特許 7106436 散乱光検出装置、及びそれを用いた非破壊検査装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-07-15

(45)【発行日】2022-07-26

(54)【発明の名称】散乱光検出装置、及びそれを用いた非破壊検査装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/47 20060101AFI20220719BHJP

   G01N 21/27 20060101ALI20220719BHJP

   G01N 21/65 20060101ALI20220719BHJP

【ＦＩ】

G01N21/47 Z

G01N21/27 B

G01N21/65

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2018223680

(22)【出願日】2018-11-29

(65)【公開番号】P2020085770

(43)【公開日】2020-06-04

【審査請求日】2021-03-24

(73)【特許権者】

【識別番号】000232955

【氏名又は名称】株式会社日立ビルシステム

(74)【代理人】

【識別番号】110002365

【氏名又は名称】特許業務法人サンネクスト国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】馬場 理香

(72)【発明者】

【氏名】米山 明男

(72)【発明者】

【氏名】小平 法美

【審査官】小澤 瞬

(56)【参考文献】

【文献】特開２００１－２８１１７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－０１４５１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－１５７７５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２０３８０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－３１２７２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－１３９６９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－３３２５３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００５／０１５５７３５（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２１／００ － Ｇ０１Ｎ ２１／０１

Ｇ０１Ｎ ２１／１７ － Ｇ０１Ｎ ２１／７４

Ｇ０１Ｎ ２３／００ － Ｇ０１Ｎ ２３／２２７６

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

赤外線を照射光とみなして用い、
該照射光を受けた被検物からのラマン散乱による散乱光を測定した結果に基づいて前記被検物の内部の変化を解析する散乱光検出装置であって、
前記照射光の発生源と、
前記被検物を基準に前記照射光の入射方向に対して鋭角をなす出射方向に配設された第１検出器と、
前記入射方向に対する前記鋭角とは異なる角度の出射方向に配設された第２検出器と、
を備え、
前記散乱光のうち、弾性散乱した光であり、第１波長を有する光を前記第１検出器で測定し、
前記散乱光のうち、非弾性散乱であるラマン散乱した光であり、前記第１波長とは異なる第２波長を有する光を前記第２検出器で測定し、
前記第１検出器と前記第２検出器との出力比率を用いて前記被検物の表面形状の情報をキャンセルしながら定量測定する散乱光検出装置。

【請求項2】

前記照射光は近赤外線である、
請求項１に記載の散乱光検出装置。

【請求項3】

前記被検物の内部の変化として前記被検物の劣化の程度を定量測定する、
請求項１に記載の散乱光検出装置。

【請求項4】

前記被検物から前記第１検出器までの間にハーフミラーを配設し、
該ハーフミラーは前記散乱光を入射して透過光と反射光とに分離し、
前記分離された一方より前記第１波長を有する光が得られ、
前記分離された他方より前記第２波長を有する光が得られる、
請求項１に記載の散乱光検出装置。

【請求項5】

前記第１波長を有する光を優先的に透過する第１光学フィルタと、
前記第２波長を有する光を優先的に透過する第２光学フィルタと、
を備えた、
請求項１に記載の散乱光検出装置。

【請求項6】

前記第１検出器及び前記第２検出器に代えて単一の検出器で兼用し、
該単一の検出器には、
主に前記第１光学フィルタを透過した前記第１波長を有する光を受けて検出する第１検出領域と、
主に前記第２光学フィルタを透過した前記第２波長を有する光を受けて検出する第２検出領域と、
を設けた、
請求項５に記載の散乱光検出装置。

【請求項7】

前記第１検出器及び前記第２検出器に代えてエネルギー分解検出器を備え、
該エネルギー分解検出器は、前記散乱光を、前記第１波長を有する光と、前記第２波長を有する光と、に分離して測定する機能を有する、
請求項１に記載の散乱光検出装置。

【請求項8】

前記第１検出器に代えた第１光学カメラと、
前記第２検出器に代えた第２光学カメラと、
前記被検物から前記第１光学カメラ又は前記第２光学カメラまでの光路の何れかに配設された光学レンズと、
を備え、
前記第１光学カメラと前記第２光学カメラとの出力比率を用いて前記被検物の表面形状の情報をキャンセルしながら定量測定する、
請求項１に記載の散乱光検出装置。

【請求項9】

前記第１光学カメラと前記被検物との間に配設された第１光学レンズと、
前記第２光学カメラと前記被検物との間に配設された第２光学レンズと、
を備え、
前記第１光学カメラは前記第１光学レンズを通して前記第１波長を有する光を輝度情報で出力し、
前記第２光学カメラは前記第２光学レンズを通して前記第２波長を有する光を輝度情報で出力し、
請求項８に記載の散乱光検出装置。

【請求項10】

前記第１検出器及び前記第２検出器に対する前記被検物の相対角度を変化させる回転装置を有し、
前記第１検出器の出力に対する前記第２検出器の前記出力比率を前記回転装置の回転角度に応じて取得し、
該取得された前記出力比率を再構成処理して断面像を生成する、
請求項１に記載の散乱光検出装置。

