JP4972678B2 - 超音波測定装置，それに用いる超音波センサおよび超音波測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波測定装置，それに用いる超音波センサおよび超音波測定方法に係り、特に、超音波振動素子を２次元配列したアレイセンサを用いるに好適な超音波測定装置，それに用いる超音波センサおよび超音波測定方法に関する。

近年、超音波振動素子を２次元配列したマトリクスアレイセンサを用い、３次元に超音波を送・受信することを可能とした３次元超音波技術の研究開発が盛んに行われている。この技術は、機械的な回転走査をすることなく、短時間でＳＮ比良く全方位測定を行うことができることを可能としている（例えば、特許文献１参照）。
そこで、本発明者らは、マトリクスアレイセンサを用いた３次元超音波技術を、厚板材の検査へ適用することを検討している。
３次元超音波技術を用いた検査方法で、厚板材の深部に位置するき裂の有無を判定するには、超音波の送受信を行うセンサ開口を大型化する必要がある。そのため、従来の矩形マトリクスセンサやセグメントアレイセンサのように、超音波振動素子の面積がおおよそ一定な超音波振動素子で構成されるマトリクスアレイセンサでセンサ開口の大型化を行うと、センサ開口の2乗に比例して超音波振動素子数が増加する。
しかし、フェーズドアレイ装置で制御可能な総超音波振動素子数には技術的な限界があり、また、制御可能な超音波振動素子数を増やせたとしても装置が大型で高価なものとなるため、センサ開口の大型化は困難であった。
それに対して、角度方向に均等分割したアレイセンサを構成する超音波振動素子のうちで、電子走査方向に沿った配列の超音波振動素子群のみ超音波の送受信に使用する方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００５−３５１７１８号公報 特開平５−２４４６９１号公報

しかしながら、特許文献２記載のように、単純に等角度で分割したアレイセンサまたは、最内周の超音波振動素子のみを円盤にしたアレイセンサでは、分割する角度によっては内周側の超音波振動素子サイズが小さくなり、センサ配線時に加工が困難となるばかりか、センサの内周側で十分な感度が得られず、サイドローブなどのノイズが増加するという問題があった。
さらに、特許文献２記載のセンサ形状と測定手法では、内周部において使用している超音波振動素子範囲が狭いために音の指向性が悪くなり、探傷画像のＳＮ比の向上ができないという問題があった。

本発明の目的は、厚板材の深部の探傷に適しており、センサ開口の大型化が可能であるとともに、ＳＮ比の向上する超音波測定装置，それに用いる超音波センサおよび超音波測定方法を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、複数の超音波振動素子が２次元的に配置された２次元アレイセンサと、該２次元アレイセンサから超音波を送信し、また、測定対象内部からの反射波を受信する送受信部と、該送受信部による超音波の送受信を制御する制御部とを有する超音波測定装置であって、前記２次元アレイセンサは、前記超音波振動素子の配列パターンの異なる内周部と外周部とを備え、前記２次元アレイセンサの外周部は、隣接する前記超音波振動素子の重心位置の間の距離が、ノイズであるグレーティングローブが発生しない条件式を満たす距離以内のものとノイズであるグレーティングローブが発生しない条件式を満たす距離以上のものとを含み、前記制御部は、前記２次元アレイセンサを構成する複数の超音波振動素子の内、使用する素子を選択する使用素子選択回路を備え、前記内周部は、隣接する前記超音波振動素子の重心位置の間の距離が、ノイズであるグレーティングローブが発生しない条件式を満たす距離以内であり、前記使用素子選択回路は、前記内周部の超音波振動素子と、前記外周部の超音波振動素子の内、超音波の送信時には送信方向を、受信時には受信方向を前記アレイセンサの面に投射し、前記投射した方向における隣接する前記超音波振動素子の重心位置の間の距離が、ノイズであるグレーティングローブが発生しない条件式を満たす距離以内である超音波振動素子を選択するものであり、前記ノイズであるグレーティングローブが発生しない条件式は、隣接する超音波振動素子の超音波送受信方向に対する重心位置の距離Ｌ０と、送受信する超音波の送受信角θと、送受信する超音波の波長λとの間に、Ｌ０≦（λ／（１＋｜ｓｉｎθ｜）の関係からなる条件式である。
かかる構成により、厚板材の深部の探傷に適しており、センサ開口の大型化が可能であるとともに、ＳＮ比が向上する。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記使用素子選択回路は、射影した超音波の送受信方向を長辺とし、前記内周部の直径を短辺とする長方形の範囲に重心位置が存在する素子を選択するようにしたものである。
（３）上記（１）において、好ましくは、前記制御部は、前記２次元アレイセンサに遅延時間を与え、前記送信又は受信方向が含まれる面内でセクタスキャンを行う遅延制御回路を有するものである。

