(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検査物体の表面の任意の箇所に配置可能であり、該被検査物体内に、ある一つの振動モードが優勢的であって所定の方向に指向して進行する弾性波を励起する励振源と、
レーザ光源を用いて、前記被検査物体の表面の照明領域にストロボ照明を行う照明部と、
スペックル干渉法又はスペックル・シェアリング干渉法により、前記弾性波の互いに異なる少なくとも3つの位相において前記照明領域内における各点の前後方向の変位を一括測定する変位測定部と、
前記変位測定部で測定された変位に基づいて、前記弾性波の反射波及び散乱波のいずれか一方又は両方を検出する反射波・散乱波検出部と
を備えることを特徴とする欠陥検出装置。
【請求項２】
前記励振源が、
被検査物体の表面に接触させる接触部が複数、等間隔に並ぶ接触子と、
該間隔と同じ長さの波長の弾性波が被検査物体に生成される場合における該弾性波の周波数と同じ周波数の振動を該接触部に付与する振動付与部と
を備えることを特徴とする請求項１に記載の欠陥検出装置。
【請求項３】
前記接触部が前記振動付与部よりも被検査物体との音響インピーダンスの差異が小さい材料から成ることを特徴とする請求項２に記載の欠陥検出装置。
【請求項４】
前記複数の接触部のうち隣接する２個の接触部の間に第２接触部を備え、
前記振動付与部が前記接触部と前記第２接触部の間で互いに180°異なる位相で振動を付与するものである
ことを特徴とする請求項２に記載の欠陥検出装置。
【請求項５】
前記励振源が、
被検査物体の表面に接触する接触面を有する接触部と、
該接触面に対して傾斜した方向に伝播し、被検査物体中で発生し得る振動モードの波長と一致する波長の弾性波を該接触部内に励起する振動を該接触部に付与する振動付与部と
を備えることを特徴とする請求項１に記載の欠陥検出装置。
【請求項６】
前記接触部が前記振動付与部よりも被検査物体との音響インピーダンスの差異が小さい材料から成ることを特徴とする請求項５に記載の欠陥検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンクリートや鉄鋼構造物等の物体の欠陥を検出する欠陥検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
コンクリートや鉄鋼構造物等の物体の表面及び内部の欠陥を検出する技術の一つに、レーザ超音波法がある。これは、被検査物体中に弾性波の振動を励起し、その状態で被検査物体にレーザ光を照射して反射光をレーザ干渉計で検出することによりその表面変位を測定するものである。振動による表面変位が欠陥の箇所で不連続に変化することから、表面変位の分布を測定することにより欠陥を検出することができる。しかし、この方法では、レーザ干渉計の検出用レーザ（プローブレーザ）が点状であるため、被検査物体の検査領域全体に亘ってスキャンする必要があり、時間がかかるという問題がある。【０００３】
これを改良した技術として、スペックル干渉法又はスペックル・シェアリング干渉法を用いた欠陥検出方法が提案されている。スペックル干渉法は、レーザ光源からのレーザ光を照明光と参照光に分岐させ、照明光を用いて検査領域にストロボ照明を行い、照明光が検査領域内における被検査物体の表面の各点で反射した光と参照光による干渉パターンを得るものである。スペックル・シェアリング干渉法は、レーザ光源からのレーザ光を用いて（参照光は分岐させない）検査領域にストロボ照明を行い、該検査領域内の被検査物体の表面において近接する2点から反射してくる光による干渉パターンを得るものである。これらの欠陥検出方法では、被検査物体に弾性波を入力し、入力する前と後でそれぞれ干渉パターンの画像をCCDカメラ等で撮影して、それら2枚の画像から検査領域の前後方向（面外方向）の変位又は相対的変位の分布を算出する。欠陥の箇所では変位又は相対的変位が不連続になることから、検査領域内に存在する欠陥を検出することができる。しかし、これらの方法では弾性波の或る1つの状態しか見ないため、弾性波の波長が検査領域よりも小さい場合には、欠陥がたまたま波の振幅が大きい部分にあれば検出が容易であるものの、振幅が小さい部分に存在する場合には検出が困難となる。すなわち、検査領域内の場所によって欠陥検査能に差異が生じることになる。【０００４】
それに対して特許文献１には、スペックル干渉法又はスペックル・シェアリング干渉法を用いた欠陥検出方法において、被検査物体に弾性波の連続波を励起しつつ、その連続波の互いに異なる少なくとも3つの位相において各点の変位（スペックル干渉法）又は近接2点間の相対的変位（スペックル・シェアリング干渉法）を測定することが記載されている。これにより、検査領域の差し渡しの大きさと弾性波の波長の関係に関わらず、検査領域のいずれの場所においても弾性波の全振動状態を再現することができ、検査領域内の場所に依ることなく欠陥を精度良く検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開2017-219318号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の欠陥検出方法では、被検査物体の表面において反射される光の干渉光を外部から観察するため、被検査物体にその表面を覆う何らかの部材（例えば橋梁やトンネル等が被検査物体である場合に、それらに設置される補強部材等。以下、これらを遮蔽部材と呼ぶ。）が設けられていると、当該遮蔽部材で覆われた部分に存在する欠陥は検出することができない。【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、被検査物体のうち、外部から観察可能な範囲内だけではなく、外部から観察可能な範囲外にある欠陥をも検出することができる欠陥検出装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために成された本発明に係る欠陥検出装置は、
