特許 7258792 レーザ超音波計測装置およびレーザ超音波計測方法

(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】2023-04-07

(45)【発行日】2023-04-17

(54)【発明の名称】レーザ超音波計測装置およびレーザ超音波計測方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 29/24 20060101AFI20230410BHJP

   G01N 29/34 20060101ALI20230410BHJP

   G01N 29/48 20060101ALI20230410BHJP

【ＦＩ】

G01N29/24

G01N29/34

G01N29/48

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2020017689

(22)【出願日】2020-02-05

(65)【公開番号】P2021124373

(43)【公開日】2021-08-30

【審査請求日】2022-03-07

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001092

【氏名又は名称】弁理士法人サクラ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】星 岳志

(72)【発明者】

【氏名】山本 摂

(72)【発明者】

【氏名】秋元 恵

【審査官】村田 顕一郎

(56)【参考文献】

【文献】特開平１０－２１３５７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－１８５６３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－１７３８９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－１８０４１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－２４１３９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０３－０４６５５８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２９／００－２９／５２

Ｇ０１Ｂ １７／００－１７／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

液体中にある測定対象に広帯域の周波数を有する表面波を励起するレーザ超音波発生装置と、
互いに中心周波数の異なる複数の圧電素子と、
前記複数の圧電素子により受信された超音波信号に基づいて前記測定対象中の欠陥の規模を推定する欠陥推定部と、
を備えることを特徴とするレーザ超音波計測装置。

【請求項2】

前記レーザ超音波発生装置は、
パルスレーザ光を発生するパルスレーザ光源と、
照射プローブと、
前記パルスレーザ光を伝送する光ファイバと、
前記パルスレーザ光を前記光ファイバに入射させる光ファイバ入射機構と、
を有することを特徴とする請求項１に記載のレーザ超音波計測装置。

【請求項3】

前記レーザ超音波発生装置は、
パルスレーザ光を発生するパルスレーザ光源と、
前記パルスレーザ光の光路を転換する光学ミラーと、
前記パルスレーザ光を集光する光学レンズと、
を有することを特徴とする請求項１に記載のレーザ超音波計測装置。

【請求項4】

前記欠陥推定部は、前記複数の圧電素子により受信された前記超音波信号のそれぞれの強度に基づいて前記測定対象中の欠陥の規模を推定することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のレーザ超音波計測装置。

【請求項5】

前記レーザ超音波発生装置、前記複数の圧電素子の設置位置を個別に調整する送受信位置制御機構をさらに備えることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のレーザ超音波計測装置。

【請求項6】

前記複数の圧電素子は、直線状に配列されていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載のレーザ超音波計測装置。

【請求項7】

前記複数の圧電素子は、環状に配列されていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載のレーザ超音波計測装置。

【請求項8】

液体中にある測定対象に超音波を発生させるレーザ超音波発生装置を設置する発生装置設置ステップと、
互いに中心周波数の異なる複数の圧電素子を第１の位置に設置する第１回圧電素子設置ステップと、
前記発生装置設置ステップおよび前記第１回圧電素子設置ステップの後に、レーザ超音波発生装置により、測定対象に広帯域の周波数を有する超音波を発生させる第１回超音波発生ステップと、
前記第１回超音波発生ステップにおいて前記複数の圧電素子からの信号を取得し、前記信号のレベルを比較して、前記測定対象中の欠陥の規模を推定する第１回欠陥推定ステップと、
を有することを特徴とするレーザ超音波計測方法。

【請求項9】

測定対象に超音波を発生させるレーザ超音波発生装置を設置する発生装置設置ステップと、
互いに中心周波数の異なる複数の圧電素子を第１の位置に設置する第１回圧電素子設置ステップと、
前記発生装置設置ステップおよび前記第１回圧電素子設置ステップの後に、レーザ超音波発生装置により、測定対象に広帯域の周波数を有する超音波を発生させる第１回超音波発生ステップと、
前記第１回超音波発生ステップにおいて前記複数の圧電素子からの第１の信号を取得し、前記第１の信号のレベルを比較して、前記測定対象中の欠陥の規模を推定する第１回欠陥推定ステップと、
を有し、
前記第１回欠陥推定ステップは、前記複数の圧電素子からの前記第１の信号が、透過表面波であるか反射表面波であるかを判別する判別ステップを有し、
前記判別ステップでの結果に応じた位置に前記複数の圧電素子を移動し第２の位置に設置する第２回圧電素子設置ステップと、
前記第２回圧電素子設置ステップの後に、レーザ超音波発生装置により、測定対象に広帯域の周波数を有する超音波を発生させる第２回超音波発生ステップと、
前記第２回超音波発生ステップにおいて前記複数の圧電素子からの第２の信号を取得し、前記第２の信号のレベルを比較して、前記測定対象中の欠陥の規模を推定する第２回欠陥推定ステップと、
前記第１回欠陥推定ステップおよび前記第２回欠陥推定ステップの結果から、前記欠陥の位置を推定する欠陥位置推定ステップと、
を有することを特徴とするレーザ超音波計測方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、レーザ超音波計測装置およびレーザ超音波計測方法に関する。

