JP2583939B2

JP2583939B2 - 超音波探傷装置

Info

Publication number: JP2583939B2
Application number: JP63022072A
Authority: JP
Inventors: 芳彦瀧下
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1988-02-03
Filing date: 1988-02-03
Publication date: 1997-02-19
Anticipated expiration: 2012-02-19
Also published as: JPH01197649A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は超音波により被検材の探傷を行なう超音波探
傷装置に関する。

〔従来の技術〕

超音波探傷装置は、被検材を破壊することなくその内
部の欠陥を検出することができ、多くの分野において用
いられている。被検材内部の欠陥の有無は、被検材の所
定の範囲についてチエツクされることが多く、その場合
には、被検材表面の上記範囲を探触子で走査して探傷が
実施される。この探触子として、圧電素子を多数一列に
配列して構成されるアレー探触子が提案されている。以
下、このようなアレー探触子を用いた超音波探傷装置に
ついて説明する。

第４図は従来の超音波探傷装置のスキヤナ部の斜視
図、第５図（ａ），（ｂ）はアレー探触子の平面図およ
び側面図である。各図で、１は探傷のための水槽、２は
水槽１に入れられた水、３は水槽１の底面に載置された
被検材である。４はスキヤナを示し、以下の部材より成
る。即ち、５は水槽１を載置するスキヤナ台、６はスキ
ヤナ台５に固定されたフレーム、７はフレーム６に装架
されたアーム、８はアーム７に装架されたホルダ、９は
ホルダ８に装着されたポール、10はアレー探触子であ
る。フレーム６は図示しない機構によりアーム７をＹ軸
方向に駆動することができ、又、アーム７は図示しない
機構によりホルダ８をＸ軸方向に駆動することができ、
さらに、ホルダ８は図示しない機構によりポール９と協
働してアレー探触子をＺ軸方向（Ｘ軸およびＹ軸に直交
する方向）に駆動することができる。

アレー探触子10は多数の圧電素子（以下これら圧電素
子をアレー素子と称する）を一列に配列した構成を有
し、その配列方向はＸ軸方向と一致する。各アレー素子
はパルスを与えられると超音波を放射し、その超音波の
反射波をこれに比例した電気信号に変換する。第５図
（ａ），（ｂ）に各アレー素子が符号10₁〜10nで示され
ている。なお、黒点はサンプリング点を示し、YPはＹ軸
方向のサンプリングピツチ、XPはＸ軸方向のサンプリン
グピツチを示す。又、APは各アレー素子10₁〜10n相互の
ピツチを示す。11はアレー探触子10等を収納するケース
である。

ここで、上記各図に示すアレー探触子10の機能の概略
を第６図（ａ），（ｂ）を参照しながら説明する。第６
図（ａ）で、T₁〜T₉は一列に配置されたアレー素子、D₁
〜D₉は各アレー素子10₁〜10₉に接続された遅延素子、ｐ
は各アレー素子T₁〜T₉に入力されるパルスである。遅延
素子D₁,D₉の遅延時間（t₁₉）は等しく設定されている。
同じく、遅延素子D₂,D₈の遅延時間（t₂₈）、遅延素子
D₃,D₇の遅延時間（t₃₇）、遅延素子D₄,D₆の遅延時間（t
₄₆）もそれぞれ等しく設定されている。そして、設定さ
れた各遅延時間の関係は、遅延素子D₅の遅延時間をt₅と
すると次の関係にある。

t₁₉＜t₂₈＜t₃₇＜t₄₆＜t₅ ……（１）今、各遅延素子D₁〜D₉の遅延時間を、上記（１）式の
関係を保持しながら所定の値に設定してパルスｐを入力
すると、アレー素子T₁〜T₉から放射される超音波は上記
設定された遅延時間にしたがつて、アレー素子T₁,T₉か
ら最も早く、又、アレー素子T₅から最も遅く放射され
る。このようにして放射された超音波は放射状に拡がつ
て進行するが、各アレー素子の放射超音波の振動の最大
振幅がすべて合致する地点が生じる。第６図（ａ）でこ
の地点が符号Ｂで示されている。この地点Ｂにおける超
音波の大きさは他の地点の超音波の大きさに比較して遥
かに大きいので、恰も各アレー素子T₁〜T₉からの超音波
が破線に示すように地点Ｂに集束したのと同じ状態とな
る。換言すれば、一列に配列したアレー素子からの超音
波放射に適切な遅延を与えてやれば、それらの超音波を
地点Ｂに集束させたのと同様な状態とすることができ
る。この地点Ｂを焦点と称する。（１）式の関係を保持
しながら各遅延時間を上記の遅延時間より小さく設定す
れば、焦点Ｂは一点鎖線で示すようにより長い焦点Ｂ′
に移行する。したがつて、各遅延素子D₁〜D₉の遅延時間
を調節することにより、焦点の位置を選択することが可
能となり、これを被検材３の探傷に適用する場合、探傷
深さを選択することができる。

