JP5145783B2 - 超音波による断面検査方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波による断面検査方法及び装置に係り、特に、連続的に搬送される被検体の検査を超音波を用いて行なう超音波検査装置、あるいは、超音波送受波器を走査して被検体の検査を行なう超音波検査装置に用いるのに好適な、超音波による断面検査方法及び装置に関する。

金属材料等の工業製品は、その内部に有害な欠陥が無いことを確認するため、超音波を用いて検査されることが多い。近年、軽量化を目的とした金属材料の薄肉化、環境対策のための製造プロセス変更、更に、長寿命化を目的とした内部品質改善などのために、φ２０μｍ程度の超微小内部欠陥を金属材料の全長・全断面にわたって検出することが必要になってきている。製造される金属材料製品全数の全長・全断面を検査するためには、製造ラインにおいて搬送されている製品の検査を行う必要がある。前記超微小欠陥の検出が必要な製品の搬送速度は、最大で１０００ｍｍ／ｓ程度である。従って、１０００ｍｍ／ｓの高速で搬送される製品の全長・全断面にわたり、φ２０μｍ程度の大きさの超微小欠陥を検出することが必要になっている。

前記超音波を用いた検査装置は超音波探傷装置と称されている。これらの装置において前記内部欠陥を検出するにあたり、高速な検査を目的として超音波ビームを電子的に走査する手法が使われている。このうち、従来より用いられているリニア電子走査と称される走査方式を図６により説明する。

図６は従来の超音波検査装置の構成を示すブロック図である。図６において、１０１は振動子アレイを示す。振動子アレイ１０１には、その先端部に多数の超音波振動子（以下、単に素子と称する）が等間隔でアレイ状に並べてあり、このうち複数の素子を一組として駆動し、決められた位置に超音波ビームを集束させる。図示の例では、素子総数が６４個（１０１₁〜１０１₆₄）、１組に用いる素子数を８個としている。各素子には素子番号１〜６４が付されている。Ｂ₁〜Ｂ₅₇は各素子１０１₁〜１０１₆₄により形成される超音波ビームを示す。１０２は、これら超音波ビームＢ₁〜Ｂ₅₇の送受波を制御する制御回路である。

ここで、超音波ビームＢ₁〜Ｂ₅₇の送受波動作の概略を説明する。まず、素子１０１₁〜１０１₈の８個を１組として駆動することにより、素子１０１₁〜１０１₈の中心線上に集束点を持つ超音波ビームＢ₁を送受波する。次に素子１０１₂〜１０１₉を１組として駆動することにより、素子１０１₂〜１０１₉の中心線上に集束点を持つ超音波ビームＢ₂を送受波する。以下同様に駆動素子群を１つずつシフトさせ、最後は素子１０１₅₇〜１０１₆₄の駆動により、超音波ビームＢ₅₇を送受波する。このような動作により、素子配列ピッチに等しいピッチで、被検体に対して超音波ビームを電子走査する。上述の集束超音波ビームの送受波及び電子走査に必要な制御は、振動子アレイ１０１に接続された制御回路１０２において行なわれる。

なお、送波ビームの集束は、超音波を送波するために各素子に与える電気パルスの印加タイミングを、前記１組の素子の中で変更することによって可能である。受波ビームの集束は、前記１組の素子が受波した信号を、素子毎に個別の時間だけ遅延させて加算することによって達成できる。

上述したリニア電子走査は、超音波探触子の機械走査を行なう方法に比べ、２０倍程度の高速な検査が可能であるとされている。しかし、金属材料等の搬送ラインにおいて、秒速１ｍ程度の高速で搬送される被検体を、前記リニア電子走査を用いて検査しようとすると、１回の電子走査が終了するまでに、被検体のかなりの長さの部分が通過してしまうために、検査に歯抜けが発生する問題があった。

リニア電子走査による検査を高速化するための先行技術として、特許文献１が挙げられる。この特許文献１は、「多数の超音波振動素子の配列に沿って超音波ビームの走査を行なう超音波検査装置において、前記超音波ビームのすべてを連続する複数のビーム領域に区分するビーム領域区分手段と、前記各ビーム領域を所定の順で選択してゆくビーム領域選択手段と、選択されたビーム領域における１つの超音波ビームを当該ビーム領域が選択される毎に順次シフトしてゆくシフト手段とを設けたこと」によってリニア電子走査の高速化を図ることを提案している。

