JP2024062497A - 超音波検査装置および超音波検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接部の品質保証のための超音波検査の測定精度と測定速度を向上させることができる超音波検査技術を提供する。【解決手段】超音波検査装置１は、少なくとも２個の母材３が溶接で互いに接合され、溶接が施された接合施工部４を有する測定対象２に照射して超音波を発生させるための送信用レーザ光Ｌｔを発振する送信用光源１０と、測定対象２に照射して超音波で計測を行うための受信用レーザ光Ｌｒを発振する受信用光源１１と、受信用レーザ光Ｌｒを測定対象２に照射したときに反射する戻り光を干渉計測して超音波信号を抽出する干渉計測部１２と、超音波信号に基づいて、接合施工部４の少なくとも大きさを評価する評価部２９と、を備え、送信用レーザ光Ｌｔと受信用レーザ光Ｌｒが照射されるそれぞれの照射領域の少なくとも一方が、母材３と接合施工部４の境界５を含むように拡張されている。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、超音波検査技術に関する。

レーザ光を用いた超音波計測法、いわゆるレーザ超音波法は、非接触・非破壊で超音波検査ができることから、狭隘部または高温部などの検査に有用である。他方、レーザ溶接またはスポット溶接といった局所的な接合技術は、製造技術の中でも重要な役割を担っている。しかし、その品質保証、特に、接合部の健全性を正確にかつ工程に影響を与えずに高速度で計測する技術が求められている。レーザ超音波法は、非接触検査という特徴から、高速な接合部計測に効果を発揮すると考えられる。

自動車業界では、接合技術が幅広く活用されており、その品質保証に関する技術も種々報告されている。例えば、非接触計測が可能な空中超音波を用いたスポット溶接部測定が行われている。この空中超音波は、レーザ超音波と同様に、非接触計測が可能であり、対象表面に光を照射する必要もないため、高速かつ安定した計測結果が期待される。しかし、周波数が上がるほど空中での減衰率が高いため、高い周波数が使えない。このため、溶接量がΦ数ｍｍになるような小さな対象の測定には使用できないなどの問題がある。

このレーザ超音波法を利用した同様の計測手法として、超音波を送信するためのレーザ光と受信するためのレーザ光を、溶接部を挟んで対向配置して超音波を送受信する技術が知られている。例えば、受信用レーザ光の照射位置を溶接部縁部分に固定し、溶接部上を横断するように送信用レーザ光で走査を行い、それぞれの送信位置で得られる超音波の変化傾向をみることで、溶接幅を測定する。このレーザ超音波では、前述の空気超音波に起因する問題は発生しないが、受信用レーザ光の照射位置が溶接部縁部分に限定されており、溶接部が毎回微小に変化する対象においては、安定した測定が難しい。また、安定した計測のために高精度な計測および位置合わせのための機構が必要となる。さらに、送信用レーザ光を走査するために１つの溶接部の測定に時間を要するなどの問題がある。

特開２０１２－１１２８５１号公報 特開２０１２－２１９１８号公報

C. B. Scruby and L. E. Drain, Laser Ultrasonic: Techniques and Applications (Adam Hilger, Bristol, 1990).

本発明が解決しようとする課題は、溶接部の品質保証のための超音波検査の測定精度と測定速度を向上させることができる超音波検査技術を提供することである。

本発明の実施形態に係る超音波検査装置は、少なくとも２個の母材が溶接で互いに接合され、前記溶接が施された接合施工部を有する測定対象に照射して超音波を発生させるための送信用レーザ光を発振する送信用光源と、前記測定対象に照射して前記超音波で計測を行うための受信用レーザ光を発振する受信用光源と、前記受信用レーザ光を前記測定対象に照射したときに反射する戻り光を干渉計測して超音波信号を抽出する干渉計測部と、前記超音波信号に基づいて、前記接合施工部の少なくとも大きさを評価する評価部と、を備え、前記送信用レーザ光と前記受信用レーザ光が照射されるそれぞれの照射領域の少なくとも一方が、前記母材と前記接合施工部の境界を含むように拡張されている。

本発明の実施形態により、溶接部の品質保証のための超音波検査の測定精度と測定速度を向上させることができる超音波検査技術が提供される。

第１実施形態の超音波検査装置を示す構成図。 制御用コンピュータを示すブロック図。 入射超音波と透過超音波が伝達される態様を示す断面図。 反射超音波が伝達される態様を示す断面図。 超音波検査処理を示すフローチャート。 変形例１のレーザ光の照射態様を示す斜視図。 変形例２のレーザ光の照射態様を示す断面図。 変形例３のレーザ光の照射態様を示す断面図。 第２実施形態の超音波検査装置を示す構成図。 第３実施形態の超音波検査装置を示す構成図。

（第１実施形態）
以下、図面を参照しながら、超音波検査装置および超音波検査方法の実施形態について詳細に説明する。まず、第１実施形態について図１から図５を用いて説明する。

図１の符号１は、第１実施形態の超音波検査装置である。この超音波検査装置１は、レーザ超音波法を用いて溶接部の検査を行うものである。検査の対象となる溶接の一例として、スポット溶接を挙げる。なお、この超音波検査装置１は、スポット溶接のみならず、ガス溶接、アーク溶接、レーザ溶接、電子ビーム溶接、摩擦攪拌溶接などのその他の溶接の検査にも用いることができる。

超音波検査の測定対象２としては、２枚の板状を成す母材３がスポット溶接で互いに接合され、この溶接が施された接合施工部４を有する金属材料を例示する。接合施工部４は、母材３が溶接されるときに、母材３の一部が一度溶融され、溶接後に再び硬化した部分のことである。この接合施工部４は、母材３の一部であるが、以下の説明では理解を助けるために、母材３の一度溶融された部分を接合施工部４と称し、母材３の溶融されていない部分と区別して説明する。なお、この接合施工部４（溶融された部分）と母材３（溶融されていない部分）の接する部分を境界５と呼ぶこととする。

