JP2012117850A - 超音波測定用プローブの位置検出方法およびその位置検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波測定用プローブ位置の誤検出を防止することができる超音波測定用プローブの位置検出方法およびその位置検出装置を提供すること。
【解決手段】超音波測定用プローブ１の位置に設けられ、超音波測定用プローブ１の位置から２種類の伝搬速度が異なる波動である赤外線および超音波を同時または所定間隔をおいて送波する赤外線送波器１１および超音波送波器１０と、予め既知の位置に所定の間隔Ｌを隔てて配置され、前記送波された各波動を受波する複数の受波器１５ａ，１５ｂと、各受波器１５ａ，１５ｂが検出した前記２種類の波動の到達時間差をもとに超音波測定用プローブの位置を検出する演算処理回路と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波測定用プローブによる測定時に該超音波測定用プローブの位置を検出することができる超音波測定用プローブの位置検出方法およびその位置検出装置に関するものである。

特許文献１には、超音波探傷用のセンサを備えたプローブに固着された発信機と、この発信機から射出された信号を受信する受信機と、この受信機からの信号に基づいて前記プローブの位置を算出する処理装置、とを備えた超音波探傷装置が記載されている。この超音波探傷装置によれば、超音波探傷用のプローブの位置及び／又は傾きを正確に検出することができる。

特開２００４−２２６２３０号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたものでは、発信機からの信号の射出を、処理装置からケーブルを通じて送られる電気信号によって行っていた。このため、発信機と受信機との間にケーブルが介在し、このケーブルが障害物となって信号が遮断されることから、プローブの位置検出に誤差が生じてしまう、あるいはプローブの位置検出ができなくなってしまうという問題点があった。

すなわち、特許文献１に記載されたものでは、超音波探傷作業中に探傷員の手などによって走査されるプローブに固着された発信機のケーブルは、プローブの動きに応じて色々な位置へ引き摺られるため、このケーブルが発信機と受信機との間に入ってしまうことがあり、このケーブルが障害物となってプローブ位置の誤検出などを招き易かった。

本発明は上記に鑑みてなされたものであって、超音波測定用プローブ位置の誤検出を防止することができる超音波測定用プローブの位置検出方法およびその位置検出装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる超音波測定用プローブの位置検出方法は、超音波測定用プローブの位置から２種類の伝搬速度が異なる波動を同時または所定間隔をおいて送波し、予め既知の位置に所定間隔を隔てて配置された複数の受波器のそれぞれが、前記送波された各波動を受波し、各受波器が検出した前記２種類の波動の到達時間差をもとに前記超音波測定用プローブの位置を検出することを特徴とする。

また、本発明にかかる超音波測定用プローブの位置検出方法は、上記の発明において、前記２種類の波動は、超音波と光とであることを特徴とする。

また、本発明にかかる超音波測定用プローブの位置検出方法は、上記の発明において、前記２種類の波動は、超音波と電波とであることを特徴とする。

また、本発明にかかる超音波測定用プローブの位置検出装置は、超音波測定用プローブの位置に設けられ、該超音波測定用プローブの位置から２種類の伝搬速度が異なる波動を同時または所定間隔をおいて送波する送波器と、予め既知の位置に所定間隔を隔てて配置され、前記送波された各波動を受波する複数の受波器と、各受波器が検出した前記２種類の波動の到達時間差をもとに前記超音波測定用プローブの位置を検出する位置検出部と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明にかかる超音波測定用プローブの位置検出装置は、上記の発明において、前記２種類の波動は、超音波と光とであることを特徴とする。

また、本発明にかかる超音波測定用プローブの位置検出装置は、上記の発明において、前記２種類の波動は、超音波と電波とであることを特徴とする。

また、本発明にかかる超音波測定用プローブの位置検出装置は、上記の発明において、前記超音波測定用プローブによる検出結果と前記位置検出部が検出した超音波測定用プローブの位置とを対応付けて映像化する処理表示部を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、超音波測定用プローブに取り付けられた送波器にケーブルを接続することなく、送波器が独立して動作でき、ケーブルが障害となることによる誤検出の問題を防止することが可能となった。さらに、位置検出用ケーブルをなくすことにより、超音波測定用プローブの走査に対する制約を排除することが可能となった。

