JP2020085770A - Scattered light detection device, and nondestructive inspection device using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、散乱光検出装置、及びそれを用いた非破壊検査装置に関し、特に、近赤外線に代表される光を被検物に照射して反射する散乱光を測定することにより被検物の劣化程度を数値化して知り得る散乱光検出装置、及びそれを用いて被検物を非破壊で検査する非破壊検査装置、に関する。 The present invention relates to a scattered light detection device and a non-destructive inspection device using the same, and in particular, irradiating a test object with light typified by near-infrared light and measuring scattered light reflected by the test object to measure the test object. The present invention relates to a scattered light detection device that can be used to quantify the degree of deterioration and a nondestructive inspection device that nondestructively inspects an object using the scattered light detection device.
対象の内部を非破壊で検査するニーズは大きく、医療及び工業分野においてX線、超音波、磁気、レーザ、赤外線など様々な技術が開発されている。例えば、ラマン分光法の原理を応用し、生きたままのサンプルについての測定を可能にした医療機器が知られている(特許文献1)。この医療機器とは異なる工業分野において、もっぱら産業機器の劣化検査の用途で非破壊検査が無限にある。非破壊検査の対象は主に、劣化による内部構造の変化及び内部要素の変質である。質の変化には、サビ、酸化、汚れ、混入、硬化、乾燥、などがあり、これらに起因して対象物に亀裂、空隙、キズ、変色、摩耗などの劣化が生じる。 There is a great need for non-destructive inspection of the inside of an object, and various technologies such as X-ray, ultrasonic wave, magnetism, laser, infrared ray have been developed in the medical and industrial fields. For example, a medical device is known in which the principle of Raman spectroscopy is applied to enable measurement of a living sample (Patent Document 1). In an industrial field different from this medical device, there are an unlimited number of nondestructive tests for deterioration inspection of industrial devices. The targets of nondestructive inspection are mainly changes in internal structure and deterioration of internal elements due to deterioration. The change in quality includes rust, oxidation, dirt, mixing, curing, drying, etc., which cause deterioration such as cracks, voids, scratches, discoloration, and abrasion on the object.
昇降機のベアリングはケース内に封入されているため、交換あるいは修理で分解する際でないと、ベアリングの劣化を直接観察することは難しい。そのため、ベアリングの回転の変化によって生じる振動をベアリングケースの外側で測定することにより、ベアリングの劣化を診断する技術が開発されている(非特許文献1−3)。また、ベアリングに組み込まれた高分解能回転センサ(エンコーダ)から得られる回転情報を用いて、ベアリングに生じる回転の異変を検出する技術も開発されている(非特許文献4)。 Since the bearing of the elevator is enclosed in the case, it is difficult to directly observe the deterioration of the bearing unless it is disassembled for replacement or repair. Therefore, a technique for diagnosing the deterioration of the bearing has been developed by measuring the vibration generated by the change in the rotation of the bearing outside the bearing case (Non-Patent Documents 1-3). In addition, a technique has also been developed for detecting an abnormal rotation occurring in a bearing by using rotation information obtained from a high resolution rotation sensor (encoder) incorporated in the bearing (Non-Patent Document 4).
しかし、ベアリングの異常によって生じる振動は微弱であり、ノイズや周囲の装置から発生する振動などの外乱によって測定が難しい。この課題に対し、ベアリング内でキズや摩擦で発生した鉄粉がグリスに混入する量を磁気で測定する測定器、すなわち、グリス鉄粉濃度計が開発されている(非特許文献5)。 However, the vibration caused by the abnormality of the bearing is weak, and it is difficult to measure due to the disturbance such as noise and vibration generated from the surrounding devices. To solve this problem, a measuring device for magnetically measuring the amount of iron powder generated by scratches or friction in the bearing mixed with grease, that is, a grease iron powder concentration meter has been developed (Non-Patent Document 5).
また、鉄粉の混入によって生じるグリスの色の変化で劣化を推定する技術、すなわち、メンブランパッチを用いたRGB色相による潤滑油診断技術が開発されている(非特許文献6)。しかし、ベアリングのグリス内に混入する鉄粉量は少量であり、汚れやサビの混入でもグリスの色は変化するため、高精度の測定は難しい。この課題に対して、被検物に近赤外線を照射し、被検物から得られる反射光より散乱を測定し、元の波長からのズレを測定することで、被検物の変質を分子構造の変化として観察可能な散乱光検出装置が開発され、しかも、携行性良好に小型軽量化されたポータブル・ラマン分光モジュールも知られている(非特許文献7)。 In addition, a technique for estimating deterioration due to a change in the color of grease caused by the mixing of iron powder, that is, a lubricating oil diagnosis technique based on RGB hues using a membrane patch has been developed (Non-Patent Document 6). However, the amount of iron powder mixed in the grease of the bearing is small, and the color of the grease changes even if dirt or rust is mixed, so high-precision measurement is difficult. In response to this problem, by irradiating the test object with near-infrared rays, measuring the scattering from the reflected light obtained from the test object, and measuring the deviation from the original wavelength, the alteration of the test object is analyzed by the molecular structure. A scattered light detection device that can be observed as a change in the light source has been developed, and a portable Raman spectroscopic module that is small in size and light in weight with good portability is also known (Non-Patent Document 7).
