(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
検査液中に被検査物を水没させた状態で、被検査物から漏れ出る気泡の有無を検出して被検査物の検査を行う超音波式漏れ位置検出装置であって、
検査液を保持するための検査液槽と、
前記検査液に対して超音波の照射波を送出するために、前記検査液槽中に一つ又は水平方向に複数個並べて配置された超音波送信部と、
前記検査液槽中に水平方向に複数個並べて配置され、前記超音波送信部から発せられる超音波の反射波を受信可能な位置に設けられた第１の超音波受信部と、
前記検査液槽中の前記超音波送信部と対向する位置に水平方向に複数個並べて配置され、前記超音波送信部からの超音波の透過波を受信可能な位置に設けられた第２の超音波受信部と
を備え、
検査液を蓄えた前記検査液槽中で前記超音波送信部と第２の超音波受信部を配置した水平面よりも低い位置まで被検査物を水没させ、被検査物から漏れ出る気泡が前記超音波送信部と第２の超音波受信部の間を通過するように配置した状態で、前記超音波送信部から超音波を照射して、被検査物から漏れ出る気泡に超音波を反射、透過させて反射波、透過波を、それぞれ前記第１の超音波受信部及び第２の超音波受信部で受信し、さらに超音波の照射波と比較して、前記第１の超音波受信部で受信された反射波の信号の振幅及び位相、周波数の変化量と、第２の超音波受信部で受信された透過波の信号の振幅及び位相、周波数の変化量とに基づいて、気泡の大きさと数を検出し、気泡の大きさと数の積から気泡の量を算出することで気泡の有無及び状態を検出可能に構成してなることを特徴とする超音波式漏れ位置検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波式漏れ位置検出装置であって、
前記被検査物から漏れ出る気泡に前記超音波送信部から超音波を照射することにより生じさせた気泡表面の形状変化あるいは照射方向への気泡の相対的移動に伴い、前記複数の第１の超音波受信部で受信された信号による位相及び周波数の変化量に基づいて、気泡の大きさを検出することを特徴とする超音波式漏れ位置検出装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の超音波式漏れ位置検出装置であって、
前記超音波送信部が、複数の超音波送信部を備えており、各超音波送信部は前記複数の第２の超音波受信部の各々とそれぞれ水平方向に対向するように配置されてなり、
前記超音波送信部はバースト状の超音波を発生させるタイミングを時分割で切り替え、前記検査液槽中を順次走査するように超音波を照射するよう構成されてなり、前記複数の第２の超音波受信部で受信された信号から気泡漏れの発生位置を検出するよう構成されてなることを特徴とする超音波式漏れ位置検出装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一に記載の超音波式漏れ位置検出装置であって、
前記超音波送信部が、複数の超音波送信部を備えており、各超音波送信部は前記第１の超音波受信部の機能を併せ持つか、前記複数の第１の超音波受信部の各々とそれぞれ垂直方向に相当するように配置されてなり、
前記超音波送信部はバースト状の超音波を発生させるタイミングを時分割で切り替え、前記検査液槽中を順次走査するように超音波を照射するよう構成されてなり、前記複数の第１の超音波受信部で受信された信号から気泡漏れの発生位置を検出するよう構成されてなることを特徴とする超音波式漏れ位置検出装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一に記載の超音波式漏れ位置検出装置であって、さらに、
前記第１の超音波受信部で受信した反射波の信号及び前記第２の超音波受信部で受信した透過波の信号に基づき、気泡の有無及び状態を検出するための気泡検出部を備えることを特徴とする超音波式漏れ位置検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を利用して気泡を検出し、鋼管材等、密閉された容器体等の被検査物の破損部としての小孔、クラックを検出したり、気密性検査を行うことのできる超音波式漏れ位置検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
機械部品の品質検査は、部品の使用目的の重要度によって異なる。配管や貯蔵部品等の場合、引火性・溶解性・高温・低温等気密性が極めて重視される場合があり、全数検査が行われている。例えば、自動車部品に使用される気密性部品の気密性検査や、鋼管材やその他の密閉された容器体の破損部として小孔部を検出するために、特許文献１に示されるような、空気漏れ検査装置を利用した気密検査が行われている。空気漏れ検査装置は、部品を水槽内に水没させて部品内に圧縮空気を充填することにより、部品から気泡の漏れを水槽内に生じさせるものである。検査者はこれを目視で確認して合否判断する。この装置は、水中への気泡発生を容易にするための揺動機構等も有しており、装置が安価で検査が比較的容易なため広い分野で用いられている。
【０００３】
気密検査方法の一例として、特許文献２に開示される方法を図１８に基づいて詳述する。まず、測定すべき被検査物としての鋼管材６１の両端部を保持装置６２によって保持し、水を満たした水槽６０内に配置する。次に、前記鋼管材６１内に空気圧送装置６３から空気を圧送する。この際、鋼管材６１に、該鋼管材６１の内外面を貫通する破損部としての小孔部６４があれば、鋼管材６１に圧送された空気がこの小孔部６４を通して外部に漏洩し、水中を気泡６５となって上昇する。上昇した気泡６５は水面に浮上し破裂する。この破裂時に発する超音波をマイクロホン６６によって計測することにより、小孔部の有無を検出する。
