JP2002513472A - 多重光線による光−音響リーク検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 部品（３０）からリークする気体を検出するための光―音響リークシステムは、少なくとも２つのレーザー光線（２４，２６）を備えており、これらは部品（３０）に投射されるものであり、かつ部品（３０）の少なくとも一部（２８）の周囲における検査領域（１５９）を完全に照射するように配置されている。それぞれの光線は、気体によって吸収される対応する波長λ１を有しており、少なくとも一つの光線からの光を気体が吸収したときに、その気体によって音響信号が発生される。この光―音響リークシステムは、さらに、音響センサ（４０）を備えており、これによって、音響信号（３６）が受け取られ、かつこの音響信号（３６）を示すライン４２のセンサ信号が帯域フィルター４４に送られる。さらに、この光―音響リークシステムは、同期検出器（１８）を備えており、これによって音響信号（３６）を示すライン（５０）のフィルター通過信号がシグナルプロセッサー（５２）に送られる。このプロフェッサー（５２）によって、部品（３０）におけるリークを表示する出力信号が発生される。

Description

【発明の詳細な説明】 多重光線による光−音響リーク検出器 関連する出願についてのクロスリファレンス 本願とともに出願された同時係属中の米国特許出願であり、出願番号第０８／ ８２４，９４８、名称”信号／ノイズ応答性の改善された光−音響リーク検出器 ”は、本発明において開示される内容を含む。 技術分野 本発明は、リーク検出に関し、特に、光−音響リーク検出に関する。 発明の背景 熱交換コイル、燃料タンク、圧力容器、燃料ラインあるいは油圧ライン等を気 密化あるいは液密化するためには、様々な部品（あるいはシステム）のリーク試 験が必要とされ、これらのような部品の製造工程においては共通のステップであ る。 従来のリーク試験技術において、部品における様々な構造的欠陥、例えばリー クの恐れのある接合部、クラック、孔、およびこれらに類似したものを、気体に よって部品を加圧し、これらの部品からの微量の気体リークを検知することによ って、検出することが周知である。 このようなリーク気体を検出する一つの方法は、周知の”光−音響”効果を利 用することである。周知のように、この光−音響効果は、気体に投射された光を その気体が吸収する際に生じる。投射光の波長が気体によって吸収されると、吸 収された光エネルギーによって気体が加熱される。加熱された気体が膨張すると 、これによって、圧力、あるいは音響波すなわち音が生じ、この音は加熱点から 伝搬する。吸収されたエネルギーが十分に大きい場合は、この音響波はマイクロ フォンのような音響センサによって検知され、このイクロフォンによって音響波 を示す電気信号が提供され得る。周知のように、この電気信号の大きさは、微量 の気体の濃度、レーザーパルスエネルギー、微量の気体の吸収強度、および呼掛 け信号の大きさ、と相関する。さらに、このような光-音響効果が、試験される 部品やシステムにおけるリーク部分を検出するために利用されることは、周知で ある。 従来技術における一つの光-音響リーク検出システムにおいては、バルスレー ザー光線あるいは走査レーザー光線が検査下にある部品に投射され、この部品は レーザー光を激しく吸収する気体によって加圧される。リークが存在しており、 かつ漏れている気体に光が投射された場合は、気体によって光が吸収され、上述 した音響の放出が起こり、これはマイクロフォンあるいは同様の音響センサによ って検出される。マイクロフォンからの電気信号は、続いて、リークが存在する ことを作業者に認識させるために利用される。このようなシステムは、米国特許 第５，１６１，４０８号の名称“光-音響リーク検出システムおよび方法”に記 述されている。 従来技術において、光−音響検出を利用した他のシステムとして、ジャーナル オブ フィジックス Ｄ:応用物理(Journal of Physics D:Applied Physlcs) ，第１５巻（１９８２年）の２１９〜２２８ページに記載されたＤ．Ｊ．ブラシ ントン(D.J.Brassington)の”光−音響検出および定量化−気体の遠隔検出のた めの新技術”に開示されているシステムが挙げられ、このシステムにおいては、 パルスレーザーを利用することによって、気体源つまりリークの存在、およびリ ークまでの距離（つまり範囲）を検出する。しかし、現存のシステムでは、時間 的に効率のよい方法によって、あるいは複雑さおよび（あるいは）コストを最小 に押さえながら、検査されている部品（あるいはその一部）においてリーク検出 の適用範囲を１００％とする（つまり完全に照射する）ことはできない。さらに 、現在のシステムにおいては、リーク検出システムは、リーク検出システム内の 部品の単一光路を完全に照射することはできない。 発明の開示 本発明の目的は、時間的に効率のよい方法で検査されている部品（あるいはそ の一部）において、リーク検出の適用範囲を１００％とする（完全に投射する） ことができる光−音響リーク検出システムを提供することである。 本発明によると、部品からのリークを検出するための光−音響リーク検出シス テムは、少なくとも２つのレーザー光線を備えており、これらは、部品に投射さ れるものであり、かつ部品の少なくとも一部の周囲における検査領域を完全に照 射するように配置されている。 それぞれの光線は、気体によって吸収される対応波長を有しており、少なくとも １つの光線からの光が気体によって吸収されたときに、この気体によって音響信 号が発生される。さらに、少なくとも１つの音響センサを備えており、この音響 センサによって音響信号が受信され、かつ音響信号を示すセンサ信号が発生され る。さらに、シグナルプロセッサーを備えており、このシグナルプロセッサーに よって、センサ信号が受信され、かつ部品におけるリークを示す出力信号が発生 される。 さらに、本発明によると、それぞれのレーザー光線は、対応するパルス周波数 にパルス化される。さらに、本発明によると、光線は固定されているか、あるい は少なくとも部品の一部に亘って移動される。 さらに、本発明によると、検査領域の完全な照射は、光線による部品の単一露 光によって起こる。 本発明は、部品に投射される２つ（あるいは３つ以上）の光線を備えたリーク 検出システムを提供することによって、従来技術を超える著しい改善を与える。 本発明は、このリーク検知システムによって、１つあるいは複数の接合部といっ た部品の少なくとも一部の周囲における検査領域に対して、リーク検知の適用範 囲を１００％とする（つまり完全に照射する）。これによって、従来技術のシス テムよりも、検査領域を検査するために必要な時間が減少する。さらに、本発明 では、光線による部品の単一露光によって完全な照射を行うことができる。 本発明によって、リーク検知および部品におけるリーク位置の分 離が可能となる。さらに、本発明によって、部品の大きさと形状およびリーク部 分分離の必要性に応じて、様々な大きさおよび形状の光線を使用するが可能とな る。さらに、光線は、ビームの全体に亘って移動する部品に対して固定されるこ とも可能であり、あるいは、部品を横断して走査あるいは移動されることも可能 である。 本発明の、前述した目的およびその他の目的、形態、利点は、付随の図に示さ れたような例示的な実施例についての詳細な説明により、より明確となるだろう 。 図面の簡単な説明 図１Ａ，Ｂは、本発明に係る光―音響リーク検出システムの概略的なブロック 図である。 図２は、熱交換器コイルおよび本発明によってこの熱交換器コイルに投射され る光線を示す側面図である。 図３は、本発明による図２のコイルの接合部を示す拡大図である。 図４は、本発明によって検査される２列型熱交換器コイルを示す上面図である 。 図５は、管の接合部を示す側面図であり、本発明によって接合部に投射される ２つのレーザー光線の側面投射角度を示している。 図６は、図５の管の接合部を示す上面図であり、本発明による図５の２つの光 線の上面投射角度を示している。 図７は、本発明による代わりの実施例として複数の音響センサを備える光―音 響リーク検出の概略的なブロック図である。 図８は、図５の管の接合部を示す上面図であり、本発明によって 接合部に投射される４つの光線を示している。 図９（ａ）〜（ｃ）は、接合部を示す上面図であり、本発明において接合部が 光線中を通過するときに接合部に投射される光線が重複している状態を示してい る。 図１０は、図５の管の接合部を示す上面図であり、本発明において互いに相殺 されている２つの光線を示している。 図１１は、本発明によって、２つの細長い光線が投射されている部品を示す斜 視図である。 図１２は、部品を示す右側面図であり、本発明において光線の断面は円形とな っており、その円形断面の直径が部品側部の寸法より小さい状態を示している。 図１３は、部品を示す右側面図であり、本発明において光線の断面は円形とな っており、その円形断面の直径が部品側部の寸法より大きい状態を示している。 図１４は、部品を示す右側面図であり、本発明において光線の断面は楕円形と なっており、その楕円形断面が部品側部の寸法より小さい状態を示している。 図１４は、部品を示す右側面図であり、本発明において光線の断面は楕円形と なっており、その楕円形断面が部品側部の寸法より小さい状態を示している。 図１５は、部品を示す右側面図であり、本発明において光線の断面は矩形とな っており、その矩形断面が部品側部の寸法より小さい状態を示している。 図１６は、部品を示す上面図であり、本発明において２つの光線 が部品を横断して走査されている状態を示している。 