超音波探傷装置及び超音波探傷方法
【課題】３次元探傷データと３次元形状データの表示位置合わせを容易にし、欠陥エコーと形状エコーの識別を迅速にできるようにした超音波探傷装置及び超音波探傷方法を提供することにある。
【解決手段】計算機１０２Ａは、データ収録部１０２Ｅで収録した波形から３次元探傷データを生成する。３次元表示部１０３は、検査対象の３次元形状データと計算機により生成された３次元探傷データとを表示する。計算機１０２Ａは、３次元表示部に表示される３次元形状データを構成する面および点で定義される座標系に基づき、３次元形状データと３次元探傷データの相対的な表示位置を補正し、３次元形状データと３次元探傷データとを重ねて表示する。
【解決手段】計算機１０２Ａは、データ収録部１０２Ｅで収録した波形から３次元探傷データを生成する。３次元表示部１０３は、検査対象の３次元形状データと計算機により生成された３次元探傷データとを表示する。計算機１０２Ａは、３次元表示部に表示される３次元形状データを構成する面および点で定義される座標系に基づき、３次元形状データと３次元探傷データの相対的な表示位置を補正し、３次元形状データと３次元探傷データとを重ねて表示する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非破壊検査技法の一種である超音波探傷装置及び超音波探傷方法に係り、特に、アレイ型超音波センサを使用した超音波探傷装置及び超音波探傷方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、各種構造材などを検査対象とした超音波探傷法では、フェーズドアレイ法や開口合成法などに代表されるように、検査対象内部を高精度に短時間で画像化して検査する探傷方法が開発されている（例えば、非特許文献１参照)。
【０００３】
まず、フェーズドアレイ法は、圧電振動素子を複数個配列した、いわゆるアレイ型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の波面が干渉し合成波面を形成して伝播していくという原理に基づいたものである。従って、各圧電振動素子の超音波送信タイミングを遅延制御し、それぞれのタイミングをずらすことで、超音波の入射角度が制御でき、超音波を集束させることができる。また、超音波の受信に際しても、各圧電振動素子で受信した反射超音波をずらして加算することで、送信時と同様、超音波の受信入射角度を制御したり、焦点を合わせて超音波を受信したりすることができる。
【０００４】
このフェーズドアレイ法としては、一次元アレイセンサの圧電振動子を直線的に走査するリニアスキャン方式や、超音波の送信と受信方向を扇状に変化させるセクタスキャン方式が一般的に知られている。また、圧電振動子が格子状に並んだ二次元アレイセンサを用いると、３次元的に任意の位置に焦点を合わせることができ、検査対象に合わせたスキャン方式が可能となる。いずれの方式の場合も、超音波センサを動かすことなく超音波を高速にスキャンしたり、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することができ、従って高速且つ高精度の検査が可能な技術である。
【０００５】
また、開口合成法は、検査対象内に波動が広く拡散するようにして超音波を送信し反射超音波信号を受信した場合、受信された反射超音波の音源となる欠陥の位置は、超音波を送信し受信した圧電振動素子の位置を中心とし、反射超音波の伝播距離を半径とした円弧上に存在するという原理に基づいたものである。このため、圧電振動素子の位置を順次変えて超音波の送信と受信を行い、各位置における受信波形を、電子計算機上で演算して円弧状に広げることにより、超音波反射源となる欠陥の存在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ことができる。電子計算機での演算処理内容に付いては、非特許文献１に記載されている。
【０００６】
複数の圧電振動素子を配列したセンサを用いるこれらの方法では、センサを移動しなくても欠陥の反射超音波信号を３次元的に取得することが可能であるが、反射超音波信号から３次元的な反射位置を特定するためには、空間的に位置の異なる複数の反射強度分布の二次元画像から推定する方法や、反射強度分布を３次元データに変換した後に立体表示するなどして推定する。
【０００７】
例えば、フェーズドアレイ法のリニアスキャンやセクタスキャンの場合には、既知の走査ピッチに対応した複数の二次元反射強度画像が取得できるため、画面上で順次画像を切り替えて表示することで、反射波が出現する方向を特定することができる。しかし、上記以外の任意の３次元的なスキャンに対してはこの方法では限界がある。
【０００８】
このような場合には複数の方向からの反射超音波信号に内挿処理などを施して３次元格子状のデータを作成し、これをボリュームレンダリングやサーフェスレンダリングといった方法で画像表示したりする技術が、近年の計算機の進歩により可能になってきている。また、格子状のデータに変換せずに３次元的な点群として画像表示する方法もある。いずれも３次元探傷データとして保存しているため、測定後に検査者が任意の方向から３次元探傷データを確認することができる（例えば、非特許文献２、非特許文献３参照)。
【０００９】
しかし、反射強度分布のピークが検査対象の端面や境界面での反射によるものか、欠陥での反射によるものかを、これらの３次元探傷データだけから判断するのは難しい。特に複雑な形状の検査対象の場合には形状に依存する反射超音波信号（形状エコー）が多数現れるため、熟練者でも判別は困難である。このため、検査対象の３次元形状データを３次元探傷データと一緒に表示するソフトウェアが開発されている。この二つのデータを重ね合わせて比較することにより、形状エコーと欠陥からのエコー（欠陥エコー）の判別が容易となる。３次元形状データとしては、別途汎用のＣＡＤ（Computer Aided Design）で作成したデータを読込んで用いる場合が多い（例えば、非特許文献２、非特許文献３参照)。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【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」 １４３頁〜１８６頁 １９９３年５月２０日 昭晃堂発行
【非特許文献２】馬場淳史、北澤聡、河野尚幸、安達裕二、小田倉満、菊池修：“３次元超音波探傷システム「3D Focus-UT」の開発”、日本保全学会 第５回学術講演会 要旨集、155 (2008)
【非特許文献３】Potts, A. ; McNab, A.; Reilly, D.; Toft, M., “Presentation and analysis enhancements of the NDT Workbench a software package for ultrasonic NDT data”, REVIEW OF PROGRESS IN QUANTITATIVE NONDESTRUCTIVE EVALUATION: Volume 19. AIP Conference Proceedings, Volume 509, pp. 741-748 (2000).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、通常は３次元探傷データと３次元形状データは別々の座標系で作られているため、これらを重ねて表示する場合には、必ず適切な位置に３次元探傷データまたは３次元形状データを移動させ、位置合せ補正をする必要がある。この補正が正しく行われないと、３次元探傷データと３次元形状データの相関が確認できず、形状エコーと欠陥エコーの識別ができない。従来は、検査者が表示装置に対し、センサと検査対象の相対位置に関する数値情報を基に、３次元探傷データや３次元形状データの座標値を変更する等して、識別可能な状態になるまで補正作業を繰り返し行っていたが、これらの作業には多大な時間を要するという問題があった。
【００１２】
本発明の目的は、３次元探傷データと３次元形状データの表示位置合わせを容易にし、欠陥エコーと形状エコーの識別を迅速にできるようにした超音波探傷装置及び超音波探傷方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、複数の圧電振動子を備えた超音波センサと、該超音波センサの各圧電振動子に送信信号を供給するパルサーと、前記超音波センサの各圧電振動子素子から受信信号を入力するレシーバと、前記各圧電振動子毎に異なった遅延時間を前記送信信号と前記受信信号に設定する遅延制御部と、前記超音波センサで受信した超音波波形を収録するデータ収録部と、該データ収録部で収録した波形から３次元探傷データを生成する画像処理用の計算機と、検査対象の３次元形状データと前記計算機により生成された前記３次元探傷データとを表示する３次元表示部と、前記３次元表示部に表示される前記３次元形状データを構成する面および点で定義される座標系に基づき、前記３次元形状データと前記３次元探傷データの相対的な表示位置を補正し、前記３次元形状データと前記３次元探傷データとを重ねて表示する位置補正手段とを備えるようにしたものである。
