JP2018132481A - 解析装置及び解析システム - Google Patents

Abstract

【課題】非破壊的に被検体を解析する解析システム及びその解析システムに用いられる解析装置を提供する。
【解決手段】振動特性が異なる第一領域と第二領域とを含む被検体の表面に含まれる特定の線分上の部位ごとに、被検体の表面に与えられた振動の振動速度に係る波形の位相を求め、求められた各部位における位相と第一領域上に予め定めた参照点における位相との位相差を算出し、特定の線分の一端を基準として（ｋ−ｗ）番目からｋ番目までの部位における位相差の分散値である第１分散値（ｖａｒ（Ｘ［ｋ−ｗ，ｋ］）及び一端を基準としてｋ番目から（ｋ＋ｗ）番目までの部位における位相差の分散値である第２分散値（ｖａｒ（Ｘ［ｋ，ｋ＋ｗ］）のうち一方が所定値を超えており他方が所定値を下回る場合の少なくとも一部において、ｋ番目の部位を第一領域と第二領域との境界として推定する。
【選択図】図８

Description

本発明は、解析装置及び解析システムに関するものである。

特性の異なる複数の部材を接合することによって構成されている製品や部品は世に広く流通しており、このような製品等の検査では接合部の健全性を解析することが品質保持の観点からきわめて重要である。
可能であれば製品等を破壊せずに接合部の健全度を検査できることが望ましいが、このような検査方法の実現に向けて様々な研究及び開発が行われている。

例えば、下記の特許文献１には、第２の部材に溶接されている第１の部材の表面にレーザ光を照射して超音波振動を生起させ、第１の部材から第２の部材に伝播した超音波振動の周波数及び波長を求め、求められた値を所定の関係式に代入することによって、溶接部の断面寸法を算出する検査装置が提案されている。

特開２０１４−１８５９４５号公報

特許文献１に例示するように、検査対象物（被検体）を振動させた様子を解析することによって非破壊的に検査を行う方式は従来においても種々提案されているものの、計測条件が十分に整っている環境において実現可能であったとしても実際の製作現場においては導入できない事例が多々存在しており、このような製作現場にも適用可能な新たな解析方式の開発が求められている。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、非破壊的に被検体を解析する解析システム及びその解析システムに用いられる解析装置を提供することを目的とする。

本発明者は鋭意検討し、上記課題を解決する方法を見出し、本発明を完成させた。
本発明は次の（i）〜（vii）である。
（i）互いに隣接しており且つ振動特性が異なる第一領域と第二領域とを含む被検体について、前記第一領域と前記第二領域との境界を解析する解析装置であって、前記被検体の表面に与えられた振動の振動速度に係る波形の位相を、前記表面に含まれる特定の線分上の部位ごとに求め、求められた各部位における位相と前記第一領域上に予め定めた参照点における位相との位相差を算出し、前記特定の線分の一端を基準として（ｋ−ｗ）番目からｋ番目までの部位における前記位相差の分散値である第１分散値（ｖａｒ（Ｘ［ｋ−ｗ，ｋ］）及び前記一端を基準としてｋ番目から（ｋ＋ｗ）番目までの部位における前記位相差の分散値である第２分散値（ｖａｒ（Ｘ［ｋ，ｋ＋ｗ］）を算出し、算出された前記第１分散値及び前記第２分散値のうち一方が所定値を超えており他方が前記所定値を下回る場合の少なくとも一部において、ｋ番目の部位を前記境界として推定することを特徴とする解析装置。
（ii）前記所定値は１と定められており、前記解析装置は、前記第１分散値に係る対数と前記第２分散値に係る対数との積である分散値積が負である場合の少なくとも一部において、ｋ番目の部位を前記境界として推定する（i）に記載の解析装置。
（iii）前記解析装置は、前記特定の線分上の各部位について前記分散値積を算出し、算出された前記分散値積が負である部位のうちｋが最小である部位を、前記一端側の前記境界として推定し、算出された前記分散値積が負である部位のうちｋが最大である部位を、前記一端の他端側の前記境界として推定する（ii）に記載の解析装置。
（iv）前記解析装置は、前記特定の線分上の各部位について前記分散値積を算出し、算出された前記分散値積が負である部位のうち、前記分散値積が前記参照点近傍の局所領域における極小値である部位を、前記境界として推定する（ii）に記載の解析装置。
（v）前記解析装置によって推定される前記境界の間に含まれる部位の点数が、百未満である（i）から（iv）のいずれか一つに記載の解析装置。
（vi）互いに隣接しており且つ振動特性が異なる第一領域と第二領域とを含む被検体の表面を加振する加振源と、前記被検体の前記表面の振動速度を計測する計測器と、前記計測器による計測に基づいて前記第一領域と前記第二領域との境界を解析する解析装置と、を有している解析システムであって、前記解析装置は、前記計測器によって計測された振動速度に係る波形の位相を、前記表面に含まれる特定の線分上の部位ごとに求め、求められた各部位における位相と前記第一領域上に予め定めた参照点における位相との位相差を算出し、前記特定の線分の一端を基準として（ｋ−ｗ）番目からｋ番目までの部位における前記位相差の分散値である第１分散値（ｖａｒ（Ｘ［ｋ−ｗ，ｋ］）及び前記一端を基準としてｋ番目から（ｋ＋ｗ）番目までの部位における前記位相差の分散値である第２分散値（ｖａｒ（Ｘ［ｋ，ｋ＋ｗ］）を算出し、算出された前記第１分散値及び前記第２分散値のうち一方が所定値を超えており他方が前記所定値を下回る場合の少なくとも一部において、ｋ番目の部位を前記境界として推定することを特徴とする解析システム。
（vii）前記被検体は、複数の部材を溶接、溶着又は接着することによって接合されている接合部を内部に含んでおり、前記解析装置は、前記接合部の内部領域と外部領域との境界を解析する（vi）に記載の解析システム。

