JP4542813B2 - ３次元超音波検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、検査対象物の内部構造、接合部の状態、欠陥の状態を超音波で非破壊検査する３次元超音波検査装置に係り、特に、検査対象物の溶接部の状態、溶接欠陥の状態を３次元的に検査する３次元超音波検査装置に関する。

検査対象物である平板状構造部同士の接合部の溶接状態や溶接欠陥の状態を非破壊検査する技術の１つに超音波探傷技術がある。

この超音波探傷技術を採用した超音波検査装置として特開２００３−１４９２１３号公報（特許文献１）および特開２００４−５３３６０号公報（特許文献２）に記載されたものがある。

これらの超音波検査装置は、多数の圧電振動子をマトリクス状に配設した超音波トランスデューサを超音波の発生、検出に用いたものであり、この超音波トランスデューサの圧電振動子から発振された超音波を検査対象物の接合部である溶接部に送り、溶接部から反射された反射エコーを超音波トランスデューサで受信し、この受信エコー信号を信号検出回路を経て信号処理部に送り、この信号処理部で並列演算処理を行ない、検査対象物の溶接部を画像化処理している。画像化処理された溶接部の超音波画像は表示装置に表示され、この超音波画像を目視することにより、溶接部の状態や溶接欠陥の状態を非破壊で検査することができるようになっている。

従来の超音波検査装置は、検査対象物の溶接部に超音波を照射し、その反射エコーを画像化処理して表示装置に超音波画像で表示し、表示された溶接部の画像を目視により判断し、溶接部の状態や溶接欠陥の状態を非破壊で検査している。

具体的には、特開平１１−３２６２８７号公報（特許文献３）に記載されているように、平板状構造部を検査対象物とし、２つの平板状構造物を重ね合せ、スポット溶接により接合したとき、平板状構造物同士の溶接部の状態や溶接欠陥の状態を超音波検査装置で非破壊検査し、溶接部に溶融凝固部分が形成されているか否か、ブローホール等の溶接欠陥の有無・状態を検査することができる。

また、検査対象物の溶接部の接合強度は、溶融凝固部の大きさに依存し、接合部とこの内側に形成される溶融凝固部の境界は、検査対象物の接合部底面部の反射エコーの強度分布曲線の変曲点から求められることが、特開平６−２６５５２９号公報（特許文献４）に知られている。
特開２００３−１４９２１３号公報 特開２００４−５３３６０号公報 特開平１１−３２６２８７号公報 特開平６−２６５５２９号公報

従来の超音波検査装置では、複数の異なる音響特性を有する検査対象物の層構造や、検査対象物内の溶接部の欠陥やボイドや剥れを超音波により可視化させることができ、表示装置に表示された溶接部の超音波画像を目視することにより判断しているが、２次元の超音波画像を目視により判断しているために、判断結果に個人差によるバラツキが生じたり、検査対象物に対する溶接部の位置関係を３次元的に正確にかつ精度よく定量的に検査することが困難であった。

従来の超音波検査装置では、
１．検査対象物の内部検査を画像化処理された超音波画像を観察することで行なっているため、溶接部の状態や溶接欠陥の状態を客観的にかつ定量的に精度よく検査することが困難である。

２．検査対象物内部の画像化処理により得られた超音波画像に表示される溶接部の状態、溶接欠陥の状態を表わす情報から異常の有無を定量的にかつ精度よく自動判定することが困難であった。

本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、検査対象物の内部検査を精度よく正確に非破壊で３次元検査することができるとともに、内部検査による異常の有無を定量的に行ない、自動判定が可能な３次元超音波検査装置を提供することを目的とする。

また、本発明の他の目的は、マトリクス状あるいはアレイ状に配設された超音波トランスデューサの各圧電振動子から発振される超音波の検査対象物からの反射エコーを検出して信号処理することで、接合部の溶融凝固部、固相接合部（コロナボンド）、溶融欠陥の大きさや位置が迅速かつ高解像度の超音波探傷画像として得ることができる３次元超音波検査装置を提供することにある。

さらに、本発明の別の目的は、適切な溶接状態の超音波探傷画像を基準として合否判定パターン像を格納したデータベースと、検査した超音波探傷画像を照合させることで、定量的で安定した合否判定を迅速に行なうことができる３次元超音波検査装置を提供することができる。

本発明に係る３次元超音波検査装置は、上述した課題を解決するために、請求項１に記載したように、複数の圧電振動子をマトリクス状あるいはアレイ状に配設した超音波トランスデューサと、上記超音波トランスデューサの複数の圧電振動子のうち、超音波を発振させる圧電振動子を順次選択する駆動素子選択部と、上記駆動素子選択部に選択された圧電振動子から発振される超音波を音響伝播媒体を介して検査対象物の接合部に入射させ、この接合部からの反射エコーを受信し、その反射エコーの電気信号を検出する信号検出回路と、この信号検出回路で検出された電気信号を信号処理し、前記検査対象物の内部に設定された３次元画像化領域内に区画されたメッシュに対応させて３次元画像化データを生成する信号処理部と、この信号処理部で生成された３次元画像化データの強度分布から溶融凝固部の大きさ、位置および接合部の溶接欠陥の位置・大きさを検出する一方、その検出結果および信号処理部からの３次元画像データを表示する表示処理装置とを備え、前記表示処理装置は、前記信号処理部で生成された検査対象物の接合部底面の３次元画像化データの強度分布から溶融凝固部の大きさを検出する底面部データ処理部と、前記検査対象物の検査対象の中間接合部の３次元画像化データの強度分布から接合部の溶接欠陥の有無・大きさを検出する中間部データ処理部と、前記底面部データ処理部と中間部データ処理部で検出された結果を比較し、良否を判定する判定部と、前記底面部データ処理部、中間部データ処理部および判定部から得られた結果および前記信号処理部で生成された３次元画像化データを表示する表示部を備えたものである。

本発明に係る３次元超音波検査装置によれば、検査対象物の接合部の内部検査を迅速に精度よく正確に超音波で非破壊検査することができ、内部検査による異常の有無、すなわち、溶融凝固部や溶融欠陥の大きさ、位置を定量的に精度よく検査し、自動判定を行なうことができる。

