JP5306024B2 - 超音波検査装置及び超音波検査方法 - Google Patents
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Description
本発明は、マトリクス状または一列に配列され夫々が独立して形成された複数の圧電変換部から構成される超音波トランスデューサで送受信される超音波を用いて構造物や部品内の欠陥、ボイドや接合部の剥がれ等の状態を可視化する超音波検査装置及び超音波検査方法に関する。
従来のマトリクス状または一列に独立して複数形成された圧電変換部から構成される超音波トランスデューサを用いた超音波検査装置では、一定範囲の検査対象を自動的に探傷する必要がある場合、超音波トランスデューサを検査対象面上で駆動し、検査対象を走査するスキャナ機構を設けることが一般に行われている。
スキャナ機構は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、あるいはＡ軸（Ｘ軸廻りの回転軸）、Ｂ軸（Ｙ軸廻りの回転軸）、Ｃ軸（Ｚ軸廻りの回転軸）等の軸を必要に応じて備えた直交ロボット、またはアーム機構を基本に構成された産業用ロボット等を用いて構成される。
スキャナ機構によって超音波トランスデューサを駆動する経路は、超音波トランスデューサの開口幅を１回の走査幅として、検査対象の形状に基づき事前に作成しておく必要がある。この作成には、検査対象の形状設計データをもとに計算機ソフトウエアを用いて事前に作成しておく方法と、実際にスキャナ機構を動かし、一点一点経路情報を教示・登録する方法がある。また、検査対象の実際の形状を距離センサによる距離の測定により取得する方法も知られている（例えば、特許文献１参照。）。
超音波検査では、超音波トランスデューサが発信する超音波を検査対象面に直交するよう入射させる必要がある。また、開口合成法で探傷を行う超音波検査装置も知られており（例えば、特許文献２参照。）、このように開口合成法で探傷を行う超音波検査装置では、超音波トランスデューサと検査対象面の距離を一定に保つことが重要である。なお、周波数の異なる複数の超音波探触子を用いて、超音波の相互干渉を低減し、複数の接合部位の状態を同時に検査できるようにする技術が知られている（例えば、特許文献３参照。）。
上記した従来の技術のうち、超音波トランスデューサを駆動する経路を検査対象の形状設計データをもとに計算機ソフトウエアを用いて事前に作成しておく方法では、比較的容易に経路情報を作成することが可能であるが、経路情報は理想的な形状設計データに基づくものであるため、工作精度に起因する実際の検査対象形状との不一致が発生する。またスキャナ機構内に検査対象を固定して検査することになるが、複雑な形状の検査対象の場合、それを高い精度、高い再現性で固定することは容易ではない。
また、実際にスキャナ機構を動かし、一点一点経路情報を教示・登録する方法では、一点一点経路情報を教示・登録するため膨大な時間が必要であるが、特に軸構成が複雑なスキャナ機構の場合、経路情報を教示・登録するためには非常に複雑な手順・操作が必要となるため、精密な経路情報を教示・登録するのは非常な困難を伴う作業となる。また形状データ取得後であっても、スキャナ機構内に検査対象が精度良く設置できないと経路情報の不一致が発生する。
また、実際の形状を距離センサによる距離測定で取得する方法においても、形状データ取得後に、スキャナ機構内に検査対象が精度良く設置できないと、経路情報の不一致が発生する。
上記のように従来においては、現実の検査対象の状態と完全に一致した経路情報を作成することは困難であった。
上記の課題に対して、超音波トランスデューサと検査対象面との距離、傾きをセンシングする機能と、超音波トランスデューサを制御するアクチュエータ機能とを用いることにより、スキャナ機構の経路情報と現実の検査対象の間にある誤差要因を自律的に調整できるようにする方法が考えられる。
ここで、超音波検査では、超音波トランスデューサから検査対象物に超音波を入射させ、あるいは検査対象物からの超音波エコーを超音波トランスデューサで受信するために、超音波トランスデューサと検査対象物との間に水等の媒体を介在させる必要がある。このような事情から超音波検査は超音波トランスデューサ、検査対象物を水中に沈めて行われることが多い。水中での超音波検査において、超音波トランスデューサと検査対象面との距離、あるいは傾きをセンシングする機能を超音波トランスデューサに一体化させるための一つの方法として、距離、あるいは傾き検出用のセンサとして超音波探触子を使用することが考えられる。超音波探触子は水中の使用が可能であり、サイズ条件等適切なものが選択しやすい。
しかしながら、距離、あるいは傾き検出用のセンサとして超音波探触子を使用した場合、超音波検査に使用する超音波トランスデューサと同じ超音波を使用することから、検査用超音波トランスデューサと距離あるいは傾き検出用の超音波探触子との間で、超音波同士の干渉が発生する可能性がある。超音波の干渉が発生すると、超音波トランスデューサを介して取得される検査用データ、検査用画像の劣化、あるいは超音波探触子で測定する検査対象物と超音波トランスデューサとの間の距離、傾きの測定が正しく行えないことになる。
