KR20080074941A

KR20080074941A - 초음파에 의한 단면 검사 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20080074941A
Application number: KR1020087013378A
Authority: KR
Inventors: 하지메 다카다
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2005-12-19
Filing date: 2006-05-25
Publication date: 2008-08-13
Also published as: JP4984519B2; US7987724B2; KR101144692B1; CN101341401B; JP2007170871A; US20090241675A1; CN101341401A; EP1965208A4; EP1965208A1; WO2007072589A1

Abstract

진동자 어레이를 사용한 초음파 탐상을 고속으로 이송되는 피검체의 검사에 적용하는 데 있어서, 검사에 누락이 발생하지 않게 한다. 구체적 해결 수단은, 1 차원으로 배열된 다수의 초음파 진동자로 이루어지는 진동자 어레이를 사용하여 피검체의 단면을 검사하는 방법에 있어서, 상기 진동자 어레이의 일부 또는 전체 초음파 진동자로부터 초음파를 송파하고, 그 송파 된 초음파에 의해 발생된 반사파를, 상기 진동자 어레이의 일부 또는 전체 초음파 진동자를 사용하여 수파하고, 그 수파된 신호를 디지털의 파형 신호로 변환하고, 상기 진동자 어레이 중에서 선택된 복수의 초음파 진동자로 구성되는 초음파 진동자군의 각 진동자와 상기 피검체 내부에 형성하는 연속적인 수파 초점의 거리에 기초하여, 상기 각 진동자의 디지털화된 수파 신호의 시간 축을 변환하고, 상기 각 진동자의 시간 축이 변환된 수파 신호를 가산 합성함으로써, 진동자 어레이 아래에 수파 니들 빔을 형성한다.

Description

초음파에 의한 단면 검사 방법 및 장치{ULTRASONIC SECTION INSPECTION METHOD AND DEVICE}

본 발명은, 초음파에 의한 단면 검사 방법 및 장치에 관련된 것으로, 특히, 연속적으로 반송되는 피검체의 검사를 초음파를 사용하여 실시하는 초음파 검사 장치, 혹은, 초음파 송수파기를 주사하여 피검체의 검사를 실시하는 초음파 검사 장치에 사용하기에 적합한, 초음파에 의한 단면 검사 방법 및 장치에 관한 것이다.

금속 재료 등의 공업 제품은, 그 내부에 유해한 결함이 없는 것을 확인하기 위해, 초음파를 사용하여 검사되는 것이 많다. 최근, 경량화를 목적으로 한 금속 재료의 박육화, 환경 대책을 위한 제조 프로세스 변경, 추가로, 장기 수명화를 목적으로 한 내부 품질 개선 등을 위해, φ20㎛ 정도의 초미소 내부 결함을 금속 재료의 전체 길이·전체 단면에 걸쳐서 검출하는 것이 필요해지고 있다. 제조되는 금속 재료 제품 전체 수의 전체 길이·전체 단면을 검사하기 위해서는, 제조 라인에 있어서 반송되고 있는 제품의 검사를 실시할 필요가 있다. 상기 초미소 결함의 검출이 필요한 제품의 반송 속도는, 최대로 1000mm/s 정도이다. 따라서, 1000mm/s 의 고속으로 반송되는 제품의 전체 길이·전체 단면에 걸쳐, φ20㎛ 정도 크기의 초미소 결함을 검출하는 것이 필요해지고 있다. 혹은, 정지되어 있는 제품에 초음파 송수파기를 주사함으로써 검사하는 경우에는, 초음파 송수파기를 1000mm/s 의 고속으로 주사할 필요가 있다.

상기 초음파를 사용한 검사 장치는 초음파 탐상 장치라고 한다. 이들 장치에 있어서 상기 내부 결함을 검출할 때에, 고속의 검사를 목적으로 하여 초음파 빔을 전자적으로 주사하는 수법이 사용되고 있다. 이 중, 종래부터 사용되고 있는 리니어 전자 주사라고 칭해지는 주사 방식을 도 13 에 의해 설명한다.

도 13 은 종래의 초음파 검사 장치의 구성을 나타내는 블록도이다. 도 13 에 있어서, 101 은 진동자 어레이를 나타낸다. 진동자 어레이 (101) 에는, 그 선단부에 다수의 초음파 진동자 (이하, 간단히 소자라고 칭한다) 가 등간격으로 어레이상으로 나열되어 있고, 이 중 복수의 소자를 1 조 (組) 로 하여 구동하고, 정해진 위치로 초음파 빔을 집속시킨다. 도시의 예에서는, 소자 총수가 64 개 (101₁∼101₆₄), 1 조에 사용하는 소자 수를 8 개로 하고 있다. 각 소자에는 소자 번호 1∼64 가 붙여져 있다. B₁∼B₅₇ 은 각 소자 101₁∼101₆₄ 에 의해 형성되는 초음파 빔을 나타낸다. 102 는, 이들 초음파 빔 B₁∼B₅₇ 의 송수파를 제어하는 제어 회로이다.

여기에서, 초음파 빔 B₁∼B₅₇ 의 송수파 동작의 개략을 설명한다. 먼저, 소자 101₁∼101₈ 의 8 개를 1 조로 하여 구동함으로써, 소자 101₁∼101₈ 의 중심선 상에 집속점 (초점이라고도 한다) 을 갖는 초음파 빔 B₁ 을 송수파한다. 다음으 로 소자 101₂∼101₉ 를 1 조로 하여 구동함으로써, 소자 101₂∼101₉ 의 중심선 상에 집속점을 갖는 초음파 빔 B₂ 를 송수파한다. 이하 동일하게 구동 소자군을 1 개씩 시프트시켜, 최후에는 소자 101₅₇∼101₆₄ 의 구동에 의해, 초음파 빔 B₅₇ 을 송수파한다. 이와 같은 동작에 의해, 소자 배열 피치에 동등한 피치로, 피검체에 대해 초음파 빔을 전자 주사한다. 상기 서술한 집속 초음파 빔의 송수파 및 전자 주사에 필요한 제어는, 진동자 어레이 (101) 에 접속된 제어 회로 (102) 에 있어서 실시된다.

또한, 송파 빔의 집속은, 초음파를 송파하기 위해서 각 소자에 부여되는 전기 펄스의 인가 타이밍을, 상기 1 조의 소자 중에서 변경함으로써 가능하다. 수파 빔의 집속은, 상기 1 조의 소자가 수파한 신호를, 소자마다 개별 시간만 지연시켜 가산함으로써 달성할 수 있다.

상기 서술한 리니어 전자 주사는, 초음파 탐촉자의 기계 주사를 실시하는 방법에 비해, 20 배 정도의 고속 검사가 가능한 것으로 되어 있다. 그러나, 금속 재료 등의 반송 라인에 있어서, 초속 1000mm 정도의 고속으로 반송되는 피검체를, 상기 리니어 전자 주사를 사용하여 검사하고자 하면, 1 회의 전자 주사가 종료하기까지, 피검체의 상당한 길이 부분이 통과되기 때문에, 검사에 누락이 발생하는 문제가 있었다.

리니어 전자 주사에 의한 검사를 고속화하기 위한 선행 기술로서, 특허 문헌 1 을 들 수 있다. 이 특허 문헌 1 은, 「다수의 초음파 진동 소자의 배열을 따 라 초음파 빔의 주사를 실시하는 초음파 검사 장치에 있어서, 상기 초음파 빔 모두를 연속하는 복수의 빔 영역으로 구분하는 빔 영역 구분 수단과, 상기 각 빔 영역을 소정의 순서로 선택해 가는 빔 영역 선택 수단과, 선택된 빔 영역에 있어서의 1 개의 초음파 빔을 당해 빔 영역이 선택될 때마다 순차 시프트해 가는 시프트 수단을 형성한 것」에 의해 리니어 전자 주사의 고속화를 도모하는 것을 제안하고 있다.

또, 피검체의 단면 검사를 고속화하기 위한 선행 기술로서, 특허 문헌 2 를 들 수 있다. 이 특허 문헌 2 는, 「피검재 표면을 따라 배열 가능한 복수의 진동자를 갖는 초음파 변환기 어레이와, 초음파 변환기 어레이의 각 진동자를 스파이크 펄스로 여진하는 여진 수단과, 각 진동자에서 수신한 초음파 수신 에코를 진동자마다의 파형 데이터로서 기억하는 파형 메모리와, 진동자마다의 파형 데이터가 기억된 상기 파형 메모리의 내용을 판독하고, 가산기로 위상 합성하는 위상 합성 수단과, 상기 파형 메모리의 판독에 있어서, 그 각 파형 메모리의 어드레스를 전자 주사 범위 내의 임의 위치에 대한 다이나믹 포커스의 빔 노정 거리에 상당하는 어드레스로서 부여하는 초점 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 초음파 탐상 장치.」에 의해 피검체의 단면 검사의 고속화를 도모하는 것을 제안하고 있다.

