(57)【要約】【課題】計測対象が小型であったり狭隘部にある場合や溶接中の金属など高温の場合であっても、計測対象の厚さ、相変化の位置、組成変化の状態を精度良く計測できる超音波計測装置を提供する。【解決手段】計測対象のある部分に非接触で超音波送信手段から超音波を励起し、計測対象中を伝播した超音波を非接触で超音波受信手段により検出する。そして、伝播時間計測手段では、超音波を送信した送信時刻と超音波を受信した受信時刻との時間差から超音波の伝播時間を測定する。速度校正手段では、温度測定手段で測定した測定対象の温度または温度分布から測定対象中の超音波の伝播速度を校正し、伝播経路長測定手段では、伝播時間計測手段で計測した伝播時間と速度校正手段で求められる伝播速度とから超音波の伝播経路長を算出する。【選択図】図1
2008102160.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測対象のある部分に非接触で超音波を励起する超音波送信手段と、前記計測対象中を伝播した前記超音波を非接触で検出する超音波受信手段と、前記超音波送信手段で前記超音波を送信した送信時刻と前記超音波受信手段が前記超音波を受信した受信時刻の時間差から前記超音波の伝播時間を測定する伝播時間計測手段と、前記計測対象の温度または温度分布を測定する温度測定手段と、前記温度測定手段で測定した表面温度または表面の温度分布から超音波の伝播方向に沿った前記測定対象の内部の温度分布を推定する温度分布推定部と、前記温度分布推定部で推定した温度分布から前記測定対象中を伝播する超音波の伝播速度を校正する速度校正手段と、前記伝播時間計測手段で計測した伝播時間と前記速度校正手段で求められる伝播速度とから前記超音波の伝播経路長を算出する伝播経路長測定手段とを具備したことを特徴とする超音波計測装置。
【請求項２】
計測対象のある部分に非接触で超音波を励起する超音波送信手段と、前記計測対象中を伝播した前記超音波が伝播経路上の音響特性変化領域で反射されて発生する反射波を非接触で検出する超音波受信手段と、前記超音波送信手段で前記超音波を送信した送信時刻と前記超音波受信手段が前記反射波を受信した受信時刻との時間差から前記超音波の伝播時間を測定する伝播時間計測手段と、前記計測対象の温度または温度分布を測定する温度測定手段と、前記温度測定手段で測定した表面温度または表面の温度分布から超音波の伝播方向に沿った前記測定対象の内部の温度分布を推定する温度分布推定部と、前記温度分布推定部で推定した温度分布から前記測定対象中を伝播する超音波の伝播速度を校正する速度校正手段と、前記伝播時間計測手段で計測した伝播時間と前記速度校正手段で求められる伝播速度とから前記超音波の伝播経路長を算出する伝播経路長測定手段とを具備したことを特徴とする超音波計測装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の超音波計測装置において、前記計測対象に対して前記超音波送信手段で超音波を励起する位置または超音波の進行方向を任意に駆動するための送信位置走査手段と、前記計測対象中を伝播した前記超音波または反射波の前記超音波受信手段によるその検出位置を任意に駆動するための受信位置走査手段と、前記送信位置走査手段と前記受信位置走査手段とからその位置情報を入力され各々の位置関係における前記伝播経路長測定手段の出力信号を前記位置情報と対応づけて記録する記録手段と、前記記録手段に記録された情報を数表またはグラフまたは画像として表示する表示手段とを具備したことを特徴とする超音波計測装置。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の超音波計測装置において、前記計測対象の前記超音波送信手段および前記超音波受信手段に対する位置を駆動するための計測対象位置走査手段と、前記計測対象位置走査手段からその位置情報を入力され、各々の位置関係における前記伝播経路長測定手段の出力信号を前記位置情報と対応づけて記録する記録手段と、前記記録手段に記録された情報を数表またはグラフまたは画像として表示する表示手段とを具備したことを特徴とする超音波計測装置。
【請求項５】
計測対象のある部分に非接触で超音波を励起する超音波送信手段と、前記計測対象中を伝播した前記超音波が伝播経路上の音響特性変化領域で反射または散乱または回折または透過された超音波を非接触で検出する超音波受信手段と、前記計測対象の温度または温度分布を測定する温度測定手段と、前記温度測定手段で測定した表面温度または表面の温度分布から超音波の伝播方向に沿った前記測定対象の内部の温度分布を推定する温度分布推定部と、前記温度分布推定部で推定した温度分布から前記測定対象中を伝播する超音波の伝播速度を校正する速度校正手段と、前記速度校正手段で求められる伝播速度を考慮して前記超音波受信手段で受信した信号を予め用意したリファレンス信号と比較する信号波形評価手段と、前記信号波形評価手段の評価結果から前記超音波の伝播経路の状態を診断する伝播経路診断手段とを具備したことを特徴とする超音波計測装置。
【請求項６】
請求項５に記載の超音波計測装置において、前記信号波形評価手段においてリファレンス信号と受信信号との間で比較される物理量が、信号のレベルまたは周波数スペクトルまたは位相またはパルス幅または伝播時間または減衰率、あるいはそれら物理量の複数個の組み合わせであることを特徴とする超音波計測装置。
【請求項７】
請求項５または請求項６に記載の超音波計測装置において、前記計測対象に対して前記超音波送信手段で超音波を励起する位置または超音波の進行方向を任意に駆動するための送信位置走査手段と、前記計測対象中を伝播した前記超音波の前記超音波受信手段によるその検出位置を任意に駆動するための受信位置走査手段と、前記送信位置走査手段と前記受信位置走査手段とからその位置情報を入力され各々の位置関係における前記伝播経路診断手段の出力情報を前記位置情報と対応づけて記録する記録手段と、前記記録手段に記録された情報を数表またはグラフまたは画像として表示する表示手段とを具備したことを特徴とする超音波計測装置。
【請求項８】
請求項５または請求項６に記載の超音波計測装置において、前記計測対象の前記超音波送信手段および前記超音波受信手段に対する位置を駆動するための計測対象位置走査手段と、前記計測対象位置走査手段からその位置情報を入力され各々の位置関係における前記伝播経路診断手段の出力情報を前記位置情報と対応づけて記録する記録手段と、前記記録手段に記録された情報を数表またはグラフまたは画像として表示する表示手段とを具備したことを特徴とする超音波計測装置。
【請求項９】
請求項１乃至請求項４に記載の超音波計測装置において、前記超音波送信手段は、時間的に間欠的または変調波的なレーザー光であって、前記計測対象表面に熱歪みまたはアブレーションを発生させるのに必要かつ十分なエネルギー密度まで空間的に点状または円状または楕円状または線状または同心円状または点線状または格子状に集光されたレーザー光を用いるようにしたことを特徴とする超音波計測装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の超音波計測装置において、前記超音波送信手段として使われるレーザー光は、光ファイバーによって光源から前記計測対象上の照射位置近傍まで導かれることを特徴とする超音波計測装置。
【請求項１１】