第６図（ｂ）は第５図（ａ），（ｂ）に示すアレー探
触子10の機能の説明図である。この図で、10₁〜10nは第
５図（ａ）に示すものと同じアレー素子であり、各アレ
ー素子10₁〜10nにはそれぞれ図示されていないが遅延素
子が接続されている。図示の例では、まずｍ個のアレー
素子10₁〜10mを選択し、それらから放射される超音波の
遅延時間を適切に設定することにより、前述のように超
音波をみかけ上１つの焦点に集める。この焦点が第６図
（ｂ）に符号B₁で示されている。次に、アレー素子を１
つずらして同じくｍ個のアレー素子10₂〜10m₊₁に対し
て、前回のアレー素子10₁〜10mに与えた遅延時間と同一
パターンの遅延時間を与える。このときの焦点が符号B₂
で示されている。以下、アレー素子を１つずつ順に切換
えてゆき、最後にアレー素子10n_-m₊₁〜10nを選択して、
同じパターンの遅延時間を与え、焦点Bn_-m₊₁を得る。こ
のような手段により、結果的にはアレー探触子10によつ
て焦点B₁〜Bn_-m₊₁までの探傷走査が実行されたことにな
る。なお、第６図（ｂ）で、APは探触子素子ピツチ、SP
はサンプリングピツチを示し、図示の場合両者は等し
い。

次に、上記アレー探触子を用いた超音波探傷装置の制
御回路について説明する。第７図はその制御回路のブロ
ツク図である。第７図で、10はさきに説明したアレー探
触子、7M,8Mはそれぞれアーム７をＹ軸方向に、ホルダ
８をＸ軸方向に駆動するモータ、7E,8Eはそれぞれモー
タ7M,8Mに駆動信号を出力するとともにそれらの駆動量
を検出して出力するエンコーダである。20は信号処理装
置を示し、CPU（中央処理装置）20a、画像処理のための
画像メモリ20b、信号処理装置20と外部回路との間で入
出力を行なうためのインタフエース20c、キーボード20d
等で構成されている。信号処理装置20はその他RAM,ROM
等の素子を備えているが図示は省略する。21は表示装置
を示す。

22は送信制御回路であり、CPU20aからの指令により、
第６図（ａ），（ｂ）に基づいて説明した遅延時間、ア
レー素子の選択，切換えを制御する。23はパルスｐを出
力するパルサであり、この場合、アレー素子毎に設けら
れている。24はアレー素子からの超音波反射波信号を受
信増幅する増幅器であり、同じくアレー素子毎に設けら
れている。25は受信制御回路であり、アレー素子からの
各信号に対する前述の遅延，選択，切換えの制御を行な
う。26は波形加算器であり、受信制御回路25における遅
延の結果、同時刻に出力される各受信信号をすべて加算
する。27はピーク検出回路であり、被検材３の表面から
の所定の深さ範囲の信号のみを採取するゲート機能を有
するとともにその範囲内でのピーク値のみを保持して出
力する機能を備えている。28はピーク検出器27に保持さ
れたピーク値をデイジタル値に変換するA/D変換器であ
る。

次に、上記超音波探傷装置の動作を第８図に示すサン
プリング点分布図を参照しながら説明する。第８図で、
被検材３におけるＸ軸方向のサンプリング点はX₁行〜Xj
行、Ｙ軸方向のサンプリング点はY₁列〜Yr列存在する。
又、Ｘ軸方向のサンプリングピツチXPはアレー素子ピツ
チAPと等しいものとし、アレー素子数（ｎ）はＸ軸方向
のサンプリング点数（ｊ）より充分大きいものとする。
まず、CPU20aの指令によりモータ7Mが駆動され、アレー
探触子10がサンプリング点のY₁列に対向せしめられる。
次いで、CPU20aは送信制御回路22および受信制御回路25
に遅延時間の所定のパターンを与え、かつ、第６図
（ｂ）において説明したアレー素子ｍ個の選択を行な
う。これにより、パルサ23から最初に選択されたアレー
素子ｍ個に所定の遅延パターンでパルスが出力され、第
６図（ａ），（ｂ）で説明した態様によりサンプリング
点X₁,Y₁の探傷が行なわれる。そして、各アレー素子か
らの反射波信号は増幅器24で増幅された後再び受信制御
回路25で遅延されて同時に波形加算器26に加算され、ピ
ーク検出回路27、A/D変換器28を経てデイジタル値とし
て信号処理装置に取込まれる。続いて、アレー素子を１
つずらしたｍ個が選択されて上記と同じ動作によりサン
プリング点X₂,Y₁のデータがサンプリングされる。同様
の動作が、サンプリング点Xj,Y₁のデータのサンプリン
グが終了するまで繰返される。この結果、サンプリング
点におけるY₁列が電子的に走査されたことになる。