특허 문헌 1 : 일본 공개특허공보 평3-248058호

특허 문헌 2 : 일본 공개특허공보 2003-28846호

발명의 개시

그러나, 특허 문헌 1 에서는, 전자적인 전환에 의해 초음파 빔의 주사가 실시되는 것에 변화는 없고, 상기한 검사의 누락 문제의 해결에는 아직 먼 상황이었다.

또, 특허 문헌 2 에서는, 파형 메모리에 기억된 진동자 어레이의 전체 수파 신호 데이터로부터, 수파의 초점을 형성할 때에, 초점의 깊이 위치를 순차 변경할 필요가 있기 때문에, 이 프로세스에 시간이 걸리는 문제가 있었다. 특허 문헌 2 의 [0042] 에는, 1 개의 단면 검사가 1ms 에서 종료되는 예가 나타나 있는데, 예를 들어 피검재의 속도가 1000mm/s (60mpm) 인 경우에는, 1mm 간격으로 밖에 피검재의 검사를 실시할 수 없다. 이것으로는 예를 들어, 피검재에 φ100㎛ 정도의 원형 평면 결함이 있었다고 해도, 이 결함에 수직으로 초음파 빔이 닿는 확률은 1/10 보다 작다.

또, 특허 문헌 2 에서는, n 개의 소자에 의해 수파된 n 개의 수파 신호 모두를 위상 합성함으로써, 특정한 위치에 수파 빔의 초점을 형성하고 있었다. n 으로서 200 이 예시되어 있다. 초점 위치에 있어서의 수파 빔의 직경은 개구의 크기에 반비례하므로, n 이 큰 것은 결함 검출능이나 분해능 향상의 관점에서 양호할 것으로 생각된다. 그러나, 진동자 어레이를 구성하는 개개의 초음파 진동자 (소자라고도 한다) 는 배열 방향에 어느 정도의 폭을 가지고 있기 때문에, 개개의 초음파 진동자의 수파 지향성은, 어느 정도 좁은 각도 범위에 한정된다. 예를 들어, 진동자 어레이의 공칭 주파수를 5MHz 로 하고, 배열 방향에서의 소자 폭을 0.8mm (일반적인 5MHz 진동자 어레이의 소자 폭은 이 정도) 로서 생각하면, 수파 빔 중심축에서의 수파 효율에 대해 -6dB 이내의 수파 효율이 되는 각도 (수파 지향성이라고 한다) 는 약 12˚(빔 중심 축에 대해) 이다. 이 진동자 어레이를 사용하여 초점에 대한 수파 지향성이 -6dB 이내가 되는 소자만을 사용하여, 진동자 어레이로부터 거리 50mm 의 위치에 초점을 형성하는 것을 생각한다. 만일 초점의 바로 위에 위치하는 소자를 소자 i 로 했을 때, 초점에 대한 수파 지향성이 -6dB 이내가 되는 소자 j 는 소자 i 로부터 약 11mm 에 위치한다. 소자 폭은 0.8mm 로 했기 때문에, 소자 j 는 소자 i 로부터 13∼14 번째의 소자이다. 그러므로, 상기의 경우, 수파 빔의 초점에 주로 기여하는 소자는 전체적으로 30 소자가 채 되지 않는다. 이와 같이 특허 문헌 2 에 나타난 기술안을 상기 일반적인 케이스에 적용한다고 해도, 8 할 이상의 소자의 위상 합성 처리가 쓸모없게 되는 문제가 있었다. 또한, 특허 문헌 2 에 나타난 장치를 제조 현장에 있어서의 온라인 탐상에 적용하는 경우에는, 초점 형성에 거의 기여하지 않는 8 할 이상의 소자가 수파한 신호에 포함되는 현장 특유의 주기성 노이즈가 가산에 의해 증대되기 때문에, 진폭이 큰 노이즈 신호가 발생하기 쉬운 문제가 있었다. 진폭이 큰 노이즈 신호는, 오류 검출의 원인이 되기 때문에, 온라인 탐상에서는 가장 꺼려하는 문제이다.

본 발명은, 상기 종래의 문제점을 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 진동자 어레이를 사용한 초음파 탐상을, 고속으로 이송되는 피검체의 검사에 적용할 때에, 혹은, 진동자 어레이를 고속으로 이동시켜 피검체를 검사할 때에, 검사에 누락이 발생하지 않도록 하는 것을 과제로 한다. 또한, 본 발명은, 진폭이 큰 노이즈가 발생하지 않는 탐상 방법 및 장치를 제공하는 것을 과제로 한다.

본 발명은, 1 차원으로 배열된 다수의 초음파 진동자로 이루어지는 진동자 어레이를 사용하여 피검체의 단면을 검사하는 방법에 있어서, 상기 진동자 어레이의 일부 또는 전체 초음파 진동자로부터 초음파를 송파하고, 그 송파된 초음파에 의해 발생된 반사파를, 상기 진동자 어레이의 일부 또는 전체 초음파 진동자를 사용하여 수파하고, 그 수파된 신호를 디지털의 파형 신호로 변환하고, 상기 진동자 어레이 중에서 선택된 복수의 초음파 진동자로 구성되는 초음파 진동자군의 각 진동자와 상기 피검체 내부에 형성하는 연속적인 수파 초점의 거리에 기초하여, 상기 각 진동자의 디지털화된 수파 신호의 시간 축을 변환하고, 상기 각 진동자의 시간 축이 변환된 수파 신호를 가산 합성하도록 하여, 상기 과제를 해결한 것이다. 또한, 피검체 내부에 형성하는 연속적인 수파 초점이란, 실질적으로는 A/D (아날로그-디지털) 변환의 샘플링 시간 간격에 상당하는 초음파 전파 거리를 그 간격으로서 연결하여 형성되는 수파 초점을 의미한다.

또, 복수의 초음파 진동자로 이루어지는 초음파 진동자군을 복수개로 하고, 상기 복수개의 초음파 진동자군에 있어서 가산 합성을 동시에 실시하도록 한 것이다.

또, 진동자 어레이와 초점의 거리에 따라, 초음파 진동자군을 구성하는 초음파 진동자의 개수를 변경하도록 한 것이다.

본 발명은, 또, 1 차원으로 배열된 다수의 초음파 진동자로 이루어지는 진동자 어레이를 사용하여 피검체의 단면을 검사하는 방법에 있어서, 상기 진동자 어레이의 일부 또는 전체 초음파 진동자로부터 초음파를 송파하고, 그 송파된 초음파에 의해 발생된 반사파를, 상기 진동자 어레이의 일부 또는 전체 초음파 진동자를 사용하여 수파하고, 그 수파된 신호를 디지털의 파형 신호로 변환하고, 상기 진동자 어레이 중에서 선택된 복수의 초음파 진동자로 구성되는 초음파 진동자군의 각 진동자와 상기 피검체 내부에 형성하는 n 개 (n≥2) 의 수파 초점의 거리에 기초하여, 상기 각 진동자의 디지털화 된 수파 신호로부터, 상기 n 개의 초점마다, 그 초점 형성에 기여하는 신호를 추출하고, 상기 n 개의 초점마다 추출한 신호를 가산 합성함으로써, 상기 과제를 해결한 것이다.

또, 복수의 초음파 진동자로 구성되는 초음파 진동자군을 복수개로 하고, 상기 복수개의 초음파 진동자군에 있어서 가산 합성을 동시에 실시하도록 한 것이다.

또, 진동자 어레이와 초점의 거리에 따라, 피검체 내부에 형성하는 n 개 (n≥2) 의 수파 초점의 간격을 변경하도록 한 것이다.

본 발명은, 또, 1 차원으로 배열된 다수의 초음파 진동자로 이루어지는 진동자 어레이를 사용하여 피검체의 단면을 검사하는 장치에 있어서, 상기 진동자 어레이의 일부 또는 전체 초음파 진동자로부터 초음파를 송파하는 수단과, 그 송파된 초음파에 의해 발생된 반사파를, 상기 진동자 어레이의 일부 또는 전체 초음파 진동자를 사용하여 수파하는 수단과, 그 수파된 신호를 디지털의 파형 신호로 변환하는 수단과, 상기 진동자 어레이 중에서 선택된 복수의 초음파 진동자로 구성되는 초음파 진동자군의 각 진동자와 상기 피검체 내부에 형성하는 연속적인 수파 초점의 거리에 기초하여, 상기 각 진동자의 디지털화된 수파 신호의 시간 축을 변환하는 수단과, 상기 각 진동자의 시간 축이 변환된 수파 신호를 가산 합성하는 수단을 구비함으로써, 상기 과제를 해결한 것이다.