図１７は、部品を示す上面図であり、本発明において２つおよび４つの光線が 部品を横断して走査されている状態を示している。 図１８は、、本発明による代わりの実施例として２つ以上の波長を有する光線 を備えた光―音響リーク検出の概略的なブロック図である。 発明の最適な実施形態 図１を参照すると、光―音響リーク検出システムは、高パルス繰返し周波数（ ＰＲＦ）を有するレーザー１０、例えばデマリアエレクトロ‐オプティックシス テム社製のＬＣ４０受動的Ｑ−スイッチＣＯ₂赤外線レーザー、を備えており、 このレーザー１０によって、パルス繰返し周波数（ＰＲＦ）つまりパルス周波数 にパルス化されているとともに波長λ１を有するレーザー光線１２が発生される 。所望により、例えばチョッパーを有するＣＷレーザーといった他のいかなるレ ーザーパルス化技術も利用することができる。さらに、所望により、本願におい て開示される特性を有するパルスレーザー光線を発生させる他のいかなるレーザ ー源つまり光源も利用することができる。光線１２は、直線的に偏光された光で あるが、偏光されていないあるいは他の偏光がなされた光（例えば、円偏光や楕 円偏光等）も利用することができる。この光線１２は、９５／５ビームスプリッ ター１３に入射され、この９５／５ビームスプリッター１３によって、ビーム１ ２の９５％が透過されて透過光線１４とされ、光線１２の５％が反射されて反射 された参照光線１５とされる。 参照光線１５を発生させるために、他の比率のビームスプリッターを利用するこ とも可能である。この参照光線１５は光検出器１６に入射される。この光検出器 １６によって、ライン１７において参照光線１５を示す電気的参照信号が発生さ れる。電気的参照信号は、後述される同期検出器（すなわち検波器）１８に送ら れる。透過光線１４は、例えば望遠鏡といった周知の光線―形成光学装置１９に 入射される。この光線―形成光学装置１９によって、光線１４が受けられ、かつ 意図される用途（後述される）のために望まれる広がりおよび直径を有する出力 光線２０が発生される。光線２０は、５０／５０ビームスプリッター２２に入射 され、この５０／５０ビームスプリッター２２によって、それぞれ等しいエネル ギーを有する透過光線２４および反射光線２６が発生される。反射光線２６はミ ラー２７に入射され、このミラー２７によって、例えば円筒状コンプレッサコイ ルといった試験される部品３０の接合部（つまり合わせ目）２８に反射される。 部品３０はリークが発生し得る接合部２８を多数有していてもよい。所望により 、燃料タンク、圧力容器、燃料ラインや油圧ラインあるいは燃料ハウジングや油 圧ハウジング、電気スイッチハウジング、エンジントランスミッションケース、 ブレーキシリンダー等の他の部品やシステムについてもリーク試験を行うことが 可能であり、気体リークを検出することが望まれたり、ある許容範囲内で気密あ るいは液密にしなければならない他の部品やシステムにおいてもリーク試験を行 うことが可能である。 透過光線２４はミラー３２に入射され、このミラー３２によってビーム２４は もう一方のミラー３４に反射される。ビーム２４は、 ミラー３４によってビーム２６の反対側に反射される。部品３０は、図１におい てページと垂直方向に向かっているコンベアー３３によって、例えば２インチ／ 秒（５．０８ｃｍ／秒）の所定速度で、固定の２つの光線２４，２６に（沿って ）動かされる。 所望により、他のコンベアーの速度は別の値にすることもできる。所望により 、図１におけるビームスプリッターおよびミラーのいくつかあるいは全てに代え て、他の光学的部品および配置を用いることによって、接合部２８に投射させる 光線２４，２６を発生させることもできる。さらに、光線２４，２６を発生させ るために２つ以上のレーザー源を利用することもできる。例えば、２つのレーザ ー源はそれぞれ光線２４，２６のうちの一つを発生させるものであり、この光線 ２４，２６は、指向的なミラーおよびビームスプリッターを使用することによっ て、あるいはこれらを使用せずに、部品に直接に投射される。 部品３０において、接合部２８から気体がリークしている場合は、従来技術に ついての節で上述した光―音響効果によって、パルス光線２４，２６の一つある いは両方によってリーク気体が照射された点から、音響波３６が広がる。音響波 信号３６の周波数は、パルスレーザー光線２４，２６のパルス繰返し周波数（Ｐ ＲＦ）と同じである。 音響波３６は、楕円体（あるいは楕円形）の反射器３８に投射され、この反射 器３８によってマイクロフォン４０に反射される。音響波３６は、マイクロフォ ン４０に直接に投射されることも可能である。マイクロフォン４０によって、ラ イン４２に音響波３６を示 す電気信号が送られる。マイクロフォン４０は、ラーソンデービスラボレートリ ーズ社（Larson Davis Laboratories）製のモデル２５２０であり、出力が３％ の高調波ひずみを有する場合に、直径０．２５インチ（６．３５ｍｍ）、帯域幅 １００ＫＨｚ（＋／−２ｄＢ内）およびダイナミックレンジ１６４ｄＢである。 所望により、他のマイクロフォン、直径、帯域幅およびダイナミックレンジも、 音響リーク信号の検出に期待される信号レベルおよび信号の周波数を検出するこ とが可能であれば、所望により用いることができる。さらに、音響センサ４０の 帯域幅は、レーザー光線１２のＰＲＦを含んでいる。 周知のように、マイクロフォン４０を囲む楕円体の反射器３８によって、楕円 における両焦点において音響感度を最高にすること可能となっている。１方の焦 点は、リーク位置（音響波の発生源）すなわち接合部２８に存在し、他方の焦点 は、マイクロフォン４０における音響センサの表面に存在する。反射器３８にお いて音響応答性を特定の位置で最高にすることによって、リーク位置（後述され る）と無関係の他の発生源からの周囲音響ノイズへの音響感度の影響が低減する 。マイクロフォン４０のための楕円体反射器３８の直径は約６インチ（１５．２ ４ｃｍ）であり、マイクロフォンから接合部２８までの距離は約１フィート（３ ０．４８ｃｍ）である。所望により、別の距離、配置および反射器３８の直径を 用いることもできる。さらに、所望により、反射器３８の形状を、楕円形に代え て、放物線状や双曲線状、あるいは他の形状にすることも可能である。さらに、 所望により反射器３８は省かれてもよいが、結果とし て信号からノイズへの比率が減少する可能性がある。さらに、マイクロフォンに 代えて、光―音響信号の検出が可能な他のいかなる音響センサも使用できる。さ らに、フィルター４４に送られる信号は、電気信号である必要はなく、例えば光 学的音響センサを有する信号といった光学的信号あるいは他のタイプの信号であ ってもよい。 ライン４２は周知の帯域フィルター４４に導かれており、この帯域フィルター ４４によって、通過帯域内の周波数が通され、かつ通過帯域外の周波数が減少つ まり阻止される。そして、フィルターに通された出力信号が、これを示すライン ４６上に送られる。 フィルター４４の通過帯域は、７．６ＫＨｚであり、７１．２〜７８．８ＫＨ ｚ（３ｄＢポイント）の範囲を有する。フィルター４４は、直列接続された低域 フィルターおよび高域フィルターを有しており、これによって帯域周波数応答が 行われる。低域フィルターおよび高域フィルターのそれぞれの伝達関数は、８つ の極（分母の多項式のルート）および６つのゼロ（分子の多項式のルート）を有 するコウアー−エリプティックフィルター（Cauer-elliptic fillter）であり、 それぞれ、マサチューセッツ州（Mass.）ハーバーヒル(Haverhill)のフレクエン シーデバイス社(Frequency Device)製のモデル番号８５８Ｌ８ＥＹおよび８５８ Ｈ８ＥＹのものである。得られる周波数応答は、通過帯域外において急なロール オフ（roll-off）を有し、かつ約２０％の時間段階的な応答オーバーシュート（ time step response overshoot）を有する。フイルター４４の通過帯域は、レー ザー１２のパルス周波数（信号３６の音響周波数でもある）を含む。他の通過帯 域、ロールオフおよびオーバーシュー トを利用することも可能である。帯域フィルター４４によって、フィルターの通 過帯域外の望ましくない周囲ノイズ周波数の影響が低減される。 帯域フィルター４４の周波数応答は、検出システムによって支持されるべきノ イズ環境に適合するように、かつ音響信号および電気信号からノイズへの比率が 最大となるように、選択される。 所望により、帯域フィルターに代えて、例えば高域フィルターや低域フィルタ ー等の他のタイプのフィルターを使用することも可能である。 ライン４６における、フィルターに通された電気的信号は、同期検出器１８に 送られる。この同期検出器１８は、周知の“ロック−イン”増幅器を備えており 、この“ロック−イン”増幅器は、ライン４２におけるマイクロフォン信号の信 号レベルおよび帯域幅を検出するのに十分な感度および帯域幅を有している。検 出器１８の参照（あるいは同期）周波数は、ライン１７に送られたレーザー１２ のパルス繰返し周波数（ＰＲＦ）である。ライン４６におけるフィルター通過信 号が、レーザー光線１２のＰＲＦと同時に、同期検出器１８によってサンプリン グされ、これによってＰＲＦ以外のノイズが排除される。同期検出器１８によっ て、レーザーＰＲＦにある音響エネルギーを示す電気信号がライン５０に送られ る。様々な信号の波形のみならず、同期検出器１８（および（あるいは）ロック イン増幅器）およびこれに代わるものについての詳細は、図４〜７および本願と 同時に出願された同時係属中の米国特許出願、出願番号０８／８２４，９４８の 名称”シグナルツーノイズ応答性の改善 された光−音響リーク検出器”の関連テキストに開示されている。