(57)【要約】【課題】高い空間分解能での構造体内部の測定を可能とする。【解決手段】測定物の表面又は表面近傍に光エネルギー又は電気エネルギーを供給して超音波を発生させる超音波励起部２０と、超音波励起部２０によって発生した超音波を測定対象物１０２に供給し、測定対象物１０２を伝搬した超音波によって生じた信号を測定する内部測定部２４と、を備える測定装置を用いる。【選択図】図１
2010223653.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定物の表面又は表面近傍に光エネルギー又は電気エネルギーを供給して超音波を発生させる超音波励起部と、
前記測定物の内部を伝搬した超音波によって生じた信号を測定する内部測定部と、
を備えることを特徴とする構造物内部の測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の測定装置であって、
前記超音波励起部は、前記測定物の表面にレーザ光を照射する放射用レーザ発生部を備え、
前記レーザ光を前記測定物の表面に照射することによって超音波を発生させることを特徴とする測定装置。
【請求項３】
請求項１に記載の測定装置であって、
前記超音波励起部は、前記測定物の表面近傍にレーザ光を集光させる放射用レーザ発生部を備え、
前記レーザ光により前記測定物の表面近傍の気体を電離させることによって超音波を発生させることを特徴とする測定装置。
【請求項４】
請求項１に記載の測定装置であって、
前記超音波励起部は、前記測定物の表面近傍にレーザ光を集光させる放射用レーザ発生部と、前記レーザ光が照射されるターゲット部材と、を備え、
前記レーザ光を前記ターゲット部材に照射することによって超音波を発生させることを特徴とする測定装置。
【請求項５】
請求項１に記載の測定装置であって、
前記超音波励起部は、前記測定物の表面との間で放電を発生させる放電電極と、前記放電電極に電圧を印加する放電電圧印加部と、を含む放電発生部を備え、
前記測定物の表面と前記放電電極との間に放電を起こさせることによって超音波を発生させることを特徴とする測定装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１つに記載の測定装置であって、
前記測定物の表面形状を測定する表面形状測定部と、
前記内部測定部で測定された信号と、前記表面形状測定部で測定された表面形状と、に基づいて前記測定物の内部の構造又は組織を求める演算部と、
を備えることを特徴とする測定装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１つに記載の測定装置であって、
超音波を励起する位置、超音波によって発生する信号の検出位置及び測定物の少なくとも１つを空間的に移動させることによって前記測定物の測定対象位置を変更するスキャニング手段を備えることを特徴とする測定装置。
【請求項８】
請求項１〜４のいずれか１つに記載の測定装置であって、
前記放射用レーザ発生部及び前記内部測定部のいずれか一方のみを空間的に移動させることによって前記測定物の測定対象位置を変更するスキャニング手段を備えることを特徴とする測定装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１つに記載の測定装置であって、
前記内部測定部は、前記測定物にレーザ光を照射する検出用レーザ発生部と、前記検出用レーザ発生部から前記測定物に照射され、前記測定物から反射したレーザ光を検出する検出部と、を含むレーザ干渉計を備えることを特徴とする測定装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の測定装置であって、
前記放射用レーザ発生部と、前記検出部と、が前記測定物を挟んで対向する位置に配置されていることを特徴とする測定装置。
【請求項１１】
測定物の表面又は表面近傍に光エネルギー又は電気エネルギーを供給して超音波を発生させる超音波発生ステップと、
前記超音波発生ステップによって発生した超音波を前記測定物に供給し、前記測定物を伝搬した超音波によって生じた信号を測定する内部測定ステップと、
