JP4412180B2 - レーザー超音波探傷法、及びレーザー超音波探傷装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザー超音波による金属部品表面等の探傷法に関するものであり、より詳しくは、被検査面とレーザー照射部の距離に応じた最適な探傷を実施するための技術に関するものである。

従来、プレス加工された金属部品表面に発生するプレス割れや、シワ等の欠陥の検出は目視検査にて行われているが、この検査方法には潜在的に見逃し等の問題があり、検査方法の機械化、オートメーション化が急務となっている。例えば、自動車の製造ラインにおいては、検査すべき部品点数も多く、また、部品によっては検査対象面積も大きくなるため、目視検査の作業負担が大きいという現状がある。
他方、近年、水や油（グリセリン）等の接触媒体なしで金属部品表面のプレス不良等の欠陥を検出可能とするレーザー超音波探傷法が開発され、このレーザー超音波探傷法を用いた非破壊検査技術の実用化も進められており（例えば、特許文献１参照。）、上記の目視検査の代替手段として注目を浴びている。
特開平１１−２４８６３８号公報

前記レーザー超音波探傷法においては、送信プローブにより被検査面に発生させた超音波を受信プローブで検出して探傷を行うものであるが、被検査面が平らな２次元形状でなく、大きな段差を有する等の複雑な３次元形状である場合には、前記送信プローブ及び受信プローブから被検査面までの距離が一定にならないため、所定の安定したレーザー超音波を励起させることができず、探傷の精度が低くならざるを得なかった。
そこで、本発明は、複雑な３次元形状を有する被検査面についても、精度のよいレーザー超音波探傷が行える技術を提案する。

本発明の解決しようとする課題は以上のごとくであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１に記載のごとく、被検査面に対し送信プローブからレーザー光を照射させて超音波を励起させるとともに、被検査面に対し受信プローブからレーザー光を照射させて前記超音波を受信し、受信された超音波のデータから被検査面に存在する欠陥を検出するレーザー超音波探傷法であって、距離計測手段にて前記送信プローブ及び前記受信プローブから被検査面までの距離を計測しつつ、前記距離に基づいて、前記送信プローブから照射させる前記レーザー光の出力設定を調整するとともに、前記送信プローブ及び前記受信プローブの可変集光レンズの焦点距離を調整することで、前記レーザー光の照射条件を逐次補正しつつ、前記被検査面に存在するプレス不良等の欠陥を検出することとする。

また、請求項２に記載のごとく、前記レーザー光の出力設定の調整は、前記被検査面と前記送信プローブの間の距離において、前記距離が短い場合には、前記レーザー光の出力は、弱く設定され、前記距離が長い場合には、前記レーザー光の出力は、強く設定されることで行われ、前記各可変集光レンズの焦点距離の調整は、前記被検査面と前記送信プローブ及び前記受信プローブの間の各距離において、前記距離が短い場合には、可変集光レンズの厚さは、厚く設定され、前記距離が長い場合には、可変集光レンズの厚さは、薄く設定されることで行われることとする。

また、請求項３に記載のごとく、前記距離計測手段は、赤外線センサとする。

また、請求項４に記載のごとく、前記被検査面に励起される超音波は、表面波超音波とする。

また、請求項５に記載のごとく、被検査面に対し送信プローブからレーザー光を照射させて超音波を励起させるとともに、被検査面に対し受信プローブからレーザー光を照射させて前記超音波を受信し、受信された超音波のデータから被検査面に存在する欠陥を検出する構成とするレーザー超音波探傷装置であって、前記送信プローブ及び前記受信プローブには、それぞれ、距離計測手段が設けられ、前記距離計測手段によって、前記送信プローブ及び前記受信プローブから被検査面までの距離が計測され、前記距離に基づいて、レーザー超音波探傷装置に設けられる出力調整手段により、前記レーザー光の出力が調整され、前記送信プローブ及び前記受信プローブには、それぞれ、可変集光レンズが設けられ、前記距離に基づいて、レーザー超音波探傷装置に設けられる焦点距離調整手段により、前記送信プローブ及び前記受信プローブからそれぞれ出力されるレーザー光の焦点距離が調整される、構成とする。

