超音波検査装置
【課題】複数の受信器から取得したデータを重ね合わせる過程で、損傷画像が不鮮明になることを抑制する。
【解決手段】超音波検査装置１０は、超音波を試料２０に励起させる励起部１２と、前記超音波を励起させる前記試料２０の励起位置２２を移動させる移動部１４と、を備える。さらに、前記試料２０の表面から離間するとともに、前記表面に対して指向軸Ｄが垂直となるように配置される、前記試料２０から伝搬される超音波を受信する複数の受信器１６ａ〜１６ｈと、を備える。さらに、それぞれの前記受信器１６ａ〜１６ｈが受信した同一の励起位置２２から伝搬した超音波信号を重ね合わせる演算部１８を備える。
【解決手段】超音波検査装置１０は、超音波を試料２０に励起させる励起部１２と、前記超音波を励起させる前記試料２０の励起位置２２を移動させる移動部１４と、を備える。さらに、前記試料２０の表面から離間するとともに、前記表面に対して指向軸Ｄが垂直となるように配置される、前記試料２０から伝搬される超音波を受信する複数の受信器１６ａ〜１６ｈと、を備える。さらに、それぞれの前記受信器１６ａ〜１６ｈが受信した同一の励起位置２２から伝搬した超音波信号を重ね合わせる演算部１８を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波検査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、試料の損傷を非破壊で検査可能な検査装置として、超音波検査装置が知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１では、レーザー光を用いて試料に超音波を励起させる超音波検査装置が開示されている。光源から出力されたレーザー光が試料に照射されると、試料の照射部分が瞬間的に加熱される。加熱の際に照射部分の体積が膨張する。照射が止むと照射部分の体積は収縮する。この膨張収縮によって弾性波が励起され、照射部分から周辺に弾性波が伝搬する。
【０００４】
試料を伝搬する弾性波には、縦波、横波、板波等の複数のモード（伝搬態様）が存在する。そのうち、板波の一種であるラム波のＡ０モードでは、振幅と板厚が反比例することが知られている。つまり、照射部分の板厚が薄いとラム波Ａ０モードの振幅が大きくなる。試料の損傷部分は他の部分よりも板厚が薄くなっているから、損傷部分にレーザー光を照射すると、損傷のない部分にレーザー光を照射した場合と比較して、ラム波Ａ０モードの振幅が大きくなる。そこで、特許文献１では、試料上の照射部分を移動走査し、各照射部分から伝搬する超音波を測定している。さらに、測定結果に基づいて試料の損傷部分の有無を検査するとともに、損傷部分の位置を特定している。
【０００５】
特許文献１では、弾性波を測定するセンサとして、試料に受信面を接触させる接触型センサが使用されている。さらに、特許文献１では、損傷部分を明確にするため、接触型センサを複数個使用している。センサが取得する信号には、設置場所に依存するノイズが含まれることが知られている。各センサが取得した信号を重ね合せ処理することで、設置場所に依存するノイズが低減され、損傷部分が明確に判別できるようになる。
【０００６】
また、非特許文献１では、受信面を試料から離間させた非接触型のセンサが使用されている。非特許文献１では、図１０に示すように、試料１０４の表面とセンサ１０２の指向軸Ｄとの成す角θをラム波Ａ０モードの臨界角付近に設定し、センサ１０２の受信感度を高めている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−４３４１６号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】卜部、「レーザー励起／空中受信を用いた非接触超音波伝搬映像化による金属の探傷」、第１８回超音波による非破壊評価シンポジウム講演論文集、社団法人日本非破壊検査協会、平成２３年１月２７日、ｐ．１−７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、センサ１０２の指向軸Ｄを試料１０４の表面に対して傾斜させた場合、指向軸Ｄに沿って（指向角＝０°で）入射する超音波の受信感度が向上する反面、指向角が０°から離れた角度で入射する超音波の受信感度は低下する。そうなると、図１０に示すように、指向角＝０°でセンサ１０２に入射する、伝搬経路Ｌ１上の超音波の受信感度は高くなる。一方、指向角＝０°の位置から外れた角度からセンサ１０２に入射する、伝搬経路Ｌ２、Ｌ３上の超音波の受信感度は著しく低くなる。
【００１０】
このように指向性の高いセンサ１０２を複数用いて、これらの信号を重ね合わせ処理すると、いずれかのセンサ１０２が捉えた損傷データが消えてしまうおそれがある。
【００１１】
図１１には、３つのセンサ１０２Ａ〜１０２Ｃが示されている。いずれのセンサも、指向軸Ｄを試料１０４の表面に対して傾斜させている。それぞれのセンサ１０２Ａ〜１０２Ｃでは、指向軸Ｄ付近の超音波信号の受信感度が高く、指向軸Ｄから離れるに従って受信感度が低くなる。その結果、それぞれのセンサが取得した信号値を画像化すると、指向軸Ｄに沿った領域の画像の信号値が高く、指向軸Ｄから離れた領域の信号値は低くなる。図１１では、信号値の高い領域を白で表し、信号値の低い領域を黒で表している。
