回転体のレーザ超音波探傷方法
【課題】回転体の回転を止めずに周方向に走査して表面探傷を行う。
【解決手段】一定速度で回転する検査対象物１に励起用パルスレーザ光を一定周波数で照射して検査対象物１の表面を伝播する超音波を繰り返し発生させると共に、励起用パルスレーザ光の照射位置７とは別の位置８で超音波による表面変位を励起用パルスレーザ光に同期させたレーザ干渉計を用いて測定し、測定波形の変化に基づいて超音波の伝播経路５途中における表面欠陥６を検出するものであり、検査対象物１に対する励起用パルスレーザ光の照射位置７及びレーザ干渉計の測定用レーザ光の照射位置８を固定すると共に、検査対象物１の回転周期Ｔｒと励起用パルスレーザ光の照射周期Ｔｓとを相違させることで、検査対象物１の励起用パルスレーザ光によって励起される部位１０とレーザ干渉計によって測定される部位１１とを検査対象物１の周方向に徐々にずらして走査を行うようにする。
【解決手段】一定速度で回転する検査対象物１に励起用パルスレーザ光を一定周波数で照射して検査対象物１の表面を伝播する超音波を繰り返し発生させると共に、励起用パルスレーザ光の照射位置７とは別の位置８で超音波による表面変位を励起用パルスレーザ光に同期させたレーザ干渉計を用いて測定し、測定波形の変化に基づいて超音波の伝播経路５途中における表面欠陥６を検出するものであり、検査対象物１に対する励起用パルスレーザ光の照射位置７及びレーザ干渉計の測定用レーザ光の照射位置８を固定すると共に、検査対象物１の回転周期Ｔｒと励起用パルスレーザ光の照射周期Ｔｓとを相違させることで、検査対象物１の励起用パルスレーザ光によって励起される部位１０とレーザ干渉計によって測定される部位１１とを検査対象物１の周方向に徐々にずらして走査を行うようにする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転体のレーザ超音波探傷方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、回転体に対してその回転を止めずに周方向にレーザ光を走査させることができる回転体のレーザ超音波探傷方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
非接触で検査対象物表面の探傷を行うことが可能なレーザ超音波探傷方法として、例えば特許文献１に開示されたものがある。このレーザ超音波探傷方法を実施する装置を図２７及び図２８に示す。このレーザ超音波探傷装置では、検査対象物１０１の表面に超音波を発生させるパルスレーザ光を照射するパルス光線照射手段１０２と、検査対象物１０１にレーザ光を照射すると共に検査対象物１０１の表面を伝播した超音波によって変調された反射光線を受光する光線送受信手段１０３とを固定板１０４に固定し、レール１０５に沿って移動させることで走査を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１０６６００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述のレーザ超音波探傷方法では、パルス光線照射手段１０２と光線送受信手段１０３とをレール１０５に沿って移動させることで走査を行うので、回転体に対してその回転を止めずに周方向に走査を行うことが困難である。
【０００５】
本発明は、回転体の回転を止めずに周方向に走査を行うことが可能なレーザ超音波探傷方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
かかる目的を達成するために、請求項１記載の回転体のレーザ超音波探傷方法は、一定速度で回転する検査対象物に励起用パルスレーザ光を一定周波数で照射して検査対象物の表面を伝播する超音波を繰り返し発生させると共に、励起用パルスレーザ光の照射位置とは別の位置で超音波による表面変位を励起用パルスレーザ光に同期させたレーザ干渉計を用いて測定し、測定波形の変化に基づいて超音波の伝播経路途中における表面欠陥を検出するものであり、検査対象物に対する励起用パルスレーザ光の照射位置及びレーザ干渉計の測定用レーザ光の照射位置を固定すると共に、検査対象物の回転周期と励起用パルスレーザ光の照射周期とを相違させることで、検査対象物の励起用パルスレーザ光によって励起される部位とレーザ干渉計によって測定される部位とを検査対象物の周方向に徐々にずらして走査を行うものである。
【０００７】
照射された励起用パルスレーザ光が検査対象物に当たると超音波が発生し、検査対象物表面や検査対象物内を伝播する。レーザ干渉計は検査対象物の表面を伝播した超音波（表面波）による表面変位を測定する。表面波が亀裂などの表面欠陥を通過する場合、表面欠陥の深さに応じて高周波成分が減衰される。そのため、表面欠陥を通過した表面波の波形は変化する。この変化に基づいて検査対象物の表面欠陥を検出することができる。
【０００８】
検査対象物が回転している場合、検査対象物に対する励起用パルスレーザ光の照射位置を固定（検査対象物の回転軸との位置関係を一定に維持）し、検査対象物の回転に同期させて励起用パルスレーザ光を照射すると、励起用パルスレーザ光は常に検査対象物の同じ部位に当たることになる。本発明では検査対象物に対する励起用パルスレーザ光の照射位置を固定し、検査対象物の回転周期に対して励起用パルスレーザ光の照射周期をずらしているので、検査対象物の励起用パルスレーザ光によって励起される部位が周方向、即ち回転体の回転方向又は回転方向とは逆方向に徐々にずれることになる。また、検査対象物に対するレーザ干渉計の測定用レーザ光の照射位置を固定（検査対象物の回転軸との位置関係を一定に維持）し、励起用パルスレーザ光に同期してレーザ干渉計で測定を行うことで、検査対象物のレーザ干渉計によって測定される部位も周方向に徐々にずれることになる。そのため、測定される表面波の伝播経路即ち探傷領域も周方向に徐々に移動することになり、周方向に走査が行われることになる。検査対象物の回転周期と励起用パルスレーザ光の照射周期とのずれ量は、例えば走査間隔に応じて決定される。即ち、ずれ量を小さくすることで走査間隔が短くなって走査速度が遅くなり、ずれ量を大きくすることで走査間隔が長くなって走査速度が速くなる。
【０００９】
また、請求項２記載の回転体のレーザ超音波探傷方法は、走査によって収集された測定波形の高周波成分と低周波成分との強度比を求め、求めた強度比の変化に基づいて表面欠陥を検出するものである。
【００１０】
励起された表面波が表面欠陥を通過すると、その高周波成分が減衰されるので、高周波成分と低周波成分との強度比は表面欠陥を通過していない場合に比べて変化する。この変化に基づいて表面欠陥を検出することができる。
【００１１】
また、請求項３記載の回転体のレーザ超音波探傷方法は、走査によって収集された測定波形の中から比較基準となる参照波形を選択し、参照波形との差異の度合いに基づいて表面欠陥を検出するものである。
【００１２】
励起された表面波が表面欠陥を通過すると、その高周波成分が減衰されて表面波の波形が変化する。したがって、表面欠陥を通過していない場合の測定波形、即ち参照波形との差異の度合いが大きくなる。この差異の度合いに基づいて表面欠陥を検出することができる。
【００１３】
ここで、請求項４記載の回転体のレーザ超音波探傷方法のように、測定波形のうち最初に測定されたものを参照波形としても良く、また、請求項５記載の回転体のレーザ超音波探傷方法のように、測定波形のうち時系列における直前に測定されたものを参照波形としても良い。
【００１４】
さらに、請求項６記載の発明は、請求項２記載の回転体のレーザ超音波探傷方法において、表面欠陥を示す測定波形について高周波成分と低周波成分とに分ける境界周波数を変化させて繰り返し強度比を求め、求めた強度比の変化が最も急激なときの境界周波数に基づいて表面欠陥の深さを推定するものである。
【００１５】
表面欠陥を通過する際に減衰される表面波の周波数は表面欠陥の深さに応じて変化する。即ち、表面欠陥が浅ければ比較的高い周波数の表面波も通過できるが、表面欠陥の深さが深くなるにつれて透過できる表面波の周波数は低くなる。このように表面欠陥の深さと表面波の減衰される周波数との間には一定の関係がある。
【００１６】
いま、表面波が深さａの表面欠陥を通過する際に周波数ｆ以上の高周波成分が減衰される場合、即ち表面欠陥の深さａに対応する周波数がｆである場合を考える。ここで、実際には周波数ｆよりも低い周波数成分についても若干減衰されるため、表面欠陥による周波数成分の減衰の大きさは周波数ｆを境に大きく変化する。つまり、周波数ｆを境にそれよりも低周波領域では周波数成分の減衰は僅かであるが、高周波領域では周波数成分の減衰は大きくなる。したがって、表面欠陥を示す測定波形について境界周波数を変えながら高周波成分と低周波成分の強度比を繰り返し求め、求めた強度比を境界周波数の大きさ順に並べると、強度比の変化は境界周波数が周波数ｆのときに最も大きくなる。この周波数ｆは表面欠陥の深さａに対応するものであることから、強度比の変化が最も急激なときの境界周波数に基づいて表面欠陥の深さを推定することができる。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１記載の回転体のレーザ超音波探傷方法では、検査対象物の励起用パルスレーザ光によって超音波が励起される部位（励起点）とレーザ干渉計によって測定される部位（測定点）を周方向に徐々にずらすことができるので、探傷領域を周方向に徐々に移動させて走査を行うことができる。即ち、回転体に対してその回転を利用して周方向の走査を行うことができる。特に回転速度が速い回転体についてはレーザ光を移動させることでの周方向走査は困難であるが、本発明ではレーザ光を移動させるのではなく、検査対象物の回転周期とレーザ光の照射周期とをずらすことで検査対象物の回転を利用して励起点と測定点を検査対象物に対して相対的に移動させて走査を行うので、たとえ高速で回転する回転体であっても周方向走査を行うことができる。
【００１８】
また、請求項２記載の回転体のレーザ超音波探傷方法では、測定波形の高周波成分と低周波成分との強度比の変化に基づいて表面欠陥を検出するので、検査対象物表面の局所的な傾斜等による影響を排除することができ、傷等の表面欠陥をより正確に検出することができる。即ち、回転する検査対象物表面の局所的な傾斜等はレーザ干渉計によって表面変位として測定され、測定信号の振幅変動となる。この振幅変動は測定波形の高周波成分と低周波成分との両方に同様に現れるので、高周波成分と低周波成分との強度比を求めることでキャンセルされる。その結果、高周波成分と低周波成分との強度比は表面欠陥による影響を強く反映したものとなり、表面欠陥の検出感度を向上させることができる。
【００１９】
また、請求項３記載の回転体のレーザ超音波探傷方法では、測定波形と参照波形との差異の度合いに基づいて表面欠陥を検出するので、検査対象物表面の局所的な傾斜等による影響を排除することができ、傷等の表面欠陥をより正確に検出することができる。即ち、回転する検査対象物表面の局所的な傾斜等はレーザ干渉計によって表面変位として測定され、測定信号の振幅変動となる。この振幅変動は参照波形と測定波形の両方に影響すると考えられるので、両者を比較することで表面欠陥を示す波形を区別することができ、表面欠陥の検出感度を向上させることができる。
【００２０】
ここで、請求項４記載の回転体のレーザ超音波探傷方法のように、測定波形のうち最初に測定されたものを参照波形としても良く、また、請求項５記載の回転体のレーザ超音波探傷方法のように、測定波形のうち時系列における直前に測定されたものを参照波形としても良い。
【００２１】
さらに、請求項６記載の回転体のレーザ超音波探傷方法では、表面欠陥を示す波形の高周波成分と低周波成分の強度比に基づいて表面欠陥の深さを推定するので、検査対象物の回転を止めずに表面欠陥の深さを推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の回転体のレーザ超音波探傷方法で回転体の周方向走査を説明するものであり、（ａ）は回転する検査対象物に対して励起用パルスレーザ光を１ショット行った様子を示す概念図、（ｂ）は（ａ）に続いて更に１ショット行った様子を示す概念図、（ｃ）は（ｂ）に続く数ショット照射後の様子を示す概念図である。
【図２】本発明の回転体のレーザ超音波探傷方法の実施形態の一例を示すフローチャートである。
【図３】本発明の回転体のレーザ超音波探傷方法を実施する装置の一例を示す図である。
【図４】板状の検査対象物を示し、(ａ)は側面図、(ｂ)は正面図である。
【図５】リング状の検査対象物を示し、(ａ)は側面図、(ｂ)は正面図である。
【図６】棒状の検査対象物を示し、(ａ)は側面図、(ｂ)は正面図である。
【図７】柱状の検査対象物を示し、(ａ)は側面図、(ｂ)は正面図である。
【図８】筒状の検査対象物を示し、(ａ)は側面図、(ｂ)は正面図である。
【図９】球状の検査対象物を示し、(ａ)は側面図、(ｂ)は正面図である。
【図１０】測定面が途切れている形状の検査対象物を示し、(ａ)は側面図、(ｂ)は正面図である。
【図１１】本発明の回転体のレーザ超音波探傷方法で探傷を行う概念を示す図である。
【図１２】走査によって収集された測定波形に基づいて表面欠陥を検出する手順を示すフローチャートである。
【図１３】走査によって収集された測定波形に基づいて表面欠陥の深さを推定する手順を示すフローチャートである。
【図１４】走査によって収集された測定波形に基づいて表面欠陥を検出する別の手順を示すフローチャートである。
【図１５】本発明による周方向走査を径方向走査と組み合わせた場合の概念図である。
【図１６】本発明による周方向走査を回転軸方向走査と組み合わせた場合の概念図である。
【図１７】探傷実験に用いた模擬表面欠陥を施した試験体を示す斜視図である。
【図１８】試験体の周方向に走査を行う様子を示す概念図である。
【図１９】時間間隔１秒にて得られた測定波形の時間系列を示す図である。
【図２０】探傷領域にスリットがない場合の測定波形とある場合の測定波形を対比して示す図である。
【図２１】測定波形の周波数成分強度の時間変化を示し、（ａ）は低周波成分（０．３６〜０．７２ＭＨｚ）の強度を示すグラフ、（ｂ）は高周波成分（１．４３〜１．７９ＭＨｚ）の強度を示すグラフである。
【図２２】測定波形の高周波成分と低周波成分の強度比の時間変化を示すグラフである。
【図２３】測定波形の相関関数の時間変化を示し、（ａ）は参照波形に第１波形を用いた場合のグラフ、（ｂ）は参照波形に直前波形を用いた場合のグラフである。
【図２４】測定波形のコントラスト関数の時間変化を示し、（ａ）は参照波形に第１波形を用いた場合のグラフ、（ｂ）は参照波形に直前波形を用いた場合のグラフである。
