薄板の応力計測方法、及び、計測装置
【課題】残留応力等、薄板に付加された応力の大きさを、非破壊、非接触で、高速かつ安全に、精度良く計測する、薄板の応力計測方法、及び、計測装置を提供する。
【解決手段】被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光を照射して超音波を発生させ、さらに、超音波発生用パルス発振レーザ光と波長の異なる超音波検出用レーザ光を照射し、被検査体に発生した超音波の振動によるドップラーシフトを受けた超音波検出用レーザ光を利用して被検査体に発生した超音波の強度波形を算出し、前記超音波の強度波形の周波数解析を行い、２つに分離して観察される前記被検査体に発生した群速度ゼロのＳ１モードの板波超音波の周波数から、あらかじめ作成された２つの周波数と応力の大きさとの関係を用いて、前記被検査体に付加された応力の大きさを算出するステップを備えることを特徴とする薄板の応力計測方法。
【解決手段】被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光を照射して超音波を発生させ、さらに、超音波発生用パルス発振レーザ光と波長の異なる超音波検出用レーザ光を照射し、被検査体に発生した超音波の振動によるドップラーシフトを受けた超音波検出用レーザ光を利用して被検査体に発生した超音波の強度波形を算出し、前記超音波の強度波形の周波数解析を行い、２つに分離して観察される前記被検査体に発生した群速度ゼロのＳ１モードの板波超音波の周波数から、あらかじめ作成された２つの周波数と応力の大きさとの関係を用いて、前記被検査体に付加された応力の大きさを算出するステップを備えることを特徴とする薄板の応力計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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、残留応力等、薄板に付加された応力の大きさを非破壊・非接触で計測する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
薄板製品は、自動車、デジタル家電、建築材料、住宅、飲料缶、変圧器など、幅広い分野で使用されている。例えば、電子部品に使用する薄板は、微細な加工を施す必要があるので、一般的に、エッチングにより加工する。薄板に残留応力が存在すると、残留応力の存在する部分と存在しない部分でエッチング速度が変化するので、エッチングむらが生じる。また、エッチング加工により残留応力が解放されるので、寸法誤差が生じたり、製品が湾曲したりするといった不具合が生じる。
【０００３】
非破壊で薄板の残留応力の大きさを計測する方法として、Ｘ線による応力計測法が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２等）。Ｘ線による応力計測は、Ｘ線回折ピークの位置がＸ線照射位置の結晶格子の歪みに応じて変化することを利用した計測方法である。通常は、薄板の圧延方向と直角な方向の複数位置で、薄板の表面にＸ線を照射して、得られた複数の回折ピーク位置に基づき、結晶格子の歪みを求め、求めた歪みを換算し、応力の大きさを求める。
【０００４】
一方、パルス発振レーザを利用して超音波を発生させ、被検査体内を伝搬した超音波を、連続発振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」という）について、種々の応用が提案されている。
【０００５】
例えば、非特許文献１には、レーザ超音波法によるポアソン比の計測方法として、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。
【０００６】
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／ｍｍ２のパルス発振の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」という）、群速度ゼロのＡ２モードの周波数（以下「Ａ２ｆ」という）を、連続発振の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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平５-７２０６１号公報
【特許文献２】特開平６−１０２１０３号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】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.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
鋼板の製造では、残留応力の影響による鋼板のそりが問題となる場合がある。そのため、非破壊、かつ、非接触で、鋼板の残留応力の大きさを計測する方法が要望されている。
【００１０】
前記のＸ線による応力計測法は、複数の回折ピークを得るために時間がかかるので、残留応力分布の計測に要する時間が長くなる。また、Ｘ線による計測は、薄板の数μｍ〜数十μｍ程度の表層の歪みしか知ることができないので、薄板の全体での残留応力の大きさを正確に計測できない。さらに、人体に危険な放射線のＸ線を用いるので、Ｘ線照射装置の操作に熟練を必要とし、安全かつ簡単に計測ができない。
【００１１】
また、レーザ超音波法の応用により残留応力の大きさを計測することも考えられるが、非特許文献１に記載のレーザ超音波法による計測では、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ので、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、用途が限定される。
【００１２】
本発明は、上記の事情に鑑み、残留応力等、薄板に付加された応力の大きさを、非破壊、非接触で、高速かつ安全に、精度良く計測する、薄板の応力計測方法、及び、計測装置の提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者らは、熱弾性効果による超音波励起を利用したレーザ超音波法を用いて、薄板の残留応力等、薄板に付加された応力の大きさを計測する方法を、鋭意検討した。
【００１４】
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、レーザの照射痕を生じさせないために、熱弾性効果による超音波励起を利用する計測法では、発生した超音波の検出が難しく、板波超音波のＡ２ｆの計測は困難であるが、Ｓ１ｆの計測は可能である。
【００１５】
本発明者らの検討の結果、引張応力を付加した被検査体に、レーザ超音波法で超音波を発生させ、超音波の強度波形を検出し、検出した超音波の強度波形を高速フーリエ変換（Fast Fourier Transform：以下「ＦＦＴ」という）により処理すると、Ｓ１ｆの周波数ピークが分離して、２つの周波数ピークが観測されることを見出した。さらに、この周波数の分離の大きさは、引張応力の大きさと相関があることを見出した。
【００１６】
本発明は、上記の知見に基づきなされたものであって、その要旨は以下のとおりである。
【００１７】
（１）薄板に付加された応力の大きさを計測する方法であって、
被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光を照射し、被検査体に超音波を発生させるステップと、
前記被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光と波長の異なる超音波検出用レーザ光を照射するステップと、
前記被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光を照射して発生した超音波の振動によりドップラーシフトを受けた前記超音波検出用レーザ光の反射光を受信し、前記ドップラーシフトの量に応じた強度の光を出力するステップと、
前記ドップラーシフトの量に応じた強度の光を用いて、前記ドップラーシフトの量から前記被検査体に発生した超音波の強度波形を算出するステップと、
前記超音波の強度波形の周波数解析を行い、２つに分離して観察される前記被検査体に発生した群速度ゼロのＳ１モードの板波超音波の２つの周波数Ｓ１ｆ１、及びＳ１ｆ２を算出するステップと、
算出された前記２つの周波数から、あらかじめ作成された２つの周波数Ｓ１ｆ１及びＳ１ｆ２と応力の大きさとの関係を用いて、前記被検査体に付加された応力の大きさを算出するステップと
を備えることを特徴とする薄板の応力計測方法。
【００１８】
