JP2004340809A - Phased array probe and ultrasonic test equipment using it - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波を発信するフェーズドアレイプローブ及びそれを用いて部材内部の欠陥を検出する超音波探傷装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、物体内部又はアクセスできない物体内面の傷やき裂等の欠陥を調査するのに超音波探傷法(Ultrasonic Testing:UT)がよく用いられている。超音波探傷法は、超音波探傷装置にて物体の表面から超音波を被検体の内部又は被検体内面に向けて超音波を照射し、反射してきた超音波を解析することで大きさ、種類、位置等の欠陥の状態を判断する方法である。
【0003】
前記超音波探傷装置は、プローブ(探触子)内の振動子にパルス電圧を印加して超音波を発生させ、この超音波を前述のとおり被検体内部又は内面に一定の角度で入射させ、この反射波をプローブで受信し、受信した信号を解析するものである。ここで振動子は、電圧を印加することで振動する圧電素子である。
【0004】
前記超音波探傷装置は前記探触子内で振動子を複数並べたフェーズドアレイプローブとして用いられることが多い。前記フェーズドアレイプローブには、長方形状の振動子を横に並べて配置したリニアアレイプローブ、円形又は中心部に孔を有するリング型の振動子を同心円上に配置するアニュラアレイプローブ、振動子を縦横に格子状に配置するマトリクスアレイプローブ等の種類がある。
【0005】
図11にリニアアレイプローブの概略配置図を示す。
図11に示すように、リニアアレイプローブ7は電圧をかけると振動し超音波を発生する振動子71を一列に多数配列し、プローブを形成しているものである。
【0006】
リニアアレイプローブ71は、超音波の送信時にこれら振動子を選択的に励振するか、各振動子の励振タイミングの制御により、超音波の波面を合成することができる。すなわち、左から順に所定の遅延時間で振動子を励振してやれば、各振動子から放射された超音波の波面は互いに干渉しあって、遅延時間に応じた斜めの方向に進む超音波ビームが合成される。また両サイドの振動子から励振させれば、波面は凹状となり任意の位置で集束する超音波ビームが合成される。
【0007】
この超音波ビームの送信方向および集束位置72は、遅延時間の設定を変更することで任意にコントロールでき、リニアアレイプローブ7はさまざまな角度を有する斜角プローブとして、さらに種々の焦点距離を有するリニアアレイプローブとして動作する。また、超音波ビームの送信方向及び集束位置を時間と共に変化させることで超音波ビームをスキャニングさせることが可能である。
【0008】
また、振動子71から発信される超音波は振動子71の超音波発信面から伸びる線(主ビーム方向)が最も強い超音波を送信できる位置であり、前記主ビーム方向が超音波集束位置72に向くように、複数の振動子を円弧状に配置してもよい。振動子71を円弧状に配置することで各振動子71の主ビーム方向が超音波集束位置72の方を向いているので、超音波集束位置72により強い超音波を照射することができる。
【0009】
図12にアニュラアレイプローブの概略配置図を示す。
図12に示すアニュラアレイプローブ8は軸8sを中心軸として円形の振動子81を有し、その周りを同心円状に取り囲む複数のリング型の振動子82が配置されているものである。
【0010】
アニュラアレイプローブ8は、振動子81、82のうち外周側から内側に向けて超音波を発信するタイミングをずらすことで、軸8s上の任意の集束位置(たとえば点83)に超音波ビームを集束させることが可能である。
【0011】
また、リニアアレイプローブ7は振動子71の配列方向のみに超音波ビームを集束できる、換言すれば、振動子71の長手方向には超音波ビームを集束することができない、いわゆる、ラインフォーカスであるのに対し、アニュラアレイプローブ8は円周から集束するので超音波ビームを1点に集束する、いわゆる、ポイントフォーカスである。ポイントフォーカスはラインフォーカスに比べて超音波集束位置に対しより強い超音波ビームを送信することが可能である。
【0012】
図13に示すリニアアレイプローブ7’のように、リニアアレイプローブ7’の超音波送信部の前に音響レンズ73を装着して、振動子71の長手方向に超音波を集束させ、振動子71の動作タイミングと音響レンズ73とを用いることでリニアアレイプローブをポイントフォーカスにするものが提案されている。
【0013】
図14にマトリクスアレイプローブの概略配置図を示す。
図14に示すマトリクスアレイプローブ9は、複数の振動子9を格子状に配置した形状を有している。振動子9を格子状に配置することで、超音波を縦方向9x及び横方向9y両方向に集束することが可能である。つまり、超音波集束位置92はポイントフォーカスとなる。また、縦方向9x横方向9yいずれにもスキャニング可能であると共に、それらを合成した方向にもスキャニング可能である。
【0014】
図15に従来のTOFD(Time of Flight Diffraction)法を示す概略配置図を示す。
図15に示す超音波探傷装置UT5は、送信側プローブPB1と超音波を受信する受信側プローブPB2を有しており、送信側プローブPB1と受信側プローブPB2は互いに被検体TB内部の欠陥Keを挟んだ両側に取り付けられている。送信側プローブPB1は所定の位置から被検体TBの内部に向けて超音波を送信する。また、受信側プローブPB2は送信側プローブPB1から送信され被検体TBの内部を伝播してきた超音波を受信する。送信側プローブPB1及び受信側プローブPB2はリニアアレイプローブ7である。
【0015】
図16に、このときの受信波を縦軸に振幅、横軸に時間としたグラフを示す。図16に示すように受信側プローブPB2にて受信される超音波は被検体TBの表面を伝播した表面波W1、被検体TBの底面で反射してきた反射波W2、被検体内部の欠陥の上端部で回折する回折波W3、下端部で回折する回折波W4の大きく分けて4種類の異なる振幅を有する超音波が受信される。また、送信側プローブPB1をスキャニングさせることでより高い探傷効果が得られる。
【0016】
【特許文献1】
特開平11−160294号公報
【0017】
【特許文献2】
特開2001‐228126号公報
