(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１レーザを検査対象に照射して超音波を励起させる送信レーザヘッドと、
第２レーザを照射して前記検査対象を伝播する前記超音波のエコーを検出する複数の受信レーザヘッドと、
前記送信レーザヘッド及び前記複数の受信レーザヘッドを保持する単一のプローブと、
前記検出したエコーに基づいて前記検査対象に含まれる欠陥を画像化するための信号処理部と、
前記検査対象の表面に対する前記第１レーザ及び前記第２レーザの入射角度を調整する角度調整部と、
前記送信レーザヘッド及び前記複数の受信レーザヘッドの各々と前記調査対象との距離を個別に調整可能なヘッド位置調整部と、を備え、
前記角度調整部は、前記送信レーザヘッド及び前記複数の受信レーザヘッドの各々の傾きを、第１回動軸及びこの第１回動軸と直交する第２回動軸を回動させることにより、それぞれ別々に調整し、前記入射角度を調整することを特徴とするレーザ超音波検査装置。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザ超音波検査装置において、
前記検査対象の表面形状を計測する表面計測部を備え、前記角度調整部は前記表面計測部の計測結果に基づいて駆動されることを特徴とするレーザ超音波検査装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のレーザ超音波検査装置において、
前記角度調整部は、前記第２レーザの反射光の強度に基づいて駆動されることを特徴とするレーザ超音波検査装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のレーザ超音波検査装置において、
前記角度調整部は、前記第２レーザの反射光に含まれる表面波信号の検出タイミング及び強度の少なくともいずれかに基づいて駆動されることを特徴とするレーザ超音波検査装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のレーザ超音波検査装置において、
前記角度調整部の角度情報に基づいて前記エコーの強度補正を行うことを特徴とするレーザ超音波検査装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のレーザ超音波検査装置において、
隣接する送信レーザヘッド及び受信レーザヘッド間の干渉を防止するためのクロストーク防止壁を備えることを特徴とするレーザ超音波検査装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のレーザ超音波検査装置において、
前記送信レーザヘッド、前記受信レーザヘッド及び角度調整部を具備するプローブが前記検査対象に複数配置されることを特徴とするレーザ超音波検査装置。
【請求項８】
送信レーザヘッドが第１レーザを検査対象に照射して超音波を励起させるステップと、
複数の受信レーザヘッドが第２レーザを照射して前記検査対象を伝播する前記超音波のエコーを検出するステップと、
前記送信レーザヘッド及び前記複数の受信レーザヘッドが単一のプローブに保持されており、前記送信レーザヘッド及び前記複数の受信レーザヘッドの各々と前記調査対象との距離を個別に調整するステップと、
前記送信レーザヘッド及び前記複数の受信レーザヘッドの各々の傾きを、第１回動軸及びこの第１回動軸と直交する第２回動軸を回動させることにより、それぞれ別々に調整し、前記検査対象の表面に対する前記第１レーザ及び前記第２レーザの入射角度を調整するステップと、
前記検出したエコーに基づいて前記検査対象に含まれる欠陥を画像化するための信号処理を実行するステップと、を含むことを特徴とするレーザ超音波検査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検査対象にレーザ光を照射してこの検査対象に超音波を励起し、この超音波のエコーを検出して、内在する欠陥等を調べるレーザ超音波検査技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
検査対象の欠陥等を非破壊で調べる技術として、従来から圧電プローブをこの検査対象に接触させて検査を実施する超音波探傷技術が知られている。しかし、この超音波探傷技術においては、検査対象物が、高温であったり複雑に入り組んだ構造体であったりした場合、圧電プローブを検査対象の表面に接触させることが困難であるといった課題がある。
