JPH0352825B2

JPH0352825B2 -

Info

Publication number: JPH0352825B2
Application number: JP58127525A
Authority: JP
Inventors: Hooru Jatsuku Perudeijon Jan
Original assignee: Compagnie Generale des Matieres Nucleaires SA
Current assignee: Orano Demantelement SAS
Priority date: 1982-07-13
Filing date: 1983-07-13
Publication date: 1991-08-13
Also published as: JPS5963564A; DE3368996D1; FR2530342A1; EP0099816B1; EP0099816A1; FR2530342B1; US4557145A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は超音波エコーグラフイ装置に係り、更
に詳しくは、或る部材にその表面を通して送られ
た細い超音波ビームの反射ゾーンの位置を探査す
るためのエコーグラフイ装置に係る。

本発明は主として部材の非破壊的検査、特に亀
裂がその亀裂の展開平面を横切る方向に送られた
超音波ビームの反射体を構成するような鋳造又は
中実部材の検査に使用されるが、この用途に限定
されるわけではない。

集束超音波ビームを用いて検査すべき部材の掃
引を行なうエコーグラフイ装置は既に多数知られ
ており、通常は次の原理に基づいている。

細く集束した超音波ビームを検査すべき部材内
に送る。不均質部分から成る反射体にこの超音波
ビームがぶつかると当該反射体の面積に依存した
振幅をもつエコーが生じる（この面積が当該超音
波ビームの断面積より小さい場合、振幅は当該超
音波ビームの方向と反射係数とに依存）。

このエコーは通常送出振動子によつて捕捉され
るためその行程時間を測定すれば当該反射体の位
置を検出できる。このようにして、同一方向同一
深さの反射体展開面に対応した振幅に対する減衰
が閾値、一般的には−6dB、より小さいようなエ
コーを選別すれば反射体の輪郭が求められる。

一般に部材の探傷は、検査の間当該部材の対称
軸に対し同一の方向を維持する平面上での入射角
を一定に保ちながら、互に直交する２方向に沿つ
て当該部材の表面を掃引することにより実施され
る。しかし乍らこのような方法には、前述の部材
に対する法線から余り遠くない地点で入射する超
音波ビームに当てられた反射体しか探査できない
という重大な欠点がある。

従つて、反射体は感知されないままであり得、
その場合、非破壊的検査に特に重大な不都合が生
じる。

本発明の目的は、各エコー領域の方向にかかわ
りなく各エコー領域を検出し得、各エコー領域を
漏れなく検出し得る超音波エコーグラフイ装置を
提供することにあり、更に詳しくは、装置又は特
に部品の如き媒体中で超音波反射体を構成するゾ
ーン例えば亀裂又は割れ目の存在を反射体の方位
角に関わり無く測定し得る点で従来公知の方法よ
りもすぐれた超音波エコーグラフイ装置を提供す
ることである。

本発明によれば、前述の目的は、検査されるべ
き媒体の表面を介してパルス状の超音波ビームを
媒体中に入射させると共に、前述の入射した超音
波ビームが媒体のエコー領域において反射される
結果として形成されたパルス状の各エコーを受信
し、当該受信した各エコーに対応する電気信号を
送出する発信受信手段と、発信受信手段を保持
し、前述の表面上に頂点を有すると共に前述の表
面に垂直な軸線を有する円錐の母線に沿つて超音
波ビームが所定の一定距離を通過した後に前述の
表面に入射するように発信受信手段を前述の軸線
の周りに回転させ乍ら、エコー領域が前述の入射
した超音波ビームの複数を互いに異なる複数の方
位角で順次受容するように前述の表面に平行な平
面上の直線に沿つて前述の保持された発信受信手
段を移動させ、前述の直線上の前述の回転される
発信受信手段の各位置において前述の回転される
発信受信手段から送出される超音波ビームの方位
角を決定すると共に、当該決定された方位角を表
わす出力信号を送出する保持手段と、発信受信手
段からの電気信号と保持手段からの出力信号を受
信し、当該受信した電気信号と当該受信した出力
信号とに基づいて、前述の形成された各エコーの
座標を計算し、当該計算された座標を記憶べく、
発信受信手段と保持手段とに電気的に連結された
計算記憶手段と、前述の記憶された座標を読み出
して、当該読み出された座標に基づいて、媒体中
のエコー領域の透視像を表示すべく、計算記憶手
段に電気的に連結された表示手段とを有する超音
波エコーグラフイ装置により達成される。