図１は、本発明の実施の形態にかかる超音波測定用プローブの位置検出装置の概要構成を示す模式図である。 図２は、超音波測定用プローブとして漏洩表面波プローブを用いた超音波測定用プローブの位置検出装置の構成を示す模式図である。 図３は、本発明の実施例による測定ピッチ１ｍｍのときの映像化結果を示す図である。 図４は、本発明の実施例による測定ピッチ０．５ｍｍのときの映像化結果を示す図である。 図５は、本発明の実施例による測定ピッチ０．２ｍｍのときの映像化結果を示す図である。

以下に、図面を参照して、本発明にかかる超音波測定用プローブの位置検出方法およびその位置検出装置について説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の実施の形態である超音波測定用プローブの位置検出装置の概要構成を示す模式図である。この超音波測定用プローブの位置検出装置は、大きく、超音波プローブ２と、２つの受波器１５ａ，１５ｂとを有する。超音波プローブ２には、超音波測定用プローブ１の中心を合わせるようにして超音波送波器１０が取り付けられている。超音波送波器１０は、圧電素子を円筒形状に成型することにより作られており、３６０°の全方位にわたり超音波を送波することができる。また、超音波測定用プローブ１には、赤外線送波器１１が取り付けられている。赤外線送波器１１は、必ずしも超音波測定用プローブ１の中心と合わせて取り付ける必要はない。もちろん、超音波測定用プローブ１の中心と合わせて、超音波送波器１０の上段あるいは下段に取り付けてもよい。なお、超音波プローブ２には、送波回路１５が設けられ、この送波回路１５は、超音波送波器１０から超音波を送波させるための駆動回路と、赤外線送波器１１から赤外線を送波させるための駆動回路と、バッテリー等の電源とを有する。送波回路１５は、超音波送波器１０からの超音波送波と赤外線送波器１１からの赤外線送波とを同時に送波し、あるいは、所定の時間間隔をおいて送波する制御を行う。

受波器１５ａ，１５ｂは、それぞれ超音波受波器１２ａ，１２ｂおよび赤外線受波器１３ａ，１３ｂを有し、超音波受波器１２ａと赤外線受波器１３ａ、および超音波受波器１２ｂと赤外線受波器１３ｂは、それぞれ中心をあわせて上下一体にして構成されている。超音波受波器１２ａ，１２ｂは、超音波送波器１０と同様に、圧電素子を円筒形状に成型することにより作られており、３６０°の全て方位にわたり超音波を受波することが可能である。なお、赤外線受波器１３ａ，１３ｂは、必ずしも超音波受波器１２ａ，１２ｂの中心と合わせて上下に取り付ける必要はない。この装置では、このような受波器１５ａ，１５ｂを少なくとも２個以上、所定の間隔Ｌを隔てて配置される。間隔Ｌは通常、１０ｃｍ程度としている。

ここで、受波器１５ａ，１５ｂの位置は既知であり、上述したように間隔Ｌを隔てて配置される。そして、赤外線送波器１１および超音波送波器１０から同時にそれぞれ赤外線および超音波が送波されると、赤外線受波器１３ａ，１３ｂおよび超音波受波器１２ａ，１２ｂがそれぞれ赤外線および超音波を受波する。赤外線は光速で伝搬し、超音波は音速で伝搬するため、受波器１５ａ，１５ｂでは、赤外線よりも超音波を遅く受波する。赤外線は光速であるため、送波とほとんど同時に赤外線受波器１３ａ，１３ｂによって受波されるため、この赤外線受波の時点から超音波受波の時点までの遅延時間を計測することによって、超音波プローブ２と受波器１５ａとの間の距離ｘ１，ｘ２を求めることができる。この結果、三角測量による前方交会法によって超音波プローブ２の位置を検出することができる。

