特許 6896489 超音波探傷装置、超音波探傷方法および製品の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6896489

(24)【登録日】2021年6月11日

(45)【発行日】2021年6月30日

(54)【発明の名称】超音波探傷装置、超音波探傷方法および製品の製造方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 29/26 20060101AFI20210621BHJP

【ＦＩ】

   G01N29/26

【請求項の数】7

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2017-73660(P2017-73660)

(22)【出願日】2017年4月3日

(65)【公開番号】特開2018-179518(P2018-179518A)

(43)【公開日】2018年11月15日

【審査請求日】2020年1月20日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001380

【氏名又は名称】特許業務法人東京国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】山本 摂

(72)【発明者】

【氏名】菅原 あずさ

(72)【発明者】

【氏名】千星 淳

(72)【発明者】

【氏名】土橋 健太郎

(72)【発明者】

【氏名】星 岳志

(72)【発明者】

【氏名】大塚 優

【審査官】 村田 顕一郎

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−１０７２８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５４−０３８６９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０４−２９２１５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０４２５４６６２（ＵＳ，Ａ）

【文献】 中国特許出願公開第１０５７２２４６２（ＣＮ，Ａ）

【文献】 特開平０６−２２５８８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１６−５３３２４２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２９／００−２９／５２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

検査対象に対してそれぞれ超音波を送受信可能な複数の圧電素子を備えるアレイプローブと、
前記アレイプローブを構成する複数の圧電素子のなかから連続する複数の前記圧電素子を素子群として定義し、当該素子群を構成する複数の前記圧電素子の配置情報及び前記圧電素子のそれぞれの重み付けに基づいて当該素子群の基準位置を設定し、前記基準位置及び予め定めた探傷角に基づいて当該素子群からの超音波ビームの伝搬経路を演算する素子群定義部と、
前記素子群からの前記超音波ビームが前記伝搬経路となるように、前記素子群を構成する前記圧電素子のそれぞれの遅延時間を計算する計算部と、
前記圧電素子のそれぞれが受信した前記超音波を検出信号として受信する信号受信部と、
前記重み付けにより前記圧電素子の送信出力又は受信ゲインが調整された状態で受信した前記検出信号を前記遅延時間に基づいて合成して前記伝搬経路を有する前記超音波ビームについての合成信号として生成する生成部と、を備えることを特徴とする超音波探傷装置。

【請求項2】

請求項１記載の超音波探傷装置において、
前記素子群を構成する複数の前記圧電素子のそれぞれの前記重み付けを合計した合計値および前記重み付けの平均値のいずれかが、予め設定した範囲内の値に設定されることを特徴とする超音波探傷装置。

【請求項3】

請求項１または請求項２に記載の超音波探傷装置において、
前記生成部は、前記素子群を構成する前記圧電素子の数を第１規定数とした場合の前記伝搬経路に対応するように前記検出信号を合成した第１合成信号、及び、前記素子群を構成する前記圧電素子の数を前記第１規定数より多い第２規定数とした場合の前記伝搬経路に対応するように前記検出信号を合成した第２合成信号をそれぞれ前記合成信号として生成可能に構成されることを特徴とする超音波探傷装置。

【請求項4】

アレイプローブを構成する複数の圧電素子のなかから連続する複数の前記圧電素子を素子群として定義し、
前記素子群を構成する複数の前記圧電素子のそれぞれに重み付けを設定し、
当該重み付け及び当該素子群を構成する複数の前記圧電素子の配置情報に基づいて当該素子群の基準位置を設定し、
前記基準位置及び予め定めた探傷角に基づいて当該素子群からの超音波ビームの伝搬経路を演算し、
前記素子群からの前記超音波ビームが前記伝搬経路となるように、前記素子群を構成する前記圧電素子のそれぞれの遅延時間を計算し、
前記圧電素子のそれぞれが検査対象から受信した超音波を検出信号として受信し、
前記重み付けにより前記圧電素子の送信出力又は受信ゲインが調整された状態で受信した前記検出信号を前記遅延時間に基づいて合成して前記伝搬経路を有する前記超音波ビームについての合成信号として生成する、
ことを特徴とする超音波探傷方法。

【請求項5】

請求項４に記載の超音波探傷方法において、
前記素子群を構成する複数の前記圧電素子のそれぞれの前記重み付けは、その合計値および平均値のいずれかが予め設定した範囲内の値となるように設定されることを特徴とする超音波探傷方法。

【請求項6】

請求項４または請求項５に記載の超音波探傷方法において、
前記生成において、前記素子群を構成する前記圧電素子の数を第１規定数とした場合の前記伝搬経路に対応するように前記検出信号を合成した第１合成信号、及び、前記素子群を構成する前記圧電素子の数を前記第１規定数より多い第２規定数とした場合の前記伝搬経路に対応するように前記検出信号を合成した第２合成信号をそれぞれ前記合成信号として生成することを特徴とする超音波探傷方法。

【請求項7】

構造物を準備する工程と、
前記構造物を前記検査対象として請求項４ないし請求項６のいずれか１項に記載の超音波探傷方法を実施する工程と、
前記超音波探傷方法を実施した前記構造物を製品とする工程と、
を備えることを特徴とする製品の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、フェーズドアレイ方式の超音波探傷技術、およびこれを用いた製品の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

超音波探傷試験は、製品となる構造材などの表面及び内部の健全性を非破壊で確認することができる検査技術であり、様々な分野で利用されている。
フェーズドアレイ方式の超音波探傷試験は、超音波の送受信を行う小型の圧電素子を複数配列して構成されるアレイプローブを、検査対象に対し、直接的又は間接的に接触させて実施する。そして、配列する複数の圧電素子を、タイミングをずらして駆動させることにより、アレイプローブから超音波を、任意角度で検査対象に内部送信できる。

