WO2020008745A1 - 欠陥検出装置 - Google Patents

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侑也 長田
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Definitions

  • the present invention relates to a defect detection device for detecting a defect of an object such as a concrete or a steel structure.
  • Laser ultrasonic method is one of the techniques for detecting the surface and internal defects of objects such as concrete and steel structures.
  • the surface displacement is measured by exciting the vibration of an elastic wave in the object to be inspected, irradiating the object to be inspected with laser light in that state, and detecting the reflected light with a laser interferometer. Since the surface displacement due to vibration changes discontinuously at the defect, the defect can be detected by measuring the distribution of the surface displacement.
  • the detection laser (probe laser) of the laser interferometer is point-shaped, it is necessary to scan over the entire inspection area of the object to be inspected, which takes a long time.
  • Speckle interferometry splits laser light from a laser light source into illumination light and reference light, performs strobe illumination on the inspection area using the illumination light, and the illumination light is applied to each point on the surface of the inspected object in the inspection area.
  • Speckle-sharing interferometry uses a laser beam from a laser light source (does not split the reference beam) to illuminate the inspection area with strobe light, and reflects light from two adjacent points on the surface of the inspection object in the inspection area. This is to obtain an interference pattern due to incoming light.
  • an elastic wave is input to the object to be inspected, images of the interference pattern are respectively taken before and after input by a CCD camera or the like, and the two images are used to determine the front-back direction (surface) of the inspection area.
  • the distribution of the displacement (outward) or the relative displacement is calculated. Since the displacement or the relative displacement becomes discontinuous at the position of the defect, the defect existing in the inspection area can be detected.
  • these methods only look at one state of the elastic wave, if the wavelength of the elastic wave is smaller than the inspection area, it is easy to detect if the defect happens to be in the part where the amplitude of the wave is large. However, if it exists in a portion where the amplitude is small, it is difficult to detect. That is, a difference occurs in the defect inspection capability depending on the location in the inspection area.
  • Patent Document 1 discloses that in a defect detection method using speckle interferometry or speckle shearing interferometry, while exciting a continuous wave of an elastic wave to an inspected object, It describes that the displacement of each point (speckle interferometry) or the relative displacement between two adjacent points (speckle sharing interferometry) is measured in three phases. This makes it possible to reproduce the entire vibration state of the elastic wave at any location in the inspection area, regardless of the relationship between the size of the inspection area and the wavelength of the elastic wave, without depending on the location in the inspection area. Defects can be accurately detected.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a defect detection device capable of detecting not only a defect outside an observable range but also a defect outside an observable range from among the inspected objects. That is.
  • a defect detection device made to solve the above problem, An excitation source that can be arranged at an arbitrary position on the surface of the object to be inspected and within the object to be inspected, which excites an elastic wave in which one vibration mode is dominant and travels in a predetermined direction.
  • an illumination unit that performs strobe illumination on an illumination area on the surface of the inspection object, Speckle interferometry or speckle-sharing interferometry, a displacement measuring unit that collectively measures the longitudinal displacement of each point in the illumination region in at least three different phases of the elastic wave, And a reflected wave / scattered wave detector for detecting one or both of a reflected wave and a scattered wave of the elastic wave based on the displacement measured by the displacement measuring unit.
  • the excitation source is arranged at an arbitrary position on the inspection object, and a certain vibration mode is dominant and directed in a predetermined direction from the excitation source into the inspection object.
  • a certain vibration mode is dominant and directed in a predetermined direction from the excitation source into the inspection object.
  • the position of the excitation source and / or the movement of the elastic wave in the traveling direction are performed so that one vibration mode is dominant and travels in a predetermined direction.
  • Strobe illumination is performed on the illumination area by the illumination unit while exciting the elastic wave, and the displacement measurement unit uses speckle interferometry or speckle sharing interferometry to front and rear directions of each point in the illumination area (illumination unit). , Or away from the illumination unit).
  • the displacement measurement unit measures the displacement of each point in the front-rear direction in at least three different phases to reproduce the entire vibration state of the elastic wave at each point in the illumination area.
  • the illumination area may be the entire surface of the inspection object or a part thereof.
  • the illumination area is, of course, a part (all or a part) of the part observing the shielding area. In this way, the displacement in the front-back direction of each point in the illumination area is collectively measured, and the amplitude and phase of the vibration of each point are obtained from the displacement.
  • the reflected wave / scattered wave detection unit an image is created based on the amplitude and phase values of the vibration at each point, and an image processing technique is used for the created image, or the inspector looks at the image. Detect reflected and / or scattered waves.
  • the position of the defect can be specified from the position of the excitation source and the traveling direction of the elastic wave, and the traveling direction of the reflected wave and / or the scattered wave.
  • an elastic wave from the excitation source and a reflected wave of the elastic wave reflected at an end of the object to be inspected are also observed. And reflected waves and / or scattered waves generated by defects.
  • the defect detection device even when a defect exists outside the illumination area, a reflected wave or a scattered wave that is reflected or scattered by the defect and travels through the illumination area is measured in the illumination area. Thereby, the defect can be detected. This makes it possible to detect a defect outside the observable range, such as a portion covered by the shielding member.
  • the displacement in the front-rear direction is measured by using the speckle interferometry or the speckle sharing interferometry as described above, and the speckle sharing interferometry measures the displacement at a certain point. Since the two lights for measurement pass through substantially the same optical path, they have a feature that they are less susceptible to environmental disturbance due to the difference in the passing environment than the speckle interferometry in which the measuring light and the reference light pass through different places. Although the minimum number of phases required for obtaining the reflected and / or scattered wave waveforms is three, increasing the number of phases to be measured to more than three increases the accuracy of the obtained waveforms. It can be even higher.
  • the excitation source of the first example has a case in which a plurality of contact portions to be brought into contact with the surface of the object to be inspected are arranged at equal intervals, and an elastic wave having a wavelength of the same length as the interval is generated in the object to be inspected. And a vibration applying section for applying vibration having the same frequency as that of the elastic wave in the contact section. After such a contact is brought into contact with the surface of the object to be inspected, vibration is applied from the vibration applying section to the contact so that the contact points in a direction in which the contact portions are arranged and proceeds along the surface of the object to be inspected. Elastic waves can be generated.
  • the object to be inspected can be strongly excited and the amplitude of the elastic wave can be increased.
  • the amplitude of the elastic wave By increasing the amplitude of the elastic wave in this manner, a defect can be detected with high sensitivity.
  • a space may be provided between a plurality of contact portions arranged at equal intervals, but a second contact portion may be provided between two adjacent contact portions of the plurality of contact portions.
  • the vibration applying section applies vibrations at phases different from each other by 180 ° between the contact section and the second contact section.
  • vibration can be applied to the surface of the object to be inspected from both the contact portion and the second contact portion in accordance with the spatial phase of the elastic wave generated on the surface of the object to be inspected. Can be increased.
  • the excitation source of the second example is used when the object to be inspected has a plate shape, and includes a contact portion having a contact surface that contacts the surface of the object to be inspected, A vibration imparting unit that imparts vibration to the contact unit, which propagates in the inclined direction and excites an elastic wave having a wavelength coincident with a wavelength of a vibration mode that can be generated in the inspection object into the contact unit.
  • a vibration imparting unit that imparts vibration to the contact unit, which propagates in the inclined direction and excites an elastic wave having a wavelength coincident with a wavelength of a vibration mode that can be generated in the inspection object into the contact unit.
  • the contact portion is made of a material having a smaller acoustic impedance difference from the object to be inspected than the vibration applying portion.
  • the second contact portion is made of a material having a smaller acoustic impedance difference from the object to be inspected than the vibration applying portion.
  • the contact portion is made of a material having a smaller acoustic impedance difference from the object to be inspected than the vibration applying portion.
  • a Lamb wave has both vibration components in a direction perpendicular to the propagation direction and a direction parallel to the propagation direction, is a wave in which longitudinal waves and transverse waves are mixed, and has a velocity dispersibility such that a phase velocity changes according to a frequency, and , And has a feature that it can take a plurality of vibration modes having different relationships between frequency and phase velocity.
  • a vibration mode having a high frequency can be selected without reducing the efficiency of exciting the object to be inspected, and the wavelength of the elastic wave in the object to be inspected can be selected. Can be shortened. As described above, by reducing the wavelength of the elastic wave in the object to be inspected, the elastic wave can be reflected or scattered even for a small defect, and the defect can be detected more reliably.
  • the defect detection device can detect not only a defect that is outside the observable range but also a defect that is outside the observable range among the inspected objects.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a first embodiment of a defect detection device according to the present invention.
  • FIG. 3 is a longitudinal sectional view showing an example of an excitation source used in the defect detection device according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a longitudinal sectional view showing a modification of the excitation source used in the defect detection device according to the first embodiment.
  • 5 is a flowchart illustrating the operation of the defect detection device according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic diagram illustrating an operation of an example of an excitation source used in the defect detection device according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing an operation of a modification of the excitation source used in the defect detection device according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a graph for explaining the principle of a defect inspection performed by the defect detection device according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic diagram illustrating an example of an elastic wave observed in an illumination area.
  • FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing a second embodiment of the defect detection device according to the present invention.
  • FIG. 9 is a vertical cross-sectional view illustrating an example of an excitation source used in the defect detection device according to the second embodiment.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing the operation of an excitation source used in the defect detection device according to the second embodiment.