（４）また、上記目的を達成するために、本発明は、超音波を送信し、また、測定対象内部からの反射波を用いる超音波測定装置に用いられ、複数の超音波振動素子が２次元的に配置された超音波センサであって、前記超音波振動素子の配列パターンの異なる内周部と外周部とを備え、前記内周部は、隣接する前記超音波振動素子の重心位置の間の距離が、ノイズであるグレーティングローブが発生しない条件式を満たす距離以内であり、前記外周部は、隣接する前記超音波振動素子の重心位置の間の距離が、ノイズであるグレーティングローブが発生しない条件式を満たす距離以内のものとノイズであるグレーティングローブが発生しない条件式を満たす距離以上のものとを含み、前記ノイズであるグレーティングローブが発生しない条件式は、隣接する超音波振動素子の超音波送受信方向に対する重心位置の距離Ｌ０と、送受信する超音波の送受信角θと、送受信する超音波の波長λとの間に、Ｌ０≦（λ／（１＋｜ｓｉｎθ｜）の関係からなる条件式である。
かかる構成により、厚板材の深部の探傷に適しており、センサ開口の大型化が可能であるとともに、ＳＮ比が向上する。

（５）さらに、上記目的を達成するために、本発明は、複数の超音波振動素子が２次元的に配置された２次元アレイセンサから超音波を送信し、また、測定対象内部からの反射波を用いる超音波測定方法であって、前記２次元アレイセンサは、前記超音波振動素子の配列パターンの異なる内周部と外周部とを備えるものであり、前記超音波の送信又は受信方向を設定し、前記超音波振動素子の隣接する超音波振動素子の重心位置の間の距離が、ノイズであるグレーティングローブが発生しない条件式を満たす距離以内の配列パターンの内周部の超音波振動素子と、前記超音波信号素子の隣接する超音波振動素子の重心位置の間の距離が、ノイズであるグレーティングローブが発生しない条件式を満たす距離以内のものとノイズであるグレーティングローブが発生しない条件式を満たす距離以上のものとを含む配列パターンの異なる外周部の超音波振動素子の内、超音波の送信時には送信方向を、受信時には受信方向を前記アレイセンサの面に投射し、前記投射した方向における隣接する前記超音波振動素子の重心位置の間の距離が、ノイズであるグレーティングローブが発生しない条件式を満たす距離以内である超音波振動素子を選択し、前記内周部の超音波振動素子と、前記選択した超音波振動素子から超音波を送信又は受信するものであり、前記ノイズであるグレーティングローブが発生しない条件式は、隣接する超音波振動素子の超音波送受信方向に対する重心位置の距離Ｌ０と、送受信する超音波の送受信角θと、送受信する超音波の波長λとの間に、Ｌ０≦（λ／（１＋｜ｓｉｎθ｜）の関係からなる条件式である。
かかる方法により、厚板材の深部の探傷に適しており、センサ開口の大型化が可能であるとともに、ＳＮ比が向上する。

（６）上記（５）において、好ましくは、前記２次元アレイセンサによる超音波の送受信時に結ばれる焦点を複数個所設定し、前記複数の焦点に対して超音波を送受信する場合に使用する素子範囲をそれぞれ選択し、各焦点に対して測定対象内部からの反射信号を収録し、得られた各焦点からの反射信号を処理し、測定対象内部を２次元画像化または３次元画像化するようにしたものである。
（７）上記（５）において、好ましくは、 前記送受信は、内周部の超音波振動素子と、前記選択した超音波振動素子に遅延時間を与え、前記送信又は受信方向が含まれる面内でセクタスキャンするものである。

本発明によれば、厚板材の深部の探傷に適しており、センサ開口の大型化が可能であるとともに、ＳＮ比の向上できる。

本発明の一実施形態による超音波探傷装置の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による超音波探傷装置に用いるアレイセンサの構成を示す平面図である。 本発明の一実施形態による超音波探傷装置に用いるアレイセンサの重心位置を示す模式図である。 本発明の一実施形態による超音波探傷装置による探傷方法の説明図である。 本発明の一実施形態による超音波探傷装置に用いるアレイセンサの説明図である。 本発明の一実施形態による超音波探傷装置おけるセンサ素子の選択方法の説明図である。 本発明の一実施形態による超音波探傷装置による探傷方法の内容を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態による超音波探傷装置における使用素子のパターンの説明図である。 本発明の一実施形態による超音波探傷装置における使用素子のパターンの説明図である。 本発明の一実施形態による超音波探傷装置に用いるアレイセンサの他の構成を示す平面図である。

以下、図１〜図１０を用いて、本発明の一実施形態による超音波探傷装置の構成及び動作について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による超音波探傷装置の構成について説明する。
図１は、本発明の一実施形態による超音波探傷装置の構成を示すブロック図である。

本実施形態の超音波測定装置は、例えば、被検体４００の内部または表面における反射源４００ＡをＳＮ比よく測定を行うものである。被検体４００は、例えば、厚さが２００ｍｍ〜３００ｍｍの厚板材である。

本実施形態の超音波測定装置は、探傷部４０１と、送・受信部４０２と、制御部４０３と、表示部４０４から構成されている。探傷部４０１は、測定対象４００に超音波を送・受信するアレイセンサ４０１Ｂを備えている。アレイセンサ４０１Ｂは、複数の超音波振動素子４０１Ａを備えている。