又、被検体の断面検査を高速化するための先行技術として、特許文献２が挙げられる。この特許文献２は、「被検材表面に沿って配列可能な複数の振動子を有する超音波変換器アレイと、超音波変換器アレイの各振動子をスパイクパルスで励振する励振手段と、各振動子で受信した超音波受信エコーを振動子毎の波形データとして記憶する波形メモリと、振動子毎の波形データが記憶された前記波形メモリの内容を読み出し、加算器にて位相合成する位相合成手段と、上記波形メモリの読み出しにおいて、その各波形メモリのアドレスを電子走査範囲内の任意位置に対するダイナミックフォーカスのビーム路程距離に相当するアドレスとして与える焦点手段とを備えることを特徴とする超音波探傷装置。」によって被検体の断面検査の高速化を図ることを提案している。

特開平３−２４８０５８号公報 特開２００３−２８８４６号公報

しかし、特許文献1では、電子的な切り替えによって超音波ビームの走査が行われることに変わりはなく、前記した検査の歯抜け問題の解決には程遠い状況であった。

又、特許文献２では、波形メモリに記憶された振動子アレイの全受波信号データから、受波の焦点を形成する際に、焦点の深さ位置を順次変更する必要があるため、このプロセスに時間がかかる問題があった。特許文献２の［００４２］には、１つの断面検査が１ｍｓで終了する例が示されているが、例えば被検材の速度が１０００ｍｍ／ｓ（６０ｍｐｍ）である場合には、１ｍｍ置きにしか被検材の検査を行うことができない。これでは例えば、被検材にφ１００μｍ程度の円形平面欠陥があったとしても、この欠陥へ垂直に超音波ビームがあたる確率は１／１０よりも小さい。

又、特許文献２では、ｎ個の素子によって受波されたｎ個の受波信号全てを位相合成することにより、特定の位置に受波ビームの焦点を形成していた。ｎとして２００が例示されている。焦点位置における受波ビームの径は開口の大きさに反比例するので、ｎが大きいことは欠陥検出能や分解能向上の観点から良さそうに思われる。しかし、振動子アレイを構成する個々の超音波振動子（素子ともいう）は配列方向にある程度の幅を有しているため、個々の超音波振動子の受波指向性は、ある程度狭い角度範囲に限られる。例えば、振動子アレイの公称周波数を５ＭＨｚとし、配列方向での素子幅を０．８ｍｍ（一般的な５ＭＨｚ振動子アレイの素子幅はこの程度）として考えると、受波ビーム中心軸での受波効率に対して−６ｄＢ以内の受波効率となる角度（受波指向性という）は約１２°（ビーム中心軸に対して）である。

この振動子アレイを用い、焦点に対する受波指向性が−６ｄＢ以内となる素子のみを用いて、振動子アレイから距離５０ｍｍの位置に焦点を形成することを考える。仮に焦点の直上に位置する素子を素子ｉとしたとき、焦点に対する受波指向性が−６ｄＢ以内となる素子ｊは素子ｉから約１１ｍｍに位置する。素子幅は０．８ｍｍとしたから、素子ｊは素子ｉから１３〜１４番目の素子である。ゆえに、上記の場合、受波ビームの焦点に主に寄与する素子は全体で３０素子足らずである。

このように特許文献２に示された技術を上記一般的なケースに適用するにしても、８割以上の素子の位相合成処理が無駄になっている問題があった。更に、特許文献２に示された装置を製造現場におけるオンライン探傷へ適用する場合には、焦点形成にほとんど寄与しない８割以上の素子が受波した信号に含まれる現場特有の周期性ノイズが加算によって増大するため、振幅の大きなノイズ信号が発生し易い問題があった。振幅の大きなノイズ信号は、誤検出の原因となるため、オンライン探傷では最も嫌われる不具合である。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、振動子アレイを用いた超音波探傷を、高速に移送される金属材料の検査に適用するに当たり、検査に歯抜けが発生しないようにすることを課題とする。更に、本発明は、振幅が大きなノイズが発生しない探傷方法及び装置を提供することを課題とする。