また、距離あるいは傾き検出用として複数の超音波探触子を用いた場合、その複数の超音波探触子間で超音波の干渉が発生する可能性がある。このような超音波の干渉が発生すると、超音波探触子で測定する検査対象物と超音波トランスデューサとの間の距離、傾きの測定が正しく行えないことになる。
本発明は、上記した従来の事情に対処してなされたもので、超音波トランスデューサと検査対象面との距離、傾きを高精度で計測することができ、高品質の検査用データ、検査用画像の取得を行うことのできる超音波検査装置及び超音波検査方法を提供することを目的とする。
本発明の超音波検査装置の一態様は、マトリクス状または一列に配列され夫々が独立して形成された複数の圧電変換部から構成される超音波トランスデューサの前記圧電変換部を駆動し、駆動された前記圧電変換部から発せされる超音波の検査対象からの反射エコーを受信することにより複数の前記圧電変換部が発生する電気信号を開口合成処理し、前記検査対象の内部の３次元画像を合成する超音波検査装置において、前記超音波トランスデューサに、前記検査対象の表面からの距離及び前記検査対象の表面に対する傾きを検出するための距離計測用超音波センサを設け、前記距離計測用超音波センサが検出した情報に基づき前記超音波トランスデューサの前記検査対象に対する距離及び傾きを制御するようにし、かつ、前記距離計測用超音波センサによる超音波送受信のうちの少なくとも一部を、前記超音波トランスデューサの超音波送受信が行われない前記開口合成処理の実行中に行うようにしたことを特徴とする。
本発明の超音波検査装置の他の態様は、マトリクス状または一列に配列され夫々が独立して形成された複数の圧電変換部から構成される超音波トランスデューサの前記圧電変換部を駆動し、駆動された前記圧電変換部から発せされる超音波の検査対象からの反射エコーを受信することにより複数の前記圧電変換部が発生する電気信号を開口合成処理し、前記検査対象の内部の３次元画像を合成する超音波検査装置において、前記超音波トランスデューサが検査用の超音波送受信を行っていないときに、距離測定用トランスデューサ駆動信号線を介して前記超音波トランスデューサを駆動して距離計測を行えるようにした、前記超音波トランスデューサによる電気信号によって当該超音波トランスデューサの前記検査対象の表面からの距離及び前記検査対象の表面に対する傾きを算出する距離測定装置を具備し、前記距離測定装置による算出結果に基づいて前記超音波トランスデューサの前記検査対象に対する距離及び傾きを制御することを特徴とする。
本発明の超音波検査方法の一態様は、マトリクス状または一列に配列され夫々が独立して形成された複数の圧電変換部から構成される超音波トランスデューサの前記圧電変換部を駆動し、駆動された前記圧電変換部から発せされる超音波の検査対象からの反射エコーを受信することにより複数の前記圧電変換部が発生する電気信号を開口合成処理し、前記検査対象の内部の３次元画像を合成する超音波検査方法において、前記超音波トランスデューサに、前記検査対象の表面からの距離及び前記検査対象の表面に対する傾きを検出する距離計測用超音波センサを設け、前記距離計測用超音波センサが検出した情報に基づき前記超音波トランスデューサの前記検査対象に対する距離及び傾きを制御するようにし、かつ、前記距離計測用超音波センサによる超音波送受信のうちの少なくとも一部を、前記超音波トランスデューサの超音波送受信が行われない開口合成処理の実行中に行うようにしたことを特徴とする。
本発明の超音波検査方法の他の態様は、マトリクス状または一列に配列され夫々が独立して形成された複数の圧電変換部から構成される超音波トランスデューサの前記圧電変換部を駆動し、駆動された前記圧電変換部から発せされる超音波の検査対象からの反射エコーを受信することにより複数の前記圧電変換部が発生する電気信号を開口合成処理し、前記検査対象の内部の３次元画像を合成する超音波検査方法において、前記超音波トランスデューサが検査用の超音波送受信を行っていないときに、距離測定用トランスデューサ駆動信号線を介して前記超音波トランスデューサを駆動して距離計測を行えるようにした、前記超音波トランスデューサによる電気信号によって当該超音波トランスデューサの前記検査対象の表面からの距離及び前記検査対象の表面に対する傾きを算出する距離測定装置を設け、前記距離測定装置の算出結果に基づいて前記超音波トランスデューサの前記検査対象に対する距離及び傾きを制御することを特徴とする。
本発明によれば、超音波トランスデューサと検査対象面との距離、傾きを高精度で計測することができ、高品質の検査用データ、検査用画像の取得を行うことができる。
以下、本発明の超音波検査装置及び超音波検査方法の詳細を、図面を参照して実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る超音波検査装置の機構部の構成の概略を模式的に示す斜視図である。同図に示すように、この超音波検査装置の機構部は、検査対象１が設置された水槽２と、スキャナ機構３と、スキャナ機構３を構成するＸ軸３ａ、Ｙ軸３ｂ、Ｚ軸３ｃの中のＺ軸３ｃに固定された位置検出・制御機能付き超音波トランスデューサ４とから構成されている。検査対象１は水槽２の中に水没されており、位置検出・制御機能付き超音波トランスデューサ４も部分的に水没している。
