JP2014137276A

JP2014137276A - 超音波検査装置及び超音波検査方法

Info

Publication number: JP2014137276A
Application number: JP2013005779A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Nara; 晃寛奈良; Yukitoshi Suzuki; 幸俊鈴木; Hidemi Takahashi; 秀美高橋
Original assignee: Yamaha Corp; Yamaha Fine Technologies Co Ltd
Current assignee: Yamaha Corp; Yamaha Fine Technologies Co Ltd
Priority date: 2013-01-16
Filing date: 2013-01-16
Publication date: 2014-07-28
Also published as: WO2014112478A1; CN105074451A; US20160003783A1; KR20150105425A

Abstract

【課題】空中に超音波を発信して検査対象物内部の検査を行うことができるとともに、その際の信号処理を簡素化し、かつ超音波振動素子への負荷を軽減して、振動素子の長寿命化を図ることができる超音波検査装置及び超音波検査方法を提供する。
【解決手段】矩形波バースト信号を発生する信号発生器５と、信号発生器５から出力される矩形波バースト信号により探触子６を駆動して検査対象物１１に向けて超音波を発信する超音波発信部６と、検査対象物１１に向けて発信され検査対象物１１内を伝播した超音波を受信する超音波受信部８と、超音波受信部８からの信号に基づき検査対象物１１内の欠陥の有無を判定する欠陥判定部１６とを備え、矩形波バースト信号は、グランドを中心とする正の電圧及び負の電圧による矩形波が交互に連続している。
【選択図】図２

Description

本発明は、超音波検査装置及び超音波検査方法に係り、特に、探触子を検査対象物の表面から離間させた状態でも検査対象物内に超音波を伝播させて、検査対象物内部の欠陥を検査することができる超音波検査装置及び超音波検査方法に関する。

一般に、超音波検査装置は、検査対象物の表面に探触子を接触させた状態で超音波を発信して、検査対象物内を伝播した超音波を受信することにより、検査対象物内の欠陥の有無を検査する装置であり、探触子と検査対象物とを隙間なく接触状態とするために、これらの間に水や油等を介在させることが行われる。このため、検査可能な検査対象物の表面状態が制限され、検査対象物が高温であったり、移動するものである場合などには、探触子との間に水や油等を介在させることができない。
そこで、このような水や油等を介在させることができない場合でも超音波検査ができるようにした装置が開発されている。

例えば、特許文献１記載の超音波検査装置は、連続する所定個数の負の矩形波からなる矩形波バースト信号を探触子に印加し、検査対象物を伝播した超音波を探触子で透過波信号に変換し、その透過波信号のレベルに基づいて検査対象物の欠陥の有無を判定するとともに、その透過波信号を周波数変換した後の信号をバースト信号等とともに表示部に表示することにより、探傷結果の検証を行うようにしている。探触子に印加するパルス信号を連続する所定個数の負の矩形波からなる矩形波バースト信号とすることによって、電気信号の超音波への高い変換効率を実現し、出力される超音波のレベルを大きくして空中伝播を可能にしている。

特開２００８−１２８９６５号公報

しかしながら、特許文献１記載の超音波検査装置は、負の矩形バースト信号を印加するだけのものであるため、探触子から出力される超音波が小さく、そのためＳ／Ｎ比も小さくなり、検査精度が低い。また、Ｓ／Ｎ比が小さいので、周波数変換が必要となり、信号処理が複雑化する。それにより、検査にかかる時間も長くなってしまう。また、出力される超音波を大きくするために振動素子に高電圧をかけることになり、振動素子の寿命が短くなる懸念がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、空中に超音波を発信して検査対象物内部の検査を行うことができるとともに、その際の信号処理を簡素化し、かつ超音波振動素子への負荷を軽減して、素子の長寿命化を図ることができる超音波検査装置及び超音波検査方法を提供することを目的とする。