本発明の超音波エコーグラフイ装置において
は、保持手段が、発信受信手段を保持し、検査さ
れるべき媒体の表面に頂点を有すると共に前述の
表面に垂直な軸線を有する円錐の母線に沿つて超
音波ビームが所定の一定距離を通過した後に前述
の表面に入射するように発信受信手段を前述の軸
線の周りに回転させ乍ら、媒体のエコー領域が入
射した超音波ビームの複数を互いに異なる複数の
方位角で順次受容するように前述の表面に平行な
平面上の直線に沿つて、保持された発信受信手段
を移動させ、前述の直線上の回転される発信受信
手段の各位置において前述の回転される発信受信
手段から送出される超音波ビームの方位角を決定
すると共に、当該決定された方位角を表わす出力
信号を送出するように構成されているが故に、各
エコー領域が毎回異なる方位角の超音波ビームを
複数回受容するため、媒体中の各エコー領域が、
特定の方位角の超音波ビームでは検出されないこ
とがあつても、別の方位角の超音波ビームによつ
て必ず検出される。従つて、本発明の超音波エコ
ーグラフイ装置は、各エコー領域の方向にかかわ
りなく、各エコー領域を検出し得るため、各エコ
ー領域を漏れなく検出し得る。

本発明装置によれば、部品の掃引中に生成され
部品の同一要素体積に関係することを示す情報を
有する全ての信号は像の同一点に重畳される。

透視像を供給し得る多数のコンピユータプログ
ラムが既に市販されており、しかもこれらの透視
像をデイスプレイスクリーンに映写することさえ
もしばしば可能であるから、前述の如き本発明装
置の実用化は極めて容易である。

より高度な解像度を得るには通常は、適当な形
状の短いパルスを得るために緩衝ブロツクに装着
されるか又は超音波集束レンズと組合せして使用
される単一形圧電材料チツプから成る変換器によ
つて超音波ビームが形成されるであろう。

通常は、しきい値より大きい振幅（典型的には
広い反射体に対して−6dB）を有するエコーの存
在を各方向毎に検出し、前述の如きエコーを生じ
た領域の座標を記憶すれば十分であろう。

より精密な像を与え得る変形実施例に於いて
は、受信した高周波エコー信号の振幅を複数の灰
色レベル又は複数の任意の色彩に対応するように
デジタル化し、媒体中の立体格子の交点を中心と
する体積エレメントの各々に対応するエコーを加
算する。この変形実施例の方法によれば高周波信
号の平均化によつて信号対雑音比が改良される。
しかし乍ら媒体の体積エレメントの各々に対して
各１つの記憶素子を対応させる必要があるのでは
るかに大きい容量のメモリを配設しなければなら
ない。

計算記憶手段は通常、超音波の行程時間と前述
の軸線の位置と当該軸線に対する受信発信手段の
座標とに基いて部品に関する座標系に於けるエコ
ー源の位置を決定するために備えられている。

非限定例として添付図面に示された実施例に基
く以下の記載より本発明が更に十分に理解される
であろう。

本発明は、幾何学的単一面により限定された如
何なる範囲の検査にも適用し得るが、説明を簡略
化すべく、ここでは部材が平面状のアクセス面を
有しておりこの面を介して探傷が行なわれるもの
と仮定する。このような状況は極めて一般的であ
り、探査すべき反射体が部材表面の直交面上では
いずれもほぼ同一の方向を有する即ちほぼ同様に
傾斜するのに対し方位角（部材表面の平行面上で
の方向）に関しては互いに著しく異なるといつた
ケースも極めて頻繁にみられる。

第１ａ図に三面角OXYZを示した。平面OXY
は媒体としての部材の表面と合致する。当該部材
表面の検査は送出及び受信用の超音波振動子１０
によつて行なわれるが、超音波振動子１０と部材
への入射点との間の距離ｈは一定にしておく、こ
のように検査を行なうためには、先ず超音波振動
子１０を円に沿つて移動させるが、この場合、パ
ルス状の超音波ビームが軸線としての回転軸と部
材表面との交点に該当する入射点Ａから部材内に
浸透するよう超音波振動子１０を傾斜させる。こ
のようにすると超音波振動子１０及び部材間の所
定行程が一定に保持され、部材内での超音波ビー
ムの形状も変化しない。

