JPH02269962A - 超音波検査装置 - 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物体内に形成されている接合部界
面の検査を行なう超音波検査装置に関する。

〔従来の技術〕

超音波検査装置は検査対象物体（被検体）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。即ち、超音波検査装置は、
超音波探触子から被検体に対して超音波を放射し、被検
体からの反射波を超音波探触子で受信してこれに応じた
電気信号に変換し、この電気信号を所定の手段で処理し
て被検体内部又は外面の傷や亀裂、被検体内に形成され
る接合部の欠陥の有無等を判断する。この接合部として
は、被検体と他の物体との溶接部、はんだ付は部、ろう
付は部、接着部等が挙げられる。

ところで、通常、超音波による検査は被検体に超音波を
放射し、被検体内に縦波モードの超音波を伝播させるこ
とにより実行される。そして、この縦波による検査は、
被検体内部や外面の傷１亀裂等の欠陥の検査に対しては
有効であるが、上記接合部の検査には必ずしも有効では
ない。即ち、上記接合部では、本来の接合がなされず、
単に２つの部分が接触しているだけの欠陥状態が生じる
ことがあるが、この場合、縦波を用いると、縦波の多く
が上記接触しているだけの部分を透過してしまい、その
反射強度が低下して欠陥の発見が困難になるという事態
が生じる。

このため、特に接合部の界面の検査には、当該界面で剪
断応力の伝達が生じる横波モードの超音波を用いる手段
が提案されている。このように、被検体内を伝播する超
音波を横波モードとする手段として、集束性の超音波ビ
ームを被検体に対して所定の角度で放射する手段が用い
られている。

−例を挙げると、超音波探触子と被検体の間に介在する
伝達媒質が水（音速１４８０　／　ｓ　）　、被検体が
鋼板（縦波音速５８８０　’″／　ｓ　）の場合、縦波
の臨界角は１５度、横波の臨界角は２７．５度であるか
ら、被検体内に横波モードの超音波を伝播させるには、
超音波ビームの被検体への入射角度θは、１５度〈θ＜
２７．５度であり、この角度および超音波の鋼板入射時
の屈折角度を考慮して振動子の設計が行なわれる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記のように、接合部の検査は被検体内に横波モードの
超音波を伝播させ、その焦点を接合面に一致させること
により有効に行なわれる。しかし、被検体が交換され、
その厚み等が変化すると、超音波ビームの焦点を接合面
に一致させることが困難となる。即ち、焦点を接合部に
一致させるためには、振動子の位置又は被検体の位置を
種々調節すれば可能であるように考えられるが、実際に
は、超音波が上記のように所定の角度で入射することお
よび超音波の収差のため、被検体に屈折入射後の超音波
は接合部の一点におけるある断面で接合部が焦点となる
ように調節すると、他の断面、例えば９０度異なる断面
では焦点を形成しないという現象が生じる。この現象を
第６図（ａ）、（ｂ）に示す。各図で、ｘ、　　ｙ、　
　ｚは座標軸、１は伝達媒質である水、２は交換後の被
検体、Ｓは接合部、Ｂは振動子から放射された超音波ビ
ーム、θは超音波ビームＢの被検体２への入射角を示す
。第６図（ａ）に示すように、超音波ビームＢがＸ−Ｚ
面内で接合部Ｓに焦点を結ぶように振動子または被検体
２の位置を調節しても、第６図（ｂ）に示すように、Ｙ
−Ｚ面内では超音波ビームＢの焦点が接合部Ｓと一致し
ない状態となる。この結果、接合部界面では超音波に点
状の焦点を形成させることができず、このため、分解能
が太き（低下するという問題を生じる。

この問題を解決するためには、種々の焦点をもった振動
子を予め多数備えておき、異なる被検体の交換毎にそれ
ら振動子を選択適用する手段が考えられるが、このよう
な手段は、どのような被検体にも対応し得るだけの種類
の振動子を備えることは不可能であり、かつ、最適の振
動子の選択に多くの時間と手間を要し到底採用すること
はできない。

