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公開番号2021032810
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210301
出願番号2019155807
出願日20190828
発明の名称超音波検査システム及び超音波検査方法
出願人株式会社日立パワーソリューションズ
代理人特許業務法人磯野国際特許商標事務所
主分類G01N 29/265 20060101AFI20210201BHJP(測定;試験)
要約【課題】欠陥部の検出精度を向上させることを課題とする。
【解決手段】気体を介して被検査体Eへ超音波ビームを入射することにより被検査体Eの検査を行う超音波検査装置1であって、超音波ビームを放出する送信プローブ110と被検査体Eに関して、送信プローブ110の反対側に設置される受信プローブ120と、を備え、送信プローブ110から放出される超音波ビームの伝搬路の中心軸である送信音軸AX1と、受信プローブ120から放出されると仮定した超音波ビームの伝搬路の中心軸である受信音軸AX2との距離をゼロよりも大きな距離に調整する偏心距離調整部105と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
気体を介して被検査体へ超音波ビームを入射することにより前記被検査体の検査を行う超音波検査装置であって、
前記超音波ビームを放出する送信プローブを備え、
前記被検査体に関して前記送信プローブの反対側に設置された受信プローブを備え,
前記送信プローブの送信音軸と前記受信プローブの受信音軸との偏心距離をゼロよりも大きな距離に調整する距離調整部
を備えることを特徴とする超音波検査装置。
続きを表示(約 1,700 文字)【請求項2】
請求項1に記載の超音波検査装置であって、
前記距離調整部は、
前記受信プローブで検出される受信信号強度が、前記被検査体の健全部における信号強度よりも、欠陥部における信号強度の方が大きくなるように前記偏心距離を設定する
ことを特徴とする超音波検査装置。
【請求項3】
請求項1に記載の超音波検査装置であって、
前記距離調整部は、
前記被検査体の健全部では有意の受信信号が出ないように前記偏心距離を設定する
ことを特徴とする超音波検査装置。
【請求項4】
請求項1に記載の超音波検査装置であって、
前記受信プローブの焦点距離は、前記送信プローブの焦点距離よりも長い
ことを特徴とする超音波検査装置。
【請求項5】
請求項1に記載の超音波検査装置であって、
前記受信プローブのビーム入射面積は、前記送信プローブのビーム入射面積よりも大きい
ことを特徴とする超音波検査装置。
【請求項6】
請求項1に記載の超音波検査装置であって、
前記送信プローブの送信音軸と前記受信プローブの受信音軸とがなす角が、ゼロよりも大きく、かつ、90°未満となるよう前記送信プローブ及び前記受信プローブの少なくとも一方を調整して設定する設置角度調整部
を備えることを特徴とする超音波検査装置。
【請求項7】
請求項1に記載の超音波検査装置であって、
前記受信プローブが、複数の前記受信プローブで構成される
ことを特徴とする超音波検査装置。
【請求項8】
請求項7に記載の超音波検査装置であって、
複数の前記受信プローブそれぞれの出力が信号処理部を経由して入力され、複数の前記受信プローブのうち、どの前記受信プローブで欠陥部からの散乱波を検知したかを判定する欠陥情報判定部
を備えることを特徴とする超音波検査装置。
【請求項9】
請求項7に記載の超音波検査装置であって、
複数の前記受信プローブは、前記送信プローブの音軸を中心として放射状に配置される
ことを特徴とする超音波検査装置。
【請求項10】
請求項7に記載の超音波検査装置であって、
複数の前記受信プローブは、前記送信プローブの音軸に関して、両側に配置される
ことを特徴とする超音波検査装置。
【請求項11】
請求項1に記載の超音波検査装置であって、
前記受信プローブの振動子の形状は、前記偏心距離の方向の特性長さが、それに直交する方向の特性長さよりも長い
ことを特徴とする超音波検査装置。
【請求項12】
超音波検査部と、前記超音波検査部を制御する制御部と、を有し、気体を介して被検査体へ超音波ビームを入射することにより前記被検査体の検査を行う超音波検査システムにおいて、
