JP2007017298A - 表面検査方法およびその表面検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被検査体の個々のばらつきに起因する超音波のばらつきを表面波以外の超音波により補正することで、欠陥深さ計測精度を向上させる。
【解決手段】被検査体にレーザ光を照射して超音波を励起させる超音波励起装置１３と、前記超音波励起手段のレーザ光が照射された位置から既知の距離離間した位置にレーザ光を照射し、その反射光を受信することにより超音波を受信する超音波受信装置１５と、この超音波受信手段からの出力信号を入力して記録し、被検査体の欠陥を検出する補正手段を有するデータの収録・解析装置１６を備え、前記補正手段は出力信号のうちの透過表面波を表面波以外の超音波で補正する。
【選択図】 図１

Description

本発明は超音波を利用して被検査体の亀裂等欠陥からの超音波反射エコーの有無や、超音波の減衰や周波数変化により欠陥の有無等を探傷する表面検査方法および表面検査装置に関する。

一般に、超音波探傷技術としては、圧電素子や、圧電素子をアレイ状に配置したフェイズドアレイ、電磁力により超音波を発生させる電磁超音波法（ＥＭＡＴ：Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）およびレーザ超音波法（Ｌａｓｅｒ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ（Ｃ． Ｂ． Ｓｃｒｕｂｙ ａｎｄ Ｌ． Ｅ． Ｄｒａｉｎ））等がある。

このレーザ超音波法は、パルスレーザ光を被検査体に照射する際に生じる熱弾性効果やアブレーションの反力により超音波を発生させ、他方のレーザ光を受信点に照射し、超音波により被検査体に生じる振動変位や速度変位を干渉計測することで超音波を検出するものである。

これら超音波探傷技術のうち、材料の表面層を伝播する表面波は、材料表層の欠陥や材料特性を計測する手段として広く知られている。表面波を用いた一般的な欠陥検査手法としては、被検査体表面に超音波伝播媒質を介して送信用表面波探触子を接触させ、その探触子から表面波を送信させ、受信用表面波探触子を用いて受信することで表面開口欠陥の有無等を検査する方法がある。

また、表面開口欠陥の検出およびサイジングの方法として、表面波が存在する表面からの深さ（以下、浸透深さ）が波長、すなわち周波数の逆数に依存する特性を利用し、送信用と受信用の探蝕子を、欠陥を挟む位置にそれぞれ設置して、欠陥を透過する表面波を利用して欠陥の深さを推定することが行われている（例えば、特許文献１参照）
図６は従来の超音波表面検査装置の構成の概要を示す。すなわち、この表面検査装置は所定の周波数ｆを有する信号を発生する発振器１から信号を発信し、送信用超音波探触子２により超音波表面波に変えて被検査体ＴＰに送信する。表面波ＳＲは被検査体ＴＰの表面層を伝播し、その表面に欠陥Ｃがあると、それによって減衰を受けて透過波ＳＴとなり、受信用表面探触子３で受信される。この受信信号は、受信器４により受信されてから、欠陥評価装置５で検出処理され、欠陥Ｃの有無とその深さが検出される。

なお、これら超音波の送信・受信に用いられる手段は、一般に、圧電効果等を用いた接触式探蝕子であり、その場合、被検査体ＴＰと探蝕子２および３の間には、超音波伝播媒質のカプラント６が必要である。この探傷装置は、表面波の浸透深さが周波数ｆに依存して変わることを利用して、材料表層部の欠陥を透過した表面波の周波数毎の減衰率から欠陥深さを推定するものである。即ち、幾つかの異なる周波数ｆ_１、ｆ_２・・・ｆ_ｎを含む波形を送信波として用い、健全部を伝播した受信波を基準として、材料表層部の欠陥を透過した受信波の周波数毎の減衰率a（ｆ）を求めて、減衰量の割合に応じて欠陥の深さを換算している。このようにして、透過法を用い、かつ周波数毎の表面波の減衰率を計算することにより、欠陥の有無ばかりでなく、その深さを求めることができる。

また、透過波の周波数成分から欠陥の深さを求める別の手法としては、複数の周波数成分を含む超音波を使用し、被検査体を透過する超音波の透過量を周波数毎に求め、周波数毎に求めた非検査体の健全部を透過する超音波の透過量で正規化し、正規化された透過量の周波数分布のパターンから、表面傷の種類と深さを検出することを特徴とする表面傷の検出方法である（特許文献２参照）。

