JP2011185706A

JP2011185706A - レーザ超音波を用いた表面欠陥監視方法及び表面欠陥監視装置

Info

Publication number: JP2011185706A
Application number: JP2010050495A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Fukuchi; 哲生福地
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 2010-03-08
Filing date: 2010-03-08
Publication date: 2011-09-22

Abstract

【課題】監視対象物の温度が変化しても表面欠陥の深さの変化を正確に検出する。
【解決手段】基準温度Ｔｒにおいて監視対象物２の表面に励起用パルスレーザ光３を照射して表面欠陥１を迂回して伝播する迂回波４と表面欠陥１が無い部分を伝播する参照波５を励起させると共に、レーザ干渉計７によって迂回波４と参照波５による表面変位を検出して伝播時間ｔ１(Ｔｒ)，ｔ２(Ｔｒ)を測定する準備工程（ステップＳ３１）と、準備工程と同じ位置で迂回波４と参照波５を励起させてそれらの伝播時間ｔ１(Ｔ)，ｔ２(Ｔ)を測定する測定工程（ステップＳ３２）と、ｔ２(Ｔ)をｔ２(Ｔｒ)で除して補正係数ｆ(Ｔ)を求める補正係数算出工程（ステップＳ３３）と、ｔ１(Ｔ)にｆ(Ｔ)を乗じて補正伝播時間ｔ１ａを求める補正工程（ステップＳ３４）と、ｔ１ａとｔ１(Ｔｒ)との時間差Δｔを求め、求めた時間差Δｔに基づいて表面欠陥１の深さａの変化を検出する検出工程（ステップＳ３５）とを備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、レーザ超音波を用いた表面欠陥監視方法及び表面欠陥監視装置に関する。さらに詳しくは、本発明は、既知の表面欠陥が存在する監視対象物について、その表面欠陥の深さａを非接触で監視する表面欠陥監視方法及び表面欠陥監視装置に関するものである。

表面波を利用して被検体表面の凹み傷の深さを推定する方法として、例えば特許文献１に開示されたものがある。この凹み傷の深さ推定方法を図２３及び図２４に示す。バースト波送信機１０１によって発生させたバースト波を送信用探触子１０２から被検体１０３に送信して表面波を発生させ、被検体１０３の凹み傷１０４を迂回した表面波を受信用探触子１０５でとらえて受信機１０６に送り、表面波の伝播時間ｔ２を測定する。また、同じ装置を使用して、被検体１０３の凹み傷１０４が無い部分（健全部）について表面波の伝播時間ｔ１を予め測定しておく。そして、伝播時間ｔ２と伝播時間ｔ１との差である遅延時間Δｔ（ｔ２−ｔ１）を求める。

この遅延時間Δｔは凹み傷１０４の深さａとの間に図２５に示すような直線的な相関関係があり、数式１に基づいて凹み傷１０４の深さａを算出することができる。ここで、ｋは実験的に求めた係数である。
［数１］
ａ＝ｋ・Δｔ

つまり、この深さ推定方法では、凹み傷１０４の有無によって表面波の伝播距離が変化し、伝播距離の変化によって伝播時間も変化することを利用している。

特開平１０−２１３５７３号公報（［００２１］〜［００２３］，図１，図６，図７）

しかしながら、表面波の伝播時間を変化させる要因は伝播距離だけではなく、伝播速度の変化によっても伝播時間が変化することになる。そのため、上述の深さ推定方法では、表面波の伝播媒体である被検体１０３の温度が変化した場合、伝播速度が変化するため、たとえ凹み傷１０４の深さａが変化していなくても深さａが変化したと誤って検出してしまう。

また、上述の深さ推定方法では送信機と受信機を被検体に接触させる必要があるため、被検体が高温である、或いは被検体が狭隘部に位置するなどの理由から送信機と受信機を被検体に接触させることが困難な場合は適用できない。

本発明は、表面波の伝播媒体である監視対象物の温度が変化しても表面欠陥の深さやその変化を正確に、かつ数十ｃｍの離隔距離から非接触で検出することができるレーザ超音波を用いた表面欠陥監視方法及び表面欠陥監視装置を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために請求項１記載のレーザ超音波を用いた表面欠陥監視方法は表面欠陥が存在する監視対象物について、基準温度Ｔｒにおいて監視対象物の表面に励起用パルスレーザ光を照射して表面欠陥を迂回して伝播する第１の表面波と表面欠陥が無い部分を伝播する第２の表面波を励起させると共に、レーザ干渉計によって第１の表面波と第２の表面波による監視対象物の表面変位を検出して第１の表面波の伝播時間ｔ１(Ｔｒ)と第２の表面波の伝播時間ｔ２(Ｔｒ)を測定する準備工程と、準備工程での測定と同じ位置で温度Ｔにおいて第１の表面波と第２の表面波を励起させてそれらの伝播時間ｔ１(Ｔ)，ｔ２(Ｔ)を測定する測定工程と、伝播時間ｔ２(Ｔ)を伝播時間ｔ２(Ｔｒ)で除して補正係数ｆ(Ｔ)を求める補正係数算出工程と、伝播時間ｔ１(Ｔ)に補正係数ｆ(Ｔ)を乗じて補正伝播時間ｔ１ａを求める補正工程と、補正伝播時間ｔ１ａと伝播時間ｔ１(Ｔｒ)との時間差Δｔを求め、求めた時間差Δｔに基づいて表面欠陥の深さａの変化を検出する検出工程とを備えるものである。

照射された励起用パルスレーザ光が監視対象物に当たると超音波が励起され、監視対象物表面や監視対象物内を伝播する。レーザ干渉計は監視対象物の表面を伝播した超音波（表面波）による表面変位を測定する。表面波が亀裂，傷，スリット，凹部等の表面欠陥を通過する場合、その表面欠陥がある程度深いものであると、表面波は表面欠陥を迂回して（表面欠陥の表面に沿って）伝播する。そのため、表面欠陥が無い場合に比べて表面波の伝播距離が長くなり、レーザ干渉計による測定点に到達するまでの時間（伝播時間）が長くなる。この時間変化（時間遅れ）は表面欠陥の深さａが変化した場合も同様に発生する。したがって、時間遅れに基づいて検査対象物の表面欠陥の深さａの変化を検出することができる。

ただし、表面波が伝播する媒体の温度によって伝播速度が異なるので、そのままでは伝播時間の変化が伝播距離の変化即ち表面欠陥の深さ変化によるものか、媒体の温度変化によるものか、あるいはその両方によるものかを判別できない。そのため、時間遅れに基づいて表面欠陥の深さ変化を監視するには、伝播時間の実測値から伝播媒体の温度変化による影響を除去する必要がある。

いま、第１の表面波（迂回波）の伝播経路の温度と第２の表面波（参照波）の伝播経路における監視対象物の表面温度が同じであれば、迂回波と参照波の伝播速度は同一である。つまり、監視対象物の温度変化による伝播時間の変化は迂回波と参照波の両方に同様に現れる。一方、表面欠陥の深さａの増加は迂回波の伝播距離の増加となるが、参照波の伝播距離の増加にはならない。したがって、表面欠陥の深さａの増加による伝播時間の増加は迂回波にのみ現れる。よって、監視対象物の温度変化によって表面波（迂回波と参照波）の伝播速度が変化した場合であっても、参照波の伝播時間の変化（図１６(ｃ)の符号Ｉ）に基づいて迂回波の伝播時間を補正する（図１６(ｃ)の符号II，III）ことで、表面欠陥の深さａの変化に起因する伝播時間の増加を区別して表面欠陥の深さａの変化を検出することができる。

