JP4111902B2 - 自動検査システム - Google Patents

Description

本発明は、超音波探傷技法を用いた自動検査システムに係り、特に原子力発電所の機器など人が容易に近づけない場所で探傷を行なうのに好適な自動検査システムに関する。

物体の内部にある欠陥を非破壊検査する方法の一種に超音波探傷装置があり、従来から広く採用されているが、このとき、探触子などのプローブを自動的に走査するようにした探傷装置がいくつか提案されている(例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照。)。

ここで、特許文献１では「無軌道式超音波探傷走行装置」と題する発明について、特許文献２では「ロボットによる超音波探傷方法」と題する発明について、そして特許文献３では「溶接部の自動超音波探傷方法および装置」と題する発明について、それぞれ開示している。

そして、これらの装置や方法は、予め決められた探触子を用いて走査し、走査軌跡などについても溶接線に沿った方向、或いは溶接線と直角方向での直線走査又は矩形走査など予め決まった軌跡に従って自動探傷を行うものである。

また、このとき、探傷対象となる欠陥について、その種類やサイズを精度よく探査するための工夫を施した装置についても、従来からいくつか提案されている(例えば、特許文献４、特許文献５参照。)。

ここで、特許文献４は「扇形走査式超音波検査装置」と題する発明について、特許文献５は「超音波探傷装置」と題する発明について、各々開示しており、それらは、アレイ探触子を使用し、電子的に扇形走査したり、走査角度を欠陥の断面方向に振ったりして、欠陥端部からのエコー(反射波)信号のＳ／Ｎが少しでも向上されるように工夫がなされているものである。

また、検査対象が複雑な形状の場合でも、対象物の面に沿って探触子が移動できるようにした方法も従来から提案されている(例えば、特許文献６参照。)。

ここで、この特許文献６は「遠心形羽根車の自動欠陥評価方法」と題する発明について開示したもので、そこには、検査対象物がたとえ複雑な形状をもっていても、予め決められた形状に沿ってなら自動走査ができるようにした発明が開示されているものである。
特開平５−１３３９４２号公報 特開平１１−１４６１０号公報 特開２００３−５７２１５号公報 特開平１１−１１８７７７号公報 特開平１１−２４８６９０号公報 特開平９−３２５１３６号公報

上記従来技術は、エコー信号のＳ／Ｎ向上について配慮がされているとは言えず、欠陥検出精度と操作性の向上に問題があった。

上記従来技術によるプローブ(超音波探触子)の自動走査は、何れも予め決められている軌跡に限られ、しかも、想定される欠陥に対して最も感度のよい方向から超音波を照射することはできなかった。

ここで、最も感度のよい方向とは、一般に割れなどの欠陥に対して直角に正対する方向のことであるが、このとき、感度が最もよい方向から少しでもずれると、主反射波はプローブがある方向に戻ってこなくなり、散乱反射成分が戻ってくるだけになってしまう。

しかして、最も感度のよい方向から超音波を照射するためには、予め欠陥の向きが判っていなければならないが、ここで欠陥とは本来不規則なもので、その向きも不定なため、予め特定することはできない。

従って、従来技術では散乱反射成分を検出するしかないが、この散乱反射成分は一般的に微弱なのでＳ／Ｎが低下し、このため、従来技術では欠陥検出精度の向上に問題が生じてしまうのである。

ここで、上記したように、欠陥端部からのエコー信号のＳ／Ｎが少しでも向上されるように工夫がなされている従来技術も知られているが、しかし、これらも欠陥に対して感度のよい方向から探触子を走査するものではない。

また、対象物の面に沿って探触子が移動できるようにした従来技術では、予め対象物について形状データを登録しておき、且つ所定の位置決めセッティングをして自動探傷させる必要がある。

このため、例えばプラント設備の中に検査装置を持ち込み短時間で容易にセッティングするとか、いろいろな形状の検査対象に対して形状データを登録しないで簡単に自動探傷が行えるようにすることはできず、操作性の向上に問題があった。

本発明の目的は、簡単な操作で欠陥に対して最も感度のよい方向から自動的に走査して欠陥の大きさや形状がより精度良く検査できるようにした自動検査システムを提供することにある。

上記目的を達成するための第１の手段は、走査機構に組合わせた検査用プローブにより検査対象物を自動走査し、当該プローブからの信号を処理して欠陥の有無を検出する手段を備え、該手段により検査データを取得する自動検査システムにおいて、前記検査用プローブで走査して得た検査データを、それ以前に走査して得た検査データと共に記憶する手段と、前記検査用プローブにより有意な検査データが得られたとき、当該有意な検査データが得られた位置を中心にして前記検査用プローブによる走査方向を徐々に変えて行く手段とを設け、前記検査用プローブにより検査対象物を自動走査する際、過去の検査データを読み込んで、次に走査するときの検査条件が自動的に変更され、前記検査用プローブにより有意な検査データが得られた位置において、前記検査データの信号レベルが最大になる方向が自動的に探索されるようにしたものである。
このとき第２の手段では、前記検査用プローブが指向性を備え、前記走査機構と前記検査用プローブの少なくとも一方が、指向性方向を変える手段を備えているようにしたものである。

このとき、同じく第３の手段によれば、前記走査機構と前記検査用プローブ自体の少なくとも一方に当該検査用プローブの特性を変更する手段が設けられているものである。

また、このとき、同じく第４の手段によれば、前記検査用プローブが、検出素子を２次元配列したアレイ形のプローブで構成されているようにしたものである。

更にこのとき、第５の手段によれば、前記欠陥の有無を検出する手段は、検査対象物を走査した時のデータを、予め同じ条件で健全な検査対象物を実際に走査した時のデータとシミュレーション結果によるデータの少なくとも一方と比較し、その一致度合により欠陥の有無を検出するものであるとしたものである。

更にまた、このとき、第６の手段によれば、同じ条件で健全な検査対象物を走査した時のシミュレーションを行うモデルの中に、事前に取得した検査データから推定した欠陥モデルを組み込み、前記シミュレーションを行って得たデータと、検査対象物を走査した時のデータとを比較し、の一致度合により当該欠陥の状況が十分に明確になったか否かを判別する手段が設けられているものである。

次に、上記目的を達成するための第７の手段は、走査機構に組合わせた検査用プローブにより検査対象物を自動走査し、当該プローブからの信号を処理して欠陥の有無を検出する手段を備え、該手段により検査データを取得する自動検査システムにおいて、前記検査対象物の形状を計測して形状データを生成する形状計測手段と、前記形状データに基づいて、前記自動走査のための走査制御データを自動的に生成する手段とが設けられているものである。

このとき、第８の手段によれば、前記検査対象物の表面に目印を付加する手段が設けられているものである。

以上の結果、まず第１の手段では、プローブを走査機構に取り付けて検査対象物に対して自動走査を行い、プローブからの信号を処理して検査データを取得する自動検査システムにおいて、プローブからの信号を処理して欠陥の有無を検出する手段と、欠陥検出時には前に取得の検査データから当該欠陥の状況がより明確になるように次の検査条件を自動的に変更する手段を設けるようにしたので、プローブからの信号を処理して欠陥の有無を検出する手段が欠陥を検出するまでは用意された所定の検査条件で全ての検査条件を最後まで実施すれば当該検査対象物には欠陥はなしという検査結果となる。

一方、プローブからの信号を処理して欠陥の有無を検出する手段が欠陥を検出した場合にはそれまでに取得蓄積してきた検査データに基づき次に行う検査条件を自動的に変えるようにする。

ここで、検査条件とは、例えば超音波探傷の場合には探触子を走査させる移動軌跡の方向や移動速度などである。検査条件として探触子の種類を変えることまで含めるようにしてもよい。

ここでは、例えば走査軌跡の方向を変更する場合、今まで欠陥が検出されなかった走査軌跡から今回欠陥が検出された走査軌跡の方向へさらに走査軌跡を少し変化させ、さらにそのときの結果で欠陥を示すエコーが大きくなるようであれば、さらに同じ方向に走査軌跡の方向を変え、欠陥を示すエコーが小さくなった場合には、走査軌跡の方向を逆の方向に今度は少し戻すようにするなどと欠陥の検出データを参照しながら欠陥をより感度良く検出できる走査軌跡の方向を絞り込んで、より感度のよい方向に至らせることが可能となる。

感度のよい走査軌跡の方向は、この場合、割れなどの欠陥に対して正対する直角方向になる。この感度の良好な方向から探傷して欠陥の端部位置を検出するようにすると、反射成分のＳ／Ｎ比は高くできるので、精度よく欠陥の端部位置を自動で見つけることも可能となる。

このとき、端部位置を検出するときに適切な感度となるようにゲインをセンサの受信信号より自動調整するとか、あるいはゲインを変えて同じ走査を繰り返して最適なゲインを見つけるようにしてもよいが、端部位置を最も精度よく検出できるように発信回路あるいは受信回路のゲイン感度を変えてより感度よく検出するようにしてもよい。

また、複数方向から取得した端部エコーデータより３次元的な端部位置も推定可能となる。垂直の割れ面に対して正対する直角方向は両側２方向あるので、２方向からの端部と推定する延長線上の交点が端部位置として自動で求めることも可能となる。