かかる構成により、３次元探傷データと３次元形状データの表示位置合わせを容易にし、欠陥エコーと形状エコーの識別を迅速にできるものとなる。
【００１４】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記３次元形状データを構成する面が、前記超音波波形を収録する際に前記超音波センサを設置した面である。
【００１５】
（３）上記（１）において、好ましくは、前記画像処理用の計算機に接続されたマウスを備え、該マウスで前記３次元形状データを構成する面および点を選択するようにしたものである。
【００１６】
（４）また、上記目的を達成するために、本発明は、３次元形状データを構成する面および点で定義される座標系に基づき、超音波センサで受信した複数の超音波波形から作成した３次元探傷データと、前記３次元形状データとの相対的な表示位置を補正し、前記３次元形状データと前記３次元探傷データとを重ねて表示するようにしたものである。
かかる方法により、３次元探傷データと３次元形状データの表示位置合わせを容易にし、欠陥エコーと形状エコーの識別を迅速にできるものとなる。
【００１７】
（５）上記（４）において、好ましくは、３次元表示画面上に表示されている３次元形状データから選択されたアレイ型超音波センサを設置した探傷面に垂直な方向にＺ方向を定義し、前記３次元表示画面上に表示されている３次元探傷データと前記３次元形状データのＺ方向の正負が一致した後、前記３次元探傷データの入射点を含む面と前記３次元形状データの探傷面とを一致させて前記３次元表示画面上に再表示し、前記３次元形状データ上の選択された第１の点を原点とするＺ軸を設定し、前記３次元探傷データの原点と前記第１の点が一致するように、前記３次元探傷データもしくは前記３次元形状データを平行移動させ、前記３次元形状データ上の選択された第２の点と前記第１の点を結ぶ直線上に、前記第１の点を原点とするＸ軸を設定し、前記Ｚ軸及び前記Ｘ軸を含めて右手系となるようにＹ軸を設定し、入力された回転角の情報に基づき、前記Ｚ軸の周りに前記３次元探傷データまたは前記３次元形状データを相対的に回転させ、表示を更新し、入力された平行移動量の情報に基づき、前記Ｘ軸，前記Ｙ軸，前記Ｚ軸に沿った方向に前記３次元探傷データまたは前記３次元形状データを相対的に平行移動させ、表示を更新するようにしたものである。
【００１８】
（６）上記（５）において、好ましくは、前記３次元形状データを構成する面が、超音波波形を収録する際に超音波センサを設置した面である。
【００１９】
（７）上記（５）において、好ましくは、画像処理用の計算機に接続されたマウスで前記３次元形状データを構成する面および点を選択するようにしたものである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、３次元探傷データと３次元形状データの表示位置合わせを容易にし、欠陥エコーと形状エコーの識別を迅速にできるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態による超音波探傷装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態による超音波探傷装置におけるスキャン方式の第１の例の説明図である。
【図３】本発明の一実施形態による超音波探傷装置におけるスキャン方式の第２の例の説明図である。
【図４】本発明の一実施形態による超音波探傷装置における３次元表示画面への表示例の説明図である。
【図５】本発明の一実施形態による超音波探傷装置における３次元表示画面への表示例の説明図である。
【図６】本発明の一実施形態による超音波探傷装置における３次元表示画面への表示例の説明図である。
【図７】本発明の一実施形態による超音波探傷装置における３次元探傷データと３次元形状データの位置合せ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探傷装置における３次元探傷データと３次元形状データの位置合せ時の動作説明図である。
【図９】本発明の一実施形態による超音波探傷装置における３次元探傷データと３次元形状データの位置合せ時の動作説明図である。
【図１０】本発明の一実施形態による超音波探傷装置における３次元探傷データと３次元形状データの位置合せ時の動作説明図である。
【図１１】本発明の他の実施形態による超音波探傷装置の全体構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図１〜図１０を用いて、本発明の一実施形態による超音波探傷装置の構成及び動作について説明する。
最初に、図１〜図３を用いて、本実施形態による超音波探傷装置の全体構成について説明する。
図１は、本発明の一実施形態による超音波探傷装置の全体構成を示すブロック図である。図２は、本発明の一実施形態による超音波探傷装置におけるスキャン方式の第１の例の説明図である。図３は、本発明の一実施形態による超音波探傷装置におけるスキャン方式の第２の例の説明図である。
【００２３】
図１に示すように、本実施形態の超音波探傷装置は、検査対象１００に超音波を入射するアレイ型超音波センサ１０１と、送・受信部１０２と、受信信号及び探傷画像を表示する表示部１０３とで構成されている。
【００２４】
アレイ型超音波センサ１０１は、図示のように、基本的には超音波を発生し受信する複数個の圧電振動素子１０４で構成される。アレイ型超音波センサ１０１は、検査対象１００の探傷面に設置された後、送・受信部１０２から供給される駆動信号により超音波１０５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波を検知して受信信号を送・受信部１０２に入力する働きをする。図では、アレイ型超音波センサ１０１を直接検査対象１００に接触させているが、超音波１０５の入射角を変えるための、超音波が透過する材質で作製されたくさびを介して検査対象１００に接触させても良い。
【００２５】
送・受信部１０２は、アレイ型超音波センサ１０１により超音波の送信と受信を行うものである。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とを備えている。パルサー１０２Ｃは、アレイ型超音波センサ１０１に駆動信号を供給し、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が処理するようになっている。
【００２６】
計算機１０２Ａは、基本的にはＣＰＵ１０２Ａ１と、ＲＡＭ１０２Ａ２と、ＲＯＭ１０２Ａ３とより構成されている。ＲＯＭ１０２Ａ３には、ＣＰＵ１０２Ａ１を制御するプログラムが書き込まれている。ＣＰＵ１０２Ａ１は、ＲＯＭ１０２Ａ３に書き込まれたプログラムに従って、データ収録部１０２Ｅから必要とされる外部データを読込んだり、あるいは又ＲＡＭ１０２Ａ２との間でデータの授受を行ったりしながら演算処理し、必要に応じて処理したデータをデータ収録部１０２Ｅへ出力する。
【００２７】
また、ＣＰＵ１０２Ａ１は、遅延時間制御部１０２Ｂと、パルサー１０２Ｃと、レシーバ１０２Ｄとを制御し、必要な動作が得られるようにする。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とレシーバ１０２Ｄによる受信信号の入力タイミングの双方を制御し、これによりフェーズドアレイ方式によるアレイ型超音波センサ１０１の動作が得られるようにする。
【００２８】
ここにいうフェーズドアレイ方式によるアレイ型超音波センサ１０１の動作とは、超音波１０５の焦点深さと入射角度１０６を制御して超音波を送信し受信する動作のことであり、これによりレシーバ１０２Ｄからデータ収録部１０２Ｅに受信信号が供給されることになる。
【００２９】
先に述べたように、フェーズドアレイ方式は、遅延時間を変化させることにより様々なスキャンが可能である。２次元探傷データを取得する場合には超音波１０５を平行に移動させるリニアスキャン方式や、超音波１０５をセクタ１０７状に動かすセクタスキャン方式が良く知られている。
【００３０】
３次元探傷データの場合には、例えば図２に示したように、セクタ１０７を基本単位として、セクタ１０７を中心軸の周りに一回転させるスキャンや、図３に示したように、団扇の様にセクタ１０７を煽るスキャン方式がある。この他にも、検査対象１００の形状に応じて様々なスキャン方式が設定可能である。
【００３１】
これらのスキャン方式によって受信された信号は、データ収録部１０２Ｅに送られ、収録データとして収録されると同時に計算機１０２Ａに送られる。これにより、計算機１０２Ａ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し、各超音波の入射角度ごとの波形に適当な内挿処理を施し、ピクセルと呼ばれる２次元正方格子を単位としたピクセル形式の２次元探傷データや、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３次元探傷データを作成し、それを画像化し表示部１０３に表示させる動作を実行する。
