(57)【要約】【目的】  超音波を用いて被測定対象物表面及び皮膜/基材界面などに存在するはく離部を非破壊的に検出し画像化する超音波診断装置を提供する。【解決手段】  超音波信号発生部２により発生させた信号を超音波信号増幅部３で増幅後、超音波送信探触子４及び超音波送受一体化探触子６から被測定物３０に入射し、表面垂直反射波を探触子６で受信すると共に表面層を伝搬した表面波を超音波受信探触子５で受信し、受信増幅部８、波形記憶部１０に収録し、表面垂直反射波に対する表面伝搬波形の時間差を波形処理部１２で計算し、パーソナルコンピュータ９に内臓されたガイド波速度分散曲線計算ソフトウエア１１によるガイド波分散曲線と対比し、予め定めたしきい値の範囲から外れる伝搬時間差をカラー色調に替えて画像表示部１３により、表示することにより、皮膜・基材界面のはく離部と健全部を区別する。【選択図】        図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波信号発生部と、該発生部で発生させた電気信号を電気的に増幅し超音波送信部に印加する超音波信号増幅部と、該増幅部で増幅した電気信号を被測定物に入射して表面波及び表面垂直反射波をそれぞれ励起する超音波送信部と、前記被測定物の表面近傍を伝搬した表面波波動及び表面垂直反射波をそれぞれ検出する超音波受信部と、該超音波受信部で受信した受信信号を増幅する受信増幅部と、該受信増幅部で増幅した信号をデジタル変換しデジタル収録する波形記憶部と、パーソナルコンピュータ内に内蔵された走査機構駆動信号発生部からの出力信号に基づき前記超音波送信部及び前記超音波受信部の両者を被測定物に対して相対的に移動させる走査機構と、該パーソナルコンピュータ内に内蔵された波形処理部及び画像表示部並びにガイド波速度分散曲線計算ソフトウエアと、を備え、
前記パーソナルコンピュータからの指令に基づいて前記超音波信号発生部で発生させた電気信号を前記超音波信号増幅部で増幅し、その増幅した電気信号により前記超音波送信部を励起して表面波及び表面垂直反射波を被測定物に入射し、該被測定物の表面近傍を伝搬した表面波波動及び表面垂直反射波を前記超音波受信部によりそれぞれ受信し、その受信信号を前記受信増幅部でそれぞれ増幅した後、高速Ａ／Ｄ変換ボードでデジタル変換し、そのデジタル波形を前記デジタル波形記憶部に収録し、その収録された波形から表面垂直反射波到着時間と表面波伝搬時間との差を前記波形処理部によって計算し、その差が前記ガイド波速度分散曲線計算ソフトウエアを用いて理論表面波速度又はガイド波速度から予め計算される伝搬時間のしきい値の範囲から外れる場合と外れない場合とで色彩を異ならせて前記画像表示部に表示し、それらを前記走査機構によって走査される走査位置ごとにカラーマッピングすることで被測定物の表面直下に存在するはく離部を高速で画像化することにより欠陥の有無を識別することを特徴とする超音波診断装置。
【請求項２】
前記超音波送信部は、平面超音波探触子、集束型超音波探触子、空気超音波探触子、アレイ超音波センサ、ＹＡＧレーザー、空気ジェット、あるいは超磁歪探触子のいずれかであることを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
【請求項３】
前記超音波受信部は、圧電性セラミックス素子、圧電性高分子素子、空気超音波探触子、アレイセンサ、あるいはレーザードップラー変位計のいずれかであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の超音波診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面層あるいは薄板状物体中を伝搬する超音波を用いて、非接触あるいは水を介して被測定対象物表面及び皮膜/基材界面及び重ね薄板界面に存在する欠陥及び隙間部を非破壊的に検出し画像化する診断装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
金属材料表面の塗膜、表面のメッキ層、耐熱プラズマ溶射セラミックスコーティング、プレス金型表面の耐摩耗性セラミックス蒸着膜、異種金属のクラッド板、木材合板などの被覆材料が産業において広範に用いられている。
【０００３】
それら皮膜の特性、形成された皮膜及び重ね板界面の健全性、密着度を評価するため、日本工業規格では各種引き剥がし、引っかき、スクラッチ試験法が規定されている (非特許文献１−４)。
【非特許文献１】JIS K5600-5-4  引っかき硬度(鉛筆法)について。
【非特許文献２】JIS K5600-5-5  塗料一般試験方法−第５部：塗膜の機械的性質−第５節：引っかき硬度（荷重針法）。
