JP2020041925A - 超音波検査装置および超音波検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】欠陥の評価の精度を向上させることができる超音波検査技術を提供する。【解決手段】超音波検査装置１は、超音波励起点Ｅから発信されて対象物２の内部を伝搬した超音波Ｒを対象物２の表面３の少なくとも２箇所以上の検出位置Ｐで検出する超音波検出部１１と、検出位置Ｐのそれぞれで検出した対象物２の欠陥Ｄに関する超音波Ｒの信号強度値を抽出する強度抽出部２３と、検出位置Ｐに対する信号強度値の関係である信号強度分布を出力する分布生成部２４とを備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、超音波検査装置および超音波検査方法に関する。

従来、超音波探傷では、超音波の伝搬時間によって欠陥の位置を特定し、信号強度値と欠陥の形状に応じた反射率を用いて欠陥のサイズの評価する技術が知られている。また、スキャン位置を横軸に超音波の反射波強度の時間変化を縦軸にとった信号強度分布のグラフに基づいて、鋼材に生じた表面疵と内部欠陥との判別をする技術もある。

特許第６１２３５３７号公報

従来技術では、材料の伝搬減衰を考慮した上で計算を行う必要があるため、予め材料のサンプルを用いて欠陥のサイズに応じた超音波の反射率を含むデータを取得するようにしている。このサンプルのデータの取得状況と実際の検査状況とが少しでも異なると、欠陥の評価の精度が低下してしまうという課題がある。

本発明の実施形態は、このような事情を考慮してなされたもので、欠陥の評価の精度を向上させることができる超音波検査技術を提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係る超音波検査装置は、超音波励起点から発信されて対象物の内部を伝搬した超音波を前記対象物の表面の少なくとも２箇所以上の検出位置で検出する超音波検出部と、前記検出位置のそれぞれで検出した前記対象物の欠陥に関する前記超音波の信号強度値を抽出する強度抽出部と、前記検出位置に対する前記信号強度値の関係である信号強度分布を出力する分布生成部と、を備える。

本発明の実施形態により、欠陥の評価の精度を向上させることができる超音波検査技術が提供される。

本実施形態の超音波検査装置を示す概念図。 超音波検査装置のシステム構成を示すブロック図。 それぞれの検出位置に対応する超音波の信号波形を示す説明図。 欠陥で反射された超音波の信号波形を示す説明図。 欠陥で反射される超音波を示す説明図。 超音波検査方法を示す概念図。 超音波検査装置が実行する処理を示すフローチャート。 実験例１の欠陥を示す概念図。 実験例１の信号強度分布を示すグラフ。 実験例１の信号強度分布を示すグラフ。 実験例２の欠陥を示す概念図。 実験例２の信号強度分布を示すグラフ。 実験例２の信号強度分布を示すグラフ。 実験例３の欠陥を示す概念図。 実験例３の信号強度分布を示すグラフ。 変形例１の超音波検査装置を示す概念図。 変形例２の超音波検査装置を示す概念図。

以下、図面を参照しながら、超音波検査装置の実施形態について詳細に説明する。

図１の符号１は、本実施形態の超音波検査装置である。この超音波検査装置１は、非破壊で検査対象となる対象物２の内部の亀裂または空洞などの欠陥Ｄの有無を検査するために用いられる。本実施形態では、対象物２の表面３から内部に向けて超音波Ｕを伝搬させて、欠陥Ｄまたは対象物２の底面４により反射される超音波Ｒを対象物２の表面３で検出する。対象物２は、例えば、金属で形成された部材である。この対象物２の溶接部などの検査対象となる部位に欠陥Ｄが存在するか否かの検査を、超音波Ｒを用いて行う。

図１に示すように、超音波検査装置１は、対象物２の表面３で超音波Ｕを励起させる超音波励起部１０と、欠陥Ｄまたは対象物２の底面４により反射された超音波Ｒを検出する超音波検出部１１と、これらの機器を制御する制御コンピュータ１２とを備える。

超音波励起部１０は、パルス状の励起用レーザ光６を対象物２の表面３に向けて照射（出力）する。励起用レーザ光６が対象物２の表面３に照射されると、この表面３にプラズマが発生する。このプラズマによる熱ひずみまたはアブレーションにより、超音波Ｕが励起される。この超音波励起点Ｅから対象物２の内部に向けて超音波Ｕが送信（出力）される。

本実施形態では、励起用レーザ光６を対象物２の表面３に当てて超音波励起点Ｅを生じさせるアクティブな超音波の励起方法を用いているが、その他の態様でも良い。例えば、アコースティックエミッション（ＡＥ）のように、パッシブな超音波の励起方法を用いても良い。また、圧電素子を用いた超音波の励起方法でも良いし、ＥＭＡＴなどの電磁波を用いた超音波の励起方法でも良いし、物理的な打撃を用いた超音波の励起方法でも良い。

超音波検出部１１は、検出用レーザ光７を対象物２の表面３に向けて照射（出力）し、検出用レーザ光７の反射光８を検出する。この反射光８は、散乱源である欠陥Ｄにより反射された超音波Ｒにより振動する表面３の状態を検出する。つまり、超音波検出部１１は、検出用レーザ光７を用いて、欠陥Ｄにより反射された超音波Ｒを検出する。