本発明の目的は、上記従来技術における課題を解決し、
被検体が変更されても正確かつ容易に焦点を接合部に一
致させることができる超音波検査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、探触子からの超
音波を、横波モードにより伝播するように物体内に放射
し、この物体内方に形成される界面の接合状態を検査す
る超音波検査装置において、複数の振動子の配列より成
る振動子群を当該配列の方向に沿う面に関して対称位置
に２つ配置して前記探触子を構成し、前記各振動子に印
加される励振パルスを任意の遅延パターンで遅延させる
遅延素子を設けるとともに、前記各振動子からの超音波
を前記面と垂直な面で集束させるようにしたことを特徴
とする。

又、他の発明は、上記発明の構成に加えて、前記面およ
び前記垂直な面の２つの面に垂直な面内で、前記配列の
方向と垂直な方向に前記各振動子群を互いに逆方向に同
一距離移動させる移動手段を設けたことを特徴とする。

〔作　　用〕

本発明においては、各振動子又はそれらのうちの所定数
の振動子を所定の遅延パターンで励振すると、それら振
動子の配列の方向に沿う面で超音波ビームをある点で集
束させることができる。この集束点（焦点）の位置は、
遅延パターンを変更することにより任意に選定すること
ができる。したがって、当該面と垂直な面における超音
波ビームの焦点が接合部と一致するように振動子群の位
置を調節しさえすれば接合部に点状の焦点を結ばせるこ
とができる。そして、一方の振動子群から超音波ビーム
を放射すると、この超音波ビームは横波モードで被検体
内を伝播し、接合部で反射して他方の振動子群の対応す
る振動子を励振し、これら振動子からはその励振の大き
さに比例した反射信号が出力される。

又、他の発明においては、移動手段により各振動子群を
同時に反対方向に同一距離移動させることができ、これ
により焦点の調節がさらに容易になる。

〔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図は本発明の実施例に係るアレイ探触子の構成概要
を示す斜視図である。図で、ｘ、　ｙ、　　ｚは座標軸
を示す。１は伝達媒質である水、２は被検体、２ａ、２
ｂは被検体２を構成する２つの物体、Ｓは物体２ａ、２
ｂの接合部を示す。３Ａはアレイ振動子であり、Ｘ軸方
向に配列された多数の振動子３Ａ＋　〜３Ａ、で構成さ
れる。３Ｂはアレイ振動子３Ａと対向して配置された他
のアレイ振動子であり、Ｘ軸方向に配列された多数の振
動子３Ｂ１〜３Ｂ、、で構成される。４はアレイ振動子
３Ａ、３Ｂより成るアレイ探触子を示す。５はアレイ振
動子３Ａ、３Ｂの中間部に設置された遮・音板である。

各アレイ振動子３Ａ、３Ｂは遮音板５に関して互いに対
称位置に配置され、かつ、それらから放射される超音波
ビーム６Ａ、６Ｂが物体２ａに入射したとき横波モード
となるように所定角度傾けて配置されている。アレイ振
動子３Ａ。

３Ｂの各振動子は、Ｙ−Ｚ平面内において図示のように
弧状に形成されており、これにより、放射される超音波
ビームは集束性の超音波ビームとなり、各アレイ振動子
３Ａ、３ＢのＺ軸方向の位置を調節することにより接合
部Ｓの界面に沿う線Ｆ−Ｆ’上にＹ−Ｚ平面内における
焦点を結ぶ。アレイ振動子３Ａから放射された超音波ビ
ーム６Ａは接合部Ｓで反射し、反射ビーム６Ｂとなって
アレイ振動子３Ｂに反射し、その各振動子３　Ｂ　＋　
〜３Ｂ、ｌを励振させることとなる。