（第１実施形態）
図２は、本発明の第１実施形態の要部構成、すなわち、図１に示した位置検出・制御機能付き超音波トランスデューサ４の概略を模式的に示すブロック図である。同図において、１は検査対象であり、１３は検査対象１の内部の欠陥である。超音波検査装置は、このような検査対象１の内部の欠陥１３等を検査するためのものである。
図２は、本発明の第１実施形態の要部構成、すなわち、図１に示した位置検出・制御機能付き超音波トランスデューサ４の概略を模式的に示すブロック図である。同図において、１は検査対象であり、１３は検査対象１の内部の欠陥である。超音波検査装置は、このような検査対象１の内部の欠陥１３等を検査するためのものである。
図２に示すように、位置検出・制御機能付き超音波トランスデューサ４は、マトリクス状または一列に配列され夫々が独立して形成された複数の圧電変換部５ａから構成される超音波トランスデューサ５を具備している。この超音波トランスデューサ５は、探傷装置６と電気的に接続されている。探傷装置６は、超音波トランスデューサ５を駆動して超音波を発信させ、検査対象物１内部の欠陥からの反射エコーを超音波トランスデューサ５を介して受信して開口合成処理により画像化を行う。
また、超音波トランスデューサ５の両側端部には、距離計測用超音波センサ７ａ、７ｂが設けられている。超音波トランスデューサ５の上部には、傾斜制御用アクチュエータ８ａが接続されている。この傾斜制御用アクチュエータ８ａは、超音波トランスデューサ５及び距離計測用超音波センサ７ａ、７ｂを、図中矢印で示すように、図２に垂直な軸廻りに回転させる機能を持つ。傾斜制御用アクチュエータ８ａの上部には、距離制御用アクチュエータ８ｂが接続されている。この距離制御用アクチュエータ８ｂは、超音波トランスデューサ５と距離計測用超音波センサ７ａ、７ｂと傾斜制御用アクチュエータ８ａを、図２中に矢印で示すように上下方向に動かす機能を持ち、スキャナ機構との結合部９を介して、図１に示したスキャナ機構３に接続されている。
また、本第１実施形態において、位置検出・制御機能付き超音波トランスデューサ４は、距離測定装置１１と、制御装置１２を具備している。距離測定装置１１は、探傷装置６からの探傷信号１０に同期して距離計測用超音波センサ７ａ、７ｂを駆動し、超音波を送信させ、検査対象１の表面からの反射エコーを距離計測用超音波センサ７ａ、７ｂを介して受信して距離を計測する。制御装置１２は、距離測定装置１１の出力を取り込み、距離計測用超音波センサ７ａ、７ｂによる２つの距離測定結果を用い、超音波が検査対象１の面に直交し、かつ検査対象１と超音波トランスデューサ５の距離が一定となるよう傾斜制御用アクチュエータ８ａ、距離制御用アクチュエータ８ｂを制御する。
なお、図２には図示していないが、結合部９の上には、前述したとおり、超音波トランスデューサ５、距離計測用超音波センサ７ａ、７ｂ、傾斜制御用アクチュエータ８ａ、距離制御用アクチュエータ８ｂを一体に駆動し、検査対象１上を走査する機能を持った図１に示したスキャナ機構３が設けられている。
図１に示すように、検査対象１の超音波検査を行う場合、検査用の経路情報を予め作成しておく必要がある。この経路情報にしたがって、スキャナ機構３は検査対象の表面に沿って位置検出・制御機能付き超音波トランスデューサ４を駆動する。
位置検出・制御機能付き超音波トランスデューサ４においては、図２に示したように、複数の圧電変換部５ａから構成される探傷用の超音波トランスデューサ５に隣接して距離計測用超音波センサ７ａ、７ｂが設けられている。距離計測用超音波センサ７ａ、７ｂは、探傷装置６からの探傷信号１０に同期した距離測定装置１１の指令に基づき超音波を送信する。そして、距離測定装置１１が、検査対象１面からの反射エコーを距離計測用超音波センサ７ａ、７ｂを介して受信し、超音波送信から受信まで時間を計測して、検査対象１面との距離を算出する。
距離計測用超音波センサ７ａ、７ｂの夫々により測定された超音波トランスデューサ５の両端部における検査対象１との２つの距離データは、距離測定装置１１から制御装置１２に送られる。制御装置１２は、距離計測用超音波センサ７ａ、７ｂによる超音波トランスデューサ５の両端部における検査対象１との距離データから、超音波トランスデューサ５中心部の検査対象１との距離ｌc、超音波トランスデューサ５の傾きθを算出する。
ここで、図２に示すように、距離計測用超音波センサ７ａ、７ｂそれぞれの測定距離をｌa、ｌbとし、距離計測用超音波センサ７ａ、７ｂ間の距離をｌsとすれば、超音波トランスデューサ５中心部の検査対象１との距離ｌc、超音波トランスデューサ５の傾きθは、例えば以下の式で求められる。
ｌc＝（ｌa＋ｌb）／２
θ＝ｔａｎ-1（（ｌa−ｌb）／ｌs）
ｌc＝（ｌa＋ｌb）／２
θ＝ｔａｎ-1（（ｌa−ｌb）／ｌs）