【非特許文献３】JIS H 8504  めっきの密着性試験方法 。
【非特許文献４】JIS K7312  熱硬化性ポリウレタンエラストマー成形物の物理試験方法。
【０００４】
しかし、上記の試験方法はいずれも皮膜を破壊する破壊的試験法であるので、プラント構成部材、製品、金型、工具には適用できない。
【０００５】
皮膜を破壊せずに、その特性あるいは健全性を評価するため、例えば超音波法（特許文献１）、渦電流法(特許文献２)、マイクロ波法(特許文献３)が出願されている。
【特許文献１】特開平６−１１８０６８号公報
【特許文献２】特開２００５−２０８０６１号公報
【特許文献３】特開２００７−３０３９５６号公報
【０００６】
しかし、特許文献１の方法は、超音波センサーを直接被測定面に押し当て、送信周波数を掃引して共振周波数を測定するため、面の凹凸状況、音響結合材の影響を受け易く、原理的にかなり大きな面積のはく離の検出しかできない。一方、非接触測定である特許文献２及び特許文献３の渦電流あるいはマイクロ波を用いる方法は、リフトオフ（被測定物表面とセンサー間距離）の影響を受けやすいので現場での測定が困難であるという問題点を有する。
【０００７】
さらに、上記の各方法では測定対象物が平面状である場合には適用できるが、円管表面あるいは円筒内面のような曲率を持つ面については、リフトオフの影響により測定結果の変動が大きくなるという問題点を有する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑み、金属材料表面の塗膜、表面のメッキ層、プラズマ溶射セラミックスコーティング、プレス金型表面の耐摩耗性セラミックス蒸着膜、異種金属のクラッド板、木材合板などの皮膜と基材界面の健全性を、空気伝搬超音波法あるいは水浸超音波法を用いて評価することのできる超音波診断装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明が採用した解決手段は、超音波信号発生部と、該発生部で発生させた電気信号を電気的に増幅し超音波送信部に印加する超音波信号増幅部と、該増幅部で増幅した電気信号を被測定物に入射して表面波及び表面垂直反射波をそれぞれ励起する超音波送信部と、前記被測定物の表面近傍を伝搬した表面波波動及び表面垂直反射波をそれぞれ検出する超音波受信部と、該超音波受信部で受信した受信信号を増幅する受信増幅部と、該受信増幅部で増幅した信号をデジタル変換しデジタル収録する波形記憶部と、パーソナルコンピュータ内に内蔵された走査機構駆動信号発生部からの出力信号に基づき前記超音波送信部及び前記超音波受信部の両者を被測定物に対して相対的に移動させる走査機構と、該パーソナルコンピュータ内に内蔵された波形処理部及び画像表示部並びにガイド波速度分散曲線計算ソフトウエアと、を備え、前記パーソナルコンピュータからの指令に基づいて前記超音波信号発生部で発生させた電気信号を前記超音波信号増幅部で増幅し、その増幅した電気信号により前記超音波送信部を励起して表面波及び表面垂直反射波を被測定物に入射し、該被測定物の表面近傍を伝搬した表面波波動及び表面垂直反射波を前記超音波受信部によりそれぞれ受信し、その受信信号を前記受信増幅部でそれぞれ増幅した後、高速Ａ／Ｄ変換ボードでデジタル変換し、そのデジタル波形を前記デジタル波形記憶部に収録し、その収録された波形から表面垂直反射波到着時間と表面波伝搬時間との差を前記波形処理部によって計算し、その差が前記ガイド波速度分散曲線計算ソフトウエアを用いて理論表面波速度又はガイド波速度から予め計算される伝搬時間のしきい値の範囲から外れる場合と外れない場合とで色彩を異ならせて前記画像表示部に表示し、それらを前記走査機構によって走査される走査位置ごとにカラーマッピングすることで被測定物の表面直下に存在するはく離部を高速で画像化することにより欠陥の有無を識別することを特徴とする。
【００１０】
前記超音波送信部は、平面超音波探触子、集束型超音波探触子、空気超音波探触子、アレイ超音波センサ、ＹＡＧレーザー、空気ジェット、あるいは超磁歪探触子のいずれかを選択することにより、各種被膜／基材の組合わせの診断に対応できる。
【００１１】
前記超音波受信部として、圧電性セラミックス素子、圧電性高分子素子、空気超音波探触子、アレイセンサあるいはレーザードップラー変位計のいずれかを選択することにより、各種被膜／基材の組み合わせの診断に対応できる。
【００１２】
前記走査機構は、一次元、二次元、円筒内面、円筒内外面、円錐台内外面、に沿って移動できるので、それら各種形状の被膜／基材の組み合わせの診断に対応できる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明により、空気超音波探触子、水浸表面波探触子などを用いて被測定物から数十mm離れて超音波を送受信し、被膜と基材界面におけるはく離部を非破壊的に検出し画像化する手段が確立された。
