三次元超音波映像化方法及び装置
【課題】二次元アレイ型超音波センサを用いた検査において、検査対象範囲が広くても、１セットのデータ処理用テーブル（フォーカルロー）を用いるのみで、検査対象が厚い場合や高減衰材料の場合においても、広範囲を一括して高分解能かつ高ＳＮ比の三次元探傷データで三次元映像化し、また、さらに１つの三次元探傷データとして取り扱える三次元超音波映像化方法及び装置を提供することにある。
【解決手段】二次元アレイ型超音波センサ１０１は、複数の圧電振動素子を備える。アレイ型超音波センサ１０１は、捜査手段１０７により走査される。アレイ型超音波センサの移動量は、移動量検出部１０６により検出される。計算機１０２Ａは、収録した波形データから三次元探傷データに変換し、アレイ型超音波センサの移動量検出部１０６で計測した移動量ずつずらして複数の三次元探傷データを合成する。合成した探傷データは、表示部１０３に表示される。
【解決手段】二次元アレイ型超音波センサ１０１は、複数の圧電振動素子を備える。アレイ型超音波センサ１０１は、捜査手段１０７により走査される。アレイ型超音波センサの移動量は、移動量検出部１０６により検出される。計算機１０２Ａは、収録した波形データから三次元探傷データに変換し、アレイ型超音波センサの移動量検出部１０６で計測した移動量ずつずらして複数の三次元探傷データを合成する。合成した探傷データは、表示部１０３に表示される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次元アレイ型超音波センサを使用して、検査対象の内部を三次元的に非破壊検査するための三次元超音波映像化方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、各種構造材料などの検査対象の欠陥検査方法としては、単一の超音波センサで超音波の送受信を行い、検査対象内部の欠陥等から反射する反射エコーを検出し、その伝播時間と超音波センサの位置に基づき欠陥の検出を行ってきた。また、超音波センサを走査して、欠陥からの反射エコーが得られる位置を求めるとともに、底面あるいは表面からの反射エコーの受信時間の差と材料音速の積算により欠陥の寸法を同定してきた。この方法は、単純な原理あり、また装置も比較的簡便であるので一般的な欠陥検査によく用いられているが、超音波反射エコーを計測して反射エコーの受信時間から欠陥の評価を行うため、高精度な検査を行うためには熟練した検査員を要するとともに、時間も必要であった。
【０００３】
近年では、検査対象内部を高精度に画像化して検査する探傷方法が開発されており、フェーズドアレイ法や開口合成法等が良く知られている。フェーズドアレイ法は、圧電振動素子を複数個配列した超音波センサを使用し、各圧電振動素子から送信される超音波信号の波面が干渉して合成波面を形成して伝播していく原理に基づいている。各圧電振動素子の超音波送信タイミングを遅延制御によりそれぞれずらすことで、超音波の入射角度を制御したり、超音波を集束したりすることができる。また、超音波受信の際には、各圧電振動素子で受信した反射超音波を時間軸上でずらして加算することで、送信時と同様に焦点をあわせて超音波を受信することができる。フェーズドアレイ法は、超音波センサを走査することなく超音波を高速に走査したり、超音波センサを交換することなく超音波の入射角度や集束深さの位置を任意に制御したりできるため、高速かつ高精度な検査が可能な技術である。圧電振動子を直線的に走査するリニアスキャン方式や、超音波の送受信方向を扇状に変化させるセクタスキャン方式などが一般的に知られている。
【０００４】
一方、開口合成法は、検査対象内部に超音波が広く拡散するようにして送信し、反射超音波信号を受信する。受信された反射超音波源のである欠陥の位置は、超音波を送受信した圧電振動素子の位置を中心として反射超音波の伝播距離を半径とした円弧上に存在する原理に基づき、圧電振動素子の位置を順次変えて超音波の送受信を行い、各位置で受信波形を、電子計算機上で演算により円弧状に広げることで、超音波反射源となる欠陥のある位置に前記の円弧の交点が集中し、欠陥の位置を特定するとともに映像化するものである。実際には超音波センサの位置とその位置での超音波波形信号を用い、電子計算機上で演算処理することで高分解能な画像化を行う技術である。演算処理の内容に付いては、非特許文献１に記載されている。
【０００５】
さらに近年では、アレイ型超音波センサ内部の圧電振動子の配列をマトリクス状に配置したマトリクスアレイセンサや、同心円状に配置したリングアレイセンサ（円周方向への分割含む）が開発され、さらに、多素子の圧電振動子を用いて超音波を送受信可能な装置も実用化されてきた。これにより、超音波センサを走査することなく、センサ直下の検査対象内部を三次元的に映像化できるようになってきた。その手法としては、超音波送信時には２次元アレイ型超音波センサから、１素子ずつ順次超音波を送信し、受信時にはすべての素子で受信するとともに、受信エコーが重なるように三次元開口合成処理を行うことで、検査対象の内部を三次元映像化する手法が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−３１５５８２号公報
【非特許文献１】近藤倫正、大橋由昌、実森彰郎 共著、「ディジタル信号処理シリーズ１２巻 計測・センサにおけるディジタル信号処理」、昭晃堂、１９９３年５月２０日発行、第１４３頁から第１８６頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記従来技術では、三次元空間全体で焦点の合った三次元探傷データを得るために、三次元探傷データの各々の座標位置の数に対応した、データ処理用のテーブル（フォーカルロー、遅延時間）をメモリしておく必要があるため、その数に物理的な限界があり、三次元映像化の領域の大きさと、その空間分解能はトレードオフの関係にあった。そのため、広範囲を高分解能で三次元映像化するためには、複数回の探傷領域を分割する必要があり、データ処理用のテーブルの読み込みと再設定及び計測を繰り返す必要があった。
【０００８】
また、上記従来技術では、二次元アレイ型超音波センサ直下の映像化においては精度や感度は良いものの、超音波センサ直下を外れた位置の映像化においては、精度、感度ともに低下する課題があった。そのため、検査対象範囲が広い場合には、その全体領域をカバーするために、複数回に分けて探傷を実施する必要があった。
【０００９】
また、上述の従来技術においては、二次元アレイ型超音波センサ内部の圧電振動素子の寸法が小さくなるため、各素子からの超音波送信時のエネルギーが弱いうえ、送信時に１素子で送信を行うため、超音波の空間的なエネルギーが弱くなっていた。また、受信時にも、１素子あたりの受信エネルギーが弱くなるため、電気ノイズをはじめとするノイズの影響を受けやすく、検査対象が厚い場合や高減衰材料の場合において、超音波のエコー強度が弱くなり、受信エコーのＳＮ比が低下してしまう課題があった。
【００１０】
本発明の目的は、二次元アレイ型超音波センサを用いた検査において、検査対象範囲が広くても、１セットのデータ処理用テーブル（フォーカルロー）を用いるのみで、検査対象が厚い場合や高減衰材料の場合においても、広範囲を一括して高分解能かつ高ＳＮ比の三次元探傷データで三次元映像化し、また、さらに１つの三次元探傷データとして取り扱える三次元超音波映像化方法及び装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、二次元アレイ型超音波センサから任意の深さに集束した超音波を送信し、さらに入射角度を変化させて検査対象内部を三次元的に走査して波形データを収録し、得られた波形データを三次元探傷データに変換し、順次該アレイ型超音波センサの設置位置を移動して三次元探傷データを収録し、該アレイ型超音波センサの移動量だけずらしながら各探傷位置で得られた三次元探傷データを合成して三次元映像化するようにしたものである。
かかる方法により、二次元アレイ型超音波センサを用いた検査において、検査対象範囲が広くても、１セットのデータ処理用テーブル（フォーカルロー）を用いるのみで、検査対象が厚い場合や高減衰材料の場合においても、広範囲を一括して高分解能かつ高ＳＮ比の三次元探傷データで三次元映像化し、また、さらに１つの三次元探傷データとして取り扱えるものとなる。
【００１２】
（２）上記（１）において、好ましくは、検査対象の表面形状を計測し、該検査対象の表面形状に追従しながら、超音波の入射角度を変化させて検査対象内部の三次元探傷データを収録し、順次該アレイ型超音波センサの設置位置を移動して探傷し、得られた三次元探傷データを該アレイ型超音波センサの移動量及び回転角度だけずらしながら各探傷位置で得られた三次元探傷データを合成して三次元映像化するようにしたものである。
【００１３】
（３）上記（１）において、好ましくは、二次元アレイ型超音波センサから発振した超音波の入射角度を変化させて検査対象内部を三次元探傷する際の超音波走査方式として、回転走査、あおり走査、クサビつきあおり走査のいずれかを用いるようにしたものである。
【００１４】
（４）上記（１）において、好ましくは、三次元探傷データの合成は、三次元探傷データを加算若しくは平均して映像化するようにしたものである。
【００１５】
（５）上記目的を達成するために、本発明は、複数の圧電振動素子を備えた二次元アレイ型超音波センサと、前記アレイ型超音波センサの各圧電振動素子との間で送信信号を送信するパルサーと受信信号を送受するレシーバと、前記送信信号と受信信号に前記各圧電振動素子に遅延時間を可変して時間制御を行う遅延制御部と、前記アレイ型超音波センサで超音波を送受信した波形を収録するデータ収録部と、前記アレイ型超音波センサを走査するセンサ移動手段及びこれを制御する走査制御部と、前記アレイ型超音波センサの移動量を計測する移動量検出部と、収録した波形データから三次元探傷データに変換し、前記アレイ型超音波センサの移動量検出部で計測した移動量ずつずらして複数の三次元探傷データを合成する計算機と、前記合成した探傷データを表示する表示部を備えるようにしたものである。
かかる構成により、二次元アレイ型超音波センサを用いた検査において、検査対象範囲が広くても、１セットのデータ処理用テーブル（フォーカルロー）を用いるのみで、検査対象が厚い場合や高減衰材料の場合においても、広範囲を一括して高分解能かつ高ＳＮ比の三次元探傷データで三次元映像化し、また、さらに１つの三次元探傷データとして取り扱えるものとなる。
【００１６】
（６）上記（５）において、好ましくは、該検査対象の表面形状に追従して走査するセンサ移動手段及び走査制御部と移動量検出部を備え、検出した該アレイ型超音波センサの移動量と前記対象の表面形状の計測値あるいは設計値に基づき、三次元探傷データを該アレイ型超音波センサの移動量及び角度だけずらしながら合成する計算機を備えるようにしたものである。
【００１７】
（７）上記（５において、好ましくは、表示部に、前記アレイ型超音波センサの移動により順次得られる探傷データのうち最大値を探傷データとする通常の探傷により得られる探傷データと、合成処理により得られる探傷データとを切替えて表示するデータ処理切替手段を備えるようにしたものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、二次元アレイ型超音波センサを用いた検査において、検査対象範囲が広くても、１セットのデータ処理用テーブル（フォーカルロー）を用いるのみで、検査対象が厚い場合や高減衰材料の場合においても、広範囲を一括して高分解能かつ高ＳＮ比の三次元探傷データで三次元映像化し、また、さらに１つの三次元探傷データとして取り扱えるものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図１〜図９を用いて、本発明の第１の実施形態による三次元超音波映像化装置の構成及び動作について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による三次元超音波映像化装置の構成について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態による三次元超音波映像化装置の構成を示すブロック図である。
