JP2020034391A - 超音波検査装置及び超音波検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】方位分解能を高めると共に、検出感度を高めることができる超音波検査装置及び超音波検査方法を提供する。【解決手段】超音波検査装置は、被検体１との間に空気が介在した状態で配置された送信用探触子１１及び受信用探触子１２と、高周波数ｆ１，ｆ２の波形信号を生成して送信用探触子１１に出力する送信器１３とを備える。送信用探触子１１は、送信器１３からの波形信号が印加されて高周波数ｆ１，ｆ２の超音波を発生する振動子１８と、空気よりも大きい音響的非線形パラメータを有し、高周波数ｆ１，ｆ２の超音波が通過する際にそれらを非線形変換することで、高周波数ｆ１と高周波数ｆ２の差分である低周波数ｆ３の超音波を生成して被検体１に送信する遅延材１９とを備える。受信用探触子１２は、被検体１を透過した低周波数ｆ３の超音波を受信する。【選択図】図１

Description

本発明は、被検体の欠陥を検出する超音波検査装置及び超音波検査方法に関する。

被検体の欠陥を検出する非破壊検査方法の一つとして、超音波検査方法がある。例えば、送信用探触子から被検体に超音波を送信し、被検体を透過した超音波を受信用探触子で受信し、受信した超音波の振幅に基づいて欠陥の有無を判定する。このとき、好ましくは、探触子の位置（言い換えれば、被検体における超音波の透過位置）毎に超音波の振幅を色調で示す探傷画像を生成し、この探傷画像を表示する。

一般的な超音波検査方法では、探触子と被検体の間に接触媒質（詳細には、例えば水など）が介在した状態で超音波を伝播する。この方法は、製品の製造ラインのインライン検査（自動検査）に適用できない。また、被検体が接触媒質を嫌うもの（詳細には、例えば半導体部品など）であれば適用できない。そこで、探触子と被検体の間に空気が介在した状態で超音波を伝播する方法を採用することが考えられる（例えば特許文献１参照）。

特開２００８−１２８９６５号公報

特許文献１に記載の方法では、空気中を伝播する超音波の減衰を抑えるために（ひいては、欠陥の検出感度を高めるために）、超音波の周波数を例えば数百ｋＨｚ程度と低くする。しかし、低周波数の超音波は高周波数の超音波と比べて拡散するため、方位分解能が低下する。すなわち、方位分解能と検出感度を両立させることができない。

本発明の目的は、方位分解能を高めると共に、検出感度を高めることができる超音波検査装置及び超音波検査方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、被検体との間に空気が介在した状態で、前記被検体に超音波を送信する送信用探触子と、前記被検体との間に空気が介在した状態で、前記被検体を透過した超音波を受信する受信用探触子と、を備えた超音波検査装置であって、第１の高周波数の波形信号及び前記第１の高周波数とは異なる第２の高周波数の波形信号、又はそれらを合成した波形信号を生成して前記送信用探触子に出力する送信器を備え、前記送信用探触子は、前記第１の高周波数の波形信号及び前記第２の高周波数の波形信号又はそれらを合成した波形信号が印加されて、前記第１の高周波数の超音波及び前記第２の高周波数の超音波を発生する振動子と、空気よりも大きい音響的非線形パラメータを有し、前記第１の高周波数の超音波及び前記第２の高周波数の超音波が通過する際にそれらを非線形変換することで、前記第１の高周波数と前記第２の高周波数の差分である低周波数の超音波を生成して前記被検体に送信する遅延材とを備え、前記受信用探触子は、前記被検体を透過した前記低周波数の超音波を受信する。

本発明によれば、方位分解能を高めると共に、検出感度を高めることができる。

本発明の一実施形態における超音波検査装置の構成を、被検体と共に表す概略図である。 本発明の一実施形態における送信用探触子の遅延材による超音波の非線形変換を説明するための概略図である。 本発明の一実施形態における超音波検査方法の手順を表すフローチャートである。 本発明の一実施形態における表示器の画面の具体例を表す図である。 本発明の第１の変形例における送信用探触子の構造を表す概略図である。 本発明の第２の変形例における送信用探触子の構造を表す概略図である。

本発明の一実施形態を、図面を参照しつつ説明する。

図１は、本実施形態における超音波検査装置の構成を、被検体と共に表す概略図である。図２は、本実施形態における送信用探触子の遅延材による超音波の非線形変換を説明するための概略図である。

本実施形態の超音波検査装置は、送信用探触子１１、受信用探触子１２、送信器１３（詳細には、例えばパルサ等）、増幅器１４（詳細には、例えばプリアンプ等）、Ａ／Ｄ変換器１５、コンピュータ１６、及び表示器１７（詳細には、例えば液晶モニタ等）を備える。なお、本実施形態では、Ａ／Ｄ変換器１５は、コンピュータ１６とは別体として構成されているが、コンピュータ１６に組み込まれてもよい。