（２）前記被検査体に付加された応力の大きさを算出するステップは、算出された２つの周波数Ｓ１ｆ１、Ｓ１ｆ２から、２つの周波数の分離の大きさΔＳ１ｆ１／Ｓ１ｆを算出し、あらかじめ作成された２つの周波数の分離の大きさΔＳ１ｆ１／Ｓ１ｆと応力の大きさとの関係を用いて、被検査体に付加された応力の大きさを算出するステップであることを特徴とする前記（１）の薄板の応力計測方法。
ここで、Ｓ１ｆ１＜Ｓ１ｆ２、ΔＳ１ｆ＝Ｓ１ｆ２−Ｓ１ｆ１とする。
【００１９】
（３）前記超音波検出用レーザ光を、前記超音波発生用パルス発振レーザ光を照射するスポット領域内に照射することを特徴とする前記（１）又は（２）の薄板の応力計測方法。
【００２０】
（４）前記被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光を照射して発生した超音波の振動によりドップラーシフトを受けた前記超音波検出用レーザ光を受信し、前記ドップラーシフトの量に応じた強度の光を出力する方法は、前記ドップラーシフトを受けた前記超音波検出用レーザ光を干渉計で干渉させ、該干渉計から該ドップラーシフトの量に応じた強度の光を出力する方法であることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかの薄板の応力計測方法。
【００２１】
（５）前記超音波検出用レーザ光は、パルス発振レーザ光であることを特徴とする前記（１）〜（４）のいずれかの薄板の応力計測方法。
【００２２】
（６）薄板に付加された応力の大きさを計測する装置であって、
被検査体に超音波を発生させるための超音波発生用パルス発振レーザ光を照射する照射光学系と、
前記被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光と波長の異なる超音波検出用レーザ光を照射する検出光学系と、
前記被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光を照射して発生した超音波の振動によりドップラーシフトを受けた前記超音波検出用レーザ光の反射光を受信し、前記ドップラーシフトの量に応じた強度の光を出力する受信部と、
前記超音波の強度波形の周波数解析を行い、２つに分離して観察される前記被検査体に発生した群速度ゼロのＳ１モードの板波超音波の２つの周波数Ｓ１ｆ１、及びＳ１ｆ２を算出する周波数スペクトル算出部と、
算出された２つの周波数から、あらかじめ求められた２つの周波数Ｓ１ｆ１、及びＳ１ｆ２と応力の大きさとの関係を用いて、前記被検査体に付加された応力の大きさを算出する応力算出部と
を備えることを特徴とする薄板の応力計測装置。
【００２３】
（７）前記応力算出部は、算出された２つの周波数Ｓ１ｆ１、Ｓ１ｆ２から、２つの周波数の分離の大きさΔＳ１ｆ１／Ｓ１ｆを算出し、あらかじめ求められた２つの周波数の分離の大きさΔＳ１ｆ１／Ｓ１ｆと応力の大きさとの関係を用いて、被検査体に付加された応力の大きさを算出することを特徴とする前記（６）の薄板の応力計測装置。
ここで、Ｓ１ｆ１＜Ｓ１ｆ２、ΔＳ１ｆ＝Ｓ１ｆ２−Ｓ１ｆ１とする。
【００２４】
（８）前記検出光学系は、前記照射光学系が被検査体の表面に照射したパルス発振レーザ光のスポット領域内にレーザ光を照射することができることを特徴とする前記（６）又は（７）の薄板の応力計測装置。
【００２５】
（９）前記受信部は、前記被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光を照射して発生した超音波の振動によりドップラーシフトを受けた前記超音波検出用レーザ光を入力して干渉させ、ドップラーシフトの量に応じた強度の光を出力する干渉計であることを特徴とする前記（６）〜（８）のいずれかの薄板の応力計測装置。
【００２６】
（１０）前記超音波検出用レーザ光は、パルス発振レーザ光であることを特徴とする前記（６）〜（９）のいずれかの薄板の応力計測装置。
【００２７】
（１１）さらに、別途計測された２つの周波数の分離の大きさΔＳ１ｆ／Ｓ１ｆ１と、応力の大きさとを入力し、入力された値に基づき、前記応力算出部で前記被検査体に付加された応力の大きさを算出するために用いる、２つの周波数の分離の大きさΔＳ１ｆ／Ｓ１ｆ１と応力の大きさとの関係を表す較正線を作成する、較正線作成部を備えることを特徴とする前記（６）〜（１０）のいずれかの薄板の応力計測装置。
【発明の効果】
【００２８】
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、被検査体の表面にダメージを与えず、非接触、かつ、非破壊で、さらに、高速で安全に、残留応力等、薄板に付加された応力の大きさを計測することができる。
【００２９】
これにより、薄板の製造中に、オンラインで残留応力の情報を得ることができるので、例えば、鋼板の矯正プロセスの制御情報として活用でき、残留応力低減のための制御の最適化が行えるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の薄板の応力計測装置の概略を示す図である。
【図２】本発明の薄板の応力計測装置で検出した超音波の強度波形を示す図である。
【図３】本発明の薄板の応力計測装置で検出した超音波の強度波形をＦＦＴ処理した結果を示す図である。
【図４】薄板に付加した応力の大きさと、本発明の薄板の応力計測装置で検出した２つの周波数の分離の大きさとの関係を示す図である。
【図５】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位置の関係を示す図である。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】本発明の計測方法で計測した応力の大きさと、ひずみゲージで計測した応力の大きさとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本発明の薄板の応力計測方法の概要を、図１に示す本発明の薄板の応力計測装置を参照して、説明する。ここで薄板とは、基本的には薄鋼板のことを意味するとして説明するが、本発明は、弾性を有する金属材料であれば広く適用可能である。
【００３２】
被検査体１１に、照射光学系の超音波発生用パルス発振レーザ光源２１から照射された超音波発生用レーザ光ＧＬを照射して超音波を励起すると、被検査体１１内部に縦波、横波、及び、板波超音波が発生する。
【００３３】
この被検査体１１に、検出光学系の超音波検出用レーザ光源３１から照射された超音波検出用レーザ光ＤＬを照射すると、超音波検出用レーザ光ＤＬ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、反射する。λは、超音波検出用レーザ光の波長である。
【００３４】
ドップラーシフトを受けた超音波検出用レーザ光ＤＬの反射光は、受信部４１で受信され、その後、信号処理部５１に送られる。信号処理部５１では、ドップラーシフトの量の情報から、周波数スペクトルを算出し、ＦＦＴ処理により周波数スペクトルの周波数解析を行う。
【００３５】
周波数スペクトルは、具体的には、例えば、図２のように算出される。これをＦＦＴ処理すると、図３の（ａ）〜（ｃ）のような結果が得られる。図２、及び図３に示す結果は、被検査体として、１ｍｍ厚のＳＳ４００を用いて計測した結果である。図３の（ａ）は、引張応力を付加していない状態での計測結果、（ｂ１）は、被検査体に３ＭＰａの引張応力を付加した状態での計測結果で、（ｂ２）は（ｂ１）のＳ１ｆの周波数領域を拡大した図、（ｃ）は被検査体に１５ＭＰａの引張応力を付加した状態での計測結果である。
【００３６】
図３から、被検査体に引張応力が付加された状態では、Ｓ１ｆの周波数ピークが２つの周波数に分離することが分かる。
【００３７】
本発明者らの検討の結果、被検査体に付加する引張応力の大きさを変えると、図４に示すように、２つの周波数の分離の大きさと、引張応力の大きさには相関関係があることが分かった。分離の大きさは、例えば、分離した２つの周波数をＳ１ｆ１、Ｓ１ｆ２（Ｓ１ｆ１＜Ｓ１ｆ２）、ΔＳ１ｆ＝Ｓ１ｆ２−Ｓ１ｆ１として、ΔＳ１ｆ／Ｓ１ｆ１として表すことができる。図４の縦軸は、ΔＳ１ｆ／Ｓ１ｆ１である。２つの周波数の分離の大きさは、例えば、ΔＳ１ｆ／Ｓ１ｆ２等、他の式を用いて評価してもかまわない。
【００３８】
２つの周波数の分離の大きさ（例えば、ΔＳ１ｆ／Ｓ１ｆ１）と、付加された応力の大きさとの関係である較正線をあらかじめ求めておき、例えば、データベースとして保有しておくことにより、付加された応力の大きさが未知の被検査体について、レーザ超音波法で検出された強度波形をＦＦＴ処理して、２つの周波数の分離の大きさを算出し、データベースを参照すれば、被検査体に付加された応力の大きさを求めることができる。
【００３９】
鋼板の成分組成等によっては、２つの周波数の分離の大きさと応力の大きさとの関係が異なる場合があるので、複数のデータベースを用意し、計測の際に最適なデータベースを参照できるようにするとよい。
