(57)【要約】【課題】  本発明の目的は、複雑形状や複数回の反射を伴う検査対象に対するフェーズドアレイ法による超音波検査において、特定面上に存在する欠陥を起因とするエコーの識別を容易にし、特定面上の広範囲領域における欠陥有無の判別と欠陥位置を迅速に抽出できる超音波検査装置及び方法を提供することにある。【解決手段】  フェーズドアレイ法により３次元的に超音波ビームの走査を行う超音波検査装置において、検査対象の形状データを記憶する記憶装置と、超音波センサの位置及びレイトレース法による計算に適用する解析条件を入力する入力装置と、表示装置に設けられた欠陥想定面エコー分布画像表示部と、計算装置に設けられた、欠陥想定面選択部と、伝播経路算出部と、画像処理部と、形状エコー識別処理部を備えることを特徴とする超音波検査装置。【選択図】  図１
2014041068.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フェーズドアレイ法により３次元的に超音波ビームの走査を行う超音波検査装置において、
検査対象の形状データを記憶する記憶装置と、
超音波センサの位置及びレイトレース法による計算に適用する解析条件を入力する入力装置と、
表示装置に設けられた欠陥想定面エコー分布画像表示部と、
計算装置に設けられた、前記形状データに対し探傷を行う目標領域を含む欠陥想定面を選択する欠陥想定面選択部と、前記形状データに対し前記超音波センサにより超音波を送信した場合に得られるエコー及び超音波が前記欠陥想定面に到達する伝播経路をレイトレース法により求める伝播経路算出部と、前記計算により得られた前記欠陥想定面までの超音波伝播経路の送信方向と路程に基づきフェーズドアレイ法による超音波検査結果の３次元エコーデータから前記欠陥想定面上で反射したエコーを抽出し、前記欠陥想定面上でのエコー分布画像を表示する画像処理部と、前記欠陥想定面エコー分布画像表示部における画面上に現れる形状エコーを識別するための形状エコー識別処理部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に記載の超音波検査装置において、
レイトレース解析により、前記欠陥想定面エコー分布画像表示部に表示される前記形状エコーを識別し、前記欠陥想定面エコー分布画像表示部に表示される前記形状エコー以外のエコーを欠陥エコーであると自動的に判定し、前記欠陥エコーの有無とそのエコーに対応する欠陥の位置情報をオペレータに通知する欠陥判定部を備えることを特徴とする超音波検査装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２のいずれかに記載の超音波検査装置において、
前記欠陥想定面エコー分布画像表示部に表示された欠陥想定面上の任意方向を指し示す方向表示手段と、前記方向において前記検査対象の深さ方向へのセクタ走査を行った場合のエコーデータを前記３次元エコーデータから抽出し、セクタ走査画像を表示するセクタ走査画像表示部を備えることを特徴とした超音波検査装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超音波検査装置において、
前記欠陥想定面エコー分布画像表示部、または欠陥想定面選択画像表示部に表示された任意のエコーを選択することが出来るエコー選択手段と、前記エコー選択手段によって選択されたエコーと対応する超音波伝播経路をレイトレース解析により求め、前記形状データと重ね合わせて表示することを特徴とする超音波検査装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の超音波検査装置において、
前記入力装置の一つとして検査時の超音波センサ位置を計測するセンサ位置計測装置を備え、前記センサ位置計測装置の計測結果を前記超音波センサの位置情報として前記計算装置に入力することを特徴とする超音波検査装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の超音波検査装置において、
前記超音波ビームの音場を考慮したレイトレース解析により前記欠陥想定面上の各点に到達する前記超音波ビームの強度を求め、前記欠陥想定面エコー分布画像表示手段に前記エコー分布画像を表示する際のエコー強度を、前記欠陥想定面上の全ての点に同じ強度で前記超音波ビームが入射したと仮定した場合に得られる強度に補正する強度補正処理部を備えることを特徴とする超音波検査装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の超音波検査装置において、
前記欠陥想定面と前記センサ位置情報に基づき、レイトレース解析により前記超音波ビームが最も強く前記欠陥想定面に到達可能な超音波伝播経路と焦点深さを計算し、前記計算結果に従い２次元超音波センサに与える遅延時間パターンを自動設定する遅延時間設定部を備えることを特徴とする超音波検査装置。
【請求項８】
フェーズドアレイ法により３次元的に超音波ビームの走査を行う超音波検査方法において、
検査対象の形状データを記憶し、
前記形状データに対し探傷を行う目標領域を含む欠陥想定面を選択し、
前記形状データに対し超音波センサにより超音波を送信した場合に得られるエコー及び超音波が前記欠陥想定面に到達する伝播経路をレイトレース法により計算し、
前記計算により得られた前記欠陥想定面までの超音波伝播経路の送信方向と路程に基づきフェーズドアレイ法による超音波検査結果の３次元エコーデータから前記欠陥想定面上で反射したエコーを抽出し、
前記欠陥想定面上でのエコー分布画像を表示し、
前記エコー分布画像に現れる形状エコーを識別するための目印を表示することを特徴とする超音波検査方法。
【請求項９】
請求項８に記載の超音波検査方法において、
レイトレース解析により、前記エコー分布画像に表示される前記形状エコーを識別し、前記エコー分布画像に表示される前記形状エコー以外のエコーを欠陥エコーであると自動的に判定し、前記欠陥エコーの有無とそのエコーに対応する欠陥の位置情報をオペレータに通知することを特徴とする超音波検査方法。
【請求項１０】
