JP2019207200A - 光検査システム、光検査方法及び航空機構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】光ファイバセンサを用いた超音波検査等の非破壊検査において検査対象となる構造体に温度、加速度、歪量等の変化が生じる場合であっても、実用的な精度で検査を続行できるようにすることである。【解決手段】実施形態に係る光検査システムは、被検査対象を伝播する振動を検出し、振動の振幅の時間変化に対応する波長の時間変化を有する光信号を出力する光ファイバセンサと、波長の時間変化を有する光信号を、波長の時間変化に対応する強度の時間変化を有する光信号に変換して出力する光フィルタと、強度の時間変化を有する光信号に基づいて被検査対象の検査情報を取得する信号処理部と、波長の時間変化を有する光信号を強度の時間変化を有する光信号に変換するための、光信号の波長の時間変化と、光信号の強度の時間変化との間における対応関係を、光フィルタの波長特性を変化させることによって補正する補正部とを備えるものである。【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、光検査システム、光検査方法及び航空機構造体に関する。

従来、ファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ： Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）を用いて歪量等の物理量を計測する技術が知られている。例えば、ＦＢＧ及びアレイ導波路グレーティング（ＡＷＧ： Ａｒｒａｙｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｇｒａｔｉｎｇ）を用いて航空機等の材料として用いられる複合材の損傷を探知するシステムが提案されている（例えば特許文献１参照）。より具体的には、ピエゾ素子から発振される超音波のセンサとしてＦＢＧセンサを用い、ＦＢＧセンサで検出される超音波の波形変化に基づいて損傷を検知するシステムが提案されている。

また、超音波センサとして位相シフトＦＢＧ（ＰＳ−ＦＢＧ：Ｐｈａｓｅ−ｓｈｉｆｔｅｄ ＦＢＧ）を用いることによって物体に生じた微小な変位を高感度に計測する技術も提案されている（例えば特許文献２参照）。

このような超音波検査法を用いれば、航空機構造体や建築物等の構造ヘルスモニタリング（ＳＨＭ：Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｈｅａｌｔｈ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ）が可能である。

特開２００７−２３２３７１号公報 特開２０１４−１５３０９４号公報

しかしながら超音波検査の対象が航空機等の移動体である場合には、超音波検査の対象となる構造体の温度が短時間で変化したり、荷重を受けて変形する場合がある。特に航空機構造体の温度や航空機構造体に負荷される荷重は、地上で使用される構造体の温度や地上で使用される構造体に負荷される荷重に比べて極端に大きく変化する。また、移動体を構成する構造体が超音波検査の対象である場合には、超音波検査の対象に振動が生じることになる。

光ファイバセンサを用いた超音波検査の対象となる構造体の温度、構造体に生じる振動の大きさ、構造体に負荷される荷重による歪分布等の条件が変化すると、光ファイバセンサから出力される光信号の波長等の特性が変化する。その結果、超音波検査のための光信号の処理に適切な条件で光信号を取得することができない場合がある。換言すれば、超音波検査の対象となる構造体の状態によっては、超音波検出信号の検出感度や検出精度が低下する場合がある。

そこで本発明は、光ファイバセンサを用いた超音波検査等の非破壊検査において検査対象となる構造体に温度、加速度、歪量等の変化が生じる場合であっても、実用的な精度で検査を続行できるようにすることを目的とする。

本発明の実施形態に係る光検査システムは、被検査対象を伝播する振動又は被検査対象の変位を検出し、前記振動の振幅の時間変化又は前記変位の時間変化に対応する波長の時間変化を有する光信号を出力する光ファイバセンサと、前記波長の時間変化を有する光信号を、前記波長の時間変化に対応する強度の時間変化を有する光信号に変換して出力する光フィルタと、前記強度の時間変化を有する光信号に基づいて前記被検査対象の検査情報を取得する信号処理部と、前記波長の時間変化を有する光信号を前記強度の時間変化を有する光信号に変換するための、前記光信号の波長の時間変化と、前記光信号の前記強度の時間変化との間における対応関係を、前記光フィルタの波長特性を変化させることによって補正する補正部とを備えるものである。

また、本発明の実施形態に係る航空機構造体は、上述の光検査システムを設けたものである。

また、本発明の実施形態に係る光検査方法は、上述の光検査システムを用いて前記被検査対象の検査情報を取得するものである。

また、本発明の実施形態に係る光検査方法は、光ファイバセンサを用いて被検査対象を伝播する振動又は被検査対象の変位を検出し、前記振動の強度の時間変化又は前記変位の時間変化に対応する波長の時間変化を有する光信号を出力するステップと、光フィルタを用いて前記波長の時間変化を有する光信号を、前記波長の時間変化に対応する強度の時間変化を有する光信号に変換して出力するステップと、前記強度の時間変化を有する光信号に基づいて前記被検査対象の検査情報を取得するステップと、前記波長の時間変化を有する光信号を前記強度の時間変化を有する光信号に変換するための、前記光信号の波長の時間変化と、前記光信号の前記強度の時間変化との間における対応関係を、前記光フィルタの波長特性を変化させることによって補正するステップとを有するものである。

本発明の第１の実施形態に係る光検査システムの構成図。 図１に示す光ファイバセンサとして用いられるＦＢＧセンサから出力される光信号に対してＡＷＧが光フィルタとして機能する原理を説明するグラフ。 図１に示す被検査対象となり得る航空機構造体の温度変化と歪量の変化の一例を示すグラフ。 図１に示す光フィルタを構成する光導波路の温度を調節することによって光フィルタの波長特性を変化させるようにした光フィルタ補正部の構成例を示す図。 （Ａ）及び（Ｂ）は図１に示す光ファイバセンサから出力される光信号の外乱による波長変化がキャンセルされるように光フィルタの波長特性を補正した例を示すグラフ。 図１に示す光検査システムを用いて被検査対象の検査情報を取得する流れを示すフローチャート。 本発明の第２の実施形態に係る光検査システムの構成図。 本発明の第３の実施形態に係る光検査システムの構成図。

