JPH04136755A - アレイ形超音波探触子を用いる超音波映像探傷装置 - 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］ この発明は、アレイ形超音波探触子を用いる超音波映像
探傷装置に関し、詳しくは、複数の振動子を配列して電
子的に駆動対象を切替えて縦波と横波の両波により探傷
を行い、測定結果をＢスコープ像等として表示する電子
スキャン形の超音波映像探傷装置において、両波の音速
および縦波。

横波を発生する振動子の駆動範囲を適正な状態に調整す
ることが容易な映像探傷装置に関する。

［従来の技術］ いわゆる、電子スキャン式の超音波探触子（プローブ）
は、医療機器の分野では多く使用されている。近年、電
子回路やスイッチ回路の小型化、高性能化に伴い、この
電子スキャン式のプローブが金属材料等の超音波探傷に
も利用されるようになってきた。その１つに縦波、横波
の両者を利用するアークアレイ形プローブがある。

アークアレイ形プローブは、複数の振動子（素子）が円
弧状に配列されていて、その連続する複数個の素子を同
時励振し、かつ、その位置を順次移動させる電子スキャ
ンにより縦波、横波の両者を発生させて縦断面方向のス
キャンを行うことによりＢスコープ画像を得る測定デー
タを採取することができる。これは、材料に入射する角
度を選択することである角度範囲に亙って探傷を行うも
のであって、その入射角が大きくなると被検体の入射点
で縦波が横波に変換（エコーは逆変換）される特性があ
る。

そこで、円弧の端にまたはそこに近いところに位置する
素子の音波は、被検体に対して入射角が大きくなり、被
検体内部に侵入した際に縦波が横波に変換されて横波と
しての探傷ができる。一方、円弧の中央および中央付近
に位置する素子から発生ずる音波は、被検体に対して入
射角が小さくなるので縦波としてそのまま被検体に侵入
し、縦波の探傷となる。

縦波と横波とでは媒体中での音波の伝搬速度が相違する
。アークアレイ形プローブでは、縦波。

横波の被検査体内での音速、縦波、横波を発生する素子
の角度の領囲をあらかじめ計算により算出し、その結果
に応じて該当の素子毎に駆動範囲を決め、また、同時に
駆動する素子数を定めてから探傷を行う。そして、これ
を利用する測定装置では、縦波と横波の探傷により得ら
れたＡスコープ波形からそれぞれの音速で路程を計算し
てＢスコープ像の表示データを生成してその測定映像を
ディスプレイ上に表示する。

［解決しようとする課題］ このアークアレイ形プローブでは、被検査体内での縦波
と横波の音速等が設定した値よりずれていた場合には、
縦波と横波による測定ずれが発生して縦波と横波と境界
点にあるような欠陥等が表示される場合には、それが連
続した欠陥として表示されない欠点がある。

これは、路程の計算が音速とエコー発生までの時間で算
出されるからであり、特に、横波による探傷で得られる
エコー発生点までの距離は、横波の音速、入射角と屈折
角とが大きく関係し、斜めに被検体内を伝搬するものと
して計算されるためにその計算や設定値の選択が難しい
からである。

この発明は、このような従来技術の問題点を解決するも
のであって、縦波と横波による測定のずれを容易に調整
することができるアレイ形プローブを用いる超音波映像
探傷装置を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ このような目的を達成するためのこの発明の超音波映像
探傷装置の特徴は、測定対象と同じ材質で縦断面におけ
る形伏が円弧状であるエコー発生部を有する試験片と、
この試験片の円弧状のエコー発生部を探傷して縦波にょ
る探傷範囲と横波による探傷範囲とが円弧状のエコー発
生部において一部重複する縦断面映像が得られるように
プローブを駆動し、ディスプレイ上に表示された縦断面
映像の円弧上のエコー発生部の表示状態が連続するよう
に縦波上横波のそれぞれの音速を選択するものである。