【０００４】
このように水没式空気漏れ検査装置は、自動車部品、ガス器具、医療器具等様々な分野で実用化されている。しかしながら、このような装置は作業者の手作業と目視による判定が主流であるため、熟練度の違いによる合否判定の曖昧さや、人件費による高コストが製造現場において問題となっていた。このため、これらの製品に関わる電機、石油ガス機器、自動車、食品機械等の業界では、数々の検査装置の自動化を試みており、現在、特許文献３に示されるような、ヘリウムや水素ガスを使ったガス拡散式や特許文献４に示されるような、空気漏れ差圧を利用した差圧式の自動検査装置が実用化されている。
【０００５】
しかしながら、差圧式の自動検査装置では、検査対象物が溶接後の残熱等の影響で高温の場合等には気体膨張による圧力変動の影響や環境温度あるいは気圧変動等による影響で精度が良くないという欠点がある。一方、ガス拡散式も高価なチャンバー槽が必要で、炭素繊維等の複合材料や新素材等水素吸脱性を有する素材を用いた強化軽量化部品には適用できないという問題がある。
【０００６】
また、超音波を利用した自動化技術では、例えば特許文献５と６には、検査対象物上に集泡ロートを有し、集泡管や蓄泡管で検知器により泡の有無や空気量を検知するものや、特許文献７には、検査対象物から気体が漏れ出る際に生じる音を検知器によって可聴音あるいは超音波として検出すること、いわゆる漏れに伴う笛吹効果により漏れの有無を検知するものや、特許文献８には、検査対象物にセンサを直接取り付けて検査対象物から気体が漏れ出る際に生じる機械的振動あるいは振動音を超音波として検出することにより漏れの有無を検知するもの等が知られている。これらの空気漏れ検査装置では、漏れの有無を検出するに止まり、漏れの発生している位置や漏れの正確な量までは検出することができなかった。
【特許文献１】実開平０３−２７３３４号公報
【特許文献２】特開昭５０−４３９８８号公報
【特許文献３】特開２００４−１６３２２３号公報
【特許文献４】実開昭６３−６３７４２号公報
【特許文献５】特開平０３−１８０７３４号公報
【特許文献６】登実第３０４４４７３号公報
【特許文献７】特開昭６３−２４９０３３公報
【特許文献８】特開昭６２−１３３３３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、従来のこのような問題点に鑑みてなされたものである。本発明の主な目的は、超音波を用いてその透過波と反射波の受信波形の変化から気泡のみを正確に検出し、且つ気泡の大きさと数を検出することにより、従来の装置に比べ検査の信頼性の向上と自動化による低コスト化を実現し、特殊な検査ガスを必要としないため広範囲の検査対象物に適用可能な超音波式漏れ位置検出装置を提供することにある。また本発明の他の目的は、超音波の送受信位置を時分割で切り替えることにより漏れ位置の検出が可能な超音波式漏れ位置検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の第１の側面に係る超音波式漏れ位置検出装置は、検査液中に被検査物を水没させた状態で、被検査物から漏れ出る気泡の有無を検出して被検査物の検査を行う超音波式漏れ位置検出装置であって、検査液を保持するための検査液槽と、検査液に対して超音波の照射波を送出するために、検査液槽中に一つ又は水平方向に複数個並べて配置された超音波送信部と、検査液槽中に水平方向に複数個並べて配置され、超音波送信部から発せられる超音波の反射波を受信可能な位置に設けられた第１の超音波受信部と、検査液槽中の超音波送信部と対向する位置に水平方向に複数個並べて配置され、超音波送信部からの超音波の透過波を受信可能な位置に設けられた第２の超音波受信部とを備え、検査液を蓄えた検査液槽中で超音波送信部と第２の超音波受信部を配置した水平面よりも低い位置まで被検査物を水没させ、被検査物から漏れ出る気泡が超音波送信部と第２の超音波受信部の間を通過するように配置した状態で、超音波送信部から超音波を照射して、被検査物から漏れ出る気泡に超音波を反射、透過させて反射波、透過波を、それぞれ第１の超音波受信部及び第２の超音波受信部で受信し、さらに超音波の照射波と比較して、第１の超音波受信部で受信された反射波の信号の振幅及び位相、周波数の変化量と、第２の超音波受信部で受信された透過波の信号の振幅及び位相、周波数の変化量とに基づいて、気泡の大きさと数を検出し、気泡の大きさと数の積から気泡の量を算出することで気泡の有無及び状態を検出可能に構成している。この構成により、超音波の反射波と透過波を併用して気泡を正確に検出することができ、誤検出を回避して信頼性の高い気密検査を実現できる。
【０００９】
また、第１の超音波受信部で検出された反射波が、気泡漏れが無い場合には大きな反射が起こらないため振幅が小さく、小さな気泡がある場合には位相や周波数の変化を伴った振幅が受信され、大きな気泡が有る場合には位相や周波数の変化を伴った大きな振幅が受信され、検出される反射波の位相と周波数の変化は気泡までの距離と気泡の曲率に応じて異なることを利用して、気泡の大きさと数を検出する。第２の超音波受信部で検出された透過波が、小さな気泡がある場合には僅かな振幅減少が受信され、大きな気泡が有る場合には大きな振幅減少が受信され、受信される透過波は気泡の大きさと数に応じた反射波の位相と周波数の変化を伴うことを利用して、気泡の大きさと数を検出する。この構成により、検出された超音波のスペクトル波形から気泡の大きさと数の積から量を算出検出することができ、誤検出を回避して信頼性の高い気密検査を実現できる。
