(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも球面の一部で形成されていて円環状に連続している外表面を有した基材の上記外表面において、上記外表面の連続する方向と上記外表面に沿い交差する方向の所定の範囲に波動を照射し、この結果として上記基材の外表面の連続する方向に向かう弾性波を発生させる、ことを特徴とする球面上の弾性波の発生法。
【請求項２】
上記弾性波の波長は上記球面の半径の１／１０以下である、ことを特徴とする請求項１に記載の球面上の弾性波の発生法。
【請求項３】
上記外表面に沿い上記連続する方向と交差する方向における上記弾性波の幅が上記球面の直径の半分以下で上記半径の１／１００以上である、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の球面上の弾性波の発生法。
【請求項４】
上記所定の範囲は、上記所定の範囲において発生した上記弾性波が上記外表面に沿い上記連続する方向と交差する方向に拡散せずに上記連続する方向にのみ向かい、上記連続する方向に沿い上記外表面を一周するよう選択される、ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の球面上の弾性波の発生法。
【請求項５】
少なくとも球面の一部で形成されていて円環状に連続している外表面を有した基材の上記外表面において、上記外表面の連続する方向と上記外表面に沿い交差する方向の所定の範囲に波動を照射し、この結果として上記基材の外表面の連続する方向に向かう弾性波を発生させる球面上の弾性波の発生法であって、上記波動がレーザー光であり、上記所定の範囲に熱弾性効果を伴った干渉縞を発生させる、ことを特徴とする球面上の弾性波の発生法。
【請求項６】
上記レーザー光が位相速度走査法により上記外表面の上記所定の範囲に照射される、ことを特徴とする請求項５に記載の球面上の弾性波の発生法。
【請求項７】
上記弾性波の波長は上記球面の半径の１／１０以下である、ことを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の球面上の弾性波の発生法。
【請求項８】
上記外表面に沿い上記連続する方向と交差する方向における上記弾性波の幅が上記球面の直径の半分以下で上記半径の１／１００以上である、ことを特徴とする請求項５乃至請求項７のいずれか１項に記載の球面上の弾性波の発生法。
【請求項９】
上記所定の範囲は、上記所定の範囲において発生した上記弾性波が上記外表面に沿い上記連続する方向と交差する方向に拡散せずに上記連続する方向にのみ向かい、上記連続する方向に沿い上記外表面を一周するよう選択される、ことを特徴とする請求項５乃至請求項８のいずれか１項に記載の球面上の弾性波の発生法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、少なくとも球面の一部で形成されていて円環状に連続している外表面を有した基材の上記外表面において上記外表面の連続する方向に向かう弾性波を発生させる、球面上の弾性波の発生法に関係している。
【０００２】
【従来の技術】
構造物の基材の信頼性を確保する為に、基材の表面と表面直下の欠陥を迅速かつ高感度で非破壊検査をすることが強く望まれている。このような非破壊検査の為には弾性表面波を利用することが効果的であることが分かっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら弾性表面波は発生源から遠ざかるにつれて拡散し伝搬効率が落ちる。しかも基材が少なくとも球面の一部で形成されていて円環状に連続している外表面を有している場合、上記拡散の度合いが大きく伝搬効率が非常に悪い。
【０００４】
この発明は、上記事情の下でなされ、基材の少なくとも球面の一部で形成されていて円環状に連続している外表面に上記基材の外表面の連続する方向に向かう弾性波を非接触で発生させる、球面上の弾性波の発生法を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上述したこの発明の目的を達成する為に、この発明に従った球面上の弾性波の発生法は：
少なくとも球面の一部で形成されていて円環状に連続している外表面を有した基材の上記外表面において、上記外表面の連続する方向と上記外表面に沿い交差する方向の所定の範囲に波動を照射し、この結果として上記基材の外表面の連続する方向に向かう弾性波を発生させる、ことを特徴としている。
