(57)【要約】【課題】表面に対し平行でない反射源を明るく表示すると共に、アーチファクトが発生しないようにして、判別し易い断面像を表示する。【解決手段】超音波ビームの角度走査のために、物体の特定の方向に伝達させた超音波ビームを１本の走査線と称することとし、更に、前記特定の方向と物体表面に対する法線との間の角度をθと表わすことにしたとき、前記走査線の角度θに対する密度を、物体の形状に応じて変更する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波ビームの角度走査を用いて、物体の断面形状を映像化する物体の超音波による映像化方法において、
超音波ビームの角度走査のために、物体の特定の方向に伝達させた超音波ビームを１本の走査線と称することとし、更に、前記特定の方向と物体表面に対する法線との間の角度をθと表わすことにしたとき、
前記走査線の角度θに対する密度を、物体の形状に応じて変更することを特徴とする物体断面の超音波による映像化方法。
【請求項２】
前記物体が、表面と裏面とが平行な物体を素材として製作された物体である場合には、
前記走査線の角度θに対する密度を、角度θに応じて高めることを特徴とする物体断面の超音波による映像化方法。
【請求項３】
前記走査線の角度θに対する密度を、角度θに応じて段階的に高めることを特徴とする請求項２に記載の物体断面の超音波による映像化方法。
【請求項４】
前記走査線の角度θに対する密度を、角度θに応じて連続的に高めることを特徴とする請求項２に記載の物体断面の超音波による映像化方法。
【請求項５】
前記物体が、表面に対し平行ではない大きな平面を含む場合には、
この平面に垂直な角度に近い範囲において、超音波ビームの走査線の密度を低くすることを特徴とする請求項１に記載の物体断面の超音波による映像化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体の断面を非破壊で映像化する方法に係り、表裏面が平行な金属板などの物体を溶接して製作される物体の断面構造を映像化する際に用いるのに好適な、物体の超音波による映像化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、物体の断面構造を非破壊で映像化する方法として、超音波を用いる方法が知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１に開示されている扇型走査式超音波探傷装置を用いて、物体の断面形状の測定を行なうことができる。この装置は、円弧状に配列された超音波送受信用振動子アレイ（以下、探触子）を用いて超音波ビームの扇状走査を行なうこと、探触子を被検体表面に沿って走行させつつ探傷動作を行なうことを特徴としている。更に、同様な方法あるいは装置を開示した発明として、特許文献２及び３が挙げられる。
【０００４】
【特許文献１】特開平１−１２６５４３号公報
【特許文献２】特開平４−１２２６９号公報
【特許文献３】特開平４−１３６７５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の超音波を用いた物体断面の映像化方法として挙げた特許文献１〜３に開示された方法には以下の欠点があり、測定により得られた断面像が判別し難いものとなっていた。
【０００６】
１）扇状走査において、振動子アレイを貼り付けた円弧状のシューから被検体へ超音波ビームが入射する際の入射角度が等間隔となるように制御されているため、被検体のなかに屈折により伝達された超音波ビーム（走査線）の角度θ（走査線の方向と被検体表面に対する法線との成す角度）に対する密度は、図５に示すように角度θが小さいほど高くなるようになっていた。即ち、従来の方法や装置には、被検体表面に垂直に近い角度ほど、走査線の密度が高い特性があった。
【０００７】
表裏面が平行な物体を素材にして製作される物体には超音波を入射させる表面に対し平行な反射源が多い特徴がある。従来の方法や装置を用いて、表面に対し平行な反射源が多い物体（被検体）の断面の映像化を行なう場合には、被検体表面に垂直に近い角度ほど、走査線の密度が高いことが原因となって、表面に対し平行な反射源から生じる振幅の大きなエコーが多数回にわたり積算されるため、表面に対し平行な反射源の像が明るくなりすぎ、表面に対し平行でない反射源の像（暗い）とのコントラストが大きくなりすぎる問題があった。
【０００８】