【００２０】
本実施形態の三次元超音波映像化装置は、検査対象１００に超音波を入射する二次元アレイ型超音波センサ１０１と、送受信部１０２と、受信信号及び三次元探傷データを表示する表示部１０３と、二次元アレイ型超音波センサ１０１を走査する走査手段制御部１０５と、アレイ型超音波センサ１０１の移動量を検出する移動量検出部１０６と、及び二次元アレイ型超音波センサ１０１を走査するセンサ走査手段１０７とから構成される。
【００２１】
アレイ型超音波センサ１０１は、図示のように、超音波を発生する圧電振動素子１０４で構成されている。アレイ型超音波センサ１０１は、検査対象１００の探傷面に設定され、送受信部１０２から供給される駆動信号により超音波１０８を発生し、これを検査対象１００内に伝播させ、これにより現れる反射エコーを計測し、受信信号を送受信部１０２に入力する。
【００２２】
送受信部１０２は、計算機１０２Ａと、遅延時間制御部１０２Ｂと、パルサー１０２Ｃと、レシーバ１０２Ｄと、データ収録部１０２Ｅとを備える。パルサー１０２Ｃが駆動信号をアレイ探触子１０１に供給し、これによりアレイ型超音波センサ１０１から入力される受信信号をレシーバ１０２Ｄが処理する。ここで、計算機１０２Ａは、遅延時間制御部１０２Ｂ、パルサー１０２Ｃ、レシーバ１０２Ｄ、それにデータ収録部１０２Ｅを制御して、必要な動作が得られるようにする。
【００２３】
遅延時間制御部１０２Ｂは、パルサー１０２Ｃから出力される駆動信号のタイミングを制御すると共に、レシーバ１０２Ｄによる受信信号の入力タイミングを制御し、これによりフェーズドアレイ方式による二次元アレイ型超音波センサ１０１の動作が得られる。フェーズドアレイ方式による二次元アレイ型超音波センサ１０１の動作としては、超音波１０８の焦点深さを制御するとともに、その入射角度１０９を検査対象１００の中で三次元的に制御して超音波を送受信する。
【００２４】
そして、データ収録部１０２Ｅは、レシーバ１０２Ｄから供給される受信信号を処理し、計算機１０２Ａに供給する。計算機１０２Ａは収録した探傷データを処理して表示部１０３に表示する。
【００２５】
計算機１０２Ａでの処理内容と表示部１０３の動作については、後で詳述するが、計算機１０２Ａでは、各圧電振動素子で得られた波形を遅延時間に応じて合成処理をするとともに、各超音波の入射角度ごとの波形を三次元探傷データ化の処理を行い表示部１０３に三次元探傷データ１０３Ｂとして表示する。
【００２６】
さらに、後述する走査手段制御部１０５及び移動量検出部１０６の動作に合わせて、それぞれの位置で得られた複数の三次元探傷データ１０３Ｂを合成（加算あるいは平均化処理）して、表示手部１０３に三次元処理映像１０３Ｃとして表示する。表示部１０３では、上記のように三次元探傷データを表示するとともに、探傷データ中の任意の超音波入射角度１０３Ｆの位置に対応した受信波形１０３Ａを表示する機能も有する。
【００２７】
また、図１には、検査対象の底面側に欠陥１１０が存在している場合を示しているが、もし底面側に欠陥１１０が存在すると、次元探傷データ１０３Ｂ及び三次元処理映像１０３Ｃ中には底面位置１０３Ｅ上に欠陥コーナーエコー１０３Ｋ、欠陥先端エコー１０３Ｊ、検査対象の底面エコー１０３Ｉが観測される。底面側の欠陥の深さサイジングを行う場合には、三次元処理データ１０３Ｃ中で得られた底面位置１０３Ｅと欠陥先端エコー位置１０３Ｄの距離を用いてサイジングを行う。また、任意の超音波入射角度における合成波形１０３Ａにおいても、これらのエコーに対応した反射エコー１０３Ｊ及び１０３Ｋが観測される。
【００２８】
走査手段制御部１０５の位置制御部は、移動速度及び移動量からなる移動信号を計算機１０２Ａから受け、これを基にセンサ移動手段１０７を駆動して二次元アレイ型超音波センサの設置位置を移動する。また、センサ移動手段１０７は移動量検出部１０６に接続されており、実際にアレイ型超音波センサが移動した移動量を計測する。この図では、探傷開始時のアレイ型超音波センサの設置位置１０１Ａから、探傷終了時のアレイ型超音波センサの設置位置１０１Ｃまで移動した場合を示している。
【００２９】
計測された移動量は計算機１０２Ａに送られ、探傷データの処理に用いる。詳細は、後で詳述するが、アレイ型超音波センサ１０１の各探傷位置での移動量を計測し、この移動量だけ計算機１０２Ａ中で三次元探傷データの中でのデータをずらして合成（加算あるいは平均化）を実施するために用いる。
【００３０】
本実施形態の超音波映像化装置は、二次元アレイ型超音波センサによる従来の探傷動作も可能であるので、この動作モードと、上述の三次元探傷データの合成（加算あるいは平均化）の処理の動作モードを切替えて行う必要がある。従来の動作モードでは、合成処理は行わないものである。従来の動作モードでは、二次元アレイ型超音波センサの移動に伴い、それぞれの移動位置で、同じ欠陥に対してそれぞれの探傷データが得られるが、得られた探傷データの中で、最大値を、探傷データとして表示する。そのため、本実施形態の超音波映像化装置は、計算機１０２Ａ内での処理内容の切替え手段として、表示部１０３に処理内容を切替えるための手段を有する。これは、ソフトウェアの処理内容を切替えるものであるので、表示部内に１０３Ｌのようなスイッチあるいはボタン式の処理内容切替手段である。処理内容切替手段１０３Ｌにより従来の探傷モードと加算あるいは平均化の処理モードとの切替を行うようにしている。
【００３１】
次に、図２を用いて、本実施形態による三次元超音波映像化装置に用いる二次元アレイ型超音波センサの動作について説明する。
図２は、本発明の第１の実施形態による三次元超音波映像化装置に用いる二次元アレイ型超音波センサの動作説明図である。
【００３２】
上述のように二次元アレイ型超音波センサ１０１は、複数個の圧電振動素子１０４からなっており、これが送受信部１０２より送られてきた電気信号により、圧電効果により振動することで超音波１０８を発振する。ここで、各圧電振動素子に送信する電気信号２０１は、遅延時間制御部によりそれぞれ時間遅延を与えられて駆動する。これにより、各圧電振動素子が発振したそれぞれの超音波の波面が干渉することで合成波面を形成し、任意深さ位置に超音波を集束したり、超音波の入射角度２０４を制御したりする。
【００３３】
図２では、二次元アレイ型超音波センサの動作を説明するために、図の読みやすさを考慮して、複数個の圧電振動子１０４のうちその一列と送受信部１０２のみが接続されている状態を示したが、実際には圧電振動子１０４のすべての振動子と送受信部１０２が接続されている。また、ここでは、マトリクス状に圧電振動子を配置したマトリクスアレイセンサの場合を示したが、検査対象内部に三次元的に集束し、また三次元的に入射角度を制御可能な二次元アレイ型超音波センサであればどのようなセンサを用いてもよい。
【００３４】
本実施形態を実施する際の焦点深さの設定方法については、検査対象の板厚を考慮して、任意に位置に焦点を設定する。これにより、開口合成法を適用した際に課題となる超音波の拡散減衰を抑制でき、超音波の伝播距離が長い場合でも高ＳＮ比で探傷を実施することができる。さらに、探傷に使用する超音波の入射角度範囲は、立体角で感度良く超音波を送受信可能な角度範囲内で、また、その超音波入射角度のピッチは、遅延制御部で設定可能な遅延時間の数の許容範囲を考慮して任意に設定する。
【００３５】
次に、図３〜図５を用いて、本実施形態による三次元超音波映像化装置における二次元アレイによる三次元超音波走査（ボリュームスキャン）の動作について説明する。
図３〜図５は、本発明の第１の実施形態による三次元超音波映像化装置における二次元アレイによる三次元超音波走査（ボリュームスキャン）の動作説明図である。
【００３６】
ここでは、二次元アレイ型超音波センサの中心直下を基準として一定距離に焦点を結び、これを探傷に使用する超音波の入射角度の範囲で超音波を集束して送受信する。
【００３７】
図３は、あおり走査の説明図である。このように超音波の焦点３０１までの距離を一定として、三次元空間内のある面内において角度θ（角度ピッチΔθ）を角度範囲３０２で連続的変化させる走査方式をセクタスキャン法と呼び、このセクタスキャンをさらに角度φ（角度ピッチΔφ）を角度範囲３０３で連続的に平面を描くように走査する。これにより、三次元的な超音波走査が可能となる。
【００３８】
また、図４は回転走査の説明図である。このように超音波の焦点４０１までの距離を一定として、三次元空間内のある面内において角度θ’（角度ピッチΔθ’）を角度範囲４０２で連続的変化させる走査方式をセクタスキャン法と呼び、このセクタスキャンをさらに角度φ’（角度ピッチΔφ’）方向に角度範囲４０３で回転するように走査する。これにより、φ’の角度範囲４０３を０〜１８０まで度回転することで、三次元的な超音波の走査が可能となる。
【００３９】
さらに、図５はクサビつきのあおり走査の説明図である。従来、欠陥を検出しやすい向きに超音波の指向性を合わせるためにクサビ（シュー）は用いられるが、二次元アレイ型超音波センサの場合にも、同様にクサビを用いた探傷が可能である。この場合も、図３で説明したあおり走査の場合と同様に、超音波の焦点５０１までの距離を一定として三次元空間内のある面内において角度θ”（角度ピッチΔθ”）を角度範囲５０２で連続的変化させ、このセクタスキャンをさらに角度φ”（角度ピッチΔφ”）を角度範囲５０３で連続的に平面を描くように走査する。三次元超音波走査の選択にあたっては、欠陥の性状や大きさなどに合わせて最適な捜査手法を選択して用いる。
【００４０】
次に、図６及び図７を用いて、本実施形態による三次元超音波映像化装置における三次元探傷データの処理について説明する。
図６及び図７は、本発明の第１の実施形態による三次元超音波映像化装置における三次元探傷データの処理の動作説明図である。
【００４１】
図６に示す三次元探傷データの処理は、計算機１０２Ａで行なわれる。図６は計算機１０２Ａ中での三次元探傷データの処理の内容を模式的に示している。
【００４２】
簡便化のため、ここでは、ｘｙｚ座標系の任意のｙ断面の探傷データのみを示している。なお、図１で示した計算機１０２Ａ中で、各圧電振動素子１０４で得られた波形を遅延時間に応じて合成処理し、各超音波の入射角度ごとの波形に適切な内挿処理などを施し、ボクセルと呼ばれる３次元立方格子を単位としたボクセル形式の三次元探傷データへと変換処理し、これを用いて三次元探傷データの処理をおこなう。但し、ここで用いる三次元探傷データはＲＦの波形を表すものである。
【００４３】
方向探傷開始位置１０１Ａで得られた、三次元探傷データ６００の位置から、アレイ型超音波センサ１０１を移動量ｘだけ水平に移動したとすると、三次元探傷データの収録範囲を同じにすると、位置ずれが起こる。これを補正するため、移動量検出部１０６による計測値を用いる。センサ移動量をｘとすると、三次元探傷データでは、ｘ軸方向にΔに相当するずれが生じるので、次式のようにΔ分ずらして加算する。ここで、は三次元処理データ６０３のボクセルアドレスの値、はｍ番目の三次元探傷データのボクセルアドレスの値である。なお、以下の式（１）は加算時のものを示している。