【０００６】
このように構成されたことを特徴とする、この発明に従った球面上の弾性波の発生法においては、上記波動がレーザー光であり、上記所定の範囲に熱弾性効果を伴った干渉縞を発生させる、ことが好ましい。
【０００７】
レーザー光による波動の照射は制御が容易である。
【０００８】
上記基材の外表面の連続する方向に向かう弾性波を効率良く発生させるには、上記弾性波の波長は上記球面の半径の１／１０以下であり、また上記外表面に沿い上記連続する方向と交差する方向における上記弾性波の幅が上記球面の直径の半分以下で上記半径の１／１００以上である、ことが好ましい。
【０００９】
上記所定の範囲は、上記所定の範囲において発生した上記弾性波が上記外表面に沿い上記連続する方向と交差する方向に拡散せずに上記連続する方向にのみ向かい上記連続する方向に沿い上記外表面を一周するよう選択される。
【００１０】
そして実際には、波長パラメータ（上記球面の上記連続する方向における周囲長さ／弾性波波長）が１００乃至８００である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下この発明の第１の実施の形態に従った、球面上の弾性波の発生法について添付の図面中の図１を参照しながら詳細に説明する。
【００１２】
なお図１の（Ａ）は、この発明の第１の実施の形態に従った、球面上の弾性波の発生法に使用される装置の全体を概略的に示す平面図であり；図１の（Ｂ）は、図１の（Ａ）の装置により弾性表面波が発生される球形状の基材の拡大された側面図である。
【００１３】
球形状の基材１０は支持体１２上に載置されている。基材１０の外周面において支持体１２との接点を通過しない最大円周線１０ａと外周面に沿い直交する方向の所定の範囲Ｗには弾性表面波を発生させるよう波動照射手段１４から波動が照射される。
【００１４】
所定の範囲Ｗは最大円周線１０ａに沿い球形状の基材１０の外周面（外表面）の一部で規定されている円環状に連続している円環領域１０ｂを規定している。
【００１５】
波動照射手段１４は、ＹＡＧパルスレーザー光源１４ａから出射されたレーザービームＬをスプリッタ１４ｂにより２つに分割し、分割された一方のレーザービームＬ１を遅延素子１４ｃを介して第１の副回動反射鏡１４ｄに導き、第１の副回動反射鏡１４ｄからさらに主回動反射鏡１４ｅに導き、主回動反射鏡１４ｅから支持体１２上の基材１０の外周面の所定の範囲Ｗに照射している。分割された他方のレーザービームＬ２は反射鏡１４ｆ及びブラグセル（Ｂｒａｇｇ  ｃｅｌｌ）１４ｇを介して第２の副回動反射鏡１４ｈに導かれ、第２の副回動反射鏡１４ｈからさらに主回動反射鏡１４ｅに導かれ、主回動反射鏡１４ｅから支持体１２上の基材１０の外周面の所定の範囲Ｗに照射されている。
【００１６】
２つのレーザービームＬ１，Ｌ２は、所定の範囲Ｗにおいて熱弾性効果を伴う干渉縞を発生させるよう第１の副回動反射鏡１４ｄ，第２の副回動反射鏡１４ｈ，そして主回動反射鏡１４ｅにより位置決めされる。
【００１７】
上述した如く所定の範囲Ｗにおいて発生された熱弾性効果を伴う干渉縞は、所定の範囲Ｗにおいて弾性表面波を発生する。所定の範囲Ｗが特定の条件に従い設定されている時、上記弾性表面波は球形状の基材１０の外周面（外表面）の円環領域１０ｂに沿い円環領域１０ｂの連続する方向と交差する方向に拡散せずに上記連続する方向（最大円周線１０ａに沿った矢印Ｙで示す方向）にのみ向かい上記連続する方向に沿い上記外表面を少なくとも一周する。なお上記特定の条件については後で述べる。
【００１８】
図１の（Ａ）の装置はさらに、球形状の基材１０の外周面（外表面）の円環領域１０ｂ中に発生し円環領域１０ｂ中を上述した如く伝搬する弾性表面波を非接触で検出する為の弾性表面波非接触検出手段１６を備えている。弾性表面波非接触検出手段１６は、Ａｒレーザー光源１６ａと、Ａｒレーザー光源１６ａから出射されたレーザービームＲを球形状の基材１０の外周面（外表面）の円環領域１０ｂ中で２つのレーザービームＬ１，Ｌ２が照射される位置から離れた位置へと導く種々の光学部材１６ｂと、上記離れた位置で反射されたレーザービームＲ´をＡｒレーザー光検出器（ＡＰＤ）１６ｅに導く光学部材１６ｃ及びナイフエッジ１６ｄを備えている。
【００１９】
