JPH06100552B2 - セラミックの欠陥検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、セラミックの表面あるいは内部に存在する
クラックのような欠陥を、非破壊で検出するセラミック
の欠陥検出装置に関する。

［従来の技術］ 例えば圧電素子として知られているPZT素子を、間に電
極層を挟んで複数枚積層し、印加電圧を制御することに
よって伸長制御するアクチュエータを構成することが知
られている。この様な構成のアクチュエータを構成する
場合、多数積層して使用されるPZT素子の中の１個にで
も電流のリークがあると、高電圧を印加することができ
なくなり、アクチュエータとしての機能が無くなる。し
たがって、例えば80枚のPZT素子を積層してアクチュエ
ータを構成するようにした場合、PZT素子個々の品質レ
ベルは、アクチュエータとしての品質レベルよりも２桁
高い信頼性が要求される。

しかし、PZT素子のようなセラミックは脆性材料である
ため、その加工工程において加わる各種応力によって、
希に微細なクラックが発生し、この素子の絶縁耐圧が低
下して電流リークの原因となる。

脆性材料であるセラミックを構造材として利用した場
合、その表面あるいは内部に存在する微細な欠陥（クラ
ック、異物等）が集中応力の起点となって、容易に破壊
に至ることも知られている。したがって、この様なセラ
ミックに係る技術分野においては、セラミックの表面あ
るいは内部の欠陥の有無を簡単な設備を使用して、非破
壊的に且つ確実に検出する技術の確立が、広く望まれて
いる。

この様なセラミック材料の欠陥を検出する手段として
は、Ｘ線、超音波、染色等の非破壊検査方法が知られて
いる。しかし、Ｘ線を透過することによって欠陥を検出
する検査方法にあっては、例えば蛇行した幅の狭いクラ
ックを検出することが困難であり、また人体に悪影響を
与えるＸ線を使用するものであるため、安全面に対する
管理運用も煩雑である。超音波を使用する探傷方法にあ
っては、欠陥を発見することができても、その欠陥の種
類を把握することが困難である。また超音波伝搬媒質
（水、アルコール等）の汚れによる誤検出も発生するた
め媒質の管理等も必要となる。さらに染色探傷法の場合
には、内部の欠陥を検出することは不可能であり、表面
欠陥であっても、染色、乾燥、洗浄、検査の工程が複雑
で、面粗度が粗い場合、染色液が残って誤検出も生ずる
ため、その適用範囲が限定される。

［発明が解決しようとする課題］ この発明は上記のような点に鑑みなされたもので、内部
さらに表面等の欠陥の発生位置や欠陥形状等に捕らわれ
ることなく、簡単に且つ確実に欠陥の存在を検出するこ
とができる非破壊的なセラミックの欠陥検出装置を提供
しようとするものである。

［課題を解決するための手段］ この発明に係るセラミックの欠陥検出装置は、被検査体
であるセラミックの一方の面に集束した例えばレーザ光
を当て、このレーザ光の集束中心位置から特定される距
離離れて設定された検出手段で前記セラミックを透過し
たレーザ光を検知し、セラミックを透過したレーザ光の
レベルが検出されるようにする。この場合、この検出手
段で検出される前記セラミックの検出位置を、前記レー
ザ光の集束中心位置に対して移動変化させ、検出レベル
の変化状態を計測するようにしている。

［作用］ この様に構成されるセラミックの欠陥検出装置におい
て、検出手段で検出されるセラミック上の位置が、レー
ザ光の集束中心位置との関係で変化されると、セラミッ
クに存在するクラック等の欠陥位置に関連して、セラミ
ックを透過したレーザ光の強度が変化し、特定された位
置に設定された検出手段で検出されるレーザ光レベルが
変化する。例えば、欠陥位置がレーザ光の集束中心位置
の方向に向けて、検出手段の位置の外側から接近すると
き、欠陥位置が検出手段の直前の位置に到来すると、レ
ーザ光は欠陥に反射されてレベルが高くなる。そして、
欠陥位置と検出手段の位置とが一致すると、レーザ光は
検出手段に入射されず、検出レベルが低下する。すなわ
ち、検出手段における検出レベルの変化を観測すること
によって、セラミック内の欠陥が確実に検出できる。

