(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
調整された出力のレーザ光を発射するレーザ装置および該レーザ装置が発射するレーザ光が照射され、超音波を発生する送信ダイヤフラムを有する超音波送信部を備え、
該超音波送信部の該送信ダイヤフラムが発生する超音波を被検体に照射して検査を行う超音波検査装置であって、
前記送信ダイヤフラムに照射される前記レーザ光のビーム径の大きさを調整するビーム径調整手段が備えられ、
前記レーザ装置には、それぞれ前記レーザ光を発射し、互いに異なる径を有する複数の光ファイバが備えられ、
前記ビーム径調整手段は、前記複数の光ファイバのいずれを用いるかを選択するものであることを特徴とする超音波検査装置。
【請求項２】
前記送信ダイヤフラムは、チタンで形成されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波検査装置。
【請求項３】
前記送信ダイヤフラムは、アルミニウムで形成されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波検査装置。
【請求項４】
前記送信ダイヤフラムのレーザ入射側は、光学部材によって拘束されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波検査装置。
【請求項５】
前記送信ダイヤフラムのレーザ入射側面に、ゼリー状の粘性物が塗布されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波検査装置。
【請求項６】
調整された出力のレーザ光を発射するレーザ装置と、
該レーザ装置が発射するレーザ光が照射され、超音波を発生する送信ダイヤフラムを有する超音波送信部と、
前記送信ダイヤフラムに照射される前記レーザ光のビーム径の大きさを調整するビーム径調整手段と、を備え、
前記レーザ装置には、それぞれ前記レーザ光を発射し、互いに異なる径を有する複数の光ファイバが備えられ、
前記ビーム径調整手段は、前記複数の光ファイバのいずれを用いるかを選択するものであり、
該ビーム径調整手段によって前記ビーム径の大きさを調整し、
前記送信ダイヤフラムから検査対象の種類、検査種類に対応した強度の超音波を発生させ、
この超音波を被検体に照射して検査を行うことを特徴とする超音波検査方法。
【請求項７】
請求項１から請求項５のいずれかに記載された超音波検査装置を用いて原子力プラントの非破壊検査を行うことを特徴とする原子力プラントの非破壊検査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波検査装置、超音波検査方法および原子力プラントの非破壊検査方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超音波を用いた検査装置は、たとえば、医療、原子力プラント内非破壊検査等で実用化されている。たとえば、超音波探傷試験は比較的簡便に材料内部の欠陥を検出することが可能なため、構造材料の重要部分の検査に使用されて大きな役割を果たしている。超音波探傷試験では、超音波の送信に、たとえば、特許文献１に示されるように圧電素子が用いられている。
この圧電素子は、たとえば、直径２０ｍｍ程度と比較的大きいため、装置が大型となっていた。このため、狭隘部あるいは複雑形状の部材の測定が難しい。また、圧電素子の固有周波数により超音波の周波数帯域が制限されるので、たとえば、部材表面の画像表示等の用途にはあまり適さないという問題があった。
【０００３】
これらの問題点を解消するものとして、たとえば、特許文献２に示されるレーザ超音波法が提案されている。
これは、光ファイバを使いレーザ光を被検体に照射し、このレーザ光で被検査体表面に超音波を励起させ、被検体中を伝わった超音波を受信レーザ光で検出するものである。この超音波の変化を感知することで、欠陥を検出し、受信した超音波の周波数分析をすることで深さの同定も行なえる。
すなわち、超音波発生に細い光ファイバを用いるので、装置が小型化でき、狭隘部あるいは複雑形状の部材の測定に対応できるものである。
【０００４】
また、たとえば、特許文献３に示されるようにレーザ光を用いて超音波を発生させ、この超音波を用いて非破壊検査を行うものが提案されている。
これは、一端が金属板で閉じられ、内部にガスが封入された筒状体内にレーザ光を照射し、内部ガスの熱膨張および金属板の熱応力による変化を発生させ、この変化を外部に伝播させ、超音波を発生するものである。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−２８５８９号公報
【特許文献２】特開２００５−４３１３９号公報
【特許文献３】特許第２９８４３９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特許文献２に示されたものは、レーザ光を被検体に直接照射するので、被検体を劣化、変形させる恐れがあるという問題点がある。
また、これによりレーザ光の強度が制限され、十分な調査が行えない、あるいは、検査対象である被検体の範囲が制限されるという問題点がある。
