JPWO2015159378A1 - 超音波検査装置及び超音波検査方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、金属材中に存在する微小な欠陥又は介在物を、高精度に検出することができる超音波検査装置及び検査方法を提供することを目的とする。上記目的を達成するために、本発明は、第一振動方向を持つ横波超音波と第二振動方向を持つ横波超音波を発生させる偏波制御プローブと、第一振動方向を持つ横波超音波と第二振動方向を持つ横波超音波のそれぞれの位相差を制御する波形生成部と、偏波制御プローブの受信波形から、第一振動方向を持つ横波超音波と第二振動方向を持つ横波超音波を演算して合成波形を算出する波形解析部と、波形解析部によって得られた合成波形を表示する表示器と、を有することを特徴とする超音波検査装置である。

Description

本発明は、超音波検査装置及び超音波検査方法に関する。

本技術分野の背景技術として、特開２００１−８３１２５号公報（特許文献１）がある。直交する２方向に振動する圧電材を積層させ、これら圧電材に電圧を印加させることにより振動を発生させ、２方向に直交する偏波を重ね合わせることで、任意の偏波状態を持つ横波超音波を発生させる。この任意の偏波状態を持つ横波超音波を用いて音響的異方性を有する材料の音響異方向性の測定方法およびその音響異方向性の測定方法を利用した材料劣化診断装置について記載されている。

また、特開２００８-１３９３２５号公報（特許文献２）には、従来使用される縦波用の超音波振動子を有する超音波探触子を使用して被検査材内部に、垂直方向、斜方向あるいは探傷面に沿う方向にモード変換を伴わない、同一方向に振動する横波を２つの超音波探触子からそれぞれ送信し、時間遅延の値を参照して各水平偏波横波の受信時間を補正した後、加算して解析することにより被検査材の探傷あるいは板厚測定を低周波数の超音波により実施することができる超音波探傷装置について記載されている。

特開２００１−８３１２５号公報 特開２００８−１３９３２５号公報

特許文献１に記載のものは、直交する偏波を持つ２つの超音波を同時に発生させて、音響異方性を測定し、底面エコーと被試験体厚みから横波音速を測定することによって材料劣化診断を行うものであるが、微小欠陥または介在物等の反射体を検出するためのフォーカス機能を有していない。微小欠陥または介在物からの反射波を検出するには、その他の周囲に存在する超音波反射体からのノイズと区別できるようにする必要があることから、フォーカス機能が必要である。特許文献１に記載のものは、フォーカスを考慮しないという点で、Ｓ／Ｎ（信号雑音比）の良い検査に利用するには課題がある。

また、特許文献２に記載のものは、複数の縦波探触子を探傷面に並べて、縦波超音波を発生させると共に、遅れエコーとして横波超音波を発生させて干渉により波を強めているものの、横波超音波をフォーカスさせる効果は無く、対象とする微小欠陥または介在物の周囲に存在する超音波反射体からのノイズと区別してＳ／Ｎを良くして探傷することができないとういう課題がある。また、音響異方性を考慮していないことから、発生する超音波振動方向によって音速が異なり、伝播時間計測による反射体位置の特定精度が低下する課題がある。

そこで、本発明は、上記課題に鑑みなされたものであって、金属材中に存在する微小な欠陥又は介在物を、高精度に検出することができる超音波検査装置及び超音波検査方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、第一振動方向を持つ横波超音波と第二振動方向を持つ横波超音波を発生させる偏波制御プローブと、第一振動方向を持つ横波超音波と第二振動方向を持つ横波超音波のそれぞれの位相差を制御する波形生成部と、偏波制御プローブの受信波形から、第一振動方向を持つ横波超音波と第二振動方向を持つ横波超音波を演算して合成波形を算出する波形解析部と、波形解析部によって得られた合成波形を表示する表示器と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、被検査体の内在欠陥又は介在物を、高精度に検出が可能な超音波検査装置及び超音波検査方法が提供できる。

実施例１による超音波検査装置の全体構成を示すブロック図である。 本実施例で用いる超音波検査の原理を示す概念図である。 本実施例で用いる超音波検査の原理を示す概念図である。 本実施例で用いる超音波検査の原理を示す波形の一例のグラフである。 本実施例で用いる縦波超音波検査の周波数の効果を示す概念図である。 本実施例で用いる横波超音波検査の周波数の効果を示す概念図である。 本実施例で用いる超音波検査の音響異方性の効果を示す概念図である。 本実施例で用いる超音波検査の音響異方性の効果を示す波形の一例のグラフである。 本実施例で用いる音響異方性を有する材料における横波超音波の伝搬の概念図である。 実施例１による検査形態の斜視図である。 実施例１の動作手順を示すフローチャートである。 実施例１における偏波制御プローブの斜視図である。 本実施例の波形生成部に含まれる波形生成器の詳細図である。 本実施例で用いる偏波制御プローブが発生させる偏波状態の一例の図である。 本実施例のプローブ出力波形および合成波形の一例のグラフである。 本実施例のプローブ出力波形および合成波形の一例のグラフである。 本実施例の波形解析部に含まれる演算器の詳細図である。 実施例２による超音波検査装置の全体構成を示すブロック図である。 実施例２による偏波制御プローブの斜視図である。 実施例３による超音波検査装置の全体構成を示すブロック図である。 実施例３による検査形態の斜視図である。 実施例３の動作手順を示すフローチャートである。 実施例４による超音波検査装置の全体構成を示すブロック図である。 実施例４による検査形態の斜視図である。

