JP2011501144A - 検査対象を超音波で非破壊材料検査するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも部分的に中実の検査対象（１０）に超音波（２０）を与え、かつ前記検査対象（１０）の内部で反射した前記超音波を検出することによって前記検査対象（１０）を非破壊材料検査するための方法に関する。この方法は、前記検査対象（１０）を計算機支援で所定数のボリューム要素（３０）に区分するステップ、前記検査対象（１０）の表面または少なくとも表面部分を走査する間に前記検査対象（１０）に音場（１４）を与えるステップ、前記検査対象（１０）の前記表面または少なくとも前記表面部分を走査する間に前記ボリューム要素で反射した前記音波を検出するステップ、そして同じ前記ボリューム要素（３０）で反射されかつ前記検査対象（１０）の前記表面のさまざまな測定位置（２２、２４、２６）で検出された前記音波を正しい位相で加算するステップを有する。本発明は、また、上記の方法に対応した非破壊材料検査装置である。
【選択図】 図３

Description

本発明は、請求項１のプリアンブルに記載した非破壊材料検査方法に関する。本発明はさらに、請求項１１のプリアンブルに記載した非破壊材料検査装置に関する。本発明はさらに、請求項１５のプリアンブルに記載した人間または動物の身体内部の物体を検査するための装置に関する。

数多くの中実および部分的に中実な部材および中間製品では、それらの内部構造の材料欠陥を検査する必要がある。このため、視認不可能な内部構造に関する情報を提供する非破壊検査法が必要である。これは特に、機械的に強く負荷される部材において不可欠である。

例えば鋼製部材は鋳造後に鍛造され、引き続き旋削によって最終形状にされる。その際、内部材料欠陥の検査は、早くは鍛造直後からでも行うことができる。

普通、このような金属部品は超音波を用いて検査される。そのプロセスでは、材料内部の界面で反射した音波が検出される。音波の進む路程長は、反射した音波の伝播時間を用いて判定することができる。さまざまな方向からの照射を用いて単数または複数の材料欠陥に関してのさらなる情報を集めることができる。これらの情報に基づいて、例えば、材料欠陥の位置を特定することができる。こうして、例えば材料欠陥の幾何学的向きを判定することができる。材料欠陥の種類の決定は、反射した音波の形状から導き出すことができる。

検査対象の表面を超音波検出器で走査し、かつ検出したデータを記録することにより、超音波にとって到達可能なボリューム要素を完全に検査することができる。検出したデータから、検査に利用されることが可能な画像を生成することができる。

材料欠陥の大きさを判定するには幾つかの可能性がある。例えば、走査時に材料欠陥の広がりは直接読み取ることができる。しかしこのためには、空間分解能が材料欠陥の空間的広がりよりも小さいことが必要である。空間分解能は使用される波長と開口寸法とによって制限され、従ってまた、音波の回折によって制限されている。

材料欠陥の大きさは反射した信号の振幅で判定することもできる。こうして、本方法の空間分解能よりも小さな材料欠陥の大きさも判定することができる。しかし、反射した信号の振幅は、他のパラメータ、例えば材料欠陥の向きまたは界面での反射特性にも左右される。

材料欠陥の大きさが減少すると反射信号の振幅は減少する。その場合、干渉信号との距離は、単一の振幅−伝播時間線図から材料欠陥を識別するには小さすぎる。望ましくは、測定信号と干渉信号との間に＋６ｄＢの距離が必要である。

空間分解能は好適な探触子を用いて音波を収束することによって最適化することができる。このプロセスでは、波長に比べて探触子が幅広であればあるほど一層細くすることができる。この収束は高い音圧を引き起こす。

そのことから材料欠陥の位置は、そして材料欠陥が広がっている場合その大きさも、分解能の枠内で判定することができる。精度は、収束音波を使用する前述の方法における走査領域内での精度に概ね匹敵する。

開口合成法（ＳＡＦＴ）は、検査対象の機械的二次元走査に三次元映像が割り当てられる方法である。この際、検査対象は二次元で走査される。この走査は、例えば、蛇行軌道に沿って行われる。データは検査対象の位置データと一緒に他の評価のため記憶される。検査対象は小さなボリューム要素、例えば立方体に区分される。ボリューム要素は、二次元走査時に探触子のさまざまな位置から由来するエコー信号成分の総体で占められる。