また、超音波トランスデューサがマトリクス状あるいはアレイ状配列の圧電振動子を備え、各圧電振動子を順次作動させて超音波を発振させ、検査対象物の接合部から反射された反射エコーを検出して、信号処理することで、接合部の溶融凝固部、固相接合部、溶接欠陥の大きさと位置を高解像度の超音波診断画像として迅速に得ることができる。

さらに、適切な溶接状態の超音波探傷画像を基準として合否判定パターン像をデータベースに格納しておき、検出された検査対象物の超音波探傷画像を格納させた基準の超音波探傷画像と比較照合させることで、安定した合否判定を迅速に自動的にかつ定量的に行なうことができる。

本発明に係る３次元超音波検査装置の実施の形態について添付図面を参照して説明する。

図１は、本発明に係る３次元超音波検査装置の一実施形態を示す構成図である。

３次元超音波検査装置１０は、超音波振動と電気信号を相互変換させ、所要周波数の超音波を送受信する超音波トランスデューサ１１と、この超音波トランスデューサ１１を駆動させる駆動信号を発生させる信号発生部１２と、信号発生部１２からの駆動信号を選択し、超音波トランスデューサ１１の圧電振動子を選択的に駆動させる駆動素子選択部１３と、超音波トランスデューサ１１から発振される超音波を検査対象物１４の接合部１５に照射し、この接合部からの反射エコーの信号を超音波トランスデューサ１１を介して検出する信号検出回路１６と、この信号検出回路１６で検出された反射エコーの電気信号を並列演算処理して３次元（３Ｄ）超音波画像を生成させる信号処理部１７と、この信号処理部１７で処理された超音波探傷画像のデータ処理をさらに行ない高解像度の３次元超音波探傷画像を得、内部構造や接合部１５の状態および溶接欠陥部２８の状態を自動的に精度よく判定し、判定結果を表示させる表示処理装置１８とを備える。

超音波トランスデューサ１１は、圧電素子からなる多数の圧電振動素子２０を基板２１にｍ行ｎ列のマトリクス状に整列配置させてマトリクスセンサ１１を構成している。超音波トランスデューサ１１の各圧電振動子２０ｍｎには、信号発生部１２で発生した駆動信号が駆動素子選択部１３により選択されて加えられる。駆動素子選択部１３の選択により各圧電振動子２０ｍｎの駆動順序が１個ずつあるいは複数個ずつ決定され、各圧電振動子２０ｍｎは所要の駆動タイミングで駆動される。圧電振動素子２０はマトリクス状に配設する代りに、一列にあるいは十字のライン状に配列させ、アレイセンサを構成してもよい。

超音波トランスデューサ１１のセンサ面である超音波発受信面、具体的には、検査対象物１４側に液体あるいは固体の音響伝播媒体２３が密着される。音響伝播媒体２３と検査対象物１４との間には超音波の音響的整合をとるカップラント２４が設けられる。カップラント２４は、音響伝播媒体２３が水等の液体を用いる場合は、不要である。

また、音響伝播媒体２３はボックス状となり、その開口面積は、検査対象物１４の検査領域（ターゲット領域）である接合部１５の大きさに応じて形成され、音響伝播媒体２３の高さは、圧電振動子２０から発振される超音波の発振角度（拡がり角度）により決定される。

検査対象物１４は、例えばスポット溶接にて接合された２枚の板状構造物１４ａ，１４ｂを対象とし、この板状構造物１４ａ，１４ｂのスポット溶接部は、３次元超音波検査装置１０により超音波を用いて非破壊にて内部検査される。検査対象物１４は、３枚以上の板状構造物を重ね合せて溶接したものを用いてもよい。検査対象物１４は、金属材料であっても、樹脂材料であってもよい。

検査対象物１４である２枚の板状構造物１４ａ，１４ｂを重ね合せてスポット溶接により接合すると、板状構造物１４は接合部１５の外表面に溶接用電極による打痕部としての凹部２５が形成され、接合部１５の厚さＴは、凹部２５の形成分だけ、接合部１５周りの非接合部２６より小さくなる。

なお、符号２７は、接合部１５の溶融凝固部、符号２８は、接合部１５に生じたブローホール等の溶接欠陥部を示す。

一方、超音波トランスデューサ１１に駆動信号を作用させる信号発生部１２は、圧電振動子２０の圧電体を駆動させて超音波を発生させるべく、外部電圧の印加により、パルス状あるいは連続した駆動信号を発生させる。発生した駆動信号は駆動素子選択部１３により駆動させる各圧電振動子２０ｍｎが選択され、選択された各圧電振動子２０ｍｎに駆動信号が所要のタイミングで作用せしめられる。駆動素子選択部１３は、駆動すべき１つまたは複数の圧電振動子２０を所要のタイミングで順次選択しており、選択された圧電振動子２０に信号発生部１２からの駆動信号が加えられると、圧電振動子２０が駆動され、所要周波数の超音波Ｕを発振させるようになっている。

超音波トランスデューサ１１の各圧電振動子２０ｍｎから順次発振された超音波は、音響伝播媒体２３を通り、カップラント２４を経て検査対象物１４の内部に入射され、検査対象物１４の検査領域１５（非接合部２６、溶融凝固部２７、ブローホール等の溶接欠陥部２８、底面２９）に達し、各境界層で反射する。

検査対象物１４の底面２９、非接合部２６、溶融凝固部２７、溶接欠陥部２８の各境界層で反射した超音波の反射エコーは、検査対象物１４から音響伝播媒体２３を経てマトリクスセンサとしての超音波トランスデューサ１１の各圧電振動子２０ｍｎに時間差をもってそれぞれ入力され、各圧電振動子２０ｍｎに入力された反射エコーは、電気信号に変換されて信号検出回路１６に入力され、ここで反射エコーの電気信号が各圧電振動子２０ｍｎ毎に検出される。