請求項１乃至請求項４に記載の超音波計測装置において、前記超音波受信手段における超音波の検出は、レーザー光の干渉現象または偏向現象を用いるようにしたことを特徴とする超音波計測装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の超音波計測装置において、前記超音波受信手段として使われるレーザー光は、光ファイバーによって光源から前記計測対象上の検出照射位置近傍まで導かれ、かつその反射光が同一または別の光ファイバーによって干渉機構または偏向検知機構まで導かれるようにしたことを特徴とする超音波計測装置。
【請求項１３】
請求項９乃至請求項１２に記載の超音波計測装置において、前記超音波送信手段のレーザー光による超音波送信点と、前記超音波受信手段のレーザー光による超音波受信点との間に遮蔽板を設けたことを特徴とする超音波計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を用いて、計測対象の媒質の厚さ、深さ方向の相変化の境界位置、深さ方向の組成状態を計測する超音波計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、計測対象の深さ方向の情報を計測する計測手法としては、図１５に示すような超音波エコー法が知られている。この超音波エコー法では、以下のようにして計測対象の深さ方向の情報が計測される。簡単のためここでは計測対象１が固体である場合について説明する。
【０００３】
まず、計測対象１に対してカプラント２を介して超音波探触子３を接触させる。この状態で送信器４から電気信号を超音波探触子３に印加し、超音波探触子３から計測対象１中に超音波５を送信する。送信された超音波５は計測対象１中を伝播し、裏面で反射されて再び超音波探触子３の近傍に反射してくる。この反射波は超音波探触子３で受信され、送信の逆作用によって電気信号に変換されて信号検出器６に入力される。信号検出器６には送信器４からの送信信号も入力されており、信号検出器６における送信信号の受信時刻と受信信号の受信時刻との時間差Δｔ、つまり計測対象１中を超音波５が伝播した時間が計測される。
【０００４】
ここで、信号検出器６には予め計測対象１中を伝わる超音波の伝播速度ｖｓが入力されており、計測した時間差Δｔと超音波の伝播速度ｖｓとから、計測対象１の厚さｄが（１）式の関係から算出される。
【０００５】
ｄ＝ｖｓ・Δｔ／２ …（１）
図１５の例では、計測対象１は一様な固相であることを仮定したが、計測対象１の一部が融解し液相７を呈している場合には、図１６に示すように、固相８と液相７との境界領域で発生する反射波９と、液相表面すなわち計測対象１の裏面で発生する反射波１０との双方について計測することになる。
【０００６】
一方、非接触の超音波送信手法としては、例えばレーザー光を用いた技術がある。これは短パルス高エネルギーのレーザー光をある制御対象１に照射すると、照射点付近にレーザーエネルギーの吸収による熱応力あるいは気化（アブレーション）圧縮力が発生し、その作用による歪みが超音波となって対象中を伝播するという手法である。この手法はJ.D.Aussel（"Generation Acoustic Waves by Laser: Theoretical and Experimental Study of the Emission Source," Ultrasonics, vol.24(1988), 246-255）らによって理論的かつ実験的に明らかにされている。
【０００７】
また、レーザー光によって発生した超音波の伝播方向（指向性）を制御する手法としては、例えば光ファイバーを用いる方法がJ.Jarzynski("The Use of Optical Fibers to Enhance the Laser Generation of Ultrasonic Waves," Journalof the Acoustical Society of America, Vol.85(1989), 158-162）らによって、またブラッグ回折を用いる方法がR.F.Ing（"Focusing and Beamsteering of Laser Generated Ultrasound," IEEE-1989 Ultrasonics Symposium, 539-544）らによって明らかにされている。
【０００８】
また、非接触の超音波受信手段としても、例えばレーザー光を用いた技術がある。これは超音波が計測対象のある面に到達すると発生する微小振動を、レーザー光の進行方向の変化（偏向）や反射光の位相差、周波数遷移量などから計測するものであり、例えば山脇（"レーザ超音波と非接触材料評価," 溶接学会誌, 第64巻(1995), 104-108）によって解説されている。また、計測対象１内部の組成状態、例えば、固体試料中の粒界寸法の分布状況などは、現在では試料を破壊し、その断面をエッチング処理して顕微観察している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところが、上記の超音波探触子３を用いた計測手法は、簡便な深さ方向の情報計測手段であり通常の計測対象に対しては有効であるが、超音波探触子３を設置する際にはカプラントの塗布が必要であり、これは作業工程の増加につながる。また、計測対象１が小型であったり狭隘部にある場合には、超音波探触子３を設置することが困難である。
【００１０】
さらに、計測対象１が溶接中の金属など高温の場合には、カプラント２の蒸発や超音波探触子３の温度による損傷を防止する特殊な機構が必要となる上、媒質の温度あるいは温度勾配によって超音波の伝播速度が変化し、正確な測定が困難になる。また、上記の破壊法による計測対象１内部の組成状態計測手法は、手法上、使用中の機器に対しては実施することができない。
【００１１】
本発明の目的は、計測対象が小型であったり狭隘部にある場合や溶接中の金属など高温の場合であっても、計測対象の厚さ、相変化の位置、組成変化の状態を精度良く計測できる超音波計測装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１の発明に係わる超音波計測装置は、計測対象のある部分に非接触で超音波を励起する超音波送信手段と、前記計測対象中を伝播した前記超音波を非接触で検出する超音波受信手段と、前記超音波送信手段で前記超音波を送信した送信時刻と前記超音波受信手段が前記超音波を受信した受信時刻の時間差から前記超音波の伝播時間を測定する伝播時間計測手段と、前記計測対象の温度または温度分布を測定する温度測定手段と、前記温度測定手段で測定した表面温度または表面の温度分布から超音波の伝播方向に沿った前記測定対象の内部の温度分布を推定する温度分布推定部と、前記温度分布推定部で推定した温度分布から前記測定対象中を伝播する超音波の伝播速度を校正する速度校正手段と、前記伝播時間計測手段で計測した伝播時間と前記速度校正手段で求められる伝播速度とから前記超音波の伝播経路長を算出する伝播経路長測定手段とを具備したものである。
【００１３】
請求項１の発明に係わる超音波計測装置では、計測対象のある部分に非接触で超音波送信手段から超音波を励起し、計測対象中を伝播した超音波を非接触で超音波受信手段により検出する。そして、伝播時間計測手段では、超音波送信手段から超音波を送信した送信時刻と超音波受信手段が超音波を受信した受信時刻との時間差から超音波の伝播時間を測定する。速度校正手段では、温度測定手段で測定した測定対象の温度または温度分布から測定対象中の超音波の伝播速度を校正し、伝播経路長測定手段では、伝播時間計測手段で計測した伝播時間と速度校正手段で求められる伝播速度とから超音波の伝播経路長を算出する。これにより、測定対象の厚さを検出する。
【００１４】
