JP2017122669A - 超音波検査装置及び超音波検査方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】複雑形状の被検査体等、通常の超音波検査装置では検査することが困難な被検査体であっても、高感度かつ高速に被検査体内部の状態を非破壊検査することができる超音波検査装置を提供すること。【解決手段】超音波検査装置は、レーザー照射装置と、超音波検出装置と、該超音波検出装置からの信号を演算する信号処理装置とを備える。そして、上記レーザー照射装置が、被検査体にレーザー光を照射し超音波を励起させるものであり、上記超音波検出装置と上記被検査体とが離間して液体中に配置され、上記超音波検出装置が、被検査体のレーザー光照射面の裏面側で上記超音波を検出する。【選択図】図１
Description
本発明は、超音波検査装置に係り、更に詳細には、通常の超音波検査装置では検査することが困難な複雑な形状の被検査体等であっても、高感度な非破壊検査ができる超音波検査装置及び超音波検査方法に関する。
レーザー超音波検査方法は、複雑な形状の被検査体等、従来のプローブ式超音波検査方法では検査が困難であった被検査体の内部検査を可能にするものである。
上記レーザー超音波検査方法は、検査対象にレーザー照射して超音波を励起させ、この上記検査対象に発生した超音波を計測することで、検査対象の内部欠陥等を非破壊検査できるものであり、各種材料の検査に用いられている。
特許文献１の特開平８−２８５８２６号公報には、被検査体の表面にレーザー光を照射して超音波を励起させると共に、上記被検査体表面に向けて水柱を射出し、該水柱を介して上記被検査体表面の超音波を受信する超音波検査装置が開示されている。
しかしながら、特許文献１に記載のものにあっては、水柱を介して被検査体表面の超音波を受信するものであって、超音波の受信面積が限られるものであるため、被検査体が積層構造である場合等、超音波を減衰させ易いものであると、Ｓ／Ｎ比が小さくなり誤差が生じ易い。
また、超音波を励起させるレーザー光の照射面と、受信する超音波の発生面とが同じであるため、発生する超音波はレーザー光照射面側の状態が偏重したものとなり、レーザー照射面の裏面側の識別性を向上させることが困難である。
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、複雑形状の被検査体等、通常の超音波検査装置では検査することが困難な被検査体であっても、高感度で被検査体内部の状態を非破壊検査することができる超音波検査装置を提供することにある。
本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、超音波受信装置と被検査体とを液体中に入れ、上記超音波受信装置を被検査体のレーザー光照射面の裏面側に離間して配置することにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、上記課題は本発明の下記超音波検査装置によって解決される。
（１）レーザー照射装置と、超音波受信装置と、該超音波受信装置からの信号を演算する信号処理装置とを備える超音波検査装置であって、
上記レーザー照射装置が、被検査体にレーザー光を照射し超音波を励起させるものであり、上記超音波受信装置と上記被検査体とが離間して液体中に配置され、上記超音波受信装置が、被検査体のレーザー光照射面の裏面側で上記超音波を受信するものであることを特徴とする超音波検査装置。
（２）上記超音波受信装置の受信面積が、上記被検査体のレーザー光照射方向の投影面積よりも大きいものであることを特徴とする上記第（１）項に記載の超音波検査装置。
（３）上記超音波受信装置の受信面と上記被検査体との間隔が、上記被検査体のレーザー光照射方向の厚さの０．５〜２倍であることを特徴とする上記第（１）項又は第（２）項に記載の超音波検査装置。
（４）上記超音波受信装置が、圧電変換器であることを特徴とする上記第（１）項〜第（３）項のいずれか１つの項に記載の超音波検査装置。
（５）上記液体が、水であることを特徴とする上記第（１）項〜第（４）項のいずれか１つの項に記載の超音波検査装置。
（１）レーザー照射装置と、超音波受信装置と、該超音波受信装置からの信号を演算する信号処理装置とを備える超音波検査装置であって、
上記レーザー照射装置が、被検査体にレーザー光を照射し超音波を励起させるものであり、上記超音波受信装置と上記被検査体とが離間して液体中に配置され、上記超音波受信装置が、被検査体のレーザー光照射面の裏面側で上記超音波を受信するものであることを特徴とする超音波検査装置。