被検査物体の表面の任意の箇所に配置可能であり、該被検査物体内に、ある一つの振動モードが優勢的であって所定の方向に指向して進行する弾性波を励起する励振源と、
レーザ光源を用いて、前記被検査物体の表面の照明領域にストロボ照明を行う照明部と、
スペックル干渉法又はスペックル・シェアリング干渉法により、前記弾性波の互いに異なる少なくとも3つの位相において前記照明領域内における各点の前後方向の変位を一括測定する変位測定部と、
前記変位測定部で測定された変位に基づいて、前記弾性波の反射波及び散乱波のいずれか一方又は両方を検出する反射波・散乱波検出部と
を備えることを特徴とする。【０００９】
本発明に係る欠陥検出装置では、励振源を被検査物体の任意の箇所に配置し、該励振源から該被検査物体内に、ある一つの振動モードが優勢的であって所定の方向に指向して進行する弾性波を励起する。被検査物体内のうち該弾性波が進行する方向に欠陥が存在すると、該欠陥で弾性波が反射又は散乱した、反射波や散乱波が生成される。従って、励振源の位置及び弾性波の進行する方向のいずれか一方又は両方を移動させてゆくと、弾性波が進行する方向に欠陥が存在する場合にのみ、欠陥での反射波や散乱波が生成される。ここで、複数の振動モードの弾性波が混在したり、所定の方向以外に進行する弾性波成分が存在したりすると、反射波や散乱波の検出が困難になる。そこで本発明に係る欠陥検出装置では、このような励振源の位置又は／及び弾性波進行方向の移動を行って、ある一つの振動モードが優勢的であって所定の方向に指向して進行する弾性波を励起しつつ、照明部により照明領域にストロボ照明を行い、変位測定部によってスペックル干渉法又はスペックル・シェアリング干渉法を用いて該照明領域内における各点の前後方向（照明部に近づく、又は照明部から遠ざかる方向）の変位を一括測定する。その際、変位測定部が各点の前後方向の変位を互いに異なる少なくとも3つの位相において測定することにより、照明領域の各点における弾性波の全振動状態を再現する。ここで照明領域としては、被検査物体の全表面でもよいが、その一部でもよい。被検査物体の表面の一部が遮蔽部材により遮蔽されている場合には、照明領域は当然、その遮蔽領域を除いた部分（の全部又は一部）となる。こうして照明領域内における各点の前後方向の変位を一括測定し、該変位より、各点の振動の振幅や位相を求める。そして、反射波・散乱波検出部において各点の振動の振幅や位相の値に基づき画像を作成し、作成した画像に対して画像処理技術を用いるか、又は検査者が画像を目視することによって反射波及び／又は散乱波を検出する。欠陥の位置は、励振源の位置及び弾性波の進行方向と、反射波及び／又は散乱波の進行方向から、特定することができる。照明領域内では、励振源からの弾性波や、該弾性波が被検査物体の端部等で反射した反射波も観測されるが、それら端部等の位置が既知であれば、それらの波と、欠陥で生じる反射波及び／又は散乱波を区別することが可能である。
【００１０】
本発明に係る欠陥検出装置によれば、照明領域外に欠陥が存在する場合にも、該欠陥で反射又は散乱されて照明領域を進行する反射波又は散乱波を該照明領域内で測定することにより、該欠陥を検出することができる。これにより、遮蔽部材で覆われている箇所等の、外部から観察可能な範囲外にある欠陥をも検出することができる。【００１１】
変位測定部では、前述のように前後方向の変位をスペックル干渉法又はスペックル・シェアリング干渉法を用いて測定するが、そのうちのスペックル・シェアリング干渉法は、或る点の変位を測定するための2つの光がほぼ同じ光路を通過するため、測定光と参照光が異なる所を通過するスペックル干渉法よりも、通過環境の相違による環境外乱を受け難いという特長を有する。また、反射波及び／又は散乱波の波形を求めるために最低限必要な位相の数は3であるが、測定を行う位相の数を3よりも多くすることで、得られる波形の精度をより一層高くすることができる。【００１２】
前記励振源には、以下の2つの例のものを好適に用いることができる。【００１３】
第１の例の励振源は、被検査物体の表面に接触させる接触部が複数、等間隔に並ぶ接触子と、該間隔と同じ長さの波長の弾性波が被検査物体に生成される場合における該弾性波の周波数と同じ周波数の振動を該接触部に付与する振動付与部とを備えるものである。このような接触子を被検査物体の表面に接触させたうえで、接触子に振動付与部から振動を付与することにより、接触部が並ぶ方向に指向し、被検査物体の表面に沿って進行する弾性波を生成することができる。【００１４】
