JP2010223653A - Device and method for measuring internal state of structure - Google Patents

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JP2010223653A JP2009069436A JP2009069436A JP2010223653A JP 2010223653 A JP2010223653 A JP 2010223653A JP 2009069436 A JP2009069436 A JP 2009069436A JP 2009069436 A JP2009069436 A JP 2009069436A JP 2010223653 A JP2010223653 A JP 2010223653A
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Masao Kinoshita
雅夫 木下
Masateru Ebina
正輝 蝦名
Kazuhiro Akihama
一弘 秋濱
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To enable measurement of the inside of a structure with high space resolution. <P>SOLUTION: A measuring device is used which is provided with: an ultrasonic excitation part 20 supplying light energy or electrical energy to the surface or near the surface of an object to be measured and generating an ultrasonic wave; and an inside measuring part 24 supplying the ultrasonic wave generated by the ultrasonic excitation part 20 to the object 102 to be measured and measuring signals produced by the ultrasonic wave transmitting the object 102 to be measured. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、構造物の内部状態を測定する測定装置及び測定方法に関する。   The present invention relates to a measuring apparatus and a measuring method for measuring an internal state of a structure.

従来から超音波を用いて構造物内部の組織や構造を測定する測定装置が用いられている。例えば、２つの金属部材を重ね合わせて通電加熱することによって金属部材を溶融・再凝固させて金属部材同士を溶接したスポット溶接部の構造を超音波で測定することが行われている。   2. Description of the Related Art Conventionally, a measuring apparatus that measures the structure and structure inside a structure using ultrasonic waves has been used. For example, the structure of a spot welded portion in which two metal members are superposed and heated by energization to melt and resolidify the metal members and weld the metal members together is measured with ultrasonic waves.

溶接部分の構造は、図１２に示すように、ナゲット部１０と呼ばれる部分と熱影響部１２と呼ばれる部分とに分けられる。ナゲット部１０は、溶接部分の最も内側に位置する部分であり、通電加熱によって溶融と再凝固された部分である。ナゲット部１０は、母材１４である金属に対して粒界が大きく、密度が小さい。したがって、母材１４に比べて超音波の伝搬速度が遅く、減衰も大きい。熱影響部１２は、ナゲット部１０の外側を覆う部分であり、通電によって加熱されたが、溶融までは至らなかった部分である。熱影響部１２では、母材１４である金属部材は密着状態となっており、その粒界は母材１４より大きく、ナゲット部１０より小さい。また、その密度は母材１４より小さく、ナゲット部１０より大きい。したがって、超音波の伝搬速度は母材１４より遅いが、ナゲット部１０より早くなる。また、超音波の減衰量は母材１４より大きいが、ナゲット部１０より小さい。この特性を利用して溶接部分の組織や構造を測定する。   As shown in FIG. 12, the structure of the welded part is divided into a part called a nugget part 10 and a part called a heat affected part 12. The nugget part 10 is a part located on the innermost side of the welded part, and is a part melted and re-solidified by energization heating. The nugget portion 10 has a large grain boundary and a low density with respect to the metal that is the base material 14. Therefore, the propagation speed of ultrasonic waves is slower than that of the base material 14, and the attenuation is large. The heat-affected zone 12 is a portion that covers the outside of the nugget portion 10 and is a portion that has been heated by energization but has not reached melting. In the heat affected zone 12, the metal member that is the base material 14 is in a close contact state, and its grain boundary is larger than the base material 14 and smaller than the nugget portion 10. Further, the density is smaller than the base material 14 and larger than the nugget portion 10. Therefore, the propagation speed of the ultrasonic wave is slower than that of the base material 14 but faster than that of the nugget portion 10. The attenuation amount of the ultrasonic wave is larger than that of the base material 14 but smaller than that of the nugget portion 10. Using this characteristic, the structure and structure of the welded part are measured.

なお、溶接部は、金属部材を重ね合わせて、電極チップで押圧しながら溶接されるので、溶接後の厚さは溶接部の中央部が周囲部に比べて薄くなる。   The welded portion is welded while overlapping metal members and pressed with an electrode tip, so that the thickness after welding is thinner at the center of the welded portion than at the surrounding portion.

例えば、特許文献１には、溶接部の組織変化、熱処理、表面改質等の組織変化を検出するための超音波検出方法が開示されている。探触子から超音波を試験体に送信すると共に後方散乱波を受信することにより組織変化を検出する。試験体の基準部において後方散乱波を含む基準波を受信する。試験体の検査部において受信した検査波を基準波で除し又は検査波と基準波との差分を求めることにより基準化する。基準化された表示に基づいて溶接部、熱処理、表面改質等の組織変化を検出することが可能としている。   For example, Patent Document 1 discloses an ultrasonic detection method for detecting a structural change such as a structural change of a welded portion, a heat treatment, and a surface modification. A tissue change is detected by transmitting an ultrasonic wave from the probe to the specimen and receiving a backscattered wave. A reference wave including a backscattered wave is received at the reference portion of the specimen. The inspection wave received by the inspection unit of the test body is divided by the reference wave or normalized by obtaining the difference between the inspection wave and the reference wave. Based on the standardized display, it is possible to detect structural changes such as welds, heat treatment, and surface modification.

また、特許文献２には、レーザ式超音波発振受信装置を用いて溶接部の断面を可視化して、溶接部の被溶接材と接合材との溶融状態を測定する技術が開示されている。レーザ式超音波発振受信装置にて、可視化しようとする溶接部の断面に含まれる溶接部表面に、超音波レーザを照射して溶接部表面に超音波を発生させ、溶接部表面の変位を検出して信号強度の経時変化として出力する。測定された表面変位の検出信号に基づいて、溶接部の断面を画像化するための演算処理を行い、溶接部の断面を可視化する。溶接部表面の変位の測定は、同一箇所に対して複数回繰り返し、この測定結果を加算演算して画像化処理に利用する。また、溶接部表面に発生した５０ＭＨｚ以上の周波数を有する超音波振動のみを利用する。   Patent Document 2 discloses a technique for visualizing a cross section of a welded portion using a laser ultrasonic wave receiving device and measuring a molten state between a welded material and a joining material of the welded portion. Using a laser-type ultrasonic receiver, the surface of the weld that is included in the section of the weld to be visualized is irradiated with an ultrasonic laser to generate ultrasonic waves on the surface of the weld and detect the displacement of the weld And output as a change in signal intensity with time. Based on the measured detection signal of the surface displacement, a calculation process for imaging the cross section of the welded portion is performed to visualize the cross section of the welded portion. The measurement of the displacement of the weld surface is repeated a plurality of times for the same location, and the measurement results are added and calculated and used for the imaging process. Further, only ultrasonic vibration having a frequency of 50 MHz or more generated on the surface of the weld is used.

特開２００７−８５９４９号公報JP 2007-85949 A 特開２００７−５７４８５号公報JP 2007-57485 A

単一プローブを用いる測定方法では、センサプローブの直径よりもナゲット部や熱影響部が大きいか否かの定性的な情報しか得られない。これは、測定の空間的な分解能がセンサプローブのサイズと同程度であるからである。   In the measurement method using a single probe, only qualitative information on whether the nugget part or the heat affected part is larger than the diameter of the sensor probe can be obtained. This is because the spatial resolution of the measurement is comparable to the sensor probe size.

また、５０ＭＨｚ以上の周波数の超音波を用いる測定方法では、超音波発生装置や超音波による測定対象物の変位測定のセンサが大型化及び複雑化してしまう問題がある。したがって、装置の製造コストが高く、測定に掛かる費用も増大してしまう。   In addition, in the measurement method using ultrasonic waves having a frequency of 50 MHz or more, there is a problem that the ultrasonic generator and the sensor for measuring the displacement of the measurement object using the ultrasonic waves become large and complicated. Therefore, the manufacturing cost of the apparatus is high, and the cost for measurement increases.

