(57)【要約】構造のスポット溶接を試験するためのフェーズドアレイプローブシステム及び方法。フェーズドアレイプローブは、複数のトランスデューサを含み、可撓性遅延線を含んでいてもよい。フェーズドアレイプローブは、スポット溶接に対する構造の第１の位置に配置される。第１の超音波信号は、フェーズドアレイプローブの少なくとも１つの第１のトランスデューサを使用してスポット溶接へと生成され、スポット溶接から受信される。第１の受信超音波信号は、スポット溶接に対する構造の第２の最適化された位置を判定するために処理される。第２の超音波信号は、フェーズドアレイプローブの第２のトランスデューサを使用してスポット溶接に至る第２の最適化された位置で生成され、スポット溶接から受信する。第２の受信超音波信号は、スポット溶接の特徴の寸法を判定するために処理される。  【選択図】図１
2020511651.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フェーズドアレイプローブを用いて構造のスポット溶接を試験する方法であって、
前記フェーズドアレイプローブを前記スポット溶接に対して前記構造の第１の位置に配置すること、
前記フェーズドアレイプローブの少なくとも１つの第１のトランスデューサを使用して、前記スポット溶接に至る第１の生成超音波信号を生成し、第１の受信超音波信号を前記スポット溶接から受信すること、
前記フェーズドアレイプローブの前記少なくとも１つの第１のトランスデューサからの前記第１の受信超音波信号を処理して、前記スポット溶接に対する前記構造の第２の最適化された位置を判定すること、
前記第２の最適化された位置で前記フェーズドアレイプローブの第２のトランスデューサを使用して、前記スポット溶接に至る第２の生成超音波信号を生成し、前記スポット溶接から第２の受信超音波信号を受信すること、及び
前記フェーズドアレイプローブの前記第２のトランスデューサからの前記第２の受信超音波信号を処理して前記スポット溶接の特徴の寸法を判定すること
を含む、方法。
【請求項２】
前記フェーズドアレイプローブが可撓性遅延線を含み、前記フェーズドアレイプローブを配置すること、及び再配置することは、前記フェーズドアレイプローブを、前記可撓性遅延線を用いて前記構造に連結することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第２の受信超音波信号を処理することが、形態の式
【数１】
2020511651.tif 000009
（式中、
Ａ（Ｐ）は、点Ｐでの信号振幅であり、
ｓｉｊ（ｔ）はトランスデューサから受信した信号の信号行列で、ｊ（１＜ｊ＜Ｎ）が送信素子、ｉ（１＜ｉ＜Ｎ）が受信素子であり、かつ
ｔＰｉ（ｒｅｓｐ．ｔＰｊ）は、受信機ｉ（ｒｅｓｐ．送信機ｊ）と点Ｐとの間の飛行時間である）
を使用することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記受信機と前記送信機の間の前記飛行時間は、形態の式
【数２】
2020511651.tif 000010
（式中、
ｘとｙは表面衝撃点の座標であり、ｘｋとｙｋは考慮される素子ｋの座標であり、ｋは送信素子ｊまたは受信素子ｉであってよく、ｘＰ、ｙＰ及びｚＰは再構成点の座標であり、ｓ（ｘ，ｙ）は表面プロファイルであり、ｖ１とｖ２は、遅延（１）及び試験材料（２）の音の速度である）
を使用して判定される、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記フェーズドアレイプローブが複数の前記トランスデューサの長方形アレイを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記フェーズドアレイプローブが複数の前記トランスデューサの環状アレイを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記フェーズドアレイプローブの複数の前記トランスデューサが、前記第２のトランスデューサによって囲まれた前記少なくとも１つの第１のトランスデューサを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記第２のトランスデューサが複数の前記トランスデューサのサブセットを含み、前記第２のトランスデューサが前記スポット溶接を囲むように選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記第２のトランスデューサが複数の前記トランスデューサのサブセットを含み、超音波音場の前記第２のトランスデューサは、前記超音波の信号の送受信の間に単一素子遅延原理の計算を使用して、信号の質を高めるために、特定の点に誘導されまたは集められる、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記第２の生成超音波信号を生成することが、第１のプローブ深度と第２のプローブ深度で信号を生成することを含み、かつ前記第２の受信超音波信号を処理することが、前記第１のプローブ深度と前記第２のプローブ深度で前記特徴の寸法を判定することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
構造のスポット溶接を試験するためのフェーズドアレイプローブシステムであって、
少なくとも１つの第１のトランスデューサ及び第２のトランスデューサを含む複数のトランスデューサと、
フェーズドアレイプローブを前記構造に連結するための可撓性遅延線とを含む、フェーズドアレイプローブであって、
前記少なくとも１つの第１のトランスデューサが、前記スポット溶接に対する前記構造の第１の位置で前記スポット溶接に至る第１の生成超音波信号を生成し、前記スポット溶接から第１の受信超音波信号を受信し、
前記第２のトランスデューサが、前記スポット溶接に対する前記構造の第２の最適化された位置で前記スポット溶接に至る第２の生成超音波信号を生成し、前記スポット溶接から第２の受信超音波信号を受信する、フェーズドアレイプローブと、
前記スポット溶接に対する前記構造の前記第２の最適化された位置を判定する前記フェーズドアレイプローブの前記少なくとも１つの第１のトランスデューサからの前記第１の受信超音波信号を処理すること、及び
前記フェーズドアレイプローブの前記第２のトランスデューサからの前記第２の受信超音波信号を処理して前記スポット溶接の特徴の寸法を判定すること
のために構成されるプロセッサと
を含む、システム。
【請求項１２】
前記第２の受信超音波信号を処理することが、形態の式
【数３】
2020511651.tif 000011
（式中、
Ａ（Ｐ）は、点Ｐでの信号振幅であり、
ｓｉｊ（ｔ）はトランスデューサから受信した信号の信号行列であり、ｊ（１＜ｊ＜Ｎ）が送信素子、ｉ（１＜ｉ＜Ｎ）が受信素子であり、
ｔＰｉ（ｒｅｓｐ．ｔＰｊ）は、前記受信機ｉ（ｒｅｓｐ．送信機ｊ）と点Ｐとの間の飛行時間である）
を使用することを含む、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記受信機と前記送信機の間の前記飛行時間は、形態の式
【数４】
2020511651.tif 000012
（式中、
ｘとｙは表面衝撃点の座標であり、ｘｋとｙｋは前記考慮される素子ｋの座標であり、ｋは送信素子ｊまたは受信素子ｉであってよく、ｘＰ、ｙＰ及びｚＰは再構成点の座標であり、ｓ（ｘ，ｙ）は表面プロファイルであり、ｖ１とｖ２は、遅延（ｖ１）及び試験材料（ｖ２）の音の速度である）
を使用して判定される、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記フェーズドアレイプローブは、複数の前記トランスデューサの長方形アレイを含む、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記フェーズドアレイプローブは、複数の前記トランスデューサの環状アレイを含む、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１６】
前記フェーズドアレイプローブの複数の前記トランスデューサが、前記第２のトランスデューサによって囲まれた前記少なくとも１つの第１のトランスデューサを含む、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１７】
前記少なくとも１つの第１のトランスデューサが少なくとも１つの第１の中央トランスデューサであり、前記第２のトランスデューサは、前記少なくとも１つの第１の中央トランスデューサについて同心円上に配置される、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１８】