上記弾性表面波を球形状の基材１０の外周面（外表面）の円環領域１０ｂに沿い円環領域１０ｂの連続する方向と交差する方向に拡散せずに、上記連続する方向（最大円周線１０ａに沿った矢印Ｙで示す方向）にのみ向かい上記連続する方向に沿い上記外表面を少なくとも一周するよう伝搬させる上記特定の条件は、本願の発明者等が球面において所定の範囲の円弧内で上記円弧と直交する方向に弾性表面波を発生させることにより、弾性表面波が上記円弧の方向に拡散することなく上記円弧と直交する方向に上記球面を周回することを発見したことによりなされた。
【００２０】
なお上記所定の範囲よりも小さな弾性表面波の発生源では、話しを簡単にする為に弾性表面波の発生源を点とすると、弾性表面波は発生源を中心にして球形状の基材の外表面上を同心円状に広がった後に、球形状の基材の外表面において上記発生源とは正反対の側の地点に向かい同心円状に集束し、また上記正反対の側の地点から球形状の基材の外表面上を同心円状に広がった後に、球形状の基材の外表面において上記正反対の側の地点とは正反対に位置する弾性表面波の発生源に再度集束する。即ち、弾性表面波の発生源から放射された弾性表面波は上記外表面においてその進行方向と直交する方向に拡散してしまう。
【００２１】
幅の広い弾性表面波の発生源では、発生源から発生された弾性表面波は上記所定の範囲の中心を通過し、上記所定の範囲の円弧と直交する方向に沿い伝搬するとともに、上記円弧を含む円周線を赤道と仮に考えた時の極に該当する位置に向かい集束し、極に該当する位置を通過した後は上記円周線上において上記所定の範囲とは正反対の側で上記所定の範囲と同じ所定の範囲に拡散し、さらに別の極に該当する位置に向かい集束し、別の極に該当する位置を通過した後は上記所定の範囲に再度拡散するという、球の半周毎の集束と拡散とを繰り返す。
【００２２】
そして、弾性表面波が上記円弧の方向に拡散することなく上記円弧と直交する方向に上記球面を周回する為の特定の条件は以下のようにして求められた。
【００２３】
図２には、本発明の効果を示す計算のための座標系が示されている。ｘｙｚ座標軸と半径ｒの球面の交点をＡ，Ｂ，Ｃとして、円弧ＡＣに対し平行な円弧ＤＦ上の点Ｐから発生した弾性表面波が円弧ＣＧ上の点Ｑに達するとする。角度φo ，θo ，φ1 ，θ1 を図２中に示したように取ると、点Ｐ，Ｑの座標は
（ｒｃｏｓφo ｃｏｓθo ，ｒｓｉｎφo ，ｒｃｏｓφo ｓｉｎθo ）及び
（ｒｃｏｓφ1 ｃｏｓθ1 ，ｒｃｏｓθ1 ｓｉｎφ1 ，ｒｓｉｎθ1 ）
となるため、
0003753300.tif 000002
である。従って、角ＰＯＱ＝θとおくと余弦定理より
0003753300.tif 000003
の関係が成り立つ。
点Ｐで発生した弾性表面波の点Ｑにおける粒子変位の半径方向成分は、
【００２４】
【数１】
0003753300.tif 000004
0003753300.tif 000005
【００２５】
と表わすことが出来る（Ｖｉｋｔｏｒｏｖ，Ｒａｙｌｅｉｇｈ  ａｎｄ  Ｌａｍｂ  Ｗａｖｅｓ  Ｐ４２）。なおここで、Ｃは定数、ｍは円周の長さと弾性表面波の波長との比で、波数パラメータと呼ぶ。またＣR はレイリー波速度，ｔは時間である。角度θは式（２）から求められる。点Ｅから見こむ角度が２θA の円弧状音源による点Ｑの音場は、式（３）を式（２）に含まれる角度θ0 を独立変数にとって、−θA からθA まで積分することにより得られる。音場分布は点Ｑの迎角θ1 を変化させて計算することで求められる。
【００２６】
図３の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），そして（Ｄ）には、点ＰがＸＺ面上にあるφo ＝０の場合について、上記の式（２）及び（３）を使用して求めた弾性表面波が球形状の基材１２上を伝搬する４つの状態が示されている。
【００２７】
図３の（Ａ），（Ｂ），そして（Ｃ）は、波数パラメータｍ＝６００の場合の音場（粒子変位の大きさの角度θ1 依存性）を調べた結果である。図の各々において、最も下のプロットは球面上の弾性表面波の伝搬を表す角度（伝搬角）φ1 が１０°の場合の音場であり、上に向かって２０°ずつ増加した場合の音場が順にプロットしてある。
【００２８】
図３の（Ａ）は、開口半角θA ＝３０°の場合である。この場合には、弾性表面波の伝搬状態は集束ビーム形状である。即ち、伝搬角φ1 が増加するにつれて音場の幅が減少し、φ1 ＝９０°で最小になった後は再び幅が増加し、対極点１８０°で音源上と同じ分布が再現される。以降は１８０°毎に上記同じ変化が繰り返えされ、何周回っても同じ変化が繰り返えされる。この場合、開口半角θA ＝３０°よりも音場が広がることがなく、θ1 ＜θA の帯状部分に弾性表面波のエネルギーが閉じ込められている。この場合には、球形状の基材１２の外表面においてθ1 ＞θA の部分に他の物体を接触させても音場に擾乱は生じない。
