JP6805845B2 - レーザー超音波探傷装置 - Google Patents

Description

本開示は、レーザーを照射することで生じる超音波を用いて検査対象物を探傷するレーザー超音波探傷装置に関する。

従来、検査対象物の傷、亀裂、接合不良等の欠陥を検査する際に、レーザー超音波探傷装置が利用されている。レーザー超音波探傷装置は、検査対象物にレーザーを照射する送信装置と、レーザーを照射することで検査対象物において生じた超音波を検出する受信装置とを備え、受信装置が検出した超音波を解析することで、欠陥の有無、欠陥の位置や大きさ等を検査するものである。

このようなレーザー超音波探傷装置として、パルスレーザーを複数のビームに分岐させた後、複数のビームそれぞれの照射タイミングを異ならせて検査対象物に照射することで、複数のビームそれぞれに起因する各超音波を集束させる技術が開発されている（例えば、特許文献１）。特許文献１には、ビームの照射タイミングを異ならせる構成として、複数のビームそれぞれを、長さの異なる複数の光ファイバを介して斜角送信ヘッドに導く送信遅延部が開示されている。

実用新案登録第２５０３１３９号公報

上記特許文献１に記載された技術において、超音波の集束位置は、各光ファイバの長さの差で決定されることとなる。このため、超音波の集束位置が固定されてしまい、検査対象物において検査が不可能となる箇所が生じてしまうという問題がある。

本開示は、このような課題に鑑み、超音波の集束位置を変更することが可能なレーザー超音波探傷装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本開示の一態様に係るレーザー超音波探傷装置は、第１反射面を有する複数の第１ミラー部と、第２反射面を有する１または複数の第２ミラー部と、前記第２反射面を前記第１反射面に臨ませて前記第１ミラー部および前記第２ミラー部を支持する第１支持部とを含んで構成される第１ステージと、光束の一部を反射し、他を透過するスプリッタ面を有する複数のビームスプリッタと、第３反射面を有する１または複数の第３ミラー部と、前記第３反射面を前記スプリッタ面に臨ませて前記ビームスプリッタおよび前記第３ミラー部を支持する第２支持部とを含んで構成される第２ステージと、前記第１反射面と前記スプリッタ面とを対向させ、前記第２反射面と前記第３反射面とを対向させて、前記第１ステージと前記第２ステージとを相対的に移動させる移動部と、を備える。

また、前記第１ステージと、前記第２ステージとの間に設けられた屈折率媒質を備えてもよい。

超音波の集束位置を変更することが可能となる。

レーザー超音波探傷装置を説明する図である。 実施形態にかかる送信部を説明する図である。 送信部によるレーザーの分岐と、分岐したビームの照射タイミングを説明する図である。 第１の変形例にかかる送信部を説明する図である。 第２の変形例にかかる送信部を説明する図である。 光路長と、超音波の入射角度との関係を説明する図である。

以下に添付図面を参照しながら、本開示の一実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。

（レーザー超音波探傷装置１００）
図１は、レーザー超音波探傷装置１００を説明する図である。図１中、レーザー（ビーム）を実線の矢印で示し、超音波を破線で示す。図１に示すように、レーザー超音波探傷装置１００は、送信レーザー照射部１１０と、受信レーザー照射部１２０と、計測部１３０と、信号取得部１４０と、制御部１５０とを含んで構成される。

送信レーザー照射部１１０は、送信レーザー光源１１２と、送信部２００とを含んで構成される。送信レーザー光源１１２は、レーザー（例えば、パルスレーザー）を出力する。送信レーザー光源１１２は、例えば、ルビーレーザー、ＹＡＧレーザー、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー、チタンサファイアレーザー等の固体レーザー、色素（ダイ）レーザー等の液体レーザー、ＣＯ_２レーザー、エキシマレーザー等のガスレーザー等で構成される。

送信部２００は、送信レーザー光源１１２から出力されたレーザーを複数のビームに分岐し、複数のビームそれぞれの照射タイミングを異ならせて検査対象物１０に照射する。送信部２００の具体的な構成については、後に詳述する。

受信レーザー照射部１２０は、受信レーザー光源１２２と、受信部１２４とを含んで構成される。受信レーザー光源１２２は、レーザー（例えば、パルスレーザー）を出力する。受信レーザー光源１２２は、後述する計測部１３０に適用可能なレーザー光源で構成される。

受信部１２４は、受信レーザー光源１２２から出力されたレーザーを検査対象物１０に照射するとともに、検査対象物１０から反射されたレーザーを集光して計測部１３０に導く。

計測部１３０は、受信レーザー光源１２２が集光したレーザーに対して干渉計測を行い、超音波を検出する。計測部１３０は、例えば、マイケルソン干渉計、マッハツェンダ干渉計、コンフォーカル・ファブリペロー干渉計、位相共役光学素子を用いた干渉計等で構成される。また、計測部１３０は、検出した超音波を信号取得部１４０に出力する。