上述した特許 出願に述られているように、所望により、同期検出器１８に代えて、狭い周波数 帯域を有する他のフィルターを使用することもできる。（フィルター４４を代わ りに用いることもできる。）所望であれば、例えば同期検出や非同期検出、ある いは位相敏感検出や非位相敏感検出のような、他のいかなるタイプの検出すなわ ち検波も行うことができる。パルス周波数のエネルギーを検出するために他のい かなるタイプのフィルタリングあるいは検出も行うことができる。 ライン５０はシグナルプロセッサー５２に導かれ、このシグナルプロセッサー ５２によって、リークの存在の有無、および（あるいは）気体リークの位置およ び（あるいは）量が測定され、これらを示す電気信号がライン５４に送られる。 シグナルプロセッサー５２は、周知の電子アナログ部品および（あるいは）電子 デジタル部品、および必要なシグナルプロセッシング、メモリー、および本願に おいて述べられた機能を発揮させるために十分なインターフェース容量を備える 。さらに、シグナルプロセッサー５２は、プログラムされたデジタルコンピュー ターを備えることも可能である。ライン５０における信号は、シグナルプロセッ サー５２によって、例えば５０サンプル／秒（５０Ｈｚ）の所定速度でサンプリ ングされる。他のサンプル速度あるいは連続時間アナログ回路を利用することも 可能である。さらに、上述された特許出願に開示されているように、シグナルプ ロセッサー５２によって、電気的ノイズスパイクのフィルタリングが行われる。 シグナルプロセッサー５２によって、ライン５８の位置信号が部品３０の位置 を示すコンベアー３３から受信され、部品３０の位置を制御する位置制御信号が ライン５６に送られる。所望により、部品３０においてビーム２４，２６が投射 された位置を検出するための他のいかなる技術も利用することができる。 パルスレーザー光線１２（およびひいては光線２４，２６）の波長λ１は、接 合部２８からの気体リークによって吸収される波長となるように選択される。６ 価のフッ化硫黄（ＳＦ₆）の微量気体に対して、気体による最適な吸収が起こる レーザー光の波長λ１は、赤外線領域内の１０．５５ミクロンである。所望によ り、ＳＦ₆波長の吸収範囲内において他の波長を利用することも可能である。さ らに、両光線２４，２６の波長が気体によって吸収されるものであれば、２つの 光線２４，２６の波長は異なっていてもよい。さらに、光線２４，２６は、それ ぞれ、気体によって吸収される２つ以上の波長を有していてもよい。さらに、所 望により、他の気体を利用することも可能である。この場合、光線の波長は、使 用される気体の吸収波長に設定される。 音響信号は、気体リークによって発生される光−音響信号３６に加えて、周囲 音響ノイズとして周知である他の発生源、例えば空気圧縮機や雑音のある機械等 からも生じる。このような音響ノイズは、気体リークによって発生される音響信 号からの識別が不可能なほど大きい。上述した同時係属中の特許出願に述べられ たように、レーザー光線１２（およびひいては光線２４，２６）のＰＲＦ（つま りパルス周波数）が、周囲音響ノイズが所望の信号−ノイズ比率に基 づく許容される所定低レベル以下となる周波数に設定された場合に帯域フィルタ ー４４を通過して同期検出器１８によって検出される周囲ノイズ量は最小となる 。上述したように、音響信号３６の周波数がレーザー光線１２のパルス繰返し周 波数（ＰＲＦ）とほぼ等しいために、このようなことが起こる。いかなる所望の 信号−ノイズ比率（周知のように、ノイズから信号を認識することが可能となる ように１対１より大きい）も、用途および所望のノイズマージンに対応させて利 用することができる。例えば、許容されるノイズ低レベルは、最小の所望リーク 感度にともなう音響リーク信号より低い３対１比率である。所望により、所望の ノイズマージンに対応して、比率をより大きくあるいはより小さくすることも可 能である。レーザー光線１２（およびひいては光線２４，２６）のＰＲＦは、シ ステムが利用される環境（例えば工場地域）における音響周波数のスペクトルを 分析することおよび周囲ノイズの最小周波数を測定することによって選択される 。周囲ノイズの最小周波数は、レーザーの最適なＰＲＦに相当する。７５ＫＨｚ の周波数において、多くの工場における周囲音響ノイズは許容される低レベルに あるため、このＰＲＦによって、許容可能なノイズ耐性が得られる。しかし、所 望により、例えば１０〜２００ＫＨｚの周波数やこれ以外の全ての周波数のよう な他のＰＲＦも同様に利用することができる。最大パルス周波数は、特に、利用 されるレーザーパルス化技術の帯域幅、マイクロフォンの高周波数応答特性、フ ィルターおよび他のシステム部品、（上述された）気体の緩和時間、と相関する 。最小パルス周波数は、特に、部品が検査される所望の速度、検査毎の露光回数 、 ビーム中を移動する部品の速度および（あるいは）部品に亘って光線が移動する 速度、と相関する。 さらに、光線２４，２６は、それぞれ異なるパルス周波数を有していてもよい （より詳細に後述される）。周囲ノイズを低減させるためのこのような技術にお いては、いかなる数の光線、すなわち１つあるいは複数の光線、を利用すること ができる。 さらに、上述した同時係属中の特許出願に開示されているように、リーク検出 システムによって、信号−ノイズ測定が行われ、かつパルス周波数の周囲音響ノ イズが上述された許容レベルより上にあることが作業者に警告されることも可能 である。代わりの実施例として、上述した同時係属中の特許出願に開示されたよ うに、システムによって、周囲音響ノイズ周波数が所定の周波数領域（スペクト ル）に亘って測定され、かつ所望の信号−ノイズ応答が得られるレーザーパルス 周波数が選択されることによって、信号−ノイズ応答が調整されることができる 。このような測定および調整は、周期的に、連続的に、あるいは要求により、行 われる。 接合部２８において光線２４，２６が投射される位置において、光線２４，２ ６の直径は約３／８”（９．５２５ｍｍ）であり、これは接合部２８の直径とほ ぼ等しい。これらの光線は、僅かに広がりを有しており、かつ一つの光線につき 約０．２５〜０．３ワットの平均パワーを有する。光パワーが大きいほど、存在 するリークに対する音響返信信号が大きい。光線２４，２６のパワーは、光線の 直径に亘って標準的なガウス分布を有しており、このパワーの９８％がＴＥＭ_OO モードで放散している。バルスレーザー光線２４， ２６は、それぞれ、７５ＫＨｚのＰＲＦに対応して、１３．３３μｓ毎に、持続 時間内に約１５０ｎｓの半値全幅（ＦＷＨＭ）を有する一連の短持続時間パルス を含む。１つの光線あたり０．２５〜０．３Ｗの平均パワーに対して、それぞれ の光線に対するパルス毎のエネルギーは、約３．３３〜４μＪ（平均パワー／Ｐ ＲＦ）である。上述した光線の特性によって、約０．１オンス／年（あるいはそ れより少ない）の微量気体ＳＦ６により確実なリーク検出を行うことができる十 分な音響レベルが発生されることを、私達は発見した。 所望により、使用される光線の特性に対応して、他のリークレベルを感知する ことも可能である。所望により、用途、所望の感度、部品の大きさおよび安全上 の問題等によって、光線の他の直径、パワー、パワー分布形状および広がりを利 用することも可能である。例えば、パワーのガウス分布に代えて、”トップハッ ト”つまり矩形分布形状にすることも可能である。さらに、所望により、光学装 置あるいは他の光学部品を利用することによって、接合部２８に投射される光線 ２４，２６のパワー形状を調整することもできる。光線の直径は、接合部２８の 大きさ、所望の光線断面パワー分布、垂直方向への接合部の移動量（配列におけ る公差）および接合部２８の垂線に対する光線２４，２６のそれぞれの側面の投 射角θ１，θ２によって決まる。光線の直径は接合部の直径と同じである必要は なく、所望により、接合部２８よりも小さくあるいは大きくすることができる。 所望により、放散型の光線２４，２６に代えて、平行光線あるいは集束型の光線 を利用することも可能である。しかし、作業者個人にとっては放散型の光線が最 も安全である。 所望により、光線２４，２６は、本願で述べられたものと別のＰＲＦ（つまり パルス周波数）およびパルス幅を利用することも可能である。さらに、所望によ り、パルス形状は、例えばガウス形、矩形、三角形、指数関数形および円形等の ような立上がり形状および（あるいは）下降形状とすることも可能であり、これ らの立上がり形状および下降形状は対称である必要はない。本願において述べら れたように、少なくとも部品の一部を囲む検査領域を完全に照射することで、本 発明には十分となる。さらに、上述された特許出願に開示されているように、光 パルス周波数および光−音響信号の所望の検出周波数は１対１である必要はない 。パルス周波数が光―音響信号の所望の検出周波数と同じでない場合、フィルタ ー４４および同期検出器１８の応答とライン１７における参照信号の周波数は、 光−音響信号の所望の検出周波数に設定され、光パルス周波数は所望の検出周波 数における周囲ノイズの大きさに基づいて設定される。 さらに、本発明において、光線２４，２６はパルス化する必要はない。例えば 、上述された米国特許第５，１６１，４０８号に開示されているような、部品を 横断する連続波（ＣＷ）レーザーの繰返し走査によっても、本発明は達成される だろう。部品（あるいはその一部）を横断するこのような繰返し走査によって、 走査の繰返し周波数に光線をパルス化することと同様の効果が得られる。