請求項２の発明に係わる超音波計測装置は、計測対象のある部分に非接触で超音波を励起する超音波送信手段と、前記計測対象中を伝播した前記超音波が伝播経路上の音響特性変化領域で反射されて発生する反射波を非接触で検出する超音波受信手段と、前記超音波送信手段で前記超音波を送信した送信時刻と前記超音波受信手段が前記反射波を受信した受信時刻との時間差から前記超音波の伝播時間を測定する伝播時間計測手段と、前記計測対象の温度または温度分布を測定する温度測定手段と、前記温度測定手段で測定した表面温度または表面の温度分布から超音波の伝播方向に沿った前記測定対象の内部の温度分布を推定する温度分布推定部と、前記温度分布推定部で推定した温度分布から前記測定対象中を伝播する超音波の伝播速度を校正する速度校正手段と、前記伝播時間計測手段で計測した伝播時間と前記速度校正手段で求められる伝播速度とから前記超音波の伝播経路長を算出する伝播経路長測定手段とを具備したものである。
【００１５】
請求項２の発明に係わる超音波計測装置では、計測対象のある部分に非接触で超音波送信手段から超音波を励起し、計測対象中を伝播した超音波が伝播経路上の音響特性変化領域で反射されて発生する反射波を非接触で超音波受信手段により検出する。そして、伝播時間計測手段では、超音波送信手段で超音波を送信した送信時刻と超音波受信手段が反射波を受信した受信時刻の時間差から超音波の伝播時間を測定し、速度校正手段では、温度測定手段で測定した計測対象の温度または温度分布から測定対象中の超音波の伝播速度を校正する。伝播経路長測定手段は、伝播時間計測手段で計測した伝播時間と速度校正手段で求められる伝播速度とから超音波の伝播経路長を算出する。これにより、音響特性変化領域の厚さを検出する。
【００１６】
請求項３の発明に係わる超音波計測装置は、請求項１または請求項２に記載の超音波計測装置において、計測対象に対して超音波送信手段で超音波を励起する位置または超音波の進行方向を任意に駆動するための送信位置走査手段と、計測対象中を伝播した超音波または反射波の超音波受信手段によるその検出位置を任意に駆動するための受信位置走査手段と、送信位置走査手段と受信位置走査手段とからその位置情報を入力され各々の位置関係における伝播経路長測定手段の出力信号を位置情報と対応づけて記録する記録手段と、記録手段に記録された情報を数表またはグラフまたは画像として表示する表示手段とを具備したものである。
【００１７】
請求項３の発明に係わる超音波計測装置では、請求項１または請求項２に記載の超音波計測装置の作用に加え、送信位置走査手段は、計測対象に対して超音波送信手段で超音波を励起する位置または超音波の進行方向を任意に駆動し、受信位置走査手段は、計測対象中を伝播した超音波または反射波の超音波受信手段によるその検出位置を任意に駆動する。そして、記録手段は、送信位置走査手段と受信位置走査手段とからその位置情報を入力し各々の位置関係における伝播経路長測定手段の出力信号を位置情報と対応づけて記録する。また、表示手段は、記録手段に記録された情報を数表またはグラフまたは画像として表示する。
【００１８】
請求項４の発明に係わる超音波計測装置は、請求項１または請求項２に記載の超音波計測装置において、計測対象の超音波送信手段および超音波受信手段に対する位置を駆動するための計測対象位置走査手段と、計測対象位置走査手段からその位置情報を入力され、各々の位置関係における伝播経路長測定手段の出力信号を位置情報と対応づけて記録する記録手段と、記録手段に記録された情報を数表またはグラフまたは画像として表示する表示手段とを具備したものである。
【００１９】
請求項４の発明に係わる超音波計測装置では、請求項１または請求項２に記載の超音波計測装置の作用に加え、計測対象位置走査手段は、計測対象の超音波送信手段および超音波受信手段に対する位置を駆動し、記録手段は、計測対象位置走査手段からその位置情報を入力し各々の位置関係における伝播経路長測定手段の出力信号を位置情報と対応づけて記録する。また、表示手段は、記録手段に記録された情報を数表またはグラフまたは画像として表示する。
【００２０】
請求項５の発明に係わる超音波計測装置は、計測対象のある部分に非接触で超音波を励起する超音波送信手段と、前記計測対象中を伝播した前記超音波が伝播経路上の音響特性変化領域で反射または散乱または回折または透過された超音波を非接触で検出する超音波受信手段と、前記計測対象の温度または温度分布を測定する温度測定手段と、前記温度測定手段で測定した表面温度または表面の温度分布から超音波の伝播方向に沿った前記測定対象の内部の温度分布を推定する温度分布推定部と、前記温度分布推定部で推定した温度分布から前記測定対象中を伝播する超音波の伝播速度を校正する速度校正手段と、前記速度校正手段で求められる伝播速度を考慮して前記超音波受信手段で受信した信号を予め用意したリファレンス信号と比較する信号波形評価手段と、前記信号波形評価手段の評価結果から前記超音波の伝播経路の状態を診断する伝播経路診断手段とを具備したものである。
【００２１】
請求項５の発明に係わる超音波計測装置では、計測対象のある部分に非接触で超音波送信手段から超音波を励起し、計測対象中を伝播した超音波が伝播経路上の音響特性変化領域で反射または散乱または回折または透過された超音波を非接触で超音波受信手段により検出する。そして、温度測定手段で測定した計測対象の温度または温度分布から測定対象中の超音波の伝播速度を速度校正手段で校正し、信号波評価手段では、速度校正手段で求められる伝播速度を考慮して超音波受信手段で受信した信号を予め用意したリファレンス信号と比較し、伝播経路診断手段では、信号波形評価手段の評価結果から超音波の伝播経路の状態を診断する。
【００２２】
請求項６の発明に係わる超音波計測装置は、請求項５に記載の超音波計測装置において、信号波形評価手段においてリファレンス信号と受信信号との間で比較される物理量は、信号のレベルまたは周波数スペクトルまたは位相またはパルス幅または伝播時間または減衰率、あるいはそれら物理量の複数個の組み合わせとしたものである。
【００２３】
請求項６の発明に係わる超音波計測装置では、請求項５に記載の超音波計測装置の作用に加え、信号波形評価手段では、信号のレベルまたは周波数スペクトルまたは位相またはパルス幅または伝播時間または減衰率、あるいはそれら物理量の複数個の組み合わせについて、リファレンス信号と比較する。
【００２４】
請求項７の発明に係わる超音波計測装置は、請求項５または請求項６に記載の超音波計測装置において、計測対象に対して超音波送信手段で超音波を励起する位置または超音波の進行方向を任意に駆動するための送信位置走査手段と、計測対象中を伝播した超音波の超音波受信手段によるその検出位置を任意に駆動するための受信位置走査手段と、送信位置走査手段と受信位置走査手段とからその位置情報を入力され各々の位置関係における伝播経路診断手段の出力情報を位置情報と対応づけて記録する記録手段と、記録手段に記録された情報を数表またはグラフまたは画像として表示する表示手段とを具備したものである。
【００２５】
請求項７の発明に係わる超音波計測装置では、請求項５または請求項６に記載の超音波計測装置の作用に加え、送信位置走査手段は、計測対象に対して超音波送信手段で超音波を励起する位置または超音波の進行方向を任意に駆動し、受信位置走査手段は、計測対象中を伝播した超音波の超音波受信手段によるその検出位置を任意に駆動する。そして、記録手段は、送信位置走査手段と受信位置走査手段とからその位置情報を入力し各々の位置関係における伝播経路診断手段の出力情報を位置情報と対応づけて記録し、表示手段は、記録手段に記録された情報を数表またはグラフまたは画像として表示する。
【００２６】