しかし、非特許文献7に開示されているポータブル・ラマン分光モジュールをはじめとする従来の近赤外線測定では、波長のズレの量が小さく、被検物の表面形状に起因する散乱光、すなわちノイズが信号に混入するため、測定精度を維持できないという課題があった。本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、信号に混入する形状情報のノイズを除去することにより散乱光測定を高精度化した散乱光検出装置を提供することにある。
However, in the conventional near-infrared measurement including the portable Raman spectroscopic module disclosed in Non-Patent
上記課題を解決するために、本発明は、ガンマ線、X線、紫外線、可視光線、赤外線、マイクロ波のうち何れかに属する電磁波を照射光とみなして用い、該照射光を受けた被検物からの散乱光を測定した結果に基づいて前記被検物の分子構造を解析する散乱光検出装置であって、前記照射光の発生源と、前記被検物を基準に前記照射光の入射方向に対して鋭角をなす出射方向に配設された第1検出器と、前記入射方向に対する前記鋭角とは異なる角度の出射方向に配設された第2検出器と、を備え、前記散乱光のうち、第1波長を有する光を前記第1検出器で測定し、前記散乱光のうち、前記第1波長とは異なる第2波長を有する光を前記第2検出器で測定し、前記第1検出器と前記第2検出器との出力比率を用いて前記被検物の形状情報をキャンセルしながら定量測定するものである。 In order to solve the above problems, the present invention uses an electromagnetic wave belonging to any of gamma rays, X-rays, ultraviolet rays, visible rays, infrared rays, and microwaves as irradiation light, and uses the irradiation light to inspect the object. A scattered light detecting device for analyzing the molecular structure of the test object based on the result of measuring scattered light from the source of the irradiation light, and the incident direction of the irradiation light based on the test object. A first detector arranged in an emission direction that forms an acute angle with respect to the second detector, and a second detector arranged in an emission direction that is different from the acute angle with respect to the incident direction, and Of the scattered light, light having a second wavelength different from the first wavelength is measured by the second detector, and the first detector measures light having a first wavelength. The output ratio between the detector and the second detector is used to perform quantitative measurement while canceling the shape information of the test object.
本発明によれば、信号に混入する形状情報のノイズを除去することにより散乱光測定を高精度化した散乱光検出装置を提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the scattered light detection apparatus which improved the precision of scattered light measurement by removing the noise of the shape information mixed in a signal can be provided.
以降、本発明を実施するための形態を、実施例1〜実施例7により、それぞれ図1〜図7を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, modes for carrying out the present invention will be described in detail by Examples 1 to 7 with reference to FIGS. 1 to 7, respectively.
(実施例1)
図1は、本発明の一実施形態に係る散乱光検出装置(以下、「本装置」ともいう)の基本例を示す概念図である。図1に示すように本装置11は、被写体となる被検物4(以下、単に「被検物4」ともいう)4と、被検物4に近赤外線5を照射する光源(以下、「発生源3」ともいう)3と、被検物4から発生する散乱を二手に分離するハーフミラー6と、弾性散乱である第1のエネルギーの波長(以下、「第1波長」ともいう)を持つ光を測定する第1エネルギー検出器(以下、単に「第1検出器1」ともいう)1と、被検物4から発生する非弾性散乱である第2のエネルギーの波長(以下、「第2波長」ともいう)を持つ光を測定する第2エネルギー検出器(以下、単に「第2検出器2」ともいう)2と、により構成されている。
(Example 1)
FIG. 1 is a conceptual diagram showing a basic example of a scattered light detection device (hereinafter, also referred to as “this device”) according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the
被検物4に対して、発生源3とハーフミラー6と第1検出器1及び第2検出器2(以下、2つまとめて「検出器1,2」ともいう)は同じ側に配置される。同じ側に配置されることにより、本装置11を一体化することができ、被検物4の表面に片側から押し当てる形状が可能となる。
The
発生源3から照射された近赤外線5は、被検物4の内部で散乱され、発生源3と同じ側に反射される。散乱光はハーフミラー6で分離され、第1検出器1と第2検出器2に入射する。入射光は検出器で測定される。ハーフミラー6を用いると、散乱光はそのままミラーを通過する透過光7と、直交方向に分離される反射光8の二手に分かれる。直交方向に分離することにより、2台の検出器1,2を近くに配置することが容易になり、本装置11の小型化が可能になる。
The near
本装置11において、ハーフミラー6を用いることにより、2種類の波長を持つ光を同時に測定することが可能となり、後述する2種類の光の検出信号の出力比率を正確に求める処理を容易に実行できる。
In the
また、検出器1,2にセンサを用いると、検出器1,2が小型になるため、本装置11の小型化と軽量化が可能となり、かつ取扱いが容易になる。これに対し、図5及び図6を用いて後述するように、検出器1,2に代えて光学カメラ(以下、単に「カメラ」ともいう)25,26を用いると、出力が画像として得られるため、一度に広い範囲の測定が可能となり、観察が容易になる。
Further, if sensors are used for the
ラマン分光法の原理で知られるように、弾性散乱である第1波長を持つ光は、照射された元の近赤外線5からエネルギー変化がなく、被検物4の分子数に比例し、非弾性散乱より一桁大きい。一方、非弾性散乱である第2波長を持つ光は、照射された元の近赤外線5からの波長のズレを生じる。この波長ズレはエネルギーロスであり、被検物4の変質として分子構造の変化や化学状態の変化を表す。しかし、両者は共に形状由来の散乱を含み、特に表面形状の凹凸による散乱を含む。
As is known from the principle of Raman spectroscopy, the light having the first wavelength, which is elastic scattering, has no energy change from the original near-
弾性散乱である第1波長を持つ光は第1検出器1で取得され、非弾性散乱である第2波長を持つ光は第2検出器2で取得される。第1検出器1で取得された出力値と第2検出器2で取得された出力値の出力比率を求める。このとき、第1検出器1と第2検出器2とは、被検物4の同一箇所で同時に生じた散乱光をリアルタイムに測定している。このように、同じ発生源3に由来し、第1、第2の異なる波長に分かれた2つの検出出力の出力比率は、被検物4の分子構造が変化しない限り概ね一定に保持されるという原理が作用する。
Light having a first wavelength of elastic scattering is acquired by the first detector 1, and light having a second wavelength of inelastic scattering is acquired by the
この原理により、両者に共通に含まれる形状情報、すなわち、ノイズをキャンセルできる。その結果、被検物4の表面形状の凹凸情報を除去して、被検物4の内部の質情報のみが得られる。すなわち、第1検出器1と第2検出器2との出力比率を用いて被検物4の形状情報をキャンセルしながら定量測定する。このとき、測定レベルのダイナミックレンジに制約がある場合、測定出力の最大値と最小値を考慮することが好ましい。