本発明の実施形態に係る光検査システム、光検査方法及び航空機構造体について添付図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
（光検査システムの構成及び機能）
図１は本発明の第１の実施形態に係る光検査システムの構成図である。

光検査システム１は、被検査対象Ｏの超音波検査を行うシステムである。ここでは、主として被検査対象Ｏが航空機構造体であり、検査内容が損傷や亀裂等の欠陥の有無及び進展である場合について説明するが、自動車等の移動体を構成する構造体はもちろん、建築物が被検査対象Ｏであっても同様な超音波検査を行うことができる。また、検査内容は欠陥の有無等に限らず、被検査対象Ｏの歪量や厚さであっても良い。被検査対象Ｏが航空機構造体である場合には、光検査システム１は航空機構造体に設けられる。

光検査システム１は、超音波振動子２、光ファイバセンサ３、光源４、光サーキュレータ５、光フィルタ６、信号処理部７、光フィルタ補正部８、記憶装置９、信号生成回路１０、入力装置１１及び表示装置１２で構成することができる。

超音波振動子２は、被検査対象Ｏの検査対象エリアに向けて超音波を発振し、被検査対象Ｏに超音波振動を伝播させるアクチュエータ等の素子である。検査対象エリアが広い場合には、図１に例示されるように複数の超音波振動子２を適切な間隔で配置することができる。また、被検査対象Ｏが板状であれば、超音波としてラム（Ｌａｍｂ）波を発振させることが検査内容の検出感度を向上させる観点から好適である。ラム波は、超音波の波長の半分以下の薄板を伝播する波である。

光ファイバセンサ３は、被検査対象Ｏを伝播する超音波振動を検出する超音波センサである。検査対象エリアが広い場合には、図１に例示されるように複数の光ファイバセンサ３を適切な間隔で配置することができる。

光ファイバセンサ３としては、ＦＢＧセンサやＰＳ−ＦＢＧセンサが挙げられる。また、光の干渉を利用して物理量を測定する干渉計も光ファイバセンサ３の一例である。干渉計には、マッハ・ツェンダ干渉計、マイケルソン干渉計、リング干渉計、ファブリペロー干渉計等の種類がある。以降では、光ファイバセンサ３がＦＢＧセンサである場合を例に説明する。

光ファイバセンサ３で超音波振動を検出すると、光ファイバセンサ３からは超音波振動の振幅の時間変化に対応する波長の時間変化を有する光信号が出力される。これは、光ファイバセンサ３に超音波振動が伝播すると、光ファイバセンサ３の長さが超音波振動の振幅に応じて変化する結果、光ファイバセンサ３の光透過特性及び光反射特性が光の波長方向にシフトすることに起因している。

従って、光ファイバセンサ３の反射光を光信号として検出しても良いし、光ファイバセンサ３の透過光を光信号として検出しても良い。図１は光ファイバセンサ３の反射光を光信号として検出する場合の例を示している。このため、光ファイバセンサ３の一端に光サーキュレータ５が接続されている。そして、光サーキュレータ５の入射ポートに光ファイバセンサ３にレーザ光を出射するための光源４が接続され、光サーキュレータ５の出射ポートから光ファイバセンサ３で反射したレーザ光の反射光が光検出信号として出力されるように光学系が構成されている。光ファイバセンサ３の透過光を光信号として検出する場合には、光ファイバセンサ３の他端から透過光として光信号を出力するように光学系を構成することができる。

光フィルタ６は、光ファイバセンサ３から出力される波長の時間変化を有する光信号を、波長の時間変化に対応する強度の時間変化を有する光信号に変換して出力する光学デバイスである。光フィルタ６としては、ＡＷＧを用いることができる。ＡＷＧは、入力側スラブ導波路と出力側スラブ導波路との間を光路長が異なる複数の曲線チャネル導波路で接続することによって構成される光デバイスである。

図２は図１に示す光ファイバセンサ３として用いられるＦＢＧセンサから出力される光信号に対してＡＷＧが光フィルタ６として機能する原理を説明するグラフである。

図２において横軸は光の波長（λ）を示し、縦軸は光強度の損失（ｄＢ）を示す。ＡＷＧに複数の波長の光成分を含む光を入射させると異なる波長を有する光をそれぞれ出力することができる。すなわち、ＡＷＧを用いると、入射光を波長ごとに分波することができる。従って、ＡＷＧから出力される光の損失は図２の一点鎖線で示すようにＡＷＧのｎ（ｎは自然数）個の出力ポートＰ１、Ｐ２、Ｐ３、…、Ｐｎに対応する特定の波長において小さくなり、ｎ個の複数の極小値を呈する。換言すれば、図２に一点鎖線で示す曲線の各極小値に対応する飛び飛びの値を有する複数の特定の波長を有する光のみが選択的にＡＷＧを通過することになる。

一方、ＦＢＧセンサからの反射光は、図２に実線で示すように特定の波長において損失が最小値を呈する下に凸の強度分布を有する。そして、ＦＢＧセンサから出力される光信号は、図２に示すような波長方向における光強度分布が波長方向に時間的に振動する信号となる。

従って、図２に示すようにＦＢＧセンサから出力される光信号の強度のピークが、ＡＷＧの出力ポートＰ３を通過することが可能な光の中心波長と、出力ポートＰ４を通過することが可能な光の中心波長との間にある場合であれば、光信号の波長が大きくなる程、ＡＷＧの出力ポートＰ４から出力される光の強度が大きくなり、逆に、光信号の波長が小さくなる程、ＡＷＧの出力ポートＰ４から出力される光の強度が大きくなる。従って、ＡＷＧの出力ポートＰ１、Ｐ２、Ｐ３、…、Ｐｎから出力される光信号は、強度が時間的に変化する信号となる。

特に、ＡＷＧの隣接する２つの出力ポート、すなわち出力する光信号の中心波長が最も近い２つの出力ポートから出力される２つの光信号の一方の強度を反転させて両者の差分をとれば、波長の時間変化を有する光信号の振幅を増幅することができる。その結果、被検査対象Ｏに生じた欠陥の検出感度を飛躍的に向上させることができる。