このようにして求めた距離、傾きデータに基づき、制御装置１２が傾斜制御用アクチュエータ８ａ、距離制御用アクチュエータ８ｂを制御して、超音波トランスデューサ５と検査対象１の表面との距離を一定に制御するとともに、超音波トランスデューサ５の傾きを制御して超音波が検査対象１に直交して入射するように制御する。これによって、スキャナ機構３を動作させる経路情報に誤差があっても、高精度の超音波検査を行うことが可能となる。
図３は、上記第１実施形態における超音波トランスデューサ５と距離計測用超音波センサ７ａ、７ｂの超音波送信タイミングを示す図である。図３において、横軸は、共通する時間軸であり、上段、中断、下段に示す各波形はこの時間軸に沿って同期している。
第１実施形態では、開口合成法を用いて検査対象の内部を３次元画像合成している。開口合成法では、超音波トランスデューサ５の複数の圧電変換部５ａから順次超音波を発生させ、そのエコー波形を複数の圧電変換部５ａで受信して、送信圧電変換部と受信圧電変換部の組合せ数分のエコー波形（例えば、圧電変換部５ａが６４個の場合、６４×６４＝４０９６個のエコー波形）を取得し、これを用いて開口合成演算（開口合成処理）を行うことにより、検査対象内部の画像を合成、取得する。なお、開口合成処理では、前記した特許文献２に示されるように、画像化する領域をメッシュ化し、これらのメッシュ化された各領域それぞれについて反射エコーの到達時間を予め計算し、これらのメッシュ化された各領域の各反射エコーの強度を加算して３次元画像を合成する。
図３の上段に示す超音波トランスデューサの探傷用超音波信号１４は、複数の圧電変換部５ａから順次送信される超音波を示しており、送信圧電変換部と受信圧電変換部の組合せ数分の波形からなっている。この送信の後、開口合成演算を行うというシーケンスを繰り返すことにより検査が進行する。開口合成処理中は超音波トランスデューサ５による超音波送受信は行われない。
図３の中段に示す波形は、探傷装置６から距離測定装置１１に出力される探傷信号１０の一例を示している。この例では超音波トランスデューサ５の超音波送信中は“１”、非送信状態で“０”としている。超音波トランスデューサ５の超音波送信と開口合成からなる１単位の処理サイクル時間はＴ１となる。
図３の下段に示す波形は、距離計測用超音波センサ７ａ、７ｂの超音波送信タイミングの一例を示しており、探傷信号１０の立下りに同期して、開口合成時間中に距離計測用超音波センサ７ａから距離計測用超音波信号１５ａ、距離計測用超音波センサ７ｂから距離計測用超音波信号１５ｂの二つの超音波を送信する。距離計測用超音波センサ７ａ、７ｂの送信周期Ｔ２はＴ１の１／２となり、探傷信号１０の立下りに同期して一定時間の遅延Ｔｄをもって距離計測用超音波信号１５ａが送信され、Ｔ２経過後距離計測用超音波信号１５ｂが送信される。このようにすることで、距離計測用超音波信号１５ａ、１５ｂと超音波トランスデューサ５の超音波送信が干渉しないようにすることができ、超音波トランスデューサ５による開口合成画像の劣化を生ずることなく距離計測用超音波センサ７ａ、７ｂを使用することができる。
また距離計測用超音波センサ７ａと距離計測用超音波センサ７ｂとの間、またこれらと超音波トランスデューサ５との間の超音波干渉が存在しないため、常に高い精度の距離計測が可能となる。また距離計測用超音波信号１５ａ、１５ｂを常に一定の周期Ｔ２（同一信号の送信周期はＴ１＝２×Ｔ２）で送信可能となり、傾斜制御用アクチュエータ８ａ、距離制御用アクチュエータ８ｂの制御装置１２による制御を安定かつ精度の高いものにすることができる。
これにより、超音波トランスデューサ５の複数の圧電変換部５ａを駆動して発生した超音波が、液体からなる音響伝播媒体を介して、平面または曲面の境界を持つ単数または複数の異なる音響特性を有した層からなる検査対象１内に高い精度で伝播され、また欠陥１３他からの反射エコーを高い位置精度で複数の圧電変換部５ａに受信、圧電変換させることが可能となることで、検査対象１内部の開口合成による３次元画像合成の精度、欠陥１３の画像化精度を向上させることができる。
（第２実施形態）
図４は、本発明の第２実施形態に係る超音波トランスデューサ５と距離計測用超音波センサ７ａ、７ｂの超音波送信タイミングを示す図である。図４において、横軸は、共通する時間軸であり、上段、中断、下段に示す各波形はこの時間軸に沿って同期している。
図４は、本発明の第２実施形態に係る超音波トランスデューサ５と距離計測用超音波センサ７ａ、７ｂの超音波送信タイミングを示す図である。図４において、横軸は、共通する時間軸であり、上段、中断、下段に示す各波形はこの時間軸に沿って同期している。
この第２実施形態では、距離計測用超音波センサ７ａが使用する超音波の周波数帯域が、第１実施形態の場合と異なっている。他の装置構成については、第１実施形態の場合と同様である。この第２実施形態は、主として超音波トランスデューサ５の超音波送信と開口合成処理からなる１単位の処理に占める、開口合成処理の時間が短いケースに対応したものである。
