(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波を用いて、被検査物を非破壊で評価するマイクロ波非破壊評価装置であって、
マイクロ波を発振する発振手段と、前記被検査物に向かってマイクロ波を送信し、前記被検査物側から反射された、又は、前記被検査物を透過したマイクロ波を受信する送受信手段と、
該送受信手段を介して受信した測定波と前記発振手段からのレファレンス波とを、測定波及びレファレンス波の少なくともどちらか一方の位相を９０度または１８０度ずらして合成し、それぞれ異なる４つの波を得る４波合成手段と、
該４波合成手段からの４つの波を検波する検波手段と、
該検波手段の出力信号から、受信した測定波の振幅および／または位相を検出する検出手段と
を備えることを特徴とするマイクロ波非破壊評価装置。
【請求項２】
前記発振手段は、複数の周波数を発振することができるとともに、発振した周波数を選択する選択手段を有し、複数の周波数のそれぞれで測定することが可能であることを特徴とする請求項１記載のマイクロ波非破壊評価装置。
【請求項３】
さらに、位相および／または振幅を調整する校正手段を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の非破壊評価装置。
【請求項４】
前記送受信手段との接続にフレキシブルな導波路を用いており、測定波導波路とレファレンス波導波路とを同様とし、レファレンス波導波路の端部をショートすることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のマイクロ波非破壊評価装置。
【請求項５】
さらに、走査手段を有しており、該走査手段により、前記被検査物と少なくとも前記送受信手段とが相対的に動いて走査を行うことを特徴とする請求項４に記載のマイクロ波非破壊評価装置。
【請求項６】
さらに、前記走査手段に同期した画像形成手段および画像表示手段を備え、被検査物の測定画像を表示することを特徴とする請求項５に記載のマイクロ波非破壊評価装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波を用いて被検査物の検査を非破壊で行う評価装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、航空機や船舶はもとよりロボットや電子パッケージに至るまであらゆる機械や構造物に対し、き裂やはく離の有無・形状を、被検査物を壊すことなく検査することが要求されている。従来、非破壊検査の手法として超音波やＸ線が広く用いられている。しかしながら、超音波は水等の伝達媒質を必要とし、Ｘ線は体積の小さいき裂の評価には不向きで、人体に有害であるため現場での使用には適していない。これらに対しマイクロ波を用いた非破壊検査法が脚光を浴びており、その応用が期待されている。マイクロ波は周波数帯域３００ＭＨｚ〜３００ＧＨｚの電磁波で、誘電体を透過し金属表面で全反射する特性を有し、伝達媒質を必要とせず空気中を良好に伝播するため、非接触かつ接触媒質不要での材料非破壊検査に適切である。またマイクロ波は被検査物の密度ではなく電気物性に依存する評価を行うことができ、透過・反射・散乱・共振などを利用して様々な測定手法が構築できるためその幅広い応用が期待できる。
しかしながら、マイクロ波非破壊検査装置は一般的に大型・高価で、現場での使用には小型化・低価格化が必要不可欠である。
【０００３】
従来のマイクロ波非破壊検査装置では、センサを走査しての測定が困難であり，装置に対しセンサを固定したセンサ固定型の走査方法が広く用いられている。これはセンサと装置の相対位置が変化すると、接続ケーブルが変形し位相歪が生じ正確な計測ができないことに起因する。このため、従来はセンサ固定型の測定法に限定され、大きな被検査物の非破壊検査には極めて不向きであった。
また、マイクロ波非破壊検査装置で用いているネットワーク・アナライザは、広い周波数帯域に対して測定を行うため、検波の際に使用周波数を一定の低周波数（ＩＦ）に変換する必要がある。このため、精度を維持するには、複数の付加信号源、信号増幅器、フィルタなどが必要となり、装置が大型かつ高価なものとなっている。また、従来のマイクロ波非破壊検査装置は使用周波数が装置により単一のものに制限され、２つ以上の周波数を用いた測定を行うことができない。