【請求項11】

前記第１波長を有する光と、前記第１検出器で測定する光の波長が同じである、
請求項１に記載の散乱光検出装置。

【請求項12】

前記第１波長を有する光の測定値と、前記第２波長を有する光の測定値と、の比率を示す数値をクラスタリング処理した結果に基づいて、
前記被検物の内部の変化を判定する、
請求項１に記載の散乱光検出装置。

【請求項13】

前記被検物は、使用中のボールベアリング、グリス、ゴム製品、樹脂製品、ワイヤ、又はこれらの混合製品であり、前記被検物の内部の変化を解析した結果に基づいて前記被検物の継続使用に対する許認可の合否を判定する、
請求項１～１２の何れか一項に記載の散乱光検出装置を用いた非破壊検査装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、散乱光検出装置、及びそれを用いた非破壊検査装置に関し、特に、近赤外線に代表される光を被検物に照射して反射する散乱光を測定することにより被検物の劣化程度を数値化して知り得る散乱光検出装置、及びそれを用いて被検物を非破壊で検査する非破壊検査装置、に関する。

【背景技術】

【0002】

対象の内部を非破壊で検査するニーズは大きく、医療及び工業分野においてＸ線、超音波、磁気、レーザ、赤外線など様々な技術が開発されている。例えば、ラマン分光法の原理を応用し、生きたままのサンプルについての測定を可能にした医療機器が知られている（特許文献１）。この医療機器とは異なる工業分野において、もっぱら産業機器の劣化検査の用途で非破壊検査が無限にある。非破壊検査の対象は主に、劣化による内部構造の変化及び内部要素の変質である。質の変化には、サビ、酸化、汚れ、混入、硬化、乾燥、などがあり、これらに起因して対象物に亀裂、空隙、キズ、変色、摩耗などの劣化が生じる。

【0003】

昇降機のベアリングはケース内に封入されているため、交換あるいは修理で分解する際でないと、ベアリングの劣化を直接観察することは難しい。そのため、ベアリングの回転の変化によって生じる振動をベアリングケースの外側で測定することにより、ベアリングの劣化を診断する技術が開発されている（非特許文献１－３）。また、ベアリングに組み込まれた高分解能回転センサ（エンコーダ）から得られる回転情報を用いて、ベアリングに生じる回転の異変を検出する技術も開発されている（非特許文献４）。

【0004】

しかし、ベアリングの異常によって生じる振動は微弱であり、ノイズや周囲の装置から発生する振動などの外乱によって測定が難しい。この課題に対し、ベアリング内でキズや摩擦で発生した鉄粉がグリスに混入する量を磁気で測定する測定器、すなわち、グリス鉄粉濃度計が開発されている（非特許文献５）。

【0005】

また、鉄粉の混入によって生じるグリスの色の変化で劣化を推定する技術、すなわち、メンブランパッチを用いたＲＧＢ色相による潤滑油診断技術が開発されている（非特許文献６）。しかし、ベアリングのグリス内に混入する鉄粉量は少量であり、汚れやサビの混入でもグリスの色は変化するため、高精度の測定は難しい。この課題に対して、被検物に近赤外線を照射し、被検物から得られる反射光より散乱を測定し、元の波長からのズレを測定することで、被検物の変質を分子構造の変化として観察可能な散乱光検出装置が開発され、しかも、携行性良好に小型軽量化されたポータブル・ラマン分光モジュールも知られている（非特許文献７）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２０１８－１３４５３

【非特許文献】

【0007】

【文献】https://www.onosokki.co.jp/HP-WK/products/category/vib_relate.htm

【文献】http://www.tetsugen.com/product/mhc/

【文献】http://www.iiu.co.jp/seihin.html#EM_diagnosys

【文献】https://www.ntn.co.jp/japan/news/new_products/news201700033.html

【文献】https://www.new-cosmos.co.jp/product/733/

【文献】https://www.pwri.go.jp/jpn/results/2015/tokyosc/pdf/5.pdf

【文献】https://www.hamamatsu.com/jp/ja/product/photometry-systems/raman-spectroscopy/index.html

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかし、非特許文献７に開示されているポータブル・ラマン分光モジュールをはじめとする従来の近赤外線測定では、波長のズレの量が小さく、被検物の表面形状に起因する散乱光、すなわちノイズが信号に混入するため、測定精度を維持できないという課題があった。本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、信号に混入する形状情報のノイズを除去することにより散乱光測定を高精度化した散乱光検出装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記課題を解決するために、本発明は、ガンマ線、Ｘ線、紫外線、可視光線、赤外線、マイクロ波のうち何れかに属する電磁波を照射光とみなして用い、該照射光を受けた被検物からの散乱光を測定した結果に基づいて前記被検物の分子構造を解析する散乱光検出装置であって、前記照射光の発生源と、前記被検物を基準に前記照射光の入射方向に対して鋭角をなす出射方向に配設された第１検出器と、前記入射方向に対する前記鋭角とは異なる角度の出射方向に配設された第２検出器と、を備え、前記散乱光のうち、第１波長を有する光を前記第１検出器で測定し、前記散乱光のうち、前記第１波長とは異なる第２波長を有する光を前記第２検出器で測定し、前記第１検出器と前記第２検出器との出力比率を用いて前記被検物の形状情報をキャンセルしながら定量測定するものである。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、信号に混入する形状情報のノイズを除去することにより散乱光測定を高精度化した散乱光検出装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の一実施形態に係る散乱光検出装置（以下、「本装置」ともいう）の基本例を示す概念図である。

