JP2012088226A - 非破壊検査方法及び非破壊検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】位相差分布を用いた場合において、内部欠陥のある部位と健全部との境界を正確に捉えることができる非破壊検査方法又は装置を提供する。
【解決手段】検査対象物を励起してロックイン処理を行うサーモグラフィによる非破壊検査方法及び装置であって、まず、ロックイン処理を用いて位相差分布を求め、次に、位置に対応した位相の変化を１次近似した勾配が正の最大値及び負の最大値となる位置をそれぞれ求める。そして、当該位置を、内部欠陥のある部位と健全部との境界と判定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば機械部品について、その内部欠陥を非破壊で検査する方法及び装置に関する。

赤外線サーモグラフィは、物体表面から放射される赤外線を赤外線センサにより検出し、これを温度分布の図として画像で表す技術又はその装置である。また、物体に対して、外部から一定周波数で周期的に熱を加える「励起」を行い、同じ周波数で変化する物体の温度変化振幅を分布図として画像化する光励起ロックインサーモグラフィ法も知られている（例えば、特許文献１及び非特許文献１参照。）。この場合、物体の健全部と、内部欠陥のある部位とでは、温度変化振幅が異なるので、内部欠陥を発見することができる。

しかし、内部欠陥によっては、この温度変化振幅で識別できない場合もある。そこで、物体表面から放射される、励起と同じ周波数で生じる温度変化の位相差に着目し、位相差分布を得ることが考えられる。すなわち、健全部と、内部欠陥がある部位とでは、温度変化の時間的なずれ（位相差）があるので、位相差から内部欠陥を発見することができる。

図６は、位相差の現れ方の一例を示す図である。図において、（ｃ）は内部欠陥のある物体の断面図の一例である。（ｂ）は、この物体の位相差分布の画像の概略を示す図であり、位相の違いが色の違いで現れる。（ａ）は、面状の分布を一次元（横一線）で見た場合の、物体表面の位置に対応した位相変化の一例を示すグラフである。図示のように、物体１の内部欠陥１ｆは、（ｂ）の画像の中央部分や（ａ）のグラフの中央の山の部分として現れている。

特開２００８−２３２９９８号公報（段落［００２６］）

「赤外線サーモグラフィによる熱弾性応力測定」、阪上隆英、溶接学会誌、第７２巻（２００３年）第６号、第５１〜５５頁

しかしながら、図６の（ａ），（ｂ）では、内部欠陥のある部位と、健全部との境界線が明確ではない。これは、熱拡散によるものと解される。仮に膨大な位相差分布のプロファイルが記憶されていれば、照合によって、より正確に内部欠陥の形状等を推定することもできるかもしれないが、現実的ではない。また、検査者の判断に委ねると、検査者ごとに検査結果が微妙に異なることにもなり得る。

このように、従来の非破壊検査方法では、位相差分布を用いた場合に、内部欠陥のある部位と健全部との境界線が明確ではなく、そのため、内部欠陥の位置、寸法、形状を正確に判定することは困難であった。
かかる従来の問題点に鑑み、本発明は、位相差分布を用いた場合において、内部欠陥のある部位と健全部との境界を正確に捉えることができる非破壊検査方法又は装置を提供することを目的とする。

本発明は、検査対象物を励起してロックイン処理を行うサーモグラフィによる非破壊検査方法であって、前記ロックイン処理を用いて位相差分布を求め、位置に対応した位相の変化を１次近似した勾配が正の最大値及び負の最大値となる位置をそれぞれ求めて、当該位置を、内部欠陥のある部位と健全部との境界と判定する、という非破壊検査方法である。
検査対象物の内部欠陥のある部位と健全部との境界では位相が最も急峻に変化する。そこで、上記の非破壊検査方法では、位相の変化を１次近似した勾配が正の最大値及び負の最大値となる位置をそれぞれ求めて、当該位置を、境界点と判定することにより、正確に境界を捉えることができる。また、多数の境界点から境界線がわかる。

また、上記非破壊検査方法において、位相差分布において連続する複数個の点について１次近似し、次に、一方向へ所定個数ずらして同一の複数個の点について１次近似する、という演算過程を順次行って、勾配が正の最大値及び負の最大値となる位置をそれぞれ求めるようにしてもよい。
勾配の最大値は、勾配変化の少ないところに現れる。そこで、複数個とする個数を十分にとることにより、勾配変化が少ないところでも、勾配を精度よく求めることできる。

また、別の視点からは、本発明は、検査対象物を励起してロックイン処理を行うサーモグラフィを用いた非破壊検査装置であって、前記ロックイン処理を用いて位相差分布を求め、位置に対応した位相の変化を１次近似した勾配が正の最大値及び負の最大値となる位置をそれぞれ求めて、当該位置を、内部欠陥のある部位と健全部との境界と判定する情報処理装置を備えたものである。

