JP5424602B2 - レーザ超音波検出装置及びレーザ超音波検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザを被検査材に照射して発生する超音波を検出するレーザ超音波検出装置及びその方法に関する。

レーザを用いて非接触で被検査材に超音波を発生させ、発生した超音波を検出するレーザ超音波法は従来知られており、ファブリペロー干渉計を用いた検出部もよく知られている。
レーザ超音波法は、被検査材に対しパルスレーザ光を照射し、発生する熱的応力、あるいは気化反力を利用して超音波を送信し、連続発振する別のレーザ光を受信点に照射し、その直進性や可干渉性を用いて超音波によって誘起される変位を受信する技術である。
レーザ超音波法は、超音波を用いて材料のき裂や内在欠陥の検出、あるいは材料特性の評価を、非接触で行うことが可能であり、種々の材料評価分野への応用が期待されている。

図７を用いて、レーザ超音波法の原理について説明する。
高いエネルギーのパルスレーザである超音波発生用レーザを、被検査材である鋼材表面に照射するとその衝撃で金属表面に生じる熱膨張及び収縮により、歪みが発生する。そして発生した歪みが超音波として鋼材内部を伝播する。次に超音波検出用の単一周波数の連続レーザ光を金属表面に照射すると、その反射光は、伝播した超音波による表面の振動に応じた周波数の変化（ドップラーシフト）を受ける。以下に、ドップラーシフト量（Δｆ）を示す式１を示す。
Δｆ＝２Ｖ／λ・・・（式１）
ここで、Ｖ＝表面変位速度、λ＝レーザ波長

レーザ超音波法を用いた計測器は、ファブリペロー干渉計を備えている。ファブリペロー干渉計は、特定周波数のみを共振させて透過させるフィルターとして動作する。例えば、鋼材内部に欠陥部がある場合、表面振動が通常の鋼材と異なるため、ドップラーシフト量は、通常の鋼材と異なる値を示す。そのため、ファブリペロー干渉計を透過する透過光料が変化し、検査材のき裂や欠陥の検査又は材料評価を行うことができる。

レーザ超音波法では、レーザ光が届く範囲であれば、検査対象に何も接触させずに検査対象の状態を観測できる。レーザ光は、光ファイバーやミラーを用いることで、接触や近接が困難な被検査材に対しても比較的容易に超音波検査を行うことができる。

従来、振動や温度変化がある環境においてレーザ超音波検査が行えるように、レーザ超音波法において、ファブリペロー共振器の片側のミラーを、正弦波状の信号に従い光軸方向に移動させると共に、正弦波の周期に同期させて超音波発生用レーザを出力することで、最大感度でドップラーシフト量を検出する方法が提案されている（下記、特許文献１）。

特開２００１−２５５３０６号公報

しかしながら、提案されている方法では、ファブリペロー共振器の片側のミラーをダイナミックに制御するため、振動のある環境においても安定した計測性能を維持できるが、超音波計測の感度を向上させることはできない。

上述の問題点に鑑み、本発明は、振動のある環境においても安定した計測性能を維持し、かつ超音波計測の感度を向上させるレーザ超音波検出装置及びレーザ超音波検出方法を提供することを目的とする。

本発明の装置又は方法は、下記の（１）〜（８）に記載のとおりである。

（１）被検査対に超音波発生用パルスレーザ光を照射して超音波を発生させる超音波発生用レーザ光源と、
被検査対に超音波検出用レーザ光を照射して前記超音波を検出する超音波検出用レーザ光源と、
前記超音波検出用レーザ光を照射して前記超音波検出用レーザ光の一部が通過するファブリペロー干渉計と、
前記ファブリペロー干渉計の共振長を周期的に変化させる共振長制御部と、
前記ファブリペロー干渉計の共振長を周期的に変化させて、前記ファブリペロー干渉計を通過した超音波検出用レーザ光の出力の立ち上がりと立ち下がりのそれぞれのスロープの透過光量の変化率が最大となる点で、超音波発生用パルスレーザ光源を駆動するレーザ駆動制御部と、
前記超音波発生用パルスレーザ光の照射時に検出される前記超音波検出用レーザ光の反射光の光量の差分をとる信号処理部と、
を備えるレーザ超音波検出装置。