また、金属組織界面からの反射を利用する測定方法では、ナゲット部境界面からの反射が弱く、測定される信号のＳ／Ｎ比が低い。そのため、測定を繰り返して信号を累積的に蓄積する必要があり、測定時間が長くなるという問題がある。   Moreover, in the measurement method using the reflection from the metal structure interface, the reflection from the nugget interface is weak and the S / N ratio of the signal to be measured is low. Therefore, it is necessary to accumulate signals by repeating measurement, and there is a problem that measurement time becomes long.

また、測定物の厚さの情報を用いない測定方法では、超音波を用いた測定で得られる信号に測定対象物の厚さによる誤差が含まれたままであり、内部構造の形状や組織組成を正確に求めることができない。   In addition, in measurement methods that do not use information on the thickness of the measurement object, errors due to the thickness of the measurement object remain included in the signal obtained by measurement using ultrasonic waves, and the shape and tissue composition of the internal structure It cannot be determined accurately.

さらに、センサプローブが大型である場合、狭小部の構造物内部の測定は困難である。   Furthermore, when the sensor probe is large, it is difficult to measure the inside of the narrow structure.

本発明の１つの態様は、測定物の表面又は表面近傍に光エネルギー又は電気エネルギーを供給して超音波を発生させる超音波励起部と、前記測定物の内部を伝搬した超音波によって生じた信号を測定する内部測定部と、を備えることを特徴とする構造物内部の測定装置である。   One aspect of the present invention includes an ultrasonic excitation unit that generates ultrasonic waves by supplying light energy or electrical energy to or near the surface of a measurement object, and a signal generated by the ultrasonic wave that has propagated through the measurement object. And an internal measurement unit for measuring the inside of the structure.

また、本発明の別の態様は、測定物の表面又は表面近傍に光エネルギー又は電気エネルギーを供給して超音波を発生させる超音波発生ステップと、前記超音波発生ステップによって発生した超音波を前記測定物に供給し、前記測定物を伝搬した超音波によって生じた信号を測定する内部測定ステップと、を備えることを特徴とする構造物内部の測定方法である。   In another aspect of the present invention, an ultrasonic wave generation step for generating an ultrasonic wave by supplying light energy or electric energy to or near the surface of a measurement object, and an ultrasonic wave generated by the ultrasonic wave generation step are described above. An internal measurement step of measuring a signal generated by the ultrasonic wave supplied to the measurement object and propagated through the measurement object.

ここで、前記超音波励起部は、前記測定物の表面にレーザ光を照射する放射用レーザ発生部を備え、前記レーザ光を前記測定物の表面に照射することによって超音波を発生させることが好適である。測定方法としては、前記超音波発生ステップは、レーザ光を前記測定物の表面に照射することによって超音波を発生させることが好適である。   Here, the ultrasonic excitation unit may include a radiation laser generating unit that irradiates the surface of the measurement object with laser light, and generates ultrasonic waves by irradiating the surface of the measurement object with the laser light. Is preferred. As a measurement method, it is preferable that the ultrasonic wave generation step generates an ultrasonic wave by irradiating the surface of the measurement object with a laser beam.

また、前記超音波励起部は、前記測定物の表面近傍にレーザ光を集光させる放射用レーザ発生部を備え、前記レーザ光により前記測定物の表面近傍の気体を電離させることによって超音波を発生させることも好適である。測定方法としては、前記超音波発生ステップは、レーザ光により前記測定物の表面近傍の気体を電離させることによって超音波を発生させることも好適である。   In addition, the ultrasonic excitation unit includes a radiation laser generating unit that condenses laser light near the surface of the measurement object, and ultrasonic waves are generated by ionizing a gas near the surface of the measurement object by the laser light. It is also preferable to generate it. As a measurement method, it is also preferable that the ultrasonic wave generation step generates an ultrasonic wave by ionizing a gas near the surface of the measurement object with a laser beam.

また、前記超音波励起部は、前記測定物の表面近傍にレーザ光を集光させる放射用レーザ発生部と、前記レーザ光が照射されるターゲット部材と、を備え、前記レーザ光を前記ターゲット部材に照射することによって超音波を発生させることも好適である。測定方法としては、前記超音波発生ステップは、レーザ光を前記ターゲット部材に照射することによって超音波を発生させることも好適である。   In addition, the ultrasonic excitation unit includes a radiation laser generating unit that condenses laser light in the vicinity of the surface of the measurement object, and a target member that is irradiated with the laser light, and the laser light is supplied to the target member. It is also preferable to generate an ultrasonic wave by irradiating the film. As a measuring method, it is also preferable that the ultrasonic wave generation step generates an ultrasonic wave by irradiating the target member with a laser beam.

また、前記超音波励起部は、前記測定物の表面との間で放電を発生させる放電電極と、前記放電電極に電圧を印加する放電電圧印加部と、を含む放電発生部を備え、前記測定物の表面と前記放電電極との間に放電を起こさせることによって超音波を発生させることも好適である。測定方法としては、前記超音波発生ステップは、前記測定物の表面と放電電極との間に放電を起こさせることによって超音波を発生させることも好適である。   In addition, the ultrasonic excitation unit includes a discharge generation unit including a discharge electrode that generates a discharge with the surface of the measurement object, and a discharge voltage application unit that applies a voltage to the discharge electrode. It is also preferable to generate ultrasonic waves by causing a discharge between the surface of the object and the discharge electrode. As a measuring method, it is preferable that the ultrasonic wave generation step generates an ultrasonic wave by causing a discharge between the surface of the measurement object and the discharge electrode.

また、前記測定物の表面形状を測定する表面形状測定部と、前記内部測定部で測定された信号と、前記表面形状測定部で測定された表面形状と、に基づいて前記測定物の内部の構造又は組織を求める演算部と、を備えることが好適である。測定方法としては、前記測定物の表面形状を測定する表面形状測定ステップと、前記内部測定ステップで測定された信号と、前記表面形状測定ステップで測定された表面形状と、に基づいて前記測定物の内部の構造又は組織を求めることが好適である。   In addition, based on the surface shape measurement unit that measures the surface shape of the measurement object, the signal measured by the internal measurement unit, and the surface shape measured by the surface shape measurement unit, the inside of the measurement object It is preferable to include a calculation unit that obtains a structure or a structure. As a measuring method, based on the surface shape measurement step for measuring the surface shape of the measurement object, the signal measured in the internal measurement step, and the surface shape measured in the surface shape measurement step, the measurement object It is preferred to determine the internal structure or organization of the.

また、前記超音波励起部、前記内部測定部及び前記測定物の少なくとも１つを空間的に移動させることによって前記測定物の測定対象位置を変更するスキャニング手段を備えることが好適である。測定方法としては、超音波を励起する位置、超音波によって発生する信号の検出位置及び測定物の少なくとも１つを空間的に移動させることによって前記測定物の測定対象位置を変更することが好適である。   In addition, it is preferable to include a scanning unit that changes the measurement target position of the measurement object by spatially moving at least one of the ultrasonic excitation unit, the internal measurement unit, and the measurement object. As a measurement method, it is preferable to change the measurement target position of the measurement object by spatially moving at least one of the position where the ultrasonic wave is excited, the detection position of the signal generated by the ultrasonic wave, and the measurement object. is there.