送・受信部４０２は、アレイセンサ４０１Ｂの複数の超音波振動素子４０１Ａに遅延時間を与えて超音波を送信するパルサ４０２Ａと、受信した超音波をアナログ‐デジタル変換して受信信号とするレシーバ４０２Ｚとを備えている。

制御部４０３は、記憶装置４０３Ｂを有する制御・処理用コンピュータ４０３Ａと、使用素子選択回路４０３Ｃと、遅延時間制御回路４０３Ｄと、加算回路４０３Ｚとを備えている。
使用素子選択回路４０３Ｃは、超音波の送・受信素子に用いる超音波振動素子４０１Ａを切り替え制御する。制御回路４０３Ｄは、送・受信時の遅延時間を制御する。加算回路４０３Ｚは、レシーバ４０２Ｚから得られた複数の受信信号を加算する。制御・処理用コンピュータ４０３Ａは、使用素子選択回路４０３Ｃ，遅延時間制御回路４０３Ｄ，加算回路４０３Ｚを制御するとともに受信した信号を記憶装置４０３Ｂに収録し、また受信した信号の処理を行う。

表示部４０４は、各種設定を表示し入力可能とする設定入力画面４０４Ａと、受信信号及び測定画像を表示する表示画面４０４Ｚとを備えている。

次に、各部の動作について説明する。

制御・処理用コンピュータ４０３Ａは、超音波を送・受信して測定対象からの反射信号を収録する際に、使用素子選択回路４０３Ｃへ超音波の送・受信に用いる超音波振動素子の選択のための送・受信素子切替信号を送信するとともに、遅延制御回路４０３Ｄを通じて、超音波を集束して送・受信するための超音波振動素子への遅延時間を与える。

送信信号と遅延時間を受取った送信遅延回路４０２Ｂは、与えられた遅延時間で送信信号を送信素子選択部４０２Ｃに送る。送信素子選択部４０２Ｃは、送信遅延回路１０２Ｂから遅延時間を付与して送信された送信信号を受け、使用素子選択回路４０３Ｃからの送信素子の選択信号に基づき、送信素子を選択して、送信信号を送信増幅器４０２Ｅへ送信する。
またこのようにして送信された超音波に対して受信側は、使用素子選択回路４０３Ｃに与える情報と同じく、加算回路４０３Ｚにて受信すべき信号を選択すると良い。

次に、図２及び図３を用いて、本実施形態による超音波探傷装置に用いるアレイセンサ４０１Ｂの構成について説明する。
図２は、本発明の一実施形態による超音波探傷装置に用いるアレイセンサの構成を示す平面図である。図３は、本発明の一実施形態による超音波探傷装置に用いるアレイセンサの重心位置を示す模式図である。

図２に示すように、アレイセンサ４０１Ｂは、円形であり、複数の超音波振動素子が配列されている。アレイセンサ４０１Ｂは、異なる配列パターンを有する内周部４０１Ｍと、外周部４０１Ｎとからなる。

内周部４０１Ｍの超音波振動素子は、六角形状としており、平面を効率的に充填可能な形状としている。内周部４０１Ｍの各超音波振動素子のサイズは、同じである。そして、内周部４０１Ｍの各超音波振動素子のサイズは、音の指向性が良好で、探傷画像のＳＮ比が向上できるサイズとしている。

外周部４０１Ｎの超音波振動素子は、同心円をセンサの中心から放射状に分割した扇形形状としている。外周部４０１Ｎの各超音波振動素子のサイズは、内側に比べて外側が大きくなっている。

ここで、検査に必要と考えられるセンサ開口径をφとすると、中心部の１／２φの領域を内周部４０１Ｍとし、それ以外の部分を外周部４０１Ｎとしている。なお、内周部４０１の範囲は、１／４φ〜３／４φとすることが好ましく、その理由については、図６を用いて後述する。

このように、内周部４０１Ｍの各超音波振動素子のサイズは、音の指向性が良好で、探傷画像のＳＮ比が向上できる。一方、外周部４０１Ｎの各超音波振動素子のサイズは、内周部４０１Ｍの各超音波振動素子のサイズよりも大きく、しかも、外側に行くほどサイズが大きくなっているため、開口径φを大きくしても、アレイセンサ４０１Ｂを構成する各素子の総数が増えることがないものである。

次に、図３を用いて、図２に示したアレイセンサ４０１Ｂを構成する各素子の重心位置について説明する。図中の黒丸が各素子の重心位置を示している。

内周部４０１Ｍにおいては、各素子の形状は六角形として、互いの辺が接触するように配置されているため、隣接する超音波振動素子の重心位置間の距離Ｌ１は全て等しくなっている。

一方、外周部４０１Ｎにおいて、各素子は、同心円をセンサの中心から放射状に分割した扇形形状としているため、半径方向に隣接する超音波振動素子の重心位置間の距離Ｌ２に比べて、周方向に隣接する超音波振動素子の重心位置間の距離Ｌ３は、大きくなっている。さらに、半径方向に隣接する超音波振動素子の重心位置間の距離Ｌ２は、内周部４０１Ｍの隣接する超音波振動素子の重心位置間の距離Ｌ１と等しくしている。

