WO2010001853A1

WO2010001853A1 - 三次元超音波検査装置

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Publication number: WO2010001853A1
Application number: PCT/JP2009/061844
Authority: WO
Inventors: 松本　真; 池田　賢弘; 唐沢　博一
Original assignee: 株式会社東芝
Priority date: 2008-07-04
Filing date: 2009-06-29
Publication date: 2010-01-07
Also published as: US8488871B2; CA2729759A1; JP2010014626A; IL210388A0; US20110102429A1; EP2299262A1; EP2299262A4

Abstract

　三次元超音波検査装置は、複数の圧電振動子をｍ×ｎに配設した超音波トランスデューサ、順次選択される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に入射させて反射したエコーを受信し、当該エコーの電気信号を検出し信号処理して三次元画像化データを生成する信号処理装置及び信号処理装置で生成された三次元画像化データを処理した結果を表示する表示処理装置を具備し、この表示処理装置は、三次元画像化データの深さ（ｚ）方向の強度分布の第１ピーク及び第２ピークを検出するピーク検出部、第１ピークと第２ピークのｚ方向距離をｘ－ｙ平面にマッピングして接合部の三次元画像を生成する接合部画像生成部、接合部の接合良否を判定する良否判定部及び接合部三次元画像及び接合部の接合良否判定結果を表示する表示部を備える。

Description

三次元超音波検査装置

　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三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、溶接欠陥の状態を三次元的に検査する三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の検査を実施する。

　具体的には、特開平１１－３２６２８７号公報（特許文献１）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、日々三次元超音波検査装置の検査精度の向上が図られており、検査対象物の状態（層構造、検査対象物内の溶接部の欠陥、ボイド又は剥れの有無等）についての判断が精度よく定量的になされるようになってきている。例えば、特開２００５－３１５５８２号公報（特許文献２）に記載される三次元超音波検査装置は、検査対象物に対する溶接部の位置関係を三次元的に正確にかつ精度よく定量的に検査するものである。
特開平１１－３２６２８７号公報特開２００５－３１５５８２号公報

発明の開示
　しかしながら、上記特許文献２に記載される三次元超音波検査装置の場合、接合部の三次元画像から接合部の接合状態を容易に視認できる状態で表示されているとは必ずしもいえなかった。また、中間部の透視画像や底面部の透視画像をすべての（ｘ，ｙ）で同じｚ範囲を切り取るため、例えば、検査対象の形状等に起因してプローブが少し傾いてしまうような状況が生じると、中間部や底面部を斜めに切り取ることになり、正しく接合部を判定できない。このように、上記従来技術に採用される透視画像を得る方式では、接合部の検査精度が低下してしまう場合があるという課題を招来していた。

　本発明は、上述した事情を考慮してなされたものであり、接合部の三次元画像から接合部の接合状態を従来よりも容易かつ視認性を高めて提供する共に、精密な接合部の検査結果の取得を実現して接合部の検査精度の更なる向上を図った三次元超音波検査装置を提供することを目的とする。

　本発明に係る三次元超音波検査装置は、上述した課題を解決するため、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、前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装置と、前記駆動素子選択装置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装置と、この信号検出装置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三次元画像化領域内に区画されたメッシュに対応させて三次元画像化データを生成する信号処理装置と、この信号処理装置で生成された三次元画像化データを処理した結果を表示する表示処理装置を具備し、前記表示処理装置は、前記信号処理装置で生成された三次元画像化データの深さ方向（ｚ方向）の強度分布の基準深さよりも深い位置に最初に出現する第１ピークを検出する第１ピーク検出部と、前記第１ピークの出現位置よりも深い位置に最初に出現する第２ピークを検出する第２ピーク検出部と、前記第１ピークの出現位置と前記第２ピークの出現位置との間の深さ方向の距離をｘ－ｙ平面の各々の位置にマッピングして接合部の三次元画像を生成する接合部画像生成部と、前記接合部画像生成部で生成された接合部の三次元画像および予め記憶された判定基準に従って前記接合部の接合状態の良否を判定する良否判定部と、前記接合部画像生成部で生成された接合部の三次元画像および前記良否判定部の判定結果の少なくとも一方を表示する表示部と、を備えたことを特徴とする。