本実施形態では、対象物２の表面３の複数箇所の検出位置Ｐで超音波Ｒの検出を行う。超音波検出部１１は、それぞれの検出位置Ｐに検出用レーザ光７を照射し、その反射光８を検出する。つまり、それぞれの検出位置Ｐで個別に得られる超音波Ｒの信号波形Ｗの取得を行う（図３参照）。なお、検出位置Ｐの数に応じた複数本の検出用レーザ光７を照射しても良いし、１本の検出用レーザ光７を用いて、それぞれの検出位置Ｐに順番に検出用レーザ光７を照射しても良い。

図１に示すように、対象物２の表面３において、超音波励起点Ｅから所定の方向に向かって延びる直線上に複数の検出位置Ｐが等間隔に並んでいる。なお、本実施形態では、１つの直線上に並ぶ複数の検出位置Ｐで検出された超音波Ｒに基づいて、信号強度分布Ｂを作成する（図６参照）。そして、信号強度分布Ｂに基づいて欠陥Ｄの評価を行う。

また、超音波励起点Ｅから所定の方向に向かって延びる直線を基準線として、この基準線と平行に並ぶ複数の直線を設定する。これら直線上のそれぞれに並ぶ複数の検出位置Ｐで検出された超音波Ｒに基づいて、それぞれの直線上に対応する複数の信号強度分布Ｂを作成する。つまり、検出位置Ｐは、対象物２の表面３にマトリクス状に設定される。そして、これら信号強度分布Ｂを集めた信号強度分布群Ｇを作成し（図６参照）、欠陥Ｄの位置、欠陥Ｄの形状、欠陥Ｄのサイズの評価を行うことができる。このようにすれば、欠陥の様々な状態の評価を得ることができる。また、より広い範囲で取得された超音波に含まれる情報に基づいて、欠陥のサイズを評価できるので、欠陥の評価の精度を向上させることができる。つまり、検出誤差を低減させることができる。

本実施形態では、超音波励起点Ｅを原点として検出位置Ｐの１次元的な座標が設定される。例えば、超音波励起点Ｅから近い方の検出位置Ｐから順に、１番目の検出位置Ｐ１、２番目の検出位置Ｐ１、…ｎ番目の検出位置Ｐｎが設定される。

図３（Ａ）は、１番目の検出位置Ｐ１で検出された超音波Ｒの信号波形Ｗ１である。図３（Ｂ）は、２番目の検出位置Ｐ２で検出された超音波Ｒの信号波形Ｗ２である。図３（Ｃ）は、ｎ番目の検出位置Ｐｎで検出された超音波Ｒの信号波形Ｗｎである。

図３に示すように、超音波Ｒの信号波形Ｗには、欠陥Ｄで反射された波形Ｈ１と、対象物２の底面４で反射された波形Ｈ２とが含まれる。ここで、対象物２の底面４で反射された超音波Ｒがそれぞれの検出位置Ｐまで伝搬される時間は、対象物２の材質および形状により一義的に特定可能となっている。そして、欠陥Ｄで反射された波形Ｈ１は、対象物２の底面４で反射された波形Ｈ２よりも早い時間に出現する。

本実施形態では、対象物２の底面４で反射された波形Ｈ２よりも早い時間に出現した波形Ｈ１に基づいて、超音波励起点Ｅから伝搬された超音波Ｕが欠陥Ｄにより反射され、それぞれの検出位置Ｐまで到達する伝搬時間Ｔ１，Ｔ２，…Ｔｎが特定される。そして、それぞれの伝搬時間Ｔ１，Ｔ２，…Ｔｎに基づいて、対象物２の欠陥Ｄに関する超音波Ｒの波形Ｈ１が含まれる指定時間Ｊが指定される（図４参照）。この指定時間Ｊは、欠陥Ｄに関する超音波Ｒの波形Ｈ１の出現前からこの波形Ｈ１の消滅後までの一定の範囲を示す時間帯である。

なお、指定時間Ｊは、任意で全ての信号波形Ｗ１，Ｗ２，…Ｗｎに対して一括して指定しても良いし、それぞれの信号波形Ｗ１，Ｗ２，…Ｗｎ毎に個別に指定しても良い。また、超音波励起点Ｅから検出位置Ｐまでの距離（座標）に基づいて、指定時間Ｊを幾何的に算出しても良い。

図４に示すように、本実施形態では、信号強度分布Ｂを作成するための信号強度値を信号波形Ｗから求める。信号強度値は、指定時間Ｊにおける信号波形Ｗの最大値Ｖ１を用いても良いし、指定時間Ｊにおける信号波形Ｗの最小値Ｖ２を用いても良い。また、指定時間Ｊにおける信号波形Ｗの最大値Ｖ１と最小値Ｖ２の差分であるピークピーク値Ｖ３を用いても良い。さらに、指定時間Ｊにおける信号波形Ｗの平均値Ｖ４を用いても良い。

このようにすれば、欠陥Ｄの評価するために必要な情報を含む信号波形Ｗから信号強度値を求めることができる。なお、指定時間Ｊは、時間帯ではなく、特定の時点でも良い。例えば、信号強度値は、特定の時点である指定時間Ｊにおける信号波形Ｗの最大値Ｖ１または最小値Ｖ２であっても良い。

図６に示すように、本実施形態の超音波検査方法では、複数の信号波形Ｗを集めた信号波形群Ｑに基づいて、１つの信号強度分布Ｂのグラフが作成される。ここで、検出位置Ｐを横軸に信号強度値を縦軸にプロットした信号強度分布Ｂのグラフが作成される。なお、１つの信号強度分布Ｂのグラフは、直線上に並ぶ複数の検出位置Ｐに対応して作成される。つまり、１つの信号強度分布Ｂのグラフは、１次元の信号強度分布Ｂの解析に用いられる。