また、それぞれの母材３の表面には、スポット溶接により生じた凹みである打痕６が形成されている。

超音波検査装置１は、送信用光源１０と受信用光源１１と干渉計測部１２と送信入射部１３と受信入射部１４と送信出射部１５と受信出射部１６と送信伝送部１７と受信伝送部１８と戻り光伝送部１９と制御用コンピュータ２０とを備える。

送信用光源１０は、測定対象２に照射して超音波Ｕｉを発生させるための送信用レーザ光Ｌｔを発振する機器である。

受信用光源１１は、測定対象２に照射して超音波Ｕｒ（図４）で計測を行うための受信用レーザ光Ｌｒを発振する機器である。

送信用光源１０および受信用光源１１で用いるレーザの種類は、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、ＣＯ２レーザ、Ｅｒ：ＹＡＧレーザ、チタンサファイアレーザ、アレキサンドライトレーザ、ルビーレーザ、色素（ダイ）レーザ、エキシマレーザなどが挙げられる。もちろん、これ以外のレーザも考えられる。

また、送信用光源１０および受信用光源１１で用いるレーザは、連続波またはパルス波のいずれかである。送信用光源１０および受信用光源１１のそれぞれを１台のみならず、２台以上で構成することもできる。例えば、送信用光源１０および受信用光源１１のそれぞれを複数台で構成する場合には、超音波Ｕｉ，Ｕｒを計測するために必要な他の機能も、必要に応じて、複数になる。

干渉計測部１２は、受信用レーザ光Ｌｒを測定対象２に照射したときに反射する戻り光を干渉計測して超音波信号を抽出する機器である。

干渉計測部１２としては、例えば、マイケルソン干渉計、ホモダイン干渉計、ヘテロダイン干渉計、フィゾー干渉計、マッハツェンダー干渉計、ファブリー=ペロー干渉計、フォトリフラクティブ干渉計などが挙げられる。もちろん、これ以外のレーザ干渉計も考えられる。また、干渉計測以外の方法として、ナイフエッジ法も考えられる。いずれの干渉計も２台以上の複数台で使用する場合がある。

送信用光源１０から出射された送信用レーザ光Ｌｔは、送信入射部１３に入射され、送信伝送部１７により送信出射部１５まで伝送される。送信用レーザ光Ｌｔは、この送信出射部１５から出射され、測定対象２に照射される。

受信用光源１１から出射された受信用レーザ光Ｌｒは、受信入射部１４に入射され、受信伝送部１８により受信出射部１６まで伝送される。受信用レーザ光Ｌｒは、この受信出射部１６から出射され、測定対象２に照射される。

また、測定対象２から反射する戻り光は、受信出射部１６で受光され、戻り光伝送部１９により干渉計測部１２まで伝送される。

送信伝送部１７と受信伝送部１８と戻り光伝送部１９は、光ファイバ、レンズ、ミラー、プリズムなどの光を伝送する所定の光学機器で構成されている。

なお、送信入射部１３と送信出射部１５には、必要に応じて、レーザ光Ｌｔ，Ｌｒのビームプロファイルを均一化することができる均一化部（図示略）が搭載されてもよい。さらに、送信入射部１３と送信出射部１５には、レーザ光Ｌｔ，Ｌｒのスポット径Ｄｔ，Ｄｒ（図３）を制御するスポット径調整部（図示略）が搭載されてもよい。

なお、均一化部（図示略）とスポット径調整部（図示略）は、光ファイバ、レンズ、ミラー、プリズムなどの光を伝送する所定の光学機器で構成されている。なお、スポット径調整部は、これらに加えて、レンズ間、または、測定対象２と光学系の距離を変化させるマイクロステージなどの微調整機構を組み合わせているものでもよい。

また、スポット径調整部で調整されるレーザ光Ｌｔ，Ｌｒのスポット径Ｄｔ，Ｄｒ（図３）は、円形、楕円形状、四角形のいずれでもよい。シリンドリカルレンズ、非球面レンズなどの所定のスポット形状を得るための光学機器が、対物レンズとして使用されてもよい。

このスポット径調整部が、レーザ光Ｌｔ，Ｌｒを拡大するための拡大用光学機器となっている。このようにすれば、レーザ光Ｌｔ，Ｌｒを走査することなく、レンズまたはミラーなどの拡大用光学機器で、レーザ光Ｌｔ，Ｌｒを拡大してその照射領域を拡張することができる。この拡大用光学機器は、レーザ光Ｌｔ，Ｌｒの少なくともスポット径Ｄｔ，Ｄｒ（図３）を調整する機構である。なお、拡大用光学機器は、平面視で、レーザ光Ｌｔ，Ｌｒの照射領域の形状を変える機構でもよい。

また、均一化部は、マルチモードファイバを通すことで、レーザ光Ｌｔ，Ｌｒのプロファイルが結果的に均一になることが期待できる。また、必要に応じて、ホモジナイザが用いられてもよい。さらに、均一化部は、非球面レンズ、アレイレンズなどで構成してもよい。

制御用コンピュータ２０は、送信用光源１０と受信用光源１１と干渉計測部１２と送信入射部１３と受信入射部１４と送信出射部１５と受信出射部１６とに接続されている。制御用コンピュータ２０は、これらの機器を制御する。

次に、制御用コンピュータ２０のシステム構成を図２に示すブロック図を参照して説明する。なお、図２に示す制御用コンピュータ２０の構成は一例であり、各々の機能を別個の機器に分割してもよいし、統合してもよい。超音波検査装置１の操作は、基本的に制御用コンピュータ２０を用いて行うが、超音波検査装置１の各々の機器に個別に操作部を設けるようにし、個別に操作してもよい。

制御用コンピュータ２０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）などのハードウェア資源を有し、ＣＰＵが各種プログラムを実行することで、ソフトウェアによる情報処理がハードウェア資源を用いて実現されるコンピュータで構成される。さらに、本実施形態の超音波検査方法は、各種プログラムをコンピュータに実行させることで実現される。

