JP3981366B2 - 超音波プローブの劣化補正方法および超音波検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、試料の内部を検査する超音波検査装置に用いられる超音波プローブが劣化した場合に信号を補正する技術に関する。

従来から、図７に示すように、モータ１により回転する試料台２と、その試料台２にセットされた試料３に超音波を照射するとともに、試料３からの反射波（反射エコー）を受信する超音波プローブ４と、受信した反射波に基づいて試料の内部の状態を表わすＡスコープ信号を出力する信号出力回路５と、そのＡスコープ信号波形を表示するモニタ６とを備える超音波検査装置が知られている。試料３は２つの円筒３ａと３ｂを互いの端面同士をレーザ溶接して接合したものである。なお、図７に示すように、水が満たされた水槽７内に試料３を設置して検査が行われるので、水槽７と試料台２との間にはシール８が設けられている。

超音波プローブ４は音響レンズの一端面に圧電素子を接着し、そこに電極を張り付けたものである。その使用にあたっては、圧電素子にバースト信号やインパルス信号を印加して音響レンズから超音波を試料に向けて照射し、試料からの反射波を音響レンズを介して圧電素子で受信して電気信号に変換するものである。

このような超音波プローブは経年変化により性能が劣化することが知られている。そこで従来は、検査に先立って特定の距離に設置した校正用試料に超音波を照射し、その反射波の校正用エコー信号レベルによって劣化の状態を把握している。たとえば、所定時間使用した後で測定した校正用エコー信号強度レベルＶｕが新品の状態で測定した校正用エコー強度信号レベルＶｒとなるように調節ダイアルでゲインを調節している。

しかしながら、このような調節ダイアルによる校正作業は煩雑であった。

（１）請求項１の発明は、試料に超音波を照射しその反射波を受信する超音波プローブの劣化補正方法に適用される。そして、校正用試料に超音波プローブから超音波を照射したときに超音波プローブから出力される校正用エコー信号を記憶する工程と、記憶工程を時間をおいて複数回行って得られた校正用エコー信号の時系列データに基づいてその強度比を算出して超音波プローブの出力信号を補正する工程とを備えることにより、上記目的を達成する。
（２）請求項２の発明は、請求項１の劣化補正方法において、強度比を、複数個の校正用エコー信号のうち超音波プローブが所定以上の性能を有するときに得られた校正用エコー信号と現時点で得られた校正用エコー信号との強度比としたものである。
（３）請求項３の発明は、超音波プローブから試料に超音波を照射し、試料からの反射波を超音波プローブで受信し、受信した反射波に基づいて試料の内部の状態を表わす検査信号を出力する超音波検査方法に適用される。そして、校正用試料に超音波プローブから超音波を照射したときに超音波プローブから出力される校正用エコー信号を記憶する工程と、記憶工程を時間をおいて複数回行って得られた校正用エコー信号の時系列データに基づいてその強度比を算出して検査信号を補正する工程とを備えることにより、上記目的を達成する。
（４）請求項４の発明は、請求項３の超音波検査方法において、強度比を、複数個の校正用エコー信号のうち超音波プローブが所定以上の性能を有するときに得られた校正用エコー信号と現時点で得られた校正用エコー信号との強度比としたものである。

本発明によれば、検査に先立って超音波プローブの校正用試料に対する校正用エコー信号強度の経年変化による低下分から補正係数を算出し、超音波プローブ自身の信号をその補正係数で直接補正したり、あるいは検出されたピーク値を補正係数で補正するようにしたので、作業者は手動でゲイン調節をする必要がなく作業性が向上する。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。図１は本発明による劣化補正方法および検査方法が適用された超音波検査装置を示している。この超音波検査装置は、試料ＴＰがセットされる試料台１１と、この試料台１１を回転駆動するモータ１２と、超音波信号を試料ＴＰに向けて照射するとともに試料ＴＰからの反射波を受信する超音波プローブ１３と、超音波プローブ１３で受信した反射波信号（以後、エコー信号と呼ぶ）を増幅して検波する増幅検波回路１４と、この増幅検波回路１４から出力されるエコー信号のうち予め定められたゲート期間内におけるピーク値を検出するピーク検出回路１５と、ＣＰＵ、メモリ、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器などの周辺機器で構成される制御回路１６と、エコー信号をＡスコープ表示したり、検出結果を表示するモニタ１７と、モータ１２の回転角度位置を検出するエンコーダ２０と、モータ１２を駆動するためのドライバ２１とで構成されている。また、超音波検査装置を起動する電源スイッチ１８Ａと、検査モードもしくは校正モードを選択するモード選択スイッチ１８Ｂと、電源スイッチ１８Ａがオフでもバックアップ電源で記憶内容を保持する不揮発性メモリ１９とを備えている。

