JP2006208326A - 超音波による断面検査方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】振動子アレイを用いた超音波探傷を高速に移送される被検体の検査に適用するに当たり、検査に歯抜けが発生しないようにする。
【解決手段】１次元に配列された多数の超音波振動子１₁〜１₁₂₈からなる振動子アレイ１を用いて被検体の断面を検査する方法において、前記振動子アレイの一部または全ての超音波振動子から同時に超音波を送波し、該送波された超音波によって生起された反射波を、前記振動子アレイの一部または全ての超音波振動子を用いて受波し、該受波された信号をディジタルの波形信号へ変換し、該ディジタル化された受波信号を個別に遅延させて、複数の受波信号を加算合成することにより、振動子アレイから任意の距離に受波ビームの焦点を設定する。
【選択図】図４

Description

本発明は、超音波による断面検査方法及び装置に係り、特に、連続的に搬送される被検体の検査を超音波により行なう超音波検査装置、あるいは、超音波送受波器を走査して被検体の検査を行なう超音波検査装置に用いるのに好適な、超音波による断面検査方法及び装置に関する。

金属材料等の工業製品は、その内部に有害な欠陥が無いことを確認するため、超音波を用いて検査されることが多い。この超音波を用いた検査装置は超音波探傷装置と称されている。これらの装置において前記内部欠陥を検出するにあたり、高速な検査を目的として超音波ビームを電子的に走査する手法が使われている。このうち、従来より用いられているリニア電子走査と称される走査方式を図７により説明する。

図７は従来の超音波検査装置の構成を示すブロック図である。図７において、１０１は振動子アレイを示す。振動子アレイ１０１には、その先端部に多数の超音波振動素子（以下、単に素子と称する）が等間隔でアレイ状に並べてあり、このうち複数の素子を一組として駆動し、決められた位置に超音波ビームを集束させる。図示の例では、素子総数が６４個（１０１₁〜１０１₆₄）、１組に用いる素子数を８個としている。各素子には素子番号１〜６４が付されている。Ｂ₁〜Ｂ₅₇は各素子１０１₁〜１０１₆₄により形成される超音波ビームを示す。１０２は、これら超音波ビームＢ₁〜Ｂ₅₇の送受波を制御する制御回路である。

ここで、超音波ビームＢ₁〜Ｂ₅₇の送受波動作の概略を説明する。まず、素子１０１₁〜１０１₈の８個を１組として駆動することにより、素子１０１₁〜１０１₈の中心線上に集束点を持つ超音波ビームＢ₁を送受波する。次に素子１０１₂〜１０１₉を１組として駆動することにより、素子１０１₂〜１０１₉の中心線上に集束点を持つ超音波ビームＢ₂を送受波する。以下同様に駆動素子群を１つずつシフトさせ、最後は素子１０１₅₇〜１０１₆₄の駆動により、超音波ビームＢ₅₇を送受波する。このような動作により、素子配列ピッチに等しいピッチで、被検体に対して超音波ビームを電子走査する。上述の集束超音波ビームの送受波及び電子走査に必要な制御は、振動子アレイ１０１に接続された制御回路１０２において行なわれる。

なお、送波ビームの集束は、超音波を送波するために各素子に与える電気パルスの印加タイミングを、前記１組の素子の中で変更することによって可能である。受波ビームの集束は，前記１組の素子が受波した信号を、素子毎に個別の時間だけ遅延させて加算することによって達成できる。

上述したリニア電子走査は、超音波探触子の機械走査を行なう方法に比べ、２０倍程度の高速な検査が可能であるとされている。しかし、金属材料等の搬送ラインにおいて、秒速１m程度の高速で搬送される被検体を、前記リニア電子走査を用いて検査しようとすると、１回の電子走査が終了するまでに、被検体のかなりの長さの部分が通過してしまうために、検査に歯抜けが発生する問題があった。