また、前記放射用レーザ発生部及び前記内部測定部のいずれか一方のみを空間的に移動させることによって前記測定物の測定対象位置を変更するスキャニング手段を備えることが好適である。測定方法としては、超音波を発生させるためのレーザ発生部及び内部測定を行う内部測定部のいずれか一方のみを空間的に移動させることによって前記測定物の測定対象位置を変更することが好適である。また、前記放電発生部及び前記内部測定部のいずれか一方のみを空間的に移動させることによって前記測定物の測定対象位置を変更するスキャニング手段を備えることが好適である。測定方法としては、超音波を発生させるための放電発生部及び内部測定を行う内部測定部のいずれか一方のみを空間的に移動させることによって前記測定物の測定対象位置を変更することが好適である。   In addition, it is preferable to include scanning means for changing the measurement target position of the measurement object by spatially moving only one of the radiation laser generation unit and the internal measurement unit. As a measurement method, it is preferable to change the measurement target position of the measurement object by spatially moving only one of the laser generator for generating ultrasonic waves and the internal measurement unit for performing internal measurement. is there. In addition, it is preferable that scanning means for changing a measurement target position of the measurement object by spatially moving only one of the discharge generation unit and the internal measurement unit is preferable. As a measurement method, it is preferable to change the measurement target position of the measurement object by spatially moving only one of the discharge generation unit for generating ultrasonic waves and the internal measurement unit for performing internal measurement. is there.

また、前記内部測定部は、前記測定物にレーザ光を照射する検出用レーザ発生部と、前記検出用レーザ発生部から前記測定物に照射され、前記測定物から反射したレーザ光を検出する検出部と、を含むレーザ干渉計を備えることが好適である。測定方法としては、前記測定部にレーザ光を照射し、前記測定部から反射してきたレーザ光を検出し、照射されたレーザ光と反射されたレーザ光との干渉により前記測定物の変形を検出することが好適である。   In addition, the internal measurement unit detects a laser beam that is emitted from the detection laser generator to detect the laser beam reflected from the measurement object. And a laser interferometer including the unit. As a measurement method, the measurement unit is irradiated with a laser beam, the laser beam reflected from the measurement unit is detected, and deformation of the measurement object is detected by interference between the irradiated laser beam and the reflected laser beam. It is preferable to do.

また、前記放射用レーザ発生部と、前記検出部と、が前記測定物を挟んで対向する位置に配置されていることが好適である。   In addition, it is preferable that the radiation laser generation unit and the detection unit are arranged at positions facing each other with the measurement object interposed therebetween.

本発明によれば、高い空間分解能で構造体内部の測定が可能となる。   According to the present invention, the inside of a structure can be measured with high spatial resolution.

本発明の実施の形態における構造物内部の測定装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the measuring apparatus inside the structure in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における超音波励起部の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the ultrasonic excitation part in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における超音波励起部の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the ultrasonic excitation part in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における超音波励起部の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the ultrasonic excitation part in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における超音波励起部の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the ultrasonic excitation part in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における超音波励起部の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the ultrasonic excitation part in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における超音波励起部の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the ultrasonic excitation part in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における超音波励起部及び内部測定部の配置例を示す図である。It is a figure which shows the example of arrangement | positioning of the ultrasonic excitation part and internal measurement part in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における超音波励起部及び内部測定部の配置例を示す図である。It is a figure which shows the example of arrangement | positioning of the ultrasonic excitation part and internal measurement part in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における構造物内部の測定装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the measuring apparatus inside the structure in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における測定結果の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the measurement result in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における測定結果の解析方法を説明する図である。It is a figure explaining the analysis method of the measurement result in embodiment of this invention. スポット溶接された鋼材の断面構造を示す図である。It is a figure which shows the cross-section of the steel materials spot-welded.

図１に、本発明の実施の形態における構造物内部の測定装置１００の基本構成を示す。測定装置１００は、図１に示すように、超音波励起部２０、内部測定部２２、スキャニング部２４及びコントローラ２６を含んで構成される。   FIG. 1 shows a basic configuration of a measuring apparatus 100 inside a structure according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the measurement apparatus 100 includes an ultrasonic excitation unit 20, an internal measurement unit 22, a scanning unit 24, and a controller 26.

超音波励起部２０は、測定対象物１０２に対して入力する超音波を発生させる構成要素である。超音波励起部２０は、例えば、放射用レーザ又は直流放電部を含んで構成することができる。   The ultrasonic excitation unit 20 is a component that generates ultrasonic waves to be input to the measurement object 102. The ultrasonic excitation unit 20 can be configured to include, for example, a radiation laser or a direct current discharge unit.

図２に、放射用レーザを用いる場合についてのシステム構成を示す。放射用レーザを用いたシステムでは、図２に示すように、レーザ本体３０、ハーフミラー３２、パワーメータ３４、集光レンズ３６及びプリズム３８を含んで構成される。   FIG. 2 shows a system configuration when a radiation laser is used. As shown in FIG. 2, the system using the radiation laser includes a laser main body 30, a half mirror 32, a power meter 34, a condenser lens 36, and a prism 38.

レーザ本体３０は、ＹＡＧレーザ、エキシマレーザ、半導体レーザ等を適用することができる。例えば、波長５３２ｎｍでパルス幅６ｎｓのＹＡＧレーザを用いることができる。レーザ本体３０はコントローラ２６により出力制御される。ハーフミラー３２は、レーザ本体３０から出力されたレーザ光Ａの一部を反射して、一部を透過する。ハーフミラー３２で反射又は透過されたレーザ光Ａの一方はパワーメータ３４へ入力され、他方は集光レンズ３６へ入力される。パワーメータ３４は、入力されたレーザ光Ａのパワーを計測する。計測されたパワー値はコントローラ２６へ出力され、コントローラ２６によってレーザ本体３０から出力されるレーザ光Ａのパワーが制御される。一方、集光レンズ３６に入力されたレーザ光Ａは集光レンズ３６のレンズ効果により、プリズム３８を介して、超音波発生部に集光される。   For the laser main body 30, a YAG laser, an excimer laser, a semiconductor laser, or the like can be applied. For example, a YAG laser having a wavelength of 532 nm and a pulse width of 6 ns can be used. The output of the laser main body 30 is controlled by the controller 26. The half mirror 32 reflects a part of the laser beam A output from the laser body 30 and transmits a part thereof. One of the laser beams A reflected or transmitted by the half mirror 32 is input to the power meter 34, and the other is input to the condenser lens 36. The power meter 34 measures the power of the input laser beam A. The measured power value is output to the controller 26, and the power of the laser beam A output from the laser body 30 is controlled by the controller 26. On the other hand, the laser beam A input to the condensing lens 36 is condensed on the ultrasonic wave generation unit via the prism 38 by the lens effect of the condensing lens 36.

なお、放射用レーザを用いる場合のシステム構成はこれに限定されるものではなく、レーザ光Ａを超音波発生部に集光させることができる制御手段及び光学系システムを含むものであればよい。また、超音波励起部２０、内部測定部２２及び測定対象物１０２は、気相中はもちろん水等の液相中にあってもよい。   In addition, the system configuration in the case of using a radiation laser is not limited to this, and any system may be used as long as it includes a control unit and an optical system that can focus the laser beam A on the ultrasonic wave generation unit. Further, the ultrasonic excitation unit 20, the internal measurement unit 22, and the measurement object 102 may be in a liquid phase such as water as well as in the gas phase.