【００２９】
図３の（Ｃ）は、開口半角θA ＝１°の場合である。この場合には、弾性表面波の伝搬状態は点音源の場合と類似した発散ビーム形状である。即ち、伝搬角φ1 が増加するにつれて音場の幅も増加し、φ1 ＝９０°で最大になった後は再び幅が減少し、対極点１８０°で音源上と同じ分布が再現される。この場合は、図３の（Ａ）を参照しながら上述した集束ビームの場合とは異なり、θ1 ＜θA の帯状部分に弾性表面波のエネルギーが閉じ込められることが無く、φ1 ＝９０°ではθ1 ＝５０°程度にまで広がってしまう。この場合には、球形状の基材１２の外表面においてφ1 ＝９０°において球形状の基材１２の外表面のθ1 ＞θA の部分に他の物体を接触させると音場に擾乱が生じる。
【００３０】
図３の（Ｂ）は、開口半角θA ＝３．５°の場合である。この場合には、弾性表面波の伝搬状態は伝搬角φ1 が増加しても音場の幅は殆ど変化しないコリメートビーム形状である。。即ち、θ1 ＜θA の帯状部分に弾性表面波のエネルギーが閉じ込められている。このようなコリメートビームが得られる開口半角θA をコリメート角θcol と呼ぶ。
【００３１】
図３の（Ａ）乃至（Ｃ）から明かなように、開口半角θA がコリメート角θcol に略等しい時、最も幅の狭い帯状部分に弾性表面波のエネルギーが閉じ込められている
さらに、波数パラメータを変化させて上述したのと同様の数値解析を行った結果、波数パラメータｍによりコリメート角θcol が変化することが分かった。図３の（Ｄ）は、波数パラメータｍが３００の場合に弾性表面波の伝搬状態がコリメートビーム形状になるのは、開口半角θA が略４．５°であることを示しており、この場合のコリメート角θcol は略４．５°になる。
【００３２】
以下には、波数パラメータｍが変化した場合のコリメート角θcol の値を示す。
【００３３】
波数パラメータｍ                  コリメート角θcol 
（球の周囲長／弾性表面波波長）
１５０                            ７．０
３００                            ４．５
４５０                            ４．０
６００                            ３．５
７５０                            ３．０
なおこれは、数値計算による近似値である。
【００３４】
以上詳述したことから明かなように、この実施の形態では、波数パラメータｍから上記の式（３）を使用してコリメート角θcol を求めるようにしている。そして、球形状の基材１０の外表面上の所定の幅Ｗの円環領域１０ｂ中の所望の位置に、波動照射手段１４から波動（即ち、レーザー光Ｌ１，Ｌ２）がコリメート角θcol により規定される幅より広く照射され弾性表面波を発生させると、この弾性表面波は球形状の基材１０の外表面上で、所定の幅Ｗの範囲内を上記コリメート角θcol の方向に拡散することなく伝搬する。図１では、上記コリメート角θcol と直交する方向が最大円周線１０ａに沿った方向に相当している。
【００３５】
さらに、本願の発明に従った球面上における弾性表面波発生方法を図１の（Ａ）の装置を使用して実行した本願の発明の発明者達の実験について詳細に説明する。
【００３６】
弾性表面波（ＳＡＷ）の位相速度で走査された干渉縞の熱弾性効果を使用して、直径８ｍｍの鋼製軸受球上に中心周波数３０ＭＨｚのＳＡＷの波束を生じさせた。この結果、驚くべき多くの回数（２０回）のＳＡＷの周回伝搬を観測出来た。１回目の周回と１２回目の周回におけるＳＡＷの時間間隔は９３μｓである。一方、２波形の正確な重複が可能なので、上記時間間隔を２ｎｓの分解能で決定することが出来た。従って、速度の測定においては０．００２％の非常に高い分解能を達成することが出来た。そして５０ｎｍの厚さの銀の付着による２ｍ／ｓの速度変化も容易に検出することが出来た。この方法は非接触なので、軸受球の非破壊検査の為に有用である。
【００３７】
