JP2560219B2 - 非破壊検査のための超音波映像法及びその装置 - Google Patents
非破壊検査のための超音波映像法及びその装置Info
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、材料の信頼性評価等のための非破壊検査に
おいて利用する調音波映像法及びその装置に関するもの
である。
おいて利用する調音波映像法及びその装置に関するもの
である。
［従来の技術］ 材料の非破壊検査に超音波映像法を利用することは、
従来から周知である。
従来から周知である。
しかしながら、材料によっては超音波の減衰が大き
く、超音波映像法を利用すること自体が非常に困難な場
合もある。
く、超音波映像法を利用すること自体が非常に困難な場
合もある。
また、超音波の減衰はその周波数に応じて変動し、周
波数の１から４乗に比例して増加する。そこで、高減衰
材料では、減衰による信号低下を避けるため、通常は低
い周波数の超音波を使用しており、そのため、超音波の
波長が長くなって欠陥や組織の観察における分解能の低
下を招き、その向上が望まれている。
波数の１から４乗に比例して増加する。そこで、高減衰
材料では、減衰による信号低下を避けるため、通常は低
い周波数の超音波を使用しており、そのため、超音波の
波長が長くなって欠陥や組織の観察における分解能の低
下を招き、その向上が望まれている。
例えば、接着は飛行機や自動車の構造部材などにおい
て近年多用されているが、気泡などの欠陥により強度が
低下するという問題がある。しかるに、上記従来の技術
では、強度低下として問題になる下限の0.1mm程度の微
小欠陥の検出は困難であり、特にこのような技術分野で
は感度や解像力の向上が強く望まれることになる。
て近年多用されているが、気泡などの欠陥により強度が
低下するという問題がある。しかるに、上記従来の技術
では、強度低下として問題になる下限の0.1mm程度の微
小欠陥の検出は困難であり、特にこのような技術分野で
は感度や解像力の向上が強く望まれることになる。
［発明が解決しようとする課題］ 例えば、合成樹脂、合成ゴムなどの高分子材料やこれ
を含む複合材料では、室温から−100℃程度の温度に冷
却すると、ある温度範囲において、超音波の減衰の原因
となる粘弾性が大幅に減少する場合があることが見いだ
されている。また、音速も温度とともに大きく変化し、
接着構造などで音響インピーダンスの整合が向上する場
合もある。
を含む複合材料では、室温から−100℃程度の温度に冷
却すると、ある温度範囲において、超音波の減衰の原因
となる粘弾性が大幅に減少する場合があることが見いだ
されている。また、音速も温度とともに大きく変化し、
接着構造などで音響インピーダンスの整合が向上する場
合もある。
本発明は、かかる知見に基づくもので、その技術的課
題は、被検体の超音波透過能が温度依存性を有している
ことを有効に利用し、超音波映像における感度と解像力
を高めることにある。
題は、被検体の超音波透過能が温度依存性を有している
ことを有効に利用し、超音波映像における感度と解像力
を高めることにある。
［課題を解決するための手段］ 上記課題を解決するための本発明の超音波映像法は、
予め被検体の超音波透過能の温度依存性を測定し、被検
体をその超音波透過能が高くなる温度に保持して、超音
波により被検体の表面を２次元的に走査し、それに伴う
被検体の内部からの超音波のエコーを受信して、そのエ
コーに応じた電気信号から超音波映像を得ることを特徴
とするものである。
予め被検体の超音波透過能の温度依存性を測定し、被検
体をその超音波透過能が高くなる温度に保持して、超音
波により被検体の表面を２次元的に走査し、それに伴う
被検体の内部からの超音波のエコーを受信して、そのエ
コーに応じた電気信号から超音波映像を得ることを特徴
とするものである。
また、本発明の超音波映像装置は、超音波伝播媒体中
の被検体とトランスデューサとを対向配置し、トランス
デューサからの超音波による被検体表面の２次元的な走
査により被検体内の非破壊検査を行う映像装置であっ
