JP3735650B2 - Surface inspection device - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば、小型、あるいは高温、あるいは狭隘部、あるいは稼動部など接触やアクセスが困難な計測対象において、その表面における欠陥の有無とその寸法を、非接触かつ非破壊で高精度に検出することのできる表面検査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波を用いた計測対象表面の欠陥検査手法としては、図２２に示す表面波探傷法が一般に知られている。この従来の手法によると、まず、計測対象１に対してカプラント２aを介して表面波探触子３aを接触させる。この状態で送信器４から電気信号を表面波探触子３aに印加すると、表面波探触子３aから計測対象１中に表面波５が送信される。送信された表面波５は計測対象１の表面を伝播し、カップラント２ｂを介して表面波探触子３bに到達する。この信号は表面波探触子３ｂで受信され、送信の逆作用によって電気信号に変換されて欠陥検知器６に入力される。欠陥検知器６には送信器４からの送信信号も入力されており、信号検出器６における送信信号の受信時刻と受信信号の受信時刻の差Δｔ、つまり計測対象１の表面を表面波５が伝播した時間が計測される。ここで予め表面波探触子３aと３ｂの間隔Lと表面波の音速ｖｓが既知とすると、それらの量は
Ｌ＝ｖｓ・Δｔ
という関係にあるべきものである。ここで計測対象１の表面に開口を無視し得る深さＤなる欠陥７が存在していたとすると、表面波５の一部８は欠陥面を回り込み、その結果、伝播時間ΔｔＤは欠陥がない場合の伝播時間Δｔと比べて長くなる。したがって、伝播時間ΔｔＤを計測すれば、本来計測されるべき伝播時間Ｌ／ｖｓとΔｔＤとの比較から欠陥の有無が分かり、かつ
Ｄ＝（ｖｓ・ΔｔＤ−Ｌ）／２
の関係から欠陥の深さＤが算出できる。
【０００３】
超音波を用いた表面検査の第２の従来手法が図２３に示されている。この手法は、表面波探触子３から計測対象１中に送信された表面波５に基づく欠陥７の開口端部および底部における欠陥波９ａおよび９ｂを再び表面波探触子３で受信するものである。本手法においては、欠陥波９ａの表面波探触子３への到達時刻Δｔａと欠陥波９ｂの表面波探触子３への到達時刻Δｔｂは、既知の表面波音速ｖｓを用いて
２Ｄ＝ｖｓ・（Δｔａ−Δｔｂ）
なる関係にあることから、欠陥検知器６でΔｔａとΔｔｂを計測することによって欠陥の深さＤを求めることができる。
【０００４】
一方、これらと同様の手法を、表面波探触子３およびカップラント２を用いずに、レーザー光による表面波の送受信で代替する手法も提案されている。レーザー光を用いた非接触の表面波送信手法とは、短パルス高エネルギーのレーザー光をある対象に照射すると、照射点付近にレーザーエネルギーの吸収による熱応力あるいは気化（アブレーション）圧縮力が発生し、その作用による歪みが表面波となって対象中を伝播するという手法である。この手法は、たとえばJ.D.Aussel（"Generation Acoustic Waves by Laser: Theoretical and Experimental Study of the Emission Source," Ultrasonics, vol.24(1988), 246-255）らによって理論的かつ実験的に明らかにされている。またレーザー光を用いた非接触の表面波受信手法とは、表面波が計測対象表面に励起する微小振動を、レーザー光の進行方向の変化（偏向）や反射光の位相差、周波数遷移量などから計測するものであり、例えば山脇（“レーザ超音波と非接触材料評価” 溶接学会誌、 第64巻(1995)、 104-108）によって解説されている公知技術である。これらレーザー光による表面波の送受信手法を図２２あるいは図２３の手法に適用した例としてはC.Chenu（"Defect Detection by Surface Acoustic Waves Generated by a Multiple Beam Laser," Proc. of IEEE Ultrasonics Symposium (1995) 821-824）らの技術などが公知である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記の表面波探触子を用いた検査手法は簡便であり、通常の検査対象に対しては有効である。しかし、表面波探触子を設置する際にはカプラントの塗布が必要であり、これは作業工程の増加につながる。また検査対象が小型であったり狭隘部にある場合には表面波探触子を設置することが困難である。レーザー光を用いた非接触手法はこれらの問題点を解決可能であるが、いずれの場合も予め正確な表面波の音速を知っておく必要があるという点が煩雑である。表面波の音速は同種類の金属であってもその表面状態や製造過程の若干の違いから値が異なるため、正確な音速の把握のためには検査対象そのものを用いた音速校正が必要である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の目的は、レーザー光などを用いた非接触の表面波送受信手法により、作業工程の短縮と計測媒質の寸法や配置に依らない検査を可能とするとともに、受信信号に含まれる表面波信号を用いることで、欠陥波による欠陥の有無と深さ検査と同時に、検査材料そのものを用いて伝播速度を校正し、校正に関する作業行程の短縮と測定値の精度向上を図るとともに、欠陥の位置を同定する表面検査装置を提供することにある。
本発明の第２の目的は、レーザー光などを用いた非接触の表面波送受信手法により、作業工程の短縮と計測媒質の寸法や配置に依らない検査を可能とするとともに、同一の表面波を複数の受信点で受信することで、欠陥の有無と深さ検査と同時に、検査材料そのものを用いて伝播速度を校正し、校正に関する作業行程の短縮と測定値の精度向上を図るとともに、欠陥の位置を同定する表面検査装置を提供することにある。
【０００７】
本発明の第３の目的は、レーザー光などを用いた非接触の表面波送受信手法により対象表面を検査するとき、表面波を複数の送信点で同時に励起し、それを同一の受信点で受信することで、検査と同時に、検査材料そのものを用いて伝播速度を校正し、校正に関する作業行程の短縮と測定値の精度向上を図る表面検査装置を提供することにある。
【０００８】
本発明の第４の目的は、レーザー光などを用いた非接触の表面波送受信手法により対象表面を検査するとき、同一の表面波を複数の受信点で受信し、それらの受信点間を伝播する表面波の詳細な伝播特性を同定することで、測定値の更なる精度向上を図る表面検査装置を提供することにある。
【０００９】
本発明の第５の目的は、レーザー光などを用いた非接触の表面波送受信手法により対象表面を検査するとき、表面波を複数の送信点で同時に励起し、それを同一の受信点で受信し、それらの送信点間を伝播する表面波の詳細な伝播特性を同定することで、測定値の更なる精度向上を図る表面検査装置を提供することにある。
【００１０】
本発明の第６の目的は、レーザー光を用いた非接触の表面波送受信手法により対象表面を検査するとき、送信側のレーザー光の照射形状を線状とすることで、受信点の位置ずれを許容する表面検査装置を提供することにある。
【００１１】
本発明の第７の目的は、レーザー光を用いた非接触の表面波送信手法により対象表面を検査するとき、送信側のレーザー光を多数に分岐し、そのおのおのを光ファイバーで伝送することで測定対象へのアクセス性を更に高めるとともに、光ファイバーの相対的な位置関係を変えることにより、より容易に照射形状を調整可能とする表面検査装置を提供することにある。
【００１２】
本発明の第８の目的は、レーザー光を用いた非接触の表面波送受信手法により対象表面を検査するとき、受信側のレーザー光を光ファイバーで伝送することで測定対象へのアクセス性を高める表面検査装置を提供することにある。
【００１３】
本発明の第９の目的は、レーザー光を用いた非接触の表面波送受信手法により対象表面を検査するとき、特に受信をレーザー干渉計で行う場合であり、測定対象の非均一性や測定システムに対する振動・温度変化などの外乱を除去するために、干渉計内の光学素子を駆動制御する表面検査装置を提供することにある。
【００１４】
本発明は、計測対象のある部分に非接触で表面波を励起する表面波送信手段と、予め送信位置に対して既知の位置に設置された１個の表面波受信要素から成り、前記計測対象の表面を伝播した前記表面波および前記計測対象表面に欠陥があった場合には、欠陥個所で前記表面波が反射、透過、回折または散乱されることによって発生する欠陥波のうち、前記表面波、あるいは前記表面波と前記欠陥波の両方を非接触で検出する表面波受信手段と、前記表面波受信手段の出力信号から前記欠陥の有無、あるいはその深さ、あるいはその両方を検知する欠陥検知手段と、前記表面波受信要素の出力信号に含まれる前記欠陥波成分から前記欠陥の有無と深さに加えてその位置を同定する欠陥同定手段と、表面波成分の伝播時間から前記表面波の音速を校正する音速校正手段とで構成される表面検査装置を提供する。
【００１５】
本発明は、計測対象のある部分に非接触で表面波を励起する表面波送信手段と、送信位置に対して予め既知の位置に設置された複数個の表面波受信要素から成り、前記計測対象の表面を伝播した前記表面波および、前記計測対象表面に欠陥があった場合には、欠陥個所で前記表面波が反射、透過、回折または散乱されることによって発生する欠陥波のうち、前記表面波、あるいは前記表面波と前記欠陥波の両方を非接触で検出する表面波受信手段と、前記表面波受信手段の出力信号から前記欠陥の有無とその位置、あるいはその深さ、あるいはその両方を検知する欠陥検知手段と、前記表面波受信要素の出力信号に含まれる前記欠陥波成分から前記欠陥の有無と深さに加えてその位置を同定する欠陥同定手段と、前記表面波受信要素の出力信号に含まれる表面波成分の伝播時間差から前記表面波の音速を校正する音速校正手段とで構成される表面検査装置を提供する。
【００１６】
本発明は、予め既知の位置に設置された複数個の表面波送信要素から成り、計測対象のある部分に非接触で表面波を励起する表面波送信手段と、送信位置に対して予め既知の位置に設置されており、前記計測対象の表面を伝播した前記表面波および、前記計測対象表面に欠陥があった場合には、欠陥個所で前記表面波が反射、透過、回折または散乱されることによって発生する欠陥波のうち、前記表面波、あるいは前記表面波と前記欠陥波の両方を非接触で検出する表面波受信手段と、前記表面波受信手段の出力信号から前記欠陥の有無とその位置、あるいはその深さ、あるいはその両方を検知する欠陥検知手段と、前記前記表面波受信要素の出力信号に含まれる前記欠陥波成分から前記欠陥の有無と深さに加えてその位置を同定する欠陥同定手段と、前記表面波送信要素から送信された表面波に相当する前記表面波受信手段の出力信号に含まれる表面波成分の伝播時間差から前記表面波の音速を校正する音速校正手段とで構成される表面検査装置を提供する。
【００１７】
本発明は、計測対象のある部分に非接触で表面波を励起する表面波送信手段と、予め既知の位置に設置された複数個の表面波受信要素から成り、前記計測対象表面を伝播した前記表面波および、前記計測対象表面に欠陥があった場合には、欠陥個所で前記表面波が反射、透過、回折または散乱されることによって発生する欠陥波のうち、前記表面波、あるいは前記表面波と前記欠陥波の両方を非接触で検出する表面波受信手段と、前記表面波受信手段の出力信号から前記欠陥の有無とその位置、あるいはその深さ、あるいはその両方を検知する欠陥検知手段と、前記表面波受信要素の出力信号に含まれる表面波成分から各表面波受信要素間の伝播経路の伝達特性を求める伝達特性同定手段とで構成される表面検査装置を提供する。
【００１８】
本発明は、予め既知の位置に設置された複数個の表面波送信要素から成り、計測対象のある部分に非接触で表面波を励起する表面波送信手段と、前記計測対象表面を伝播した前記表面波および、前記計測対象表面に欠陥があった場合には、欠陥個所で前記表面波が反射、透過、回折または散乱されることによって発生する欠陥波のうち、前記表面波、あるいは前記表面波と前記欠陥波の両方を非接触で検出する表面波受信手段と、前記表面波受信手段の出力信号から前記欠陥の有無とその位置、あるいはその深さ、あるいはその両方を検知する欠陥検知手段と、前記表面波送信要素から送信された表面波に相当する前記表面波受信手段の出力信号に含まれる表面波成分から各表面波の伝播経路の伝達特性を求める伝達特性同定手段とで構成される表面検査装置を提供する。
【００１９】
本発明は、前記表面波受信手段が、前記計測対象表面に連続的にレーザー光を照射する手段である表面検査装置を提供する。
【００２０】
本発明は、前記表面波送信手段が、前記計測対象の表面近傍に設置された電磁超音波探触子である表面検査装置を提供する。
【００２１】
本発明は、前記表面波受信手段が、前記計測対象の表面近傍に設置された電磁超音波探触子である請求項１乃至５のいずれか１に記載の表面検査装置を提供する。
【００２２】
本発明は、前記表面波受信手段が、前記計測対象表面の振動変位または振動速度を計測するレーザー干渉計であり、かつ前記レーザー干渉計内の光検出器の出力信号の振幅によって制御される、前記レーザー干渉計内の光路長微動手段を備えている表面検査装置を提供する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００２４】