また、現在着目した端部のすぐ隣の端部についても同様に位置を見つけることができるので、この処理を繰り返すことで端部の軌跡ができ、その端部の軌跡は傷の平面上の形を表すこととなる。

また、最高感度の得られる方向の反対方向から走査したときに最高感度が得られない場合には水平割れ面である可能性があるため、このような場合は検査条件として探触子を垂直探触子に変更して検査対象物の水平割れ面の位置(高さ)を検査するように検査条件を自動で変更できるようにしてもよい。

また、スペース的に反対方向から走査できない場合には、検査条件として斜角探触子の角度の違うものに探触子を変更して、２種類の角度で端部の方向を絞り込めば片方向のみの走査でも端部の３次元位置を同じ高感度で反射する方向からの走査なので精度良く推定できるようになる。

このとき第２の手段では、前記第１の手段の自動検査システムにおいて、プローブは指向性のあるプローブであり、走査機構或いはプローブ自体或いはその両方に指向性の方向を変える手段を設けるようにする。

これはすなわち、超音波プローブの場合は斜角探触子を用いて、走査機構のその探触子の把持機構の部分に回転機能を設けて斜角探触子の向きを回転設定できるようにすることである。

割れなどの欠陥に対して、感度のよい走査軌跡の方向は、欠陥に対して正対する直角方向になるが、斜角探触子の超音波プローブのように、プローブ自体に指向性がある場合には、このプローブの向きも指向性のある方向を考慮して走査させるのがよく、それが欠陥に正対するように当てる必要がある場合には走査軌跡を考慮することは勿論であるが、更にプローブの向きも、指向性のある向きを欠陥の方に向けて走査されるようにする必要がある。

その場合、プローブ把持部がその向きを回転制御できるようになっていれば、どのような走査軌跡で欠陥にプローブを近づける場合において最も感度の得られる向きにプローブの向きを合わせることが可能となり、より感度の良い条件で欠陥の端部位置を検出できるようになり、その結果、反射成分のＳ／Ｎ比もよりよくなるので、精度よく欠陥の端部位置を自動で見つけることも可能となる。

また、第３の手段によれば、前記第１又は第２の手段の自動検査システムにおいて、走査機構或いはプローブ自体、或いはその両方にプローブの特性を変更する手段を設けるようにするので、例えば超音波プローブで欠陥の端部位置を特定する場合に２通りの感度の良好に得られる走査軌跡より端部位置を推測する方法もあるが、欠陥の反対方向側からはスペース的に走査できないような場合には超音波プローブの斜角探触子の特性としてその斜角仕様がたとえば４５°と７０°の２種類のものを用いてその探触子を交換して特性を変えられるようにすることで、同じ方向から２種類の特性の探触子で走査して端部を見つけるようになる。

また、亀裂欠陥が板厚方向と直交する面の場合にも、探触子を斜角探触子から垂直探触子に特性を変更することで、欠陥の端部を検出する代わりに亀裂欠陥面の深さを垂直に測定して板厚方向と直交する面の亀裂欠陥の範囲、大きさを自動で見つけることも可能となる。

同じく第４の手段によれば、前記第１の自動検査システムにおいて、走査機構及びプローブは２次元配列したアレイプローブにしたので、２次元配列したアレイプローブを２次元のシート状に構成することで配管や胴板の円筒の湾曲部にそって容易に配置できるようになり、また、２次元にアレイプローブを配置することにより、どの方向へも電子スキャン可能となり、前記第１、２、３の手段を適用した利点を有しかつ可動部のない自動検査装置を容易に得ることが可能となる。

更に第５の手段によれば、前記第１の手段の自動検査システムの欠陥有無を検出する手段に、同じ条件で健全な検査対象物を実際に走査した時のデータ或いはシミュレーション結果によるデータと検査対象物を走査した時のデータとを比較してその一致度合により欠陥の有無を検出する手段を追加するので、容易にしかも精度良く欠陥の有無を検出できるようになる。

すなわち、超音波プローブの場合など反射波を利用する検査の場合、実際の検査対象物の構造体には構造体としての端部や形状の変化する部分や溶接された部分などがあり、欠陥以外にもいろいろな反射が帰ってくるので欠陥からの反射波か検査対象物の構造上の反射波はその反射波データのみでは判断しずらい場合がある。

例えば予め健全な検査対象部材からの反射データをそのプローブの走査条件と同じ条件で予め取得しておき、実際の走査時のプローブからの検出データと比較すれば健全な検査対象部材から得られる反射データと同じ部分は欠陥ではなく、同じでない部分に反射波データが検出された場合にはそれは欠陥部であるなどと容易に判別ができるようになる。

健全な検査対象部材を予め準備して同じ条件ですべての検査データを事前に取得しておく方法でもよいが、事前の準備が大変であるので、たとえば超音波プローブの場合には超音波の反射波の軌跡や鋼材内部を伝播するときのロスや反射時の指向成分に応じたエネルギー成分を考慮してプローブのところへ戻ってくる反射波成分のタイミング時間や大きさは検査対象物の形状、特性をモデル化することにより計算で得られる。

それゆえ、予めシミュレーションで全ての走査条件時の応答結果を計算しておきその結果と実際の応答との比較するようにすればより効率的に精度のよい自動検査を行うことができる。

また、シミュレーションの計算速度が十分に速い場合には実際にプローブを走査させるときにその条件と同じ条件でシミュレーション計算を行い、その時の求めた結果で比較判別するようにしてもよい。それによって予めたくさんの計算を事前に行いその結果を記録保存しておく必要もなくなる。

更にまた、第６の手段によれば、前記第５の手段の自動検査システムにおいて、同じ条件で健全な検査対象物を走査した時のシミュレーションを行うモデルの中に、前に取得の検査データから推定する欠陥モデルを組み込んで、そのシミュレーション結果によるデータと検査対象物を走査した時のデータとを比較してその一致度合により当該欠陥の状況が十分に明確になったか否かを判別する機能を設けるようにするので、より実際の欠陥を精度よく推定することが可能となる。

すなわち、シミュレーションの中に組み込んだ欠陥モデルと実際の欠陥とが一致した場合にはどのような検査プローブをどのような走査条件で走査させた場合も結果は一致するので、欠陥モデルと実際の欠陥とはほとんど等価になったと判断できる。

逆に一致しない場合には一致するように欠陥モデルを修正することにより、欠陥モデルを実際の欠陥に近づけることが可能となる。

次に、第７の手段によれば、プローブを走査機構に取り付けて検査対象物に対して自動走査を行いプローブからの信号を処理して検査データを取得する自動検査システムにおいて、検査対象物の形状計測手段と、計測した形状データより自動走査を行う走査制御データを自動生成する手段を設けるようにしたので、実際に現場で形状を計測して、その計測結果より現場で走査制御データを生成できるようになる。

そのため、予め検査対象物の形状データのインプット作業やインプットした形状データよりプローブの走査軌跡などの自動走査制御データを予め作成する作業は行わないで済むので作業効率を容易に上げることが可能となる。

このとき、第８の手段によれば、前記第７の手段の自動検査システムにおける形状計測手段は、画像計測手段として、検査対象物の表面には無地でない目印を付加するようにするので、容易に形状計測ができるようになる。すなわち、画像計測手段としてカメラや照明などの撮像機材を現場にセッティングするだけで現場作業が容易にできる。

カメラや照明を走査機構に予め取り付けておけば、走査機構をセッティングすることによってカメラなどのセッティングも同時に行うことができるようになる。

また、検査対象物が無地で特徴がないとカメラで無地の対象を見ても画像計測できないが、検査対象物の表面に目印となる模様を書き加たり、或いは照明の影などで表面に模様が写るように目印を付加すれば、計測の容易なカメラを用いて検査対象物の表面形状データの計測を容易に行うことが可能となる。

本発明によれば、プローブを欠陥に対して最も感度のよい方向から自動的に走査させることができるので、自動欠陥検出に対する感度が向上され、欠陥の大きさや形状をより精度良く検査することができる。

また、本発明によれば、各種配管や容器の胴体、鏡板など複雑な形状を有する検査対象に対して予め形状データを登録することなく、且つ、検査装置を精度よくセッティングする必要もなく、簡単容易に自動探傷を行うことができる。

以下、本発明による自動検査システムについて、図示の実施の形態により詳細に説明する。

ここで、まず、本発明の実施形態は、第１の手法によるものと、第２の手法によるものに大別できる。そして、まず、第１の手法による実施形態は、プローブ自体には指向性がなく、そのプローブを動かしたとき、その動かした方向に感度がよくなる場合、すなわち動かした方向がその指向方向となるようなプローブを用いた場合の一実施形態であり、次に、第２の手法は、最初からプローブ自体に指向性があり、その向きを制御しながらプローブを動かすようにした場合の一実施形態である。

ところで、このとき第２の実施形態の方が広く各種のプローブに当て嵌まるので、本発明の基本的な実施形態として、後で詳細に説明する。

一方、第１の実施形態では、プローブ自体には指向性がないので、プローブの向きを変える機構が不用で、装置の構成としては単純になる。そこで、まず、この場合の装置構成について、図１と図２を用いて簡単に説明しておくものとする。