信号取得部１４０は、計測部１３０から出力された超音波をＡ／Ｄ変換し、超音波信号として制御部１５０に出力する。

制御部１５０は、ＣＰＵ（中央処理装置）を含む半導体集積回路で構成される。制御部１５０は、ＲＯＭからＣＰＵ自体を動作させるためのプログラムやパラメータ等を読み出し、ワークエリアとしてのＲＡＭや他の電子回路と協働してレーザー超音波探傷装置１００全体を管理および制御する。制御部１５０は、送信レーザー照射部１１０、受信レーザー照射部１２０、計測部１３０、信号取得部１４０を制御する。例えば、制御部１５０は、信号取得部１４０から出力された超音波信号を解析し、検査対象物１０における欠陥の有無、欠陥の位置や大きさ等を検査する。

従来、送信部は、複数のビームごとに対応する互いに長さの異なる複数の光ファイバで構成されていた。このため、超音波の集束位置Ｓが固定される、つまり、超音波の入射角度θが固定されてしまうという問題があった。ここで、集束位置Ｓは、複数のビームの照射タイミングを異ならせることによって、異なる複数の超音波の波面を形成し、波面間の干渉による合成波面によって形成される超音波の強度が最も大きくなる位置である。また、集束位置Ｓが決定されると、超音波の入射角度θが決定される。なお、入射角度θは、検査対象物１０の表面と、超音波の伝播方向（複数のビームのうち、時間的に中央に位置するビームと、集束位置Ｓとを結ぶ仮想線、図１中、一点鎖線で示す）との為す角度である。換言すれば、超音波の入射角度θは、ビームの光軸と直交する線と仮想線との為す角度である。

そこで、本実施形態では、超音波の集束位置Ｓを変更（移動）できる送信部２００について説明する。

（送信部２００）
図２は、本実施形態にかかる送信部２００を説明する図である。なお、本実施形態の図２では、垂直に交わるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を図示の通り定義している。

図２に示すように、送信部２００は、第１ステージ２１０を備えている。第１ステージ２１０は、複数（ここでは、５つ）の第１ミラー部２１２と、複数（ここでは、５つ）の第２ミラー部２１４と、第１支持部２１６と、第１固定部２１８とを含んで構成される。

第１ミラー部２１２は、レーザーを反射する第１反射面２１２ａを有するミラーで構成される。第２ミラー部２１４は、レーザーを反射する第２反射面２１４ａを有するミラーで構成される。

第１支持部２１６は、第２反射面２１４ａを第１反射面２１２ａに臨ませて第１ミラー部２１２および第２ミラー部２１４を支持する。本実施形態において、第１支持部２１６は、第１反射面２１２ａと第２反射面２１４ａとの為す角αが９０°となって互いに臨むように、第１ミラー部２１２と第２ミラー部２１４を支持する。また、第１支持部２１６は、第１ミラー部２１２および第２ミラー部２１４（第１反射面２１２ａおよび第２反射面２１４ａ）が、図２中、Ｘ軸方向に交互、かつ、等間隔に配されるように支持する。ここで、第１支持部２１６は、第１反射面２１２ａと、第２反射面２１４ａとの間に形成される光路長が等しくなるように、第１ミラー部２１２および第２ミラー部２１４を支持する。

第１固定部２１８は、一端が第１支持部２１６に固定され、他端が後述する移動部２４０の可動部２４６ｂに固定される。第１固定部２１８は、第１反射面２１２ａおよび第２反射面２１４ａが第２ステージ２２０（検査対象物１０）側に位置するように、第１支持部２１６を移動部２４０に固定する。

また、送信部２００は、第２ステージ２２０を備えている。第２ステージ２２０は、第１ステージ２１０よりも検査対象物１０側に配される。第２ステージ２２０は、複数（ここでは、４つ）のビームスプリッタ２２２と、複数（ここでは、５つ）の第３ミラー部２２４と、第２支持部２２６と、第２固定部２２８とを含んで構成される。

ビームスプリッタ２２２は、レーザー（光束）の一部を反射するとともに、他を透過するスプリッタ面２２２ａを有する。

第３ミラー部２２４は、レーザー、または、ビームを反射する第３反射面２２４ａを有するミラーで構成される。

第２支持部２２６は、第３反射面２２４ａをスプリッタ面２２２ａに臨ませてビームスプリッタ２２２および第３ミラー部２２４を支持する。本実施形態において、第２支持部２２６は、スプリッタ面２２２ａと第３反射面２２４ａとの為す角βが９０°となって互いに臨むように、ビームスプリッタ２２２と第３ミラー部２２４を支持する。また、第２支持部２２６は、ビームスプリッタ２２２および第３ミラー部２２４（スプリッタ面２２２ａおよび第３反射面２２４ａ）が、図２中、Ｘ軸方向に交互、かつ、等間隔に配されるように支持する。ここで、第２支持部２２６は、スプリッタ面２２２ａと、第３反射面２２４ａとの間に形成される光路長が等しくなるように、ビームスプリッタ２２２および第３ミラー部２２４を支持する。また、第１支持部２１６および第２支持部２２６は、第１反射面２１２ａと第２反射面２１４ａとの間に形成される光路長と、スプリッタ面２２２ａと第３反射面２２４ａとの間に形成される光路長とが等しくなるように、第１ミラー部２１２、第２ミラー部２１４、ビームスプリッタ２２２、第３ミラー部２２４を支持する。