【図2】本装置の他の構成例を示す概念図である。

【図3】図２の本装置に対する改良例を示す概念図である。

【図4】図１の本装置に対する改良例を示す概念図である。

【図5】図４の本装置に対し、検出器をカメラに置き換えた構成例を示す概念図である。

【図6】図５の本装置に対する変形例を示す概念図である。

【図7】図１～図６の本装置に共通する変形例を示す概念図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以降、本発明を実施するための形態を、実施例１～実施例７により、それぞれ図１～図７を参照して詳細に説明する。

【0013】

（実施例１）
図１は、本発明の一実施形態に係る散乱光検出装置（以下、「本装置」ともいう）の基本例を示す概念図である。図１に示すように本装置１１は、被写体となる被検物４（以下、単に「被検物４」ともいう）４と、被検物４に近赤外線５を照射する光源（以下、「発生源３」ともいう）３と、被検物４から発生する散乱を二手に分離するハーフミラー６と、弾性散乱である第１のエネルギーの波長（以下、「第１波長」ともいう）を持つ光を測定する第１エネルギー検出器（以下、単に「第１検出器１」ともいう）１と、被検物４から発生する非弾性散乱である第２のエネルギーの波長（以下、「第２波長」ともいう）を持つ光を測定する第２エネルギー検出器（以下、単に「第２検出器２」ともいう）２と、により構成されている。

【0014】

被検物４に対して、発生源３とハーフミラー６と第１検出器１及び第２検出器２（以下、２つまとめて「検出器１，２」ともいう）は同じ側に配置される。同じ側に配置されることにより、本装置１１を一体化することができ、被検物４の表面に片側から押し当てる形状が可能となる。

【0015】

発生源３から照射された近赤外線５は、被検物４の内部で散乱され、発生源３と同じ側に反射される。散乱光はハーフミラー６で分離され、第１検出器１と第２検出器２に入射する。入射光は検出器で測定される。ハーフミラー６を用いると、散乱光はそのままミラーを通過する透過光７と、直交方向に分離される反射光８の二手に分かれる。直交方向に分離することにより、２台の検出器１，２を近くに配置することが容易になり、本装置１１の小型化が可能になる。

【0016】

本装置１１において、ハーフミラー６を用いることにより、２種類の波長を持つ光を同時に測定することが可能となり、後述する２種類の光の検出信号の出力比率を正確に求める処理を容易に実行できる。

【0017】

また、検出器１，２にセンサを用いると、検出器１，２が小型になるため、本装置１１の小型化と軽量化が可能となり、かつ取扱いが容易になる。これに対し、図５及び図６を用いて後述するように、検出器１，２に代えて光学カメラ（以下、単に「カメラ」ともいう）２５，２６を用いると、出力が画像として得られるため、一度に広い範囲の測定が可能となり、観察が容易になる。

【0018】

ラマン分光法の原理で知られるように、弾性散乱である第１波長を持つ光は、照射された元の近赤外線５からエネルギー変化がなく、被検物４の分子数に比例し、非弾性散乱より一桁大きい。一方、非弾性散乱である第２波長を持つ光は、照射された元の近赤外線５からの波長のズレを生じる。この波長ズレはエネルギーロスであり、被検物４の変質として分子構造の変化や化学状態の変化を表す。しかし、両者は共に形状由来の散乱を含み、特に表面形状の凹凸による散乱を含む。

【0019】

弾性散乱である第１波長を持つ光は第１検出器１で取得され、非弾性散乱である第２波長を持つ光は第２検出器２で取得される。第１検出器１で取得された出力値と第２検出器２で取得された出力値の出力比率を求める。このとき、第１検出器１と第２検出器２とは、被検物４の同一箇所で同時に生じた散乱光をリアルタイムに測定している。このように、同じ発生源３に由来し、第１、第２の異なる波長に分かれた２つの検出出力の出力比率は、被検物４の分子構造が変化しない限り概ね一定に保持されるという原理が作用する。

【0020】

この原理により、両者に共通に含まれる形状情報、すなわち、ノイズをキャンセルできる。その結果、被検物４の表面形状の凹凸情報を除去して、被検物４の内部の質情報のみが得られる。すなわち、第１検出器１と第２検出器２との出力比率を用いて被検物４の形状情報をキャンセルしながら定量測定する。このとき、測定レベルのダイナミックレンジに制約がある場合、測定出力の最大値と最小値を考慮することが好ましい。