まず、図１は、原子力発電所の配管などについて定期的に検査を行い、その健全性を確認する場合の装置構成を示したもので、このとき、原子力発電所などでは、放射能の問題があるため、遠隔操作により点検と検査を行なうように構成されているものである。

そして、この図１において、ここでは原子力発電所の配管が検査対象物１で、この配管にある溶接部２と、この溶接部２の近傍を点検し検査することになる。

そこで、この溶接部２の近傍にプローブ１０を押し当て、内部が検査できるようにするのであるが、このとき、プローブ１０をアーム形の走査機構２０に取付け、検査対象物１の表面に沿って、所定の走査軌跡を辿って移動させることができるようにする。

このため、走査機構２０をベース台車２５に搭載し、検査対象物１の周囲に設置された軌道２６により、検査対象物１の周囲に沿って移動できるように構成してある。

このとき、走査機構２０は５個の回動関節部により回動角度θ１、θ２、θ３、θ４、θ５の５種の自由度を持ち、これによりプローブ１０を検査対象物１の表面の任意の位置で垂直に押し当て、このまま任意の軌跡に沿って表面を走査し、サーベイ(探査又は探傷)することができるように構成されている。

このように、ベース台車２５が軌道２６に沿って検査対象物１の周囲を移動できることにより、検査対象物１の裏側も含めて円周方向に１周している溶接部２の近傍をくまなく検査できる。

走査機構２０のベース台車２５と各回動関節部には駆動モータとセンサが備えてあり、各駆動モータは走査機構制御装置５０により制御される。そして、これのときのベース台車２５の位置Ｘや各回動関節部の回動角度は各々のセンサにより検出され、検出された情報は走査機構制御装置５０に取り込まれる。

このとき、記憶装置４２には初期の走査軌跡データが記録され、記憶装置４５には検査対象物１の形状情報が記録されている。そこで、走査制御データ生成部４０は、これらの記憶装置４２、４５から各々のデータを読み出し、要求されている走査軌跡の実現に必要な各回動関節部の角度指令信号を計算してに入力する。

この結果、走査機構制御装置５０は、フィードバックされてくる関節角度情報が指令角度と一致するように各関節部のモータを駆動制御し、これによりフィードバック制御ループが構成されるようにする。

ここで、プローブ１０で検出された信号は検査データ記録部３０に取り込まれ、演算処理されて欠陥の存在や位置、形状など必要なデータが算出され、必要なデータ形式に変換されて検査データ記憶装置３５に記録される。そして、このとき、検査結果は必要に応じて表示モニタ５０に供給され、検査員が確認できるようになっている。

このとき、この実施形態特有の構成として、今回、プローブ１０で走査して得た検査データを、それ以前に走査した検査データと共に検査データ記録装置３５に記憶しておき、走査制御データ生成部４０で過去の検査データを読み込んで次に走査する制御条件を決定し、それを走査機構制御装置５０に供給するようにした点があるが、これについては後で詳述する。

ところで、このような検査対象物１の溶接部２の近傍を検査する場合、従来の走査制御手順では、まずプローブ１０をスタートポイントＳＰに位置決めし、そこでプローブ１０を検査対象物１に押し当て、このまま溶接部２に向かって直線的に近づける走査を繰り返して周方向に１周させて行う制御が一般的である。

そして、スタートポイントＳＰから走査制御し、ポイント(位置)Ｐ１に達したとき、ここに欠陥３があるため、ここで始めて有意な検査結果データが得られる。但し、従来技術ではここまでである。

従って、プローブ１０の欠陥３に対する走査方向により検出信号に強弱がある場合、従来技術では、欠陥３の向きが検出信号のあまり出ない向きにあったときプローブ１０からの検査結果データの信号には有意差が十分にでない。

また、このため、その信号から欠陥３の大きさを推定しようとした場合、走査密度を細かくしても、従来技術では、欠陥３の向きに対して信号のあまり出ない方向から走査しているため、精度は良くない。

上記したように、欠陥３は一般的にランダムに発生するので、たまたま走査方向が適切な状態になる場合もあるかもしれないが、確率的にはならない場合の方が多い。

そこで、この実施形態では、或る位置で欠陥３による有意差信号が僅かでも検出された場合は、その位置、例えばポイントＰ１から欠陥３に対する走査方向を各ポイントＰ２、Ｐ３、Ｐ４で図示のように徐々に変えて行き、プローブ１０から検出されてくる検査結果データの信号レベルが最も大きくなる方向が自動的に探索されるように、走査制御データ生成部４０が構成してある。

ここで、上記したように、欠陥３の面に対して正対する方向、すなわち欠陥３の法線方向から超音波を当てた場合に反射波が最大になる。従って、図１の欠陥３の場合は、ポイントＰ１、Ｐ２、Ｐ３と走査軌跡を変えて行くと徐々に反射波は大きくなるが、ポイントＰ４まで方向を変えると、ここから正対する角度を越えてしまうので、今度は再度検出データの信号レベルが小さくなって行く。

つまり、この場合、ポイントＰ３で最も検出信号が大きくなるので、その状況をモニタリングしながら走査軌跡をポイントＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４と変えていくと、ポイントＰ４で信号レベルが低くなるので、その手前のポイントＰ３での走査方向が欠陥３の面に正対する方向であることが判る。

ここで、図２は、欠陥３を拡大して示したものであるが、ここで、この実施形態によれば、ポイントＰ３での走査方向が欠陥３に対する法線方向Ｐｎ０であるとすると、欠陥３がその左右にどのように広がっているかサーベイすることも可能になる。

つまり、ポイントＰ３での走査方向＝法線方向Ｐｎ０を基準にして、その右方向に走査軌跡をずらし、そのずらしたポイントにおいて同様に角度を変化させ、最も検査結果データの信号レベルが大きくなる方向(法線方向)をサーベイして行く。

そうすると、このポイントでの法線方向Ｐｎ１が得られ、更にその右側に少しずらしたポイントＰｎ２での法線方向と更に右側のポイントＰｎ３での法線方向、という具合に各ポイントＰｎ４、Ｐｎ５での法線方向を検出することにより、欠陥３の拡がりを求めることができる。

このとき、ポイントＰｎ５から右側では欠陥３がなくなっているので、検出データ信号をモニタリングしていることにより、ポイントＰｎ５の位置が欠陥３の右側の端部であることも精度良く検出でき、同様に欠陥３の左側の法線方向を検出することにより、左側の端部も精度良く検出することができる。

これらのサーベイ処理は、プローブ１０から得られる現在の検出データと記憶装置３５から得られる以前の検出データを走査制御データ生成部４０により参照し、次に走査制御する軌跡データをで生成することにより、自動的に行うことができるようになっている。

なお、このときの走査制御データ生成部４０の具体的な処理フローについては、後でまとめて図１７により説明する。

このとき、表示制御装置６０Ｃにより、検出した欠陥３の位置情報を検査データ３５の中から読み取り、表示モニタ６０に平面図的に表示することにより、欠陥３の上から見た形状や長さを精度よく認識することができる。

また、このとき、欠陥３の端部位置データから数値的に欠陥３の長さを求めて表示モニタ６０に表示するようにしても良い。

次に、本発明の第２の実施形態について、図３から図９により説明する。なお、ここでは、指向性を持ったプローブの一例として超音波探触子の場合について説明するが、指向性を持ったプローブであれば、渦電流センサ、磁気センサ、静電気センサ、放射線センサなど、センサの種類を問うものではない。

また、検査対象物についても、食品、樹脂、地球などの大地、岩盤など、金属に限るものではない。ここでは金属内の欠陥を検査する超音波センサを用いた場合を例に挙げているものである。

ここで、図１の場合は走査機構２０がアーム型であるのに対して、以下に説明する実施形態では、図３に示されているように、走査機構２０がＸ軸とＹ軸の２軸駆動型になっている。但し、走査機構２０の構成は、プローブ１０の走査制御ができるものであれば、どのような走査機構でも良い。

図３において、走査機構２０は送りネジ２１と送りナット２２を備え、ベース台車２５に搭載され、軌道２６上をＸ方向に移動でき、送りネジ２１の回転により送りナット２２をＹ方向に移動させることができるようになっている。

このとき、プローブ１０が指向性を持っているので、送りナット２２に回転モータ２３を備えた回動機構を設け、これによりプローブ１０の向きθが変えられるようになっている。

そこで、この図３の走査機構２０は、走査機構制御装置５０よりＸ軸方向とＹ軸方向、それにプローブの向きθが制御され、この結果、検査対象物１の表面にプローブ１０を押し当てた状態で、プローブ１０の指向性を考慮して、任意の方向に走査制御することができるように構成されている。

この実施形態では、プローブ１０に指向性を持たせ、これにより、各ポイントＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４で走査方向を変えるとき、プローブ１０の指向性の向きを走査方向に合わせるように回転モータ２３を制御して方向θを制御するようになっている。

