JP2010197268A - ３次元超音波探傷装置及び３次元超音波探傷方法 - Google Patents

Abstract

【課題】き裂等の欠陥のサイジング作業において、エコー間の距離を３次元的に容易に測定することができるようにした３次元超音波探傷装置及び３次元超音波探傷方法を提供することにある。
【解決手段】超音波センサ１０１は、検査対象１００に超音波を送信し、また、検査対象から現れる反射波を検知すると共に、複数の圧電振動子を備える。３次元表示部１０３には、検査対象の３次元形状データを３次元探傷データとを重ねて表示する。計算機１０２Ａは、３次元表示部１０３Ｃにおいて指定した二点間を結ぶ直線を３次元表示部１０３Ｃに表示し、同時に、二点間の距離も３次元表示部１０３Ｃに出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、非破壊検査技法の一種である超音波探傷装置及び超音波探傷方法に係り、特に、アレイ型超音波センサを使用した３次元超音波探傷装置及び３次元超音波探傷方法に関する。

近年、各種構造材などを検査対象とした超音波探傷法として、フェーズドアレイ法に代表されるように、検査対象内部を高精度に短時間で画像化して検査する探傷方法が開発されている（例えば、非特許文献１参照）。

フェーズドアレイ法は、圧電振動素子を複数個配列した、いわゆるアレイ型超音波センサを使用し、各圧電振動素子から送信される超音波の波面が干渉し合成波面を形成して伝播していくという原理に基づいたものである。従って、各圧電振動素子の超音波送信タイミングを遅延時間で制御し、それぞれのタイミングをずらすことで、超音波の入射角度が制御でき、超音波を集束させることができる。

また、超音波の受信に際しても、各圧電振動素子で受信した反射超音波を遅延時間に応じて、ずらして加算することで、送信時と同様、超音波の受信入射角度を制御したり、焦点を合わせて超音波を受信したりすることができる。

フェーズドアレイ法としては、圧電振動素子が直線的に並んだ１次元アレイセンサを用い、超音波の送信と受信方向を併進的に走査（スキャン）するリニアスキャン方式や、送信と受信方向を入射点を中心に扇状に変化させるセクタスキャン方式が一般的に知られている。また、圧電振動子が格子状に並んだ２次元アレイセンサを用いると、３次元的に任意の空間位置に焦点を合わせることができ、より検査対象の形状に合ったスキャン方式が可能となる。特に３次元的なスキャンの場合は、センサを動かすことなく超音波を高速にスキャンしたり、超音波の入射角度や集束深さの位置を任意に制御することができ、高速かつ高精度の検査が可能な技術である。

現状では、反射超音波信号から反射源の空間的な位置を特定するためには、切断位置の異なる複数の反射強度分布の２次元画像から推定する方法（以下、２次元フェーズドアレイ法）が一般的である。例えば、リニアスキャンやセクタスキャンの場合には、スキャンの範囲とピッチに対応した複数の２次元画像が取得できるため、表示画面上で順次画像を切り替えることで、反射波が出現する方向を特定することができる。

最近は、複数の方向からの反射超音波信号に内挿処理などを施して３次元格子状のデータを作成し、これをボリュームレンダリングやサーフェスレンダリングといった手法で立体表示する方法（以下、３次元超音波探傷法）が報告されている。３次元格子状のデータを作成する方法は開口合成法やフェーズドアレイ法などいつかあるが、特にフェーズドアレイ法を用いた方法を、ここでは３次元フェーズドアレイ法と呼ぶ（例えば、非特許文献２参照）。３次元格子状のデータとしては、ボクセルと呼ばれる複数の要素立方体を３次元的に配列させたデータ構造が扱いも容易であることから、最も用いられている。これは構造格子とも呼ばれる。ボクセルの他にも、空間的に格子配列の位置が規則正しく並んでいない格子が用いられることもあるが、ボクセルに比べ表示方法がやや難しい。これらは非構造格子と呼ばれ、代表的なものとしては、六面体格子、四面体格子、三角柱（プリズム）格子、四角錐（ピラミッド）格子が挙げられる。また、格子状のデータに変換せずに３次元的な点群として表示する方法もある。これらは、いずれも３次元探傷データとして計算機のメモリ上に保存しているため、測定後に検査者が任意の方向から確認することができる。

一方、近年はこれらのフェーズドアレイ法を用いたきずの寸法測定（サイジング）が産業分野で注目されている。特に、原子力分野においては、国内軽水型原子力発電設備の健全性評価の基準となっている社団法人日本電気協会の技術指針JEAC4207-2004に、炭素鋼及びステンレス鋼の疲労き裂とステンレス鋼の応力腐食割れ（ＳＣＣ）のき裂高さサイジングの一手法として、フェーズドアレイ法が規定された。現時点では、本指針は同技術規定JEAG4207-2008に引き継がれ、き裂高さのサイジング法としてだけではなく、き裂かどうかの確認手法としてもフェーズドアレイの適用範囲が拡大されている（例えば、非特許文献１参照）。

きず（き裂）の高さを測定する場合、２次元フェーズドアレイ法では、きずの端部エコーを含むセクタスキャンまたはリニアスキャン画像を用いて行っている。この際、測定および解析の手順を定めて実施しなくてはならなず、きずを付与した試験片を用いて手順の妥当性を確認することが推奨されている。これらは、日本非破壊検査協会規格(NDIS)2418により、端部エコー法によるきず高さの測定方法として規定されている（例えば、非特許文献３参照）。

しかしながら、２次元フェーズドアレイ法では、きずの上端部および下端部に対応するエコー（以下、上端エコー及び下端エコー）が同一画面に含まれている必要がある。そのため、きずの方向に合わせてセンサ位置や超音波の入射角度を細かく調整する必要があり、作業に手間を要する上、ある程度の経験が必要である。また、きずの形状が同一平面内に含まれる場合は、このように上端エコーおよび下端エコーが良好に表示される画像を探し出して測定すればよいが、例えばＳＣＣのようにきずの形状が枝分かれしていて複雑な場合は、必ずしも同一平面内にきずの形状が含まれるとは限らない。このような場合には、２次元フェーズドアレイ法では正確なきず高さを測定することはできない。