本発明者による検証により、互いに隣接しており且つ振動特性が異なる複数の領域を含む被検体の表面を振動させて被検体の表面における計測点毎に振動速度波形の位相を求めた場合、求めた位相と所定の参照点における位相との位相差に基づく演算処理によって、複数の領域の境界を推定可能である旨の知見に想到した。
本発明は、上記の知見に基づいて被検体に含まれる複数の領域の境界を推定するものであり、その解析結果に基づいて被検体の健全性等を判定することもできる。

本発明によれば、非破壊的に被検体を解析する解析システム及びその解析システムに用いられる解析装置を提供することができる。

本発明の解析システムの構成を示す説明図である。 本実施例で使用した被照射体を示す図である。 （ａ）は、シングルトーンバースト波の送出方法を説明する説明図である。（ｂ）は、本実施例で被照射体に照射したシングルトーンバースト波の波形を示す図である。 被照射体にシングルトーンバースト波を照射した場合に、溶接部上と非溶接部上において計測された振動速度のタイムチャートである。 被照射体の計測結果を描画した平面画像と、実際に円痕部を撮影した撮影画像と、の比較を示す図である。 画像化処理によって出力された平面画像を示す図である。 円痕部上を通るラインＬ１における計測例を示す図である。 データ番号ｋを基準とした前後の短い区間幅（ｗ）の分散値の概念図である。 本実施例における推定方法の概念図である。 ラインＬ２とラインＬ３における各部位の位相差と、各部位における位相差の分散値積と、を比較した説明図である。

本発明について説明する。
図１は、本発明の実施形態の解析システム１０の構成を示す説明図である。はじめに、解析システム１０の概要について説明する。

解析システム１０は、互いに隣接しており且つ振動特性が異なる第一領域と第二領域とを含む被検体について、第一領域と第二領域との境界を解析するシステムである。例えば、解析システム１０は、複数の部材（例えば、第一部材２及び第二部材４）を溶接、溶着又は接着することによって接合されている接合部３を内部に含んでいる被照射体１を被検体とし、接合部３の内部領域と外部領域との境界を解析するシステムである。
解析システム１０は、音響発信源１１、計測器１３、および解析装置１５１を含むコンピュータ１５を備える。
音響発信源１１は、被検体の表面を加振する加振源である。より具体的には、音響発信源１１は、被照射体１に送波音波１２を送出することによって被検体の表面を加振することができる。なお加振源の例としては、送波音波の照射によって被検体を加振するものに限られず、例えばレーザ光の照射によって被検体を加振するものであってもよい。
計測器１３は、被照射体１の表面の振動速度を計測する計器である。
解析装置１５１は、計測器１３によって計測された振動速度（被照射体１の表面に与えられた振動の振動速度）に係る波形の位相を、表面に含まれる特定の線分上の部位ごとに求め、求められた各部位における位相と第一領域上に予め定めた参照点における位相との位相差に基づいて、第一領域と第二領域との境界（接合部３の内部領域と外部領域との境界）を解析する機能を有する。
ここで「振動特性が異なる第一領域と第二領域」とは、同じ条件で第一領域を局所的に加振した場合と第二領域を局所的に加振した場合とで、計測される振動特性が互いに相違することをいう。以下の実施例における第一領域は、例えば接合部３の内部領域であり、以下の実施例における第二領域は、例えば接合部３の外部領域である。

解析システム１０は、任意波形発生装置１７およびアンプ１９を更に有している。コンピュータ１５は、解析装置１５１に加えて制御装置１５２および表示部１５３を含んでおり、制御装置１５２によって任意波形発生装置１７を制御して、所望の周波数の音波を音響発信源１１から発生させる。計測器１３は、任意波形発生装置１７が発生するトリガ信号に制御装置１５２を同期させて計測する。表示部１５３には、後に説明する振動速度分布図等を表示することができる。表示部とはディスプレイ画面等を意味する。

以下、解析システム１０について更に詳細に説明する。

解析システム１０によって解析される被照射体１としては、例えば、金属、樹脂、セラミック等を接合することによって構成されているものが挙げられる。
被照射体１に内包されている接合部３において接合されている第一部材２と第二部材４とは、同種の材料であってもよいし、異種の材料であってもよい。また、第一部材２と第二部材４とを接合する方法については、特に制限されず、各部材に適した接合方法が適宜選択されればよい。

音響発信源１１には、被照射体１に面的に加振を加えうるフラットスピーカを好ましく用いることができる。フラットスピーカとしては、具体的に、エフ・ピー・エス社のＦＰＳ２０３０Ｍ３Ｐ１Ｒが挙げられる。音響発信源１１には、フラットスピーカの他、パラメトリックスピーカも好ましく用いることができ、更にはラウドスピーカやパルスレーザ、高圧ガスガン、衝撃波管を用いることができる。なお、音響発信源１１の数やスピーカの角度等は特に限定されない。
音響発信源１１から被照射体１へ照射される送波音波１２は、所望の周波数（ω）に調整することができ、かつ、被照射体１の表面をその振動速度が計測器１３によって測定できる程度に、表面に対して平行方向ではない方向（好ましくは、表面に対する垂直方向）へ振動させることができる音波であればよい。送波音波１２は、空気中で振動振幅が減衰し難い可聴帯域の音波（音響波）が好ましい。超音波は空気中で振動振幅の減衰が大きいものの、音響発信源１１が発する送波音波１２としての使用を排除するものではなく、音波には超音波を含む。送波音波１２の強度は、音響発信源１１から被照射体１へ当該送波音波１２を照射することで、被照射体１の表面に９０ｄＢ以上の音圧を発生させる強度であることが好ましく、１００ｄＢ程度の音圧を発生させる強度であることがより好ましい。

