JP2008249557A - 超音波検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 レーザ光を用いて装置の小型化を図るとともに被検体の劣化、変形を防止し、かつ、広範囲に良好な検査を行いない得る超音波検査装置を提供する。
【解決手段】 レーザ光を発射するレーザ装置５およびレーザ装置５が発射するレーザ光を照射され、超音波Ｃを発生する送信ダイヤフラム３９を有する体積検査用超音波送信部１７を備え、体積検査用超音波送信部１７の送信ダイヤフラム３９が発生する超音波Ｃを被検体に照射して体積検査を行う超音波検査装置１を提供する。また、表面検査用超音波送信部１９を追加して備え、体積検査および表面検査という性格の異なる検査、すなわち、ハイブリッドな検査を行なえる超音波検査装置１を提供する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、超音波検査装置に関するものである。

超音波を用いた検査装置は、たとえば、医療、原子力プラント内非破壊検査等で実用化されている。たとえば、超音波探傷試験は比較的簡便に材料内部の欠陥を検出することが可能なため、構造材料の重要部分の検査に使用されて大きな役割を果たしている。超音波探傷試験では、超音波の送信に、たとえば、特許文献１に示されるように圧電素子が用いられている。
この圧電素子は、たとえば、直径２０ｍｍ程度と比較的大きいため、装置が大型となっていた。このため、狭隘部あるいは複雑形状の部材の測定が難しい。また、圧電素子の固有周波数により超音波の周波数帯域が制限されるので、たとえば、部材表面の画像表示等の用途にはあまり適さないという問題があった。

これらの問題点を解消するものとして、たとえば、特許文献２に示されるレーザ超音波法が提案されている。
これは、光ファイバを使いレーザ光を被検体に照射し、このレーザ光で被検査体表面に超音波を励起させ、被検体中を伝わった超音波を受信レーザ光で検出するものである。この超音波の変化を感知することで、欠陥を検出し、受信した超音波の周波数分析をすることで深さの同定も行なえる。
すなわち、超音波発生に細い光ファイバを用いるので、装置が小型化でき、狭隘部あるいは複雑形状の部材の測定に対応できるものである。

特開２０００−２８５８９号公報 特開２００５−４３１３９号公報

ところで、特許文献２に示されたものは、レーザ光を被検体に直接照射するので、被検体を劣化、変形させる恐れがあるという問題点がある。
また、これによりレーザ光の強度が制限され、十分な調査が行えない、あるいは、検査対象である被検体の範囲が制限されるという問題点がある。
さらに、レーザ光が通過できないところ、たとえば、高速増殖炉の冷却材であるナトリウム中では、検査することができないという問題がある。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、レーザ光を用いて装置の小型化を図るとともに被検体の劣化、変形を防止し、かつ、広範囲に良好な検査を行いない得る超音波検査装置を提供することを目的としている。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
本発明による超音波検査装置は、レーザ光を発射するレーザ装置および該レーザ装置が発射するレーザ光を照射され、超音波を発生する第一のダイヤフラムを有する超音波送信部を備え、該超音波送信部の該第一のダイヤフラムが発生する超音波を被検体に照射して検査を行うことを特徴とする。

本発明によれば、レーザ装置が発射するレーザ光が第一のダイヤフラムに照射されることによって第一のダイヤフラムが超音波を発生し、この超音波を被検体に照射するので、被検体の劣化、変形を防止することができる。
これにより、高出力のレーザ光が取り扱えるので、発生する超音波の強度を強くすることができる。このため、良好な検査を行うことができる。また、被検体との距離を大きくしても十分な検査が行えるので、指向角を大きくすることができる。これにより、分解能を小さくできるので、検査精度を向上させることができる。
この場合、レーザ光の出力は、第一のダイヤフラムがレーザ光で劣化あるいは損傷しない健全である範囲内で抑制することが望ましい。
さらに、レーザ光の送信に光ファイバを用いることによって、超音波送信部を小さくできるので、超音波検査装置の小型化を図ることができる。
また、検査に超音波を用いているので、レーザ光が通過できないところ、たとえば、高速増殖炉の冷却材であるナトリウム中でも検査することができる。

