JPS6347658A - 超音波探傷装置 - 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］ 本発明は、焦点型超音波探触子を用いて所謂パルスココ
ー法により被検物体の欠陥検査を非破壊的に行う超音波
探傷装置に関するものである。

［従来の技術］ 従来、被検物体中の微細な欠陥を超音波を用いて精密に
探傷するには、超音波ビームを収束させて高分解能を得
る所謂焦点型探触子を用い、被検物体を水中に設置して
水浸式探傷を行うことが多い、この際に、第４図に示す
ように超音波探触子１で受信された一連の時系列受信信
号Ｈに適当な表面信号時間ゲー）Ｇｌと欠陥信号時間ゲ
ー）Ｇ２を設定することにより、被検物体の表面信号Ｓ
、欠陥信号Ｆとして弁別する必要がある。

実際の探傷作業において、従来ではオペレータは次のよ
うな設定操作を手動で行う必要があった。即ち、先ずオ
シロスコープで受信信号を観察し、被検物体０中の欠陥
りからの反射信号強度が最大となるように、又は超音波
探触子ｌの固有焦点距離、水中音速、被検物体０中の音
速、及び被検物体Ｏの表面Ｏｆから超音波ビーム収束点
までの所定距離を用いて計算した結果に従って、超音波
探触子１と被検物体０間の距離を設定し、次いで表面信
号Ｓの出現時点を算出し、その時点の前後を挟むように
表面信号時間ゲートＧｌを設定する。

更に、表面信号Ｓから遅れて受信される欠陥信号Ｆを弁
別するための欠陥信号時間ゲートＧ２の開始点、閉止点
を算出して設定する。

このような時間ゲートＧ１、Ｇ２の設定操作は探傷作業
に先立って必ず行う必要があり、また探触子１や被検物
体０を交換する度に行わねばならず、超音波探傷作業の
効率化を低下し自動探傷化の実現を困難とする要因とも
なっている。更に、オシロスコープに表示される一連の
受信信号Ｈの波形に対して、適切な位置に時間ゲートＧ
１、Ｇ２を設定するためには、オペレータは超音波パル
スココー法についての成る程度の知見を必要とする。こ
のような煩雑な測定操作を必要とすることが、超音波探
傷法全般を解り難くし、汎用測定技術として広く普及で
きなかった一原因となっている。

近年、超音波探傷分野においても、益々微細な欠陥を検
出したいという要求が強まり、同時に製造ラインにおい
て多量のサンプルを再現性良く効率的に検査するための
自動探傷方式が強く求められてきている。

前者の要求に対しては、より高い周波数つまりより短波
長の超音波を発信できる探触子が開発されている。この
探触子は５０ＭＨｚの周波数帯以上では超音波輻射特性
改善のために、第５図に示すように超音波探触子１内の
圧電素子２の前面に溶融石英などで造られた音響レンズ
を兼ねた遅延素子３が組込まれている。このような探触
子１では、圧電素子２で発生した超音波は遅延素子３内
を伝搬して終端面に達し、そこから伝搬媒質例えば水中
に輻射されるが、一部は反射し逆行して圧電素子２まで
戻り、そこで再び反射して順行し、終端面で再びまた一
部が反射し、・φ・というように遅延素子３内での多重
反射現象が生ずる。このためオシロスコープで観測する
と、第５図に示すように発信信号Ｓの後方に幾つもの多
重反射信号Ｍが見られ、探傷時には観察すべき被検物体
の表面信号Ｓ、欠陥信号Ｆにこれらの多重反射信号Ｍが
重畳されるため、このように錯綜した信号群゛の内から
目的の信号に、目視と手操作で時間ゲー）Ｇｌ、Ｇ２を
設定することは、超音波探傷技術に一定の知見を有する
オペレータ以外には極めて困難である。一方、後者の自
動探傷の要求についても、上述のように熟達したオペレ
ータの手動操作を必要とする従来の探傷装置では、殆ど
応えられないのが現状である。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、このような従来の欠点を除去し、オペ
レータは特別に超音波探傷技術に関する知識を必要とす
ることなく、再現性及び操作性が良く容易に自動化が可
能な超音波探傷装置を提供することにある。