【0018】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、リニアアレイプローブ7の場合、上述のように振動子71の配列方向には超音波を集束させたり、スキャニングさせたりすることも可能であるが、それ以外の方向には集束したり、スキャニングさせたりすることはできない。また、ラインフォーカスであり、超音波集束位置に集束しても探傷の精度を上げることが困難である。
【0019】
アニュラアレイプローブ8は中心軸8sの上であれば任意の場所にポイントフォーカスにて超音波ビームを集束させることが可能であるが、中心軸8sから外れた位置に前記超音波ビームを集束させることはできないし、アニュラアレイプローブ8自体を動かさない限り軸8s方向以外に超音波集束位置を移動させることはできない。
【0020】
マトリクスアレイプローブ9の場合、リニアアレイプローブ7、アニュラアレイプローブ8の弱点を補っており、超音波ビームの集束位置の選択範囲やスキャニングの方向が配列方向であったり、中心軸に限定されることなく、ポイントフォーカスで超音波の届く範囲に広く設定することができる。しかしながら、マトリクスアレイプローブの場合、縦方向及び横方向に振動子を配置しているので振動子の個数がリニアアレイプローブやアニュラアレイプローブに比べて非常に多くなり、その結果、構造が複雑で、制御が難しくなる。
【0021】
また、音響レンズ73を取り付けたリニアアレイプローブ7’の場合、マトリクスアレイプローブ9よりも構造簡単であるが、音響レンズ73の性能に左右されてしまう。
【0022】
またリニアアレイプローブ7を用いて、TOFD法にて、超音波探傷を行う場合、超音波ビームの集束位置がラインフォーカスとなるので、回折波の信号レベルが低くなりがちである。
【0023】
このような問題を鑑みて、本発明は構造が簡単でしかも超音波ビームを高い集束率で且つポイントフォーカスで集束させることができ、さらに、その超音波集束位置をスキャニングすることができるフェーズドアレイプローブを提供することを目的とする。
【0024】
また本発明は、構造が簡単で高い探傷効果を得ることができる超音波探傷装置を提供することを目的とする。
【0025】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、複数の振動子を有するフェーズドアレイプローブであって、前記各振動子は長手方向に所定の曲率で湾曲しており、該湾曲方向と直行する方向に直線状の配列で配置されていることを特徴とするフェーズドアレイプローブを提供する。
【0026】
この構成によると、振動子単体で該振動子の長手方向、更に言えば、曲率中心に超音波ビームを集束させることができる。それとともに、曲率中心に超音波ビームを集束させることができる前記振動子を直線状に複数並べて配置しており、各振動子の超音波送信タイミングを制御することで該振動子の配列方向にも超音波ビームを集束させることができ、その結果、振動子を線形に並べるリニアアレイ構造であるにもかかわらず、ポイントフォーカスとすることができる。それだけ、構造が簡単で高い超音波ビームの集束効率を得ることができる。
【0027】
また、前記各振動子の超音波送信タイミングを制御することで超音波ビームの超音波集束位置を振動子の配列方向に振ることができるので、ポイントフォーカスでスキャニングすることが可能であり、それだけ、広い範囲に超音波ビームの送受信が可能である。また、超音波集束位置を移動させることができるので、超音波を物体の内部に送信するときの屈折角を任意に設定することができる。
【0028】
また上記目的を達成するために、本発明は、複数の振動子を有するフェーズドアレイプローブであって、前記各振動子は長手方向に所定の曲率で湾曲しており、前記複数の振動子の長手方向と直行する方向に湾曲する曲面状の配列で配置されていることを特徴とするフェーズドアレイプローブを提供する。
【0029】
この構成によると、振動子単体で該振動子の長手方向、更に言えば、曲率中心に超音波ビームを集束させることができる。それと共に、各振動子は所定の曲面上に配置されているため、予め定めた1点又はその点の周りに集束されており、各振動子の動作タイミングを制御することでより高い集束効果を期待できる。各振動子の超音波ビームの主ビーム方向が前記1点又は略1点に向いているので、拡散の少ない高い集束効率を上げることが可能である。またそれだけ、強い超音波ビームを送信することが可能である。またそれだけ、構造が簡単で高い超音波ビームの集束効率を得ることができる。
【0030】
また、前記各振動子の超音波送信タイミングを制御することで超音波ビームの超音波集束位置を振動子の配列方向に振ることができるので、ポイントフォーカスでスキャニングすることが可能であり、それだけ、広い範囲に超音波ビームの送受信が可能である。また、超音波集束位置を移動させることができるので、超音波を物体の内部に送信するときの屈折角を任意に設定することができる。
【0031】
上述の構成において振動子を配列する曲面が球形状であってもよい。この場合、各振動子から送信される超音波ビームは常に曲率中心に集束される。
【0032】
また上記構成の複数の振動子において、長手方向の曲率が全て同じであるものを例示することができる。
【0033】
この構成によると、各振動子の曲率が全て同じであるので、製造しやすく、それだけ、製造に要する時間及びコストを削減することが可能である。
【0034】
また上記構成の複数の振動子において、少なくとも一つは長手方向の曲率が他の振動子とは異なるものを例示できる。
【0035】
この構成によると、ポイントフォーカスのフェーズドアレイプローブの各振動子から超音波集束位置までの距離が一様でない場合、超音波集束位置までの距離を考えて曲率を設定することで超音波ビームの集束効率を高めることが可能である。
【0036】
さらに上記構成の前記振動子は、長手方向の曲率を任意に変更することが可能なものを例示することができる。
【0037】
この構成によると、超音波ビームの超音波集束位置までの距離とプローブまでの距離を任意に設定することができる。
【0038】
また本発明は上記目的を達成するために、複数の湾曲した振動子を配置したフェーズドアレイプローブを用いて斜角探傷を行う超音波探傷装置を提供する。
【0039】
この構成によると、ポイントフォーカスであることより、信号レベルの小さい端部の反射波の検出性(SN比)を高めることができる。また、スキャニングできることより、被検体の深さ方向への適用可能範囲を広く取ることが可能である。また、フェーズドアレイプローブが屈折角を任意に変えることができるため、あらゆる被検体に広く対応可能である。
