JP2018179833A - Ultrasonic receiver, defect inspection device, ultrasonic reception method, defect inspection method, and method for manufacturing structure - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、超音波受信装置、欠陥検査装置、超音波受信方法、欠陥検査方法、およびこれらを用いた構造体の製造方法に関する。 Embodiments of the present invention relate to an ultrasonic receiving apparatus, a defect inspection apparatus, an ultrasonic receiving method, a defect inspection method, and a method of manufacturing a structure using the same.
レーザ光を用いた超音波計測法、いわゆるレーザ光超音波法は、従来、実験室的な測定に用途が限られてきたが、大出力の受信用レーザ光源や粗面に強い干渉計測装置が開発され始めたことにより、急速に工業現場への適用が進んでいる。その最大の強みは非接触での計測が可能な点にある。このため、触れられないほど脆い、小さい、狭い、高温であるなどのプローブ接触が困難な対象物、もしくは接触により性能への影響が生ずる可能性がある対象物、あるいはその大きさのため水などの媒質に浸漬できない対象物等への適用が期待されている。 Conventionally, the application of ultrasonic measurement method using laser light, so-called laser light ultrasonic method, has been limited to laboratory measurement, but a high-power receiving laser light source or an interference measurement device resistant to rough surfaces is used. Application to industrial sites is rapidly advancing as it is being developed. Its greatest strength lies in its ability to measure without contact. For this reason, an object that is difficult to touch, such as fragile, small, narrow, or high temperature, which can not be touched easily, or an object whose performance may be affected by the contact, or water or the like because of its size Application to an object that can not be immersed in the medium is expected.
一方で、超音波の受信にレーザ光干渉計測を用いるという特性上、超音波の受信に関わる装置が大掛かりかつ高価となり、例えばフェーズドアレイ超音波のように安易にチャンネル数を増やすことは現実的には困難である。そのため、超音波の受信位置を走査することにより疑似的にチャンネル数を増やしたり、装置の高コスト化を厭わずに多チャンネル化したりといった運用が必要となり、広範な普及への妨げとなってきた。 On the other hand, due to the property of using laser light interference measurement for ultrasonic wave reception, the device involved in ultrasonic wave reception becomes large and expensive, and for example, it is realistic to increase the number of channels easily as in phased array ultrasonic wave. It is difficult. Therefore, operations such as increasing the number of channels in a pseudo manner by scanning the reception position of ultrasonic waves, and making the number of channels increase without increasing the cost of the device are required, which has been a hindrance to widespread use. .
上述の課題を解決すべく、光源等の系統を増やさずにレーザ光超音波の受信チャンネルを増やす試みは以前からなされてきた。例えば、複数の照射機構とそれをつなぐ切り替え手段を設けることで、単一のレーザ光源および干渉計を用いて複数点での超音波受信機能を実現する技術が知られている。しかしながら、この場合は、切り替え手段を設けて各照射点に光を分配する必要があるため機構が複雑となること、1回の超音波励起に対しては1つの受信点でしか超音波計測ができないため完全同時測定ができないことが問題であった。 In order to solve the above-described problems, attempts have been made to increase the number of laser light / ultrasound reception channels without increasing the number of light sources and the like. For example, there is known a technology for realizing an ultrasonic wave receiving function at a plurality of points using a single laser light source and an interferometer by providing a plurality of irradiation mechanisms and switching means connecting them. However, in this case, it is necessary to provide switching means and distribute light to each irradiation point, so that the mechanism becomes complicated, and ultrasonic measurement is performed at only one reception point for one ultrasonic excitation. It is a problem that complete simultaneous measurement can not be performed because it is impossible.
また、レーザ光照射点を複数化して、単一の干渉計に戻して同時計測できる手法が示唆されている。レーザ光照射点は単一光源に途中で分岐を設ければ光源そのものを増やさずに複数化可能である。しかしながら、同時計測を実現する干渉計の構成について具体性がない上に、独立した各受信点で得られた信号を独立して扱う前提の記載であることがわかる。そのため、受信点の数だけチャンネル数を有するAD変換器もしくは受信点未満のチャンネル数を持つAD変換器に、マルチプレクサ等の切り替え手段を組合せた信号収録系の構築が必須となる。 In addition, it is suggested that the laser light irradiation points be made plural and returned to a single interferometer and the measurement can be performed simultaneously. A plurality of laser light irradiation points can be provided without increasing the number of light sources if a branch is provided on a single light source. However, it is understood that there is no specificity about the configuration of the interferometer that realizes simultaneous measurement, and that it is a description of the premise that signals obtained at each independent receiving point are handled independently. Therefore, it is necessary to construct a signal recording system in which switching means such as a multiplexer is combined with an AD converter having the number of channels equal to the number of reception points or an AD converter having the number of channels less than the reception points.
本発明の実施形態は、これらの技術を踏まえ、複数点における超音波信号を同時計測することができ、また、同時計測した超音波信号に基づいて構造体等の高精度な検査を実現することを目的とする。 Based on these techniques, the embodiment of the present invention can simultaneously measure ultrasonic signals at a plurality of points, and realize high-precision inspection of a structure or the like based on the simultaneously measured ultrasonic signals. With the goal.
上述の目的を達成するため、本実施形態に係る超音波受信装置は、被検査体に照射するレーザ光を励起するレーザ光源と、前記被検査体の第1の照射点と第2の照射点に照射可能に前記レーザ光を分割するレーザ光分割光学系と、前記第1の照射点と前記第2の照射点に照射された前記レーザ光の反射光をそれぞれ集光して合成し合成反射光として出力する反射光集光光学系と、前記合成反射光を干渉計測して得られる信号を超音波信号として経時的に出力する干渉計測手段と、起点となる時間である評価時間窓起点および終点となる時間である評価時間窓終点により定まる評価時間窓を設定可能に構成され、前記超音波信号のうち前記評価時間窓に対応する前記超音波信号を選択して評価可能に構成された信号処理手段と、を備えることを特徴とする。 In order to achieve the above-described object, an ultrasonic receiving apparatus according to the present embodiment comprises a laser light source for exciting a laser beam to be irradiated to a subject to be inspected, and a first irradiation point and a second irradiation point of the subject to be inspected. Laser beam splitting optical system that splits the laser beam so that it can be irradiated, and the reflected light of the laser beam irradiated to the first irradiation point and the second irradiation point are respectively combined and combined and combined reflection Reflected light focusing optical system which outputs as light, interference measuring means which temporally outputs a signal obtained by performing interference measurement of the combined reflected light as an ultrasonic wave signal, an evaluation time window starting point which is a time to be a starting point, A signal configured to be able to set an evaluation time window determined by an evaluation time window which is a time to be an end point, and selecting and evaluating the ultrasonic signal corresponding to the evaluation time window among the ultrasonic signals. Providing processing means And butterflies.
また、本実施形態に係る欠陥検査装置は、被検査体に超音波を励起させる超音波励起手段と、上記実施形態の超音波受信装置と、を備え、前記信号処理手段は、前記被検査体の欠陥で発生する前記超音波の反射超音波の信号を前記超音波信号として評価可能に構成されることを特徴とする。 Further, the defect inspection apparatus according to the present embodiment includes ultrasonic excitation means for exciting an ultrasonic wave in the inspection object, and the ultrasonic wave receiving apparatus of the above embodiment, and the signal processing unit is the inspection object. It is characterized in that it is configured to be able to evaluate the signal of the reflected ultrasonic wave of the ultrasonic wave generated due to the defect as the ultrasonic signal.
また、本実施形態に係る超音波受信方法は、被検査体に照射するレーザ光を励起し、前記レーザ光を前記被検査体の第1の照射点と第2の照射点に分割して照射し、当該第1の照射点および第2の照射点に照射された前記レーザ光の反射光をそれぞれ集光して合成反射光として合成し、前記合成反射光を干渉計測して得られる信号を超音波信号として経時的に出力し、起点となる時間である評価時間窓起点および終点となる時間である評価時間窓終点により定まる評価時間窓を設定し、前記超音波信号のうち前記評価時間窓に対応する前記超音波信号を選択して評価する、ことを特徴とする。 Further, in the ultrasonic wave receiving method according to the present embodiment, the laser light to be irradiated to the inspection object is excited, and the laser light is divided into the first irradiation point and the second irradiation point of the inspection object and irradiated. And the reflected light of the laser beam irradiated to the first irradiation point and the second irradiation point respectively collected and synthesized as a synthetic reflected light, and a signal obtained by the interference measurement of the synthetic reflected light An evaluation time window which is output temporally as an ultrasonic wave signal and which is determined by an evaluation time window starting point which is a starting time and an evaluation time window end point which is an ending time is set, and the evaluation time window of the ultrasonic wave signals is set. And selecting and evaluating the ultrasonic signal corresponding to.
また、本実施形態に係る欠陥検査方法は、被検査体に超音波を励起して上記実施形態の超音波受信方法を実施する欠陥検査方法であって、前記超音波信号は、前記被検査体の欠陥で発生する前記超音波の反射超音波の信号であることを特徴とする。 Further, a defect inspection method according to the present embodiment is a defect inspection method for exciting an ultrasonic wave in an inspection object to carry out the ultrasonic wave receiving method of the above embodiment, wherein the ultrasonic signal is the inspection object It is a signal of the reflected ultrasonic wave of the said ultrasonic wave which generate | occur | produces by the defect of (4).