【０００３】
このような、課題を解決する技術として、近年、圧電プローブの作用をレーザ光に置き換えたレーザ超音波探傷技術が注目されている。このレーザ超音波探傷技術によれば、圧電プローブによる超音波探傷法と比較して、検査対象の非破壊検査を遠隔でかつ非接触で行うことができ、さらに接触媒質が不要で、検査対象物の形状や周囲の環境による影響を受けにくいといった利点がある(例えば、特許文献１，２参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２７１２８１号公報
【特許文献２】特開２００５−１９５５９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、レーザ超音波検査技術を、表面形状が複雑な検査対象物に適用する場合、レーザ光の受信感度が低いことにより検査時間が長期化したり、表面形状の影響を受けて照射レーザのビーム径やビーム形状さらにビームの光路長が変化したりして、欠陥探傷の精度が低下するという課題がある。
【０００６】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、表面形状が複雑な検査対象の非破壊検査を高速かつ高精度で行うレーザ超音波検査技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のレーザ超音波検査装置は、第１レーザを検査対象に照射して超音波を励起させる送信レーザヘッドと、第２レーザを照射して前記検査対象を伝播する前記超音波のエコーを検出する複数の受信レーザヘッドと、前記送信レーザヘッド及び前記受信レーザヘッドを保持する単一のプローブと、前記検出したエコーに基づいて前記検査対象に含まれる欠陥を画像化するための信号処理部と、前記検査対象の表面に対する前記第１レーザ及び前記第２レーザの入射角度を調整する角度調整部と、前記送信レーザヘッド及び前記受信レーザヘッドの各々と前記調査対象との距離を個別に調整可能なヘッド位置調整機構と、を備え、前記角度調整部は、前記送信レーザヘッド及び前記受信レーザヘッドの各々の角度をそれぞれ個別に、第１回動軸及びこの第１回動軸と直交する第２回動軸を回動させて前記入射角度を調整することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明により、表面形状が複雑な検査対象の非破壊検査を高速かつ高精度で行うレーザ超音波検査技術が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】（Ａ）本発明の第１実施形態を示すレーザ超音波検査装置の側面図、（Ｂ）その上面図。
【図２】第１実施形態に係るレーザ超音波検査装置のブロック図。
【図３】実施形態に係るレーザ超音波検査装置により検出した超音波の信号レベルを示すグラフ。
【図４】第２実施形態に係るレーザ超音波検査装置のブロック図。
【図５】（Ａ）本発明の第３実施形態を示すレーザ超音波検査装置の側面図、（Ｂ）その動作説明図。
【図６】（Ａ）第１実施形態においてクロストーク防止壁を搭載したレーザ超音波検査装置の側面図、（Ｂ）第３実施形態においてクロストーク防止壁を搭載したレーザ超音波検査装置の側面図。
【図７】本発明の第４実施形態に係るレーザ超音波検査装置の側面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に示すように、第１実施形態のレーザ超音波検査装置１０は、第１レーザＲ１を検査対象Ｋに照射して超音波を励起させる送信レーザヘッド２１と、第２レーザＲ２を照射して検査対象Ｋを伝播する超音波のエコーを検出する受信レーザヘッド２２と、検出したエコーに基づいて検査対象Ｋに含まれる欠陥を画像化するための信号処理部３０（図２）と、検査対象Ｋの表面に対する第１レーザＲ１及び第２レーザＲ２の入射角度を調整する角度調整部１３と、から構成されている。
【００１１】
そして、レーザ超音波検査装置１０は、図２に示される各機能部が、操作端末３１からの入力情報及びマイクロプロセッサ（制御部３２）で実行されるプログラムに従って連係動作することにより、検査対象Ｋに含まれる欠陥を検出し、その欠陥情報を画像化する。
【００１２】
