(57)【要約】【課題】物体の非破壊試験を行なう装置及び方法を提供する。【解決手段】様々な焦点ゾーンにおいて超音波を用いて肉厚又は薄肉の金属板のような平坦な物体（７０）の非破壊試験を行なう装置（６８）及び方法であって、装置は１又は複数の独立に制御可能なプローブ（ＰＫ１〜ＰＫｎ）を含む、装置及び方法に関し、またマトリクス型フェーズド・アレイ・プローブの利用方法に関する。一様な感度を広い厚み範囲にわたって達成するために、プローブ（ＰＫ１〜ＰＫｎ）は二次元フェーズド・アレイ・プローブ（ＰＫ２〜ＰＫｎ）として設計され、互いに関してずれて列を成して配置される。個々のプローブ（ＰＫ１、ＰＫｎ）の数及び長さの和は被試験材料の幅に対応している。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
様々な焦点ゾーンにおいて超音波を用いて肉厚又は薄肉の金属板のような平坦な物体（７０）の非破壊試験を行なう装置（６８）であって、１又は複数の独立に制御可能なプローブ（ＰＫ１〜ＰＫ６）を含む装置（６８）において、
前記プローブ（ＰＫ１〜ＰＫｎ）は、二次元フェーズド・アレイ・プローブ（ＰＫ２〜ＰＫｎ）として設計され、互いに隣接して隙間なく列を成して配置されており、前記個々のプローブ（ＰＫ１、ＰＫｎ）の数及び長さの和は被試験材料の幅に対応している、装置（６８）。
【請求項２】
前記プローブ（ＰＫ１〜ＰＫｎ）は、波状起伏調節の目的で制御要素（８６、８８、９０）を用いて前記被試験材料（７０）の下面（７８）に対して調節自在である水プール（９６）に配置されている、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記水プール（９６）は、前記被試験材料（７０）の前記下面（７８）からリップ・シールのような汎用封止要素により封止される、請求項１又は請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記水プール（９６）には、前記試験材料の過度の凹凸のため前記水プールに損傷が加わらないようにするために、前記被試験材料（７０）の前記下面（７８）に向けて試験方向に沿ってランナーのような滑り要素が設けられている、請求項１又は請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記プローブ（ＰＫ１〜ＰＫｎ）は、１０００ｍｍ≦Ｂ≦５３００ｍｍの範囲の幅をカバーする、請求項１〜請求項４の少なくとも一項に記載の装置。
【請求項６】
前記プローブ（ＰＫ１〜ＰＫｎ）は好ましくは、３０ｍｍ×１５０ｍｍの範囲の作用表面を有する、請求項１〜請求項５の少なくとも一項に記載の装置。
【請求項７】
前記プローブ（ＰＫ１〜ＰＫｎ）は、好ましくは面積が６×６ｍｍ２又は７×７ｍｍ２の超音波トランスデューサ素子（１０）を有し、該超音波トランスデューサ素子（１０）は、互いから０．２ｍｍ〜３ｍｍの範囲の距離を隔てて配置されている、請求項１〜請求項６の少なくとも一項に記載の装置。
【請求項８】
前記プローブ（ＰＫ１〜ＰＫｎ）は、個別の焦点ゾーンに合わせてプログラム可能である、請求項１〜請求項７の少なくとも一項に記載の装置。
【請求項９】
前記プローブ（ＰＫ１〜ＰＫｎ）は、区分浸漬技術により前記被試験材料（７０）に結合され得る、請求項１〜請求項８の少なくとも一項に記載の装置。
【請求項１０】
物体（７０）の非破壊試験のための二次元フェーズド・アレイ・プローブ（ＰＫ１〜ＰＫｎ）の利用方法であって、
１又は複数の二次元フェーズド・アレイ・プローブ（ＰＫ１〜ＰＫｎ）が、動的深さ集束及び動的開口適応調整を用いて平坦な材料を試験するために用いられる、利用方法。
【請求項１１】
様々な焦点ゾーンにおいて超音波を用いて肉厚又は薄肉の金属板のような物体（７０）の非破壊試験を行なうために１又は複数のプローブ（ＰＫ１〜ＰＫｎ）を制御する方法であって、
・複数の独立した送波素子を用いた前記被試験物体の少なくとも一つの区画に対する完全な波面の送波と、
・複数の独立した受波素子による前記物体の構造により反射された波の受波と、
・ディジタル化ステップにおける前記受波素子により受波された信号のディジタル化と、
・各回のディジタル化ステップ毎の（オン・ザ・フライでの）受波素子の遅延値及び／又は数の連続的変化と
を特徴とする方法。
【請求項１２】
前記遅延値は、保存されている開始遅延（表面位置についての焦点則）から終了遅延（後面壁位置についての焦点則）までについて、Ｒ＝半径とするとｌ／Ｒのような距離関数により算出される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記遅延値は、特に複素コヒーレンスの場合には参照テーブルに保存される、請求項１１又は請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
開口適応調整が、前記受波素子の数の線形変化により達成される、請求項１１〜請求項１３の少なくとも一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記遅延値の変化及び／又は開口適応調整の開始は、表面／界面エコーの「飛行時間」位置をトリガとして誘発され得る、請求項１１〜請求項１４の少なくとも一項に記載の方法。
【請求項１６】
様々な集束した送波器ショットを一つの信号にする加算が、ディジタルＴＧＣ関数の利用により達成される、請求項１１〜請求項１５の少なくとも一項に記載の方法。
【請求項１７】
遅延値は、ベジエ関数、多項式関数又は他の形式の関数のような関数依存性により定義され、関数素子番号が引数として用いられて前記遅延値が結果として生成されるが、各パラメータは応用に依存して設定される、請求項１１〜請求項１６の少なくとも一項に記載の方法。