（２）前記レーザ駆動制御部は、前記立ち上がりと立ち下がりのタイミングの検出を、前記超音波検出用レーザ光が所定の閾値を超えるタイミングで検出する（１）に記載のレーザ超音波検出装置。
（３）前記差分は、前記立ち上がりにおいて検出した前記超音波検出用レーザ光の強度から、前記立ち下がりにおいて検出した前記超音波検出用レーザ光の強度を減算して得る（１）又は（２）に記載のレーザ超音波検出装置。

（４）前記周期的変化は、正弦波である（１）〜（３）のいずれかに記載のレーザ超音波検出装置。

（５）被検査対に超音波発生用パルスレーザ光を照射して超音波を発生させる超音波発生用レーザ光源と、被検査対に超音波検出用レーザ光を照射して前記超音波を検出する超音波検出用レーザ光源と、前記超音波検出用レーザ光を照射して前記超音波検出用レーザ光の一部が通過するファブリペロー干渉計とを備えるレーザ超音波検出装置を用いるレーザ超音波検出方法であって、
前記ファブリペロー干渉計の共振長を周期的に変化させて、前記ファブリペロー干渉計を通過した超音波検出用レーザ光の出力の立ち上がりと立ち下がりのそれぞれのスロープの透過光量の変化率が最大となる点で、超音波発生用パルスレーザ光源を駆動し、
前記超音波発生用パルスレーザ光の照射時に検出される前記超音波検出用レーザ光の反射光の光量の差分をとる
工程を含むレーザ超音波検出方法。

（６）前記立ち上がりと立ち下がりのタイミングの検出は、前記超音波検出用レーザ光が所定の閾値を超えるタイミングで検出する（５）に記載のレーザ超音波検出方法。
（７）前記差分は、前記立ち上がりにおいて検出した前記超音波検出用レーザ光の強度から、前記立ち下がりにおいて検出した前記超音波検出用レーザ光の強度を減算して得る（５）又は（６）に記載のレーザ超音波検出方法。

（８）前記周期的変化は、正弦波である（５）〜（７）のいずれかに記載のレーザ超音波検出方法。

上記の装置又は方法によれば、透過光量の検出性能が向上するので、振動のある環境においても安定した計測性能を維持し、より精度の高い検査材のき裂や欠陥の検査又は材料評価を行うことができる。

本発明の実施の形態を説明する前に、本発明の理解を容易にするために本発明の概要を説明する。
図１（１）（２）は、本発明のファブリペロー干渉計（ＦＰ干渉計）を用いた検出方法を説明する図である。（１）に示すように、ファンクションジェネレータで生成された例えば１０Ｈｚ程度の正弦波信号でピエゾコントローラのような駆動部を駆動して、ＦＰ干渉計の片面ミラーの位置を正弦波で振動させる。そして、周波数ｆ０のレーザ光をＦＰ干渉計に入力して、光検出器であるアバランシェホトダイオード（ＡＰＤ）によりＦＰ干渉計からの透過光量を検出する。

（２）には、ＦＰ干渉計の片面ミラーの位置の時間的な動き（ａ）と、レーザ光の出力の関係を示す。（２）から分るように、特定の位置で大きな出力が得られていることがわかる。したがって、透過光量の変化率が最大の点例えばＴ０に同期させて超音波発生用パルスレーザ光を照射し、検出用レーザ光の周波数をｆ０として、反射光のＦＰ干渉計の透過光量を検出すると、周波数ｆ０からのずれが大きく増幅されて検出できる。

図２は、本発明の原理を説明する図である。本発明は、透過光量の変化率が最大となる点がＦＰ干渉計の出力の立ち上がりと立ち下がりの両スロープに現れ、それぞれの出力が位相反転していることに着目してなされたもので、それぞれの透過光量の変化率が最大となる点に同期して超音波発生用パルスレーザ光を照射し、それぞれの検出信号の差分をとることにより、信号のＳＮ比を向上させるものである。

