JP6517539B2 - 超音波探傷装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、検査対象へ超音波を送信することで検査対象の内部を検査する超音波探傷装置及び方法に関する。

超音波探傷技術は、構造材の表面及び内部の健全性を非破壊で検査できる技術であり、様々な分野で欠かせない検査技術となっている。このうち、小型の超音波送受信用圧電素子を複数個並べ、圧電素子ごとにタイミング（遅延時間）をずらして超音波を送信することにより、任意の超音波波形を形成するフェーズドアレイ超音波探傷技術（ＰＡＵＴ）が工業用途でも広く用いられている。フェーズドアレイ超音波探傷技術は、超音波を所定の角度でしか送信できない単眼プローブに比べ、１回の探傷で広範囲を探傷したり、複数の探傷屈折角で探傷したり、複雑形状に対応可能なことなどから、作業工数を低減できる点が大きな魅力である。

上述のフェーズドアレイ超音波探傷技術（ＰＡＵＴ）を用い、さらに検査を高速化するために、さまざまな取り組みがなされている。本来、ＰＡＵＴは複数個の圧電素子にそれぞれ時間的な遅延を設定して励起することで、探傷屈折角や焦点深さを自由に制御するものである。この場合、１組みの圧電素子に１セットの遅延時間を与えて１波形の探傷結果を得る（以後これを１シーケンスと呼称する）が、シーケンス数が複数、例えば１０００を超えるようになると、検査時間が長くなってしまう。そこで、超音波を送受信する回数を極力減らして、検査時間を短縮する試みがなされている。

そもそも上述のＰＡＵＴは、送受信用の圧電素子がｎ個のとき、送信用圧電素子の１つにつき受信用圧電素子ｎ個分の生波形、即ちｎ×ｎ個の生波形を収録できていれば、遅延時間に従って波形の時間軸をずらして加算することで全探傷条件をオフラインで再構成できる。この考え方を利用して、ＰＡＵＴを高速化する試みがなされている。

特開２００３−２８８４６号公報

特許文献１では、超音波の送受信を一度だけ行い、そこで得た受信信号を任意の探傷条件で合成する技術が開示されている。この技術は、オンライン探傷に要する時間を低減できるが、超音波を送信する際に複数のアレイ素子が同時にフォーカスしないように励起するため、送信側の遅延時間を反映して波形を合成できない。そのため、微細なき裂端部などを高精度かつ高感度に検出することには適していない。

本発明の実施形態は、上述の事情を考慮してなされたものであり、検査時間を短縮できると共に、送信超音波の強度を高めて検出感度を向上できる超音波探傷装置及び方法を提供することを目的とする。

本発明に係る実施形態の超音波探傷装置は、検査対象へ超音波を送信し、前記検査対象の内部及び表面で反射した超音波を受信することで前記検査対象の内部を検査する超音波探傷装置において、前記検査対象へ超音波を送受信する超音波素子が複数個並設されて構成された超音波アレイプローブと、前記超音波アレイプローブの前記超音波素子のうち、超音波を送信させるべき全てを除く複数の前記超音波素子を送信素子群として順次切り換えて設定する切換手段と、前記送信素子群が前記切換手段により順次切り換えられながら超音波を送信したときに、前記超音波アレイプローブにおける全ての前記超音波素子のそれぞれが超音波を受信することで得られる受信超音波全波形を、前記超音波素子毎に記録する記録手段と、超音波探傷の信号合成に用いられる前記超音波素子を駆動素子として定義する駆動素子定義手段と、探傷条件に基づいて送信用及び受信用の第１遅延時間を計算する第１遅延時間計算手段と、前記超音波アレイプローブの前記送信素子群が送信する超音波の超音波波形が所望波形となるように、前記送信素子群を構成する前記各超音波素子に対し超音波の送信タイミングをずらす第２遅延時間を設定する第２遅延時間設定手段と、前記記録手段に前記超音波素子毎に記録された前記受信超音波全波形から前記駆動素子の受信超音波波形を抽出し、抽出した前記受信超音波波形について前記送信素子群の中心素子に設定された前記第２遅延時間相当分の時間だけ時間を減少させ、時間を減少させた前記受信超音波波形を前記第１遅延時間に従って時間軸を移動して合成することで合成信号を得る信号合成手段と、前記合成信号とこの合成信号から再構成された画像との少なくとも一方を表示する表示手段と、を有して構成されたことを特徴とするものである。