【００１２】
これらのセンサ１０２Ａ〜１０２Ｃの画像を重ね合わせると、それぞれの指向軸Ｄが重なる部分は鮮明化し、重ならない領域は不鮮明となる。そうなると、図１２に示すように、個々のセンサ１０２Ａ〜１０２Ｃのいずれかにて損傷部分１０６の画像を捉えられていても、重ね合わせの過程で損傷部分１０６が不鮮明になる、または消えてしまうおそれがあった。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明のひとつの態様は、超音波検査装置に関する。当該検査装置は、超音波を試料に励起させる励起部と、前記超音波を励起させる前記試料の励起位置を移動させる移動部と、を備える。さらに、前記試料の表面から離間するとともに、前記表面に対して指向軸が垂直となるように配置される、前記試料から伝搬される超音波を受信する複数の受信器と、それぞれの前記受信器が受信した同一の励起位置から伝搬した超音波信号を重ね合わせる演算部と、を備える。
【００１４】
また、上記発明において、前記複数の受信器が受信可能な超音波の中心周波数は２０ｋＨｚ以上１００ｋＨｚ以下であることが好適である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、複数の受信器から取得したデータを重ね合わせる過程で、損傷画像が不鮮明になることを抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施形態に係る超音波検査装置を例示する斜視図である。
【図２】受信器を例示する側面断面図である。
【図３】受信器の指向性について説明する平面図である。
【図４】受信機の指向性について説明する図である。
【図５】超音波信号の波形を例示する図である。
【図６】ラム波のモードについて説明する図である。
【図７】本実施形態に係る超音波検査装置による実施例を説明する図である。
【図８】本実施形態に係る超音波検査装置による実施例を説明する図である。
【図９】本実施形態に係る超音波検査装置による実施例を説明する図である。
【図１０】従来の超音波検査装置を例示する斜視図である。
【図１１】従来の超音波検査装置を例示する平面図である。
【図１２】従来の超音波検査装置の演算処理を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１に、本実施形態に係る超音波検査装置を例示する。超音波検査装置１０は、励起部１２、移動部１４、受信器１６及び演算部１８を備える。なお、図１においては、試料２０の幅方向をＸ軸方向とし、試料２０の奥行き方向をＹ軸方向とし、試料２０の厚さ方向をＺ軸方向とする。
【００１８】
励起部１２は、試料２０に超音波を励起させる。例えば、励起部１２は、試料にレーザー光を照射するレーザー光源であってよい。この場合、試料２０に対して連続的に弾性波を励起させるために、励起部１２は、レーザー光を断続的に試料２０に照射可能であることが好適である。例えば、励起部１２は、超音波帯域となる２０ｋＨｚ以上の弾性波を励起させることの可能な、パルスレーザー光源であってよい。
【００１９】
移動部１４は、超音波を励起させる試料２０の励起位置２２を移動させることの可能な移動手段である。例えば、移動部１４は、試料２０へのレーザー光の照射位置を移動走査するガルバノミラー装置であってよい。ガルバノミラー装置は、レーザー光を試料２０のＸ軸方向に走査させるＸ軸ミラー２４及びＸ軸モータ２６を備えている。また、レーザー光を試料２０のＹ軸方向に走査させるＹ軸ミラー２８及びＹ軸モータ３０を備えている。
【００２０】
受信器１６は、試料２０から伝搬した超音波を受信可能な受信手段である。また、後述するように、試料２０の損傷部分を鮮明化するために、受信器１６は複数個設けられている。例えば図１では、８個の受信器１６ａ〜１６ｈが設けられている。
【００２１】
受信器１６は、例えば、超音波センサであってよい。また、受信器１６が受信可能な超音波の周波数は、空気中における減衰率の低い周波数であることが好適である。例えば、受信器１６の受信可能な超音波の中心周波数は、２０ｋＨＺ以上１００ｋＨｚ以下であることが好適である。したがって、受信器１６は、いわゆる低周波帯域用の超音波センサであることが好適である。
【００２２】
図２には、受信器１６の例として、共振コーン型の超音波センサが示されている。この超音波センサは、共振コーン３２、金属板３４、圧電セラミックス３６、電極端子３８及びケース４０を備えている。ケース４０の受信面４１には開口４２が設けられ、この開口４２から超音波が共振コーン３２に伝搬する。共振コーン３２は伝搬された超音波によって振動する振動体である。例えば、共振コーン３２の共振周波数は２５ｋＨｚとなるように形成されている。共振コーン３２の振動が金属板３４を介して圧電セラミックス３６に伝わる。圧電セラミックス３６は振動に応じた電圧を出力する。このようにして空気中を伝搬する超音波が電気信号に変換される。
【００２３】