【図２５】５００℃における表面波の連続測定結果を示す図である。
【図２６】５００℃における表面波波形の周波数成分比の時間変化を示すグラフである。
【図２７】従来のレーザ超音波探傷方法を実施する装置を示すブロック図である。
【図２８】図２７の走査手段の概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の構成を図面に示す形態に基づいて詳細に説明する。
【００２４】
図１及び図２に本発明の回転体のレーザ超音波探傷方法の実施形態の一例を示す。回転体のレーザ超音波探傷方法（以下、単にレーザ超音波探傷方法という）は、一定速度で回転する検査対象物１に励起用パルスレーザ光２を一定周波数で照射して検査対象物１の表面を伝播する超音波を繰り返し発生させると共に、励起用パルスレーザ光２の照射位置７とは別の位置８で超音波による表面変位を励起用パルスレーザ光２に同期させたレーザ干渉計３を用いて測定し（ステップＳ３１）、測定波形４の変化に基づいて超音波の伝播経路５途中における表面欠陥６を検出する（ステップＳ３２）ものである。測定では、検査対象物１に対する励起用パルスレーザ光２の照射位置７及びレーザ干渉計３の測定用レーザ光９の照射位置８を固定すると共に、検査対象物１の回転周期Ｔｒと励起用パルスレーザ光２の照射周期Ｔｓとを相違させることで、検査対象物１の励起用パルスレーザ光２によって励起される部位１０とレーザ干渉計３によって測定される部位１１とを検査対象物１の周方向に徐々にずらして走査を行っている（図１）。
【００２５】
このレーザ超音波探傷方法が実施される装置の一例を図３に示す。この探傷装置１２は、励起用パルスレーザ光２を検査対象物１に向けて照射する超音波発生用レーザ装置１３と、超音波発生用レーザ装置１３に同期して検査対象物１の表面変位を検出するレーザ干渉計３と、レーザ干渉計３によって測定された波形４を表示する表示装置１４を備えている。
【００２６】
超音波発生用レーザ装置１３としては検査対象物１に超音波を励起できるパルスレーザ光２を照射することができるものであれば使用可能であり、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザ，ＣＯ２レーザ，エキシマレーザ，チタンサファイアレーザ，窒素レーザ等の使用が可能である。超音波発生用レーザ装置１３はパルスレーザ光２の照射周波数即ち照射周期Ｔｓを任意に調節できる機能を有していることが好ましい。ただし、検査対象物１の回転速度即ち回転周期Ｔｒを調節できる場合にはパルスレーザ光の照射周波数の調節機能を有していない超音波発生用レーザ装置１３を使用することも可能である。超音波発生用レーザ装置１３から照射された励起用パルスレーザ光２は、光学系１５によって案内されて検査対象物１の測定面１ａ上に集光される。本実施形態では、光学系１５をミラー１６，１７と集光レンズ１８によって構成している。ただし光学系１５の構成はこれに限るものではない。励起用パルスレーザ光２の照射位置７は固定されている。即ち、照射位置７は検査対象物１の回転軸２０との位置関係が一定に維持されている。
【００２７】
レーザ干渉計３は超音波発生用レーザ装置１３のパルスレーザ光２の照射に同期して検査対象物１の測定面１ａの表面変位を測定する。測定時間幅は例えば励起用パルスレーザ光２の照射前から照射後にわたり、調節可能である。レーザ干渉計３のファイバーヘッド３ａは検査対象物１の測定面１ａに対向して設けられ、測定用レーザ光９の照射位置８は固定されている。即ち、照射位置８は検査対象物１の回転軸２０との位置関係が一定に維持されている。レーザ干渉計３の測定信号は例えばノイズフィルタ１９を介して表示装置１４に供給されている。
【００２８】
表示装置１４は、例えばオシロスコープである。ただし、オシロスコープに限るものではなく、例えば高速デジタイザ（Ａ／Ｄ変換器）等の使用も可能である。表示装置１４は、測定データ等を記憶しておく記憶手段、同一の伝播経路５即ち探傷領域（以下、探傷領域５という）について複数の測定データの平均を表示する機能を備えていることが好ましい。
【００２９】
検査対象物１は一定速度で回転するものである。また、検査対象物１の材質は、励起用パルスレーザ光２の照射によって超音波が励起され、且つ表面変位をレーザ干渉計３によって測定できるものであれば特に制限されない。例えば金属，セラミック，半導体等について適用可能である。さらに、検査対象物１の形状は、測定面１ａの少なくとも探傷を行う範囲の全てにおいて探傷領域５になった場合に超音波発生用レーザ装置１３及びレーザ干渉計３に対する距離が同一になるものであれば良く、測定面１ａは平面でも曲面でもいずれでも良い。例えば板状（図４），リング状（図５），棒状（図６），柱状（図７），筒状（図８）、球状（図９）等の回転体は勿論のこと、例えば測定面１ａが途切れている形状の回転体（図１０）についても適用可能である。また、回転軸２０に対して垂直な面について探傷を行うことも、平行な面について探傷を行うことも可能である。また、非接触で表面探傷を行うので、高温の回転体についても適用可能である。
【００３０】
例えば、発電用タービンの軸・翼，回転機の回転軸，モータの回転軸，プロペラ，エンジン出力を伝える動力シャフト等を検査対象物１とすることができる。
【００３１】
レーザ超音波探傷方法は、励起用パルスレーザ光２の照射によって検査対象物１にその表面または内部を伝播する超音波を励起させ、励起点（検査対象物１の励起用パルスレーザ光２によって超音波が励起される部位１０。以下、励起点１０という。）から一定の離隔距離をおいた測定点（検査対象物１のレーザ干渉計３によって測定される部位１１。以下、測定点１１という。）においてレーザ干渉計３を用いて超音波を検出する。検査対象物１表面を伝播した表面波、あるいは検査対象物１内部を伝播し裏面から反射された縦波又は横波が測定点１１に到達した際に微少変位が発生し、これをレーザ干渉計３によって測定する。
【００３２】
表面波を用いた表面探傷の原理を図１１に模式的に示す。検査対象物１表面を伝播した表面波が亀裂などの表面欠陥６を通過した際、表面欠陥６の深さに応じて高周波成分が大きく減衰され波形が変化する。よって、表面欠陥６のない参照対象物（検査対象物１と同形状・同材料・同温度の測定対象であり、比較のためのもの）を測定した場合に得られる表面波波形（測定波形４）の周波数特性と検査対象物１を測定した場合に得られる表面波波形（測定波形４）の周波数特性を比較することにより、表面欠陥６の有無を判別できる。即ち、参照対象物の測定波形４に対する検査対象物１の測定波形４の相違部分が表面欠陥６に対応するものであり、この相違部分の有無に基づいて表面欠陥６の有無を判別することができる。
【００３３】
ここで、表面波の波長をＬ、表面欠陥６の深さがａであるとき、本発明は、例えばａ＜０．８Ｌの場合に適用可能である（検査対象物１が例えば鋼材等の場合）。レーザ光照射によって生じる表面波は周波数ｆ＝１ＭＨｚ付近が最も強く、ＳＵＳ等の鋼材の表面波の伝搬速度はおよそｖ＝３０００ｍ／ｓであるため表面波の主成分の波長はＬ＝ｖ／ｆ＝３ｍｍとなり、この場合には例えば深さ２．４ｍｍまでの表面欠陥６が評価可能である。
【００３４】
図１に基づいて検査対象物１の周方向走査について説明する。本発明は検査対象物１の回転周期Ｔｒと励起用パルスレーザ光２の照射周期Ｔｓとの間に相対的なずれを設けることで周方向に走査を行うようにしている。例えば、検査対象物１の回転周期Ｔｒよりも励起用パルスレーザ光２の照射周期Ｔｓを若干短くした場合（Ｔｒ＞Ｔｓ）、１回目のレーザ光照射（図１(ａ)）が行われてから検査対象物１が１回転する直前に２回目のレーザ光照射が行われる（図１(ｂ)）。なお、図１において、当該周期における励起点１０及び測定点１１を●で示し、以前の周期における励起点１０及び測定点１１を○で示している。このように各点１０，１１が周方向に徐々に移動し、走査が行われる（図１(ｃ)）。ここで、ＴｒとＴｓのずれ量は、検査対象物１を１周するための走査時間に応じて適宜決定される。
【００３５】
例えば、検査対象物１の回転数：Ｎ１回転／秒、励起用パルスレーザ光２の照射繰り返し数：Ｎ２／秒とすると、Ｎ１＝Ｎ２では検査対象物１の回転速度と励起用パルスレーザ光２の照射周波数とが完全に同期し、各回転毎の励起点１０及び測定点１１は同一になる。また、Ｎ２＝Ｎ１＋０．１とすると、各回転毎に励起点１０及び測定点１１は周方向にずれ、１０秒間で１周して元の部位に戻る。円周方向の走査時間（円周方向を１周するのに要する時間）をＴ秒としたい場合、Ｎ２＝Ｎ１＋１／Ｔとする。走査速度があまり遅すぎると１周するのに時間がかかり過ぎて運用上不便であり、逆に、速過ぎると表面欠陥６を見落とすことになる（励起用パルスレーザ光２を照射していない間に表面欠陥６が探傷領域５を通過する）。
【００３６】
検査対象物１の回転数をＮ１／秒、励起用パルスレーザ光２の照射繰り返し数をＮ２／秒、探傷領域５の回転軸２０からの距離をｒとすると、励起用パルスレーザ光２の照射間隔は１／Ｎ２秒、その間に励起点１０が動く距離ｄは数式１になる。
［数１］
ｄ＝ｖｔ＝ωｒｔ＝２πＮ１ｒ／Ｎ２
【００３７】
ここで、Ｎ１＝Ｎ２であるとｄ＝２πｒとなり、丁度１周したことになる。また、少々周期をずれらして、Ｎ２＝Ｎ１＋１／Ｔであると、数式２となり、丁度１周（２πｒ）からの変位ΔはΔ＝２πｒ／Ｎ１Ｔとなる。
［数２］
ｄ＝２πＮ１ｒ／（Ｎ１＋１／Ｔ）
＝２πｒ／（１＋１／Ｎ１Ｔ）
≒２πｒ−２πｒ／Ｎ１Ｔ
【００３８】
よって、解像度（探傷箇所の走査間隔）が決まっていれば、これをΔとして、Ｔ＝２πｒ／ΔＮ１となる。例えばｄ＝１ｍｍ、ｒ＝１０ｃｍ、Ｎ１＝６０Ｈｚの場合には、Ｔ＝２π（１０）／（０．１）（６０）＝６２．８／６＝１０．４秒になる（約１０秒で一周）。また、励起用パルスレーザ光２の照射繰り返し周波数は、Ｎ２＝Ｎ１＋１／Ｔ＝６０＋１／１０．４＝６０．０９６Ｈｚとなる。よって、ＴｒとＴｓのずれ量は探傷領域５の回転軸２０からの距離ｒ、希望する解像度ｄで決まるとも言える。
【００３９】
なお、上述の説明ではＴｒ＞Ｔｓとしているが、Ｔｒ＜Ｔｓとしても良い。また、検査対象物１が約１回転する毎に励起用パルスレーザ光２を１ショットずつ打つようにしているが、約１回転毎に１ショットずつ打つ必要はなく、例えば約２回転毎に１ショットずつ打つようにしても良く、約ｎ回転毎に１ショットずつ（ｎ＝３，４，…）打つようにしても良い。
【００４０】
なお、励起用パルスレーザ光２は検査対象物の表面を伝播する表面波を選択的に励起するために線状に照射することが望ましいが、点状にしても良い。線状に照射する手段としては、光学系１５に円柱レンズを用いることが考えられる。なお、検査対象物１の回転によって実際には測定点１１は曲線状になる。
【００４１】
レーザ干渉計３の測定データは例えばノイズフィルタ１９を介して表示装置１４に供給される。表示装置１４はレーザ干渉計３の測定波形４を表示する。検査員は表示された測定波形４の変化に基づいて表面欠陥６の有無を判別することができる。このとき、単に表面欠陥６の有無を判別するだけでも良いが、測定波形４と探傷領域５は１対１に対応することから表面欠陥６が存在する探傷領域５を特定することもでき、測定面１ａのどこに表面欠陥６が存在するか特定できる。
【００４２】
ここで、励起用パルスレーザ光２によって励起された超音波は励起点１０を中心に四方八方に伝播し、また、検査対象物１の表面だけではなく内部へも伝播する。したがって、レーザ干渉計３の測定波形４には、探傷領域５のみを伝播した超音波だけでなく、例えば検査対象物１内を伝播して裏面で反射された超音波、表面を伝播して検査対象物１の端で反射された超音波等も含まれる（図１９参照）。したがって、測定波形４のうち判断の対象となる部分（対象波形部分）２１を特定する必要がある。本実施形態では、励起点１０と測定点１１との間の距離（探傷領域５の距離）、検査対象物１の材質、検査対象物１の温度等を考慮して探傷領域５を通過してきた表面波の到達時間を求め、この時間帯の波形を対象波形部分２１とする。例えば、励起用パルスレーザ光２の照射後、時間ｔ経過後に表面波が測定点１１に到達する場合には、時間ｔを挟んでその前後所定時間内に測定された波形を対象にする。
【００４３】
検査員は検査対象物１の測定波形４の対象波形部分２１と予め測定しておいた参照対象物の測定波形４の対象波形部分２１との相違に基づいて、または検査対象物１の表面欠陥６が無いことが判明している探傷領域５についての測定波形４の対象波形部分２１との相違に基づいて表面欠陥６の有無を判別しても良いが、本実施形態では、走査によって収集された測定波形４の高周波成分と低周波成分との強度比を求め、求めた強度比の変化に基づいて表面欠陥６を検出する。その概念を図１２に示す。
【００４４】
先ず、ステップＳ４１では、分析の対象となる測定波形４の対象波形部分２１を特定する。次に、対象波形部分２１の高周波成分の強度と低周波成分の強度を求める（ステップＳ４２）。このとき、高周波側の周波数成分のみが表面欠陥６の通過によって減衰されるように、あるいは低周波側の周波数成分よりも高周波側の周波数成分がより多く減衰されるように境界周波数を設定し、境界周波数よりも高い周波数成分を高周波成分とし、境界周波数よりも低い周波数成分を低周波成分とする。なお、境界周波数と同一の周波数成分は高周波成分と低周波成分のいずれに含めても良い。例えば、表面欠陥６の深さが１ｍｍの場合には１ＭＨｚよりも高い周波数成分が減衰されるので、この場合には１ＭＨｚを境界周波数として高周波成分と低周波成分とに分けることが好ましい。
【００４５】
次に、高周波成分と低周波成分との強度比を求め、表面欠陥６以外の影響を除去する（ステップＳ４３）。検査対象物１の測定面１ａの局所的な傾斜等はレーザ干渉計３によって表面変位として測定され、測定信号の振幅変動となる。この振幅変動は測定波形４の高周波成分と低周波成分との両方に同様に現れるので、高周波成分と低周波成分との強度比を求めることで測定ノイズをキャンセルすることができる。
【００４６】
本実施形態では、高周波成分の強度を低周波成分の強度で割ることで強度比（＝高周波成分の強度÷低周波成分の強度）を求めている。このようにする理由は以下の通りである。即ち、表面欠陥６による影響は高周波成分の方により大きく現れるので、高周波成分の強度の方が低周波成分の強度よりも変動する傾向にある。比を算出する場合、変動が少ない方を分母にした方が結果が安定する傾向にある。したがって、本実施形態では高周波成分の強度を低周波成分の強度で割るようにし、算出結果がより安定したものとなるようにしている。ただし、必ずしもこれに限るものではなく、低周波成分の強度を高周波成分の強度で割る（強度比＝低周波成分の強度÷高周波成分の強度）ようにしても良く、この場合にも測定ノイズのキャンセルは可能である。
【００４７】