【０００４】
従来のマイクロ波非破壊検査装置の例を図１に示す。図１は、シート状の試験材料のオンライン試験のためのミリ波反射測定システムを示している。バイアス制御のガン・ダイオード発振器（ＧＤＯ）１１０は、固定周波数（約９４ＧＨｚ）である連続波の発振源として用いられている。電力分割器（power divider：ＰＤ）は、ミリ波の電力を２つのパスに分割している。その１つはアンテナ１５０へであり、材料を試験するために送信される。もう１つは直交ＩＦ混合器（qadrature IF mixer：ＱＩＦＭ）１３２の参照端子に入力する。通常、反射板（金属板）１７０が、試験対象の材料１８０の背後に用いられている。同じアンテナ１５０が、反射波の受信に用いられている。サーキュレータ１２６が、戻り信号をＱＦＩＭ１３２のＲＦ（高周波）端子に送り込んでいる。参照信号とＲＦ信号とに基づき、直交ＩＦ混合器１３２は、２つの信号間の位相角のコサイン（同相分）およびサイン（直角分）に比例した直流レベル出力を供給する。ＧＤＯ１１０のアイソレータ１２２や参照端子やＲＦ端子のサーキュレータ１３０，１２８は、システムの動作に影響する、不必要な反射を低減するために用いられている。ＧＤＯ１１０とアンテナ１５０を除く全ての回路要素は、均一のサイズで製作され、コンパクトなブロックに実装されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、高精度の検波や、センサの移動を可能としたマイクロ波非破壊評価装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は、マイクロ波を用いて、被検査物を非破壊で評価するマイクロ波非破壊評価装置であって、マイクロ波を発振する発振手段と、前記被検査物に向かってマイクロ波を送信し、前記被検査物側から反射された、又は、前記被検査物を透過したマイクロ波を受信する送受信手段と、該送受信手段を介して受信した測定波と前記発振手段からのレファレンス波とを、測定波及びレファレンス波の少なくともどちらか一方の位相を９０度または１８０度ずらして合成し、それぞれ異なる４つの波を得る４波合成手段と、該４波合成手段からの４つの波を検波する検波手段と、該検波手段の出力信号から受信した測定波の振幅および／または位相を検出する検出手段とを備えることを特徴とする。
【０００６】
そして、前記発振手段は、複数の周波数を発振することができるとともに、発振した周波数を選択する選択手段を有し、複数の周波数のそれぞれで測定することもできる。さらに、位相および／または振幅を調整する校正手段とを備えるここともできる。
前記送受信手段との接続にフレキシブルな導波路を用いており、測定波導波路とレファレンス波導波路とを同様とし、レファレンス波導波路の端部をショートすることもできる。
さらに、走査手段を有しており、該走査手段により、前記被検査物と少なくとも前記送受信手段とが相対的に動いて走査を行うこともでき、前記走査手段に同期した画像形成手段および画像表示手段を備え、被検査物の測定画像を表示することもできる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。
図２は、本発明の実施形態であるマイクロ波非破壊評価装置の構成例である。図２において、第１発振器２１２および第２発振器２１４は、それぞれ異なる周波数のマイクロ波を発振している。スイッチ２１６では、第１発振器２１２で発生したマイクロ波と、第２発振器２１４で発生したマイクロ波とを選択することができる。選択されたマイクロ波はカップラ２２０で、アンテナ２２６へ送る測定波とレファレンス波とに、例えば、９：１の割合で分配している。測定波は、サーキュレータ２３２、フレキシブルな導波路２２２を介して、アンテナ２２６から被測定物に対して放射される。被測定物からの反射波は、同じアンテナ２２６で受信され、サーキュレータ２３２，減衰器２４２を介して、ハイブレッド・カップラ（ＨＢ−カップラ）２５４に印加される。
また、カップラ２２０から分配されたレファレンス波は、サーキュレータ２３４から、フレキシブル導波路２２４を介して、短絡端２２８で反射してフェーズ・シフタ２４４に入力される。フェーズ・シフタ２４４からのレファレンス波は、マジック−Ｔ２４６から、ＨＢ−カップラ２５２および２５６に入力する。フレキシブル導波路２２４は、測定波に用いられているフレキシブルな導波路２２２と同等のものである。フレキシブルな導波路２２２および２２４は、アンテナ２２６と短絡端２２８とを一体として、非破壊評価装置２００に対して相対的に移動している被測定物に対して、走査できるように付加されている。