金属材料の内在欠陥または介在物を非破壊検査するため、超音波探傷検査が活用されている。被検査材の探傷面に対して垂直方向に進行する超音波（縦波超音波）を発生させる従来の超音波探傷検査においては、検査対象とする内在欠陥あるいは介在物からの反射波のＳ／Ｎ（信号雑音比）を向上するため、水中に沈めた被検査体に対して、より高周波の縦波超音波を機械走査により点集束させて探傷が行われる。

しかしながら、このような縦波超音波を利用した高周波超音波探傷検査においては、超音波の周波数が高くなると、発振器のコストが増大する上、被検査材中における縦波超音波の減衰が大きくなり信号のＳ／Ｎが低下する、あるいは、欠陥あるいは介在物にフォーカスするための機械走査の精度向上が困難である、とういう課題がある。

この課題を解決するために横波超音波を利用することが考えられる。横波超音波を使用すれば、横波超音波の音速は縦波超音波の音速の約半分であるため、縦波超音波の約半分の周波数で同程度の測定精度を得ることが利点である。

しかしながら、例えば音響異方性を有する金属材料において横波超音波を利用する場合には、音響異方性を有する金属材料は横波音速が振動方向（偏波：ここでの偏波とは振動方向および位相が指定されている横波超音波のことを示す。）ごとに異なることを特徴とし、音響異方性を考慮しなければ、内在欠陥あるいは介在物の位置を精度よく特定することは困難である。一例として、圧延成型した炭素鋼では、圧延方向に組織異方性および応力異方性が生じる。このような鋼材で横波の伝播時間を測定すると、超音波の振動方向によって異なる伝播時間が計測される。したがって、音響異方性を有する金属材料中の微小欠陥または介在物を検知するため、横波偏波の振動方向に依存した音速を考慮した探傷検査が求められる。

背景技術に記載した特許文献１及び特許文献２では、横波超音波を用いた探傷検査について記載されているものの、フォーカス機能については記載されていない。ここでフォーカス機能とは、２方向の振動方向成分を持つ横波超音波である偏波を送受信して、それら偏波が検査対象内部の所定の位置で干渉するようにして、検出したい所定の位置で超音波信号を強め合い、その他の位置における不要な信号は弱め合うように制御することである。

最初に、本発明で用いる超音波検査法について図２〜図４を用いて簡単に説明する。

図２は超音波検査法の概念図である。超音波検査法は、電圧を物理的な力に変換する縦波プローブ１１０または横波プローブ１１１により、その力を被検査体７に対して音波振動として伝搬させる。超音波モードは、伝播方向と同じ方向に振動する縦波１１２と、伝播方向と垂直方向に振動する横波１１３がいずれも用いられる（図２（ａ））。このとき、被検査体７の中を伝搬する音の経路に欠陥又は介在物等の反射体７２が存在するとき、その反射体で反射する反射体エコー１０１ｂを検出するものである。被検査体７の内部に反射体が存在しなければ被検査体の底面７１により底面エコー１０１ｃのみが検出される（図２（ｂ））。反射体の位置は、送信波１０１ａと反射体エコー１０１ｂの時間間隔１０２と試験体中の超音波音速により、測定される。試験体厚みは、送信波１０１ａと底面エコー１０１ｃとの時間間隔１０３と試験体中の超音波音速により、測定される。被検査体７中で反射を繰り返した多重反射信号が検出される場合もある。例えば、反射体エコー１０１ｄは底面エコーが表面で反射し、反射体７２で再び反射したものであり、第２回底面エコー１０１ｅは１回目の底面エコーが表面で反射し、再び底面で反射したエコーである。同様に第３回以降の底面エコーが検出される（図２（ｃ））。

図３は超音波検査における周波数の効果を表した概念図である。周波数が高いと被検査材７の中における超音波１１３の減衰が大きくなり、さらにエコー１１４がプローブ１１１まで伝播する間に減衰し、信号のＳ／Ｎが低下する（図３（ａ））。そこで、横波超音波を使用すれば、横波超音波の音速は縦波超音波の音速の約半分であるため、縦波超音波の約半分の周波数で同程度の測定精度を得ることが利点である。しかしながら、低周波数の横波超音波１１５は微小な反射体７２に対する反射率が小さいため、小さな振幅の反射エコー１１６しか得られず、信号のＳ／Ｎが低下する（図３（ｂ））。そのため、金属材中に存在する微小な欠陥又は介在物を、高精度に検出するために、横波超音波を利用する場合にはフォーカス機能を用いると、欠陥又は介在物をより鮮明にとらえることができる。