【0003】

このためフェーズドアレイ方式は、超音波を所定の角度でしか発信できない単眼プローブ方式に比べ、アレイプローブを固定したままで広範囲及び複数角度で探傷することができる。このためフェーズドアレイ方式の超音波探傷試験では、複雑形状の構造材を対象としたり、または作業工数を低減することが可能となる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１１−００２３６０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、溶接部のような異方性や粗大化した結晶粒を有する検査対象を超音波探傷する場合などにおいて、ノイズ影響の低減を目的として、検査対象の内部に送信する超音波の周波数を小さく設定することがある。フェーズドアレイ方式で低周波数の超音波を検査対象の内部に送信する場合、欠陥の検出感度を確保するため、アレイプローブを構成する圧電素子のサイズを大きくすることが求められる。

【0006】

フェーズドアレイ方式における圧電素子の駆動方法の一つに、検査対象の内部に送信する超音波ビームの方向（すなわち探傷方向）を一定として超音波ビームのビームラインの位置（すなわち基準位置や検査対象への入射位置）を検査対象の表面に沿って移動させるリニアスキャン法がある。このリニアスキャン法を実施する場合、圧電素子のサイズを大きくすると、その配列ピッチも大きくなってしまう。これにより、圧電素子のサイズに応じて離散的に配置される超音波ビームの間隔が広がることとなり、欠陥検出の空間分解能が低下してしまう課題がある。

【0007】

このような課題を解決するために、圧電素子のサイズを小さくすると、検出感度を確保のため複数素子を同時駆動させることが必要となり、圧電素子の制御チャンネルが膨大化してしまう課題がある。

【0008】

本発明の実施形態はこのような事情を考慮してなされたもので、欠陥検出の空間分解能を向上させる超音波探傷技術およびこれを用いた製品の製造方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

実施形態に係る超音波探傷装置において、検査対象に対してそれぞれ超音波を送受信可能な複数の圧電素子を備えるアレイプローブと、前記アレイプローブを構成する複数の圧電素子のなかから連続する複数の前記圧電素子を素子群として定義し、当該素子群を構成する複数の前記圧電素子の配置情報及び前記圧電素子のそれぞれの重み付けに基づいて当該素子群の基準位置を設定し、前記基準位置及び予め定めた探傷角に基づいて当該素子群からの超音波ビームの伝搬経路を演算する素子群定義部と、前記素子群からの前記超音波ビームが前記伝搬経路となるように、前記素子群を構成する前記圧電素子のそれぞれの遅延時間を計算する計算部と、前記圧電素子のそれぞれが受信した前記超音波を検出信号として受信する信号受信部と、前記重み付けにより前記圧電素子の送信出力又は受信ゲインが調整された前記検出信号を前記遅延時間に基づいて合成して前記伝搬経路を有する前記超音波ビームについての合成信号として生成する生成部と、を備えることを特徴とする。

【発明の効果】

【0010】

本発明の実施形態により、欠陥検出の空間分解能を向上させる超音波探傷技術およびこれを用いた製品の製造方法が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の第１実施形態に係る超音波探傷装置のブロック図。

【図2】（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）超音波の伝搬経路、検出信号、第1合成信号の説明図。

【図3】（Ａ）検出信号の波形グラフ、（Ｂ）（Ｃ）第１合成信号のビームラインの説明図。

【図4】（Ａ）（Ｂ）第２合成信号のビームラインの説明図、（Ｃ）検査対象の内部画像。

【図5】第１実施形態に係る超音波探傷装置の動作説明図。

【図6】第２実施形態に係る超音波探傷装置のブロック図。

【図7】第３実施形態に係る超音波探傷装置のブロック図。

【図8】（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）第３実施形態における超音波のリニアスキャンの説明図。

【図9】第３実施形態における検査信号の処理の説明図。

【図10】実施形態に係る超音波探傷方法のフローチャート。

【発明を実施するための形態】

【0012】

（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に示すように第１実施形態に係る超音波探傷装置１０は、検査対象３５に対してそれぞれ超音波を送受信可能な複数の圧電素子３３を備えるアレイプローブ３４と、素子群定義部１６と、遅延時間計算部１１と、合成信号生成部３１と、を備えている。

【0013】

素子群定義部１６は、アレイプローブ３４を構成する複数の圧電素子３３のなかから連続する複数の圧電素子３３を素子群１３（１３₁，１３₂，…１３_M）として定義し、当該素子群１３を構成する複数の圧電素子３３の配置情報及び圧電素子３３のそれぞれの重み付けに基づいて当該素子群１３の基準位置Ｃ（図３（Ｂ））を設定し、基準位置Ｃ及び予め定めた探傷角に基づいて当該素子群１３からの超音波ビームの伝搬経路を演算する。

【0014】

遅延時間計算部１１は、素子群１３からの超音波ビームが伝搬経路となるように、素子群１３を構成する圧電素子３３のそれぞれの遅延時間２１を計算するものである。
信号受信部２３は、圧電素子３３のそれぞれが受信した超音波を検出信号２５として受信するものである。
合成信号生成部３１は、検出信号２５を遅延時間２１に基づいて合成して伝搬経路を有する超音波ビームについての合成信号として生成するものである。

【0015】

圧電素子３３は、セラミクス、高分子フィルム又は複合材料等で、圧電効果により、電圧信号を入力して超音波を出力したり、超音波を入力して検出信号２５を出力したりする。さらにアレイプローブ３４には、圧電素子３３以外に、図示を省略した構成部材として、超音波をダンピングするダンピング材、超音波の発振面に取り付けられた前面板等が、設けられている。