【請求項１８】
遅延値は、前述の方法の一つの１又は複数の事例の線形結合又は前述の方法の幾つかの様々な事例の線形結合により生成される、請求項１１〜請求項１７の少なくとも一項に記載の方法。
【請求項１９】
前記データは、電子メモリ・モジュール（４２、４６）に暫定的に記憶され、次いで、前記請求項の一つの記載に従って処理される、請求項１１〜請求項１８の少なくとも一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、様々な焦点ゾーンにおいて超音波を用いて肉厚又は薄肉の金属板のような平坦な物体の非破壊試験を行なう装置及び方法であって、装置は１又は複数の独立に制御可能なプローブを含む、装置及び方法に関し、またマトリクス型フェーズド・アレイ・プローブの利用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
米国特許第７，２６３，８８８号は、容積型超音波試験用の二次元フェーズド・アレイ及びフェーズド・アレイの利用方法を記載している。このフェーズド・アレイは、直線状パターンを成して配置された複数の超音波トランスデューサを含んでいる。二次元アレイは、焦点特性及び開口寸法の電子式調節を方位角方向及び仰角方向の両方向で行なうことが可能であるため、一様な音場特性及び／又は所定の音場特性を被試験構成部品の任意の位置又は全ての位置において得ることができる。
【０００３】
超音波素子の各々に変調を適用して走査ビームを形成し、この走査ビームによって試験材料の少なくとも一つの区域を走査することができる。
【０００４】
二次元フェーズド・アレイは一次元リニア・アレイと比較して、Ｘ方向及びＺ方向の両方向に延在する複数の不連続な超音波トランスデューサに分離され且つ／又は分割されるという利点を提供する。結果的に、走査ビームの形成は、Ｘ−Ｙ平面及びＺ−Ｙ平面の両平面で生じ得る。これにより、焦点深さ、操舵（ステアリング）角度、及び焦点の幾何形状に関する走査ビームの三次元制御が可能になる。開口の制御もまた、走査ビームの形成に寄与する。アレイの開口は、走査ビームを多重化して、同期したチャネルをアレイの個々のトランスデューサに接続することにより選択され得る。また、開口寸法は、Ｘ方向及びＺ方向の両方向で制御され且つ／又は調節され得る。
【０００５】
独国公開特許第１０  ２００４  ０５９  ８５６号は、超音波によって試験体の非破壊試験を行なう方法を記載している。この方法では、超音波を１又は複数の超音波トランスデューサによって試験体内に注入し、試験体の内部で反射した超音波を複数の超音波トランスデューサによって受波して超音波信号へ変換する。個々の測定区間において検出された超音波信号は個々に保存されて、測定の停止後にはオフライン評価のためにアクセス可能となる。このように、対応する再構成アルゴリズムを用いることにより、追加の超音波測定の必要なく、保存された超音波信号から試験体の物理的に可能な容積範囲における任意の音響照射角及び集束を後に合成することが可能となる。全ての送波器が同時に送波を行なうと仮定すると、超音波送波器の数ｉ、及び送波器群の特定の組成、特に試験体表面での配置によって、送波器群の全体的な放射特性（開口）も決まり、さらに測定の感度及び分解能も決まる。但し、完全な波面の送波のためにアレイの全ての超音波トランスデューサを起動することについてはこの公報には開示されていない。
【０００６】
独国特許第３４  ４２  ７５１号は、ローラ・コンベヤに平らに載置されて搬送される様々な幅の金属板について超音波によって動作する試験システムに関するものである。この設備は複数の試験ヘッド（プローブ）を含んでおり、これらの試験ヘッドは、金属板に向けて調節自在であり、搬送方向に対して横断方向に複数の列を成して設けられて、試験軌道同士を重ね合わせた状態で次々に後方に配置されており、各々が送波器及び受波器を有している。さらに、各々のプローブと金属板との間に水膜を施工する装置が提供されている。各々の列内のプローブは、プローブ同士の間に等間隔を設けると共に重なり合った試験軌道を連続させるために、搬送方向に対して横断方向に移動自在に又は調節自在に配置されている。さらに、金属板幅を測定する装置が提供される。一つの列の各プローブは、金属板の長手方向の両端の間の板の幅の測定値に従って設定されて、当該列の２個のプローブが端に隣接する板に向けて調節されるようになっている。
【０００７】
米国特許第４，９８９，１４３号は、干渉性（コヒーレント）エネルギ・ビームを表現する方法を記載しており、具体的には、不均一な波伝播の影響を打ち消すために、反復型の位相共役を用いて干渉性ビームの改善された適応型形成を行なう新規の方法を記載している。
【０００８】
SUNG-JIN SONK等による論文「Development of an Ultrasonic Phased Array System For Nondestructive Tests of Nuclear Power Plant Components」（Nuclear Engineering and Design 214、２００２年、第１５１頁〜第１６１頁）は、６４個の個別の送受波器チャネルを有する医用超音波イメージング・システムの改変によるフェーズド・アレイ超音波検査システムを記載している。この文献は、超音波送波素子の遅延付き動作を記載している。
【０００９】
墺国特許第３０７  ０８８号は、少なくとも１個の試験プローブを含む連続片試験用装置を記載している。試験プローブを収容しており試験片に隣接したフレームが、試験片走行方向に沿って延在する水平軸に関して往復運動する支持体に懸吊されている。支持体は台フレームに装着されて、試験片走行方向に対して横断方向に延在する水平軸に関して往復運動する。