さらに、レーザ光が通過できないところ、たとえば、高速増殖炉の冷却材であるナトリウム中では、検査することができないという問題がある。
特許文献３に示されるものは、レーザ光が被検体に直接照射されないので、被検体を劣化、変形させることは解決されている。ところで、超音波によって非破壊検査を行うには、超音波の強度を十分に高める必要があるが、特許文献３では、この点について具体的に示されていないので、このままで実施することはできない。
また、被検体の種類、検査種類に対応して最適な強度あるいは指向性を有する超音波を発生でき、検査の多様性に対応できる具体的な態様の超音波検査装置が強く求められている。
【０００７】
本発明は、上記の事情に鑑み、十分な強度の超音波を効率良く発生でき、かつ、広範囲に良好な検査を行い得る超音波検査装置、超音波検査方法および原子力プラントの非破壊検査方法を提供することを目的としている。
また、被検体の種類、検査種類に対応して最適な強度あるいは指向性を有する超音波を発生し、検査の多様性に対応できる超音波検査装置、超音波検査方法および原子力プラントの非破壊検査方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
本発明による超音波検査装置は、調整された出力のレーザ光を発射するレーザ装置および該レーザ装置が発射するレーザ光を照射され、超音波を発生する送信ダイヤフラムを有する超音波送信部を備え、該超音波送信部の該送信ダイヤフラムが発生する超音波を被検体に照射して検査を行う超音波検査装置であって、前記送信ダイヤフラムに照射される前記レーザ光のビーム径の大きさを調整するビーム径調整手段が備えられ、前記レーザ装置には、それぞれ前記レーザ光を発射し、互いに異なる径を有する複数の光ファイバが備えられ、前記ビーム径調整手段は、前記複数の光ファイバのいずれを用いるかを選択するものであることを特徴とする。
また、上記発明では、前記送信ダイヤフラムは、チタンで形成されてもよい。
また、上記発明では、前記送信ダイヤフラムは、アルミニウムで形成されてもよい。
【０００９】
これらの発明によれば、レーザ装置が発射する調整された出力のレーザ光が送信ダイヤフラムに照射されることによって送信ダイヤフラムが超音波を発生し、この超音波を被検体に照射するので、被検体の劣化、変形を防止することができる。
これにより、高出力のレーザ光が取り扱えるので、発生する超音波の強度を強くすることができる。このため、良好な検査を行うことができる。
また、被検体との距離を大きくしても十分な検査が行えるので、指向性を大きくすることができる。これにより、分解能を小さくできるので、検査精度を向上させることができる。
また、本発明者らは、鋭意検討した結果、レーザ光のビーム径の大きさによって指向性が変化すること、および同じエネルギーであっても送信ダイヤフラムが発生する超音波の強度が異なる、すなわち、送信ダイヤフラムの超音波発生モードが異なることを見出した。
すなわち、ビーム径を小さくすると、指向性が高くなる、言い換えると、広い範囲に強度の高い超音波を出力できるので、たとえば、表面を画像化して検査する表面検査に有効となる。一方、ビーム径を大きくすると、指向性が低くなる、言い換えると、強度の高い超音波は限定された範囲に集中して出力されるので、たとえば、内部の欠陥を検査する体積検査に有効となる。
このように、ビーム径調整手段を備えることによって、１台の超音波検査装置で、被検体の種類、検査場所等の変化に対応することができる。また、たとえば、体積検査および表面検査というように、性格の異なる検査、すなわち、ハイブリッドな検査を行うことができる。
また、本発明者らは、鋭意検討した結果、チタン、アルミニウムが高強度の超音波を発生し、送信ダイヤフラムとして有用であることを見出した。また、チタン、アルミニウムで形成された送信ダイヤフラムは、レーザ光により送信ダイヤフラムに入力されるエネルギーに対して他の材料に比べて高強度の超音波を発生することも有用である。このようにエネルギー効率がよいので、十分な強度の超音波を効率良く発生させることができる。
【００１０】
また、上記発明では、前記送信ダイヤフラムのレーザ入射側は、光学部材によって拘束されてもよい。
【００１１】
本発明者らは、鋭意検討した結果、送信ダイヤフラムを光学部材で拘束させることが、発生する超音波の強度を強くすることを見出した。これは、たとえば、次のような現象であると考えられる。
送信ダイヤフラムのレーザ入射側は、光学部材によって拘束されているので、レーザ光が送信ダイヤフラムに照射され変形すると、その変形が光学部材に作用する。そして、送信ダイヤフラムには光学部材からの反力が超音波発生方向に作用するので、送信ダイヤフラムが発生する超音波の強度を強くする。
また、光学部材がレーザ光による送信ダイヤフラムの劣化あるいは損傷を抑制するので、レーザ光の強度を強くして、発生する超音波の強度を強くすることができる。
なお、光学部材としては、サファイア、石英等のガラス、アルミニウムの酸化膜等のセラミックス等が用いられる。
また、光学部材と送信ダイヤフラムとは、接合してもよいし、単に、隣接するように配置させてよい。
【００１２】
また、上記発明では、前記送信ダイヤフラムのレーザ入射側面に、ゼリー状の粘性物が塗布されてもよい。