送信用探触子１１は、被検体１の一方側（図１の上側）に配置されており、被検体１との間に空気が介在する状態で、被検体１に超音波（詳細は後述）を送信する。受信用探触子１２は、被検体１の反対側（図１の下側）に配置されており、被検体１との間に空気が介在する状態で、被検体１を透過した超音波を受信する。なお、ＸＹ座標系における送信用探触子１１の位置と受信用探触子１２の位置は同じである。

コンピュータ１６は、探傷条件（詳細には、後述する高周波数ｆ１，ｆ２や波形信号の持続時間など）を設定すると共に、送信器１３に出力する。送信器１３は、コンピュータ１６から入力された探傷条件に基づいて第１の高周波数ｆ１の波形信号及び第２の高周波数ｆ２（但し、ｆ２≠ｆ１）の波形信号を生成し、送信用探触子１１に出力する。なお、送信器１３は、第１の高周波数ｆ１の波形信号と第２の高周波数ｆ２の波形信号を合成した波形信号を生成し、送信用探触子１１に出力してもよい。また、送信器１３は、波形信号を一定の周期で繰り返して出力してもよい。

送信用探触子１１は、振動子１８と、振動子１８の送信側（言い換えれば、被検体１側であって、図１及び図２の下側）に配置された遅延材１９とを有する。振動子１８は、送信器１３からの波形信号が印加されて、第１の高周波数ｆ１の超音波及び第２の高周波数ｆ２の超音波を発生する。

送信用探触子１１の遅延材１９は、空気よりも大きい音響的非線形パラメータを有するものであって、例えば固体を用いる。遅延材１９は、高周波数ｆ１，ｆ２の超音波が通過する際にそれらを非線形変換することで、第１の高周波数ｆ１と第２の高周波数ｆ２の差分である低周波数ｆ３（ｆ３＝ｆ１−ｆ２、但し、ｆ３＜ｆ１且つｆ３＜ｆ２）の超音波を生成し、被検体１に送信する。

受信用探触子１２の振動子２０は、低周波数ｆ３の超音波を受信可能な周波数帯域を有しており、被検体１を通過した低周波数ｆ３の超音波を受信し、これを波形信号に変換して増幅器１４に出力する。増幅器１４は、受信用探触子１２からの波形信号を増幅してＡ／Ｄ変換器１５に出力する。Ａ/Ｄ変換器１５は、増幅器１４からの波形信号をアナログ／デジタル変換してコンピュータ１６に出力する。コンピュータ１６は、Ａ／Ｄ変換器１５から入力された波形信号を処理するようになっている。

次に、本実施形態の超音波検査方法を説明する。図３は、本実施形態における超音波検査方法の手順を説明するためのフローチャートである。図４は、本実施形態における表示器の画面の具体例を表す図である。

まず、ステップＳ１にて、検査者が入力器（図示しないものの、詳細には、例えばキーボードやマウス等）を操作して、表示器１７の画面の周波数設定欄３１Ａ，３１Ｂに第１の周波数ｆ１（例えばｆ１＝４．２ＭＨｚ）と第２の周波数ｆ２（例えばｆ２＝３．８ＭＨｚ）をそれぞれ入力し、持続時間設定欄３２に波形信号の持続時間（例えば２．０μｓ）を入力する。これにより、コンピュータ１６は、探傷条件を設定すると共に、表示器１７の画面の送信信号表示領域３３Ａ，３３Ｂに第１の周波数ｆ１の波形信号（第１の送信信号）と第２の周波数の波形信号（第２の送信信号）をそれぞれ表示させる。

その後、ステップＳ２にて、検査者が送信用探触子１１及び受信用探触子１２を配置する。その後、ステップＳ３にて、コンピュータ１６は、上述のステップＳ１で設定された探傷条件を送信器１３に出力する。送信器１３は、コンピュータ１６から入力された探傷条件に基づいて第１の高周波数ｆ１の波形信号及び第２の高周波数ｆ２の波形信号を生成し、送信用探触子１１に出力する。送信用探触子１１の振動子１８は、送信器１３からの波形信号が印加されて、第１の高周波数ｆ１の超音波及び第２の高周波数ｆ２の超音波を発生する。

その後、ステップＳ４にて、送信用探触子１１の遅延材１９は、高周波数ｆ１，ｆ２の超音波が通過する際にそれらを非線形変換することで、第１の高周波数ｆ１と第２の高周波数ｆ２の差分である低周波数ｆ３の超音波を生成し、被検体１に送信する。

その後、ステップＳ５にて、受信用探触子１２の振動子２０は、被検体１を通過した低周波数ｆ３の超音波を受信し、これを波形信号に変換して増幅器１４に出力する。増幅器１４は、受信用探触子１２からの波形信号を増幅してＡ／Ｄ変換器１５に出力する。Ａ/Ｄ変換器１５は、増幅器１４からの波形信号をアナログ／デジタル変換してコンピュータ１６に出力する。

その後、ステップＳ６にて、コンピュータ１６は、Ａ/Ｄ変換器１５から入力された波形信号（受信信号）を内蔵メモリに記憶すると共に、表示器１７の画面の受信信号表示領域３４に表示させる。また、コンピュータ１６は、ＸＹ座標系の探触子１１，１２の位置毎に受信信号の振幅を読み出し、探触子の位置（言い換えれば、被検体１における超音波の透過位置）毎に受信信号の振幅を色調で示す探傷画像を生成又は更新し、この探傷画像を表示器１７の画面の探傷画像表示領域３５に表示させる。