そして、互いに平行に並ぶ複数の信号強度分布Ｂを集めた信号強度分布群Ｇが作成される。この信号強度分布群Ｇにより、２次元的な信号強度分布Ｂの解析が可能になる。つまり、対象物２の表面３にマトリクス状に設定された検出位置Ｐに基づいて、対象物２の表面３を２次元的に走査することができる。

このようにして取得された信号強度分布Ｂに基づいて欠陥Ｄの評価を行うことができる。また、規格化した信号強度分布Ｂに基づいて欠陥Ｄの評価を行うこともできる。なお、本実施形態の規格化とは、信号強度分布Ｂのグラフを、その最大値を１とした場合のグラフに変換することを示す（図９および図１０参照）。

次に、信号強度分布Ｂに基づいて欠陥Ｄの評価を行う原理について詳述する。図５（Ａ）は、サイズが大きい球形状の欠陥Ｄで反射された超音波Ｒを示す概念図である。図５（Ｂ）は、サイズが中位の球形状の欠陥Ｄで反射された超音波Ｒを示す概念図である。図５（Ｃ）は、サイズが小さい球形状の欠陥Ｄで反射された超音波Ｒを示す概念図である。

超音波励起点Ｅで発生し、対象物２の内部を伝搬する超音波Ｕは、欠陥Ｄにより反射、解析、または散乱される。この欠陥Ｄで反射された超音波Ｒが超音波検出部１１で検出される（図１参照）。

図５に示すように、例えば、欠陥Ｄが球形状をしているものとする。球形状の欠陥Ｄに対して超音波Ｕが入射された場合に、スネルの法則に従って反射される。つまり、欠陥Ｄの境界面において超音波Ｕが入射された部分の接平面に対して、入射された角度と等しい角度で超音波Ｒが反射される。

図５（Ａ）に示すように、直径が大きい球形状の欠陥Ｄに対して超音波Ｕが入射された場合には、この欠陥Ｄの境界面の曲率が小さいので、反射角が小さくなる。そして、所定の範囲に亘って超音波Ｒが広がりながら反射される。

図５（Ｂ）に示すように、直径が中位の球形状の欠陥Ｄに対して超音波Ｕが入射された場合には、この欠陥Ｄの境界面の曲率が大きいので、反射角が大きくなる。そして、直径が大きい球形状の欠陥Ｄで反射されたときよりも、広い範囲に亘って超音波Ｒが広がりながら反射される。

図５（Ｃ）に示すように、直径が小さい球形状の欠陥Ｄに対して超音波Ｕが入射された場合には、この欠陥Ｄに当たる超音波Ｕが少なくなるので、反射される超音波Ｒが少なくなる。そして、欠陥Ｄを介して回析される超音波Ｒが生じる。

このように、欠陥Ｄの直径に応じて超音波Ｒの反射角度が大きくなったり、欠陥Ｄを介して回析されたりする。この現象により、それぞれの検出位置Ｐに到達される超音波Ｒの強度が変化される。つまり、対象物２の表面３に到達した超音波Ｒは、欠陥Ｄの直径に関する情報を含んでいる。この超音波Ｒの強度の変化に基づいて、欠陥Ｄの直径に関する評価を行うことができる。

次に、超音波検査装置１のシステム構成を図２に示すブロック図を参照して説明する。

図２に示すように、超音波励起部１０は、パルス状の励起用レーザ光６を対象物２の表面３に向けて照射（出力）するレーザ出力部１３を備える。

超音波検出部１１は、検出用レーザ光７を送信するレーザ送信部１４と、対象物２の表面３で反射された反射光８を受信するレーザ受信部１５と、反射光８に基づいて対象物２の表面３の振動を検出するレーザ干渉計１６とを備える。

レーザ送信部１４から照射された検出用レーザ光７が、対象物２の表面３で反射されて反射光８となってレーザ受信部１５で受信される。ここで、レーザ干渉計１６が検出用レーザ光７と反射光８とで生じる干渉縞を計測することで、超音波の検出を行う。

超音波検出部１１で検出された超音波Ｒの信号波形Ｗは、制御コンピュータ１２に伝送される。なお、超音波検出部１１は、伝送する信号波形Ｗのゲインを増幅させる機能、または所定の周波数の信号波形Ｗのみを透過させるフィルタ機能を有していても良い。

制御コンピュータ１２は、メイン制御部１７と特性情報記憶部１８とＡＤ変換部１９と伝送記録部２０と除去部２１と時間指定部２２と強度抽出部２３と分布生成部２４と規格化部２５と評価部２６と範囲特定部２７とを備え、これらは、メモリまたはＨＤＤに記憶されたプログラムがＣＰＵによって実行されることで実現される。

メイン制御部１７は、超音波検査装置１に関連する各種機器を統括して制御を行う。特性情報記憶部１８は、対象物２の材質または形状毎に異なる特性情報を記憶する。本実施形態では。対象物２の欠陥Ｄの評価を行う前に、予めサンプルを用いて対象物２の材質または形状に関する特性情報を取得する。そして、この特性情報を特性情報記憶部１８に記憶させる。なお、特性情報には、対象物２の内部を伝搬する超音波の音速に関する情報、異方性に関する情報、その他の属性情報が含まれる。