しかし 、この場合は、ビームスキャナーの最大走査速度が最大周波数の上限となる。 さらに、ターゲット気体の加熱は実質的に瞬時に起こるため、得られる音響圧 力パルスはエネルギパルスの立上がり端部において発 生する。従って、光パルスの時間の長さは全周期に対して短くする（すなわち１ サイクルに占める率を低くする）ことも可能である。このことを私達は発見した 。音響圧力パルスは、光エネルギーパルスの下降端部においても発生する。（光 エネルギーパルスの各端部における）気体から発生する圧力パルスの時間の幅（ すなわち時定数あるいは緩和時間）は約１μｓであり、これは吸収気体の分子の 緩和に基づいている。周知の光−音響要因に依存して、他の圧力パルス幅も存在 し得る。これに対応して、光線２４，２６のレーザーパルス時間が発生した圧力 パルスの幅と同値まで増加される場合、レーザーパルスのエネルギーが増大する ため、レーザーの平均出力パワーも比例的に増大する。これに対応してリーク検 出の音響信号が改善されない場合は、システムの安全性が低減する。従って、気 体のエネルギー放出の時定数より速くエネルギーを気体中に蓄積させる短い持続 時間の光パルスは、長い持続時間の光パルスよりも効率的でかつ安全である。し かし、所望により、より長い継続時間の光パルスを利用することも可能である。 ここで、図２を参照すると、例えば熱交換器用のタービンのような単一列の気 体封入コイル用の部品３０（図１参照）に光線２４が投射された状態の右側面図 が示されている（光線２６は、反対側にある）。コイル３０は一連のＵ字型管１ ５２（つまり”ヘアピン”）からなり、このＵ字型管１５２は単一部品からなる 銅管材料である。これらのＵ字型管１５２は、接合部２８において管１５２と接 する湾曲した銅管材料１５４（つまり”返しベンド”）によって互いに連結され ている。このＵ字型管１５２は、長さが２４〜１００イン チ、直径が約３／８”（９．５２５ｍｍ）、壁厚が約０．０１７”（０４３１８ ｍｍ）である。Ｕ字型管１５２間の距離Ｄは、中心から中心まで約１”（２．５ ４ｃｍ）である。所望により、他の長さ、厚さ、直径、距離（Ｄ）および材料を 用いることも可能である。さらに、気圧を維持するために、コイル３０のそれぞ れの端部においてキャップ１５６，１５８が施されている。気圧を維持するため に、他の周知の技術を利用することも可能である。さらに、管３０を加圧するた めに、例えば取り外し可能なノズル接合といった周知のいかなる配管接合も利用 できる。光線２４，２６によって、接合部２８のそれぞれの断面外周を囲む検査 領域１５９が完全に照射されるため、光線２４，２６中の単一光路にある接合部 ２８は完全に照射される。 ここで図３を参照すると、本発明を利用して検査される接合部２８の一つを示 す拡大図によってヘアピン管１５２の最上部が示されており、この部分は、返し ベンド管１５４が挿入されるフレア１６０を備えている。ろう材料１６２は、管 １５４とフランジ１６０との間に付着される。ろう付けされると、ろう材料１６ ２は流れ落ち、領域１６４をシールする。これによって返しベンド１５４と管１ ５２との間に気密（液密）シールが施される。接合部２８を互いにろう付けする 代わりに、所望により、他の結合材料および結合技術を利用することも可能であ る。 ここで、図４を参照すると、二重−コイルシステムの上面図が示されている。 この二重−コイルシステムは、第２列のコイルから離間された第１列のコイルを 備えているため、コイル１７０，１７２ の２つの列における接合部がレーザー光線２４，２６によって、連続的に、かつ 完全に、照射されることが可能となっている。 図５を参照すると、側面図において垂線に対する２つの光線２４，２６の投射 角度θ１，θ２は、それぞれ、９０度である必要はないことが示されている。そ の代わりとして、（図４のように）角度θ１，θ２は他のいかなる角度でもよい 。しかし、２つ以上の列のコイルが試験されなければならない場合は、この投射 角度は、両光線によって全ての列が照射されるように、設定されるべきである。 図６を参照すると、気体封入コイル３０用のリング形接合部２８の上面図に示 されているように、２つの光線２４，２６は、検査されている接合部２８のそれ ぞれ反対側に位置しており、光線２４，２６の間の角度θ３は１８０度となって いる。所望により、上面図における光線２４，２６の間の角度θ３を別の角度に することも可能である（より詳細には後述される）。従って、接合部２８のそれ ぞれ反対側に投射される２つの光線２４，２６によって、接合部２８の両側にお いて、光線２４，２６中の単一経路内が検査され、これによって光線２４，２６ 中の接合部２８の単一経路において、接合部２８における１００％の呼び掛け信 号（完全な照射）が送られる。 図１を参照する。光−音響信号（ノイズ）は、気体リークから発生する光−音 響信号３６に加えて、部品３０の内外部あるいはリーク検出システム（例えばマ イクロフォン）における様々な吸収表面、汚染物質あるいは材料に（直接にある いは反射して）衝突するレーザー光線２４，２６からも発生し得る。これらの様 々な吸収表面、 汚染物質あるいは材料は、光線２４，２６からの光エネルギーに反応できるもの である。このような場合は、試験下にある部品における基準線（すなわち校正あ るいはサイン）である無リークでの光−音響応答が決定される必要がある。この ような校正によって、他の音響源（後述される）からの周囲音響ノイズについて の基準線の測定も達成される。リークが存在しない状態での音響ノイズを検出す る目的でこのような基準線状態にするために、ファン６０のような制御空気流希 釈源が利用されることも可能である。この制御空気流希釈源によって、ライン６ ２のシグナルプロセッサー５２からの制御信号が受信される。この場合、シグナ ルプロセッサー５２によって、ファン６０に向かうライン６２に制御信号が送ら れる。部品３０からのリークする気体は、ファン６０からの空気流によって移動 （あるいは希釈）され、これによって存在し得るいかなる気体リークからの音響 効果も除去される（あるいは顕著に減少される）ため、基準線無リーク音響信号 が得られる。基準線無リーク音響信号は、シグナルプロセッサー５２によって、 ライン５０の信号から測定される。続いて、ファン６０が停止され、部品３０が 再びレーザー光線２４，２６中に通され、音響信号がシグナルプロセッサー５２ によって測定される。ファン６０を使用したときの信号および未使用のときの信 号の２つの信号はシグナルプロセッサー５２によって比較され、これによってリ ークの存在の有無が決定される。 代わりの実施例として、次の接合部を検査する前に、部品３０のそれぞれの接 合部２８において２つの測定が行われるといった、類似の技術を利用することも 可能である。この場合、ファン６０がオ ンになっているとともにシグナルプロセッサー５２によってライン５０の信号か ら音響信号が測定されている間、検査下にある第１の接合部は光線２４，２６に 露出される。続いて、ファン６０が停止され、この接合部について音響信号が測 定される。ファン６０を使用したときの信号および未使用のときの信号の２つの 信号はシグナルプロセッサー５２によって比較され、これによってリークの存在 の有無が決定される。測定が行われる順序は、所望により、逆にすることも可能 である。例えば、ファン−オフ測定が最初に行われ、続いてファン−オン測定が 行われる。 いずれの場合にも、上述された技術のどちらも利用しており、シグナルプロセ ッサー５２によって行われた、空気流が利用される前および空気流が利用されて いる間の、光線に露出された接合部についての音響信号測定問における計算上の 差分がリークの目安となる。（システムの精度および再現性が考慮された上で） この差分が零の場合は、リークは存在しない。（システムの精度および再現性が 考慮された上で）この差分が零でない場合は、リークが存在し、その大きさは得 られた差分に比例する。厳密なリーク量は計算される必要はないが、ある所定し きい値を越えるリークの存在のみは決定されなければならない。 他の実施例として、制御空気流源を使用する代わりに、リークの存在しないサ ンプル較正部品３０あるいは加圧されないサンプル較正部品３０が最初にシステ ム内で移動され、システムを較正するために基準線測定が行われるてもよい。こ のようにすることによって、サンプル部品が再びシステムに通過されて再較正が 行われるまで、 所定の加圧サンプル数および（あるいは）加圧サンプルの所定測定時間に対して の較正が十分なものとなる。 さらに、例えば３．０ＯＺ／ｙｒの大きな気体リークの位置の検出を改善する ために、ファン６０は、所望の小さなリークの検出が可能となるほどの低速では 運転されず、多数の接合部２８の周囲においてリーク気体が増強する(これによ ってリーク位置の正確な検出が妨げられる)のを防止できるほどの高速で連続的 に運転される。 図１８を参照すると、代わりの実施例として、レーザー光線２４，２６は、そ れぞれ、気体によって吸収される波長（λ１）および気体によって吸収されない 他の波長（λ２）を有することが可能となっている。この場合、部品（あるいは その一部）３０は、順次に、あるいは同時に、無リーク基準線の測定を行うため に非吸収波長λ２によってパルス化され、かつ吸収波長λ１によってパルス化さ れる。２つの波長にともなう音響信号間の差分は、無リークでの結果に対して調 整されたリークを表している。 特に、図１８は図１と同様なものであり、これにいくつかの部品が追加されて いる。特に、図１８において、第２レーザー２５０によって、パルス周波数がｆ ２であるとともに非吸収波長λ２を有する光線２５２が発生される。