ＳＡＦＴ法では、欠陥予想領域内の各画素点に適合する全ての反射信号成分は、仮にその画素点が反射波の源であるとした場合にその信号成分が有するであろう時間差と共に、加算される。位相角に対応した時間差は探触子と画像点との間の幾何学的関係から生じ、特に探触子と画像点との間の距離から生じる。いま、仮に画像点が実際に反射波源であるとすると、この箇所での振幅はさまざまな位置の探触子の数と共に増加し、それによって材料欠陥が検出される。その他すべての画像点について、位相は一致しておらず、理想的には総計は零となり、あるいは少なくともごく小さい。

ＳＡＦＴ法では空間分解能が探触子の寸法によって制限されておらず、高い空間分解能の実現が可能である。これは基本的に、波長と合成開口とによって分解能の限界が決まる焦点法である。合成開口は、材料欠陥が検出される角度範囲によって定まる。開口は探触子の移動と音場の発散とによって制限される。

ＳＡＦＴ法では、中心ビームだけでなく、発散束の全ビームが考慮される。データは高い周波数で記録されるので、データの加算時に位相も考慮することができる。位相に依存してエコー信号は弱め合う干渉の場合消去でき、強め合う干渉の場合強めることができる。

先行技術によれば、全エコー信号が、発散束内部でのそれらの位置に関わりなく、等しく考慮される。その結果、周辺ビームのエコー信号は同じ反射率において反射体を係数「２」だけ低く評価する。係数「２」は６ｄＢの距離に一致している。周辺ビームのエコー信号は個々の体積成分について計算したエコー合計を歪めることになる。中心ビームに由来しないエコー信号成分はＳＡＦＴ法の主要成分である。

これらの成分の補正は音場を正確に認識している場合にのみ可能となり得る。実際には、これは完全には可能でなく、結果は常に誤りを免れない。得られたデータを距離利得サイズ法（ＤＧＳ法）に従って引き続き評価することは、ＤＧＳ法がエコー振幅の正確な認識を前提とするので、可能でない。

ＤＧＳ法では振幅から出発して垂直に照射される自由円形表面を生じるであろう等価反射体サイズが材料欠陥に割り当てられる。検出された信号が干渉信号または雑音信号よりも十分に大きい場合、振幅の評価はＤＧＳ法により問題なく可能である。その場合、反射体は探触子の音場の中心ビーム上になければならない。探触子からの距離に対する振幅の依存性から、検出された振幅は既知のジオメトリと中心ビームへの向きとを有する反射体サイズに対応している。もしもそれとは対照的に、検出された振幅が雑音信号よりも小さいかまたは匹敵するオーダーの規模を有する場合には、材料欠陥は振幅−伝播時間線図から識別することができない。

本発明の課題は、検査対象を超音波で非破壊材料検査するための改良された方法およびそれに対応した装置を提供することである。

この課題は、方法に関して、請求項１の趣旨によって解決される。

本発明によれば、各測定位置で中心ビームが前記ボリューム要素に向けられ、前記中心ビームが前記音場の最大強度を有することとなる。

本発明に先立つものには、音場の最大強度を有する中心ビームがボリューム要素に向けられる改良ＳＡＦＴ法がある。この方法では、周辺ビームからのエコー信号成分が何らの役割も演じることがなく、また測定結果を歪めることがない。

好ましくは、前記中心ビームが電子的に前記ボリューム要素に向けられる。これは、本方法の迅速かつ正確な実施を可能とする。

有利には、前記中心ビームの方向が二次元的に変更可能である。こうして、検査対象のあらゆる幾何学形状において中心ビームをボリューム要素に向けることができることが確保されている。

前記検査対象に超音波を付加するために、例えば、多数の超音波源を含む１つの探触子が使用される。個々の超音波源は電子的に特別簡単に制御可能である。特に前記探触子はフェーズドアレイである。

