特許 7546252 接触型異常検査装置、コンピュータプログラムおよび接触型異常検査方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-08-29

(45)【発行日】2024-09-06

(54)【発明の名称】接触型異常検査装置、コンピュータプログラムおよび接触型異常検査方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 29/48 20060101AFI20240830BHJP

   G01N 29/11 20060101ALI20240830BHJP

   G01H 17/00 20060101ALI20240830BHJP

   G01M 99/00 20110101ALI20240830BHJP

【ＦＩ】

G01N29/48

G01N29/11

G01H17/00 Z

G01M99/00 Z

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2021019168

(22)【出願日】2021-02-09

(65)【公開番号】P2022122088

(43)【公開日】2022-08-22

【審査請求日】2024-01-05

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 第３０条第２項適用、令和２年２月１９日に開催された滋賀県立大学工学部機械システム工学科卒業論文審査会で発表。第３０条第２項適用、令和２年９月１日に開催された一般社団法人 日本機械学会のウェブカンファレンスであるＤｙｎａｍｉｃｓ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ２０２０で発表。第３０条第２項適用、令和２年１２月８日に開催された一般社団法人 日本機械学会のウェブカンファレンスであるＴｈｅ １５ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｍｏｔｉｏｎ ａｎｄ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌで発表。

(73)【特許権者】

【識別番号】506158197

【氏名又は名称】公立大学法人 滋賀県立大学

(74)【代理人】

【識別番号】100185454

【弁理士】

【氏名又は名称】三雲 悟志

(74)【代理人】

【識別番号】100129702

【弁理士】

【氏名又は名称】上村 喜永

(74)【代理人】

【識別番号】100094248

【弁理士】

【氏名又は名称】楠本 高義

(74)【代理人】

【識別番号】100121441

【弁理士】

【氏名又は名称】西村 竜平

(74)【代理人】

【識別番号】100154704

【弁理士】

【氏名又は名称】齊藤 真大

(72)【発明者】

【氏名】田中 昂

(72)【発明者】

【氏名】淺野 純之介

(72)【発明者】

【氏名】大浦 靖典

【審査官】井上 徹

(56)【参考文献】

【文献】特開平０４－３３５１７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－２７０８００（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－１５７０３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】周 海,外２名，振動インテンシティ手法を用いた板の亀裂検出，第１２回評価・診断に関するシンポジウム講演論文集，一般社団法人 日本機械学会，2013年12月01日，第１２巻，PP.77-80

【文献】大塚 竜央,外２名，振動インテンシティを用いた亀裂検出，中国四国支部総会・講演会 講演論文集，一般社団法人 日本機械学会，2013年02月25日，第５１巻，PP.1－2

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２９／００－Ｇ０１Ｎ ２９／５２

Ｇ０１Ｈ １／００ －Ｇ０１Ｈ １７／００

Ｇ０１Ｍ １３／００－Ｇ０１Ｍ １３／０４５

Ｇ０１Ｍ ９９／００

Ｇ０１Ｂ １７／００－Ｇ０１Ｂ １７／０８

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１周波数および第２周波数の超音波で被検査物を加振する超音波装置と、
前記第１周波数と第２周波数の差の周波数の振動によって生じる被検査物の変位を測定する変位センサと、
前記変位センサで測定された変位から被検査物のせん断力と曲げモーメントをフーリエ変換した複素振幅の実部を用いて振動インテンシティに変換し、振動インテンシティの正負が入れ替わる位置を被検査物の異常のある部分と判定するデータ処理装置と、
を含む接触型異常検査装置。

【請求項2】

前記振動インテンシティの正負が入れ替わる位置は、正側では振動インテンシティが正となり、負側では振動インテンシティが負となる位置である請求項１の接触型異常検査装置。

