JP2021032810A - 超音波検査システム及び超音波検査方法 - Google Patents
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Abstract
Description
その他の解決手段は発明を実施するための形態において後記する。
また、同じ部材については同じ符号を付すものとし、重複する説明は省略する。図示の内容は、図示の都合上、本発明の効果を著しく損なわない範囲で実際の構成から変更することがある。
(超音波検査装置1)
図1は、第1実施形態の超音波検査システムZの構成を示す図である。
図1に示すように、超音波検査システムZは、超音波検査装置1、表示装置3が接続されている制御装置2を有する。図1において、超音波検査装置1は、断面模式図で示している。
超音波検査装置1は、気体を介した被検査体Eへの超音波ビームUの入射により被検査体Eの検査を行うものである。つまり、筐体101の内部は空洞となっている。図1には、紙面直交方向としてx軸、紙面左右方向としてy軸、紙面上下方向としてz軸を含む直交3軸の座標系を示している。
本実施形態では、偏心距離調整部105を受信プローブ走査部104側に設けたが、偏心距離調整部105を送信プローブ走査部103側に設けてもよい。
図2A及び図2Bは、送信音軸AX1、受信音軸AX2、偏心距離Lの説明をする図である。
音軸とは、超音波ビームUの中心軸と定義される。ここで、送信音軸AX1は、送信プローブ110が放出する超音波ビームUの伝搬経路の音軸と定義される。言い換えると、送信音軸AX1は、送信プローブ110が放出する超音波ビームUの伝搬経路の中心軸である。
また、受信音軸AX2は、受信プローブ120が超音波ビームUを放出すると想定した場合の仮想超音波ビームの伝搬経路の音軸と定義される。言い換えると、受信音軸AX2は、受信プローブ120が超音波ビームUを放出すると想定した場合の仮想超音波ビームの中心軸である。
さらに、送信音軸AX1は、図2Bに示すように、被検査体Eの界面による屈折を含めることとする。つまり、図2Bに示すように、送信プローブ110から放出された超音波ビームUが、被検査体Eの界面で屈折する場合は、その超音波ビームUの伝搬経路の中心(音軸)が送信音軸AX1となる。
ここで、図2A及び図2Bにおいて、送信音軸AX1を実線の矢印で示している。また、受信音軸AX2を一点鎖線の矢印で示している。なお、図2A及び図2Bにおいて、破線で示す受信プローブ120Aの位置が、偏心距離Lがゼロの位置である。また、実線で示す受信プローブ120は偏心距離Lの位置に配置されている受信プローブ120である。
図2Aに示す例のように、送信音軸AX1が水平面(図1のxy平面)に対して垂直になるよう、送信プローブ110が設置される場合、超音波ビームUの伝搬経路は屈折しない。つまり、送信音軸AX1は屈折しない。
図2Bでも図2Aと同様、送信音軸AX1を実線の矢印で示し、受信音軸AX2を一点鎖線の矢印で示している。図2Bに示す例の場合、前記したように、被検査体Eと空気との界面で、超音波ビームUの伝搬経路が屈折する。そのため、送信音軸AX1は、図2Bの実線矢印で示すように折れ曲がる(屈折する)。この場合、破線で示した受信プローブ120Aの位置は、送信音軸AX1上に位置するため偏心距離Lがゼロの位置である。そして、前記したように、実線で示す受信プローブ120の位置が、偏心距離Lとなる受信プローブ120の位置である。
図3は、制御装置2の機能ブロック図である。
超音波検査装置1に備えられる制御装置2は、超音波検査装置1の駆動を制御するものである。制御装置2は、送信系統210と、受信系統220と、データ処理部201と、スキャンコントローラ204と、駆動部202と、位置計測部203とを備える。
波形解析部221は、受信信号から後記する信号強度データ(図6参照)を生成する。生成された信号強度データはデータ処理部201に送られる。
後記するように、本実施形態では、欠陥部Dで取得した信号強度データは、健全部の信号強度データよりも大きい。したがって、送信プローブ110の(x,y)走査位置に対して信号強度データをプロットすると、(x,y)位置のどこに欠陥があるかを示す画像が取得できる。この欠陥位置を示す画像を表示装置3が表示する。