【００１３】
本発明者らは、鋭意検討した結果、送信ダイヤフラムのレーザ入射側面にゼリー状の粘性物を塗布することによって、発生する超音波の強度が強くなることを見出した。これは、たとえば、次のような現象であると考えられる。
レーザ光が送信ダイヤフラムに照射されることによって送信ダイヤフラムに発生する振動の内、レーザ入射側へ向かう振動がゼリー状の粘性物によって打ち返されるので、それらがレーザ入射側と反対方向、すなわち、超音波発生方向に向かうことになる。このように、超音波発生方向に向かう振動と、反対方向に向かい打ち返された振動と、が重畳されるので、送信ダイヤフラムが発生する超音波の強度を強くする。
また、ゼリー状の粘性物は変形し易いので、送信ダイヤフラムの面に沿って隙間なく密着させることができる。これにより、粘性物はその全面に亘り送信ダイヤフラムの振動を打ち返すことができるので、効率よく超音波発生方向にエネルギーを送ることができる。
なお、ゼリー状の粘性物としては透明であることが好ましい。このようにすると、透明な粘性物はレーザ光の通過を妨げることがないので、レーザ光は送信ダイヤフラムへ多く入射され、発生する超音波の強度を強くできる。
また、ゼリー状の粘性物を塗布する範囲は全面に塗布される必要はなく、少なくともレーザ光が照射される範囲をカバーしているだけでよい。粘性物は、レーザ光が照射される範囲を超え、超音波の発生が大きい部分をカバーするように塗布されるのがより望ましい。
【００１７】
また、本発明による超音波検査方法は、調整された出力のレーザ光を発射するレーザ装置と、該レーザ装置が発射するレーザ光を照射され、超音波を発生する送信ダイヤフラムを有する超音波送信部と、前記送信ダイヤフラムに照射される前記レーザ光のビーム径の大きさを調整するビーム径調整手段と、を備え、前記レーザ装置には、それぞれ前記レーザ光を発射し、互いに異なる径を有する複数の光ファイバが備えられ、前記ビーム径調整手段は、前記複数の光ファイバのいずれを用いるかを選択するものであり、該ビーム径調整手段によって前記ビーム径の大きさを調整し、前記送信ダイヤフラムから検査対象の種類、検査種類に対応した強度の超音波を発生させ、この超音波を被検体に照射して検査を行うことを特徴とする。
【００１８】
本発明によれば、レーザ装置が発射する調整された出力のレーザ光が送信ダイヤフラムに照射されることによって送信ダイヤフラムが超音波を発生し、この超音波を被検体に照射するので、被検体の劣化、変形を防止することができる。
これにより、高出力のレーザ光が取り扱えるので、発生する超音波の強度を強くすることができる。このため、良好な検査を行うことができる。
このとき、ビーム径調整手段によってビーム径の大きさを調整し、送信ダイヤフラムから検査対象の種類、検査種類に対応した強度の超音波を発生させ、この超音波を被検体に照射して検査を行うので、たとえば、表面を画像化して検査する表面検査および内部の欠陥を検査する体積検査という性格の異なる検査、すなわち、ハイブリッドな検査を行うことができる。
【００１９】
また、本発明による原子力プラントの非破壊検査方法は、上述のレーザ光を送信ダイヤフラムに照射しいて十分な強度の超音波を効率良く発生させる超音波検査装置を用いて原子力プラントの非破壊検査を行うことを特徴とする。
【００２０】
このように、レーザ光を送信ダイヤフラムに照射して十分な強度の超音波を効率良く発生させる超音波検査装置を用いているので、レーザ光が通過できないところ、たとえば、高速増殖炉の冷却材であるナトリウム中でも検査することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、レーザ装置が発射するレーザ光が送信ダイヤフラムに照射されることによって送信ダイヤフラムが超音波を発生し、この超音波を被検体に照射するので、被検体の劣化、変形を防止することができる。
これにより、高出力のレーザ光が取り扱えるので、発生する超音波の強度を強くすることができる。このため、良好な検査を行うことができる。
また、ビーム径調整手段を備えることによって、１台の超音波検査装置で、被検体の種類、検査場所等の変化に対応することができる。たとえば、体積検査および表面検査というように、性格の異なる検査、すなわち、ハイブリッドな検査を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の一実施態様にかかる超音波検査装置１について、図１〜図５に基づいて説明する。超音波検査装置１は、高速増殖炉の冷却材であるナトリウム中の部材の超音波探傷を行うもので、内部の状態を検査する体積検査および表面の状態を検査する表面検査を行うものである。
【００２３】
図１は、超音波検査装置１の全体概略構成を示すブロック図である。
超音波検査装置１には、超音波を送受信する検査体３と、超音波送信用のレーザ光を発信するレーザ装置５と、超音波受信用のレーザ光を受発信する受信レーザ部７と、送受信したデータを保管するとともにレーザ装置５および受信レーザ部７の動作を指示するデータ収集装置９と、送受信したデータを処理し、表示するデータ処理・表示装置１１とが備えられている。
【００２４】
