(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体に超音波を発生させる励起用のレーザ光を照射する超音波発生用レーザ手段と、被検体中で反射され表面に到達した反射超音波を検出するプローブ用のレーザ光を発生する超音波検出用レーザ手段と、前記プローブ用のレーザ光を前記被検体に照射された前記励起用のレーザ光の中心を中心とする円環状のレーザ光に変換する光学手段と、前記被検体の表面で反射されるプローブ用のレーザ光が前記反射超音波との相互作用によって受ける変化を検出する光検出手段と、を具備することを特徴とするレーザ超音波探傷装置。
【請求項２】
前記光学手段は、プローブ用のレーザ光の径を拡大する径拡大手段と、前記径が拡大された円柱状のレーザ光を反射して円環状のレーザ光に変換する円錐状反射手段と、前記円環状のレーザ光を反射して被検体に照射する環状反射手段と、を含むものである請求項１記載のレーザ超音波探傷装置。
【請求項３】
前記環状反射手段は、スリット状の非反射部を少なくとも一つ有するものである請求項２記載のレーザ超音波探傷装置。
【請求項４】
励起用のレーザ光を被検体表面に照射して超音波を発生させるとともに、前記励起用のレーザ光の照射スポットの中心と同心になるように、円環状のプロープ用のレーザ光を被検体表面に照射して、被検体内部の欠陥部から反射される反射超音波を検出するレーザ超音波探傷法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、材料や製品中の内部疵等の欠陥を検出する超音波探傷において使用されるレーザ超音波探傷装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のレーザ超音波探傷装置では、例えば、超音波ＴＥＣＨＮＯ５月号：Ｖｏｌ．５，Ｎｏ．５，ｐ３８（１９９３）（日本工業出版）に記載されているように、超音波発生用レーザの被検体表面への照射位置と同一位置に検出用レーザ光を照射し、被検体中を伝播して被検体表面に到達した超音波を検出する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、一般に、上記のようにして発生した超音波は、超音波への変換効率が低いため微弱であり、さらに被検体を伝播するときには、超音波の発生が点音源であるため、材料中での拡散減衰が大きくなり、また材料中の微細構造の影響による超音波信号の散乱減衰（弾性的に均質な構造でない部分での超音波の反射を意味する。例えば、金属材料であれば、結晶粒の粒界による超音波の反射などである。）などの影響により微弱となる。このため、被検体中の疵部からの反射信号は、非常に微弱である。これらに加えて、微細構造からの散乱は、ノイズとして疵部からの微弱な反射信号に重畳されているので、検出された信号は、十分なＳＮ比を得ることができない。そこで、従来のレーザ超音波探傷装置では、同一位置での超音波送受を数回から数百回ほど繰り返し、検出された信号を加算することによって、ＳＮ比の改善を図っていた。
【０００４】
しかしながら、微細構造からの散乱反射超音波によるノイズは、このように時間的に信号を加算することによっては、取り除けないという問題があった。このノイズを低減するには、超音波の送受位置を少し変化させて得られた信号を加算するという空間的な加算処理が必要であるが、空間的な移動を行うため、検出された信号の加算処理には、複雑な計算機処理が必要となり、容易に実行することができないという問題があった。
【０００５】
本発明は上記事情に基づいてなされたものであり、ノイズを容易に低減することができ、検出超音波信号のＳＮ比の改善を図ることができるレーザ超音波探傷装置を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本願発明のレーザ超音波探傷装置は、被検体に超音波を発生させる励起用のレーザ光を照射する超音波発生用レーザ手段と、被検体中で反射され表面に到達した反射超音波を検出するプローブ用のレーザ光を発生する超音波検出用レーザ手段と、前記プローブ用のレーザ光を前記被検体に照射された前記励起用のレーザ光の中心を中心とする円環状のレーザ光に変換する光学手段と、前記被検体の表面で反射されるプローブ用のレーザ光が前記反射超音波との相互作用によって受ける変化を検出する光検出手段と、を具備することを特徴とするものである。
