(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料台にセットされた試料と超音波プローブとを相対回転させながら前記試料に超音波を照射し、前記試料からの反射波を受信して試料の内部を検査する超音波検査装置の試料検出方法において、
中心軸に対して回転対称な形状を有する試料の検査に先立って前記回転対称形状の試料と超音波プローブとを相対回転させ、
その相対回転中に複数の反射波を受信し、
その複数の反射波に基づいて前記回転対称形状の試料が前記試料台に正しくセットされているかを判定することを特徴とする超音波検査装置の試料検出方法。
【請求項２】
請求項１の超音波検査装置の試料検出方法において、
前記回転対称形状の試料が前記試料台に正しくセットされている場合に得られる前記反射波の信号強度レベルに対する前記複数の反射波の最小信号強度の程度が所定値未満であれば前記回転対称形状の試料が正しくセットされていると判定することを特徴とする超音波検査装置の試料検出方法。
【請求項３】
請求項１の超音波検査装置の試料検出方法において、
前記複数の反射波の信号強度の変動を算出し、その変動が所定値未満であれば前記回転対称形状の試料が正しくセットされていると判定することを特徴とする超音波検査装置の試料検出方法。
【請求項４】
試料がセットされる試料台と、
前記試料と相対回転しながら超音波を照射するとともに、前記試料からの反射波を受信する超音波プローブと、
前記受信した反射波に基づいて前記試料の内部の状態を表わす検査信号を出力する出力手段とを備える超音波検査装置において、
中心軸に対して回転対称な形状を有する試料の検査に先立って前記回転対称形状の試料と超音波プローブとを相対回転させ、その相対回転の間に複数の反射波を受信するように前記超音波プローブを制御し、前記超音波プローブで受信した複数の反射波に基づいて前記回転対称形状の試料が前記試料台に正しくセットされているかを判定する制御手段を備えることを特徴とする超音波検査装置。
【請求項５】
請求項４の超音波検査装置において、
前記制御手段は、前記回転対称形状の試料が前記試料台に正しくセットされている場合に得られる前記反射波の信号強度レベルに対する前記複数の反射波の最小信号強度の程度が所定値未満であれば前記回転対称形状の試料が正しくセットされていると判定することを特徴とする超音波検査装置。
【請求項６】
請求項４の超音波検査装置において、
前記制御手段は、前記複数の反射波の信号強度の変動を算出し、その変動が所定値未満であれば前記回転対称形状の試料が正しくセットされていると判定することを特徴とする超音波検査装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、試料と超音波プローブとを相対回転させながら超音波を照射し、試料からの反射波を受信して試料の内部を検査する超音波検査装置およびその試料検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、図７（ａ）に示すように、モータ１により回転する試料台２と、その試料台２にセットされた試料３に超音波を照射するとともに、試料３からの反射波を受信する超音波プローブ４と、受信した反射波に基づいて試料の内部の状態を表わすＡスコープ信号を出力する信号出力回路５と、そのＡスコープ信号波形を表示するモニタ６とを備える超音波検査装置が知られている。試料３はたとえば円筒もしくは円柱のように中心軸に対して回転対称な形状のものである。なお、図７（ａ）に示すように、水が満たされた水槽７内に試料３を設置して検査が行われるので、水槽７と試料台２との間にはシール８が設けられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような超音波検査装置では、図７（ｂ）のように試料３が試料台２に正しくセットされていない場合には、試料３に対する超音波の入射角度が回転角度位置に応じて変化する。そのため、試料３の内部に入射する超音波の状態が回転角度位置によって異なり、試料３の内部の欠陥や剥離の有無を判定する精度が低下する。