【００４４】
【数１】
【００４５】
ここでは、模式的に処理の内容を示すため、３セットの三次元探傷データ６００、６０１、６０２を加算して三次元処理データ６０３を得る例を示している。
【００４６】
図７は、図６で説明した内容を、実際の探傷状況と併記して処理内容を示したものである。
【００４７】
一番目の三次元探傷データ（１）７０１Ａは、探傷開始位置１０１Ａにおける三次元探傷データであり、ｉ番目の三次元探傷データ（ｉ）７０１Ｂは探傷位置１０１Ｂ、ｍ番目の三次元探傷データ（ｍ）７０１Ｃは探傷位置１０１Ｃにそれぞれ対応しており、各位置で探傷したｍセットの三次元探傷データ７０１が得られる。この例では、二次元アレイ型超音波センサ１０１を設置した面と底面が平行である場合、つまり並行平板や配管の軸方向を示しているが、これらの三次元探傷データには二次元アレイ型超音波センサの設置位置の直下に底面からの反射エコー１０３Ｉが得られ、底面側から欠陥が入っている場合には、欠陥コーナーエコー１０３Ｋ及び欠陥先端エコー１０３Ｊが観測される。
【００４８】
これらの三次元探傷データを図６で示したように、アレイ型超音波センサの移動量に相当するボクセル数だけずらして加算あるいは平均化処理を行うと、三次元処理データ７０２が得られる。また、欠陥先端のエコー１０３Ｋ及び欠陥コーナーエコー１０３Ｊは、様々な角度から入射した超音波の波面の重ね合わせにより、欠陥１１０の信号だけが選択的に残ることになる。これについては、開口合成法と同様の原理に基づいている。また、この三次元処理データは表示手段１０３に表示され、欠陥位置の確認や欠陥深さの評価に用いる。
【００４９】
次に、図８及び図９を用いて、本実施形態による三次元超音波映像化装置における三次元超音波映像化処理について説明する。
図８及び図９は、本発明の第１の実施形態による三次元超音波映像化装置における三次元超音波映像化処理の内容を示すフローチャートである。
【００５０】
図８において、まず、送受信部１０２で探傷範囲や二次元アレイ型超音波センサの焦点深さ、超音波の入射角度範囲を設定して探傷を開始する（ステップＳ８００）。次に、超音波センサ１０１を検査対象に設置し（ステップＳ８０１）、超音波の入射角を振って三次元超音波走査（ボリュームスキャン）を実施して（ステップＳ８０２）、各超音波の入射角度での波形を送受信部１０２で収録して計算機１０２Ａにより三次元探傷データ化して（ステップＳ８０３）、表示部１０３に三次元探傷データとして表示する。全ての探傷範囲の探傷が終了していない場合には、二次元アレイ型超音波センサを走査手段１０７により移動し（ステップＳ８０４）、三次元超音波走査と三次元探傷データ化処理を全探傷範囲の探傷が終了するまでｍ回繰り返す（ステップＳ８０５）。
【００５１】
全ての探傷範囲（探傷開始位置１０１Ａから探傷終了位置１０１Ｃまで）の探傷が終了したら、収録した三次元探傷データのそれぞれを計算機１０２Ａで二次元アレイ型超音波センサ１０１の移動量分ずらして加算もしくは平均化を行う（ステップＳ８０６）。このようにして得られた加算もしくは平均化された三次元処理データ（処理データ７０２）を表示部１０３に表示して（ステップＳ８０７）、探傷を終了する（ステップＳ８０８）。
【００５２】
次に、図９により、第２の手順について説明する。第２の手順で、三次元探傷データの処理を収録するたびに、次々と加算あるいは平均化して表示する手順もある。
【００５３】
まず、送受信部１０２で探傷範囲や二次元アレイ型超音波センサの焦点深さ、超音波の入射角度範囲を設定して探傷を開始する（ステップＳ９００）。次に、超音波センサ１０１を検査対象に設置し（ステップＳ９０１）、超音波の入射角を振って三次元超音波走査（ボリュームスキャン）を実施し（ステップＳ９０２）、各超音波の入射角度での波形を収録して計算機により三次元探傷データ化ステップする（Ｓ９０３）。
【００５４】
三次元探傷データセットが２つ以上ある場合に、計算機１０２Ａで二次元アレイ型超音波センサの移動量分ずらして加算もしくは平均化して（ステップＳ９０６）、表示部１０３に表示する。全ての探傷範囲の探傷が終了していない場合には、アレイ型超音波センサを走査手段１０７により移動し（ステップＳ９０４）、三次元超音波走査（ボリュームスキャン）と三次元探傷データ化処理を全探傷が終了するまでｍ回繰り返す（ステップＳ９０５）。
【００５５】
全ての探傷範囲（探傷開始位置１０１Ａから探傷終了位置１０１Ｃまで）の探傷が終了したら、探傷を終了する（ステップＳ９０８）。
【００５６】
以上説明したように、本実施形態によれば、二次元アレイ型超音波センサから発振した超音波の入射角度を変化させて検査対象内部を三次元的に走査し、順次二次元アレイ型超音波センサの設置位置あるいは超音波の送受信位置を移動し、得られた三次元探傷データを二次元アレイ型超音波センサの移動量あるいは超音波の送受信位置だけずらしながら各探傷位置で得られた三次元探傷データを加算あるいは平均化して映像化することで、様々な角度から入射した超音波の重ね合わせにより三次元処理データを構成できるため、データ処理用のテーブル（フォーカルロー、遅延時間）を多くメモリしておく必要がなく、超音波の集束効果が得られる。またこれにより、ほとんど全ての位置で高分解能な三次元処理データが得られるため、高精度な非破壊検査ができる。
【００５７】
さらに、開口合成法の課題であった、超音波の拡散減衰についても、アレイ型超音波センサから超音波を集束して走査を実施することにより、検査対象が厚く超音波の伝播距離が長い場合でも、超音波の拡散減衰を抑制できるため、三次元探傷データのＳＮ比を向上できる。同様に、三次元探傷データの加算あるいは平均化により、電気ノイズなどのランダムなノイズを低減できるため三次元探傷データのＳＮ比を向上できる。また、二次元アレイ型超音波センサを用いた検査において、検査対象範囲が広くても、１セットのデータ処理用テーブル（フォーカルロー）を用いるのみで、検査対象が厚い場合や高減衰材料の場合においても、広範囲を一括して高分解能かつ高ＳＮ比の三次元探傷データで三次元映像化し、また、さらに１つの三次元探傷データとして取り扱えるものとなる。
【００５８】
次に、図１０及び図１１を用いて、本発明の第２の実施形態による三次元超音波映像化装置の構成及び動作について説明する。なお、本実施形態による三次元超音波映像化装置は、図１に示したものと同様である。
図１０は、本発明の第２の実施形態による三次元超音波映像化装置における三次元探傷データの処理の動作説明図である。図１１は、本発明の第２の実施形態による三次元超音波映像化装置における三次元超音波映像化処理の内容を示すフローチャートである。
【００５９】
図１０に示す実施形態は、第１の実施の形態による図７と比較すると、二次元アレイ型超音波センサを紙面奥方向であるｙ軸方向にも走査する点が異なり、検査範囲がより広範囲な場合に用いる。機械的な走査手段による二次元走査手法にはジグザクに走査する手法や、１つの軸方向に走査した後一度戻って、別の軸方向に走査ピッチ分移動して再度走査するくし型走査がある。
【００６０】
１番目の三次元探傷データ（１，１）１００１Ａは、探傷開始位置１０１Ａにおける三次元探傷データであり、ｉ×ｊ番目の三次元探傷データ（ｉ，ｊ）１００１Ｂは探傷位置１０１Ｂ、ｍ×ｎ番目の三次元探傷データ（ｍ×ｎ）１００１Ｃは探傷位置１０１Ｃにそれぞれ対応しており、各位置で探傷したｍ×ｎセットの三次元探傷データ１００１が得られる。これらの三次元探傷データには二次元アレイ型超音波センサの設置位置の直下に底面からの反射エコー１０３Ｉが得られ、底面側から欠陥が入っている場合には、欠陥コーナーエコー１０３Ｋ及び欠陥先端エコー１０３Ｊが観測される。
【００６１】
これらの三次元探傷データを、アレイ型超音波センサの移動量及び方向に相当するボクセル数だけずらして加算あるいは平均化処理を行うと、三次元処理データ１００２が得られる。また、欠陥先端のエコー１０３Ｋ及び欠陥コーナーエコー１０３Ｊは、三次元的に様々な角度から入射した超音波の波面の重ね合わせにより、欠陥１１０の信号だけが選択的に残ることになる。これについては、三次元開口合成法と同様の原理に基づいている。また、この三次元処理データは表示手段１０３に表示され、欠陥位置の確認や欠陥深さの評価に用いる。
【００６２】
次に、図１１により、三次元超音波映像化処理の内容について説明する。
【００６３】
まず、送受信部１０２で探傷範囲や二次元アレイ型超音波センサの焦点深さ、超音波の入射角度範囲を設定して探傷を開始する（ステップＳ１１００）。次に、超音波センサ１０１を検査対象に設置し（ステップＳ１１０１）、超音波の入射角を振って三次元超音波走査（ボリュームスキャン）を実施して（ステップＳ１１０２）、各超音波の入射角度での波形を送受信部１０２で収録して計算機１０２Ａにより三次元探傷データ化ステップして（Ｓ１１０３）、表示部１０３に三次元探傷データとして表示する。
【００６４】
全ての探傷範囲の探傷が終了していない場合には、二次元アレイ型超音波センサを走査手段１０７により移動し（ステップＳ１１０４）、三次元超音波走査と三次元探傷データ化処理を全探傷範囲の探傷が終了するまでｍ×ｎ回繰り返す（ステップＳ１１０５）。
【００６５】
全ての探傷範囲（探傷開始位置１０１Ａから探傷終了位置１０１Ｃまで）の探傷が終了したら、収録した三次元探傷データのそれぞれを計算機１０２Ａで二次元アレイ型超音波センサ１０１の移動量分ずらして加算もしくは平均化を行う（ステップＳ１１０６）。
【００６６】
このようにして得られた加算もしくは平均化された三次元処理データ（処理データ１００２）を表示部１０３に表示して（ステップＳ１１０７）、探傷を終了する（ステップＳ１１０８）。
【００６７】
以上説明したように、本実施形態によっても、二次元アレイ型超音波センサから発振した超音波の入射角度を変化させて検査対象内部を三次元的に走査し、順次二次元アレイ型超音波センサの設置位置あるいは超音波の送受信位置を移動し、得られた三次元探傷データを二次元アレイ型超音波センサの移動量あるいは超音波の送受信位置だけずらしながら各探傷位置で得られた三次元探傷データを加算あるいは平均化して映像化することで、様々な角度から入射した超音波の重ね合わせにより三次元処理データを構成できるため、データ処理用のテーブル（フォーカルロー、遅延時間）を多くメモリしておく必要がなく、超音波の集束効果が得られる。またこれにより、ほとんど全ての位置で高分解能な三次元処理データが得られるため、高精度な非破壊検査ができる。
【００６８】
さらに、開口合成法の課題であった、超音波の拡散減衰についても、アレイ型超音波センサから超音波を集束して走査を実施することにより、検査対象が厚く超音波の伝播距離が長い場合でも、超音波の拡散減衰を抑制できるため、三次元探傷データのＳＮ比を向上できる。同様に、三次元探傷データの加算あるいは平均化により、電気ノイズなどのランダムなノイズを低減できるため三次元探傷データのＳＮ比を向上できる。また、二次元アレイ型超音波センサを用いた検査において、検査対象範囲が広くても、１セットのデータ処理用テーブル（フォーカルロー）を用いるのみで、検査対象が厚い場合や高減衰材料の場合においても、広範囲を一括して高分解能かつ高ＳＮ比の三次元探傷データで三次元映像化し、また、さらに１つの三次元探傷データとして取り扱えるものとなる。
【００６９】
次に、図１２及び図１３を用いて、本発明の第３の実施形態による三次元超音波映像化装置の構成及び動作について説明する。なお、本実施形態による三次元超音波映像化装置は、図１に示したものと同様である。