また、上記発明では、前記レーザ装置には、前記第一のダイヤフラムへ入射される前記レーザ光の強度を調整する強度調整手段が備えられていることが好適である。
このようにすれば、強度調整手段によって第一のダイヤフラムへ入射されるレーザ光の強度が調整できるので、第一のダイヤフラムが発生する超音波の強度および周波数を調整することができる。
これにより、被検体の種類、検査場所等に対応した最適の超音波を発生することができるので、検査精度、検査効率等を向上させることができる。
なお、強度調整手段としては、レーザ装置の出力を調整するもの、レーザ光のパルス幅を調整するもの、ＮＤフィルタ（Ｎｅｕｔｒａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｆｉｌｔｅｒ）等のレーザ光の光量を調整するフィルタおよび集光レンズ等の第一のダイヤフラムに入るレーザ光のスポット径を調整するものがある。

また、上記発明では、前記第一のダイヤフラムは、所定の周波数特性を有するものとされていることが好適である。
このようにすると、被検体の種類、検査種類に対応して、最適な超音波送信部を備えている超音波検査装置を用いることで、検査精度、検査効率等を向上させることができる。
なお、第一のダイヤフラムは、単一の素材で形成されていてもよいし、複数の素材を重ねたクラッド板としてもよいし、複数の素材を複合した複合材料としてもよい。

また、上記発明では、前記第一のダイヤフラムは、前記レーザ光の吸収効率の良好なものとされていることが好適である。
このようにすれば、レーザ光のエネルギーは第一のダイヤフラムに多く移行されるので、エネルギー効率を向上させることができる。

また、上記発明では、前記第一のダイヤフラムは、少なくとも前記レーザ光が照射される面にコーティングが施されていることが好適である。
このようにすれば、コーティングがレーザ光による第一のダイヤフラムの劣化あるいは損傷を抑制するので、レーザ光の強度を強くして、発生する超音波の強度を強くすることができる。
また、たとえば、レーザ光の吸収効率のよいコーティング材をコーティングすれば、レーザ光のエネルギーは第一のダイヤフラムに多く移行されるので、エネルギー効率を向上させることができる。

また、上記発明では、前記超音波送信部は、それぞれ周波数の異なる超音波を発生するものが複数備えられていることが好適である。
このようにすると、１台の超音波検査装置で、被検体の種類、検査場所等の変化に対応することができる。
また、たとえば、体積検査および表面検査というように、性格の異なる検査、すなわち、ハイブリッドな検査を行うことができる。

また、上記発明では、前記被検体から反射された超音波を受けて振動する第二のダイヤフラムおよび該第二のダイヤフラムに対しレーザ光を発射するとともに該第二のダイヤフラムから反射したレーザ光を受けるレーザ部材を有する超音波受信部を備え、該超音波受信部は、前記超音波送信部と一体に保持されていることが好適である。
このようにすれば、超音波送信部と超音波受信部とを独立して位置を設定することが不要となるので、検査を効率的に行うことができる。

本発明によれば、レーザ装置が発射するレーザ光が第一のダイヤフラムに照射されることによって第一のダイヤフラムが超音波を発生し、この超音波を被検体に照射するので、被検体の劣化、変形を防止することができる。
これにより、良好な検査を行うことができ、超音波検査装置の小型化を図ることができる。

以下、本発明の一実施態様にかかる超音波検査装置１について、図１〜図５に基づいて説明する。超音波検査装置１は、高速増殖炉の冷却材であるナトリウム中の部材の超音波探傷を行うもので、内部の状態を検査する体積検査および表面の状態を検査する表面検査を行うものである。

