超音波センサ，それを用いた超音波検査方法および超音波検査装置
【課題】総素子数を変えることなく、センサ開口の大型化できるとともに、オーバーピッチのセンサを用いても、斜角探傷においてノイズの低い検査画像を得ることができる超音波センサ，それを用いた超音波検査方法および超音波検査装置を提供することにある。
【解決手段】アレイセンサＳは、検査対象１０の内部に超音波を送信し、検査対象からのエコーを受信し、このエコーから検査対象を評価する超音波検査装置に用いられる。アレイセンサＳは、超音波を発振する複数の超音波発振素子Ｅを配列されたものである。アレイセンサＳを構成する複数の超音波発振素子Ｅは、一定方向に向かって、ピッチが大きくなっている。そして、検査対象部位に近い側のピッチが遠い側のピッチよりも大きくなるように、アレイセンサＳが配置される。
【解決手段】アレイセンサＳは、検査対象１０の内部に超音波を送信し、検査対象からのエコーを受信し、このエコーから検査対象を評価する超音波検査装置に用いられる。アレイセンサＳは、超音波を発振する複数の超音波発振素子Ｅを配列されたものである。アレイセンサＳを構成する複数の超音波発振素子Ｅは、一定方向に向かって、ピッチが大きくなっている。そして、検査対象部位に近い側のピッチが遠い側のピッチよりも大きくなるように、アレイセンサＳが配置される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波センサ，それを用いた超音波検査方法および超音波検査装置に係り、特に、斜角探傷においてノイズの低い検査画像を得るに好適な超音波センサ，それを用いた超音波検査方法および超音波検査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
工業分野や医療分野における非破壊検査方法の一つに、超音波検査が用いられている。超音波検査は、超音波を対象物にあててその反射波を映像化し、検査する方法である。工業分野においては、この超音波を用いて欠陥を検査する方法を超音波探傷法と呼ぶこともある。
【０００３】
超音波検査方法の中でも、有効な手法の一つとしてフェーズドアレイ方式が知られている（例えば、特許文献１参照）。フェーズドアレイ方式は、電子走査方式や電子スキャン方式とも呼ばれ、例えば圧電素子などの、超音波を発振可能な超音波発生素子をアレイ状に配置したアレイセンサを用い、検査装置により、各素子に電気信号を所定の時間だけ遅延させて与えることで、各素子から発生した超音波が被検体中で焦点を形成し、さらに、この各素子への電気信号を遅延させるパターン（遅延パターン）を高速で変化させることにより、被検査体中への超音波の送受信角度（屈折角）、焦点位置などを制御できるようにした方法のことである。
【０００４】
この方式が重要視されている理由は、被検体の内部でも特に欠陥が想定される範囲や近傍において、反射波をより強く受信できる角度や位置に焦点を形成することで、反射源である欠陥を検出しやすくできるからである。
【０００５】
例えば、溶接部における検査では、溶接による熱影響の範囲において欠陥の発生が予測されるので、この範囲に対して斜角方向から超音波が照射されるように、また、板厚あるいはその数倍程度の伝搬距離で焦点を形成するように遅延パターンを作成することで、効率よく検査できる。フェーズドアレイ方式で用いるアレイセンサとしては、多数の素子を直線上、あるいは曲線上に１次元配列し、断面検査を可能としたリニアアレイセンサ、素子を２次元配列し、体積検査を可能としたマトリクスセンサが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−２７６４６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
これらのセンサの総素子数を制御可能な数に抑えつつ、センサ開口を大型化すると、各素子の間の距離（ピッチ）が大きくなる。ピッチが大きくなると、本来の探傷に用いる超音波（メインローブ）の他に、妨害波となる超音波（グレーティングローブ）が発生する。例えば、リニアアレイセンサにおけるグレーティングローブが発生しないピッチの条件は、ピッチをｐ、伝搬する対象物中での波長をλ、伝搬方向をθとすると、ｐ＜λ／（１＋｜ｓｉｎθ｜）であり、ピッチには制限があることが知られている。広範囲の探傷を行うためには、前記の式にθ＝９０度を代入し、ピッチをｐ〜λ／２（半波長）にする必要があることが分かる。このとき、センサ開口は、センサの総素子数に装置による制限があるため、制御可能な最大総素子数をＮとすれば、ｐＮ＝λＮ／２程度に限られる。すなわち、センサ開口に上限があるため、斜角方向のセンサの分解能、感度に上限がある。
【０００８】
本発明の目的は、総素子数を変えることなく、センサ開口の大型化できるとともに、オーバーピッチのセンサを用いても、斜角探傷においてノイズの低い検査画像を得ることができる超音波センサ，それを用いた超音波検査方法および超音波検査装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、検査対象の内部に超音波を送信し、前記検査対象からのエコーを受信し、前記エコーから検査対象を評価する装置に用いられ、超音波を発振する複数の超音波発振素子を配列したアレイセンサであって、前記アレイセンサを構成する前記複数の超音波発振素子は、一定方向に向かって、ピッチが大きくなっているものである。
かかる構成により、総素子数を変えることなく、センサ開口の大型化できるとともに、オーバーピッチのセンサを用いても、斜角探傷においてノイズの低い検査画像を得ることができるものとなる。
【００１０】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記アレイセンサが、ある開口面積と、ある素子数を有する場合、前記超音波発振素子の平均ピッチは、同じピッチの超音波発信素子からなり、前記開口面積と同じ開口面積で、前記素子数と同じ素子数で、グレーティングローブが発生するようなアレイセンサのピッチと等しいものである。
【００１１】
（３）上記（２）において、好ましくは、前記アレイセンサは、前記複数の超音波発振素子は、一定方向に向かって、ピッチが大きくなっている配列構造を一部に有するものである。
【００１２】
（４）上記目的を達成するために、本発明は、アレイセンサを用い、超音波の送信時に結ばれる焦点を検査対象箇所中の複数個所に設定し、前記複数の焦点のそれぞれに対し、検査対象内部からの反射信号をそれぞれ収録し、得られた反射信号を閾値処理し、前記検査対象の内部を画像化して検査を行う超音波検査方法であって、前記アレイセンサとして、検査対象の内部に超音波を送信し、前記検査対象からのエコーを受信し、前記エコーから前記検査対象を評価する装置に用いられ、超音波を発振する複数の超音波発振素子を配列したアレイセンサであり、かつ、前記アレイセンサを構成する前記複数の超音波発振素子は、一定方向に向かって、ピッチが大きくなっているアレイセンサを用い、検査対象部位に近い側のピッチが遠い側のピッチよりも大きくなるように、前記アレイセンサが配置されるものである。
かかる方法により、総素子数を変えることなく、センサ開口の大型化できるとともに、オーバーピッチのセンサを用いても、斜角探傷においてノイズの低い検査画像を得ることができるものとなる。
【００１３】
（５）上記（４）において、好ましくは、前記アレイセンサとして、前記アレイセンサを構成する前記複数の超音波発振素子は、一定方向に向かって、ピッチが大きくなっている配列構造を一部に有するアレイセンサを用い、超音波の送信時に結ばれる焦点を、検査対象箇所中の複数範囲に対応して設定し、前記各検査範囲に対し、アレイセンサを構成する超音波発生素子のうち使用する素子パターンを選択し、各検査範囲内部からの反射信号を複数回収録し、前記各検査範囲から得られた反射信号を閾値処理してデータを加算平均処理して画像データを生成するようにしたものである。
【００１４】