【背景技術】

【0002】

超音波探傷試験（ＵＴ：Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｅｓｔｉｎｇ）は、非破壊で構造材の表面および内部の健全性を確認できる技術であり、様々な分野で欠かせない検査技術となっている。

【0003】

圧電素子を検査対象に接触させて超音波を送受信する接触式のＵＴ、小型の超音波送受信用圧電素子を並べ、圧電素子ごとにタイミング（遅延時間）をずらして超音波発信することにより任意の波形を形成できるフェーズドアレイ超音波探傷試験（ＰＡＵＴ）は、工業用途で広く用いられている。またパルスレーザの照射により超音波を励起し、別のレーザおよびレーザ干渉計により検査対象表面の微小振動を計測するレーザ超音波法（ＬＵＴ：Ｌａｓｅｒ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｅｓｔｉｎｇ）などの方法も利用されている。レーザ超音波法は非接触で検査できるため、溶接施工中の検査などにも適用されている。

【0004】

超音波信号の処理方法、検査対象内部を映像化するための装置や手法についても用途に応じた多様な形態が提案されており、例えば生体の内部を超音波により映像化する場合、生体内の組織の違いにより音速が異なることから、検査対象のある特定の領域の音速を仮定して超音波の計測を行い、得られた検出結果とあらかじめ想定していた結果との違いから解析する手法等も提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特許第５６５１５３３号公報

【文献】特許第４６３２５１７号公報

【文献】特許第５５２８０８３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

発電プラントの定期点検や溶接構造物の溶接部の品質検査などにおいて、被測定対象の表面のキズやき裂などの欠陥を検査する必要がある場合、超音波の表面波を用いて欠陥を検出することが可能である。表面波を発生するために、超音波探触子を用いる方法が考えられるが、アクセスが困難な部位への圧電素子の設置は困難である。レーザ超音波法は、超音波送信用のパルスレーザの照射により表面波を励起し、別の受信用レーザおよびレーザ干渉計により検査対象表面の微小振動を計測することで欠陥を検出することが可能だが、被測定対象の表面に付着物がある場合や、表面粗さが大きい場合などは、受信用レーザの反射光量が減少し、十分な受信感度が得られないという課題がある。

【0007】

他の方法として、超音波による表面検査を水中で行う場合、送信用レーザで励起された表面波が欠陥で漏洩波として水中に伝搬し、その漏洩波により別に設置した金属などの薄板が振動するのを受信用レーザで測定する手法も提案されている。しかし、この方法の場合、欠陥の表面からの深さは、超音波の励起点および受信点を、欠陥を跨ぐように配置し、欠陥を透過した表面波から発生する漏洩波の周波数を解析することにより求めることは可能だが、装置としては周波数解析機能を実装した信号処理用ＰＣが、また、手法としては周波数解析ステップが必要となる。

【0008】

また、漏洩波の受信をレーザではなく圧電センサで行う場合でも、センサ固有の中心周波数に近い漏洩波のみを検出するため、欠陥深さを求めることはできない。

【0009】

そこで、本発明の実施形態は、レーザ超音波探傷において、周波数解析を行うことなく表面欠陥の深さに関する情報を取得することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上述の目的を達成するため、本実施形態に係るレーザ超音波計測装置は、液体中にある測定対象に広帯域の周波数を有する表面波を励起するレーザ超音波発生装置と、互いに中心周波数の異なる複数の圧電素子と、前記複数の圧電素子により受信された超音波信号に基づいて前記測定対象中の欠陥の規模を推定する欠陥推定部と、を備えることを特徴とする。