図１は、本発明の第１の実施形態に従った表面検査装置を示している。これによると、たとえばパルス状に変調したレーザー光を発振する変調光源１０から発振されたパルスレーザー光１１は、照射用光学系１２を介し、レンズ系１３などでフォーカスされて、計測対象１のある位置Ｅに照射される。この照射位置Ｅには表面波５が励起され、計測対象１の表面を伝播する。照射位置Ｅから既知の距離Ｌ離れた受信点Ｍには、レーザーによる表面波検出器１４から発振されたレーザー光１５が照射用光学系１６を介して照射される。まず、表面を伝播した表面波５が受信点Ｍに到達すると、その波形は表面波検出器１４の出力信号Ｓｉｇとして検知される。さらに表面波５は受信点Ｍを通過して伝播して欠陥７に到達し、欠陥の開口部および底部のエッジで欠陥波９ａ、９ｂが発生する。それらの欠陥波は再び受信点Ｍに到達して表面波検出器１４の出力信号Ｓｉｇとして検知される。出力信号Ｓｉｇおよび変調光源の発振タイミングを示すトリガー信号Ｔｒｇは欠陥同定装置１７に入力される。欠陥同定装置１７は速度校正機能を備えており、それぞれの信号の時間差から計測対象１を伝わる表面波５の正確な音速と、経路上の欠陥の有無、その位置、その深さが検知される。
【００２５】
上記第１の実施形態によると、計測対象１に対して非接触で送信された表面波５は距離Ｌを伝播して受信点Ｍに到達する。ここでＭにおける受信手段が表面波探触子など接触式の場合、表面波５は受信装置の影響で大きく減衰し、実効的にはそれ以上伝播しない。しかし、受信装置がレーザー変位計など非接触の場合には表面波５は更に計測対象１の表面を伝播し、欠陥７に到達する。その一部は欠陥７の開口部、底部のエッジと相互作用し、欠陥波９ａ、９ｂが発生する。これらの欠陥波は再び受信点Ｍに到達し、信号として非接触受信器１４にて受信される。各々の信号が図６に示されている。ここで受信点Ｍまでの距離Ｌが予め既知とすると、未知の音速ｖｓは、信号Ｔｒｇが示す表面波５の発振時刻Ｔ０を基準とし、非接触の表面波受信手段で表面波が受信されるまでの時刻Ｔ１を用いて
ｖｓ＝Ｌ／Ｔ１
と求めることができる。また、欠陥波９ａ、９ｂの到達時間差Ｔｄは表面波５が欠陥７の深さ方向に伝播する時間であるため、未知の欠陥深さＤは
Ｄ＝Ｌ・Ｔｄ／Ｔ１
となり、予め表面波の音速ｖｓを知ること無しに欠陥深さＤを知ることが可能となる。また欠陥波９ａの伝播時間Ｔ３を用いれば、
Ｌｄ＝Ｌ・Ｔ３／Ｔ１
の関係から、送信点Ｅから欠陥の存在位置までの距離Ｌｄを求めることができ、未知の欠陥位置を知ることが可能となる。
【００２６】
なお、欠陥底部で相互作用して発生する欠陥波９ｂは純粋な表面波成分である場合の他、表面波がモード変換して発生する横波成分である可能性もある。横波と表面波の音速は若干異なり、かつモード変換を経ると伝播経路も同一経路ではなくなることから、その場合には深さ計測時のみ横波音速を用いて校正する必要がある。
【００２７】
図２は、本発明の第２の実施形態に係わる表面検査装置を示している。これによると、たとえばパルス状に変調したレーザー光を発振する変調光源１０から発振されたパルスレーザー光１１は、照射用光学系１２を介し、レンズ系１３などでフォーカスされて、計測対象１のある位置Ｅに照射される。この照射位置Ｅには表面波５が励起され、計測対象１の表面を伝播する。照射位置Ｅから既知の距離Ｌ１離れた受信点Ｍ１には、第１のレーザーによる表面波検出器１４ａから発振されたレーザー光１５ａが照射用光学系１６ａを介して照射され、照射位置Ｅから位置Ｅと位置Ｍ１を結ぶ直線の延長線上の既知の距離Ｌ２離れた受信点Ｍ２には、第２のレーザーによる表面波検出器１４ｂから発振されたレーザー光１５ｂが、照射用光学系１６ｂを介して照射される。表面を伝播した表面波５が受信点Ｍ１に到達すると、その波形は第１のレーザーによる表面波検出器１４ａの出力信号Ｓｉｇ１として、受信点Ｍ２に到達すると第２のレーザーによる表面波検出器１４ｂの出力信号Ｓｉｇ２として検知される。これら出力信号Ｓｉｇ１、Ｓｉｇ２および変調光源１０の発振タイミングを示すトリガー信号Ｔｒｇはすべて欠陥同定装置１７に入力され、それぞれの信号の時間差から計測対象１を伝わる表面波５の正確な音速と、経路上の欠陥の有無、深さ、位置が検知される。
【００２８】
上記第２の実施形態によると、計測対象１に対して非接触で送信された表面波５は距離Ｌ１を経て受信点Ｍ１に到達する。ここで受信点Ｍ１における受信手段が表面波探触子など接触式の場合、表面波５は受信装置の影響で大きく減衰し、実効的にはそれ以上伝播しない。しかし、受信装置がレーザー変位計など非接触の場合には表面波５は更に計測対象１の表面を伝播し、欠陥７を経由して受信点Ｍ２に到達する。このときの各々の信号が図７に示されている。ここで受信点Ｍ１、Ｍ２までの距離Ｌ１、Ｌ２が予め既知とすると、未知の音速ｖｓは、信号Ｔｒｇが示す表面波５の発振時刻Ｔ０を基準とし、非接触の表面波受信手段で表面波が受信されるまでの時刻Ｔ１を用いて
ｖｓ＝Ｌ１／Ｔ１
と求めることができる。またＭ２で表面波が検知される時刻Ｔ２は表面波５が距離Ｌ２＋２Ｄだけ伝播する時間であるから、未知の欠陥深さＤは
Ｄ＝（Ｌ１・Ｔ２／Ｔ１−Ｌ２）／２
となり、予め表面波の音速ｖｓを知ること無しに欠陥深さＤを知ることが可能となる。更にＳｉｇ１を長時間観察すると、そこには図６に示した波形と同様に欠陥波９ａおよび９ｂが観測されるため、上述と同様の手法を用いることで欠陥の位置を同定することも可能となる。
【００２９】
図３は、本発明の第３の実施形態に係わる表面検査装置を示している。これによると、たとえばパルス状に変調したレーザー光を発振する変調光源１０から発振されたパルスレーザー光１１は、照射用光学系１２ａで２分岐され、レンズ系１３ａおよび１３ｂでフォーカスされて、計測対象１の位置Ｅ１、Ｅ２に照射される。照射位置Ｅ１、Ｅ２には表面波５ａ、５ｂがそれぞれ励起され、計測対象１の表面を伝播する。照射位置Ｅ１、Ｅ２から既知の距離Ｌ１、Ｌ２離れた受信点Ｍ１には、レーザーによる表面波検出器１４から発振されたレーザー光１５が照射用光学系１６を介して照射される。表面を伝播した表面波５ａ、５ｂが受信点Ｍ１に到達すると、その波形はレーザーによる表面波検出器１４の出力信号Ｓｉｇとして検知される。表面波５ａ、５ｂを含む受信信号Ｓｉｇ、および変調光源１０の発振タイミングを示すトリガー信号Ｔｒｇは欠陥同定装置１７に入力され、それぞれの信号の時間差から計測対象１を伝わる表面波５の正確な音速と、経路上の欠陥の有無と深さが検知される。
【００３０】
上記第３の実施形態によると、例えばパルスレーザー光を２分岐し、ほぼ同時刻に複数点に表面波を励起するものである。このようにすると、受信点Ｍにおいては、まず最も近い送信点Ｅ２に励起された表面波５ｂが到達し、続いて欠陥７を経由して送信点Ｅ１に励起された表面波５ａが到達する。受信点Ｍにおける受信信号が図８に示されている。ここで、表面波５ｂの到達時刻Ｔ２は距離Ｌ２−Ｌ１を伝播した表面波の伝播時間であるから、表面波の音速ｖｓはｖｓ＝（Ｌ２−Ｌ１）／Ｔ１
となる。したがって、表面波５ａの到達時刻Ｔ１を用い、欠陥の深さＤは
Ｄ＝｛（Ｌ２−Ｌ１）Ｔ２／Ｔ１−Ｌ２｝／２
となり、この場合も予め表面波の音速ｖｓを知ること無しに欠陥深さＤを知ることが可能となる。更に、信号Ｓｉｇには図６に示した波形と同様に送信点Ｅ２から送信された表面波５ｂによる欠陥波９ａおよび９ｂが観測されるため、上述と同様の手法を用いることで欠陥の位置を同定することも可能となる。
【００３１】
図４は、本発明の第４の実施形態に係わる表面検査装置を示している。これによると、たとえばパルス状に変調したレーザー光を発振する変調光源１０から発振されたパルスレーザー光１１は、照射用光学系１２を介し、レンズ系１３などでフォーカスされて、計測対象１のある位置Ｅに照射される。この照射位置Ｅには表面波５が励起され、計測対象１の表面を伝播する。照射位置Ｅから既知の距離Ｌ１離れた受信点Ｍ１には、第１のレーザーによる表面波検出器１４ａから発振されたレーザー光１５ａが照射用光学系１６ａを介して照射され、照射位置Ｅから位置Ｅと位置Ｍ１とを結ぶ直線の延長線上の既知の距離Ｌ２離れた受信点Ｍ２には、第２のレーザーによる表面波検出器１４ｂから発振されたレーザー光１５ｂが、照射用光学系１６ｂを介して照射される。表面を伝播した表面波５が受信点Ｍ１に到達すると、その波形は第１のレーザーによる表面波検出器１４ａの出力信号Ｓｉｇ１として、受信点Ｍ２に到達すると第２のレーザーによる表面波検出器１４ｂの出力信号Ｓｉｇ２として検知される。これら出力信号Ｓｉｇ１、Ｓｉｇ２および変調光源１０の発振タイミングを示すトリガー信号Ｔｒｇは伝播経路特性の同定装置１８に入力され、トリガー信号Ｔｒｇを基準とした出力信号Ｓｉｇ１、Ｓｉｇ２の伝播時間をはじめ、２信号間の振幅減衰、周波数スペクトル、位相差、コヒーレンスが算出され、それらを基に欠陥の有無、深さ、位置が検知される。
【００３２】
上記第４の実施形態によると、非接触の手法を用いて点Ｅに励起された表面波５ａは、まず受信点Ｍ１にて非接触受信器１４ａで受信される。その後、表面波５ａは欠陥７に到達し、その一部は欠陥７の開口部、底部のエッジで反射され、欠陥波９ａ、９ｂが発生する。これらの欠陥波は再び受信点Ｍ１に到達し、信号として非接触受信器１４ａにて受信される。一方、表面波５ａのうち反射されなかった成分５ｃは欠陥７を透過して受信点Ｍ２に到達し、非接触受信器１４ｂで受信される。この信号が図９に示されている。
【００３３】
ここで、表面波の性質として、表面波は物質表面において、その１波長程度の深さの範囲に存在することが知られている。音速ｖｓ（ｖｓの計測手法は上述の通りである）、周波数ｆａの表面波の波長λは
λ＝ｖｓ／ｆａ
で現されることから、周波数の高い波ほど表面近傍に局在し、周波数が低くなるにつれてより深くまで浸透することが分かる。したがって、欠陥深さＤと比べ、表面波５ａに含まれるλ＜Ｄなる成分は主に反射され、Ｄ＜λなる成分は主に透過することになる。すなわち、点Ｅに励起される表面波の周波数スペクトルが図１０（ａ）で現される場合、点Ｍ２で受信される透過表面波５ｃの周波数スペクトルは図１０（ｂ）のように低周波が支配的となる一方、点Ｍ１で受信される欠陥波９a（場合によっては９ｂ）の周波数スペクトルは図１０（ｃ）のように高周波が支配的となる。よって、各受信信号のカットオフ周波数ｆｃを求めることにより、
ｆｃ＝ｖｓ／Ｄ
なる関係より、欠陥深さＤを求めることが可能となる。また、上述の通り欠陥波９ａ、９ｂの到達時間差Ｔｄから欠陥深さＤは、
Ｄ＝ｖｓ・Ｔｄ／２
と求めることができるので、同じ物理量を同時に２通りの計測量から求めることで、計測精度をより高めることが可能となる。
【００３４】
図５は、本発明の第５の実施形態に係わる表面検査装置を示す。これによると、たとえばパルス状に変調したレーザー光を発振する変調光源１０から発振されたパルスレーザー光１１は、照射用光学系１２ａで２分岐され、レンズ系１３ａおよび１３ｂでフォーカスされて、計測対象１の位置Ｅ１、Ｅ２に照射される。照射位置Ｅ１、Ｅ２には表面波５ａ、５ｂがそれぞれ励起され、計測対象１の表面を伝播する。照射位置Ｅ１、Ｅ２から既知の距離Ｌ１、Ｌ２離れた受信点Ｍ１には、レーザーによる表面波検出器１４から発振されたレーザー光１５が照射用光学系１６を介して照射される。表面を伝播した表面波５ａ、５ｂが受信点Ｍ１に到達すると、その波形はレーザーによる表面波検出器１４の出力信号Ｓｉｇとして検知される。表面波５ａ、５ｂを含む受信信号Ｓｉｇ、および変調光源１０の発振タイミングを示すトリガー信号Ｔｒｇは伝播経路特性の同定装置１８に入力され、トリガー信号Ｔｒｇを基準とした受信信号Ｓｉｇに含まれる２信号の各々の伝播時間をはじめ、受信信号Ｓｉｇに含まれる２信号間の振幅減衰、周波数スペクトル、位相差、コヒーレンスが算出され、それらを基に欠陥の有無と深さが検知される。
【００３５】
上記第５の実施形態によると、送信点Ｅ２に励起された超音波５ｂは欠陥を経由せずに受信点Ｍで受信されるため、伝播媒質の特性に応じた振幅減衰をもって図１０（ａ）のように検知される。一方、送信点Ｅ１に励起された超音波５ａは欠陥を経由し、上述の通り低周波帯域が選択的に透過されて受信点Ｍで受信される（図１０（ｂ））。したがって、２信号間のカットオフ周波数ｆｃのシフト量を検出することで、欠陥の深さＤを求めることができる。
【００３６】
非接触の表面波送信手段としてパルスレーザー光１１を照射する場合、それを線状にフォーカスする場合の作用を図１１を用いて説明する。通常、高いエネルギー密度を得るためには図１１（ａ）のようにレーザー光１１をレンズ１３aを用いて点状に収束させる手法が取られる。これは簡便な方法ではあるが、この場合、送信される表面波は点Ｅ１を中心として円状に伝播することになる。この時、例えば図１１（ｂ）に示す通り２つの受信点Ｍ１、Ｍ２が正確に一直線上に位置していないとすると、Ｅ１−Ｍ２間の距離は想定している長さＬ２よりも長くなり、これが計測誤差となる。一方、図１１（ｃ）のようにシリンドリカルレンズ１３bを用い、レーザー光１１を線状にフォーカスすると、励起された表面波はその線とは垂直方向に平面波として伝播する。この場合には２つの受信点Ｍ１、Ｍ２が正確に一直線上に位置していない場合でも、Ｅ１−Ｍ２間、Ｅ１−Ｍ１間の距離は想定した距離Ｌ１、Ｌ２となり、計測上の誤差を軽減することが可能となる。
【００３７】