By this principle, shape information commonly included in both, that is, noise can be canceled. As a result, the unevenness information of the surface shape of the test object 4 is removed, and only the quality information inside the test object 4 is obtained. That is, quantitative measurement is performed while canceling the shape information of the test object 4 by using the output ratio between the first detector 1 and the
すなわち、第1検出器1で取得された出力値の方が大きいので、第2検出器2で取得された小さな出力値を第1検出器1で取得された大きな出力値で除算して比を求めると、小さな除算値となる。デジタル演算処理において、取り扱う数値が小さければオーバーフローすることを防ぐ効果がある。その逆に、第1検出器1で取得された大きな出力値を第2検出器2で取得された小さな出力値で除算して比を求めると、大きな除算値となる。デジタル演算処理において、取り扱う数値が大きければ、演算後の値が量子化誤差によりビット落ちすることを防ぐことができる。
That is, since the output value obtained by the first detector 1 is larger, the small output value obtained by the
また、発生源3から照射される光の波長と、第1検出器1の検出波長と、第2検出器2の検出波長は、被検物4及び検出対象に応じて選定される。ここで、発生源3から発生される光の波長と、弾性散乱である第1波長は同じであり、第1検出器1の検出波長も同じとなる。
The wavelength of the light emitted from the
例えば、被検物4がグリスで検出対象が鉄粉である場合、発生源3による照射光5の波長と、第1波長と、第1検出器1の検出波長はグリス用に選定される。一方、第2波長と、第2検出器2の検出波長は鉄粉用に選定される。
For example, when the test object 4 is grease and the detection target is iron powder, the wavelength of the
一例として、被検物4がウレタン製ハンドレールの表面ゴムや、エレベータのカゴ底に付けられている防振ゴムで、検出対象が亀裂である場合、発生源3による照射光5の波長と、第1波長と、第1検出器1の検出波長はゴム用に選定され、第2波長と、第2検出器2の検出波長は亀裂用に選定される。
As an example, when the inspection object 4 is a surface rubber of a urethane handrail or an anti-vibration rubber attached to the basket bottom of an elevator and the detection target is a crack, the wavelength of the
他の例として、被検物4がエスカレータステップの鉄製フレームで、検出対象がサビである場合、発生源3による照射光5の波長と、第1波長と、第1検出器1の検出波長は鉄用に選定され、第2波長と、第2検出器2の検出波長はサビ用に選定される。
As another example, when the inspection object 4 is an escalator step iron frame and the detection target is rust, the wavelength of the
ここで用いる照射光5を近赤外線とすれば、被検物4の内部まで光が到達でき、内部の変化が測定できる。照射光5にテラヘルツ波やX線を採用すれば、被検物4のさらに内部まで光が到達でき、奥の変化が測定できる。特に、近赤外線5を用いる場合には、被検物4を薄いプレート状にすると、測定が容易となる。なお、本装置11は、産業上実用的な検査器具、特に非破壊検査装置(本検査装置)として採用されて好適である。本検査装置で第1検出器1と、第2検出器2と、より得られた2種類の光の検出信号の出力比率を正確に求め、その出力比率に変化の有無を監視することにより、検査目的を実現できる。
If the
(実施例2)
図2は、他の構成例に係る本装置を示す概念図である。図2に示すように、本装置12では、図1に示した実施例1に係る本装置11において、2つ必要だった検出器1,2を1台のエネルギー分解型の検出器(以下、「エネルギー分解検出器」又は単に「検出器」ともいう)9にまとめている。この検出器9を用いると、検出器9の内部でしきい値を設定し、入射光を第1エネルギーと第2エネルギーに分離して測定することができる。このようなエネルギー分解型検出器9を用いると、1台で複数のエネルギーが測定可能であることから、検出器9を1台とすることができ、ハーフミラー6も不要となるため、装置12は小型化と軽量化が可能であり、その結果として取扱いが容易となる。
(Example 2)
FIG. 2 is a conceptual diagram showing this device according to another configuration example. As shown in FIG. 2, in the
(実施例3)
図3は、図2の本装置12に対する改良例を示す概念図である。図2に示した実施例2に係る本装置12は高価であるため、図3を用いて各種の改良例を提案する。図3に示すように、本装置13では、図2に示した実施例2に係る本装置12と同様に1台の検出器10を備え、その検出器10の手前にフィルタ21,22を複数枚、並べて配置し、検出器10の検出領域23,24をフィルタ21,22毎に分離する。1台の検出器10で同時に、複数のフィルタ21,22を透過したエネルギーの光を検出することができる。
(Example 3)
FIG. 3 is a conceptual diagram showing an improved example of the
2枚のフィルタ21,22は、以下にいう第1光学フィルタ21と、第2光学フィルタ22である。まず、第1光学フィルタ(単に「フィルタ」ともいう)21は、弾性散乱である第1波長を持つ光を優先的に透過させるものである。また、第2光学フィルタ(単に「フィルタ」ともいう)22は、非弾性散乱である第2波長を持つ光を優先的に透過させるものである。これら、2枚のフィルタ21,22を備えた1台の検出器10によれば、同時に弾性散乱と非弾性散乱を測定できる。このように、検出器10は、検出波長に幅を有するので、第1波長と第2波長の両方を測定できる。
The two
このような目的のフィルタ21,22として、短冊状のフィルタ21とフィルタ22とを縞状に貼り合わせた形状も考えられる。あるいは、フィルタ21とフィルタ22を格子状に配置する形状も考えられる。2種類のフィルタ21,22の距離が近いほど、弾性散乱と非弾性散乱の比を求める際に、精度良く比を算出することができる。つまり、同じところに由来して、波長の異なる2つの検出出力の出力比率が変化したか否かを監視することによって、分子構造の変化を知ることが目的だからである。
As the
また、2種類のフィルタ21,22を円盤に配設して回転させることで、高速かつ容易にエネルギーの切り替えが可能となる。また、詳細な図示を省略するが、フィルタ21,22の代わりに1枚の偏光フィルタを用いると、その偏光フィルタの傾きを変えることにより、2種類のエネルギーのうち、何れを透過させるか切り替えが可能となる。このように、図3に示した実施例3に係る本装置13は、検出器10を1台とし、検出器10の手前に切り替え可能なフィルタ21,22を配設した構成である。このフィルタ21,22を何らかの制御機構を用いて切り替えながら2種類のエネルギーを透過させれば、1台の検出器10で複数のエネルギーを測定することが可能となる。
Further, by arranging and rotating the two types of
(実施例4)
図4は、図1の本装置11に対する改良例を示す概念図である。図4に示すように、本装置14では、検出器1,2の手前にそれぞれ光学フィルタ21,22を配設する。上述のように、これらは、被検物4から発生する弾性散乱である第1波長を持つ光を優先的に透過させる第1光学フィルタ21と、被検物4から発生する非弾性散乱である第2波長を持つ光を優先的に透過させる第2光学フィルタ22である。これら2種類のフィルタ21,22で透過するエネルギーを選定するため、検出器側で検出波長を選定する必要がなくなり、第1検出器1と第2検出器2に同じ機能の検出器を用いることができる。つまり、図2に示した実施例2に係る本装置12で用いたエネルギー分解検出器9のような高価なものを不要にする効果がある。
(Example 4)
FIG. 4 is a conceptual diagram showing an improved example of the
(実施例5)
図5は、図4の本装置14に対し、検出器をカメラに置き換えた構成例を示す概念図である。図5に示すように、本装置15では、検出器に代えた光学カメラ25,26を使用するとともに、光学レンズ18も付設して使用する。この光学レンズ18を使用することで、焦点を調整することができるため、被検物4とカメラ25,26の距離を変えてカメラ25,26で撮影される視野の大きさを変更することができる。第1光学カメラ25及び第2光学カメラ26の2つで検出する波長が近い場合には、図5に示すように、ハーフミラー6の前に1個の光学レンズ18を配設することで、両方のカメラ光学カメラ25,26に対応することができる。本装置15は、光学レンズ18が一つで足りるため小型化できる。