（２）上記超音波受信装置の受信面積が、上記被検査体のレーザー光照射方向の投影面積よりも大きいものであることを特徴とする上記第（１）項に記載の超音波検査装置。
（３）上記超音波受信装置の受信面と上記被検査体との間隔が、上記被検査体のレーザー光照射方向の厚さの０．５〜２倍であることを特徴とする上記第（１）項又は第（２）項に記載の超音波検査装置。
（４）上記超音波受信装置が、圧電変換器であることを特徴とする上記第（１）項〜第（３）項のいずれか１つの項に記載の超音波検査装置。
（５）上記液体が、水であることを特徴とする上記第（１）項〜第（４）項のいずれか１つの項に記載の超音波検査装置。
また、上記課題は本発明の下記超音波検査方法によって解決される。
（６）被検査体に超音波を励起させるレーザー光を照射するレーザー照射工程と、上記超音波を受信する超音波受信工程と、上記受信した超音波を演算する信号処理工程と、を有し、
上記超音波受信工程が、被検査体のレーザー光照射面の裏面側で被検査体と離間し、かつ上記被検査体と共に液体中に配置された超音波受信装置で超音波を受信するものであることを特徴とする超音波検査方法。
（６）被検査体に超音波を励起させるレーザー光を照射するレーザー照射工程と、上記超音波を受信する超音波受信工程と、上記受信した超音波を演算する信号処理工程と、を有し、
上記超音波受信工程が、被検査体のレーザー光照射面の裏面側で被検査体と離間し、かつ上記被検査体と共に液体中に配置された超音波受信装置で超音波を受信するものであることを特徴とする超音波検査方法。
本発明によれば、超音波受信装置と被検査体とを液体中に入れ、上記超音波受信装置を被検査体のレーザー光照射面の背面側に離間して配置することしたため、被検査体内部の状態まで非破壊で高感度に検査することができる超音波検査装置を提供することができる。
まず、レーザー超音波検査方法について説明する。
被検査体表面にレーザーを照射して超音波を発生させると、この超音波は被検査体内部を伝播して被検査体の表面と裏面との間で反射を繰り返す他、被検査体内部の欠陥等でも反射し、被検査体の表面及び背面を微少振動させながら減衰する。この微少振動は被検査体内部の欠陥等の影響を受けて変化するため、微少振動を受信し伝播強度の違いを演算処理することで被検査体内部の欠陥等を検知するものである。
被検査体表面にレーザーを照射して超音波を発生させると、この超音波は被検査体内部を伝播して被検査体の表面と裏面との間で反射を繰り返す他、被検査体内部の欠陥等でも反射し、被検査体の表面及び背面を微少振動させながら減衰する。この微少振動は被検査体内部の欠陥等の影響を受けて変化するため、微少振動を受信し伝播強度の違いを演算処理することで被検査体内部の欠陥等を検知するものである。
本発明の超音波検査装置について詳細に説明する。
上記超音波検査装置１００は、図１に示すように、レーザー照射装置２と、超音波受信装置３と、該超音波受信装置３からの信号を演算する信号処理装置５とを備え、必要に応じて、検査容器６、図示しない走査移動装置等を有して成る。
上記超音波検査装置１００は、図１に示すように、レーザー照射装置２と、超音波受信装置３と、該超音波受信装置３からの信号を演算する信号処理装置５とを備え、必要に応じて、検査容器６、図示しない走査移動装置等を有して成る。
そして、上記超音波受信装置３と上記被検査体１とが、離間して液体４中に配置され、上記超音波受信装置３は、上記被検査体１のレーザー照射装置側とは反対側から上記被検査体１に生じた超音波を受信するものである。
本発明の超音波検査装置は、被検査体及び超音波受信装置を液体中に配置して検査するため多くのノイズが除去される。
すなわち、レーザー光の照射により、被検査体１には縦波、横波、表面波、モード変換波等の様々なモードの超音波が励起されるが、液体中では縦波のみが伝播し、上記超音波受信装置は上記縦波のみを受信するため縦波以外の波に由来するノイズが除去される。
すなわち、レーザー光の照射により、被検査体１には縦波、横波、表面波、モード変換波等の様々なモードの超音波が励起されるが、液体中では縦波のみが伝播し、上記超音波受信装置は上記縦波のみを受信するため縦波以外の波に由来するノイズが除去される。
そして、超音波受信装置と被検査体とを離間して配置するため、超音波受信装置の受信面積が被検査体の大きさによって制限されることがなく、上記超音波を大面積で受信することができ、上記ノイズ除去と相俟って高感度の測定が可能である。