また、試料２０との接触による汚染や損傷を防ぐために、受信器１６は、試料２０に対して非接触であることが好適である。また、試料２０と受信器１６との離間距離は、試料２０から伝搬する超音波の強度に応じて定めることが好適である。例えば、試料２０の表面と受信器１６の受信面４１との離間距離ｈは、５ｍｍ以上５０ｍｍ以下であることが好適である。
【００２４】
さらに、受信器１６は、指向性の低い状態で試料２０に対向させることが好適である。例えば、受信器１６の指向軸Ｄが試料２０の表面に対して垂直になるように、受信器１６を試料２０に対して配置することが好適である。ここで、指向軸Ｄとは、受信器１６の指向特性において、指向角＝０°を通る軸を指している。また、ここで垂直とは、試料２０の表面と指向軸の成す角度が９０°である場合のみに限られず、試料２０の検査精度に応じて９０°周辺の角度も含み得る。例えば、試料２０の表面と指向軸Ｄの成す角度は８５°以上９５°以下であってよい。
【００２５】
また、図１に示すように、受信器１６を保持するホルダ４３を設けてもよい。ホルダ４３はＺ軸方向に移動可能であって、試料２０に対する受信器１６の離間距離ｈを変更可能となっている。また、ホルダ４３に角度調節機能を持たせて、試料２０の表面に対する受信器１６の指向軸Ｄの角度を調節可能としてもよい。
【００２６】
図３、４には、受信器１６を試料２０に対して傾斜させた場合と、受信器１６を試料２０に対して垂直にした場合との、指向性の差異が示されている。図３上段は、試料２０の表面に対して受信器１６の指向軸Ｄを傾斜させた様子が示されている。また、図３下段は、試料２０の表面に対して受信器１６の指向軸Ｄを垂直にさせた様子が示されている。このそれぞれの場合において、さまざまな角度から超音波を受信器１６に入射させる。図３では、受信器１６を中心とした半円の軌跡上にレーザー光を順次照射する。ここで、この半円の軌跡において、受信器１６を傾斜させた場合の、指向軸Ｄに沿った軸を０°と定めている。図３では、−９０°から９０°までの範囲でレーザー光を走査させる。
【００２７】
図４に、各受信器１６の受信結果を示す。図４のグラフでは、受信器１６が受信する超音波の中心周波数が４０ｋＨｚであるときの信号値を表している。また、横軸は図３の角度に対応する。また、縦軸は受信信号の強度を表し、超音波の振幅に相当する。また、グラフ上の太い実線は、指向軸Ｄを試料２０の表面に対して傾斜させた受信器１６による受信結果を表している。また、細い実線は、指向軸Ｄを試料２０の表面に対して垂直にさせた受信器１６による受信結果を表している。さらに、破線はノイズレベルを表しており、例えば、このノイズレベル以下の信号値は以降の演算処理には使用されずに除去される。
【００２８】
指向軸Ｄを傾斜させた状態での受信結果を参照すると、角度０°を中心にして信号値が漸次低減している。一方で、指向軸Ｄを垂直にした状態での受信結果を参照すると、角度による信号値の偏りは見られない。このように、指向軸Ｄを試料２０の表面に対して垂直にすることで、受信器１６の指向性が緩和され、受信器１６は全方位的に偏りなく超音波を受信することが可能となる。
【００２９】
図１に戻り、演算部１８は、受信器１６が受信した超音波信号を受信するとともに、当該信号を演算処理して試料２０の画像データを作成する。演算部１８は、受信器１６の超音波信号を演算処理可能な機器であればよく、例えば、ＣＰＵ等の演算回路を備えたコンピュータであってよい。
【００３０】
図５には、演算部１８が受信した超音波信号の波形が例示されている。実線は試料２０の損傷箇所を励起位置としたときの超音波信号を表し、破線は損傷のない箇所を励起位置としたときの超音波信号を表している。演算部１８は、これらの信号から最大振幅を抽出する。図５に示されているように、損傷箇所を励起位置としたときの超音波信号の最大振幅Ｉ1は、損傷のない箇所を励起位置としたときの超音波信号の最大振幅Ｉ2よりも大きい値となる。このように、最大振幅を比較することで、試料２０の損傷箇所の有無及び、損傷箇所の特定をすることができる。
【００３１】
また、演算部１８は、試料２０の励起位置を移動させるために、移動部１４の動作を制御可能であってよい。具体的には、試料２０の所望の位置にレーザー光を照射させるために、ガルバノミラー装置のＸ軸モータ２６及びＹ軸モータ３０に駆動信号を送信する。演算部１８は、試料２０上の励起位置（照射位置）の座標と、当該励起位置から伝搬した超音波信号とを関連付けて記憶する。例えば、励起位置の座標（Ｘi，Ｙi）から伝搬した超音波信号の最大振幅を抽出して、振幅値Ｉ（Ｘi，Ｙi）として図示しない記憶部に記憶する。
【００３２】
また、演算部１８は、それぞれの受信器１６ａ〜１６ｈが受信した、同一の励起位置から伝搬した超音波信号を重ね合わせる重ね合わせ処理を行う。例えば、受信器１６ａが受信した、座標（Ｘi，Ｙi）の最大振幅値をＩA（Ｘi，Ｙi）と表すと、演算部１８は、受信器１６ａ〜１６ｈが受信した、ＩA（Ｘi，Ｙi）からＩH（Ｘi，Ｙi）の値の和または積を算出する。
【００３３】
さらに演算部１８は、重ねあわせ処理後の最大振幅値を座標に沿って配列させることにより、二次元画像を生成する。この二次元画像は、レーザー光が照射された試料２０の表面画像に相当する。上述したように、試料２０の損傷部分から伝搬した超音波信号の振幅は、損傷していない部分からの超音波信号の振幅よりも大きい値となる。したがって、二次元画像においては損傷部分がハイライトされた、または損傷部分が他の箇所よりも暗くなるような画像が得られる。