図２のＳＳ１、ＳＳ２は、被検査材の振動による反射光のドップラー偏移である。ドップラー偏移ＳＳ１は、ＦＰ干渉計で増幅され透過光量の変化Ｌ１ａとなって現れる。また、反射光のドップラー偏移ＳＳ２は、ＦＰ干渉計で増幅され透過光量の変化Ｌ１ｂとなって現れる。ここで、透過光量の変化Ｌ１ａ、Ｌ１ｂのグラフの時間軸は相互に逆であることに注意すると、Ｌ１ａとＬ１ｂの差分をとれば、ＳＮ比が大きな出力信号が得られる。

図３は、本発明のレーザ超音波検出装置の制御部の概要を説明する図である。ＦＰ干渉計１３から出力される参照光は、光検出器２０で電気信号に変換されて制御部５０に入力する。制御部５０では、一方では、トリガタイミング検出部５５に入力し、予め設定されている閾値Ｖ０と比較され、閾値を超える点がトリガタイミングとして検出される（図１、Ｔ０〜Ｔ３参照）。トリガタイミング検出部５５から出力する信号は、トリガ信号生成部５６に入力する。トリガ信号生成部５６では、トリガタイミング検出部５５からの出力信号に基づいて後述の超音波発生用レーザ駆動部を駆動するためのトリガ信号を生成する。これにより、超音波発生用レーザ駆動部は、図１に示す時点Ｔ０、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、・・・にパルスレーザを出射する。

他方、光検出器２０から出力される電気信号は、制御部５０のスロープ判定部５４に入力される。ここで、立ち上がりすなわち＋スロープか、あるいは立ち下がりすなわち−スロープが判定され、スロープ判定信号が出力されて、後述の信号処理部６０に入力する。スロープ判定信号は、ＦＰ干渉計の出力の差分をとるときに使用される。

このように、レーザ超音波検出装置１は、ＦＰ干渉計の感度が最大になるタイミング条件が２種交互になることを利用して、検出信号を交互に差分することで、検出感度を向上、並びに、検出信号のＳＮを向上させることができる。

図４は、本実施形態のレーザ超音波検出装置１の全体図である。
超音波発生用レーザ光源１１は、被検査材５に超音波を発生させるために、高出力のパルスレーザＥＬを、ミラー３１ａ、３１ｂを介して被検査材５に照射する。パルスレーザＥＬは、被検査材５の表面の所定位置に所定のビーム形状で照射される。超音波発生用レーザ光源１１は、例えば出力１００ｍＪ／pulse以上のパルスＹＡＧレーザ（波長１０６４ｎｍ）、パルスＣＯ２レーザなどを用いることができる。

被検査材５には、パルスレーザ光ＥＬにより急激に熱膨張しその後収縮することにより歪みが発生し、被検査材５に超音波が伝搬する。伝搬する超音波により被検査材の表面が振動する。

超音波検出用レーザ光源１２からは、連続波レーザ光ＤＬが、偏光ビームスプリッタ４４を透過し、レンズ４２により収束され、ミラー４１ａ、４１ｂを介して、被検査材５に照射される。超音波検出用レーザ光源１２は、例えは、出力５Ｗ以上の連続発振Ａｒレーザを用いることができる。
連続波レーザ光ＤＬは、被検査材５上の計測点に照射される。被検査材５からのレーザ光ＤＬの反射光ＲＬの周波数は、表面振動によりドップラーシフトを受ける。反射光ＲＬは、ミラー４１ｃ、４１ｄを介して、レンズ４３により収束され、偏光ビームスプリッタ４５を透過して、ファブリペロー干渉計１３に入射する。

他方、超音波検出用レーザ光源１２から出射した連続波レーザ光ＤＬの一部である参照光ＴＬは、偏光ビームスプリッタ４４により反射され、さらに偏光ビームスプリッタ４５により反射されて、ＦＰ干渉計１３に入射する。

ＦＰ干渉計１３は、対向する２枚のミラー１３ａ、１３ｂを備え、入射する参照光ＴＬ及び反射光ＲＬを、ミラー１３ａと１３ｂとの間で往復させて光量を増加させて透過させる。参照光ＴＬ及び反射光ＲＬは、偏光ビームスプリッタにより分離されたビームであり、ＦＰ干渉計１３内で干渉することなくそれぞれ透過する。