［作用コ このように、円弧上のエコー発生部を持つ試験片を探傷
してディスプレイＬに表示される映像を観測するように
すれは、縦波と横波との音速ずれの状態とそれぞれの超
音波発生範囲の関係が２つの円弧の関係において表示さ
れる。特に、音速のずれについては、表示された２つの
円弧の関係が入射点からの半径の相違として現れ、また
、駆動範囲に関しては、その両端の重ね合わせ量となっ
て現れるので、表示映像を観測しながら音速や駆動範囲
を決定することにより適正な音速や駆動範囲の選択が容
易になる。

このように表示映像を観測しながら音速設定値や圧電素
子駆動範囲の調整ができるので、アークアレイ形プロー
ブの駆動条件設定が効率よく行え、正確な探傷が可能に
なる。

［実施例コ 以下、この発明の一実施例について図面を参照して詳細
に説明する。

第１図は、この発明のアレイ形プローブを用いる超音波
映像探傷装置を適用した一実施例の超音波映像探傷装置
のブロック図であり、第２図は、そのアークアレイ形プ
ローブの音速調整等に用いられる試験片の縦断面図、第
３図（ａ）は、そのアークアレイ形プローブの説明図、
第３図（ｂ）および（Ｃ）は、それぞれ第２図の試験片
の測定映像の説明図である。

２０は、アークアレイ形プローブ２を駆動して試験片１
や他の同様な材質の被検体を探傷する超音波映像探傷装
置である。アークアレイ形プローブ２は、第３図（ａ）
に示すように、先端を中心にして後端が弧状となってい
るアクリル樹脂等の超音波伝播体２０とその弧の面に配
列された複数の圧電素子２ａ、２ｂ、　　・−拳・２ｎ
とからなるプローブである。

試験片１は、第２図の縦断面図に示すように入射点１ｂ
を中心にした円弧状に形成された反射部分（例えば空隙
）ｌａを内部に有している。この試験片１の入射点１ｂ
にアークアレイ形プローブ２の超音波照射点２ｐ（第３
図（ａ）参照）を接触させたときに、アークアレイ形プ
ローブ２の各圧電素子は、空隙等の反射部分１ａに超音
波を照射し、そこからのエコーを受信することができる
。

アークアレイ形プローブ２の各圧電素子２　ａ　＋２ｂ
＋　　”　”　”　＠２ｎ　（第３図（ａ）参照）は、
スイッチ回路３から励振パルスを受けて駆動される。

スイッチ回路３は、駆動素子選択回路４からの制御信号
に応じてその内部の複数のスイッチが“０Ｎ１０ＦＦ”
制御され、パルサ５から供給される複数のパルスをアー
クアレイ形プローブ２に加える。これによりアークアレ
イ形プローブ２の圧電素子２ａ、２ｂ、＠Φ・・２ｎの
うち、例えば、６個が同時駆動される。

駆動素子選択回路４は、後述する演算処理装置１２から
制御信号を受けてこの制御信号に応じて、いわゆる電子
スキャン制御を行うものであって、スイッチ回路３がパ
ルサ５から受ける６個のパルス信号に対してそれにより
駆動される圧電素子を順次１個づつシフトさせて一方の
弧の端から他方の弧の端に向かって駆動する制御をする
。また、スイッチ回路３を介してレシーバ６にアークア
レイ形プローブ２の圧電素子２ａｔ　２ｂ、　　働・・
会２ｎのうち６個の受信圧電素子を接続し、それらが駆
動された後に受信される反射部分１ａからのエコーにつ
いてそれぞれ６個の圧電素子を単位としてエコーの受信
信号を順次レシーバ６に送出する制御をする。また、こ
れに加えて前記と同様なシフトも行う。ここで、同時に
駆動する圧電素子の個数とその圧電素子の駆動範囲の選
択は、演算処理装置１２からの制御信号で行われ、この
制御信号は、操作パネル１３からの入力信号に応じて外
部からの操作により決定される。

コントローラ７は、演算処理装置１２から制御信号を受
け、操作パネル１３上のスタートスイッチ１３ａの投入
を開始時点としてパルサ５を制御してパルサ５に同時に
駆動する圧電素子の数に対応する励振パルス発生させ、
ここでは６個の圧電素子を同時に駆動するパルスを発生
させ、それらをパラレルにスイッチ回路３に送出させる
。

