JPS61200462A - 二次元フエイズドアレイ装置 - 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、例えば超音波探傷などに使用するための、三
次元的に自由な方向に超音波を発生、検出可能とした二
次元フェイズドアレイ装置に関するものである。

（従来の技術） 現在、一般に使用されている超音波フェイズドアレイ装
置は第４図（ａ）　（ｂ）に示すように幅の狭い短冊形
の振動子１５１．　１５２．・・・・・・１５ｒｃを並
べたプローブ１６を用いて、各振動子の超音波の送受信
を位相制御装置５により電子的に切替えて超音波ビーム
１２を走査させている（例えばマテリアルズエバリエイ
ション（Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ）
１９８０年７月号３４〜３７頁参照）、従って、プロー
ブを走査せずに（機械的に移動させずに）超音波ビーム
の走査、偏向および収束ができ、第４図（ａ）で言えば
プローブ１６の下方に存在する図示しない被検体に対し
矢印で示すように自由な角度で超音波を送出し、それぞ
れの方向からの反射波を受信し、検出することができる
０例えば第５図に示すように溶接部１３の探傷に通用し
た場合、通常法では溶接部全体を探傷するためにはｔａ
＋に示すようにプローブ１７を矢印方向に走査すること
が必要であるが、フェイズドアレイの場合には（ｂ）に
示すように超音波送信角度を変えられるので走査の必要
がない。このようにフェイズドアレイ法は極めて有用で
あるが、なお次に述べるような不充分な点がある。

第６１１１ｆａｌ〜ｆｄ）はフェイズドアレイを用いて
溶接部の欠陥の超音波探傷を行う場合を示す平面図であ
る。１３は該溶接部、１４は欠陥、１６はフェイズドア
レイプローブである。プローブ１６は第５図（ｂｌのそ
れと同じで、超音波を板厚方向かつ斜めに送出し、直接
もしくは裏面で反射させて溶接部１３へ入射させる。第
６図では超音波送出方向を単純に左向き矢印で示してい
るが、詳しくは上記の如くである。フェイズドアレイプ
ローブ１６から溶接部１３に向けて超音波１２を発生さ
せた場合、第６図＋８）に示すように欠陥１４が超音波
の進行方向に対して垂直方向の場合は問題がないが（該
欠陥で反射した超音波をプローブ１６で受信し、欠陥検
出できる）、第６図（ｂｌに示すように超音波１２の進
行方向に対して欠陥１４が斜めの方向にあると、該欠陥
１４で反射した超音波は鍵矢印の方向に進行してしまい
、プローブ１６へほとんど戻ってこない。このような場
合には、第６図（Ｃ）に示すようにフェイズドアレイプ
ローブ１６を回転させる必要があり、プローブ支持、駆
動機構が複雑になりかつその操作が繁雑になるばかりで
なく、欠陥見のがしも起り得る。そこで第６図（ｄｉに
示すように縦横多チャンネルの二次元フェイズドアレイ
装置が実現すれば電気的に超音波送出方向を変更し、矢
印で示す如き任意の方向へ超音波を送出してその反射波
を受信し欠陥を検出することができるので、プローブ支
持駆動機構に必要なのはせいぜい直線運動機能のみで、
プローブを回転させる必要はなく、これで任意の方向の
欠陥について感度のよい探傷を容易に行うことができる
。

この第６図（ｄｌの超音波１２も、板厚方向かつ斜めに
進行するが、図では単純に左向矢印で示している。プロ
ーブ１６からの超音波と異なる点は、１次元プローブ１
６ではその超音波送受信面と垂直な平面内の、該プロー
ブを中心とする扇形領域内の任意方向へ超音波を送出で
きるだけであるのに対し、２次元プローブ１では該プロ
ーブを頂点とすると円錐状３次元領域内の任意方向へ超
音波を送出できる点である。

