JP2011257163A - レーザ超音波検査方法およびレーザ超音波検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ超音波検出において、内部欠陥の大きさや形状を定量的に計測することを目的とする。
【解決手段】レーザ発振器（１）から被検体（４）へレーザ光を照射し、被検体（４）を伝搬してきた超音波（１１３）を超音波検出部（５）で検出する。演算部（８）は超音波検出部（５）から発生する信号から欠陥部（１５）の位置が輝度変化した画像の認識を行って、被検体（４）内部に存在する欠陥部（１５）を検出する。レーザ発振器（１）の発振タイミングと、演算部（８）が超音波検出部（５）から発生する信号を取り込むタイミングは、トリガー発生器（９）から発生するトリガー信号によって同期している。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ超音波を用いて被検体の内部を非破壊検出する検査方法および検査装置に関するものである。

溶接個所の欠陥検出技術として、特許文献１などがある。これは、被検体にレーザ光を照射し、照射部に誘起される超音波を用いる方法である。
この方法は、図７に示すように、まず、パルスレーザ発振器１０１から出力されたレーザ光１０１ａを被検体４に照射する。レーザ光１０１ａの照射を受けた被検体４では、照射表面で熱膨張を起こす。この熱膨張により被検体４の内部に局所的な圧力変化が発生し、被検体４に超音波１１２が誘起される。誘起された超音波１１２は被検体４の表面を伝播する。圧電素子５は被検体４の表面に当接して設けられており、被検体４の表面を伝播してきた超音波１１２が、圧電素子５によって検出される。

圧電素子５の出力信号は、増幅器６によって増幅されしてデジタルオシロスコープ１０７によって波形を観測されると共に、デジタルオシロスコープ１０７からコンピュータ１０８に増幅器６の出力信号のデジタル変換出力１０７ａを出力して、これをコンピュータ１０８に蓄積する。

そしてコンピュータ１０８は、二軸回転ステージ１１１に指示してパルスレーザ発振器１０１をＸ−Ｙ方向に動かして被検体４でのレーザ光の照射点を変更すると共に、上記の圧電センサ５の出力信号のコンピュータ１０８への蓄積を繰り返す。被検体４の表面に記載された軌跡１０９が、レーザ光の照射点の走査軌跡であって、被検体４の検査対象領域の全面からの超音波を圧電素子５で検出している。

コンピュータ１０８は蓄積したデータを次のように映像化している。
コンピュータ１０８は、得られた波形データの各時刻（同一時刻）における振幅値を、レーザ光を照射した計測点における超音波変位として見なして、輝度変調した画像を作成する。このようにして得られた画像を、時系列的に連続表示（連続描画）することで、図８（ａ）に示すように、受信点２０５で超音波が誘起され広がるような画像を取得できる。この図８（ａ）は、被検体４の内部が均質な場合であって、広がる超音波も連続的な画像となっている。

これに対して、被検体４の内部に欠陥などの不連続な箇所が内在する場合には、図８（ｂ）に示すように、被検体４の内部の欠陥部１５によって超音波１１２が遮断や回折を起こし、広がる超音波自体が不連続的な画像となり、被検体４の内部に欠陥が内在していると判断できる。

特開２００６−３００６３４号公報

しかしながら、このように波形信号の強度を輝度値として画像化する方法では、連続表示された画像から超音波の連続的な伝播から不連続的な伝播を判別することで欠陥の有無を判断しなければならないという課題を有している。しかも、欠陥の内在の有無のみの判断となり、内在する欠陥の大きさや形状を定量的に評価できないのが現状である。

本発明は、被検体の内部の欠陥の有無を自動的に判断し、内在する欠陥の大きさや形状を定量的に計測できるレーザ超音波検査方法及び装置を提供することを目的とする。

本発明のレーザ超音波検査装置は、被検体の表面にレーザ光を照射するレーザ発振器と、前記被検体の表面の温度上昇によって発生した超音波の伝搬を検出する超音波検出部と、前記超音波検出部からの信号に基づいて、レーザ光の照射位置が異なる複数の超音波の波形データの周波数解析を行って前記被検体の内部の欠陥部を検出する演算部と、を備えることを特徴とする。