このようなケースでは、第１実施形態のように開口合成処理時間内に距離計測用超音波信号１５ａ、１５ｂの２つを送信することができない、あるいはできても送信周期が一定にならず、また全体的に間延びしたものとなり、距離計測精度、制御精度が低下する。これに対応するため、距離計測用超音波センサ７ａが使用する超音波の周波数帯域を、超音波トランスデューサ５が使用する超音波の周波数帯域と異なる周波数帯域として、超音波トランスデューサ５の超音波送信時にも距離計測用超音波センサ７ａの距離計測用超音波信号１５ａの送信を可能としている。
図４の上段に示す超音波トランスデューサの探傷用超音波信号１４は、複数の圧電変換部５ａから順次送信される超音波を示しており、送信圧電変換部と受信圧電変換部の組合せ数分の波形からなっている。この送信の後、開口合成演算を行うというシーケンスを繰り返すことにより検査が進行する。開口合成処理中は超音波トランスデューサ５による超音波送受信は行われない。本実施形態では、相対的に開口合成処理時間が探傷用超音波信号１４の送信時間より短い。
図４の中段に示す波形は、探傷装置６から距離測定装置１１に出力される探傷信号１０の一例を示している。この例では超音波トランスデューサ５の超音波送信中は“１”、非送信状態で“０”としている。超音波トランスデューサ５の超音波送信と開口合成処理からなる１単位の処理サイクル時間はＴ１となる。
図４の下段に示す波形は、距離計測用超音波センサ７ａ、７ｂの超音波送信タイミングの一例を示しており、探傷信号１０の立ち上がりに同期して、距離計測用超音波信号１５ａ、１５ｂが送信される。距離計測用超音波センサ７ａ、７ｂの送信周期Ｔ２はＴ１の１／２であり、探傷信号１０の立ち上がりに同期して一定時間の遅延Ｔｄをもって距離計測用超音波信号１５ａ、そのＴ２時間後に距離計測用超音波１５ｂが送信される。
距離計測用超音波信号１５ａは、超音波トランスデューサ５の超音波送信と同じタイミング内で送信されるが、それぞれ超音波の周波数帯域が異なるので干渉は発生しない。距離計測用超音波センサ７ｂの周波数帯域は、超音波トランスデューサ５、あるいは距離計測用超音波７ａと同じであっても良く、また違っていても良い。このようにすることで、相対的に開口合成処理時間が短いケースにおいても、距離計測用超音波信号１５ａ、１５ｂを、計測精度を低下させない十分な周期Ｔ２（同一信号の送信周期はＴ１＝２×Ｔ２）で送信可能となる。
図５は、第２実施形態に係る超音波信号の帯域例の説明図である。図５に一例を示す超音波信号の帯域例では、（１）に示すように距離計測用超音波信号１５ａの帯域を距離計測用超音波信号１５ｂより低い周波数帯域とし、かつ両者の周波数成分が重ならないようにしている。超音波トランスデューサ５の周波数帯域は図示していないが、距離測定用超音波信号１５ｂの帯域と同様である。また図５（２）に示すように距離測定装置１１の受信帯域を距離計測用超音波信号１５ａの入力側、距離計測用超音波信号１５ｂの入力側でそれぞれの周波数帯域に対応するように変えている。これにより、距離測定装置１１の距離計測用超音波信号１５ａの入力側では、超音波トランスデューサ５が発する超音波信号は受信できないようになっている。さらに図５（３）に示すように探傷装置６の受信帯域は超音波トランスデューサ５に対応したものとしており、距離計測用超音波信号１５ａは受信できないようになっている。
この第２実施形態では、第１実施形態と同様に、距離計測用超音波信号１５ａ、１５ｂと超音波トランスデューサ５の超音波送信が干渉しないようにすることができ、超音波トランスデューサ５による開口合成画像の劣化を生ずることなく距離計測用超音波センサ７ａ、７ｂを使用することができ、また距離計測用超音波センサ７ａと距離計測用超音波センサ７ｂとの間、またこれらと超音波トランスデューサ５との間の超音波干渉が存在しないため、常に高い精度の距離計測が可能となる。また距離計測用超音波信号１５ａ、１５ｂを常に一定の周期Ｔ２（同一信号の送信周期はＴ１＝２×Ｔ２）で送信可能となり、傾斜制御用アクチュエータ８ａ、距離制御用アクチュエータ８ｂの制御装置１２による制御を安定かつ精度の高いものにすることができる。
これにより、第１実施形態と同様に、超音波トランスデューサ５の複数の圧電変換部５ａを駆動して発生した超音波が、液体からなる音響伝播媒体を介して、平面または曲面の境界を持つ単数または複数の異なる音響特性を有した層からなる検査対象１内に高い精度で伝播され、また欠陥１３等からの反射エコーを高い位置精度で複数の圧電変換部５ａに受信、圧電変換させることが可能となることで、検査対象１内部の開口合成による３次元画像合成の精度、欠陥１３の画像化精度を向上させることができる。但し、第２実施形態では、距離計測用超音波センサ７ａとして使用することのできる超音波センサが、その使用する超音波帯域によって制限され、また、距離測定装置１１、探傷装置６においては、特定の周波数帯域のみの超音波信号を受信するためバンドパスフィルタ等を設ける必要がある。
（第３実施形態）
図６は、本発明の第３実施形態に係る超音波検査装置の要部、すなわち、図１に示した位置検出・制御機能付き超音波トランスデューサ４の概略を模式的に示す図である。同図において、１は検査対象であり、１３は検査対象１の内部の欠陥である。超音波検査装置は、このような検査対象１の内部の欠陥１３を検査するためのものである。