図１２に本発明の第６の実施形態に係わる表面検査装置が示されている。これによると、計測試料１のある点Ｅに、ＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザー光源１９から短パルス高エネルギーのレーザー光１１を照射用光学系１２を介して照射する。このようにすると、照射点Ｅを音源とした表面波５が計測試料１の表面を伝播する。ここで、レーザー光源はＮｄ：ＹＡＧを媒質としたもの以外、赤外域で発振するＣＯ２レーザー、紫外域で発振するエキシマレーザー、パルス半導体レーザーなども使用可能である。送信された表面波５は距離Ｌ１を経て受信点Ｍ１に到達するが、受信点Ｍ１における受信手段が表面波探触子など接触式の場合、表面波５は受信装置の影響で大きく減衰し、実効的にはそれ以上伝播しない。しかし、受信装置がレーザー変位計など非接触の場合には表面波５は更に計測対象１の表面を伝播し、欠陥７を経由して受信点Ｍ２に到達する。
【００３８】
ここで、レーザー光を用いた非接触の表面波受信手段の具体例を説明する。レーザーによる受信装置に用いるレーザー光源としてはＨｅ−Ｎｅレーザー、半導体レーザーや半導体励起固体レーザーなどが考えられる。また光学系としては、偏向方位検出計（ナイフエッジ法）、時間差干渉計、ヘテロダイン干渉計、透過型あるいは反射型のファブリペロー干渉計などが使用可能である。ここでは特にマイケルソン干渉計の場合について述べる。
【００３９】
図１３は、マイケルソン干渉計で複数点の微小振動（表面波）を検出する際の通常の手法を示している。ここでは、例えば、レーザー光源２０ａ、２０ｂから発振した連続レーザー光２１ａ、２１ｂは光分岐器２２ａ、２２ｂで２分岐され、一方は参照光２３ａ、２３ｂとしてミラー２５ａ、２５ｂを介して光検出器２６ａ、２６ｂへ、他方は測定光１５ａ，１５ｂとして照射用光学系１６ａ，１６ｂを介して計測対象１の表面の受信点Ｍ１，Ｍ２に照射される。表面波５が受信点Ｍ１，Ｍ２に到達すると、反射位置が微小に変位するため、受信点Ｍ１，Ｍ２における測定光１５ａ，１５ｂの反射成分の位相が変化する。この反射光は照射と同一経路を逆戻りして光分岐器２２ａ，２２ｂで参照光２３ａ，２３ｂと合成され、ともに光検出器２６ａ，２６ｂに入射される。光検出器２６ａ，２６ｂでは参照光２３ａ，２３ｂと測定光１５ａ，１５ｂの干渉信号が計測され、もし表面波５の到達によって測定光１５ａ，１５ｂの位相が変化した場合には、それに対応した波形の信号Ｓｉｇ１，Ｓｉｇ２が出力される。複数の受信点で測定を実施する場合には、図１３に示すように、この干渉系を受信点数だけ用意すればよい。
【００４０】
図１４を参照して改良型マイケルソン干渉計を用いて複数点の微小振動（表面波）を検出する方法を説明する。
【００４１】
これは、レーザー光源２０から発振したレーザー光２１を光分岐器２７で受信点の数と同数に分岐し、その各々をマイケルソン干渉計に用いる。このようにすると、比較的高価なレーザー光源２０を１つ使うだけで複数点の受信を行うことが可能となり、図１３に示した従来手法と比べ受信機のコストを下げることができる。
【００４２】
また、図１５に示す第２の改良型マイケルソン干渉計を用いても複数点の測定を行うことが可能である。これはレーザー光源２０から発振したレーザー光２１を光分岐器２２で受信点の数と同数に分岐する。ここでは簡単のため、２分岐する場合を考える。分岐した２つのレーザー光を測定光１５ａ、１５ｂとして、照射用光学系１６ａ、１６ｂをそれぞれ介して受信点Ｍ１、Ｍ２に照射する。いま表面波５が図の位置から伝播してきたとすると、その波はまず受信点Ｍ１に到達し、そこを通過して受信点Ｍ２に到達する。ここで、受信点Ｍ１に表面波５による変位が発生し、測定光１５ａの反射光の位相がシフトしている間は、受信点Ｍ２に照射した測定光１５ｂの反射光は固定点による反射、すなわち参照光として扱うことができる。逆に、受信点Ｍ２に表面波５による変位が発生し、測定光１５ｂの反射光の位相がシフトする際には、受信点Ｍ１に照射した測定光１５ａの反射光は参照光として扱うことができる。したがってその干渉信号を検出する光検出器２６からは受信点Ｍ１、Ｍ２の両方の信号が検出されることになる。このように光学系を構成すれば、１つのレーザー光源２０、光検出器２６、干渉光学系で複数点の信号受信を行うことが可能となり、よりいっそう受信機に関するコストを低減することが可能となる。
【００４３】
図１５に示した改良型マイケルソン干渉計は、上述の機能だけでも動作するが、更に下記の機能を加えることでより高度化することが可能である。計測対象１上の受信点Ｍは一般に粗面であることから、その反射光にはスペックルと呼ばれる明暗の斑模様が現れる。すなわち、照射点Ｍの性状の微妙な差により干渉計測の効率が著しく劣化する可能性がある。そこで、光検出器２６の出力信号を分岐してローパスフィルタ１０２によってその直流成分だけを取り出し、そのレベルが一定となるようにコントローラ１０３、ドライバ１０４によって移動機構１０１を駆動し、照射用のミラー１００を動作させる。これにより干渉計の光路長を調整し、干渉効率を常に最適に保持することが可能となる。駆動する光学素子はミラー１００でなく、照射用光学系１６とすることも可能である。また本手法は、図１３、図１４に示した干渉計において、ミラー２５あるいは照射用光学系１６を駆動することでも同様の効果が得られる。
【００４４】
図１２は、非接触の受信機として例えば図１５に示した改良型マイケルソン干渉計２０を用いた検査装置を示している。このようにすれば、欠陥７を経由しない表面波５と欠陥７を経由した表面波５、および欠陥７による欠陥波を１つの干渉計ｓで受信することが可能となり、これらの信号をオシロスコープで目視観察したり、あるいは信号処理回路を用いて音速校正すると同時に欠陥の有無、欠陥の寸法、欠陥の位置を検知することが可能となる。
【００４５】
図１６は、本発明の第６の実施形態に係わる検査装置を示している。これは非接触の３台の表面波受信機を用いた場合であり、欠陥７が発生している可能性のある範囲がある程度限定でき、しかも表面波送信用のパルスレーザー光１０がその付近に照射できない場合を想定した例である。表面波５はその伝播経路上に欠陥が無い場合でも計測対象１の性質に応じて相応に減衰する。そこで、欠陥が表面波５の送信点Ｅ近傍の第１の受信点Ｍ１に第１のレーザー変位計１４ａからの測定光１５ａを、欠陥７近傍の両側に各々の位置する第２の受信点Ｍ２に第２のレーザー変位計１４ｂからの測定光１５ｂを、第３の受信点Ｍ３に第３のレーザー変位計１４ｃからの測定光１５ｃを照射する。まず、送信された表面波５は近傍の受信点Ｍ１に到達し、レーザー変位計１４ａの出力信号Ｓｉｇ１としてはほぼ励起された表面波５そのものの波形が得られる。ここから表面波５は更に伝播し、欠陥７の開口部手前の受信点Ｍ２において伝播経路上で減衰した表面波５の波形が信号Ｓｉｇ２として検出される。表面波５は更に伝播し、欠陥７との相互作用によって欠陥波が信号Ｓｉｇ２に、透過した表面波５の成分が信号Ｓｉｇ３として検知される。このようにすると、信号Ｓｉｇ１とＳｉｇ２の表面波成分を比較することにより伝播経路上の減衰に関する情報と音速が求められ、また信号Ｓｉｇ２の表面波成分と信号Ｓｉｇ３を信号処理することにより、欠陥７と表面波５の相互作用による伝播時間の遅れや周波数遮断などの事象をより正確に知ることが可能となる。
【００４６】
図１７は、本発明の第７の実施形態に係わる検査装置を示す。これはパルスレーザー光源１０から発振したレーザー光を光ファイバー２７を用いて送信点Ｅに導き、またレーザー変位計１４ａ、１４ｂの測定光を光ファイバー２８ａ、２８ｂを用いて受信点Ｍ１、Ｍ２に導くものである。このようにすれば計測対象１がより狭隘場所にある場合でも自由度の高い計測を実施することが可能となる。ここで、レーザー変位計１４が干渉に基づく手法を用いたものである場合には光ファイバー２８はシングルモードファイバーを、レーザー変位計１４が強度変化に基づく手法を用いたものである場合には光ファイバー２８はマルチモードファイバーを用いることが考えられる。また、送信側・受信側のどちらかに光ファイバーを用い、他方は空間伝播でレーザー光を導くことも可能である。
【００４７】
図１８は、本発明の第８の実施形態に係わる検査装置を示す。これはパルスレーザー光源１０から発振したレーザー光を光ファイバー２７で送信点Ｅまで導き、送信した表面波５を電磁超音波探触子３０ａ，３０ｂを用いて受信する。電磁超音波探触子３０ａ，３０ｂの受信信号は専用信号処理装置２９ａ，２９ｂで処理され、レーザー変位計の場合と同じく欠陥同定装置１７または伝播経路特性の同定装置１８に入力され、同様に処理することが可能である。このようにすれば、比較的高価な光干渉計を電磁超音波探触子で代替することで、コストの低減を図ることができる。
【００４８】
図１９は、本発明の第９の実施形態に係わる検査装置を示す。これは専用発振器３１で駆動される電磁超音波探触子３０によって送信点Ｅから表面波５を送信し、これをレーザー変位計１４ａ，１４ｂで受信する。このようにすれば、比較的高価なパルスレーザー光源を電磁超音波探触子で代替することで、コストの低減を図ることができる。また送信・受信の両方に電磁超音波探触子を使用することも可能である。
【００４９】
図２０は、本発明の第１０の実施形態に係わる検査装置を示す。これは非接触での表面波送信用手法としてパルスレーザー光を用いる場合の送信器部分の構成の一例である。パルスレーザー光源１０から発振したレーザー光１１は、偏光面を調整するための波長板１０５ａ〜１０５ｍと偏光ビームスプリッタ１０６ａ〜１０６ｍおよびミラー１２ｎから構成される送信光分岐手段１０７によって、所望の分岐数ｎにそれぞれ適切なエネルギー配分で分岐される。これらのレーザー光は光カプラ１０８ａ〜１０８ｎによって光ファイバー２７ａ〜２７ｎに入射され、照射用光学系１３ａ〜１３ｎによって各々の送信点Ｅに照射される。照射用光学系１３ａ〜１３ｎは光ファイバー配置具１０９ａ，１０９ｂによって相対的な位置を正確に決めて固定されており、例えば直線状、あるいは円環状など、レーザー光１１を所望の位置、形状で計測対象１に照射することが可能となる。パルスレーザー光１１は一般に非常に高いエネルギー密度を持つため、それを１本のファイバーで送信するためにはコア径の大きいファイバーを使用せねばならず、この場合、光ファイバーのフレキシビリティーが損なわれ、アクセス性が悪くなる場合があった。しかし本実施例によれば、レーザー光１１を十分低いエネルギー密度になるまで分岐して送信するため曲げ半径の小さい光ファイバーを使用することが可能であり、アクセス性を損なうことがない。また、本発明で述べたような複数のレーザー光照射点を正確に位置決めする必要がある場合、あるいは直線状など、特定の照射形状を必要とする場合などに有利である。
【００５０】
図２０の例は簡便ではあるが、送信光分岐手段１０７を構成するのに複数の波長板１０５ａ〜１０５ｍと偏光ビームスプリッタ１０６ａ〜１０６ｍが必要である。
【００５１】
図２１は、第１１の実施形態であり、図２０の送信光分岐手段を、1枚の表反射ミラーで実現する例を示している。反射ミラー１０７は入射されたレーザー光１１のうち、表面でその一部を、裏面で残りを完全に反射するように設計されたミラーである。このようなミラー１０７にレーザー光１１を入射すると、表面と裏面の多重反射により、複数本のレーザービームが得られる。これらのレーザービームを光ファイバー２７で照射点に導く仮定は図２０の実施例と同様である。図２１の実施形態の場合、分岐数ｎはミラー１０７の口径とレーザー光１１の入射角度によって適宜決められる。また分岐エネルギーとしてはａからｇに向かってべき乗で小さくなっていくが、これは照射用光学系１３を光ファイバー配置具１０９で固定する際の配置を最適化することで実効的にはほぼ均一とみなすことが可能となる。このようにすれば、図２０の実施例よりもエネルギーの均一性は劣るものの、非常に部品点数の少ない送信光分岐手段を実現することが可能となる。送信光分岐手段はこの他にも、フライアイレンズを用いる手法も考えられる。
【００５２】
【発明の効果】
本発明によれば、カプラントの塗布や超音波探触子の接触設置という作業工程の簡略化が可能で、しかも計測対象が小型であったり狭隘部にある場合でも、表面波の伝播速度の変化を測定と同時に校正でき、表面欠陥の有無、欠陥深さ、欠陥の位置を精度よく検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係わる表面検査装置のブロック図
【図２】本発明の第２の実施形態に係わる表面検査装置のブロック図
【図３】本発明の第３の実施形態に係わる表面検査装置のブロック図
【図４】本発明の第４の実施形態に係わる表面検査装置のブロック図
【図５】本発明の第５の実施形態に係わる表面検査装置のブロック図
【図６】図１の表面検査装置で測定される信号を示す図
【図７】図２の表面検査装置で測定される信号を示す図
【図８】図３の表面検査装置で測定される信号を示す図
【図９】図４の表面検査装置で測定される信号を示す図
【図１０】表面波の周波数スペクトルの一例の模式図
【図１１】線状にフォーカスしたレーザー光による表面波送信の効果を示す模式図
【図１２】本発明の第６の実施形態に係わる表面検査装置のブロック図
【図１３】従来の表面波検出用マイケルソン干渉計の構成を示す図
【図１４】本発明に係わる表面波検出用改良型マイケルソン干渉計の構成を示す図
【図１５】本発明に係わる第２の表面波検出用改良型マイケルソン干渉計の構成を示す図
【図１６】本発明の第６の実施形態に係わる表面検査装置のブロック図
【図１７】本発明の第７の実施形態に係わる表面検査装置のブロック図