【００４０】
本発明の応力計測装置について、より詳細に説明する。
【００４１】
超音波発生用パルス発振レーザ光源２１は、パルス発振レーザ光源であり、例えばＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザを用いることができる。
【００４２】
超音波発生用レーザ光ＧＬのパルス繰り返し周波数は、使用する超音波発生用パルス発振レーザ光源２１の特性に依存するが、１０〜２００Ｈｚ程度である。照射光学系では、超音波発生用パルス発振レーザ光源２１と被検査体１１の間に、ミラー２２ａ、２２ｂ、ＮＤフィルター２３、集光レンズ２４などを配して、超音波発生用レーザ光ＧＬの進行方向、強度、ビーム径等を調整することができる。被検査体１１の表面に照射される超音波発生用レーザ光ＧＬの照射角は、実用上は、面に対し垂直方向±３０°以内である。これらは、特に限定されるものではない。
【００４３】
超音波検出用レーザ光源３１には、例えば連続発振の２倍波Ｎｄ：ＹＡＧレーザを用いることができる。超音波発生用レーザ光ＧＬと、超音波検出用レーザ光ＤＬには、波長の異なるレーザ光を用いる。これは、受信部４１で受信する超音波検出用レーザ光ＤＬに超音波発生用レーザ光ＧＬが混じり、ノイズとなるのを防ぐためである。すなわち、２つのレーザ光が異なる波長であれば、使用する波長は限定されない。
【００４４】
超音波検出用レーザ光ＤＬが、被検査体１１に発生した超音波より受けるドップラーシフトの大きさは、０．０１〜０．１Ｈｚ程度である。したがって、超音波検出用レーザ光源３１に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、超音波検出用レーザ光源３１の周波数ドリフトは１００Ｈｚ／ｓ以下が好ましい。
【００４５】
検出光学系では、超音波検出用レーザ光源３１と被検査体１１の間に、ミラー３２ａ，３２ｂなどを配して、超音波検出用レーザ光ＤＬの進行方向等を調整することができる。被検査体１１の表面に照射される超音波検出用レーザ光ＤＬの照射角は、実用上は、面に対し垂直方向±３０°以内である。これらは、特に限定されるものではない。
【００４６】
超音波検出用レーザ光源３１には、パルス発振レーザ光源を用いることもできる。この場合、超音波検出用レーザ光ＤＬを、強度波形の検出のタイミングに同期して発振させることで、超音波検出用レーザ光ＤＬの平均出力をそれほど高くしなくても、超音波の検出感度を向上させることができる。
【００４７】
被検査体表面の照射領域は、図５に示すように、超音波発生用レーザ光を照射し、超音波発生用パルス発振レーザ光の照射スポット２５の照射領域内に、超音波検出用レーザ光の照射スポット３５が入るように、超音波検出用レーザ光を照射するのが好ましい。超音波発生用レーザ光と超音波検出用レーザ光を、ほぼ同じ位置に照射することで、超音波検出用レーザにより面方向に進行する波は検出されず、移動しない群速度ゼロの板波を精度良く検出することができる。
【００４８】
受信部４１には、例えば、ファブリ・ペロー干渉計を用いることができる。ファブリ・ペロー干渉計は、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。
【００４９】
ファブリ・ペロー干渉計に入射される超音波検出用レーザ光は、被検査体を伝播する超音波より受けたドップラーシフトの量、すなわち被検査体の表面変位速度によって、わずかに周波数が変化する。周波数が変化した超音波検出用レーザ光をファブリ・ペロー干渉計に導入し、出力することで、周波数の変化を、相対的に大きな、光強度の変化に変換することができる。
【００５０】
その結果、ファブリ・ペロー干渉計を透過した、超音波検出用レーザ光の強度変化を計測することで、被検査体の表面の振動状態を精度良く求めることができる。
【００５１】
ファブリ・ペロー干渉計の透過特性は、ＦＷＨＭ（Full Width Half Max）が１〜１０ＭＨｚ程度、ＦＳＲ（Free Spectral Range）が１００ＭＨｚ〜１ＧＨｚ程度が好ましい。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。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（図６を参照）。
【００５２】
ファブリ・ペロー干渉計の反射ミラーが外部振動などの外乱により変化したときに、反射ミラーを最適な位置になるように調製できるように、参照光を用いた調整機構を設けてもよい。反射ミラーの調整には、ピエゾ素子などが使用できる。
【００５３】
本発明の応力計測装置の受信部は、ファブリ・ペロー干渉計に限定されない。
【００５４】
例えば、ドップラーシフトを受けた超音波検出用レーザ光を、超音波検出用レーザ光の波長付近で損失波長特性が急峻となる光ファイバグレーティングや微細構造光ファイバに導入して、出力される光の強度をドップラーシフトの量に応じた強度とし、これを用いて超音波の周波数スペクトルを算出する方法なども採用することができる。
【００５５】
受信部４１で受信したドップラーシフトの量の情報は、信号処理部５１に送られる。このとき、例えば、アバランシェフォトダイオード等の光／電気変換器で電気信号に変換して、電気信号として信号処理部５１に入力してもよい。
【００５６】
信号処理部５１は、周波数スペクトル算出部５１ａ、応力算出部５１ｂを有する。
【００５７】
周波数スペクトル算出部５１ａは、電子計算機等からなり、受信部から出力されたドップラーシフトの量の情報から、周波数スペクトルを算出し、さらに算出した周波数スペクトルの周波数解析を行い、２つに分離して観察される群速度ゼロのＳ１モードの板波超音波の周波数Ｓ１ｆ１、及びＳ１ｆ２を算出する。
【００５８】
応力算出部５１ｂは、電子計算機等からなり、算出したＳ１ｆ１、及びＳ１ｆ２から、あらかじめ求めた２つの周波数の分離の大きさと応力の大きさとの関係を用いて、被検査体１１に付加された応力の大きさを算出する。
【００５９】
信号処理部５１は、さらに、必要に応じて、較正線作成部５１ｃを備えることができる。較正線作成部５１ｃは、電子計算機等からなり、別途計測した２つの周波数の分離の大きさ（例えば、ΔＳ１ｆ／Ｓ１ｆ１）と、付加された応力の大きさとを入力し、入力された値に基づき、２つの周波数の分離の大きさと応力の大きさとの較正線を作成する。作成された較正線は、応力算出部５１ｂでの応力の算出に用いられる。
【００６０】
２つの周波数の分離の大きさと応力の大きさとの関係は、図４に示すように、一次の関係であるから、入力された２つの周波数の分離の大きさと応力の大きさとの関係を較正線に反映させるのは、容易である。
【００６１】
周波数スペクトル算出部５１ａ、応力算出部５１ｂ、及び較正線作成部５１ｃは、それぞれ物理的に別の装置である必要はなく、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。
【００６２】
さらに必要に応じて、算出結果を出力する表示装置６１を設けてもよい。
【００６３】
本発明の応力計測方法で必要となる波形分解能は、計測する応力の必要な分解能から決定できる。すなわち、計測する応力の必要な分解能を決定すると、既に得られている較正線と、計測する応力の分解能から、ΔＳ１ｆ／Ｓ１ｆ１の必要な分解能が決定する。
【００６４】
板波超音波の群速度は、周波数×板厚と、図７に示す関係があるので、較正線作成時のＳ１ｆ×ｄ（板厚）と、被検査体の板厚から、Ｓ１ｆのおおよその値を算出し、その値からΔＳ１ｆを算出する。
【００６５】
すると、少なくとも必要となるＦＦＴの周波数分解能Δｆｒは、Δｆｒ＝ΔＳ１ｆ／２であるから、ＦＦＴ処理するために必要な波形の時間域Ｔは、Ｔ＝１／Δｆｒと求められる。
【００６６】
本発明の応力計測方法は、板厚０．１〜３ｍｍ程度の薄板に付加された、残留応力等の応力の大きさの計測に好適である。また、弾性を有する金属材料であれば、熱弾性効果による超音波発生のメカニズムが薄鋼板と同様に成り立ち、超音波も伝幡可能なので、本発明の方法が適用可能である。
【実施例】
【００６７】
冷間圧延後の１ｍｍ厚のＳＳ４００を試験材として引張応力を付加し、その大きさを、本発明の薄板の応力計測方法と、公知の計測法であるひずみゲージ法により計測し、比較した。
【００６８】
本発明の計測方法については、事前に、別途、引張応力の大きさとΔＳ１ｆ／Ｓ１ｆ１との関係である較正線をあらかじめ求め、図４の関係を得た。
【００６９】
本発明の計測方法の超音波発生用パルス発振レーザ光源には、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発振の、２倍波Ｎｄ：ＹＡＧレーザを使用した。計測条件は、表１に示す。
【００７０】
【表１】
【００７１】