減衰器２４２は反射波の振幅を減衰させて、振幅を制限でき、フェーズ・シフタ２４４は、レファレンス波の位相をシフトすることができる。これらの働きについては、後で詳しく説明する。
ハイブレッド・カップラ（ＨＢ−カップラ）２５２，２５４および２５６は、例えば図３に示す構成である。このため、この構成のＨＢ−カップラ２５２および２５６からは、反射波を４Ａｓｉｎ（ωｔ−φ）とし、レファレンス波を４Ｂｓｉｎωｔとすると、以下に述べる出力が出力される。
【数１】
0003799524.tif 000002
これらの出力を入力することにより、検波器２６２，２６４，２６６および２６８は、入力した信号の直流分を出力するので、以下の出力ｄ１〜ｄ４を出力する。
【数２】
0003799524.tif 000003
ここで、Ｋは、定数である。
これらの出力を用いて、例えば、式（１）−式（２），式（３）−式（４）を計算することにより、ｓｉｎφおよびｃｏｓφの値が求まり、以下のように、ａｒｃｔａｎを計算することでφの値を求めることができる。
【数３】
0003799524.tif 000004
また、レファレンス波の振幅Ｂは既知の定数であるため、振幅比Ａ／Ｂを求めることができる。
【０００８】
反射波の位相や振幅を測定することで、対象物の材質や形状の変化を定量的に検出することが可能である。例えば位相φは、被検査物により測定波の電気長が変化するとそれに従って変化している。このため、位相φを求めることで被検査物の特性を求めることができる。検出できるものとして具体的には、対象物の誘電率、亀裂、剥離、シート抵抗、湿度等が挙げられる。
さて、位相差φは、前述のように、検波器からの出力電圧ｄからａｒｃｔａｎを用いて算出されるが、出力電圧ｄに対し、位相φが直線的かつ敏に変化する領域が存在する。この領域の出力ｄを用いて計算することにより、高い精度の測定が可能となる。このため、フェイズ・シフタを用いてφを対象物の測定基準面に対し調整を行うことにより、出力電圧に対して最適な領域近傍での測定が可能となる。また、検波器２６２，２６４，２６６，２６８の精度も出力する電圧領域によって変化する。このため、対象物の測定基準面に対し出力する電圧の範囲を減衰器により調整し、検波器を常に最適の領域で使用できるようにしている。
【０００９】
図２に示した本実施形態の検波器出力ｄは、インターフェースを介して、コンピュータに入力して、上述の計算を行うことができる。また、このコンピュータを用いて、被検査物とマイクロ波の送受信部（アンテナ２２６）との間で、相対的に動く走査部を設けて、これに同調して測定値を収集することにより、被検査物に対応する測定された画像を表示することができる。この走査部としては、例えば、被検査物をベルトコンベア上で一方向に動かして、送受信部をそれと直角方向に動かす構成や、このマイクロ波非破壊評価装置全体を一方向に動かして、送受信部をそれと直角方向に動かす等の構成を有している。
送受信部（アンテナ２２６）を動かすことができるように、本実施形態では、フレキシブルな導波路２２２および２２４を用いている。これを図４に詳しく示している。図４において、フレキシブルな導波路として、対として構成した誘電体導波路を用いることを示している。このようにレファレンス波を測定波と等しい伝送線路を伝播させることで、送受信部を動かしたときに生じる２波の位相差をキャンセルすることができる。このため、送受信部が動くことによる位相歪の影響を無視でき、被検査物による位相変化のみの検出が可能となる。
ここで用いる送受信部としては、例えば、同軸ケーブル・センサ（「非破壊検査」Ｖｏｌ．４９  Ｎｏ２  Ｐ１２１−１２６（２０００年発行）等参照）を用いることができる。この同軸ケーブル・センサを用いることにより、口径を小さくすることができるので、空間分解能の向上が可能となる。
【００１０】
上述の実施形態では、２つの発振器を用意し、スイッチにより測定に使用する周波数を切り替えられる構成としている。これは、対象物のパラメータによっては、複数の周波数に対する応答が異なるため、複数の周波数に対して測定を行うことにより、複数のパラメータの影響による位相差・振幅比を算出できる。