  • 9 is a dispersion curve showing a relationship between a frequency and a phase velocity of a Lamb wave generated in a steel plate having a thickness of 10 mm.
  • 9 is a graph showing the relationship between the frequency of vibration and the angle of incidence when a copper contact according to the second embodiment is used.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a defect detection device 10 of the first embodiment.
  • the defect detection apparatus 10 includes an excitation source 11, a signal generator 12, a pulse laser light source 13, an illumination light lens 14, a speckle / sharing interferometer 15, a reflected / scattered wave detector 16, a controller 17, and a memory.
  • a section 18 is provided.
  • the excitation source 11 has a contact 111 and a vibration imparting unit 112 as shown in FIG. 2A.
  • the contact 111 has a contact portion 1111 and a base 1113. It is desirable that the contact portion 1111 be made of the same material as the object to be inspected or a material having an acoustic impedance closer to that of the material of the object to be inspected than the vibration imparting portion 112.
  • a steel plate is used as the inspection object S
  • iron is used as the material of the contact portion 1111
  • ceramics are used for the vibration applying portion 112.
  • the value of the acoustic impedance of the iron used for the contact 111 is closer to the value of the steel of the object S to be inspected than the value of the ceramic of the vibration applying unit 112.
  • the contact portion 1111 has a rod-like shape having a rectangular or square cross section, and a plurality of the contact portions 1111 are arranged at equal intervals in a direction (horizontal direction in FIG. 2A) perpendicular to the longitudinal direction (direction perpendicular to the paper surface in FIG. 2A). Lined up.
  • the base 1113 is a single rectangular parallelepiped member made of the same material as the contact portion 1111.
  • One of the four surfaces (including one side of a rectangular or square cross section) of the contact portion 1111 is a contact surface 1131 that makes contact with the surface of the inspection object S, and the surface facing the contact surface 1131 is a base. 1113 is in contact with one surface.
  • the contact portion 1111 and the base portion 1113 are formed as one body.
  • the space between the adjacent contact portions 1111 is a space (air) in the contact 111 of this example.
  • the distance between adjacent contact portions 1111 is 8 mm in the present embodiment. This interval was set to match the wavelength of an elastic wave having a frequency of 360 kHz (described later) generated in a steel plate as an object to be inspected.
  • a second contact portion 1112 is provided like a contact 111A in an excitation source 11A of a modification shown in FIG. 2B. It may be.
  • Second contact portion 1112 is made of tin, which is a different material from contact portion 1111. Since the speed at which the sound wave (vibration) propagates is different between iron (longitudinal wave speed 5950 m / s), which is the material of the contact portion 1111, and tin (3230 m / s), which is the material of the second contact portion 1112.
  • the vibration applying unit 112 is made of a piezoelectric element, and is in contact with a surface of the base 1113 of the contact 111 that faces the surface that contacts the contact unit 1111.
  • the vibration applying section 112 is connected to the signal generator 12 by a cable.
  • the signal generator 12 generates an AC electric signal of a predetermined frequency and transmits the signal to the vibration applying unit 112 of the excitation source 11. In the present embodiment, this frequency is 360 kHz as described above. With this AC electric signal, the vibration applying unit 112 vibrates at the predetermined frequency to apply vibration to the contact unit 1111, and the contact surface 1131 (or the contact surfaces 1131 and 1132 when the contact 111 ⁇ / b> A is used) through the contact unit 1111. And the vibration is propagated to the surface of the inspection object S.
  • the signal generator 12 is also connected to the pulse laser light source 13 by a cable different from the cable connected to the vibration applying unit 112, and the signal generator 12 supplies the pulse laser light source 13 at a timing when the AC electric signal has a predetermined phase.
  • a pulse-like electric signal (pulse signal) is transmitted.
  • the predetermined phase and the timing determined thereby are changed during the defect inspection as described later.
  • the pulse laser light source 13 is a light source that outputs a pulse laser light when receiving a pulse signal from the signal generator 12.
  • the illumination light lens 14 is disposed between the pulse laser light source 13 and the surface of the inspection object S, and includes a concave lens.
  • the illumination light lens 14 has a role of spreading the pulse laser light from the pulse laser light source 13 over the entire illumination area L on the surface of the inspection object S.
  • the illumination area L is an area excluding a portion of the surface of the inspection object S that is hidden by the obstacle (shielding member) B from the illumination light lens 14.
  • the obstacle B includes, for example, the above-described reinforcing member.
  • the pulse laser light source 13 and the illumination light lens 14 correspond to the illumination unit described above.
  • the speckle-sharing interferometer 15 corresponds to the above-described displacement measuring unit, and includes a beam splitter 151, a first reflecting mirror 1521, a second reflecting mirror 1522, a phase shifter 153, a condenser lens 154, and an image sensor 155.
  • the beam splitter 151 is a half mirror arranged at a position where the illumination light reflected on the illumination area L on the surface of the inspection object S enters.
  • the first reflecting mirror 1521 is arranged on the optical path of the illumination light reflected by the beam splitter 151, and the second reflecting mirror 1522 is arranged on the optical path of the illumination light transmitted through the beam splitter 151.
  • the phase shifter 153 is disposed between the beam splitter 151 and the first reflecting mirror 1521, and changes (shifts) the phase of light passing through the phase shifter 153.
  • the image sensor 155 includes illumination light that is reflected by the first reflecting mirror 1521 and then passes through the beam splitter 151 after being reflected by the beam splitter 151, and is reflected by the second reflecting mirror 1522 after passing through the beam splitter 151 and is then reflected by the beam splitter. It is arranged on the optical path of the illumination light reflected at 151.
  • the condenser lens 154 is disposed between the beam splitter 151 and the image sensor 155.
  • the first reflecting mirror 1521 is arranged so that its reflecting surface is at an angle of 45 ° with respect to the reflecting surface of the beam splitter 151.
  • the second reflecting mirror 1522 is arranged such that its reflecting surface is at an angle slightly inclined from 45 ° with respect to the reflecting surface of the beam splitter 151. Due to the arrangement of the first reflecting mirror 1521 and the second reflecting mirror 1522, the image sensor 155 causes the point P1 on the surface of the inspected object S and the illumination light reflected by the first reflecting mirror 1521 (one point in FIG. 1).
  • the image sensor 155 has a large number of detection elements, and emits light incident on the image sensor 155 from a number of points (the points P1) on the surface of the inspection object S through the first reflecting mirror 1521 and the phase shifter 153. Detection is performed using different detection elements. Similarly, at the point P2, light incident on the image sensor 155 from the many points through the second reflecting mirror 1522 is detected by different detection elements.
  • the reflected wave / scattered wave detection unit 16 obtains the vibration state (amplitude and phase) of the elastic wave at each point of the illumination area L based on the light detected by the image sensor 155, as described later, and based on the vibration state. A reflected wave and / or a scattered wave at the defect D is detected.
  • the control unit 17 controls the signal generator 12 and performs data processing based on detection signals obtained from each detection element of the image sensor 155.
  • the storage unit 18 stores a detection signal obtained from each detection element of the image sensor 155 and data processed by the control unit 17.
  • FIG. 3 is a flowchart showing the operation of the defect detection apparatus 10
  • FIGS. 4A and 4B are schematic diagrams showing the operation of the excitation sources 11 and 11A
  • FIG. 5 is a graph for explaining the principle of the defect inspection performed by the defect detection apparatus 10.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing an example of an elastic wave observed in the illumination area L.
  • the measurement of the surface displacement is performed at m max ⁇ 3 times where the phases of the vibrations of the excitation source 11 are different.
  • the “phase of vibration of the excitation source 11” is a phase of an AC electric signal transmitted from the signal generator 12 to the excitation source 11, and corresponds to a phase of an elastic wave at a certain point on the surface of the inspection object S. Equivalent to.
  • the phase is shifted by a predetermined amount from the phase of the one point regardless of time.
  • an initial value of k is set to 1 (step S1), and an AC electric signal is transmitted from the signal generator 12 to the excitation source 11, whereby vibration from the contact 111 of the excitation source 11 to the inspection object S is measured.
  • the application is started (step S2).
  • the vibration is applied to the inspection object S by first vibrating the piezoelectric element constituting the vibration applying unit 112 of the excitation source 11 by receiving the AC electric signal, and the vibration of the vibration applying unit 112 is controlled by a plurality of contact portions. This is performed by transmitting to the inspected object S in the same phase via each of the lines 1111.
  • the excitation source 11 since the plurality of contact portions 1111 are arranged at equal intervals according to the wavelength of the elastic wave generated in the inspection object S as described above, the inspection object S has the wavelength.
  • Elastic waves directed in the direction in which the plurality of contact portions 1111 are arranged are generated (FIG. 4A). In FIG. 4A, the wave of the vibration of the contact portion 1111 and the elastic wave generated in the inspection object S are drawn as transverse waves, but actually, these waves are longitudinal waves.
  • the phase of the vibration transmitted to the surface of the inspected object S through the interface differs by 180 °.
  • the pulse laser light source 13 Each time the pulse laser light source 13 receives a pulse signal, the pulse laser light source 13 repeatedly outputs illumination light that is a pulse laser light. This illumination light is expanded in diameter by the illumination light lens 14 and is applied to the entire illumination area L on the surface of the inspection object S (step S3).