超音波発生用レーザ光の被検査体上でのフルーエンスは、１．８ｍＪ／ｍｍ２とした。これは、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中の被検査体と検出系の距離は、被検査体と検出系の最短距離を意味し、図１の例では、被検査体１１と、集光レンズ２４との距離である。
【００７２】
ひずみゲージ法による計測は、上記の計測条件でレーザを照射した近傍にひずみゲージを設けて行った。
【００７３】
図８に、あらかじめ求めた較正線を基に、計測したΔＳ１ｆ／Ｓ１ｆ１の値から算出した応力の大きさを縦軸に、ひずみゲージで計測した応力の大きさを横軸にとって突き合せた結果を示す。
【００７４】
図８のグラフ中の点線は、計測に必要な精度±５ＭＰａを示す補助線である。いずれのデータもこの±５ＭＰａの範囲にあり、要求の計測精度を満たすことが分かった。
【００７５】
以上の結果から、本発明による計測法を用いた計測結果と、公知の計測法であるひずみゲージ法を用いた計測結果はよく一致しており、本発明の応力計測方法によれば、被検査体にレーザによる照射痕を生じさせることなく、妥当な計測結果が得られることが確認できた。
【００７６】
なお、実施例では引張応力の場合を示したが、圧縮応力の場合も同様に、計測された２つの周波数の分離の大きさと被検査体に付加した応力の大きさの関係に基づいて得られる較正線と、計測された二つの周波数の分離の大きさとから、圧縮応力の大きさを計測することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
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による照射痕を生じさせることなく、対象物の残留応力等、被検査体に付加された応力の大きさが算出できるので、種々の材料の非破壊検査に適用可能である。発明を実施するための形態や実施例において、薄鋼板を被検査体の例として取り上げたが、本発明は、例えばアルミや銅など弾性を有する金属材料であれば適用可能である。
【００７８】
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、冷間加工などの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、製造中の実物の残留応力の計測が可能である。その結果、例えば、鋼板の矯正プロセスの制御情報として活用でき、残留応力低減のための制御の最適化が行えるようになる。
【００７９】
さらに、残留応力確認のためのガスカット等が不要となるので、歩留りが向上し、さらに、できあがった製品の残留応力を保証することができる。よって、産業上の利用可能性は大きい。
【符号の説明】
【００８０】
１１ 被検査体
２１ 超音波発生用パルス発振レーザ光源
２２ａ，２２ｂ ミラー
２３ ＮＤフィルター
２４ 集光レンズ
２５ 超音波発生用パルス発振レーザ光の照射スポット
３１ 超音波検出用レーザ光源
３２ａ，３２ｂ ミラー
３５ 超音波検出用レーザ光の照射スポット
４１ 受信部
５１ 信号処理部
５１ａ 周波数スペクトル算出部
５１ｂ 応力算出部
５１ｃ 較正線作成部
６１ 表示装置
ＤＬ 超音波検出用レーザ光
ＧＬ 超音波発生用レーザ光
【技術分野】
【０００１】
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、残留応力等、薄板に付加された応力の大きさを非破壊・非接触で計測する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
薄板製品は、自動車、デジタル家電、建築材料、住宅、飲料缶、変圧器など、幅広い分野で使用されている。例えば、電子部品に使用する薄板は、微細な加工を施す必要があるので、一般的に、エッチングにより加工する。薄板に残留応力が存在すると、残留応力の存在する部分と存在しない部分でエッチング速度が変化するので、エッチングむらが生じる。また、エッチング加工により残留応力が解放されるので、寸法誤差が生じたり、製品が湾曲したりするといった不具合が生じる。
【０００３】
非破壊で薄板の残留応力の大きさを計測する方法として、Ｘ線による応力計測法が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２等）。Ｘ線による応力計測は、Ｘ線回折ピークの位置がＸ線照射位置の結晶格子の歪みに応じて変化することを利用した計測方法である。通常は、薄板の圧延方向と直角な方向の複数位置で、薄板の表面にＸ線を照射して、得られた複数の回折ピーク位置に基づき、結晶格子の歪みを求め、求めた歪みを換算し、応力の大きさを求める。
【０００４】
一方、パルス発振レーザを利用して超音波を発生させ、被検査体内を伝搬した超音波を、連続発振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」という）について、種々の応用が提案されている。
【０００５】
例えば、非特許文献１には、レーザ超音波法によるポアソン比の計測方法として、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。
【０００６】
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／ｍｍ２のパルス発振の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」という）、群速度ゼロのＡ２モードの周波数（以下「Ａ２ｆ」という）を、連続発振の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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平５-７２０６１号公報
【特許文献２】特開平６−１０２１０３号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】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.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
鋼板の製造では、残留応力の影響による鋼板のそりが問題となる場合がある。そのため、非破壊、かつ、非接触で、鋼板の残留応力の大きさを計測する方法が要望されている。
【００１０】
前記のＸ線による応力計測法は、複数の回折ピークを得るために時間がかかるので、残留応力分布の計測に要する時間が長くなる。また、Ｘ線による計測は、薄板の数μｍ〜数十μｍ程度の表層の歪みしか知ることができないので、薄板の全体での残留応力の大きさを正確に計測できない。さらに、人体に危険な放射線のＸ線を用いるので、Ｘ線照射装置の操作に熟練を必要とし、安全かつ簡単に計測ができない。
【００１１】
また、レーザ超音波法の応用により残留応力の大きさを計測することも考えられるが、非特許文献１に記載のレーザ超音波法による計測では、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ので、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、用途が限定される。
【００１２】
本発明は、上記の事情に鑑み、残留応力等、薄板に付加された応力の大きさを、非破壊、非接触で、高速かつ安全に、精度良く計測する、薄板の応力計測方法、及び、計測装置の提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者らは、熱弾性効果による超音波励起を利用したレーザ超音波法を用いて、薄板の残留応力等、薄板に付加された応力の大きさを計測する方法を、鋭意検討した。
【００１４】
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、レーザの照射痕を生じさせないために、熱弾性効果による超音波励起を利用する計測法では、発生した超音波の検出が難しく、板波超音波のＡ２ｆの計測は困難であるが、Ｓ１ｆの計測は可能である。
【００１５】
本発明者らの検討の結果、引張応力を付加した被検査体に、レーザ超音波法で超音波を発生させ、超音波の強度波形を検出し、検出した超音波の強度波形を高速フーリエ変換（Fast Fourier Transform：以下「ＦＦＴ」という）により処理すると、Ｓ１ｆの周波数ピークが分離して、２つの周波数ピークが観測されることを見出した。さらに、この周波数の分離の大きさは、引張応力の大きさと相関があることを見出した。
【００１６】
本発明は、上記の知見に基づきなされたものであって、その要旨は以下のとおりである。
【００１７】
（１）薄板に付加された応力の大きさを計測する方法であって、