引き続き、加算された前記音波は距離利得サイズ法（ＤＧＳ法）に従って評価される。

さらに、前記検査対象の前記表面または少なくとも前記表面部分は所定のスキームに従って走査される。

特に、前記検査対象の前記表面または少なくとも前記表面部分は完全に走査される。

例えば、前記方法は金属製検査対象の材料検査用に提供される。特に、但し専らではないが、前記方法は鍛造部材の材料検査用に使用することができる。

本方法は、さらに、非破壊材料検査の他に、相応する仕方で医学および医療工学用途用にも設けることができる。例えば、人間または動物の身体の内部構造の検査を外部から実施することができる。特に、身体内部の腫瘍または別の体質性変化を発見し位置特定することができる。本方法はさらに、治療目的のために人間または動物の身体内に挿入された異物の検査も可能とする。例えば、骨折接合のために挿入された固着要素をこの方法で検査することができる。

本発明の根底にある目的は、装置に関して、請求項１１の趣旨に従って達成される。

本発明によれば、前記探触子から発せられる中心ビームが前記ボリューム要素に位置合せ可能となり、前記中心ビームが前記音場の最大強度を有することとなる。

音場の最大強度を有する中心ビームがボリューム要素に向けられるので、周辺ビームから発せられるエコー信号成分は何らの役割も演じることがなく、測定結果を歪めることはない。

好ましくは、前記中心ビームが電子的に前記ボリューム要素に位置合せ可能である。このことから本方法の迅速かつ正確な実施が可能となる。

例えば、前記探触子が多数の超音波源を有する。個々の超音波源は電子的に特別簡単に制御可能である。特に、前記探触子はフェーズドアレイである。

本発明の根底にある目的は、このようにして人間または動物の身体内部の物体を検査するための装置に関する請求項１５の趣旨によって達成される。

本発明によれば、同様に、探触子から発せられる中心ビームが前記ボリューム要素に位置合せ可能となり、中心ビームが音場の最大強度を有することとなる。

音場の最大強度を有する中心ビームがボリューム要素に向けられるので、この応用時にもまた、周辺ビームからのエコー信号成分は何らの役割も演じることがなく、そして測定結果を歪めることがない。

前記中心ビームは電子的に前記ボリューム要素に位置合せ可能であることが望ましい。こうして迅速で正確な検査を行うことができる。

好ましくは、前記探触子が複数の超音波源を含む。個々の超音波源は電子的に特別簡単に制御可能である。特に、探触子はフェーズドアレイである。

本発明のその他の特徴、利点および特別な実施形態は従属請求項の対象である。

以下、本発明に係る方法は図の説明において添付図面を参考に好ましい実施形態に基づいて詳しく説明される。

本発明に係る方法の好ましい実施形態による検査対象と探触子との横方向略断面図である。 本発明に係る方法の好ましい実施形態による検査対象と非位置合せ状態における３つの位置の探触子との横方向略断面図である。 本発明に係る方法の好ましい実施形態による検査対象と位置合せ状態における３つの位置の探触子との横方向略断面図である。

図１は検査対象１０と探触子１２との横方向略断面図である。探触子１２から出発する円錐形音場１４が検査対象１０内へと発せられる。音場１４は中心ビーム１６と多数の周辺ビーム１８とを含む。周辺ビーム１８は約−６ｄＢの減衰によって規定される。また、音場１４は中心ビーム１６と周辺ビーム１８との間にもビームを含む。

音場１４がさらに波先２０を含み、この波面は球の断面形状を有する。音場１４が発散束を形成する。

材料検査は探触子１６を検査対象１０の外側表面で動かすことによって行われる。図１から明らかとなるように、接線方向材料欠陥１８が検査対象１０の表面と実質平行に整列しているので、半径方向音波２２は接線方向材料欠陥１８で特別強く反射される。同様に、接線方向音波２４が半径方向材料欠陥１８で特別強く反射されることが明らかとなる。