次に、隣接する素子間の距離と、ノイズ（グレーティングローブ）の発生の関係について説明する。

一般にアレイ状のセンサの場合、隣接する素子の超音波送受信方向に対する重心位置の距離をＬとし、送受信する超音波の送受信角θとの間に、
Ｌ０≦（λ／（１＋｜ｓｉｎθ｜）
の関係が満たされる場合には、ノイズ（グレーティングローブ）が発生しないものである。

ここで、λは、送受信する超音波の波長である。例えば、超音波を±９０度方向に送受信する場合には、Ｌ０≦λ／２とすれば、ノイズ（グレーティングローブ）が発生しないものである。超音波を±３０度方向に送受信する場合には、Ｌ０≦λ／１．５とすれば、ノイズ（グレーティングローブ）が発生しないものである。

そこで、アレイセンサ４０１Ｂの内周部４０１Ｍに用いる各素子において、隣接する超音波振動素子の重心位置間の距離Ｌ１は、ノイズ（グレーティングローブ）が発生しない距離Ｌ０以下としている。

また、アレイセンサ４０１Ｂの外周部４０１Ｎに用いる各素子において、半径方向に隣接する超音波振動素子の重心位置間の距離Ｌ２は、ノイズ（グレーティングローブ）が発生しない距離Ｌ０以下としている。一方、アレイセンサ４０１Ｂの外周部４０１Ｎに用いる各素子において、周方向に隣接する超音波振動素子の重心位置間の距離Ｌ３は、ノイズ（グレーティングローブ）が発生しない距離Ｌ０よりも大きくなっている。

ＳＮ比を向上させるには、全ての素子の重心位置間の距離を、ノイズ（グレーティングローブ）が発生しない距離Ｌ０以下にすれば良いわけであるが、そのためには、外周部４０１Ｎの各素子の周方向の長さを短くする必要があり、結果として、１つの素子サイズが小さくなり、開口径φを大きくしても、アレイセンサ４０１Ｂを構成する各素子の総数が増えることになる。

それに対して、外周部４０１Ｎの各超音波振動素子のサイズは、内周部４０１Ｍの各超音波振動素子のサイズよりも大きく、しかも、外側に行くほどサイズが大きくなっているため、開口径φを大きくしても、アレイセンサ４０１Ｂを構成する各素子の総数が増えることがないものである。ただし、外周部４０１Ｎの各素子においては、周方向に隣接する超音波振動素子の重心位置間の距離Ｌ３は、ノイズ（グレーティングローブ）が発生しない距離Ｌ０よりも大きくなっているため、そのまま使用すると、ノイズ（グレーティングローブ）が発生することになる。

そこで、本実施形態では、図２に示すアレイセンサ４０１Ｂを用い、しかも、ノイズ（グレーティングローブ）が発生しないようにするため、送受信方向に応じて、図２に示すアレイセンサ４０１Ｂの中で、外周部４０１Ｎの素子については、使用する素子を選択するようにしている。なお、内周部４０１Ｍの素子は、隣接する超音波振動素子の重心位置間の距離Ｌ１は、ノイズ（グレーティングローブ）が発生しない距離Ｌ０以下としているため、あらゆる送受信方向に対して、全ての素子を使用する。なお、ここで、「送受信方向」とは、実際に超音波が送受信される方向ではなく、図４を用いて後述するように、実際の超音波の送受信方向を、アレイセンサの平面に射影した送受信方向のことである。

例えば、図３において、矢印ＴＲ１方向に送受信する場合について説明する。この場合、内周部４０１Ｍの中で、例えば、隣接する素子４０１Ｍ−１の重心位置と素子４０１Ｍ−２の重心位置との間の、矢印ＴＲ１方向に対する距離Ｌ１Ａは、ノイズ（グレーティングローブ）が発生しない距離Ｌ０＝Ｌ１以下であるため、素子４０１Ｍ−１と素子４０１Ｍ−２を用いた場合には、ノイズ（グレーティングローブ）は発生しないものである。

また、外周部４０１Ｎの中で、例えば、隣接する素子４０１Ｎ−１の重心位置と素子４０１Ｎ−２の重心位置との間の、矢印ＴＲ１方向に対する距離Ｌ２Ａは、ノイズ（グレーティングローブ）が発生しない距離Ｌ０＝Ｌ２以下であるため、素子４０１Ｎ−１と素子４０１Ｎ−２を用いた場合には、ノイズ（グレーティングローブ）は発生しないものである。

しかしながら、外周部４０１Ｎの中で、例えば、隣接する素子４０１Ｎ−３の重心位置と素子４０１Ｎ−４の重心位置との間の、矢印ＴＲ１方向に対する距離Ｌ３Ａは、ノイズ（グレーティングローブ）が発生しない距離Ｌ０＝Ｌ２よりも大きいため、素子４０１Ｎ−３と素子４０１Ｎ−４を用いた場合には、ノイズ（グレーティングローブ）は発生する。