【0011】

また、本実施形態に係るレーザ超音波計測方法は、液体中にある測定対象に超音波を発生させるレーザ超音波発生装置を設置する発生装置設置ステップと、互いに中心周波数の異なる複数の圧電素子を第１の位置に設置する第１回圧電素子設置ステップと、前記発生装置設置ステップおよび前記第１回圧電素子設置ステップの後に、レーザ超音波発生装置により、測定対象に広帯域の周波数を有する超音波を発生させる第１回超音波発生ステップと、前記第１回超音波発生ステップにおいて前記複数の圧電素子からの信号を取得し、前記信号のレベルを比較して、前記測定対象中の欠陥の規模を推定する第１回欠陥推定ステップと、を有することを特徴とする。
また、本実施形態に係るレーザ超音波計測方法は、測定対象に超音波を発生させるレーザ超音波発生装置を設置する発生装置設置ステップと、互いに中心周波数の異なる複数の圧電素子を第１の位置に設置する第１回圧電素子設置ステップと、前記発生装置設置ステップおよび前記第１回圧電素子設置ステップの後に、レーザ超音波発生装置により、測定対象に広帯域の周波数を有する超音波を発生させる第１回超音波発生ステップと、前記第１回超音波発生ステップにおいて前記複数の圧電素子からの第１の信号を取得し、前記第１の信号のレベルを比較して、前記測定対象中の欠陥の規模を推定する第１回欠陥推定ステップと、を有し、前記第１回欠陥推定ステップは、前記複数の圧電素子からの前記第１の信号が、透過表面波であるか反射表面波であるかを判別する判別ステップを有し、前記判別ステップでの結果に応じた位置に前記複数の圧電素子を移動し第２の位置に設置する第２回圧電素子設置ステップと、前記第２回圧電素子設置ステップの後に、レーザ超音波発生装置により、測定対象に広帯域の周波数を有する超音波を発生させる第２回超音波発生ステップと、前記第２回超音波発生ステップにおいて前記複数の圧電素子からの第２の信号を取得し、前記第２の信号のレベルを比較して、前記測定対象中の欠陥の規模を推定する第２回欠陥推定ステップと、前記第１回欠陥推定ステップおよび前記第２回欠陥推定ステップの結果から、前記欠陥の位置を推定する欠陥位置推定ステップと、を有することを特徴とする。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】第１の実施形態に係るレーザ超音波計測装置の構成を示すブロック図である。

【図2】第１の実施形態に係るレーザ超音波計測装置の変形例の構成を示すブロック図である。

【図3】第１の実施形態に係るレーザ超音波計測装置の第１の欠陥の場合の作用を説明する概念的ブロック図である。

【図4】第１の実施形態に係るレーザ超音波計測装置の第２の欠陥の場合の作用を説明する概念的ブロック図である。

【図5】第１の実施形態に係るレーザ超音波計測装置の第３の欠陥の場合の作用を説明する概念的ブロック図である。

【0013】

【図6】第１の実施形態に係るレーザ超音波計測方法の手順を示すフロー図である。

【図7】第１の実施形態に係るレーザ超音波計測装置において透過表面波を用いる場合の構成を示すブロック図である。

【図8】第１の実施形態に係るレーザ超音波計測方法の透過表面波を用いる場合の圧電素子で受信する波形を示す波形図である。

【図9】第１の実施形態に係るレーザ超音波計測方法の透過表面波を用いる場合の欠陥深さとエコー強度の関係を示すグラフ波形図である。

【図10】第１の実施形態に係るレーザ超音波計測装置において反射表面波を用いる場合の構成を示すブロック図である。

【図11】第１の実施形態に係るレーザ超音波計測方法の反射表面波を用いる場合の圧電素子で受信する波形を示す波形図である。

【図12】第１の実施形態に係るレーザ超音波計測方法の反射表面波を用いる場合の欠陥深さとエコー強度の関係を示すグラフ波形図である。

【図13】第２の実施形態に係るレーザ超音波計測装置の構成を示すブロック図である。

【図14】第３の実施形態に係るレーザ超音波計測装置の構成を示すブロック図である。

【図15】第４の実施形態に係るレーザ超音波計測装置の構成を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るレーザ超音波計測装置およびレーザ超音波計測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、重畳する説明は省略する。