（６）上記目的を達成するために、本発明は、アレイセンサを用い、被検体に超音波を送信し、前記被検体の表面または内部からの反射波により前記被検体の表面および内部を検査する超音波検査装置であって、センサ中心を基準とし、各素子に対応する送信信号に遅延時間を与える送信遅延手段と、遅延時間の与えられた超音波を送信する手段を備えるパルサと、受信した超音波をアナログ‐デジタル変換するＡ／Ｄ変換手段と、受信信号に遅延時間を与える手段からなるレシーバから構成される送・受信部と、遅延時間を制御する遅延制御手段と、受信信号を加算する加算手段と、受信信号を収録するとともに閾値処理する処理する制御・処理用コンピュータから構成される制御部と、前記受信手段により前記受信信号に基づいて、３次元または２次元の画像データを生成し、表示する表示部とを有し、前記アレイセンサは、検査対象の内部に超音波を送信し、前記検査対象からのエコーを受信し、前記エコーから前記検査対象を評価する装置に用いられ、超音波を発振する複数の超音波発振素子を配列したアレイセンサであり、かつ、前記アレイセンサを構成する前記複数の超音波発振素子は、一定方向に向かって、ピッチが大きくなっているアレイセンサであるものである。
かかる構成により、総素子数を変えることなく、センサ開口の大型化できるとともに、オーバーピッチのセンサを用いても、斜角探傷においてノイズの低い検査画像を得ることができるものとなる。
【００１５】
（７）上記（６）において、好ましくは、前記アレイセンサは、前記アレイセンサを構成する前記複数の超音波発振素子は、一定方向に向かって、ピッチが大きくなっている配列構造を一部に有するアレイセンサであり、さらに、前記複数の超音波発振素子から使用する超音波発振素子を選択する使用素子選択手段を備えるようにしたものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、総素子数を変えることなく、センサ開口の大型化できるとともに、オーバーピッチのセンサを用いても、斜角探傷においてノイズの低い検査画像を得ることができるものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態による超音波検査方法の基本概念を示す説明図である。
【図２】本発明の一実施形態による超音波検査方法の基本概念を示す斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態によるアレイセンサの第１の構成を示す平面図である。
【図４】本発明の一実施形態による超音波検査方法により得られる信号の説明図である。
【図５】本発明の一実施形態によるアレイセンサの第１の構成を示す平面図である。
【図６】本発明の一実施形態による超音波検査装置の構成を示すブロック図である。
【図７】本発明の一実施形態による超音波検査装置により検査方法の内容を示すフローチャートである。
【図８】本発明の一実施形態による超音波検査方法の変形例を示す説明図である。
【図９】本発明の他の実施形態によるアレイセンサの構成を示す平面図である。
【図１０】本発明の他の実施形態による超音波検査装置の構成を示すブロック図である。
【図１１】本発明の他の実施形態による超音波検査装置により検査方法の内容を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図１〜図８を用いて、本発明の一実施形態による超音波検査装置の構成及び動作について説明する。
最初に、図１〜図５を用いて、本実施形態による超音波検査方法の基本概念について説明する。
図１は、本発明の一実施形態による超音波検査方法の基本概念を示す説明図である。なお、図１（Ａ）は断面図であり、図１（Ｂ）は平面図である。図２は、本発明の一実施形態による超音波検査方法の基本概念を示す斜視図である。図３は、本発明の一実施形態によるアレイセンサの第１の構成を示す平面図である。図４は、本発明の一実施形態による超音波検査方法により得られる信号の説明図である。図５は、本発明の一実施形態によるアレイセンサの第１の構成を示す平面図である。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。
【００１９】
図１に示すように、被検体１０は、第１の母材ＭＭ１と、第２の母材ＭＭ２とを、溶接部ＷＰにより溶接した構造を有するものである。このような被検体が、検査範囲を考慮すべき検査対象例である。
【００２０】
溶接部ＷＰの近傍では熱影響を受けるため、母材ＭＭ１，ＭＭ２と比較して検査する必要性が高い。この溶接部ＷＰとその近傍に対し、アレイセンサＳを用いて検査する場合、アレイセンサＳの素子配列方向Ｘ１を溶接線Ｙ１に直交するような角度で検査する。なお、アレイセンサＳは、被検体の表面に対して斜めに超音波を出力する斜角探傷により、想定欠陥ＤＥを検出する。この場合、アレイセンサＳから見て、溶接部ＷＰとは逆方向にある母材（ここでは、第１母材ＭＭ１）は、もはや熱影響を受けておらず、検査の必要性が低いことが多い。
【００２１】
このように検査すべき箇所が予め分かっている場合（想定欠陥ＤＥの位置が予め分かっている場合）、アレイセンサＳを構成する超音波発生素子のうち、検査部位から遠い素子部分から発振される超音波は、一素子あたりの指向性ゆえに、集束に対する寄与が小さくなる。
【００２２】
そこで、図２に示すように、本実施形態で用いるアレイセンサＳが、複数個の超音波発生素子Ｅ１，…，Ｅｎから構成される場合、検査範囲Ａｄに近いところ（超音波発生素子Ｅ１等）はピッチが大きく、検査範囲から遠いところ（超音波発生素子Ｅｎ等）はピッチが小さいアレイセンサＳを用いている。
【００２３】
検査対象の検査範囲を考慮し、素子配列に対称性をなくしたアレイセンサＳを用いることで、検査対称の検査範囲を考慮して斜角方向の検査性能を向上することができる。
【００２４】
図３は、アレイセンサＳがリニアアレイセンサの場合の構成を示している。本実施形態のアレイセンサは、素子の大きさが一定ではなく、大きさ素子と小さな素子を有し、一定方向に向かって、小さい素子から大きい素子となるように素子を配列している。
【００２５】
アレイセンサＳは、ｎ個の超音波発生素子Ｅ１，Ｅ２，…，Ｅ（ｎ−１），Ｅｎから構成されている。ここで、各超音波発生素子Ｅ１，Ｅ２，…，Ｅ（ｎ−１），Ｅｎの超音波伝搬方向Ｘ１における各素子の幅をそれぞれＷｅ１，Ｗｅ２，…，Ｗｅ（ｎ−１），Ｗｅｎとすると、一方の端部側から他方の端部側にかけて、素子の幅が順次狭くなるように、すなわち、Ｗｅ１＞Ｗｅ２＞…＞Ｗｅ（ｎ−１）＞Ｗｅｎとしている。
【００２６】
また、各素子のギャップｇはできるだけ狭い方がよいため、全て等しくしている。この場合、隣接する素子間の距離であるピッチを、それぞれ、Ｐｅ１−ｅ２，Ｐｅ２−ｅ３，…，Ｐｅ（ｎ−２）−ｅ（ｎ−１），Ｐｅ（ｎ−１）−ｅｎとすると、一方の端部側から他方の端部側にかけて、素子のピッチが順次狭くなるように、すなわち、Ｐｅ１−ｅ２＞Ｐｅ２−ｅ３＞，…，＞Ｐｅ（ｎ−２）−ｅ（ｎ−１）＞Ｐｅ（ｎ−１）−ｅｎとしている。
【００２７】
また、センサの中心Ｏを通り、伝搬方向Ｘ１に直交する線分をｎｃとすると、この線分ｎｃに対して伝搬方向Ｘ１の方向に存在する素子Ｅの数は、伝搬方向Ｘ１とは反対方向に存在する素子Ｅの数よりも少なくなる。
【００２８】
次に、図４を用いて、本実施形態により発生する超音波の強度について、従来構成のセンサにより発生する超音波の強度を比較して説明する。
【００２９】
図４（Ａ）は、被検体１０に対してセンサＳを配置したときの断面図を示している。アレイセンサＳから集束点Ｐｆに向けて斜角方向に超音波が出力される。ここで、アレイセンサＳの中心位置をＯとする。
【００３０】
図４（Ｂ）は、本実施形態の効果についてのシミュレーションした結果を示している。
【００３１】
図４（Ｂ）の実線は、本実施形態によるアレイセンサＳにより発生した超音波の強度について、図４（Ａ）に示したように、センサＳの中心位置をＯとして図示している。集束点Ｐｆの近傍には、本来の探傷に用いる超音波（メインローブＭＬ）が発生するともに、中心位置Ｏに対して集束点Ｐｆとは反対側に、妨害波となる超音波（グレーティングローブＧＬ）が発生する。
【００３２】
また、図４（Ｂ）の一点鎖線は、従来のアレイセンサ（各素子の幅が同じで、ピッチも同じもの）を用いた場合の、メインローブとグレーティングローブの強度を示している。
【００３３】
例えば、３ＭＨｚの素子を均等配置したリニアアレイセンサの場合、鋼材中４５度方向にグレーティングローブを発生することなく、音を集束させるには、ピッチは１．１ｍｍ以下である必要がある。これを、例えば１．５ｍｍピッチのオーバーピッチでアレイセンサを作成すれば、図４（Ｂ）に一点鎖線で示すように、集束点ＰｆのメインローブＭＬと同等の強さのグレーティングローブＧＬが発生する。
