(57)【要約】【課題】ドプラ偏移効果を利用して各種超音波を測るための装置に関し、外からの振動に影響されず、特別な光学素子の調整を必要としない装置を実現する。【解決手段】測定対象に照射されるレーザビームによって生ずる散乱光を集光するための集光レンズを具備し、集光レンズから散乱光が入射する部分反射ミラーを其の先端に設けて、後ろに部分反射ミラーを備えた光ファイバーを備え、前記光ファイバーを通過した干渉光を検出する高周波光検出器を有するドプラ偏移センサを具備し、前記ドプラ偏移センサの高周波光検出器が最適の状態で干渉光を感知できるよう、前記光ファイバーの外周面に取り巻かれた圧電素子を形状変更させる制御回路を備えたコントロラを有する超音波測定装置である。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ドプラ偏移効果を利用し、超音波を測る装置において、測定対象（１０１）に照射されるレーザビ―ムから生じる散乱光を集光するための集光レンズ（１０）と、上記集光レンズ（１０）から散乱光を受ける部分反射ミラー（２１）をその先端に取り付け、後ろに部分反射ミラー（２２）を取り付けた光ファイバー（３０）を設け、上記光ファイバー（３０）を通した干渉光を検出する高周波光検出器（５３）を設けたドプラ偏移センサ（２０）と、前記ドプラ偏移センサ（２０）の高周波光検出器（５３）が最適な状態で干渉光を感知できるよう上記光ファイバー（３０）の外側に取り巻かれた圧電素子（４０）を形状変更させる制御回路（４２）を設けたコントロ−ラ（６０）とからなることを特徴とする光ファイバーを利用した超音波測定装置。
【請求項２】
前記コントローラ（６０）は、前記ドプラ偏移センサ（２０）の高周波光検出器（５３）の前方に設けられた偏光ビームスプリッタ（５２）からの光の一部を受ける低周波光検出器（４３）を具備し、前記制御回路（４２）は、電圧発生器（４１）に電気的に接続され、前記電圧発生器（４１）は、光ファイバーがその外側に取り巻かれているシリンダー形の圧電素子（４０）に供給される電源を制御できるよう電気的に連結していることを特徴とする請求項１記載の光ファイバーを利用した超音波測定装置。
【請求項３】
前記部分反射ミラー（２１）、（２２）と光ファイバー（３０）の端面とは、平行に密着された後、接着剤（２３）によりその密着状態が保たれていることを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバーを利用した超音波測定装置。
【請求項４】
前記低周波光検出器（４３）に電気的に連結する制御回路（４２）は、低周波光検出器（４３）から入力された最大干渉光の強さの１／２を含むその近傍にあたる出力値で、電圧発生器（４４）を制御し、前記圧電素子（４０）に供給される電圧を制御していることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の記載の光ファイバーを利用した超音波測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ドプラ偏移効果を利用して各種超音波を測るための装置に関するもので、より詳しくは効率が高く、かつ小型で、外からの振動にも影響されず、特別な光学素子の調整作業が不要で、振動のある厳しい環境でも適用できる光ファイバーを利用した超音波測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、超音波を測るには、図１に示したようなドプラ偏移測定干渉計（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）（１００）を利用している。前記ドプラ偏移測定干渉計（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）（１００）においては、一方からレーザビームを測定対象（１０１）の表面に照射すると、測定対象（１０１）から生ずる超音波により測定対象の表面が振動するが、この測定対象の表面振動により、レーザ散乱光の周波数が、いわゆるドプラ偏移という作用により周波数偏移が生じ、このレーザ光の周波数偏移量を測定することにより、測定対象の超音波を測るものである。
【０００３】