前記第２のトランスデューサが複数の前記トランスデューサのサブセットを含み、前記第２のトランスデューサは前記スポット溶接を囲むように選択される、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１９】
前記第２のトランスデューサは、複数の前記トランスデューサのサブセットを含み、前記超音波音場の第２のトランスデューサは、前記超音波信号の送受信中に単一素子遅延原理の計算を使用して、信号の質を高めるために、特定の点に誘導または集められる、請求項１１に記載のシステム。
【請求項２０】
前記第２の生成超音波信号を生成することは、第１のプローブ深度及び第２のプローブ深度で信号を生成することを含み、前記第２の受信超音波信号を処理することは、前記第１のプローブ深度及び前記第２のプローブ深度で前記特徴の寸法を判定することを含む、請求項１１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、２０１７年３月１３日に提出された、「ＭＥＴＨＯＤ  ＡＮＤ  ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ  ＦＯＲ  ＮＯＮ−ＤＥＳＴＲＵＣＴＩＶＥ  ＴＥＳＴＩＮＧ  ＯＦ  ＳＰＯＴ−ＷＥＬＤＳ」と題する米国仮特許出願係属番号第６２／４７０，５９８号、及び２０１８年３月９日に提出された「ＰＨＡＳＥＤ  ＡＲＲＡＹ  ＰＲＯＢＥ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤ  ＦＯＲ  ＴＥＳＴＩＮＧ  Ａ  ＳＰＯＴ−ＷＥＬＤ」と題する米国特許出願公開係属番号第１５／９１６，５１０号に対する優先権を主張する。これらの全体は、参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本明細書に開示される主題は、非破壊試験の分野、より具体的には特にスポット溶接の非破壊試験に使用される超音波システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
板金接合プロセスは、自動車産業を含む多くの産業で広く使用されている。これらのプロセスの中で、抵抗スポット溶接は金属板を接合するために使用される非常に一般的な手順であり、レーザースポット溶接やシーム溶接も受け入れられてきている。このような接合プロセスの質の管理は、製造業者にとって重要な問題として認識されてきた。現在、スポット溶接は、通例の単一素子プローブまたはマトリックスフェーズドアレイシステムのいずれかによって検査されている。これらの超音波検査システムは、スティック溶接、燃焼スポット溶接、貫通不良溶接、及び緩いスポット溶接などのスポット溶接の欠陥を検出しようとするだけでなく、スポット溶接のナゲットの直径が必要最小限の直径であることを直接または間接的に評価しようとする。例えば、スポット溶接では、レーザーや電流の適用により重なり合った溶接金属片は、速く冷却されてナゲットとして公知の接合部に固化する溶解金属に至る。
【０００４】
超音波トランスデューサの１つのタイプ−フェーズドアレイトランスデューサ−圧電セラミックスを組み込んだ電気的及び音響的に独立した複数のトランスデューサ素子を含む。動作中、電気波形パルスは、プローブのフェーズドアレイトランスデューサ素子の電極に適用され、圧電セラミックスの状態に機械的変化を引き起こし、プローブが連結している材料を介して送信できる超音波信号（例えば超音波ビーム）を生成する。フェーズドアレイトランスデューサ素子に適用される電気波形パルスのタイミングを変えることによって、フェーズドアレイトランスデューサは異なる角度で超音波ビームを生成することができ、フェーズドアレイトランスデューサは、超音波ビームを、異常を検出しようとする試験対象物を通して異なる角度で操縦することができる。検査下の材料から反射した超音波ビームが、フェーズドアレイトランスデューサ素子の圧電セラミックの表面に接触すると、それは電極全体の電圧差を発生させ、信号処理電子装置によって受信信号として検出される。超音波ビームが対象物を通るとき、超音波ビームが試験対象物内の内部構造（例えば、異常）と相互作用すると、エコーと呼ばれる様々なパルス反射が発生する。電気パルスの透過と電気信号の受信との時間の差を追跡し、受信した超音波信号の振幅を測定することにより、材料の種々の特性を判定することができる。これらのエコーにより、所与の試験対象物内の異常の深度と大きさを判定できる。
【０００５】
通例の単一素子プローブは、スティック溶接、燃焼スポット溶接、貫通不良溶接、緩いスポット溶接などの欠陥を確実に検出できるが、通例の単一素子プローブでは、最小限のナゲット直径の直接測定は実現できない。現在利用可能な通例のマトリックスフェーズドアレイシステムは、６４または１２１の素子とハードレキソライト遅延線を備えたフェーズドアレイプローブを採用している。ハードレソライト遅延線は、溶接プロセスのために、インデントと平坦ではない連結面を有することが可能であるので、連結を対象の領域に制限する。このようなシステムはスポット溶接径を画像化できるが、再現性の限られた連結は再現性のない検査結果につながる。さらに、これらのシステムは、通常、板の残りの壁の厚さによって識別されるスティック溶接を、確実に識別できるか疑わしい。これは、硬質の遅延線の場合によくあるように、プローブをスポット溶接に直接垂直に連結できない場合に、このような測定値が損なわれる可能性があるためである。現在利用可能なシステムは、スポット溶接及び補間アルゴリズムの振幅Ｃ−スキャンを使用して、有効な最小ナゲット直径を判定することができる。これらの補間アルゴリズムには、最小スポット溶接直径または融合の２次元領域を確実に判定するために必要な再構成解像度（通常は０．２ｍｍ）が欠けている。１つの利用可能なシステムは、ナゲットの直径を判定するために合成開口焦点技術（ＳＡＦＴ）アルゴリズムを採用している。レーザースポット溶接やシーム溶接では、これらの接合部は原則的に任意の形状をとることができるので、高解像度で融合の２次元領域を再構築することが重要であり得る。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本明細書に開示されるのは、一態様において、フェーズドアレイプローブを用いて構造のスポット溶接を試験する方法である。例えば、フェーズドアレイプローブをスポット溶接に対する構造に配置する。フェーズドアレイプローブの少なくとも１つの第１のトランスデューサを使用して、スポット溶接に至る第１の生成超音波信号を生成し、第１の受信超音波信号をスポット溶接から受信する。フェーズドアレイプローブの少なくとも１つの第１のトランスデューサからの第１の受信超音波信号を処理して、スポット溶接に対する第２の最適化された位置と位置決めを判定する。加えて、またこれのみというわけでなく、これらの第１の受信超音波信号は、スティック溶接、緩い溶接、燃焼溶接、または貫通不良溶接などのスポット溶接の欠陥を検出するために使用できる。この第１の生成超音波信号の後、第２の最適化された位置でフェーズドアレイプローブの第２のトランスデューサを使用して、スポット溶接へと第２の生成超音波信号が生成され、第２の受信超音波信号がスポット溶接から受信される。フェーズドアレイプローブの第２のトランスデューサからの第２の受信超音波信号は、スポット溶接の特徴の寸法を判定するために処理される。
【０００７】
別の態様では、フェーズドアレイプローブ及びプロセッサを含むフェーズドアレイプローブシステムが開示される。フェーズドアレイプローブは、複数のトランスデューサと、フェーズドアレイプローブを構造に連結するための可撓性遅延線を含む。複数のトランスデューサは、少なくとも１つの第１のトランスデューサ及び第２のトランスデューサを含む。少なくとも１つの第１のトランスデューサは、スポット溶接に対する構造の第１の位置でスポット溶接に至る第１の生成超音波信号を生成し、スポット溶接から第１の受信超音波信号を受信する。フェーズドアレイプローブの少なくとも１つの第１のトランスデューサを使用して、スポット溶接に至る第１の生成超音波信号が生成され、第１の受信超音波信号が、スポット溶接から受信される。第２のトランスデューサは、スポット溶接に対して構造の第２の最適化された位置でスポット溶接に至る第２の生成超音波信号を生成し、スポット溶接から第２の受信超音波信号を受信する。プロセッサは、第１及び第２の受信超音波信号を処理するように構成されている。フェーズドアレイプローブの少なくとも１つの第１のトランスデューサからの第１の受信超音波信号は、スポット溶接に対するフェーズドアレイプローブの第２の最適な位置及び位置合わせを判定するために処理される。また、これのみでなく、これらの第１の受信超音波信号は、スティック溶接、緩い溶接、燃焼溶接または貫通不良溶接などのスポット溶接の欠陥を検出するために使用することができる。この第１の生成超音波信号の後、フェーズドアレイプローブの第２のトランスデューサを使用して、スポット溶接に至る第２の生成超音波信号が生成され、第２の受信超音波信号がスポット溶接から受信される。フェーズドアレイプローブの第２のトランスデューサからの第２の受信超音波信号は、スポット溶接の特徴の寸法を判定するために処理される。