본 발명은, 또, 1 차원으로 배열된 다수의 초음파 진동자로 이루어지는 진동자 어레이를 사용하여 피검체의 단면을 검사하는 장치에 있어서, 상기 진동자 어레이의 일부 또는 전체 초음파 진동자로부터 초음파를 송파하는 수단과, 그 송파된 초음파에 의해 발생된 반사파를, 상기 진동자 어레이의 일부 또는 전체 초음파 진동자를 사용하여 수파하는 수단과, 그 수파된 신호를 디지털의 파형 신호로 변환하는 수단과, 상기 진동자 어레이 중에서 선택된 복수의 초음파 진동자로 구성되는 초음파 진동자군의 각 진동자와 상기 피검체 내부에 형성하는 n 개 (n≥2) 의 수파 초점의 거리에 기초하여, 상기 각 진동자의 디지털화된 수파 신호로부터, 상기 n 개의 초점마다, 그 초점 형성에 기여하는 신호를 추출하는 수단과, 상기 n 개의 초점마다 추출한 신호를 가산 합성하는 수단을 구비함으로써, 상기 과제를 해결한 것이다.

또, 가산 합성하는 수단은, 복수개의 초음파 진동자군에 있어서의 가산 합성을 동시에 실시하도록 한 것이다.

이상에 있어서의 「가산 합성을 동시에 실시한다」에 나타나는 「동시」란, 다음회의 초음파 송수파가 실시되어, 시간 축이 변환된 수파 신호, 또는, n 개의 초점마다 추출한 신호가, 상기 다음 회의 초음파 송수파에 의한 신호로 전환될 때까지의 시간대를 의미한다.

도 1 은 본 발명을 실시하기 위한 초음파 검사 장치의 제 1 실시형태의 단순화된 구성을 나타내는 블록도이다.

도 2 는 제 1 실시형태의 사고 방식을 나타내는 설명도이다.

도 3 은 제 1 실시형태의 전체 구성을 나타내는 블록도이다.

도 4 는 신호 합성부의 동작을 나타내는 설명도이다.

도 5 는 본 발명을 실시하기 위한 초음파 검사 장치의 제 2 실시형태의 단순화된 구성을 나타내는 블록도이다.

도 6 은 제 2 실시형태의 사고 방식을 나타내는 설명도이다.

도 7 은 제 2 실시형태에 있어서 특정한 2 개의 소자와 초점 사이를 초음파가 전파되는 시간의 상대적인 관계를 나타내는 설명도이다.

도 8 은 제 2 실시형태의 전체 구성을 나타내는 블록도이다.

도 9 는 제 2 실시형태의 변형예인 제 3 실시형태의 전체 구성을 나타내는 블록도이다.

도 10 은 제 2 실시형태의 다른 변형예인 제 4 실시형태의 전체 구성을 나타내는 블록도이다.

도 11 은 각도 θ 의 방향으로 하나의 니들 빔 형성을 실시하는 구성을 나타내는 도면이다.

도 12 는 제 2 실시형태의 장치와 특허 문헌 2 및 종래의 리니어 전자 주사 에 의해 얻어진 C-scope 를 비교하여 나타내는 도면이다.

도 13 은 종래의 초음파 검사 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 진동자 어레이

1₁∼1₃₈₄ : 초음파 진동자

2₁∼2₃₈₄ :펄서

3₁∼3₃₈₄ : 수파 증폭기

4₁∼4₃₈₄: A/D 변환기

7₁∼7₃₈₄: 신호 추출부

8₁∼8₃₈₄:파형 메모리

9₁∼9₃₈₄ :가산 합성 처리부

10₁∼10₃₈₄ :신호 합성부

11₁∼11₃₈₄ :시간 축 변환부

12₁∼12₃₈₄ :파형 메모리

13₁∼13₃₈₄:가산 합성 처리부

14₁∼14₃₈₄:부분 클리어부

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 실시형태를 상세하게 설명한다.

도 1 은 본 발명을 실시하기 위한 초음파 검사 장치의 제 1 실시형태를 단순화한 예를 나타내는 블록도, 도 2 는 제 1 실시형태에 있어서의 주목점을 나타내는 설명도, 도 3 은 제 1 실시형태의 전체 이미지를 나타내는 블록도이다.

제 1 실시형태로서, 소자 (초음파 진동자) 총 수 384 개, 수파 집속 빔의 형성에 사용하는 1 조의 소자 수를 24 개로 했을 경우에 대해 설명한다. 본 실시형태에서는, 24 개의 소자를 사용하여, 그 배열의 하방에 빔 직경이 작은 1 개의 수파 빔 (이하, 니들 빔) 을 형성하고, 추가로 384 개의 전체 소자에서 선택 가능한 24 개의 소자군의 배열 하방에 수파 니들 빔을 동시에 형성함으로써, 진동자 어레이 (1) 하에 수파 니들 빔이 조밀하게 나열된 수파 니들 빔 커튼을 형성하는 예를 나타내고 있다. 또한, 이 제 1 실시형태에서는, 상기 수파 니들 빔을 형성하기 위해, 진동자 어레이로부터의 거리가 상이한 8 개 (n=8) 의 위치에 빔이 집속되어 초점이 되도록, 각 소자가 수파한 신호로부터, 그 초점의 근방 (빔 초점 위치를 중심으로 한 소정 영역) 만의 신호를 추출하여, 그것들을 가산 합성함으로써, 상기 수파 니들 빔에 의한 수파를 실현하고 있다.

도 1 (단순화 도면) 및 도 3 (전체 도면) 에 나타내는 바와 같이, 제 1 실시형태는, 진동자 어레이 (1), 그 진동자 어레이 (1) 의 각 소자 1₁∼1₃₈₄ 로부터 초음 파를 송파하기 위해, 각 소자 1₁∼1₃₈₄ 에 전기 펄스를 인가하는 펄서 2₁∼2₃₈₄, 각 소자 1₁∼1₃₈₄ 가 수파한 초음파에 의한 신호를 증폭하기 위한 수파 증폭기 3₁∼3₃₈₄, 증폭 후의 수파된 초음파에 의한 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환기 4₁∼4₃₈₄, 디지털화된 수파 신호로부터 수파 빔 초점의 수파 신호만을 추출하는 신호 추출부 7₁∼7₃₈₄, 추출한 신호를 저장하는 파형 메모리 8₁∼8₃₈₄, 및, 기억된 추출 신호를 가산 합성하고, 1 점 (수파 빔 초점이라고도 한다) 에 집속한 수파 빔에 의해 수파하는 것과 등가인 수파 합성 신호를 생성하는 가산 합성 처리부 (9), 가산 합성 처리부 (9) 로부터의 신호를 시간적으로 서로 연결함으로써, 진동자 1_i 와 1_i+1 사이의 아래에 형성되는 1 개의 니들 빔에 의해 수파하는 것과 등가인 수파 신호를 생성하는 신호 합성부 (10) 로 이루어진다. 즉 본 실시형태에서는, 진동자 어레이 1₁∼1₃₈₄ 의 소자마다, 펄서 2₁∼2₃₈₄, 수파 증폭기 3₁∼3₃₈₄, A/D 변환기 4₁∼4₃₈₄, 신호 추출부 7₁∼7₃₈₄, 및, 파형 메모리 8₁∼8₃₈₄ 가 구비되어 있다. 단, 펄서 2₁∼2₃₈₄, 수파 증폭기 3₁∼3₃₈₄, A/D 변환기 4₁∼4₃₈₄, 신호 추출부 7₁∼7₃₈₄, 파형 메모리 8₁∼8₃₈₄, 가산 합성 처리부 9₁∼9₃₈₄, 신호 합성부 10₁∼10₃₈₄ 중, 동작의 설명에 사용하지 않는 구성 요소의 도시를 생략하고 있다. 이하의 도면에서도 동작의 설명에 사용하지 않는 구성 요소의 도시를 생략하였다.

도 2 는 제 1 실시형태에 있어서의 수파 니들 빔 형성에 대한 견해를 나타내 고 있다. 진동자 어레이 (1) 의 전체 소자 1₁∼1₃₈₄ 로부터 초음파를 송파한다. 또, 피검체로부터의 초음파의 반사 신호 (에코) 를, 진동자 어레이 (1) 의 전체 소자 1₁∼1₃₈₄ 를 사용하여 수파한다. 각 소자 1₁∼1₃₈₄ 에 의해 수파된 초음파에 의한 신호는, 각각 도 1 에 나타낸 수파 증폭기 3₁∼3₃₈₄ 에 의해 증폭된 후, A/D 변환기 4₁∼4₃₈₄ 에 의해 디지털 신호로 변환된다. 이들 디지털화된 신호의 위상 맞춤을 실시한 후, 가산 합성을 실시함으로써, 도 2 에 나타낸 바와 같은 수파 집속 빔을 형성할 수 있다. 본 실시형태에서는, 피검체의 단면을 양호한 분해능으로 검사하기 위해서는, 도 2 에 파선의 동그라미로 나타낸 부위로부터의 반사 신호만을 추출하면 되는 것에 주목하였다. 구체적으로는, A/D 변환기 4₁∼4₃₈₄ 에 의해 변환된 수파 디지털 신호로부터, 신호 추출부 7₁∼7₃₈₄ 를 사용하여, 각 소자 1_i-12∼1_i+11 와 원형 영역의 거리에 상당하는 시간 범위에 수파된 신호만을 추출하여, 가산 합성을 실시하면 된다. 또한, 신호 추출부 (7) 는, 설정부 (20) 로부터 입력된 각 소자 1_i-12∼1_i+11와 원형 영역의 거리, 및 매체 중의 음속 등의 정보에 기초하여, 추출 조건 파라미터를 설정된다. 도 2 에 있어서의 일점 쇄선 상에서, 파선의 동그라미로 나타낸 영역을 복수 취하고, 도 1 에 나타낸 바와 같은 원형 영역이 끊김없이 나열되도록 한 다음 (영역이 끊김없이 나열되도록 복수의 초점 거리 F_R 를 설정한다), 이들 복수의 영역으로부터 수파되는 신호만을 추출하여, 가 산 합성을 실시하면, 상기 일점 쇄선의 근방만으로부터의 신호를 수파할 수 있다. 이 때, 형성되는 수파 빔은 일점 쇄선을 중심으로 한 집속 빔 직경에 대응한 좁은 영역에 국부적으로 존재하는 니들 빔이라고 할 수 있다.