特許文献１記載の超音波検査装置のように、負の矩形バースト波を印加する場合、例えば±４００Ｖが定格の超音波振動素子を駆動しようとすると、０Ｖから−４００Ｖの駆動方法となるが、プラス側に電圧をかけられないので効率が悪い。また、この駆動方法では、−４００Ｖを印加して、素子を変形させた後、０Ｖにする際には、素子は素子自身の弾性のみによって元に戻ろうとするので、発信の効率が悪く、さらに、素子のヤング率に完全に依存することになるので、素子のバラツキや温度変化によって駆動状態が大きく変化するおそれがある。これらを克服するために、負の矩形波にオフセットをかけて、正負の矩形波を実現する方法も考えられるが、これでは常時オフセット電圧が素子に印加されることになるため、素子の寿命の低下を招く。
そこで、本発明は以下の解決手段とした。

本発明の超音波検査装置は、矩形波バースト信号を発生する信号発生器と、該信号発生器から出力される前記矩形波バースト信号により探触子を駆動して検査対象物に向けて超音波を発信する超音波発信部と、前記検査対象物に向けて発信され該検査対象物内を伝播した超音波を受信する超音波受信部と、該超音波受信部からの信号に基づき前記検査対象物内の欠陥の有無を判定する欠陥判定部とを備え、前記矩形波バースト信号は、グランドを中心とする正の電圧及び負の電圧による矩形波が交互に連続していることを特徴とする。

グランドを中心とする正及び負の矩形波バースト信号を印加することで、負又は正のみの矩形波バースト信号を印加したときと比べて出力される超音波を大きくすることができ、そのため、空中に超音波を発信して検査対象物内部の検査を行うことができるとともに、Ｓ／Ｎ比も上がり、その検査精度が向上する。そして、Ｓ／Ｎ比が向上することにより、周波数変換が不要となり、信号処理が簡素化し、検査時間の短縮を図ることができる。
また、特許文献１記載のように負の電圧による矩形波バースト信号で駆動する場合、超音波振動素子を変形させた後に０Ｖにする際、振動素子は自身の弾性のみによって元に戻ろうとするが、グランドを中心とする正の電圧及び負の電圧による連続した矩形波バースト信号で駆動する場合は、常に正又は負の電圧による外力が作用するので、振動素子のばらつきや発熱による発信状態への悪影響を低減することができる。
さらに、負又は正のみの矩形波バースト信号で駆動したときの超音波の振幅と同じ振幅を駆動する場合でも、振動素子にかかる負荷を半分に軽減することができ、振動素子の長寿命化を図ることができる。

本発明の超音波検査方法は、検査対象物の表面との間に隙間を空けて探触子を対向配置させ、グランドを中心とする正の電圧及び負の電圧による矩形波が交互に連続している矩形波バースト信号を印加することにより前記探触子を駆動して超音波を発信し、前記検査対象物内を伝播した超音波を受信して、その信号に基づき前記検査対象物内の欠陥の有無を判定することを特徴とする。

グランドを中心とする正及び負の矩形波バースト信号を印加して超音波を発生させるので、音響インピーダンスが小さい空気中に高出力で超音波を発信することができ、空中での超音波検査の精度を高めることができる。

本発明によれば、空中に超音波を発信して検査対象物内部の検査を行うことができるとともに、その際の信号処理を簡素化し、かつ、超音波振動素子への負荷を軽減して、振動素子の長寿命化を図ることができる。

本発明の超音波検査装置の一実施形態を示すシステムブロック図である。図１の信号発生器のブロック図である。図２の信号発生器で発生する矩形波バースト信号を示す図である。

以下、本発明の一実施形態を図面を参照しながら説明する。
一実施形態の超音波検査装置１は、図１に示すように、パルサーレシーバー部２と、探査部３と、信号処理部４とから構成されている。
パルサーレシーバー部２は、超音波駆動信号を発生する信号発生器５と、発生した超音波駆動信号を発信用探触子６に送信する信号送信部７と、受信用探触子８からの信号を受信する信号受信部９とを有している。