通常は集束振動子１０を用いてほぼ円筒形の細
い超音波ビームを送出する。この種の超音波振動
子は既に多数知られている。超音波振動子１０と
部材とは容器（図示せず）内の液体、例えば水、
に浸漬するのが一般的である。超音波振動子１０
は中間支柱１２に担持されており、これを介して
部材から所定の一定距離としての距離ｈを保ち且
つ所定角度傾斜している。この中間支柱１２は中
間支柱１２の角位置測定手段を含み、軸線として
の軸１１を中心に回転する可動装置の一部を成し
ており、軸１１の周囲で超音波振動子１０を傾斜
させる。

このような装置を用いれば部材と直交する軸、
例えば第１ａ図の軸１１及び１１′、を中心に角
度をつけて連続的に複数の掃引を行なうことがで
きる。参考実施例においては、超音波振動子１０
に給電するための回転ジヨイントの必要を回避す
べく、前述の可動装置は常に同一方向に回転する
よりむしろ止め部材によつて規定された２つの限
界位置間を往復移動するよう構成される。回転鏡
を使用することもできるがその場合は前述の所定
行程が長くなる。本実施例の装置においては方向
Ｙの並進運動と円錐状運動（第１ｂ図）とが組み
合わされる。

いずれの場合も、超音波振動子１０の360℃回
転と同時に行なわれる並進移動及び入射角ｉは、
部材の検査すべき部分の各体積要素に超音波ビー
ムが異なる方位角で少くとも２回当てられるよう
超音波ビームの横方向寸法を考慮して決定する。

所定の値ｈ，ｉ及びαに応じて送出された超音
波ビームがぶつかるエコー領域としての反射体の
座標Ｘ，Ｙ，Ｚは例外なく簡単な計算によつて求
めることができ、超音波ビーム入射面が平らな場
合は特に簡単である。実際、液体中の超音波ビー
ムの所定行程は一定不変でｈに等しい。第１ａ図
の種々の記号から明らかなように、閾値より大き
いレベルのパルス状のエコーＳと出現と部材内で
の反射体Ｒの存在との間には次式で示される関係
が成立する。

Ｘ＝ｘ＋（ｈ sin ｉ＋C₁t sin ｒ）cosα (1) Ｙ＝ｙ＋（ｈ sin ｉ＋C₁ ｔ sin ｒ）sinα (2) Ｚ＝−C₁ ｔ cos ｒ (3) 計算器１５は中間支柱１２の担体盤に具備され
たコーダ１３によつて与えられる点Ａのデジタル
化座標x_A，y_Aを受容し得るため超音波振動子１
０の中心の座標ｘ，ｙまで遡らなくとも次の方程
式により当該反射体Ｒの座標を得ることができ
る。これら方程式(1)′，(2)′及び(3)′にはｈも入射
角ｉも含まれない。

Ｘ＝x_A＋C₁t sin ｒ cosα (1)′ Ｙ＝y_A＋C₁t sin ｒ sinα (2)′ Ｚ＝−C₁ ｔ cos ｒ (3)′ 式中ｔは部材内での往行程（又は復行程）の時
間を表わし、ｒは屈折角（デカルトの法則により
ｉから求められる）を表わし、αは超音波振動子
１０の方位角を表わす。ｈ，ｒ，及び部材内での
波速C₁は公知の意味を表わし一定である。

実際には、本実施例はCOMPAGNIE
GENERALE DE RADIOLOGIE社製造販売の
容器CE2の如きXY掃引容器を既に備えた既存装
置で行われ得る。

この容器の測定システムからはOX及びOYに
従い点Ａの座標x_A及びy_Aが得られる。デジタル
出力方式又はアナログ／デジタル変換器１４付の
回転角度測定検出器は計算器１５に方位角αの値
を与える。計算器１５には点Ａのデジタル化座標
も与えられる。