このパルス 周波数ｆ２は、レーザー１０からの光線１２のパルス周波数ｆ１とは異なる。光 線２５２は、９５／５ビームスプリッター２５４（図１によって上述されたビー ムスプリッター１３と同様なもの）に投射され、この９５／５ビームスプリッタ ー２５４によって、透過光線２５６および反射光線２５８が発生される。反射光 線２５８は光検知器２６０に投射され、 この光検知器２６０によって、ライン２６２の電気信号が付加的な同期検出器２ ６４に送られる。光検知器２６０は、検出器１８と同様なものであるが、異なる 参照周波数ｆ２を有する。透過光線２５６および透過光線１４は、例えば回折格 子といった光線結合器２６６に投射され、この光線結合器２６６によって、両波 長λ１，λ２および両パルス周波数ｆ１，ｆ２を有する光線２６８が発生される 。この結合光線２６８は、光線形成光学装置１９に投射され、この光線形成光学 装置１９によって、上述したような所望の特性を有する光線２０が発生される。 さらに、ライン４２は、パルス周波数ｆ２を含む通過帯域を有する付加的な帯 域フィルターに導かれる。フィルター２７０によって、ライン２７２におけるフ ィルターに通された信号が、検出器２６４に送られる。検出器２６４によって、 ライン２７４における検出信号が、シグナルプロセッサー５２に送られ、ここで パルス周波数ｆ２および非吸収波長λ２に対応した音響信号が表示される。従っ て、ライン２７４における信号は、部品３０についての無リーク基準線の読み取 り値である。シグナルプロセッサー５２によって、ライン５０におけるリーク測 定値からライン２７４における無リーク校正測定値を引いたリーク量が計算され 、ライン５４にリーク信号が発生される。 所望により、２つの波長λ１，λ２を有する光線２４，２６を発生させる技術 と構成およびリーク信号と無リーク信号の測定方法は別のものを利用してもよい 。さらに、光線２４，２６は、それぞれ、２つ以上の非吸収波長を含んでいても よい。 ここで図７を参照すると、マイクロフォン４０（図１参照）によって音響リー ク信号３６を検出する代わりに、任意の楕円形反射器８４，８６をそれぞれ有す るマイクロフォン８０，８２を利用することも可能となっている。所望により、 ３つ以上のマイクロフォンを利用することも可能である。マイクロフォン８０， ８２は、検査下にある接合部２８から、例えば１フィート（３０．４８ｃｍ）の ほぼ等しい距離によって離間されている。しかし、所望により、これと異なる距 離とすることも可能であり、かつ不等な距離とすることも可能である。マイクロ フォン８０によって、ライン８６における電気信号が、帯域フィルター８８に送 られる。この帯域フィルター８８は、図１において上述した帯域フィルター４４ と同様なものである。同様に、マイクロフォン８２によって、ライン９２におけ る電気信号が、帯域フィルター９４に送られる。この帯域フィルター９４は、帯 域フィルター８８と同様なものである。帯域フィルター８８，９４によって、フ ィルター８８，９４の通過帯域内のエネルギーを表示するライン９６，９８に、 それぞれ電気信号が送られる。 図１に示されているように、ライン９８における、フィルターを通過した信号 は、同期検出器１８に送られる。ライン９６における、フィルターを通過した信 号は、第２の同期検出器１００に送られる。第２の同期検出器１００は、さらに 、ライン１７における参照信号を受信する。検出器１００は、検出器１８と同様 なものであり、これによってライン１０２における信号が、（ライン５０におけ る信号と同様に）シグナルプロフェサー５２に送られる。従って、シグ ナルプロセッサー５２によって、ライン５０，１０２における２つの信号が受け 取られる。これらの２つの信号は、それぞれ、対応するマイクロフォン８２，８ ０によってそれぞれ検出された音響リーク信号を示している。ライン５０，５２ における信号は、シグナルプロセッサー５２によって、個々にサンプリングされ るか、あるいは共に結合されてリークの有無が検査される。所望により、個別の 同期検出器１８，１００に代えて、通常の参照周波数を有する単一の多重入力チ ャネル式同期検出器を利用することも可能である。 同じリークに対して２つのマイクロフォン８２，８０からそれぞれ受け取られ た音響信号間において位相のずれが存在するため、２つのフィルター９４，８８ および２つの同期検出器１８，１００が備えられている。マイクロフォン８０， ８２からの位相のずれた信号が結合されて一つのフィルターに送られた場合には 、信号の増幅あるいは周波数ひずみが生ずるが、これを防止するために、このよ うな個別のフィルターおよび同期検出器が使用される。 代わりの実施例として、音響学およびフィルター設計の当業者に周知のように 、そのようなひずみが設計上適合される場合は、マイクロフォン８０，８２から の、ライン８６，９２における信号が、それぞれ、結合されて１つの帯域フィル ターおよび（または）同期検出器に送られるようにすることによって、ハードウ エアを減少させることも可能である。３つ以上のマイクロフォンが使用される場 合は、付加的な帯域フィルターおよび同期検出器が、それぞれの付加的なマイク ロフォンのために利用されることも可能であり、上述したように、いくつかのフ ィルターおよび同期検出器を結合される ことによって、ハードウエアを減少させることも可能である。 この多重マイクロフォン技術は、特に、コンベアー装置３３が部品３０より上 に位置する場合に有用である。この場合、部品３０はコンベアーアーム１０６を 備えており、このコンベアーアーム１０６はプレート１０８（つまり”チューブ シート”）に接続されて（あるいは下につるされて）おり、プレート１０８は部 品３０に連結されている。これによって、部品３０は、光線２４，２６中を移動 する。光線２４によって接合部２８が照射されるように、アーム１０６が光線２ ４に対して透明であってもよく、あるいは、接合部２８が配置される開口領域を 有していてもよい。さらに、２つのマイクロフォンを使用することによって、部 品３０の片側にリークを分離することができる。このことは、同じリークに対し て、一方のマイクロフォンが、部品３０においてこのマイクロフォンが配置され た側に存在するリークから、（部品３０の他方の側における）他方のマイクロフ ォンが受信した信号よりも強い音響信号を受信した場合にも適用できる。 このような複式マイクロフォンシステムは、図１８によって上述したような、 ２つの波長および（あるいは）２つの（あるいは３つ以上の）パルス周波数を用 いるシステムにおいて利用されることも可能である。この場合は、それぞれのマ イクロフォンが２つの帯域フィルター（図１８と同様なもの）に接続され、この 帯域フィルターの１つが２つのパルス周波数ｆ１，ｆ２のそれぞれに対応する。 ｆ１フィルターの全出力は、これに対応する多重チャネル同期検出器に送られる 。この多重チャネル同期検出器は、参照周波数として ｆ１を有する。ｆ２フィルターの全出力は、これに対応する多重チャネル同期検 出器に送られる。この多重チャネル同期検出器は、参照周波数としてｆ２を有す る。上述したように、同期検出器から得られる出力信号は、シグナルプロセッサ ー５２に送られ、複数のマイクロフォンおよび複数の波長について評価される。 図８を参照すると、所望により、３つ以上の光線が、本願で述べたいくつかの 実施例および変形例において利用されることも可能となっている。例えば、図８ において、それぞれ等しいパワーを有する４つの光線１９０〜１９６が、接合部 ２８に投射されている。 図６および図８を参照すると、接合部２８へ投射される２つあるいは３つ以上 の光線は、接合部２８の移動方向に対して対称的に配置される必要はないことが 示されている。例えば、図６において、移動方向は、点線１９７に沿っており、 この点線１９７の周りで光線２４，２６は対称となっており、あるいは移動方向 は線１９９に沿っており、この線１９９の周りでは、光線２４，２６は非対称と なっている。 図９を参照すると、実施例（ａ）〜（ｃ）が示されている。接合部検査プロセ ス中に、接合部２８に投射される光線２４，２６がある位置（または領域）にお いて部分的に互いに重複している場合は、接合部２８の照射領域において、この 重複位置の光強度が、重複してない他の照射領域の光強度よりも大きくなる。こ のような重複領域から測定された音響信号は、他の非重複位置からのものよりも 、振幅が大きくなる。このことに対して補正が行われない場合は、これによって 音響測定に歪みが生じる。２つの光線が接近した場合に も、接合部２８の周囲において、光線２４，２６が重複するいくつかの点２１０ ，２１２が生じる。存在する重複の大きさは、光線の直径、光線の数、上面にお ける光線の投射角度および側面における光線の投射角度、と相関している。 光線の重複が音響測定に歪みが生じるほど著しい場合は、可能な多数の解決法 が利用される。１つの解決法は、重複の位置がある所定許容範囲内において予想 可能でありかつ再現可能である場合に、重複が発生する位置に対応するセンサ信 号の大きさを、シグナルプロセッサー５２において減少させるものである。 図１０を参照する。光線の重複を防止するための他の方法は、光線２４，２６ を水平方向で相殺させることによって、光線２４，２６が接合部２８において重 複しないようにするものである。光線２４，２６を水平方向で相殺させることに よって、垂直方向の検査領域は、変わらずに維持される。さらに、水平方向に相 殺される光線２４，２６の配置は、部品３０の移動方向とは無関係である。すな わち、図１０に示されるように、光線２４は、部品３０の移動方向とは反対に、 光線２６の前方に配置される。