［発明の概要］ 上述の目的を達成するための本発明の要旨は、超音波パ
ルスを被検物体に向けて発信し、被検物体表面及び内部
からの反射波を受信する場合において、第１の時間ゲー
トにより表面信号を抽出し、第２の時間ゲートにより欠
陥信号を抽出し。

第３の時間ゲートにより最初の欠陥信号のみを抽出し、
これらの信号の到着時間から算出した伝搬距離と強度の
分布とを測定する超音波探傷装置であって、超音波パル
スの発信時間を基点として、超音波パルスを発信する超
音波探触子の焦点距離ＦＬ、被検物体の表面から超音波
ビーム収束点までの深さ距離Ｒ１被検物体中の音速ＶＳ
、前記超音波探触子から被検物体の間に存在する超音波
伝搬媒体中の音速ＶＷを設定する設定回路と、該設定回
路で設定された数値情報から前記第１の時間ゲートの開
始点に相当する時間を演算する演算回路と、前記第１の
時間ゲートの開始点を前記演算回路で演算された時間以
内とし、前記第２の時間ゲート開始点を前記第１の時間
ゲート内で把えた表面信号の出現点から超音波信号の周
波数における表面不感帯幅に相当する時間だけ遅延させ
た時点とし、前記第３の時間ゲートの開始点を前記第２
の時間ゲートの開始点よりも遅くない時点とし、その閉
止点を前記第２の時間ゲート内で最初に把えた欠陥信号
の最大振幅点と同一時点であるように作動する時間ゲー
ト回路とを具備することを特徴とする超音波探傷装置で
ある。

［発明の実施例］ 本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。

第１図は本発明の実施例による超音波探傷装置の構成を
示す機能ブロー２り図である。ここで、１１は超音波探
触子であり、水中の被検物体０中の欠陥りを検出するた
めに移動自在に配置されている。この超音波探触子１１
にはインタフェイス１２からパルサ１３、スキャナ１４
を介して高電圧パルスが入力される。また、超音波探触
子１１からの出力信号はスキャナ１４、レシーバ１５ヲ
介してＳコンパレータ１６、Ｆコンパレータ１７、強度
信号時間ゲート回路１８にそれぞれ接続され、Ｓコンパ
レータ１６の出力は表面信号時間ゲート回路１９、Ｓ多
重出力禁止回路２ｏを介してインタフェイス１２に接続
されている。また、Ｆコンパレータ１７の出力は欠陥信
号時間ゲート回路２１、Ｆ多重出力禁止回路２２を経て
インタフェイス１２に接続され、強度信号時間ゲート回
路１８の出力はＡ／Ｄ変換機能を有するピークホルダ回
路２３を介してインタフェイス１２に接続されている。

更に、インタフェイス１２にはパスライン２４を介して
、マイクロプロセッサ２５、メモリ２６．キーボード２
７、ＣＲＴモニタ２８、プリンタ２９がｖｃ続されてい
る。

本装置はマイクロプロセッサ２５の指令に従って制御さ
れ、一連の指令手順はメモリ２６に記憶されており、必
要なパラメータはオペレータがＣＲＴモニタ２８と対話
形式でキーボード２７から入力する。マイクロプロセッ
サ２５の指令はインタフェイス１２を介して各ａｔ＠ブ
ロックに伝達される。

ここで、本実施例について超音波パルスの発信から探傷
結果としての超音波映像を出力するまでの過程を順を追
って説明する。先ず、マイクロプロセッサ２５により作
られるクロックパルスに同期してバルサ１３が駆動され
、発生する高電圧パルスがスキャナ１４を経由して超音
波探触子１１に送られる。ここで、励起された超音波パ
ルスビームＢは水中を伝搬して被検物体０表面Ｏｆに到
達し、一部は表面Ｏｆで反射され、残りは被検物体０の
内部に入射し更に伝搬し、もし欠陥りが存在すればそこ
で反射されて伝搬経路を逆行して、表面Ｏｆでの反射波
と同様に超音波探触子１１で受信される。受信信号Ｈは
スキャナ１４を経由してレシーバ１５に入力され、ここ
で適切な信号レベルにまで増幅されて次段に送られるが
、レシーバ１５の増幅特性もインタフェイス１２を介し
て制御される。増幅された受信信号Ｈは以後３つに分岐
されて処理され、先ずＳコンパレータ１６により信号が
一定の閾値レベルを越えた場合にのみ。