また、本実施形態に係る構造体の製造方法は、構造体を準備する準備ステップと、前記構造体を被検査体として上記実施形態の欠陥検査方法を実施する検査ステップと、を備えることを特徴とする。 In addition, the method for manufacturing a structure according to the present embodiment is characterized by including a preparation step of preparing the structure, and an inspection step of performing the defect inspection method of the above embodiment using the structure as an inspection object. I assume.
本発明の実施形態によれば、複数点における超音波信号を同時計測することができ、また、同時計測した超音波信号に基づいて構造体等の高精度な検査を実現することができる。 According to the embodiment of the present invention, ultrasonic signals at a plurality of points can be simultaneously measured, and high-precision inspection of a structure or the like can be realized based on the simultaneously measured ultrasonic signals.
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る超音波受信装置、欠陥検査装置、超音波受信方法、および構造体の製造方法について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。 Hereinafter, with reference to the drawings, an ultrasonic receiving apparatus, a defect inspection apparatus, an ultrasonic receiving method, and a method of manufacturing a structure according to an embodiment of the present invention will be described. Here, parts that are the same as or similar to each other are given the same reference numerals, and duplicate explanations are omitted.
[第1の実施形態]
図1は、第1の実施形態に係る超音波受信装置の構成を示すブロック図である。超音波受信装置100は、被検査体91を伝搬した超音波を、レーザ光照射により測定するものである。
First Embodiment
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the ultrasound receiving apparatus according to the first embodiment. The ultrasonic
超音波受信装置100は、レーザ光源10、レーザ光分割光学系20、反射光集光光学系30、干渉計測手段40、信号処理手段50、表示手段60、および入力手段80を有する。
The ultrasonic
レーザ光源10は、超音波を受信するためのレーザ光1を照射するためのレーザ光源である。レーザ光源10に用いるレーザ光としては、例えばNd:YAGレーザ光、CO2レーザ光、Er:YAGレーザ光、チタンサファイアレーザ光、アレキサンドライトレーザ光、ルビーレーザ光、色素(ダイ)レーザ光およびエキシマレーザ光などが挙げられる。また、これらに限定するものではない。レーザ光源10は、連続波またはパルス波を用いる。
The
レーザ光源10で生成されたレーザ光1は、レーザ光伝送手段11によりレーザ光分割光学系20に移送される。レーザ光伝送手段11は、レンズ、ミラー、ファイバのいずれか、もしくはその組合せから成り、それぞれのレーザ光を長距離伝送するのは空間伝送でもファイバ伝送でもよい。
The
レーザ光分割光学系20は、レーザ光1を2系統以上の分割レーザ光2a、2bに分割するレーザ光分割手段21と、分割レーザ光2a、2bのそれぞれを移送する複数のレーザ光移送手段22a、22bと、分割レーザ光2a、2bのそれぞれを照射する複数の分割レーザ光照射手段23a、23bとを有する。
The laser beam splitting
レーザ光分割手段21は、レーザ光源10から分割レーザ光照射手段23a、23bの間に1つ以上設けられる。レーザ光分割手段21は、例えば、分岐型ファイバや、ハーフミラーといった偏光を利用しないものでもよいし、偏光ビームスプリッタのように偏光を
利用したものでもよい。いずれにおいても、透過率や偏光を制御することで、任意の光量割合でレーザ光1を分岐することができる。
One or more laser beam dividing means 21 are provided between the
複数の分割レーザ光照射手段23a、23bは、被検査体91における異なる照射点96a、96b(照射点96と総称)に、それぞれの分割レーザ光2a、2bを照射するように、互いに異なる位置に配されている。
The plurality of split laser
分割レーザ光照射手段23a、23bは、分割レーザ光2a、2bをそれぞれの照射点96a、96bに照射したときに、任意のスポット形状を形成するための光学系を有する。スポット形状は点状、線状、楕円状、リング(ドーナツ)状、三日月状等が考えられるがそれ以外の形状でもよい。光学系はレンズやミラーもしくはその組合せでよく、非球面ミラーや非球面レンズを用いてもよい。
The divided laser
反射光集光光学系30は、被検査体91にそれぞれ照射された分割レーザ光2の反射光である分割反射光3a、3bをそれぞれ集光する分割反射光集光手段31a、31bと、それぞれの反射光である分割反射光3a、3bを伝送する反射光伝送手段32a、32bと、それぞれの分割反射光3a、3bを1系統の伝送系に合流してひとつの合成反射光4とする分割反射光合流手段33と、合成反射光4を伝送する反射光伝送手段34とを有する。
The reflected light focusing
分割反射光集光手段31a、31bは、照射点96a、96bにそれぞれ照射され反射した分割反射光3a、3bをそれぞれ集光する。反射光伝送手段32a、32bは、集光された分割反射光3a、3bを、分割反射光合流手段33まで伝送する。
The split reflected
分割反射光合流手段33は、レーザ光分割手段21と同様に、分岐型ファイバや、ハーフミラーといった偏光を利用しないものでもよいし、偏光ビームスプリッタのように偏光を利用したものでもよい。 Similarly to the laser beam splitting means 21, the split reflected light combining means 33 may not use polarized light such as a branched fiber or a half mirror, or may use polarized light like a polarization beam splitter.
なお、それぞれのレーザ光伝送手段は、前述のように空間伝送でもファイバ伝送でもよいが、分割レーザ光照射手段23a、23bから被検査体91に照射される分割レーザ光2a、2b、および被検査体91で反射して分割反射光集光手段31a、31bまでに到達する分割反射光3a、3bは全て空間伝送である必要がある。
Each of the laser beam transmission means may be space transmission or fiber transmission as described above, but the
干渉計測手段40は、合成反射光4の波長変化量から超音波信号97を抽出する。分割レーザ光2a、2bの照射点96a、96bに照射された分割レーザ光2a、2bは、被検査体91によって反射もしくは散乱される。分割レーザ光2a、2bの照射点96a、96bに超音波が到達してその表面が振動していた場合、振幅変調や位相変調、反射角度の変化などを受け、分割反射光3a、3bが超音波信号成分を含むレーザ光となる。超音波信号成分を含んだ合成反射光4を干渉計測すると、位相変調量が電圧信号の変化として出力され、これが超音波信号97となる。
The interference measurement means 40 extracts the
干渉計測手段40としては、例えば、マイケルソン干渉計、ホモダイン干渉計、ヘテロダイン干渉計、フィゾー干渉計、マッハツェンダー干渉計、ファブリー=ペロー干渉計およびフォトリフラクティブ干渉計などが挙げられ、もちろんこれ以外のレーザ光干渉計も考えられる。また干渉計測以外の方法として、ナイフエッジ法も考えられる。 Examples of the interference measurement means 40 include Michelson interferometers, homodyne interferometers, heterodyne interferometers, Fizeau interferometers, Mach-Zehnder interferometers, Fabry-Perot interferometers, and photorefractive interferometers, and the like, of course. Laser light interferometers are also conceivable. A knife edge method can also be considered as a method other than the interference measurement.
信号処理手段50は、超音波信号97をデジタル化するAD変換器51と、評価時間窓定義手段52と、照射点定義手段53と、信号評価手段54とを有する。
The signal processing means 50 has an
評価時間窓定義手段52は、被検査体91の形状および音速を用いて、被検査体91における所望の測定範囲から分割レーザ光2が照射されている照射点96a、96bまでの超音波伝搬時間をそれぞれ算出し、評価時間窓61a、61bそれぞれの評価時間窓起点62a、62bと評価時間窓終点63a、63bをそれぞれ定める。
The evaluation time window definition means 52 uses the shape and sound velocity of the
照射点定義手段53は、複数の分割レーザ光照射手段23a、23bによる被検査体91における照射点96a、96bの位置を設定する。具体的には、照射点96a、96bについて、それぞれの評価時間窓起点62a、62bもしくは評価時間窓終点63a、63bが一致しないように逆算して、分割レーザ光照射点を定義する。
The irradiation point definition means 53 sets the positions of the irradiation points 96a and 96b on the
信号評価手段54は、この評価時間窓61a、61b内の超音波信号97から、振幅、周波数もしくは位相情報の少なくとも1つ以上を抽出する。
The signal evaluation means 54 extracts at least one or more of amplitude, frequency or phase information from the
表示手段60は、超音波信号97を可視的なグラフとして表示する。図1で示しているブロック図は一例であり、各々の機能を別個の機器に分割してもよいし、統合してもよい。
The display means 60 displays the
欠陥検査装置200は、被検査体91の欠陥を検査するために、超音波励起点95にて超音波を励起させる超音波励起手段94と、超音波受信装置100とを有する。
The
図2は、第1の実施形態に係る超音波受信方法の手順を示すフロー図である。 FIG. 2 is a flow chart showing the procedure of the ultrasonic wave receiving method according to the first embodiment.