【００１０】
独国実用新案第７２  ４０  ６８４号は、圧延試験片の連続的な超音波試験を行なうシステム用のプローブを記載している。このプローブは、プローブ筐体と、筐体の内部に配置された少なくとも１個の超音波プローブとを含んでおり、プローブ筐体は、結合液体を内部に流すことのできる結合室として設計されており、試験キャリッジに移動自在に接続されている。結合室の前段に予備湿潤室が設けられている。プローブ筐体の下方にガイド・ローラが装着されており、結合室の後段にはワイパが設けられている。
【００１１】
ビレットの様々なゾーンの超音波検査を行なう方法及び装置が、米国特許第５，５３３，４０１号に記載されている。ここでは、様々な深さの焦点ゾーンを有する複数の超音波トランスデューサを、チタンの円筒ビレットの厚みを通して検査するように配置する。各焦点ゾーンは、隣接する焦点ゾーンに部分的に重なりあっており、このようにしてビレット全体の厚みを通した完全な検査を確実に行なう。トランスデューサ受波器からの反射信号を処理してディジタル形態にし、ビレットの画像を形成する。
【００１２】
しかしながら、この形式の方法は、あらゆるプローブを個別に調節しなければならず、また表面の凹凸に合わせるのが困難であるため、高経費である。
【００１３】
超音波を用いて試験体の非破壊検査を行なう方法が、独国公開特許第１０  ２００５  ０５１  ７８１号に記載されている。この方法では、１又は複数の超音波トランスデューサによって超音波を試験体内に注入し、試験体の内部で反射した超音波を複数の超音波トランスデューサによって受波して超音波信号へ変換する。試験体の片面に超音波トランスデューサが設けられており、この超音波トランスデューサは、試験体内に結合された超音波が試験体の内部で大方一様に空間的に分布して伝播するように起動される。
【００１４】
次いで、試験体の内部で反射した超音波を表面に設けられた複数の超音波トランスデューサによって受波して、時間分解された振幅情報を含む超音波時間信号を生成する。
【００１５】
これらの超音波時間信号は保存される。次いで、三次元容積画像、試験体を通る二次元超音波断面画像の形態のセクタ画像、又は所与の照射角に沿った一次元の時間分解されて局所的に分解された超音波信号の形態のＡ画像が、超音波時間信号の少なくとも一部を専ら用いて再構成される。
【００１６】
さらにもう一つの方法が欧州特許第１  ６４９  ３０１号に記載されている。この方法によれば、複数の独立した送波素子を用いて、被試験物体の少なくとも一つの区画に完全な波面が送波される。次いで、物体の表面から反射された波が複数の独立した受波器素子によって受波される。次いで、受波器素子によって受波された信号をディジタル化ステップにおいてディジタル化して、さらに処理する。但し、動的深さ集束又は開口適応調整（aperture adaptation）については、欧州特許第１  ６４９  ３０１号では触れられていない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
従来技術では、水膜結合及びプラスチック界面を備えた二重接触型プローブが用いられている。１００個までのプローブの各々を個別に配置しなければならず、制御技術に多額の費用を要求する。加えて、各プローブを、適当な超音波結合品質について日常的に試験しなければならない。
【００１８】
各々のプローブは被試験板によって完全に覆われて初めて動作することができ、板の両端は個々のプローブと同じ幅の検査されない最小ゾーンを有する。この幅は現状では５０ｍｍの領域にある。
【００１９】
以上に基づいて、本発明の基礎となる目的は、広い厚み範囲にわたって一様な感度が達成されるように、肉厚又は薄肉の金属板のような平坦な材料の試験を行なう装置を開発することにある。さらに、この装置は、運動部品を必要とせず、また付加的な設備を一切用いずに、平坦な材料を両端に接近して試験するのに適当となる程度にまで改善されているべきである。また、フェーズド・アレイの新規発明の利用方法が提案される。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
この問題を解決するために、プローブは二次元フェーズド・アレイ・プローブとして設計され、互いに隣接して隙間なく列を成して配置されているものと規定され、個々のプローブの数及び長さの和は被試験材料の幅に対応している。各プローブを隙間なく並べることにより形成される二次元フェーズド・アレイ・プローブ又はプローブ帯（probe strip）を用いて、動的深さ集束及び動的開口適応調整を利用して信号の品質及び分解能を高める。プローブ及びプローブ・ホルダの機械的設計は、区分浸漬技術を用いた超音波結合によって単純化される。
【００２１】
特定の厚みゾーンに合わせて個別にプログラム可能なマトリクス型アレイ・プローブの利用は、従来の浸漬技術プローブの低分解能を克服することを可能にする。
【００２２】
区分浸漬技術は、標準的な水間隙技術と比較すると遥かに単純な機械的解決法を可能にし、両端を追う如何なる付加的なプローブも必要とせず、板の両端に接近した検査を可能にする。
【００２３】
従来技術と比較して、かなりの機械的単純化、及び欠陥のさらに高い分解が達成される。加えて、局所的な区分浸漬技術は被試験材料の表面の凹凸に対する感受性が小さい。
【００２４】
これらの方法及び装置は、厚み範囲が４ｍｍ〜４００ｍｍの薄肉及び肉厚の金属板の試験に適している。
【００２５】
板幅にわたるピクセル化は通例では１２ｍｍ〜１７ｍｍの間にあるが、本発明による技術では４ｍｍ〜８ｍｍを達成することができる。
【００２６】