図１２は、本発明の第３の実施形態による三次元超音波映像化装置における三次元探傷データの処理の動作説明図である。図１３は、本発明の第３の実施形態による三次元超音波映像化装置における三次元超音波映像化処理の内容を示すフローチャートである。
【００７０】
図１２に示す実施形態は、第１の実施の形態による図７や第２の実施形態による図１０の平面形状の検査対象に対して、検査対象が配管の周方向のような曲面あるいは、複雑形状の場合の適用例を示すものである。
【００７１】
図１２の曲面形状の検査対象１２００において、一番目の三次元探傷データ（１）１２０１Ａは、探傷開始位置１０１Ａにおいて計測した三次元探傷データであり、ｉ番目の三次元探傷データ（ｉ）１２０１Ｂは探傷位置１０１Ｂ、ｍ番目の三次元探傷データ（ｍ）１３０１Ｃは探傷位置１０１Ｃにそれぞれ対応しており、各位置で三次元超音波走査（ボリュームスキャン）を実施するとｍセットの三次元探傷データ１２０１が得られる。この例では、配管のような曲面形状の検査対象を想定しているため、アレイ型超音波センサ１０１を設置した面がほぼ底面が平行であるので、アレイ型超音波センサの設置位置の直下に底面からのエコー１０３Ｉが得られ、底面側から欠陥が入っている場合には、それぞれの欠陥１２０２の位置に対応して、欠陥コーナーエコー１２０２Ａと欠陥先端エコー１２０２Ｂがそれぞれ観測される。
【００７２】
これらの三次元探傷データを、二次元アレイ型超音波センサの移動量に相当する画素数だけずらして加算あるいは平均化処理を行う。ここで、第１、第２の実施の形態と異なる点は、検査対象が曲面形状であることであり、三次元探傷データを処理する際にこの形状による傾斜の影響を補正する必要がある点である。そのため、本実施形態では、あらかじめ計測しておいた検査対象の表面形状データ、あるいは移動量検出部に二次元アレイ型超音波センサの傾斜計測機能を持たせることで三次元探傷データの加算（あるいは平均化）時の傾斜補正を行う。具来的には、計算機で三次元探傷データを探傷開始位置からのアレイ型超音波センサの中心位置の移動量分だけずらし、また、探傷開始位置からの回転角度分だけ回転して加算あるいは平均化を行うことで、処理三次元探傷データ１２０３が得られることになる。
【００７３】
なお、各々のボクセルの傾斜補正においては、その前処理として適切な補完処理を行うことで相互のボクセル位置を合わせてから加算あるいは平均化を行う。三次元探傷データ１２０３では、欠陥コーナーエコー１２０２Ａと欠陥先端エコー１２０２Ｂにおいて、様々な角度から入射した超音波の波面の重ね合わせにより、真の欠陥位置の信号だけが選択的に残り、これを欠陥位置の確認や欠陥深さの評価に用いる。さらに表面形状が複雑な場合でも、上記と同様の処理を行うことで、三次元処理データを作成可能である。
【００７４】
次に、図１３により、三次元超音波映像化処理の内容について説明する。
【００７５】
まず、探傷範囲や二次元アレイ型超音波センサの焦点深さ、超音波の入射角度範囲を設定して探傷を開始ステップする（Ｓ１３００）。次に、二次元超音波センサを検査対象に設置ステップし（Ｓ１３０１）、三次元超音波走査（ボリュームスキャン）を実施ステップし（Ｓ１３０２）、各超音波の入射角度での波形を収録して、計算機により三次元探傷データ化する（ステップＳ１３０３）。
【００７６】
全ての探傷範囲の探傷が終了していない場合には、二次元アレイ型超音波センサを走査手段により検査対象の表面に沿って移動し（ステップＳ１３０４）、三次元超音波走査と三次元探傷データ化を全探傷が終了するまでｍ回繰り返す（ステップＳ１３０５）。
【００７７】
全ての探傷範囲の探傷が終了したら、計算機に収録した三次元探傷データのそれぞれを、探傷開始位置からの二次元アレイ型超音波センサの移動量分だけずらし、また、探傷開始位置からの傾斜角度分だけ回転して加算あるいは平均化を行う（ステップＳ１３０６）。この結果を表示部に表示して（ステップＳ１３０７）、探傷を終了する（ステップＳ１３０８）。
【００７８】
以上説明したように、本実施形態によっても、二次元アレイ型超音波センサから発振した超音波の入射角度を変化させて検査対象内部を三次元的に走査し、順次二次元アレイ型超音波センサの設置位置あるいは超音波の送受信位置を移動し、得られた三次元探傷データを二次元アレイ型超音波センサの移動量あるいは超音波の送受信位置だけずらしながら各探傷位置で得られた三次元探傷データを加算あるいは平均化して映像化することで、様々な角度から入射した超音波の重ね合わせにより三次元処理データを構成できるため、データ処理用のテーブル（フォーカルロー、遅延時間）を多くメモリしておく必要がなく、超音波の集束効果が得られる。またこれにより、ほとんど全ての位置で高分解能な三次元処理データが得られるため、高精度な非破壊検査ができる。
【００７９】
さらに、開口合成法の課題であった、超音波の拡散減衰についても、アレイ型超音波センサから超音波を集束して走査を実施することにより、検査対象が厚く超音波の伝播距離が長い場合でも、超音波の拡散減衰を抑制できるため、三次元探傷データのＳＮ比を向上できる。同様に、三次元探傷データの加算あるいは平均化により、電気ノイズなどのランダムなノイズを低減できるため三次元探傷データのＳＮ比を向上できる。また、二次元アレイ型超音波センサを用いた検査において、検査対象範囲が広くても、１セットのデータ処理用テーブル（フォーカルロー）を用いるのみで、検査対象が厚い場合や高減衰材料の場合においても、広範囲を一括して高分解能かつ高ＳＮ比の三次元探傷データで三次元映像化し、また、さらに１つの三次元探傷データとして取り扱えるものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の第１の実施形態による三次元超音波映像化装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施形態による三次元超音波映像化装置に用いる二次元アレイ型超音波センサの動作説明図である。
【図３】本発明の第１の実施形態による三次元超音波映像化装置における二次元アレイによる三次元超音波走査（ボリュームスキャン）の動作説明図である。
【図４】本発明の第１の実施形態による三次元超音波映像化装置における二次元アレイによる三次元超音波走査（ボリュームスキャン）の動作説明図である。
【図５】本発明の第１の実施形態による三次元超音波映像化装置における二次元アレイによる三次元超音波走査（ボリュームスキャン）の動作説明図である。
【図６】本発明の第１の実施形態による三次元超音波映像化装置における三次元探傷データの処理の動作説明図である。
【図７】本発明の第１の実施形態による三次元超音波映像化装置における三次元探傷データの処理の動作説明図である。
【図８】本発明の第１の実施形態による三次元超音波映像化装置における三次元超音波映像化処理の内容を示すフローチャートである。
【図９】本発明の第１の実施形態による三次元超音波映像化装置における三次元超音波映像化処理の内容を示すフローチャートである。
【図１０】本発明の第２の実施形態による三次元超音波映像化装置における三次元探傷データの処理の動作説明図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態による三次元超音波映像化装置における三次元超音波映像化処理の内容を示すフローチャートである。
【図１２】本発明の第３の実施形態による三次元超音波映像化装置における三次元探傷データの処理の動作説明図である。
【図１３】本発明の第２の実施形態による三次元超音波映像化装置における三次元超音波映像化処理の内容を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００８１】
１００…検査対象
１０１…二次元アレイ型超音波センサ
１０１Ａ…探傷開始位置
１０１Ｂ…探傷位置
１０１Ｃ…探傷終了位置
１０２…送受信部
１０２Ａ…計算機
１０２Ｂ…遅延時間制御部
１０２Ｃ…パルサー
１０２Ｄ…レシーバ
１０２Ｅ…データ収録部
１０３…表示部
１０３Ａ…任意の超音波入射角度の波形
１０３Ｂ…三次元探傷データ
１０３Ｃ…三次元処理データ
１０３Ｄ…欠陥先端位置
１０３Ｅ…底面位置
１０３Ｆ…三次元探傷データ中の任意の超音波入射角度
１０３Ｉ…底面エコー
１０３Ｊ…欠陥先端エコー
１０３Ｋ…欠陥コーナーエコー
１０３Ｌ…処理内容切替手段
１０４…圧電振動素子
１０５…走査手段制御部
１０６…移動量検出部
１０７…走査手段
１０８…超音波
１０９…超音波入射角度の振り幅
１１０…欠陥
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次元アレイ型超音波センサを使用して、検査対象の内部を三次元的に非破壊検査するための三次元超音波映像化方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、各種構造材料などの検査対象の欠陥検査方法としては、単一の超音波センサで超音波の送受信を行い、検査対象内部の欠陥等から反射する反射エコーを検出し、その伝播時間と超音波センサの位置に基づき欠陥の検出を行ってきた。また、超音波センサを走査して、欠陥からの反射エコーが得られる位置を求めるとともに、底面あるいは表面からの反射エコーの受信時間の差と材料音速の積算により欠陥の寸法を同定してきた。この方法は、単純な原理あり、また装置も比較的簡便であるので一般的な欠陥検査によく用いられているが、超音波反射エコーを計測して反射エコーの受信時間から欠陥の評価を行うため、高精度な検査を行うためには熟練した検査員を要するとともに、時間も必要であった。
【０００３】
近年では、検査対象内部を高精度に画像化して検査する探傷方法が開発されており、フェーズドアレイ法や開口合成法等が良く知られている。フェーズドアレイ法は、圧電振動素子を複数個配列した超音波センサを使用し、各圧電振動素子から送信される超音波信号の波面が干渉して合成波面を形成して伝播していく原理に基づいている。各圧電振動素子の超音波送信タイミングを遅延制御によりそれぞれずらすことで、超音波の入射角度を制御したり、超音波を集束したりすることができる。また、超音波受信の際には、各圧電振動素子で受信した反射超音波を時間軸上でずらして加算することで、送信時と同様に焦点をあわせて超音波を受信することができる。フェーズドアレイ法は、超音波センサを走査することなく超音波を高速に走査したり、超音波センサを交換することなく超音波の入射角度や集束深さの位置を任意に制御したりできるため、高速かつ高精度な検査が可能な技術である。圧電振動子を直線的に走査するリニアスキャン方式や、超音波の送受信方向を扇状に変化させるセクタスキャン方式などが一般的に知られている。
【０００４】
一方、開口合成法は、検査対象内部に超音波が広く拡散するようにして送信し、反射超音波信号を受信する。受信された反射超音波源のである欠陥の位置は、超音波を送受信した圧電振動素子の位置を中心として反射超音波の伝播距離を半径とした円弧上に存在する原理に基づき、圧電振動素子の位置を順次変えて超音波の送受信を行い、各位置で受信波形を、電子計算機上で演算により円弧状に広げることで、超音波反射源となる欠陥のある位置に前記の円弧の交点が集中し、欠陥の位置を特定するとともに映像化するものである。実際には超音波センサの位置とその位置での超音波波形信号を用い、電子計算機上で演算処理することで高分解能な画像化を行う技術である。演算処理の内容に付いては、非特許文献１に記載されている。
【０００５】
