JPH0623742B2

JPH0623742B2 - 超音波検査装置

Info

Publication number: JPH0623742B2
Application number: JP63220458A
Authority: JP
Inventors: 芳彦瀧下
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1988-09-05
Filing date: 1988-09-05
Publication date: 1994-03-30
Anticipated expiration: 2009-03-30
Also published as: DE68928953D1; US5117697A; EP0396761B1; WO1990002945A1; JPH0269654A; EP0396761A1; EP0396761A4

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、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から放射される超音
波で走査して検査が実施される。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イ探触子が
実用化されている。以下、このようなアレイ探触子を用
いた超音波検査装置について説明する。

第５図は従来の超音波検査装置のスキヤナ部の斜視図、
第６図（ａ），（ｂ）はアレイ探触子の平面図および側
面図である。各図で、１は検査のための水槽、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はスキヤナを示し、以下の部材より成る。
即ち、５は水槽１を載置するスキヤナ台、６はスキヤナ
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に装着されたポール、１０はアレイ探触子である。
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
てアレイ探触子１０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。

アレイ探触子１０は多数の微小な圧電素子（以下これら
圧電素子をアレイ振動子と称する）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
イ振動子はパルスを与えられると超音波を放射し、その
超音波の被検材３からの反射波をこれに比例した電気信
号に変換する。第６図（ａ），（ｂ）に各アレイ振動子
が符号１０_１〜１０_ｎ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
ツチ、ＸＰはＸ軸方向のサンプリングピツチを示す。
又、ＡＰは各アレイ振動子１０_１〜１０_ｎ相互のピツチ
を示す。１１はアレイ探触子１０等を収納するケースで
ある。

ここで、上記各図に示すアレイ探触子１０の機能の概略
を第７図（ａ），（ｂ）を参照しながら説明する。第７
図（ａ）で、Ｔ_１〜Ｔ_９は一列に配置されたアレイ振動
子、Ｄ_１〜Ｄ_９は各アレイ振動子Ｔ_１〜Ｔ_９に接続され
た遅延素子、ｐは各アレイ振動子Ｔ_１〜Ｔ_９に入力され
るパルスである。遅延素子Ｄ_１，Ｄ_９の遅延時間
（ｔ₁₉）は等しく設定されている。同じく、遅延素子Ｄ
₂,Ｄ_３の遅延時間（ｔ₂₈）、遅延素子Ｄ_３，Ｄ_７の遅延
時間（ｔ₃₇）、遅延素子Ｄ_４，Ｄ_６の遅延時間（ｔ₄₆）
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Ｄ_５の遅延時間をｔ_５と
すると次式の関係にある。

ｔ₁₉＜ｔ₂₈＜ｔ₃₇＜ｔ₄₆＜ｔ_５………（１）今、各遅延素子Ｄ_１〜Ｄ_９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、アレイ振動子Ｔ₁〜Ｔ₉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つて、アレイ振動子
Ｔ_１，Ｔ_９から最も早く、又、アレイ振動子Ｔ_５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
放射状に拡がつて進行するが、各アレイ振動子の放射超
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７図（ａ）でこの地点が符号Ｆで示されている。この
地点Ｆにおける超音波の大きさは他の地点の超音波の大
きさに比較してに大きいので、恰も各アレイ振動子Ｔ_１〜Ｔ_９からの超
音波が破線に示すように地点Ｆ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イ振動子から
の超音波放射に適切な遅延を与えてやれば、それらの超
音波を地点Ｆ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Ｆを焦点と称する。さらに述べると、
アレイ振動子Ｔ_１〜Ｔ_９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Ｂ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
Ｂ′）で示すようにより長い焦点Ｆ′に移行する。した
がつて、各遅延素子Ｄ_１〜Ｄ_９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の検査に適用する場合、検査部位の深さを
選択することができる。

第７図（ｂ）は第６図（ａ），（ｂ）に示すアレイ探触
子１０の機能の説明図である。この図で、１０_１〜１０
_ｎは第６図（ａ）に示すものと同じアレイ振動子であ
り、各アレイ振動子１０_１〜１０_ｎ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個のアレイ振動子１０_１〜１０_ｍ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５図(ｂ) に符号Ｆ_１、又、
みかけ上の超音波ビームが符号Ｂ_１で示されている。次
に、アレイ振動子を１つずらして同じくｍ個のアレイ素
子１０_２〜１０_m+1 に対して、前回のアレイ振動子１０
_１〜１０_ｍ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Ｆ_２で、超音波ビーム
が符号Ｂ_２で示されている。以下、アレイ振動子を１つ
ずつ順に切換えてゆき、最後にアレイ振動子１０_n-m+1
〜１０_ｎを選択して、同じパターンの遅延時間を与え、
焦点Ｆ_n-m+1 ，超音波ビームＢ_n-m+1 を得る。このよう
な手段により、結果的にはアレイ探触子１０によつて焦
点Ｆ_ｉ〜Ｆ_n-m+1 までの超音波による走査が実行された
ことになる。このような走査は電子的に高速をもつて行
なわれるので、以下電子走査と称する。なお、第７図
（ｂ）で、ＡＰはアレイ振動子ピツチ、ＳＰはサンプリ
ングピツチを示し、図示の場合両者は等しい。

次に、上記アレイ探触子を用いた超音波検査装置の制御
部について説明する。この説明では、被検材の検査すべ
き範囲におけるＸ軸方向の長さを１２０mm、アレイ探触
子１０におけるアレイ振動子数を１２８、アレイ振動子
ピツチを１mm、同時に励振されるアレイ振動子数を８個
とし、ビーム本数１２１本で被検材のＸ軸方向の走査を
行なう場合を例示する。第８図は上記のようなアレイ振
動子の配列図である。図で、１０はアレイ探触子、１０
_１〜１０₁₂₈ はアレイ振動子、Ｂ_１〜Ｂ₁₂₁ は超音波ビ
ームを示す。図の各アレイ振動子１０_１〜１０₁₂₈ には
それぞれ１番〜１２８番の番号が付されている。１１は
制御部である。