前記超音波検査部は、
超音波ビームを放出する送信プローブと
前記被検査体に関して前記送信プローブの反対側に設置される受信プローブと、
を備え、
前記送信プローブの送信音軸と、前記受信プローブの受信音軸との距離をゼロよりも大きな距離に調整する距離調整部と、
を備え、
前記制御部は、
前記送信プローブから超音波ビームを放出する超音波ビーム放出ステップと、
前記受信プローブにおいて、前記被検査体の欠陥部で散乱した散乱波を受信する散乱波受信ステップと、
受信した散乱波の信号を基に、信号強度データを生成する波形解析ステップと、
を実行することを特徴とする超音波検査方法。
【請求項13】
請求項12に記載の超音波検査方法であって、
前記波形解析ステップで生成された前記信号強度データが、予め設定されている閾値以上か否かを判定することで、前記欠陥部の有無を判定する欠陥部判定ステップ
を実行することを特徴とする超音波検査方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、超音波で欠陥部を探索する超音波検査装置及び超音波検査方法の技術に関する。
続きを表示(約 7,100 文字)【背景技術】
【0002】
例えば超音波ビームの照射により、音響インピーダンスの違いによる超音波の反射特性を利用することで、被検査体の内部に存在する欠陥部を検出できる。
【0003】
また、超音波の透過特性を用いて被検査体の内部に存在する欠陥部を検出することもできる。例えば、被検査体の内部に空気等音響インピーダンスが小さな欠陥部(空洞等)がある場合、被検査体の内部で音響インピーダンスのギャップが生じるため、超音波ビームの透過量が小さくなる。したがって、超音波ビームの透過量を計測することで、被検査体内部の欠陥部を検出することができる。
【0004】
被検査体に対する超音波検査技術として、特許文献1に記載の技術が知られている。特許文献1には、「被検体の表面に平行な平面方向に超音波探触子を走査させながら前記超音波探触子から前記被検体に向けて超音波を送出し、前記被検体から戻ってくる反射エコー波を前記超音波探触子で受信し、前記反射エコー波に係る信号をデジタル波形データに変換し、前記デジタル波形データを演算処理手段に送り、当該演算処理手段で演算処理を行って前記被検体の内部欠陥を検査する超音波検査装置において、前記演算処理手段は、前記被検体から戻ってくる前記反射エコー波が複数であってかつ相互に干渉するとき、干渉した複数の前記反射エコー波に係る受信波形の周波数領域での波形特性で生じる変化部位を抽出する抽出手段と、抽出された前記変化部位に基づき前記内部欠陥に係る画像を作成する画像作成手段と、を備え、前記抽出手段は、前記受信波形に係るデータをフーリエ変換処理してパワースペクトルを算出する変換処理手段と、前記フーリエ変換処理により算出されたパワースペクトル上でパワースペクトル値が低下している少なくとも1つのディップ周波数を計算する演算手段と、前記ディップ周波数に対して帯域を設定する帯域設定手段と、を備え、作成された前記画像に基づいて前記内部欠陥を検査することを特徴とする」超音波検査装置及び超音波検査方法が開示されている(請求項1参照)。
【0005】
特許文献1に記載の手法は水浸法と呼ばれ、被検査体を水中に浸す必要がある。水浸法を用いる理由は、超音波ビームの減衰をできるだけ防ぐためである。
【0006】
しかしながら、水浸法では、水への接触を嫌う被検査体の検査を行うことができない等、被検査体に大きな制約が発生する。このため、被検査体を空気中に設置した状態で、送信プローブ及び受信プローブを被検査体に対して非接触で配置して検査する方法が求められている。
【0007】
一方、空気を経由して超音波ビームが非検査体に入射すると、受信信号が極めて微弱になるという課題がある。例えば、特許文献2には、「連続する所定個数の負の矩形波からなる矩形波バースト信号(a)を被検体(11)に空気(46)を介して対向配設された送信超音波探触子(12)に印加する。被検体に空気を介して対向配設され受信超音波探触子(13)で被検体を伝搬した超音波を透過波信号(b)に変換する。この透過波信号の信号レベルに基づき被検体の欠陥の有無を判定する。また、送信超音波探触子及び受信超音波探触子は、振動子(42)及び当該振動子の超音波の送受信側に取付られた前面板(45)の音響インピーダンスを、被検体に当接して使用する接触型超音波探触子に比較して低く設定している」空中超音波探傷システムが開示されている(要約参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