そこで、矢印ＴＲ１方向に送受信する場合は、素子４０１Ｍ−１，４０１Ｍ−２と、素子４０１Ｎ−１，４０１Ｎ−２は用いるが、素子４０１Ｎ−３，４０１Ｎ−４を用いないことにより、ノイズ（グレーティングローブ）は発生しないようにすることができる。

図３において、例えば、矢印ＴＲ２方向や、ＴＲ３方向に送受信する場合は、矢印Ｌ１で重心位置間の距離が示される隣接する素子を用いても、それらの間の矢印ＴＲ２方向，ＴＲ３方向の重心位置間の距離は、ノイズ（グレーティングローブ）が発生しない距離Ｌ０＝Ｌ１以下であるため、これらの素子を用いても、ノイズ（グレーティングローブ）は発生しないものである。

内周部４０１Ｍの素子は、隣接する超音波振動素子の重心位置間の距離Ｌ１は、ノイズ（グレーティングローブ）が発生しない距離Ｌ０以下としているため、あらゆる送受信方向に対して、全ての素子を使用しても、ノイズ（グレーティングローブ）は発生しないものである。

それに対して、外周部の素子に関しては、例えば、矢印ＴＲ４方向に送受信する場合は、矢印Ｌ２で重心位置間の距離が示される隣接する素子を用いても、それらの間の矢印ＴＲ４方向の重心位置間の距離は、ノイズ（グレーティングローブ）が発生しない距離Ｌ０＝Ｌ２以下であるため、これらの素子を用いても、ノイズ（グレーティングローブ）は発生しないものである。

但し、外周部に関して、例えば、矢印ＴＲ５方向に送受信する場合は、矢印Ｌ３で重心位置間の距離が示される隣接する素子を用いると、それらの間の矢印ＴＲ５方向の重心位置間の距離は、ノイズ（グレーティングローブ）が発生しない距離Ｌ０＝Ｌ２よりも大きいため、これらの素子を用いると、ノイズ（グレーティングローブ）は発生するため、矢印ＴＲ５方向に送受信する場合は、これらの素子は用いないようにする。

すなわち、図２に示した本実施形態のアレイセンサ４０１Ｂの特徴は、内周部４０１Ｍは、隣接する素子の重心位置が既定の間隔以内となるような配列パターンにより構成されている。ここで、規定の間隔とは、ノイズ（グレーティングローブ）が発生しない距離Ｌ０である。一方、外周部４０１Ｎは、隣接する素子の重心位置が既定の間隔以内となる場合と、隣接する素子の重心位置が既定の間隔以上となる配列パターンにより構成されている。

なお、内周部４０１Ｍの素子配列パターンとしては、図２に示した六角形以外にも、三角形や、四角形や、図２に示した六角形を対角線で分割した台形をも用いることができる。

また、外周部４０１Ｎの素子配列パターンとしては、図２に示した、センサ中心から放射線状に分割した、同心円状のもの以外にも、多角形の用いることができる。

以上、内周部と外周部これらを組み合わせた配列パターンにすることによって、センサ開口が広くなり、深部の探傷を可能とすることができる。そして、超音波の送受信方向に応じて、外周部を構成する素子の内、送受信に用いる素子を選択することで、ノイズ（グレーティングローブ）が発生しないで、ＳＮ比をこうじょうできる。

次に、図４及び図５を用いて、本実施形態による超音波探傷装置による探傷方法について説明する。
図４は、本発明の一実施形態による超音波探傷装置による探傷方法の説明図である。図５は、本発明の一実施形態による超音波探傷装置に用いるアレイセンサの説明図である。

図２及び図３に示したような構造をもつ２Ｄアレイセンサにおいて、超音波の送受信を行う場合、内周部４０１Ｍの超音波振動素子は、隣接する素子の重心位置間隔Ｌ１を既定の間隔以内となるように配置することで、ノイズ源となる部分がないように設計することができて、内周側の超音波振動素子全てを用いて超音波の送受信をすることが可能である。

しかし、外周部４０１Ｎの超音波振動素子の重心の間隔は、矢印Ｌ３で示すように既定の距離を超える部分が存在し、送受信方向によって非常に強いノイズ源となる場合がある。

図４において、超音波アレイセンサ４０１Ｂは、深さ方向Ｄｅｐに対して直交する平面に設置される。その上で、超音波アレイセンサ４０１Ｂは、超音波送受信方向ＴＲに、超音波を送信し、また、反射波を受信する。このとき、超音波送受信方向ＴＲを、超音波アレイセンサ４０１Ｂの平面に射影した送受信方向をＴＲ’とする。