第２固定部２２８は、一端が第２支持部２２６に固定され、他端が移動部２４０の固定体２４４に固定される。第２固定部２２８は、スプリッタ面２２２ａおよび第３反射面２２４ａが第１ステージ２１０（検査対象物１０の反対）側に位置するように、第２支持部２２６を移動部２４０に固定する。

屈折率媒質２３０は、透光性が高く、周囲の雰囲気（空気）より屈折率が高い媒質、例えば、ガラス、プラスチック等の空気よりも大きい屈折率を有する材質で構成される。屈折率媒質２３０は、第１ステージ２１０と第２ステージ２２０との間に配される。具体的に説明すると、屈折率媒質２３０は、第１反射面２１２ａ、第２反射面２１４ａ、スプリッタ面２２２ａ、第３反射面２２４ａによって反射されたレーザーの光軸上、または、ビームの光軸上に配される。屈折率媒質２３０は、媒質固定部２３２によって移動部２４０の固定体２４４に固定される。

移動部２４０は、架台２４２と、固定体２４４と、可動体２４６とを含んで構成される。架台２４２は、検査対象物１０に載置される。

固定体２４４は、架台２４２から図２中、Ｚ軸方向（検査対象物１０の反対側）に延在した、例えば、棒形状の部材である。なお、固定体２４４は、第２ステージ２２０、第２固定部２２８、屈折率媒質２３０、および、媒質固定部２３２の重量を支えるレールであってもよい。また、固定体２４４は、第２ステージ２２０、第２固定部２２８、屈折率媒質２３０、および、媒質固定部２３２を上方から吊設するクレーンであってもよい。固定体２４４には、第２固定部２２８および媒質固定部２３２が固定される。換言すれば、固定体２４４には、第２固定部２２８を介して第２ステージ２２０が固定され、媒質固定部２３２を介して屈折率媒質２３０が固定される。

可動体２４６は、延在部２４６ａと、可動部２４６ｂと、不図示のアクチュエータとを含んで構成される。延在部２４６ａは、架台２４２から図２中、Ｚ軸方向（検査対象物１０の反対側）に延在した、例えば、棒形状の部材である。なお、延在部２４６ａは、第１ステージ２１０、および、第１固定部２１８の重量を支えるとともに進路を誘導するレールであってもよい。

可動部２４６ｂは、延在部２４６ａに挿通され、アクチュエータによって、延在部２４６ａに沿って、図２中、Ｚ軸方向に移動される。可動部２４６ｂには、第１固定部２１８が固定される。換言すれば、可動部２４６ｂには、第１固定部２１８を介して第１ステージ２１０が固定される。したがって、可動部２４６ｂが移動されることにより、第１ステージ２１０と第２ステージ２２０とが相対的に移動することになる。

なお、可動体２４６は、第１ステージ２１０、および、第１固定部２１８を上方から吊設するとともに、鉛直方向の位置を移動可能なクレーンであってもよい。

また、本実施形態において、第１ステージ２１０および第２ステージ２２０は、移動部２４０に固定された際に、第１反射面２１２ａとスプリッタ面２２２ａとが平行に対向し、第２反射面２１４ａと第３反射面２２４ａとが平行に対向する寸法関係となっている。したがって、移動部２４０は、第１反射面２１２ａとスプリッタ面２２２ａとを対向させ、第２反射面２１４ａと第３反射面２２４ａとを対向させて、第１ステージ２１０と第２ステージ２２０とを相対的に移動させることとなる。

図３は、送信部２００によるレーザーの分岐と、分岐したビームの照射タイミングを説明する図である。図３（ａ）は、送信部２００によるレーザーの分岐を説明する図である。図３（ｂ）は、送信部２００による分岐したビームの照射タイミングを説明する図である。また、本実施形態の図３（ａ）では、垂直に交わるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を図示の通り定義している。なお、図３（ａ）中、理解を容易にするために、第１固定部２１８、第２固定部２２８、屈折率媒質２３０、移動部２４０を省略する。また、第１ミラー部２１２を第１ミラー部２１２Ａ〜２１２Ｅで示し、第２ミラー部２１４を第２ミラー部２１４Ａ〜２１４Ｅで示す。ビームスプリッタ２２２をビームスプリッタ２２２Ａ〜２２２Ｄで示し、第３ミラー部２２４を第３ミラー部２２４Ａ〜２２４Ｅで示す。さらに、図３（ａ）中、レーザー、および、ビームを実線の矢印で示す。