図６は、本発明の第３実施形態に係る超音波検査装置の要部、すなわち、図１に示した位置検出・制御機能付き超音波トランスデューサ４の概略を模式的に示す図である。同図において、１は検査対象であり、１３は検査対象１の内部の欠陥である。超音波検査装置は、このような検査対象１の内部の欠陥１３を検査するためのものである。
図６に示すように、位置検出・制御機能付き超音波トランスデューサ４は、マトリクス状または一列に、独立して複数形成された圧電変換部５ａから構成される超音波トランスデューサ５を具備している。この超音波トランスデューサ５は、探傷装置６と電気的に接続されている。探傷装置６は、超音波トランスデューサ５を駆動して超音波を発信させ、検査対象物１内部の欠陥等からの反射エコーを、超音波トランスデューサ５を介して受信して開口合成処理により画像化を行う。
本第３実施形態では、超音波トランスデューサ５の両側端部には、距離計測用超音波センサが設けられていない。超音波トランスデューサ５の上部には、傾斜制御用アクチュエータ８ａが接続されている。この傾斜制御用アクチュエータ８ａは、超音波トランスデューサ５を、図中矢印で示すように、図６に垂直な軸廻りに回転させる機能を持つ。傾斜制御用アクチュエータ８ａの上部には、距離制御用アクチュエータ８ｂが接続されている。この距離制御用アクチュエータ８ｂは、超音波トランスデューサ５と傾斜制御用アクチュエータ８ａを、図６中に矢印で示すように上下方向に動かす機能を持ち、スキャナ機構との結合部９を介して、図１に示したスキャナ機構３に接続されている。
また、本実施形態において、位置検出・制御機能付き超音波トランスデューサ４は、距離測定装置１１と、制御装置１２を具備している。距離測定装置１１は、探傷装置６と電気的に接続されており、探傷装置６からの探傷信号１０と、超音波探傷器６が超音波トランスデューサ５を使用して送受信する超音波信号（駆動信号線１７、エコー信号線１９）を距離測定装置１１に取り込むようになっている。これによって、超音波トランスデューサ５を距離計測用にも使用できるようになっている。制御装置１２は、距離測定装置１１の出力を取り込み、距離測定結果を用い、超音波が検査対象１の表面に直交し、かつ検査対象１と超音波トランスデューサ３の距離が一定となるよう傾斜制御用アクチュエータ８ａ、距離制御用アクチュエータ８ｂを制御する。
なお、図６には図示していないが、結合部９の上には、前述したとおり、超音波トランスデューサ５、傾斜制御用アクチュエータ８ａ、距離制御用アクチュエータ８ｂを一体に駆動し、検査対象１上を走査する機能を持った図１に示したスキャナ機構３が設けられている。
図７は、本実施形態における探傷装置６、距離測定装置１１の機能構成を示すブロック図である。図７に示すように、探傷装置６は、制御・画像合成部１６と、駆動信号線１７と、送信回路１８と、エコー信号線１９と、受信回路２０と、結合部２１とから構成されている。
制御・画像合成部１６は、探傷装置６全体を制御し、超音波の送信処理、受信処理を行い超音波トランスデューサ５からのエコー信号をもとに開口合成処理により検査対象１内を画像化する。駆動信号線１７は、超音波トランスデューサ５の圧電変換部５ａの数に相当する本数から構成され、制御・画像合成部１６と送信回路１８とを接続する。送信回路１８は、超音波トランスデューサ５の圧電変換部５ａの数に相当する回路数からなり、超音波トランスデューサ５の駆動信号を生成する。
エコー信号線１９は、超音波トランスデューサ５の圧電変換部５ａの数に相当する本数から構成され、制御・画像合成部１６と受信回路２０とを接続する。受信回路２０は、超音波トランスデューサ５の圧電変換部５ａの数に相当する回路数からなり超音波トランシデューサ５が受信したエコー信号を増幅する。結合部２１は、送信回路１８の出力と受信回路２０の入力を結合し、超音波トランスデューサ５と接続する。
距離測定装置１１は、距離測定制御部２２と距離計測部２３とから構成されている。距離測定制御部２２は、探傷装置６からの探傷信号１０を受け、同期した状態で距離測定装置１１の全体制御を行う。距離計測部２３は、探傷装置６の駆動信号線１７とエコー信号線１９の中から、距離計測に有効な例えば超音波トランスデューサ５の両端部に相当する圧電素子５ａの信号を取り込み、駆動信号に対するエコー信号の時間遅延を測定し距離を計測する。
上記構成の本第３実施形態では、距離測定制御部２２が、探傷信号１０から距離計測に使用する圧電素子５ａの送受信タイミングを検出し、距離計測部２３を制御して距離の測定を行い、測定結果を制御装置１２へ出力する。このようにすることにより、検査対象１内の画像化に使用する超音波トランスデューサ５の駆動信号、エコー信号そのものを距離計測用として使用することが可能となり、距離計測専用のセンサを別に設ける必要がなくなる。また、距離計測用センサとして超音波探触子を用いた場合の干渉の問題の考慮も不要となる。