また、図１に例示されるように複数の光ファイバセンサ３から光信号が出力される場合には、各光ファイバセンサ３から出力される光信号の中心波長の変動範囲が、ＡＷＧの互いに異なる出力ポートＰ１、Ｐ２、Ｐ３、…、Ｐｎに対応する波長間となるように各光ファイバセンサ３の波長特性を決定すれば、共通のＡＷＧを用いて複数の光ファイバセンサ３から出力される光信号を、波長の時間変化を表す信号から強度の時間変化を表す信号に変換することができる。尚、このようなＡＷＧを光フィルタ６として用いた信号処理法の詳細は、日本国特開２００７−２３２３７１号公報に詳述されている。

信号処理部７は、光フィルタ６として機能するＡＷＧから出力される強度の時間変化を有する光信号に基づいて被検査対象Ｏの検査情報を取得する装置である。信号処理部７は、光電変換器７Ａ、Ａ／Ｄ（ａｎａｌｏｇ−ｔｏ−ｄｉｇｉｔａｌ）変換器７Ｂ及びプログラムを読込ませたコンピュータ７Ｃ等の光信号及び電気信号の少なくとも一方を処理する回路類で構成することができる。

尚、必要に応じて光信号を処理する光学素子や光学デバイス並びにアナログの電気信号を処理する電気回路を設けても良い。具体例としてノイズを低減するためのフィルタ処理やアベレージング（加算平均化）処理を施すための回路を光信号又は電気信号の信号線上に接続することができる。

光電変換器７Ａは、光フィルタ６から出力される波長別の光信号をそれぞれ電気信号に変換する光検出器である。光電変換器７Ａにおいてアナログの電気信号に変換された波長別の光信号は、Ａ／Ｄ変換器７Ｂにおいてデジタルの電気信号に変換されてコンピュータ７Ｃに出力される。そして、コンピュータ７Ｃにおける所望の信号処理によって被検査対象Ｏの検査情報を取得することができる。

すなわち、被検査対象Ｏの検査情報として被検査対象Ｏの検査対象エリアに欠陥が生じたか否か及び被検査対象Ｏの検査対象エリアに生じた欠陥の程度の少なくとも一方をコンピュータ７Ｃにおける信号処理によって取得することができる。また、上述したように検査情報として被検査対象Ｏの検査対象エリアにおける歪量をコンピュータ７Ｃにおける信号処理によって取得するようにしても良い。

コンピュータ７Ｃでは、光フィルタ６として用いられるＡＷＧから出力される中心波長が異なる２つの光信号を光電変換して得られる２つの電気信号を取得することができる。そこで、上述したように、２つの電気信号の一方の強度を反転させて差分を取る信号処理をコンピュータ７Ｃで実行すれば、ＦＢＧセンサ等の光ファイバセンサ３の微小な伸縮量の時間変化に対応する強度の時間変化を有する信号を生成することができる。従って、被検査対象Ｏの検査対象エリアを伝播した超音波振動の振幅に対応する強度の時間変化を有する信号を取得することができる。

超音波振動の振幅に対応する超音波検出信号の時間波形が取得できると、例えば、基準波形との比較によって被検査対象Ｏの検査対象エリアに欠陥が生じたか否かを判定することができる。より具体的には、被検査対象Ｏの検査対象エリアに欠陥が生じていない場合に取得された超音波検出信号の振幅の時間波形を基準波形に決定することができる。そうすると、検査対象エリアに欠陥が生じると、検査対象エリアを透過した超音波振動又は検査対象エリアで反射した超音波振動の波形が変化することを利用して、検査対象エリアに欠陥が存在するか否かを判定することができる。すなわち、検査対象となる信号の時間波形と基準波形との間における最小２乗誤差、相互相関値或いはピーク値の差等の乖離量を表す指標値が閾値以上又は閾値を超えた場合には、検査対象エリアに欠陥が存在すると判定することができる。

別の信号処理法として、超音波検出信号の時間波形の特徴を表す２乗平均平方根（ＲＭＳ：Ｒｏｏｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ）等の指標値を算出し、基準波形との比較を行わずに、指標値に対する閾値処理によって検査対象エリアに欠陥が存在するか否かを判定するようにしても良い。また、超音波振動の振幅の加速度の時間変化を取得する処理、アベレージング処理、ノイズ除去のためのフィルタ処理、移動平均化処理フーリエ変換やウェーブレット変換等の周波数解析処理並びに包絡線検波処理等の所望の信号処理を閾値処理の前処理として実行するようにしても良い。

検査対象エリアに複数の光ファイバセンサ３が配置される場合には、光ファイバセンサ３ごとに欠陥の有無を判定することができる。従って、欠陥の存在が検出された光ファイバセンサ３を特定することによって、欠陥の大きさを評価することもできる。すなわち、被検査対象Ｏの検査対象エリアに生じた欠陥の程度を検査内容として取得することができる。

尚、検査内容が歪量や厚さ等の値である場合には、歪量等の検出目的とする値と信号波形との関係を事前に調べてデータベース化することによって、検出目的とする値を求めることができる。その場合においても、信号波形と基準波形との比較又は信号波形の特徴量の評価によって検査内容を取得することができる。

しかしながら、被検査対象Ｏに急激な温度変化、歪の発生或いは振動等の光ファイバセンサ３の長さを変化させる事象が生じると、光ファイバセンサ３から出力される光信号は温度変化、歪の発生或いは振動等の影響を受けて変化する。すなわち、光ファイバセンサ３から出力される光信号の波長が、欠陥の有無のみならず、温度変化、歪の発生或いは振動等の影響によっても変化してしまう。この場合、検査内容を正確に検出することが困難となる。

特に、被検査対象Ｏが航空機構造体である場合には、空力荷重を受けながら上空を飛行することになるため、単位時間当たりの温度変化量、単位時間当たりの歪量の変化量及び振動の大きさが静止した状態で使用される構造体はもちろん、地上で使用される移動体用の構造体に比べて非常に大きい。