さらに、図２を参照して、この位置検出装置の動作について詳述する。ここでは、超音波測定用プローブ１として漏洩表面波を検出する漏洩表面波プローブ１Ｌを用いている。漏洩表面波プローブ１Ｌは、超音波送受信器５０に接続され、超音波送受信器５０から一定の繰返し周期によって印加される高電圧パルスにより超音波パルスを被検体との間の水中に送波する。この超音波パルスにより、被検体表面に漏洩表面波が励起され、さらに、被検体表面を伝搬した漏洩表面波は、モード変換により水中縦波となって漏洩表面波プローブ１Ｌで受波される。受波され電気信号に変換された漏洩表面波信号は、超音波送受信器５０によって適当な振幅に増幅される。この増幅後の漏洩表面波信号は、ゲート回路５１に送られ、ゲート回路５１は、漏洩表面波による信号成分のみを抽出してピーク値検出回路５２に送出する。ピーク値検出回路５２は、入力された漏洩表面波による信号の振幅を検出し、検出結果を処理表示装置に送る。処理表示装置５３は、送られた検出結果に対するデータ処理および画像表示処理を行う。

一方、超音波送波器１０および赤外線送波器１１からは、定期的に超音波および赤外線が同時に送波され、受波器１５ａ，１５ｂによって受波される。受波された波動に基づいて、各受波器１５ａ，１５ｂに接続される演算処理回路１６は、上述したように漏洩表面波プローブ１Ｌの位置を検出する。演算処理回路１６は、処理表示装置５３に接続され、処理表示装置５３は、検出された漏洩表面波プローブ１Ｌの位置情報と対応付けて漏洩表面波による信号の振幅を収集する。この結果に基づいて、処理表示装置５３は、漏洩表面波による２次元走査映像を生成し、表示する。

ここで、上述したように、赤外線の波動が空間を伝搬する速度は、超音波の伝搬速度に比べて極めて大きいため、赤外線を受波したタイミングがほぼ超音波を送波したタイミングに等しいとみなすことができる。よって、赤外線受波器１３ａ，１３ｂによって赤外線を受波したタイミングと超音波受波器１２ａ，１２ｂによって超音波を受波したタイミングとの時間差は、超音波送波器１０と超音波受波器１２ａ，１２ｂとの間を超音波が伝搬するのに要した時間に等しいとみなすことができる。

この時間差（≒超音波が伝搬するのに要した時間）と空気中での超音波の伝搬速度とから、超音波送波器１０と超音波受波器１２ａ，１２ｂとの間の距離ｘ１，ｘ２を求めることができる。このようにして求めた２つの距離ｘ１，ｘ２と受波器１５ａ，１５ｂ間の間隔Ｌとから、上述した前方交会法によって、超音波送波器１０の平面上の位置、すなわち漏洩表面波プローブ１Ｌ（超音波測定用プローブ１）の平面上の位置を求めることができる。

（実施例）
つぎに、上述した超音波測定用プローブの位置検出法を用いて、疲労クラックを映像化した実施例について説明する。この実施例では、図２に示した漏洩表面波プローブ１Ｌを用い、漏洩表面波を用いた局部水浸法によって、被検体の表面に発生したクラックを検出した。

この漏洩表面波プローブ１Ｌに用いられる超音波振動子は、球面に成型され、中央に孔がもうけられ、断面が円弧となっており、ごくうすい電極および保護膜を介して超音波伝達媒体である水に接する構造を有している。この超音波振動子としては，ＰＶＤＦやＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）などのいわゆる高分子圧電体が好適である。また、漏洩表面波プローブ１Ｌの中央には給水孔が設けられており、図示しない給水装置から給水チューブ５を通して水が供給され、漏洩表面波プローブ１Ｌの中央から水が流れ出ることにより局部水浸法による超音波測定が可能になっている。

この漏洩表面波プローブ１Ｌの上部には、漏洩表面波プローブ１Ｌと中心を合わせるようにして超音波送波器１０が取り付けられており、さらに赤外線送波器１１および送波回路１５が取り付けられている。

被検体として、肉厚３ｍｍの鋼板からなる部材に発生した疲労クラックを用い、被検体に対して漏洩表面波プローブ１Ｌを手動で２次元走査し、漏洩表面波プローブ１Ｌの位置を検出するとともに、被検体の疲労クラックを、漏洩表面波を用いて検出し、図３〜図５に示すように映像化した。