図５は、超音波アレイセンサ４０１Ｂの平面を示しており、超音波の送受信方向に沿った軸に重心位置を射影した場合、外周部４０１Ｎの超音波振動素子の内、射影した超音波の送受信方向ＴＲ’に直交する軸に対して外周部に配列された素子４０１Ｎ−５，４０１Ｎ−６，４０１Ｎ−７，４０１Ｎ−８の間の間隔Ｌ３Ｂ，Ｌ３Ｃ，Ｌ３Ｄは、ノイズ（グレーティングローブ）が発生しない距離Ｌ０よりも広がっており、グレーティングローブと呼ばれる望まない方向に強く伝搬する超音波を発生する。

それに対して、射影した超音波の送受信方向ＴＲ’に配列される素子４０１Ｎ−９，４０１Ｎ−１０の間の間隔Ｌ２Ｂは、ノイズ（グレーティングローブ）が発生しない距離Ｌ０よりも狭く、グレーティングローブが発生しない。

そこで、図５のハッチング部分２に示すように、射影した重心位置の間隔が既定の距離を超えないような素子を選択することで、内周部の全ての超音波振動素子と、超音波の送受信方向に配列する外周部の超音波振動素子の一部を用いることでＳＮ比の良い探傷を行うことができる。

次に、図６を用いて、本実施形態による超音波探傷装置おけるセンサ素子の選択方法について説明する。
図６は、本発明の一実施形態による超音波探傷装置おけるセンサ素子の選択方法の説明図である。

図５にて説明したように、内周部の全ての超音波振動素子と、超音波の送受信方向に配列する外周部の超音波振動素子の一部を用いるために、図６に示すように、使用する超音波振動素子を選択するようにしている。

すなわち、射影した超音波の送受信方向ＴＲ’に対して、この送受信方向に沿って配列している点線で囲まれた範囲に重心位置が存在する素子を用いて探傷する。この時、点線で囲まれた長方形の範囲としては、センサ内周部含むよう通常設定する。すなわち、長方形の短辺Ｌｓは、アレイセンサ４０１Ｂの内周部４０１Ｍの直径と等しくする。長方形の長辺Ｌｌは、射影された送受信方向ＴＲ’においてアレイセンサ４０１Ｂの外周部４０１Ｎを含む長さとする。

図２にて説明したように、センサ開口径φに対して、内周部４０１Ｍの涼気を１／２φとした場合、短辺Ｌｓと長辺Ｌｌの長さの比率が、１：２の長方形の範囲となる。また、内周部４０１の範囲は、１／４φ〜３／４φとした場合には、短辺Ｌｓと長辺Ｌｌの長さの比率が、１：４〜３：４の長方形の範囲となる。

次に、図７を用いて、本実施形態による超音波探傷装置による探傷方法について説明する。
図７は、本発明の一実施形態による超音波探傷装置による探傷方法の内容を示すフローチャートである。

設定を開始すると、ステップＳ１０１において、検査者は、アレイセンサに関する初期設定として、図２に示したアレイセンサ４０１Ｂを構成する超音波振動素子の素子情報（素子大きさや配列、素子位置の情報）や音速等の必要な情報を、図１に示した設定入力画面４０４Ａを用いて入力する。

次に、ステップＳ１０２において、検査者は、設定入力画面４０４Ａを用いて、Ｎ個の超音波振動素子に対して、遅延時間や画像表示の際の基準となるセンサ中心位置を設定する。一般的には、超音波振動素子の中心をセンサ中心Ｃとして設定する。
次に、ステップＳ１０３において、制御処理用コンピュータ４０３Ａは、アレイセンサ４０１Ｂの各超音波振動素子に対する焦点Ｆ及び遅延時間を計算し、設定する。

一方、ステップＳ１０４において、使用素子選択回路１０３Ｃは、ステップＳ１０１の初期設定で与えた情報を用いて、図５や図６に示したようなノイズとなる素子を省いた受送信に使用する超音波振動素子群を設定する。

そして、ステップＳ１０５において、使用素子選択回路１０３Ｃは、ステップＳ１０３で定めた焦点Ｆ（ｉ）へ超音波を送受信するに際し、この送受信方向に適した使用素子のパターンを選択して、超音波を送受信する。

ここで、図８及び図９を用いて、本実施形態による超音波探傷装置における使用素子のパターンについて説明する。
図８及び図９は、本発明の一実施形態による超音波探傷装置における使用素子のパターンの説明図である。

図８は、使用素子のパターン表を例示している。使用素子のパターン表は、図１の記憶装置４０３Ｂに予め記憶されている。使用素子のパターン表には、パターンＡ，Ｂ，Ｃと、それぞれのパターン毎に使用する素子を「１」で示し、使用しない素子を「０」で示してある。

パターンＡは、例えば、図９に示すように使用する素子を選択するものであり、パターンＢは、例えば、図９に示すように使用する素子を選択するものである。パターンＡを使用することで、図９に示すようなセクタスキャンＡが行われ、パターンＢを使用することで、図９に示すようなセクタスキャンＢが行われる。

パターンＡ，Ｂ，Ｃは、超音波の送受信方向と関連付けられるので、送受信方向を決めると、送受信に必要なパターンを選択できる。

再び、図７のステップＳ１０５において、使用素子選択回路１０３Ｃは、ステップＳ１０３で定めた焦点Ｆ（ｉ）へ超音波を送受信するに際し、図８及び図９で説明した使用素子のパターンを選択して、パルサ４０２Ａから超音波を送信する。