受信レーザ部７には、レーザ光を発振するレーザ発振器６と、レーザ光を光ファイバへ導入、導出する光スイッチ８と、送信レーザ光および受信レーザ光を干渉させるレーザ干渉計１０とが備えられている。
【００２５】
図２は、検査体３の概略構成を示す断面図である。
検査体３には、略直方体形状をした箱体である本体１３と、本体の一面の略中央部に取り付けられた円筒形状をし、光ファイバを挿通させる通路部１５と、本体１３の内部に取り付けられた体積検査用超音波送信部（超音波送信部）１７と、表面検査用超音波送信部（超音波送信部）１９と、複数の超音波受信部２１とが備えられている。
【００２６】
体積検査用超音波送信部１７、表面検査用超音波送信部１９および超音波受信部２１は、略円筒形状をし、軸線が本体１３の通路部１５が取り付けられた面に交差する方向になるように本体１３の通路部１５と離れる側に取付けられている。
複数の超音波受信部２１は、略等間隔にマトリックス状（たとえば、１０列×１０行）に設置されている。
体積検査用超音波送信部１７および表面検査用超音波送信部１９は、それぞれ超音波受信部２１群の略中央部に設置されている。
【００２７】
体積検査用超音波送信部１７および表面検査用超音波送信部１９と、レーザ装置５とは、それぞれ光ファイバ２３で連結されている。（図２、３参照）
体積検査用超音波送信部１７および表面検査用超音波送信部１９は略同構造であるので、体積検査用超音波送信部１７について説明する。
レーザ装置５には、レーザ発振器２５と、レーザ光路２７と、レーザ光を光ファイバ２３に導入する、たとえば、光スイッチ等で構成される導入部２９とが備えられている。
【００２８】
レーザ光路２７には、一対のミラー３１、ＮＤフィルタ３３および集光レンズ３５が備えられている。
ＮＤフィルタ３３は、複数のフィルタが交換可能に備えられており、これらを交換することによってレーザ光の光量、すなわち、出力を調節するものである。
集光レンズ３５は、レーザ光路２７に沿って移動可能とされ、光ファイバ２３に入射するレーザ光の径（後述する送信ダイヤフラム３９への入射されるレーザ光の径）をある程度調整できるようにされている。
【００２９】
体積検査用超音波送信部１７には、中空の略円筒形状をした本体３７と、本体３７の一端部に取り付けられた送信ダイヤフラム３９と、耐熱ダンパ４１と、送信ダイヤフラム３９の他端側に設置されこれを支持するバックアップリング４３と、バックアップリング４３の他端側に配置された光ファイバ２３を所定位置関係に設置する連結部材であるフェルール４５と、フェルール４５の他端側に配置され、フェルール４５を押える偏心孔リング４７と、本体３７の他端部の中空部に螺合され、一端側に配置された部材を押える押さえネジ４９と、が備えられている。
体積検査用超音波送信部１７および表面検査用超音波送信部１９は、送信ダイヤフラム３９が本体１３の通路部１５に対向する面に向くように設置されている。
【００３０】
図４は、超音波受信部２１の概略構成を示す断面図である。
超音波受信部２１は略円筒形状をし、一端側に、光スイッチ８と連結される光ファイバ５１が接続されている。超音波受信部２１の他端部には、受信ダイヤフラム５３が取付けられている。
超音波受信部２１は、受信ダイヤフラム５３が本体１３の通路部１５に対向する面に向くように設置されている。
【００３１】
なお、集光レンズ３５に加えて体積検査用超音波送信部１７および表面検査用超音波送信部１９に、図６〜図８に示されるようなビーム径調整手段５５を備えるようにしてもよい。
図６に示される体積検査用超音波送信部１７には、フェルール４５を押さえネジ４９側へ常時付勢する圧縮バネ５７が備えられている。押さえネジ４９を回転させて軸線方向外側に移動させると、フェルール４５が圧縮バネ５７によって押され、押さえネジ４９と同様に軸線方向外側に移動する。反対に押さえネジ４９を回転させて送信ダイヤフラム３９側に移動させると、フェルール４５は圧縮バネ５７の付勢力に抗して送信ダイヤフラム３９側に移動させられる。
これにより、フェルール４５の先端と送信ダイヤフラム３９との間隔が変化することになる。この間隔が変化すると、フェルール４５の先端から発射されるレーザ光の放射角によって送信ダイヤフラム３９に到達するレーザ光のビーム径が変化することになる。
なお、光ファイバ５１の出射端（たとえば、フェルール４５の先端）と送信ダイヤフラム３９との間隔を変化させる構造は図６のものに限らず、適宜構造とすることができる。
【００３２】
図７に示される体積検査用超音波送信部１７には、複数の径の異なる光ファイバ２３が備えられている。径によって光ファイバ２３から発射されるレーザ光のビーム径が異なるので、レーザ装置５で用いる光ファイバ２３を選択することによって送信ダイヤフラム３９に到達するレーザ光のビーム径を変化させることができる。
図８に示される体積検査用超音波送信部１７には、フェルール４５と送信ダイヤフラム３９との間に凸レンズ５９が軸線方向に移動可能に取り付けられている。また、フェルール４５は図６のものと同様に圧縮バネ５７によって押さえネジ４９側に常時付勢されている。
凸レンズ５９を軸線方向に移動させることによってレーザ光の集光状態を変化させ、送信ダイヤフラム３９に到達するレーザ光のビーム径を変化させる。