ＡＤ変換部１９は、超音波検出部１１から伝送されるアナログ信号を離散化してデジタル信号に変換する。伝送記録部２０は、超音波検出部１１から伝送された信号波形Ｗ（図３参照）をメモリなどの記録媒体に記録する。除去部２１は、特性情報記憶部１８に記憶された特性情報に基づいて超音波Ｒの信号波形Ｗから欠陥Ｄの評価に不要なノイズを除去する。

時間指定部２２は、超音波励起点Ｅから検出位置Ｐまで超音波Ｒの伝搬時間Ｔ１，Ｔ２，…Ｔｎに基づいて、対象物２の欠陥Ｄに関する超音波Ｒの信号波形Ｗ１，Ｗ２，…Ｗｎが含まれる指定時間Ｊを指定する。強度抽出部２３は、１つずつの信号波形Ｗ１，Ｗ２，…Ｗｎ（図３参照）において指定時間Ｊに検出位置Ｐで検出された超音波Ｒの信号強度値を抽出する。すなわち、強度抽出部２３は、複数の検出位置Ｐのそれぞれにおいて受信した対象物２の欠陥Ｄに関する超音波Ｒの信号強度値を抽出する構成である。

分布生成部２４は、検出位置Ｐに対する信号強度値の関係である信号強度分布Ｂを生成（出力）する。この信号強度分布Ｂは、例えば検出位置Ｐを横軸に信号強度値を縦軸にプロットしたグラフを作成することで生成（出力）される（図６参照）。規格化部２５は、信号強度分布Ｂを規格化する処理を行う。なお、分布生成部２４は必ずしもグラフを作成する必要はない。信号強度分布Ｂとしては、例えば、複数の検出位置Ｐにおける信号強度値のそれぞれの値に基づく近似式、または複数の検出位置Ｐにおける信号強度値のそれぞれの値に基づく相関式の相関係数などを求めて生成（出力）するように構成しても構わない。また、検出位置Ｐと信号強度値の関係を示すグラフを作成する場合、横軸を信号強度値とし縦軸を検出位置Ｐとするほか、検出位置Ｐとして極座標系を用いるなど直交座標系以外の座標系を用いても構わない。

評価部２６は、信号強度分布Ｂに基づいて欠陥Ｄの評価を行う。なお、評価部２６は、欠陥Ｄの位置、欠陥Ｄの形状、欠陥Ｄのサイズを信号強度分布Ｂに基づいて判別する。そして、評価部２６は、欠陥Ｄと検出位置Ｐの座標との幾何関係から、欠陥Ｄの特徴量を判定する特徴判定部を備えても良い。

範囲特定部２７は、信号強度分布Ｂに基づいて欠陥Ｄに関する超音波Ｒの信号波形Ｗを検出可能な有効検出範囲を特定する。

また、制御コンピュータ１２は、評価用データベース２８に接続される。評価用データベース２８は、信号強度分布Ｂと欠陥Ｄの状態とを対応付けた評価用データを記憶する。この評価用データは、超音波検査装置１を用いて様々な対象物２の欠陥Ｄを評価する度に蓄積される。例えば、欠陥Ｄに関する信号強度分布Ｂの特徴量を予め抽出することで、評価用データが生成される。そして、評価部２６が備える特徴判定部は、評価用データに基づいて欠陥Ｄの特徴量を判定する。つまり、評価用データベース２８は、多量の信号強度分布Ｂを記憶しており、この評価用データベース２８に記憶されたデータ群の中から、対象物２から得られた信号強度分布Ｂに合致する、若しくは近いデータを抽出する。そして、その特徴量を判定結果として出力する。

本実施形態のシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤなどのハードウェア資源を有し、ＣＰＵが各種プログラムを実行することで、ソフトウェアによる情報処理がハードウェア資源を用いて実現されるコンピュータで構成される。さらに、本実施形態の超音波検査方法は、プログラムをコンピュータに実行させることで実現される。

次に、超音波検査装置１が実行する処理について図７のフローチャートを用いて説明する。この超音波検査装置１の動作によって受動的に生じる作用を含めて説明する。なお、図２に示すブロック図を適宜参照する。

図７に示すように、まず、ステップＳ１１において、超音波検査装置１の制御コンピュータ１２のメイン制御部１７は、対象物２の超音波検査を開始する前に、対象物２の材質または形状毎に異なる特性情報を取得する。この特性情報は、制御コンピュータにて解析された情報でも良いし、他のコンピュータで解析された情報でも良い。

次のステップＳ１２において、特性情報記憶部１８は、対象物２の検査を開始する前に、取得された特性情報を記憶する。

次のステップＳ１３において、メイン制御部１７は、対象物２の超音波検査を開始する制御を行う。ここで、対象物２の検査対象となる部位の近傍に複数の検出位置Ｐを設定する。なお、欠陥Ｄの存在する部分が不明である場合は、検出位置Ｐの初期設定を比較的広い範囲に設定しておく。このときに、超音波励起点Ｅも設定される。

次のステップＳ１４において、超音波励起部１０は、設定された超音波励起点Ｅに向けて励起用レーザ光６を照射（出力）する。そして、この超音波励起点Ｅから対象物２の内部に向けて超音波Ｕが発信（出力）される。

次のステップＳ１５において、超音波検出部１１は、検出用レーザ光７を対象物２の表面３に向けて照射（出力）し、その反射光８を検出することで、欠陥Ｄにより反射された超音波Ｒを検出する。ここで、超音波検出部１１が取得した超音波Ｒのアナログ信号は、ＡＤ変換部１９によりデジタル信号に変換される。さらに、伝送記録部２０が、超音波検出部１１から伝送された信号波形Ｗをメモリなどの記録媒体に記録する。