そして、ステップＳ１０６において、レシーバ４０２Ｚは、焦点Ｆ（ｉ）に対するデータ（反射データ）を収録する。

次に、ステップＳ１０７において、制御・処理用コンピュータ４０３Ａは、全方位でのデータ収録を終了したかどうかの判別を行い、終了していない（ＮＯ）場合には、ステップＳ１０５に戻り、次の焦点Ｆ（ｉ＋１）へ移行し、再び超音波の送・受信行い、反射データを収録することを全測定領域での反射データの収録が終了するまで順次繰り返す。

ステップＳ１０７において、全終了した（ＹＥＳ）と判定された場合は、ステップＳ１０８において、制御・処理用コンピュータ１０３Ａは、画素と画素値のマップを作成し、ステップＳ１０９において、画像の表示を行い、終了する。

以上のように、図８に示す１つのパターンを選択することにより、望むセクタスキャン画像を得ることができるので、図９のパターンＡ，パターンＢで示すパターンを電子的に切り替えていくことにより、多数セクタスキャン画像を収録することが可能で、深部においても高ＳＮで３Ｄの画像を得ることができる。

次に、図１０を用いて、本実施形態による超音波探傷装置に用いるアレイセンサの他の構成について説明する。
図１０は、本発明の一実施形態による超音波探傷装置に用いるアレイセンサの他の構成を示す平面図である。

図１０に示すように、アレイセンサ４０１Ｂ’は、円形であり、複数の超音波振動素子が配列されている。アレイセンサ４０１Ｂ’は、異なる配列パターンを有する内周部４０１Ｍ’と、外周部４０１Ｎ’とからなる。

内周部４０１Ｍ’の超音波振動素子は、同心円に対して、例えば、最内周は分割せず、最内周のすぐ外周（２周目）は周方向に８分割し、次の外周（３周目）は周方向に１６分割し、次の外周（４周目）は周方向に２４分割し、次の外周（５周目）は周方向に３２分割するというように、外周に行くほど周方向の分割数を増加している。この分割された配列パターンにより、内周部４０１’Ｍの各超音波振動素子のサイズは、全く同じではないが、ほぼ同じサイズとなっている。そして、内周部４０１Ｍの各超音波振動素子のサイズは、音の指向性が良好で、探傷画像のＳＮ比が向上できるサイズとしている。

外周部４０１Ｎ’の超音波振動素子は、図２と同様に、同心円をセンサの中心から放射状に分割した扇形形状としている。外周部４０１Ｎ’の各超音波振動素子のサイズは、内側に比べて外側が大きくなっている。

このように、内周部４０１Ｍ’の各超音波振動素子のサイズは、音の指向性が良好で、探傷画像のＳＮ比が向上できる。一方、外周部４０１Ｎ’の各超音波振動素子のサイズは、内周部４０１Ｍ’の各超音波振動素子のサイズよりも大きく、しかも、外側に行くほどサイズが大きくなっているため、開口径φを大きくしても、アレイセンサ４０１Ｂ’を構成する各素子の総数が増えることがないものである。

以上説明したように、厚板材の深部に対し超音波検査を行う場合、センサの大開口化が必要であるが、素子数に制限があるために、現状の２Ｄアレイセンサでは大開口化が困難であった。そこで、センサ内周部と外周部で素子配列パターンが異なる超音波センサを用いることで、センサの大開口化を可能としている。さらに、超音波の送受信時に外周部の素子の一部のみを用いることで、ノイズを抑制し、この大開口のセンサを用いて厚板材の深部に対する点集束効果による高ＳＮ比での探傷が可能となる。

したがって、厚板材の深部を、少ない超音波振動素子数で、点集束効果による高ＳＮ比の３次元的に探傷可能となる。

４００…被検体
４０１…探傷部
４０１Ａ…超音波振動素子
４０１Ｂ…アレイセンサ
４０１Ｍ…内周部
４０１Ｎ…外周部
４０２…送・受信部
４０２Ａ…パルサ
４０２Ｚ…レシーバ
４０３…制御部
４０３Ａ…制御・処理用コンピュータ
４０３Ｂ…記憶装置
４０３Ｃ…使用素子選択回路
４０３Ｄ…遅延時間制御回路
４０３Ｚ…加算回路
４０４…表示部
４０４Ａ…設定入力画面
４０４Ｚ…表示画面

Claims (7)