このような場合には、３次元超音波探傷法を使うと非常に有効である。まだ報告されている例は多くないが、３次元超音波探傷法を使ったサイジング方法が考案されている。例えば非特許文献４の場合は、複数回の探傷によって得られた測定データ点を、点群として画面上に表示し、任意の断面で切断表示し、画面上で計算機のマウスやキーボードからの入力によって、例えば上端エコーと下端エコーに相当する二点を指定すると、その二点間の距離が出力されるものである。３次元超音波探傷法を使った場合は、２次元フェーズドアレイ法のように、データ収録時に上端エコーと下端エコーが同時に含まれる画面を探し出す必要が無く、あらかじめ定めた探傷範囲に対し一連のデータ収録を終えた後で、該当する切断面を探し出せばよいため、作業が非常に効率的になるという利点がある。

横野泰和："フェーズドアレイUTの適用事例及び標準化の世界的動向"、非破壊検査、56、510 (2008) 馬場淳史、北澤聡、河野尚幸、安達裕二、小田倉満、菊池修："３次元超音波探傷システム「3D Focus-UT」の開発"、日本保全学会 第５回学術講演会 要旨集、155 ( 2008) 社団法人 日本非破壊検査協会 NDIS2418:2005、21頁 Potts, A. ; McNab, A.; Reilly, D.; Toft, M., "Presentation and analysis enhancements of the NDT Workbench a software package for ultrasonic NDT data", REVIEW OF PROGRESS IN QUANTITATIVE NONDESTRUCTIVE EVALUATION: Volume 19. AIP Conference Proceedings, Volume 509, pp. 741-748 (2000).

しかしながら、従来の３次元超音波探傷法を使った欠陥のサイジング方法では、画面上において上端エコーと下端エコーを含む切断面を探し出し、指定する作業は容易ではなく、ある程度の手間を要する。また、どの切断面を観察しているかを把握するためには、常に３次元の表示画面と断層画面を見比べて確認する必要があった。更に、位置の異なるエコーの組み合わせで複数の計測を行いたい場合には、それぞれの組み合わせに対応した複数の切断面を探し出す必要があり、作業が煩雑になるという問題点があった。

本発明の目的は、き裂等の欠陥のサイジング作業において、エコー間の距離を３次元的に容易に測定することができる３次元超音波探傷装置及び３次元超音波探傷方法を提供することにある。

（１） 上記目的を達成するために、本発明は、複数の圧電振動子を備えた超音波センサと、該超音波センサの各圧電振動子に送信信号を供給するパルサーと、前記超音波センサの各圧電振動子素子から受信信号を入力するレシーバと、前記超音波センサで受信した超音波波形を収録するデータ収録部と、該データ収録部で収録した波形から３次元探傷データを生成する画像処理用の計算機と、該計算機により生成された前記３次元探傷データを表示する３次元表示部とを備え、前記計算機は、前記３次元表示部において指定した二点間の距離を出力するようにしたものである。
かかる構成により、き裂等の欠陥のサイジング作業において、エコー間の距離を３次元的に容易に測定することができるものとなる。

（２） 上記（１）において、好ましくは、前記計算機は、前記３次元表示部に、前記３次元探傷データと重ねて３次元形状データを表示するようにしたものである。

（３） 上記（１）において、好ましくは、前記３次元表示部において指定した二点が、前記３次元探傷データ上で反射超音波信号に起因するエコーを構成する点である。

（４） 上記（３）において、好ましくは、前記反射超音波信号に起因するエコーを構成する点は、前記３次元表示部において指定した３次元領域に含まれるとともに、前記エコーの信号値が最大を示す点である。

（５） 上記（１）において、好ましくは、前記３次元表示部において指定した二点の内、一点は、超音波入射点、若しくは、前記３次元形状データを構成する点である。

（６） 上記（１）において、好ましくは、前記計算機は、前記３次元表示部において指定した二点間の距離を、前記３次元表示部に表示するようにしたものである。

（７） 上記（１）において、好ましくは、前記計算機は、前記３次元表示部において指定した二点間を結ぶ直線を、前記３次元表示部に表示するようにしたものである。

（８） 上記（１）において、好ましくは、前記計算機は、超音波入射点に対する、前記３次元表示部において指定した点の相対的な位置を、角度と距離を用いて出力するようにしたものである。

（９）また、上記目的を達成するために、本発明は、複数の圧電振動子を備えた超音波センサを用いて、検査対象に超音波を送信し、また、検査対象からの反射波により、前記検査対象の内部を検査する３次元超音波探傷方法であって、前記３次元表示部で指定した二点間の距離から反射超音波信号に起因する二つのエコー間の距離を計測するようにしたものである。
かかる方法により、き裂等の欠陥のサイジング作業において、エコー間の距離を３次元的に容易に測定することができるものとなる。

（１０） 上記（９）において、好ましくは、前記３次元表示部で指定した点から、反射超音波信号に起因するエコーの、超音波入射点に対する相対的な位置を、角度と距離を用いて出力するようにしたものである。