【0015】

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係るレーザ超音波計測装置の構成を示すブロック図である。

【0016】

レーザ超音波計測装置１００は、レーザ超音波発生装置１０、圧電素子２０、および欠陥推定部３０を有する。

【0017】

レーザ超音波発生装置１０は、パルスレーザ光源１１、光ファイバ入射機構１２、照射プローブ１３、光ファイバ１５を有する。レーザ超音波発生装置１０の発生する超音波は、周波数に幅を有する、すなわち低周波数から高周波数までの広帯域の周波数を有する。なお、周波数の具体的な領域については、検出対象とするき裂を含む欠陥２（図３）のサイズ、具体的には表面からの深さに応じて、これを含む領域を選択する。

【0018】

パルスレーザ光源１１として使用するレーザは、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、ＣＯ２レーザ、Ｅｒ：ＹＡＧレーザ、チタンサファイアレーザ、アレキサンドライトレーザ、ルビーレーザ、色素（ダイ）レーザおよびエキシマレーザなどが挙げられ、これ以外の場合であってもよい。パルスレーザ光源１１は１台だけでなく複数台から構成してもよい。

【0019】

パルスレーザ光源１１から発振されるパルスレーザ光は、光ファイバ入射機構１２を介して光ファイバ１５に導入され、照射プローブ１３から測定対象１に照射される。

【0020】

圧電素子２０は、第１の圧電素子２１、第２の圧電素子２２、および第３の圧電素子２３の３つの圧電素子を有する。圧電素子は、超音波探触子と呼ばれるものであり、一般的には、図示はしないが、超音波を発生する機構と、超音波をダンピングするダンピング材と、超音波の発振面に取り付けられた前面板との、いずれかの構成もしくはその組み合わせからなる構成となる。圧電素子２０に使用するものは、超音波の発生機構は有さなくともよい。前面板とその支持部等の剛性により、圧電素子の固有振動数である中心周波数が決まる。

【0021】

ここで、第１の圧電素子２１、第２の圧電素子２２、および第３の圧電素子２３は、互いに、中心周波数が異なるものを用いる。なお、圧電素子２０が３つの圧電素子を有する場合を例にとって示したが、２つ、あるいは４つ以上であってもよい。

【0022】

欠陥推定部３０は、複数の圧電素子、すなわち、第１の圧電素子２１、第２の圧電素子２２、および第３の圧電素子２３により受信された超音波信号に基づいて、容器３内の液体４に浸漬された測定対象１における欠陥２を推定する。なお、推定の具体的な内容については、後述する。

【0023】

図２は、第１の実施形態に係るレーザ超音波計測装置の変形例の構成を示すブロック図である。

【0024】

本変形例は、レーザ超音波発生装置１０ａが、パルスレーザ光源１１、反射ミラー１４、および光学レンズ１６を有し、光ファイバを用いずに、パルスレーザ光源１１から発せられたパルスレーザ光の光路を反射ミラー１４により反射して方向転換し、光学レンズ１６で集光して測定対象１に照射する構成であり、たとえば、このような構成であってもよい。

【0025】

図３は、第１の実施形態に係るレーザ超音波計測装置の第１の欠陥の場合の作用を説明する概念的ブロック図、図４は、第２の欠陥の場合の作用を説明する概念的ブロック図、また、図５は、第３の欠陥の場合の作用を説明する概念的ブロック図である。

【0026】

図３ないし図５において、Ａ、Ｂ、Ｃは、レーザ超音波発生装置１０による照射により生じた測定対象１の表面を伝搬する表面波Ｕｓに含まれる３種類の波を模式的に示したものであり、表面波Ａ、表面波Ｂ、および表面波Ｃと呼ぶこととする。表面波Ａ、表面波Ｂ、および表面波Ｃは、それぞれ、波長λＡ、波長λＢ、および波長λＣを有し、波長λＡ＜波長λＢ＜波長λＣであるものとする。また、これらに対応する周波数を、それぞれ、周波数ｆＡ、周波数ｆＢ、および周波数ｆＣとする。したがって、周波数ｆＡ＞周波数ｆＢ＞周波数ｆＣである。

【0027】

測定対象１に発生した表面波Ｕｓは、測定対象１の表面を伝搬し、測定対象１の表面に欠陥２が存在する場合、その波長に依存して、この欠陥２を透過するか、あるいはこの欠陥２により反射する。