【００３４】
なお、受信器１６から演算部１８に至る信号経路上に、超音波信号の増幅器やノイズフィルタ等を設けてもよい。図１には、受信器１６と演算部１８とを繋ぐ信号経路上に、アンプ５０、バンドパスフィルタ５２及びＡ／Ｄボード５４を設けている。
【００３５】
アンプ５０は、受信器１６から送られた超音波信号を増幅する。また、バンドパスフィルタ５２は、超音波信号から所望の周波数帯のみを抽出する。例えば、バンドパスフィルタ５２が抽出する周波数帯を、２０ｋＨｚ以上１００ｋＨｚ以下の周波数帯としてもよい。Ａ／Ｄボード５４は、受信器１６から送られたアナログ信号をデジタル信号に変換する。
【００３６】
なお、受信器１６から所望のモードの超音波信号を取得するために、演算部１８は超音波の伝搬速度に基づいたフィルタリングを行ってもよい。図６には、アルミニウム平板からなる試料２０にて励起される超音波のうち、ラム波成分の周波数帯域と伝搬速度が示されている。図６のグラフの横軸は、周波数に試料２０の板厚を掛けた値（ｆｄ値）を表している。また、縦軸は、モードごとの伝搬速度（群速度）を表している。また、１ｆｄ[ＭＨｚ・ｍｍ]上のガウス分布状の山は、入射光のスペクトルを表している。
【００３７】
ラム波のモードには、Ａ０、Ｓ０、Ａ１、Ｓ１の各モードが存在することが知られている。このうち、試料２０の板厚と振幅とが反比例の関係にあるのはＡ０モードのラム波である。したがって、Ａ０、Ｓ０、Ａ１、Ｓ１の各モードが重畳した状態からＡ０モードのラム波のみを抽出することが好適である。
【００３８】
Ａ０、Ｓ０とＡ１、Ｓ１とは周波数帯が重複しない領域が存在することから、上述したバンドパスフィルタ５２によってＡ１及びＳ１を除去することができる。さらに、Ｓ０モードはＡ０モードよりも群速度が速いことから、受信器１６が受信した波形のうち、Ａ０モードに先行するＳ０モードの超音波信号を除去することにより、Ａ０モードの信号を取り出すことが可能となる。具体的には、レーザー光の出力から所定時間後の超音波信号を取り出す取り出し開始時間を定めてもよい。また、超音波の励起後、暫く時間が経過すると、試料２０内で超音波信号が反射して振幅が変動するおそれがあるので、超音波信号の取り出し終了時間を定めてもよい。
【実施例１】
【００３９】
励起部１２として、波長１０５３ｎｍ、２ｍＪ／ｐｕｌｓｅ＠１ｋＨｚのＮｄ−ＹＬＦパルスレーザーを用いた。また、レーザー光の照射位置の移動ステップは０．５ｍｍとした。また、図７に示すように、受信器１６として、受信中心周波数が４０ｋＨｚの開放型空中超音波探触子を８個用いた。各受信器１６ａ〜１６ｈは、試料２０の外周に沿って配置した。受信器１６の受信面と試料２０の表面（レーザー光が照射される面）との間隔ｈは５ｍｍとした。また、試料２０として、幅（Ｘ軸方向）２００ｍｍ、奥行き（Ｙ軸方向）３００ｍｍ、板厚（Ｚ軸方向）１ｍｍのアルミニウム平板を用いた。さらに、この試料２０の裏面（表面に対向する面）に、損傷部を形成した。損傷部は、直線状損傷部６０、ジグザグ状損傷部６２及びＴ字型損傷部６４とした。いずれも、損傷の溝深さは０．３ｍｍとした。
【００４０】
図８上段に、各受信器１６ａ〜１６ｈが受信したそれぞれの超音波信号の二次元画像を示す。さらに、図８下段に、各受信器１６ａ〜１６ｈが受信した超音波信号を重ね合わせた二次元画像を示す。各受信器１６ａ〜１６ｈのそれぞれの画像では不鮮明であった損傷部が、重ね合わせによって、直線状損傷部６０、ジグザグ状損傷部６２及びＴ字型損傷部６４のいずれも鮮明に表れることが示されている。
【００４１】
また、図９には、パルスレーザーの繰り返し周波数を変更させたときの重ね合わせ画像が示されている。図９に示されているように、繰り返し周波数が高くなるほど、損傷部の画像が不鮮明になる。これは、前のレーザー光照射による残響が十分に減衰しないうちに次の照射が行われたことが原因と考えられる。図９の結果から、パルスレーザーの繰り返し周波数は、１ｋＨｚ以下であることが好適である。また、繰り返し周波数が過度に低いと走査時間が長くなることから、２０Ｈｚ以上であることが好適である。
【符号の説明】
【００４２】
１０ 超音波検査装置、１２ 励起部、１４ 移動部、１６ 受信器、１８ 演算部、２０ 試料、２２ 励起位置、２４ Ｘ軸ミラー、２６ Ｘ軸モータ、２８ Ｙ軸ミラー、３０ Ｙ軸モータ、３２ 共振コーン、３４ 金属板、３６ 圧電セラミックス、３８ 電極端子、４０ ケース、４１ 受信面、４２ 開口、４３ ホルダ、５０ アンプ、５２ バンドパスフィルタ、５４ Ａ／Ｄボード、６０ 直線状損傷部、６２ ジグザグ状損傷部、６４ Ｔ字型損傷部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波検査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、試料の損傷を非破壊で検査可能な検査装置として、超音波検査装置が知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１では、レーザー光を用いて試料に超音波を励起させる超音波検査装置が開示されている。光源から出力されたレーザー光が試料に照射されると、試料の照射部分が瞬間的に加熱される。加熱の際に照射部分の体積が膨張する。照射が止むと照射部分の体積は収縮する。この膨張収縮によって弾性波が励起され、照射部分から周辺に弾性波が伝搬する。
