JP2014219238A - 内部欠陥検査装置及び内部欠陥の検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被測定物の内部の層状の欠陥を短時間に簡易に、かつ高精度に検出することができる検査装置および検査方法を提供すること。【解決手段】被測定物１０に照射されるマイクロ波８を出力する送信アンテナ１と、送信アンテナ１と空間的に分離され、被測定物１０からの反射波を受信する受信アンテナ２とを有し、被測定物１０の内部の層状の欠陥１１を検出する検査装置であって、マイクロ波８の偏波方向８ｐは水平面に垂直となるように設定され、受信アンテナ２は、その感度が最大となる偏波方向が被測定物１０の内部に層状の欠陥がないときに受信される被測定物１０からの反射波による信号強度が最小となるように設定されている。マイクロ波８の波源の生成および反射波からの検出信号の生成は回路部３で行われる。【選択図】 図１

Description

本発明は、各種製品を構成する物品の内部に生じた欠陥を非破壊で検出する内部欠陥検査装置及び方法に関し、特にマイクロ波の反射特性を利用して内部の層状の欠陥を検出する内部欠陥検査装置及び内部欠陥の検査方法に関する。

従来、物体の内部の欠陥などを非破壊で検出する方法や装置として、例えば、特許文献１〜３に記載された方法や装置が知られている。特許文献１には従来のタイヤの剥離検査装置の一例が記載されている。タイヤの一方の表面側から加熱手段によりタイヤを加熱し、剥離部分の熱伝導が小さいことを利用して、加熱された部分の温度分布を測定することにより剥離の発生を検出するものである。

特許文献２に記載の検査装置は、マイクロ波などの電磁波を測定対象となるコンクリート構造物に向けて照射し、そこからの反射波の強度や位相を検出することにより、その構造物の内部に生じたクラックや剥離などの欠陥を検出するものであり、電磁波の照射・検知手段を測定対象物上で走査することにより検出結果を画像データとして出力するものである。特許文献２においては、照射用のアンテナに対して検出用のアンテナを分離して設置し、その設置角度を照射されたマイクロ波が正反射する方向からずらすことで表面反射のノイズを減らす構成が記載されている。

特許文献３に記載の装置は、主として小型の部品等の内部の欠陥などを非破壊で測定する装置であり、検出を容易に、かつ高精度に行うことを目的として、送受信共用のアンテナを用いて構成したマイクロ波の共振系の中に被測定物を配置し、欠陥によるマイクロ波の透過波又は反射波の振幅の変化を検出する構成となっている。

特開２００５−２０７７６３号公報 特開２００７−１２１２１４号公報 特許３７５４５５６号公報

樹脂などの板状の部材を用いた様々な工業部材や製品が使用されており、このような材料や製品において、その板状部材の張り合わせ部などの剥離や不適合層の混入のような内部に生じた層状の欠陥を短時間に簡易に、かつ高精度に検出することが望まれている。しかしながら、上記の従来の検査方法や装置では、このような要求に対しては十分な性能は得られない。

特許文献１の温度分布の測定による方法では、測定に一定の時間を要することや周囲環境の影響もあることから、短時間の検査や高精度の測定が難しい。

一方、特許文献２に記載の検査方式はコンクリート構造物などのクラックのエッジ付近からの散乱波を測定する方式であることから、板状部材の内部に表面に対して平行に発生した剥離などのように、物体の内部の層状の欠陥を検査する場合には精度が不十分である。

また、特許文献３に記載の、アンテナと被測定物を含んだマイクロ波の共振回路を構成する方式では、アンテナと被測定物との間の距離により測定値が変化してしまうため、正確な測定を行うためには上記の距離を精度よく一定に保つ必要がある。このため、特許文献３の装置を用いて、内部の剥離欠陥を短時間に簡易に測定することは難しい。

そこで、本発明は、係る問題を解決するためになされたものであり、被測定物の内部の層状の欠陥を短時間に簡易に、かつ高精度に検出することができる内部欠陥検査装置及び内部欠陥の検査方法を提供することを目的とする。

