JP4014979B2 - 超音波検査装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の圧電変換素子から発生される超音波を用いて被検体内の状態を可視化する超音波検査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
被検体内部の状態を可視化して、被検体内の欠陥、例えば、ボイドや接合部の剥がれ等の有無等の検査を行う超音波検査装置が用いられている。ここで、水浸法での超音波検査においては、圧電変換素子（超音波の発生器およびセンサ）および被検体を水等の液体中に浸漬し、圧電変換素子を機械的に走査しながら超音波を送受信することにより、被検体の内部を可視化する（非特許文献１参照）。
【０００３】
【非特許文献１】
小倉、「半導体パッケージの非破壊検査の現状」、非破壊検査、社団法人日本非破壊検査協会、平成１３年５月、第５０巻、第５号、Ｐ．２９１−２９２
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、水浸法では圧電変換素子が液体中に浸漬されることから、圧電変換素子内に液体が侵入してその耐久性が低下し易くなる。また、密閉容器の内部に配置された被検体の内部検査を外部から行なうことが困難であった。
以上に鑑み、本発明は圧電変換素子を液体に浸漬することなく、かつ密閉容器の内部に配置された被検体の状態を外部から検査可能な超音波検査装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る超音波検査装置は、複数の圧電変換素子を有する圧電変換部と、前記圧電変換部と音響的に接続された平板状の固体音響伝搬媒体と、前記圧電変換部から圧電変換素子を選択して超音波を発生させる駆動部と、前記駆動部によって選択された圧電変換素子から送信された超音波の一部が液体音響媒体中の被検体から反射されてなる反射超音波に基づき、前記圧電変換部の圧電変換素子から発生した電気信号を検出する検出部と、前記検出部で検出された電気信号に基づき、前記被検体の内部状態を表す画像を生成する画像生成部と、前記画像生成部で生成された画像を表示する表示部と、を具備することを特徴とする。
【０００６】
複数配置された圧電変換素子を電子的に選択して送受信することにより、機械走査せずに可視化を行うことができる。また、内部に被検体を収容し、かつ液体音響媒体を蓄積する容器に対して、固体音響伝搬媒体を貫通させるか、あるいはその外面に音響的に接続することにより、圧電変換素子を容器外に配置したままで容器内の被検体の外形及び内部構造の可視化を行うことができる。
ここで、「音響的に接続」とは、異なる音響媒体同士での音響の伝達が可能な状態をいう。なお、音響媒体の間にカップラントを挟むことで、異なる音響媒体間での音響の伝達特性をより向上することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態に係る超音波検査装置は、圧電変換素子がマトリクス状または一列に配置されたアレイセンサがシュー材にカップラントを介して密着固定されている。このシュー材は、液体音響媒体を内包した検査容器の外表面に接続されるか、または開口部を通じて検査容器を貫通している。この結果、検査容器内に設置した被検体からの反射超音波、または透過超音波の電気信号の収集を行い、その収集データから可視化画像を合成することにより、内部検査を行うことが可能となる。
【０００８】
ここで、検査容器内における被検体の表面の位置、即ち、圧電変換素子と検査体の表面（界面）とが既知の場合に、圧電変換素子から送信されこの界面から反射されて圧電変換素子に至るまでの反射超音波の伝播時間から、検査容器内の液体音響媒体の音速を求め、画像生成処理の際の補正用に用い、画像データの精度向上を図ることができる。
また、検査容器内に超音波送信角度を変更するための反射体を設置することにより、被検体に対して水平方向からの計測及び可視化を行うことができる。
【０００９】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る超音波検査装置の構成を説明する模式図である。同図に示すように、この超音波検査装置は、アレイセンサ６、送受信切替装置８、画像合成装置９、表示装置１０を有し、容器１内の水２に浸漬された被検体３内の欠陥４を可視化して表すことができる。アレイセンサ６の前面には、平板形状のシュー材５がカップラント７を介して密着固定されている。また、容器１内に反射体１３，固定ジグ１５が設置されている。
【００１０】
容器１は、水２および被検体３を収容する容器であり、水２に浸漬した状態で被検体３を超音波により検査するためのものである。