【００１０】
さらに、本発明の他の側面に係る超音波式漏れ位置検出装置は、被検査物から漏れ出る気泡に超音波送信部から超音波を照射することにより生じさせた気泡表面の形状変化あるいは照射方向への気泡の相対的移動に伴い、複数の第１の超音波受信部で受信された信号による位相及び周波数の変化量に基づいて、気泡の大きさを検出する。超音波送信部から照射する超音波の強さを変化させることにより、気泡が大きい場合には超音波が当たる表面積が大きいため気泡表面に形状変化を成さしめ、これによって受信される信号の位相、周波数、振幅、ピーク幅に変化を生じさせることができ、気泡が小さい場合には超音波が当たる表面積が小さいため気泡の形状変化を伴うことなく水平方向への位置的移動を成さしめ、これによって受信される信号の位相、周波数、振幅、ピーク幅に変化を生じさせることができるため、検査液の粘性や検査液に混入した浮遊物による誤検出を回避して信頼性の高い気密検査を実現できる。
【００１１】
さらにまた、本発明の他の側面に係る超音波式漏れ位置検出装置は、超音波送信部が、複数の超音波送信部を備えており、各超音波送信部は第１の超音波受信部の機能を併せ持つか、複数の第１の超音波受信部の各々とそれぞれ垂直方向に相当するように配置されてなり、超音波送信部はバースト状の超音波を発生させるタイミングを時分割で切り替え、検査液槽中を順次走査するように超音波を照射するよう構成されてなり、複数の第１の超音波受信部で受信された信号から気泡漏れの発生位置を検出するよう構成されている。この構成により、検査液槽中の気泡の経路を面状に走査できるので、第２の超音波受信部の各々で受信された透過波から気泡の発生位置を把握することが可能となる。
【００１２】
さらにまた、本発明の他の側面に係る超音波式漏れ位置検出装置は、超音波送信部が、複数の超音波送信部を備えており、各超音波送信部は第１の超音波受信部の機能を併せ持つか、複数の第１の超音波受信部の各々とそれぞれ垂直方向に相当するように配置されてなり、超音波送信部はバースト状の超音波を発生させるタイミングを時分割で切り替え、検査液槽中を順次走査するように超音波を照射するよう構成されてなり、複数の第１の超音波受信部で受信された信号から気泡漏れの発生位置を検出するよう構成されている。この構成により、検査液槽中の気泡の経路を面状に走査できるので、第１の超音波受信部の各々で受信された反射波から気泡の発生位置を把握することが可能となる。
【００１３】
さらにまた、本発明の他の側面に係る超音波式漏れ位置検出装置は、第１の超音波受信部で受信した反射波の信号及び第２の超音波受信部で受信した透過波の信号に基づき、気泡の有無及び状態を検出するための気泡検出部を備える。気泡検出部は、第１の超音波受信部で受信した反射波及び第２の超音波受信部で受信した透過波が、共に気泡の大きさと数によって関連づけられた振幅、位相、周波数の変化を伴うことから、反射波での変化と透過波での変化を比較することにより、信号の変化が気泡に伴うものであるかその他の浮遊物によるものであるかを容易に識別することができる。気泡の状態検出のために必要な演算機能を超音波式漏れ位置検出装置に付加することで、気泡検出を完結させることができる。
【発明の効果】
【００１４】
以上のように、本発明の超音波式漏れ位置検出装置によれば、目視によらず確実かつ容易に気泡を検出して、気泡検出及びこれに基づく被検査物の小孔や亀裂等の検査の信頼性と精度を高めることができる。特に超音波の反射波と透過波という２種類の信号を併用して受信した信号の振幅変化と位相変化と周波数変化とから気泡の有無と状態を検出するので、誤検出を防止しかつ高精度な漏れ量の検出を実現している。また目視による検出では手間がかかり、定量化ができないため判断基準が曖昧であるといった欠点があったが、本発明によれば自動化及び定量化が可能で、判定基準を一律にできる上人件費も削減でき、安価で信頼性の高い検出を容易に行える利点が得られる。またこの方法は、差圧式や水素、ヘリウムによるガス拡散式の検査方法に比べて適用可能範囲が広く、さらに漏れ量に加えて漏れ位置まで検出できるという優れた利点が得られる。特に差圧方式では残熱に影響され、ガス拡散式では複合材料に適用できないといった問題があったが、本発明ではこれらの制限を受けず、広い範囲の被検査物を検査対象とできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための超音波式漏れ位置検出装置を例示するものであって、本発明は超音波式漏れ位置検出装置を以下のものに特定しない。また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一つの部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一つの部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。
（実施の形態１）
【００１６】