【００１４】
厚さ数ミクロンの蒸着コーティング膜に対しては、周波数数十ＭＨｚの水浸表面波探触子を用いて、被膜と基材界面の健全性を非破壊的に評価できる。
【００１５】
厚さ数十ミクロンのめっき層、塗膜については、周波数数ＭＨｚの水浸表面波探触子あるいは空気超音波探触子を用いて、被膜と基材界面の健全性を非破壊的に評価できる。
【００１６】
厚さ数百ミクロンの溶射セラミックスコーティング、厚さｍｍ台の樹脂ライニング、クラッド板に対しては、周波数数十ないし数百ｋＨｚの空気超音波探触子を用いて被膜と基材界面の健全性を非破壊的に評価できる。
【００１７】
周波数数百ｋＨｚ空気超音波を用いるときには、被測定物表面に０．１ｍｍ台の凹凸があってもそのまま超音波の送受ができるので、従来の超音波探傷法のように超音波入射面をグラインダー等で平滑にする必要が無い。
【００１８】
空気超音波探触子を用いると、接触式あるいは水浸超音波法では測定できない、水中音速より遅く空中音速より早い伝搬速度を持つＣＦＲＰ、 プラスチック材料、木材等の表面波あるいはガイド波を励起することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明を用いて内部欠陥を非接触で検出するための最良の形態を実施例に基づき、図面を参照して以下に説明する。
【００２０】
図４は、空気超音波探触子を用いた空気超音波診断装置を説明する図である。空気超音波診断装置１は、表面波空気超音波送信探触子４及び表面波空気超音波受信探触子５及び表面垂直反射波を送受信するための表面垂直反射波空気超音波送受一体化探触子６と、それらに電気信号を送る超音波信号発生部２、その信号を増幅する超音波信号増幅部３と、空気超音波探触子４〜６を被測定物３０に対して相対的に移動しながら位置決めを行う超音波探触子走査機構７と、空気超音波受信探触子５，６で受信した信号を増幅する受信増幅部８と、パーソナルコンピュータ９内に内蔵される、超音波探触子走査機構７を駆動させるための信号を発生させる走査機構駆動信号発生部１４、増幅されたアナログ信号をデジタル信号に変換する高速Ａ／Ｄ変換ボードを用いて波形を記憶する波形記憶部１０、ガイド波速度分散曲線計算ソフトウエア１１、及び波形処理部１２並びに画像表示部１３を備えて構成されている。
【００２１】
図５は、水浸表面波探触子を用いた水浸超音波診断装置を説明する図である。水浸超音波診断装置１Ａは、被測定物３０と共に水槽５０内に浸漬されて表面波超音波送信探触子と表面波超音波受信探触子及び表面垂直反射波送受機能を一体化した水浸表面波探触子４０と、それに電気信号を送る超音波信号発生部２、その信号を増幅する超音波信号増幅部３と、水浸表面波探触子４０を被測定物３０に対して相対的に移動しながら位置決めを行う超音波探触子走査機構７と、水浸表面波探触子４０で受信した信号を増幅する受信増幅部８、パーソナルコンピュータ９内に内蔵される、超音波探触子走査機構７を駆動させるための信号を発生させる走査機構駆動信号発生部１４、増幅されたアナログ信号をデジタル信号に変換する高速Ａ／Ｄ変換ボードを用いて波形を記憶する波形記憶部１０、ガイド波速度分散曲線計算ソフトウエア１１、及び波形処理部１２並びに画像表示部１３を備えて構成されている。
【００２２】
図５の水浸超音波診断装置１Ａでは、図３に示す水浸表面波探触子４０を用いるので、被測定物３０に垂直な縦波反射波は自動的に励起・受信される。したがって図４のような３個の探触子を必要としない。なお、超音波送信探触子として、平面超音波探触子、集束型超音波探触子、空気超音波探触子、アレイ超音波センサ、ＹＡＧレーザー、空気ジェット、あるいは超磁歪探触子のいずれかを選択することができ、また、超音波受信探触子として、圧電性セラミックス素子、圧電性高分子素子、空気超音波探触子、アレイセンサ、あるいはレーザードップラー変位計のいずれかを選択することができる。
【００２３】
ところで、図４及び図５に示す超音波診断装置において、パーソナルコンピュータ９に内蔵されたガイド波速度分散曲線計算ソフトウエア１１により、皮膜及び基材の物性値と板厚（健全な場合）又は膜厚（はく離部がある場合）を入力すると、図１に示すような周波数×板厚／膜厚の関数として各種モードのガイド波速度分散曲線が表示される。
【００２４】
図２（Ａ）に示すように、被測定物３０における皮膜３２と基材３１が健全に接合されているとき、被測定物３０の板厚を伝搬する表面波速度が図１の各曲線の漸近値（図１中の右端四角囲み枠Ｗ１内）で与えられる。
【００２５】