水２は、超音波を伝搬する液体の音響媒体の一種である。即ち、液体音響媒体としては水２以外の液体、例えば、油等を用いることが可能である。
被検体３は、超音波により内部状態を検査し、欠陥４（例えば、ボイド、結合の剥がれ等）の有無等の検査が行われる検査対象である。なお、被検体３は、固定ジグ１５によって容器１内で位置決め、固定される。
シュー材５は、平板状の固体からなる音響媒体（固体音響媒体）であり、アレイセンサ６と被検体３との間での超音波の伝搬経路の一部となり、例えば、プラスチック、金属等適宜の材料で構成することができる。
アレイセンサ６は、圧電変換部として機能するものであり、複数の圧電変換素子２０がアレー状に配列されている。圧電変換素子２０は、電気を圧力に、圧力を電気に変換する変換素子であり、超音波を発信すると共に、被検体３中の欠陥４等から反射される反射超音波Ｘを受信することができる。
反射体１３は、反射部として機能し、所定の圧電変換素子２０から送信された超音波を反射してその伝搬方向を変化させ、被検体３の側方から入射させる。
カップラント７は、シュー材５とアレイセンサ６との間の音響的な結合状態を向上させるための媒介であり、通常は適度の粘性を有する半流動体の音響媒体、一例として、グリセリンが用いられる。シュー材５とアレイセンサ６との間にカップラント７を介在させることで、シュー材５とアレイセンサ６との間での超音波の伝達が効率的に行われるようになり、かつシュー材５、アレイセンサ６それぞれの界面での超音波の反射（一種の雑音）が低減される。
【００１１】
送受信切替装置８は、アレイセンサ６内の複数の圧電変換素子２０から、超音波を送信、受信する素子の選択等を行う装置であり、駆動素子切換回路２１，信号発生部２２，信号検出回路２３，増幅部２４を有する。
駆動素子切換回路２１は、駆動部として機能するものであり、信号発生部２２が発生した電気信号を入力させ、超音波を発生させる圧電変換素子２０を選択するための切換回路である。
信号発生部２２は、圧電変換素子２０に超音波を発生させるための電気信号を発生するためのものであり、通例、発振回路を含む。
信号検出回路２３は、検出部として機能するものであり、超音波を受信したことによって圧電変換素子２０それぞれが発生した電気信号を検出する検出回路である。この検出に際し、圧電変換素子２０を適宜に選択可能であり、選択された圧電変換素子２０に対応する電気信号が増幅部２４に送られる。このとき、複数の圧電変換素子２０の選択を可能として、信号処理の並列性の向上を図っている。
増幅部２４は、信号検出回路２３によって検出された信号を増幅するためのものであり、信号検出回路２３からの出力の数（選択された圧電変換素子２０の数）に対応する個数分の増幅素子が存在する。
即ち、送受信切替装置８は、圧電変換素子２０から反射超音波Ｘ（超音波エコーＸ）を受信する受信素子を選択し、選択された圧電変換素子２０で発生した電気信号Ｅを増幅した後に画像合成装置９に順次送信する。
【００１２】
画像合成装置９は、画像を生成する画像生成部として機能するものであり、Ａ／Ｄ変換器２５，および演算装置２６を有する。Ａ／Ｄ変換器２５は、駆動素子切換回路２１で受信した電気信号をアナログ−ディジタル変換する。
演算装置２６は、音速補正部および画像生成部として機能するものであり、Ａ／Ｄ変換器２５によりディジタル化された信号に基づき、検査対象の状態を可視化するための信号処理を施す信号処理部である。
表示装置１０は、画像合成装置９から導かれた情報を表示する表示装置であり、例えば、ＣＲＴ、液晶表示装置を用いることができる。
【００１３】
（超音波検査装置の動作）
以下に、超音波検査装置の動作を説明する。
（１）信号発生部２２より駆動素子切換回路２１を経て圧電変換素子２０に入力された電気信号により、圧電変換素子２０から超音波が送信される。圧電変換素子２０から送信された超音波は、シュー材５、水２を介して被検体３内の欠陥４に達する。この超音波は、欠陥４により反射され反射超音波Ｘとなり、再び水２とシュー材５を介して圧電変換素子２０に受信される。
【００１４】
（２）受信した反射超音波Ｘによりそれぞれの圧電変換素子２０から発生した電気信号が信号検出回路２３、増幅部２４、Ａ／Ｄ変換器２５により検出、増幅、デジタル変換され、演算装置２６により画像合成処理される。
この画像合成処理は、超音波の送信から受信までの送受信伝播時間ｔｄ、および反射超音波Ｘの強度（振幅値）Ａｄを用いた開口合成処理によって行うことができる。
即ち、超音波の発信位置と受信位置を焦点とする送受信伝播時間ｔｄに対応する距離一定の楕円面（等距離伝播面１２）上に被検体３の超音波反射源（例えば、欠陥４）があることから、異なる発信位置および受信位置での楕円面の交差する位置が反射源位置となり、多くの発信位置（圧電変換素子２０）と受信位置（圧電変換素子２０）の組み合わせでの楕円面の重ね合わせを例えば、３次元画像メモリ上で行うことにより被検体３内部の画像を再構成できる。