第９図は第８図に示す制御部１１のブロツク図である。
図で、１０はアレイ探触子を示す。１２はマイクロプロ
セツサ、１３は超音波ビームＢ_１〜Ｂ₁₂₁ を発生させる
各アレイ振動子の励振を前述のように所定時間遅延させ
る送信遅延回路である。送信遅延回路１３は各超音波ビ
ームＢ_１〜Ｂ₁₂₁ に対して１つだけ設けられている。１
４はマトリクス回路、１５は分配器であり、これらは送
信遅延回路１３を各超音波ビームＢ_１〜Ｂ₁₂₁ に共通に
使用するために設けられる。１６は送受信回路であり、
アレイ探触子１０の各アレイ振動子１０_１〜１０₁₂₈ に
励振用のパルスを出力するとともに、それら各アレイ振
動子１０_１〜１０₁₂₈ からの反射波信号を受信する。マ
トリクス回路１４，分配器１５および送受信回路１６の
構成については、それぞれ第１０図、第１１図および第
１２図によりさらに詳細に説明する。１７はシフトレジ
スタ回路であり、送受信回路１６を、１つの超音波ビー
ムを形成するために使用される８個のアレイ振動子に順
次接続してゆく機能を有する。１８は分配器１５におけ
る入力と出力を逆にした構成の加算器、１９はマトリク
ス回路１４と同じ構成のマトリクス回路である。２０は
波形加算回路であり、マトリクス回路１９から出力され
る８つの信号を、位相を一致させた後加算する。波形加
算回路２０の出力は適宜処理された後、所望の態様で表
示され、これに基づいて被検材の欠陥の有無が判断され
る。

次に、上記制御回路１１の動作を第１０図、第１１図お
よび第１２図を参照しながら順次説明する。

（Ｉ）送信送延回路１３およびマトリクス回路１４の動
作第１０図はマトリクス回路１４を中心とする回路図であ
り、第９図に示す部分と同一部分には同一符号が付して
ある。大文字Ａ〜Ｈは送信遅延回路１３の出力端子、小
文字ａ〜ｈは分配器１５の入力端子を示す。送信遅延回
路１３には第７図（ａ）に示すものと同じような遅延素
子が８つ備えられている。これら８つの遅延素子は１つ
の超音波ビームを形成する８つのアレイ振動子に対応す
る。

超音波ビームが最適位置に焦点を形成するように、マイ
クロプロセツサ１２により８つの遅延素子の遅延時間が
設定された後、送信遅延回路１３が励起されると、その
各出力端子Ａ〜Ｈからは順次遅延されたパルスが出力さ
れる。この場合、各出力端子Ａ〜Ｈは超音波ビームを形
成する８つのアレイ振動子の配列順に対応しており、そ
の遅延時間は端子Ａ，Ｈからの出力パルスが最も短か
く、以下端子Ｂ，Ｇ、端子Ｃ，Ｆ、端子Ｄ，Ｅと順次長
くなる。

マトリクス回路１４は一般に使用されている形態のもの
であり、送信遅延回路１３からの８本の入力線、これと
交叉する８本の出力線、および交叉する入力線と出力線
とを選択的に接続するスイツチング素子（図示されてい
ない）により構成される。これらスイツチング素子は６
４個(８×８)備えられており、マイクロプロセツサ１２
によりスイツチング動作が制御される。又、上記８本の
出力線はそれぞれ分配器１５の入力端子ａ〜ｈに接続さ
れている。

今、マイクロプロセツサ１２の指令により、マトリクス
回路１４における四角印が記入された部分のスイツチン
グ素子が導通状態、他が遮断状態とされると、送信遅延
回路１３の出力端子Ａ〜Ｈは順に分配器１５の入力端子
ａ〜ｈに接続される。これにより、入力端子ａ，ｈに最
短遅延時間、入力端子ｄ，ｅに最長遅延時間が設定され
る遅延時間の第１の組合せができる。この第１の組合せ
は、超音波ビームＢ_１を形成するアレイ振動子１０_１〜
１０_８の組合せに対応する。

次に、マイクロプロセツサ１２が三角印部分のスイツチ
ング素子のみを導通状態とすると、端子Ａ〜Ｈは順に端
子ｂ〜ｈ，ａに接続される。したがつて、端子ｂ，ａに
最短時間、端子ｅ，ｆに最長時間が設定される第２の組
合せができる。この第２の組合せは、超音波ビームＢ_２
を形成するアレイ振動子１０_２〜１０_９の組合せに対応
する。丸印部分のスイツチング素子のみを導通状態とす
ると、超音波ビームＢ_３を形成するアレイ振動１０_３〜
１０₁₀の組合せに対応する第３の組合せができる。以下
同様にして順次スイツチング素子を作動させてゆくと、
入力端子ａ〜ｈに第８の組合せまで形成され、次の第９
の組合せは第１の組合せと同一遅延時間の組合せとな
る。このような組合せが連続して繰返し形成されてゆ
く。