【０００４】
従来は、作業者が検査に先立って目視により試料のセット状態を監視している。搬送ロボットで試料台に試料をセットして超音波検査を自動的に行う場合には、作業者が超音波検査装置に張付いているのでは自動化の意味がない。
【０００５】
本発明の目的は、試料が試料台に正しくセットされているか否かを特別な検査装置を用いることなく精度よく行うことのできる超音波検査装置およびその試料検出方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
一実施の形態を示す図１および図２に対応付けて説明する。
（１）請求項１の発明は、試料台１１にセットされた試料ＴＰと超音波プローブ１３とを相対回転させながら試料ＴＰに超音波を照射し、試料ＴＰからの反射波を受信して試料ＴＰの内部を検査する超音波検査装置の試料検出方法に適用される。そして、上記目的は、中心軸に対して回転対称な形状を有する試料ＴＰの検査に先立って回転対称形状の試料ＴＰと超音波プローブ１３とを相対回転させ、その相対回転中に複数の反射波を受信し、その複数の反射波に基づいて回転対称形状の試料ＴＰが試料台１１に正しくセットされているかを判定することにより達成される。
（２）請求項２の発明は、請求項１の超音波検査装置の試料検出方法において、回転対称形状の試料ＴＰが試料台１１に正しくセットされている場合に得られる反射波の信号強度レベルに対する複数の反射波の最小信号強度の程度が所定値未満であれば回転対称形状の試料ＴＰが正しくセットされていると判定することを特徴とする。
（３）請求項３の発明は、請求項１の超音波検査装置の試料検出方法において、複数の反射波の信号強度の変動を算出し、その変動が所定値未満であれば回転対称形状の試料ＴＰが正しくセットされていると判定することを特徴とする。
（４）請求項４の発明は、試料台１１にセットされた試料ＴＰと相対回転しながらに超音波を照射するとともに、試料ＴＰからの反射波を受信する超音波プローブ１３と、受信した反射波に基づいて試料ＴＰの内部の状態を表わす検査信号を出力する出力手段１４，１５とを備える超音波検査装置に適用される。そして、上記目的は、中心軸に対して回転対称な形状を有する試料ＴＰの検査に先立って回転対称形状の試料ＴＰと超音波プローブ１３とを相対回転させ、その相対回転の間に複数の反射波を受信するように超音波プローブ１３を制御し、超音波プローブ１３で受信した複数の反射波に基づいて得られる検査エコー信号を用いて回転対称形状の試料ＴＰが試料台１１に正しくセットされているかを判定する制御手段１６とを備えることを特徴とする。
（５）請求項５の発明は、請求項４の超音波検査装置において、制御手段１６により、回転対称形状の試料ＴＰが試料台１１に正しくセットされている場合に得られる反射波の信号強度レベルに対する複数の反射波の最小信号強度の程度が所定値未満であれば回転対称形状の試料ＴＰが正しくセットされていると判定することを特徴とする。
（６）請求項６の発明は、請求項４の超音波検査装置において、制御手段１６により、複数の反射波の信号強度の変動を算出し、その変動が所定値未満であれば回転対称形状の試料ＴＰが正しくセットされていると判定することを特徴とする。
【０００７】
なお、本発明の構成を説明する上記課題を解決するための手段の項では、本発明を分かり易くするために実施の形態の図を用いたが、これにより本発明が実施の形態に限定されるものではない。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。図１は本発明に係る超音波検査装置を示している。