プローブは好ましくは水プールに配置され、水プールは波状起伏（うねり）調節の目的で制御要素を用いて被試験材料の下面に対して調節自在である。水プールは好適実施形態によれば、被試験材料の下面から好ましくはリップ・シールのような汎用（all-round）封止要素によって封止される。さらに、水プールは、試験材料の過度の凹凸のため水プールに損傷が加わらないように、被試験材料の下面に向けて試験方向に沿ってランナーのような滑り要素を有し得る。
【００２７】
平坦な材料の試験時に様々な欠陥深さについてフェーズド・アレイ応用のための信号エネルギ及び信号分解能をさらに改善するために、本発明の考案によれば、受波時に受波素子の遅延値及び／又は数の連続的な変化が各回のディジタル化ステップ毎に生ずることが提案される。これにより、様々な欠陥深さについてのフェーズド・アレイ応用のための音エネルギ及び分解能の改善が、「オン・ザ・フライ」で（実行中に）、連続的な焦点則すなわち送受波素子の遅延値及び数の変化、又は選択随意で様々な焦点則の組み合わせによる１回の受波／１回の送波のサイクルによって、達成される。
【００２８】
仮想的プローブの送受波素子の遅延値及び／又は数の連続的変化は、適当なファームウェア・プログラムによってＨＦ信号の受信時に「オン・ザ・フライ」で行なわれる。
【００２９】
全般に、従来技術に比較すると良好な性能及び改善された欠陥検出が、試験経費を削減して達成される。
【００３０】
本発明による方法では、フェーズド・アレイ応用の受波部分の動的深さ集束（実行時制御型集束）及び動的開口適応調整（実行時制御型受波開口）を行なうことができる。焦点則、又は仮想的プローブの送受波素子の遅延値及び数は、１回のディジタル化ステップから次回のステップまでに変化させられる。
【００３１】
好ましい手順によれば、遅延値は、保存されている開始遅延（表面位置についての焦点則）から終了遅延（後面壁位置についての焦点則）までについて、Ｒ＝半径とすると距離関数ｌ／Ｒによって算出される。
【００３２】
選択随意で、遅延値は、特に複素コヒーレンスの場合には参照テーブルに保存され得る。
【００３３】
さらにもう一つの手順は、開口適応調整が、仮想的プローブの開始素子の終了素子の数に対する線形変化によって達成されることを特徴とする。
【００３４】
開口変化の開始は、表面／界面エコーの「飛行時間（time-of-flight）」位置をトリガとして誘発され得る。
【００３５】
さらにもう一つの手続きステップは、様々な集束された送波器ショットを一つの信号にする加算が、ディジタルＴＧＣ関数を用いることにより達成されることを特徴とする。ここでは、様々な深さに集束される各送波器ショットを一つの信号として結合する際にゾーン移行部に生ずる感度差が、ディジタルＴＧＣ関数の利用によって均等化されるものと規定される。
【００３６】
独立した本発明の考案によれば、本発明はさらに、関数依存性、例えばベジエ（Bezier）関数、多項式関数又は他の形式の関数によって、フェーズド・アレイ・プローブの遅延の定義を行なう方法及び装置に関する。この関数は、超音波トランスデューサ素子の番号を引数として採用して遅延を結果として発生するが、各パラメータは応用に依存して設定される。
【００３７】
従来技術に関わる問題は、アレイについて適用可能な遅延集合の数が、最終的な解析においてハードウェアの性能及びデータ転送の処理時間によって制限されることである。素子がさらに多数になり、被試験ゾーンが加わるに連れて、記憶容量の必要性が高まる。
【００３８】
加えて、ゾーンは、超音波装置によって形成される画像の内部に不連続性が生じないように遅延則を変化させるために特殊な処置を要求する。このことを克服するために、新型の機器は極く小さいゾーン又はあらゆる走査点についての距離アルゴリズムに基づいて遅延を算出している。この距離アルゴリズムは、激しい不連続性を含まない十分に均一な媒体に適するに留まるが、この激しい不連続性は非破壊試験では通例のものである。距離を算出するときには、固定された関係が既に用いられているが、著しく多数のパラメータを必要とする。
【００３９】
本書に記載される本発明の考案によれば、この問題は、遅延発生回路用の関数型記述の利用によって解決される。超音波問題に一般に用いられる遅延は、アレイの最初の素子とアレイの最後の素子との間の静的な微分関数によって定義され得る。これらの関数型記述は、全ての素子の遅延について曲線の生成を可能にし、遅延値はアレイ番号の関数となる。一次元アレイの場合には、この記述は１個の変数を有する関数となり、二次元アレイの場合には少なくとも２個の変数を有する関数となり、以下同様である。
【００４０】
さらに、関数型記述は、限定された数のパラメータを含んでいる。これらのパラメータは選択された遅延ゾーンの各々について変化し、個別に適応調整されなければならない。
【００４１】
３２個の送波器／受波器素子を有する一次元の仮想的プローブは、第二のゾーンのためには例えば６４個の遅延値を必要とする。３次ベジエ関数の形態にある関数型記述が適用される場合には、第二のゾーンについて必要とされるパラメータの数を８個の値にまで減少させることができ、すなわち送波について４個の値及び受波について４個の値となる。
【００４２】
遅延ゾーン同士の間の移行を滑らかにするために、現に考察されている走査位置と二つの参照時間位置との間の時間差に依存して、二つのゾーンについて関数型で記述された値の間で線形補間を行なうことができる。同じ方法を、アポダイゼーション又は重なり加重について用いることができる。この場合には、関数型記述の結果は、アレイの素子についての振幅となる。引数は素子自体であり、パラメータは超音波システムの内部で伝達されるが、さらに高次元の場合については予め算出されて、転送のためにテーブルに書き込まれる。