まず、受信用のレーザ光を励起する(ステップS01)。具体的には、レーザ光源10を起動し、受信用のレーザ光であるレーザ光1を照射可能な状態にする。なお、この時点で、被検査体91には、たとえば、超音波励起手段94により超音波励起点95から超音波が生じている状態であるものとする。
First, laser light for reception is excited (step S01). Specifically, the
次に、照射点定義手段53が、第1の照射点96aおよび第2の照射点96bを定義する(ステップS02)。なお、照射点96は、2箇所に限定されず、3か所以上でもよい。
Next, the irradiation point definition means 53 defines the
次に、レーザ光1を、分割レーザ光2a、2bに分割し、それぞれ、第1の照射点96aおよび第2の照射点96bに照射する(ステップS03)。すなわち、レーザ光1を、レーザ光分割手段21が分割レーザ光2a、2bに分割し、分割レーザ光照射手段23a、23bがそれぞれ第1の照射点96aおよび第2の照射点96bに照射する。
Next, the
次に、反射光を第1の照射点96aおよび第2の照射点96bで集光し合成反射光4に合成する(ステップS04)。すなわち、第1の照射点96aおよび第2の照射点96bのそれぞれにおいて、分割反射光集光手段31a、31bが反射光すなわち分割反射光3a、3bを集光し、集光された分割反射光3a、3bを分割反射光合流手段33が合成反射光4に合成する(ステップS04)。
Next, the reflected light is condensed at the
次に、合成反射光4を干渉計測し経時的に出力する(ステップS05)。すなわち、干渉計測手段40は、合成反射光4を干渉計測して超音波信号97として信号処理手段50に出力し、表示手段60が、超音波信号97を経時的に表示する。
Next, the combined reflected
また、評価時間窓定義手段52が、評価時間窓を設定する(ステップS06)。すなわち、評価時間窓定義手段52は、評価対象時間領域の起点となる時間である評価時間窓起点62a、62bおよび終点となる時間である評価時間窓終点63a、63bのそれぞれにより定まる評価時間窓61a、61bを設定する。評価時間窓定義手段52は、評価点定義手段53においてまず評価された超音波励起手段94から照射点96a、96bまでの伝搬時間に基づいて、超音波励起手段94から発せられる超音波に対応する超音波信号97が発生する時間幅を想定する。具体的には、評価時間窓定義手段52は、超音波信号97が発生する時間幅に、例えば超音波信号97の2周期分などの余裕をもって評価時間窓起点62a、62bおよび評価時間窓終点63a、63bなどを設定する。この結果、基本的には、この評価時間窓起点62a、62bおよび評価時間窓終点63a、63bによりそれぞれ定まる評価時間窓61a、61bが、超音波信号97の発生時間幅をカバーすることができる。
Further, the evaluation time window definition means 52 sets an evaluation time window (step S06). That is, the evaluation time window definition means 52 determines the
なお、ステップS06は、次のステップS07より前である必要はあるが、ステップS02ないしステップS05との前後を問わない。 Step S06 needs to be before step S07, but it does not matter whether it is before or after step S02 to step S05.
次に、評価時間窓内の超音波信号を選択し評価する(ステップS07)。すなわち、信号評価手段54は、評価時間窓61a、61b内の超音波信号97から、振幅、周波数もしくは位相情報の少なくとも1つ以上を抽出し、超音波信号97に基づいて、欠陥98に関する情報等の被検査体91に関する情報を確保する。
Next, the ultrasonic signal within the evaluation time window is selected and evaluated (step S07). That is, the signal evaluation means 54 extracts at least one or more of amplitude, frequency or phase information from the
次に、超音波信号97の評価が可能か否かを判定する(ステップS08)。すなわち、信号評価手段54は、超音波信号97に基づいて、欠陥98(図30)に関する情報等の被検査体91に関する情報を確保しようとするが、第1の照射点96aおよび第2の照射点96bの位置が不適切で、超音波信号97において信号の弁別ができない場合等がある。このような場合は、信号評価手段54は、超音波信号97の評価は可能ではないと判定する。
Next, it is determined whether the evaluation of the
ステップS08において、超音波信号97の評価は可能ではないと判定された場合(ステップS08 NO)には、ステップS02ないしステップS08を繰り返す。ステップS08において、超音波信号97の評価は可能であると判定された場合(ステップS08 YES)には、超音波受信装置100による超音波の受信は終了する。
If it is determined in step S08 that the evaluation of the
図3は、第1の実施形態に係る超音波受信装置のレーザ光分割手段に分岐型ファイバを用いた場合の体系を、また、図4は、分割反射光合流手段に分岐型ファイバを用いた場合の体系を概念的に示す断面図である。 FIG. 3 shows a system in the case where a branched fiber is used as the laser beam splitting means of the ultrasonic receiving apparatus according to the first embodiment, and FIG. 4 uses a branched fiber as the split reflected light combining means. It is sectional drawing which shows the system of a case notionally.
分岐型ファイバは、たとえば複数本のコアで構成されたバンドルファイバ等が代表的であり、その分配数によって強度を調整できる。レーザ光伝送手段11におけるファイバは、レーザ光分割手段21においてレーザ光伝送手段22a、22bにおけるそれぞれのファイバに分割される。 The branched fiber is typically, for example, a bundle fiber composed of a plurality of cores, and the strength can be adjusted by the distribution number. The fibers in the laser beam transmission means 11 are divided into respective fibers in the laser beam transmission means 22 a and 22 b in the laser beam splitting means 21.
この結果、レーザ光源10から発せられたレーザ光1は、レーザ光伝送手段11で伝送された後、レーザ光分割手段21において分割されるレーザ光伝送手段22a、22bにおけるそれぞれのファイバに分かれて伝送される。
As a result, the
レーザ光伝送手段22aで伝送された分割レーザ光2aは、分割レーザ光照射手段23aによって、被検査体91に照射される。同様に、レーザ光伝送手段22bで伝送された分割レーザ光2bは、分割レーザ光照射手段23bによって、被検査体91に照射される。
The
分割レーザ光照射手段23aによって被検査体91に照射され反射した分割反射光3aは、分割反射光集光手段31aにより集光され、反射光伝送手段32aにより伝送され、分割反射光合流手段33に到達する。同様に、分割レーザ光照射手段23bによって被検査体91に照射され反射した分割反射光3bは、分割反射光集光手段31bにより集光され、反射光伝送手段32bにより伝送され、分割反射光合流手段33に到達する。
The split reflected
反射光伝送手段32aおよび反射光伝送手段32bによりそれぞれ伝送された分割反射光3a、3bは、分割反射光合流手段33で合流し、合成反射光4として反射光伝送手段34により伝送され、干渉計測手段40に至る。
The divided reflected
図5は、第1の実施形態に係る超音波受信装置のレーザ光分割手段にハーフミラーを用いた場合の体系を、また、図6は、分割反射光合流手段にハーフミラーを用いた場合の体系を概念的に示す断面図である。 FIG. 5 shows a system in the case of using a half mirror as the laser beam splitting means of the ultrasonic receiving apparatus according to the first embodiment, and FIG. 6 shows a case in which the half mirror is used in the split reflected light combining means. It is sectional drawing which shows a system notionally.
ハーフミラーを用いた場合、理想的な条件で議論すると、図5に示す体系において、もともと100%の出力をもつレーザ光1は、レーザ光分割手段21により分割されて例えば50%ずつの出力をもつ分割レーザ光2a、2bとなる。すなわち、たとえば、レーザ光分割手段21のハーフミラー21aの透過率が50%の場合、ハーフミラー21aに到達したレーザ光1は、50%が透過して、分割レーザ光2aとして分割レーザ光照射手段23aに到達する。また、ハーフミラー21aに到達したレーザ光1の残りの50%は、反射して、分割レーザ光2bとしてミラー21bに到達し全量が反射して、分割レーザ光照射手段23bに到達する。なお、ハーフミラー21aは、透過率と反射率がそれぞれ50%ずつとは限らず、たとえば、それぞれ40%と60%ずつなどのように一方の割合が多い場合でもよい。
When a half mirror is used, when discussed under ideal conditions, in the system shown in FIG. 5, the
被検査体91の反射率が100%の場合、それぞれ全量が反射される。それぞれで、反射された50%出力の分割反射光3a、3bは、それぞれ、分割反射光集光手段31a、31bで集光され、分割反射光合流手段33により合流し、図6に示す体系を経て、干渉計測手段40に到達する。
When the reflectance of the
具体的には、分割レーザ光照射手段23aにより照射され反射して分割反射光集光手段31aに集光された分割反射光3aは、分割反射光合流手段33のハーフミラー33aに到達し、その50%、すなわち元のレーザ光1の25%の強度の分割反射光3aが透過して反射光伝送手段34により干渉計測手段40に伝送される。また、他方の分割レーザ光照射手段23bにより照射され反射して分割反射光集光手段31bに集光された分割反射光3bは、分割反射光合流手段33のミラー33bに到達して全量が反射された後にハーフミラー33aに到達する。ハーフミラー33aではその50%、すなわち元のレーザ光1の25%の強度の分割反射光3bが反射して反射光伝送手段34により干渉計測手段40に伝送される。
Specifically, the split reflected
以上のように、合流後の合成反射光4は、元のレーザ光1に対して、最大でも50%の強度で干渉計測手段40に到達する。
As described above, the combined reflected
図7は、レーザ光分割手段に偏光ビームスプリッタを用いた場合、また、図8は、分割反射光合流手段に偏光ビームスプリッタを用いた場合の体系を、それぞれ概念的に示す断面図である。 FIG. 7 is a cross sectional view conceptually showing a system in the case where a polarization beam splitter is used as a laser beam splitting means, and FIG. 8 is a system in which a polarization beam splitter is used as a split reflected light combining means.