被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光を照射し、被検査体に超音波を発生させるステップと、
前記被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光と波長の異なる超音波検出用レーザ光を照射するステップと、
前記被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光を照射して発生した超音波の振動によりドップラーシフトを受けた前記超音波検出用レーザ光の反射光を受信し、前記ドップラーシフトの量に応じた強度の光を出力するステップと、
前記ドップラーシフトの量に応じた強度の光を用いて、前記ドップラーシフトの量から前記被検査体に発生した超音波の強度波形を算出するステップと、
前記超音波の強度波形の周波数解析を行い、２つに分離して観察される前記被検査体に発生した群速度ゼロのＳ１モードの板波超音波の２つの周波数Ｓ１ｆ１、及びＳ１ｆ２を算出するステップと、
算出された前記２つの周波数から、あらかじめ作成された２つの周波数Ｓ１ｆ１及びＳ１ｆ２と応力の大きさとの関係を用いて、前記被検査体に付加された応力の大きさを算出するステップと
を備えることを特徴とする薄板の応力計測方法。
【００１８】
（２）前記被検査体に付加された応力の大きさを算出するステップは、算出された２つの周波数Ｓ１ｆ１、Ｓ１ｆ２から、２つの周波数の分離の大きさΔＳ１ｆ１／Ｓ１ｆを算出し、あらかじめ作成された２つの周波数の分離の大きさΔＳ１ｆ１／Ｓ１ｆと応力の大きさとの関係を用いて、被検査体に付加された応力の大きさを算出するステップであることを特徴とする前記（１）の薄板の応力計測方法。
ここで、Ｓ１ｆ１＜Ｓ１ｆ２、ΔＳ１ｆ＝Ｓ１ｆ２−Ｓ１ｆ１とする。
【００１９】
（３）前記超音波検出用レーザ光を、前記超音波発生用パルス発振レーザ光を照射するスポット領域内に照射することを特徴とする前記（１）又は（２）の薄板の応力計測方法。
【００２０】
（４）前記被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光を照射して発生した超音波の振動によりドップラーシフトを受けた前記超音波検出用レーザ光を受信し、前記ドップラーシフトの量に応じた強度の光を出力する方法は、前記ドップラーシフトを受けた前記超音波検出用レーザ光を干渉計で干渉させ、該干渉計から該ドップラーシフトの量に応じた強度の光を出力する方法であることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかの薄板の応力計測方法。
【００２１】
（５）前記超音波検出用レーザ光は、パルス発振レーザ光であることを特徴とする前記（１）〜（４）のいずれかの薄板の応力計測方法。
【００２２】
（６）薄板に付加された応力の大きさを計測する装置であって、
被検査体に超音波を発生させるための超音波発生用パルス発振レーザ光を照射する照射光学系と、
前記被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光と波長の異なる超音波検出用レーザ光を照射する検出光学系と、
前記被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光を照射して発生した超音波の振動によりドップラーシフトを受けた前記超音波検出用レーザ光の反射光を受信し、前記ドップラーシフトの量に応じた強度の光を出力する受信部と、
前記超音波の強度波形の周波数解析を行い、２つに分離して観察される前記被検査体に発生した群速度ゼロのＳ１モードの板波超音波の２つの周波数Ｓ１ｆ１、及びＳ１ｆ２を算出する周波数スペクトル算出部と、
算出された２つの周波数から、あらかじめ求められた２つの周波数Ｓ１ｆ１、及びＳ１ｆ２と応力の大きさとの関係を用いて、前記被検査体に付加された応力の大きさを算出する応力算出部と
を備えることを特徴とする薄板の応力計測装置。
【００２３】
（７）前記応力算出部は、算出された２つの周波数Ｓ１ｆ１、Ｓ１ｆ２から、２つの周波数の分離の大きさΔＳ１ｆ１／Ｓ１ｆを算出し、あらかじめ求められた２つの周波数の分離の大きさΔＳ１ｆ１／Ｓ１ｆと応力の大きさとの関係を用いて、被検査体に付加された応力の大きさを算出することを特徴とする前記（６）の薄板の応力計測装置。
ここで、Ｓ１ｆ１＜Ｓ１ｆ２、ΔＳ１ｆ＝Ｓ１ｆ２−Ｓ１ｆ１とする。
【００２４】
（８）前記検出光学系は、前記照射光学系が被検査体の表面に照射したパルス発振レーザ光のスポット領域内にレーザ光を照射することができることを特徴とする前記（６）又は（７）の薄板の応力計測装置。
【００２５】
（９）前記受信部は、前記被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光を照射して発生した超音波の振動によりドップラーシフトを受けた前記超音波検出用レーザ光を入力して干渉させ、ドップラーシフトの量に応じた強度の光を出力する干渉計であることを特徴とする前記（６）〜（８）のいずれかの薄板の応力計測装置。
【００２６】
（１０）前記超音波検出用レーザ光は、パルス発振レーザ光であることを特徴とする前記（６）〜（９）のいずれかの薄板の応力計測装置。
【００２７】
（１１）さらに、別途計測された２つの周波数の分離の大きさΔＳ１ｆ／Ｓ１ｆ１と、応力の大きさとを入力し、入力された値に基づき、前記応力算出部で前記被検査体に付加された応力の大きさを算出するために用いる、２つの周波数の分離の大きさΔＳ１ｆ／Ｓ１ｆ１と応力の大きさとの関係を表す較正線を作成する、較正線作成部を備えることを特徴とする前記（６）〜（１０）のいずれかの薄板の応力計測装置。
【発明の効果】
【００２８】
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、被検査体の表面にダメージを与えず、非接触、かつ、非破壊で、さらに、高速で安全に、残留応力等、薄板に付加された応力の大きさを計測することができる。
【００２９】
これにより、薄板の製造中に、オンラインで残留応力の情報を得ることができるので、例えば、鋼板の矯正プロセスの制御情報として活用でき、残留応力低減のための制御の最適化が行えるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の薄板の応力計測装置の概略を示す図である。
【図２】本発明の薄板の応力計測装置で検出した超音波の強度波形を示す図である。
【図３】本発明の薄板の応力計測装置で検出した超音波の強度波形をＦＦＴ処理した結果を示す図である。
【図４】薄板に付加した応力の大きさと、本発明の薄板の応力計測装置で検出した２つの周波数の分離の大きさとの関係を示す図である。
【図５】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位置の関係を示す図である。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】本発明の計測方法で計測した応力の大きさと、ひずみゲージで計測した応力の大きさとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本発明の薄板の応力計測方法の概要を、図１に示す本発明の薄板の応力計測装置を参照して、説明する。ここで薄板とは、基本的には薄鋼板のことを意味するとして説明するが、本発明は、弾性を有する金属材料であれば広く適用可能である。
【００３２】
被検査体１１に、照射光学系の超音波発生用パルス発振レーザ光源２１から照射された超音波発生用レーザ光ＧＬを照射して超音波を励起すると、被検査体１１内部に縦波、横波、及び、板波超音波が発生する。
【００３３】
この被検査体１１に、検出光学系の超音波検出用レーザ光源３１から照射された超音波検出用レーザ光ＤＬを照射すると、超音波検出用レーザ光ＤＬ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、反射する。λは、超音波検出用レーザ光の波長である。
【００３４】
ドップラーシフトを受けた超音波検出用レーザ光ＤＬの反射光は、受信部４１で受信され、その後、信号処理部５１に送られる。信号処理部５１では、ドップラーシフトの量の情報から、周波数スペクトルを算出し、ＦＦＴ処理により周波数スペクトルの周波数解析を行う。
【００３５】
周波数スペクトルは、具体的には、例えば、図２のように算出される。これをＦＦＴ処理すると、図３の（ａ）〜（ｃ）のような結果が得られる。図２、及び図３に示す結果は、被検査体として、１ｍｍ厚のＳＳ４００を用いて計測した結果である。図３の（ａ）は、引張応力を付加していない状態での計測結果、（ｂ１）は、被検査体に３ＭＰａの引張応力を付加した状態での計測結果で、（ｂ２）は（ｂ１）のＳ１ｆの周波数領域を拡大した図、（ｃ）は被検査体に１５ＭＰａの引張応力を付加した状態での計測結果である。