【図１８】本発明の第８の実施形態に係わる表面検査装置のブロック図
【図１９】本発明の第９の実施形態に係わる表面検査装置のブロック図
【図２０】本発明の第１０の実施形態に係わる表面検査装置のブロック図
【図２１】本発明の第１１の実施形態に係わる表面検査装置のブロック図
【図２２】従来の第１の超音波計測装置を示す図
【図２３】従来の第２の超音波計測装置を示す図
【符号の説明】
１０…変調装置
１２，１２ａ，１２ｂ…照射用光学系
１３，１３ａ，１３ｂ…レンズ系
１４，１４ａ，１４ｂ…表面波検出器
１６，１６ａ，１６ｂ…照射用光学系
１７…欠陥同定装置
１８…同定装置
１９…レーザー光源
２０，２０ａ，２０ｂ…レーザー光源
２２，２２ａ，２２ｂ…光分岐器
２６，２６ａ，２６ｂ…光検出器
２７…光ファイバー
２８ａ，２８ｂ…光ファイバー
２９ａ，２９ｂ…信号処理装置
３０，３０ａ，３０ｂ…電磁超音波探触子
３１…発振器
１００…照射用ミラー
１０１…移動機構
１０２…ローパスフィルタ
１０３…コントローラ
１０４…ドライバ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
This invention can detect the presence and size of defects on the surface of a measurement object that is difficult to contact or access, such as small, high temperature, narrow, or moving parts, for example. It is related with the surface inspection apparatus which can do.
[0002]
[Prior art]
A surface wave flaw detection method shown in FIG. 22 is generally known as a defect inspection method for a measurement target surface using ultrasonic waves. According to this conventional method, first, the surface wave probe 3a is brought into contact with the measurement object 1 through the coplant 2a. When an electrical signal is applied from the transmitter 4 to the surface wave probe 3a in this state, the surface wave 5 is transmitted from the surface wave probe 3a into the measurement object 1. The transmitted surface wave 5 propagates on the surface of the measurement object 1 and reaches the surface wave probe 3b via the coupling 2b. This signal is received by the surface wave probe 3b, converted into an electric signal by the reverse action of transmission, and input to the defect detector 6. A transmission signal from the transmitter 4 is also input to the defect detector 6, and the surface wave 5 is applied to the surface of the measurement object 1, that is, the difference Δt between the reception time of the transmission signal and the reception time of the reception signal in the signal detector 6. Propagated time is measured. Here, if the distance L between the surface wave probes 3a and 3b and the sound velocity vs of the surface wave are known in advance, their amounts are
L = vs · Δt
That should be the relationship. Here, if there is a defect 7 having a depth D at which the opening can be ignored on the surface of the measurement object 1, a part 8 of the surface wave 5 goes around the defect surface, and as a result, the propagation time ΔtD has no defect. Becomes longer than the propagation time Δt. Therefore, if the propagation time ΔtD is measured, the presence / absence of a defect can be determined from a comparison between the propagation time L / vs to be originally measured and ΔtD, and
D = (vs · ΔtD−L) / 2
From the relationship, the depth D of the defect can be calculated.
[0003]
A second conventional technique for surface inspection using ultrasonic waves is shown in FIG. In this method, the surface wave probe 3 receives again the defect waves 9 a and 9 b at the opening end and bottom of the defect 7 based on the surface wave 5 transmitted from the surface wave probe 3 into the measurement object 1. It is. In this method, the arrival time Δta of the defect wave 9a to the surface wave probe 3 and the arrival time Δtb of the defect wave 9b to the surface wave probe 3 are determined using a known surface wave sound velocity vs.
2D = vs · (Δta−Δtb)
Therefore, the defect depth D can be obtained by measuring Δta and Δtb with the defect detector 6.
[0004]
On the other hand, a method has been proposed in which similar techniques are replaced by transmission / reception of surface waves by laser light without using the surface wave probe 3 and the coupler 2. The non-contact surface wave transmission method using laser light is that when a short pulse high energy laser light is irradiated to a target, thermal stress or vaporization (ablation) compression force due to absorption of laser energy is generated near the irradiation point. In this method, the distortion caused by the action propagates through the object as a surface wave. This technique has been clarified theoretically and experimentally, for example, by JDAussel ("Generation Acoustic Waves by Laser: Theoretical and Experimental Study of the Emission Source," Ultrasonics, vol. 24 (1988), 246-255) . The non-contact surface wave reception method using laser light means that micro vibrations excited by surface waves on the surface to be measured are changed (deflection) in the traveling direction of laser light, phase difference of reflected light, frequency transition amount, etc. For example, Yamawaki (“Laser Ultrasound and Non-Contact Material Evaluation”, Journal of the Japan Welding Society, Vol. 64 (1995), 104-108) is a known technique. As an example of applying these surface wave transmission / reception techniques using laser light to the technique of FIG. 22 or FIG. 23, C. Chenu ("Defect Detection by Surface Acoustic Waves Generated by a Multiple Beam Laser," Proc. Of IEEE Ultrasonics Symposium (1995 ) 821-824) and the like are known.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The above-described inspection method using the surface wave probe is simple and effective for normal inspection objects. However, when a surface wave probe is installed, it is necessary to apply a coplant, which leads to an increase in work processes. In addition, it is difficult to install a surface wave probe when the inspection object is small or in a narrow part. The non-contact method using laser light can solve these problems, but in any case, it is complicated that it is necessary to know the accurate sound velocity of the surface wave in advance. The speed of sound of the surface wave is different due to slight differences in the surface condition and manufacturing process even for the same type of metal, so it is necessary to calibrate the sound speed using the inspection object itself in order to accurately grasp the sound speed. .