送信レーザー光源１１２から出力されたレーザーは、図３（ａ）に示すように、第２ステージ２２０の第３ミラー部２２４Ａの第３反射面２２４ａに照射される。上記したように、移動部２４０によって、第３ミラー部２２４の第３反射面２２４ａは、第２反射面２１４ａに対向して配される。このため、第３ミラー部２２４Ａの第３反射面２２４ａに照射されたレーザーは、第３反射面２２４ａで反射されて第２ミラー部２１４Ａの第２反射面２１４ａに導かれる。

また、上記したように、第１支持部２１６によって、第２ミラー部２１４の第２反射面２１４ａは、第１ミラー部２１２の第１反射面２１２ａに臨んで配される。このため、第２ミラー部２１４Ａの第２反射面２１４ａに導かれたレーザーは、第２反射面２１４ａで反射されて、第１ミラー部２１２Ａの第１反射面２１２ａに導かれる。

また、上記したように、移動部２４０によって、第１ミラー部２１２の第１反射面２１２ａは、スプリッタ面２２２ａに対向して配される。このため、第１ミラー部２１２Ａの第１反射面２１２ａに導かれたレーザーは、第１反射面２１２ａで反射されてビームスプリッタ２２２Ａのスプリッタ面２２２ａに導かれる。スプリッタ面２２２ａに導かれたレーザーは、スプリッタ面２２２ａで２つに分岐され、一方のビームは検査対象物１０に照射される。

また、上記したように、第２支持部２２６によって、第３ミラー部２２４の第３反射面２２４ａは、ビームスプリッタ２２２のスプリッタ面２２２ａに臨んで配される。このため、ビームスプリッタ２２２Ａのスプリッタ面２２２ａで分岐された他方のビームは、多少劣化した後、第３ミラー部２２４Ｂの第３反射面２２４ａに導かれる。

以降、ビームは、第２反射面２１４ａ、第１反射面２１２ａ、スプリッタ面２２２ａ、第３反射面２２４ａの順に導かれる。そうすると、ビームスプリッタ２２２Ｂ〜２２２Ｄにおいて分岐されたビームが検査対象物１０に照射され、第１ミラー部２１２Ｅで反射されたビームが検査対象物１０に照射される。

こうして、送信部２００は、送信レーザー光源１１２から出力されたレーザーを５つに分岐し、ビームスプリッタ２２２Ａ〜２２２Ｄ、第１ミラー部２１２Ｅからそれぞれビームを検査対象物１０に照射することができる。

続いて、送信部２００による各ビームの照射タイミングについて説明する。上記したように、ビームスプリッタ２２２Ａによって分岐されたビームは、第３ミラー部２２４Ｂ、第２ミラー部２１４Ｂ、第１ミラー部２１２Ｂを介してビームスプリッタ２２２Ｂに導かれる。また、ビームスプリッタ２２２Ｂによって分岐されたビームは、第３ミラー部２２４Ｃ、第２ミラー部２１４Ｃ、第１ミラー部２１２Ｃを介してビームスプリッタ２２２Ｃに導かれる。同様に、ビームスプリッタ２２２Ｃによって分岐されたビームは、第３ミラー部２２４Ｄ、第２ミラー部２１４Ｄ、第１ミラー部２１２Ｄを介してビームスプリッタ２２２Ｄに導かれる。そして、ビームスプリッタ２２２Ｄに導かれ、ビームスプリッタ２２２Ｄによって分岐されたビームは、第３ミラー部２２４Ｅ、第２ミラー部２１４Ｅ、第１ミラー部２１２Ｅを介して検査対象物１０に照射される。

つまり、送信レーザー光源１１２から出力されたレーザーは、送信部２００によって分岐され、ビームスプリッタ２２２Ａ、ビームスプリッタ２２２Ｂ、ビームスプリッタ２２２Ｃ、ビームスプリッタ２２２Ｄ、第１ミラー部２１２Ｅの順で検査対象物１０に照射される。

また、ビームスプリッタ２２２Ａからビームスプリッタ２２２Ｂまでの光路長、ビームスプリッタ２２２Ｂからビームスプリッタ２２２Ｃまでの光路長、ビームスプリッタ２２２Ｃからビームスプリッタ２２２Ｄまでの光路長は、スプリッタ面２２２ａと第３反射面２２４ａとの間に形成される光路長ΔＬ、第３反射面２２４ａと第２反射面２１４ａとの間に形成される光路長ΔＺ（離隔距離）、第２反射面２１４ａと第１反射面２１２ａとの間に形成される光路長ΔＬ、第１反射面２１２ａとスプリッタ面２２２ａとの間に形成される光路長ΔＺ（離隔距離）の合計である。また、ビームスプリッタ２２２Ｄから第１ミラー部２１２Ｅまでの光路長は、スプリッタ面２２２ａと第３反射面２２４ａとの間に形成される光路長ΔＬ、第３反射面２２４ａと第２反射面２１４ａとの間に形成される光路長ΔＺ（離隔距離）、第２反射面２１４ａと第１反射面２１２ａとの間に形成される光路長ΔＬの合計である。

