の関係を示す図である。 ポアソン比とβ２の関係を示す図である。 本発明の計測方法を用いてポアソン比を計測する際に、板波超音波の周波数を計測するシステム全体の概略を示す構成図である。 本発明の計測方法を用いてポアソン比を計測する際に、表面波超音波の音速を計測するシステム全体の概略構成図である。 本発明における、群速度ゼロの板波超音波を検出する際の、好ましい、超音波発生用レーザと、超音波検出用レーザの照射スポット位置の関係を示す図である。 ファブリ・ペロー干渉計の周波数と透過率の関係の一例を示す図である。 本発明において、表面波超音波の音速を計測する際の、好ましい超音波発生用レーザの照射方法の概略を示す図である。 本発明の実施例で検出した板波超音波の波形を示す図である。 本発明の実施例で検出した板波超音波の波形を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）により処理した結果を示す図である。 本発明の実施例で検出した表面波超音波の波形を示す図である。 従来法で検出した板波超音波の波形を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）により処理した結果を示す図である。

以下、本発明における、熱弾性効果による超音波励起を利用した計測法の原理について、アブレーションによる超音波励起を利用した計測法（以下、従来法と記す）と比較して、説明する。

従来法では、アブレーションを利用した超音波励起により、被検査体に超音波を発生させ、伝搬させる。

このとき、被検査体が比較的薄い板の場合、縦波と横波のほかに、固体平面層内を平面に沿って伝搬する弾性波である、板波超音波と呼ばれる波が発生する。

板波超音波には、振動の対称性によって、対称モード（Ｓ０，Ｓ１，Ｓ２，…）と、非対称モード（Ａ０，Ａ１，Ａ２，…）に分けられる、多くのモードが存在する。また、板波超音波の位相速度はモードによって異なり、周波数と板厚の積にも依存する。すなわち、位相速度は速度分散の特徴を有する。そして、位相速度分散により、群速度が存在し、群速度も周波数と板厚の積に依存する。板波超音波の群速度［ｍ／ｓ］と、周波数と板厚の積との間は、図２に示す関係があることが知られている。

板波超音波は、Ｓ／Ｎ、及び、超音波の減衰の観点から、Ｓ１モード、Ａ２モードが検出しやすいモードであり、板波超音波の周波数の計測は、主にＳ１モード、Ａ２モードについて行われる。

板波超音波のＳ１ｆ、及び、Ａ２ｆと、ポアソン比ν、縦波音速Ｖ_Ｌ、及び、横波音速Ｖ_Ｓとの関係は数式１のようになることが知られている。ただし、β１（ν）、及び、β２（ν）は、ポアソン比νをパラメタとする既知の関数である（非特許文献３）。図３Ａに、ポアソン比とβ１（ν）との関係を示し、図３Ｂに、ポアソン比とβ２（ν）との関係を示す。

数式１と、数式２に示す、ポアソン比νと、縦波音速Ｖ_Ｌ、及び、横波音速Ｖ_Ｓとの関係より、数式３が得られる。Ｓ１ｆ、及び、Ａ２ｆの値が求まれば、数式３より、ポアソン比νを算出でき、次いで、数式１より、縦波音速Ｖ_Ｌと横波音速Ｖ_Ｓを算出できる。

すなわち、従来法では、アブレーションにより発生した板波超音波を、連続波レーザなどを用いて検出し、検出した波形を、高速フーリエ変換（Fast Fourier Transform：以下、ＦＦＴ）により処理することにより、板波超音波のＳ１ｆ、及び、Ａ２ｆを、同時に計測して、ポアソン比ν、縦波音速Ｖ_Ｌ、及び、横波音速Ｖ_Ｓを算出する。

次に、本発明の計測法を説明する。

被検査体に、レーザ光を照射して超音波を励起すると、上記の縦波、横波、及び、板波超音波のほかに、表層部の表面から１波長程度の深さにエネルギーが集中し、表面に沿って伝搬する、表面波超音波と呼ばれる弾性波が発生する。