［発明の実施例］ 以下、図面を参照してこの発明の一実施例を説明する。
第１図は基本的な構成を示すもので、強い光を発生し照
射する手段の一種であるレーザ発生器11を備える。この
レーザ発生器11から放射されたレーザ光は、光学レンズ
等による光集束装置12を介して、駆動装置を含む載置台
13に設定したセラミック14の裏面部に集束する。そし
て、このセラミック14を透過した透過光15は、レンズ等
による結像装置16で結像し、検出器17で結像されたレー
ザ光レベルを検出し、電気的な信号に変換させる。この
検出器17で検出された信号は、コンピュータ等によって
構成される制御回路18に入力され、適宜ディジタル的に
記憶処理され、欠陥検出処理に供される。この制御回路
18では、セラミック14を載置した載置台13を駆動制御
し、またレーザ発生器11の制御も行う。

ここで、載置台13はセラミック14を乗せた状態で回転さ
れ、また直線的に移動されるもので、第２図で示すよう
に集束された入射レーザ光の中心位置Ａに対して、この
中心位置から特定される距離Xo離れた位置に測定ウイン
ドＢが設定される。この場合、載置台13によってセラミ
ック14が移動され、このセラミック14を透過した光が結
像される検出器17においては、セラミック14の移動に伴
って変化する部位となる測定ウインド部を透過したレー
ザ光強度を検出させるようにする。

第３図はより具体的にした構成を示すもので、半導体レ
ーザ111によってレーザ光を発生するもので、この半導
体レーザ111は制御回路18からの制御指令の与えられる
レーザ制御回路112によって駆動される。載置台13は、
モータ131によって駆動される例えばリング状の回転ス
テージ132を備え、この回転ステージ132上には透明板13
3乗せる。そして、この透明板133の上に板状のセラミッ
ク14が載置設定されるようにする。モータ131は制御回
路18によって指令されるモータ制御回路134によって回
転制御され、セラミック14はこのモータ131の回転によ
って、任意な角度で回転可能な状態に設定される。

半導体レーザ111は、詳細は図示していないが先端に集
束レンズを備えているもので、この集束レンズで集束さ
れた出力レーザ光は、回転ステージ132の下方向からセ
ラミック14の裏面に照射される。この場合、例えば半値
幅が約100μｍのスポット照明が行われるようにする。

結像装置16は、対物レンズ161および鏡筒162によって構
成され、セラミック14を透過したレーザ光が検出器を構
成するCCDカメラ171の受光面に結像されるようにする。
すなわち、このCCDカメラ171、鏡筒162、および対物レ
ンズ161によってビデオカメラ付き顕微鏡が構成される
もので、この顕微鏡の焦点がセラミック14の表面に合わ
せられるようになり、このセラミック14の表面輝度をデ
ィジタル値に変換した後、制御回路18を構成するコンピ
ュータの記憶装置に記憶させるようにする。

第４図はCCDカメラ171で撮像された画像を示しているも
ので、設定された計測視野（例えば約1.5mm²）の中央部
分にレーザ光を集束させた光源20が設定され、この光源
20から少し離れた位置に数個所の計測ウインド211、21
2、…が設定される。そして、その各ウインド211、21
2、…それぞれの構成画素の輝度データを平均して検出
信号とする。この状態で回転ステージ132は特定される
回転角、例えば0.5°間隔で回転され、その各回転角そ
れぞれに対応する平均輝度データをプロットして、測定
データとする。

この第３図で示した装置では、カメラ171で撮像した画
像を、各回転角毎に画像記憶と共に各ウインド内の平均
輝度を計算しなければならない。したがって、計測に時
間を要することがある。

第５図はこの様な点を考慮した実施例を示すもので、回
転台30の上に乗せたセラミック14の外周部に、半導体レ
ーザ111から発生され集束されたレーザ光を、ミラー31
で反射して照射する。そして、セラミック14を透過した
光を、測定ウインドに相当する大きさのフォトダイオー
ド172上に結像させ、このダイオード172で検出されたレ
ーザ光レベルに対応した信号を、適宜増幅器32で増幅し
て出力させるようにする。

第６図の（Ａ）で示されるように欠陥の無いセラミック
14においても、例えば気孔35が存在する。したがって、
集束されたレーザ光が照射されると、この入射光は気孔
35によって散乱され、散乱光となって減衰しながらセラ
ミック14を透過する。したがって、このセラミック14を
透過する光のセラミック表面における単位面積当りの強
度分布は、同図の（Ｂ）で示すように入射レーザ光の集
束中心位置で最も強く、この中心位置から離れるにした
がって徐々に減衰している。