そうすると、図３（ｂ）に示すように、ビームスプリッタ２２２Ｂから照射されるビームは、ビームスプリッタ２２２Ａから照射されるビームより、遅延時間Δｔ＝２（ΔＬ＋ΔＺ）／光速（２９９７９２４５８ｍｓ^−１）分、遅延される。同様に、ビームスプリッタ２２２Ｃから照射されるビームは、ビームスプリッタ２２２Ｂから照射されるビームより遅延時間Δｔ分、遅延され、ビームスプリッタ２２２Ｄから照射されるビームは、ビームスプリッタ２２２Ｃから照射されるビームより遅延時間Δｔ分、遅延される。また、第１ミラー部２１２Ｅから照射されるビームは、上述したビームスプリッタ２２２Ｄから第１ミラー部２１２Ｅまでの光路長に、上記光路長ΔＺ（離隔距離）を加えた地点から照射されるため、ビームスプリッタ２２２Ｄから照射されるビームより、遅延時間Δｔ分、遅延される。

なお、本実施形態において、ビームスプリッタ２２２は、図３（ｂ）に示すように、ビームスプリッタ２２２Ａ〜２２２Ｄ、第１ミラー部２１２Ｅから照射される各ビームのビーム強度Ｉ（検査対象物１０に照射されるビーム強度Ｉ）が、実質的に等しくなるように構成される。例えば、ビームスプリッタ２２２Ａは、反射光（一方の光束（ビーム））と透過光（他方の光束（ビーム））の強さがｎ−１：１（ｎは、ビーム数）となるように構成される。ビームスプリッタ２２２Ｂは、反射光と透過光の強さがｎ−２：１となるように構成される。ビームスプリッタ２２２Ｃは、反射光と透過光の強さがｎ−３：１となるように構成される。ビームスプリッタ２２２Ｄは、反射光と透過光の強さがｎ−４：１となるように構成される。

したがって、送信部２００を備える構成により、複数のビームそれぞれの照射タイミングを異ならせることができ、検査対象物１０内において、複数のビームそれぞれに起因する各超音波を集束させることが可能となる。

また、上記したように、本実施形態の送信部２００は、移動部２４０を備え、移動部２４０が第１ステージ２１０と第２ステージ２２０とを相対的に移動させる。つまり、移動部２４０は、第１ステージ２１０と第２ステージ２２０との離隔距離（第１反射面２１２ａとスプリッタ面２２２ａとの間に形成される光路長ΔＺ、および、第３反射面２２４ａと第２反射面２１４ａとの間に形成される光路長ΔＺ）を変更することができる。

本実施形態において、各ビーム間の照射時間の差（遅延時間）Δｔは、第１反射面２１２ａとスプリッタ面２２２ａとの間に形成される光路長ΔＺ（離隔距離）、および、第３反射面２２４ａと第２反射面２１４ａとの間に形成される光路長ΔＺ（離隔距離）に依存する。このため、移動部２４０によって光路長ΔＺを変更可能な構成により、遅延時間Δｔを変更することが可能となる。換言すれば、移動部２４０は、光束を迂回させつつ、光束の総距離を変更することができ、ビームスプリッタ２２２は、迂回させた光束を途中で複数引き抜いて検査対象物１０に照射することが可能となる。これにより、超音波の集束位置を変更することが可能となり、検査対象物１０において検査が不可能な箇所を少なくすることができる。

（変形例）
上記実施形態では、隣り合うスプリッタ面２２２ａ（ビームスプリッタ２２２）間において、第１ステージ２１０と第２ステージ２２０との間をビームが２回移動するように構成された送信部２００を例に挙げて説明した。しかし、ビームが、第１ステージ２１０と第２ステージ２２０との間を４回、または、８回移動するように送信部を構成することもできる。

図４は、第１の変形例にかかる送信部３００を説明する図である。なお、図４では、垂直に交わるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を図示の通り定義している。また、理解を容易にするために、図４（ａ）中、第１固定部２１８、第２固定部２２８、屈折率媒質２３０、移動部２４０を省略する。さらに、図４中、レーザー、および、ビームを実線の矢印で示す。また、上述した送信部２００と実質的に等しい構成要素については、同一の符号を付して重複説明を省略する。