図4は、送信プローブ110の構造を示す断面模式図である。
図4では、簡略化のために、放出される超音波ビームUの外郭のみを図示しているが、実際には、探触子面114の全域にわたり、探触子面114の法線ベクトル方向に多数の超音波ビームUが放出される。
図5A及び図5Bは、受信プローブ120からの受信波形を示す図である。図5Aは被検査体Eの健全部N、すなわち欠陥部Dが無い部分での受信波形を示す図である。図5Bは被検査体E内に設けられた幅2mm幅の空洞(欠陥部D)のxy座標位置に送信プローブ110を配置した時の受信信号である。なお、図5A及び図5Bにおいて、時間はバースト波が送信プローブ110に印加されてからの経過時間を示している。
本実施形態では、信号強度データの抽出方法は、図5Bに示す受信信号のPeak To Peak値、すなわち、適切な時間領域での最大値と最小値の差を抽出した。
信号強度データの抽出方法の他の例として、図5Bに示す受信信号が、短時間フーリエ変換などの信号処理により周波数成分に変換され、適切な周波数成分の強度が抽出されてもよい。さらには、信号強度データとして、適切な参照波を基準として、相関関数が計算されてもよい。
このようにして信号強度データが、送信プローブ110の各走査位置に対応して取得される。
図6に示した信号強度データのプロットにおいて、幅2mm幅の空洞は、図6の符号D1に対応する。
被検査体Eの健全部N(符号D1以外の部分)ではノイズレベルの信号であるのに対し、内部に欠陥部Dがある位置(符号D1)では、受信信号が有意に大きくなっていることがわかる。
偏心距離調整部105は、被検査体Eの健全部Nでは有意の受信信号が出ないように偏心距離Lを設定すると、さらに好ましい。
図7A及び図7Bに示されるように、送信プローブ110から放出された超音波ビームUは被検査体Eに入射する。図7Aに示すように、健全部Nに超音波ビームUが入射した場合、超音波ビームUは送信音軸AX1の中心付近を通過する。そのため、偏心距離Lを保って配置されている受信プローブ120では受信信号が観測されない。これに対し、図7Bに示すように、欠陥部Dに超音波ビームUが入射された場合、欠陥部Dで超音波ビームUが散乱され、その散乱波U1が偏心設置された受信プローブ120で受信される。そのため、受信信号が観測される。
ここで、比較例として、これまで行われている超音波検査の手法を説明する。
図8A及び図8Bは、これまでの超音波検査法での超音波ビームUの伝搬経路を模式的に示した図である。図8Aは、健全部Nに超音波ビームUが入射した場合を示し、図8Bは、内部に空洞を有する欠陥部Dに超音波ビームUが入射された場合を示す。
これまでの超音波検査法では、例えば特許文献2に記載されているように、送信音軸AX1と受信音軸AX2とが一致するように、送信プローブ110及び受信プローブ120が配置される。
図8Aに示すように、被検査体Eの健全部Nに超音波ビームUが入射された場合、超音波ビームUが被検査体Eを通過して受信プローブ120に到達する。従って、受信信号が大きくなる。一方、図8Bに示すように、欠陥部Dに超音波ビームUが入射された場合、欠陥部Dにより超音波ビームUの透過が阻止されるために受信信号が減少する。このように受信信号の減少により欠陥部Dを検出する。これは、特許文献2に示されている通りである。
このように、実施形態の散乱法が高いSN比を得られる理由について、図10A及び図10Bを参照して説明する。
ここでは、欠陥部Dの大きさが超音波ビームUの幅(以下、ビーム幅BWと称する)よりも小さい場合を考察する。ここでのビーム幅BWとは、欠陥部Dに到達した時の超音波ビームUの幅である。
図10A及び図10Bは、欠陥部D近傍の微小領域での超音波ビームUの形状を模式的示しているので超音波ビームUを平行に描いてあるが、実際には収束させた超音波ビームUである。
また、図10A及び図10Bでの受信プローブ120の位置は、わかりやすく説明するために概念的な位置を記入したものであり、受信プローブ120の位置と形状は正確にスケールされていない。すなわち、欠陥部Dと超音波ビームUとの形状の拡大スケールで考えると、図10A及び図10Bに示す位置よりも離れた位置に受信プローブ120は位置する。