なお、図８では凸レンズ５９を軸線方向に移動して送信ダイヤフラム３９に到達するレーザ光のビーム径を変化させるようにしているが、これに限定されるものではなく、たとえば、フェルール４５を軸線方向に移動させるようにしてもよいし、凸レンズ５９およびフェルール４５の両者を軸線方向に移動できるようにしてもよい。
【００３３】
送信ダイヤフラム３９にレーザ光が照射されると、送信ダイヤフラム３９は超音波を発生する。
このとき、発生する超音波の強度は、レーザ光出力あるいはレーザ光のエネルギー密度に対応して図５の実線で示されるように変化する。
レーザ光出力あるいはレーザ光のエネルギー密度等が小さいところ（低エネルギー域）では、レーザ光のエネルギーが送信ダイヤフラム３９等の温度の上昇に使われ、発生する超音波の強度が小さい。この部分はサーマルモードと称される。
【００３４】
レーザ光出力あるいはレーザ光のエネルギー密度等がさらに大きくなると、発生する超音波の強度が急激に増加するようになる。この段階では、送信ダイヤフラム３９はレーザ光に侵食される状態となるので、アブレーションモードと称される。
レーザ光出力あるいはレーザ光のエネルギー密度等がさらに大きくなると、送信ダイヤフラム３９への侵食作用が大きくなって一部ガス化し、レーザ光を散乱または吸収するので、レーザ光が送信ダイヤフラム３９へ供給するエネルギー割合が低下することになる。
こうなると、発生する超音波の強度の増加率が小さくなるので、レーザ光のエネルギー効率が低下することになる。この状態はエアブレークダウンモードと称される。
【００３５】
したがって、エネルギー効率および送信ダイヤフラム３９の損傷を考慮し、レーザ光の強度（レーザ光出力あるいはレーザ光のエネルギー密度等）は、アブレーションモードの範囲で、選択される。
【００３６】
送信ダイヤフラム３９の材料、寸法等は、レーザ装置５からのレーザ光の強度、ならびにそれによって発生する超音波の強度および周波数特性を勘案して選択される。また、送信ダイヤフラム３９は、エネルギー効率を向上させるためには、レーザ光の吸収効率の高い材料とすることが好ましい。
【００３７】
このように、送信ダイヤフラム３９の材質、特性が超音波検査装置１の性能に大きな影響を及ぼすので、それらについて検証試験を行なった。
図９は、この検証試験を行なう試験装置を示している。
ＹＡＧレーザを発信するレーザ発振器２５としてコンティウム社製のＳｕｒｅｌｉｔｅ  Ｉ−１０を用いている。レーザ発振器２５が出力するＹＡＧレーザ光は、出力が４００ｍＪ、パルス間隔が１０Ｈｚ、パルス幅が１０ｎｓとした。
水を貯留した水槽６１の一面に備えられた取付部材６３にダイヤフラム供試体６５を取付け、このダイヤフラム供試体６５に、レーザ発振器２５からのレーザ光を当て発生した超音波を受信用圧電素子６７で受け、オシロスコープ６９でその強度を測定する。
【００３８】
ダイヤフラム供試体６５としては、ステンレス（ＳＵＳ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、錫（Ｓｎ）を用いた。ダイヤフラム供試体６５は、直径２５ｍｍで、厚さは０．０５ｍｍの円板である。ＳＵＳについては厚さの影響を見るために厚さ０．０３ｍｍのものも用いた。
また、ダイヤフラム供試体６５として図１０に示される複合材７１も試験した。複合材７１は、厚さ０．０３ｍｍのＳＵＳダイヤフラム（送信ダイヤフラム）７３の一面、すなわち、レーザ光が入射される側の面に、厚さ１ｍｍのサファイアガラスのサファイアダイヤフラム（光学部材）７５を接合したものである。複合材７１は、直径３０ｍｍの円板である。
複合材７１は、ＳＵＳダイヤフラム７３の接合面をＣｒ−Ｎｉ−Ａｕでスパッタリング処理する。一方、サファイアダイヤフラム７５の接合面をメタライズ処理する。そして、ＳＵＳダイヤフラム７３およびサファイアダイヤフラム７５の接合面をＡｕ−Ｓｎハンダにて貼り合わせて形成している。ハンダ層は略２μｍである。
【００３９】
図１１は、レーザ光のビーム径をパラメータとした指向性を示している。なお、指向性の状態をわかり易くするために、信号強度（超音波の強度）は、規準化している。
これを見ると、ビーム径０、５ｍｍの指向性が高く（広い範囲に強度の強い超音波を出力できる）、４ｍｍの指向性が低く（強度の高い超音波は限定された範囲に集中して出力される）なり、２ｍｍはその中間となっている。
すなわち、ビーム径が小さくなるほど指向性が高くなるということが判明した。
これは、ビーム径が小さくなるほど、単位面積当りのアブレーション比率が高いためではないかと推測される。
【００４０】
図１２および図１３は、低エネルギー域（サーマルモード）において入力エネルギーを一定にしてレーザ光のビーム径をパラメータとした信号強度と指向性の関係を示している。
これを見ると、信号強度のトータルは、ビーム径２ｍｍがビーム径４ｍｍよりも大きく、図１２では約４倍、図１３では約２．４倍となっている。
すなわち、入力エネルギーが一定であればビーム径が小さいほど発生する超音波の強度が強く、すなわち、エネルギーの変換効率が高くなる。
【００４１】
図１４および図１５は、単位面積あたりの入力エネルギーを同じにしたときのレーザ光のビーム径をパラメータとした信号強度と指向性の関係を示している。