(Example 5)
FIG. 5 is a conceptual diagram showing a configuration example in which a detector is replaced with a camera in the
(実施例6)
図6は、図5の本装置15に対する変形例を示す概念図である。図6に示すように、本装置16でも、図5に示した実施例5に係る本装置15と同様に、検出器に代えて光学カメラ25,26を使用している。さらに、カメラ25,26毎に専用の光学レンズ27,28を配設して使用する点が異なる。さらに、ハーフミラー6の後ろに2個の光学レンズを配設し、それぞれのカメラに対応させ易い構成である。このように、各々のカメラ25,26に対してレンズ、及びその設定を最適化できるので、高精度の測定が可能である。特に、本装置16は、2つのカメラ25,26で検出する波長の違いが大きい場合に、良好な性能を発揮するので好適である。なお、図6の本装置16と、図5の本装置15と、これらのうち一方が基本形で、他方が変形例であるが、何れが基本形であっても構わない。図5、図6の装置は、図4の装置と同様にカメラの前に光学フィルタを設置し、レンズとカメラの間に光学フィルタが設置される形態も可能である。その場合、図4と同様に、検出器側で検出波長を選定する必要がなくなり、第1検出器1と第2検出器2に同じ機能の検出器を用いることができる。つまり、図2に示した実施例2に係る本装置12で用いたエネルギー分解検出器9のような高価なものを不要にする効果がある。
(Example 6)
FIG. 6 is a conceptual diagram showing a modification of the
(実施例7)
図7は、図1〜図6の本装置11〜16に共通する変形例を示す概念図である。図7に示すように、本装置17では、被検物4を回転させながら、第1波長と第2波長の光を検出する。あるいは、被検物4を固定して、検出装置を回転させながら、第1波長と第2波長の光を検出する。検出装置の形態は、図1〜図6を用いて上述の実施例1〜6に係る本装置11〜16(以下、まとめて「検出装置」と略す)のどれにでも適用可能である。第1波長の光と第2波長の光の比を求め、再構成処理を行うことにより、断面像を得ることができ、3次元的な変質の様子を観察することが可能となる。上述した検出装置において、2台の検出器又はカメラ(以下、まとて「カメラ」と略す)を用いる場合、一方のカメラで被検物4の全体を撮影し、他方のカメラで内部観察用の限定領域を撮影することもできる。限定領域のみで第1波長の光と第2波長の光の比を求め、全体像に重ねて表示することにより、被検物4の全体を把握しながら、検出対象の周辺の変質を観察することができる。
(Example 7)
FIG. 7 is a conceptual diagram showing a modification common to the
上述した検出装置は付属の処理機構を有する。処理機構において、第1波長の光と第2波長の光の比の値をクラスタリング処理し、異常あるいは正常の判定を行うことができる。クラスタリング処理には、GMM(Gaussian Mixture Model)やEM(Expectation maximization)アルゴリズムを用いる。非金属は中赤外線及び遠赤外線を吸収し易い特性を持っていることから、第1波長を可視光あるいは近赤外線とし、第2波長を中赤外線あるいは遠赤外線とすると、金属と非金属を区別する際に適する。例えば、非金属であるグリスと、グリスに混入した金属である鉄粉の区別がこれに相当する。被検物4の変質を観察する場合には、被検物4の変質がない領域で求めた第1波長と第2波長の光の比と、被検物4の変質がある領域で求めた第1波長と第2波長の光の比で差が大きいことが望ましい。例えば、被検物4の変質がない領域では第1波長と第2波長の光で差が小さく、被検物4の変質がある領域では第1波長と第2波長の光で差が大きい場合、あるいは、被検物4の変質がない領域では第1波長と第2波長の光で差が大きく、被検物4の変質がある領域では第1波長と第2波長の光で差が小さい場合、あるいは、被検物4の変質がない領域における第1波長と第2波長の光の大小が、被検物4の変質がある領域における第1波長と第2波長の光の大小と逆転する場合、などで実現される。被検物4が鉄製のフレームであり、フレームの腐食や錆や酸化などの変質を観察する場合や、被検物4がゴムであり、紫外線や熱でゴムが固くなった変質を観察する場合が、これに相当する。 The detection device described above has an attached processing mechanism. In the processing mechanism, the value of the ratio of the light of the first wavelength and the light of the second wavelength is subjected to clustering processing, and it is possible to determine whether it is abnormal or normal. GMM (Gaussian Mixture Model) or EM (Expectation maximization) algorithm is used for the clustering process. Since non-metals have a property of easily absorbing mid-infrared rays and far-infrared rays, when the first wavelength is visible light or near-infrared ray and the second wavelength is mid-infrared ray or far-infrared ray, metal and non-metal are distinguished. Suitable for when. For example, the distinction between non-metal grease and iron powder that is metal mixed in the grease corresponds to this. When observing the alteration of the object to be inspected 4, the ratio of the light of the first wavelength and the light of the second wavelength obtained in the area where the object to be inspected 4 has no alteration and the area in which the object to be inspected 4 has alteration It is desirable that the difference between the first wavelength light and the second wavelength light is large. For example, when the difference between the light of the first wavelength and the second wavelength is small in the region where the inspection object 4 is not changed, and the difference between the light of the first wavelength and the second wavelength is large in the region where the inspection object 4 is changed. Alternatively, the difference between the light of the first wavelength and the second wavelength is large in the region where the inspection object 4 is not altered, and the difference between the light of the first wavelength and the second wavelength is small in the region where the inspection object 4 is altered. Or the magnitudes of the light of the first wavelength and the second wavelength in the region where there is no alteration of the test object 4 and the magnitudes of the light of the first wavelength and the second wavelength in the region where the test object 4 is altered are reversed. If you do, it is realized by. When the inspection object 4 is an iron frame and the deterioration of the frame such as corrosion, rust and oxidation is observed, or when the inspection object 4 is rubber and the deterioration of the rubber is hardened by ultraviolet rays or heat. Is equivalent to this.