【００３４】
それに対して、同じ素子数で、同じセンサ開口面積、すなわち、平均１．５ｍｍピッチとなるように、２．０ｍｍ〜１．１ｍｍまで０．１ｍｍずつ変化させた素子で構成されたアレイセンサを用いれば、図４（Ｂ）に実線で示すようにグレーティングローブＧＬの強度を、メインローブＭＬの強度の約１／３低減することが可能となる。
【００３５】
この平均ピッチは、従来の同じピッチの超音波発信素子からなり、同じ開口面積で、同じ素子数で、グレーティングローブが発生するようなアレイセンサのピッチと等しいものである。
【００３６】
図５は、アレイセンサＳ’がマトリクスアレイセンサの場合の構成を示している。本実施形態のアレイセンサは、素子の大きさが一定ではなく、大きさ素子と小さな素子を有し、一定方向に向かって、小さい素子Ｅｓから大きい素子Ｅｌとなるように素子を配列している。
【００３７】
センサＳ’の中心Ｏを通り、第１の方向に直交する線分をｎｃとすると、この線分ｎｃに対して第１の方向に存在する素子Ｅの数（線分ｎｃから線分ｎ１の間の素子の数）は、第１の方向とは反対方向に存在する素子Ｅの数（線分ｎｃから線分ｎ２の間の素子の数）よりも少なくなる。
【００３８】
また、センサＳ’の中心Ｏを通り、第１の方向と直交する第２の方向に直交する線分をｍｃとすると、この線分ｍｃに対して第２の方向に存在する素子Ｅの数（線分ｍｃから線分ｍ１の間の素子の数）は、第１の方向とは反対方向に存在する素子Ｅの数（線分ｍｃから線分ｍ２の間の素子の数）よりも少なくなる。
【００３９】
ここで、超音波の伝搬方向Ｘ１は、第１及び第２の方向に対して４５度の方向である。この超音波の伝搬方向Ｘ１に向かっても、小さい素子Ｅｓから大きい素子Ｅｌとなるように素子を配列している。
【００４０】
なお、図３に示したリニアアレイセンサや、図５に示したマトリクスセンサとしては、平坦なものとしているが、それ以外にも、例えばコンベックスセンサのように、センサ接触面が、ゆるやかな曲率をもっているものにも適用することができる。
【００４１】
次に、図６を用いて、本実施形態による超音波検査装置の構成について説明する。
図６は、本発明の一実施形態による超音波検査装置の構成を示すブロック図である。
【００４２】
アレイセンサＳは、図３や図５に示した構成を有するものであり、被検体１０の表面に直接、あるいは間接的に当てられ、検査装置本体から超音波センサに電圧パルスの駆動信号が送られる。
【００４３】
検査装置本体は、アレイセンサＳは、ケーブルにより、検査装置本体と電気的に接続されている。検査装置本体は、送受信部１０２と、制御部１０３と、表示部１０４とから構成される。これらの詳細は後述する。送受信部１０２からの駆動信号は、超音波センサＳの電極を介して圧電素子に伝えられ、超音波に変換される。被検体１０に送波された超音波は被検体内を伝搬し、境界あるいは異質な箇所など音響インピーダンスが異なる部位で反射され、反射波の一部がアレイセンサＳの圧電素子で受信される。ここで反射波は再び圧電素子によって電気信号に変換され、検査装置本体に入力される。入力された受信信号は、検査装置本体の制御部１０３にて信号処理され、例えば断層画像として表示部１０４に出力される。
【００４４】
被検体１０としては、生体などの有機構造物、あるいは、建築物などの無機構造物などを対象に、検査装置を利用することも可能である。したがって、本実施形態にかかる超音波センサは、特に、人体などの被検体の超音波診断を行う各種医療分野、材料や構造物の検査を目的とした工業分野において利用が可能である。
【００４５】
図６に示すように、本実施形態の超音波検査装置は、検査対象である被検体１０に設置され、検査対象に超音波を送・受信する超音波発振素子を備えるアレイセンサＳと、アレイセンサＳに遅延時間を与えて超音波を送信するパルサ１０２Ａと受信した超音波をアナログ‐デジタル変換して受信信号とするレシーバ１０２からなる送・受信部１０２と、送・受信時の遅延時間の制御回路１０３Ｄ、受信信号の加算回路１０３Ｚ、さらにはこれらを制御するとともに受信した信号を収録するとともに処理を行う制御・処理用コンピュータ１０３Ａからなる制御部１０３と、各種設定を入力表示する素子設定入力画面１０４Ａと、受信信号及び検査画像を表示する表示画面１０４Ｚを有する表示部１０４とから構成されている。
【００４６】
次に、それぞれの動作について説明する。
【００４７】
まず、制御・処理用コンピュータ１０３Ａは、超音波を送・受信して検査対象からの反射信号を収録する際に、遅延制御回路１０３Ｄを通じて、超音波を集束して送・受信するための超音波発振素子への遅延時間を与える。送信信号と遅延時間を受取った送信遅延回路１０２Ｂは、送信信号を送信増幅器１０２Ｅへ送信する。送信増幅器１０２Ｅは送信信号を増幅して、アレイセンサの超音波発振素子に超音波を送信するための駆動電圧を印加する。増幅された送信信号を受けた複数の超音波発振素子は、圧電効果で超音波を遅延時間に対応した時間遅れで超音波を送信する。超音波を集束する場合には、各超音波発振素子から集束位置までの幾何学的な距離、つまり各媒質での超音波の音速と境界面での屈折を考慮した距離に対応した遅延時間で各超音波発振素子に電圧を印加し、検査範囲中、所定の位置に超音波を集束して送信する。
【００４８】
一方、超音波をレシーバ１０２Ｚで受信し圧電効果により生じた電気信号を処理する際には、超音波発振素子１０１Ａのそれぞれで受信した超音波に対応して、受信信号を受信増幅器１０２Ｙで増幅して、アナログ‐デジタル変換器１０２Ｘでアナログであった受信信号をデジタル信号に変換する。デジタル信号に変換され、選択された受信信号は、遅延メモリ１０２Ｖに記憶される。この際に、遅延メモリ１０２Ｖでは、超音波送信時と同様に超音波を集束して受信する際には、遅延制御回路１０３Ｄから送信された遅延時間を各超音波発振素子からの受信信号に付与して、記憶部１０３Ｂに記憶される。加算回路１０３Ｚで加算し、制御・処理用コンピュータ１０３Ａに送る。処理装置１０３Ｃにより、画像処理する場合は、閾値などを決定し、閾値以上の強度の波高値のみを画像に出力し、表示部１０４で表示する。
【００４９】
次に、図７を用いて、本実施形態による超音波検査装置による検査方法について説明する。
図７は、本発明の一実施形態による超音波検査装置により検査方法の内容を示すフローチャートである。
【００５０】
ここでは、検査範囲に、複数個の焦点Ｆ（ｉ）を設定し、超音波検査を実施する場合について説明する。
【００５１】
最初に、アレイセンサに関する初期設定として、前述のアレイセンサを構成する超音波発振素子の素子情報や材質情報などを入力する（ステップＳ１０１）。さらに、ステップＳ１０１で与えた情報を元に、これら超音波発振素子に対し、遅延時間や画像表示の際の基準となるセンサ中心位置を設定する（ステップＳ１０２）。一般的には、図３や図５に示すように、超音波発振素子の中心Ｏをセンサ中心として設定している。
【００５２】
次に、被検体のどの検査範囲に超音波を集束させるか設定する（ステップＳ１０３）。ステップＳ１０３で与えた検査範囲に対して、焦点Ｆ（ｉ）を設定し、遅延時間を設定する（ステップＳ１０４）。この遅延時間の設定法は、センサ中心から焦点Ｆ（ｉ）までの到達時間を基準とし、ステップＳ１０１で与えた各素子の中心位置の素子情報を元に、焦点Ｆ（ｉ）までの到達時間を求めることで設定できる。
【００５３】
そして、上記のように設定した超音波の送・受信を行い（ステップＳ１０５）、焦点Ｆ（ｉ）に対するデータ（反射データ）を収録する（ステップＳ１０６）。さらに、全領域でのデータ収録を終了したかどうかの判別（ステップＳ１０７）を行い、終了していない（ＮＯ）場合には、次の焦点Ｆ（ｉ＋１）へ移行し、再び超音波の送・受信行い、反射データを収録することを全検査領域での反射データの収録が終了するまで順次繰り返す。
【００５４】
全終了した（ＹＥＳ）場合は、画素と画素値のマップを作成し（ステップＳ１０８）、画像の表示を行い（ステップＳ１０９）、画像処理の必要性を確認して、画像処理の必要性がない場合は、終了する（ステップＳ１１０）。
【００５５】
アーチファクトが出現し、画像処理の必要性がある場合は、図３に示したように、本発明ではグレーティングローブの強度を低減することが可能となるため、例えば、閾値を与えることで画像処理をし（ステップＳ１１１）、終了する。