第１の観点では、本発明の内部欠陥検査装置は、被測定物の内部の層状の欠陥を検出する検査装置であって、前記被測定物に照射されるマイクロ波を出力する送信アンテナと、該送信アンテナと空間的に分離され、前記マイクロ波の前記被測定物からの反射波を受信する受信アンテナとを有し、前記送信アンテナから出力されるマイクロ波の強度が最大となる偏波方向と前記受信アンテナの感度が最大となる偏波方向が異なることを特徴とする。

被測定物の内部の層状の欠陥に対して高い検出精度を得るためには、被測定物の欠陥からの反射波以外の信号成分、すなわち、被測定物以外からの信号成分や被測定物の表面および裏面などから生ずる反射波を除去してノイズを減らすことが重要である。しかし、送信アンテナと受信アンテナとを共用した場合、アンテナの前段に方向性結合器やサーキュレータが必要となるので、これらのデバイス内およびデバイス間の接続部での反射や、照射波のアンテナ開口部からの反射を除くことが困難であるため、十分なＳ／Ｎを得ることは難しい。本発明では送信アンテナと受信アンテナとが分離されているため、上記のような反射による信号成分を除くことができる。また、マイクロ波は電磁的な性質が異なる境界により反射されるが、その場合、一般的に偏波状態により反射率が異なるため、反射波の偏波状態は入射波とは異なり、その違いは境界を形成する材料で決定される。本発明では、受信アンテナの感度が最大となる偏波方向を、送信アンテナから出力されるマイクロ波の強度が最大となる偏波方向に一致させるのではなく、欠陥からの反射波の信号強度が最大となるように設定することや、ノイズ成分となる欠陥以外からの反射波の信号強度が最小となるように設定することで、被測定物の内部の層状の欠陥に対して、さらに高い検出精度を得ることができる。また、本発明においては、送信アンテナと受信アンテナが分離され、送信側と受信側が独立した配置となっているため、被測定物の設置位置に対する許容度は大きい。

第２の観点では、本発明は、前記第１の観点の内部欠陥検査装置において、前記受信アンテナの感度が最大となる偏波方向は、前記被測定物の内部に層状の欠陥がないときに受信される前記被測定物からの反射波による信号強度が最小となるように設定されることを特徴とする。これにより、ノイズ成分となる欠陥以外からの反射波の信号強度が最小となり、受信信号のＳ／Ｎを大きくすることができる。

第３の観点では、本発明は、前記第１または第２の観点の内部欠陥検査装置において、前記送信アンテナから出力されるマイクロ波の周波数と異なる周波数のマイクロ波である局部波を発信する局部発振器と、前記局部波と前記受信アンテナにより受信された受信信号とを合波し両者の周波数の差の周波数を有する差周波数信号を生成するミキサと、前記差周波数信号を通過させる周波数フィルタとを有することを特徴とする。

本観点の発明は、ヘテロダイン方式の検出を行うものである。本発明による内部欠陥検査装置を実用する場合、送信アンテナからのマイクロ波出力を電波法で規定されているレベルまで下げる必要があり、その周波数によっては、出力レベルを非常に小さく抑える必要が生ずる。この場合、受信信号をそのままアンプで増幅するだけでは検出信号のＳ/Ｎが低くなり欠陥の検出ができない場合が起こり得る。そこで、本観点の内部欠陥検査装置では、ヘテロダイン方式を採用し、先ず受信信号を局部波と合波することにより中間周波数へダウンコンバートする。その後、ノイズなどの不要成分をフィルタ等で除去した後に、ノイズフィギュアの小さなアンプで増幅する。これにより任意の周波数帯域でＳ/Ｎの高い検出が実現可能となる。

第４の観点では、本発明は、前記第３の観点の内部欠陥検査装置において、前記局部発振器は周波数が時間的に変化する掃引型の発振器であって、前記送信アンテナから出力されるマイクロ波は、前記局部発振器により発生させた信号と固定の周波数を発振する固定発振器により発生させた信号とを合波することに得た両者の周波数の和の周波数を有し、前記受信アンテナにより受信された受信信号の振幅と位相から前記層状の欠陥の深さを検出する手段を有することを特徴とする。