上述した検出装置では、発生源3からの照射光5について、近赤外線を代表例として説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。可視光、赤外線、紫外線、X線、マイクロ波、ミリ波、テラヘルツ波、等の様々な波長を持つ波動に適用可能である。それらの場合に応じて、それぞれの発生源3に対し、検出対象とするエネルギーが測定可能な検出器と、検出対象とするエネルギーを透過可能なフィルタを用いる。
In the detection device described above, the
典型例として、鉄粉混入量に基づく劣化の程度を高精度、かつ定量的に測定することを可能とし、グリスその他の被検物4の質の変化について観察する。そのために、散乱を非弾性散乱のラマン散乱と弾性散乱であるレイリー散乱とに分離して測定し、非弾性散乱と弾性散乱の比を求めることにより、形状情報、すなわちノイズをキャンセルし、定量測定を可能とする。本発明に係る散乱光検出装置(本装置)11〜17、あるいは本発明に係る非破壊検査装置(本検査装置)によれば、信号に混入する形状情報のノイズを除去することにより高精度化した散乱光測定を実現できる。以下、本発明の要点を特許請求の範囲に沿って説明する。
[1]図1〜図7に示す散乱光検出装置(本装置)11〜17は、照射光5を受けた被検物4からの散乱光を測定した結果に基づいて被検物4の分子構造を解析するための測定器であるとともに、産業上実用的な検査器具である。被検物4の一例として、ベアリングに封入されたグリスが好適であり、その劣化の程度を判定する検査器具として好適である。
As a typical example, it is possible to measure the degree of deterioration based on the amount of iron powder mixed in with high accuracy and quantitatively, and observe changes in the quality of the grease 4 and other test objects 4. Therefore, the scattering is separated into Raman scattering which is inelastic scattering and Rayleigh scattering which is elastic scattering, and the measurement is performed, and the shape information, that is, noise is canceled and quantitative measurement is performed by obtaining the ratio of the inelastic scattering and elastic scattering. Is possible. According to the scattered light detection device (present device) 11 to 17 according to the present invention or the nondestructive inspection device (present inspection device) according to the present invention, it is possible to improve accuracy by removing the noise of the shape information included in the signal. The scattered light measurement can be realized. Hereinafter, the main points of the present invention will be described with reference to the claims.
[1] Scattered light detection devices (present devices) 11 to 17 shown in FIGS. 1 to 7 are molecules of the test object 4 based on the results of measurement of scattered light from the test object 4 which receives the
本装置11〜17で用いる照射光5は、紫外線、可視光線、近赤外線、中赤外線、又は遠赤外線を適用可能である。特に、近赤外線5が好適である。また、本装置11〜17の用途によっては、ガンマ線、X線、あるいはマイクロ波のうち何れかに属する電磁波を照射光5とみなして用いても良い。特に、被検物4の深部まで届くほどの透過力を要する用途には、ガンマ線、又はX線が好適である。それ以外の用途には、中赤外線及び遠赤外線が安全簡便で使い勝手が良好である。
The
本装置11〜17は、照射光5の発生源3と、第1検出器1と、第2検出器2と、を備えて構成されている。第1検出器1は、被検物4を基準に照射光5の入射方向に対して鋭角をなす出射方向に配設されている。第2検出器2は、入射方向に対する鋭角とは異なる角度の出射方向、例えば、入射方向に対する鈍角をなす出射方向に配設されている。第1検出器1は、照射光5が被検物4で散乱されて発生する散乱光のうち、第1波長を有する光を測定する。第2検出器2は、照射光5が被検物4で散乱されて発生する光のうち、第1波長とは異なる第2波長を有する光を測定する。
The
本装置11〜17は、第1検出器1と第2検出器2との出力比率を用いて被検物4の形状情報をキャンセルしながら定量測定する。これら、第1検出器1と第2検出器2とは、被検物4の同一箇所で同時に生じた散乱光をリアルタイムに測定している。このように、同じ発生源3に由来し、第1、第2の異なる波長に分かれた2つの検出出力の出力比率は、被検物4の分子構造が変化しない限り概ね一定に保持されるという原理が作用する。
The
一方、被検物4の形状に変化、例えば、表面うねり等の変化があれば、その形状変化に応じて、散乱光の検出出力も変化するため、被検物4の表面形状に起因する散乱光、すなわちノイズが信号に混入して測定精度を維持できないという課題があった。つまり、被検物4の分子構造の変化を知りたいにも関わらず、表面形状の変化をノイズとして検出してしまうので、このノイズをキャンセルする必要があるという課題である。 On the other hand, if there is a change in the shape of the object 4 to be inspected, for example, a surface waviness or the like, the detection output of the scattered light also changes in accordance with the change in the shape, so that the scattering caused by the surface shape of the object 4 to be inspected. There is a problem that light, that is, noise is mixed in the signal and the measurement accuracy cannot be maintained. That is, the change in the surface shape is detected as noise, even though the change in the molecular structure of the test object 4 is desired to be detected, and this noise must be canceled.