これを見ると、信号強度のトータルは、ビーム径４ｍｍがビーム径２ｍｍよりも大きく、図１４では約１．３２倍、図１５では約１．１４倍となっている。
すなわち、単位面積当りの入力エネルギーが一定であればビーム径が大きいほど発生する超音波の強度が強く、すなわち、エネルギーの変換効率が高くなる。
このように、レーザ光のビーム径はエネルギー効率に大きな影響を与えることが判明した。
【００４２】
図１６〜図１８は、材料種の違いによる超音波発生強度を比較したものである。図１６はアブレーションモード域（略８０ｍＪ以上）の状態を主として示し、図１７は低アブレーションモード域（５０ｍＪ前後）の状態を示し、図１８はサーマルモード域（２５ｍＪ以下）での状態を示している。
各図で、複合材７１については、測定結果の傾向を一点鎖線で示している。
【００４３】
アブレーションモード域（図１６）では、アルミニウムが最も強い超音波強度（エネルギー変換効率がよい）を示し、次いで、チタン、ＳＵＳが続いている。また、厚さの異なるダイヤフラム供試体６５を試験したＳＵＳにおいて、厚みによる超音波強度の優位差は見出せなかった。
錫は、試験中、ダイヤフラム供試体６５の中央に穴が開いてしまった。錫は柔らかいので、実用には向かないことが判明した。
ＳＵＳ、銅も十分実用的な超音波強度を出せることが判明した。
複合材７１は、アルミニウムの約１．６倍、同一素材であるＳＵＳの約２倍以上の超音波強度が得られ、エネルギー変換効率の高さが実証された。
複合材７１は、３００ｍＪ以上でサファイアガラスの表面が溶けてダメージを受け、急激に超音波強度が低下した。サファイアガラスを用いる複合材７１はこの辺りが使用する上限値となる。
【００４４】
低アブレーションモード域（図１７）では、錫が最も強い超音波強度を示し、次いで、アルミニウム、チタンが続く。
また、ここでは、複合材７１の超音波強度は、錫、アルミニウムと略同等の大きさである。しかし、同一素材であるＳＵＳに対しては約１０倍以上の超音波強度が得られている。
サーマルモード域（図１８）では、錫とチタンとが相対的に良好である。また、複合材７１は、超音波強度が単一素材のものに比べて１０倍程度高くなっている（図１７参照）。
【００４５】
実用的に必要な超音波の強度が得られるアブレーションモード領域において、エネルギー効率が良好な、アルミニウム、チタンは送信ダイヤフラム３９の素材として有用であることがわかった。
また、複合材７１がさらに有用であることがわかった。
これは、ＳＵＳダイヤフラム７３のレーザ入射側は、サファイアダイヤフラム７５によって拘束されているので、レーザ光がＳＵＳダイヤフラム７３に照射され変形すると、その変形がサファイアダイヤフラム７５に作用する。そして、ＳＵＳダイヤフラム７３にはサファイアダイヤフラム７５からの反力が超音波発生方向に作用するので、ＳＵＳダイヤフラム７３が発生する超音波の強度を強くする。
また、サファイアダイヤフラム７５がレーザ光によるＳＵＳダイヤフラム７３の劣化あるいは損傷を抑制するので、レーザ光の強度を強くして、発生する超音波の強度を強くすることができる。
【００４６】
なお、複合材７１は、ＳＵＳダイヤフラム７３とサファイアダイヤフラム７５とをハンダで接合しているが、接合方法はハンダに限らず適宜手段を用いてよいし、接合しないで隣接するように設置するようにしてもよい。サファイアダイヤフラム７５はＳＵＳダイヤフラム７３の動きを拘束するように設置されればよい。
また、複合材７１を構成する光学部材の素材としては、サファイアガラスに限らず、石英ガラス、アルミニウムの酸化膜等のセラミックス等を用いてもよい。
また、ＳＵＳダイヤフラム７３の替わりにアルミニウム、チタン、銅、錫等のダイヤフラムを用いてもよい。
【００４７】
また、送信ダイヤフラム３９は、表面にたとえば、鉄、アルミニウムの酸化膜をコーティングするようにしてもよい。これらの酸化膜は、レーザ光の吸収率を向上できるとともに送信ダイヤフラム３９の劣化、損傷を抑制することができる。
【００４８】
ダイヤフラム供試体６５として図１９に示される構造のものを用いて試験した。ダイヤフラム供試体６５は、たとえば、厚さ０．０２ｍｍのＳＵＳダイヤフラム７３の一面、すなわち、レーザ光が入射される側の面に、粘性体（粘性物）８１を塗布したものである。ＳＵＳダイヤフラム７３は、直径３０ｍｍの円板である。
粘性体８１としては、たとえば、米国のＳＯＮＯＴＥＣＨ  ｉｎｃ．製の「Ｐｙｒｏｇｅｌ  ＧＲ  １００」（商品名）が用いられる。これは、カプラントとして用いられる接触媒質である。この粘性体８１は、グリセリンを主成分とした透明なゼリー状をし、使用温度範囲が−４５．６℃〜４２７℃（−５０°Ｆ〜８００°Ｆ）と広い。また、粘度は、４×１０６ｃｐｓ以上と高く、一旦付着すると容易には流れることはない。
粘性体８１は、レーザ光が照射される範囲を含み、それを超える範囲に亘り手によって略1ｍｍの厚さで塗布されている。
【００４９】
レーザ入力エネルギーが１０ｍＪで、入射されるレーザのビーム径が２ｍｍという条件で、粘性体８１付きのダイヤフラム供試体６５と、粘性体８１が付いていないダイヤフラム供試体６５（厚さ０．０２ｍｍのＳＵＳダイヤフラム７３）とを用い発生する超音波の大きさの時間的推移を試験した。