なお、このように指向性のあるプローブを用いた場合、方向θを制御する必要が生じるが、指向性のないプローブと比較した場合、探傷のためのエネルギーを一方向に集中させることができ、この結果、大きな反射エネルギーを得ることができるので、欠陥などを更に感度よく検出することができる。

ここで、図４は、プローブ１０の指向方向を走査方向に合わせるための回動機構部の具体的な構造の一例を示したもので、このときプローブ１０は超音波探触子であり、検査対象物１の表面に接触して走査させる必要がある。そこで、プローブ１０の先端にシュー１０１を設けて滑りやすくしてある。

このとき、プローブ１０を収納筒１０３に入れた状態で押し付けバネ１０４を設け、これによりプローブ１０が検査対象物１の表面に一定の力で押し付けるようにしてある。

なお、この図３では、バネ１０４を用いて一定の力でプローブ１０を検査対象物１の表面に押し付けるようにしているが、プローブ１０の押し付け力をセンサで検出し、その検出したプローブの押し付け力が所定の一定の値になるように、例えば図１のアーム型の走査機構２０の場合には、各アームの関節部にあるアクチュエータを制御して所定の力でプローブ１０が押し付けられるように制御してもよい。

また、この図３のＸＹ２軸駆動型の走査機構２０の場合には、押し付け専用アクチュエータを設け、センサで検出した押し付け力が一定になるようにアクチュエータを制御するようにしてもよい。

ここで、走査機構２０の走査精度は、検査対象物１の法線方向から押し付け、誤差ゼロの状態で走査させることができる程、高くない。そこで、プローブ１０とバネ１０４が収納されている収納筒１０３にジンバル機構１０２を設け、このジンバル機構１０２によりプローブ１０が走査機構２０に取り付けられるようにしてある。

そして、このジンバル機構１０２には、歯車などを介して回転モータ２３の回転力が伝達されるようになっており、これよりプローブ１０の方向θが制御され、プローブ１０で検出された信号はケーブル１０５により取り出される。

そこで、いま、図３のポイントＰ４における走査方向を、図４に矢印で示し、この方向にプローブ１０を移動させて行き、ポイントＰ４(1)から順次、超音波を発信させ、その応答をプローブ１０で検出するようにして走査したとする。

そうすると、検査対象物１の中に欠陥３があった場合、ポイントＰ４(2)からポイントＰ４(3)の間では超音波が欠陥３で反射されるので、検出結果信号に有意差が現れ、ポイントＰ４(4)では欠陥３からの反射がなくなった状態で検査結果データが得られる。

このときの信号の応答波形を図５に示す。ここで、この図５は、横軸に時間をとり、縦軸に信号レベルをとって出力信号を表わしたものである。

そして、このとき、図６は、図５の信号に対応した検査対象物の断面状況の一例を示したものであり、これらの図５と図６において、まずポイントＰ４(1)では、超音波発信時の信号はあるが、応答は返ってこない。

次に、ポイントＰ４(2)からポイントＰ４(3)では、欠陥３による反射波が返ってくるので、その信号が、ポイントＰ４(2)ではｔ(a)max 時間後に欠陥３(a)部からの反射波として現れ、その信号レベルは最大値Ｓ(a)max である。

同様に、ポイントＰ４(3)ではｔ(b)max 時間後に欠陥３(b)部からの反射波Ｓ(b)max が現れている。しかし、ポイントＰ４(4)になると、ここでは反射波はない。

このとき、Ｐ４方向の移動速度に、各ポイントＰ４(1)、Ｐ４(2)、Ｐ４(3)、Ｐ４(4)における超音波発信の間隔(時間)を掛けた量は、プローブ１０のＰ４方向への移動量を表すこととなる。

上記したように、図５は、その状態を検査対象物１の走査方向Ｐ４に沿った断面図で示したもので、ここでプローブ１０は、ポイントＰ４(1)、ポイントＰ４(2)、ポイントＰ４(3)、そしてポイントＰ４(4)と順次、移動している。そしてポイントＰ４(2)からポイントＰ４(3)の間では欠陥３による反射波が検出されている。

このとき、夫々の反射波が現われる時間ｔ(a)max、ｔ(b)max に音速を乗ずると、距離Ｌ(a)、Ｌ(b)が得られる。そこで、プローブ１０の指向特性が角度αの方向であるとすると、欠陥３(a)と欠陥３(b)の位置が夫々特定できる。

ところで、欠陥３の法線方向の特性は、図２の平面図で見た場合の法線方向の特性だけではなく、他にも図２のポイントＰ３における走査方向で検査対象物１を断面にしたときの特性がある。

ここで、図７はポイントＰ３の走査方向による検査対象物１の断面図を示したものであるが、ここでは、更に細かく超音波を発信し、応答を検出する場合の一例について示してあり、この場合、欠陥３から反射波が現われる範囲は、ポイントＰ３(1)からポイントＰ３(8)の間である。

このとき、プローブ１０の指向性は角度α方向で、この方向からくる超音波の反射を検出することになるが、この断面による欠陥３にも法線方向があり、欠陥３に対して正対する法線方向から超音波が発信された場合、大きな反射波がプローブ１０で受信され、レベルのおおきな信号が検出される。

そこで、いま、ポイントＰ３(5)で角度α方向に超音波が発信されたとすると、欠陥３のＡ１点に超音波が入射され、ここで反射された反射波は、薄い矢印で示すように、ＲＰ３(5)αのレベルをもっているものとする。

そして、このＡ１点では、ポイントＰ３(５)からの超音波は、入射角度αが欠陥３のほぼ法線方向になっているので大きな反射波が得られる。

一方、ポイントＰ３(6)から角度αで入力した超音波は欠陥３のＢ点に入射し、ここで反射されるが、このＢ点面では角度αより傾きが大きくなっているので、反射波のレベルＲＰ３(6)αは小さくなっている。

ここで、もしもプローブ１０の指向方向を角度αではなく、角度α２にしたとすると、この場合は、ポイントＰ３(8)から入射した超音波が欠陥３に対してほぼ正対することになり、レベルＲＰ３(6)α２で示す大きな反射波レベルが得られることになる。

このように、この図７の断面中でも欠陥３には法線方向があり、それを検出するためにはプローブ１０の指向角度αをいろいろ変えてサーベイする必要があるが、欠陥の大きさを更に詳細に知る必要がある場合でなければ、そこまでたんさする必要はない。

但し、あまりにも感度が悪い場合には、指向角度αを４５度、７０度、９０度の３種類程度用意し、使い分けることによって、より感度よく欠陥３の形状、寸法が検出できるようにする場合もあるが、これについては後述する。

以下、プローブ１０の指向性特性は変えないで、角度αのまま欠陥３の形状と大きさをサーベイする場合について更に説明すると、まず、ここでは、図７において、任意の１点、例えばポイントＡ１を選び、このポイントＡ１のＡＡ断面方向から見たときの法線方向をサーベイするものとする。

そこで、このポイントＡ１の１点に対して、図８に示すように各ポイントＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５の方向から順次走査し、ポイントＡ１からの反射波レベルが最高になる方向を検出すれば、その方向がＡＡ断面から見た場合の欠陥３の法線方向となる。

同様に、ポイントＰ３(1)における角度α方向の反射点から順にポイントＰ３(2)、Ｐ３(3)、Ｐ３(4)、Ｐ３(6)、Ｐ３(7)、Ｐ３(8)における角度αの各反射点について、平面図方向(＝ＡＡ断面の方向)の法線方向を調べると、欠陥３の広がっている方向を知ることができる。

この場合、角度αを最適値に合わせることはできないが、平面図方向での走査方向を法線方向に合わせることにより大きな感度を得ることができるので、欠陥の状況をより正確に知ることができる。

勿論、角度αを変化させて欠陥３の面に対する３次元的に正確な法線方法を検出するようにしてやる方が、時間はかかるが、より正確に欠陥の状況がサーベイできるのはいうまでもない。

このときのサーベイ処理は、プローブ１０からの検出結果データと、記憶装置３５から読出した以前の検査結果データを参照して、走査制御データ生成部４０により、次に走査制御する軌跡データを生成するようにすることで自動的に行うことができる。

なお、このときの走査制御データ生成部４０の具体的な処理フローについては、上記したように、後でまとめて図１７により説明する。

次に、図９は、欠陥３の形状をサーベイした結果を概念的に示した場合の一例で、欠陥の形状は各反射ポイントＲ１１〜Ｒ５４が構成する面の欠陥として表され、このとき指向方向角度αは変えても変えなくてもよいが、これにより各反射ポイントＲ１１〜Ｒ５４での法線方向が検出されている状況が示されている。

このとき、勿論、プローブ１０の指向特性が狭い程、形状の検出分解能はよいものになるのはいうまでもない。

この図９に示すようにして欠陥３の形状をサーベイした結果は、検査データとして記録装置３５に記録されるので、記録装置３５の中の欠陥３の位置データ、形状データの数値情報を表示制御装置６０Ｃにより読出してやれば、表示モニタ６０に欠陥３を３次元グラフィック(３次元ＣＧ)で表示させることができる。