計測器１３は、送波音波１２により加振された被照射体１の振動を光学的に計測する手段である。本実施形態に用いられる計測器１３は、被照射体１の表面の振動速度を非接触で測定できるものであれば特に限定されず、レーザ変位計を用いることができ、レーザドップラ振動計であることが好ましい。計測器１３にレーザドップラ振動計を用いる場合、計測器１３はレーザ（観察波１３１）を被照射体１に照射する。送波音波１２が照射されて振動する被照射体１の表面で観察波１３１が反射されて計測器１３の受光部（図示せず）で受光されることにより、計測器１３は被照射体１の表面の振動速度を計測する。この観察波１３１は、接合部３を内包する被照射体１の振動状況を示す目的信号である。計測器１３で得られた振動速度の計測データは解析装置１５１で解析するために用いられる。

計測器１３には、１回の計測で被照射体１の表面の１点における振動計測が可能なシングルレーザタイプのレーザ振動計を用いることも可能であるが、スキャニングレーザタイプのレーザ振動計を用いることが好ましい。スキャニング振動計であるレーザドップラ振動計としては、具体的に、ポリテックジャパン社製のＰＳＶ−５００−ＨやＰＳＶ−５００Ｘｔｒａが挙げられる。このレーザドップラ振動計は解析装置の一部および制御装置を含むものである。

解析装置１５１は、上述した解析処理を行うことができるものであれば特に限定されず、本実施形態の解析システム１０を実現するプログラムが格納された汎用コンピュータを用いることができる。
ここで、解析処理に用いられる各部位の位相差を算出する際に基準となる接合部３上に予め定めた参照点（リファレンス）は、被照射体１の表面上に予め定められた特定の位置であり、且つ、その直下に接合部３が存在する可能性が高いと推定される位置（例えば、スポット溶接による接合であれば、そのスポット径の中心位置）であることが好ましい。

任意波形発生装置１７は、制御装置１５２の指令によって所望の周波数の音波を音響発信源１１から発生させる装置である。言い換えると、制御装置１５２は、音響発信源１１から送波音波１２が出力される時間関係を制御する手段である。任意波形発生装置１７には、バースト波を発生可能な市販のファンクションジェネレータ等を用いることができる。任意波形発生装置１７は、簡単のために手動で制御してもよく、または解析装置１５１側から制御するようにシステムを構成してもよい。アンプ１９に用いられる機器は特に限定されず、例えば、市販のオーディオアンプを用いることができる。

制御装置１５２は、送波音波１２を特定時刻に限局して音響発信源１１から出力させる。解析装置１５１は、計測器１３の計測結果のうち被照射体１が振動している時間帯を判定する。

計測器１３の受光部（図示せず）には、被照射体１の表面で反射した観察波１３１のほか、音響発信源１１が発する送波音波１２の一部である直接音波１２１と、被照射体１の表面で送波音波１２が反射した反射音波１２２とが入射する。直接音波１２１は音響発信源１１から計測器１３に直接に到達する送波音波１２であり、反射音波１２２は被照射体１で反射して計測器１３に到達する送波音波１２である。
計測器１３に入射する直接音波１２１および反射音波１２２は、計測器１３を不要に振動させ、目的とする対象物（被照射体１）の振動を検出する感度を低下させる要因になりうる。また、直接音波１２１や反射音波１２２が被照射体１の周囲に存在する種々の部材（不図示）において反射することによって生じる多重反射波が計測器１３に到達することも振動検出の感度を低下する要因になりうる。
従って、直接音波１２１、反射音波１２２および多重反射波の影響を低減させる対策を施して、被照射体１の振動計測を行うことが好ましい。なお、以下の説明において、このような対策を不要信号対策と称して、いくつか例示する。これらは本発明の実施において必ずしも適用されなくてもよく、本発明を実施する環境において許容される場合に適用すればよい。

不要信号対策として、解析システム１０に所望の周波数特性を持つ周波数ゲートを適用してもよい。ここで周波数ゲートとは、一部の周波数帯域を選択的に抽出又は除去する処理である。具体的な周波数ゲートとしては、計測器１３がバンドパスフィルタを備えてもよく、または解析装置１５１において周波数解析して振動速度の計測信号から不要信号を除去してもよい。
例えば、音響発信源１１によって送出される送波音波の周波数範囲及びその近傍帯域を抽出する周波数ゲートを、解析システム１０に適用してもよい。或いは、被照射体１の振動計測を繰り返し行うことにより不要信号の周波数帯域が経験的に定まる場合には、経験的に定められた当該周波数帯域を除去する周波数ゲートを用いてもよい。

音響発信源１１から被照射体１の表面までの距離をｄ_１とし、計測器１３から、被照射体１に対する観察波１３１の照射位置までの距離をｄ_２とする。送波音波１２が音響発信源１１より送出されてから被照射体１の表面で反射して計測器１３に到達するまでの距離はｄ_１＋ｄ_２となる。すなわち、送波音波１２が音響発信源１１より送出されてから被照射体１の表面に到達するまでの時間（以下、目標到達時間Ｔ_１という場合がある）は、ｄ_１／音速（Ｖｓ）となる。
なお、観察波１３１（レーザ）の速度は音速に比べて十分に高いため、被照射体１の表面の振動が開始する目標到達時間Ｔ_１の直後から被照射体１の振動計測を行うことができる。

送波音波１２はバースト波であり、所定の送波時間間隔Ｔ_０ごとに音響発信源１１から送出される。各回の送波音波１２（以下、バースト群という場合がある）の送波時間間隔Ｔ_０は一定であることが好ましい。送波音波１２はバースト波であるため、バースト群の一個あたりの時間長Ｔａは送波時間間隔Ｔ_０よりも当然短い。