【0028】

すなわち、波長が欠陥２の深さよりも短い表面波Ｕｓは、欠陥で反射する。この欠陥で反射する超音波を反射表面波Ｕｒと呼ぶものとする。また、波長が欠陥２の深さよりも長い表面波Ｕｓは欠陥を通り越し、すなわち透過して伝搬する。この表面波を、透過表面波Ｕｔと呼ぶものとする。

【0029】

図３ないし図５を例にとれば、図３は、欠陥２の深さが、表面波Ａの波長λＡより大きく、表面波Ｂの波長λＢより小さい場合を示しており、この場合は、表面波Ａは欠陥２で反射し、表面波Ｂおよび表面波Ｃは透過する。図４は、欠陥２の深さが、表面波Ｂの波長λＢより大きく、表面波Ｃの波長λＣより小さい場合を示しており、この場合は、表面波Ａおよび表面波Ｂは欠陥２で反射し、表面波Ｃのみが透過する。また、図５は、欠陥２の深さが、表面波Ｃの波長λＣより大きい場合を示しており、この場合は、表面波Ａ、表面波Ｂおよび表面波Ｃはいずれも欠陥２で反射する。

【0030】

今、図３ないし図５に示すように、測定対象１は、容器３内の液体４に浸漬しており、超音波の送受信は、液体４の中で行われる。このような状態では、測定対象１の表面を伝搬する表面波Ｕｓ、反射表面波Ｕｒ、および透過表面波Ｕｔの一部は、水中に漏えいする。以下、反射表面波Ｕｒおよび透過表面波Ｕｔが水中に漏えいした漏えい波を、それぞれ、反射漏えい波Ｕｒｗおよび透過漏えい波Ｕｔｗと呼ぶものとする。この反射漏えい波Ｕｒｗおよび透過漏えい波Ｕｔｗを、それぞれ受信可能な位置で圧電素子２０が受信する。たとえば、図４の場合であれば、反射漏えい波Ｕｒｗは、主として表面波Ａおよび表面波Ｂに起因するものであり、透過漏えい波Ｕｔｗは、主として表面波Ｃに起因するものとなる。

【0031】

図６は、第１の実施形態に係るレーザ超音波計測方法の手順を示すフロー図である。

【0032】

まず、測定対象１に超音波を発生させるレーザ超音波発生装置１０を設置する（ステップＳ１０）。

【0033】

次に、第１回測定を行う（ステップＳ２０）。第１回測定ステップＳ２０は、３つのステップを有する。

【0034】

すなわち、まず、互いに周波数の異なる複数の圧電素子として、第１の圧電素子２１、第２の圧電素子２２、および第３の圧電素子２３を第１の位置Ｐ１（図７）に設置する（ステップＳ２１）。

【0035】

図７は、第１の実施形態に係るレーザ超音波計測装置において透過表面波を用いる場合の構成を示すブロック図である。

【0036】

第１の圧電素子２１、第２の圧電素子２２、および第３の圧電素子２３が設置されている第１の位置Ｐ１は、測定対象１の欠陥２を挟んで、レーザ超音波発生装置１０により照射される位置Ｐ０の反対側にある。ただし、この段階では、第１の位置Ｐ１と欠陥２の位置の関係は不明である。

【0037】

次に、レーザ超音波発生装置１０により、測定対象１に広帯域の周波数を有する超音波を発生する（ステップＳ２２）。この結果、測定対象１の表面に表面波Ｕｓが発生する。位置Ｐ１においては、主に、透過漏えい波Ｕｔｗが受信される。

【0038】

次に、第１の圧電素子２１、第２の圧電素子２２、および第３の圧電素子２３のそれぞれからの信号を取得し、これらの信号レベルを比較する（ステップＳ２３）。

【0039】

図８は、第１の実施形態に係るレーザ超音波計測方法の透過表面波を用いる場合の圧電素子で受信する波形を示す波形図である。縦方向には、上側から下側に向かって、第１の圧電素子２１からの高周波、第２の圧電素子２２からの高周波、および第３の圧電素子２３からの高周波のそれぞれの波形が示されている。また、左右に並んだ波形図の左側に第１の欠陥の場合が、右側に第２の欠陥の場合が、それぞれ示されている。