これにより、第１の実施形態と同様に、超音波トランスデューサ５の複数の圧電変換部５ａを駆動して発生した超音波が、液体からなる音響伝播媒体を介して、平面または曲面の境界を持つ単数または複数の異なる音響特性を有した層からなる検査対象１内に高い精度で伝播され、また欠陥１３他からの反射エコーを高い位置精度で複数の圧電変換部５ａに受信、圧電変換させることが可能となることで、検査対象１内部の開口合成による３次元画像合成の精度、欠陥１３の画像化精度を向上させることができる。
（第４実施形態）
図８は、本発明の第４実施形態に係る超音波検査装置の要部、すなわち、図１に示した位置検出・制御機能付き超音波トランスデューサ４の概略を模式的に示す図である。同図は、図６における探傷装置６と距離測定装置１１の間の超音波信号（駆動信号線１７、エコー信号線１９）の取り合いに加えて距離測定用トランスデューサ駆動信号線２５を追加し、超音波トランスデューサ５が検査対象１の画像化用の超音波送受信を行っていない時間（開口合成処理時間）に距離測定用トランスデューサ駆動信号線２５を介して超音波トランスデューサ５を駆動して距離計測が行えるようにしたものである。
図８は、本発明の第４実施形態に係る超音波検査装置の要部、すなわち、図１に示した位置検出・制御機能付き超音波トランスデューサ４の概略を模式的に示す図である。同図は、図６における探傷装置６と距離測定装置１１の間の超音波信号（駆動信号線１７、エコー信号線１９）の取り合いに加えて距離測定用トランスデューサ駆動信号線２５を追加し、超音波トランスデューサ５が検査対象１の画像化用の超音波送受信を行っていない時間（開口合成処理時間）に距離測定用トランスデューサ駆動信号線２５を介して超音波トランスデューサ５を駆動して距離計測が行えるようにしたものである。
図９は、本第４実施形態における超音波探傷器６、距離測定装置１１の機能構成を示すブロック図である。図９において、探傷装置６には、図７の構成に加えて駆動信号入力部２４が設けられており、駆動信号入力部２４には、距離測定装置１１の距離測定制御部２２からの距離計測用トランスデューサ駆動信号線２５が入力されている。駆動信号入力部２４は制御・画像合成部１６からの駆動信号線１７の駆動指令と、距離測定装置１１の距離測定制御部２２からの距離計測用トランスデューサ駆動信号線２５の駆動指令の両方を送信回路１８に伝達する機能を有している。
上記構成の本第４実施形態では、距離測定装置１１は、独立して超音波トランスデューサ５を駆動し、距離あるいは傾きの計測が可能となる。距離測定装置１１が超音波トランスデューサ５を駆動して距離を計測するタイミングは、超音波トランスデューサ５が検査対象１の画像化用の超音波送受信を行っていない時間（開口合成処理時間）であり、図４の説明における距離計測用超音波信号１５ｂの送信タイミングと同じである。
本第４実施形態の超音波検査装置によれば、独立した距離計測用センサを設けることなく、超音波トランスデューサ５の探傷用超音波信号１４を利用しての距離計測、また開口合成処理時間タイミングにおける距離計測の両方が可能となる。また、超音波の干渉の問題も発生しない。このようにすることで、距離計測用超音波送信に係る制約をほとんど無くすことが可能であり。常に一定周期かつ計測精度を低下させない十分な周期で距離の計測を行うことが可能となる。
これにより、超音波トランスデューサ５の複数の圧電変換部５ａを駆動して発生した超音波が、液体からなる音響伝播媒体を介して、平面または曲面の境界を持つ単数または複数の異なる音響特性を有した層からなる検査対象１内に高い精度で伝播され、また欠陥１３他からの反射エコーを高い位置精度で複数の圧電変換部５ａに受信、圧電変換させることが可能となることで、検査対象１内部の開口合成処理による３次元画像合成の精度、欠陥１３の画像化精度を向上させることができる。
以上のように、各実施形態では、超音波トランスデューサの検査対象面からの距離、あるいは検査対象面に対する傾きを検出するセンサとして超音波探触子を用いたものにおいて、超音波トランスデューサが発信する超音波と、距離、あるいは傾きを検出する超音波の干渉を回避し、また常に一定周期での距離、あるいは傾きの計測を行うことが可能となる。これにより、検査対象面に対する超音波トランスデューサの距離、傾きを高い精度で制御することができるようになり、高精度の超音波検査が行える。
１…検査対象、２…水槽、３…スキャナ機構、３ａ…スキャナ機構のＸ軸、３ｂ…スキャナ機構のＹ軸、３ｃ…スキャナ機構のＺ軸、４…位置検出・制御機能付き超音波トランスデューサ、５…超音波トランスデューサ、５ａ…圧電変換部、６…探傷装置、７ａ，７ｂ…距離計測用超音波センサ、８ａ…傾斜制御用アクチュエータ、８ｂ…距離制御用アクチュエータ、９…スキャナ機構との結合部、１０…探傷信号、１１…距離測定装置、１２…制御装置、１３…欠陥、１４…超音波トランスデューサの探傷用超音波信号、１５ａ，１５ｂ…距離計測用超音波信号、１６…制御・画像合成部、１７…駆動信号線、１８…送信回路、１９…エコー信号線、２０…受信回路、２１…結合部、２２…距離測定制御部、２３…距離計測部、２４…駆動信号入力部、２５…距離計測用トランスデューサ駆動信号線。
Claims (7)
- マトリクス状または一列に配列され夫々が独立して形成された複数の圧電変換部から構成される超音波トランスデューサの前記圧電変換部を駆動し、