（送信部３００）
送信部３００は、第１ステージ３１０と、第２ステージ３２０と、屈折率媒質２３０と、移動部２４０とを含んで構成される。第１ステージ３１０は、第１ミラー部２１２と、第２ミラーユニット３１４と、第１支持部２１６と、第１固定部２１８とを含んで構成される。つまり、第１ステージ３１０は、第１ステージ２１０の第２ミラー部２１４を第２ミラーユニット３１４に置き換えたものである。第２ステージ３２０は、ビームスプリッタ２２２と、第３ミラーユニット３２４と、第２支持部２２６と、第２固定部２２８とを含んで構成される。つまり、第２ステージ３２０は、第１ステージ２１０の第３ミラー部２２４を第３ミラーユニット３２４に置き換えたものである。

図４（ａ）に示すように、第２ミラーユニット３１４は、分波部３５０と、第４ミラー部３５２と、第２ミラー部２１４とを含んで構成される。分波部３５０は、第３反射面２２４ａによって反射されたレーザーを透過するとともに、後述する第４反射面３５２ａで反射されたビームを反射する分波面３５０ａを有する分波部材で構成される。なお、分波面３５０ａにおいて透過するレーザーの光路と、反射するビームの光路とは、図４（ａ）中、Ｙ軸方向の位置が異なり、Ｘ軸方向の位置は等しいが、理解を容易にするために、図４（ａ）では、Ｘ軸方向の位置を異ならせて示す。

第４ミラー部３５２は、レーザー、または、ビームを反射する第４反射面３５２ａを有するミラーで構成される。

第１の変形例において、第１支持部２１６は、分波面３５０ａと、第４反射面３５２ａとが平行に対向するように、分波部３５０および第４ミラー部３５２を支持する。また、第１支持部２１６は、第２反射面２１４ａを第４反射面３５２ａに臨ませて、第２ミラー部２１４および第４ミラー部３５２を支持する。第１の変形例において、第１支持部２１６は、第２反射面２１４ａと第４反射面３５２ａの為す角が９０°となって互いに臨むように、第２ミラー部２１４と第４ミラー部３５２を支持する。第１支持部２１６は、第２反射面２１４ａと第４反射面３５２ａとの間に形成される光路長が、上記光路長ΔＬとなり、第４反射面３５２ａと第１反射面２１２ａとの間に形成される光路長が光路長ΔＬとなるように、第１ミラー部２１２、第２ミラー部２１４、分波部３５０、第４ミラー部３５２を支持する。

図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように、第３ミラーユニット３２４は、第５ミラー部３６０と、第６ミラー部３６２とを含んで構成される。第５ミラー部３６０は、レーザー、または、ビームを反射する第５反射面３６０ａを有するミラーで構成される。第６ミラー部３６２は、レーザー、または、ビームを反射する第６反射面３６２ａを有するミラーで構成される。

第２支持部２２６は、第６反射面３６２ａを第５反射面３６０ａに臨ませて、第５ミラー部３６０および第６ミラー部３６２を支持する。第１の変形例において、第２支持部２２６は、第５反射面３６０ａと第６反射面３６２ａの為す角が９０°となって互いに臨むように、第５ミラー部３６０と第６ミラー部３６２を支持する。第２支持部２２６は、第５反射面３６０ａと第６反射面３６２ａとの間に形成される光路長が、上記光路長ΔＬとなり、スプリッタ面２２２ａと第３反射面２２４ａとの間に形成される光路長が光路長ΔＬとなるように、ビームスプリッタ２２２、第３ミラー部２２４、第５ミラー部３６０、第６ミラー部３６２を支持する。

また、移動部２４０は、第３反射面２２４ａが第４反射面３５２ａに臨み、第２反射面２１４ａが第５反射面３６０ａおよび第６反射面３６２ａに臨むように、第１支持部２１６、第２支持部２２６を固定する。また、移動部２４０は、第２反射面２１４ａが第３反射面２２４ａに平行に対向するように、第１支持部２１６、第２支持部２２６を固定する。

そうすると、図４中、Ｙ軸方向から入射され、第３反射面２２４ａで反射されたレーザーは、分波面３５０ａを通過して第４反射面３５２ａに導かれ、第４反射面３５２ａで反射される。そして、第４反射面３５２ａで反射されたレーザーは、第２反射面２１４ａに導かれ、第２反射面２１４ａで反射される。第２反射面２１４ａで反射されたレーザーは第６反射面３６２ａに導かれ、第６反射面３６２ａで反射される。第６反射面３６２ａで反射されたレーザーは第５反射面３６０ａに導かれ、第５反射面３６０ａで反射される。第５反射面３６０ａで反射されたレーザーは、第２反射面２１４ａに導かれ、第２反射面２１４ａで反射される。第２反射面２１４ａで反射されたレーザーは、第４反射面３５２ａに導かれ、第４反射面３５２ａで反射される。そして、第４反射面３５２ａで反射されたレーザーは、分波面３５０ａに導かれ、分波面３５０ａで反射されて、第１反射面２１２ａに導かれる。