ＦＰ干渉計１３を透過した参照光ＴＬは、偏光ビームスプリッタ１６により反射され、アバランシェホトダイオードからなる光検出器２０に入射する。光検出器２０では、参照光ＴＬの透過強度は電気信号Ｓ２に変換され、電気信号Ｓ２は制御部５０に入力する。

一方、ＦＰ干渉計１３を透過した反射光ＲＬは、偏光ビームスプリッタ１６を透過して、アバランシェホトダイオードからなる光検出器２１に入射する。光検出器２１では、反射光ＲＬの透過強度は電気信号Ｓ１に変換され、電気信号Ｓ１は信号処理部６０に入力する。

制御部５０は、駆動部１７を制御して、ＦＰ干渉計１３の一方のミラー、例えばミラー１３ｂを光軸方向に移動させて、共振長を変化させる。また、発振制御部１８を制御して、超音波発生用レーザ光源１１のレーザ照射タイミングを決定する。

信号処理部６０では、被検査部材５からの反射光がもたらす情報を処理して、被検査部材の内在欠陥、亀裂等が検出され、さらには材料特性が評価される。

図５は、レーザ超音波検出装置１の制御部及び信号処理部を説明する図である。
制御部５０に入力する電気信号Ｓ２は、トリガタイミング取出部５５に入力する。電気信号Ｓ２は、参照光ＴＬのＦＰ干渉計からの透過強度に対応するものであるので、図１のＡＰＤ２０の出力に相当する信号である。したがって、電気信号Ｓ２が所定の閾値電圧ＴＨを超えた時点を取り出せば、その時点が超音波発生用レーザ光源の照射時点を与える。なお、閾値電圧ＴＨは、閾値電圧設定部５７によりオペレータにより設定可能である。

トリガタイミング取出部５５の出力は、トリガ信号生成部５６に入力し、トリガ信号生成部５６では、トリガタイミング取出部５５の出力に基づいて、超音波発生用レーザ光源１１をトリガするトリガ信号が生成される。生成されたトリガ信号は、遅延発生回路５９を介してトリガのタイミングが調整されて、発振制御部１８へ入力する。発振制御部１８は、入力したトリガ信号に基づいて、超音波発生用レーザ光源１１を駆動する。

電気信号Ｓ２は、スロープ判定部５４にも入力する。スロープ判定部５４は、制御信号Ｓ２の変化を追跡することで、電気信号Ｓ２の立ち上がりである＋スロープと、電気信号Ｓ２の立ち下がりである−スロープを検出する。スロープ判定部５４から出力されるスロープ判定信号は、信号処理部６０のコンピュータ６１に入力され、信号処理部のコンピュータ６１に入力する信号Ｓ１の差分処理のための符号として信号処理部のコンピュータ６１で利用される。

図６は、本発明の制御部及び信号処理部での処理フローを説明する図である。
まず、スロープ判定部５４は、光検出器２０から出力される参照光に対応する電気信号の＋スロープと−スロープを検出する（ステップＳ１０１）。＋スロープと−スロープの検出は、電気信号の値が増加しているか、減少しているかを見ることにより判定することができる。スロープ判定部５４は、＋スロープ又は−スロープを区別するスロープ判定信号を信号処理部６０に伝送する。

信号処理部６０は、反射光に対応する電気信号を受信する。信号処理部６０は、その電気信号から−スロープ判定信号を利用して波形Ｌ１ｂを取得し（ステップＳ１０２）、さらに電気信号から−＋スロープ判定信号を利用して波形Ｌ１ａを取得する（ステップＳ１０３）。信号処理部６０は、波形Ｌ１ｂから波形Ｌ１ａを減算する（ステップＳ１０４）。減算された波形は、通常の透過光量の２倍の量となる。このようにして、検出感度を高めることができる。
コンピュータ６１は、波形Ｌ１ａ、Ｌ１ｂ、波形Ｌ１ａ及びＬ１ｂの差分処理の結果等を表示装置１９に出力できる。