図１に、本発明の実施の形態１に係る超音波式漏れ位置検出装置の概略構成を示す斜視図、図２にその側面図を、それぞれ示す。これらの図に示す超音波式漏れ位置検出装置は、検査液槽１０と、検査液槽１０中に水平方向に複数並べて配置された超音波送受信部２０と、超音波送受信部２０と対向する位置に配置されて、超音波送受信部２０からの超音波の透過波Ｔを受信可能な透過波受信部３０とを備える。また超音波送受信部２０は、超音波を発する超音波送信部と、自らが発した超音波が気泡に反射されて生じる反射波Ｒを検出する第１の超音波受信部に相当する反射波受信部とを兼ねている。超音波送信部と超音波受信部を兼用する超音波送受信部２０は、超音波送受信素子等を利用して構成され、部品点数を少なくし、検査液槽１０内の配置スペースを低減できる利点が得られる。
【００１７】
この検査液槽１０に検査液Ｌを蓄えた状態で被検査物Ｗを水没、あるいは先に被検査物Ｗを検査液槽１０内に載置した状態で、検査液Ｌを充填して水没させる。このとき、超音波送受信部２０と透過波受信部３０を配置した水平面よりも低い位置まで被検査物Ｗを水没させ、被検査物Ｗから漏れ出る気泡が超音波送受信部２０と透過波受信部３０の間を通過するようにしている。
【００１８】
また超音波送受信部２０及び透過波受信部３０は、コントローラ５０と接続される。コントローラ５０は、超音波送受信部２０で受信した反射波Ｒの信号及び透過波受信部３０で受信した透過波Ｔの信号に基づき、気泡の有無及び状態を検出するための気泡検出部の機能を実現する。コントローラ５０は、外付けのコンピュータ等の外部機器とすることもできるが、超音波式漏れ位置検出装置自体にコントローラを組み込むことにより、外部機器を付加することなく気泡検出やその位置、量の検出を実現できる。コントローラ５０には、必要に応じて検出された超音波反射波Ｒや透過波Ｔのスペクトル波形、気泡検出結果等を表示する表示部を備える。表示部はＣＲＴや液晶パネル等とすることができる。またコントローラ等の超音波式漏れ位置検出装置の部材を操作するための操作パネルやコンソール、キーボード等の入力デバイスを必要に応じて設ける。
【００１９】
さらに検査液槽１０内には、検査液Ｌに水没された被検査物Ｗの内部に圧縮空気を供給するためのエアー配管１２を備える。これにより、被検査物Ｗに圧縮空気を送出して、被検査物Ｗに小孔や亀裂が存在する場合に小孔や亀裂から気泡の漏れを生じさせる。気泡は検査液槽１０内の検査液Ｌ中を上昇し、検査液Ｌの液面に到達して破消する。気泡が上昇する過程で、気泡の移動経路に対して超音波送受信部２０から超音波を照射し、気泡で超音波が反射される反射波Ｒと、気泡を透過する透過波Ｔを生じさせる。反射波Ｒは超音波送受信部２０で、透過波Ｔは透過波受信部３０でそれぞれ受信される。この受信信号に基づいて、コントローラ５０で気泡の有無すなわち気密漏れの存在を検出すると共に、気泡の状態に基づいて気泡の量や発生位置等の情報を検出する。
（検査液槽１０）
【００２０】
検査液槽１０は、検査液Ｌを蓄える水槽であり、上方を開口した略矩形状の容器型に形成される。また検査液槽１０の壁面には、超音波送信部及び反射波受信部として超音波送受信部２０、透過波受信部３０として超音波受信部がそれぞれ配置される。
【００２１】
超音波は、水平方向に沿って、あるいは水平方向成分を含む斜め方向に照射する。これによって、特に水平面内で超音波の進行方向における気泡の発生位置を照射から反射までの時間差として検出できる。また超音波素子を超音波の進行方向と垂直な方向に並べて配置し、各超音波素子から各々超音波を時分割で線状にバースト照射することで面状の検出面を構成でき、反射波Ｒ及び透過波Ｔの変化の有無から超音波素子の配列方向における気泡の発生位置も把握できるようになる。
（実施の形態２）
【００２２】
上記の実施の形態１では、一つの超音波送受信部２０で超音波送信部及び反射波受信部を兼用しているが、これらを個別に設けることもできる。図３に本発明の実施の形態２として、超音波の発生源である超音波送信部２１と、超音波送信部２１から照射された超音波の反射波Ｒを受信する反射波受信部４０を個別に設けた超音波式漏れ位置検出装置の斜視図を示す。図３に示す超音波式漏れ位置検出装置は、一方の側面に超音波送信部２１と反射波受信部４０を上下に並べて配置している。また超音波送信部２１から超音波を水平方向に対して傾斜させて照射させることにより、超音波が気泡で反射された反射波Ｒが入射角に応じて照射位置と異なる位置に反射されるように構成している。これにより、超音波送信部２１と反射波受信部４０が異なる位置に配置されても、正しく超音波の反射波Ｒを送受信できる。また透過波受信部３０Ｂは、超音波送信部２１の対角線上に位置するように配置されて、超音波の透過波Ｔを正しく受信できる。
【００２３】
図３の例では、超音波送信部２１を検査液槽１０Ｂの壁面の上方で、超音波照射面が斜め下方に傾斜するように配置し、また検査液槽１０Ｂの対向する壁面上で、超音波照射面の超音波進行方向と対応する位置に、透過波受信部３０Ｂを透過波受信面が斜め上方を向くように配置している。同様に反射波受信部４０も、検査液槽１０Ｂの壁面の下方で反射波Ｒの進行方向と一致するように配置すると共に、反射波受信面を斜め上方に向けて反射波Ｒの進行方向と対向するように傾斜させている。
【００２４】