この３次元超音波検査装置１０は、超音波トランスデューサ１１の各圧電振動子２０のうち、駆動素子選択部１３で選択された圧電振動子２０ｍｎに駆動信号が加えられると、この圧電振動子２０ｍｎが作動して超音波Ｕを発振させる。この発振した超音波Ｕが音響伝播媒体２３や必要に応じたカップラント２４を経て検査対象物１４の接合部１５である検査領域に照射される。検査対象物１４の検査領域１５に照射された超音波Ｕは、検査領域１５の密度的境界層から一部が反射して反射エコーとなる。この反射エコーは、カップラント２４、音響伝播媒体２３を通ってマトリクスセンサ（超音波トランスデューサ１１）の各圧電振動子２０で時間差を持ってそれぞれ受信し、各圧電振動子２０による圧電変換により、反射エコーの電気信号として信号検出回路１６に送られ、検出される。

超音波トランスデューサ１１は、各圧電振動子２０ｍｎに、駆動信号選択部１３で駆動信号を順次作用させることにより、各圧電振動子２０ｍｎは、順次所要のタイミングで駆動され、各圧電振動子２０ｍｎから発振された超音波の反射エコーを、マトリクスセンサ１１でそれぞれ２次元的に受信する。圧電振動子２０ｍｎのｍ行ｎ列が、例えば１０×１０個の１００個がマトリクス状に配設された場合、各圧電振動子２０ｍｎが駆動素子選択部１３により順次駆動信号が加えられると、駆動信号が順次加えられるタイミングで各圧電振動子２０ｍｎから超音波Ｕが順次発振せしめられ、各圧電振動子２０ｍｎから順次発振された超音波の反射エコーをマトリクスセンサ１１で順次受信し、その受信信号である反射エコーの電気信号をその都度信号検出回路１６に送るようになっている。

このため、信号検出回路１６には、超音波トランスデューサ１１の作動によりマトリクス状配列の個々の圧電振動子２０ｍｎから発振された超音波の反射エコーをマトリクスセンサ１１で２次元的に受信する。マトリクスセンサ１１は超音波を発振する個々の超音波振動子２０ｍｎ分の反射エコーをそれぞれ受信し、反射エコーの電気信号として信号検出回路１６に送られ、この信号検出回路１６を経て信号処理部１７に送られる。

信号検出回路１６は、マトリクスセンサ１１で発生する反射エコーの電気信号を検出するものである。検出された電気信号のうち、検査に必要な複数のものは、信号処理部７０内の増幅器３１ａ，３１ｂ，…，３１ｉにそれぞれ導かれる。

増幅器３１ａ，３１ｂ，…，３１ｉは、導かれた反射エコーの電気信号をそれぞれ増幅し、これをＡ／Ｄ変換器３２ａ，３２ｂ，…，３２ｉにそれぞれ供給している。Ａ／Ｄ変換器３２ａ，３２ｂ，…，３２ｉは、導かれた電気信号をＡ／Ｄ変換し、これを並列プロセッサ３３ａ，３３ｂ，…，３３ｉにそれぞれ導くものである。

信号処理部１７内の並列プロセッサ３３は、Ａ／Ｄ変換器３２ａ，３２ｂ，…，３２ｉから導かれたディジタル信号を並列的にかつ迅速に演算処理し、それぞれ、検査領域（画像化領域）に区画された各メッシュからの反射強度を特定するものである。特定された反射強度は、統合プロセッサである３次元画像生成部３４により統合されて３次元画像化情報（データ）となり、表示処理装置１８に送られる。表示処理装置１８は、導かれた３次元画像化データを中間部データ処理部３５、および底面部データ処理部３６でデータ処理し、検査対象物１４の検査領域（測定部）１５の良否を判定部３７で判断する一方、この良否判定結果や３次元画像生成部３５からの３次元超音波画像を超音波探傷画像として表示部３８に表示させるようになっている。

信号処理部１７は、図２に示すように構成させる。

信号処理部１７に備えられる並列プロセッサ３３はそれぞれ、内部メモリ４０ａ，４０ｂ，…，４０ｉ、および演算回路４１ａ，４１ｂ，…，４１ｉを有する。また、統合プロセッサである３次元画像生成部３４は、画像統合処理部４４、境界抽出処理部４５、形状データ記憶部４６、テーブルデータ格納部４７をそれぞれ有する。

内部メモリ４０ａ，４０ｂ，…，４０ｉは、それぞれＡ／Ｄ変換器３２ａ，３２ｂ，…，３２ｉから供給されたＡ／Ｄ変換信号とテーブルデータ格納部４７から得た伝播時間データとを一時格納するものである。演算回路４１ａ，４１ｂ，…，４１ｉは、それぞれ、内部メモリ４０ａ，４０ｂ，…，４０ｉに格納されたＡ／Ｄ変換信号と伝播時間データとから、画像化領域（検査領域）の各メッシュからの反射強度を特定し、各メッシュと反射強度とを対応付けるものである。対応付けられた反射強度は３次元画像生成部（統合プロセッサ）３４の画像統合処理部４４に供給される。

画像統合処理部４４は、供給された反射強度を検査領域の各メッシュ毎に加算し３次元画像化データを生成するものである。生成された３次元（３Ｄ）画像化データは、表示処理装置１８に導かれる。

一方、境界抽出処理部４５は、画像統合処理部４４が出力する結果から検査対象物１４の内部に存在する境界を抽出するものである。抽出された境界に関する情報はテーブルデータ格納部４７に送られる。

形状データ記憶部４６は、検査対象物１４に関する表面形状や境界層構造に関する情報を予め記憶するものである。記憶された情報は、必要に応じてテーブルデータ格納部４７に送られる。

テーブルデータ格納部４７は、マトリクスセンサ１１の各圧電振動子２０ｍｎ間の超音波伝播時間（または等価的な距離でもよい。）をテーブル化し、予め格納しておくものである。格納された超音波伝播時間は、その一部または全部が、各並列プロセッサ３３の内部メモリ４０ａ，４０ｂ，…，４０ｉに必要に応じて転送される。