請求項８の発明に係わる超音波計測装置は、請求項５または請求項６に記載の超音波計測装置において、計測対象の超音波送信手段および超音波受信手段に対する位置を駆動するための計測対象位置走査手段と、計測対象位置走査手段からその位置情報を入力され各々の位置関係における伝播経路診断手段の出力情報を位置情報と対応づけて記録する記録手段と、記録手段に記録された情報を数表またはグラフまたは画像として表示する表示手段とを具備したものである。
【００２７】
請求項８の発明に係わる超音波計測装置では、請求項５または請求項６に記載の超音波計測装置の作用に加え、計測位置走査手段は、計測対象の超音波送信手段および超音波受信手段に対する位置を駆動し、記録手段は、計測対象位置走査手段からその位置情報を入力し各々の位置関係における伝播経路診断手段の出力情報を位置情報と対応づけて記録し、表示手段は、記録手段に記録された情報を数表またはグラフまたは画像として表示する。
【００２８】
請求項９の発明に係わる超音波計測装置は、請求項１乃至請求項４に記載の超音波計測装置において、超音波送信手段は、時間的に間欠的または変調波的なレーザー光であって、計測対象表面に熱歪みまたはアブレーションを発生させるのに必要かつ十分なエネルギー密度まで空間的に点状または円状または楕円状または線状または同心円状または点線状または格子状に集光されたレーザー光を用いるようにしたものである。
【００２９】
請求項９の発明に係わる超音波計測装置では、請求項１乃至請求項４に記載の超音波計測装置の作用に加え、超音波送信手段からは、時間的に間欠的または変調波的なレーザー光が送信される。また、このレーザー光は、計測対象表面に熱歪みまたはアブレーションを発生させるのに必要かつ十分なエネルギー密度を有し、空間的に点状または円状または楕円状または線状または同心円状または点線状または格子状に集光されて照射される。
【００３０】
請求項１０の発明に係わる超音波計測装置は、請求項９に記載の超音波計測装置において、超音波送信手段として使われるレーザー光は、光ファイバーによって光源から計測対象上の照射位置近傍まで導かれるようにしたものである。
【００３１】
請求項１０の発明に係わる超音波計測装置では、請求項９に記載の超音波計測装置の作用に加え、超音波送信手段からのレーザー光は、光ファイバーによって光源から計測対象上の照射位置近傍まで導かれる。
【００３２】
請求項１１の発明に係わる超音波計測装置は、請求項１乃至請求項４に記載の超音波計測装置において、超音波受信手段における超音波の検出は、レーザー光の干渉現象または偏向現象を用いるようにしたものである。
【００３３】
請求項１１の発明に係わる超音波計測装置では、請求項１乃至請求項４に記載の超音波計測装置の作用に加え、超音波受信手段は、レーザー光の干渉現象または偏向現象を用いて超音波の検出を行う。
【００３４】
請求項１２の発明に係わる超音波計測装置は、請求項１１に記載の超音波計測装置において、超音波受信手段として使われるレーザー光は、光ファイバーによって光源から計測対象上の検出照射位置近傍まで導かれ、かつその反射光が同一または別の光ファイバーによって干渉機構または偏向検知機構まで導かれるようにしたものである。
【００３５】
請求項１２の発明に係わる超音波計測装置では、請求項１１に記載の超音波計測装置の作用に加え、超音波受信手段で使われるレーザー光は、光ファイバーによって光源から計測対象上の検出照射位置近傍まで導かれ、かつその反射光が同一または別の光ファイバーによって干渉機構または偏向検知機構まで導かれる。
【００３６】
請求項１３の発明に係わる超音波計測装置は、請求項９乃至請求項１２に記載の超音波計測装置において、超音波送信手段のレーザー光による超音波送信点と、超音波受信手段のレーザー光による超音波受信点との間に遮蔽板を設けたものである。
【００３７】
請求項１３の発明に係わる超音波計測装置では、請求項９乃至請求項１２に記載の超音波計測装置の作用に加え、遮蔽板により計測対象の表面で発生する反射光や散乱光による外乱を防止できる。
【発明の効果】
【００３８】
以上述べたように、本発明によれば、カプラントの塗布や超音波探触子の接触設置という作業工程の簡略化が可能で、しかも計測対象が小型であったり狭隘部にある場合や計測対象が溶接中金属など高温の場合でも、媒質の温度あるいは温度勾配による超音波の伝播速度の変化を補正でき、計測対象の厚さ、相変化の位置計測、組成変化の状態計測を精度よく実施することが可能となる。
【００３９】
すなわち、超音波を用いてある媒質の厚さあるいは深さ方向の相変化の境界位置あるいは深さ方向の組成状態を計測する場合に、媒質の温度または温度分布情報を用いて校正を加えるので、その測定精度を向上できる。また、小型あるいは高温あるいは狭隘部など接触やアクセスが困難な計測対象の板厚測定、あるいは溶接施工中の金属母材と溶加材の３次元的な溶け込み形状、あるいは溶接後の金属内部の熱影響部の分布状況を、非接触かつ非破壊で高精度に検出できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係わる超音波計測装置の構成図である。
【００４１】
第１の実施の形態に係わる超音波計測装置は、計測対象１のある面に非接触で超音波５を励起する超音波送信手段１１と、計測対象１中を伝播した超音波５が伝播経路上の音響特性変化領域で反射されて発生する反射波９、１０を非接触で検出する超音波受信手段１２と、超音波送信手段１１で超音波５を送信した送信時刻ｔ０と、超音波受信手段１２が反射波９および１０を受信した受信時刻ｔｒの差から超音波５の伝播時間Δｔを測定する伝播時間計測手段１３と、計測対象１の超音波励起面またはその裏面の温度、あるいはその両方の温度を測定する温度測定手段１４と、温度測定手段１４で測定した温度Ｔから測定対象１中の超音波の伝播速度ｖｓ（Ｔ）を校正する速度校正手段１５と、伝播時間計測手段１３で計測した伝播時間Δｔと速度校正手段１５で求められる伝播速度ｖｓ（Ｔ）から超音波５の伝播経路長ｏｕｔ１を算出する伝播経路長測定手段１６とから構成されている。
【００４２】
図１において、計測対象１に対して超音波送信手段１１から非接触で、しかも計測対象１の深さ方向に指向性を持って超音波５は送信される。送信された超音波５は計測対象１中を伝播し、計測対象１中の固相８と液相７との境界領域、および液相表面すなわち計測対象１の裏面で反射され、各々の位置から反射波９および反射波１０が発生する。これらの反射波９、１０は、超音波検出手段１２によって非接触で検出される。
【００４３】
ここで、超音波送信手段１１からは、時間的に間欠的または変調波的に照射されるレーザー光が出力される。そして、計測対象１の表面に熱歪みまたはアブレーションを発生させるのに必要かつ十分なエネルギー密度まで、空間的に点状または円状または楕円状または線状または同心円状または点線状または格子状に集光されたレーザー光が出力される。また、超音波受信手段１２における超音波の検出には、レーザー光の干渉現象を用いたり、レーザー光の偏向現象を用いて行う。
【００４４】
非接触の超音波送信手段１１および超音波受信手段１２にレーザー光を用いた場合の検出波形の１例を図２に示す。図２において、時刻ｔ０は送信用レーザー光の発振時刻、時刻ｔｒ９は固相８と液相７との境界から反射されてきた超音波９の受信時刻、時刻ｔｒ１０は計測対象裏面から反射されてきた超音波１０の受信時刻である。
【００４５】
超音波送受信がレーザー光を用いて行われた場合、光の伝播速度は超音波の伝播速度に比べて極めて早いことから、超音波送信手段１１内でレーザー光が発振した時刻ｔ０がすなわち超音波５が計測対象１表面に励起された時刻、超音波受信手段１２内のレーザー干渉計またはレーザー偏向計が超音波を検出した時刻ｔｒがすなわち反射波９および１０が計測対象１の表面に到達した時刻と扱うことができる。