リニア電子走査による検査を高速化するための先行技術として、特許文献１が挙げられる。この特許文献１は、「多数の超音波振動素子の配列に沿って超音波ビームの走査を行なう超音波検査装置において、前記超音波ビームのすべてを連続する複数のビーム領域に区分するビーム領域区分手段と、前記各ビーム領域を所定の順で選択してゆくビーム領域選択手段と、選択されたビーム領域における１つの超音波ビームを当該ビーム領域が選択される毎に順次シフトしてゆくシフト手段とを設けたこと」によってリニア電子走査の高速化を図ることを提案している。

特開平３−２４８０５８号公報

しかし、電子的な切り替えによって超音波ビームの走査が行われることに変わりはなく、前記した検査の歯抜けの問題の解決には程遠い状況であった。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、振動子アレイを用いた超音波探傷を、高速に移送される被検体の検査に適用するに当たり、検査に歯抜けが発生しないようにすることを課題とする。

本発明は、１次元に配列された多数の超音波振動子からなる振動子アレイを用いて被検体の断面を検査する方法において、前記振動子アレイの一部または全ての超音波振動子から同時に超音波を送波し、該送波された超音波によって生起された反射波を前記振動子アレイの一部または全ての超音波振動子を用いて受波し、該受波された信号をディジタルの波形信号へ変換し、該ディジタル化された受波信号を個別に遅延させて、複数の受波信号を加算合成することにより、振動子アレイから任意の距離に受波ビームの焦点を設定するようにして、前記課題を解決したものである。

又、一度の超音波送波および受波によって得られたディジタル化された受波信号を用い、振動子アレイから複数の距離に受波ビームの焦点を設定するようにしたものである。

本発明は、又、１次元に配列された多数の超音波振動子からなる振動子アレイを用いて被検体の断面を検査する装置において、前記振動子アレイの一部または全ての超音波振動子から同時に超音波を送波する手段と、該送波された超音波によって生起された反射波を、前記振動子アレイの一部または全ての超音波振動子を用いて受波する手段と、該受波された信号をディジタルの波形信号へ変換する手段と、該ディジタル化された受波信号を個別に遅延させて、複数の受波信号を加算合成することにより、振動子アレイから任意の距離に受波ビームの焦点を設定する手段とを備えることにより、前記課題を解決したものである。

又、前記設定手段が、一度の超音波送波および受波によって得られたディジタル化された受波信号を用い、振動子アレイから複数の距離に受波ビームの焦点を設定するようにしたものである。

本発明では、振動子アレイの一部または全ての超音波振動子から同時に超音波を送波し、該送波された超音波によって生起された反射波を前記振動子アレイの一部または全ての超音波振動子を用いて受波し、該前記受波された信号をディジタルの波形信号へ変換した上で、該ディジタル化された受波信号を個別に遅延させて、複数の受波信号を加算合成することにより、振動子アレイから任意の距離に受波ビームの焦点を設定するようにしたので、１回の超音波の送受信のみで振動子アレイ直下の被検体断面の検査が可能となる。よって、高速に移動する物体の検査において、リニア電子走査に伴う検査の歯抜けが発生することがないので、高速に移動する物体の全体積の検査が可能になる従来にない利点がある。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

図１は本発明を実施するための超音波検査装置の一例を示すブロック図、図２は図１の一部拡大図、図３は本発明における超音波の送波および受波の概念を示す説明図、図４及び図５は受波集束ビームの形成方法を示す説明図である。

本発明を実施するための超音波検査装置（以下、本実施形態）として、素子総数１２８個、受波集束ビームの形成に用いる１組の素子数を１６個とした場合について説明する。

図１（全体図）及び図２（一部拡大図）に示すように、本発明を実施するための装置は、振動子アレイ１、該振動子アレイ１の各素子１₁〜１₁₂₈から超音波を送波するため、各素子１₁〜１₁₂₈に電気パルスを印加するパルサ２₁〜２₁₂₈、各素子１₁〜１₁₂₈が受波した超音波による信号を増幅するための受波増幅器３₁〜３₁₂₈、増幅後の受波した超音波による信号をディジタル信号へ変換するＡ／Ｄ変換器４₁〜４₁₂₈、ディジタル化された受波信号を格納する波形メモリ５₁〜５₁₂₈、及び、記憶された受波信号を用いて集束した受波ビームによって受波するのと等価な受波合成信号を生成する受波合成処理部６からなる。即ち本実施形態では、振動子アレイ１₁〜１₁₂₈の素子毎に、パルサ２₁〜２₁₂₈、受波増幅器３₁〜３₁₂₈、Ａ／Ｄ変換器４₁〜４₁₂₈、及び、波形メモリ５₁〜５₁₂₈が備えられている。