（II）分配器１５の動作第１１図は分配器１５の回路構成を示す回路図である。
図で、ａ〜ｈは第１０図に示すものと同じ分配器１５の
入力端子である。又、数字１〜１２８は分配器１５の第
１番〜第１２８番の出力端子を示し、これの各出力端子
はアレイ振動子１０_１〜１０₁₂₈ に対応する。入力端子
ａに入力された遅延パルスは図示のようにこの入力端子
ａに接続された第１番〜第１２１番の出力端子に分配さ
れる。同じく、入力端子ｂ〜ｈに入力された遅延パルス
はそれらに接続されている図示の各出力端子にそれぞれ
分配される。ここで、各出力端子第１番〜第１２８番は
後述するように送受信回路１６のパルサをトリガするト
リガ回路に接続されており、これらトリガ回路は順番に
８つ同時に導通状態とされ、これが１つずつずらされて
ゆく。したがつて、全出力端子のうちの連続する８つの
出力端子のみが有効に遅延トリガ信号を出力することと
なり、これを各入力端子ａ〜ｈについてみると、これら
に接続されている出力端子のうち常に１つのみが遅延ト
リガ信号を出力することになる。

例えば、アレイ振動子１０_１〜１０_８によりビームＢ_１
を形成する場合、第１番〜第８番の出力端子に接続され
たトリガ回路が導通状態となるので、第１番、第８番の
出力端子からは最短遅延時間のパルスが、又、第４番、
第５番の出力端子からは最長遅延時間のパルスが出力さ
れることになる。次いで、アレイ振動子１０_２〜１０_９
によりビームＢ_２を形成する場合、今度は第２番〜第９
番の出力端子に接続されたトリガ回路が導通状態とな
る。一方、これと同時に第１０図に示すマトリクス回路
１４は四角印から三角印の位置のスイツチング素子へ作
動が移り、当該各スイツチング素子が導通状態となるの
で、入力端子ｂ，ａに最短遅延時間のパルス、入力端子
ｅ，ｆに最長遅延時間のパルスが入力される。この結
果、第２番、第９番の出力端子に最短遅延時間のパルス
が、第５番、第６番の出力端子に最長遅延時間のパルス
がそれぞれ出力される。

このように、各出力端子に接続されている前記トリガ回
路の導通状態が１つずつずらされてゆくと同時に、入力
端子ａ〜ｈの遅延時間も１つずつずらされてゆく。この
ため、超音波ビーム形成のため用いられる８つのアレイ
振動子は常に前記（１）式の関係を保持した遅延時間に
より励振されることになる。

（III）送受信回路１６およびシフトレジスタ回路１７
の動作第１２図は送受信回路１６を中心とする回路図である。
図で、第９図に示す部分と同一部分には同一符号が付し
てある。Ｘ_１〜Ｘ₁₂₈ はアンド回路、Ｐ_１〜Ｐ₁₂₈ はパ
ルサ回路、Ｒ_１〜₁₂₈ はレシーバ回路である。各アンド
回路、各パルサ回路、各レシーバ回路は各アレイ振動子
１０_１〜１０₁₂₈ のそれぞれに対して１つずつ設けられ
ている。アンド回路Ｘ_１〜Ｘ₁₂₈ の一方の入力端子は分
配器１５の第１番〜第１２８番の出力端子に接続されて
おり、又、他方の入力端子はシフトレジスタ回路１７の
第１番〜第１２８番の出力端子に接続されている。この
アンド回路Ｘ_１〜Ｘ₁₂₈ は前記（II）の分配器１５の動
作の説明において述べたように、パルサ回路Ｐ_１〜Ｐ
₁₂₈ をトリガするトリガ回路を構成する。シフトレジス
タ回路１７の第１番〜第１２８番の出力端子は、上記の
ようにアンド回路Ｘ_１〜Ｘ₁₂₈ に接続されるとともに、
レシーバ回路Ｒ_１〜Ｒ₁₂₈ にも接続される。又、レシー
バ回路Ｒ_１〜Ｒ₁₂₈ の出力端子は加算器１８の第１番〜
第１２８番の対応する入力端子に接続される。

シフトレジスタ回路１７は、マイクロプロセツサ１２の
指令により、８つの連続する出力端子から同時にパルス
を出力するとともに、これら出力端子を１つずつずらし
てゆく。今、アレイ振動子１０_１〜１０_８により超音波
ビームＢ_１を形成する場合、シフトレジスタ回路１７の
第１番〜第８番の出力端子からパルスが出力され、アン
ド回路Ｘ_１〜Ｘ_８の一方の入力端子は高レベルとされ
る。それと同時にレシーバ回路Ｒ_１〜Ｒ_８がトリガさ
れ、それら各レシーバ回路が作動状態になる。このと
き、分配器１５の第１番〜第８番の出力端子からは前述
のように所定時間遅延されたパルスが出力されるので、
アンド回路Ｘ_１〜Ｘ_８の他方の入力端子は、分配器１５
の第１番〜第８番のパルスの遅延時間後に高レベルとな
り、この時点でそのアンド回路が導通状態となつて対応
するパルサ回路をトリガするトリガ信号を出力する。さ
きの分配器１５の説明で述べたように、この場合、その
第１番、第８番の出力端子からの出力が最も早く、第４
番、第５番の出力端子からの出力が最も遅いので、パル
サ回路Ｐ_１〜Ｐ_８のパルス出力もそれに応じ、結局、ア
レイ振動子１０_１，１０_８が最も早く励起され、アレイ
振動子１０_４，１０_５が最も遅く励起され、これにより
所期の超音波ビームＢ_１が形成される。

この超音波ビームＢ_１が被検材に放射されると、その反
射波は各アレイ振動子１０_１，１０_８に入射されてそれ
に応じた電気信号に変換される。このようにして各アレ
イ振動子１０_１，１０_８から出力された反射波信号はそ
れぞれレシーバ回路Ｒ_１〜Ｒ_８で増幅された後、加算器
１８の第１番〜第８番の入力端子に入力される。この場
合、各アレイ振動子１０_１〜１０_８に入射する反射波
は、当然、アレイ振動子１０_１，１０_８への入射が最も
早く、アレイ振動子１０_４，１０_５への入射が最も遅
い。したがつて、加算器１８の第１番、第８番の入力端
子へ入力される反射波信号が最も早く、第４番、第５番
の入力端子へ入力される反射波信号が最も遅くなる。