【０００４】
試料を伝搬する弾性波には、縦波、横波、板波等の複数のモード（伝搬態様）が存在する。そのうち、板波の一種であるラム波のＡ０モードでは、振幅と板厚が反比例することが知られている。つまり、照射部分の板厚が薄いとラム波Ａ０モードの振幅が大きくなる。試料の損傷部分は他の部分よりも板厚が薄くなっているから、損傷部分にレーザー光を照射すると、損傷のない部分にレーザー光を照射した場合と比較して、ラム波Ａ０モードの振幅が大きくなる。そこで、特許文献１では、試料上の照射部分を移動走査し、各照射部分から伝搬する超音波を測定している。さらに、測定結果に基づいて試料の損傷部分の有無を検査するとともに、損傷部分の位置を特定している。
【０００５】
特許文献１では、弾性波を測定するセンサとして、試料に受信面を接触させる接触型センサが使用されている。さらに、特許文献１では、損傷部分を明確にするため、接触型センサを複数個使用している。センサが取得する信号には、設置場所に依存するノイズが含まれることが知られている。各センサが取得した信号を重ね合せ処理することで、設置場所に依存するノイズが低減され、損傷部分が明確に判別できるようになる。
【０００６】
また、非特許文献１では、受信面を試料から離間させた非接触型のセンサが使用されている。非特許文献１では、図１０に示すように、試料１０４の表面とセンサ１０２の指向軸Ｄとの成す角θをラム波Ａ０モードの臨界角付近に設定し、センサ１０２の受信感度を高めている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−４３４１６号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】卜部、「レーザー励起／空中受信を用いた非接触超音波伝搬映像化による金属の探傷」、第１８回超音波による非破壊評価シンポジウム講演論文集、社団法人日本非破壊検査協会、平成２３年１月２７日、ｐ．１−７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、センサ１０２の指向軸Ｄを試料１０４の表面に対して傾斜させた場合、指向軸Ｄに沿って（指向角＝０°で）入射する超音波の受信感度が向上する反面、指向角が０°から離れた角度で入射する超音波の受信感度は低下する。そうなると、図１０に示すように、指向角＝０°でセンサ１０２に入射する、伝搬経路Ｌ１上の超音波の受信感度は高くなる。一方、指向角＝０°の位置から外れた角度からセンサ１０２に入射する、伝搬経路Ｌ２、Ｌ３上の超音波の受信感度は著しく低くなる。
【００１０】
このように指向性の高いセンサ１０２を複数用いて、これらの信号を重ね合わせ処理すると、いずれかのセンサ１０２が捉えた損傷データが消えてしまうおそれがある。
【００１１】
図１１には、３つのセンサ１０２Ａ〜１０２Ｃが示されている。いずれのセンサも、指向軸Ｄを試料１０４の表面に対して傾斜させている。それぞれのセンサ１０２Ａ〜１０２Ｃでは、指向軸Ｄ付近の超音波信号の受信感度が高く、指向軸Ｄから離れるに従って受信感度が低くなる。その結果、それぞれのセンサが取得した信号値を画像化すると、指向軸Ｄに沿った領域の画像の信号値が高く、指向軸Ｄから離れた領域の信号値は低くなる。図１１では、信号値の高い領域を白で表し、信号値の低い領域を黒で表している。
【００１２】
これらのセンサ１０２Ａ〜１０２Ｃの画像を重ね合わせると、それぞれの指向軸Ｄが重なる部分は鮮明化し、重ならない領域は不鮮明となる。そうなると、図１２に示すように、個々のセンサ１０２Ａ〜１０２Ｃのいずれかにて損傷部分１０６の画像を捉えられていても、重ね合わせの過程で損傷部分１０６が不鮮明になる、または消えてしまうおそれがあった。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明のひとつの態様は、超音波検査装置に関する。当該検査装置は、超音波を試料に励起させる励起部と、前記超音波を励起させる前記試料の励起位置を移動させる移動部と、を備える。さらに、前記試料の表面から離間するとともに、前記表面に対して指向軸が垂直となるように配置される、前記試料から伝搬される超音波を受信する複数の受信器と、それぞれの前記受信器が受信した同一の励起位置から伝搬した超音波信号を重ね合わせる演算部と、を備える。
【００１４】
また、上記発明において、前記複数の受信器が受信可能な超音波の中心周波数は２０ｋＨｚ以上１００ｋＨｚ以下であることが好適である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、複数の受信器から取得したデータを重ね合わせる過程で、損傷画像が不鮮明になることを抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施形態に係る超音波検査装置を例示する斜視図である。