【0016】

本実施形態では、圧電素子３３が１次元的に配列されたリニアアレイプローブを採用しているが、適用されるアレイプローブ３４に特に限定はない。アレイプローブ３４としては、複数個の圧電素子３３が所定の間隔で一定のピッチで配列しているものであれば適宜採用される。

【0017】

適用可能なアレイプローブとして、具体的には、リニアアレイプローブの奥行き方向に圧電素子３３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３３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３３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３３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３３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素子を配置した円弧状アレイプローブ、球面の表面に素子を配置した球状アレイプローブなどが例示される。
さらに本実施形態は、これらのアレイプローブの種類に関係なく複数組合せて使用したタンデム探傷に適用することもできる。また上記のアレイプローブは、コーキングやパッキングにより気中、水中を問わず利用可能なものも含まれる。

【0018】

なお、本実施形態において配置が省略されているが、アレイプローブ３４の検査対象３５への設置に際し、楔を介在させることにより、指向性の高い角度で超音波を入射させることができる。この楔としては、超音波が伝搬可能で音響インピーダンスが把握されている等方材が採用される。具体的には、アクリル、ポリイミド、ゲル、その他の高分子などが挙げられ、前面板と音響インピーダンスが近いか同じである材質を用いることもでき、検査対象３５と音響インピーダンスが近いか同じ材質を用いることもできる。また、段階的もしくは漸次的に音響インピーダンスを変化させる複合材料を用いてもよく、その他の材料も適用することができる。
なお、このような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たりする場合もある。

【0019】

またアレイプローブ３４の検査対象３５への設置に際し、接触インピーダンスを軽減させることを目的として、音響接触媒質３８（図３）を介在させる場合がある。
音響接触媒質３８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、ゲル等が例示されるが、これらに限定されることはなく、減衰を抑制しつつ超音波を伝搬させるものであれば適宜採用することができる。

【0020】

素子駆動部１８は、アレイプローブ３４を構成する圧電素子３３の各々に任意波形の電圧信号を印加し、圧電素子３３を駆動させ超音波を出力させる。この電圧信号の波形は、サイン波、のこぎり波、矩形波、スパイクパルス等が考えられ、正負両極の値をもつバイポーラでもよいし、正負どちらか方振りのユニポーラでもよい。また、正負どちらかにオフセットを付加してもよい。また、波形は単パルス、バーストもしくは連続波など印加時間や繰り返し波数を増減させることもできる。

【0021】

第１実施形態において、素子駆動部１８が、複数の圧電素子３３の各々を駆動させる順番は、配列に無関係でランダムであり特に限定されない。また圧電素子３３を駆動させる駆動遅延時間も、欠陥判定を左右するような影響が画像に載るような混信が、検出信号２５に発生しない限り任意である。

【0022】

素子群定義部１６は、アレイプローブ３４を構成する複数の圧電素子３３のなかから規定数Ｎの連続する複数の圧電素子を素子群１３（１３₁，１３₂，…１３_M）として定義した情報を保持している。さらに素子群定義部１６は探傷角及び探傷深さの情報を保持する。探傷角及び探傷深さの情報に代えて、素子群定義部１６が素子群１３（１３₁，１３₂，…１３_M）の各々に対応する焦点位置Ｆ（Ｆ₁，Ｆ₂，…Ｆ_M）を定義した情報を保持するように構成しても構わない。

【0023】

さらに素子群定義部１６は、図３（Ｂ）に示すように、素子群１３（１３₁，１３₂，…１３_M）の各々に対応する基準位置Ｃ（Ｃ₁，Ｃ₂，…Ｃ_M）を定義した情報も保持する。この基準位置Ｃは一般には素子群中心とも呼ばれ、各実施形態の説明においては素子群１３の座標重心位置に設定されているが、特に座標重心に限定されるものではない。本実施形態においては特に、素子群１３の位置や素子群１３（１３₁，１３₂，…１３_M）を構成する各圧電素子３３の（例えば配列ピッチＰや配列順といった位置関係などの）配置情報に加えて、各圧電素子３３の開口幅（重み付け）に基づいて基準位置Ｃを決定している。すなわち、素子群定義部１６には、素子群１３（１３₁，１３₂，…１３_M）を構成する各圧電素子３３の配置に関する情報、および各圧電素子３３の開口幅（重み付け）に関する係数がそれぞれ入力可能に構成される。ここで、圧電素子３３のそれぞれの開口幅とは、圧電素子３３のそれぞれが送信または受信する超音波信号の割合、すなわち重み付けを示すものであり、それぞれの圧電素子３３の送信出力を調整するか、あるいはそれぞれの圧電素子３３が受信した信号のゲインを調整することによって適宜設定することができる。

【0024】

圧電素子３３の配置情報と各圧電素子３３の重み付けに基づいて、素子群１３（１３₁，１３₂，…１３_M）の各々に対応する基準位置Ｃが定まると、それぞれの基準位置Ｃと予め定めた探傷角（入射角や屈折角）及び焦点深さに基づいて素子群１３（１３₁，１３₂，…１３_M）の各々に対応する焦点位置Ｆ（Ｆ₁，Ｆ₂，…Ｆ_M）が定まる。

【0025】

素子群定義部１６は、素子群１３に配列する圧電素子３３のうち超音波を出入力させる一つ又は二つの圧電素子の組み合わせに基づいて検査対象３５内の焦点位置Ｆを経由する超音波の伝搬経路１４を演算する。この伝搬経路１４の演算は、検査対象３５及び音響接触媒質３８の表面形状や密度等を基にして、実行される。