【００３２】
表示部１０３は、２次元探傷データを表示する２次元表示画面１０３Ｂと、３次元探傷データを表示する３次元表示画面１０３Ｃと、各圧電振動子の波形信号を表示する波形表示画面１０３Ａとを備えている。また、図１には表示部１０３は一つしか示していないが、波形表示画面１０３Ａと２次元表示画面１０３Ｂ、および、３次元表示画面１０３Ｃは、複数の表示部に分担させて表示してもよい。
【００３３】
ここで、図４〜図６を用いて、本実施形態による超音波探傷装置における３次元表示画面１０３Ｃへの表示例について説明する。
図４〜図６は、本発明の一実施形態による超音波探傷装置における３次元表示画面への表示例の説明図である。
【００３４】
図４に示すように、表示部１０３上の３次元表示画面１０３Ｃには、３次元探傷データ４０１が表示されるが、このとき、計算機１０２Ａに接続されたマウス１０２Ｆやキーボード１０２Ｇを用いた入力により、任意の表示寸法で表示することができる。更に、マウス１０２Ｆとキーボード１０２Ｇからの入力により表示色や透明度も任意に変えることができる。表示色は反射強度に応じて変えることが可能である。この場合の表示色パターンは複数準備してあり、検査者が用途に応じて選択できる。
【００３５】
尚、これらの３次元描画アルゴリズムは、例えばグラフィックス・アプリケーション向けの業界標準のグラフィックス・アプリケーション・プログラミング・インタフェース（グラフィックスＡＰＩ）であるＯｐｅｎＧＬ（登録商標）やＤｉｒｅｃｔＸ（登録商標）というライブラリの中で実現されており、これらのグラフィックスＡＰＩをプログラム中で用いて、表示する物体の形状や視点、表示位置などの必要な情報を与えれば３次元表示画面１０３Ｃ上の任意の位置に、任意の色、透明度、大きさで３次元形状を描画することが容易にできる。
【００３６】
また、図５に示すように、３次元表示画面１０３Ｃには、検査対象１００の形状を表す３次元形状データ５０１が３次元探傷データ４０１と同時に表示させることができる。検査者は、マウス１０２Ｆやキーボード１０２Ｇを用いた入力により３次元形状データ５０１の表示色や透明度も任意に変えることができる。更に、検査者は、キーボード１０２Ｇからの数値入力、あるいはマウス１０２Ｆで３次元表示画面１０３Ｃ上をドラッグすることにより、３次元形状データ２０２を任意の位置に平行移動もしくは回転移動させることもできる。また、必要に応じて検査者が表示、非表示を切り替えることができるため、３次元形状データ５０１と３次元探傷データ４０１が重なっていても検査者が見易いような表示にすることができる。
【００３７】
３次元形状データとして検査対象１００のＣＡＤデータが存在している場合には、計算機１０２Ａの外部からこれを読込んで、表示させることができる。ＣＡＤデータのフォーマットは、市販のＣＡＤソフトウェアで入出力可能なデータ形式となっている。例えば多くのＣＡＤソフトウエァで読込み・出力可能なＳＴＬ（STereoLithographyあるいはStandard Triangulated Language）形式を使用する。ＳＴＬ形式は物体の表面を多数の三角形の集合で表現したものであり、ＳＴＬファイル内にはこれらの三角形の面法線ベクトルと３つの頂点の座標値が書き込まれている。グラフィックスＡＰＩを用いてＳＴＬ形式のファイルから３次元形状データ５０１を表示させることは、複数の三角形を描画することで容易に実現できる。
【００３８】
通常は、３次元探傷データ４０１と３次元形状データ５０１の座標系は異なるため、これらを重ねて表示した初期状態では双方は、図６に示したように、全く異なる位置に表示される。キーボード１０２Ｇからの数値入力やマウス１０２Ｆによる操作により、検査者が試行錯誤で３次元探傷データ４０１と３次元形状データ５０１が所望の位置になるように調整することもできる。しかし、この作業には時間と手間がかかるため、本発明による位置合せ処理を用いると作業が非常に容易となる。
【００３９】
次に、図７〜図１０を用いて、本実施形態による超音波探傷装置における３次元探傷データ４０１と３次元形状データ５０１の位置合せ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探傷装置における３次元探傷データと３次元形状データの位置合せ方法の内容を示すフローチャートである。図８〜図１０は、本発明の一実施形態による超音波探傷装置における３次元探傷データと３次元形状データの位置合せ時の動作説明図である。
【００４０】
一般に、二つのデータの位置を合せるためには、基準座標系を設定し、平行移動と回転移動を組み合わせて行う。基準座標系は、いずれかのデータの座標系をとることが多いが、任意の座標系を設定しても構わない。ただし、二つのデータのスケールは一致しているものとする。平行移動には移動量と移動方向を示すベクトルを、回転移動には回転軸と回転角を、それぞれ決定する必要がある。
【００４１】
本実施形態では、３次元形状データ５０１上に検査者が好みの任意の座標系を新たに設定し、その座標系を基準にした位置情報をマウス１０２Ｆやキーボード１０２Ｇを用いて入力し、対話形式で位置合せするものである。
【００４２】
ここで、図７を用いて、本実施形態の位置合わせ処理について説明する。本処理は、計算機１０２Ａによって実行される。すなわち、ＲＯＭ１０２Ａ３にプログラムとして書き込まれている。ＣＰＵ１０２Ａ１は、ＲＯＭ１０２Ａ３に書き込まれたプログラムに従って、データ収録部１０２Ｅから必要とされる外部データを読込んだり、あるいは又ＲＡＭ１０２Ａ２との間でデータの授受を行ったりしながら演算処理し、表示部１０３の３次元表示画面１０３Ｃ上の表示を変更し、３次元探傷データ４０１と３次元形状データ５０１とを位置合せする。
【００４３】
最初に、ステップＳ１において、検査者は、３次元表示画面１０３Ｃ上に表示されている３次元形状データ５０１において、アレイ型超音波センサ１０１を設置した探傷面を、計算機１０２Ａに接続されたマウス１０２Ｆで３次元表示画面１０３Ｃ上を直接クリックすることにより選択する。３次元形状データ５０１はＳＴＬ形式であるため、複数の三角形で構成されており、探傷面も通常は複数の三角形で構成されている。従って、マウス１０２Ｆでの探傷面の選択は、例えば図８に示したように、探傷面を構成する一つの三角形８０１を選択することで達成される。
【００４４】
次に、ステップＳ２において、ステップＳ１における入力情報に基づき計算機１０２Ａは、図８に示したように、３次元形状データ５０１の探傷面に垂直な方向にＺ方向８０２を定義する。３次元探傷データ４０１には必ず探傷面の位置情報も含まれているため、本処理は簡単な座標変換により実現できる。
【００４５】
なお、選択する面は、必ずしも探傷面でなくともよい。探傷面と幾何学的な関係が既知である面であれば、その面を選択し、その面を基準として探傷面に垂直な方向を定義することも可能である。
【００４６】
次に、ステップＳ３において、検査者は、ステップＳ２で３次元表示画面１０３Ｃに再表示された結果において、３次元探傷データ４０１と３次元形状データ５０１のＺ方向８０３の正負が一致しているかを目視確認する。場合によっては図８に示したように、３次元探傷データ４０１と３次元形状データ５０１のＺ方向８０３の正負が逆転し、所望の位置に表示されないことがある。
【００４７】
Ｚ方向８０３の正負が逆転している場合は、ステップＳ４において、検査者は、マウス１０２Ｆやキーボード１０２Ｇを用いて画面上のボタンを操作することにする。これにより、計算機１０２Ａは、３次元形状データ５０１を探傷面に対して１８０度回転させ、Ｚ方向８０３の正負を入れ替える
ステップＳ３の判定でＺ方向８０３の正負が逆転していないと判定された場合、若しくは、ステップＳ４でＺ方向８０３の正負が入れ替えられると、ステップＳ５において、計算機１０２Ａは、３次元探傷データ４０１の入射点を含む面と３次元形状データ５０１の探傷面を一致させて再表示する。図９は、再表示された状態を示している。
【００４８】
次に、ステップＳ６において、検査者が、３次元形状データ５０１上の所定の点９０１を、３次元表示画面１０３Ｃ上をマウス１０２Ｆでクリックして選択すると、計算機１０２Ａは、点９０１を原点とするＺ軸９０３を設定する。ここで所定の点９０１は、３次元形状データ５０１の中で、検査対象１００の角等とする。更に、計算機１０２Ａは、３次元探傷データの原点９０２と点９０１が一致するように３次元探傷データ４０１もしくは３次元形状データ５０１を平行移動させる。図１０は、平行移動後の状態を示している。
【００４９】
次に、ステップＳ７において、検査者が、３次元形状データ５０１上の所定の点１００１を、３次元表示画面１０３Ｃ上をマウス１０２Ｆでクリックして選択する。ここで所定の点１００１は、３次元形状データ５０１の中で、検査対象１００の角等とする。
【００５０】
ステップＳ７が実行されると、ステップＳ８において、計算機１０２Ａは、点９０１と点１００１を結ぶ直線上に、点９０１を原点とするＸ軸１００３を設定する。
【００５１】
次に、ステップＳ９において、計算機１０２Ａは、ステップＳ８までに設定されたＺ軸、Ｘ軸を含めて右手系となるようにＹ軸を自動的に設定する。この時、座標系の原点は点９０１となっている。