また、接触子の間隔と、被検査物体に生成される弾性波の波長が一致しているため、被検査物体を強く励振することができ、弾性波の振幅を大きくすることができる。このように弾性波の振幅を大きくすることにより、欠陥を高感度に検出することができる。【００１５】
第１の例の励振源において、等間隔に並ぶ複数の接触部同士の間は空間であってもよいが、前記複数の接触部のうち隣接する２個の接触部の間に第２接触部を備え、前記振動付与部が前記接触部と前記第２接触部の間で互いに180°異なる位相で振動を付与するものとすることが望ましい。これにより、被検査物体の表面に生成される弾性波の空間位相に合わせて、接触部と第２接触部の双方から振動を被検査物体の表面に付与することができるため、弾性波の強度を大きくすることができる。【００１６】
第２の例の励振源は、被検査物体が板状のものである場合に使用するものであって、被検査物体の表面に接触する接触面を有する接触部と、該接触面に対して傾斜した方向に伝播し、被検査物体中で発生し得る振動モードの波長と一致する波長の弾性波を該接触部内に励起する振動を該接触部に付与する振動付与部とを備える。このような励振源を用いて板状の被検査物体を励振すると、板状の被検査物体の板面に平行な方向に進行する弾性波が生成される。また、この振動付与部は、被検査物体中で発生し得る振動モードの波長と一致する波長の弾性波を励起することにより、波長が短い弾性波であっても振幅を大きくすることができ、欠陥を高感度に検出することができる。【００１７】
第１の例の励振源において、前記接触部は前記振動付与部よりも被検査物体との音響インピーダンスの差異が小さい材料から成ることが望ましい。また、第１の例の励振源が前記第２接触部を備える場合には、該第２接触部が前記振動付与部よりも被検査物体との音響インピーダンスの差異が小さい材料から成ることが望ましい。第２の例の励振源においても第１の例の励振源と同様に、前記接触部は前記振動付与部よりも被検査物体との音響インピーダンスの差異が小さい材料から成ることが望ましい。これにより、被検査物体を励振させる効率を高くすることができ、弾性波の振幅を大きくすることができる。【００１８】
第１又は第２の例の励振源を用いて板状の被検査物体を励振すると、ラム波と呼ばれる弾性波が生成される。ラム波は、伝播方向に垂直な方向と平行な方向の双方の振動成分を有する、縦波と横波が混在した波であって、周波数によって位相速度が変化するという速度分散性を有し、且つ、周波数と位相速度の関係が異なる複数の振動モードを取り得るという特徴を有する。そのため、被検査物体の材質により定まる音速が速い場合にも、被検査物体を励振させる効率を低下させることなく、周波数が高い振動モードを選択することができ、被検査物体内の弾性波の波長を短くすることができる。このように、被検査物体内の弾性波の波長を短くすることにより、小さい欠陥であっても弾性波を反射又は散乱させることができ、より確実に欠陥を検出することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る欠陥検出装置により、被検査物体のうち、外部から観察可能な範囲内だけではなく、外部から観察可能な範囲外にある欠陥をも検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る欠陥検出装置の第１実施形態を示す概略構成図。
【図２Ａ】第１実施形態の欠陥検出装置で用いる励振源の一例を示す縦断面図。
【図２Ｂ】第１実施形態の欠陥検出装置で用いる励振源の変形例を示す縦断面図。
【図３】第１実施形態の欠陥検出装置の動作を示すフローチャート。
【図４Ａ】第１実施形態の欠陥検出装置で用いる励振源の一例の動作を示す概略図。
【図４Ｂ】第１実施形態の欠陥検出装置で用いる励振源の変形例の動作を示す概略図。
【図５】第１実施形態の欠陥検出装置で行う欠陥検査の原理を説明するためのグラフ。
【図６】照明領域内で観察される弾性波の一例を示す概略図。
【図７Ａ】本発明に係る欠陥検出装置の第２実施形態を示す概略構成図。
【図７Ｂ】第２実施形態の欠陥検出装置で用いる励振源の一例を示す縦断面図。
【図８】第２実施形態の欠陥検出装置で用いる励振源の動作を示す概略図。
【図９】板厚10mmの鋼板に生成されるラム波の周波数と位相速度の関係を示す分散曲線。
【図１０】第２実施形態における銅製の接触子を用いた場合の、振動の周波数と入射角の関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１〜図１０を用いて、本発明に係る欠陥検出装置の実施形態を説明する。
【００２２】
(1) 第１実施形態
(1-1) 第１実施形態の欠陥検出装置の構成
図１は、第１実施形態の欠陥検出装置１０の概略構成図である。この欠陥検出装置１０は、励振源１１、信号発生器１２、パルスレーザ光源１３、照明光レンズ１４、スペックル・シェアリング干渉計１５、反射波・散乱波検出部１６、制御部１７、及び記憶部１８を備える。
【００２３】
励振源１１は、図２Ａに示すように、接触子１１１と、振動付与部１１２を有する。接触子１１１は、接触部１１１１と基部１１１３を有する。接触部１１１１は、被検査物体と同じ材料、又は振動付与部１１２よりも被検査物体の材料のものに近い音響インピーダンスを有する材料から成るものを用いることが望ましい。本実施形態では、鋼板を被検査物体Ｓとし、接触部１１１１の材料には鉄を用い、振動付与部１１２にはセラミックス製のものを用いる。接触子１１１に用いた鉄の音響インピーダンスの値は、振動付与部１１２のセラミックスの値よりも被検査物体Ｓの鋼の値に近い。