Ｓコンパレータ１６からデジタル出力がなされる、この
ように、閾値レベルを設けるのは探傷信号とは無関係な
微小ノイズの影響を排除するためテする。Ｓコンパレー
タ１６のデジタル出力を表面信号時間ゲート回路１９に
導き、このゲート回路１９が開いている時間帯に通過し
た信号のみが表面信号Ｓとして弁別される。もし、時間
帯に２以上の信号が通過しても最初の信号を表面信号Ｓ
とし、次の信号を無効にするためにＳ多重出力禁止回路
２０が設けられており、この機能は例えばフリップフロ
ップ回路を前置したワンシ！−２トマルチ発振回路など
により構成することができる。

ここで、表面信号時間ゲートＧ１の開始点は第２図に示
すように以下の手順で算出され自動設定される。即ち、
予めオペレータがキーボード２７から入力したパラメー
タとして、超音波探触子１１の固有焦点距離ＦＤ、伝搬
媒体の音速ＶＷ、被検物体０の表面Ｏｆから超音波ビー
ム収束点までの距ｔｌｉｉＲ１被検物体中の音速ＶＳか
ら、〒１＝２・（ＦＬ　−Ｒ＠ＶＳ／ＶＷ）／ＶＷ＋　
２−　Ｒ／ＶＳテ求められる時間を基点とし、これの基
点から水中距Ｍ１ｍｍ以上、５ｍｍ以下を往復伝搬する
ために要する時間、即ちΔＴ＝　ＩＸ２／１．５ｇ秒以
上〜５Ｘ２／１．５ＪＬ秒以下を減じた時間、つまりＴ
Ｉ−ΔＴを表面信号Ｓの時間ゲー）ＣＩの開始点とする
。また、ゲート幅即ち時間ゲー）Ｇｌが開いている時間
幅をΔＴＸ２程度に設定すると、被検物体０の表面Ｏｆ
の僅かな傾きや凹凸に対しても表面信号Ｓを容易に時間
ゲート開始点で把えることができる。なお、この場合の
単位は距離をｍｍ、速度をｍｍ／ＩＬ秒としている。

なお、超音波探触子１１が前述の高周波帯用で前部に遅
延素子３を備えたものである場合には、入力パラメータ
に遅延素子長ＤＬ及びこの遅延素子３中の音速ＶＤを追
加することにより、Ｔ２＝　２　、　ＤＬ／ＤＶ＋ＴＩ
として算出された時間子２を基準として、Ｔ２−ΔＴを
時間ゲー）Ｇｌの開始点とすればよい、この場合に、多
重反射信号Ｍの出現間隔はＴ２に比べて十分に大きくな
るように遅延素子長ＯＬ及び焦点圧、＠ＦＬを選んで探
触子１１を作成すれば、２回目以降の多重反射信号Ｍに
ついては考慮する必要はない、このようにして、最終的
に得られるデジタルパルス信号が表面信号Ｓとしてイン
タフェイス１２に入力される。

次に、被検物体０の内部の欠陥りを計測するために、レ
シーバ１５の出力信号のうち、Ｆコンパレータ１７で設
定された閾値レベルを越える信号に対してデジタル出力
が与えられ、欠陥信号時間ゲート回路２１に入力される
。この時間ゲート回路２１における閾値レベルの設定は
欠陥りの大きさや性状を弁別するためである。