【００５２】
ステップＳ１からステップＳ９までの処理により、３次元形状データ５０１上に検査者が好みの任意の座標系を新たに設定したことになる。この座標系は、実際の測定においてアレイ型超音波センサ１０１の設置位置を記録しておく場合に用いられるような、検査対象１００の特徴的な形状を基準にして設定することができる。通常は検査対象１００の角等を原点とし、それらに接する辺をＸ軸やＹ軸に設定する。このように設定することにより、検査者は測定時と同じような感覚で３次元形状データ５０１に対するアレイ型超音波センサ１０１の設置位置を設定することができる。
【００５３】
座標系を設定した後、ステップＳ１０において、計算機１０２Ａは、マウス１０２Ｆやキーボード１０２Ｇを用いた回転角の入力情報に基づき、Ｚ軸９０３の周りに３次元探傷データ４０１または３次元形状データ５０１を相対的に回転させ、表示を更新する。
【００５４】
更に、ステップＳ１１は、計算機１０２Ａは、マウス１０２Ｆやキーボード１０２Ｇを用いた平行移動量の入力情報に基づき、Ｘ軸１００３、Ｙ軸１００４、Ｚ軸９０３に沿った方向に３次元探傷データ４０１または３次元形状データ５０１を相対的に平行移動させ、表示を更新する。なお、ステップＳ１１とステップＳ１２は逆の順番でも構わない。
【００５５】
最後に、ステップＳ１２において、検査者は、３次元探傷データ４０１と３次元形状データ５０１が所望の位置に表示されているかを目視確認する。所望の位置に表示されていない場合はステップＳ１０とステップＳ１１を繰り返す。
【００５６】
以上の処理により、３次元探傷データ４０１と３次元形状データ５０１を効率良く位置合せすることが可能となる。
【００５７】
以上説明したように、本実施形態によれば、３次元探傷データと３次元形状データの表示位置合わせを容易にし、欠陥エコーと形状エコーの識別を迅速にできるようになる。
【００５８】
次に、図１１を用いて、本発明の他の実施形態による超音波探傷装置の構成及び動作について説明する。
図１１は、本発明の他の一実施形態による超音波探傷装置の全体構成を示すブロック図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
【００５９】
図１に示した実施形態は、フェーズドアレイ法によって３次元探傷データ４０１が得られた場合を想定しているが、本発明はフェーズドアレイ以外の方法によって得られた３次元探傷データにも適用できる。たとえば、図１１にて説明するように、３次元探傷データ４０１が開口合成法によって得られた場合でも適用できる。
【００６０】
本実施形態の超音波探傷装置は、検査対象１００に超音波を入射するアレイ型超音波センサ１０１と、送・受信部１０２と、受信信号及び探傷画像を表示する表示部１０３とで構成されている。
【００６１】
アレイ型超音波センサ１０１は、図示のように、基本的には超音波を発生し受信する複数個の圧電振動素子１０４で構成される。アレイ型超音波センサ１０１は、検査対象１００の探傷面に設置された後、送・受信部１０２から供給される駆動信号により、アレイ型超音波センサ１０１が超音波１１０２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波を検知して受信信号を送・受信部１０２に入力する働きをする。
【００６２】
アレイ型超音波センサ１０１の個々の圧電振動素子１０４は、駆動信号制御部１１０１からパルサーを介して発せられる駆動信号により所要のタイミングで順次駆動され、圧電振動素子１０４から発生された超音波の反射波を、複数の圧電振動素子１０４で受信し、受信信号は送・受信部１０２のレシーバ１０２Ｄに入力される。すなわちアレイ型超音波センサ１０１の個々の圧電振動素子１０４は、圧電振動素子１０４の総数分の反射波をそれぞれ受信することになる。
【００６３】
レシーバ１０２Ｄに入力された信号は、順次、データ収録部１０２Ｅに収録データとして収録され、収録データを用いて計算機１０２Ａは各圧電振動素子１０４で得られた波形を開口合成によって３次元画像化処理し、表示部１０３に表示させる。
【００６４】
計算機１０２Ａは、基本的にはＣＰＵ１０２Ａ１と、ＲＡＭ１０２Ａ２と、ＲＯＭ１０２Ａ３とより構成されている。ＲＯＭ１０２Ａ３には、ＣＰＵ１０２Ａ１を制御するプログラムが書き込まれており、ＣＰＵ１０２Ａ１は、このプログラムに従ってデータ収録部１０２Ｅから必要とされる外部データを読込んだり、あるいは又ＲＡＭ１０２Ａ２との間でデータの授受を行ったりしながら演算処理し、必要に応じて処理したデータをデータ収録部１０２Ｅへ出力する。
【００６５】
計算機１０２Ａによる開口合成で生成された３次元探傷データ４０１を３次元形状データ５０１と位置合せして表示する方法は、図７〜図１０にて説明した方法と同様である。
【００６６】
本実施形態によっても、３次元探傷データと３次元形状データの表示位置合わせを容易にし、欠陥エコーと形状エコーの識別を迅速にできるようになる。
【符号の説明】
【００６７】
１００…検査対象
１０１…アレイ型超音波センサ
１０２…送・受信部
１０２Ａ…計算機
１０２Ａ１…ＣＰＵ
１０２Ａ２…ＲＡＭ
１０２Ａ３…ＲＯＭ
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
１０２Ｆ…マウス
１０２Ｇ…キーボード
１０３…表示部
１０３Ａ…波形表示部
１０３Ｂ…２次元表示画面
１０３Ｃ…３次元表示画面
１０４…圧電振動素子
１０５…超音波
１０６…入射角度
１０７…セクタ
４０１…３次元探傷データ
５０１…３次元形状データ
８０１…三角形
８０２…Ｚ方向
９０１、１００１、１００２…３次元形状データ上の点
９０２…３次元探傷データの原点
９０３…Ｚ軸
１００３…Ｘ軸
１００４…Ｙ軸
１００１…駆動信号制御部
１００２…超音波
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非破壊検査技法の一種である超音波探傷装置及び超音波探傷方法に係り、特に、アレイ型超音波センサを使用した超音波探傷装置及び超音波探傷方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、各種構造材などを検査対象とした超音波探傷法では、フェーズドアレイ法や開口合成法などに代表されるように、検査対象内部を高精度に短時間で画像化して検査する探傷方法が開発されている（例えば、非特許文献１参照)。
【０００３】
まず、フェーズドアレイ法は、圧電振動素子を複数個配列した、いわゆるアレイ型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の波面が干渉し合成波面を形成して伝播していくという原理に基づいたものである。従って、各圧電振動素子の超音波送信タイミングを遅延制御し、それぞれのタイミングをずらすことで、超音波の入射角度が制御でき、超音波を集束させることができる。また、超音波の受信に際しても、各圧電振動素子で受信した反射超音波をずらして加算することで、送信時と同様、超音波の受信入射角度を制御したり、焦点を合わせて超音波を受信したりすることができる。
【０００４】
このフェーズドアレイ法としては、一次元アレイセンサの圧電振動子を直線的に走査するリニアスキャン方式や、超音波の送信と受信方向を扇状に変化させるセクタスキャン方式が一般的に知られている。また、圧電振動子が格子状に並んだ二次元アレイセンサを用いると、３次元的に任意の位置に焦点を合わせることができ、検査対象に合わせたスキャン方式が可能となる。いずれの方式の場合も、超音波センサを動かすことなく超音波を高速にスキャンしたり、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することができ、従って高速且つ高精度の検査が可能な技術である。
【０００５】
また、開口合成法は、検査対象内に波動が広く拡散するようにして超音波を送信し反射超音波信号を受信した場合、受信された反射超音波の音源となる欠陥の位置は、超音波を送信し受信した圧電振動素子の位置を中心とし、反射超音波の伝播距離を半径とした円弧上に存在するという原理に基づいたものである。このため、圧電振動素子の位置を順次変えて超音波の送信と受信を行い、各位置における受信波形を、電子計算機上で演算して円弧状に広げることにより、超音波反射源となる欠陥の存在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ことができる。電子計算機での演算処理内容に付いては、非特許文献１に記載されている。
【０００６】
複数の圧電振動素子を配列したセンサを用いるこれらの方法では、センサを移動しなくても欠陥の反射超音波信号を３次元的に取得することが可能であるが、反射超音波信号から３次元的な反射位置を特定するためには、空間的に位置の異なる複数の反射強度分布の二次元画像から推定する方法や、反射強度分布を３次元データに変換した後に立体表示するなどして推定する。
【０００７】