【００５６】
次に、図８を用いて、本実施形態による超音波検査方法の変形例について説明する。
図８は、本発明の一実施形態による超音波検査方法の変形例を示す説明図である。なお、図１〜図５と同一符号は、同一部分を示している。
【００５７】
図１に示した例では、アレイセンサＳは直接被検体１０の表面に設置されていたが、図８に示すように、アレイセンサＳと被検体１０との間に、シューＳＨを配置するようにしてもよいものである。
【００５８】
かかる構成により、被検体の表面から被検体に斜角入射する超音波の角度を小さくして、かつ、入射する超音波の強度を大きくしたい場合に有効である。
【００５９】
以上説明したように、本実施形態によれば、総素子数を変えることなく、センサ開口の大型化できるとともに、オーバーピッチのセンサを用いても、斜角探傷においてノイズの低い検査画像を得ることができるものとなる。
【００６０】
次に、図９〜図１１を用いて、本発明の他の実施形態による超音波検査装置の構成及び動作について説明する。
最初に、図９を用いて、本実施形態によるアレイセンサの構成について説明する。
図９は、本発明の他の実施形態によるアレイセンサの構成を示す平面図である。
【００６１】
図９に示すアレイセンサＳ”は、図３に示した構造を一部にもつアレイセンサである。
【００６２】
図９（Ａ）は平面図を示し、図９（Ｂ）は断面図を示している。本実施形態のアレイセンサＳ”は、線分ｎｃ１を中心として左右対称の構成となっている。線分ｎｃ１から左方向の端部側の線分ｎ１の方向に向かって、小さな素子Ｅｓから大きな素子Ｅｌが配列されている。また、線分ｎｃ１から右方向の端部側の線分ｎ２の方向に向かっても、小さな素子Ｅｓから大きな素子Ｅｌが配列されている。
【００６３】
本アレイセンサＳ”も用い方は、次のようにする。すなわち、斜角方向の探傷は両側に配置される素子を用いて探傷する。すなわち、左斜角方向については、センサ中心を線分ｎｃ２として、線分ｎｃ１から線分ｎ１の間に配置される素子を用いて探傷する。また、右斜角方向については、センサ中心を線分ｎｃ３として、線分ｎｃ１から線分ｎ２の間に配置される素子を用いて探傷する。
【００６４】
また、垂直方向は、線分ｎ１から線分ｎ２の間の素子の全体を用いて、あるいは、線分ｎｃ２から線分ｎｃ３の間の中央部分の素子のみを用いて探傷する。全体の素子を用いれば開口径を大きくして深い部分の探傷が可能である。中央部分のみを用いれば、浅い部分の探傷が可能となる。これらの場合、センサ中心は線分ｎｃ１となる。
【００６５】
なお、センサ接触面には、コンベックスのように、曲率があってもよいものである。
【００６６】
次に、図１０を用いて、本実施形態による超音波検査装置の構成について説明する。
図１０は、本発明の他の実施形態による超音波検査装置の構成を示すブロック図である。なお、図６と同一符号は同一部分を示している。
【００６７】
本例では、図６の構成に加えて、使用素子範囲パターンの記憶部１０３Ｆと、送信側、受信側に使用素子範囲選択部１０２Ｆ、１０２Ｗを設けている。
【００６８】
使用素子パターンを記憶部１０３Ｆに予め記憶させておき、このパターンに即し、使用素子範囲選択部１０２Ｆ、および使用素子範囲選択部１０２ＷでスイッチのＯＮ・ＯＦＦにより、信号の伝達の可否を選択する。
【００６９】
また、各使用素子範囲で描いた画像を一度に表示するため、画像の加算平均処理する機能を処理装置１０３Ｃに新たに持たせる。
【００７０】
次に、図１１を用いて、本実施形態による超音波検査装置による検査方法について説明する。
図１１は、本発明の他の実施形態による超音波検査装置により検査方法の内容を示すフローチャートである。なお、図７と同一ステップは同一内容を示している。
【００７１】
本例では、使用素子範囲パターンの設定ステップＳ２００を設け、使用素子範囲を選択し、その素子中心を決める処理を追加する。また、この使用素子範囲パターンを切り替えるステップＳ２０１を設ける。さらに、各使用素子範囲で描いた画像を一度に表示するため、ステップＳ１１１に、画像の加算平均処理する機能を持たせる。
【００７２】
以上説明したように、本実施形態によれば、総素子数を変えることなく、センサ開口の大型化できるとともに、オーバーピッチのセンサを用いても、斜角探傷においてノイズの低い検査画像を得ることができるものとなる。
【００７３】
また、使用する素子を選択することで、探傷箇所等に応じた超音波探傷が可能となる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波センサ，それを用いた超音波検査方法および超音波検査装置に係り、特に、斜角探傷においてノイズの低い検査画像を得るに好適な超音波センサ，それを用いた超音波検査方法および超音波検査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
工業分野や医療分野における非破壊検査方法の一つに、超音波検査が用いられている。超音波検査は、超音波を対象物にあててその反射波を映像化し、検査する方法である。工業分野においては、この超音波を用いて欠陥を検査する方法を超音波探傷法と呼ぶこともある。
【０００３】
超音波検査方法の中でも、有効な手法の一つとしてフェーズドアレイ方式が知られている（例えば、特許文献１参照）。フェーズドアレイ方式は、電子走査方式や電子スキャン方式とも呼ばれ、例えば圧電素子などの、超音波を発振可能な超音波発生素子をアレイ状に配置したアレイセンサを用い、検査装置により、各素子に電気信号を所定の時間だけ遅延させて与えることで、各素子から発生した超音波が被検体中で焦点を形成し、さらに、この各素子への電気信号を遅延させるパターン（遅延パターン）を高速で変化させることにより、被検査体中への超音波の送受信角度（屈折角）、焦点位置などを制御できるようにした方法のことである。
【０００４】
この方式が重要視されている理由は、被検体の内部でも特に欠陥が想定される範囲や近傍において、反射波をより強く受信できる角度や位置に焦点を形成することで、反射源である欠陥を検出しやすくできるからである。
【０００５】
例えば、溶接部における検査では、溶接による熱影響の範囲において欠陥の発生が予測されるので、この範囲に対して斜角方向から超音波が照射されるように、また、板厚あるいはその数倍程度の伝搬距離で焦点を形成するように遅延パターンを作成することで、効率よく検査できる。フェーズドアレイ方式で用いるアレイセンサとしては、多数の素子を直線上、あるいは曲線上に１次元配列し、断面検査を可能としたリニアアレイセンサ、素子を２次元配列し、体積検査を可能としたマトリクスセンサが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−２７６４６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
これらのセンサの総素子数を制御可能な数に抑えつつ、センサ開口を大型化すると、各素子の間の距離（ピッチ）が大きくなる。ピッチが大きくなると、本来の探傷に用いる超音波（メインローブ）の他に、妨害波となる超音波（グレーティングローブ）が発生する。例えば、リニアアレイセンサにおけるグレーティングローブが発生しないピッチの条件は、ピッチをｐ、伝搬する対象物中での波長をλ、伝搬方向をθとすると、ｐ＜λ／（１＋｜ｓｉｎθ｜）であり、ピッチには制限があることが知られている。広範囲の探傷を行うためには、前記の式にθ＝９０度を代入し、ピッチをｐ〜λ／２（半波長）にする必要があることが分かる。このとき、センサ開口は、センサの総素子数に装置による制限があるため、制御可能な最大総素子数をＮとすれば、ｐＮ＝λＮ／２程度に限られる。すなわち、センサ開口に上限があるため、斜角方向のセンサの分解能、感度に上限がある。
【０００８】
本発明の目的は、総素子数を変えることなく、センサ開口の大型化できるとともに、オーバーピッチのセンサを用いても、斜角探傷においてノイズの低い検査画像を得ることができる超音波センサ，それを用いた超音波検査方法および超音波検査装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、検査対象の内部に超音波を送信し、前記検査対象からのエコーを受信し、前記エコーから検査対象を評価する装置に用いられ、超音波を発振する複数の超音波発振素子を配列したアレイセンサであって、前記アレイセンサを構成する前記複数の超音波発振素子は、一定方向に向かって、ピッチが大きくなっているものである。