このように周波数を掃引してマイクロ波を照射し、各周波数に対する受信信号の振幅と位相の値を逆フーリエ変換することにより反射波の時間軸に対する応答、すなわち反射波の相対的な到達時間を算出し、被測定物の内部にある層状の欠陥の深さを求めることができる。

第５の観点では、本発明は、被測定物の内部にある層状の欠陥を検出する検査方法であって、前記被測定物に照射されるマイクロ波を出力する送信アンテナと、該送信アンテナと空間的に分離され、前記マイクロ波の前記被測定物からの反射波を受信する受信アンテナとを配置し、前記送信アンテナから出力されるマイクロ波の強度が最大となる偏波方向と前記受信アンテナの感度が最大となる偏波方向が異なるように設定することを特徴とする内部欠陥の検査方法を提供する。

第６の観点では、本発明は、前記第５の観点の内部欠陥の検査方法において、前記被測定物は、板状の部分を有し、該板状の部分の内部に生じた剥離状の欠陥を検出することを特徴とする。特に、板状の被測定物において内部の剥離状の欠陥に対して高い検出精度を得るためには、欠陥による反射波とほぼ同じ向きであることが多い被測定物の表面および裏面から生ずる反射波を除去してノイズを減らすことが重要である。本発明では送信アンテナと受信アンテナとが分離されていること、および送信アンテナから出力されるマイクロ波の強度が最大となる偏波方向と前記受信アンテナの感度が最大となる偏波方向が異なるため、板状の被測定物の内部の剥離状の欠陥に対しても高い検出精度を得ることができる。

第７の観点では、本発明は、前記第６の観点の内部欠陥の検査方法において、前記板状の部分は金属以外の層状の材料を貼り合わせた部分であることを特徴とする。特に層状構造を有する樹脂製品等においては、内部に剥離欠陥が生じた場合、その部分の誘電率の変化が大きいため、大きなマイクロ波の反射率が得られ、本発明を用いることにより、より簡易に、かつ高精度に検出することが可能となる。

第８の観点では、本発明は、前記第６または第７の観点の内部欠陥の検査方法において、前記被測定物は、前記板状の部分の前記マイクロ波が照射される表面とは反対の裏面側に金属部分を備えることを特徴とする。被測定物の裏面に金属板などを備える製品に本発明の検査方法を適用する場合、測定対象となる板状の部分を通過したマイクロ波はすべてその金属板により反射されるので、バックグランドとなる金属板からの反射波の偏波がより大きく変化するため、欠陥以外で生じた反射波を除くための受信アンテナの偏波方向の調整が容易となる。

以上のように、本発明の内部欠陥検査装置及び内部欠陥の検査方法によれば、被測定物の内部の層状の欠陥を短時間に簡易に、かつ高精度に検出することができる検査装置および検査方法が得られる。

実施例１に係る内部欠陥検査装置の模式的な構成図。 実施例１に係る内部欠陥検査装置の全体の構成を示すシステム構成図。 実施例１に係る内部欠陥検査装置に使用するＩＱミキサの内部構成図。 実施例１に係る内部欠陥検査装置による検出結果の一例を示す図であり、被測定物の深さ方向に対応した信号の強度分布を示す図。 実施例１に係る内部欠陥検査装置による検出結果の一例を示す図であり、欠陥が存在する深さでの信号強度をプロットした結果を示す図。

以下、図面を参照して本発明の内部欠陥検査装置を実施例により詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一符号を付し、その重複した説明を省略する。

