JPH01197649A - 超音波探傷装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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深傷装置につ
いて説明する。

第４図は従来の超音波探傷装置のスキャナ部の斜視図、
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はスキャナを示し、以下の部材より成る
。即ち、５は水槽１を載置するスキャナ台、６はスキャ
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に装着されたボール、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１０＋〜１０７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ッチ、ＸＰはＸ軸方向のサ
ンプリングピッチを示す。又、ＡＰは各アレー素子１０
＋〜１０７相互のピッチを示す。１）はアレー探触子１
０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、Ｔ　Ｉ”　Ｔ　ｑは一列に配置された
アレー素子、Ｄ、〜Ｄ、は各アレー素子１０．〜１０゜
に接続された遅延素子、ｐは各アレー素子Ｔ＋〜Ｔ、に
入力されるパルスである。遅延素子Ｄ　＋　、　Ｄ　９
の遅延時間（ｔ＋、）は等しく設定されている。同じく
、遅延素子Ｄｉ、Ｄｓの遅延時間（ｔｚａ）、遅延素子
Ｄ３．Ｄ？の遅延時間（ｔ３．）、遅延素子Ｄ４＋Ｄｈ
の遅延時間（ｔ４ｉ）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、遅延素子り
、の遅延時間をｔ、とすると次式の関係にある。

１、、＜　１！ｌｌ＜　１．、＜　１．、＜　１．　　
　　・・−−−−−−（１）今、各遅延素子Ｄ１〜Ｄ、
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Ｔ　
Ｉ−Ｔ　ｑから放射される超音波は上記設定された遅延
時間にしたがって、アレー素子Ｔ　＋　、Ｔ　９から最
も早く、又、アレー素子Ｔ、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って進
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漏かに
大きいので、恰も各アレー素子Ｔｌ−７９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。したがって、各遅延素子Ｄ１〜Ｄ、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（ｂｌ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、１０１〜１
０７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１０．〜１０□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１０１〜１０．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Ｂｌ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１０□〜１０．．に対して、前回のアレー素子１ｏ
Ｉ〜１０．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Ｉ　Ｌ−ａ＋１〜１０、を選択して、同じパ
ターンの遅延時間を与え、焦点Ｂ７−□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によっ
て焦点Ｂ、〜Ｂ　１）−１）０１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
子素子ピッチ、ＳＰはサンプリングピッチを示し、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ッ
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。２
０は信号処理装置を示し、ＣＰＵ　（中央処理装置）２
０ａ、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
フェース２０ｃ１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、ＣＰＵ２０　ａ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を出力するバルサであり、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１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ィ
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ＸＩ行〜Ｘ、行、Ｙ軸方向のサンプリング点はＹ、列
〜Ｙ、、列存在する。又、Ｘ軸方向のサンプリングピッ
チＸＰはアレー素子ピッチ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、ＣＰＯ２０ａ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７３列に対向せしめられる。次いで、ＣＰＵ
２０ａ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ｘ、
、ｙ、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を経てディジ
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．Ｙ、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　＋　Ｙ
ｌ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Ｙ、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、ＣＰＵ２　Ｑ　ａ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
方向にピッチＹＰだけ移動せしめて上記と同様に７２列
の走査を実行する。このような動作の繰返しにより、７
１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ッチ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、実際にはノンストップ走査手段が採用されている
。このノンストップ走査手段は、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がサンプリングピッチ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ップ
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、起動による悪影響も除去される。

このようなノンストッ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、 ＹＰ　　　　　　・−・・・・・−・−・・−・・・・
−・・・・・・・−・−（１）ｔｘｓ 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、上記ノンストップ走査の一興体例
を挙げる。被検材３が、１０ｍｍ　Ｘ　１０ｍｍでサン
プリングピッチＸＰ、ＹＰが０．２ｎ＋ｍ（ＹＰ＝５０
）、Ｘ軸方向の１ライン走査が５ＩＩＳｅＣ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軸方向のピッチ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
たがって、ピッチ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軸方向のピッチＸＰはアレー素
子１５Ｉ〜１５．ｌ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ッ
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、（Ｘ＋、Ｙｌ）〜（Ｘｊ、Ｙ、）は第８図に示すも
のと同じサンプリン２゛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１
０が矢印＋Ｙ力方向駆動され、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（Ｘ　ｒ　、Ｙ　Ｉ）〜（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Ｙ
、上に位置する。