次のステップＳ４４では、求めた強度比に基づいて表面欠陥６の有無を判別する。いま、強度比＝高周波成分の強度÷低周波成分の強度としているので、表面波が表面欠陥６を通過することで強度比は減少する。したがって、検査員は強度比の減少に基づいて表面欠陥６を検出することができる。
【００４８】
本実施形態では、強度比の減少を予め定めておいた閾値との比較によって判断する。閾値は、例えば表面欠陥６が存在していないことが明らかな測定波形４について強度比を求め、この強度比と表面欠陥６が存在している場合の強度比とを区別できるように設定する。
【００４９】
また、閾値は１つに限らず、複数設定しても良い。例えば、強度比の平均値μや標準偏差σを求め、これらに基づいて設定した閾値と、強度比の値に基づいて設定した閾値とを併用しても良い。例えば、第１の閾値：μ−σ、第２の閾値：強度比０．５とし、第１の閾値以下且つ第２の閾値以下の場合に表面欠陥６が存在すると判断するようにしても良い。
【００５０】
なお、強度比＝低周波成分の強度÷高周波成分の強度とした場合には、表面波が表面欠陥６を通過することで強度比が増加するので、強度比の増加に基づいて表面欠陥６を検出することができる。
【００５１】
このように本実施形態では、測定ノイズをキャンセルして表面欠陥６以外の影響を排除することができるので、より正確に表面欠陥６を検出することできる。
【００５２】
また、本実施形態では、走査によって収集した測定波形４と参照対象物の測定波形４との比較を行わずに表面欠陥６を検出することができるので、参照対象物について測定を予め行っていなくても表面欠陥６の有無を判別することができる。
【００５３】
本発明では、例えば発電用タービンのような回転体について、その運転を止めることなく表面探傷を行うことができる。したがって、定期点検等を待たずに亀裂等の表面欠陥６の発生を迅速に検出することができる。
【００５４】
なお上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。
【００５５】
例えば、上述の説明では、単に表面欠陥６を検出するだけであったが、表面欠陥６の深さを推定することも可能である。例えば、図１３に示すように、表面欠陥６を示す測定波形４について高周波成分と低周波成分とに分ける境界周波数を変化させながら繰り返し高周波成分と低周波成分の強度比を求め、求めた強度比の変化が最も急激なときの境界周波数に基づいて表面欠陥６の深さを推定する（ステップＳ４５）ことも可能である。なお、図１２のステップと同一のステップには同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００５６】
表面欠陥６を通過する際に減衰される表面波の周波数は表面欠陥６の深さに応じて変化する。即ち、表面欠陥６が浅ければ比較的高い周波数の表面波も通過できるが、表面欠陥６の深さが深くなるにつれて透過できる表面波の周波数は低くなる。このように表面欠陥６の深さと表面波の減衰される周波数との間には一定の関係がある。
【００５７】
いま、表面波が深さａの表面欠陥６を通過する際に周波数ｆ以上の高周波成分が減衰される場合、即ち表面欠陥６の深さａに対応する周波数がｆである場合を考える。ここで、実際には周波数ｆよりも低い周波数成分についても若干減衰されるため、表面欠陥６による周波数成分の減衰の大きさは周波数ｆを境に大きく変化する。つまり、周波数ｆを境にそれよりも低周波領域では周波数成分の減衰は僅かであるが、高周波領域では周波数成分の減衰は大きくなる。したがって、表面欠陥６を示す測定波形４について境界周波数を変えながら高周波成分と低周波成分の強度比を繰り返し求め、求めた強度比を境界周波数の大きさ順に並べると、強度比の変化は境界周波数が周波数ｆのときに最も大きくなる。この周波数ｆは表面欠陥６の深さａに対応するものであることから、強度比の変化が最も急激なときの境界周波数に基づいて表面欠陥の深さを推定することができる。
【００５８】
なお、周波数に基づいて表面欠陥６の深さａを求める方法については公知の方法を利用することから、ここではその説明を省略する。
【００５９】
本実施形態では、例えば発電用タービンの回転軸のような回転体について、その運転を止めることなく表面欠陥６の深さを測定することができる。例えば、発電用タービンの回転軸に表面欠陥６が存在することが判っている場合、その表面欠陥６が安全上問題にならない程度の微小なものであれば使用が継続される。ただし、表面欠陥６を継続観察する必要がある。継続観察を行う場合、検査の度に発電用タービンの運転をいちいち止めていたのでは効率が悪く、経済的、実用的ではない。本実施形態では、回転している状態で表面欠陥６の深さを測定することができるので、深さ測定のために発電用タービンの運転をいちいち止める必要がなく、大変効率的である。
【００６０】
また、上述の説明では、表面欠陥６以外の影響を除去するために高周波成分と低周波成分の強度比を求めていたが、必ずしもこれに限るものではない。例えば、図１４に示すように、走査によって収集された測定波形４の中から比較基準となる参照波形を選択し（ステップＳ５２）、参照波形と測定波形４との差異の度合いに基づいて表面欠陥６を検出する（ステップＳ５３，Ｓ５４）ようにしても良い。
【００６１】
まず、ステップＳ５１では、走査によって収集された測定波形４の中から１つの参照波形を選択する。ここでは、測定波形４のうち最初に測定したものに対応する探傷領域５には表面欠陥６が存在していないと仮定し、最初に測定した測定波形４を参照波形にしている。ただし、必ずしも最初に測定した測定波形４を参照波形にする必要はなく、対応する探傷領域５に表面欠陥６が存在しない測定波形４であれば、例えば２番目に測定した測定波形４でも、３番目に測定した測定波形４でも、あるいはその他の測定波形４でも良い。なお、参照波形をいったん決定した後でその測定波形４に表面欠陥６が存在することが判明した場合には、別の測定波形４を参照波形にして処理をやり直す。
【００６２】
次に、参照波形と測定波形４について対象波形部分２１を特定し（ステップＳ５２）、参照波形の対象波形部分２１と測定波形４の対象波形部分２１との差異の度合いを求める（ステップＳ５３）。いま、検査対象物１の測定面１ａの状態は表面欠陥６を除くとほぼ均一であると考えられることから、探傷領域５に表面欠陥６が存在しない場合の測定波形４の対象波形部分２１は参照波形の対象波形部分２１とほぼ同じになると考えられる。したがって、この場合には、差異の度合いが小さいことになる。一方、探傷領域５に表面欠陥６が存在している場合の測定波形４の対象波形部分２１は表面欠陥６の影響によって参照波形の対象波形部分２１と大きく異なることから、参照波形の対象波形部分２１との差異の度合いが大きくなる。したがって、検査員は差異の度合いの増加に基づいて表面欠陥６を検出することができる。
【００６３】
本実施形態では、差異の度合いの増加を予め定めておいた閾値との比較によって判断する。閾値は、例えば表面欠陥６が存在していないことが明らかな測定波形４と参照波形との比較より差異の度合いを求め、この差異の度合いと表面欠陥６が存在している場合の差異の度合いとを区別できるように決定する。
【００６４】
また、閾値は１つに限らず、複数設定しても良い。例えば、差異の度合いの平均値μや標準偏差σを求め、これらに基づいて設定した閾値と、差異の度合いの値に基づいて設定した閾値とを併用しても良い。例えば、第１の閾値：μ＋σ、第２の閾値：差異の度合い（例えばコントラスト関数）１０とし、第１の閾値以上且つ第２の閾値以上の場合に表面欠陥６が存在すると判断するようにしても良い。
【００６５】
差異の度合いとしては、例えば数式３で定義されるコントラスト関数Ｃｉを採用することができる。ここで、ｙｒ(ｔ)：参照波形、ｙｉ(ｔ)：測定波形４、ｉ＝１，２，…，ｎ（ｎは測定波形４の測定数）、ｊ＝１，２，…，ｎ（ｎは測定波形４の測定数）である。
【００６６】
【数３】
【００６７】
また、差異の度合いとして、例えば相関係数等を採用しても良い。
【００６８】
このように本実施形態では、表面欠陥６が存在しない測定波形４（参照波形）との比較によって表面欠陥６を検出するので、より正確に表面欠陥６を検出することができる。
【００６９】
また、上述の図１４のステップＳ５１では、最初に測定した（ｎ番目に測定した）測定波形４を参照波形としていたが、必ずしもこれに限るものではなく、例えば時系列における直前に測定された測定波形４、即ちｎ番目の測定波形４に対して（ｎ−１）番目の測定波形４を参照波形にしても良い（探傷領域５が隣り合う場合）。（ｎ−１）番目の測定波形４に対応する探傷領域５に表面欠陥６が存在せず、ｎ番目の測定波形４に対応する探傷領域５に表面欠陥６が存在する場合には差異の度合いが増加するので、検査員は表面欠陥６を検出することができる。
【００７０】
探傷領域５が隣り合う場合、表面欠陥６の有無を除けば測定面１ａの状態は類似していると考えられる。したがって、表面欠陥６の有無によって差異の度合いが大きく変化するので、表面欠陥６をより正確に検出することができる。
【００７１】
また、検査対象物１の測定面１ａが回転軸２０に対して垂直な面である場合には、本発明の周方向の走査を、径方向の走査と組み合わせても良い。即ち、励起用パルスレーザ光２の照射位置７と測定用レーザ光９の照射位置８を検査対象物１の径方向に移動させる走査手段によって案内するようにしても良い。
【００７２】
図１５に、径方向の走査と組み合わせる場合の例を示す。径方向走査手段２２は、例えば超音波発生用レーザ装置１３と図示しない光学系１５とレーザ干渉計３が取り付けられたスライダ２３と、スライダ２３を検査対象物１の測定面１ａに沿って径方向に案内するガイド２４と、スライダ２３をガイド２４に沿って移動させる図示しないモータ等の駆動手段より構成されている。駆動手段によってスライダ２３をガイド２４に沿って移動させることで、超音波発生用レーザ装置１３及びレーザ干渉計３を検査対象物１の径方向に移動させることができるので、励起用パルスレーザ光２の照射位置７と測定用レーザ光９の照射位置８を径方向に走査することができる。
【００７３】
ただし、径方向走査手段２２の構成はこれに限るものではなく、例えば光学系によってレーザ光２，９の照射方向を変化させることで径方向走査を行っても良く、その他公知の構成によって径方向走査を行うようにしても良い。
【００７４】
径方向走査手段２２を停止させた状態で周方向の走査を行う。そして周方向の走査が終わると、径方向走査手段２２を作動させてスライダ２３を隣の周方向走査位置に移動させる。そしてスライダ２３を停止させた後、次の周方向走査を行う。このように周方向走査と径方向走査を交互に行うことで測定面１ａを平面的に走査することができる。
【００７５】
また、検査対象物１の測定面１ａが回転軸２０に平行な面である場合には、本発明の周方向の走査を、回転軸方向の走査と組み合わせても良い。即ち、励起用パルスレーザ光２の照射位置７と測定用レーザ光９の照射位置８を検査対象物１の回転軸２０方向に移動させる走査手段によって案内するようにしても良い。
【００７６】
図１６に、回転軸方向の走査と組み合わせる場合の例を示す。回転軸方向走査手段２５は、例えば超音波発生用レーザ装置１３と図示しない光学系１５とレーザ干渉計３が取り付けられたスライダ２６と、スライダ２６を検査対象物１の測定面１ａに沿って回転軸２０方向に案内するガイド２７と、スライダ２６をガイド２７に沿って移動させる図示しないモータ等の駆動手段より構成されている。駆動手段によってスライダ２６をガイド２７に沿って移動させることで、超音波発生用レーザ装置１３及びレーザ干渉計３を検査対象物１の回転軸方向に移動させることができるので、励起用パルスレーザ光２の照射位置７と測定用レーザ光９の照射位置８を回転軸方向に走査することができる。
【００７７】
ただし、回転軸方向走査手段２５の構成はこれに限るものではなく、例えば光学系によってレーザ光２，９の照射方向を変化させることで回転軸方向走査を行っても良く、その他公知の構成によって回転軸方向走査を行うようにしても良い。
【００７８】
回転軸方向走査手段２５を停止させた状態で周方向の走査を行う。そして周方向の走査が終わると、回転軸方向走査手段２５を作動させてスライダ２６を隣の周方向走査位置に移動させる。そしてスライダ２６を停止させた後、次の周方向走査を行う。このように周方向走査と回転軸方向走査を交互に行うことで測定面１ａを平面的に走査することができる。
【００７９】
また、検査対象物１を回転させる手段を設け、回転体でない検査対象物１を回転させてレーザ超音波探傷を行うようにしても良い。回転手段としては、検査対象物１を保持するホルダと、ホルダを一定速度で回転させる駆動手段とを備え、回転速度を調節できることが好ましい。
【実施例１】
【００８０】
回転体の表面欠陥６の検出についての実験を行った。
【００８１】
（１．装置構成）
実験は、図３に示すレーザ超音波探傷装置１２を用いて行った。超音波発生用レーザ装置１３として、波長５３２ｎｍ、パルス幅１０ｎｓ、繰り返し周波数２０Ｈｚ（照射周期Ｔｓ：０．０５ｓ）、最大エネルギー１２０ｍＪ／パルスのＮｄ：ＹＡＧレーザ（Big Sky Laser製ＣＦＲ２００）を用い、超音波測定用レーザ干渉計３として波長１０６４ｎｍの二光波混合型干渉計（Tecnar製ＴＷＭ）を用いた。レーザ干渉計３の出力信号を周波数帯域５００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚのノイズフィルタ１９（エヌエフ電子製ＦＹ−６２８Ｓ）を介して表示装置１４としてのデジタルオシロスコープ（Tektronix製ＴＤＳ５０５４）で測定した。超音波発生用レーザの照射位置７とレーザ干渉計３の照射位置８の離隔距離は約１０ｍｍとした。
【００８２】
検査対象物１を模擬した試験体（以下、試験体１という）は電動モータ（オリエンタルモーター製ＵＳ５６０−００１Ｕ）に接続されたシャフトの先端に取り付け、１２００ｒｐｍ（回転周期０．０５ｓ）に近い回転速度で回転させた。試験体１は図１７に示すように直径６０ｍｍ、厚さ１０ｍｍであり、表面（測定面１ａ）に径方向および円周接線方向（以下、円周方向という）に深さ１ｍｍ、幅０．２ｍｍ以下のスリットを施した。当該スリットは表面欠陥６を模擬したものである（以下、スリット６という）。試験体１の材質はＳＵＳ３１６である。
【００８３】
（２．実験結果）
（２−１ 連続波形測定結果）