超音波ビームＢ_１の形成に次いで、シフトレジスタ回路
１７の出力は１つシフトされ、第２番〜第９番の８つの
出力端子からパルスが出力され、一方、分配器１５の出
力端子に現れる遅延パルスの遅延の態様も前述のように
１つシフトされた態様となる。即ち、第２番、第９番の
出力端子からは最短遅延時間で遅延パルスが出力され、
第４番、第５番の出力端子からは最長遅延時間で遅延パ
ルスが出力される。したがつて、アレイ振動子１０_２〜
１０_９はこれに応じた遅延時間で励起され、所望の超音
波ビームＢ_２が形成される。そして、それによる反射波
信号は、対応するレシーバ回路Ｒ_２〜Ｒ_９で増幅され、
加算器１８の第２番〜第９番の入力端子に、遅延時間に
応じた時間差で入力される。以下、順次同様の動作で加
算器１８の入力端子に反射波信号が入力されてゆく。

（IV）加算器１８、マトリクス回路１９および波形加算
回路２０の動作第１２図に示すように、加算器１８には、レシーバ回路
Ｒ_１〜Ｒ₁₂₈ に接続された第１番〜第１２８番の入力端
子が備えられている。ところで、加算器１８は分配器１
５の回路構成と同じ回路構成を有し、ただ、入力と出力
の関係が逆になるだけである。したがつて、第１１図に
おける第１番〜第１２８番の端子が加算器１８の入力端
子となり、端子ａ〜ｈは加算器１８の出力端子となる。
前述のことから明らかなように、反射波信号が入力され
るのは連続する８つのレシーバ回路のみであるので、加
算器１８の１２８個の入力端子のうち反射信号が入力さ
れるのは８つの連続する入力端子のみである。したがつ
て、出力端子ａ〜ｈのそれぞれに属する入力端子のうち
の１つのみに反射波信号が入力されることになる。

さきの例にしたがうと、超音波ビームＢ_１が放射された
とき、反射波信号は加算器１８の第１番〜第８番の入力
端子に入力され、これら信号はそのまま出力端子ａ〜ｈ
から出力される。又、超音波ビームＢ_２が放射されたと
き、反射波信号は加算器１８の第２番〜第９番の入力端
子に入力され、そのまま出力端子ａ〜ｈから出力され
る。

次に、マトリクス回路１９は第１０図に示すものと同じ
回路構成を有し、ただ、出力端子と入力端子が逆になる
だけである。即ち、マトリクス回路１９の入力端子は第
１０図に示すａ〜ｈであり、これら入力端子ａ〜ｈは加
算器１８の出力端子ａ〜ｈの対応する端子に接続され
る。又、マトリクス回路１９の各スイツチング素子の切
換の態様もマトリクス回路１４の切換の態様と同じであ
る。即ち、超音波ビームＢ_１の反射波信号が入力端子ａ
〜ｈに入力されたとき、マトリクス回路１９のスイツチ
ング素子のうち、第１０図に示す四角印の位置のものが
導通状態とされるのでそれら反射波信号は対応する出力
端子Ａ〜Ｈから出力される。同様に、超音波ビームＢ_２
の反射波信号が入力端子ａ〜ｈに入力されたとき、三角
印の位置のスイツチング素子が導通状態とされ、入力端
子ａ〜ｈの反射波信号は出力端子Ｈ、Ａ〜Ｇから出力さ
れることになる。

ここで、超音波ビームＢ_１，Ｂ_２，Ｂ_３について、それ
らの反射波信号の加算器１８における入力端子、マトリ
クス回路１９における入力端子と出力端子の関係を示す
と次表のようになる。

上記の表から明らかなように、励起されている連続する
８つのアレイ振動子からの反射波信号は、それらアレイ
振動子がどのように選択されても、常に当該アレイ振動
子の配列順に、マトリクス回路１９の出力端子Ａ〜Ｈか
ら出力される。

出力端子Ａ〜Ｈから出力された反射波信号は波形加算回
路２０に入力される。波形加算回路２０には上記出力端
子にそれぞれ接続される遅延回路およびこれら遅延回路
から出力される反射波信号を加算する加算回路（いずれ
も図示されていない）が備えられている。上記各遅延回
路は、位相が異なる反射波信号の位相を一致させ、各反
射波信号を上記加算回路において同位相で加算させるた
めに設けられる。前記（１）式にしたがい、８つのアレ
イ振動子の両端のものからは最も遅く反射波信号が出力
され、中央部のものからは最も早く反射波信号が入力さ
れるので、マトリクス回路１９の出力端子Ａ，Ｈに接続
される遅延回路の遅延時間は最も短く、出力端子Ｄ，Ｅ
に接続される遅延回路の遅延時間は最も長かい。このよ
うにして各遅延回路に適切な遅延時間が設定されると、
これら各遅延回路から出力される反射波信号の位相は一
致せしめられ、加算回路においてこれら反射波信号は同
一位相で加算される。

以上、制御回路１１の動作について説明した。この制御
回路１１からの出力は、各超音波ビームの反射波信号で
ある。この反射波信号に基づいて被検材における欠陥の
有無等が判断される。この判断に好適な処理の一例を以
下に説明する。