すなわち、本発明においては、超音波受信装置３が被検査体１と離間して配置されるため、被検査体１と同等又はそれ以上の大きさの受信面積を有する超音波受信装置３を用いることができる。
したがって、液体４中を扇状に拡がって伝播する、被検査体１から生じた超音波の殆どを受信可能であると共に、上記のように多くのノイズが除去されるため、Ｓ／Ｎ比が大きく高感度の測定が可能である。
したがって、液体４中を扇状に拡がって伝播する、被検査体１から生じた超音波の殆どを受信可能であると共に、上記のように多くのノイズが除去されるため、Ｓ／Ｎ比が大きく高感度の測定が可能である。
加えて、超音波受信装置３がレーザー光照射面１１の背面１２側に配置されるため、レーザー光照射面１１で発生した超音波が被検査体１の内部を伝播し、被検査体１の背面１２に透過した超音波を受信することができ、レーザー照射面の裏面側に存在する欠陥についても高感度で検出することが可能である。
すなわち、パルスレーザー光２１が液体中の被検査体１の表面に照射されると、被検査体表面に生じる熱的応力又は蒸発反力によって超音波が発生する。この超音波は、被検査体１の内部を伝播して被検査体の背面１２に達する。
そして、被検査体１の背面１２まで伝播した超音波は、被検査体１の背面１２で反射してレーザー光照射面１１に戻る超音波と、液体４を介して超音波受信装置３にまで伝播する超音波とに分かれる。
レーザー光照射面１１に戻った超音波は、再びレーザー光照射面１１で反射して被検査体の背面１２に伝播し、超音波が減衰してなくなるまで反射が繰り返される。
そして、被検査体１の内部に空洞や不純物等の欠陥がない場合は、被検査体のレーザー光照射面１１で生じた超音波はレーザー光照射面１１と背面１２との間で反射を繰り返すので、被検査体１の背面１２から発せられる超音波の周期は、被検査体１の内部における超音波の伝播速度と被検査体１の厚みによって決まる。
しかしながら、被検査体１の内部に欠陥等がある場合は、被検査体のレーザー光照射面１１で生じた超音波がレーザー光照射面１１と背面１２との間で反射を繰り返すだけでなく、レーザー光照射面で発生した超音波が欠陥部に達すると、欠陥により反射、散乱、屈折の影響を受けて超音波の伝播経路が変化し、欠陥からの応答である反射超音波となって被検査体１の背面１２を微少振動させる。
上記被検査体１の背面１２に生じる微少振動は、レーザー光照射面１１の微少振動とは異なり、レーザー光照射面側の欠陥及び背面側の欠陥の両方の影響をほぼ等しく受けた反射超音波が伝播することで生じたものであって、レーザー光照射面側の内部状態が偏重されたものではない。
したがって、被検査体のレーザー光照射面の裏面側の超音波受信装置３で微少振動を受信し信号処理装置５で解析することにより、レーザー照射面１１とは反対側に存在する欠陥等の識別性をも向上させることができ、被検査体１の内部状態を高感度で測定することができる。
＜レーザー照射装置＞
レーザー照射装置は、被検査体にレーザー光を照射し超音波を励起させるものである。
上記レーザーによる超音波の発生は、熱弾性効果によるものとアブレーションによるものがある。
レーザー照射装置は、被検査体にレーザー光を照射し超音波を励起させるものである。
上記レーザーによる超音波の発生は、熱弾性効果によるものとアブレーションによるものがある。
上記熱弾性効果は、レーザーを被検査体表面に照射したときの熱膨張による応力で超音波が発生するものであり、また、上記アブレーションによるものは、表面の瞬間的な蒸発によりプラズマ衝撃波が発生し超音波となるものである。
上記レーザーの光源としては、被検査体に超音波振動を励起させることができるものであればよく、例えば、ＹＡＧレーザー、エキシマレーザ、ＣＯ２レーザー、チタンサファイアレーザなどのパルス発振が可能なレーザーを用いることができる。
上記レーザー光の照射面での照射径は、例えば、約０．１ｍｍから３０ｍｍの範囲である。
＜超音波受信装置＞
超音波受信装置は、液体中で超音波を受けて電気信号を受信できればよく、圧電体を含む圧電変換器を用いることができる。
超音波受信装置は、液体中で超音波を受けて電気信号を受信できればよく、圧電体を含む圧電変換器を用いることができる。
上記超音波受信装置が超音波を受信する面積は、上記被検査体のレーザー光照射方向の投影面積よりも大きいものであることが好ましい。具体的には、被検査体の形状等にもよるが上記投影面積の１倍より大きく２倍以下の面積を有するものであることが好ましい。