かかる構成により、総素子数を変えることなく、センサ開口の大型化できるとともに、オーバーピッチのセンサを用いても、斜角探傷においてノイズの低い検査画像を得ることができるものとなる。
【００１０】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記アレイセンサが、ある開口面積と、ある素子数を有する場合、前記超音波発振素子の平均ピッチは、同じピッチの超音波発信素子からなり、前記開口面積と同じ開口面積で、前記素子数と同じ素子数で、グレーティングローブが発生するようなアレイセンサのピッチと等しいものである。
【００１１】
（３）上記（２）において、好ましくは、前記アレイセンサは、前記複数の超音波発振素子は、一定方向に向かって、ピッチが大きくなっている配列構造を一部に有するものである。
【００１２】
（４）上記目的を達成するために、本発明は、アレイセンサを用い、超音波の送信時に結ばれる焦点を検査対象箇所中の複数個所に設定し、前記複数の焦点のそれぞれに対し、検査対象内部からの反射信号をそれぞれ収録し、得られた反射信号を閾値処理し、前記検査対象の内部を画像化して検査を行う超音波検査方法であって、前記アレイセンサとして、検査対象の内部に超音波を送信し、前記検査対象からのエコーを受信し、前記エコーから前記検査対象を評価する装置に用いられ、超音波を発振する複数の超音波発振素子を配列したアレイセンサであり、かつ、前記アレイセンサを構成する前記複数の超音波発振素子は、一定方向に向かって、ピッチが大きくなっているアレイセンサを用い、検査対象部位に近い側のピッチが遠い側のピッチよりも大きくなるように、前記アレイセンサが配置されるものである。
かかる方法により、総素子数を変えることなく、センサ開口の大型化できるとともに、オーバーピッチのセンサを用いても、斜角探傷においてノイズの低い検査画像を得ることができるものとなる。
【００１３】
（５）上記（４）において、好ましくは、前記アレイセンサとして、前記アレイセンサを構成する前記複数の超音波発振素子は、一定方向に向かって、ピッチが大きくなっている配列構造を一部に有するアレイセンサを用い、超音波の送信時に結ばれる焦点を、検査対象箇所中の複数範囲に対応して設定し、前記各検査範囲に対し、アレイセンサを構成する超音波発生素子のうち使用する素子パターンを選択し、各検査範囲内部からの反射信号を複数回収録し、前記各検査範囲から得られた反射信号を閾値処理してデータを加算平均処理して画像データを生成するようにしたものである。
【００１４】
（６）上記目的を達成するために、本発明は、アレイセンサを用い、被検体に超音波を送信し、前記被検体の表面または内部からの反射波により前記被検体の表面および内部を検査する超音波検査装置であって、センサ中心を基準とし、各素子に対応する送信信号に遅延時間を与える送信遅延手段と、遅延時間の与えられた超音波を送信する手段を備えるパルサと、受信した超音波をアナログ‐デジタル変換するＡ／Ｄ変換手段と、受信信号に遅延時間を与える手段からなるレシーバから構成される送・受信部と、遅延時間を制御する遅延制御手段と、受信信号を加算する加算手段と、受信信号を収録するとともに閾値処理する処理する制御・処理用コンピュータから構成される制御部と、前記受信手段により前記受信信号に基づいて、３次元または２次元の画像データを生成し、表示する表示部とを有し、前記アレイセンサは、検査対象の内部に超音波を送信し、前記検査対象からのエコーを受信し、前記エコーから前記検査対象を評価する装置に用いられ、超音波を発振する複数の超音波発振素子を配列したアレイセンサであり、かつ、前記アレイセンサを構成する前記複数の超音波発振素子は、一定方向に向かって、ピッチが大きくなっているアレイセンサであるものである。
かかる構成により、総素子数を変えることなく、センサ開口の大型化できるとともに、オーバーピッチのセンサを用いても、斜角探傷においてノイズの低い検査画像を得ることができるものとなる。
【００１５】
（７）上記（６）において、好ましくは、前記アレイセンサは、前記アレイセンサを構成する前記複数の超音波発振素子は、一定方向に向かって、ピッチが大きくなっている配列構造を一部に有するアレイセンサであり、さらに、前記複数の超音波発振素子から使用する超音波発振素子を選択する使用素子選択手段を備えるようにしたものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、総素子数を変えることなく、センサ開口の大型化できるとともに、オーバーピッチのセンサを用いても、斜角探傷においてノイズの低い検査画像を得ることができるものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態による超音波検査方法の基本概念を示す説明図である。
【図２】本発明の一実施形態による超音波検査方法の基本概念を示す斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態によるアレイセンサの第１の構成を示す平面図である。
【図４】本発明の一実施形態による超音波検査方法により得られる信号の説明図である。
【図５】本発明の一実施形態によるアレイセンサの第１の構成を示す平面図である。
【図６】本発明の一実施形態による超音波検査装置の構成を示すブロック図である。
【図７】本発明の一実施形態による超音波検査装置により検査方法の内容を示すフローチャートである。
【図８】本発明の一実施形態による超音波検査方法の変形例を示す説明図である。
【図９】本発明の他の実施形態によるアレイセンサの構成を示す平面図である。
【図１０】本発明の他の実施形態による超音波検査装置の構成を示すブロック図である。
【図１１】本発明の他の実施形態による超音波検査装置により検査方法の内容を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図１〜図８を用いて、本発明の一実施形態による超音波検査装置の構成及び動作について説明する。
最初に、図１〜図５を用いて、本実施形態による超音波検査方法の基本概念について説明する。
図１は、本発明の一実施形態による超音波検査方法の基本概念を示す説明図である。なお、図１（Ａ）は断面図であり、図１（Ｂ）は平面図である。図２は、本発明の一実施形態による超音波検査方法の基本概念を示す斜視図である。図３は、本発明の一実施形態によるアレイセンサの第１の構成を示す平面図である。図４は、本発明の一実施形態による超音波検査方法により得られる信号の説明図である。図５は、本発明の一実施形態によるアレイセンサの第１の構成を示す平面図である。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。
【００１９】
図１に示すように、被検体１０は、第１の母材ＭＭ１と、第２の母材ＭＭ２とを、溶接部ＷＰにより溶接した構造を有するものである。このような被検体が、検査範囲を考慮すべき検査対象例である。
【００２０】
溶接部ＷＰの近傍では熱影響を受けるため、母材ＭＭ１，ＭＭ２と比較して検査する必要性が高い。この溶接部ＷＰとその近傍に対し、アレイセンサＳを用いて検査する場合、アレイセンサＳの素子配列方向Ｘ１を溶接線Ｙ１に直交するような角度で検査する。なお、アレイセンサＳは、被検体の表面に対して斜めに超音波を出力する斜角探傷により、想定欠陥ＤＥを検出する。この場合、アレイセンサＳから見て、溶接部ＷＰとは逆方向にある母材（ここでは、第１母材ＭＭ１）は、もはや熱影響を受けておらず、検査の必要性が低いことが多い。
【００２１】
このように検査すべき箇所が予め分かっている場合（想定欠陥ＤＥの位置が予め分かっている場合）、アレイセンサＳを構成する超音波発生素子のうち、検査部位から遠い素子部分から発振される超音波は、一素子あたりの指向性ゆえに、集束に対する寄与が小さくなる。
【００２２】
そこで、図２に示すように、本実施形態で用いるアレイセンサＳが、複数個の超音波発生素子Ｅ１，…，Ｅｎから構成される場合、検査範囲Ａｄに近いところ（超音波発生素子Ｅ１等）はピッチが大きく、検査範囲から遠いところ（超音波発生素子Ｅｎ等）はピッチが小さいアレイセンサＳを用いている。
【００２３】