本発明によれば、き裂等の欠陥のサイジング作業において、エコー間の距離を３次元的に容易に測定することができる。

本発明の一実施形態による３次元超音波探傷装置の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による３次元超音波探傷装置における３次元表示画面の表示例の説明図である。 本発明の一実施形態による３次元超音波探傷装置における３次元スキャン方法の一例の説明図である。 本発明の一実施形態による３次元超音波探傷装置における３次元スキャン方法で得られた探傷結果の２次元表示画面の表示例の説明図である。 本発明の一実施形態による３次元超音波探傷装置における３次元スキャン方法で得られた探傷結果の３次元表示画面の表示例の説明図である。 本発明の一実施形態による３次元超音波探傷装置における３次元スキャン方法の他の方式の説明図である。 本発明の一実施形態による３次元超音波探傷装置におけるき裂のサイジング方法の処理内容を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態による３次元超音波探傷装置におけるき裂のサイジング方法の処理内容を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態による３次元超音波探傷装置において、３次元表示画面で点を選択する方法の説明図である。 本発明の一実施形態による３次元超音波探傷装置において、３次元表示画面でエコーの最大値を持つ点を選択する方法の説明図である。 本発明の一実施形態による３次元超音波探傷装置において、３次元表示画面に対する直線状の３次元スケールの表示例の説明図である。 本発明の一実施形態による３次元超音波探傷装置において、き裂以外を基準とした位置に関する情報の表示例の説明図である。 本発明の一実施形態に用いる３次元超音波探傷装置の他の構成を示すブロック図である。

以下、図１〜図１２を用いて、本発明の一実施形態による３次元超音波探傷装置の構成及び動作について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による３次元超音波探傷装置の構成について説明する。
図１は、本発明の一実施形態による３次元超音波探傷装置の構成を示すブロック図である。

本実施形態の３次元超音波探傷装置は、検査対象１００に超音波を入射するアレイ型超音波センサ１０１、送・受信部１０２と、受信信号及び探傷画像を表示する表示部１０３で構成されている。

アレイ型超音波センサ１０１は、図示のように、基本的には超音波を発生し受信する複数個の圧電振動素子１０４で構成される。アレイ型超音波センサ１０１は、検査対象１００の探傷面に設置される。アレイ型超音波センサ１０１は、送・受信部１０２から供給される駆動信号により超音波ビーム１０５を発生し、これを検査対象１００内に伝播させ、これにより現れる反射波を検知して受信信号を送・受信部１０２に入力する。

送・受信部１０２は、アレイ型超音波センサ１０１により超音波の送信と受信を行うもので、計算機１０２Ａと、遅延時間制御部１０２Ｂ１と、パルサー１０２Ｃと、レシーバ１０２Ｄと、データ収録部１０２Ｅを備える。送・受信部１０２は、パルサー１０２Ｃが駆動信号をアレイ型超音波センサ１０１に供給し、また、アレイ型超音波センサ１０１から入力する受信信号をレシーバ１０２Ｄが処理する。

計算機１０２Ａは、基本的には、ＣＰＵ１０２Ａ１と、ＲＡＭ１０２Ａ２と、ＲＯＭ１０２Ａ３と、外部メモリ１０２Ａ４より構成されている。ＲＯＭ１０２Ａ３には、ＣＰＵ１０２Ａ１を制御するプログラムが書き込まれている。ＣＰＵ１０２Ａ１は、このプログラムに従ってデータ収録部１０２Ｅから必要とされる外部データを読込んだり、ＲＡＭ１０２Ａ２や外部メモリ１０２Ａ４との間でデータの授受を行ったりしながら演算処理し、必要に応じて処理したデータをデータ収録部１０２Ｅに出力する。

また、ＣＰＵ１０２Ａ１は、遅延時間制御部１０２Ｂと、パルサー１０２Ｃと、レシーバ１０２Ｄとを制御し、必要な動作が得られるようにする。遅延時間制御部１０２Ｂは、パルサー１０２Ｃから出力される駆動信号のタイミングと、レシーバ１０２Ｄによる受信信号の入力タイミングの双方を制御し、これによりフェーズドアレイ方式によるアレイ型超音波センサ１０１の動作が得られるようにする。

ここにいうフェーズドアレイ方式によるアレイ型超音波センサ１０１の動作とは、アレイ型超音波センサ１０１の各圧電振動子から遅延時間に応じて送信される超音波を合成することにより形成される超音波ビーム１０５の焦点深さ１０７と入射角度１０６を制御し、反射超音波を受信する動作のことであり、これによりレシーバ１０２Ｄからデータ収録部１０２Ｅに受信信号が供給されることになる。そこで、データ収録部１０２Ｅは、供給された受信信号を処理し、収録データとして収録すると同時に計算機１０２Ａにデータを送る。これにより、計算機１０２Ａは、各圧電振動素子で得られた波形を遅延時間に応じて合成処理し、各超音波の入射角度ごとの波形に適当な内挿処理を施し、ピクセル形式で代表される２次元正方格子を単位とした２次元探傷データや、ボクセル形式で代表される３次元立方格子を単位とした３次元探傷データを作成し、それを画像化し、表示部１０３に表示する動作を実行する。

表示部１０３は、２次元探傷データを表示する２次元表示画面１０３Ｂと、３次元探傷データを表示する３次元表示画面１０３Ｃと、および各圧電振動子の波形信号を表示する波形表示画面１０３Ａとを備えている。また、図１には表示部１０３は一つしか示していないが、波形表示画面１０３Ａと２次元表示画面１０３Ｂ、および、３次元表示画面１０３Ｃは、複数の表示部に分担させて表示してもよい。

ここで、図２を用いて、本実施形態による３次元超音波探傷装置における３次元表示画面１０３Ｃの表示例について説明する。
図２は、本発明の一実施形態による３次元超音波探傷装置における３次元表示画面の表示例の説明図である。

表示部１０３上の３次元表示画面１０３Ｃには、図２に示すように、３次元探傷データ２０１が表示されるが、このとき、計算機１０２Ａに接続されたマウス１０２Ｆやキーボード１０２Ｇを用いた入力により、任意の表示寸法で、任意の視点で表示することができる。このとき、表示寸法を変えるための拡大率は検査者がキーボード１０２Ｇから数値入力することもできる。表示色や透明度はボクセル格子単位で与えられるが、マウス１０２Ｆとキーボード１０２Ｇからの入力により表示色や透明度は反射強度に応じて変えることができる。表示色のカラーパターンは複数準備してあり、検査者が用途に応じて選択できる。