また、本発明に係る実施形態の超音波探傷方法は、検査対象へ超音波を送信し、前記検査対象の内部及び表面で反射した超音波を受信することで前記検査対象の内部を検査する超音波探傷方法において、前記検査対象へ超音波を送受信する超音波素子が複数個並設されて構成された超音波アレイプローブを用意し、前記超音波アレイプローブの前記超音波素子のうち、超音波を送信させるべき全てを除く複数の前記超音波素子を送信素子群として順次切り換えて超音波を送信させたときに、前記超音波アレイプローブにおける全ての前記超音波素子のそれぞれが超音波を受信することで得られる受信超音波全波形を、前記超音波素子毎に記録し、超音波探傷の信号合成に用いられる前記超音波素子を駆動素子として定義すると共に、探傷条件に基づいて送信用及び受信用の第１遅延時間を計算し、前記超音波アレイプローブの前記送信素子群が送信する超音波の超音波波形が所望波形となるように、前記送信素子群を構成する前記各超音波素子に対し超音波の送信タイミングをずらす第２遅延時間を設定し、前記超音波素子毎に記録された前記受信超音波全波形から前記駆動素子の受信超音波波形を抽出し、抽出した前記受信超音波波形について前記送信素子群の中心素子に設定された前記第２遅延時間相当分の時間だけ時間を減少させ、時間を減少させた前記受信超音波波形を前記第１遅延時間に従って時間軸を移動して合成することで合成信号を得、この合成信号とこの合成信号を再構成した画像との少なくとも一方を表示することを特徴とするものである。

本発明の実施形態によれば、検査時間を短縮できると共に、送信超音波の強度を高めて検出感度を向上できる。

第１実施形態の超音波探傷装置を示すブロック図。 図１の超音波アレイプローブが行う超音波の送受信を説明する説明図。 図１の伝送記録手段に記録された受信超音波全波形のうち駆動素子に関する一部を示す説明図。 図１の信号合成手段が行う信号（波形）の合成を説明する説明図。 図１の超音波探傷装置を用いた超音波探傷（オンライン工程）を含む欠陥検査工程の手順を示すフローチャート。 図１の超音波探傷装置を用いた超音波探傷のオンライン工程とオフライン工程のそれぞれの手順を示すフローチャート。 第２実施形態の超音波探傷装置を示すブロック図。 図７の超音波アレイプローブにおける圧電素子に設定される送信素子群を示し、（Ａ）がその一のパターンを、（Ｂ）がその他のパターンを示す説明図。 図８の送信素子群により送信される超音波の波形が平面波である場合を示す説明図。 図８の送信素子群により送信される超音波の波形が、指向性を有する平面波である場合を示す説明図。 図８の送信素子群により送信される超音波の波形が集束波である場合を示す説明図。 図８の送信装素子群により送信される超音波の波形が拡散波である場合を示す説明図。 （Ａ）は、送信素子群により送信される超音波の波形が図１１の集束波であるときの受信超音波波形（基本波形）の一例を示すグラフ、（Ｂ）は図１３（Ａ）の受信超音波波形（基本波形）を処理して第２遅延時間ｔｏを除いたグラフ。 超音波アレイプローブを用いた一般的な超音波探傷を説明する説明図。 図１４の一般的な超音波探傷により得られた再構成の画像を示す図。 図１４の一般的な超音波探傷を含む欠陥検査工程を示すフローチャート。 図１６の超音波探傷の手順を示すフローチャート。

以下、本発明を実施するための実施形態を図面に基づき説明する。
［Ａ］第１実施形態（図１〜図６）
図１は、第１実施形態の超音波探傷装置を示すブロック図である。この図１に示す超音波探傷装置１０は、超音波アレイプローブ１１を、音響接触媒質１２を用いて検査対象１の表面２に設置し、超音波アレイプローブ１１から検査対象１へ超音波Ｕを送信し、検査対象１の内部及び表面２で反射した超音波Ｕを超音波アレイプローブ１１が受信し、その受信超音波を処理することで検査対象１の内部の欠陥３を検査する。図１では、検査対象１は例えば配管を示す。

超音波アレイプローブ１１は、検査対象１へ超音波Ｕを送受信する超音波素子としての圧電素子１３が複数個（Ｎ個；Ｎは自然数）並設されて構成され、更に、図示しない前面板及びダンピング材などを有して構成され、超音波探触子とも称される。圧電素子１３は、セラミックスや複合材料、高分子フィルムの圧電効果により超音波Ｕを発生する圧電素子である。超音波素子は、上述の圧電素子１３以外に、超音波Ｕを発生し得る他の素子または機構であってもよい。また、前面板は、圧電素子１３における超音波Ｕの発信面に取り付けられるものであり、また、ダンピング材は、圧電素子１３から発生した超音波Ｕをダンピングするものである。