また、請求項６に記載のごとく、前記レーザー光の出力設定の調整は、前記被検査面と前記送信プローブの間の距離において、前記距離が短い場合には、前記レーザー光の出力は、弱く設定され、前記距離が長い場合には、前記レーザー光の出力は、強く設定されることで行われ、前記各可変集光レンズの焦点距離の調整は、前記被検査面と前記送信プローブ及び前記受信プローブの間の各距離において、前記距離が短い場合には、可変集光レンズの厚さは、厚く設定され、前記距離が長い場合には、可変集光レンズの厚さは、薄く設定されることで行われることとする。

また、請求項７に記載のごとく、前記距離計測手段は、赤外線センサとする。

また、請求項８に記載のごとく、前記被検査面に励起される超音波は、表面波超音波とする。

以上の請求項１、２、５、６に記載の発明では、走査する過程において、送信プローブ及び受信プローブから被検査面までの距離が変化する場合においても、前記距離が常時計測されてレーザー光の照射条件が逐次補正されるため、安定したレーザー超音波の励起が可能となるとともに、安定した超音波の受信が可能となり、高精度で安定した探傷が可能となる。

また、請求項３及び請求項７に記載の発明では、表面波超音波との干渉による不具合の発生を防止することができる。

また、請求項４及び請求項８に記載の発明では、一度に広い範囲を検査することができる。また、発生される超音波の出力レベルは弱いことから安全であり、また、超音波による表面の損傷を最小限に抑えることができる。

図１に示すごとく、本発明にかかるレーザー超音波探傷装置１は、送信レーザーを生成する送信レーザー光源１１、表面波超音波を送信する送信プローブ１２、表面波超音波を受信する受信プローブ１３、受信レーザーを生成する受信レーザー光源１４、表面波超音波の変位量、速度等を検出するレーザー干渉計１５、前記レーザー干渉計１５にて検出した値を電気信号に変換する光検出器１６、を具備して構成されている。
前記光検出器１６は、データ処理装置３と接続されており、レーザー干渉計１５にて検出した値を電気信号に変換し、データ処理装置３へと送信するようにしている。

また、前記送信プローブ１２及び受信プローブ１３は、図示せぬ可動アーム等の動作装置に取り付けられており、被検査体５の被検査面５ａ・５ｂと所定の距離を保ちつつ移動し、被検査体５の被検査面５ａ・５ｂを表面波超音波によって走査する。この送信プローブ１２及び受信プローブ１３の移動は、前記データ処理装置３によって制御されており、図２に示すごとく、所定の走査ピッチＰにて移動するようになっている。

また、検査表面に超音波を垂直に当てる（垂直法）、若しくは斜めに当てる（斜角法）のではなく、検査表面に略水平移動する表面波超音波（線状パルスレーザー）を使用することにより、送信プローブ１２と受信プローブ１３の間に存在する被検査面５ａ・５ｂの欠陥２を検出することができ、一度に広い範囲を検査することができる。また、発生される超音波の出力レベルは弱いことから安全であり、また、超音波による表面の損傷を最小限に抑えることができる。

そして、以上の構成において、表面波超音波の通過する線上にプレス割れや、シワ等の欠陥２が存在した場合には、前記データ処理装置３は、光検出器１６からの電気信号に基づいて欠陥２の存在を認識するとともに、その欠陥２を認識したときの前記送信プローブ１２と受信プローブ１３の位置情報から、欠陥２の発生位置を２次元座標情報（Ｘ、Ｙ座標位置）として特定するようにしている。

以上の基本的な構成に加え、本発明にかかるレーザー超音波探傷法は、図３に示すごとく、被検査面５ａ・５ｂの間に段差５ｃがあり、走査する行程Ｍにおいて、送信プローブ１２及び受信プローブ１３から被検査面５ａ・５ｂまでの距離が変化する場合においても、レーザー光の照射条件を補正して、安定した超音波６ａ・６ｂの励起を可能とするとともに、安定した超音波の受信を可能とすることにより、欠陥２ａ・２ｂを確実に検出できる高精度で安定した探傷を可能とするものである。
尚、ここでいうレーザー光の照射条件とは、送信プローブ１２から照射させるレーザー光２２の出力と、送信プローブ１２及び受信プローブ１３の可変集光レンズ１２ａ・１３ａの厚みの変更によるレーザー光２２・２３の焦点距離の調整（フォーカス）等をいうものである。