　本発明に係る三次元超音波検査装置によれば、接合部の三次元画像から接合部の接合状態を従来よりも視認性を高めて提供することができる。また、接合部の三次元画像と共に接合部の接合状態の良否判定結果も表示することもでき、より精密な検査結果を提供することができる。さらに、接合部の接合状態の良否を従来よりも正確に判定することができるので、検査精度を更に向上させることができる。

本発明に係る三次元超音波検査装置の構成を概略的に示した構成図。本発明に係る三次元超音波検査装置に備えられる信号処理装置のより詳細な構成を示した構成図。本発明に係る三次元超音波検査装置に備えられる表示処理装置のより詳細な構成を示した構成図。本発明に係る三次元超音波検査装置の接合部画像生成部が実施するマッピング処理の概要を示した説明図であり、（ａ）はマッピングするｘ－ｙ平面とメッシュとの関係を示した説明図、（ｂ）は（ａ）に示されるＡ－Ａ’における検査対象物の断面（ｚ－ｘ平面）を示した説明図。本発明に係る三次元超音波検査装置の接合部画像生成部が取得するｘ－ｙ平面上のメッシュｍ１，ｍ２，ｍ３（図４）の深さ方向（ｚ方向）の強度分布を示した説明図であり、（ａ）はメッシュｍ１のｚ方向の強度分布、（ｂ）はメッシュｍ２のｚ方向の強度分布、（ｃ）はメッシュｍ３のｚ方向の強度分布。本発明に係る三次元超音波検査装置の接合部画像生成部が生成する接合部の三次元画像の一例を表示した説明図。

　本発明に係る三次元超音波検査装置の実施の形態について添付の図面を参照し説明する。

　図１は、本発明に係る三次元超音波検査装置の一例である三次元超音波検査装置１０の構成を概略的に示した構成図である。

　三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装置１２と、信号発生装置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装置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の接合部である溶接部１５に照射し、この溶接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を有する信号検出装置１６と、この信号検出装置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三次元（３Ｄ）超音波画像を生成させる信号処理装置１７と、信号処理装置１７で処理された３Ｄ超音波画像のデータ処理をさらに行ない検査対象物１４の内部構造や溶接部１５の状態および溶接欠陥の状態を自動的に精度よく判定して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、信号発生装置１２で発生した駆動信号が駆動素子選択装置１３により選択されて加えられる。駆動素子選択装置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三枚の板状構造物１４ａ，１４ｂ，１４ｃを対象とし、この板状構造物１４ａ，１４ｂ，１４ｃのスポット溶接部は、三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、二枚又は四枚以上の板状構造物を重ね合せて溶接したものであっても良い。また、板状構造物の厚さは同一でも異なるものであっても良い。さらに、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良い。

　検査対象物１４である三枚の板状構造物１４ａ，１４ｂ，１４ｃ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の溶融凝固部すなわち溶接による接合の状態が良好な部分であり、符号２８は接合部１５に生じたブローホール（気孔）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装置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装置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。駆動素子選択装置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に信号発生装置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２０に時間差をもってそれぞれ入力され、各圧電振動子２０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装置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２０毎に検出される。

　この三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、駆動素子選択装置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装置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（図１に示される例ではｘ軸方向に１０個×ｙ軸方向に８個の計８０個）が、マトリクス状に配設された場合、各圧電振動子２０ｍｎが駆動素子選択装置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装置１６に送るようになっている。

　このため、信号検出装置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装置１６に送られ、この信号検出装置１６を経て信号処理装置１７に送られる。

　信号検出装置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、信号処理装置１７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。

　信号処理装置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三次元画像生成部３４により統合されて三次元画像化情報（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、導かれた三次元画像化データを接合部データ処理部３５でデータ処理し、処理後のデータから接合部画像生成部３６で接合部１５の三次元画像を生成し、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接合部画像生成部３６からの三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。