図３は図１に示す被検査対象Ｏとなり得る航空機構造体の温度変化と歪量の変化の一例を示すグラフである。

図３において横軸は時間を示し、縦軸は歪量及び温度を示す。航空機構造体は空力による荷重を受けながら気圧及び高度の変化を伴って上空を飛行する。従って、図３に示すように航空機構造体の歪量と温度は飛行期間中に大きく変化する。このため、被検査対象Ｏとともに光ファイバセンサ３が伸縮する。

光ファイバセンサ３が伸縮すると、光ファイバセンサ３から出力される光信号の波長分布が波長方向にシフトする。そうすると、光フィルタ６として用いられるＡＷＧを通過する光信号の振幅が変化する。その結果、欠陥の検出のための信号波形と基準波形との比較や信号波形の特徴量の評価等の信号処理部７における信号処理において、欠陥が存在しないにも関わらず、欠陥が生じたと誤判定される恐れがある。すなわち、被検査対象Ｏの温度変化や歪量の変化等によって、欠陥が誤検知される可能性がある。

特に、航空機構造体の材料として使用されるガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ：Ｇｌａｓｓ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）や炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）等の複合材、すなわち樹脂を繊維で強化した繊維強化プラスチック（ＦＲＰ：Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）に欠陥が生じたか否かを検出する場合には、数十ｋＨｚから１０ＭＨｚの高い周波数で変化する超音波が発振される。この場合、光ファイバセンサ３では数με程度の非常に小さい微小歪の変化の時間履歴として超音波が検出される。このため、被検査対象Ｏの温度変化や歪量の変化等は、無視できない外乱となる場合が多い。

そこで、光フィルタ６には、光フィルタ６の波長特性を変化させる光フィルタ補正部８が設けられる。光フィルタ補正部８は、光ファイバセンサ３から出力される光信号の波長変化のうち、欠陥等の検査内容以外の要因による光信号の波長変化がキャンセルされるように、光フィルタ６の波長特性を波長方向にシフトさせる補正を行う補正部である。換言すれば、光フィルタ補正部８は、光ファイバセンサ３から出力される波長の時間変化を有する光信号を、強度の時間変化を有する光信号に変換するための、光信号の波長の時間変化と、光信号の強度の時間変化との間における対応関係を補正する装置である。

光フィルタ６として用いられるＡＷＧの波長特性を波長方向に調整するためには、ＡＷＧを構成する曲線チャネル導波路によって形成される光路長を変化させることが必要となる。このため、光フィルタ補正部８は、光フィルタ６を構成する光導波路を伸縮させることによって光フィルタ６の波長特性を変化させることが可能な任意のデバイスで構成することができる。光フィルタ６を構成する光導波路を伸縮させる方法としては、光フィルタ６を構成する光導波路を加熱又は冷却する方法と、機械的に力を付与する方法が挙げられる。

図４は図１に示す光フィルタ６を構成する光導波路の温度を調節することによって光フィルタ６の波長特性を変化させるようにした光フィルタ補正部８の構成例を示す図である。

光フィルタ６として用いられるＡＷＧ２０は、上述したように、入力側スラブ導波路２１と出力側スラブ導波路２２との間を光路長が異なる複数の曲線チャネル導波路２３で接続した光デバイスである。

一方、光フィルタ補正部８は、ペルチェ素子８Ａ、直流電源８Ｂ及び電源制御装置８Ｃで構成することができる。ペルチェ素子８Ａは、直流電流によって冷却及び加熱を含む温度制御を行う半導体素子である。このため、ペルチェ素子８ＡをＡＷＧ２０の温度を変化させる部分に直接又は間接的に取付けることによって、ＡＷＧ２０を構成する曲線チャネル導波路２３の長さを変化させることができる。ペルチェ素子８Ａの位置は、試験やシミュレーションによって適切な位置に決定することができる。

直流電源８Ｂは、ペルチェ素子８Ａに直流電圧を印加する電源であり、電源制御装置８Ｃは直流電源８Ｂからペルチェ素子８Ａに印加される直流電圧を制御する電気回路である。このため、電源制御装置８Ｃで直流電源８Ｂからペルチェ素子８Ａに印加される直流電圧を制御することによって、光フィルタ６として用いられるＡＷＧ２０の波長特性を変化させることができる。すなわち、光フィルタ６として用いられるＡＷＧ２０を透過することが可能な光信号の波長方向における強度分布を波長方向にシフトさせることができる。

図４に例示されるように光フィルタ６の温度制御によって光フィルタ６の光学特性を調整すれば、精密かつ正確な調整を簡易な構成で行うことが可能となる。もちろん、ペルチェ素子８Ａ以外の熱電素子等の温度制御デバイスを用いて光フィルタ６の温度制御を行うようにしても良い。また、ボールねじ、ラック・アンド・ピニオン機構或いはシリンダ機構等の伸縮機構を用いて光フィルタ６を機械的に伸縮させることによって、光フィルタ６の光学特性を調整するようにしても良い。或いは、光フィルタ６の温度制御と、伸縮機構を併用して光フィルタ６の光学特性を調整するようにしても良い。

図５（Ａ）及び（Ｂ）は図１に示す光ファイバセンサ３から出力される光信号の外乱による波長変化がキャンセルされるように光フィルタ６の波長特性を補正した例を示すグラフである。

図５（Ａ）及び（Ｂ）において各横軸は光の波長（λ）を示し、各縦軸は光強度の損失（ｄＢ）を示す。被検査対象Ｏに急激な温度変化、歪量の変化或いは振動等の光ファイバセンサ３を伸縮させる原因が生じると、図５（Ａ）に示すように光ファイバセンサ３から出力される光信号の波長スペクトルが波長方向にシフトする。この場合、図５（Ａ）に示すようにＡＷＧの透過光の波長スペクトルと、光信号の波長スペクトルとのオーバーラップ領域が不適切となり、ＡＷＧから出力される光信号の強度が検出可能な程度に変化しなくなる場合がある。