【００３６】
図３から、被検査体に引張応力が付加された状態では、Ｓ１ｆの周波数ピークが２つの周波数に分離することが分かる。
【００３７】
本発明者らの検討の結果、被検査体に付加する引張応力の大きさを変えると、図４に示すように、２つの周波数の分離の大きさと、引張応力の大きさには相関関係があることが分かった。分離の大きさは、例えば、分離した２つの周波数をＳ１ｆ１、Ｓ１ｆ２（Ｓ１ｆ１＜Ｓ１ｆ２）、ΔＳ１ｆ＝Ｓ１ｆ２−Ｓ１ｆ１として、ΔＳ１ｆ／Ｓ１ｆ１として表すことができる。図４の縦軸は、ΔＳ１ｆ／Ｓ１ｆ１である。２つの周波数の分離の大きさは、例えば、ΔＳ１ｆ／Ｓ１ｆ２等、他の式を用いて評価してもかまわない。
【００３８】
２つの周波数の分離の大きさ（例えば、ΔＳ１ｆ／Ｓ１ｆ１）と、付加された応力の大きさとの関係である較正線をあらかじめ求めておき、例えば、データベースとして保有しておくことにより、付加された応力の大きさが未知の被検査体について、レーザ超音波法で検出された強度波形をＦＦＴ処理して、２つの周波数の分離の大きさを算出し、データベースを参照すれば、被検査体に付加された応力の大きさを求めることができる。
【００３９】
鋼板の成分組成等によっては、２つの周波数の分離の大きさと応力の大きさとの関係が異なる場合があるので、複数のデータベースを用意し、計測の際に最適なデータベースを参照できるようにするとよい。
【００４０】
本発明の応力計測装置について、より詳細に説明する。
【００４１】
超音波発生用パルス発振レーザ光源２１は、パルス発振レーザ光源であり、例えばＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザを用いることができる。
【００４２】
超音波発生用レーザ光ＧＬのパルス繰り返し周波数は、使用する超音波発生用パルス発振レーザ光源２１の特性に依存するが、１０〜２００Ｈｚ程度である。照射光学系では、超音波発生用パルス発振レーザ光源２１と被検査体１１の間に、ミラー２２ａ、２２ｂ、ＮＤフィルター２３、集光レンズ２４などを配して、超音波発生用レーザ光ＧＬの進行方向、強度、ビーム径等を調整することができる。被検査体１１の表面に照射される超音波発生用レーザ光ＧＬの照射角は、実用上は、面に対し垂直方向±３０°以内である。これらは、特に限定されるものではない。
【００４３】
超音波検出用レーザ光源３１には、例えば連続発振の２倍波Ｎｄ：ＹＡＧレーザを用いることができる。超音波発生用レーザ光ＧＬと、超音波検出用レーザ光ＤＬには、波長の異なるレーザ光を用いる。これは、受信部４１で受信する超音波検出用レーザ光ＤＬに超音波発生用レーザ光ＧＬが混じり、ノイズとなるのを防ぐためである。すなわち、２つのレーザ光が異なる波長であれば、使用する波長は限定されない。
【００４４】
超音波検出用レーザ光ＤＬが、被検査体１１に発生した超音波より受けるドップラーシフトの大きさは、０．０１〜０．１Ｈｚ程度である。したがって、超音波検出用レーザ光源３１に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、超音波検出用レーザ光源３１の周波数ドリフトは１００Ｈｚ／ｓ以下が好ましい。
【００４５】
検出光学系では、超音波検出用レーザ光源３１と被検査体１１の間に、ミラー３２ａ，３２ｂなどを配して、超音波検出用レーザ光ＤＬの進行方向等を調整することができる。被検査体１１の表面に照射される超音波検出用レーザ光ＤＬの照射角は、実用上は、面に対し垂直方向±３０°以内である。これらは、特に限定されるものではない。
【００４６】
超音波検出用レーザ光源３１には、パルス発振レーザ光源を用いることもできる。この場合、超音波検出用レーザ光ＤＬを、強度波形の検出のタイミングに同期して発振させることで、超音波検出用レーザ光ＤＬの平均出力をそれほど高くしなくても、超音波の検出感度を向上させることができる。
【００４７】
被検査体表面の照射領域は、図５に示すように、超音波発生用レーザ光を照射し、超音波発生用パルス発振レーザ光の照射スポット２５の照射領域内に、超音波検出用レーザ光の照射スポット３５が入るように、超音波検出用レーザ光を照射するのが好ましい。超音波発生用レーザ光と超音波検出用レーザ光を、ほぼ同じ位置に照射することで、超音波検出用レーザにより面方向に進行する波は検出されず、移動しない群速度ゼロの板波を精度良く検出することができる。
【００４８】
受信部４１には、例えば、ファブリ・ペロー干渉計を用いることができる。ファブリ・ペロー干渉計は、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。
【００４９】
ファブリ・ペロー干渉計に入射される超音波検出用レーザ光は、被検査体を伝播する超音波より受けたドップラーシフトの量、すなわち被検査体の表面変位速度によって、わずかに周波数が変化する。周波数が変化した超音波検出用レーザ光をファブリ・ペロー干渉計に導入し、出力することで、周波数の変化を、相対的に大きな、光強度の変化に変換することができる。
【００５０】
その結果、ファブリ・ペロー干渉計を透過した、超音波検出用レーザ光の強度変化を計測することで、被検査体の表面の振動状態を精度良く求めることができる。
【００５１】
ファブリ・ペロー干渉計の透過特性は、ＦＷＨＭ（Full Width Half Max）が１〜１０ＭＨｚ程度、ＦＳＲ（Free Spectral Range）が１００ＭＨｚ〜１ＧＨｚ程度が好ましい。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。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（図６を参照）。
【００５２】
ファブリ・ペロー干渉計の反射ミラーが外部振動などの外乱により変化したときに、反射ミラーを最適な位置になるように調製できるように、参照光を用いた調整機構を設けてもよい。反射ミラーの調整には、ピエゾ素子などが使用できる。
【００５３】
本発明の応力計測装置の受信部は、ファブリ・ペロー干渉計に限定されない。
【００５４】
例えば、ドップラーシフトを受けた超音波検出用レーザ光を、超音波検出用レーザ光の波長付近で損失波長特性が急峻となる光ファイバグレーティングや微細構造光ファイバに導入して、出力される光の強度をドップラーシフトの量に応じた強度とし、これを用いて超音波の周波数スペクトルを算出する方法なども採用することができる。
【００５５】
受信部４１で受信したドップラーシフトの量の情報は、信号処理部５１に送られる。このとき、例えば、アバランシェフォトダイオード等の光／電気変換器で電気信号に変換して、電気信号として信号処理部５１に入力してもよい。
【００５６】
信号処理部５１は、周波数スペクトル算出部５１ａ、応力算出部５１ｂを有する。
【００５７】
周波数スペクトル算出部５１ａは、電子計算機等からなり、受信部から出力されたドップラーシフトの量の情報から、周波数スペクトルを算出し、さらに算出した周波数スペクトルの周波数解析を行い、２つに分離して観察される群速度ゼロのＳ１モードの板波超音波の周波数Ｓ１ｆ１、及びＳ１ｆ２を算出する。
【００５８】
応力算出部５１ｂは、電子計算機等からなり、算出したＳ１ｆ１、及びＳ１ｆ２から、あらかじめ求めた２つの周波数の分離の大きさと応力の大きさとの関係を用いて、被検査体１１に付加された応力の大きさを算出する。
【００５９】
信号処理部５１は、さらに、必要に応じて、較正線作成部５１ｃを備えることができる。較正線作成部５１ｃは、電子計算機等からなり、別途計測した２つの周波数の分離の大きさ（例えば、ΔＳ１ｆ／Ｓ１ｆ１）と、付加された応力の大きさとを入力し、入力された値に基づき、２つの周波数の分離の大きさと応力の大きさとの較正線を作成する。作成された較正線は、応力算出部５１ｂでの応力の算出に用いられる。
【００６０】
２つの周波数の分離の大きさと応力の大きさとの関係は、図４に示すように、一次の関係であるから、入力された２つの周波数の分離の大きさと応力の大きさとの関係を較正線に反映させるのは、容易である。
【００６１】
周波数スペクトル算出部５１ａ、応力算出部５１ｂ、及び較正線作成部５１ｃは、それぞれ物理的に別の装置である必要はなく、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。
【００６２】
さらに必要に応じて、算出結果を出力する表示装置６１を設けてもよい。
【００６３】
本発明の応力計測方法で必要となる波形分解能は、計測する応力の必要な分解能から決定できる。すなわち、計測する応力の必要な分解能を決定すると、既に得られている較正線と、計測する応力の分解能から、ΔＳ１ｆ／Ｓ１ｆ１の必要な分解能が決定する。
【００６４】