本発明では、熱弾性効果による超音波励起を利用して、板波超音波のＳ１ｆ、及び、表面波超音波の音速Ｖ_SAWを計測する。

表面波超音波の音速Ｖ_SAWと、横波音速Ｖ_Ｓとの間には、数式４の関係がある。数式１、数式３、及び、数式４より、数式５を導出できる。すなわち、Ｓ１ｆ、及び、Ｖ_SAWの値が求まれば、数式５より、ポアソン比νを算出できる。

ポアソン比νが算出されれば、さらに、数式４より、横波音速Ｖ_Ｓを算出でき、次いで、数式１より縦波音速Ｖ_Ｌを算出できる。

上述したとおり、熱弾性効果による超音波励起を利用した測定では、Ａ２ｆの計測は事実上不可能であるが、板波超音波のＳ１ｆ、及び、表面波超音波の音速Ｖ_SAWの計測は可能である。すなわち、Ａ２ｆを計測することなく、Ｓ１ｆ、表面波超音波の音速Ｖ_SAWを計測することで、ポアソン比の算出を可能とした点が、本発明の特徴である。

本発明による計測を行うための装置は、超音波発生部、受信部、第一の処理部、第二の処理部、及び、第三の処理部からなる。

超音波発生部は、被検査体の表面にパルスレーザ光を照射し超音波励起することにより、超音波を発生させるためのレーザ光源を含み、さらに、必要に応じて、レンズ、ミラー等からなる照射光学系、及び、複数の照射光学系を切り替える機構を備える。

受信部は、被検査体の表面に連続波レーザ光を照射することにより、被検査体を伝搬する板波超音波及び表面波超音波を受信するためのレーザ光源を含み、さらに、必要に応じて、例えば、ファブリ・ペロー干渉計のような、連続波レーザ光の被検査体からの反射光を受光して干渉させる干渉計、及び、例えば、アバランシェ・フォトダイオード（avalanche photodiode：以下、ＡＰＤ）等からなる、干渉計から出力される光の強度変化を電気信号として出力する光検出部とを備える。

第一の処理部は、電子計算機等からなり、受信した板波超音波から板波超音波の周波数を算出する。

第二の処理部は、電子計算機等からなり、受信した表面波超音波の伝搬時間を計測し、伝搬時間と伝搬距離とから表面波超音波の伝搬速度を算出する。

第三の処理部は、電子計算機等からなり、板波超音波の周波数と表面波超音波の伝搬速度とから、被検査体のポアソン比を算出する。

なお、第一の処理部、第二の処理部、第三の処理部は、それぞれ物理的に別の装置から構成されるものである必要はなく、例えば、同一の電子計算機内に、それぞれの処理を行うプログラムを有するものであってもかまわない。

以下、図面を用いて、本発明による計測の一例を、より詳細に説明する。

図４Ａに、板波超音波のＳ１ｆの計測の概要を示す。Ｓ１ｆの計測は、被検査体１１の表面にパルスレーザ光を照射し、発生した超音波の板波超音波の波形を解析することで行う。

超音波を発生させるための超音波発生用レーザ光源１２には、例えば、パルス出力のＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザが使用できる。

超音波発生用レーザ光源１２から出射されたレーザ光ＰＬは、ミラー１４ａ、フィルター１６、ミラー１４ｂ、を介し、集光レンズ１７ａでビーム径が拡大され、被検査体１１の表面に照射される。このとき、被検査体表面の照射領域でのフルーエンスが、約２ｍＪ／ｍｍ^２以下となるように、フィルター１６の透過率を決定するか、又は、超音波発生用レーザ光源１２の出力を調整する。

レーザ光ＰＬは使用するパルス出力のＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザの特性に依存するが、繰返し周波数は１０Ｈｚ〜２００Ｈｚ程度である。また、被検査体１１の表面に照射されるレーザ光ＰＬの照射角は、特に限定されるものではないが、実用上は、面に対し垂直方向±３０°以内程度である。