駆動された前記圧電変換部から発せされる超音波の検査対象からの反射エコーを受信することにより複数の前記圧電変換部が発生する電気信号を開口合成処理し、前記検査対象の内部の３次元画像を合成する超音波検査装置において、
前記超音波トランスデューサの、前記検査対象の表面からの距離及び前記検査対象の表面に対する傾きを、距離計測用超音波センサによる検出信号から算出する距離測定装置を設け、前記距離測定装置による算出結果に基づいて前記超音波トランスデューサの前記検査対象に対する距離及び傾きを制御するよう構成するとともに、
前記距離計測用超音波センサによる超音波送受信のうちの少なくとも一部を、前記超音波トランスデューサの超音波送受信が行われない前記開口合成処理の実行中に行うようにした
ことを特徴とする超音波検査装置。 - 前記超音波トランスデューサに前記距離計測用超音波センサを複数設け、
かつ、複数の前記距離計測用超音波センサのうち少なくとも１つは、前記超音波トランスデューサと異なった周波数帯域の超音波を送受信する異周波数帯域の距離計測用超音波センサとし、
当該異周波数帯域の距離計測用超音波センサによる超音波送受信を、前記超音波トランスデューサの超音波送受信時に行うことを特徴とする請求項１記載の超音波検査装置。 - 前記距離計測用超音波センサとして、前記超音波トランスデューサ両端部の圧電変換部を用い、
前記開口合成処理の実行中は、前記距離測定装置が前記超音波トランスデューサを駆動して、前記超音波トランスデューサの、前記検査対象の表面からの距離及び前記検査対象の表面に対する傾きを示す検出信号を取得し、この取得した検出信号によって前記距離及び前記傾きを算出することを特徴とする請求項１記載の超音波検査装置。 - マトリクス状または一列に配列され夫々が独立して形成された複数の圧電変換部から構成される超音波トランスデューサの前記圧電変換部を駆動し、
駆動された前記圧電変換部から発せされる超音波の検査対象からの反射エコーを受信することにより複数の前記圧電変換部が発生する電気信号を開口合成処理し、前記検査対象の内部の３次元画像を合成する超音波検査装置において、
前記超音波トランスデューサが検査用の超音波送受信を行っていないときに、距離測定用トランスデューサ駆動信号線を介して前記超音波トランスデューサを駆動して距離計測を行えるようにした、前記超音波トランスデューサによる電気信号によって当該超音波トランスデューサの前記検査対象の表面からの距離及び前記検査対象の表面に対する傾きを算出する距離測定装置を具備し、前記距離測定装置による算出結果に基づいて前記超音波トランスデューサの前記検査対象に対する距離及び傾きを制御する
ことを特徴とする超音波検査装置。 - 前記超音波トランスデューサが検査用の超音波送受信を行っているときは、その電気信号を利用して前記距離測定装置が前記距離及び前記傾きの算出を行い、
前記超音波トランスデューサが検査用の超音波送受信を行っていないときは、前記距離測定装置が前記超音波トランスデューサを駆動して電気信号を取得し、この取得した電気信号によって前記距離及び前記傾きを算出することを特徴とする請求項４記載の超音波検査装置。 - マトリクス状または一列に配列され夫々が独立して形成された複数の圧電変換部から構成される超音波トランスデューサの前記圧電変換部を駆動し、
駆動された前記圧電変換部から発せされる超音波の検査対象からの反射エコーを受信することにより複数の前記圧電変換部が発生する電気信号を開口合成処理し、前記検査対象の内部の３次元画像を合成する超音波検査方法において、
前記超音波トランスデューサの、前記検査対象の表面からの距離及び前記検査対象の表面に対する傾きを、距離計測用超音波センサによる検出信号から算出する距離測定装置を設け、前記距離測定装置による算出結果に基づいて前記超音波トランスデューサの前記検査対象に対する距離及び傾きを制御するとともに、
前記距離計測用超音波センサによる超音波送受信のうちの少なくとも一部を、前記超音波トランスデューサの超音波送受信が行われない前記開口合成処理の実行中に行う
ことを特徴とする超音波検査方法。 - マトリクス状または一列に配列され夫々が独立して形成された複数の圧電変換部から構成される超音波トランスデューサの前記圧電変換部を駆動し、
駆動された前記圧電変換部から発せされる超音波の検査対象からの反射エコーを受信することにより複数の前記圧電変換部が発生する電気信号を開口合成処理し、前記検査対象の内部の３次元画像を合成する超音波検査方法において、
前記超音波トランスデューサが検査用の超音波送受信を行っていないときに、距離測定用トランスデューサ駆動信号線を介して前記超音波トランスデューサを駆動して距離計測を行えるようにした、前記超音波トランスデューサによる電気信号によって当該超音波トランスデューサの前記検査対象の表面からの距離及び前記検査対象の表面に対する傾きを算出する距離測定装置を設け、前記距離測定装置の算出結果に基づいて前記超音波トランスデューサの前記検査対象に対する距離及び傾きを制御することを特徴とする超音波検査方法。
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