JP6253075B2

JP6253075B2 - プローブアレイ

Info

Publication number: JP6253075B2
Application number: JP2012276601A
Authority: JP
Inventors: 良弘西村; 鈴木　隆之; 隆之鈴木
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2012-12-19
Filing date: 2012-12-19
Publication date: 2017-12-27
Anticipated expiration: 2032-12-19
Also published as: JP2014119416A

Description

本発明は、プローブアレイに関し、特に、点又は線収束音響レンズを配列させたプローブアレイに関するものである。

超音波マルチプローブを使った医療用のエコー装置や産業用のプローブアレイの超音波映像装置がある。一般に超音波探傷では欠陥からの反射波形の時系列データにおいて時刻ｔにおける反射強度が周囲からのそれと異なることを利用して深さ方向、プローブを水平走査することで水平方向の位置決定を行う。プローブアレイでも画像化の基本は反射強度を得ることであり、分布を画像化する。
プローブアレイ装置は、ピエゾエレメントを１次元または２次元に配列しており、それぞれ発振タイミングをプログラミングできるので、試験体の内部の任意の場所で焦点を結ばせ走査することが出来る。焦点からの反射強度は受信エレメントの受信波形をタイミングをずらして和をとることで得ることが出来る。直線的または扇状に焦点走査し、反射強度を得たものがリニアスキャンやセクタスキャンと呼ばれるものである(特許文献１参照)。図１に示すように、リニアスキャンでは、大きなプローブアレイを用い、５、６通りの深さを決めて、水平方向に焦点を走査して得た時系列波形を繋ぎ合わせてＸ−Ｚ断面画像を構成する。また、セクタスキャンでは、焦点距離を５、６通り決めて、円弧状に焦点を走査して得た時系列波形を繋ぎ合わせて画像を構成する。これらの方法では焦点距離近傍を外れた部分の画像はぼけている。

これらに対して実際に焦点を結ばなくても、仮想焦点からの各エレメントへの距離にあわせて受信波形のタイミングを調整し仮想焦点の反射強度を得、これを走査することで画像を再構成するのが図２に示す開口合成である(特許文献２参照)。欠陥からの反射はピークとなって受信波形に現れるので、受信時刻からエレメントからの距離がわかる。各エレメントからの距離がわかれば、コンパスで作図して交点を求めるように欠陥の場所が特定できる。
波動データからの画像再構成の例として、試料の上からＵＴプローブアレイを走査する図３に示す系において、全エレメントが同時発振するとき、エレメントの出力ｗ(ｔ，ｘ)と試料内部の欠陥分布ρ(ｘ，ｚ)の間には式(１)の関係がある。ｈ(ｔ，ｘ，ｚ)はプローブの応答関数であり式(２)のようになる。ｆ(ｔ)は発振波形であり、ｃは音速である。

ここで、試験体内部の点(ｘ₃，ｚ₃)からの反射強度ρ(ｘ₃，ｚ₃)を各エレメントについて点との距離を計算し、その時刻の反射強度の和をとったものが開口合成法であり式(３)のようになる。

また、式(１)の関係はフーリエ変換することで式(４)のように簡単になり、この連立方程式(３)を解くことで試料内部の欠陥分布が計算できる。これが逆解析である。ここで、Ｗ(ｔ，Ｘ)、Ｐ(Ｘ，ｚ)、Ｈ(ｔ，Ｘ，ｚ)はそれぞれｗ(ｔ，ｘ)、ρ(ｘ，ｚ)、ｈ(ｔ，ｘ，ｚ)のフーリエ変換である。

実焦点を結ぶ場合も、仮想焦点を結ぶ場合もエレメントから試験体内部の点への距離を計算し、その伝播時間から発振タイミングや、受信波の合成タイミングを決めている。

特開２００７−３２７７４７号公報特許第５０８３８５９号公報

図４に示したプローブアレイを用いて大深度の欠陥探傷を行う場合、近距離音場限界の条件(Ｌ＝Ｄ²／４λ、Ｌ：深さ、Ｄ：開口径)により開口径Ｄを大きくしなければならない。さらにｃｈ数が少なければ音波強度を確保するためエレメント幅を大きくする必要がある。水浸法で５ＭＨｚのプローブアレイを用いセラミックス(窒化ケイ素の場合、１２,０００ｍ／ｓ音速)中の１００ｍｍ深さの欠陥を探傷する場合、水中におけるプローブの探傷可能距離はセラミックス中におけるそれの８倍必要であるので、少なくとも８００ｍｍ先に焦点を結ぶ必要がある。開口径Ｄは少なくとも３１ｍｍ以上にする必要がある。エレメント間隔が半波長以上になるとサイドローブやグレーティングローブが発生するので、水浸の場合０.１５ｍｍ以下にするのが望ましいが、製作が難しく、音響放射強度を稼ぐ、ｃｈ数が多く取れないなどのためにエレメント間隔は大きくなり実際には１ｍｍ以上であることも多い。