探査部３は、信号送信部７から送信された超音波駆動信号により検査対象物１１に向けて超音波を発信する発信用探触子６と、検査対象物１１を伝播した超音波を受信して受信電圧信号として信号受信部９に送る受信用探触子８とを有している。これら発信用探触子６と受信用探触子８とは、内部に圧電素子からなる超音波振動素子（図示略）を有しており、発信用探触子６では、入力される電圧信号に応じて振動素子から超音波を発信し、受信用探触子８では、受信した超音波を振動子により電圧信号に変換して出力する。
これら両探触子６，８は、図示略のスキャン機構部により、検査対象物１１を介して対向し、各探触子６，８の先端面に設けられている振動子を検査対象物１１に向けた状態に配置される。そして、スキャン機構部に駆動されることにより、両探触子６，８は検査対象物１１の表面に沿うＸ方向、Ｙ方向、あるいは検査対象物１１に対して離間接近するＺ１方向又はＺ２方向にそれぞれ移動することができる。

信号処理部４は、信号発生器５における超音波駆動信号発生のための条件を設定する条件設定部１５と、信号受信部９からの受信電圧信号に基づき検査対象物１１内の欠陥の有無を判定する欠陥判定部１６と、受信電圧信号等を表示する表示部１７と、両探触子６，８のスキャン操作を制御するスキャン制御部１８と、これら条件設定部１５、欠陥判定部１６、表示部１７、スキャン制御部１８に各種制御値を入力する操作部１９とを備えている。
この信号処理部４はパソコンにより構成することができ、表示部（モニタ）１７の画面上にタッチパネル式の操作部１９を設け、その操作部１９から後述する各種条件やスキャン制御部１８に対する位置情報等の制御値を設定することができる。もちろん、キーボード等の操作部としてもよい。

信号発生器５は、特定周期で連続するパルス信号を発生するパルス発生部２１と、条件設定部１５により設定されたバースト電圧に等しい正及び負の電圧を発生する高電圧発生部２２と、パルス発生部２１からのパルス信号にしたがって正及び負の電圧を交互に切り替えながらバースト信号を出力するゲート部２３と、バースト信号の矩形波を制御する抵抗切替部２４とを有している。
信号処理部４の条件設定部１５では、操作部１９を介して入力された制御値に基づき、クロック発生回路等（図示略）から特定のタイミングで同期信号を送出するとともに、矩形波バースト信号の波数、周波数、バースト周期、バースト電圧、抵抗切替部２４のダンピング抵抗等の信号発生条件を設定して信号発生器５に送出する。

信号発生器５のパルス発生部２１は、条件設定部１９で設定された矩形波バースト信号の波数、周波数、バースト周期の設定信号に基づき、同期信号と同期をとりながら特定周期のＯＮ／ＯＦＦからなるパルス信号を発生する。ゲート部２３では、高電圧発生部２２で発生する正及び負の直流電圧に対して、例えば、パルス信号がＯＮのときに正の電圧を接続状態とし、ＯＦＦのときに負の電圧を接続状態とするというように、正の電圧と負の電圧を交互に切り替えながら接続することにより、正負の電圧が交互に連続するバースト信号として出力する。そして、抵抗切替部２４では、条件設定部１９で設定されたダンピング抵抗値に基く所望の抵抗に設定し、ゲート部２３から送出されるバースト信号の矩形波の立ち上りや立下りの部分のオーバーシュートやアンダシュートを抑制するように制御して、乱れのない矩形波バースト信号として出力する。

このように構成した超音波検査装置１により検査対象物１１の超音波検査を実施するには、操作部１９から検査対象物１１に応じた各種設定値を入力すると、信号発生器５でグランドを中心として所定の大きさ（例えば±４００Ｖ）の正負の電圧が連続した矩形波バースト信号が生成され、その矩形波バースト信号は信号送信部７を介して発信用探触子６に印加され、その探触子６の振動子を駆動して検査対象物１１に超音波を発信する。検査対象物１１の反対面側にはスキャン機構部により発信用探触子６と対向するように受信用探触子８が待機しており、この受信用探触子８が検査対象物１１を経由した超音波を受信して電圧信号に変換し、その電圧信号が信号受信部９で増幅されて欠陥判定部１６に送られる。
欠陥判定部１６では、受信した電圧信号を予め設定されたしきい値と比較して、そのしきい値より小さい場合に欠陥部有りと判定する。その他、例えば、連続するスキャンポイントにおける受信信号の変化を検知し、その変化の傾きから欠陥判定を行うこともできる。この欠陥判定部１６での判定結果は、スキャン位置情報と関連付けて表示部１７に表示され、表示部１７では、例えば信号の大きさによって色分けされた２Ｄ画像などの形で表示される。