本発明は、１次元に配列された多数の超音波振動子からなる振動子アレイを用いて金属材料でなる被検体の断面を検査するにあたり、前記振動子アレイの一部または全ての超音波振動子から超音波を送波し、該送波された超音波によって生起された反射波を、前記振動子アレイの一部または全ての超音波振動子を用いて受波し、該受波された信号をディジタルの波形信号へ変換し、前記振動子アレイの中から選択された複数の超音波振動子で構成される第１の超音波振動子群の各振動子と前記被検体内部に形成する連続的な受波焦点との距離に基づき、前記各振動子のディジタル化された受波信号の時間軸を、前記連続的な受波焦点それぞれにおいて常に位相があうように、前記距離に応じて変化する遅延量で変換し、前記各振動子の変換受波信号を同時に加算合成する超音波による断面検査方法であって、前記振動子アレイを、複数の超音波振動子で構成される、前記第１の超音波振動子群とは異なる超音波振動子のグループにグループ分けし、各グループにおいて、グループ内の複数の超音波振動子が受波した前記ディジタルの波形信号への変換前の複数の信号に、隣り合う素子が受波したエコー信号が加算合成において干渉を起こさない大きさを持つ相異なる遅延を加えた上で、該遅延された複数の信号を加算することにより１つの信号にまとめることにより、前記課題を解決したものである。

ここで、複数の超音波振動子からなる第１の超音波振動子群を複数個とし、前記複数個の超音波振動子群において加算合成を同時に行うことができる。

本発明は、又、１次元に配列された多数の超音波振動子からなる振動子アレイを用いて金属材料でなる被検体の断面を検査する装置で、前記振動子アレイの一部または全ての超音波振動子から超音波を送波する手段と、該送波された超音波によって生起された反射波を、前記振動子アレイの一部または全ての超音波振動子を用いて受波する手段と、該受波された信号をディジタルの波形信号へ変換する手段と、前記振動子アレイの中から選択された複数の超音波振動子で構成される第１の超音波振動子群の各振動子と前記被検体内部に形成する連続的な受波焦点位置との距離に基づき、前記各振動子のディジタル化された受波信号の時間軸を、前記連続的な受波焦点それぞれにおいて常に位相があうように、前記距離に応じて変化する遅延量で変換する手段と、前記各振動子の変換受波信号を同時に加算合成する手段とを備えた超音波による断面検査装置であって、前記振動子アレイを複数の超音波振動子で構成される、前記第１の超音波振動子群とは異なる超音波振動子のグループにグループ分けし、各グループにおいて、グループ内の複数の超音波振動子が受波した前記ディジタルの波形信号への変換前の複数の信号に、隣り合う素子が受波したエコー信号が加算合成において干渉を起こさない大きさを持つ相異なる遅延を加える遅延手段と、該遅延された複数の信号を加算することにより１つの信号にまとめる加算手段と、を備えたものである。

ここで、前記加算合成する手段は、複数個の第１の超音波振動子群における加算合成を同時に行うことができる。

本発明では、振動子アレイの一部または全ての超音波振動子から超音波を送波し、該送波された超音波によって生起された反射波を、前記振動子アレイの一部または全ての超音波振動子を用いて受波し、該受波された信号をディジタルの波形信号へ変換した上で、前記振動子アレイの中から選択された複数の超音波振動子で構成される超音波振動子群の各振動子と前記被検体内部に形成する連続的な受波焦点位置との距離に基づき、前記各振動子のディジタル化された受波信号の時間軸を、前記連続的な受波焦点それぞれにおいて常に位相があうように、前記距離に応じて変化する遅延量で変換し、前記各振動子の変換受波信号を同時に加算合成するようにしたので、振動子アレイの下に受波ニードルビームのカーテンを形成することが可能となる。よって、高速に移動する物体の検査において、リニア電子走査に伴う検査の歯抜けが発生することが無く、特に、高速に移動する物体の全体積の検査が可能になるという従来に無い利点がある。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

図１は実施形態を単純化した例を示すブロック図、図２は本実施形態における着目点を示す説明図、図３は特定した２つの素子と焦点との間を超音波が伝搬する時間の相対的な関係を示す説明図、図４は本実施形態の全体像を示すブロック図である。

実施形態として、素子総数３８４個、受波集束ビームの形成に用いる１組の素子数を２４個とした場合について説明する。本実施形態では、２４個の素子を用いて、その配列方向中心の下方に焦点が連続する１つの細い受波ビーム（以下、ニードルビーム）を形成し、更に３８４個の全素子から選択が可能な２４個の素子群の配列の下に受波ニードルビームを同時に形成することにより、振動子アレイ１の直下に受波ニードルビームが隙間なく並んだ受波ニードルビームカーテンを形成する例を示している。本実施形態では、２４個の素子を受波集束ビームの焦点が連続するようにしている。