て、上記伝播媒体の温度を広範囲に変えるための温度制
御装置を備えると共に、被検体の超音波透過能の温度依
存性の測定手段、及びその超音波透過能が高い温度での
超音波による被検体の走査に伴う被検体の内部からの超
音波エコーを受信して、そのエコーに応じた電気信号の
映像化手段を制御する演算制御装置を備えたことを特徴
とするものである。
の被検体とトランスデューサとを対向配置し、トランス
デューサからの超音波による被検体表面の２次元的な走
査により被検体内の非破壊検査を行う映像装置であっ
て、上記伝播媒体の温度を広範囲に変えるための温度制
御装置を備えると共に、被検体の超音波透過能の温度依
存性の測定手段、及びその超音波透過能が高い温度での
超音波による被検体の走査に伴う被検体の内部からの超
音波エコーを受信して、そのエコーに応じた電気信号の
映像化手段を制御する演算制御装置を備えたことを特徴
とするものである。
［作 用］ 超音波による非破壊検査のための映像化に際し、被検
体の温度を広い範囲で変えられる温度制御装置により、
予め被検体の超音波透過能の温度依存性を測定し、次に
この透過能高くなる温度に被検体を保持して、通常より
高い周波数の超音波で映像化を行うと、感度と解像力を
高めた状態での映像化が可能になり、鮮明な画像を得る
ことができる。
体の温度を広い範囲で変えられる温度制御装置により、
予め被検体の超音波透過能の温度依存性を測定し、次に
この透過能高くなる温度に被検体を保持して、通常より
高い周波数の超音波で映像化を行うと、感度と解像力を
高めた状態での映像化が可能になり、鮮明な画像を得る
ことができる。
［実施例］ 以下に本発明の実施例を図面を参照しながら詳述す
る。
る。
第１図は、本発明に係る超音波映像装置を温度制御超
音波顕微鏡として実施する場合の構成を例示したもので
ある。
音波顕微鏡として実施する場合の構成を例示したもので
ある。
この温度制御超音波顕微鏡は、基台１上に空気除振器
２を介して機枠３を載置し、この機枠３上に超音波映像
化に必要な機器を設置している。機枠３に支持された密
閉容器４は、エタノール等の適宜の超音波伝播媒体５を
収容するためのもので、この密閉容器４の内周における
伝播媒体５中には、液体窒素が通る螺旋状パイプ６とそ
のまわりに巻かれたヒータを配設している。伝播媒体５
の温度を制御する温度制御装置は、液体窒素タンクから
の螺旋状パイプ６への液体窒素の供給の制御及び上記ヒ
ータによる加熱の制御により、伝播媒体５をほぼ室温か
ら−100℃の間で温度調節可能にするものである。ま
た、伝播媒体５の温度を検出するために、伝播媒体５中
の３箇所に熱電対８が配設され、温度制御装置におい
て、これらにより測定した温度が均一でない場合は、密
閉容器４内に設けたスターラ９を回転駆動し、それによ
って伝播媒体５を撹拌し、温度を均一化するようにして
いる。
２を介して機枠３を載置し、この機枠３上に超音波映像
化に必要な機器を設置している。機枠３に支持された密
閉容器４は、エタノール等の適宜の超音波伝播媒体５を
収容するためのもので、この密閉容器４の内周における
伝播媒体５中には、液体窒素が通る螺旋状パイプ６とそ
のまわりに巻かれたヒータを配設している。伝播媒体５
の温度を制御する温度制御装置は、液体窒素タンクから
の螺旋状パイプ６への液体窒素の供給の制御及び上記ヒ
ータによる加熱の制御により、伝播媒体５をほぼ室温か
ら−100℃の間で温度調節可能にするものである。ま
た、伝播媒体５の温度を検出するために、伝播媒体５中
の３箇所に熱電対８が配設され、温度制御装置におい
て、これらにより測定した温度が均一でない場合は、密
閉容器４内に設けたスターラ９を回転駆動し、それによ
って伝播媒体５を撹拌し、温度を均一化するようにして
いる。
密閉容器４内の伝播媒体５中には、被検体10と超音波
トランスデューサ11とが対向配置される。被検体10は、
支持ロッド13の先端の試料台14上に取付け可能とし、こ
の支持ロッド13は、柔らかいベローズ15を通して密閉容
器４内から外部に導出し、その先端を機枠３上の傾斜調