超音波アレイプローブ１１は、本第１実施形態では、圧電素子１３が一元的に配列された一般的にリニアアレイプローブと称されるものであるが、リニアアレイプローブの奥行き方向に圧電素子１３を不均一な大きさで分割した１．５次元アレイプローブ、圧電素子１３が２次元的に配列されたマトリクスアレイプローブ、リング状の圧電素子１３が同心円状に配列されたリングアレイプローブ、リングアレイプローブの圧電素子１３を周方向で分割した分割型リングアレイプローブ、圧電素子１３が不均一に配置された不均一アレイプローブ、円弧の周方向位置に圧電素子１３を配置した円弧状アレイプローブ、球面の表面に圧電素子１３を配置した球状アレイプローブなどが挙げられ、もちろん他形状の超音波アレイプローブ１１であってもよい。また、超音波アレイプローブ１１は、コーキングやパッキングにより気中または水中を問わずに利用できるものも含まれる。

超音波アレイプローブ１１の設置に際しては、指向性の高い角度で検査対象１へ超音波Ｕを入射するために、図示しない楔を利用することもある。この楔は、超音波Ｕが伝播可能で音響インピーダンスを把握できている等方材である、例えばアクリル、ポリィミド、ゲルなどの高分子材料から構成されるが、上述の高分子材料以外であってもよい。また、楔内の多重反射波が探傷結果に影響を与えないように、楔内外に超音波をダンピングするダンピング材を配置したり、山型の波消し形状を設けたり、多重反射低減機構を備える場合であってもよい。

音響接触媒質１２は、例えば水やグリセリン、マシン油、ひまし油、アクリル、ポリスチレンまたはゲル等のように、超音波Ｕを伝播できる媒質であり、もちろん上述の例以外であっても適用できる。

ここで、超音波アレイプローブ１１を用いた一般的な超音波探傷について、図１４〜図１７を用いて説明する。図１４に示すように、検査対象１の内部に超音波Ｕを任意の探傷屈折角β及び焦点位置で入射させるためには、超音波アレイプローブ１１の複数個の圧電素子１３に適切な遅延時間を付与して発振させることで、超音波Ｕの探傷屈折角βや焦点位置の制御が可能になる。

検査対象１に入射角αで入射された超音波Ｕは、検査対象１の内部にき裂や介在物などの欠陥（反射源）３が存在すると、この欠陥３で超音波Ｕが反射または散乱し、その反射した超音波Ｕは、超音波アレイプローブ１１の圧電素子１３で受信される。これにより得られた受信超音波波形は、設定された探傷屈折角β及び焦点位置に応じた遅延時間に従って合成され、この合成波形は、探傷条件（探傷屈折角β及び焦点位置など）に応じて再構成されて、図１５に示すように画像化される。この画像化はＢ−ｓｃａｎやＳ−ｓｃａｎと称される。

上述の超音波アレイプローブ１１を用いた一般的な超音波探傷を含む欠陥検査工程は、全てオンラインで行われる。つまり、図１６に示すように、まず探傷前キャリブレーションを行い（Ｓ１）、次に検査対象１に対して超音波探傷を実施する（Ｓ２）。

この超音波探傷では、図１７に示すように、まず、検査対象１に対する探傷屈折角βや焦点位置などの探傷条件に基づいて遅延時間を算出する（Ｓ１１）。次に、検査対象１の任意の位置に超音波アレイプローブ１１を設置し（Ｓ１２）、次に、遅延時間に従って検査対象１へ超音波Ｕを送信する（Ｓ１３）。その後、圧電素子１３毎に得られた受信超音波波形を遅延時間に従って合成し（Ｓ１４）、次に、この合成波形を探傷条件に応じて再構成し画像化する（Ｓ１５）。その後、検査対象１に対する超音波アレイプローブ１１の設置位置を変更して上述のステップＳ１３〜Ｓ１５を繰り返す。

一連の探傷が終了した後、図１６に示すように、所定の探傷条件数の超音波探傷が終了したか否かを判断し（Ｓ３）、終了していなければ、探傷条件を再度設定してステップＳ２の超音波探傷を繰り返す。ステップＳ３において所定の探傷条件数の超音波探傷が終了していれば、探傷後キャリブレーションを行って（Ｓ４）、欠陥検査工程は終了する。