【0040】
また上記構成を達成するために、本発明は、複数の湾曲した振動子を配置したフェーズドアレイプローブを送信側超音波探触子及び受信側超音波探触子とし、送信側超音波探触子の各振動子が出力する超音波の送出タイミングを順次遅延させることで送信側超音波探触子から送出する超音波ビームを集束させると共にスキャニングさせることを特徴とする超音波探傷装置を提供する。
【0041】
この構成によると、フェーズドアレイプローブはポイントフォーカスであり、欠陥端部での回折波の信号レベル(SN比)の向上を図れると共に、スキャニングが可能であることより深さ方向の欠陥の検出にも広く対応可能である。また、従来のTOFD法に比べて集束性に優れているので、この点でも回折波のSN比の向上を図ることが可能である。
【0042】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【0043】
(実施例1)
図1に本発明にかかるフェーズドアレイプローブの概略斜視図を、図2に図1に示すフェーズドアレイプローブの側面図を、図3に図1にしめすフェーズドアレイプローブの断面図を示す。
【0044】
図1に示すフェーズドアレイプローブAは、それには限らないがここでは、12個の振動子1を直線状に配置したリニアフェーズドアレイ構造を有している。
振動子1は、曲率半径r1の曲率を有する湾曲形状を有しており、電極11、12の間に振動素子13を配置した構造を有している(図2及び図3参照)。
振動素子13は、電極11、12の間に所定の電圧が印加されると微小変形する圧電素子である。
また、図2見ればわかるように、振動子1が曲率を有する形状で形成されているため、振動子1より発信された超音波は曲率の中心P1にて集束される。
【0045】
図3に示すように、フェーズドアレイプローブAはリニアアレイ構造を有しており、例えば、左側の振動子から順に右側の振動子へ所定の遅延時間を置いて駆動することで、各振動子1から発信された超音波の波面は互いに干渉しあって、遅延時間に応じた右側向けの超音波ビームを発信することが可能である。超音波ビームの方向は遅延時間を制御することで決定することが可能である。
【0046】
また、左右両方の外側から順次所定の遅延時間をあけて内側の振動子を駆動することで、超音波ビームを1点PS1に集束させることができる。超音波ビームの超音波集束位置PS1とプローブAとの距離は、遅延時間を変化させることで短くしたり、長くしたりすることが可能である。
【0047】
また、上記の超音波ビームの発信方向を傾ける方法と、超音波ビームを集束させる方法をうまく組み合わせることで、超音波ビームの超音波集束位置PS1をフェーズドアレイプローブAの中心線から外れた位置に設定することが可能である。さらに、ビームの超音波集束位置を所定時間で移動させることで超音波ビームを照射する位置を振るいわゆるスキャニングが可能である(図3参照)。
【0048】
フェーズドアレイプローブAの場合、振動子1単体で超音波を発信した場合でも曲率中心P1に集束するが、その集束は振動子1の長手方向の集束である。また、フェーズドアレイプローブAは、この振動子1を線形に並べてリニアアレイ構造としているので、振動子1の並び方向にも超音波ビームを集束させることが可能である。長手方向の超音波集束位置は振動子の形状で決定されるが、振動子並び方向の超音波集束位置は各振動子の駆動の遅延時間を制御することで調整可能であり、振動子長手方向の超音波集束位置と重なるように該遅延時間を制御してやることで、超音波集束位置が点になるポイントフォーカスが可能である。また、ポイントフォーカスでスキャニングすることが可能である。また、振動子1の曲率は超音波ビームを送信する対象物、対象深さ等を考慮して変えればよい。
【0049】
本実施例では、各振動子1は全て同じ曲率(曲率半径r1)の湾曲を有するもので説明したが、それに限定されるものではなく、振動子の配置場所によって曲率を個別に設定しているもの等、異なる曲率を有する振動子を配置してフェーズドアレイプローブとしてもよい。
【0050】
また、振動子として柔軟性を有しており、曲率を任意に変化させることができるものを用いてもよい。
【0051】
(実施例2)
図4に本発明にかかる他の例のフェーズドアレイプローブの斜視図を示す。また、図5に図4に示すフェーズドアレイプローブの横断面図を示す。
図5に示すフェーズドアレイプローブBは実施例1に示すフェーズドアレイプローブAと同様に、曲率半径r1で湾曲する振動子1を並べた形状を有している。フェーズドアレイプローブBにおいては、図5に示すように振動子1は曲率半径r2の円弧Cir上に等中心角度間隔で配置されている。
【0052】
図3のフェーズドアレイプローブAはリニアアレイ構造を有しており、前述のとおりフェーズドアレイプローブAは振動子1から発信される超音波が到達できるところであれば、超音波集束位置を設定することができる。また、超音波ビームは図3の矢線ar1に示すように振動子1の正面(主ビーム方向)が最も強く、周りに拡散しているものである。すなわち、超音波ビームを超音波集束位置に集束させることはできるが、さらに強い超音波ビームを超音波集束位置に送出したい場合は、振動子1から発信される超音波自体を強くする必要がある。
【0053】
図5に示す円弧状に配置したフェーズドアレイプローブBの場合、振動子1は予め集束位置を大まかに決定(図中O)しておき、その中央又は略中央に曲率中心P2を有する円弧上に振動子を配置する。それによって、各振動子1を同時に駆動しても超音波ビームは曲率中心P2に集束する。全ての振動子1が曲率中心P2、すなわち、主ビーム方向ar2が超音波集束位置PS2に向いて配置されているので、超音波集束位置での超音波ビームはリニアアレイプローブよりも強力である。また、各振動子の動作タイミングを制御してやることで、超音波集束位置を変更することもでき、超音波集束位置を動かしてスキャニングすることも可能である。スキャニングする場合も、リニアアレイプローブよりも強力な超音波ビームを送出できる。
【0054】
このとき、振動子1を円弧上に配置しても隣同士干渉しないように振動子1の両端部を中央部よりも細く形成してもよい。
【0055】
本実施例では、各振動子1は全て同じ曲率(曲率半径r1)の湾曲を有するもので説明したが、それに限定されるものではなく、振動子の配置場所によって曲率を個別に設定しているもの等、異なる曲率を有する振動子を配置してフェーズドアレイプローブとしてもよい。