図３〜図５に示した漏洩表面波による２次元走査映像は、映像輝度を受波した漏洩表面波の振幅に応じて設定するようにして生成した。すなわち、受波した漏洩表面波の振幅が大きい場合には明るく、受波した漏洩表面波の振幅が小さい場合には暗く表示している。なお、漏洩表面波プローブ１Ｌとして、振動子材質：Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）、周波数５０MHz、振動子直径８ｍｍ、水中焦点距離６ｍｍの仕様の超音波プローブを用いた。

図３〜図５に示した映像化結果から、極めて良好に疲労クラックの映像化が可能なことがわかる。そして、この実施例による漏洩表面波プローブ１Ｌ位置の誤検出の発生は皆無であった。
なお、超音波および赤外線の送波タイミングは必ずしも同時である必要はなく、時間間隔Ｔをおいて別々に送波を行ってもよい。この場合には、時間間隔Ｔを勘案して超音波測定用プローブ１と各受波器１５ａ，１５ｂとの距離ｘ１，ｘ２を求める。

また、超音波送波器１０から送波される超音波は、２０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚ程度の低い周波数の超音波であることが好ましい。さらに、被検体に対する測定状態によって、超音波測定用プローブ１と受波器１５ａ，１５ｂとの間の距離を長くしたい場合、低い周波数の超音波を用いるとよい。たとえば、８０ｋＨｚや１００ｋＨｚ程度に用いる。なお、超音波計測用プローブ１から送波される超音波の周波数は、解像度を得るため、通常、５ＭＨｚ〜５０ＭＨｚである。

なお、上述した実施の形態および実施例では、赤外線と超音波とを送波するようにしていたが、これに限らず、赤外線と高周波電波とを送波するようにしてもよい。すなわち、送波される波動の速度が異なっていればよい。

１ 超音波測定用プローブ
１Ｌ 漏洩表面波プローブ
５ 給水チューブ
１０ 超音波送波器
１１ 赤外線送波器
１２ａ，１２ｂ 超音波受波器
１３ａ，１３ｂ 赤外線受波器
１５ａ，１５ｂ 受波器
１５ 送波回路
５０ 超音波送受信器
５１ ゲート回路
５２ ピーク値検出回路
５３ 処理表示装置

Claims (7)

1. 超音波測定用プローブの位置から２種類の伝搬速度が異なる波動を同時または所定間隔をおいて送波し、
   予め既知の位置に所定間隔を隔てて配置された複数の受波器のそれぞれが、前記送波された各波動を受波し、
   各受波器が検出した前記２種類の波動の到達時間差をもとに前記超音波測定用プローブの位置を検出することを特徴とする超音波測定用プローブの位置検出方法。
2. 前記２種類の波動は、超音波と光とであることを特徴とする請求項１に記載の超音波測定用プローブの位置検出方法。
3. 前記２種類の波動は、超音波と電波とであることを特徴とする請求項１に記載の超音波測定用プローブの位置検出方法。
4. 超音波測定用プローブの位置に設けられ、該超音波測定用プローブの位置から２種類の伝搬速度が異なる波動を同時または所定間隔をおいて送波する送波器と、
   予め既知の位置に所定間隔を隔てて配置され、前記送波された各波動を受波する複数の受波器と、
   各受波器が検出した前記２種類の波動の到達時間差をもとに前記超音波測定用プローブの位置を検出する位置検出部と、
   を備えたことを特徴とする超音波測定用プローブの位置検出装置。
5. 前記２種類の波動は、超音波と光とであることを特徴とする請求項４に記載の超音波測定用プローブの位置検出装置。
6. 前記２種類の波動は、超音波と電波とであることを特徴とする請求項４に記載の超音波測定用プローブの位置検出装置。
7. 前記超音波測定用プローブによる検出結果と前記位置検出部が検出した超音波測定用プローブの位置とを対応付けて映像化する処理表示部を備えたことを特徴とする請求項４〜６のいずれか一つに記載の超音波測定用プローブの位置検出装置。