【００２４】
接触部１１１１は、断面が長方形又は正方形である棒状の形状を呈しており、長手方向（図２Ａの紙面に垂直な方向）に垂直な方向（図２Ａの左右方向）に複数個、等間隔に並んでいる。基部１１１３は接触部１１１１と同じ材料からなる1個の直方体状の部材である。接触部１１１１の4つの面（断面の長方形又は正方形の1辺を含む）のうちの1つの面は被検査物体Ｓの表面に接触させる接触面１１３１であり、接触面１１３１に対向する面は基部１１１３の1つの面に接している。実際には、接触部１１１１と基部１１１３は一体のものとして形成されている。隣接する接触部１１１１同士の間は、この例の接触子１１１では空間（空気）である。隣接する接触部１１１１同士の間隔は、本実施形態では8mmとする。この間隔は、被検査物体である鋼板内に生成される周波数360kHz（後述）の弾性波の波長に合わせるように定めた。
【００２５】
なお、隣接する接触部１１１１同士の間は、前述のように空間（空気）とする代わりに、図２Ｂに示す変形例の励振源１１Ａにおける接触子１１１Ａのように、第２接触部１１１２が設けられていてもよい。第２接触部１１１２は、接触部１１１１とは異なる材料である錫から成る。音波（振動）が伝播する速度が接触部１１１１の材料である鉄（縦波の速度5950m/s）と第２接触部１１１２の材料である錫（同3230m/s）で異なることから、接触部１１１１及び第２接触部１１１２の高さ（基部１１１３と接触面１１３１の距離）を9.8mmとし、周波数を360kHzとしたときに、接触部１１１１の接触面１１３１と第２接触部１１１２の接触面１１３２には互いに180°異なる位相（逆位相）で音波が到達する。これにより、隣接する接触部１１１１の接触面１１３１同士の間に、第２接触部１１１２の接触面１１３２から逆位相の振動が付与されるため、被検査物体に生成される弾性波の強度を大きくすることができる。この弾性波は、被検査物体Ｓである鋼板の板厚が10mmである場合に、A0モードと呼ばれる振動モードのラム波となる。このA0モードが、優勢的である「ある一つの振動モード」（前述）に該当する。
【００２６】
振動付与部１１２は圧電素子から成り、接触子１１１の基部１１１３のうち接触部１１１１と接触する面に対向する面に接触している。振動付与部１１２はケーブルで信号発生器１２に接続されている。信号発生器１２は、所定の周波数の交流電気信号を発生させて励振源１１の振動付与部１１２に送信するものである。本実施形態では、この周波数を前述のように360kHzとする。この交流電気信号により、振動付与部１１２は前記所定の周波数で振動して接触部１１１１に振動を付与し、接触部１１１１を通して接触面１１３１（接触子１１１Ａを用いる場合には接触面１１３１及び１１３２）に接触させ被検査物体Ｓの表面に振動が伝播する。
【００２７】
信号発生器１２はまた、振動付与部１１２と接続するケーブルとは別のケーブルでパルスレーザ光源１３にも接続されており、前記交流電気信号が所定の位相となるタイミングで該パルスレーザ光源１３にパルス状の電気信号（パルス信号）を送信する。前記所定の位相、及びそれにより定まる前記タイミングは、欠陥検査を行う間に後述のように変更される。パルスレーザ光源１３は、信号発生器１２からパルス信号を受けたときに、パルスレーザ光を出力する光源である。照明光レンズ１４はパルスレーザ光源１３と被検査物体Ｓの表面の間に配置されており、凹レンズから成る。照明光レンズ１４は、パルスレーザ光源１３からのパルスレーザ光を被検査物体Ｓの表面の照明領域Ｌの全体に拡げる役割を有する。照明領域Ｌは、本実施形態では、被検査物体Ｓの表面のうち、照明光レンズ１４から障害物（遮蔽部材）Ｂによって隠れている部分を除いた領域とする。障害物Ｂとしては、例えば前述の補強部材が挙げられる。これらパルスレーザ光源１３及び照明光レンズ１４は、前述の照明部に該当する。
【００２８】
スペックル・シェアリング干渉計１５は前述の変位測定部に相当し、ビームスプリッタ１５１、第１反射鏡１５２１、第２反射鏡１５２２、位相シフタ１５３、集光レンズ１５４及びイメージセンサ１５５を有する。ビームスプリッタ１５１は、被検査物体Ｓの表面の照明領域Ｌで反射した照明光が入射する位置に配置されたハーフミラーである。第１反射鏡１５２１はビームスプリッタ１５１で反射される照明光の光路上に配置されており、第２反射鏡１５２２はビームスプリッタ１５１を透過する照明光の光路上に配置されている。位相シフタ１５３は、ビームスプリッタ１５１と第１反射鏡１５２１の間に配置されており、該位相シフタ１５３を通過する光の位相を変化（シフト）させるものである。イメージセンサ１５５は、ビームスプリッタ１５１で反射された後に第１反射鏡１５２１で反射されてビームスプリッタ１５１を透過する照明光、及びビームスプリッタ１５１を透過した後に第２反射鏡１５２２で反射されてビームスプリッタ１５１で反射される照明光の光路上に配置されている。集光レンズ１５４は、ビームスプリッタ１５１とイメージセンサ１５５の間に配置されている。
【００２９】