請求項８又は請求項９のいずれかに記載の超音波検査方法において、
前記エコー分布画像に表示された欠陥想定面上の所定の方向を指定して、前記方向において前記検査対象の深さ方向へのセクタ走査を行った場合のエコーデータを前記３次元エコーデータから抽出し、セクタ走査画像を表示することを特徴とした超音波検査方法。
【請求項１１】
請求項８から請求項１０のいずれか１項に記載の超音波検査方法において、
表示された任意のエコーを選択し、前記選択されたエコーと対応する超音波伝播経路をレイトレース解析により求めて、前記超音波伝播経路を表示することを特徴とする超音波検査方法。
【請求項１２】
請求項８から請求項１１のいずれか１項に記載の超音波検査方法において、
前記超音波ビームの音場を考慮したレイトレース解析により前記欠陥想定面上の各点に到達する前記超音波ビームの強度を求め、前記欠陥想定面上の全ての点に同じ強度で前記超音波ビームが入射したと仮定した場合に得られる強度に補正することを特徴とする超音波検査方法。
【請求項１３】
請求項８から請求項１２のいずれか１項記載の超音波検査方法において、
前記欠陥想定面と前記センサ位置に基づき、レイトレース解析により前記超音波ビームが最も強く前記欠陥想定面に到達可能な超音波伝播経路と焦点深さを計算し、前記計算結果に従い２次元超音波センサに与える遅延時間パターンを自動設定することを特徴とする超音波検査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波検査方法及び装置に関わり、複数の振動子が配列されたアレイセンサによるフェーズドアレイ法を適用した超音波検査方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
各産業分野における機器や構造物の非破壊検査方法である超音波検査方法の一つとして、複数の振動子を１次元的または２次元的に配列したアレイセンサを用いたフェーズドアレイ法という方法がある。アレイセンサを構成する各振動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り、各振動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。
【０００３】
また、超音波の受信に際しても、各振動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。このフェーズドアレイ法としては、超音波の送信と受信方向を扇状に変化させるセクタ走査方式や、アレイセンサの振動子を直線的に走査するリニア走査方式が一般的に知られる。
【０００４】
セクタ走査は、１次元的に振動子を配列した超音波アレイセンサ上の一点を中心として、超音波の入射角度を変えながらセクタ走査線に沿って超音波を送受信し、各セクタ走査線上の反射信号（Ａスコープ）の振幅に応じて輝度変調された画像（セクタ走査画像）を表示する。
【０００５】
また、２次元的に振動子を配列した超音波アレイセンサ（２次元超音波アレイセンサ）を用いたフェーズドアレイ法では、超音波は３次元的に変化する走査線に沿って送受信され、各走査線上のＡスコープの振幅に応じて輝度変調された画像（３次元走査画像）を得ることができる。したがって、センサ位置を移動させなくても２次元または３次元の反射信号（エコー）を取得することが可能であり、一つの画面で検査対象の特徴形状部や欠陥等に対応した多くのエコーを表示することができる。
【０００６】
超音波検査では、検査対象の欠陥部に起因する欠陥エコーを、試験対称の角部などの特徴形状部に起因する形状エコーから選別し欠陥位置を特定する必要がある。検査対象が単純形状の場合は、欠陥エコーのほかに出現する形状エコー等が少ないため、セクタ走査によって面積を持った広い範囲を一度に検査することにより、短時間で確実に検査することができる。
【０００７】
一方、検査対象が複雑形状の場合や、超音波の複数回反射を伴う検査が必要な場合は検査対象の形状エコーが非常に多く出現する。前述の形状エコーは、超音波が検査対象内部を伝搬する際の反射波や屈折波だけではなく、反射や屈折時に縦波から横波，横波から縦波にモード変換するエコーも含まれる。したがって、特に複雑形状や複数回反射を伴う検査対象では、多くのエコーの中から欠陥エコーを抽出することは容易ではなかった。
【０００８】
従来のフェーズドアレイ法による超音波検査では、測定によるセクタ走査画像の取得後に、測定した画像に基づいて伝搬経路を推定し、欠陥エコーと形状エコーを識別していた。複雑形状の検査結果についてはさらに、解析により伝搬経路を確認したり、検査対象と同形状で欠陥のない参照用試験体に対しての検査結果と比較したりすることにより欠陥エコーを抽出していた。
【０００９】
フェーズドアレイ法による検査結果をシミュレーションにより摸擬してエコーの位置を識別しようとしたものには、例えば特許文献１がある。これは、検査対象の形状データに対してレイトレース法により高速に計算を行ない、フェーズドアレイ法によるセクタ走査画面を摸擬し、実際の探傷結果と重ねて表示することで、欠陥エコーの識別性の向上を図るものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１１−５３０４０号公報
【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、特許文献１の方法では、セクタ走査画像をレイトレース法により摸擬した画像から任意のエコーを手動で選択し、その伝播経路を形状データと重ねて表示することでエコーの反射源位置を確認する方法を取っており、検査体の特定面上に存在する欠陥に起因する欠陥エコーを抽出するためには、複数の形状エコーの出現位置を確認した後、その位置関係から特定面上の欠陥エコーの出現位置を推測する必要がある。このため、特に特定面上の広範囲領域を探傷する場合には、手間と時間を要するという問題がある。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、複雑形状や複数回の反射を伴う検査対象に対するフェーズドアレイ法による超音波検査において、特定面上に存在する欠陥を起因とするエコーの識別を容易にし、特定面上の広範囲領域における欠陥有無の判別と欠陥位置を迅速に抽出できる超音波検査装置及び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】