図４（ａ）は被検査体が音響異方性を有する場合の、横波を用いた超音波探傷における検査の概念図である。横波プローブ１１１を用いると、被検査体７が音響異方性を有する場合、送信した超音波１１３と被検査体７の音響異方性の方向によっては、超音波１１３は２方向の主軸に振動する偏波１１３ａと偏波１１３ｂに分離して独立に伝播するため、受信波形は、これら２つの偏波を重ね合わせた反射体エコー１０１ｂとなり、伝播時間計測による反射体位置の特定精度が低下する。図４（ｂ）に音響異方性の効果を示す波形の一例のグラフを示す。図４（ｂ）において横波プローブ１１１から送信波１０１ａを送信すると、被検査体７が音響異方性により偏波１１３ａと偏波１１３ｂに分かれる。偏波１１３ａと偏波１１３ｂはその伝搬する速度が異なるので、位相にずれ１０４が生じている。このずれは、偏波１１３ａと偏波１１３ｂを重ね合わせた際に、反射体エコー１０１ｂの受信波形を引き伸ばすとともに、干渉効果により合成した受信波形が弱くなる。底面エコー１０１ｃでは位相のずれ１０５がより大きくなるので、この影響はより大きくなる。

図４（ｃ）に音響異方性を有する材料における横波超音波の伝搬の概要を示す（紙面手前から奥側の方向に横波超音波を送信した場合を示した）。音響異方性を有する材料の主軸と平行方向に超音波１１３を送信する際には、単一の偏波のみ送信されるため、受信する超音波信号において位相差は発生しない。ここで示す主軸とは、横波超音波が最も早く伝搬する速度を持つ被検査体内の軸方向又は横波超音波が最も遅く伝搬する速度を持つ被検査体内の軸方向のことを指す。音響異方性を有する材料の主軸方向と４５度傾けた方向に超音波１１３を送信する際には、超音波が偏波１１３ａと偏波１１３ｂに分離され、各軸方向において横波の伝搬速度が異なるため、受信波形は、偏波１１３ａと偏波１１３ｂがある位相差を持って合成されたものが受信される。位相差がずれる場合には波形は弱め合って合成されるため、同じ超音波を送信したとしても、被検査体７の結晶の軸方向と超音波の送信方向によっては受信波形の強度が異なることになる。従って、この原理を用いれば被検査体７の音響異方性の方向（主軸方向）を求めることができる。また、各軸方向において横波の伝搬速度が異なる原理を利用して、偏波１１３ａと偏波１１３ｂの位相差を制御すれば、所定の箇所にのみにおいて合成波形を強めることができ、フォーカス機能が実現できる。

本発明は、上記の原理を用いて、横波を用いた超音波検査において、Ｓ／Ｎの良い微小反射体検知を実施するために、偏波制御可能なプローブを用いた検査装置を提供する。

図１、図５〜図１１を用いて、本実施例による検査装置の全体構成について説明する。

図１は本実施例に係る偏波制御プローブと超音波探傷装置を使用したシステムの構成を示すブロック図である。図５は本発明の一実施例による超音波探傷装置と、偏波制御プローブによる欠陥または介在物の測定形態の説明図である。なお、図１、図５において、同一符号は、同一部分を示している。ただし、図５に示す例は、本発明の実施例を限定するものではない。

探傷装置１には、入力部２を用いて位相差３１、振幅３ａ、振幅３ｂが入力される。波形生成部３に具備された波形生成器３２にて、位相差、振幅ａ、振幅ｂに基づいた電圧波形ａおよび電圧波形ｂが生成される。この際の電圧波形はパルス波でもバースト波でも良い。ただし、パルス幅、バースト幅は目的に応じて適切に設定する。また、横波超音波の２方向振動成分の位相差は、例えば、それぞれの送信タイミングに時間差により指定することができる。ここで、入力部２は、例えばパソコンのキーボード、タブレットに表示されているスライダー、探傷装置１に具備されたつまみを操作することで探傷装置１にデータを入力する。

電圧波形ａおよび電圧波形ｂは偏波制御プローブに備えられた第１圧電素子４ａおよび第２圧電素子４ｂにそれぞれ印加され、被検査体７の中に重ねて超音波を発生させる。その後、被検査体７からのエコーを偏波制御プローブ４が受信し、受信波形ａおよび受信波形ｂは探傷装置１に具備された波形解析部５に入力される。ここで、第１圧電素子４ａもしくは第２圧電素子４ｂは、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などで、電気信号を振動に変換し、逆に振動を電気信号に変換することが可能である。