第１反射鏡１５２１は、その反射面がビームスプリッタ１５１の反射面に対して45°の角度になるように配置されている。それに対して第２反射鏡１５２２は、その反射面がビームスプリッタ１５１の反射面に対して45°からわずかに傾斜した角度になるように配置されている。これら第１反射鏡１５２１及び第２反射鏡１５２２の配置により、イメージセンサ１５５では、被検査物体Ｓの表面上のある点Ｐ１及び第１反射鏡１５２１で反射される照明光（図１中の一点鎖線）と、該表面上の点Ｐ１からわずかにずれた位置にある点Ｐ２及び第２反射鏡１５２２で反射される照明光（同・破線）は、イメージセンサ１５５の同じ位置に入射して干渉する。イメージセンサ１５５は検出素子を多数有しており、被検査物体Ｓの表面上の多数の点（前記の点Ｐ１）から第１反射鏡１５２１及び位相シフタ１５３を通してイメージセンサ１５５に入射する光を、それぞれ異なる検出素子で検出する。前記の点Ｐ２についても同様に、多数の点から第２反射鏡１５２２を通してイメージセンサ１５５に入射する光を、それぞれ異なる検出素子で検出する。
【００３０】
反射波・散乱波検出部１６は後述のように、イメージセンサ１５５で検出した光に基づいて照明領域Ｌの各点における弾性波の振動状態（振幅及び位相）を求め、その振動状態に基づいて欠陥Ｄでの反射波及び／又は散乱波を検出する。
【００３１】
制御部１７は、信号発生器１２を制御すると共に、イメージセンサ１５５の各検出素子から得られる検出信号に基づいてデータ処理を行う。記憶部１８は、イメージセンサ１５５の各検出素子から得られる検出信号や、制御部１７による処理後のデータを記憶する。
【００３２】
(1-2) 第１実施形態の欠陥検出装置の動作
以下、図３〜図６を用いて、欠陥検出装置１０の動作を説明する。図３は欠陥検出装置１０の動作を示すフローチャート、図４Ａ及び図４Ｂは励振源１１及び１１Ａの動作を示す概略図、図５は欠陥検出装置１０で行う欠陥検査の原理を説明するためのグラフ、図６は照明領域Ｌ内で観察される弾性波の一例を示す概略図である。
【００３３】
本実施形態では、励振源１１の振動の位相が異なる、mmax≧3回の表面変位の測定を行う。ここで「励振源１１の振動の位相」は、信号発生器１２から励振源１１に送信される交流電気信号の位相であり、被検査物体Ｓの表面の、ある１点における弾性波の位相に相当する。当該１点以外の被検査物体Ｓの表面上の各点では、時間に依らず、当該１点の位相から所定の大きさだけずれた位相となる。以下では、各回の表面変位の測定を、数値k（1〜mmaxの間のいずれかの自然数）を用いて「k回目の測定」と表す。また、以下の説明では、まずは最も単純な例としてmmax=3である場合について全てのステップを説明し、その後、mmaxがさらに大きな数である場合について説明する。
【００３４】
まず、kの初期値を1に設定し（ステップＳ１）、信号発生器１２から励振源１１に交流電気信号を送信することにより、励振源１１の接触子１１１から被検査物体Ｓへの振動の付与を開始する（ステップＳ２）。
【００３５】
ここで、被検査物体Ｓへの振動の付与は、まず、励振源１１の振動付与部１１２を構成する圧電素子が交流電気信号を受けて振動し、振動付与部１１２の振動が複数の接触部１１１１の各々を介して被検査物体Ｓに同位相で伝達することにより行われる。励振源１１では複数の接触部１１１１が前述のように被検査物体Ｓに生成される弾性波の波長に合わせた等間隔で並んでいることにより、被検査物体Ｓには、当該波長を有し複数の接触部１１１１の並ぶ方向に指向した弾性波が生成される（図４Ａ）。なお、図４Ａ中では接触部１１１１の振動の波及び被検査物体Ｓに生成される弾性波を横波のように描いているが、実際にはそれらの波は縦波である。
【００３６】
励振源１１Ａを用いた場合には、図４Ｂに示すように、振動付与部１１２から接触部１１１１を介して被検査物体Ｓの表面に伝達する振動と、振動付与部１１２から第２接触部１１１２を介して被検査物体Ｓの表面に伝達する振動の位相が180°異なる。これにより、励振源１１と比較すると、被検査物体Ｓに生成される弾性波の波長は同じである一方、接触部１１１１と第２接触部１１１２の双方から振動が伝達することによって、弾性波の強度は大きくなる。
【００３７】
このように被検査物体Ｓに弾性波が生成されている状態で、励振源１１の振動の位相が、所定の初期値φ0（例えばφ0=0）を用いて[φ0+2π(k-1)/mmax]で表されるタイミング毎に、信号発生器１２は、パルスレーザ光源１３にパルス信号を送信する。この段階ではk=1であるため、パルス信号が送信されるときの励振源１１の振動の位相はφ0である。パルスレーザ光源１３はパルス信号を受ける毎にパルスレーザ光である照明光を繰り返し出力する。この照明光は、照明光レンズ１４により拡径され、被検査物体Ｓの表面の照明領域Ｌの全体に照射される（ステップＳ３）。
【００３８】
照明光は照明領域Ｌ内の被検査物体Ｓの表面で反射され、スペックル・シェアリング干渉計１５のビームスプリッタ１５１に入射する。その照明光の一部はビームスプリッタ１５１で反射され、位相シフタ１５３を通過した後に第１反射鏡１５２１で反射され、再度位相シフタ１５３を通過した後に一部がビームスプリッタ１５１を通過し、イメージセンサ１５５に入射する。また、ビームスプリッタ１５１に入射した照明光の残りは、ビームスプリッタ１５１を透過して第２反射鏡１５２２で反射され、一部がビームスプリッタ１５１で反射されてイメージセンサ１５５に入射する。イメージセンサ１５５では、被検査物体Ｓの表面上の多数の点で反射される照明光をそれぞれ異なる検出素子で検出する。