を備えることを特徴とする構造物内部の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造物の内部状態を測定する測定装置及び測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から超音波を用いて構造物内部の組織や構造を測定する測定装置が用いられている。例えば、２つの金属部材を重ね合わせて通電加熱することによって金属部材を溶融・再凝固させて金属部材同士を溶接したスポット溶接部の構造を超音波で測定することが行われている。
【０００３】
溶接部分の構造は、図１２に示すように、ナゲット部１０と呼ばれる部分と熱影響部１２と呼ばれる部分とに分けられる。ナゲット部１０は、溶接部分の最も内側に位置する部分であり、通電加熱によって溶融と再凝固された部分である。ナゲット部１０は、母材１４である金属に対して粒界が大きく、密度が小さい。したがって、母材１４に比べて超音波の伝搬速度が遅く、減衰も大きい。熱影響部１２は、ナゲット部１０の外側を覆う部分であり、通電によって加熱されたが、溶融までは至らなかった部分である。熱影響部１２では、母材１４である金属部材は密着状態となっており、その粒界は母材１４より大きく、ナゲット部１０より小さい。また、その密度は母材１４より小さく、ナゲット部１０より大きい。したがって、超音波の伝搬速度は母材１４より遅いが、ナゲット部１０より早くなる。また、超音波の減衰量は母材１４より大きいが、ナゲット部１０より小さい。この特性を利用して溶接部分の組織や構造を測定する。
【０００４】
なお、溶接部は、金属部材を重ね合わせて、電極チップで押圧しながら溶接されるので、溶接後の厚さは溶接部の中央部が周囲部に比べて薄くなる。
【０００５】
例えば、特許文献１には、溶接部の組織変化、熱処理、表面改質等の組織変化を検出するための超音波検出方法が開示されている。探触子から超音波を試験体に送信すると共に後方散乱波を受信することにより組織変化を検出する。試験体の基準部において後方散乱波を含む基準波を受信する。試験体の検査部において受信した検査波を基準波で除し又は検査波と基準波との差分を求めることにより基準化する。基準化された表示に基づいて溶接部、熱処理、表面改質等の組織変化を検出することが可能としている。
【０００６】
また、特許文献２には、レーザ式超音波発振受信装置を用いて溶接部の断面を可視化して、溶接部の被溶接材と接合材との溶融状態を測定する技術が開示されている。レーザ式超音波発振受信装置にて、可視化しようとする溶接部の断面に含まれる溶接部表面に、超音波レーザを照射して溶接部表面に超音波を発生させ、溶接部表面の変位を検出して信号強度の経時変化として出力する。測定された表面変位の検出信号に基づいて、溶接部の断面を画像化するための演算処理を行い、溶接部の断面を可視化する。溶接部表面の変位の測定は、同一箇所に対して複数回繰り返し、この測定結果を加算演算して画像化処理に利用する。また、溶接部表面に発生した５０ＭＨｚ以上の周波数を有する超音波振動のみを利用する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−８５９４９号公報
【特許文献２】特開２００７−５７４８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
単一プローブを用いる測定方法では、センサプローブの直径よりもナゲット部や熱影響部が大きいか否かの定性的な情報しか得られない。これは、測定の空間的な分解能がセンサプローブのサイズと同程度であるからである。
【０００９】
また、５０ＭＨｚ以上の周波数の超音波を用いる測定方法では、超音波発生装置や超音波による測定対象物の変位測定のセンサが大型化及び複雑化してしまう問題がある。したがって、装置の製造コストが高く、測定に掛かる費用も増大してしまう。
【００１０】
また、金属組織界面からの反射を利用する測定方法では、ナゲット部境界面からの反射が弱く、測定される信号のＳ／Ｎ比が低い。そのため、測定を繰り返して信号を累積的に蓄積する必要があり、測定時間が長くなるという問題がある。
【００１１】
また、測定物の厚さの情報を用いない測定方法では、超音波を用いた測定で得られる信号に測定対象物の厚さによる誤差が含まれたままであり、内部構造の形状や組織組成を正確に求めることができない。
【００１２】