次に、本実施例の波形解析部５の動作手順について、図１および図６のフローチャートを用いて説明する。波形解析部は、偏波制御プローブで取得した２つの受信波形を取り込む受信波形伝送路５０と、前記２つの受信波形を演算する演算器５２と、メモリ５１と、比較器５３と、波形生成部３にフィードバック信号を送信するための位相３１と振幅３ａ、振幅３ｂ、を生成する制御信号生成部５４を有する。制御信号生成部５４は、例えば、パソコン上でのソフトウェアにより実装することができる。

本波形解析部５を用いて、まず、音速が最大または最小となる主軸方向を測定する。この処理では、まず、ステップＳ１０１において、偏波制御プローブ４を被検査体７に適当な加重で接触させる。次いで、ステップＳ１０２において、振幅１、振幅２に適当な初期値を設定し、被検体７からの特定のエコーが生じる位置を入力部２により探傷装置１に入力する。このエコーは、Ｓ／Ｎを良くするため、第１回目の底面エコー１０１ｃとするのが好ましい。ただし、この後のステップで振幅の比較がしやすいように、第２回目の底面エコー１０１ｅやそれ以降の多重反射したエコーを入力部２から指定しても良い。

そして、ステップＳ１０３において、初期の位相差３１は０とし、波形解析部５において、メモリ５１には、受信波形ａと受信波形ｂの合成振幅を記憶させておく。ステップＳ１０４において、演算器５２は受信波形ａと受信波形ｂをそれぞれ振幅３ａ、振幅３ｂで重みづけして加算し、ステップＳ１０５において、エコーの合成波形の振幅を比較器５３にてメモリ５１に記憶された値と比較する。エコーの合成波形の振幅の最大値が求まった場合、ステップＳ１０７に進み、そうでない場合は、ステップＳ１０６に進み第２回目以降のステップを実行する。第２以降のステップでは、ステップＳ１０６において、制御信号生成部５４は、全振幅が一定の条件で、振幅３ａと振幅３ｂの比率を変化させ、波形生成部３に伝送し、第１のステップと同様にして比較を繰り返し、エコーの合成波形の振幅が最大となる振幅３ａと振幅３ｂの比率を算出する。すなわち、振幅３ａと振幅３ｂの比率を変化させることで、振動方向を制御した偏波が送信可能となる。ここでの偏波は直線偏波ということができる。振幅３ａ／振幅３ｂ＝ｔａｎθとして算出されるθが、偏波制御プローブ４のひとつのずり振動方向と被検査体７の主軸方向の１つとがなす角度である。また、合成エコー振幅が最小となる振幅３ａと振幅３ｂの比率、振幅３ａ／振幅３ｂ＝ｔａｎθとして算出されるθが偏波制御プローブ４のひとつのずり振動方向と、被検査体７の主軸と４５度となる向きと、がなす角度である。制御信号生成部５４は、主軸方向の測定結果を、表示器６に伝送し、表示器６は、測定結果を表示する。なお、本実施例での被検査体は９０度の角度をもった異方性材料を対象とした場合を示している。

ここでエコーの合成波形の振幅が最大値となる場合には、送信された超音波は材料の主軸方向と一致しているため、超音波は単一の波形となり、基本的には送信波形の強度より材料中で減衰する分だけ弱められた波形が受信される。これが受信されるエコーの中で最大のものとなる。しかし、超音波の送信方向が主軸方向と一致しない場合には、送信波形は２つの偏波に分離され、位相差を生じさせるので弱め合った合成波形が受信される。この原理を用いることで音響異方性材料の主軸方向を求めることが出来る。

次に、主軸方向測定で用いた被検査体７からのエコーを用いて、初期位相差を決定する。この時、好ましくは、ステップＳ１０７において、偏波制御プローブ４を回転させ、偏波制御プローブ４の軸と被検査体７の主軸を一致させておく。ステップＳ１０８において、振幅３ａと振幅３ｂが等しくなるように設定しておき、位相差３１を０として、合成振幅をメモリ５１に記憶しておく。ステップＳ１０９において、超音波を送受信し、合成エコー振幅を算出する。ステップＳ１１０において、エコーの合成波形の振幅を比較器５３にてメモリ５１に記憶された値と比較する。エコーの合成波形の振幅の最大値が求まった場合、ステップＳ１１２に進み、そうでない場合は、ステップＳ１１１に進み第２回目以降のステップを実行する。ステップＳ１１１においては、位相差３１を逐次変化させ、ステップＳ１０９を再度実行し、ステップＳ１１０においてエコーの合成波形の振幅が最大となる位相差３１を求める。エコーの合成波形の振幅が最大となる条件は、偏波制御プローブ４の軸と被検査体７の主軸が一致する場合、下記の（式１）で与えられる。
ｖ₁ｔ−ｖ₂ｔ＝ｎλ＋（φ／２π）λ・・・（式１）
ｖ₁、ｖ₂は２つの主軸の向きの偏波の音速であり、（φ／２π）はこの偏波の位相差となるので、（式１）を満たす時に最大となる。この数式の各値を置き換えると（式２）となる。
ΔＶ／Ｖ₀ ²＝（ｎ＋φ／２π）／ｆｚ・・・（式２）
ここでＶ₀は２つの主軸のそれぞれの向きでの偏波の平均音速、ΔＶ（＝ｖ₁−ｖ₂）は２つの主軸の向きの偏波の音速差、ｆ（＝Ｖ₀／λ）は超音波周波数、ｚは検査面から特定エコーを生じる反射体までの距離の２倍、φが初期位相、ｎは干渉次数である。ｎは０とするが、必要に応じてそれ以外の整数値を用いても良い。