　図２は、三次元超音波検査装置１０に備えられる信号処理装置１７のより詳細な構成を示した構成図である。

　図２では、図１に示される並列プロセッサ３３および三次元画像生成部（統合プロセッサ）が詳細に示されている。具体的に説明すると、信号処理装置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三次元画像生成部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三次元画像生成部（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三次元画像化データを生成するものである。生成された三次元（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、信号処理装置１７の並列プロセッサ３３と三次元（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三次元画像化データＩを生成するものである。信号検出装置１６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三次元画像化領域内の各メッシュに対応させて三次元画像化データを生成する。

　三次元画像生成部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つの方向から三次元画像化データＩを透視すると共に、それぞれ三方向の三次元画像化データ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三枚の平面（ニ次元）画像を生成する。三次元画像生成部３４により生成された三次元画像化データＩは、表示処理装置１８に出力される。

　図３は、三次元超音波検査装置１０に備えられる表示処理装置１８のより詳細な構成を示した構成図である。

　図３に示される表示処理装置１８は、第１ピーク検出部５１、第２ピーク検出部５２、減衰補正処理部５３および逆補正処理部５４を有し、接合部１５の三次元画像を生成するために必要となる各（ｘ，ｙ）に対する深さ方向（ｚ方向）の強度分布の第１ピークおよび第２ピークを検出する接合部データ処理部３５と、接合部データ処理部３５が検出した各（ｘ，ｙ）に対する深さ方向（ｚ方向）の強度分布の第１ピークおよび第２ピークを用いて接合部１５の三次元画像を生成する接合部画像生成部３６と、接合部画像生成部３６が生成した接合部１５の三次元画像および所定の判定基準に従って接合部１５の接合状態の良否を判定する良否判定部３７に加え、必要に応じて接合部画像生成部３６および良否判定部３７で利用される検査対象（板組み）１４の情報（少なくとも板組みを構成する各板の厚さ情報を含む）を記憶する板組み情報記憶部５６（図１において省略）を備える。

　ここで、第１ピークとは、三次元画像化データＩの深さ方向の強度分布（後述する図５に示す）においてｚ＝０に最も近い位置に出現するピークをいい、第２ピークとは、第１ピークに続いて検査対象物１４内の第１ピーク出現位置よりも深い位置に出現するピークをいう。なお、後述する図５において示されるピーク６１，６２が、それぞれ、第１ピーク６１および第２ピークである。

　表示処理装置１８における接合部データ処理部３５、接合部画像生成部３６、板組み情報記憶部５６および良否判定部３７について順次説明する。

　接合部データ処理部３５の第１ピーク検出部５１は、三次元画像化データＩの深さ方向の強度分布の第１ピークを検出する構成要素であり、第１ピークの検出を行なう範囲の設定を受け付けて保持する機能（第１ピーク検出範囲設定機能）、設定された範囲において最大強度のピークを第１ピークとして検出する機能（第１ピーク検出機能）および検査対象物１４の表面（カップラント２４側の面）の位置を測定する機能（表面位置測定機能）を有する。

　第１ピーク検出部５１は、設定された第１ピークの検出範囲に従い、各（ｘ，ｙ）に対して当該検出範囲内における最大強度のピークを第１ピークとして検出する。そして、各（ｘ，ｙ）の第１ピーク検出位置（ｚ座標）を用いて検査対象物１４の表面（カップラント２４側の面）の位置を求める。この時、圧痕深さ（図４に示されるｔ）も測定される。

　第２ピーク検出部５２は、三次元画像化データＩの深さ方向の強度分布の第２ピークを検出する構成要素であり、実質的には第１ピーク検出部５１と同等の機能を有する。すなわち、第２ピークの検出を行なう範囲の設定を受け付けて保持する第２ピーク検出範囲設定機能、設定された範囲において最大強度のピークを第２ピークとして検出する第２ピーク検出機能および検査対象物１４の底面２９の位置を測定する底面位置測定機能を有する。