さらに、センサプローブが大型である場合、狭小部の構造物内部の測定は困難である。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の１つの態様は、測定物の表面又は表面近傍に光エネルギー又は電気エネルギーを供給して超音波を発生させる超音波励起部と、前記測定物の内部を伝搬した超音波によって生じた信号を測定する内部測定部と、を備えることを特徴とする構造物内部の測定装置である。
【００１４】
また、本発明の別の態様は、測定物の表面又は表面近傍に光エネルギー又は電気エネルギーを供給して超音波を発生させる超音波発生ステップと、前記超音波発生ステップによって発生した超音波を前記測定物に供給し、前記測定物を伝搬した超音波によって生じた信号を測定する内部測定ステップと、を備えることを特徴とする構造物内部の測定方法である。
【００１５】
ここで、前記超音波励起部は、前記測定物の表面にレーザ光を照射する放射用レーザ発生部を備え、前記レーザ光を前記測定物の表面に照射することによって超音波を発生させることが好適である。測定方法としては、前記超音波発生ステップは、レーザ光を前記測定物の表面に照射することによって超音波を発生させることが好適である。
【００１６】
また、前記超音波励起部は、前記測定物の表面近傍にレーザ光を集光させる放射用レーザ発生部を備え、前記レーザ光により前記測定物の表面近傍の気体を電離させることによって超音波を発生させることも好適である。測定方法としては、前記超音波発生ステップは、レーザ光により前記測定物の表面近傍の気体を電離させることによって超音波を発生させることも好適である。
【００１７】
また、前記超音波励起部は、前記測定物の表面近傍にレーザ光を集光させる放射用レーザ発生部と、前記レーザ光が照射されるターゲット部材と、を備え、前記レーザ光を前記ターゲット部材に照射することによって超音波を発生させることも好適である。測定方法としては、前記超音波発生ステップは、レーザ光を前記ターゲット部材に照射することによって超音波を発生させることも好適である。
【００１８】
また、前記超音波励起部は、前記測定物の表面との間で放電を発生させる放電電極と、前記放電電極に電圧を印加する放電電圧印加部と、を含む放電発生部を備え、前記測定物の表面と前記放電電極との間に放電を起こさせることによって超音波を発生させることも好適である。測定方法としては、前記超音波発生ステップは、前記測定物の表面と放電電極との間に放電を起こさせることによって超音波を発生させることも好適である。
【００１９】
また、前記測定物の表面形状を測定する表面形状測定部と、前記内部測定部で測定された信号と、前記表面形状測定部で測定された表面形状と、に基づいて前記測定物の内部の構造又は組織を求める演算部と、を備えることが好適である。測定方法としては、前記測定物の表面形状を測定する表面形状測定ステップと、前記内部測定ステップで測定された信号と、前記表面形状測定ステップで測定された表面形状と、に基づいて前記測定物の内部の構造又は組織を求めることが好適である。
【００２０】
また、前記超音波励起部、前記内部測定部及び前記測定物の少なくとも１つを空間的に移動させることによって前記測定物の測定対象位置を変更するスキャニング手段を備えることが好適である。測定方法としては、超音波を励起する位置、超音波によって発生する信号の検出位置及び測定物の少なくとも１つを空間的に移動させることによって前記測定物の測定対象位置を変更することが好適である。
【００２１】
また、前記放射用レーザ発生部及び前記内部測定部のいずれか一方のみを空間的に移動させることによって前記測定物の測定対象位置を変更するスキャニング手段を備えることが好適である。測定方法としては、超音波を発生させるためのレーザ発生部及び内部測定を行う内部測定部のいずれか一方のみを空間的に移動させることによって前記測定物の測定対象位置を変更することが好適である。また、前記放電発生部及び前記内部測定部のいずれか一方のみを空間的に移動させることによって前記測定物の測定対象位置を変更するスキャニング手段を備えることが好適である。測定方法としては、超音波を発生させるための放電発生部及び内部測定を行う内部測定部のいずれか一方のみを空間的に移動させることによって前記測定物の測定対象位置を変更することが好適である。