この状態で、ＣＰＵ２０　ａはモータ８Ｍに指令を出力
し、アレー探触子１０を図でＸ軸方向右方にピッチ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
にダッシュを付して表わす。

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、Ｘ　、　ｌ〜Ｘ　ｊｌ　となる。次に、ＣＰＵ２
０ａ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（ｘ＋’、Ｙ、）〜（ＸＪ−１
’ｌ　Ｙｌ　）が全点走査される。結局、Ｘ軸方向のピ
ッチＸＰを、ピッチＸＰ／２に小さくすることができる
。Ｘ軸方向のピッチの減少は、′／２に限らず、Ｘ　Ｐ
　／　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ｘ　ｊｌ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
記ノンストッ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ップ走査では、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
ンプリング点はム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
ＸＩ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
１番目のサンプリング点のずれＬｉは次式％式％ 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１のサンプリングピッチを
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数とな
るように配列したことを特徴とする。

〔作用〕

圧電素子の配列の方向を第２の方向に対して傾ける。こ
の傾き角度θは、第１の方向のサンプリングピッチをＹ
Ｐ、第２の方向のサンプリングピッチをＸＰ、第２の方
向のサンプリング点の総数をｊとすると次式のように設
定される。

θ＝　ｔａｎ−・−一一ヱムーーーーーーーーーーーー
ーーー・−（３）（ｊ−１）ＸＰ この設定は、圧電素子を（３）式の角度に傾けてケース
内に固定するか、又は、探傷走査時に回動して（３）式
の角度に傾けることにより行なわれる。（３）式の傾き
をもつアレー探触子は、圧電素子を順次電子走査せしめ
ながら、前記の傾きを保持したまま第１の方向に走査さ
れる。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）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図に示すボール、１０はアレー素子１０
＋〜１０．％より成るアレー探触子、１０ａはボール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
１０１〜１０７は、その中心を通るＭＡ　（アレー素子
の配列方向）がケースｔＯａ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）式にしたがって
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１０ｃｔｃＸ軸方向
と平行にした状態で行なわれる。したがって、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１０．〜
１０７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−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
付しである。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
１０１〜１０１が順次矢印＋Ｘ、方向に走査され、同時
に矢印＋Ｙ力方向移動せしめられる。これにより第２図
に示すように所期のサンプリング点（Ｘ＋、Ｙ＋）〜（
Ｘｊ　、Ｙ、）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軸方向にピッチ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１０、
〜１０．が順次矢印−ＸＳ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−＋’、Ｙ、）〜（ＸＩ′。

Ｙ　ｒ　）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（
＋Ｘｓ）と−Ｙ方向移動時の各アレー素子の走査方向（
−ＸＳ）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（、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、ケースを支持するボー
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軸方向のピッチ
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ャナ部の斜視図、第５図（
ａ）、　（ｂ）は第４図に示すスキャナ部の一部の平面
図および側面図、第６図（ａ）、　（ｂｌ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、１０．〜ｉ　ｏ　、１−
−−−−−・アレー素子、１０　ａ−−−−−−−ケー
ス、１０　ｂ　−−−−−−底面、１０ｃ・−−一−−
−側面。 第１図 （Ｇ） ｌＯＸアシ−冴Ｍ　＋　　　　　ｌｏｔ　ヤｌＯｎ　ニ
アシーｆｈ”ｒｌｏａ　＋ケース　　　　　　　　ｔｏ
ｂ　：イＢ’１　面１０ｃ　：磨面 第２図 ｎ 第３図 第４図 第５図 第８図 第１０図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （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し、そ
   の走査速度が前記第２のサンプリングピッチを前記第１
   の方向の走査の所要時間で除した速度に選定されている
   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
   １のサンプリングピッチを前記第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数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。
2. （２）特許請求の範囲第（１）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。
3. （３）特許請求の範囲第（１）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
   の正接が前記の数に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。