ここで、超音波発生用レーザ装置１３の励起用パルスレーザ光２の繰り返し周波数（換言すると照射周期Ｔｓ）と試験体１の回転速度（換言すると回転周期Ｔｒ）を若干ずらすと、励起点１０は試験体１の測定面１ａの任意点に対して時間経過とともに徐々にずれて行き、同一径において円周方向を周回する結果となる。一例として、励起用パルスレーザ光２の繰り返し周波数が２０Ｈｚ（回転速度にすると１２００ｒｐｍ）、試験体１の回転速度が１２０１ｒｐｍであれば、照射点は１分間で円周方向を一周する。よって、励起用パルスレーザ光２の照射位置７を固定して表面波波形を連続測定すると励起用パルスレーザ光２を円周方向に走査した場合と同じ結果が得られる。円周方向スリット６を対象とした場合の、レーザ照射時におけるスリット６位置の移動を図１８に模式的に示す。
【００８４】
ここでは試験体１の回転速度を励起用パルスレーザ光２の繰り返し周波数に対する同期状態から若干ずらし、約１０〜２０秒でスリット６が１周して同位置に再び戻ってくるように調整した。表面波波形は１秒間隔で１００回測定した。励起用パルスレーザ光２照射時間に対して−１〜＋９μｓ内において得られた測定波形４の時間系列を図１９に示す。なお、図１９では、見やすくするために測定波形４を縦方向にずらして表示している。探傷領域５を通過した表面波が測定されるのは時間３μｓ付近であり、この時間帯に大きな窪み、すなわち波形振幅の減衰が９回あることから、時間系列を取得するのに要した１００秒間にスリット６は探傷領域５を９回通過したことが判る。
【００８５】
また、スリット６が探傷領域５外にある場合（以下、スリット６なしの場合という）と探傷領域５内にある場合（以下、スリット６ありの場合という）の表面波波形を抽出した結果を図２０に示す。スリット６なしの場合については測定波形４のうち窪みに対応しない波形の一例、スリット６ありの場合については測定波形４のうち窪みに対応する波形の一例である。図２０において、スリット６なしの場合の波形を上に、スリット６ありの場合の波形を下に示している。両者を比べると、スリット６なしの場合では、探傷領域５を通過した表面波が測定される時間帯である３μｓ付近の波形（対象波形部分２１）が比較的鋭い形状を成しているのに対し、スリット６ありの場合では、時間３μｓ付近の波形は比較的鈍った形状を成している。これは、表面波の高周波成分がスリット６の通過によって減衰されたことに起因すると考えられる。
【００８６】
したがって、対象波形部分２１の形状変化に基づいて表面欠陥６を検出できることを確認できた。
【００８７】
（２−２ 周波数解析）
次に、スリット６をより正確に検出できることを確認するために、図１９に示した測定波形４の周波数解析を行った。時間３．９μｓ付近に試験体１の裏面から反射した縦波が現れたため、表面波の周波数解析には図１９において点線の枠Ｆで示した時間領域１．０〜３．８μｓ（対象波形部分２１）を対象に周波数解析を行った（図１２のステップＳ４１）。
【００８８】
スリット６を通過した表面波は高周波成分がより大きく減衰することを考慮し、周波数１ＭＨｚ（境界周波数）以下の成分（０．３６〜０．７１ＭＨｚ：低周波成分）と１ＭＨｚ以上の成分（１．４３〜１．７９ＭＨｚ：高周波成分）の強度を求めた（図１２のステップＳ４２）。なお、高速フーリエ変換の際に０．３６ＭＨｚ間隔で結果が出力され、１ＭＨｚを境にそれよりも低い２点と高い２点を採用したため、周波数の範囲が上述のようになっている。その結果を図２１に示す。図２１（ａ）は低周波成分を示し、（ｂ）は高周波成分を示している。図中の縦線はスリット６が探傷領域５を通過した時間を、横線は１００個の波形の周波数成分の平均値μ、標準偏差σをもとに求めたμ、μ±σ、μ±２σの値を示している。黒色の矢印はスリット６の存在によって期待される効果の方向を示している。
【００８９】
図２１（ａ）に示した０．３６〜０．７１ＭＨｚの成分強度の変動とスリット６の有無の間には殆んど相関が認められない。スリット６通過後（図中の縦線の右側）では一貫して強度が増加しているが、これは試験体１の表面状態の不均一性に起因している。つまり、試験体１の反射率は均一でないため、反射率の高い箇所ではレーザ干渉計３の感度が高くなり、測定波形４の振幅が大きくなり、周波数成分も増加する。
【００９０】
図２１（ｂ）に示した１．４３〜１．７９ＭＨｚの成分強度の変動とスリット６の有無にはある程度の相関が認められ、スリット６の検出条件をμ−σ以下とすると９回のうち８回検出できている（図中の破線の丸印）。しかしながら、スリット６が存在しない場合でもμ−σ以下となる点は同数程度あるため、この周波数スペクトル強度のみに基づいてスリット６の有無を判別するのは困難であることが分かる。また、図２１（ａ）と同様に、スリット６通過後に表面状態の不均一性に起因する強度増加が見られる。
【００９１】
以上の結果から、０．３６〜０．７１ＭＨｚの低周波成分はスリット６の存在に依存せず、表面状態のみを反映し、１．４３〜１．７９ＭＨｚの高周波成分はスリット６の存在と表面状態の両方に依存するが分かった。よって、高周波成分を低周波成分で規格化することにより表面状態の影響の除去、スリット６の検出感度の向上が期待できる。図２１（ｂ）の１．４３〜１．７９ＭＨｚ成分を図２１（ａ）の０．３６〜０．７１ＭＨｚ成分で除算して求めた強度比を図２２に示す（図１２のステップＳ４３）。図２２ではスリット６の有無と良好な相関が得られており、検出基準（閾値）をμ−σとすると、スリット６の通過が９回全て検出できており、誤検出も無い（図１２のステップＳ４４）。以上の結果から、試験体１表面の不均一性に影響されずに、表面欠陥６の有無を判別するには周波数成分強度比を求めるのが有効な手段であることが示された。
【００９２】
（２−３ 波形相関）
次に、周波数解析とは別の方法として、波形の違いからスリット６の有無を判別する方法についても検討を行った。
【００９３】
（２−３−１ 相関関数）
まず、参照波形ｙｒ(ｔ)と測定波形ｙｉ(ｔ)（ｉ＝１，２，…，１００）の相関関数を算出した。二つの波形の相関関数は波形が同一の場合は＋１、片方が反転した場合は−１、相関が全くない場合は０となる。ここで、参照波形として、スリット６が探傷領域５にない場合の任意の波形（ここではｔ＝０における第１波形ｙ１(ｔ)）、あるいは時系列における直前の波形（ｙｉ(ｔ)に対してｙｉ−１(t)、ｉ＝１の場合はｙ１(ｔ)）とした。どちらの場合もｔ＝０においては参照波形と測定波形４が同一になるため、相関係数は１となる。スリット６が探傷領域５にある場合は波形が変化するため、相関関数の低下が予想される。
【００９４】
図１９の時間領域１．０〜３．８μｓ内の測定波形４（対象波形部分２１）を対象に相関関数を算出した結果を図２３に示す。図２３（ａ）は参照波形に第１波形（最初に測定された波形）を用いた場合、図２３（ｂ）は時系列における直前波形（直前に測定された波形）を用いた場合である。図２３（ａ）においてはスリット６の検出回数はμ−σを基準（閾値）として４回に止まっており、ｔ＜２０ｓにおいては同基準での誤検出（×印）が複数回ある。よって、一定の参照波形を用いた相関関数はスリット６の有無の判断方法としては適していない。図２３（ｂ）においてはスリット６に関する感度が向上し、μ−σを基準とした場合８回検出されており、誤検出もない。しかし、ここではスリット６検出に対応する下向きのピークが複数点にわたることから、スリット６検出の時間分解能が若干低下していることが分かる。
【００９５】
ただし、スリット６検出の精度や時間分解能を落としてもかまわない場合には、相関関数の使用もスリット６の有無を判別するために有効な手段であるといえる。
【００９６】
（２−３−２ コントラスト関数）
相関係数とは異なる指標として、二つの波形の差異に基づくコントラストについても検討を行った。ここで、参照波形ｙｒ(ｔ)と測定波形４ｙｉ(ｔ)のコントラスト関数Ｃｉを数式４のように定義した。本関数は参照波形と測定波形４の差異の度合いを表し、同一波形では０となり、相対的に異なる波形では高い値をとる。また、コントラスト関数の算出では波形の和で除算するため、振幅に対する規格化が行え、これによって振幅のばらつきの影響が抑制できる。
【００９７】
【数４】
【００９８】
図１９の時間領域１．０〜３．８μｓの波形（測定波形４の対象波形部分２１）に関してコントラスト関数を算出した結果を図２４に示す。図２４（ａ）は参照波形に第１波形（最初に測定された波形）を用いた場合、図２４（ｂ）は時系列における直前波形（直前に測定された波形）を用いた場合である。いずれの場合においてもスリット６に対して良好な感度が得られ、μ＋σを判断基準（閾値）とした場合、図２４（ａ）では９回全て、図２４（ｂ）では８回検出されている（図１４のステップＳ５１〜Ｓ５４）。
【００９９】
以上の結果から、コントラスト関数もスリット６の有無を判別するために有効な手段であることが分かった。
【０１００】
（２−３−３ 畳み込み積分）
畳み込み積分も二つの波形の相関を算出するのに頻繁に用いられる。参照波形をｙｒ(ｔｊ)、測定波形４をｙｉ(ｔｊ)とした場合、畳み込み積分ｗｉは数式５によって与えられる。
【０１０１】
【数５】
【０１０２】
しかし、表面状態の不均一性によって波形の振幅が変動した場合、ｗｉは二つの波形ｙｒ(ｔ), ｙｉ(ｔ)の積によって与えられるため変動は増幅される形となり、スリット６の有無による波形の差異を見分けるのが困難となる。よって、畳み込み積分はスリット６検出には不適であるため、ここでは検討対象としなかった。
【０１０３】
（２−４ 結果比較）
周波数解析、波形相関に基づく波形処理の結果を表１にまとめて示す。ここで検討した処理法では、周波数成分強度比とコントラスト関数が検出率の高さ、誤検出率の低さにおいて最良であったと言える。相関関数に関しては、直前に得られた波形を参照波形に用いることで検出率が向上したが、前述の通り時間分解能の低下の課題が残る。
【０１０４】
【表１】
【０１０５】
なお、１σ判定（又は２σ判定）では、スリット６の存在によって増加するコントラスト関数においてはμ＋σ以上（又はμ＋２σ以上）を判定基準とし、スリット６の存在によって減少するその他の指標についてはμ−σ以下（又はμ−２σ以下）を判定基準とした。検出回数、未検出回数はスリット６が探傷領域５を合計９回通過した際の数値、誤検出回数はスリット６が通過していない場合に判定基準を満たした回数である。
【０１０６】
また、ここでは測定値の平均値μ、標準偏差σに基づく判定を行ったが、スリット６が存在しない場合でも偏差は存在する。よって、実用面においては、大きい偏差値（例えばμ−σ以下）の指標が得られた場合、これが閾値（絶対値）を下回る場合のみ、スリット６が存在すると判定すべきである。例えば、周波数成分強度比を用いる場合、図２２においてスリット６が無い箇所においては強度比は０．６以上となっているため、連続測定を行ったときの強度比がμ−σ（第１の閾値）以下、かつ０．５（第２の閾値）以下となった場合にスリット６が有ると判定すれば良い。相関関数に関してはμ−σ（第１の閾値）以下かつ０．９（第２の閾値）以下、コントラスト関数に関してはμ＋σ（第１の閾値）以上かつ１０（第２の閾値）以上などの条件とすれば良い。これらの閾値は試験体１によって異なるため、その都度表面欠陥６が無い場所を探傷し、指標の分布を基に決定することが好ましい。
【０１０７】
（３．高温における表面探傷）
（３−１ 実験条件）
次に、本手法の高温部品への適用性を明らかにするために、試験体１を高温環境下で回転させ、探傷実験を行った。
【０１０８】
図１７に示した試験体１を電気炉（アルバック理工製ＲＨＬ−Ｐ１２１０ＣＰ）内に設置した。電気炉は出力２ｋＷのヒータを１２本有し、放物面反射赤外線輻射加熱により試験体を室温から１０００℃まで昇温できる。ここでは炉内温度を室温〜５００℃の範囲で変化させ、室温，１００℃，２５０℃，５００℃において表面波の波形を連続測定した。測定条件は前述の探傷実験の場合と同様に，積分時間１ｓにて波形を１００回測定した。
【０１０９】
（３−２ 連続測定結果及び解析結果）
図２５に示した波形群に対し、上記２−２節と同様に周波数解析を行い、０．３６〜０．７１ＭＨｚ成分に対する１．４３〜１．７９ＭＨｚ成分の強度比を求めた。結果を図２６に示す。図２６中の縦線はスリット６が探傷領域５を通過した時間を示す。図２２の場合と同様に、スリット６が探傷領域５にある場合、周波数成分強度比は減少する傾向にある。図２６では測定時間内にスリット６が探傷領域５を１３回通過したが、判定基準（閾値）をμ−σ以下とした場合、このうち１０回が検出されている。
【０１１０】
以上の結果から、本発明は高温下における回転体にも適用可能であることを確認できた。
【符号の説明】
【０１１１】
１ 検査対象物
２ 励起用パルスレーザ光
３ レーザ干渉計
４ 測定波形
５ 表面波の伝播経路（探傷領域）
６ 表面欠陥
７ 励起用パルスレーザ光の照射位置
８ レーザ干渉計の測定用レーザ光の照射位置
９ 測定用レーザ光
１０ 励起点（検査対象物の励起用パルスレーザ光によって励起される部位）
１１ 測定点（検査対象物のレーザ干渉計によって測定される部位）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転体のレーザ超音波探傷方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、回転体に対してその回転を止めずに周方向にレーザ光を走査させることができる回転体のレーザ超音波探傷方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
非接触で検査対象物表面の探傷を行うことが可能なレーザ超音波探傷方法として、例えば特許文献１に開示されたものがある。このレーザ超音波探傷方法を実施する装置を図２７及び図２８に示す。このレーザ超音波探傷装置では、検査対象物１０１の表面に超音波を発生させるパルスレーザ光を照射するパルス光線照射手段１０２と、検査対象物１０１にレーザ光を照射すると共に検査対象物１０１の表面を伝播した超音波によって変調された反射光線を受光する光線送受信手段１０３とを固定板１０４に固定し、レール１０５に沿って移動させることで走査を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１０６６００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述のレーザ超音波探傷方法では、パルス光線照射手段１０２と光線送受信手段１０３とをレール１０５に沿って移動させることで走査を行うので、回転体に対してその回転を止めずに周方向に走査を行うことが困難である。
【０００５】
本発明は、回転体の回転を止めずに周方向に走査を行うことが可能なレーザ超音波探傷方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