上述の一般的な欠陥検査工程では、複数の探傷条件（探傷屈折角β及び焦点位置など）に応じて遅延時間を変化させ、その遅延時間に応じて、超音波Ｕを送信して得られた受信超音波波形を合成するので、超音波探傷におけるステップＳ１１〜Ｓ１５を探傷条件数だけ繰り返さなければならない。この結果、欠陥検査工程に長時間を要することになる。

これに対し、本第１実施形態の超音波探傷装置１０は、図１７に示す超音波探傷におけるステップＳ１３の超音波Ｕの送信を遅延時間を設定することなく行うと共に、ステップＳ１４及びＳ１５をオフライン化することで、超音波探傷のオンライン工程時間を短縮するものである。この超音波探傷装置１０は、図１に示すように、超音波アレイプローブ１１のほかに、電位差印加手段１４、切換手段１５、ＡＤ変換手段１６、伝送記録手段１７、駆動素子定義手段１８、第１遅延時間計算手段１９、信号合成手段２０、制御演算手段２１及び表示手段２２を有して構成される。

電位差印加手段１４は、超音波アレイプローブ１１における複数個の圧電素子１３のそれぞれに所定波形の電位差を印加するものである。電位差印加手段１４からの電位差の印加により、圧電素子１３は超音波Ｕを発生する。また、切換手段１５は、超音波アレイプローブ１１の複数個の圧電素子１３のうち、超音波Ｕを送信させるべく電位差を印加させる１個の圧電素子１３を順次切り換えて設定するものである。従って、超音波アレイプローブ１１は、図２に示すように、切換手段１５により切り換えられた１個の圧電素子１３から検査対象１へ超音波Ｕを順次送信する。

検査対象１の内部及び表面で反射した超音波Ｕは、超音波アレイプローブ１１の全ての圧電素子１３により個別に受信される。ＡＤ変換手段１６は、超音波アレイプローブ１１の全ての圧電素子１３により個別に受信された受信超音波を離散化（デジタル化）して、最大でＮ×Ｎ個の受信超音波波形（基本波形Ｕｆ）を得る。これらの基本波形Ｕｆの総称を受信超音波全波形と称する。

伝送記録手段１７は、受信超音波全波形（Ｎ×Ｎ個の基本波形Ｕｆ）を伝送して圧電素子１３毎に独立した状態で記録する。この記録に際し、基本波形Ｕｆは、送信した圧電素子１３（送信素子）をｐ、受信した圧電素子１３（受信素子）をｑとしたとき、Ｕｆ（ｐ、ｑ）と記述されて伝送記録手段１７に記録される。尚、図２に示す各基本波形Ｕｆ（ｐ、ｑ）において、符号４は、超音波Ｕが検査対象１の表面２で反射した表面エコーを、符号５は、超音波Ｕが検査対象１の内部の欠陥３で反射した欠陥エコーをそれぞれ表す。

駆動素子定義手段１８は、超音波探傷の信号合成（波形合成）に用いられる複数の受信側の圧電素子１３をそれぞれ駆動素子として定義する。図３では、１番目から３番目までの圧電素子１３が駆動素子と定義され、これらの駆動素子に関する基本波形Ｕｆ（ｐ、ｑ）が示されている。ここで、駆動素子は、送信側の圧電素子１３と必ずしも同一でなくてもよい。

第１遅延時間計算手段１９は、探傷屈折角β及び焦点位置などの探傷条件に基づいて第１遅延時間を計算する。この第１遅延時間は、圧電素子１３が超音波Ｕを送信する送信時に必要な送信用遅延時間と、圧電素子１３が超音波Ｕを受信する受信時に必要な受信用遅延時間とを加算したものである。この第１遅延時間は、本体、例えば圧電素子１３から送信される超音波Ｕが所定の探傷屈折角βを実現するために、圧電素子１３に電位差を印加させるタイミングをずらす（遅延させる）ために設定されるものである。

信号合成手段２０は、図４に示すように、伝送記録手段１７に圧電素子１３毎に記録された受信超音波全波形から駆動素子に関する受信超音波波形（基本波形Ｕｆ（ｐ、ｑ））を抽出し、これらの基本波形Ｕｆ（ｐ、ｑ）を第１遅延時間に従って時間軸を移動した後、これらの基本波形Ｕｆ（ｐ、ｑ）を加算または加算平均などにより合成して合成信号（合成波形）６を得る。この合成信号６の欠陥エコー５は、各基本波形Ｕｆ（ｐ、ｑ）の欠陥エコー５が合成されてその振幅が増大している。