さらに近年では、アレイ型超音波センサ内部の圧電振動子の配列をマトリクス状に配置したマトリクスアレイセンサや、同心円状に配置したリングアレイセンサ（円周方向への分割含む）が開発され、さらに、多素子の圧電振動子を用いて超音波を送受信可能な装置も実用化されてきた。これにより、超音波センサを走査することなく、センサ直下の検査対象内部を三次元的に映像化できるようになってきた。その手法としては、超音波送信時には２次元アレイ型超音波センサから、１素子ずつ順次超音波を送信し、受信時にはすべての素子で受信するとともに、受信エコーが重なるように三次元開口合成処理を行うことで、検査対象の内部を三次元映像化する手法が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−３１５５８２号公報
【非特許文献１】近藤倫正、大橋由昌、実森彰郎 共著、「ディジタル信号処理シリーズ１２巻 計測・センサにおけるディジタル信号処理」、昭晃堂、１９９３年５月２０日発行、第１４３頁から第１８６頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記従来技術では、三次元空間全体で焦点の合った三次元探傷データを得るために、三次元探傷データの各々の座標位置の数に対応した、データ処理用のテーブル（フォーカルロー、遅延時間）をメモリしておく必要があるため、その数に物理的な限界があり、三次元映像化の領域の大きさと、その空間分解能はトレードオフの関係にあった。そのため、広範囲を高分解能で三次元映像化するためには、複数回の探傷領域を分割する必要があり、データ処理用のテーブルの読み込みと再設定及び計測を繰り返す必要があった。
【０００８】
また、上記従来技術では、二次元アレイ型超音波センサ直下の映像化においては精度や感度は良いものの、超音波センサ直下を外れた位置の映像化においては、精度、感度ともに低下する課題があった。そのため、検査対象範囲が広い場合には、その全体領域をカバーするために、複数回に分けて探傷を実施する必要があった。
【０００９】
また、上述の従来技術においては、二次元アレイ型超音波センサ内部の圧電振動素子の寸法が小さくなるため、各素子からの超音波送信時のエネルギーが弱いうえ、送信時に１素子で送信を行うため、超音波の空間的なエネルギーが弱くなっていた。また、受信時にも、１素子あたりの受信エネルギーが弱くなるため、電気ノイズをはじめとするノイズの影響を受けやすく、検査対象が厚い場合や高減衰材料の場合において、超音波のエコー強度が弱くなり、受信エコーのＳＮ比が低下してしまう課題があった。
【００１０】
本発明の目的は、二次元アレイ型超音波センサを用いた検査において、検査対象範囲が広くても、１セットのデータ処理用テーブル（フォーカルロー）を用いるのみで、検査対象が厚い場合や高減衰材料の場合においても、広範囲を一括して高分解能かつ高ＳＮ比の三次元探傷データで三次元映像化し、また、さらに１つの三次元探傷データとして取り扱える三次元超音波映像化方法及び装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、二次元アレイ型超音波センサから任意の深さに集束した超音波を送信し、さらに入射角度を変化させて検査対象内部を三次元的に走査して波形データを収録し、得られた波形データを三次元探傷データに変換し、順次該アレイ型超音波センサの設置位置を移動して三次元探傷データを収録し、該アレイ型超音波センサの移動量だけずらしながら各探傷位置で得られた三次元探傷データを合成して三次元映像化するようにしたものである。
かかる方法により、二次元アレイ型超音波センサを用いた検査において、検査対象範囲が広くても、１セットのデータ処理用テーブル（フォーカルロー）を用いるのみで、検査対象が厚い場合や高減衰材料の場合においても、広範囲を一括して高分解能かつ高ＳＮ比の三次元探傷データで三次元映像化し、また、さらに１つの三次元探傷データとして取り扱えるものとなる。
【００１２】
（２）上記（１）において、好ましくは、検査対象の表面形状を計測し、該検査対象の表面形状に追従しながら、超音波の入射角度を変化させて検査対象内部の三次元探傷データを収録し、順次該アレイ型超音波センサの設置位置を移動して探傷し、得られた三次元探傷データを該アレイ型超音波センサの移動量及び回転角度だけずらしながら各探傷位置で得られた三次元探傷データを合成して三次元映像化するようにしたものである。
【００１３】
（３）上記（１）において、好ましくは、二次元アレイ型超音波センサから発振した超音波の入射角度を変化させて検査対象内部を三次元探傷する際の超音波走査方式として、回転走査、あおり走査、クサビつきあおり走査のいずれかを用いるようにしたものである。
【００１４】
（４）上記（１）において、好ましくは、三次元探傷データの合成は、三次元探傷データを加算若しくは平均して映像化するようにしたものである。
【００１５】
（５）上記目的を達成するために、本発明は、複数の圧電振動素子を備えた二次元アレイ型超音波センサと、前記アレイ型超音波センサの各圧電振動素子との間で送信信号を送信するパルサーと受信信号を送受するレシーバと、前記送信信号と受信信号に前記各圧電振動素子に遅延時間を可変して時間制御を行う遅延制御部と、前記アレイ型超音波センサで超音波を送受信した波形を収録するデータ収録部と、前記アレイ型超音波センサを走査するセンサ移動手段及びこれを制御する走査制御部と、前記アレイ型超音波センサの移動量を計測する移動量検出部と、収録した波形データから三次元探傷データに変換し、前記アレイ型超音波センサの移動量検出部で計測した移動量ずつずらして複数の三次元探傷データを合成する計算機と、前記合成した探傷データを表示する表示部を備えるようにしたものである。
かかる構成により、二次元アレイ型超音波センサを用いた検査において、検査対象範囲が広くても、１セットのデータ処理用テーブル（フォーカルロー）を用いるのみで、検査対象が厚い場合や高減衰材料の場合においても、広範囲を一括して高分解能かつ高ＳＮ比の三次元探傷データで三次元映像化し、また、さらに１つの三次元探傷データとして取り扱えるものとなる。
【００１６】
（６）上記（５）において、好ましくは、該検査対象の表面形状に追従して走査するセンサ移動手段及び走査制御部と移動量検出部を備え、検出した該アレイ型超音波センサの移動量と前記対象の表面形状の計測値あるいは設計値に基づき、三次元探傷データを該アレイ型超音波センサの移動量及び角度だけずらしながら合成する計算機を備えるようにしたものである。
【００１７】
（７）上記（５において、好ましくは、表示部に、前記アレイ型超音波センサの移動により順次得られる探傷データのうち最大値を探傷データとする通常の探傷により得られる探傷データと、合成処理により得られる探傷データとを切替えて表示するデータ処理切替手段を備えるようにしたものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、二次元アレイ型超音波センサを用いた検査において、検査対象範囲が広くても、１セットのデータ処理用テーブル（フォーカルロー）を用いるのみで、検査対象が厚い場合や高減衰材料の場合においても、広範囲を一括して高分解能かつ高ＳＮ比の三次元探傷データで三次元映像化し、また、さらに１つの三次元探傷データとして取り扱えるものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図１〜図９を用いて、本発明の第１の実施形態による三次元超音波映像化装置の構成及び動作について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による三次元超音波映像化装置の構成について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態による三次元超音波映像化装置の構成を示すブロック図である。
【００２０】
本実施形態の三次元超音波映像化装置は、検査対象１００に超音波を入射する二次元アレイ型超音波センサ１０１と、送受信部１０２と、受信信号及び三次元探傷データを表示する表示部１０３と、二次元アレイ型超音波センサ１０１を走査する走査手段制御部１０５と、アレイ型超音波センサ１０１の移動量を検出する移動量検出部１０６と、及び二次元アレイ型超音波センサ１０１を走査するセンサ走査手段１０７とから構成される。
【００２１】
アレイ型超音波センサ１０１は、図示のように、超音波を発生する圧電振動素子１０４で構成されている。アレイ型超音波センサ１０１は、検査対象１００の探傷面に設定され、送受信部１０２から供給される駆動信号により超音波１０８を発生し、これを検査対象１００内に伝播させ、これにより現れる反射エコーを計測し、受信信号を送受信部１０２に入力する。
【００２２】
送受信部１０２は、計算機１０２Ａと、遅延時間制御部１０２Ｂと、パルサー１０２Ｃと、レシーバ１０２Ｄと、データ収録部１０２Ｅとを備える。パルサー１０２Ｃが駆動信号をアレイ探触子１０１に供給し、これによりアレイ型超音波センサ１０１から入力される受信信号をレシーバ１０２Ｄが処理する。ここで、計算機１０２Ａは、遅延時間制御部１０２Ｂ、パルサー１０２Ｃ、レシーバ１０２Ｄ、それにデータ収録部１０２Ｅを制御して、必要な動作が得られるようにする。
【００２３】
遅延時間制御部１０２Ｂは、パルサー１０２Ｃから出力される駆動信号のタイミングを制御すると共に、レシーバ１０２Ｄによる受信信号の入力タイミングを制御し、これによりフェーズドアレイ方式による二次元アレイ型超音波センサ１０１の動作が得られる。フェーズドアレイ方式による二次元アレイ型超音波センサ１０１の動作としては、超音波１０８の焦点深さを制御するとともに、その入射角度１０９を検査対象１００の中で三次元的に制御して超音波を送受信する。
【００２４】
そして、データ収録部１０２Ｅは、レシーバ１０２Ｄから供給される受信信号を処理し、計算機１０２Ａに供給する。計算機１０２Ａは収録した探傷データを処理して表示部１０３に表示する。
【００２５】
計算機１０２Ａでの処理内容と表示部１０３の動作については、後で詳述するが、計算機１０２Ａでは、各圧電振動素子で得られた波形を遅延時間に応じて合成処理をするとともに、各超音波の入射角度ごとの波形を三次元探傷データ化の処理を行い表示部１０３に三次元探傷データ１０３Ｂとして表示する。
【００２６】
さらに、後述する走査手段制御部１０５及び移動量検出部１０６の動作に合わせて、それぞれの位置で得られた複数の三次元探傷データ１０３Ｂを合成（加算あるいは平均化処理）して、表示手部１０３に三次元処理映像１０３Ｃとして表示する。表示部１０３では、上記のように三次元探傷データを表示するとともに、探傷データ中の任意の超音波入射角度１０３Ｆの位置に対応した受信波形１０３Ａを表示する機能も有する。
【００２７】
また、図１には、検査対象の底面側に欠陥１１０が存在している場合を示しているが、もし底面側に欠陥１１０が存在すると、次元探傷データ１０３Ｂ及び三次元処理映像１０３Ｃ中には底面位置１０３Ｅ上に欠陥コーナーエコー１０３Ｋ、欠陥先端エコー１０３Ｊ、検査対象の底面エコー１０３Ｉが観測される。底面側の欠陥の深さサイジングを行う場合には、三次元処理データ１０３Ｃ中で得られた底面位置１０３Ｅと欠陥先端エコー位置１０３Ｄの距離を用いてサイジングを行う。また、任意の超音波入射角度における合成波形１０３Ａにおいても、これらのエコーに対応した反射エコー１０３Ｊ及び１０３Ｋが観測される。
【００２８】