図１は、超音波検査装置１の全体概略構成を示すブロック図である。
超音波検査装置１には、超音波を送受信する検査体３と、超音波送信用のレーザ光を発信するレーザ装置５と、超音波受信用のレーザ光を受発信する受信レーザ部７と、送受信したデータを保管するとともにレーザ装置５および受信レーザ部７の動作を指示するデータ収集装置９と、送受信したデータを処理し、表示するデータ処理・表示装置１１とが備えられている。

受信レーザ部７には、レーザ光を発振するレーザ発振器６と、レーザ光を光ファイバへ導入、導出する光スイッチ８と、送信レーザ光および受信レーザ光を干渉させるレーザ干渉計１０とが備えられている。

図２は、検査体３の概略構成を示す断面図である。
検査体３には、略直方体形状をした箱体である本体１３と、本体の一面の略中央部に取り付けられた円筒形状をし、光ファイバを挿通させる通路部１５と、本体１３の内部に取り付けられた体積検査用超音波送信部（超音波送信部）１７と、表面検査用超音波送信部（超音波送信部）１９と、複数の超音波受信部２１とが備えられている。

体積検査用超音波送信部１７、表面検査用超音波送信部１９および超音波受信部２１は、略円筒形状をし、軸線が本体１３の通路部１５が取り付けられた面に交差する方向になるように本体１３の通路部１５と離れる側に取付けられている。
複数の超音波受信部２１は、略等間隔にマトリックス状（たとえば、１０列×１０行）に設置されている。
体積検査用超音波送信部１７および表面検査用超音波送信部１９は、それぞれ超音波受信部２１群の略中央部に設置されている。

体積検査用超音波送信部１７および表面検査用超音波送信部１９と、レーザ装置５とは、それぞれ光ファイバ２３で連結されている。（図２、３参照）
体積検査用超音波送信部１７および表面検査用超音波送信部１９は略同構造であるので、体積検査用超音波送信部１７について説明する。
レーザ装置５には、レーザ発振器２５と、レーザ光路２７と、レーザ光を光ファイバに導入する、たとえば、光スイッチ等で構成される導入部２９とが備えられている。

レーザ光路２７には、一対のミラー３１、ＮＤフィルタ３３および集光レンズ３５が備えられている。
ＮＤフィルタ３３は、複数のフィルタが交換可能に備えられており、これらを交換することによってレーザ光の光量を調節するものである。
集光レンズ３５は、レーザ光路２７に沿って移動可能とされ、光ファイバ２３に入射するレーザ光の径（後述する送信ダイヤフラム（第一のダイヤフラム）３９へ入射されるレーザ光の直径）を調整できるようにされている。

体積検査用超音波送信部１７には、中空の略円筒形状をした本体３７と、本体３７の一端部に取り付けられた送信ダイヤフラム３９と、耐熱ダンパ４０と、送信ダイヤフラム３９の他端側に設置されこれを支持するバックアップリング４１と、バックアップリング４１の他端側に配置された光ファイバ２３を所定位置関係に設置する連結部材であるフェルール４３と、フェルール４３の他端側に配置され、フェルール４３の他端側に配置されフェルールを押える偏心孔リング４５と、本体３７の他端部の中空部に螺合され、一端側に配置された部材を押える押さえネジ４７と、が備えられている。
体積検査用超音波送信部１７および表面検査用超音波送信部１９は、送信ダイヤフラム３９が本体１３の通路部１５に対向する面に向くように設置されている。

送信ダイヤフラム３９は、たとえば、ステンレス鋼製で、直径４ｍｍ、厚さ３０〜５０μｍとされている。
送信ダイヤフラム３９としては、適宜材料、寸法（厚さ等）のものが用いられる。また、送信ダイヤフラム３９は、単一の素材で形成されていてもよいし、複数の素材を重ねたクラッド板としてもよいし、複数の素材を複合した複合材料としてもよい。
送信ダイヤフラム３９の材料、寸法等は、レーザ装置５からのレーザ光の強度、ならびにそれによって発生する超音波の強度および周波数特性を勘案して選択される。また、送信ダイヤフラム３９は、エネルギー効率を向上させるためには、レーザ光の吸収効率の高い材料とすることが好ましい。