超音波ビームUは、収束させて入射させても欠陥部D近傍ではある有限の幅を持つ。これを、欠陥部Dの位置でのビーム幅BWとする。
ちなみに、図10A及び図10Bでは、欠陥部Dの位置でのビーム幅BWが欠陥部Dの大きさよりも広い場合を示している。
このように、本実施形態による手法(散乱法)によれば、ビーム幅BWよりも小さな欠陥部Dを、高精度で検出することが可能になるという効果がある。
しかしながら、特に空中超音波では、水浸法の検査装置と比較して、受信プローブ120に到達する超音波強度が極めて小さい。そのため、受信信号は高い増幅率(ゲイン)で増幅する必要がある。このため、ゲインを一定に保つには高精度な信号増幅回路が必要になる。
図11は、第2実施形態に係る超音波検査装置1における送信プローブ110と、受信プローブ120の関係を示す図である。
第2実施形態では、送信プローブ110と、受信プローブ120の収束性の関係について説明する。
図11に示すように、本実施形態では、受信プローブ120の収束性を送信プローブ110の収束性よりも緩くしている。
被検査体Eの内部における欠陥部Dの深さや、欠陥部Dの形状、傾き等により散乱波U1の伝搬経路は多少変化する。そこで、散乱波U1の経路が変化しても受信プローブ120が散乱波U1を検出できるように、第2実施形態では受信プローブ120の収束性を緩くしている。ビーム入射面積T1,T2については後記する。
図12は、送信プローブ110におけるビーム入射面積T1及び受信プローブ120におけるビーム入射面積T2の関係を模式的に示す図である。
送信プローブ110のビーム入射面積T1とは、送信プローブ110から放出された超音波ビームUの被検査体E表面での交差面積である。また、受信プローブ120のビーム入射面積T2は、受信プローブ120から超音波ビームUが放出された場合を想定した仮想的な超音波ビームU2と被検査体E表面での交差面積である。
ここで、図12に示すように、本実施形態では受信プローブ120のビーム入射面積T2は、送信プローブ110のビーム入射面積T1よりも大きい。
このように、第2実施形態では、受信プローブ120の収束性を送信プローブ110の収束性よりも緩くしている。すなわち、受信プローブ120の焦点距離R2は、送信プローブ110の焦点距離R1よりも長く設定されている。この結果、受信プローブ120のビーム入射面積T2が広くなるため、広い範囲の散乱波U1を検出することができる。これにより、散乱波U1の伝搬経路が多少変化しても、受信プローブ120で散乱波U1を検出可能になる。その結果、広い範囲の欠陥部Dを検出できるという効果を奏する。
図13は、第3実施形態に係る受信プローブ120の例を示す図である。
図13は第3実施形態における超音波検査装置1を、送信プローブ110の位置と、受信プローブ120の位置とをz軸のマイナス側から見た平面図である。つまり、受信プローブ120側からみた図である。本実施形態の特徴は、受信プローブ120の振動子111の縦横比「b/a」を1より大きくしたことにある。ここで、受信プローブ120の偏心距離Lの方向に沿った受信プローブ120の特性長さを「b」、それに直交する方向の特性長さを「a」とする。
ここで特性長さとは、矩形振動子に対しては、矩形の辺の長さを意味し、楕円形の振動子に対しては、楕円の長軸と短軸を意味する。
次に、図14と図15とを参照して、本発明による第4実施形態に係る超音波検査装置1aを述べる。
第4実施形態では、受信プローブ120を傾斜配置する点に特徴がある。これにより、受信信号の強度を増大させることができ、信号のSN比(Signal to Noise比、信号雑音比)を高めることができる。
ここで、受信音軸AX2と、送信音軸AX1とがなす角を受信プローブ設置角度と定義する。図14の場合、送信プローブ110は鉛直方向に設置されているので、受信プローブ設置角度は、図14に示すθ2となる。