走査手段制御部１０５の位置制御部は、移動速度及び移動量からなる移動信号を計算機１０２Ａから受け、これを基にセンサ移動手段１０７を駆動して二次元アレイ型超音波センサの設置位置を移動する。また、センサ移動手段１０７は移動量検出部１０６に接続されており、実際にアレイ型超音波センサが移動した移動量を計測する。この図では、探傷開始時のアレイ型超音波センサの設置位置１０１Ａから、探傷終了時のアレイ型超音波センサの設置位置１０１Ｃまで移動した場合を示している。
【００２９】
計測された移動量は計算機１０２Ａに送られ、探傷データの処理に用いる。詳細は、後で詳述するが、アレイ型超音波センサ１０１の各探傷位置での移動量を計測し、この移動量だけ計算機１０２Ａ中で三次元探傷データの中でのデータをずらして合成（加算あるいは平均化）を実施するために用いる。
【００３０】
本実施形態の超音波映像化装置は、二次元アレイ型超音波センサによる従来の探傷動作も可能であるので、この動作モードと、上述の三次元探傷データの合成（加算あるいは平均化）の処理の動作モードを切替えて行う必要がある。従来の動作モードでは、合成処理は行わないものである。従来の動作モードでは、二次元アレイ型超音波センサの移動に伴い、それぞれの移動位置で、同じ欠陥に対してそれぞれの探傷データが得られるが、得られた探傷データの中で、最大値を、探傷データとして表示する。そのため、本実施形態の超音波映像化装置は、計算機１０２Ａ内での処理内容の切替え手段として、表示部１０３に処理内容を切替えるための手段を有する。これは、ソフトウェアの処理内容を切替えるものであるので、表示部内に１０３Ｌのようなスイッチあるいはボタン式の処理内容切替手段である。処理内容切替手段１０３Ｌにより従来の探傷モードと加算あるいは平均化の処理モードとの切替を行うようにしている。
【００３１】
次に、図２を用いて、本実施形態による三次元超音波映像化装置に用いる二次元アレイ型超音波センサの動作について説明する。
図２は、本発明の第１の実施形態による三次元超音波映像化装置に用いる二次元アレイ型超音波センサの動作説明図である。
【００３２】
上述のように二次元アレイ型超音波センサ１０１は、複数個の圧電振動素子１０４からなっており、これが送受信部１０２より送られてきた電気信号により、圧電効果により振動することで超音波１０８を発振する。ここで、各圧電振動素子に送信する電気信号２０１は、遅延時間制御部によりそれぞれ時間遅延を与えられて駆動する。これにより、各圧電振動素子が発振したそれぞれの超音波の波面が干渉することで合成波面を形成し、任意深さ位置に超音波を集束したり、超音波の入射角度２０４を制御したりする。
【００３３】
図２では、二次元アレイ型超音波センサの動作を説明するために、図の読みやすさを考慮して、複数個の圧電振動子１０４のうちその一列と送受信部１０２のみが接続されている状態を示したが、実際には圧電振動子１０４のすべての振動子と送受信部１０２が接続されている。また、ここでは、マトリクス状に圧電振動子を配置したマトリクスアレイセンサの場合を示したが、検査対象内部に三次元的に集束し、また三次元的に入射角度を制御可能な二次元アレイ型超音波センサであればどのようなセンサを用いてもよい。
【００３４】
本実施形態を実施する際の焦点深さの設定方法については、検査対象の板厚を考慮して、任意に位置に焦点を設定する。これにより、開口合成法を適用した際に課題となる超音波の拡散減衰を抑制でき、超音波の伝播距離が長い場合でも高ＳＮ比で探傷を実施することができる。さらに、探傷に使用する超音波の入射角度範囲は、立体角で感度良く超音波を送受信可能な角度範囲内で、また、その超音波入射角度のピッチは、遅延制御部で設定可能な遅延時間の数の許容範囲を考慮して任意に設定する。
【００３５】
次に、図３〜図５を用いて、本実施形態による三次元超音波映像化装置における二次元アレイによる三次元超音波走査（ボリュームスキャン）の動作について説明する。
図３〜図５は、本発明の第１の実施形態による三次元超音波映像化装置における二次元アレイによる三次元超音波走査（ボリュームスキャン）の動作説明図である。
【００３６】
ここでは、二次元アレイ型超音波センサの中心直下を基準として一定距離に焦点を結び、これを探傷に使用する超音波の入射角度の範囲で超音波を集束して送受信する。
【００３７】
図３は、あおり走査の説明図である。このように超音波の焦点３０１までの距離を一定として、三次元空間内のある面内において角度θ（角度ピッチΔθ）を角度範囲３０２で連続的変化させる走査方式をセクタスキャン法と呼び、このセクタスキャンをさらに角度φ（角度ピッチΔφ）を角度範囲３０３で連続的に平面を描くように走査する。これにより、三次元的な超音波走査が可能となる。
【００３８】
また、図４は回転走査の説明図である。このように超音波の焦点４０１までの距離を一定として、三次元空間内のある面内において角度θ’（角度ピッチΔθ’）を角度範囲４０２で連続的変化させる走査方式をセクタスキャン法と呼び、このセクタスキャンをさらに角度φ’（角度ピッチΔφ’）方向に角度範囲４０３で回転するように走査する。これにより、φ’の角度範囲４０３を０〜１８０まで度回転することで、三次元的な超音波の走査が可能となる。
【００３９】
さらに、図５はクサビつきのあおり走査の説明図である。従来、欠陥を検出しやすい向きに超音波の指向性を合わせるためにクサビ（シュー）は用いられるが、二次元アレイ型超音波センサの場合にも、同様にクサビを用いた探傷が可能である。この場合も、図３で説明したあおり走査の場合と同様に、超音波の焦点５０１までの距離を一定として三次元空間内のある面内において角度θ”（角度ピッチΔθ”）を角度範囲５０２で連続的変化させ、このセクタスキャンをさらに角度φ”（角度ピッチΔφ”）を角度範囲５０３で連続的に平面を描くように走査する。三次元超音波走査の選択にあたっては、欠陥の性状や大きさなどに合わせて最適な捜査手法を選択して用いる。
【００４０】
次に、図６及び図７を用いて、本実施形態による三次元超音波映像化装置における三次元探傷データの処理について説明する。
図６及び図７は、本発明の第１の実施形態による三次元超音波映像化装置における三次元探傷データの処理の動作説明図である。
【００４１】
図６に示す三次元探傷データの処理は、計算機１０２Ａで行なわれる。図６は計算機１０２Ａ中での三次元探傷データの処理の内容を模式的に示している。
【００４２】
簡便化のため、ここでは、ｘｙｚ座標系の任意のｙ断面の探傷データのみを示している。なお、図１で示した計算機１０２Ａ中で、各圧電振動素子１０４で得られた波形を遅延時間に応じて合成処理し、各超音波の入射角度ごとの波形に適切な内挿処理などを施し、ボクセルと呼ばれる３次元立方格子を単位としたボクセル形式の三次元探傷データへと変換処理し、これを用いて三次元探傷データの処理をおこなう。但し、ここで用いる三次元探傷データはＲＦの波形を表すものである。
【００４３】
方向探傷開始位置１０１Ａで得られた、三次元探傷データ６００の位置から、アレイ型超音波センサ１０１を移動量ｘだけ水平に移動したとすると、三次元探傷データの収録範囲を同じにすると、位置ずれが起こる。これを補正するため、移動量検出部１０６による計測値を用いる。センサ移動量をｘとすると、三次元探傷データでは、ｘ軸方向にΔに相当するずれが生じるので、次式のようにΔ分ずらして加算する。ここで、は三次元処理データ６０３のボクセルアドレスの値、はｍ番目の三次元探傷データのボクセルアドレスの値である。なお、以下の式（１）は加算時のものを示している。
【００４４】
【数１】
【００４５】
ここでは、模式的に処理の内容を示すため、３セットの三次元探傷データ６００、６０１、６０２を加算して三次元処理データ６０３を得る例を示している。
【００４６】
図７は、図６で説明した内容を、実際の探傷状況と併記して処理内容を示したものである。
【００４７】
一番目の三次元探傷データ（１）７０１Ａは、探傷開始位置１０１Ａにおける三次元探傷データであり、ｉ番目の三次元探傷データ（ｉ）７０１Ｂは探傷位置１０１Ｂ、ｍ番目の三次元探傷データ（ｍ）７０１Ｃは探傷位置１０１Ｃにそれぞれ対応しており、各位置で探傷したｍセットの三次元探傷データ７０１が得られる。この例では、二次元アレイ型超音波センサ１０１を設置した面と底面が平行である場合、つまり並行平板や配管の軸方向を示しているが、これらの三次元探傷データには二次元アレイ型超音波センサの設置位置の直下に底面からの反射エコー１０３Ｉが得られ、底面側から欠陥が入っている場合には、欠陥コーナーエコー１０３Ｋ及び欠陥先端エコー１０３Ｊが観測される。
【００４８】
これらの三次元探傷データを図６で示したように、アレイ型超音波センサの移動量に相当するボクセル数だけずらして加算あるいは平均化処理を行うと、三次元処理データ７０２が得られる。また、欠陥先端のエコー１０３Ｋ及び欠陥コーナーエコー１０３Ｊは、様々な角度から入射した超音波の波面の重ね合わせにより、欠陥１１０の信号だけが選択的に残ることになる。これについては、開口合成法と同様の原理に基づいている。また、この三次元処理データは表示手段１０３に表示され、欠陥位置の確認や欠陥深さの評価に用いる。
【００４９】
次に、図８及び図９を用いて、本実施形態による三次元超音波映像化装置における三次元超音波映像化処理について説明する。
図８及び図９は、本発明の第１の実施形態による三次元超音波映像化装置における三次元超音波映像化処理の内容を示すフローチャートである。
【００５０】
図８において、まず、送受信部１０２で探傷範囲や二次元アレイ型超音波センサの焦点深さ、超音波の入射角度範囲を設定して探傷を開始する（ステップＳ８００）。次に、超音波センサ１０１を検査対象に設置し（ステップＳ８０１）、超音波の入射角を振って三次元超音波走査（ボリュームスキャン）を実施して（ステップＳ８０２）、各超音波の入射角度での波形を送受信部１０２で収録して計算機１０２Ａにより三次元探傷データ化して（ステップＳ８０３）、表示部１０３に三次元探傷データとして表示する。全ての探傷範囲の探傷が終了していない場合には、二次元アレイ型超音波センサを走査手段１０７により移動し（ステップＳ８０４）、三次元超音波走査と三次元探傷データ化処理を全探傷範囲の探傷が終了するまでｍ回繰り返す（ステップＳ８０５）。
【００５１】
全ての探傷範囲（探傷開始位置１０１Ａから探傷終了位置１０１Ｃまで）の探傷が終了したら、収録した三次元探傷データのそれぞれを計算機１０２Ａで二次元アレイ型超音波センサ１０１の移動量分ずらして加算もしくは平均化を行う（ステップＳ８０６）。このようにして得られた加算もしくは平均化された三次元処理データ（処理データ７０２）を表示部１０３に表示して（ステップＳ８０７）、探傷を終了する（ステップＳ８０８）。
【００５２】
次に、図９により、第２の手順について説明する。第２の手順で、三次元探傷データの処理を収録するたびに、次々と加算あるいは平均化して表示する手順もある。
【００５３】
まず、送受信部１０２で探傷範囲や二次元アレイ型超音波センサの焦点深さ、超音波の入射角度範囲を設定して探傷を開始する（ステップＳ９００）。次に、超音波センサ１０１を検査対象に設置し（ステップＳ９０１）、超音波の入射角を振って三次元超音波走査（ボリュームスキャン）を実施し（ステップＳ９０２）、各超音波の入射角度での波形を収録して計算機により三次元探傷データ化ステップする（Ｓ９０３）。
【００５４】
三次元探傷データセットが２つ以上ある場合に、計算機１０２Ａで二次元アレイ型超音波センサの移動量分ずらして加算もしくは平均化して（ステップＳ９０６）、表示部１０３に表示する。全ての探傷範囲の探傷が終了していない場合には、アレイ型超音波センサを走査手段１０７により移動し（ステップＳ９０４）、三次元超音波走査（ボリュームスキャン）と三次元探傷データ化処理を全探傷が終了するまでｍ回繰り返す（ステップＳ９０５）。