この配置は一例であって、超音波送信部２１、反射波受信部４０及び透過波受信部３０、３０Ｂ等の配置は、超音波送信部２１から照射される超音波の進行方向上に透過波受信部３０、３０Ｂが、反射波Ｒの進行方向上に反射波受信部４０が位置するようなレイアウトであれば、超音波の反射波Ｒ及び透過波Ｔを確実に検出できる。例えば図４に示す本発明の実施の形態３に係る超音波式漏れ位置検出装置は、超音波送信部２１Ｂを検査液槽１０Ｃの壁面の下方で、超音波照射面が斜め上方に傾斜するように配置し、また検査液槽１０Ｃの対向する壁面上に透過波受信部３０Ｃを、超音波照射面からの超音波進行方向と対応する位置に、かつ透過波受信面が斜め下方を向くように配置し、さらに反射波受信部４０Ｂを、反射波Ｒの進行方向と一致するように検査液槽１０Ｃの壁面の上方に配置し、かつ反射波受信面を斜め下方に向けて反射波Ｒの進行方向と対向するように傾斜させている。このような構成であっても図３の超音波式漏れ位置検出装置と全く同様の作用効果を奏することができることは言うまでもない。
（超音波送信部２１）
【００２５】
次に、超音波を発生させる超音波送信部２１若しくは超音波送受信部２０について説明する。図５に、超音波送信部２１の正面図を示す。この図に示すように、超音波送信部２１は、複数の超音波素子を横一列に並べている。素子配列のパターンは、図５のように様々のパターンが適宜採用できるが、配置する素子間が広い場合には超音波送信部２１と超音波送受信部２０の間で各超音波素子から各々超音波を時分割で線状にバースト照射しても面状の検出面を構成できないため、２つ以上の素子から同時に照射し、時分割で１つずつずらすか、各々の素子幅よりも広い超音波を照射できるような素子形状あるいは音響レンズを用いる必要がある。あるいは、個別の超音波送信装置を複数個検査液槽１０内に配置する構成とすることもできる。請求項における複数の超音波送信部とは、このような複数の超音波素子を含む超音波送信部や、超音波送信部自体を複数備える態様を含む意味で使用する。また超音波素子は、超音波送受信部２０のように超音波送信素子と超音波受信素子とを兼用させた超音波送受信素子を利用することもできる。なお、超音波送信部に一つの超音波素子を設け、この超音波送信面を回転式あるいは首振り式に回動させて、対応する位置に超音波受信部を配置することで、一つの超音波素子で超音波を走査させ、面状の検出面を構成することも可能である。
【００２６】
超音波送受信部２０あるいは超音波送信部２１、反射波受信部４０、並びに透過波受信部３０、３０Ｂ等の部材は、好ましくは水没式とする。これによって検査液Ｌに対して直接信号を送信、検出し、精度を向上できる。これらの部材は、検査液Ｌに対する耐腐食性や防水性、耐酸性、耐アルカリ性等を備えるような表面部材で覆ったり、表面にコーティングを施す等の耐性処理を加える。一方、これらの超音波部材は検査液槽１０の外部に設けることも可能である。この場合は、検査液槽１０の壁面を介して超音波の送受信が行われる。検査液Ｌに水没させないことで耐性がさほど要求されないので、送信部等のコストを安価にできる利点が得られる。
（時分割）
【００２７】
超音波素子は、各素子から同時に超音波を照射することもできるが、好ましくは時分割で超音波素子を切り替えながら超音波素子からの超音波照射を順次切り替えるように照射
これによって隣接する超音波素子の干渉を防止し、高い分解能で超音波を検出できる。図６（ａ）に、図５（ｃ）に示す超音波素子から時分割で超音波を発生させるタイミングチャートを示す。この図に示すように、バースト状の超音波を発生させるタイミングを時分割で切り替え、検査液槽１０中を超音波素子配列方向に隙間無く順次走査するように超音波を照射する。これによって、照射から反射波Ｒ、透過波Ｔを検出するまでの時間差と超音波送受信部２０のどの位置の素子で信号が検出されたかを判定でき、水平面上の気泡の発生位置つまり漏れ位置を特定できる。
【００２８】
さらに、超音波送受信部２０から照射されるバースト状超音波の周期と検査液Ｌ中の気泡の上昇速度の積の倍数が超音波送受信部２０から照射される超音波の上下方向のビーム幅より小さい場合には、特定の超音波素子において、同一の気泡を繰り返し検出できることとなり、受信波の再現性を比較することにより、気泡検出の精度を向上させることができる。
【００２９】
また、時分割で切り替えて超音波を照射する構成に限らず、他の構成も適宜採用できる。例えば、図６（ｂ）のようにライン状に配置された複数の素子から同時に超音波を照射して、各超音波送信部及びその反射波受信部、透過波受信部のペアで各々独立して検出する構成としてもよい。この場合は、隣接する素子間の分解能が多少低下する。また、超音波送信部と超音波受信部を必ずしも一対にする必要はなく、例えば一つの超音波送信部から照射する超音波の照射方向を変更可能とすることで、複数の反射波受信部に対して放射状に照射波を照射して面状に検査液槽１０内を走査し、気泡の位置検出を行うこともできる。
【００３０】
このように、超音波の照射を走査することで、面状に気泡の位置を検出でき、これによって気泡発生源である気密の漏れやクラックの位置検出が可能となる。またこのような超音波の照射、反射する面内を気泡が通過するように、被検査物Ｗはこれよりも低い位置に載置する必要がある。検査液槽１０は、被検査物Ｗを底面あるいは下方で移動しないように保持するための保持構造を設けることが好ましい。
【００３１】
被検査物Ｗは、気密性や亀裂、小孔の発生を検出したい部材であり、検査液Ｌに水没可能なあらゆる部材が対象となる。例えば、車両用触媒コンバータや燃料タンク等である。また検査液Ｌは、被検査物Ｗに腐食等の損傷を与えない、あるいはその影響の少ない液体が選択され、例えば水等である。検査液Ｌは防錆剤の水溶液を使用することが望ましく、また必要に応じて気泡流動や超音波伝搬を考慮した粘度、温度に調整する。