例えば、フェーズドアレイ法のリニアスキャンやセクタスキャンの場合には、既知の走査ピッチに対応した複数の二次元反射強度画像が取得できるため、画面上で順次画像を切り替えて表示することで、反射波が出現する方向を特定することができる。しかし、上記以外の任意の３次元的なスキャンに対してはこの方法では限界がある。
【０００８】
このような場合には複数の方向からの反射超音波信号に内挿処理などを施して３次元格子状のデータを作成し、これをボリュームレンダリングやサーフェスレンダリングといった方法で画像表示したりする技術が、近年の計算機の進歩により可能になってきている。また、格子状のデータに変換せずに３次元的な点群として画像表示する方法もある。いずれも３次元探傷データとして保存しているため、測定後に検査者が任意の方向から３次元探傷データを確認することができる（例えば、非特許文献２、非特許文献３参照)。
【０００９】
しかし、反射強度分布のピークが検査対象の端面や境界面での反射によるものか、欠陥での反射によるものかを、これらの３次元探傷データだけから判断するのは難しい。特に複雑な形状の検査対象の場合には形状に依存する反射超音波信号（形状エコー）が多数現れるため、熟練者でも判別は困難である。このため、検査対象の３次元形状データを３次元探傷データと一緒に表示するソフトウェアが開発されている。この二つのデータを重ね合わせて比較することにより、形状エコーと欠陥からのエコー（欠陥エコー）の判別が容易となる。３次元形状データとしては、別途汎用のＣＡＤ（Computer Aided Design）で作成したデータを読込んで用いる場合が多い（例えば、非特許文献２、非特許文献３参照)。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【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」 １４３頁〜１８６頁 １９９３年５月２０日 昭晃堂発行
【非特許文献２】馬場淳史、北澤聡、河野尚幸、安達裕二、小田倉満、菊池修：“３次元超音波探傷システム「3D Focus-UT」の開発”、日本保全学会 第５回学術講演会 要旨集、155 (2008)
【非特許文献３】Potts, A. ; McNab, A.; Reilly, D.; Toft, M., “Presentation and analysis enhancements of the NDT Workbench a software package for ultrasonic NDT data”, REVIEW OF PROGRESS IN QUANTITATIVE NONDESTRUCTIVE EVALUATION: Volume 19. AIP Conference Proceedings, Volume 509, pp. 741-748 (2000).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、通常は３次元探傷データと３次元形状データは別々の座標系で作られているため、これらを重ねて表示する場合には、必ず適切な位置に３次元探傷データまたは３次元形状データを移動させ、位置合せ補正をする必要がある。この補正が正しく行われないと、３次元探傷データと３次元形状データの相関が確認できず、形状エコーと欠陥エコーの識別ができない。従来は、検査者が表示装置に対し、センサと検査対象の相対位置に関する数値情報を基に、３次元探傷データや３次元形状データの座標値を変更する等して、識別可能な状態になるまで補正作業を繰り返し行っていたが、これらの作業には多大な時間を要するという問題があった。
【００１２】
本発明の目的は、３次元探傷データと３次元形状データの表示位置合わせを容易にし、欠陥エコーと形状エコーの識別を迅速にできるようにした超音波探傷装置及び超音波探傷方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、複数の圧電振動子を備えた超音波センサと、該超音波センサの各圧電振動子に送信信号を供給するパルサーと、前記超音波センサの各圧電振動子素子から受信信号を入力するレシーバと、前記各圧電振動子毎に異なった遅延時間を前記送信信号と前記受信信号に設定する遅延制御部と、前記超音波センサで受信した超音波波形を収録するデータ収録部と、該データ収録部で収録した波形から３次元探傷データを生成する画像処理用の計算機と、検査対象の３次元形状データと前記計算機により生成された前記３次元探傷データとを表示する３次元表示部と、前記３次元表示部に表示される前記３次元形状データを構成する面および点で定義される座標系に基づき、前記３次元形状データと前記３次元探傷データの相対的な表示位置を補正し、前記３次元形状データと前記３次元探傷データとを重ねて表示する位置補正手段とを備えるようにしたものである。
かかる構成により、３次元探傷データと３次元形状データの表示位置合わせを容易にし、欠陥エコーと形状エコーの識別を迅速にできるものとなる。
【００１４】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記３次元形状データを構成する面が、前記超音波波形を収録する際に前記超音波センサを設置した面である。
【００１５】
（３）上記（１）において、好ましくは、前記画像処理用の計算機に接続されたマウスを備え、該マウスで前記３次元形状データを構成する面および点を選択するようにしたものである。
【００１６】
（４）また、上記目的を達成するために、本発明は、３次元形状データを構成する面および点で定義される座標系に基づき、超音波センサで受信した複数の超音波波形から作成した３次元探傷データと、前記３次元形状データとの相対的な表示位置を補正し、前記３次元形状データと前記３次元探傷データとを重ねて表示するようにしたものである。
かかる方法により、３次元探傷データと３次元形状データの表示位置合わせを容易にし、欠陥エコーと形状エコーの識別を迅速にできるものとなる。
【００１７】
（５）上記（４）において、好ましくは、３次元表示画面上に表示されている３次元形状データから選択されたアレイ型超音波センサを設置した探傷面に垂直な方向にＺ方向を定義し、前記３次元表示画面上に表示されている３次元探傷データと前記３次元形状データのＺ方向の正負が一致した後、前記３次元探傷データの入射点を含む面と前記３次元形状データの探傷面とを一致させて前記３次元表示画面上に再表示し、前記３次元形状データ上の選択された第１の点を原点とするＺ軸を設定し、前記３次元探傷データの原点と前記第１の点が一致するように、前記３次元探傷データもしくは前記３次元形状データを平行移動させ、前記３次元形状データ上の選択された第２の点と前記第１の点を結ぶ直線上に、前記第１の点を原点とするＸ軸を設定し、前記Ｚ軸及び前記Ｘ軸を含めて右手系となるようにＹ軸を設定し、入力された回転角の情報に基づき、前記Ｚ軸の周りに前記３次元探傷データまたは前記３次元形状データを相対的に回転させ、表示を更新し、入力された平行移動量の情報に基づき、前記Ｘ軸，前記Ｙ軸，前記Ｚ軸に沿った方向に前記３次元探傷データまたは前記３次元形状データを相対的に平行移動させ、表示を更新するようにしたものである。
【００１８】
（６）上記（５）において、好ましくは、前記３次元形状データを構成する面が、超音波波形を収録する際に超音波センサを設置した面である。
【００１９】
（７）上記（５）において、好ましくは、画像処理用の計算機に接続されたマウスで前記３次元形状データを構成する面および点を選択するようにしたものである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、３次元探傷データと３次元形状データの表示位置合わせを容易にし、欠陥エコーと形状エコーの識別を迅速にできるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態による超音波探傷装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態による超音波探傷装置におけるスキャン方式の第１の例の説明図である。
【図３】本発明の一実施形態による超音波探傷装置におけるスキャン方式の第２の例の説明図である。
【図４】本発明の一実施形態による超音波探傷装置における３次元表示画面への表示例の説明図である。
【図５】本発明の一実施形態による超音波探傷装置における３次元表示画面への表示例の説明図である。
【図６】本発明の一実施形態による超音波探傷装置における３次元表示画面への表示例の説明図である。
【図７】本発明の一実施形態による超音波探傷装置における３次元探傷データと３次元形状データの位置合せ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探傷装置における３次元探傷データと３次元形状データの位置合せ時の動作説明図である。
【図９】本発明の一実施形態による超音波探傷装置における３次元探傷データと３次元形状データの位置合せ時の動作説明図である。
【図１０】本発明の一実施形態による超音波探傷装置における３次元探傷データと３次元形状データの位置合せ時の動作説明図である。