【００４６】
伝播時間計測手段１３では時刻ｔ０と時刻ｔｒ９および時刻ｔｒ１０の時間差Δｔ９および時刻Δｔ１０が計測される。ここで、固相８を伝わる超音波の伝播速度ｖｓおよび液相７伝播速度ｖＬが既知であれば、（１）式の関係を用いて計測対象１中の固相８の厚さｄｓおよび液相７の厚さｄＬを各々求めることができる。ここで、伝播時間計測手段１３は、予め用意した反射された基本超音波波形を各々の反射波９、１０に関して発生時刻の特定が可能な任意の信号波形に変換する信号変換機能と、この信号変換機能によって超音波受信手段１２の受信信号が反射波の数だけの発生時刻の特定が可能な任意の信号波形に変換された変換信号から各々の反射波の受信時刻を測定する受信時刻測定機能と、送信時刻ｔ０と受信時刻ｔｒ９、ｔｒ１０との時間差を検出する時間差検出機能とを備えている。これらの機能により伝播時間を求める。
【００４７】
次に、媒質中の超音波の速度は、その媒質の温度に依存することが知られている。１例としてアームコ鉄中の超音波の伝播速度の温度依存性を示したグラフを図３に示す。図３に示した通り、超音波の音速ｖｓおよび音速ｖＬは媒質の温度によって大きく変わり、これを考慮しないと厚み測定上の誤差となって測定精度が劣化する。そこで計測対象１の表面および裏面の温度を温度測定手段１４で測定し、予め図３のごとく求めておいた温度―伝播速度の関係から伝播速度を校正することで、厚み測定精度を向上させる。
【００４８】
なお、超音波送信手段１１による超音波の送信位置ｐｅと、超音波受信手段１２による超音波の受信位置ｐｒとの間の距離Ｌが、計測対象１の厚さｄに比べて十分小さい場合には、厚さｄは音速の温度依存性を考慮した（１）式で求められるが、Ｌがｄに比べて無視できない場合には、図４に示す通り、下記の（２）式によって厚さｄを求める。
【００４９】
【数１】
2008102160.tif 000003
【００５０】
このような場合には、超音波送信手段１１内において、従来の技術で述べたように光ファイバーやブラッグ回折効果を用いて送信する超音波５に所望の角度θの伝播指向性を付け、また超音波受信手段１２内に検出できる超音波レベルが最大となる計測地点を探索する機能を設けると、より信号検出が簡単になる。
【００５１】
また、図５に示すように、液相７と固相８など相変化がない場合（単純な計測対象１の厚さを計測する場合）には、超音波送信手段１１と超音波受信手段１２とを互いに逆面に配置し、透過超音波５を計測することになる。
【００５２】
以上述べたように、第１の実施の形態によれば、レーザー光などを用いた非接触の超音波送信手段１１および超音波受信手段１２を設け、作業工程の短縮と計測媒質の寸法や配置に依らない計測を可能とするとともに、温度測定手段１４からの媒質の温度または温度分布情報から速度校正手段１５で媒質中の超音波の伝播速度を校正し、測定値の精度を向上させることが可能となる。
【００５３】
ここで、以上の説明では、計測対象１中を伝播した超音波５または液相７や液相と固相８との相変化の境界箇所で反射した反射波９、１０を非接触で検出しそれらの厚さを検出するようにしているが、計測対象１中を伝播した超音波が伝播経路上の音響特性変化領域で反射されて発生する反射波を非接触で検出し、計測対象１の厚さ（音響特性変化領域）を検出するようにしても良い。
【００５４】
すなわち、溶接中あるいは溶接後の金属では、溶解に伴う金属結晶粒の大きさの変化などが発生し、音響インピーダンスなど音響特性が変化することが知られているので、このような音響特性変化領域を非接触で検出しそれらの厚さを検出する。この場合も、第１の実施の形態と同様の効果が得られる。
【００５５】
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。図６は本発明の第２の実施の形態に係わる超音波計測装置の構成図である。この第２の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、計測対象１に対する超音波送信手段１１で超音波５を励起する深さ方向を含まない２次元的な位置または超音波５の進行方向を任意に駆動するための送信位置走査手段１７と、計測対象１中を伝播した超音波５または反射波９、１０の超音波受信手段１２によるその深さ方向を含まない２次元的な検出位置を任意に駆動するための受信位置走査手段１８と、送信位置走査手段１７と受信位置走査手段１８とからその位置情報ｏｕｔ２を入力され各々の位置関係における伝播経路長測定手段１６の出力信号ｏｕｔ１を位置情報ｏｕｔ２と対応づけて記録する記録手段１９と、記録手段１９に記録された情報を数表またはグラフまたは画像として表示する表示手段２０とを追加して設けたものである。これにより、液相７の分布形状を測定する。
【００５６】
また、送信位置走査手段１７および受信位置走査手段１８における超音波の送信位置および受信位置は固定のまま、計測対象１をその深さ方向を含まない２次元的に走査する機構、すなわち計測対象位置走査手段を設けることでも、同様に液相７の分布形状を測定できる。
【００５７】
図６において、送信位置走査手段１７を設け超音波送信手段１１による超音波５の送信位置ｐｅを任意に決定可能とし、受信位置走査手段１８を設け超音波受信送信手段１２による超音波５の受信位置ｐｒを任意に決定可能としている。これにより、各々の位置における厚さ情報ｄｓおよびｄＬを求める。従って、固相８と液相７との境界位置の２次元的な分布、あるいは固相８および液相７の各々の３次元的な形状を計測することが可能となる。これにより、液相７や固相８の厚さが一様でない場合に、その液相７や固相８の厚さの分布形状の計測が可能となる。
【００５８】
以上述べたように、第２の実施の形態によれば、非接触の超音波送信手段１１および超音波受信手段１２を用い、また送信位置走査手段１７および受信位置走査手段１８を用いることで、計測対象１の媒質に対する相対的な超音波の送信位置あるいは送信方向、超音波の受信位置、その両方を２次元的に走査するので、媒質あるいは相変化領域の形状を３次元的に再構成できる。
【００５９】
次に、本発明の第３の実施の形態を説明する。図７は本発明の第３の実施の形態に係わる超音波計測装置の構成図である。この第３の実施の形態は、超音波の伝播経路上の音響特性変化領域２１の状態、例えば、溶解や熱影響の発生部位の厚さ、その程度を計測できるようにしたものである。
【００６０】
第３の実施の形態に係わる超音波計測装置は、計測対象１のある面に非接触で超音波５を励起する超音波送信手段１１と、計測対象１中を伝播した超音波５および超音波５が伝播経路上の音響特性変化領域２１で反射、散乱、回折、透過した超音波２２、２３を非接触で検出する超音波受信手段１２と、計測対象１の温度を測定する温度測定手段１４と、温度測定手段１４で測定した温度Ｔから測定対象１中の超音波の伝播速度ｖｓ（Ｔ）を校正する速度校正手段１５と、超音波受信手段１２で受信した信号を速度校正手段１５で求められる伝播速度を考慮して予めデータベース２４に用意したリファレンス信号と比較する信号波形評価手段２５と、信号波形評価手段２５の評価結果から超音波の伝播経路の状態ｏｕｔ３を診断する伝播経路診断手段２６とから構成される。これにより、伝播経路上の音響特性変化領域２１の状態を計測する。
【００６１】