また、本発明のレーザ超音波検査方法は、被検体の表面にレーザ発振器からレーザ光を照射し、前記被検体の表面の温度上昇によって発生した超音波を超音波検出部によって検出し、レーザ光の照射位置が異なる複数の超音波の波形データの周波数解析に基づいて前記被検体の内部の欠陥部を検出することを特徴とする。

本発明によれば、被検体の内部の欠陥を有無及び欠陥の大きさや形状を定量的に計測することにより、非破壊で被検体の内部の状態を検査できる。

本発明の実施の形態１におけるレーザ超音波検査装置の模式図 同実施の形態１におけるレーザ超音波検査方法のフローチャート 同実施の形態１において、欠陥部のない被検体を検査した場合の超音波伝播の模式図と周波数解析結果図 同実施の形態１において、欠陥部のある被検体を検査した場合の超音波伝播の模式図と周波数解析結果図 同実施の形態１において、全周波数積分値を輝度値として画像化した図 本発明の実施の形態２における超音波検査器として光干渉計を使用したレーザ超音波検査装置の要部の構成図 特許文献１に記載されたレーザ超音波検査装置の構成図 特許文献１に記載された検査画面図であって、（ａ）内部欠陥がない場合の検査画面図、（ｂ）内部欠陥がある場合の検査画面図

以下、本発明のレーザ超音波検査方法の具体的な実施の形態について説明する。なお、以下の説明において、同じ構成には同じ符号を付けて、適宜、説明を省略している。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるレーザ超音波検査装置を示す。

図１において、レーザ発振器１から出射されたレーザ光は、ミラーやレンズなどの光学素子を用いたレーザ光伝送用光学系２により伝送された後、レンズなどの集光光学系３により集光されて被検体４に照射される。被検体４にレーザ光が照射されると、被検体４におけるレーザ照射部が局所的に加熱膨張し圧力変化が起こることで、被検体４に超音波１１２が誘起される。

この超音波１１２を超音波検出部としての圧電素子５（圧電センサ）で電気信号に変換し、増幅器６と、Ａ／Ｄ変換器７を介して、たとえばマイクロコンピュータを主要部とした演算部８で処理される。

ここでは、圧電素子５は被検体４の上に接触した状態で設置されている。また、レーザ発振器１の発振タイミングとＡ／Ｄ変換器７により超音波波形を受信するタイミングを同期させるため、演算部８からトリガー発生器９へ指令を出し、トリガー発生器９がレーザ発振器１とＡ／Ｄ変換器７へトリガー信号を入力する。演算部８はレーザ発振器１にも接続されており、レーザ出射の開始や停止やレーザの出力を演算部８から指令する。

また、演算部８はステージコントローラ１０を介して移動ステージ１１を移動させる。移動ステージ１１には集光光学系３が取り付けられており、集光光学系３を移動させることで、超音波誘起のためのレーザ光の照射点を、被検体４の面上でＸ−Ｙ方向に走査させる。被検体４の表面に仮想線で記載された軌跡１０９が、レーザ光の照射点の走査軌跡であって、被検体４の検査対象領域の全面からの超音波を圧電素子５で検出している。

本実施の形態１のレーザ超音波検査装置は、被検体４の内部の欠陥部１５の検出のために、誘起した超音波１１２が被検体４を伝搬する際に、欠陥部１５で共振を起こして特定周波数を増幅する現象を応用している。