他の実施例として、所望により、光線２４，２６ は垂直方向あるいは他方向に相殺されることも可能である。 光線が重複するという問題を防止するための他の方法は、接合部２８に投射さ れる光線のパルスのタイミングを移相させることによって、これらの光線が同時 に接合部を照射しないようにし、これによって、部分的にあるいは完全に、光線 の重複が起こらないようにするものである。この方法は、各光線の経路を他の光 線よりも光学 的に遅らせることによって、達成することができる。他の実施例として、このよ うな２つの移相された光線を発生させるために、個別のレーザーを使用すること も可能である。この場合、（上述したように）同期検出がノイズのフィルタリン グのために利用される場合は、同じ時間周期に亘って２倍のパルス数を有するこ とによる周波数倍増効果に適合させるために、個別の参照信号を有する個別の同 期検出器が利用される必要がある。この方法は、いかなる数の光線が接合部２８ に投射される場合にも利用される。 光線が重複することによる効果を低減させるための他の方法は、（上述したよ うに）部品に投射される光線のパルス周波数を不等にすることである。この場合 は、パルス重複の発生時から次のパルス重複の発生時までの時間は、これらのパ ルス周波数の近接度によって設定される。さらに、光線の重複による効果を低減 させる他の方法は、（上述したように）部品に投射される光線の吸収波長を不等 にすることである。この場合は、波長を不等にすることによって、重複領域にお ける強度の増大量が減少される。 図１および図７を参照する。接合部２８に投射される光線が対称となる可能性 および光線が重複する可能性があるため、レーザー光線２４，２６がレーザー１ ０に再入するのを防止する機能を追加する必要が生じ得る。これは、任意の光ア イソレーター２２０を出力レーザー光線１２の経路に配置することによって達成 される（図１，７参照）。この光アイソレーター２２０は、４分の１波長板が続 く偏光器や真偏向回転子(true polarization rotator)が続く偏光器のような、 周知の光部品からなる。偏光器／波長板によって、円形に 偏光された光がビームスプリッター２２に送られ、偏光器／回転子によって、直 線的に偏光された光が発生される。光線がレーザー１０にフィードバックするの を防ぐために、他の光アイソレーターあるいは光技術が利用されることも可能で ある。３つ以上の光線によって同様な技術が利用されることも可能である。 図１０を参照すると、反対の光学器にフィードバックするのを防ぐために、上 述したように、光線２４，２６が水平方向あるいは他の方向に相殺されるように することも可能である。 図５および図６を参照する。他の実施例として、反対側の光学装置に光線がフ ィードバックするのを防止するために、上面図における光線２４，２６間の角度 θ３は、１８０度から僅かに調整され（例えば０．５度）、かつ／あるいは側面 図における光線２４，２６の投射角度θ１，θ２は、９０度から僅かに調整され （例えば０．５度）、これによって他の（反対の）光線の光学装置に到達する横 光線の量を最小にすることができる。同様に反対側の光線を調整することによっ て、３つ以上の光線が接合部２８に投射される場合にも同様な解決方法を利用す ることができる。他の技術を利用することによって、光線が反対側のミラーにフ ィードバックするのを防ぐこともできる。 所望により、ビーム化光学装置１９および（または）光アイソレータ２２０は、 レーザー源１０内に備えてあってもよい。さらに、光学装置１９およびアイソレ ーター２２０の位置を逆にすることもできる。さらに、光線２４，２６は、空間 中に伝搬されずに、光ファイバーすなわち固体状導波管といった導波管内に伝搬 されてもよい。 さらに、所望により、２つ以上のレーザー源を使用することによって、光線２４ ，２６を発生させることも可能である。さらに、光線２４，２６の波長は、リー ク気体によって吸収されるものであれば、異なっていてもよい。あるいは、光線 は２つ以上の波長を有していてもよい。 本発明は、例示的な用途として、部品の接合部におけるリーク検出として述べ られたが、本発明によって、部品における全ての部分や領域および部品全体につ いて、間隙や亀裂といった様々な構造的欠陥を表す気体リークの検査を行うこと が可能であることは、理解されるべきである。 図１１〜１５を参照すると、光線２４，２６の断面形状は、検査される部品３ ００（あるいはその一部）の周囲における所望の検査領域を完全に照射するもの であれば、いかなる形状および（あるいは）大きさであってもよい。このような 完全な照射は、光線中の部品における単一経路内で行われる。例えば、図１１に おいて、光線２４，２６は部品３００のそれぞれ反対側に投射され、かつそれら の断面は細長い矩形となっている（すなわち“シート”光線となっている）。露 光されている間、この断面によって、部品３００における細長い部分３０２，３ ０４がそれぞれ継続的に露光され、かつ光線２４，２６中の単一経路上にある部 品３００全体の周囲における検査領域が照射される。このような細い光線形状を 利用することによって、部品３００の特定の部分にリーク位置が隔離される。 図１２〜１５を参照すると、様々な形状および大きさの光線が投射されている 部品３００の右側面図が示されており、ここでは光線 ２４の断面のみが示されている（光線２６は、部品３００の反対側にある）。図 １２において、光線２４は円形状の断面を有しており、この円形状断面の直径は 部品３００の側部の寸法よりも小さい。この場合は、部品３００全体の周囲にお ける検査領域３１０は、光線２４、２６中の単一光路内で完全に照射される。図 １３において、光線２４は円形状の断面を有しており、この円形状断面の直径は 部品の側部の寸法よりも大きい。この場合は、部品３００全体は、部品全体に亘 る検査領域を与える光線２４，２６によって完全に照射される。このような照射 パターンは、リーク位置の隔離が必要とされないリーク検出、例えばリークが発 見された場合には廃棄される鋳物においてのリーク検出、に利用することができ る。 図１４において、光線２４は、細長い楕円形（長円形）形状を有しており、こ の楕円形（長円形）形状の長さは部品側部の高さよりも小さい。これによって、 光線２４，２６中の単一光路上にある部品３００全体の周囲における検査領域３ １２が、完全に照射される。図１５において、光線２４は、図１０と同様な細い 矩形形状を有しているが、この矩形形状は部品３００の側部の高さを超えて延び ている。この場合は、露光中において継続的に、部品３００における細いストリ ップ３１４が照射され、これによって光線２４，２６中の単一光路上にある部品 全体が照射されるため、部品全体に亘る検査領域が得られる。所望により、光線 を別の形状および大きさにすることもできる。使用される光線の大きさおよび形 状によって、システムによって行われるリーク位置隔離の大きさが決まる。さら に、本発明において、別の部品寸法および部品形状にすることもできる。 部品３００の移動方向は、図１１〜１５において、矢印３２０によって示されて いる。 図１６，１７を参照すると、光線２４，２６が固定され、かつ検査される部品 ３０が光線２４、２６中で移動される代わりに、光線２４，２６が部品３０に亘 って走査あるいは移動されることによって、検査下にある部品（あるいはその一 部）の周囲における検査領域が光線２４、２６によって完全に照射されるように なっている。 他の実施例として、同時にあるいは順次に、部品３０が光線２４、２６中を移 動され、光線２４，２６が部品３０に亘って走査される。このような光線２４， ２６の移動あるいは走査は、本願において述べられたいかなる実施例においても 利用することができる。このことについては、光線２４，２６あるいは部品３０ ０の移動は、図１１〜１５における移動矢印３２０によって示されている。 図１６を参照すると、光線２４、２６は、旋回せずに部品３０に亘って移動す ることが示されている。図１７を参照すると、代わりの実施例として、光線２４ ，２６は、固定された旋回点あるいは移動している旋回点３３０，３３２を中心 に旋回することが可能となっている。走査角度および光線の位置に対応して、３ つ以上の光線が走査されることによって、部品（あるいはその一部）の周囲にお ける検査領域が完全に照射されることも可能である。例えば、必要に応じて、固 定された旋回点あるいは移動している旋回点３４０，３４２を中心に旋回する付 加的な光線３３６，３３８が、部品（あるいはその一部）を完全に照射するため に利用される。代わりの実施例として、所望により、旋回点３３０，３３２が、 部品の２つの 端部間における中点といった他の位置に配置されることも可能である。さらに、 旋回点３３０，３３２は、部品３０のそれぞれ反対側に対称的に配置される必要 はない。 他の実施例として、部品（あるいはその一部）を完全に照射するために、部品 ３０を移動させるとともに部品３０に亘って２回以上の光線走査が行われること も可能である。例えば、図１７において、２つの光線３３６，３３８のみが利用 されており、かつ部品３０は図１７における上方位置にある場合は、部品３０は 、最初に、矢印３５０に方向に向かう光線３３６，３３８によって走査され、続 いて、光線３３６，３３８は、これらの元の位置に戻される（戻り経路にある間 は、光線３３６，３３８はオンである必要はない）。次に、部品３０の破線の外 形によって示されたように、第１のコイル３４６が光線３３６，３３８と整列す るまで、部品３０は、矢印３４４の方向に移動される。続いて、部品３０は、矢 印３５２の方向に向かう光線３３６，３３８によって走査され、これによって部 品（あるいはその一部）は完全に照射される。