なお、制御用コンピュータ２０の各構成は、必ずしも１つのコンピュータに設ける必要はない。例えば、１つの制御用コンピュータ２０の構成が、ネットワークで互いに接続された複数のコンピュータで実現されてもよい。

制御用コンピュータ２０は、入力部２１と出力部２２と通信部２３と記憶部２４と機器接続部２５と処理回路２６とを備える。

入力部２１は、所定の情報の入力を行う。この入力部２１には、制御用コンピュータ２０を使用するユーザの操作に応じて所定の情報が入力される。この入力部２１には、マウスまたはキーボードなどの入力装置が含まれる。つまり、これら入力装置の操作に応じて所定の情報が入力部２１に入力される。

出力部２２は、所定の情報の出力を行う。例えば、出力部２２は、ディスプレイである。つまり、制御用コンピュータ２０には、解析結果および評価結果の出力を行うディスプレイなどの画像の表示を行う装置が含まれる。なお、ディスプレイはコンピュータ本体と別体でもよいし、一体でもよい。

なお、本実施形態では、画像の表示を行う装置としてディスプレイが例示されているが、その他の態様でもよい。例えば、紙媒体に情報を印字するプリンタがディスプレイの替りとして用いられてもよい。

通信部２３は、インターネットなどの通信回線を介して他のコンピュータと通信を行う。なお、本実施形態では、制御用コンピュータ２０と他のコンピュータがインターネットを介して互いに接続されているが、その他の態様でもよい。例えば、制御用コンピュータ２０と他のコンピュータがＬＡＮ(Local Area Network)、ＷＡＮ（Wide Area Network）または携帯通信網を介して互いに接続されてもよい。

記憶部２４は、超音波検査を行うときに必要な各種情報を記憶する。例えば、記憶部２４は、超音波検査時に処理回路２６が実行する各種プログラム、判定に必要な閾値、超音波検査で得られた評価結果などを記憶する。

機器接続部２５は、超音波検査装置１が備える各種機器が接続される。例えば、この機器接続部２５には、送信用光源１０と受信用光源１１と干渉計測部１２と送信入射部１３と受信入射部１４と送信出射部１５と受信出射部１６とが接続される。制御用コンピュータ２０は、機器接続部２５を介して各種機器の制御および情報の送受信を行う。つまり、制御用コンピュータ２０は、超音波検査装置１の全体を制御する。なお、この機器接続部２５と各種機器との接続は、有線接続でもよいし、無線接続でもよい。

本実施形態の処理回路２６は、例えば、ＣＰＵ、専用または汎用のプロセッサを備える回路である。このプロセッサは、記憶部２４に記憶した各種のプログラムを実行することにより各種の機能を実現する。また、処理回路２６は、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などのハードウェアで構成してもよい。これらのハードウェアによっても各種の機能を実現することができる。また、処理回路２６は、プロセッサとプログラムによるソフトウェア処理と、ハードウェア処理とを組み合わせて、各種の機能を実現することもできる。

また、処理回路２６は、照射領域制御部２７と解析部２８と評価部２９と警告制御部３０とを含む。これらは、メモリまたはＨＤＤに記憶されたプログラムがＣＰＵによって実行されることで実現される。

照射領域制御部２７は、送信用レーザ光Ｌｔと受信用レーザ光Ｌｒが照射されるそれぞれの照射領域の少なくとも一方が、平面視で、母材３と接合施工部４の境界５を含むように拡張する制御を行う。

解析部２８は、干渉計測部１２で得られた超音波信号から超音波Ｕｒの強度および周波数を解析する。なお、この解析部２８の解析結果の一部または全部が出力部２２で出力されてもよい。

この解析部２８は、干渉計測部１２で得られた超音波信号、戻り光の強度、測定対象２とレーザ光Ｌｔ，Ｌｒの照射位置との位置関係などの記録機能を有する。さらに、解析部２８は、超音波信号の強度抽出、周波数解析、フィルタリング、加算平均などの信号処理機能を有する。

評価部２９は、解析部２８の解析結果から接合施工部４の形状および大きさを評価する。なお、この評価部２９の評価結果の一部または全部が出力部２２で出力されてもよい。

評価部２９は、解析部２８で得られた解析結果から、所定の基準に達したものを合格、達しないものを不合格として出力する機能を有する。なお、所定の基準は、超音波信号の強度をベースとし、その強度は、生信号だけでなく、フィルタリング、周波数解析といった信号処理で加工されたものも含まれる。

警告制御部３０は、解析部２８の解析結果または評価部２９の評価結果に基づいて、接合施工部４に異常があると判定された場合に、所定の警告を出力部２２で出力する制御を行う。

出力部２２は、解析部２８および評価部２９で処理された結果の一部または全部を表示する機能を有する。この出力部２２を構成するものは、一般的なＰＣ用のディスプレイ、テレビの画面などでもよいが、必要に応じて、タッチパネルなどの入力機能を有するものでもよい。さらに、これらを複数台、または何種類かを組み合わせて出力部２２が構成されてもよい。また、必要に応じて、警告が可能であるアラーム機構を付加してもよい。この警告は、ディスプレイに画像として表示されるものでも良いし、ランプによる発光でも良いし、スピーカによる警告音の出力でもよい。例えば、出力部２２は、パトライト（登録商標）、サイレンなどのいずれか、または、これらを組み合わせたものでもよい。

図３に示すように、第１実施形態では、送信用レーザ光Ｌｔの照射領域であるスポット径Ｄｔと、受信用レーザ光Ｌｒの照射領域であるスポット径Ｄｒの両方が、平面視で、母材３と接合施工部４との境界５を含むように拡張されている。すなわち、溶接により測定対象２の表面に生じた凹凸を成す部分（施工表面部）のサイズＣｆ以上になるように、スポット径Ｄｔ，Ｄｒが拡張される。

ここで、スポット溶接の場合、凹凸を成す部分のサイズＣｆは、スポット溶接時の打痕６（打点）の径である。突き合わせ溶接または裏波溶接の場合、凹凸を成す部分のサイズＣｆは、ビードの幅である。