この超音波検査装置は、試料ＴＰがセットされる試料台１１と、この試料台１１を回転駆動するモータ１２と、超音波信号を試料ＴＰに向けて照射するとともに試料ＴＰからの反射波を受信する超音波プローブ１３と、超音波プローブ１３で受信した反射波信号（以後、エコー信号と呼ぶ）を増幅して検波する増幅検波回路１４と、この増幅検波回路１４から出力されるエコー信号のうち予め定められたゲート期間内におけるピーク値を検出するピーク検出回路１５と、ＣＰＵ、メモリ、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器などの周辺機器で構成される制御回路１６と、エコー信号をＡスコープ表示したり、試料のセット状態の検出結果を表示するモニタ１７と、試料が正しくセットされていないときに警告する警告灯１８と、試料に欠陥があるときに警告する警告灯１９と、モータ１２の回転角度位置を検出するエンコーダ２０と、モータ１２を駆動するためのドライバ２１とで構成されている。
【０００９】
図２を参照して本発明による超音波検査装置の処理手順を説明する。検査に先立って試料ＴＰが試料台１１にロボットによりセットされる。この場合、試料ＴＰの中心軸と試料台１１の回転軸心が一致するように（図７（ａ）に示すように）、試料ＴＰが試料台１１の凹部に嵌合される。正しくセットされた場合、超音波プローブ１３と試料ＴＰの周面までの距離は試料ＴＰを回転しても変化しない。
【００１０】
ステップＳ１でモータ１２を駆動し、ステップＳ２で試料ＴＰが１回転したと判定されるとステップＳ３に進む。これは回転が安定してから計測を始めるための手順であり、エンコーダ２０からのパルス信号のカウント値に基づいて行われる。ステップＳ３では、エンコーダ２０から出力されるパルス信号の立ち上がりに同期させて超音波プローブ１３から超音波信号を試料に向けて発射し、試料ＴＰからのエコー信号を受信する。受信したエコー信号は増幅検波回路１４で増幅検波されてピーク検出回路１５に送られる。ピーク検出回路１５は試料ＴＰの表面からのエコー信号にゲートをかけてそのピーク値を検出して制御回路１６に送る。ステップＳ４では、エンコーダ２０からのパルス信号に応じた回転角度位置に対応づけて、ピーク検出回路１５で検出されたピーク値をＡ／Ｄ変換してメモリに格納する。
【００１１】
ステップＳ５において、エンコーダ２０からのパルス信号のカウント値に基づいて試料ＴＰが１回転したかを判定し、１回転していなければステップＳ３、ステップＳ４を繰り返して、たとえば１０００個のデータをサンプリングする。ステップＳ５で１回転したことが判定されると、ステップＳ６に進み、取込んだピーク値データの強度レベルを、検出した試料の回転角度位置に対応付けてモニタ１７に表示する。図３はその一例を示す。
【００１２】
図３において、試料ＴＰの中心軸と試料台１１の回転軸心とが一致している場合（図７（ａ）の場合）は、特性Ｃ１のように試料の回転角度位置にかかわらずエコー信号のレベルはほぼ一定値となる。一方、図７（ｂ）に示すように、試料ＴＰの中心軸と試料台１１の回転軸心とが一致していない場合は、エコー信号は特性Ｃ２のように正弦波状の信号となる。特性Ｃ２の最大強度は特性Ｃ１よりも低いレベルである。
【００１３】
ステップＳ７に進み、サンプリングされたピーク値データの変動に基づいて試料ＴＰが正しく試料台１１にセットされているかを判定する。たとえば、最大強度と最小強度の差ΔＬを算出し、この差ΔＬが所定値以上のときに試料ＴＰが正しくセットされていないと判定する。
【００１４】
ステップＳ７で試料が正しくセットされていないと判定されると、ステップＳ１４に進んでモータ１２を停止し、ステップＳ１５でセット異常警告灯１８を点灯して処理を終了する。ステップＳ７で試料が正しくセットされていると判定された場合には、ステップＳ８に進み、エンコーダ２０からのパルス信号に基づいて試料ＴＰの原点位置が超音波プローブ１３と対向しているか判定する。ステップＳ８が肯定されるとステップＳ９に進んで検査のためのエコー信号のサンプリングを開始する。ステップＳ８により、同一の回転角度位置から試料ＴＰの検査を開始することができる。
【００１５】