도 1 은, 상기의 일점 쇄선을 중심으로 한 좁은 영역에 국부적으로 존재하는 수파 니들 빔을 1 개 형성하는 단순화된 구성을 나타내고 있다. 진동자 어레이의 소자 1_i-12∼1_i+11로부터 거리 F_RS∼F_RE 사이에 수파 니들 빔을 형성할 수 있도록, 수파 빔이 집속하는 8 개의 영역 (실선으로 나타낸 원형 영역) 을 설정하고 있다. 구체적인 동작은 이하와 같다. 진동자 어레이 (1) 의 전체 소자 1₁∼1₃₈₄ 로부터 초음파를 송파한다. 또, 피검체로부터의 초음파의 반사 신호 (에코) 를, 진동자 어레이 (1) 의 전체 소자 1₁∼1₃₈₄ 를 사용하여 수파한다. 각 소자 1_i-12∼1_i+11 에 의해 수파된 초음파에 의한 신호는, 각각 수파 증폭기 3i_-12∼3_i+11 에 의해 증폭된 후, A/D 변환기 4_i-12∼4_i+11 에 의해 디지털 신호로 변환된다. 신호 추출부 7_i-12∼7_i+11는, 8 개의 영역의 중심으로 집속된 수파 빔을 형성하기 위해, 각각의 영역으로부터 수파된 신호를 추출하여 파형 메모리 8_i-12∼8_i+11에 송부한다. 파형 메모리 8_i-12∼8_i+11는, 8 개의 영역 (도 1 에서는 8 종류의 모양을 사용하여 표시) 으로 나누어져 있고, 8 개의 영역으로부터 수파된 신호를 각각 기억하도록 되어 있다. 파형 메모리 8_i-12∼8_i+11에 기록된 신호는, 가산 합성 처리부 (9) 에 보내져, 가산 합성된다. 도 1 에 있어서, 동일한 모양의 파형 메모리를 1 개의 선을 사용하여 가산 합성 처리부 (9) 의 동일한 모양의 지점에 접속하고 있는 것은, 동일한 영역으로부터 수파된 신호를 가산 합성 처리부 (9) 에 유도하고 있는 것을 나타내고 있다. 또한, 가산 합성 처리에 있어서는, 각 소자 1_i- ₁₂로부터 1_i+11과 초점의 위치 관계에 따라, 파형 메모리 8_i-12∼8_i+11에 기억된 신호에 가중치를 부여하고 나서 가산 합성해도 된다. 이와 같이 하여 가산 합성 처리에 의해 얻어진 8 개의 영역에 집속된 수파 빔에 의한 수파 신호가 신호 합성부 (10) 에 보내져, 1 개의 수파 신호로 정리된다.

다음으로, 도 4 를 사용하여 신호 합성부 (10) 의 동작을 설명한다. 8 개 영역의 각각을 영역 k (k=1, 2, 3,‥, 8) 로 표시하여 식별하면, 각 영역 k 에 집속된 수파 빔에 의해 얻어진 신호는, 예를 들어, 도 4 의 k=1 로부터 k=8 까지 나타낸 바와 같은 추출된 영역의 크기에 상당하는 시간 폭을 가진 신호가 된다. 진동자 어레이 (1) 와 각각의 영역의 거리가 상이하므로, 각 영역으로부터 진동자 어레이 (1) 에 의해 수파되는 신호는, 시간적으로 상이한 타이밍으로 나타난다. 신호 합성부 (10) 는, 이들 신호를 가산함으로써, 1 개의 수파 신호를 생성한다. 이와 같이 하여 거리 F_RS∼F_RE 의 사이에 형성된 수파 니들 빔에 의해 수파된 신호가 얻어진다.

도 3 은, 진동자 어레이 (1) 소자의 하방에 수파 니들 빔을 동시에 나열하여 수파 니들 빔 커튼을 형성하는 구성을 나타내고 있다. 이 구성에서는, 진동자 어레이 (1) 중, 소자 1_j∼1_j+1 (j=12, 13, 14, : , 370, 371, 372) 의 하방에 합계 361 개의 수파 니들 빔이 형성된다. 도 3 에서는, 도면의 번잡함을 피하기 위해, 소자 1_i-13∼1_i+10, 소자 1_i-12∼1_i+11, 및 소자 1_i-11∼1_i+12의 3 지점의 위치 각각의 아래에 수파 니들 빔을 형성하는 모습을 나타내고 있다. 소자 1_i-13∼1_i+10에 의해 형성되는 수파 니들 빔을 NB_i _-1, 소자 1_i-12∼1_i+11 에 의해 형성되는 수파 니들 빔을 NB_i, 소자 1_i-11∼1_i+12에 의해 형성되는 수파 니들 빔을 NB_i ₊₁ 로 한다. 진동자 어레이 (1), 펄서 (2), 수파 증폭기 (3), 및 A/D 변환기 (4) 의 동작은 이미 도 1 을 사용하여 설명한 것과 동등하다. 진동자 어레이의 하나의 소자가 동시에 24 지점의 위치에서의 24 개의 수파 니들 빔 형성에 사용되므로, 합계 24×8 개의 수파 빔 초점 근방으로부터의 신호를 각 소자에 접속된 파형 메모리에 기억할 필요가 있다. 이 때문에, 파형 메모리 8₁∼8₃₈₄ 는 24×8 개의 영역으로 나누어져 있다. 파형 메모리 (8) 에 수파 신호를 송출하는 신호 추출부 (7) 는, 각 소자와 24×8 개의 수파 빔을 집속시키는 영역의 거리에 따라, 수파 신호로부터 24×8 개의 신호를 취출하여 파형 메모리 (8) 에 송부한다. 파형 메모리 (8) 에 기록된 수파 신호로부터, 예를 들어 수파 니들 빔 NB_i _-1 에 의한 수파 신호를 얻기 위해서는, 파형 메모리 8_i-13∼8_i+10 에 기록된 수파 신호 중에서, 소자 1_i-13∼1_i+10 의 아래 (상세하게는, 소자 1_i-2 와 소자 1_i- ₁ 의 중간 아래) 에 설정한 8 개의 수파 빔 초점 근방 (초점 위치를 기준으로 한 소정 영역) 으로부터의 신호를 가산 합성 처리부 (9) 에 보낸다. 이들 신호는 가산 합성 처리부 (9) 에 있어서, 가산 합성된다. 이와 같이 하여 얻어진 8 개의 영역에 집속된 수파 빔에 의해 얻어진 신호가 신호 합성부 (10) 에 보내져, 1 개의 수파 신호로 정리된다. 이와 같이 하여 거리 F_RS∼F_RE 사이에 형성된 수파 니들 빔 NB_i _-1에 의해 수파된 신호가 얻어진다. 다른 수파 니들 빔에 의해 수파된 신호도 동일한 프로세스를 사용하여 얻을 수 있다.

본 실시형태에서는, 설명의 번잡함을 피하기 위해, 1 종류의 매체 중에서 상기 수파 니들 빔에 의한 수파를 실시하는 구성을 나타내었다. 금속 재료의 수침(水浸) 탐상 등과 같이 매체가 2 종류 이상 있는 경우에는, 상기한 거리의 계산에 있어서, 초음파의 굴절을 고려하는 것은 말할 필요도 없다.

또, 본 실시형태에서는, 24 개의 소자 하에 8 개의 수파 빔 초점을 설정하여 수파 니들 빔을 형성하는 방법을 나타내었다. 이것은 일례로서, 빔 형성에 사용하는 소자의 수는 4 이상이면 몇 개이어도 된다. 또, 설정하는 수파 빔 초점의 수도 피검체의 두께나 필요시되는 분해능·검출능에 따라 자유롭게 변경할 수 있다.