【0056】
また、振動子として柔軟性を有しており、曲率を任意に変化させることができるものを用いてもよい。また、振動子の配置曲面を任意に変化させることができるものを用いてもよい。
【0057】
(実施例3)
図6に前記実施例1に示すフェーズドアレイプローブAを備えた超音波探傷装置を用いて被検体の超音波探傷を行う例を示す。
図6に示す超音波探傷装置UT1は、フェーズドアレイプローブAを備えており、被検体Tの表面に設置され、フェーズドアレイプローブAを被検体Tの表面に対し角度θだけ傾けて設置しており、被検体Tに対して超音波ビームを送出して欠陥M1を検出するものである。
【0058】
図7に図6に示す超音波探傷装置の概略配置のブロック図を示す。
図7に示すとおり、超音波探傷装置UT1は、12個の振動子1を有するフェーズドアレイプローブAを有しており、各振動子1にはパルサレシーバPRが取り付けられている。各パルサレシーバPRは制御装置CONTに接続している。
【0059】
制御装置CONTは各振動子1の動作タイミングにあわせて動作信号をパルサレシーバPRに出力する。パルサレシーバPRは送られてきた動作信号をもとに、振動子1の電極に駆動電圧を印加する。それにより、各振動子1から超音波が送出される。また、反射してきた超音波を振動子1が受信すると振動素子を挟んでいる電極間に電圧が発生する。その電圧をパルサレシーバPRが受信し、受信信号を制御装置CONTに送信する。制御装置CONTは演算処理を行い、反射波の振幅を計算し、その振幅によって欠陥M1の大きさ、位置を判断する。
【0060】
また、図6に示すように超音波探傷装置UT1は超音波ビームBEMの超音波集束位置PS3を振動子1の配列方向にスキャニングことが可能であり、深さ方向にも対応が可能である。すなわち、当初の超音波集束位置近くに欠陥M1がない場合でも、スキャニングすること欠陥を発見することができ、欠陥が振動子1の配列方向に伸びている場合、欠陥M1の位置はもちろんのこと、欠陥の長さも検出することが可能である。
【0061】
(実施例4)
図8に実施例2に示すフェーズドアレイプローブを備えた超音波探傷装置を用いて被検体の超音波探傷を行う例を示す。
図8に示す超音波探傷装置UT2は、フェーズドアレイプローブBを用いて欠陥N1を検出するものであり、それ以外の点は、実施例3にて示した超音波探傷装置UT1と同じであり、実質上同じ部材には同じ符号が付してある。
【0062】
超音波探傷装置UT2のフェーズドアレイプローブBは、振動子1を曲面状に配列しているものである。振動子1が配置される曲面は、超音波が被検体に進入するときの屈折角によって決定されるものである。
【0063】
超音波探傷装置UT2のフェーズドアレイプローブBは実施例3に示した超音波探傷装置UT1のフェーズドアレイプローブAに比べて超音波の集束効率が良いので、小さい端部の反射波の検出性が向上し、それだけ小さな欠陥も早期に発見できる。また、超音波ビームBEMの超音波集束位置PS4を振って、スキャニングすることが可能であるので、超音波探傷装置UT1同様に被検体Tの深さ方向にも対応可能である。
【0064】
(実施例5)
図9に実施例1に示すフェーズドアレイプローブを有する超音波探傷装置をもちいてTOFD法にて欠陥を検出する概略図を示す。
図6に示す超音波探傷装置UT3は、超音波を送信する送信側超音波探触部3と被検体T2内部で反射または回折した超音波を受信する受信側超音波探触部4とを有している。
【0065】
送信側超音波探触部3は、1個のフェーズドアレイプローブA1を有しており、このフェーズドアレイプローブA1がシュー31に固定されて所定の入射角で被検体T2の内部に向けて超音波を送出するようになっている。
【0066】
受信側超音波探触部4は、送信側超音波探触部3と同様に1個のフェーズドアレイプローブA2を有しており、このフェーズドアレイプローブA2がシュー41に固定されて、被検体T2の内部を伝搬した超音波を受信するようになっている。
【0067】
送信側超音波探触部3は、その各振動子1が出力する超音波の送出のタイミングを順次遅延させることにより超音波探触部送出する超音波ビームを集束させると共にスキャニングさせる。すなわち、図9中のBEM1、BEM2、BEM3に示すように集束させ、且つBEM1からBEM3の方向、また、反対にBEM3からBEM1の方向へとスキャニングする。
【0068】
一方、受信側超音波探触部4は、その各振動子による超音波ビームの受信のタイミングを送信側のフェーズドアレイプローブA1と同期させて順次遅延させることにより送信側超音波探触部3が送出した超音波ビームを実効的に集束させ且つスキャニングさせて受信するようになっている。
【0069】
かくして、欠陥M2の中下たんからは集束した超音波ビームに基づく回折波Ks1、Ks2が得られる。かかる回折波Ks1、Ks2は拡散するが、受信側超音波探触部4では、このときの超音波ビームを実効的に集束させ、且つ、スキャンさせて受信することができる。各振動子1は送信側の対応するフェーズドアレイプローブA1と同期させ、各振動子1による超音波ビームの受信のタイミングを順次遅延させて受信する。
【0070】
超音波探傷装置UT3においては、送信側超音波探触部3及び受信側超音波探触部4のフェーズドアレイプローブA1及びA2はポイントフォーカスであり、欠陥部M2先端Ma、Mbでの回折波の信号レベル(SN比)を向上させることが可能である。
【0071】
(実施例6)
図10に実施例2に示すフェーズドアレイプローブを有する超音波探傷装置をもちいてTOFD法にて欠陥を検出する概略図を示す。
図10に示すTOFD法を用いる超音波探傷装置UT4は送信側超音波探触部5及び受信側超音波探触部6にフェーズドアレイプローブB1、B2を用いている以外は実施例5に示す超音波探傷装置UT3と同一の構成であり、実質上同一の部材には同一の符号が付してある。
【0072】
送信側超音波探触部5及び受信側超音波探触6に用いられるフェーズドアレイプローブB1、B2は実施例2にて示された、所定の曲面にそって振動子1を配置したフェーズドアレイプローブBであり、ポイントフォーカスである。各振動子1の超音波ビームの主ビーム方向が超音波ビームの超音波集束位置に向けて配置されているので、超音波ビームの集束効率が高く、欠陥N2の両端部Na、Nbでの回折波の信号レベル(SN比)を高くすることができる。それだけ、高い探傷効果を得ることができる。
【0073】
【発明の効果】