また、音響発信源１１が送波音波１２を送出してから反射音波１２２が計測器１３に入射するまでの反射到達時間Ｔ_２は、（ｄ_１＋ｄ_２）／音速（Ｖｓ）となる。
反射音波１２２が不要信号として計測器１３に入射する反射到達時間Ｔ_２の瞬間までに、計測器１３が被照射体１の振動を検出できるようにバースト群の一個あたりの時間長Ｔａを設定することにより、反射音波１２２の影響を低減させる不要信号対策になりうる。この場合、時間長Ｔａは少なくとも反射到達時間Ｔ_２より短くなる。

また、計測器１３と音響発信源１１との距離をｄ_３とする。音響発信源１１より送出された送波音波１２は、ｄ_３／音速（Ｖｓ）の時間（以下、直接到達時間Ｔ_３という場合がある）で直接音波１２１として計測器１３に到達する。
計測器１３が直接音波１２１による影響を受ける時間帯が、計測器１３が被照射体１の振動計測を開始するタイミング（目標到達時間Ｔ_１）までに含まれるようにバースト群の一個あたりの時間長Ｔａを設定することにより、直接音波１２１の影響を低減させる不要信号対策になりうる。この場合、直接到達時間Ｔ_３と時間長Ｔａとの合計が少なくとも目標到達時間Ｔ_１以下になる。

＜送波音波の送信方法について＞
以下、送波音波の送信方法について説明する。
本発明者は、解析システム１０に好ましく適用可能な送波音波の送信方法を二通り確立している。
一つ目の送信方法は、周波数の異なる要素波形を送波音波として送波時間間隔Ｔ_０ごとに順次送信することによって、接合部３の解析に必要な周波数帯域をカバーする方法である。この送信方法では、十分な長さの送波時間間隔Ｔ_０ごとに送出される個々の送波音波において周波数は一定である。便宜上、この送信方法によって送信される送波音波をシングルトーンバースト波と呼ぶことにする。
二つ目の送信方法は、送波時間間隔Ｔ_０ごとに到来する１回の音波送信の際に１つの周波数だけでなく、複数の周波数を含む送波音波（バースト波）を送信することによって、接合部３の解析に必要な周波数帯域を１回の音波送信で複数の帯域にわたってカバーする方法である。便宜上、この送信方法によって送信される送波音波をマルチトーンバースト波と呼ぶことにする。

＜解析システム１０を用いた解析の実施例について＞
以下、解析システム１０を用いた解析の実施例について説明する。
図２は、本実施例で使用した被照射体１を示す図である。同図に示す被照射体１は、本発明を検証するために新たに製作したものであり、上面側に１００ミリメートル角で厚さ１．２ミリメートルの鉄板である第一部材２が設けられており、下面側に３００ミリメートル角で厚さ２．３ミリメートルの鉄板である第二部材４が設けられている。
被照射体１を製作するにあたって第一部材２より第二部材４を大きく且つ厚くした理由は、第一部材２の上面にシングルトーンバースト波を照射して加振した場合、第一部材２の振動は第二部材４にも伝播するが、この伝播した振動の影響を計測上無視できる程度に抑制するためである。

図２に示すように、第一部材２と第二部材４とは互いの中央付近においてスポット溶接を行ったことにより円痕部５が形成されている。
本検証のために、被照射体１の製作にあたって第一部材２と第二部材４とをスポット溶接する際に電流の大きさを変化させ、接合部３の状態（ナゲット径の大小）がそれぞれ異なる三種類の被照射体１が製作された。
以下の説明において、溶接時の電流が標準であるものを被照射体１Ｂ、溶接時の電流が標準より大きいものを被照射体１Ａ、溶接時の電流が標準より小さいものを被照射体１Ｃ、と呼称する。なお、被照射体１Ａ、被照射体１Ｂ及び被照射体１Ｃのいずれについても、中央付近に形成された円痕部５の径（スポット径）は外観上では約６ミリメートル程度になっている。

本実施例では、被照射体１の表面から音響発信源１１までの距離ｄ_１を約３７０ミリメートルとし、計測器１３から被照射体１に対する観察波１３１の照射位置までの距離ｄ_２を約６５０ミリメートルとして、被照射体１にシングルトーンバースト波を照射した。

図３（ａ）は、シングルトーンバースト波の送出方法を説明する説明図である。シングルトーンバースト波を送出する場合、接合部３の共振周波数を探すために、送波音波の周波数を音波送出毎に変化させていく（例えば、周波数ＳＦ１、周波数ＳＦ２、周波数ＳＦ３の順に変化させる）ことにより、必要な周波数帯域をカバーする。
図３（ｂ）は、本実施例で被照射体１に照射したシングルトーンバースト波の波形を示す図である。縦軸は任意波形発生装置１７が発生させる送波音波１２の振幅であり、横軸は音響発信源１１が送波音波１２を発生させてからの時間である。
本実施例では、音響発信源１１から音響出力される送波音波１２の強度を、被照射体１の表面において９０ｄＢとなるように調整している。また、１回のシングルトーンバースト波の持続時間を３ミリ秒とし、各送波音波間のインターバル（送波時間間隔Ｔ_０）を５０ミリ秒としている。周波数範囲を２ｋＨｚから５ｋＨｚとし、周波数変調インターバルを２００Ｈｚとすると１６回の送波音波を送出する必要があるため、波形全体の時間は５０ミリ秒×（１６−１）回＋３ミリ秒≒０．８秒である。この時間が１スキャンに要する送波音波の照射時間である。ここで、被照射体１のスキャンに用いられる周波数範囲をカバーする送波音波を測定点の１点に対して１回ずつ照射することをアベレージ１回と呼称する。被照射体１を解析するにあたっては、アベレージ回数は１回でも複数回でもよい。