本発明は、フェーズドアレイ法により３次元的に超音波ビームの走査を行う超音波検査装置において、検査対象の形状データを記憶する記憶装置と、超音波センサの位置及びレイトレース法による計算に適用する解析条件を入力する入力装置と、表示装置に設けられた欠陥想定面エコー分布画像表示部と、計算装置に設けられた、前記形状データに対し探傷を行う目標領域を含む欠陥想定面を選択する欠陥想定面選択部と、前記形状データに対し前記超音波センサにより超音波を送信した場合に得られるエコー及び超音波が前記欠陥想定面に到達する伝播経路をレイトレース法により求める伝播経路算出部と、前記計算により得られた前記欠陥想定面までの超音波伝播経路の送信方向と路程に基づきフェーズドアレイ法による超音波検査結果の３次元エコーデータから前記欠陥想定面上で反射したエコーを抽出し、前記欠陥想定面上でのエコー分布画像を表示する画像処理部と、前記欠陥想定面エコー分布画像表示部における画面上に現れる形状エコーを識別するための形状エコー識別処理部を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、特定面上に存在する欠陥を起因とするエコーの識別を容易にし、特定面上の広範囲領域における欠陥の有無と位置を迅速に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施例１による超音波検査装置の全体構成を表す概略図である。
【図２（ａ）】本発明の実施例１による超音波検査装置における２次元超音波アレイセンサと、その走査方式の説明図である。
【図２（ｂ）】本発明の実施例１による超音波検査装置における比較例である１次元超音波アレイセンサと、その走査方式の説明図である。
【図２（ｃ）】本発明の実施例１による超音波検査装置における２次元超音波アレイセンサの走査方式の説明図である。
【図２（ｄ）】本発明の実施例１による超音波検査装置における２次元超音波アレイセンサの走査方式の説明図である。
【図３（ａ）】本発明の実施例１による超音波検査装置における２次元超音波アレイセンサの設置の様子とその走査範囲の一例を表す平面図である。
【図３（ｂ）】本発明の実施例１による超音波検査装置における２次元超音波アレイセンサの設置の様子とその走査範囲の一例を表す側面図である。
【図４】本発明の実施例１による超音波検査装置における表示装置の表示画面の一例を表す概略図である。
【図５】本発明の超音波検査装置の実施例１における検査手順を説明するためのフローチャートである。
【図６（ａ）】本発明の実施例２である超音波検査装置に用いられるセンサ走査装置構成を示す平面図である。
【図６（ｂ）】本発明の実施例２である超音波検査装置に用いられるセンサ走査装置構成を示す側面図である。
【図７】本発明の実施例２による超音波検査装置の全体構成を表す概略図である。
【図８】本発明の実施例２による超音波検査装置における検査手順を説明するためのフローチャートである。
【図９】本発明の実施例３による超音波検査装置における表示装置の表示画面の一例を表す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の実施例を、図面を用いて以下に説明する。
【実施例１】
【００１７】
本発明の好適な実施例１である超音波検査装置について、図面を参照しつつ説明する。
【００１８】
図１は、本発明の実施例１による超音波検査装置の全体構成を表す概略図である。図２（ａ）〜図２（ｄ）は、本発明の実施例１による超音波検査装置における２次元アレイセンサと、その走査方式の説明図である。図３（ａ）は、本発明の実施例１による超音波検査装置における２次元アレイセンサの設置の様子とその走査範囲の一例を表す平面図及び図３（ｂ）は、その側面図である。図４は、本発明の実施例１による超音波検査装置における表示装置の表示画面の一例を表す概略図である。
【００１９】
図１に示すように、超音波検査装置は検査対象１００に対してフェーズドアレイ法を用いて３次元的に広範囲を検査し、欠陥想定面１００ａ上に存在する、例えば欠陥αや欠陥βを検出することを目的とするものである。
【００２０】
この超音波検査装置は、２次元超音波アレイセンサ１０１と、超音波送受信装置１０２と、伝播経路の計算及び各種演算を行なう計算装置１０３と、検査対象の形状データを記憶するデータ記憶装置１０４と、２次元超音波アレイセンサ１０１の位置及び２次元超音波アレイセンサ１０１と検査対象１００の各種条件を入力する入力装置１０５と、形状データ及び探傷結果を表示する表示装置１０６を備えている。
【００２１】
超音波送受信装置１０２は、超音波を発振するパルサ１０２ａと、超音波を受信するレシーバ１０２ｂと、遅延時間制御部１０２ｃと、データ収録部１０２ｄと、計算装置１０３と入出力をやりとりする入出力制御部１０２ｅとからなっている。
【００２２】
計算装置１０３は、形状データの欠陥装想定面を選択する欠陥想定面選択部１０３ａと、欠陥想定面までの伝播経路を算出する伝播経路算出部１０３ｂと、２次元超音波アレイセンサ１０１に与える遅延時間を設定する遅延時間設定部１０３ｃと、表示装置の画像上に形状エコーを識別するための表示を与える形状エコー識別処理部１０３ｄと、各種データを画像に表示させるための画像処理部１０３ｅとからなっている。
【００２３】