特許第5075850号明細書
特開2008−128965号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
ところで、発明者らが検討したところ、特許文献2に記載の技術には、微小な欠陥部を検出しにくいという課題が存在することがわかった。
【0010】
このような背景に鑑みて本発明がなされたのであり、本発明は、欠陥部の検出精度を向上させることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0011】
前記した課題を解決するため、本発明は、気体を介して被検査体へ超音波ビームを入射することにより前記被検査体の検査を行う超音波検査装置であって、前記超音波ビームを放出する送信プローブを備え、前記被検査体に関して前記送信プローブの反対側に設置された受信プローブを備え,前記送信プローブの送信音軸と前記受信プローブの受信音軸との偏心距離をゼロよりも大きな距離に調整する距離調整部を備えることを特徴とする。
その他の解決手段は発明を実施するための形態において後記する。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、欠陥部の検出精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
第1実施形態の超音波検査システムの構成を示す図である。
送信音軸、受信音軸、偏心距離の説明をする図(その1)である。
送信音軸、受信音軸、偏心距離の説明をする図(その2)である。
制御装置の機能ブロック図である。
送信プローブの構造を示す断面模式図である。
受信プローブからの受信波形を示す図(その1)である。
受信プローブからの受信波形を示す図(その2)である。
信号強度データのプロットの例を示す図である。
本実施形態における超音波ビームの伝搬経路を模式的に示した図(その1)である。
本実施形態における超音波ビームの伝搬経路を模式的に示した図(その2)である。
これまでの超音波検査法での超音波ビームの伝搬経路を模式的に示した図(その1)である。
これまでの超音波検査法での超音波ビームの伝搬経路を模式的に示した図(その2)である。
これまでの超音波検査法での信号強度データのプロットを示す図である。
被検査体内での欠陥部と超音波ビームとの相互作用を模式的に示した図(その1)である。
被検査体内での欠陥部と超音波ビームとの相互作用を模式的に示した図(その2)である。
第2実施形態に係る超音波検査装置における送信プローブと、受信プローブの関係を示す図である。
送信プローブにおけるビーム入射面積及び受信プローブにおけるビーム入射面積の関係を模式的に示す図である。
第3実施形態に係る受信プローブの例を示す図である。
第4実施形態に係る超音波検査装置の構成を示す図である。
第4実施形態による効果が生じる理由を説明する模式図である。
第5実施形態に係る超音波検査装置の構成を示す模式図である。
第5実施形態に係る超音波検査装置の機能ブロック図である。
第6実施形態における受信プローブの配置を示す図である。
第7実施形態における受信プローブの配置を示す図(その1)である。
第7実施形態における受信プローブの配置を示す図(その2)である。
超音波検査装置による処理手順を示すフローチャートである。
制御装置のハードウェア構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、図面を参照しながら本発明を実施するための形態(実施形態と称する)を説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限られず、例えば異なる実施形態同士を組み合わせたり、本発明の効果を著しく損なわない範囲で任意に変形したりできる。
また、同じ部材については同じ符号を付すものとし、重複する説明は省略する。図示の内容は、図示の都合上、本発明の効果を著しく損なわない範囲で実際の構成から変更することがある。