この実施の形態では、検査前の校正作業により、超音波プローブ１３の劣化によるエコー信号の強度低下を補正するとともに、耐用時間を予測して作業者に報知する。校正作業は、超音波プローブ１３を校正用試料と特定の距離だけ離して超音波を照射させ、校正用試料の表面からの反射波を校正エコー信号として検出することにより行われる。

図２は校正処理手順を示すフローチャート、図３は検査処理手順を示すフローチャートであり、超音波検査装置の電源スイッチ１８Ａがオンするとスタートプログラムによって行われる。作業者がモード選択スイッチ１８Ｂを操作して校正モードを選択するとステップＳ２１で校正モードと判定してステップＳ２２に進む。ステップＳ２２で変数ｉに１を加算してステップＳ２３に進む。この変数ｉは、校正モードにより取込まれた校正エコー信号の回数を表わすために使用され、不揮発性メモリ１９に記憶される。この変数ｉは、超音波プローブ１３を交換したときに作業者によってリセットされる。また、この実施の形態では、超音波プローブ１３の耐用時間を稼働時間を使用して算出するため、新品の状態からの電源スイッチ１８Ａのオン継続時間が計測され、この計測時間も不揮発性メモリ１９に記憶される。不揮発性メモリ１９には後述する補正係数αも記憶される。

ステップＳ２３で超音波プローブ１３から校正用試料に超音波を照射する。超音波プローブ１３で受信した反射波信号のピーク値はピーク検出回路１５で検出される。校正時は校正用試料の表面からのエコー信号のピーク値を検出するようにゲートがかけられる。ステップＳ２４でピーク検出回路１５からの信号を制御回路１６に取込み、Ａ／Ｄ変換して校正エコー信号強度Ｖｕｉとして記憶する。校正エコー信号強度Ｖｕｉは不揮発性メモリ１９に記憶される。ステップＳ２４において、変数ｉが１のときに得られる信号強度Ｖｕ１が校正基準強度として用いられる。ステップＳ２５において、新品の超音波プローブ１３に対して予め得られた校正基準強度Ｖｕ１を、今回の校正作業で新たに検出した校正エコー信号強度Ｖｕｉで除すことにより補正係数αを算出し、この補正係数αを不揮発性メモリ１９に記憶する。

ここで、校正作業において得られる校正用エコー信号強度と稼働時間は、たとえば図４に示すように変数ｉに対応付けてメモリ２０に記憶される。

ステップＳ２６において、２回前までの校正エコー信号強度Ｖｕ（ｉ−２），Ｖｕ（ｉ−１）を読み出し、時系列データＶｕ（ｉ−２），Ｖｕ（ｉ−１），Ｖｕｉの強度に基づいて最小二乗法により劣化曲線ＤＣを算出した上で、ステップＳ２７において、耐用時間Ｔ２を算出する。

図５は超音波プローブ１３の稼働時間に応じてエコーレベルが低下する様子を示すグラフである。現時点ｔ１０において取込まれた校正エコー信号強度をＶＵ１０とする。Ｖｕ９，Ｖｕ８がそれぞれ１回前の時点ｔ９、２回前の時点ｔ８で得られた校正エコー信号強度である。Ｖｕ１０，Ｖｕ９，Ｖｕ８の３つの強度レベルを用いて最小二乗法によりエコーレベルの低下特性、すなわち超音波プローブ１３の劣化特性Ｃ１を算出する。そして、超音波プローブ１３が正常に使用できる限度として予め設定された使用限度強度Ｖｍと、劣化特性Ｃ１がクロスするポイントＣＲを求め、このクロスポイントＣＲに対応する時点ｔｆと現時点ｔ１０との差を耐用時間Ｔ２として算出する。

ステップＳ２８では、図５のグラフをモニタ１７に表示する。モニタ１７上には、現在までの稼働時間Ｔ１と耐用時間Ｔ２がグラフとともに表示される。

図２のステップＳ２１で検査モードと判定されると、図３のステップＳ１に進む。ステップＳ１でモータ１２を駆動し、ステップＳ２で試料ＴＰが１回転したと判定されるとステップＳ３に進む。これは回転が安定してから計測を始めるための手順であり、エンコーダ２０からのパルス信号のカウント値に基づいて行われる。ステップＳ３では、エンコーダ２０から出力されるパルス信号の立ち上がりに同期させて超音波プローブ１３から超音波信号を試料に向けて発射し、試料ＴＰからのエコー信号を受信する。受信したエコー信号は増幅検波回路１４で増幅検波されてピーク検出回路１５に送られる。