【０００８】
方法または装置のいくつかの開示された実施形態の実践において実現され得る利点は、最小スポット溶接ナゲット直径または２次元融合領域が、より短い処理時間で高解像度にて判定されて、携帯用手動またはインライン自動化検査装置を可能にし得るということである。
【０００９】
本発明の付加的な特徴及び態様は、例示的な実施形態の以下の詳細な説明を読み取り、理解する上で当業者に明らかになる。
【００１０】
上記の実施形態は例示的であるのみである。他の実施形態は、開示された主題の範囲内である。
【００１１】
本発明の特徴が理解され得るように、本発明の詳細な説明は、特定の実施形態を参照して行うことができ、そのうちの一部は、添付の図面に示されている。しかし、図面は、本発明の特定の実施形態を示しているだけであり、したがって、その範囲を限定しているものと考えるべきでなく、開示された主題の範囲は、他の実施形態も包含するということに留意されたい。図面は、必ずしも原寸に比例してはおらず、一般に本発明の特定の実施形態の特徴を示すことに重点を置いている。図面では、類似した数字を使用して、様々な図面全体で類似したパーツであることを示している。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、単一のトランスデューサを有する試験システムによって検出された可能な特徴を示す。
【図２】図２は、単一のトランスデューサを有する試験システムによって検出された可能な特徴を示す。
【図３】図３は、単一のトランスデューサを有する試験システムによって検出された可能な特徴を示す。
【図４】図４は、単一のトランスデューサを有する試験システムによって検出された可能な特徴を示す。
【図５】図５は、本明細書に記載された１つ以上の態様による、フェーズドアレイプローブの実施形態によって検出されたスポット溶接特徴を示す。
【図６】図６は、本明細書に記載された１つ以上の態様による、フェーズドアレイプローブの実施形態によって検出されたスポット溶接特徴を示す。
【図７】図７Ａは、本明細書に記載されている１つ以上の態様による、対象物または表面を試験するための４つの中心活性トランスデューサを備えた超音波マトリックスフェーズドアレイシステムを示す。図７Ｂは、図７Ａの超音波マトリックスフェーズドアレイシステムを、本明細書に記載された１つ以上の態様による、対象物または表面を試験するためにアクティブであるすべてのトランスデューサを有する。
【図８】図８は、本明細書に記載されている１つ以上の態様による、超音波セグメント化環状フェーズドアレイシステムを示す。
【図９】図９は、本明細書に記載されている１つ以上の態様による、超音波セグメント化環状フェーズドアレイシステムを示す。
【図１０】図１０は、本明細書に記載された１つ以上の態様による、超音波フェーズドアレイスポット溶接検査の主成分を示すブロック図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、本明細書に記載されている１つ以上の態様による、特徴の非破壊検査及び検出を示す。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、本明細書に記載されている１つ以上の態様による、特徴の非破壊検査及び検出を示す。
【図１２】図１２は、本明細書に記載されている１つ以上の態様による、非破壊試験のための装置を示す。
【図１３】図１３は、本明細書に記載される１つ以上の態様による、非破壊試験のための方法を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
開示された主題の実施形態は、非破壊試験のための技術を提供する。他の実施形態は、開示された主題の範囲内である。
【００１４】
本開示は、検査結果の高解像度及び高再現性の最小スポット溶接直径を確実に判定する技術に関する。さらに、この技術により、通例の単一素子プローブシステムのようなスティック溶接、燃焼スポット溶接、貫通不良溶接、及び緩いスポット溶接などの他のスポット溶接の欠陥を確実に特定できる。また、この技術は、高解像度かつ高再現性で、２次元融合領域を再構築することができる。
【００１５】
ある例では、材料の組み合わせにより、プローブがスポット溶接の輪郭面に適合する一方で、試験条件下で音のエネルギーをスポット溶接に直接転送することができる。例えば、材料の組み合わせは、プローブの端に取り付けられた柔軟な膜と、膜とアレイまたはアレイの正面に直接取り付けられた柔軟なゴム遅延線の間の流体充填チャンバを含む。プローブは、検査対象物または表面を調べるために、フェーズドアレイプローブから超音波信号を送受信するように構成されてもよい。以下でさらに詳しく説明するように、採用されるアルゴリズムのため、また、処理に費やされる時間数を最適化するために、トランスデューサのサブセットのみを、信号の放出と受信に使用できる。装置は検査を実現するためにトランスデューサ素子のサブセットを採用する。その他の特徴は、試験中のスポット溶接のライブの色分けされた超音波Ｃ−スキャン画像の表示、またはリアルタイムで特徴付けられたスポット溶接の色分けされた超音波Ｃ−スキャン画像の再構成された画像の表示が含まれる。Ｃ−スキャン画像はさらに溶接ナゲットの最小直径及び２次元の融合領域を含む。プローブは、スポット溶接などの合格／不合格基準を予示する識別アルゴリズムを実行できる。
【００１６】
全般的に述べると、本明細書に記載されているものは、一態様における、フェーズドアレイプローブを用いて構造のスポット溶接を試験する方法である。例えば、フェーズドアレイプローブが、スポット溶接に対して構造の第１の位置に配置される。フェーズドアレイプローブの少なくとも１つの第１のトランスデューサを使用して、スポット溶接へと第１の生成超音波信号が生成され、第１の受信超音波信号が、スポット溶接から受信される。フェーズドアレイプローブの少なくとも１つの第１のトランスデューサからの第１の受信超音波信号は、スポット溶接に対するフェーズドアレイプローブの第２の最適な位置及び位置合わせを判定するために処理される。また、これのみでなく、これらの第１の受信超音波信号は、スティック溶接、緩い溶接、燃焼溶接または貫通不良溶接などのスポット溶接の欠陥を検出するために使用することができる。この第１の生成超音波信号の後、フェーズドアレイプローブのすべての第２のトランスデューサを使用して、スポット溶接へと第２の生成超音波信号が生成され、第２の受信超音波信号がスポット溶接から受信される。フェーズドアレイプローブの第２のトランスデューサからの第２の受信超音波信号は、スポット溶接の特徴の寸法を判定するために処理される。
【００１７】
一実施形態では、フェーズドアレイプローブは、可撓性遅延線を含み、フェーズドアレイプローブの位置決め及び再配置は、可撓性遅延線を使用してフェーズドアレイプローブを構造に連結することを含む。別の実施形態では、第２の受信超音波信号を処理することは、形態の式
【数１】
2020511651.tif 000003
を使用することを含み、式中Ａ（Ｐ）は点Ｐでの信号の振幅であり；ｓｉｊ（ｔ）はトランスデューサから受信した信号の信号行列であり、式中ｊ（１＜ｊ＜Ｎ）は送信素子、ｉ（１＜ｉ＜Ｎ）は受信素子であり；またｔＰｉ（ｒｅｓｐ．ｔＰｊ）は受信機ｉ（ｒｅｓｐ．送信機ｊ）と点Ｐとの間の飛行時間である。さらなる実施形態では、送信機ｊまたは受信機ｉと点Ｐとの間の飛行時間は、形態の式
【数２】
2020511651.tif 000004
、を使用して判定でき、式中ｘ及びｙは表面衝撃点の座標であり、一方でｘｋとｙｋは、考慮要素ｋの座標であり、ｋが送信素子ｊまたは受信素子ｉであり得、ｘＰ、ｙＰ、及びｚＰは再構成点の座標であり、ｓ（ｘ，ｙ）は表面プロファイルであり、ｖ１  及びｖ２は、遅延（１）と試験材料（２）の音の速度である。
【００１８】
一例では、フェーズドアレイプローブは、複数のトランスデューサの長方形のアレイである。別の例では、フェーズドアレイプローブは、複数のトランスデューサの環状アレイである。さらなる例では、フェーズドアレイプローブの複数のトランスデューサは、第２のトランスデューサによって囲まれた少なくとも１つの第１のトランスデューサを含む。