【0021】

すなわち、第１検出器１で取得された出力値の方が大きいので、第２検出器２で取得された小さな出力値を第１検出器１で取得された大きな出力値で除算して比を求めると、小さな除算値となる。デジタル演算処理において、取り扱う数値が小さければオーバーフローすることを防ぐ効果がある。その逆に、第１検出器１で取得された大きな出力値を第２検出器２で取得された小さな出力値で除算して比を求めると、大きな除算値となる。デジタル演算処理において、取り扱う数値が大きければ、演算後の値が量子化誤差によりビット落ちすることを防ぐことができる。

【0022】

また、発生源３から照射される光の波長と、第１検出器１の検出波長と、第２検出器２の検出波長は、被検物４及び検出対象に応じて選定される。ここで、発生源３から発生される光の波長と、弾性散乱である第１波長は同じであり、第１検出器１の検出波長も同じとなる。

【0023】

例えば、被検物４がグリスで検出対象が鉄粉である場合、発生源３による照射光５の波長と、第１波長と、第１検出器１の検出波長はグリス用に選定される。一方、第２波長と、第２検出器２の検出波長は鉄粉用に選定される。

【0024】

一例として、被検物４がウレタン製ハンドレールの表面ゴムや、エレベータのカゴ底に付けられている防振ゴムで、検出対象が亀裂である場合、発生源３による照射光５の波長と、第１波長と、第１検出器１の検出波長はゴム用に選定され、第２波長と、第２検出器２の検出波長は亀裂用に選定される。

【0025】

他の例として、被検物４がエスカレータステップの鉄製フレームで、検出対象がサビである場合、発生源３による照射光５の波長と、第１波長と、第１検出器１の検出波長は鉄用に選定され、第２波長と、第２検出器２の検出波長はサビ用に選定される。

【0026】

ここで用いる照射光５を近赤外線とすれば、被検物４の内部まで光が到達でき、内部の変化が測定できる。照射光５にテラヘルツ波やＸ線を採用すれば、被検物４のさらに内部まで光が到達でき、奥の変化が測定できる。特に、近赤外線５を用いる場合には、被検物４を薄いプレート状にすると、測定が容易となる。なお、本装置１１は、産業上実用的な検査器具、特に非破壊検査装置（本検査装置）として採用されて好適である。本検査装置で第１検出器１と、第２検出器２と、より得られた２種類の光の検出信号の出力比率を正確に求め、その出力比率に変化の有無を監視することにより、検査目的を実現できる。

【0027】

（実施例２）
図２は、他の構成例に係る本装置を示す概念図である。図２に示すように、本装置１２では、図１に示した実施例１に係る本装置１１において、２つ必要だった検出器１，２を１台のエネルギー分解型の検出器（以下、「エネルギー分解検出器」又は単に「検出器」ともいう）９にまとめている。この検出器９を用いると、検出器９の内部でしきい値を設定し、入射光を第１エネルギーと第２エネルギーに分離して測定することができる。このようなエネルギー分解型検出器９を用いると、１台で複数のエネルギーが測定可能であることから、検出器９を１台とすることができ、ハーフミラー６も不要となるため、装置１２は小型化と軽量化が可能であり、その結果として取扱いが容易となる。

【0028】

（実施例３）
図３は、図２の本装置１２に対する改良例を示す概念図である。図２に示した実施例２に係る本装置１２は高価であるため、図３を用いて各種の改良例を提案する。図３に示すように、本装置１３では、図２に示した実施例２に係る本装置１２と同様に１台の検出器１０を備え、その検出器１０の手前にフィルタ２１，２２を複数枚、並べて配置し、検出器１０の検出領域２３，２４をフィルタ２１，２２毎に分離する。１台の検出器１０で同時に、複数のフィルタ２１，２２を透過したエネルギーの光を検出することができる。

【0029】

２枚のフィルタ２１，２２は、以下にいう第１光学フィルタ２１と、第２光学フィルタ２２である。まず、第１光学フィルタ（単に「フィルタ」ともいう）２１は、弾性散乱である第１波長を持つ光を優先的に透過させるものである。また、第２光学フィルタ（単に「フィルタ」ともいう）２２は、非弾性散乱である第２波長を持つ光を優先的に透過させるものである。これら、２枚のフィルタ２１，２２を備えた１台の検出器１０によれば、同時に弾性散乱と非弾性散乱を測定できる。このように、検出器１０は、検出波長に幅を有するので、第１波長と第２波長の両方を測定できる。

【0030】

このような目的のフィルタ２１，２２として、短冊状のフィルタ２１とフィルタ２２とを縞状に貼り合わせた形状も考えられる。あるいは、フィルタ２１とフィルタ２２を格子状に配置する形状も考えられる。２種類のフィルタ２１，２２の距離が近いほど、弾性散乱と非弾性散乱の比を求める際に、精度良く比を算出することができる。つまり、同じところに由来して、波長の異なる２つの検出出力の出力比率が変化したか否かを監視することによって、分子構造の変化を知ることが目的だからである。