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The first object of the present invention is to include a non-contact surface wave transmission / reception technique using a laser beam or the like, which enables shortening of the work process and inspection independent of the size and arrangement of the measurement medium, and is included in the received signal. By using surface wave signals, along with the presence and depth inspection of defects due to defect waves, the propagation speed is calibrated using the inspection material itself, shortening the work process related to calibration and improving the accuracy of measured values, It is an object of the present invention to provide a surface inspection apparatus for identifying the position of the surface.
The second object of the present invention is to enable non-contact surface wave transmission / reception techniques using laser light or the like to shorten the work process and perform inspection independent of the size and arrangement of the measurement medium, and to generate the same surface wave. By receiving data at multiple reception points, the propagation speed is calibrated using the inspection material itself at the same time as the presence / absence and depth inspection of the defect, thereby shortening the calibration process and improving the accuracy of the measured value. An object of the present invention is to provide a surface inspection apparatus for identifying a position.
[0007]
The third object of the present invention is to excite surface waves simultaneously at a plurality of transmission points and receive them at the same reception point when inspecting the target surface by a non-contact surface wave transmission / reception technique using laser light or the like. Thus, it is an object of the present invention to provide a surface inspection apparatus that calibrates the propagation velocity using the inspection material itself at the same time as the inspection, shortens the work process related to the calibration, and improves the accuracy of the measurement value.
[0008]
The fourth object of the present invention is to receive the same surface wave at a plurality of reception points and propagate between the reception points when inspecting the target surface by a non-contact surface wave transmission / reception technique using laser light or the like. It is an object of the present invention to provide a surface inspection apparatus that further improves the accuracy of measured values by identifying detailed propagation characteristics of surface waves.
[0009]
A fifth object of the present invention is to excite surface waves simultaneously at a plurality of transmission points and receive them at the same reception point when inspecting a target surface by a non-contact surface wave transmission / reception technique using laser light or the like. It is another object of the present invention to provide a surface inspection apparatus that further improves the accuracy of measured values by identifying detailed propagation characteristics of surface waves propagating between these transmission points.
[0010]
The sixth object of the present invention is to provide a positional deviation of the reception point by making the shape of the laser beam irradiation on the transmitting side linear when inspecting the target surface by a non-contact surface wave transmission / reception technique using laser light. It is an object of the present invention to provide a surface inspection apparatus that allows the above.
[0011]
The seventh object of the present invention is to measure by splitting the laser beam on the transmitting side into a large number and transmitting each through an optical fiber when inspecting the target surface by a non-contact surface wave transmission method using laser light. An object of the present invention is to provide a surface inspection apparatus that further improves the accessibility to an object and that can adjust the irradiation shape more easily by changing the relative positional relationship of optical fibers.
[0012]
The eighth object of the present invention is to improve the accessibility to the measurement object by transmitting the laser beam on the receiving side through an optical fiber when inspecting the object surface by a non-contact surface wave transmission / reception technique using laser light. It is to provide an inspection device.
[0013]
A ninth object of the present invention is when inspecting a target surface by a non-contact surface wave transmission / reception technique using laser light, particularly when reception is performed by a laser interferometer. In order to remove disturbances such as vibrations and temperature changes, a surface inspection apparatus that drives and controls optical elements in the interferometer is provided.
[0014]
The present invention comprises a surface wave transmitting means for exciting a surface wave in a non-contact manner on a part to be measured, and one surface wave receiving element previously installed at a known position with respect to the transmission position, If there is a defect on the surface wave that has been propagated on the surface of the object and the surface to be measured, the surface wave is among the defect waves that are generated when the surface wave is reflected, transmitted, diffracted or scattered at the defect location. Or a surface wave receiving means for detecting both the surface wave and the defect wave in a non-contact manner, and a defect detection for detecting the presence or absence of the defect and / or its depth from the output signal of the surface wave receiving means. Means for identifying the position of the defect in addition to the presence / absence and depth of the defect from the defect wave component included in the output signal of the surface wave receiving element, and from the propagation time of the surface wave component, Speed of sound Providing constituted surface inspection apparatus in the sound velocity calibration means for calibrating.
[0015]
The present invention comprises a surface wave transmitting means that excites a surface wave in a non-contact manner on a part to be measured, and a plurality of surface wave receiving elements that are installed in a known position in advance with respect to the transmission position. If there is a defect on the surface of the measurement object surface and the surface to be measured, the surface of the defect wave generated by reflection, transmission, diffraction or scattering of the surface wave at the defect location The surface wave receiving means for detecting the wave or both the surface wave and the defect wave in a non-contact manner, and the presence / absence of the defect and its position, or its depth, or both from the output signal of the surface wave receiving means Defect detecting means for detecting, defect identifying means for identifying the presence and depth of the defect from the defect wave component included in the output signal of the surface wave receiving element, and the output of the surface wave receiving element Trust Providing constituted surface inspection apparatus in the sound velocity calibration means for calibrating the speed of sound of the surface wave from the propagation time difference of the surface wave component contained in the.
[0016]
The present invention comprises a plurality of surface wave transmitting elements installed in a known position in advance, and includes a surface wave transmitting means for exciting a surface wave in a non-contact manner on a part to be measured, and a transmission position known in advance. If there is a defect in the surface wave that is installed at the position and propagates through the surface of the measurement object and the measurement object surface, the surface wave is reflected, transmitted, diffracted, or scattered at the defect location. The surface wave receiving means for detecting the surface wave or both of the surface wave and the defect wave in a non-contact manner among the defect waves generated by the above, and the presence / absence of the defect and its position from the output signal of the surface wave receiving means A defect detecting means for detecting the depth or both, and a defect for identifying the position in addition to the presence and depth of the defect from the defect wave component included in the output signal of the surface wave receiving element same And a sound speed calibration means for calibrating the sound speed of the surface wave from the propagation time difference of the surface wave component included in the output signal of the surface wave receiving means corresponding to the surface wave transmitted from the surface wave transmitting element. A surface inspection apparatus is provided.
[0017]
The present invention comprises a surface wave transmitting means for exciting a surface wave in a non-contact manner on a part to be measured, and a plurality of surface wave receiving elements previously installed at known positions, and has propagated the surface of the measurement object When there is a defect on the surface wave and the surface to be measured, the surface wave or the surface wave among the defect waves generated by reflection, transmission, diffraction or scattering of the surface wave at the defect location. And a surface wave receiving means for detecting both the defect wave and the defect wave, and a defect detecting means for detecting the presence / absence of the defect and its position, or its depth, or both from the output signal of the surface wave receiving means, There is provided a surface inspection apparatus comprising transfer characteristic identifying means for obtaining transfer characteristics of a propagation path between each surface wave receiving element from a surface wave component included in an output signal of the surface wave receiving element.
[0018]
The present invention comprises a plurality of surface wave transmitting elements installed in a known position in advance, surface wave transmitting means for exciting a surface wave in a non-contact manner on a part to be measured, and the surface propagated through the surface to be measured When there is a defect on the surface wave and the surface to be measured, the surface wave or the surface wave among the defect waves generated by reflection, transmission, diffraction or scattering of the surface wave at the defect location. And a surface wave receiving means for detecting both the defect wave and the defect wave, and a defect detecting means for detecting the presence / absence of the defect and its position, or its depth, or both from the output signal of the surface wave receiving means, And a transfer characteristic identifying means for obtaining a transfer characteristic of each surface wave propagation path from a surface wave component included in an output signal of the surface wave receiving means corresponding to the surface wave transmitted from the surface wave transmitting element. To provide a surface inspection apparatus that.
[0019]
The present invention provides a surface inspection apparatus in which the surface wave receiving means is means for continuously irradiating the measurement target surface with laser light.
[0020]
The present invention provides a surface inspection apparatus in which the surface wave transmitting means is an electromagnetic ultrasonic probe installed near the surface of the measurement target.
[0021]
The present invention provides the surface inspection apparatus according to any one of claims 1 to 5, wherein the surface wave receiving means is an electromagnetic ultrasonic probe installed in the vicinity of the surface of the measurement target.
[0022]
The present invention is a laser interferometer in which the surface wave receiving means measures vibration displacement or vibration speed of the surface to be measured, and is controlled by the amplitude of an output signal of a photodetector in the laser interferometer, Provided is a surface inspection apparatus provided with optical path length fine movement means in the laser interferometer.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0024]
FIG. 1 shows a surface inspection apparatus according to a first embodiment of the present invention. According to this, for example, the pulse laser beam 11 oscillated from the modulated light source 10 that oscillates a pulsed laser beam is focused by the lens system 13 or the like via the irradiation optical system 12 and the measurement target 1 is present. The position E is irradiated. A surface wave 5 is excited at the irradiation position E and propagates through the surface of the measurement object 1. A laser beam 15 oscillated from a laser surface wave detector 14 is irradiated to a receiving point M that is a known distance L from the irradiation position E via an irradiation optical system 16. First, when the surface wave 5 propagated on the surface reaches the receiving point M, the waveform is detected as an output signal Sig of the surface wave detector 14. Further, the surface wave 5 propagates through the reception point M and reaches the defect 7, and defect waves 9 a and 9 b are generated at the opening and the bottom edge of the defect. Those defective waves reach the receiving point M again and are detected as the output signal Sig of the surface wave detector 14. The output signal Sig and the trigger signal Trg indicating the oscillation timing of the modulated light source are input to the defect identification device 17. The defect identification device 17 has a speed calibration function, and detects the accurate sound speed of the surface wave 5 transmitted through the measurement object 1, the presence / absence of a defect on the path, its position, and its depth from the time difference between the signals. .
[0025]
According to the first embodiment, the surface wave 5 transmitted in a non-contact manner with respect to the measurement object 1 propagates the distance L and reaches the reception point M. Here, when the receiving means in M is a contact type such as a surface wave probe, the surface wave 5 is greatly attenuated by the influence of the receiving device and effectively does not propagate further. However, when the receiving device is non-contact such as a laser displacement meter, the surface wave 5 further propagates on the surface of the measuring object 1 and reaches the defect 7. Some of them interact with the opening and the bottom edge of the defect 7 to generate defect waves 9a and 9b. These defective waves arrive at the reception point M again and are received by the non-contact receiver 14 as signals. Each signal is shown in FIG. Here, assuming that the distance L to the reception point M is known in advance, the unknown sound velocity vs is received by the non-contact surface wave receiving means with reference to the oscillation time T0 of the surface wave 5 indicated by the signal Trg. Using time T1 until
vs = L / T1
It can be asked. In addition, since the arrival time difference Td between the defect waves 9a and 9b is the time for the surface wave 5 to propagate in the depth direction of the defect 7, the unknown defect depth D is
D = L · Td / T1
Thus, it becomes possible to know the defect depth D without knowing the sound velocity vs of the surface wave in advance. If the propagation time T3 of the defect wave 9a is used,
Ld = L · T3 / T1
From this relationship, the distance Ld from the transmission point E to the position where the defect exists can be obtained, and the unknown defect position can be known.
[0026]
The defect wave 9b generated by interaction at the bottom of the defect is not only a pure surface wave component, but may also be a transverse wave component generated by mode conversion of the surface wave. The sound velocity of the transverse wave and the surface wave is slightly different, and the propagation path is not the same route after the mode conversion. In this case, it is necessary to calibrate using the transverse wave velocity only when measuring the depth.
[0027]
FIG. 2 shows a surface inspection apparatus according to the second embodiment of the present invention. According to this, for example, the pulse laser beam 11 oscillated from the modulated light source 10 that oscillates a pulsed laser beam is focused by the lens system 13 or the like via the irradiation optical system 12 and the measurement target 1 is present. The position E is irradiated. A surface wave 5 is excited at the irradiation position E and propagates through the surface of the measurement object 1. The laser beam 15a oscillated from the surface wave detector 14a by the first laser is irradiated through the irradiation optical system 16a to the reception point M1 that is a known distance L1 from the irradiation position E, and the position from the irradiation position E is reached. The laser beam 15b oscillated from the surface wave detector 14b by the second laser passes through the irradiation optical system 16b at the receiving point M2 that is separated by a known distance L2 on the extension of the straight line connecting E and the position M1. Irradiated. When the surface wave 5 propagated on the surface reaches the receiving point M1, the waveform thereof is the output signal Sig1 of the surface wave detector 14a by the first laser, and when the surface wave 5 reaches the receiving point M2, the surface wave detector 14b by the second laser. Output signal Sig2. The output signals Sig1, Sig2 and the trigger signal Trg indicating the oscillation timing of the modulated light source 10 are all input to the defect identification device 17, and the accurate sound speed of the surface wave 5 transmitted through the measurement object 1 from the time difference between the signals and the path The presence / absence, depth, and position of the defect are detected.