機械の回転軸や軸受球のような湾曲した表面を伴った物体は、非破壊検査（ＮＤＥ）の重要な対象である。この目的の為に、弾性表面波（ＳＡＷ）を使用して表面または表面近傍の性質を評価する必要がしばしばある。レーザー超音波は非接触なので湾曲した表面には有用である。ローヤーその他（D. Royer, E. Dieulesaint, X. Jia and Y. Shui）は応用物理レター第５２巻（１９８８）第９号第７０６頁乃至第７０８頁の「球体上の弾性表面波の光学的発生及び検出」（D. Royer et al. “Optical generation and detection of surface acoustic waves on a sphere”, Appl. Phys. Lett. Vol. 52 (1988), No. 9, PP 706-708）において、球上にレーザーにより発生されたＳＡＷを記載している。ローヤーその他は、ＱスイッチＹＡＧレーザーを約０．５ｍｍの直径のスポットへと集光することにより球上にＳＡＷを発生させている。ＳＡＷは、極、即ち発生点とは直径方向に反対側の地点、で、最も大きな振幅（約３ｎｍ）で検出される（Ｉ．Ａ．ヴィクトロフ；レイリー及びラム波（プリーナム社、ニューヨーク、１９６７年）第３３頁：I. A. Viktrov; Rayleig and Lamb Waves (Plenum, New York, 1967) P. 33）。しかし、周波数が低く帯域幅が広いので、球に特有な伝搬の間の波形変化と大きな分散効果が生じている（Ｉ．Ａ．ヴィクトロフ；レイリー及びラム波（プリーナム社、ニューヨーク、１９６７年）第３３頁：I. A. Viktrov; Rayleig and Lamb Waves (Plenum, New York, 1967) P. 33）。
【００３８】
このような従来例に対し、本願の発明者の一人である山中一司等はＳＡＷを選択的に励起出来る位相速度走査（ＰＶＳ）法を開発した（応用物理レター第５８巻（１９９１）第１５９１頁：K. Yamanaka, Y. Nagata, and T. Koda, Appl. Phys. Lett. Vol. 58 (1991), pp 1591）。本願の二人の発明者である山中一司及び塚原祐輔等（H. Nishino, Y. Tsukahara, Y. Nagata, T. Koda and K. Yamanaka；K. Yamanaka, O. Kolosov, H. Nishino, Y. Tsukahara, Y. Nagata, and T. Toda）のＰＶＳ法の走査干渉縞（ＳＩＦ）方式(日本応用物理ジャーナル第３２巻（１９９３年）パート１第５Ｂ号第２５３６頁乃至第２５３９頁の「レーザー干渉縞の位相速度走査による１００Mz帯レイリー波の発生」：H. Nishino et al. “Generation of 100-Mz-Band Rayleigh waves by Phase Velocity Scanning of a Laser Interference Fringe” Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 32 (1993), Part 1, No. 5B, PP. 2536-2539；応用物理ジャーナル第７４巻（１９９３年）第１１号第６５１１頁乃至第６５２２頁の「位相速度走査法による弾性表面波の励起及びコヒーレント振幅増大の分析」；K. Yamanaka et al. “Analysis of excitation and coherent amplitude enhancement of surface acoustic waves by the phase velocity scanning method” J. Appl. Phys. Vol. 74 (1993), No. 11, pp. 6511-6522)においては、縞の走査速度ＶS がＳＡＷの位相速度ＶR と一致した時に高周波数ＳＡＷ（３０乃至１１０ＭＨｚ）の波束が効果的に励起される。この場合は、周波数が高く帯域幅が狭いので、分散の効果が無視でき、伝搬の間に波形は変わらない。このことは、速度測定における高精度を容易に実現する為に有益である（日本応用物理ジャーナル第３６巻（１９９７年）パート１第５Ｂ号第２９３９頁乃至第２９４５頁の山中一司による「干渉縞の位相速度走査によるレーザー超音波おける精密測定」：K. Yamanaka, “Precise Measurement in Laser Ultrasonics by Phase Velocity Scanning of Interference Fringes” Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 36 (1997), Part 1, No. 5B, PP. 2939-2945）。