また、受信プローブ120を傾斜配置する場合の偏心距離Lは以下のように定義される。受信音軸AX2と、受信プローブ120との交点C2を定義する。また、送信音軸AX1と、送信プローブ110(探触子P)との交点C1を定義する。交点C1の位置をxy平面に投影した座標位置(x1,y1)と、交点C2の位置をxy平面に投影した座標位置(x2,y2)との距離を偏心距離Lと定義する。
散乱波U1は送信音軸AX1から外れた方向に伝搬する。したがって、図15に示すように、散乱波U1は被検査体Eの外側に到達した際、被検査体E表面の法線ベクトルとは非ゼロの角度α2をもって被検査体−外部界面に入射する。そして、被検査体Eの表面から出る散乱波U1の角度は被検査体E表面の法線方向に対して非ゼロの出射角β2を有する。受信プローブ120の探触子面の法線ベクトルを散乱波U1の進行方向と一致させた時に最も効率よく受信できる。つまり、受信プローブ120を傾斜配置することで受信信号強度が増大する効果を得ることができる。
なお、図14に示す超音波検査装置1aでは、受信プローブ設置角度調整部106が設けられており、受信プローブ設置角度調整部106によって受信プローブ120が設置されている。受信プローブ設置角度調整部106により、受信プローブ120の受信プローブ設置角度θ2を調整することが可能である。被検査体Eの材料や、厚み等により散乱波U1の経路は多少変化するので、受信プローブ設置角度θ2の最適値も変化する。したがって、受信プローブ設置角度調整部106で受信プローブ設置角度θ2が調整可能とすることにより、被検査体Eの材料や、厚み等に応じて受信プローブ設置角度θ2を適切に調整することができる。
図16は、第5実施形態に係る超音波検査装置1bの構成を示す模式図である。
第5実施形態では、複数個の受信プローブ120a〜120cを用いることが特徴である。
図16に示す例では、複数個(図16の例では、3つ)の受信プローブ120a〜120cが設置されている。
欠陥部Dの深さにより、散乱波U1の経路が多少変化するので、複数個の受信プローブ120a〜120cを用いて、どの位置のプローブで受信したかの情報を用いることにより、欠陥部Dの深さに関する情報を得ることができる。
複数の受信プローブ120a〜120cとしては、複数の感音素子を一つの筐体に収納したアレイプローブが用いられてもよい。この場合、図16の受信プローブ120a〜120cがそれぞれ感音素子に対応し、それらが一つの筐体の中に収納されている。
感音素子とは、超音波を電気信号に変換する素子である。感音素子としては、圧電素子の他に、静電容量感音素子(CMUT,Capacitive Micro-machined Ultrasonic Transducer)等が用いられてもよい。
図17は、第5実施形態に係る超音波検査装置1bの機能ブロック図である。
複数個の受信プローブ120a〜120cは、それぞれに対応する受信系統220a〜220cに接続される。それぞれの受信系統220a〜220cの構成は、図3に示す受信系統220の構成と同様である。受信系統220a〜220cそれぞれからの出力は、欠陥情報判定部205に入力される。欠陥情報判定部205は、受信系統220a〜220cそれぞれにおける波形解析結果を基に、欠陥部Dに関する情報を判定する。欠陥部Dに関する情報とは、具体的には、受信プローブ120a〜120cのうち、どの受信プローブ120で散乱波U1を検出したかが欠陥情報判定部205によって判定され、その判定に基づく、欠陥部Dの深さ等である。散乱波U1が観測された位置の情報とは、どの受信プローブ120a〜120cで、どの程度の受信信号(散乱波U1)が検知されたかである。このようにすることで、欠陥部Dの位置情報の精度を向上させることができる。
次に、本発明における第6実施形態の超音波検査装置1について図18を参照して説明する。
図18は第6実施形態における、送信プローブ110の位置と受信プローブ120の位置とを、図1のz軸のマイナス側、つまり、受信プローブ120側から見た平面図である。
第6実施形態の特徴は、受信プローブ120をxy平面方向に2次元的に配置していることに特徴がある。図18の例では、受信プローブ120が、送信音軸AX1を中心として放射状に配置されている。
次に、図19及び図20を参照して、本発明の第7実施形態について説明する。