【0031】

また、２種類のフィルタ２１，２２を円盤に配設して回転させることで、高速かつ容易にエネルギーの切り替えが可能となる。また、詳細な図示を省略するが、フィルタ２１，２２の代わりに１枚の偏光フィルタを用いると、その偏光フィルタの傾きを変えることにより、２種類のエネルギーのうち、何れを透過させるか切り替えが可能となる。このように、図３に示した実施例３に係る本装置１３は、検出器１０を１台とし、検出器１０の手前に切り替え可能なフィルタ２１，２２を配設した構成である。このフィルタ２１，２２を何らかの制御機構を用いて切り替えながら２種類のエネルギーを透過させれば、１台の検出器１０で複数のエネルギーを測定することが可能となる。

【0032】

（実施例４）
図４は、図１の本装置１１に対する改良例を示す概念図である。図４に示すように、本装置１４では、検出器１，２の手前にそれぞれ光学フィルタ２１，２２を配設する。上述のように、これらは、被検物４から発生する弾性散乱である第１波長を持つ光を優先的に透過させる第１光学フィルタ２１と、被検物４から発生する非弾性散乱である第２波長を持つ光を優先的に透過させる第２光学フィルタ２２である。これら２種類のフィルタ２１，２２で透過するエネルギーを選定するため、検出器側で検出波長を選定する必要がなくなり、第１検出器１と第２検出器２に同じ機能の検出器を用いることができる。つまり、図２に示した実施例２に係る本装置１２で用いたエネルギー分解検出器９のような高価なものを不要にする効果がある。

【0033】

（実施例５）
図５は、図４の本装置１４に対し、検出器をカメラに置き換えた構成例を示す概念図である。図５に示すように、本装置１５では、検出器に代えた光学カメラ２５，２６を使用するとともに、光学レンズ１８も付設して使用する。この光学レンズ１８を使用することで、焦点を調整することができるため、被検物４とカメラ２５，２６の距離を変えてカメラ２５，２６で撮影される視野の大きさを変更することができる。第１光学カメラ２５及び第２光学カメラ２６の２つで検出する波長が近い場合には、図５に示すように、ハーフミラー６の前に１個の光学レンズ１８を配設することで、両方のカメラ光学カメラ２５，２６に対応することができる。本装置１５は、光学レンズ１８が一つで足りるため小型化できる。

【0034】

（実施例６）
図６は、図５の本装置１５に対する変形例を示す概念図である。図６に示すように、本装置１６でも、図５に示した実施例５に係る本装置１５と同様に、検出器に代えて光学カメラ２５，２６を使用している。さらに、カメラ２５，２６毎に専用の光学レンズ２７，２８を配設して使用する点が異なる。さらに、ハーフミラー６の後ろに２個の光学レンズを配設し、それぞれのカメラに対応させ易い構成である。このように、各々のカメラ２５，２６に対してレンズ、及びその設定を最適化できるので、高精度の測定が可能である。特に、本装置１６は、２つのカメラ２５，２６で検出する波長の違いが大きい場合に、良好な性能を発揮するので好適である。なお、図６の本装置１６と、図５の本装置１５と、これらのうち一方が基本形で、他方が変形例であるが、何れが基本形であっても構わない。図５、図６の装置は、図４の装置と同様にカメラの前に光学フィルタを設置し、レンズとカメラの間に光学フィルタが設置される形態も可能である。その場合、図４と同様に、検出器側で検出波長を選定する必要がなくなり、第１検出器１と第２検出器２に同じ機能の検出器を用いることができる。つまり、図２に示した実施例２に係る本装置１２で用いたエネルギー分解検出器９のような高価なものを不要にする効果がある。

【0035】

（実施例７）
図７は、図１～図６の本装置１１～１６に共通する変形例を示す概念図である。図７に示すように、本装置１７では、被検物４を回転させながら、第１波長と第２波長の光を検出する。あるいは、被検物４を固定して、検出装置を回転させながら、第１波長と第２波長の光を検出する。検出装置の形態は、図１～図６を用いて上述の実施例１～６に係る本装置１１～１６（以下、まとめて「検出装置」と略す）のどれにでも適用可能である。第１波長の光と第２波長の光の比を求め、再構成処理を行うことにより、断面像を得ることができ、３次元的な変質の様子を観察することが可能となる。上述した検出装置において、２台の検出器又はカメラ（以下、まとて「カメラ」と略す）を用いる場合、一方のカメラで被検物４の全体を撮影し、他方のカメラで内部観察用の限定領域を撮影することもできる。限定領域のみで第１波長の光と第２波長の光の比を求め、全体像に重ねて表示することにより、被検物４の全体を把握しながら、検出対象の周辺の変質を観察することができる。