【００３９】
実験は、８ｍｍの直径の鋼製軸受球上で行われた。１つの球が購入されたままで使用された。他の２つの球は、表面に真空蒸着により銀（Ａｇ）が蒸着された。表面の湾曲のために厚さは球上で均一ではないが、最大厚さは約５０ｎｍと１５０ｎｍであった。
【００４０】
図１の（Ａ）が、球形状の基材１０（８ｍｍの直径の鋼製軸受球）上に弾性表面波を発生させ、それを検出する為の装置を示している。３ｍｍの直径の２本のＹＡＧレーザービームＬ１，Ｌ２が基材１０の外表面の所定の範囲Ｗ（図１の（Ｂ））に対し略直角に向けられており、一方のＹＡＧレーザービームＬ１に対し他方のＹＡＧレーザービームＬ２はブラグセル１４ｇを使用して３０ＭＨｚだけ周波数が偏移されている。異なった周波数を伴った２本のレーザービームＬ１，Ｌ２の干渉により、基材１０の外表面の所定の範囲Ｗ（図１の（Ｂ））において２本のレーザービームＬ１，Ｌ２が照射された部分に走査干渉縞が形成される。第１の副回動反射鏡１４ｄ，第２の副回動反射鏡１４ｈ，さらに主回動反射鏡１４ｅのような機械的な調整手段により、干渉縞の平均隙間がＳＡＷの波長に等しくされるとともに、干渉縞の走査速度は位相速度に等しくされ、干渉縞とＳＡＷとの位相の整合が行われる。レーザービームＬ１，Ｌ２は、干渉縞とＳＡＷとの間の長い相互作用時間を達成する為に、１００ｎｓ程度の特別に設計された長いパルスを有している。長い相互作用時間は、バルク超音波（ＢＡＷ）を抑制（日本応用物理ジャーナル第３６巻（１９９７年）パート１第５Ｂ号第２９３９頁乃至第２９４５頁の山中一司による「干渉縞の位相速度走査によるレーザー超音波おける精密測定」：K. Yamanaka, “Precise Measurement in Laser Ultrasonics by Phase Velocity Scanning of Interference Fringes” Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 36 (1997), Part 1, No. 5B, PP. 2939-2945）する一方で、ＰＶＳ法におけるＳＡＷの選択的な発生と増幅の為には必須である。
【００４１】
ＳＡＷは干渉縞に対して直角な、基材１０の最大直径線１０ａ（図１の（Ｂ））に沿い、所定の範囲Ｗの円環領域１０ｂ（図１の（Ｂ））中を繰り返し伝搬する。次にＳＡＷは、干渉縞から３〜４ｍｍ離れた位置で集光されたＡｒレーザーを用いた光学的ナイフエッジ法による弾性表面波非接触検出手段１６により１周毎に検出される。検出後には、２０ＭＨｚ以下の周波数成分はフィルタにより除去される。このフィルタによる除去は、レーザービームの非干渉成分により発生するＢＡＷを除去することに役立つ。パルス幅が長い（１００ｎｓ）ので、ＢＡＷの周波数は１０ＭＨｚ以下であり、ＳＡＷの周波数からは完全に分離している。
【００４２】
図４は、図１の（Ａ）の弾性表面波非接触検出手段１６により検出された信号を示している。多数の波束が観察される。まず基材１０の頂部にシリコン油を滴下することにより、この多数の波束はＢＡＷでなくＳＡＷであることを確かめた。シリコン油滴が小さく、基材１０の外周面において最大直径線１０ａ（図１の（Ｂ））に沿う所定の範囲Ｗの円環領域１０ｂ（図１の（Ｂ））中における、干渉縞と弾性表面波非接触検出手段１６によりＳＡＷが検出される地点との間に到達しない間は、上記信号は変わらない。しかし、シリコン油滴が円環領域１０ｂ（図１の（Ｂ））中における干渉縞と弾性表面波非接触検出手段１６により弾性表面波が検出される地点との間に到達すると、上記信号は完全に消滅する。このことは、上記信号の全てがＳＡＷでありＢＡＷでないことを証明している。さらに、ＳＡＷは、上記の円環領域１０ｂ（図１の（Ｂ））中のみで基材１０の外周面を周回し、円環領域１０ｂ（図１の（Ｂ））外には拡散しないことを証明している。ＳＡＷの周回数は約２０回であり、これは約５０ｃｍの伝搬距離に相当する。なお、ゼロレベル近傍のノイズはブラグセル１４ｇを駆動する為の３０ＭＨｚ信号の漏れであり、注意深い遮蔽により除去することが出来る。
【００４３】