欠陥想定面選択部１０３ａは、入力装置１０５からの入力情報に基づき欠陥が存在すると想定される欠陥想定面を選択する。選択の際には表示装置１０６の欠陥想定面選択画面表示部１０６ａに矢印等を表示することで、欠陥想定面を選択する。伝播経路算出部１０３ｂは、入力装置１０５によって入力された前記形状データに対し探傷を行う目標領域を含む欠陥想定面１００ａと、形状データから前記アレイセンサにより超音波を送信した場合に得られるエコー及び超音波が前記欠陥想定面１００ａに到達する伝播経路をレイトレース法により計算する。なお、伝播経路の計算にはレイトレース法の他に、有限要素法による計算を用いることも出来る。遅延時間設定部１０３ｃでは、伝播経路算出部１０３ｂで算出した経路を実検査で行なうための遅延時間を設定する。形状エコー識別処理部１０３ｄは、例えば、欠陥想定面エコー分布画像表示部１０６ｂ上の形状エコーと識別されたエコー位置に目印となるマーカーを重ねて表示する。画像処理部１０３ｅは、各種画像の処理を行う。例えば、前記計算により得られた前記欠陥想定面までの超音波伝播経路の送信方向と路程に基づきフェーズドアレイ法による超音波検査結果の３次元エコーデータから前記欠陥想定面上で反射したエコーを抽出し、前記欠陥想定面上でのエコー分布画像を欠陥想定面エコー分布画像表示部１０６ｂに表示させるための処理を行う。また、欠陥想定面を選択するための欠陥想定面選択画像表示部１０６ａに表示する画像の処理も行う。
【００２４】
データ記憶装置１０４に記憶させる形状データは、３次元の形状データである。基本的に、欠陥の存在しない健全な状態を想定した形状データを用いる。検査対象１００の形状データとして３次元ＣＡＤデータが存在している場合は、外部からこれを読み込んでデータ記憶装置１０４に記憶させる。他には、基本形状が決まっている構造体のリストから検査対象と同じ形状の構造体を選択し、その寸法を入力することで３次元形状データを自動生成するなどの手段が考えられる。
【００２５】
また、入力装置１０５は、ここでは例えばキーボード１０５ａと、マウス１０５ｂとからなっている。
【００２６】
また、表示装置１０６には欠陥想定面選択画像表示部１０６ａと、欠陥想定面エコー分布画像表示部１０６ｂとからなっている。
【００２７】
本実施例による超音波検査装置における２次元超音波アレイセンサ１０１は、図２（ａ）に示すように、超音波送受信用の複数の振動子２００を２次元的に配列して構成される。個々の振動子２００は図１に示したパルサ１０２ａとレシーバ１０２ｂに接続され、それぞれ遅延時間を変化させることで、図２（ａ）中の点集束ビーム１２１を、任意の方向に送受信することが出来る。よって、２次元超音波アレイセンサ１０１では、フェーズドアレイ法により３次元的に超音波ビーム走査を行う事で、センサの位置を物理的に移動することなく３次元的な超音波エコーデータを取得することができ、広い範囲を高速に検査したい場合に威力を発揮する。
【００２８】
比較のため、図２（ｂ）に振動子１１１を１次元に配列した１次元超音波アレイセンサ１１０を示す。１次元超音波アレイセンサ１１０では、図２（ｂ）の線集束ビーム１２０を、振動子１１１が並べられている方向に沿って２次元的に走査することは可能だが、３次元的な超音波ビーム走査は不可能である。
【００２９】
２次元超音波アレイセンサ１０１による３次元ビーム走査方式は、検査対象１００の形状に応じて様々な走査方式が設定可能であるが、一般的に、１次元超音波アレイセンサの場合と同様にセクタ走査を基本単位とすることが多い。図２（ｃ）に、セクタ走査の様子を示す。２次元超音波アレイセンサ１０１の一点を中心として、超音波の入射角度、すなわちセクタ走査線１３０の方向をセクタ走査範囲１３１の範囲内で変化させながら、セクタ走査線１３０に沿って超音波を送受信し、各セクタ走査線上のＡスコープを取得する。
【００３０】
３次元エコーデータの取得方法の一例である回転走査方式について図２（ｄ）に示す。図２（ｃ）で説明したものと同様なセクタ走査２０１を基本単位として、中心軸ｚの周りを回転させるようにｘｙ方向の角度を変化させながらセクタ走査を繰返し、３次元エコーデータを取得する。
【００３１】
本実施例１では、検査対象１００の欠陥想定面１００ａから進展した欠陥α及び欠陥βに対する超音波探傷を例に挙げて具体的に説明する。２次元超音波アレイセンサ１０１による３次元超音波ビーム走査は、基本的に図２（ｄ）に示した回転走査方式により行うものとする。
【００３２】
図３（ａ）に、２次元超音波アレイセンサ１０１を設置した検査対象１００の平面図及び図３（ｂ）に、その側面図を示す。ｚ軸方向はアレイセンサ１０１の法線方向であり、検査対象１００の深さ方向と一致している。ｘ軸方向はアレイセンサ１０１の設置方向を示すものであり、ｚ軸方向と直交する平面内における一方向である。ｙ軸方向はその平面内でｘ軸方向と直交する方向である。ｘ座標、ｙ座標及びｚ座標の原点は２次元超音波アレイセンサ１０１の中心である。また、ｘ'軸は、ｘｙ平面上において、ｚ軸周りにｘ軸をΦ０°回転させたものである。
【００３３】
図３中では、２次元超音波アレイセンサ１０１は、ｘ軸方向が欠陥想定面１００ａの端部Ｅ１００ａ及び端部Ｅ１００ｂに対して垂直となるように設置されている。欠陥αは、ｘｙ平面においてｘ軸の方向に、ｘ軸に対して垂直に存在している面欠陥である。一方、欠陥βは、ｘｙ平面においてｘ'軸の方向に、ｘ'軸に対して垂直に存在している面欠陥である。
【００３４】
ここで、２次元超音波アレイセンサ１０１による３次元走査方法について説明する。ｘｚ方向のセクタ走査範囲２０３の範囲内で超音波入射角２０５（屈折角θ）を変化させながら各セクタ走査線に沿って超音波を送受信し、Ａスコープデータを取得する。このセクタ走査を、ｘｙ方向の走査範囲２０２の範囲内で超音波入射角２０４（回転角Φ）を変化させながら繰返し行い、各走査線上のＡスコープデータを、超音波入射角の情報とともにデータ収録部１０２ｄに収録することで３次元エコーデータを得る。図３（ｂ）では屈折角θ及び回転角Φにおける走査線２０７が示されている。
【００３５】
図３の例では、２次元超音波アレイセンサ１０１の設置位置から送信された超音波が、直接欠陥想定面１００ａまで到達する伝播経路は存在しないので、超音波は検査対象１００の底面にて一回反射させて欠陥想定面１００ａに到達させる。ｘｙ方向の走査範囲２０２及びｘｚ方向のセクタ走査範囲２０３は、２次元超音波アレイセンサ１０１から送信した超音波が、欠陥想定面１００ａに到達可能な伝播経路の超音波入射角を含むように設定する。特にｘｚ方向のセクタ走査範囲２０３は、欠陥想定面１００ａのｘ軸方向全体を１度のセクタスキャンで走査可能になるよう設定する。