  • the illumination light is reflected on the surface of the inspection object S in the illumination area L and enters the beam splitter 151 of the speckle sharing interferometer 15.
  • a part of the illuminating light is reflected by the beam splitter 151, passes through the phase shifter 153, is reflected by the first reflecting mirror 1521, passes through the phase shifter 153 again, and then passes through the beam splitter 151.
  • the rest of the illumination light that has entered the beam splitter 151 passes through the beam splitter 151, is reflected by the second reflecting mirror 1522, and is partially reflected by the beam splitter 151 and enters the image sensor 155.
  • illumination light reflected at a number of points on the surface of the inspection object S is detected by different detection elements.
  • the phase shifter 153 changes (shifts) the phase of the illumination light passing through the phase shifter 153 (that is, the illumination light reflected at the point P1) while the illumination light as the pulse laser light is repeatedly output. Go on. As a result, the phase difference between the illumination light reflected at the point P1 and the illumination light reflected at the point P2 changes. During this change, each detection element of the image sensor 155 causes the two illumination lights to interfere with each other. The intensity of the generated interference light is detected (step S4). In the upper part of FIG. 5, the amount of phase shift by the phase shifter 153 obtained when the phase of the vibration of the excitation source 11 is ⁇ 0 and the intensity of the interference light detected by the detection element of the image sensor 155 are shown.
  • FIG. 5 An example is shown in a graph.
  • the relationship in which the detected intensity changes in a sinusoidal manner with respect to the phase shift amount is shown by a continuous curve, but what is actually observed is discrete data.
  • the above continuous sine waveform is reproduced from the data by the least square method or the like. For that purpose, it is necessary to detect the intensity at at least three different phase shift amounts.
  • step S5 it is confirmed whether or not the value of k has reached m max .
  • the determination in step S5 is “NO”. If “NO”, the process proceeds to step S6, and the value of k is increased by 1 to “2” (the case where the determination in step S5 is “YES” will be described later).
  • the signal generator 12 transmits a pulse signal to the pulse laser light source 13, and the pulse laser light source 13 repeatedly irradiates the surface of the inspection object S with illumination light, which is pulse laser light, at the timing of receiving the pulse signal. .
  • the phase shifter 153 while changing (shifting) the phase of the illumination light reflected at the point P1 by the phase shifter 153 to at least three values, each detection element of the image sensor 155 is reflected at the point P1 and passed through the phase shifter 153 and the like.
  • the intensity of the interference light between the illumination light and the illumination light reflected at the point P2 is detected (step S4).
  • phase shifter 153 is a graph showing the amount of phase shift by the phase shifter 153 and the intensity of the interference light detected by the detection element of the image sensor 155, which are obtained when the phase of the vibration of the excitation source 11 is ⁇ 1.
  • the peak position of the intensity of the interference light is shifted by ⁇ 1 ⁇ 0 in both cases.
  • This shift indicates that the phase difference between the light from the point P1 and the light from the point P2 has changed due to the difference in the phase of the vibration of the excitation source 11 at the time of detection.
  • This change in the phase difference of the optical path indicates that the relative displacement of the points P1 and P2 in the out-of-plane direction has changed.
  • the relationship of the intensity of the shift amount and the interference light of the phase is obtained by the phase shifter 153 at the time the phase of the AC electrical signal is phi 2.
  • step S5 since the value of k is 3 and has reached mmax , it is determined to be "YES”, and the process proceeds to step S7.
  • step S7 the transmission of the AC electric signal from the signal generator 12 to the excitation source 11 is stopped, and thereby the vibration of the excitation source 11 is stopped.
  • the reflected wave / scattered wave detection unit 16 obtains the vibration state (amplitude and phase) of the elastic wave at each point of the illumination area L by the following operation.
  • the reflected wave / scattered wave detection unit 16 detects each detection element of the image sensor while changing the amount of phase shift by the phase shifter 153 in each of the phases ⁇ 0 , ⁇ 1 , and ⁇ 2 of the vibration.
  • the maximum output phase shift amounts ⁇ 0 , ⁇ 1 , and ⁇ 2 at which the output of the element becomes maximum are obtained (see each graph in FIG. 5).
  • the reflected wave / scattered wave detection unit 16 obtains the difference ( ⁇ 1 ⁇ 0 ), ( ⁇ 2 ⁇ 1 ), and ( ⁇ 0 - ⁇ 2 ) of the maximum output phase shift amounts having different phases of vibration. (Step S8).
  • the difference between these three maximum output phase shift amounts indicates three sets of relative displacements of the points P1 and P2 in the out-of-plane direction with two sets of data having different phases (that is, different times) of the vibration of the excitation source 11. ing.
  • the reflected wave / scattered wave detection unit 16 calculates three values of the vibration amplitude, vibration phase, and vibration center value (DC component) at each point in the illumination area L. The value of the parameter is obtained (step S9).
  • the reflected wave / scattered wave detection unit 16 obtains the value of the displacement in the front-rear direction of each point at a certain time from the amplitude, phase, and center value of the vibration of each point thus obtained, and based on the value of the displacement, An image representing an elastic wave formed in the illumination area L is created (Step S10).
  • an elastic wave can be represented by changing the luminance of a pixel corresponding to a point according to the displacement value of each point.
  • step S11 the reflected wave / scattered wave detection unit 16 analyzes the image 20 thus created to detect a defect D as described below.
  • an elastic wave shown in FIG. 6 appears.
  • an elastic wave (oscillation wave 21) oscillated from the excitation source 11 appears in the image 20 as a wave directed in a direction in which the plurality of contact portions 1111 of the excitation source 11 are arranged.
  • a reflected wave (end reflected wave 22) obtained by reflecting the oscillation wave 21 at the end of the inspection object S also appears in the image 20.
  • the oscillation wave 21 and the end reflection wave 22 appear regardless of the presence or absence of the defect D in the inspection object S.
  • the oscillation wave 21 is generated so as to be directed in a non-perpendicular direction with respect to the end surface of the inspection object S so that the oscillation wave 21 and the end reflected wave 22 do not overlap. .
  • the image 20 further includes a reflected wave and / or a scattered wave reflected by the defect D (defect reflected / scattered wave 23). Appear in the image 20.
  • the defect D when the defect D is outside the illumination area L because it is hidden by the obstacle B, the defect D cannot be directly observed.
  • the defect reflected / scattered wave 23 reflected or scattered by the defect D can be used. Reaches the illumination region L, it can be specified that the defect D exists on the extension of the oscillation wave 21 and the defect reflected / scattered wave 23.
  • the defect D does not exist before the oscillation wave 21 is directed from the excitation source 11.
  • whether or not the defect D exists at any other position cannot be specified by only one operation up to this point.
  • a defect may be detected by changing the position and / or direction of the excitation source 11 (the direction in which the oscillation wave 21 oscillates). Therefore, in step S12, it is determined whether the position and / or orientation of the excitation source 11 is changed.
  • step S12 This determination may be made each time the operator operates an input device such as a keyboard, a mouse, a touch panel, or the like, or the number of times the position and / or direction of the excitation source 11 is changed or the magnitude of the change (excitation source 11 may be incorporated in the program and executed according to the program. If YES (change) is selected in step S12, the position and / or orientation of the excitation source 11 is automatically or manually changed in step S13, and the process returns to step S1 to perform the operations up to step S11. On the other hand, if NO (no change) is selected in step S12, a series of operations ends.
  • NO no change
  • an elastic wave having directivity is excited on the surface of the inspection object S using the excitation source 11, and the elastic wave is generated using the speckle-sharing interferometer 15.
  • the defect reflected / scattered waves 23 reflected and / or scattered by the defect D not only the illumination area L but also the illumination area L such as a location covered with an obstacle (shielding member) B can be observed.
  • An external defect D can also be detected.
  • the excitation source 11 can generate an elastic wave having a wavelength corresponding to the interval between the contact portions 1111 with a large amplitude, the defect can be detected with high sensitivity. Can be. Further, by shortening the interval between the contact portions 1111, it is possible to prevent the amplitude of the elastic wave from being reduced even if the wavelength of the elastic wave is shortened, and it is possible to more reliably detect a small defect.
  • the acoustic impedance of the material of the contact portion 1111 and the second contact portion 1112 is closer to the acoustic impedance of the material of the inspected object S than the acoustic impedance of the material of the vibration imparting portion 112, Efficient transmission of vibration contributes to increasing the amplitude of elastic waves.
  • FIG. 7A is a schematic configuration diagram of a defect detection device 10B of the second embodiment.
  • the defect detection device 10B has the same configuration as the defect detection device 10 of the first embodiment except that the excitation source 11B has a configuration different from the excitation sources 11 and 11A.
  • the excitation source 11B has a contact (contact part) 111B and a vibration applying part 112B.
  • the contact 111B has a contact surface 1131B that contacts the surface of the inspection object S and a receiving surface 1133B that contacts the vibration applying unit 112B and receives the vibration of the vibration applying unit 112B.
  • the contact surface 1131B and the receiving surface 1133B are non-parallel.
  • the angle formed between the normal to the receiving surface 1133B and the normal to the contact surface 1131B is ⁇ .
  • the vibration applying section 112B is made of a piezoelectric element, and is connected to the signal generator 12 by a cable.