【００２２】
また、前記内部測定部は、前記測定物にレーザ光を照射する検出用レーザ発生部と、前記検出用レーザ発生部から前記測定物に照射され、前記測定物から反射したレーザ光を検出する検出部と、を含むレーザ干渉計を備えることが好適である。測定方法としては、前記測定部にレーザ光を照射し、前記測定部から反射してきたレーザ光を検出し、照射されたレーザ光と反射されたレーザ光との干渉により前記測定物の変形を検出することが好適である。
【００２３】
また、前記放射用レーザ発生部と、前記検出部と、が前記測定物を挟んで対向する位置に配置されていることが好適である。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、高い空間分解能で構造体内部の測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施の形態における構造物内部の測定装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態における超音波励起部の構成を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態における超音波励起部の一例を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態における超音波励起部の一例を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態における超音波励起部の一例を示す図である。
【図６Ａ】本発明の実施の形態における超音波励起部の一例を示す図である。
【図６Ｂ】本発明の実施の形態における超音波励起部の一例を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態における超音波励起部及び内部測定部の配置例を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態における超音波励起部及び内部測定部の配置例を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態における構造物内部の測定装置の構成を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態における測定結果の例を示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態における測定結果の解析方法を説明する図である。
【図１２】スポット溶接された鋼材の断面構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図１に、本発明の実施の形態における構造物内部の測定装置１００の基本構成を示す。測定装置１００は、図１に示すように、超音波励起部２０、内部測定部２２、スキャニング部２４及びコントローラ２６を含んで構成される。
【００２７】
超音波励起部２０は、測定対象物１０２に対して入力する超音波を発生させる構成要素である。超音波励起部２０は、例えば、放射用レーザ又は直流放電部を含んで構成することができる。
【００２８】
図２に、放射用レーザを用いる場合についてのシステム構成を示す。放射用レーザを用いたシステムでは、図２に示すように、レーザ本体３０、ハーフミラー３２、パワーメータ３４、集光レンズ３６及びプリズム３８を含んで構成される。
【００２９】
レーザ本体３０は、ＹＡＧレーザ、エキシマレーザ、半導体レーザ等を適用することができる。例えば、波長５３２ｎｍでパルス幅６ｎｓのＹＡＧレーザを用いることができる。レーザ本体３０はコントローラ２６により出力制御される。ハーフミラー３２は、レーザ本体３０から出力されたレーザ光Ａの一部を反射して、一部を透過する。ハーフミラー３２で反射又は透過されたレーザ光Ａの一方はパワーメータ３４へ入力され、他方は集光レンズ３６へ入力される。パワーメータ３４は、入力されたレーザ光Ａのパワーを計測する。計測されたパワー値はコントローラ２６へ出力され、コントローラ２６によってレーザ本体３０から出力されるレーザ光Ａのパワーが制御される。一方、集光レンズ３６に入力されたレーザ光Ａは集光レンズ３６のレンズ効果により、プリズム３８を介して、超音波発生部に集光される。