ここで、アレイ振動子３ＡによるＸ−Ｚ平面における超
音波ビーム６Ａの集束について説明する。

第２図はアレイ振動子の一部の正面図である。

図で、３Ａ、〜３Ａｑはアレイ振動子３Ａの最初の９個
の振動子である。Ｄ、−Ｄ、は各振動子３Ａ、〜３Ａ、
に接続された遅延素子、ｐは各振動子３　Ａ　１〜３Ａ
９に入力されるパルスである。遅延素子り、、Ｄ、の遅
延時間（ｔ１９）は等しく設定されており、同じく、遅
延素子Ｄ２．ＤＢの遅延時間（ｔｚｓ）　、Ｄ３．Ｄ７
の遅延時間（ｔ　：１７）、遅延素子Ｄ４．Ｄ６の遅延
時間（ｔ　４６）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Ｄｓの
遅延時間をｔ５とすると次式の関係にある。

１、、＜　１２８＜　１ｆｆ、＜　１４．＜　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を人力すると、振動子３Ａ１〜３Ａｑ
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、振動子３Ａｘ、３Ａ、ｑから最も早く、又、振
動子Ｌａｓ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、それら進行過程において各振動子の放射超音
波の振動の最大振幅がすべて合致する地点が生じる。第
２図でこの点が符号Ｆ、で示されている。点Ｆ１におけ
る超音波の大きさは他の点の超音波の大きさに比較して
這かに大きいので、恰も各振動子３ＡＩ〜３Ａｑからの
超音波が破線に示すように点Ｆ、に集束したのと同じ状
態となる。換言すれば、−列に配列した振動子からの超
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Ｘ−Ｚ平面において点Ｆ１に集束したのと同様な状態
にすることができる。この点Ｆ。

が焦点である。さらに述べると、振動子３Ａ、〜３Ａ９
により、焦点Ｆ、で集束する破線で示すような超音波ビ
ーム６Ａ、が出力されることになる。

（１）式の関係を保持しながら各遅延素子Ｄ１〜Ｄ、の
遅延時間を上記の遅延時間より小さく設定すれば、焦点
Ｆ、は一点鎖線（ビーム６Ａ＋’）で示すようにより長
い焦点Ｆ１′に移行する。したがって、各遅延素子り、
−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、これを被検体２の検査に適
用する場合、接合部Ｓの位置がどのように変化しても遅
延時間の調節により焦点をＸ−Ｚ平面内でその接合部に
一致させることができる。

第３図はアレイ振動子３Ａの全体構成図である。

図で３Ａ、〜３Ａｆｉは第１図に示すものと同し振動子
である。各振動子３Ａ＋〜３Ａ、、には、図示されてい
ないがそれぞれ第２図に示す遅延素子の出力が切換接続
されるようになっている。

図示の例では、まずｍ個のアレイ振動子３Ａ。

〜３Ａ、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。この焦点が符号ＦＩ、
又、みかけ上の超音波ビームが符号６Ａ、で示されてい
る。次に、振動子を１つずらして同じくｍ個の振動子３
Ａｚ〜３Ａ−＋に対して、前回の振動子３Ａｌ〜３Ａ、
、に与えた遅延時間と同一のパターンの遅延時間を与え
る。

これにより、焦点Ｆ２を有する超音波ビーム６Ａｚが生
じる（図示されていない）。以下、振動子を１つずつ順
に切換えてゆき、最後に振動子３Ａｎ−ｓｏ１〜３Ａ、
を選択して、同じノ（ターンの遅延時間を与え、焦点Ｆ
　１１−１６”ｌ　、超音波ビーム６Ａ６−＋ｍ＋１を
得る。このような手段により、結果的に番よアレイ探触
子３Ａによって焦点Ｆ、〜Ｆ　ｎ−ｍ。１までの超音波
による走査が実行されたことＧこなる。このような走査
は電子的に高速をもって行なわれるので、電子走査と称
される。

第４図は第１図に示すアレイ振動子３Ａ、３Ｂの制御装
置のブロック図である。図で、３Ａ、３Ｂは第１図に示
すアレイ振動子、５は第１図に示す遮音板である。１０
は繰返し周波発生器、ＩＮよ繰返し周波発生器１０から
のパルスを入力し、所定数（第３図に示す場合ｍ本）の
遅延線に所定の遅延パターンで出力を発生する遅延線回
路網である。