また、テーブルデータ格納部４７に格納された超音波伝播時間は、境界抽出処理部４５が供給したり、検査対象物１４における抽出された境界に関する情報や形状データ記憶部４６が供給する、検査対象物１４に関する表面形状や層構造に関する情報により、再設定され得る。

このように、信号処理部１７の並列プロセッサ３３と３次元（３Ｄ）画像生成部３４は、Ａ／Ｄ変換器３２ａ，３２ｂ，…，３２ｉから導かれたディジタル信号を処理し検査対象物１４の接合部１５の状態を可視化する３次元画像化データＩを生成するものである。信号検出回路４６により検出された反射エコーの電気信号から開口合成処理により、検査対象物１４の内部に設定された３次元画像化領域内の各メッシュに対応させて３次元画像化データを生成する。

３次元画像生成部３４は、超音波トランスデューサ１１から見て正面（Ｘ−Ｙ平面）の方向と、正面と直交する２つの側面（Ｙ−Ｚ平面）、（Ｚ−Ｘ平面）に対して垂直な方向の合計３つの方向から３次元画像化データＩを透視すると共に、それぞれ３方向の３次元画像化データＩのうち透視方向に重なった画像化データのうち最も値の大きいデータを平面に投影することで各方向から透視して３枚の平面（２次元）画像を生成する。３次元画像生成部３４により生成された３次元画像化データＩは、表示処理装置１８に出力される。

表示処理装置１８の中間部データ処理部３５は３次元画像化データＩの強度分布から２枚の板状構造物１４ａ，１４ｂの接合部１５付近の中間層領域の透過正面画像を抽出して接合部１５の接合状態を検出し、底面部データ処理部３６は３次元画像化データＩの強度分布から底面部２９の透過正面画像を抽出して溶融凝固部２７の大きさを検出し、判定部３７は中間部データ処理部３５と底面部データ処理部３６から得られた結果を比較・判定する。表示部３８は中間部データ処理部３５と底面部データ処理部３６と判定部３７とから得られたそれぞれの比較判定結果と３次元画像生成部３４からの３次元画像化データＩを表示する。

次に、３次元超音波検査装置１０の表示処理装置１８の機能を図３を用いて説明する。

表示処理装置１８の中間部データ処理部３５は、中間検出部５０と中心位置・接合部測定部５１とを備える。中間検出部５０は信号処理部１７から生成された３次元画像化データＩから中間接合部１５の３次元画像化データを抽出し、中間接合面の透過平面画像を生成すると共に板状構造物１４ａの板厚ｔを測定する。また、中心位置・接合部測定部５１は中間検出部５０で生成された中間接合面の透過平面画像から中間接合部の中心位置と接合部１５の大きさと位置やブローホール等の溶接欠陥の大きさと位置を測定する。

一方、表示処理装置１８の底面部データ処理部３６は底面検出部５３と溶融凝固部検出部５４とを備える。底面検出部５３は信号処理部１７から生成された３次元画像化データＩから検査対象物１４の底面２９の透過平面画像を生成すると共に接合部１５の厚さＴを測定する。また、溶融凝固部検出部５４は底面検出部５３で生成された底面２９の透過平面画像と中心位置・接合部測定部５１から取り込んだ中間接合部１５の中心位置から溶融凝固部２７の大きさと位置を測定する。

また、表示処理装置１８の判定部３７は中間検出部５０から取り込んだ板状構造物１４ａの板厚ｔから最低限必要とされる溶融凝固部２７の大きさを演算し、この溶融凝固部２７を求めた判定基準を設定すると共に、溶融凝固部検出部５４から取り込んだ溶融凝固部２７の大きさと位置を設定した判定基準値と比較し、良否判定を行なう。この判定基準は、適切な状態の超音波探傷画像を基準としてデータベースに格納される合否判定パターン像で定められ、この合否判定パターン像は判定部３７のデータベースに予め記憶され、格納されている。

表示部３８は中心位置・接合部測定部５１で使用した中間接合面の透過平面画像やこれから測定した中間接合部の中心位置と接合部１５の大きさと位置やブローホール等の溶接欠陥部２８の大きさと位置、溶融凝固部検出部５４で使用した底面の透過平面画像や測定した溶融凝固部の大きさと位置、判定部３７で設定した判定基準値と良否判定を表示する。

図４は、３次元超音波検査装置１０の表示処理装置１８の中間検出部５０における機能を説明する図である。

表示処理装置１８の中間検出部５０は、検査対象物１４の表面・中間位置検出部５０ａと、板状構造物１４ａの板厚ｔを測定する板厚測定部５０ｂと、中間層領域の平面画像を形成する中間位置平面画像生成部５０ｃとを有する。

信号処理部１７から生成された３次元画像化データＩ内の正面と直交する側面の画像化データには接合部１５を有する複数の平板状検査対象の厚さ方向の情報が含まれている。表面・中間位置検出部５０ａは接合されていない非接合部位ではマトリクスセンサ１１から見て１枚目の平板底面からの反射強度が高いことを利用してこの板状構造物（平板）１４ａの底面、すなわち接合部１５の中間層位置（厚さ方向）を確定する。

板厚測定部５０ｂは表面・中間位置検出部５０ａで確定した１枚目の平板の底面位置（厚さ方向）から１枚目の平板厚さｔを測定する。

中間検出部５０の中間位置平面画像生成部５０ｃは信号処理部１７で生成された３次元画像化データＩからこの中間層部のみの正面方向の画像化データを抽出する。この中間層部には反射強度の高い非接合部２６と反射強度の低い接合部１５が存在するので、非接合部２６と接合部１５の境界が接合部輪郭形状として顕著に現れる。また、接合部１５内部の溶融凝固部２７内に生成されるブローホール等の溶接欠陥部２８もこの中間層部の正面方向の画像化データに現れる。

図５は３次元超音波検査装置１０の表示処理装置１８の中心位置・接合部測定部５１における機能を説明する図である。

接合部輪郭判定部５１ａは中間検出部５０で抽出された中間層部のみの正面方向の画像化データに反射強度の差として現れる接合部輪郭形状の大きさと位置を画像データとして認識する。併せて接合部１５内部の溶融凝固部２７内に生成されるブローホール２８の形状と大きさと位置も画像データとして認識する。