そこで、図５（Ｂ）に示すようにＡＷＧの透過特性を波長方向にシフトさせることによって、光ファイバセンサ３から出力される光信号の波長方向へのシフトを相対的にキャンセルすることができる。理想的には、図５（Ｂ）に示すようにＡＷＧの波長方向における透過特性を表す曲線の隣接する極小値間の中心における波長が、光ファイバセンサ３から出力される光信号の波長スペクトルの中心波長となるように、ＡＷＧの透過特性を波長方向にシフトさせることができる。

光ファイバセンサ３から出力される光信号の波長変化のうち、欠陥等の検査内容以外の要因による光信号の波長変化がキャンセルされるように、光フィルタ６の波長特性を波長方向にシフトさせるためには、検査内容以外の温度変化等の各要因による光信号の波長変化量を要因ごとに予め調べておくことが必要となる。検査内容以外の各要因による光信号の波長変化量は試験やシミュレーションによって調べることができる。検査内容以外の各要因による光信号の波長変化量が分かれば、光信号の波長変化量が変化させるべき光フィルタ６の波長特性の変化量となる。

そこで、温度や歪量等の被検査対象Ｏの状態を表す値と、変化させるべき光フィルタ６の波長特性の変化量との関係を表すテーブルや関数等の情報を記憶装置９に記憶させることができる。そして、光フィルタ補正部８は、記憶装置９に保存されたテーブルや関数等の情報を参照して決定した変化量で光フィルタ６の波長特性を変化させるように構成することができる。

被検査対象Ｏが航空機構造体である場合には、図４に示すように被検査対象Ｏの温度変化と歪量の変化が光ファイバセンサ３から出力される光信号の波長変化の主要な要因となる。そこで、具体例として、被検査対象Ｏの温度と、変化させるべき光フィルタ６の波長特性の変化量との関係を表す情報及び被検査対象Ｏの歪量と、変化させるべき光フィルタ６の波長特性の変化量との関係を表す情報の少なくとも一方を記憶装置９に記憶させることができる。

また、被検査対象Ｏが航空機構造体である場合には、被検査対象Ｏに生じる歪量は、被検査対象Ｏを含む構造体に負荷される荷重に依存して変化すると考えられる。そこで、歪量に代えて、或いは歪量に加えて、被検査対象Ｏを含む構造体にかかる圧力と、変化させるべき光フィルタ６の波長特性の変化量との関係を表す情報を記憶装置９に記憶させるようにしても良い。

被検査対象Ｏの温度、被検査対象Ｏに生じた歪量、被検査対象Ｏを含む構造体に負荷される圧力等の外乱を表す単一又は複数のパラメータと、変化させるべき光フィルタ６の波長特性の変化量との関係を表す情報が記憶装置９に保存されると、光フィルタ補正部８では、被検査対象Ｏの温度、被検査対象Ｏの歪量、被検査対象Ｏを含む構造体に負荷される圧力等の外乱を表すパラメータの値に対応する変化量で光フィルタ６の波長特性を変化させることが可能となる。

例えば、図４に示す構成を有する光フィルタ補正部８であれば、光フィルタ６の波長特性が目的とする変化量で変化するように直流電源８Ｂからペルチェ素子８Ａに印加される直流電圧を制御することができる。従って、光フィルタ６の波長特性の変化量を、直流電源８Ｂからペルチェ素子８Ａに印加される直流電圧の値として間接的に表す情報を記憶装置９に記憶させるようにしても良い。光フィルタ補正部８が他のメカニズムによって光フィルタ６の波長特性を変化させる場合においても、同様に光フィルタ６の波長特性を変化させるために制御対象となるパラメータで、光フィルタ６の波長特性の変化量を間接的に表すことができる。

光フィルタ補正部８において、被検査対象Ｏの状態を表すパラメータの値に対応する変化量で光フィルタ６の波長特性を変化させるためには、記憶装置９に保存されたパラメータと光フィルタ６の波長特性の変換量との間における変換情報の他、光ファイバセンサ３で超音波振動を検出する際における被検査対象Ｏの状態を表すパラメータの値を特定することが必要である。

そこで、光フィルタ補正部８には現在の被検査対象Ｏの状態を表すパラメータの値をセンサ３０等の所望の情報源からリアルタイムに取得する機能が設けられる。そして、光フィルタ補正部８は、センサ３０等からリアルタイムに取得される現在の被検査対象Ｏの状態を表すパラメータの値と、記憶装置９に保存された、光フィルタ６の波長特性の変換量へのパラメータの値の変換情報とを参照することによって、光フィルタ６の波長特性の変換量を設定するように構成される。

センサ３０は被検査対象Ｏに通常備えられるものであっても良いし、光検査システム１の構成要素として新たに被検査対象Ｏに取付けられるものであっても良い。具体例として、被検査対象Ｏが航空機構造体であれば、被検査対象Ｏの歪量を測定するための歪ゲージ３１、被検査対象Ｏの温度を測定するための温度センサ３２及び被検査対象Ｏを含む航空機構造体に負荷される静圧を測定する圧力センサ３３等のセンサ３０が被検査対象Ｏに取付けられている場合が多い。航空機構造体用の典型的な圧力センサ３３は静圧管、ピトー静圧管或いは静圧孔で構成される。

以上のような光フィルタ補正部８による光フィルタ６の波長特性の波長方向における補正によって、被検査対象Ｏの温度、歪量、加速度等の状態が変動した場合であっても、超音波検査を十分な精度で続行することが可能となる。尚、被検査対象Ｏの歪量が検査対象である場合には、被検査対象Ｏの歪量以外の振動等が光信号への外乱となる。被検査対象Ｏの温度変化については、被検査対象Ｏの歪量が温度依存性を有することから光信号の外乱であるとは言えない。このため、被検査対象Ｏの歪量以外の状態を表す加速度等のパラメータの値に応じて光フィルタ６の波長特性を補正することができる。