本発明では、表面欠陥の存在が判っている監視対象物について、予め、基準温度Ｔｒにおける迂回波の伝播時間ｔ１(Ｔｒ)と参照波の伝播時間ｔ２(Ｔｒ)を測定（準備工程）した後、実際に表面欠陥の監視を行う。準備工程では、測定工程で行う測定と同様に測定を行う。

そして、表面欠陥の監視では、実際に監視対象物の表面に迂回波と参照波を励起して迂回波の伝播時間ｔ１(Ｔ)と参照波の伝播時間ｔ２(Ｔ)を測定し（測定工程）、表面欠陥による影響を受けない参照波の伝播時間ｔ２(Ｔ)，ｔ２(Ｔｒ)に基づいて補正係数ｆ(Ｔ)（＝ｔ２(Ｔ)／ｔ２(Ｔｒ)）を算出する（補正係数算出工程、図１６(ｃ)の符号Ｉ）。いま、監視対象物の温度がＴであったとすると、この補正係数ｆ(Ｔ)は監視対象物の温度が基準温度Ｔｒから温度Ｔに変化したことによる表面波の伝播時間の変化割合であり、測定工程で測定した温度Ｔの迂回波の伝播時間ｔ１(Ｔ)に補正係数ｆ(Ｔ)を乗ずることで、温度Ｔの伝播時間ｔ１(Ｔ)を温度Ｔｒの伝播時間に換算することができる（補正工程、図１６(ｃ)の符号II）。即ち、補正伝播時間ｔ１ａ（＝ｔ１(Ｔ)×ｆ(Ｔ)）は測定工程における実測値を基準温度Ｔｒの伝播時間に換算したものであり、補正伝播時間ｔ１ａと準備工程で実測した伝播時間ｔ１(Ｔｒ)との時間差Δｔ（＝ｔ１ａ−ｔ１(Ｔｒ)、図１６(ｃ)の符号III）は迂回波の伝播距離の変化、即ち表面欠陥の深さａの変化にのみ起因したものであると考えられる。したがって、時間差Δｔ＝０（０とみなすことができる０以外の値も含む。以下同じ。）の場合には表面欠陥の深さａは変化していないと判断でき、時間差Δｔ＞０（基準温度Ｔｒ＜温度Ｔの場合）又は時間差Δｔ＜０（基準温度Ｔｒ＞温度Ｔの場合）の場合には表面欠陥の深さａが増加していると判断できる（検出工程）。

なお、補正係数ｆ(Ｔ)は任意の温度について求めることが出来る。したがって、本発明は監視対象物の温度が異なる場合（温度Ｔ以外の場合）にも適用できる。また、説明の都合上、符号Ｔｒとは異なる符号Ｔを用いて説明しているが、必ずしもＴｒ≠Ｔである必要はなく、Ｔｒ＝Ｔの場合にも適用可能である。さらに、温度Ｔｒ，Ｔは何度でも良い。

また、請求項２記載のレーザ超音波を用いた表面欠陥監視方法は、第１の表面波と第２の表面波を異なる位置に励起させると共に、第１の表面波による表面変位と第２の表面波による表面変位を同一位置で測定するものである。

即ち、監視対象物の表面の表面欠陥を挟んだ２箇所（以下、励起点という）にそれぞれ励起用パルスレーザ光を照射して表面波を励起させ、これらの表面波による表面変位を表面欠陥の一側の１箇所（以下、測定点という。）でレーザ干渉計によって測定する。２つの励起点から１つの測定点に伝播する表面波のうち、測定点とは表面欠陥を挟んだ反対側の励起点に励起された表面波は表面欠陥を迂回して測定点に伝播する第１の表面波（迂回波）であり、測定点と同じ側の励起点に励起された表面波は表面欠陥が無い部分を伝播する第２の表面波（参照波）である。したがって、２つの励起点と１つの測定点を用いて表面欠陥の監視を行うことができる。

また、請求項３記載のレーザ超音波を用いた表面欠陥監視方法は、第１の表面波と第２の表面波を同一位置に励起させると共に、第１の表面波による表面変位と第２の表面波による表面変位を異なる位置で測定するものである。

即ち、監視対象物の表面の表面欠陥の一側の１箇所（励起点）に励起用パルスレーザ光を照射して表面波を励起させ、周囲に広がる表面波による表面変位を表面欠陥を挟んだ２箇所（励起点）でレーザ干渉計によって測定する。１つの励起点から２つの測定点へと伝播する表面波のうち、励起点とは表面欠陥を挟んだ反対側の測定点で測定された表面波は表面欠陥を迂回して測定点に伝播する第１の表面波（迂回波）であり、励起点と同じ側の測定点で測定された表面波は表面欠陥が無い部分を伝播する第２の表面波（参照波）である。したがって、１つの励起点と２つの測定点を用いて表面欠陥の監視を行うことができる。

また、請求項４記載のレーザ超音波を用いた表面欠陥監視方法は、監視対象物は励起用パルスレーザ光の照射によって波長λに対応する周波数の周波数成分が最大となる表面波が励起されるものであり、検出工程ではａ／λ≧０．８を満たす表面欠陥の深さａの変化を検出するものである。

表面波が亀裂を透過した場合の時間遅れと亀裂深さとの関係を図６に示す（B.Masserey,E.Mazza:"Ultrasonic sizing of short surface cracks",Ultrasonics,Vol.46,pp.195-204(2007)）。ここで、Δｔ：時間遅れ、Ｔ：表面波の主たる周波数成分の周期（表面波に含まれる複数の周波数成分のうち最大となる周波数成分の周波数に対応する周期）、ａ：亀裂深さ、λ：表面波の波長（表面波に含まれる複数の周波数成分のうち最大となる周波数成分の周波数に対応する波長）である。

図６中、ａ／λ＜０．８においてはΔｔ／Ｔとａ／λとの間には明確な関係は認められない。一方、０．８≦ａ／λ＜１．７５においてはΔｔ／Ｔとａ／λとの間に非線形関係があり、近似関数ｆ_ｉｎｔを用いて時間遅れΔｔから亀裂深さａを求めることができる。また、１．７５≦ａ／λにおいてはΔｔ／Ｔはａ／λに比例し、時間遅れΔｔから亀裂深さａを容易に求めることができる。

したがって、表面欠陥の深さがａ／λ≧０．８を満たす場合は、深さａの表面欠陥について深さａの変化を検出するのに適したものとなる。

また、１．７５≦ａ／λを満たす表面欠陥の深さａを対象にしても良い。この範囲ではΔｔ／Ｔがａ／λに比例するので、深さａの変化の定量化がより一層容易になる。

さらに、請求項５記載のレーザ超音波を用いた表面欠陥監視装置は、表面欠陥が存在する監視対象物の表面に励起用パルスレーザ光を照射して表面欠陥を迂回して伝播する第１の表面波と表面欠陥が無い部分を伝播する第２の表面波を励起するレーザ装置と、第１の表面波と第２の表面波による監視対象物の表面変位を測定するレーザ干渉計と、第１の表面波が励起されてからレーザ干渉計の測定部位に到達するまでの伝播時間ｔ１(Ｔ)と第２の表面波が励起されてからレーザ干渉計の測定部位に到達するまでの伝播時間ｔ２(Ｔ)を求める伝播時間測定手段と、予め求めておいた基準温度Ｔｒにおける第１の表面波の伝播時間ｔ１(Ｔｒ)と第２の表面波の伝播時間ｔ２(Ｔｒ)を記憶した記憶手段と、伝播時間ｔ２(Ｔ)を伝播時間ｔ２(Ｔｒ)で除して補正係数ｆ(Ｔ)を求める補正係数算出手段と、伝播時間ｔ１(Ｔ)に補正係数ｆ(Ｔ)を乗じて補正伝播時間ｔ１ａを求める補正手段と、補正伝播時間ｔ１ａと伝播時間ｔ１(Ｔｒ)との時間差Δｔを求め、求めた時間差Δｔに基づいて表面欠陥の深さａの変化を検出する検出手段を備えるものである。