【0026】

図２（Ａ）に示すように、素子群１３を構成するＮ個の圧電素子３３のうち、いずれか一つ（図は１番）を送信素子とし、この送信素子を含む全ての圧電素子を受信素子に設定した場合、Ｎ通りの伝搬経路１４を設定することができる。さらに、全ての圧電素子を順番に送信素子とした場合、素子群１３において、Ｎ×Ｎ通りの伝搬経路１４が設定されることになる。

【0027】

計算部１１は、それぞれの伝搬経路１４に基づいて、圧電素子３３の組み合わせにおける、超音波の遅延時間２１を計算する。伝搬経路１４の飛程は、超音波の到達時間に対応するものである。ここで、基準位置Ｃに設定した圧電素子３３を送信素子及び受信素子として組み合わせた伝搬経路を基準とした場合、この基準となる伝搬経路とその他の伝搬経路１４との差分が遅延時間２１に相当する。なお、この基準となる伝搬経路は、同じ圧電素子３３を送信素子及び受信素子に組み合わせることに限定されることはなく、任意の位置の一つ又は二つの圧電素子の組み合わせた伝搬経路を基準に採用することができる。
計算部１１で計算された超音波の遅延時間２１は、対応する圧電素子３３の組み合わせに関連付けて、保存部に保存される。

【0028】

素子群１３（１３₁，１３₂，…１３_M）を構成する圧電素子３３からそれぞれ送受信される超音波を計算部１１で計算した遅延時間２１にしたがって合成した合成波は、基準位置Ｃ（Ｃ₁，Ｃ₂，…Ｃ_M）の素子群１３（１３₁，１３₂，…１３_M）からの予め定めた探傷角の超音波ビームとなる。ここで、素子群１３（１３₁，１３₂，…１３_M）からの超音波ビームは、各圧電素子３３から広がるように伝搬する超音波を合成した指向性を有する合成波である。本実施形態においてはこの超音波ビームの伝搬経路を予め定めた探傷角（入射角や屈折角）にしたがう基準位置Ｃ（Ｃ₁，Ｃ₂，…Ｃ_M）からの経路と定義しており、この伝搬経路は焦点Ｆに至る。なお、超音波ビームの伝搬経路については、素子群１３（１３₁，１３₂，…１３_M）の各々に対応する基準位置Ｃ（Ｃ₁，Ｃ₂，…Ｃ_M）および焦点位置Ｆ（Ｆ₁，Ｆ₂，…Ｆ_M）に基づいて定義してもよい。

【0029】

このように、素子群１３（１３₁，１３₂，…１３_M）に関する基準位置Ｃを定めるための基準位置設定ルールや、合成波である超音波ビームの伝搬経路を定めるのに関する伝搬超音波ビーム設定ルールを予め定義し、これらの基準位置設定ルールや伝搬超音波ビーム設定ルールに基づいて素子群１３（１３₁，１３₂，…１３_M）の基準位置Ｃと素子群１３（１３₁，１３₂，…１３_M）からの超音波ビームの伝搬経路を定めることで、それぞれの素子群１３（１３₁，１３₂，…１３_M）を構成する複数の圧電素子３３からの超音波の合成波である超音波ビームを、それぞれ指向性を有する１つの伝搬経路の波のように取り扱うことができる。

【0030】

信号受信部２３は、各圧電素子３３に入射した超音波が圧電効果により電圧信号に変換された検出信号２５（図３（Ａ））を受信するものである。
圧電素子３３から音響接触媒質３８及び検査対象３５に入射した超音波は、まず検査対象３５の表面で大きく反射・散乱され、その後、検査対象３５の表面に開口するき裂や内部に存在する介在物等の欠陥によって反射・散乱される。このように、反射・散乱された超音波は、アレイプローブ３４に配列する圧電素子３３の各々に入射し、各々から出力される検出信号２５が、対応する信号受信部２３のチャンネルに個別に受信される。

【0031】

強度検知部２６は、受信された検出信号２５の電圧波形をＡ／Ｄ変換よってデジタルデータ化するものである。なお強度検知部２６は、検出信号２５を増幅させる機能や、所定周波数の成分のみを抽出するフィルタ機能を有してもよい。なお、デジタルデータ化された検出信号２５は、受信した圧電素子３３のチャネル情報と受信時間とを関連付けさせてデータ記憶部（図示略）に記憶される。

【0032】

図２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）の右側には、特定した一つ又は二つの圧電素子３３を送信素子及び受信素子とした場合に出力される検出信号２５のタイムチャートＵ（ａ，ｂ）を示している（ここで、ａは送信素子の番号、ｂは受信素子の番号を表す）。

【0033】

生成部３１は、素子群１３（１３₁，１３₂，…１３_M）を構成する圧電素子３３がそれぞれ受信した超音波を計算部１１で計算した遅延時間２１にしたがって合成する。すなわち、生成部３１は、これらの各圧電素子３３が出力した超音波に関する検出信号２５を、対応する圧電素子３３の組み合わせに関連付けて保存されている遅延時間２１だけ、時間軸方向にシフトさせる。さらに、このように遅延処理した検出信号２５の群を、素子群１３を単位として合成し、第１合成信号４１（図２（Ｄ））を生成する。つまり、第１合成信号４１は、検出信号２５を遅延時間２１に基づいて合成することで得られる、基準位置Ｃ（Ｃ₁，Ｃ₂，…Ｃ_M）の素子群１３（１３₁，１３₂，…１３_M）からの、予め定めた探傷角で定まる伝搬経路を有する超音波ビームに関する合成波となる。なお、この素子群１３（１３₁，１３₂，…１３_M）を単位とする検出信号２５の合成は、上述した加算平均する方法が適用される場合の他に、その他の周知方法も適用することができる。