図３に、放射光レーザを用いた第１の超音波発生方法を示す。この超音波発生方法は、表面ブレークダウン法と呼ばれる。レーザ本体３０から出力されたレーザ光Ａは、ハーフミラー３２、集光レンズ３６及びプリズム３８等の光学系システムを介して、測定対象物１０２の測定対象領域の表面に集光照射される。これにより、測定対象物１０２の表面がプラズマ化し、それに伴って超音波が発生する。発生した超音波は測定対象物１０２の測定対象領域を伝搬する。そして、超音波の伝搬に応じた測定対象物１０２の変化が内部測定部２２にて測定される。   FIG. 3 shows a first ultrasonic wave generation method using a synchrotron radiation laser. This ultrasonic generation method is called a surface breakdown method. The laser beam A output from the laser main body 30 is condensed and irradiated onto the surface of the measurement target region of the measurement target object 102 through an optical system such as the half mirror 32, the condensing lens 36, and the prism 38. Thereby, the surface of the measuring object 102 is turned into plasma, and ultrasonic waves are generated accordingly. The generated ultrasonic wave propagates through the measurement target region of the measurement target object 102. Then, a change in the measurement object 102 according to the propagation of the ultrasonic wave is measured by the internal measurement unit 22.

表面ブレークダウン法の特徴は、１００ＭＨｚ以上の高周波数帯域の超音波を供給することが可能な点にある。   The feature of the surface breakdown method is that ultrasonic waves in a high frequency band of 100 MHz or higher can be supplied.

図４に、放射光レーザを用いた第２の超音波発生方法を示す。この超音波発生方法は、エアブレークダウン法と呼ばれる。レーザ本体３０から出力されたレーザ光Ａは、ハーフミラー３２、集光レンズ３６及びプリズム３８等の光学系システムを介して、測定対象物１０２の測定対象領域の表面から離れた空間Ｂに集光される。これにより、レーザ光Ａが集光された空間Ｂの大気がブレークダウンし、それに伴って超音波が発生する。発生した超音波は測定対象物１０２の測定対象物１０２との間の空間を伝搬し、測定対象物１０２の測定対象領域へ入力される。測定対象物１０２に入力された超音波は測定対象領域を伝搬する。そして、超音波の伝搬に応じた測定対象物１０２の変化が内部測定部２２にて測定される。   FIG. 4 shows a second ultrasonic wave generation method using a synchrotron radiation laser. This ultrasonic generation method is called an air breakdown method. The laser light A output from the laser main body 30 is condensed in a space B away from the surface of the measurement target region of the measurement target 102 through an optical system such as the half mirror 32, the condensing lens 36, and the prism 38. Is done. Thereby, the atmosphere in the space B where the laser beam A is condensed breaks down, and an ultrasonic wave is generated accordingly. The generated ultrasonic wave propagates through the space between the measurement object 102 and the measurement object 102, and is input to the measurement object region of the measurement object 102. The ultrasonic wave input to the measurement object 102 propagates through the measurement target region. Then, a change in the measurement object 102 according to the propagation of the ultrasonic wave is measured by the internal measurement unit 22.

エアブレークダウン法の特徴は、測定対象物１０２の表面に損傷が生ずることがない点にある。また、超音波の伝搬時間により測定物までの距離が測定可能である。また、発生可能な超音波の周波数は８ＭＨｚ程度である。   The feature of the air breakdown method is that the surface of the measurement object 102 is not damaged. Further, the distance to the measurement object can be measured by the propagation time of the ultrasonic wave. The frequency of the ultrasonic waves that can be generated is about 8 MHz.

図５に、放射光レーザを用いた第３の超音波発生方法を示す。この超音波発生方法は、ターゲットブレークダウン法と呼ばれる。レーザ本体３０から出力されたレーザ光Ａは、ハーフミラー３２、集光レンズ３６及びプリズム３８等の光学系システムを介して、測定対象物１０２の測定対象領域の表面から離れた位置に配置されたターゲットＣに集光される。これにより、レーザ光Ａが集光されたターゲットＣがプラズマ化され、それに伴って超音波が発生する。発生した超音波は測定対象物１０２の測定対象物１０２との間の空間を伝搬し、測定対象物１０２の測定対象領域へ入力される。測定対象物１０２に入力された超音波は測定対象領域を伝搬する。そして、超音波の伝搬に応じた測定対象物１０２の変化が内部測定部２２にて測定される。ターゲットＣとしては、金属、セラミック等が用いられる。   FIG. 5 shows a third ultrasonic wave generation method using a synchrotron radiation laser. This ultrasonic generation method is called a target breakdown method. The laser light A output from the laser main body 30 is disposed at a position away from the surface of the measurement target region of the measurement target 102 via an optical system such as the half mirror 32, the condenser lens 36, and the prism 38. Focused on the target C. As a result, the target C on which the laser beam A is condensed is turned into plasma, and an ultrasonic wave is generated accordingly. The generated ultrasonic wave propagates through the space between the measurement object 102 and the measurement object 102, and is input to the measurement object region of the measurement object 102. The ultrasonic wave input to the measurement object 102 propagates through the measurement target region. Then, a change in the measurement object 102 according to the propagation of the ultrasonic wave is measured by the internal measurement unit 22. As the target C, metal, ceramic, or the like is used.

ターゲットブレークダウン法の特徴は、測定対象物１０２の表面に損傷が生ずることがない点にある。また、超音波の伝搬時間により測定物までの距離が測定可能である。また、発生可能な超音波の周波数は１０ＭＨｚ程度である。   The feature of the target breakdown method is that no damage occurs on the surface of the measurement object 102. Further, the distance to the measurement object can be measured by the propagation time of the ultrasonic wave. The frequency of the ultrasonic waves that can be generated is about 10 MHz.

なお、測定対象物１０２等に照射されたレーザ光Ａを安全に拡散させるディフューザを用いてもよい。   Note that a diffuser that safely diffuses the laser beam A irradiated to the measurement object 102 or the like may be used.

図６Ａに、直流放電を用いる場合についてのシステム構成を示す。直流放電を用いるシステムでは、図６Ａに示すように、電源４０、スイッチ４２及び電極４４を含んで構成される。   FIG. 6A shows a system configuration in the case of using DC discharge. As shown in FIG. 6A, the system using DC discharge includes a power source 40, a switch 42, and an electrode 44.

電源４０は、数１００Ｖから数ｋＶの直流電圧を発生させて出力する。電源４０はコントローラ２６により出力制御される。スイッチ４２は、電源４０から出力される電圧をオン／オフ制御し、電圧の電極４４への供給を制御する。電極４４は、測定対象物１０２の表面から離れた位置に配置される先端が尖った電極先端部４４ａを有する。   The power supply 40 generates and outputs a DC voltage of several hundred volts to several kilovolts. The output of the power source 40 is controlled by the controller 26. The switch 42 controls on / off of the voltage output from the power supply 40 and controls supply of the voltage to the electrode 44. The electrode 44 has an electrode tip portion 44 a having a sharp tip disposed at a position away from the surface of the measurement object 102.

電源４０からスイッチ４２を介して電極４４へ供給された電圧により、電極先端部４４ａと測定対象物１０２との間で放電が発生し、それに伴って超音波が発生する。発生した超音波は測定対象物１０２の測定対象領域を伝搬する。そして、超音波の伝搬に応じた測定対象物１０２の変化が内部測定部２２にて測定される。   Due to the voltage supplied from the power source 40 to the electrode 44 via the switch 42, a discharge is generated between the electrode tip 44a and the measurement object 102, and an ultrasonic wave is generated accordingly. The generated ultrasonic wave propagates through the measurement target region of the measurement target object 102. Then, a change in the measurement object 102 according to the propagation of the ultrasonic wave is measured by the internal measurement unit 22.

直流放電を用いる方法の特徴は、放電発生時の電源電圧により電極先端部４４ａと測定対象物１０２との距離が求められる点ある。   A feature of the method using DC discharge is that the distance between the electrode tip 44a and the measurement object 102 is determined by the power supply voltage when the discharge is generated.