【0036】

上述した検出装置は付属の処理機構を有する。処理機構において、第１波長の光と第２波長の光の比の値をクラスタリング処理し、異常あるいは正常の判定を行うことができる。クラスタリング処理には、GMM（Gaussian Mixture Model）やEM（Expectation maximization）アルゴリズムを用いる。非金属は中赤外線及び遠赤外線を吸収し易い特性を持っていることから、第１波長を可視光あるいは近赤外線とし、第２波長を中赤外線あるいは遠赤外線とすると、金属と非金属を区別する際に適する。例えば、非金属であるグリスと、グリスに混入した金属である鉄粉の区別がこれに相当する。被検物４の変質を観察する場合には、被検物４の変質がない領域で求めた第１波長と第２波長の光の比と、被検物４の変質がある領域で求めた第１波長と第２波長の光の比で差が大きいことが望ましい。例えば、被検物４の変質がない領域では第１波長と第２波長の光で差が小さく、被検物４の変質がある領域では第１波長と第２波長の光で差が大きい場合、あるいは、被検物４の変質がない領域では第１波長と第２波長の光で差が大きく、被検物４の変質がある領域では第１波長と第２波長の光で差が小さい場合、あるいは、被検物４の変質がない領域における第１波長と第２波長の光の大小が、被検物４の変質がある領域における第１波長と第２波長の光の大小と逆転する場合、などで実現される。被検物４が鉄製のフレームであり、フレームの腐食や錆や酸化などの変質を観察する場合や、被検物４がゴムであり、紫外線や熱でゴムが固くなった変質を観察する場合が、これに相当する。

【0037】

上述した検出装置では、発生源３からの照射光５について、近赤外線を代表例として説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。可視光、赤外線、紫外線、Ｘ線、マイクロ波、ミリ波、テラヘルツ波、等の様々な波長を持つ波動に適用可能である。それらの場合に応じて、それぞれの発生源３に対し、検出対象とするエネルギーが測定可能な検出器と、検出対象とするエネルギーを透過可能なフィルタを用いる。

【0038】

典型例として、鉄粉混入量に基づく劣化の程度を高精度、かつ定量的に測定することを可能とし、グリスその他の被検物４の質の変化について観察する。そのために、散乱を非弾性散乱のラマン散乱と弾性散乱であるレイリー散乱とに分離して測定し、非弾性散乱と弾性散乱の比を求めることにより、形状情報、すなわちノイズをキャンセルし、定量測定を可能とする。本発明に係る散乱光検出装置（本装置）１１～１７、あるいは本発明に係る非破壊検査装置（本検査装置）によれば、信号に混入する形状情報のノイズを除去することにより高精度化した散乱光測定を実現できる。以下、本発明の要点を特許請求の範囲に沿って説明する。
［１］図１～図７に示す散乱光検出装置（本装置）１１～１７は、照射光５を受けた被検物４からの散乱光を測定した結果に基づいて被検物４の分子構造を解析するための測定器であるとともに、産業上実用的な検査器具である。被検物４の一例として、ベアリングに封入されたグリスが好適であり、その劣化の程度を判定する検査器具として好適である。

【0039】

本装置１１～１７で用いる照射光５は、紫外線、可視光線、近赤外線、中赤外線、又は遠赤外線を適用可能である。特に、近赤外線５が好適である。また、本装置１１～１７の用途によっては、ガンマ線、Ｘ線、あるいはマイクロ波のうち何れかに属する電磁波を照射光５とみなして用いても良い。特に、被検物４の深部まで届くほどの透過力を要する用途には、ガンマ線、又はＸ線が好適である。それ以外の用途には、中赤外線及び遠赤外線が安全簡便で使い勝手が良好である。

【0040】

本装置１１～１７は、照射光５の発生源３と、第１検出器１と、第２検出器２と、を備えて構成されている。第１検出器１は、被検物４を基準に照射光５の入射方向に対して鋭角をなす出射方向に配設されている。第２検出器２は、入射方向に対する鋭角とは異なる角度の出射方向、例えば、入射方向に対する鈍角をなす出射方向に配設されている。第１検出器１は、照射光５が被検物４で散乱されて発生する散乱光のうち、第１波長を有する光を測定する。第２検出器２は、照射光５が被検物４で散乱されて発生する光のうち、第１波長とは異なる第２波長を有する光を測定する。

【0041】

本装置１１～１７は、第１検出器１と第２検出器２との出力比率を用いて被検物４の形状情報をキャンセルしながら定量測定する。これら、第１検出器１と第２検出器２とは、被検物４の同一箇所で同時に生じた散乱光をリアルタイムに測定している。このように、同じ発生源３に由来し、第１、第２の異なる波長に分かれた２つの検出出力の出力比率は、被検物４の分子構造が変化しない限り概ね一定に保持されるという原理が作用する。

【0042】

一方、被検物４の形状に変化、例えば、表面うねり等の変化があれば、その形状変化に応じて、散乱光の検出出力も変化するため、被検物４の表面形状に起因する散乱光、すなわちノイズが信号に混入して測定精度を維持できないという課題があった。つまり、被検物４の分子構造の変化を知りたいにも関わらず、表面形状の変化をノイズとして検出してしまうので、このノイズをキャンセルする必要があるという課題である。

【0043】

この課題に対し、上述の原理を応用すれば、信号に混入したノイズをキャンセルできる。すなわち、検出された出力値の絶対値を監視するのでなく、同じところに由来して、波長の異なる２つの検出出力の出力比率が、ある基準に対して変化したか否かを監視すれば、分子構造の変化を知ることが可能である。その結果、出力比率を用いて被検物４の形状情報をキャンセルしながら定量測定できるという作用効果が得られる。