【0040】

第１の欠陥の場合の波形と第２の欠陥の場合の波形とを比較すると、第１の圧電素子２１からの高周波の波形の強さはいずれも小さく差異がない。第２の圧電素子２２からの高周波の波形の強さは、第１の欠陥の場合は、右側の第２の欠陥の場合に比べて小さくなっている。また、第３の圧電素子２３からの高周波の波形の強さはいずれも大きく差異がない。

【0041】

まず、第１の欠陥の場合および第２の欠陥の場合のいずれにおいても、中心周波数ｆＡが高いすなわち対応する波長λＡが短い第１の圧電素子２１からの高周波の波形の強さより、中心周波数ｆＣが低いすなわち対応する波長λＣが長い第３の圧電素子２３からの高周波の波形の強さが強いということは、位置Ｐ１が透過表面波Ｕｔｗを計測する位置である、すなわち、欠陥２を挟んで位置Ｐ０と反対側の位置であることを意味している。したがって、欠陥２は、位置Ｐ０と位置Ｐ１の間にあるということが分かる。

【0042】

また、右側の第２の欠陥の場合は、第３の圧電素子２３からの高周波のみが透過しているため、き裂の深さは、第２の圧電素子２２の中心周波数ｆＢに対応する波長λＢより深く、かつ、第３の圧電素子２３の中心周波数ｆＣに対応する波長λＣより浅いことが分かる。

【0043】

また、左側の第１の欠陥の場合は、第１の圧電素子２１からの高周波のみが反射しているため、き裂の深さは、第１の圧電素子２１の中心周波数ｆＡに対応する波長λＡより深く、かつ、第２の圧電素子２２の中心周波数ｆＢに対応する波長λＢより浅いことが分かる。

【0044】

このように、欠陥２の深さおよび位置の概略を推定することができる。

【0045】

図９は、第１の実施形態に係るレーザ超音波計測方法の透過表面波を用いる場合の欠陥深さとエコー強度の関係を示すグラフ波形図である。横軸は、計測対象１に形成された欠陥２の深さである。また、縦軸は、欠陥を透過した透過表面波を圧電素子で計測した場合のエコー強度である。圧電素子は、破線が第１の圧電素子２１、一点鎖線が第２の圧電素子２２、実線が第３の圧電素子２３である。

【0046】

形成する欠陥深さを連続的に増加させると、それぞれの透過表面波Ｕｔｗは、単調に減少する。特に、欠陥の大きさが、それぞれの波長の近傍にあるときに、減少の傾きが大きくなる。

【0047】

この透過表面波の減少特性図をあらかじめ作成しておくことによって、第１の圧電素子２１、第２の圧電素子２２および第３の圧電素子２３からのエコー信号のレベルの相対比を得て、この減少特性図と比較することにより、欠陥２の深さをさらに精度よく推定することができる。

【0048】

以上の第１回測定の次に、第２回測定を行う（ステップＳ３０）。第２回測定ステップＳ３０も、３つのステップを有する。

【0049】

まず、互いに中心周波数の異なる複数の圧電素子として、第１の圧電素子２１、第２の圧電素子２２、および第３の圧電素子２３を第２の位置Ｐ２（図１０）に設置する（ステップＳ３１）。

【0050】

図１０は、第１の実施形態に係るレーザ超音波計測装置において反射表面波を用いる場合の構成を示すブロック図である。

【0051】

第１の圧電素子２１、第２の圧電素子２２、および第３の圧電素子２３が設置されている第２の位置Ｐ２は、測定対象１の欠陥２を挟んで、位置Ｐ１の反対側である。これは、第１回測定のステップＳ２３において、第１の位置Ｐ１が欠陥２を挟んで位置Ｐ０と反対側の位置である、すなわち、欠陥２は位置Ｐ０と位置Ｐ１の間にあるということが分かったことによる。この場合は、さらに、欠陥２の位置の推定精度を上げるために、位置Ｐ０と位置Ｐ１との間に、位置Ｐ２を設定する。説明の都合上、位置Ｐ２は、漏えい反射波Ｕｒｗを検知可能な位置であるものとする。

【0052】

次に、レーザ超音波発生装置１０により、測定対象１に広帯域の周波数を有する超音波を発生する（ステップＳ３２）。この結果、測定対象１の表面に表面波Ｕｓが発生する。位置Ｐ２においては、主に、反射漏えい波Ｕｒｗが受信される。