ここで、接合施工部４の径、幅などのサイズＣｗは、打痕６のサイズＣｆよりも小さい場合が殆どである。このため、打痕６のサイズＣｆ以上になるように、スポット径Ｄｔ，Ｄｒが拡張されていれば、母材３と接合施工部４との境界５が、スポット径Ｄｔ，Ｄｒの範囲に含まれるようになる。

なお、送信用レーザ光Ｌｔのスポット径Ｄｔと受信用レーザ光Ｌｒのスポット径Ｄｒのいずれか一方が、凹凸を成す部分のサイズＣｆよりも小さくてもよい。

また、送信用レーザ光Ｌｔのスポット径Ｄｔと受信用レーザ光Ｌｒのスポット径Ｄｒのいずれか一方が拡張されるものでもよい。

送信出射部１５から出射した送信用レーザ光Ｌｔは、測定対象２の表面に照射される。ここで、熱ひずみ、または、表層がアブレーションされることで生じる反力により、入射超音波Ｕｉが発生する。このとき、送信用レーザ光Ｌｔのスポット径Ｄｔは、送信入射部１３または送信出射部１５に搭載されたスポット径調整部（図示略）により、φ０．１ｍｍ程度から打痕６のサイズＣｆ以上までの範囲で調整される。

このスポット径調整部は、レンズ、ミラーなどのいくつかの光学機器から成る。これら部品の間の距離、測定対象２との距離を変化させることで、スポット径Ｄｔが調整可能となる。また、シリンドリカルレンズ、非球面レンズを組み合わせることで、円形以外のスポットが形成できるため、必要に応じて、発生する入射超音波Ｕｉに任意の指向性を持たせることもできる。

なお、送信入射部１３または送信出射部１５に均一化部（図示略）が搭載されている場合には、送信用レーザ光Ｌｔのスポット径Ｄｔ全体でのエネルギー分布が均一となり、安定した入射超音波Ｕｉの送信が可能となる。

ここで、入射超音波Ｕｉは、縦波、横波、表面波などの様々なモードが励起されるが、いずれのモードの波も入射超音波Ｕｉと総称する。この入射超音波Ｕｉは、送信用レーザ光Ｌｔが照射された一方の母材３の中を伝播し、接合施工部４に到達する。ここで、母材３同士が接合されている部分を通って、送信用レーザ光Ｌｔが照射されていない他方の母材３に超音波が透過していく。この透過していく超音波を透過超音波Ｕｔとする。この透過超音波Ｕｔも、様々なモードが想定されるが、いずれのモードの波も透過超音波Ｕｔと総称する。

図４に示すように、透過超音波Ｕｔは、接合施工部４を通過し、他方の母材３の端から超音波の反射が発生する。発生した反射波を反射超音波Ｕｒとする。この反射超音波Ｕｒも、様々なモードが想定されるが、いずれのモードの波も反射超音波Ｕｒと総称する。

入射超音波Ｕｉ、透過超音波Ｕｔ、反射超音波Ｕｒは、伝播してきた経路を逆にたどり、最終的には、最初に送信用レーザ光Ｌｔが照射された一方の母材３の表面に到達する。ここで、透過超音波Ｕｔおよび反射超音波Ｕｒのエネルギー総量は、透過した接合施工部４の面積である実接合面積Ｊａ（図示略）に依存して変化する。すなわち、透過超音波Ｕｔおよび反射超音波Ｕｒは、実接合面積Ｊａが大きければ十分な強度となるが、小さければ強度が低下する。また、それぞれ透過する周波数成分も変化することが想定される。よって、透過超音波Ｕｔまたは反射超音波Ｕｒを測定し、その強度を解析することで実接合面積Ｊａが推定できる。さらに、接合施工部４の形状を推定することができる。

透過超音波Ｕｔおよび反射超音波Ｕｒの測定には、受信用光源１１と干渉計測部１２とが用いられる（図１）。例えば、受信出射部１６から出射した受信用レーザ光Ｌｒは、測定対象２の表面に照射される。このとき、受信用レーザ光Ｌｒのスポット径Ｄｒは、受信入射部１４または受信出射部１６に搭載されたスポット径調整部（図示略）により、φ０．１ｍｍ程度から打痕６のサイズＣｆ以上までの範囲で調整される。

このスポット径調整部は、レンズ、ミラーなどのいくつかの光学機器から成る。これら部品の間の距離、測定対象２との距離を変化させることで、スポット径Ｄｒが調整可能となる。

照射された受信用レーザ光Ｌｒは、測定対象２の表面で反射される。ここで、測定対象２の表面が、入射超音波Ｕｉ、透過超音波Ｕｔ、反射超音波Ｕｒの影響で振動していると、振幅変調、位相変調、反射角度の変化などの影響を受けた超音波信号の成分を含む戻り光となる。この戻り光は、再び受信出射部１６で集光され、戻り光伝送部１９を通り、干渉計測部１２に伝送される。

戻り光は、干渉計測部１２で干渉計測され、超音波Ｕｒの波形に応じて、振幅が変化している電圧信号が得られる。この電圧信号は、制御用コンピュータ２０の解析部２８で超音波信号として記録される。また、解析部２８は、得られた超音波信号に、平均化処理、移動平均、フィルタリング、高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Fast Fourier Transform）、ウェーブレット変換、その他の種類の信号処理を行うことも可能である。

制御用コンピュータ２０の評価部２９は、実接合面積Ｊａ（図示略）について、超音波信号の信号強度の評価を行う。ここで、評価部２９は、この信号強度が予め定められた基準強度を満たすか否かを判定し、その接合施工部４が健全であるか否か評価する。

制御用コンピュータ２０の警告制御部３０は、画面への表示、警告音の出力、発光などの態様により、予め定められた基準を満たさない評価結果が得られたことをユーザに知らせる機能を持つ。