図４は、被照射体１にシングルトーンバースト波を照射した場合に、円痕部５の範囲内の或る位置（以下の説明において、当該位置を溶接部上と称する）と、円痕部５の範囲外の近傍の或る位置（以下の説明において、当該位置を非溶接部上と称する）と、において計測された振動速度のタイムチャートである。図４に示す結果より、以下の二点が明らかになった。
一点目は、溶接部上でも振動が観測されるということである。これは接合部３の周辺がたわみ共振を起こした後に、接合部３にエネルギーが集中するために起こる現象であると考えられる。そのため、単純に接合部３の周辺における振動エネルギーを用いて接合部３について解析しても、接合部３の抽出が困難になることが判明した。
二点目は、振動速度のタイムチャートの波形には、溶接部上の動きと溶接部上の近傍付近の動きに明らかな時間差（位相差）が生じているということである。すなわち、この位相差に係る現象に着目した手法を用いて、被照射体１に内包されている接合部３を特定し、接合部３の健全性を評価するといった解析処理が実現可能であることが判明した。

図４からは、溶接部上の振動振幅が非溶接部上の振動振幅より小さいことも見てとれるが、音波（超音波を含む）による計測において、振動振幅は伝搬媒質による変動が大きいステータスである。より多様な計測条件又は計測環境にも対応できる解析システム１０を開発する目的に鑑み、円痕部５の中心を参照点とした振動速度波形の位相差に着目して、接合部３を解析することを検討する。
各測定点における位相（θ）と、各測定点の振動速度波形に対してフーリエ変換を行うことによって得られる実部（Ｒ）と虚部（Ｉ）の関係は下式（１）のように表すことができる。
（数１）
位相θ＝atan(虚部I/実部R) ・・・（１）

円痕部５の近傍周辺の範囲（図２に図示する計測範囲６）に限定し、より詳細に振動振幅を計測した場合の計測を行った。図２に示すように計測範囲６は、円痕部５を中心とした３６．５ミリメートル×１２．５ミリメートルの方形領域である。なお、この詳細測定においてはシングルトーンバースト波の周波数範囲は３ｋＨｚから４ｋＨｚとし、周波数インターバルは１００Ｈｚとし、シングルトーンバースト波の持続時間は５ミリ秒とし、各送波音波間のインターバル（送波時間間隔Ｔ_０）は２０ミリ秒とした。

被照射体１Ａ、被照射体１Ｂ及び被照射体１Ｃのそれぞれについて、上記の条件で詳細測定を同様に行い、円痕部５の中心を参照点とした振動速度波形の位相差を計測範囲６の範囲内で映像化する画像化処理を行った。
ここで画像化処理とは、解析装置１５１によって行われる情報処理であって、具体的には、計測範囲６に含まれる測定点（被照射体１の表面の部位）ごとに得られた位相差を、各部位を座標位置とする平面画像に描画し、得られた平面画像を出力する処理である。平面画像の出力は、コンピュータ１５の表示部１５３に表示出力することであってもよいし、不図示の印刷装置から印刷出力することであってもよいし、不図示の外部装置に外部出力することであってもよい。

被照射体１Ｂの計測結果を描画した平面画像Ｐ２（図５（ａ）参照）と、実際に円痕部５を撮影した撮影画像Ｐ４（図５（ｂ）参照）と、の比較を、図５に示す。また、上記の画像化処理によって出力された平面画像を、図６に示す。図６に示す３つの平面画像Ｐ１（図６（ａ）参照）、平面画像Ｐ２（図６（ｂ）参照）、平面画像Ｐ３（図６（ｃ）参照）は、それぞれ被照射体１Ａ、被照射体１Ｂ、被照射体１Ｃに係る測定結果を描画したものである。即ち、図５の平面画像Ｐ２と図６の平面画像Ｐ２とは同じ平面画像である。
なお、図５及び図６に示す平面画像では、各測定点における位相差の大小を画像の濃淡によって表しており、濃い部分ほど位相差が小さく、淡い部分ほど位相差が大きくなっている。なお、視認容易とするため、位相差のスケール範囲を０（零）度から１０度までとしており、１０度を超える位相差については１０度に対応する濃度と同じ濃度で表している。

図５に示すように、平面画像Ｐ２の中央付近に形成されている位相差が低い島状の部分（例えば、３度以下の部分）は、撮影画像Ｐ４に撮影されている円痕部５の大きさよりもやや大きめではあるものの、円痕部５が存在する位置とほぼ同じ位置に形成されていることがわかる。

図６に示す平面画像から、スポット溶接時に流した電流値に比例して、各平面画像において位相差が低い部分の面積が変化することが明らかである。
また、被照射体１Ａや被照射体１Ｂに対応する平面画像に示すように、スポット溶接時の電流が標準以上である場合には位相差が低い部分が連続的（一塊）に形成される傾向であるのに対して、被照射体１Ｃに対応する平面画像に示すように、スポット溶接時の電流が標準より小さい場合には位相差が低い部分が離散的に形成される傾向であることが明らかになった。

上記のように、画像化処理によって平面画像を得ることにより、接合部３の大きさや形状を目視確認することができる。
通常の製造現場においてスポット溶接の健全性は、該当箇所を破壊して溶接部（ナゲット）を露わにし、その大きさを測定することをもって判定しているが、上記の画像化処理によって得られた平面画像の目視確認に代替することにより同様の判定を非破壊的に行うことが期待できる。