　第２ピーク検出部５２は、設定された第２ピークの検出範囲に従い、各（ｘ，ｙ）に対して当該検出範囲内における最大強度のピークを第２ピークとして検出する。そして、各（ｘ，ｙ）の第２ピーク検出位置（ｚ座標）を用いて検査対象物１４の底面２９の位置を求める。この時、底面側の圧痕深さも測定される。

　第２ピークの検出範囲は、第１ピークが存在するｚ座標よりも必ず大きいｚ座標となるように範囲設定される。例えば、第１ピーク位置（例えばｚ＝ｚ１）から所定の深さ（例えばα）を増した位置（ｚ＝ｚ１＋α）を第２ピーク検出範囲の開始位置とするように設定される。

　減衰補正処理部５３は、音響伝播媒質２３と板状構造物１４ａが密着しないときに音響伝播媒質２３の底面エコーを第１ピークとして誤検出するのを防止するため、深さ方向（ｚ方向）の強度分布に対して、深さが増すにつれて強度を増幅する補正（以下、「減衰補正」と称する）を行なう。具体的には、補正後のｚ方向の強度分布Ｆ（ｖ）を、以下の数式１を用いて算出する。
　　［数１］
　　Ｆ（ｖ）＝ｖ／ｒ^ｚ
　　　　ｖ：深さｚにおける反射強度　ｒ：補正係数　ｚ：深さ

　減衰補正処理部５３は、減衰補正処理に用いる数式１の情報、各パラメータの情報、補正係数ｒの設定値（０＜ｒ＜１）の情報等の減衰補正処理の実行に必要な情報を格納しており、入力された三次元画像化データＩから取得される深さｚにおける強度ｖおよび深さｚと、補正係数ｒと数式１にＦ（ｖ）を算出する数式（＝ｖ／ｒ^ｚ）とを取得して数式１のＦ（ｖ）を算出する。

　減衰補正処理は、音響伝播媒質２３と板状構造物１４ａが密着しないときに音響伝播媒質２３の底面エコーを第１ピークとして誤検出するのを防止するための補正処理であって、音響伝播媒質２３と板状構造物１４ａが密着しており音響伝播媒質２３の底面エコーを第１ピークとして誤検出し得ないような場合にまで実施されるものではない。すなわち、減衰補正処理は、第１ピークの検出をより正確に行なうために必要に応じて実施される任意的処理（補助的処理）である。

　減衰補正処理部５３は、ｚ方向の強度分布の第１ピークの検出に際して減衰補正処理は任意であり常に実施を要するものではないので、減衰補正処理の実施又は未実施をユーザが適宜選択して設定可能に構成されており、減衰補正処理の実施が設定（選択）されている場合に限り減衰補正処理が実行する。なお、減衰補正処理部５３の減衰補正は、補正後の強度Ｆ（ｖ）を基の強度ｖよりも大きくする補正であるから、補正係数ｒは１未満の正数となる。

　逆補正処理部５４は、第２ピークの繰り返しエコーである第３ピークや第４ピークを第２ピークと誤検出するのを防止するため、深さ方向（ｚ方向）の強度分布に対して、深くなるにつれて強度を強制的に減衰させる（減衰の度合いをより強める）補正（以下、「逆補正」と称する）を行なう。

　第２ピークの誤検出は、第２ピークよりもより深い位置で検出される第３ピークや第４ピークの方が強い反射が起こった場合に生じる。例えば、第１ピークの位置が浅い位置であった場合、第２ピークの位置の検出を行なう範囲も浅い位置となる。理論的には第２ピークに比べて、第３ピークや第４ピーク等の第２ピーク以降のピークは繰り返しのエコーであるから繰り返しによって強度が減衰するので第２ピークよりも強い反射にはなり得ないはずである。しかし、実際には、トランスデューサ１１の当て方や検査対象１４の表面状態によっては第２ピークよりもその繰り返しエコーである第３ピークや第４ピークの方がより強い反射になる場合がある。逆補正処理部５４はこのような第２ピークの誤検出が生じ得る場面において有効である。