【００３６】
入力装置１０５を用いた手動入力による走査範囲設定を行わない場合は、計算装置１０３の伝播経路算出部１０３ｂによるレイトレース解析により、欠陥想定面１００ａ上に最も強く超音波が到達可能な伝播経路を求め、その伝播経路の入射角を全て内包するｘｚ方向のセクタ走査範囲２０３及びｘｙ方向の走査範囲２０２を決定し、探傷装置の実機およびシミュレータの遅延時間パターンを自動設定する機能を備えてもよい。
【００３７】
ここで、具体例を一つ挙げて説明する。欠陥想定面１００ａを多数の領域（画素）に分割する。図３中に示す点ｐは、分割した画素のひとつを示している。２次元超音波アレイセンサ１０１の中心から広い角度範囲にわたって多数のレイ（音線）を送信し、レイトレース解析により超音波の伝播経路を計算する。計算された無数の伝播経路の内、欠陥想定面１００ａ上の点ｐに到達する経路を抽出する。例えば、図３中に示す伝播経路Ｐ２１０や他の伝播経路Ｐ２１１等のことである。
【００３８】
これらの伝播経路に対し、超音波の入射角に基づくセンサの指向係数、境界面での反射角及び波動モード変化に基づく反射効率、伝播距離に基づく拡散減衰係数、及びビームの焦点距離に基づく集束係数を乗算して超音波ビーム強度を求める。最も強いビーム強度を示す伝播経路を、点ｐに対応する最適伝播経路とする。ここで、図３の例での最適伝播経路はＰ２１０とする。
【００３９】
求めた最適伝播経路の入射角に対応した超音波ビームを送信するように遅延時間を設定する。同様のプロセスを、欠陥想定面１００ａ上の全ての点（画素）に対して行い、遅延時間を設定することで、欠陥想定面１００ａ上の全面を走査するための遅延時間パターンを自動設定する。
【００４０】
以上の解析結果に基づいて、２次元超音波アレイセンサ１０１の各振動子２００に与える遅延時間のパターンを求め、超音波ビームの３次元走査パターンを設定する。設定した遅延時間パターン及び３次元走査パターンは、データ記憶装置１０４に記憶させると共に、入出力制御部１０２ｅを介して遅延時間制御部１０２ｃに送られる。与えられた遅延時間パターンに従いフェーズドアレイ法による３次元的な超音波ビーム走査を行い、３次元エコーデータを取得する。
【００４１】
図４は、本発明の実施例１による超音波検査装置における表示装置の表示画面の一例を表す概略図である。表示装置１０６中には、欠陥想定面選択画像表示部１０６ａと、欠陥想定面エコー分布画像表示部１０６ｂが表示されている。欠陥想定面選択画像表示部１０６ａには、検査対象１００の形状データ３００と、２次元超音波アレイセンサ１０１の設置位置３０１ａおよび設置方向３０１ｂの表示も含まれている。また、矢印３０３ａは、力装置１０５によって選択される形状データ３００上の欠陥想定面を選択するための印である。入力装置１０５のキーボード１０５ａやマウス１０５ｂによって、矢印３０３ａを欠陥の有無を調べたい面まで移動することで欠陥想定面１００ａの位置を選択する。なお、欠陥想定面を選択するための表示方式は、例えば形状データ３００のうち欠陥想定面１００ａのみ表示色を変えるなど、選択した面の位置が識別できるのならばどのような表示方法でもよい。
【００４２】
前述した２次元超音波アレイセンサ１０１による３次元走査パターン決定のため行うレイトレース解析には、欠陥想定面１００ａの位置情報が必要なため、前記欠陥想定面１００ａの選択が為された後に、計算装置１０３によるレイトレース解析の結果に基づき超音波ビームの３次元走査パターンが決定され、超音波検査装置による３次元エコーデータの取得が行われる。
【００４３】
ここで、実機による超音波検査により取得され、データ収録部１０２ｄに収録された３元エコーデータより、欠陥想定面１００ａ上で反射したエコーを抽出し、欠陥想定面上の反射源によるエコー分布画像として再構成し、欠陥想定面エコー分布画像表示部１０６ｂ上に表示する手順について説明する。
【００４４】
まず、２次元超音波アレイセンサ１０１から送信される超音波ビームが、欠陥想定面１００ａに対して最も強く到達する最適伝播経路を、計算装置１０３によりレイトレース法を用いて解析する。既に３次元走査パターンの設定等の為のレイトレース解析により最適伝播経路が求められている場合は、このステップは省略できる。図３の例では、底面にて一回反射して欠陥想定面１００ａに到達する経路がこの最適伝播経路である。
【００４５】
次に、データ記憶装置１０４に記憶された実検査の３次元エコーデータ取得時と同様の３次元走査パターンに基づき、屈折角θと回転角Φを変えたそれぞれの走査線に対してレイトレース法による超音波伝播経路解析を行い、欠陥想定面１００ａに到達するか否かを判定する。この際の伝播経路解析では、最適伝播経路である底面にて一回反射して欠陥想定面１００ａに到達する経路のみ考慮すればよいので、高速に計算できる。
【００４６】
前記判定の結果、欠陥想定面１００ａに到達する場合は、その到達経路の屈折角θ及び回転角Φ、欠陥想定面１００ａまでの伝達時間ｔ、欠陥想定面１００ａ上の到達点の座標Ｐを、データ記憶装置１０４に記憶する。また、データ収録部１０２ｄに収録されている実検査の３次元エコーデータのうち、前記到達経路と同様の入射角で超音波を入射させた際のＡスコープデータから、前記伝播時間ｔに相当する信号の振幅値Ｉを求め、欠陥想定面１００ａ上の到達点の座標Ｐと関連付けてデータ記憶装置１０４に記憶する。
【００４７】
次に、上述の手順でデータ記憶装置１０４に記憶された振幅値Ｉと欠陥想定面１００ａ上の到達点座標Ｐを関連付けたデータ群に基づき、欠陥想定面１００ａ上のエコー分布画像を生成し、欠陥想定面エコー分布画像表示部１０６ｂ上に表示する。欠陥想定面エコー分布画像表示部１０６ｂ上の到達点座標Ｐに対応する画素に、輝度変調により振幅値Ｉの値に対応する輝度値を与える。輝度変調の代わりに、カラーマップにより振幅値Ｉに対応した画素値を与えても良い。すべての振幅値Ｉ、到達点座標Ｐに対して上記の処理が完了した後、適当な内挿処理を施すことで、欠陥想定面１００ａ上のエコー分布画像（Ｃスコープ）を生成する。