【図２】受信器を例示する側面断面図である。
【図３】受信器の指向性について説明する平面図である。
【図４】受信機の指向性について説明する図である。
【図５】超音波信号の波形を例示する図である。
【図６】ラム波のモードについて説明する図である。
【図７】本実施形態に係る超音波検査装置による実施例を説明する図である。
【図８】本実施形態に係る超音波検査装置による実施例を説明する図である。
【図９】本実施形態に係る超音波検査装置による実施例を説明する図である。
【図１０】従来の超音波検査装置を例示する斜視図である。
【図１１】従来の超音波検査装置を例示する平面図である。
【図１２】従来の超音波検査装置の演算処理を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１に、本実施形態に係る超音波検査装置を例示する。超音波検査装置１０は、励起部１２、移動部１４、受信器１６及び演算部１８を備える。なお、図１においては、試料２０の幅方向をＸ軸方向とし、試料２０の奥行き方向をＹ軸方向とし、試料２０の厚さ方向をＺ軸方向とする。
【００１８】
励起部１２は、試料２０に超音波を励起させる。例えば、励起部１２は、試料にレーザー光を照射するレーザー光源であってよい。この場合、試料２０に対して連続的に弾性波を励起させるために、励起部１２は、レーザー光を断続的に試料２０に照射可能であることが好適である。例えば、励起部１２は、超音波帯域となる２０ｋＨｚ以上の弾性波を励起させることの可能な、パルスレーザー光源であってよい。
【００１９】
移動部１４は、超音波を励起させる試料２０の励起位置２２を移動させることの可能な移動手段である。例えば、移動部１４は、試料２０へのレーザー光の照射位置を移動走査するガルバノミラー装置であってよい。ガルバノミラー装置は、レーザー光を試料２０のＸ軸方向に走査させるＸ軸ミラー２４及びＸ軸モータ２６を備えている。また、レーザー光を試料２０のＹ軸方向に走査させるＹ軸ミラー２８及びＹ軸モータ３０を備えている。
【００２０】
受信器１６は、試料２０から伝搬した超音波を受信可能な受信手段である。また、後述するように、試料２０の損傷部分を鮮明化するために、受信器１６は複数個設けられている。例えば図１では、８個の受信器１６ａ〜１６ｈが設けられている。
【００２１】
受信器１６は、例えば、超音波センサであってよい。また、受信器１６が受信可能な超音波の周波数は、空気中における減衰率の低い周波数であることが好適である。例えば、受信器１６の受信可能な超音波の中心周波数は、２０ｋＨＺ以上１００ｋＨｚ以下であることが好適である。したがって、受信器１６は、いわゆる低周波帯域用の超音波センサであることが好適である。
【００２２】
図２には、受信器１６の例として、共振コーン型の超音波センサが示されている。この超音波センサは、共振コーン３２、金属板３４、圧電セラミックス３６、電極端子３８及びケース４０を備えている。ケース４０の受信面４１には開口４２が設けられ、この開口４２から超音波が共振コーン３２に伝搬する。共振コーン３２は伝搬された超音波によって振動する振動体である。例えば、共振コーン３２の共振周波数は２５ｋＨｚとなるように形成されている。共振コーン３２の振動が金属板３４を介して圧電セラミックス３６に伝わる。圧電セラミックス３６は振動に応じた電圧を出力する。このようにして空気中を伝搬する超音波が電気信号に変換される。
【００２３】
また、試料２０との接触による汚染や損傷を防ぐために、受信器１６は、試料２０に対して非接触であることが好適である。また、試料２０と受信器１６との離間距離は、試料２０から伝搬する超音波の強度に応じて定めることが好適である。例えば、試料２０の表面と受信器１６の受信面４１との離間距離ｈは、５ｍｍ以上５０ｍｍ以下であることが好適である。
【００２４】
さらに、受信器１６は、指向性の低い状態で試料２０に対向させることが好適である。例えば、受信器１６の指向軸Ｄが試料２０の表面に対して垂直になるように、受信器１６を試料２０に対して配置することが好適である。ここで、指向軸Ｄとは、受信器１６の指向特性において、指向角＝０°を通る軸を指している。また、ここで垂直とは、試料２０の表面と指向軸の成す角度が９０°である場合のみに限られず、試料２０の検査精度に応じて９０°周辺の角度も含み得る。例えば、試料２０の表面と指向軸Ｄの成す角度は８５°以上９５°以下であってよい。
【００２５】
また、図１に示すように、受信器１６を保持するホルダ４３を設けてもよい。ホルダ４３はＺ軸方向に移動可能であって、試料２０に対する受信器１６の離間距離ｈを変更可能となっている。また、ホルダ４３に角度調節機能を持たせて、試料２０の表面に対する受信器１６の指向軸Ｄの角度を調節可能としてもよい。
【００２６】
図３、４には、受信器１６を試料２０に対して傾斜させた場合と、受信器１６を試料２０に対して垂直にした場合との、指向性の差異が示されている。図３上段は、試料２０の表面に対して受信器１６の指向軸Ｄを傾斜させた様子が示されている。また、図３下段は、試料２０の表面に対して受信器１６の指向軸Ｄを垂直にさせた様子が示されている。このそれぞれの場合において、さまざまな角度から超音波を受信器１６に入射させる。図３では、受信器１６を中心とした半円の軌跡上にレーザー光を順次照射する。ここで、この半円の軌跡において、受信器１６を傾斜させた場合の、指向軸Ｄに沿った軸を０°と定めている。図３では、−９０°から９０°までの範囲でレーザー光を走査させる。