そして、以上の高精度で安定した探傷を可能とすべく、本発明では、図１に示すごとく、距離計測手段１２ｂ・１３ｂにて送信プローブ１２及び受信プローブ１３から被検査面５ａ・５ｂまでの距離Ｌ２・Ｌ３を計測しつつ、前記送信プローブ１２から照射させるレーザー光２２の出力を前記距離Ｌ２・Ｌ３に対応する値に調整するとともに、計測された距離Ｌ２・Ｌ３に基づいて、前記送信プローブ１２及び受信プローブ１３の可変集光レンズ１２ａ・１３ａの焦点距離を前記距離Ｌ２・Ｌ３に対応する値に調整することとするものである。

図１に示すごとく、前記送信プローブ１２及び受信プローブ１３には、それぞれ、距離計測手段１２ｂ・１３ｂが設けられており、送信プローブ１２及び受信プローブ１３から被検査面５ａ・５ｂまでの距離Ｌ２・Ｌ３の計測が可能となっている。
前記距離計測手段１２ｂ・１３ｂは、それぞれ、前記データ処理装置３と接続されており、データ処理装置３では、距離計測手段１２ｂ・１３ｂから送信されるデータに基づいて前記距離Ｌ２・Ｌ３を算出する。
尚、距離計測手段１２ｂ・１３ｂの構成については特に限定されるものではないが、表面波超音波との干渉による不具合の発生を考慮すると、赤外線センサが好適である。

また、前記送信プローブ１２から照射されるレーザー光２２の出力は、前記データ処理装置３により、被検査面５ａ・５ｂと送信プローブ１２及び受信プローブ１３の間の距離Ｌ２・Ｌ３に応じた値に調整されるようになっている。
このレーザー光２２の出力の調整は、レーザー超音波探傷装置１に構成される出力調整手段にて行われるものであり、本実施例では、データ処理装置３にて前記送信レーザー光源１１を制御する形態により、出力調整手段が構成されている。
そして、この出力調整手段（データ処理装置３及び送信レーザー光源１１）により、図４に示すごとく、被検査面５ａと送信プローブ１２の間の距離Ｌ２が短い場合には、レーザー光２２の出力は弱く設定されるようになっている。一方、被検査面５ｂと送信プローブ１２の間の距離Ｌ２が長い場合には、レーザー光２２の出力は強く設定されるようになっている。

また、前記送信プローブ１２及び受信プローブ１３には、それぞれ、可変集光レンズ１２ａ・１３ａが設けられており、図４に示すごとく、各可変集光レンズ１２ａ・１３ａの厚みを変更することによって、レーザー光２２・２３の焦点距離の調整（フォーカス）が行われる。
本実施例では、前記データ処理装置３にて前記可変集光レンズ１２ａ・１３ａの厚みを調整することとしており、データ処理装置３を焦点距離調整手段として機能させることとしている。
そして、この焦点距離調整手段（データ処理装置３）により、図４に示すごとく、被検査面５ａと送信プローブ１２及び受信プローブ１３の間の距離Ｌ２・Ｌ３が短い場合には、可変集光レンズ１２ａ・１３ａの厚さは、前記データ処理装置３により厚く設定されるようになっている。一方、被検査面５ｂと送信プローブ１２及び受信プローブ１３の間の距離Ｌ２・Ｌ３が長い場合には、可変集光レンズ１２ａ・１３ａの厚さは、前記データ処理装置３により薄く設定されるようになっている。

また、前記データ処理装置３には、前記距離Ｌ２・Ｌ３の値に対応する可変集光レンズ１２ａ・１３ａの焦点距離（レンズの厚さ）、及び、レーザー光２２の出力が記憶されており、データ処理装置３では、変化する前記距離Ｌ２・Ｌ３の値に応じ、可変集光レンズ１２ａ・１３ａの厚さ、レーザー光２２の出力を設定することとしている。このようにして、レーザー光の照射条件が逐次補正されるようになっている。