図19では、図15の構成において、受信プローブ120が送信音軸AX1に対して、対称に受信プローブ120が配置されている。
図20では、図1の構成において、受信プローブ120が送信音軸AX1に対して、対称に受信プローブ120が配置されている。2つの受信プローブ120は、受信音軸AXが送信音軸AX1から偏心距離Lの位置となるよう配置されている。
図19や、図20に示すように、送信プローブ110に対して、両側に受信プローブ120が配置されることで、広い範囲の散乱波U1を検知することができる。さらに、制御装置2は、両側それぞれの受信プローブ120で散乱波U1を検知したとき、実際に欠陥部Dを検知し、どちらか一方でのみ散乱波U1を検知した場合では、エラーと判定することができる。これにより、欠陥部Dの検知精度を向上させることができる。
図21は、超音波検査システムZによる処理手順を示すフローチャートである。図21では、第1実施形態における超音波検査システムZの処理について説明する。
まず、制御装置2の指令により、送信プローブ110から超音波ビームUが放出される(S101)。
続いて、受信プローブ120が欠陥部Dによる散乱波U1を受信する(S102)。
その後、受信プローブ120から取得した受信信号に基づいて波形解析部221が波形解析を行う(S103)。ここで、波形解析部221は、図5Bに示す受信信号から信号強度データを抽出(生成)する。
このようにして信号強度データが、送信プローブ110の各走査位置に対応して取得される。
データ処理部201は、スキャンコントローラ204から取得した送信プローブ110の走査位置情報に対して、それぞれの走査位置での信号強度データをプロットする(信号強度グラフG)。このようにして、図6に示す信号強度データを視覚化する。図6は走査位置が1次元(1方向)の場合である。
走査位置情報がx,yの2次元の場合については、信号強度データをプロットすることで、欠陥位置が2次元画像として示され、それが表示装置3に表示される。
ステップS104の結果、生成した信号強度グラフGの値が所定の閾値未満である場合(S104→No)、データ処理部201は、走査が完了したか否かを判定する(S111)。
走査が完了している場合(S111→Yes)、制御装置2は処理を終了する。
走査が完了していない場合(S111→No)、データ処理部201は駆動部202に指令を出力することによって、次の走査位置まで送信プローブ110及び受信プローブ120を移動させ(S112)、ステップS101へ処理を戻す。
図22は、制御装置2のハードウェア構成を示す図である。
制御装置2は、RAM(Random Access Memory)等のメモリ251、CPU(Central Processing Unit)252、ROM(Read Only Memory)や、HDD(Hard Disk Drive)等の記憶装置253、NIC(Network Interface Card)等の通信装置254、I/F(Interface)255等を備えて構成されている。
本実施形態に係る超音波検査システムZは、超音波欠陥映像装置を前提としているが、非接触インライン内部欠陥検査装置に適用されてもよい。
また、各実施形態において、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしもすべての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には、ほとんどすべての構成が相互に接続されていると考えてよい。
2 制御装置(制御部)
105 偏心距離調整部(距離調整部)
106 受信プローブ設置角度調整部(設置角度調整部)
110 送信プローブ
120,120a〜120c 受信プローブ
205 欠陥情報判定部
221 波形解析部(信号処理部)
AX1 送信音軸(第1の音軸)
AX2 受信音軸(第2の音軸)
D 欠陥部
E 被検査体
G 信号強度グラフ(信号強度データ)
N 健全部
R1 焦点距離(送信プローブ)
R2 焦点距離(受信プローブ)
T1 ビーム入射面積(送信プローブ)
T2 ビーム入射面積(受信プローブ)
U 超音波ビーム
U1 散乱波
Z 超音波検査システム