なお、第４反射面３５２ａから第２反射面２１４ａまでの間に形成される光路と、第２反射面２１４ａから第４反射面３５２ａまでの間に形成される光路とは、図４（ａ）中、Ｙ軸方向の位置が異なり、Ｚ軸方向の位置は等しいが、理解を容易にするために、図４（ａ）では、Ｚ軸方向の位置を異ならせて示す。また、第２反射面２１４ａから第６反射面３６２ａまでの光路と、第５反射面３６０ａから第２反射面２１４ａまでの光路とは、図４（ａ）中、Ｙ軸方向の位置が異なり、Ｘ軸方向の位置は等しいが、理解を容易にするために、図４（ａ）では、Ｘ軸方向の位置を異ならせて示す。

したがって、送信部３００において、隣り合うビームスプリッタ２２２間の光路長は、スプリッタ面２２２ａと第３反射面２２４ａとの間に形成される光路長ΔＬ、第３反射面２２４ａと第４反射面３５２ａとの間に形成される光路長ΔＺ（離隔距離）、第４反射面３５２ａと第２反射面２１４ａとの間に形成される光路長ΔＬ、第２反射面２１４ａと第６反射面３６２ａとの間に形成される光路長ΔＺ（離隔距離）、第６反射面３６２ａと第５反射面３６０ａとの間に形成される光路長ΔＬ、第５反射面３６０ａと第２反射面２１４ａとの間に形成される光路長ΔＺ（離隔距離）、第２反射面２１４ａと第４反射面３５２ａとの間に形成される光路長ΔＬ、第４反射面３５２ａと分波面３５０ａとの間に形成される光路長ΔＭ、分波面３５０ａと第１反射面２１２ａとの間に形成される光路長ΔＬ、第１反射面２１２ａとスプリッタ面２２２ａとの間に形成される光路長ΔＺ（離隔距離）の合計である。そうすると、各ビームスプリッタ２２２から照射されるビーム間の遅延時間Δｔは、（５ΔＬ＋４ΔＺ＋ΔＭ）／光速となる。

（送信部４００）
図５は、第２の変形例にかかる送信部４００を説明する図である。なお、図５では、垂直に交わるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を図示の通り定義している。また、理解を容易にするために、図５（ａ）中、第１固定部２１８、第２固定部２２８、屈折率媒質２３０、移動部２４０を省略する。さらに、図５中、レーザー、および、ビームを実線の矢印で示す。また、上述した送信部２００と実質的に等しい構成要素については、同一の符号を付して重複説明を省略する。

送信部４００は、第１ステージ４１０と、第２ステージ４２０と、屈折率媒質２３０と、移動部２４０とを含んで構成される。第１ステージ４１０は、第１ミラー部２１２と、第２ミラーユニット４１４と、第１支持部２１６と、第１固定部２１８とを含んで構成される。つまり、第１ステージ４１０は、第１ステージ２１０の第２ミラー部２１４を第２ミラーユニット４１４に置き換えたものである。第２ステージ４２０は、ビームスプリッタ２２２と、第３ミラーユニット４２４と、第２支持部２２６と、第２固定部２２８とを含んで構成される。つまり、第２ステージ４２０は、第１ステージ２１０の第３ミラー部２２４を第３ミラーユニット４２４に置き換えたものである。

また、第２ミラーユニット４１４は、分波部３５０と、第４ミラー部３５２および第２ミラー部２１４を２組備えている。つまり、第２ミラーユニット４１４は、上記送信部３００の第２ミラーユニット３１４に第４ミラー部３５２および第２ミラー部２１４を１組追加したものである。なお、送信部４００において、第４ミラー部３５２および第２ミラー部２１４のセットは、図５（ａ）、図５（ｂ）中、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の位置を等しくして、Ｘ軸方向に並列して配される。

また、第３ミラーユニット４２４は、第５ミラー部３６０および第６ミラー部３６２を２組備えている。つまり、第３ミラーユニット４２４は、上記送信部３００の第３ミラーユニット３２４に第５ミラー部３６０および第６ミラー部３６２を１組追加したものである。なお、送信部４００において、第５ミラー部３６０および第６ミラー部３６２の一方のセットは、他方のセットに対して、Ｚ軸を回転軸として９０°回転して配される。

これにより、送信部４００において、ビームスプリッタ２２２から照射されるビーム間の遅延時間Δｔは、（９ΔＬ＋８ΔＺ＋ΔＭ）／光速となる。

以上説明したように、変形例にかかる送信部３００、４００によれば、移動部２４０による第１ステージ２１０の移動距離が送信部２００と等しくても超音波の入射角度θを大きくすることができる。したがって、レーザー超音波探傷装置を小型化することが可能となる。