いま、光学系への入射面に対して、偏光方向が互いに垂直な成分を、それぞれ、P波およびS波とする。もともとレーザ光源10から発せられたレーザ光1は、それらの成分が混合している。図7に示すように、レーザ光分割光学系20に偏光ビームスプリッタを用いる場合、それぞれの成分にレーザ光1を分岐させることができる。たとえば、図7に示すように、P波を透過してS波を反射する偏光ビームスプリッタを用いる。あるいはS波を透過してP波を反射する偏光ビームスプリッタを用いてもよい。
Now, with respect to the plane of incidence to the optical system, let the components whose polarization directions are perpendicular to each other be P wave and S wave, respectively. The components of the
まず、P波とS波とが混合したレーザ光1が、レーザ光分割手段21の偏光ビームスプリッタ21cに到達する。ここで、この偏光ビームスプリッタ21cは、P波を透過しS波を反射するものである。
First, the
偏光ビームスプリッタ21cを全量透過したP波は、レーザ光伝送手段22aにより単独のP波成分の分割レーザ光2aとして伝送され、分割レーザ光照射手段23aに到達し、被検査体91の第1の照射点96aに照射される。また、偏光ビームスプリッタ21cで反射した単独のS波成分は、分割レーザ光2bとして、ミラー21bで全量が反射され、レーザ光伝送手段22bにより伝送され、分割レーザ光照射手段23bに到達し、被検査体91の第2の照射点96bに照射される。
The P wave transmitted through the entire
第1の照射点96aへの照射によるP波成分単独の分割反射光3aは、分割反射光集光手段31aにより集光された後、反射光伝送手段32aで単独のP波成分として伝送され、分割反射光合流手段33の偏光ビームスプリッタ33cに到達する。偏光ビームスプリッタ33cに到達したP波成分単独の分割反射光3aは全量が透過し、反射光伝送手段34により干渉計測手段40に送られる。
The divided reflected light 3a of the P wave component alone caused by the irradiation to the
他方の分割反射光集光手段31bにより集光されたS波成分単独の分割反射光3bは、分割反射光合流手段33の中のミラー33bに送られ全量が反射し、さらに偏光ビームスプリッタ33cでも全量が反射して、反射光伝送手段34により干渉計測手段40に送られる。
The split reflected
このように、分割反射光合流手段33を通すことでS波とP波の混合された合成反射光4として干渉計測手段40に伝送される。
As described above, the light is transmitted to the interference measurement means 40 as the combined reflected
この際、反射レーザ光の偏光方向をそろえたい場合は、例えばP波かS波単体の通り道にλ/2波長板を1枚、もしくはλ/4波長板を2枚挿入して偏光方向を90度回転させるとともに、反射分割レーザ光をハーフミラーとすることにより、たとえばS波だけに位相を揃えた反射光を得ることもできる。 At this time, when it is desired to align the polarization direction of the reflected laser light, for example, one λ / 2 wavelength plate or two λ / 4 wavelength plates are inserted in the path of P wave or S wave alone, and the polarization direction is 90 By rotating the reflection division laser beam as a half mirror while rotating it by a certain degree, it is also possible to obtain, for example, a reflected light which is in phase with only the S wave.
なお、以上の構成において、往路で偏光ビームスプリッタを用い、復路ではファイバ分岐を用いる等、異なる形式を組合せて構成してもよい。 In the above configuration, a polarization beam splitter may be used in the forward pass, and a fiber branch may be used in the return pass, for example.
図9は、第1の実施形態に係る超音波受信装置のレーザ光分割光学系と反射光集光光学系とで一部を共用する場合の体系を概念的に示す断面図である。図9に示す構成において、レーザ光分割手段21の偏光ビームスプリッタ21cは、P波透過、S波反射の特性を有する。レーザ光分割光学系20のレーザ光伝送手段22aの途中に設けられた偏光ビームスプリッタ21dも、P波透過、S波反射の特性を有する。また、レーザ光分割光学系20のレーザ光伝送手段22bの途中に設けられた偏光ビームスプリッタ21eは、P波反射、S波透過の特性を有する。さらに、分割反射光合流手段33に設けられた偏光ビームスプリッタ33cは、P波透過、S波反射の特性を有する。
FIG. 9 is a cross-sectional view conceptually showing a system in which a part is shared by the laser beam splitting optical system and the reflected light focusing optical system of the ultrasonic receiving apparatus according to the first embodiment. In the configuration shown in FIG. 9, the
レーザ光源10から発せられレーザ光分割手段21の偏光ビームスプリッタ21cに到達したレーザ光1のうちP波成分は、偏光ビームスプリッタ21cを透過し、S波成分は全量が反射し、ミラー21bでさらに反射する。
Of the
偏光ビームスプリッタ21cを透過したP波成分単独の分割レーザ光2aは、さらに、レーザ光伝送手段22aの経路上に設けられた偏光ビームスプリッタ21dを全量が透過し、λ/4波長板21fに到達する。P波成分単独の分割レーザ光2aは、λ/4波長板21fを通過すると、偏光は90度回転し、P波成分とS波成分が混合した円偏光の状態にある分割レーザ光2aとなり、分割レーザ光照射手段23aにより被検査体91に照射される。
The entire
一方、偏光ビームスプリッタ21cで反射しミラー21bでさらに反射したS波成分単独の分割レーザ光2bは、さらに、レーザ光伝送手段22bの経路上に設けられた偏光ビームスプリッタ21eを全量透過し、λ/4波長板21gに到達する。S波成分単独の分割レーザ光2bは、λ/4波長板21gを通過すると、偏光は90度回転し、P波成分とS波成分が混合した円偏光の状態にある分割レーザ光2bとなり、分割レーザ光照射手段23bにより被検査体91に照射される。
On the other hand, the
被検査体91に照射された一方の円偏光の分割レーザ光2aは、被検査体91で反射し、分割反射光3aとして分割反射光集光手段31aにより集光される。ここで、分割レーザ光照射手段23aと分割反射光集光手段31aとは、同じものを兼用してもよい。この分割反射光3aは、反射光伝送手段32aにも兼用されるλ/4波長板21fにおいて90度回転しS波成分単独の分割反射光3aとなる。
The
S波成分単独となった分割反射光3aは、偏光ビームスプリッタ21dで全量反射し、分割反射光合流手段33の偏光ビームスプリッタ33cに到達する。S波成分単独の分割反射光3aは、偏光ビームスプリッタ33cで全量反射し、反射光伝送手段34により干渉計測手段40に伝送される。
The divided reflected
一方、被検査体91に照射された他方の円偏光の分割レーザ光2bは、被検査体91で反射し、分割反射光3bとして分割反射光集光手段31bにより集光される。ここで、分割レーザ光照射手段23bと分割反射光集光手段31bとは、同じものを兼用してもよい。この分割反射光3bは、反射光伝送手段32bにも兼用されるλ/4波長板21gにおいて90度回転し、P波成分単独の分割反射光3bとなる。P波成分単独となった分割反射光3bは、偏光ビームスプリッタ21eで全量反射し、分割反射光合流手段33のミラー33bに到達する。P波成分単独の分割レーザ光3bは、ミラー33bで全量反射した後、偏光ビームスプリッタ33cに到達する。P波成分単独の分割反射光3bは、偏光ビームスプリッタ33cを透過し、反射光伝送手段34により干渉計測手段40に伝送される。
On the other hand, the other divided
なお、分割反射光合流手段33では、前述のように、偏光ビームススプリッタを用いない手段と組合せてもよい。 The split reflection light merging means 33 may be combined with a means that does not use a polarization beam splitter as described above.
図10は、超音波受信装置の検出位置を示す断面図である。また、図11は、図10に示す検出位置の場合の超音波信号の時間的変化を示すグラフである。 FIG. 10 is a cross-sectional view showing the detection position of the ultrasonic receiving apparatus. FIG. 11 is a graph showing temporal changes of the ultrasonic signal in the case of the detection position shown in FIG.
図10に示すように、超音波励起手段94により被検査体91の超音波励起点95から超音波が発せられる。この体系において被検査体91における第1の照射点96aに分割レーザ光2aが照射される場合を示している。図10に示す干渉計測手段40により得られた超音波信号97は、図11のように表示される。
As shown in FIG. 10, ultrasonic waves are emitted from the
図11では、超音波信号97aに評価時間窓61が合わせられている。具体的には、時間軸方向に評価時間窓起点62、評価時間窓終点63で挟んだ時間領域である測定範囲64内に、超音波励起点95から発せられる超音波に対応して検出された超音波信号97aが示されている。
In FIG. 11, the
図12は、超音波受信装置の別の検出位置を示す断面図である。また、図13は、図12に示す検出位置の場合の超音波信号の時間的変化を示すグラフである。 FIG. 12 is a cross-sectional view showing another detection position of the ultrasonic receiving apparatus. Further, FIG. 13 is a graph showing temporal changes of the ultrasonic signal in the case of the detection position shown in FIG.