【図１１】本発明の他の実施形態による超音波探傷装置の全体構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図１〜図１０を用いて、本発明の一実施形態による超音波探傷装置の構成及び動作について説明する。
最初に、図１〜図３を用いて、本実施形態による超音波探傷装置の全体構成について説明する。
図１は、本発明の一実施形態による超音波探傷装置の全体構成を示すブロック図である。図２は、本発明の一実施形態による超音波探傷装置におけるスキャン方式の第１の例の説明図である。図３は、本発明の一実施形態による超音波探傷装置におけるスキャン方式の第２の例の説明図である。
【００２３】
図１に示すように、本実施形態の超音波探傷装置は、検査対象１００に超音波を入射するアレイ型超音波センサ１０１と、送・受信部１０２と、受信信号及び探傷画像を表示する表示部１０３とで構成されている。
【００２４】
アレイ型超音波センサ１０１は、図示のように、基本的には超音波を発生し受信する複数個の圧電振動素子１０４で構成される。アレイ型超音波センサ１０１は、検査対象１００の探傷面に設置された後、送・受信部１０２から供給される駆動信号により超音波１０５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波を検知して受信信号を送・受信部１０２に入力する働きをする。図では、アレイ型超音波センサ１０１を直接検査対象１００に接触させているが、超音波１０５の入射角を変えるための、超音波が透過する材質で作製されたくさびを介して検査対象１００に接触させても良い。
【００２５】
送・受信部１０２は、アレイ型超音波センサ１０１により超音波の送信と受信を行うものである。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とを備えている。パルサー１０２Ｃは、アレイ型超音波センサ１０１に駆動信号を供給し、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が処理するようになっている。
【００２６】
計算機１０２Ａは、基本的にはＣＰＵ１０２Ａ１と、ＲＡＭ１０２Ａ２と、ＲＯＭ１０２Ａ３とより構成されている。ＲＯＭ１０２Ａ３には、ＣＰＵ１０２Ａ１を制御するプログラムが書き込まれている。ＣＰＵ１０２Ａ１は、ＲＯＭ１０２Ａ３に書き込まれたプログラムに従って、データ収録部１０２Ｅから必要とされる外部データを読込んだり、あるいは又ＲＡＭ１０２Ａ２との間でデータの授受を行ったりしながら演算処理し、必要に応じて処理したデータをデータ収録部１０２Ｅへ出力する。
【００２７】
また、ＣＰＵ１０２Ａ１は、遅延時間制御部１０２Ｂと、パルサー１０２Ｃと、レシーバ１０２Ｄとを制御し、必要な動作が得られるようにする。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とレシーバ１０２Ｄによる受信信号の入力タイミングの双方を制御し、これによりフェーズドアレイ方式によるアレイ型超音波センサ１０１の動作が得られるようにする。
【００２８】
ここにいうフェーズドアレイ方式によるアレイ型超音波センサ１０１の動作とは、超音波１０５の焦点深さと入射角度１０６を制御して超音波を送信し受信する動作のことであり、これによりレシーバ１０２Ｄからデータ収録部１０２Ｅに受信信号が供給されることになる。
【００２９】
先に述べたように、フェーズドアレイ方式は、遅延時間を変化させることにより様々なスキャンが可能である。２次元探傷データを取得する場合には超音波１０５を平行に移動させるリニアスキャン方式や、超音波１０５をセクタ１０７状に動かすセクタスキャン方式が良く知られている。
【００３０】
３次元探傷データの場合には、例えば図２に示したように、セクタ１０７を基本単位として、セクタ１０７を中心軸の周りに一回転させるスキャンや、図３に示したように、団扇の様にセクタ１０７を煽るスキャン方式がある。この他にも、検査対象１００の形状に応じて様々なスキャン方式が設定可能である。
【００３１】
これらのスキャン方式によって受信された信号は、データ収録部１０２Ｅに送られ、収録データとして収録されると同時に計算機１０２Ａに送られる。これにより、計算機１０２Ａ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し、各超音波の入射角度ごとの波形に適当な内挿処理を施し、ピクセルと呼ばれる２次元正方格子を単位としたピクセル形式の２次元探傷データや、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３次元探傷データを作成し、それを画像化し表示部１０３に表示させる動作を実行する。
【００３２】
表示部１０３は、２次元探傷データを表示する２次元表示画面１０３Ｂと、３次元探傷データを表示する３次元表示画面１０３Ｃと、各圧電振動子の波形信号を表示する波形表示画面１０３Ａとを備えている。また、図１には表示部１０３は一つしか示していないが、波形表示画面１０３Ａと２次元表示画面１０３Ｂ、および、３次元表示画面１０３Ｃは、複数の表示部に分担させて表示してもよい。
【００３３】
ここで、図４〜図６を用いて、本実施形態による超音波探傷装置における３次元表示画面１０３Ｃへの表示例について説明する。
図４〜図６は、本発明の一実施形態による超音波探傷装置における３次元表示画面への表示例の説明図である。
【００３４】
図４に示すように、表示部１０３上の３次元表示画面１０３Ｃには、３次元探傷データ４０１が表示されるが、このとき、計算機１０２Ａに接続されたマウス１０２Ｆやキーボード１０２Ｇを用いた入力により、任意の表示寸法で表示することができる。更に、マウス１０２Ｆとキーボード１０２Ｇからの入力により表示色や透明度も任意に変えることができる。表示色は反射強度に応じて変えることが可能である。この場合の表示色パターンは複数準備してあり、検査者が用途に応じて選択できる。
【００３５】
尚、これらの３次元描画アルゴリズムは、例えばグラフィックス・アプリケーション向けの業界標準のグラフィックス・アプリケーション・プログラミング・インタフェース（グラフィックスＡＰＩ）であるＯｐｅｎＧＬ（登録商標）やＤｉｒｅｃｔＸ（登録商標）というライブラリの中で実現されており、これらのグラフィックスＡＰＩをプログラム中で用いて、表示する物体の形状や視点、表示位置などの必要な情報を与えれば３次元表示画面１０３Ｃ上の任意の位置に、任意の色、透明度、大きさで３次元形状を描画することが容易にできる。
【００３６】
また、図５に示すように、３次元表示画面１０３Ｃには、検査対象１００の形状を表す３次元形状データ５０１が３次元探傷データ４０１と同時に表示させることができる。検査者は、マウス１０２Ｆやキーボード１０２Ｇを用いた入力により３次元形状データ５０１の表示色や透明度も任意に変えることができる。更に、検査者は、キーボード１０２Ｇからの数値入力、あるいはマウス１０２Ｆで３次元表示画面１０３Ｃ上をドラッグすることにより、３次元形状データ２０２を任意の位置に平行移動もしくは回転移動させることもできる。また、必要に応じて検査者が表示、非表示を切り替えることができるため、３次元形状データ５０１と３次元探傷データ４０１が重なっていても検査者が見易いような表示にすることができる。
【００３７】
３次元形状データとして検査対象１００のＣＡＤデータが存在している場合には、計算機１０２Ａの外部からこれを読込んで、表示させることができる。ＣＡＤデータのフォーマットは、市販のＣＡＤソフトウェアで入出力可能なデータ形式となっている。例えば多くのＣＡＤソフトウエァで読込み・出力可能なＳＴＬ（STereoLithographyあるいはStandard Triangulated Language）形式を使用する。ＳＴＬ形式は物体の表面を多数の三角形の集合で表現したものであり、ＳＴＬファイル内にはこれらの三角形の面法線ベクトルと３つの頂点の座標値が書き込まれている。グラフィックスＡＰＩを用いてＳＴＬ形式のファイルから３次元形状データ５０１を表示させることは、複数の三角形を描画することで容易に実現できる。
【００３８】
通常は、３次元探傷データ４０１と３次元形状データ５０１の座標系は異なるため、これらを重ねて表示した初期状態では双方は、図６に示したように、全く異なる位置に表示される。キーボード１０２Ｇからの数値入力やマウス１０２Ｆによる操作により、検査者が試行錯誤で３次元探傷データ４０１と３次元形状データ５０１が所望の位置になるように調整することもできる。しかし、この作業には時間と手間がかかるため、本発明による位置合せ処理を用いると作業が非常に容易となる。
【００３９】
次に、図７〜図１０を用いて、本実施形態による超音波探傷装置における３次元探傷データ４０１と３次元形状データ５０１の位置合せ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探傷装置における３次元探傷データと３次元形状データの位置合せ方法の内容を示すフローチャートである。図８〜図１０は、本発明の一実施形態による超音波探傷装置における３次元探傷データと３次元形状データの位置合せ時の動作説明図である。
【００４０】
