JP2006317417A - 超音波検査装置およびこの検査装置に用いられる超音波プローブ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】製造工程の現場で簡単に手動操作でき、超音波探傷検査を効率的行なうことができる超音波検査装置を提供する。
【解決手段】本装置は、超音波トランスジューサおよび位置検出装置を備えた超音波プローブ装置と、超音波トランスジューサの複数の圧電振動子のうち所要の圧電振動子を選択する駆動素子選択部と、選択された圧電振動子からの信号を音響伝播媒体を介して検査対象物に入射させ、その反射信号を検出する信号検出回路と、検出された反射エコーの電気信号を並列演算処理により、検査対象物の内部の３次元画像化データを生成する信号処理部と、前記位置検出装置で検出された位置検出信号を、画像化開始のトリガ信号として信号発生部に出力する位置変換回路と、超音波トランスジューサの位置信号と信号処理部から取り込んだ複数の画像データを結合して一体化した画像を表示する表示装置とを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、検査対象物の内部構造、欠陥状態や接合部の状態を超音波を用いて非破壊検査する三次元超音波検査技術に係り、特に、検査対象物内の欠陥・剥離・ボイドや接合部の剥れ等の状態を可視化するポータブルタイプの超音波検査装置およびこの検査装置に用いられる超音波プローブ装置に関する。

この種の超音波検査技術には、特開２００３−１４９２１３号公報（特許文献１）および特開２００４−５３３６０号公報（特許文献２）に開示された３次元超音波検査装置がある。

この３次元超音波検査装置は、多数の圧電変換素子（圧電振動子）をマトリクス状あるいはアレイ状（リニア状）に平面配置した超音波トランスジューサを備え、この超音波トランスジューサから検査対象物に送受信される超音波を用いて検査対象物の内部構造や欠陥、ボイド、酸化膜、剥れ等の状態を３次元的に可視化し、検査対象物を非破壊にて検査することができるようになっている。

多数の圧電振動子を備えた超音波トランスジューサによる三次元超音波検査装置では、複数の音響特性を有する検査対象物の層構造や、検査対象物内の欠陥やボイド、剥れ等の状態を超音波により可視化できるが、超音波トランスジューサの受信エコー信号を処理して得られる３次元画像データに、超音波の送受信パターンに応じて画像化結果が不均一となるため、正確な定量的な検査対象物の品質の良否判断が困難となり、検査結果を目視により判定する必要があり、個人差によるバラツキが生じていた。
特開２００３−１４９２１３号公報 特開２００４−５３３６０号公報

従来の超音波検査装置は、多数の圧電変換素子を配設した圧電変換部から構成される超音波トランスジューサを用いているが、この超音波トランスジューサを移動走査させながら検査対象物の内部検査を行なう場合、超音波トランスジューサの移動量を検出する移動量検出装置が備えられておらず、また、超音波トランスジューサの移動量を検出するためには、位置検出器を内蔵したＸ−Ｙテーブル等の大掛りな移動検出装置を別途独立して設けなければならない。

このため、超音波検査装置をポータブル化し、フィールドや製造工程の現場にて検査対象物の内部状態を有効的に正確に超音波検査することが困難であった。

また、超音波検査装置にＸ−Ｙテーブル等の大掛りな移動検出装置を備えた場合でも、圧電変換素子をマトリクス状あるいはアレイ状に配置した超音波トランスジューサの走査範囲に制約があり、検査対象物が曲面形状であったり、大面積を有する大型部品であったりすると、検査対象物の超音波検査を効率よく有効的に行なうことが困難であった。

本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、超音波プローブ装置をフィールド、製造工程の現場に手軽に手動走査可能として、検査対象物の内部欠陥、剥離、ボイドや接合部の剥れの内部検査を効率よく正確に行なうことができる携帯式の超音波検査装置およびこの検査装置に用いられる超音波プローブ装置を提供することを目的とする。

本発明の他の目的は、装置本体からプローブ装置をセパレートさせて小型・コンパクト化し、ポータブル化が可能な超音波検査装置およびこの検査装置に用いられる超音波プローブ装置を提供することにある。

本発明の別の目的は、プローブ装置に移動量および移動方向を検出する位置検出装置を一体的に備え、プローブ装置をフィールドや製造工程の現場で手軽に効率よく手動操作し、検査対象物の内部検査を効率的にかつ正確に行なうことができる超音波プローブ装置を提供することにある。