また、他の超音波探傷装置としては、被検査体の欠陥の無い健全部と欠陥部の透過超音波の振幅の減衰変化、または透過時間比から、欠陥の有無を判断する手法も提案されている（例えば、特許文献３参照）。
特開平１０−２１３５７３号公報 特開２００１−４６００号公報 特開２０００−２４１３９７号公報

しかしながら、これら従来手法の第一の課題は、表面状態等に依存して計測する表面波に個々のばらつきが生じることにある。

すなわち、被検査体に超音波を発生させる際に、圧電素子であれば被検査体への押し付け強さのばらつきが検査個所毎に変化し、超音波信号レベルが変化することは往々にして発生する。

また圧電素子および電磁超音波法においては、被検査体とのリフトオフが変化することで検査個所毎に超音波信号レベルが変化する。これらは特に実機検査を行おうとする際に、被検査体が曲率を有している場合や、探触子の駆動機構の駆動精度などより大きな問題となる。また、レーザ超音波法においては、表面の状態のばらつきにより受信感度および励起する超音波の信号レベルにばらつきを生じさせる。

一般的にこれらのばらつきは被検査個所毎の表面状態のばらつきや、計測装置の設置位置誤差に起因しており、欠陥深さ計測誤差の原因となる。

また、従来手法の第二の課題は、健全部と欠陥部の超音波の透過量を比較して欠陥の有無の判断やサイジングを行う際に、健全部での評価値のばらつきと欠陥部の評価値のばらつきが生じることで、欠陥深さの推定に誤差が生じることである。

さらに、前記特許文献１，２，３に見られる従来手法の多くは、欠陥の有無や深さを推定する際に、健全部との比較を行い、振幅や周波数の変化量から欠陥有無や深さを推定しているが、実際の計測においては、健全部で計測した複数のデータにおいてもばらつきが生じ、時にそのばらつきは欠陥部の変化量と誤認する可能性がある。

また、これら手法は健全部と欠陥部で同じ感度で計測が可能であるという前提であるが、前述のように圧電素子であればその押し付け強さや押し付け具合のばらつきが計測誤差となり、電磁超音波法においてはリフトオフ、レーザ超音波法においては表面状態によって計測誤差となり、健全部と欠陥部の正確な比較は困難になる。

また、従来手法の第三の課題は、欠陥の深さ変化を正確に計測したい場合や、材質そのものが超音波を強く散乱させる等がある場合、透過表面波の変化量だけでは、その変化をとらえきれない場合が生じる。その結果、欠陥の深さ計測が困難になることがある。

本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、被検査体の個々のばらつきに起因する超音波のばらつきを表面波以外の超音波により補正することで、欠陥深さ計測精度を向上させることができる表面検査方法および表面検査装置を提供することにある。

請求項１に係る発明は、被検査体にレーザ光を照射して超音波を励起させる超音波励起手段と、前記超音波励起手段のレーザ光が照射された位置から既知の距離離間した位置にレーザ光を照射し、その反射光を受信することにより超音波を受信する超音波受信手段と、この超音波受信手段からの出力信号を入力して記録し、被検査体の欠陥を検出する補正手段とを備え、前記補正手段は出力信号のうちの透過表面波を表面波以外の超音波で補正することを特徴とする表面検査装置である。

請求項８に係る発明は、被検査体にレーザ光を照射して超音波を励起させ、前記レーザ光が照射された位置から既知の距離離間した位置にレーザ光を照射し、その反射光を受信することにより超音波を受信し、受信した超音波の信号のうちの透過表面波を表面波以外の超音波で補正して被検査体の欠陥を検出することを特徴とする表面検査方法である。

本発明によれば、欠陥深さ計測精度を向上させることができる。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。なお、これらの添付図面中、同一または相当部分には同一符号を付している。

（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係るレーザ超音波法による表面検査装置１１の構成を示す模式図である。この表面検査装置１１は、被検査体ＴＰの所要の送信点Ｅにパルス状のレーザ光１２を照射して超音波を励起させる超音波励起装置１３、この送信点Ｅから既知の距離離間した受信点Ｍに、レーザ光１４を照射し、その反射光を受信することにより超音波を受信する超音波受信装置１５およびこの超音波受信装置１５からの出力信号ｓｉｇを入力して記録し、被検査体ＴＰの例えば表面開口の欠陥Ｃの有無、位置、深さを検出する補正手段の一例であるデータ記録・解析装置１６を具備している。