また、送信ダイヤフラム３９は、表面にコーティングを施して、劣化、損傷を抑制するようにしてもよい。
コーティングする材料としては、たとえば、レーザ光を透過させる波長透過性のよい光学材料である石英ガラス、サファイヤ、シリカ等がエネルギー効率を向上させる意味では好ましい。
また、たとえば、鉄、アルミニウムの酸化膜とするすることも考えられる。これらの酸化膜は、レーザ光の吸収率を向上できるとともに劣化、損傷を抑制することができる。

図４は、超音波受信部２１の概略構成を示す断面図である。
超音波受信部２１は略円筒形状をし、一端側に、光スイッチ８と連結される光ファイバ４９が接続されている。超音波受信部２１の他端部には、受信ダイヤフラム（第二のダイヤフラム）５１が取付けられている。
超音波受信部２１は、受信ダイヤフラム５１が本体１３の通路部１５に対向する面に向くように設置されている。

以上説明した本実施形態にかかる超音波検査装置１の動作について説明する。
検査体３を検査対象となる構造部材（被検体）５３に対向して配置する。構造部材５３の内部のキズ５５を検査する体積検査を行う場合には、体積検査用超音波送信部１７を用いる。
レーザ発振器２５がレーザ光を発振すると、レーザ光はレーザ光路２７を通って導入部２９に入射される。レーザ光は導入部２９で体積検査用超音波送信部１７側の光ファイバ２３を通過できる形に変換される。この変換されたレーザ光が光ファイバ２３を通ってフェルール４３から送信ダイヤフラム３９に照射される。

送信ダイヤフラム３９にレーザ光が照射されると、送信ダイヤフラム３９は超音波を発生する。
このとき、発生する超音波の強度は、レーザ光出力あるいはレーザ光のエネルギー密度に対応して図５の実線で示されるように変化する。
レーザ光出力あるいはレーザ光のエネルギー密度等が小さいところでは、レーザ光のエネルギーが温度の上昇に使われ、発生する超音波の強度が小さい。この部分はサーマルモードと称される。

レーザ光出力あるいはレーザ光のエネルギー密度等がさらに大きくなると、発生する超音波の強度が急激に増加するようになる。この段階では、送信ダイヤフラム３９はレーザ光に侵食される状態となるので、アブレーションモードと称される。
レーザ光出力あるいはレーザ光のエネルギー密度等がさらに大きくなると、送信ダイヤフラム３９への侵食作用が大きくなって一部ガス化し、レーザ光を散乱または吸収するので、レーザ光が送信ダイヤフラム３９へ供給するエネルギー割合が低下することになる。こうなると、発生する超音波の強度の増加率が小さくなるので、レーザ光のエネルギー効率が低下することになる。この状態はエアブレークダウンモードと称される。

したがって、エネルギー効率および送信ダイヤフラム３９の損傷を考慮し、レーザ光の強度（レーザ光出力あるいはレーザ光のエネルギー密度等）は、アブレーションモードの範囲で、選択される。
選択されたエネルギーでは、必要とされる超音波強度が得られない場合には、たとえば、送信ダイヤフラム３９にコーティングを施すようにする。
たとえば、鉄、アルミニウムの酸化膜をコーティングすると、レーザ光の吸収効率が向上するので、たとえば、図５の一点鎖線で示すように発生する超音波の強度が増加する。
また、たとえば、石英ガラスのようにレーザ光をよく透過するものをコーティングすると、アブレーションを抑制するので、図５の二点鎖線で示すように発生する超音波の強度が増加する。
また、これでも不十分であれば、送信ダイヤフラム３９の大きさ、材質等を設定し直すようにする。