図７において、計測対象１に対して超音波送信手段１１から非接触で、しかも計測対象１の深さ方向に指向性を持って超音波が送信される。送信された超音波５は計測対象１中を伝播し、計測対象１中の音響特性変化領域２１に到達する。例えば、溶接中あるいは溶接後の金属では、溶解に伴う金属結晶粒の大きさの変化などが発生し、音響インピーダンスなど音響特性が変化することが知られている。この領域における超音波５の振舞いは以下のようになる。
【００６２】
すなわち、溶接前金属のように、結晶粒のスケールが超音波５の波長に比べ十分小さい（音響特性に変化がない）場合には、超音波５と結晶粒は相互作用せず、超音波５は直進透過する。一方、結晶粒のスケールが超音波５の波長に比べ無視できない（音響特性に変化がある）場合には、超音波５と結晶粒は相互作用し、超音波５の反射、散乱、回折などの現象が生じる。前者の場合、送信した超音波はほぼその波形形状をとどめたまま伝播し、検出されるのに対し、後者の場合には伝播経路各点の粒界面における微小反射、金属粒界による小角度散乱や回折などにより、送信超音波はその伝播経路上でレベルの減衰、パルス幅の増加、位相の遅れ、周波数スペクトルのブロード化、伝播時間の増加などの影響を受け、異なる波形形状で検出される。
【００６３】
これらの超音波２２、２３は、超音波検出手段１２によって非接触で時系列信号の変化として検出される。また、試料の表面および裏面の温度を温度測定手段１４で測定し、その伝播速度を校正した計測波形は信号波形評価手段２５に入力される。信号波形評価手段２５では、測定波形と予め記録されている波形データ（リファレンス信号）とが比較され、溶解または熱影響の発生部位の厚さやその程度に関する情報として伝播経路診断手段２６から出力される。
【００６４】
ここで、音響特性変化領域２１を通過していない波形データは予めデータベース２４に記録されている。この波形データは、例えば、溶接前の同じ試料に対して同じ装置で予め測定を行って採取しておくことも可能であるし、また溶接中あるいは溶接後に、溶接による熱影響や溶解が発生しない部分で同じあるいは別の装置を用いて採取してもよい。または送信波形そのものを何らかの手法で波形データとして記録しておいてもよい。つまり、データベース２４には、信号のレベル、周波数スペクトル、位相、パルス幅、伝播時間、減衰率、あるいはそれら物理量の複数個の組み合わせのリファレンス信号が記憶されている。
【００６５】
以上述べたように、第３の実施の形態によれば、ある媒質の深さ方向の組成状態を、その領域を伝播した超音波の時系列信号の変化から計測することで、非破壊で媒質内部の組成状態を評価できる。
【００６６】
次に、本発明の第４の実施の形態を説明する。図８は本発明の第４の実施の形態に係わる超音波計測装置の構成図である。この第４の実施の形態は、図７に示した第３の実施の形態に対し、音響特性変化領域２１の分布形状を測定するようにしたものである。
【００６７】
すなわち、計測対象１に対する超音波送信手段１１で超音波５を励起する深さ方向を含まない２次元的な位置または超音波５の進行方向を任意に駆動するための送信位置走査手段１７と、計測対象１中を伝播した超音波５、２２、２３の超音波受信手段１２によるその深さ方向を含まない２次元的な検出位置を任意に駆動するための受信位置走査手段１８と、送信位置走査手段１７と受信位置走査手段１８からその位置情報ｏｕｔ２を入力され各々の位置関係における伝播経路診断手段２６の出力信号ｏｕｔ３を位置情報ｏｕｔ２と対応づけて記録する記録手段１９と、記録手段１９に記録された情報を数表またはグラフまたは画像として表示する表示手段２０とを追加して設けたものである。これにより、音響特性変化領域２１の分布形状を測定する。つまり、音響特性変化領域２１の厚さが一様でない場合に、その音響特性変化領域２１の厚さの分布形状の計測が可能となる。
【００６８】
また、送信位置走査手段１７および受信位置走査手段１８における超音波の送信位置および受信位置は固定のまま、計測対象１をその深さ方向を含まない２次元的に走査する計測対象位置走査手段を設けることでも、同様に音響特性変化領域２１の分布形状を測定できる。
【００６９】
図８において、送信位置走査手段１７を設け超音波送信手段１１による超音波５の送信位置ｐｅを任意に決定可能とし、受信位置走査手段１８を設け超音波受信送信手段１２による超音波５の受信位置ｐｒを任意に決定可能としている。これにより、各々の位置における伝播経路の情報を求める。従って、音響特性変化領域２１の２次元的な分布、あるいは３次元的な形状を計測することが可能となり、音響特性変化領域２１の厚さが一様でない場合に、その音響特性変化領域２１の厚さの分布形状の計測が可能となる。
【００７０】
以上述べたように、第４の実施の形態によれば、非接触の超音波送信手段１１および超音波受信手段１２を用い、また送信位置走査手段１７および受信位置走査手段１８を用いることで、計測対象１の媒質に対する相対的な超音波の送信位置あるいは送信方向、超音波の受信位置、その両方を２次元的に走査するので、媒質内部の組成状態を３次元的に再構成できる。
【００７１】
次に、本発明の第５の実施の形態を説明する。図９は本発明の第９の実施の形態に係わる超音波計測装置の説明図である。この第５の実施の形態は、計測対象１中の相変化７（あるいは音響特性変化領域２１）に関する厚さ方向の情報をその温度分布から計測するようにしたものである。
【００７２】
図９において、計測対象１のある面に非接触で超音波５を励起する超音波送信手段１１と、計測対象１中を伝播した超音波５が伝播経路上の液相７（あるいは音響特性変化領域２１）で反射された超音波９、１０、または散乱、回折、透過された超音波２２、２３を非接触で検出する超音波受信手段１２と、超音波送信手段１１で超音波５を送信した送信時刻ｔ０と超音波受信手段１２が反射波９、１０（あるいは超音波２２、２３）を受信した受信時刻ｔｒとの時間差から超音波の伝播時間Δｔを測定する伝播時間計測手段１３と、計測対象１の温度を測定する温度測定手段１４と、温度測定手段１４で測定した温度と伝播時間計測手段１３で計測した伝播時間Δｔと予めデータベース２７に用意した計測対象１の厚さデータとから計測対象１内部の超音波５の伝播経路に沿った温度分布状態ｏｕｔ４を推定する温度分布推定手段２８とから構成される。これにより、計測対象１中の相変化７（あるいは音響特性変化領域２１）に関する厚さ方向の情報を、その温度分布から計測する。
【００７３】
計測対象１のある面に超音波送信手段１１によって非接触で超音波５を励起すると、超音波５は計測対象１中を伝播し、伝播経路上の液相７（あるいは音響特性変化領域２１）で反射（または散乱、回折、透過）される。ここでは簡単のため、伝播経路上に液相７が存在するとする。反射された超音波９、１０は、超音波受信手段１２によって非接触で検出される。
【００７４】
ここで、伝播時間計測手段１３において、超音波送信手段１１で超音波５を送信した送信時刻ｔ０と、超音波受信手段１２が反射波９、１０を受信した受信時刻ｔｒの差から、超音波の伝播時間Δｔが測定される。一方、計測対象１の表面および裏面の温度は温度測定手段１４によって計測される。
【００７５】
すなわち、伝播時間計測手段１３は、予め用意した反射または散乱または回折または透過された基本超音波波形を各々の反射波に関して発生時刻の特定が可能な任意の信号波形に変換する信号変換機能と、超音波受信手段の受信信号が信号変換機能によって超音波受信手段１２からの受信信号に含まれる反射または散乱または回折または透過された超音波の数だけの発生時刻の特定が可能な任意の信号波形に、信号変換機能によって変換された変換信号から各々の反射波の受信時刻を測定する受信時刻測定機能と、送信時刻ｔ０と受信時刻ｔｒ９、ｔｒ１０（ｔｒ２２、ｔｒ２３）との時間差を検出する時間差検出機能とを備えている。