なお、直流放電を用いる場合のシステム構成はこれに限定されるものではなく、直流放電により超音波を発生させることができるものであればよい。例えば、図６Ｂに示すように、測定対象物１０２の表面から離して配置した電極４４ａとターゲットＣとの間で放電を起こし、それによって発生する超音波を測定対象物１０２の表面に供給するような方法であってもよい。   Note that the system configuration in the case of using DC discharge is not limited to this, and any system configuration that can generate ultrasonic waves by DC discharge is acceptable. For example, as shown in FIG. 6B, a discharge is caused between the electrode 44a arranged away from the surface of the measurement object 102 and the target C, and the ultrasonic waves generated thereby are supplied to the surface of the measurement object 102. It may be a simple method.

内部測定部２２は、超音波励起部２０により発生させられ測定対象物１０２へ供給された超音波によって測定対象物１０２に生じた変化を信号として取得する。内部測定部２２は、例えば、光干渉計（レーザ干渉計）や圧電素子等を含んで構成することができる。 内部測定部２２により測定対象物１０２から得られた信号はコントローラ２６へ出力される。   The internal measurement unit 22 acquires, as a signal, a change generated in the measurement target 102 by the ultrasonic wave generated by the ultrasonic excitation unit 20 and supplied to the measurement target 102. The internal measurement unit 22 can be configured to include, for example, an optical interferometer (laser interferometer), a piezoelectric element, or the like. A signal obtained from the measurement object 102 by the internal measurement unit 22 is output to the controller 26.

光干渉計（レーザ干渉計）は、光源から出た光をハーフミラー等で２つ以上の光に分割し、別々の光路を通して再び重ね合わせ、その光路差により発生する干渉縞を信号として捉えて、その光路差に基づいて測定対象物１０２の表面形状や透過波面形状の変化を求めるものである。光干渉計は、光源（レーザ本体）、光の分割手段（ハーフミラー等）、光の重ね合わせ手段（ハーフミラー等）、検出手段（光電変換素子）を含んで構成することができる。なお、光干渉計については、周知技術であるので詳しい説明は省略する。   An optical interferometer (laser interferometer) divides light emitted from a light source into two or more lights by a half mirror, etc., and superimposes them again through separate optical paths, and captures interference fringes generated by the optical path difference as a signal. Based on the optical path difference, a change in the surface shape or transmitted wavefront shape of the measurement object 102 is obtained. The optical interferometer can include a light source (laser body), a light splitting unit (half mirror, etc.), a light superimposing unit (half mirror, etc.), and a detection unit (photoelectric conversion element). Since the optical interferometer is a well-known technique, detailed description thereof is omitted.

圧電素子は、外部から加えられる機械的振動を圧電効果（ピエゾ効果）により電圧に変換することで、測定対象物１０２の機械的な変動振動を電気的に検出するものである。圧電素子としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ:Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）等が挙げられる。また、複数の圧電素子を１次元のアレイ状又は２次元のマトリックス状に配置した圧電プローブを用いてもよい。なお、圧電素子については、周知技術であるので詳しい説明は省略する。 The piezoelectric element electrically detects mechanical fluctuation vibration of the measurement object 102 by converting mechanical vibration applied from the outside into voltage by a piezoelectric effect (piezo effect). Examples of the piezoelectric element include lead zirconate titanate (PZT: Pb (Zr, Ti) O 3 ), lithium niobate (LiNbO 3 ), lithium tantalate (LiTaO 3 ), and the like. A piezoelectric probe in which a plurality of piezoelectric elements are arranged in a one-dimensional array or a two-dimensional matrix may be used. Since the piezoelectric element is a well-known technique, detailed description thereof is omitted.

図７に、超音波励起部２０と内部測定部２２との配置の関係の一例を示す。図７に示す例では、超音波励起部２０として放射用レーザを用い、内部測定部２２としてレーザ干渉計を用いた場合を示している。放射用レーザによる超音波の発生位置とレーザ干渉計による測定位置とは測定対象物１０２を挟んで対向するように配置している。このような配置では、超音波励起部２０により測定対象物１０２に与えられた超音波は測定対象物１０２の表面から裏面へと伝搬し、測定対象物１０２の裏面に現れる変化を内部測定部２２によって測定する。   FIG. 7 shows an example of an arrangement relationship between the ultrasonic excitation unit 20 and the internal measurement unit 22. In the example shown in FIG. 7, a radiation laser is used as the ultrasonic excitation unit 20 and a laser interferometer is used as the internal measurement unit 22. The ultrasonic wave generation position by the radiation laser and the measurement position by the laser interferometer are arranged to face each other with the measurement object 102 interposed therebetween. In such an arrangement, the ultrasonic wave applied to the measurement object 102 by the ultrasonic excitation unit 20 propagates from the front surface to the back surface of the measurement object 102, and changes appearing on the back surface of the measurement object 102 are changed to the internal measurement unit 22. Measure by.

図８に、超音波励起部２０と内部測定部２２との配置の関係の一例を示す。図８に示す例では、超音波励起部２０として放射用レーザを用い、内部測定部２２としてレーザ干渉計を用いた場合を示している。放射用レーザによる超音波の発生位置とレーザ干渉計による測定位置とは測定対象物１０２の表面側に配置している。このような配置では、超音波励起部２０により測定対象物１０２に与えられた超音波は測定対象物１０２の表面から裏面へと伝搬し、さらに裏面で反射して表面へ伝搬し、測定対象物１０２の表面に現れる変化を内部測定部２２によって測定する。   FIG. 8 shows an example of an arrangement relationship between the ultrasonic excitation unit 20 and the internal measurement unit 22. In the example shown in FIG. 8, a case where a radiation laser is used as the ultrasonic excitation unit 20 and a laser interferometer is used as the internal measurement unit 22 is shown. The generation position of the ultrasonic wave by the radiation laser and the measurement position by the laser interferometer are arranged on the surface side of the measurement object 102. In such an arrangement, the ultrasonic wave given to the measurement object 102 by the ultrasonic excitation unit 20 propagates from the front surface to the back surface of the measurement object 102, further reflects on the back surface and propagates to the surface, and the measurement object A change appearing on the surface of 102 is measured by the internal measurement unit 22.

なお、図７及び図８の超音波励起部２０は直流放電方式等の他の方式に置き換えてもよい。また、図７及び図８の内部測定部２２は圧電素子等の他の方式に置き換えてもよい。圧電素子を用いる場合には測定対象物１０２の表面又は裏面に圧電素子を接触させる構成とすればよい。   In addition, you may replace the ultrasonic excitation part 20 of FIG.7 and FIG.8 with other systems, such as a direct current discharge system. 7 and 8 may be replaced with another method such as a piezoelectric element. In the case of using a piezoelectric element, the piezoelectric element may be brought into contact with the front surface or the back surface of the measurement object 102.