【0053】

次に、第１の圧電素子２１、第２の圧電素子２２、および第３の圧電素子２３のそれぞれからの信号を取得し、これらの信号レベルを比較する（ステップＳ３３）。

【0054】

図１１は、第１の実施形態に係るレーザ超音波計測方法の反射表面波を用いる場合の圧電素子で受信する波形を示す波形図である。縦方向には、上側から下側に向かって、第１の圧電素子２１からの高周波、第２の圧電素子２２からの高周波、および第３の圧電素子２３からの高周波のそれぞれの波形が示されている。また、左右に並んだ波形図の左側に第１の欠陥の場合が、右側に第２の欠陥の場合が、それぞれ示されている。

【0055】

第１の欠陥の場合の波形と第２の欠陥の場合の波形とを比較すると、第１の圧電素子２１からの高周波の波形の強さはいずれも大きいが、第１の欠陥の場合の方が大きい。第２の圧電素子２２からの高周波の波形の強さは、第１の圧電素子２１からの高周波の波形の強さよりは小さく、また、第１の欠陥の場合は、右側の第２の欠陥の場合に比べて大きくなっている。また、第３の圧電素子２３からの高周波の波形の強さはいずれも小さく差異がない。

【0056】

まず、第１の欠陥の場合および第２の欠陥の場合のいずれにおいても、中心周波数ｆＡが高いすなわち対応する波長λＡが短い第１の圧電素子２１からの高周波の波形の強さが、中心周波数ｆＣが低いすなわち対応する波長λＣが長い第３の圧電素子２１からの高周波の波形の強さより大きいということは、位置Ｐ１が反射表面波Ｕｒｗを計測する位置である、すなわち、欠陥２と位置Ｐ０との間の位置であることを意味している。したがって、欠陥２は、位置Ｐ２と位置Ｐ１の間にあるということが分かる。

【0057】

また、右側の第２の欠陥の場合は、第３の圧電素子２３からの高周波の反射がほとんどないこと、また、第２の圧電素子２２からの高周波の反射も小さいことから、第１の圧電素子２１の中心周波数ｆＡに対応する波長λＡより深く、かつ、第２の圧電素子２２の中心周波数ｆＢに対応する波長λＢより浅いことが分かる。

【0058】

また、左側の第１の欠陥の場合は、第３の圧電素子２３からの高周波の反射のみが小さいことから、き裂の深さは、第２の圧電素子２２の中心周波数ｆＢに対応する波長λＢより深く、かつ、第３の圧電素子２３の中心周波数ｆＣに対応する波長λＣより浅いことが分かる。

【0059】

このように、欠陥２の深さおよび位置の概略を推定することができる。

【0060】

図１２は、第１の実施形態に係るレーザ超音波計測方法の反射表面波を用いる場合の欠陥深さとエコー強度の関係を示すグラフ波形図である。横軸は、測定対象１に形成された欠陥の深さである。また、縦軸は、欠陥で反射した反射表面波を圧電素子で計測した場合のエコー強度である。圧電素子は、破線が第１の圧電素子２１、一点鎖線が第２の圧電素子２２、実線が第３の圧電素子２３である。

【0061】

この反射表面波の減少特性図をあらかじめ作成しておくことによって、第１の圧電素子２１、第２の圧電素子２２および第３の圧電素子２３からのエコー信号のレベルの相対比を得て、この減少特性図と比較することにより、欠陥２の深さをさらに精度よく推定することができる。

【0062】

なお、第１回測定のステップＳ２０において、欠陥２の位置が十分に把握可能の結果が得られている場合には、この第２回測定のステップＳ３０は不要である。また、第２回測定のステップＳ３０の結果が、第１回測定のステップＳ２０の結果と同様、すなわち、たとえば、両者とも、透過漏えい波を検出していた場合、位置Ｐ２の位置Ｐ０からの距離がまだ大きい場合には、さらに、位置Ｐ２と位置Ｐ０との間に、圧電素子２０を移動させて、さらなる測定を実施してもよい。

【0063】

ステップＳ３０の第２回測定の次に、表面欠陥サイズ、位置の評価、判定を行う（ステップＳ４０）。すなわち、第１回測定および第２回測定の結果の整合性を含めて、総合的に確認し、欠陥２の深さ、位置の推定を確実なものとする。

【0064】

以上のように、本実施形態によって、レーザ超音波探傷において、周波数解析を行うことなく表面欠陥の深さに関する情報を取得することができる。

【0065】

［第２の実施形態］
図１３は、第２の実施形態に係るレーザ超音波計測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。本実施形態に係るレーザ超音波計測装置１００は、送受信位置調整部４０をさらに有する。