検査対象Ｋは、各実施形態の説明において、炭素繊維複合材により構成される航空機の機体等を想定している。このような炭素繊維複合材料を対象としたレーザ超音波検査装置１０による欠陥検査は、樹脂と炭素繊維により層状に形成された材料中に発生する剥離欠陥が主な検査対象となる。
なお、検査対象Ｋは、その他にも、原子力発電所等の大型プラントにおける配管等のＳＵＳ製の各種構成部材における溶接欠陥、応力腐食割れ等の欠陥探傷にも適用可能である。また、その他の金属やセラミックの各種材料を対象にすることもできる。
【００１３】
プローブ２０は、送信レーザヘッド２１及び受信レーザヘッド２２を固定して保持するものである。なお、図１において、送信レーザヘッド２１の片側に受信レーザヘッド２２が直線的に配列されているが、その両側に受信レーザヘッド２２が配置される場合もある。また、送信レーザヘッド２１を中心として受信レーザヘッド２２を平面状又は円周状に配置する場合もある。
【００１４】
空間移動部１２に連結する支持部材１１は、角度調整部１３を介してプローブ２０に接続し、このプローブ２０を検査対象Ｋの表面の任意位置に近接させるものである。そして、検査対象Ｋの表面との距離を一定に保った状態で、プローブ２０をこの検査対象Ｋの表面に沿って走査させる。
ここで、空間移動部１２は、種々の具体的な態様を取り得るが、検査対象Ｋの表面上の範囲を一次元的又は二次元的に変位する移動手段（図示略）と、この移動手段から検査対象Ｋの表面に向かって支持部材１１を変位させる昇降手段とから構成させることができる。若しくは、先端が支持部材１１を形成する多関節ロボット（図示略）を適用することもできる。
【００１５】
角度調整部１３は、図１（Ｂ）に示されるように、第１回動軸１５ａを中心としてプローブ２０に所定の角度付けを行う第１調整体１３ａと、この第１回動軸１５ａと直交する第２回動軸１５ｂを中心として第１調整体１３ａに所定の角度付けを行う第２調整体１３ｂとから構成されている。
なお角度調整部１３には、第１回動軸１５ａ及び第２回動軸１５ｂを中心に角度付けするための駆動体（図示略）が設けられている。
【００１６】
このように、角度調整部１３は、第１回動軸１５ａ及び第２回動軸１５ｂの二軸調整によりプローブ２０の傾斜面を任意方向でかつ任意斜度に設定することができる。
これにより、プローブ２０の角度を調整して、送信レーザヘッド２１及び受信レーザヘッド２２から照射されるレーザ光を、調査対象Ｋの表面に対し法線方向に入射させることができる。
【００１７】
送信レーザヘッド２１は、図２に示されるように、光ファイバ等を介して送信レーザ源２３に接続されている。
この送信レーザ源２３は、第１レーザＲ１として、例えば波長１０．６μｍのＣＯ2レーザを出力するものである。そして、この第１レーザＲ１の照射条件としては、例えば、パルス幅は５０ｎｓ〜２００ｎｓ、エネルギーは１００ｍＪ〜２００ｍＪ、繰り返し周波数は５０Ｈｚ〜１５０Ｈｚと設定される。
このような条件で照射される第１レーザＲ１によれば、炭素繊維複合材料の検査対象Ｋに対し、侵入深さが２０μｍ程度となる。
【００１８】
この第１レーザＲ１を検査対象Ｋに照射すると、表面の極微小領域を瞬間的に加熱し表層の数原子層をプラズマ化し、発生したプラズマが膨張する際の反力として検査対象Ｋに超音波が励起される。この超音波には、被検体の内部に伝播するものと、被検体の表面を伝播するものとに分かれる。
【００１９】
受信レーザヘッド２２は、図２に示されるように、光ファイバ等を介して受信レーザ源２４に接続されている。
この受信レーザ源２４は、第２レーザＲ２として、例えば波長１０６４ｎｍのＹＡＧレーザを出力するものである。
なお、送信レーザ源２３又は受信レーザ源２４に適用されるレーザ方式は、特に限定されることはなく、種々のレーザ方式を適用することができる。
【００２０】
第１レーザＲ１により励起された超音波は、検査対象Ｋの裏面又は欠陥部において反射し、この反射波（エコー）の到達した検査対象Ｋの表面が、ナノメートルオーダーの変位で微小振動する。
このエコーにより微小振動する検査対象Ｋの表面に、第２レーザＲ２が照射されると、光周波数遷移（ドップラーシフト）により波長の変動した反射光が反射される。
【００２１】
信号処理部３０は、図２に示すように、第２レーザＲ２の反射光を受信してドップラーシフトを計測する受信干渉計２５と、この受信干渉計２５から取得したアナログ信号をデジタル信号に変換してデータ集積する信号収録器２６と、この集積データに基づき開口合成処理により画像処理を行う画像化器２７と、から構成されている。