【００５５】
全ての探傷範囲（探傷開始位置１０１Ａから探傷終了位置１０１Ｃまで）の探傷が終了したら、探傷を終了する（ステップＳ９０８）。
【００５６】
以上説明したように、本実施形態によれば、二次元アレイ型超音波センサから発振した超音波の入射角度を変化させて検査対象内部を三次元的に走査し、順次二次元アレイ型超音波センサの設置位置あるいは超音波の送受信位置を移動し、得られた三次元探傷データを二次元アレイ型超音波センサの移動量あるいは超音波の送受信位置だけずらしながら各探傷位置で得られた三次元探傷データを加算あるいは平均化して映像化することで、様々な角度から入射した超音波の重ね合わせにより三次元処理データを構成できるため、データ処理用のテーブル（フォーカルロー、遅延時間）を多くメモリしておく必要がなく、超音波の集束効果が得られる。またこれにより、ほとんど全ての位置で高分解能な三次元処理データが得られるため、高精度な非破壊検査ができる。
【００５７】
さらに、開口合成法の課題であった、超音波の拡散減衰についても、アレイ型超音波センサから超音波を集束して走査を実施することにより、検査対象が厚く超音波の伝播距離が長い場合でも、超音波の拡散減衰を抑制できるため、三次元探傷データのＳＮ比を向上できる。同様に、三次元探傷データの加算あるいは平均化により、電気ノイズなどのランダムなノイズを低減できるため三次元探傷データのＳＮ比を向上できる。また、二次元アレイ型超音波センサを用いた検査において、検査対象範囲が広くても、１セットのデータ処理用テーブル（フォーカルロー）を用いるのみで、検査対象が厚い場合や高減衰材料の場合においても、広範囲を一括して高分解能かつ高ＳＮ比の三次元探傷データで三次元映像化し、また、さらに１つの三次元探傷データとして取り扱えるものとなる。
【００５８】
次に、図１０及び図１１を用いて、本発明の第２の実施形態による三次元超音波映像化装置の構成及び動作について説明する。なお、本実施形態による三次元超音波映像化装置は、図１に示したものと同様である。
図１０は、本発明の第２の実施形態による三次元超音波映像化装置における三次元探傷データの処理の動作説明図である。図１１は、本発明の第２の実施形態による三次元超音波映像化装置における三次元超音波映像化処理の内容を示すフローチャートである。
【００５９】
図１０に示す実施形態は、第１の実施の形態による図７と比較すると、二次元アレイ型超音波センサを紙面奥方向であるｙ軸方向にも走査する点が異なり、検査範囲がより広範囲な場合に用いる。機械的な走査手段による二次元走査手法にはジグザクに走査する手法や、１つの軸方向に走査した後一度戻って、別の軸方向に走査ピッチ分移動して再度走査するくし型走査がある。
【００６０】
１番目の三次元探傷データ（１，１）１００１Ａは、探傷開始位置１０１Ａにおける三次元探傷データであり、ｉ×ｊ番目の三次元探傷データ（ｉ，ｊ）１００１Ｂは探傷位置１０１Ｂ、ｍ×ｎ番目の三次元探傷データ（ｍ×ｎ）１００１Ｃは探傷位置１０１Ｃにそれぞれ対応しており、各位置で探傷したｍ×ｎセットの三次元探傷データ１００１が得られる。これらの三次元探傷データには二次元アレイ型超音波センサの設置位置の直下に底面からの反射エコー１０３Ｉが得られ、底面側から欠陥が入っている場合には、欠陥コーナーエコー１０３Ｋ及び欠陥先端エコー１０３Ｊが観測される。
【００６１】
これらの三次元探傷データを、アレイ型超音波センサの移動量及び方向に相当するボクセル数だけずらして加算あるいは平均化処理を行うと、三次元処理データ１００２が得られる。また、欠陥先端のエコー１０３Ｋ及び欠陥コーナーエコー１０３Ｊは、三次元的に様々な角度から入射した超音波の波面の重ね合わせにより、欠陥１１０の信号だけが選択的に残ることになる。これについては、三次元開口合成法と同様の原理に基づいている。また、この三次元処理データは表示手段１０３に表示され、欠陥位置の確認や欠陥深さの評価に用いる。
【００６２】
次に、図１１により、三次元超音波映像化処理の内容について説明する。
【００６３】
まず、送受信部１０２で探傷範囲や二次元アレイ型超音波センサの焦点深さ、超音波の入射角度範囲を設定して探傷を開始する（ステップＳ１１００）。次に、超音波センサ１０１を検査対象に設置し（ステップＳ１１０１）、超音波の入射角を振って三次元超音波走査（ボリュームスキャン）を実施して（ステップＳ１１０２）、各超音波の入射角度での波形を送受信部１０２で収録して計算機１０２Ａにより三次元探傷データ化ステップして（Ｓ１１０３）、表示部１０３に三次元探傷データとして表示する。
【００６４】
全ての探傷範囲の探傷が終了していない場合には、二次元アレイ型超音波センサを走査手段１０７により移動し（ステップＳ１１０４）、三次元超音波走査と三次元探傷データ化処理を全探傷範囲の探傷が終了するまでｍ×ｎ回繰り返す（ステップＳ１１０５）。
【００６５】
全ての探傷範囲（探傷開始位置１０１Ａから探傷終了位置１０１Ｃまで）の探傷が終了したら、収録した三次元探傷データのそれぞれを計算機１０２Ａで二次元アレイ型超音波センサ１０１の移動量分ずらして加算もしくは平均化を行う（ステップＳ１１０６）。
【００６６】
このようにして得られた加算もしくは平均化された三次元処理データ（処理データ１００２）を表示部１０３に表示して（ステップＳ１１０７）、探傷を終了する（ステップＳ１１０８）。
【００６７】
以上説明したように、本実施形態によっても、二次元アレイ型超音波センサから発振した超音波の入射角度を変化させて検査対象内部を三次元的に走査し、順次二次元アレイ型超音波センサの設置位置あるいは超音波の送受信位置を移動し、得られた三次元探傷データを二次元アレイ型超音波センサの移動量あるいは超音波の送受信位置だけずらしながら各探傷位置で得られた三次元探傷データを加算あるいは平均化して映像化することで、様々な角度から入射した超音波の重ね合わせにより三次元処理データを構成できるため、データ処理用のテーブル（フォーカルロー、遅延時間）を多くメモリしておく必要がなく、超音波の集束効果が得られる。またこれにより、ほとんど全ての位置で高分解能な三次元処理データが得られるため、高精度な非破壊検査ができる。
【００６８】
さらに、開口合成法の課題であった、超音波の拡散減衰についても、アレイ型超音波センサから超音波を集束して走査を実施することにより、検査対象が厚く超音波の伝播距離が長い場合でも、超音波の拡散減衰を抑制できるため、三次元探傷データのＳＮ比を向上できる。同様に、三次元探傷データの加算あるいは平均化により、電気ノイズなどのランダムなノイズを低減できるため三次元探傷データのＳＮ比を向上できる。また、二次元アレイ型超音波センサを用いた検査において、検査対象範囲が広くても、１セットのデータ処理用テーブル（フォーカルロー）を用いるのみで、検査対象が厚い場合や高減衰材料の場合においても、広範囲を一括して高分解能かつ高ＳＮ比の三次元探傷データで三次元映像化し、また、さらに１つの三次元探傷データとして取り扱えるものとなる。
【００６９】
次に、図１２及び図１３を用いて、本発明の第３の実施形態による三次元超音波映像化装置の構成及び動作について説明する。なお、本実施形態による三次元超音波映像化装置は、図１に示したものと同様である。
図１２は、本発明の第３の実施形態による三次元超音波映像化装置における三次元探傷データの処理の動作説明図である。図１３は、本発明の第３の実施形態による三次元超音波映像化装置における三次元超音波映像化処理の内容を示すフローチャートである。
【００７０】
図１２に示す実施形態は、第１の実施の形態による図７や第２の実施形態による図１０の平面形状の検査対象に対して、検査対象が配管の周方向のような曲面あるいは、複雑形状の場合の適用例を示すものである。
【００７１】
図１２の曲面形状の検査対象１２００において、一番目の三次元探傷データ（１）１２０１Ａは、探傷開始位置１０１Ａにおいて計測した三次元探傷データであり、ｉ番目の三次元探傷データ（ｉ）１２０１Ｂは探傷位置１０１Ｂ、ｍ番目の三次元探傷データ（ｍ）１３０１Ｃは探傷位置１０１Ｃにそれぞれ対応しており、各位置で三次元超音波走査（ボリュームスキャン）を実施するとｍセットの三次元探傷データ１２０１が得られる。この例では、配管のような曲面形状の検査対象を想定しているため、アレイ型超音波センサ１０１を設置した面がほぼ底面が平行であるので、アレイ型超音波センサの設置位置の直下に底面からのエコー１０３Ｉが得られ、底面側から欠陥が入っている場合には、それぞれの欠陥１２０２の位置に対応して、欠陥コーナーエコー１２０２Ａと欠陥先端エコー１２０２Ｂがそれぞれ観測される。
【００７２】
これらの三次元探傷データを、二次元アレイ型超音波センサの移動量に相当する画素数だけずらして加算あるいは平均化処理を行う。ここで、第１、第２の実施の形態と異なる点は、検査対象が曲面形状であることであり、三次元探傷データを処理する際にこの形状による傾斜の影響を補正する必要がある点である。そのため、本実施形態では、あらかじめ計測しておいた検査対象の表面形状データ、あるいは移動量検出部に二次元アレイ型超音波センサの傾斜計測機能を持たせることで三次元探傷データの加算（あるいは平均化）時の傾斜補正を行う。具来的には、計算機で三次元探傷データを探傷開始位置からのアレイ型超音波センサの中心位置の移動量分だけずらし、また、探傷開始位置からの回転角度分だけ回転して加算あるいは平均化を行うことで、処理三次元探傷データ１２０３が得られることになる。
【００７３】
なお、各々のボクセルの傾斜補正においては、その前処理として適切な補完処理を行うことで相互のボクセル位置を合わせてから加算あるいは平均化を行う。三次元探傷データ１２０３では、欠陥コーナーエコー１２０２Ａと欠陥先端エコー１２０２Ｂにおいて、様々な角度から入射した超音波の波面の重ね合わせにより、真の欠陥位置の信号だけが選択的に残り、これを欠陥位置の確認や欠陥深さの評価に用いる。さらに表面形状が複雑な場合でも、上記と同様の処理を行うことで、三次元処理データを作成可能である。
【００７４】
次に、図１３により、三次元超音波映像化処理の内容について説明する。
【００７５】
まず、探傷範囲や二次元アレイ型超音波センサの焦点深さ、超音波の入射角度範囲を設定して探傷を開始ステップする（Ｓ１３００）。次に、二次元超音波センサを検査対象に設置ステップし（Ｓ１３０１）、三次元超音波走査（ボリュームスキャン）を実施ステップし（Ｓ１３０２）、各超音波の入射角度での波形を収録して、計算機により三次元探傷データ化する（ステップＳ１３０３）。
【００７６】
全ての探傷範囲の探傷が終了していない場合には、二次元アレイ型超音波センサを走査手段により検査対象の表面に沿って移動し（ステップＳ１３０４）、三次元超音波走査と三次元探傷データ化を全探傷が終了するまでｍ回繰り返す（ステップＳ１３０５）。
【００７７】
全ての探傷範囲の探傷が終了したら、計算機に収録した三次元探傷データのそれぞれを、探傷開始位置からの二次元アレイ型超音波センサの移動量分だけずらし、また、探傷開始位置からの傾斜角度分だけ回転して加算あるいは平均化を行う（ステップＳ１３０６）。この結果を表示部に表示して（ステップＳ１３０７）、探傷を終了する（ステップＳ１３０８）。
【００７８】