【００３０】
なお、放射用レーザを用いる場合のシステム構成はこれに限定されるものではなく、レーザ光Ａを超音波発生部に集光させることができる制御手段及び光学系システムを含むものであればよい。また、超音波励起部２０、内部測定部２２及び測定対象物１０２は、気相中はもちろん水等の液相中にあってもよい。
【００３１】
図３に、放射光レーザを用いた第１の超音波発生方法を示す。この超音波発生方法は、表面ブレークダウン法と呼ばれる。レーザ本体３０から出力されたレーザ光Ａは、ハーフミラー３２、集光レンズ３６及びプリズム３８等の光学系システムを介して、測定対象物１０２の測定対象領域の表面に集光照射される。これにより、測定対象物１０２の表面がプラズマ化し、それに伴って超音波が発生する。発生した超音波は測定対象物１０２の測定対象領域を伝搬する。そして、超音波の伝搬に応じた測定対象物１０２の変化が内部測定部２２にて測定される。
【００３２】
表面ブレークダウン法の特徴は、１００ＭＨｚ以上の高周波数帯域の超音波を供給することが可能な点にある。
【００３３】
図４に、放射光レーザを用いた第２の超音波発生方法を示す。この超音波発生方法は、エアブレークダウン法と呼ばれる。レーザ本体３０から出力されたレーザ光Ａは、ハーフミラー３２、集光レンズ３６及びプリズム３８等の光学系システムを介して、測定対象物１０２の測定対象領域の表面から離れた空間Ｂに集光される。これにより、レーザ光Ａが集光された空間Ｂの大気がブレークダウンし、それに伴って超音波が発生する。発生した超音波は測定対象物１０２の測定対象物１０２との間の空間を伝搬し、測定対象物１０２の測定対象領域へ入力される。測定対象物１０２に入力された超音波は測定対象領域を伝搬する。そして、超音波の伝搬に応じた測定対象物１０２の変化が内部測定部２２にて測定される。
【００３４】
エアブレークダウン法の特徴は、測定対象物１０２の表面に損傷が生ずることがない点にある。また、超音波の伝搬時間により測定物までの距離が測定可能である。また、発生可能な超音波の周波数は８ＭＨｚ程度である。
【００３５】
図５に、放射光レーザを用いた第３の超音波発生方法を示す。この超音波発生方法は、ターゲットブレークダウン法と呼ばれる。レーザ本体３０から出力されたレーザ光Ａは、ハーフミラー３２、集光レンズ３６及びプリズム３８等の光学系システムを介して、測定対象物１０２の測定対象領域の表面から離れた位置に配置されたターゲットＣに集光される。これにより、レーザ光Ａが集光されたターゲットＣがプラズマ化され、それに伴って超音波が発生する。発生した超音波は測定対象物１０２の測定対象物１０２との間の空間を伝搬し、測定対象物１０２の測定対象領域へ入力される。測定対象物１０２に入力された超音波は測定対象領域を伝搬する。そして、超音波の伝搬に応じた測定対象物１０２の変化が内部測定部２２にて測定される。ターゲットＣとしては、金属、セラミック等が用いられる。
【００３６】
ターゲットブレークダウン法の特徴は、測定対象物１０２の表面に損傷が生ずることがない点にある。また、超音波の伝搬時間により測定物までの距離が測定可能である。また、発生可能な超音波の周波数は１０ＭＨｚ程度である。
【００３７】
なお、測定対象物１０２等に照射されたレーザ光Ａを安全に拡散させるディフューザを用いてもよい。
【００３８】
図６Ａに、直流放電を用いる場合についてのシステム構成を示す。直流放電を用いるシステムでは、図６Ａに示すように、電源４０、スイッチ４２及び電極４４を含んで構成される。
【００３９】
電源４０は、数１００Ｖから数ｋＶの直流電圧を発生させて出力する。電源４０はコントローラ２６により出力制御される。スイッチ４２は、電源４０から出力される電圧をオン／オフ制御し、電圧の電極４４への供給を制御する。電極４４は、測定対象物１０２の表面から離れた位置に配置される先端が尖った電極先端部４４ａを有する。
【００４０】
電源４０からスイッチ４２を介して電極４４へ供給された電圧により、電極先端部４４ａと測定対象物１０２との間で放電が発生し、それに伴って超音波が発生する。発生した超音波は測定対象物１０２の測定対象領域を伝搬する。そして、超音波の伝搬に応じた測定対象物１０２の変化が内部測定部２２にて測定される。
【００４１】