そして、信号処理部３０からモニタ３３に信号が出力されて、検査対象Ｋに含まれる欠陥位置が画像認識される。
【００２２】
ところで、空間移動部１２及び角度調整部１３の動作制御は、予め情報蓄積部３４に登録されている検査対象Ｋの表面形状情報に基づいて行われる。
一方で、欠陥検出のさらなる高精度化を実現するために、信号処理部３０の情報を制御部３２にフィードバックすることにより、空間移動部１２及び角度調整部１３の調整を行うことができる。
【００２３】
具体的には、受信干渉計２５で計測された第２レーザＲ２の反射光の強度信号に基づいて、空間移動部１２及び角度調整部１３の調整を行うことができる。
または、受信干渉計２５で計測された第２レーザＲ２の反射光に含まれる表面波信号の検出タイミングおよび強度により、空間移動部１２及び角度調整部１３の調整を行うことができる。
【００２４】
図３は、受信した表面波データの信号レベルＳ１と、他の測定データの信号レベルＳ２とを重ね書きしたものである。このように二つの信号レベルＳ１，Ｓ２を比較することにより空間移動部１２及び角度調整部１３の調整を行うことができる。
また、空間移動部１２の位置情報又は角度調整部１３の角度情報に基づいて、検出されたエコーの強度補正を実行し、高品質な画像を得ることができる。
【００２５】
次に、レーザ超音波検査装置１０の動作説明を行う。
まず、情報蓄積部３４に登録されている検査対象Ｋの表面形状情報に基づいて、空間移動部１２及び角度調整部１３を動作させ、プローブ２０を調査対象Ｋの表面に対し所定の位置及び角度で近接させる。
【００２６】
そして、第１レーザＲ１及び第２レーザＲ２の照射スポットサイズが、例えば２ｍｍ×１０ｍｍであるとした場合、ビームスキャンのオーバーラップ５０％として、空間移動部１２は、調査対象Ｋの表面との間隔を一定に保った状態でプローブ２０を、照射スポットの短辺方向に１ｍｍ間隔でステップ移動させる。
このようにプローブ２０が調査対象Ｋの表面に沿ってステップ移動するのと同時に、表面形状情報に基づき角度調整部１３が動作して、１レーザＲ１及び第２レーザＲ２が調査対象Ｋの表面の法線方向に入射する。
【００２７】
送信レーザ源２３から光ファイバを介して伝送された第１レーザＲ１は、送信レーザヘッド２１から調査対象Ｋに向かって照射される。すると、この第１レーザＲ１の照射スポットを起点として調査対象Ｋの表面及び内部を伝播する超音波が励起される。
【００２８】
他方において、受信レーザ源２４から光ファイバを介して伝送された第２レーザＲ２は、受信レーザヘッド２２から調査対象Ｋに向かって照射されている。そして、この調査対象Ｋの表面を反射する第２レーザＲ２の反射光は、光ファイバを逆方向に伝送し、受信干渉計２５に送られている。
【００２９】
このとき、第１レーザＲ１により励起された超音波のエコーが、第２レーザＲ２の照射スポットに到達したところで、第２レーザＲ２の反射光は、ドップラーシフトによる波長変化を受ける。
そして、受信干渉計２５はこのドップラーシフトによる波長変化の信号を検出し、信号収録器２６はこの検出されたアナログ信号をデジタル信号に変換して蓄積し、画像化器２７はこの蓄積データを画像データに変換し、モニタ３３は欠陥を含む検査対象Ｋの内部画像を表示する。
【００３０】
なお、信号処理部３０は、受信干渉計２５から出力される第２レーザの反射光の強度も計測しており、この計測した反射光の強度情報をフィードバックして、角度調整部１３を再調整する。
また、信号処理部３０は、角度調整部１３の角度情報に基づいて検出されたエコーの強度補正を行い、画像化器２７における画像の高品質化処理を行う。
【００３１】
以上説明したレーザ超音波検査装置１０により、表面形状が複雑な検査対象Ｋの非破壊検査を高速かつ高精度に行うことができる。
【００３２】
（第２実施形態）
図４に示すように、第２実施形態のレーザ超音波検査装置は、第１実施形態における情報蓄積部３４（図２）に代えて、表面計測ヘッド２８と、表面計測部２９とが設けられている。なお、図４において図２と同一又は相当する部分は、同一符号で示し、詳細な説明を省略する。
【００３３】