したがって、レーザ装置によって第１の表面波（迂回波）と第２の表面波（参照波）が励起され、これらによる監視対象物の表面変位がレーザ干渉計によって測定される。伝播時間測定手段は、迂回波と参照波の励起点から測定点までの伝播時間ｔ１(Ｔ)，ｔ２(Ｔ)を求める。補正係数算出手段は、求めた伝播時間ｔ２(Ｔ)と記憶手段が記憶している伝播時間ｔ２(Ｔｒ)に基づいて補正係数ｆ(Ｔ)（＝ｔ２(Ｔ)／ｔ２(Ｔｒ)）を算出する（図１６(ｃ)の符号Ｉ）。いま、監視対象物の温度がＴであったとすると、この補正係数ｆ(Ｔ)は監視対象物の温度が基準温度Ｔｒから温度Ｔに変化したことによる表面波の伝播時間の変化割合である。補正手段は、伝播時間測定手段が求めた温度Ｔの迂回波の伝播時間ｔ１(Ｔ)に補正係数算出手段が求めた補正係数ｆ(Ｔ)を乗ずることで、温度Ｔの伝播時間ｔ１(Ｔ)を温度Ｔｒの伝播時間に換算する（図１６(ｃ)の符号II）。即ち、補正伝播時間ｔ１ａ（＝ｔ１(Ｔ)×ｆ(Ｔ)）は伝播時間測定手段が求めた値を基準温度Ｔｒの伝播時間に換算したものであり、補正伝播時間ｔ１ａと記憶手段に予め記憶されている伝播時間ｔ１(Ｔｒ)との時間差Δｔ（＝ｔ１ａ−ｔ１(Ｔｒ)、図１６(ｃ)の符号III）は迂回波の伝播距離の変化、即ち表面欠陥の深さａの変化に起因したものであると考えられる。検査手段は、時間差Δｔ＝０（０とみなすことができる０以外の値も含む。以下同じ。）の場合には表面欠陥の深さａは変化していないと判断し、時間差Δｔ＞０（基準温度Ｔｒ＜温度Ｔの場合）又は時間差Δｔ＜０（基準温度Ｔｒ＞温度Ｔの場合）の場合には表面欠陥の深さａが増加していると判断する。

また、請求項６記載のレーザ超音波を用いた表面欠陥監視装置は、監視対象物は励起用パルスレーザ光の照射によって波長λに対応する周波数の周波数成分が最大となる表面波が励起されるものであり、検出手段はａ／λ≧０．８を満たす表面欠陥の深さａの変化を検出するものである。

したがって、深さがａ／λ≧０．８を満たす場合は、深さａの表面欠陥について深さａの変化を検出するのに適したものとなる。

請求項１記載のレーザ超音波を用いた表面欠陥監視方法及び請求項５記載のレーザ超音波を用いた表面欠陥監視装置では、参照波を利用して求めた補正係数ｆ(Ｔ)を使用して迂回波の伝播時間の実測値（温度Ｔにおける伝播時間ｔ１(Ｔ)）を基準温度Ｔｒにおける伝播時間に換算し、換算した補正伝播時間ｔ１ａを基準温度Ｔｒにおける伝播時間ｔ１(Ｔｒ)と比較して伝播時間の変化（時間差Δｔ）を求めるようにしているので、監視対象物の温度変化による迂回波の伝播速度の変化の影響を除去して時間差Δｔを算出することができる。そのため、監視対象物の温度が変化しても、温度変化がない場合と同様に、表面欠陥の深さａの変化を正確に検出することができる。また、温度変化による影響を除去することができると共に、監視対象物に対して非接触で表面波の伝播時間を測定することができるので、稼働によって温度が変化する機械類の構成部品についてその稼働を止めずに表面欠陥の深さａを監視することができる。

迂回波及び参照波の測定では、請求項２記載のレーザ超音波を用いた表面欠陥監視方法のように２つの励起点と１つの測定点を設けるようにしても良く、請求項３記載のレーザ超音波を用いた表面欠陥監視方法のように１つの励起点と２つの測定点を設けるようにしても良い。いずれの場合にも、迂回波と参照波を発生させて測定を行うことかできる。

さらに、請求項４記載のレーザ超音波を用いた表面欠陥監視方法及び請求項６記載のレーザ超音波を用いた表面欠陥監視装置では、ａ／λ≧０．８を満たす表面欠陥の深さａの変化を検出するので、表面欠陥が特に亀裂や幅の極狭い溝等である場合に適したものとなる。

本発明のレーザ超音波を用いた表面欠陥監視装置の実施形態の一例を示すブロック図である。本発明のレーザ超音波を用いた表面欠陥監視方法の実施形態の一例を示すフローチャートである。レーザ干渉計による迂回波と参照波の測定波形を示す図である。本発明のレーザ超音波を用いた表面欠陥監視装置の他の実施形態を示し、励起用パルスレーザ光と測定用レーザの位置関係を示す図である。本発明のレーザ超音波を用いた表面欠陥監視装置の更に他の実施形態を示し、励起用パルスレーザ光と測定用レーザの位置関係を示す図である。時間遅れと表面欠陥の深さａとの関係を示す図である。実験に使用したレーザ超音波装置の概略構成図である。基礎実験に用いた傾斜スリット試験体を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図、（ｄ）は斜視図である。異なるスリット深さaにおいて得られた表面波波形を示す図である。スリット深さと表面波の時間遅れの関係を示す図である。模擬欠陥を施したケーシング部材試験体を示す斜視図である。ケーシング部材試験体で得られた表面波波形を示す図である。ケーシング部材試験体で得られたスリット深さと表面波の時間遅れの関係を示す図である。傾斜スリット試験体を室温から５００℃まで昇温した場合の測定結果を示し、（ａ）は測定波形を示す図、（ｂ）は温度と時間遅れとの関係を示す図である。５００℃において傾斜スリット試験体へのレーザ照射箇所を変えて擬似的にスリット深さを増加させた場合の表面波波形を示す図である。試験体の温度変化に伴う表面波の時間遅れの補正を説明するための図で、（ａ）は発生用レーザ、測定用レーザ、亀裂１の位置関係を示す図、（ｂ）は発生用レーザ、測定用レーザ、迂回波、参照波の関係を示す図、（ｃ）は試験体の温度と表面波の到達時間との関係を示す図である。異なるスリット深さで得られた参照波と迂回波の波形を示す図である。スリット深さと参照波および迂回波の時間遅れの関係を示す図である。ケーシング部材試験体を室温から５００℃に昇温した際に得られた参照波と迂回波の波形を示す図である。迂回波の到達時間の測定値と参照波の到達時間を用いた補正値（補正伝播時間ｔ１ａ）を示す図である。ケーシング部材試験体の温度を５００℃とした際に得られた参照波と迂回波の波形（スリット深さ２ｍｍの場合）を示す図である。ケーシング部材試験体の温度を５００℃とした際の迂回波の到達時間の測定値を示す図である。従来の被検体表面の凹み傷の深さ推定方法を実施する装置を示すブロック図である。同装置を用いて測定した表面波の波形を示す図である。迂回波の遅延時間と凹み傷の深さとの相関関係を示す図である。