図１（単純化図）及び図４（全体図）に示すように、本実施形態は、振動子アレイ１、該振動子アレイ１の各素子１₁〜１₃₈₄から超音波を送波するため、各素子１₁〜１₃₈₄に電気パルスを印加するパルサ２₁〜２₃₈₄、各素子１₁〜１₃₈₄が受波した超音波による信号を増幅するための受波増幅器３₁〜３₃₈₄、増幅後の受波した超音波による信号を複数素子を単位（図では４素子、以下グループと称する）として遅延させる遅延素子４₁〜４₃₈₄、前記遅延させた受波超音波信号を複数素子（図では４素子）として加算合成する加算合成器５₁〜５₃₈₄（図では添え字は４おき）、加算合成後の受波超音波信号をディジタル化された受波信号へ変換するＡ／Ｄ変換器６₁〜６₃₈₄（図では添え字は４おき）、ディジタル化された受波信号の時間軸を変換する時間軸変換部１１₁〜１１₃₈₄（図では添え字は４おき）、時間軸が変換された信号を格納する波形メモリ１２₁〜１２₃₈₄、及び、記憶された時間軸変換信号を用いて、振動子１iと１i+1との中間の直下に形成される焦点が切れ目無く連続した１つのニードルビームによって受波するのと等価な受波信号を生成する加算合成処理部１３からなる。

即ち、本実施形態では、振動子アレイ１₁〜１₃₈₄の素子毎に、パルサ２₁〜２₃₈₄、受波増幅器３₁〜３₃₈₄、遅延素子４₁〜４₃₈₄、及び、波形メモリ１２₁〜１２₃₈₄が備えられている。又、複数（図では４）素子につき１個の割合で、加算合成器５₁〜５₃₈₄（図では添え字は４おき）、Ａ／Ｄ変換器６₁〜６₃₈₄（図では添え字は４おき）、時間軸変換部１１₁〜１１₃₈₄（図では添え字は４おき）が備えられている。

ここで、遅延素子４₁〜４₃₈₄、加算合成器５₁〜５₃₈₄（図では添え字は４おき）の役割を詳しく説明する。遅延素子４₁〜４₃₈₄は図中４おきに同一の長さで描かれている。これは、前記素子による信号の遅延時間が同一であることを意味する。遅延素子４₁〜４₃₈₄はグループ内に入力される受波増幅器３₁〜３₃₈₄からの受波超音波信号をそれぞれ異なる時間遅延させる。遅延素子４₁〜４₃₈₄によってそれぞれ異なる時間遅延された受波超音波信号は、加算合成器５₁〜５₃₈₄において加算合成され、１つの信号にまとめられる。

前記遅延素子のグループ内における遅延時間は添え字の増分に対して一定の時間Δｔが上乗せされるように設定されている。Δｔとして、隣り合う素子が受波した同一エコー源からのエコー信号が加算合成器５_j-4における加算合成において干渉を起こさないよう十分大きな時間が選ばれている。このように構成すると、振動子アレイ１_j-4〜１_j-1に受波され、受波増幅器３_j-4〜３_j-1によって増幅された信号を、個々の信号の形態を保持したまま、１つの信号にまとめることができるため、高価なＡ／Ｄ変換器の個数を減ずることによる製作コストの大幅な低減を図ることができる。

図２は本実施形態における受波ニードルビーム形成の考え方を示している。振動子アレイ１の全素子１₁〜１₃₈₄から超音波を送波する。又、被検体からの超音波の反射信号（エコー）を、振動子アレイ１の全素子１₁〜１₃₈₄を用いて受波する。各素子１₁〜１₃₈₄によって受波された超音波による信号は、それぞれ図１に示した受波増幅器３₁〜３₃₈₄によって増幅された後、Ａ／Ｄ変換器４₁〜４₃₈₄によってディジタル信号に変換される。これらディジタル化された信号の位相合わせを行ったのち、加算合成を行うことにより、図１に示したような受波集束ビームを形成できる。

本実施形態では、図２に示すように、素子１_i-12〜１_i+11の下に振動子アレイ１から距離Ｆ_Rの位置に受波ビーム焦点を形成する場合に、素子１_i-12〜１_i+11と焦点との間の距離は、距離Ｆ_Rの増加に対して単調増加する関数で表されることに着目した。図２に示した例では、焦点を１_i-1及び１_iの中心の直下に設定しているので、焦点に一番近い素子は１_i-1及び１_iである。該素子と焦点との間を超音波が伝搬する時間と、焦点から一番遠い素子１_i-12と焦点との間を超音波が伝搬する時間とを対比させて図３に示す。この計算では、超音波が伝搬する媒体での超音波の速度を１５００ｍ／ｓ、素子ピッチｐを０．２ｍｍとし、Ｆ_Rを４ｍｍ〜２５ｍｍまで変化させた。