또한, 본 실시형태에서는, 수파 빔의 초점을 등간격으로 일정하게 설정하고 있다. 이것도 일례로서, 설정하는 수파 빔의 초점 사이의 거리를 부등간격으로 하는 것도 가능하다. 일반적으로 수파 빔의 송파 방향에서의 집속 범위는, 초 점과 진동자 어레이의 거리에 따라 커지므로, 이것에 따라 수파 빔 초점 사이의 거리를 정하도록 하면 된다.

또한, 초점 위치에 있어서의 초음파의 빔 직경 B_d 는, 대체로 (1) 식과 같이 표시된다.

B_d=λ·F/D ... (1)

여기서,

λ : 초음파의 파장,

F : 집속 빔의 초점 거리,

D : 그룹화된 진동자의 폭 (소자 피치×소자 수에 상당)

따라서, 진동자 폭 D 를 일정하게 한 채, 초점 거리 F 를 크게 하면, 빔 직경 B_d 가 커지므로, 초점 거리 F 에 따라 원하는 빔 직경이 되도록 D 를 변경하는 구성도 가능하다. 구체적으로는, 초점 거리 F 에 따라 수파 니들 빔 형성에 사용하는 소자의 수를 변경하면 된다.

다음으로, 도면을 참조하여, 본 발명의 제 2 실시형태를 상세하게 설명한다.

도 5 는 제 2 실시형태를 단순화한 예를 나타내는 블록도, 도 6 은 제 2 실시형태에 있어서의 주목점을 나타내는 설명도, 도 7 은 특정한 2 개의 소자와 초점 사이를 초음파가 전파되는 시간의 상대적인 관계를 나타내는 설명도, 도 8 은 제 2실시형태의 전체 이미지를 나타내는 블록도이다.

제 2 실시형태로서, 소자 총수 384 개, 수파 집속 빔의 형성에 사용하는 1 조의 소자 수를 24 개로 했을 경우에 대해 설명한다. 본 실시형태에서는, 24 개의 소자를 사용하여, 그 배열 방향 중심의 하방에 초점이 연속하는 1 개의 가느다란 수파 빔 (이하, 니들 빔) 을 형성하고, 또한 384 개의 전체 소자에서 선택 가능한 24 개 소자군의 배열 아래에 수파 니들 빔을 동시에 형성함으로써, 진동자 어레이 (1) 의 바로 아래에 수파 니들 빔이 조밀하게 나열된 수파 니들 빔 커튼을 형성하는 예를 나타내고 있다. 또한, 본 실시형태에서는, 24 개의 소자를 사용하여 수파 집속 빔의 초점이 연속하도록 하고 있다.

도 5 (단순화 도면) 및 도 8 (전체 도면) 에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태는, 진동자 어레이 (1), 그 진동자 어레이 (1) 의 각 소자 1₁∼1₃₈₄ 로부터 초음파를 송파하기 위해, 각 소자 1₁∼1₃₈₄ 에 전기 펄스를 인가하는 펄서 2₁∼2₃₈₄, 각 소자 1₁∼1₃₈₄ 가 수파된 초음파에 의한 신호를 증폭하기 위한 수파 증폭기 3₁∼3₃₈₄, 증폭 후의 수파한 초음파에 의한 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환기 4₁∼4₃₈₄, 디지털화된 수파 신호의 시간 축을 변환하는 시간 축 변환부 11₁∼11₃₈₄, 시간 축이 변환된 신호를 저장하는 파형 메모리 12₁∼12₃₈₄, 및, 기억된 시간 축 변환 신호를 사용하여, 진동자 1_i 와 1_i+1 중간의 바로 아래에 형성되는 초점이 끊김없이 연속한 1 개의 니들 빔에 의해 수파하는 것과 등가인 수파 신호를 생성하는 가산 합성 처리부 (13) 로 이루어진다. 즉, 본 실시형태에서는, 진동자 어레이 1₁∼1₃₈₄ 의 소자마다, 펄서 2₁∼2₃₈₄, 수파 증폭기 3₁∼3₃₈₄, A/D 변환기 4₁∼4₃₈₄, 시간 축 변환부 11₁∼11₃₈₄, 및, 파형 메모리 12₁∼12₃₈₄가 구비되어 있다.

도 6 은 본 실시형태에 있어서의 수파 니들 빔 형성의 사고 방식을 나타내고 있다. 진동자 어레이 (1) 의 전체 소자 1₁∼1₃₈₄ 로부터 초음파를 송파한다. 또, 피검체로부터의 초음파의 반사 신호 (에코) 를, 진동자 어레이 (1) 의 전체 소자 1₁∼1₃₈₄ 를 사용하여 수파한다. 각 소자 1₁∼1₃₈₄ 에 의해 수파된 초음파에 의한 신호는, 각각 도 5 에 나타낸 수파 증폭기 3₁∼3₃₈₄ 에 의해 증폭된 후, A/D 변환기 4₁∼4₃₈₄ 에 의해 디지털 신호로 변환된다. 이들 디지털화된 신호의 위상 맞춤을 실시한 후, 가산 합성을 실시함으로써, 도 5 에 나타낸 바와 같은 수파 집속 빔을 형성할 수 있다.

본 실시형태에서는, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 소자 1_i-12∼1_i+11 아래에 진동자 어레이 (1) 로부터 거리 F_R 의 위치에 수파 빔 초점을 형성하는 경우에, 소자 1_i-12∼1_i+11와 초점의 위치 사이의 거리는, 거리 F_R 의 증가에 대해 단조 증가하는 함수로 표시되는 것에 주목하였다. 도 6 에 나타낸 예에서는, 초점을 1_i-1 및 1_i 의 중심 아래에 설정되어 있으므로, 초점에 제일 가까운 소자는 1_i-1 및 1_i 이다. 그 소자와 초점 위치 사이를 초음파가 전파되는 시간과, 초점으로부터 가장 먼 소 자 1_i-12 와 초점 사이를 초음파가 전파되는 시간을 대비시켜 도 7 에 나타낸다. 이 계산에서는, 초음파가 전파되는 매체에서의 초음파의 속도를 1500m/s, 소자 피치 p 를 0.2mm 로 하고, F_R 을 4mm∼25mm 까지 변화시켰다.

도 7 에 나타내는 바와 같이, 상기 2 개의 소자와 초점의 위치 사이를 초음파가 전파하는 데 필요로 하는 시간은 단조롭게 변화되는 함수 관계 (이하, 전파 시간 상대 관계) 를 가진다. 여기에서, 도 7 의 가로축은 도 6 의 거리 d_i _-1 을 전파 시간으로 변환한 것으로, 세로축은 도 6 의 거리 d_i _- ₁₂ 를 전파 시간으로 변환한 것이다. 따라서, 일방의 소자가 수파한 신호의 시간 축 (수파한 시각) 을, 도 7 에 나타낸 관계를 사용하여, 타방의 소자가 수파한 신호의 시간 축 (수파한 시각) 에 합치면 (이하, 시간 축 변환이라고 한다), 초점과 진동자 어레이 (1) 의 거리 F_R 이 변화되어도, 항상 양자의 위상을 합치시킬 수 있다.

소자 1_i-1와 초점 사이를 초음파가 전파되는 시간과, 소자 1_i-12 이외의 소자와 초점 사이를 초음파가 전파되는 시간의 사이에도 도 7 과 동일한 관계가 있기 때문에, 이들의 관계를 미리 계산하여, 수파한 신호의 시간 축 변환을 실시하면, 초점과 진동자 어레이 (1) 의 거리 F_R 에 관계없이, 동일하게, 소자 1_i-12 이외의 소자와 소자 1_i- ₁ 의 위상도 합치시킬 수 있다. 즉, 각 소자 1_i-12∼1_i+11가 수파한 신호의 시간 축 변환을 실시하면, 소자 1_i-12∼1_i+11아래에 초점이 끊김없이 연속하 는 가느다란 수파 빔을 형성할 수 있다. 이 수파 빔은, 일점 쇄선을 중심으로 한 좁은 영역에 국부적으로 존재하는 니들 빔이라고 할 수 있다.

또한, 상기 설명에서는 시간 축 변환의 기준으로 하는 소자를 소자 1_i- ₁ 로서 설명하였지만, 기준으로 하는 소자는 24 개의 소자 중 어느 하나이어도 된다. 단, 초점에 제일 가까운 소자를 기준으로 시간 축 변환을 실시하도록 하면, 시간 축 변환 후의 데이터 수를 가장 적게 할 수 있으므로 (소자와 초점 사이의 초음파 전파 시간이 가장 짧으므로), 장치 제작상의 장점이 있다.