図５の（Ａ）は、実験に使用された基材１０上で、１周目に図１の（Ａ）の弾性表面波非接触検出手段１６により検出された信号（上部）と、５０ｎｍの厚さの銀で被覆された球形状の基材上で１周目に検出された信号（中間）と、そして１５０ｎｍの厚さの銀で被覆された球形状の基材上で１周目に検出された信号（下部）を示している。図５の（Ｂ）は、図５の（Ａ）と同じ条件の球形状の基材上で１２周目で検出された同様の信号を示している。信号対雑音比は非常に高い。図５の（Ａ）及び（Ｂ）における信号の時間間隔は大きい（９３μｍ）が、これらの形状はほとんど変わっていない。
【００４４】
パルスエコー重複法（ｐｕｌｓｅ  ｅｃｈｏ  ｏｖｅｒｌａｐ  ｍｅｔｈｏｄ）、又は相互相関法を適用する時には、２つの信号の同一性が精密な時間間隔測定の為に重要である。そこでこの同一性を調べるために、１２周目の信号を１周目の信号に向かい移動させることによりこれらの信号を重複させた。移動量が９３．４７０μｓの時、図６の（Ｃ）中に示されている如く、１２周目の信号の位相は１周目の信号の位相よりわずかに遅れた。移動量が８ｎｓだけ増加した時、図６の（Ａ）中に示されている如く、１２周目の信号の位相は１周目の信号の位相よりわずかに前進した。しかしながら、移動量を、２つの信号の相互相関関数におけるピークから決定される９３．４７４μｓとした時には、これらは図６の（Ｂ）中に示されている如く、ほぼ完全に重複する。この結果、４ｎｓの変化が容易に検出可能な位相ずれを生じさせることが分かった。従って、２つの信号の位相遅延の決定の不確かさは４ｎｓ以下であり、約２ｎｓ程度である。全時間間隔は９３μｓであるので、この不確かさの相対的な大きさは０．００２％であると見積もられる。
【００４５】
この極めて高い分解能を利用して、５０ｎｍと１５０ｎｍの厚さの銀（Ａｇ）フィルムの蒸着による小さな速度変化を検出することを試みた。図５を見るだけでも、銀フィルムの蒸着による１周目の信号（図５の（Ａ））と１２周目の信号（図５の（Ｂ））との間の時間間隔の差異が明瞭に認められる。定量測定の為に、１周目の信号と１２周目の信号における相互相関関数を計算した。そして、実験に使用された基材１０上での時間間隔は９３．４７４μｓであり、５０ｎｍの厚さの銀で被覆されている球形状の基材上での時間間隔は９３．５５６μｓであることを見い出した。球形状の基材１０の直径は８ｍｍなので、夫々におけるＳＡＷ速度は２９５７．６ｍ／ｓと２９５５．０ｍ／ｓであり、２．６ｍ／ｓの差である。３つの異なった測定において得られたＳＡＷ速度を図７中で銀被覆のフィルム厚さの関数として示した。この図からは、銀被覆のフィルム厚さの増加に伴うＳＡＷ速度の減少の明瞭な傾向が見られる。測定された速度の典型的なばらつきの大きさは１０ｃｍ／ｓ程度である。絶対値が２９５８ｍ／ｓであると考えると、相対的なばらつきは０．００３４％と小さいことがわかる。
【００４６】
多数回周回によるＳＡＷの長距離伝搬は、本願の発明者により最初に実現された独特な特徴である。その理由は以下のように要約することが出来る。
【００４７】
（１）全てのレーザー超音波法に共通であるが、励起と検出とが完全に非接触で行われる。従って、ＳＡＷは、超音波カプラーまたは変換器による減衰や分散を受けない。
【００４８】
（２）ＰＶＳ法においては、ＳＡＷの振幅はレーザーパルス幅Ｔに比例している。従って、振幅は従来のレーザー超音波よりも大きい（応用物理ジャーナル第７４巻（１９９３年）第１１号第６５１１頁乃至第６５２２頁の本願の二人の発明者である山中一司及び塚原祐輔等（K. Yamanaka, O. Kolosov, H. Nishino, Y. Tsukahara, Y. Nagata, and T. Ｔoda）による「位相速度走査法による弾性表面波の励起及びコヒーレント振幅増大の分析」；K. Yamanaka et al. “Analysis of excitation and coherent amplitude enhancement of surface acoustic waves by the phase velocity scanning method” J. Appl. Phys. Vol. 74 (1993), No. 11, pp. 6511-6522)。
【００４９】