閾値より大きい振幅をもつパルス状のエコーの
検出は例えば第１ａ図に示されている類の回路を
用い従来の方法で実施し得る。第１ａ図の超音波
振動子１０の回転速度は、送出にも受信にも同一
の超音波振動子を使用し得るよう十分低速である
ものとみなす。この回路は規則的な間隔をおいて
インパルスを送出するクロツク１６を備えてお
り、これらのインパルスは増幅器１７で増幅され
た後に、超音波振動子１０に送られる。帰還信号
は増幅器１８で増幅され閾値検出器１９に送られ
る。閾値より大きいパルス状のエコーの送出及び
受信間の行程時間は計算器１５にも作用する回路
２０によつて測定される。得られた各エコーの座
標XYZは計算器１５によりメモリ２１内に記憶
される。

尚、座標相互間の関係は部材表面が平らでない
時にはより複雑になるが、展開図と同一視し得る
部材の像を表わす前述の関係式(1)，(2)及び(3)に従
えば通常は十分に計算可能であるこに留意されて
いた。

OX及びOYに於ける変位用テーブルにより、
軸１１を中心とする部材の円錐形探査が可能であ
る。２本の軸１１及び１１′は第１ａ図中に示さ
れるが、同図から明らかなように、走査の軸が１
１′の場合A′−Ｒに従つて部材内に照射される超
音波ビームは反射部の方向に殆んど平行なので、
この場合よりも軸１１を中心とする場合の方が反
射部Ｒは著しく明瞭に観察される。

計算器１５として例えばHP85（HEWLETT−
PACKARD）型の小型計算器を使用すれば十分
であり、当該小型計算器は場合によつては補助メ
モリを備える。部材の寸法によつて決定される一
定数の軸１１を中心に部材の走査が終了すると、
計算器１５は有効なエコー信号に対応する各エコ
ー領域の座標を復元する。この座標復元は、特に
計算器に連結されたモニタのスクリーン上で部材
の透視像として形成され得る。場合によつては、
この像は貯蔵された後、異なる条件で得られた像
に対して比較され、例えば角度差ｉを付加または
控除され得る。

第４図は計算器１５の出力装置を構成するモニ
タ２８上に於ける好ましい表示例を示し、計算器
１５内には透視像プログラムＸが記憶されてお
り、透視像プログラムＸはプログラマにより作成
されたライブラリ中で既に利用可能なプログラム
に類似している。部品３０の形態は平行六面体と
して図示されているが、キーボード３２を介して
OX，OY及びOZに従う部材の隅角の座標を導く
ことにより決定され、このデータに基づいて計算
器１５は規則的な碁盤目３４を生成し、これによ
つて部材３０の形態を表示する。

各バースト毎に計算器１５は反射体の座標Ｘ，
Ｙ及びＺを計算し、一回の回転操作によつてコー
ド変換を行い、反射体の座標をX₁，Y₁，Z₁とす
る。当該座標点は碁盤目３４よりも小さく、ビー
ム幅の関数として視覚化及び選択される碁盤目の
最も近い点である。こうして碁盤目の各交点は体
積要素を規定する。各方向について得られる連続
的エコーは積層され、例えば第４図の３６で示さ
れるような１個の透視像を形成し、更に２面上の
射影を形成する。

送出用及び受信用の超音波振動子１０、クロツ
ク１６、及び増幅器１７は受信受信手段を構成す
る。この発信受信手段は、検査されるべき部材の
表面を介してパルス状の超音波ビームを前述の部
材中に入射させると共に当該入射した超音波ビー
ムが前述の部材のエコー領域において反射される
結果として形成されたパルス状の各エコーを受信
し、当該受信した各エコーに対応する電気信号を
送出する。

中間支柱１２及びコーダ１３は保持手段を構成
する。この保持手段は、超音波振動子１０を保持
し、検査されるべき部材の表面上に頂点を有する
と共に、当該表面に垂直な軸１１を有する円錐の
母線に沿つて超音波ビームが所定の一定距離ｈを
通過した後に前述の表面に入射するように超音波
振動子１０を軸１１の周りに回転させ乍ら、エコ
ー領域が入射した超音波ビームの複数を互いに異
なる複数の方位角αで順次受容するように前述の
表面に平行な平面OXY上に直線に沿つて前述の
保持された超音波振動子１０を移動させ、前述の
直線上の前述の回転される超音波振動子１０の各
位置において、前述の回転される超音波振動子１
０から送出される超音波ビームの方位角を決定す
ると共に、当該決定された方位角を表わす出力信
号を送出する。