【0015】
[第1実施形態]
(超音波検査装置1)
図1は、第1実施形態の超音波検査システムZの構成を示す図である。
図1に示すように、超音波検査システムZは、超音波検査装置1、表示装置3が接続されている制御装置2を有する。図1において、超音波検査装置1は、断面模式図で示している。
超音波検査装置1は、気体を介した被検査体Eへの超音波ビームUの入射により被検査体Eの検査を行うものである。つまり、筐体101の内部は空洞となっている。図1には、紙面直交方向としてx軸、紙面左右方向としてy軸、紙面上下方向としてz軸を含む直交3軸の座標系を示している。
【0016】
超音波検査装置1は、筐体101に固定された試料台102を備え、試料台102には被検査体Eが載置される。被検査体Eは、空気等の気体よりも音速が速い材料で構成されたものであれば任意である。被検査体Eは例えば固体材料であり、より具体には例えば金属、ガラス、樹脂材料、あるいはCFRP(炭素繊維強化プラスチック、Carbon-Fiber Reinforced Plastics)等の複合材料等である。また、図1の例において、被検査体Eは内部に欠陥部Dを有している。欠陥部Dは、空洞等である。被検査体Eにおいて、欠陥部D以外の部分を健全部Nと称する。
【0017】
超音波検査装置1は、探触子P(図4参照)を備える送信プローブ110と、受信プローブ120とを有する。受信プローブ120は、被検査体Eに関して送信プローブ110とは反対側に配置され、送信プローブ110から放出された超音波ビームUを受信する。具体的には、超音波検査装置1は、送信プローブ走査部103を介して筐体101に設置されている送信プローブ110を備える。
【0018】
ここで、「送信プローブ110の反対側」とは、被検査体Eにより区切られる2つの空間のうち、送信プローブ110が位置する空間と反対側(z軸方向において反対側)の空間という意味であり、x、y座標が同一の反対側(つまり、xy平面に関して面対称の位置)という意味ではない。図1に示す通り、送信音軸AX1と、受信音軸AX2とが、偏心距離Lだけずれるよう、送信プローブ110及び受信プローブ120が設置される。なお、送信音軸AX1、受信音軸AX2、偏心距離Lについては後記する。
【0019】
前記したように、受信プローブ走査部104が移動することにより、受信プローブ120は試料台102をx軸及びy軸方向に走査する。送信プローブ110と受信プローブ120とは、被検査体Eをはさんでx軸方向、あるいは、y軸方向に対して偏心距離Lを保ちながら走査する(太両矢印)。
【0020】
筐体101に設置されている受信プローブ走査部104には、偏心距離調整部105が備えられている。そして、偏心距離調整部105には受信プローブ120が備えられている。偏心距離調整部105により、受信音軸AX2と、送信音軸AX1とのずれが偏心距離Lになるように設定する。
本実施形態では、偏心距離調整部105を受信プローブ走査部104側に設けたが、偏心距離調整部105を送信プローブ走査部103側に設けてもよい。
【0021】
また、超音波検査装置1には、制御装置2が接続されている。制御装置2は、送信プローブ走査部103及び受信プローブ走査部104に指示することで、送信プローブ110及び受信プローブ120の移動(走査)を制御する。送信プローブ走査部103及び受信プローブ走査部104がx軸及びy軸方向に同期して移動することにより、送信プローブ110及び受信プローブ120は被検査体Eをx軸及びy軸方向に走査する。さらに、制御装置2は、送信プローブ110から超音波ビームUを発射し、受信プローブ120から取得した信号に基づいて波形解析を行う。
【0022】
なお、本実施形態では、被検査体Eが試料台102を介して筐体101に固定された状態、つまり、被検査体Eは筐体101に対し固定された状態で、送信プローブ110と受信プローブ120とを走査する例を示している。これとは逆に、送信プローブ110と受信プローブ120とが筐体101に対して固定され、被検査体Eが移動することで、走査が行われる構成としてもよい。
【0023】
送信プローブ110と被検査体Eとの間、及び受信プローブ120と被検査体Eとの間には空気等の気体である気相が介在する。言い換えると、超音波検査装置1は、送信プローブ110及び受信プローブ120のいずれも被検査体Eに接触しない、非接触型の超音波検査装置1である。