（発明が解決しようとする問題点） 二次元フェイズドアレイ装置は上記のように非常に有用
であるが、次のような問題点がある。すなわち、−次元
フェイズドアレイプローブのチャンネル数（振動子数）
をＮとすると、それを二次元とした場合Ｎ２のチャンネ
ルのプローブとなる。

ところで通常使用されている一次元フエイズドアレイプ
ローブは３２チヤンネル、あるいは６４チヤンネルのも
のが多く、位相制御を行うには、この程度のチャンネル
数のプローブが必要であるが、これを２次元とすると３
２チヤンネルの場合でも３２Ｘ３２−１０２４１固のチ
ャンネル数となるので、その数だけのパルサーレシーバ
−及び位相制御回路を設けた場合、装置は膨大なものと
なってしまって列置実用的ではない。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、二次元プローブを構成する振動子を、それぞ
れ振動子選択回路の選択スイッチに接続して各チャンネ
ルを構成し、さらに該選択スイッチを前記各チャンネル
毎にパルサーレシーバ−に接続し、さらに該パルサーレ
シーバ−を、制御機構により作動される位相制御装置お
よび演算、表示部にそれぞれ接続したことを特徴とする
ものである。すなわち通常の１次元フェイズドアレイプ
ローブは前記第４図（ｂ）に示したように、幅が狭く細
長い振動子１５１，１５２，１５３・・・・・・が多数
並列したものであるが、これは、第７図に示す２次元フ
ェイズドアレイプローブ１においては、点線枠９内の振
動子を選択し、各列毎にまとめた振動子グループ９１，
９２．９３・・・・・・が並んだものと考えられる。例
えば、第４図（１））の振動子１５１に電圧をかけ超音
波を発生させるということは、゛撮動子グループ９１の
中の振動子９１Ａ、　　９１Ｂ　。

・・・・・・に同時に同じ位相の電圧をかけ、超音波を
同位相で発生させることと同等であると考えることがで
きる。また振動子を行（９１，９２，９３゜・・・・・
・の並ぶ方向）毎に纏めて振動子グループ９１Ａ。

９１Ｂ、・・・・・・を作り、各グループ内の振動子９
１゜９２、・・・・・・に同時に同じ位相の電圧をかけ
ると、第４図（ｂｌのアレイ１６を９０゛回転させて駆
動したのと同等であり、点線枠９を第７図で４５゛回転
させた状態で選んで上記と同様な駆動をすれば、第４図
ｆｂ）のアレイ１６を４５゛回転させて駆動したのと同
等であり、どのように振動子を選び、グループ化するか
らスイッチにより容易に選定することができる。本発明
はこのような考え方を基本とするものである。

以下本発明について説明する。

第１図は本発明装置の概要を示す説明図で、１は二次元
フェイズドアレイプローブ、３は複数個のパルサーレシ
ーバ−１０１，１０２，・・・・・・カラ成る送受信部
である。該送受信部３の各パルサーレシーバ−は、振動
子選択回路２内の選択スイッチによって該二次元フェイ
ズドアレイプローブ１の振動子と接続される。４は振動
子選択回路２゜位相制御装置５．および加算部７などの
作動を制御するための電子計算機等からなる制御機構、
６はＡ／Ｄ変換器、８は表示部である。