＜接合部３の境界（エッジ）の推定方法について＞
上記の画像化処理によって得られる平面画像を用いた目視確認でも接合部３の存在位置や大きさ等を推定することは可能であるが、その推定の精度や検査業務の効率性を向上させる観点から解析装置１５１による解析処理によって機械的に判定できることが好ましい。以下、接合部３の境界の推定方法の一具体例について説明する。
なお、以下に説明する推定方法は、検査における制約の少なさや検査業務の効率の観点から、円痕部５上を通る１ライン上における位相差の変化に基づき接合部３の境界を推定可能な方法について検討した結果である。同様の推定方法を、円痕部５上を通る複数ラインに用いることによって、推定精度の向上を図ったり、接合部３の平面形状を推定したりできることについては、言うまでもない。

図７は、円痕部５上を通る特定の線分（ラインＬ１）における計測例を示す図である。
本実施例では、解析装置１５１は、位相差を計算する参照点を円痕部５の略中心に設定し、ラインＬ１上の部位ごとに位相差を算出しているために、図７に示すように、中心部付近において算出された位相差は０（零）に近しく略均一な値になっている。一方で、円痕部５の中心部から外れた領域における位相差は中心部から離間するほど大きくなる傾向が見られる。
このように、円痕部５の中心部付近とそれから外れた領域とでは、分散値の傾向が相違するためＡＩＣ(Akaike Information Criterion)法を用いて接合部３の境界を推定することも考えられるが、実際には円痕部５に含まれる計測点数（本実施例では約３０点）が少ないため、ＡＩＣ法では良好な結果が得られない。
そこで、本実施例では少ない計測点数でも分散値の変化が明確に検出できるように、短区間の分散値積(Variance Product of Short sections)による推定方法を新たに検討した。

図８に、データ番号ｋを基準とした前後の短い区間幅（ｗ）の分散値の概念図を示す。ここで、ラインＬ１の一端を基準として（ｋ−ｗ）番目からｋ番目までの部位における位相差の分散値を第１分散値と呼称する。また、ラインＬ１の一端を基準としてｋ番目から（ｋ＋ｗ）番目までの部位における位相差の分散値を第２分散値と呼称する。

次に、図９に、本実施例における推定方法の概念図を示す。なお、図９に示す計測結果は、ラインＬ１上をアベレージ１回でスキャンして計測したものである。
ここでｋ＝２５、ｗ＝１０とした場合、１５番目から２５番目の短区間ＵＮ１における分散値（第１分散値）と、２５番目から３５番目の短区間ＵＰ１における分散値（第２分散値）と、を比較すると、双方ともに１を超える値になっている。このような場合、短区間ＵＮ１及び短区間ＵＰ１は共に円痕部５の中心部から外れた領域であり、２５番目の測位点には接合部３が存在しないものと推定することができる。
また、ｋ＝７８、ｗ＝１０とした場合、６８番目から７８番目の短区間ＵＮ２における分散値（第１分散値）と、７８番目から８８番目の短区間ＵＰ２における分散値（第２分散値）と、を比較すると、短区間ＵＮ２における分散値については１を超えているが、短区間ＵＰ２における分散値については１を下回る。このような場合、短区間ＵＮ２が円痕部５の中心部から外れた領域であって短区間ＵＰ２が円痕部５の中心部付近であり、７８番目の測位点には接合部３が存在するものと推定することができる。

本実施例における推定方法では、各短区間における分散値（第１分散値と第２分散値）に係る閾値を１と定めて接合部３が存在の有無を判定しているので、解析装置１５１は、第１分散値に係る対数と第２分散値に係る対数との積（以下、分散値積と称する）を求め、求めた分散値積が負である場合の少なくとも一部において、ｋ番目の部位を接合部３の境界を推定する解析処理を実行することができる。ここで分散値積は、下式（２）によって求めることができる。なお、下式（２）においてvar(X[k-w,k])は第１分散値であり、var(X[k,k+w])は第２分散値である。
（数２）
VPSk(w)=log{var(X[k-w,k])} * log{var(X[k,k+w])} ・・・（２）

データ番号が１番目からｎ番目までの分散値var(X[1,n])は、平均値をｍとしたときには下式（３）で定義される。なお、下式（３）によって分散値var(X[1,n])を求める処理には、例えば(X₁-m)から(X_n-m)までの各項を所定の代表値で除して無次元化することにより、無次元化した値を分散値に係る閾値のスケールに合わせる処理等が追加されてもよい。
（数３）
var(X[1,n])={(X₁-m)²+(X₂-m)²+・・・+(X_n-m)²}/n ・・・（３）

上式（２）に対して代入可能なｋの最小値ｋ_ｍｉｎ（本実施例ではｋ_ｍｉｎ＝ｗ＝１０）から順次代入して、ラインＬ１上の各部位について分散値積を算出していくと、接合部３の境目（エッジ）付近においてデータ番号が小さい側の分散値（第１分散値）が１を超えておりデータ番号が大きい側の分散値（第２分散値）が１を下回るので、分散値積が負の値に変化する。このような変化が見られた場合のｋ番目の測定点、即ち算出された分散値積が負である部位のうちｋが最小である部位を、一端側の接合部３の境界として推定することができる。
次に、上式（２）に対して代入可能なｋの最大値ｋ_ｍａｘ（本実施例ではｋ_ｍａｘ＝１８０−ｗ＝１７０）から順次代入して、ラインＬ１上の各部位について分散値積を算出していくと、接合部３の境目（エッジ）付近においてデータ番号が小さい側の分散値（第１分散値）が１を下回りデータ番号が大きい側の分散値（第２分散値）１を超えるので、分散値積が負の値に変化する。このような変化が見られた場合のｋ番目の測定点、即ち算出された分散値積が負である部位のうちｋが最大である部位を、当該一端の他端側の接合部３の境界として推定する。
一方、ＡＩＣ法では上記のような変化は起きない。分散値積を算出することにより極性が保存されて、より明確にエッジ部分を推定することができる。