代わりの実施例として、機械的走 査運転の回数を減少させるために、光線３３６，３３８は、頂点のコイル３４６ において部品３０の走査を開始し、光線３３６，３３８が互いに逆になる位置ま で方向３５４の方向に回転する。続いて、部品３０は線３４４に沿って移動され 、光線３３６，３３８は矢印３５２の方向に部品に亘って走査する。これによっ て完全な照射が行われる。部品３０（あるいはその一部）を完全に照射するため に、部品に投射される光線を２回以上走査する必要がある他の配置、部品の移動 、光線の数および（または）走査技術が利用され ることも可能である。 さらに、光線２４，２６が互いに同相でユニットに亘って走査されることによ って、部品がいかなる位置にあっても、光線２４，２６が同時にそれぞれ反対側 に投射されるようにすることが可能である。代わりの実施例として、図１０に示 されているように、光線２４，２６が互いに位相外れで走査されることによって 、いかなる位置にあっても、その位置のそれぞれ反対側が同時に走査されないよ うにすることも可能である。光線が位相外れで走査される場合、このことは、( 上述した)光線の重複を除去するためにも利用できる。さらに、所望により、そ れぞれの光線２４，２６の走査速度を同一あるいは不等にすることができる。光 線２４，２６の走査を適合させるために、図１および図７におけるミラー２７， ３４を走査ミラー（つまり光線走査器）と置き換えて、所望の光線走査機能を提 供することも可能である。所望により、周知の他の光走査技術およびハードウエ アが利用されることも可能である。この場合は、光線の位置は、シグナルプロセ ッサー５２から光線走査器（図示せず）への走査信号によって設定されることが 可能である。代わりの実施例として、光線走査器によって独立して検査下にある 部品が走査され、光線位置信号がシグナルプロセッサー５２に送られることも可 能である。 さらに、光線の走査が行われる場合、与えられたリークに対して音響信号の強 度をほぼ一定に維持するために、部品に亘って移動している光線とともに１つあ るいは２つ以上のマイクロフォンが移動される。これによって部品における露光 領域からマイクロフォンへ の音響信号に対して、ほぼ一定の音響移動距離（およびひいては信号強度）が与 えられる。代わりの実施例として、マイクロフォンが不動の場合は、マイクロフ ォンと検査領域との間の音響移動距離が変化することによる音響信号強度の変化 を、マイクロフォンによって補正することもできる。 さらに、所望により、上述したように、部品３０に投射されるレーザー光線２ ４，２６のそれぞれのパルス周波数を不等にすることもできる。この場合は、２ つのパルス周波数がフィルター４４の通過帯域内にあり、かつ同期検出器１８の 検出範囲内にある場合は、音響リーク信号を検出するために付加的なハードウェ アは必要とされない。しかし、これらの周波数がその通過帯域内に存在しない場 合および（あるいは）部品においてリークが存在する側を分離することが望まれ る場合は、個別の帯域フィルターおよび（あるいは）同期検出器が使用されるこ とよって、このような分離を行うことが可能である。これは、３つ以上の光線が 部品に投射される場合にも適用できる。 さらに、図１のブロック４４，１８，５２、あるいは図７のブロック８８，９ ４，１８，１００，５２、あるいは図１８のブロック４４，２７０，１８，２６ ４，５２として示される機能のいくつかあるいは全ては、点線ブロック４００に よって示されたようにシグナルプロセッサー５２内において実行されることが可 能であり、かつ適切な入力／出力インターフェース、アナログ−デジタル変換器 あるいはデジタル−アナログ変換器、および本願において述べた機能を発揮する のに十分なメモリを備えたプログラムされたデジタル コンピュータによっても実行することができる。 さらに、頂部、底部、垂直、水平、側部、等の配置に関する用語は、相対的な 用語であり、本願においては例示的な目的のために用いている。このような用語 は、見る人の向き、リーク検出システムの向きおよび検査下にある部品の向きと いった要素によるものであり、これらの向きが本願における状態と異なる場合に は、用途に応じて代わりの適切な用語が置き換えられることも可能である。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１１年４月２２日（１９９９．４．２２） 【補正内容】 このようなリーク気体を検出する一つの方法は、周知の”光−音響”効果を利 用することである。周知のように、この光−音響効果は、気体に投射された光を その気体が吸収する際に生じる。投射光の波長が気体によって吸収されると、吸 収された光エネルギーによって気体が加熱される。加熱された気体が膨張すると 、これによって、圧力、あるいは音響波すなわち音が生じ、この音は加熱点から 伝搬する。吸収されたエネルギーが十分に大きい場合は、この音響波はマイクロ フォンのような音響センサによって検知され、このイクロフォンによって音響波 を示す電気信号が提供され得る。周知のように、この電気信号の大きさは、微量 の気体の濃度、レーザーパルスエネルギー、微量の気体の吸収強度、および呼掛 け信号の大きさ、と相関する。さらに、このような光-音響効果が、試験される 部品やシステムにおけるリーク部分を検出するために利用されることは、周知で ある。 マックレー（McRae）等の米国特許出願第５，１６１，４０８号の名称”光― 音響リーク検出システムおよび方法”は、従来技術における光―音響リーク検出 システムについて開示しており、このシステムにおいては、パルスレーザー光線 あるいは走査レーザー光線が検査下にある部品に投射され、かつレーザー光を激 しく吸収する気体によってこの部品が加圧される。リークが存在しており、かつ 光が漏れている気体に投射された場合、気体によってその光が吸収され、上述し た音響の放出が起こる。この音響放出は、マイクロフォンや同様な音響センサに よって検出される。作業者は、このマイクロフォンからの電気信号によって、リ ークが存在することを認 識する。 従来技術において、光−音響検出を利用した他のシステムとして、ジャーナル オブ フィジックス Ｄ:応用物理(Journal of Physics D:Applied Physics) ，第１５巻（１９８２年）の２１９〜２２８ページに記載されたＤ．Ｊ．ブラシ ントン(D.J.Brassington)の”光−音響検出および定量化−気体の遠隔検出のた めの新技術”に開示されているシステムが挙げられ、このシステムにおいては、 パルスレーザーを利用することによって、気体源つまりリークの存在、およびリ ークまでの距離（つまり範囲）を検出する。しかし、現存のシステムでは、時間 的に効率のよい方法によって、あるいは複雑さおよび（あるいは）コストを最小 に押さえながら、検査されている部品（あるいはその一部）においてリーク検出 の適用範囲を１００％とする（つまり完全に照射する）ことはできない。さらに 、現在のシステムにおいては、リーク検出システムは、リーク検出システム内の 部品の単一光路を完全に照射することはできない。 米国特許出願第４，４５７， １６２号の名称“多周波数の光−音響検出器” は、他の気体の存在下における単一気体を検出したり、あるいは多数の特殊な混 合気体を検出するための多周波数の光−音響検出器を開示している。この検出器 においては、固有の波長を有する多数の光線が使用されており、これらの波長は 、サンプリングチャンバー内において検出されるべき気体によって吸収されるも のである。サンプリングチャンバー内に存在する特定の気体によってこの固有の 波長が吸収されたときには音響信号が発生され、この音響信号は少なくとも１つ のビートトーン（beat tone）や結合ビー トトーン（combination beat tone）によって検出され、これによって特定の１ 種類の気体あるいは多種類の気体による吸収度が示される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，Ａ Ｕ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ， ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＧＷ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，Ｊ Ｐ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ， ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，Ｓ Ｅ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 ニューマン，レオン エイ. アメリカ合衆国，コネチカット 06033, グラストンベリー，コッツウォルド クロ ーズ 75