整器16に取付けている。一方、上記トランスデューサ11
は、ロッド18の先端に取付け、このロッド18を柔らかい
ベローズ19を通して密閉容器４外に導出し、傾斜調整器
20を介して３軸移動ステージ21に取付けている。
トランスデューサ11とが対向配置される。被検体10は、
支持ロッド13の先端の試料台14上に取付け可能とし、こ
の支持ロッド13は、柔らかいベローズ15を通して密閉容
器４内から外部に導出し、その先端を機枠３上の傾斜調
整器16に取付けている。一方、上記トランスデューサ11
は、ロッド18の先端に取付け、このロッド18を柔らかい
ベローズ19を通して密閉容器４外に導出し、傾斜調整器
20を介して３軸移動ステージ21に取付けている。
このようにして対向配置した被検体10とトランスデュ
ーサ11は、傾斜調整器16,20により相互の傾斜を調整
し、ステージ・コントローラによる３軸移動ステージ21
の駆動制御により、トランスデューサ11による被検体10
表面の走査を可能にしたものである。
ーサ11は、傾斜調整器16,20により相互の傾斜を調整
し、ステージ・コントローラによる３軸移動ステージ21
の駆動制御により、トランスデューサ11による被検体10
表面の走査を可能にしたものである。
上記装置による超音波映像化は、演算制御装置による
制御によって行われるものである。
制御によって行われるものである。
即ち、演算制御装置による制御でパルス発生器におい
て高周波パルスが発生すると、それに基づいてトランス
デューサ11から被検体10に向けて媒体５中に超音波が伝
播される。そして、被検体10の内部からの超音波のエコ
ーを上記トランスデューサ11で受け、受信器を通して演
算制御装置に送ることにより画像化され、ディスプレー
等に表示される。この画像化に際し、上記演算制御装置
は、ステージ・コントローラを制御し、３軸移動ステー
ジ21の駆動制御によりトランスデューサ11を被検体10に
対して２次元的に走査するように制御する。従って、被
検体10内に超音波の伝播に対して影響を与える部分が存
在すれば、その部分が模様状となって画像化され、それ
によって材料の非破壊検査を行うことが可能になる。
て高周波パルスが発生すると、それに基づいてトランス
デューサ11から被検体10に向けて媒体５中に超音波が伝
播される。そして、被検体10の内部からの超音波のエコ
ーを上記トランスデューサ11で受け、受信器を通して演
算制御装置に送ることにより画像化され、ディスプレー
等に表示される。この画像化に際し、上記演算制御装置
は、ステージ・コントローラを制御し、３軸移動ステー
ジ21の駆動制御によりトランスデューサ11を被検体10に
対して２次元的に走査するように制御する。従って、被
検体10内に超音波の伝播に対して影響を与える部分が存
在すれば、その部分が模様状となって画像化され、それ
によって材料の非破壊検査を行うことが可能になる。
また、上記演算制御装置は、温度制御装置の動作を制
御し、それによって液体窒素タンクからの液体窒素の供
給とヒータによる加熱のバランスをとり、媒体５が所定
の温度に制御される。
御し、それによって液体窒素タンクからの液体窒素の供
給とヒータによる加熱のバランスをとり、媒体５が所定
の温度に制御される。
さらに、上記演算制御装置は、被検体10の超音波透過
能の温度依存性を測定するため、媒体の温度を逐次変動
させながら、各温度に対応する被検体10の超音波透過性
能、例えば超音波エコーの振幅等を測定し、その結果を
温度との関連において出力するように構成される。
能の温度依存性を測定するため、媒体の温度を逐次変動
させながら、各温度に対応する被検体10の超音波透過性
能、例えば超音波エコーの振幅等を測定し、その結果を
温度との関連において出力するように構成される。
上記構成を有する超音波映像装置においては、超音波
による非破壊検査のための映像化に際し、演算制御装置
による制御によって温度制御装置を動作させ、被検体の
温度を広い範囲で逐次変えながら被検体の超音波透過能
を測定し、次にそれによって得られた被検体の超音波透
過能の温度依存性に基づき、超音波透過能が高くなる温