以下、本発明の構成を図面に示す形態に基づいて詳細に説明する。

図１に本発明のレーザ超音波を用いた表面欠陥監視装置の実施形態の一例を、図２に本発明のレーザ超音波を用いた表面欠陥監視方法の実施形態の一例をそれぞれ示す。レーザ超音波を用いた表面欠陥監視装置（以下、単に表面欠陥監視装置という）は、表面欠陥１が存在する監視対象物２の表面（監視面）２ａに励起用パルスレーザ光３を照射して表面欠陥１を迂回して伝播する第１の表面波（以下、迂回波という）４と表面欠陥１が無い部分を伝播する第２の表面波（以下、参照波という）５を励起するレーザ装置６と、迂回波４と参照波５による監視対象物２の表面変位を測定するレーザ干渉計７と、迂回波４が励起されてからレーザ干渉計７の測定部位（測定点）に到達するまでの伝播時間ｔ１(Ｔ)と参照波５が励起されてからレーザ干渉計７の測定部位（測定点）に到達するまでの伝播時間ｔ２(Ｔ)を求める伝播時間測定手段８と、予め求めておいた基準温度Ｔｒにおける迂回波４の伝播時間ｔ１(Ｔｒ)と参照波５の伝播時間ｔ２(Ｔｒ)を記憶した記憶手段９と、伝播時間ｔ２(Ｔ)を伝播時間ｔ２(Ｔｒ)で除して補正係数ｆ(Ｔ)を求める補正係数算出手段１０と、伝播時間ｔ１(Ｔ)に補正係数ｆ(Ｔ)を乗じて補正伝播時間ｔ１ａを求める補正手段１１と、補正伝播時間ｔ１ａと伝播時間ｔ１(Ｔｒ)との時間差Δｔを求め、求めた時間差Δｔに基づいて表面欠陥１の深さａの変化を検出する検出手段１２を備えるものである。また、レーザ超音波を用いた表面欠陥監視方法（以下、単に表面欠陥監視方法という）は、表面欠陥１が存在する監視対象物２について、基準温度Ｔｒにおいて監視対象物２の表面２ａに励起用パルスレーザ光３を照射して表面欠陥１を迂回して伝播する迂回波４と表面欠陥１が無い部分を伝播する参照波５を励起させると共に、レーザ干渉計７によって迂回波４と参照波５による監視対象物２の表面変位を検出して迂回波４の伝播時間ｔ１(Ｔｒ)と参照波５の伝播時間ｔ２(Ｔｒ)を測定する準備工程（ステップＳ３１）と、準備工程での測定と同じ位置で温度Ｔにおいて迂回波４と参照波５を励起させてそれらの伝播時間ｔ１(Ｔ)，ｔ２(Ｔ)を測定する測定工程（ステップＳ３２）と、伝播時間ｔ２(Ｔ)を伝播時間ｔ２(Ｔｒ)で除して補正係数ｆ(Ｔ)を求める補正係数算出工程（ステップＳ３３）と、伝播時間ｔ１(Ｔ)に補正係数ｆ(Ｔ)を乗じて補正伝播時間ｔ１ａを求める補正工程（ステップＳ３４）と、補正伝播時間ｔ１ａと伝播時間ｔ１(Ｔｒ)との時間差Δｔを求め、求めた時間差Δｔに基づいて表面欠陥１の深さａの変化を検出する検出工程（ステップＳ３５）とを備えるものである。

本実施形態では、迂回波４と参照波５を異なる位置に励起させると共に、迂回波４による表面変位と参照波５による表面変位を同一位置で測定するようにしている。即ち、本実施形態では、２台のレーザ装置６，６を使用し、迂回波４と参照波５を異なる位置に励起させると共に、迂回波４と参照波５による監視対象物２の表面変位を１台のレーザ干渉計７で測定する。以下、監視対象物２の迂回波４が励起される位置及び参照波５が励起される位置を励起点１３，１４といい、監視対象物２の迂回波４による表面変位がレーザ干渉計７によって測定される位置及び参照波５による表面変位がレーザ干渉計７によって測定される位置を測定点１５という。本実施形態では、励起点１３，１４は２箇所であり、測定点１５は１箇所である。

レーザ装置６としては監視対象物２に超音波を励起できるパルスレーザ光３を照射することができるものであれば使用可能であり、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザ，ＣＯ_２レーザ，エキシマレーザ，チタンサファイアレーザ，窒素レーザ等の使用が可能である。励起用パルスレーザ光３は図示しない光学系によって監視対象物２の監視面２ａの励起点１３，１４上に集光される。レーザ装置６から照射された励起用パルスレーザ光３は光検出器２２によって検出され、その検出信号は伝播時間測定手段８に供給される。

レーザ干渉計７はレーザ装置６の励起用パルスレーザ光３の照射に同期して監視対象物２の監視面２ａの表面変位を測定する。測定時間幅は例えば励起用パルスレーザ光３の照射前から照射後にわたり、調節可能である。測定結果はＡ／Ｄ変換器１６を介して伝播時間測定手段８に供給される。

監視対象物２としては、励起用パルスレーザ光３の照射によって表面波が励起され且つ表面波による表面変位をレーザ干渉計７によって測定できるものであれば、その材質は特に制限されない。例えば、金属，セラミック，半導体等について適用可能である。また、監視の対象となる表面欠陥１としては、その深さａが伝播する表面波の波長λに対してａ／λ≧０．８を満たすものであれば、例えば亀裂，傷，溝，凹部等のいずれでも良い。

いま、励起用パルスレーザ光３の照射によって励起された表面波（迂回波４，参照波５）の周波数成分のうち最大となる周波数成分の周波数に対応する波長がλであったとすると、本実施形態ではａ／λ≧０．８を満たす表面欠陥１の深さａの変化を監視する。例えば、監視対象物２の材質が鋼材の場合、周波数成分が最大になる周波数ｆは約１ＭＨｚであり、ステンレス鋼での表面波伝播速度Ｖは約２９００ｍ／ｓである。そのため、周波数ｆ（＝１ＭＨｚ）に対応する波長λはλ＝Ｖ／ｆ≒３ｍｍとなる。よって、深さａが２．４ｍｍ（＝３×０．８）以上の表面欠陥１を対象に監視を行う。

本発明の表面欠陥監視装置は、波形解析部１７、入力部１８、表示部１９、記憶手段９を備えており、これらは相互にバス等の信号回線２０により接続されている。波形解析部１７は記憶手段９に記憶されている表面欠陥監視プログラム２１の実行により表面欠陥監視装置全体の制御並びに表面欠陥１の監視等に係る演算を行うものであり、例えばＣＰＵ（中央演算処理装置）である。記憶手段９は少なくともデータやプログラムを記憶可能な装置であり、例えばハードディスクドライブ装置である。

波形解析部１７は、表面欠陥監視プログラム２１をコンピュータ上で実行することによって実現される。即ち、少なくとも１つのＣＰＵやＭＰＵなどの演算処理装置と、データの入出力を行うインターフェースと、プログラムやデータを記憶する手段を備えるコンピュータ、及び表面欠陥監視プログラム２１によって、伝播時間測定手段８、補正係数算出手段１０、補正手段１１、検出手段１２を実現している。即ち、演算処理装置は、メモリに記憶されたＯＳ等の制御プログラム、表面欠陥監視プログラム２１及び所要データ等により、上記伝播時間測定手段８、補正係数算出手段１０、補正手段１１、検出手段１２を実現している。