この走査が終了すると、CPU20aは再びモータ7Mに指令
してこれを駆動し、アレー探触子10をＹ軸方向にピツチ
YPだけ移動せしめて上記と同様にY₂列の走査を実行す
る。このような動作の繰返しにより、Yr列の走査が終了
すると、すべてのサンプリング点のデータがサンプリン
グされる。このように、上記超音波探傷装置では、Ｘ軸
方向の走査は電子的に、又、Ｙ軸方向の動作は機械的に
行なわれる。

ところで、上記の走査方法は、１つの列の走査に、Ｘ
軸方向の走査時間と、Ｙ軸方向のサンプリングピツチYP
の移動時間との合計した時間を要する。これを短縮する
ため、実際にはノンストツプ走査手段が採用されてい
る。このノンストツプ走査手段は、モータ7Mを連続駆動
し、アレー探触子10のＹ軸方向の移動を継続せしめ、ア
レー探触子10のＸ軸方向の走査が終了したとき丁度アレ
ー探触子10がサンプリングピツチYPだけ移動しているよ
うにする手段である。これによりノンストツプの走査が
可能となり、走査時間が大幅に短縮され、かつ、モータ
7Mの停止，起動による悪影響を除去される。このような
ノンストツプ走査を可能とするため、アレー探触子10の
Ｙ軸方向の移動速度ｖは、Ｘ軸方向の走査時間をtxsと
すると、とされ、これに相当するモータ7Mの速度が設定されるこ
とになる。ここで、上記ノンストツプ走査の一具体例を
挙げる。被検材３が、10mm×10mmでサンプリングピツチ
XP,YPが0.2mm（YP＝50）の記載を「0.2mm（YPの全数は5
0）、Ｘ軸方向の１ライン走査が5m secの場合、全サン
プリング点の走査時間は0.25secである。

上記アレー探触子10を用いた超音波探傷装置におい
て、Ｙ軸方向のピツチYPはモータ7Mの移動精度に依存
し、当該移動精度はサブμｍオーダまで可能である。し
たがつて、ピツチYPもこのオーダまで微小化することが
できる。ところが、Ｘ軸方向のピツチXPはアレー素子10
₁〜10nの大きさにより限定され、最小でも0.1mm程度で
あり、それ以上分解能を向上させることはできない。こ
のため、Ｘ軸方向のサンプリングピツチXPを小さくする
手段が提案されている。この手段を第９図（ａ），
（ｂ）により説明する。

第９図（ａ），（ｂ）はアレー探触子の移動経路を示
す図であり、第９図（ａ）は往路、第９図（ｂ）は復路
を示す。各図で、黒点は被検材３のサンプリング点を示
し、（X₁,Y₁）〜（Xj,Yr）は第８図に示すものと同じサ
ンプリング点の座標である。まず、第９図（ａ）に示す
ように、モータ7Mによりアレー探触子10が矢印＋Ｙ方向
に駆動され、この機械的駆動走査およびアレー探触子10
の電子的走査により、サンプリング点（X₁,Y₁）〜（Xj,
Yr）の全点が走査される。この走査終了時、アレー探触
子10は列Yr上に位置する。

この状態で、CPU20aはモータ8Mに指令を出力し、アレ
ー探触子10を図でＸ軸方向右方にピツチXP/2だけ移動さ
せる。この移動した状態が第９図（ｂ）に示されてい
る。移動後のＸ軸座標を移動前のＸ軸座標にダツシユを
付して表わす。そうすると、アレー探触子10の移動後の
位置のＸ軸座標は、X₁′〜Xjとなる。次に、CPU20aはモ
ータ7Mに指令を出力し、アレー探触子10を矢印−Ｙ方向
に列Y₁に達するまで駆動させる。この機械的走査と、駆
動中の電子的走査により、Ｘ軸における中間の行の各座
標（X₁′,Yr）〜（Xj_-1′,Y₁）が全点走査される。結
局、Ｘ軸方向のピツチXPを、ピツチXP/2に小さくするこ
とができる。Ｘ軸方向のピツチの減少は、1/2に限ら
ず、XP/nだけ減少することができる。（ｎは整数）。な
お、第９図（ｂ）で、Ｘ軸座標Xj′のサンプリングは所
定の走査範囲外であるので行なわれない。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記アレー探触子10を使用する超音波探傷装置は、上
記ノンストツプ走査を実施することにより、その走査時
間を著しく短縮することができる。しかしながら、この
ようなノンストツプ走査では、アレー探触子10をＹ軸方
向に移動させながらＸ軸方向の電子的走査を行なうた
め、微小ではあるが探傷にずれが生じることになる。こ
れを第10図により説明する。