スキャニング部２４は、測定対象物１０２における測定部位を変更する手段を含んで構成される。スキャニング部２４は、コントローラ２６によって制御され、測定対象物１０２の１つの測定部位の測定が終了すると、他の測定部位が測定可能となるように超音波励起部２０、内部測定部２２及び測定対象物１０２の少なくとも１つを他に対して相対的に移動させる。例えば、超音波励起部２０及び内部測定部２２を一体的に測定対象物１０２に対して相対的に移動させる機械的な機構を設けることによって測定部位を変更することができる。また、超音波励起部２０及び内部測定部２２の位置を固定し、測定対象物１０２を相対的に移動させる機械的な機構を設けることによって測定部位を変更することができる。さらに、超音波励起部２０と内部測定部２２とを分離して、少なくとも一方を測定対象物１０２に対して相対的に移動させる機械的な構成を設けてもよい。この場合、超音波励起部２０と内部測定部２２との相対的な位置も変更されるので、以下に述べる測定対象物１０２の内部の解析において信号を補正する必要がある。   The scanning unit 24 is configured to include means for changing a measurement site in the measurement object 102. The scanning unit 24 is controlled by the controller 26, and when the measurement of one measurement site of the measurement object 102 is completed, the ultrasonic excitation unit 20, the internal measurement unit 22, and the measurement target are set so that the other measurement site can be measured. At least one of the objects 102 is moved relative to the other. For example, the measurement site can be changed by providing a mechanical mechanism that integrally moves the ultrasonic excitation unit 20 and the internal measurement unit 22 relative to the measurement object 102. In addition, the measurement site can be changed by fixing the positions of the ultrasonic excitation unit 20 and the internal measurement unit 22 and providing a mechanical mechanism that relatively moves the measurement object 102. Furthermore, a mechanical configuration may be provided in which the ultrasonic excitation unit 20 and the internal measurement unit 22 are separated and at least one of them is moved relative to the measurement object 102. In this case, since the relative position between the ultrasonic excitation unit 20 and the internal measurement unit 22 is also changed, it is necessary to correct the signal in the analysis inside the measurement object 102 described below.

コントローラ２６は、測定装置１００に含まれる超音波励起部２０、内部測定部２２及びスキャニング部２４を統合的に制御する。また、内部測定部２２から受信した信号に基づいて測定対象物１０２の構造や組成について解析する。解析方法については後述する。   The controller 26 integrally controls the ultrasonic excitation unit 20, the internal measurement unit 22, and the scanning unit 24 included in the measurement apparatus 100. Further, the structure and composition of the measurement object 102 are analyzed based on the signal received from the internal measurement unit 22. The analysis method will be described later.

なお、図９に示すように、測定装置１００に表面形状測定部２８及び裏面形状測定部２９を設けることが好適である。表面形状測定部２８及び裏面形状測定部２９は、例えば、接触針をプローブとして用いる段差計やレーザ光をプローブとして用いるレーザ干渉計等を適用することができる。また、超音波励起部２０又は内部測定部２２にレーザ光を用いている場合には、表面形状測定部２８及び裏面形状測定部２９としてレーザ光を併用してもよい。なお、段差計やレーザ干渉計等の測定技術は周知であるので詳しい説明は省略する。表面形状測定部２８及び裏面形状測定部２９で測定された信号はコントローラ２６に入力される。   As shown in FIG. 9, it is preferable to provide the surface shape measuring unit 28 and the back surface shape measuring unit 29 in the measuring apparatus 100. As the surface shape measurement unit 28 and the back surface shape measurement unit 29, for example, a step meter using a contact needle as a probe, a laser interferometer using laser light as a probe, or the like can be applied. Further, when laser light is used for the ultrasonic excitation unit 20 or the internal measurement unit 22, laser light may be used in combination as the surface shape measurement unit 28 and the back surface shape measurement unit 29. Note that measurement techniques such as a step meter and a laser interferometer are well known, and a detailed description thereof will be omitted. Signals measured by the front surface shape measuring unit 28 and the back surface shape measuring unit 29 are input to the controller 26.

表面形状測定部２８及び裏面形状測定部２９を設けた場合、スキャニング部２４は、表面形状測定部２８及び裏面形状測定部２９も測定対象物１０２に対して相対的に移動可能とすることが好適である。   When the front surface shape measurement unit 28 and the back surface shape measurement unit 29 are provided, the scanning unit 24 preferably allows the front surface shape measurement unit 28 and the back surface shape measurement unit 29 to move relative to the measurement object 102. It is.

超音波励起部２０及び内部測定部２２の配置と表面形状測定部２８及び裏面形状測定部２９の配置との空間的なずれがある場合は、コントローラ２６は、測定部位と超音波励起部２０及び内部測定部２２によって測定される測定対象物１０２の内部の状態を示す信号と、表面形状測定部２８及び裏面形状測定部２９によって測定される測定対象物１０２の表面及び裏面の形状を示す信号と、の位置を補正して同一の測定部位から得られた信号を互いに対応付けする。   When there is a spatial deviation between the arrangement of the ultrasonic excitation unit 20 and the internal measurement unit 22 and the arrangement of the surface shape measurement unit 28 and the back surface shape measurement unit 29, the controller 26 determines whether the measurement site and the ultrasonic excitation unit 20 and A signal indicating the internal state of the measurement object 102 measured by the internal measurement unit 22, and a signal indicating the shape of the front and back surfaces of the measurement object 102 measured by the surface shape measurement unit 28 and the back surface measurement unit 29 The signals obtained from the same measurement site are correlated with each other.

＜測定対象物の内部解析処理＞
図１０に、本発明の実施の形態における測定装置１００で測定した超音波信号の測定例を示す。図１０は、厚さ１．２ｍｍの２枚の鋼をスポット溶接した部材を測定対象物１０２として、入射エネルギー４ｍＪ及びパルス幅６ｎｓのレーザ光を用いた表面ブレークダウン法において発生させた超音波を与え、測定対象物１０２を挟んで超音波発生部に対向する位置に配置した接触式圧電素子（帯域１０ＭＨｚ）を用いて測定対象物１０２の裏面の変形を測定したものである。 <Internal analysis processing of measurement object>
FIG. 10 shows a measurement example of an ultrasonic signal measured by the measurement apparatus 100 according to the embodiment of the present invention. FIG. 10 shows an ultrasonic wave generated by a surface breakdown method using laser light having an incident energy of 4 mJ and a pulse width of 6 ns, using a member obtained by spot welding two steels having a thickness of 1.2 mm as a measurement object 102. The deformation of the back surface of the measurement object 102 was measured using a contact-type piezoelectric element (band 10 MHz) disposed at a position facing the ultrasonic wave generation unit with the measurement object 102 interposed therebetween.

図１０の横軸は時間を示し、縦軸は圧電素子の出力電圧を示す。実線は測定対象物１０２にスポット溶接により形成されたナゲット部の中央近傍で測定を行った結果を示し、破線はナゲット部の周囲部で測定を行った結果を示す。また、測定対象物１０２の裏面に超音波が最初に到達した時刻を基準（０）としている。   The horizontal axis of FIG. 10 indicates time, and the vertical axis indicates the output voltage of the piezoelectric element. The solid line indicates the result of measurement performed near the center of the nugget portion formed by spot welding on the measurement object 102, and the broken line indicates the result of measurement performed around the nugget portion. The time when the ultrasonic wave first reaches the back surface of the measurement object 102 is set as a reference (0).

ナゲット部が厚い中央近傍では、測定対象物１０２の裏面に超音波が最初に到達した時刻から、裏面反射及び表面反射を経て次に裏面に超音波が到達する時刻までは時間ｔ１（０．８５μ秒）となる。一方、ナゲット部が薄い周辺部では、測定対象物１０２の裏面に超音波が最初に到達した時刻から、裏面反射及び表面反射を経て次に裏面に超音波が到達する時刻までは時間ｔ２（０．７５μ秒）となる。すなわち、ナゲット部はナゲット部以外（母剤や熱影響部）よりも超音波の伝搬速度は遅く、ナゲット部がより厚い中央近傍の時間ｔ１はナゲット部がより薄い周辺部の時間ｔ２よりも長くなる。   In the vicinity of the center where the nugget portion is thick, the time t1 (0.85 μm) from the time when the ultrasonic wave first reaches the back surface of the object 102 to the time when the ultrasonic wave reaches the back surface through the back surface reflection and the surface reflection. Seconds). On the other hand, in the peripheral portion where the nugget portion is thin, the time t2 (0) from the time when the ultrasonic wave first reaches the back surface of the measuring object 102 to the time when the ultrasonic wave reaches the back surface through the back surface reflection and the surface reflection. .75 μs). That is, the propagation speed of the ultrasonic wave is slower in the nugget portion than in the nugget portion (base material or heat affected zone), and the time t1 near the center where the nugget portion is thicker is longer than the time t2 around the periphery where the nugget portion is thinner. Become.