被検体４としては、金属溶接部やはんだ付けなどがある。例えば、電子回路基板に対する電子部品のはんだ付けでは、薄さ０．１ｍｍのランドのクラック発生などの問題があり、そのクラックを検出するためには、欠陥検出の精度として、０．１ｍｍ以下の分解能が望ましい。このオーダーの欠陥によって共振する超音波の周波数は１０ＭＨｚ以下となるため、１００ｎｓ以下のパルス幅のパルスレーザが必要である。本実施の形態では１０ｎｓのパルスレーザを用いている。また、圧電素子５、増幅器６、Ａ／Ｄ変換器７においても１０ＭＨｚ以上の超音波を検出するため、１０ＭＨｚ以上の周波数帯域においても検出感度のあるものを使用することが望ましい。ここで、パルスレーザのパルス幅を１００ｎｓ以下としているのは、１０MHｚ以上の超音波発生には、１００ｎｓ以下の時間で被検体に局所的な加熱（加熱に伴う圧力変化）が必要であり、その実現に１００ｎｓ以下のパルスレーザが必要なためである。

また、必要な検出分解能によりレーザスポット径を調整する必要がある。本実施の形態では、集光光学系３に入射するレーザ光はφ２ｍｍ程度の平行光とし、０．１ｍｍ以下の分解能を得るためには集光光学系３によって０．１ｍｍのスポット径に集光させた。

ＳＰＣＣ（冷間圧延鋼板 ＪＩＳ Ｇ ３１４１）とニッケルの金属片とを重ねて溶接した金属片を被検体４とした場合、ＳＰＣＣ側にレーザ照射し圧電素子５を当接させている。本実施の形態では、超音波を誘起するために照射するレーザ光により被検体４のＳＰＣＣがアブレーションや焦げなどのダメージを受けない程度のレーザエネルギーとするため、１ｍＪ／パルス（５３２ｎｍ）に調整した。圧電素子５とレーザ光が干渉しないように、圧電素子５とレーザ光照射点との最近接を１ｍｍとし、これ以上近づかないように演算部８で制御する。

金属の音速は一般的に４０００ｍ／ｓ〜６０００ｍ／ｓであるため、トリガー発生器９としては、レーザ発振と検出タイミングは０．２μ秒以下の精度で同期をとったトリガー信号を出力できるものが望ましい。

また、被検体４と圧電素子５の間は空気層による超音波の減衰を防ぐため、被検体４と圧電素子５の間をグリースなどのカップリング剤で満たすことが望ましい。ただし、カップリング剤を用いる場合は、被検体４にカップリング剤（液体）を付着させるため、濡れなどの対策や検査後の液体除去などの処理が必要となり、検査対象が限定される。

また、被検体４の面上での圧電素子５の位置は、圧電素子５に対する超音波の伝搬する方向が垂直に近いほど検出感度は高まるため、超音波を誘起するレーザ光に干渉しない程度にレーザ光照射点に近いほど望ましい。

図２はこのレーザ超音波検査装置の計測フローチャートを示す。
図２において、ステップＳ１では、演算部８は、ステージコントローラ１０を介した移動ステージ１１により集光光学系３の移動を開始させる。

ステップＳ２では、演算部８は、被検体４の検査のためにレーザ光を照射する領域に集光光学系３が到達した時点で、トリガー発生器９からトリガー信号を発信させる。そして、被検体４を走査中のレーザ発振器１は、その信号を受けてレーザ出射を開始する。集光光学系３で集光されたレーザ光が被検体４に照射されると、図３に示すようにレーザ照射点の局所的な加熱膨張によって超音波１１２が誘起され、被検体４を超音波１１２が伝搬する。

ステップＳ３では、被検体４を伝搬した超音波１１２が圧電素子５で検出されることで、増幅器６を介してＡ／Ｄ変換器７に入力された信号が、トリガー発生器９からのトリガー信号で指示されたタイミングでデジタル変換されて演算部８に出力される。