被検査体１１の表面では、レーザ光照射により、急激な温度上昇がおこり、熱弾性効果によって、超音波が励起される。

ここで、群速度がゼロとなる周波数の板波超音波は、板波超音波のエネルギーが被検査体内を伝搬せず、発生源となるレーザ光の照射位置で局所的に共振するので、検出点を超音波発生点と一致させた場合群速度がゼロの板波超音波の周波数を計測可能となる。

また、板波超音波のモードがＳ０モード、Ａ０モードなどの低次のモードである場合、図２からわかるように群速度ゼロの周波数域がないか、あるいはゼロＨｚであり、また、高次のモードの場合、超音波の減衰が大きくなるので、検出する板波超音波はＳ１モードの板波超音波とするのが好ましい。

超音波検出用レーザ光源１３には、例えば、連続波出力の、２倍波Ｎｄ：ＹＡＧレーザが使用できる。

超音波検出用レーザ光源１３から出射されたレーザ光ＣＬは、偏波ビームスプリッタ（polarization beam splitter：以下、ＰＢＳ）１９ａで、Ｐ偏光成分ＣＬＰは透過し、Ｓ偏光成分ＣＬＳは反射される。レーザ光ＣＬのＰ偏光成分ＣＬＰはミラー１４ｃ、１４ｄを介し、被検査体１１の表面に照射される。被検査体表面の照射領域は、図５に示すように、上記の超音波発生用レーザの照射領域内であることが好ましい。

被検査体１１に照射されたレーザ光ＣＬのＰ偏光成分ＣＬＰは、被検査体１１に発生した超音波により、被検査体１１の表面変位速度Ｖに応じて、ドップラーシフトΔｆ＝２Ｖ／λを受け、反射される。ただし、λは超音波検出用レーザ光の波長である。

反射されたレーザ光は、集光レンズ１７ｂ、ミラー１４ｅ、１４ｆを介し、ＰＢＳ１９ｂを透過し、ファブリ・ペロー干渉計２０へ入射される。

被検査体１１に照射されるレーザ光ＣＬのＰ偏光成分ＣＬＰの照射角は、特に限定されるものではないが、実用上は面に対し垂直方向±３０°以内程度である。

一方、ＰＢＳ１９ａで分けられた、レーザ光ＣＬのＳ偏光成分ＣＬＳは、ＰＢＳ１９ｂで反射され、ファブリ・ペロー干渉計２０へ入射される。

ファブリ・ペリー干渉計２０は、波長フィルターとしての役割を果たす。ファブリ・ペロー干渉計の透過率は、図６に示すように、光の周波数によって大きく異なる。

ファブリ・ペリー干渉計２０に入射されるレーザ光ＣＬのＰ偏光成分ＣＬＰは、被検査体１１を伝播する超音波より受けたドップラー効果の大きさ、すなわち被検査体１１の表面変位速度によってわずかに周波数が変化するが、これをファブリ・ペロー干渉計２０を透過させることにより、相対的に大きな透過光強度の変化に変換する。

そして、ファブリ・ペロー干渉計２０を透過した、レーザ光ＣＬのＰ偏光成分ＣＬＰの強度変化を計測することで、被検査体１１の表面の振動状態を求めることができる。

ここで、ドップラーシフトΔｆの大きさは、おおよそ１〜５ＭＨｚ程度であり、超音波検出用レーザ光源１３は周波数安定性の高いレーザ光源を用いるのが好ましく、特に制限はしないが、周波数ドリフトが１ｋＨｚ／ｓ程度以下であることが好ましい。