合成信号（合成波形）６は、信号合成手段２０または制御演算手段２１により探傷条件に応じて再構成されて画像化される。この再構成により得られた画像と合成信号（合成波形）６との少なくとも一方が表示手段２２（図１）に表示されて、検査対象１の内部の欠陥３が可視化される。ここで、制御演算手段２１は、本体、切換手段１５、ＡＤ変換手段１６、伝送記録手段１７、駆動素子定義手段１８、第１遅延時間計算手段１９及び信号合成手段２０の動作を制御するものである。

次に、この制御演算手段２１が制御する超音波探傷装置１０の欠陥検査工程を、図５及び図６のフローチャートを用いて説明する。
図５に示すように、欠陥検査工程では、まず、超音波探傷装置１０の動作を保証したり、感度を調整するために探傷前キャリブレーションを行う（Ｓ２１）。この探傷前キャリブレーションの後に、超音波探傷のオンライン工程を実施する（Ｓ２２）。

この超音波探傷のオンライン工程は、図６に示すように、検査対象１の任意の位置に超音波アレイプローブ１１を設置し（Ｓ２２−１）、次に、超音波アレイプローブ１１のそれぞれの圧電素子１３に、第１遅延時間を設定することなく切換手段１５により超音波Ｕを順次送信させ、検査対象１にて反射または散乱した超音波Ｕを、超音波アレイプローブ１１の全ての圧電素子１３で受信させる（Ｓ２２−２）。この超音波Ｕの送受信により、最大でＮ×Ｎ個の基本波形Ｕｆ（ｐ、ｑ）、つまり受信超音波全波形が得られ、ＡＤ変換手段１６によりデジタル化された後に伝送記録手段１７に記録される。その後、検査対象１に対する超音波アレイプローブ１１の設置位置を変更して、ステップＳ２２−２の超音波Ｕの送受信を実行させる。

この超音波探傷のオンライン工程終了後、図５に示すように、超音波探傷の前と後とで超音波探傷装置１０の性能が同等であることを保証する探傷後キャリブレーションを行って（Ｓ２３）、検査を終了する。

超音波探傷のオンライン工程終了後に、図６に示すように、超音波探傷のオフライン工程を行う（Ｓ２４）。このオフライン工程では、まず、駆動素子定義手段１８により駆動素子を定義させ、第１遅延時間計算手段１９により第１遅延時間を計算させる。次に、信号合成手段２０により、伝送記録手段１７に記録された受信超音波全波形（Ｎ×Ｎ個の基本波形Ｕｆ（ｐ、ｑ））から、駆動素子に関する基本波形Ｕｆ（ｐ、ｑ）を抽出し、これらの基本波形Ｕｆ（ｐ、９）を、第１遅延時間に従って時間軸を移動させて合成させる（Ｓ２４−１）。

次に、信号合成手段２０または制御演算手段２１により、ステップＳ２４−１で合成された合成信号（合成波形）６を探傷条件（探傷屈折角β及び焦点位置など）に応じて再構成して画像化する（Ｓ２４−２）。これらの合成信号６と再構成により得られた画像との少なくとも一方が表示手段２２に表示される。

以上のように構成されたことから、この第１実施形態によれば、次の効果（１）を奏する。
（１）超音波探傷のオンライン工程は、超音波アレイプローブ１１の圧電素子１３を順次切り換えて行う超音波Ｕの送信と、超音波アレイプローブ１１における全ての圧電素子１３による超音波Ｕの受信とを、所定の探傷条件数にかかわらず一通り実施することで終了する。従って、超音波探傷のオンライン工程時間を短縮でき、この結果、超音波探傷を用いた検査対象１の検査時間を短縮できる。

［Ｂ］第２実施形態（図７〜図１３）
図７は、第２実施形態の超音波探傷装置を示すブロック図である。この第２実施形態において、第１実施形態と同様な部分については、同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

本第２実施形態の超音波探傷装置３０が第１実施形態と異なる点は、超音波アレイプローブ１１の圧電素子１３のうち、連続して配置された全てを除く複数の圧電素子１３を送信素子群３１とし、この送信素子群３１から超音波Ｕを略同時に送信させて送信超音波の強度を高めると共に、この送信素子群３１を切換手段１５により順次切り換えるよう構成され、更に、第２遅延時間設定手段３２を有して構成された点である。

ここで、図８（Ａ）に示すように、送信素子群３１の中心となる圧電素子１３を中心素子ｏとし、送信素子群３１を構成する番号が最も大きな圧電素子１３を素子ａとし、送信素子群３１を構成する番号が最も小さな圧電素子１３を素子ｂとすると、送信素子群３１はｐ（ａ、ｂ）と記述される。素子ａから素子ｂの間に存在する圧電素子１３は全て送信素子群３１を構成する。