【請求項3】

第１周波数および第２周波数の超音波で被検査物を加振する超音波装置と、
前記第１周波数と第２周波数の差の周波数の振動によって生じる前記被検査物の変位を測定する変位センサと、
前記変位センサで測定された変位を振動インテンシティに変換し、前記被検査物の振動インテンシティの分布から、前記差の周波数のエネルギの湧出点を特定し、前記湧出点を異常のある部分と判定するデータ処理装置と、
を含む接触型異常検査装置。

【請求項4】

前記第１周波数と第２周波数の差による振動数が被検査物の固有振動数によって決められる請求項１から３のいずれかの接触型異常検査装置。

【請求項5】

前記第１周波数と第２周波数の差に応じて変位センサの数が変更される請求項１から４のいずれかの接触型異常検査装置。

【請求項6】

前記超音波装置は第１周波数、第２周波数またはその両方を変更できる請求項１から５のいずれかの接触型異常検査装置。

【請求項7】

コンピュータに、
超音波装置により、第１周波数および第２周波数の超音波で被検査物を加振させる手段と、
変位センサにより、前記第１周波数と第２周波数の差の周波数の振動によって生じる前記被検査物の変位を測定させる手段と、
測定した前記変位を振動インテンシティに変換し、前記被検査物の振動インテンシティの分布から、前記差の周波数のエネルギの湧出点を特定し、前記湧出点を異常のある部分と判定させる手段と、
して機能させるコンピュータプログラム。

【請求項8】

第１周波数および第２周波数の超音波で被検査物を加振する工程と、
前記第１周波数と第２周波数の差の周波数の振動によって生じる前記被検査物の変位を測定する工程と、
測定した前記変位を振動インテンシティに変換し、前記被検査物の振動インテンシティの分布から、前記差の周波数のエネルギの湧出点を特定し、前記湧出点を異常のある部分と判定する工程と、
を含む接触型異常検査方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、接触型異常検査装置、コンピュータプログラムおよび接触型異常検査方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

下記特許文献１をはじめとして、超音波を用いた検査装置が開発および開示されている。被検査物を超音波で振動させると、正常箇所は超音波が通過する。被検査物に亀裂、媒質間の剥離、接合不良またはボルト締結部のゆるみなどの異常箇所があると、その異常箇所で隙間が生じる。超音波はその隙間で反射したり散乱したりする。反射波または散乱波を検知することで、被検査物の異常を検出できる。

【0003】

しかし、被検査物に亀裂などの異常が生じていても、隙間が生じていない接触型の異常の場合がある。超音波は正常箇所と同様に接触型の異常を通過し、反射波または散乱波を生じず、接触型の異常を検出できない場合がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１７－１３３９０６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明の目的は、接触型の異常を検出する接触型異常検査装置、コンピュータプログラムおよび接触型異常検査方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の接触型異常検査装置は、第１周波数および第２周波数の超音波で被検査物を加振する超音波装置と、前記第１周波数と第２周波数の差の周波数の振動によって生じる被検査物の変位を測定する変位センサと、前記変位センサで測定された変位を振動インテンシティに変換し、振動インテンシティの正負が入れ替わる位置を被検査物の異常のある部分と判定するデータ処理装置とを含む。

【0007】

本発明のコンピュータプログラムは、コンピュータに、超音波装置により、第１周波数および第２周波数の超音波で被検査物を加振させる手段と、変位センサにより、前記第１周波数と第２周波数の差の周波数の振動によって生じる前記被検査物の変位を測定させる手段と、測定した前記変位を振動インテンシティに変換し、前記被検査物の振動インテンシティの分布から、前記差の周波数のエネルギの湧出点を特定し、前記湧出点を異常のある部分と判定させる手段として機能させる

【0008】

本発明の接触型異常検査方法は、第１周波数および第２周波数の超音波で被検査物を加振する工程と、前記第１周波数と第２周波数の差の周波数の振動によって生じる前記被検査物の変位を測定する工程と、測定した前記変位を振動インテンシティに変換し、前記被検査物の振動インテンシティの分布から、前記差の周波数のエネルギの湧出点を特定し、前記湧出点を異常のある部分と判定する工程とを含む。