図２０は、粘性体８１付きのダイヤフラム供試体６５の結果であり、図２１は、ＳＵＳダイヤフラム７３のみの結果である。
これを見ると、粘性体８１付きのダイヤフラム供試体６５では、ＳＵＳダイヤフラム７３のみのものに比べて発生する超音波の強度が２０数倍となるとともに鮮鋭な超音波波形がえられた。
【００５０】
これは、レーザ光がＳＵＳダイヤフラム７３に照射されることによってＳＵＳダイヤフラム７３に発生する振動の内、レーザ入射側へ向かう振動が粘性体８１によって打ち返されるので、それらがレーザ入射側と反対方向、すなわち、超音波発生方向に向かうことになる。このように、超音波発生方向に向かう振動と、反対方向に向かい打ち返された振動と、が重畳されるので、ＳＵＳダイヤフラム７３が発生する超音波の強度は強くなる。
また、粘性体は変形し易いので、ＳＵＳダイヤフラム７３の面に沿って隙間なく密着させることができる。これにより、粘性体８１はその全面に亘りＳＵＳダイヤフラム７３の振動を打ち返すことができるので、効率よく超音波発生方向にエネルギーを送ることができる。
【００５１】
なお、透明な粘性体８１はレーザ光の通過を妨げることがないので、レーザ光はＳＵＳダイヤフラム７３へ多く入射され、発生する超音波の強度を強くできる。
また、粘性体８１を塗布する範囲は全面に塗布される必要はなく、少なくともレーザ光が照射される範囲をカバーしているだけでよい。粘性体８１は、レーザ光が照射される範囲を超え、超音波の発生が大きい部分をカバーするように塗布されるのがより望ましい。
ここでは、送信ダイヤフラム３９としてＳＵＳ製のものについて試験結果を示しているが、これはアルミニュウム、チタン、銅、錫等の材料で構成されているものでも同様に発生する超音波の強度を強くできる。
【００５２】
以上説明した本実施形態にかかる超音波検査装置１の動作について説明する。
検査体３を検査対象となる構造部材（被検体）７７に対向して配置する。構造部材７７の内部のキズ７９を検査する体積検査を行う場合には、体積検査用超音波送信部１７を用いる。
レーザ発振器２５がレーザ光を発振すると、レーザ光はレーザ光路２７を通って導入部２９に入射される。レーザ光は導入部２９で体積検査用超音波送信部１７側の光ファイバ２３を通過できる形に変換される。この変換されたレーザ光が光ファイバ２３を通ってフェルール４５から送信ダイヤフラム３９に照射される。
【００５３】
送信ダイヤフラム３９にレーザ光が照射されると、送信ダイヤフラム３９は超音波を発生する。
【００５４】
このようにして、体積検査用超音波送信部１７の送信ダイヤフラム３９で発生した超音波Ｃは構造部材７７に向けて照射される。
この超音波Ｃは、周波数が２〜５ＭＨｚを主体となるように調整されている。言い換えると、発生する超音波Ｃの周波数は２〜５ＭＨｚが主体となるように、送信ダイヤフラム３９の材質、寸法、レーザ装置５のレーザ光の強度等の条件が設定されている。
【００５５】
構造部材７７に照射された超音波Ｃは、構造部材７７で反射され、検査体３に向かって進み、各超音波受信部２１の受信ダイヤフラム５３を振動させる。このとき、構造部材７７にキズ７９があれば、超音波Ｃはキズ７９で方向を変えられ、受信ダイヤフラム５３の振動の位相が所定の状態からずれることになる。
このとき、受信レーザ部７のレーザ発振器６からレーザ光が発振され、光スイッチ８、光ファイバ５１を介して受信ダイヤフラム５３に照射されている。照射されたレーザ光は受信ダイヤフラム５３に反射され、逆ルートを通ってレーザ干渉計１０に戻される。
【００５６】
受信ダイヤフラム５３が振動しているので、レーザ発振器から出て、レーザ干渉計１０に戻るレーザ光の移動距離が変動することになる。これとレーザ発振器６からの送信レーザ光とを干渉させることによって、変動状態が明確となる。
このデータをデータ収集装置９に保管し、保管されたデータをデータ処理・表示装置１１が処理し、キズ７９の有無、有る場合はその位置等を算出して、表示する。
【００５７】
次に、構造部材７７の表面状況を検査する表面検査を行う場合には、表面検査用超音波送信部１９を用いることになる。
この場合、表面検査用超音波送信部１９の送信ダイヤフラム３９で発生する超音波Ｃは、周波数が１０ＭＨｚを主体となるように調整されている。言い換えると、発生する超音波Ｃの周波数は１０ＭＨｚが主体となるように、送信ダイヤフラム３９の材質、寸法、レーザ装置５のレーザ光の強度等の条件が設定されている。
【００５８】
このように、超音波Ｃの周波数を１０ＭＨｚが主体とするようにすると、超音波Ｃが構造部材７７の内部に深く入らず、表面で反射されるようになるので、表面の状態を検査することができる。
なお、検査動作については、体積検査と同様であるので、ここでは重複した説明を省略する。
このように超音波検査装置１は発生する超音波Ｃの周波数が異なる体積検査用超音波送信部１７および表面検査用超音波送信部１９を備えているので、これらを切換えて用いることによって、体積検査および表面検査という性格の異なる検査、すなわち、ハイブリッドな検査を１台で行うことができる。
このように構造体７７の種類、検査種類に対応して、最適な送信ダイヤフラム３９を備えている超音波検査装置１を用いることで、検査精度、検査効率等を向上させることができる。
【００５９】