1. 複数の超音波振動素子が２次元的に配置された２次元アレイセンサと、該２次元アレイセンサから超音波を送信し、また、測定対象内部からの反射波を受信する送受信部と、該送受信部による超音波の送受信を制御する制御部とを有する超音波測定装置であって、
   前記２次元アレイセンサは、前記超音波振動素子の配列パターンの異なる内周部と外周部とを備え、
   前記２次元アレイセンサの外周部は、隣接する前記超音波振動素子の重心位置の間の距離が、ノイズであるグレーティングローブが発生しない条件式を満たす距離以内のものとノイズであるグレーティングローブが発生しない条件式を満たす距離以上のものとを含み、
   前記制御部は、前記２次元アレイセンサを構成する複数の超音波振動素子の内、使用する素子を選択する使用素子選択回路を備え、
   前記内周部は、隣接する前記超音波振動素子の重心位置の間の距離が、ノイズであるグレーティングローブが発生しない条件式を満たす距離以内であり、
   前記使用素子選択回路は、前記内周部の超音波振動素子と、前記外周部の超音波振動素子の内、超音波の送信時には送信方向を、受信時には受信方向を前記アレイセンサの面に投射し、前記投射した方向における隣接する前記超音波振動素子の重心位置の間の距離が、ノイズであるグレーティングローブが発生しない条件式を満たす距離以内である超音波振動素子を選択するものであり、
   前記ノイズであるグレーティングローブが発生しない条件式は、隣接する超音波振動素子の超音波送受信方向に対する重心位置の距離Ｌ０と、送受信する超音波の送受信角θと、送受信する超音波の波長λとの間に、Ｌ０≦（λ／（１＋｜ｓｉｎθ｜）の関係からなる条件式であることを特徴とする超音波測定装置。
2. 請求項１記載の超音波測定装置において、
   前記使用素子選択回路は、射影した超音波の送受信方向を長辺とし、前記内周部の直径を短辺とする長方形の範囲に重心位置が存在する素子を選択することを特徴とする超音波測定装置。
3. 請求項１記載の超音波測定装置において、
   前記制御部は、前記２次元アレイセンサに遅延時間を与え、前記送信又は受信方向が含まれる面内でセクタスキャンを行う遅延制御回路を有することを特徴とする超音波測定装置。
4. 超音波を送信し、また、測定対象内部からの反射波を用いる超音波測定装置に用いられ、複数の超音波振動素子が２次元的に配置された超音波センサであって、
   前記超音波振動素子の配列パターンの異なる内周部と外周部とを備え、
   前記内周部は、隣接する前記超音波振動素子の重心位置の間の距離が、ノイズであるグレーティングローブが発生しない条件式を満たす距離以内であり、
   前記外周部は、隣接する前記超音波振動素子の重心位置の間の距離が、ノイズであるグレーティングローブが発生しない条件式を満たす距離以内のものとノイズであるグレーティングローブが発生しない条件式を満たす距離以上のものとを含み、
   前記ノイズであるグレーティングローブが発生しない条件式は、隣接する超音波振動素子の超音波送受信方向に対する重心位置の距離Ｌ０と、送受信する超音波の送受信角θと、送受信する超音波の波長λとの間に、Ｌ０≦（λ／（１＋｜ｓｉｎθ｜）の関係からなる条件式であることを特徴とする超音波センサ。
5. 複数の超音波振動素子が２次元的に配置された２次元アレイセンサから超音波を送信し、また、測定対象内部からの反射波を用いる超音波測定方法であって、
   前記超音波の送信又は受信方向を設定し、
   前記超音波振動素子の隣接する超音波振動素子の重心位置の間の距離が、ノイズであるグレーティングローブが発生しない条件式を満たす距離以内の配列パターンの内周部の超音波振動素子と、前記超音波信号素子の隣接する超音波振動素子の重心位置の間の距離が、ノイズであるグレーティングローブが発生しない条件式を満たす距離以内のものとノイズであるグレーティングローブが発生しない条件式を満たす距離以上のものとを含む配列パターンの異なる外周部の超音波振動素子の内、超音波の送信時には送信方向を、受信時には受信方向を前記アレイセンサの面に投射し、前記投射した方向における隣接する前記超音波振動素子の重心位置の間の距離が、ノイズであるグレーティングローブが発生しない条件式を満たす距離以内である超音波振動素子を選択し、
   前記内周部の超音波振動素子と、前記選択した超音波振動素子から超音波を送信又は受信するものであり、
   前記ノイズであるグレーティングローブが発生しない条件式は、隣接する超音波振動素子の超音波送受信方向に対する重心位置の距離Ｌ０と、送受信する超音波の送受信角θと、送受信する超音波の波長λとの間に、Ｌ０≦（λ／（１＋｜ｓｉｎθ｜）の関係からなる条件式であることを特徴とする超音波測定方法。
6. 請求項５記載の超音波測定方法において、
   前記２次元アレイセンサによる超音波の送受信時に結ばれる焦点を複数個所設定し、
   前記複数の焦点に対して超音波を送受信する場合に使用する素子範囲をそれぞれ選択し、
   各焦点に対して測定対象内部からの反射信号を収録し、
   得られた各焦点からの反射信号を処理し、測定対象内部を２次元画像化または３次元画像化することを特徴とする超音波測定方法。
7. 請求項５記載の超音波測定方法において、
   前記送受信は、内周部の超音波振動素子と、前記選択した超音波振動素子に遅延時間を与え、
   前記送信又は受信方向が含まれる面内でセクタスキャンすることを特徴とする超音波測定方法。

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