次のステップＳ１６において、除去部２１は、特性情報記憶部１８に記憶された特性情報に基づいて超音波Ｒの信号波形Ｗから欠陥Ｄの評価に不要なノイズを除去する。例えば、対象物２の材質および形状に関する特性情報に基づいて、対象物２の底面４で反射された波形Ｈ２を特定することができる。ここで、除去部２１は、ノイズとなる波形Ｈ２を除去する。

次のステップＳ１７において、時間指定部２２は、対象物２の欠陥Ｄに関する超音波Ｒの波形Ｈ１が含まれる指定時間Ｊを指定する。

次のステップＳ１８において、強度抽出部２３は、複数の検出位置Ｐのそれぞれにおいて受信した対象物２の欠陥Ｄに関する超音波Ｒの信号強度値として、指定時間Ｊに検出位置Ｐで検出された超音波Ｒの信号強度値を抽出する。

次のステップＳ１９において、分布生成部２４は、検出位置Ｐに対する信号強度値の関係である信号強度分布Ｂを出力する。この信号強度分布Ｂは、例えば検出位置Ｐを横軸に信号強度値を縦軸にプロットした信号強度分布Ｂのグラフを作成することで出力される。なお、分布生成部２４は必ずしもグラフを作成する必要はない。信号強度分布Ｂとしては、例えば、複数の検出位置Ｐにおける信号強度値のそれぞれの値に基づく近似式、または複数の検出位置Ｐにおける信号強度値のそれぞれの値に基づく相関式の相関係数などを求めて出力するように構成しても構わない。また、検出位置Ｐと信号強度値の関係を示すグラフを作成する場合、横軸を信号強度値とし縦軸を検出位置Ｐとするほか、検出位置Ｐとして極座標系を用いるなど直交座標系以外の座標系を用いても構わない。

次のステップＳ２０において、評価部２６は、規格化前の信号強度分布Ｂのグラフに基づいて欠陥Ｄの第１種評価を行う。ここで、評価部２６は、信号強度分布群Ｇを用いて欠陥Ｄの第１種評価を行っても良い。なお、評価部２６は、評価用データベース２８に記憶された評価用データを参照して第１種評価を行う。

次のステップＳ２１において、規格化部２５は、信号強度分布Ｂのグラフを規格化する処理を行う。

次のステップＳ２２において、評価部２６は、規格化後の信号強度分布Ｂのグラフに基づいて欠陥Ｄの第２種評価を行う。ここで、評価部２６は、規格化後の信号強度分布群Ｇを用いて欠陥Ｄの第２種評価を行っても良い。なお、評価部２６は、評価用データベース２８に記憶された評価用データを参照して第２種評価を行う。

次のステップＳ２３において、範囲特定部２７は、信号強度分布Ｂに基づいて欠陥Ｄに関する超音波Ｒの信号波形Ｗを検出可能な有効検出範囲を特定する。なお、検査対象となる範囲が予め決まっている場合には、その範囲において信号強度分布Ｂが最大値となる検出位置Ｐの座標を中心とし、この座標の周囲を有効検出範囲として特定しても良い。

次のステップＳ２４において、メイン制御部１７は、対象物２の超音波検査が終了したか否かの判定を行う。ここで、超音波検査が終了した場合（ステップＳ２４がＹＥＳ）は、処理を終了する。一方、超音波検査が終了していない場合（ステップＳ２４がＮＯ）は、前述のステップＳ１４に戻る。

前述のステップＳ１４に戻る場合に、メイン制御部１７は、特定された有効検出範囲に基づいて検出位置Ｐを再設定する。なお、有効検出範囲が特定されていない場合は、検出位置Ｐの設定範囲を広げるように設定しても良いし、既に検査済みの領域以外の領域を検出位置Ｐの設定範囲として設定しても良い。

次に、超音波検査装置１により対象物２の欠陥Ｄを検出する実験例１について図８から図１０を用いて説明する。

以下に示す実験例１〜３では、対象物２の表面３に溝部３０が形成され、この溝部３０の底部に超音波励起点Ｅが設定される。なお、検出位置Ｐは、対象物２の表面３に設定される（図１参照）。つまり、超音波励起点Ｅは、検出位置Ｐよりも低い位置に設定される。また、溝部３０は、例えば、溶接途中の溶接部を想定している。励起用レーザ光６を用いることで溶接途中の高温の溶接部であっても、超音波励起点Ｅを形成することができる。

図８に示すように、実験例１では、直径が異なる球形状の欠陥Ｄの評価を行った。例えば、一方の欠陥Ｄの直径Ｋ１（図８（Ａ））は、他方の欠陥Ｄの直径Ｋ２（図８（Ｂ））よりも大きくなっている。

図９（Ａ）は、直径Ｋ１が大きい欠陥Ｄの信号強度分布のグラフである。図９（Ｂ）は、直径Ｋ２が小さい欠陥Ｄの信号強度分布のグラフである。図１０（Ａ）は、直径Ｋ１が大きい欠陥Ｄの規格化後の信号強度分布のグラフである。図１０（Ｂ）は、直径Ｋ２が小さい欠陥Ｄの規格化後の信号強度分布のグラフである。縦軸は信号強度値（任意単位）であり、横軸は検出位置Ｐの座標（ｍｍ単位）である。なお、信号強度値には、欠陥Ｄに関する超音波Ｒの信号波形Ｗのピークピーク値を用いている。