【0044】

［２］図１～図７に示す本装置１１～１７において、第１波長を有する光は弾性散乱であり、第２波長を有する光は非弾性散乱である。これにより、本装置１１～１７は、被検物４に対し、ラマン分光法の原理を応用して、分子構造の変化を知ることが可能である。

【0045】

［３］図１，図４～図７に示す本装置１１，１４～１７は、さらに、ハーフミラー６が、被検物４から第１検出器１までの間に配設されている。このハーフミラー６は、散乱光を入射して透過光７と反射光８とに分離し、分離された一方より第１波長を有する光が得られ、分離された他方より第２波長を有する光が得られる。このように、被検物４との間にハーフミラー６を介在させた第１，第２検出器１，２は、被検物４の同一箇所で同時に生じた散乱光、すなわち同じ発生源３に由来し、第１、第２の異なる波長に分かれた２つの検出出力をリアルタイムに測定するように構成されている。これによって、出力比率を用いて被検物４の形状情報をキャンセルしながらの高精度な定量測定がより確実に実現する。

【0046】

［４］図３及び図４に示す本装置１３，１４は、さらに、第１光学フィルタ２１と、第２光学フィルタ２２と、を備えている。第１光学フィルタ２１は、第１波長を有する光を優先的に透過する。第２光学フィルタ２２は、第２波長を有する光を優先的に透過する。これにより、入射光と同じ波長（レイリー散乱光）と、極わずかな成分として、入射光と異なった波長をもつ光（ラマン散乱光）と、を容易かつ確実に選別できる。その結果、ラマン散乱光の振動数が、分子の固有振動数になっているラマン効果に基づく高精度な定量測定がより確実に実現する。図５及び図６に示す本装置１５，１６に第１光学フィルタ２１と第２光学フィルタ２２を備えることで、同様の効果が得られる。

【0047】

［５］図３に示す本装置１３は、第１検出器１及び第２検出器２に代えて単一の検出器１０で兼用した。この単一の検出器１０は、第１検出領域２３と、第２検出領域２４と、を設けて２つ分の機能を発揮するように構成されている。第１検出領域２３は、主に第１光学フィルタ２１を透過した第１波長を有する光を受けて検出する。第２検出領域２４は、主に第２光学フィルタ２２を透過した第２波長を有する光を受けて検出する。現状において、検出器と光学フィルタと、それぞれの価格を比較すると、検出器の方がはるかに高価である。高価な検出器であるならば、装置１台につき２個使いするよりも、このような工夫次第で１個使いに簡略化した構造にすることで、本装置１３をより安価に提供できる。

【0048】

［６］図２に示す本装置１２は、第１検出器１及び第２検出器２の代わりに、１個のエネルギー分解検出器９を備えた構成である。このエネルギー分解検出器９は、第１、第２光学フィルタ２１，２２やハーフミラー６を用いることなく、分散光を、第１波長を有する光と、第２波長を有する光と、に分離して測定する機能を有する。これにより、装置１台の構成としては、上記［５］の本装置１３（図３）から、第１、第２光学フィルタ２１，２２を省略できるため一層簡略化できる。ただし、現状で本装置１２に必要不可欠なエネルギー分解検出器９は、上記［１］～［４］で用いた第１、第２検出器２１，２はおろか、上記［５］の本装置１３（図３）で用いた単一の検出器１０よりも、はるかに高価である。したがって、図２に示す本装置１２は、小型軽量化の要望に応じる場合のみにメリットが認められる。さらに、本装置１２は、第１波長の光と第２波長の光を同じ配置で位置ズレなく検出できるため、両者の比を正確に求めることができ、高精度の計測が可能である。

【0049】

［７］図５に示す本装置１５は、第１検出器１を第１光学カメラ２５に置き換えても良く、その場合は、同様に第２検出器２を第２光学カメラ２６に置き換えるように構成される。また、被検物４から第１光学カメラ２５又は第２光学カメラ２６までの光路の何れかに光学レンズ１８が配設されている。これら、第１、第２の光学カメラ２１，２２は、第１、第２波長を有する光をとらえて、それぞれの輝度情報を出力する。本装置１５は、第１、第２の光学カメラ２１，２２の出力比率を用いて被検物４の形状情報をキャンセルしながら定量測定する。

【0050】

なお、図５に示す本装置１５は、図６に示して後述する本装置１６の変形例と考えられる。すなわち、本装置１６において、２組必要だった第１、第２の光学レンズ２７，２８に代えて、光学レンズ１８を被検物４とハーフミラー６との間に１組だけ配設した構成である。透過光９と分離光８とでは、波長が異なるため、１つの光学レンズ１８では、焦点距離も違う。それに対応した各部の配置を考慮することにより、異なる波長別の光路にも全体的な合焦維持も可能である。