このようなドプラ偏移の測定に使われるドプラ偏移干渉計（１００）は、測定対象に対してレーザビームを照射した後、それから生ずる超音波（１０３）により、周波数偏移されたレーザ散乱光を集光するための集光レンズ（１０４）と、一定の反射率を有する２個の球面のミラー（１０５）、（１０６）とからなる。
【０００４】
前記集光レンズ（１０４）を通した光の強さは、２個の球面のミラー（１０５）、（１０６）の間の距離（Ｌ）と、球面ミラー（１０５）、（１０６）反射率及び、光の周波数によって決められる。また、集光レンズ（１０４）に入射する散乱光は、超音波によりその周波数が変わり、それに応じて光の強さが変わるので、前記ドプラ偏移干渉計  （１００）は、この散乱光の強さを光検出器（１０７）で測ることにより超音波の測定が可能である。
【０００５】
しかしながら、安定的な超音波の測定のためには、干渉計（１００）の内部で光が同一の経路で球面ミラー（１０５）、（１０６）間で絶え間なく多重反射し続けなければならないので、前記球面ミラー（１０５）、（１０６）の平行性は、精密に調整されていなければならず、また、球面ミラー（１０５）、（１０６）の間の距離も常に一定に保たなければならない問題点がある。
【０００６】
しかし、このようなドプラ偏移干渉計  （１００）は、要求されるその構成部品の調整の精密さから、外からの振動に敏感すぎて厳しい環境の産業現場では適用が困難という問題点がある。
【０００７】
さらに従来の干渉計（１００）は、２個の球面ミラー（１０５）、（１０６）の間の距離（Ｌ）が長いほど測定効率が上がるため、高精度な計測を要する現場では、干渉計（１００）の大きさを大型化しなければならない欠点がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前述したような従来の問題点を解決するため、小型で、外からの振動に敏感に反応せず、維持及び補修がきわめて容易でかつ効率の高い光ファイバーを利用した超音波測定装置を提供することにある。
【０００９】
本発明の他の目的は、産業現場での適用性に優れ、様々な振動が多発する厳しい環境でも、より容易に光ファイバーを利用した超音波測定装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記のような目的を達成するため、本発明は、ドプラ偏移効果を利用して超音波を測るための装置において、測定対象に照射されるレーザビームにより、生ずる散乱光を集光するための集光レンズ、その集光レンズから散乱光が受けられる部分反射ミラーを、その先端に取り付け、後ろに部分反射ミラーを取り付けた光ファイバーを設け、前記光ファイバーを通した干渉光を検出する高周波光検出器を設けたドプラ偏移センサおよび、前記ドプラ偏移センサの高周波光検出器が最適の状態で干渉光を感知できるように、前記光ファイバーが外側に取り巻かれた圧電素子を形状変更させる制御回路を設けたコントローラからなることを特徴とする光ファイバーを利用した超音波測定装置である。
なお、高周波光検出器とは、超音波信号の検出のために、１ＭＨｚ程度以上の帯域において感度を有する光検出器である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照しつつ本発明の実施例を詳しく説明する。本発明による光ファイバーを利用した超音波測定装置（１）は、図２に示したように測定対象（１０１）に照射されるレーザビームにより生ずる散乱光を集光するための集光レンズを具備する。前記集光レンズは凸レンズとするのがより望ましい。
【００１２】
そして、前記集光レンズ（１０）の後ろには、その集光レンズから散乱光のドプラ偏移を感知するためのセンサ（２０）が設けられる。そのドプラ偏移センサ（２０）には、光ファイバーが設けられ、前記光ファイバー（３０）は、集光レンズ（１０）からの散乱光を受ける部分反射ミラー（２１）をその先端に設けている。前記部分反射ミラー（２１）と、光ファイバー（３０）の一端は、平行に密着された後、エポクシボンド等の接着剤によりその密着状態が保たれる。
【００１３】
前記部分反射ミラー（２１）は、反射率が高いほどドプラ偏移センサ（２０）の効率は上がるが、その反面、反射率を上げると、光ファイバー（３０）内部に入射可能な散乱光の量が減るため、この部分反射ミラー（２１）の反射率は、９９％以下である。