１２はマトリクススイッチ回路網であり、所定数（ｍ個
）の振動子を順次１つずつずらしながら選択する。１３
は選択された振動子にパルスを与えるパルス発生回路で
ある。１４はアレイ振動子３Ｂの各振動子に接続された
前置増幅器であり、被検体２からの反射超音波に比例し
た電気信号を増幅する。１５は受信側マトリクススイッ
チ回路網であり、前述のマトリクススイッチ回路網１２
と同様に所定数（ｍ個）の振動子を順次１つずつずらし
ながら選択してゆく。１６は受信側遅延線回路網であり
、受信側マトリクススイッチ回路Ｍ４１５からの所定数
（ｍ個）の出力信号に対して前記遅延線回路網１１と同
様の遅延を与え、これら所定数の出力信号が同時に出力
されるようにする。即ち、所定数の出力信号が加算され
ることになる。１７は加算された信号を増幅する主増幅
器、１８は接合部Ｓからの信号のみを通過させる信号選
別ゲート、１９は信号選別ゲート１８から出力される信
号を画像化するための画像化処理部、２０は接合部Ｓの
状態を表示する表示部である。２１はマトリクススイッ
チ回路網１２および受信側マトリクススイッチ回路網１
５の切換えを制御するコントローラである。

次に、本実施例の動作を説明する。まず、アレイ探触子
３又は被検体２あるいはその両者を調節して超音波ビー
ム６Ａおよび超音波ビーム６ＢがＹ−２面において接合
面Ｓを通る線Ｆ−Ｆ’上に集束して焦点を結ぶように両
者の位置決めを行なう。この状態における各超音波ビー
ム６Ａ、６Ｂの被検体２への入射角度は、入射した超音
波ビームが横波モードで伝播する角度である。

次いで、遅延線回路網１１に対して、Ｘ−Ｚ平面内の超
音波ビームが線Ｆ−Ｆ’上に集束するように遅延時間を
設定する。この状態で繰返し周波発生器ＩＯからパルス
信号が出力されると、この信号は遅延線回路網１１の遅
延パターンに従って所定数の遅延線上に出力され、マト
リクススイッチ回路網１２で選択されたアレイ振動子３
Ａにおける各振動子３Ａ１〜３Ａ、に接続された各パル
ス発生回路１３を励起し、当該遅延パターンでそれら各
振動子３Ａ、〜３Ａ、にパルスが与えられる。これによ
り各振動子３　Ａ　＋〜３Ａ、は励振せしめられて超音
波を発生し、これらは超音波ビーム６Ａ＋　とじて被検
体２に入射され、被検体２内を横波となって伝播し、接
合部Ｓの界面に到達し反射する。

この反射波は、超音波ビーム６Ａ、と対称的な超音波ビ
ーム６Ｂ、（図示していない）となってアレイ振動子３
Ｂの各振動子３Ｂ、〜３Ｂ、に入射し、振動子３Ｂ、〜
３Ｂ、はそれぞれ入射した反射波の強さに比例した電気
信号を出力する。

これらの信号は前置増幅器１４で増幅され、受信側マト
リクススイッチ回路′ｙ４１５で選択された配列順（こ
の場合、振動子３Ｂ、〜３Ｂ、の配列順）で出力される
。そして、これら信号は受信側遅延線回路網１６で遅延
線回路網１１と同様に遅延を受け、受信側遅延線回路網
１６から同時点で出力される。

したがって、受信側遅延線回路網１６からの出力信号は
、振動子３Ｂ＋〜３Ｂ、の出力信号の加算信号となる。

この加算信号は主増幅器１７で増幅されて信号選別ゲー
ト１８に入力される。信号選別ゲート１８は、超音波ビ
ーム６Ａ＋およびその反射波６Ｂ１の経路において、接
合部Ｓから反射された信号の到達時間を計算し、その時
間帯の信号のみを通過させる回路である。これにより、
信号選別ゲー目８の出力はほぼ接合部Ｓの反射波信号の
みとなる。この信号は画像化処理部１９で処理された後
、所定の表示形態で表示部２０に表示される。