【０００７】
【作用】
励起用のレーザ光の真下にある疵や空洞等の欠陥部からの反射超音波信号は、プローブ用のレーザ光が照射されている被検体表面の円環状の部分では、どの位置でも同相成分となる。このため、円環状のレーザ光で検出される反射超音波信号は強め合い増幅されて検出される。一方、被検体中の微細構造に起因する散乱ノイズは、円環状の部分のある一点では、常に一定の位相成分が検出されるが、その一点の散乱ノイズと他の点での散乱ノイズとは位相的には全く関係がない。このため、円環状のレーザ光で検出される位相的にランダムな散乱ノイズは、打ち消し合い弱められて検出される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第一実施形態であるレーザ超音波探傷装置の概略構成図、図２は被検体に照射されるレーザ光の概略斜視図、図３は欠陥部からの反射超音波を検出するときの様子を示す模式図である。図１に示す第一実施形態のレーザ超音波探傷装置は、被検体Ａに超音波を励起させるレーザ光１０を発生する超音波発生用レーザ装置１１と、被検体Ａ中で反射された反射超音波を検出するプローブ用のレーザ光２０を発生する超音波検出用レーザ装置２１と、超音波検出用レーザ装置２１から発射された円柱状のレーザ光２０を円環状のレーザ光に変換する光学系２３と、被検体Ａの表面で反射されるプローブ用のレーザ光が反射超音波との相互作用によって受ける変化を検出する光検出装置３１と、を備えて構成される。
【０００９】
超音波発生用レーザ装置１１は、被検体Ａの表面で超音波を励起させるためのレーザ光を発生するものであり、したがって本装置１１には比較的大きいパルス状のレーザ光を出力することができる、例えばＱスイッチＹＡＧレーザ等を用いる。超音波発生用レーザ装置１１が発したレーザ光は、ミラー１３で反射された後、被検体Ａに照射される。
【００１０】
超音波検出用レーザ装置２１は、被検体Ａ中の欠陥部で反射されて被検体Ａの表面に戻ってきた反射超音波を検出するためのプローブ用のレーザ光を発生するものである。本装置２１には、安定した周波数のレーザ光を出力する、例えばＨｅ−Ｎｅレーザ等を用いる。
光学系２３は、円柱状のレーザ光を円環状のレーザ光に変換するものであり、超音波検出用レーザ装置２１が発するレーザ光２０のビーム径を広げるビームエクスパンダー２３ａと、ビームエクスパンダー２３ａによって広げられたレーザ光を反射する円錐状ミラー２３ｂと、円錐状ミラーによって反射されたレーザを更に反射して被検体Ａに照射する笠形リング状ミラー２３ｃとを備える。尚、円錐状ミラー２３ｂは、後述するハーフミラー３３の中央部に設けられた支持部材２３ｄにより支持・固定される。
【００１１】
光検出装置３１は、被検体Ａの表面で反射されたプローブ用のレーザ光２０を取り出すために円環状のレーザ光の光路中に設けられたハーフミラー３３と、ハーフミラー３３によって反射されたレーザ光を集光する集光用レンズ３５と、集光用レンズ３５で集光されたレーザ光を検出する光検出器３７と備える。光検出器３７は、従来のレーザ超音波探傷装置に使用されているものと同様のものである。
【００１２】
また、超音波発生用レーザ装置１１、超音波検出用レーザ装置２１及び光学系２３等は、図２及び図３に示すように、被検体表面に照射される円環状のレーザ光２０が、同じく被検体表面に照射される励起用のレーザ光１０の中心Ｏ点を中心とする円環状となるように配置されているので、被検体表面のレーザ光２０が照射される円環状の部分は、その中心Ｏ点から等距離に位置する。なお、図３に示す点線は、その中心Ｏ点における被検体表面と垂直な軸Ｘである。
【００１３】
次に、第一実施形態の動作について説明する。