  • the excitation source 11B excites a plate-like inspection object S with an elastic wave which is parallel to the plate surface and travels in one direction. After the contact surface 1131B of the excitation source 11B is brought into contact with the surface of the inspection object S, an AC electric signal is transmitted from the signal generator 12 to the vibration applying unit 112B. Thereby, the vibration applying unit 112B applies vibration to the receiving surface 1133B of the contact 111B in the normal direction of the receiving surface 1133B. This vibration propagates through the inside of the contact 111B in the normal direction of the receiving surface 1133B (the direction inclined with respect to the contact surface 1131B) and enters the contact surface 1131B at an incident angle ⁇ .
  • the wavelength of the vibration in the contact 111B at this time is ⁇ 0 .
  • the receiving surface 1133B vibrates in the same phase at the same time
  • a condition in which the wavelength of the elastic wave excited by the contact 111B on the object to be inspected coincides with the wavelength of a vibration mode that can be generated in the object to be inspected is called a phase matching condition.
  • An elastic wave directed in one direction parallel to the surface of S is formed.
  • a soft metal having a high acoustic impedance and a relatively low speed of sound can be suitably used in order to efficiently excite the object to be inspected with vibration while satisfying the phase matching condition.
  • a material for the contact 111B examples include copper, silver, gold, tin, or zinc, or an alloy containing any of these as a main component.
  • the excitation source 11B A specific example of the excitation source 11B will be described.
  • copper longitudinal wave speed v: 4700 m / s
  • ⁇ 40 °
  • the frequency of the AC electric signal is 780 kHz. Accordingly, the wavelength ⁇ 0 in the contact 111B becomes (4700 [m / s] / 780 [kHz])] 6 mm, and the wavelength ⁇ of the elastic wave in the inspection object S is 6 mm / (sin 40 °) ⁇ . It becomes a 9mm Lamb wave.
  • the Lamb wave having such a wavelength is excited in a vibration mode called A3 mode in the inspection object S which is a steel plate having a thickness of 10 mm.
  • the A3 mode corresponds to “a certain vibration mode” (described above) which is predominant in vibration having a frequency of 780 kHz.
  • FIG. 9 shows the relationship between the frequency of a Lamb wave generated on a steel plate having a thickness of 10 mm and the phase velocity (the speed at which a specific point (e.g., a peak or a valley in an elastic wave) moves).
  • 4 shows a graph of a dispersion curve. This graph shows the dispersion relation of eight vibration modes A0 to A3 and S0 to S3.
  • FIG. 9 shows the relationship between the frequency of a Lamb wave generated on a steel plate having a thickness of 10 mm and the phase velocity (the speed at which a specific point (e.g., a peak or a valley in an elastic wave) moves).
  • 4 shows a graph of a dispersion curve. This graph shows the dispersion relation of eight vibration modes A0 to A3 and S0 to S3.
  • FIG. 9 shows the relationship between the frequency of a Lamb wave generated on a steel plate having a thickness of 10 mm and the phase velocity (the speed at which a specific point (e.g., a peak or
  • the entire operation of the defect detection device 10B of the second embodiment is the same as the operation of the defect detection device 10 of the first embodiment, except for the operation of generating an elastic wave by the excitation source 11B described above. Therefore, by observing the defect reflected / scattered wave 23 generated and generated by the excitation source 11B and reflected and / or scattered by the defect D, the elastic wave having directivity can be used not only in the illumination area L but also in an obstacle (shield). A defect D existing outside the illumination area L such as a part covered by the member B can also be detected. In addition, by exciting an elastic wave satisfying the phase matching condition, the amplitude can be increased even if the elastic wave has a short wavelength, and the defect can be detected with high sensitivity.

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Abstract