また、第７図の（Ａ）で示すように、気孔35より充分に
大きなクラックのような欠陥36が存在すると、この欠陥
36部に入射した散乱光は、欠陥36部で反射、屈折する影
響を受けて、第６図で示した散乱状態から逸脱した状態
となり、セラミック14を透過した光の強度分布は第７図
の（Ｂ）で示すようになる。

すなわち、欠陥36の面に当った光は、この欠陥36の面で
反射されて、中心位置からの減衰曲線から異なる状態と
なり、さらに欠陥36が存在する位置では、透過光レベル
が急激の立ち下がる。

このため、載置台13に乗せられたセラミック14が、集束
されたレーザ光の中心位置に対して移動されたとき、す
なわち欠陥36の位置と入射光の中心位置との相対距離が
変化されたとき、第７図で示した透過光の強度分布の状
態が変化する。

第８図はレーザ光の集束中心位置に対して、距離Xo離れ
た位置を透過した光を検出するフォトダイオード等によ
る光検出器40を設け、セラミック14を移動させたときの
透過光強度分布の状態を示すもので、まず（Ａ）図の状
態では、欠陥36の位置が検出器40に対して光の集束中心
Ｉより外側に位置する。この状態では、集束中心Ｉから
の光が欠陥36で反射されて検出器40に入射され、この検
出器40において距離Xoに対応する減衰曲線のレベルより
やや高いレベルの信号が検出される。具体的には図の左
側から来た光が欠陥36によって散乱されて、その左側は
やや明るくなり、右側では逆に暗くなる。このとき検出
器40においては、その左側が明るくなった影響を受けて
出力が増加される。この現象はクラックのような欠陥36
の存在によってのみ生ずる。

この様な状態からセラミック14が矢印で示すように移動
され、同図の（Ｂ）で示すように欠陥36の位置が、検出
器40の集束中心Ｉに近付いた位置に移動されたとする
と、レーザ光は欠陥36によって遮られ、検出器40に対す
る入射光量は低くなり、検出レベルが低下する。欠陥36
が検出器40によるウインド部を横切ると、検出器40に入
射すべき光が欠陥36によって散乱されてウインド部分の
平均輝度が低下する。

同図の（Ｃ）で示すように、欠陥36が集束中心Ｉ、すな
わち光源と検出器40との間を移動しているときは、この
検出器40に入射される光は常に欠陥36によって散乱さ
れ、検出器40で検出される輝度は減少した状態を保つよ
うになる。

そして、（Ｄ）図で示すように欠陥36がレーザ光の集束
中心Ｉを通過するときは、欠陥36の両側から光が照射さ
れるような状態となり、欠陥36による光の散乱が打ち消
され、したがって欠陥が存在しない場合と等価な状態が
出現し、検出器40で検出される光の平均輝度がやや増加
する。さらにセラミック14が移動されて、（Ｅ）図で示
すように欠陥36が集束中心Ｉを通過すると、この欠陥36
による散乱光が光源に加わるようになり、検出器40で検
出される光の強度はやや増加する。

すなわち、この図の右からきた光が欠陥36によって散乱
され、右側はやや明るくなると共に、左側は逆に暗くな
る。この場合、右側の明るい部分が検出器40の位置まで
影響し、この検出器40で検出される信号のレベルが増加
するようになる。この様な現象はクラックのような欠陥
36の存在によってのみ生ずる。そして、欠陥36がさらに
集束中心Ｉから離れると、この集束中心の光源からの光
のみが検出器40で検出されるようになる。

したがって、この（Ａ）〜（Ｅ）で示したようにセラミ
ック14が移動されるときに検出器40で検出される輝度レ
ベルの変化パターンは、同図の（Ｆ）で示すようになっ
て、欠陥36が存在する場合の独特のパターンを表現する
ようにする。この（Ｆ）図の信号パターンは、表面のご
みあるいは異物等によって生ずることはない。この信号
パターンでａ〜ｅ点は、それぞれ（Ａ）図〜（Ｅ）図の
状態にそれぞれ対応する。