【００１４】
前記光ファイバー（３０）は、後ろの別の部分反射ミラー（２２）と一体となっていて、前記光ファイバー（３０）の先後端に設けられた部分反射ミラー（２１）、（２２）の間で散乱光の多重反射が行われる。
【００１５】
前記後端の部分反射ミラー（２２）の後ろには半波長板（５１）と、偏光ビームスプリッタ（５２）及び高周波光検出器（５３）が順に配置され、これがドプラ偏移センサ（２０）となる。
【００１６】
本発明は、前記ドプラ偏移センサ（２０）の高周波光検出器（５３）が最適の状態で干渉光を感知できるよう前記光ファイバー（３０）の長さを最適に自動調節するコントローラ（６０）が取り付けられている。
【００１７】
前記コントローラ（６０）は、偏光ビームスプリッタ（５２）からの光の一部を受ける低周波光検出器（４３）を具備し、前記低周波光検出器（４３）に電気的に連結されている制御回路（４２）を有する。そして、前記の制御回路（４２）は、電圧発生器（４１）に電気的に連結され、前記電圧発生器（４１）は、光ファイバー（３０）がその外周面に取り巻かれたシリンダー形圧電素子（４０）に供給される電源を制御するように電気的に連結している。
なお、低周波光検出器とは、シリンダー形圧電素子の制御用に使用するために、１ＫＨｚ〜１００ＫＨｚ程度の帯域において感度を有する光検出器のことである。
【００１８】
このような構成からなる本発明による光ファイバーを利用した超音波測定装置（１）の作用効果について詳しく説明する。
【００１９】
本発明による光ファイバーを利用した超音波測定装置（１）は、まず、作業者或いは実験者が測定対象（１０１）にレーザビームを照射すると、その測定対象（１０１）には散乱光が生じ、生じた散乱光は、集光レンズ（１０）により集光されて部分反射ミラー（２１）を通じて偏波維持光ファイバー（３０）に入射される。
【００２０】
前記部分反射ミラー（２１）を通過して光ファイバー（３０）に入射された散乱光は、他の一端の部分反射ミラー（２２）に達する。このように入射された散乱光は、前記部分反射ミラー（２２）であらかじめ設定された反射率により一部は部分反射ミラー（２２）を反射し、前記光ファイバー先端の部分反射ミラー（２１）側に反射され、残りの一部は、これを通過し、その後ろの半波長板（５１）と、偏光ビームスプリッタ（５２）を通過し光検出器（５３）に供給され、その散乱光のドプラ偏移が検出される。
【００２１】
一方、前記部分反射ミラー（２２）により再び部分反射ミラー（２１）の方に反射される散乱光は、前記部分反射ミラー（２１）により、また部分反射ミラー（２２）側に反射され、前述したような過程が繰り返される。
【００２２】
このように前記部分反射ミラー（２１）、（２２）により反射される散乱光は、光ファイバー（３０）の内部を絶え間なく往復運動しつつ同時に、その散乱光の一部は、後方の部分反射ミラー（２２）を通過し光検出器（５３）にて検出され、正確なドプラ偏移が測れる。
【００２３】
ここで、本発明においては、前記のセンサ（２０）を形成する光ファイバー（３０）は、柔らかく曲げることが可能であり、空間的あるいは、場所に関係なく小型で、その適用性が高くなり、勿論、外部からの振動にも影響されず、ドプラ偏移が正確に測れるものである。
【００２４】
前述したように、本発明による光ファイバー（３０）を利用した測定装置（１）は、光ファイバー（３０）及び、その両端に取付けられた部分反射ミラー（２１）、（２２）を通してドプラ偏移の測定ができるが、作業者が常に安定的にドプラ偏移を測るためには、光ファイバー（３０）の長さを最適の状態に常に保たなければならない。
【００２５】
すなわち、光ファイバー（３０）が長くなると光検出器（５３）の測定効率は、長さに比例してアップするが、光検出器（５３）を最大の測定効率に設定するためには、光ファイバー（３０）の長さを、細かく調節しなければならない。
【００２６】
そこで、本発明の光ファイバー（３０）を利用した超音波測定では、光ファイバー（３０）の長さを常に最適の状態に保持するコントロラ（６０）が働く。前記コントローラ（６０）は、光ファイバー（３０）の長さを調節するために、光ファイバー（３０）がシリンダ形の圧電素子（４０）を一定の回数で密着して取り巻いており、前記シリンダ形の圧電素子（４０）の内壁と外壁とに電位差を印加することにより、前記シリンダ形の圧電素子（４０）の外径は変化し、この圧電素子（４０）に密着して取り巻かれた光ファイバー（３０）の長さも細かく調整される。