図２は、本発明に係る方法の好ましい実施形態による検査対象１０と非位置合せ状態における複数位置の探触子１２との横方向略断面を示している。

探触子１２は検査対象１０の第１探触子位置２２と第２探触子位置２４と第３探触子位置２６とに示してある。３つすべての探触子位置２２、２４、２６において、探触子１２は検査対象１０の表面にある。この例において、検査対象１０は湾曲表面を有する。各探触子位置２２、２４、２６では、探触子１２が各１つの中心ビーム１６と複数の周辺ビーム１８とを有する音場１４を発生する。中心ビーム１６と周辺ビーム１８との間にもまたビームが存在している。

検査対象１０の内部にボリューム要素３０がある。第１探触子位置２２から広がる音場１４はボリューム要素３０の脇を通過する。第２探触子位置２４から広がる音場１４はその中心ビーム１６でボリューム要素３０の中心に衝突する。第３探触子位置２６から広がる音場１４はその周辺ビーム１８でボリューム要素３０に衝突する。ボリューム要素３０に衝突するビームのみが貢献する。

さまざまな探触子位置２２、２４、２６のエコー信号成分は、位置に相応して、位相を考慮して加算される。この場合には、第２探触子位置２４の中心ビーム１６から到来するエコー信号成分は総計に対する正しい貢献である。それに対して、第３探触子位置２６の周辺ビーム１８から到来するエコー信号成分は歪んでおり、つまり過度に少ない。第２探触子位置２４から発せられる中心ビーム１６は正しく計算に組み込まれることとなる。それに対して、第３探触子位置２６から発せられる周辺ビーム１８は、誤りを伴うものとして計算に組み込まれることとなる。第２探触子位置２４から到来する他のビームも誤りの状態で計算に組み込まれることとなる。

中心ビーム１６の非位置合せ状態は従来の方法における位置合せにも相当している。

図３は、本発明に係る方法の好ましい実施形態による検査対象１０および位置合せ状態における図２の３つの位置の探触子１２の横方向略断面を示している。

図２とは対照的に、図３では３つすべての中心ビーム１６がボリューム要素３０に向けられている。その結果、周辺ビーム１８から到来するエコー信号成分は消える。こうして誤りの源が除去される。

本発明に係る方法は、中心ビーム１６を所望の方向に制御して探触子１２からの中心ビーム１６の方向を電子的に変更する、というようにして用いられることも可能である。これはフェーズドアレイ技術を援用して行われる。二次元フェーズドアレイ素子を用いる場合には、中心ビーム１６は小ラスタライジングにおける二次元的な方向について電子的に変更される。

本発明に係る方法では各ボリューム要素３０がさまざまな探触子位置２２、２４、２６からそれぞれ中心ビーム１６で照射される。これにより、加算は自動的に正しい重み付けを伴って行われる。

こうして得られた結果はＤＧＳ法に従って評価することもできる。比較的大きなデータ量を問題なく記録し記憶することができる。

探触子１２の位置合せをプログラミングする場合、方向依存性の感度は測定時に既に、角度振幅補正（ＡＡＣ＝Angle-Amplitude-Correction）を調整することによって考慮される。

フェーズドアレイ技術の場合には、角度範囲が電子的に調整可能なフェーズドアレイ探触子１２が用いられる。フェーズドアレイ探触子１２によれば、従来の探触子１２を用いるよりも明らかに大きな体積を走査することができる。

さらに、本発明に係る方法は非破壊材料検査用だけでなく、相応する仕方で医学および医療工学用途用にも提供される。

その場合には、例えば、人間または動物の身体内部構造の検査を外部から実施することができる。特に、身体内部の腫瘍または別の体質性変化もしくは疾患を発見し位置特定することができる。

本方法はさらに、治療目的のために人間または動物の身体内に挿入された異物の検査も可能とする。例えば、骨折接合のために挿入された固着要素を、この方法で検査することができる。

本発明に係る方法は、より高い空間分解能をもたらし、またＤＧＳ法を用いた評価を可能とする。これにより、材料欠陥の評価が改善される。

１０ 検査対象
１４ 音場
１６ 中心ビーム
１８ 周辺ビーム
２２、２４、２６ 測定位置
３０ ボリューム要素

Claims (15)