図９に示すように、直径Ｋ１，Ｋ２が異なる球形状の欠陥Ｄの場合には、直径Ｋ１が大きい欠陥Ｄの信号強度分布の最大値よりも、直径Ｋ２が小さい欠陥Ｄの信号強度分布の最大値の方が小さくなる傾向がある。

図１０に示すように、規格化後の信号強度分布では、欠陥Ｄに近い検出位置Ｐの座標（例えば１０〜５０ｍｍ）付近では、信号強度分布の形状に大きな違いが見られないが、欠陥Ｄから離れた検出位置Ｐの座標（例えば５０ｍｍ以上）では、信号強度分布の形状に大きな違いが見られる。座標が５０ｍｍ以上では、直径Ｋ１が大きい欠陥Ｄの信号強度分布が右下がりになっているのに対し、直径Ｋ２が小さい欠陥Ｄの信号強度分布は平坦になっている。これは、欠陥Ｄの直径Ｋ２が小さいことで、欠陥Ｄの境界面での超音波Ｒの反射角が大きくなり、欠陥Ｄから離れた検出位置Ｐまで超音波Ｒが伝搬されたために生じる。このように、信号強度分布の形状の違いを見ることで、欠陥Ｄのサイズの判別が可能である。

次に、超音波検査装置１により対象物２の欠陥Ｄを検出する実験例２について図１１から図１３を用いて説明する。

図１１に示すように、実験例２では、対象物２の表面３からの深さが異なる欠陥Ｄの評価を行った。例えば、深さＦ１が浅い位置にある欠陥Ｄ（図１１（Ａ））と、深さＦ２が中位の位置にある欠陥Ｄ（図１１（Ｂ））と、深さＦ３が深い位置にある欠陥Ｄ（図１１（Ｃ））とをそれぞれ比較する。いずれも球形状の欠陥Ｄである。

図１２（Ａ）は、深さＦ１が浅い位置にある欠陥Ｄの信号強度分布のグラフである。図１２（Ｂ）は、深さＦ２が中位の位置にある欠陥Ｄの信号強度分布のグラフである。図１２（Ｃ）は、深さＦ３が深い位置にある欠陥Ｄの信号強度分布のグラフである。図１３（Ａ）は、深さＦ１が浅い位置にある欠陥Ｄの規格化後の信号強度分布のグラフである。図１３（Ｂ）は、深さＦ２が中位の位置にある欠陥Ｄの規格化後の信号強度分布のグラフである。図１３（Ｃ）は、深さＦ３が深い位置にある欠陥Ｄの規格化後の信号強度分布のグラフである。縦軸は信号強度値（任意単位）であり、横軸は検出位置Ｐの座標（ｍｍ単位）である。なお、信号強度値には、欠陥Ｄに関する超音波Ｒの信号波形Ｗのピークピーク値Ｖ３を用いている。

図１２および図１３に示すように、同一形状の欠陥Ｄであっても、欠陥Ｄが存在する深さＦ１，Ｆ２，Ｆ３が異なると信号強度分布の形状が異なるようになる。このように、信号強度分布の形状の違いにより欠陥Ｄが存在する深さＦ１，Ｆ２，Ｆ３を判別することができる。

超音波励起点Ｅが、検出位置Ｐが設定される表面３よりも下方位置にある場合は、超音波励起点Ｅが存在する溝部３０で、欠陥Ｄから反射された超音波Ｒが遮られるようになる。そのため、欠陥Ｄに近い検出位置Ｐの座標（例えば１０〜５０ｍｍ）付近では、信号強度値が低く、欠陥Ｄから離れるに連れて徐々に高くなる。

従来技術では、欠陥Ｄの深さ位置を超音波の伝播時間により判別しているが、本実施形態では、さらに信号強度分布の形状に基づいても欠陥Ｄの深さ位置を判別できるので、欠陥Ｄの評価の精度を向上させることができる。

次に、超音波検査装置１により対象物２の欠陥Ｄを検出する実験例３について図１４から図１５を用いて説明する。

図１４に示すように、実験例３では、欠陥Ｄの形状が四角形状（面状）を成している。欠陥Ｄの形状が四角形状である場合には、超音波励起点Ｅから伝搬された超音波Ｕが欠陥Ｄで反射されるときに、直上（超音波励起点Ｅ）に向かって反射される超音波Ｒの成分が多くなる。

図１５（Ａ）は、四角形状の欠陥Ｄの信号強度分布のグラフである。図１５（Ｂ）は、四角形状の欠陥Ｄの規格化後の信号強度分布のグラフである。縦軸は信号強度値（任意単位）であり、横軸は検出位置Ｐの座標（ｍｍ単位）である。なお、信号強度値には、欠陥Ｄに関する超音波Ｒの信号波形Ｗのピークピーク値Ｖ３を用いている。

ここで、四角形状の欠陥Ｄの信号強度分布を、球形状の欠陥Ｄの信号強度分布と比較する。球形状の欠陥Ｄの信号強度分布（図９および図１０）の最大値が、座標が３０ｍｍ以上の部分となっているのに対し、四角形状の欠陥Ｄの信号強度分布（図１５）の最大値が、座標が３０ｍｍ以下の部分となっている。さらに、球形状の欠陥Ｄの信号強度分布（図９および図１０）は、その最大値からグラフが緩やかに下がっているのに対して、四角形状の欠陥Ｄの信号強度分布（図１５）は、その最大値からグラフが急激に下がっている。このように、信号強度分布の形状に基づいて欠陥Ｄの形状の判別ができるので、欠陥Ｄの評価の精度を向上させることができる。