【発明の効果】

【0009】

本発明によると、本発明は第１周波数と第２周波数の差の周波数による被検査物の変位を測定することで、従来測定できなかった接触型の異常を検出することができる。第１周波数と第２周波数の差を利用することで、測定する変位が低周波になり、変位計の価格が低価格の物を利用でき、数を減らすことができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の接触型異常検査装置の構成を示す図である。

【図2】被検査物を振動させた場合の振動を示す図であり、（ａ）は被検査物に異常がない場合であり、（ｂ）は被検査物に異常がある場合の図である。

【図3】被検査物の位置と変位の関係を示すグラフである。

【図4】被検査物の位置と振動インテンシティの関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

本発明の接触型異常検査装置、コンピュータプログラムおよび接触型異常検査方法について図面を使用して説明する。

【0012】

図１に示す接触型異常検査装置１０は被検査物１２の異常１４を検出する装置である。被検査物１２は金属または樹脂など特に限定されず、複数の材料で構成されていてもよい。被検査物１２の形状は板状、帯状、線状など特に限定されず、複数の形状が組み合わさっていてもよい。接触型異常検査装置１０で検出される異常１４は、亀裂、媒質間の剥離、接合不良またはボルト締結部のゆるみなどである。検出される異常１４は、背景技術で説明した密着している接触型の異常である。

【0013】

接触型異常検査装置１０は、被検査物１２を超音波振動させる超音波装置１６、被検査物１２の変位を測定する変位センサ１８、その変位センサ１８で得られた変位を記録するデータ記録装置２０および記録されたデータを処理するデータ処理装置２２を含む。

【0014】

超音波装置１６は発振器２４および圧電素子２６、２８を含む。発振器２４は第１周波数ｆ_１の第１超音波の信号と第２周波数ｆ_２の第２超音波の信号を生成し、出力する。第１周波数ｆ_１と第２周波数ｆ_２は異なる。発振器２４から出力された信号を増幅する増幅器が備えられてもよい。図１では１台の超音波装置１６であるが、第１超音波の信号を出力する超音波装置１６と第２超音波の信号を出力する超音波装置１６の２台に分割してもよい。

【0015】

圧電素子２６、２８は被検査物１２に取り付けられ、発振器２４の信号によって超音波振動する素子である。たとえば圧電素子２６、２８は圧電セラミックスと電極を備え、電極に信号を印加することで圧電セラミックスが振動する。第１圧電素子２６と第２圧電素子２８は被検査物１２に対して任意の位置に配置される。

【0016】

圧電素子は第１圧電素子２６と第２圧電素子２８を含む。第１圧電素子２６は第１超音波の信号が入力され、第１周波数ｆ_１で振動する。第２圧電素子２８は第２超音波の信号が入力され、第２周波数ｆ_２で振動する。第１圧電素子２６と第２圧電素子２８に信号が入力されている間、第１圧電素子２６と第２圧電素子２８は連続して振動する。被検査物１２は異なる２つの周波数ｆ_１、ｆ_２の超音波で同時に振動される。

【0017】

変位センサ１８は被検査物１２の表面の変位を測定するセンサである。変位センサ１８は渦電流式のセンサを使用することができる。変位センサ１８は被検査物１２に対して非接触である。変位センサ１８は複数個備えられる。たとえば、変位センサ１８は等間隔に配置される。変位センサ１８が取り付けられる固定具３０を備えてもよい。変位センサ１８同士の相対的な位置が固定される。