その後、全ての範囲の検査が完了していなければ、ステップＳ７の判定がＮＯとなって、ステップＳ２に移る。すなわち、ＸＹ座標系における探触子１１，１２の位置を変えて、上述した手順を繰り返す。全ての範囲の検査が完了すれば、ステップＳ７の判定がＹＥＳとなって、検査が終了する。

検査者は、表示器１７で表示された受信信号又は探傷画像により、欠陥の有無を判定する。詳しく説明すると、被検体１に欠陥２（図１参照）が生じていれば、欠陥２によって超音波の伝搬が阻害されるため、受信信号の振幅が減少する。そのため、受信信号表示領域３４で表示された受信信号の振幅が所定値より低いか否かにより、あるいは、探傷画像表示領域３５で表示された探傷画像に振幅が所定値より低い部分３６があるか否かにより、欠陥２が生じているか否かを判定することができる。

上述した本実施形態においては、送信用探触子１１の振動子１８が高周波数ｆ１の超音波と高周波数ｆ２の超音波を発生し、それらが遅延材１９を通過する際に非線形変換することで、高周波数ｆ1と高周波数ｆ２の差分である低周波数ｆ３の超音波を生成して、被検体１に送信する。別の言い方をすれば、図２で示すように、遅延材１９は、高周波数ｆ１，ｆ２の超音波の送信方向に沿って、低周波数ｆ３の仮想音源２１を連続的に形成する。そのため、送信用探触子１１から被検体１へ送信する超音波は、指向性が高周波数ｆ１，ｆ２で決まり、減衰性が低周波数ｆ３で決まる。したがって、方位分解能を高めると共に、検出感度を高めることができる。

なお、上記一実施形態において、遅延材１９は、固体を用いる場合を例にとって説明したが、これに限られず、本発明の趣旨及び技術思想を逸脱しない範囲内で変形が可能である。すなわち、遅延材は、空気よりも大きい音響的非線形パラメータを有するものであればよい。例えば図５で示す第１の変形例のように、遅延材１９Ａは、空孔２２が内在する固体を用いてもよい。また、例えば図６で示す第２の変形例のように、遅延材１９Ｂは、容器に封じ込められた液体（詳細には、例えば水やエタノールなど）を用いてもよい。空気の音響的非線形パラメータは１であり、水の音響的非線形パラメータは４〜６であり、エタノールの音響的非線形パラメータは９．３である。

１ 被検体
１１ 送信用探触子
１２ 受信用探触子
１３ 送信器
１８ 振動子
１９，１９Ａ，１９Ｂ 遅延材
２２ 空孔

Claims (4)

1. 被検体との間に空気が介在した状態で、前記被検体に超音波を送信する送信用探触子と、前記被検体との間に空気が介在した状態で、前記被検体を透過した超音波を受信する受信用探触子と、を備えた超音波検査装置であって、
   第１の高周波数の波形信号及び前記第１の高周波数とは異なる第２の高周波数の波形信号、又はそれらを合成した波形信号を生成して前記送信用探触子に出力する送信器を備え、
   前記送信用探触子は、
   前記第１の高周波数の波形信号及び前記第２の高周波数の波形信号又はそれらを合成した波形信号が印加されて、前記第１の高周波数の超音波及び前記第２の高周波数の超音波を発生する振動子と、
   空気よりも大きい音響的非線形パラメータを有し、前記第１の高周波数の超音波及び前記第２の高周波数の超音波が通過する際にそれらを非線形変換することで、前記第１の高周波数と前記第２の高周波数の差分である低周波数の超音波を生成して前記被検体に送信する遅延材とを備え、
   前記受信用探触子は、前記被検体を透過した前記低周波数の超音波を受信することを特徴とする超音波検査装置。
2. 請求項１に記載の超音波検査装置において、
   前記遅延材は、固体又は空孔が内在する固体を用いることを特徴とする超音波検査装置。
3. 請求項１に記載の超音波検査装置において、
   前記遅延材は、液体を用いることを特徴とする超音波検査装置。
4. 送信用探触子と被検体の間に空気が介在した状態で、前記送信用探触子から前記被検体に超音波を送信し、前記被検体と受信用探触子の間に空気が介在した状態で、前記被検体を透過した超音波を前記受信用探触子で受信する超音波検査方法であって、
   第１の高周波数の波形信号及び前記第１の高周波数とは異なる第２の高周波数の波形信号、又はそれらを合成した波形信号を前記送信用探触子の振動子に印加することで、前記第１の高周波数の超音波及び前記第２の高周波数の超音波を発生し、
   前記第１の高周波数の超音波及び前記第２の高周波数の超音波が前記送信用探触子の遅延材を通過する際に非線形変換することで、前記第１の高周波数と前記第２の高周波数の差分である低周波数の超音波を生成して前記被検体に送信し、
   前記被検体を透過した前記低周波数の超音波を前記受信用探触子で受信することを特徴とする超音波検査方法。

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