直流放電を用いる方法の特徴は、放電発生時の電源電圧により電極先端部４４ａと測定対象物１０２との距離が求められる点ある。
【００４２】
なお、直流放電を用いる場合のシステム構成はこれに限定されるものではなく、直流放電により超音波を発生させることができるものであればよい。例えば、図６Ｂに示すように、測定対象物１０２の表面から離して配置した電極４４ａとターゲットＣとの間で放電を起こし、それによって発生する超音波を測定対象物１０２の表面に供給するような方法であってもよい。
【００４３】
内部測定部２２は、超音波励起部２０により発生させられ測定対象物１０２へ供給された超音波によって測定対象物１０２に生じた変化を信号として取得する。内部測定部２２は、例えば、光干渉計（レーザ干渉計）や圧電素子等を含んで構成することができる。  内部測定部２２により測定対象物１０２から得られた信号はコントローラ２６へ出力される。
【００４４】
光干渉計（レーザ干渉計）は、光源から出た光をハーフミラー等で２つ以上の光に分割し、別々の光路を通して再び重ね合わせ、その光路差により発生する干渉縞を信号として捉えて、その光路差に基づいて測定対象物１０２の表面形状や透過波面形状の変化を求めるものである。光干渉計は、光源（レーザ本体）、光の分割手段（ハーフミラー等）、光の重ね合わせ手段（ハーフミラー等）、検出手段（光電変換素子）を含んで構成することができる。なお、光干渉計については、周知技術であるので詳しい説明は省略する。
【００４５】
圧電素子は、外部から加えられる機械的振動を圧電効果（ピエゾ効果）により電圧に変換することで、測定対象物１０２の機械的な変動振動を電気的に検出するものである。圧電素子としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ:Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）等が挙げられる。また、複数の圧電素子を１次元のアレイ状又は２次元のマトリックス状に配置した圧電プローブを用いてもよい。なお、圧電素子については、周知技術であるので詳しい説明は省略する。
【００４６】
図７に、超音波励起部２０と内部測定部２２との配置の関係の一例を示す。図７に示す例では、超音波励起部２０として放射用レーザを用い、内部測定部２２としてレーザ干渉計を用いた場合を示している。放射用レーザによる超音波の発生位置とレーザ干渉計による測定位置とは測定対象物１０２を挟んで対向するように配置している。このような配置では、超音波励起部２０により測定対象物１０２に与えられた超音波は測定対象物１０２の表面から裏面へと伝搬し、測定対象物１０２の裏面に現れる変化を内部測定部２２によって測定する。
【００４７】
図８に、超音波励起部２０と内部測定部２２との配置の関係の一例を示す。図８に示す例では、超音波励起部２０として放射用レーザを用い、内部測定部２２としてレーザ干渉計を用いた場合を示している。放射用レーザによる超音波の発生位置とレーザ干渉計による測定位置とは測定対象物１０２の表面側に配置している。このような配置では、超音波励起部２０により測定対象物１０２に与えられた超音波は測定対象物１０２の表面から裏面へと伝搬し、さらに裏面で反射して表面へ伝搬し、測定対象物１０２の表面に現れる変化を内部測定部２２によって測定する。
【００４８】
なお、図７及び図８の超音波励起部２０は直流放電方式等の他の方式に置き換えてもよい。また、図７及び図８の内部測定部２２は圧電素子等の他の方式に置き換えてもよい。圧電素子を用いる場合には測定対象物１０２の表面又は裏面に圧電素子を接触させる構成とすればよい。
【００４９】
スキャニング部２４は、測定対象物１０２における測定部位を変更する手段を含んで構成される。スキャニング部２４は、コントローラ２６によって制御され、測定対象物１０２の１つの測定部位の測定が終了すると、他の測定部位が測定可能となるように超音波励起部２０、内部測定部２２及び測定対象物１０２の少なくとも１つを他に対して相対的に移動させる。例えば、超音波励起部２０及び内部測定部２２を一体的に測定対象物１０２に対して相対的に移動させる機械的な機構を設けることによって測定部位を変更することができる。また、超音波励起部２０及び内部測定部２２の位置を固定し、測定対象物１０２を相対的に移動させる機械的な機構を設けることによって測定部位を変更することができる。さらに、超音波励起部２０と内部測定部２２とを分離して、少なくとも一方を測定対象物１０２に対して相対的に移動させる機械的な構成を設けてもよい。この場合、超音波励起部２０と内部測定部２２との相対的な位置も変更されるので、以下に述べる測定対象物１０２の内部の解析において信号を補正する必要がある。