本発明に係る超音波検査装置は、上述した課題を解決するために、請求項１に記載したように、複数の圧電振動子からなる超音波トランスジューサおよび位置検出装置を備えた超音波プローブ装置と、この超音波プローブ装置に備えられた超音波トランスジューサの複数の圧電振動子に接続され、信号発生部からの駆動信号により、所要の圧電振動子を選択する駆動素子選択部と、この駆動素子選択部に選択された圧電振動子から発振される超音波を音響伝播媒体を介して検査対象物に入射させ、その反射エコーを受信し、反射エコーの電気信号を信号ケーブルを介して検出する信号検出回路と、検出された反射エコーの電気信号を並列演算処理により、検査対象物の内部の３次元画像化データを生成する信号処理部と、前記位置検出装置で検出された位置検出信号に基づき、画像化開始のトリガ信号を前記信号発生部に出力する位置変換回路と、この位置変換回路から取り込んだ超音波トランスジューサの位置信号と前記信号処理部から取り込んだ複数の画像データを結合して一体化した画像化結果を表示する表示装置とを備えるものである。

本発明に係る超音波プローブ装置は、上述した課題を解決するために、請求項７に記載したように、超音波検査装置の装置本体に可撓性の信号ケーブルを介して接続される超音波プローブ装置において、ボックス状のプローブホルダと、このプローブホルダに組み込まれた複数の圧電振動子を有する超音波トランスジューサと、この超音波トランスジューサと一体的に設けられた超音波トランスジューサの位置検出装置とを有し、前記超音波トランスジューサおよび位置検出装置はプローブホルダ内に一体的に組み付けられたものである。

本発明に係る超音波検査装置およびこの検査装置に用いられる超音波プローブ装置においては、超音波検査装置の装置本体に可撓性の信号ケーブルを介して超音波プローブ装置が接続され、この超音波プローブ装置はプローブホルダ内に超音波トランスジューサと光学的あるいは機械式位置検出装置とを一体的に組み付けたので、超音波プローブ装置を検査対象物の表面上を手動走査するだけで、フィールドや製造工程内の現場において、超音波探傷検査を手軽に効率よく能率的に行なうことができる。

本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。

図１は本発明に係る超音波検査装置の第１実施形態を示す簡略的な全体構成図である。

この超音波検査装置１０は、ポータブルタイプで携帯可能に構成され、装置本体１１とハンディタイプの超音波プローブ装置１２とを分散させ、光ファイバケーブル等の可撓性の信号ケーブル１３で超音波プローブ装置１２は装置本体１１に接続される。

超音波検査装置１０は、検査対象物１４の内部構造や欠陥形状を精細に立体画像化できる携帯式超音波カメラとして機能する。装置の重量、ポータブル性について例示的に説明する。超音波検査装置１０は全体として１０ｋｇ以下、好ましくは７ｋｇ以下の数ｋｇの重量に構成され、超音波プローブ装置１２は手の平サイズで１ｋｇ以下、具体的には数百ｇの重量を有する。超音波検査装置１０は、装置本体１１を肩掛け、背負い、あるいは抱き込みの形で携帯させることができ、超音波プローブ装置１２は検査員がグリップして手動走査することができる大きさ、形状、重量となっている。

超音波検査装置１０は、超音波トランスジューサ１６および光学位置検出装置１７を一体的に備えた超音波プローブ装置１２と、超音波トランスジューサ１６を駆動させる駆動信号を発生させる信号発生部２０と、信号発生部１９からの駆動信号を選択し、超音波トランスジューサ１６の圧電変換素子（圧電振動子）を選択的に駆動させる駆動素子選択部２１と、超音波トランスジューサ１６から発振される超音波を検査対象物１４の検査領域２２に照射し、この検査領域２２からの反射エコーの電気信号を超音波トランスジューサ１６を介して検出する信号検出回路２３と、この信号検出回路２３で検出された反射エコーの電気信号を並列演算処理して３次元（３Ｄ）超音波画像データを生成させる信号処理部２４と、この信号処理部２４で処理された３次元超音波画像化データや表示画像の補正処理および比較処理を行ない、検査対象物１４の内部欠陥２５の状態を自動的に精度よく判定し、判定結果を表示させる表示装置２６とを備える。

また、超音波検査装置１０は、検査対象物１４の内部構造を高感度・高解像度の３次元超音波画像として迅速に取り出して、表示させることができ、１画像当り１秒乃至数１０秒の高速検査が可能である。

この３次元超音波検査装置１０は、自動車業界、航空業界、鉄道業界の溶接部の保全状態や溶接欠陥有無の探傷やプラント業界や造船業界の溶接部の状態観察に応用することができる。

超音波検査装置１０は信号発生部２０、駆動素子選択部２１、信号検出回路２３、信号処理部２４および表示装置２６が装置本体１１内に備えられる一方、この装置本体１１に超音波プローブ装置１２の光学位置検出装置１７に連動する位置変換回路２７を備える。位置変換回路２７は超音波プローブ装置１２のプローブホルダ３０内に組み込み、超音波トランスジューサ１６および光学位置検出装置１７とともに超音波プローブ装置１２を構成してもよい。