この課題に対し、上述の原理を応用すれば、信号に混入したノイズをキャンセルできる。すなわち、検出された出力値の絶対値を監視するのでなく、同じところに由来して、波長の異なる2つの検出出力の出力比率が、ある基準に対して変化したか否かを監視すれば、分子構造の変化を知ることが可能である。その結果、出力比率を用いて被検物4の形状情報をキャンセルしながら定量測定できるという作用効果が得られる。 By applying the above-mentioned principle to this problem, the noise mixed in the signal can be canceled. That is, instead of monitoring the absolute value of the detected output value, it is possible to monitor whether or not the output ratio of two detection outputs having different wavelengths from the same place changes with respect to a certain reference. It is possible to know changes in the molecular structure. As a result, it is possible to obtain the effect that quantitative measurement can be performed while canceling the shape information of the test object 4 using the output ratio.
[2]図1〜図7に示す本装置11〜17において、第1波長を有する光は弾性散乱であり、第2波長を有する光は非弾性散乱である。これにより、本装置11〜17は、被検物4に対し、ラマン分光法の原理を応用して、分子構造の変化を知ることが可能である。
[2] In the
[3]図1,図4〜図7に示す本装置11,14〜17は、さらに、ハーフミラー6が、被検物4から第1検出器1までの間に配設されている。このハーフミラー6は、散乱光を入射して透過光7と反射光8とに分離し、分離された一方より第1波長を有する光が得られ、分離された他方より第2波長を有する光が得られる。このように、被検物4との間にハーフミラー6を介在させた第1,第2検出器1,2は、被検物4の同一箇所で同時に生じた散乱光、すなわち同じ発生源3に由来し、第1、第2の異なる波長に分かれた2つの検出出力をリアルタイムに測定するように構成されている。これによって、出力比率を用いて被検物4の形状情報をキャンセルしながらの高精度な定量測定がより確実に実現する。
[3] In the
[4]図3及び図4に示す本装置13,14は、さらに、第1光学フィルタ21と、第2光学フィルタ22と、を備えている。第1光学フィルタ21は、第1波長を有する光を優先的に透過する。第2光学フィルタ22は、第2波長を有する光を優先的に透過する。これにより、入射光と同じ波長(レイリー散乱光)と、極わずかな成分として、入射光と異なった波長をもつ光(ラマン散乱光)と、を容易かつ確実に選別できる。その結果、ラマン散乱光の振動数が、分子の固有振動数になっているラマン効果に基づく高精度な定量測定がより確実に実現する。図5及び図6に示す本装置15,16に第1光学フィルタ21と第2光学フィルタ22を備えることで、同様の効果が得られる。
[4] The
[5]図3に示す本装置13は、第1検出器1及び第2検出器2に代えて単一の検出器10で兼用した。この単一の検出器10は、第1検出領域23と、第2検出領域24と、を設けて2つ分の機能を発揮するように構成されている。第1検出領域23は、主に第1光学フィルタ21を透過した第1波長を有する光を受けて検出する。第2検出領域24は、主に第2光学フィルタ22を透過した第2波長を有する光を受けて検出する。現状において、検出器と光学フィルタと、それぞれの価格を比較すると、検出器の方がはるかに高価である。高価な検出器であるならば、装置1台につき2個使いするよりも、このような工夫次第で1個使いに簡略化した構造にすることで、本装置13をより安価に提供できる。
[5] In the
[6]図2に示す本装置12は、第1検出器1及び第2検出器2の代わりに、1個のエネルギー分解検出器9を備えた構成である。このエネルギー分解検出器9は、第1、第2光学フィルタ21,22やハーフミラー6を用いることなく、分散光を、第1波長を有する光と、第2波長を有する光と、に分離して測定する機能を有する。これにより、装置1台の構成としては、上記[5]の本装置13(図3)から、第1、第2光学フィルタ21,22を省略できるため一層簡略化できる。ただし、現状で本装置12に必要不可欠なエネルギー分解検出器9は、上記[1]〜[4]で用いた第1、第2検出器21,2はおろか、上記[5]の本装置13(図3)で用いた単一の検出器10よりも、はるかに高価である。したがって、図2に示す本装置12は、小型軽量化の要望に応じる場合のみにメリットが認められる。さらに、本装置12は、第1波長の光と第2波長の光を同じ配置で位置ズレなく検出できるため、両者の比を正確に求めることができ、高精度の計測が可能である。
[6] The
[7]図5に示す本装置15は、第1検出器1を第1光学カメラ25に置き換えても良く、その場合は、同様に第2検出器2を第2光学カメラ26に置き換えるように構成される。また、被検物4から第1光学カメラ25又は第2光学カメラ26までの光路の何れかに光学レンズ18が配設されている。これら、第1、第2の光学カメラ21,22は、第1、第2波長を有する光をとらえて、それぞれの輝度情報を出力する。本装置15は、第1、第2の光学カメラ21,22の出力比率を用いて被検物4の形状情報をキャンセルしながら定量測定する。
[7] In the
なお、図5に示す本装置15は、図6に示して後述する本装置16の変形例と考えられる。すなわち、本装置16において、2組必要だった第1、第2の光学レンズ27,28に代えて、光学レンズ18を被検物4とハーフミラー6との間に1組だけ配設した構成である。透過光9と分離光8とでは、波長が異なるため、1つの光学レンズ18では、焦点距離も違う。それに対応した各部の配置を考慮することにより、異なる波長別の光路にも全体的な合焦維持も可能である。
The
[8]図6に示す本装置16は、上記[7]の構成において1つだけだった光学レンズ18を2つに増やしている。すなわち、第1、第2の光学カメラ25,26には、第1、第2の光学レンズ27,28がそれぞれ専用に付設されている。第1光学レンズ27は、第1光学カメラ25と被検物4との間に配設されている。同様に、第2光学レンズ28は、第2光学カメラ26と被検物4との間に配設されている。このように、異なる波長別の光路毎に専用のレンズを配設する本装置16は、設計が容易で安定した動作が期待できるので、より高精度な測定結果が得られる。
[8] In the
[9]図7に示す本装置17は、上記[1]〜[7]の本装置(図1〜図6)に共通する変形例として、それらに回転装置29を付設している。この回転装置29は、第1、第2検出器21,22に対する被検物4の相対角度を変化させる機能を有する。これにより、本装置70は、第1検出器1の出力に対する第2検出器2の出力比率を、回転装置29の回転角度に応じて取得できる。このように取得された出力比率を再構成処理して断面像に生成することが可能である。このようにして取得された断面像は医療器具でいうCTスキャンにも似た高度な診断機能を有し、より適格な診断結果を得ることが可能である。なお、本装置17は、第1、第2検出器21,2に代えて第1、第2の光学カメラ21,22を用いた場合も同様である。
[9] The
[10]本装置11,14〜17は、第1波長を有する光と、第1検出器1で測定する光の波長を同じに統一している。これにより、高精度な測定結果を効率的に得ることが可能となる。