中心位置判定部５１ｂは接合部輪郭判定部５１ａで認識された接合部１５の輪郭データからその中心位置を演算する。

接合部測定部５１ｃは、接合部輪郭判定部５１ａで認識された接合部１５の輪郭データから接合部輪郭形状の大きさと位置を測定する。なお、接合部１５の内部の溶融凝固部２７とブローホール等の溶接欠陥部２８では反射強度に差があり、この差を利用して両者を区別する。

図６は３次元超音波検査装置１０の表示処理装置１８の底面検出部５３における機能について説明する図である。

表面処理装置１８の底面検出部５３は、検査対象物１４の凹部（打痕部）および底面２９の位置を検出する打痕部・底面位置検出部５３ａと、接合部１５の厚さＴを検出する接合部厚測定部５３ｂと、底面位置平面画像生成部５３ｃとを有する。

信号処理部１７から生成された３次元画像化データＩ内の正面と直交する側面の画像化データには接合部１５を有する複数の平板状検査対象物１４の厚さ方向の情報が含まれている。打痕部・底面位置検出部５３ａは複数の平板状検査対象物１４全体の底面位置を最も厚い部分での反射位置から確定する。

接合部厚測定部５３ｂは打痕部・底面位置検出部５３ａで確定した検査対象物１４全体の底面位置（厚さ方向）から厚さＴを測定する。

底面位置平面画像生成部５３ｃは信号処理部１７で生成された３次元画像化データＩからこの底面部のみの正面方向の画像化データを抽出する。この底面部画像化データには接合部や接合部１５内部の溶融凝固部２７、溶融凝固部２７内のブローホール等の溶接欠陥部２８の情報も含まれるが、このままでは接合部１５とブローホール２８は反射強度差から判別可能だが、接合部１５と溶融凝固部２７は反射強度差が小さく判別不可能である。

図７は３次元超音波検査装置１０の表示処理装置１８の溶融凝固部検出部５４における機能について説明する図である。

表示処理装置１８の溶融凝固検出部５４は、検出対象物１４の底面位置の超音波強度分布画像を作成する強度分布作成部５４ａと、作成された超音波強度分布画像データを平滑化処理する平滑化処理部５４ｂと、平滑化処理された接合部１５の底面位置透過平面画像を（一次）差分処理する一次差分（一次微分）処理部５４ｃと、差分処理された接合部１５の底面位置透過平面画像をさらに差分処理（二次差分処理または二次微分処理）する二次差分（二次微分）処理部５４ｄと、接合部１５の溶融凝固部２７を特定する溶融凝固部特定部５４ｅと、溶融凝固部２７の大きさ・位置を測定する溶融凝固部２７を特定する溶融凝固部特定部５４ｅと、溶融凝固部２７の大きさ・位置を測定する溶融凝固部測定部５４ｆとを有する。

溶融凝固部検出部５４の強度分布作成部５４ａは底部検出部５３により生成された底面位置透過平面画像と中心位置・接合部測定部５１から取り込んだ接合部１５の中心位置から、接合部１５の中心位置情報を含む底面位置の超音波強度分布画像を作成する。

溶融凝固部検出部５４の平滑化処理部５４ｂは強度分布作成部５４ａにより生成された超音波強度分布画像データに含まれるノイズを除去するために超音波強度分布画像データを平滑化処理する。

平滑化処理部５４ｂで平滑化処理された底面部画像化データには接合部１５と接合部１５内部の溶融凝固部２７と溶融凝固部２７内のブローホール等の溶接欠陥部２８の情報が含まれる。この底面部画像化データによりこのままでも接合部１５とブローホール部２８の境界は反射強度差から判別可能だが、接合部１５と溶融凝固部２７は反射強度差が小さく判別不可能である。

但し、接合部１５と接合部内部の溶融凝固部２７の境界は、図８に示すように平滑化処理部５４ｂで平滑化処理された底面位置透過平面画像の反射エコー強度を接合部１５の外側から中心位置方向に見たときの変曲点Ｐとして現れる。したがって、平滑化処理部５４ｂで平滑化処理された接合部１５の底面位置透過平面画像を一次差分（微分）処理部５４ｃで外側から中心位置方向に一次差分（一次微分）処理し、さらに二次差分（微分）処理部５４ｄで同様に二次差分（微分）処理すると、底面位置透過平面画像の変曲点Ｐの画像化データが得られる。

溶融凝固部特定部５４ｅでは二次差分（微分）処理部５４ｄで得られた底面位置透過平面画像の変曲点Ｐの画像化データから、スポット溶接におけるナゲット部と言われるような溶融凝固部２７を特定する。この変曲点Ｐの画像化データは溶融凝固部２７の輪郭を示す連続状の曲線となるはずであるが、現実には不連続な曲線データしか得られない場合もある。不連続な曲線データしか得られない場合には強度分布作成部５４ａで中心位置・接合部測定部５１から取り込んである接合部１５の中心位置データを用いて不連続な曲線データと中心位置データから溶融凝固部２７の輪郭を示す連続状の曲線として演算により求めることができる。

溶融凝固部測定部５４ｆは溶融凝固部特定部５４ｅで得られた溶融凝固部２７の輪郭データから溶融凝固部２７の形状の大きさと位置を画像データとして認識する。溶融凝固部２７の外周部に形成される熱影響層の固相接合部（ナゲット）は、接合部１５と溶融凝固部２７の解析による演算処理で求めることができる。

図９は３次元超音波検査装置１０の表示処理装置１８の判定部３７における機能について説明する図である。

表示処理装置１８の判定部３７は、判定基準作成部３７ａと良否判定部３７ｂとを有する。

判定部３７の判定基準作成部３７ａは中心位置・接合部測定部５１で得られた板厚値ｔから最低限必要とされる溶融凝固部２７の大きさを演算している。

良否判定部３７ｂは判定基準作成部３７ａで演算した最低限必要とされる溶融凝固部２７の大きさと溶融凝固部検出部５４で得られた溶融凝固部２７の大きさを比較することにより良否が判断され、自動的に判定される。