さて、複数の圧電素子で受信された群として得られる６
個単位の圧電素子ごとのエコー受信信号は、圧電素子の
シフトに応じてレシーバ６で受信されて増幅される。そ
して、検波された後にミキサ８に加えられ、ここで加算
されて１つの受信信号としてゲート・ピーク検出回路９
に出力される。

ケート・ビーク検出回路９は、そのゲート位置とゲート
幅とが演算処理装置１２からの制御信号で設定され、ゲ
ート・ビーク検出回路９により検出されたピーク検出出
力が路程カウンタｌＯに送出される。

１１は、ワンショット回路であって、例えば、ミキサ８
の出力を受けて受信信号中に存在する励振パルス（パル
サ５で発生した励振パルスの受信側でのパルス）により
トリガされて路程カウンタ１０をトリガするパルスを発
生する。路程カウンタ１０は、ワンショット回路１１の
出力によりトリガされ、外部または内部から供給される
クロックのカウントを開始する。これをカウントするこ
とで励振パルス発生からエコー受信までの時間カウント
を行う。そして、ゲート・ビーク検出回路９から出力さ
れるエコー検出信号でそのカウントを停止してカウント
した時間値を演算処理装置１２に送出する。

ここで得られる時間値は、６個の圧電素子が励振パルス
を発生し、そのエコー受信信号が同じ６個の圧電素子に
得られたときのエコーに対するものであり、各圧電素子
がシフトされるタイミングに応じて順次このような時間
値がここで検出される。

そこで、第１図のように、試験片１がアークアレイ形プ
ローブ２により探傷され、アークアレイ形プローブ２の
各圧電素子が走査（圧電素子のシフト）されたときには
、円弧状の空隙等の反射部分１ａをカバーする範囲に亙
って縦断面方向の探傷がなされる。このとき、この走査
（圧電素子のシフト）に対応してそれぞれの時間値が路
程カウンタ１０に得られる。

演算処理装置１２は、内部にマイクロプロセッサとメモ
リ等を内蔵していて路程カウンタ１０から圧電素子の走
査（圧電素子のシフト）に応じて順次得られる時間値に
対して操作パネル１３から人力された音速を掛けて路程
を算出する。この場合に算出される路程は、縦波と横波
とでは異なる。

そこで、演算処理装置１２は、コントローラ７から圧電
素子２ａｔ　２ｂ＋　　・・・・２ｎを駆動する制御信
号を受けてそれをカウントすること（コントローラ７か
らのこの制御信号をに応じて圧電素子のシフトも行われ
る。）で得られる縦波、横波の探傷タイミングを検出し
、それに応じて縦波あるいは横波のそれぞれの音速を掛
け、さらに、その屈折角に応じてそれぞれの表面からの
距離を算出してメモリに記憶していく。

メモリに記憶された各距離データは、演算処理装置１２
でプログラム処理により表示データに展開され、それが
ＣＲＴディスプレイ（ＣＲＴ）１４に送出され、第３図
（ｂ）に示すような測定映像（ただし、図ではアークア
レイ形プローブ２と測定角度範囲を示すＡ、Ｂ、Ｃ，Ｄ
とが参考のために追加されている。）として表示される
。

同図（ｂ）に示されるように、測定映像は、通常、２つ
の円弧となる場合がある。これは、多くの場合、縦波に
対して横波の音速設定が正しくないからである。また、
圧電素子の縦波と横波の駆動範囲が正しくないと２つの
弧の一部が二重線となり、重なる領域が生じたり、離れ
たりする。これは、縦波と横波の駆動する範囲が適切で
ないからである。

アークアレイ形プローブ２は、第３図（ａ）に示すよう
に、先端の入射点２ｐを通る中心軸線Ｏに対してほぼ入
射角θｌの範囲が縦波発生領域となっていて、入射角θ
２の範囲を越えた範囲が横波発生領域となっている。そ
して、それぞれの入射角θｌ、θ２は、探傷対象となる
被検体の音響特性とアークアレイ形プローブ２の音響特
性の関係、温度等の測定条件で決定され、必ずしも計算
により正確に求めることはできない。