尚、これらの３次元描画アルゴリズムは、例えばグラフィックス・アプリケーション向けの業界標準のグラフィックス・アプリケーション・プログラミング・インタフェース（グラフィックスＡＰＩ）であるＯｐｅｎＧＬ（登録商標）やＤｉｒｅｃｔＸ（登録商標）に代表されるライブラリの中で実現されており、これらのグラフィックスＡＰＩをプログラム中で用いて、表示する物体の形状や視点、表示位置などの必要な情報を与えればディスプレイ上の任意の位置に、任意の視点で、任意の色、透明度、大きさで３次元形状を描画することが容易にできる。

また、３次元表示画面１０３Ｃには、検査対象１００の形状を表す３次元形状データ２０２が３次元探傷データ２０１と同時に表示される。３次元形状データ２０２は、計算機１０２Ａの外部から読込む。特に、検査対象１００のＣＡＤデータが存在している場合には、これを読込んで表示させることができる。ＣＡＤデータのフォーマットは、市販のＣＡＤソフトウェアで入出力可能なデータ形式となっている。例えば多くのＣＡＤソフトウエァで読込み・出力可能なＳＴＬ（Stereo LithographyまたはStandard Triangulated Languageの略）形式を使用する。ＳＴＬ形式は物体の表面を多数の三角形の集合で表現したものであり、ＳＴＬファイル内にはこれらの三角形の面法線ベクトルと３つの頂点の座標値が書き込まれている。グラフィックスＡＰＩを用いてＳＴＬ形式のファイルから３次元形状データ２０２を表示させることは、複数の直線や三角形を描画することで容易に実現できる。３次元形状データは図２のように輪郭のみを表示することも可能であるし、外面を塗りつぶして不透明、もしくは半透明な表示とすることも可能である。これらは三角形を描画する際に、グラフィックスＡＰＩに実装されている描画関数に与える透明度の値を変えることで容易に実現できる。これにより３次元形状データ２０２と３次元探傷データ２０１が重なっていても検査者が見易いような表示にすることができる。また、必要に応じて３次元形状データ２０２の表示・非表示を切り替えることもできる。

また、図には示していないが、複数の３次元形状データ２０２を同時に３次元表示画面１０３Ｃに表示することもできる。

選択された３次元形状データ２０２は、計算機１０２Ａに接続されたマウス１０２Ｆやキーボード１０２Ｇからの入力により、３次元探傷データ２０１とは独立して、それぞれ任意の視点で、任意の位置に、任意の寸法で表示することができる。

次に、図３〜図１２を用いて、本実施形態の３次元超音波探傷により、フェーズドアレイ法によって得られた探傷画像から検査対象の内部のき裂のサイジングを行う場合について説明する。
最初に、図３を用いて、本実施形態による３次元超音波探傷装置における３次元スキャン方法について説明する。
図３は、本発明の一実施形態による３次元超音波探傷装置における３次元スキャン方法の一例の説明図である。

図３は、３次元超音波探傷法の一つである３次元フェーズドアレイ法を用い、平板３０２の底面の発生部３０３Ｄから発生している、き裂３０３のサイジングを行う場合を示している。

ここでは、平板３０２として、主に金属を想定しているが、樹脂等の様々な材質に適用できる。き裂３０３は枝分かれしており、端部３０３Ａ、３０３Ｂ、３０３Ｃを有しているものとする。図３（Ａ）はき裂３０３の位置の鳥瞰図を示し、図３（Ｂ）は上面図を示し、図３（Ｃ）及び図３（Ｄ）は側面図を示している。また、ここでは、き裂３０３はＳＣＣ（応力腐食割れ）のような枝分かれしたものを想定しているが、特に枝分かれしていないき裂であってもよいものである。

図３（Ａ）に示すように、アレイ型超音波センサ１０１は、き裂３０３を探傷するのに好適な探傷面３０６に、適当なカップラント（超音波伝播媒体）を通して設置する。また、アレイ型超音波センサ１０１は、縦波発生用であっても、横波発生用であってもよく、さらに、探傷面３０６との間に適当なくさびを介して設置する場合もある。例えば、縦波発生用センサをくさびを介して設置し、横波を平板３０２に入射させる場合などである。

３次元的なスキャン方式は、遅延制御部１０２Ｂ１（図１）で制御する遅延時間パターンにより如何様にも設定できるが、ここでは２次元のセクタ面を１８０度回転させるスキャン方式（以下、セクタ回転スキャン方式）を例にとって説明する。

セクタ回転スキャン方式は、遅延時間を変化させるだけで、従来のセクタスキャンを適当な角度ピッチで、セクタの中心軸周りに回転させる方法である。セクタ回転スキャン方式では、アレイ型超音波センサ１０１を固定したままで、検査対象の内部を体積的にスキャンすることが可能である。

図３（Ａ）は、セクタ面を矢印Ｒ１の方向に回転させ、収録データとしてセクタ群３０１を取得している様子を示している。また、図３（Ｂ）は、上面から見た場合の複数のセクタ面の位置を一点鎖線で示している。図３（Ｂ）には、一例として、セクタの回転ピッチ７．５度で２４枚のセクタ面を図示しているが、図の見易さを考慮し、図３（Ａ）には一部のセクタのみを図示している。セクタを構成する超音波ビーム１０５の数と焦点深さ１０７、およびセクタの回転ピッチは、想定されるき裂３０３の寸法や、必要とされる空間分解能に応じて設定する。

次に、図４を用いて、本実施形態による３次元超音波探傷装置における３次元スキャン方法で得られた探傷結果の２次元表示画面の表示例について説明する。
図４は、本発明の一実施形態による３次元超音波探傷装置における３次元スキャン方法で得られた探傷結果の２次元表示画面の表示例の説明図である。

図３に示した、セクタ群３０１の各画像は、セクタ面を指定することにより２次元表示画面１０３Ｂに自由に表示させることが可能である。図３は、例えば、図３（Ｂ）に示した断面位置３０５のセクタ面４０４を選択して２次元表示画面１０３Ｂに表示した例を示している。点線４０５は、き裂３０３のセクタ面４０４への投影線であり、本実施形態の理解を容易にするために図示したものである。