なお、制御用コンピュータ２０は、第１実施形態で述べたシステム構成の全部または一部を制御する機能を持つ。なお、制御用コンピュータ２０は、ＬＡＮなどを介して遠隔地から、各種機器を制御することが可能である。その際、出力部２２で出力される内容、例えば、警告の出力などは、遠隔地でユーザが参照することができる。

次に、制御用コンピュータ２０が実行する超音波検査処理について図５のフローチャートを用いて説明する。なお、前述の図面を適宜参照する。以下のステップは、超音波検査処理に含まれる少なくとも一部であり、他のステップが超音波検査処理に含まれていてもよい。

まず、ステップＳ１において、制御用コンピュータ２０（図１）は、送信用光源１０を制御し、送信用レーザ光Ｌｔの発振を開始する。ここで、照射領域制御部２７（図２）は、スポット径調整部（図示略）を制御し、送信用レーザ光Ｌｔのスポット径Ｄｔ（照射領域）を、平面視で、母材３と接合施工部４の境界５が含まれように拡張する（図３）。

次のステップＳ２において、制御用コンピュータ２０（図１）は、受信用光源１１を制御し、受信用レーザ光Ｌｒの発振を開始する。ここで、照射領域制御部２７（図２）は、スポット径調整部（図示略）を制御し、受信用レーザ光Ｌｒのスポット径Ｄｒ（照射領域）を、平面視で、母材３と接合施工部４の境界５が含まれように拡張する（図３）。

なお、照射領域制御部２７は、接合施工部４が有ると予測（推定）される領域（範囲）よりも、送信用レーザ光Ｌｔおよび受信用レーザ光Ｌｒの照射領域が大きくなるように拡張する。なお、接合施工部４が有る領域の全てが照射領域に含まれていなくてもよく、接合施工部４が有る領域の少なくとも一部が照射領域に含まれ、その照射領域に境界５が含まれていればよい。

次のステップＳ３において、制御用コンピュータ２０（図１）は、干渉計測部１２を制御し、戻り光の受信を開始する。

次のステップＳ４において、干渉計測部１２（図１）は、受信用レーザ光Ｌｒを測定対象２に照射したときに反射する戻り光を干渉計測して超音波信号を抽出する。抽出された超音波信号は、制御用コンピュータ２０に送られる。

次のステップＳ５において、制御用コンピュータ２０の解析部２８（図２）は、干渉計測部１２で得られた超音波信号から超音波Ｕｒの強度および周波数を解析する。

次のステップＳ６において、制御用コンピュータ２０の評価部２９（図２）は、解析部２８の解析結果から接合施工部４の形状および大きさを評価する。

次のステップＳ７において、制御用コンピュータ２０の出力部２２（図２）は、解析部２８の解析結果または評価部２９の評価結果の少なくとも一方を出力する。例えば、ディスプレイが、これらの結果を表示する。

なお、解析部２８および評価部２９にそれぞれの結果の一部または全部が、ディスプレイで表示されるが、これらの表示の有無を適宜切り替えてもよい。また、評価に用いる強度条件、照射しているレーザ光Ｌｔ，Ｌｒの出力およびスポット径Ｄｔ，Ｄｒ（図３）などの情報もディスプレイに表示可能である。

次のステップＳ８において、制御用コンピュータ２０の警告制御部３０（図２）は、解析部２８の解析結果または評価部２９の評価結果に基づいて、接合施工部４に異常があるか否かを判定する。ここで、接合施工部４に異常がない場合（ステップＳ８でＮＯの場合）は、制御用コンピュータ２０は、超音波検査処理を終了する。一方、接合施工部４に異常がある場合（ステップＳ８でＹＥＳの場合）は、ステップＳ９に進む。

ステップＳ９において、警告制御部３０は、所定の警告を出力部２２で出力する制御を行う。そして、制御用コンピュータ２０は、超音波検査処理を終了する。

なお、本実施形態のフローチャートにおいて、各ステップが直列に実行される形態を例示しているが、必ずしも各ステップの前後関係が固定されるものでなく、一部のステップの前後関係が入れ替わってもよい。また、一部のステップが他のステップと並列に実行されてもよい。

第１実施形態では、レーザ光Ｌｔ，Ｌｒの照射領域を拡大することで、測定精度と速度を両立させて溶接の品質を保証することができる。

次に、変形例１について図６を用いて説明する。なお、前述の図面を適宜参照し、前述した実施形態に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。

変形例１では、送信用レーザ光Ｌｔと受信用レーザ光Ｌｒの一方の照射領域が、拡張されていない点状を成す照射スポットＰであり、超音波検査装置１は、この照射スポットＰを移動させるための走査部４０を備える。

例えば、図６に示すように、走査部４０が受信出射部１６に設けられている。受信用レーザ光Ｌｒが受信出射部１６から出射され、測定対象２に照射された部分が照射スポットＰである。照射スポットＰの照射位置が走査部４０により移動される。この変形例１では、接合施工部４が有る範囲に、照射スポットＰが照射される。

より詳しく説明すると、送信用レーザ光Ｌｔのスポット径Ｄｔが、打痕６のサイズＣｆの径以上になるように、送信用レーザ光Ｌｔが測定対象２に照射される。ここで、受信用レーザ光Ｌｒは、φ０．１ｍｍ程度の照射スポットＰとして、測定対象２に照射される。そして、走査部４０により、受信用レーザ光Ｌｒの照射スポットＰが、２次元格子状に順次照射される。

走査部４０は、ガルバノスキャナのような光学ミラーを機械的に角度調整する方法で、照射スポットＰを走査することを想定している。また、走査部４０は、駆動ステージを組み合わせたものでもよい。

なお、受信用レーザ光Ｌｒを拡張して照射し、送信用レーザ光Ｌｔを点状（照射スポットＰ）にして、走査部４０により走査することも可能である。

また、変形例１の場合、受信用レーザ光Ｌｒのそれぞれの照射スポットＰで得られる超音波信号から、接合施工部４の径、幅などのサイズＣｗ（図３）を求めることができる。さらに、このサイズＣｗに対して、予め、合格となる基準強度を定めておき、合否判定を行うことも可能である。また、これらの合否結果は、履歴として表示、記録、呼び出しが可能である。