次いで、全（同様の動作により、焦点Ｆ２を有する超音
波ビーム６Ａｚが放射され、その反射波がアレイ振動子
３Ｂの各振動子３Ｂ＋　〜３Ｂ、、。

により受信され、画像表示される。このようにして、接
合部Ｓの線Ｆ−Ｆ’上が電子走査され、焦点Ｆｌ−Ｆ７
−１゜１の反射波が画像表示される。線Ｆ−Ｆ’の電子
走査が終了すると、アレイ探触子４と被検体２が相対移
動せしめられ、線Ｆ−Ｆ’の次の線上において上記と同
じ手段により接合部Ｓの画像表示がなされる。かくして
、接合部Ｓの所定領域の反射波画像を得ることができ、
この画像に基づいて接合部Ｓの界面の接合状態の良否が
判断される。

なお、上記実施例の説明では、各振動子を弧状に形成す
ることによりＹ−Ｚ平面内で超音波ビームを集束させる
ようにした例について説明したが、各振動子を平板とし
、凹部を有する音響レンズを用いて超音波ビームを集束
させるようにしてもよい（このような集束手段は、後述
する第５図に示す実施例に示される）。

このように、本実施例では、Ｙ−Ｚ平面内の焦点を接合
部界面に一致させ、Ｘ−Ｚ平面の焦点をアレイ振動子の
遅延時間により自由に調節するようにしたので、被検体
が変更され、又は接合部が変化しても、超音波ビームの
点状の焦点を接合部界面に容易に一致させることができ
る。又、アレイ探触子により電子走査を行なうようにし
たので、接合部界面の検査を高速で行なうことができる
。

第５図は本発明の他の実施例に係るアレイ探触子の調整
機構の側面図である。図で、第１図に示す部分と同−又
は等価な部分には同一符号を付して説明を省略する。７
Ａ、７Ｂは上面ｉ水平に、下面を凹面に形成された音響
レンズである。アレイ振動子３Ａ、３Ｂの各振動子はそ
れぞれ平板に形成され、音響レンズ７Ａ、７Ｂの上面に
付着されている。音響レンズ７Ａ、７Ｂにより集束性の
超音波ビーム６Ａ、６Ｂが形成される。２５は調整機構
を示し、フレーム板２６、このフレーム板２６の垂直壁
に可回動に装架された蝶棒２７、この蝶棒２７を回転さ
せるハンドル２８、および蝶棒２７に非回動に螺装され
かつ音響レンズ７Ａ、７Ｂを支持する支持体２９Ａ、２
９Ｂにより構成されている。蝶棒２７の螺旋ねじは、左
半部と右半分で逆方向に形成されている。３０は調整機
構およびアレイ探触子を支持する支持棒である。

アレイ振動子３Ａ、３Ｂは、実線で示されるように、被
検体である物体２ａ、２ｂの接合部界面にＹ−７面にお
ける焦点が一致せしめられた位置にある。この状態にお
いて検査すべき被検体が交換され、厚みの異なる物体２
ａ′、２ｂ′より成る被検体（破線で示されている）の
接合部界面を検査する場合、ハンドル２８を一方向に回
転すると、アレイ振動子３Ａ、３Ｂ、音響レンズ７Ａ、
７Ｂは破線で示されるように、同時に、互いに離れる方
向に等距離移動する。次に、被検体を載置する図示しな
いテーブルを下方に移動し、（又は調整機構２５を上方
に移動し）超音波ビーム６Ａ、６Ｂを破線で示すように
形成させ、物体２ａ’、２ｂ’の接合部界面に新たな焦
点を一致させる。実際には、アレイ振動子３Ａ、３Ｂ、
音響レンズ７Ａ。