図６は超音波検査信号とエコー信号の一例である。波形Ｗ１が超音波検査信号、Ｗ２が試料ＴＰの表面から反射する表面エコー信号、Ｗ３が試料ＴＰの表面から所定深さにある欠陥や剥離からの反射エコー信号である。ピーク検出回路１５は試料ＴＰの表面から所定深さのエコー信号にゲートをかけてそのピーク値を検出して制御回路１６に送る。ステップＳ４では、エンコーダ２０からのパルス信号に応じた回転角度位置に対応づけて、ピーク検出回路１５で検出されたピーク値をＡ／Ｄ変換してメモリに格納する。

ステップＳ５において、エンコーダ２０からのパルス信号のカウント値に基づいて試料ＴＰが１回転したかを判定し、１回転していなければステップＳ３、ステップＳ４を繰り返して、たとえば１０００個のデータをサンプリングする。ステップＳ５で１回転したことが判定されると、ステップＳ６に進み、メモリされたピーク値に補正係数αを乗じて補正する。ステップＳ７では、取込んだピーク値データの強度レベルを、検出した試料の回転角度位置に対応付けてモニタ１７に表示する。ステップＳ８で試料が合格品か不良品かを評価して図３の処理を終了する。評価の方法は種々提案されているが、ここでは発明と直接関係がないので説明を省略する。

このような実施の形態では、検査に先立って校正作業を行い、超音波プローブ１３の劣化に応じた補正係数αを算出し、ピーク検出回路１５で検出されてメモリに記憶された検査用エコー信号強度を補正係数で補正するようにしたので、従来のように、手動で調節ダイアルを操作してゲインを毎回設定する必要がなく、作業性が向上する。また、この校正作業時に超音波プローブ１３の耐用時間が算出されるので、作業者は使用中の超音波プローブをどの程度まで使用できるかを予測することができる。

以上では、図３のステップＳ４でメモリに記憶した検査用ピーク値にステップＳ６において補正係数αを乗じて超音波プローブ１３の劣化を補償するようにしたが、超音波プローブ１３の検波増幅回路１４のゲインを補正係数αを用いて変更するようにしてもよい。劣化特性を最低３つの信号強度に基づいた最小二乗法で算出するようにしたが、その他の方法で劣化特性を予測してもよい。

なお、本発明の特徴的な機能を損なわない限り、各構成要素は上記構成に限定されるものではない。

本発明に係る超音波検査装置の一実施の形態のブロック図である。 超音波検査装置の校正作業の処理手順例を示すフローチャートである。 図２の超音波検査装置の検査処理手順例を示すフローチャートである。 変数ｉと稼働時間と校正エコー信号強度の記憶方式を説明する図である。 超音波プローブの劣化特性を示す図である。 超音波検査信号、表面エコー信号、欠陥信号を示す図である。 超音波検査装置を説明する図である。

符号の説明

１１…試料台
１２…モータ
１３…超音波プローブ
１５…ピーク検出回路
１６…制御回路
１７…モニタ
１８Ａ…電源スイッチ
１８Ｂ…モード選択スイッチ
１９…不揮発性メモリ
ＴＰ…試料

Claims (4)

1. 試料に超音波を照射しその反射波を受信する超音波プローブの劣化補正方法において、
   校正用試料に前記超音波プローブから超音波を照射したときに前記超音波プローブから出力される校正用エコー信号を記憶する工程と、
   前記記憶工程を時間をおいて複数回行って得られた前記校正用エコー信号の時系列データに基づいてその強度比を算出して超音波プローブの出力信号を補正する工程とを備えることを特徴とする超音波プローブの劣化補正方法。
2. 請求項２の劣化補正方法において、
   前記強度比は、前記複数個の校正用エコー信号のうち前記超音波プローブが所定以上の性能を有するときに得られた校正用エコー信号と現時点で得られた校正用エコー信号との強度比であることを特徴とする超音波プローブの劣化補正方法。
3. 超音波プローブから試料に超音波を照射し、前記試料からの反射波を超音波プローブで受信し、受信した反射波に基づいて前記試料の内部の状態を表わす検査信号を出力する超音波検査方法において、
   校正用試料に前記超音波プローブから超音波を照射したときに前記超音波プローブから出力される校正用エコー信号を記憶する工程と、
   前記記憶工程を時間をおいて複数回行って得られた前記校正用エコー信号の時系列データに基づいてその強度比を算出して前記検査信号を補正する工程とを備えることを特徴とする超音波検査方法。
4. 請求項３の超音波検査方法において、
   前記強度比は、前記複数個の校正用エコー信号のうち前記超音波プローブが所定以上の性能を有するときに得られた校正用エコー信号と現時点で得られた校正用エコー信号との強度比であることを特徴とする超音波検査方法。

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