検査対象の検査範囲を考慮し、素子配列に対称性をなくしたアレイセンサＳを用いることで、検査対称の検査範囲を考慮して斜角方向の検査性能を向上することができる。
【００２４】
図３は、アレイセンサＳがリニアアレイセンサの場合の構成を示している。本実施形態のアレイセンサは、素子の大きさが一定ではなく、大きさ素子と小さな素子を有し、一定方向に向かって、小さい素子から大きい素子となるように素子を配列している。
【００２５】
アレイセンサＳは、ｎ個の超音波発生素子Ｅ１，Ｅ２，…，Ｅ（ｎ−１），Ｅｎから構成されている。ここで、各超音波発生素子Ｅ１，Ｅ２，…，Ｅ（ｎ−１），Ｅｎの超音波伝搬方向Ｘ１における各素子の幅をそれぞれＷｅ１，Ｗｅ２，…，Ｗｅ（ｎ−１），Ｗｅｎとすると、一方の端部側から他方の端部側にかけて、素子の幅が順次狭くなるように、すなわち、Ｗｅ１＞Ｗｅ２＞…＞Ｗｅ（ｎ−１）＞Ｗｅｎとしている。
【００２６】
また、各素子のギャップｇはできるだけ狭い方がよいため、全て等しくしている。この場合、隣接する素子間の距離であるピッチを、それぞれ、Ｐｅ１−ｅ２，Ｐｅ２−ｅ３，…，Ｐｅ（ｎ−２）−ｅ（ｎ−１），Ｐｅ（ｎ−１）−ｅｎとすると、一方の端部側から他方の端部側にかけて、素子のピッチが順次狭くなるように、すなわち、Ｐｅ１−ｅ２＞Ｐｅ２−ｅ３＞，…，＞Ｐｅ（ｎ−２）−ｅ（ｎ−１）＞Ｐｅ（ｎ−１）−ｅｎとしている。
【００２７】
また、センサの中心Ｏを通り、伝搬方向Ｘ１に直交する線分をｎｃとすると、この線分ｎｃに対して伝搬方向Ｘ１の方向に存在する素子Ｅの数は、伝搬方向Ｘ１とは反対方向に存在する素子Ｅの数よりも少なくなる。
【００２８】
次に、図４を用いて、本実施形態により発生する超音波の強度について、従来構成のセンサにより発生する超音波の強度を比較して説明する。
【００２９】
図４（Ａ）は、被検体１０に対してセンサＳを配置したときの断面図を示している。アレイセンサＳから集束点Ｐｆに向けて斜角方向に超音波が出力される。ここで、アレイセンサＳの中心位置をＯとする。
【００３０】
図４（Ｂ）は、本実施形態の効果についてのシミュレーションした結果を示している。
【００３１】
図４（Ｂ）の実線は、本実施形態によるアレイセンサＳにより発生した超音波の強度について、図４（Ａ）に示したように、センサＳの中心位置をＯとして図示している。集束点Ｐｆの近傍には、本来の探傷に用いる超音波（メインローブＭＬ）が発生するともに、中心位置Ｏに対して集束点Ｐｆとは反対側に、妨害波となる超音波（グレーティングローブＧＬ）が発生する。
【００３２】
また、図４（Ｂ）の一点鎖線は、従来のアレイセンサ（各素子の幅が同じで、ピッチも同じもの）を用いた場合の、メインローブとグレーティングローブの強度を示している。
【００３３】
例えば、３ＭＨｚの素子を均等配置したリニアアレイセンサの場合、鋼材中４５度方向にグレーティングローブを発生することなく、音を集束させるには、ピッチは１．１ｍｍ以下である必要がある。これを、例えば１．５ｍｍピッチのオーバーピッチでアレイセンサを作成すれば、図４（Ｂ）に一点鎖線で示すように、集束点ＰｆのメインローブＭＬと同等の強さのグレーティングローブＧＬが発生する。
【００３４】
それに対して、同じ素子数で、同じセンサ開口面積、すなわち、平均１．５ｍｍピッチとなるように、２．０ｍｍ〜１．１ｍｍまで０．１ｍｍずつ変化させた素子で構成されたアレイセンサを用いれば、図４（Ｂ）に実線で示すようにグレーティングローブＧＬの強度を、メインローブＭＬの強度の約１／３低減することが可能となる。
【００３５】
この平均ピッチは、従来の同じピッチの超音波発信素子からなり、同じ開口面積で、同じ素子数で、グレーティングローブが発生するようなアレイセンサのピッチと等しいものである。
【００３６】
図５は、アレイセンサＳ’がマトリクスアレイセンサの場合の構成を示している。本実施形態のアレイセンサは、素子の大きさが一定ではなく、大きさ素子と小さな素子を有し、一定方向に向かって、小さい素子Ｅｓから大きい素子Ｅｌとなるように素子を配列している。
【００３７】
センサＳ’の中心Ｏを通り、第１の方向に直交する線分をｎｃとすると、この線分ｎｃに対して第１の方向に存在する素子Ｅの数（線分ｎｃから線分ｎ１の間の素子の数）は、第１の方向とは反対方向に存在する素子Ｅの数（線分ｎｃから線分ｎ２の間の素子の数）よりも少なくなる。
【００３８】
また、センサＳ’の中心Ｏを通り、第１の方向と直交する第２の方向に直交する線分をｍｃとすると、この線分ｍｃに対して第２の方向に存在する素子Ｅの数（線分ｍｃから線分ｍ１の間の素子の数）は、第１の方向とは反対方向に存在する素子Ｅの数（線分ｍｃから線分ｍ２の間の素子の数）よりも少なくなる。
【００３９】
ここで、超音波の伝搬方向Ｘ１は、第１及び第２の方向に対して４５度の方向である。この超音波の伝搬方向Ｘ１に向かっても、小さい素子Ｅｓから大きい素子Ｅｌとなるように素子を配列している。
【００４０】
なお、図３に示したリニアアレイセンサや、図５に示したマトリクスセンサとしては、平坦なものとしているが、それ以外にも、例えばコンベックスセンサのように、センサ接触面が、ゆるやかな曲率をもっているものにも適用することができる。
【００４１】
次に、図６を用いて、本実施形態による超音波検査装置の構成について説明する。
図６は、本発明の一実施形態による超音波検査装置の構成を示すブロック図である。
【００４２】
アレイセンサＳは、図３や図５に示した構成を有するものであり、被検体１０の表面に直接、あるいは間接的に当てられ、検査装置本体から超音波センサに電圧パルスの駆動信号が送られる。
【００４３】
検査装置本体は、アレイセンサＳは、ケーブルにより、検査装置本体と電気的に接続されている。検査装置本体は、送受信部１０２と、制御部１０３と、表示部１０４とから構成される。これらの詳細は後述する。送受信部１０２からの駆動信号は、超音波センサＳの電極を介して圧電素子に伝えられ、超音波に変換される。被検体１０に送波された超音波は被検体内を伝搬し、境界あるいは異質な箇所など音響インピーダンスが異なる部位で反射され、反射波の一部がアレイセンサＳの圧電素子で受信される。ここで反射波は再び圧電素子によって電気信号に変換され、検査装置本体に入力される。入力された受信信号は、検査装置本体の制御部１０３にて信号処理され、例えば断層画像として表示部１０４に出力される。
【００４４】
被検体１０としては、生体などの有機構造物、あるいは、建築物などの無機構造物などを対象に、検査装置を利用することも可能である。したがって、本実施形態にかかる超音波センサは、特に、人体などの被検体の超音波診断を行う各種医療分野、材料や構造物の検査を目的とした工業分野において利用が可能である。
【００４５】
図６に示すように、本実施形態の超音波検査装置は、検査対象である被検体１０に設置され、検査対象に超音波を送・受信する超音波発振素子を備えるアレイセンサＳと、アレイセンサＳに遅延時間を与えて超音波を送信するパルサ１０２Ａと受信した超音波をアナログ‐デジタル変換して受信信号とするレシーバ１０２からなる送・受信部１０２と、送・受信時の遅延時間の制御回路１０３Ｄ、受信信号の加算回路１０３Ｚ、さらにはこれらを制御するとともに受信した信号を収録するとともに処理を行う制御・処理用コンピュータ１０３Ａからなる制御部１０３と、各種設定を入力表示する素子設定入力画面１０４Ａと、受信信号及び検査画像を表示する表示画面１０４Ｚを有する表示部１０４とから構成されている。
【００４６】
次に、それぞれの動作について説明する。
【００４７】
まず、制御・処理用コンピュータ１０３Ａは、超音波を送・受信して検査対象からの反射信号を収録する際に、遅延制御回路１０３Ｄを通じて、超音波を集束して送・受信するための超音波発振素子への遅延時間を与える。送信信号と遅延時間を受取った送信遅延回路１０２Ｂは、送信信号を送信増幅器１０２Ｅへ送信する。送信増幅器１０２Ｅは送信信号を増幅して、アレイセンサの超音波発振素子に超音波を送信するための駆動電圧を印加する。増幅された送信信号を受けた複数の超音波発振素子は、圧電効果で超音波を遅延時間に対応した時間遅れで超音波を送信する。超音波を集束する場合には、各超音波発振素子から集束位置までの幾何学的な距離、つまり各媒質での超音波の音速と境界面での屈折を考慮した距離に対応した遅延時間で各超音波発振素子に電圧を印加し、検査範囲中、所定の位置に超音波を集束して送信する。