検査対象物の内部欠陥のある部位と健全部との境界では位相差が最も急峻に変化する。そこで、上記の非破壊検査装置では、位相の変化を１次近似した勾配が正の最大値及び負の最大値となる位置をそれぞれ求めて、当該位置を、境界点と判定することにより、正確に境界を捉えることができる。また、多数の境界点から境界線がわかる。

本発明の非破壊検査方法及び装置によれば、内部欠陥のある部位と健全部との境界を正確に捉えることができる。また、多数の境界点から境界線がわかり、形状も正確に把握することができる。

本発明の一実施形態に係る非破壊検査装置の構成を示す図である。 （ａ）は、位相差分布の一例を示す図、（ｃ）は内部欠陥のある物体の断面図の一例、（ｂ）は、（ａ）に基づく位相変化の勾配を表すグラフの一例である。 物体の４種類のサンプル（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）と、それぞれの位相差分布画像（ｅ），（ｆ），（ｇ），（ｈ）の図である。 図３の４種類のサンプル（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）についての位相差分布のグラフである。 サンプル（ｂ），（ｃ），（ｄ）についての、１次近似した勾配の変化を示すグラフである。 （ｃ）は内部欠陥のある物体の断面図の一例、（ｂ）は、この物体の位相差分布の画像、（ａ）は、面状の分布を一次元（横一線）で見た場合の、物体表面の位置に対応した位相変化の一例を示すグラフである。

図１は、本発明の一実施形態に係る非破壊検査装置１０の構成を示す図である。図において、内部欠陥についての検査対象となる物体１の表面には、例えば２つの赤外線ランプ２から赤外線が図示のように照射される。この照射は、調光部３の制御により、所定の周波数で点滅又は強弱を繰り返すように行われる。赤外線照射により物体１は励起され、赤外線を放射する。このとき、内部欠陥のある部位と健全部とでは、光励起によって発生する温度変化に時間的な位相差が生じる。

光励起によって発生する温度変化は、赤外線センサ４によって検出される。赤外線センサ４の面状の全画素によって捉えられる信号は、デジタル値に変換されて記憶部５にフレーム単位で一時記憶される。記憶された信号は、演算部６によって処理され（詳細後述）、演算結果は表示部７に表示される。また、演算部６は、Ｄ／Ａコンバータ８を介して、調光部３を制御する。記憶部５、演算部６、表示部７及びＤ／Ａコンバータ８は、コンピュータ等の情報処理装置９を用いて構成することができる。

次に、演算部６の処理（非破壊検査方法）について詳細に説明する。演算部６は、記憶部５に記憶された信号に対してフーリエ位相解析を行い、位置（画素）に対応する位相差分布を求める。図２の（ａ）は、この位相差分布の一例を示す図である。但し、これは説明用に原理的に示す図であり、実際の点の数はもっと多い。横軸の位置は、面状の全画素における横一列分の画素に相当する。実際には、このような位相差分布が、縦方向の画素数分だけ求められることになるが、ここでは、そのうちの横一列分についてのみ説明する。なお、（ｃ）は内部欠陥１ｆのある物体１の断面図の一例、（ｂ）は、（ａ）に基づく位相変化の勾配（全体としては勾配の変化）を表すグラフの一例である。

まず、図２の（ａ）に示す、点の集まりである位相差分布について、演算部６は、任意の点Ｎ_１から一方向（例えば横軸正方向）に順に現れるｉ（２以上の自然数）個の点、すなわち、Ｎ_１〜Ｎ_ｉについて、横軸Ｘ、縦軸Ｙ、勾配ａ、切片ｂとするＹ＝ａＸ＋ｂの１次式による１次近似を行う。演算部６は、このような１次近似を、例えば横軸の左端の点から右端の点まで、１点ずつ正方向へずらしながら行う。この結果、（ｂ）のグラフに示すような、位置に対応する位相変化の勾配のデータが得られる。

なお、ｉの最小値は２であり、この場合の１次近似とは、互いに隣接する２点を結ぶ直線の勾配を求めることになる。勾配の変化が大きいところでは少ない点で勾配を求めることも便利であるが、逆に、勾配の変化が少ないところでは、点を多めにした方が、勾配を精度よく求めることできる。勾配の最大値が現れるのは、勾配変化が少ない所である。