そこで、音速や縦波、横波の圧電素子駆動範囲（入射角
０〜θｌと入射角θ２以降により決定される駆動圧電素
子の範囲）等をある程度実際に一致するように選択して
、第１図に示すよな円弧状の空隙等の反射部分１ａ（エ
コー発生部）が存在する試験片１を探傷する。その結果
、アークアレイ形プローブ２が発生する超音波のうち第
３図（ｂ）に示す縦波領域（Ａ−Ｂの範囲）と横波領域
（Ｃ−Ｄの範囲）が重複あるいは不連続となり、重複し
ているときにはその重複部分（Ａ−Ｄの範囲）が表示画
面上に現れる。しかも、特に、横波による探傷結果の測
定映像は、その音速と屈折角の設定の仕方次第で縦波の
映像に対して前後にその表示位置がずれる。一方、縦波
の音速設定値は、入射角も小さく、−数的に材質と温度
等で比較的正確に捉えられるので正確な値を選択し易い
。なお、縦波領域（Ａ−Ｂの範囲）と横波領域（Ｃ〜Ｄ
の範囲）との間に探傷できない範囲が生じたときには前
記の２つの円弧の測定映像は、相互に離れたものとなる
。

このような表示状態は、試験片１の、主として、その材
質により設定した音速、圧電素子駆動範囲（入射角Ｏ〜
θ１と入射角θ２以降）、そして屈折角が、当初の判断
より多少変わっている場合であって、それにより同図の
ように、Ａ−Ｄの境界部分で二重表示され、Ｂスフ−１
画像にずれが生じる。

音速についていえば、入射点１ｂより、反射部分１ａが
等距離でありながら、入射角Ｏ〜θｌの駆動領域選択で
設定される縦波探傷範囲（Ａ−Ｂ）で予定した縦波音速
で算出した距離と入射角θ２以降の駆動領域選択で設定
される横波探傷領域（Ｃ−Ｄ）で予定した横波音速で算
出した距離とがちがうため、範囲Ａ−Ｄ間で前後にずれ
が生じている。さらに、Ａラインの角度およびＤのライ
ン角度についても予定した位置よりずれるために図のよ
うな重なり状態のＢスコープとなる。そして、これによ
り音速およびアークアレイ形プローブ２の圧電素子にお
ける縦波、横波の設定領域に不都合があることが明瞭に
なる。

ここで、縦波、横波の音速、そしてこれらの駆動範囲の
選択（入射角Ｏ〜θｌと入射角ｅ２以降）と同時に駆動
する圧電素子の数は、操作１寸ネル１３を介して演算処
理装置１２に数値設定することで変更できる。操作パネ
ル１３は、操作面に設けられたキーやダイヤル等の外部
操作に応じて縦波。

横波の音速、そしてこれらの駆動範囲の選択、さらに必
要に応じて同時に駆動する圧電素子の数についての各設
定値を発生してそれを演算処理装置１２に入力する。こ
れによる設定値の出力は、演算処理装置１２を介して圧
電素子選択回路４およびコントローラ７にそれぞれ送出
されて、それに応じた測定画像を次に得ることができる
。

そこで、操作パネル１３上のダイヤルまたはデジタルス
イッチ等を調整して横波の音速、必要に応じて縦波の音
速の調整、また、縦波、横波の圧電素子駆動範囲を設定
しなおし、さらに、屈折角の設定をしなおし、また、同
時に駆動する圧電素子の数を変更することなどで、第３
図（Ｃ）にボすような正しいＢスフ−１画像にすること
ができる。これによりアークアレイ形プローブ２に対す
る正しい駆動条件を選択して設定することができる。こ
のように、内部に円弧状の反射部分１ａを有する試験片
１を用いることにより、音速値および範囲、屈折角等の
調整を行うことが比較的容易になる。そして、このよう
にして設定されたアークアレイ形プローブ２により試験
片１と同様な材質の部材に対して超音波探傷を行うこと
で正確な測定をすることができる。