【００４８】
図４に示す欠陥想定面エコー分布画像表示部１０６ｂ中の直線３０３及び直線３０４に挟まれた領域は、ｘｙ方向の走査範囲２０２を表しており、直線Ｅ３００ａ及び直線Ｅ３００ｂはそれぞれ欠陥想定面１００ａの端部Ｅ１００ａと端部Ｅ１００ｂに対応している。また、これらの直線に囲まれた、網掛け部が、エコー分布画像の表示域３０２であり、欠陥想定面１００ａ上に超音波ビームが到達する範囲を表す。また、欠陥想定面選択画像表示部１０６ａ中の形状データ３００上の網掛け部は、このエコー分布画像の表示域３０２に対応している。この表示により、現在探傷を行なっている範囲を一目で把握することができる。
【００４９】
図４の欠陥想定面エコー分布画像表示部１０６ｂ中のエコー３０５ａ、エコー３０５ｂ、エコー３０５α、エコー３０５βは、２次元超音波アレイセンサ１０１による実検査の結果得られた、欠陥想定面上の反射源由来のエコーである。また、菱形の太線で表されている菱形マーカー３０６ａ及び菱形マーカー３０６ｂは、レイトレース解析により予想されるエコー出現位置を示す形状エコー識別表示である。
【００５０】
検査対象１００の形状データ３００は、欠陥の存在しない健全な状態を表しているため、この形状データを用いてレイトレース解析を行なった際に得られるエコーは全て形状エコーであり、欠陥エコーは現れない。よって、菱形マーカー３０６ａ及び菱形マーカー３０６ｂの位置と重なるエコー３０５ａ及びエコー３０５ｂは、検査対象１００の形状エコーであり、残りのエコー３０５α及びエコー３０５βが欠陥エコーであると判別できる。なお、形状エコー識別表示手段は、菱形ではなく他の形状のマーカーでもよいし、実検査結果のエコー表示とより近くなるように、音場の影響を取り入れて輝度分布を与えて表示してもよい。また、図４中の欠陥エコー出現位置はそのまま実欠陥が存在する位置に対応しているため、エコー３０５α、エコー３０５βはそれぞれ図３中の欠陥α、欠陥βのコーナーエコーである。このように、本表示方法はオペレータが選択した欠陥想定面１００ａ上に存在する欠陥を起因とする欠陥エコーの識別を容易とし、広範囲領域における欠陥の有無とその位置を迅速に検出する事ができる。
【００５１】
欠陥想定面１００ａ上の異なる位置、例えば欠陥αと欠陥βの位置では、２次元超音波アレイセンサ１０１から送信された超音波ビームが到達するまでの距離や角度が異なるため、欠陥想定面１００ａ上に到達した際の超音波の強度も異なり、感度に違いが出てくる。この場合、同じ大きさの欠陥によるエコーでも、位置によって強度が異なってくる。レイトレース解析の際に、欠陥想定面１００ａ上の全ての位置に到達する超音波ビームの強度を、指向係数、反射効率、拡散減衰係数、及び集束係数より求め、その強度に反比例する表示強度補正係数をエコー強度に乗算することで、全ての位置で見かけの感度が一定になるよう補正した欠陥想定面エコー分布を表示してもよい。これは、強度補正処理部１０３ｇで行う。これにより、より的確な欠陥判定が可能となる。
【００５２】
図５は、本発明の超音波検査装置の実施例１における検査手順を説明するためのフローチャートである。検査手順を図５に従って説明する。
【００５３】
まず、あらかじめ検査対象の形状データ３００をデータ記憶装置１０４に記憶させる（ステップＳ１）。次に、表示装置１０６中の欠陥想定面選択画像表示部に表示された形状データ３００に対し、検査対象１００の中で欠陥があると想定している面（欠陥想定面１００ａ）を、マウス等の入力装置１０５を用いて選択する（ステップＳ２）。
【００５４】
次に、２次元超音波アレイセンサ１０１を検査対象１００上に設置する（ステップＳ３）。次に、２次元超音波アレイセンサ１０１を設置した位置や角度に関する情報を入力装置１０５により入力する（ステップＳ４）。次に、２次元超音波アレイセンサ１０１の大きさや検査対象の音速など、各種解析条件を入力装置１０５により入力する（ステップＳ５）。
【００５５】
次に、伝播経路算出部１０３ｂにより、データ記憶装置１０４に記憶された形状データ３００と入力装置１０５により入力された２次元超音波アレイセンサ１０１の設置位置及び各種計算条件に基づいて、レイトレース法により欠陥想定面１０１ａまでの超音波伝播経路解析を行う（ステップＳ６）。ここで、欠陥想定面までの超音波伝播経路解析のみ行なうようにすれば計算が高速に実施できる。
【００５６】
欠陥想定面までの伝播経路算出部 １０３ａにおけるレイトレース解析はフェーズドアレイ法による３次元走査を模擬するために、屈折角θ及び回転角Φを変化させた複数の入射条件について行う。ステップＳ６の伝播経路解析の結果、所望の閾値以上の強度で超音波ビームが到達可能な伝播経路の有無を判定する（ステップＳ７）。適切な伝播経路が存在しない場合は、手動または自動にて解析条件の変更や２次元超音波アレイセンサ１０１の設置位置変更を行い（ステップＳ８）、再入力した計算条件に基づいて再度伝播経路解析を行う。
【００５７】
解析により得られた欠陥想定面に到達可能な伝播経路の中で、最も強く超音波ビームを到達させることができる伝播経路の入射角を内包するように、ｘｙ方向の走査範囲２０２及びｘｚ方向のセクタ走査範囲２０３を決定し、超音波の遅延時間パターン、すなわち超音波ビームの３次元走査パターンを設定する（ステップＳ９）。また、この時の伝播経路の情報はデータ記録装置１０４にも記憶しておく。
【００５８】
次に、前記３次元走査パターンに従って、フェーズドアレイ法により超音波の屈折角θ及び回転角Φを変更しながら実機による超音波検査を行い、各セクタ走査線上のＡスコープデータをデータ収録部１０２ｄに収録することで３次元エコーデータを取得する（ステップＳ１０）。
【００５９】
次に、前記３次元エコーデータから、前記超音波伝播経路解析の結果より得られた欠陥想定面１００ａまでの到達経路情報を基に、欠陥想定面１００ａ上で反射したエコーを抽出する（ステップＳ１１）。前記到達経路情報には、超音波の屈折角θおよび回転角Φ、欠陥想定面までの伝播時間ｔ、欠陥想定面上への到達点座標Ｐに関する情報が含まれている。前記３次元エコーデータの内、各到達経路の入射角と同じ角度で超音波を入射させた走査線に対し、その走査線上のＡスコープデータの波形から欠陥想定面までの伝播時間ｔに相当する信号の振幅値Ｉを、前記到達座標Ｐと関連付けてデータ記憶装置１０４に記憶する。