図12に示すように、超音波励起手段94により被検査体91の超音波励起点95から超音波が発せられる。この体系において被検査体91における第2の照射点96bにレーザ光が照射される場合を示している。図12に示す干渉計測手段40により得られた超音波信号97の受信波の部分である超音波信号97は、図13のように表示される。
As shown in FIG. 12, ultrasonic waves are emitted from the
図13では、超音波信号97bに評価時間窓61が合わせられている。具体的には、時間軸方向に評価時間窓起点62、評価時間窓終点63で挟んだ時間領域である測定範囲64内に、超音波励起点95から発せられる超音波に対応して検出された超音波信号97bが示されている。
In FIG. 13, the
図11および図13に示すように、分割レーザ光2a、2bそれぞれの照射点である第1の照射点96aおよび第2の照射点96bと超音波励起点95の相対位置や、伝搬してくる超音波が表面波であるか体積波であるか等のモードの違いによって、得られる波形のピークの強度や時間位置が異なる。
As shown in FIGS. 11 and 13, the relative positions of the
図14は、超音波受信装置の検出位置を示す断面図であり、検出位置が2つの場合を示す。すなわち、分割レーザ光2a、2bがそれぞれ、第1の照射点96aおよび第2の照射点96bに照射された場合である。また、図15は、図14に示す検出位置の場合の超音波信号の時間的変化を示すグラフである。超音波励起点95から第1の照射点96aへの超音波信号97aと、超音波励起点95から第2の照射点96bへの超音波信号97bが示されている。図15では、1点目の受信波形である超音波信号97aに評価時間窓61が合わせられている。
FIG. 14 is a cross-sectional view showing the detection position of the ultrasonic receiving apparatus, and shows the case where there are two detection positions. That is, the divided
ここで、超音波信号97aと超音波信号97bとは、明確に伝搬してくる時間が異なる。このように、明確に時間が異なって伝搬してくる超音波信号97aと超音波信号97bの2つの波は、図15に示すように1つの波形にまとめられても判別が可能である。すなわち、ここでは、超音波励起点95から分割レーザ光2a、2bの第1の照射点96aと第2の照射点96bのそれぞれまでの距離が異なるため、時間差が生じてそれぞれ計測される。
Here, the
信号処理手段50の評価時間窓定義手段52は、評価時間窓起点62と評価時間窓終点63により評価時間窓61を定義する。信号処理手段50の信号評価手段54は、その範囲内で、超音波信号97から、振幅、周波数もしくは位相情報の少なくとも1つ以上を抽出する機能を有する。
The evaluation time window definition means 52 of the signal processing means 50 defines the
ここで、振幅とは最大ピークをもつ波の最大値と最小値との幅だけでなく、複数の波がある場合はそれぞれの最大値と最小値との幅を抽出してもよい。また、ピークだけでなくバックグラウンドとなるノイズの振幅情報(最大、最小、RMS値等)を取得することもできる。周波数情報は、高速フーリエ変換等の代表的な解析方法だけでなくウェーブレット解析の機能を有してもよいし、周波数解析範囲をさらに限定するために評価時間窓の中に更に細かい解析用時間窓を設けてもよい。 Here, the amplitude is not only the width of the maximum value and the minimum value of the wave having the maximum peak, but when there are a plurality of waves, the width of each maximum value and the minimum value may be extracted. In addition, it is also possible to acquire not only the peak but also the amplitude information (maximum, minimum, RMS value, etc.) of the noise that becomes the background. The frequency information may have not only a typical analysis method such as fast Fourier transform but also a function of wavelet analysis, or a time window for further analysis in the evaluation time window to further limit the frequency analysis range. May be provided.
位相情報は、所望の波形の最大、最小ピーク時間位置やゼロクロス点、半値幅等があり、その他の情報でもよい。また、信号評価手段54は上記情報の評価を簡便化するために周波数フィルタや加算平均といった信号制御機能を備えたり、使用者が容易に利用できるようにPCモニタ等の表示手段、マウスやキーボード、タッチパネルといった入力手段と組合せたりしてもよい。
The phase information includes the maximum and minimum peak time positions of the desired waveform, the zero cross point, the half width, and the like, and may be other information. Further, the
前述のように、被検査体91における超音波励起点95と、分割レーザ光2a、2bそれぞれの第1の照射点96a、第2の照射点96bとの相対距離によって、分割レーザ光2aの第1の照射点96aと、分割レーザ光2bの第2の照射点96bとで、超音波の到達する時間は異なる。
As described above, according to the relative distance between the
被検査体91における音速および形状の一部に関する情報が得られていれば、演繹的に、分割レーザ光2a、2bそれぞれの第1の照射点96aと第2の照射点96bに超音波信号97aが到達する時間が得られる。このため評価時間窓定義手段52では、その時間を目安にそれぞれの分割レーザ光の照射点に合わせた評価時間窓61を設定することが可能となる。
If information on the speed of sound and part of the shape of the
図16は、超音波受信装置による評価時間窓と超音波の伝搬経路との関係を説明するための断面図である。また、図17は、図16に示す検出位置の場合の超音波信号の時間的変化を示すグラフである。 FIG. 16 is a cross-sectional view for explaining the relationship between the evaluation time window by the ultrasonic receiving apparatus and the propagation path of the ultrasonic wave. FIG. 17 is a graph showing temporal changes of the ultrasonic signal in the case of the detection position shown in FIG.
被検査体91のある領域を測定領域91aと定義し、その測定領域91aの中から最速で応答が得られる伝搬時間からある余裕分早い時間を評価時間窓61の評価時間窓起点62と定義し、最も応答に時間がかかる領域からの伝搬時間からある余裕分遅い時間を評価時間窓61の評価時間窓終点63と定義してもよい。すなわち、測定範囲64が広くなる方向に評価時間窓起点62および評価時間窓終点63を定義する。それぞれの余裕分は、経験値等に基づき設定する。
An area with the
図18は、第1の実施形態に係る超音波受信装置の検出位置を示す断面図である。また、図19は、図18に示す検出位置の場合の超音波信号の時間的変化を示すグラフである。 FIG. 18 is a cross-sectional view showing a detection position of the ultrasonic receiving apparatus according to the first embodiment. FIG. 19 is a graph showing temporal changes of the ultrasonic signal in the case of the detection position shown in FIG.
図18に示すように、超音波励起手段94により超音波が励起される超音波励起点95から第1の照射点96aと第2の照射点96bのそれぞれとの距離が、ほぼ等しい。この結果、第1の照射点96aからの超音波信号97aについての評価時間窓61aと、第2の照射点96bからの超音波信号97bについての評価時間窓61bとの間で、それぞれの評価時間窓起点62aと評価時間窓起点62bとが、あるいはそれぞれの評価時間窓終点63aと評価時間窓終点63bとがほとんど一致してしまう。
As shown in FIG. 18, the distances from the
このように、評価時間窓61a、61bそれぞれの評価時間窓起点62a、62bもしくは評価時間窓終点63a、63bがそれぞれの分割レーザ光の照射点ごとに一致してしまう場合に、照射点定義手段53は、超音波励起点95から第1の照射点96a、第2の照射点96bまでの伝搬時間を逆算し、評価時間窓起点62a、62bもしくは評価時間窓終点63a、63bが重畳しないような分割レーザ光2bの照射点96bを定義する機能を有する。
Thus, when the evaluation time
図20は、第1の実施形態に係る超音波受信装置の検出位置を示す断面図である。 FIG. 20 is a cross-sectional view showing a detection position of the ultrasonic receiving apparatus according to the first embodiment.
図21は、図20に示す検出位置の場合の超音波信号の時間的変化を示すグラフである。図21では、超音波信号97aの到達する時間と、超音波信号97bの到達する時間が異なっており、評価時間窓61aと評価時間窓61bとが重畳しない時間関係となっている。照射点定義手段53は、このような状態にするために、第2の照射点96bの位置をどれくらい変更すればよいかを演算する。演算した結果は、表示手段60に表示される。
FIG. 21 is a graph showing temporal changes in ultrasonic signals in the case of the detection position shown in FIG. In FIG. 21, the arrival time of the
以下に、本実施形による超音波受信装置100の2つの利用例を示す。
Below, two usage examples of the
図22は、第1の実施形態に係る超音波受信装置により異なる検出目的の計測を並行して行う第1の例を示す断面図である。 FIG. 22 is a cross-sectional view showing a first example in which measurement for different detection purposes is performed in parallel by the ultrasonic receiving apparatus according to the first embodiment.
第1の照射点96aは、超音波励起点95と、被検査体91を挟んで反対側にある。この結果、第1の照射点96aで測定される超音波は、超音波励起点95から被検査体91の内部を透過してきたものであるから、伝搬速度を把握することにより、被検査体91の板厚を計測する状態である。
The
一方、第2の照射点96bで測定される超音波は、超音波励起点95から被検査体91の表面を伝搬してきたものである。この結果、表面に生じている欠陥98を同時に探傷する状態である。
On the other hand, the ultrasonic wave measured at the
このように、透過配置で板厚計測を行う一方で、同時に探傷を行うことができる。 As described above, while the thickness measurement is performed in the transmission arrangement, flaw detection can be performed simultaneously.
図23は、第1の実施形態に係る超音波受信装置により異なる検出目的の計測を並行して行う第2の例を示す斜視図である。2つの圧延製鋼ラインで異なる板厚の鋼材が流れている状態においての計測である。 FIG. 23 is a perspective view showing a second example of performing measurement for different detection purposes in parallel by the ultrasonic receiving apparatus according to the first embodiment. It is measurement in the state where steels of different plate thicknesses are flowing in two rolling steelmaking lines.