具体的には、送信側、受信側それぞれで選択された１対の圧電変換素子２０毎に、送受信伝播時間ｔｄに対応した等距離伝播面１２を計算し、計算された等距離伝播面１２上に反射超音波Ｘの振幅値Ａｄを加算する。送信側、受信側それぞれで選択された圧電変換素子２０の組み合わせそれぞれに対応する複数の等距離伝播面１２が算出され、これら複数の等距離伝播面１２上での反射超音波Ｘの振幅値が加算されることで、被検体３の画像をその内部の欠陥４等を含めて生成できる。
送受信伝播時間ｔｄは、超音波の送信から反射超音波Ｘを受信するまでに要する時間であり、送信側の圧電変換素子２０から超音波を送信させた時刻ｔ１と受信側の圧電変換素子２０が超音波を受信した時刻ｔ２の差（ｔ２−ｔ１）である。
【００１５】
（３）送受信伝播時間ｔｄから等距離伝播面１２を計算するにあたって、「シュー材５と水２の界面」と「被検体３と水２の界面」の両界面での屈折を加味することが好ましい。具体的には、次の式（１）、（２）に表されるスネルの式を考慮して、等距離伝播面１２がより精密に算出される。
Ｃ５／ｓｉｎθ５２＝Ｃ２／ｓｉｎθ２５ ……式（１）
Ｃ２／ｓｉｎθ２３＝Ｃ３／ｓｉｎθ３２ ……式（２）
ここで、Ｃ５：シュー材５中での超音波の速度
Ｃ２：水２中での超音波の速度
Ｃ３：被検体３中での超音波の速度
θ５２：シュー材５から水２への超音波の入射（出射）角
θ２５：シュー材５から水２への超音波の出射（入射）角
θ２３：水２から被検体３への超音波の入射（出射）角
θ３２：水２から被検体３への超音波の出射（入射）角
である。
【００１６】
（４）容器１内に固定した反射体１３によって、圧電変換素子２０から送信した超音波を水平方向に反射させて、被検体３の側面に水平方向計測用超音波Ｚを入射させることができる。この水平方向計測用超音波Ｚは、被検体３の側面やその内部の欠陥４等で反射されて、圧電変換素子２０で受信され、演算装置２６での画像合成処理に用いることができる。
このように、水平方向計測用超音波Ｚのデータを取り込むことにより、被検体３の側面やその内部の欠陥４の水平位置計測、または水平方向からの画像化を同時に行うことが可能である。
なお、この水平方向計測用超音波Ｚの送信、受信を行う圧電変換素子２０を反射超音波Ｘの送信、受信を行う圧電変換素子２０と区分しておくことで、反射超音波Ｘによる被検体３の正面方向の画像と、水平方向計測用超音波Ｚによる被検体３の側面方向の画像とを区分することが容易になる。さらに、表示装置１０での表示に際し、このように区分された正面画像、側面画像を異なる表示色で表示することで、画像に識別が容易に行える。
【００１７】
（５）水２中での音速は水温等によって変動することから、音速を補正することでより精密な画像を生成できる。
この補正は水２中での音速の値自体を画像合成装置９に入力して記憶させることで行っても良いが、被検体３表面からの反射超音波Ｘの送受信伝播時間ｔｄに基づいて行うこともできる。
シュー材５の厚さｄ５、シュー材５から被検体３の表面までの距離Ｌ、およびシュー材５中での音速Ｃ５が既知としたときに、水２中での音速Ｃ２は次の式（３）により算出することができる。
ｔｄ＝２・（ｄ５／Ｃ５）＋２・（Ｌ／Ｃ２） ……式（３）
ここで、被検体３の表面の形状の特徴（例えば、平面、曲面）に基づき、合成画像の画像解析により被検体３表面を抽出することで、水２中での音速を自動的に補正することが可能となる。具体的には、合成画像を２値化等することで、被検体３の輪郭を抽出し、この輪郭から圧電変換素子２０に近い点を選択し、この点に対応する送受信伝播時間ｔｄを求めて、水２中での音速Ｃ２の補正を行う。
【００１８】
（第２の実施の形態）
図２は、本発明の第２の実施形態に係る超音波検査装置の構成を説明する模式図である。同図に示すように、この超音波検査装置は、アレイセンサ６を受信専用として用いると共に、追加のシュー材４５と、シュー材４５に対してカップラント４７を介して密着固定された送信用のアレイセンサ４６を有している。
シュー材４５は、水２内でシュー材５に対して被検体３を挟んだ位置にシュー材５の表面に平行になるように固定された平板構造の固体音響媒体であり、シュー材５と同様の材料を用いることができる。
【００１９】
送信用のアレイセンサ４６には複数の圧電変換素子４０がアレー状に配列され、アレイセンサ６と同様の構成である。
カップラント４７は、シュー材４５とアレイセンサ４６との間の音響的な結合状態を向上させるための媒介であり、カップラント７と同様の材料を用いることができる。
【００２０】
以下に、第２の実施形態に係る超音波検査装置の動作を説明する。