【００６０】
次に、記憶した前記振幅値Ｉ及び前記到達点座標Ｐに基づき、振幅値に応じて輝度変調を施した平面的なエコー分布画像を生成し、欠陥想定面エコー分布画像表示部１０６ｂ上に表示する（ステップＳ１２）。
【００６１】
次に、前記到達経路情報に基づき再びレイトレース解析を行い、欠陥想定面１００ａ由来の形状エコーの出現位置を推定する（ステップＳ１３）。欠陥想定面エコー分布画像表示部１０６ｂ上の該当位置に、例えば菱形の太線で表される形状エコー識別用マーカーを重ねて表示する（ステップＳ１４）。こうすることで、このマーカーと重なるエコーは特徴形状部での反射に起因する形状エコー、残りのエコーが、欠陥想定面１００ａ上に存在する欠陥での反射に起因する欠陥エコーであると迅速に判別できる。また、欠陥エコー出現位置はそのまま実欠陥が存在する位置に対応するため、欠陥の位置を迅速に把握する事ができる。
【００６２】
上述の例では、形状エコーと欠陥エコーの識別は、そのエコーの表示位置が、形状エコー出現位置に表示される形状エコー識別用マーカーと重なるか否かをオペレータが目で見て判断する必要がある。この形状エコーの識別作業を自動化し、オペレータに欠陥の有無を通知するシステム及び表示部を備えてもよい。
【００６３】
例えば、欠陥想定面エコー分布画像に対する画像解析を行い、レイトレース解析により形状エコーが出現すると予想される位置と同じ場所に現れるエコーを除外し、残ったエコーの中で所望の閾値を超える強度を持つエコーのみを欠陥エコーであると自動的に判断し、前記欠陥エコーに対応する欠陥位置の座標情報やエコー強度をデータ記憶装置１０４に記憶するとともにオペレータに通知するような欠陥判定部１０３ｆを備える。欠陥位置情報の表示と記録まで自動で行うため、より迅速な検査が可能となる。
【００６４】
この手法は、後述の実施例２に示すように、センサを物理的に移動させながら検査を行う際に特に効果を発揮する。前記通知機能を備えていれば、センサの位置を移動しつつ繰返し検査を行う際、自動的に欠陥エコーの有無を判定してくれるため、欠陥エコーを見落とす確率を下げることが出来る。また、欠陥の位置情報の記憶と組み合わせることで、欠陥想定面上の広い範囲の欠陥分布データを取得することが出来る。
【実施例２】
【００６５】
本発明の実施例２である超音波検査装置について、図６〜図８を用いて説明する。本実施例２の超音波検査装置は、実施例１の超音波検査装置の構成に、センサ位置計測装置の一例としてエンコーダ６００、エンコーダ６０１を付加した構成を有する。
【００６６】
２次元超音波アレイセンサ１０１を検査対象１００に沿って移動させるセンサ走査装置５９９は、図６に示すように、一対の支持部材６０２に両端部が保持されるＸ方向駆動部６０３、及びＸ方向駆動部６０３に移動可能に取り付けられたＹ方向駆動部６０４を備える。２次元超音波アレイセンサ１０１はＹ方向駆動部６０４に取り付けられている。エンコーダ６０１がＸ方向駆動部６０３に連結され、エンコーダ６００がＹ方向駆動部６０４に連結されている。エンコーダ６００、６０１はそれぞれＹ方向、Ｘ方向のセンサ位置計測装置である。また、図７に示すように走査装置を制御するための制御装置１０７を備えている。
【００６７】
実施例１における検査手順の説明では、２次元超音波アレイセンサ１０１の位置を入力装置１０５により入力するとしたが、この入力装置は図６に示すようなセンサ位置計測装置であるエンコーダ６００、エンコーダ６０１でもよい。この場合、センサの位置を素早く正確に入力することが可能となる。また、リアルタイムでセンサ位置を計測・入力してセンサ位置に応じたレイトレース解析を行うことで、センサを移動させながらでも、リアルタイムで欠陥想定面上のエコー分布画像を生成・表示し、かつ形状エコーと欠陥エコーを識別して表示するため、広範囲領域の探傷を素早く行うことができる。
【００６８】
ここで、センサの走査方法としては、手動にてセンサを移動させ、移動後のセンサ位置をエンコーダ等のセンサ位置計測装置によって測定し、計算装置１０３に入力する方法と、予めセンサの走査パターンを設定し、その走査プランに従い図６中のＸ方向駆動部６０３、Ｙ方向駆動部６０４のような機械的な走査装置によってセンサを移動させる方法が考えられる。後者の方法は、移動しながら行った探傷結果全てをデータ記憶装置１０４に保持することで探傷の完全な自動化が可能である。
【００６９】
図６の例では、超音波ビームの３次元走査パターンは、探傷開始時に設定したパターンのまま、センサを移動させても常に一定としている。この場合、欠陥想定面１００ａの全面を探傷するために、センサをＸ方向に移動させる必要は無く、Ｙ方向のみの移動で十分である。
【００７０】
図８に、図６に対応する本発明の超音波装置の実施例２における検査手順を説明するためのフローチャートを示す。ここでは、図５に示したフローチャートと異なる部分のみを説明する。ステップＳ３の２次元アレイセンサ設置の後、図６で示したセンサ位置計測装置であるエンコーダ６００、エンコーダ６０１によって２次元アレイセンサ位置を計測する（ステップＳ４１）。センサ位置の計測及び入力を自動化することで位置合わせを容易になり、センサの一を素早く正確に入力できる。
【００７１】
さらに、図５に示したフローチャートでは最終ステップであったステップＳ１４まで完了した後、ステップＳ１５にて２次元アレイセンサを手動または自動で移動させ、再びセンサの位置計測を行う。この次、ステップＳ５にて各種解析条件の再入力を行ってもよいが、既に入力されている計算条件を変更する必要が無い場合は本ステップをスキップしてよい。さらに、ステップＳ７、Ｓ９も飛ばすことができる。こうすることで、２次元アレイセンサを移動させながらリアルタイムでセンサ位置情報を入力し、レイトレース解析による欠陥想定面上エコー分布画像を生成・表示することができるので、欠陥想定面上の広範囲領域における欠陥の有無と位置を迅速に検出することが出来る。レイトレース法による伝播経路解析を用いるメリットは、計算時間が短いため、センサ移動に伴う実検査の３次元エコーデータの取得に対してほとんど遅れることなく欠陥想定面上のエコー分布画像を表示できることにある。