S101 超音波ビームの放出(超音波ビーム放出ステップ)
S102 散乱波の受信(散乱波受信ステップ)
S103 波形解析(波形解析ステップ)
S104 閾値以上である否かを判定(欠陥部判定ステップ)
その他の解決手段は発明を実施するための形態において後記する。
Claims (13)
- 気体を介して被検査体へ超音波ビームを入射することにより前記被検査体の検査を行う超音波検査装置であって、
前記超音波ビームを放出する送信プローブを備え、
前記被検査体に関して前記送信プローブの反対側に設置された受信プローブを備え,
前記送信プローブの送信音軸と前記受信プローブの受信音軸との偏心距離をゼロよりも大きな距離に調整する距離調整部
を備えることを特徴とする超音波検査装置。 - 請求項1に記載の超音波検査装置であって、
前記距離調整部は、
前記受信プローブで検出される受信信号強度が、前記被検査体の健全部における信号強度よりも、欠陥部における信号強度の方が大きくなるように前記偏心距離を設定する
ことを特徴とする超音波検査装置。 - 請求項1に記載の超音波検査装置であって、
前記距離調整部は、
前記被検査体の健全部では有意の受信信号が出ないように前記偏心距離を設定する
ことを特徴とする超音波検査装置。 - 請求項1に記載の超音波検査装置であって、
前記受信プローブの焦点距離は、前記送信プローブの焦点距離よりも長い
ことを特徴とする超音波検査装置。 - 請求項1に記載の超音波検査装置であって、
前記受信プローブのビーム入射面積は、前記送信プローブのビーム入射面積よりも大きい
ことを特徴とする超音波検査装置。 - 請求項1に記載の超音波検査装置であって、
前記送信プローブの送信音軸と前記受信プローブの受信音軸とがなす角が、ゼロよりも大きく、かつ、90°未満となるよう前記送信プローブ及び前記受信プローブの少なくとも一方を調整して設定する設置角度調整部
を備えることを特徴とする超音波検査装置。 - 請求項1に記載の超音波検査装置であって、
前記受信プローブが、複数の前記受信プローブで構成される
ことを特徴とする超音波検査装置。 - 請求項7に記載の超音波検査装置であって、
複数の前記受信プローブそれぞれの出力が信号処理部を経由して入力され、複数の前記受信プローブのうち、どの前記受信プローブで欠陥部からの散乱波を検知したかを判定する欠陥情報判定部
を備えることを特徴とする超音波検査装置。 - 請求項7に記載の超音波検査装置であって、
複数の前記受信プローブは、前記送信プローブの音軸を中心として放射状に配置される
ことを特徴とする超音波検査装置。 - 請求項7に記載の超音波検査装置であって、
複数の前記受信プローブは、前記送信プローブの音軸に関して、両側に配置される
ことを特徴とする超音波検査装置。 - 請求項1に記載の超音波検査装置であって、
前記受信プローブの振動子の形状は、前記偏心距離の方向の特性長さが、それに直交する方向の特性長さよりも長い
ことを特徴とする超音波検査装置。 - 超音波検査部と、前記超音波検査部を制御する制御部と、を有し、気体を介して被検査体へ超音波ビームを入射することにより前記被検査体の検査を行う超音波検査システムにおいて、
前記超音波検査部は、
超音波ビームを放出する送信プローブと
前記被検査体に関して前記送信プローブの反対側に設置される受信プローブと、
を備え、
前記送信プローブの送信音軸と、前記受信プローブの受信音軸との距離をゼロよりも大きな距離に調整する距離調整部と、
を備え、
前記制御部は、
前記送信プローブから超音波ビームを放出する超音波ビーム放出ステップと、
前記受信プローブにおいて、前記被検査体の欠陥部で散乱した散乱波を受信する散乱波受信ステップと、
受信した散乱波の信号を基に、信号強度データを生成する波形解析ステップと、
を実行することを特徴とする超音波検査方法。 - 請求項12に記載の超音波検査方法であって、
前記波形解析ステップで生成された前記信号強度データが、予め設定されている閾値以上か否かを判定することで、前記欠陥部の有無を判定する欠陥部判定ステップ
を実行することを特徴とする超音波検査方法。
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