変形例１では、走査部４０により照射スポットＰを移動させながら、測定対象２の様々な部分にレーザ光Ｌｔ，Ｌｒが照射されるため、接合施工部４の形状などの情報の取得が可能になる。

次に、変形例２について図７を用いて説明する。なお、前述の図面を適宜参照し、前述した実施形態に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。

変形例２では、送信用レーザ光Ｌｔと受信用レーザ光Ｌｒが、接合施工部４を挟んで対向する位置に照射される。

図７に示すように、送信出射部１５と受信出射部１６とが、測定対象２を挟んで対向する位置に設けられる。そして、送信出射部１５から送信用レーザ光Ｌｔが、測定対象２の一方の面に照射される。さらに、受信出射部１６から受信用レーザ光Ｌｒが、測定対象２の他方の面に照射される。これにより、透過超音波Ｕｔのみを測定することができる。

変形例２では、接合施工部４を通過した透過超音波Ｕｔのみにより、接合施工部４の大きさを評価できるため、測定精度と測定速度を向上させることができる。

次に、変形例３について図８を用いて説明する。なお、前述の図面を適宜参照し、前述した実施形態に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。

前述の実施形態では、スポット溶接の場合を例示したが、超音波検査装置１が検査対象とするものは、スポット溶接以外の他の態様で溶接された接合施工部４でもよい。

例えば、図８に示すように、測定対象２Ａとして、２つの母材３Ａの端部同士が裏波溶接されている場合がある。この裏波溶接は、例えば、配管の外側から内側に向けて溶接施工を行い、母材３Ａの内側にも溶接ビードである接合施工部４が突出する施工である。しかし、母材３Ａの裏側に出る溶接ビードは、配管の内部にあるため、その形状を把握することが難しい。ここで、本実施形態の超音波検査装置１であれば、超音波Ｕｉ，Ｕｔを用いて母材３Ａの裏側の溶接ビードの形状を把握することができるため、裏波溶接の施工の品質を担保するのに有用である。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について図９を用いて説明する。なお、前述の図面を適宜参照し、前述した実施形態に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。

第２実施形態の超音波検査装置１Ａは、前述の第１実施形態の構成に加えて、表面読取部５０を備える。この表面読取部５０は、制御用コンピュータ２０に接続されている。

表面読取部５０は、測定対象２に送信用レーザ光Ｌｔと受信用レーザ光Ｌｒを照射する前に、溶接により測定対象２の表面に生じた凹凸を成す部分の範囲を読み取る機器である。

また、第２実施形態の制御用コンピュータ２０の照射領域制御部２７（図２）は、送信用レーザ光Ｌｔと受信用レーザ光Ｌｒの少なくとも一方のスポット径Ｄｔ，Ｄｒ（図３）を、表面読取部５０で読み取られた範囲よりも大きくする制御を行う。このようにすれば、測定対象２の表面に生じた凹凸を成す部分（例えば、打痕６）を、接合施工部４の範囲を推定する基準とすることができる。そして、この基準に基づいて、接合施工部４と母材３の境界５を含むように、送信用レーザ光Ｌｔと受信用レーザ光Ｌｒのスポット径Ｄｔ，Ｄｒを拡大することができる。

ここで、表面読取部５０は、カメラ、ステレオカメラ、パタン型レーザなどの機器で構成される。なお、これら機器を複数台または組み合せて表面読取部５０が構成されてもよい。このとき、送信用レーザ光Ｌｔまたは受信用レーザ光Ｌｒが、迷光として入り込まないように、シャッタなどが表面読取部５０に設けられてもよい。

表面読取部５０より測定対象２の表面を読み取るステップは、基本的に、前述のフローチャート（図５）のステップＳ１の前に設けるようにするが、場合によっては、ステップＳ１の後ろ、または、ステップＳ１と同時に実行するものでもよい。

表面読取部５０により、測定対象２の表面に生じた凹凸を成す部分のサイズＣｆが推定される。その推定方法は、表面読取部５０で得られたカメラの画像から、パタン抽出による閾値処理をするものでもよいし、ステレオカメラとレーザパタンと組み合わせた３次元形状計測などでもよい。

表面読取部５０で得られた測定対象２の表面の読取結果は、制御用コンピュータ２０の評価部２９（図２）に送られる。この読取結果により、凹凸を成す部分のサイズＣｆが、製造上規定の範囲であれば１次合格とし、それより大きい場合、または、小さい場合は、１次不合格とし、その判定結果をディスプレイ（出力部２２）などに表示する。また、凹凸を成す部分のサイズＣｆだけでなく、表面の凹凸の度合いまで測定できる場合は、その値もディスプレイに表示してもよいし、基準となる表面粗さを設けている場合には、その基準が合否判定に用いられてもよい。

第２実施形態では、送信用レーザ光Ｌｔと受信用レーザ光Ｌｒを照射するときに、測定対象２の表面の状態に応じた照射を行うことができる。また、接合施工部４が有る範囲を予測できるようになり、送信用レーザ光Ｌｔと受信用レーザ光Ｌｒが照射されるそれぞれの照射領域の少なくとも一方を、母材３と接合施工部４の境界５を含むように拡張することができる。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態について図１０を用いて説明する。なお、前述の図面を適宜参照し、前述した実施形態に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。

第３実施形態の超音波検査装置１Ｂは、前述の第１実施形態の構成に加えて、表面改質部６０と酸化抑制部６１とを備える。これら表面改質部６０と酸化抑制部６１は、制御用コンピュータ２０に接続されている。なお、超音波検査装置１Ｂは、表面改質部６０と酸化抑制部６１のいずれか一方を備える構成でもよい。