入力部１８は、少なくとも作業者の命令を波形解析部１７に与えるためのインターフェースであり、例えばキーボードである。

表示部１９は、波形解析部１７の制御により文字や図形等の描画・表示を行うものであり、例えばディスプレイである。

波形解析部１７には、表面欠陥監視プログラム２１を実行することにより、伝播時間測定手段８，補正係数算出手段１０，補正手段１１，検出手段１２が構成される。

伝播時間測定手段８は、迂回波４が励起されてからその表面変位がレーザ干渉計７の測定部位（測定点１５）に到達するまでの伝播時間ｔ１(Ｔ)と参照波５が励起されてからその表面変位がレーザ干渉計７の測定部位（測定点１５）に到達するまでの伝播時間ｔ２(Ｔ)を求めるものである。本実施形態では、伝播時間測定手段８は光検出器２２からの検出信号に基づいて迂回波４及び参照波５の励起を検知すると共に、レーザ干渉計７からＡ／Ｄ変換器１６を介して供給される測定波形に基づいて迂回波４及び参照波５が測定点１５への到達を検知する。

記憶手段９には、予め求めておいた基準温度Ｔｒにおける迂回波４の伝播時間ｔ１(Ｔｒ)と参照波５の伝播時間ｔ２(Ｔｒ)が予め記憶されている。

補正係数算出手段１０は、記憶手段９から伝播時間ｔ２(Ｔｒ)を読み込み、伝播時間測定手段８が求めた参照波５の伝播時間ｔ２(Ｔ)を伝播時間ｔ２(Ｔｒ)で除して補正係数ｆ(Ｔ)を求めるものである。

補正手段１１は、記憶手段９から伝播時間ｔ１(Ｔ)と補正係数ｆ(Ｔ)を読み込み、伝播時間ｔ１(Ｔ)に補正係数ｆ(Ｔ)を乗じて補正伝播時間ｔ１ａ（＝ｔ１(Ｔ)×ｆ(Ｔ)）を求めるものである。

検出手段１２は、補正伝播時間ｔ１ａと伝播時間ｔ１(Ｔｒ)との時間差Δｔを求め、求めた時間差Δｔに基づいて表面欠陥１の深さａの変化を検出するものである。

本発明は、既知の表面欠陥１を対象に監視を行う。したがって、監視対象物２の表面欠陥１の位置は判っており、表面欠陥１を挟んだ両側に励起点１３，１４を設け、表面欠陥１の一側に測定点１５を設けている。

本発明の表面欠陥監視方法は、準備工程で基準温度Ｔｒにおける迂回波４と参照波５の伝播時間ｔ１(Ｔｒ)，ｔ２(Ｔｒ)を測定した（ステップＳ３１）後、ステップＳ３２〜Ｓ３５を繰り返し実行して（測定工程→補正係数算出工程→補正工程→検出工程→測定工程→…）表面欠陥１の深さａの監視を行う。

先ず、準備工程では、基準温度Ｔｒにおける迂回波４の伝播時間ｔ１(Ｔｒ)と参照波５の伝播時間ｔ２(Ｔｒ)を測定する（ステップＳ３１）。本実施形態では、２つのレーザ装置６，６を使用して監視対象物２の表面に表面欠陥１を迂回する迂回波４と表面欠陥１が無い経路を伝播する参照波５を発生させ、それらによる表面変位をレーザ干渉計７で測定する。レーザ干渉計７による測定波形はＡ／Ｄ変換器１６によってＡ／Ｄ変換された後、記憶手段９にいったん記憶される。なお、温度Ｔｒが実際に何度であるか判らなくても良い。

図３にレーザ干渉計７による測定波形２３を示す。図３では説明の理解を容易にするために原理説明に必要な波形のみを記載し、反射波やノイズ等の説明に不要な波形の記載を省略している。また、迂回波４を励起させる励起用パルスレーザ光３と参照波５を励起させる励起用パルスレーザ光３を便宜的に併せて記載している。

伝播時間測定手段８は、測定波形２３に基づいて迂回波４が測定点１５に到達するまでの伝播時間ｔ１(Ｔｒ)（図３のｔ１に相当）と、参照波５が測定点１５に到達するまでの伝播時間ｔ２(Ｔｒ)（図３のｔ２に相当）を算出する。算出された伝播時間ｔ１(Ｔｒ)，ｔ２(Ｔｒ)は記憶手段９にいったん記憶される。

以上の準備が終了した後、監視対象物２について実際に表面欠陥１の監視を始める。測定工程では、測定時の温度Ｔにおける迂回波４の伝播時間ｔ１(Ｔ)と参照波５の伝播時間ｔ２(Ｔ)を測定する（ステップＳ３２）。この測定は、温度以外は準備工程での測定と同じ条件で行われる。即ち、同じ励起点１３，１４と測定点１５を使用して測定が行われる。迂回波４と参照波５を同時に発生させても良いし、タイミングをずらして発生させても良い。伝播時間測定手段８は、測定波形２３に基づいて迂回波４が励起点１３から測定点１５に到達するまでの伝播時間ｔ１(Ｔ)（図３のｔ１に相当）と、参照波５が励起点１４から測定点１５に到達するまでの伝播時間ｔ２(Ｔ)（図３のｔ２に相当）を算出する。算出された伝播時間ｔ１(Ｔ)，ｔ２(Ｔ)は記憶手段９にいったん記憶される。

そして、補正係数算出工程では、補正係数算出手段１０が記憶手段９から参照波５の伝播時間ｔ２(Ｔｒ)と伝播時間ｔ２(Ｔ)を読み込み、伝播時間ｔ２(Ｔ)を伝播時間ｔ２(Ｔｒ)で除して補正係数ｆ(Ｔ)（＝ｔ２(Ｔ)÷ｔ２(Ｔｒ)）を求める（ステップＳ３３、図１６(ｃ)の符号Ｉ）。求めた補正係数ｆ(Ｔ)は記憶手段９にいったん記憶される。

次の補正工程では、補正手段１１が記憶手段９から伝播時間ｔ１(Ｔ)と補正係数ｆ(Ｔ)を読み込み、伝播時間ｔ１(Ｔ)に補正係数ｆ(Ｔ)を乗じて補正伝播時間ｔ１ａ（＝ｔ１(Ｔ)×ｆ(Ｔ)）を求める（ステップＳ３４、図１６(ｃ)の符号II）。求めた補正伝播時間ｔ１ａは記憶手段９にいったん記憶される。

続く検出工程では、検出手段１２が記憶手段９から補正伝播時間ｔ１ａと伝播時間ｔ１(Ｔｒ)を読み込み、補正伝播時間ｔ１ａと伝播時間ｔ１(Ｔｒ)との時間差Δｔ（＝ｔａ１−ｔ１(Ｔｒ)）を求める（ステップＳ３５、図１６(ｃ)の符号III）。求めた補正伝播時間ｔ１ａは記憶手段９にいったん記憶される。そして、検出手段１２は、時間差（時間遅れ）Δｔ＝０（０とみなすことができる値も含む。以下同じ。）の場合には表面欠陥１の深さａは変化していないと判断し、時間差Δｔ＞０（基準温度Ｔｒ＜温度Ｔの場合）又は時間差Δｔ＜０（基準温度Ｔｒ＞温度Ｔの場合）の場合には表面欠陥１の深さａが増加していると判断する。表示部１９はこの判断を表示する。また、求められた時間差Δｔは記憶手段９にいったん記憶される。