[0028]
According to the second embodiment, the surface wave 5 transmitted in a non-contact manner with respect to the measurement target 1 reaches the reception point M1 via the distance L1. Here, when the receiving means at the receiving point M1 is a contact type such as a surface wave probe, the surface wave 5 is greatly attenuated by the influence of the receiving device and does not propagate further effectively. However, when the receiving device is non-contact such as a laser displacement meter, the surface wave 5 further propagates on the surface of the measuring object 1 and reaches the receiving point M <b> 2 via the defect 7. Each signal at this time is shown in FIG. Here, if the distances L1 and L2 to the receiving points M1 and M2 are known in advance, the unknown sound speed vs is based on the oscillation time T0 of the surface wave 5 indicated by the signal Trg, and the surface wave is received by the non-contact surface wave receiving means. Using the time T1 until is received
vs = L1 / T1
It can be asked. Since the time T2 at which the surface wave is detected at M2 is the time for the surface wave 5 to propagate by the distance L2 + 2D, the unknown defect depth D is
D = (L1 / T2 / T1-L2) / 2
Thus, it becomes possible to know the defect depth D without knowing the sound velocity vs of the surface wave in advance. Further, when Sig1 is observed for a long time, defect waves 9a and 9b are observed in the same manner as the waveform shown in FIG. 6, and therefore it is possible to identify the position of the defect by using the same method as described above. Become.
[0029]
FIG. 3 shows a surface inspection apparatus according to the third embodiment of the present invention. According to this, for example, a pulse laser beam 11 oscillated from a modulated light source 10 that oscillates a pulsed laser beam is bifurcated by an irradiation optical system 12a, focused by lens systems 13a and 13b, and measured. 1 is irradiated to positions E1 and E2. Surface waves 5a and 5b are excited at the irradiation positions E1 and E2, respectively, and propagate through the surface of the measurement target 1. The laser beam 15 oscillated from the surface wave detector 14 by the laser is irradiated through the irradiation optical system 16 to the receiving point M1 that is separated from the irradiation positions E1 and E2 by the known distances L1 and L2. When the surface waves 5a and 5b propagated on the surface reach the reception point M1, the waveform is detected as an output signal Sig of the surface wave detector 14 by the laser. The reception signal Sig including the surface waves 5a and 5b and the trigger signal Trg indicating the oscillation timing of the modulation light source 10 are input to the defect identification device 17, and the accurate sound speed of the surface wave 5 transmitted through the measurement object 1 from the time difference between the signals. Then, the presence / absence and depth of defects on the path are detected.
[0030]
According to the third embodiment, for example, the pulse laser beam is branched into two, and surface waves are excited at a plurality of points at substantially the same time. In this way, at the reception point M, the surface wave 5b excited first reaches the nearest transmission point E2, and then the surface wave 5a excited via the defect 7 reaches the transmission point E1. The received signal at the receiving point M is shown in FIG. Here, since the arrival time T2 of the surface wave 5b is the propagation time of the surface wave that has propagated the distance L2-L1, the sound velocity vs of the surface wave is vs = (L2-L1) / T1.
It becomes. Therefore, using the arrival time T1 of the surface wave 5a, the depth D of the defect is
D = {(L2-L1) T2 / T1-L2} / 2
Also in this case, it becomes possible to know the defect depth D without knowing the sound velocity vs of the surface wave in advance. Further, in the signal Sig, since the defect waves 9a and 9b due to the surface wave 5b transmitted from the transmission point E2 are observed as in the waveform shown in FIG. 6, the position of the defect can be determined by using the same method as described above. It is also possible to identify.
[0031]
FIG. 4 shows a surface inspection apparatus according to the fourth embodiment of the present invention. According to this, for example, the pulse laser beam 11 oscillated from the modulated light source 10 that oscillates a pulsed laser beam is focused by the lens system 13 or the like via the irradiation optical system 12 and the measurement target 1 is present. The position E is irradiated. A surface wave 5 is excited at the irradiation position E and propagates through the surface of the measurement object 1. The laser beam 15a oscillated from the surface wave detector 14a by the first laser is irradiated through the irradiation optical system 16a to the reception point M1 that is a known distance L1 from the irradiation position E, and the position from the irradiation position E is reached. The laser beam 15b oscillated from the surface wave detector 14b by the second laser passes through the irradiation optical system 16b at the receiving point M2 that is separated by a known distance L2 on the straight line extending between E and the position M1. Is irradiated. When the surface wave 5 propagated on the surface reaches the receiving point M1, the waveform thereof is the output signal Sig1 of the surface wave detector 14a by the first laser, and when the surface wave 5 reaches the receiving point M2, the surface wave detector 14b by the second laser. Output signal Sig2. These output signals Sig1 and Sig2 and the trigger signal Trg indicating the oscillation timing of the modulated light source 10 are input to the propagation path characteristic identification device 18, and two signals including the propagation time of the output signals Sig1 and Sig2 with reference to the trigger signal Trg. Amplitude attenuation, frequency spectrum, phase difference, and coherence are calculated, and the presence / absence, depth, and position of defects are detected based on these.
[0032]
According to the fourth embodiment, the surface wave 5a excited at the point E using the non-contact technique is first received by the non-contact receiver 14a at the reception point M1. Thereafter, the surface wave 5a reaches the defect 7, and a part of the surface wave 5a is reflected by the opening and the bottom edge of the defect 7 to generate defect waves 9a and 9b. These defective waves reach the reception point M1 again and are received as signals by the non-contact receiver 14a. On the other hand, the component 5c of the surface wave 5a that has not been reflected passes through the defect 7 and reaches the reception point M2, and is received by the non-contact receiver 14b. This signal is shown in FIG.
[0033]
Here, it is known as a property of the surface wave that the surface wave exists in the depth range of about one wavelength on the material surface. The speed of sound vs (the measurement method of vs is as described above), the wavelength λ of the surface wave of the frequency fa is
λ = vs / fa
From the above, it can be seen that waves with higher frequencies are localized near the surface and penetrate deeper as the frequency decreases. Therefore, compared with the defect depth D, the component λ <D included in the surface wave 5a is mainly reflected, and the component D <λ is mainly transmitted. That is, when the frequency spectrum of the surface wave excited at the point E is shown in FIG. 10A, the frequency spectrum of the transmitted surface wave 5c received at the point M2 has a low frequency as shown in FIG. On the other hand, the frequency spectrum of the defect wave 9a (in some cases 9b) received at the point M1 becomes dominant as shown in FIG. 10C. Therefore, by obtaining the cutoff frequency fc of each received signal,
fc = vs / D
From this relationship, the defect depth D can be obtained. Further, as described above, the defect depth D is determined from the arrival time difference Td between the defect waves 9a and 9b.
D = vs · Td / 2
Therefore, by obtaining the same physical quantity from two measurement quantities at the same time, it is possible to further improve the measurement accuracy.
[0034]
FIG. 5 shows a surface inspection apparatus according to the fifth embodiment of the present invention. According to this, for example, a pulse laser beam 11 oscillated from a modulated light source 10 that oscillates a pulsed laser beam is bifurcated by an irradiation optical system 12a, focused by lens systems 13a and 13b, and measured. 1 is irradiated to positions E1 and E2. Surface waves 5a and 5b are excited at the irradiation positions E1 and E2, respectively, and propagate through the surface of the measurement target 1. The laser beam 15 oscillated from the surface wave detector 14 by the laser is irradiated through the irradiation optical system 16 to the receiving point M1 that is separated from the irradiation positions E1 and E2 by the known distances L1 and L2. When the surface waves 5a and 5b propagated on the surface reach the reception point M1, the waveform is detected as an output signal Sig of the surface wave detector 14 by the laser. The reception signal Sig including the surface waves 5a and 5b and the trigger signal Trg indicating the oscillation timing of the modulation light source 10 are input to the propagation path characteristic identification device 18, and two signals included in the reception signal Sig based on the trigger signal Trg. In addition to each propagation time, amplitude attenuation, frequency spectrum, phase difference, and coherence between two signals included in the received signal Sig are calculated, and based on these, the presence / absence and depth of a defect are detected.
[0035]
According to the fifth embodiment, since the ultrasonic wave 5b excited at the transmission point E2 is received at the reception point M without passing through the defect, the amplitude attenuation according to the characteristics of the propagation medium is shown in FIG. Is detected. On the other hand, the ultrasonic wave 5a excited at the transmission point E1 passes through the defect, and as described above, the low frequency band is selectively transmitted and received at the reception point M (FIG. 10 (b)). Therefore, the defect depth D can be obtained by detecting the shift amount of the cutoff frequency fc between the two signals.
[0036]
When irradiating the pulsed laser beam 11 as a non-contact surface wave transmitting means, the operation when focusing it linearly will be described with reference to FIG. Usually, in order to obtain a high energy density, as shown in FIG. 11A, a method of converging the laser beam 11 in a dot shape using the lens 13a is taken. This is a simple method, but in this case, the transmitted surface wave propagates in a circle around the point E1. At this time, for example, if the two reception points M1 and M2 are not accurately located on a straight line as shown in FIG. 11B, the distance between E1 and M2 becomes longer than the assumed length L2. This is a measurement error. On the other hand, when the cylindrical lens 13b is used as shown in FIG. 11C and the laser light 11 is focused linearly, the excited surface wave propagates as a plane wave in a direction perpendicular to the line. In this case, even when the two receiving points M1 and M2 are not accurately located on a straight line, the distance between E1 and M2 and the distance between E1 and M1 are assumed distances L1 and L2, thereby reducing measurement errors. It becomes possible to do.
[0037]
FIG. 12 shows a surface inspection apparatus according to the sixth embodiment of the present invention. According to this, a point E of the measurement sample 1 is irradiated with a short pulse high energy laser beam 11 from the Q switch Nd: YAG laser light source 19 through the irradiation optical system 12. If it does in this way, the surface wave 5 which made the irradiation point E a sound source will propagate the surface of the measurement sample 1. Here, the laser light source is a CO light that oscillates in the infrared region, other than Nd: YAG as a medium. 2 Lasers, excimer lasers that oscillate in the ultraviolet region, pulsed semiconductor lasers, and the like can also be used. The transmitted surface wave 5 reaches the receiving point M1 via the distance L1, but when the receiving means at the receiving point M1 is a contact type such as a surface wave probe, the surface wave 5 is greatly attenuated by the influence of the receiving device, Effectively no further propagation. However, when the receiving device is non-contact such as a laser displacement meter, the surface wave 5 further propagates on the surface of the measuring object 1 and reaches the receiving point M <b> 2 via the defect 7.
[0038]
Here, a specific example of non-contact surface wave receiving means using laser light will be described. As a laser light source used in a laser receiver, a He—Ne laser, a semiconductor laser, a semiconductor excitation solid laser, or the like can be considered. As the optical system, a deflection azimuth detector (knife edge method), a time difference interferometer, a heterodyne interferometer, a transmission type or a reflection type Fabry-Perot interferometer can be used. Here, the case of the Michelson interferometer will be described in particular.
[0039]
FIG. 13 shows a normal method for detecting minute vibrations (surface waves) at a plurality of points with a Michelson interferometer. Here, for example, the continuous laser beams 21a and 21b oscillated from the laser light sources 20a and 20b are branched into two by the optical splitters 22a and 22b, and one of them is used as the reference beams 23a and 23b via the mirrors 25a and 25b and the photodetector 26a. , 26b, and the other is irradiated to the receiving points M1, M2 on the surface of the measuring object 1 through the irradiation optical systems 16a, 16b as measurement light 15a, 15b. When the surface wave 5 reaches the reception points M1 and M2, the reflection position is slightly displaced, so that the phases of the reflection components of the measurement beams 15a and 15b at the reception points M1 and M2 change. The reflected light travels back along the same path as the irradiation, and is combined with the reference beams 23a and 23b by the optical splitters 22a and 22b, and is incident on the photodetectors 26a and 26b. The photodetectors 26a and 26b measure the interference signals of the reference beams 23a and 23b and the measuring beams 15a and 15b. If the phases of the measuring beams 15a and 15b change due to the arrival of the surface wave 5, the corresponding waveforms are used. The signals Sig1 and Sig2 are output. When performing measurement at a plurality of reception points, as shown in FIG. 13, it is sufficient to prepare this interference system for the number of reception points.