また、ファブリ・ペロー干渉計２０の透過特性は、ＦＷＨＭ（Full Width Half Max）が１ＭＨｚ〜１０ＭＨｚ程度、ＦＳＲ（Free Spectral Range）が１００ＭＨｚ〜１ＧＨｚ程度が好ましい。なお、ＦＷＨＭとは、ある関数ｆ（ｘ）が、山形の局所的関数の形状を示している場合、ｆ（ｘ）がその最大値の半分の値以上の値となるｘの範囲の幅値である。またＦＳＲとは、自由スペクトル領域の略であり、隣り合った共振ピーク周波数値の差として定義される値である。

レーザ光ＣＬのＳ偏光成分ＣＬＳは、ファブリ・ペロー干渉計２０から出射された後、ＰＢＳ１９ｃで反射され、ＡＰＤ２１ａで電気信号ＥＳ１に変換され、安定化回路２２へ送られる。

ＡＰＤ２１ａに入射されるレーザ光ＣＬのＳ偏光成分ＣＬＳの強度は、途中のレーザ光の経路が常に同一の状態にあるので、変化することはないはずである。強度が変化したとすれば、ファブリ・ペロー干渉計２０の共振器を構成する２つの反射ミラー（図示せず）間の距離が外部振動などの外乱により変化し、ファブリ・ペロー干渉計２０の特性が変化した、又は、超音波検出用レーザ光源１３の発振周波数に揺らぎが生じたなどの原因が考えられる。

その場合は、ＡＰＤ２１ａに入射されるレーザ光ＣＬのＳ偏光成分ＣＬＳの強度が一定になるように、安定化回路２２からの電気信号ＥＳ２により、ファブリ・ペロー干渉計２０の反射ミラーが最適な位置になるように調整する。反射ミラーの位置の調整には、例えば、ピエゾ素子などを用いることができる。

レーザ光ＣＬのＰ偏光成分ＣＬＰは、ファブリ・ペロー干渉計２０から出射された後、ＰＢＳ１９ｃを透過し、ＡＰＤ２１ｂで電気信号ＥＳ３に変換され、算出部２３へ送られる。そして、算出部２３内の、第一の処理部であるＳ１ｆ値算出部２３ａで、入力された電気信号ＥＳ３の強度から、被検査体１１の表面の振動状態を算出し、得られた波形をＦＦＴ処理することにより、Ｓ１ｆの値が算出される。

次に、表面波超音波の音速の計測について、図４Ｂを用いて説明する。表面波超音波の音速の計測は、被検査体１１の表面にパルスレーザを照射し、発生した表面波超音波の波形から算出する。

表面波超音波を発生させるためのレーザ光源には、超音波発生用レーザ光源１２が、検出用のレーザ光源には超音波検出用レーザ光源１３が、そのまま使用できる。

ただし、表面波超音波の音速の計測においては、超音波発生位置から超音波検出位置までの伝搬時間を計測するため、被検査体１１表面の、超音波発生位置と検出位置は一定の距離が必要となる。そのため、超音波発生用レーザ光源１２の照射光学系を、例えば、図４Ｂに示すように切り替える必要がある。

具体的には、超音波発生用レーザ光源１２にから出射されたレーザ光ＰＬは、ミラー１４ａ、フィルター１６を通過した後、ミラー１４ｇで反射され、被検査体１１の表面で、超音波検出用レーザ光源１３から出射されたレーサ光ＣＬＰの照射位置とは異なる位置に、照射される。

図４Ａ、及び、図４Ｂに示した例では、リニアステージ１５上のミラー１４ｇを移動することにより、Ｓ１ｆ計測のための照射光学系と、表面波超音波の音速計測のための照射光学系を、相互に切り替えることができる。リニアステージ１５は、モータなどを用いて、自動的に切り替えられるようにしてもよい。照射光学系を切り替えるための、他の機構を設けてもかまわない。

また、表面波超音波はレーザの照射位置の周り全方向に放射されるので、図７に示すように、レーザ光ＰＬを、例えば、シリンドリカルレンズなどによって、線状ビームに変換してから照射するのが有効である。線状ビームを照射すると、ビームに対して垂直な方向に伝播する表面波超音波のエネルギーが大きくなるため、表面波超音波の検出感度を上げることができる。