その後、ステップＳ３２に戻り、以降の処理を繰り返し実行する。これにより、表面欠陥１の深さの変化が継続して監視される。

このように本発明では、参照波５を利用して求めた補正係数ｆ(Ｔ)を使用して迂回波４の伝播時間の実測値（温度Ｔにおける伝播時間ｔ１(Ｔ)）を基準温度Ｔｒにおける伝播時間に換算し、換算した補正伝播時間ｔ１ａを基準温度Ｔｒにおける伝播時間ｔ１(Ｔｒ)と比較して時間遅れΔｔを求めるようにしているので、監視対象物２の温度変化による迂回波４の伝播速度の変化の影響を除去して時間遅れΔｔを算出することができる。そのため、監視対象物２の温度が変化しても、温度変化がない場合と同様に、表面欠陥１の深さａの変化を正確に検出することができる。

また、この監視は、監視対象物２の温度変化による影響を除去して行うことができるので、稼働によって温度が変化する機械類の構成部品についてその稼働を止めずに表面欠陥の深さａの監視を継続することができる。そのため、例えば稼働による温度変化によって深さａが増加するような表面欠陥１の監視を行うことができる。

また、非接触で監視を行うことができるので、現場から離れた場所でオンラインで監視を続けることができる。

なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれ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において種々変形実施可能である。

例えば、上述の説明では、２台のレーザ装置６を使用してそれぞれ別々に迂回波４と参照波５を励起させるようにしていたが、必ずしもこの構成に限るものではなく、例えば図４に示すように、１台のレーザ装置６の励起用パルスレーザ光３を２分割して異なる位置（励起点１３，１４）に照射して迂回波４と参照波５を励起させるようにしても良い。この場合にも、伝播時間が表面欠陥１の影響を受ける迂回波４と影響を受けない参照波５とを励起させて両者の伝播時間ｔ１(Ｔ)，ｔ２(Ｔ)を測定することができる。

また、上述の説明では、迂回波４と参照波５を異なる位置に励起させると共に、迂回波４による表面変位と参照波５による表面変位を同一位置で測定するようにしていたが、必ずしもこの構成に限るものではなく、例えば図５に示すように、迂回波４と参照波５を同一位置（励起点１３Ａ）に励起させると共に、迂回波４による表面変位と参照波５による表面変位を異なる位置（測定点１５Ａ，１５Ｂ）で測定するようにしても良い。この場合にも、伝播時間が表面欠陥１の影響を受ける迂回波４と影響を受けない参照波５とを励起させて両者の伝播時間ｔ１(Ｔ)，ｔ２(Ｔ)を測定することができる。

本発明によって監視対象物２の既知の表面欠陥１の監視、より具体的には表面欠陥１の深さａの進展の監視では表面波の伝播時間の遅れを利用することが有効であること、及び監視対象物２の温度変化に対する補正を行うことで時間遅れΔｔに基づいて深さａの変化を正確に検出できることを確認する実験を行った。実験では、表面欠陥１としての亀裂を模擬したスリット（以下、スリット１という）を施した試験体（以下、試験体２という）を使用した。

（１装置構成）
実験に使用した装置を図７に示す。レーザ照射装置６ａとパルス発生器６ｂからなるレーザ装置６（レーザ照射装置：Big Sky Laser製ＣＦＲ２００、波長５３２ｎｍ、パルス幅１０ｎｓ、繰り返し２０Ｈｚ、パルスエネルギー＜１２０ｍＪ、パルス発生器：Stanford Ressearch Systems製ＤＧ５３５）の出力ビーム（励起用パルスレーザ光３）を円柱レンズ２６を用いて試験体２表面上に線状に集光し、表面波を発生させた。試験体２表面上を伝搬した表面波による表面変位を光ファイバ２７で接続されたプローブ７ａを使用して超音波測定用レーザ干渉計７（Tecnar製ＰＤＬ／ＴＷＭ、波長１０６４ｎｍ、パルス幅約８０μｓ、繰り返し２０Ｈｚ）で検出した。レーザ干渉計７と同期した電気信号をパルス発生器６ｂに入力し、任意の時間遅延を加えた信号を出力し、それを用いてレーザ照射装置６ａを起動することにより、レーザ照射装置６ａとレーザ干渉計７を時間同期させた。

レーザ干渉計７は一般的に試験体２の表面が光学研磨面（表面粗さが光の波長以下）であることを必要とするが、ここで用いたレーザ干渉計７は二光波混合型であり、研磨されていない試験体２の表面にも適用可能である。

励起用パルスレーザ光３を集光するための円柱レンズ２６から試験体２表面までの距離は４０ｃｍ、レーザ干渉計７の測定用レーザ光２４を送受光するためのプローブ７ａから試験体２表面までの距離は約３０ｃｍとした。試験体２表面上における励起用パルスレーザ光３の照射位置（励起点）とレーザ干渉計７の測定用レーザ光２４の照射位置（測定点）の離隔距離は約５ｍｍとした。

レーザ干渉計７の出力信号をノイズフィルタ２８（エヌエフ電子製ＦＹ−６２８Ｓ、透過周波数５００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚ）を介してデジタルオシロスコープ２９（テクトロニクス製ＴＤＳ５０５４）に供給して積算し、記録した。また、光軸調整用の平面鏡３０からの反射光を光検出器２２によって検出し、その出力信号をオシロスコープ２９のトリガ信号として用いた。波形測定時における積算回数は１００回とし、波形データは図示しないＧＰＩＢインターフェースを介して図示しないコンピュータへ転送し、解析を行った。

試験体２として、傾斜スリット１を施したＳＵＳ３１６試験体（以下、傾斜スリット試験体という）およびケーシング部材の試験体（以下、ケーシング部材試験体という）を用いた。これらの詳細については後述する。傾斜スリット試験体２を微動ステージ２５上に固定し、ｘｙ方向（レーザ光に対して垂直な平面上）に移動できるようにした。また、高温実験においては試験体２を図示しない電気炉内に設置した。

（２実験結果）
（２−１傾斜スリット試験体を用いた基礎実験）
最初に、表面波の時間遅れと亀裂深さａの関係を調べるために傾斜スリット１を施した傾斜スリット試験体２を用いた基礎実験を行った。傾斜スリット試験体２の概要を図８に示す。材質はＳＵＳ３１６である。

本試験体２は中央部に幅０．２ｍｍの傾斜スリット１が施工されており、スリット底部は試験体表面に対して傾斜している。スリット深さａはスリット方向に０ｍｍから５ｍｍまで線形に変化する形になっている。よって、レーザ装置６とレーザ干渉計７の照射位置（励起点，測定点）を傾斜スリット１の長さ方向に移動させることによって、異なるスリット深さａにおける表面波波形を得ることが出来る。

レーザ照射位置を固定し、微動ステージ２５によって傾斜スリット試験体２を傾斜スリット１の長さ方向に動かすことにより励起点と測定点をスリット深さ０．２ｍｍに対応する位置から順次スリット深さ４．８ｍｍに対応する位置に移動させた。得られた表面波波形を図９に示す。スリット深さａが増すとともに表面波の振幅が減少し、時間遅れが生じていることが確認できた。

図９に示した波形をもとに算出したスリット深さａと表面波の時間遅れの関係を図１０に示す。表面波の中心周波数はｆ＝１ＭＨｚであるため、伝播速度をＶ＝２８７０ｍ／ｓとすると波長はλ＝Ｖ／ｆ＝２．９ｍｍとなる。横軸には波長で規格化したスリット深さ（ａ／λ）も併せて表示した。ａ／λ＜０．８（ａ＜２．３ｍｍ）の領域（図１０中に示す点線よりも左側の領域）においては時間遅れとスリット深さａの関係は非線形に変化し、ａ／λ＞０．８（ａ＞２．３ｍｍ）においては線形に近づくことが分かった。