【００４８】
一方、超音波をレシーバ１０２Ｚで受信し圧電効果により生じた電気信号を処理する際には、超音波発振素子１０１Ａのそれぞれで受信した超音波に対応して、受信信号を受信増幅器１０２Ｙで増幅して、アナログ‐デジタル変換器１０２Ｘでアナログであった受信信号をデジタル信号に変換する。デジタル信号に変換され、選択された受信信号は、遅延メモリ１０２Ｖに記憶される。この際に、遅延メモリ１０２Ｖでは、超音波送信時と同様に超音波を集束して受信する際には、遅延制御回路１０３Ｄから送信された遅延時間を各超音波発振素子からの受信信号に付与して、記憶部１０３Ｂに記憶される。加算回路１０３Ｚで加算し、制御・処理用コンピュータ１０３Ａに送る。処理装置１０３Ｃにより、画像処理する場合は、閾値などを決定し、閾値以上の強度の波高値のみを画像に出力し、表示部１０４で表示する。
【００４９】
次に、図７を用いて、本実施形態による超音波検査装置による検査方法について説明する。
図７は、本発明の一実施形態による超音波検査装置により検査方法の内容を示すフローチャートである。
【００５０】
ここでは、検査範囲に、複数個の焦点Ｆ（ｉ）を設定し、超音波検査を実施する場合について説明する。
【００５１】
最初に、アレイセンサに関する初期設定として、前述のアレイセンサを構成する超音波発振素子の素子情報や材質情報などを入力する（ステップＳ１０１）。さらに、ステップＳ１０１で与えた情報を元に、これら超音波発振素子に対し、遅延時間や画像表示の際の基準となるセンサ中心位置を設定する（ステップＳ１０２）。一般的には、図３や図５に示すように、超音波発振素子の中心Ｏをセンサ中心として設定している。
【００５２】
次に、被検体のどの検査範囲に超音波を集束させるか設定する（ステップＳ１０３）。ステップＳ１０３で与えた検査範囲に対して、焦点Ｆ（ｉ）を設定し、遅延時間を設定する（ステップＳ１０４）。この遅延時間の設定法は、センサ中心から焦点Ｆ（ｉ）までの到達時間を基準とし、ステップＳ１０１で与えた各素子の中心位置の素子情報を元に、焦点Ｆ（ｉ）までの到達時間を求めることで設定できる。
【００５３】
そして、上記のように設定した超音波の送・受信を行い（ステップＳ１０５）、焦点Ｆ（ｉ）に対するデータ（反射データ）を収録する（ステップＳ１０６）。さらに、全領域でのデータ収録を終了したかどうかの判別（ステップＳ１０７）を行い、終了していない（ＮＯ）場合には、次の焦点Ｆ（ｉ＋１）へ移行し、再び超音波の送・受信行い、反射データを収録することを全検査領域での反射データの収録が終了するまで順次繰り返す。
【００５４】
全終了した（ＹＥＳ）場合は、画素と画素値のマップを作成し（ステップＳ１０８）、画像の表示を行い（ステップＳ１０９）、画像処理の必要性を確認して、画像処理の必要性がない場合は、終了する（ステップＳ１１０）。
【００５５】
アーチファクトが出現し、画像処理の必要性がある場合は、図３に示したように、本発明ではグレーティングローブの強度を低減することが可能となるため、例えば、閾値を与えることで画像処理をし（ステップＳ１１１）、終了する。
【００５６】
次に、図８を用いて、本実施形態による超音波検査方法の変形例について説明する。
図８は、本発明の一実施形態による超音波検査方法の変形例を示す説明図である。なお、図１〜図５と同一符号は、同一部分を示している。
【００５７】
図１に示した例では、アレイセンサＳは直接被検体１０の表面に設置されていたが、図８に示すように、アレイセンサＳと被検体１０との間に、シューＳＨを配置するようにしてもよいものである。
【００５８】
かかる構成により、被検体の表面から被検体に斜角入射する超音波の角度を小さくして、かつ、入射する超音波の強度を大きくしたい場合に有効である。
【００５９】
以上説明したように、本実施形態によれば、総素子数を変えることなく、センサ開口の大型化できるとともに、オーバーピッチのセンサを用いても、斜角探傷においてノイズの低い検査画像を得ることができるものとなる。
【００６０】
次に、図９〜図１１を用いて、本発明の他の実施形態による超音波検査装置の構成及び動作について説明する。
最初に、図９を用いて、本実施形態によるアレイセンサの構成について説明する。
図９は、本発明の他の実施形態によるアレイセンサの構成を示す平面図である。
【００６１】
図９に示すアレイセンサＳ”は、図３に示した構造を一部にもつアレイセンサである。
【００６２】
図９（Ａ）は平面図を示し、図９（Ｂ）は断面図を示している。本実施形態のアレイセンサＳ”は、線分ｎｃ１を中心として左右対称の構成となっている。線分ｎｃ１から左方向の端部側の線分ｎ１の方向に向かって、小さな素子Ｅｓから大きな素子Ｅｌが配列されている。また、線分ｎｃ１から右方向の端部側の線分ｎ２の方向に向かっても、小さな素子Ｅｓから大きな素子Ｅｌが配列されている。
【００６３】
本アレイセンサＳ”も用い方は、次のようにする。すなわち、斜角方向の探傷は両側に配置される素子を用いて探傷する。すなわち、左斜角方向については、センサ中心を線分ｎｃ２として、線分ｎｃ１から線分ｎ１の間に配置される素子を用いて探傷する。また、右斜角方向については、センサ中心を線分ｎｃ３として、線分ｎｃ１から線分ｎ２の間に配置される素子を用いて探傷する。
【００６４】
また、垂直方向は、線分ｎ１から線分ｎ２の間の素子の全体を用いて、あるいは、線分ｎｃ２から線分ｎｃ３の間の中央部分の素子のみを用いて探傷する。全体の素子を用いれば開口径を大きくして深い部分の探傷が可能である。中央部分のみを用いれば、浅い部分の探傷が可能となる。これらの場合、センサ中心は線分ｎｃ１となる。
【００６５】
なお、センサ接触面には、コンベックスのように、曲率があってもよいものである。
【００６６】
次に、図１０を用いて、本実施形態による超音波検査装置の構成について説明する。
図１０は、本発明の他の実施形態による超音波検査装置の構成を示すブロック図である。なお、図６と同一符号は同一部分を示している。
【００６７】
本例では、図６の構成に加えて、使用素子範囲パターンの記憶部１０３Ｆと、送信側、受信側に使用素子範囲選択部１０２Ｆ、１０２Ｗを設けている。
【００６８】
使用素子パターンを記憶部１０３Ｆに予め記憶させておき、このパターンに即し、使用素子範囲選択部１０２Ｆ、および使用素子範囲選択部１０２ＷでスイッチのＯＮ・ＯＦＦにより、信号の伝達の可否を選択する。
【００６９】
また、各使用素子範囲で描いた画像を一度に表示するため、画像の加算平均処理する機能を処理装置１０３Ｃに新たに持たせる。
【００７０】
次に、図１１を用いて、本実施形態による超音波検査装置による検査方法について説明する。
図１１は、本発明の他の実施形態による超音波検査装置により検査方法の内容を示すフローチャートである。なお、図７と同一ステップは同一内容を示している。
【００７１】
本例では、使用素子範囲パターンの設定ステップＳ２００を設け、使用素子範囲を選択し、その素子中心を決める処理を追加する。また、この使用素子範囲パターンを切り替えるステップＳ２０１を設ける。さらに、各使用素子範囲で描いた画像を一度に表示するため、ステップＳ１１１に、画像の加算平均処理する機能を持たせる。
【００７２】
以上説明したように、本実施形態によれば、総素子数を変えることなく、センサ開口の大型化できるとともに、オーバーピッチのセンサを用いても、斜角探傷においてノイズの低い検査画像を得ることができるものとなる。
【００７３】
また、使用する素子を選択することで、探傷箇所等に応じた超音波探傷が可能となる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検査対象の内部に超音波を送信し、前記検査対象からのエコーを受信し、前記エコーから検査対象を評価する装置に用いられ、超音波を発振する複数の超音波発振素子を配列したアレイセンサであって、
前記アレイセンサを構成する前記複数の超音波発振素子は、一定方向に向かって、ピッチが大きくなっていることを特徴とするアレイセンサ。
【請求項２】
請求項１記載のアレイセンサにおいて、
前記アレイセンサが、ある開口面積と、ある素子数を有する場合、
前記超音波発振素子の平均ピッチは、
同じピッチの超音波発信素子からなり、前記開口面積と同じ開口面積で、前記素子数と同じ素子数で、グレーティングローブが発生するようなアレイセンサのピッチと等しいことを特徴とするアレイセンサ。