一般に、二つのデータの位置を合せるためには、基準座標系を設定し、平行移動と回転移動を組み合わせて行う。基準座標系は、いずれかのデータの座標系をとることが多いが、任意の座標系を設定しても構わない。ただし、二つのデータのスケールは一致しているものとする。平行移動には移動量と移動方向を示すベクトルを、回転移動には回転軸と回転角を、それぞれ決定する必要がある。
【００４１】
本実施形態では、３次元形状データ５０１上に検査者が好みの任意の座標系を新たに設定し、その座標系を基準にした位置情報をマウス１０２Ｆやキーボード１０２Ｇを用いて入力し、対話形式で位置合せするものである。
【００４２】
ここで、図７を用いて、本実施形態の位置合わせ処理について説明する。本処理は、計算機１０２Ａによって実行される。すなわち、ＲＯＭ１０２Ａ３にプログラムとして書き込まれている。ＣＰＵ１０２Ａ１は、ＲＯＭ１０２Ａ３に書き込まれたプログラムに従って、データ収録部１０２Ｅから必要とされる外部データを読込んだり、あるいは又ＲＡＭ１０２Ａ２との間でデータの授受を行ったりしながら演算処理し、表示部１０３の３次元表示画面１０３Ｃ上の表示を変更し、３次元探傷データ４０１と３次元形状データ５０１とを位置合せする。
【００４３】
最初に、ステップＳ１において、検査者は、３次元表示画面１０３Ｃ上に表示されている３次元形状データ５０１において、アレイ型超音波センサ１０１を設置した探傷面を、計算機１０２Ａに接続されたマウス１０２Ｆで３次元表示画面１０３Ｃ上を直接クリックすることにより選択する。３次元形状データ５０１はＳＴＬ形式であるため、複数の三角形で構成されており、探傷面も通常は複数の三角形で構成されている。従って、マウス１０２Ｆでの探傷面の選択は、例えば図８に示したように、探傷面を構成する一つの三角形８０１を選択することで達成される。
【００４４】
次に、ステップＳ２において、ステップＳ１における入力情報に基づき計算機１０２Ａは、図８に示したように、３次元形状データ５０１の探傷面に垂直な方向にＺ方向８０２を定義する。３次元探傷データ４０１には必ず探傷面の位置情報も含まれているため、本処理は簡単な座標変換により実現できる。
【００４５】
なお、選択する面は、必ずしも探傷面でなくともよい。探傷面と幾何学的な関係が既知である面であれば、その面を選択し、その面を基準として探傷面に垂直な方向を定義することも可能である。
【００４６】
次に、ステップＳ３において、検査者は、ステップＳ２で３次元表示画面１０３Ｃに再表示された結果において、３次元探傷データ４０１と３次元形状データ５０１のＺ方向８０３の正負が一致しているかを目視確認する。場合によっては図８に示したように、３次元探傷データ４０１と３次元形状データ５０１のＺ方向８０３の正負が逆転し、所望の位置に表示されないことがある。
【００４７】
Ｚ方向８０３の正負が逆転している場合は、ステップＳ４において、検査者は、マウス１０２Ｆやキーボード１０２Ｇを用いて画面上のボタンを操作することにする。これにより、計算機１０２Ａは、３次元形状データ５０１を探傷面に対して１８０度回転させ、Ｚ方向８０３の正負を入れ替える
ステップＳ３の判定でＺ方向８０３の正負が逆転していないと判定された場合、若しくは、ステップＳ４でＺ方向８０３の正負が入れ替えられると、ステップＳ５において、計算機１０２Ａは、３次元探傷データ４０１の入射点を含む面と３次元形状データ５０１の探傷面を一致させて再表示する。図９は、再表示された状態を示している。
【００４８】
次に、ステップＳ６において、検査者が、３次元形状データ５０１上の所定の点９０１を、３次元表示画面１０３Ｃ上をマウス１０２Ｆでクリックして選択すると、計算機１０２Ａは、点９０１を原点とするＺ軸９０３を設定する。ここで所定の点９０１は、３次元形状データ５０１の中で、検査対象１００の角等とする。更に、計算機１０２Ａは、３次元探傷データの原点９０２と点９０１が一致するように３次元探傷データ４０１もしくは３次元形状データ５０１を平行移動させる。図１０は、平行移動後の状態を示している。
【００４９】
次に、ステップＳ７において、検査者が、３次元形状データ５０１上の所定の点１００１を、３次元表示画面１０３Ｃ上をマウス１０２Ｆでクリックして選択する。ここで所定の点１００１は、３次元形状データ５０１の中で、検査対象１００の角等とする。
【００５０】
ステップＳ７が実行されると、ステップＳ８において、計算機１０２Ａは、点９０１と点１００１を結ぶ直線上に、点９０１を原点とするＸ軸１００３を設定する。
【００５１】
次に、ステップＳ９において、計算機１０２Ａは、ステップＳ８までに設定されたＺ軸、Ｘ軸を含めて右手系となるようにＹ軸を自動的に設定する。この時、座標系の原点は点９０１となっている。
【００５２】
ステップＳ１からステップＳ９までの処理により、３次元形状データ５０１上に検査者が好みの任意の座標系を新たに設定したことになる。この座標系は、実際の測定においてアレイ型超音波センサ１０１の設置位置を記録しておく場合に用いられるような、検査対象１００の特徴的な形状を基準にして設定することができる。通常は検査対象１００の角等を原点とし、それらに接する辺をＸ軸やＹ軸に設定する。このように設定することにより、検査者は測定時と同じような感覚で３次元形状データ５０１に対するアレイ型超音波センサ１０１の設置位置を設定することができる。
【００５３】
座標系を設定した後、ステップＳ１０において、計算機１０２Ａは、マウス１０２Ｆやキーボード１０２Ｇを用いた回転角の入力情報に基づき、Ｚ軸９０３の周りに３次元探傷データ４０１または３次元形状データ５０１を相対的に回転させ、表示を更新する。
【００５４】
更に、ステップＳ１１は、計算機１０２Ａは、マウス１０２Ｆやキーボード１０２Ｇを用いた平行移動量の入力情報に基づき、Ｘ軸１００３、Ｙ軸１００４、Ｚ軸９０３に沿った方向に３次元探傷データ４０１または３次元形状データ５０１を相対的に平行移動させ、表示を更新する。なお、ステップＳ１１とステップＳ１２は逆の順番でも構わない。
【００５５】
最後に、ステップＳ１２において、検査者は、３次元探傷データ４０１と３次元形状データ５０１が所望の位置に表示されているかを目視確認する。所望の位置に表示されていない場合はステップＳ１０とステップＳ１１を繰り返す。
【００５６】
以上の処理により、３次元探傷データ４０１と３次元形状データ５０１を効率良く位置合せすることが可能となる。
【００５７】
以上説明したように、本実施形態によれば、３次元探傷データと３次元形状データの表示位置合わせを容易にし、欠陥エコーと形状エコーの識別を迅速にできるようになる。
【００５８】
次に、図１１を用いて、本発明の他の実施形態による超音波探傷装置の構成及び動作について説明する。
図１１は、本発明の他の一実施形態による超音波探傷装置の全体構成を示すブロック図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
【００５９】
図１に示した実施形態は、フェーズドアレイ法によって３次元探傷データ４０１が得られた場合を想定しているが、本発明はフェーズドアレイ以外の方法によって得られた３次元探傷データにも適用できる。たとえば、図１１にて説明するように、３次元探傷データ４０１が開口合成法によって得られた場合でも適用できる。
【００６０】
本実施形態の超音波探傷装置は、検査対象１００に超音波を入射するアレイ型超音波センサ１０１と、送・受信部１０２と、受信信号及び探傷画像を表示する表示部１０３とで構成されている。
【００６１】
アレイ型超音波センサ１０１は、図示のように、基本的には超音波を発生し受信する複数個の圧電振動素子１０４で構成される。アレイ型超音波センサ１０１は、検査対象１００の探傷面に設置された後、送・受信部１０２から供給される駆動信号により、アレイ型超音波センサ１０１が超音波１１０２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波を検知して受信信号を送・受信部１０２に入力する働きをする。
【００６２】
アレイ型超音波センサ１０１の個々の圧電振動素子１０４は、駆動信号制御部１１０１からパルサーを介して発せられる駆動信号により所要のタイミングで順次駆動され、圧電振動素子１０４から発生された超音波の反射波を、複数の圧電振動素子１０４で受信し、受信信号は送・受信部１０２のレシーバ１０２Ｄに入力される。すなわちアレイ型超音波センサ１０１の個々の圧電振動素子１０４は、圧電振動素子１０４の総数分の反射波をそれぞれ受信することになる。
【００６３】
レシーバ１０２Ｄに入力された信号は、順次、データ収録部１０２Ｅに収録データとして収録され、収録データを用いて計算機１０２Ａは各圧電振動素子１０４で得られた波形を開口合成によって３次元画像化処理し、表示部１０３に表示させる。
【００６４】
計算機１０２Ａは、基本的にはＣＰＵ１０２Ａ１と、ＲＡＭ１０２Ａ２と、ＲＯＭ１０２Ａ３とより構成されている。ＲＯＭ１０２Ａ３には、ＣＰＵ１０２Ａ１を制御するプログラムが書き込まれており、ＣＰＵ１０２Ａ１は、このプログラムに従ってデータ収録部１０２Ｅから必要とされる外部データを読込んだり、あるいは又ＲＡＭ１０２Ａ２との間でデータの授受を行ったりしながら演算処理し、必要に応じて処理したデータをデータ収録部１０２Ｅへ出力する。