欠陥検出装置１０は、被検査物体Ｓの表面の任意の箇所に配置可能であり、該被検査物体Ｓ内に、ある一つの振動モードが優勢的であって所定の方向に指向して進行する弾性波を励起する励振源１１と、レーザ光源を用いて、前記被検査物体の表面の照明領域にストロボ照明を行う照明部（パルスレーザ光源１３、照明光レンズ１４）と、スペックル干渉法又はスペックル・シェアリング干渉法により、前記弾性波の互いに異なる少なくとも3つの位相において前記照明領域内における各点の前後方向の変位を一括測定する変位測定部（スペックル・シェアリング干渉計１５）と、前記変位測定部で測定された変位に基づいて、前記弾性波の反射波及び散乱波のいずれか一方又は両方を検出する反射波・散乱波検出部１６とを備える。

Description

欠陥検出装置
　本発明は、コンクリートや鉄鋼構造物等の物体の欠陥を検出する欠陥検出装置に関する。
　コンクリートや鉄鋼構造物等の物体の表面及び内部の欠陥を検出する技術の一つに、レーザ超音波法がある。これは、被検査物体中に弾性波の振動を励起し、その状態で被検査物体にレーザ光を照射して反射光をレーザ干渉計で検出することによりその表面変位を測定するものである。振動による表面変位が欠陥の箇所で不連続に変化することから、表面変位の分布を測定することにより欠陥を検出することができる。しかし、この方法では、レーザ干渉計の検出用レーザ（プローブレーザ）が点状であるため、被検査物体の検査領域全体に亘ってスキャンする必要があり、時間がかかるという問題がある。
　これを改良した技術として、スペックル干渉法又はスペックル・シェアリング干渉法を用いた欠陥検出方法が提案されている。スペックル干渉法は、レーザ光源からのレーザ光を照明光と参照光に分岐させ、照明光を用いて検査領域にストロボ照明を行い、照明光が検査領域内における被検査物体の表面の各点で反射した光と参照光による干渉パターンを得るものである。スペックル・シェアリング干渉法は、レーザ光源からのレーザ光を用いて（参照光は分岐させない）検査領域にストロボ照明を行い、該検査領域内の被検査物体の表面において近接する2点から反射してくる光による干渉パターンを得るものである。これらの欠陥検出方法では、被検査物体に弾性波を入力し、入力する前と後でそれぞれ干渉パターンの画像をCCDカメラ等で撮影して、それら2枚の画像から検査領域の前後方向（面外方向）の変位又は相対的変位の分布を算出する。欠陥の箇所では変位又は相対的変位が不連続になることから、検査領域内に存在する欠陥を検出することができる。しかし、これらの方法では弾性波の或る1つの状態しか見ないため、弾性波の波長が検査領域よりも小さい場合には、欠陥がたまたま波の振幅が大きい部分にあれば検出が容易であるものの、振幅が小さい部分に存在する場合には検出が困難となる。すなわち、検査領域内の場所によって欠陥検査能に差異が生じることになる。
　それに対して特許文献１には、スペックル干渉法又はスペックル・シェアリング干渉法を用いた欠陥検出方法において、被検査物体に弾性波の連続波を励起しつつ、その連続波の互いに異なる少なくとも3つの位相において各点の変位（スペックル干渉法）又は近接2点間の相対的変位（スペックル・シェアリング干渉法）を測定することが記載されている。これにより、検査領域の差し渡しの大きさと弾性波の波長の関係に関わらず、検査領域のいずれの場所においても弾性波の全振動状態を再現することができ、検査領域内の場所に依ることなく欠陥を精度良く検出することができる。
特開2017-219318号公報
　特許文献１に記載の欠陥検出方法では、被検査物体の表面において反射される光の干渉光を外部から観察するため、被検査物体にその表面を覆う何らかの部材（例えば橋梁やトンネル等が被検査物体である場合に、それらに設置される補強部材等。以下、これらを遮蔽部材と呼ぶ。）が設けられていると、当該遮蔽部材で覆われた部分に存在する欠陥は検出することができない。
　本発明が解決しようとする課題は、被検査物体のうち、外部から観察可能な範囲内だけではなく、外部から観察可能な範囲外にある欠陥をも検出することができる欠陥検出装置を提供することである。
　上記課題を解決するために成された本発明に係る欠陥検出装置は、
　被検査物体の表面の任意の箇所に配置可能であり、該被検査物体内に、ある一つの振動モードが優勢的であって所定の方向に指向して進行する弾性波を励起する励振源と、
　レーザ光源を用いて、前記被検査物体の表面の照明領域にストロボ照明を行う照明部と、
　スペックル干渉法又はスペックル・シェアリング干渉法により、前記弾性波の互いに異なる少なくとも3つの位相において前記照明領域内における各点の前後方向の変位を一括測定する変位測定部と、
　前記変位測定部で測定された変位に基づいて、前記弾性波の反射波及び散乱波のいずれか一方又は両方を検出する反射波・散乱波検出部と
　を備えることを特徴とする。
　本発明に係る欠陥検出装置では、励振源を被検査物体の任意の箇所に配置し、該励振源から該被検査物体内に、ある一つの振動モードが優勢的であって所定の方向に指向して進行する弾性波を励起する。被検査物体内のうち該弾性波が進行する方向に欠陥が存在すると、該欠陥で弾性波が反射又は散乱した、反射波や散乱波が生成される。従って、励振源の位置及び弾性波の進行する方向のいずれか一方又は両方を移動させてゆくと、弾性波が進行する方向に欠陥が存在する場合にのみ、欠陥での反射波や散乱波が生成される。ここで、複数の振動モードの弾性波が混在したり、所定の方向以外に進行する弾性波成分が存在したりすると、反射波や散乱波の検出が困難になる。そこで本発明に係る欠陥検出装置では、このような励振源の位置又は／及び弾性波進行方向の移動を行って、ある一つの振動モードが優勢的であって所定の方向に指向して進行する弾性波を励起しつつ、照明部により照明領域にストロボ照明を行い、変位測定部によってスペックル干渉法又はスペックル・シェアリング干渉法を用いて該照明領域内における各点の前後方向（照明部に近づく、又は照明部から遠ざかる方向）の変位を一括測定する。その際、変位測定部が各点の前後方向の変位を互いに異なる少なくとも3つの位相において測定することにより、照明領域の各点における弾性波の全振動状態を再現する。ここで照明領域としては、被検査物体の全表面でもよいが、その一部でもよい。被検査物体の表面の一部が遮蔽部材により遮蔽されている場合には、照明領域は当然、その遮蔽領域を覗いた部分（の全部又は一部）となる。こうして照明領域内における各点の前後方向の変位を一括測定し、該変位より、各点の振動の振幅や位相を求める。そして、反射波・散乱波検出部において各点の振動の振幅や位相の値に基づき画像を作成し、作成した画像に対して画像処理技術を用いるか、又は検査者が画像を目視することによって反射波及び／又は散乱波を検出する。欠陥の位置は、励振源の位置及び弾性波の進行方向と、反射波及び／又は散乱波の進行方向から、特定することができる。照明領域内では、励振源からの弾性波や、該弾性波が被検査物体の端部等で反射した反射波も観測されるが、それら端部等の位置が既知であれば、それらの波と、欠陥で生じる反射波及び／又は散乱波を区別することが可能である。
　本発明に係る欠陥検出装置によれば、照明領域外に欠陥が存在する場合にも、該欠陥で反射又は散乱されて照明領域を進行する反射波又は散乱波を該照明領域内で測定することにより、該欠陥を検出することができる。これにより、遮蔽部材で覆われている箇所等の、外部から観察可能な範囲外にある欠陥をも検出することができる。
　変位測定部では、前述のように前後方向の変位をスペックル干渉法又はスペックル・シェアリング干渉法を用いて測定するが、そのうちのスペックル・シェアリング干渉法は、或る点の変位を測定するための2つの光がほぼ同じ光路を通過するため、測定光と参照光が異なる所を通過するスペックル干渉法よりも、通過環境の相違による環境外乱を受け難いという特長を有する。また、反射波及び／又は散乱波の波形を求めるために最低限必要な位相の数は3であるが、測定を行う位相の数を3よりも多くすることで、得られる波形の精度をより一層高くすることができる。
　前記励振源には、以下の2つの例のものを好適に用いることができる。
　第１の例の励振源は、被検査物体の表面に接触させる接触部が複数、等間隔に並ぶ接触子と、該間隔と同じ長さの波長の弾性波が被検査物体に生成される場合における該弾性波の周波数と同じ周波数の振動を該接触部に付与する振動付与部とを備えるものである。このような接触子を被検査物体の表面に接触させたうえで、接触子に振動付与部から振動を付与することにより、接触部が並ぶ方向に指向し、被検査物体の表面に沿って進行する弾性波を生成することができる。
　また、接触子の間隔と、被検査物体に生成される弾性波の波長が一致しているため、被検査物体を強く励振することができ、弾性波の振幅を大きくすることができる。このように弾性波の振幅を大きくすることにより、欠陥を高感度に検出することができる。
　第１の例の励振源において、等間隔に並ぶ複数の接触部同士の間は空間であってもよいが、前記複数の接触部のうち隣接する２個の接触部の間に第２接触部を備え、前記振動付与部が前記接触部と前記第２接触部の間で互いに180°異なる位相で振動を付与するものとすることが望ましい。これにより、被検査物体の表面に生成される弾性波の空間位相に合わせて、接触部と第２接触部の双方から振動を被検査物体の表面に付与することができるため、弾性波の強度を大きくすることができる。
　第２の例の励振源は、被検査物体が板状のものである場合に使用するものであって、被検査物体の表面に接触する接触面を有する接触部と、該接触面に対して傾斜した方向に伝播し、被検査物体中で発生し得る振動モードの波長と一致する波長の弾性波を該接触部内に励起する振動を該接触部に付与する振動付与部とを備える。このような励振源を用いて板状の被検査物体を励振すると、板状の被検査物体の板面に平行な方向に進行する弾性波が生成される。また、この振動付与部は、被検査物体中で発生し得る振動モードの波長と一致する波長の弾性波を励起することにより、波長が短い弾性波であっても振幅を大きくすることができ、欠陥を高感度に検出することができる。