ステップＳ４では、ステップＳ２でのレーザ照射とその直後のステップＳ３での圧電素子５での検出とを一つの測定サイクルとして、ステップＳ２とステップＳ３の測定サイクルを繰り返す。このとき、０．１ｍｍ刻みで移動ステージ１１の駆動により集光光学系３を移動させ、レーザ光を照射すべき被検体４の全面に対してレーザ光を走査し終えた時点で、レーザ発振及び集光光学系移動を停止する。

なお、この実施の形態では、ＸＹ方向において０．１ｍｍの欠陥を検出するために０．１ｍｍ刻みで移動ステージ１１を駆動させたが、検出が必要な欠陥の大きさに依存して、移動ステージの移動量を変化させてもよい。

ステップＳ５では、ステップＳ１〜ステップ４によって得られた各測定点で横軸に時間、振動強度を縦軸とした波形データを、演算部８にて周波数解析を行って、横軸に周波数、振動強度を縦軸とした波形データを得る。

図３は、被検体４の内部に欠陥が存在しない場合の超音波信号の伝播の模式図と波形データを示す。この場合には、レーザ照射によって誘起された超音波の周波数特性は変化することなく、圧電素子５にて検出される。一方、被検体４の内部に欠陥部１５が存在する場合には、図４の波形データ１７ａに示すように、特定周波数の超音波成分が大きく検出される。これは、レーザ照射によって誘起された超音波１１２が、被検体４の欠陥部１５の上部を通過する際に、欠陥部１５の非連続的な領域内で特定周波数の超音波１１３が共振を起こしているためであると考えられる。図４は、被検体４に内在する直径１．０ｍｍの球状の空隙の欠陥部１５からの波形データを示しており、１．０ｍｍのサイズに対応して、約２ＭＨｚの領域に共振ピーク１７ａが出現している。予め、被検体４の材質で、欠陥部１５のサイズに対応する共振ピークの領域を測定しておき、その結果をテーブルとして保持しておくことで、このテーブルに基づいて共振ピークの領域から欠陥部１５のサイズを算出することができる。

ステップＳ６では、演算部８は各測定点で得られた全ての波形データに対して周波数解析を行ない、得られた結果を元に、全周波数領域にわたって信号強度の積分を行う。
ステップＳ７では、各測定点で得られたステップＳ６の積分値をカラー輝度変調し、２次元に配列することで、図５に示すようにＸＹ平面における欠陥部１５の位置が輝度変化した画像を得る。

ステップＳ８では、ステップＳ７で得られた画像からピーク検出や画像認識を行う。
ステップＳ９では、被検体４の内部に存在する欠陥サイズや形状を、ステップＳ８の結果から非破壊で被検体４の内部の欠陥部１５の有無とその大きさや形状を定量的に読みとることができる。

このように、非破壊で被検体内部の欠陥部を検出することができるので、例えば、溶接部の欠陥（空隙や異物）を検出することができ、溶接部の面積や強度を定量的に評価することができる。よって、接合工程の品質保証の検査に有効である。特に、自動車や電子部品等の金属接合や樹脂接合工程の品質保証に利用できる。

（実施の形態２）
実施の形態１では超音波検出部として圧電素子５を用いたが、図６に示すように被検体４とは非接触の光干渉計１８を用いてもよい。光干渉計１８から出射された光は被検体４の表面の計測点で反射され、再び光干渉計１８に入射する。計測点に伝搬してきた超音波１１２により被検体４の表面が振動すると、反射された光の位相や周波数が変調されるため、これを光干渉計１８で信号化することで光を照射した位置の超音波１１２を検出する。この方法によれば、非接触で被検体４内部の超音波１１２を検出することができ、また溶接位置と超音波１１２の検出位置までの距離を一定で短い距離を保てるため計測精度を高くできる。

また、上記の各実施の形態ではレーザ光伝送用光学系２として、ミラーやレンズなどの光学素子を用いたが、レーザ発振器１で発振したレーザ光を光ファイバーを用いて集光光学系３へ伝送してもよく、これにより光路の可動による影響や稼動部の軽量化が可能となり、より精度高くレーザ光の操作が可能となる。