【0051】

［８］図６に示す本装置１６は、上記［７］の構成において１つだけだった光学レンズ１８を２つに増やしている。すなわち、第１、第２の光学カメラ２５，２６には、第１、第２の光学レンズ２７，２８がそれぞれ専用に付設されている。第１光学レンズ２７は、第１光学カメラ２５と被検物４との間に配設されている。同様に、第２光学レンズ２８は、第２光学カメラ２６と被検物４との間に配設されている。このように、異なる波長別の光路毎に専用のレンズを配設する本装置１６は、設計が容易で安定した動作が期待できるので、より高精度な測定結果が得られる。

【0052】

［９］図７に示す本装置１７は、上記［１］～［７］の本装置（図１～図６）に共通する変形例として、それらに回転装置２９を付設している。この回転装置２９は、第１、第２検出器２１，２２に対する被検物４の相対角度を変化させる機能を有する。これにより、本装置７０は、第１検出器１の出力に対する第２検出器２の出力比率を、回転装置２９の回転角度に応じて取得できる。このように取得された出力比率を再構成処理して断面像に生成することが可能である。このようにして取得された断面像は医療器具でいうＣＴスキャンにも似た高度な診断機能を有し、より適格な診断結果を得ることが可能である。なお、本装置１７は、第１、第２検出器２１，２に代えて第１、第２の光学カメラ２１，２２を用いた場合も同様である。

【0053】

［１０］本装置１１，１４～１７は、第１波長を有する光と、第１検出器１で測定する光の波長を同じに統一している。これにより、高精度な測定結果を効率的に得ることが可能となる。
［１１］本装置１１～１７は、照射光５として近赤外線を採用することが好ましい。この結果、汎用性を高められるので、より広範囲な測定用途に適用可能となる。特に深部への透過性を要する場合でなければ、ガンマ線やＸ線に比べて発生源３を簡便に構成できる上、被曝等の危険も少なくて済む。

【0054】

［１２］本装置１１～１７は、第１波長を有する光の測定値と、第２波長を有する光の測定値と、の比率を示す数値をクラスタリング処理した結果に基づいて、被検物４の内部又は深部における分子構造の変化を判定する。これにより、高精度で適格な測定結果を得ることが可能となる。

【0055】

［１３］本発明に係る不図示の非破壊検査装置（以下、「本検査装置」ともいう）は、上記［１］～［１２］の何れかに記載の散乱光検出装置（本装置）１１～１７を用いて構成されている。これによる非破壊検査装置において、被検物４は、使用中のボールベアリング、グリス、ゴム製品、樹脂製品、ワイヤ、又はこれらの混合製品に適用可能である。これら被検物４の分子構造を解析した結果に基づいて被検物４の継続使用に対する許認可の合否を判定することが可能である。また、この非破壊検査装置を新品に適用することにより、出荷時の検査や初期不良の検出に使用することが可能である。

【0056】

また、ボールベアリングに封入されたグリスの非破壊検査については、含油スペースの一端の小穴から新鮮なものを圧入し、その圧力で使用中のものを他端の小穴から押し出して検査に供する。押し出された被検物４は、専用の透明ケースに満たされた状態で、本装置１１～１７により散乱光検出されるか、又は本検査装置で非破壊検査されることにより、非破壊検査の目的を達成できる。なお、検査目的でグリスを出し入れする上記小穴は開閉自在であり、通常円転中に閉鎖されていることは言うまでもない。

【0057】

上述したように、本装置、及び本検査装置によれば、例えば、近赤外線に代表される光を用いて、対象の内部の変質を非破壊で検査することが可能となる。特に、昇降機のベアリングのグリスの劣化やグリス内の混入した鉄粉量の測定、ウレタンハンドレールの表面ゴムの劣化やウレタン内の亀裂の測定、防振ゴムの摩耗劣化やゴムの硬化の測定、フレーム材やワイヤの摩擦劣化やサビの測定を高精度に実施することができる。これにより、高精度な点検及び点検結果の判定の自動化が可能となり、メンテナンスの作業時間を短縮すると共に、メンテナンスの質を向上することができる。

【産業上の利用可能性】

【0058】

本発明は、昇降機のベアリングそのもの、それに用いるグリス、エスカレータのウレタンハンドレール、防振ゴム、フレーム材、ワイヤ、及び電線の被覆等に対する劣化程度や継続使用を可否判定する装置として採用される可能性がある。

【符号の説明】

【0059】

１ 第１（エネルギー）検出器
２ 第２（エネルギー）検出器
３ （光線／電磁波）発生源
４ 被検物（被写体）
５ 近赤外線
６ ハーフミラー
７ 透過光
８ 反射光
９ エネルギー分解検出器
１０ （エネルギー）検出器
１１～１７ 散乱光検出装置（本装置）
１８ （光学）レンズ
２１ 第１光学フィルタ
２２ 第２光学フィルタ
２３ 第１（エネルギー）検出領域
２４ 第２（エネルギー）検出領域
２５ 第１（光学）カメラ
２６ 第２（光学）カメラ
２７ 第１（光学）レンズ
２８ 第２（光学）レンズ
２９ 回転装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】