素子ａ、ｂの取り得る値（番号）は共に１〜Ｎであり、１≦ａ≦ｂ≦Ｎとなる。また、中心素子ｏは、送信素子群３１に必ず含まれる必要があるため、ａ≦ｏ≦ｂとなる。この中心素子ｏは、素子ａと素子ｂとの中央位置にある必要はなく、素子ａや素子ｂと同じ圧電素子であってもよい。例えば、図８（Ｂ）に示すように、超音波探傷アレイプローブ１１の端部に送信素子群３１が設定される場合には、素子ａが中心素子ｏとなってもよい。

送信素子群３１を構成する圧電素子１３からは略同時に超音波Ｕが送信されるが、正確には、図７に示す第２遅延時間設定手段３２が、送信素子群３１を構成する各圧電素子１３に対し、超音波Ｕの送信タイミングをずらす第２遅延時間を設定する。この第２遅延時間設定手段３０により設定された第２遅延時間に基づいて電位差印加手段１４が、送信素子群３１を構成する各圧電素子１３に電位差を印加することで、送信素子群３１が送信する超音波Ｕの超音波波形が所望の波形となる。

例えば、図９に示すように、第２遅延時間設定手段３２が、送信素子群３１を構成する圧電素子１３に均一な第２遅延時間を設定する場合には、送信素子群３１が送信する超音波Ｕの超音波波形は平面波となる。また、図１０に示すように、第２遅延時間設定手段３２が、送信素子項３１を構成する圧電素子１３に対し、素子ａ側から素子ｂ側へ線形状に増加する第２遅延時間を設定する場合には、送信素子群３１が送信する超音波Ｕの超音波波形は、素子ｂ側に指向性を有する平面波となる。

更に、図１１に示すように、第２遅延時間設定手段３２が、送信素子群３１を構成する圧電素子１３に対し、中心素子ｏを中心として素子ａ、Ｂ側に漸次減少する第２遅延時間を設定する場合には、送信素子群３１が送信する超音波Ｕの超音波波形は、ある焦点Ｆに集束する集束波になる。

また、図１２に示すように、第２遅延時間設定手段３２が、送信素子群３１を構成する圧電素子１３に対し、中心素子ｏを中心として素子ａ、ｂ側に漸次増加する第２遅延時間を設定する場合には、送信素子群３１が送信する超音波Ｕの超音波波形は、送信素子群３１の中心素子ｏを中心として同心円状に拡散する拡散波となる。この拡散波の場合には、第１実施形態の１個の送信素子ｐに相当する１個の中心素子ｏで超音波Ｕを送信したときと同程度の方位分解能で、且つ送信超音波の強度を高めることが可能になる。

超音波アレイプローブ１１の送信素子群３１を前述の如くｐ（ａ、ｂ）と記述したとき、超音波アレイプローブ１１の受信素子ｑで受信した超音波Ｕの基本波形は、Ｕｆ（ｐ（ａ、ｂ）、ｑ）と記述される。送信素子群３１は、前述のように、中心素子ｏ（第１実施形態の送信素子ｐに相当）から送信する送信超音波Ｕの強度を高めるためのみに用いられるものであるため、信号合成手段２０が行う信号合成（波形合成）に関しては、Ｕｆ（ｐ（ａ、ｂ）、ｑ）＝Ｕｆ（ｐ、ｑ）として扱える。

また、超音波アレイプローブ１１の送信素子群３１による超音波Ｕの送信と、超音波アレイプローブ１１の全ての圧電素子１３による超音波Ｕの受信とは、切換手段１５が送信素子群３１を切り換える度に実施され、これにより、受信超音波全波形、つまり最大でＮ×Ｎ個の受信超音波波形（基本波形Ｕｆ（ｐ（ａ、ｂ）、ｑ））が得られ、この受信超音波全波形が伝送記録手段１７に記録される。

信号合成手段２０は、送信素子群３１の圧電素子１３に第２遅延時間設定手段３２によって第２遅延時間が設定されている場合には、伝送記録手段１７から抽出した駆動素子に関する受信超音波波形（基本波形Ｕｆ（ｐ（ａ、ｂ）、ｑ））について、送信素子群３１の中心素子ｏに設定された第２遅延時間相当分の時間だけ時間を減少させる。そして、信号合成手段２０は、この時間を減少させた受信超音波波形（基本波形Ｕｆ（ｐ（ａ、ｂ）、ｑ））を第１遅延時間に従って時間軸を移動させて合成処理する。