これらのプローブアレイを用いて探傷を行う場合、実焦点を結ばせるリニアスキャンやセクタスキャンにしても、仮想焦点を結ばせる開口合成にしても発振タイミングや受信波形の和を計算するさいの受信タイミングの計算では、エレメントを幅０の線音源または点音源として実焦点／仮想焦点と各エレメントとの間の距離を計算しているが、図５に示すように実際は点又は線音源ではない。このことで図４に示すように、現実の系ではエレメントの幅は有限幅なので計算誤差は再構成画像に分解能の低下となって現れる。エレメント位置(ｘ，０)と試験体内部の点の位置(Ｘ，Ｚ)の間の距離Ｌは、式(５)のようになる。また、エレメント幅Δｘと試験体の内部の点の精度(ΔＸ，ΔＹ)の関係は式(６)のようになる。

ΔＬ／ＬはＡＤ変換の精度で決まるのでほぼ一定と考えると、式(６)からＬが大きくなるとつまり試験体のエレメントと点の距離が増大するにつれて誤差Δｘ、ΔＸ、ΔＺが増大することがわかる。他方、エレメントの有限幅Δｘの誤差に対して計算される試験体内部の点のｘ座標の精度もΔＸ＝Δｘであること、つまりエレメントの有限幅はそのまま水平分解能に影響するということ、ｚ座標の精度はΔＺ＝(Ｘ−ｘ)／ＺΔｘとなる、つまり深ければ深いほど分解能がよくなることを示している。図６，７，８はそれぞれ、図６は６４ｍｍ×１２８ｍｍの２次元試験体であり、その内部に開口径６４ｍｍのプローブアレイで、５ＭＨｚの超音波パルスを加え５０ＭＨｚでサンプリングした場合において、図７が、エレメント幅１.５ｍｍのプローブを用いて内部を開口合成で可視化したときの画像、図８が、エレメント幅０.３ｍｍのプローブを用いて内部を開口合成したときの画像である。エレメント幅が大きくなると得られる再構成欠陥画像が水平方向に大きくなっていることがわかる。

上記課題を解決するために、プローブアレイのエレメントに点または線収束レンズを装着することで、試料表面に点又は線音源を配置したことと同等になり、画像再構成のための入力データの質が向上し、計算精度の再構成画像の誤差やボケとなって画質の劣化を軽減することが出来る。
すなわち、本発明は、音波又は超音波を発信する複数のエレメントを備えたプローブアレイであって、前記各エレメントに点又は線収束音響レンズを装着し、各エレメントが発する超音波を試料表面に点又は線収束させるようにしたことを特徴とする。
また、本発明は前記プローブアレイにおいて、前記点又は線収束音響レンズはロッド付き音響レンズであって、当該ロッド付き音響レンズにより、音響レンズ直下の点又は線から放出される波動以外の反射波動を除くようにしたことを特徴とする。
また、本発明は、音波又は超音波を発信する複数のエレメントを備えたプローブアレイであって、前記各エレメントに点又は線収束音響レンズを装着し、各エレメントが発する超音波を仮想平面上に点又は線収束させ、前記仮想平面上に点又は線収束音源を配置したプローブアレイと等価としたことを特徴とする。
また、本発明は、音波又は超音波を発信する複数のエレメントを備えたプローブアレイであって、前記各エレメントに点又は線収束音響レンズを装着し、各エレメントが発する超音波を仮想曲面に点又は線収束させ、前記仮想曲面上に点又は線収束音源を配置したプローブアレイと等価としたことを特徴とする。
また、本発明は前記プローブアレイを用いて画像再構成を行う方法であって、得られた波動データは、前記点又は線収束音響レンズで収束させた点又は線に置いた点又は線音源からの波動データとして解析することを特徴とする画像再構成方法。

本発明では、試料表面のスポットサイズは波長オーダーの点又は線音源として試料内部に音波を放射するので、ピエゾエレメントの有限幅のように、水平方向位置の誤差を最小限にすることが出来る。
また、本発明によれば、各エレメントはサファイアガラスやアルミなどのロッド付音響レンズを経由して音波を放射する場合、その長さを十分にとれば直下の試験体表面で収束した反射波動のみを受信することが出来る。なぜならば、音響レンズ直下の点又は線を通過しない波動はピエゾエレメントに戻らないことに留意することが重要となる。
また、本発明によれば、曲面を有する試験体においてもプローブアレイの形状を曲面上にしたり、音響レンズの出入りを調整することで試験体表面に焦点を結ばせることは可能である。
また、試料表面で焦点を結ばなくても本発明は有効である。例えばプローブアレイの音波放射面が平面である場合は、図１１に示すように仮想平面上に点または線音源を有するプローブであると考えられるので、音波の送受信のタイミングを変えることで、曲面の試験体中に高品質の焦点を結ぶことが出来、リニアスキャンやセクタスキャンでも良好な結果を得ることが出来る。このことは図１２に示すようにプローブ面が凸面の場合でも仮想曲面上にそれぞれ点または線音源を持つ凸面と考えることが出来る。