かかる目的を達成するために、請求項１記載の回転体のレーザ超音波探傷方法は、一定速度で回転する検査対象物に励起用パルスレーザ光を一定周波数で照射して検査対象物の表面を伝播する超音波を繰り返し発生させると共に、励起用パルスレーザ光の照射位置とは別の位置で超音波による表面変位を励起用パルスレーザ光に同期させたレーザ干渉計を用いて測定し、測定波形の変化に基づいて超音波の伝播経路途中における表面欠陥を検出するものであり、検査対象物に対する励起用パルスレーザ光の照射位置及びレーザ干渉計の測定用レーザ光の照射位置を固定すると共に、検査対象物の回転周期と励起用パルスレーザ光の照射周期とを相違させることで、検査対象物の励起用パルスレーザ光によって励起される部位とレーザ干渉計によって測定される部位とを検査対象物の周方向に徐々にずらして走査を行うものである。
【０００７】
照射された励起用パルスレーザ光が検査対象物に当たると超音波が発生し、検査対象物表面や検査対象物内を伝播する。レーザ干渉計は検査対象物の表面を伝播した超音波（表面波）による表面変位を測定する。表面波が亀裂などの表面欠陥を通過する場合、表面欠陥の深さに応じて高周波成分が減衰される。そのため、表面欠陥を通過した表面波の波形は変化する。この変化に基づいて検査対象物の表面欠陥を検出することができる。
【０００８】
検査対象物が回転している場合、検査対象物に対する励起用パルスレーザ光の照射位置を固定（検査対象物の回転軸との位置関係を一定に維持）し、検査対象物の回転に同期させて励起用パルスレーザ光を照射すると、励起用パルスレーザ光は常に検査対象物の同じ部位に当たることになる。本発明では検査対象物に対する励起用パルスレーザ光の照射位置を固定し、検査対象物の回転周期に対して励起用パルスレーザ光の照射周期をずらしているので、検査対象物の励起用パルスレーザ光によって励起される部位が周方向、即ち回転体の回転方向又は回転方向とは逆方向に徐々にずれることになる。また、検査対象物に対するレーザ干渉計の測定用レーザ光の照射位置を固定（検査対象物の回転軸との位置関係を一定に維持）し、励起用パルスレーザ光に同期してレーザ干渉計で測定を行うことで、検査対象物のレーザ干渉計によって測定される部位も周方向に徐々にずれることになる。そのため、測定される表面波の伝播経路即ち探傷領域も周方向に徐々に移動することになり、周方向に走査が行われることになる。検査対象物の回転周期と励起用パルスレーザ光の照射周期とのずれ量は、例えば走査間隔に応じて決定される。即ち、ずれ量を小さくすることで走査間隔が短くなって走査速度が遅くなり、ずれ量を大きくすることで走査間隔が長くなって走査速度が速くなる。
【０００９】
また、請求項２記載の回転体のレーザ超音波探傷方法は、走査によって収集された測定波形の高周波成分と低周波成分との強度比を求め、求めた強度比の変化に基づいて表面欠陥を検出するものである。
【００１０】
励起された表面波が表面欠陥を通過すると、その高周波成分が減衰されるので、高周波成分と低周波成分との強度比は表面欠陥を通過していない場合に比べて変化する。この変化に基づいて表面欠陥を検出することができる。
【００１１】
また、請求項３記載の回転体のレーザ超音波探傷方法は、走査によって収集された測定波形の中から比較基準となる参照波形を選択し、参照波形との差異の度合いに基づいて表面欠陥を検出するものである。
【００１２】
励起された表面波が表面欠陥を通過すると、その高周波成分が減衰されて表面波の波形が変化する。したがって、表面欠陥を通過していない場合の測定波形、即ち参照波形との差異の度合いが大きくなる。この差異の度合いに基づいて表面欠陥を検出することができる。
【００１３】
ここで、請求項４記載の回転体のレーザ超音波探傷方法のように、測定波形のうち最初に測定されたものを参照波形としても良く、また、請求項５記載の回転体のレーザ超音波探傷方法のように、測定波形のうち時系列における直前に測定されたものを参照波形としても良い。
【００１４】
さらに、請求項６記載の発明は、請求項２記載の回転体のレーザ超音波探傷方法において、表面欠陥を示す測定波形について高周波成分と低周波成分とに分ける境界周波数を変化させて繰り返し強度比を求め、求めた強度比の変化が最も急激なときの境界周波数に基づいて表面欠陥の深さを推定するものである。
【００１５】
表面欠陥を通過する際に減衰される表面波の周波数は表面欠陥の深さに応じて変化する。即ち、表面欠陥が浅ければ比較的高い周波数の表面波も通過できるが、表面欠陥の深さが深くなるにつれて透過できる表面波の周波数は低くなる。このように表面欠陥の深さと表面波の減衰される周波数との間には一定の関係がある。
【００１６】
いま、表面波が深さａの表面欠陥を通過する際に周波数ｆ以上の高周波成分が減衰される場合、即ち表面欠陥の深さａに対応する周波数がｆである場合を考える。ここで、実際には周波数ｆよりも低い周波数成分についても若干減衰されるため、表面欠陥による周波数成分の減衰の大きさは周波数ｆを境に大きく変化する。つまり、周波数ｆを境にそれよりも低周波領域では周波数成分の減衰は僅かであるが、高周波領域では周波数成分の減衰は大きくなる。したがって、表面欠陥を示す測定波形について境界周波数を変えながら高周波成分と低周波成分の強度比を繰り返し求め、求めた強度比を境界周波数の大きさ順に並べると、強度比の変化は境界周波数が周波数ｆのときに最も大きくなる。この周波数ｆは表面欠陥の深さａに対応するものであることから、強度比の変化が最も急激なときの境界周波数に基づいて表面欠陥の深さを推定することができる。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１記載の回転体のレーザ超音波探傷方法では、検査対象物の励起用パルスレーザ光によって超音波が励起される部位（励起点）とレーザ干渉計によって測定される部位（測定点）を周方向に徐々にずらすことができるので、探傷領域を周方向に徐々に移動させて走査を行うことができる。即ち、回転体に対してその回転を利用して周方向の走査を行うことができる。特に回転速度が速い回転体についてはレーザ光を移動させることでの周方向走査は困難であるが、本発明ではレーザ光を移動させるのではなく、検査対象物の回転周期とレーザ光の照射周期とをずらすことで検査対象物の回転を利用して励起点と測定点を検査対象物に対して相対的に移動させて走査を行うので、たとえ高速で回転する回転体であっても周方向走査を行うことができる。
【００１８】
また、請求項２記載の回転体のレーザ超音波探傷方法では、測定波形の高周波成分と低周波成分との強度比の変化に基づいて表面欠陥を検出するので、検査対象物表面の局所的な傾斜等による影響を排除することができ、傷等の表面欠陥をより正確に検出することができる。即ち、回転する検査対象物表面の局所的な傾斜等はレーザ干渉計によって表面変位として測定され、測定信号の振幅変動となる。この振幅変動は測定波形の高周波成分と低周波成分との両方に同様に現れるので、高周波成分と低周波成分との強度比を求めることでキャンセルされる。その結果、高周波成分と低周波成分との強度比は表面欠陥による影響を強く反映したものとなり、表面欠陥の検出感度を向上させることができる。
【００１９】
また、請求項３記載の回転体のレーザ超音波探傷方法では、測定波形と参照波形との差異の度合いに基づいて表面欠陥を検出するので、検査対象物表面の局所的な傾斜等による影響を排除することができ、傷等の表面欠陥をより正確に検出することができる。即ち、回転する検査対象物表面の局所的な傾斜等はレーザ干渉計によって表面変位として測定され、測定信号の振幅変動となる。この振幅変動は参照波形と測定波形の両方に影響すると考えられるので、両者を比較することで表面欠陥を示す波形を区別することができ、表面欠陥の検出感度を向上させることができる。
【００２０】
ここで、請求項４記載の回転体のレーザ超音波探傷方法のように、測定波形のうち最初に測定されたものを参照波形としても良く、また、請求項５記載の回転体のレーザ超音波探傷方法のように、測定波形のうち時系列における直前に測定されたものを参照波形としても良い。
【００２１】
さらに、請求項６記載の回転体のレーザ超音波探傷方法では、表面欠陥を示す波形の高周波成分と低周波成分の強度比に基づいて表面欠陥の深さを推定するので、検査対象物の回転を止めずに表面欠陥の深さを推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の回転体のレーザ超音波探傷方法で回転体の周方向走査を説明するものであり、（ａ）は回転する検査対象物に対して励起用パルスレーザ光を１ショット行った様子を示す概念図、（ｂ）は（ａ）に続いて更に１ショット行った様子を示す概念図、（ｃ）は（ｂ）に続く数ショット照射後の様子を示す概念図である。
【図２】本発明の回転体のレーザ超音波探傷方法の実施形態の一例を示すフローチャートである。
【図３】本発明の回転体のレーザ超音波探傷方法を実施する装置の一例を示す図である。
【図４】板状の検査対象物を示し、(ａ)は側面図、(ｂ)は正面図である。
【図５】リング状の検査対象物を示し、(ａ)は側面図、(ｂ)は正面図である。
【図６】棒状の検査対象物を示し、(ａ)は側面図、(ｂ)は正面図である。
【図７】柱状の検査対象物を示し、(ａ)は側面図、(ｂ)は正面図である。
【図８】筒状の検査対象物を示し、(ａ)は側面図、(ｂ)は正面図である。
【図９】球状の検査対象物を示し、(ａ)は側面図、(ｂ)は正面図である。
【図１０】測定面が途切れている形状の検査対象物を示し、(ａ)は側面図、(ｂ)は正面図である。
【図１１】本発明の回転体のレーザ超音波探傷方法で探傷を行う概念を示す図である。
【図１２】走査によって収集された測定波形に基づいて表面欠陥を検出する手順を示すフローチャートである。
【図１３】走査によって収集された測定波形に基づいて表面欠陥の深さを推定する手順を示すフローチャートである。
【図１４】走査によって収集された測定波形に基づいて表面欠陥を検出する別の手順を示すフローチャートである。
【図１５】本発明による周方向走査を径方向走査と組み合わせた場合の概念図である。
【図１６】本発明による周方向走査を回転軸方向走査と組み合わせた場合の概念図である。
【図１７】探傷実験に用いた模擬表面欠陥を施した試験体を示す斜視図である。
【図１８】試験体の周方向に走査を行う様子を示す概念図である。
【図１９】時間間隔１秒にて得られた測定波形の時間系列を示す図である。
【図２０】探傷領域にスリットがない場合の測定波形とある場合の測定波形を対比して示す図である。
【図２１】測定波形の周波数成分強度の時間変化を示し、（ａ）は低周波成分（０．３６〜０．７２ＭＨｚ）の強度を示すグラフ、（ｂ）は高周波成分（１．４３〜１．７９ＭＨｚ）の強度を示すグラフである。
【図２２】測定波形の高周波成分と低周波成分の強度比の時間変化を示すグラフである。
【図２３】測定波形の相関関数の時間変化を示し、（ａ）は参照波形に第１波形を用いた場合のグラフ、（ｂ）は参照波形に直前波形を用いた場合のグラフである。
【図２４】測定波形のコントラスト関数の時間変化を示し、（ａ）は参照波形に第１波形を用いた場合のグラフ、（ｂ）は参照波形に直前波形を用いた場合のグラフである。
【図２５】５００℃における表面波の連続測定結果を示す図である。
【図２６】５００℃における表面波波形の周波数成分比の時間変化を示すグラフである。
【図２７】従来のレーザ超音波探傷方法を実施する装置を示すブロック図である。
【図２８】図２７の走査手段の概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の構成を図面に示す形態に基づいて詳細に説明する。
【００２４】
図１及び図２に本発明の回転体のレーザ超音波探傷方法の実施形態の一例を示す。回転体のレーザ超音波探傷方法（以下、単にレーザ超音波探傷方法という）は、一定速度で回転する検査対象物１に励起用パルスレーザ光２を一定周波数で照射して検査対象物１の表面を伝播する超音波を繰り返し発生させると共に、励起用パルスレーザ光２の照射位置７とは別の位置８で超音波による表面変位を励起用パルスレーザ光２に同期させたレーザ干渉計３を用いて測定し（ステップＳ３１）、測定波形４の変化に基づいて超音波の伝播経路５途中における表面欠陥６を検出する（ステップＳ３２）ものである。測定では、検査対象物１に対する励起用パルスレーザ光２の照射位置７及びレーザ干渉計３の測定用レーザ光９の照射位置８を固定すると共に、検査対象物１の回転周期Ｔｒと励起用パルスレーザ光２の照射周期Ｔｓとを相違させることで、検査対象物１の励起用パルスレーザ光２によって励起される部位１０とレーザ干渉計３によって測定される部位１１とを検査対象物１の周方向に徐々にずらして走査を行っている（図１）。
【００２５】
このレーザ超音波探傷方法が実施される装置の一例を図３に示す。この探傷装置１２は、励起用パルスレーザ光２を検査対象物１に向けて照射する超音波発生用レーザ装置１３と、超音波発生用レーザ装置１３に同期して検査対象物１の表面変位を検出するレーザ干渉計３と、レーザ干渉計３によって測定された波形４を表示する表示装置１４を備えている。
【００２６】
超音波発生用レーザ装置１３としては検査対象物１に超音波を励起できるパルスレーザ光２を照射することができるものであれば使用可能であり、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザ，ＣＯ２レーザ，エキシマレーザ，チタンサファイアレーザ，窒素レーザ等の使用が可能である。超音波発生用レーザ装置１３はパルスレーザ光２の照射周波数即ち照射周期Ｔｓを任意に調節できる機能を有していることが好ましい。ただし、検査対象物１の回転速度即ち回転周期Ｔｒを調節できる場合にはパルスレーザ光の照射周波数の調節機能を有していない超音波発生用レーザ装置１３を使用することも可能である。超音波発生用レーザ装置１３から照射された励起用パルスレーザ光２は、光学系１５によって案内されて検査対象物１の測定面１ａ上に集光される。本実施形態では、光学系１５をミラー１６，１７と集光レンズ１８によって構成している。ただし光学系１５の構成はこれに限るものではない。励起用パルスレーザ光２の照射位置７は固定されている。即ち、照射位置７は検査対象物１の回転軸２０との位置関係が一定に維持されている。
【００２７】
レーザ干渉計３は超音波発生用レーザ装置１３のパルスレーザ光２の照射に同期して検査対象物１の測定面１ａの表面変位を測定する。測定時間幅は例えば励起用パルスレーザ光２の照射前から照射後にわたり、調節可能である。レーザ干渉計３のファイバーヘッド３ａは検査対象物１の測定面１ａに対向して設けられ、測定用レーザ光９の照射位置８は固定されている。即ち、照射位置８は検査対象物１の回転軸２０との位置関係が一定に維持されている。レーザ干渉計３の測定信号は例えばノイズフィルタ１９を介して表示装置１４に供給されている。
【００２８】