보다 구체적으로는, 상기 시간 축 변환은 이하와 같이 실시된다. 시간 축 변환의 기준으로 하는 소자를 소자 1_i- ₁ 로서 이 시간 축을 t 로 한다. 그러면, 시간 축이 변환되는 소자 (예를 들어, 소자 1_i-12) 의 시간 축 t_i _-12 는, 도 7 을 참고로 하여, 함수를 사용하여, t_i _-12=f_i _-12(t) 라고 쓸 수 있다. 이 때 소자 1_i-12 에 의해 수파된 신호는 그 진폭을 함수 A 에 의해 표시하면, A_i _-12(t_i _-12) 로 표시된다. 따라서, 시간 축 변환의 조작은 A_i _-12(t) 를 구하는 것 밖에 안되고, 역함수를 사용하여 A_i _-12(f^-1 _i-12(t_i _-12)) 라고도 쓸 수 있다. 시간 축 변환부에는, 이 조작에 필요한 시간 축 변환 관계가 설정부 (21) 로부터 미리 부여되고 있다. 여기에서 취급하고 있는 신호는 디지털 데이터이며, 초점에 제일 가까운 소자의 데이터 수가 가장 적으므로 (초음파의 전파 거리가 짧으므로), 초점에 제일 가까운 소자를 기준으로 하면, 다른 소자의 시간 축 변환에서는, 데이터 수를 감소시키는 처리가 실시된다. 데이터 수를 줄이기 위해서는, 진폭이 큰 데이터가 없어지지 않도록 연구된 솎음 처리를 실시하면 된다.

도 5 는, 상기의 일점 쇄선을 중심으로 한 빔의 집속 사이즈에 대응한 좁은 영역에 국부적으로 존재하는 수파 니들 빔을 1 개 형성하는 단순화된 구성을 나타내고 있다. 진동자 어레이의 소자 1_i-12∼1_i+11 하의 거리 F_RS∼F_RE 사이에 초점이 끊김없이 연속하는 수파 니들 빔을 형성할 수 있도록 수파되어, A/D 변환된 신호의 시간 축 변환을 실시하는 시간 축 변환부 (11) 가 구비되어 있다.

구체적 동작은 이하와 같다. 진동자 어레이 (1) 의 전체 소자 1₁∼1₃₈₄ 로부터 초음파를 송파한다. 또, 피검체로부터의 초음파의 반사 신호 (에코) 를, 진동자 어레이 (1) 의 전체 소자 1₁∼1₃₈₄ 를 사용하여 수파한다. 각 소자 1_i-12∼1_i+11 에 의해 수파된 초음파에 의한 신호는, 각각 수파 증폭기 3_i-12∼3_i+11 에 의해 증폭된 후, A/D 변환기 4_i-12∼4_i+11 에 의해 디지털 신호로 변환된다. 시간 축 변환부 11_i-12∼11_i+11 는, 거리 F_RS∼F_RE 의 사이에 초점을 연속적으로 설정하도록, 설정부 (21) 에 미리 계산되고 기억된 시간 축 변환 관계의 데이터를 입력하고, 그것에 기초하여, 기준으로 하는 소자 이외의 소자가 수파한 신호의 시간 축을 변환하여 파형 메모리 12_i-12∼12_i+11 에 송부한다. 기준으로 하는 소자의 신호는, 그대로 송부된다. 파형 메모리 12_i-12∼12_i+11 에 기록된 신호는, 가산 합성 처리부 (13) 에 보내져 가산 합성된다. 이와 같이 하여 거리 수치 F_RS∼F_RE의 사이에 형성된 초점이 끊김 없게 연속한 수파 니들 빔에 의해 수파된 신호가 얻어진다.

도 8 은, 진동자 어레이 (1) 소자의 하방에 수파 니들 빔을 동시에 나열하여 수파 니들 빔 커튼을 형성하는 구성을 나타내고 있다. 이 구성에서는, 진동자 어레이 (1) 중, 소자 1_j∼1_j+1 (j=12, 13, 14, : , 370, 371, 372) 아래에 합계 361 개의 수파 니들 빔이 형성된다. 도 8 에서는, 도면의 번잡함을 피하기 위해, 소자 1_i-13∼1_i+10, 소자 1_i-12∼1_i+11, 및 소자 1_i-11∼1_i+12각각의 아래에 수파 니들 빔을 형성하는 모습을 나타내고 있다. 소자 1_i-13∼1_i+10에 의해 형성되는 수파 니들 빔을 NB_i _-1, 소자 1_i-12∼1_i+11 에 의해 형성되는 수파 니들 빔을 NB_i, 소자 1_i-11∼1_i+12 에 의해 형성되는 수파 니들 빔을 NB_i ₊₁ 로 한다. 진동자 어레이 (1), 펄서 (2), 수파 증폭기 (3), 및 A/D 변환기 (4) 의 동작은 이미 도 5 를 사용하여 설명한 것과 동등하다. 진동자 어레이 중 하나의 소자가 동시에 24 개의 수파 니들 빔 형성에 사용되므로, 합계 24 개의 시간 축 변환된 신호를 각 소자에 접속된 파형 메모리에 기억할 필요가 있다. 이 때문에, 파형 메모리 12₁∼12₃₈₄ 는 24 개의 영역으로 나누어져 있다. 파형 메모리 (12) 에 시간 축 변환된 신호를 송출하는 시간 축 변환부 (11) 는, 각 소자와 24 개의 수파 니들 빔을 형성하는 위치의 거리에 따라, 수파 신호로부터 24 개의 시간 축 변환된 신호를 생성하여 파형 메모리 (12) 에 송부한다. 파형 메모리 (12) 에 기록된 수파 신호로부터, 예를 들 어 수파 니들 빔 NB_i _-1 에 의한 수파 신호를 얻기 위해서는, 파형 메모리 12_i-13∼12_i+10 에 기록된 시간 축 변환된 신호 중에서, 소자 1_i-13∼1_i+10 의 아래 (소자 1_i-2와 소자 1_i- ₁의 중간 아래) 에 수파 니들 빔을 형성하도록 시간 축 변환된 신호를 가산 합성 처리부 13_i-1 에 보낸다. 이들 신호는 가산 합성 처리부 13_i-1 에 있어서 가산 합성된다. 이와 같이 하여 거리 F_RS∼F_RE 의 사이에 형성된 수파 니들 빔 NB_i _-1 에 의해 수파된 신호가 얻어진다. 다른 수파 니들 빔에 의해 수파된 신호도 동일한 프로세스를 사용하여 얻을 수 있다.

본 실시형태에서는, 설명의 번잡함을 피하기 위해, 1 종류의 매체 중에서 상기 수파 니들 빔에 의한 수파를 실시하는 구성을 나타내었다. 금속 재료의 수침 탐상 등과 같이 매체가 2 종류 이상 있는 경우에는, 상기한 거리의 계산에 있어서, 초음파의 굴절을 고려하는 것은 말할 필요도 없다.

또, 본 실시형태에서는, 24 개의 소자 아래에 초점이 연속하는 수파 니들 빔을 형성하는 방법을 나타내었다. 이것은 일례로서, 빔 형성에 사용하는 소자의 수는 4 이상이면 몇 개이어도 된다.

또한, 초점 위치에 있어서의 초음파의 빔 직경 B_d 는, 상기 (1) 식과 같이 표시된다. 따라서, 진동자 폭 D 를 일정하게 한 채, 초점 거리 F 를 크게 하면, 빔 직경 B_d 가 커지므로, 제 1 실시형태와 마찬가지로, 초점 거리 F 에 따라 D 를 변경하는 구성도 가능하다. 구체적으로는, 초점 거리 F 에 따라 수파 니들 빔 형성에 사용하는 소자의 수를 변경하면 된다.

제 2 실시형태의 변형예로서, 진동자 어레이 (1) 로부터의 거리가 F_RS∼F_RH의 범위에서는 24 개의 소자를 사용하여 수파 니들 빔을 형성하고, 진동자 어레이 (1) 로부터의 거리가 F_RH∼F_RE 의 범위에서는 32 개의 소자를 사용하여 수파 니들 빔을 형성하는 제 3 실시형태의 구성을 도 9 에 나타낸다. 도 8 과 기능적으로 동등한 것은, 설명을 생략한다. 이 구성에서 새롭게 추가되는 것은, 부분 클리어부 (14) 이다. 예를 들어, 소자 1_i-12∼1_i+11 의 24 소자를 사용하여 진동자 어레이 (1) 로부터의 거리가 F_RS∼F_RH 의 범위에 수파 니들 빔을 형성하고, 소자 1_i-16∼1_i+15 의 32 소자를 사용하여 진동자 어레이 (1) 로부터의 거리가 F_RH∼F_RE 의 범위에 수파 니들 빔을 형성한다. 거리 F_RS∼F_RH 의 범위에서의 수파 니들 빔 형성에는, 소자 1_i-16∼1_i-13, 및 소자 1_i+12∼1_i+15 가 수파한 신호는 불필요하다. 부분 클리어부 (14_i) 는, 소자 1_i-16∼1_i-13, 및 소자 1_i+12∼1_i+15에 의해 수파되고, 시간 축 변환된 신호 중, 거리 F_RS∼F_RH까지의 수파 니들 빔 형성에 사용되는 시간 범위에 대응하는 부분의 데이터의 진폭을 0 으로 클리어하는 역할을 갖고 있다. 그 밖의 부분 클리어부 (14_i-1, 14_i+1 ) 도 동등한 기능을 갖고 있다.