【００３９】
位相シフタ１５３は、パルスレーザ光である照明光が繰り返し出力されている間に、該位相シフタ１５３を通過する照明光（すなわち、点Ｐ１で反射された照明光）の位相を変化（シフト）させてゆく。これにより、点Ｐ１で反射された照明光と点Ｐ２で反射された照明光の位相差が変化してゆき、この変化の間に、イメージセンサ１５５の各検出素子はこれら2つの照明光が干渉した干渉光の強度を検出してゆく（ステップＳ４）。図５の上段の図に、励振源１１の振動の位相がφ0であるときに得られる、位相シフタ１５３による位相のシフト量と、イメージセンサ１５５の検出素子で検出される干渉光の強度の一例をグラフで示す。なお、図５において、検出強度が位相シフト量に対して正弦波状に変化する関係が連続的な曲線で示されているが、実際に観測されるのは離散的なデータであり、観測されたデータから最小二乗法等により上記の連続的な正弦波形を再現する。そのためには、少なくとも3つの異なる位相シフト量での強度を検出する必要がある。
【００４０】
続いて、ステップＳ５において、kの値がmmaxに達しているか否かを確認する。この段階では未だk=1であってmmax(この例では3)に達していないため、ステップＳ５での判定は「NO」となる。「NO」のときにはステップＳ６に進み、kの値を1だけ増加させて「2」とする（ステップＳ５での判定が「YES」の場合については後述）。
【００４１】
次に、ステップＳ３に戻り、励振源１１の振動の位相が[φ0+2π(k-1)/mmax]においてk=2、すなわち[φ0+2π/3]≡φ1であるタイミング毎に、信号発生器１２はパルスレーザ光源１３にパルス信号を送信し、パルスレーザ光源１３は該パルス信号を受信したタイミングで被検査物体Ｓの表面にパルスレーザ光である照明光を繰り返し照射する。そして、位相シフタ１５３により点Ｐ１で反射された照明光の位相を少なくとも3つの値に変化（シフト）させつつ、イメージセンサ１５５の各検出素子は点Ｐ１で反射されて位相シフタ１５３等を通過した照明光と点Ｐ２で反射された照明光の干渉光の強度を検出してゆく（ステップＳ４）。
【００４２】
図５の中段の図に、励振源１１の振動の位相がφ1であるときに得られる、位相シフタ１５３による位相のシフト量と、イメージセンサ１５５の検出素子で検出される干渉光の強度をグラフで示す。この図５の中段の図と前出の図５の上段の図を対比すると、干渉光の強度のピーク位置が両者でδφ1-δφ0だけずれている。このずれは、点Ｐ１からの光と点Ｐ２からの光の位相差が、検出時の励振源１１の振動の位相の相違により変化したことを示している。この光路の位相差の変化は、点Ｐ１と点Ｐ２の面外方向の相対的な変位が変化していることを示している。
【００４３】
このようにk=2におけるステップＳ４の操作を実行した後、ステップＳ５では未だmmax(=3)に達していないため「NO」と判定し、ステップＳ６においてkの値を1だけ増加させて「3」とする。その後、ステップＳ３に戻り、交流電気信号の位相が[φ0+2π(k-1)/mmax]においてk=3、すなわち[φ0+4π/3]≡φ2であるタイミング毎に、パルスレーザ光源１３が被検査物体Ｓの表面にパルスレーザ光である照明光を繰り返し照射し、イメージセンサ１５５の各検出素子は干渉光の強度を検出してゆく（ステップＳ４）。こうして、図５の下段の図に示すように、交流電気信号の位相がφ2であるときの位相シフタ１５３による位相のシフト量と干渉光の強度の関係が得られる。
【００４４】
その後、ステップＳ５では、kの値が3であってmmaxに達しているため「YES」と判定し、ステップＳ７に移る。ステップＳ７では、信号発生器１２から励振源１１への交流電気信号の送信を停止し、それにより励振源１１の振動を停止させる。
【００４５】
次に、ステップＳ８及びＳ９において、反射波・散乱波検出部１６は以下の操作によって、照明領域Ｌの各点における弾性波の振動状態（振幅及び位相）を求める。まず反射波・散乱波検出部１６は、イメージセンサの各検出素子につき、各振動の位相φ0、φ1、及びφ2においてそれぞれ、位相シフタ１５３による位相のシフト量を変化させた間に検出素子の出力が最大となる最大出力位相シフト量δφ0、δφ1、δφ2を求める（図５の各グラフ参照）。また、反射波・散乱波検出部１６は、振動の位相が異なる最大出力位相シフト量の差(δφ1-δφ0)、(δφ2-δφ1)、及び(δφ0-δφ2)を求める（ステップＳ８）。これら3つの最大出力位相シフト量の差は、点Ｐ１と点Ｐ２の面外方向の相対的な変位を、励振源１１の振動の位相が異なる（すなわち時間が異なる）2つのデータで3組示している。これら3組の相対的な変位に基づいて、反射波・散乱波検出部１６は、照明領域Ｌの各点における振動の振幅、振動の位相、及び振動の中心値（DC成分）、という3つのパラメータの値を求める（ステップＳ９）。
【００４６】
反射波・散乱波検出部１６は、こうして得られた各点の振動の振幅、位相及び中心値から、ある時刻における各点の前後方向の変位の値を求め、その変位の値に基づいて、照明領域Ｌ内に形成された弾性波を表す画像を作成する（ステップＳ１０）。例えば、各点の変位の値に応じて、その点に対応する画素の輝度を変更することで、弾性波を表すことができる。