制御回路１１で得られた反射波信号は、ピーク検出回路
に入力され、そのピーク値が検出される。検出されたピ
ーク値はＡ／Ｄ変換器によりデイジタル値に変換された
後、画像処理装置に入力される。画像処理装置では当該
ピーク値が設定された閾値を越える値であるか否かを判
断し、超える場合は例えば低レベル信号、閾値以下の場
合は高レベル信号を表示装置に出力する。これにより表
示装置には、例えば欠陥が存在する場合には黒レベル、
存在しない場合には白レベルの表示がなされる。そし
て、各ビーム毎にこのような処理がなされるので、アレ
イ探触子１０による超音波ビームＢ_１〜Ｂ₁₂₁ のＸ軸方
向の電子走査およびこのアレイ探触子１０をＹ軸方向に
移動させる機械的走査により、被検材のある深さの平面
断面における全体の欠陥の有無等が表示装置に平面的に
明瞭に表示されることになる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来の超音波検査装置は、上述のように、極めて明
確に被検材の欠陥の有無を検査することができる。とこ
ろで、上記超音波検査装置により多量の被検材の検査を
行なう場合、その検査速度をさらに速くしたいという強
い要望が提出されているが、当該超音波検査装置の検査
速度は１回の電子走査に要する時間、即ち、（超音波ビ
ームの本数）×（スイツチング速度）により制約され
る。ここで、スイツチング速度は通常アレイ振動子を励
振するパルサと繰返し速度（周波数）に等しくされてい
る。したがつて、上記時間の短縮は望めず、被検材のＸ
軸方向（電子走査方向）の検査範囲が大きければ超音波
ビームの本数も増大し、検査時間も必然的に増大すると
いう問題があつた。

本発明の目的は、上記従来技術における課題を解決し、
電子走査時間、ひいては被検材の検査時間を大幅に短縮
す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、本発明者は、まず、アレイ
振動子を複数個ずつに区分し、これら各区分毎に従来装
置と同じ制御回路を接続することを考えた。しかしなが
ら、超音波ビームの形成に複数個のアレイ振動子が使用
されるので、必然的に、隣接する区分間で超音波ビーム
が欠落するという問題が生じる。本発明者は、さらに検
討を重ねた結果、上記のような超音波ビームの欠落を生
じず、しかも電子走査時間を大幅に短縮する手段を発明
した。即ち、本発明は、列状に配置された多数のアレイ
振動子より成るアレイ探触子と、前記アレイ振動子の複
数に遅延パルスを印加してこれらアレイ振動子を一組と
して励振させるパルサと、前記一組のアレイ振動子によ
る超音波ビームの反射波信号を一組として受信するレシ
ーバとを備え、前記アレイ振動子の励振を順次シフトし
て超音波ビームによる走査を行なう超音波検査装置にお
いて、前記アレイ振動子の列を複数の領域と、隣接する
前記領域間に重なる中間部とに区分するとともに、前記
各領域に属するアレイ振動子の前記励振する一組を選択
シフトする領域選択手段と、前記各領域とこれに重なる
中間部に属するアレイ振動子であって同時に励振されな
いレシーバに接続される入力端子およびこれら入力端子
の入力信号を出力する１つの出力端子より成る入出力部
と、前記中間部に属するアレイ振動子のレシーバを隣接
するいずれかの領域に属させるための領域変更手段とを
設けたことを特徴とする。

［作用］多数個配列されたアレイ振動子列に対して、複数の領
域、および隣接する領域間に重複する中間部が定められ
る。これにより、各アレイ振動子およびこれに接続され
るパルサとレシーバはいずれかの領域、又はいずれかの
領域と中間部とに重なって属することとなる。領域選択
手段により、各領域の最初の一組のアレイ振動子が遅延
をもって励振され、このアレイ振動子の励振が順次シフ
トされる。アレイ振動子の励振により超音波ビームが放
射され、その反射波がレシーバで受信され、この受信信
号は入出力部の入力端子に入力され、出力端子から出力
される。各領域に対応する入出力部の出力信号を処理す
ることにより、被検材の超音波像が得られる。上記の動
作中、中間部に属するアレイ振動子のレシーバの信号
は、領域変更手段により、重なっている領域のいずれか
一方から他方へ所定の時点で属せしめられ、これによ
り、領域間の信号の欠落が防止される。

〔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図は本発明の実施例に係る超音波検査装置のブロツ
ク図、第２図は第１図に示す実施例で用いられるアレイ
振動子の励振方法の概念を説明するアレイ振動子の配列
図である。本実施例においても、さきに挙げた例と同じ
く、アレイ振動子数１２８、アレイ振動子ピツチ１ｍ
ｍ、同時励振アレイ振動子数８、超音波ビーム本数１２
１の場合について説明する。

最初、第２図により本実施例の励振方法の概念を説明す
る。第２図で、１０はアレイ探触子、１０_１〜１０₁₂₈
はアレイ振動子で、これらは従来のものと同じである。
２５は本実施例の制御回路であり、その構成は第１図に
示されている。本実施例では、アレイ振動子励振の場
合、１２８個のアレイ振動子を４つの領域Ｋ_１，Ｋ_２，
Ｋ_３，Ｋ_４に区分する。Ｋ₁₂，Ｋ₂₃，Ｋ₃₄は各領域が重
なる境界部を示す。即ち、各領域Ｋ_１〜Ｋ_４は一部にお
いてアレイ振動子を共有して設定されている。そして、
これら境界部Ｋ₁₂，Ｋ₂₃，Ｋ₃₄のアレイ振動子を電子走
査期間中の所定期間、隣接する一方の領域に属させ、
又、他の期間には他方の領域に属させて励振するように
したものである。