[11]本装置11〜17は、照射光5として近赤外線を採用することが好ましい。この結果、汎用性を高められるので、より広範囲な測定用途に適用可能となる。特に深部への透過性を要する場合でなければ、ガンマ線やX線に比べて発生源3を簡便に構成できる上、被曝等の危険も少なくて済む。
[10] The
[11] The
[12]本装置11〜17は、第1波長を有する光の測定値と、第2波長を有する光の測定値と、の比率を示す数値をクラスタリング処理した結果に基づいて、被検物4の内部又は深部における分子構造の変化を判定する。これにより、高精度で適格な測定結果を得ることが可能となる。
[12] The
[13]本発明に係る不図示の非破壊検査装置(以下、「本検査装置」ともいう)は、上記[1]〜[12]の何れかに記載の散乱光検出装置(本装置)11〜17を用いて構成されている。これによる非破壊検査装置において、被検物4は、使用中のボールベアリング、グリス、ゴム製品、樹脂製品、ワイヤ、又はこれらの混合製品に適用可能である。これら被検物4の分子構造を解析した結果に基づいて被検物4の継続使用に対する許認可の合否を判定することが可能である。また、この非破壊検査装置を新品に適用することにより、出荷時の検査や初期不良の検出に使用することが可能である。 [13] A nondestructive inspection device (not shown) according to the present invention (hereinafter, also referred to as “present inspection device”) is the scattered light detection device (present device) 11 according to any one of the above [1] to [12]. -17 are used. In the nondestructive inspection device by this, the to-be-inspected object 4 can be applied to the ball bearing, grease, rubber product, resin product, wire, or a mixed product thereof which is in use. It is possible to determine whether or not the license for the continuous use of the test object 4 is acceptable based on the result of analyzing the molecular structure of the test object 4. Further, by applying this nondestructive inspection device to a new product, it can be used for inspection at the time of shipment and detection of initial defects.
また、ボールベアリングに封入されたグリスの非破壊検査については、含油スペースの一端の小穴から新鮮なものを圧入し、その圧力で使用中のものを他端の小穴から押し出して検査に供する。押し出された被検物4は、専用の透明ケースに満たされた状態で、本装置11〜17により散乱光検出されるか、又は本検査装置で非破壊検査されることにより、非破壊検査の目的を達成できる。なお、検査目的でグリスを出し入れする上記小穴は開閉自在であり、通常円転中に閉鎖されていることは言うまでもない。
In addition, for nondestructive inspection of grease enclosed in ball bearings, fresh one is press-fitted from a small hole at one end of the oil-containing space, and the one in use at that pressure is pushed out from a small hole at the other end for inspection. The extruded object 4 is subjected to nondestructive inspection by being scattered light detected by the
上述したように、本装置、及び本検査装置によれば、例えば、近赤外線に代表される光を用いて、対象の内部の変質を非破壊で検査することが可能となる。特に、昇降機のベアリングのグリスの劣化やグリス内の混入した鉄粉量の測定、ウレタンハンドレールの表面ゴムの劣化やウレタン内の亀裂の測定、防振ゴムの摩耗劣化やゴムの硬化の測定、フレーム材やワイヤの摩擦劣化やサビの測定を高精度に実施することができる。これにより、高精度な点検及び点検結果の判定の自動化が可能となり、メンテナンスの作業時間を短縮すると共に、メンテナンスの質を向上することができる。 As described above, according to the present apparatus and the present inspection apparatus, it is possible to nondestructively inspect the alteration inside the target by using light typified by near infrared rays, for example. In particular, the deterioration of the bearing grease of the elevator and the measurement of the amount of iron powder mixed in the grease, the deterioration of the surface rubber of the urethane handrail and the measurement of cracks in the urethane, the wear deterioration of the anti-vibration rubber and the measurement of rubber hardening, It is possible to measure friction deterioration and rust of frame materials and wires with high accuracy. As a result, it is possible to perform highly accurate inspection and automate the determination of inspection results, shorten the maintenance work time, and improve the quality of maintenance.
本発明は、昇降機のベアリングそのもの、それに用いるグリス、エスカレータのウレタンハンドレール、防振ゴム、フレーム材、ワイヤ、及び電線の被覆等に対する劣化程度や継続使用を可否判定する装置として採用される可能性がある。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention may be adopted as a device for determining the bearing itself of an elevator, grease used for the elevator, urethane handrail of an escalator, anti-vibration rubber, frame material, wires, and the degree of deterioration of the coating of electric wires, and the possibility of continuous use There is.
