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Xarion社 光超音波センサ(Optical Microphone)

Fabry=Perrot光干渉法を利用し、微弱な音波に依る媒質屈折率の変化として捉える超音波マイクロフォンです(Optical Microphone)。
この手法により、音波の音圧に依って微小に変化した空気の屈折率を1e-14程度、音圧としては1μPa程度の非常に精緻な検出ができ、その時間・周波数・強度解析を行うことで様々な現象の評価が可能な、応用力の高い非接触検査技術です。

セラミックや光学結晶材の内部欠陥(クラック)や、金属溶接の不良、不透明体の内部構造の偏在の様子の観察、加工中に発生する超音波の解析に依るプロセス管理など、今までに"見えなかった"様々な現象を"聞いて判断"することができるようになります。

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測定原理

「光超音波センサ」とは？

Xarion社の光超音波センサ／光マイクロフォンは右写真のように、つまんでいる指先と比べても十分に小さいFabry=Perrotキャビティセル内でレーザを干渉共振させてその光強度を精密にモニタしているデバイスです。

このとき、このセル内には空気も一緒に封入されており、外部からの振動／音波によってその内部空気の屈折率がごくごく微小に変化するのですが、その結果をこのレーザ干渉の光強度信号の変動によって精密に捉えることができ、これを光マイクロフォン(Optical Microphone)と呼びます。

 

“光”マイクロフォンであって、また後述の”レーザ励起型Active検査”とも混同しやすいですが、このレーザ干渉の信号検出に用いられるレーザと、外部サンプルの表面を”叩く”ためのレーザとは全くの別物ですのでご注意ください。

長所と短所

ここでは光超音波センサ／光マイクロフォンと、それを応用した装置における、代表的な長所と短所について説明します。

 

長所

  • 他の”超音波”センサと違い非接触での評価が可能
    　→ サンプルの液浸や、表面への振動媒体の塗布が不要
    　→ 接触不要なので高速に走査できる
  • センサ感度が高く、高いダイナミックレンジと広い周波数解析能力を持っている
    　→ 左図のように、各周波数ごとの音量解析を精密かつ高ダイナミックレンジで行うことができるため、様々な現象解析に用いることができ、応用可能性は非常に高い

 

短所

  • あくまで”聴き分ける”ことができる技術/装置であって、何も比較対象が無い状態で1つのデータだけで良否判定ができるものではない
  • (センサ単体では)カメラのように1データで空間分布を画像的に解析することができるものではないので、走査／スキャンのための十分な時間が必要

受動／Passive評価　～プロセスモニタリング～

光超音波センサ／光マイクロフォンを聴くだけに用いるPassive評価では、主に音波や振動を発生させているプロセスのモニタリングに活用できます。

 

  • 加工用ツールの新品と劣化の聴き分け(ツール交換時期のモニタ)
    　→ 右の図は穴あけツールの新品(左)と、劣化してきた状態(右)との比較

 

  • 正常加工や良加工とは異なる異音の検出
    　→ レーザ溶接の加工中の良否判定
    　→ 加工中不良の抽出
    　→ 加工プロセスの見直しのためのデータ取り

 

ここに挙げた例に限らず、ユーザの工夫や思いつき次第で、その他様々な発展性や活用範囲の拡張が期待できます。

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