　第１の例の励振源において、前記接触部は前記振動付与部よりも被検査物体との音響インピーダンスの差異が小さい材料から成ることが望ましい。また、第１の例の励振源が前記第２接触部を備える場合には、該第２接触部が前記振動付与部よりも被検査物体との音響インピーダンスの差異が小さい材料から成ることが望ましい。第２の例の励振源においても第１の例の励振源と同様に、前記接触部は前記振動付与部よりも被検査物体との音響インピーダンスの差異が小さい材料から成ることが望ましい。これにより、被検査物体を励振させる効率を高くすることができ、弾性波の振幅を大きくすることができる。
　第１又は第２の例の励振源を用いて板状の被検査物体を励振すると、ラム波と呼ばれる弾性波が生成される。ラム波は、伝播方向に垂直な方向と平行な方向の双方の振動成分を有する、縦波と横波が混在した波であって、周波数によって位相速度が変化するという速度分散性を有し、且つ、周波数と位相速度の関係が異なる複数の振動モードを取り得るという特徴を有する。そのため、被検査物体の材質により定まる音速が速い場合にも、被検査物体を励振させる効率を低下させることなく、周波数が高い振動モードを選択することができ、被検査物体内の弾性波の波長を短くすることができる。このように、被検査物体内の弾性波の波長を短くすることにより、小さい欠陥であっても弾性波を反射又は散乱させることができ、より確実に欠陥を検出することができる。
　本発明に係る欠陥検出装置により、被検査物体のうち、外部から観察可能な範囲内だけではなく、外部から観察可能な範囲外にある欠陥をも検出することができる。
本発明に係る欠陥検出装置の第１実施形態を示す概略構成図。 第１実施形態の欠陥検出装置で用いる励振源の一例を示す縦断面図。 第１実施形態の欠陥検出装置で用いる励振源の変形例を示す縦断面図。 第１実施形態の欠陥検出装置の動作を示すフローチャート。 第１実施形態の欠陥検出装置で用いる励振源の一例の動作を示す概略図。 第１実施形態の欠陥検出装置で用いる励振源の変形例の動作を示す概略図。 第１実施形態の欠陥検出装置で行う欠陥検査の原理を説明するためのグラフ。 照明領域内で観察される弾性波の一例を示す概略図。 本発明に係る欠陥検出装置の第２実施形態を示す概略構成図。 第２実施形態の欠陥検出装置で用いる励振源の一例を示す縦断面図。 第２実施形態の欠陥検出装置で用いる励振源の動作を示す概略図。 板厚10mmの鋼板に生成されるラム波の周波数と位相速度の関係を示す分散曲線。 第２実施形態における銅製の接触子を用いた場合の、振動の周波数と入射角の関係を示すグラフ。
　図１～図１０を用いて、本発明に係る欠陥検出装置の実施形態を説明する。
(1) 第１実施形態
(1-1) 第１実施形態の欠陥検出装置の構成
　図１は、第１実施形態の欠陥検出装置１０の概略構成図である。この欠陥検出装置１０は、励振源１１、信号発生器１２、パルスレーザ光源１３、照明光レンズ１４、スペックル・シェアリング干渉計１５、反射波・散乱波検出部１６、制御部１７、及び記憶部１８を備える。
　励振源１１は、図２Ａに示すように、接触子１１１と、振動付与部１１２を有する。接触子１１１は、接触部１１１１と基部１１１３を有する。接触部１１１１は、被検査物体と同じ材料、又は振動付与部１１２よりも被検査物体の材料のものに近い音響インピーダンスを有する材料から成るものを用いることが望ましい。本実施形態では、鋼板を被検査物体Ｓとし、接触部１１１１の材料には鉄を用い、振動付与部１１２にはセラミックス製のものを用いる。接触子１１１に用いた鉄の音響インピーダンスの値は、振動付与部１１２のセラミックスの値よりも被検査物体Ｓの鋼の値に近い。
　接触部１１１１は、断面が長方形又は正方形である棒状の形状を呈しており、長手方向（図２Ａの紙面に垂直な方向）に垂直な方向（図２Ａの左右方向）に複数個、等間隔に並んでいる。基部１１１３は接触部１１１１と同じ材料からなる1個の直方体状の部材である。接触部１１１１の4つの面（断面の長方形又は正方形の1辺を含む）のうちの1つの面は被検査物体Ｓの表面に接触させる接触面１１３１であり、接触面１１３１に対向する面は基部１１１３の1つの面に接している。実際には、接触部１１１１と基部１１１３は一体のものとして形成されている。隣接する接触部１１１１同士の間は、この例の接触子１１１では空間（空気）である。隣接する接触部１１１１同士の間隔は、本実施形態では8mmとする。この間隔は、被検査物体である鋼板内に生成される周波数360kHz（後述）の弾性波の波長に合わせるように定めた。
　なお、隣接する接触部１１１１同士の間は、前述のように空間（空気）とする代わりに、図２Ｂに示す変形例の励振源１１Ａにおける接触子１１１Ａのように、第２接触部１１１２が設けられていてもよい。第２接触部１１１２は、接触部１１１１とは異なる材料である錫から成る。音波（振動）が伝播する速度が接触部１１１１の材料である鉄（縦波の速度5950m/s）と第２接触部１１１２の材料である錫（同3230m/s）で異なることから、接触部１１１１及び第２接触部１１１２の高さ（基部１１１３と接触面１１３１の距離）を9.8mmとし、周波数を360kHzとしたときに、接触部１１１１の接触面１１３１と第２接触部１１１２の接触面１１３２には互いに180°異なる位相（逆位相）で音波が到達する。これにより、隣接する接触部１１１１の接触面１１３１同士の間に、第２接触部１１１２の接触面１１３２から逆位相の振動が付与されるため、被検査物体に生成される弾性波の強度を大きくすることができる。この弾性波は、被検査物体Ｓである鋼板の板厚が10mmである場合に、A0モードと呼ばれる振動モードのラム波となる。このA0モードが、優勢的である「ある一つの振動モード」（前述）に該当する。
　振動付与部１１２は圧電素子から成り、接触子１１１の基部１１１３のうち接触部１１１１と接触する面に対向する面に接触している。振動付与部１１２はケーブルで信号発生器１２に接続されている。信号発生器１２は、所定の周波数の交流電気信号を発生させて励振源１１の振動付与部１１２に送信するものである。本実施形態では、この周波数を前述のように360kHzとする。この交流電気信号により、振動付与部１１２は前記所定の周波数で振動して接触部１１１１に振動を付与し、接触部１１１１を通して接触面１１３１（接触子１１１Ａを用いる場合には接触面１１３１及び１１３２）に接触させ被検査物体Ｓの表面に振動が伝播する。
　信号発生器１２はまた、振動付与部１１２と接続するケーブルとは別のケーブルでパルスレーザ光源１３にも接続されており、前記交流電気信号が所定の位相となるタイミングで該パルスレーザ光源１３にパルス状の電気信号（パルス信号）を送信する。前記所定の位相、及びそれにより定まる前記タイミングは、欠陥検査を行う間に後述のように変更される。パルスレーザ光源１３は、信号発生器１２からパルス信号を受けたときに、パルスレーザ光を出力する光源である。照明光レンズ１４はパルスレーザ光源１３と被検査物体Ｓの表面の間に配置されており、凹レンズから成る。照明光レンズ１４は、パルスレーザ光源１３からのパルスレーザ光を被検査物体Ｓの表面の照明領域Ｌの全体に拡げる役割を有する。照明領域Ｌは、本実施形態では、被検査物体Ｓの表面のうち、照明光レンズ１４から障害物（遮蔽部材）Ｂによって隠れている部分を除いた領域とする。障害物Ｂとしては、例えば前述の補強部材が挙げられる。これらパルスレーザ光源１３及び照明光レンズ１４は、前述の照明部に該当する。
　スペックル・シェアリング干渉計１５は前述の変位測定部に相当し、ビームスプリッタ１５１、第１反射鏡１５２１、第２反射鏡１５２２、位相シフタ１５３、集光レンズ１５４及びイメージセンサ１５５を有する。ビームスプリッタ１５１は、被検査物体Ｓの表面の照明領域Ｌで反射した照明光が入射する位置に配置されたハーフミラーである。第１反射鏡１５２１はビームスプリッタ１５１で反射される照明光の光路上に配置されており、第２反射鏡１５２２はビームスプリッタ１５１を透過する照明光の光路上に配置されている。位相シフタ１５３は、ビームスプリッタ１５１と第１反射鏡１５２１の間に配置されており、該位相シフタ１５３を通過する光の位相を変化（シフト）させるものである。イメージセンサ１５５は、ビームスプリッタ１５１で反射された後に第１反射鏡１５２１で反射されてビームスプリッタ１５１を透過する照明光、及びビームスプリッタ１５１を透過した後に第２反射鏡１５２２で反射されてビームスプリッタ１５１で反射される照明光の光路上に配置されている。集光レンズ１５４は、ビームスプリッタ１５１とイメージセンサ１５５の間に配置されている。
　第１反射鏡１５２１は、その反射面がビームスプリッタ１５１の反射面に対して45°の角度になるように配置されている。それに対して第２反射鏡１５２２は、その反射面がビームスプリッタ１５１の反射面に対して45°からわずかに傾斜した角度になるように配置されている。これら第１反射鏡１５２１及び第２反射鏡１５２２の配置により、イメージセンサ１５５では、被検査物体Ｓの表面上のある点Ｐ１及び第１反射鏡１５２１で反射される照明光（図１中の一点鎖線）と、該表面上の点Ｐ１からわずかにずれた位置にある点Ｐ２及び第２反射鏡１５２２で反射される照明光（同・破線）は、イメージセンサ１５５の同じ位置に入射して干渉する。イメージセンサ１５５は検出素子を多数有しており、被検査物体Ｓの表面上の多数の点（前記の点Ｐ１）から第１反射鏡１５２１及び位相シフタ１５３を通してイメージセンサ１５５に入射する光を、それぞれ異なる検出素子で検出する。前記の点Ｐ２についても同様に、多数の点から第２反射鏡１５２２を通してイメージセンサ１５５に入射する光を、それぞれ異なる検出素子で検出する。
　反射波・散乱波検出部１６は後述のように、イメージセンサ１５５で検出した光に基づいて照明領域Ｌの各点における弾性波の振動状態（振幅及び位相）を求め、その振動状態に基づいて欠陥Ｄでの反射波及び／又は散乱波を検出する。
　制御部１７は、信号発生器１２を制御すると共に、イメージセンサ１５５の各検出素子から得られる検出信号に基づいてデータ処理を行う。記憶部１８は、イメージセンサ１５５の各検出素子から得られる検出信号や、制御部１７による処理後のデータを記憶する。
(1-2) 第１実施形態の欠陥検出装置の動作
　以下、図３～図６を用いて、欠陥検出装置１０の動作を説明する。図３は欠陥検出装置１０の動作を示すフローチャート、図４Ａ及び図４Ｂは励振源１１及び１１Ａの動作を示す概略図、図５は欠陥検出装置１０で行う欠陥検査の原理を説明するためのグラフ、図６は照明領域Ｌ内で観察される弾性波の一例を示す概略図である。