７Ｂの横方向の移動と、前述のテーブル（又は調整機構
２５）の縦方向の移動とを交互に繰返しながら調節が行
なわれることになる。

このように、本実施例では、アレイ探触子を横方向（ア
レイ振動子の配列方向と垂直方向）に移動させる調整機
構を設け、両アレイ振動子を同時に等距離、逆方向に移
動させるようにしたので、さきの実施例の効果に加え、
Ｙ−Ｚ平面の焦点の調節を極めて容易に行なうことがで
きるという効果を奏する。

なお、上記各実施例の説明では、アレイ振動子により電
子走査を行なう例について説明したが、必ずしも電子走
査を行なう必要はなく、接合部の界面の所定点を、アレ
イ探触子と被検体との相対移動により検査するようにし
てもよい。この場合、アレイ振動子における配列振動子
数は１つの超音波ビームを形成する数のみでよいのは明
らかである。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明では、探触子を、対称位置に
配置した２つの振動子群で構成し、各振動子より放射さ
れるｙ−ｚ面内の焦点は探触子と被検体の位置の調節で
界面と一致させるようにし、一方、Ｘ−Ｚ面内の焦点は
各振動子の励振の遅延パターンにより任意に調節できる
ようにしたので、被検体自身の交換や界面位置の変更が
あっても、超音波ビームの焦点を容易に界面に一致させ
ることができる。

又、対称に配置された２つの探触子間の距離を調節でき
るようにしたので、超音波ビームの焦点を更に容易に界
面に一致させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係るアレイ振動子の構成概要
を示す斜視図、第２図および第３図はアレイ振動子の動
作を説明する説明図、第４図は第１図に示すアレイ振動
子を制御する制′ａ装置のブロック図、第５図は本発明
の他の実施例に係るアレイ探触子の調整機構の側面図、
第６図（ａ）。 （ｂ）は超音波ビームの焦点位置を説明する説明図であ
る。 ２・・・被検体、３Ａ、３Ｂ・・・アレイ振動子、３Ａ
。 〜３Ａ、、３Ｂ１〜３Ｂ、・・・振動子、４・・・アレ
イ探触子、６Ａ、６Ｂ・・・超音波ビーム、？Ａ、７Ｂ
・・・音響レンズ、２５・・・調整機構、２７・・・蝶
棒、Ｓ・・・接合部。 □−□、、−５ 代理人　弁理士　　武　顕次部　（外１名）□゛）、′
ツノ′ 第１図 ム２ Ｓ：接合部 第２図 第３図 Ａ ｎ−ｍ 第４図 第５図 第６図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）探触子からの超音波を、横波モードにより伝播す
   るように物体内に放射し、この物体内方に形成される界
   面の接合状態を検査する超音波検査装置において、複数
   の振動子の配列より成る振動子群を２つ当該配列の方向
   に沿う面に関して対称位置に配置して前記探触子を構成
   し、前記各振動子に印加される励振パルスを任意の遅延
   パターンで遅延させる遅延素子を設けるとともに、前記
   各振動子からの超音波を前記面と垂直な面で集束させる
   ようにしたことを特徴とする超音波検査装置。
2. （２）請求項（１）において、前記各振動子は、前記垂
   直な面で超音波を集束させるように当該面内で弧状に形
   成されていることを特徴とする超音波検査装置。
3. （３）請求項（１）において、前記各振動子は平板形状
   に形成され、かつ、凹面を有する音響レンズに付着され
   ていることを特徴とする超音波検査装置。
4. （４）請求項（１）において、前記各振動子は、所定数
   ずつ、かつ、１つずつずらしながら同一の遅延パターン
   で励振されることを特徴とする超音波検査装置。
5. （５）請求項（１）記載の超音波検査装置において、前
   記面および前記垂直な面の２つの面に垂直な面内で、前
   記配列の方向と垂直な方向に前記各振動子群を互いに逆
   方向に同一距離移動させる移動手段を設けたことを特徴
   とする超音波検査装置。