（３）ＰＶＳ法のもう１つの特徴としては、位相合致条件がＳＡＷによりみたされた時にＢＡＷが抑制されることである（日本応用物理ジャーナル第３６巻（１９９７年）パート１第５Ｂ号第２９３９頁乃至第２９４５頁の山中一司による「干渉縞の位相速度走査によるレーザー超音波おける精密測定」：K. Yamanaka, “Precise Measurement in Laser Ultrasonics by Phase Velocity Scanning of Interference Fringes” Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 36 (1997), Part 1, No. 5B, PP. 2939-2945）。従って、ＳＡＷはＢＡＷにより妨害されない。
【００５０】
（４）周波数が３０ＭＨｚであり速度が３０００ｍ／ｓ近傍であるので、波数と球の半径（４ｍｍ）との積ｋａは最大で８０πである。ｋａのこの範囲では、分散効果が無視出来（応用物理レター第５２巻（１９８８）第９号第７０６頁乃至第７０８頁のローヤーその他（D. Royer, E. Dieulesaint, X. Jia and Y. Shui）による「球体上の弾性表面波の光学的発生及び検出」：D. Royer et al. “Optical generation and detection of surface acoustic waves on a sphere”, Appl. Phys. Lett. Vol. 52 (1988), No. 9, PP 706-708；Ｉ．Ａ．ヴィクトロフ；レイリー及びラム波（プリーナム社、ニューヨーク、１９６７年）第３３頁：I. A. Viktrov; Rayleig and Lamb Waves (Plenum, New York, 1967) P. 33）、そして波形が、図６中に示されている如く、ＳＡＷの伝搬に従い変化しない。
【００５１】
結論として、球形状の基材上における高周波弾性表面波の多数回周回伝搬に基づく新規な、球面上における弾性表面波発生方法を提供した。この方法はＳＡＷ速度における小さな変化の精密測定の為に有用であり、表面傷，欠陥，そして残留応力により生じる非線形効果の精密測定にも有用である。鋼製やセラミック製の軸受球の高感度ＮＤＥ（非破壊評価）システムもこの方法を基礎にして構成することが出来る。
【００５２】
【発明の効果】
以上詳述したことから明かなように、この発明に従った球面上の弾性波の発生法によれば、基材の少なくとも球面の一部で形成されていて円環状に連続している外表面に、上記基材の外表面の連続する方向に向かう弾性波を非接触で発生させることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は、この発明の第１の実施の形態に従った、球面上の弾性波の発生法に使用される装置の全体を概略的に示す平面図であり；そして、（Ｂ）は、（Ａ）の装置により弾性表面波が発生される球形状の基材の拡大された側面図である。
【図２】球形状の基材の外周面に弾性表面波を発生させ伝搬させる為に必要な所定の幅を規定する為に使用する式の基礎となる座標系を概略的に示す斜視図である。
【図３】（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），そして（Ｄ）は、図２の座標系を使用して作成された式により計算された波数パラメータｍ（円周の長さと弾性表面波の波長の比）と開口半角（振動手段を設ける幅の１／２）を変えて得られた弾性表面波が球形状の基材の外周面上を伝搬する４つの状態を概略的に示す図である。
【図４】図１の（Ａ）の装置により球形状の基材の外周面の所定の領域に発生されたＳＡＷ（弾性表面波）の信号を示している。
【図５】（Ａ）は、基材の表面条件を変化させた時の第１回目の周回のＳＡＷの波形を示す図であり；そして、（Ｂ）は、基材の表面条件を変化させた時の第１２回目の周回のＳＡＷの波形を示す図である。
【図６】（Ａ），（Ｂ），そして（Ｃ）は、図５の（Ａ）の３つのＳＡＷの波形と図５の（Ｂ）の３つのＳＡＷの波形とを重複させて示す図である。
【図７】図１の（Ａ）の装置により球形状の基材の外周面の所定の領域に発生されるＳＡＷ速度を、基材の外周面に被覆される銀フィルムの厚さの関数として示す図である。
【符号の説明】
１０  基材
１０ａ  最大円周線
１０ｂ  円環領域
１２  支持体
１４  波動照射手段
１６  弾性表面波非接触検出手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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