板波超音波の群速度は、周波数×板厚と、図７に示す関係があるので、較正線作成時のＳ１ｆ×ｄ（板厚）と、被検査体の板厚から、Ｓ１ｆのおおよその値を算出し、その値からΔＳ１ｆを算出する。
【００６５】
すると、少なくとも必要となるＦＦＴの周波数分解能Δｆｒは、Δｆｒ＝ΔＳ１ｆ／２であるから、ＦＦＴ処理するために必要な波形の時間域Ｔは、Ｔ＝１／Δｆｒと求められる。
【００６６】
本発明の応力計測方法は、板厚０．１〜３ｍｍ程度の薄板に付加された、残留応力等の応力の大きさの計測に好適である。また、弾性を有する金属材料であれば、熱弾性効果による超音波発生のメカニズムが薄鋼板と同様に成り立ち、超音波も伝幡可能なので、本発明の方法が適用可能である。
【実施例】
【００６７】
冷間圧延後の１ｍｍ厚のＳＳ４００を試験材として引張応力を付加し、その大きさを、本発明の薄板の応力計測方法と、公知の計測法であるひずみゲージ法により計測し、比較した。
【００６８】
本発明の計測方法については、事前に、別途、引張応力の大きさとΔＳ１ｆ／Ｓ１ｆ１との関係である較正線をあらかじめ求め、図４の関係を得た。
【００６９】
本発明の計測方法の超音波発生用パルス発振レーザ光源には、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発振の、２倍波Ｎｄ：ＹＡＧレーザを使用した。計測条件は、表１に示す。
【００７０】
【表１】
【００７１】
超音波発生用レーザ光の被検査体上でのフルーエンスは、１．８ｍＪ／ｍｍ２とした。これは、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中の被検査体と検出系の距離は、被検査体と検出系の最短距離を意味し、図１の例では、被検査体１１と、集光レンズ２４との距離である。
【００７２】
ひずみゲージ法による計測は、上記の計測条件でレーザを照射した近傍にひずみゲージを設けて行った。
【００７３】
図８に、あらかじめ求めた較正線を基に、計測したΔＳ１ｆ／Ｓ１ｆ１の値から算出した応力の大きさを縦軸に、ひずみゲージで計測した応力の大きさを横軸にとって突き合せた結果を示す。
【００７４】
図８のグラフ中の点線は、計測に必要な精度±５ＭＰａを示す補助線である。いずれのデータもこの±５ＭＰａの範囲にあり、要求の計測精度を満たすことが分かった。
【００７５】
以上の結果から、本発明による計測法を用いた計測結果と、公知の計測法であるひずみゲージ法を用いた計測結果はよく一致しており、本発明の応力計測方法によれば、被検査体にレーザによる照射痕を生じさせることなく、妥当な計測結果が得られることが確認できた。
【００７６】
なお、実施例では引張応力の場合を示したが、圧縮応力の場合も同様に、計測された２つの周波数の分離の大きさと被検査体に付加した応力の大きさの関係に基づいて得られる較正線と、計測された二つの周波数の分離の大きさとから、圧縮応力の大きさを計測することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
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による照射痕を生じさせることなく、対象物の残留応力等、被検査体に付加された応力の大きさが算出できるので、種々の材料の非破壊検査に適用可能である。発明を実施するための形態や実施例において、薄鋼板を被検査体の例として取り上げたが、本発明は、例えばアルミや銅など弾性を有する金属材料であれば適用可能である。
【００７８】
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、冷間加工などの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、製造中の実物の残留応力の計測が可能である。その結果、例えば、鋼板の矯正プロセスの制御情報として活用でき、残留応力低減のための制御の最適化が行えるようになる。
【００７９】
さらに、残留応力確認のためのガスカット等が不要となるので、歩留りが向上し、さらに、できあがった製品の残留応力を保証することができる。よって、産業上の利用可能性は大きい。
【符号の説明】
【００８０】
１１ 被検査体
２１ 超音波発生用パルス発振レーザ光源
２２ａ，２２ｂ ミラー
２３ ＮＤフィルター
２４ 集光レンズ
２５ 超音波発生用パルス発振レーザ光の照射スポット
３１ 超音波検出用レーザ光源
３２ａ，３２ｂ ミラー
３５ 超音波検出用レーザ光の照射スポット
４１ 受信部
５１ 信号処理部
５１ａ 周波数スペクトル算出部
５１ｂ 応力算出部
５１ｃ 較正線作成部
６１ 表示装置
ＤＬ 超音波検出用レーザ光
ＧＬ 超音波発生用レーザ光
【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄板に付加された応力の大きさを計測する方法であって、
被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光を照射し、被検査体に超音波を発生させるステップと、
前記被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光と波長の異なる超音波検出用レーザ光を照射するステップと、
前記被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光を照射して発生した超音波の振動によりドップラーシフトを受けた前記超音波検出用レーザ光の反射光を受信し、前記ドップラーシフトの量に応じた強度の光を出力するステップと、
前記ドップラーシフトの量に応じた強度の光を用いて、前記ドップラーシフトの量から前記被検査体に発生した超音波の強度波形を算出するステップと、
前記超音波の強度波形の周波数解析を行い、２つに分離して観察される前記被検査体に発生した群速度ゼロのＳ１モードの板波超音波の２つの周波数Ｓ１ｆ１、及びＳ１ｆ２を算出するステップと、
算出された前記２つの周波数から、あらかじめ作成された２つの周波数Ｓ１ｆ１及びＳ１ｆ２と応力の大きさとの関係を用いて、前記被検査体に付加された応力の大きさを算出するステップと
を備えることを特徴とする薄板の応力計測方法。
【請求項２】
前記被検査体に付加された応力の大きさを算出するステップは、算出された２つの周波数Ｓ１ｆ１、Ｓ１ｆ２から、２つの周波数の分離の大きさΔＳ１ｆ／Ｓ１ｆ１を算出し、あらかじめ求められた２つの周波数の分離の大きさΔＳ１ｆ／Ｓ１ｆ１と応力の大きさとの関係を用いて、被検査体に付加された応力の大きさを算出するステップであることを特徴とする請求項１に記載の薄板の応力計測方法。
ここで、Ｓ１ｆ１＜Ｓ１ｆ２、ΔＳ１ｆ＝Ｓ１ｆ２−Ｓ１ｆ１とする。
【請求項３】
前記超音波検出用レーザ光を、前記超音波発生用パルス発振レーザ光を照射するスポット領域内に照射することを特徴とする請求項１又は２に記載の薄板の応力計測方法。
【請求項４】
前記被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光を照射して発生した超音波の振動によりドップラーシフトを受けた前記超音波検出用レーザ光を受信し、前記ドップラーシフトの量に応じた強度の光を出力する方法は、前記ドップラーシフトを受けた前記超音波検出用レーザ光を干渉計で干渉させ、該干渉計から該ドップラーシフトの量に応じた強度の光を出力する方法であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の薄板の応力計測方法。
【請求項５】
前記超音波検出用レーザ光は、パルス発振レーザ光であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の薄板の応力計測方法。
【請求項６】
薄板に付加された応力の大きさを計測する装置であって、
被検査体に超音波を発生させるための超音波発生用パルス発振レーザ光を照射する照射光学系と、
前記被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光と波長の異なる超音波検出用レーザ光を照射する検出光学系と、
前記被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光を照射して発生した超音波の振動によりドップラーシフトを受けた前記超音波検出用レーザ光の反射光を受信し、前記ドップラーシフトの量に応じた強度の光を出力する受信部と、
前記超音波の強度波形の周波数解析を行い、２つに分離して観察される前記被検査体に発生した群速度ゼロのＳ１モードの板波超音波の２つの周波数Ｓ１ｆ１、及びＳ１ｆ２を算出する周波数スペクトル算出部と、
算出された２つの周波数から、あらかじめ求められた２つの周波数Ｓ１ｆ１、及びＳ１ｆ２と応力の大きさとの関係を用いて、前記被検査体に付加された応力の大きさを算出する応力算出部