このレーザ超音波法の表面検査装置１１では、表面波ＳＷ（ＳＲ，ＳＴ）以外に、被検査体ＴＰの表面層を伝播する縦波ＰＷや体積波ＢＷ等種々のモードの超音波が発生する。また、表面波ＳＷにも欠陥Ｃに入力される表面波ＳＲと欠陥Ｃを透過する透過表面波ＳＴがある。

図２はこのデータ記録・解析装置１６に入力される超音波波形の一例を示しており、データ記録・解析装置１６は、送信点Ｅで励起された超音波の速度が予め既知であるので、送信点Ｅにレーザ光１２が照射されてから受信点Ｍに到達する所定の受信時刻を中心とする所定時間幅の計測時間において、超音波受信装置１５からの出力信号ｓｉｇを図２に示すように計測、記録し、その出力信号ｓｉｇを解析することにより、欠陥Ｃの有無、位置、深さをそれぞれ求めるものである。

データ記録・解析装置１６は、欠陥Ｃの深さを求める場合、透過表面波ＳＴの振幅や周波数の成分等の変化量（減衰量）に基づいて求めるが、その透過表面波ＳＴの補正波として、その透過表面波ＳＷ以外の縦波ＰＷと体積波ＢＷを使用する。

すなわち、データ記録・解析装置１６の補正手段は、被検査体ＴＰの検査領域において、常に一定の形状である場合、他の行路を伝播してくる体積波ＢＷを透過表面波ＳＴの補正用波形ｆ_{ｃｏｒｒｅｃｔ}として使用するものである。例えば、透過表面波ＳＴ、体積波ＢＷの振幅のピークツーピーク値（peak−to peak）をそれぞれ算出し、透過表面波ＳＴの振幅のピークツーピーク（ＳＴＰ−Ｐ）と、体積波ＢＷの振幅のピークツーピーク（ＢＷＰ−Ｐ）との比（ＳＴＰ−Ｐ／ＢＷＰ−Ｐ）を評価指標値として求め、この評価指標値を、この評価指標値と欠陥Ｃの深さとの対応関係を予め求めてある校正曲線（または変換データテーブル）に適用することにより、この欠陥Ｃの深さを求めるものである。

または、データ記録・解析装置１６の補正手段は、透過表面波ＳＴと体積波ＢＷの二乗平均値（ＲＭＳ．Ｒｏｏｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ）をそれぞれ求め、この透過表面波ＳＴのＲＭＳと、体積波ＢＷのＲＭＳの比（ＳＴ−ＲＭＳ／ＢＷ−ＲＭＳ）を評価指標値として求め、この評価指標値を、この評価指標値と欠陥Ｃの深さとの対応関係を予め求めてある校正曲線等に適用することにより、欠陥Ｃの深さを求めてもよい。

さらに、この評価指標値Ｉ_{ｃｏｒｒｅｃｔ}としては、透過表面波ＳＴと体積波ＢＷをそれぞれ高速フーリエ変換（ＦＦＴ）してパワースペクトルＴをそれぞれ算出し、下記（１）式に示すように任意の最小周波数ｆ_Ｌから最大周波数ｆ_Ｈの領域で積分した値同士の比（ＳＴ−Ｔ／ＢＷ−Ｔ）を使用してもよい。

また、下記（２）式に示すように、パワースペクトルＴ（ｆ_{ｃｏｒｒｅｃｔ}）に任意の重み関数ｗ（ｆ）を乗じ積分した値をＩ_{ｃｏｒｒｅｃｔ}とすることも可能である。勿論、ここに挙げた以外の方法で補正用波形ｆ_{ｃｏｒｒｅｃｔ}から評価指標値を算出する方法もある。また、透過表面波ＳＴに対する補正方法として除算以外の方法も考えられる。

したがって、このデータ記録・解析装置１６によれば、透過表面波ＳＴの補正に使用される体積波ＢＷは、透過表面波ＳＴと同時に測定されているため、被検査体ＴＰの表面状態やデータ記録・解析装置１６による計測の不安定を反映した波形となっており、それらの信号で規格化することで計測誤差分をキャンセルすることが可能である。