【実施例３】
【００７２】
本実施例では、実施例１または実施例２で説明した超音波検査装置の表示装置において、さらに、超音波伝播経路の３次元表示、セクタ走査画像（Ｂスコープ）表示、およびＡスコープ表示も行える表示装置の例を説明する。
【００７３】
図９は、実施例３における表示装置８０６の表示画面の一例を示す概略図である。図９の表示装置８０６のうち、既に説明した図４に示された同一符合を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。
【００７４】
表示装置８０６中には、既に説明した図４に示された欠陥想定面エコー分布画像表示部１０６ｂと同様の、欠陥想定面エコー分布画像表示部８０６ｂと、図４に示す欠陥想定面選択表示部１０６ａの機能も有している伝播経路表示部８０６ａが表示されている。また、図９中の右上の表示部が、セクタ走査画像表示部８０６ｃであり、その下がＡスコープ表示部８０６ｄである。
【００７５】
本実施例において、２次元超音波アレイセンサ１０１による３次元超音波ビーム走査は、実施例１と同じく図２（ｄ）に示した回転走査方式により行ったものとして説明する。
【００７６】
欠陥想定面エコー分布表示部８０６ｂ上に表示されているカーソル８００は、３次元ビーム走査の回転走査方向を表すカーソルであり、図３に示される回転角Φをもつ走査線２０６を表すもので、マウスなどの入力装置１０５によって自由に動かすことが出来るものである。図９の例では、Φ＝０°方向、すなわち、Ｘ軸方向の走査線を表している。このカーソル８００は、伝播経路表示部８０６ａ中に示される断面８０１の切断方向に対応している。
【００７７】
セクタ走査画像表示部８０６ｃには、３次元エコーデータの中から、回転角Φを固定し、屈折角θを変化させながらｘｚ方向にセクタ走査を行った時に得られるＡスコープデータを抜き出し、セクタ走査画像８０２として表示する。表示されるセクタ画像の回転角Φは、欠陥想定面エコー分布表示部８０６ｂ上のカーソル８００が示す角度に対応しており、セクタ走査画像表示部８０６ｃ中の右上画像の表示部８０３に数値で表示されている。図中の直線８０４は、レイトレース解析によって求められる、欠陥想定面１００ａに対応する深さを表しており、この直線８０４上のエコー分布が欠陥想定面エコー分布表示部８０６ｂのカーソル８００上のエコー分布に対応している。また、図中の直線８０５は、図３に示される屈折角θをもつ走査線を表すカーソルであり、やはり入力装置１０５によって自由に動かすことが出来るものである。図９の例では、θ＝４０°である。このカーソルで表された走査線にそって超音波を送受信して得られたＡスコープデータをＡスコープ表示部８０６ｄ中に示す。縦軸が超音波波形の振幅、横軸が時間であり、右上の表示部８０７は、現在表示している走査線の屈折角θの値を示している。図中のエコー３０５ａはセクタ画像表示部に示されたエコー３０５ａに対応している。
【００７８】
カーソル８００に断面８０１、セクタ走査画像表示部８０６ｃの表示内容を対応させることで、欠陥想定面上における水平方向のエコー分布画像だけでなく、深さ方向のエコー分布画像が得られる。例えば図９に示すように、カーソル８００を欠陥想定面エコー分布表示部８０６ｂ上に現れる欠陥エコー３０５αの出現方向に合わせると、セクタ走査画像表示部８０６ｃ中の直線８０４上に欠陥エコー３０５αが現れる。また、エコーが十分強い場合、欠陥の端部エコー８０８αも観察でき、欠陥の大きさの評価を行うことも可能になる。
【００７９】
セクタ走査画像表示部８０６ｃにも、欠陥想定面エコー分布表示部８０６ｂと同様に、レイトレース解析によって形状エコーが現れると予想される位置に、菱形の識別用マーカーを表示させている。また、図中の点線で描かれた円で表されたポインタ８０９は、エコー選択手段である。ポインタ８０９によりセクタ走査画像表示部８０６ｃ中から特定のエコーが選択された場合、伝播経路表示部８０６ａに、対応する伝播経路８１０を表示することが出来る。これにより、３次元の検査結果において、特定のエコーがどのような伝播経路を辿って得られるのかが視覚的に分かるようになる。
【符号の説明】
【００８０】
１００ａ    欠陥想定面
１０１      ２次元超音波アレイセンサ
１０２      超音波送受信装置
１０３      計算装置
１０４      データ記憶装置
１０５      入力装置
１０６      表示装置
１０６ａ    欠陥想定面選択画像表示部
１０６ｂ    欠陥想定面エコー分布画像表示部
３００      形状データ
３０１ａ    設置位置
３０１ｂ    設置方向
３０２      エコー分布画像の表示域
３０３ａ    矢印
３０３      直線
３０４      直線
３０５ａ    エコー
３０５ｂ    エコー
３０５α    エコー
３０５β    エコー
３０６ａ    菱形マーカー
３０６ｂ    菱形マーカー
Ｅ３００ａ  直線
Ｅ３００ａ  直線
【図１】
2014041068.tif 000003
【図２（ａ）】
2014041068.tif 000004
【図２（ｂ）】
2014041068.tif 000005
【図２（ｃ）】
2014041068.tif 000006
【図２（ｄ）】
2014041068.tif 000007
【図３（ａ）】
2014041068.tif 000008
【図３（ｂ）】
2014041068.tif 000009
【図４】
2014041068.tif 000010
【図５】
2014041068.tif 000011
【図６（ａ）】
2014041068.tif 000012
【図６（ｂ）】
2014041068.tif 000013
【図７】
2014041068.tif 000014
【図８】
2014041068.tif 000015
【図９】
2014041068.tif 000016