従来の実焦点を結ぶ走査法であるリニアスキャンおよびセクタスキャンによる画像再構成を説明した図である。従来の仮想焦点を結ぶ画像再構成を説明した図である。従来の画像再構成における試験体とプローブアレイの関係を示した図である。従来技術の問題点を説明するためのプローブアレイと試験片の関係を示した図である。図４の一部を拡大した図であり、有限幅のエレメントから発信される波動を説明した図である。６４ｍｍ×１２８ｍｍの数値モデルを示した図である。図６の数値モデルに対して５ＭＨｚの超音波を適用し５０ＭＨｚでサンプリングしたデータに対して１.５ｍｍ幅のエレメントで取得したデータで開口合成した画像を示した図である。図６の数値モデルに対して５ＭＨｚの超音波を適用し５０ＭＨｚでサンプリングしたデータに対して０.３ｍｍ幅のエレメントで取得したデータで開口合成した画像を示した図である。本発明の点又は線収束音響レンズを配置したプローブアレイの一例を示す図である。本発明のロッド付点又は線収束音響レンズによって焦点を通過しない反射波がエレメントに戻らない一例を示す図である。本発明のプローブアレイは、仮想平面上に点または線音源を有するプローブアレイとみなせるので、試験体が曲面である場合は各エレメントの遅延時間を個別に設定することで対応可能であることを示す図である。本発明のプローブアレイは、凸面プローブアレイでは仮想曲面上に点または線音源を有する曲面プローブアレイとみなせることを示す図である。

図９に本発明のプローブアレイを示す。本発明では、図９に示すようにプローブアレイの各エレメントに点又は線集束音響レンズを配置し試料から若干離すことにより試料表面で焦点を結ぶ構成としたから、音源試料表面に点又は線音源を配置したことと同等になり、画像再構成のための入力データの質が向上する。このため、試料表面のスポットサイズは波長オーダーの点又は線音源として試料内部に音波を放射するので、従来のように発振タイミングや受信波形の和を計算するさいの受信タイミングの計算で、エレメントを幅０の線音源または点音源として実焦点／仮想焦点と各エレメントとの間の距離を計算しても影響がない。従来では、実焦点を結ばせるリニアスキャンやセクタスキャンにしても、仮想焦点を結ばせる開口合成にしても発振タイミングや受信波形の和を計算するさいの受信タイミングの計算では、エレメントを幅０の線音源または点音源として実焦点／仮想焦点と各エレメントとの間の距離を計算しているため、現実の系におけるエレメントの幅は有限幅なので計算誤差は再構成画像に分解能の低下となって現れていた。本発明では、試料表面で焦点を結ばせて試料表面に点又は線音源を配置したことと同等にするため、ピエゾエレメントの有限幅の影響による、水平方向位置の誤差を最小限にすることが出来、従来の有限幅のエレメントから発信される波動を用いた際の計算精度の再構成画像の誤差やボケによる画質の劣化を軽減するものである。
また、各エレメントにサファイアガラスやアルミなどのロッド付音響レンズを経由して音波を放射する場合、その長さを十分にとれば直下の試験体表面で収束した反射波動のみを受信することが出来る。これは、図１０に示すように、長さを十分にとることにより音響レンズ直下の点又は線を通過しない波動はピエゾエレメントに戻らないようにできるからである。
また、本発明は、曲面を有する試験体においても対応でき、プローブアレイの形状を曲面状にしたり、音響レンズの出入りを調整することで曲面を有する試験体表面に焦点を結ばせることができる。
また、試料表面で焦点を結ばなくても本発明は有効である。例えばプローブアレイの音波放射面が平面である場合は、図１１に示すように各エレメントに点又は線収束音響レンズを装着し各エレメントが発する超音波を仮想平面上に点又は線収束させるようにすれば、仮想平面上に点または線音源を有するプローブアレイと等価であると考えられるので、音波の送受信のタイミングを変えることで、曲面の試験体中に高品質の焦点を結ぶことが出来、リニアスキャンやセクタスキャンでも良好な結果を得ることが出来る。
このことは図１２に示すようにプローブアレイの音波放射面が曲面の場合でも、各エレメントに点又は線収束音響レンズを装着し各エレメントが発する超音波を仮想曲面上に点又は線収束させるようにすれば、仮想曲面上に点または線音源を有する曲面プローブアレイと等価であると考えることが出来る。

本発明のプローブアレイは、橋梁の溶接検査装置、原子力施設の亀裂検査装置、宇宙航空ロケットのスカートの内部欠陥検査、セラミックス大型部材の大深部欠陥検査装置などの産業用のプローブアレイのみならず、医療用のエコー装置などのプローブアレイとしても用いることができる。

Claims

プローブ面から音波又は超音波を発信する複数のエレメントを備えたプローブアレイであって、
前記エレメントの各々に点又は線収束音響レンズを装着し発せられる超音波を平面又は曲面からなる仮想面に点又は線収束させるように前記仮想面から離して前記エレメントを配置し、点又は線収束音源を配置した前記仮想面を前記プローブ面として有することを特徴とするプローブアレイ。
前記点又は線収束音響レンズはロッド付き音響レンズであって、前記音響レンズ直下の収束させた前記仮想面の点又は線から放出される波動以外の反射波動を除いて受信するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のプローブアレイ。