【００１９】
１つの構成では、少なくとも１つの第１のトランスデューサは少なくとも１つの第１の中央トランスデューサであり、第２のトランスデューサは少なくとも１つの第１の中央トランスデューサに同心円上に配置される。別の構成では、第２のトランスデューサは、複数のトランスデューサのサブセットであり、第２のトランスデューサはスポット溶接を囲むように選択される。さらなる構成では、第２の生成超音波信号を生成することは、第１のプローブ深度と第２のプローブ深度の両方で行われ、特徴の寸法は第１のプローブ深度と第２のプローブ深度の両方で判定される。さらに別の構成では、第２のトランスデューサは、複数のトランスデューサのサブセットを含み、超音波の音場の第２のトランスデューサは、超音波信号の送受信の間単一素子遅延原理の計算を使用して信号の質を高めるために、特定の点で操縦または集中する。
【００２０】
別の態様では、フェーズドアレイプローブ及びプロセッサを含むフェーズドアレイプローブシステムが開示される。フェーズドアレイプローブは、複数のトランスデューサと、フェーズドアレイプローブを構造に連結するための可撓性遅延線を含む。複数のトランスデューサは、少なくとも１つの第１のトランスデューサ及び第２のトランスデューサを含む。少なくとも１つの第１のトランスデューサは、スポット溶接に対する構造の位置でスポット溶接に至る第１の生成超音波信号を生成し、スポット溶接から第１の受信超音波信号を受信する。フェーズドアレイプローブの少なくとも１つの第１のトランスデューサを使用して、スポット溶接に至る第１の生成超音波信号が生成され、第１の受信超音波信号が、スポット溶接から受信される。第２のトランスデューサは、スポット溶接に対して構造の第２の最適化された位置でスポット溶接に至る第２の生成超音波信号を生成し、スポット溶接から第２の受信超音波信号を受信する。プロセッサは、第１及び第２の受信超音波信号を処理するように構成されている。フェーズドアレイプローブの少なくとも１つの第１のトランスデューサからの第１の受信超音波信号は、スポット溶接に対するフェーズドアレイプローブの最適な位置及び位置合わせを判定するために処理される。また、これのみでなく、これらの第１の受信超音波信号は、スティック溶接、緩い溶接、燃焼溶接または貫通不良溶接などのスポット溶接の欠陥を検出するために使用することができる。この第１の生成超音波信号の後、フェーズドアレイプローブのすべての第２のトランスデューサを使用して、スポット溶接に至る第２の生成超音波信号が生成され、第２の受信超音波信号がスポット溶接から受信される。フェーズドアレイプローブの第２のトランスデューサからの第２の受信超音波信号は、スポット溶接の特徴の寸法を判定するために処理される。
【００２１】
概要を説明すると、図１〜図４は、検査下の対象物に存在し得る可能な特徴を示す。特に、図１〜図４に示される特徴は、通例の単一トランスデューサ試験システムを用いて検出できる。図１〜図４の各例では、上方の金属板と下方の金属板は、スポット溶接を用いて接合するものである。
【００２２】
図１は、検査下の構造物または対象物１００で検出されたスティック溶接１０１と、非破壊試験システムのユーザインタフェースに表示されるＡ−スキャン１０２を示す。スティック溶接１０１は、対象物１００の層への溶接の浸透がほとんどないため、対象物１００の接続が不良であることを示す。通例の単一トランスデューサシステムは、スティック溶接１０１などの欠陥を検出することができる。図１のＡ−スキャン（１０２）において示すように、スティック溶接は、スタック全体の厚さのエコーシークエンスの間のより小さい振幅である追加のエコー振幅を識別することによって、検出することができる。スティック溶接のより信頼できる識別は、エコーシーケンスのスタック全体の厚さから、総スタックの壁の厚さを測定することによって達成される。スタックの厚さが特定の閾値を下回らない場合、スティック溶接が可能である見込みがある。
【００２３】
図２は、検査下の対象物２００で検出された緩い接続２０１と、非破壊試験システムのユーザインタフェースに表示されるＡ−スキャン２０２を示す。緩い接続２０１の欠陥はまた、対象物２００への溶接の浸透がないことを特徴とする。通例の単一トランスデューサシステムは、緩い接続２０１などの欠陥を検出することができる。図２のＡ−スキャン（２０２）に示すように、緩い溶接を、上部の板の厚さのエコーシーケンスのみを識別することによって、検出することができる。
【００２４】
図３は、検査下の対象物３００で検出された燃焼接続３０１と、非破壊試験システムのユーザインタフェースに表示されるＡ−スキャン３０２とを示す。示されているように、燃焼接続は、一般に対象物の過度の融解によって引き起こされる、対象物３００への溶接の完全な浸透によって特徴付けられる。通例の単一トランスデューサシステムは、燃焼接続３０１などの欠陥を検出することができる。図３のＡ−スキャン（３０２）に示すように、燃焼溶接は、スタック全体の厚さの複数の反射を示さない非常に短いエコーシーケンスを識別することによって検出することができる。
【００２５】
図４は、検査下の対象物４００で検出された貫通不良溶接４０１及び非破壊試験システムのユーザインタフェースに表示されるＡ−スキャン４０２を示す。貫通不良溶接４０１は、溶接プロセス後に、完全には融合されていない対象物４００の２つの層によって、特徴付けられる。通例の単一トランスデューサシステムは、貫通不良溶接４０１などの欠陥を検出することができる。スポット溶接の材料全体が溶融しているわけではなく、一緒に融合されていない場合は、貫通不良溶接の欠陥が生じている。図４のＡ−スキャン４０２に示すように、貫通不良溶接は、スタック全体の厚さのエコーシーケンス間の振幅がより小さい振幅である追加のエコーの振幅を識別することによって、検出することができる。
【００２６】
次の図５〜図６は、指定した最小の直径を有する溶接ナゲットを示している。ナゲットは３次元の対象物であるため、図５〜図６は代表的な断面を表す。特に、溶接プロセス中に、溶接ナゲットの目標の直径が求められ、本明細書に示される試験方法は、目標が達成されたかどうかを検証するために使用され得る。
【００２７】
図５は、検査下の対象物５００で検出され、非破壊試験システムのユーザインタフェース５０２に表示される、許容可能なナゲット５０１を有する了承または許容される溶接を示す。図５に示すように、許容される溶接は、対象物５００の両層へ十分に入っている浸透を実証する許容可能なナゲット５０１によって特徴付けられ、目標Ｄの最小直径を有する固体溶接接続を作出する。
【００２８】
図６は、検査下の対象物６００で検出された小さなナゲット６０１を示し、非破壊試験システムのユーザインタフェース６０２に表示している。ナゲット５０１とは対照的に、ここでナゲット６０１は、溶接プロセス中に意図された全寸法Ｄではない。代わりに、ナゲット６０１の最小直径はｄである。ｄ＜＜Ｄなので、このナゲット６０１は目標の直径と比較して過度に小さい。
【００２９】
次に、異なる例示的なフェーズドアレイプローブが、本明細書に記載される方法及びシステムで使用するために定められる。図７Ａは超音波マトリックスフェーズドアレイプローブ７００を示しており、４つの中央活性トランスデューサ７０２が個々のトランスデューサ７０１の８×８のアレイである。図７Ｂは、超音波マトリックスフェーズドアレイプローブ７００を示し、すべてが個々のトランスデューサ７０１の８×８のアレイの活性トランスデューサである。
【００３０】
フェーズドアレイプローブにおける超音波トランスデューサの具体的な詳細は、一般に知られている。さらなる詳細については、２０１５年８月１８日に公開された、米国特許第９，１１０，０００号Ｂ２にて言及されている。それは、全体が本明細書に組み込まれる。
【００３１】
長方形のアレイに加えて、円形のアレイが、本技術で使用されてもよい。図８は、３１個の個々のトランスデューサ８０１を有する超音波フェーズドアレイプローブ８００を示し、環状、円形の様式で配置され、中央トランスデューサ８０２を有する。図９は、６３個の個々のトランスデューサ９０１を有する超音波セグメント化環状フェーズドアレイプローブ９００を図示し、環状、円形の様式で配置され、中央トランスデューサ９０２を有する。プローブ８００及び９００では、すべてのトランスデューサを作動させなければならないわけではない。その代わりに、特定の操作では、中央トランスデューサが動作し、他の操作では、他のトランスデューサの一部のサブセットが動作してもよい。
【００３２】