以上説明したように、本実施形態によっても、二次元アレイ型超音波センサから発振した超音波の入射角度を変化させて検査対象内部を三次元的に走査し、順次二次元アレイ型超音波センサの設置位置あるいは超音波の送受信位置を移動し、得られた三次元探傷データを二次元アレイ型超音波センサの移動量あるいは超音波の送受信位置だけずらしながら各探傷位置で得られた三次元探傷データを加算あるいは平均化して映像化することで、様々な角度から入射した超音波の重ね合わせにより三次元処理データを構成できるため、データ処理用のテーブル（フォーカルロー、遅延時間）を多くメモリしておく必要がなく、超音波の集束効果が得られる。またこれにより、ほとんど全ての位置で高分解能な三次元処理データが得られるため、高精度な非破壊検査ができる。
【００７９】
さらに、開口合成法の課題であった、超音波の拡散減衰についても、アレイ型超音波センサから超音波を集束して走査を実施することにより、検査対象が厚く超音波の伝播距離が長い場合でも、超音波の拡散減衰を抑制できるため、三次元探傷データのＳＮ比を向上できる。同様に、三次元探傷データの加算あるいは平均化により、電気ノイズなどのランダムなノイズを低減できるため三次元探傷データのＳＮ比を向上できる。また、二次元アレイ型超音波センサを用いた検査において、検査対象範囲が広くても、１セットのデータ処理用テーブル（フォーカルロー）を用いるのみで、検査対象が厚い場合や高減衰材料の場合においても、広範囲を一括して高分解能かつ高ＳＮ比の三次元探傷データで三次元映像化し、また、さらに１つの三次元探傷データとして取り扱えるものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の第１の実施形態による三次元超音波映像化装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施形態による三次元超音波映像化装置に用いる二次元アレイ型超音波センサの動作説明図である。
【図３】本発明の第１の実施形態による三次元超音波映像化装置における二次元アレイによる三次元超音波走査（ボリュームスキャン）の動作説明図である。
【図４】本発明の第１の実施形態による三次元超音波映像化装置における二次元アレイによる三次元超音波走査（ボリュームスキャン）の動作説明図である。
【図５】本発明の第１の実施形態による三次元超音波映像化装置における二次元アレイによる三次元超音波走査（ボリュームスキャン）の動作説明図である。
【図６】本発明の第１の実施形態による三次元超音波映像化装置における三次元探傷データの処理の動作説明図である。
【図７】本発明の第１の実施形態による三次元超音波映像化装置における三次元探傷データの処理の動作説明図である。
【図８】本発明の第１の実施形態による三次元超音波映像化装置における三次元超音波映像化処理の内容を示すフローチャートである。
【図９】本発明の第１の実施形態による三次元超音波映像化装置における三次元超音波映像化処理の内容を示すフローチャートである。
【図１０】本発明の第２の実施形態による三次元超音波映像化装置における三次元探傷データの処理の動作説明図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態による三次元超音波映像化装置における三次元超音波映像化処理の内容を示すフローチャートである。
【図１２】本発明の第３の実施形態による三次元超音波映像化装置における三次元探傷データの処理の動作説明図である。
【図１３】本発明の第２の実施形態による三次元超音波映像化装置における三次元超音波映像化処理の内容を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００８１】
１００…検査対象
１０１…二次元アレイ型超音波センサ
１０１Ａ…探傷開始位置
１０１Ｂ…探傷位置
１０１Ｃ…探傷終了位置
１０２…送受信部
１０２Ａ…計算機
１０２Ｂ…遅延時間制御部
１０２Ｃ…パルサー
１０２Ｄ…レシーバ
１０２Ｅ…データ収録部
１０３…表示部
１０３Ａ…任意の超音波入射角度の波形
１０３Ｂ…三次元探傷データ
１０３Ｃ…三次元処理データ
１０３Ｄ…欠陥先端位置
１０３Ｅ…底面位置
１０３Ｆ…三次元探傷データ中の任意の超音波入射角度
１０３Ｉ…底面エコー
１０３Ｊ…欠陥先端エコー
１０３Ｋ…欠陥コーナーエコー
１０３Ｌ…処理内容切替手段
１０４…圧電振動素子
１０５…走査手段制御部
１０６…移動量検出部
１０７…走査手段
１０８…超音波
１０９…超音波入射角度の振り幅
１１０…欠陥
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次元アレイ型超音波センサから任意の深さに集束した超音波を送信し、
さらに入射角度を変化させて検査対象内部を三次元的に走査して波形データを収録し、
得られた波形データを三次元探傷データに変換し、
順次該アレイ型超音波センサの設置位置を移動して三次元探傷データを収録し、
該アレイ型超音波センサの移動量だけずらしながら各探傷位置で得られた三次元探傷データを合成して三次元映像化することを特徴とする三次元超音波映像化方法。
【請求項２】
請求項１記載の三次元超音波映像化方法において、
検査対象の表面形状を計測し、該検査対象の表面形状に追従しながら、超音波の入射角度を変化させて検査対象内部の三次元探傷データを収録し、
順次該アレイ型超音波センサの設置位置を移動して探傷し、
得られた三次元探傷データを該アレイ型超音波センサの移動量及び回転角度だけずらしながら各探傷位置で得られた三次元探傷データを合成して三次元映像化することを特徴とする三次元超音波映像化方法。
【請求項３】
請求項１記載の三次元超音波映像化方法において、
二次元アレイ型超音波センサから発振した超音波の入射角度を変化させて検査対象内部を三次元探傷する際の超音波走査方式として、回転走査、あおり走査、クサビつきあおり走査のいずれかを用いることを特徴とする三次元超音波検査方法。
【請求項４】
請求項１記載の三次元超音波映像化方法において、
三次元探傷データの合成は、三次元探傷データを加算若しくは平均して映像化することを特徴とする三次元超音波検査方法。
【請求項５】
複数の圧電振動素子を備えた二次元アレイ型超音波センサと、
前記アレイ型超音波センサの各圧電振動素子との間で送信信号を送信するパルサーと受信信号を送受するレシーバと、
前記送信信号と受信信号に前記各圧電振動素子に遅延時間を可変して時間制御を行う遅延制御部と、
前記アレイ型超音波センサで超音波を送受信した波形を収録するデータ収録部と、
前記アレイ型超音波センサを走査するセンサ移動手段及びこれを制御する走査制御部と、
前記アレイ型超音波センサの移動量を計測する移動量検出部と、
収録した波形データから三次元探傷データに変換し、前記アレイ型超音波センサの移動量検出部で計測した移動量ずつずらして複数の三次元探傷データを合成する計算機と、
前記合成した探傷データを表示する表示部を備えることを特徴とする三次元超音波映像化装置。
【請求項６】
請求項５記載の三次元超音波映像化装置において、
該検査対象の表面形状に追従して走査するセンサ移動手段及び走査制御部と移動量検出部を備え、
検出した該アレイ型超音波センサの移動量と前記対象の表面形状の計測値あるいは設計値に基づき、三次元探傷データを該アレイ型超音波センサの移動量及び角度だけずらしながら合成する計算機を備えることを特徴とする三次元超音波映像化装置。
【請求項７】
請求項５記載の三次元超音波映像化装置において、
表示部に、前記アレイ型超音波センサの移動により順次得られる探傷データのうち最大値を探傷データとする通常の探傷により得られる探傷データと、合成処理により得られる探傷データとを切替えて表示するデータ処理切替手段を備えることを特徴とする三次元超音波映像化装置。
【請求項１】
二次元アレイ型超音波センサから任意の深さに集束した超音波を送信し、
さらに入射角度を変化させて検査対象内部を三次元的に走査して波形データを収録し、
得られた波形データを三次元探傷データに変換し、
順次該アレイ型超音波センサの設置位置を移動して三次元探傷データを収録し、
該アレイ型超音波センサの移動量だけずらしながら各探傷位置で得られた三次元探傷データを合成して三次元映像化することを特徴とする三次元超音波映像化方法。
【請求項２】
請求項１記載の三次元超音波映像化方法において、
検査対象の表面形状を計測し、該検査対象の表面形状に追従しながら、超音波の入射角度を変化させて検査対象内部の三次元探傷データを収録し、
順次該アレイ型超音波センサの設置位置を移動して探傷し、
得られた三次元探傷データを該アレイ型超音波センサの移動量及び回転角度だけずらしながら各探傷位置で得られた三次元探傷データを合成して三次元映像化することを特徴とする三次元超音波映像化方法。
【請求項３】
請求項１記載の三次元超音波映像化方法において、
二次元アレイ型超音波センサから発振した超音波の入射角度を変化させて検査対象内部を三次元探傷する際の超音波走査方式として、回転走査、あおり走査、クサビつきあおり走査のいずれかを用いることを特徴とする三次元超音波検査方法。
【請求項４】
請求項１記載の三次元超音波映像化方法において、
三次元探傷データの合成は、三次元探傷データを加算若しくは平均して映像化することを特徴とする三次元超音波検査方法。
【請求項５】
複数の圧電振動素子を備えた二次元アレイ型超音波センサと、
前記アレイ型超音波センサの各圧電振動素子との間で送信信号を送信するパルサーと受信信号を送受するレシーバと、
前記送信信号と受信信号に前記各圧電振動素子に遅延時間を可変して時間制御を行う遅延制御部と、
前記アレイ型超音波センサで超音波を送受信した波形を収録するデータ収録部と、
前記アレイ型超音波センサを走査するセンサ移動手段及びこれを制御する走査制御部と、
前記アレイ型超音波センサの移動量を計測する移動量検出部と、
収録した波形データから三次元探傷データに変換し、前記アレイ型超音波センサの移動量検出部で計測した移動量ずつずらして複数の三次元探傷データを合成する計算機と、
前記合成した探傷データを表示する表示部を備えることを特徴とする三次元超音波映像化装置。
【請求項６】
請求項５記載の三次元超音波映像化装置において、
該検査対象の表面形状に追従して走査するセンサ移動手段及び走査制御部と移動量検出部を備え、
検出した該アレイ型超音波センサの移動量と前記対象の表面形状の計測値あるいは設計値に基づき、三次元探傷データを該アレイ型超音波センサの移動量及び角度だけずらしながら合成する計算機を備えることを特徴とする三次元超音波映像化装置。
【請求項７】
請求項５記載の三次元超音波映像化装置において、
表示部に、前記アレイ型超音波センサの移動により順次得られる探傷データのうち最大値を探傷データとする通常の探傷により得られる探傷データと、合成処理により得られる探傷データとを切替えて表示するデータ処理切替手段を備えることを特徴とする三次元超音波映像化装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１０−１０７２８６（Ｐ２０１０−１０７２８６Ａ）
【公開日】平成２２年５月１３日（２０１０．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２７８０５３（Ｐ２００８−２７８０５３）
【出願日】平成２０年１０月２９日（２００８．１０．２９）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年５月１３日（２０１０．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月２９日（２００８．１０．２９）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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