さらに、レーザ光の伝送において、ガルバノミラーを一個ないし複数個用いて、集光光学系３に伝送してもよく、これにより、レーザ走査の高速化が可能となるため、検査速度を高めることができる。

さらに、上記の各実施の形態では、被検体４がダメージを受けない程度のレーザパワーを用いたが、レーザパワーを大きくしてレーザ光の集光点でのエネルギー密度を高めることで、被検体４自体にアブレーションを起こしてもよい。アブレーションにより生じる内部圧力の変化により超音波を発生させてもよい。これにより振幅の大きな超音波を発生させることができ、測定精度を向上することが出来る。ただし、このようにレーザパワーを大きくした場合は、アブレーションによる加工痕が残るため、使用用途が限定される。

本発明は、自動車や電子部品等の金属接合や樹脂接合工程の品質保証に利用することが出来る。

１ レーザ発振器
２ レーザ光伝送用光学系
３ 集光光学系
４ 被検体
５ 圧電素子
６ 増幅器
７ Ａ／Ｄ変換器
８ 演算部
９ トリガー発生器
１０ ステージコントローラ
１１ 移動ステージ
１５ 欠陥部
１８ 光干渉計
１０９ 軌跡
１１２ 超音波

Claims (10)

1. 被検体の表面にレーザ光を照射するレーザ発振器と、
   前記被検体の表面の温度上昇によって発生した超音波の伝搬を検出する超音波検出部と、
   前記超音波検出部からの信号に基づいて、レーザ光の照射位置が異なる複数の超音波の波形データの周波数解析を行って前記被検体の内部の欠陥部を検出する演算部と、を備える、
   レーザ超音波検査装置。
2. 前記レーザ発振器の発振タイミングと、前記演算部が前記超音波検出部から発生する信号を取り込むタイミングを同期させるトリガー信号を発生するトリガー発生器を備える、
   請求項１記載のレーザ超音波検査装置。
3. レーザ発振器から出射したレーザ光がパルスレーザ光であって、前記パルスレーザ光の操作を少なくとも１つのガルバノミラーを用いて行う、
   請求項１記載のレーザ超音波検査装置。
4. 前記レーザ発振器の発振するパルスレーザ光のパルス長さが１００ｎｓ以下である、
   請求項３記載のレーザ超音波検査装置。
5. 前記被検体に照射されるレーザ光のスポット径が０．１ｍｍ以下になるように集光光学系によって集光した、
   請求項１から４のいずれかに記載のレーザ超音波検査装置。
6. 前記超音波検出部が光干渉計であり、前記超音波検出部と前記被検体とが非接触である、
   請求項１から５のいずれかに記載のレーザ超音波検査装置。
7. 被検体の表面にレーザ発振器からレーザ光を照射し、
   前記被検体の表面の温度上昇によって発生した超音波を超音波検出部によって検出し、
   レーザ光の照射位置が異なる複数の超音波の波形データの周波数解析に基づいて前記被検体の内部の欠陥部を検出する、
   レーザ超音波検査方法。
8. 前記レーザ発振器の発振タイミングと、前記演算部が前記超音波検出部から発生する信号を取り込むタイミングを、トリガー発生器から発生するトリガー信号によって同期させる、
   請求項７記載のレーザ超音波検査方法。
9. レーザ光の照射位置が異なる複数の超音波の波形データの周波数解析に基づいて、前記波形データのピーク周波数から前記欠陥部の位置および大きさを算出する、
   請求項７または８記載のレーザ超音波検査方法。
10. 前記超音波の波形データの周波数解析を行た結果に対し、全周波数領域にわたって信号強度の積分を行い、算出された積分値と前記欠陥部がない場合の積分値を比較することで、前記欠陥部の位置および大きさや形状を算出する、
    請求項７または８記載のレーザ超音波検査方法。