[0040]
With reference to FIG. 14, a method of detecting a plurality of minute vibrations (surface waves) using an improved Michelson interferometer will be described.
[0041]
In this method, the laser beam 21 oscillated from the laser light source 20 is branched by the optical branching device 27 into the same number as the number of reception points, and each of them is used for a Michelson interferometer. In this way, it is possible to receive a plurality of points by using only one relatively expensive laser light source 20, and the cost of the receiver can be reduced compared to the conventional method shown in FIG.
[0042]
Further, a plurality of points can be measured using the second improved Michelson interferometer shown in FIG. In this case, the laser beam 21 oscillated from the laser light source 20 is branched by the optical branching device 22 to the same number as the number of reception points. Here, for simplicity, consider the case of two branches. The two branched laser beams are irradiated as measurement beams 15a and 15b to the receiving points M1 and M2 through the irradiation optical systems 16a and 16b, respectively. Assuming now that the surface wave 5 has propagated from the position shown in the figure, the wave first reaches the reception point M1, passes through it, and reaches the reception point M2. Here, while the displacement due to the surface wave 5 occurs at the reception point M1 and the phase of the reflected light of the measurement light 15a is shifted, the reflected light of the measurement light 15b irradiated to the reception point M2 is reflected by the fixed point, That is, it can be handled as reference light. Conversely, when a displacement due to the surface wave 5 occurs at the reception point M2 and the phase of the reflected light of the measurement light 15b shifts, the reflected light of the measurement light 15a irradiated to the reception point M1 can be treated as reference light. it can. Therefore, the photodetector 26 that detects the interference signal detects both signals at the reception points M1 and M2. If the optical system is configured in this way, it is possible to receive signals at a plurality of points with one laser light source 20, the photodetector 26, and the interference optical system, and it is possible to further reduce the cost related to the receiver. Become.
[0043]
The improved Michelson interferometer shown in FIG. 15 operates with only the above-described functions, but can be further enhanced by adding the following functions. Since the reception point M on the measurement object 1 is generally a rough surface, a bright and dark spot pattern called speckle appears in the reflected light. That is, there is a possibility that the efficiency of interference measurement is significantly deteriorated due to a subtle difference in the properties of the irradiation point M. Therefore, the output signal of the photodetector 26 is branched, and only the DC component is extracted by the low-pass filter 102. The moving mechanism 101 is driven by the controller 103 and the driver 104 so that the level is constant, and the irradiation mirror 100 is driven. To work. This makes it possible to adjust the optical path length of the interferometer and always keep the interference efficiency optimal. The optical element to be driven may be the irradiation optical system 16 instead of the mirror 100. Further, this method can also obtain the same effect by driving the mirror 25 or the irradiation optical system 16 in the interferometer shown in FIGS.
[0044]
FIG. 12 shows an inspection apparatus using the improved Michelson interferometer 20 shown in FIG. 15 as a non-contact receiver, for example. In this way, the surface wave 5 not passing through the defect 7, the surface wave 5 passing through the defect 7, and the defect wave due to the defect 7 can be received by one interferometer s, and these signals can be received by an oscilloscope. It is possible to detect the presence / absence of a defect, the size of the defect, and the position of the defect while visually observing or calibrating the sound speed using a signal processing circuit.
[0045]
FIG. 16 shows an inspection apparatus according to the sixth embodiment of the present invention. This is a case where three non-contact surface wave receivers are used, and the range in which the defect 7 may be generated can be limited to some extent, and the pulse laser beam 10 for surface wave transmission is in the vicinity thereof. This is an example assuming that irradiation is not possible. Even if there is no defect on the propagation path, the surface wave 5 is attenuated correspondingly depending on the property of the measurement object 1. Therefore, the measurement light 15a from the first laser displacement meter 14a is applied to the first reception point M1 near the transmission point E of the surface wave 5 and the second reception points M2 respectively located on both sides in the vicinity of the defect 7. The measurement light 15b from the second laser displacement meter 14b is irradiated to the third receiving point M3, and the measurement light 15c from the third laser displacement meter 14c is irradiated to the third reception point M3. First, the transmitted surface wave 5 reaches a nearby reception point M1, and the waveform of the excited surface wave 5 itself is obtained as the output signal Sig1 of the laser displacement meter 14a. From here, the surface wave 5 further propagates, and the waveform of the surface wave 5 attenuated on the propagation path at the reception point M2 before the opening of the defect 7 is detected as the signal Sig2. The surface wave 5 further propagates, and the defect wave is detected as the signal Sig2 by the interaction with the defect 7, and the component of the transmitted surface wave 5 is detected as the signal Sig3. In this way, information regarding the attenuation on the propagation path and the sound velocity are obtained by comparing the surface wave components of the signals Sig1 and Sig2, and the defect 7 is obtained by performing signal processing on the surface wave component of the signal Sig2 and the signal Sig3. It becomes possible to know more accurately events such as propagation time delay and frequency cutoff due to the interaction between the surface wave 5 and the surface wave 5.
[0046]
FIG. 17 shows an inspection apparatus according to the seventh embodiment of the present invention. This is to guide the laser light oscillated from the pulse laser light source 10 to the transmission point E using the optical fiber 27, and to guide the measurement light of the laser displacement meters 14a and 14b to the reception points M1 and M2 using the optical fibers 28a and 28b. is there. In this way, it is possible to perform measurement with a high degree of freedom even when the measurement object 1 is in a narrower place. Here, when the laser displacement meter 14 uses a method based on interference, the optical fiber 28 is a single mode fiber, and when the laser displacement meter 14 uses a method based on intensity change, the optical fiber 28. It is conceivable to use a multimode fiber. It is also possible to use an optical fiber on either the transmission side or the reception side and guide the laser beam by spatial propagation on the other side.
[0047]
FIG. 18 shows an inspection apparatus according to the eighth embodiment of the present invention. In this method, laser light oscillated from the pulse laser light source 10 is guided to the transmission point E by the optical fiber 27, and the transmitted surface wave 5 is received using the electromagnetic ultrasonic probes 30a and 30b. The reception signals of the electromagnetic ultrasonic probes 30a and 30b are processed by the dedicated signal processing devices 29a and 29b, and input to the defect identification device 17 or the propagation path characteristic identification device 18 as in the case of the laser displacement meter, and processed in the same manner. Is possible. In this way, the cost can be reduced by replacing the relatively expensive optical interferometer with an electromagnetic ultrasonic probe.
[0048]
FIG. 19 shows an inspection apparatus according to the ninth embodiment of the present invention. In this case, the surface acoustic wave 5 is transmitted from the transmission point E by the electromagnetic ultrasonic probe 30 driven by the dedicated oscillator 31, and this is received by the laser displacement meters 14a and 14b. In this way, the cost can be reduced by replacing the relatively expensive pulse laser light source with an electromagnetic ultrasonic probe. It is also possible to use an electromagnetic ultrasonic probe for both transmission and reception.
[0049]
FIG. 20 shows an inspection apparatus according to the tenth embodiment of the present invention. This is an example of the configuration of the transmitter portion in the case of using pulsed laser light as a non-contact surface wave transmission technique. The laser beam 11 oscillated from the pulsed laser light source 10 is transmitted to a desired number of branches n by a transmission beam branching means 107 composed of wave plates 105a to 105m for adjusting the polarization plane, polarization beam splitters 106a to 106m and a mirror 12n. Branches with appropriate energy allocation. These laser beams are incident on the optical fibers 27a to 27n by the optical couplers 108a to 108n, and irradiated to the transmission points E by the irradiation optical systems 13a to 13n. The irradiation optical systems 13a to 13n are fixed with their relative positions accurately determined by the optical fiber placement tools 109a and 109b. For example, the laser light 11 is measured at a desired position and shape such as a linear shape or an annular shape. 1 can be irradiated. Since the pulse laser beam 11 generally has a very high energy density, a fiber having a large core diameter must be used in order to transmit the pulse laser beam 11 with a single fiber. In this case, the flexibility of the optical fiber is impaired. In some cases, accessibility was poor. However, according to the present embodiment, since the laser beam 11 is branched and transmitted until the energy density becomes sufficiently low, an optical fiber having a small bending radius can be used, and the accessibility is not impaired. Further, it is advantageous when it is necessary to accurately position a plurality of laser beam irradiation points as described in the present invention, or when a specific irradiation shape such as a linear shape is required.
[0050]
Although the example of FIG. 20 is simple, a plurality of wave plates 105a to 105m and polarization beam splitters 106a to 106m are required to configure the transmission light branching unit 107.
[0051]
FIG. 21 is an eleventh embodiment and shows an example in which the transmission light branching means of FIG. 20 is realized by a single front reflection mirror. The reflection mirror 107 is a mirror designed to completely reflect a part of the incident laser light 11 on the front surface and the rest on the back surface. When the laser beam 11 is incident on such a mirror 107, a plurality of laser beams are obtained by multiple reflection of the front and back surfaces. The assumption that these laser beams are guided to the irradiation point by the optical fiber 27 is the same as in the embodiment of FIG. In the case of the embodiment of FIG. 21, the number of branches n is appropriately determined depending on the aperture of the mirror 107 and the incident angle of the laser beam 11. Further, the branching energy decreases from a to g by a power, and this is effectively substantially uniform by optimizing the arrangement when the irradiation optical system 13 is fixed by the optical fiber arrangement tool 109. Can be considered. In this way, although the energy uniformity is inferior to that of the embodiment of FIG. 20, it is possible to realize a transmission light branching unit with a very small number of parts. In addition to the transmission light branching means, a method using a fly-eye lens is also conceivable.
[0052]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to simplify the work process of application of coplanar and contact installation of an ultrasonic probe, and even if the measurement object is small or in a narrow part, the change in the propagation speed of the surface wave Can be calibrated simultaneously with measurement, and the presence / absence of a surface defect, the defect depth, and the position of the defect can be accurately detected.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram of a surface inspection apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram of a surface inspection apparatus according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a block diagram of a surface inspection apparatus according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a block diagram of a surface inspection apparatus according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a block diagram of a surface inspection apparatus according to a fifth embodiment of the present invention.
6 is a diagram showing signals measured by the surface inspection apparatus in FIG. 1;
7 is a diagram showing signals measured by the surface inspection apparatus in FIG. 2;
FIG. 8 is a diagram showing signals measured by the surface inspection apparatus in FIG.
9 is a diagram showing signals measured by the surface inspection apparatus in FIG. 4;
FIG. 10 is a schematic diagram of an example of a frequency spectrum of surface waves.
FIG. 11 is a schematic diagram showing the effect of surface wave transmission by linearly focused laser light.
FIG. 12 is a block diagram of a surface inspection apparatus according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a diagram showing a configuration of a conventional surface acoustic wave detection Michelson interferometer.
FIG. 14 is a diagram showing a configuration of an improved Michelson interferometer for detecting surface waves according to the present invention.
FIG. 15 is a diagram showing a configuration of a second improved Michelson interferometer for detecting a surface wave according to the present invention;
FIG. 16 is a block diagram of a surface inspection apparatus according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a block diagram of a surface inspection apparatus according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 18 is a block diagram of a surface inspection apparatus according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 19 is a block diagram of a surface inspection apparatus according to a ninth embodiment of the present invention.
FIG. 20 is a block diagram of a surface inspection apparatus according to a tenth embodiment of the present invention.
FIG. 21 is a block diagram of a surface inspection apparatus according to an eleventh embodiment of the present invention.
FIG. 22 is a diagram showing a conventional first ultrasonic measurement apparatus.
FIG. 23 is a diagram showing a conventional second ultrasonic measurement apparatus.