位置変換回路２７は、超音波プローブ装置１２の光学位置検出装置１７から位置検出信号ａを取り込んで変換処理し、その位置変換信号ｂを表示装置２６に出力するとともに、予め設定された移動量の所定値変化毎に信号発生部２０に画像化開始のためのトリガ信号ｃを生成し、出力するようになっている。

超音波プローブ装置１２は、超音波を送受信させる超音波トランスジューサ１６と、この超音波トランスジューサ１６の移動方向、移動距離と移動方向に対する傾きを同時に検出する光学位置検出装置１７をプローブホルダ３０内に一体的に備える。

超音波トランスジューサ１６は、圧電変換素子としての多数の圧電振動子３１をｍ行ｎ列のマトリクス状に整列配置された圧電変換部３２を有し、この圧電変換部３２はマトリクスセンサである超音波センサを構成している。

超音波検査装置１０は、超音波センサを備えた超音波カメラとして機能し、数千乃至数万の反射エコーの超音波波形を瞬時に収集し、画像合成処理により、検査対象物１４の内部欠陥２５（接合領域の状態や溶接欠陥の有無や状態）を高速で画像化並列演算処理することができる。

超音波トランスジューサ１１の各圧電振動子３１には、信号発生部２０で発生した駆動信号が駆動素子選択部２１により選択されて加えられる。駆動素子選択部２１の選択により各圧電振動子３１の駆動順序が１個ずつあるいは複数個ずつ決定され、各圧電振動子３１は所要の駆動タイミングで駆動される。圧電振動子３１はマトリクス状に配設される代りに、一列にあるいは十字のライン状（アレイ状）にアレイ配列させ、アレイセンサを構成してもよい。超音波トランスジューサ１６を構成する超音波センサは、マトリクスセンサであっても、アレイセンサであってもよい。

超音波トランスジューサ１６は超音波のセンサ面である発受信面、具体的には、検査対象物１４側に液体あるいは固体の音響伝播媒体であるシュー部材３３が密着される。シュー部材３３と検査対象物１４との間には超音波の音響的整合をとるカップラント３４が設けられる。カップラント３４には、揮発性の低いゲル状の液体で形成される。音響伝播媒体のシュー部材３３が液体の場合には、カップラント３４は不要となる。

また、シュー部材３３は全体的にボックス状となり、その開口面積は、検査対象物１４の検査領域（ターゲット領域）２２の大きさに応じて形成され、音響伝播媒体であるシュー部材３３の高さは、圧電振動子３１から発振される超音波の発振角度（拡がり角度）により決定される。

検査対象物１４の検査領域２２は、超音波検査装置１０により超音波を用いて非破壊にて内部検査される。検査対象物１４は、２枚以上の板状構造物を重ね合せて溶接した多層構造物を用いてもよい。検査対象物１４は、金属材料であっても、樹脂材料であってもよい。

一方、超音波トランスジューサ１６に駆動信号を作用させる信号発生部２０は、圧電振動子３１の圧電体を駆動させて超音波を発生させるべく、外部電圧の印加により、パルス状あるいは連続した駆動信号を発生させる。駆動素子選択部により圧電変換部３２を駆動させ、ｍ行ｎ列目の圧電振動子３１が選択されると、選択されたｍ行ｎ列の圧電振動子３１に駆動信号が所要のタイミングで加えられる。駆動素子選択部２１は、駆動すべき１つまたは複数の圧電振動子３１を所要のタイミングで順次選択しており、選択された圧電振動子３１に信号発生部２０からの駆動信号が加えられると、圧電振動子３１から検査対象物１４に向けて超音波Ｕを発振させるようになっている。

超音波トランスジューサ１６の各圧電振動子３１から順次発振された超音波は、音響電波媒体としてのシュー部材３３を通り、カップラント３４を経て検査対象物１４の検査領域２２内部に入射され、検査領域２２の各境界層で反射する。

検査対象物１４の表面１４ａ、境界面、底面１４ｂ、欠陥部２５等の各境界層で反射した超音波の反射エコー（図中上向き破線矢印で示した。）は、検査対象物１４から音響伝播媒体３１を経て超音波トランスジューサ１６の各圧電振動子３１に時間差をもってそれぞれ受信され、各圧電振動子３１を振動させて反射エコーの電気信号に変換せしめられる。反射エコーの電気信号は、続いて信号検出回路２３に入力され、ここで反射エコーの電気信号が圧電振動子３１毎に検出される。