超音波検出用レーザ装置２１から発せられたレーザ光２０は、ビームエクスパンダー２３ａでレーザ光２０のビーム径が拡大された後、円錐状ミラー２３ｂに入射する。円錐状ミラー２３ｂは、入射したレーザ光を笠形リング状ミラー２３ｃに反射する。このとき、円錐状ミラー２３ｂに入射した円柱状のレーザ光は、円環状のレーザ光に変換される。笠形リング状ミラー２３ｃは、入射した円環状のレーザ光を、図２に示すように被検体Ａに対して垂直に照射する。円環状のレーザ光２０の径は、大きすぎると、検出信号が弱くなるので、現在市販されているＨｅ−Ｎｅレーザを用いる場合には、励起用のレーザ光１０のビーム径（約２ｍｍ）と同じか、或いは２〜３倍位の大きさが適当であると考える。
【００１４】
被検体Ａに照射された円環状のレーザ光は、被検体Ａの表面で反射されてハーフミラー３３に入射する。ハーフミラー３３は、入射したレーザ光の一部を反射して集光用レンズ３５に入射させる。集光用レンズ３５は入射した円環状のレーザ光を光検出器３７に集光させる。光検出器３７に入射したレーザ光は、先ず図示しないファブリ・ペロー干渉計により、光の波長の変化が光の強度の変化に変換される。この変換された光は、更にホトダイオード（不図示）により光電変換されて、この電気信号は増幅器により増幅された後、オシロスコープ等に出力されて表示される。
【００１５】
上記のようにしてプローブ用のレーザ光２１を被検体Ａに照射している状態で、超音波発生用レーザ装置１１からパルス状のレーザ光１０を被検体Ａに照射する。これにより被検体Ａの表面が瞬間的に局部的に温度上昇あるいは蒸発し、このときの熱的応力又は蒸発反力によって広帯域の超音波が発生する。発生した超音波は、図３において点線で示す軸Ｘに沿って進行し、被検体Ａの内部を伝播して被検体Ａの裏面に到達し、ここで反射されて再び被検体Ａの表面に戻る。
【００１６】
この反射されて戻った反射超音波によって、被検体Ａの表面が超音波振動すると、被検体Ａ表面の空間的位置はこの反射超音波の周期で変位する。したがって、円環状のプローブ用のレーザ光は、被検体Ａの表面で反射される際に、この変位にともなうドップラーシフトを受け、円環状のレーザ光の波長が変動する。このような周波数が変化する円環状のレーザ光はハーフミラー３３、集光用レンズ３５により光検出器３７に集光する。光検出器３７は、入射したレーザ光を、先ずファブリ・ペロー干渉計により、光の波長の変化を光の強度の変化に変換する。更に、この変換した光を、ホトダイオードにより光電変換して増幅器により増幅し、低周波雑音を除去するためにハイパスフィルタを通した後、オシロスコープ等にその信号を出力する。
【００１７】
光検出器３７が出力する信号は、被検体Ａの表面及び裏面で反射を繰り返す反射超音波が表面に戻るたびに、大きく変化する。この出力信号をオシロスコープ上で、横軸に時間、縦軸に信号強度をとって表示させると、被検体内に欠陥部がなければ、被検体内の音速と被検体の厚さによって決まる一定の時間間隔で信号強度が変化する。一方、被検体内部に疵や空洞等の欠陥部があると、超音波はこの欠陥部で反射され、上記の時間よりも短い時間で信号強度が変化する。したがって、この時間間隔を調べることにより、被検体内部の欠陥部の有無を検査することができる。
【００１８】
ところで、従来のレーザ超音波探傷装置は、図３の点線で示す軸Ｘ上でポイントセンシングしていた。かかる従来のポイントセンシングでは、欠陥部からの反射超音波の他にノイズである超音波をも同時に検出してしまい、しかも前述したように、このノイズの除去は容易でない。これに対して、本実施形態では、超音波発生用レーザ装置１１、超音波検出用レーザ装置２１及び光学系２３等は、被検体表面に照射される円環状のレーザ光２０が、被検体表面に照射される励起用のレーザ光１０の中心Ｏ点を中心とする円環状となるように配置されている。すなわち、被検体Ａ表面のレーザ光２０が照射される円環状の部分は、その中心Ｏ点から等距離に位置する。したがって、図３の軸Ｘ上にある欠陥部で反射された反射超音波は、軸Ｘから等距離に位置する円環状の部分で検出されるので、同相成分となり、積分することにより強め合い増幅されて検出される。逆に、ノイズは位相が異なるので、積分することにより打ち消し合い減じられて検出される。この結果ＳＮ比の改善を図ることができる。