【0018】

第１圧電素子２６と第２圧電素子２８によって第１超音波と第２超音波で被検査物１２が振動される。被検査物１２に異常１４がなければ、被検査物１２は第１超音波と第２超音波で振動する（図２（ａ））。一方、被検査物１２に異常１４があれば、第１超音波と第２超音波によって異常１４の接触状態が変化し、局所的な非線形が生じる。異常１４のある箇所で第１周波数ｆ_１と第２周波数ｆ_２の差の周波数ｆ_３の振動が発生する（図２（ｂ））。変位センサ１８は第３周波数ｆ_３の振動による被検査物１２の変位を測定する。第３周波数ｆ_３は第１周波数ｆ_１と第２周波数ｆ_２よりも低周波であり、変位センサ１８は第１超音波および第２超音波の周波数における被検査物１２の変位を測定できなくてもよい。変位センサ１８が検出する振動の周波数が低くなり、安価なセンサを使用できる。なお、変位センサ１８の出力を増幅する増幅器を備えてもよい。

【0019】

変位センサ１８の信号を記録するデータ記録装置２０を備える。データ記録装置２０はアナログ信号をディジタル信号に変換する回路および記録装置を備える。変位センサ１８の出力はデータ記録装置２０でアナログからディジタルに変換されて記録される。

【0020】

データ処理装置２２はデータ記録装置２０に記録された変位センサ１８で得られた信号を処理する装置である。データ処理装置２２は変位センサ１８の出力から変位を求め、その変位を振動インテンシティ（Structural Intensity）に変換する手段、振動インテンシティの分布から第３周波数ｆ_３のエネルギの湧出点を特定し、その湧出点を異常１４のある箇所と判定する手段とを含む。データ処理装置２２はコンピュータであってもよく、コンピュータプログラムがコンピュータを上記のような手段として機能させてもよい。ここで振動インテンシティとは、単位時間に単位領域を通過する振動のエネルギを表すベクトル量である。本実施の形態においては単位領域として単位幅を用いているが場合によっては単位面積であっても構わない。

【0021】

変位センサ１８は複数個備えられており、各変位センサ１８の位置に対して変位が得られる。得られた変位を直線で結ぶことで図３に示すような波状の変位が得られる。なお、変位センサ１８で得られた変位に基づく近似曲線を求めてもよい。変位センサ１８の数は変位の1周期に複数個になるようにする。

【0022】

変位を振動インテンシティに変換することで、変位センサ１８のある位置における振動インテンシティが求められる（図４）。たとえば、振動インテンシティは被検査物１２のせん断力と曲げモーメントをフーリエ変換した複素振幅の実部を用いて求めることができるが、変位を振動インテンシティに変換できれば他の方法であってもよい。被検査物１２に異常１４があれば、その異常１４のある箇所が第１周波数ｆ_１と第２周波数ｆ_２の差の周波数ｆ_３の加振源になる。図４に示すように、異常１４のある箇所を境に振動インテンシティの正負が逆になるため、データ処理装置２２はその正負が反転する箇所を異常１４と判定する。より正確には位置（Position）の正側では振動インテンシティが正となり、負側では振動インテンシティが負となる箇所を異常１４と判定する。言い換えると振動インテンシティをエネルギの流れとしてとらえた場合、エネルギの湧出点とみなせる箇所を異常１４と判定する。

【0023】

次に、接触型異常検出装置１０を用いた異常１４の検出方法について説明する。被検査物１２に圧電素子２６、２８を取り付ける。発振器２４から圧電素子２６、２８に信号を送信し、その間、圧電素子２６、２８が超音波振動する。第１圧電素子２６は第１周波数ｆ_１で振動し、第２圧電素子２８は第２周波数ｆ_２で振動する。被検査物１２が第１周波数ｆ_１と第２周波数ｆ_２で振動する。

【0024】

変位センサ１８で被検査物１２が第３周波数ｆ_３で振動したときの変位を測定する。異常１４がなければ被検査物１２が第３周波数で振動せず、変位は測定されない。異常１４があれば被検査物１２の異常１４が加振源となり、被検査物１２が第３周波数ｆ_３で振動し、変位センサ１８で変位が測定される。変位センサ１８の出力はデータ記録装置２０に記録される。