このように、３次元グラフィックで欠陥３の形状を表示させてやれば、３次元グラフィックに備えられている一般的な機能により、表示させるときの視点の位置が変更でき、この結果、欠陥３の形状をいろいろな角度から確認して形状を容易に把握することができるようになる。

このとき、表示モニタ６０にスケールを表示させ、一目で欠陥３の大きさ(概略寸法)が参照できるようにしてもよいし、表示モニタ６０に表示されている欠陥３の任意の２箇所のポイントをマウス操作やペンライトで操作入力することにより、その２点間の距離(寸法)数値が表示モニタ６０の画面に表示されるようにしてもよい。

従って、以上の実施形態によれば、欠陥３に対して最も感度のよい方向、すなわち超音波探触子の場合には一般に割れなどの欠陥に対して正対する直角方向から自動的に走査させることができ、この結果、自動欠陥検出に対する感度を高め、その結果をビジュアルに表示させて、欠陥の大きさ、形状をより精度良く検査することができる。

次に、本発明において使用されるプローブについて説明すると、まず、図１０は超音波アレイセンサを用いて指向特性が電気的に変えられるようにした、いわゆる電子スキャン方式のプローブの一例で、このとき、超音波アレイセンサは、複数個の探触子１０(1)、１０(2)、……、１０(n)で構成されている。

ここで、この図１０では、ｎ＝１１、つまり探触子の個数は全部で１１個であり、これらの探触子１０(1)〜１０(n)を一列に並べて配置し、検査対象物１の表面に接触させ、探傷が行えるように、全体をシュー１０１で覆って一体化したものである。

そして、各探触子１０(1)、１０(2)、……、１０(n)に供給すべき超音波発信用の励振信号のタイミングを少しづつずらすことにより、各探触子から発射される超音波に干渉を起こさせ、特定の方向に指向性が現われるようにしたものである。

この図１０では、一例として、発射された超音波の焦点がポイントＦになるように制御した場合が示されているが、このとき、励振信号の供給タイミングの取り方によって任意の距離、所定の方向に離れた位置に超音波の焦点を絞って集中させることができる。

このように音波を発信する方向や音波を集中させる焦点が任意に制御できる電子スキャン方式のアレイセンサをプローブ１０として用いることにより、既に図７で説明したように、プローブの指向性特性の一つである角度αを任意に制御しながらプローブ１０の走査制御を行うことができ、欠陥３の面の法線方向をサーベイする際、より詳細で正確なサーベイが可能になる。

ここで詳細なサーベイまで必要としない場合でも、角度αが１種類しかない場合、角度αに正対する欠陥３の面は検出しやすいが、反対に角度αに平行な面では反射波のほとんどがプローブ１０の方へ戻らないので、欠陥３の検出感度(Ｓ／Ｎ)が低くなってしまう。

しかし、このような場合でも図１０のプローブを用いてやれば、角度αを少し変えることができるので、欠陥３の検出感度を上げることができ、欠陥３の大きさや形状を正確に検査することができる。

次に、図１１は、複数個の探触子１０(n)を、Ｏ点を中心とする仮想球体１０ａの表面に沿って配置しアレイセンサとした場合の一例で、この場合、各探触子１０(n)は、夫々Ｏ点から別々に異なった放射方向に向いている。

そこで、サーベイに使用する探触子を複数個の探触子１０(n)中から選択してやれば、必要な方向に容易に超音波を発信させることができ、従って、この場合は、微妙な発信タイミングの制御は不要で、単に必要な方向を向いている探触子を選択するだけで済む。

また、この場合、超音波は、仮想球体１０ａのＯ点を中心として、放射状に発射されるので、反射波から反射ポイントとなる欠陥位置を計算する処理も容易になる。

なお、このように探触子を配置したアレイセンサの場合でも、発信のタイミングを微妙に制御して指向性を持たせるようにしてもよい。

ここで、複数個の探触子１０(n)を１列だけ仮想球体１０ａの表面に配置しても良く、この場合、探触子１０(n)が１列に並んでいる方向で、任意の指向特性を持たせることができるので、例えは図３のプローブ１０として用いてやれば、回転モータ２３で角度θを制御するだけで済む。

一方、図１１に示したように、複数個の探触子１０(n)を仮想球体１０ａの表面の一部の球面に三次元的に配置してやれば、各探触子の選択だけで指向方向の角度αと角度θを制御することができるので、例えは図３のプローブ１０として用いてやれば、回転モータ２３による回動機構を省略することができる。

ところで、図１０と図１１はプローブにアレイセンサを適用し、プローブ１０自体の指向特性を変化させるようにした場合であるが、次に説明する実施形態では、複数個の特性が異なっているプローブを用意しておき、必要に応じてプローブを交換してサーベイするようにしている。

ここで、図１２がその実施形態で、ここでは走査機構２０としてアーム型のマニプレータを備えたティーチング・プレイバック方式のロボットを用い、操作機構２０のベース台車２５は、軌道２６に沿って検査対象物１の両側に或る程度アクセスしやすい位置に移動できるようにしてある。

このとき走査機構２０の先端部分にプローブ着脱機構１０ｃを設け、これによりプローブ１０が走査機構２０の先端部分に着脱可能になっている。そして、これに合わせてプローブ置き台１０ｂを設け、これに、特性が異なっている幾つか別のプローブを用意しておくことができるように構成してある。

そして、このアーム型のロボットからなる走査機構２０により、或るプローブ１０を用いて検査対象物１をサーベイ中、そのプローブ１０を、走査方向に応じて必要とする指向特性をもった他のローブと自動交換できるようになっている。

このときのプローブ１０の自動交換は、次のようにして行われる。すなわち、まず、ローブ置き台２０ｂを走査機構２０のベース台車２５、軌道２６と同じフレームに取付け、これによりプローブ置き台２０ｂと走査機構２０の先端のプローブ着脱機構１０ｃの位置関係が既知の位置関係になるようにしておく。

そして、このことを前提として、予め走査機構２０のロボットをティーチング(教示)しておき、これにより通常のマニピュレータの制御と同様に、プレイバック自動運転することによりプローブ１０が自動交換できるようにするのである。

従って、この実施形態では、現在把持しているプローブ１０をプローブ置き台２０ｂの所定の位置に戻し、この後、別の特性のプローブを把持して元のサーベイ位置に戻る動作を一連の自動運転動作として行うものである。

このときのティーチングとプレイバックに必要な動作制御データは、走査機構制御装置５０に持たせてあり、従って、走査制御データ生成部４０が前の検査データから走査制御条件の一種であるプローブ特性の変更データを生成した場合、プローブの交換指令を走査制御データの一部として走査機構制御装置５０に出力したとき、プレイバック運転が実行される。

また、このとき交換されるプローブの種別や性能については、予め走査機構制御装置５０に入力してあり、それに対応して切り替えスイッチ１０ｅが切換えられ、選択されたプローブによる信号が検査データ記録部３０と走査制御データ生成部４０に正しく入力されるように制御される。

このように、特性が異なるプローブを複数用意しておけば、走査機構２０で把持しているプローブを交換するだけで、自動検査の途中、その都度、容易にブローブの特性を変更することができるようになる。

このとき、走査機構２０は、もともと自動運転制御ができる機能を有しているので、それを利用するだけで、プローブの特性変更を簡単に実現させることができる。

一方、プローブを走査する検査対象物１の周囲に十分なスペースがあり、走査機構２０の先端にあるプローブ１０の把持部が大きくなっても支障のない場合には、走査機構２０の先端に予め複数個のプローブを設けておき、選択指令信号によりプローブの１個を選択し、それを所定の位置、つまりサーベイに必要な位置に移動させる機構を設け、これにより自動検査の途中でも任意に特性の異なるプローブに変更できるようにしてもよい。

従って、以上の実施形態によれば、プローブ１０の特性、すなわち指向性の角度αや焦点距離、ビームの広がり特性などを、検査の途中で、それまでの検査結果データの状況に応じて適切なものに変更することができ、この結果、欠陥の調査をより一層正確に且つ詳細に連続して自動的に行うことができる。

次に、図１３も本発明の実施形態で使用される電子スキャン方式のプローブの一例で、これは複数個の探触子、ここでは超音波探触子を１２１個(＝１１個×１１個)、２次元的に配列したものである。

ここで、上記した図１０では、探触子を一列に配置した１次元構成ものであるが、この図１３の例では２次元に配列したものであり、しかもこのとき、更に各探触子を柔軟なシート状の部材に取り付け、シート状２次元アレイセンサとしている。

この結果、隣り合う探触子はシート状部材のつながれている部分で容易に曲がることができるようになり、配管などの曲面を有する検査対象物に適用したとき、その曲面に沿って曲がり、２次元の各探触子の全てを検査対象部位に正面から押し当てられた状態にすることができる。

従って、この図１３に示したシート状２次元アレイセンサからなるプローブによれば、２次元配列されている探触子の中から任意の１次元アレイセンサの組み合わせを想定して電子スキャン制御を行うことができ、こうすることにより機械的な走査機構２０を用いることなく、任意の方向の走査制御を電子スキャン制御だけで行わせることができるようになる。