２）探触子により送受波される超音波ビームには、ある程度角度分布がある（通常、ビームの拡がりと呼ばれる）。このため、例えば、表面に対し平行な反射源を映像化したときに、図６に示すように、その端部から、円形の像（アーチファクトと称する）が形成される。図６は２枚の薄板をスポット溶接した被検体の溶接金属端部近くの断面を映像化した結果である。２枚の薄板間の接合されていない部分が表面に対し平行な反射源にあたり、この端部から円形の像、即ち、アーチファクトが形成されている。この像は、普通、表面に対し平行な反射源の映像よりは暗いが、１）に述べた問題と同様に、表面に対し平行な反射源の像が明るくなりすぎる結果、この像も明るくなり、あたかも反射源が存在するかのように見える問題があった。
【０００９】
以上の問題点は、表面に対し平行ではない大きな平面を含む物体の断面の映像化を行なう場合にも発生し得る。即ち、前記大きな平面から生じる振幅の大きなエコーが複数回にわたり積算されるため、前記大きな反射面の像が明るくなりすぎ、それ以外の反射源の像とのコントラストが大きくなりすぎる問題があった。又、前記大きな反射面の映像の端部には円弧状のアーチファクトが明るく形成され、あたかも反射源が存在するかのように見える問題もあった。これらの問題は、前記大きな反射面が表面に対し平行に近い方向性を有するほど顕著であった。
【００１０】
本発明は、このような問題を解決するべくなされたもので、物体断面の映像化に当たり、表面に対し平行でない反射源を明るく表示できるようにし、又、アーチファクトが発生しないようにして、判別し易い断面像を表示できるようにすることを課題とする。
【００１１】
更に、本発明は、表面に対し平行ではない大きな平面を含む物体の断面の映像化を行なう場合に、前記の大きな平面の影響による、それ以外の反射源の像のコントラスト低下を防止すること、又、前記の大きな平面によるアーチファクトの発生を防止することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、超音波ビームの角度走査を用いて、物体の断面形状を映像化する物体断面の超音波による映像化方法において、超音波ビームの角度走査のために、物体の特定の方向に伝達させた超音波ビームを１本の走査線と称することとし、更に、前記特定の方向と物体表面に対する法線との間の角度をθと表わすことにしたとき、前記走査線の角度θに対する密度を、物体の形状に応じて変更するようにして、前記課題を解決したものである。
【００１３】
又、前記物体が、表面と裏面とが平行な物体を素材として製作された物体である場合には、前記走査線の角度θに対する密度を、角度θに応じて高めるようにしたものである。
【００１４】
又、前記走査線の角度θに対する密度を、角度θに応じて段階的又は連続的に高めるようにしたものである。
【００１５】
又、前記物体が、表面に対し平行ではない大きな平面を含む場合には、この平面に垂直な角度に近い範囲において、超音波ビームの走査線の密度を低くするようにしたものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、超音波ビームの走査によって、物体の断面形状を映像化する物体断面の超音波による映像化方法において、
（１）表面に対し平行でない反射源を明るく表示する、
（２）アーチファクトが発生しないようにして、判別し易い断面像を表示する、
ことが可能になる。
【００１７】
超音波ビームの角度走査のために、物体の特定の方向に伝達させた超音波ビームを１本の走査線と称することとし、更に、前記特定の方向と物体表面に対する法線との間の角度をθと表わすことにしたとき、本発明は、物体が、表面と裏面とが平行な物体を素材として製作された物体である場合には、図１に例示する如く、前記走査線の角度θに対する密度を角度θに応じて高めることによって、物体表面に垂直に近い角度ほど、走査線の密度を低くする。これによって、表面に対し平行な反射源から生じる振幅の大きなエコーが多数回にわたり積算されるのを防止できる。又、角度θが大きいほど前記走査線の角度θに対する密度が高くなるので、表面に対し平行でない反射源の像を明るく表示することができる。結果として、表面に対し平行な反射源の像と表面に対し平行でない反射源の像との間のコントラストが近づくので、表面に対し平行でない反射源の像を明瞭に表示することができる。
【００１８】
更に、被検体表面に垂直に近い角度ほど走査線の密度を低くすることによって、表面に対し平行な反射源から生じる振幅の大きなエコーが多数回にわたり積算されるのを防止できるため、表面に対し平行な反射源の端部付近に発生するアーチファクトの輝度を大幅に低減できる。
【００１９】
なお、表面に対し平行ではない大きな平面を含む物体の断面の映像化を行なう場合には、この平面に垂直な角度に近い範囲において、超音波ビームの走査線の密度を低くするようにすればよい。
【００２０】
又、角度θが負になる場合は、その絶対値に応じて走査線の密度を高めていけば良い。
【００２１】
上記のとおり、本発明では物体の断面構造を判別し易く表示することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２３】