以上説明してきたが、実施例の試験片における円弧の位
置は、−例であって、入射点を中心とする円の一部で、
かつ、縦波と横波を受けるような位置に配置されていれ
ば、どこに形成してもよい。

また、駆動範囲や同時駆動数、音速、屈折角等の各入力
値をプログラム処理により関連付けして順次選択できる
ように、例えば、テーブル化しておき、このプログラム
中の定数化された数値を順次変更することにより、第３
図（Ｃ）のＢスフ−１画像に調整することもできる。

さらに、表示像に対応する画面メモリの画素から２つの
円弧の重複量と重複部分の相互の間隔（あるいはそれぞ
れの円弧の半径）をプログラム処理にて算出してプロー
ブの圧電素子に対する駆動範囲とそれぞれの音速を算出
するようにしてもよい。

実施例では、アークアレイ形プローブの例を挙げている
が、電子スキャンは、通常の直線上に配列した素子のプ
ローブでも可能であり、その際にもその走査角度に応じ
て縦波と横波が発生するので、この発明はアークアレイ
形に限定されるものではない。

［発明の効果コ このように、この発明にあっては、アークアレイ形プロ
ーブを用いて、Ｂスフ−１画像を得ようとする場合、円
弧状の現実に連続した反射体を持つ試験片を超音波探傷
し、Ｂスコープとしてずれて表示されるのをその表示が
正しい円弧状になるように調整するようにしているので
、縦波、横波を利用してＢスキャンを行うアークアレイ
形プローブの駆動条件の調整を簡単に行うことができる
。

このように調整された探傷器により、試験片と同材質の
被検体を探傷し、Ｂスコープ像を表示すれば、正しい画
像を観測することができ、より正確な超音波探傷を行う
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明のアレイ形プローブを用いる超音波
映像探傷装置を適用した一実施例の超音波映像探傷装置
のブロック図、第２図は、そのアークアレイ形プローブ
の音速調整等に用いられる試験片の縦断面図、第３図（
ａ）は、そのアークアレイ形プローブの説明図、第３図
（ｂ）および（Ｃ）は、それぞれ第２図の試験片の測定
映像の説明図である。 １・・・試験片、２・・・アークアレイ形プローブ、３
・・・スイッチ回路、４・・・駆動素子選択回路、５・
・・パルサ、６・・・レシーバ、７・・・コントローラ
、８・・・ミキサ、９・・・ゲート・ビーク検出回路、
ＩＯ・・・路程カウンタ、１１・・・ワンショット回路
、１２・・・演算処理装置、１３・・・操作パネル、１
４・・・ＣＲＴディスプレイ（ＣＲＴ）。 第３図（０）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数の振動子を円弧状に配列したアレイ形の超音
   波探触子により縦波と横波とを発生させて縦断面方向に
   超音波探傷を行い、測定結果をディスプレイ上に映像表
   示する超音波映像測定装置において、測定対象と同じ材
   質で縦断面における形状が円弧状であるエコー発生部を
   有する試験片と、この試験片の前記円弧状のエコー発生
   部を探傷して前記縦波による探傷範囲と前記横波による
   探傷範囲とが前記円弧状のエコー発生部において一部重
   複する縦断面映像が得られるように前記超音波探触子を
   駆動し、前記ディスプレイ上に表示された前記縦断面映
   像の前記円弧上のエコー発生部の表示状態が連続するよ
   うに前記縦波と前記横波のそれぞれの音速を選択するこ
   とを特徴とするアレイ形超音波探触子を用いる超音波映
   像探傷装置。
2. （２）ディスプレイ上に表示された前記縦断面映像の前
   記円弧上のエコー発生部の表示状態が連続し、かつ、重
   複しないように縦波と横波のそれぞれの音速と複数の振
   動子の駆動範囲とを選択することを特徴とする請求項１
   記載のアレイ形超音波探触子を用いる超音波映像探傷装
   置。