表示装置１４は、例えばオシロスコープである。ただし、オシロスコープに限るものではなく、例えば高速デジタイザ（Ａ／Ｄ変換器）等の使用も可能である。表示装置１４は、測定データ等を記憶しておく記憶手段、同一の伝播経路５即ち探傷領域（以下、探傷領域５という）について複数の測定データの平均を表示する機能を備えていることが好ましい。
【００２９】
検査対象物１は一定速度で回転するものである。また、検査対象物１の材質は、励起用パルスレーザ光２の照射によって超音波が励起され、且つ表面変位をレーザ干渉計３によって測定できるものであれば特に制限されない。例えば金属，セラミック，半導体等について適用可能である。さらに、検査対象物１の形状は、測定面１ａの少なくとも探傷を行う範囲の全てにおいて探傷領域５になった場合に超音波発生用レーザ装置１３及びレーザ干渉計３に対する距離が同一になるものであれば良く、測定面１ａは平面でも曲面でもいずれでも良い。例えば板状（図４），リング状（図５），棒状（図６），柱状（図７），筒状（図８）、球状（図９）等の回転体は勿論のこと、例えば測定面１ａが途切れている形状の回転体（図１０）についても適用可能である。また、回転軸２０に対して垂直な面について探傷を行うことも、平行な面について探傷を行うことも可能である。また、非接触で表面探傷を行うので、高温の回転体についても適用可能である。
【００３０】
例えば、発電用タービンの軸・翼，回転機の回転軸，モータの回転軸，プロペラ，エンジン出力を伝える動力シャフト等を検査対象物１とすることができる。
【００３１】
レーザ超音波探傷方法は、励起用パルスレーザ光２の照射によって検査対象物１にその表面または内部を伝播する超音波を励起させ、励起点（検査対象物１の励起用パルスレーザ光２によって超音波が励起される部位１０。以下、励起点１０という。）から一定の離隔距離をおいた測定点（検査対象物１のレーザ干渉計３によって測定される部位１１。以下、測定点１１という。）においてレーザ干渉計３を用いて超音波を検出する。検査対象物１表面を伝播した表面波、あるいは検査対象物１内部を伝播し裏面から反射された縦波又は横波が測定点１１に到達した際に微少変位が発生し、これをレーザ干渉計３によって測定する。
【００３２】
表面波を用いた表面探傷の原理を図１１に模式的に示す。検査対象物１表面を伝播した表面波が亀裂などの表面欠陥６を通過した際、表面欠陥６の深さに応じて高周波成分が大きく減衰され波形が変化する。よって、表面欠陥６のない参照対象物（検査対象物１と同形状・同材料・同温度の測定対象であり、比較のためのもの）を測定した場合に得られる表面波波形（測定波形４）の周波数特性と検査対象物１を測定した場合に得られる表面波波形（測定波形４）の周波数特性を比較することにより、表面欠陥６の有無を判別できる。即ち、参照対象物の測定波形４に対する検査対象物１の測定波形４の相違部分が表面欠陥６に対応するものであり、この相違部分の有無に基づいて表面欠陥６の有無を判別することができる。
【００３３】
ここで、表面波の波長をＬ、表面欠陥６の深さがａであるとき、本発明は、例えばａ＜０．８Ｌの場合に適用可能である（検査対象物１が例えば鋼材等の場合）。レーザ光照射によって生じる表面波は周波数ｆ＝１ＭＨｚ付近が最も強く、ＳＵＳ等の鋼材の表面波の伝搬速度はおよそｖ＝３０００ｍ／ｓであるため表面波の主成分の波長はＬ＝ｖ／ｆ＝３ｍｍとなり、この場合には例えば深さ２．４ｍｍまでの表面欠陥６が評価可能である。
【００３４】
図１に基づいて検査対象物１の周方向走査について説明する。本発明は検査対象物１の回転周期Ｔｒと励起用パルスレーザ光２の照射周期Ｔｓとの間に相対的なずれを設けることで周方向に走査を行うようにしている。例えば、検査対象物１の回転周期Ｔｒよりも励起用パルスレーザ光２の照射周期Ｔｓを若干短くした場合（Ｔｒ＞Ｔｓ）、１回目のレーザ光照射（図１(ａ)）が行われてから検査対象物１が１回転する直前に２回目のレーザ光照射が行われる（図１(ｂ)）。なお、図１において、当該周期における励起点１０及び測定点１１を●で示し、以前の周期における励起点１０及び測定点１１を○で示している。このように各点１０，１１が周方向に徐々に移動し、走査が行われる（図１(ｃ)）。ここで、ＴｒとＴｓのずれ量は、検査対象物１を１周するための走査時間に応じて適宜決定される。
【００３５】
例えば、検査対象物１の回転数：Ｎ１回転／秒、励起用パルスレーザ光２の照射繰り返し数：Ｎ２／秒とすると、Ｎ１＝Ｎ２では検査対象物１の回転速度と励起用パルスレーザ光２の照射周波数とが完全に同期し、各回転毎の励起点１０及び測定点１１は同一になる。また、Ｎ２＝Ｎ１＋０．１とすると、各回転毎に励起点１０及び測定点１１は周方向にずれ、１０秒間で１周して元の部位に戻る。円周方向の走査時間（円周方向を１周するのに要する時間）をＴ秒としたい場合、Ｎ２＝Ｎ１＋１／Ｔとする。走査速度があまり遅すぎると１周するのに時間がかかり過ぎて運用上不便であり、逆に、速過ぎると表面欠陥６を見落とすことになる（励起用パルスレーザ光２を照射していない間に表面欠陥６が探傷領域５を通過する）。
【００３６】
検査対象物１の回転数をＮ１／秒、励起用パルスレーザ光２の照射繰り返し数をＮ２／秒、探傷領域５の回転軸２０からの距離をｒとすると、励起用パルスレーザ光２の照射間隔は１／Ｎ２秒、その間に励起点１０が動く距離ｄは数式１になる。
［数１］
ｄ＝ｖｔ＝ωｒｔ＝２πＮ１ｒ／Ｎ２
【００３７】
ここで、Ｎ１＝Ｎ２であるとｄ＝２πｒとなり、丁度１周したことになる。また、少々周期をずれらして、Ｎ２＝Ｎ１＋１／Ｔであると、数式２となり、丁度１周（２πｒ）からの変位ΔはΔ＝２πｒ／Ｎ１Ｔとなる。
［数２］
ｄ＝２πＮ１ｒ／（Ｎ１＋１／Ｔ）
＝２πｒ／（１＋１／Ｎ１Ｔ）
≒２πｒ−２πｒ／Ｎ１Ｔ
【００３８】
よって、解像度（探傷箇所の走査間隔）が決まっていれば、これをΔとして、Ｔ＝２πｒ／ΔＮ１となる。例えばｄ＝１ｍｍ、ｒ＝１０ｃｍ、Ｎ１＝６０Ｈｚの場合には、Ｔ＝２π（１０）／（０．１）（６０）＝６２．８／６＝１０．４秒になる（約１０秒で一周）。また、励起用パルスレーザ光２の照射繰り返し周波数は、Ｎ２＝Ｎ１＋１／Ｔ＝６０＋１／１０．４＝６０．０９６Ｈｚとなる。よって、ＴｒとＴｓのずれ量は探傷領域５の回転軸２０からの距離ｒ、希望する解像度ｄで決まるとも言える。
【００３９】
なお、上述の説明ではＴｒ＞Ｔｓとしているが、Ｔｒ＜Ｔｓとしても良い。また、検査対象物１が約１回転する毎に励起用パルスレーザ光２を１ショットずつ打つようにしているが、約１回転毎に１ショットずつ打つ必要はなく、例えば約２回転毎に１ショットずつ打つようにしても良く、約ｎ回転毎に１ショットずつ（ｎ＝３，４，…）打つようにしても良い。
【００４０】
なお、励起用パルスレーザ光２は検査対象物の表面を伝播する表面波を選択的に励起するために線状に照射することが望ましいが、点状にしても良い。線状に照射する手段としては、光学系１５に円柱レンズを用いることが考えられる。なお、検査対象物１の回転によって実際には測定点１１は曲線状になる。
【００４１】
レーザ干渉計３の測定データは例えばノイズフィルタ１９を介して表示装置１４に供給される。表示装置１４はレーザ干渉計３の測定波形４を表示する。検査員は表示された測定波形４の変化に基づいて表面欠陥６の有無を判別することができる。このとき、単に表面欠陥６の有無を判別するだけでも良いが、測定波形４と探傷領域５は１対１に対応することから表面欠陥６が存在する探傷領域５を特定することもでき、測定面１ａのどこに表面欠陥６が存在するか特定できる。
【００４２】
ここで、励起用パルスレーザ光２によって励起された超音波は励起点１０を中心に四方八方に伝播し、また、検査対象物１の表面だけではなく内部へも伝播する。したがって、レーザ干渉計３の測定波形４には、探傷領域５のみを伝播した超音波だけでなく、例えば検査対象物１内を伝播して裏面で反射された超音波、表面を伝播して検査対象物１の端で反射された超音波等も含まれる（図１９参照）。したがって、測定波形４のうち判断の対象となる部分（対象波形部分）２１を特定する必要がある。本実施形態では、励起点１０と測定点１１との間の距離（探傷領域５の距離）、検査対象物１の材質、検査対象物１の温度等を考慮して探傷領域５を通過してきた表面波の到達時間を求め、この時間帯の波形を対象波形部分２１とする。例えば、励起用パルスレーザ光２の照射後、時間ｔ経過後に表面波が測定点１１に到達する場合には、時間ｔを挟んでその前後所定時間内に測定された波形を対象にする。
【００４３】
検査員は検査対象物１の測定波形４の対象波形部分２１と予め測定しておいた参照対象物の測定波形４の対象波形部分２１との相違に基づいて、または検査対象物１の表面欠陥６が無いことが判明している探傷領域５についての測定波形４の対象波形部分２１との相違に基づいて表面欠陥６の有無を判別しても良いが、本実施形態では、走査によって収集された測定波形４の高周波成分と低周波成分との強度比を求め、求めた強度比の変化に基づいて表面欠陥６を検出する。その概念を図１２に示す。
【００４４】
先ず、ステップＳ４１では、分析の対象となる測定波形４の対象波形部分２１を特定する。次に、対象波形部分２１の高周波成分の強度と低周波成分の強度を求める（ステップＳ４２）。このとき、高周波側の周波数成分のみが表面欠陥６の通過によって減衰されるように、あるいは低周波側の周波数成分よりも高周波側の周波数成分がより多く減衰されるように境界周波数を設定し、境界周波数よりも高い周波数成分を高周波成分とし、境界周波数よりも低い周波数成分を低周波成分とする。なお、境界周波数と同一の周波数成分は高周波成分と低周波成分のいずれに含めても良い。例えば、表面欠陥６の深さが１ｍｍの場合には１ＭＨｚよりも高い周波数成分が減衰されるので、この場合には１ＭＨｚを境界周波数として高周波成分と低周波成分とに分けることが好ましい。
【００４５】
次に、高周波成分と低周波成分との強度比を求め、表面欠陥６以外の影響を除去する（ステップＳ４３）。検査対象物１の測定面１ａの局所的な傾斜等はレーザ干渉計３によって表面変位として測定され、測定信号の振幅変動となる。この振幅変動は測定波形４の高周波成分と低周波成分との両方に同様に現れるので、高周波成分と低周波成分との強度比を求めることで測定ノイズをキャンセルすることができる。
【００４６】
本実施形態では、高周波成分の強度を低周波成分の強度で割ることで強度比（＝高周波成分の強度÷低周波成分の強度）を求めている。このようにする理由は以下の通りである。即ち、表面欠陥６による影響は高周波成分の方により大きく現れるので、高周波成分の強度の方が低周波成分の強度よりも変動する傾向にある。比を算出する場合、変動が少ない方を分母にした方が結果が安定する傾向にある。したがって、本実施形態では高周波成分の強度を低周波成分の強度で割るようにし、算出結果がより安定したものとなるようにしている。ただし、必ずしもこれに限るものではなく、低周波成分の強度を高周波成分の強度で割る（強度比＝低周波成分の強度÷高周波成分の強度）ようにしても良く、この場合にも測定ノイズのキャンセルは可能である。
【００４７】
次のステップＳ４４では、求めた強度比に基づいて表面欠陥６の有無を判別する。いま、強度比＝高周波成分の強度÷低周波成分の強度としているので、表面波が表面欠陥６を通過することで強度比は減少する。したがって、検査員は強度比の減少に基づいて表面欠陥６を検出することができる。
【００４８】
本実施形態では、強度比の減少を予め定めておいた閾値との比較によって判断する。閾値は、例えば表面欠陥６が存在していないことが明らかな測定波形４について強度比を求め、この強度比と表面欠陥６が存在している場合の強度比とを区別できるように設定する。
【００４９】
また、閾値は１つに限らず、複数設定しても良い。例えば、強度比の平均値μや標準偏差σを求め、これらに基づいて設定した閾値と、強度比の値に基づいて設定した閾値とを併用しても良い。例えば、第１の閾値：μ−σ、第２の閾値：強度比０．５とし、第１の閾値以下且つ第２の閾値以下の場合に表面欠陥６が存在すると判断するようにしても良い。
【００５０】
なお、強度比＝低周波成分の強度÷高周波成分の強度とした場合には、表面波が表面欠陥６を通過することで強度比が増加するので、強度比の増加に基づいて表面欠陥６を検出することができる。
【００５１】
このように本実施形態では、測定ノイズをキャンセルして表面欠陥６以外の影響を排除することができるので、より正確に表面欠陥６を検出することできる。
【００５２】
また、本実施形態では、走査によって収集した測定波形４と参照対象物の測定波形４との比較を行わずに表面欠陥６を検出することができるので、参照対象物について測定を予め行っていなくても表面欠陥６の有無を判別することができる。
【００５３】
本発明では、例えば発電用タービンのような回転体について、その運転を止めることなく表面探傷を行うことができる。したがって、定期点検等を待たずに亀裂等の表面欠陥６の発生を迅速に検出することができる。
【００５４】
なお上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。
【００５５】
例えば、上述の説明では、単に表面欠陥６を検出するだけであったが、表面欠陥６の深さを推定することも可能である。例えば、図１３に示すように、表面欠陥６を示す測定波形４について高周波成分と低周波成分とに分ける境界周波数を変化させながら繰り返し高周波成分と低周波成分の強度比を求め、求めた強度比の変化が最も急激なときの境界周波数に基づいて表面欠陥６の深さを推定する（ステップＳ４５）ことも可能である。なお、図１２のステップと同一のステップには同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００５６】
表面欠陥６を通過する際に減衰される表面波の周波数は表面欠陥６の深さに応じて変化する。即ち、表面欠陥６が浅ければ比較的高い周波数の表面波も通過できるが、表面欠陥６の深さが深くなるにつれて透過できる表面波の周波数は低くなる。このように表面欠陥６の深さと表面波の減衰される周波数との間には一定の関係がある。
【００５７】
いま、表面波が深さａの表面欠陥６を通過する際に周波数ｆ以上の高周波成分が減衰される場合、即ち表面欠陥６の深さａに対応する周波数がｆである場合を考える。ここで、実際には周波数ｆよりも低い周波数成分についても若干減衰されるため、表面欠陥６による周波数成分の減衰の大きさは周波数ｆを境に大きく変化する。つまり、周波数ｆを境にそれよりも低周波領域では周波数成分の減衰は僅かであるが、高周波領域では周波数成分の減衰は大きくなる。したがって、表面欠陥６を示す測定波形４について境界周波数を変えながら高周波成分と低周波成分の強度比を繰り返し求め、求めた強度比を境界周波数の大きさ順に並べると、強度比の変化は境界周波数が周波数ｆのときに最も大きくなる。この周波数ｆは表面欠陥６の深さａに対応するものであることから、強度比の変化が最も急激なときの境界周波数に基づいて表面欠陥の深さを推定することができる。