このようにして、体積検査用超音波送信部１７の送信ダイヤフラム３９で発生した超音波Ｃは構造部材５３に向けて照射される。
この超音波Ｃは、周波数が２〜５ＭＨｚを主体となるように調整されている。言い換えると、発生する超音波Ｃの周波数は２〜５ＭＨｚが主体となるように、送信ダイヤフラム３９の材質、寸法、レーザ装置５のレーザ光の強度等の条件が設定されている。

構造部材５３に照射された超音波Ｃは、構造部材５３で反射され、検査体３に向かって進み、各超音波受信部２１の受信ダイヤフラム５１を振動させる。このとき、構造部材５３にキズ５５があれば、超音波Ｃはキズ５５で方向を変えられ、受信ダイヤフラム５１の振動の位相が所定の状態からずれることになる。
このとき、受信レーザ部７のレーザ発振器６からレーザ光が発振され、光スイッチ８、光ファイバ４９を介して受信ダイヤフラム５１に照射されている。照射されたレーザ光は受信ダイヤフラム５１に反射され、逆ルートを通ってレーザ干渉計１０に戻されている。

受信ダイヤフラム５１が振動しているので、レーザ発振器から出て、レーザ干渉計１０に戻るレーザ光の移動距離が変動することになる。これとレーザ発振器６からの送信レーザ光とを干渉させることによって、変動状態が明確となる。
このデータをデータ収集装置９に保管し、保管されたデータをデータ処理・表示装置１１が処理し、キズ５５の有無、有る場合はその位置等を算出して、表示する。

次に、構造部材５３の表面状況を検査する表面検査を行う場合には、表面検査用超音波送信部１９を用いることになる。
この場合、表面検査用超音波送信部１９の送信ダイヤフラム３９で発生する超音波Ｃは、周波数が１０ＭＨｚを主体となるように調整されている。言い換えると、発生する超音波Ｃの周波数は１０ＭＨｚが主体となるように、送信ダイヤフラム３９の材質、寸法、レーザ装置５のレーザ光の強度等の条件が設定されている。

このように、超音波Ｃの周波数を１０ＭＨｚが主体とするようにすると、超音波Ｃが構造部材５３の内部に深く入らず、表面で反射されるようになるので、表面の状態を検査することができる。
なお、検査動作については、体積検査と同様であるので、ここでは重複した説明を省略する。
このように超音波検査装置１は発生する超音波Ｃの周波数が異なる体積検査用超音波送信部１７および表面検査用超音波送信部１９を備えているので、これらを切換えて用いることによって、体積検査および表面検査という性格の異なる検査、すなわち、ハイブリッドな検査を１台で行うことができる。
このように構造体５３の種類、検査種類に対応して、最適な送信ダイヤフラム３９を備えている超音波検査装置１を用いることで、検査精度、検査効率等を向上させることができる。

このように、レーザ装置５が発射するレーザ光が送信ダイヤフラム３９に照射されることによって送信ダイヤフラム３９が超音波Ｃを発生し、この超音波Ｃを構造部材５３に照射するので、構造部材５３の劣化、変形を防止することができる。
これにより、高出力のレーザ光が取り扱えるので、発生する超音波Ｃの強度を強くすることができる。このため、良好な検査を行うことができる。
また、構造部材５３との距離を大きくしても十分な検査が行えるので、指向角を大きくすることができる。これにより、分解能を小さくできるので、検査精度を向上させることができる。

さらに、レーザ光の送信に光ファイバ２３，４９を用いることによって、体積検査用超音波送信部１７および表面検査用超音波送信部１９を小さくできるので、超音波検査装置１の小型化を図ることができる。
また、検査に超音波Ｃを用いているので、レーザ光が通過できないところ、たとえば、高速増殖炉の冷却材であるナトリウム中でも検査することができる。