【0034】

ここで、本実施形態においては素子群１３を構成する各圧電素子３３についてそれぞれ重み付け（すなわち開口幅）を設定している。上述の通り、この重み付け（開口幅）については、各圧電素子３３から送信する超音波の出力を調整することで反映させるほか、各圧電素子３３からの送信超音波の出力を圧電素子３３毎には変えずに、各圧電素子３３が受信した信号のゲインを調整することで反映させることができる。このように各圧電素子３３が受信した信号のゲインを調整して各圧電素子３３の重み付け（開口幅）を調整する場合には、生成部３１は、各圧電素子３３が受信した超音波の検出信号２５に対し、しそれぞれ重み付け（開口幅）となるゲインの調整を行ない、ゲインが調整された検出信号２５を遅延時間２１にしたがって合成して第１合成信号４１とする処理を行なう。なお、各圧電素子３３への重み付け（開口幅）を各圧電素子３３から送信する超音波の出力の調整により行う場合には、生成部３１は圧電素子３３がそれぞれ受信した超音波に関する検出信号２５をゲインの調整を行わずに遅延時間２１にしたがって合成する処理を行なえばよい。

【0035】

図３（Ｂ）に示す、基準位置Ｃと焦点位置Ｆとを結ぶラインは、素子群１３から検査対象３５に入射し同じ軌跡で反射する第１合成信号４１に相当する超音波ビームのビームライン（伝搬経路）を表している。図３（Ｂ）および（Ｃ）では、素子群１３を構成する圧電素子３３の数（規定数Ｎ）を５、各圧電素子３３の重み付け（開口幅）をいずれも１００％とした場合を例示している。

【0036】

圧電素子３３の配置情報と各圧電素子３３の重み付けに基づいて定められ基準位置Ｃは、超音波ビームの音響接触媒質３８への入射位置に相当する。なお図３（Ｂ）の例では、圧電素子３３の各中心位置座標にそれぞれの重み付け（いずれも１００％）を乗じて加重平均する基準位置設定ルールにより基準位置Ｃの座標を定めている。

【0037】

基準位置Ｃにおいて入射角αで音響接触媒質３８に入射した超音波ビームは、検査対象３５との界面で屈折し、検査対象３５内に屈折角βで入射する。なお、入射角α及び屈折角βは、音響接触媒質３８や検査対象３５の表面の法線方向に対する、第１合成信号４１に相当する超音波ビームのビームラインの角度で定義している。ここで、これらの基準位置Ｃにおける入射角α及び検査対象内３５内の屈折角βにより定まる超音波ビームのビームラインの向きを探傷角と総称する。

【0038】

図３（Ｃ）は、素子群１３（１３₁，１３₂，…１３_M）を構成する圧電素子３３を、重み付けを一定（すなわち例えば１００％）としたまま１ピッチずつシフトさせて定義した複数の素子群１３（１３₁，１３₂，…１３_M）の各々において生成される第１合成信号４１（４１₁，４１₂，…４１_M）に相当する超音波ビームのビームライン（伝搬経路）を示している。すなわち、第１合成信号４１（４１₁，４１₂，…４１_M）はいずれも等しい入射角α及び屈折角βを有し、したがって、これらの第１合成信号４１（４１₁，４１₂，…４１_M）に相当する超音波ビームのビームラインは、互いに平行で探傷角が等しく、かつ、素子群１３（１３₁，１３₂，…１３_M）を構成する圧電素子３３が１ピッチずつずれていくに連れて素子群中心である基準位置Ｃが圧電素子３３の配列の１ピッチ分（距離Ｐ）ずつずれた離散的な配置となる。なお、素子群１３（１３₁，１３₂，…１３_M）を構成する圧電素子３３の数である規定数Ｎは図３（Ｂ）と同様いずれも５であり、上述のように各圧電素子３３の重み付けの値は等しいので、素子群１３₁，１３₂，…１３_Mを構成する各圧電素子３３の重み付けの合計値も素子群１３₁，１３₂，…１３_Mにかかわらず等しい値（一定）となる。

【0039】

次に、図４を用いて、電素子３３の配列の１ピッチ分（距離Ｐ）ずつずれた２つの第１合成信号４１_ｎ、４１_ｎ＋１の間に超音波ビームのビームライン（伝搬経路）を設定して得られる第２合成信号４２_ｎについて以下に説明する。

【0040】

図４（Ａ）に示すように、２つの第１合成信号４１_ｎ、４１_ｎ＋１はそれぞれ、素子群１３_ｎ、１３_ｎ＋１からの超音波ビームについての合成信号であり、図３（Ｂ）の例と同様に素子群１３_ｎ、１３_ｎ＋１をそれぞれ構成する圧電素子３３の数（規定数Ｎ）を第１規定数である５、各圧電素子３３の重み付け（開口幅）をいずれも１００％として素子群１３_ｎ、１３_ｎ＋１の基準位置Ｃ_ｎ、Ｃ_ｎ＋１を設定し、素子群１３_ｎ、１３_ｎ＋１の基準位置Ｃ_ｎ、Ｃ_ｎ＋１及び予め定められた探傷角（入射角αや屈折角β）に基づいて伝搬経路が設定されている。