本発明によると、構造が簡単でしかも超音波ビームを高い集束率で且つポイントフォーカスで集束させることができ、さらに、その超音波集束位置をスキャニングすることができるフェーズドアレイプローブを提供することができる。
【0074】
また本発明によると、構造が簡単で高い探傷効果を得ることができる超音波探傷装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかるフェーズドアレイプローブの一例の斜視図である。
【図2】図1に示すフェーズドアレイプローブの正面図である。
【図3】図1に示すフェーズドアレイプローブの側面図である。
【図4】本発明にかかるフェーズドアレイプローブの他の例の斜視図である。
【図5】図4に示すフェーズドアレイプローブの横断面図である。
【図6】本発明にかかる超音波探傷装置の一例を用いて超音波探傷を行う概略配置図である。
【図7】図6で用いる超音波探傷装置の概略配置を示すブロック図である。。
【図8】本発明にかかる超音波探傷装置の他の例を用いて超音波探傷を行う概略配置図である。
【図9】本発明にかかる超音波探傷装置の更に他の例を用いてTOFD法にて超音波探傷を行う概略配置図である。
【図10】本発明にかかる超音波探傷装置の更に他の例を用いてTOFD法にて超音波探傷を行う概略配置図である。
【図11】従来のリニアアレイプローブの斜視図である。
【図12】従来のアニュラアレイプローブの斜視図である。
【図13】従来の音響レンズを用いるリニアアレイプローブの斜視図である。
【図14】マトリクスアレイプローブの斜視図である。
【図15】従来のTOFD法による超音波探傷を行うものの一例を示す概略配置図である。
【図16】超音波探傷における反射又は回折波の波形を示す概略図である。
【符号の説明】
A、B フェーズドアレイプローブ
1 振動子
11、12 電極
13 圧電素子
3、5 送信側超音波探触部
4、6 受信側超音波探触部
7 リニアアレイプローブ
8 アニュラアレイプローブ
9 マトリクスアレイプローブ
UT1、UT2 斜角超音波探傷装置
UT3、UT4 TOFD法用超音波探傷装置[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a phased array probe that emits ultrasonic waves and an ultrasonic inspection device that detects a defect inside a member using the phased array probe.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, ultrasonic testing (UT) is often used to investigate defects such as scratches and cracks inside an object or inside an inaccessible object. The ultrasonic flaw detection method uses an ultrasonic flaw detector to irradiate ultrasonic waves from the surface of the object toward the inside of the object or the inner surface of the object, and analyze the reflected ultrasonic waves to determine the size and type. This is a method for judging the state of a defect such as a position, a position, or the like.
[0003]
The ultrasonic flaw detector applies a pulse voltage to a transducer in a probe (probe) to generate an ultrasonic wave, and makes the ultrasonic wave incident on the inside or the inner surface of the subject at a certain angle as described above, This reflected wave is received by the probe, and the received signal is analyzed. Here, the vibrator is a piezoelectric element that vibrates when a voltage is applied.
[0004]
The ultrasonic flaw detector is often used as a phased array probe in which a plurality of transducers are arranged in the probe. The phased array probe includes a linear array probe in which rectangular oscillators are arranged side by side, an annular array probe in which a circular or ring-shaped oscillator having a hole in the center is arranged concentrically, and oscillators arranged vertically and horizontally. There are types such as matrix array probes arranged in a lattice.
[0005]
FIG. 11 shows a schematic layout of the linear array probe.
As shown in FIG. 11, the
[0006]
The
[0007]
The transmission direction and the focusing
[0008]
The ultrasonic wave transmitted from the
[0009]
FIG. 12 shows a schematic layout of the annular array probe.