【００６５】
計算機１０２Ａによる開口合成で生成された３次元探傷データ４０１を３次元形状データ５０１と位置合せして表示する方法は、図７〜図１０にて説明した方法と同様である。
【００６６】
本実施形態によっても、３次元探傷データと３次元形状データの表示位置合わせを容易にし、欠陥エコーと形状エコーの識別を迅速にできるようになる。
【符号の説明】
【００６７】
１００…検査対象
１０１…アレイ型超音波センサ
１０２…送・受信部
１０２Ａ…計算機
１０２Ａ１…ＣＰＵ
１０２Ａ２…ＲＡＭ
１０２Ａ３…ＲＯＭ
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
１０２Ｆ…マウス
１０２Ｇ…キーボード
１０３…表示部
１０３Ａ…波形表示部
１０３Ｂ…２次元表示画面
１０３Ｃ…３次元表示画面
１０４…圧電振動素子
１０５…超音波
１０６…入射角度
１０７…セクタ
４０１…３次元探傷データ
５０１…３次元形状データ
８０１…三角形
８０２…Ｚ方向
９０１、１００１、１００２…３次元形状データ上の点
９０２…３次元探傷データの原点
９０３…Ｚ軸
１００３…Ｘ軸
１００４…Ｙ軸
１００１…駆動信号制御部
１００２…超音波
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の圧電振動子を備えた超音波センサと、
該超音波センサの各圧電振動子に送信信号を供給するパルサーと、
前記超音波センサの各圧電振動子素子から受信信号を入力するレシーバと、
前記各圧電振動子毎に異なった遅延時間を前記送信信号と前記受信信号に設定する遅延制御部と、
前記超音波センサで受信した超音波波形を収録するデータ収録部と、
該データ収録部で収録した波形から３次元探傷データを生成する画像処理用の計算機と、
検査対象の３次元形状データと前記計算機により生成された前記３次元探傷データとを表示する３次元表示部と、
前記３次元表示部に表示される前記３次元形状データを構成する面および点で定義される座標系に基づき、前記３次元形状データと前記３次元探傷データの相対的な表示位置を補正し、前記３次元形状データと前記３次元探傷データとを重ねて表示する位置補正手段とを備えることを特徴とする超音波探傷装置。
【請求項２】
請求項１記載の超音波探傷装置において、
前記３次元形状データを構成する面が、前記超音波波形を収録する際に前記超音波センサを設置した面であることを特徴とする超音波探傷装置。
【請求項３】
請求項１記載の超音波探傷装置において、
前記画像処理用の計算機に接続されたマウスを備え、
該マウスで前記３次元形状データを構成する面および点を選択することを特徴とする超音波探傷装置。
【請求項４】
３次元形状データを構成する面および点で定義される座標系に基づき、超音波センサで受信した複数の超音波波形から作成した３次元探傷データと、前記３次元形状データとの相対的な表示位置を補正し、前記３次元形状データと前記３次元探傷データとを重ねて表示することを特徴とする超音波探傷方法。
【請求項５】
請求項４記載の超音波探傷方法において、
３次元表示画面上に表示されている３次元形状データから選択されたアレイ型超音波センサを設置した探傷面に垂直な方向にＺ方向を定義し、
前記３次元表示画面上に表示されている３次元探傷データと前記３次元形状データのＺ方向の正負が一致した後、前記３次元探傷データの入射点を含む面と前記３次元形状データの探傷面とを一致させて前記３次元表示画面上に再表示し、
前記３次元形状データ上の選択された第１の点を原点とするＺ軸を設定し、
前記３次元探傷データの原点と前記第１の点が一致するように、前記３次元探傷データもしくは前記３次元形状データを平行移動させ、
前記３次元形状データ上の選択された第２の点と前記第１の点を結ぶ直線上に、前記第１の点を原点とするＸ軸を設定し、
前記Ｚ軸及び前記Ｘ軸を含めて右手系となるようにＹ軸を設定し、
入力された回転角の情報に基づき、前記Ｚ軸の周りに前記３次元探傷データまたは前記３次元形状データを相対的に回転させ、表示を更新し、
入力された平行移動量の情報に基づき、前記Ｘ軸，前記Ｙ軸，前記Ｚ軸に沿った方向に前記３次元探傷データまたは前記３次元形状データを相対的に平行移動させ、表示を更新することを特徴とする超音波探傷方法。
【請求項６】
請求項５記載の超音波探傷方法において、
前記３次元形状データを構成する面が、超音波波形を収録する際に超音波センサを設置した面であることを特徴とする超音波探傷方法。
【請求項７】
請求項５記載の超音波探傷方法において、
画像処理用の計算機に接続されたマウスで前記３次元形状データを構成する面および点を選択することを特徴とする超音波探傷方法。
【請求項１】
複数の圧電振動子を備えた超音波センサと、
該超音波センサの各圧電振動子に送信信号を供給するパルサーと、
前記超音波センサの各圧電振動子素子から受信信号を入力するレシーバと、
前記各圧電振動子毎に異なった遅延時間を前記送信信号と前記受信信号に設定する遅延制御部と、
前記超音波センサで受信した超音波波形を収録するデータ収録部と、
該データ収録部で収録した波形から３次元探傷データを生成する画像処理用の計算機と、
検査対象の３次元形状データと前記計算機により生成された前記３次元探傷データとを表示する３次元表示部と、
前記３次元表示部に表示される前記３次元形状データを構成する面および点で定義される座標系に基づき、前記３次元形状データと前記３次元探傷データの相対的な表示位置を補正し、前記３次元形状データと前記３次元探傷データとを重ねて表示する位置補正手段とを備えることを特徴とする超音波探傷装置。
【請求項２】
請求項１記載の超音波探傷装置において、
前記３次元形状データを構成する面が、前記超音波波形を収録する際に前記超音波センサを設置した面であることを特徴とする超音波探傷装置。
【請求項３】
請求項１記載の超音波探傷装置において、
前記画像処理用の計算機に接続されたマウスを備え、
該マウスで前記３次元形状データを構成する面および点を選択することを特徴とする超音波探傷装置。
【請求項４】
３次元形状データを構成する面および点で定義される座標系に基づき、超音波センサで受信した複数の超音波波形から作成した３次元探傷データと、前記３次元形状データとの相対的な表示位置を補正し、前記３次元形状データと前記３次元探傷データとを重ねて表示することを特徴とする超音波探傷方法。
【請求項５】
請求項４記載の超音波探傷方法において、
３次元表示画面上に表示されている３次元形状データから選択されたアレイ型超音波センサを設置した探傷面に垂直な方向にＺ方向を定義し、
前記３次元表示画面上に表示されている３次元探傷データと前記３次元形状データのＺ方向の正負が一致した後、前記３次元探傷データの入射点を含む面と前記３次元形状データの探傷面とを一致させて前記３次元表示画面上に再表示し、
前記３次元形状データ上の選択された第１の点を原点とするＺ軸を設定し、
前記３次元探傷データの原点と前記第１の点が一致するように、前記３次元探傷データもしくは前記３次元形状データを平行移動させ、
前記３次元形状データ上の選択された第２の点と前記第１の点を結ぶ直線上に、前記第１の点を原点とするＸ軸を設定し、
前記Ｚ軸及び前記Ｘ軸を含めて右手系となるようにＹ軸を設定し、
入力された回転角の情報に基づき、前記Ｚ軸の周りに前記３次元探傷データまたは前記３次元形状データを相対的に回転させ、表示を更新し、
入力された平行移動量の情報に基づき、前記Ｘ軸，前記Ｙ軸，前記Ｚ軸に沿った方向に前記３次元探傷データまたは前記３次元形状データを相対的に平行移動させ、表示を更新することを特徴とする超音波探傷方法。
【請求項６】
請求項５記載の超音波探傷方法において、
前記３次元形状データを構成する面が、超音波波形を収録する際に超音波センサを設置した面であることを特徴とする超音波探傷方法。
【請求項７】
請求項５記載の超音波探傷方法において、
画像処理用の計算機に接続されたマウスで前記３次元形状データを構成する面および点を選択することを特徴とする超音波探傷方法。
【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２０１１−１４１１２４（Ｐ２０１１−１４１１２４Ａ）
【公開日】平成２３年７月２１日（２０１１．７．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−４７９（Ｐ２０１０−４７９）
【出願日】平成２２年１月５日（２０１０．１．５）
【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２３年７月２１日（２０１１．７．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月５日（２０１０．１．５）
【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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