ここで、欠陥信号時間ゲートＧ２の開始時点は次のよう
に自動設定される。即ち、前述のようにして得られた表
面信号Ｓの発生時点を基点とし、使用されている超音波
探触子１１の特性及び被検物体０の特性により定まる表
面不感帯幅ΔＴ′に相当する時間だけ遅延させた時点を
ゲート開始点とする。このように設定することによって
、欠陥信号Ｆの時間ゲー）Ｇ２内に表面信号Ｓが把えら
れることはなくなる６表面不感帯幅ΔＴ°は予め使用す
る探触子１１と被検物体０との組合わせで実測し、パラ
メータとしてメモリ２６内に記憶させておき、オペレー
タが探傷時にキーボード２７から指令することにより自
動的にゲート開始点が設定される。この欠陥信号時間ゲ
ートＧ２の閉止点は必ずしも規定する必要はなく、次の
超音波発信サイクルの開始時間以前であれば任意の時点
でよい、これはゲート回路２１の次段にＦ多重出力禁止
回路２２が設けられており、時間ゲートＧ２が開いてい
る期間に２以上の信号が入力されても、最初の１つの信
号のみが欠陥信号Ｆとして把えられるからである。ただ
し回路構成上、表面信号Ｓと欠陥信号Ｆの時間間隔を利
用して欠陥りの深さを計測するためのカウンタを用いて
いる場合は、カウンタのオーバフローを避けるために、
一定時間後に時間ゲートＧ２を閉止するようにしてもよ
い、このようにして、最終的に得られるデジタルパルス
信号が欠陥信号Ｆとしてインタフェイス１２に入力され
る。

次に、超音波受信信号Ｈのうち欠陥信号Ｆの強度つまり
振幅又はパワーを計測するために、レシーバ１５の出力
信号を強度信号時間ゲート回路１８に入力する。この時
間ゲート回路１８は欠陥信号時間ゲート回路２１と同一
タイミングで開き、欠陥信号Ｆの発生時点から時間Ｔ３
だけ遅延して閉じるように制御される。ここで、時間〒
３は第３図に示すように欠陥信号Ｆの発生時点からその
欠陥信号Ｆがピークに到達するまでの時間である。なお
、時間Ｔ３は使用周波数、超音波探触子１１の特性、被
検物体０の音響特性や欠陥りの性状などにより一定の値
を示すことが多いので予め実測により求め、メモリ２６
中にパラメータとして記憶しておき、この強度時間ゲー
ト回路１８の自動設定時に用いることができる０時間ゲ
ート回路１８を通過した欠陥信号Ｆは次のピークホルダ
回路２３に入力されて、そのピーク値が保持され、更に
Ａ／Ｄ変換されて強度デジタル信号工としてインタフェ
イス１２に入力される。

以上説明したように、超音波受信信号Ｈはレシーバ１５
で増幅後に３種類の時間ゲート回路１９．２１．１８に
よって弁別されて、表面信号Ｓ、欠陥信号Ｆ、強度信号
Ｉが抽出され、それぞれデジタル信号としてインタフェ
イス１２に入力されることになる。

これらの信号から超音波探傷結果を欠陥りの強度分布と
して映像表示するためには、超音波パルスビームＢを被
検物体Ｏに対して走査させ、適当なサンプリング間隔で
被検物体Ｏからの超音波信号を把える必要がある。その
ために、探触子１１をスキャナ１４によって例えば矩形
走査させ、一定走査区間ごとに超音波パルスを発信する
ようにスキャナ１４とパルサ１３が同期的に制御される
。超音波パルスの送受信位置は、スキャナ１４内部の位
置センサ又はパルスモータ駆動パルスに′より位置信号
として容易に求めることができる。

このようにして、求められた表面信号Ｓ、欠陥信号Ｆ、
強度信号工、及び位置信号からマ゛イクロプロセッサ２
５は欠陥りの強度分布を映像化し、ＣＲＴモニタ２８や
プリンタ２９に出力する。これらの一連の手順は予め必
要なパラメータを入力しておくことにより、自動的に実
行させることができる。

上述した超音波探傷映像法は被検物体０を水中に浸漬し
て行う所謂水浸探傷方式を例として説明してきたが、本
発明は被検物体Ｏに超音波探触子１１を直接接触させて
探傷を行う所謂接触探傷方式にも勿論応用することがで
きる。この場合は表面信号Ｓが超音波発信信号と時間的
に一致するので、表面信号Ｓの処理部分が不要となり回
路構成はより簡略化される。