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．光―音響リーク検出システムであって、前記システムは、 波長を有する光線を備えており、前記光線は、前記波長を吸収する気体が封入 された部品に投射され、前記気体は、前記波長を吸収したときに第１音響信号を 発生させ、 空気流を発生させる空気流源を備えており、前記空気流によって前記部品から リークする前記気体の一部が移動され、 前記第１音響信号と前記空気流源が前記気体の前記一部を置換するときに発生 される第２音響信号とを受ける少なくとも１つの音響センサを備えており、前記 音響センサによって、前記第１音響信号および前記第２音響信号をそれぞれ表示 する第１センサ信号および第２センサ信号が発生され、 前記第１センサ信号および前記第２センサ信号を受けるシグナルプロセッサー を備えており、前記シグナルプロセッサーによって、無リーク基準線測定値とし て前記第２音響信号が用いられ、前記部品におけるリークの存在を示す出力信号 が発生されることを特徴とする光―音響リーク検出システム。 ２．さらに、前記部品の少なくとも一部の周囲における検査領域を完全に照射す るために、少なくとも２つの光線を備えていることを特徴とする請求項１記載の 光―音響リーク検出システム。 ３．前記光線は、前記第１音響信号および前記第２音響信号の検 出周波数と相関するパルス周波数にパルス化されていることを特徴とする請求項 １記載の光―音響リーク検出システム。 ４．前記検出周波数は、前記パルス周波数とほぼ同一であることを特徴とする請 求項３記載の光―音響リーク検出システム。 ５．さらに、前記光線を発生するための光学装置を備えていることを特徴とする 請求項１記載の光―音響リーク検出システム。 ６．前記光学装置は、前記光線を示す前記シグナルプロセッサーに参照信号を送 るための参照装置を備えていることを特徴とする請求項５記載の光―音響リーク 検出システム。 ７．前記シグナルプロセッサーは、前記少なくとも１つの音響信号に応答する少 なくとも１つのフィルターを備えており、該フィルターによってフィルターがか けられた信号が発生されることを特徴とする請求項６記載の光―音響リーク検出 システム。 ８．前記シグナルプロセッサーは、少なくとも１つの同期検出器を備えており、 該同期検出器は、前記フィルターに通された信号および前記参照信号に応答する ことを特徴とする請求項７記載の光―音響リーク検出システム。 ９．前記シグナルプロセッサーは、前記検出周波数にあるエネル ギーを通過させ、かつ前記検出周波数以外にあるエネルギーは通過させないため のフィルター装置を備えていることを特徴とする請求項３記載の光―音響リーク 検出システム。 １０．前記シグナルプロセッサーは、フィルターを備えており、該フィルターの 通過帯域の周波数範囲は前記検出周波数を含むことを特徴とする請求項３記載の 光―音響リーク検出システム。 １１．前記光学装置は光アイソレーターを備えており、これによって前記光線が 前記光学装置に再入することがを防止されていることを特徴とする請求項５記載 の光―音響リーク検出システム。 １２．前記パルス周波数は、前記検出周波数における周囲音響ノイズの大きさが 所定の低レベルとなる周波数であることを特徴とする請求項３記載の光―音響リ ーク検出システム。 １３．前記光線の前記パルス周波数は、少なくとも、１０ＫＨｚ，２０ＫＨｚ， ３０ＫＨｚ，４０ＫＨｚ，５０ＫＨｚ，６０ＫＨｚ，７０ＫＨｚ，８０ＫＨｚ， ９０ＫＨｚあるいは１００ＫＨｚであることを特徴とする請求項３記載の光―音 響リーク検出システム。 １４．前記少なくとも２つの光線は、前記部品のそれぞれ反対側に投射されるこ とを特徴とする請求項２記載の光―音響リーク検出システム。 １５．前記少なくとも２つの光線は、上面からみた間の角度が約１８０度である ２つの光線を含むことを特徴とする請求項２記載の光―音響リーク検出システム 。 １６．前記少なくとも２つの光線は、側面からみた投射角度が垂線に対して約９ ０度である２つの光線を含むことを特徴とする請求項２記載の光―音響リーク検 出システム。 １７．前記少なくとも２つの光線は、互いに相殺されていることを特徴とするこ とを特徴とする請求項２記載の光―音響リーク検出システム。 １８．前記光線は、前記部品の少なくとも一部に亘って移動することを特徴とす る請求項１記載の光―音響リーク検出システム。 １９．前記出力信号は、部品における気体リークの大きさを示していることを特 徴とする請求項１記載の光―音響リーク検出システム。 ２０．さらに、複数の音響センサを備えていることを特徴とする請求項１記載の 光―音響リーク検出システム。 ２１．前記音響センサは、マイクロフォンを備えていることを特 徴とする請求項１記載の光―音響リーク検出システム。 ２２．前記音響センサは、音響反射器を備えていることを特徴とする請求項１記 載の光―音響リーク検出システム。 ２３．前記部品は、熱交換器コイルからなることを特徴とする請求項１記載の光 ―音響リーク検出システム。 ２４．前記部品の前記一部は、部品における少なくとも１つの接合部を含むこと を特徴とする請求項１記載の光―音響リーク検出システム。 ２５．検査領域における前記完全は照射は、前記少なくとも２つの光線による前 記部品への単一露光によって行われることを特徴とする請求項２記載の光―音響 リーク検出システム。 ２６．部品からの気体リークを検出するための方法であって、前記方法において 、 １つの波長を有する光線を、前記波長を吸収する気体が封入された部品に投射 し、 前記波長を吸収している前記気体を表す第１音響信号を測定し、 前記部品からリークしている前記気体の一部を置換する空気流を発生させ、 前記部品を表す第２音響信号を測定し、 前記第２音響信号を無リーク基準線測定値として用い、かつ部品におけるリー クの存在を表す出力信号を発生させる、というステップからなることを特徴とす る方法。 ２７．前記部品の少なくとも一部の周囲における検査領域を完全に照射するため に、少なくとも２つの光線が投射されることを特徴とする請求項２６記載の方法 。 ２８．前記光線をパルス周波数にパルス化するステップを含むことを特徴とする 請求項２６記載の方法。 ２９．前記光線の前記パルス周波数は、少なくとも、１０ＫＨｚ，２０ＫＨｚ， ３０ＫＨｚ，４０ＫＨｚ，５０ＫＨｚ，６０ＫＨｚ，７０ＫＨｚ，８０ＫＨｚ， ９０ＫＨｚあるいは１００ＫＨｚであることを特徴とする請求項２８記載の方法 。 ３０．検査領域における前記完全は照射は、前記少なくとも２つの光線による前 記部品への単一露光によって行われることを特徴とする請求項２７記載の方法。 ３１．前記少なくとも２つの光線は、前記部品のそれぞれ反対側に投射されるこ とを特徴とする請求項２７記載の方法。 ３２．前記少なくとも２つの光線は、上面からみた間の角度が約 １８０度である２つの光線を含むことを特徴とする請求項27記載の方法。 ３３．前記少なくとも２つの光線は、側面からみた投射角度が垂線に対して約９ ０度である２つの光線を含むことを特徴とする請求項２７記載の方法。 ３４．前記少なくとも２つの光線は、互いに相殺されていることを特徴とするこ とを特徴とする請求項２７記載の方法。 ３５．前記光線は、前記部品の少なくとも一部に亘って移動することを特徴とす る請求項２６記載の方法。 ３６．検査領域における前記完全は照射は、前記少なくとも２つの光線による前 記部品への単一露光によって行われることを特徴とする請求項２７記載の方法。 ３７．光―音響リーク検出システムであって、前記システムは、気体が封入され た部品に投射される光線を備えており、前記光線は、前記気体によって吸収され る第１波長および前記気体によって吸収される第２波長を有しており、前記気体 は、前記第１波長を吸収したときに第１音響信号を発生させ、前記第２波長は、 第２音響信号を発生させ、さらに、 前記第１音響信号および前記第２音響信号を受ける音響センサを 備えており、前記音響センサによって、第１音響信号および第２音響信号をそれ ぞれ示す第１センサ信号および第２センサ信号が発生され、 前記第１センサ信号および前記第２センサ信号を受けるシグナルプロセッサー を備えており、前記シグナルプロセッサーによって、前記部品におけるリークの 存在を示す出力信号が発生され、前記シグナルプロセッサーによって、前記第２ 音響信号が無リーク基準線測定値として用いられることを特徴とするシステム。 ３８．前記第１波長は、第１パルス周波数にパルス化され、前記第２波長は、第 ２パルス周波数にパルス化されることを特徴とする請求項３７記載のシステム。 ３９．前記第１パルス周波数は、前記第２パルス周波数とほぼ等しいことを特徴 とする請求項３７記載のシステム。 ４０．前記第１パルス周波数は、前記第２パルス周波数に対して位相がずれてい ることを特徴とする請求項３９記載のシステム。 ４１．さらに、前記部品に投射される複数の光線を備えており、前記複数の光線 は、前記第１波長および前記第２波長を有することを特徴とする請求項３７記載 のシステム。 ４２．前記複数の光線によって、前記部品の少なくとも一部の周囲 における検査領域が完全に照射されることを特徴とする請求項41記載のシステム 。 ４３．前記出力信号は、部品におけるリーク位置を示していることを特徴とする 請求項３７記載のシステム。 ４４．部品からの気体リークを検出するための方法であって、前記方法において 、 気体によって吸収される第１波長および気体によって吸収されない第２波長を 有する光線を部品に投射し、 前記気体が前記第１波長を吸収したときの第１音響信号を測定し、 前記第２波長が部品に到達したときの第２音響信号を測定し、 前記第１音響信号および前記第２音響信号をシグナルプロセッサーに送り、該 シグナルプロセッサーにおいて、前記第２音響信号を無リーク基準線測定値とし て利用し、かつ部品におけるリークの存在を示す出力信号を発生させる、 というステップからなることを特徴とする方法。 ４５．さらに、それぞれ前記第１波長および前記第２波長を有する複数の光線を 、前記部品に投射するステップを含むことを特徴とする請求項４４記載の方法。 ４６．前記複数の光線によって、前記部品の少なくとも一部の周囲における検査 領域が完全に照射されることを特徴とする請求項４５ 記載の方法。 ４７．さらに、前記光線をパルス化するステップを含むことを特徴とする請求項 ４４記載の方法。