この３次元超音波検査装置１０は、超音波トランスジューサ１６の各圧電振動子３１のうち、ｍ行ｎ列目の圧電振動子３１に駆動信号が加えられると、この圧電振動子３１が作動して圧電体としての超音波が発生し、この超音波Ｕを発振させる。発振された超音波Ｕは音響伝播媒体３２やカップラント３３を経て検査対象物１４の検査領域２２に照射される。検査対象物１４の検査領域２２を照射した超音波Ｕは、検査領域２２の密度的境界層から一部が反射して反射エコーとなり、この反射エコーは、カップラント３３、音響伝播媒体３２を通ってマトリクスセンサ（超音波トランスジューサ）１６に戻され、各圧電振動子３１に時間差を持ってそれぞれ受信される。各圧電振動子３１による圧電変換により、反射エコーは電気信号となって信号検出回路２３に信号ケーブル１３を介して送られ、検出される。

超音波トランスジューサ１６は、各圧電振動子３１に、駆動素子選択部２１で駆動信号を順次選択的に作用させることにより、各圧電振動子３１は、所要のタイミングで順次駆動され、各圧電振動子３１から発振された超音波の反射エコーを、超音波センサであるマトリクスセンサ１６でそれぞれ２次元的に受信する。

マトリクスセンサ１６は圧電振動子３１のｍ行ｎ列が、例えば１０×１０個であるとすると、１００個の圧電振動子３１がマトリクス状に平面（２次元）配設され、各圧電振動子３１ｍｍが駆動素子選択部２１により順次駆動される。各圧電振動子３１に駆動信号が順次加えられるとその駆動タイミングで各圧電振動子３１から超音波Ｕが順次発振せしめられる。各圧電振動子２２から順次発振された超音波の反射エコーを超音波トランスジューサ１６で順次受信し、その受信信号である反射エコーの電気信号を信号ケーブル１３を介して信号検出回路２３に送るようになっている。

信号検出回路２３は信号ケーブル１３を介して超音波トランスジューサ（超音波センサ）１６の各圧電振動子３１に整列状態で接続され、圧電変換部３２の各圧電変換素子３１で発生する電気エコー信号は、信号ケーブル１３を介して信号検出回路２３に導かれる。また、この信号ケーブル１３を利用して信号発生部２０からの駆動信号が駆動素子選択部２１を介して圧電変換部３２の各圧電振動子３１に導かれる。

超音波トランスジューサ１６の圧電変換部３２に受信された反射エコーは、圧電変換部３２により電気信号に変換され、電気エコー信号となって信号検出回路２３に送られる。信号検出回路２３は、超音波センサ１６で発生する反射エコーの電気信号を検出するものである。

信号検出回路２３で検出された電気エコー信号のうち、検査に必要な複数の電気エコー信号は、増幅回路３６を構成するそれぞれの増幅器３６ａ，３６ｂ，……３６ｉに導かれる。

増幅器３６ａ，３６ｂ，……３６ｉは、導かれた電気エコー信号を増幅して、Ａ／Ｄ変換器３７ａ，３７ｂ，……３７ｉに供給するようになっている。Ａ／Ｄ変換器３７ａ，３７ｂ，……３７ｉは増幅された電気エコー信号のアナログ信号をデジタル信号にＡ／Ｄ変換し、デジタルエコー信号として信号処理部２４の並列プロセッサ３８ａ，３８ｂ，……３８ｉに導くものである。

信号処理部２４は複数の並列プロセッサ３８ａ，３８ｂ，……３８ｉと、並列プロセッサ３８ａ，３８ｂ，……３８ｉが生成した複数の画像情報を統合する統合プロセッサ部３９とを備える。

信号処理部２４の並列プロセッサ３８ａ，３８ｂ，……３８ｉは、Ａ／Ｄ変換器３７ａ，３７ｂ，……３７ｉから導かれたデジタルエコー信号を処理し、検査対象物１４の内部状態を可視化する画像情報を生成している。並列プロセッサ３８ａ，３８ｂ，……３８ｉが生成した複数の画像情報は統合プロセッサ３９で統合して一体化され、表示装置２６に導かれる。

信号検出回路２３あるいは信号処理部２４にマルチブレクサ（図示せず）を搭載した場合、複数台の並列プロセッサ３８ａ，３８ｂ，……３８ｉや統合プロセッサ３９は不要となり、１台の並列プロセッサにて統合画像情報を作成することができる。

信号処理部２４でデジタル化された超音波エコー信号を処理して生成された３次元の超音波画像情報は表示装置２６に送られて、この表示装置２６に画像表示される。

一方、超音波プローブ装置１２は、プローブホルダ３０内に超音波トランスジューサ１６とともに光学位置検出装置１７が一体的に備えられる。光学位置検出装置１７は、超音波プローブ装置１２、ひいては超音波トランスジューサ１６の移動距離（移動量）、移動方向、移動方向に対する傾きを検出する非接触式位置検出装置である。