図１は、実施例１に係る内部欠陥検査装置２０の模式的な構成図である。図１において、本実施例の内部欠陥検査装置２０は、被測定物１０に照射されるマイクロ波８を出力する送信アンテナ１と、送信アンテナ１と空間的に分離され、マイクロ波８の被測定物１０からの反射波を受信する受信アンテナ２とを有し、被測定物１０の内部の層状の欠陥１１を検出する検査装置である。被測定物１０に照射されるマイクロ波８の偏波方向８ｐは、送信アンテナ１の設置角度を調整して水平面に垂直となるように設定されている。一方、受信アンテナ２の設置角度は、その感度が最大となる偏波方向が被測定物１０の内部に層状の欠陥がないときに受信される被測定物１０からの反射波による信号強度が最小となるように設定されている。送信アンテナ１から出力されるマイクロ波８の波源の生成および受信アンテナ２で受信された反射波からの検出信号の生成は回路部３で行われる。回路部３で生成された信号は信号処理部９に送られ、入力された信号に基づく演算などの信号処理、データの表示部やプリンタなどへの出力、記憶装置への記録などが行われる。信号処理部９にはパーソナルコンピュータなどを含んでもよい。

図１に示すように、被測定物１０からの反射波には、被測定物１０の表面１２からの反射波２２、内部の欠陥１１からの反射波２１、被測定物１０の裏面１３からの反射波２３が含まれている。これらの反射波はそれぞれの反射面を挟む媒質が異なるため、偏波状態が異なっている。本実施例では、被測定物１０の裏面１３に金属板がある場合、そこからの反射波２３の強度が大きいので、その反射波２３の偏波方向２３ｐに対して受信アンテナ２の感度が最小となるように設定されている。欠陥１１が剥離による空隙や金属以外の異物の混入などの場合、その偏波方向２１ｐは裏面１３の金属板での反射による偏波方向２３ｐとは異なるので、欠陥１１による反射波２１は受信アンテナ２により検出される。上記のような条件で実験的に設定された一例としては、受信アンテナ２の感度が最大となる偏波方向は水平面に対して４０〜５０度程度とした。

図２は実施例１に係る内部欠陥検査装置２０の全体の構成を示すシステム構成図である。図２に示すように、回路部３において、先ず、固定周波数ｆ_１のマイクロ波を発信する固定発振器３１により生成された信号に、掃引周波数として可変の周波数ｆ_２のマイクロ波を発信する掃引発振器３２により生成された信号をアップコンバータ３３により合波して周波数ｆ_１＋ｆ_２の送信波を生成する。この送信波をアッテネータ３４により電波法によって規定された送信強度に調整し、送信アンテナ１からマイクロ波８として放射し被測定物１０へ照射する。図１に示すように、マイクロ波８は被測定物１０の表面１２、裏面１３や欠陥１１等の誘電率が変化する境界面で反射し、それらの反射波を受信アンテナ２で受信する。受信波の振幅Ａ４は、欠陥１１からの反射波２１の情報を含んでおり、送信周波数ｆ_１+ｆ_２の関数で表わされる。

本発明の内部欠陥検査装置において、マイクロ波の周波数によっては、送信アンテナ１から放射されるマイクロ波の出力強度は電波法により非常に小さな強度に制限される。その場合、受信アンテナ２での受信強度も非常に小さくなり、アンプで増幅するだけではＳ／Ｎが不十分となり、精度よく測定することができない場合が生ずる。そこで、本実施例では、高い検出感度を得るため、送信アンテナ１から出力されるマイクロ波の周波数と異なる周波数のマイクロ波である局部波を発信する局部発振器と、局部波と受信アンテナ２により受信された受信信号とを合波し両者の周波数の差の周波数を有する差周波数信号を生成するミキサと、差周波数信号を通過させる周波数フィルタとを備え、ヘテロダイン方式により受信回路を構成している。すなわち、本実施例において、局部発振器として掃引発振器３２を使用し、受信アンテナ２により受信された受信信号をローノイズアンプ３６で増幅した後、ミキサ３５において掃引発振器３２により生成された信号と合波することにより、受信信号の周波数ｆ_１＋ｆ_２と掃引発振器３２の信号の周波数ｆ_２の差の周波数 ｆ_１を有する信号を得ている。ここで、ミキサ３５からの出力には差の周波数ｆ_１、元の周波数ｆ_１＋ｆ_２、和の周波数ｆ_１＋２ｆ_２の信号が含まれるため、それをバンドパスフィルタ３７を通過させることにより差の周波数ｆ_１のみを有する信号を得ている。