この信号パターンで現れた２個所のピーク点ａおよびｅ
は、欠陥36による散乱光の増加に起因するものであるの
に対して、ｃ点の落ち込み部分は、欠陥36が検出器40の
位置に到達しようとする透過光を遮るために生ずる。し
たがって、この光が遮られる距離は、集束光源によるス
ポット光と検出器40との間隔のみによって定まるもので
あり、欠陥36を信号レベルの変化量ΔＩと信号幅Ｌによ
って判断することができる。これは他の疑似欠陥（ご
み、面粗度異常等）と明瞭に区別できる。

あるいはパターン認識技術によって、（Ｆ）図のパター
ンのみを検出することによっても区別することができ
る。

第９図は欠陥検出信号パターンの実際の例を示してい
る。

第10図は欠陥36を検出した検出信号パターンの強度変化
量ΔＩが、集束中心位置に対応する光源と検出器40との
相対位置で最大値を持つことを示している。

光源から放射される光量が一定であるとしたとき、検出
器40が光源から受け取る散乱光の強度および強度変化量
ΔＩは、検出器40が光源に近付くにしたがって指数関数
的に増加する。しかし、光源の光の広がりの範囲内にま
で検出器40が接近する状態となると、欠陥36の移動に伴
う光の散乱が、必ずしも検出器40への光の伝搬を遮らな
いため、散乱光の強度は増加するが、強度変化量ΔＩは
増加しない。検出器40がさらに光源に近付くようになる
と、散乱光の強度はさらに増加するようになるが、逆に
強度変化量ΔＩが益々減少する。したがって、光源の広
がりの外周部においてのみ、欠陥検出信号の強度変化量
ΔＩが最大となる。

第11図は光源と検出器40との間隔Xoと信号幅Ｌとの関係
を示している。

セラミックを透過した光によって欠陥を検出すること、
また光量の変化を光検出器によって検出することも従来
から知られているが、実施例で示した装置にあっては、
欠陥36に光を照射すると共にこの欠陥36を移動させ、検
出器40で検出された光量の変化のパターンを観測するよ
うにしている。そして、この信号パターンの状況によっ
て、クラックのような欠陥40の存在を観測するようにし
て、クラック欠陥のみが、表面のごみ、異物等と明確に
識別されて検出されるようにしている。

［発明の効果］ 以上のようにこの発明に係る欠陥検出装置によれば、セ
ラミックの内部に存在するクラックのような欠陥が、非
破壊的な手法によって明確に且つ簡単に識別して検出で
きるものであり、各種セラミック素子部材の品質管理に
効果的に使用できるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係るセラミックの欠陥検
出装置を概略的に説明する構成図、第２図は測定レーザ
光と測定ウインドとの関係を説明する図、第３図はより
具体的にした実施例を示す図、第４図はこの実施例にお
けるCCDカメラの画像の状態を説明する図、第５図はさ
らに他の実施例を説明する構成図、第６図は欠陥の無い
セラミックにおける光散乱の状態を説明する図、第７図
はセラミックに欠陥が存在する場合の光散乱の状態を説
明する図、第８図の（Ａ）〜（Ｅ）はそれぞれ欠陥部分
を移動させた状態における透過光の強度パターンを示す
図、同図の（Ｆ）は検出信号パターンを示す図、第９図
は信号パターンの具体例を示す図、第10図は検出器の位
置に対する検出強度変化の関係を説明する図、第11図は
検出器の位置に対する信号の関係を説明する図である。 11レーザ発生器、111…半導体レーザ、12…光集束装
置、13…載置台、14…セラミック（被検出体）、15…透
過光、16…結像装置、17、40…検出器、171…CCDカメ
ラ、172…フォトダイオード、18…制御回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光を発生する光発生手段と、 この手段で発生された光を被検出体であるセラミックの
   一方の面に集束する光集束手段と、 前記セラミックを透過した光を、前記光の集束中心位置
   から特定される距離離れた位置で検知し、その検知レベ
   ルに対応した信号に変換する検出手段と、 この検出手段で検出される前記セラミックの検出位置
   を、前記光の集束中心位置に対して移動変化させる制御
   手段とを具備し、 前記セラミックの検出位置の変化に伴い、前記検出手段
   で検出される光強度の変化を測定するようにしたことを
   特徴とするセラミックの欠陥検出装置。