度に被検体を保持して、通常より高い周波数の超音波で
被検体の映像化が行われる。そのため、感度と解像力を
高めた状態での映像化が可能になり、鮮明な画像を得る
ことができる。
による非破壊検査のための映像化に際し、演算制御装置
による制御によって温度制御装置を動作させ、被検体の
温度を広い範囲で逐次変えながら被検体の超音波透過能
を測定し、次にそれによって得られた被検体の超音波透
過能の温度依存性に基づき、超音波透過能が高くなる温
度に被検体を保持して、通常より高い周波数の超音波で
被検体の映像化が行われる。そのため、感度と解像力を
高めた状態での映像化が可能になり、鮮明な画像を得る
ことができる。
なお、上記被検体の映像化に際し、必要があれば、温
度の異なる状態で得た画像間の差分等の演算を行うこと
により、画像の特徴を明瞭化することもできる。例え
ば、温度依存性の小さい組織の像を消去し、温度依存性
の大きい欠陥分布の像を鮮明に映像化して、欠陥の検出
感度を向上することができる。
度の異なる状態で得た画像間の差分等の演算を行うこと
により、画像の特徴を明瞭化することもできる。例え
ば、温度依存性の小さい組織の像を消去し、温度依存性
の大きい欠陥分布の像を鮮明に映像化して、欠陥の検出
感度を向上することができる。
次に、本発明の超音波映像法の有効性を検証するため
に、第１図によって説明したような低温用超音波顕微鏡
を試作して行った実験の結果について説明する。
に、第１図によって説明したような低温用超音波顕微鏡
を試作して行った実験の結果について説明する。
試作した低温用超音波顕微鏡は、密閉容器４の深さと
直径が20cmのもので、この密閉容器に超音波伝播のため
の媒体５としてエタノールを入れ、液体窒素が流入する
螺旋状パイプ６とそのまわりに巻かれたヒータによっ
て、媒体５の温度を連続的に可変したものであり、媒体
５として上記メタノールを用いた場合、室温から−94℃
の間で温度が可変になる。
直径が20cmのもので、この密閉容器に超音波伝播のため
の媒体５としてエタノールを入れ、液体窒素が流入する
螺旋状パイプ６とそのまわりに巻かれたヒータによっ
て、媒体５の温度を連続的に可変したものであり、媒体
５として上記メタノールを用いた場合、室温から−94℃
の間で温度が可変になる。
加熱及び冷却サイクルにおいて、スターラによる撹拌
を行うと、３箇所の熱電対８で測定した温度を0.4℃以
内に収めることができた。加熱および冷却中には、温度
むらが10℃以上生じるのでスターラが必要である。
を行うと、３箇所の熱電対８で測定した温度を0.4℃以
内に収めることができた。加熱および冷却中には、温度
むらが10℃以上生じるのでスターラが必要である。
なお、メタノールはエタノールと音速がほぼ等しい
が、超音波減衰は半分程度であり、超音波の伝播媒体と
してより優れていることがわかった。但し、被検体の耐
アルコール性が問題になる場合は、他の液体に変える必
要がある。
が、超音波減衰は半分程度であり、超音波の伝播媒体と
してより優れていることがわかった。但し、被検体の耐
アルコール性が問題になる場合は、他の液体に変える必
要がある。
実験においては、樹脂による接着層において硬化剤の
濃度むらや気泡が問題になる場合があることから、第２
図のような試料により超音波映像に及ぼす冷却の効果を
検討した。この試料は、エポキシ接着剤（グレース社製
Eccobond 285、硬化剤 ＃24LV）31と厚さ0.5mmのポ
リエチレンシート32を２枚のアクリル板33,34で挟んだ
ものであり、ポリエチレンシート32は試料の右半だけに
挟んでいる。
濃度むらや気泡が問題になる場合があることから、第２
図のような試料により超音波映像に及ぼす冷却の効果を
検討した。この試料は、エポキシ接着剤（グレース社製
Eccobond 285、硬化剤 ＃24LV）31と厚さ0.5mmのポ
リエチレンシート32を２枚のアクリル板33,34で挟んだ
ものであり、ポリエチレンシート32は試料の右半だけに
挟んでいる。
映像化に際しては、焦点距離12.7mmの音響レンズを用