図３は本実施形態における超音波の送波の方法を示している。振動子アレイ１の全素子１₁〜１₁₂₈から同時に超音波を送波する。また、被検体からの超音波の反射信号（エコー）を、振動子アレイ１の全素子１₁〜１₁₂₈を用いて同時に受波する。各素子１₁〜１₁₂₈によって受波された超音波による信号は、それぞれ図１に示した受波増幅器３₁〜３₁₂₈によって増幅された後、Ａ／Ｄ変換器４₁〜４₁₂₈によってディジタル信号に変換され、波形メモリ５₁〜５₁₂₈に格納される。

波形メモリ5₁〜5₁₂₈に格納された受波信号からの受波合成信号の生成方法を図４及び図５に示す。図４及び図５は，振動子アレイと直交する方向において振動子アレイからの距離が異なる２つの位置Ｆ１（図４）、Ｆ２（図５）に受波ビームの焦点を形成する場合を示している。焦点と振動子アレイとの距離を以下では焦点距離と称する。

受波ビームに焦点を持たせるためには、受波ビーム形成に用いる１組の素子群の信号を、時間的にずらせて加算する。通常、焦点を形成するのは前記１組の素子群の中央であるので、素子群の中央にある素子と焦点との間の距離が最も短い。この距離をＬ₀とする。素子群の中央以外にある素子ｉは、焦点との間の距離Ｌ_iがＬ₀よりも長くなる。従って、Ｌ_i−Ｌ₀を超音波が伝搬するのに要する時間だけ、素子群の中央にある素子の受波した信号を遅延させて加算すれば、素子群の中央以外にある素子ｉと素子群の中央にある素子とが受信した信号の位相が合致する。１組の素子群全体について、受波した信号の位相が合致するように各信号を遅延させて加算すれば、１組の素子群の中央から所定の焦点距離の位置に焦点を形成することができる。

図４において、まず、波形メモリ５₁〜５₁₆に格納された振動子アレイ１₁〜１₁₆の受波信号を、図に仮想的に示した遅延時間だけずらせて加算合成することにより、振動子アレイ1₁〜1₁₆の中央から焦点距離Ｆ１の位置に受波ビームの焦点を形成したときの受波合成信号を得ることができる。次に、波形メモリ５₂〜５₁₇に格納された振動子アレイ１₂〜１₁₇の受波信号を用いて、同様に、振動子アレイ１₂〜１₁₇の中央から焦点距離Ｆ１の位置に受波ビームの焦点を形成したときの受波合成信号を得ることができる。同様の処理を振動子アレイ１₁₁₃〜１₁₂₈の組まで繰り返すことにより、焦点距離をＦ１としたときの受波合成信号を１１３個得ることができ、振動子アレイ１₁〜１₁₂₈直下の断面からのエコーを焦点距離Ｆ１の集束した受波ビームによって受波した信号を得ることができる。

次に図５において、波形メモリ５₁〜５₁₂₈に格納された振動子アレイ１₁〜１₁₂₈の受波信号を、図に仮想的に示した遅延時間だけずらせて加算合成することにより、振動子アレイ１₁〜１₁₂₈直下の断面からのエコーを、焦点距離Ｆ２の集束した受波ビームによって受波した信号を得ることができる。