具体的に説明すると、図１３において、いま、例えば角度αの指向特性を持たせ、Ｐｉ方向に走査させたい場合には、２次元に配列されている探触子の中から、図示のように、Ｐｉ方向に並んでいる探触子ａ８、ｂ８、ｃ７、ｃ８、ｄ７、ｅ７、ｆ６、ｆ７、ｇ６、ｈ６、ｉ５、ｊ５、ｋ５、ｌ４、ｌ５を選択し、これらにより１次元のアレイセンサを仮想的に形成させる。

そして、これらを電子スキャン制御することにより、つまりＰｉ方向に並んでいる各探触子の間隔距離を考慮した所定のタイミングで順次発信制御することにより、図１０で説明した１次元のアレイセンサをＰｉ方向に向けて走査制御したときと同じことが機械的な走査制御全く行わないで実現できることになる。

従って、この図１３のプローブの場合、最初に所定の位置に所定の向きでシートを検査対象物１にかぶせる作業を行うだけで、後は全て電子スキャン制御により欠陥３の詳細な形状、大きさを詳細に検査できるようになる。

次に、図１４と図１５は、図１１で説明した仮想球体１０ａによるプローブを探触子ユニット１０Ａｓｍとし、これを複数個、図では二重丸で示してある折り曲げ自在な機構により相互に連結して２次元的に配置してプローブとした場合の一例である。

このとき、図１５に示すように、ここでも複数個の探触子ユニット１０Ａｓｍの個数は１２１個(＝１１個×１１個)、２次元的に配置してある。

ここで、各ユニット１０Ａｓｍは、図１４に示すような回転自在な機構で連結してもよいし、図１３の場合と同様、シート状の柔軟な部材で各々をつなぐようにしてもよい。

また、このとき、検査対象物がボイラの鏡板など３次元の曲面を持っている場合は、それにうまくフィットさせることができるように、各探触子ユニット１０Ａｓｍの間隔を離して更にルーズにしておくとか、予めフィットさせたい曲面形状に合わせて探触子ユニット１０Ａｓｍの個数や配置を考慮して各々を接続しておくようにすれば、３次元の曲面に対しても全ての探触子が正対した状態でかぶせることができるようになる。

また、このように探触子ユニット１０Ａｓｍを２次元に配置してプローブにした場合、図１４に示すように、複数個の淡色ユニット１０Ａｓｍから同時に超音波を発信することはないので、隣り合う探触子の間隔をできるだけ狭め、高密度で配置できるようにするのがよい。

ここで、この図１４の例では、図１１の例のように、検査対象物１とプローブの間をシューで埋めるのではなく、液体或いはジェル状の接触媒体９で埋めるようにしてあり、この結果、より安定に曲面にフィットして設定できる。

このような２次元のアレイセンサをプローブ１０として用い、検査対象物１にかぶせるようにしてやれば、機械的な走査機構が不要であることは勿論であるが、より多くの特性のプローブを電子スキャンできるようになるので、欠陥３をより正確に詳細に、しかも機械的な走査がないので、より早く確実に検査を行うことができる。

このとき、機械式走査機構と組み合わせたり、或いは検査員によるシートの再セットを行なったりして、シート全体を少しずらしてやれば、等価的に各探触子ユニット１０Ａｓｍの中心点Ｏの間の間隔を狭めることができ、この結果、更に分解能が高められ、より一層木目細かに検査を行うことができる。

次に、本発明の実施形態について、図１６により更に詳細に説明する。ここで、この図１６に示した実施形態は、図１で説明した実施形態において、更にシミュレーション結果が格納される記憶装置７０と模擬欠陥データが格納される記憶装置８０、それにシミュレータ８５を設け、これにより走査制御データ生成部４０に更にシミュレーション機能が付加されるようにしたものである。

ここで、この実施形態の場合、第１の動作モードと第２の動作モードがある。そこで、まず、最初は第１の動作モードによる動作について説明する。

第１の動作モードの場合、予め欠陥のない検査対象物１を用意し、その種別データや形状データなどを用い、所定の特性のプローブ１０により所定の位置から所定の条件、すなわち初期の走査制御データに基づく条件により走査し、計算機でプローブ１０の応答信号を求めておく。

いま、プローブ１０が超音波探触子であるとすると、この場合、超音波の指向性特性や広がり特性により、検査対象の形状によって反射する場所、反射する場合の音圧レベルの減衰定数など実際の材料特性より適切な数値を模擬(シミュレーション)しておくことができる。

つまり、プローブから発信して反射成分がプローブで戻ってくるまでの時間や、戻ったときの音圧レベルにより、それがプローブで電気信号に変換されたときの信号レベルまで計算で求めることができることになり、このため、例えば既に図５により説明したような応答波形を事前の計算機によるシミュレーションで求めておくことができる。

そこで、以上のことを、予め初期の走査制御データの記憶装置４２にある走査予定データの全ての場合において計算しておき、その結果をシミュレーション結果の記憶装置７０に記録しておく。

そして、この記憶した結果を初期の走査制御データの記憶装置４２による走査条件により、実際にプローブ１０を走査した場合に、このプローブ１０からの信号と同じ時間軸スケールで比較するようにする。

このときのシミュレーション結果のデータは、検査対象物１に欠陥がないものとして計算されたものであり、従って、シミュレーション結果のデータになく、実際のプローブ１０からの信号に応答があった場合には、それは欠陥からの信号であるということが容易に判断できる。

例えば検査対象物１が一様な板厚ではなく、途中に段差があるような場合などのとき、そこは実際には欠陥ではないが、超音波は反射するので、プローブだけの信号を見ていたのでは、それが欠陥によるものか、板厚変化部分によるものかを判別するのは容易なことではない。

しかして、上記したように、予め形状特性から得られる反射波をシミュレーションで求めておけば、それが欠陥ではない反射波であると判別するのは容易である。

このとき、システムの中に走査制御データ生成部４０からの走査制御データ(含むプローブの種類、すなわちプローブの指向性などの特性データ)と、検査対象の形状データの記録装置４５からの形状データ(表面形状に限ることはなく内部の切欠き形状や板厚形状や材料特性なども含めたデータ)を入力し、プローブ１０の応答信号をシミュレーションするシミュレータ８５を組み込んでおいてもよい。

この場合は、リアルタイムでシミュレーションできるように、高速の計算処理が必要になるが、予め多くのシミュレーション結果を記録装置７０に準備しておく必要がなくなるのと、走査制御データ生成部４０が生成した走査軌跡の場合もシミュレーションと比較できるようになるので、より精度よく欠陥の有無を検出できるようになる。

次に、第２の動作モードによる動作について説明すると、この場合には、更にシミュレータ８５のシミュレーション結果を記録装置７０に記録して、走査制御データ生成部４０に入力するだけではなく、検査データ記録部３０にもシミュレーション結果を入力するようにする。

そして、検査データ記録部３０では、プローブ１０からの実際の検査結果データを、同じく走査機構２０のその時の実際の姿勢情報や位置情報と対応付けして記録すると共に、シミュレーション結果とも比較して欠陥データに相当する部分の信号を抽出し、そのような応答信号となる欠陥データを推定して、その推定結果を模擬欠陥データとして記憶装置８０に記録するようにする。

これにより、シミュレータ８５は、欠陥を感度よく検出するときに用いるシミュレーション結果として、欠陥の無い場合のシミュレーションと、模擬欠陥データ８０の模擬欠陥データを用いた場合のシミュレーションとを行う。

記憶装置８０の模擬欠陥データを組み込んだシミュレーション結果は、実際のプローブ１０からの信号が一致しているかどうかで、記憶装置８０の中の模擬欠陥データが実際の欠陥と同じになったということを確認する手段に用いる。

そして、同じでない場合、検査データ記録部３０は、記憶装置８０の中の模擬欠陥データの内容をシミュレーション結果と実際のプローブからの信号を比較してより実際のプローブからの信号と一致するように変更する。

それによって、実際のプローブ１０からの信号と模擬欠陥データ８０の内容を組み込んでシミュレーションした場合のシミュレータ８５の出力結果が一致すれば模擬欠陥データは実際の欠陥を精度よく模擬するようになったということになる。

このようにすることによって、実際の欠陥の形状、寸法をより精度よく推定可能な検査結果データを模擬欠陥データ８０として得ることができる。このとき、表示モニタ６０では、プローブ１０からの実際の検査データやシミュレーション結果、或いは模擬欠陥データなどを必要に応じて表示し、確認できるようにする。

ここで、表示モニタ６０に模擬欠陥データを表示する場合、３Ｄ(三次元)のＣＧ画像にで表示してやれば、任意の視野のもとで任意の方向に視点を変えながら欠陥が観測できるようになり、より見やすく監視することができる。

また、この場合は、検査対象物１の形状データも３ＤのＣＧ画像で表示してやれば、分かりやすい表示となる。

ここで、以上に説明した実施形態における走査制御データ生成部４０による具体的な処理フローについて、図１７Ａと図１７Ｂ、それに図１７Ｃのフローチャートにより説明する。

ここで、基本的な処理の流れとしては、スタートしたら、最初に処理４０ａで検査対象の形状データの読み込みを行う。このときの形状データには、検査対象物１の材質特性や板厚、内部の切欠き情報を含むものであってよい。