信号生成回路１０は、超音波振動子２に電気信号を出力することによって超音波振動子２から超音波を発振させる電気回路である。信号生成回路１０は、入力装置１１の操作によって動作するように構成することができる。すなわち、入力装置１１の操作によって手動で超音波振動子２から超音波を発振させるようにすることができる。或いは、タイマー等を信号生成回路１０に内蔵し、予め定めた時刻に信号生成回路１０の動作及び超音波振動子２からの超音波の発振を行うようにしても良い。

入力装置１１は、光検査システム１に必要な情報を入力するためのマウス、キーボード、スイッチ等のデバイスである。表示装置１２には、光検査システム１において生成される所望の情報を表示させることができる。例えば、ユーザインターフェース用の画面や信号処理部７において取得された検査情報を表示装置１２に表示させることができる。

（光検査システムを用いた光検査方法）
次に光検査システム１を用いた光検査方法について説明する。

図６は、図１に示す光検査システム１を用いて被検査対象Ｏの検査情報を取得する流れを示すフローチャートである。

まずステップＳ１において、超音波検査の外乱となる被検査対象Ｏの温度や歪量等が取得される。具体的には、歪ゲージ３１及び温度センサ３２等のセンサ３０で測定された被検査対象Ｏの温度及び歪量等の被検査対象Ｏの状態を表すパラメータの値を光フィルタ補正部８が各センサ３０から取得する。

被検査対象Ｏが航空機の主翼構造体や尾翼構造体等の翼構造体である場合や航空機の胴体である場合のように、被検査対象Ｏが航空機構造体である場合には、被検査対象Ｏを含む航空機構造体に負荷される静圧を航空機の機体表面に配置されている各圧力センサ３３から被検査対象Ｏの状態を表すパラメータの値として取得するようにしても良い。

次に、ステップＳ２において、被検査対象Ｏの温度や歪量等の被検査対象Ｏの状態を表すパラメータの値に基づいて、光フィルタ６として用いられるＡＷＧの波長特性の補正量が決定される。具体的には、光フィルタ補正部８が記憶装置９に保存されたパラメータの各値と光フィルタ６の波長特性の補正量との間における対応情報を参照し、センサ３０で測定されたパラメータの値に対応する光フィルタ６の波長特性の補正量を特定する。

次に、ステップＳ３において、光フィルタ６として用いられるＡＷＧの波長特性が、被検査対象Ｏの温度や歪量等に対応する補正量だけ補正される。具体的には、光フィルタ補正部８がＡＷＧを構成する曲線チャネル導波路の長さを伸縮させることによって、ＡＷＧの波長特性をステップＳ２で決定した補正量だけ波長方向にシフトさせる。

例えば、光フィルタ補正部８が図４に例示されるようにペルチェ素子８Ａ等の温度制御デバイスを用いてＡＷＧ２０を構成する曲線チャネル導波路２３の温度を調整することによってＡＷＧ２０の波長特性を補正するように構成されている場合であれば、直流電源８Ｂからペルチェ素子８Ａに印加される直流電圧の値がＡＷＧ２０の波長特性の制御値に対応する値となるように電源制御装置８Ｃにおいて制御される。

これにより、光フィルタ６の波長特性によって定まる、光ファイバセンサ３から出力される波長の時間変化を有する光信号を強度の時間変化を有する光信号に変換するための、光信号の波長の時間変化と、光信号の強度の時間変化との間における対応関係が補正される。すなわち、光フィルタ６の波長特性を補正量だけ変化させることによって被検査対象Ｏの温度変化や歪量の変化等の外乱の影響がキャンセルされるように光信号の波長の時間変化と、光信号の強度の時間変化との間における対応関係を補正することができる。

次に、ステップＳ４において、光ファイバセンサ３及び波長特性が補正された光フィルタ６を含む光学系により超音波検出信号が取得される。具体的には、信号生成回路１０において送信信号が電気信号として生成される。生成された送信信号は超音波振動子２に出力される。そうすると、超音波振動子２において送信信号が電気信号から超音波信号に変換され、被検査対象Ｏの検査対象エリアに向けて超音波が発振される。

超音波振動子２から超音波が発振されると、発振された超音波が被検査対象Ｏの検査対象エリアを伝播し、光ファイバセンサ３に到達する。そうすると、被検査対象Ｏを伝播する超音波振動によって光ファイバセンサ３が伸縮する。このため、光ファイバセンサ３の波長特性が変化し、光ファイバセンサ３から出力される光の波長スペクトルが変化する。その結果、超音波振動を光ファイバセンサ３の微小な変位の時間変化に対応する光の波長の時間変化として検出することができる。すなわち、光ファイバセンサ３において、被検査対象Ｏを伝播する超音波振動が、超音波振動の強度の時間変化に対応する波長の時間変化を有する光信号に変換されて出力される。

但し、光ファイバセンサ３は、超音波振動の他、被検査対象Ｏの急激な温度変化や歪量の変化等の外乱によっても伸縮する。従って、光ファイバセンサ３から出力される光信号は、外乱の影響によって波長方向にシフトすることになる。

光ファイバセンサ３から出力された光信号は光フィルタ６を構成するＡＷＧに入射する。ＡＷＧでは、波長の時間変化を有する光信号が波長の時間変化に対応する強度の時間変化を有する光信号に変換されて出力される。光信号の波長の時間変化と、光信号の強度の時間変化との間における対応関係は、図２に示すようにＦＢＧセンサ等の光ファイバセンサ３から出力された光信号の波長スペクトルと、ＡＷＧの透過特性とのオーバーラップ領域によって定まる。

但し、光ファイバセンサ３から出力された光信号は、被検査対象Ｏの急激な温度変化や歪量の変化等の外乱の影響によって波長方向にシフトしている。このため、ＡＷＧの波長特性が補正されていなければ、図５（Ａ）に例示されるように、ＦＢＧセンサ等の光ファイバセンサ３から出力された光信号の波長スペクトルと、ＡＷＧの透過特性とのオーバーラップ領域が、ＡＷＧにおいて波長の時間変化を有する光信号を波長の時間変化に対応する強度の時間変化を有する光信号に変換するために適切でない領域となる場合がある。