（第２の実施形態）
そして、被検査体ＴＰの検査領域が一定でない形状を有している場合や、他モードの超音波がデータ記録・解析装置１６の計測時間内に到達しない場合や、減衰が大きく使用するのに困難な場合には、表面を伝わる縦波ＰＷを使用することも可能である。勿論、被検査体ＴＰの検査領域が一定の形状である場合にも縦波ＰＷを使用することは可能である。ここで、縦波ＰＷは表面波ＳＷと同じ伝播経路であるため、伝播経路にき裂が生じていた場合、表面波ＳＷと同様に透過波形が変化する。しかし、その透過波の変化量は表面波ＳＷの場合とは異なる。そこで、表面波ＳＷが欠陥Ｃを透過し得られた評価指標を、表面層を伝播する縦波ＰＷが欠陥Ｃを透過し得られた評価値で除算する等の補正をすることにより、新たな評価指標を作成することができる。

図３は欠陥Ｃなし部である健全部、および深さが例えば０．４ｍｍ、０．８ｍｍ、１．２ｍｍ、１．６ｍｍの欠陥Ｃに対して表面波ＳＷを透過させた際の表面波解析結果の一例を示す。図３中の補正なしの評価指標Ｉ’_ＳＡＷは表面波ＳＷに対して、（２）式を適用させて補正ありの評価指標Ｉ_ＳＡＷを算出し、これを健全部の評価指標Ｉ_ＳＡＷにより除算することで算出している。一方、図３中の補正ありの評価指標Ｉ’_{ＳＡＷ−ｃｏｒｒｅｃｔ}は、算出した評価指標Ｉ_ＳＡＷを評価指標Ｉ_{ｃｏｒｒｅｃｔ}によりさらに除算した後、健全部の評価指標Ｉ_ＳＡＷ値により除算することで算出している。

図４は各欠陥Ｃの深さにおける評価指標値のばらつきを比較したグラフである。補正なしの評価指標Ｉ’_ＳＡＷのばらつきに比べ、補正を行った評価指標Ｉ’_{ＳＡＷ−ｃｏｒｒｅｃｔ}のばらつきが大きく減少していることがわかる。このように算出した評価指標は、表面状態のばらつきといった計測誤差要素をキャンセルしたものとなるため、より高精度の探傷精度を有することが可能である。ここで、縦波ＰＷ以外の表面波ＳＷと同じ行路を伝播する他のモードの超音波を使用することは勿論可能である。また、表面波ＳＷと同じ行路でないが同様に欠陥Ｃの影響を受ける他のモードの超音波を使用することも勿論可能である。

さらに、縦波ＰＷと体積波ＢＷの評価指標値同士を乗算して評価指標値を増大させてもよく、これによれば体積波ＢＷと縦波ＰＷの各評価指標値が小さく、変化量が小さい場合でも、これら縦波ＰＷと体積波ＢＷの変化量を測定することができる。これにより、測定精度を向上させることができる。

（第３の実施形態）
前記第２の実施形態においては表面波ＳＷと同じ行路を伝播する他の補正用超音波ｆ_{ｃｏｒｒｅｃｔ}に対して評価指標Ｉ_{ｃｏｒｒｅｃｔ}を算出し、これにより、表面波ＳＷを除算することで補正を行った。しかし、この補正は他の超音波で行うことや、他の手法で行うことが可能な場合もある。一方で、欠陥Ｃを透過させた際の透過表面波ＳＴの変化量が小さい場合や、計測したい各欠陥Ｃ深さ毎において、その変化量を有意にとらえられない程小さい場合が生じることがある。

そこで、算出した評価指標Ｉ_{ｃｏｒｒｅｃｔ}をＩ_ＳＡＷに積算することにより、評価指標Ｉ_{ｃｏｒｒｅｃｔ}で得られる欠陥Ｃによる変化量と表面波ＳＷの評価指標で得られる欠陥Ｃによる変化量を２重に得られることになる。これにより、計測することが困難であった変化量をとらえることが可能になる。なお、評価指標Ｉ_{ｃｏｒｒｅｃｔ}として使用する超音波は表面波ＳＷと同じ行路でないが同様に欠陥Ｃの影響を受ける他のモードの超音波を使用することも可能である。また、使用する評価指標Ｉ_{ｃｏｒｒｅｃｔ}は１つとは限らず、欠陥Ｃの影響を受ける超音波であれば複数使用し、表面波ＳＷの評価指標Ｉ_ＳＡＷに積算することも可能である。