【００２７】
図４に、各受信器１６の受信結果を示す。図４のグラフでは、受信器１６が受信する超音波の中心周波数が４０ｋＨｚであるときの信号値を表している。また、横軸は図３の角度に対応する。また、縦軸は受信信号の強度を表し、超音波の振幅に相当する。また、グラフ上の太い実線は、指向軸Ｄを試料２０の表面に対して傾斜させた受信器１６による受信結果を表している。また、細い実線は、指向軸Ｄを試料２０の表面に対して垂直にさせた受信器１６による受信結果を表している。さらに、破線はノイズレベルを表しており、例えば、このノイズレベル以下の信号値は以降の演算処理には使用されずに除去される。
【００２８】
指向軸Ｄを傾斜させた状態での受信結果を参照すると、角度０°を中心にして信号値が漸次低減している。一方で、指向軸Ｄを垂直にした状態での受信結果を参照すると、角度による信号値の偏りは見られない。このように、指向軸Ｄを試料２０の表面に対して垂直にすることで、受信器１６の指向性が緩和され、受信器１６は全方位的に偏りなく超音波を受信することが可能となる。
【００２９】
図１に戻り、演算部１８は、受信器１６が受信した超音波信号を受信するとともに、当該信号を演算処理して試料２０の画像データを作成する。演算部１８は、受信器１６の超音波信号を演算処理可能な機器であればよく、例えば、ＣＰＵ等の演算回路を備えたコンピュータであってよい。
【００３０】
図５には、演算部１８が受信した超音波信号の波形が例示されている。実線は試料２０の損傷箇所を励起位置としたときの超音波信号を表し、破線は損傷のない箇所を励起位置としたときの超音波信号を表している。演算部１８は、これらの信号から最大振幅を抽出する。図５に示されているように、損傷箇所を励起位置としたときの超音波信号の最大振幅Ｉ1は、損傷のない箇所を励起位置としたときの超音波信号の最大振幅Ｉ2よりも大きい値となる。このように、最大振幅を比較することで、試料２０の損傷箇所の有無及び、損傷箇所の特定をすることができる。
【００３１】
また、演算部１８は、試料２０の励起位置を移動させるために、移動部１４の動作を制御可能であってよい。具体的には、試料２０の所望の位置にレーザー光を照射させるために、ガルバノミラー装置のＸ軸モータ２６及びＹ軸モータ３０に駆動信号を送信する。演算部１８は、試料２０上の励起位置（照射位置）の座標と、当該励起位置から伝搬した超音波信号とを関連付けて記憶する。例えば、励起位置の座標（Ｘi，Ｙi）から伝搬した超音波信号の最大振幅を抽出して、振幅値Ｉ（Ｘi，Ｙi）として図示しない記憶部に記憶する。
【００３２】
また、演算部１８は、それぞれの受信器１６ａ〜１６ｈが受信した、同一の励起位置から伝搬した超音波信号を重ね合わせる重ね合わせ処理を行う。例えば、受信器１６ａが受信した、座標（Ｘi，Ｙi）の最大振幅値をＩA（Ｘi，Ｙi）と表すと、演算部１８は、受信器１６ａ〜１６ｈが受信した、ＩA（Ｘi，Ｙi）からＩH（Ｘi，Ｙi）の値の和または積を算出する。
【００３３】
さらに演算部１８は、重ねあわせ処理後の最大振幅値を座標に沿って配列させることにより、二次元画像を生成する。この二次元画像は、レーザー光が照射された試料２０の表面画像に相当する。上述したように、試料２０の損傷部分から伝搬した超音波信号の振幅は、損傷していない部分からの超音波信号の振幅よりも大きい値となる。したがって、二次元画像においては損傷部分がハイライトされた、または損傷部分が他の箇所よりも暗くなるような画像が得られる。
【００３４】
なお、受信器１６から演算部１８に至る信号経路上に、超音波信号の増幅器やノイズフィルタ等を設けてもよい。図１には、受信器１６と演算部１８とを繋ぐ信号経路上に、アンプ５０、バンドパスフィルタ５２及びＡ／Ｄボード５４を設けている。
【００３５】
アンプ５０は、受信器１６から送られた超音波信号を増幅する。また、バンドパスフィルタ５２は、超音波信号から所望の周波数帯のみを抽出する。例えば、バンドパスフィルタ５２が抽出する周波数帯を、２０ｋＨｚ以上１００ｋＨｚ以下の周波数帯としてもよい。Ａ／Ｄボード５４は、受信器１６から送られたアナログ信号をデジタル信号に変換する。
【００３６】
なお、受信器１６から所望のモードの超音波信号を取得するために、演算部１８は超音波の伝搬速度に基づいたフィルタリングを行ってもよい。図６には、アルミニウム平板からなる試料２０にて励起される超音波のうち、ラム波成分の周波数帯域と伝搬速度が示されている。図６のグラフの横軸は、周波数に試料２０の板厚を掛けた値（ｆｄ値）を表している。また、縦軸は、モードごとの伝搬速度（群速度）を表している。また、１ｆｄ[ＭＨｚ・ｍｍ]上のガウス分布状の山は、入射光のスペクトルを表している。
【００３７】
ラム波のモードには、Ａ０、Ｓ０、Ａ１、Ｓ１の各モードが存在することが知られている。このうち、試料２０の板厚と振幅とが反比例の関係にあるのはＡ０モードのラム波である。したがって、Ａ０、Ｓ０、Ａ１、Ｓ１の各モードが重畳した状態からＡ０モードのラム波のみを抽出することが好適である。