これに対してステップＳ３において光ファイバセンサ３から出力された光信号の外乱の影響による波長方向へのシフトがキャンセルされるようにＡＷＧの透過特性が補正されている。具体例として、図５（Ｂ）に例示されるように光ファイバセンサ３から出力された光信号の中心波長が、ＡＷＧの透過特性の隣接する極小値間における中心波長となるようにＡＷＧの透過特性が補正されている。

従って、ＡＷＧから出力される光信号は、外乱以外の超音波振動による波長の時間変化に対応する強度の時間変化を有する光信号となる。換言すれば、外乱をキャンセルし、超音波の振動波形が強度の時間変化となった光信号を取得することができる。

次に、ステップＳ５において、ＡＷＧから出力された強度の時間変化を有する光信号に基づいて、被検査対象Ｏの検査情報が取得される。そのために、ＡＷＧから出力された光信号は、信号処理部７の光電変換器７Ａにおいて強度の時間変化を有する光信号から電圧の時間変化を有するアナログの電気信号に変換される。続いて、光電変換器７Ａにおいて得られたアナログの電気信号は、Ａ／Ｄ変換器７Ｂにおいてデジタルの電気信号に変換されてコンピュータ７Ｃに出力される。これにより、コンピュータ７Ｃでは、被検査対象Ｏの検査対象エリアを伝播する超音波振動の振幅の時間変化に対応する相対電圧の時間変化を有するデジタルの電気信号として、超音波検出信号を取得することができる。

コンピュータ７Ｃにおいて超音波検出信号が取得されると、超音波検出信号に対する任意の信号処理によって、被検査対象Ｏの検査対象エリアに欠陥が存在するか否か等の被検査対象Ｏの検査情報を取得することができる。

時系列の被検査対象Ｏの検査情報を一定期間に亘って取得する場合には、ステップＳ１からステップＳ５までの動作や処理を順次繰返すことによって、時系列の被検査対象Ｏの検査情報を取得することができる。

（効果）
以上のような光検査システム１及び光検査方法は、被検査対象Ｏの温度、歪量、加速度等の状態に応じて波長が変化する光ファイバセンサ３からの光検出信号に追従して光フィルタ６の波長特性を自動で調整できるようにしたものである。より具体的には、光検査システム１及び光検査方法は、被検査対象Ｏの温度、歪量及び／又は加速度等の外乱によって変化する光ファイバセンサ３からの光検出信号の波長の変化量を事前に把握し、常に光フィルタ６の波長特性が光ファイバセンサ３からの光検出信号の中心波長に対して相対的に適切となるように光フィルタ６の波長特性を自動で補正できるようにしたものである。

このため、光検査システム１及び光検査方法によれば、被検査対象Ｏの温度、歪量及び／又は加速度等の外乱によって光ファイバセンサ３から出力される光検出信号の波長が変化した場合であっても、超音波検査の感度及び精度を維持することができる。従って、航空機構造体のように被検査対象Ｏの空間位置や速度が変化する場合であっても、光ファイバセンサ３を超音波センサとする超音波検査を高感度かつ高精度に行うことができる。その結果、欠陥の誤検知や不正確な歪量等の不正確な検査内容の取得を回避することができる。

（第２の実施形態）
図７は本発明の第２の実施形態に係る光検査システムの構成図である。

図７に示された第２の実施形態における光検査システム１Ａは、被検査対象Ｏに超音波振動を伝播させずに被検査対象Ｏの検査内容を取得するようにした点が第１の実施形態における光検査システム１と相違する。第２の実施形態における光検査システム１Ａの他の構成及び作用については第１の実施形態における光検査システム１と実質的に異ならないため同一の構成又は対応する構成については同符号を付して説明を省略する。

光ファイバセンサ３では、超音波振動に限らず他の要因で被検査対象Ｏを伝播する振動による微小な変位の時間変化や被検査対象Ｏに生じた微小な変位を光信号の波長変化として検出することができる。このため、光ファイバセンサ３で被検査対象Ｏの変位を検出し、変位の時間変化に対応する波長の時間変化を有する光信号を出力することができる。

この場合、例えば、信号処理部７において被検査対象Ｏの歪量を検査内容として取得することができる。被検査対象Ｏの歪量が検出対象である場合には、光ファイバセンサ３は歪センサとして機能することになる。また、被検査対象Ｏの歪量が検出対象である場合には、被検査対象Ｏの歪量以外の振動等が光信号への外乱となる。このため、被検査対象Ｏの歪量以外の状態を表す加速度等のパラメータの値に応じて光フィルタ６の波長特性を補正することができる。これにより、被検査対象Ｏの歪量の変化に起因して強度が変化する光信号を光フィルタ６から出力させることができる。

検査内容の別の例として、被検査対象Ｏが複合材である場合には、アコースティック・エミッション（ＡＥ： Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）による振動の検出によって欠陥の発生を検知するようにしてもよい。ＡＥは、複合材が変形する際、或いは複合材に亀裂が発生する際に、複合材に蓄えられていた歪エネルギが弾性波として放出される現象である。

（第３の実施形態）
図８は本発明の第３の実施形態に係る光検査システムの構成図である。

図８に示された第３の実施形態における光検査システム１Ｂは、光フィルタ６としてＦＢＧ又はＰＳ−ＦＢＧを用いた点が第１の実施形態における光検査システム１と相違する。第３の実施形態における光検査システム１Ｂの他の構成及び作用については第１の実施形態における光検査システム１と実質的に異ならないため同一の構成又は対応する構成については同符号を付して説明を省略する。

ＦＢＧ及びＰＳ−ＦＢＧも波長ごとに異なる強度の光を透過又は反射させる透過特性及び反射特性を有する。このため、光ファイバセンサ３から出力される光信号の波長スペクトルとオーバーラップするように透過特性又は反射特性が決定されたＦＢＧ又はＰＳ−ＦＢＧを光ファイバセンサ３から出力される光信号の経路上に配置すれば、ＦＢＧ又はＰＳ−ＦＢＧを、波長の時間変化を有する光信号を、強度の時間変化を有する光信号に変換する光フィルタ６として機能させることができる。ＦＢＧ又はＰＳ−ＦＢＧを光フィルタ６として機能させる例については、例えば日本国特開２０１４−１５３０９４号公報に様々なバリエーションが開示されている。