さらに具体的に述べると、領域Ｋ_１はアレイ振動子１０
_１〜１０₄₀で、領域Ｋ_２はアレイ振動子１０₃₃〜１０₇₂
で、領域Ｋ_３はアレイ振動子10₆₅〜１０₁₀₄ で、領域Ｋ
_４はアレイ振動子１０₉₇〜１０₁₂₈ でそれぞれ構成さ
れ、又、境界部Ｋ₁₂はアレイ振動子１０₃₃〜１０₄₀で、
境界部Ｋ₂₃はアレイ振動子１０₆₅〜１０₇₂で、境界部Ｋ
₃₄はアレイ振動子１０₉₇〜１０₁₀₄ でそれぞれ構成され
る。電子走査において境界部Ｋ₁₂，Ｋ₂₃，Ｋ₃₄はそれぞ
れ最初に領域Ｋ_２，Ｋ_３，Ｋ_４に属せしめられて超音波
ビームの形成に関与し、その後はそれぞれ領域Ｋ_１，Ｋ
_２，Ｋ_３に属せしめられて超音波ビームの形成に関与す
る。即ち、電子走査は、最初、領域Ｋ_１のビームＢ_１、
領域Ｋ_２に属せしめられた境界部Ｋ₁₂のビームＢ₃₃、領
域Ｋ_３に属せしめられた境界部Ｋ₂₃のビームＢ₆₅および
領域Ｋ_４に属せしめられた境界部Ｋ₃₄のビームＢ₉₇によ
り同時に開始される。

電子走査が第２図に示す矢印方向に進行し、境界部
Ｋ₁₂，Ｋ₂₃，Ｋ₃₄のアレイ振動子の超音波ビーム形成へ
の関与が終了すると、その後適宜の時期に、境界部Ｋ₁₂
は領域Ｋ_１に、境界部Ｋ₂₃は領域Ｋ_２に、境界部Ｋ₃₄は
領域Ｋ_３に属せしめられる。そして、それら境界部アレ
イ振動子はそれらが属する領域のアレイ振動子ととも
に、継続している電子走査の超音波ビームの形成に関与
する。そして、電子走査は、領域Ｋ_１のアレイ振動子１
０₃₂から境界部Ｋ₁₂のアレイ振動子の１０₃₉の８個で形
成される超音波ビームＢ₃₂、同じく領域Ｋ_２と境界部Ｋ
₂₃のアレイ振動子１０₆₄〜１０₇₁で形成される超音波ビ
ームＢ₆₄、領域Ｋ_３と境界部Ｋ₃₄のアレイ振動子１０₉₆
〜１０₁₀₃ で形成される超音波ビームＢ₉₆、および領域
Ｋ_４のアレイ振動子１０₁₂₁ 〜１０₁₂₈ で形成される超
音波ビームＢ₁₂₁ の放射により終了する。このため、ア
レイ探触子を単純に４つに区分したときに隣接区分間に
生じる超音波ビームの欠落はなくなる。以下、このよう
な電子走査を行なう構成を説明する。

第１図に示すブロツク図で、第９図に示すものと同一部
分には同一符号を付して説明を省略する。２５は本実施
例の制御回路を示す。２６はマイクロプロセツサ、２７
は送受信回路、２８はシフトレジスタ回路である。これ
らはそれぞれ第９図に示す従来装置のマイクロプロセツ
サ１２、送受信回路１６およびシフトレジスタ回路１７
とほぼ同一構成を有するが、アレイ探触子１０の前記区
分に応じた動作を行なう点で相違する。さらに、マイク
ロプロセツサ２６は当該区分の制御の他に、後述するス
イツチング素子の制御を行なう点でも相違する。２９は
加算器・スイツチ回路であり、その構成は後述する。１
９Ｋ_１〜１９Ｋ_４はマトリクス回路、２０Ｋ_１〜２０Ｋ
_４は波形加算回路であり、これらは第９図に示すマトリ
クス回路１９、波形加算回路２０と同一機能を有する。

第３図（ａ）は第１図に示す加算器・スイツチ回路の回
路図である。図で、１〜１２８は加算器・スイツチ回路
２９の入力端子の番号、Ｗ₁₁〜Ｗ₄₈は加算器、Ｓはスイ
ツチを示す。アレイ探触子１０に対応して、加算器・ス
イツチ回路２９も図示のようにブロツクＫ_１′〜Ｋ_４′
および中間部Ｋ₁₂′，Ｋ₂₃′，Ｋ₃₄′に区分されてい
る。即ち、ブロツクＫ_１′は加算器Ｗ₁₁〜Ｗ₁₈より成
り、これら加算器Ｗ₁₁〜Ｗ₁₈に対して第１番〜第３２番
の入力端子が図示の配分で接続されている。さらに、各
加算器Ｗ₁₁〜Ｗ₁₈には、上記各入力端子とともにスイツ
チＳの一方の切換端子が接続されている。他の各ブロツ
クＫ_２′〜Ｋ_４′も同様の構成を有する。又、中間部Ｋ
₁₂′は第３３番〜第４０番の入力端子より成りこれらは
それぞれスイツチＳに接続されている。他の各中間部Ｋ
₂₃′，Ｋ₃₄′も同様の構成を有する。すべてのスイツチ
Ｓはマイクロプロセツサ２６の指令により連動して切換
えられるように構成されており、その切換により中間部
を構成する入力端子をどちのブロツクの加算器の入力端
子として所属させるかが選択される。