図４Ｂに示す例では、ミラー１４ｇで反射されたレーザ光ＰＬは、シリンドリカルレンズ１８で線状ビームに変換された後、被検査体１１の表面に照射される。このとき、被検査体表面の照射領域でのフルーエンスが、約２ｍＪ／ｍｍ^２以下となるように、超音波発生用レーザ光源１２の出力を調整する。

レーザ光ＰＬは使用するパルス出力のＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザの特性に依存するが、繰返し周波数は１０Ｈｚ〜２００Ｈｚ程度である。また、被検査体１１の表面に照射されるレーザ光ＰＬの照射角は、特に限定されるものではないが、実用上は、面に対し垂直方向±３０°以内程度である。

発生した表面波超音波は、被検査体１１の表面に照射されたレーザ光ＣＬのＰ偏光成分を、表面変位に応じてドップラーシフトさせる。ドップラーシフトを受けたレーザ光ＣＬのＰ偏光成分は、ドップラーシフトに応じてファブリ・ペロー干渉計２０を透過する強度が変化し、その強度はＡＰＤ２１ｂで電気信号ＥＳ３に変換され、算出部２３へ送られる。

算出部２３内の、第二の処理部である表面波超音波音速算出部２３ｂでは、入力された電気信号ＥＳ３の強度から、被検査体１１の表面の振動状態を算出し、得られた波形から表面波超音波の音速Ｖ_SAWが算出される。

そして、算出されたＳ１ｆ、Ｖ_SAWの値を用いて、算出部２３内の、第三の処理部であるポアソン比算出部２３ｃで、数式５よりポアソン比νが算出される。

算出された結果は、例えば、表示装置２４を設け、表示することもできる。

以上、本発明による計測の一例を説明したが、もちろん、本発明は、これ限定されるものではなく、本発明の技術思想の範囲で、異なる態様で実施することもできるものである。

以下、具体的に本発明を実施した例について説明する。

図４Ａ、及び、図４Ｂに示したシステムを用いて、鋼材（ＳＫ８５）のポアソン比を計測した。超音波発生用レーザ光源にはパルス出力の、ＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザを使用し、超音波検出用レーザ光源には連続波出力の、２倍波Ｎｄ：ＹＡＧレーザを使用した。
計測条件は、表１に示す。

表１に示した、Ｓ１ｆ計測用照射光学系におけるフルーエンス１．８ｍＪ/ｍｍ^２、表面波超音波音速計測用照射光学系における２．０ｍＪ／ｍｍ^２は、共に、アブレーションが生じない程度のエネルギーである。また、表１中の被検査体と照射光学系の距離は、被検査体と照射光学系の最短距離を意味し、図４Ａの例では、被検査体１１と、ミラー１４ｆとの距離である。

まず、図４Ａに示す、Ｓ１ｆ計測用の照射光学系で、Ｓ１ｆの計測を行った。図８に、ＡＰＤ２１ｂで検出した波形を示す。図８中の５１がパルスＹＡＧ発振タイミング（超音波発生時刻）である。また、図８に示した波形をＦＦＴで処理した結果を、図９に示す。周波数１．３８ＭＨｚの位置でＳ１ｆを示すスペクトル６１が明瞭に計測された。しかし、検出されれば約２．４ＭＨｚの位置で見られると考えられるＡ２ｆは、検出できなかった。

次に、リニアステージ１５上のミラー１４ｇを前進させ、図４Ｂに示す表面波超音波計測用の照射光学系に切替え、計測を行った。

図１０に、ＡＰＤ２１ｂで検出した波形を示す。本波形から、ゼロクロス法で表面波超音波の伝搬時間を計測すると３．５９０μｓとなり、超音波発生の線状ビームと検出点との距離１０．７ｍｍを計測された伝搬時間で除して、表面波超音波の音速は２９８０ｍ／ｓと求められた。