図１０は、本発明の例示的な実施形態による、超音波フェーズドアレイスポット溶接検査１０の主要な構成要素を示すブロック図である。抵抗スポット溶接の検査のための超音波フェーズドアレイシステムは、高解像度、精度、及び再現性で最小ナゲット直径を判定することができる。このシステムは、ナゲットの直径を特定できるだけでなく、スティック溶接、燃焼スポット溶接、貫通不良溶接、及び緩い溶接などの他のスポット溶接の欠陥を、フェーズドアレイプローブの副次開口で識別できる。システムは、反射振幅値か飛行時間の測定に基づいて、ナゲットの色分けされた画像を生成するために、ＴＦＭ（総フォーカス方式）（後述）などの画像再構成アルゴリズムを採用することができる。システムは、個々のトランスデューサ素子１０００、可撓性遅延線１００１、及びフェーズドアレイトランスデューサからの信号を送受信することができるフェーズドアレイ超音波試験（ＰＡＵＴ）電子装置１０１０を備えたトランスデューサ、ならびに再構成アルゴリズムを実行し、再構成された画像を表示し、及び／または合格／不合格基準に至るスポット溶接条件の自動認証を採用することができる処理／表示装置１０２０からなっていてよい。ＰＡＵＴ電子装置１０１０及び処理／表示装置１０２０は、単一の器械で実現されても、２つの別々の器械で実現されてもよい。
【００３３】
図１０に続いて、スポット溶接においてプローブを配置している間に、アレイの中央トランスデューサ素子は、通例の単一素子プローブ検査に近い検査を行うために、１回のショットで使用することができる。さらに、フェーズドアレイトランスデューサのすべての要素は、マトリックスアレイ７００またはセグメント化された環状アレイ（例えば３１個の要素８００または６３個の要素９００）として実現して、スポット溶接の回転対称の幾何学形状を表すことができ、処理／表示装置１０２０にアクティブなＣ−スキャンを表示して、プローブの位置決めで可能な自動化システム用のフィードバックループへ操作者を導くか入力を提示するために採用できるようにすることができる。中央開口からの信号を用いて、処理装置の最大振幅自動化基準に基づいて、スポット溶接に対するプローブの最適な位置が得られる。これにより、処理装置の実際のデータの取得がトリガされ、異なる合格／不合格基準が評価される。
【００３４】
図７Ａ〜図９にて前に示したように、フェーズドアレイトランスデューサ（副次開口）の中心的な要素を用いて、初期の測定と基準の組を確認する。それは、１）残りの壁の厚さを測定することでスティック溶接を、２）緩いスポット溶接を、３）貫通不良溶接を、及び／または４）燃焼スポット溶接を判定できる。これらの基準は、今日行われている通例の試験と同じか類似していてもよい。したがって、単一のトランスデューサを生成する中央開口の選択は、フェーズドアレイアプローチにおける通例の単一素子プローブ検査を包含する。
【００３５】
これより図１０に戻ると、第２のステップでは、フェーズドアレイトランスデューサのすべての要素がＦＭＣ（フルマトリックスキャプチャ）アプローチで超音波信号１０３０を収集するために使用される。次いで、処理／表示装置１０２０にてナゲット１０４０の色分けされた画像を生成するＴＦＭ画像再構成アルゴリズムが、このデータセットを使用する。ＴＦＭ再構成アルゴリズムの可能な利点は、マトリックスアレイトランスデューサの直接または補間されたＣ−スキャンと比較したときに、遥かに高い解像度を提供し、したがって、最小ナゲット直径または２次元融合領域のより高い精度と高い再現性を提供でき、より信頼性が高くて正確な検査結果につながることである。画像が再構築されると、自動化アルゴリズムによって、振幅または飛行時間の値に基づいて、最小の有効なナゲット直径または２次元の融合領域が判定される。
【００３６】
システムは、スポット溶接が試験に合格または不合格になる可能性が高いかどうかについて、複数の合格／不合格基準に基づいて自動化されたオンラインフィードバックを提供することができる。操作者は、自動化アルゴリズムの結果を受け入れるか無視するかを決定できる。すべての関連パラメータを含むスポット溶接の完全なデータセットは、後で品質管理のために処理／表示装置に記憶することができる。
【００３７】
次に、図１１Ａは、特徴の非破壊検査及び検出を示すグラフであり、具体的には１．５ｍｍの深度の３ｍｍのＦＢＨの試験ブロックである。１．５ｍｍの深度は、一般的な２つのスタックのシートの厚さに近く、直径３ｍｍは、一般的なスポット溶接の直径の下端におけるものである。左側部分はＦＢＨを明確に識別できないライブＣ−スキャンを示し、中央部分はＦＢＨのわずかに改善された解像度のＣ−スキャン補間を示し、右側部分は総フォーカス方式（ＴＦＭ）出力を示す。この例のパラメータは次のとおりである：マトリックスアレイ１ｍｍ×１ｍｍピッチ；１５ＭＨｚ；６４素子；１つの行列の行が損なわれ、浸漬。図１１Ａにて分かるように、ＴＦＭ出力は、Ｃ−スキャン画像のいずれかと比較した場合、より解像度が高い３ｍｍのＦＢＨの改善された画像を示す。この改善された解像度はＦＢＨの直径のより正確な測定に導く。ＦＢＨの直径は、再構築されたＦＢＨのエッジをマークするＣ−スキャンの黒い輪郭線の内側に配置できる円の最小半径から自動的に判定される。補間されたＣ−スキャン及びＴＦＭ  Ｃ−スキャンから判定されるＦＢＨ直径は、図１１Ａの各Ｃ−スキャンの上のＤ＿Ｍｉｎ値として提示される。ＴＦＭ  Ｃ−スキャンが試験時のＦＢＨの３ｍｍの直径と一致しないのは、使用されたマトリックスアレイに損なわれた素子の行がある結果である。しかし、再解釈されたＦＢＨ画像のエッジをマークするＣ−スキャンの黒い輪郭線を比較すると、ＴＦＭ  Ｃ−スキャン画像の解像度がはるかに良好で、完全に機能するマトリックスアレイの場合は試験時に正しいＦＢＨ直径を与えることが明白になる。
【００３８】
続けて、図１１Ｂは、特徴の非破壊検査及び検出を示すグラフであり、具体的には図１０のナゲット１０４０のものである。左側部分は、ナゲット直径の輪郭を明確に識別できないライブＣ−スキャンを示し、中央部分はナゲット直径の輪郭を低解像度で識別できるＣ−スキャン補間を示し、右側部分は、ナゲット直径の輪郭を高解像度で明確に識別できる総フォーカス方式（ＴＦＭ）出力を示す。この例のパラメータは次のとおりである：マトリックスアレイ１ｍｍ×１ｍｍピッチ；１５ＭＨｚ；６４要素；１つの行列の行が損なわれ、浸漬；スポット溶接の試料は直径不明。図１１Ａにて分かるように、ＴＦＭ出力は、Ｃ−スキャン画像のいずれかと比較した場合、より高い解像度で改善された画像ナゲット直径を示す。この改善された解像度は、ナゲットの直径のより正確な測定に導く。ナゲットの直径は、再構築されたナゲットのエッジをマークするＣ−スキャンの黒い輪郭線の内側に配置できる円の最小半径から自動的に判定される。補間されたＣ−スキャン及びＴＦＭ  Ｃ−スキャンから判定される最小ナゲットは、図１１Ａの各Ｃ−スキャンの上のＤ＿Ｍｉｎ値として提供される。再解釈されたＦＢＨ画像のエッジをマークするＣ−スキャンの黒い輪郭線を比較することにより、ＴＦＭ  Ｃ−スキャン画像の解像度がはるかに優れていることが明らかになり、完全に機能するマトリックスアレイの場合は、正しいナゲット直径を試験中に提供する可能性が高い。補間されたＣ−スキャンとＴＦＭ  Ｃ−スキャンのＤ＿Ｍｉｎ値を比較することによって、補間アルゴリズムが最小ナゲット直径を小さくする可能性が高いのに対し、ＴＦＭの結果は最小ナゲット直径のより正確な値として提供することが明らかになる。
【００３９】
図１１Ａ及び図１１Ｂの例では、以下の実験結果を判定し、本技術の利点を実証した。処理装置のＴＦＭアルゴリズムの計算時間：２〜３ｓ；ＴＦＭ再構築画像は、補間されたＣ−スキャン（現在の市場で入手可能な解決策）よりもはるかに高い解像度を有する。ＴＦＭアルゴリズムは、最小スポット溶接ナゲット直径を判定する能力がより高い（検証試験での素子の損なわれた行により妥協）。ＴＦＭアルゴリズムの典型的な再構成解像度：０．２ｍｍ。
【００４０】
図１２は、対象物１２１０の非破壊試験のための装置を示す。一例では、第１の装置は、トランスデューサアレイ１２０１と可撓性遅延線１２００を含む。別の例では、第２の装置は、トランスデューサアレイ１２０１と固定の硬質の遅延線１２００’を含む。インデントと平坦ではない連結面を通常有するスポット溶接領域の幾何学形状を考えると、柔軟なゴムまたは流体（例えば水）充填チャンバによって実現できる可撓性遅延線は、検査下のスポット溶接に最適に連結することができ、スポット溶接へのプローブの向きを調整することができ、反射の振幅を最大化する。それは、スポット溶接に対してプローブが垂直方向になるのを確実にすることができる
【００４１】