The
[0010]
The
[0011]
In addition, the
[0012]
As in a
[0013]
FIG. 14 shows a schematic layout of the matrix array probe.
The matrix array probe 9 shown in FIG. 14 has a shape in which a plurality of transducers 9 are arranged in a lattice. By arranging the transducers 9 in a lattice shape, it is possible to focus ultrasonic waves in both the
[0014]
FIG. 15 is a schematic layout diagram showing a conventional TOFD (Time of Flight Diffraction) method.
The ultrasonic flaw detector UT5 shown in FIG. 15 includes a transmitting probe PB1 and a receiving probe PB2 for receiving ultrasonic waves. The transmitting probe PB1 and the receiving probe PB2 mutually detect defects Ke inside the subject TB. It is attached to both sides sandwiched. The transmitting probe PB1 transmits an ultrasonic wave from a predetermined position toward the inside of the subject TB. The receiving probe PB2 receives the ultrasonic wave transmitted from the transmitting probe PB1 and propagating inside the subject TB. The transmitting probe PB1 and the receiving probe PB2 are
[0015]
FIG. 16 shows a graph in which the vertical axis represents the amplitude of the received wave and the horizontal axis represents time. As shown in FIG. 16, the ultrasonic wave received by the receiving probe PB2 is a surface wave W1 propagated on the surface of the subject TB, a reflected wave W2 reflected on the bottom surface of the subject TB, and an upper end of a defect inside the subject. Ultrasonic waves having four different amplitudes are roughly divided into a diffracted wave W3 diffracted at the portion and a diffracted wave W4 diffracted at the lower end. Further, a higher flaw detection effect can be obtained by scanning the transmission side probe PB1.
[0016]
[Patent Document 1]
JP-A-11-160294
[0017]
[Patent Document 2]
JP 2001-228126 A
[0018]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the case of the
[0019]
The
[0020]
In the case of the matrix array probe 9, the weak points of the
[0021]
Further, in the case of the
[0022]
In addition, when ultrasonic inspection is performed by the TOFD method using the
[0023]
In view of such a problem, the present invention provides a phased array probe having a simple structure, capable of focusing an ultrasonic beam at a high convergence rate and at a point focus, and further capable of scanning the ultrasonic focusing position. The purpose is to provide.
[0024]
Another object of the present invention is to provide an ultrasonic flaw detector which has a simple structure and can obtain a high flaw detection effect.
[0025]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a phased array probe having a plurality of transducers, wherein each of the transducers is curved at a predetermined curvature in a longitudinal direction, and is directed in a direction perpendicular to the bending direction. A phased array probe is provided, which is arranged in a linear array.
[0026]
According to this configuration, the ultrasonic beam can be focused on the vibrator alone in the longitudinal direction of the vibrator, more specifically, on the center of curvature. At the same time, a plurality of the vibrators capable of converging the ultrasonic beam at the center of curvature are arranged in a straight line, and by controlling the ultrasonic wave transmission timing of each vibrator, the vibrator can be arranged in the arrangement direction. The ultrasonic beam can be focused, and as a result, point focus can be achieved despite the linear array structure in which transducers are linearly arranged. As a result, it is possible to obtain a high ultrasonic beam focusing efficiency with a simple structure.
[0027]
Also, by controlling the ultrasonic transmission timing of each of the transducers, the ultrasonic focusing position of the ultrasonic beam can be shifted in the arrangement direction of the transducers, so that it is possible to perform scanning with a point focus. Ultrasonic beams can be transmitted and received over a wide range. In addition, since the ultrasonic wave focus position can be moved, the angle of refraction when transmitting the ultrasonic wave to the inside of the object can be arbitrarily set.
[0028]
According to another aspect of the present invention, there is provided a phased array probe having a plurality of transducers, wherein each of the transducers is curved at a predetermined curvature in a longitudinal direction, and A phased array probe characterized by being arranged in a curved array that curves in a direction perpendicular to the direction.
[0029]
According to this configuration, the ultrasonic beam can be focused on the vibrator alone in the longitudinal direction of the vibrator, more specifically, on the center of curvature. At the same time, since each vibrator is arranged on a predetermined curved surface, it is focused around a predetermined point or around that point, and a higher focusing effect is obtained by controlling the operation timing of each vibrator. Can be expected. Since the main beam direction of the ultrasonic beam of each transducer is directed to the one point or substantially one point, it is possible to increase the focusing efficiency with less diffusion. Further, it is possible to transmit a strong ultrasonic beam. In addition, it is possible to obtain a high ultrasonic beam focusing efficiency with a simple structure.
[0030]
Also, by controlling the ultrasonic transmission timing of each of the transducers, the ultrasonic focusing position of the ultrasonic beam can be shifted in the arrangement direction of the transducers, so that it is possible to perform scanning with a point focus. Ultrasonic beams can be transmitted and received over a wide range. In addition, since the ultrasonic wave focus position can be moved, the angle of refraction when transmitting the ultrasonic wave to the inside of the object can be arbitrarily set.
[0031]
In the above configuration, the curved surface on which the transducers are arranged may be spherical. In this case, the ultrasonic beam transmitted from each transducer is always focused on the center of curvature.
[0032]
Further, among the plurality of vibrators having the above configuration, those having the same curvature in the longitudinal direction can be exemplified.
[0033]
According to this configuration, since all the vibrators have the same curvature, it is easy to manufacture, and accordingly, the time and cost required for manufacturing can be reduced.
[0034]
Further, among the plurality of vibrators having the above configuration, at least one of the plurality of vibrators may have a different curvature in a longitudinal direction from other vibrators.