図１は、本発明の前提となるＦＰ干渉計を用いた検出方法を説明する図である。 図２は、本発明の原理を説明する図である。 図３は、本発明の制御部の概要を説明する図である。 図４は、本発明の制御部及び信号処理部での処理フローを説明する図である。 図５は、本実施形態のレーザ超音波検出装置１の全体図である。 図６は、レーザ超音波検出装置１の制御部を説明する図である。 図７は、レーザ超音波法の原理について説明する図である。

符号の説明

１ レーザ超音波検出装置
５ 被検査材
１１ 超音波発生用レーザ光源
１２ 超音波検出用レーザ光源
１３ ファブリペロー干渉計
１７ 駆動部
１８ 発振制御部
１９ 表示装置
４４、４５ 偏光ビームスプリッタ
５０ 制御部
５１ ファンクションジェネレータ
５４ スロープ判定部
５５ トリガタイミング取出部
５６ トリガ信号生成部
５７ 閾値電圧設定部
５９ 遅延発生回路
６０ 信号処理部

Claims (8)

1. 被検査対に超音波発生用パルスレーザ光を照射して超音波を発生させる超音波発生用レーザ光源と、
   被検査対に超音波検出用レーザ光を照射して前記超音波を検出する超音波検出用レーザ光源と、
   前記超音波検出用レーザ光を照射して前記超音波検出用レーザ光の一部が通過するファブリペロー干渉計と、
   前記ファブリペロー干渉計の共振長を周期的に変化させる共振長制御部と、
   前記ファブリペロー干渉計の共振長を周期的に変化させて、前記ファブリペロー干渉計を通過した超音波検出用レーザ光の出力の立ち上がりと立ち下がりのそれぞれのスロープの透過光量の変化率が最大となる点で、超音波発生用パルスレーザ光源を駆動するレーザ駆動制御部と、
   前記超音波発生用パルスレーザ光の照射時に検出される前記超音波検出用レーザ光の反射光の光量の差分をとる信号処理部と、
   を備えるレーザ超音波検出装置。
2. 前記レーザ駆動制御部は、前記立ち上がりと立ち下がりのタイミングの検出を、前記超音波検出用レーザ光が所定の閾値を超えるタイミングで検出する請求項１に記載のレーザ超音波検出装置。
3. 前記差分は、前記立ち上がりにおいて検出した前記超音波検出用レーザ光の強度から、前記立ち下がりにおいて検出した前記超音波検出用レーザ光の強度を減算して得る請求項１又は２に記載のレーザ超音波検出装置。
4. 前記周期的変化は、正弦波である請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ超音波検出装置。
5. 被検査対に超音波発生用パルスレーザ光を照射して超音波を発生させる超音波発生用レーザ光源と、被検査対に超音波検出用レーザ光を照射して前記超音波を検出する超音波検出用レーザ光源と、前記超音波検出用レーザ光を照射して前記超音波検出用レーザ光の一部が通過するファブリペロー干渉計とを備えるレーザ超音波検出装置を用いるレーザ超音波検出方法であって、
   前記ファブリペロー干渉計の共振長を周期的に変化させて、前記ファブリペロー干渉計を通過した超音波検出用レーザ光の出力の立ち上がりと立ち下がりのそれぞれのスロープの透過光量の変化率が最大となる点で、超音波発生用パルスレーザ光源を駆動し、
   前記超音波発生用パルスレーザ光の照射時に検出される前記超音波検出用レーザ光の反射光の光量の差分をとる
   工程を含むレーザ超音波検出方法。
6. 前記立ち上がりと立ち下がりのタイミングの検出は、前記超音波検出用レーザ光が所定の閾値を超えるタイミングで検出する請求項５に記載のレーザ超音波検出方法。
7. 前記差分は、前記立ち上がりにおいて検出した前記超音波検出用レーザ光の強度から、前記立ち下がりにおいて検出した前記超音波検出用レーザ光の強度を減算して得る請求項５又は６に記載のレーザ超音波検出方法。
8. 前記周期的変化は、正弦波である請求項５〜７のいずれかに記載のレーザ超音波検出方法。

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