計測された、Ｓ１ｆ＝１．３８ＭＨｚ、Ｖ_SAW＝２９８０ｍ／ｓの値から、ポアソン比ν、縦波音速Ｖ_Ｌ、横波音速Ｖ_Ｓを算出した結果を表２、に示す。

また、計測後の被検査体を観察したところ、レーザ光照射による照射痕は観察されなかった。

［比較例］
実施例において得られた結果が妥当であるかを調べるために、公知の方法である、アブレーションを利用した計測法で、ポアソン比ν、縦波音速Ｖ_Ｌ、横波音速Ｖ_Ｓを算出した。比較例において、被検査体に照射されている超音波発生用のパルスレーザ光の強さは３．５ｍｍＪ／ｍｍ^２であり、これは、微小なアブレーションが生じる程度の強さである。

図１１に、Ｓ１ｆの周波数成分６１、及び、Ａ２ｆの周波数成分６２の検出結果を示す。また、計測結果を、表２に、実施例の結果と併せて示す。

さらに、比較例において計測した、計測後の被検査体の表面を観察したところ、アブレーションによる照射痕が観察された。

表２に示す結果から、本発明による計測法を用いた計測結果と、従来法による計測結果はよく一致しており、本発明の計測法は、被検査体にレーザによる照射痕を生じさせることなく、適切な計測結果が得られたことが確認できた。

本発明によれば、レーザ超音波法において、熱弾性効果を利用して超音波励起し、対象物の表面にレーザ照射痕を生じさせることなくポアソン比が算出できるので、種々の材料の非破壊検査に適用可能である。

さらに、本発明は、非破壊、非接触式の計測方法であるから、本発明を、例えば金属の製造プロセス中に適用することによって、オンラインで、製造中の実物のポアソン比などの物性値を計測することができ、製造中に直ちに、製造条件へフィードバックするなどの利用も可能である。

１ 対象物
２ レーザ光
３ 対象物の蒸発
４ 超音波
５ 温度上昇領域
１１ 被検査体
１２ 超音波発生用レーザ光源
１３ 超音波検出用レーザ光源
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ、１４ｆ ミラー
１５ リニアステージ
１６ フィルター
１７ａ、１７ｂ 集光レンズ
１８ シリンドリカルレンズ
１９ａ、１９ｂ、１９ｃ 偏光ビームスプリッタ
２０ ファブリ・ペロー干渉計
２１ａ、２１ｂ アバランシェ・フォトダイオード（光検出部）
２２ 安定化回路
２３ 算出部
２３ａ Ｓ１ｆ値算出部（第一の処理部）
２３ｂ 表面波超音波音速算出部（第二の処理部）
２３ｃ ポアソン比算出部（第三の処理部）
２４ 表示装置
３１ 超音波発生用レーザ光の照射スポット
３２ 超音波検出用レーザ光の照射スポット
３３ 超音波の進行方向
４１ 表面波超音波の音速計測時の超音波発生用レーザ光の照射スポット
４２ 表面波超音波の進行方向
５１ パルスＹＡＧ発振タイミング（超音波発生時刻）
６１ Ｓ１モードの板波超音波の周波数成分
６２ Ａ２モードの板波超音波の周波数成分
ＣＬ 超音波検出用レーザ光（連続波レーザ光）
ＣＬＰ 超音波検出用レーザ光（連続波レーザ光）のＰ偏光成分
ＣＬＳ 超音波検出用レーザ光（連続波レーザ光）のＳ偏光成分
ＰＬ 超音波発生用レーザ光（パルスレーザ光）

Claims (11)