光学位置検出装置１７は２個１組の光学位置検出手段４１Ａ，４１Ｂを有する。光学位置検出手段４１Ａ，４１Ｂは、互いに一定の距離（既知）をおいて超音波トランスジューサ１６に対して一体で動くように機械的に結合された状態で配置される。２個１組の光学位置検出手段４１Ａ，４１Ｂは互いに等しい構成および作用を有する。２個１組の光学位置検出手段４１Ａ，４１Ｂは図に示したように近接配置する方法の他に、例えば超音波トランスジューサ１６の両側に配設し、両光学位置検出手段４１Ａ，４１Ｂ間の中央にトランスジューサ１６を位置させてもよい。また、光学位置検出手段は、２個１組には限定されず、３個１組など、２個以上の１組として設定してもよい。

光学位置検出手段４１Ａ，４１Ｂは、検査対象物１４の表面を可視化するＬＥＤ等の光源４３と、この光源４３が照らした検査対象物１４の表面画像を撮像する光撮像素子からなる受光部４４と、この受光部４４で得られた画像データから検査対象物１４の移動方向と移動距離を検出する位置検出器４５とをそれぞれ有する。受光部４４を構成する光撮像素子は、ＣＣＤあるいはＣＭＯＳセンサで構成される。２個１組の光学位置検出手段４１Ａ，４１Ｂ間、具体的には光撮像素子４４，４４間の間隔は既知であり、一定に保たれている。

光学位置検出装置１７の各位置検出器４５，４５で検出された位置検出信号ａは、位置変換回路２７に連続的に取り込まれ、２つの位置検出信号ａから位置変換回路２７は超音波トランスジューサ１６の中心部の移動距離、移動方向、移動方向に対する傾きを連続的に変換処理している。位置変換回路２７は、変換された移動距離、移動方向、移動方向に対する傾きを表示装置２６に出力する一方、超音波トランスジューサ１６の中心部の移動量が、予め設定された一定値変化する毎に、画像化開始用トリガ信号を発生させて信号発生部２０に出力している。

表示装置２６は、トリガ信号の発生に対応して生成された複数の画像情報を統合した画像情報を信号処理部２４から受信する一方、位置変換回路２７からの受信信号（前記トリガ信号発生時の超音波トランスジューサ１６の移動距離、移動方向、移動方向に対する傾きの位置変換信号）に基づき両信号を結合させることにより、超音波プローブ装置１２が所要位置をとるときの検査対象物１４の内部検査を可視化した超音波画像として一体表示することができる。

位置変換回路２７は、具体的には、図２に示すように回路構成される。位置変換回路２７は、図２では装置本体１１内に備えた例を示したが、プローブホルダ３０内に備えて超音波プローブ装置１２を構成してもよい。超音波プローブ装置１２は光学位置検出装置１７の２つの位置検出器４５，４５から出力される２つの位置検出情報の垂直成分および水平成分毎の差分をとるベクトル差分演算回路４７と、このベクトル差分演算回路４７の出力（差分信号ｄ）から移動距離を検出し、信号発生部２０にトリガ信号ｃを、また表示装置２６に位置情報信号ｂ_１をそれぞれ出力する移動距離検出回路４８と、ベクトル差分演算回路４７の出力（差分信号ｄ）から移動方向と傾きを検出し、移動方向と傾きの位置情報信号ｂ_２を表示装置２６に出力する移動方向・傾き検出回路４９とを有する。

位置変換回路２７は、超音波プローブ装置１２のプローブ移動に伴って、光学位置検出装置１７の光撮像素子４４，４４の位置変化に伴ない、超音波トランスジューサ１６の基準位置（初期位置）からの移動量、移動方向およびその傾きの位置変化情報を検出し、表示装置２６に位置変換信号ｂを出力したり、信号発生部２０に画像化開始用トリガ信号ｃを出力するものである。

具体的には、位置変換回路４８のベクトル差分演算回路４７に、光学位置検出装置１７の２つの光撮像素子４４，４４の位置が、位置検出器４５，４５で検出されて一定周期で入力される。ベクトル差分演算回路４７に入力される光撮像素子４４，４４の位置検出情報は、水平方向および垂直方向のＸ，Ｙの２成分からなる。

水平方向をＸ、垂直方向をＹとすると、光学位置検出装置１７の２つの光撮像素子４４，４４の前回入力周期の位置がＸＹ座標で図３（Ａ）に示すように、（ｘ_１，ｙ_１）、（ｘ_２，ｙ_２）であり、今回入力周期位置が図３（Ｂ）に示すように（ｘ_１′，ｙ_１′）、（ｘ_２′，ｙ_２′）であるとする。２つの光撮像素子４４，４４間の距離は１で既知である。

ベクトル差分演算回路４７は、光撮像素子４４，４４毎に前回と今回の差分をＸ成分、Ｙ成分毎に求める。このＸ成分、Ｙ成分の差分は、
光学位置検出手段４１Ａの光撮像素子４４のＸ方向差分：ｘ_１′−ｘ_１
光学位置検出手段４１Ａの光撮像素子４４のＹ方向差分：ｙ_１′−ｙ_１
光学位置検出手段４１Ｂの光撮像素子４４のＸ方向差分：ｘ_２′−ｘ_２
光学位置検出手段４１Ｂの光撮像素子４４のＹ方向差分：ｙ_２′−ｙ_２
で表わされる。