図１１に、測定対象物１０２のナゲット部を通る直線上において測定位置を変えながら、各測定位置において測定対象物１０２の裏面に超音波が最初に到達した時刻から、裏面反射及び表面反射を経て次に裏面に超音波が到達する時刻までの時間ｔｘを測定した結果を破線で示す。なお、図１１では、最も時間ｔｘが長い測定位置（ナゲット部の中央に相当）の時間ｔｘを１として、各位置の時間ｔｘを規格化している。また、表面形状測定部２８及び裏面形状測定部２９によって測定された表面及び裏面の形状に基づいて、測定対象物１０２の各測定位置の厚さの変化を算出した結果を一点鎖線で示す。なお、図１１では、最も時間ｔｘが長い測定位置（ナゲット部の中央に相当）の厚さを１として、各測定位置の厚さの変化率を示している。   In FIG. 11, while changing the measurement position on a straight line passing through the nugget portion of the measurement object 102, the ultrasonic wave first reaches the back surface of the measurement object 102 at each measurement position and undergoes back surface reflection and surface reflection. Next, the result of measuring the time tx until the time when the ultrasonic wave reaches the back surface is indicated by a broken line. In FIG. 11, the time tx at the measurement position (corresponding to the center of the nugget portion) with the longest time tx is set to 1, and the time tx at each position is normalized. Moreover, the result of having calculated the change of the thickness of each measurement position of the measuring object 102 based on the shape of the surface and back surface measured by the surface shape measurement part 28 and the back surface shape measurement part 29 is shown with a dashed-dotted line. In FIG. 11, the thickness change rate at each measurement position is shown with the thickness of the measurement position (corresponding to the center of the nugget portion) having the longest time tx as 1.

コントローラ２６は、各測定位置における時間ｔｘを厚さの変化率で補正する。すなわち、時間ｔｘは各測定位置におけるナゲット部とナゲット部以外（母剤や熱影響部）との厚さの比だけでなく、各測定位置における測定対象物１０２の厚さ自体にも影響を受ける。したがって、各測定位置における時間ｔｘを厚さの変化率で除算することにより時間ｔｘを厚さで規格化している。補正された時間ｔｘを実線で示す。   The controller 26 corrects the time tx at each measurement position with the rate of change in thickness. That is, the time tx is influenced not only by the ratio of the thickness of the nugget portion and the portion other than the nugget portion (base material or heat affected zone) at each measurement position, but also by the thickness itself of the measurement object 102 at each measurement position. . Therefore, the time tx is normalized by the thickness by dividing the time tx at each measurement position by the rate of change of the thickness. The corrected time tx is indicated by a solid line.

このようにして求めた厚さの変化率で補正した時間ｔｘが、時間ｔｘの最大値から所定の割合の範囲をナゲット部と判定する。所定の割合は、母材の材質、溶接の方法等の条件によって異なる。例えば、厚さの変化率で補正した時間ｔｘの変化が時間ｔｘの最大値から１０％以下の範囲をナゲット部と判定する。   The time tx corrected by the thickness change rate thus determined is determined to be a nugget portion within a predetermined ratio from the maximum value of the time tx. The predetermined ratio depends on conditions such as the material of the base material and the welding method. For example, a range in which the change in the time tx corrected by the change rate of the thickness is 10% or less from the maximum value of the time tx is determined as the nugget portion.

また、図１０に示すように、ナゲット部が厚い中央近傍ではナゲット部の薄い周辺部よりも超音波の減衰が大きく、中央部の信号の振幅は周辺部の信号の振幅よりも小さくなる。したがって、信号の振幅に基づいて測定対象物１０２の内部構造を解析することもできる。例えば、測定対象物１０２のナゲット部を通る直線上において測定位置を変えながら、各測定位置において測定対象物１０２の裏面に超音波が最初に到達した信号の振幅を測定し、その信号が小さいほど測定対象物１０２の厚さに対するナゲット部の厚さの比が大きく、その信号が大きいほど測定対象物１０２の厚さに対するナゲット部の厚さの比が小さいとして解析すればよい。   Further, as shown in FIG. 10, near the center where the nugget part is thick, the attenuation of the ultrasonic wave is larger than the peripheral part where the nugget part is thin, and the amplitude of the signal in the central part is smaller than the amplitude of the signal in the peripheral part. Therefore, the internal structure of the measuring object 102 can be analyzed based on the amplitude of the signal. For example, while changing the measurement position on a straight line passing through the nugget portion of the measurement object 102, the amplitude of the signal at which the ultrasonic wave first reaches the back surface of the measurement object 102 at each measurement position is measured. The analysis may be performed assuming that the ratio of the thickness of the nugget portion to the thickness of the measurement object 102 is large, and the ratio of the thickness of the nugget portion to the thickness of the measurement object 102 is small as the signal is large.

この場合も、コントローラ２６は、各測定位置における信号の振幅値を厚さの変化率で補正することが好適である。すなわち、各測定位置における信号の振幅値を厚さの変化率で乗算することにより振幅値を厚さで規格化する。   Also in this case, the controller 26 preferably corrects the amplitude value of the signal at each measurement position with the rate of change in thickness. That is, the amplitude value is normalized by the thickness by multiplying the amplitude value of the signal at each measurement position by the rate of change in thickness.

なお、信号の振幅を利用する場合には、超音波励起部２０から出力されるレーザ光のパワー値をパワーメータ３４で測定し、コントローラ２６はそのパワー値により信号の振幅を補正することが好適である。   When using the amplitude of the signal, it is preferable that the power value of the laser beam output from the ultrasonic excitation unit 20 is measured by the power meter 34, and the controller 26 corrects the amplitude of the signal by the power value. It is.

また、厚さの変化率に応じて時間ｔｘや振幅値の補正を行わなくとも数％の測定精度の低下がみられるだけであるので、高い解析精度を必要としない場合には補正処理は必ずしも行う必要はない。特に、測定対象物１０２の厚さの変化が小さい場合には必要性は低い。   Further, since only a few percent of the measurement accuracy is reduced without correcting the time tx and the amplitude value according to the rate of change in thickness, the correction process is not necessarily performed when high analysis accuracy is not required. There is no need to do it. In particular, when the change in the thickness of the measurement object 102 is small, the necessity is low.

以上のように、本実施の形態によれば、溶接部のナゲット部等の測定対象物の内部の構造や組成を定量的に解析することができる。特に、レーザ光や直流放電を用いて超音波を発生させるので、測定の空間的分解能が高い。   As described above, according to the present embodiment, it is possible to quantitatively analyze the internal structure and composition of the measurement object such as the nugget portion of the welded portion. In particular, since ultrasonic waves are generated using laser light or direct current discharge, the spatial resolution of measurement is high.

また、周波数帯域１０ＭＨｚ以下の超音波を用いるので、超音波励起部や内部測定部を小型化及び簡素化することができ、装置の製造コストや測定に掛かる費用を低減することができる。   Further, since ultrasonic waves having a frequency band of 10 MHz or less are used, the ultrasonic excitation unit and the internal measurement unit can be reduced in size and simplified, and the manufacturing cost of the apparatus and the cost required for measurement can be reduced.