【００７６】
いま、図１０（ａ）に示すように、固相８の厚さをｄｓ、液相７の厚さをｄＬとし、超音波の励起検出面の温度をＴｓ、裏面の温度をＴｒ、固相８と液相７の境界面の温度をＴｂとする。ここで、温度Ｔｓと温度Ｔｒは温度測定手段１４によって測定される量であり、温度Ｔｂは計測対象１の融点であるから、計測対象の物性値として既知である。従って、この３個所の温度と計測対象１の固相８と液相７における熱伝導率がわかれば、図１０（ｂ）に示すように、測定すべき量ｄｓ、ｄＬを未知数として超音波５の伝播経路に沿った温度分布を仮定することができる。
【００７７】
ここで、計測対象１の厚さｄを予め測定しておき、液相７の発生による膨張が、ｄに比べて十分小さいとすると、厚さｄは下記（３）式で示される。そこで、計測対象１の厚さｄを予めデータベース２７に用意しておけば未知数をｄｓまたはｄＬのどちらかいずれか１つに減らすことができる。
【００７８】
ｄ＝ｄｓ＋ｄＬ …（３）
次に、未知数ｄｓまたはｄＬのいずれかが含まれる温度分布Ｔ（ｘ）の温度場を、厚さｄ（往復の場合２ｄ）だけ超音波が伝播する際に要する時間として、伝播時間計測手段１３においてΔｔが求められているから、これらの量から、温度分布推定手段２８において未知数ｄｓまたはｄＬが求められる。
【００７９】
このように、第５の実施の形態では、超音波の伝播情報と媒質の温度または温度分布情報から媒質内部の温度分布状態を推定し、媒質の厚さあるいは深さ方向の相変化の境界位置あるいは深さ方向の組成状態を計測する。
【００８０】
次に、本発明の第６の実施の形態を説明する。図１１は本発明の第６の実施の形態に係わる超音波計測装置の構成図である。この第６の実施の形態は、図９に示した第５の実施の形態に対し、計測対象１に対する超音波送信手段１１で超音波５を励起する深さ方向を含まない２次元的な位置または超音波５の進行方向を任意に駆動するための送信位置走査手段１７と、計測対象１中を伝播した超音波５または反射波９、１０（または超音波２１、２２）の超音波受信手段１２によるその深さ方向を含まない２次元的な検出位置を任意に駆動するための受信位置走査手段１８と、送信位置走査手段１７と受信位置走査手段１８とからその位置情報ｏｕｔ２を入力され各々の位置関係における温度分布推定手段２８の出力信号ｏｕｔ４を位置情報ｏｕｔ２と対応づけて記録する記録手段１９と、記録手段１９に記録された情報を数表またはグラフまたは画像として表示する表示手段２０とを追加して設けたものである。これにより、液相７（または音響特性変化領域２１）の分布形状を測定する。
【００８１】
また、送信位置走査手段１７および受信位置走査手段１８における超音波の送信位置および受信位置は固定のまま、計測対象１をその深さ方向を含まない２次元的に走査する計測対象位置走査手段を設けることでも、同様に液相７（または音響特性変化領域２１）の分布形状を測定できる。
【００８２】
送信位置走査手段１７を設け超音波送信手段１１による超音波５の送信位置ｐｅを任意に決定可能とし、受信位置走査手段１８を設け超音波受信送信手段１２による超音波５の受信位置ｐｒを任意に決定可能としている。これにより、各々の位置における伝播経路の温度分布を求める。従って、相変化位置あるいは音響特性変化領域の２次元的な分布、あるいは３次元的な形状を計測することが可能となる。
【００８３】
このように、第６の実施の形態では、非接触の超音波送信手段１１および超音波受信手段１２を用いることで、計測対象１の媒質に対する相対的な超音波の送信位置あるいは送信方向、超音波の受信位置、その両方を２次元的に走査し、媒質、あるいは相変化領域、あるいは組成状態分布を３次元的に再構成する。
【実施例】
【００８４】
以下、本発明の実施例を説明する。図１２は、本発明の第１の実施例の構成図であり、図１に示した第１の実施の形態に関する実施例である。超音波送信手段１１は、Nd:YAGレーザー光源３１、照射用光学系３２、アナログ・デジタル変換器４０ｂで構成され、超音波受信手段１２は、He-Neレーザー光源３５、マイケルソン干渉計３６、シグナルアベレージャ３７、信号増幅器３８、バンドパスフィルター３９、アナログ・デジタル変換器４０ａで構成され、温度測定手段１４ａは、熱電対４２ａ、アナログ・デジタル変換器４０ｃで構成され、温度測定手段４ｂは、熱電対４２ｂ、アナログ・デジタル変換器４０ｄで構成される。そして、デジタル計算機４１は、伝播時間計測手段１３、速度校正手段１５、伝播経路長測定手段１６を達成する機能を有している。
【００８５】
図１２において、まず計測対象１は、角度φで既知の寸法を持つ開先形状であり、その斜面がトーチ２９によって添加材３０ともども溶解される系である。計測対象１の上面のある点ｐｅに、ＱスイッチNd:YAGレーザー光源３１から短パルス高エネルギーのレーザー光を照射用光学系３２を介して照射する。このようにすると、照射点ｐｅを音源とした超音波５が計測対象１の内部に伝播する。
【００８６】
ここで、超音波５の指向性をある角度θに決める手法は種々あるが、この機構は照射用光学系３２に含まれており、今超音波５の伝播指向性はφ＜θの関係になっているとする。またレーザー光源はNd:YAGを媒質としたもの以外、赤外域で発振するCO2レーザー、紫外域で発振するエキシマレーザー、小型な半導体レーザーなども使用可能である。
【００８７】
また、計測対象１の寸法形状から適切に選んだ照射点ｐｅから指向角度θで入射された超音波５は、計測対象１中を伝播して計測対象１斜面の母材金属３３と溶融金属３４の境界面に到達する。境界面に到達した超音波５は反射の法則で決定される方位に反射され、幾何学的に決まる計測対象上面のある点ｐｒに到達する。この点ｐｒには、He-Neレーザー光源３５からマイケルソン干渉計３６を介してレーザー光が照射されている。点ｐｒにおいて反射された照射レーザー光は、再びマイケルソン干渉計３６へと戻るが、この際、もし点ｐｒが超音波の到達によって微小振動すると、戻り光の位相に時間的な差が生じ、マイケルソン干渉計３６の出力信号に時間変化として現れる。
【００８８】
ここで、計測用のレーザー光源は半導体レーザーや半導体励起固体レーザーなども使用可能であり、また微小振動の計測は、偏向方位検出計（ナイフエッジ法）、時間差干渉計、ヘテロダイン干渉計、透過型あるいは反射型のファブリペロー干渉計などでも代替可能である。マイケルソン干渉計３６にて検出された超音波信号は、シグナルアベレージャ３７にてNd:YAGレーザー光源３１の発振タイミングを基準時間として平均化処理され、信号増幅器３８、バンドパスフィルター３９アナログ・デジタル変換器４０ａを介してデジタル計算機４１に入力される。
【００８９】
デジタル計算機４１には、同様にアナログ・デジタル変換器４０ｂを介してNd:YAGレーザー光源３１の発振タイミング信号も入力されている。また、計測対象１の表面および裏面には熱電対４２ａ、４２ｂが設置され、各々の設置点の温度を計測している。これらの測定値もアナログ・デジタル変換器４０ｃ、４０ｄを介してデジタル計算機４１に入力されている。計測対象１の温度測定器としては、放射温度計や赤外線カメラなど非接触の温度計も使用可能である。
【００９０】
さて、デジタル計算機４１は３つの機能を有している。すなわち、入力されたNd:YAGレーザー光源３１の発振タイミング信号と検出された超音波信号の時間差Δｔを求める伝播時間計測機能（伝播時間計測手段１３）と、入力された温度測定値と予め用意されていた計測対象１の厚さや熱伝導率などのデータから温度分布を推定し、これも予め用意されていた温度―音速関係を示すデータから音速を校正する速度校正機能（速度校正手段１５）と、伝播時間計測機能と速度校正機能の出力信号から伝播経路長を算出し、予め用意されていた計測対象１の寸法形状データと比較して、母材金属３３と溶解金属３４の境界面、すなわち溶解金属の溶け込み深さを計測する伝播経路長測定機能（伝播経路長測定手段１６）である。従って、従来、高温・高電気ノイズなどの影響で測定が困難であった溶接施工中の溶融金属の溶け込み深さを計測することが可能となる。