この信号合成手段２０が実施する第２遅延時間相当分の時間減少処理を、図１１の集束波を形成する送信素子群３１について説明する。送信素子群３１の中心素子ｏに設定された第２遅延時間をｔｏとする。超音波Ｕの受信により得られた基本波形Ｕｆ（ｐ（ａ、ｂ）、ｑ）は、送信素子群３１（ｐ（ａ、ｂ））の中心素子ｏから送信された超音波Ｕが検査対象１での反射等により受信素子ｑで受信された波形であるとみなすことができる。

このとき、中心素子ｏから超音波Ｕが送信される実際のタイミングは第２遅延時間ｔｏ分遅延しているので、第１実施形態の如く送信素子ｐのみで送信して得られた基本波形Ｕｆ（ｐ、ｑ）に比べて、図１３（Ａ）に示すように時間ｔが第２遅延時間ｔｏ分遅れている。そこで、Ｕｆ（ｐ（ａ、ｂ）、ｑ）＝Ｕｆ（ｐ、ｑ）を成立させるために、図１３(Ｂ)に示すように、基本波形Ｕｆ（ｐ（ａ、ｂ）、ｑ）から第２遅延時間ｔｏ相当分の時間を減少させるのである。この第２遅延時間相当分の時間減少処理は、ゼロよりも大きな第２遅延時間ｔｏが中心素子ｏに設定されている場合の全てに必要になる。

本第２実施形態の超音波探傷装置３０における欠陥検査工程においても、超音波アレイプローブ１１を用いた超音波探傷は、オンライン工程とオフライン工程とに分離される。オンライン工程においては、超音波アレイプローブ１１の送信素子群３１から、第２遅延時間を設定して超音波Ｕを送信させ、検査対象１にて反射または拡散した超音波Ｕを超音波アレイプローブ１１の全ての圧電素子１３で受信し、この送受信を、送信素子群３１を変更しながら繰り返し実行することで、受信超音波全波形（Ｎ×Ｎ個の基本波形Ｕｆ（ｐ（ａ、ｂ）、ｑ））を得る。

超音波探傷のオフライン工程においては、得られた受信超音波全波形から駆動素子に関する受信超音波波形（基本波形Ｕｆ（ｐ（ａ、ｂ）、ｑ））を抽出し、これらの受信超音波波形から第２遅延時間相当分の時間を減少させた後に、この受信超音波波形を、第１遅延時間に従って時間軸を移動させて合成することで合成信号（合成波形）を得、この合成波形を再構成して画像化する。

以上のように構成されたことから、本第２実施形態によれば、次の効果（２）〜（４）を奏する。
（２）超音波探傷のオンライン工程は、超音波アレイプローブ１１の送信素子群３１を順次切り換えて行う超音波Ｕの送信と、超音波アレイプローブ１１における全ての圧電素子１３による超音波Ｕの受信とを、所定の探傷条件数に拘わらず一通り実施することで終了する。従って、超音波探傷のオンライン工程を短縮でき、この結果、超音波探傷による検査対象１の検査時間を短縮できる。

（３）超音波アレイプローブ１１における全ての圧電素子１３による超音波Ｕの受信により得られて伝送記録手段１７に記録された受信超音波全波形のうち、駆動素子に関する受信超音波波形を第１遅延時間を反映して合成することで、任意の探傷条件の探傷結果をオフライン工程で再現して、検査対象１の欠陥３を検出する。このとき、超音波アレイプローブ１１の送信素子群３１から送信される超音波Ｕが用いられるので、送信超音波の強度が高められて受信超音波の強度も高められ、この結果、検査対象１が厚板であったり溶接部を有している場合であっても、欠陥３の検出感度を向上させることができる。

（４）第２遅延時間設定手段３２が、図１２に示すように、送信素子群３１を構成する圧電素子１３に対し、中心素子ｏを中心として素子ａ、ｂ側に順次増加する第２遅延時間を設定する場合には、送信素子群３１が送信する超音波Ｕの超音波波形は、中心素子ｏを中心として同心円状に拡散する拡散波となる。この場合には、第１実施形態の１個の送信素子ｐに相当する１個の中心素子ｏで超音波を送信したときと同程度の方位分解能を実現できると共に、送信超音波の強度を向上させることができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができ、また、それらの置き換えや変更は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ 検査対象
３ 欠陥
６ 合成信号（合成波形）
１０ 超音波探傷装置
１１ 超音波アレイプローブ
１３ 圧電素子（超音波素子）
１５ 切換手段
１７ 伝送記録手段（記録手段）
１８ 駆動素子定義手段
１９ 第１遅延時間計算手段
２０ 信号合成手段
２２ 表示手段
３０ 超音波探傷装置
３１ 送信素子群
３２ 第２遅延時間設定手段
Ｕ 超音波
Ｕｆ（ｐ、ｑ） 基本波形
Ｕｆ（ｐ（ａ、ｂ）、ｑ） 基本波形
ｏ 中心素子
ｔｏ 第２遅延時間
β 探傷屈折角