【0041】

このとき、素子群１３_ｎまたは素子群１３_ｎ＋１を構成する圧電素子３３を素子群１３_{ｎ＋０．５}と設定する。素子群１３_{ｎ＋０．５}を構成する圧電素子３３の数（規定数Ｎ）は第１規定数である５より１多い第２規定数である６となる。さらに、例えば、素子群１３_{ｎ＋０．５}を構成する６つの圧電素子３３のうち両端の圧電素子３３の重み付けを５０％とし、他の４つの圧電素子３３の重み付けを１００％に設定する。このように素子群１３_{ｎ＋０．５}を構成する圧電素子３３の数である規定数Ｎを第１規定数より多い第２規定数とするとともに、素子群１３_{ｎ＋０．５}を構成する圧電素子３３のそれぞれの重み付けを同じ値から変化させることにより、素子群１３_{ｎ＋０．５}の基準位置Ｃ_{ｎ＋０．５}は素子群１３_ｎ、１３_ｎ＋１の基準位置Ｃ_ｎ、Ｃ_ｎ＋１の中間の位置に設定される。

【0042】

素子群１３_{ｎ＋０．５}の基準位置Ｃ_{ｎ＋０．５}の位置が定まると、予め定められた探傷角（入射角αや屈折角β）と探傷深さに基づいて焦点位置Ｆ_{ｎ＋０．５}が定まる。ここで、素子群１３_ｎ、１３_ｎ＋１からの超音波ビームの探傷角とからの素子群１３_{ｎ＋０．５}からの超音波ビームの探傷角は同一である。したがって焦点位置Ｆ_{ｎ＋０．５}は、圧電素子３３の配列の１ピッチ分の距離Ｐよりも短い距離だけ焦点位置Ｆを配列方向に移動させた仮想的な位置に設定される。なお、実施形態において、焦点位置Ｆ_{ｎ＋０．５}は、素子群１３_ｎ、１３_ｎ＋１からの超音波ビームの焦点位置Ｆ_ｎ、Ｆ_ｎ＋１のいずれからもちょうど距離Ｐ／２だけ離れた中央位置に設定されているが、素子群１３_{ｎ＋０．５}の規定数Ｎや素子群１３_{ｎ＋０．５}を構成する各圧電素子３３の重み付けをそれぞれ適切に設定することで１ピッチ分の距離Ｐをさらに細かく刻んだ位置に設定することもできる。なお、素子群１３_{ｎ＋０．５}の規定数Ｎを第１規定数から変えずに各圧電素子３３の重み付けの値だけを調整して基準位置Ｃ_{ｎ＋０．５}の位置を素子群１３_ｎ、１３_ｎ＋１の基準位置Ｃ_ｎ、Ｃ_ｎ＋１の間の位置に設定しても構わない。また、素子群１３_ｎや１３_ｎ＋１の各圧電素子３３の重み付けの合計値と、素子群１３_{ｎ＋０．５}を構成する各圧電素子３３の重み付けの合計値（あるいは平均値）については、素子群１３_ｎ、１３_{ｎ＋０．５}、１３_ｎ＋１の規定数Ｎによらず等しくすることが好ましい。しかしながら素子群１３_ｎ、１３_{ｎ＋０．５}、１３_ｎ＋１毎の各圧電素子の重み付けの合計値や平均値を厳密に等しくする必要はなく、重み付けの合計値や平均値が探傷結果に影響しない程度の予め定めた範囲内になるようにすればよい。例えば上述の素子群１３_{ｎ＋０．５}を構成する６つの圧電素子３３の重み付けについては、一端の圧電素子の重み付けを４０％や６０％、他端を５０％としてその他の中央の４つを１００％に設定するなどとしても構わない。素子群１３_ｎ、１３_{ｎ＋０．５}、１３_ｎ＋１毎の圧電素子３３の重み付けの合計値や平均値のずれの許容度は検査対象の材質や構造、また検知しようとする欠陥の最小サイズなどによるが、平均値で±５０％程度は許容されることが多く、平均値がこの範囲内に入れば一般的には十分であると考えられる。

【0043】

基準位置をＣ_{ｎ＋０．５}とした素子群１３_{ｎ＋０．５}の焦点位置Ｆ_{ｎ＋０．５}が定まると、設定された焦点位置Ｆを経由する素子群１３_{ｎ＋０．５}を構成する圧電素子３３のそれぞれからの超音波の伝搬経路１４を演算させる。この超音波の伝搬経路１４の演算は、素子群１３_{ｎ＋０．５}を構成する圧電素子３３のそれぞれを対象として、図２を参照して示した手法と同様に、素子群１３_{ｎ＋０．５}に配列する圧電素子３３のうち超音波を出入力させる一つ又は二つの圧電素子の組み合わせに基づいて検査対象３５内の焦点位置Ｆ_{ｎ＋０．５}を経由する超音波の伝搬経路１４として演算される。この超音波の伝搬経路１４の演算は、検査対象３５及び音響接触媒質３８の表面形状や密度等を基にして実行される。

【0044】

計算部１１は、それぞれの超音波の伝搬経路１４に基づいて、同様に素子群１３_{ｎ＋０．５}を構成する圧電素子３３の組み合わせにおける、超音波の遅延時間２１を計算する。計算部１１で計算された超音波の遅延時間２１は、素子群１３_{ｎ＋０．５}の対応する圧電素子３３の組み合わせに関連付けて同様に保存部に保存される。

【0045】

生成部３１は、素子群１３_{ｎ＋０．５}を構成する圧電素子３３がそれぞれ受信した超音波についても同様に計算部１１で計算した遅延時間２１にしたがって合成する。すなわち、生成部３１は、信号受信部２３のチャンネルの各々で受信された検出信号２５を、対応する圧電素子の組み合わせに関連付けて保存されている遅延時間２１だけ、時間軸方向にシフトさせる。さらに、このように遅延処理した検出信号２５の群を、素子群１３を単位として合成し、第２合成信号４２（図４（Ａ））を生成する。つまり、第２合成信号４２は、検出信号２５を遅延時間２１に基づいて合成することで得られる、基準位置Ｃ_{ｎ＋０．５}の素子群１３_{ｎ＋０．５}からの、予め定めた探傷角で定まる伝搬経路を有する超音波ビームに関する合成波となる。