1 第1(エネルギー)検出器
2 第2(エネルギー)検出器
3 (光線/電磁波)発生源
4 被検物(被写体)
5 近赤外線
6 ハーフミラー
7 透過光
8 反射光
9 エネルギー分解検出器
10 (エネルギー)検出器
11〜17 散乱光検出装置(本装置)
18 (光学)レンズ
21 第1光学フィルタ
22 第2光学フィルタ
23 第1(エネルギー)検出領域
24 第2(エネルギー)検出領域
25 第1(光学)カメラ
26 第2(光学)カメラ
27 第1(光学)レンズ
28 第2(光学)レンズ
29 回転装置
1 First (energy)
5 near-infrared 6
18 (Optical)
Claims (13)
該照射光を受けた被検物からの散乱光を測定した結果に基づいて前記被検物の分子構造を解析する散乱光検出装置であって、
前記照射光の発生源と、
前記被検物を基準に前記照射光の入射方向に対して鋭角をなす出射方向に配設された第1検出器と、
前記入射方向に対する前記鋭角とは異なる角度の出射方向に配設された第2検出器と、
を備え、
前記散乱光のうち、第1波長を有する光を前記第1検出器で測定し、
前記散乱光のうち、前記第1波長とは異なる第2波長を有する光を前記第2検出器で測定し、
前記第1検出器と前記第2検出器との出力比率を用いて前記被検物の形状情報をキャンセルしながら定量測定する散乱光検出装置。 An electromagnetic wave that belongs to any of gamma rays, X-rays, ultraviolet rays, visible rays, infrared rays, and microwaves is used as irradiation light,
A scattered light detection device for analyzing a molecular structure of the test object based on a result of measuring scattered light from the test object that has received the irradiation light,
A source of the irradiation light,
A first detector disposed in an emission direction that forms an acute angle with respect to the incident direction of the irradiation light with reference to the test object;
A second detector arranged in an emitting direction at an angle different from the acute angle with respect to the incident direction;
Equipped with
Of the scattered light, the light having a first wavelength is measured by the first detector,
Of the scattered light, light having a second wavelength different from the first wavelength is measured by the second detector,
A scattered light detection device for quantitatively measuring while canceling the shape information of the test object by using an output ratio of the first detector and the second detector.
前記第2波長を有する光は非弾性散乱である、
請求項1に記載の散乱光検出装置。 The light having the first wavelength is elastically scattered,
The light having the second wavelength is inelastically scattered,
The scattered light detection device according to claim 1.
該ハーフミラーは前記散乱光を入射して透過光と反射光とに分離し、
前記分離された一方より前記第1波長を有する光が得られ、
前記分離された他方より前記第2波長を有する光が得られる、
請求項1に記載の散乱光検出装置。 A half mirror is provided between the test object and the first detector,
The half mirror enters the scattered light and separates it into transmitted light and reflected light,
Light having the first wavelength is obtained from the separated one,
Light having the second wavelength is obtained from the other separated light.
The scattered light detection device according to claim 1.
前記第2波長を有する光を優先的に透過する第2光学フィルタと、
を備えた、
請求項1に記載の散乱光検出装置。 A first optical filter that preferentially transmits light having the first wavelength;
A second optical filter that preferentially transmits light having the second wavelength;
With
The scattered light detection device according to claim 1.
該単一の検出器には、
主に前記第1光学フィルタを透過した前記第1波長を有する光を受けて検出する第1検出領域と、
主に前記第2光学フィルタを透過した前記第2波長を有する光を受けて検出する第2検出領域と、
を設けた、
請求項4に記載の散乱光検出装置。 A single detector is used in place of the first detector and the second detector,
The single detector includes
A first detection region that mainly receives and detects light having the first wavelength that has passed through the first optical filter;
A second detection region for mainly receiving and detecting light having the second wavelength that has passed through the second optical filter;
Is provided,
The scattered light detection device according to claim 4.
該エネルギー分解検出器は、前記散乱光を、前記第1波長を有する光と、前記第2波長を有する光と、に分離して測定する機能を有する、
請求項1に記載の散乱光検出装置。 An energy-resolving detector is provided instead of the first detector and the second detector,
The energy-resolving detector has a function of separately measuring the scattered light into light having the first wavelength and light having the second wavelength.
The scattered light detection device according to claim 1.
前記第2検出器に代えた第2光学カメラと、
前記被検物から前記第1光学カメラ又は前記第2光学カメラまでの光路の何れかに配設された光学レンズと、
を備え、
前記第1光学カメラと前記第2光学カメラとの出力比率を用いて前記被検物の形状情報をキャンセルしながら定量測定する、
請求項1に記載の散乱光検出装置。 A first optical camera replacing the first detector;
A second optical camera replacing the second detector;
An optical lens disposed in any of the optical paths from the object to be inspected to the first optical camera or the second optical camera;
Equipped with
Quantitative measurement is performed while canceling the shape information of the object using the output ratio of the first optical camera and the second optical camera.
The scattered light detection device according to claim 1.
前記第2光学カメラと前記被検物との間に配設された第2光学レンズと、
を備え、
前記第1光学カメラは前記第1光学レンズを通して前記第1波長を有する光を輝度情報で出力し、
前記第2光学カメラは前記第2光学レンズを通して前記第2波長を有する光を輝度情報で出力し、
請求項7に記載の散乱光検出装置。 A first optical lens arranged between the first optical camera and the test object;
A second optical lens disposed between the second optical camera and the test object;
Equipped with
The first optical camera outputs light having the first wavelength through the first optical lens as brightness information,
The second optical camera outputs light having the second wavelength as brightness information through the second optical lens,
The scattered light detection device according to claim 7.
前記第1検出器の出力に対する前記第2検出器の前記出力比率を前記回転装置の回転角度に応じて取得し、
該取得された前記出力比率を再構成処理して断面像を生成する、
請求項1に記載の散乱光検出装置。 A rotating device that changes a relative angle of the test object with respect to the first detector and the second detector;
Acquiring the output ratio of the second detector with respect to the output of the first detector according to the rotation angle of the rotating device,
Reconstructing the acquired output ratio to generate a cross-sectional image,
The scattered light detection device according to claim 1.
請求項1に記載の散乱光検出装置。 The wavelength of the light having the first wavelength and the wavelength of the light measured by the first detector are the same,
The scattered light detection device according to claim 1.
請求項1に記載の散乱光検出装置。 The irradiation light is near infrared rays,
The scattered light detection device according to claim 1.
前記被検物の内部又は深部における分子構造の変化を判定する、
請求項1に記載の散乱光検出装置。 Based on the result of clustering the numerical value indicating the ratio between the measured value of light having the first wavelength and the measured value of light having the second wavelength,
Determining changes in the molecular structure within or deep within the test object,
The scattered light detection device according to claim 1.
請求項1〜12の何れか一項に記載の散乱光検出装置を用いた非破壊検査装置。 The test object is a ball bearing in use, grease, a rubber product, a resin product, a wire, or a mixed product thereof, and the continuation of the test object based on the result of analyzing the molecular structure of the test object. Judge pass/fail of use authorization,
A nondestructive inspection device using the scattered light detection device according to claim 1.
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