【００５０】
コントローラ２６は、測定装置１００に含まれる超音波励起部２０、内部測定部２２及びスキャニング部２４を統合的に制御する。また、内部測定部２２から受信した信号に基づいて測定対象物１０２の構造や組成について解析する。解析方法については後述する。
【００５１】
なお、図９に示すように、測定装置１００に表面形状測定部２８及び裏面形状測定部２９を設けることが好適である。表面形状測定部２８及び裏面形状測定部２９は、例えば、接触針をプローブとして用いる段差計やレーザ光をプローブとして用いるレーザ干渉計等を適用することができる。また、超音波励起部２０又は内部測定部２２にレーザ光を用いている場合には、表面形状測定部２８及び裏面形状測定部２９としてレーザ光を併用してもよい。なお、段差計やレーザ干渉計等の測定技術は周知であるので詳しい説明は省略する。表面形状測定部２８及び裏面形状測定部２９で測定された信号はコントローラ２６に入力される。
【００５２】
表面形状測定部２８及び裏面形状測定部２９を設けた場合、スキャニング部２４は、表面形状測定部２８及び裏面形状測定部２９も測定対象物１０２に対して相対的に移動可能とすることが好適である。
【００５３】
超音波励起部２０及び内部測定部２２の配置と表面形状測定部２８及び裏面形状測定部２９の配置との空間的なずれがある場合は、コントローラ２６は、測定部位と超音波励起部２０及び内部測定部２２によって測定される測定対象物１０２の内部の状態を示す信号と、表面形状測定部２８及び裏面形状測定部２９によって測定される測定対象物１０２の表面及び裏面の形状を示す信号と、の位置を補正して同一の測定部位から得られた信号を互いに対応付けする。
【００５４】
＜測定対象物の内部解析処理＞
図１０に、本発明の実施の形態における測定装置１００で測定した超音波信号の測定例を示す。図１０は、厚さ１．２ｍｍの２枚の鋼をスポット溶接した部材を測定対象物１０２として、入射エネルギー４ｍＪ及びパルス幅６ｎｓのレーザ光を用いた表面ブレークダウン法において発生させた超音波を与え、測定対象物１０２を挟んで超音波発生部に対向する位置に配置した接触式圧電素子（帯域１０ＭＨｚ）を用いて測定対象物１０２の裏面の変形を測定したものである。
【００５５】
図１０の横軸は時間を示し、縦軸は圧電素子の出力電圧を示す。実線は測定対象物１０２にスポット溶接により形成されたナゲット部の中央近傍で測定を行った結果を示し、破線はナゲット部の周囲部で測定を行った結果を示す。また、測定対象物１０２の裏面に超音波が最初に到達した時刻を基準（０）としている。
【００５６】
ナゲット部が厚い中央近傍では、測定対象物１０２の裏面に超音波が最初に到達した時刻から、裏面反射及び表面反射を経て次に裏面に超音波が到達する時刻までは時間ｔ１（０．８５μ秒）となる。一方、ナゲット部が薄い周辺部では、測定対象物１０２の裏面に超音波が最初に到達した時刻から、裏面反射及び表面反射を経て次に裏面に超音波が到達する時刻までは時間ｔ２（０．７５μ秒）となる。すなわち、ナゲット部はナゲット部以外（母剤や熱影響部）よりも超音波の伝搬速度は遅く、ナゲット部がより厚い中央近傍の時間ｔ１はナゲット部がより薄い周辺部の時間ｔ２よりも長くなる。
【００５７】
図１１に、測定対象物１０２のナゲット部を通る直線上において測定位置を変えながら、各測定位置において測定対象物１０２の裏面に超音波が最初に到達した時刻から、裏面反射及び表面反射を経て次に裏面に超音波が到達する時刻までの時間ｔｘを測定した結果を破線で示す。なお、図１１では、最も時間ｔｘが長い測定位置（ナゲット部の中央に相当）の時間ｔｘを１として、各位置の時間ｔｘを規格化している。また、表面形状測定部２８及び裏面形状測定部２９によって測定された表面及び裏面の形状に基づいて、測定対象物１０２の各測定位置の厚さの変化を算出した結果を一点鎖線で示す。なお、図１１では、最も時間ｔｘが長い測定位置（ナゲット部の中央に相当）の厚さを１として、各測定位置の厚さの変化率を示している。