以上で、探傷を行う準備が完了したので、ステップＳ１１２において探傷を開始する。ここでは、予め被検体の底面において干渉が最大となるように準備をしたが、測定対象に応じては、適宜この位置を変更するようにしても構わない。

探傷について記載する。上記手順にて設定した振幅３ａ、振幅３ｂ、位相差３１から、位相差３１を変化させると、（式２）の条件が成立する位置で波形が干渉して信号が強め合う。この位置に反射体が存在する場合、干渉して強め合った合成波形が観測される。なお、周囲のノイズとなるエコーは干渉して弱め合うため合成波形は弱くなり、強め合う合成波形が強調して表示される。すなわち、（式２）においてｚの位置が変化するため、このｚ上の位置では波形が干渉して強め合い、その他の位置では弱め合う。位相差を減少させることで、干渉位置ｚが被検体の底面から内部方向へと移動して、その位置に欠陥又は介在物があった場合には、より鮮明に欠陥又は介在物を捉えることができる。干渉波形は演算器５２から表示器６へ送られ、表示される。

以上により指定位置にフォーカスした探傷が可能である。

図７を用いて偏波制御プローブ４について説明する。偏波制御プローブ４はずり振動方向が９０度異なる第１圧電素子４ａおよび第２圧電素子４ｂを積層した構造になっている。各圧電素子は電圧波形を印加または読み取るための第１の入出力伝送路４１ａおよび第２の入出力伝送路４１ｂを備えている。

次に、図８、図９を用いて波形生成部３について説明する。図８は、波形生成器３２の詳細構成図である。トリガ３２１には遅延パルス生成器に入力され、指定された位相差だけ送信タイミングに時間差のある２個のトリガパルスを生成する。任意波形生成器３２３ａおよび任意波形生成器３２３ｂは、入力された振幅３ａ、振幅３ｂにもとづいて同一波形を生成し、それぞれ遅延パルス生成器から送られたトリガパルスに同期して電圧波形ａおよび電圧波形ｂを出力する。これにより、偏波制御プローブを制御する任意の偏波状態を持つ電圧波形が生成できる。なお、電圧波形ａおよび電圧波形ｂは増幅器３２１ａ、増幅器３２１ｂを経由して必要に応じて増幅させられ、第１の電圧波形端子３２４ａと第２の電圧波形端子３２４ｂよりそれぞれ送信される。

図９は、偏波制御プローブ４が生成する偏波状態の様子を示している。偏波制御プローブ４は、直交する２軸方向に振動する偏波を生成し、それぞれの軸方向の振幅３ａ、振幅３ｂおよび位相差３１を偏波状態として表示器６で表示する。このような偏波は楕円偏波と呼ばれる。なお、この処理は波形解析部で処理される。

表示された楕円の軸長３ｃと軸長３ｄの比がｔａｎ（φ／２）となるφが位相差３１である。また、矢印３ｅは偏波の回転方向を表し、０＜φ＜πの時、反時計回り、π＜φ＜２πの時、時計回りとなる。

次に、図１０、図１１を用いて波形解析部５について説明する。図１０は指定されたエコーの受信波形の一例である。被検査体７からの反射波は、第１圧電素子４ａおよび第２圧電素子４ｂによってそれぞれ受信され、演算器５２に送られて演算され、合成波形を生成する。

図１０（ａ）に示すように、超音波異方性を有する被試験体を通過した超音波の受信波形７ａおよび受信波形７ｂが、位相差８１を変化させ、ちょうど位相差８１が、超音波の波長の整数倍だけ変化した場合、受信波形７ａと受信波形７ｂの合成波形７ｃは強め合う。一方、図１０（ｂ）に示したように、受信波形８ａと受信波形８ｂの位相差８１がちょうど半整数倍の場合、それら受信波形の合成波形８ｃは弱め合う。初期位相差３１を制御することにより、強め合う干渉をする合成波形が得られる超音波路程を制御することができる。合成波形は表示器６に伝送され、表示される。