一方の圧延製鋼ライン上を流れる第1の被検査体91gである鋼材に、分割レーザ光2aの照射点である第1の照射点96aがある。また、他方の延製鋼ライン上を流れる第2の被検査体91hである鋼材に、分割レーザ光2bの照射点である第2の照射点96bがある。
There is a
それぞれで反射した分割反射光3a、3bは、干渉計測手段40に到達し、それぞれについての超音波信号97a、97bが取得され評価される。この結果、第1の被検査体91gおよび第2の被検査体91hのそれぞれについての板厚計測が同時に実施でき、少ないリソースによって、品質の向上、測定の効率化が期待できる。
The split reflected
通常、ひとつの波形に複数測定点の情報が混在するのは忌避すべき現象だが、本実施形態では、上述のように、評価時間窓61と分割レーザ光2a、2bそれぞれの照射点96a、96bの座標とを連携して管理することにより、ひとつの波形の中にある複数測定点の情報を個別に抽出することができる。これにより、光源や干渉計、またAD変換器のチャンネル等重要な信号収録系統等を増設することなく、複数点の測定が可能となる。
Usually, it is a phenomenon to avoid that information on multiple measurement points is mixed in one waveform, but in the present embodiment, as described above, the
[第2の実施形態]
図24は、第2の実施形態に係る超音波受信装置の構成を示すブロック図である。本実施形態は、第1の実施形態の変形である。本実施形態に係る超音波受信装置100は、照射点位置調整手段をさらに有する。照射点位置調整手段は、第1の照射点96aおよび/または第2の照射点96bのそれぞれの位置、あるいは相対的な位置を調節する。照射点位置調整手段の具体的な例としては、図24に示すような走査手段71である。走査手段71は、第2の照射点96bを走査するように、分割レーザ光照射手段23bおよび分割反射光集光手段31bを、所定の方向および所定の距離に移動駆動する。なお、走査手段71は、第1の照射点96aも、あるいは全ての照射点を走査することでもよい。また、超音波励起点95を走査するために超音波励起手段94を移動駆動してもよい。
Second Embodiment
FIG. 24 is a block diagram showing the configuration of the ultrasound receiving apparatus according to the second embodiment. This embodiment is a modification of the first embodiment. The
走査手段71は、パルスやサーボモータ駆動の一般的に自動ステージと呼ばれるものでよく自動制御で移動が可能なものであれば何を用いてもよい。走査手段71は、走査するだけでなく走査位置情報をフィードバックする機能を有してもよい。 The scanning means 71 may be anything that is generally called an automatic stage driven by pulses or servomotors and may be moved by automatic control. The scanning means 71 may have a function of feeding back not only scanning but also scanning position information.
評価時間窓定義手段52は、走査手段71による移動駆動により変化する分割レーザ光2bの照射点96bの座標に基づいて、逐次超音波伝搬時間を計算し、これらの走査位置に追従して、評価時間窓61の評価時間窓起点62と評価時間窓終点63をそれぞれ定める機能をさらに有する。
The evaluation time window definition means 52 calculates the ultrasonic wave propagation time sequentially based on the coordinates of the
図25は、超音波受信装置の検出位置の例を示す断面図である。また、図26は、図21に示す検出位置の場合の超音波信号の時間的変化を示すグラフである。 FIG. 25 is a cross-sectional view showing an example of detection positions of the ultrasonic wave receiving apparatus. FIG. 26 is a graph showing temporal changes of the ultrasonic signal in the case of the detection position shown in FIG.
図25は、走査手段71によって、例えば分割レーザ光2bの照射点である第2の照射点96bを96b1、96b2、および96b3のように移動させ、走査する場合を示している。1点目の超音波信号97aと2点目の超音波信号97b1の場合は、互いに分かち難いほどにそれぞれの発生時間が接近している。走査手段71によって、第1の照射点96aおよび第2の照射点96bのそれぞれへの超音波伝搬時間を変化させることにより、2点目の超音波信号97b2あるいは97b3のように、1点目の超音波信号97aとの間で、互いに弁別可能となる。
FIG. 25 shows a case where the
図27は、超音波受信装置の検出位置の他の例を示す断面図である。また、図28は、図21に示す検出位置の場合の超音波信号の時間的変化を示すグラフである。 FIG. 27 is a cross-sectional view showing another example of the detection position of the ultrasonic receiving apparatus. Moreover, FIG. 28 is a graph which shows the time change of the ultrasonic wave signal in the case of the detection position shown in FIG.
図27は、例えば表面波と縦波等、異なるモードの超音波をそれぞれの照射点96で測定する体系である場合を示す。ここで、第1の照射点96aの位置が、96a1から96a2に変化すると、超音波伝搬時間は、超音波のモードごとに音速が異なるため、図28に示すような結果となる。
FIG. 27 shows a case where ultrasonic waves of different modes, such as surface waves and longitudinal waves, are measured at each
体積波(縦波)は、第1の照射点96aの位置が96a1のときはVL1で示す経路であったものが、第1の照射点96aの位置が96a2のときはVL2で示す経路となる。すなわち、径路VL2と径路VL1の差だけ伝搬距離が増加する。
The volume wave (longitudinal wave) is a path indicated by VL1 when the position of the
一方、表面波(横波)は、第1の照射点96aの位置が96a1のときはSL1で示す経路であったものが、第1の照射点96aの位置が96a2のときはSL2で示す経路となる。すなわち、径路SL2と径路SL1の差だけ伝搬距離が増加する。
On the other hand, the surface wave (transverse wave) is a path indicated by SL1 when the position of the
図28において、第1の照射点96aの位置が96a1のときの体積波に起因する超音波97V1と、第1の照射点96aの位置が96a2のときの体積波に起因する超音波97V2との発生時刻の差をΔTVとする。また、第1の照射点96aの位置が96a1のときの表面波に起因する超音波97S1と第1の照射点96aの位置が96a2のときの表面波に起因する超音波97S2との発生時刻の差をΔTSとする。
In FIG. 28, the ultrasonic wave 97V1 caused by the volume wave when the position of the
体積波(縦波)は、表面波(横波)に比べて、伝搬速度すなわち音速が大きい。この結果、第1の照射点96aの位置の変化によるそれぞれの伝搬距離の増加に対して、超音波の伝搬時間の変化は、体積波(縦波)の場合のΔTVより表面波(横波)の場合のΔTSの方が大きくなる。すなわち、体積波に起因する超音波97V1および97V2と、表面波に起因する超音波97S1および97S2との弁別が可能である。
The volume wave (longitudinal wave) has a higher propagation velocity, ie, the speed of sound, than the surface wave (transverse wave). As a result, with respect to the increase of the propagation distance due to the change of the position of the
このように走査手段を用いることで複数のピークをもつ超音波信号から目当ての信号を抽出することが容易となる。 By using the scanning means in this manner, it becomes easy to extract the target signal from the ultrasonic signal having a plurality of peaks.
[第3の実施形態]
図29は、第3の実施形態に係る構造体の製造方法の手順を示すフロー図である。本実施形態は、第1の実施形態および第2の実施形態のいずれかもしくはその組合せを、構造体を被検査体として用いる場合の例である。特に本実施形態においては、構造体を、2つの部材を接合してなる接合部材とした場合を例として以下説明する。なお、構造体については、接合部材に限られるものではなく、第1の実施形態および第2の実施形態の超音波受信装置および超音波受信方法を用いて内部の欠陥検査を行なうことができる種々の物体とすることができる。
Third Embodiment
FIG. 29 is a flowchart showing the procedure of the method of manufacturing a structure according to the third embodiment. This embodiment is an example in the case where any one or a combination of the first embodiment and the second embodiment is used as a test object. In particular, in the present embodiment, the case where the structure is a joining member formed by joining two members will be described below as an example. The structure is not limited to the bonding member, and various kinds of internal defect inspection can be performed using the ultrasonic receiving apparatus and the ultrasonic receiving method of the first embodiment and the second embodiment. It can be an object of
まず、構造体を構成することとなる第1部材99a(図30)と第2部材(図30)99bとを準備し、それぞれに開先を形成し、開先合わせを行う(ステップS11)。次に所定の層数の溶接を実施する(ステップS12)。ステップS12にて第1部材99aと第2部材99bの開先の間に所定の層数の溶接を実施することで、第1部材99a、第2部材99bおよび接合部92としての溶接部が接合部材(構造体)となる(準備ステップ)。この準備ステップの後、溶接過程での欠陥検査を実施する(ステップS13:検査ステップ)。なお、溶接過程での検査では、後述するように、欠陥98の検出と並行して、接合部の厚みの情報も取得することができる。
First, a
ここで、所定の層数は、1層でも複数層でもよい。所定の層数が少ないと、溶接検査の回数が増加する。また、所定の回数が多いと、欠陥98(図30)が確認されたときの補修規模が増大する。したがって、両者を勘案して所定の層数を決めればよい。また、所定の層数は、順次、変化させてもよい。 Here, the predetermined number of layers may be one or plural. If the predetermined number of layers is small, the number of weld inspections increases. Also, if the predetermined number of times is large, the scale of repair when the defect 98 (FIG. 30) is confirmed increases. Therefore, the predetermined number of layers may be determined in consideration of both. Also, the predetermined number of layers may be changed sequentially.