（第４の実施形態）
図５は本発明の第４の実施形態に係る表面検査装置１７の要部構成を示す模式図である。この表面検査装置１７は、図１で示す超音波励起装置１３を、圧電素子よりなる送信用超音波探触子１８に置換した点に主な特徴がある。

超音波探触子１８は、カプラント１９を介して被検査体ＴＰの表面に接触した状態で配設され、発振器２０からの所要周波数の電圧を受電して所要周波数の超音波に変換して被検査体ＴＰに送信するものである。

この表面検査装置１７の場合も、超音波探触子１８から送信された超音波はウェッヂと被検査対象面においてモード変換を受け、表面波ＳＷとして被検査体ＴＰの表面を伝播して行く。その一方では図５に示すようにウェッヂ内部を反射する超音波ＷＲや、表面波ＳＷ以外の超音波も発振される。ウェッヂ内で反射する超音波ＷＲは、超音波探触子１８の被検査体ＴＰの表面への押し付け強さと比例する超音波波形もあるため、この超音波波形を表面波ＳＷの波形に対して上述の補正処理を行った評価指標値Ｉ_correctにより補正処理を行うことも可能である。

本発明の第１の実施形態に係る表面検査装置の構成と複数モードの超音波を示す模式図。 図１で示すデータ記録・解析装置により記録される種々のモードの超音波波形の一例を示す波形図。 本発明の第２の実施形態において、表面波をそれ以外の超音波により補正した場合と補正していない場合の欠陥深さの評価指標を比較した図。 本発明に第２の実施形態において、補正した場合と補正していない場合の各欠陥深さにおける評価指標のばらつきを比較した図。 本発明の第４の実施形態に係る表面検査装置の構成と複数モードの超音波を示す模式図。 透過表面波を用いた従来の表面検査装置。

符号の説明

１１ 表面検査装置
１２ レーザ光
１３ 超音波励起装置
１４ レーザ光
１５ 超音波受信装置
１６ データ記録・解析装置
ＴＰ 被検査体
Ｃ 表面欠陥
ＳＲ 健全部を伝播した表面波
ＳＴ 欠陥を透過した表面波
ＳＷ 表面波
ＢＷ 被検査体内部を伝播する体積波
ＷＲ ウェッヂ内部を伝播する超音波
ＰＷ 表面を伝播する縦波波

Claims (8)

1. 被検査体にレーザ光を照射して超音波を励起させる超音波励起手段と、
   前記超音波励起手段のレーザ光が照射された位置から既知の距離離間した位置にレーザ光を照射し、その反射光を受信することにより超音波を受信する超音波受信手段と、
   この超音波受信手段からの出力信号を入力して記録し、被検査体の欠陥を検出する補正手段と
   を備え、
   前記補正手段は出力信号のうちの透過表面波を表面波以外の超音波で補正することを特徴とする表面検査装置。
2. 前記補正手段は、前記透過表面波の所定の成分を、表面波以外の超音波の同一成分により除算して評価指標値として求め、この評価指標値を、この評価指標値と前記欠陥の深さとの対応関係を予め求めてある校正曲線に適用することにより、前記欠陥の深さを求めることを特徴等する請求項１記載の表面検査装置。
3. 前記表面波以外の超音波が被検査体の表面層を伝播する縦波および体積波の少なくとも一方であることを特徴とする請求項１または２記載の表面検査装置。
4. 前記表面波とこの表面波以外の超音波の両成分が振幅の二乗平均値であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の表面検査装置。
5. 前記表面波とこの表面波以外の超音波の両成分がパワースペクトルであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の表面検査装置。
6. 前記パワースペクトルは、その積分範囲を任意に選択されていることを特徴とする請求項５記載の表面検査装置。
7. 前記縦波と体積波の前記評価指標同士は乗算されてなることを特徴とする請求項３〜６のいずれか１項に記載の表面検査装置。
8. 被検査体にレーザ光を照射して超音波を励起させ、
   前記レーザ光が照射された位置から既知の距離離間した位置にレーザ光を照射し、その反射光を受信することにより超音波を受信し、
   受信した超音波の信号のうちの透過表面波を表面波以外の超音波で補正して被検査体の欠陥を検出することを特徴とする表面検査方法。

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