【００４３】
本発明による解決法によれば、従来技術と比較して得られる利点は、著しく少ないパラメータを転送すればよいので、必要な記憶容量が小さくて済むことである。サイクルの数も増大させることができ、極めて複雑な幾何学的状況に対する適応調整も同様に可能になる。
【００４４】
つまり、本発明による方法は、固定された式又は遅延集合の代わりにパラメータ表現が可能な関数を遅延ゾーンに用いることを特徴とする。
【００４５】
本発明のさらなる詳細、利点及び特徴は、特許請求の範囲及び特許請求の範囲に記載された特徴の単独及び／又は組み合わせから判明するのみならず、図面の説明に記載されている好適実施形態の記載からも判明する。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】フェーズド・アレイ・プローブの制御ユニットのブロック図である。
【図２】送受波状態にあるプローブの平面模式図である。
【図３】様々なシステム試験サイクルを有するプローブの模式図である。
【図４（Ａ）】非理想的照射形状の上方のプローブの模式図である。
【図４（Ｂ）】平行Ｂ走査の画像の図である。
【図５】平坦な材料を下方から試験する局所的な浸漬時のプローブ構成の模式図である。
【図６】図５によるプローブ・アレイの平面図である。
【図７】送受波状態にあるプローブの平面模式図である。
【図８】様々な試験サイクルによるプローブの模式図である。
【図９（Ａ）】プローブ帯の側面図である。
【図９（Ｂ）】プローブ帯の上面図である。
【図１０】プローブ・バーの形態にあるプローブ・アレイの第二の実施形態の前面図である。
【図１１】図７によるプローブ・バーの側面図である。
【図１２】プローブ・バーのさらにもう一つの実施形態の側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
図１は、好ましくはＮ＝１２８チャネルを含む制御ユニットのブロック図を示す。Ｎ＝１２８個までの超音波トランスデューサ素子１０の各々毎に、入力１４を介して制御可能なパルサ１２が設けられている。例えば５ｎｓの遅延を、さらにもう一つの入力１６を用いてオン又はオフに切り換えることができる。超音波トランスデューサ素子１０から受け取った信号は二つのチャネルにおいて記録され、各々のチャネルが演算増幅器１８、２０、低域通過フィルタ２２、２４、及びＡ／Ｄコンバータ２６、２８を含んでいる。個々のチャネルの演算増幅器１８、２０は相異なる増幅率を有する。各Ａ／Ｄコンバータは、ディジタル出力すなわちプログラム可能な集積回路３０に接続される。Ａ／Ｄコンバータ２６、２８のディジタル出力は、逆シリアル・モジュール３２、３４の入力に接続される。逆シリアル・モジュールの一つの出力はオフセット補正モジュール３６、３８の入力に接続され、オフセット補正モジュール３６、３８の出力はマルチプレクサ４０に接続される。マルチプレクサ４０は出力側で、ＲＡＭのような外部メモリ・モジュール４２及び処理ユニット４４に接続される。
【００４８】
処理ユニット４４では、チャネル選択、並びに動的深さ集束及び動的開口適応調整が生ずる。与えられる遅延は例えば５ｎｓである。外部メモリ・モジュール４２の一つの出力は開口処理ユニット４４に接続される。さらに、内部メモリ・モジュール４６が設けられており、同様に開口処理ユニット４４に接続されている。
【００４９】
総和モジュールを有するユニット４４の一つの出力はプロセッサ４８に接続され、ここで増幅、フィルタ処理及び実時間ＨＦ振幅スケーリングの時間制御増幅がディジタル態様で行なわれる。プロセッサ４８の出力において信号が送信されて、マルチプレクサ５０の第一の入力５２．１に印加される。また、ヘッダ、シーケンス番号又は制御語が、マルチプレクサの第二の入力５２．２に印加され得る。それぞれの入力は、第三の入力５２．３を用いて選択され得る。マルチプレクサ５０の出力においては、例えば１７ビット信号が印加されて、高速シリアル・リンク５４を介してさらなる処理のために利用可能となる。回路のさらにもう一つの構成要素は、回路３０の様々なユニットにおいて信号を入力する入力モジュール５６である。
【００５０】
本発明による方法は、次のようにして実行される。先ず、完全な波面が物体の少なくとも一つの被試験区画に垂直に、全ての超音波トランスデューサ素子の同時（位相厳格型（phase-rigid））制御によってパルス発生器１２を介して送波される。次いで、物体の構造によって反射された波が、複数の独立した超音波トランスデューサ素子１０によって受波される。超音波トランスデューサ素子１０から受波された信号を、ディジタル信号処理ユニット３０においてディジタル化ステップにおいてディジタル化し、電子的に処理して、メモリ・モジュール４４又は４６に保存する。
【００５１】
ここでは、各回のディジタル化ステップ毎に「オン・ザ・フライ」で超音波トランスデューサ素子の遅延値及び／又は数を適応調整しなければならないため、各回のディジタル化ステップ毎に「オン・ザ・フライ」で仮想的プローブの超音波トランスデューサ素子の遅延値及び／又は数の連続的変化が存在する。遅延値は、保存されている開始遅延（表面位置についての焦点則）から終了遅延（後面壁位置についての焦点則）までについて、Ｒ＝半径とするとｌ／Ｒのような距離関数によって算出される。遅延値は、特に複素コヒーレンスの場合には参照テーブルに保存され得る。現在の例では、遅延値は曲線の形態でプロットされる。
【００５２】
開口適応調整は、好ましくは総和モジュール４４において受波素子の数の線形変化によって行なわれる。
【００５３】