次に、処理４０ｂでは初期の走査制御データを読み込む。このときの走査制御データには、どのような特性のプローブを用い、どのような走査軌跡により、どのような順番で走査するかの情報が含まれている。

このとき、一般的な走査軌跡としては、ジグザグな経路或いは矩形の折り返し経路により検査対象物１の検査対象部位全体をサーベイしてゆき、その全経路に沿ってサーベイして欠陥が検出されない場合には、その範囲には所定の大きさ以上の欠陥は存在しないということが言えるような走査軌跡としておくのがよい。

次の処理４０ｃでは走査機構２０の現在の姿勢、位置情報、プローブの設定情報を読み込み、続く処理４０ｄでは走査機構の姿勢、位置、プローブの設定を所定の条件に合わせるように制御指令を走査機構制御装置５０に出力する。なお、これは初期の走査制御データに基づく所定の走査制御を行うため、スタート条件が合っていない場合には合わせる必要があるためである。

次に処理４０ｅで初期の走査制御データに基づく最初の所定の走査制御を行う走査機構の動作指令を走査機構制御装置５０に出力し、実際に走査制御させ、次の処理４０ｆでは実際に走査しているときのプローブ１０からの検査データを読み込み、検査データに欠陥からの信号の有無を検出する処理を行う。

ここで、検出する手法に前述の欠陥の無い場合のシミュレーション結果データと比較するようにして精度よく欠陥データを検出するようにしてよい。

次の処理４０ｇで、欠陥信号を検出した場合と、そうでない場合とで以後の処理を分ける。そして、欠陥が検出されない場合、つまり「No」のときは処理４０ｉを介して処理４０ｅに戻る。

これにより所定の走査制御データに基づいて次の走査制御を繰り返し、処理４０ｉで全ての用意していた走査条件でのサーベイが終わったと判定されたら、その用意した走査条件で検出可能な欠陥は無かったということになり、本処理は終了する。

一方、処理４０ｇで欠陥信号が検出された場合、つまり「Yes」のときは処理４０ｈに進み、図５で説明したように、検査データの欠陥位置Ｌ(a)〜Ｌ(b)と欠陥信号MAXレベルＳ(a)max〜Ｓ(b)maxを検出する処理を行う。

このとき、欠陥位置Ｌ(a)〜Ｌ(b)の間を、図７で説明したように、等間隔ピッチに細かく分割するようにするのが望ましく、この場合は、より詳細なサーベイが得られるので、好ましい。

次の処理４０ｊでは、欠陥が検出された走査制御データの軌跡データを基準にし、欠陥位置Ｌ(i)を中心にして、図８で説明したように走査方向を一方向に少し変更した軌跡データを、検査対象の形状データに基づいて生成し、制御指令を走査機構制御装置に出力する。

このとき、最初の欠陥位置Ｌ(i)は、位置Ｌ(a)、或いは位置Ｌ(b)の何れか一方の端部の位置にし、その次には等間隔で分割した隣の欠陥位置を位置Ｌ(i)とするように順番に処理するようにするのが分かりやすい。

次の処理４０ｋでは、処理４０ｊで実行した実際の走査結果の検査データを読み込み、検査データに欠陥位置Ｌ(i)からの欠陥による信号の有無を検出する。そして、この後、判別処理４０l(Ｌの小文字)で、欠陥信号があるか否かで処理を分ける。

まず、ここで欠陥信号有り場合、つまり「Yes」のときは処理４０ｍに進み、検査データの欠陥位置Ｌ(i)での欠陥信号MAXレベルＳ(i)maxを検出して、最初に検出されたときの信号レベルと比較する。

そして、処理４０ｎで、その信号レベルが増加したか否かを判定し、ここで、信号レベルが増加したと判定された場合、つまり「Yes」のときは、その方向に更に走査方向を変えて走査制御すればプローブ１０の信号レベルがさらに大きくなる(より欠陥の面に対して法線方向になる)ということを意味する。

そこで、このときは処理４０ｏに進み、走査軌跡データを欠陥位置Ｌ(i)を中心に走査方向を同じ方向に少し変更した軌跡データとして、検査対象の形状データをもとに生成して、制御指令を走査機構制御装置５０に出力する。

以下同様に処理４０ｋに戻り、欠陥位置Ｌ(i)の欠陥信号MAXレベルＳ(i)maxが増加しつづける間は同じ方向へ走査方向を変えていく。

こうして、増加傾向がなくなって、判別処理４０ｎで「No」になった場合には、今度は処理４０ｐの後、処理４０ｑで逆の方向に走査方向を変化させた場合の欠陥位置L(i)の欠陥信号MAXレベルＳ(i)maxがどうなるかを、同じようにして増加傾向がなくなるまでサーベイし、処理４０ｎで「No」になり、更に処理４０ｐでも「No」になったら、逆方向含めて両方向のサーベイが終了したものとし、処理４０ｒで、欠陥位置L(i)を中心に走査方向を各種変えて走査制御した検査データの中で最も大きな欠陥信号の得られた方向をその欠陥面の法線方向として検査データに記録する。

ここで、十分な欠陥信号MAXレベルＳ(i)maxがいろいろな方向から走査した結果で得られたということは、欠陥位置Ｌ(i)には欠陥が間違いなく存在するということで模擬欠陥データ８０にもその法線方向特性の情報も含めて記録するようにしてもよい。

ここで、欠陥信号MAXレベルＳ(i)maxが十分なレベルで得られない場合、具体的にはＳ／Ｎがギリギリの有意差程度の場合には、角度をいろいろ変えてみても、その結果として欠陥位置Ｌ(i)には欠陥がない可能性がある。

そこで、この場合には、より確実にサーベイするため、プローブ１０の指向性特性、例えば角度αを違う角度に変え、同じようなサーベイを行うようにする。例えば、この角度αでは、たまたま平行な欠陥でＳ／Ｎ比が悪かった可能性もあるので、２種類或いは３種類、例えば４５°、７０°、９０°の角度αのプローブを用い、それでも検査結果があまり有意差の信号がでない場合に、本当に欠陥位置Ｌ(i)には欠陥はないと判断するようにしてもよい。

また、この実施形態では、走査角度を左右に変化させる場合、そのとき変える角度は最初から小さな角度にし、サーベイの分解能を上げるようにした場合の処理の流れを示している。

しかし、このとき、サーベイ効率を上げるため、最初は大きな角度で変化させ、増加傾向が緩やかになったら逆方向に小さな角度で変化させるようにして、さらに増加傾向がなくなった場合には再度逆方向にさらに変化させる角度を小さくするというように、徐々に変化させる角度を小さくしながら、欠陥信号MAXレベルＳ(i)maxの最大ピークを得られる方向がより効率よくサーべイできるようにしてもよい。

以上のようにして、或る１点の欠陥位置Ｌ(i)についてのサーベイが終わったら、次に処理４０ｔから処理４０ｊへ戻って隣の欠陥位置Ｌ(ｉ＝ｉ＋１)の位置について同様の処理を繰り返し、判定処理４０Ｓで、最初に等分割した欠陥位置Ｌ(a)〜Ｌ(b)の間の位置の全てに渡ってサーベイ済になった場合には処理４０ｕに進む。

この処理４０ｕでは欠陥位置の法線方向を調べるための走査制御を実施中、その中で新たに検出された欠陥位置が含まれる場合があるので、その欠陥位置について、最初の４０ｈからの処理と同様にして、検出欠陥の法線方向を全ての欠陥位置と思われる全ての位置についてサーベイする。

そして、処理４０ｖで、この新たに検出された欠陥位置についても、全ての法線方向が調べ終わったと判断された場合には、判別処理４０ｉへ戻って初期に計画された走査制御データの残りの処理に戻る。

こうして判別処理４０ｖで新たに検出された欠陥位置の全てについてサーベイが終了したら、次の処理４０ｗで、走査軌跡データをまだ走査制御していない軌跡データについて走査したり、或いはプローブの特性を変えたりして、他にも欠陥は存在しないかをサーベイする。

なお、ここで、更に検出欠陥の周辺を詳しく走査制御して欠陥の状況をより詳しく調べる処理を入れたのは、もともとこの処理４０ｕで調べた欠陥位置データは、最初に見つけた欠陥の法線方向をサーベイするときに、たまたま走査した新たな方向に欠陥が見付かった場合の処理に過ぎず、必ずしもここで欠陥の全体形状や大きさを知るのに十分なサーベイを行っているとは限らないためである。

そのため、処理４０ｗでは、一度検出した欠陥の周辺近傍は他に欠陥の続いている個所がないかどうか、さらに積極的にサーベイする処理を行うようにし、これにより、最初に発見された欠陥につながる欠陥や近傍に存在する欠陥について、より確実に、また精度よく検出することが可能になる。

そして、このため、次の判別処理４０ｘで欠陥の状況が十分に明確になったか否かを調べ、十分に明確になった場合に次の所定の走査制御パターンへ戻るようにした。このとき処理４０ｘでは、記憶装置８０から読出した模擬欠陥データを用いてシミュレータ８５で実行したシミュレーション結果と、実際のプローブ１０によるデータとが、いろいろな走査条件で十分一致しているということを確認して十分明確になったと判断するようにしてもよい。