図３に示すように、前記２つの素子と焦点との間を超音波が伝搬するのに要する時間は、単調に変化する関数関係（以下、伝搬時間相対関係）を持つ。ここで、図３の横軸は図２の距離ｄ_i-1を伝搬時間に変換したもので、縦軸は図２の距離ｄ_i-12を伝搬時間に変換したものである。従って、一方の素子が受波した信号の時間軸（受波した時刻）を、図３に示した関係を用いて、他方の素子が受波した信号の時間軸（受波した時刻）に合わせれば（以下、時間軸変換と言う）、焦点と振動子アレイ１との距離Ｆ_Rが変化しても、常に両者の位相を合致させることができる。

素子１_i-1と焦点との間を超音波が伝搬する時間と、素子１_i-12以外の素子と焦点との間を超音波が伝搬する時間との間にも図３と同様の関係があるため、これらの関係を予め計算し、受波した信号の時間軸変換を行えば、焦点と振動子アレイ１との距離Ｆ_Rにかかわらず、同様に、素子１_i-12以外の素子と素子１_i-1との位相も合致させることができる。即ち、各素子１_i-12〜１_i+11が受波した信号の時間軸変換を行えば、素子１_i-12〜１_i+11の下に、焦点が切れ目なく連続する細い受波ビームを形成することができる。この受波ビームは、一点鎖線を中心とした細い領域に局在するニードルビームといえる。

なお、上記説明では時間軸変換の基準とする素子を素子１_i-1として説明を行ったが、基準とする素子は２４個の素子のいずれであってもよい。但し、焦点に一番近い素子を基準に時間軸変換を行うようにすると、時間軸変換後のデータの数を一番少なくできる（素子と焦点との間の超音波伝搬時間が最も短い。）ので、装置製作上のメリットがある。

より具体的には、前記時間軸変換は以下のように行われる。時間軸変換の基準とする素子を素子１_i-1としてこの時間軸をｔとする。すると、時間軸を変換される素子（例えば、素子１_i-12）の時間軸ｔ_i-12は、図３を参考にして、関数を用いて、ｔ_i-12＝ｆ_i-12 (t)と書くことができる。このとき素子１_i-12により受波された信号は、その振幅を関数Aによって表すと、Ａ_i-12(t_i-12)と表される。従って、時間軸変換の操作はＡ_i-12(t)を求めることに他ならず、逆関数を用いてＡ_i-12(ｆ^-1 _i-12(t_i-12))とも書くことができる。時間軸変換部１１には、この操作に必要な時間軸変換関係が設定部２１から予め与えられている。ここで取り扱っている信号はディジタルデータであり、焦点に一番近い素子のデータ数が最も少ない（超音波の伝搬距離が短い）ので、焦点に一番近い素子を基準にすると、他の素子の時間軸変換では、データ数を減じる処理が行われる。データ数を減じるには、振幅が大きいデータが失われないように工夫された間引き処理を行うとよい。

図１は、上記の一点鎖線を中心としたビームの集束サイズに対応した細い領域に局在する受波ニードルビームを１本形成する単純化された構成を示している。振動子アレイの素子１_i-12〜１_i+11下の距離Ｆ_RS〜Ｆ_REの間に焦点が切れ目なく連続する受波ニードルビームを形成できるよう、受波され、Ａ／Ｄ変換された信号の時間軸変換を行う時間軸変換部１１が備えられている。

具体的な動作は以下のとおりである。振動子アレイ１の全素子１₁〜１₃₈₄から超音波を送波する。又、被検体からの超音波の反射信号（エコー）を、振動子アレイ１の全素子１₁〜１₃₈₄を用いて受波する。各素子１_i-12〜１_i+11によって受波された超音波による信号は、それぞれ受波増幅器３_i-12〜３_i+11によって増幅された後、遅延素子４_i-12〜４_i+11によって複数素子（図中では４素子）を単位として遅延され、加算合成器５_i-12〜５_i+8（図では添え字は４おき）によって加算合成された後、Ａ／Ｄ変換器６_i-12〜６_i+8（図では添え字は４おき）によってディジタル信号に変換される。時間軸変換部１１_i-12〜１１_i+8（図では添え字は４おき）は、距離Ｆ_RS〜Ｆ_REの間に焦点を連続的に設定するように、設定部２１に予め計算され記憶された伝搬時間相対関係のデータを入力し、それに基づき、基準にする素子以外の素子が受波した信号の時間軸を変換して波形メモリ１２_i-12〜１２_i+11へ送付する。基準にする素子の信号は、そのまま送付される。図１では、１つの時間軸変換部１１_i-12〜１１_i+8への４素子分の重畳された信号が入力されるため、前記１つの時間軸変換部は４素子分の時間軸変換データを作成して、素子毎に用意された波形メモリ１２_i-12〜１２_i+11へ送付する。