表面改質部６０は、送信用レーザ光Ｌｔと受信用レーザ光Ｌｒが照射される測定対象２の表面を均質化する機器である。

例えば、表面改質部６０は、測定対象２の表面を研削するためのグラインダ、ワイヤブラシなどの切削機構の場合がある。また、表面改質部６０は、所定の媒体６２を用いて非接触で測定対象２の表面を加工できるレーザ、サンドブラスト、ドライアイスブラストといったショットブラスト系の加工機構の場合ある。また、表面改質部６０は、測定対象２の表面に、耐高温用のインク、塗装、または、薄膜金属などを塗布する機構の場合がある。

ここで、測定対象２の表面に塗布する材料は、他の研削装置の研削に耐えられ、かつ高温に耐えられ、送信用レーザ光Ｌｔによりアブレーションする材料、または、受信用レーザ光Ｌｒの波長に対して反射率の高い塗布材でもよい。なお、この塗布材は、表面改質部６０で塗布されるだけでなく、検査前または検査中に検査員または溶接作業員が塗布するものでもよい。

表面改質部６０による測定対象２の表面の改質は、送信用レーザ光Ｌｔと受信用レーザ光Ｌｒの照射領域の少なくとも一方で行われればよい。ここで、測定対象２の表面の改質は、超音波送受信の前段階で行う必要がある。

酸化抑制部６１は、送信用レーザ光Ｌｔと受信用レーザ光Ｌｒが照射されるそれぞれの照射領域の少なくとも一方を不活性ガス６３の雰囲気で覆い、測定対象２の表面の酸化を抑制する機器である。

例えば、酸化抑制部６１は、送信用レーザ光Ｌｔと受信用レーザ光Ｌｒを照射する面に、不活性ガス６３を吹き付ける機構である。この吹き付けた不活性ガス６３を効率的に充填するために、簡易的なチャンバ内に測定対象２が設けられてもよい。

ここで、使用する不活性ガス６３は、一般的に使われるヘリウム、ネオン、アルゴンといった希ガス類、または、窒素などでよく、その他の化学的に安定なガスであればいずれでもよい。

なお、図１０では、測定対象２の一方に照射する形態を例示しているが、表面改質部６０および酸化抑制部６１が測定対象２を挟み込む両面にも配置されてもよい。このようにすれば、送信用レーザ光Ｌｔと受信用レーザ光Ｌｒとが、それぞれ測定対象２の表裏面の双方に照射される態様にも対応できるようになる。

第３実施形態では、表面改質部６０が設けられていることで、測定対象２の表面が個体差によらず一定になる。このため、測定対象２の表面の超音波Ｕｉの励起および戻り光の反射が一定の条件で行われるようになり、超音波Ｕｉの送受信効率を向上させることができる。

また、超音波Ｕｉ，Ｕｒの送信側、受信側ともに表面の粗さ、色によって、超音波Ｕｉ，Ｕｒの送受信効率が異なることが分かっている。第３実施形態では、表面改質部６０が設けられていることで、測定対象２の表面の色または荒れ具合を一定に保つことで、超音波Ｕｉ，Ｕｒの送受信効率に影響する、測定対象２の個体差を無くすことができる。これにより、測定対象２の個体差によらない安定した計測が可能となる。

また、酸化抑制部６１が設けられていることで、測定対象２の表面の酸化を抑制し、この表面変色または変形を防止することができ、安定して測定を行うことができる。

また、レーザ光Ｌｔ，Ｌｒが照射される面に不活性ガス６３が吹き付けられることで、レーザ光Ｌｔ，Ｌｒによる加熱で測定対象２の表面が一瞬高温になったときに、空気中の酸素で酸化されて変色したり変形したりすることを防止することができる。

超音波検査装置１，１Ａ，１Ｂおよび超音波検査方法が第１実施形態（変形例１～３）から第３実施形態に基づいて説明されているが、いずれかの実施形態において適用された構成が他の実施形態に適用されてもよいし、各実施形態において適用された構成が組み合わされてもよい。

前述の制御用コンピュータ２０は、ＦＰＧＡ、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）、ＣＰＵおよび専用のチップなどのプロセッサを高集積化させた制御装置と、ＲＯＭおよびＲＡＭなどの記憶装置と、ＨＤＤおよびＳＳＤ（Solid State Drive）などの外部記憶装置と、ディスプレイなどの表示装置と、マウスおよびキーボードなどの入力装置と、通信インターフェースとを備える。この制御用コンピュータ２０は、通常のコンピュータを利用したハードウェア構成で実現できる。

なお、この制御用コンピュータ２０で実行されるプログラムは、ＲＯＭなどに予め組み込んで提供される。追加的または代替的に、このプログラムは、インストール可能な形式または実行可能な形式のファイルでＣＤ－ＲＯＭ、ＣＤ－Ｒ、メモリカード、ＤＶＤ、フレキシブルディスク（ＦＤ）などのコンピュータで読み取り可能な非一時的な記憶媒体に記憶されて提供される。

また、この制御用コンピュータ２０で実行されるプログラムは、インターネットなどのネットワークに接続されたコンピュータに格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせて提供するようにしてもよい。また、この制御用コンピュータ２０は、構成要素の各機能を独立して発揮する別々のモジュールを、ネットワークまたは専用回線で相互に接続し、組み合わせて構成することもできる。

以上説明した少なくとも１つの実施形態によれば、送信用レーザ光Ｌｔと受信用レーザ光Ｌｒが照射されるそれぞれの照射領域の少なくとも一方が、母材３と接合施工部４の境界５を含むように拡張されていることにより、溶接部の品質保証のための超音波検査の測定精度と測定速度を向上させることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態またはその変形は、発明の範囲と要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１，１Ａ，１Ｂ…超音波検査装置、２，２Ａ…測定対象、３，３Ａ…母材、４…接合施工部、５…境界、６…打痕、１０…送信用光源、１１…受信用光源、１２…干渉計測部、１３…送信入射部、１４…受信入射部、１５…送信出射部、１６…受信出射部、１７…送信伝送部、１８…受信伝送部、１９…戻り光伝送部、２０…制御用コンピュータ、２１…入力部、２２…出力部、２３…通信部、２４…記憶部、２５…機器接続部、２６…処理回路、２７…照射領域制御部、２８…解析部、２９…評価部、３０…警告制御部、４０…走査部、５０…表面読取部、６０…表面改質部、６１…酸化抑制部、６２…媒体、６３…不活性ガス。