도 9 를 사용하여, 수파 니들 빔 형성에 사용하는 소자의 수를 진동자 어레이로부터의 거리에 따라 1 회 변경하는 예를 나타냈는데, 상기의 구성을 약간 변경 함으로써, 수파 니들 빔 형성에 사용하는 소자의 수를 복수회 변경할 수 있다.

또한, 상기의 수파 니들 빔 형성에 사용하는 소자의 수를 진동자 어레이로부터의 거리에 따라 1 회 변경하는 구성은, 수파 니들 빔을 형성하는 범위를 길게 하는 경우에, 먼 곳에 있어서 빔 직경이 커지는 문제를 해결하는 데 유효하다.

또, 상기와 마찬가지로, 제 1 실시형태의 구성에, 진동자 어레이 (1) 와 초점의 거리에 따라, 수파 니들 빔 형성에 사용하는 소자의 수를 복수회 변경하는 구성을 추가하는 것도 가능하다.

다음으로, 제 2 실시형태의 다른 변형예로서, 진동자 어레이 (1) 로서 원환형으로 형성된 어레이 (원환형 진동자 어레이) 를 사용하는 제 4 실시형태를 도 10 에 나타낸다. 원환형 진동자 어레이와 리니어 어레이 사이에는, 진동자 어레이 (1) 의 기하학적 형상에 상위가 있기 때문에, 도 6∼도 7 을 사용하여 설명한 전파 시간 상대 관계를 나타내는 함수가 변화된다. 이 때문에, 시간 축 변환부 (11) 의 동작 내용이 변화되지만, 도 6, 도 7 을 참고로 하여 기하학적인 계산에 의해 용이하게 구할 수 있는 단순한 변경이기 때문에 설명을 생략한다. 시간 축 변환부 (11), 및 설정부 (21) 를 제외한 부분의 동작은 도 8 의 경우와 완전히 동일하다.

이와 같이 하여, 원환형 진동자 어레이를 사용한 경우에도, 진동자 어레이 (1) 로부터의 거리가 F_RS∼F_RE 의 범위에 수파 니들 빔 커튼을 생성시킬 수 있다.

상기와 마찬가지로, 제 1 실시형태의 구성에 원환형 진동자 어레이를 사용할 수 있다. 또, 진동자 어레이 (1) 와 초점의 거리에 따라, 수파 니들 빔 형성에 사용하는 소자의 수를 복수회 변경하는 구성을 추가하는 것도 가능하다.

제 2 실시형태의 또 다른 변형예로서, 도 11 과 같이 진동자 어레이 (1) 의 법선에 대해 각도 θ 경사진 기울기의 방향으로 수파 니들 빔을 형성하는 구성도 가능하다. 이 경우에 있어서도, 시간 축 변환부 (11) 는, 각 소자 1_i-12∼1_i+11 와 각도 θ 의 방향으로 연속적으로 형성하는 수파 초점 사이의 거리에 따라 각 소자 1_i-12∼1_i+11 이 수파한 신호를 시간 축 변환하는 것에 변화는 없다. 도 11 은 설명을 간단하게 하기 위해서 각도 θ 의 방향으로 1 개의 니들 빔을 형성하는 구성을 나타내었다.

시간 축 변환부 (11) 가 상기와 동일한 동작을 하도록 한 후에, 도 8 의 구성을 사용하면, 각도 θ 의 방향으로 니들 빔 커텐을 형성하는 것이 가능하다. 검출하고자 하는 내부 결함의 형상이나 방향에 따라, 충분한 S/N 를 갖는 에코가 얻어지도록 각도 θ 를 선택하도록 하면 된다.

상기와 동일하게, 제 1 실시형태의 구성에 있어서도 각도 θ 경사진 기울기의 방향으로 수파 니들 빔을 형성할 수 있다. 또, 진동자 어레이 (1) 와 초점의 거리에 따라, 수파 니들 빔 형성에 사용하는 소자의 수를 복수회 변경하는 구성을 추가하는 것도 가능하다.

또한, 송파에 있어서는, 진동자 어레이 (1) 의 전체 소자로부터 동시에 초음파를 송파해도 되고, 펄서 (2) 로부터 진동자 어레이 (1) 의 각 소자에 전기 펄스 를 인가하는 타이밍을 제어함으로써, 진동자 어레이 (1) 의 법선에 대해 비스듬하게 초음파를 송파하거나, 혹은, 진동자 어레이 아래에 집속하도록 초음파를 송파해도 된다. 요컨데, 검출하고자 하는 내부 결함의 형상에 따라, 충분한 S/N 를 갖는 에코가 얻어지도록 송파 방법을 선택하면 된다.

여기에서, 다시, 특허 문헌 2 에 대한 본원 발명의 진보성에 대해 서술한다.

특허 문헌 2 에서는, 진동자 어레이가 수파한 신호를 2 차원의 메모리에 기록하고, 메모리 내를 주사함으로써, 소정의 깊이 범위 전체에 수파 빔 초점을 형성하도록 하고 있었다. 이것에 대해, 본원 발명에서는, 하기와 같이, 수파 빔 초점 형성에 그대로 사용할 수 있도록 수파 신호를 가공한 신호를 메모리에 기억하도록 했으므로, 메모리 내를 주사할 필요가 없어져, 처리 속도의 현저한 고속화를 도모할 수 있다.

1) 수파 빔 초점 형성에 필요한 신호를 A/D 변환한 직후에, 미리 추출, 또는, 시간 축 변환하고 나서 메모리에 기억한다.

2) 메모리에 기억된 신호의 가산 처리만으로, 수파 빔 초점이 원하는 방향으로 연속적으로 형성된다.

특허 문헌 2 에서는, n 개의 소자에 의해 수파된 n 개의 수파 신호 모두를 위상 합성함으로써, 특정의 위치에 수파 빔의 초점을 형성하고 있었다. 이 경우, 수파 빔 형성에 기여하지 않는 진동자가 높은 비율로 포함되기 때문에, 위상 합성에 있어서의 계산에 불필요한 경우가 많을 뿐만 아니라, 큰 진폭의 노이즈 신호의 발생 원인으로 되고 있었다. 본원 발명에서는, 진동자 어레이 (1) 중에서 작은 진동자군을 선택하고, 이 진동자군만으로 수파 빔 초점을 형성하도록 했으므로, 특허 문헌 2 와 같은 계산상의 불필요한 문제나 큰 진폭의 노이즈 신호의 발생 문제는 전혀 없다.

도 12 는, 본 발명의 유효성을 검증하기 위해, 두께 2∼3mm 의 얇은 강판 중에 있는 미소한 비금속 개재물의 검출을, 주파수 50MHz, 소자 피치 0.1mm, 소자 수 384 의 진동자 어레이를 사용하여 실시한 결과를 나타낸다. 이 실험에 있어서는, 강판을 이송 스테이지를 사용하여 반송하면서 비금속 개재물의 검출을 실시하였다. 본 발명의 장치로서, 제 1 및 제 2 실시형태의 장치를 사용하여 실험을 실시하였다. 대비를 위해, 특허 문헌 2 에 나타난 수파 초점의 형성 방법을 실현할 수 있는 장치도 준비하여 실험을 실시하였다. 또한, 일반적인 전자 주사 기술과의 대비를 위해, 동일한 진동자 어레이를 사용하여, 일반적인 리니어 전자 주사 (집속한 송수파 빔을 전자 주사) 를 사용한 실험도 실시하였다. 도 12 는 각 실험에 있어서 얻어진 C-scope 이며, 내부 결함으로부터의 에코 신호의 진폭을 검출하고, 그 진폭에 따라 휘도 변조를 실시하여 내부 결함 이미지를 표시하고 있다. 도 12 의 C-scope 의 수평 방향은, 강판의 반송 방향이다. 일반적인 리니어 전자 주사에서는, 송수파 집속 빔의 초점 거리를 복수회 변경하여 (초점 거리를 변경할 때마다 강판을 다시 반송하여 실험), 가장 명료한 내부 결함 이미지가 얻어진 경우 (수중 초점 거리 : 15mm) 의 C-scope 를 나타내고 있다. 도 12 의 본 발명에 의한 장치 및 특허 문헌 2 의 장치를 사용하여 얻어진 C-scope 는, 일반적인 리니어 전자 주사에 의해 얻어진 C-scope 를 기준으로 하여, 이것과 동등한 C-scope 가 얻어지는 최고 한계 속도에서 강판을 반송했을 경우에 얻어진 C-scope 이다. 본 발명의 경우, 제 1 및 제 2 실시형태의 장치 모두 거의 동등한 내부 결함 이미지가 얻어졌기 때문에, 도 12 에서는 제 2 실시형태의 장치를 사용하여 얻어진 C-scope 를 나타내었다. 상기 실험에 있어서의 최고 반송 속도 및 도 12 에 나타낸 영역을 영상화하는 데 필요한 시간을 표 1 에 나타낸다. 단, 일반적인 리니어 전자 주사의 경우에는, 1 개의 초점 거리 설정에 있어서의 강판 반송 최고 속도 및 소요 시간을 나타내었다. 두께 2∼3mm 강판의 전체 단면을 빠짐없이 검사하기 위해서는, 일반적인 리니어 전자 주사의 경우에는, 검출에 필요로 하는 시간만으로 생각해도 표 1 의 소요 시간의 10 배 정도의 시간이 필요하다.