　本実施形態では、励振源１１の振動の位相が異なる、mmax≧3回の表面変位の測定を行う。ここで「励振源１１の振動の位相」は、信号発生器１２から励振源１１に送信される交流電気信号の位相であり、被検査物体Ｓの表面の、ある１点における弾性波の位相に相当する。当該１点以外の被検査物体Ｓの表面上の各点では、時間に依らず、当該１点の位相から所定の大きさだけずれた位相となる。以下では、各回の表面変位の測定を、数値k（1～mmaxの間のいずれかの自然数）を用いて「k回目の測定」と表す。また、以下の説明では、まずは最も単純な例としてmmax=3である場合について全てのステップを説明し、その後、mmaxがさらに大きな数である場合について説明する。
　まず、kの初期値を1に設定し（ステップＳ１）、信号発生器１２から励振源１１に交流電気信号を送信することにより、励振源１１の接触子１１１から被検査物体Ｓへの振動の付与を開始する（ステップＳ２）。
　ここで、被検査物体Ｓへの振動の付与は、まず、励振源１１の振動付与部１１２を構成する圧電素子が交流電気信号を受けて振動し、振動付与部１１２の振動が複数の接触部１１１１の各々を介して被検査物体Ｓに同位相で伝達することにより行われる。励振源１１では複数の接触部１１１１が前述のように被検査物体Ｓに生成される弾性波の波長に合わせた等間隔で並んでいることにより、被検査物体Ｓには、当該波長を有し複数の接触部１１１１の並ぶ方向に指向した弾性波が生成される（図４Ａ）。なお、図４Ａ中では接触部１１１１の振動の波及び被検査物体Ｓに生成される弾性波を横波のように描いているが、実際にはそれらの波は縦波である。
　励振源１１Ａを用いた場合には、図４Ｂに示すように、振動付与部１１２から接触部１１１１を介して被検査物体Ｓの表面に伝達する振動と、振動付与部１１２から第２接触部１１１２を介して被検査物体Ｓの表面に伝達する振動の位相が180°異なる。これにより、励振源１１と比較すると、被検査物体Ｓに生成される弾性波の波長は同じである一方、接触部１１１１と第２接触部１１１２の双方から振動が伝達することによって、弾性波の強度は大きくなる。
　このように被検査物体Ｓに弾性波が生成されている状態で、励振源１１の振動の位相が、所定の初期値φ0（例えばφ0=0）を用いて[φ0+2π(k-1)/mmax]で表されるタイミング毎に、信号発生器１２は、パルスレーザ光源１３にパルス信号を送信する。この段階ではk=1であるため、パルス信号が送信されるときの励振源１１の振動の位相はφ0である。パルスレーザ光源１３はパルス信号を受ける毎にパルスレーザ光である照明光を繰り返し出力する。この照明光は、照明光レンズ１４により拡径され、被検査物体Ｓの表面の照明領域Ｌの全体に照射される（ステップＳ３）。
　照明光は照明領域Ｌ内の被検査物体Ｓの表面で反射され、スペックル・シェアリング干渉計１５のビームスプリッタ１５１に入射する。その照明光の一部はビームスプリッタ１５１で反射され、位相シフタ１５３を通過した後に第１反射鏡１５２１で反射され、再度位相シフタ１５３を通過した後に一部がビームスプリッタ１５１を通過し、イメージセンサ１５５に入射する。また、ビームスプリッタ１５１に入射した照明光の残りは、ビームスプリッタ１５１を透過して第２反射鏡１５２２で反射され、一部がビームスプリッタ１５１で反射されてイメージセンサ１５５に入射する。イメージセンサ１５５では、被検査物体Ｓの表面上の多数の点で反射される照明光をそれぞれ異なる検出素子で検出する。
　位相シフタ１５３は、パルスレーザ光である照明光が繰り返し出力されている間に、該位相シフタ１５３を通過する照明光（すなわち、点Ｐ１で反射された照明光）の位相を変化（シフト）させてゆく。これにより、点Ｐ１で反射された照明光と点Ｐ２で反射された照明光の位相差が変化してゆき、この変化の間に、イメージセンサ１５５の各検出素子はこれら2つの照明光が干渉した干渉光の強度を検出してゆく（ステップＳ４）。図５の上段の図に、励振源１１の振動の位相がφ0であるときに得られる、位相シフタ１５３による位相のシフト量と、イメージセンサ１５５の検出素子で検出される干渉光の強度の一例をグラフで示す。なお、図５において、検出強度が位相シフト量に対して正弦波状に変化する関係が連続的な曲線で示されているが、実際に観測されるのは離散的なデータであり、観測されたデータから最小二乗法等により上記の連続的な正弦波形を再現する。そのためには、少なくとも3つの異なる位相シフト量での強度を検出する必要がある。
　続いて、ステップＳ５において、kの値がmmaxに達しているか否かを確認する。この段階では未だk=1であってmmax(この例では3)に達していないため、ステップＳ５での判定は「NO」となる。「NO」のときにはステップＳ６に進み、kの値を1だけ増加させて「2」とする（ステップＳ５での判定が「YES」の場合については後述）。
　次に、ステップＳ３に戻り、励振源１１の振動の位相が[φ0+2π(k-1)/mmax]においてk=2、すなわち[φ0+2π/3]≡φ1であるタイミング毎に、信号発生器１２はパルスレーザ光源１３にパルス信号を送信し、パルスレーザ光源１３は該パルス信号を受信したタイミングで被検査物体Ｓの表面にパルスレーザ光である照明光を繰り返し照射する。そして、位相シフタ１５３により点Ｐ１で反射された照明光の位相を少なくとも3つの値に変化（シフト）させつつ、イメージセンサ１５５の各検出素子は点Ｐ１で反射されて位相シフタ１５３等を通過した照明光と点Ｐ２で反射された照明光の干渉光の強度を検出してゆく（ステップＳ４）。
　図５の中段の図に、励振源１１の振動の位相がφ1であるときに得られる、位相シフタ１５３による位相のシフト量と、イメージセンサ１５５の検出素子で検出される干渉光の強度をグラフで示す。この図５の中段の図と前出の図５の上段の図を対比すると、干渉光の強度のピーク位置が両者でδφ1-δφ0だけずれている。このずれは、点Ｐ１からの光と点Ｐ２からの光の位相差が、検出時の励振源１１の振動の位相の相違により変化したことを示している。この光路の位相差の変化は、点Ｐ１と点Ｐ２の面外方向の相対的な変位が変化していることを示している。
　このようにk=2におけるステップＳ４の操作を実行した後、ステップＳ５では未だmmax(=3)に達していないため「NO」と判定し、ステップＳ６においてkの値を1だけ増加させて「3」とする。その後、ステップＳ３に戻り、交流電気信号の位相が[φ0+2π(k-1)/mmax]においてk=3、すなわち[φ0+4π/3]≡φ2であるタイミング毎に、パルスレーザ光源１３が被検査物体Ｓの表面にパルスレーザ光である照明光を繰り返し照射し、イメージセンサ１５５の各検出素子は干渉光の強度を検出してゆく（ステップＳ４）。こうして、図５の下段の図に示すように、交流電気信号の位相がφ2であるときの位相シフタ１５３による位相のシフト量と干渉光の強度の関係が得られる。
　その後、ステップＳ５では、kの値が3であってmmaxに達しているため「YES」と判定し、ステップＳ７に移る。ステップＳ７では、信号発生器１２から励振源１１への交流電気信号の送信を停止し、それにより励振源１１の振動を停止させる。
　次に、ステップＳ８及びＳ９において、反射波・散乱波検出部１６は以下の操作によって、照明領域Ｌの各点における弾性波の振動状態（振幅及び位相）を求める。まず反射波・散乱波検出部１６は、イメージセンサの各検出素子につき、各振動の位相φ0、φ1、及びφ2においてそれぞれ、位相シフタ１５３による位相のシフト量を変化させた間に検出素子の出力が最大となる最大出力位相シフト量δφ0、δφ1、δφ2を求める（図５の各グラフ参照）。また、反射波・散乱波検出部１６は、振動の位相が異なる最大出力位相シフト量の差(δφ1-δφ0)、(δφ2-δφ1)、及び(δφ0-δφ2)を求める（ステップＳ８）。これら3つの最大出力位相シフト量の差は、点Ｐ１と点Ｐ２の面外方向の相対的な変位を、励振源１１の振動の位相が異なる（すなわち時間が異なる）2つのデータで3組示している。これら3組の相対的な変位に基づいて、反射波・散乱波検出部１６は、照明領域Ｌの各点における振動の振幅、振動の位相、及び振動の中心値（DC成分）、という3つのパラメータの値を求める（ステップＳ９）。
　反射波・散乱波検出部１６は、こうして得られた各点の振動の振幅、位相及び中心値から、ある時刻における各点の前後方向の変位の値を求め、その変位の値に基づいて、照明領域Ｌ内に形成された弾性波を表す画像を作成する（ステップＳ１０）。例えば、各点の変位の値に応じて、その点に対応する画素の輝度を変更することで、弾性波を表すことができる。
　ステップＳ１１では、反射波・散乱波検出部１６は、こうして作成した画像２０を解析することにより、以下のように欠陥Ｄを検出する。画像２０には、例えば図６に示す弾性波が表れる。まず、励振源１１から発振された弾性波（発振波２１）が、励振源１１が有する複数の接触部１１１１の並ぶ方向に指向した波として画像２０に表れる。この発振波２１が被検査物体Ｓの端部で反射された反射波（端部反射波２２）もまた、画像２０に表れる。これら発振波２１及び端部反射波２２は、被検査物体Ｓ中の欠陥Ｄの有無に関わらず表れる。なお、図６では、発振波２１と端部反射波２２が重ならないように、発振波２１は被検査物体Ｓの端部の面に対して非垂直な方向を指向するように生成している。
　そして、発振波２１が励振源１１から指向する先に欠陥Ｄが存在する場合には、画像２０にはさらに、欠陥Ｄで反射された反射波及び／又は散乱波（欠陥反射・散乱波２３）が、画像２０に表れる。ここで、欠陥Ｄが障害物Ｂで隠れていることで照明領域Ｌの外にある場合には欠陥Ｄを直接観測することはできないが、欠陥Ｄで反射又は散乱された欠陥反射・散乱波２３が照明領域Ｌに到達することにより、発振波２１及び欠陥反射・散乱波２３の延長上に欠陥Ｄが存在すると特定することができる。