尚、図８に示す例では、光ファイバセンサ３の数が１つであるが、複数の光ファイバセンサ３が配置される場合においても、各光ファイバセンサ３から出力される光信号がＦＢＧ又はＰＳ−ＦＢＧで構成される光フィルタ６を区別可能な状態で経由するように光学系を構成すれば、同様な超音波検査が可能である。例えば、各光ファイバセンサ３にそれぞれＦＢＧ又はＰＳ−ＦＢＧを接続することができる。或いは、複数の光ファイバセンサ３から出力される光信号を切換えて共通のＦＢＧ又はＰＳ−ＦＢＧに出力できるように光学系を構成することもできる。

もちろん、第２の実施形態における光検査システム１Ａの光フィルタ６としてＦＢＧ又はＰＳ−ＦＢＧを用いるようにしても良い。換言すれば第３の実施形態において超音波の発振を行わないようにしても良い。

（他の実施形態）
以上、特定の実施形態について記載したが、記載された実施形態は一例に過ぎず、発明の範囲を限定するものではない。ここに記載された新規な方法及び装置は、様々な他の様式で具現化することができる。また、ここに記載された方法及び装置の様式において、発明の要旨から逸脱しない範囲で、種々の省略、置換及び変更を行うことができる。添付された請求の範囲及びその均等物は、発明の範囲及び要旨に包含されているものとして、そのような種々の様式及び変形例を含んでいる。

１、１Ａ、１Ｂ 光検査システム
２ 超音波振動子
３ 光ファイバセンサ
４ 光源
５ 光サーキュレータ
６ 光フィルタ
７ 信号処理部
７Ａ 光電変換器
７Ｂ Ａ／Ｄ変換器
７Ｃ コンピュータ
８ 光フィルタ補正部
８Ａ ペルチェ素子
８Ｂ 直流電源
８Ｃ 電源制御装置
９ 記憶装置
１０ 信号生成回路
１１ 入力装置
１２ 表示装置
２０ ＡＷＧ
２１ 入力側スラブ導波路
２２ 出力側スラブ導波路
２３ 曲線チャネル導波路
３０ センサ
３１ 歪ゲージ
３２ 温度センサ
３３ 圧力センサ
Ｏ 被検査対象

Claims (13)

1. 被検査対象を伝播する振動又は被検査対象の変位を検出し、前記振動の振幅の時間変化又は前記変位の時間変化に対応する波長の時間変化を有する光信号を出力する光ファイバセンサと、
   前記波長の時間変化を有する光信号を、前記波長の時間変化に対応する強度の時間変化を有する光信号に変換して出力する光フィルタと、
   前記強度の時間変化を有する光信号に基づいて前記被検査対象の検査情報を取得する信号処理部と、
   前記波長の時間変化を有する光信号を前記強度の時間変化を有する光信号に変換するための、前記光信号の波長の時間変化と、前記光信号の前記強度の時間変化との間における対応関係を、前記光フィルタの波長特性を変化させることによって補正する補正部と、
   を備える光検査システム。
2. 前記光フィルタとしてアレイ導波路グレーティング、ファイバ・ブラッグ・グレーティング又は位相シフト・ファイバ・ブラッグ・グレーティングを用いた請求項１記載の光検査システム。
3. 前記被検査対象の温度と、前記光フィルタの波長特性の変化量との関係を表す情報を記憶する記憶装置を備え、
   前記補正部は、前記被検査対象の温度に対応する変化量で前記光フィルタの波長特性を変化させるように構成される請求項１又は２記載の光検査システム。
4. 前記被検査対象の歪量と、前記光フィルタの波長特性の変化量との関係を表す情報を記憶する記憶装置を備え、
   前記補正部は、前記被検査対象の歪量に対応する変化量で前記光フィルタの波長特性を変化させるように構成される請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光検査システム。
5. 前記被検査対象を含む構造体にかかる圧力と、前記光フィルタの波長特性の変化量との関係を表す情報を記憶する記憶装置を備え、
   前記補正部は、前記構造体にかかる圧力に対応する変化量で前記光フィルタの波長特性を変化させるように構成される請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光検査システム。
6. 前記信号処理部は前記検査情報として前記被検査対象に欠陥が生じたか否か及び前記被検査対象に生じた欠陥の程度の少なくとも一方を取得するように構成される請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光検査システム。
7. 前記信号処理部は前記検査情報として前記被検査対象の歪量を取得するように構成される請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光検査システム。
8. 前記補正部は、前記光フィルタを構成する光導波路の温度を調節することによって前記光フィルタの波長特性を変化させるように構成される請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光検査システム。
9. 前記補正部は、前記光フィルタを構成する光導波路を伸縮させることによって前記光フィルタの波長特性を変化させるように構成される請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光検査システム。
10. 前記被検査対象に超音波振動を伝播させる超音波振動子を更に備え、
    前記光ファイバセンサは前記被検査対象を伝播する超音波振動を検出するように構成される構成される請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光検査システム。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光検査システムを設けた航空機構造体。
12. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光検査システムを用いて前記被検査対象の検査情報を取得する光検査方法。
13. 光ファイバセンサを用いて被検査対象を伝播する振動又は被検査対象の変位を検出し、前記振動の強度の時間変化又は前記変位の時間変化に対応する波長の時間変化を有する光信号を出力するステップと、
    光フィルタを用いて前記波長の時間変化を有する光信号を、前記波長の時間変化に対応する強度の時間変化を有する光信号に変換して出力するステップと、
    前記強度の時間変化を有する光信号に基づいて前記被検査対象の検査情報を取得するステップと、
    前記波長の時間変化を有する光信号を前記強度の時間変化を有する光信号に変換するための、前記光信号の波長の時間変化と、前記光信号の前記強度の時間変化との間における対応関係を、前記光フィルタの波長特性を変化させることによって補正するステップと、
    を有する光検査方法。

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