以上の結果から、スリット深さａとスリット１を迂回した表面波の時間遅れには一定の相関があり、これをもとに時間遅れからスリット深さａを算出できることが明らかになった。スリット深さａが２．３ｍｍ以上の場合、表面波の時間遅れはスリット深さａに対して線形に変化するため、約２ｍｍ以上の開口亀裂深さａの監視に適していると考えられる。

（２−２ケーシング部材試験体を用いた実験）
実機で使用されている鋼材に対する適用の可能性を調べるために、ケーシング部材を用いたケーシング部材試験体２を製作し、実験を行った。ケーシング部材試験体２には深さ２ｍｍ、３ｍｍ、５ｍｍ、幅０．２ｍｍのスリット１を施工した。ケーシング部材の物性を表１に、試験体１を図１１に示す。

ケーシング部材試験体２を用いて得られた表面波波形を図１２に示す。スリット深さａが２ｍｍから５ｍｍに増加するにつれ表面波の到達時間には遅れが生じることが確認できた。本実験においてはケーシング部材試験体２を入れ替えて測定を行ったため、励起用パルスレーザ光３およびレーザ干渉計７の測定用レーザ光２４の照射箇所（励起点，測定点）の反射率などの表面状態が異なり、各スリット深さａにおいて相関の高い波形を得ることが困難であった。よって、到達時間（伝播時間）の評価には図１２に破線で示した最初の極大値に相当する時間を用いた。深さ２ｍｍのスリット１の場合を０としたときの時間遅れを図１３に示す。深さ５ｍｍのスリット１の場合の時間遅れは０．８μｓであり、これは図１０に示した傾斜スリット試験体２の結果とほぼ一致する。

以上の結果から、表面波の時間遅れを用いた亀裂深さの測定方法は実機で用いられる鋼材についても適用可能であることを確認できた。

（２−３温度変化の影響）
表面波の時間遅れをもとに亀裂深さａを測定する場合、時間遅れが亀裂深さａのみに依存することが前提となる。しかし、試験体２の温度が変化すると表面波の伝播速度が変化し（一般的に、鋼材では温度上昇とともに伝播速度が低下する）、その結果時間遅れが生じる。

温度変化によってどの程度の時間遅れが生じるかを調べるために、傾斜スリット試験体２を室温から５００℃まで昇温し、表面波による表面変位を測定した。照射位置におけるスリット深さａは３．６ｍｍである。

得られた表面波波形および室温に対する到達時間遅れを図１４に示す。なお、実験では、温度２５０〜３２０℃においては波形のばらつきにより時間遅れが正しく測定できなかった。

図１４から、室温と５００℃における到達時間差は０．３μｓになることが分かった。この時間差は図１０に示す結果と照らし合わせると１ｍｍ以上のスリット深さａに相当するため、この温度範囲においては温度変化に対して何らかの方策を講じないと１ｍｍ以下の亀裂進展が検出できない。

一方、一定温度においては表面波の到達時間は安定しており、亀裂深さ変化を測定できると考えられる。温度５００℃において、傾斜スリット試験体２への照射位置をスリット深さ３．６ｍｍの位置から深さ４．３ｍｍの位置に変えた場合の表面波波形を図１５に示す。ここでは擬似的なスリット深さａの増加によって０．３μｓの時間遅れが生じており、この値は図１０の結果と概ね一致する。

（２−４温度変化の補正方法）
表面波の伝播時間の温度依存性を補正するためにスリット１を透過する迂回波４と透過しない参照波５を用いる方法を発明した。この発明の概念を図１６に示す。ここではレーザ装置６を２台用いて２つの表面波（迂回波４，参照波５）を発生させた。迂回波４を励起させるパルスレーザ光３（図１６中、発生用レーザ１）はレーザ干渉計７の測定用レーザ光２４（図１６中、測定用レーザ）に対して亀裂１をまたぐ形で照射し、参照波５を励起させるパルスレーザ光３（図１６中、発生用レーザ２）は亀裂１をまたがない形で照射する。測定領域（発生用レーザ１と測定用レーザの照射位置の間、即ち励起点１３と測定点１５との間）において試験体２の温度が一定であれば、発生用レーザ１と発生用レーザ２によって発生させた表面波は同速度で伝播する。つまり、温度上昇（下降）による時間遅れの増加（減少）は２つの表面波に同様に現れる。一方、亀裂１が進展した場合は深さａの増加による時間遅れが発生用レーザ１で発生させた迂回波４にのみ現れる。よって、試験体２に温度変化が生じる場合、参照波５の伝播時間変化によって迂回波４の伝播時間を補正し、亀裂深さａにのみ依存する時間遅れΔｔを算出することが出来る。

この補正方法を図１６(ｃ)に示す。まず、基準温度Ｔｒを決定し、参照波５と迂回波４の伝播時間ｔ１(Ｔｒ)，ｔ２(Ｔｒ)を測定する。任意温度Ｔ（Ｔ＞Ｔｒとする）において参照波５と迂回波４を測定すると、温度上昇に伴い時間遅れが生じる。ここで、温度Ｔにおける参照波５の伝播時間が基準温度Ｔｒにおける伝播時間と等しくなるように演算を行う（Ｉ）。同一の演算を迂回波４に対して行い（II）、補正伝播時間ｔ１ａを得る。この補正伝播時間ｔ１ａを基準温度Ｔｒにおける迂回波４の到達時間と比較することにより（III）、温度変化以外の要因による時間遅れΔｔを得る。

以下、具体的な演算方法を示す。迂回波４と参照波５の伝播距離をそれぞれｄ１、ｄ２とし、温度Ｔにおける伝播速度をＶ(Ｔ)とする。伝播距離ｄ１は亀裂深さａに依存し、伝播距離ｄ２は亀裂深さａとは無関係である。参照波５の伝播時間は基準温度Ｔｒにおいてｔ２(Ｔｒ)＝ｄ２／Ｖ(Ｔｒ)、温度Ｔにおいてｔ２(Ｔ)＝ｄ２／Ｖ(Ｔ)となる。ここで、ｆ(Ｔ)＝ｔ２(Ｔ)／ｔ２(Ｔｒ)＝Ｖ(Ｔｒ)／Ｖ(Ｔ)と定義する。

ｆ(Ｔ)はＴ＝Ｔｒにおいてｆ(Ｔｒ)＝１、Ｔ＞Ｔｒの場合はｆ(Ｔ)＞１となる。参照波５の伝播時間ｔ２(Ｔ)をｆ(Ｔ)で除算すると、温度Ｔに関係なくｔ２(Ｔｒ)が得られるため、温度変化の影響を除去する効果がある。

次に、迂回波４の伝播時間をｆ(Ｔ)で除算することによって補正する。温度Ｔにおける迂回波４の伝播時間はｔ１(Ｔ)＝ｄ１／Ｖ(Ｔ)であり、補正値はｔ１^＊＝ｔ１(Ｔ)／ｆ(Ｔ)＝ｄ１／Ｖ(Ｔｒ)となる。ｔ１^＊に温度依存性はないため、任意の温度においても同じ値となる。基準温度Ｔｒにおける迂回波４の伝播時間はｔ１(Ｔｒ)＝ｄ１／Ｖ(Ｔｒ)であり、ｔ１^＊と等しいことが分かる。