い、エポキシ接着剤31の層の下面からのエコー（V3）の
最大振幅（焦点面で）の温度依存性を測定した結果、第
３図に示すように、−20℃以下に冷却したときに振幅が
急激に増大した。この変化の最大の原因は、エポキシ接
着剤層での超音波の減衰が冷却によって著しく低下した
ためであると考えられる。音速の変化によるアクリル板
33との界面のインピーダンス整合の変化は1dB以下で大
きな寄与はしていないと推定される。また、−40℃以下
になると、再びエコーV3の振幅が減少したが、この原因
は伝播媒体中での減衰の増加によると推定される。
い、エポキシ接着剤31の層の下面からのエコー（V3）の
最大振幅（焦点面で）の温度依存性を測定した結果、第
３図に示すように、−20℃以下に冷却したときに振幅が
急激に増大した。この変化の最大の原因は、エポキシ接
着剤層での超音波の減衰が冷却によって著しく低下した
ためであると考えられる。音速の変化によるアクリル板
33との界面のインピーダンス整合の変化は1dB以下で大
きな寄与はしていないと推定される。また、−40℃以下
になると、再びエコーV3の振幅が減少したが、この原因
は伝播媒体中での減衰の増加によると推定される。
以上のデータから、この試料とレンズ等の組合せでは
−20℃から−60℃程度の温度範囲が、超音波透過能の高
くなる範囲であることが判明した。
−20℃から−60℃程度の温度範囲が、超音波透過能の高
くなる範囲であることが判明した。
そこで、この情報を用いて、周波数40MHzでエコーV3
による試料の映像化を行った。その結果、第３図から予
想されるように、＋20℃では信号が小さく意味のある画
像が得られなかったが、−30℃では画像の左半分を占め
るエポキシ接着剤31の部分が見えるようになり、接着構
造体の信頼性に影響を及ぼすと考えられる気泡や不均一
な組織が一部に観察された。
による試料の映像化を行った。その結果、第３図から予
想されるように、＋20℃では信号が小さく意味のある画
像が得られなかったが、−30℃では画像の左半分を占め
るエポキシ接着剤31の部分が見えるようになり、接着構
造体の信頼性に影響を及ぼすと考えられる気泡や不均一
な組織が一部に観察された。
この程度の冷却によって、常温で見えないものが見え
るようになるのは、本発明の方法のすぐれた有効性を示
すものと考えられる。
るようになるのは、本発明の方法のすぐれた有効性を示
すものと考えられる。
以上に説明した実施例では、冷却の有効性を厳密に立
証するため、精密な温度制御のできる映像装置を用いた
が、実際の適用に当っては、対象に応じてより簡略な冷
却装置を用いることができ、例えば、電子走査超音波映
像装置を使用できる場合は、単に低温のガスを被検体に
吹き付けて冷却するだけでもよい。また、場合によって
は被検体を室温よりも高い温度に加熱することもでき
る。
証するため、精密な温度制御のできる映像装置を用いた
が、実際の適用に当っては、対象に応じてより簡略な冷
却装置を用いることができ、例えば、電子走査超音波映
像装置を使用できる場合は、単に低温のガスを被検体に
吹き付けて冷却するだけでもよい。また、場合によって
は被検体を室温よりも高い温度に加熱することもでき
る。
以上においては、エポキシ接着剤の非破壊検査を行う
場合について詳述したが、除振材料やシール材等の重要
な工業製品として使用されているゴム部材についても適
用することができる。このゴム部材では、超音波の減衰
が大きいために数mm以上の厚みのあるものの内部欠陥検
出は非常に困難であると考えられてきたが、ゴム部材に
おける周波数10MHzの超音波の減衰は、室温（15℃）で1
13dB/cmであるのに対し、−65℃では23.9dB/cmまで、約
1/5に低下する。このことは、同じ強度の超音波を用い
ると、冷却により室温より５倍厚いゴム部材の検査がで
きることを意味し、実用上大きな効果が得られる。他の
天然ゴムについても同様である。
場合について詳述したが、除振材料やシール材等の重要
な工業製品として使用されているゴム部材についても適
用することができる。このゴム部材では、超音波の減衰