図１２の概観を通して、高度な再構成アルゴリズムを用いれば、通例の解決策では得られるよりも改善された再構成の解像度を提供し得る。さらに、ＴＦＭ方式は、３２個や６４個などのより少ない素子をフェーズドアレイプローブで実現できる一方で、市場で入手可能な解決策と比較してより優れた解像度を提供し、フェーズドアレイプローブのよりコンパクトで快適な設計を可能にでき、したがってスポット溶接検査に共通しているスペースの制約された領域でも適当である。ＴＦＭ方式は完全な検査量をマッピングするので、現在の市場で入手可能な解決策で行われる直線ビーム検査では容易に達成できない、場所の誤った溶接の場合には、最小スポット溶接ナゲット直径を識別することも可能である。
システムの可撓性遅延線は、スポット溶接の領域に最適な連結を許容し、通例の解決策の硬質の遅延線で現在達成可能ではない検査結果の信頼性と再現性を大幅に向上させることができるプローブの位置の最適化を可能にする。
【００４２】
さらに記すと、本技術は、スポット溶接ナゲットまたは２次元の結果生じる再構成画像の保存及びドキュメント化を融合したものにすることを可能にするだけでなく、スポット溶接の幾何学形状のさらなる後処理またはより専用の解析のためのサーバ／クラウドにて記憶できる、完全なＡ−スキャン用データの記憶も可能にし得る。したがって、フェーズドアレイ（ＰＡ）アプローチでは、試験結果とアーカイブの包括的なドキュメント化も成し得る。
【００４３】
図１３は、本明細書に記載される１つ以上の態様による、非破壊試験のための方法を示す。第１のフローで、ブロック１３０２において、小さな中央開口が選択される。ブロック１３０４で、エコー振幅がスポット溶接で最適化される。ブロック１３０６で、小さな中央開口からのＡ−スキャン信号が記録される。ブロック１３０８で、スティック溶接、緩い溶接、燃焼溶接、及び貫通不良溶接のためのＡ−スキャンの基準が判定される。ブロック１３１０で、合格／不合格の推奨事項を提供する基準が評価される。
【００４４】
図１３について続けると、第２のフローにおいて、ブロック１３２２で、ライブＣ−スキャンのための完全なアレイが選択される。ブロック１３２４で、ブロック１３０４からスポット溶接でエコーが最適化された後に、減少したＦＭＣのデータ取得がトリガされる。ブロック１３２６で、高速ＴＦＭ再構成アルゴリズムが実行される。ブロック１３２８で、最小スポット溶接直径が判定される。ブロック１３１０で、合格／不合格の推奨事項を提供する基準が評価される。
【００４５】
次に、総フォーカス方式のさらなる詳細に移り、新規アルゴリズムの１つの実施形態を本明細書に提示していく。
【００４６】
フルマトリックスキャプチャと総フォーカス方式
Ｎ個の素子を備える超音波アレイトランスデューサのフルマトリックスキャプチャ（ＦＭＣ）は、Ｎ×Ｎｓｉｊ（ｔ）の完全なＡ−スキャンのデータセットを記録することにあり、この場合ｊ（１＜ｊ＜Ｎ）が送信素子で、ｉ（１＜ｉ＜Ｎ）が受信素子である。ここでｓｉｊ（ｔ）は、送信機と受信機の組み合わせの単一記録Ａ−スキャンである。送受信素子は、単一の素子またはアレイの素子の多重性、またはこれらの組み合わせのいずれかであってよい。素子の多重性がそれぞれ送信機または受信機として使用される場合、これらの送信機と受信機の超音波の音場は、送受信中に単一素子遅延原理を採用することにより、信号の質を高めるために、特定の点で操縦または集中できる。この信号行列Ｓ（ｔ）＝ｓｉｊ（ｔ）は、ＴＦＭ再構成の基礎である。再構成された画像の特定の点における信号の振幅Ａ（Ｐ）は、次式で得られる。
【数３】
2020511651.tif 000005
【００４７】
式中ｔＰｉ（ｒｅｓｐ．ｔＰｊ）は、受信機ｉ（ｒｅｓｐ．送信機ｊ）と点Ｐとの間の飛行時間である。
【００４８】
したがって、６４素子プローブのＴＦＭ画像の単一点Ｐを再構築するには、合計Ｎ×Ｎ＝６４×６４＝４０９６の合計を行う必要がある。さらに、各ｔＰｉとｔＰｊの４０９６の飛行時間の計算を行う必要がある。１５ＭＨｚ以上の必要な超音波周波数でスポット溶接を検査するための合理的な解像度で、Ｘ：８ｍｍ×Ｙ：８ｍｍ×Ｚ：１ｍｍの体積の画像化を考える（
【数４】
2020511651.tif 000006
）と、ＮｘＮｘ
【数５】
2020511651.tif 000007
（６４×６４×３２×３２×５０＝２０９７１５５２００）の信号ｓｉｊ（ｔ）の合計及び飛行時間の計算が得られる。
【００４９】
飛行時間の計算は、試験中の再構成点に対する素子の位置、プローブ遅延材料の音の速度、材料の音の速度を考慮に入れた平方根関数のルートを見つけることに基づいている。スネルの法則は、２つの媒体の界面での超音波の伝播を規定するので、平方根関数は、三角関数を計算することを伴う。三角関数と平方根発見アルゴリズムの数値計算は、特に計算に時間を費やす。
【００５０】
フルマトリックスキャプチャの減少と高速総フォーカス方式
計算時間を大幅に短縮し、スポット溶接の検査を許容可能なレベルに引き上げる（数分に比べて２〜３秒）ために、強化版ＴＦＭ再構成アルゴリズムで、以下の最適化が実施されてきた。
【００５１】
第１の変更点は、関連するシグナルのみがＦＭＣで取得され、ＴＦＭ再構成アルゴリズムで使用される場合である。特定の点で信号Ａ（Ｐ）を再構成する場合には、再構成点の周囲の制限された領域／半径の送信素子のみが、信号振幅Ａ（Ｐ）の良好な再構成を得るのに十分であることが示され得る。さらに、制限された領域／半径内にある受信素子のみが再構成振幅Ａ（Ｐ）に大きく寄与する。例として、１ｍｍ×１ｍｍのピッチの６４素子マトリックスアレイと、合計量の再構成に使用される７ｍｍ×７ｍｍ、すなわち４９の素子のアクティブな再構成開口を１３８５に減らすことを考察すると、その結果、６４素子すべてを使用した場合の４０９６の合計に対して、画像の中心点に対して約３の係数の計算時間が短縮される。画像の端までより離れた再構成点は、アクティブな再構成開口の素子が一層少なくなるため、完全な画像を再構成するための係数の減少は遥かに増加する。８×８×１ｍｍ３の体積を画像化する上記の例では、計算の総量は、全６４素子を採用した場合に約１５０の計算時間の係数の減少をもたらし、２０９７１５５２００と比較して１４１５４６４０に減少する。さらに計算を高速化するために、２つの追加の特徴を使用できる。まず、トランスデューサアレイを、再構成の対象領域を反映できるように設計することができる。スポット溶接を検査する場合、これは、容積部の必要な再構成点の数を減らす、この特定の適用の回転対称性を利用するために、セグメント化されたアニュアルアレイの専用の設計を採用することを意味する。さらに、位置ｓｉｉ（ｔ）に記憶された各素子からの信号を、素子のすぐ下の再構成領域の有効性を確認するために使用することができる。単一の接合シートからの顕著な反射が検出できる場合、当該の領域はＴＦＭ再構成では考慮すべきではない。また、制約領域内にある受信素子の信号のみが計算で考慮されるため、ＦＭＣ中に記憶する必要がある信号の数も減少する。したがって、ＦＭＣに必要な遅延原理の数が減り、ポータブルシステムにアルゴリズムを実装できるようになる。
【００５２】
主に計算時間をかける操作の１つは、上記の計算された合計の各飛行時間の値の計算である。ＴＦＭ再構成における処理速度のこの制限を克服するために、事前に計算された遅延時間が再構成アルゴリズムで使用される。これらの事前に計算された遅延時間は、通常、遅延線の定義済みの範囲、制約された再構成領域、及び材料の再構成深度用の処理装置のルックアップテーブルに記憶される。次いで、飛行時間ｔｉＰとｔｊＰの必要な合計をする間、事前に計算済みの飛行時間ルックアップテーブルＴ（ｄ，Ｒ，Ｚ）から引き出され、ｄは、信号ｓｉｉ（ｔ）（ｒｅｓｐ．ｓｊｊ）のインターフェイスエコー位置からのＴＦＭ再構成の間に判定された素子ｉ（ｒｅｓｐ．ｊ）の遅延である；Ｒは、再構成点Ｐまでの素子ｉ（ｒｅｓｐ．ｊ）のラジアル距離であり、Ｚは材料の再構成点Ｐの深度である。このルックアップテーブルアプローチの使用法は、トランスデューサアレイがスポット溶接の反射面（スポット溶接の領域の接合された板のスタックからの反射）にほとんど平行に配置されている場合に有効であることが示されている。スポット溶接の反射面に対してトランスデューサアレイが並列であることは、検査中に最初に発射され、データの取得をトリガするアレイの小さな中央開口部からの信号の最大化によって保証される（詳細については、取得及び処理アルゴリズムの説明を参照）。
【００５３】
スポット溶接の表面形状を考慮に入れるために、高速ＴＦＭ再構成に用いられる遅延は、送受信素子に対する再構成点の位置に依存してもよい。信号ｓｉｉ（ｔ）（ｒｅｓｐ．ｓｊｊ）のインターフェイスエコー位置の遅延は、連結面を素子の大きさの解像度でマップする。再構成アルゴリズムでは、再構成点に最も近い素子の遅延が、送受信素子の遅延に対して確認できる。最も近い素子の遅延が送信素子または受信素子の遅延よりも劣っている場合は、受信素子と送信素子の実際の遅延が使用される。この基準が満たされない場合は、最も近い素子の遅延が使用される。したがって、この処理では、連結領域の表面の幾何学形状が、単一素子の遅延によって測定されたものとみなされる。このアプローチは、検査表面に近い点のみを再構築する必要があるスポット溶接の検査に十分であることが示され得る。