波形メモリ１２_i-12〜１２_i+11に記録された信号は、加算合成処理部１３へ送られて加算合成される。このようにして距離Ｆ_RS〜Ｆ_REの間に形成された焦点が切れ目なく連続した受波ニードルビームによって受波された信号が得られる。

図４は、振動子アレイ１の素子の下方に受波ニードルビームを同時に並べて受波ニードルビームカーテンを形成する構成を示している。この構成では、振動子アレイ１のうち、素子１_j〜１_j+1（ｊ＝１２、１３、１４、‥‥、３７０、３７１、３７２）の下に合計３６１本の受波ニードルビームが形成される。図４では、図面の煩雑化を避けるため、素子１_i-13〜１_i+10、素子１_i-12〜１_i+11、及び素子１_i-11〜１_i+12のそれぞれの下に受波ニードルビームを形成する様子を示している。素子１_i-13〜１_i+10により形成される受波ニードルビームをＮＢ_i-1、素子１_i-12〜１_i+11により形成される受波ニードルビームをＮＢ_i、素子１_i-11〜１_i+12により形成される受波ニードルビームをＮＢ_i+1とする。

振動子アレイ１、パルサ２、受波増幅器３、遅延素子４、加算合成器５、及びＡ／Ｄ変換器６の動作は既に図１を用いて説明したものと同等である。

振動子アレイの１つの素子が同時に２４本の受波ニードルビーム形成に用いられるため、合計２４個の時間軸変換された信号を各素子に接続された波形メモリに記憶する必要がある。このため、波形メモリ１２₁〜１２₃₈₄は２４個の領域に分かれている。

波形メモリ１２へ時間軸変換された信号を送り出す時間軸変換部１１は、各素子と２４個の受波ニードルビームを形成する位置との距離に応じて、受波信号から２４個の時間軸変換された信号を生成して波形メモリ１２へ送付する。波形メモリ１２に記録された受波信号から、例えば受波ニードルビームＮＢ_i-1による受波信号を得るためには、波形メモリ１２_i-13〜１２_i+10に記録された時間軸変換された信号の中から、素子１_i-13〜１_i+10の下に受波ニードルビームを形成するように時間軸変換された信号を加算合成処理部１３_i-1へ送る。これら信号は加算合成処理部１３_i-1において加算合成される。

このようにして距離Ｆ_RS〜Ｆ_REの間に形成された受波ニードルビームＮＢ_i-1によって受波された信号が得られる。他の受波ニードルビームにより受波された信号も同様のプロセスを用いて得ることができる。

本実施形態では、説明の煩雑化を避けるため、１種類の媒体の中で前記受波ニードルビームによる受波を行なう構成を示した。金属材料の水浸探傷等のように媒体が２種類以上ある場合には、上記した距離の計算において、超音波の屈折を考慮することは言うまでもない。

又、本実施形態では、２４個の素子の下に焦点が連続する受波ニードルビームを形成する方法を示した。これは一例であって、ビーム形成に用いる素子の数は４以上であればいくつでもよい。

一般に受波ビームの送波方向での集束範囲は、焦点と振動子アレイとの距離に応じて大きくなるので、これに応じて受波ビーム焦点間の距離を定めるようにすると良い。

なお、焦点位置における超音波のビーム径ｄは、概ね（１）式のように表される。
ｄ＝λ・Ｆ／Ｄ …（１）
ここに、λ：超音波の波長、Ｆ：集束ビームの焦点距離、Ｄ：グループ化された振動子の幅（素子ピッチ×素子数に相当）

従って、振動子幅Ｄを一定としたまま、焦点距離Ｆを大きくすると、ビーム径ｄが大きくなるので、焦点距離Ｆに応じて所望のビーム径となるようにＤを変更する構成も可能である。具体的には、焦点距離Ｆに応じて受波ニードルビーム形成に用いる素子の数を変更すると良い。

なお、送波においては、振動子アレイ１の全素子から同時に超音波を送波してもよいし、パルサ２から振動子アレイ１の各素子へ電気パルスを印加するタイミングを制御することにより、振動子アレイ１の法線に対して斜めに超音波を送波するか、あるいは、振動子アレイの下に集束するように超音波を送波してもよい。要は、検出したい内部欠陥の形状に応じて、十分なＳ／Ｎを有するエコーが得られるように送波の方法を選択すればよい。