ステップS13の欠陥検査の結果、欠陥98が検出されたか否かを判定する(ステップS14)。欠陥98が検出されたと判定された場合(ステップS14 YES)は、欠陥98を含めてのハツリと、溶接の再施行を実施する(ステップS15)。
As a result of the defect inspection in step S13, it is determined whether or not the
欠陥98が検出されなかったと判定された場合(ステップS14 NO)には、全層について終了したか否かを判定する(ステップS16)。全層終了していないと判定された場合(ステップS16 NO)には、ステップS12ないしステップS16を繰り返す。全層終了したと判定された場合(ステップS16 YES)には、仕上がり状態での欠陥検査を実施する(ステップS17)。この段階では、接合部材99(図34)が被検査体91(図34)である。なお、図示していないが、この検査で最終層あるいは表面に欠陥があれば、補修を実施する。
If it is determined that the
図30は、第3の実施形態に係る構造体の製造方法において、超音波受信装置による分割レーザ光の照射点を同一母材部の異なる位置に設定した場合の状態を示す断面図である。 FIG. 30 is a cross-sectional view showing a state in which the irradiation points of the split laser light by the ultrasonic receiving apparatus are set at different positions of the same base material in the method of manufacturing a structure according to the third embodiment.
接合部材99(図34)は、第1部材99aの母材部93a、第2部材99bの母材部93bと、接合部92によって構成される。母材部93a、93bの材質は、音が伝搬し、接合可能な材料であれば、本実施形態の適用上、制限はない。例えば炭素鋼やステンレス鋼と言った鉄鋼材料および非鉄金属材料、セラミックス材料、樹脂や生体といった高分子材料のほか、GFRPのような複合繊維強化材料等でもよく、あるいはそれらの組合せ材料でもよい。
The bonding member 99 (FIG. 34) is composed of a
接合部92は、母材部93a、93bどうしの融合もしくは溶材などによって成る。接合手法は、一般的な溶接だけでなく摩擦撹拌接合やろう付といった、母材部93a、93bどうし、もしくは溶材と母材部93a、93bそれぞれとの間が密着する手法であればよい。本実施形態では、接合部材99の製造を、厚板の突合せ溶接により行う場合を代表例として説明する。以下の接合部材99の製造過程においては、接合過程にあるものが被検査体91である。
The
図30に示す場合は、第1の照射点96aを第2部材99bの開先面に、また、第2の照射点96bを同じ第2部材99bの表面に設定している。また、超音波励起点95を、接合部92の最終層の表面としている。
In the case shown in FIG. 30, the
超音波励起点95から発せられた超音波は、接合部92の内部を通過した後に、一部は、接合部92内の超音波励起点95の反対側の端部、すなわち裏波の表面で反射し、第2部材99bの母材部93b内を体積波として伝搬する。また、他の一部は、第2部材99bの開先面を表面波として伝搬する。
After the ultrasonic waves emitted from the
第1の照射点96aに至る超音波は、主として開先面を伝搬してくる表面波である。また、第2の照射点96bに至る超音波は、主として母材部93b内を伝搬してくる体積波である。いずれの波も、接合部92に欠陥98が存在する場合は、その影響を受けるため、第1の照射点96aおよび第2の照射点96bそれぞれからの分割反射光3a、3bから、欠陥98に関する情報を含んだ超音波を取得することができる。
The ultrasonic waves reaching the
図31は、第3の実施形態に係る構造体の製造方法において、表面検査と体積検査を同時に行った場合の超音波の時間変化の例を示すグラフである。すなわち、図30の体系での測定結果の一例である。 FIG. 31 is a graph showing an example of a time change of ultrasonic waves when surface inspection and volume inspection are simultaneously performed in the method of manufacturing a structure according to the third embodiment. That is, it is an example of the measurement result in the system of FIG.
超音波信号97bは、第2の照射点96bに直接到達する体積波に対応する。実線で表される超音波信号97bは、音速の高い体積波であり、裏波深さのエコーを示す。すなわち、接合部の溶接の厚さに対応する信号となる。また、超音波信号97a1は、第1の照射点96aに直接到達する表面波に対応する。音速の低い表面波は、体積波より遅れて受信される。また、超音波信号97a2は、欠陥98に由来し体積波から表面波に変換したモード変換波に対応する。
The
図32は、第3の実施形態に係る構造体の製造方法において、欠陥由来のモード変換波の伝搬を説明する概念的な断面図である。 FIG. 32 is a conceptual cross-sectional view for explaining propagation of a mode conversion wave derived from a defect in the method for manufacturing a structure according to the third embodiment.
超音波励起手段94により超音波励起点95において発生した超音波の一部は、接合部92内を伝搬し、その端部(裏波部)で反射し、母材部93内を体積波として伝搬し、照射点96に至る。体積波の速度が表面波の速度に比べて大きいため、この超音波に対応する超音波信号97が、最も早く検出される。
A part of the ultrasonic wave generated at the
また、超音波励起手段94により超音波励起点95において発生した超音波の一部は、そのまま、表面波として開先面に沿って伝搬し照射点96に至る。一方、超音波励起点95において発生した超音波の一部は、接合部92内を体積波として伝搬し欠陥98で反射する。この反射超音波は体積波として接合部92内を伝搬し、接合部92あるいは開先面に到達した後に、表面波に変わり、開先面を伝搬し照射点96に至る。この結果、図31に示すように、欠陥98に由来するこのモード変換波に対応する超音波信号97a2は、第1の照射点96aに直接到達する表面波に対応する超音波信号97a1より遅れて検出される。
Further, a part of the ultrasonic wave generated at the
図32のような原理で励起された欠陥由来のモード変換波に対応する超音波信号97a2が、直接に励起された表面波に対応する超音波信号97a1より少し遅れて観察されることにより、両者の区別が可能となり、板厚計測と欠陥計測が同時に行えるようになる。 The ultrasonic signal 97a2 corresponding to the mode conversion wave derived from the defect excited by the principle as shown in FIG. 32 is observed a little later than the ultrasonic signal 97a1 corresponding to the directly excited surface wave. Can be distinguished, and plate thickness measurement and defect measurement can be performed simultaneously.
このように、分割レーザ光2aの1つ目の照射点96aを母材部93の表面に設置することで裏波の溶け込み深さをモニタリングしながら、2つ目の照射点96bを開先面に設置することによって、開先面を伝わってくるビード直下に生じた欠陥98からのエコーも受信が可能となる。
As described above, by setting the
図33は、第3の実施形態に係る構造体の製造方法において、超音波受信装置による分割レーザ光の照射点を異なる部材にまたがって設定した場合の状態を示す断面図である。 FIG. 33 is a cross-sectional view showing a state in which the irradiation point of the split laser light by the ultrasonic receiving apparatus is set across different members in the method of manufacturing a structure according to the third embodiment.
図33に示す場合は、第1の照射点96aを第1部材99aの開先面に、また、第2の照射点96bを第2部材99bの開先面に設定している。また、超音波励起点95を、接合部92の最終層の表面としている。
In the case shown in FIG. 33, the
超音波励起点95から発せられた超音波は、接合部92の内部を通過した後に、一部は、第1部材99aの開先面を表面波として伝搬し、第1の照射点96aに至る。また、他の一部は、第2部材99bの開先面を表面波として伝搬し、第2の照射点96bに至る。
After passing through the inside of the
このように、異なる部材にまたがって照射することで、例えば2パス以上の幅広な接合部において、第1部材99aの母材部93aあるいは第2部材99bの母材部93bの位置に発生した欠陥98も見逃さずに検出することが可能となる。
In this way, by irradiating across different members, for example, a defect that occurs at the position of the
分割レーザ光2a、2bそれぞれの照射点96である第1の照射点96a、第2の照射点96bを、例えば図30に示すように同一部材の異なる位置に設定してもよいし、図33に示すように異なる部材にまたがって設定してもよい。
The
接合には欠陥98が発生するリスクが必ずあり、本実施形態によりそれらを効率的に検出することが可能となる。例えば図30や図33に示すような突合せ溶接では、溶接途中に欠陥を検出できれば、溶接完了後に欠陥を見つけた場合よりも、補修にかかる時間を大幅に低減することができる。
Bonding always involves the risk of
図34は、第3の実施形態に係る構造体の製造方法において、溶接の終了後に、表面検査と体積検査を同時に行っている状態を示す断面図である。 FIG. 34 is a cross-sectional view showing a state in which surface inspection and volume inspection are simultaneously performed after the end of welding in the method for manufacturing a structure in accordance with the third embodiment.
図34に示す場合は、第1の照射点96aを第1部材99aの表面に、また、第2の照射点96bを第2部材99bの表面に設定している。また、超音波励起点95を、第1部材99aの表面に設定している。超音波励起点95は、第1の照射点96aを挟んで、第2の照射点96bの反対側に位置している。
In the case shown in FIG. 34, the
超音波励起点95から発された超音波は、第2の照射点96bに至るまでに、接合部92を経由してくる。このため、第2の照射点96bには、接合部92における欠陥98aに関する情報を含む体積波が到達する。
The ultrasonic waves emitted from the
一方、超音波励起点95から発された母材部93aの表面を伝搬する超音波は、直近の第1の照射点96aに到達する。また、母材部93aの表面を伝搬する超音波の一部は、表面欠陥98bに到達した後反射され、第1の照射点96aに到達する。
On the other hand, the ultrasonic wave propagating on the surface of the
図35は、超音波の波形弁別を説明するための超音波の時間変化の例を示す第1のグラフであり、図34に示す体系における検査結果の例を示すものである。 FIG. 35 is a first graph showing an example of time change of ultrasonic waves for explaining the waveform discrimination of ultrasonic waves, and shows an example of inspection results in the system shown in FIG.