Claims (5)

1. 検査対象へ超音波を送信し、前記検査対象の内部及び表面で反射した超音波を受信することで前記検査対象の内部を検査する超音波探傷装置において、
   前記検査対象へ超音波を送受信する超音波素子が複数個並設されて構成された超音波アレイプローブと、
   前記超音波アレイプローブの前記超音波素子のうち、超音波を送信させるべき全てを除く複数の前記超音波素子を送信素子群として順次切り換えて設定する切換手段と、
   前記送信素子群が前記切換手段により順次切り換えられながら超音波を送信したときに、前記超音波アレイプローブにおける全ての前記超音波素子のそれぞれが超音波を受信することで得られる受信超音波全波形を、前記超音波素子毎に記録する記録手段と、
   超音波探傷の信号合成に用いられる前記超音波素子を駆動素子として定義する駆動素子定義手段と、
   探傷条件に基づいて送信用及び受信用の第１遅延時間を計算する第１遅延時間計算手段と、
   前記超音波アレイプローブの前記送信素子群が送信する超音波の超音波波形が所望波形となるように、前記送信素子群を構成する前記各超音波素子に対し超音波の送信タイミングをずらす第２遅延時間を設定する第２遅延時間設定手段と、
   前記記録手段に前記超音波素子毎に記録された前記受信超音波全波形から前記駆動素子の受信超音波波形を抽出し、抽出した前記受信超音波波形について前記送信素子群の中心素子に設定された前記第２遅延時間相当分の時間だけ時間を減少させ、時間を減少させた前記受信超音波波形を前記第１遅延時間に従って時間軸を移動して合成することで合成信号を得る信号合成手段と、
   前記合成信号とこの合成信号から再構成された画像との少なくとも一方を表示する表示手段と、を有して構成されたことを特徴とする超音波探傷装置。
2. 前記第２遅延時間設定手段は、送信素子群が送信する超音波の超音波波形が、前記送信素子群の中心素子から同心円状に拡散する拡散波となるように、前記送信素子群の前記中心素子から両側の超音波素子へ向かって第２遅延時間を漸次増加させて設定することを特徴とする請求項１に記載の超音波探傷装置。
3. 前記第１遅延時間計算手段が基準とする探傷条件が、探傷屈折角及び焦点位置であることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波探傷装置。
4. 前記超音波素子は、所定波形の電位差の印加により超音波を発生する圧電素子であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超音波探傷装置。
5. 検査対象へ超音波を送信し、前記検査対象の内部及び表面で反射した超音波を受信することで前記検査対象の内部を検査する超音波探傷方法において、
   前記検査対象へ超音波を送受信する超音波素子が複数個並設されて構成された超音波アレイプローブを用意し、
   前記超音波アレイプローブの前記超音波素子のうち、超音波を送信させるべき全てを除く複数の前記超音波素子を送信素子群として順次切り換えて超音波を送信させたときに、前記超音波アレイプローブにおける全ての前記超音波素子のそれぞれが超音波を受信することで得られる受信超音波全波形を、前記超音波素子毎に記録し、
   超音波探傷の信号合成に用いられる前記超音波素子を駆動素子として定義すると共に、探傷条件に基づいて送信用及び受信用の第１遅延時間を計算し、
   前記超音波アレイプローブの前記送信素子群が送信する超音波の超音波波形が所望波形となるように、前記送信素子群を構成する前記各超音波素子に対し超音波の送信タイミングをずらす第２遅延時間を設定し、
   前記超音波素子毎に記録された前記受信超音波全波形から前記駆動素子の受信超音波波形を抽出し、抽出した前記受信超音波波形について前記送信素子群の中心素子に設定された前記第２遅延時間相当分の時間だけ時間を減少させ、時間を減少させた前記受信超音波波形を前記第１遅延時間に従って時間軸を移動して合成することで合成信号を得、この合成信号とこの合成信号を再構成した画像との少なくとも一方を表示することを特徴とする超音波探傷方法。

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