ところで、分散値積に基づく接合部３のエッジ部分の推定方法は、上記の推定方法に限られない。
図１０に、被照射体１の計測範囲６に含まれるラインＬ２とラインＬ３における各部位の位相差と、各部位における位相差の分散値積と、を比較した説明図を示す。なお、図１０（ａ）がラインＬ２に係る計測結果に基づくものであり、ラインＬ２は被照射体１Ａに形成された円痕部５上の線分である。また、図１０（ｂ）がラインＬ３に係る計測結果に基づくものであり、ラインＬ３は被照射体１Ｃに形成された円痕部５上の線分である。
なお、図１０においてプロットされている分散値積は、そのデータ番号をｋとした場合における第１分散値と第２分散値の積である。

図１０に示すように、ラインＬ２及びラインＬ３における各部位の位相差は、その中心部分、即ち参照点近傍の局所領域において０（零）に近しく略均一な値になっている。また、ラインＬ２及びラインＬ３における各部位の分散値積は、参照点近傍の局所領域において負の値を示し且つ極小値を示す部位が二つ存在すると共に、これらの部位の中心部分において正の値を示し且つ極大値を示す部位が一つ存在する。この現象は、各ラインの中心部分においては、第１分散値と第２分散値とが共に負の値となり、分散値積が正の値に変化することに起因する。
解析装置１５１は、これらの極小値を示す部位を各ライン上に存在する接合部３の境界として推定することもできる。言い換えれば、解析装置１５１は、特定の線分上の各部位について分散値積を算出し、算出された分散値積が負である部位のうち、分散値積が参照点近傍の局所領域における極小値である部位を、接合部３の境界として推定してもよい。
或いは、解析装置１５１は、第１分散値と第２分散値とが共に負の値になる部位を、接合部３が存在する部位（接合部３の境界の間）と推定してもよい。
この推定方法によれば、微妙な位相変化を捉えて接合部３（ナゲット）の径を推定することができる。

ここで述べた推定方法によって接合部３のエッジを推定した場合、ラインＬ２に関する計測結果によれば、極小値を示すデータ番号８２と９７に対応する部位が接合部３のエッジとして推定される。また、ラインＬ３に関する計測結果によれば、極小値を示すデータ番号８５と９５に対応する部位が接合部３のエッジとして推定される。
このように、本推定方法によって推定される接合部３の径と、スポット溶接時の電流の大小と、が正の相関関係にあることがわかる。

上述した推定方法のいずれも、接合部３のエッジ間における計測点数が少ない場合、たとえば百未満であったとしても、良好な推定結果を導くことができる。ここで接合部３のエッジ間における計測点数とは、解析装置１５１による推定上のエッジ間の計測点数、言い換えれば、解析装置１５１によって推定される接合部３の境界の間に含まれる部位の点数である。
なお、解析装置１５１に上述した推定方法に基づく解析処理を行わせる場合に、計測範囲６の範囲内で計測された全ての計測データを用いる必要はなく、接合部３から明らかに外れた部位の計測データを除外する等の設定を検査作業員が適宜設定できてもよい。

本発明に係る解析システム１０は送波音波で加振して、レーザで振動を計測する方法であるため、非接触かつ非破壊的に計測できるという利点を本質的に持っている。同じく非接触の方法である赤外線を用いた手法と比較すると、加熱する必要がないために周囲の環境条件に影響されにくいという利点を持っている。さらに加熱用のランプ交換等も必要としないために、導入後のランニングコスト面でも有利であると思われる。
或いは、三次元開口合成を用いたフェーズドアレイ型の超音波検査装置も市販されているが、計測時にはあくまでも対象部に接触する必要があるという欠点があるため、オフラインの抽出検査程度にしか使用されていないというのが実情である。
本発明に係る解析システム１０であれば、環境条件の変化にも対応可能であり、且つ、非接触で接合部の健全性を検査可能であるため、様々な分野のインラインで使用されることが期待できる。

＜本発明の変形例について＞
ここまで図１から図１０を用いて説明される実施例に即して本発明を説明したが、本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、本発明の目的が達成される限りにおける種々の変形、改良等の態様も含む。

上記の実施例では、シングルトーンバースト波を用いた計測を解析システム１０に適用して説明したが、マルチトーンバースト波を用いた測定に代えてもよい。
マルチトーンバースト波を用いた場合、１回の音波送信の際に複数の周波数を含む送波音波を送信するため、計測に必要な周波数範囲のすべてを網羅するために要する音波送出の回数がシングルトーンバースト波を用いる場合に比べて低減するため、計測速度が向上することが見込まれる。

上記の実施例では、被照射体１に内包される接合部３の内部領域と外部領域との境界を推定する解析システム１０及び解析装置１５１について述べたが、本発明によって解析される被検体はこの例に限られない。
例えば、空隙を内包する被検体について当該空隙とその周辺領域との境界を推定する解析処理に本発明が応用されてもよい。或いは、特定の液体が浸透している領域（染み）を内包する被検体について当該領域とその周辺領域との境界を推定する解析処理に本発明が応用されてもよい。