遅延値及び／又は開口適応調整の大きな変化は通常、表面／界面エコーの「飛行時間」位置（実行時（runtime）位置）をトリガとして誘発される。総和モジュール４４では、様々な集束された送波器ショットを一つの信号にする加算が、ディジタルＴＧＣ関数の利用によって行なわれる。加えて、遅延値は、関数依存性、例えばベジエ関数、多項式関数又は他の形式の関数によって定義され、ここでは超音波トランスデューサ素子の関数番号を引数として用いて遅延値を結果として発生するが、各パラメータは応用に依存して設定される。
【００５４】
図２（Ａ）〜図２（Ｄ）は、マトリクス型フェーズド・アレイ・プローブの形態にあるプローブ６２の平面図を純粋に概略的な形態で示す。このプローブは、個々に制御可能な複数の個別の超音波トランスデューサ素子１０を含んでいる。
【００５５】
既に述べた通り、図２（Ａ）に示すように送波のためには全ての超音波トランスデューサ素子１０が同時に動作する。
【００５６】
実行時制御型集束（動的深さ集束）及び実行時制御型受波開口（動的開口）の原理に従って、図２（Ｂ）〜図２（Ｄ）の着目する焦点ゾーンについては、図２（Ｂ）のような１個の素子、図２（Ｃ）のような５個の素子、又は図２（Ｄ）のような９個の素子が受波を行なうように切り換えられて、様々な深さのゾーンに集束する。
【００５７】
各々のプローブ６２が例えば１２８個の超音波トランスデューサ素子１０を有し得る。５×２５＝１２５個の素子を有するプローブが好ましくは用いられ、この結果として、例えば３５ｍｍ×１７５ｍｍの領域において作用表面を得ることができる。
【００５８】
１０００ｍｍ〜５３００ｍｍにわたる範囲の金属板幅をカバーするためには、約３６個のプローブ６２が必要とされる。
【００５９】
図３には２４個の素子を有するシステム・プローブ６４が示されており、システム試験サイクルＴ１…Ｔｎに合わせるために各々の場合において９個の超音波トランスデューサ素子１０を段階的にオンに切り換えて、受波を行なうように切り換えている。
【００６０】
本発明による方法では、凹凸のある表面について従来の接触技術と比較して高い結合信頼性が得られる。さらに、全てのプローブは、幅ピクセル化を例えば６ｍｍとして板幅全体にわたり隙間なく配置され得る。端及び上下面試験をこの概念に一体化する。また、より高次の再構成方法が全ての試験データの早期のディジタル化によって組み入れられ得る。さらに、平行Ｂ走査原理が可能になり、すなわち全ての超音波トランスデューサ素子が同時に送受波を行なうことが可能になる。
【００６１】
図４（Ａ）に示すように、平行Ｂ走査方法は、非理想的照射形状６６についても堅牢な試験を可能にする。図４（Ｂ）に示すように、非理想的照射形状６６は例えば彎曲した前面壁及び／又は彎曲した後面壁を有し得る。
【００６２】
試験アレイ６８の第一の実施形態を図５に側面図として示す。薄肉又は肉厚の金属板のような平坦な材料の形態にある被試験物体７０が輸送ローラ７２、７４に積載されて、矢印７６の方向に輸送自在となっている。被試験材料７０の下面７８にはプローブ・アレイ８０が設けられており、これにより個々のプローブＰＫ１〜ＰＫｎが区分技術によって被試験材料７０に結合される。プローブ・アレイ８０は、上方に向かって開放した水室として設計されており、連続的な給水を介して被試験物体７０までの間隙に生ずる水損失を均等化し、従って超音波の完全な結合が確実になる。プローブ・アレイ８０は好ましくは、水損失を減少させるために被試験材料の下面７８からリップ・シールによって封止される。
【００６３】
代替的には、前方及び後方の滑りシューを試験材料７０の移動方向７６に沿って設けて、試験材料が過度に不均一であるときの損傷からプローブ・アレイ８０を保護することができる。プローブ・アレイ８０は、制御要素８４を用いて下降させることができ、波状起伏に適応するためにさらに他の制御要素８６、８８、９０を用いて動的に再調節されることができる。プローブ・アレイ８０の前方には、予備清浄化ユニット又は予備湿潤ユニット９２と、故障発生時に確実に運転停止を行なうための安全センサ９４とが装着されている。
【００６４】
図６はプローブ・アレイ８０の平面図を示しており、個々のプローブＰＫ１〜ＰＫ６又はＰＫｎが水プール９６の内部に配置されている。水プールは、被試験材料７０の下面７８から好ましくはリップ・シールのような汎用封止要素９８によって封止される。ここでは、プローブＰＫ１、ＰＫ３、ＰＫ５が第一の長手方向軸９８に沿って互いから一定の距離を隔てて配置されており、また第一の軸に平行に走行している第二の軸１００に沿って、プローブＰＫ２、ＰＫ４、ＰＫ６がプローブＰＫ１、ＰＫ３、ＰＫ５に対してずれて並ぶように配置されている。このようにして、被試験域の全幅Ｂが超音波トランスデューサ素子によってカバーされる。超音波プローブの一つ一つＰＫｉがここでは超音波制御ユニットｉ（図１による）の一つに接続される。このようにして、試験を一つ一つのプローブによって同時に並行して行なうことができ、従って試験容量を増大させることができる。一つのプローブの内部では、集束された送波が、試験要件に依存してマトリクス型プローブの一群の好ましくは５×５個の素子によって試験標本の後面壁に対して生ずる。次いで、適当な受波素子を選択することによる所載の動的開口適応調整及び／又は遅延の適応調整による動的深さ集束を行ないながら、深さゾーンに依存して同じ受波群を評価する。次いで、プローブ表面全体をカバーするために、次回の超音波ショットでは所載の群をプローブ長手方向に沿って１個のマトリクス素子分さらに移動させて、このことをプローブ開口全体が走査され終わるまで行なう。代替的には、さらにもう一つの試験モードにおいては、送波側開口（例えば中央の素子のみ又は３×３個の素子群のみ）を適当な集束によって制御して、この場合にも開口及び集束の適応調整を行ないながら、深さゾーンに対応して結合された様々な送波ショットからの保存されている受波超音波信号を評価することも可能である。さらにもう一つの試験モードはプローブの開口全体（例えば５×２５個のマトリクス素子）の送波ショットを含んでおり、この送波ショットと共に５×５個の素子群の割り出し式移動について最初に記載された方法に従って、試験標本の後面壁に対する線形集束及び保存されている受波信号の評価を行なう。