を備えることを特徴とする薄板の応力計測装置。
【請求項７】
前記応力算出部は、算出されたＳ１ｆ１、Ｓ１ｆ２から、２つの周波数の分離の大きさΔＳ１ｆ／Ｓ１ｆ１を算出し、あらかじめ求められた２つの周波数の分離の大きさΔＳ１ｆ／Ｓ１ｆ１と応力の大きさとの関係を用いて、被検査体に付加された応力の大きさを算出することを特徴とする請求項６に記載の薄板の応力計測装置。
ここで、Ｓ１ｆ１＜Ｓ１ｆ２、ΔＳ１ｆ＝Ｓ１ｆ２−Ｓ１ｆ１とする。
【請求項８】
前記検出光学系は、前記照射光学系が被検査体の表面に照射したパルス発振レーザ光のスポット領域内にレーザ光を照射することができることを特徴とする請求項６又は７に記載の薄板の応力計測装置。
【請求項９】
前記受信部は、前記被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光を照射して発生した超音波の振動によりドップラーシフトを受けた前記超音波検出用レーザ光を入力して干渉させ、ドップラーシフトの量に応じた強度の光を出力する干渉計であることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の薄板の応力計測装置。
【請求項１０】
前記超音波検出用レーザ光は、パルス発振レーザ光であることを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載の薄板の応力計測装置。
【請求項１１】
さらに、別途計測した２つの周波数の分離の大きさΔＳ１ｆ／Ｓ１ｆ１と、応力の大きさとを入力し、入力された値に基づき、前記応力算出部で前記被検査体に付加された応力の大きさを算出するために用いる、２つの周波数の分離の大きさΔＳ１ｆ／Ｓ１ｆ１と応力の大きさとの関係を表す較正線を作成する、較正線作成部を備えることを特徴とする請求項６〜１０のいずれか１項に記載の薄板の応力計測装置。
【請求項１】
薄板に付加された応力の大きさを計測する方法であって、
被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光を照射し、被検査体に超音波を発生させるステップと、
前記被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光と波長の異なる超音波検出用レーザ光を照射するステップと、
前記被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光を照射して発生した超音波の振動によりドップラーシフトを受けた前記超音波検出用レーザ光の反射光を受信し、前記ドップラーシフトの量に応じた強度の光を出力するステップと、
前記ドップラーシフトの量に応じた強度の光を用いて、前記ドップラーシフトの量から前記被検査体に発生した超音波の強度波形を算出するステップと、
前記超音波の強度波形の周波数解析を行い、２つに分離して観察される前記被検査体に発生した群速度ゼロのＳ１モードの板波超音波の２つの周波数Ｓ１ｆ１、及びＳ１ｆ２を算出するステップと、
算出された前記２つの周波数から、あらかじめ作成された２つの周波数Ｓ１ｆ１及びＳ１ｆ２と応力の大きさとの関係を用いて、前記被検査体に付加された応力の大きさを算出するステップと
を備えることを特徴とする薄板の応力計測方法。
【請求項２】
前記被検査体に付加された応力の大きさを算出するステップは、算出された２つの周波数Ｓ１ｆ１、Ｓ１ｆ２から、２つの周波数の分離の大きさΔＳ１ｆ／Ｓ１ｆ１を算出し、あらかじめ求められた２つの周波数の分離の大きさΔＳ１ｆ／Ｓ１ｆ１と応力の大きさとの関係を用いて、被検査体に付加された応力の大きさを算出するステップであることを特徴とする請求項１に記載の薄板の応力計測方法。
ここで、Ｓ１ｆ１＜Ｓ１ｆ２、ΔＳ１ｆ＝Ｓ１ｆ２−Ｓ１ｆ１とする。
【請求項３】
前記超音波検出用レーザ光を、前記超音波発生用パルス発振レーザ光を照射するスポット領域内に照射することを特徴とする請求項１又は２に記載の薄板の応力計測方法。
【請求項４】
前記被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光を照射して発生した超音波の振動によりドップラーシフトを受けた前記超音波検出用レーザ光を受信し、前記ドップラーシフトの量に応じた強度の光を出力する方法は、前記ドップラーシフトを受けた前記超音波検出用レーザ光を干渉計で干渉させ、該干渉計から該ドップラーシフトの量に応じた強度の光を出力する方法であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の薄板の応力計測方法。
【請求項５】
前記超音波検出用レーザ光は、パルス発振レーザ光であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の薄板の応力計測方法。
【請求項６】
薄板に付加された応力の大きさを計測する装置であって、
被検査体に超音波を発生させるための超音波発生用パルス発振レーザ光を照射する照射光学系と、
前記被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光と波長の異なる超音波検出用レーザ光を照射する検出光学系と、
前記被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光を照射して発生した超音波の振動によりドップラーシフトを受けた前記超音波検出用レーザ光の反射光を受信し、前記ドップラーシフトの量に応じた強度の光を出力する受信部と、
前記超音波の強度波形の周波数解析を行い、２つに分離して観察される前記被検査体に発生した群速度ゼロのＳ１モードの板波超音波の２つの周波数Ｓ１ｆ１、及びＳ１ｆ２を算出する周波数スペクトル算出部と、
算出された２つの周波数から、あらかじめ求められた２つの周波数Ｓ１ｆ１、及びＳ１ｆ２と応力の大きさとの関係を用いて、前記被検査体に付加された応力の大きさを算出する応力算出部
を備えることを特徴とする薄板の応力計測装置。
【請求項７】
前記応力算出部は、算出されたＳ１ｆ１、Ｓ１ｆ２から、２つの周波数の分離の大きさΔＳ１ｆ／Ｓ１ｆ１を算出し、あらかじめ求められた２つの周波数の分離の大きさΔＳ１ｆ／Ｓ１ｆ１と応力の大きさとの関係を用いて、被検査体に付加された応力の大きさを算出することを特徴とする請求項６に記載の薄板の応力計測装置。
ここで、Ｓ１ｆ１＜Ｓ１ｆ２、ΔＳ１ｆ＝Ｓ１ｆ２−Ｓ１ｆ１とする。
【請求項８】
前記検出光学系は、前記照射光学系が被検査体の表面に照射したパルス発振レーザ光のスポット領域内にレーザ光を照射することができることを特徴とする請求項６又は７に記載の薄板の応力計測装置。
【請求項９】
前記受信部は、前記被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光を照射して発生した超音波の振動によりドップラーシフトを受けた前記超音波検出用レーザ光を入力して干渉させ、ドップラーシフトの量に応じた強度の光を出力する干渉計であることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の薄板の応力計測装置。
【請求項１０】
前記超音波検出用レーザ光は、パルス発振レーザ光であることを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載の薄板の応力計測装置。
【請求項１１】
さらに、別途計測した２つの周波数の分離の大きさΔＳ１ｆ／Ｓ１ｆ１と、応力の大きさとを入力し、入力された値に基づき、前記応力算出部で前記被検査体に付加された応力の大きさを算出するために用いる、２つの周波数の分離の大きさΔＳ１ｆ／Ｓ１ｆ１と応力の大きさとの関係を表す較正線を作成する、較正線作成部を備えることを特徴とする請求項６〜１０のいずれか１項に記載の薄板の応力計測装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−２４７３５９（Ｐ２０１２−２４７３５９Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１２０６２４（Ｐ２０１１−１２０６２４）
【出願日】平成２３年５月３０日（２０１１．５．３０）
【出願人】（０００００６６５５）新日鐵住金株式会社 (6,474)
【出願人】（５９２０００６９１）ポスコ (130)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月３０日（２０１１．５．３０）
【出願人】（０００００６６５５）新日鐵住金株式会社 (6,474)
【出願人】（５９２０００６９１）ポスコ (130)
【Ｆターム（参考）】
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