本実施形態は以下の（イ）と（ロ）の技術思想を包含するものである。
（イ）振動特性が異なる第一領域と第二領域とを含む被検体について、前記第一領域と前記第二領域との境界を解析する解析装置であって、
前記被検体の表面に与えられた振動の振動速度に係る波形の位相を、前記表面に含まれる特定の線分上の部位ごとに求め、
求められた各部位における位相と前記第一領域上に予め定めた参照点における位相との位相差を算出し、
前記特定の線分の一端を基準として（ｋ−ｗ）番目からｋ番目までの部位における前記位相差の分散値である第１分散値（ｖａｒ（Ｘ［ｋ−ｗ，ｋ］）及び前記一端を基準としてｋ番目から（ｋ＋ｗ）番目までの部位における前記位相差の分散値である第２分散値（ｖａｒ（Ｘ［ｋ，ｋ＋ｗ］）を算出し、
算出された前記第１分散値及び前記第２分散値のうち一方が所定値を超えており他方が前記所定値を下回る場合の少なくとも一部において、ｋ番目の部位を前記境界として推定することを特徴とする解析装置。
（ロ）振動特性が異なる第一領域と第二領域とを含む被検体の表面を加振する加振源と、前記被検体の前記表面の振動速度を計測する計測器と、前記計測器による計測に基づいて前記第一領域と前記第二領域との境界を解析する解析装置と、を有している解析システムであって、
前記解析装置は、
前記計測器によって計測された振動速度に係る波形の位相を、前記表面に含まれる特定の線分上の部位ごとに求め、
求められた各部位における位相と前記第一領域上に予め定めた参照点における位相との位相差を算出し、
前記特定の線分の一端を基準として（ｋ−ｗ）番目からｋ番目までの部位における前記位相差の分散値である第１分散値（ｖａｒ（Ｘ［ｋ−ｗ，ｋ］）及び前記一端を基準としてｋ番目から（ｋ＋ｗ）番目までの部位における前記位相差の分散値である第２分散値（ｖａｒ（Ｘ［ｋ，ｋ＋ｗ］）を算出し、
算出された前記第１分散値及び前記第２分散値のうち一方が所定値を超えており他方が前記所定値を下回る場合の少なくとも一部において、ｋ番目の部位を前記境界として推定することを特徴とする解析システム。

１ 被照射体
２ 第一部材
３ 接合部
４ 第二部材
５ 円痕部
６ 計測範囲
１０ 解析システム
１１ 音響発信源
１２ 送波音波
１２ａ〜１２ｃ 目的信号
１３ 計測器
１５ コンピュータ
１７ 任意波形発生装置
１９ アンプ
１２１ 直接音波
１２２ 反射音波
１３１ 観察波
１５１ 解析装置
１５２ 制御装置
１５３ 表示部

Claims (7)

1. 互いに隣接しており且つ振動特性が異なる第一領域と第二領域とを含む被検体について、前記第一領域と前記第二領域との境界を解析する解析装置であって、
   前記被検体の表面に与えられた振動の振動速度に係る波形の位相を、前記表面に含まれる特定の線分上の部位ごとに求め、
   求められた各部位における位相と前記第一領域上に予め定めた参照点における位相との位相差を算出し、
   前記特定の線分の一端を基準として（ｋ−ｗ）番目からｋ番目までの部位における前記位相差の分散値である第１分散値（ｖａｒ（Ｘ［ｋ−ｗ，ｋ］）及び前記一端を基準としてｋ番目から（ｋ＋ｗ）番目までの部位における前記位相差の分散値である第２分散値（ｖａｒ（Ｘ［ｋ，ｋ＋ｗ］）を算出し、
   算出された前記第１分散値及び前記第２分散値のうち一方が所定値を超えており他方が前記所定値を下回る場合の少なくとも一部において、ｋ番目の部位を前記境界として推定することを特徴とする解析装置。
2. 前記所定値は１と定められており、
   前記解析装置は、前記第１分散値に係る対数と前記第２分散値に係る対数との積である分散値積が負である場合の少なくとも一部において、ｋ番目の部位を前記境界として推定する請求項１に記載の解析装置。
3. 前記解析装置は、
   前記特定の線分上の各部位について前記分散値積を算出し、
   算出された前記分散値積が負である部位のうちｋが最小である部位を、前記一端側の前記境界として推定し、
   算出された前記分散値積が負である部位のうちｋが最大である部位を、前記一端の他端側の前記境界として推定する請求項２に記載の解析装置。
4. 前記解析装置は、
   前記特定の線分上の各部位について前記分散値積を算出し、
   算出された前記分散値積が負である部位のうち、前記分散値積が前記参照点近傍の局所領域における極小値である部位を、前記境界として推定する請求項２に記載の解析装置。
5. 前記解析装置によって推定される前記境界の間に含まれる部位の点数が、百未満である請求項１から４のいずれか一項に記載の解析装置。
6. 互いに隣接しており且つ振動特性が異なる第一領域と第二領域とを含む被検体の表面を加振する加振源と、前記被検体の前記表面の振動速度を計測する計測器と、前記計測器による計測に基づいて前記第一領域と前記第二領域との境界を解析する解析装置と、を有している解析システムであって、
   前記解析装置は、
   前記計測器によって計測された振動速度に係る波形の位相を、前記表面に含まれる特定の線分上の部位ごとに求め、
   求められた各部位における位相と前記第一領域上に予め定めた参照点における位相との位相差を算出し、
   前記特定の線分の一端を基準として（ｋ−ｗ）番目からｋ番目までの部位における前記位相差の分散値である第１分散値（ｖａｒ（Ｘ［ｋ−ｗ，ｋ］）及び前記一端を基準としてｋ番目から（ｋ＋ｗ）番目までの部位における前記位相差の分散値である第２分散値（ｖａｒ（Ｘ［ｋ，ｋ＋ｗ］）を算出し、
   算出された前記第１分散値及び前記第２分散値のうち一方が所定値を超えており他方が前記所定値を下回る場合の少なくとも一部において、ｋ番目の部位を前記境界として推定することを特徴とする解析システム。
7. 前記被検体は、複数の部材を溶接、溶着又は接着することによって接合されている接合部を内部に含んでおり、
   前記解析装置は、前記接合部の内部領域と外部領域との境界を解析する請求項６に記載の解析システム。