本実施形態では、レーザ光を用いて超音波の検出を行っているが、その他の態様でも良い。例えば、図１６に示すように、変形例１の超音波検査装置１Ａは、対象物２の表面３に接触させて超音波Ｕを送信する超音波送信部３１と、対象物２の表面３に接触させて超音波Ｒを受信する複数の超音波受信センサ３２とを備える。

なお、超音波受信センサ３２は、超音波Ｒの圧力を、圧力素子を用いて圧電効果により電圧波形に変換して回路上に伝送するデバイスである。複数の超音波受信センサ３２はそれぞれ同一構成となっている。これらの超音波受信センサ３２を検出位置Ｐに沿って並べるようにする。

超音波送信部３１により超音波励起点Ｅを形成し、対象物２の内部に超音波Ｕを伝搬させる。そして、欠陥Ｄにより反射された超音波Ｒを複数の超音波受信センサ３２により検出する。このようにすれば、超音波受信センサ３２が直接に対象物２の表面３に接触されるので、超音波Ｒを検出するときの誤差を低減させることができる。

図１７に示すように、変形例２の超音波検査装置１Ｂは、アレイプローブ３３を備える。このアレイプローブ３３は、複数の超音波受信素子３４を有する。

超音波送信部３１により超音波励起点Ｅを形成し、対象物２の内部に超音波Ｕを伝搬させる。そして、欠陥Ｄにより反射された超音波Ｒをアレイプローブ３３により検出する。このようにすれば、超音波受信素子３４の位置が、そのまま検出位置Ｐとなるので、検出位置Ｐを設定する手間が省ける。つまり、アレイプローブ３３を対象物２の表面３に接触させるだけで、超音波検査を開始することができる。

本実施形態では、検出用レーザ光７による対象物２の表面３の走査を行うときに、対象物２の表面３の状態に影響を受けても、少なくとも２箇所以上の検出位置Ｐで１つの欠陥Ｄの評価を行うので、欠陥の評価の精度を向上させることができる。

また、除去部２１が特性情報に基づいて超音波Ｒの信号波形Ｗから欠陥Ｄの評価に不要なノイズを除去することで、欠陥Ｄの評価に不要なノイズを除去した超音波Ｒの信号波形Ｗに基づいて欠陥Ｄの評価を行うことができる。

また、規格化部２５が信号強度分布Ｂを規格化する処理を行うことで、信号強度分布Ｂの解析精度を向上させることができる。

また、評価部２６が信号強度分布Ｂに基づいて欠陥Ｄの評価を行うことで、超音波検査装置１が欠陥Ｄの評価が自動的に行われるので、超音波検査装置１の使用者の判断に関わりなく、常に一定の精度の欠陥Ｄの評価を得ることができる。

また、範囲特定部２７が有効検出範囲を特定することで、複数回の走査を行う場合に初回の走査で特定した有効検出範囲を重点的に走査することで、欠陥Ｄの評価の精度を向上させることができる。さらに、初回に大凡の範囲の検査を行い、有効検出範囲のみを重点的に走査することで、検査時間を短縮することができる。

なお、本実施形態のフローチャートにおいて、各ステップが直列に実行される形態を例示しているが、必ずしも各ステップの前後関係が固定されるものでなく、一部のステップの前後関係が入れ替わっても良い。また、一部のステップが他のステップと並列に実行されても良い。

本実施形態のシステムは、専用のチップ、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）、またはＣＰＵ（Central Processing Unit）などのプロセッサを高集積化させた制御装置と、ＲＯＭ（Read Only Memory）またはＲＡＭ（Random Access Memory）などの記憶装置と、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）またはＳＳＤ（Solid State Drive）などの外部記憶装置と、ディスプレイなどの表示装置と、マウスまたはキーボードなどの入力装置と、通信インターフェースとを備える。このシステムは、通常のコンピュータを利用したハードウェア構成で実現できる。

なお、本実施形態のシステムで実行されるプログラムは、ＲＯＭなどに予め組み込んで提供される。もしくは、このプログラムは、インストール可能な形式または実行可能な形式のファイルでＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、メモリカード、ＤＶＤ、フレキシブルディスク（ＦＤ）などのコンピュータで読み取り可能な非一過性の記憶媒体に記憶されて提供するようにしても良い。

また、このシステムで実行されるプログラムは、インターネットなどのネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせて提供するようにしても良い。また、このシステムは、構成要素の各機能を独立して発揮する別々のモジュールを、ネットワークまたは専用線で相互に接続し、組み合わせて構成することもできる。

なお、本実施形態では、検出位置に対する信号強度値の関係である信号強度分布として検出位置を横軸に信号強度値を縦軸にとったグラフを作成しているが、信号強度値を横軸に検出位置を縦軸にとったグラフを作成しても良い。

なお、本実施形態では、対象物２の内部に存在する欠陥Ｄの検出を行っているが、対象物２の底面４に存在する疵の検査を行うようにしても良い。

なお、評価部２６は、機械学習を用いて、規格化後の信号強度分布Ｂのグラフと欠陥Ｄの状態との関係を学習しても良い。そして、評価部２６は、学習済みの機械学習に基づいて欠陥Ｄの評価を行っても良い。