【0025】

データ記録装置２０に記録された変位がデータ処理装置２２で振動インテンシティに変換される。データ処理装置２２は振動インテンシティの正負逆転する部分を異常１４のある箇所とする。

【0026】

以上のように、本発明は第１周波数ｆ_１と第２周波数ｆ_２の差の周波数ｆ_３による被検査物１２の変位を測定することで、従来検出できなかった接触型の異常１４を検出することができる。第１周波数ｆ_１と第２周波数ｆ_２の差を利用することで、測定する変位の周波数が低くなるため、変位センサ１８の価格が低価格になり、変位センサ１８の数を減らすことができる。

【0027】

以上、本発明について一実施形態を説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されない。第１周波数ｆ_１と第２周波数ｆ_２の差による周波数（振動数）は被検査物１２の固有振動数と同じであってもよい。被検査物１２は固有振動数で振動しやすく、異常１４を検出しやすくなる。

【0028】

第１周波数ｆ_１と第２周波数ｆ_２の差の周波数ｆ_３に応じて変位センサ１８の数を変更してもよい。第１周波数ｆ_１と第２周波数ｆ_２の差の周波数ｆ_３が低周波になれば変位センサ１８の数を少なくし、高周波になれば変位センサ１８の数を多くする。第１周波数ｆ_１と第２周波数ｆ_２の差の周波数ｆ_３が低周波数であれば長波長になるため、単位長さ当たりの変位センサの数を少なくできる。

【0029】

第１周波数ｆ_１、第２周波数ｆ_２またはその両方を変更できるようにしてもよい。被検査物１２に応じて第１周波数ｆ_１と第２周波数ｆ_２の少なくとも１つを変更することができ、接触型異常検査装置１０の汎用性が高くなる。第１周波数ｆ_１と第２周波数ｆ_２はリニアまたは段階的に変化する。1回の検査において、被検査物１２を複数の周波数の超音波で加振し、第３周波数ｆ_３をリニアまたは段階的に変更することで、異常１４の検出漏れを少なくできる。

【0030】

上記実施の形態では超音波の入力に圧電素子を用いているが、磁歪材料を用いて入力してもよい。また直接に被検査物と接することのない非接触加振でもよい。

【0031】

被検査物１２の製造装置の途中または最終段階に本発明の接触型異常検出装置１０を配置し、製造途中または製造された被検査物１２を検査してもよい。変位センサ１８を移動させるロボットアームを備えてもよい。ロボットアームが変位センサ１８を移動させ、被検査物１２の任意の位置の変位を検出してもよい。変位センサ１８の数を１つにし、ロボットアームで変位センサ１８を移動させて種々の位置の変位を検出してもよい。変位センサ１８を移動させる以外に被検査物１２を移動させたり、被検査物１２と変位センサ１８の両方を移動させたりしてもよい。

【0032】

本発明のコンピュータプログラムは、上記のようなデータ処理装置２２のみに限定されない。上記のような手段として超音波装置１６、データ記録装置２０およびデータ処理装置２２を機能させるコンピュータプログラムであってもよい。すなわち、上述したデータ処理装置２２が超音波装置１６とデータ記録装置２０にも指令を送り、上記のような手段として駆動させてもよい。

【0033】

データ記録装置２０とデータ処理装置２２は一体の装置になっていてもよい。データ処理装置２２で得られた振動インテンシティが通信装置およびネットワークを介してサーバに記憶されるようにしてもよい。

【0034】

その他、本発明は、その主旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々の改良、修正、変更を加えた態様で実施できるものである。

【符号の説明】

【0035】

１０：接触型異常検出装置
１２：被検査物
１４：異常
１６：超音波装置
１８：変位センサ
２０：データ記録装置
２２：データ処理装置
２４：発振器
２６、２８：圧電素子
３０：固定具

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】