[0035]
According to this configuration, when the distance from each transducer of the point-focused phased array probe to the ultrasonic focus position is not uniform, the curvature of the ultrasonic beam is set by considering the distance to the ultrasonic focus position. It is possible to increase efficiency.
[0036]
Further, as the vibrator having the above configuration, a vibrator whose longitudinal curvature can be arbitrarily changed can be exemplified.
[0037]
According to this configuration, the distance to the ultrasonic focus position of the ultrasonic beam and the distance to the probe can be arbitrarily set.
[0038]
Further, in order to achieve the above object, the present invention provides an ultrasonic flaw detector which performs oblique flaw detection using a phased array probe in which a plurality of curved transducers are arranged.
[0039]
According to this configuration, the detectivity (S / N ratio) of the reflected wave at the end having a small signal level can be improved by the point focus. Further, since the scanning can be performed, it is possible to widen the applicable range in the depth direction of the subject. In addition, since the phased array probe can arbitrarily change the angle of refraction, it can be widely used for any object.
[0040]
Further, in order to achieve the above configuration, the present invention provides a transmission-side ultrasonic probe using a phased array probe in which a plurality of curved transducers are arranged as a transmission-side ultrasonic probe and a reception-side ultrasonic probe. The present invention provides an ultrasonic flaw detector which sequentially focuses and scans an ultrasonic beam transmitted from a transmission-side ultrasonic probe by sequentially delaying the transmission timing of ultrasonic waves output from each transducer.
[0041]
According to this configuration, the phased array probe is a point focus, which can improve the signal level (S / N ratio) of the diffracted wave at the defect edge, and can detect a defect in the depth direction because scanning is possible. Can be widely used. In addition, since the convergence is superior to that of the conventional TOFD method, the SN ratio of the diffracted wave can be improved in this respect as well.
[0042]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0043]
(Example 1)
FIG. 1 is a schematic perspective view of the phased array probe according to the present invention, FIG. 2 is a side view of the phased array probe shown in FIG. 1, and FIG. 3 is a sectional view of the phased array probe shown in FIG.
[0044]
The phased array probe A shown in FIG. 1 has, but is not limited to, a linear phased array structure in which twelve
The
The
As can be seen from FIG. 2, since the
[0045]
As shown in FIG. 3, the phased array probe A has a linear array structure. For example, each of the
[0046]
Further, by sequentially driving the inner vibrator with a predetermined delay time from both the left and right outer sides, the ultrasonic beam can be focused on one point PS1. The distance between the ultrasonic beam focusing position PS1 of the ultrasonic beam and the probe A can be shortened or lengthened by changing the delay time.
[0047]
Also, by properly combining the above-described method of tilting the transmission direction of the ultrasonic beam and the method of focusing the ultrasonic beam, the ultrasonic focusing position PS1 of the ultrasonic beam is shifted to a position deviated from the center line of the phased array probe A. It is possible to set. Further, by moving the ultrasonic wave focusing position of the beam for a predetermined time, it is possible to perform a so-called scanning in which the ultrasonic wave irradiation position is changed (see FIG. 3).
[0048]
In the case of the phased array probe A, even when the
[0049]
In the present embodiment, all the
[0050]
Further, a vibrator having flexibility and capable of arbitrarily changing the curvature may be used.
[0051]
(Example 2)
FIG. 4 shows a perspective view of another example of a phased array probe according to the present invention. FIG. 5 shows a cross-sectional view of the phased array probe shown in FIG.
The phased array probe B shown in FIG. 5 has a shape in which the
[0052]
The phased array probe A in FIG. 3 has a linear array structure, and as described above, the phased array probe A can set the ultrasonic focusing position as long as the ultrasonic waves transmitted from the
[0053]
In the case of the phased array probe B arranged in an arc shape shown in FIG. 5, the
[0054]
At this time, even if the
[0055]
In the present embodiment, all the
[0056]
Further, a vibrator having flexibility and capable of arbitrarily changing the curvature may be used. In addition, a device that can arbitrarily change the arrangement curved surface of the vibrator may be used.
[0057]
(Example 3)
FIG. 6 shows an example in which an ultrasonic test for an object is performed by using the ultrasonic test apparatus provided with the phased array probe A shown in the first embodiment.
The ultrasonic flaw detector UT1 shown in FIG. 6 includes a phased array probe A, is installed on the surface of the subject T, and is installed at an angle θ with respect to the surface of the subject T. The ultrasonic beam is transmitted to the subject T to detect the defect M1.
[0058]
FIG. 7 is a block diagram showing a schematic arrangement of the ultrasonic flaw detector shown in FIG.
As shown in FIG. 7, the ultrasonic flaw detector UT1 has a phased array probe A having twelve
[0059]
The control device CONT outputs an operation signal to the pulser receiver PR in accordance with the operation timing of each
[0060]
As shown in FIG. 6, the ultrasonic flaw detector UT1 can scan the ultrasonic focus position PS3 of the ultrasonic beam BEM in the arrangement direction of the
[0061]
(Example 4)
FIG. 8 shows an example in which an ultrasonic test for an object is performed using the ultrasonic test equipment provided with the phased array probe shown in the second embodiment.
The ultrasonic flaw detector UT2 shown in FIG. 8 detects a defect N1 using a phased array probe B, and is otherwise the same as the ultrasonic flaw detector UT1 shown in the third embodiment. Substantially the same members are denoted by the same reference numerals.
[0062]
The phased array probe B of the ultrasonic flaw detector UT2 has the
[0063]
Since the phased array probe B of the ultrasonic flaw detector UT2 has a higher ultrasonic wave focusing efficiency than the phased array probe A of the ultrasonic flaw detector UT1 shown in the third embodiment, the detectability of the reflected wave at the small end is improved. However, smaller defects can be found earlier. Further, since the scanning can be performed by swinging the ultrasonic focus position PS4 of the ultrasonic beam BEM, it is possible to cope with the depth direction of the subject T similarly to the ultrasonic test equipment UT1.