【００５８】
コントローラ２６は、各測定位置における時間ｔｘを厚さの変化率で補正する。すなわち、時間ｔｘは各測定位置におけるナゲット部とナゲット部以外（母剤や熱影響部）との厚さの比だけでなく、各測定位置における測定対象物１０２の厚さ自体にも影響を受ける。したがって、各測定位置における時間ｔｘを厚さの変化率で除算することにより時間ｔｘを厚さで規格化している。補正された時間ｔｘを実線で示す。
【００５９】
このようにして求めた厚さの変化率で補正した時間ｔｘが、時間ｔｘの最大値から所定の割合の範囲をナゲット部と判定する。所定の割合は、母材の材質、溶接の方法等の条件によって異なる。例えば、厚さの変化率で補正した時間ｔｘの変化が時間ｔｘの最大値から１０％以下の範囲をナゲット部と判定する。
【００６０】
また、図１０に示すように、ナゲット部が厚い中央近傍ではナゲット部の薄い周辺部よりも超音波の減衰が大きく、中央部の信号の振幅は周辺部の信号の振幅よりも小さくなる。したがって、信号の振幅に基づいて測定対象物１０２の内部構造を解析することもできる。例えば、測定対象物１０２のナゲット部を通る直線上において測定位置を変えながら、各測定位置において測定対象物１０２の裏面に超音波が最初に到達した信号の振幅を測定し、その信号が小さいほど測定対象物１０２の厚さに対するナゲット部の厚さの比が大きく、その信号が大きいほど測定対象物１０２の厚さに対するナゲット部の厚さの比が小さいとして解析すればよい。
【００６１】
この場合も、コントローラ２６は、各測定位置における信号の振幅値を厚さの変化率で補正することが好適である。すなわち、各測定位置における信号の振幅値を厚さの変化率で乗算することにより振幅値を厚さで規格化する。
【００６２】
なお、信号の振幅を利用する場合には、超音波励起部２０から出力されるレーザ光のパワー値をパワーメータ３４で測定し、コントローラ２６はそのパワー値により信号の振幅を補正することが好適である。
【００６３】
また、厚さの変化率に応じて時間ｔｘや振幅値の補正を行わなくとも数％の測定精度の低下がみられるだけであるので、高い解析精度を必要としない場合には補正処理は必ずしも行う必要はない。特に、測定対象物１０２の厚さの変化が小さい場合には必要性は低い。
【００６４】
以上のように、本実施の形態によれば、溶接部のナゲット部等の測定対象物の内部の構造や組成を定量的に解析することができる。特に、レーザ光や直流放電を用いて超音波を発生させるので、測定の空間的分解能が高い。
【００６５】
また、周波数帯域１０ＭＨｚ以下の超音波を用いるので、超音波励起部や内部測定部を小型化及び簡素化することができ、装置の製造コストや測定に掛かる費用を低減することができる。
【００６６】
また、金属組織界面からの反射を利用する測定方法よりも得られる信号のＳ／Ｎ比が大きく、測定を繰り返して信号を累積的に蓄積する必要がなく、測定時間を短縮することができる。
【符号の説明】
【００６７】
１０  ナゲット部、１２  熱影響部、２０  超音波励起部、２２  内部測定部、２４  スキャニング部、２６  コントローラ、２８  表面形状測定部、２９  裏面形状測定部、３０  レーザ本体、３２  ハーフミラー、３４  パワーメータ、３６  集光レンズ、３８  プリズム、４０  電源、４２  スイッチ、４４  電極、４４ａ  電極先端部、１００  測定装置、１０２  測定対象物。
【図１】
2010223653.tif 000003
【図２】
2010223653.tif 000004
【図３】
2010223653.tif 000005
【図４】
2010223653.tif 000006
【図５】
2010223653.tif 000007
【図６Ａ】
2010223653.tif 000008
【図６Ｂ】
2010223653.tif 000009
【図７】
2010223653.tif 000010
【図８】
2010223653.tif 000011
【図９】
2010223653.tif 000012
【図１０】
2010223653.tif 000013
【図１１】
2010223653.tif 000014
【図１２】
2010223653.tif 000015