【００３８】
Ａ０、Ｓ０とＡ１、Ｓ１とは周波数帯が重複しない領域が存在することから、上述したバンドパスフィルタ５２によってＡ１及びＳ１を除去することができる。さらに、Ｓ０モードはＡ０モードよりも群速度が速いことから、受信器１６が受信した波形のうち、Ａ０モードに先行するＳ０モードの超音波信号を除去することにより、Ａ０モードの信号を取り出すことが可能となる。具体的には、レーザー光の出力から所定時間後の超音波信号を取り出す取り出し開始時間を定めてもよい。また、超音波の励起後、暫く時間が経過すると、試料２０内で超音波信号が反射して振幅が変動するおそれがあるので、超音波信号の取り出し終了時間を定めてもよい。
【実施例１】
【００３９】
励起部１２として、波長１０５３ｎｍ、２ｍＪ／ｐｕｌｓｅ＠１ｋＨｚのＮｄ−ＹＬＦパルスレーザーを用いた。また、レーザー光の照射位置の移動ステップは０．５ｍｍとした。また、図７に示すように、受信器１６として、受信中心周波数が４０ｋＨｚの開放型空中超音波探触子を８個用いた。各受信器１６ａ〜１６ｈは、試料２０の外周に沿って配置した。受信器１６の受信面と試料２０の表面（レーザー光が照射される面）との間隔ｈは５ｍｍとした。また、試料２０として、幅（Ｘ軸方向）２００ｍｍ、奥行き（Ｙ軸方向）３００ｍｍ、板厚（Ｚ軸方向）１ｍｍのアルミニウム平板を用いた。さらに、この試料２０の裏面（表面に対向する面）に、損傷部を形成した。損傷部は、直線状損傷部６０、ジグザグ状損傷部６２及びＴ字型損傷部６４とした。いずれも、損傷の溝深さは０．３ｍｍとした。
【００４０】
図８上段に、各受信器１６ａ〜１６ｈが受信したそれぞれの超音波信号の二次元画像を示す。さらに、図８下段に、各受信器１６ａ〜１６ｈが受信した超音波信号を重ね合わせた二次元画像を示す。各受信器１６ａ〜１６ｈのそれぞれの画像では不鮮明であった損傷部が、重ね合わせによって、直線状損傷部６０、ジグザグ状損傷部６２及びＴ字型損傷部６４のいずれも鮮明に表れることが示されている。
【００４１】
また、図９には、パルスレーザーの繰り返し周波数を変更させたときの重ね合わせ画像が示されている。図９に示されているように、繰り返し周波数が高くなるほど、損傷部の画像が不鮮明になる。これは、前のレーザー光照射による残響が十分に減衰しないうちに次の照射が行われたことが原因と考えられる。図９の結果から、パルスレーザーの繰り返し周波数は、１ｋＨｚ以下であることが好適である。また、繰り返し周波数が過度に低いと走査時間が長くなることから、２０Ｈｚ以上であることが好適である。
【符号の説明】
【００４２】
１０ 超音波検査装置、１２ 励起部、１４ 移動部、１６ 受信器、１８ 演算部、２０ 試料、２２ 励起位置、２４ Ｘ軸ミラー、２６ Ｘ軸モータ、２８ Ｙ軸ミラー、３０ Ｙ軸モータ、３２ 共振コーン、３４ 金属板、３６ 圧電セラミックス、３８ 電極端子、４０ ケース、４１ 受信面、４２ 開口、４３ ホルダ、５０ アンプ、５２ バンドパスフィルタ、５４ Ａ／Ｄボード、６０ 直線状損傷部、６２ ジグザグ状損傷部、６４ Ｔ字型損傷部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を試料に励起させる励起部と、
前記超音波を励起させる前記試料の励起位置を移動させる移動部と、
前記試料の表面から離間するとともに、前記表面に対して指向軸が垂直となるように配置される、前記試料から伝搬される超音波を受信する複数の受信器と、
それぞれの前記受信器が受信した同一の励起位置から伝搬した超音波信号を重ね合わせる演算部と、
を備えることを特徴とする、超音波検査装置。
【請求項２】
請求項１記載の超音波検査装置であって、
前記複数の受信器が受信可能な超音波の中心周波数は２０ｋＨｚ以上１００ｋＨｚ以下であることを特徴とする、超音波検査装置。
【請求項１】
超音波を試料に励起させる励起部と、
前記超音波を励起させる前記試料の励起位置を移動させる移動部と、
前記試料の表面から離間するとともに、前記表面に対して指向軸が垂直となるように配置される、前記試料から伝搬される超音波を受信する複数の受信器と、
それぞれの前記受信器が受信した同一の励起位置から伝搬した超音波信号を重ね合わせる演算部と、
を備えることを特徴とする、超音波検査装置。
【請求項２】
請求項１記載の超音波検査装置であって、
前記複数の受信器が受信可能な超音波の中心周波数は２０ｋＨｚ以上１００ｋＨｚ以下であ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１０】
【図１１】
【図１２】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−１０８９２０（Ｐ２０１３−１０８９２０Ａ）
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５５９３７（Ｐ２０１１−２５５９３７）
【出願日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【Ｆターム（参考）】
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