移動距離検出回路４８は、光学位置検出手段４１Ａおよび４１Ｂの各光撮像素子４４，４４のＸ成分、Ｙ成分をもとに移動距離を算出する。超音波プローブ装置１２のプローブ中心位置、ひいては超音波トランスジューサ１６の中心位置の移動量（以下、プローブ移動量という。）を検出する場合は、次の算出方法によりプローブ移動量を算出する。

移動距離検出回路４８は、ベクトル差分演算回路４７の入力周期に同期させてプローブ移動量の演算を行ない、この演算結果をＸＹ成分毎に積分してプローブ移動開始時点からの移動距離を求め、この移動距離をプローブ移動量として表示装置２６に出力する。プローブ移動量の算出方法は、ＸＹ座標以外にも、極座標を用いたり、種々の方法がある。

移動距離検出回路４８から信号発生部２０に出力されるトリガ信号ｃは、プローブ移動量が予め設定したトリガ間隔距離、例えば１ｍｍ、５ｍｍ等の距離の倍数に達した時点で出力する。

一方、位置変換回路２７の移動方向、傾き検出回路４９は、光学位置検出装置１７の２つの光撮像素子４４，４４のＸ方向成分およびＹ方向成分をもとに超音波プローブ装置１２の移動量と傾きを算出する。

光学位置検出装置１７の２つの光撮像素子４４，４４の中心間距離を１としたとき、超音波プローブ装置１２の移動方向（以下、プローブ移動方向という。）は、

プローブ移動方向の算出では、垂直方向（Ｙ方向）の移動方向は角度０°、このときの傾きも０°としている。移動方向、傾き検出回路４９は、ベクトル差分演算回路４７の入力周期に同期させてプローブ移動方向の演算を行ない、この演算結果を表示装置２６に出力し、表示装置２６で表示するようになっている。

この実施形態に示された超音波検査装置１０においては、装置本体１１から超音波プローブ装置１２を可撓性の信号ケーブル１３を介して電気的に接続し、超音波検査装置１０をポータブルタイプで携帯式とし、しかも、超音波プローブ装置１２は手の平サイズのプローブホルダ３０内に超音波トランスジューサ１６と光学位置検出装置１７を一体的に収納したので、超音波プローブ装置１２を検査対象物１４の表面に沿って手軽かつ容易に手動操作させることができる。

しかも、光学位置検出装置１７は、超音波プローブ装置１２の手動操作時に、検査対象物１４の検査対象表面に接触しない非接触式としたので、光学位置検出装置１７のメンテナンスや検査が不要となり、メンテナンスフリーとすることができる。

また、超音波トランスジューサ１６は、多数の圧電振動子３１をマトリクス状あるいはアレイ状に配列して圧電変換部３２を構成し、超音波トランスジューサ１６に非接触方式の光学式の位置検出装置１７を一体的にプローブホルダ３０に組み付けて超音波プローブ装置１２を構成したので、検査員が超音波プローブ装置１２を検査対象物１４の表面上で手動操作するだけで、フィールドや製造工程等の現場において、検査対象物１４の内部状態を、簡単かつ手軽に超音波探傷検査することができる。

図４は、本発明に係る超音波検査装置の第２実施形態を示す簡略的な全体構成図である。

この実施形態に示された超音波検査装置１０Ａは、超音波プローブ装置１２Ａのプローブホルダ３０に、機械式の位置検出装置５０を一体的に組み付けたものであり、他の構成および作用は、第１実施形態に示された超音波検査装置１０と異ならないので、同じ構成には同一符号を付して詳細な説明を省略する。

第２実施形態に示された超音波検査装置１０Ａは、超音波プローブ装置１２Ａのプローブホルダ３０内に、超音波トランスジューサ１６と機械式位置検出装置５０とを一体的に組み付けたものである。

機械式位置検出装置５０は、超音波トランスジューサ１６側、具体的には、音響伝播媒体としてのシュー部材２１の一側部に車輪５１を備えた回転軸５２を軸支し、この回転軸５２を動力伝達機構５３を介してエンコーダ５４の入力軸５５に連結し、エンコーダ５４にて車輪５１の回転量、ひいては超音波プローブ装置１２Ａの移動量を検出し、その検出信号ａ_１を位置変換回路２７に出力するようにしたものである。

動力伝達機構５３は、例えば回転軸５２に回転一体に設けられたピニオン５７とこのピニオン５７に噛み合うギア５８とから構成されるギア機構であり、ギア５８はエンコーダ５４の入力軸５５に回転一体に設けられる。