焦点距離を変更する回数および焦点距離は、被検体の厚さや径と集束した受波ビームの焦点深さとに基づいて変更する。

図６は、本発明の有効性を検証するため、厚さ２〜３mmの薄鋼板の中にある微小な非金属介在物の検出を、周波数５０MHz、素子ピッチ０．１mm、素子数１２８の振動子アレイを用いて行った結果を示す。図６はC-scopeであり、内部欠陥からのエコー信号の振幅を検出して、その振幅に応じて輝度変調を行って内部欠陥像を表示している。図６のC-scopeは、振動子アレイを素子配列方向とは直交する方向へ機械走査することによって得られた。本発明の場合、受波集束ビームの焦点距離を複数回変更したが、最も明瞭な内部欠陥像が得られた場合（水中焦点距離：１５mm）のみを示している。図６には対比のために、同じ振動子アレイを用いて、一般的なリニア電子走査（集束した送受波ビームを電子走査）を用いて得られたC-scopeも示している。図６のC-scopeを対比すると、本発明に係る装置によって得られた内部欠陥像と、一般的なリニア電子走査を行う装置によって得られた欠陥像との間に、殆ど相違がないことがわかる。本発明の装置を用いた場合に図６のC-scopeを得るのに要した時間は０．０２秒であったのに対し、一般的なリニア電子走査の場合には約２秒の時間が必要であった。即ち、本発明の装置は、従来の装置と比較して、欠陥検出能にほとんど違いがなく、検査速度のみ約１００倍の向上が可能であった。

なお、前記実施形態においては、振動子アレイ１の全素子１₁〜１₁₂₈から同時に超音波を送受信していたが、一部の素子を用いて超音波を送受信することも可能である。又、全素子数も１２８個に限定されない。

本発明を実施するための超音波検査装置の一例を示すブロック図 図１の一部拡大図 本発明における超音波の送波および受波の概念を示す説明図 焦点距離Ｆ１の受波集束ビームの形成方法を示す説明図 焦点距離Ｆ２の受波集束ビームの形成方法を示す説明図 本発明の装置と従来のリニア電子走査により得られたC-scopeを比較して示す図 従来の超音波検査装置の構成を示すブロック図

符号の説明

１…振動子アレイ
１₁〜１₁₂₈…超音波振動素子
２₁〜２₁₂₈…パルサ
３₁〜３₁₂₈…受波増幅器
４₁〜４₁₂₈…Ａ／Ｄ変換器
５₁〜５₁₂₈…波形メモリ
６…受波合成処理部

Claims (4)

1. １次元に配列された多数の超音波振動子からなる振動子アレイを用いて被検体の断面を検査する方法において、
   前記振動子アレイの一部または全ての超音波振動子から同時に超音波を送波し、
   該送波された超音波によって生起された反射波を、前記振動子アレイの一部または全ての超音波振動子を用いて受波し、
   該受波された信号をディジタルの波形信号へ変換し、
   該ディジタル化された受波信号を個別に遅延させて、複数の受波信号を加算合成することにより、振動子アレイから任意の距離に受波ビームの焦点を設定することを特徴とする超音波による断面検査方法。
2. 一度の超音波送波および受波によって得られたディジタル化された受波信号を用い、振動子アレイから複数の距離に受波ビームの焦点を設定することを特徴とする請求項１に記載の超音波による断面検査方法。
3. １次元に配列された多数の超音波振動子からなる振動子アレイを用いて被検体の断面を検査する装置において、
   前記振動子アレイの一部または全ての超音波振動子から同時に超音波を送波する手段と、
   該送波された超音波によって生起された反射波を、前記振動子アレイの一部または全ての超音波振動子を用いて受波する手段と、
   該受波された信号をディジタルの波形信号へ変換する手段と、
   該ディジタル化された受波信号を個別に遅延させて、複数の受波信号を加算合成することにより、振動子アレイから任意の距離に受波ビームの焦点を設定する手段と、
   を備えたことを特徴とする超音波による断面検査装置。
4. 前記設定手段が、一度の超音波送波および受波によって得られたディジタル化された受波信号を用い、振動子アレイから複数の距離に受波ビームの焦点を設定するようにされていることを特徴とする請求項３に記載の超音波による断面検査装置。