周波数ｆ_１以外の不用成分が除去された信号はローノイズアンプ３８で増幅され、欠陥情報を有する計測信号としてＩＱミキサ４０に入力され、ＩＱミキサ４０内で固定発振器３１の周波数ｆ_１の参照波信号と合波され、検出信号が得られる。

図３は本実施例に使用するＩＱミキサの内部構成図である。図３において、計測信号をパワーディバイダ４１で２つに分け、その分けられた同位相の２つの信号をそれぞれミキサ４３、ミキサ４４のＲＦポートに入力する。一方、参照波信号はハイブリッド４２に入力され、位相が互いに９０度異なる２つの信号に分けられ、それぞれミキサ４３、ミキサ４４のＬＯポートに入力する。ミキサ４３、ミキサ４４では、それぞれ計測信号と参照波信号の差の周波数信号と和の周波数信号が生成され、それぞれローパスフィルタ４５、ローパスフィルタ４６を通過させることにより差の周波数信号だけを取り出す。取り出される信号は、受信波の位相δと振幅Ａ_５の情報を含んだｓｉｎ波成分とｃｏｓ波成分の検出信号として出力される。

図２に示したように、被測定物１１に照射されるマイクロ波８は周波数が掃引されており、各周波数に対するマイクロ波の波長が変化するので一定の反射面からの反射波の振幅と位相が周波数に対して変化する。そこで受信信号の周波数応答、すなわち各周波数に対する振幅と位相の値を逆フーリエ変換することにより反射波の相対的な到達時間差を算出し、反射面までの距離、すなわち被測定物の内部にある層状の欠陥の深さを求めることができる。本実施例においては、上記のように受信アンテナにより受信された受信信号の振幅と位相から欠陥１１の深さを検出する手段を信号処理部９の内部に有している。

図４および図５は、実施例１に係る内部欠陥検査装置による検出結果の一例を示す図であり、板状の材料を張り合わせて構成された製品における層状の剥離欠陥を測定した結果の一例を示す図である。図４は被測定物の深さ方向に対応した信号の強度分布を示す図、図５は欠陥が存在する深さでの信号強度をプロットした結果を示す図である。

図４の縦軸は得られた信号の深さに対応しており、横軸はマイクロ波を照射した基準点からの相対的な位置である。実際の検出装置の表示画面では横軸および縦軸の座標で示される点における信号強度が色調で表示されるが、図４においては白黒の濃淡で示し、黒色に近いほど信号強度が大きいことを示している。図４の測定結果では、被測定物の表面における反射波および深さ１００ｍｍの位置の裏面における反射波の強度が大きく示されており、その間、すなわち被測定物内の深さ４０ｍｍ程度の部分の基準位置から５０ｍｍ程度の位置に欠陥による反射波が存在していることがわかる。

図５は上記の深さ４０ｍｍの部分の信号強度をマイクロ波を照射した基準点からの相対的な位置に対してプロットしたものであり、剥離欠陥の位置が明確に示されている。

なお、上記の測定においては、被測定物の設置位置が数ｍｍ程度以上変化しても同じ測定結果が得られることが確認できた。

また、上記の測定においては、マイクロ波の照射範囲をある程度以上に広げ、製品の表面の凹凸よる反射波の変動が平均化して低減されるように考慮した。

また、表面に周期的な凹凸を有する被測定物においては、表面の凹凸による反射波の変動によって計測信号に現れるノイズ波形は表面形状に応じてほぼ一定となるので、その波形を信号処理により除去することも可能である。