第10図は第８図に示すものと同じサンプリング点の分
布図であり、図では、走査すべきサンプリング点が白丸
で示されている。ところで、前述のように、アレー探触
子10は走査中Ｙ軸方向に移動しているので、実際のサン
プリング点は▲印で示される点となり、走査すべきサン
プリング点との間にずれLiを生じる。今、ｉを座標X₁か
ら数えたＸ軸方向のサンプリング点の数、ｊをＸ軸方向
のサンプリング点の総数とすると、Ｘ軸方向の第ｉ番目
のサンプリング点のずれLiは次式で表わされる。

そして、上記のようなずれLiが存在すると、サンプリン
グの結果を表示装置に表示装置に表示したとき、画像に
歪みを生じて探傷精度が低下するのを避けることができ
ない。

本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、ずれ
の生じない探傷走査を行なうことができ、ひいては探傷
精度を向上させることができる超音波探傷装置を提供す
るにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するため、本発明は、圧電素子が多
数一列に配列されたアレー探触子により被検材表面を第
１の方向に第１のサンプリングピツチで連続走査すると
ともに前記第１の方向に直交する第２の方向に第２のサ
ンプリングピツチで連続走査する超音波探傷装置におい
て、前記各圧電素子を、それらの配列方向と前記第２の
方向とのなす角の正接が、前記第２の方向の走査の所要
時間に移動すべき前記第１の方向の移動量を前記第２の
方向のサンプリング数から１を減じた数に前記第２のサ
ンプリングピッチを乗じた数で除した値となるように配
列したことを特徴とする。

〔作用〕

互いに直交する第１の方向と第２の方向を有する走査
面に対して、第２の方向の走査を多数配列された圧電素
子により行いながら、同時に、それら圧電素子を第１の
方向に移動させる。この走査は、圧電素子の配列の方向
を、第２の方向に対して所定角度だけ傾けた状態で行
う。そして、当該所定角度は、その角度の正接が、第２
の方向の走査（圧電素子による走査）の所要時間に移動
すべき第１の方向の移動量を、第２の方向のサンプリン
グ数から１を減じた数に第２の方向のサンプリングピッ
チを乗じた数で除した値になるように設定される。

この角度の設定は、圧電素子の配列を上記角度だけ傾
けてケース内に固定するか、又は、探傷開始時に、圧電
素子の配列を、それが上記角度だけ傾くように回動させ
ることにより行う。このように傾けられた圧電素子の配
列を備えたアレー探触子は、当該傾きを保持した状態で
圧電素子による走査（電子走査）を行いながら第１の方
向に移動せしめられ、これにより、所期のサンプリング
点の走査が正確に実行される。

〔実施例〕

以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明する。

第１図（ａ），（ｂ）は本発明の実施例に係る超音波
探傷装置のアレー探触子のケースの側面図および底面図
である。各図で、９は第４図に示すポール、10はアレー
素子10₁〜10nより成るアレー探触子、10aはポール９に
支持されアレー探触子10を収納するケース、10bはケー
ス10aの底面、10cはケース10aの側面である。第１図
（ｂ）から明らかなように、各アレー素子10₁〜10nは、
その中心を通る線Ａ（アレー素子の配列方向）がケース
10aの側面10cに対して角度θだけ傾けて配置され、その
超音波放射面が底面10bから露出せしめられる。角度θ
は（３）式にしたがつて設定されている。

本実施例の動作を第２図に示すサンプリング点の分布
図を参照しながら説明する。本実施例の超音波探傷装置
における探傷は、ケース10aの側面10cをＸ軸方向と平行
にした状態で行なわれる。したがつて、アレー探触子10
の方向は第２図に示すように、Ｘ軸に対して角度θとな
る。この角度θは（３）式の値の角度となる。この状態
で、アレー探触子10の各アレー素子10₁〜10nを順次走査
しながらアレー探触子10を（ケース10aを）Ｙ軸方向に
（１）式に示す速度ｖで移動すると、各サンプリング点
は（２）式に示すずれだけ逆方向にずれて走査されるこ
とになるので、第２図に示す白丸印の点（所期のサンプ
リング点）と一致することとなり、そのデータを表示し
たとき歪みのない映像を得ることができ、精度の高い探
傷を行なうことができる。