表面計測部２９は、プローブ２０に設置された表面計測ヘッド２８により、検査対象Ｋの表面形状を計測し、この計測結果に基づいて空間移動部１２及び角度調整部１３の動作信号を発生するものである。これにより、予め検査対象Ｋの表面形状情報を作成することなく、検査対象Ｋの欠陥検査を実施することができる。
なお、表面計測ヘッド２８としては、例えば、図４に示すように、表面形状計測用のレーザ光Ｒ３を検査対象Ｋの表面に照射するものが挙げられるが、そのようなものに限定されるものではなく、例えば超音波式や接触式の距離センサを用いることができる。
【００３４】
（第３実施形態）
図５に示すように、第３実施形態のレーザ超音波検査装置における角度調整部１３は、送信レーザヘッド２１及び受信レーザヘッド２２の角度をそれぞれ個別に調整するようにしたものである。
なお、図５において図１と同一又は相当する部分は、同一符号で示し、詳細な説明を省略する。
【００３５】
第３実施形態のレーザ超音波検査装置においては、空間移動部１２（図１）によりプローブ２０を、検査対象Ｋの表面に近接させる点は、第１実施形態の場合と同じである。
そして、送信レーザヘッド２１及び受信レーザヘッド２２が、個別の位置調整部１６に接続し、それぞれ別々に位置調整できるようになっている。
さらに、送信レーザヘッド２１及び受信レーザヘッド２２は、個別の角度調整部１３に接続し、それぞれ別々に傾き調整できるようになっている。
【００３６】
なお検査対象Ｋとして図５に示す円筒部材を対象にする場合は、角度調整部１３を一つの回動軸１５により一軸調整させて、送信レーザヘッド２１及び受信レーザヘッド２２の傾きを調整することができる。他方、複雑な表面形状を有する検査対象Ｋの場合は、角度調整部１３ｃを二軸調整させて、送信レーザヘッド２１及び受信レーザヘッド２２の傾きを調整する必要がある。
【００３７】
図６（Ａ）は、第１実施形態においてクロストーク防止壁１７を搭載したレーザ超音波検査装置の側面図である。図６（Ｂ）は第３実施形態においてクロストーク防止壁１７を搭載したレーザ超音波検査装置の側面図である。
このように、クロストーク防止壁１７を設けることにより、第１レーザＲ１又は第２レーザＲ２の反射光が、隣接する送信レーザヘッド２１又は受信レーザヘッド２２に干渉するのを防止することができる。
これにより、表面形状が複雑な検査対象Ｋの非破壊検査を高精度で行うことができる。
【００３８】
（第４実施形態）
図７に示すように、第４実施形態のレーザ超音波検査装置は、送信レーザヘッド２１、受信レーザヘッド２２及び角度調整部１３を具備するプローブ２０が前記検査対象に複数配置されている。
これにより、表面形状が複雑な検査対象Ｋの非破壊検査を高速で行うことができる。
【００３９】
本発明は前記した実施形態に限定されるものでなく、共通する技術思想の範囲内において、適宜変形して実施することができる。
例えば、第２レーザＲ２は、複数のビームが照射される場合を示したが、単一ビームである場合も含まれる。また角度調整部１３は、二軸調整により任意方向及び任意斜度の傾斜面を形成するものとしたが、検査対象の形状によっては、一軸調整による傾き調整で充分な場合もある。
【００４０】
また、角度調整部１３は、第１回動軸１５ａ及び第２回動軸１５ｂにより任意方向及び任意斜度の傾斜面を形成するものとしたが、この方式に限定されることはなく、例えば各種アクチュエーターを組み合わせてプローブに接続し傾斜面を変化させるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００４１】
１０…レーザ超音波検査装置、１１…支持部材、１２…空間移動部、１３…角度調整部、１３ａ…第１調整体、１３ｂ…第２調整体、１５…回動軸、１５ａ…第１回動軸、１５ｂ…第２回動軸、１６…位置調整部、１７…クロストーク防止壁、２０…プローブ、２１…送信レーザヘッド、２２…受信レーザヘッド、２３…送信レーザ源、２４…受信レーザ源、２５…受信干渉計、２６…信号収録器、２７…画像化器、２８…表面計測ヘッド、２９…表面計測部、３０…信号処理部、３１…操作端末、３２…制御部、３３…モニタ、３４…情報蓄積部、Ｋ…検査対象、Ｒ１…第１レーザ、Ｒ２…第２レーザ、Ｒ３…表面形状計測用のレーザ光。
【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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