以上のように、本発明により被測定物の内部の層状の欠陥を短時間に簡易に、かつ高精度に検出できることが確認できた。

なお、本発明は上記の実施例に限定されるものではないことは言うまでもなく、目的や用途に応じて設計変更可能である。例えば、送信アンテナと受信アンテナの感度が最大となる偏波方向は、被測定物により、水平面に対し０〜１８０度の範囲で最適な角度に設定することができる。また、反射波から得られる信号強度が大きく、必要なＳ／Ｎが得られれば、回路部の構成は、通常のアンプと、平均化処理やフィルタなどによるノイズ低減回路と、ピーク値や振幅の検出回路などの信号処理回路を用いても構成可能であり、ヘテロダイン方式を採用しなくてもよい。また、本発明の対象とする被測定物は、金属材料以外で構成された内部に層状の欠陥を有するものであれば如何なる物体であってもよい。本発明で用いるマイクロ波の周波数は、１〜１５０ＧＨｚの帯域内で、欠陥の大きさや被測定物の物性に応じて選択可能である。この場合、一般的に低い周波数帯では分解能が低下するが、低コストとなり、高い周波数帯では分解能は高いが、高コストとなる。さらに、図２に示した回路機能と同等の機能を有するデバイスを使用することで、マイクロ波の周波数を３００ＧＨｚまで拡張することが可能である。

１ 送信アンテナ
２ 受信アンテナ
３ 回路部
８ マイクロ波
８ｐ、２１ｐ、２３ｐ 偏波方向
９ 信号処理部
１０ 被測定物
１１ 欠陥
１２ 表面
１３ 裏面
２０ 内部欠陥検査装置
２１、２２、２３ 反射波
３１ 固定発振器
３２ 掃引発振器
３３ アップコンバータ
３４ アッテネータ
３５、４３、４４ ミキサ
３６、３８ ローノイズアンプ
３７ バンドパスフィルタ
４０ ＩＱミキサ
４１ パワーディバイダ
４２ ハイブリッド
４５、４６ ローパスフィルタ

Claims (8)

1. 被測定物の内部の層状の欠陥を検出する検査装置であって、前記被測定物に照射されるマイクロ波を出力する送信アンテナと、該送信アンテナと空間的に分離され、前記マイクロ波の前記被測定物からの反射波を受信する受信アンテナとを有し、前記送信アンテナから出力されるマイクロ波の強度が最大となる偏波方向と前記受信アンテナの感度が最大となる偏波方向が異なることを特徴とする内部欠陥検査装置。
2. 前記受信アンテナの感度が最大となる偏波方向は、前記被測定物の内部に層状の欠陥がないときに受信される前記被測定物からの反射波による信号強度が最小となるように設定されることを特徴とする請求項１に記載の内部欠陥検査装置。
3. 前記送信アンテナから出力されるマイクロ波の周波数と異なる周波数のマイクロ波である局部波を発信する局部発振器と、前記局部波と前記受信アンテナにより受信された受信信号とを合波し両者の周波数の差の周波数を有する差周波数信号を生成するミキサと、前記差周波数信号を通過させる周波数フィルタとを有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内部欠陥検査装置。
4. 前記局部発振器は周波数が時間的に変化する掃引型の発振器であって、前記送信アンテナから出力されるマイクロ波は、前記局部発振器により発生させた信号と固定の周波数を発振する固定発振器により発生させた信号とを合波することにより得た両者の周波数の和の周波数を有し、前記受信アンテナにより受信された受信信号の振幅と位相から前記層状の欠陥の深さを検出する手段を有することを特徴とする請求項３に記載の内部欠陥検査装置。
5. 被測定物の内部にある層状の欠陥を検出する検査方法であって、前記被測定物に照射されるマイクロ波を出力する送信アンテナと、該送信アンテナと空間的に分離され、前記マイクロ波の前記被測定物からの反射波を受信する受信アンテナとを配置し、前記送信アンテナから出力されるマイクロ波の強度が最大となる偏波方向と前記受信アンテナの感度が最大となる偏波方向が異なるように設定することを特徴とする内部欠陥の検査方法。
6. 前記被測定物は、板状の部分を有し、該板状の部分の内部に生じた剥離状の欠陥を検出することを特徴とする請求項５に記載の内部欠陥の検査方法。
7. 前記板状の部分は金属以外の層状の材料を貼り合わせた部分であることを特徴とする請求項６に記載の内部欠陥の検査方法。
8. 前記被測定物は、前記板状の部分の前記マイクロ波が照射される表面とは反対の裏面側に金属部分を備えることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の内部欠陥の検査方法。