次に、３次元超音波検査装置１０の作用を説明する。

この３次元超音波検査装置１０による検査対象物１４の検査領域（ターゲット領域）である接合部１５の超音波探傷画像を得るために、マトリクスセンサである超音波トランスデューサ１１を作動させる。

超音波トランスデューサ１１は、信号発生部１２で発生したパルス状あるいは連続の駆動信号を駆動素子選択部１３により、マトリクス状の各圧電振動子２０に所要のタイミングをとって、１個ずつあるいは複数個ずつ順次加える。駆動素子選択部１３により作動する圧電振動子２０が選択され、選択された圧電振動子２０ｍｎに駆動信号（電気信号）が作用すると、圧電振動子２０ｍｎは圧電変換され、所要周波数の超音波が発振せしめられる。

選択された圧電振動子２０ｍｎから発振された超音波Ｕは、音響伝播媒体２３を通って検査対象物１４の検査領域（接合部）１５に所要の拡がりをもって入射される。検査対象物１４の検査領域１５に入射された超音波Ｕは、検査対象物１４内部の密度の異なる境界層に順次到達し、面照射される。検査対象物１４の内部に面（２次元）照射された超音波は、境界層で一部が反射し、その反射波は反射エコーとなって音響伝播媒体２３を通ってマトリクスセンサ１１に入射され、マトリクスセンサ１１の各圧電振動子２０に入射される。

反射エコーを入射したマトリクスセンサ１１の各圧電振動子２０は、圧電変換素子として作用し、反射エコーの大きさに応じた電気信号を信号検出回路１６に出力する。マトリクスセンサ１１を構成する超音波トランスデューサ１１には、多数の圧電振動子２０ｍｎが設けられており、各圧電振動子２０ｍｎから発振位置を異にして順次発振された超音波は、検査対象物１４の接合部（検査領域）で次々と反射し、反射エコーとなってマトリクスセンサ１１に入射され、このマトリクスセンサ１１の各圧電振動子２０から信号検出回路１６に反射エコーの電気信号となって次々に送信される。

信号検出回路１６に送られた反射エコーの電気信号は、続いて信号処理部１７に入射され、この信号処理部１７で反射エコーの電気信号が信号処理され、検査対象物１４の検査領域である接合部１５の並列プロセッサ３３および統合プロセッサである３次元画像生成部３４により、３次元画像化データが作成される。

その際、信号処理部１７には、並列プロセッサ３３が備えられ、信号処理部１７に入力された反射エコーの電気信号を並列プロセッサ３３で並列的に演算処理されているので、演算処理を短時間で迅速に行なうことができる。

信号処理部１７で生成された３次元画像化データから、３次元画像生成部３４は、超音波トランスデューサ１１から検査対象物１４を見て正面の方向と、正面と直交する２つの側面に対して垂直な方向の計３方向から３次元超音波画像化データを透視すると共に、３次元超音波画像化データのうち透視方向に重なった画像化データのうち最も値の大きいデータを平面に投影することで各方向の３枚の平面画像を生成する。

正面と直交する２つの側面の画像化データには、接合部１５を有する複数の平板状検査対象物１４の厚さ方向の情報が多数含まれており、接合されていない非接合部位では超音波トランスデューサ１１から見て１枚目の平板状構造物１４ａの底面からの反射強度が高いことからこの平板状構造物１４ａの底面部位置が確定できる。一方、複数の平板状検査対象物１４が接合されている部位では超音波の透過率が高いことから最も反射強度が高い部位として複数の平板状検査対象物１４の底面部２９位置が確定できる。

３次元画像化データから非接合部２６の底面、すなわち中間層部のみの正面方向の画像化データを抽出すると、接合部１５と非接合部２６では反射強度が大きく異なることから接合部１５と非接合部２６の境界が接合部輪郭形状として顕著に現れる。この接合部輪郭データから、複数の平板状検査対象物１４の中間層部分における接合部１５の状態、すなわち接合部の大きさと接合部の中心位置が確定できる。また、接合部１５内部の溶融凝固部２７内に生成されるブローホール等の溶接欠陥部２８もこの中間層部の正面方向の画像化データに現れ、大きさと位置が確定できる。

３次元画像化データから複数の平板状検査対象物１４全体の底面２９、すなわち底面部のみの正面方向の画像化データを抽出すると、接合部１５内の接合状態差による反射エコーの強度分布が得られる。

接合部１５の接合強度は接合部１５内に存在する溶融凝固部２７の大きさに依存するが、単なる接合部１５と接合部１５内に生成される溶融凝固部２７の境界は、平板状検査対象物１４の底面部２９の反射強度分布の変曲点Ｐで判定できることが知られている。

したがって、理論的には平板状検査対象物１４の底面部２９の反射強度分布データを、溶融凝固部２７の外側から中心位置方向に、２回の差分処理を行なって反射強度の変曲点Ｐを算出することにより、接合部１５内の溶融凝固部２７の輪郭データが得られ、溶融凝固部２７の大きさと位置を測定することができる。

しかしながら、現実には不連続な輪郭データしか得られない場合もあり、得られた連続部分の量と部位によっては、溶融凝固部２７の大きさを測定することができない場合がある。

但し、接合部１５の中心と溶融凝固部２７の中心は一致していると考えられる。

この３次元超音波検査装置１０では、複数の平板状検査対象物１４の中間層部分における接合部１５の大きさから接合部１５の中心位置を測定していることから、溶融凝固部２７の輪郭データが部分的に不連続なデータであっても、この中心位置を利用して溶融凝固部２７の不連続な輪郭データから連続する輪郭データを演算し、溶融凝固部２７の大きさを測定することができる。

接合部１５の接合強度は接合部１５内に存在する溶融凝固部２７の大きさに依存するので、複数の平板状接合部１５に最低限必要とされる接合強度は、最低限必要とされる溶融凝固部２７の大きさと同意である。

一方、複数の平板状接合部１５に最低限必要とされる接合強度、すなわち最低限必要とされる溶融凝固部２７の大きさは、検査対象物１４の板状構造物１４ａの板厚値ｔから規定される。