次に、上記実施例の構成により第９図（ａ），（ｂ）
に示すようにＸ軸方向をXP/2で走査する場合について、
第３図（ａ），（ｂ）に示すアレー探触子の移動経路を
示す図を参照しながら説明する。各図で、第９図
（ａ），（ｂ）に示す部分と同一部分には同一符号が付
してある。まず、第３図（ａ）に示すように、アレー探
触子10が前述の角度θの状態で、その各アレー素子10₁
〜10nが順次矢印＋X_S方向に走査され、同時に矢印＋Ｙ
方向に移動せしめられる。これにより第２図に示すよう
に所期のサンプリング点（X₁,Y₁）〜（Xj,Yr）が正しく
走査される。

この走査終了時点で、アレー探触子10は第３図（ｂ）
に示すように角度θ傾いた状態にあり、この状態のまま
Ｘ軸方向にピツチXP/2ずらされる。次いで、アレー探触
子10は、その各アレー素子10₁〜10nが順次矢印−X_S方向
に走査されると同時に矢印−Ｙ方向に移動せしめられ
る。これにより、サンプリング点（Xj_-1′,Yr）〜
（X₁′,Y₁）が正しく走査される。このように、アレー
探触子10の＋Ｙ方向移動時の各アレー素子の走査方向
（＋X_S）と−Ｙ方向移動時の各アレー素子の走査方向
（−X_S）とを変更することによりアレー探触子10をその
ままの状態として走査を行なうことができる。

なお、上記実施例の説明で、アレー探触子をそのケー
ス内に角度θ傾けて設置する例について説明したが、こ
れに限ることはなく、アレー探触子はケース内にこれと
平行に設置し、ケースを回動させてケース自体を角度θ
傾けて固定することもできる。又、ケースを支持するポ
ールをモータにより可回転とし、角度θをモータで設定
することもできる。この手段によれば、Ｙ軸方向のピツ
チYPを変更したときも、これに応じて角度θを自由に変
更することができる。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明では、アレー探触子の方向
をＸ軸方向（第２の方向）に対して所定の角度傾けて配
置し、その状態を保持したままこれをＹ軸方向（第１の
方向）に移動するようにしたので、所期のサンプリング
点をずれがなく正確に走査することができ、探傷精度を
向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ），（ｂ）は本発明の実施例に係る超音波探
傷装置のアレー探触子を収納したケースの側面図および
底面図、第２図はサンプリング点の分布図、第３図
（ａ），（ｂ）はアレー探触子の走査経路図、第４図は
従来の超音波探傷装置のスキヤナ部の斜視図、第５図
（ａ），（ｂ）は第４図に示すスキヤナ部の一部の平面
図および側面図、第６図（ａ），（ｂ）はアレー探触子
の動作説明図、第７図は超音波探傷装置の制御回路の回
路図、第８図はサンプリング点分布図、第９図（ａ），
（ｂ）はアレー探触子の走査経路図、第10図はサンプリ
ング点の分布図である。 10……アレー探触子、10₁〜10n……アレー素子、10a…
…ケース、10b……底面、10c……側面。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電素子が多数一列に配列されたアレー探
触子により被検材表面を第１の方向に第１のサンプリン
グピッチで連続走査するとともに前記第１の方向に直交
する第２の方向に第２のサンプリングピッチで連続走査
する超音波探傷装置において、前記各圧電素子を、それ
らの配列方向と前記第２の方向とのなす角の正接が、前
記第２の方向の走査の所要時間に移動すべき前記第１の
方向の移動量を前記第２の方向のサンプリング数から１
を減じた数に前記第２のサンプリングピッチを乗じた数
で除した値となるように配列したことを特徴とする超音
波探傷装置。
【請求項２】特許請求の範囲第（１）項において、前記
移動量は、前記第１のサンプリングピッチであることを
特徴とする超音波探傷装置。
【請求項３】特許請求の範囲第（１）項又は第（２）項
において、前記アレー探触子は、前記被検材の表面に平
行な表面内で回転可能に構成されていることを特徴とす
る超音波探傷装置。
【請求項４】特許請求の範囲第（１）項又は第（２）項
において、前記アレー探触子は、これを収納するケース
の長手方向に対する角の正接が前記の値となるように配
置されていることを特徴とする超音波探傷装置。