（２−５補正方法の検証実験）
まず、傾斜スリット試験体２を対象に、図１６（ａ）に示した配置で一定温度における表面波波形を測定した。照射位置を変えることによって異なるスリット深さａに対応する波形を得た。結果を図１７に示す。参照波５の伝播時間はスリット深さａとは無関係で一定であり、一方迂回波４の伝播時間にはスリット深さａに応じて時間遅れが生じている。スリット深さａと参照波５および迂回波４の時間遅れの関係を図１８に示す。

次に、この補正方法をケーシング部材試験体２に適用した。スリット深さ２ｍｍのケーシング部材試験体２を室温から５００℃まで昇温し、参照波５と迂回波４を測定した。得られた波形を図１９に示す。参照波５に関しては時間１〜４μｓにおいて直接到達波と時間５〜７μｓにおいてスリット１からの反射波が観測された。スリット１からの反射波の方が伝搬距離が長いため温度に対する時間遅れがより顕著に表れている。よって、ここではスリット１からの反射波の伝播時間をもとに迂回波４の伝播時間を補正することとした。

図１９に示した迂回波４の伝播時間（極大値に対応する時間）を図２０に▲印で示す。伝播時間（到達時間）は室温〜５００℃において約０．２μｓ変化している。参照波５の伝播時間の温度依存性をもとに室温を基準とした補正係数ｆ(Ｔ)を求め、迂回波４の伝播時間を補正した結果を図２０に▼印で示す。補正の結果、温度依存性は殆んど除去され、伝播時間の平均値はμ＝１１．１９μｓ、標準偏差はσ＝０．０３μｓとなった。統計的に９７．５％有意とされるμ＋２σ（片側検定）を伝播時間の有意な増加と解釈すると、有意な時間遅れは０．０６μｓとなる。これはスリット深さａの違い０．２２ｍｍに相当する。よって、本手法によって温度変化による影響は０．２ｍｍ程度の亀裂進展が検知できるまで抑制できると考えられる。

次に、高温における迂回波４の伝播時間の安定性を調べるためにケーシング部材試験体２の温度を５００℃で一定とし、３０分にわたって迂回波４と参照波５を測定した。得られた波形を図２１に、迂回波４の伝播時間を図２２に示す。温度（５００℃）とスリット深さａ（２ｍｍ）が一定であるため、伝播時間は原理的には一定であるが、実際にはばらつきが生じている。３０分間に得られた５８波形における迂回波４の伝播時間の標準偏差はσ＝０．０４μｓであり、前述のμ＋２σ基準を適用すると亀裂深さａの増加の検知精度は０．３０ｍｍと見積もられる。

以上の結果から、２つの励起点１３，１４に励起用パルスレーザ光３を照射して参照波５と迂回波４を発生させ、参照波５の伝播時間を用いて迂回波４の伝播時間を補正することにより室温〜５００℃の範囲において概ね０．３ｍｍ以上（ステンレス鋼などの鋼材の場合）の亀裂深さａの変動が捉えられることを示した。例えば、装置類の起動時における昇温中において亀裂進展が発生した場合、進展長が約０．３ｍｍ以上（ステンレス鋼などの鋼材の場合）であれば本発明によって検知可能であると考えられる。

１表面欠陥
２監視対象物
２ａ監視対象物の表面（監視面）
３励起用パルスレーザ光
４第１の表面波（迂回波）
５第２の表面波（参照波）
６レーザ装置
７レーザ干渉計
８伝播時間測定手段
９記憶手段
１０補正係数算出手段
１１補正手段
１２検出手段
１３，１４励起点
１５測定点
Ｃ表面欠陥１の深さａと時間差Δｔとの相関関係

Claims

表面欠陥が存在する監視対象物について、基準温度Ｔｒにおいて前記監視対象物の表面に励起用パルスレーザ光を照射して前記表面欠陥を迂回して伝播する第１の表面波と前記表面欠陥が無い部分を伝播する第２の表面波を励起させると共に、レーザ干渉計によって前記第１の表面波と前記第２の表面波による前記監視対象物の表面変位を検出して前記第１の表面波の伝播時間ｔ１(Ｔｒ)と前記第２の表面波の伝播時間伝播時間ｔ２(Ｔｒ)を測定する準備工程と、前記準備工程での測定と同じ位置で温度Ｔにおいて前記第１の表面波と前記第２の表面波を励起させてそれらの伝播時間ｔ１(Ｔ)，ｔ２(Ｔ)を測定する測定工程と、前記伝播時間ｔ２(Ｔ)を前記伝播時間ｔ２(Ｔｒ)で除して補正係数ｆ(Ｔ)を求める補正係数算出工程と、前記伝播時間ｔ１(Ｔ)に前記補正係数ｆ(Ｔ)を乗じて補正伝播時間ｔ１ａを求める補正工程と、前記補正伝播時間ｔ１ａと前記伝播時間ｔ１(Ｔｒ)との時間差Δｔを求め、求めた時間差Δｔに基づいて前記表面欠陥の深さａの変化を検出する検出工程とを備えることを特徴とするレーザ超音波を用いた表面欠陥監視方法。
前記第１の表面波と前記第２の表面波を異なる位置に励起させると共に、前記第１の表面波による表面変位と前記第２の表面波による表面変位を同一位置で測定することを特徴とする請求項１記載のレーザ超音波を用いた表面欠陥監視方法。
前記第１の表面波と前記第２の表面波を同一位置に励起させると共に、前記第１の表面波による表面変位と前記第２の表面波による表面変位を異なる位置で測定することを特徴とする請求項１記載のレーザ超音波を用いた表面欠陥監視方法。
前記第１の表面波及び前記第２の表面波の周波数成分のうち最大となる周波数成分の周波数に対応する波長をλとすると、前記検出工程ではａ／λ≧０．８を満たす前記表面欠陥の深さａの変化を検出することを特徴とする請求項１記載のレーザ超音波を用いた表面欠陥監視方法。
表面欠陥が存在する監視対象物の表面に励起用パルスレーザ光を照射して前記表面欠陥を迂回して伝播する第１の表面波と前記表面欠陥が無い部分を伝播する第２の表面波を励起するレーザ装置と、前記第１の表面波と前記第２の表面波による前記監視対象物の表面変位を測定するレーザ干渉計と、前記第１の表面波が励起されてから前記レーザ干渉計の測定部位に到達するまでの伝播時間ｔ１(Ｔ)と前記第２の表面波が励起されてから前記レーザ干渉計の測定部位に到達するまでの伝播時間ｔ２(Ｔ)を求める伝播時間測定手段と、予め求めておいた基準温度Ｔｒにおける前記第１の表面波の伝播時間ｔ１(Ｔｒ)と前記第２の表面波の伝播時間ｔ２(Ｔｒ)を記憶した記憶手段と、前記伝播時間ｔ２(Ｔ)を前記伝播時間ｔ２(Ｔｒ)で除して補正係数ｆ(Ｔ)を求める補正係数算出手段と、前記伝播時間ｔ１(Ｔ)に前記補正係数ｆ(Ｔ)を乗じて補正伝播時間ｔ１ａを求める補正手段と、前記補正伝播時間ｔ１ａと前記伝播時間ｔ１(Ｔｒ)との時間差Δｔを求め、求めた時間差Δｔに基づいて前記表面欠陥の深さａの変化を検出する検出手段を備えることを特徴とするレーザ超音波を用いた表面欠陥監視装置。
前記第１の表面波及び前記第２の表面波の周波数成分のうち最大となる周波数成分の周波数に対応する波長をλとすると、前記検出手段はａ／λ≧０．８を満たす前記表面欠陥の深さａの変化を検出することを特徴とする請求項５記載のレーザ超音波を用いた表面欠陥監視装置。