アナログ／デジタル変換器１４、計算器１５，
クロツク１６，増幅器１８，閾値検出器１９，回
路２０及びメモリ２０は計算記憶手段を構成す
る。計算記憶手段は、超音波振動子１０からの電
気信号とコーダ１３からの出力信号とを受信し、
当該受信した電気信号と当該受信した出力信号と
に基づいて、各エコーの座標を計算し、当該計算
された座標を記憶すべく、受信受信手段とコーダ
１３とに電気的に連結されている。

モニタ２８及びキーボード３２は表示手段を構
成する。表示手段は、前述の記憶された座標を読
み出して当該読み出された座標に基づいて、部材
中のエコー領域の透視図を表示すべく、計算記憶
手段に電気的に連結されている。

本実施例の装置は、個々のケースに適合する条
件で使用され得、部材の性質及び検出すべき異常
の型に最適に応じるように多数のパラメータが選
択され得る。

例えば第２図は、相互に鋼製のプラグ２３と断
面六角形状のチユーブ２４との間の六角形状溶接
用コード２２内に生じた亀裂を検出するために本
実施例を適用する場合の適用例を示す。超音波振
動子１０は少なくとも直径10ミリメータのチタニ
ウム酸バリウム制の円盤２５から構成され、円盤
２５は緩衝用ブロツクと集束レンズ２６との間に
配置される。一般に、共鳴振動数２〜10MHzの振
動子が使用される。入射角ｉは特に使用される波
（金属の横断を容易にしたい場合には縦波、エコ
ーを強化したい場合には横波）の性質の関数とし
て選択される。試験に主として使用された振動子
は、焦点距離は約50mmであり、5MHzの横波で作
動し、直径10mmの円盤２５を有する。水槽内の水
中の行程は24mmであつた。入射角ｉは25゜であり、
そのさいの平均屈折角は70゜、内面に対する反射
角は平均屈折角とほぼ同一であつた。ビーム拡散
が最小の円（振動子からの焦点距離に対応）は、
従つて溶接部内部のほぼ接合部面に位置した。部
材はCGR社から商品名CE2で市販されている型
の水槽内に浸漬された。約0.5mmの間隔でコード
と平行に超音波ビームを数回通過させることによ
り、コードを両面から探査した。

この探査時に一定の閾値より大の信号が現われ
ると、入力エコーに対する当該閾値より大きな信
号の遅れが測定され、α（光学コーダにより与え
られたデジタル値）が測定され、更に水槽により
アナログ量として与えられた値x_A及びy_Aがデジ
タル変換される。これらの値はバツフアメモリ内
に記憶された後、一掃引終了毎に計算器内に転送
される。掃引が終了するとHP85型の計算器はス
クリーン上に透視像を形成し、プロツタ上に断面
図または平面図を表示せしめる。

本発明は非常に多くの変型例が可能である。特
に、上述したように、入力エコー後に受信される
高周波数の信号の全体を処理することができ、そ
れらのレベルを数量的に記憶することができる
が、この場合容量の大きい計算器を使用しなけれ
ばならない。これに対して手動探査が可能である
が、これらは実際には、より詳細に検査すべき領
域を短時間で認識するために有効である。この場
合、第３図に例示されるようなサボ付超音波振動
子１０ａを用いて接触により処理することが好ま
しい。超音波振動子１０ａは更に圧電型の円盤２
５ａを含み、集束は、軸１１ａを中心に回転可等
な連結用金属製サボと接触状態にあるレンズ２６
ａ、または円盤２５ａの曲率によつて行われ、後
者の場合、それぞれレンズ及びサボのための２個
の異なる媒体を挿入せずにすむ。

結合用液体薄膜がサボ２７と部材の表面との間
に挿入される。この場合、一般には部材に連結さ
れた軸系に対する極座標によつて超音波振動子１
０ａの位置を決めると共に、ベクトルOAに対す
る超音波振動子１０ａの方向を決めておくことが
好ましい。