次に、本実施例の動作を第３図（ａ）〜（ｄ）に示す加
算器・スイツチ回路２９の回路図を参照しながら説明す
る。最初、加算器・スイツチ回路２９のスイツチＳは第
３図（ａ）に示す位置に切換えられる。したがつて、中
間部Ｋ₁₂′，Ｋ₂₃′，Ｋ₃₄′はそれぞれブロツク
Ｋ_２′，Ｋ_３′，Ｋ_４′に所属せしめられる。分配器１
５から遅延パルスが出力されるまでの動作は従来装置と
同じである。本実施例においては、マイクロプロセツサ
２６の指令により、シフトレジスタ回路２８の第１番〜
第８番、第３３番〜第４０番、第６５番〜第７２番およ
び第９７番〜第１０４番の出力端子から信号が出力され
る。以後、シフトレジスタ回路２８の出力端子は１つず
つ順次シフトされてゆく。即ち、シフトレジスタ回路２
８の出力端子は、第１番〜第３２番、第３３番〜第６４
番、第６５番〜第９６番および第９７番〜第１２８番の
４つに区分され、各区分毎に同時に８つの出力端子から
信号が出力され，かつ、それらの出力端子のシフトが行
なわれる。シフトレジスタ回路２８によるアレイ振動子
に対する領域の区分は、一旦電子走査の方向が決定され
ると変更されることはなく、この点、第２図に示す励振
の場合の領域の区分とは異なることになる。シフトレジ
スタ回路２８は第１番〜第８番、第３３番〜第４０番、
第６５番〜第７２番、第９７番〜第１０４番の出力端子
からの信号により、送受信回路２７の対応するパルサ回
路がトリガされ、対応するアレイ振動子が励振される。
又、対応するレシーバ回路が作動状態となる。したがつ
て、アレイ探触子１０からは４つの超音波ビームＢ_１，
Ｂ₃₃，Ｂ₆₅，Ｂ₉₇が放射され、それら超音波ビーム
Ｂ_１，Ｂ₃₃，Ｂ₆₅，Ｂ₉₇の反射波は励振されたアレイ振
動子に入射され、反射波信号となつて作動状態にあるレ
シーバ回路に入力される。

レシーバ回路から出力される反射波信号は加算器・スイ
ツチ回路２９に入力される。この場合、反射波信号が入
力される加算器・スイツチ回路２９の入力端子は励振さ
れたアレイ振動子、作動状態にあるレシーバ回路に対応
するものであり、第３図（ａ）にその入力端子番号が四
角で囲んで示されている。これら入力端子に入力された
反射波信号は、対応する加算器の他の入力端子に入力が
ないので、そのまま加算器の信号として出力される。即
ち、加算器Ｗ₁₁〜Ｗ₁₈からは第１番〜第８番の入力端子
の入力信号が、加算器Ｗ₂₁〜Ｗ₂₈からは第３３番〜第４
０番の入力端子の入力信号が、加算器Ｗ₃₁〜Ｗ₃₈からは
第６５番〜第７２番の入力端子の入力信号が、又、加算
器Ｗ₄₁〜Ｗ₄₈からは第９７番〜第１０４番の入力端子の
入力信号が、そのまま出力される。

加算器Ｗ₁₁〜Ｗ₁₈の出力信号、即ちブロツクＫ_１′の８
つの出力信号はマトリクス回路１９Ｋ_１を経て波形加算
回路２０Ｋ_１に入力され、図示されない遅延回路により
入力された８つの反射波信号の位相が揃えられた後、加
算器によりそれら反射波信号が加算される。この動作は
従来装置のマトリクス回路１９、波形加算回路２０の動
作と同じである。ブロツクＫ_２′〜Ｋ_４′から出力され
る各８つの反射波信号も同様にしてマトリクス回路１９
Ｋ_２〜１９Ｋ_４、波形加算回路２０Ｋ_２〜２０Ｋ_４によ
り処理される。この結果、超音波ビームＢ_１，Ｂ₃₃，Ｂ
₆₅，Ｂ₉₇の反射波信号に基づく被検材の４つの位置の欠
陥の有無が例えば画像処理装置の表示装置に同時に表示
される。

次に、シフトレジスタ回路２８において、その出力端子
が１つずつずらされ、第２〜９番、第３４〜４１番、第
６６〜７３番および第９８〜１０５番の出力端子から信
号が出力されると、アレイ探触子１０からは超音波ビー
ムＢ_２，Ｂ₃₄，Ｂ₆₆，Ｂ₉₈が放射され、それらの反射波
信号は、第３図（ｂ）に示すように加算器・スイツチ回
路２９の四角で囲まれた入力端子に入力される。以後の
処理は超音波ビームＢ_１〜Ｂ₉₇の反射波信号の処理と同
じである。これにより、被検材の前記４つの位置からそ
れぞれ１ピツチずれた次の位置の超音波像が表示され
る。

このように、順次第２図矢印方向に超音波ビームの電子
走査が進行し、超音波ビームＢ_８，Ｂ₄₀，Ｂ₇₂，Ｂ₁₀₄
までの走査が終了すると、マイクロプロセツサ２６の指
令により加算器・スイツチ回路２９の各スイツチＳはす
べて反対側に切換えられる。これにより、第３図（ａ）
に示す中間部Ｋ₁₂′，Ｋ₂₃′、Ｋ₃₄′の各アレイ振動子
はそれぞれ、ブロツクＫ_１′，Ｋ_２′，Ｋ_３′に所属が
変更される。そして、この切換えの間も電子走査は継続
されている。

電子走査が超音波ビームＢ₂₆，Ｂ₅₈，Ｂ₉₀（ブロツクＫ
_４′における走査は前段の超音波ビームＢ₁₂₁ で終了し
ている）に達すると、それらの反射波信号は第３図
（ｃ）に示すように加算器・スイツチ回路２９の四角で
囲まれた入力端子に入力される。この場合、中間部
Ｋ₁₂′，Ｋ₂₃′，Ｋ₃₄′の入力端子第３３番、第６５
番，第９７番が再び反射波信号の入力に関与してくる。
以下、同様の処理が行なわれる。このようにして継続さ
れる電子走査は、超音波ビームＢ₃₂，Ｂ₆₄，Ｂ₉₆の放射
により終了する。このとき、それらの反射波信号は第３
図（ｄ）に示すように加算器・スイツチ回路２９の四角
で囲まれた入力端子に入力され、以下前述と同様の処理
がなされる。これにより、１ラインの電子走査が終了す
る。