したがって、検査対象物１４の複数の平板状接合部１５が最低限必要とされる接合強度を満足するか否かの判定は、平板である板状構造物１４ａの板厚値ｔから算出される溶融凝固部２７の大きさと検査対象物１４の測定結果として得られた溶融凝固部２７の大きさを比較することで可能となる。

なお、本発明に係る３次元超音波検査装置は、上記実施の形態で説明したものに限定されず、種々の変形が考えられる。

３次元超音波検査装置の一実施形態では、３次元画像化装置１０の中に信号処理部１７、表示処理装置１８とを備える構成にしたが、それぞれ独立したコンピュータで実現してもよい。また、信号処理部１７の３次元画像生成部３４は、表示処理装置１８の中にシフトさせて備えてもよい。

コンピュータは、記憶媒体に記憶されたプログラムに基づき、本実施形態における各処理を実行するものであって、パソコンなどの一つからなるコンピュータ装置、複数のコンピュータ装置がネットワーク接続されたコンピュータシステムなどのいずれの構成であってもよい。また、コンピュータとは、パーソナルコンピュータ（パソコン）に限らず、通信機器、情報処理機器に含まれる演算処理装置、マイコンなども含み、プログラムによって本発明の機能を実現することが可能な機器、装置を総称している。

また、表示処理装置１８の内部構成は、ソフトウェアで実現できる。ソフトウェアは、フレキシブルディスク等のコンピュータが読み出し可能な記憶媒体に記憶されていてもよく、また、ソフトウェア（プログラム）単体としてＬＡＮやインターネット等のネットワーク上を伝送されるものでもよい。この場合、記憶媒体に記憶されたソフトウェア（プログラム）をコンピュータが読み出したり、ＬＡＮやインターネット上のサイト（サーバ）からコンピュータがダウンロードしてハードディスクにインストールすることにより、コンピュータにおける処理が可能になる。

つまり、本発明におけるソフトウェア（プログラム）は、コンピュータと独立した記憶媒体に記憶されているものだけに限らず、ＬＡＮやインターネット等の伝送媒体を介して流通されるものも含まれる。

なお、プログラムは、メモリ、フレキシブルディスク、ハードディスク、光ディスク（ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤ等）、光磁気ディスク（ＭＯ等）、半導体メモリ等の記憶媒体に、コンピュータが読取り可能に記憶されているものであれば、その言語形式、記憶形式はいずれの形態であってもよい。

また、記憶媒体からコンピュータにインストールされたプログラムの指示に基づき、コンピュータ上で稼動しているＯＳ（オペレーティングシステム）や、データベース管理ソフト、ネットワークソフト等のＭＷ（ミドルウェア）等が本実施形態を実現するための各処理の一部を実行してもよい。

さらに、記憶媒体は、コンピュータと独立した媒体に限らず、ＬＡＮやインターネット等により伝送されたプログラムをダウンロードして記憶または一時記憶した記憶媒体も含まれる。また、記憶媒体は一つに限らず、複数の媒体から本実施形態における処理が実行される場合も本発明における記憶媒体に含まれ、媒体構成はいずれの構成であってもよい。

この３次元超音波検査装置１０によれば、超音波による内部検査の精度を向上し、検査の自動判定を可能とする３次元超音波検査装置を提供できる。

本発明に係る３次元超音波検査装置の一実施形態を示す全体構成図。 上記３次元超音波検査装置に備えられる信号処理部の構成を示す図。 本発明の３次元超音波検査装置に備えられる表示処理装置内のデータ処理関係を示す図。 図３に示された表示処理装置内の中間検出部のデータ処理を説明する構成図。 図３に示された表示処理装置内の中心位置・接合部測定部のデータ処理を説明する構成図。 図３に示された表示処理装置内の底面検出部のデータ処理を説明する構成図。 図３に示された表示処理装置内の溶融凝固検出部のデータ処理を説明する構成図。 検査対象物の接合部である検査領域の溶融凝固部検出概念を示す図。 図３に示された表示処理装置内の良否判定部のデータ処理を説明する構成図。

符号の説明

１０ ３次元超音波検査装置
１１ 超音波トランスデューサ（マトリクスセンサ）
１２ 信号発生部
１３ 駆動素子選択部
１４ 検査対象物
１４ａ，１４ｂ 板状構造物
１５ 接合部（溶接部、検査領域、ターゲット領域）
１６ 信号検出回路
１７ 信号処理部
１８ 表示処理装置
２０（２０ｍｎ） 圧電振動子
２１ 基板
２３ 音響伝播媒体
２４ カップラント
２５ 凹部（打痕部）
２６ 非接合部
２７ 溶融凝固部
２８ 溶接欠陥部
２９ 底面
３１ａ，３１ｂ，…，３１ｉ 増幅器
３２ａ，３２ｂ，…，３２ｉ Ａ／Ｄ変換器
３３ 並列プロセッサ
３４ ３次元画像生成部（統合プロセッサ）
３５ 中間部データ処理部
３６ 底面部データ処理部
３７ 判定部（良否判定部）
３８ 表示部
４０ａ，４０ｂ，…，４０ｉ 内部メモリ
４１ａ，４１ｂ，…，４１ｉ 演算回路
４４ 画像統合処理部
４５ 境界抽出処理部
４６ 形状データ記憶部
４７ テーブルデータ格納部
５０ 中間検出部
５１ 中心位置・接合部測定部
５３ 底面検出部
５４ 溶融凝固部検出部

Claims (9)