【００４７】
ステップＳ１１では、反射波・散乱波検出部１６は、こうして作成した画像２０を解析することにより、以下のように欠陥Ｄを検出する。画像２０には、例えば図６に示す弾性波が表れる。まず、励振源１１から発振された弾性波（発振波２１）が、励振源１１が有する複数の接触部１１１１の並ぶ方向に指向した波として画像２０に表れる。この発振波２１が被検査物体Ｓの端部で反射された反射波（端部反射波２２）もまた、画像２０に表れる。これら発振波２１及び端部反射波２２は、被検査物体Ｓ中の欠陥Ｄの有無に関わらず表れる。なお、図６では、発振波２１と端部反射波２２が重ならないように、発振波２１は被検査物体Ｓの端部の面に対して非垂直な方向を指向するように生成している。
【００４８】
そして、発振波２１が励振源１１から指向する先に欠陥Ｄが存在する場合には、画像２０にはさらに、欠陥Ｄで反射された反射波及び／又は散乱波（欠陥反射・散乱波２３）が、画像２０に表れる。ここで、欠陥Ｄが障害物Ｂで隠れていることで照明領域Ｌの外にある場合には欠陥Ｄを直接観測することはできないが、欠陥Ｄで反射又は散乱された欠陥反射・散乱波２３が照明領域Ｌに到達することにより、発振波２１及び欠陥反射・散乱波２３の延長上に欠陥Ｄが存在すると特定することができる。
【００４９】
一方、欠陥反射・散乱波２３が表れていない場合には、発振波２１が励振源１１から指向する先には欠陥Ｄが存在しないこととなる。但し、それ以外の位置に欠陥Ｄが存在するか否かは、ここまでの1回の操作だけでは特定することはできない。あるいは、1回の操作によって欠陥Ｄが検出されたとしても、さらに他の欠陥が被検査物体Ｓに存在する可能性がある。これらの場合、励振源１１の位置及び／又は向き（発振波２１を発振する方向）を変更することにより、欠陥が検出される可能性がある。そこで、ステップＳ１２では、励振源１１の位置及び／又は向きを変更するか、決定する。この決定は、操作者がキーボード、マウス、タッチパネル等の入力デバイスを操作してその都度行ってもよいし、予め励振源１１の位置及び／又は向きを変更する回数や変更の大きさ（励振源１１の移動距離や変更する角度）をプログラムに組み込んでおき、当該プログラムに従って実行するようにしてもよい。ステップＳ１２でYES（変更する）が選択された場合には、ステップＳ１３において励振源１１の位置及び／又は向きを自動又は手動で変更し、ステップＳ１に戻って、ステップＳ１１までの操作を行う。一方、ステップＳ１２でNO（変更しない）が選択された場合には、一連の動作を終了する。
【００５０】
第１実施形態の欠陥検出装置１０によれば、励振源１１を用いて指向性を有する弾性波を被検査物体Ｓの表面に励起し、スペックル・シェアリング干渉計１５を用いて、弾性波が欠陥Ｄで反射及び／又は散乱された欠陥反射・散乱波２３を観測することにより、照明領域Ｌ内のみならず、障害物（遮蔽部材）Ｂで覆われている箇所等の照明領域Ｌの外に存在する欠陥Ｄも検出することができる。
【００５１】
また、第１実施形態の欠陥検出装置１０によれば、励振源１１が接触部１１１１の間隔に一致した波長の弾性波を大きい振幅で生成することができるため、欠陥を高感度に検出することができる。さらに、接触部１１１１の間隔を短くすることにより、弾性波の波長を短くしても弾性波の振幅が小さくなることを防ぐことができ、小さい欠陥をより確実に検出することができる。
【００５２】
接触部１１１１及び第２接触部１１１２の材料の音響インピーダンスが、振動付与部１１２の材料の音響インピーダンスよりも被検査物体Ｓの材料の音響インピーダンスに近いことも、励振源１１から被検査物体Ｓに効率よく振動を伝達することで、弾性波の振幅を大きくすることに寄与する。
【００５３】
(2) 第２実施形態の欠陥検出装置の構成及び動作
図７Ａは第２実施形態の欠陥検出装置１０Ｂの概略構成図である。この欠陥検出装置１０Ｂは、励振源１１Ｂが励振源１１、１１Ａとは異なる構成を有する点を除いて、第１実施形態の欠陥検出装置１０と同じ構成を有する。
【００５４】
図７Ｂに示すように、励振源１１Ｂは、接触子（接触部）１１１Ｂと振動付与部１１２Ｂを有する。接触子１１１Ｂは、被検査物体Ｓの表面に接触する接触面１１３１Ｂと、振動付与部１１２Ｂと接触して該振動付与部１１２Ｂの振動を受信する受信面１１３３Ｂを有する。接触面１１３１Ｂと受信面１１３３Ｂは非平行である。以下では、受信面１１３３Ｂの法線と接触面１１３１Ｂの法線との成す角度をθとする。振動付与部１１２Ｂは圧電素子から成り、ケーブルで信号発生器１２に接続されている。
【００５５】