以上のように、被検査面５ａ・５ｂに対し送信プローブ１２からレーザー光２２を照射させて超音波を励起させ、被検査面５ａ・５ｂに対し受信プローブ１３からレーザー光２３を照射させて前記超音波を受信し、受信された超音波のデータから被検査面に存在する欠陥を検出する構成とするレーザー超音波探傷装置であって、前記送信プローブ１２及び受信プローブ１３には、それぞれ、距離計測手段１２ｂ・１３ｂが設けられ、前記距離計測手段１２ｂ・１３ｂによって、送信プローブ１２及び受信プローブ１３から被検査面５ａ・５ｂまでの距離Ｌ２・Ｌ３が計測され、前記距離Ｌ２・Ｌ３に基づいて、レーザー超音波探傷装置に設けられる出力調整手段（データ処理装置３及び送信レーザー光源１１）により、前記レーザー光２２の出力が調整され、前記送信プローブ１２及び受信プローブ１３には、それぞれ、可変集光レンズ１２ａ・１３ａが設けられ、前記距離Ｌ２・Ｌ３に基づいて、レーザー超音波探傷装置に設けられる焦点距離調整手段（データ処理装置３）により、前記送信プローブ１２及び受信プローブ１３からそれぞれ出力されるレーザー光２２・２３の焦点距離の調整が行われる構成としている。

この構成によれば、走査する過程において、送信プローブ１２及び受信プローブ１３から被検査面５ａ・５ｂまでの距離Ｌ２・Ｌ３が変化する場合においても、前記距離Ｌ２・Ｌ３が常時計測されてレーザー光の照射条件が逐次補正されるため、安定したレーザー超音波の励起が可能となるとともに、安定した超音波の受信が可能となり、高精度で安定した探傷が可能となる。

そして、以上のようにして検出される欠陥２に関する情報を利用し、製品の合否判定等を行うことができる。
例えば、前記データ処理装置３により、欠陥２の有無情報や、２次元座標情報を表示機器に表示させることや、予め設定された合否判定条件をクリアできないような大きな欠陥２が発見された場合には、不合格判定を行うとともに、製造ラインから除去（ラインオフ）する等である。

また、本発明にかかるレーザー超音波探傷法によれば、被検査面５ａ・５ｂの形状が複雑であることを理由としてレーザー超音波探傷法が適用できなかった分野にも適用することが可能となり、さらなる幅広い分野にてレーザー超音波探傷法が活用できる。
例えば、図５に示すごとくの立体形状のプレス成型品４０については、送信プローブ１２及び受信プローブ１３を、上面４０ａから前面４０ｂにかけて形状に沿わせるように走査させるべく、送信プローブ１２及び受信プローブ１３の支持機構、移動機構を構成し、プログムによって動作制御することによれば、箱型状のプレス成型品４０についてもレーザー超音波探傷法にて検査を行うことができる。また、被検査面に凸部４０ｃや凹部４０ｄが存在する場合でも、上記のように、レーザー光の照射条件を補正することにより、高精度で安定した探傷を行うことができる。

さらに、上記のレーザー超音波探傷にて、欠陥を特定するための粗探傷を実施することとし、検出された欠陥の発生箇所のみを別途赤外線検査装置（パルス式赤外線検査装置等）にて精密探傷することとしてもよい。
即ち、レーザー超音波探傷装置にて被検査体の表面の粗探傷を実施して、被検査体の表面に存在する欠陥の存在する位置を特定し、パルス式赤外線検査装置にて欠陥の精密探傷を実施して、欠陥の赤外線撮影画像を取得し、データ処理装置にて前記赤外線撮影画像を解析して、欠陥のサイズを特定し、欠陥のサイズに基づいてプレス加工品質の合否判定を行う等である。

この場合、レーザー超音波探傷装置による粗探傷では、欠陥の形状やサイズの特定が目的ではなく、欠陥の発生位置の検出が目的であるから、前記走査ピッチＰ（図２参照）を広く設定することが可能であり（ラップ率Ｒを低く設定することが可能であり）、粗探傷を高速、かつ、短時間で行うことができ、さらに、パルス式赤外線検査装置では、必要な箇所だけ精密探傷を行うこととするため、検査を短時間で実施することができ、既存の製造工程の維持や、既存の製造ラインへの実装（インライン化）も可能となる。

本発明にかかるレーザー超音波探傷法を実施する装置構成について示す図。 レーザー超音波探傷装置の走査ピッチについて示す図。 走査行程において、送信プローブ及び受信プローブから被検査面までの距離が変化する場合を示す図。 レーザー光の照射条件の補正について示す図。 立体形状のプレス成型品へのレーザー超音波探傷法の適用について示す図。