本発明の実施形態に係る超音波検査装置は、少なくとも２個の母材が溶接で互いに接合され、前記溶接が施された接合施工部を有する測定対象に照射して超音波を発生させるための送信用レーザ光を発振する送信用光源と、前記測定対象に照射して前記超音波で計測を行うための受信用レーザ光を発振する受信用光源と、前記受信用レーザ光を前記測定対象に照射したときに反射する戻り光を干渉計測して超音波信号を抽出する干渉計測部と、前記超音波信号に基づいて、前記接合施工部の形状および大きさを評価する評価部と、を備え、前記送信用レーザ光と前記受信用レーザ光が照射されるそれぞれの照射領域の少なくとも一方が、前記母材と前記接合施工部の境界を含むように拡張されており、前記評価部は、前記受信用光源と前記干渉計測部とを用いて透過超音波および反射超音波を測定し、その強度を解析することで、前記接合施工部の大きさである実接合面積を推定し、前記接合施工部の形状を推定し、前記接合施工部が健全であるか否かを評価する。

制御用コンピュータ２０の評価部２９は、実接合面積Ｊａ（図示略）について、超音波信号の信号強度の評価を行う。ここで、評価部２９は、この信号強度が予め定められた基準強度を満たすか否かを判定し、その接合施工部４が健全であるか否かを評価する。

本発明の実施形態に係る超音波検査装置は、少なくとも２個の母材が溶接で互いに接合され、前記溶接が施された接合施工部を有する測定対象に照射して超音波を発生させるための送信用レーザ光を発振する送信用光源と、前記測定対象に照射して前記超音波で計測を行うための受信用レーザ光を発振する受信用光源と、前記受信用レーザ光を前記測定対象に照射したときに反射する戻り光を干渉計測して超音波信号を抽出する干渉計測部と、前記超音波信号に基づいて、前記接合施工部の形状および大きさを評価する評価部と、を備え、前記送信用レーザ光と前記受信用レーザ光が照射されるそれぞれの照射領域の少なくとも一方が、前記母材と前記接合施工部の境界を含むように拡張されており、前記評価部は、前記受信用光源と前記干渉計測部とを用いて透過超音波または反射超音波を測定し、その強度を解析することで、前記接合施工部の大きさである実接合面積を推定し、前記接合施工部の形状を推定し、前記接合施工部が健全であるか否かを評価する。

Claims (9)

1. 少なくとも２個の母材が溶接で互いに接合され、前記溶接が施された接合施工部を有する測定対象に照射して超音波を発生させるための送信用レーザ光を発振する送信用光源と、
   前記測定対象に照射して前記超音波で計測を行うための受信用レーザ光を発振する受信用光源と、
   前記受信用レーザ光を前記測定対象に照射したときに反射する戻り光を干渉計測して超音波信号を抽出する干渉計測部と、
   前記超音波信号に基づいて、前記接合施工部の少なくとも大きさを評価する評価部と、
   を備え、
   前記送信用レーザ光と前記受信用レーザ光が照射されるそれぞれの照射領域の少なくとも一方が、前記母材と前記接合施工部の境界を含むように拡張されている、
   超音波検査装置。
2. 前記送信用レーザ光と前記受信用レーザ光を出射するそれぞれの出射部の少なくとも一方に、前記送信用レーザ光または前記受信用レーザ光を拡大するための拡大用光学機器が設けられている、
   請求項１に記載の超音波検査装置。
3. 前記送信用レーザ光と前記受信用レーザ光が、前記接合施工部を挟んで対向する位置に照射される、
   請求項１または請求項２に記載の超音波検査装置。
4. 前記送信用レーザ光と前記受信用レーザ光を照射する前に、前記溶接により前記測定対象の表面に生じた凹凸を成す部分の範囲を読み取る表面読取部を備える、
   請求項１または請求項２に記載の超音波検査装置。
5. 前記送信用レーザ光と前記受信用レーザ光の少なくとも一方のスポット径を、前記表面読取部で読み取られた前記範囲よりも大きくする照射領域制御部を備える、
   請求項４に記載の超音波検査装置。
6. 前記送信用レーザ光と前記受信用レーザ光の一方の前記照射領域が、拡張されていない照射スポットであり、前記照射スポットを移動させるための走査部を備える、
   請求項１または請求項２に記載の超音波検査装置。
7. 前記送信用レーザ光と前記受信用レーザ光が照射される前記測定対象の表面を均質化する表面改質部を備える、
   請求項１または請求項２に記載の超音波検査装置。
8. 前記送信用レーザ光と前記受信用レーザ光が照射されるそれぞれの前記照射領域の少なくとも一方を不活性ガスの雰囲気で覆い、前記測定対象の表面の酸化を抑制する酸化抑制部を備える、
   請求項１または請求項２に記載の超音波検査装置。
9. 少なくとも２個の母材が溶接で互いに接合され、前記溶接が施された接合施工部を有する測定対象に照射して超音波を発生させるための送信用レーザ光を送信用光源が発振するステップと、
   前記測定対象に照射して前記超音波で計測を行うための受信用レーザ光を受信用光源が発振するステップと、
   干渉計測部が、前記受信用レーザ光を前記測定対象に照射したときに反射する戻り光を干渉計測して超音波信号を抽出するステップと、
   評価部が、前記超音波信号に基づいて、前記接合施工部の少なくとも大きさを評価するステップと、
   を含み、
   前記送信用レーザ光と前記受信用レーザ光が照射されるそれぞれの照射領域の少なくとも一方が、前記母材と前記接合施工部の境界を含むように拡張されている、
   超音波検査方法。

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