（シミュレーション）
送信部２００、３００、４００において、光路長ΔＬを０．５ｍｍとした場合の超音波の入射角度θについてシミュレーションを行った。

図６は、光路長ΔＺ（離隔距離）と、超音波の入射角度θとの関係を説明する図である。まず、隣り合うスプリッタ面２２２ａ間の光路長が２（ΔＬ＋ΔＺ）（第１ステージ２１０と第２ステージ２２０間のビームの移動回数が２回）となるように構成された送信部２００（図６中、実線で示す）について説明する。図６に示すように、送信部２００では、離隔距離ΔＺを略０ｍｍから１９５０ｍｍまで移動させると、超音波の入射角度θを略０°から１５°以上まで移動できることが確認された。

次に、隣り合うスプリッタ面２２２ａ間の光路長が（５ΔＬ＋４ΔＺ）（第１ステージ３１０と第２ステージ３２０間のビームの移動回数が４回）となるように構成された送信部３００（図６中、破線で示す）について説明する。図６に示すように、送信部３００では、離隔距離ΔＺを略０ｍｍから１９５０ｍｍまで移動させると、超音波の入射角度θを略０°から３０°以上まで移動できることが確認された。

続いて、隣り合うスプリッタ面２２２ａ間の光路長が（９ΔＬ＋８ΔＺ）（第１ステージ４１０と第２ステージ４２０間のビームの移動回数が８回）となるように構成された送信部４００（図６中、一点鎖線で示す）について説明する。図６に示すように、送信部４００では、離隔距離ΔＺを略０ｍｍから１９５０ｍｍまで移動させると、超音波の入射角度θを略０°から４５°以上まで移動できることが確認された。

以上説明したように、本実施形態にかかるレーザー超音波探傷装置１００によれば、移動部２４０を備える構成により、超音波の集束位置を変更することができる（可変させる）。これにより、集束位置を走査（スキャン）することができ、探傷範囲を拡大することが可能となる。

また、上記したように、第１ステージ２１０と第２ステージ２２０との間に屈折率媒質２３０を備える構成により、実効的な光路長が長くなり、移動部２４０による第１ステージ２１０の移動量を少なくすることができる。

以上、添付図面を参照しながら実施形態について説明したが、本開示はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態において、第１ミラー部２１２、第２ミラー部２１４、ビームスプリッタ２２２、第３ミラー部２２４をそれぞれ複数備えた送信部２００を例に挙げて説明した。しかし、第２ミラー部２１４、第３ミラー部２２４は、１つであってもよい。

また、上記実施形態において、送信レーザー光源１１２が第３ミラー部２２４Ａにレーザーを照射する構成を例に挙げて説明した。しかし、送信レーザー光源１１２は、第１ミラー部２１２Ａにレーザーを照射してもよい。この場合、第２ミラー部２１４Ａ、第３ミラー部２２４Ａを省略することができる。

また、上記実施形態において、移動部２４０は、第１ステージ２１０のみを移動させる構成を例に挙げて説明した。しかし、移動部２４０は、第１ステージ２１０と第２ステージ２２０とを相対的に移動できればよい。したがって、移動部２４０は、第２ステージ２２０のみを移動させてもよいし、第１ステージ２１０および第２ステージ２２０を両方とも移動させてもよい。

また、上記実施形態において、送信部２００が屈折率媒質２３０を備える構成を例に挙げて説明した。しかし、屈折率媒質２３０は必須の構成ではない。

本開示は、レーザーを照射することで生じる超音波を用いて検査対象物を探傷するレーザー超音波探傷装置に利用することができる。

１００ レーザー超音波探傷装置
２１０ 第１ステージ
２１２ 第１ミラー部
２１２ａ 第１反射面
２１４ 第２ミラー部
２１４ａ 第２反射面
２１６ 第１支持部
２２０ 第２ステージ
２２２ ビームスプリッタ
２２２ａ スプリッタ面
２２４ 第３ミラー部
２２４ａ 第３反射面
２２６ 第２支持部
２３０ 屈折率媒質
２４０ 移動部

Claims (2)

1. 第１反射面を有する複数の第１ミラー部と、第２反射面を有する１または複数の第２ミラー部と、前記第２反射面を前記第１反射面に臨ませて前記第１ミラー部および前記第２ミラー部を支持する第１支持部とを含んで構成される第１ステージと、
   光束の一部を反射し、他を透過するスプリッタ面を有する複数のビームスプリッタと、第３反射面を有する１または複数の第３ミラー部と、前記第３反射面を前記スプリッタ面に臨ませて前記ビームスプリッタおよび前記第３ミラー部を支持する第２支持部とを含んで構成される第２ステージと、
   前記第１反射面と前記スプリッタ面とを対向させ、前記第２反射面と前記第３反射面とを対向させて、前記第１ステージと前記第２ステージとを相対的に移動させる移動部と、
   を備えるレーザー超音波探傷装置。
2. 前記第１ステージと、前記第２ステージとの間に設けられた屈折率媒質を備える請求項１に記載のレーザー超音波探傷装置。

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