本発明においては、信号発生器５で出力される矩形波バースト信号は、図３に示すように、グランドを中心として対称な大きさの正の電圧と負の電圧とが特定の周期Ｔで交互に連続しており、その矩形の面積に相当するエネルギを有している。そして、その矩形波が正負対称に形成されることにより、正の電圧（Ｖ^＋）×矩形の幅（Ｔ／２）からなる面積と、負の電圧（Ｖ⁻）×矩形の幅（Ｔ／２）からなる面積の総和で得られる大きなエネルギを有する。
したがって、この矩形波バースト信号によって発信用探触子６が駆動されることにより、この探触子６からは、極めて高いレベルの超音波を発信することができる。このため、図２に示すように、検査対象物１１の表面に対して両探触子６，８を離間させた状態で用いても、発信用探触子６の振動子から超音波を空中に発信し、空中を介して検査対象物１１の表面を透過させ、超音波を内部に伝播させることができる。

そして、高いレベルの超音波を発信することができるので、Ｓ／Ｎ比も上がり、検査精度が向上する。特許文献１では、受信部で受信された透過波信号を周波数変換して表示しているが、本発明では、Ｓ／Ｎ比が向上することにより、特許文献１記載のような周波数変換が不要となり、その分、信号処理が簡素化し、検査時間の短縮を図ることができる。
この超音波検査装置１は、高いレベルの超音波発信により、検査精度が高いので、検査対象物の形状や配置等に影響されることなく検査することができ、例えば、工業製品、食品、医薬品等の分野で使用されているラミネート製品の欠陥検査、各種材料の内部欠陥検査、多層積層材の剥離部検査、ピンホール検査等に広く適用することができる。

以上、本発明の各実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
一実施形態では、検査対象物の片面側から発信した超音波を検査対象物内を透過させて反対面側で受信する透過法による超音波検査のみ示したが、超音波の発信と受信とを検査対象物の片面側のみで行う反射法による超音波検査にも本発明を適用することができる。また、発信用探触子、受信用探触子の二つの探触子で検査したが、反射法による場合、発信と受信を一つの探触子で行うようにしてもよい。
本発明では、超音波を発信する超音波発信部と、超音波を受信する超音波受信部との二つの機能に分けて表現しているが、これら二つの機能を一つの機器（探触子）により構成することも含むものとする。

１…超音波探傷装置、２…パルサーレシーバー部、３…探査部、４…信号処理部、５…信号発生器、６…発信用探触子（超音波発信部）、７…信号送信部、８…受信用探触子（超音波受信部）、９…信号受信部、１１…検査対象物、１５…条件設定部、１６…欠陥判定部、１７…表示部、１８…スキャン制御部、１９…操作部、２１…パルス発生部、２２…高電圧発生部、２３…ゲート部、２４…抵抗切替部

Claims

矩形波バースト信号を発生する信号発生器と、該信号発生器から出力される前記矩形波バースト信号により探触子を駆動して検査対象物に向けて超音波を発信する超音波発信部と、前記検査対象物に向けて発信され該検査対象物内を伝播した超音波を受信する超音波受信部と、該超音波受信部からの信号に基づき前記検査対象物内の欠陥の有無を判定する欠陥判定部とを備え、前記矩形波バースト信号は、グランドを中心とする正の電圧及び負の電圧による矩形波が交互に連続していることを特徴とする超音波検査装置。
検査対象物の表面との間に隙間を空けて探触子を対向配置させ、グランドを中心とする正の電圧及び負の電圧による矩形波が交互に連続している矩形波バースト信号を印加することにより前記探触子を駆動して超音波を発信し、前記検査対象物内を伝播した超音波を受信して、その信号に基づき前記検査対象物内の欠陥の有無を判定することを特徴とする超音波検査方法。