図２（Ｂ）に示すように、被測定物３０における皮膜３２と基材３１との間にはく離部３３が存在している場合には、はく離部膜厚は健全に結合されている場合の被測定物３０の厚さの数十分の1以下であるので、周波数×膜厚の値が小さくなり、図1の左端四角囲み枠Ｗ２内に示すように、面内伸縮を伴う高速のＳ0モードと曲げ変形を伴う低速のＡ0モードの波がはく離した膜厚内を伝搬する。
【００２６】
はく離部３３を伝搬する上記Ａ0モードあるいはＳ0モードのガイド波のいずれが図２（Ｂ）の測定状態で測定されるかは、皮膜の物性、厚さ及びはく離部の輪郭によって規定される振幅に依存する。
【００２７】
図２（Ａ）に示すはく離のない場合の表面波の伝搬時間は、はく離の有無に依存しない空中伝搬時間、健全部を表面波速度で伝搬する時間の和である。一方はく離部を含む図２（Ｂ）に示す表面波／ガイド波の伝搬時間は、はく離の有無に依存しない空中伝搬時間、健全部を表面波速度（ＶR）で伝搬する時間、はく離部を上記Ｓ0あるいはＡ0モードの速度（ＶG）で伝搬する時間の和である。
【００２８】
上記両者の伝搬時間の差は次式で表される。
式(１)・・ｔ＝（Ｌ−ｄ）／ＶR＋ｄ／ＶG 
【００２９】
例えば、長さ「ｄ」のはく離部３３が表面波／ガイド波の伝搬距離Ｌの１／２であり、図１に示すように、Ｓ0モードの速度ＶG（５４００ｍ／ｓ）が表面波速度ＶR（３０００ｍ／ｓ）の１．８倍であるとき、図２（Ａ）の健全部伝搬時間に対する図２(Ｂ)のはく離部３３を含む伝搬時間の比は約０．７８（７８％）となる。現在のデジタル波形処理装置を用いれば１％程度の伝搬時間差は容易に計算できる。
【００３０】
式(１)においては、図２に示すように超音波送信は１本の線として仮定しているが、数百ｋＨｚの空気超音波探触子を用いる場合、たとえば鋼の表面波波長は7ｍｍ程度となるので、効率的に表面波を励起するためそれ以上の開口を持つ超音波探触子を使用する。このため式（１）の距離Ｌを測定前に正確に評価することは困難である。
【００３１】
そこで、この問題を回避するため、表面垂直反射波を受信する探触子６を設け、表面垂直反射波に対する表面波／ガイド波受信時間の差（図６のｔ０又はｔ１）を測定し、それらを走査位置ごとに、測定した差が図１に示す「速度しきい値」から計算される「時間しきい値」の範囲内と範囲外とで異なる色彩でカラーマッピングすることにより、図６に示すような相対伝搬速度差画像（はく離領域画像６０）を求める。なお、図１に示す「速度しきい値」の範囲は、測定誤差等を考慮して健全部の表面波速度（ＶR）の±１０％程度の範囲として設定される。
【００３２】
この手法は、図２(Ａ）及び（Ｂ）における中央の表面垂直反射波空気超音波送受信一体化探触子６で受信される表面垂直反射波の時間は、表面波測定用探触子４，５の空中伝搬時間、健全部を表面波速度で伝搬する時間の和と一定値だけ異なるので、後者（健全部を表面波速度で伝搬する時間）の代わりに用いることができる。
【００３３】
図４及び図５に示す超音波診断装置は、最適測定形態を示すものであるが、その簡易形態として、走査画像化を行わず、図６に示す表面垂直反射波（左波束）に対する表面波（右波束）の伝搬時間差があらかじめ設定した時間差の範囲を外れた場合にアラームを発生させる超音波診断装置であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】表面波及びガイド波速度分散を示す概念図である。
【図２】空気超音波探触子を用いた表面波／ガイド波測定の概念図である。
【図３】水浸表面波探触子を用いた表面波／ガイド波測定の概念図である。
【図４】実施形態に係る空気超音波探触子を用いた空気超音波診断装置の全体構成説明図である。
【図５】実施形態に係る水浸超音波探触子を用いた水浸超音波診断装置の全体構成説明図である。
【図６】伝搬時間差マップによるはく離領域画像の例である。
【符号の説明】
【００３５】
１  空気超音波診断装置
１Ａ  水浸超音波診断装置
２  超音波信号発生部
３  超音波信号増幅部
４  表面波空気超音波送信探触子
５  表面波空気超音波受信探触子
６  表面垂直反射波空気超音波送受一体化探触子
７  走査機構
８  受信増幅部
９  パーソナルコンピュータ
１０  波形記憶部
１１  ガイド波速度分散曲線計算ソフトウエア
１２  波形処理部
１３  画像表示部
１４  走査機構駆動信号発生部
３０  被測定物
３１  基材
３２  皮膜
３３  はく離部
４０  水浸表面波探触子
５０  水槽
６０  はく離領域画像
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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