【００５４】
より洗練されたアプローチでは、連結表面を同じＴＦＭアルゴリズムでより高い解像度でマッピングすることもできる。連結表面が再構築されると、表面ｓ（ｘ，ｙ）を通過する各単一再構成点に送信素子ｊまたは受信素子ｉからの飛行時間を、次の関数を最小限に抑えることによりＦｅｒｍａｔの原理を用いて計算することができる。
【数６】
2020511651.tif 000008
ｘとｙは表面の衝撃点の座標であり、一方でｘｋとｙｋは考慮される要素ｋの座標であり、ｋは送信素子ｊまたは受信素子ｉであってよく、ｘＰ、ｙＰ及びｚＰは再構成点の座標であり、ｓ（ｘ，ｙ）は表面プロファイルであり、ｖ１とｖ２は、遅延（１）及び試験材料（２）の音の速度である。関数の最小化は、送信素子に対して１回、受信素子に対して１回行わねばならない。衝撃点の座標ｘとｙの数値計算は、ソフトウェアに実装された効率的な最小化アルゴリズムによって行うことができる。これらの計算は、リアルタイムまたはオフライン後処理で各信号の合計に対して実行する必要があるため、このようなアプローチは計算時間を大幅に増加させる。ただし、単一素子の界面エコーの遅延による連結面のマッピングが不十分な困難な検査の場合、このアプローチは再構成の信頼性にさらなる利点をもたらす可能性がある。
【００５５】
上記の一般的なＴＦＭ方式に対するすべての最適化は、この検査アプローチの産業での実装のための再構成速度を得るために必要であるが、上記の実施形態は、マトリックスまたはセグメント化された環状フェーズドアレイプローブでのスポット溶接を検査するためのＴＦＭ方式の１つの可能な実装形態にすぎない。スポット溶接の検査のためのマトリックスまたはセグメント化された環状フェーズドアレイプローブで一般的なＴＦＭ方式を採用するシステムなどの他の実施形態は、開示された主題の範囲内である。
【００５６】
関連する遅延時間のための事前に計算されたルックアップテーブルを用いたＴＦＭ方式の最適化は、この検査アプローチの産業での実装のための速度を得るために必要であり、上記の実施形態は、マトリックスまたはセグメント化された環状フェーズドアレイプローブでスポット溶接を検査するためのＴＦＭ方式１つの可能実装形態にすぎない。スポット溶接の検査のためのマトリックスまたはセグメント化された環状フェーズドアレイプローブで遅延時間のリアルタイムの計算のためのアルゴリズムを採用するシステムなどの他の実施形態は、開示された主題の範囲内である。
【００５７】
スポット溶接検査及び処理アルゴリズム
検査及び処理アルゴリズムは、複数のステップからなる。取得モードでは、アレイは２つのモードで利用されてもよい。完全なアレイがスポット溶接にプローブを配置するためのライブＣ−スキャン画像化で使用されると、平行な小さな中央開口が、スポット溶接の反射面のエコーを最適化し、トランスデューサアレイとスポット溶接の並列性を確実化するために利用されてもよい。これらの２つのモードは、単一の素子または素子のサブグループを電子的に活性化することによって、取得装置で並行して実行することができる。反射エコーが最適化されると（使用者定義の閾値によって定義される）、中央開口からのＡ−スキャンが自動的に記憶され、減少されたＦＭＣのデータ取得がトリガされる。スタック溶接、緩い溶接、燃焼溶接、及び貫通不良の溶接の基準は、可能な溶接の欠陥を評価するために、中央開口からの単一のＡ−スキャンで確認される。並行して、ＴＦＭアルゴリズムは、再構成された最小スポット溶接直径を計算するために、取得されたＦＭＣデータセットで実行され得る。すべての基準（スタック溶接、緩い溶接、燃焼溶接、貫通不良の溶接、及び最小直径）が確認され、結果を表示装置に表示して、検査員に合格／不合格の勧告が提供される（検査及び処理アルゴリズムのブロックチャートを参照）。
【００５８】
実際のスポット溶接直径を判定するには、ＴＦＭアルゴリズムを２つの材料の深度で実行する必要がある場合がある。最初の再構成は、中央開口Ａ−スキャンから判定されるように、総合の材料の厚さの深度で実行される。２回目のＴＦＭ再構成は、総合の材料の深度に加えて、上部の板の厚さに対応する材料の深さで実行され、検査領域内の任意の緩い領域を確認する。総合的なシートの厚さ（第１のＴＦＭ再構成）で顕著な信号と、第２のＴＦＭ再構成の材料の深さで顕著な信号がない点のみが、最小スポット溶接直径を判定するための有効な点とみなされる。
【００５９】
請求項が複数の要素を参照して「少なくとも１つ」というフレーズを表している限り、これは、列挙された要素の少なくとも１つ以上を意味しており、各要素の少なくとも１つに限定されるものではないことを意図している。例えば、「要素Ａ、要素Ｂ、及び要素Ｃの少なくとも１つ」は、要素Ａ単独、または要素Ｂ単独、または要素Ｃ単独、またはその任意の組み合わせを示すことを意図する。「要素Ａ、要素Ｂ、及び要素Ｃの少なくとも１つ」は、要素Ａの少なくとも１つ、要素Ｂの少なくとも１つ、及び要素Ｃの少なくとも１つに限定されることを意図していない。
【００６０】
この記述の説明は、ベストモードを含む発明を開示するため、また、当業者が任意のデバイスまたはシステムを製造及び使用し、任意の組み込まれている方法を実行することを含めた、本発明を実践することを可能にするための例を使用している。本発明の特許可能な範囲は、請求項によって定義され、また当業者に思い浮かぶ他の例を含み得る。このような他の例は、請求項の文言の字義と異ならない構造の要素を備えている場合、または請求項の文言の字義との実質的な違いがある同等の構造の要素を含む場合、特許請求の範囲内にあることを意図している。
【００６１】
前述の観点から、非破壊試験及び試験結果の処理を可能にする実施形態は、例えばスポット溶接の合格／不合格基準などの結論に達する。技術的な効果は、スポット溶接のナゲット直径の正確な測定、またはＴＦＭアルゴリズムでの２Ｄ融合領域の正確な測定である。第２の技術的効果は、ＴＦＭアルゴリズムの必要な処理時間を短縮し、現場でのポータブル手動またはインライン自動化装置の導入を可能にすることである。
【００６２】
当業者が理解するように、本発明の態様は、システム、方法、またはコンピュータプログラム製品として具体化され得る。したがって、本発明の態様は、完全にハードウェアの実施形態、完全にソフトウェアの実施形態（ファームウェア、常駐ソフトウェア、マイクロコードなどを含む）、またはすべてが本明細書で「サービス」、「回路（ｃｉｒｃｕｉｔ）」、「回路（ｃｉｒｃｕｉｔｒｙ）」、「モジュール」、及び／または「システム」と全体的に称され得る、ソフトウェアとハードウェアの態様を組み合わせた実施形態の形態をとってもよい。さらに、本発明の態様は、コンピュータ読み取り可能なプログラムコードを具体化した１つ以上のコンピュータ読み取り可能な媒体（複数可）に具体化されたコンピュータプログラム製品の形態をとってもよい。
【００６３】
１つ以上のコンピュータ読み取り可能な媒体（複数可）の任意の組み合わせが利用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な媒体は、コンピュータ読み取り可能な信号媒体またはコンピュータ読み取り可能な記憶媒体であってもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体は、例えば、電子、磁気、光学、電磁、赤外線、または半導体のシステム、装置、またはデバイス、または前述の任意の適切な組み合わせであってもよいがそれらに限定されない。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体のより具体的な例（非網羅的な列挙）には、以下のものが挙げられる：１つ以上のワイヤを備える電気接続、ポータブルコンピュータディスケット、ハードディスク、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、消去可能プログラマブル読み取り専用メモリ（ＥＰＲＯＭまたはフラッシュメモリ）、光ファイバ、ポータブルコンパクトディスク読み取り専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、光学記憶装置、磁気記憶装置、または前述の任意の適切な組み合わせ。本文書の文脈では、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体は、命令実行システム、装置、またはデバイスによって、またはそれらと関連して、使用するプログラムを含むまたは保存することができる任意の有形媒体であり得る。