受信面積が被検査体の投影面積よりも大きいことで、液体中を扇状に拡がって伝播する超音波を取りこぼすことなく受信することができ高感度の受信が可能である。
受信面積が被検査体の投影面積よりも大きいことで、液体中を扇状に拡がって伝播する超音波を取りこぼすことなく受信することができ高感度の受信が可能である。
上記圧電変換器は、受信面積が大きな１つの圧電変換器であってもよく、複数の圧電変換器を並列に並べて受信面積を大きくしたものであってもよい。
また、上記超音波受信装置の受信面と被検査体との間隔が、被検査体のレーザー光照射方向の厚さの０．５倍以上２倍以下であることが好ましく、０．８〜１．２倍であることがより好ましい。
０．５倍未満では超音波受信装置の受信面積を有効に利用できないことがあり、２倍を超えると超音波が減衰し感度が低下することがある。
０．５倍未満では超音波受信装置の受信面積を有効に利用できないことがあり、２倍を超えると超音波が減衰し感度が低下することがある。
上記圧電体としては、特に制限はなく、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸亜鉛（ＰｂＴｉＯ３）などの圧電セラミックス、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの圧電薄膜、ポリフッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体（Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ））などの圧電高分子膜を挙げることができる。
＜信号処理装置＞
信号処理装置は、上記超音波受信装置によって受信された超音波振動の電気信号を解析し、被検査体の外形や、被検査体の内部の空洞や不純物等の内部欠陥等、被検査体の状態を可視化等する情報を生成するものであり、必要に応じて上記可視化像を表示する表示装置を有して成る。
超音波振動の周波数解析は、例えば、平均化処理、移動平均、フィルタ、ウェーブレット変換、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）等を用いて行うことができる。
信号処理装置は、上記超音波受信装置によって受信された超音波振動の電気信号を解析し、被検査体の外形や、被検査体の内部の空洞や不純物等の内部欠陥等、被検査体の状態を可視化等する情報を生成するものであり、必要に応じて上記可視化像を表示する表示装置を有して成る。
超音波振動の周波数解析は、例えば、平均化処理、移動平均、フィルタ、ウェーブレット変換、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）等を用いて行うことができる。
＜液体＞
上記液体は、レーザー光が透過し、被検査体及び超音波受信装置を汚染する等の不都合がなければ特に制限はない。例えば、水、ひまし油等、測定環境下で不揮発性の液体を挙げることができるが、取扱いが容易な点で水であることが好ましい。
上記液体はレーザー光を透過する容器に入れられて用いられる。
上記液体は、レーザー光が透過し、被検査体及び超音波受信装置を汚染する等の不都合がなければ特に制限はない。例えば、水、ひまし油等、測定環境下で不揮発性の液体を挙げることができるが、取扱いが容易な点で水であることが好ましい。
上記液体はレーザー光を透過する容器に入れられて用いられる。
＜走査移動装置＞
本発明の超音波検査装置は必要に応じて走査移動装置を備えることができる。
上記走査移動装置は、上記レーザー光の照射点が被検査体表面に沿って移動するように上記レーザー照射装置を相対的に移動させるものである。
レーザー光の照射点を被検査体表面に沿って移動させることで、超音波検査装置の各部の状態を測定することができる。
本発明の超音波検査装置は必要に応じて走査移動装置を備えることができる。
上記走査移動装置は、上記レーザー光の照射点が被検査体表面に沿って移動するように上記レーザー照射装置を相対的に移動させるものである。
レーザー光の照射点を被検査体表面に沿って移動させることで、超音波検査装置の各部の状態を測定することができる。
＜超音波検査方法＞
上記超音波検査装置を用いた超音波検査方法について説明する。
まず、レーザー照射工程で、被検査体にレーザー光を照射して被検査体に超音波を励起させる。被検査体に生じた超音波は液体中を伝播する。
上記超音波検査装置を用いた超音波検査方法について説明する。