장치	강판 반송 최고 속도	소요 시간 (s)
본 발명의 장치	1000mm/s	0.016
특허문헌 2 의 장치	100mm/s	0.16
일반적인 리니어 전자 스캔 장치	10mm/s	1.6 (단, 1 개의 초점 거리 설정에서의 소요 시간)

도 12 의 C-scope 및 표 1 을 참조하면, 본 발명에 관련된 장치에서는, 종래의 장치 (특허 문헌 2 의 장치, 일반적인 리니어 전자 주사에 의한 장치) 와 비교하여, 10∼100 배의 속도로 강판을 반송해도, 거의 차이가 없는 내부 결함 영상이 얻어지는 것을 알 수 있다. 특허 문헌 2 의 장치에서는, n 개의 소자에 의해 수파된 n 개의 수파 신호 모두를 위상 합성하기 위해, 수파 빔 형성에 기여하지 않는 진동자가 높은 비율로 포함되므로, 이들 수파 빔 형성에 기여하지 않는 진동자가 수파된 신호에 포함되어 있던 주기성 노이즈에 의해, C-scope 전체에 걸쳐 노이즈 레벨이 높아졌다. 도 12 에는 상기한 특허 문헌 2 의 장치의 문제점이 분명히 나타나고 있다. 또, 본 발명에 관련된 장치의 초음파의 송수파 반복은 10kHz 인 데 대해, 특허 문헌 2 의 장치의 초음파의 송수파 반복은, 특허 문헌 2 에 나타나 있는대로 1kHz 가 한계였다. 본 발명에 관련된 장치는 고속으로 이송되는 피검체의 검사, 혹은, 진동자 어레이를 고속으로 주사하여 실시되는 피검체의 검사에 유리하게 적용할 수 있다.

제 1 및 제 2 실시형태의 장치에서는, 진동자 어레이 (1) 의 전체 소자 1₁∼1₃₈₄ 로부터 초음파를 송수신하고 있었지만, 일부 소자를 사용하여 초음파를 송수신 하는 것도 가능하다. 또, 전체 소자수도 384 개에 한정되지 않는다.

본 발명에서는, 진동자 어레이의 일부 또는 전체 초음파 진동자로부터 초음파를 송파하고, 그 송파된 초음파에 의해 발생된 반사파를, 상기 진동자 어레이의 일부 또는 전체 초음파 진동자를 사용하여 수파하고, 그 수파된 신호를 디지털의 파형 신호로 변환한 후, 상기 진동자 어레이 중에서 선택된 복수의 초음파 진동자로 구성되는 초음파 진동자군의 각 진동자와 상기 피검체 내부에 형성되는 연속적인 수파 초점의 거리에 기초하여, 상기 각 진동자의 디지털화된 수파 신호의 시간 축을 변환하고, 상기 각 진동자의 시간 축이 변환된 수파 신호를 가산 합성하도록 했으므로, 진동자 어레이 아래에 수파 빔의 초점이 연속적으로, 혹은, 반 연속적으 로 형성된 수파 니들 빔을 형성하는 것이 가능해진다. 또, 복수의 초음파 진동자로 이루어지는 초음파 진동자군을 복수개로 하고, 상기 복수개의 초음파 진동자군에 있어서 가산 합성을 동시에 실시하도록 했으므로, 진동자 어레이 아래에 수파 니들 빔이 조밀하게 나열된 커튼을 형성하는 것이 가능해진다. 따라서, 고속으로 이동하는 물체의 검사에 있어서, 혹은 진동자 어레이를 고속으로 이동시켜 실시하는 검사에 있어서, 리니어 전자 주사에 수반하는 검사의 누락이 발생하는 경우가 없기 때문에, 고속으로 상대 이동하는 물체의 전체 부피의 검사가 가능해지는 종래에 없는 이점이 있다.

Claims

1 차원으로 배열된 다수의 초음파 진동자로 이루어지는 진동자 어레이를 사용하여 피검체의 단면을 검사하는 방법에 있어서,

상기 진동자 어레이의 일부 또는 전부의 초음파 진동자로부터 초음파를 송파하고,

그 송파된 초음파에 의해 발생된 반사파를, 상기 진동자 어레이의 일부 또는 전부의 초음파 진동자를 사용하여 수파하고,

그 수파된 신호를 디지털의 파형 신호로 변환하고,

상기 진동자 어레이 중에서 선택된 복수의 초음파 진동자로 구성되는 초음파 진동자군의 각 진동자와 상기 피검체 내부에 형성하는 연속적인 수파 초점과의 거리에 기초하여, 상기 각 진동자의 디지털화된 수파 신호의 시간 축을 변환하고,

상기 각 진동자의 시간 축이 변환된 수파 신호를 가산 합성하는 것을 특징으로 하는 초음파에 의한 단면 검사 방법.

제 1 항에 있어서,

복수의 초음파 진동자로 이루어지는 초음파 진동자군을 복수개로 하고, 상기 복수개의 초음파 진동자군에 있어서 가산 합성을 동시에 실시하는 것을 특징으로 하는 초음파에 의한 단면 검사 방법.

제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

진동자 어레이와 초점과의 거리에 따라, 초음파 진동자군을 구성하는 초음파 진동자의 개수를 변경하는 것을 특징으로 하는 초음파에 의한 단면 검사 방법.

상기 진동자 어레이의 일부 또는 전부의 초음파 진동자로부터 초음파를 송파 하고,

그 수파된 신호를 디지털의 파형 신호로 변환하고,

상기 진동자 어레이 중에서 선택된 복수의 초음파 진동자로 구성되는 초음파 진동자군의 각 진동자와 상기 피검체 내부에 형성하는 n 개 (n≥2) 의 수파 초점과의 거리에 기초하여, 상기 각 진동자의 디지털화된 수파 신호로부터, 상기 n 개의 초점마다, 그 초점 형성에 기여하는 신호를 추출하고,

상기 n 개의 초점마다 추출한 신호를 가산 합성하는 것을 특징으로 하는 초음파에 의한 단면 검사 방법.

제 4 항에 있어서,

복수의 초음파 진동자로 구성되는 초음파 진동자군을 복수개로 하고, 상기 복수개의 초음파 진동자군에 있어서 가산 합성을 동시에 실시하는 것을 특징으로 하는 초음파에 의한 단면 검사 방법.

제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,

제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

진동자 어레이와 초점과의 거리에 따라, 피검체 내부에 형성하는 n개 (n≥2) 의 수파 초점의 간격을 변경하는 것을 특징으로 하는 초음파에 의한 단면 검사 방법.

1 차원으로 배열된 다수의 초음파 진동자로 이루어지는 진동자 어레이를 사용하여 피검체의 단면을 검사하는 장치에 있어서,

상기 진동자 어레이의 일부 또는 전부의 초음파 진동자로부터 초음파를 송파 하는 수단과,

그 송파된 초음파에 의해 발생된 반사파를, 상기 진동자 어레이의 일부 또는 전부의 초음파 진동자를 사용하여 수파하는 수단과, 그 수파된 신호를 디지털의 파형 신호로 변환하는 수단과,

상기 진동자 어레이 중에서 선택된 복수의 초음파 진동자로 구성되는 초음파 진동자군의 각 진동자와 상기 피검체 내부에 형성하는 연속적인 수파 초점과의 거리에 기초하여, 상기 각 진동자의 디지털화된 수파 신호의 시간 축을 변환하는 수단과,

상기 각 진동자의 시간 축이 변환된 수파 신호를 가산 합성하는 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 초음파에 의한 단면 검사 장치.

그 송파된 초음파에 의해 발생된 반사파를, 상기 진동자 어레이의 일부 또는 전부의 초음파 진동자를 사용하여 수파하는 수단과,

그 수파된 신호를 디지털의 파형 신호로 변환하는 수단과,

상기 진동자 어레이 중에서 선택된 복수의 초음파 진동자로 구성되는 초음파 진동자군의 각 진동자와 상기 피검체 내부에 형성하는 n 개 (n≥2) 의 수파 초점과의 거리에 기초하여, 상기 각 진동자의 디지털화된 수파 신호로부터, 상기 n 개의 초점마다, 그 초점 형성에 기여하는 신호를 추출하는 수단과,

상기 n 개의 초점마다 추출한 신호를 가산 합성하는 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 초음파에 의한 단면 검사 장치.

제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,

상기 가산 합성하는 수단은, 복수개의 초음파 진동자군에 있어서의 가산 합성을 동시에 실시하는 것을 특징으로 하는 초음파에 의한 단면 검사 장치.