【００３２】
また検査液槽１０は、検査液Ｌに対する耐性を有する材質で構成し、若しくは表面に検査液Ｌに対する耐性を持たせたコーティングを施す。
（超音波）
【００３３】
各超音波素子はＭＨｚオーダーの超音波を送信する。検査液Ｌでの減衰を考慮して、好ましくは１ＭＨｚ以上２０ＭＨｚ以下の超音波を使用し、信号処理回路の容易さ等から１ＭＨｚから２ＭＨｚが望ましい。超音波は気泡に当たるとその９０％以上が反射し、反射波Ｒが顕著に検出できる。また気泡が検査液Ｌ中を上昇する際には、検査液Ｌに上昇を阻まれ、螺旋運動や振り子運動、表面形状の変化等の揺動を伴って浮上するので、ＭＨｚオーダーの超音波を水平方向から照射するとその反射波Ｒは揺動に伴う周波数偏移を生じる。周波数偏移は周波数の変化量、言い換えれば振動数の変化量であり、通常ヘルツ（Ｈｚ）で表わされる。さらに超音波は回折し、重畳するので，気泡の後方でも観測される。このように気泡の揺動に応じて，透過波Ｔ及び反射波Ｒの周波数偏移の量が異なる。したがって、これらを検出することで気泡の状態を検出でき、ひいては被検査物Ｗの気密性や漏れ量等を検出できる。
【００３４】
超音波を気泡に対して照射して、透過波Ｔと反射波Ｒとを発生させる。これらの信号は、異なる性質を有するためこれらを併用することで、誤検出を防止して精度よく気泡の性質を特定できる。一般に透過波Ｔは気泡の量が多い場合の検出に好適であり、一方反射波Ｒは気泡の量が少ない場合に好適である。また反射波Ｒは、小さな気泡が複数個あるときは複数の任意の周波数に顕著な変化を生じ、大きな気泡が複数個あるとき周波数のパワースペクトルが幅広く持ち上がり、気泡の大きさと数に相関を示す。さらに小さな気泡が１個あるときは幅の狭い急峻な波形を示し、大きな気泡が１個あるときは幅広の波形を示して、気泡の大きさと周波数のパワースペクトルに相関を示す。一方、透過波Ｔは気泡があるとき振幅が減少する。
（反射波Ｒ）
【００３５】
まず気泡の状態を検出する方法を、図７〜図１２に基づいて説明する。まず図７を気泡がないときの反射波Ｒの受信信号とする。このように、気泡がない場合は超音波の照射波の周波数とほぼ同じ位置にピークが表れる。
【００３６】
検査液Ｌ内を浮上する気泡は検査液Ｌの粘性によって気泡の大きさに係わる異なったの揺動を示す。例えば、小さい気泡の揺動は水平方向の軌跡の変化が支配的であるためその周波数のパワースペクトルは裾野の狭い鋭い波形となり、大きい気泡の揺動は水平方向の軌跡の変化と気泡の表面形状の歪みの双方が支配的となるためその周波数のパワースペクトルは裾野の広い波形となるので、揺動に伴って生じる反射波Ｒ及び透過波Ｔの周波数のパワースペクトルの形状は気泡の大きさに係わりを持った形状となり、この周波数のパワースペクトルの面積は気泡の量つまり気泡の大きさに相当する。検査液Ｌを使用した超音波漏れ位置検査機の気泡検出部において、送信周波数を除くピーク周波数のパワースペクトル値とこのピーク周波数から一定の幅の１つ以上の周波数でのパワースペクトル値との差を算出することにより、周波数のパワースペクトルの形状つまり周波数のパワースペクトルの面積を求めることができ、気泡の大きさすなわち気泡の体積、言い換えれば漏れ量が検出できる。
【００３７】
さらに反射波Ｒは、同一の小孔や亀裂の位置からの漏れに伴う気泡が１個の場合には気泡の揺動に伴う周波数のパワースペクトルが送信周波数によるピークを除き唯一のピークを有するが、気泡が複数の場合にはそれぞれの気泡が少し異なった揺動を示すために一定の範囲内に複数のピークを有するような周波数のパワースペクトル波形となり、実際にはこれらのピークを有する周波数のパワースペクトルの重畳により複数のピークを有し且つ周波数のパワースペクトルの裾野が幅広く持ち上がるような波形を示すこととなる。検査液Ｌを使用した超音波式漏れ位置検出装置の気泡検出部において一定の周波数範囲内の周波数のパワースペクトルの変化量を計測することにより気泡の総量すなわち漏れ量を算出することができ、ピークの数を求めることにより気泡の数が検出できる。
【００３８】
反射波Ｒについて、以上をまとめると、微少気泡が１個のときの反射波Ｒは、図８に示すように任意の周波数に変化が見られ、例えば照射波よりも高い位置に半値幅の狭いピークが検出される。一方、微小気泡が複数個あるときの反射波Ｒは、図９に示すように複数の部位で周波数の変化が見られる。ここでは照射波の近傍で複数のピークが検出される。さらに大きな気泡が１個あるときの反射波Ｒは、図１０に示すように幅広のピークが観察される。また大きな気泡が複数個あるときの反射波Ｒは、図１１に示すように幅広のピークが複数形成される結果、スペクトル全体がブロードに嵩上げされる状態となる。このように反射波Ｒは気泡の大きさ及び数と相関しており、このような差異を用いることで、気泡量すなわち漏れ量を換算できる。
（気泡の強制揺動）
【００３９】
また、本実施の形態においては、超音波を気泡に照射して気泡の揺動を能動的に生じさせ、この変化を受信信号の位相・周波数変化等として検出することで、高精度な気泡検出を図ることができる。例えば、気泡が検査液Ｌ中を上昇する際には、検査液Ｌの粘性に伴う抵抗力によって上昇を阻まれ、その結果として検査液Ｌの流動や地球の自転等の微少な影響を伴って螺旋運動や振り子運動、表面形状の変化等の揺動を生じる。これらの揺動は気泡の大きさと相関関係を有しているが、些細な力学的影響により変化を生じるため現実的には再現性が低い。しかし、比較的パワーの大きい超音波を水平方向から気泡に照射することで、気泡の大きさに係わる固有の揺動を誘導することができ、気泡の大きさに相関関係を有す揺動の再現性を高めることができる。例えば、大きな気泡においては超音波を水平方向から受けたとしても表面の形状が変化するだけで気泡の水平位置はほとんど変化しない、一方、小さな気泡においては超音波を水平方向から受けると照射方向に相対的な位置の移動を生じる。これにより反射波Ｒと透過波Ｔに気泡の大きさに相関関係を有する位相及び周波数の変化を能動的に生じさせると共に、特徴が発散しがちな揺動を気泡の大きさに係わる特定の揺動に収束させ、安定した気泡量の算出が可能となる。