まず、レーザー照射工程で、被検査体にレーザー光を照射して被検査体に超音波を励起させる。被検査体に生じた超音波は液体中を伝播する。
次に、超音波受信工程で、伝播した超音波を受信する。
上記超音波受信工程は、被検査体のレーザー光照射面の裏面側で被検査体と離間し、かつ上記被検査体と共に液体中に配置された超音波受信装置で超音波を受信するものである。
上記超音波受信工程は、被検査体のレーザー光照射面の裏面側で被検査体と離間し、かつ上記被検査体と共に液体中に配置された超音波受信装置で超音波を受信するものである。
そして、信号処理工程において、上記該超音波受信工程で受信した超音波を演算して被検査体の外形や内部状態等の情報を得る。得られた情報は、可視化されて表示装置に表示される。
上記本発明の超音波検査装置及び超音波検査方法は、航空・宇宙機部品の内部検査、複数の材料で構成される複合材料の品質検査、金属やセラミック等の内部検査に好適に使用できる。
１００ 超音波検査装置
１ 被検査体
１１ レーザー照射面
１２ 背面
２ レーザー照射装置
２１ レーザー光
３ 超音波受信装置
４ 液体
５ 信号処理装置
６ 容器
１ 被検査体
１１ レーザー照射面
１２ 背面
２ レーザー照射装置
２１ レーザー光
３ 超音波受信装置
４ 液体
５ 信号処理装置
６ 容器
Claims (6)
- レーザー照射装置と、超音波受信装置と、該超音波受信装置からの信号を演算する信号処理装置とを備える超音波検査装置であって、
上記レーザー照射装置が、被検査体にレーザー光を照射し超音波を励起させるものであり、
上記超音波受信装置と上記被検査体とが離間して液体中に配置され、
上記超音波受信装置が、被検査体のレーザー光照射面の裏面側で上記超音波を受信するものであることを特徴とする超音波検査装置。 - 上記超音波受信装置の受信面積が、上記被検査体のレーザー光照射方向の投影面積よりも大きいものであることを特徴とする請求項１に記載の超音波検査装置。
- 上記超音波受信装置の受信面と上記被検査体との間隔が、上記被検査体のレーザー光照射方向の厚さの０．５〜２倍であることを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波検査装置。
- 上記超音波受信装置が、圧電変換器であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の超音波検査装置。
- 上記液体が、水であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の超音波検査装置。
- 被検査体に超音波を励起させるレーザー光を照射するレーザー照射工程と、
上記超音波を受信する超音波受信工程と、
上記受信した超音波を演算する信号処理工程と、を有し、
上記超音波受信工程が、被検査体のレーザー光照射面の裏面側で被検査体と離間し、かつ上記被検査体と共に液体中に配置された超音波受信装置で超音波を受信するものであることを特徴とする超音波検査方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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|---|---|---|---|---|
| JP2006208050A (ja) * | 2005-01-25 | 2006-08-10 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 生体画像化装置 |
| JP2010223653A (ja) * | 2009-03-23 | 2010-10-07 | Toyota Central R&D Labs Inc | 構造物の内部状態を測定する測定装置及び測定方法 |
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| JP2015000288A (ja) * | 2013-06-18 | 2015-01-05 | キヤノン株式会社 | 被検体情報取得装置およびその制御方法ならびに音響信号取得装置およびその制御方法 |
-
2016
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Patent Citations (4)
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