図４に示された超音波検査装置１０Ａは、ポータブルタイプの携帯式検査装置であり、装置本体１１に可撓性の信号ケーブル１３を介して接続される超音波プローブ装置１２Ａは、好適な一例としては手の平サイズで、例えば１ｋｇ以下、より好適には７００ｇ程度の重量を有する。

超音波プローブ装置１２Ａはボックス状のプローブホルダ３０内に超音波トランスジューサ１６と機械式位置検出装置５０が一体的に設けられる。超音波トランスジューサ１６は機械式位置検出装置５０と一体的に組み付けられる。

機械式位置検出装置５０の車輪５１は、超音波プローブ装置１２Ａのプローブホルダ３０を把持し、超音波トランスジューサ１６を検査対象物１４の表面にカップラント３４を介した状態で手動走査させることにより、車輪５１は移動量に応じて回転し、その回転量は動力伝達機構５３を介してエンコーダ５４に伝達される。

エンコーダ５４は回転数に比例したパルス信号を位置変換回路２７に出力し、この位置変換回路２７で超音波プローブ装置１２Ａ、ひいては超音波トランスジューサ１６の移動量に変換される。この移動量はプローブ移動量に相当し、変換された位置信号ｂを表示装置２６に送出するとともに、画像化開始用トリガ信号ｃを予め設定された一定移動量毎に発生させて信号発生部２０に送出している。

表示装置２６は、位置変換回路２７からの位置信号ｂと、信号処理部２４からの複数の画像情報を結合した超音波画像信号とを結合させ、位置変換回路２７から受信したトリガ信号発生時の超音波トランスジューサ１６からの超音波エコー信号に基づき、タイミングをとって一体の超音波画像として表示している。

この実施形態に表わされた超音波検査装置１０Ａにおいては、装置本体１１から超音波プローブ装置１２Ａを可撓性の信号ケーブル１３を介して電気的に接続し、超音波検査装置１０Ａをポータブルタイプで携帯式としたものである。しかも、超音波プローブ装置１２Ａは手の平サイズのプローブホルダ３０内に超音波トランスジューサ１６と機械式位置検出装置５０を一体的に収納したので、超音波プローブ装置１２を検査対象物１４の表面に沿って手軽かつ容易に手動操作させることができる。

また、超音波トランスジューサ１６は、多数の圧電振動子３１をマトリクス状あるいはアレイ状に配列して圧電変換部３２を構成し、超音波トランスジューサ１６に機械式位置検出装置５０を一体的にプローブホルダ３０に組み付けて超音波プローブ装置１２Ａを構成したので、検査員が超音波プローブ装置１２を検査対象物１４の表面上でリニア的に手動操作するだけで、フィールドや製造工程等の現場において、検査対象物１４の内部状態を、簡単かつ手軽に超音波探傷検査することができる。

また、図４に示された超音波検査装置１０Ａにおいて、超音波プローブ装置１２Ａを２次元的に平面操作するために、超音波トランスジューサ１６のシュー部材３３の直交する２側面に機械式位置検出装置１０Ａをそれぞれ設けてもよい。

さらに、本発明の実施形態においては、超音波プローブ装置に超音波トランスジューサとともに光学位置検出装置あるいは機械式位置検出装置を備えた例を示したが、この光学位置検出装置あるいは機械式位置検出装置に代えてパーソナルコンピュータ（パソコン）のマウスに設けられたポールやレーザポインタを超音波プローブ装置に組み込み、プローブ移動量、移動方向を２次元的に検出できる位置検出装置としてもよい。

さらにまた、本発明の実施形態においては、プローブホルダ内に光学あるいは機械式位置検出装置を組み付けた例を示したが、位置検出装置はプローブホルダに外付けで設けてもよい。

本発明に係る超音波検査装置の第１実施形態を示す全体構成図。 本発明の超音波検査装置に備えられる超音波プローブ装置の構成例を示す図。 （Ａ）および（Ｂ）は超音波プローブ装置に備えられる光撮像素子の位置関係からプローブ移動量を説明する補足図。 本発明に係る超音波検査装置の第２実施形態を示す全体構成図。