[Explanation of symbols]
10. Modulator
12, 12a, 12b ... Irradiation optical system
13, 13a, 13b ... lens system
14, 14a, 14b ... surface wave detector
16, 16a, 16b ... Irradiation optical system
17 ... Defect identification device
18 ... Identification device
19 ... Laser light source
20, 20a, 20b ... laser light source
22, 22a, 22b ... optical splitter
26, 26a, 26b... Photodetector
27 ... Optical fiber
28a, 28b ... optical fiber
29a, 29b ... signal processing device
30, 30a, 30b ... Electromagnetic ultrasonic probe
31 ... Oscillator
100 ... mirror for irradiation
101 ... Moving mechanism
102: Low-pass filter
103 ... Controller
104 ... Driver

Claims (14)

計測対象のある部分に非接触で表面波を励起する表面波送信手段と、予め送信位置に対して既知の位置に設置された１個の表面波受信要素から成り、前記計測対象の表面を伝播した前記表面波および前記計測対象表面に欠陥があった場合には、欠陥個所で前記表面波が反射、回折または散乱されることによって発生する欠陥波のうち、前記表面波、あるいは前記表面波と前記欠陥波の両方を非接触で検出する表面波受信手段と、
前記表面波受信手段の出力信号から前記欠陥の深さ、あるいは前記欠陥の有無と深さの両方を検知する欠陥検知手段と、
前記表面波受信要素の出力信号に含まれる前記欠陥波成分から前記欠陥の有無と深さに加えてその位置を同定する欠陥同定手段と、
表面波成分の伝播時間から前記表面波の音速を校正する音速校正手段と、
で構成される表面検査装置。A surface wave transmitting means that excites a surface wave in a non-contact manner on a part to be measured and a single surface wave receiving element previously set at a known position with respect to the transmitting position, and propagates through the surface of the measuring object was when the defect had on the surface wave and the measurement target surface, the surface wave is reflected at the defect location, among the defects wave generated by being diffraction or scattering, the surface wave or the surface wave And surface wave receiving means for detecting both of the defect waves in a non-contact manner,
The depth of the defect from the output signal of the surface wave receiver, or a defect detection means for detecting both the presence and depth of the defect,
Defect identifying means for identifying the position in addition to the presence and depth of the defect from the defect wave component included in the output signal of the surface wave receiving element;
A sound velocity calibration means for calibrating the sound velocity of the surface wave from the propagation time of the surface wave component;
Surface inspection device composed of 計測対象のある部分に非接触で表面波を励起する表面波送信手段と、送信位置に対して予め既知の位置に設置された複数個の表面波受信要素から成り、前記計測対象の表面を伝播した前記表面波および、前記計測対象表面に欠陥があった場合には、欠陥個所で前記表面波が反射、回折または散乱されることによって発生する欠陥波のうち、前記表面波、あるいは前記表面波と前記欠陥波の両方を非接触で検出する表面波受信手段と、
前記表面波受信手段の出力信号から前記欠陥の有無とその位置、あるいはその深さ、あるいはその両方を検知する欠陥検知手段と、
前記表面波受信要素の出力信号に含まれる前記欠陥波成分から前記欠陥の有無と深さに加えてその位置を同定する欠陥同定手段と、
前記表面波受信要素の出力信号に含まれる表面波成分の伝播時間差から前記表面波の音速を校正する音速校正手段と、
で構成される表面検査装置。A surface wave transmitting means that excites a surface wave in a non-contact manner on a part to be measured and a plurality of surface wave receiving elements that are installed in a known position with respect to the transmission position, and propagates through the surface of the measurement object the surface wave and that, wherein, when there is a defect in the measurement object surface, the surface wave is reflected at the defect location, among the defects wave generated by being diffraction or scattering, the surface wave, or said surface Surface wave receiving means for detecting both the wave and the defect wave in a non-contact manner;
Defect detection means for detecting the presence or absence of the defect and its position, or its depth, or both from the output signal of the surface wave receiving means,
Defect identifying means for identifying the position in addition to the presence and depth of the defect from the defect wave component included in the output signal of the surface wave receiving element;
A sound speed calibration means for calibrating the sound speed of the surface wave from the propagation time difference of the surface wave component included in the output signal of the surface wave receiving element;
Surface inspection device composed of 予め既知の位置に設置された複数個の表面波送信要素から成り、計測対象のある部分に非接触で表面波を励起する表面波送信手段と、
送信位置に対して予め既知の位置に設置されており、前記計測対象の表面を伝播した前記表面波および、前記計測対象表面に欠陥があった場合には、欠陥個所で前記表面波が反射、回折または散乱されることによって発生する欠陥波のうち、前記表面波、あるいは前記表面波と前記欠陥波の両方を非接触で検出する表面波受信手段と、
前記表面波受信手段の出力信号から前記欠陥の有無とその位置、あるいはその深さ、あるいはその両方を検知する欠陥検知手段と、
前記表面波受信要素の出力信号に含まれる前記欠陥波成分から前記欠陥の有無と深さに加えてその位置を同定する欠陥同定手段と、
前記表面波送信要素から送信された表面波に相当する前記表面波受信手段の出力信号に含まれる表面波成分の伝播時間差から前記表面波の音速を校正する音速校正手段と、
で構成される表面検査装置。A plurality of surface wave transmitting elements installed in a known position in advance, and a surface wave transmitting means for exciting a surface wave in a non-contact manner on a portion to be measured;
It is installed at a known position in advance with respect to the transmission position, and when the surface wave propagated through the surface of the measurement target and the measurement target surface has a defect, the surface wave is reflected at the defect location , of the defects wave generated by being diffraction or scattering, and surface-wave receiving means for detecting the surface waves, or both the surface wave and the defect wave without contact,
Defect detection means for detecting the presence or absence of the defect and its position, or its depth, or both from the output signal of the surface wave receiving means,
Defect identifying means for identifying the position in addition to the presence and depth of the defect from the defect wave component included in the output signal of the surface wave receiving element;
A sound velocity calibration means for calibrating the sound velocity of the surface wave from the propagation time difference of the surface wave component included in the output signal of the surface wave reception means corresponding to the surface wave transmitted from the surface wave transmission element;
Surface inspection device composed of 計測対象のある部分に非接触で表面波を励起する表面波送信手段と、予め既知の位置に設置された複数個の表面波受信要素から成り、前記計測対象表面を伝播した前記表面波および、前記計測対象表面に欠陥があった場合には、欠陥個所で前記表面波が反射、回折または散乱されることによって発生する欠陥波のうち、前記表面波、あるいは前記表面波と前記欠陥波の両方を非接触で検出する表面波受信手段と、
前記表面波受信手段の出力信号から前記欠陥の有無とその位置、あるいはその深さ、あるいはその両方を検知する欠陥検知手段と、
前記表面波受信要素の出力信号に含まれる表面波成分から各表面波受信要素間の伝播経路の伝達特性を求める伝達特性同定手段とで構成される表面検査装置。A surface wave transmitting means for exciting a surface wave in a non-contact manner with a part to be measured, and a plurality of surface wave receiving elements installed in a known position in advance, and the surface wave propagated through the surface to be measured, and wherein when there is a defect in the measurement object surface, the surface wave is reflected at the defect location, among the defects wave generated by being diffraction or scattering, the surface wave or the surface wave and the defect wave Surface wave receiving means for detecting both without contact;
Defect detection means for detecting the presence or absence of the defect and its position, or its depth, or both from the output signal of the surface wave receiving means,
A surface inspection apparatus comprising transfer characteristic identifying means for obtaining transfer characteristics of a propagation path between each surface wave receiving element from a surface wave component included in an output signal of the surface wave receiving element. 予め既知の位置に設置された複数個の表面波送信要素から成り、計測対象のある部分に非接触で表面波を励起する表面波送信手段と、
前記計測対象表面を伝播した前記表面波および、前記計測対象表面に欠陥があった場合には、欠陥個所で前記表面波が反射、回折または散乱されることによって発生する欠陥波のうち、前記表面波、あるいは前記表面波と前記欠陥波の両方を非接触で検出する表面波受信手段と、
前記表面波受信手段の出力信号から前記欠陥の有無とその位置、あるいはその深さ、あるいはその両方を検知する欠陥検知手段と、
前記表面波送信要素から送信された表面波に相当する前記表面波受信手段の出力信号に含まれる表面波成分から各表面波の伝播経路の伝達特性を求める伝達特性同定手段と、
で構成される表面検査装置。A plurality of surface wave transmitting elements installed in a known position in advance, and a surface wave transmitting means for exciting a surface wave in a non-contact manner on a portion to be measured;
Wherein said surface wave and propagated through the measurement object surface, wherein when there is a defect in the measurement object surface, the surface wave is reflected at the defect location, among the defects wave generated by being diffraction or scattering, the A surface wave or a surface wave receiving means for detecting both the surface wave and the defect wave in a non-contact manner;
Defect detection means for detecting the presence or absence of the defect and its position, or its depth, or both from the output signal of the surface wave receiving means,
A transfer characteristic identifying means for obtaining a transfer characteristic of a propagation path of each surface wave from a surface wave component included in an output signal of the surface wave receiving means corresponding to the surface wave transmitted from the surface wave transmitting element;
Surface inspection device composed of 前記表面波送信手段が、前記計測対象表面に変調されたレーザー光を照射する手段である請求項１乃至５のいずれか１に記載の表面検査装置。  The surface inspection apparatus according to claim 1, wherein the surface wave transmitting unit is a unit that irradiates a modulated laser beam on the measurement target surface. 前記表面波受信手段が、前記計測対象表面に連続的にレーザー光を照射する手段である請求項１乃至５のいずれか１に記載の表面検査装置。  The surface inspection apparatus according to claim 1, wherein the surface wave receiving unit is a unit that continuously irradiates the measurement target surface with laser light. 前記表面波送信手段が、電磁超音波探触子である請求項１乃至５のいずれか１に記載の表面検査装置。  The surface inspection apparatus according to claim 1, wherein the surface wave transmitting means is an electromagnetic ultrasonic probe. 前記表面波受信手段が、電磁超音波探触子である請求項１乃至５のいずれか１に記載の表面検査装置。  The surface inspection apparatus according to claim 1, wherein the surface wave receiving means is an electromagnetic ultrasonic probe. 前記計測対象表面に照射されるレーザー光の照射形状が線状にフォーカスされている請求項６に記載の表面検査装置。  The surface inspection apparatus according to claim 6, wherein an irradiation shape of the laser light irradiated on the measurement target surface is focused linearly. 変調されたレーザー光を前記計測対象表面まで導く光ファイバーを含む請求項６に記載の表面検査装置。  The surface inspection apparatus according to claim 6, further comprising an optical fiber that guides the modulated laser light to the measurement target surface. 変調されたレーザー光を複数のビームに分岐する光分岐手段と、前記複数のビームの各々を前記計測対象表面まで導く複数の光ファイバーと、前記測定対象表面上へのレーザー光の照査形状を調整するための光ファイバー配置手段とを備えた請求項１１記載の表面検査装置。  Light branching means for branching the modulated laser light into a plurality of beams, a plurality of optical fibers for guiding each of the plurality of beams to the surface to be measured, and a verification shape of the laser light on the surface to be measured are adjusted. The surface inspection apparatus according to claim 11, further comprising: an optical fiber arrangement means. 連続発振するレーザー光を前記計測対象表面まで導く光ファイバーを有する請求項７に記載の表面検査装置。   The surface inspection apparatus according to claim 7, further comprising an optical fiber that guides continuously oscillating laser light to the measurement target surface. 前記表面波受信手段が、前記計測対象表面の振動変位または振動速度を計測するレーザー干渉計であり、かつ前記レーザー干渉計内の光検出器の出力信号の振幅によって制御される、前記レーザー干渉計内の光路長微動手段を備えた請求項１乃至５のいずれか１に記載の表面検査装置。  The laser interferometer, wherein the surface wave receiving means is a laser interferometer that measures the vibration displacement or vibration speed of the measurement target surface, and is controlled by the amplitude of an output signal of a photodetector in the laser interferometer. The surface inspection apparatus according to claim 1, further comprising an optical path length fine movement means.
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