【００４０】
このように、スペクトル波形の変化を観察することで、気泡の数及び大きさを把握することができる。スペクトル波形の観察は、演算処理により定量的に処理することができる。例えばスペクトルのピーク位置や半値幅、平均値等を演算し、所定の基準値や閾値と比較することでこれらの判定を自動化することが可能となる。この演算及び判定は、コントローラ５０で行う。これにより、従来のように気泡の個数をカウントしたり気泡をタンクや漏斗に誘導して計数する方式に比べ、気泡の大きさと数を検出できるため、空気漏れ量の総量を把握でき、クラック等の大きさをより正確に検出できる。また、操作者がスペクトル波形に基づいて目視で行うこともできる。
（誤検出防止）
【００４１】
一方、反射波Ｒは漏れによる気泡が無い場合であっても検査液槽１０内の検査液Ｌ中に浮遊する気泡以外のゴミ等の浮遊物や検査液Ｌの流動によって、図１２に示すように複数の気泡が生じた場合の周波数のパワースペクトルの変化に似た周波数のパワースペクトルの変化を生じることがある。しかし、これら浮遊物や検査液Ｌの流動による反射波Ｒは、音響インピーダンスの違いから気泡が９０％以上の反射を示すのに対し遙かに低い反射であるため、周波数のパワースペクトルはピークが顕著でなく、送信周波数よるパワースペクトルのピークに寄り添うように生じるので、気泡によるもので無いことが容易に識別できる。極めて希に、検査液Ｌを使用した超音波漏れ位置検査機の気泡検出部において一定の周波数範囲内の周波数のパワースペクトルの変化量やピーク周波数から一定の幅の１つ以上の周波数でのパワースペクトル値との差を計測する場合や音響インピーダンスが気泡に近い特徴を示す浮遊物であった場合には識別に難を生じることがあるが、透過波Ｔでは、浮遊物による周波数や振幅の変化は照射された超音波の回折・重畳により変化が軽減され、検査液Ｌの流動により振幅が変化することは無いので、反射波Ｒと透過波Ｔを併用することで、誤検出を防止して精度よく気泡の性質を特定できる。
【００４２】
さらに、気泡が無い場合であっても超音波送信部から水平方向に比較的パワーの大きい超音波を照射した場合、浮遊物の多くは親水性であるためほとんど形状変化や位置移動を生じず、検査液Ｌの流動変化もほとんど生じないので、超音波の強さを変化させることにより、気泡にのみ作用して浮遊物や検査液Ｌの流動に影響しないような超音波を照射し、検査液Ｌに混入した浮遊物や検査液Ｌの流動による誤検出を減らすことができる。
（透過波Ｔ）
【００４３】
本実施の形態では、超音波の透過波Ｔの振幅減衰あるは位相周波数変化を検出することで、気泡の有無を検出することが可能となる。この原理を図１３及び図１４に基づいて説明する。超音波は進行に伴って減衰する性質を有する。透過信号の振幅減衰は気泡のある場合に顕著で、流動や浮遊物によっては顕著でない。これは、音響インピーダンスの違いから検査液Ｌ中の気泡が超音波を９０％以上反射するのに対して、検査液Ｌの流動ではほぼ０％、浮遊物の多くは親水性であるため遙かに低い反射となり、十分区別できる程度の相違が見られる。
【００４４】
図１３に示すように、気泡がない場合は気泡による減衰がなく、透過波Ｔの波形は高い振幅を示している。一方、気泡がある場合は、気泡によって減衰が生じて、図１４に示すように振幅が小さくなる。よって、振幅の変化量を検出することで、気泡の有無を検出できる。このような振幅の変化は比較的顕著であるため、透過波Ｔを利用して気泡の有無を確実に検出でき、反射波Ｒで気泡の変化が誤検出されても、透過波Ｔの減衰の変化量から気泡の有無が判定できるので、このような誤検出を回避でき、信頼性の高い安定した気泡検出が図られる。
【００４５】
また、本実施の形態では、一般的に被検査物Ｗ内に供給する気体として空気を用いる為、ヘリウムガス拡散式に比べるとランニングコストが安く、水素ガス拡散式では困難な水素吸脱性部品であるアルミや炭素繊維等の材料が使われている被検査物Ｗにも適用可能である。
（実際のスペクトル波形）
【００４６】
次に、実際に気泡に超音波を照射して反射波Ｒのスペクトル波形を測定し、周波数分布曲線をスペクトルアナライザで表示した一例を、図１５〜図１７に示す。図１５は検査液槽１０内に被検査物Ｗがない状態の反射波Ｒのスペクトル波形を示しており、図１６は被検査物Ｗを検査液槽１０に水没させる際のスペクトル波形の変化を示している。この図に示すように、被検査物Ｗを検査液槽１０に水没させつつある際に生じる検査液Ｌの流動による変化は、低い周波数に表れる。さらに被検査物Ｗに圧縮空気を圧入して気泡を生じさせ、気泡の漏れを検出したスペクトル波形を図１７に示す。この際の気泡の漏れによるスペクトル変化は図１６に比べて大きく、特に周波数の低い領域から中領域にかけて振幅が増大している。このように周波数分布曲線は各状態で顕著に変化するため、これらの変化を検出することで気泡の状態のみならず、検査液槽１０内の状態、すなわち流動が生じている状態か、流動がない状態か、あるいは気泡が発生している状態かという状態の区別も行える。