符号の説明

１０ 超音波検査装置
１１ 装置本体
１２ 超音波プローブ装置
１３ 信号ケーブル
１４ 検査対象物
１６ 超音波トランスジューサ
２０ 信号発生部
２１ 駆動素子選択部
２２ 検査領域
２３ 信号検出回路
２４ 信号処理部
２５ 内部欠陥
２６ 表示装置
２７ 位置変換回路
３０ プローブホルダ
３１ 圧電振動子（圧電変換素子）
３２ 圧電変換部
３３ シュー部材（音響伝播媒体）
３４ カップラント
３６ 増幅回路
３６ａ，３６ｂ，…３６ｉ 増幅器
３７ａ，３７ｂ，…３７ｉ Ａ／Ｄ変換器
３８ａ，３８ｂ，…３８ｉ 並列プロセッサ
３９ 統合プロセッサ
４１Ａ，４１Ｂ 光学位置検出手段
４３ 光源
４４ 光撮像素子
４５ 位置検出器（位置検出回路）
４７ ベクトル差分演算回路
４８ 移動距離検出回路
４９ 移動方向・傾き検出回路
５０ 機械式位置検出装置
５１ 車輪
５２ 回転軸
５３ 動力伝達機構（ギア機構）
５４ エンコーダ
５５ 入力軸
５７ ピニオン
５８ ギア

Claims (11)

1. 複数の圧電振動子からなる超音波トランスジューサおよび位置検出装置を備えた超音波プローブ装置と、
   この超音波プローブ装置に備えられた超音波トランスジューサの複数の圧電振動子に接続され、信号発生部からの駆動信号により、所要の圧電振動子を選択する駆動素子選択部と、
   この駆動素子選択部に選択された圧電振動子から発振される超音波を音響伝播媒体を介して検査対象物に入射させ、その反射エコーを受信し、反射エコーの電気信号を信号ケーブルを介して検出する信号検出回路と、
   検出された反射エコーの電気信号を並列演算処理により、検査対象物の内部の３次元画像化データを生成する信号処理部と、
   前記位置検出装置で検出された位置検出信号に基づき、画像化開始のトリガ信号を前記信号発生部に出力する位置変換回路と、
   この位置変換回路から取り込んだ超音波トランスジューサの位置信号と前記信号処理部から取り込んだ複数の画像データを結合して一体化した画像化結果を表示する表示装置とを備えることを特徴とする超音波検査装置。
2. 前記超音波プローブ装置は超音波検査装置の装置本体に可撓性の信号ケーブルを介して接続される一方、
   前記超音波プローブ装置は、プローブホルダに超音波トランスジューサおよび非接触式光学位置検出装置を一体的に組み付けて構成した請求項１に記載の超音波検査装置。
3. 前記光学位置検出装置は、２個１組の光学位置検出手段を備え、上記各光学位置検出手段は、検査対象物の表面を可視化する光源と、光源から照射された照射光の検査対象物表面からの反射光を受光する受光部と、この受光部で検出された位置検出信号を、画像化開始用トリガ信号を生成する位置変換回路に出力する位置検出器とをそれぞれ備える請求項２に記載の超音波検査装置。
4. 前記超音波プローブ装置は、超音波検査装置の装置本体と可撓性の信号ケーブルを介して接続される一方、
   前記超音波プローブ装置は、プローブホルダに超音波トランスジューサおよび機械式位置検出装置を一体的に組み付けて構成した請求項１に記載の超音波検査装置。
5. 前記機械式位置検出装置は、超音波トランスジューサ側の一側面あるいは直交する２側面にそれぞれ設けられた請求項４に記載の超音波検査装置。
6. 前記機械式位置検出装置は、超音波トランスジューサ側の側方に一体的に設けられ、検査対象物の表面上を転動する車輪と、この車輪の回転量を検出するエンコーダとを備える請求項４または５に記載の超音波検査装置。
7. 超音波検査装置の装置本体に可撓性の信号ケーブルを介して接続される超音波プローブ装置において、
   ボックス状のプローブホルダと、
   このプローブホルダに組み込まれた複数の圧電振動子を有する超音波トランスジューサと、
   この超音波トランスジューサと一体的に設けられた超音波トランスジューサの位置検出装置とを有し、
   前記超音波トランスジューサおよび位置検出装置はプローブホルダ内に一体的に組み付けられたことを特徴とする超音波プローブ装置。
8. 前記位置検出装置は、少なくとも２個で１組の光学位置検出手段を備えた光学式であり、この光学位置検出装置は、プローブホルダを検査対象物の表面に設置したとき、検査対象物の表面から非接触状態に保持される請求項７に記載の超音波プローブ装置。
9. 前記光学位置検出装置は、少なくとも２個で１組の光学位置検出手段を備え、各光学位置検出手段は、検査対象物の表面を可視化する光源と、この光源からの照射される照射光の反射光を検出する受光部と、この受光部で検出された位置検出信号を位置変換回路に出力する位置検出器とを有する請求項８に記載の超音波プローブ装置。
10. 前記位置検出装置は、超音波トランスジューサ側の一側面あるいは直交する二側面に設けられる機械式位置検出装置である請求項７に記載の超音波プローブ装置。
11. 前記機械式位置検出装置は、超音波トランスジューサ側の側方に一体的に設けられ、検査対象物の表面上を転動する車輪と、この車輪の回転量を検出するエンコーダとを備える請求項１０に記載の超音波プローブ装置。

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