【００５８】
なお、周波数に基づいて表面欠陥６の深さａを求める方法については公知の方法を利用することから、ここではその説明を省略する。
【００５９】
本実施形態では、例えば発電用タービンの回転軸のような回転体について、その運転を止めることなく表面欠陥６の深さを測定することができる。例えば、発電用タービンの回転軸に表面欠陥６が存在することが判っている場合、その表面欠陥６が安全上問題にならない程度の微小なものであれば使用が継続される。ただし、表面欠陥６を継続観察する必要がある。継続観察を行う場合、検査の度に発電用タービンの運転をいちいち止めていたのでは効率が悪く、経済的、実用的ではない。本実施形態では、回転している状態で表面欠陥６の深さを測定することができるので、深さ測定のために発電用タービンの運転をいちいち止める必要がなく、大変効率的である。
【００６０】
また、上述の説明では、表面欠陥６以外の影響を除去するために高周波成分と低周波成分の強度比を求めていたが、必ずしもこれに限るものではない。例えば、図１４に示すように、走査によって収集された測定波形４の中から比較基準となる参照波形を選択し（ステップＳ５２）、参照波形と測定波形４との差異の度合いに基づいて表面欠陥６を検出する（ステップＳ５３，Ｓ５４）ようにしても良い。
【００６１】
まず、ステップＳ５１では、走査によって収集された測定波形４の中から１つの参照波形を選択する。ここでは、測定波形４のうち最初に測定したものに対応する探傷領域５には表面欠陥６が存在していないと仮定し、最初に測定した測定波形４を参照波形にしている。ただし、必ずしも最初に測定した測定波形４を参照波形にする必要はなく、対応する探傷領域５に表面欠陥６が存在しない測定波形４であれば、例えば２番目に測定した測定波形４でも、３番目に測定した測定波形４でも、あるいはその他の測定波形４でも良い。なお、参照波形をいったん決定した後でその測定波形４に表面欠陥６が存在することが判明した場合には、別の測定波形４を参照波形にして処理をやり直す。
【００６２】
次に、参照波形と測定波形４について対象波形部分２１を特定し（ステップＳ５２）、参照波形の対象波形部分２１と測定波形４の対象波形部分２１との差異の度合いを求める（ステップＳ５３）。いま、検査対象物１の測定面１ａの状態は表面欠陥６を除くとほぼ均一であると考えられることから、探傷領域５に表面欠陥６が存在しない場合の測定波形４の対象波形部分２１は参照波形の対象波形部分２１とほぼ同じになると考えられる。したがって、この場合には、差異の度合いが小さいことになる。一方、探傷領域５に表面欠陥６が存在している場合の測定波形４の対象波形部分２１は表面欠陥６の影響によって参照波形の対象波形部分２１と大きく異なることから、参照波形の対象波形部分２１との差異の度合いが大きくなる。したがって、検査員は差異の度合いの増加に基づいて表面欠陥６を検出することができる。
【００６３】
本実施形態では、差異の度合いの増加を予め定めておいた閾値との比較によって判断する。閾値は、例えば表面欠陥６が存在していないことが明らかな測定波形４と参照波形との比較より差異の度合いを求め、この差異の度合いと表面欠陥６が存在している場合の差異の度合いとを区別できるように決定する。
【００６４】
また、閾値は１つに限らず、複数設定しても良い。例えば、差異の度合いの平均値μや標準偏差σを求め、これらに基づいて設定した閾値と、差異の度合いの値に基づいて設定した閾値とを併用しても良い。例えば、第１の閾値：μ＋σ、第２の閾値：差異の度合い（例えばコントラスト関数）１０とし、第１の閾値以上且つ第２の閾値以上の場合に表面欠陥６が存在すると判断するようにしても良い。
【００６５】
差異の度合いとしては、例えば数式３で定義されるコントラスト関数Ｃｉを採用することができる。ここで、ｙｒ(ｔ)：参照波形、ｙｉ(ｔ)：測定波形４、ｉ＝１，２，…，ｎ（ｎは測定波形４の測定数）、ｊ＝１，２，…，ｎ（ｎは測定波形４の測定数）である。
【００６６】
【数３】
【００６７】
また、差異の度合いとして、例えば相関係数等を採用しても良い。
【００６８】
このように本実施形態では、表面欠陥６が存在しない測定波形４（参照波形）との比較によって表面欠陥６を検出するので、より正確に表面欠陥６を検出することができる。
【００６９】
また、上述の図１４のステップＳ５１では、最初に測定した（ｎ番目に測定した）測定波形４を参照波形としていたが、必ずしもこれに限るものではなく、例えば時系列における直前に測定された測定波形４、即ちｎ番目の測定波形４に対して（ｎ−１）番目の測定波形４を参照波形にしても良い（探傷領域５が隣り合う場合）。（ｎ−１）番目の測定波形４に対応する探傷領域５に表面欠陥６が存在せず、ｎ番目の測定波形４に対応する探傷領域５に表面欠陥６が存在する場合には差異の度合いが増加するので、検査員は表面欠陥６を検出することができる。
【００７０】
探傷領域５が隣り合う場合、表面欠陥６の有無を除けば測定面１ａの状態は類似していると考えられる。したがって、表面欠陥６の有無によって差異の度合いが大きく変化するので、表面欠陥６をより正確に検出することができる。
【００７１】
また、検査対象物１の測定面１ａが回転軸２０に対して垂直な面である場合には、本発明の周方向の走査を、径方向の走査と組み合わせても良い。即ち、励起用パルスレーザ光２の照射位置７と測定用レーザ光９の照射位置８を検査対象物１の径方向に移動させる走査手段によって案内するようにしても良い。
【００７２】
図１５に、径方向の走査と組み合わせる場合の例を示す。径方向走査手段２２は、例えば超音波発生用レーザ装置１３と図示しない光学系１５とレーザ干渉計３が取り付けられたスライダ２３と、スライダ２３を検査対象物１の測定面１ａに沿って径方向に案内するガイド２４と、スライダ２３をガイド２４に沿って移動させる図示しないモータ等の駆動手段より構成されている。駆動手段によってスライダ２３をガイド２４に沿って移動させることで、超音波発生用レーザ装置１３及びレーザ干渉計３を検査対象物１の径方向に移動させることができるので、励起用パルスレーザ光２の照射位置７と測定用レーザ光９の照射位置８を径方向に走査することができる。
【００７３】
ただし、径方向走査手段２２の構成はこれに限るものではなく、例えば光学系によってレーザ光２，９の照射方向を変化させることで径方向走査を行っても良く、その他公知の構成によって径方向走査を行うようにしても良い。
【００７４】
径方向走査手段２２を停止させた状態で周方向の走査を行う。そして周方向の走査が終わると、径方向走査手段２２を作動させてスライダ２３を隣の周方向走査位置に移動させる。そしてスライダ２３を停止させた後、次の周方向走査を行う。このように周方向走査と径方向走査を交互に行うことで測定面１ａを平面的に走査することができる。
【００７５】
また、検査対象物１の測定面１ａが回転軸２０に平行な面である場合には、本発明の周方向の走査を、回転軸方向の走査と組み合わせても良い。即ち、励起用パルスレーザ光２の照射位置７と測定用レーザ光９の照射位置８を検査対象物１の回転軸２０方向に移動させる走査手段によって案内するようにしても良い。
【００７６】
図１６に、回転軸方向の走査と組み合わせる場合の例を示す。回転軸方向走査手段２５は、例えば超音波発生用レーザ装置１３と図示しない光学系１５とレーザ干渉計３が取り付けられたスライダ２６と、スライダ２６を検査対象物１の測定面１ａに沿って回転軸２０方向に案内するガイド２７と、スライダ２６をガイド２７に沿って移動させる図示しないモータ等の駆動手段より構成されている。駆動手段によってスライダ２６をガイド２７に沿って移動させることで、超音波発生用レーザ装置１３及びレーザ干渉計３を検査対象物１の回転軸方向に移動させることができるので、励起用パルスレーザ光２の照射位置７と測定用レーザ光９の照射位置８を回転軸方向に走査することができる。
【００７７】
ただし、回転軸方向走査手段２５の構成はこれに限るものではなく、例えば光学系によってレーザ光２，９の照射方向を変化させることで回転軸方向走査を行っても良く、その他公知の構成によって回転軸方向走査を行うようにしても良い。
【００７８】
回転軸方向走査手段２５を停止させた状態で周方向の走査を行う。そして周方向の走査が終わると、回転軸方向走査手段２５を作動させてスライダ２６を隣の周方向走査位置に移動させる。そしてスライダ２６を停止させた後、次の周方向走査を行う。このように周方向走査と回転軸方向走査を交互に行うことで測定面１ａを平面的に走査することができる。
【００７９】
また、検査対象物１を回転させる手段を設け、回転体でない検査対象物１を回転させてレーザ超音波探傷を行うようにしても良い。回転手段としては、検査対象物１を保持するホルダと、ホルダを一定速度で回転させる駆動手段とを備え、回転速度を調節できることが好ましい。
【実施例１】
【００８０】
回転体の表面欠陥６の検出についての実験を行った。
【００８１】
（１．装置構成）
実験は、図３に示すレーザ超音波探傷装置１２を用いて行った。超音波発生用レーザ装置１３として、波長５３２ｎｍ、パルス幅１０ｎｓ、繰り返し周波数２０Ｈｚ（照射周期Ｔｓ：０．０５ｓ）、最大エネルギー１２０ｍＪ／パルスのＮｄ：ＹＡＧレーザ（Big Sky Laser製ＣＦＲ２００）を用い、超音波測定用レーザ干渉計３として波長１０６４ｎｍの二光波混合型干渉計（Tecnar製ＴＷＭ）を用いた。レーザ干渉計３の出力信号を周波数帯域５００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚのノイズフィルタ１９（エヌエフ電子製ＦＹ−６２８Ｓ）を介して表示装置１４としてのデジタルオシロスコープ（Tektronix製ＴＤＳ５０５４）で測定した。超音波発生用レーザの照射位置７とレーザ干渉計３の照射位置８の離隔距離は約１０ｍｍとした。
【００８２】
検査対象物１を模擬した試験体（以下、試験体１という）は電動モータ（オリエンタルモーター製ＵＳ５６０−００１Ｕ）に接続されたシャフトの先端に取り付け、１２００ｒｐｍ（回転周期０．０５ｓ）に近い回転速度で回転させた。試験体１は図１７に示すように直径６０ｍｍ、厚さ１０ｍｍであり、表面（測定面１ａ）に径方向および円周接線方向（以下、円周方向という）に深さ１ｍｍ、幅０．２ｍｍ以下のスリットを施した。当該スリットは表面欠陥６を模擬したものである（以下、スリット６という）。試験体１の材質はＳＵＳ３１６である。
【００８３】
（２．実験結果）
（２−１ 連続波形測定結果）
ここで、超音波発生用レーザ装置１３の励起用パルスレーザ光２の繰り返し周波数（換言すると照射周期Ｔｓ）と試験体１の回転速度（換言すると回転周期Ｔｒ）を若干ずらすと、励起点１０は試験体１の測定面１ａの任意点に対して時間経過とともに徐々にずれて行き、同一径において円周方向を周回する結果となる。一例として、励起用パルスレーザ光２の繰り返し周波数が２０Ｈｚ（回転速度にすると１２００ｒｐｍ）、試験体１の回転速度が１２０１ｒｐｍであれば、照射点は１分間で円周方向を一周する。よって、励起用パルスレーザ光２の照射位置７を固定して表面波波形を連続測定すると励起用パルスレーザ光２を円周方向に走査した場合と同じ結果が得られる。円周方向スリット６を対象とした場合の、レーザ照射時におけるスリット６位置の移動を図１８に模式的に示す。
【００８４】
ここでは試験体１の回転速度を励起用パルスレーザ光２の繰り返し周波数に対する同期状態から若干ずらし、約１０〜２０秒でスリット６が１周して同位置に再び戻ってくるように調整した。表面波波形は１秒間隔で１００回測定した。励起用パルスレーザ光２照射時間に対して−１〜＋９μｓ内において得られた測定波形４の時間系列を図１９に示す。なお、図１９では、見やすくするために測定波形４を縦方向にずらして表示している。探傷領域５を通過した表面波が測定されるのは時間３μｓ付近であり、この時間帯に大きな窪み、すなわち波形振幅の減衰が９回あることから、時間系列を取得するのに要した１００秒間にスリット６は探傷領域５を９回通過したことが判る。
【００８５】
また、スリット６が探傷領域５外にある場合（以下、スリット６なしの場合という）と探傷領域５内にある場合（以下、スリット６ありの場合という）の表面波波形を抽出した結果を図２０に示す。スリット６なしの場合については測定波形４のうち窪みに対応しない波形の一例、スリット６ありの場合については測定波形４のうち窪みに対応する波形の一例である。図２０において、スリット６なしの場合の波形を上に、スリット６ありの場合の波形を下に示している。両者を比べると、スリット６なしの場合では、探傷領域５を通過した表面波が測定される時間帯である３μｓ付近の波形（対象波形部分２１）が比較的鋭い形状を成しているのに対し、スリット６ありの場合では、時間３μｓ付近の波形は比較的鈍った形状を成している。これは、表面波の高周波成分がスリット６の通過によって減衰されたことに起因すると考えられる。
【００８６】
したがって、対象波形部分２１の形状変化に基づいて表面欠陥６を検出できることを確認できた。
【００８７】
（２−２ 周波数解析）
次に、スリット６をより正確に検出できることを確認するために、図１９に示した測定波形４の周波数解析を行った。時間３．９μｓ付近に試験体１の裏面から反射した縦波が現れたため、表面波の周波数解析には図１９において点線の枠Ｆで示した時間領域１．０〜３．８μｓ（対象波形部分２１）を対象に周波数解析を行った（図１２のステップＳ４１）。
【００８８】
スリット６を通過した表面波は高周波成分がより大きく減衰することを考慮し、周波数１ＭＨｚ（境界周波数）以下の成分（０．３６〜０．７１ＭＨｚ：低周波成分）と１ＭＨｚ以上の成分（１．４３〜１．７９ＭＨｚ：高周波成分）の強度を求めた（図１２のステップＳ４２）。なお、高速フーリエ変換の際に０．３６ＭＨｚ間隔で結果が出力され、１ＭＨｚを境にそれよりも低い２点と高い２点を採用したため、周波数の範囲が上述のようになっている。その結果を図２１に示す。図２１（ａ）は低周波成分を示し、（ｂ）は高周波成分を示している。図中の縦線はスリット６が探傷領域５を通過した時間を、横線は１００個の波形の周波数成分の平均値μ、標準偏差σをもとに求めたμ、μ±σ、μ±２σの値を示している。黒色の矢印はスリット６の存在によって期待される効果の方向を示している。
【００８９】
図２１（ａ）に示した０．３６〜０．７１ＭＨｚの成分強度の変動とスリット６の有無の間には殆んど相関が認められない。スリット６通過後（図中の縦線の右側）では一貫して強度が増加しているが、これは試験体１の表面状態の不均一性に起因している。つまり、試験体１の反射率は均一でないため、反射率の高い箇所ではレーザ干渉計３の感度が高くなり、測定波形４の振幅が大きくなり、周波数成分も増加する。