　なお、逆補正処理部５４と減衰補正処理部５３との相違は、格納される補正係数ｒがｒ＞１に設定されているか、０＜ｒ＜１に設定されているかの相違であって基本的構成は実質的に相違しない。また、逆補正処理部５４が実施する逆補正についても、減衰補正と同様の任意的処理（補助的処理）であって、第２ピークの検出をより正確に行なうために必要に応じて実施される補正処理である。

　このように構成される接合部データ処理部３５は、各（ｘ，ｙ）に対して深さ方向（ｚ方向）の強度分布の第１ピークおよび第２ピークを検出し、検出した第１ピークおよび第２ピークの各（ｘ，ｙ）におけるｚ座標に基づいて検査対象１４の表面および底面２９の位置を測定する。

　表示処理装置１８に備えられる接合部画像生成部３６について、図４、図５および図６を適宜参照して説明する。

　図４（図４（ａ），図４（ｂ））は、接合部画像生成部３６が各（ｘ，ｙ）において実施するマッピング処理の概要を示した説明図である。より詳細には、図４（ａ）は、マッピングするｘ－ｙ平面とメッシュとの関係を示した説明図、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示されるＡ－Ａ’における検査対象物１４（１４ａ，１４ｂ，１４ｃ）の断面（ｚ－ｘ平面）を示した説明図である。なお、図４（ｂ）に示される符号ｔは圧痕深さである。

　図５は、図４に示される三つのメッシュｍ１，ｍ２，ｍ３と対応する深さ方向（ｚ方向）の強度分布を示した説明図であり、図５（ａ）、図５（ｂ）および図５（ｃ）は、それぞれ、図４に示されるメッシュｍ１，ｍ２，ｍ３と対応している。

　図６は、接合部画像生成部３６が生成する接合部１５の三次元画像の一例を表示した説明図である。なお、図６に示されるブランクのメッシュ、ＧのメッシュおよびＢのメッシュは、それぞれ、赤色、緑色および青色を意味する表記である。

　接合部画像生成部３６は、接合部データ処理部３５が検出した各（ｘ，ｙ）に対する深さ方向（ｚ方向）の強度分布における第１ピーク６１と第２ピーク６２からｘ－ｙ平面の各メッシュ単位に反射の生じている深さを求める。

　例えば、図４（ａ）に示されるメッシュｍ１，ｍ２，ｍ３について、図４（ｂ）に示されるように、それぞれ、一枚目の板状構造物１４ａと二枚目の板状構造物１４ｂとの間に存在する非接合部２６と、二枚目の板状構造物１４ｂと三枚目の板状構造物１４ｃとの間に存在する非接合部２６と、底面２９で反射しているものとする。

　接合部画像生成部３６は、各メッシュ単位に反射の生じている深さを求めるため、図５に示されるような各（ｘ，ｙ）に対する深さ方向（ｚ方向）の強度分布の検出された第１ピーク６１と第２ピーク６２との間の距離ｄを求める。図４に示される例の場合、メッシュｍ１，ｍ２，ｍ３の反射が生じている深さは、それぞれ、ｄ１，ｄ２，ｄ３（ｄ１＜ｄ２＜ｄ３）として算出される。

　各メッシュ単位に反射の生じている深さが算出されると、接合部画像生成部３６は、算出された深さが予め設定された深さの範囲と表示部３８に表示する色との関係に基づいて各メッシュの色を求めた深さと対応する色にマッピングして接合部画像を得る。

　例えば、図６に示されるように、算出された深さの検査対象物１４の全体厚さ（接合部画像生成実行前に入力され接合部画像生成部３６に与えられる）に対する比が０以上１／３未満は赤色（図６においてブランク）、１／３以上２／３未満は緑色（図６においてＧ）、２／３以上１未満は青色（図６においてＢ）と設定されている場合、求めた深さが上記の何れに該当するかが判断され、そのメッシュを何色で表示するかが決定される。なお、この例では誤差を加味して深さ範囲を設定していないが、誤差を加味して深さ範囲を設定しても良い。