【0046】

図４（Ｂ）は、素子群１３_ｎや１３_ｎ＋１などを構成する圧電素子３３を１ピッチずつシフトさせた複数の素子群１３_ｎ、１３_ｎ＋１、…からの超音波ビームの各々について生成される第１合成信号４１（４１₁，４１₂，…４１_M：実線）に相当するビームラインに加え、素子群１３_{ｎ＋０．５}を構成する圧電素子３３を１ピッチずつシフトさせた複数の素子群１３_{ｎ＋０．５}からの超音波ビームの各々について生成される第２合成信号４２（４２₁，４２₂，…４２_M：破線）に相当するビームラインを示したものである。

【0047】

図５（Ａ）（Ｅ）は、互いに１ピッチずれた規定数Ｎ＝４で構成される素子群１３_n，１３_n+1を示している。この場合、駆動する圧電素子３３の開口幅（重み付け）が全て１００％に設定されるため、各々の検出信号２５からは、１００％の寄与率ということで、生成部３１で処理された第１合成信号４１が生成される。このとき第１合成信号４１のビームラインは、既述したように、定義された焦点位置Ｆ_n，Ｆ_n+1のそれぞれを貫くように設定される。

【0048】

次に図５（Ｂ）（Ｆ）では、素子群の一端に位置する圧電素子の開口幅（重み付け）を７５％に設定し、他端に位置する圧電素子の開口幅（重み付け）を２５％に設定している。この両端に位置する圧電素子の開口幅（重み付け）は、駆動する全ての圧電素子の開口幅（重み付け）の合計が一定値となるように設定する必要がある。これは、検査対象に規定される第１合成信号４１及び第２合成信号４２の全てのビームラインによる欠陥の検出感度を平準化するためである。

【0049】

この場合、生成部３１において、開口幅（重み付け）１００％同士の圧電素子の組み合わせに対応する検出信号２５は１００％の寄与率で処理され、それ以外の圧電素子の組み合わせに対応する検出信号２５は二つの開口幅（重み付け）の値を積算した値の寄与率を与えるよう重み付け係数が与えられ、第２合成信号４２が生成される。
このとき第２合成信号４２のビームラインは、定義された焦点位置Ｆ_n，Ｆ_n+1よりもＰ／４だけ配列方向に平行移動した位置を貫くように設定される。

【0050】

次に図５（Ｃ）（Ｄ）は、駆動する全ての圧電素子の開口幅（重み付け）の合計が一定値になることを保ちつつ、両端に位置する圧電素子の開口幅（重み付け）をさらにＰ／４ずつ増減させた例である。
それぞれの場合において、対応する重み付け係数が保持部に保持されている各圧電素子の開口幅（重み付け）に基づいて検出信号２５が処理されて、第２合成信号４２が生成される。この第２合成信号４２のビームラインは、定義された焦点位置Ｆ_nよりもＰ／２，３Ｐ／４だけ配列方向に平行移動した位置を貫くように設定される。

【0051】

なお、上述の説明において、両端に位置する圧電素子の開口幅（重み付け）をＰ／４ずつずらした例を示したが、ずらす量について特に限定はない。
これにより、検査対象３５の内部画像は、第１合成信号４１とこの第１合成信号４１から仮想的に導かれた第２合成信号４２とに基づいて描画されるために、画素密度が高く空間分解能に優れている。

【0052】

描画部３６は、複数の素子群１３（１３₁，１３₂，…１３_M）の各々を単位に生成部３１で生成される第１合成信号４１及び第２合成信号４２に基づいて、検査対象３５の内部を画像化する（図４（Ｃ））。
第１合成信号４１及び第２合成信号４２の時間軸は、検査対象３５の座標空間に規定されたビームラインの飛程に対応している。そして、第１合成信号４１及び第２合成信号４２の波形の強度に応じて、ビームライン上の画素の輝度を設定することにより、画像が形成されることになる。

【0053】

各実施形態においては、第１合成信号４１とこの第１合成信号４１から仮想的に導かれた第２合成信号４２とに基づいてビームラインが細密に設定されるために、検査対象３５の内部画像は、画素密度が高く空間分解能に優れている。
この描画部３６は、上述した検査対象３５の内部画像の他に、検出信号２５の波形（図３（Ａ））、第１合成信号４１及び第２合成信号４２のビームライン（図４（Ｂ））、超音波の伝搬経路１４（図２）、仮想伝搬経路、素子群の基準位置Ｃ、焦点位置Ｆ等を表示することができる。

【0054】

このような描画部３６は、デジタルデータを表示できるものであればよく、所謂ＰＣモニタ、テレビ、プロジェクタ等が考えられ、ブラウン管のように一度アナログ信号化してから表示させるものでもよい。また、設定した条件に応じて音や発光によりアラームを生じさせたり、タッチパネルとして操作を入力したりする所謂ユーザインタフェース機能を有してもよい。

【0055】

（第２実施形態）
次に図６を参照して本発明における第３実施形態について説明する。なお図６において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
第２実施形態に係る超音波探傷装置１０は、素子駆動部１８に接続する素子群１３を、圧電素子の配列を１ピッチずつシフトさせながら、リニアスキャンする切替部３７をさらに備えている。