送受信切替装置８によって、アレイセンサ４６内の複数の圧電変換素子４０から特定の圧電変換素子４０が選択駆動され、選択駆動された圧電変換素子４０から透過超音波Ｕが送信される。透過超音波Ｕは、シュー材４５、水２、被検体３の内部を透過し、更に水２とシュー材５を介してアレイセンサ６で受信される。複数の圧電変換素子２０が発生する電気信号Ｅが送受信切替装置８によって選択的に検出される。画像合成装置９は、検出された電気信号Ｅから被検体３の透過画像を合成し、表示装置１０は合成された透過画像合成処理結果を表示する。
この結果、容器１外にアレイセンサ６を設置したままで、水２内の被検体３内部の可視化を行うことができる。
【００２１】
画像合成装置９での画像合成処理は、透過超音波Ｕの送受信伝播時間および振幅値に基づいて行われる。送信用の圧電変換素子４０から受信用の圧電変換素子２０に至る超音波の経路中に水２とは異なる媒体（例えば、被検体３自体や欠陥４等の内部構造）があると、その界面（例えば、被検体３や欠陥４等の表面）で超音波が反射され受信される透過超音波Ｕの振幅が減少する。また、媒体内部を透過超音波Ｕが通過することで送受信伝播時間が変化する。このように、送信用の圧電変換素子４０から受信用の圧電変換素子２０に至る超音波の経路（超音波透過経路）に対応して透過超音波Ｕの送受信伝播時間および振幅値を演算することで、被検体３内部の欠陥４の透過画像を合成することができる。
超音波透過経路の算出は、送信用の圧電変換素子４０と受信用の圧電変換素子２０間の位置関係に基づいて行われる。超音波透過経路の算出に際して、「シュー材５と水２の界面」と「シュー材４５と水２の界面」の屈折を考慮することで、より精密に超音波透過経路を計算することができる。即ち、式（１）、（２）のスネルの式を適宜に加味する。
【００２２】
【発明の効果】
本発明により、圧電変換素子（超音波センサ）を液体に浸漬することなく、かつ密閉容器の内部に配置された被検体の状態を外部から検査可能な超音波検査装置を提供することが可能となる。この結果、圧電変換素子が液体中に浸されなくなるため、その耐久性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施形態に係る超音波検査装置を表す模式図である。
【図２】 本発明の第２の実施形態に係る超音波検査装置を表す模式図である。
【符号の説明】
１…容器、２…水、３…被検体、４…欠陥、５、４５…シュー材、６、４６…アレイセンサ、７、４７…カップラント、８…送受信切替装置、９…画像合成装置、１０…表示装置、１２…等距離伝播面、１３…反射体、１５…固定ジグ、２０、４０…圧電変換素子、２１…駆動素子切換回路、２２…信号発生部、２３…信号検出回路、２４…増幅部、２５…Ａ／Ｄ変換器、２６…演算装置

Claims (4)

1. 複数の圧電変換素子を有する圧電変換部と，
   前記圧電変換部と音響的に接続された平板状の固体音響伝搬媒体と，
   前記圧電変換部から第１，第２の圧電変換素子を選択して，それぞれから第１，第２の超音波を発生させる駆動部と，
   前記第２の圧電変換素子から送信される第２の超音波を反射する反射部と，
   前記第１の圧電変換素子から送信された第１の超音波の一部が液体音響媒体中の被検体から反射されてなる第１の反射超音波，および前記第２の圧電変換素子から送信され，前記反射部で反射された第２の超音波の一部が前記被検体から反射されてなる第２の反射超音波に基づき，前記圧電変換部の圧電変換素子から発生した電気信号を検出する検出部と，
   前記検出部で検出された電気信号に基づき，前記第１の超音波に対応し，かつ前記被検体の内部状態を表す第１の画像，および前記第２の超音波に対応し，かつ前記被検体の内部状態を表す第２の画像を生成する画像生成部と，
   前記画像生成部で生成された第１，第２の画像を表示する表示部と，
   を具備することを特徴とする超音波検査装置。
2. 前記固体音響伝搬媒体が貫通する開口部を有し，内部に前記被検体を収容すると共に，前記液体音響媒体を蓄積する容器
   をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の超音波検査装置。
3. 前記固体音響伝搬媒体と外表面が音響的に接続され，かつ内部に前記被検体を収容すると共に，前記液体音響媒体を蓄積する容器
   をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の超音波検査装置。
4. 前記圧電変換部から送信された超音波が，前記被検体の表面で反射されて該圧電変換部に受信されるまでの超音波伝搬時間に基づいて，前記液体音響媒体中の音速を補正する音速補正部と，
   をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の超音波検査装置。

Images