[0064]
(Example 5)
FIG. 9 is a schematic diagram for detecting a defect by the TOFD method using the ultrasonic flaw detector having the phased array probe shown in the first embodiment.
The ultrasonic flaw detector UT3 shown in FIG. 6 has a transmitting-side
[0065]
The transmission-side
[0066]
The receiving-side ultrasonic probe 4 has one phased-array probe A2 like the transmitting-side
[0067]
The transmission-side
[0068]
On the other hand, the receiving-side ultrasonic probe 4 sequentially delays the reception timing of the ultrasonic beam by each of the transducers in synchronization with the phased array probe A1 on the transmitting side. The transmitted ultrasonic beam is effectively focused and scanned for reception.
[0069]
Thus, the diffracted waves Ks1 and Ks2 based on the focused ultrasonic beam are obtained from the middle and bottom of the defect M2. Although the diffracted waves Ks1 and Ks2 are diffused, the receiving-side ultrasonic probe 4 can effectively focus and scan the ultrasonic beam at this time and receive it. Each
[0070]
In the ultrasonic flaw detector UT3, the phased array probes A1 and A2 of the transmission-side
[0071]
(Example 6)
FIG. 10 is a schematic diagram for detecting a defect by the TOFD method using the ultrasonic flaw detector having the phased array probe shown in the second embodiment.
The ultrasonic flaw detector UT4 using the TOFD method shown in FIG. 10 is the same as the ultrasonic flaw detector shown in Example 5 except that the transmitting ultrasonic probe 5 and the receiving ultrasonic probe 6 use the phased array probes B1 and B2. The configuration is the same as that of the ultrasonic testing device UT3, and substantially the same members are denoted by the same reference numerals.
[0072]
The phased array probes B1 and B2 used for the transmission-side ultrasonic probe 5 and the reception-side ultrasonic probe 6 are phased array probes in which the
[0073]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to provide a phased array probe which has a simple structure, can focus an ultrasonic beam at a high convergence rate and at a point focus, and can scan the ultrasonic focus position. .
[0074]
Further, according to the present invention, it is possible to provide an ultrasonic flaw detector capable of obtaining a high flaw detection effect with a simple structure.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of an example of a phased array probe according to the present invention.
FIG. 2 is a front view of the phased array probe shown in FIG.
FIG. 3 is a side view of the phased array probe shown in FIG.
FIG. 4 is a perspective view of another example of the phased array probe according to the present invention.
5 is a cross-sectional view of the phased array probe shown in FIG.
FIG. 6 is a schematic layout diagram for performing ultrasonic flaw detection using an example of the ultrasonic flaw detection apparatus according to the present invention.
FIG. 7 is a block diagram showing a schematic arrangement of the ultrasonic flaw detector used in FIG. 6; .
FIG. 8 is a schematic layout diagram for performing ultrasonic inspection using another example of the ultrasonic inspection apparatus according to the present invention.
FIG. 9 is a schematic layout diagram for performing ultrasonic flaw detection by TOFD using another example of the ultrasonic flaw detection apparatus according to the present invention.
FIG. 10 is a schematic layout diagram of performing ultrasonic flaw detection by TOFD method using still another example of the ultrasonic flaw detection apparatus according to the present invention.
FIG. 11 is a perspective view of a conventional linear array probe.
FIG. 12 is a perspective view of a conventional annular array probe.
FIG. 13 is a perspective view of a conventional linear array probe using an acoustic lens.
FIG. 14 is a perspective view of a matrix array probe.
FIG. 15 is a schematic layout diagram showing an example of a conventional apparatus for performing ultrasonic inspection by the TOFD method.
FIG. 16 is a schematic diagram showing a waveform of a reflected or diffracted wave in ultrasonic testing.
[Explanation of symbols]
A, B Phased array probe
1 vibrator
11, 12 electrodes
13 Piezoelectric element
3, 5 Transmitting ultrasonic probe
4, 6 Receiver ultrasonic probe
7 Linear array probe
8 Annular array probe
9 Matrix array probe
UT1, UT2 Bevel ultrasonic flaw detector
UT3, UT4 Ultrasonic flaw detector for TOFD method
Claims (8)
前記各振動子は長手方向に所定の曲率で湾曲しており、該湾曲方向と直行する方向に直線状の配列で配置されていることを特徴とするフェーズドアレイプローブ。A phased array probe having a plurality of transducers,
A phased array probe, wherein each of the vibrators is curved at a predetermined curvature in a longitudinal direction, and is arranged in a linear array in a direction perpendicular to the curved direction.
前記各振動子は長手方向に所定の曲率で湾曲しており、前記複数振動子の湾曲方向と異なる方向に湾曲する曲面状の配列で配置されていることを特徴とするフェーズドアレイプローブ。A phased array probe having a plurality of transducers,
A phased array probe, wherein each of the vibrators is curved at a predetermined curvature in a longitudinal direction, and is arranged in a curved array that bends in a direction different from a bending direction of the plurality of vibrators.
送信側超音波探触子の各振動子が出力する超音波の送出タイミングを順次遅延させることで送信側超音波探触子から送出する超音波ビームを集束させると共にスキャニングさせることを特徴とする超音波探傷装置。The phased array probe according to any one of claims 1 to 5 as a transmission-side ultrasonic probe and a reception-side ultrasonic probe,
The ultrasonic wave transmitted from the transmission-side ultrasonic probe is focused and scanned by sequentially delaying the transmission timing of the ultrasonic wave output from each transducer of the transmission-side ultrasonic probe. Sonic flaw detector.
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