1. 少なくとも部分的に中実の検査対象（１０）に超音波（２０）を与え、かつ前記検査対象（１０）の内部で反射した前記超音波を検出することによって前記検査対象（１０）を非破壊材料検査するための方法であって、
   ａ）前記検査対象（１０）を計算機支援で所定数のボリューム要素（３０）に区分するステップ、
   ｂ）前記検査対象（１０）の表面または少なくとも表面部分を走査する間に前記検査対象（１０）に音場（１４）を与えるステップ、
   ｃ）前記検査対象（１０）の前記表面または少なくとも前記表面部分を走査する間に前記ボリューム要素で反射した前記音波を検出するステップ、そして
   ｄ）同じ前記ボリューム要素（３０）で反射されかつ前記検査対象（１０）の前記表面のさまざまな測定位置（２２、２４、２６）にて検出された前記音波を正しい位相で加算するステップを有するものにおいて、
   各測定位置（２２、２４、２６）で中心ビーム（１６）が前記ボリューム要素（３０）に向けられ、前記中心ビーム（１６）が前記音場（１４）の最大強度を有し、複数の周辺ビーム（１８）がそれぞれ前記音場（１４）の前記最大強度の半分を有する方法。
2. 前記中心ビーム（１６）が電子的に前記ボリューム要素（３０）に向けられる、請求項１記載の方法。
3. 前記中心ビーム（１６）の方向が二次元的に変更可能である、請求項１または２記載の方法。
4. 前記検査対象（１０）に超音波を付加するために、複数の超音波源を含む１つの探触子（１２）が使用される、請求項１から３のいずれか１つに記載の方法。
5. 前記探触子（１２）がフェーズドアレイである請求項４記載の方法。
6. 加算された前記音波が距離利得サイズ法（ＤＧＳ法）に従って評価される、請求項１から５のいずれか１つに記載の方法。
7. 前記検査対象（１０）の前記表面または少なくとも前記表面部分が所定のスキームに従って走査される、請求項１から６のいずれか１つに記載の方法。
8. 前記検査対象（１０）の前記表面または少なくとも前記表面部分が完全に走査される、請求項１から７のいずれか１つに記載の方法。
9. 前記方法が金属製検査対象（１０）の材料検査用に設定されている、請求項１から８のいずれか１つに記載の方法。
10. 前記方法が鍛造部材（１０）の材料検査用に設定されている、請求項１から９のいずれか１つに記載の方法。
11. 少なくとも部分的に中実の検査対象（１０）を非破壊材料検査するための装置であって、前記検査対象が計算機支援で所定数のボリューム要素（３０）に区分されており、前記装置が、前記検査対象（１０）の表面または少なくとも表面部分を走査する間に前記検査対象（１０）に音場（１４）を与え、かつ前記検査対象（１０）の前記表面または少なくとも前記表面部分を走査する間に前記ボリューム要素（３０）で反射した前記音波を検出するための少なくとも１つの探触子（１２）を有するものにおいて、
    前記探触子（１２）から発せられる中心ビーム（１６）が前記ボリューム要素（３０）に位置合せ可能であり、前記中心ビーム（１６）が前記音場（１４）の最大強度を有し、複数の周辺ビーム（１８）がそれぞれ前記音場の前記最大強度の半分を有する装置。
12. 前記中心ビーム（１６）が電子的に前記ボリューム要素（３０）に位置合せ可能である、請求項１１記載の装置。
13. 前記探触子（１６）がフェーズドアレイとして設定されている、請求項１１または１２記載の装置。
14. 前記探触子（１６）が複数の超音波源を含む、請求項１１から１３のいずれか１つに記載の装置。
15. 人間または動物の身体の内部に物体が検査対象（１０）として設けられており、前記身体が計算機支援で所定数のボリューム要素（３０）に区分されており、前記身体の前記表面または少なくとも前記表面部分を走査する間に前記身体または前記身体の少なくとも１領域に前記音場（１４）を与え、かつ前記身体の前記表面または少なくとも前記表面部分を走査する間に前記ボリューム要素（３０）で反射した前記音波を検出するための前記探触子（１２）が設けられている、請求項１１から１４のいずれか１つに記載の装置。

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