【００６５】
プローブ・アレイ８０は、生産フローにおいてトリミング前の圧延板の１００％表面試験を行なうことが可能である。ここでは、長さが３００００ｍｍまで、幅が１０００ｍｍ〜５３００ｍｍ、厚みが４ｍｍ〜３００ｍｍの範囲にある金属板を処理／試験することが可能である。
【００６６】
試験は１回パスで特に表面ゾーン及び端ゾーン試験として行なわれることができ、後者は長手方向にも横断方向にも行なわれ得る。試験速度は１０００超音波ショット／秒について約０．５ｍ／秒である。結合は、上述のように循環給水による水間隙を介して行なわれる。
【００６７】
本発明による方法は、材料厚みに依存して信頼性のある検出を可能にし、厚みが８ｍｍ〜２４０ｍｍのＥＲＧΦ３の場合には表面からの距離が３ｍｍまでで確実に検出され、厚み範囲が２４０ｍｍ〜４００ｍｍのＥＲＧΦ５の場合には表面からの距離が５ｍｍまでで確実に検出され得る。
【００６８】
全般に、機能的信頼性、入手可能性、及び保守容易性を高めるためにモジュール型構造を目指している。
【００６９】
この方法は、例えば以下の条件下で検証され得る。試験方法：パルス型エコー方法。水距離は８０ｍｍ。
試験体１
材料：炭素鋼
寸法：長さ＝２００ｍｍ、幅＝１００ｍｍ、厚み：２８０ｍｍ
試験欠陥：径３ｍｍ又は５ｍｍの平らな鞍形穴
２００９年５月２８日−４９２７１Ｂ
試験体２
材料：炭素鋼
寸法：長さ＝１００ｍｍ、幅＝１００ｍｍ、厚み：２０ｍｍ
試験欠陥：径３ｍｍ又は５ｍｍの盲穴
トランスデューサ（プローブ１）
形式：２Ｄ面アレイトランスデューサ（１８素子）
周波数：４ＭＨｚ
素子寸法：７×７ｍｍ２
トランスデューサ（プローブ２）
形式：２Ｄ面アレイトランスデューサ（２４素子）
周波数：５ＭＨｚ
素子寸法：６×６ｍｍ２
マトリクス型プローブの図は図３に示すものに対応している。
【００７０】
マトリクス型プローブのさらにもう一つの図を図７に示す。図７（Ａ）によれば、プローブＰＫは５×５＝２５個の個別の送受波素子１０を含んでいる。実行時制御型集束（動的深さ集束）又は実行時制御型受波開口（動的開口）の原理は図７（Ｂ）〜図７（Ｄ）から分かる。プローブＰＫの超音波受波信号の数の評価に対応して、試験物体の様々なゾーン（ゾーン１、ゾーン２、ゾーン３）が、図７（Ｅ）に純粋に概略的に示すように試験され得る。
【００７１】
図８は、一例として個々のプローブＰＫ１…ＰＫｎを隙間なく並べてシステム・プローブＡＰＫを形成したもの、又は次いでシステム・プローブＡＰＫを隙間なく並べて得られるプローブ帯ＰＫＬをを示す。
【００７２】
全てのプローブＰＫ１…ＰＫｎによる波面の送波の後に、プローブＰＫ１…ＰＫｎの全ての超音波受波器１０が受波するように切り換えられるため、入来する超音波信号をディジタル化ステップにおいてディジタル化して保存することができる。ディジタル化のタイミングのため、信号が任意の時刻にディジタル化される場合に、信号は深さ情報を受け取ってこの情報を評価することができる。第一の試験サイクルＴ１では、各々のプローブＰＫ１…ＰＫｎの２５個の個別の信号が「オン・ザ・フライ」で評価され、すなわち信号が依然受波されている間に評価される。さらに他の試験サイクルＴ２…Ｔ５では、各回のディジタル化ステップ毎に受波素子の遅延値及び／又は数の連続的変化を考慮に入れて、「仮想的プローブ」においてさらにサイクル運転することにより、既に保存されている超音波信号が評価される。受波素子によって受波される信号のディジタル化ステップにおけるディジタル化のため、あらゆる保存値はまた深さ情報を得て、この情報を評価することができる。２５個の送受波素子を有するプローブＰＫと共に示されている実施形態では、このように５回の試験サイクルの範囲内で評価を行なうことができる。
【００７３】
単一のプローブＰＫ１…ＰＫｎはここでは、例えば５×５＝２５個の個別の送受波素子１０を含んでおり、素子１０の各々が例えば６×６ｍｍの寸法を有する。従って、図９（Ａ）に示すプローブ筐体ＰＫＧの寸法は、２５個の送受波素子について約３５ｍｍ×３４．８ｍｍの領域にある。プローブ帯ＰＫＬを図９（Ｂ）に示す。
【００７４】
板幅が例えば最大５３５０ｍｍであり、２５個の送受波素子について想定されるプローブ筐体幅が３５ｍｍである場合に、結果は板幅をカバーするのに必要とされるプローブの数が５３５０／３５＝１５３個となる。
【００７５】
各々の制御ユニットＳＥについて１２５チャネルが利用可能であるとすると、結果は電子ユニット当たりプローブ数が５となる。所要のプローブ数が１５３である場合には、３１個の電子ユニットが必要である。
【００７６】
５個のプローブを各々処理し得る３１個の電子ユニットを用いると、結果は最大プローブ数が１５５となり、従って幅１５５×３５ｍｍ＝５４２５ｍｍのカバー範囲を可能にする。このことは、板幅が５３５０ｍｍである場合には７５ｍｍの重なりに対応する。
【００７７】
図１０は、プローブ・バーの形態にあるプローブ・アレイ１０２の第二の実施形態の前面図を示す。このアレイについては、図９によるプローブＰＫ１…ＰＫｎが、金属板１０４のような平坦な材料の完全な試験を可能にするためにプローブ帯ＰＫＬとして隙間なく並べられる。
【００７８】