図１１は演算器５２の詳細構成である。重みづけ加算５２１により、受信波形は演算される。合成波形は、同一受信時間の波高を本演算器５２で重みづけ加算することにより算出されている。重み５２ａおよび重み５２ｂは、それぞれ前記波形生成部３に入力された振幅３ａおよび振幅３ｂとすることにより、送信偏波に対する受信偏波の変化量を算出可能であるが、必要に応じてその他の値を重みとすることにより、受信波形の任意方向への射影が得られる。

このようにして表示器６にて表示された主軸方向、偏波状態、合成波形を用いて、検査員が健全部との差異により、被検査体中の微小な反射体を評価することができる。

次に、図１２〜図１３を用いて、本発明の実施例２による超音波探傷検査について説明する。

図１２は、本発明の実施例２による検査装置の全体構成を示すブロック図である。この実施例は、実施例１において図１に示した圧電素子を用いた偏波制御プローブに代えて、第１コイル１４ａ、第２コイル１４ｂと永久磁石１４ｃとを用いた偏波制御プローブによって構成するようにしたものである。図１２の検査装置のうち、既に説明した図１に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。

図１３は本発明の一実施例による偏波制御プローブの内部構造を示す斜視図である。永久磁石と単一コイルから成る超音波プローブはＥＭＡＴとして一般に知られる。本実施例では、偏波制御が可能なように永久磁石１４ｃの直下に電流方向が９０度異なる第１コイル１４ａおよび第２コイル１４ｂを積層した構造になっている。各コイルは電流波形を印加または読み取るための入出力伝送路１４１ａおよび入出力端子１４１ｂを備えている。

本実施例における偏波制御プローブを使用することで、接触媒質を必要としない非接触探傷が可能となる。なお、図１２〜図１３において、同一符号は、同一部分を示している。ただし、図１３に示す例は、本発明の実施例を限定するものではない。

次に、図１４〜図１６を用いて、本発明の実施例３による超音波探傷検査について説明する。

図１４は、本発明の実施例３による検査装置の全体構成を示すブロック図である。図１５は本発明の一実施例による超音波探傷装置と、偏波制御プローブによる欠陥または介在物の測定形態の説明図である。ただし、図１５に示す例は、本発明の実施例を限定するものではない。

この実施例は、実施例１において、図１に示した送受信を偏波制御プローブ４に代えて、送信用の偏波制御プローブ２４と受信用の偏波制御プローブ３４を用いた２探触子探傷検査の機能を有している。図１４は圧電素子を用いた偏波制御プローブを用いたブロック図を示しているが、圧電素子を用いた偏波制御プローブに代えてＥＭＡＴを用いた偏波制御プローブ１４によって構成するようにしても良い。図１４の検査装置のうち、既に説明した図１に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。

次に、本実施例の波形解析部５の動作手順について、動作手順について、図１６のフローチャートを用いて説明する。

まず、音速が最大または最小となる主軸方向を測定する。この処理では、まず、ステップＳ２０１において、送信用偏波制御プローブ２４及び受信用偏波制御プローブ３４を被検査体７に適当な加重で接触させる。次いで、ステップＳ２０２において、被検体７からの特定のエコーが生じる位置を入力部２により探傷装置１に入力する。このエコーは、Ｓ／Ｎを良くするため、第１回目の底面エコーとするのが好ましい。ただし、この後のステップで振幅の比較がしやすいように、第２回目以降の底面エコーを指定しても良い。

そして、ステップＳ２０３において、初期の位相差３１は０とし、振幅３ａと振幅３ｂは適当な値に設定する。波形解析部５において、メモリ５１には、受信波形ａと受信波形ｂの合成振幅を記憶させておく。Ｓ２０４において、演算器５２は受信波形ａと受信波形ｂを適当な重み５２ａおよび重み５２ｂで重みづけして加算し、ステップＳ２０５において、エコー振幅を比較器５３にてメモリ５１に記憶された値と比較する。エコーの合成波形の振幅の最大値が求まった場合、ステップＳ２０７に進み、そうでない場合は、ステップＳ２０６に進み第２回目以降のステップを実行する。第２以降のステップでは、ステップＳ２０６において、全振幅が一定の条件で、振幅３ａと振幅３ｂの比率を変化させるとともに、全重みが一定の条件で、重み５２ａと重み５２ｂの比率を変化させ、第１のステップと同様にして比較を繰り返し、山登り法等の極値探索アルゴリズムを使用して、エコー振幅が最大となる振幅３ａ、振幅３ｂの比率と重み５２ａ、重み５２ｂの比率を算出する。振幅３ａ／振幅３ｂ＝ｔａｎθとして算出されるθが、送信用偏波制御プローブ２４のひとつのずり振動方向と被検査体７の主軸方向の１つとがなす角度である。また、重み５２ａ/重み５２ｂ＝ｔａｎψとなるψが、受信偏波制御プローブ３４と被検査体７の主軸方向の１つとが成す角度である。主軸方向の測定結果は、表示器６に伝送され表示される。