【0066】

送受信位置調整部４０は、送受信ユニット筐体４１および送受信ユニット駆動部４２を有する。

【0067】

送受信ユニット筐体４１は、照射プローブ１３および圧電素子２０を収納する。送受信ユニット駆動部４２は、送受信ユニット筐体４１を移動駆動する。

【0068】

照射プローブ１３および圧電素子２０は、測定対象１の表面形状、例えば欠陥２がき裂の場合、そのき裂の進展方向などにより、設置位置を調整する必要がある。そのため、送受信位置調整部４０を設け、照射プローブ１３および圧電素子２０の位置を調整する。例えば、上下、左右、前後の３軸の位置調整に加え、測定対象１に対する照射プローブ１３の照射方向、圧電素子２０のセンサ面の方向などを調整することができるようにする。例えば、送受信位置調整部４０にロボットアームなどを用いることで、測定対象１の形状が複雑であっても所定の位置の検査を容易に行うことができる。

【0069】

［第３の実施形態］
図１４は、第３の実施形態に係るレーザ超音波計測装置の構成を示すブロック図である。

【0070】

本実施形態では、圧電素子２０は、複数の第１の圧電素子２１および複数の第２の圧電素子２２を有する。第１の圧電素子２１および第２の圧電素子２の中心周波数の異なる２種類の圧電素子が、同一円周上に交互に配されている。圧電素子２０が配列されているこの円周は、パルスレーザ光が照射される位置Ｐ０を含み、測定対象１の表面に垂直な直線Ｌ０を中心した円周である。

【0071】

このように圧電素子を設置した場合、パルスレーザ光によって測定対象１の表面に励起された表面波Ｕｓは、パルスレーザ光の照射点Ｐ０を中心に径方向の外側に伝搬していく。圧電素子２０に到達する水中漏洩波Ｕｔｗは、複数のモードの超音波が異なる経路を取りうるため、例えば、欠陥位置から発生する水中漏洩波、欠陥を透過した透過表面波からの水中漏洩波などが検出される。圧電素子２０を円環上に広げて配置することで、それぞれの圧電素子２０により検出された超音波波形を解析し、測定範囲内の欠陥の有無を知ることができる。さらに、欠陥からのエコーが得られる時間の違い、透過表面波の検出有無により、欠陥位置、欠陥深さの情報を得ることも可能となる。なお、圧電素子群の数、圧電素子の配置における順序は、この限りでない。また、楕円形、半円形などの配置形態をとっても良い。

【0072】

［第４の実施形態］
図１５は、第４の実施形態に係るレーザ超音波計測装置の構成を示すブロック図である。

【0073】

本実施形態においては、パルスレーザの照射側にシリンドリカルレンズ１７を有する。また、圧電素子２０は、複数の第１の圧電素子２１および複数の第２の圧電素子２２を有する。複数の第１の圧電素子２１および複数の第２の圧電素子２２は、シリンドリカルレンズ１７から径方向外側に向かう直線上に、第１の圧電素子２１および第２の圧電素子２２が交互に一列に配されている。なお、圧電素子２０がシリンドリカルレンズ１７からみて一方のみに配されているが、両側に設けてもよい。

【0074】

パルスレーザ光により測定対象１の表面に励起された表面波Ｕｓは、照射点Ｐ０から図中では左右方向に伝搬していく。これに対して、圧電素子２０を列状に配置することで、表面波Ｕｓが伝搬した範囲からの水中漏洩波Ｕｗの信号を受信することができる。

【0075】

［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。

【0076】

また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。また、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。

【0077】

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。

【符号の説明】

【0078】

１…測定対象、２…欠陥、３…容器、４…液体、１０、１０ａ…レーザ超音波発生装置、１１…パルスレーザ光源、１２…光ファイバ入射機構、１３…照射プローブ、１４…反射ミラー、１５…光ファイバ、１６…光学レンズ、１７…シリンドリカルレンズ、２０…圧電素子、２１…第１の圧電素子、２２…第２の圧電素子、２３…第３の圧電素子、３０…欠陥推定部、４０…送受信位置調整部、４１…送受信ユニット筐体、４２…送受信ユニット駆動部、１００…レーザ超音波計測装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】