セクタ面４０４には、図３に示したように、入射点４０６、およびき裂３０３の発生部３０３Ｄ、端部３０３Ａが含まれているため、発生部３０３Ｄでの反射に起因するエコー４０３Ｄと、端部３０３Ａでの反射に起因するエコー４０３Ａが表示されており、他の端部での反射に起因するエコーは表示されていない。また、入射点から真下に進んで平板３０２の底面での反射に起因する底面エコー４０３Ｅも表示される。図４に示してある輪郭線４０２は、平板３０２の輪郭線であり、外部から読み込んだ平板３０２のＣＡＤデータから計算されて２次元表示画面１０３Ｂに探傷結果と共に表示される。

次に、図５を用いて、本実施形態による３次元超音波探傷装置における３次元スキャン方法で得られた探傷結果の３次元表示画面の表示例について説明する。
図５は、本発明の一実施形態による３次元超音波探傷装置における３次元スキャン方法で得られた探傷結果の３次元表示画面の表示例の説明図である。

図５は、セクタ回転スキャン方式で取得した収録データから作成した３次元探傷データを３次元表示画面１０３Ｃに表示した例を示している。ここで、点線５０５は、き裂３０３の３次元形状であり、本実施形態の理解を容易にするために図示したものである。

ここで用いた収録データは、図３に示したき裂３０３の端部３０３Ａ、３０３Ｂ、３０３Ｃおよび発生部３０３Ｄを含む、もしくは、これらの近傍を通過する複数のセクタ面から構成されているため、３次元表示画面１０３Ｃには、端部３０３Ａ、３０３Ｂ、３０３Ｃ、発生部３０３Ｄでそれぞれ反射した超音波に起因するエコー５０３Ａ、５０３Ｂ、５０３Ｃ、５０３Ｄが表示される。また、図４同様に、底面エコー５０３Ｅも表示される。更に、外部から読み込んだアレイ型超音波センサ１０１のＣＡＤデータ５０１と、平板３０２のＣＡＤデータ５０２が探傷結果と共に表示される。

２次元フェーズドアレイ法では、図４に示したようなセクタ画像を一枚一枚確認しながら複数のエコー位置を特定しなくてはならないのに対し、３次元フェーズドアレイ法では、図５に示したような３次元画像から複数のエコーを一度に確認できるため、探傷作業が効率良く短時間で行える。

次に、図６を用いて、本実施形態による３次元超音波探傷装置における３次元スキャン方法の他方式について説明する。
図６は、本発明の一実施形態による３次元超音波探傷装置における３次元スキャン方法の他の方式の説明図である。

図６は、セクタ回転スキャン方式以外の代表的な３次元的なスキャン方式として、セクタ面を団扇の如く煽りながらデータを収集する方式（以下、セクタ煽りスキャン）の例を示している。図６は、セクタ煽りスキャンで、前述のき裂３０３を探傷している様子を示している。アレイ型超音波センサ１０１の設置に関しては、前述のセクタ回転スキャンの場合と同様である。

セクタ煽りスキャン方式は、遅延時間の設定により、従来のセクタスキャンを適当な角度ピッチで、超音波入射点を中心にセクタ面に垂直な方向に回転させる方法である。セクタ煽りスキャン方式によっても、アレイ型超音波センサ１０１を固定したままで、検査対象内部を体積的にスキャンすることが可能である。

図６は、セクタ面を矢印６０２の方向に煽り、収録データとしてセクタ群６０１を取得している様子を示している。セクタを構成する超音波ビーム１０５の数と焦点深さ１０７、およびセクタの煽り角のピッチは、想定されるき裂３０３の寸法や、必要とされる空間分解能に応じて設定する。

次に、図７〜図１２を用いて、本実施形態による３次元超音波探傷装置における３次元スキャン方法によって得られた３次元探傷データを用いて、き裂のサイジングを行う方法について説明する。
図７及び図８は、本発明の一実施形態による３次元超音波探傷装置におけるき裂のサイジング方法の処理内容を示すフローチャートである。図９は、本発明の一実施形態による３次元超音波探傷装置において、３次元表示画面で点を選択する方法の説明図である。図１０は、本発明の一実施形態による３次元超音波探傷装置において、３次元表示画面でエコーの最大値を持つ点を選択する方法の説明図である。図１１は、本発明の一実施形態による３次元超音波探傷装置において、３次元表示画面に対する直線状の３次元スケールの表示例の説明図である。

まず、図７のステップＳ１００において、操作者が、３次元表示画面上で、き裂発生部Ｄでの反射に起因するエコーを含む第一の立方体領域を指定する。

ここで、図９を用いて、本実施形態による３次元超音波探傷装置において、３次元表示画面で点を選択する方法について説明する。

図９は、き裂３０３を含んだ平板３０２の３次元探傷データが３次元表示画面１０３Ｃに表示されている例を示している。表示されている各エコーおよびＣＡＤデータは、図５にて説明したものと同様である。

ここで、き裂３０３の発生部３０３Ｄから、最もき裂３０３が進展している端部３０３Ａまでの距離を計測する場合について説明する。き裂の距離計測モードは、３次元表示画面１０３Ｃ上のボタンをマウス１０３Ｆでクリックする等して起動する。

図７のステップＳ１００では、３次元表示画面１０３Ｃ上で、発生部３０３Ｄでの反射に起因するエコー５０３Ｄを含む第一の立方体領域７０２を指定する。

次に、図７のステップＳ１００の詳細について、図８のフローチャート及び図１０を用いて説明する。

図８のステップＳ１０１において、検査者は、図１０（Ａ）に示すように、ある視線方向で表示された３次元表示画面上の点８０１をマウス１０２Ｆ（図１）で指定する。この際、点８０１を指定する位置は、選択したいエコー、すなわち図示の例では、エコー５０３Ｄの近傍に設定する。