次に、主軸方向測定で用いた被検査体７からのエコーを用いて、初期位相差を決定する。この時、好ましくは、ステップＳ２０７において、送信偏波制御プローブ２４、受信偏波制御プローブ３４を回転させ、各プローブの軸と被検査体７の主軸を一致させておく。重み５２ａ＝振幅３ａ、重み５２ｂ＝振幅３ｂの条件で、ステップＳ２０８において、合成エコー振幅が最小となる振幅３ａと振幅３ｂを設定しておき、位相差３１を０として、合成振幅をメモリ５１に記憶しておく。ステップＳ２０９において、超音波を送受信し、合成エコー振幅を算出する。エコーの合成波形の振幅の最大値が求まった場合、ステップＳ２１２に進み、そうでない場合は、ステップＳ２１１に進み第２回目以降のステップを実行する。ステップＳ２１１においては、位相差３１を逐次変化させ、エコーの合成波形の振幅が最大となる位相差３１を測定する。エコーの合成波形の振幅が最大となる条件は、送信偏波制御プローブ２４および受信偏波制御プローブ３４の軸と被検査体７の主軸が一致する場合、（式２）で与えられる。ただし、ｚは送信偏波制御プローブ２４から受信偏波制御プローブ３４までの路程を表し、その他の記号は実施例１に記載のものと同一である。以上で、探傷を行う準備が完了したので、ステップＳ２１２において探傷を開始する。

本実施例における構成を利用することで二探触子透過法による探傷が可能となる。

次に、図１７〜図１８を用いて、本発明の実施例４による超音波探傷検査について説明する。

図１７は、本発明の実施例４による検査装置の全体構成を示すブロック図である。図１８は本発明の一実施例による超音波探傷装置と、偏波制御プローブ４による欠陥または介在物の測定形態の説明図である。ただし、図１８に示す例は、本発明の実施例を限定するものではない。本実施例は、プローブを検査面に対して自動的に走査する走査機構９を備えている。本走査機構９は、プローブの位置を指定する信号を出力する位置指定器９１と、測定位置ごとの波形を保存するメモリ９２を備えている。位置指定器９１に従って受信した波形は指定された位置とともにメモリ９２内に記憶される。記憶された波形は表示器１６に送られ、表示される。表示器１６は指定位置とメモリに記憶された波形をもとに、２次元の探傷画像を表示する機能を有する。

以上により、広範囲を高速に探傷し、結果をＢスコープあるいはＣスコープと一般に呼ばれる方法で表示させ、検査員が欠陥あるいは介在物を容易に発見することができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、偏波制御プローブ４を、単一の振動方向を有する圧電素子で構成し、振動したい方向に応じて、この圧電素子を移動（回転）させるようにしても構わない。この場合は単一の圧電素子でプロープを構成できるため、コスト削減となる。また、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…探傷装置
２…入力部
３…波形生成部
３ａ，３ｂ…振幅
４…偏波制御プローブ
４ａ…第１圧電装置
４ｂ…第２圧電素子
５…波形解析部
６…表示器
７…被検査体
７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂ…受信波形
８ｃ…合成波形
３１…位相差
３２…波形生成器
５１…メモリ
５２…演算器
５３…比較器
５４…制御信号生成部

Claims (16)