上述したように、本発明では、装置とセンサの間に新しくレファレンス線路を設け、レファレンス波と測定波を同様な伝搬線路を伝搬させることにより、センサ移動の際に生じる位相歪をキャンセルすることを可能にした。このことによりセンサ移動型の走査機能を実現し、大型構造物の現場での非破壊評価が初めて可能になり、多岐にわたるマイクロ波非破壊検査への応用の道を開いた。
一般的にＲＦの検波回路には、ミキサを用いた２路検波回路が用いられている。しかしながら、ミキサを用いた検波回路では定在波が生じ、精度が落ちる欠点がある。これに対し本発明では、３つの９０度ハイブレッド・カップラとディテクタを用いて、高精度の４路検波回路を構築した。これにより高精度のＲＦ検波が可能になった。
【００１１】
ネットワーク・アナライザは、それ自体における校正は行えるが、非破壊検査の際に重要となる各々の被検査物に適した装置と被検査物を一体とした総合的な校正はできない。また、校正のための計算が必要となり、計測精度は計算モデルの影響を受ける。これに対し、本発明では、フェイズ・シフタおよびアッテネータ（減衰器）を適当に設置することで、装置と被検査物を含めての総合的な位相・振幅の校正を可能にし、各々の検査物に対して適した校正を可能にした。ここに校正のための計算も不要である。また、装置と被検査物を含めて総合的な校正を行うことで、検波器などの構成要素を最適の電圧領域で使用することができる。これにより被検査物に対し高精度の計測が可能になった。
本発明の構成により、２つ以上の固定周波数を用いたマイクロ波小型装置を実現し、例えば、２周波数評価法により現場での複数の未知量の非破壊評価が初めて可能になった。
【００１２】
＜他の実施形態＞
上述の実施形態では、発振器は２つの場合で説明したが、必要に応じて発振器の数を増やすことにより、任意の数の周波数で測定することが可能である。また、広い周波数帯域を有する発振器を用いてもよい。
また、上述の実施形態では、送受信器を１つのアンテナで構成し、被検査物からの反射波を受けているが、送信器と受信器とを別々の構成として、被検査物の透過波あるいは散乱波を受信する構成としてもよい。
【００１３】
【発明の効果】
上述した本発明の構成により、高精度の検波やセンサの移動を可能としたマイクロ波非破壊評価装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のマイクロ波非破壊検査装置の構成例を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態の構成例を示すブロック図である。
【図３】ＨＢ−カップラの構成を示す図である。
【図４】フレキシブル導波路を示す図である。
【符号の説明】
１２２                          アイソレータ
１３２                          直交ＩＦ混合器
１２６，１２８，１３０          サーキュレータ
１５０                          アンテナ
１８０                          材料
２１２                          第１発振器
２１４                          第２発振器
２１６                          スイッチ
２２０                          カップラ
２２２，２２４                  フレキシブル導波路
２２６                          アンテナ
２２８                          短絡端
２３２，２３４                  サーキュレータ
２４２                          減衰器
２４４                          フェーズ・シフタ
２４６                          マジック−Ｔ
２５２，２５４，２５６          ハイブレッド・カップラ
２６２，２６４，２６６，２６８  検波器
【図１】
0003799524.tif 000005
【図２】
0003799524.tif 000006
【図３】
0003799524.tif 000007
【図４】
0003799524.tif 000008