同様に、ステップＳ１０２において、検査者は、マウス１０２Ｆで二点目として点８０２を指定する。この際、一点目と二点目を対角とする正方形８０３がエコー５０３Ｄを含むように二点目を指定する。

２点の位置が指定されると、ステップＳ１０３において、計算機１０２Ａ（図１）は、正方形８０３で構成される立方体領域７０２を決定する。ただし、視線に垂直な方向には空間位置が定まらないだめ、この段階では３次元探傷データの最も手前か奥の位置、またはその中間位置に設定される。

次に、ステップＳ１０４において、検査者は、マウス１０２Ｆで視線方向を変える。すなわち、図９に示す状態では、３次元形状データ５０２は、ｘ−ｚ平面が正面に来るように図示されている。これを、例えば、右側面から見た場所の表示に切り替える。具体的には、マウス１０２Ｆで３次元形状データ５０２の縦の辺をドラッグして、表示座標系のｚ軸周りに９０度回転させることで、ｙ−ｚ平面が正面を向くように視線を変えることができる。このとき、３次元形状データ５０２の代わりに、３次元探傷データ５０３Ａや５０３Ｅ等をドラッグしても表示座標系のｚ軸周りに９０度回転させることができる。３次元表示画面１０３Ｃにあらかじめｚ軸周りに９０度回転させるように設定されたボタンを表示させておき、この押しボタンをマウスでクリックすることで視線方向を変えても良い。

この状態で、ステップＳ１０５において、計算機１０２Ａは、再度、立方体領域７０２がエコー５０３Ｄを含んでいるかを確認する。立方体領域７０２は、３次元探傷データとは独立にマウス１０２Ｆで平行移動させることが可能である。

ステップＳ１０５の判定において、立法体領域７０２がエコー５０３Ｄを含んでいない場合には、ステップＳ１０６において、操作者は、立法体領域７０２を、エコー５０３Ｄが含まれるようにマウス１０２Ｆで移動させる。

そして、再度、ステップＳ１０４において、３次元表示の視線方向を変えて、同様の確認を繰り返す。通常、１〜２回この操作を繰り返すと、立法体領域７０２にエコー５０３Ｄが含まれるようになる。以上の操作により、第一の立法体領域７０２を指定する。

ここで、指定する３次元領域は立法体としているが、立法体以外の３次元領域、例えば、直方体や球などであってもよいものである。

次に、図７のステップＳ１１０において、計算機１０２Ａは、第一の立方体領域７０２に含まれるボクセルを選出する。

次に、ステップＳ１１５において、計算機１０２Ａは、第一の立方体領域７０２に含まれるボクセルの中で、最大値を持つボクセルを選出し、ステップＳ１２０において、計算機１０２Ａは、図８（Ｂ）に示すように、ボクセル８０４を画面上で確認できるような色で３次元表示画面１０３Ｃに表示する。

次に、ステップＳ１２５において、検査者は、点が所望の位置に表示されているかどうかを確認し、所望の位置で無い場合は、再度ステップＳ１００からステップ１１５までを繰り返す。

所望の位置である場合には、ステップＳ１３０において、計算機１０２Ａは、この点を第一のボクセル位置として決定する。

次に、ステップＳ１３５〜ステップＳ１６０において、検査者及び計算機１０２Ａは、３次元表示画面１０３Ｃ上で発生部３０３Ａでの反射に起因するエコー５０３Ａを含む第二の立方体領域７０１を指定する。第二の立方体領域７０１の指定方法および第二のボクセル位置の決定方法は、第一の立方体領域７０２の指定方法および第一のボクセル位置決定方法と同様である。

次に、ステップＳ１６５において、計算機１０２Ａは、第一のボクセル位置と第二のボクセル位置の座標値から、二点間の距離を算出する。

更に、ステップＳ１７０において、計算機１０２Ａは、第一のボクセル位置と第二のボクセル位置を結んだ直線状の３次元スケールを、画面上で確認できるような色で３次元表示画面に表示する。

すなわち、図１１に示すように、第一のボクセル位置と第二のボクセル位置を結んだ直線状の３次元スケール１１０１を、画面上で確認できるような色で３次元表示画面１０３Ｃに表示する。その際、二点間の距離Ｌ１も３次元スケールの近傍の表示部１１０２に表示される（例えば、図示のように、「３ｍｍ」とき列の二点間の距離表示される）。

ここで、３次元スケール１１０１の両端の点１１０３Ａおよび点１１０３Ｄは、マウス１０２Ｆでドラッグすることにより、表示されている視線方向に垂直な方向に、任意の位置に平行移動させることが可能であり、３次元スケール１１０１の設定位置の微調整をすることが可能である。また、点１１０３Ａまたは点１１０３Ｄを大きく移動させることにより、３次元スケール１１０１を他の部分の距離計測に適用することもできる。点１１０３Ａまたは点１１０３Ｄが移動した場合には、二点間を結ぶ直線だけではなく、二点間の距離の表示部１１０２の数値も対応して変わる。

また、３次元スケール１１０１を定義する点は、エコーに対応する点だけではなく、超音波入射点やＣＡＤデータ５０１、５０２で定義されている任意の点を用いることができるため、ボクセルデータで定義されている以外の二点間の距離計測を実行することも可能である。
これらの３次元描画処理は、前述の通り、例えば代表的なグラフィックスＡＰＩであるＯｐｅｎＧＬやＤｉｒｅｃｔＸで提供されているライブラリをプログラム中で用いることにより容易に実現できる。

以上のように、検査者は３次元表示画面１０３Ｃ上で３次元スケール１１０１を操作することにより、３次元探傷データを切断表示することなく、き裂３０３のサイジングはもちろんのこと、様々な位置の距離計測をすることができるため、計測作業が容易に効率良く実施できる。