ここで、改めて、特許文献２に対する本願発明の利点について述べる。

（１）特許文献２では、振動子アレイが受波した信号を２次元のメモリに記録し、メモリ内を走査することにより、所定の深さ範囲全体に受波ビーム焦点を形成するようにしていた。これに対し、本願発明では、下記のとおり、受波ビーム焦点形成にそのまま用いることができるように、受波信号を加工した信号をメモリに記憶するようにしたので、メモリ内を走査する必要がなくなり、処理速度の著しい高速化を図ることができる。

１）受波ビーム焦点形成に必要な信号をＡ／Ｄ変換した直後に、予め抽出、又は、時間軸変換してからメモリに記憶する。

２）メモリに記憶された信号は加算処理のみに用い、受波ビーム焦点が所望の方向へ連続的に形成される。

（２）特許文献２では、ｎ個の素子によって受波されたｎ個の受波信号全てを位相合成することにより、特定の位置に受波ビームの焦点を形成していた。この場合、受波ビーム形成に寄与しない振動子が高い割合で含まれるため、位相合成における計算に無駄が多いばかりでなく、大きな振幅のノイズ信号の発生原因になっていた。本願発明では、振動子アレイ１の中から小さな振動子群を選び、この振動子群のみで受波ビーム焦点を形成するようにしたので、特許文献２のような計算の無駄の問題や大きな振幅のノイズ信号の発生の問題は全くない。

図５は、本発明の有効性を検証するため、厚さ２〜３ｍｍの薄鋼板の中にある微小な非金属介在物の検出を、周波数５０ＭＨｚ、素子ピッチ０．１ｍｍ、素子数３８４の振動子アレイを用いて行った結果を示す。この実験においては、鋼板を移送ステージを用いて搬送しながら非金属介在物の検出を行なった。本発明の装置として、第１及び第２実施形態の装置を用いて実験を行った。対比のため、特許文献２に示された受波焦点の形成方法を実現し得る装置も準備して実験を行なった。更に、一般的な電子走査技術との対比のため、同じ振動子アレイを用いて、一般的なリニア電子走査（集束した送受波ビームを電子走査）を用いた実験も行なった。図５は各実験において得られたＣ-scopeであり、内部欠陥からのエコー信号の振幅を検出して、その振幅に応じて輝度変調を行なって内部欠陥像を表示している。図５のＣ-scopeの水平方向は、鋼板の搬送方向である。一般的なリニア電子走査では、受波集束ビームの焦点距離を複数回変更して（焦点距離を変更する毎に鋼板を搬送し直して実験）、最も明瞭な内部欠陥像が得られた場合（水中焦点距離：１５ｍｍ）のＣ-scopeを示している。図５の本発明による装置及び特許文献２の装置を用いて得られたＣ-scopeは、一般的なリニア電子走査によって得られたＣ-scopeを基準として、これと同等のＣ-scopeが得られる最高限界速度で鋼板を搬送した場合に得られたＣ-scopeである。本発明の場合、第１及び第２実施形態の装置ともにほぼ同等の内部欠陥像が得られたため、図５では第２実施形態の装置を用いて得られたＣ-scopeを示した。上記実験における最高搬送速度及び図５に示した領域を映像化するのに要した時間を表１に示す。但し、一般的なリニア電子走査の場合には、１つの焦点距離設定における鋼板搬送最高速度及び所要時間を示した。厚さ２〜３ｍｍの鋼板の全断面をくまなく検査するためには、一般的なリニア電子走査の場合には、検出に要する時間のみで考えても表１の所要時間の１０倍程度の時間が必要である。

図５のＣ-scope及び表１を参照すると、本発明に係る装置では、従来の装置（特許文献２の装置、一般的なリニア電子走査による装置）と比べて、１０〜１００倍の速度で鋼板を搬送しても、ほとんど相違がない内部欠陥映像が得られることがわかる。特許文献２の装置では、ｎ個の素子によって受波されたｎ個の受波信号全てを位相合成するため、受波ビーム形成に寄与しない振動子が高い割合で含まれるので、これら受波ビーム形成に寄与しない振動子が受波した信号に含まれていた周期性ノイズによって、Ｃ-scope全体にわたりノイズレベルが高くなった。図５には前記した特許文献２の装置の問題点がはっきり現れている。又、本発明に係る装置の超音波の送受波繰り返しは１０ｋＨｚであるのに対し、特許文献２の装置の超音波の送受波繰り返しは、特許文献２に示されているとおり１ｋＨｚが限界であった。本発明に係る装置は高速に移送される被検体の検査に有利に適用可能である。