ステップＳ９では、エンコーダ２０から出力されるパルス信号の立ち上がりに同期させて超音波プローブ１３から超音波信号を試料に向けて発射し、試料ＴＰからのエコー信号を受信する。受信したエコー信号は増幅検波回路１４で増幅検波されてピーク検出回路１５に送られる。ピーク検出回路１５は試料ＴＰの表面から所定の深さの検出位置のエコー信号にゲートをかけてそのピーク値を検出して制御回路１６に送る。ステップＳ１０では、エンコーダ２０からのパルス信号に応じた回転角度位置に対応づけて、ＡＤ変換されたピーク値をメモリに格納する。
【００１６】
なお、図４は超音波検査信号波形Ｗ１、試料ＴＰの表面から反射する表面エコー信号波形Ｗ２、試料ＴＰの表面から所定深さにある欠陥や剥離からの反射エコー信号Ｗ３を示す図である。ステップＳ１０では信号Ｗ３のピーク値が記憶される。
【００１７】
ステップＳ１１において、エンコーダ２０からのパルス信号のカウント値に基づいて試料ＴＰが１回転したかを判定し、１回転していなければステップＳ９、ステップＳ１０を繰り返して、たとえば１０００個の検査データをサンプリングする。ステップＳ１１で１回転したことが判定されると、ステップＳ１２に進み、取込んだピーク値データを図３と同様に回転角度に対応づけてモニタ１７に表示する。ステップＳ１３において試料が不良品か合格品かを評価してこの処理を終了する。
【００１８】
図５は図２のステップＳ１３における試料の評価手順を示すフローチャートである。ステップＳ２１において、変数ｉとｊを初期化する。ステップＳ２２において、制御回路１６のメモリからサンプリングデータＲｉを読み込み、ステップＳ２３で変数ｉに１を加算する。ここで、サンプリングデータＲｉは各サンプリング点におけるエコー信号強度である。ステップＳ２４において、データＲｉが予め定めたしきい値Ｒｒを越えていないと判定されると、ステップＳ２２に戻って次のデータを読み込み、ステップＳ２３で変数ｉに１を加算する。
【００１９】
ステップＳ２４において、データＲｉが予め定めたしきい値Ｒｒを越えていると判定されると、ステップＳ２５において、データＲｉからしきい値Ｒｒを減算して、差データΔＲｊとして記憶する。ステップＳ２６で変数ｊに１を加算してステップＳ２７に進み、ここで変数ｉが１回転分のサンプリング総数Ｎを越えていないと判定される場合には、ステップＳ２２に戻り、以上の処理を繰り返す。ステップＳ２７で変数ｉがサンプリング総数Ｎを越えていると判定されると、ステップＳ２８において変数ｊを変数ｎに代入する。ステップＳ２９において、変数ｊ＝０〜ｎまでの差データΔＲｊの総和を算出して総和データＴＲとして記憶する。ステップＳ３０で総和データＴＲが評価基準値ＴＲｒを越えていると判定されるとステップＳ３１で試料ＴＰを不良品として、警告灯１９を点灯する。ステップＳ３０で総和データＴＲが評価基準値ＴＲｒを越えていないと判定されると、ステップＳ３２で試料ＴＰを合格品として図５の処理を終了する。
【００２０】
図５の評価手順を図６を参照して説明する。図６は横軸がサンプリング回転角度、縦軸がエコー信号の強度を示す。サンプリングデータＲ１〜サンプリングデータＲ７はエンコーダ２０から出力されるパルス信号の立上がりに同期してサンプリングされる。データＲ１〜Ｒ７のうちしきい値を越えるデータＲ３〜７のそれぞれについて、しきい値Ｒｒとの差ΔＲを算出し、差ΔＲの総和ＴＲを算出する。そして、この総和ＴＲが評価基準値ＴＲｒを越えている場合に不良品と判定する。
【００２１】
減衰の大きな試料では、しきい値のレベルが正常レベルに近くなり、しきい値を越えるノイズが不良品データに紛れ込むおそれがあり、従来の欠陥率法では精度のよい評価が難しいという問題があった。これに対して本実施の形態では、しきい値を越えた全サンプリングデータに対して、その強度としきい値との差の総和を算出し、その総和が評価基準値を越えている場合に試料が不良品であると判定するようにしたので、減衰の大きな材質の試料でノイズがしきい値を越える場合があっても、精度よく試料の良否を評価することができる。すなわち、ノイズに起因してサンプリングデータがしきい値を越える場合、しきい値との差は小さいので総和はそれほど大きくならず、このような場合に総和が評価基準値を越えることはない。
【００２２】