本実施形態の構成図を図２に示す。図２は薄い金属板（以下、薄板）１ａ、１ｂを２枚重ねてスポット溶接した物体のスポット溶接部（被検体）１の断面を、水浸法により超音波を用いて映像化する構成を示している。
【００２４】
図２は、スポット溶接部１及び測定水槽（図示省略）内を断面図で示しており、その他の部分はブロック図で示している。１は検査対象である薄板スポット溶接部（被検体）を示す。１０は集束ビームを送受信する超音波プローブであり、送信回路１１からの一定周期の電気パルスにより超音波集束ビーム１０ａを被検体１に向け送信すると共に、該被検体１の表面及び内部からの反射波（エコー）を受信する。受信された信号は受信増幅器１２により、後の信号処理に都合のよい適正レベルに増幅される。増幅後の受信信号は、Ａ／Ｄ変換器１３によってデジタルデータとされ、後述する首振り角度θi、及びリニア走査におけるプローブ位置と共に、断面像合成装置１４の波形メモリ１４ａに格納される。
【００２５】
前記超音波プローブ１０は首振り手段（角度走査手段とも称する）２１によって、被検体１の表面の一点を中心にして機械的に首振り走査される。首振り走査における角度の設定は、角度走査モーションコントローラ１６によって制御される。
【００２６】
この角度走査モーションコントローラ１６は、入射角θiを適切に変更しながら超音波ビームを送受波することにより、被検体１の内部に図１に示す走査線を形成する。このときの入射角θiと屈折角θとは下記のスネルの法則を満足する。
【００２７】
【数１】
2005106666.tif 000003
【００２８】
ここで、C：金属板での超音波の速度、Ci：水での超音波の速度（他の液体を用いる場合は液体での超音波の速度）である。
【００２９】
この首振り走査により被検体１の表面に対し入射角θiで入射した超音波が被検体１の表面で屈折し、屈折角θの方向に超音波ビームが送受波される。
【００３０】
入射角度が、被検査体表面に対し垂直な角度方向を、Ｎ＝１として、被検査体表面に対して平行な角度に近づくにつれて、Ｎが増加するようにし、N番目に設定した入射角をθiN、これに応じた屈折角をθNと(N=1,2,3,‥‥)とするとき、角度走査モーションコントローラ１６による入射角θiNの変更は、屈折角θNが下式(2)を満足するように、即ち、N番目の入射角設定における屈折角の増分が１回前の(N-1)番目の入射角設定における屈折角の増分以下となるように、(1)式を用いて入射角を計算するようにする。このように計算した入射角θiNになるように角度走査モーションコントローラ１６は角度走査手段２１に入射角設定信号を送り、入射角設定を行う。
【００３１】
【数２】
2005106666.tif 000004
【００３２】
この算出方法は、図２の被検査体表面に対し垂直方向を基準に左右対称として適用できる。
【００３３】
前記超音波プローブ１０は首振り走査手段２１と共にリニア走査手段２２によって、被検体表面に平行な１つの方向へ機械的にリニア走査される。
【００３４】
前記した首振り走査とリニア走査とを組み合わせた複合走査によって、被検体１の内部は超音波ビームによって走査される。この手順は、首振り走査→所定ピッチでのリニア走査→首振り走査→所定ピッチでのリニア走査の繰り返しで行なわれる。走査中の超音波プローブ１０の首振り角θiは角度検出手段２３によって、超音波プローブ１０の被検体表面に平行な１つの方向での位置は位置検出手段２４によって検出されて断面像合成装置１４の波形メモリ１４ａに送られる。
【００３５】
上記のとおり、超音波ビームの走査における受信信号、及びその受信信号を収集したときの超音波プローブ１０の首振り角度θi、被検体表面に平行な１つの方向でのプローブ位置が、断面像合成装置１４の波形メモリ１４ａに格納される。
【００３６】
前記断面像合成装置１４の中にはエコービーム路程計測部１４ｂがある。該エコービーム路程計測部１４ｂは、デジタル化され、波形メモリ１４ａに格納された受信信号から、受信したエコーの受信タイミングを検出する。受信したエコーとは、被検体１の表面からのエコー、薄板の金属組織とナゲット（溶接金属）１ｃとの境界からのエコー、薄板１ａ及び薄板１ｂの底面エコー等を言う。エコーの受信タイミングは超音波プローブと前記した反射源との距離に比例した量であるので、反射源までのビーム路程ということができる。ビーム路程としては、超音波の伝播時間、あるいは、それに音速を掛算した超音波の伝播距離のいずれを用いてもよい。計測された各受信信号に含まれるエコーのビーム路程は、超音波プローブ１０の首振り角度θi、被検体表面に平行な１つの方向での超音波プローブ位置と共に断面像合成用メモリ１４ｃに送られ、該断面像合成用メモリ１４ｃにおいて、両者を対応付けて記録される。
【００３７】