また、金属組織界面からの反射を利用する測定方法よりも得られる信号のＳ／Ｎ比が大きく、測定を繰り返して信号を累積的に蓄積する必要がなく、測定時間を短縮することができる。   Further, the S / N ratio of the signal obtained is larger than that of the measurement method using reflection from the metal structure interface, and it is not necessary to accumulate the signal repeatedly by repeating the measurement, and the measurement time can be shortened.

１０ ナゲット部、１２ 熱影響部、２０ 超音波励起部、２２ 内部測定部、２４ スキャニング部、２６ コントローラ、２８ 表面形状測定部、２９ 裏面形状測定部、３０ レーザ本体、３２ ハーフミラー、３４ パワーメータ、３６ 集光レンズ、３８ プリズム、４０ 電源、４２ スイッチ、４４ 電極、４４ａ 電極先端部、１００ 測定装置、１０２ 測定対象物。   10 Nugget part, 12 Heat affected part, 20 Ultrasonic excitation part, 22 Internal measurement part, 24 Scanning part, 26 Controller, 28 Surface shape measurement part, 29 Back face shape measurement part, 30 Laser body, 32 Half mirror, 34 Power meter , 36 condenser lens, 38 prism, 40 power supply, 42 switch, 44 electrode, 44a electrode tip, 100 measuring device, 102 measuring object.

Claims (11)

測定物の表面又は表面近傍に光エネルギー又は電気エネルギーを供給して超音波を発生させる超音波励起部と、
前記測定物の内部を伝搬した超音波によって生じた信号を測定する内部測定部と、
を備えることを特徴とする構造物内部の測定装置。 An ultrasonic excitation unit that generates ultrasonic waves by supplying light energy or electrical energy to the surface of the measurement object or in the vicinity of the surface; and
An internal measurement unit for measuring a signal generated by the ultrasonic wave propagated inside the measurement object;
A measuring device inside a structure, comprising: 請求項１に記載の測定装置であって、
前記超音波励起部は、前記測定物の表面にレーザ光を照射する放射用レーザ発生部を備え、
前記レーザ光を前記測定物の表面に照射することによって超音波を発生させることを特徴とする測定装置。 The measuring device according to claim 1,
The ultrasonic excitation unit includes a radiation laser generating unit that irradiates the surface of the measurement object with laser light,
An apparatus for generating ultrasonic waves by irradiating the surface of the object with the laser light. 請求項１に記載の測定装置であって、
前記超音波励起部は、前記測定物の表面近傍にレーザ光を集光させる放射用レーザ発生部を備え、
前記レーザ光により前記測定物の表面近傍の気体を電離させることによって超音波を発生させることを特徴とする測定装置。 The measuring device according to claim 1,
The ultrasonic excitation unit includes a radiation laser generating unit that condenses laser light near the surface of the measurement object,
A measuring apparatus that generates ultrasonic waves by ionizing a gas near the surface of the measurement object with the laser light. 請求項１に記載の測定装置であって、
前記超音波励起部は、前記測定物の表面近傍にレーザ光を集光させる放射用レーザ発生部と、前記レーザ光が照射されるターゲット部材と、を備え、
前記レーザ光を前記ターゲット部材に照射することによって超音波を発生させることを特徴とする測定装置。 The measuring device according to claim 1,
The ultrasonic excitation unit includes a radiation laser generating unit that condenses laser light near the surface of the measurement object, and a target member that is irradiated with the laser light,
A measuring apparatus that generates ultrasonic waves by irradiating the target member with the laser light. 請求項１に記載の測定装置であって、
前記超音波励起部は、前記測定物の表面との間で放電を発生させる放電電極と、前記放電電極に電圧を印加する放電電圧印加部と、を含む放電発生部を備え、
前記測定物の表面と前記放電電極との間に放電を起こさせることによって超音波を発生させることを特徴とする測定装置。 The measuring device according to claim 1,
The ultrasonic excitation unit includes a discharge generation unit including a discharge electrode that generates a discharge with the surface of the measurement object, and a discharge voltage application unit that applies a voltage to the discharge electrode.
A measuring apparatus for generating an ultrasonic wave by causing a discharge between a surface of the measurement object and the discharge electrode. 請求項１〜５のいずれか１つに記載の測定装置であって、
前記測定物の表面形状を測定する表面形状測定部と、
前記内部測定部で測定された信号と、前記表面形状測定部で測定された表面形状と、に基づいて前記測定物の内部の構造又は組織を求める演算部と、
を備えることを特徴とする測定装置。 It is a measuring device according to any one of claims 1 to 5,
A surface shape measuring unit for measuring the surface shape of the measurement object;
A calculation unit for obtaining an internal structure or tissue of the measurement object based on the signal measured by the internal measurement unit and the surface shape measured by the surface shape measurement unit;
A measuring apparatus comprising: 請求項１〜６のいずれか１つに記載の測定装置であって、
超音波を励起する位置、超音波によって発生する信号の検出位置及び測定物の少なくとも１つを空間的に移動させることによって前記測定物の測定対象位置を変更するスキャニング手段を備えることを特徴とする測定装置。 A measuring device according to any one of claims 1-6,
Scanning means for changing the measurement target position of the measurement object by spatially moving at least one of a position for exciting the ultrasonic wave, a detection position of a signal generated by the ultrasonic wave, and the measurement object is provided. measuring device. 請求項１〜４のいずれか１つに記載の測定装置であって、
前記放射用レーザ発生部及び前記内部測定部のいずれか一方のみを空間的に移動させることによって前記測定物の測定対象位置を変更するスキャニング手段を備えることを特徴とする測定装置。 The measurement apparatus according to any one of claims 1 to 4,
A measuring apparatus comprising: scanning means for changing a measurement target position of the object to be measured by spatially moving only one of the radiation laser generation unit and the internal measurement unit. 請求項１〜８のいずれか１つに記載の測定装置であって、
前記内部測定部は、前記測定物にレーザ光を照射する検出用レーザ発生部と、前記検出用レーザ発生部から前記測定物に照射され、前記測定物から反射したレーザ光を検出する検出部と、を含むレーザ干渉計を備えることを特徴とする測定装置。 A measuring apparatus according to any one of claims 1 to 8,
The internal measurement unit includes a detection laser generation unit that irradiates the measurement object with laser light, and a detection unit that detects the laser beam irradiated from the detection laser generation unit and reflected from the measurement object. A measurement apparatus comprising: a laser interferometer including: 請求項９に記載の測定装置であって、
前記放射用レーザ発生部と、前記検出部と、が前記測定物を挟んで対向する位置に配置されていることを特徴とする測定装置。 The measuring device according to claim 9,
The measurement apparatus, wherein the radiation laser generation unit and the detection unit are arranged at positions facing each other with the measurement object interposed therebetween. 測定物の表面又は表面近傍に光エネルギー又は電気エネルギーを供給して超音波を発生させる超音波発生ステップと、
前記超音波発生ステップによって発生した超音波を前記測定物に供給し、前記測定物を伝搬した超音波によって生じた信号を測定する内部測定ステップと、
を備えることを特徴とする構造物内部の測定方法。 An ultrasonic generation step of generating ultrasonic waves by supplying light energy or electric energy to the surface of the measurement object or in the vicinity of the surface;
An internal measurement step of supplying the ultrasonic wave generated by the ultrasonic wave generation step to the measurement object and measuring a signal generated by the ultrasonic wave propagated through the measurement object;
A method for measuring the inside of a structure, comprising:
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2017122669A (en) * 2016-01-08 2017-07-13 株式会社Ｉｈｉエアロスペース Ultrasonic inspection device and ultrasonic inspection method
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