ここで、図１２を用いて、本実施形態による３次元超音波探傷装置において、き裂以外を基準とした位置に関する情報の表示について説明する。
図１２は、本発明の一実施形態による３次元超音波探傷装置において、き裂以外を基準とした位置に関する情報の表示例の説明図である。図１２（Ａ）は図１１の上面図であり、図１２（Ｂ）は図１１の側面図である。

図１１に示した例では、３次元表示部において指定した二点として、き裂の両端の点１１０３Ａおよび点１１０３Ｄ指定し、それに対して３次元スケール１１０１を表示している。それに対して、３次元表示部において指定した二点の内の一点を、き裂以外の点として指定することができる。

第１の例としては、３次元表示部において指定した二点の内の一点として、超音波入射点を基準とした位置に関する情報を与える場合がある。以下、点１１０３Ａの場合で説明する。

３次元表示部において指定した二点の内の一点として、超音波入射点１２０４を指定する。指定の仕方は、図８及び図１０にて説明したように立方体表示により指定してもいいが、３次元表示画面１０３Ｃに「超音波入射点」の押しボタンを表示しておき、この押しボタンをマウスでクリックすることで、超音波入射点１２０４を指定することもできる。

二点が指定されると、図１２に示す探傷面３０６からの距離Ｌ２ｚが計算され、３次元表示画面１０３Ｃの端の適当な位置に表示される。もちろん別画面に表示されても構わない。これは、外部から読み込んだ平板３０２のＣＡＤデータ５０２で定義されている平面と、点１１０３Ａの距離を計算することで容易に実現できる。

更に、探傷面３０６に垂直な方向から見た時の、超音波入射点１２０４から点１１０３Ａまで結んだ直線を探傷面３０６に投影した距離Ｌ２ｘｙが計算される。これも、平板３０２のＣＡＤデータ５０２で定義されている平面の幾何情報と、点１１０３Ａおよび超音波入射点１２０４の座標値から容易に計算できる。

また、超音波入射点１２０４を原点とした座標系における点１１０３Ａの仰角θ２ｚおよび方位角θ２ｘｙが計算され、３次元表示画面１０３Ｃに表示される。この場合の座標軸は、一般的に、探傷面３０６の法線方向（一点鎖線）をｚ軸に設定する。ｘ軸およびｙ軸は検査対象に合わせて任意に設定して構わないが、検査対象の辺や側面などの特徴形状を基準とする。

３次元スケール１１０１のもう一方の端点である点１１０３Ｄに対しても、同様に距離、仰角、方位角をそれぞれ得ることができる。

第２の例としては、３次元表示部において指定した二点の内の一点として、３次元スケール１１０１の端点を基準とした位置に関する情報を与える場合がある。以下、３次元スケール１１０１の端点１２０６の場合で説明する。

３次元表示部において指定した二点の内の一点として、ＣＡＤデータ５０２の端点１２０６を指定する。指定の仕方は、図８及び図１０にて説明したように立方体表示により指定してもいいが、３次元表示画面１０３Ｃに「端点」の押しボタンを表示しておき、この押しボタンをマウスでクリックした上で、図９に示すＣＡＤデータ５０２の中で任意の端点付近を立方体表示により指定することで、端点１２０６を容易に指定することもできる。

二点が指定されると、図１２に示す端点１２０６からの距離Ｌ３ｘｙ，Ｌ３ｚが計算され、３次元表示画面１０３Ｃの端の適当な位置に表示される。もちろん別画面に表示されても構わない。これは、外部から読み込んだ平板３０２のＣＡＤデータ５０２で定義されている平面と、点１１０３Ｄの距離を計算することで容易に実現できる。

また、端点１２０６を原点とした座標系における点１１０３Ｄの方位角θ３ｘｙが計算され、３次元表示画面１０３Ｃに表示される。なお、この場合の仰角は０度である。

更に、検査者が３次元スケール１１０１の端点のいずれか、例えば点１１０３Ａを指定した後、３次元表示画面１０３Ｃ上のボタン等で指示することにより、２次元表示画面１０３Ｂには、計測データを構成する複数のセクタ面の内で、最も点１１０３Ａとの距離が小さいセクタ（例えば、４０４）が自動的に表示される。

次に、図１３を用いて、本発明の一実施形態に用いる３次元超音波探傷装置の他の構成について説明する。
図１３は、本発明の一実施形態に用いる３次元超音波探傷装置の他の構成を示すブロック図である。

図１に示した３次元超音波探傷装置は、フェーズドアレイ法によって３次元探傷データが得られるものであるが、本発明はフェーズドアレイ以外の方法によって得られた３次元探傷データにも適用できる。たとえば３次元探傷データが開口合成法によって得られた場合でも適用できる。

図１３は、３次元探傷データを開口合成法によって得る場合の３次元超音波探傷装置の構成を示している。

本例の３次元超音波探傷装置は、検査対象１００に超音波を入射するアレイ型超音波センサ１０１と、送・受信部１０２と、受信信号及び探傷画像を表示する表示部１０３とで構成されている。

アレイ型超音波センサ１０１は、図示のように、基本的には超音波を発生し受信する複数個の圧電振動素子１０４で構成され、検査対象１００の探傷面に設置された後、送・受信部１０２から供給される駆動信号により超音波１０５Ｂを発生し、これを検査対象１００内に伝播させ、これにより現れる反射波を検知して受信信号を送・受信部１０２に入力する働きをする。

アレイ型超音波センサ１０１の個々の圧電振動素子１０４は、駆動信号制御部１０２Ｂ２からパルサーを介して発せられる駆動信号により所要のタイミングで順次駆動され、圧電振動素子１０４から発生された超音波の反射波を、複数の圧電振動素子１０４で２次元的に受信し、受信信号は送・受信部１０２のレシーバ１０２Ｄに入力される。すなわち、アレイ型超音波センサ１０１の個々の圧電振動素子１０４は、圧電振動素子１０４の総数分の反射波をそれぞれ受信することになる。

レシーバ１０２Ｄに入力された信号は、順次、データ収録部１０２Ｅに収録データとして収録され、収録データを用いて計算機１０２Ａは各圧電振動素子１０４で得られた波形を開口合成によって３次元画像化処理し、表示部１０３に表示する。