【００１９】
上記の本実施形態によれば、従来の反射超音波信号の時間的加算に加えて、容易に空間的加算を実行することができ、従来の時間的加算のみでは、低減することが困難であった被検体の微細構造に起因する散乱ノイズを容易に低減することができ、検出信号のＳＮ比を改善することができる。これにより、従来適用が困難であった微細構造を有する材料への適用や、より微細な欠陥部の検出などが実現可能となる。
【００２０】
図４は、本発明の第二実施形態であるレーザ超音波探傷装置の概略構成図である。第２実施形態が第一実施形態と相違する点は、笠形リング状ミラー２３０ｃが４か所のスリット状の非反射部２３１ｃを有することである。この非反射部２３１ｃは、レーザ光を吸収するものであってもよいし、レーザ光を透過させるものであってもよい。また、第一実施形態では、励起用のレーザ光１０が被検体Ａに斜め方向から照射されているのに対して、第二実施形態では、励起用のレーザ光１００が被検体Ａに対して垂直に照射される。その他の構成は、第一実施形態と同様であるので、第一実施形態のものと同様の機能を有するものには、同一或いは対応する符号を付すことにより、その詳細な説明を省略する。
【００２１】
第二実施形態は、笠形リング状ミラー２３０ｃに４か所のスリット状の非反射部２３１ｃが設けられている。したがって、円錐状ミラー２３ｂに水平方向に４本の支持棒（不図示）を設け、各支持棒とこの非反射部２３１ｃとを対応させることにより、円環状のレーザ光の光路を遮ることなく、支持棒を円環状のレーザ光の外側に引き出して、円錐状ミラー２３ｂを装置本体に固定することができる。その他の作用・効果は第一実施形態と同様である。
【００２２】
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で数々の変形が可能である。たとえば、上記の実施形態では、図２に示すように励起用のレーザ光の径が、プローブ用のレーザ光の径より小さい場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、励起用のレーザ光のビーム径を大きくして、円環状のレーザ光の径と同等以上の大きさとしてもよい。これにより、被検体の表面が鏡面状でない場合にも、励起用のレーザ光により常に被検体表面の反射超音波を検出する円環状の部分を鏡面状にして、反射超音波の検出を行うことができる。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、プローブ用のレーザ光を被検体表面に照射された励起用のレーザ光の中心を中心とする円環状のレーザ光としたことにより、被検体表面に照射された励起用のレーザ光の真下にある欠陥部からの反射超音波信号は、強め合い増幅されて検出され、逆に、被検体中の微細構造に起因する散乱ノイズは、打ち消し合い弱められて検出される。したがって、探傷に必要とされる疵や空洞等の欠陥部からの反射超音波信号をＳＮ比を改善して取り出すことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態であるレーザ超音波探傷装置の概略構成図である。
【図２】被検体に照射されるレーザ光の概略斜視図である。
【図３】欠陥部からの反射超音波を検出するときの様子を示す模式図である。
【図４】本発明の第２実施形態であるレーザ超音波探傷装置の概略構成図である。
【符号の説明】
Ａ    被検体
１０    レーザ光
１１    超音波発生用レーザ装置
１３    ミラー
２１    超音波検出用レーザ装置
２３    光学系
２３ａ    ビームエクスパンダー
２３ｂ    円錐状ミラー
２３ｃ    笠形リング状ミラー
２３ｄ    支持部材
３１    光検出装置
３３    ハーフミラー
３５    集光用レンズ
３７    光検出器
２３０ｃ    笠形リング状ミラー
２３１ｃ    非反射部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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