なお、本発明は本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
たとえば、体積検査用超音波送信部１７、表面検査用超音波送信部１９および超音波受信部２１の配置を図６に示されるようにしてもよい。
本体１３は、たとえば、２００ｍｍ×２００ｍｍの略正方形と、その面を９個の略正方形に分割する。この分割された略正方形部分の略中心位置に、それぞれ体積検査用超音波送信部１７を設置し、中央に位置する分割された略正方形部分にのみ、その略中心位置に、表面検査用超音波送信部１９を設置している。

体積検査用超音波送信部１７の本体３７の外径は、たとえば、２ｍｍ程度とされている。また、表面検査用超音波送信部１９の本体３７の外径は、たとえば、２．５ｍｍ程度とされている。
超音波受信部２１は、外径が、たとえば、１ｍｍ程度とされ、各分割された略正方形部分にそれぞれ１５行×１５列のマトリックス状に設置されている。図６では、超音波受信部２１は相対的に小さいので、その設置位置が示されている。すなわち、超音波受信部２１は図６の各分割された略正方形部分に記載された縦線と横線との交点に設置されている。この縦線および横線は現実に存在しているものではない。
この各分割された略正方形部分が縦横にそれぞれ３列配置されているので、超音波受信部２１は、４５行×４５列のマトリックス状に設置されていることになる。したがって、超音波受信部２１は全体で２０２５個備えられていることになる。
このように、個数を多くすると、検査効率が向上するとともに、分解能等の検査精度を向上させることができる。

また、体積検査用超音波送信部１７および表面検査用超音波送信部１９を同時に備える必要はなく、目的によってはいずれか一方のみを設けるようにしてもよい。

本発明の一実施形態にかかる超音波検査装置の全体概略構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態にかかる検査体の概略構成を示す断面図である。 本発明の一実施形態にかかる超音波送信系の概略構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態にかかる超音波受信部の概略構成を示す断面図である。 レーザ強度と発生する超音波の強度との関係を示すグラフである。 本発明の一実施形態にかかる検査体の他の実施態様を示す部分正面図である。

符号の説明

１ 超音波検査装置
５ レーザ装置
１７ 体積検査用超音波送信部
１９ 表面検査用超音波送信部
２１ 超音波受信部
３３ ＮＤフィルタ
３５ 集光レンズ
３９ 送信ダイヤフラム
５１ 受信ダイヤフラム
５３ 構造部材

Claims (7)

1. レーザ光を発射するレーザ装置および該のレーザ装置が発射するレーザ光を照射され、超音波を発生する第一のダイヤフラムを有する超音波送信部を備え、
   該超音波送信部の該第一のダイヤフラムが発生する超音波を被検体に照射して検査を行うことを特徴とする超音波検査装置。
2. 前記レーザ装置には、前記第一のダイヤフラムへ入射される前記レーザ光の強度を調整する強度調整手段が備えられていることを特徴とする請求項１に記載された超音波検査装置。
3. 前記第一のダイヤフラムは、所定の周波数特性を有するものとされていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載された超音波検査装置。
4. 前記第一のダイヤフラムは、前記レーザ光の吸収効率の良好なものとされていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載された超音波検査装置。
5. 前記第一のダイヤフラムは、少なくとも前記レーザ光が照射される面にコーティングが施されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載された超音波検査装置。
6. 前記超音波送信部は、それぞれ周波数の異なる超音波を発生するものが複数備えられていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載された超音波検査装置。
7. 前記被検体から反射された超音波を受けて振動する第二のダイヤフラムおよび該第二のダイヤフラムに対しレーザ光を発射するとともに該第二のダイヤフラムから反射したレーザ光を受けるレーザ部材を有する超音波受信部を備え、
   該超音波受信部は、前記超音波送信部と一体に保持されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載された超音波検査装置。
   

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