符号の説明

１ レーザー超音波探傷装置
２ 欠陥
３ データ処理装置
５ 被検査体
５ａ・５ｂ 被検査面
１１ レーザー光源
１２ 送信プローブ
１２ａ 可変集光レンズ
１２ｂ 距離計測手段
１３ 受信プローブ
１３ａ 可変集光レンズ
１３ｂ 距離計測手段

Claims (8)

1. 被検査面に対し送信プローブからレーザー光を照射させて超音波を励起させるとともに、被検査面に対し受信プローブからレーザー光を照射させて前記超音波を受信し、受信された超音波のデータから被検査面に存在する欠陥を検出するレーザー超音波探傷法であって、
   距離計測手段にて前記送信プローブ及び前記受信プローブから被検査面までの距離を計測しつつ、
   前記距離に基づいて、
   前記送信プローブから照射させる前記レーザー光の出力設定を調整するとともに、
   前記送信プローブ及び前記受信プローブの可変集光レンズの焦点距離を調整することで、
   前記レーザー光の照射条件を逐次補正しつつ、前記被検査面に存在するプレス不良等の欠陥を検出することとする、レーザー超音波探傷法。
2. 前記レーザー光の出力設定の調整は、
   前記被検査面と前記送信プローブの間の距離において、
   前記距離が短い場合には、前記レーザー光の出力は、弱く設定され、
   前記距離が長い場合には、前記レーザー光の出力は、強く設定されることで行われ、
   前記各可変集光レンズの焦点距離の調整は、
   前記被検査面と前記送信プローブ及び前記受信プローブの間の各距離において、
   前記距離が短い場合には、可変集光レンズの厚さは、厚く設定され、
   前記距離が長い場合には、可変集光レンズの厚さは、薄く設定されることで行われる、
   ことを特徴とする、請求項１に記載のレーザー超音波探傷法。
3. 前記距離計測手段は、赤外線センサとする、
   ことを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載のレーザー超音波探傷法。
4. 前記被検査面に励起される超音波は、表面波超音波とする、
   ことを特徴とする、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のレーザー超音波探傷法。
5. 被検査面に対し送信プローブからレーザー光を照射させて超音波を励起させるとともに、被検査面に対し受信プローブからレーザー光を照射させて前記超音波を受信し、受信された超音波のデータから被検査面に存在する欠陥を検出する構成とするレーザー超音波探傷装置であって、
   前記送信プローブ及び前記受信プローブには、それぞれ、距離計測手段が設けられ、
   前記距離計測手段によって、前記送信プローブ及び前記受信プローブから被検査面までの距離が計測され、
   前記距離に基づいて、レーザー超音波探傷装置に設けられる出力調整手段により、前記レーザー光の出力が調整され、
   前記送信プローブ及び前記受信プローブには、それぞれ、可変集光レンズが設けられ、
   前記距離に基づいて、レーザー超音波探傷装置に設けられる焦点距離調整手段により、前記送信プローブ及び前記受信プローブからそれぞれ出力されるレーザー光の焦点距離が調整される、構成とするレーザー超音波探傷装置。
6. 前記出力調整手段による前記レーザー光の出力設定の調整は、
   前記被検査面と前記送信プローブの間の距離において、
   前記距離が短い場合には、前記レーザー光の出力は、弱く設定され、
   前記距離が長い場合には、前記レーザー光の出力は、強く設定されることで行われ、
   前記焦点距離調整手段による前記各可変集光レンズの焦点距離の調整は、
   前記被検査面と前記送信プローブ及び前記受信プローブの間の各距離において、
   前記距離が短い場合には、可変集光レンズの厚さは、厚く設定され、
   前記距離が長い場合には、可変集光レンズの厚さは、薄く設定されることで行われる、
   ことを特徴とする、請求項５に記載のレーザー超音波探傷装置。
7. 前記距離計測手段は、赤外線センサとする、
   ことを特徴とする、請求項５又は請求項６に記載のレーザー超音波探傷装置。
8. 前記被検査面に励起される超音波は、表面波超音波とする、
   ことを特徴とする、請求項５乃至請求項７のいずれか一項に記載のレーザー超音波探傷装置。

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