【００２７】
なお、シリンダ形の圧電素子（４０）に一定の電位差を印加した場合に生ずる光ファイバー（３０）の長さの変化は、この圧電素子（４０）に取り巻かれた光ファイバー（３０）のターン数により変わる。前記のようにシリンダ形の圧電素子（４０）を利用して光ファイバー（３０）の長さを常に最適の状態で保つ方法を説明すると、次のようである。
【００２８】
前記圧電素子（４０）に電圧発生器（４１）を利用して時間に線形的に比例して増える電圧を印加させると、前記圧電素子（４０）に巻かれた光ファイバー（３０）の長さも時間に比例して長くなることになる。
【００２９】
図３は、時間的に増加する電圧と干渉光の強さを示したものである。図３の（Ａ）は、時間的に増加する電圧であり、波形（Ｂ）は、干渉光の強さである。前記光検出器（５３）がドプラ偏移の測定のとき、一番効率的な条件は、ドプラ偏移のない時、干渉光の強さが、図３において最大干渉光の強さの１／２にあたる条件である。そこで、コントローラ（６０）は、前記部分反射ミラー（２２）を通過した干渉光の一部を偏光ビームスプリッタ（５２）で反射させて低周波光検出器（４３）で測る。そして前記光検出器（４３）に電気的に連結された制御回路（４２）には、常に最大干渉光の強さの半分に当たる値を電気的な信号で出力させるようあらかじめ設定してあるので、この制御回路（４２）は、入力された最大干渉光の強さの半分に当たる出力値で電圧発生器（４１）を制御して前記圧電素子（４０）に供給される電圧を制御する。
【００３０】
もし、偏光ビームスプリッタ（５２）から反射され低周波光検出器（４３）に入力される干渉光が、従来の値より大きい、新たな最大値として入力されると、前記制御回路（４２）は、この新しい最大干渉光の強さの半分に当たる出力値で電圧発生器（４１）を制御して圧電素子（４０）に供給される電圧を新しく制御する。
【００３１】
従って、このようにすれば作業者が実験を行なう際に光ファイバー（３０）の長さは、圧電素子（４０）の変形により最大干渉光の強さの半分にあたる長さに調節され、光検出器（５３）は最適の検出条件を保つことになる。
【００３２】
【発明の効果】
前述したように、本発明による光ファイバーを利用した超音波測定装置（１）によると、光検出器（５３）により測定対象の超音波を測りつつ同時に小型で、かつ外部からの振動に影響されず、特別な光学素子などの調整作業が不要な光ファイバー（３０）を利用することによって、厳しい環境の作業現場に容易に適用される効果がある。さらに全体の大きさを従来よりも小型にでき、同時に光ファイバー（３０）の長さを長くできるので、測定効率並びにその感度を著しく高くでき、ドプラ偏移の測定の精密さを格段に改善できる長所がある。
【００３３】
以上のように本発明による望ましい実施例について述べたが、本技術分野の当業者なら、前記特許請求の範囲の技術思想に反することなく多様の変形例を実施可能であるが、これら全ては、本発明に含められるのは、明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のドプラ偏移測定干渉計を示した概略図である。
【図２】本発明による光ファイバーを利用した超音波測定装置の構成図である。
【図３】本発明による光ファイバーを利用した超音波測定装置において、電圧時間変化量と干渉光信号の相関関係を示した図である。
【符号の説明】
１…超音波測定装置
１０…集光レンズ
２０…センサ
２１、２２…部分反射ミラー
２３…エポクシボンドなどの接着剤
３０…光ファイバー
４０…圧電素子
４１…電圧発生器
４２…制御回路
４３…低周波光検出器
５１…半波長板
５２…偏光ビームスプリッタ
５３…高周波光検出器
６０…コントローラ
１００…ドプラ偏移測定干渉計
１０１…測定対象
１０２…レーザビーム
１０３…超音波
１０４…集光レンズ
１０５、１０６…球面ミラー
１０７…光検出器
【図１】
2004333165.tif 000003
【図２】
2004333165.tif 000004
【図３】
2004333165.tif 000005