このように、レーザ装置５が発射するレーザ光が送信ダイヤフラム３９に照射されることによって送信ダイヤフラム３９が超音波Ｃを発生し、この超音波Ｃを構造部材７７に照射するので、構造部材７７の劣化、変形を防止することができる。
これにより、高出力のレーザ光が取り扱えるので、発生する超音波Ｃの強度を強くすることができる。このため、良好な検査を行うことができる。
また、構造部材７７との距離を大きくしても十分な検査が行えるので、指向角を大きくすることができる。これにより、分解能を小さくできるので、検査精度を向上させることができる。
【００６０】
さらに、レーザ光の送信に光ファイバ２３，５１を用いることによって、体積検査用超音波送信部１７および表面検査用超音波送信部１９を小さくできるので、超音波検査装置１の小型化を図ることができる。
また、検査に超音波Ｃを用いているので、レーザ光が通過できないところ、たとえば、高速増殖炉の冷却材であるナトリウム中でも検査することができる。
【００６１】
また、図６〜図８に示されるようにレーザ光のビーム径を調節するビーム径調整手段５５を備えているものでは、送信ダイヤフラム３９に入射するレーザ光のビーム径を調節する。
たとえば、ビーム径を小さくして指向性を高くすると、表面を画像化して検査する表面検査をすることができる。一方、ビーム径を大きくして指向性を低くすると内部の欠陥を検査する体積検査をすることができる。
このように、ビーム径調整手段５５を備えることによって、体積検査用超音波送信部１７によって体積検査用超音波送信部１７および表面検査用超音波送信部１９の機能を有することになるので、たとえば、表面検査用超音波送信部１９を省略することができる。すなわち、体積検査用超音波送信部１７のみで、体積検査および表面検査というように、性格の異なる検査、すなわち、ハイブリッドな検査を行うことができる。
なお、たとえば、送信ダイヤフラム３９をその面内で凸凹に変形させることによって指向性を変化させることができる。
【００６２】
なお、本発明は本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
たとえば、体積検査用超音波送信部１７および表面検査用超音波送信部１９を同時に備える必要はなく、目的によってはいずれか一方のみを設けるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の一実施形態にかかる超音波検査装置の全体概略構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかる検査体の概略構成を示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態にかかる超音波送信系の概略構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の一実施形態にかかる超音波受信部の概略構成を示す断面図である。
【図５】レーザ強度と発生する超音波の強度との関係を示すグラフである。
【図６】本発明の一実施形態にかかる体積検査用超音波送信部の他の実施態様を示す断面図である。
【図７】本発明の一実施形態にかかる体積検査用超音波送信部の他の実施態様を示す断面図である。
【図８】本発明の一実施形態にかかる体積検査用超音波送信部の他の実施態様を示す断面図である。
【図９】試験装置の概略構成を示すブロック図である。
【図１０】複合材の概略構成を示す断面図である。
【図１１】ビーム径をパラメータとした指向性の相違を示すグラフである。
【図１２】入力エネルギーが一定の条件でビーム径による信号強度の相違を示すグラフである。
【図１３】入力エネルギーが一定の条件でビーム径による信号強度の相違を示すグラフである。
【図１４】単位面積当りの入力エネルギーが一定の条件でビーム径による信号強度の相違を示すグラフである。
【図１５】単位面積当りの入力エネルギーが一定の条件でビーム径による信号強度の相違を示すグラフである。
【図１６】アブレーションモード域における材料種の違いによる超音波発生強度を示すグラフである。
【図１７】低アブレーションモード域における材料種の違いによる超音波発生強度を示すグラフである。
【図１８】サーマルモード域における材料種の違いによる超音波発生強度を示すグラフである。
【図１９】粘性体を付けたダイヤフラム供試体の概略構成を示す断面図である。
【図２０】粘性体を付けたダイヤフラム供試体による超音波発生強度を示すグラフである。
【図２１】粘性体を付けていないダイヤフラム供試体による超音波発生強度を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６４】
１  超音波検査装置
５  レーザ装置
１７  体積検査用超音波送信部
１９  表面検査用超音波送信部
２３  光ファイバ
３９  送信ダイヤフラム
５１  光ファイバ
５３  受信ダイヤフラム
５５  ビーム径調整手段
７１  複合材
７５  サファイアダイヤフラム
７７  構造部材
８１  粘性体
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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