そして、演算部６は、求めた多数の勾配ａの中から、絶対値が正の最大値ａ_ｍａｘ＋及び負の最大値ａ_ｍａｘ−となるものを抽出し、正の最大値ａ_ｍａｘ＋を生じさせたｉ個の点の中間位置Ｘ_ｍａｘ＋及び、負の最大値ａ_ｍａｘ−を生じさせたｉ個の点の中間位置Ｘ_ｍａｘ−を求める。これら２つの位置Ｘ_ｍａｘ＋，Ｘ_ｍａｘ−は、内部欠陥がある部位と健全部との境界点である。すなわち、境界点では勾配が最も急峻に変化すると考えられるからである。また、内部欠陥の幅は、２つの位置Ｘ_ｍａｘ＋，Ｘ_ｍａｘ−間の距離すなわち、|Ｘ_ｍａｘ−−Ｘ_ｍａｘ＋|である。さらに、物体表面の縦方向の各列についても逐次境界点を求めることにより、境界線や内部欠陥の形状を正確に捉えることができる。得られたこれらの定量的なデータは、表示部７に表示することができる。

図３は、物体の４種類のサンプル（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）と、それぞれの位相差分布画像（ｅ），（ｆ），（ｇ），（ｈ）の概略図である。サンプル（ａ）は内部欠陥が無く、従って、位相差分布画像にも位相差は現れない。サンプル（ｂ），（ｃ），（ｄ）はそれぞれ、内部欠陥の幅が、２０ｍｍ，１０ｍｍ，５ｍｍであり、位相差分布画像には色の違いとして、内部欠陥の幅の違いが概ね現れている。しかし、境界線（境界点）は明確ではない。

図４は、上記４種類のサンプル（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）についての位相差分布のグラフである。なお、線状に図示しているが、実際には多くの点の集まりである。図５は、サンプル（ｂ），（ｃ），（ｄ）についての、１次近似した勾配の変化を示すグラフである。

１次近似式におけるＸ，ＹについてＹ＝ｆ（Ｘ）とし、Ｘ方向の画素間ピッチをδｘとすると、勾配ａは、
ａ＝｛ｆ（Ｘ＋δｘ）−ｆ（Ｘ）｝／｛（Ｘ＋δｘ）−Ｘ｝
＝｛ｆ（Ｘ＋δｘ）−ｆ（Ｘ）｝／δｘ
となる。ここで、δｘは定数であるから、勾配ａの変化に対して支配的な量は、分子の｛ｆ（Ｘ＋δｘ）−ｆ（Ｘ）｝である。つまり、最も簡単に表した勾配相当量は、隣接する２点の位相差（差分値）である。そこで、縦軸の数値は、互いに隣接する２画素間の位相差をそのまま勾配に相当する量として表している。正・負の最大値となる位置がそれぞれのサンプルにおける内部欠陥のある部位と健全部との境界点である。最大値間の距離すなわち内部欠陥の幅は、それぞれ、約２０ｍｍ，約１０ｍｍ，約５ｍｍとなっており、実物と合致している。

以上のように、本実施形態の非破壊検査装置（方法）によれば、位相の変化を１次近似した勾配が正の最大値及び負の最大値となる位置をそれぞれ求めて、当該位置を、境界点と判定することにより、正確に境界を捉えることができる。また、多数の境界点から境界線がわかり、形状を正確に把握することができる。さらに、演算結果を数値で示すことができるので、検査の高能率化・自動化に寄与する。

本実施形態の非破壊検査装置（方法）は、温度変化振幅分布では明確に現れない種々の内部欠陥を発見することに、適用可能である。例えば、外からは見えない接着接合部の欠陥（接着層の局所的な欠落等）を検査することにも適用可能である。

なお、本実施形態では、検査対象物の励起に、赤外線ランプを使用する例を示したが、その他、ヒータ、レーザ光、誘導加熱、超音波励起を用いることも可能である。
また、上記実施形態では、勾配が最大値となるときのｉ個の点の中間点を境界の位置とする例を示したが、１次近似の方法によっては、中間点でなく、始点Ｎ_１や終点Ｎ_ｉの位置としてもよい。

１：物体（検査対象物）、９：情報処理装置、１０：非破壊検査装置

Claims (3)

1. 検査対象物を励起してロックイン処理を行うサーモグラフィによる非破壊検査方法であって、
   前記ロックイン処理を用いて位相差分布を求め、
   位置に対応した位相の変化を１次近似した勾配が正の最大値及び負の最大値となる位置をそれぞれ求めて、当該位置を、内部欠陥のある部位と健全部との境界と判定する
   ことを特徴とする非破壊検査方法。
2. 前記位相差分布において連続する複数個の点について１次近似し、次に、一方向へ所定個数ずらして同一の複数個の点について１次近似する、という演算過程を順次行って、前記勾配が正の最大値及び負の最大値となる位置をそれぞれ求める請求項１記載の非破壊検査方法。
3. 検査対象物を励起してロックイン処理を行うサーモグラフィを用いた非破壊検査装置であって、
   前記ロックイン処理を用いて位相差分布を求め、位置に対応した位相の変化を１次近似した勾配が正の最大値及び負の最大値となる位置をそれぞれ求めて、当該位置を、内部欠陥のある部位と健全部との境界と判定する情報処理装置、を備えたことを特徴とする非破壊検査装置。

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