【００４７】
従来の超音波を利用した空気漏れ検査装置では、水中の気泡の上昇速度をドップラーシフトにより検出するために、上方向から超音波を照射する構成を採用していた。言い換えると、気泡の上昇方向に対して側方から超音波を照射する構成は採用できず、このため水平面内における気泡の位置検出が困難であった。これに対して本実施の形態では、横方向から超音波を照射する構成を採用し、かつ超音波を走査することにより気泡の位置を検出することが可能となる。また従来の超音波を利用した空気漏れ検査装置では、気泡の個数をカウントする方式のため、気泡の大きさを検出することができず、その結果漏れ量を正確に検出することができなかった。これに対して本実施の形態では、比較的強いＭＨｚオーダーの超音波を水平方向から照射し気泡の揺動から漏れ量を算出する方式であるため、気泡の大きさによらず漏れ量を検出することが可能となる。一方、ドップラー効果のみを利用した空気漏れ検査装置では、気泡が無くても反応する誤検出のおそれが生じる。このため本発明の実施の形態では、超音波の透過波Ｔを検出する透過波受信部３０を設けることにより、透過波Ｔの減衰をモニタしてこのような誤検出を防止している。すなわち、検査液Ｌ中の浮遊物や液槽内の流動・振動、及び気泡の量が多い場合等に、超音波素子列で受信された超音波信号の振幅強度、位相及び周波数変化を、反射した超音波受信信号の位相及び周波数に生じる外乱と識別し、気泡量の校正に用いる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明の超音波式漏れ位置検出装置は、超音波計測センサを用いた水没式空気漏れ検査装置に好適に適用できる。また検査対象としては、エンジンブロック、ミッションケース、ショックアブソーバ、燃料パイプ、燃料タンク等の自動車部品、電気機器部品、ガス・水道器具、食品・薬品、医療器具等が挙げられる。例えば車両用触媒コンバータの空気漏れ検査や、密封充填の包装容器のピンホール等シール不良の検出に好適に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施の形態１に係る超音波式漏れ位置検出装置を示す模式図である。
【図２】図１の超音波式漏れ位置検出装置を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施の形態２に係る超音波式漏れ位置検出装置を示す模式図である。
【図４】本発明の実施の形態３に係る超音波式漏れ位置検出装置を示す模式図である。
【図５】超音波送信部の一例を示す正面図である。
【図６】図５（ａ）に示す超音波素子から時分割で超音波を発生させるタイミングを示すタイミングチャートである。
【図７】気泡がない場合の反射波のスペクトルを示すグラフである。
【図８】小さな気泡が１個ある場合の反射波のスペクトルを示すグラフである。
【図９】小さな気泡が複数個ある場合の反射波のスペクトルを示すグラフである。
【図１０】大きな気泡が１個ある場合の反射波のスペクトルを示すグラフである。
【図１１】大きな気泡が複数個ある場合の反射波のスペクトルを示すグラフである。
【図１２】検査液槽内の検査液に流動がある場合の反射波のスペクトルを示すグラフである。
【図１３】気泡がない場合の透過波の振幅波形を示すグラフである。
【図１４】気泡がある場合の透過波の振幅波形を示すグラフである。
【図１５】検査液槽内に被検査物がない状態の反射波のスペクトルを示すイメージ図である。
【図１６】被検査物を検査液槽に水没させる際の反射波のスペクトルを示すイメージ図である。
【図１７】被検査物から生じる気泡の漏れがある場合の反射波のスペクトルを示すイメージ図である。
【図１８】従来の気密検査の一例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００５０】
１０、１０Ｂ、１０Ｃ…検査液槽
１２…エアー配管
２０…超音波送受信部
２１、２１Ｂ…超音波送信部
３０、３０Ｂ、３０Ｃ…透過波受信部
４０、４０Ｂ…反射波受信部
５０…コントローラ
６０…水槽
６１…鋼管材
６２…保持装置
６３…空気圧送装置
６４…小孔部
６５…気泡
６６…マイクロホン
Ｗ…被検査物
Ｌ…検査液
Ｔ…透過波
Ｒ…反射波
【図１】
0004630399.tif 000002
【図２】
0004630399.tif 000003
【図３】
0004630399.tif 000004
【図４】
0004630399.tif 000005
【図５】
0004630399.tif 000006
【図６】
0004630399.tif 000007
【図７】
0004630399.tif 000008
【図８】
0004630399.tif 000009
【図９】
0004630399.tif 000010
【図１０】
0004630399.tif 000011
【図１１】
0004630399.tif 000012
【図１２】
0004630399.tif 000013
【図１３】
0004630399.tif 000014
【図１４】
0004630399.tif 000015
【図１８】
0004630399.tif 000016
【図１５】
0004630399.tif 000017
【図１６】
0004630399.tif 000018
【図１７】
0004630399.tif 000019