図３に本方法による断面像合成の方法を示す。図３は仮想的な２次元平面に被検体１の断面（以下、仮想断面）を設定し、その断面を微小要素Ｐk,l（ｋ：被検体表面に平行な１つの方向での位置、ｌ：厚さ方向の位置）に分割している。
【００３８】
ある特定のプローブ位置ｘ（被検体表面に平行な１つの方向での位置）及び首振り角度θiでの前記仮想断面上でのプローブ位置をＱと表わすこととすると、前記Ｑは、被検体表面に平行な１つの方向でのプローブ位置ｘ及び首振り角度θiから求めることができ、ｘ及びθiの関数となるので、以下、Ｑ（ｘ，θi）と表わすことにする。
【００３９】
図３は、更に位置Ｑ（ｘ，θi）にて計測したエコーのビーム路程Ｗ1（被検体の表面エコーのビーム路程）及びＷ2（被検体内部からのエコーのビーム路程、複数の場合もあるが、説明の簡単のために、この図では一つ）から、該エコーの反射源となり得る微小要素を抽出する様子を示している。図中、ハッチングを施した要素は、反射源となり得る微小要素を示している。
【００４０】
本実施形態における断面像の合成は、断面像合成用メモリ１４ｃに記録された情報を用いて、断面像合成部１４ｄにおいて下記の手順で行なわれる。
【００４１】
（１）各プローブ位置Ｑ（ｘ，θi）について、入射角θiおよび計測した被検体の表面エコーのビーム路程Ｗ1から、Ｐｆk,lのうち被検体表面となりうる微小要素Ｐｆks,lsを選び、Ｐｆks,lsに設けたカウンタＣks,lsにカウント１を加算する。カウンタＣk,lは２次元の配列である。次にこの微小要素Ｐｆks,lsを起点として、屈折角θと被検体内部からのエコーのビーム路程W2（複数の場合もある）から、被検体内部の反射源となりうる微小要素Ｐｆki,liを求め、Ｐｆki,liに設けたカウンタＣks,lsにカウント１を加算する。超音波ビームの拡がりを考慮すると、Ｐｆks,lsおよびＰｆki,liは複数となり得る。
【００４２】
（２）全プローブ位置につき、上記計算を行なった後、Ｃk,lの内容をカウント値に応じて濃淡又は色をつけて表示等すると、断面像が得られる。
【００４３】
１５は断面像表示装置であり、上記のように作成された断面像をカウント値に応じて色又は濃淡をつけて表示する。
【実施例】
【００４４】
図４（ａ）は上記実施形態の装置により、薄板１ａ及び薄板１ｂの厚さが２．５ｍｍのスポット溶接部の断面を、周波数２５ＭＨｚ、振動子径：６ｍｍ、水中焦点距離：２５ｍｍの集束プローブを用いて、深さ２．５ｍｍの位置に焦点を設定して映像化した結果を示している。対比のため、従来の方法による断面映像を図４（ｂ）に示している。従来の方法では、表面に対し平行でない反射源が表面に対し平行な反射源と比べ暗く表示され、又、アーチファクトが発生して、判別が難しい断面像しか得られないのに対し、本発明の方法では、表面に対し平行でない反射源が明るく表示され、しかもアーチファクトも目立たなくなっている。即ち、従来の方法の問題点を前記実施形態の装置で解決できることが分かる。
【００４５】
以上、本発明の一実施形態について説明してきたが、本発明はこれに限るものではなく、被検体がスポット溶接部のみならず、一般の物体であっても適用でき、その材質は金属だけでなく、樹脂あるいは全く別のものであっても適用可能であることは明らかである。被検体を浸漬する媒体も水の他、油やその他のものであっても勿論よい。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明によれば、物体の断面形状を映像化する物体断面の超音波による映像化方法において、断面構造を判別し易く表示することが可能になるので、様々な物体の内部品質評価に有効に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明での超音波ビームの走査線の形成状況を示す説明図
【図２】本発明の構成を示す説明図
【図３】本発明の断面像の合成方法を示す説明図
【図４】本発明の効果の一例を従来技術と対比して示す図
【図５】従来技術における超音波ビームの走査線の形成状況を示す説明図
【図６】同じくアーチファクトの説明図
【符号の説明】
【００４８】
１…被検体
１ａ、１ｂ…薄板
１ｃ…ナゲット
３…水
１０…超音波プローブ
１４…断面像合成装置
１５…断面像表示装置
１６…角度走査モーションコントローラ
２１…角度走査手段
２２…リニア走査手段
２３…角度検出手段
２４…位置検出手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図４】
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【図６】
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