【００９１】
次に、図１３は、本発明の第２の実施例の構成図であり、図６に示した第２の実施の形態に関する実施例である。この本発明の第２の実施例は、図１２に示した第１の実施例に対し、送信位置走査手段１７として、２次元ガルバノミラー４５、センサ４７ａ、アナログ・デジタル変換器４０ｅを追加して設け、受信位置走査手段１８として、２次元ガルバノミラー４６、センサ４７ｂ、アナログ・デジタル変換器４０ｆを追加して設けたものである。これにより、溶融金属の溶け込み深さを分布として測定可能としたものである。
【００９２】
図１３において、計測対象１の上面のＱスイッチNd:YAGレーザー光源３１から短パルス高エネルギーのレーザー光が照射用光学系３２を介して照射される点ｐｅを走査するための２次元ガルバノミラー４５が設置される。また、それに伴って、He-Neレーザー光源３５からマイケルソン干渉計３６を介してレーザー光が照射される点ｐｒを走査するための２次元ガルバノミラー４６が設置される。
【００９３】
これら２次元ガルバノミラー４５、４６は、２次元ポリゴンミラー、２次元音響光学偏向子などでも代替可能であり、また２次元ガルバノミラー４５に関しては、照射点ｐｅの走査でなく、照射点は同位置とし、入射する超音波５の指向角度θを走査することでも置き換えることができる。これら２次元ガルバノミラー４５、４６には、その照射点あるいは照射角度を検出するセンサ４７ａ、４７ｂが設置されており、これらの計測結果はアナログ・デジタル変換器４０ｅ、４０ｆを介してデジタル計算機４１に入力される。
【００９４】
デジタル計算機４１は第１の実施例で示した３つの機能、すなわち伝播時間計測機能（伝播時間計測手段１３）、速度校正機能（速度校正手段１５）、伝播経路長測定機能（伝播経路長測定手段１６）に加え、伝播経路長測定機能（伝播経路長測定手段１６）で計測した測定データをセンサ４７ａ、４７ｂの測定データに対応させて記憶するメモリー機能（記録手段１９）と、その結果を数表あるいはグラフあるいは画像として表示装置４９に表示する表示機能（表示手段２０）を有している。従って、溶接施工中の溶融金属の溶け込み深さを、３次元的に再構成することが可能となる。
【００９５】
次に、図１４は、本発明の第３の実施例の構成図であり、図６に示した第２の実施の形態に関する実施例である。この本発明の第３の実施例は、図１３に示した第２の実施例に対し、２次元ガルバノミラー４５、センサ４７ａに代えて、光ファイバ５０、駆動機構５２、センサ４７ｃを設け、２次元ガルバノミラー４６、センサ４７ｂに代えて、光ファイバー５１、駆動機構５３、センサ４７ｄを設けたものである。
【００９６】
図１４において、ＱスイッチNd:YAGレーザー光源３１から発振した短パルス高エネルギーのレーザー光は、光ファイバー５０を介して照射用光学系３２に入射される。またHe-Neレーザー光源３５からマイケルソン干渉計３６を介して射出されるレーザー光は光ファイバー５１を介して照射点ｐｒに照射される。
【００９７】
照射点ｐｅおよび照射点ｐｒの走査は、光ファイバー５０、５１を機械的に駆動走査するモーター、レール、ギアなどから構成される駆動機構５２、５３によって行われる。駆動機構５２、５３には各々その照射点を知るためのセンサ４７ｃ、４７ｄが取り付けられており、それらの出力信号から溶接施工中の溶融金属の溶け込み深さを、３次元的に再構成することが可能となるのは第２の実施例と同様の作用である。このようにすれば、例えば狭隘部にある測定対象など、レーザー光の取り回しが困難な部位でも測定が可能となる。
【００９８】
ここで、計測対象１の表面で発生する反射光や散乱光による外乱を防止するために、超音波送信手段１１のレーザー光による超音波送信点と、超音波受信手段１２のレーザー光による超音波受信点との間に遮蔽板を設けるようにしても良い。
【００９９】
レーザー光を用いて超音波を送信する場合には、比較的高エネルギーのレーザー光を計測対象１に照射する必要があるため、その反射光や散乱光、あるいは計測対象表面が気化した場合に発する発光、疎密波、粉塵などが、超音波受信側のレーザー装置（超音波受信手段１２）に外乱を与えることがある。そこで、超音波の送信点と受信点との間に遮蔽板を設けることで、その影響を避けることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わる超音波測定装置の構成図。
【図２】本発明の第１の実施の形態における超音波受信手段で計測される信号波形の説明図。
【図３】本発明の第１の実施の形態における速度校正手段で校正される温度と伝播速度（音速）との関係を示す特性図。
【図４】本発明の第１の実施の形態における超音波送信手段による超音波の送信位置と超音波受信手段による超音波の受信位置との間の距離を考慮して計測データの補正を行う場合の説明図。
【図５】本発明の第１の実施の形態における計測対象が液相と固相など相変化がない場合の超音波計測装置の説明図。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係わる超音波計測装置の説明図。
【図７】本発明の第３の実施の形態に係わる超音波計測装置の説明図。
【図８】本発明の第４の実施の形態に係わる超音波計測装置の説明図。
【図９】本発明の第５の実施の形態に係わる超音波計測装置の説明図。
【図１０】本発明の第５の実施の形態において温度分布の推定方法の説明図。
【図１１】本発明の第６の実施の形態に係わる超音波計測装置の説明図。
【図１２】本発明の第１の実施例の構成図。
【図１３】本発明の第２の実施例の構成図。
【図１４】本発明の第３の実施例の構成図。
【図１５】計測対象が固相である場合の従来の超音波計測装置の説明図。
【図１６】計測対象が固相と液相とを含む場合の従来の超音波計測装置の説明図。
【符号の説明】
【０１０１】
１  計測対象
２  カプラント
３  超音波探触子
４  送信器
５  超音波
６  信号検出器
７  液相
８  固相
９、１０  反射波
１１  超音波送信手段
１２  超音波受信手段
１３  伝播時間計測手段
１４  温度測定手段
１５  速度校正手段
１６  伝播経路長測定手段
１７  送信位置走査手段
１８  受信位置走査手段
１９  記録手段
２０  表示手段
２１  音響特性変化領域
２２、２３  超音波
２４  データベース
２５  信号波形評価手段
２６  伝播経路診断手段
２７  データベース
２８  温度分布推定手段
２９  トーチ
３０  添加材
３１  Nd:YAGレーザー光源
３２  照射用光学系
３３  母材金属
３４  溶融金属
３５  He-Neレーザー光源
３６  マイケルソン干渉計
３７  シグナルアベレージャ
３８  信号増幅器
３９  バンドパスフィルター
４０  アナログ・デジタル変換器
４１  デジタル計算機
４２  熱電対
４５、４６  ２次元ガルバノミラー
４７  センサ
４９  表示装置
５０、５１  光ファイバー
５２、５３  駆動機構
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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