【0056】

第２実施形態では、一組の第１合成信号４１及び第２合成信号４２が得られる毎に、駆動される素子群１３が１ピッチずつ連続的にスイープされることになる。
これにより、素子駆動部１８及び信号受信部２３における制御チャンネルは、素子群１３を構成する圧電素子３３の数の分だけ設けられればよいために、回路を簡素化することができる。

【0057】

（第３実施形態）
次に図７を参照して本発明における第３実施形態について説明する。なお図７において図６と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
第４実施形態に係る超音波探傷装置１０における素子駆動部１８は、素子群１３から出力する超音波ビームの入射角度θ及び焦点深度ｄから計算される駆動遅延時間２２に基づいて、圧電素子３３を駆動して超音波を出力する。

【0058】

計算部１２では、ビーム定義部１７で定義されている条件に従って駆動遅延時間２２を計算する。この駆動遅延時間２２は、駆動させる圧電素子３３の素子群１３における相対位置に対して固有の値となるために、素子駆動部１８の制御チャンネルに関連付けて、記憶部に保持される。
図８（Ａ）に示すように、超音波ビームの照射は、初期の素子群１３₁を構成する圧電素子３３の配列を、駆動遅延時間２２に基づくタイミングで駆動する。これにより、超音波ビームが焦点に向けて収束しながら照射される。

【0059】

さらに、図８（Ｂ）〜（Ｃ）に示すように、１ピッチずつシフトさせた素子群１３₂，…１３_Mに対しても同様に、構成する圧電素子３３の配列を、駆動遅延時間２２に基づくタイミングで駆動する。これにより、超音波ビームを収束点とともにリニア移動させることができる。
そして、図９に示すように、生成部３１では、この駆動遅延時間２２が加算された遅延時間２１に基づいて、第１合成信号４１及び第２合成信号４２を生成する。

【0060】

次に図１０に基づいて、実施形態に係る超音波探傷方法について説明する（適宜図１，５，７，８参照）。
まず、アレイプローブ３４を構成する複数の圧電素子３３のなかから規定数Ｎの圧電素子を素子群１３（１３₁，１３₂，…１３_M）として定義する。さらにこの素子群１３に対応する焦点位置Ｆを定義する（Ｓ１１）。そして、このように定義した素子群１３及び焦点位置Ｆの情報をデータ保持する。

【0061】

次に、素子群１３に配列する圧電素子３３のうち超音波を出入力させる圧電素子の組み合わせに基づいて検査対象３５内の焦点位置Ｆを経由する超音波の伝搬経路１４（図２）を演算する（Ｓ１２）。
そして、それぞれの伝搬経路１４に基づいて前記圧電素子の組み合わせにおける超音波の遅延時間２１を計算する（Ｓ１３）。

【0062】

次に、圧電素子３３を駆動し超音波を出力させる（Ｓ１４）。
そして、検査対象３５で内部反射する超音波を検出したそれぞれの圧電素子３３が出力する検出信号２５（図２）を受信する（Ｓ１５）。

【0063】

次に、遅延時間２１に基づいて検出信号２５の群を合成した第１合成信号４１（４１₁，４１₂，…４１_M）（図２（Ｄ），図３）を生成する（Ｓ１６）。
さらに、仮想処理により第２合成信号４２（４２₁，４２₂，…４２_M）（図４）を生成する（Ｓ１７）。

【0064】

そして、１ピッチずつシフトさせて定義した複数の素子群１３（１３₁，１３₂，…１３_M）の各々において生成される第１合成信号４１及び第２合成信号４２に基づいて検査対象３５の内部を画像化（図４（Ｃ））する（Ｓ１８，Ｓ１９，ＥＮＤ）。

【0065】

以上述べた少なくともひとつの実施形態の超音波探傷装置によれば、現実的に生成させた第１合成信号と仮想的に生成させた第２合成信号とにより、アレイプローブを構成する圧電素子のサイズをそのままにして、欠陥検出の空間分解能を向上させることが可能となる。

【0066】

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、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、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ものである。
また、超音波探傷装置の構成要素は、コンピュータのプロセッサで実現することも可能であり、超音波探傷プログラムにより動作させることが可能である。

【0067】

以上説明した超音波探傷装置は、専用のチップ、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）、又はＣＰＵ（Central Processing Unit）などのプロセッサを高集積化させた制御装置と、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）などの記憶装置と、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）やＳＳＤ（Solid State Drive）などの外部記憶装置と、ディスプレイなどの表示装置と、マウスやキーボードなどの入力装置と、通信Ｉ／Ｆとを、備えており、通常のコンピュータを利用したハードウェア構成で実現できる。

【0068】

また超音波探傷装置で実行されるプログラムは、ＲＯＭ等に予め組み込んで提供される。もしくは、このプログラムは、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、メモリカード、ＤＶＤ、フレキシブルディスク（ＦＤ）等のコンピュータで読み取り可能な記憶媒体に記憶されて提供するようにしてもよい。

【0069】

また、本実施形態に係る超音波探傷装置で実行されるプログラムは、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせて提供するようにしてもよい。

【符号の説明】

【0070】

１０…超音波探傷装置、１１…遅延時間の計算部、１３…素子群、１４…伝搬経路、１６…素子群定義部、１７…ビーム定義部、１８…素子駆動部、２１…遅延時間、２２…駆動遅延時間、２３…信号受信部、２５…検出信号、２６…強度検知部、３１…合成信号の生成部、３３…圧電素子、３４…アレイプローブ、３５…検査対象、３６…描画部、３８…音響接触媒質、４０…仮想処理手段、４１…第１合成信号、４２…第２合成信号。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】