（作用） 次に本発明装置の作用について説明する。

先ず、超音波ビームを送受信したい方向に合わせて、振
動子をグループ分けする必要がある。グループ分けの一
例として、３２Ｘ３２チヤンネルのプローブで、１グル
ープ１６ケの振動子を使う場合についての例を第８図に
示す。この図では１チヤンネル毎に白、黒、白、黒、・
・・・・・と色を変えて見やすくしである。第８図（ａ
）は０°方向に超音波を送信した場合、（ｂｌは３０°
方向、（Ｃ）は４５゜方向に超音波を送信した場合を示
す。これらの図の超音波送信方向を示す矢印も前記第６
図と同じで、詳しくは紙面斜め下方（上方でもよいが）
を示すものである。このような振動子選択を行なうべく
制御機構４から、振動子選択回路２の選択スイッチの開
閉を行う信号を送出し、所定の方向に超音波ビームが送
信されるように二次元フェイズドアレイプローブの振動
子をグループ分けして、各チャンネル毎にパルサーレシ
ーバ−１０１，１０２゜・・・・・・と接続させる。さ
らに、このとき制御機構４から位相制御装置５にも信号
が送られ、前記グループ分は完了後、該位相制御装置５
から送受信部３に対し、超音波が検査面に対して所定の
角度で送受信が行われるような遅延をかけた信号が送出
され、その結果パルサーレシーバ−１０１，１０２゜・
・・・・・で超音波ビームの送受信が行われ、さらにそ
の受信信号はＡ／Ｄ変換器６によりＡ／Ｄ変換された後
、加算部７により演算が行われ、その結果が表示部８に
表示される。

次に振動子選択回路２の機構と動作を実施例をもとに説
明する。

第２図（ａｌ〜（栃は振動子選択回路の一例を説明する
図である。第２図（ａ）は二次元フェイズドアレイプロ
ーブ１の振動子のグループ分けを行う機構の説明図で、
この機構は該二次元フェイズドアレイプローブ１の各振
動子の電極と接続される各節点（ノード）、１８１．　
１８２．　１８３．　　・・・・・・と、隣り合う各節
点間に設けたスイッチ１１１，１１２゜１１３、・・・
・・・とからなる。該スイッチ１１１，１１２゜１１３
、・・・・・・は制御機構４からの信号で開閉し、この
開閉により該二次元フェイズドアレイプローブｌの振動
子がグループ分けされる。第２図（ｂ）は５×５チヤン
ネルのプローブ２０における選択例を示す図であり、該
プローブ１９の黒く示した振動子グループを選択する（
該プローブ１９に黒く塗って示す振動子グループを形成
させる）には、２０として示した振動子選択回路のスイ
ッチ開閉状態にすればよく、これらのオンスイッチ群に
一端などから電圧を印加すれば黒塗り振動子グループか
ら超音波を発生させることができる。なお周知のように
振動子は圧電結晶とその表裏面に取付けた電極を主要部
とするが、一方の電極は各振動子に共通でよく、他方の
個々の電極を前記節点へ接続し、第２図（ｂ）ではオン
スイッチ群を通してその所要のもの（黒塗り振動子グル
ープの他方の電極）へ電圧を印加する。

次にパルサーレシーバ−１０１，１０２，・・・・・・
と節点１８　＋、　　１８２．・・・・・・の接続方法
について、３２Ｘ３２チヤンネルのプローブで、■グル
ープ１６ケの振動子を使う場合について第２図（Ｃ１〜
（１で説明する。まず、超音波の進む方向によって２つ
の場合について分ける。第２図（Ｃ１に示すＡ、　　Ｂ
の２つの場合、即ち矢印Ｆ１で示す方向に対し±４５°
の範囲Ａと矢印Ｆ４で示す方向に対し±４５°の範囲Ｂ
である。矢印Ｆ＋は第８図（ａ）に対応し、この超音波
送出方向が０°の方向は第２図（ａｌのスイッチＩｌｌ
、１１２．　　・・・・・・をオンオフして第８図（ａ
）の如く振動子を選択し、グループ化すればよい、同様
に矢印Ｆ３は第８図（Ｃ１に相当し、この図の如く振動
子を選択しグループ化すればよ（、また矢印Ｆ２は第８
図（Ｃ）を時針方向に９０”回転したものに相当し、こ
の状態になるように振動子を選択し、グループ化すれば
よい。±４５°以外の中間の状態も、これらに準じ、そ
してスイッチ１１１．１１２．・・・・・・のオンオフ
要領は第２図（ｂ）に準する。このように選択され、グ
ループ化された振動子群、第２図（ｂｌで言えばオンス
イッチ群、とパルサーレシーバ−との結線は、任意の点
例えばオンスイッチ群の一端、他端または中点とパルサ
ーレシーバとの間で行なえばよいから、Ａの場合は第２
図ｆｄｌの如くなる。パルサーレシーバ−１０１゜１０
２、・・・・・・は、プローブ１の列２１１，２１２゜
・・・・・・上の節点と対応しており、スイッチ２３（
１０＋と１０３１に対してのみ図示しているが、１０２
゜１０３、・・・・・・についても設けられる）を介し
て所定の接点と接続される。この接続要領をパルサーレ
シーバ−１０＋と１０３１について説明するに、超音波
送信方向が４５°のときは振動子を第８図（Ｃ１の如く
選択すればよいからこれを第２図（ｄ）上に示すと点線
枠ＩＡとなり、この枠ＩＡ内の振動子群に対する１０＋
と１０３１の結線はスイッチ２３Ａ＋と２３Ｂ＋を閉じ
ることで行なえる。他のレシーバに対しても同様であっ
て、直線ＩＡ＋。