なお、本実施形態では、複数の検出位置Ｐが設けられているが、これらの検出位置Ｐは、対象物２の表面３の少なくとも２箇所以上に設けられていれば良い。

また、本実施形態の欠陥Ｄには、対象物２の内部の亀裂または空洞のみならず、対象物２と材質が異なる不純物または介在物が含まれる。

なお、本実施形態において「欠陥に関する超音波」という用語には、「欠陥で反射された超音波」、「欠陥で回析された超音波」、「欠陥で散乱された超音波」、「欠陥を通過した超音波」の少なくともいずれか１つの意味を含む場合がある。

なお、本実施形態において超音波の「反射」という用語には、超音波の「回折」または「散乱」の意味を含む場合がある。

従来技術のように、スキャン位置を横軸に超音波の反射波強度の時間変化を縦軸にとった信号強度分布のグラフでは、検査対象となる対象物の材料の伝搬減衰も考慮した上で、欠陥のサイズの評価を行う必要がある。そのため、検査範囲全域に亘って基準となる信号強度を保持しておく必要がある。この検査前の事前準備が煩雑であり、膨大な労力がかかるという課題がある。本実施形態は、このような課題を解決することができる。

特に、レーザ光よる超音波の検出は、レーザ光のばらつきにより誤差が生じてしまう。レーザ光の出力部から対象物の表面までの距離を常に最適に保たなければ、誤差が生じてしまう。また、レーザ光よる超音波の検出は、対象物の表面の微小な凹凸などのノイズ要素の影響を受け易い。従来技術では、検出範囲の信号をすべて加算した値を用いて、欠陥のサイズの測定をしている。そのため、レーザ光のばらつきまたはノイズ要素の影響を受け易かった。これに対して、本実施形態では、広い範囲で取得された個々の超音波に含まれる情報に基づいて、欠陥のサイズを評価できるので、レーザ光のばらつきまたはノイズ要素の影響を受け難くなる。そのため、誤差が生じることを抑制して、欠陥の評価の精度を向上させることができる。

以上説明した実施形態によれば、検出位置に対する信号強度値の関係である信号強度分布を生成（出力）する分布生成部を備えることにより、欠陥の評価の精度を向上させることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１（１Ａ，１Ｂ）…超音波検査装置、２…対象物、３…表面、４…底面、６…励起用レーザ光、７…検出用レーザ光、８…反射光、１０…超音波励起部、１１…超音波検出部、１２…制御コンピュータ、１３…レーザ出力部、１４…レーザ送信部、１５…レーザ受信部、１６…レーザ干渉計、１７…メイン制御部、１８…特性情報記憶部、１９…ＡＤ変換部、２０…伝送記録部、２１…除去部、２２…時間指定部、２３…強度抽出部、２４…分布生成部、２５…規格化部、２６…評価部、２７…範囲特定部、２８…評価用データベース、３０…溝部、３１…超音波送信部、３２…超音波受信センサ、３３…アレイプローブ、３４…超音波受信素子、Ｂ…信号強度分布、Ｄ…欠陥、Ｅ…超音波励起点、Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３…深さ、Ｇ…信号強度分布群、Ｈ１，Ｈ２…波形、Ｊ…指定時間、Ｋ１，Ｋ２…直径、Ｐ（Ｐ１，Ｐ２，Ｐｎ）…検出位置、Ｑ…信号波形群、Ｒ…超音波、Ｔ１，Ｔ２，Ｔｎ…伝搬時間、Ｕ…超音波、Ｖ１…信号波形の最大値、Ｖ２…信号波形の最小値、Ｖ３…信号波形のピークピーク値、Ｖ４…信号波形の平均値、Ｗ（Ｗ１，Ｗ２，Ｗｎ）…信号波形。

Claims (7)

1. 超音波励起点から発信されて対象物の内部を伝搬した超音波を前記対象物の表面の少なくとも２箇所以上の検出位置で検出する超音波検出部と、
   前記検出位置のそれぞれで検出した前記対象物の欠陥に関する前記超音波の信号強度値を抽出する強度抽出部と、
   前記検出位置に対する前記信号強度値の関係である信号強度分布を出力する分布生成部と、
   を備える超音波検査装置。
2. 前記信号強度分布に基づいて前記欠陥の評価を行う評価部を備える請求項１に記載の超音波検査装置。
3. 前記超音波励起点から前記検出位置まで前記超音波の伝搬時間に基づいて、前記欠陥に関する前記超音波の信号波形が含まれる指定時間を指定する時間指定部をさらに備え、
   前記強度抽出部は、前記指定時間に前記検出位置で検出した前記超音波の前記信号強度値を抽出する請求項１または請求項２に記載の超音波検査装置。
4. 前記信号強度分布に基づいて前記欠陥に関する前記超音波の信号波形を検出可能な有効検出範囲を特定可能な範囲特定部を備える請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超音波検査装置。
5. 前記対象物の材質または形状毎に異なる特性情報を予め取得し、この特性情報を記憶した特性情報記憶部と、
   前記特性情報記憶部に記憶された前記特性情報に基づいて前記超音波の信号波形から前記欠陥の評価に不要なノイズを除去する除去部と、
   を備える請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の超音波検査装置。
6. 前記信号強度分布を規格化する規格化部を備える請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の超音波検査装置。
7. 超音波励起点から発信されて対象物の内部を伝搬した超音波を前記対象物の表面の少なくとも２箇所以上の検出位置で検出するステップと、
   前記検出位置のそれぞれで検出した前記対象物の欠陥に関する前記超音波の信号強度値を抽出するステップと、
   前記検出位置に対する前記信号強度値の関係である信号強度分布に基づいて前記欠陥を評価するステップと、
   を含む超音波検査方法。

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