　このようにして各（ｘ，ｙ）に対してマッピングする色が決定すると、各（ｘ，ｙ）について決定した色でマッピングして図６に示されるような接合部画像が得られる。接合部画像を見れば、図６に示される例の場合、青色のメッシュが三枚目まで接合されている範囲を示し、緑色のメッシュが二枚目まで接合されている範囲を示し、赤色のメッシュが二枚目まで接合されていない範囲又は溶接欠陥部２８が存在する範囲を示しており、容易に接合部１５の接合状態を視認（把握）することができる。

　なお、本実施形態では一例として検査対象物である板状構造物１４ａ，１４ｂ，１４ｃが三枚の場合を説明しているが、枚数が増加しても三枚目以降も順次接合枚数が増える毎に色を変えてマッピングできるようにすれば、説明した例と同様に何枚目まで接合しているかが判定できる接合部画像が生成できる。

　また、接合部画像生成部３６は、接合部１５の三次元画像（接合部画像）から検査対象物１４内の接合部１５の大きさ・位置および溶接欠陥部２８の大きさ・位置を検出して計測する機能を有しており、検査対象物１４内の接合部１５の大きさ・位置および溶接欠陥部２８の大きさ・位置の計測を行なうことができる。

　図６に示される接合部画像では、青色にマッピングされたメッシュと他の色（緑色および赤色）にマッピングされたメッシュとの外側の境界線（図６に示される太線箇所）が接合部輪郭形状として表される。また、ブローホール等の溶接欠陥部２８が接合部内に存在する場合には、青色の連続領域の内部に形成された閉じた赤色領域（図６に示される例では単一のメッシュ）がブローホール等の溶接欠陥部２８として飛び石状に表され、欠陥部輪郭形状は、連続する青色領域と赤色領域との境界線として表される。

　なお、溶接欠陥部２８が存在しない場合には青色の連続領域内にはこの赤色領域は出現しない。また、溶接欠陥部２８の深さ位置によっては、例えば二枚目の板状構造物１４ｂと三枚目の板状構造物１４ｃとの間に存在する非接合部２６近傍に溶接欠陥部２８があるような場合には、溶接欠陥部２８は青色の連続領域の内部に形成された閉じた緑色領域、もしくは緑色と赤色からなる混合領域として表される場合も想定される。

　このようにして得られる接合部画像によって、接合部輪郭形状および欠陥部輪郭形状から接合部１５の大きさと接合部１５の中心位置が確定でき、接合部１５内部に生成される溶接欠陥部２８についても大きさと位置が確定できる。

　なお、接合部画像生成部３６が接合部画像を生成するに当たり採用したマッピングの方式、色の選択又は表示のレベル数（何段階に表示するか）等は説明した例に限定されるものではなく種々のものから適宜選択し得るものであって任意の要素である。

　板組み情報記憶部５６は、接合部画像生成部３６における画像生成および良否判定部３７における判定の精度を向上させるため、必要に応じて接合部画像生成部３６および良否判定部３７で利用される検査対象（板組み）１４の各板厚さの情報を記憶する記憶領域である。

　例えば、検査対象（板組み）１４の各板厚さがほぼ均等である場合には、測定誤差を加味しても深さ位置を誤検出して緑を青と判断したり、赤を緑と判断したりすることは少ない。しかしながら、板厚が異なる板状構造物で構成される検査対象の場合、上記説明例のような設定では深さ位置を誤検出する場合が生じ得る。そこで、この様な場合には、接合部画像生成部３６は、各板状構造物の板厚の情報を参照しマッピングする色を決定する際の手掛かりとする。