ｌＡ２１１Ａ３で形成される折れ線上の節点を図示しな
いスイッチ（２３相当のもの）を閉じることにより当該
レシーバと接続することにより行なわれる。超音波送信
方向がＯｏのときは振動子群を点線枠ＩＢの如く選択す
ればよく、更に４５゜回転した状態では点線枠ｌＣの如
く選択すればよく、この±４５°の範囲内の角度ではＩ
ＡとＩＣの中間の状態をとる。しかし直線ＩＡ２の部分
はどの状態でも含まれるのでレシーバと接続したま＼で
よく、開閉スイッチは不要である。左、右端のドツト・
を付した節点部分は含まれたり含まれなかったりするの
で、レシーバ１０＋については４５゛からの時針方向回
転につれてオンスイッチを２３Ａ＋から２３Ａ２に移し
、その２３Ａ２から２３Ａ３に移し、・・・・・・とい
う操作を行なう。レシーバ１０２．　１０　ｚ、・・・
・・・についても同様である。但し上述のようにレシー
バ１０ｓ〜１０２４についてはスイッチは不要で、Ｉ　
Ａ　２部分の節点に接続したま＼でよい。

以上を要約するとパルサーレシーバ−１０＋は列２１１
上の節点と接続される。そして接続の本数は該図のドツ
ト・で示す点だけでよい、パルサーレシーバ−１０２，
１０３，・・・・・・もこれに準じ、これらのレシーバ
１０１．　１０２．・・・・・・に接続する節点の数は
それぞれ図示の如＜１７．１５．１３点・・・・・・と
なりパルサーレシーバ−１０９，１０２４は接続相手の
節点が一つとなり、スイッチは必要なくなる。第２図（
Ｃ）の領域Ｂに関する接続図を第２図（ｅｌに示す。こ
の接続要領は第２図（ｄｉで述べたそれと同様であり、
第２図（ｄ）を９０゛回転させたものに相当する。

従って超音波を送信したい方向が決まると制御機構４か
ら選択スイッチ１１１，１１２．・・・・・・に信号が
送出され必要なスイッチが閉じ振動子がグループ分けさ
れる。そして、そのグループ分けに伴い、スイッチ２３
の中で必要なものが閉じ、パルサーレシーバ−が選択さ
れて節点１８１，１８２・・・・・・と接続され、振動
子選択回路の動作が完了する。この動作と同時に、該制
御機構４は選択したパルサーレシーバ−の情報を位相制
御装置５へ送る０以上の選択スイッチ１１１，１１２．
・・・・・・及びスイッチ２３の開閉のパターンは超音
波の方向別に該制御機構４内の記憶装置に入っており、
超音波の方向が決定すると瞬時にスイッチの開閉が行わ
れる。