第２及び第３実施形態の装置では、振動子アレイ１の全素子１₁〜１₃₈₄から超音波を送受信していたが、一部の素子を用いて超音波を送受信することも可能である。又、全素子数も１２８個や３８４個に限定されない。

本発明を実施するための超音波検査装置の実施形態の単純化された構成を示すブロック図 本発明の考え方を示す説明図 特定した２つの素子と焦点との間を超音波が伝搬する時間の相対的な関係を示す説明図 本発明を実施するための超音波検査装置の実施形態の全体構成を示すブロック図 第３実施形態の装置と特許文献２及び従来のリニア電子走査により得られたＣ−scopeを比較して示す図 従来の超音波検査装置の構成を示すブロック図

符号の説明

１…振動子アレイ
１₁〜１₁₂₈…超音波振動子
２₁〜２₁₂₈…パルサ
３₁〜３₁₂₈…受波増幅器
４₁〜４₁₂₈…遅延素子
５₁〜５₁₂₈…加算増幅器
６₁〜６₁₂₈…Ａ／Ｄ変換器
１１₁〜１１₁₂₈…時間軸変換部
１２₁〜１２₁₂₈…波形メモリ
１３₁〜１３₃₈₄…加算合成処理部

Claims (4)

1. １次元に配列された多数の超音波振動子からなる振動子アレイを用いて金属材料でなる被検体の断面を検査するにあたり、前記振動子アレイの一部または全ての超音波振動子から超音波を送波し、該送波された超音波によって生起された反射波を、前記振動子アレイの一部または全ての超音波振動子を用いて受波し、該受波された信号をディジタルの波形信号へ変換し、前記振動子アレイの中から選択された複数の超音波振動子で構成される第１の超音波振動子群の各振動子と前記被検体内部に形成する連続的な受波焦点との距離に基づき、前記各振動子のディジタル化された受波信号の時間軸を、前記連続的な受波焦点それぞれにおいて常に位相があうように、前記距離に応じて変化する遅延量で変換し、前記各振動子の変換受波信号を同時に加算合成する超音波による断面検査方法であって、
   前記振動子アレイを、複数の超音波振動子で構成される、前記第１の超音波振動子群とは異なる超音波振動子のグループにグループ分けし、
   各グループにおいて、グループ内の複数の超音波振動子が受波した前記ディジタルの波形信号への変換前の複数の信号に、隣り合う素子が受波したエコー信号が加算合成において干渉を起こさない大きさを持つ相異なる遅延を加えた上で、
   該遅延された複数の信号を加算することにより１つの信号にまとめることを特徴とする超音波による断面検査方法。
2. 複数の超音波振動子からなる第１の超音波振動子群を複数個とし、前記複数個の超音波振動子群において加算合成を同時に行うことを特徴とする請求項１に記載の超音波による断面検査方法。
3. １次元に配列された多数の超音波振動子からなる振動子アレイを用いて金属材料でなる被検体の断面を検査する装置で、前記振動子アレイの一部または全ての超音波振動子から超音波を送波する手段と、該送波された超音波によって生起された反射波を、前記振動子アレイの一部または全ての超音波振動子を用いて受波する手段と、該受波された信号をディジタルの波形信号へ変換する手段と、前記振動子アレイの中から選択された複数の超音波振動子で構成される第１の超音波振動子群の各振動子と前記被検体内部に形成する連続的な受波焦点位置との距離に基づき、前記各振動子のディジタル化された受波信号の時間軸を、前記連続的な受波焦点それぞれにおいて常に位相があうように、前記距離に応じて変化する遅延量で変換する手段と、前記各振動子の変換受波信号を同時に加算合成する手段とを備えた超音波による断面検査装置であって、
   前記振動子アレイを複数の超音波振動子で構成される、前記第１の超音波振動子群とは異なる超音波振動子のグループにグループ分けし、
   各グループにおいて、グループ内の複数の超音波振動子が受波した前記ディジタルの波形信号への変換前の複数の信号に、隣り合う素子が受波したエコー信号が加算合成において干渉を起こさない大きさを持つ相異なる遅延を加える遅延手段と、
   該遅延された複数の信号を加算することにより１つの信号にまとめる加算手段と、
   を備えたことを特徴とする超音波による断面検査装置。
4. 前記加算合成する手段は、複数個の第１の超音波振動子群における加算合成を同時に行うことを特徴とする請求項３に記載の超音波による断面検査装置。