1. 被検査体の表面にパルスレーザ光を照射して、熱弾性効果により超音波を発生させ、該被検査体の表面に連続波レーザ光を照射して、該被検査体を伝搬する超音波を受信して、被検査体のポアソン比を計測する方法であって、
   （ｉ）被検査体を伝搬する板波超音波と表面波超音波を受信して、
   （ii）前記板波超音波の周波数を算出し、
   （iii）前記表面波超音波の伝搬時間を計測し、該伝搬時間と伝搬距離とから、該表面波超音波の伝搬速度を算出し、
   （iv）前記板波超音波の周波数と前記表面波超音波の伝搬速度とに基づいて、前記被検査体のポアソン比を算出し、
   前記板波超音波の周波数は、群速度がゼロのＳ１モードの板波超音波の周波数であることを特徴とする、ポアソン比の計測方法。
2. 前記パルスレーザ光を前記被検査体に照射し前記板波超音波を発生させる際に、該パルスレーザ光を点状スポットで照射することを特徴とする請求項１に記載のポアソン比の計測方法。
3. 前記連続波レーザ光を前記被検査体に照射し前記板波超音波を受信する際に、前記連続波レーザ光を、前記パルスレーザ光を照射する前記点状スポット域内に照射することを特徴とする請求項２に記載のポアソン比の計測方法。
4. 前記パルスレーザ光を前記被検査体に照射し前記表面波超音波を発生させる際に、該パルスレーザ光を線状に照射することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のポアソン比の計測方法。
5. 前記板波超音波、及び、前記表面波超音波を受信する方法は、前記連続波レーザ光を前記被検査体の表面に照射し、該板波超音波、及び、該表面波超音波の振動によりドップラーシフトを受けた該連続波レーザ光の反射光を受光し、該反射光を干渉計で干渉させ、該干渉計から出力される光の強度変化を検知する方法であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のポアソン比の計測方法。
6. 被検査体の表面にパルスレーザ光を照射して、熱弾性効果により超音波を発生させ、該被検査体の表面に連続波レーザ光を照射して、該被検査体を伝搬する超音波を受信して、被検査体のポアソン比を計測する装置であって、
   （ｉ）被検査体の表面にパルスレーザ光を照射し超音波励起することにより、超音波を発生させるためのレーザ光源を含む超音波発生部、
   （ii）被検査体の表面に連続波レーザ光を照射することにより、被検査体を伝搬する板波超音波及び表面波超音波を受信するためのレーザ光源を含む受信部、
   （iii）受信した前記板波超音波から該板波超音波の周波数を算出する第一の処理部、
   （iv）受信した前記表面波超音波の伝搬時間を計測し、該伝搬時間と伝搬距離とから該表面波超音波の伝搬速度を算出する第二の処理部、及び、
   （ｖ）前記板波超音波の周波数と前記表面波超音波の伝搬速度とから、被検査体のポアソン比を算出する第三の処理部
   を備え、
   前記板波超音波の周波数は、群速度がゼロのＳ１モードの板波超音波の周波数であることを特徴とする、ポアソン比の計測装置。
7. さらに、前記超音波発生部には、前記パルスレーザ光を前記被検査体に点状スポットで照射する照射光学系を含むことを特徴とする請求項６に記載のポアソン比の計測装置。
8. 前記連続波レーザ光を、前記パルスレーザ光を照射する前記点状スポット域内に照射することを特徴とする請求項７に記載のポアソン比の計測装置。
9. さらに、前記超音波発生部には、前記パルスレーザ光を前記被検査体に線状スポットで照射する照射光学系とを含むことを特徴とする請求項７又は８に記載のポアソン比の計測装置。
10. さらに、前記超音波発生部には、前記点状スポットで照射する照射光学系と、前記線状スポットで照射する照射光学系を切り替える機構を含むことを特徴とする請求項９に記載のポアソン比の計測装置。
11. さらに、前記受信部には、前記板波超音波、及び、前記表面波超音波の振動によりドップラーシフトを受けた前記連続波レーザ光の反射光を受光して、受光した該連続波レーザ光の反射光を干渉させる干渉計と、該干渉計から出力される光の強度変化を電気信号として出力する光検出部とを含むことを特徴とする請求項６〜１０のいずれか１項に記載のポアソン比の計測装置。

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