更に、超音波探触子１１は特に収束ビームを形成する焦
点型である必要はなく、平面波型であってもよく、この
場合は時間ＴＩを計算するための焦点距離ＦＬを超音波
探触子１１の焦点距離としてではなく、被検物体０と探
触子１１の間の設置間隔とすればよい。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明に係る超音波探傷装置によれ
ば、実際の探傷作業に先立って必要な既知の物性定数、
測定条件や予行テストで得られた測定値などをパラメー
タとして入力しておくことにより、従来では熟練したオ
ペレータが手操作で行っていた装置の条件設定、特に受
信波形をオシロスコープで観測しながら行っていた時間
ゲート開閉時間の設定を自動的に行うことができ、超音
波探傷に特別の知見や熟練を持たなくとも、容易に探傷
作業を行うことが可能となる。また、従来の超音波探傷
装置では不可欠とされてきた波形及び時間ゲートモニタ
用のオシロスコープを省略することもでき、装置の簡略
化、小型軽量化が容易となる。そして、必要な条件パラ
メータと処理手順をソフトウェアプログラムとして搭載
すれば。

オペレータの個人的な技量差に左右されることなく、再
現性の良い探傷結果が得られるようになり、生産ライン
で多量の被検物体を連続して探傷する場合などに極めて
有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る超音波探傷装置の一実施例の機能
ブロック図、第２図はその信号のタイムチャート図、第
３図は強度信号のタイムチャート図、第４図は従来法の
信号のタイムチャート図。 第５図は遅延素子付超音波探触子とその信号の説明図で
ある。 符号１１は超音波探触子、１２はインタフェイス、１３
はパルサ、１４はスキャナ、１５はレシーバ、１６．１
７はコンパレータ、１８．１９．２１は時間ゲート回路
、２０．２２は多重出力禁止回路、２３はピークホルダ
回路、２５はマイクロプロセッサ、２６はメモリ、２７
はキーボード、２８はＣＲＴモニタ、２９はプリンタで
ある。 特許出願人　　　キャノン株式会社 （Ｎ 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、超音波パルスを被検物体に向けて発信し、被検物体
   表面及び内部からの反射波を受信する場合において、第
   １の時間ゲートにより表面信号を抽出し、第２の時間ゲ
   ートにより欠陥信号を抽出し、第３の時間ゲートにより
   最初の欠陥信号のみを抽出し、これらの信号の到着時間
   から算出した伝搬距離と強度の分布とを測定する超音波
   探傷装置であって、超音波パルスの発信時間を基点とし
   て、超音波パルスを発信する超音波探触子の焦点距離Ｆ
   Ｌ、被検物体の表面から超音波ビーム収束点までの深さ
   距離Ｒ、被検物体中の音速ＶＳ、前記超音波探触子から
   被検物体の間に存在する超音波伝搬媒体中の音速ＶＷを
   設定する設定回路と、該設定回路で設定された数値情報
   から前記第１の時間ゲートの開始点に相当する時間を演
   算する演算回路と、前記第１の時間ゲートの開始点を前
   記演算回路で演算された時間以内とし、前記第２の時間
   ゲート開始点を前記第１の時間ゲート内で把えた表面信
   号の出現点から超音波信号の周波数における表面不感帯
   幅に相当する時間だけ遅延させた時点とし、前記第３の
   時間ゲートの開始点を前記第２の時間ゲートの開始点よ
   りも遅くない時点とし、その閉止点を前記第２の時間ゲ
   ート内で最初に把えた欠陥信号の最大振幅点と同一時点
   であるように作動する時間ゲート回路とを具備すること
   を特徴とする超音波探傷装置。 ２、前記演算回路では前記第１の時間ゲートの開始点に
   相当する時間をＴ１：２・（ＦＬ−Ｒ・ＶＳ／ＶＷ）／
   ＶＷ＋２・Ｒ／ＶＳの式で演算するようにした特許請求
   の範囲第１項に記載の超音波探傷装置。 ３、前記超音波探触子の音響遅延素子長をＤＬ、該遅廷
   素子中の音速をＶＤとしたとき、前記演算回路では前記
   第１の時間ゲートの開始点に相当する時間を２・ＤＬ／
   ＶＤ＋２・（ＦＬ−Ｒ・ＶＳ／ＶＷ）／ＶＷ＋２・Ｒ／
   ＶＳの式で演算するようにした特許請求の範囲第１項に
   記載の超音波探傷装置。