　例えば、図４に示される検査対象（板組み）１４（１４ａ，１４ｂ，１４ｃ）の各板厚がそれぞれｔａ，ｔｂ，ｔｃ（ｔａ≠ｔｂ≠ｔｃ＞０）であって、許容誤差をｅ、求めた各（ｘ，ｙ）の深さｄとした場合、以下の数式（条件式）２の式（１）を満たす場合には赤色、式（２）を満たす場合には緑色、式（３）を満たす場合には青色という具合にマッピングする色が決定される。これ以降は上述した例と同様である。
　　［数２］
　　ｄ＜ｔａ＋ｅ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（１）
　　ｔａ＋ｔｂ－ｅ＜ｄ＜ｔａ＋ｔｂ＋ｅ　　　　　　　　　・・・（２）
　　ｔａ＋ｔｂ＋ｔｃ－ｅ＜ｄ＜ｔａ＋ｔｂ＋ｔｃ＋ｅ　　　・・・（３）
　ここで、ｔａ，ｔｂ，ｔｃは板状構造物１４ａ，１４ｂ，１４ｃの各板厚、ｅは許容誤差、ｄは求めた各（ｘ，ｙ）の深さｄである。なお、ここで、許容誤差ｅは上限と下限で異なる値に設定してもよい。

　接合部画像生成部３６は、接合部１５の三次元画像から検査対象物１４内の接合部１５の大きさ・位置および溶接欠陥部２８の大きさ・位置の計測結果を良否判定部３７および表示部３８へ出力する。

　良否判定部３７は、接合部画像生成部３６から入力された接合部画像および良否判定部３７に格納される判定基準の情報と当該判定基準で必要となる数式およびパラメータの情報に基づいて接合部１５の接合状態の良否を判定する。また、良否判定部３７は、どの判断基準を採用して良否判断を行なうかを設定可能に構成されており、格納される判定基準の中から少なくとも一以上の判定基準が設定される。例えば、接合部１５の接合状態の良否を判定する判定基準としては、接合部の径、面積又は厚さや圧痕の深さが所定の範囲内にあるか、又は溶接欠陥部２８の一例であるブローホールの面積が所定値（割合）以下であるか等が挙げられる。

　このように構成される良否判定部３７は、指定された判定対象と判定基準を比較し、判定基準を満たしているかを判定する。判定対象は１つ以上あればどの組合せでも判定できる。接合部１５の接合状態の良否についての判定結果は、表示部３８へ出力され表示される。なお、良否判定部３７に格納される各種情報はユーザの情報更新操作によって事後的に更新することも可能である。

　次に、三次元超音波検査装置１０の作用を説明する。

　この三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、信号発生装置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装置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。駆動素子選択装置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（二次元）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装置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から信号検出装置１６に反射エコーの電気信号となって次々に送信される。

　信号検出装置１６に送られた反射エコーの電気信号は、続いて信号処理装置１７に入射され、この信号処理装置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三次元画像生成部３４により、三次元画像化データが作成される。

　その際、信号処理装置１７には、並列プロセッサ３３が備えられ、信号処理装置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。

　信号処理装置１７で生成された三次元画像化データから、三次元画像生成部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、正面と直交する二つの側面に対して垂直な方向の計三方向から三次元超音波画像化データを透視すると共に、三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三枚の平面画像を生成する。

　正面と直交する二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から見て一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。

　三次元画像化データＩから接合部データ処理部３５は、各（ｘ，ｙ）に対する深さ方向（ｚ方向）の強度分布の第１ピークおよび第２ピークを検出することができ、検出した結果は接合部画像生成部３６へ送られる。接合部画像生成部３６では検出された第１ピークおよび第２ピークの間の距離を算出して各（ｘ，ｙ）について反射が生じている深さを求めて接合部１５の三次元画像を生成する。ユーザはこの接合部画像を見れば、接合部１５の輪郭形状、大きさおよび位置や溶接欠陥部２８の輪郭形状、大きさおよび位置を容易に把握することができる。接合部画像生成部３６で生成された接合部１５の三次元画像および計測結果は良否判定部３７および表示部３８へ出力される。