図８を用いて、励振源１１Ｂの動作を説明する。この励振源１１Ｂは、板状の被検査物体Ｓに、板面に平行であって１方向に指向して進行する弾性波を励起するものである。励振源１１Ｂの接触面１１３１Ｂを被検査物体Ｓの表面に接触させたうえで、信号発生器１２から振動付与部１１２Ｂに交流電気信号を送信する。これにより、振動付与部１１２Ｂは、接触子１１１Ｂの受信面１１３３Ｂに対して、該受信面１１３３Ｂの法線方向の振動を付与する。この振動は接触子１１１Ｂ内を受信面１１３３Ｂの法線方向（接触面１１３１Ｂに対して傾斜した方向）に伝播して、入射角θで接触面１１３１Ｂに入射する。その際の接触子１１１Ｂ内での振動の波長をλ0とする。受信面１１３３Ｂでは同時刻に同位相で振動するのに対して、接触面１１３１Ｂと受信面１１３３Ｂが非平行であることにより、接触面１１３１Ｂでは同時刻に位置によって異なる位相で振動する。この位相の相違により、被検査物体Ｓの表面に、波長λ=λ0/(sinθ)の弾性波を励振する。接触子１１１Ｂによって被検査物体に励振した弾性波の波長が被検査物体中で発生し得る振動モードの波長と一致する条件を位相整合条件といい、この位相整合条件を満たしたとき、被検査物体Ｓの表面に平行な１方向を指向した弾性波が形成される。接触子１１１Ｂの材料には、位相整合条件を満たしたうえで効率よく被検査物体に振動を励起させるために、音響インピーダンスが高く、且つ比較的音速の低い軟質金属を好適に用いることができる。そのような材料として、例えば、銅、銀、金、錫、若しくは亜鉛、又はそれらを主成分として含んだ合金が挙げられる。
【００５６】
励振源１１Ｂの具体例を説明する。この励振源１１Ｂでは、接触子１１１Ｂの材料に銅（縦波の速度v：4700m/s）を用い、θ=40°、交流電気信号の周波数を780kHzとする。これにより、接触子１１１Ｂ内での波長λ0は(4700[m/s]/780[kHz])≒6mmとなり、被検査物体Ｓ内の弾性波の波長λは6mm/(sin 40°)≒9mmのラム波となる。このような波長のラム波は、板厚10mmの鋼板である被検査物体Ｓ内において、A3モードと呼ばれる振動モードで励起される。このA3モードが、周波数が780kHzである振動において優勢的である「ある一つの振動モード」（前述）に該当する。
【００５７】
前述のようにラム波は複数の振動モードを有するため、同じ励振源１１Ｂを用いて、異なる複数の周波数で被検査物体Ｓ内に弾性波を励起することが可能である。一例として、図９に、板厚が10mmである鋼板に生成されるラム波の周波数と位相速度（弾性波中の特定の点（例えば山や谷等）が移動する速度）の関係を表す、分散曲線のグラフを示す。このグラフには、A0〜A3及びS0〜S3という8つの振動モードの分散関係が示されている。これらの各分散モードにつき、分散曲線に基づいて、位相整合条件を満たすように求めた入射角θと周波数の関係を表すグラフを図１０に示す。図１０より、θ=40°の場合には、上述の周波数が780kHzであるA3モードのラム波の他にも、周波数が約240kHzであるA1モードや、周波数が約530kHzであるA2モード等のラム波を励起することができることがわかる。また、入射角θが異なる形状を有する励振源１１Ｂを用いて、上記以外の周波数を有するラム波を励起することも可能である。
【００５８】
第２実施形態の欠陥検出装置１０Ｂの全体の動作は、ここまでに述べた励振源１１Ｂによる弾性波の生成の動作を除いて、第１実施形態の欠陥検出装置１０の動作と同様である。従って、励振源１１Ｂが生成する、指向性を有する弾性波が欠陥Ｄで反射及び／又は散乱された欠陥反射・散乱波２３を観測することにより、照明領域Ｌ内のみならず、障害物（遮蔽部材）Ｂで覆われている箇所等の照明領域Ｌの外に存在する欠陥Ｄも検出することができる。また、位相整合条件を満たす弾性波を励振することにより、波長が短い弾性波であっても振幅を大きくすることができ、欠陥を高感度に検出することができる。
【００５９】
ここまで、スペックル・シェアリング干渉計１５を用いる実施形態を説明したが、スペックル干渉計を用いる場合にも、上記実施形態の励振源１１、１１Ａ、１１Ｂを用いて同様の計測を行うことができる。
【００６０】
本発明は上記実施形態には限定されず、本発明の主旨の範囲内で種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【００６１】
１０、１０Ｂ…欠陥検出装置
１１、１１Ａ、１１Ｂ…励振源
１１１、１１１Ａ、１１１Ｂ…接触子
１１１１…接触部
１１１２…第２接触部
１１１３…基部
１１２、１１２Ｂ…振動付与部
１１３１、１１３１Ｂ、１１３２…接触面
１１３３Ｂ…受信面
１２…信号発生器
１３…パルスレーザ光源
１４…照明光レンズ
１５…スペックル・シェアリング干渉計
１５１…ビームスプリッタ
１５２１…第１反射鏡
１５２２…第２反射鏡
１５３…位相シフタ
１５４…集光レンズ
１５５…イメージセンサ
１６…反射波・散乱波検出部
１７…制御部
１８…記憶部
２０…画像
２１…発振波
２２…端部反射波
２３…欠陥反射・散乱波
Ｂ…障害物
Ｄ…欠陥
Ｌ…照明領域
Ｓ…被検査物体
【図１】
0006958737.tif 000002
【図２Ａ】
0006958737.tif 000003
【図２Ｂ】
0006958737.tif 000004
【図３】
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【図４Ａ】
0006958737.tif 000006
【図４Ｂ】
0006958737.tif 000007
【図５】
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【図６】
0006958737.tif 000009
【図７Ａ】
0006958737.tif 000010
【図７Ｂ】
0006958737.tif 000011
【図８】
0006958737.tif 000012
【図９】
0006958737.tif 000013
【図１０】
0006958737.tif 000014