【００６４】
コンピュータの読み取り可能な媒体に具体化されたプログラムコード及び／または実行可能命令は、無線、有線、光ファイバケーブル、ＲＦなど、または前述の任意の適切な組み合わせを含むがこれらに限定されない、任意の適切な媒体を使用して送信され得る。
【００６５】
本発明の態様に対する操作を行うためのコンピュータプログラムコードは、Ｊａｖａ、Ｓｍａｌｌｔａｌｋ、Ｃ＋＋などのようなオブジェクト指向プログラミング言語、及び「Ｃ」プログラミング言語や類似のプログラミング言語など、通例の手続き型プログラミング言語を含む１つ以上のプログラミング言語の任意の組み合わせで書かれてもよい。プログラムコードは、使用者のコンピュータ（デバイス）で完全に、使用者のコンピュータで一部、スタンドアロンソフトウェアパッケージとして、使用者のコンピュータで一部、またリモートコンピュータで一部、またはリモートコンピュータまたはサーバで完全に実行され得る。後者のシナリオでは、リモートコンピュータは、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）またはワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）を含む任意の種類のネットワークを介して使用者のコンピュータに接続される場合もあれば、外部のコンピュータ（インターネットサービスプロバイダを使用して、インターネットを介してなどで）に接続される場合もある。
【００６６】
本発明の態様は、本発明の実施形態による方法、装置（システム）及びコンピュータプログラム製品のフローチャートの図解及び／またはブロック図について言及しながら本明細書に記載されている。フローチャートの図解及び／またはブロック図の各ブロック、及びフローチャートの図解及び／またはブロック図のブロックの組み合わせは、コンピュータプログラムの指示によって実装できることが理解される。これらのコンピュータプログラム命令は、汎用コンピュータ、特定目的コンピュータ、または機械を製作するその他のプログラム可能なデータ処理装置のプロセッサに提供でき、その指示が、コンピュータまたはその他のプログラム可能なデータ処理装置のプロセッサを介して実行し、フローチャート及び／またはブロックダイアグラムの単数または複数のブロックで指定された機能／動作を実装するための手段を作成するようにする。
【００６７】
これらのコンピュータプログラム命令はまた、コンピュータ、他のプログラム可能なデータ処理装置、またはその他のデバイスを特定の方法で動作させるよう導けるコンピュータ読み取り可能な媒体に記憶されてもよく、コンピュータ読み取り可能な媒体に記憶される命令が、フローチャート及び／またはブロックダイアグラムの単数または複数のブロックで指定された機能／動作を実装する命令を含む製造品を生産する。
【００６８】
また、コンピュータプログラムの命令は、コンピュータ、他のプログラム可能なデータ処理装置、またはその他のデバイスにロードして、一連の操作ステップを、コンピュータ、他のプログラム可能な装置または他のデバイスで実行させ、コンピュータ実装プロセスをもたらし、コンピュータまたは他のプログラム可能な装置で実行される命令が、フローチャート及び／またはブロックダイアグラムの単数または複数のブロックで指定された機能／動作を実装するプロセスを提供することができる。
【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１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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【手続補正書】
【提出日】令和1年10月8日(2019.10.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フェーズドアレイプローブ１０を用いて構造６００のスポット溶接６０１を試験する方法であって、    前記フェーズドアレイプローブ１０を前記スポット溶接６０１に対して前記構造６００の第１の位置に配置すること、    前記フェーズドアレイプローブ１０の少なくとも１つの第１のトランスデューサ７０１を使用して、前記スポット溶接に至る第１の生成超音波信号１０３０を生成し、第１の受信超音波信号１０３０を前記スポット溶接から受信すること、    前記フェーズドアレイプローブ１０の前記少なくとも１つの第１のトランスデューサ７０１からの前記第１の受信超音波信号１０３０を処理して、前記スポット溶接６０１に対する前記構造６００の第２の最適化された位置を判定すること、    前記第２の最適化された位置で前記フェーズドアレイプローブ１０の第２のトランスデューサ７０２を使用して前記スポット溶接６０１に至る第２の生成超音波信号１０３０を生成し、前記スポット溶接６０１から第２の受信超音波信号１０３０を受信すること、及び    前記フェーズドアレイプローブ１０の前記第２のトランスデューサ７０２からの前記第２の受信超音波信号１０３０を処理して前記スポット溶接６０１の特徴の寸法を判定すること  を含む前記方法。
【請求項２】
前記フェーズドアレイプローブ１０が可撓性遅延線１００１を含み、前記フェーズドアレイプローブ１０を配置すること及び再配置することは、前記フェーズドアレイプローブ１０を前記可撓性遅延線１００１を用いて前記構造６００に連結することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第２の受信超音波信号１０３０を処理することが、形態の式【数１】
2020511651.tif 000027
（式中、    Ａ（Ｐ）は、点Ｐでの信号振幅であり、    ｓｉｊ（ｔ）はトランスデューサ７０１、７０２から受信した信号の信号行列で、ｊ（１＜ｊ＜Ｎ）が送信素子、ｉ（１＜ｉ＜Ｎ）が受信素子であり、    ｔＰｉ（ｒｅｓｐ．ｔＰｊ）は、前記受信機ｉ（ｒｅｓｐ．送信機ｊ）と点Ｐとの間の飛行時間である）  を使用することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記受信機と前記送信機の間の前記飛行時間は、形態の式【数２】
2020511651.tif 000028
（式中    ｘとｙは表面衝撃点の座標であり、ｘｋとｙｋは考慮される素子ｋの座標であり、ｋは送信素子ｊまたは受信素子ｉであってよく、ｘＰ、ｙＰ及びｚＰは再構成点の座標であり、ｓ（ｘ，ｙ）は表面プロファイルであり、ｖ１とｖ２は、遅延（１）及び試験材料（２）の音の速度である）  を使用して判定される、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記フェーズドアレイプローブ１０が複数の前記トランスデューサ７０２の長方形アレイを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記フェーズドアレイプローブが複数の前記トランスデューサ７０２の環状アレイを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記フェーズドアレイプローブ１０の複数の前記トランスデューサ７０２が、前記第２のトランスデューサ７０２によって囲まれた前記少なくとも１つの第１のトランスデューサ７０１を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記第２のトランスデューサ７０２が複数の前記トランスデューサのサブセットを含み、前記第２のトランスデューサ７０２が前記スポット溶接６０１を囲むように選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記第２のトランスデューサ７０２が複数の前記トランスデューサのサブセットを含み、前記超音波音場の第２のトランスデューサは、前記超音波信号１０３０の送受信の間単一素子遅延原理の計算を使用して、信号の質を高めるために、特定の点に誘導または集められる、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記第２の生成超音波信号１０３０を生成することは、第１のプローブ深度及び第２のプローブ深度で信号を生成することを含み、前記第２の受信超音波信号を前記処理することは、前記第１のプローブ深度及び前記第２のプローブ深度で前記特徴の寸法を判定することを含む、請求項１に記載の方法。 
【国際調査報告】
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