計算機１０２Ａは、基本的にはＣＰＵ１０２Ａ１と、ＲＡＭ１０２Ａ２と、ＲＯＭ１０２Ａ３と、外部メモリ１０２Ａ４とから構成されている。ＲＯＭ１０２Ａ３にはＣＰＵ１０２Ａ１を制御するプログラムが書き込まれており、ＣＰＵ１０２Ａ１はこのプログラムに従ってデータ収録部１０２Ｅから必要とされる外部データを読込んだり、あるいは又ＲＡＭ１０２Ａ２との間でデータの授受を行ったりしながら演算処理し、必要に応じて処理したデータをデータ収録部１０２Ｅへ出力する。

計算機１０２Ａによる開口合成で生成された３次元探傷データ２０１を３次元形状データ２０２と共に表示し処理する方法、および探傷画像から検査対象内部のき裂のサイジングを行う方法は、前に説明した第１の実施形態で示した方法と同一の処理であるので、ここでの説明は省略する。

以上説明したように、本実施形態によれば、検査者は３次元表示画面上で３次元スケールを操作することにより、３次元探傷データを切断表示することなく、き裂のサイジングはもちろんのこと、様々な位置の距離計測をすることができるため、計測作業が容易に効率良く実施できる。

１００…検査対象
１０１…アレイ型超音波センサ
１０２…送・受信部
１０２Ａ…計算機
１０２Ａ１…ＣＰＵ
１０２Ａ２…ＲＡＭ
１０２Ａ３…ＲＯＭ
１０２Ａ４…外部メモリ
１０２Ｂ１…遅延時間制御部
１０２Ｂ２…駆動信号制御部
１０２Ｃ…パルサー
１０２Ｄ…レシーバ
１０２Ｅ…データ収録部
１０２Ｆ…マウス
１０２Ｇ…キーボード
１０３…表示部
１０３Ａ…波形表示部
１０３Ｂ…２次元表示画面
１０３Ｃ…３次元表示画面
１０４…圧電振動素子
１０５、１０５Ｂ…超音波
１０６…入射角度
２０１…３次元探傷データ
２０２…３次元形状データ
３０１…セクタ群
３０２…平板
３０３…き裂
３０３Ａ，３０３Ｂ，３０３Ｃ…端部
３０３Ｄ…発生部
３０４…矢印
３０５…断面位置
３０６…探傷面
４０２…輪郭線
４０３Ａ，４０３Ｄ，４０３Ｅ…エコー
４０４…セクタ面
４０５…点線
４０６…入射点
５０１…ＣＡＤデータ
５０２…ＣＡＤデータ
５０３Ａ，５０３Ｂ，５０３Ｃ，５０３Ｄ，５０３Ｅ…エコー
６０１…セクタ群
６０２…矢印
９０１，９０２…立方体領域
９０１，９０２…点
１００３…正方形
１００４…ボクセル
１１０１…３次元スケール
１１０３Ａ，１１０３Ｄ…点
１２０４…超音波入射点
１２０６…端点

Claims (10)

1. 複数の圧電振動子を備えた超音波センサと、
   該超音波センサの各圧電振動子に送信信号を供給するパルサーと、
   前記超音波センサの各圧電振動子素子から受信信号を入力するレシーバと、
   前記超音波センサで受信した超音波波形を収録するデータ収録部と、
   該データ収録部で収録した波形から３次元探傷データを生成する画像処理用の計算機と、
   該計算機により生成された前記３次元探傷データを表示する３次元表示部とを備え、
   前記計算機は、前記３次元表示部において指定した二点間の距離を出力することを特徴とする３次元超音波探傷装置。
2. 請求項１記載の３次元超音波探傷装置において、
   前記計算機は、前記３次元表示部に、前記３次元探傷データと重ねて３次元形状データを表示することを特徴とする３次元超音波探傷装置。
3. 請求項１記載の３次元超音波探傷装置において、
   前記３次元表示部において指定した二点が、前記３次元探傷データ上で反射超音波信号に起因するエコーを構成する点であることを特徴とする３次元超音波探傷装置。
4. 請求項３記載の３次元超音波探傷装置において、
   前記反射超音波信号に起因するエコーを構成する点は、前記３次元表示部において指定した３次元領域に含まれるとともに、前記エコーの信号値が最大を示す点であることを特徴とする３次元超音波探傷装置。
5. 請求項１記載の３次元超音波探傷装置において、
   前記３次元表示部において指定した二点の内、一点は、超音波入射点、若しくは、前記３次元形状データを構成する点であることを特徴とする３次元超音波探傷装置。
6. 請求項１記載の３次元超音波探傷装置において、
   前記計算機は、前記３次元表示部において指定した二点間の距離を、前記３次元表示部に表示することを特徴とする３次元超音波探傷装置。
7. 請求項１記載の３次元超音波探傷装置において、
   前記計算機は、前記３次元表示部において指定した二点間を結ぶ直線を、前記３次元表示部に表示することを特徴とする３次元超音波探傷装置。
8. 請求項１記載の３次元超音波探傷装置において、
   前記計算機は、超音波入射点に対する、前記３次元表示部において指定した点の相対的な位置を、角度と距離を用いて出力することを特徴とする３次元超音波探傷装置。
9. 複数の圧電振動子を備えた超音波センサを用いて、検査対象に超音波を送信し、また、検査対象からの反射波により、前記検査対象の内部を検査する３次元超音波探傷方法であって、
   前記３次元表示部で指定した二点間の距離から反射超音波信号に起因する二つのエコー間の距離を計測することを特徴とする３次元超音波探傷方法。
10. 請求項９記載の３次元超音波探傷方法において、
    前記３次元表示部で指定した点から、反射超音波信号に起因するエコーの、超音波入射点に対する相対的な位置を、角度と距離を用いて出力することを特徴とする３次元超音波探傷方法。

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