ところで、以上の図１７Ａ〜図１７Ｃのフローチャートによる処理の流れは本発明の基本的な処理であり、従って、図１と図３、図１２、それに図１６の機械的な走査機構を含む検査システムの走査制御データ生成部にも適用できるし、図１３と図１５で説明した２次元にセンサ(探触子)を配置した場合の実施形態でも、機械的な走査のかわりに電子スキャンになるだけであり、同様に同じ考え方で適用可能なものである。

次に、本発明の更に別の実施形態について、図１８により説明する。ここで、この図１８の実施形態は、図１２の実施形態にＴＶカメラ９０と形状データ生成部９００、それに照明装置９５(1)、９５(2)を付加したものに相当し、その他の構成は同じである。

そして、まずＴＶカメラ９０は、プローブ１０の近傍に取付けられ、検査対象物１のプローブ１０によるサーベイ点を中心として、その表面を撮像し、画像信号を形状データ生成部９００に供給する働きをする。

次に、形状データ生成部９００は、ＴＶカメラ９０から入力された画像信号を処理し、検査対象物１の表面形状を表すデータと、ＴＶカメラ９０と検査対象物１の相対位置姿勢関係を表すデータとを求める働きをする。

このように、検査対象物１の表面形状と相対位置姿勢関係が求められれば、走査機構２０の現場での初期の設定位置誤差なども正しく校正(補正)できるようになり、従って、この実施形態によれば、検査装置の走査機構に対する検査対象物の位置関係を意識して、精度よくセッティングする必要がなくなる。

また、このように、検査対処物１の表面形状がＴＶカメラ９０で撮像した画像情報から容易に得られるようにしてやれば、予め記憶装置４５に検査対象の形状データを入力しておく必要もなくなる。

但し、この場合でも、検査対象物１の内部の切欠きや板厚データは計測が困難なので、必要最小限の検査対象の形状データについては予め入力しておき、セッティング時の位置ズレは計測結果から補正するようにしてやればよい。

このとき、ＴＶカメラ９０として、複眼のステレオ撮像が可能なカメラを持ちいるようにしてもよいし、ＴＶカメラの代りにレーザ距離計などを用いて検査対象物１の表面形状を計測するようにしてもよい。

但し、ＴＶカメラ９０が単眼のカメラでも、走査機構２０による移動量が参照できるので、複数箇所から撮影した映像を写真計測で３次元距離を計測するようにすれば、ＴＶカメラの位置と合わせて計測値が求まり、その計測データで走査機構のセッティング位置を校正するようにしてもよい。

ところで、検査対象物１の表面が無地で、目視的には特徴となる点が何もない場合にはＴＶカメラ９０で撮影しても検査対象物１の表面形状を画像情報から計測できない。そこで、この実施形態では、２基の照明装置９５(1)、９５(2)を用い、検査対象物１となっている配管の表面全体に所定のパターンによる模様が照射されるようにし、この状態でＴＶカメラ９０により検査対象物１の表面形状を撮影するようにしてある。

このとき、マジックやペイントや粉体などにより検査対処物１の表面に直接模様を描いておくようにしてもよいのは勿論であるが、照明装置９５(1)、９５(2)により模様が得られるようにした方が、検査対象物１に直接加工を施す必要がないので、使い勝手がよくなる。

ここで、このときの模様は、図示のように、多数の点が散在しているパターンになっているが、複数本の直線や、複数の直線が交わっているメッシュ状の模様など、任意のパターンによる模様でもよい。

本発明による自動検査システムの第１の実施形態を示す構成図である。 検査対象物に存在する欠陥の一例を示す説明図である。 本発明による自動検査システムの第２の実施形態を示す構成図である。 本発明の第２の実施形態におけるプローブの一例を示す説明図である。 本発明の実施形態による信号レベルの特性図である。 本発明の第２の実施形態におけるプローブと検査対象物の位置関係の説明図である。 本発明の第２の実施形態による欠陥検出時におけるプローブと検査対象物の位置関係の一例を示す説明図である。 本発明の第２の実施形態による欠陥検出動作の一例を示す説明図である。 本発明の第２の実施形態による欠陥形状の検出結果の一例を概念的に示した説明図である 本発明の実施形態で使用されるプローブの第１の例を示す説明図である。 本発明の実施形態で使用されるプローブの第２の例を示す説明図である。 本発明による自動検査システムの第３の実施形態を示す構成図である。 本発明の実施形態で使用されるプローブの第３の例を示す説明図である。 本発明の実施形態で使用されるプローブの第４の例を示す説明図である。 本発明の実施形態で使用されるプローブの第５の例を示す説明図である。 本発明による自動検査システムの第４の実施形態を示す構成図である。 本発明の実施形態における走査制御データ生成部の具体的な処理フローの一例を示すフローチャート(その１)である。 本発明の実施形態における走査制御データ生成部の具体的な処理フローの一例を示すフローチャート(その２)である。 本発明の実施形態における走査制御データ生成部の具体的な処理フローの一例を示すフローチャート(その３)である。 本発明による自動検査システムの第５の実施形態を示す構成図である。

符号の説明

１：検査対象物
２：溶接部
３：欠陥
９：接触媒質
１０：プローブ(超音波プローブの場合は探触子)
１０Asm：探触子を球体面に沿って複数配置したユニット
１０ｂ：プローブ置き台
１０ｃ：プローブ着脱機構
１０ｅ：プローブ信号切換スイッチ
２０：走査機構
２３：プローブの方向回転モータ
２５：ベース台車
２６：軌道
３０：検査データ記録部
３５：検査データの記憶装置(検査データ記憶用)
４０：走査制御データ生成部
４０ａ〜４０ｘ：走査制御データ生成部の処理ステップ
４２：記憶装置（初期の走査制御データ記憶用）
４５：記憶装置(検査対象の形状データ記憶用)
５０：走査機構制御装置
６０：表示モニタ
６０Ｃ：表示制御装置
７０：記憶装置(シミュレーション結果記憶用)
８０：記憶装置(模擬欠陥データ記憶用)
８５：シミュレータ
９０：ＴＶカメラ
９５(１)、９５(２)：照明装置
１０１：シュー
１０２：ジンバル機構
１０４：押付バネ
１０５：プローブからのケーブル
９００：形状データ生成部

Claims (8)

1. 走査機構に組合わせた検査用プローブにより検査対象物を自動走査し、当該プローブからの信号を処理して欠陥の有無を検出する手段を備え、該手段により検査データを取得する自動検査システムにおいて、
   前記検査用プローブで走査して得た検査データを、それ以前に走査して得た検査データと共に記憶する手段と、
   前記検査用プローブにより有意な検査データが得られたとき、当該有意な検査データが得られた位置を中心にして前記検査用プローブによる走査方向を徐々に変えて行く手段とを設け、
   前記検査用プローブにより検査対象物を自動走査する際、過去の検査データを読み込んで、次に走査するときの検査条件が自動的に変更され、
   前記検査用プローブにより有意な検査データが得られた位置において、前記検査データの信号レベルが最大になる方向が自動的に探索されることを特徴とする自動検査システム。
2. 請求項１に記載の自動検査システムにおいて、
   前記検査用プローブが指向性を備え、前記走査機構と前記検査用プローブの少なくとも一方が、指向性方向を変える手段を備えていることを特徴とする自動検査システム。
3. 請求項１又は請求項２に記載の自動検査システムにおいて、
   前記走査機構と前記検査用プローブ自体の少なくとも一方に当該検査用プローブの特性を変更する手段が設けられていることを特徴とした自動検査システム。
4. 請求項１に記載の自動検査システムにおいて、
   前記検査用プローブが、検出素子を２次元配列したアレイ形のプローブで構成されていることを特徴とする自動検査システム。
5. 請求項１に記載の自動検査システムにおいて、
   前記欠陥の有無を検出する手段は、
   検査対象物を走査した時のデータを、予め同じ条件で健全な検査対象物を実際に走査した時のデータとシミュレーション結果によるデータの少なくとも一方と比較し、その一致度合により欠陥の有無を検出することを特徴とする自動検査システム。
6. 請求項５に記載の自動検査システムにおいて、
   同じ条件で健全な検査対象物を走査した時のシミュレーションを行うモデルの中に、事前に取得した検査データから推定した欠陥モデルを組み込み、
   前記シミュレーションを行って得たデータと、検査対象物を走査した時のデータとを比較し、その一致度合により当該欠陥の状況が十分に明確になったか否かを判別する手段が設けられていることを特徴とする自動検査システム。
7. 請求項１に記載の自動検査システムにおいて、
   前記検査対象物の形状を計測して形状データを生成する形状計測手段と、
   前記形状データに基づいて、前記自動走査のための走査制御データを自動的に生成する手段とが設けられていることを特徴とする自動検査システム。
8. 請求項７に記載の自動検査システムにおいて、
   前記検査対象物の表面に目印を付加する手段が設けられていることを特徴とする自動検査システム。

Images