【請求項３】
請求項２記載のアレイセンサにおいて、
前記アレイセンサは、前記複数の超音波発振素子は、一定方向に向かって、ピッチが大きくなっている配列構造を一部に有することを特徴とするアレイセンサ。
【請求項４】
アレイセンサを用い、
超音波の送信時に結ばれる焦点を検査対象箇所中の複数個所に設定し、
前記複数の焦点のそれぞれに対し、検査対象内部からの反射信号をそれぞれ収録し、
得られた反射信号を閾値処理し、
前記検査対象の内部を画像化して検査を行う超音波検査方法であって、
前記アレイセンサとして、
検査対象の内部に超音波を送信し、前記検査対象からのエコーを受信し、前記エコーから前記検査対象を評価する装置に用いられ、超音波を発振する複数の超音波発振素子を配列したアレイセンサであり、かつ、
前記アレイセンサを構成する前記複数の超音波発振素子は、一定方向に向かって、ピッチが大きくなっているアレイセンサを用い、
検査対象部位に近い側のピッチが遠い側のピッチよりも大きくなるように、前記アレイセンサが配置されることを特徴とする超音波検査方法。
【請求項５】
請求項４記載の超音波検査方法において、
前記アレイセンサとして、前記アレイセンサを構成する前記複数の超音波発振素子は、一定方向に向かって、ピッチが大きくなっている配列構造を一部に有するアレイセンサを用い、
超音波の送信時に結ばれる焦点を、検査対象箇所中の複数範囲に対応して設定し、
前記各検査範囲に対し、アレイセンサを構成する超音波発生素子のうち使用する素子パターンを選択し、
各検査範囲内部からの反射信号を複数回収録し、
前記各検査範囲から得られた反射信号を閾値処理してデータを加算平均処理して画像データを生成することを特徴とする超音波検査方法。
【請求項６】
アレイセンサを用い、被検体に超音波を送信し、前記被検体の表面または内部からの反射波により前記被検体の表面および内部を検査する超音波検査装置であって、
センサ中心を基準とし、各素子に対応する送信信号に遅延時間を与える送信遅延手段と、遅延時間の与えられた超音波を送信する手段を備えるパルサと、
受信した超音波をアナログ‐デジタル変換するＡ／Ｄ変換手段と、受信信号に遅延時間を与える手段からなるレシーバから構成される送・受信部と、
遅延時間を制御する遅延制御手段と、受信信号を加算する加算手段と、受信信号を収録するとともに閾値処理する処理する制御・処理用コンピュータから構成される制御部と、
前記受信手段により前記受信信号に基づいて、３次元または２次元の画像データを生成し、表示する表示部とを有し、
前記アレイセンサは、
検査対象の内部に超音波を送信し、前記検査対象からのエコーを受信し、前記エコーから前記検査対象を評価する装置に用いられ、超音波を発振する複数の超音波発振素子を配列したアレイセンサであり、かつ、
前記アレイセンサを構成する前記複数の超音波発振素子は、一定方向に向かって、ピッチが大きくなっているアレイセンサであることを特徴とする超音波検査装置。
【請求項７】
請求項６記載の超音波検査装置において、
前記アレイセンサは、前記アレイセンサを構成する前記複数の超音波発振素子は、一定方向に向かって、ピッチが大きくなっている配列構造を一部に有するアレイセンサであり、
さらに、前記複数の超音波発振素子から使用する超音波発振素子を選択する使用素子選択手段を備えることを特徴とする超音波検査装置。
【請求項１】
検査対象の内部に超音波を送信し、前記検査対象からのエコーを受信し、前記エコーから検査対象を評価する装置に用いられ、超音波を発振する複数の超音波発振素子を配列したアレイセンサであって、
前記アレイセンサを構成する前記複数の超音波発振素子は、一定方向に向かって、ピッチが大きくなっていることを特徴とするアレイセンサ。
【請求項２】
請求項１記載のアレイセンサにおいて、
前記アレイセンサが、ある開口面積と、ある素子数を有する場合、
前記超音波発振素子の平均ピッチは、
同じピッチの超音波発信素子からなり、前記開口面積と同じ開口面積で、前記素子数と同じ素子数で、グレーティングローブが発生するようなアレイセンサのピッチと等しいことを特徴とするアレイセンサ。
【請求項３】
請求項２記載のアレイセンサにおいて、
前記アレイセンサは、前記複数の超音波発振素子は、一定方向に向かって、ピッチが大きくなっている配列構造を一部に有することを特徴とするアレイセンサ。
【請求項４】
アレイセンサを用い、
超音波の送信時に結ばれる焦点を検査対象箇所中の複数個所に設定し、
前記複数の焦点のそれぞれに対し、検査対象内部からの反射信号をそれぞれ収録し、
得られた反射信号を閾値処理し、
前記検査対象の内部を画像化して検査を行う超音波検査方法であって、
前記アレイセンサとして、
検査対象の内部に超音波を送信し、前記検査対象からのエコーを受信し、前記エコーから前記検査対象を評価する装置に用いられ、超音波を発振する複数の超音波発振素子を配列したアレイセンサであり、かつ、
前記アレイセンサを構成する前記複数の超音波発振素子は、一定方向に向かって、ピッチが大きくなっているアレイセンサを用い、
検査対象部位に近い側のピッチが遠い側のピッチよりも大きくなるように、前記アレイセンサが配置されることを特徴とする超音波検査方法。
【請求項５】
請求項４記載の超音波検査方法において、
前記アレイセンサとして、前記アレイセンサを構成する前記複数の超音波発振素子は、一定方向に向かって、ピッチが大きくなっている配列構造を一部に有するアレイセンサを用い、
超音波の送信時に結ばれる焦点を、検査対象箇所中の複数範囲に対応して設定し、
前記各検査範囲に対し、アレイセンサを構成する超音波発生素子のうち使用する素子パターンを選択し、
各検査範囲内部からの反射信号を複数回収録し、
前記各検査範囲から得られた反射信号を閾値処理してデータを加算平均処理して画像データを生成することを特徴とする超音波検査方法。
【請求項６】
アレイセンサを用い、被検体に超音波を送信し、前記被検体の表面または内部からの反射波により前記被検体の表面および内部を検査する超音波検査装置であって、
センサ中心を基準とし、各素子に対応する送信信号に遅延時間を与える送信遅延手段と、遅延時間の与えられた超音波を送信する手段を備えるパルサと、
受信した超音波をアナログ‐デジタル変換するＡ／Ｄ変換手段と、受信信号に遅延時間を与える手段からなるレシーバから構成される送・受信部と、
遅延時間を制御する遅延制御手段と、受信信号を加算する加算手段と、受信信号を収録するとともに閾値処理する処理する制御・処理用コンピュータから構成される制御部と、
前記受信手段により前記受信信号に基づいて、３次元または２次元の画像データを生成し、表示する表示部とを有し、
前記アレイセンサは、
検査対象の内部に超音波を送信し、前記検査対象からのエコーを受信し、前記エコーから前記検査対象を評価する装置に用いられ、超音波を発振する複数の超音波発振素子を配列したアレイセンサであり、かつ、
前記アレイセンサを構成する前記複数の超音波発振素子は、一定方向に向かって、ピッチが大きくなっているアレイセンサであることを特徴とする超音波検査装置。
【請求項７】
請求項６記載の超音波検査装置において、
前記アレイセンサは、前記アレイセンサを構成する前記複数の超音波発振素子は、一定方向に向かって、ピッチが大きくなっている配列構造を一部に有するアレイセンサであり、
さらに、前記複数の超音波発振素子から使用する超音波発振素子を選択する使用素子選択手段を備えることを特徴とする超音波検査装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−２２５８４０（Ｐ２０１２−２２５８４０Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−９５１９６（Ｐ２０１１−９５１９６）
【出願日】平成２３年４月２１日（２０１１．４．２１）
【出願人】（５０７２５０４２７）日立ＧＥニュークリア・エナジー株式会社 (858)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月２１日（２０１１．４．２１）
【出願人】（５０７２５０４２７）日立ＧＥニュークリア・エナジー株式会社 (858)
【Ｆターム（参考）】
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