プローブ・バー１０２の第一の実施形態の側面図を図１１に示す。プローブ・バー１０２は、静止型又は可動型支持体１０６の上に配置されているが、支持体１０６の詳細は図示を省略する。給水源として設計されているビーム１０８、１１０がこの支持体の上に設けられている。ビーム１０８、１１０には昇降装置１１２が設けられており、この昇降装置１１２を用いてプローブ・バー１０２を被試験板１０４に向けて前進させることができる。昇降装置は、空気式設計のものであってよく、伸長した状態で約２０ｍｍの行程を有する。昇降装置１１２は高さ調節自在のプラットフォーム１１４を含んでおり、このプラットフォーム１１４の下方に空気供給路１１６、１１８が配置されている。
【００７９】
好適実施形態では、プローブ・バー１０２は、円弧形状のトラフ１２２を含む角度調節装置１２０を備えて設計されており、角度調節装置１２０は、ローラ１２４、１２６に旋回自在に装着されており、調節機構１２８を用いて設定自在である。角度は、±５°の範囲で設定され得る。
【００８０】
トラフには長手方向に走行するビーム１３０、１３２が設けられており、これらのビームによってプローブ帯１３４が確実に支持されている。プローブ帯１３４の整列、特に初期組み立て時の整列のために、調節要素１３６、１３８がビーム１３０、１３２の上側に載置されて設けられている。プローブ帯１３４の側に、流れ去り又は拭き取られる結合水用の収集水路１４０、１４２が配置されている。プローブ帯の上方には、試験材料に対する水結合のためのスロット１４４が設けられており、被試験材料の下面に接触するゴム製表面材１４６、１５８によって側面で制限されている。
【００８１】
図１２は、プローブ・バー１５０のさらにもう一つの実施形態を側面図として示しており、この側面図は図１１による実施形態に実質的に対応するので、同等の要素は同じ参照番号によって示す。
【００８２】
本実施形態では、プローブ帯１３４は試験トラフ１５２の内部に向けて開放しており、試験トラフ１５２は拭き取り及び封止用リップ１５４、１５６によって側面で制限されている。試験トラフに平行に、予備湿潤水路１５８が板走行方向の反対に設けられており、この水路１４８を用いて被試験材料を予備湿潤する。水路は、拭き取り及び封止用リップ１６０並びに拭き取り及び封止用リップ１５４によって側面で制限されている。
【００８３】
板走行方向には、試験トラフ１５２から流出した水を受ける収集水路１６２が、試験トラフ１５２に平行に走行している。収集水路は、拭き取り及び封止用リップ１６４並びに拭き取り及び封止用リップ１５６によって側面で制限されている。
【符号の説明】
【００８４】
１０  超音波トランスデューサ素子
１２  パルサ
１４、１６  入力
１８、２０  演算増幅器
２２、２４  低域通過フィルタ
２６、２８  Ａ／Ｄコンバータ
３０  プログラム可能な集積回路
３２、３４  逆シリアル・モジュール
３６、３８  オフセット補正モジュール
４０  マルチプレクサ
４２  外部メモリ・モジュール
４４  処理ユニット
４６  内部メモリ・モジュール
４８  プロセッサ
５０  マルチプレクサ
５２  入力
５４  高速シリアル・リンク
５６  入力モジュール
６２  マトリクス型フェーズド・アレイ・プローブ
６４  システム・プローブ
６６  非理想的照射形状
６８  試験アレイ
７０  被試験物体
７２、７４  輸送ローラ
７６  輸送方向
７８  下面
８０  プローブ・アレイ
８２
８４、８６、８８、９０  制御要素
９２  予備湿潤ユニット
９４  安全センサ
９６  水プール
９８  汎用封止要素
９８  第一の長手方向軸
１００  第二の軸
１０２  プローブ・バー型プローブ・アレイ
１０４  金属板
１０６  支持体
１０８、１１０  ビーム
１１２  昇降装置
１１４  プラットフォーム
１１６、１１８  空気供給用チャネル
１２０  角度調節装置
１２２  円弧形状のトラフ
１２４、１２６  ローラ
１２８  調節機構
１３０、１３２  ビーム
１３４  プローブ帯
１３６、１３８  調節要素
１４０、１４２  収集水路
１４４  スロット
１４６、１４８  ゴム製表面材
１５０  プローブ・バー
１５２  試験トラフ
１５４、１５６  拭き取り及び封止用リップ
１５８  予備湿潤水路
１６０、１６４  拭き取り及び封止用リップ
１６２  収集水路
【図１】
2011522238.tif 000003
【図２】
2011522238.tif 000004
【図３】
2011522238.tif 000005
【図４（Ａ）】
2011522238.tif 000006
【図４（Ｂ）】
2011522238.tif 000007
【図５】
2011522238.tif 000008
【図６】
2011522238.tif 000009
【図７】
2011522238.tif 000010
【図８】
2011522238.tif 000011
【図９（Ａ）】
2011522238.tif 000012
【図９（Ｂ）】
2011522238.tif 000013
【図１０】
2011522238.tif 000014
【図１１】
2011522238.tif 000015
【図１２】
2011522238.tif 000016
【国際調査報告】
2011522238.tif 000017
2011522238.tif 000018
2011522238.tif 000019
2011522238.tif 000020
2011522238.tif 000021
2011522238.tif 000022
2011522238.tif 000023
2011522238.tif 000024
2011522238.tif 000025
2011522238.tif 000026
2011522238.tif 000027
2011522238.tif 000028