1. 第一振動方向を持つ横波超音波と第二振動方向を持つ横波超音波を発生させる偏波制御プローブと、
   前記第一振動方向を持つ横波超音波と前記第二振動方向を持つ横波超音波のそれぞれの位相差を制御する波形生成部と、
   前記偏波制御プローブの受信波形から、前記第一振動方向を持つ横波超音波と前記第二振動方向を持つ横波超音波を演算して合成波形を算出する波形解析部と、
   前記波形解析部によって得られた合成波形を表示する表示器と、
   を有することを特徴とする超音波検査装置。
2. 請求項１における超音波検査装置において、
   前記波形生成部は、
   前記第一振動方向を持つ横波超音波と前記第二振動方向を持つ横波超音波の初期位相差を入力する位相差端子と、
   前記第一振動方向を持つ横波超音波の振幅を入力する第１の振幅端子と、
   前記第二振動方向を持つ横波超音波の振幅を入力する第２の振幅端子と、
   前記位相差と前記第１の横波超音波の振幅に基づいて生成された波形を出力する第１の電圧波形端子と、
   前記位相差と前記第２の横波超音波の振幅に基づいて生成された波形を出力する第２の電圧波形端子と、
   を有することを特徴とする超音波検査装置。
3. 請求項２における超音波検査装置において、
   前記波形解析部によって得られた前記合成波形の振幅から得られる被検査体の異方性主軸方向を表示する表示器と、
   を有することを特徴とする超音波検査装置。
4. 請求項１における超音波検査装置において、
   前記波形解析部は、被検査体中の少なくとも１つの深さでの超音波の偏波状態を算出し、
   前記偏波状態を表示する表示器と、
   を有することを特徴とする超音波検査装置。
5. 請求項１における超音波検査装置において、
   前記波形解析部は、
   前記第一振動方向を持つ横波超音波と前記第二振動方向を持つ横波超音波の受信波形を取り込む受信波形伝送路と、
   前記２つの受信波形を演算する演算器と、
   前記演算器の演算結果を保持するメモリと、
   前記演算器の演算結果と前記メモリに保持された振幅を比較する比較器と、
   前記比較器の結果に基づいて前記波形生成部に送信する位相と振幅を生成する制御信号生成部と、
   を有することを特徴とする超音波検査装置。
6. 請求項１〜５に記載の超音波検査装置において、
   前記偏波制御プローブは、
   前記被検査体の検査面に垂直に伝播する横波超音波を生成する第１圧電素子と、
   前記第１圧電素子に積層し、かつ前記第１圧電素子の振動方向の直交方向に振動する横波超音波を生成する第２圧電素子と、
   前記第１圧電素子に電圧波形を入出力する第１の入出力端子と、
   前記第１圧電素子に電圧波形を入出力する第２の入出力端子と、
   を有することを特徴とする超音波検査装置。
7. 請求項１〜５に記載の超音波検査装置において、
   前記偏波制御プローブは、
   前記被検査体の検査面の表層で検査面に垂直な磁場を与える永久磁石と、
   前記検査面の表層に検査面に平行な向きの渦電流を生じさせる電流が流れる第１コイルと、
   前記検査面の表層に検査面に平行で、かつ前記第１コイルが生じさせる渦電流と直交方向に流れる渦電流を生じさせる電流が流れる第２コイルと、
   前記第１コイルに電流波形を入力する第１の入力端子と、
   前記第２コイルに電流波形を入力する第２の入力端子と、
   を有することを特徴とする超音波検査装置。
8. 請求項１〜５に記載の超音波検査装置において、
   前記偏波制御プローブは、送信用偏波制御プローブ及び超音波送受信用の受信用偏波制御プローブから構成される
   ことを特徴とする超音波検査装置。
9. 請求項１〜７に記載の超音波検査装置において、
   前記偏波制御プローブを走査する走査機構と位置を指定する位置指定器を備え、
   前記表示器は、前記偏波制御プローブの位置情報を表示する
   ことを特徴とする超音波検査装置。
10. 第一振動方向を持つ横波超音波と第二振動方向を持つ横波超音波を発生させる波形生成器と、
    前記第一振動方向を持つ横波超音波と前記第二振動方向を持つ横波超音波のそれぞれの位相差を制御する波形生成部と、
    前記第一振動方向を持つ横波超音波と前記第二振動方向を持つ横波超音波の受信波形を取り込む受信波形伝送路と、
    前記第一振動方向を持つ横波超音波と前記第二振動方向を持つ横波超音波を演算して合成波形を算出する波形解析部と、
    を有することを特徴とする超音波探傷装置。
11. 請求項９における超音波探傷装置において、
    前記波形解析部は、前記合成波形の振幅から被検査体の異方性主軸方向を求める
    ことを特徴とする超音波探傷装置。
12. 請求項９における超音波探傷装置において、
    前記波形解析部は、被検査体中の少なくとも１つの深さでの超音波の偏波状態を算出する
    ことを特徴とする超音波探傷装置。
13. 第一振動方向を持つ横波超音波と第二振動方向を持つ横波超音波の位相差を制御した偏波を被検査体中に送信し、
    前記被検査体内を通過した前記偏波エコーを受信し、
    前記受信した偏波エコーを合成して、
    前記合成した偏波エコーを表示する
    ことを特徴とする超音波検査方法。
14. 請求項１２に記載の超音波検査方法において、
    前記横波超音波の振動方向を変化させることで被検査体からのエコーの振幅を比較して前記被検査体の主軸方向を測定し、
    前記主軸方向を表示する
    ことを特徴とする超音波検査方法。
15. 請求項１２に記載の超音波検査方法において、
    前記主軸方向に対して前記第一振動方向を持つ横波超音波と前記第二振動方向を持つ横波超音波を送信するそれぞれの送信角度を固定してから、前記位相差を制御した前記第一振動方向を持つ横波超音波と前記第二振動方向を持つ横波超音波を前記被検査体中に送信する
    ことを特徴とする超音波検査方法。
16. 請求項１２に記載の超音波検査方法において、
    前記超音波の送信位置を、前記被検査体の探傷面上を走査させ、
    前記超音波の送信した位置情報を記録しながら検査を実施し、
    前記合成した偏波エコーを、前記位置情報をもとに合成して、表示する
    ことを特徴とする超音波検査方法。

Images