1. 複数の圧電振動子をマトリクス状あるいはアレイ状に配設した超音波トランスデューサと、
   上記超音波トランスデューサの複数の圧電振動子のうち、超音波を発振させる圧電振動子を順次選択する駆動素子選択部と、
   上記駆動素子選択部に選択された圧電振動子から発振される超音波を音響伝播媒体を介して検査対象物の接合部に入射させ、この接合部からの反射エコーを受信し、その反射エコーの電気信号を検出する信号検出回路と、
   この信号検出回路で検出された電気信号を信号処理し、前記検査対象物の内部に設定された３次元画像化領域内に区画されたメッシュに対応させて３次元画像化データを生成する信号処理部と、
   この信号処理部で生成された３次元画像化データの強度分布から溶融凝固部の大きさ、位置および接合部の溶接欠陥の位置・大きさを検出する一方、その検出結果および信号処理部からの３次元画像データを表示する表示処理装置とを備え、
   前記表示処理装置は、前記信号処理部で生成された検査対象物の接合部底面の３次元画像化データの強度分布から溶融凝固部の大きさを検出する底面部データ処理部と、
   前記検査対象物の検査対象の中間接合部の３次元画像化データの強度分布から接合部の溶接欠陥の有無・大きさを検出する中間部データ処理部と、
   前記底面部データ処理部と中間部データ処理部で検出された結果を比較し、良否を判定する判定部と、
   前記底面部データ処理部、中間部データ処理部および判定部から得られた結果および前記信号処理部で生成された３次元画像化データを表示する表示部を備えたことを特徴とする３次元超音波検査装置。
2. 前記表示処理装置の中間部データ処理部は、前記信号処理部から生成された３次元画像化データから検査対象物の接合部の中間部の３次元画像化データを抽出し中間接合面の透過平面画像を生成すると共に板厚を測定する中間検出部と、
   この中間検出部から取り込んだ透過平面画像から中間接合部の中心位置と接合部の大きさと位置、およびブローホール等の溶接欠陥の大きさと位置を測定する中心位置・接合部測定部とを備えたことを特徴とする請求項１記載の３次元超音波検査装置。
3. 前記表示処理装置の底面部データ処理部は、前記信号処理部から生成された３次元画像化データから検査対象物の接合部底面の３次元画像化データを抽出し接合部底面の透過平面画像を生成する底面検出部と、
   この底面検出部から取り込んだ透過平面画像と前記中心位置・接合部測定部から取り込んだ中間接合部の中心位置とから溶融凝固部の大きさと位置を測定する溶融凝固部検出部と、を備えたことを特徴とする請求項１または２記載の３次元超音波検査装置。
4. 前記表示処理装置は、中間部データ処理部の中間検出部から取り込んだ検査対象物の板厚から求めた判定基準と前記底面データ処理部の溶融凝固部検出部から取り込んだ溶融凝固部の大きさと位置とを比較して良否判定を行う判定部と、
   前記底面データ処理部の中心位置・接合部測定部から取り込んだ接合部の状態と、前記判定部から取り込んだ溶融凝固部の状態とを比較した判定結果と前記信号処理部で生成された３次元画像化データを表示する表示部と、
   を備えたことを特徴とする請求項１記載の３次元超音波検査装置。
5. 前記表示処理装置は、中間部データ処理部に中間検出部を備え、前記信号処理部により生成された３次元画像化データから検査対象の表面位置と接合部位置を検出する表面・中間位置検出部と、
   前記表面・中間位置検出部から取り込んだ表面位置と接合部位置のデータから板厚を測定する板厚測定部と、
   前記表面・中間位置検出部から取り込んだ中間位置データと前記信号処理部から生成された３次元画像化データから中間位置の透過平面画像を生成する中間位置平面画像生成部と、
   を有することを特徴とする請求項１または２記載の３次元超音波検査装置。
6. 前記表示処理装置は、中間部データ処理部に中心位置・接合部測定部を備え、この中心位置・接合部測定部は、前記中間検出部により生成された中間位置透過平面画像から接合部の輪郭を判定する接合部輪郭判定部と、
   この接合部輪郭判定部から取り込んだ接合部の輪郭データから接合部の中心位置を判定する中心位置判定部と、
   前記接合部輪郭判定部から取り込んだ接合部の輪郭データから接合部の大きさを測定する接合部測定部と、
   を有することを特徴とする請求項１または５記載の３次元超音波検査装置。
7. 前記表示処理装置は、底面部データ処理部に底面検出部を備え、
   この底面検出部は、前記信号処理部により生成された３次元画像化データから検査対象物の接合部の打痕部を表わす凹部位置と底部位置を検出する打痕部・底面位置検出部と、
   前記打痕部・底面位置検出部から取り込んだ凹部・底面位置のデータから接合部の厚さを測定する接合部厚測定部と、
   前記打痕部・底面位置検出部から取り込んだ凹部・底面位置のデータと前記信号処理部から生成された３次元画像化データから底面位置透過平面画像を生成する底面位置平面画像生成部と、
   を有することを特徴とする請求項１または３記載の３次元超音波検査装置。
8. 前記表示処理装置は、底面部データ処理部に溶融凝固部検出部を備え、
   この溶融凝固部検出部は、底面部データ処理部の底部検出部により生成された底面位置透過平面画像と前記中間部データ処理部の中心位置・接合部測定部から取り込んだ接合部の中心位置から超音波強度分布画像を作成する強度分布作成部と、
   強度分布作成部により生成された超音波強度分布画像を平滑化処理する平滑化処理部と、
   平滑化処理された底面位置透過平面画像を外側から中心位置方向に一次差分処理する一次差分処理部と、
   前記一次差分処理部で一次差分処理された底面位置透過平面画像を溶融凝固部の外側から中心位置方向に二次差分処理する二次差分処理部と、
   二次差分処理された底面位置透過平面画像の変曲点データから接合部の溶融凝固部を特定する溶融凝固部特定部と、
   前記溶融凝固部特定部により特定された溶融凝固部データから溶融凝固部の大きさを測定する溶融凝固部測定部と、
   を有することを特徴とする請求項１または３記載の３次元超音波検査装置。
9. 前記表示処理装置は、接合部の接合状態の良否を判定する判定部を備え、この判定部は、前記中間部データ処理部の中心位置・接合部測定部により測定された板厚値ｔから必要とされる溶融凝固部の大きさを演算する判定基準作成部と、
   この判定基準作成部により生成された必要とされる溶融凝固部の大きさと前記底面部データ処理部の溶融凝固部検出部により測定された溶融凝固部の大きさとを比較・判定する良否判定部と、
   を有することを特徴とする請求項１記載の３次元超音波検査装置。

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