この場合は、超音波励起点95から第1の照射点96aまでの距離が、超音波励起点95から第2の照射点96bまでの距離に比べて短い。したがって、第1の照射点96aに直接に到達する表面波に対応する超音波信号97a1が、第2の照射点96bに直接に到達する表面波に対応する超音波信号97bに比べて先行している。また、欠陥98からモード変換して到達する表面波に対応する超音波信号97a2は、第1の照射点96aに直接に到達する表面波に対応する超音波信号97a1に少し遅れて発生する。
In this case, the distance from the
図35に示すように、同じ音速である表面波を用いる場合でも、超音波励起点95からの相対位置を変えて照射点96を設定することにより、それぞれの波形弁別が可能となり、元の第1部材99aおよび第2部材99bそれぞれの開先面の近傍に発生した欠陥であっても検出することができる。
As shown in FIG. 35, even in the case of using surface waves having the same sound velocity, the waveform discrimination can be made by changing the relative position from the
図36は、超音波の波形弁別を説明するための超音波の時間変化の例を示す第2のグラフである。 FIG. 36 is a second graph showing an example of the time change of the ultrasonic wave for explaining the waveform discrimination of the ultrasonic wave.
前述の図34に示す体系において、まず、超音波励起点95において発生し第1の照射点96aに直接に到達する表面波に対応する超音波信号97a1が検出される。次に、内在欠陥98aから散乱されて照射点96bに到達する体積波に対応する超音波信号97b2が検出される。超音波信号97b2に遅れて、接合部の底面(裏波の表面)から反射して照射点96bに到達する体積波に対応する超音波信号97b1が検出される。最後に、表面欠陥98bから反射されてくる表面波に対応する超音波97a2が検出される。
In the system shown in FIG. 34 described above, first, an ultrasonic signal 97a1 corresponding to a surface wave generated at the
図36には、以上のような時系列が表示されており、それぞれ全ての波が時間的に弁別可能となっている。 The time series as described above are displayed in FIG. 36, and all the waves can be distinguished in time.
溶接完了後の表面に発生しやすいアンダカットや遅れ割れを、超音波励起点95と同じ第1部材99aに配置した分割レーザ光2aの第1の照射点96aで受信する表面波で検出する。また、超音波励起点95と異なる第2部材99bに配置した第2の照射点96bで受信する体積波を用いて、溶接部すなわち接合部92内のボイドや融合不良といった内在する欠陥98を検出することが可能となる。
Undercuts or delayed cracks that are likely to occur on the surface after completion of welding are detected by surface waves received by the
このように第1の照射点96a、第2の照射点96b、および超音波励起点95のそれぞれの位置を適切に設定することによって、表面検査と体積検査を同時に行うことが可能となる。
By appropriately setting the positions of the
以上のような欠陥検査により製造された接合部材などの構造体は、大掛かりな検査装置を用いずに十分な品質を確保することができる。また、接合部材などの構造体の製造コストの増大の抑制も図ることができる。 A structure such as a bonding member manufactured by the above defect inspection can ensure sufficient quality without using a large-scale inspection apparatus. In addition, it is possible to suppress the increase in the manufacturing cost of the structure such as the bonding member.
[その他の実施形態]
以上、本発明の実施形態を説明したが、実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。
Other Embodiments
While the embodiments of the present invention have been described above, the embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention.
また、これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。 In addition, these embodiments can be implemented in other various forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof as well as included in the scope and the gist of the invention.
1…レーザ光、2a、2b…分割レーザ光、3a、3b…分割反射光、4…合成反射光、10…レーザ光源、11…レーザ光伝送手段、20…レーザ光分割光学系、21…レーザ光分割手段、21a…ハーフミラー、21b…ミラー、21c、21d、21e…偏光ビームスプリッタ、21f、21g…λ/4波長板、22a、22b…レーザ光伝送手段、23a、23b…分割レーザ光照射手段、30…反射光集光光学系、31a、31b…分割反射光集光手段、32a、32b…反射光伝送手段、33…分割反射光合流手段、33a…ハーフミラー、33b…ミラー、33c…偏光ビームスプリッタ、34…反射光伝送手段、40…干渉計測手段、50…信号処理手段、51…AD変換器、52…評価時間窓定義手段、53…照射点定義手段、54…信号評価手段、60…表示手段、61、61a、61b…評価時間窓、62、62a、62b…評価時間窓起点、63、63a、63b…評価時間窓終点、64…測定範囲、71…走査手段(照射点位置調整手段)、80…入力手段、91…被検査体、91a…測定領域、91g、91h…被検査体、92…接合部、93a、93b…母材部、94…超音波励起手段、95…超音波励起点、96、96a、96b…照射点、97、97a、97b、97b1,97b2、97b3…超音波信号、98、98a、98b…欠陥、99…接合部材、99a…第1部材、99b…第2部材、100…超音波受信装置、200…欠陥検査装置
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記被検査体の第1の照射点と第2の照射点に照射可能に前記レーザ光を分割するレーザ光分割光学系と、
前記第1の照射点と前記第2の照射点に照射された前記レーザ光の反射光をそれぞれ集光して合成し合成反射光として出力する反射光集光光学系と、
前記合成反射光を干渉計測して得られる信号を超音波信号として経時的に出力する干渉計測手段と、
起点となる時間である評価時間窓起点および終点となる時間である評価時間窓終点により定まる評価時間窓を設定可能に構成され、前記超音波信号のうち前記評価時間窓に対応する前記超音波信号を選択して評価可能に構成された信号処理手段と、
を備えることを特徴とする超音波受信装置。 A laser light source for exciting a laser beam to be irradiated to a subject to be inspected;
A laser beam splitting optical system that splits the laser beam so as to be capable of being irradiated to the first irradiation point and the second irradiation point of the inspection object;
A reflected light condensing optical system which condenses and synthesizes the reflected light of the laser light irradiated to the first irradiation point and the second irradiation point, respectively, and outputs as synthesized reflected light;
Interference measurement means for temporally outputting a signal obtained by performing interference measurement on the combined reflected light as an ultrasonic wave signal;
The ultrasonic wave signal corresponding to the evaluation time window of the ultrasonic wave signal is configured to be settable by an evaluation time window that is a starting time and an evaluation time window that is a time that is an end time. Signal processing means configured to be able to select and evaluate
An ultrasonic wave receiver comprising:
請求項1ないし請求項6のいずれか1項記載の超音波受信装置と、
を備え、
前記信号処理手段は、前記被検査体の欠陥で発生する前記超音波の反射超音波の信号を前記超音波信号として評価可能に構成されることを特徴とする欠陥検査装置。 Ultrasonic excitation means for exciting ultrasonic waves in the subject;
An ultrasonic receiving apparatus according to any one of claims 1 to 6.
Equipped with
The defect inspection apparatus, wherein the signal processing means is configured to be able to evaluate a signal of a reflected ultrasonic wave of the ultrasonic wave generated at a defect of the inspection object as the ultrasonic signal.
前記レーザ光を前記被検査体の第1の照射点と第2の照射点に分割して照射し、
当該第1の照射点および第2の照射点に照射された前記レーザ光の反射光をそれぞれ集光して合成反射光として合成し、
前記合成反射光を干渉計測して得られる信号を超音波信号として経時的に出力し、
起点となる時間である評価時間窓起点および終点となる時間である評価時間窓終点により定まる評価時間窓を設定し、前記超音波信号のうち前記評価時間窓に対応する前記超音波信号を選択して評価する、
ことを特徴とする超音波受信方法。 Excite the laser beam to be irradiated to the test object,
Dividing the laser beam into a first irradiation point and a second irradiation point of the inspection object;
The reflected lights of the laser beam irradiated to the first irradiation point and the second irradiation point are respectively collected and combined as a synthetic reflected light,
Outputting a signal obtained by performing interference measurement of the combined reflected light as an ultrasonic signal over time,
An evaluation time window which is a starting time and an evaluation time window which is determined by an evaluation time window end point which is an end time is set, and the ultrasonic wave signal corresponding to the evaluation time window is selected from the ultrasonic wave signals To evaluate
An ultrasonic wave receiving method characterized in that.
前記超音波信号は、前記被検査体の欠陥で発生する前記超音波の反射超音波の信号であることを特徴とする欠陥検査方法。 9. A defect inspection method for exciting an ultrasonic wave in an object to be inspected and carrying out the ultrasonic wave reception method according to claim 8;
The defect inspection method, wherein the ultrasonic signal is a signal of a reflected ultrasonic wave of the ultrasonic wave generated at a defect of the inspection object.
前記構造体を被検査体として請求項9記載の欠陥検査方法を実施する検査ステップと、
を備えることを特徴とする構造体の製造方法。 Preparation steps to prepare the structure,
An inspection step of performing the defect inspection method according to claim 9 with the structure as an inspection object;
A method of manufacturing a structure comprising:
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