が大きいために数mm以上の厚みのあるものの内部欠陥検
出は非常に困難であると考えられてきたが、ゴム部材に
おける周波数10MHzの超音波の減衰は、室温（15℃）で1
13dB/cmであるのに対し、−65℃では23.9dB/cmまで、約
1/5に低下する。このことは、同じ強度の超音波を用い
ると、冷却により室温より５倍厚いゴム部材の検査がで
きることを意味し、実用上大きな効果が得られる。他の
天然ゴムについても同様である。
また、例えば水晶では、周波数1GHzの超音波の減衰が
140度Ｋで3.5dB/cmであるが、40度Ｋまで冷却すると1.7
dB/cmまで減少する。したがって、透過能が高まり、よ
り鮮明な映像化を行うことができる。
140度Ｋで3.5dB/cmであるが、40度Ｋまで冷却すると1.7
dB/cmまで減少する。したがって、透過能が高まり、よ
り鮮明な映像化を行うことができる。
［発明の効果］ 以上に詳述した本発明の方法及び装置によれば、被検
体の超音波透過能が温度依存性を有していることを有効
に利用し、被験体の温度制御という簡単な手段によって
音響特性を制御し、超音波映像における感度と解像力を
高めて、高品位の超音波映像を実現することができる。
体の超音波透過能が温度依存性を有していることを有効
に利用し、被験体の温度制御という簡単な手段によって
音響特性を制御し、超音波映像における感度と解像力を
高めて、高品位の超音波映像を実現することができる。
第１図は本発明に係る超音波映像装置の構成図、第２図
は実験に用いた試料の断面図、第３図は実験によって得
られた振幅の温度依存性を示すグラフである。 ５……超音波伝播媒体、10……被検体、 11……トランスデューサ。
は実験に用いた試料の断面図、第３図は実験によって得
られた振幅の温度依存性を示すグラフである。 ５……超音波伝播媒体、10……被検体、 11……トランスデューサ。
Claims (2)
- 【請求項１】予め被検体の超音波透過能の温度依存性を
測定し、被検体をその超音波透過能が高くなる温度に保
持して、超音波により被検体の表面を２次元的に走査
し、それに伴う被検体の内部からの超音波のエコーを受
信して、そのエコーに応じた電気信号から超音波映像を
得ることを特徴とする非破壊検査のための超音波映像
法。 - 【請求項２】超音波伝播媒体中に被検体とトランスデュ
ーサとを対向配置し、トランスデューサからの超音波に
よる被検体表面の２次元的な走査により被検体内の非破
壊検査を行う映像装置であって、 上記伝播媒体の温度を広範囲に変えるための温度制御装
置を備えると共に、 被検体の超音波透過能の温度依存性の測定手段、及びそ
の超音波透過能が高い温度での超音波による被検体の走
査に伴う被検体の内部からの超音波のエコーを受信し
て、そのエコーに応じた電気信号の映像化手段を制御す
る演算制御装置を備えた、 ことを特徴とする非破壊検査のための超音波映像装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1286076A JP2560219B2 (ja) | 1989-11-02 | 1989-11-02 | 非破壊検査のための超音波映像法及びその装置 |
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Applications Claiming Priority (1)
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| JP1286076A JP2560219B2 (ja) | 1989-11-02 | 1989-11-02 | 非破壊検査のための超音波映像法及びその装置 |
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Family Applications (1)
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| EXPY | Cancellation because of completion of term |