【００９０】
図２１（ｂ）に示した１．４３〜１．７９ＭＨｚの成分強度の変動とスリット６の有無にはある程度の相関が認められ、スリット６の検出条件をμ−σ以下とすると９回のうち８回検出できている（図中の破線の丸印）。しかしながら、スリット６が存在しない場合でもμ−σ以下となる点は同数程度あるため、この周波数スペクトル強度のみに基づいてスリット６の有無を判別するのは困難であることが分かる。また、図２１（ａ）と同様に、スリット６通過後に表面状態の不均一性に起因する強度増加が見られる。
【００９１】
以上の結果から、０．３６〜０．７１ＭＨｚの低周波成分はスリット６の存在に依存せず、表面状態のみを反映し、１．４３〜１．７９ＭＨｚの高周波成分はスリット６の存在と表面状態の両方に依存するが分かった。よって、高周波成分を低周波成分で規格化することにより表面状態の影響の除去、スリット６の検出感度の向上が期待できる。図２１（ｂ）の１．４３〜１．７９ＭＨｚ成分を図２１（ａ）の０．３６〜０．７１ＭＨｚ成分で除算して求めた強度比を図２２に示す（図１２のステップＳ４３）。図２２ではスリット６の有無と良好な相関が得られており、検出基準（閾値）をμ−σとすると、スリット６の通過が９回全て検出できており、誤検出も無い（図１２のステップＳ４４）。以上の結果から、試験体１表面の不均一性に影響されずに、表面欠陥６の有無を判別するには周波数成分強度比を求めるのが有効な手段であることが示された。
【００９２】
（２−３ 波形相関）
次に、周波数解析とは別の方法として、波形の違いからスリット６の有無を判別する方法についても検討を行った。
【００９３】
（２−３−１ 相関関数）
まず、参照波形ｙｒ(ｔ)と測定波形ｙｉ(ｔ)（ｉ＝１，２，…，１００）の相関関数を算出した。二つの波形の相関関数は波形が同一の場合は＋１、片方が反転した場合は−１、相関が全くない場合は０となる。ここで、参照波形として、スリット６が探傷領域５にない場合の任意の波形（ここではｔ＝０における第１波形ｙ１(ｔ)）、あるいは時系列における直前の波形（ｙｉ(ｔ)に対してｙｉ−１(t)、ｉ＝１の場合はｙ１(ｔ)）とした。どちらの場合もｔ＝０においては参照波形と測定波形４が同一になるため、相関係数は１となる。スリット６が探傷領域５にある場合は波形が変化するため、相関関数の低下が予想される。
【００９４】
図１９の時間領域１．０〜３．８μｓ内の測定波形４（対象波形部分２１）を対象に相関関数を算出した結果を図２３に示す。図２３（ａ）は参照波形に第１波形（最初に測定された波形）を用いた場合、図２３（ｂ）は時系列における直前波形（直前に測定された波形）を用いた場合である。図２３（ａ）においてはスリット６の検出回数はμ−σを基準（閾値）として４回に止まっており、ｔ＜２０ｓにおいては同基準での誤検出（×印）が複数回ある。よって、一定の参照波形を用いた相関関数はスリット６の有無の判断方法としては適していない。図２３（ｂ）においてはスリット６に関する感度が向上し、μ−σを基準とした場合８回検出されており、誤検出もない。しかし、ここではスリット６検出に対応する下向きのピークが複数点にわたることから、スリット６検出の時間分解能が若干低下していることが分かる。
【００９５】
ただし、スリット６検出の精度や時間分解能を落としてもかまわない場合には、相関関数の使用もスリット６の有無を判別するために有効な手段であるといえる。
【００９６】
（２−３−２ コントラスト関数）
相関係数とは異なる指標として、二つの波形の差異に基づくコントラストについても検討を行った。ここで、参照波形ｙｒ(ｔ)と測定波形４ｙｉ(ｔ)のコントラスト関数Ｃｉを数式４のように定義した。本関数は参照波形と測定波形４の差異の度合いを表し、同一波形では０となり、相対的に異なる波形では高い値をとる。また、コントラスト関数の算出では波形の和で除算するため、振幅に対する規格化が行え、これによって振幅のばらつきの影響が抑制できる。
【００９７】
【数４】
【００９８】
図１９の時間領域１．０〜３．８μｓの波形（測定波形４の対象波形部分２１）に関してコントラスト関数を算出した結果を図２４に示す。図２４（ａ）は参照波形に第１波形（最初に測定された波形）を用いた場合、図２４（ｂ）は時系列における直前波形（直前に測定された波形）を用いた場合である。いずれの場合においてもスリット６に対して良好な感度が得られ、μ＋σを判断基準（閾値）とした場合、図２４（ａ）では９回全て、図２４（ｂ）では８回検出されている（図１４のステップＳ５１〜Ｓ５４）。
【００９９】
以上の結果から、コントラスト関数もスリット６の有無を判別するために有効な手段であることが分かった。
【０１００】
（２−３−３ 畳み込み積分）
畳み込み積分も二つの波形の相関を算出するのに頻繁に用いられる。参照波形をｙｒ(ｔｊ)、測定波形４をｙｉ(ｔｊ)とした場合、畳み込み積分ｗｉは数式５によって与えられる。
【０１０１】
【数５】
【０１０２】
しかし、表面状態の不均一性によって波形の振幅が変動した場合、ｗｉは二つの波形ｙｒ(ｔ), ｙｉ(ｔ)の積によって与えられるため変動は増幅される形となり、スリット６の有無による波形の差異を見分けるのが困難となる。よって、畳み込み積分はスリット６検出には不適であるため、ここでは検討対象としなかった。
【０１０３】
（２−４ 結果比較）
周波数解析、波形相関に基づく波形処理の結果を表１にまとめて示す。ここで検討した処理法では、周波数成分強度比とコントラスト関数が検出率の高さ、誤検出率の低さにおいて最良であったと言える。相関関数に関しては、直前に得られた波形を参照波形に用いることで検出率が向上したが、前述の通り時間分解能の低下の課題が残る。
【０１０４】
【表１】
【０１０５】
なお、１σ判定（又は２σ判定）では、スリット６の存在によって増加するコントラスト関数においてはμ＋σ以上（又はμ＋２σ以上）を判定基準とし、スリット６の存在によって減少するその他の指標についてはμ−σ以下（又はμ−２σ以下）を判定基準とした。検出回数、未検出回数はスリット６が探傷領域５を合計９回通過した際の数値、誤検出回数はスリット６が通過していない場合に判定基準を満たした回数である。
【０１０６】
また、ここでは測定値の平均値μ、標準偏差σに基づく判定を行ったが、スリット６が存在しない場合でも偏差は存在する。よって、実用面においては、大きい偏差値（例えばμ−σ以下）の指標が得られた場合、これが閾値（絶対値）を下回る場合のみ、スリット６が存在すると判定すべきである。例えば、周波数成分強度比を用いる場合、図２２においてスリット６が無い箇所においては強度比は０．６以上となっているため、連続測定を行ったときの強度比がμ−σ（第１の閾値）以下、かつ０．５（第２の閾値）以下となった場合にスリット６が有ると判定すれば良い。相関関数に関してはμ−σ（第１の閾値）以下かつ０．９（第２の閾値）以下、コントラスト関数に関してはμ＋σ（第１の閾値）以上かつ１０（第２の閾値）以上などの条件とすれば良い。これらの閾値は試験体１によって異なるため、その都度表面欠陥６が無い場所を探傷し、指標の分布を基に決定することが好ましい。
【０１０７】
（３．高温における表面探傷）
（３−１ 実験条件）
次に、本手法の高温部品への適用性を明らかにするために、試験体１を高温環境下で回転させ、探傷実験を行った。
【０１０８】
図１７に示した試験体１を電気炉（アルバック理工製ＲＨＬ−Ｐ１２１０ＣＰ）内に設置した。電気炉は出力２ｋＷのヒータを１２本有し、放物面反射赤外線輻射加熱により試験体を室温から１０００℃まで昇温できる。ここでは炉内温度を室温〜５００℃の範囲で変化させ、室温，１００℃，２５０℃，５００℃において表面波の波形を連続測定した。測定条件は前述の探傷実験の場合と同様に，積分時間１ｓにて波形を１００回測定した。
【０１０９】
（３−２ 連続測定結果及び解析結果）
図２５に示した波形群に対し、上記２−２節と同様に周波数解析を行い、０．３６〜０．７１ＭＨｚ成分に対する１．４３〜１．７９ＭＨｚ成分の強度比を求めた。結果を図２６に示す。図２６中の縦線はスリット６が探傷領域５を通過した時間を示す。図２２の場合と同様に、スリット６が探傷領域５にある場合、周波数成分強度比は減少する傾向にある。図２６では測定時間内にスリット６が探傷領域５を１３回通過したが、判定基準（閾値）をμ−σ以下とした場合、このうち１０回が検出されている。
【０１１０】
以上の結果から、本発明は高温下における回転体にも適用可能であることを確認できた。
【符号の説明】
【０１１１】
１ 検査対象物
２ 励起用パルスレーザ光
３ レーザ干渉計
４ 測定波形
５ 表面波の伝播経路（探傷領域）
６ 表面欠陥
７ 励起用パルスレーザ光の照射位置
８ レーザ干渉計の測定用レーザ光の照射位置
９ 測定用レーザ光
１０ 励起点（検査対象物の励起用パルスレーザ光によって励起される部位）
１１ 測定点（検査対象物のレーザ干渉計によって測定される部位）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一定速度で回転する検査対象物に励起用パルスレーザ光を一定周波数で照射して前記検査対象物の表面を伝播する超音波を繰り返し発生させると共に、前記励起用パルスレーザ光の照射位置とは別の位置で前記超音波による表面変位を前記励起用パルスレーザ光に同期させたレーザ干渉計を用いて測定し、測定波形の変化に基づいて前記超音波の伝播経路途中における表面欠陥を検出するものであり、前記検査対象物に対する前記励起用パルスレーザ光の照射位置及び前記レーザ干渉計の測定用レーザ光の照射位置を固定すると共に、前記検査対象物の回転周期と前記励起用パルスレーザ光の照射周期とを相違させることで、前記検査対象物の前記励起用パルスレーザ光によって励起される部位と前記レーザ干渉計によって測定される部位とを前記検査対象物の周方向に徐々にずらして走査を行うことを特徴とする回転体のレーザ超音波探傷方法。
【請求項２】
前記走査によって収集された測定波形の高周波成分と低周波成分との強度比を求め、求めた強度比の変化に基づいて表面欠陥を検出することを特徴とする請求項１記載の回転体のレーザ超音波探傷方法。
【請求項３】
前記走査によって収集された測定波形の中から比較基準となる参照波形を選択し、前記参照波形との差異の度合いに基づいて表面欠陥を検出することを特徴とする請求項１記載の回転体のレーザ超音波探傷方法。
【請求項４】
前記参照波形は前記測定波形のうち最初に測定された波形であることを特徴とする請求項３記載の回転体のレーザ超音波探傷方法。
【請求項５】
前記参照波形は前記測定波形のうち時系列における直前に測定された波形であることを特徴とする請求項３記載の回転体のレーザ超音波探傷方法。
【請求項６】
前記表面欠陥を示す測定波形について前記高周波成分と前記低周波成分とに分ける境界周波数を変化させて繰り返し前記強度比を求め、求めた強度比の変化が最も急激なときの境界周波数に基づいて表面欠陥の深さを推定することを特徴とする請求項２記載の回転体のレーザ超音波探傷方法。
【請求項１】
一定速度で回転する検査対象物に励起用パルスレーザ光を一定周波数で照射して前記検査対象物の表面を伝播する超音波を繰り返し発生させると共に、前記励起用パルスレーザ光の照射位置とは別の位置で前記超音波による表面変位を前記励起用パルスレーザ光に同期させたレーザ干渉計を用いて測定し、測定波形の変化に基づいて前記超音波の伝播経路途中における表面欠陥を検出するものであり、前記検査対象物に対する前記励起用パルスレーザ光の照射位置及び前記レーザ干渉計の測定用レーザ光の照射位置を固定すると共に、前記検査対象物の回転周期と前記励起用パルスレーザ光の照射周期とを相違させることで、前記検査対象物の前記励起用パルスレーザ光によって励起される部位と前記レーザ干渉計によって測定される部位とを前記検査対象物の周方向に徐々にずらして走査を行うことを特徴とする回転体のレーザ超音波探傷方法。
【請求項２】
前記走査によって収集された測定波形の高周波成分と低周波成分との強度比を求め、求めた強度比の変化に基づいて表面欠陥を検出することを特徴とする請求項１記載の回転体のレーザ超音波探傷方法。
【請求項３】
前記走査によって収集された測定波形の中から比較基準となる参照波形を選択し、前記参照波形との差異の度合いに基づいて表面欠陥を検出することを特徴とする請求項１記載の回転体のレーザ超音波探傷方法。
【請求項４】
前記参照波形は前記測定波形のうち最初に測定された波形であることを特徴とする請求項３記載の回転体のレーザ超音波探傷方法。
【請求項５】
前記参照波形は前記測定波形のうち時系列における直前に測定された波形であることを特徴とする請求項３記載の回転体のレーザ超音波探傷方法。
【請求項６】
前記表面欠陥を示す測定波形について前記高周波成分と前記低周波成分とに分ける境界周波数を変化させて繰り返し前記強度比を求め、求めた強度比の変化が最も急激なときの境界周波数に基づいて表面欠陥の深さを推定することを特徴とする請求項２記載の回転体のレーザ超音波探傷方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図１１】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図１１】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２０１１−１６３９７１（Ｐ２０１１−１６３９７１Ａ）
【公開日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２７８２４（Ｐ２０１０−２７８２４）
【出願日】平成２２年２月１０日（２０１０．２．１０）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成２１年９月３日 社団法人 電気学会 電子・情報・システム部門大会委員会発行の「平成２１年 電気学会 電子・情報・システム部門大会 講演論文集」に発表
【出願人】（０００１７３８０９）財団法人電力中央研究所 (1,040)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月１０日（２０１０．２．１０）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成２１年９月３日 社団法人 電気学会 電子・情報・システム部門大会委員会発行の「平成２１年 電気学会 電子・情報・システム部門大会 講演論文集」に発表
【出願人】（０００１７３８０９）財団法人電力中央研究所 (1,040)
【Ｆターム（参考）】
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