このように、本実施例では、シフトレジスタ回路により
アレイ振動子を４つに区分し、各区分毎に８つの連続す
るアレー振動子を順次１つずつずらしながら励振して超
音波ビームを移動させるようにし、一方、その反射波信
号を入力する加算器・スイツチ回路の入力端子を４つの
ブロツクと３つの中間部に区分し、中間部の入力端子に
スイツチを接続してそれら中間部の各入力端子を隣接す
るいずれのブロツクにも選択的に接続できるようにした
ので、アレイ振動子の前記４つの区分間における超音波
ビームの欠落なしに、電子走査の速度を従来の同一アレ
イ振動子数のものに比べて１／４に短縮することがで
き、検査時間を著るしく短縮することができる。又、ア
レイ振動子を４つに区分したにもかかわらず、パルサ回
路に所定の遅延を与えるマトリクス回路の変更は要しな
い。さらに、加算器・スイツチ回路におけるスイツチは
２４個設けられるが、すべてのスイツチが同時に同一切
換え動作を行なうので、マイクロプロセツサの負担は極
めて小さい。

なお、上記実施例の説明では、アレイ探触子としてアレ
イ振動子を直線状に一列に配列した構成を例示して説明
したが、これに限ることはなく複数列構成することもで
きる。その場合、制御回路は各例に備えてもよいし、
又、シフトレジスタ回路、および加算器・スイツチ回路
以下の回路構成を変更してもよい。又、被検材が曲面で
ある場合、もしくは被検材の検査対象部位が曲面上にあ
る場合には、アレイ振動子は直線でなく当該曲面に沿つ
た配列とすることができる。この場合、当該曲面が単純
な曲面であれば、アレイ振動子の配列は直線状とし、マ
イクロプロセツサにより遅延時間の設定を当該曲面に応
じて変更してやればよい。さらに、加算器・スイツチ回
路におけるスイツチは当然電子スイツチング素子が用い
られ、その切換えは、各中間部の入力端子の最後の入力
端子への入力が終了したときから次に最初の入力端子へ
の入力がある前までの間に実行されればよい。さらに
又、加算器・スイツチ回路において、加算器を使用する
例を述べたが、これはインピーダンス整合を考慮して使
用されたものであり、それを考慮する必要がない場合に
は第１１図に示す単純な接続としてもよい。それ故、上
記実施例における加算器・スイツチ回路は、実質的に
は、各レシーバからの信号を入力して出力する、単なる
入出力部である。又、アレイ探触子の区分数（同時ビー
ム数）、アレイ振動子総数、および超音波ビームに関与
するアレイ振動子数（同時励振振動子数）は任意に選択
することができる。これらの数、およびこれらの数に基
づく種々の数を第４図に示す。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明は、アレイ振動子を複数領域
に区分し、又、入出力部の入力端子を前記領域に対応す
るブロツクおよび前記領域の境界部分に対応する中間部
に区分し、この中間部の各入力端子を切換手段により隣
接するいずれのブロツクにも属することができるように
したので、超音波ビームによる電子走査時間を大幅に短
縮することができ、ひいては検査速度を大幅に向上せし
めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る超音波検査装置の制御装
置のブロツク図、第２図はアレイ振動子の配列図、第３
図（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は第１図に示す加算
器・スイツチ回路の回路図、第４図は各種データを示す
図、第５図は従来の超音波検査装置のスキヤナ部の斜視
図、第６図（ａ），（ｂ）はアレイ探触子の平面図およ
び側面図、第７図（ａ），（ｂ）はアレイ探触子の機能
の説明図、第８図はアレイ振動子の配列図、第９図は第
８図に示す制御部のブロツク図、第１０図，第１１図お
よび第１２図は第９図に示すマトリクス回路、分配器、
送受信回路の回路図である。１０……アレイ探触子、１０_１〜１０₁₂₈ ……アレイ振
動子、１３……送信遅延回路、１４，１９Ｋ_１〜１９Ｋ
_４……マトリクス回路、１５……分配器、２０Ｋ_１〜２
０Ｋ_４……波形加算回路、２６……マイクロプロセツ
サ、２７……送受信回路、２８……シフトレジスタ回
路、２９……加算器・スイツチ回路、Ｂ_１〜Ｂ₁₂₁ ……
超音波ビーム

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】列状に配置された多数のアレイ振動子より
成るアレイ探触子と、前記アレイ振動子の複数に遅延パ
ルスを印加してこれらアレイ振動子を一組として励振さ
せるパルサと、前記一組のアレイ振動子による超音波ビ
ームの反射波信号を一組として受信するレシーバとを備
え、前記アレイ振動子の励振を順次シフトして超音波ビ
ームによる走査を行なう超音波検査装置において、前記
アレイ振動子の列に対して複数の領域と、隣接する前記
領域間に重なる中間部とを定めるとともに、前記各領域
に属するアレイ振動子の前記励振する一組を選択シフト
する領域選択手段と、前記各領域とこれに重なる中間部
に属するアレイ振動子であって同時に励振されないレシ
ーバに接続される入力端子およびこれら入力端子の入力
信号を出力する１つの出力端子より成る入出力部と、前
記中間部に属するアレイ振動子のレシーバを隣接するい
ずれかの領域に属させるための領域変更手段とを設けた
ことを特徴とする超音波検査装置。
【請求項２】請求項（１）において、前記領域選択手段
は、シフトレジスタで構成されていることを特徴とする
超音波検査装置。
【請求項３】請求項（１）において、前記領域変更手段
は、前記中間部に属するアレイ振動子のレシーバを隣接
する領域の前記入出力手段のいずれか一方に選択的に切
り換えるスイッチング手段であることを特徴とする超音
波検査装置。