本発明によれば、各エコー領域を漏れなく検出
し得る超音波エコーグラフイ装置を提供し得る。

【図面の簡単な説明】

第１ａ図は本発明の一実施例を説明するための
説明図、第１ｂ図は第１ａ図に示される装置を使
用する際に行われる掃引の型を示す概略図、第２
図は、複合部品内の溶接部の検査用に実施例の装
置を適用する場合の適用例を示す概略断面図、第
３図は部品の手動探査の際に適用し得る本発明の
変形例を示す要部断面図、及び第４図はデイスプ
レイ装置上に表示された反射体の透視像の概略図
である。１０……超音波振動子、１２……中間支柱、１
４……アナログ／デジタル変換器、１５……計算
器、１６……クロツク、１７，１８……増幅器、
１９……閾値検出器、２１……メモリー、２２…
…溶接コード、２３……プラグ、２４……チユー
ブ、２６……レンズ、２７……サボ、２８……モ
ニタ、３０……部材。

Claims

【特許請求の範囲】１検査されるべき媒体の表面を介してパルス状
の超音波ビームを前記媒体中に入射させると共
に、前記入射した超音波ビームが前記媒体のエコ
ー領域において反射される結果として形成された
パルス状の各エコーを受信し、当該受信した各エ
コーに対応する電気信号を送出する発信受信手段
と、前記発信受信手段を保持し、前記表面上に頂点
を有すると共に前記表面に垂直な軸線を有する円
錐の母線に沿つて前記超音波ビームが所定の一定
距離を通過した後に前記表面に入射するように前
記発信受信手段を前記軸線の周りに回転させ乍
ら、前記エコー領域が前記入射した超音波ビーム
の複数を互いに異なる複数の方位角で順次受容す
るように前記表面に平衡な平面上の直線に沿つて
前記保持された発信受信手段を移動させ、前記直
線上の前記回転される発信受信手段の各位置にお
いて前記回転される発信受信手段から送出される
前記起音波ビームの方位角を決定すると共に、当
該決定された方位角を表わす出力信号を送出する
保持手段と、前記発信受信手段からの電気信号と前記保持手
段からの出力信号とを受信し、当該受信した電気
信号と当該受信した出力信号とに基づいて、前記
形成された各エコーの座標を計算し、当該計算さ
れた座標を記憶すべく、前記発信受信手段と前記
保持手段とに電気的に連結された計算記憶手段
と、前記記憶された座標を読み出して、当該読み出
された座標に基づいて、前記媒体中のエコー領域
の透視像を表示すべく、前記計算記憶手段に電気
的に連結された表示手段とを有する超音波エコー
グラフイ装置。２前記計算記憶手段は、前記発信受信手段から
の前記電気信号に基づいて前記形成された各エコ
ーの行程時間を測定するための測定手段を有して
おり、前記計算記憶手段は、当該測定手段によつ
て測定された前記行程時間と、前記決定された方
位角と、前記超音波ビームのそれぞれが発生され
る位置に対応する前記発信受信手段の各座標とに
基づいて、前記エコー領域の座標を前記媒体に関
する三次元座標として計算するように構成されて
いる特許請求の範囲第１項に記載の装置。３前記測定手段は、前記発信受信手段からの前
記電気信号の振幅を所定の閾値と比較し、当該所
定の閾値を上回る振幅を示す前記電気信号を保持
し、当該保持された電気信号に対応するエコーの
他の行程時間を測定するように構成されており、前記計算記憶手段は、前記測定された他の行程
時間と、前記保持された電気信号に対応する前記
出力信号と、前記保持された電気信号に対応する
前記発信受信手段の座標とに基づいて、前記保持
された電気信号に対応するエコー領域の他の座標
を計算し、当該計算された他の座標を記憶するよ
うに構成されており、前記表示手段は、前記記憶された他の座標に基
づいて、前記保持された電気信号に対応するエコ
ー領域の透視像を表示するように構成されている
特許請求の範囲第２項に記載の装置。４前記透視像が三次元アレイからなり、前記三
次元アレイの夫々が、媒体を前記アレイの節の１
つに中心を有する碁盤目に分割されるように構成
されており、前記計算記憶手段は、前記電気信号
の振幅をデジタル化し、当該電気信号の振幅のう
ち前記碁盤目に対応する媒体の部分によつて反射
されるエコーに対応する振幅の平均値を前記碁盤
目において計算するように構成されている特許請
求の範囲第１項又は第２項に記載の装置。