　良否判定部３７では、接合部画像生成部３６で生成された接合部１５の三次元画像、計測結果を受け取り、指定された判定対象と判定基準を比較し、判定基準を満たしているかを判定する。接合部１５の接合状態の良否についての判定結果は、表示部３８へ出力され表示される。

　このように構成される三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、検査の自動判定をすることができる。また、接合部画像を見れば、接合部１５の接合状態や溶接欠陥部２８の良否及びその範囲を一見して把握することができる。さらに、従来では斜めに画像が切り取られたことにより、接合部１５を正しく判定できない場合でも、減衰補正処理をすることによって画像が斜めの状態で生成されるのを回避することができる。

　なお、本発明に係る三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。

　三次元超音波検査装置の一実施形態では、三次元画像化装置１０の中に信号処理装置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、信号処理装置１７の三次元画像生成部３４は、表示処理装置１８の中にシフトさせて備えてもよい。さらに、表示処理装置１８の接合部データ処理部３５は、信号処理装置１７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。

　本発明によれば、溶接接合部の三次元画像から当該接合部の接合状態を確認する三次元超音波検査装置に適用できる。

Claims

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、
　前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装置と、
　前記駆動素子選択装置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装置と、
　この信号検出装置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三次元画像化領域内に区画されたメッシュに対応させて三次元画像化データを生成する信号処理装置と、
　この信号処理装置で生成された三次元画像化データを処理した結果を表示する表示処理装置を具備し、
　前記表示処理装置は、前記信号処理装置で生成された三次元画像化データの深さ方向（ｚ方向）の強度分布の基準深さよりも深い位置に最初に出現する第１ピークを検出する第１ピーク検出部と、
　前記第１ピークの出現位置よりも深い位置に最初に出現する第２ピークを検出する第２ピーク検出部と、
　前記第１ピークの出現位置と前記第２ピークの出現位置との間の深さ方向の距離をｘ－ｙ平面の各々の位置にマッピングして接合部の三次元画像を生成する接合部画像生成部と、
　前記接合部画像生成部で生成された接合部の三次元画像および予め記憶された判定基準に従って前記接合部の接合状態の良否を判定する良否判定部と、
　前記接合部画像生成部で生成された接合部の三次元画像および前記良否判定部の判定結果の少なくとも一方を表示する表示部と、を備えたことを特徴とする三次元超音波検査装置。
前記接合部画像生成部は、前記接合部の三次元画像から前記検査対象物内の接合部の大きさ・位置および溶接欠陥部の大きさ・位置を検出して計測する機能を有し、前記検査対象物内の接合部の大きさ・位置および溶接欠陥部の大きさ・位置の計測結果を前記良否判定部および表示部へ出力することを特徴とする請求項１記載の三次元超音波検査装置。
前記接合部画像生成部は、前記接合部の三次元画像からｘ－ｙ平面に同程度と判断された深さの連続領域内に前記連続領域の深さとは異なる深さと判定された閉じた領域が存在する場合、前記連続領域内の閉じた領域を溶接欠陥部として位置・大きさを特定することを特徴とする請求項１記載の三次元超音波検査装置。
前記検査対象の板組みを構成する各板の厚さの情報を有する板組み情報を記憶する板組み情報記憶部をさらに備え、
　前記接合部画像生成部は、ｘ－ｙ平面の各々について前記第１ピークの出現位置と前記第２ピークの出現位置との間の深さ方向の距離を算出した位置が、この位置と前記板組み情報記憶部に記憶される板組み情報を参照して得られる前記板組みの各結合位置との関係から前記板組みの各結合位置の何れに位置するかを判断してマッピングするように構成されることを特徴とする請求項１記載の三次元超音波検査装置。
前記検査対象物の三次元画像化データの深さ方向（ｚ方向）の強度分布に深さが増すにつれて強度を増幅する補正処理を実行する第１の補正処理部をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の三次元超音波検査装置。
前記検査対象物の三次元画像化データの深さ方向（ｚ方向）の強度分布に深さが増すにつれて強度を強制的に減衰させる補正処理を実行する第２の補正処理部をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の三次元超音波検査装置。