　一方、欠陥反射・散乱波２３が表れていない場合には、発振波２１が励振源１１から指向する先には欠陥Ｄが存在しないこととなる。但し、それ以外の位置に欠陥Ｄが存在するか否かは、ここまでの1回の操作だけでは特定することはできない。あるいは、1回の操作によって欠陥Ｄが検出されたとしても、さらに他の欠陥が被検査物体Ｓに存在する可能性がある。これらの場合、励振源１１の位置及び／又は向き（発振波２１を発振する方向）を変更することにより、欠陥が検出される可能性がある。そこで、ステップＳ１２では、励振源１１の位置及び／又は向きを変更するか、決定する。この決定は、操作者がキーボード、マウス、タッチパネル等の入力デバイスを操作してその都度行ってもよいし、予め励振源１１の位置及び／又は向きを変更する回数や変更の大きさ（励振源１１の移動距離や変更する角度）をプログラムに組み込んでおき、当該プログラムに従って実行するようにしてもよい。ステップＳ１２でYES（変更する）が選択された場合には、ステップＳ１３において励振源１１の位置及び／又は向きを自動又は手動で変更し、ステップＳ１に戻って、ステップＳ１１までの操作を行う。一方、ステップＳ１２でNO（変更しない）が選択された場合には、一連の動作を終了する。
　第１実施形態の欠陥検出装置１０によれば、励振源１１を用いて指向性を有する弾性波を被検査物体Ｓの表面に励起し、スペックル・シェアリング干渉計１５を用いて、弾性波が欠陥Ｄで反射及び／又は散乱された欠陥反射・散乱波２３を観測することにより、照明領域Ｌ内のみならず、障害物（遮蔽部材）Ｂで覆われている箇所等の照明領域Ｌの外に存在する欠陥Ｄも検出することができる。
　また、第１実施形態の欠陥検出装置１０によれば、励振源１１が接触部１１１１の間隔に一致した波長の弾性波を大きい振幅で生成することができるため、欠陥を高感度に検出することができる。さらに、接触部１１１１の間隔を短くすることにより、弾性波の波長を短くしても弾性波の振幅が小さくなることを防ぐことができ、小さい欠陥をより確実に検出することができる。
　接触部１１１１及び第２接触部１１１２の材料の音響インピーダンスが、振動付与部１１２の材料の音響インピーダンスよりも被検査物体Ｓの材料の音響インピーダンスに近いことも、励振源１１から被検査物体Ｓに効率よく振動を伝達することで、弾性波の振幅を大きくすることに寄与する。
(2) 第２実施形態の欠陥検出装置の構成及び動作
　図７Ａは第２実施形態の欠陥検出装置１０Ｂの概略構成図である。この欠陥検出装置１０Ｂは、励振源１１Ｂが励振源１１、１１Ａとは異なる構成を有する点を除いて、第１実施形態の欠陥検出装置１０と同じ構成を有する。
　図７Ｂに示すように、励振源１１Ｂは、接触子（接触部）１１１Ｂと振動付与部１１２Ｂを有する。接触子１１１Ｂは、被検査物体Ｓの表面に接触する接触面１１３１Ｂと、振動付与部１１２Ｂと接触して該振動付与部１１２Ｂの振動を受信する受信面１１３３Ｂを有する。接触面１１３１Ｂと受信面１１３３Ｂは非平行である。以下では、受信面１１３３Ｂの法線と接触面１１３１Ｂの法線との成す角度をθとする。振動付与部１１２Ｂは圧電素子から成り、ケーブルで信号発生器１２に接続されている。
　図８を用いて、励振源１１Ｂの動作を説明する。この励振源１１Ｂは、板状の被検査物体Ｓに、板面に平行であって１方向に指向して進行する弾性波を励起するものである。励振源１１Ｂの接触面１１３１Ｂを被検査物体Ｓの表面に接触させたうえで、信号発生器１２から振動付与部１１２Ｂに交流電気信号を送信する。これにより、振動付与部１１２Ｂは、接触子１１１Ｂの受信面１１３３Ｂに対して、該受信面１１３３Ｂの法線方向の振動を付与する。この振動は接触子１１１Ｂ内を受信面１１３３Ｂの法線方向（接触面１１３１Ｂに対して傾斜した方向）に伝播して、入射角θで接触面１１３１Ｂに入射する。その際の接触子１１１Ｂ内での振動の波長をλ0とする。受信面１１３３Ｂでは同時刻に同位相で振動するのに対して、接触面１１３１Ｂと受信面１１３３Ｂが非平行であることにより、接触面１１３１Ｂでは同時刻に位置によって異なる位相で振動する。この位相の相違により、被検査物体Ｓの表面に、波長λ=λ0/(sinθ)の弾性波を励振する。接触子１１１Ｂによって被検査物体に励振した弾性波の波長が被検査物体中で発生し得る振動モードの波長と一致する条件を位相整合条件といい、この位相整合条件を満たしたとき、被検査物体Ｓの表面に平行な１方向を指向した弾性波が形成される。接触子１１１Ｂの材料には、位相整合条件を満たしたうえで効率よく被検査物体に振動を励起させるために、音響インピーダンスが高く、且つ比較的音速の低い軟質金属を好適に用いることができる。そのような材料として、例えば、銅、銀、金、錫、若しくは亜鉛、又はそれらを主成分として含んだ合金が挙げられる。
　励振源１１Ｂの具体例を説明する。この励振源１１Ｂでは、接触子１１１Ｂの材料に銅（縦波の速度v：4700m/s）を用い、θ=40°、交流電気信号の周波数を780kHzとする。これにより、接触子１１１Ｂ内での波長λ0は(4700[m/s]/780[kHz])≒6mmとなり、被検査物体Ｓ内の弾性波の波長λは6mm/(sin 40°)≒9mmのラム波となる。このような波長のラム波は、板厚10mmの鋼板である被検査物体Ｓ内において、A3モードと呼ばれる振動モードで励起される。このA3モードが、周波数が780kHzである振動において優勢的である「ある一つの振動モード」（前述）に該当する。
　前述のようにラム波は複数の振動モードを有するため、同じ励振源１１Ｂを用いて、異なる複数の周波数で被検査物体Ｓ内に弾性波を励起することが可能である。一例として、図９に、板厚が10mmである鋼板に生成されるラム波の周波数と位相速度（弾性波中の特定の点（例えば山や谷等）が移動する速度）の関係を表す、分散曲線のグラフを示す。このグラフには、A0～A3及びS0～S3という8つの振動モードの分散関係が示されている。これらの各分散モードにつき、分散曲線に基づいて、位相整合条件を満たすように求めた入射角θと周波数の関係を表すグラフを図１０に示す。図１０より、θ=40°の場合には、上述の周波数が780kHzであるA3モードのラム波の他にも、周波数が約240kHzであるA1モードや、周波数が約530kHzであるA2モード等のラム波を励起することができることがわかる。また、入射角θが異なる形状を有する励振源１１Ｂを用いて、上記以外の周波数を有するラム波を励起することも可能である。
　第２実施形態の欠陥検出装置１０Ｂの全体の動作は、ここまでに述べた励振源１１Ｂによる弾性波の生成の動作を除いて、第１実施形態の欠陥検出装置１０の動作と同様である。従って、励振源１１Ｂが生成する、指向性を有する弾性波が欠陥Ｄで反射及び／又は散乱された欠陥反射・散乱波２３を観測することにより、照明領域Ｌ内のみならず、障害物（遮蔽部材）Ｂで覆われている箇所等の照明領域Ｌの外に存在する欠陥Ｄも検出することができる。また、位相整合条件を満たす弾性波を励振することにより、波長が短い弾性波であっても振幅を大きくすることができ、欠陥を高感度に検出することができる。
　ここまで、スペックル・シェアリング干渉計１５を用いる実施形態を説明したが、スペックル干渉計を用いる場合にも、上記実施形態の励振源１１、１１Ａ、１１Ｂを用いて同様の計測を行うことができる。
　本発明は上記実施形態には限定されず、本発明の主旨の範囲内で種々の変更が可能である。
１０、１０Ｂ…欠陥検出装置
１１、１１Ａ、１１Ｂ…励振源
１１１、１１１Ａ、１１１Ｂ…接触子
１１１１…接触部
１１１２…第２接触部
１１１３…基部
１１２、１１２Ｂ…振動付与部
１１３１、１１３１Ｂ、１１３２…接触面
１１３３Ｂ…受信面
１２…信号発生器
１３…パルスレーザ光源
１４…照明光レンズ
１５…スペックル・シェアリング干渉計
１５１…ビームスプリッタ
１５２１…第１反射鏡
１５２２…第２反射鏡
１５３…位相シフタ
１５４…集光レンズ
１５５…イメージセンサ
１６…反射波・散乱波検出部
１７…制御部
１８…記憶部
２０…画像
２１…発振波
２２…端部反射波
２３…欠陥反射・散乱波
Ｂ…障害物
Ｄ…欠陥
Ｌ…照明領域
Ｓ…被検査物体

Claims (6)

  1. 　被検査物体の表面の任意の箇所に配置可能であり、該被検査物体内に、ある一つの振動モードが優勢的であって所定の方向に指向して進行する弾性波を励起する励振源と、
    　レーザ光源を用いて、前記被検査物体の表面の照明領域にストロボ照明を行う照明部と、
    　スペックル干渉法又はスペックル・シェアリング干渉法により、前記弾性波の互いに異なる少なくとも3つの位相において前記照明領域内における各点の前後方向の変位を一括測定する変位測定部と、
    　前記変位測定部で測定された変位に基づいて、前記弾性波の反射波及び散乱波のいずれか一方又は両方を検出する反射波・散乱波検出部と
    　を備えることを特徴とする欠陥検出装置。
  2. 　前記励振源が、
    　被検査物体の表面に接触させる接触部が複数、等間隔に並ぶ接触子と、
    　該間隔と同じ長さの波長の弾性波が被検査物体に生成される場合における該弾性波の周波数と同じ周波数の振動を該接触部に付与する振動付与部と
    を備えることを特徴とする請求項１に記載の欠陥検出装置。
  3. 　前記接触部が前記振動付与部よりも被検査物体との音響インピーダンスの差異が小さい材料から成ることを特徴とする請求項２に記載の欠陥検出装置。
  4. 　前記複数の接触部のうち隣接する２個の接触部の間に第２接触部を備え、
    　前記振動付与部が前記接触部と前記第２接触部の間で互いに180°異なる位相で振動を付与するものである
    ことを特徴とする請求項２に記載の欠陥検出装置。
  5. 　前記励振源が、
    　被検査物体の表面に接触する接触面を有する接触部と、
    　該接触面に対して傾斜した方向に伝播し、被検査物体中で発生し得る振動モードの波長と一致する波長の弾性波を該接触部内に励起する振動を該接触部に付与する振動付与部と
    を備えることを特徴とする請求項１に記載の欠陥検出装置。
  6. 　前記接触部が前記振動付与部よりも被検査物体との音響インピーダンスの差異が小さい材料から成ることを特徴とする請求項５に記載の欠陥検出装置。
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