このように本実施の形態では、試料ＴＰを試料台１１にセットした後、試料表面からのエコー信号の最大値と最小値を算出し、その差ΔＬが所定値未満であればセット状態が正常と判定し、所定値以上であれば異常と判定して警告灯１８を点灯するようにしたので、試料のセット状態を作業者が目視する必要がなく、試料を超音波検査する際の自動化に容易に対応できる。
【００２３】
超音波プローブからのエコー信号により試料のセット状態を判定する場合、エコー信号の最小強度が所定のしきい値未満のときに異常と判定することもできるが、本実施の形態のようにエコー信号の最大値と最小値の差に基づいて判定する方式では、しきい値を予め設定する必要がなく、作業性がよい上に、誤ったしきい値を決定する場合に発生する判定ミスを防止することもできる。
【００２４】
なお、最大値と最小値の差を用いる判定方式は、試料を１回転させる間のエコー信号強度の変動に基づくものであり、上述した実施の形態の他にも種々の方式が採用できる。
【００２５】
エコー信号を用いて試料のセット状態を次のように判定してもよい。試料ＴＰが正しくセットされている場合のエコー信号の強度レベル（図３の特性Ｃ１の強度レベル）に対する、最小強度レベルの程度が所定値以下か否かに基づいて判定してもよい。この場合、正しくセットされているときのエコー信号の強度レベルを予め記憶しておく必要がある。
【００２６】
さらに以上では、欠陥などの検査に先立て試料を１回転させる間に試料のセット状態をエコー信号により判定するようにしたが、セット状態が正確に判定できるならば１回転未満でもよい。また、２回転以上回転させる間に試料の表面エコー信号を取込むようにしてもよい。さらにまた、超音波プローブを固定し、試料を回転するようにしたが、試料を固定し、超音波プローブを回転させてもよい。
【００２７】
さらに、円筒、円柱に限ることなく、中心軸を有する試料ならば上述した方式でそのセット状態を判定することができる。したがって、歯車などを検査する場合にも本発明を適用できる。さらにまた、溶接箇所を有する試料の溶接欠陥を検出する装置にも適用できる。
【００２８】
なお、実施の形態と請求項との対応関係において、増幅検波回路１４、ピーク検出回路１５などは出力手段を、制御回路１６が制御手段を、エコー信号が反射波信号を、ピーク値出力が検査信号をそれぞれ構成する。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、回転対称形状の試料の検査に先立って試料と超音波プローブとを相対回転し、その相対回転中に得られる複数の反射波信号に基づいて回転対称形状の試料が試料台に正しくセットされているかを判定するようにしたので、試料のセット状態を作業者が目視する必要がなく、試料を超音波検査する際の自動化に容易に対応できる。
とくに、複数の反射波信号の強度の変動が所定値未満であれば試料が正しくセットされていると判定することにより、反射波信号の強度自体を比較するためのしきい値を予め定める必要がなく、作業性が向上するとともに、検査の精度も向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超音波検査装置の一実施の形態のブロック図
【図２】超音波検査装置の処理手順例を示すフローチャート
【図３】検査前に得られるエコー信号波形を示す図
【図４】超音波検査信号、表面エコー信号、欠陥信号を示す図
【図５】評価処理の一手順例を示すフローチャート
【図６】評価手順を説明する図
【図７】試料のセット状態を説明する図
【符号の説明】
１１  試料台
１２  モータ
１３  超音波プローブ
１５  ピーク検出回路
１６  制御回路
１７  モニタ
１８，１９  警告灯
ＴＰ  試料
【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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【図７】
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