第２図（ｆ）のような振動子グループ分け（第８図（ｂ
）の選択）を行った場合のパルサーレシーバ−と節点と
の接続としては第２図（ｇ）も考えられる。これは第２
図（ｆ）の点線ａ−ｂ上の振動子に対応する節点をレシ
ーバ１０１，１０２．・・・・・・に接続するものであ
る。単純に結線すると２重になる所があり、その部分の
結線は省略している。

第３図は、振動子選択回路２の別の実施例を示す図であ
る。二次元フェイズドアレイプローブＬの各撮動子は、
接点基盤２４の各接点２４＋、２４２・・・・・・と接
続され、送受信部３の各パルサーレシーバ−１０１，１
０２，・・・・・・は、電極基盤２５の各電極２５１，
２５２．・・・・・・と接続されている。この電極基盤
２５を接点基盤２４に重ねると基盤２４の接点と基盤、
２５の電極が接触し、これにより振動子がグループ分け
され、パルサーレシーバ−と振動子グループが接続され
る。電極基盤２５は制御機構４からの信号で回転し、そ
の回転角度の関節により所定の方向に超音波が送信でき
るような振動子のグループ分けが行われる。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明によればプローブを回転さ
せることなく三次元的に任意の方向、場所に対して超音
波ビームの走査、偏向、収束を行うことができ、駆動、
制御機構の簡素化、操作の迅速化が図れてその効果は大
きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の説明図、第２図および第３図は本
発明の振動子選択回路の実施例を示す説明図、第４図は
従来用いられている超音波フェイズドアレイ装置の説明
図、第５図（ａ）は通常法による溶接部の探傷法を示す
説明図、同じり（ｂ）はフェイズドアレイによる探傷法
を示す説明図、第６図（ａ）〜（ｄｌはフェイズドアレ
イによる溶接部の探傷法の実例を示す説明図、第７図は
フェイズドアレイプローブの説明図、第８図は本発明に
よる任意の方向に超音波を送受信するための振動子のグ
ループ分けの一例を示す図である。 １：二次元フェイズドアレイプローブ、　２：振動子選
択回路、　３：送受信部、　４：制御機構、　５：位相
制御装置、　６：Ａ／Ｄ変換器、７：加算部、　８：表
示部、　９１１９２１・・・・・・撮動子グループ＋　
　９１　Ａ　Ｉ　　９　ｓ　ａ　”””振動子、１０＋
。 １０２・・・・・・パルサーレシーバ−１１１１，１１
２゜・・・・・・選択スイッチ、　１２：超音波、　１
３：溶接部、　１４：欠陥、　１５：振動子、　１６：
−次元フェイズドアレイプローブ、　　１７：斜角プロ
ーブ、　１８１，１８２．・旧・・：接点、　１９　：
　５ｘ５チヤンネルプローブ、　　２０：振動子選択回
路、　２１１，２１２．・旧・・、２２１，２２２゜・
・・・・・：振動子列、　２３：スイッチ、　２４：接
点基盤、　２５：電極基盤。 出　願　人　　　新日本製鐵株式会社 代理人弁理士　　青　　柳　　　　稔 ｊＦｊＺ図（ｄ） 第２図（ｂ） 第２図（Ｃ）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）二次元プローブを構成する振動子を、それぞれ振
   動子選択回路の選択スイッチに接続して各チャンネルを
   構成し、さらに該選択スイッチを前記各チャンネル毎に
   パルサーレシーバーに接続し、さらに該パルサーレシー
   バーを、制御機構により作動される送信制御部および演
   算、表示部にそれぞれ接続したことを特徴とする二次元
   フェイズドアレイ装置。
2. （２）振動子選択回路を制御機構からの信号により開閉
   可能な選択スイッチで構成したことを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の二次元フェイズドアレイ装置。
3. （３）振動子選択回路を機械的な接点切換え装置で構成
   したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の二次
   元フェイズドアレイ装置。