【0024】
送信プローブ110は、収束型の送信プローブ110である。一方で、受信プローブ120は、収束性が送信プローブ110よりも緩いプローブを用いる。本実施形態では、受信プローブ120には探触子面が平面である非収束型のプローブを用いている。このような、非収束型の受信プローブ120を用いることで、幅広い範囲について欠陥部Dの情報を収集することができる。
【0025】
本実施形態では、送信プローブ110に対して、図1のy軸方向に偏心距離Lだけ受信プローブ120がずらされて配置されているが、図1のx軸方向にずらされた状態で受信プローブ120が配置されてもよい。あるいは、x軸方向にL1、y軸方向にL2(すなわち、送信プローブ110のxy平面での位置を原点とすると、(L1,L2)の位置)に受信プローブ120が配置されてもよい。
【0026】
(偏心距離Lの定義)
図2A及び図2Bは、送信音軸AX1、受信音軸AX2、偏心距離Lの説明をする図である。
音軸とは、超音波ビームUの中心軸と定義される。ここで、送信音軸AX1は、送信プローブ110が放出する超音波ビームUの伝搬経路の音軸と定義される。言い換えると、送信音軸AX1は、送信プローブ110が放出する超音波ビームUの伝搬経路の中心軸である。
また、受信音軸AX2は、受信プローブ120が超音波ビームUを放出すると想定した場合の仮想超音波ビームの伝搬経路の音軸と定義される。言い換えると、受信音軸AX2は、受信プローブ120が超音波ビームUを放出すると想定した場合の仮想超音波ビームの中心軸である。
さらに、送信音軸AX1は、図2Bに示すように、被検査体Eの界面による屈折を含めることとする。つまり、図2Bに示すように、送信プローブ110から放出された超音波ビームUが、被検査体Eの界面で屈折する場合は、その超音波ビームUの伝搬経路の中心(音軸)が送信音軸AX1となる。
【0027】
偏心距離Lとは、送信音軸AX1と、受信音軸AX2とのずれの距離で定義される。従って、図2Bに示すように、送信プローブ110から放出された超音波ビームUが屈折する場合、偏心距離Lは、屈折している送信音軸AX1と、受信音軸AX2とのずれの距離で定義される。本実施形態の超音波検査システムZは、このように定義される偏心距離Lが、ゼロより大きな距離となるよう、偏心距離調整部105によって送信プローブ110及び受信プローブ120が調整される。
【0028】
図2Aは、送信プローブ110を被検査体Eの表面における法線方向に配置した場合を示す図である。
ここで、図2A及び図2Bにおいて、送信音軸AX1を実線の矢印で示している。また、受信音軸AX2を一点鎖線の矢印で示している。なお、図2A及び図2Bにおいて、破線で示す受信プローブ120Aの位置が、偏心距離Lがゼロの位置である。また、実線で示す受信プローブ120は偏心距離Lの位置に配置されている受信プローブ120である。
図2Aに示す例のように、送信音軸AX1が水平面(図1のxy平面)に対して垂直になるよう、送信プローブ110が設置される場合、超音波ビームUの伝搬経路は屈折しない。つまり、送信音軸AX1は屈折しない。
【0029】
図2Bは、送信プローブ110を被検査体Eの表面における法線方向から角度αだけ傾けて配置した場合を示す図である。
図2Bでも図2Aと同様、送信音軸AX1を実線の矢印で示し、受信音軸AX2を一点鎖線の矢印で示している。図2Bに示す例の場合、前記したように、被検査体Eと空気との界面で、超音波ビームUの伝搬経路が屈折する。そのため、送信音軸AX1は、図2Bの実線矢印で示すように折れ曲がる(屈折する)。この場合、破線で示した受信プローブ120Aの位置は、送信音軸AX1上に位置するため偏心距離Lがゼロの位置である。そして、前記したように、実線で示す受信プローブ120の位置が、偏心距離Lとなる受信プローブ120の位置である。
【0030】
なお、図1に示す例では、送信プローブ110を被検査体Eの表面における法線方向に設置しているので、偏心距離Lは、図2Aに示すようなものとなる。
(【0031】以降は省略されています)

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