三維超聲波成像裝置的製作方法

2023-09-24 00:52:20 2

專利名稱：三維超聲波成像裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及使用超聲波來以三維方式對檢查對象物的內部結構、連接處 的狀態和缺陷的狀態進行非破壞性檢查的三維超聲波檢査技術，尤其涉及 三維可視檢査對象物內的缺陷、剝離、氧化膜、空隙(void)等的雜質或連 接處的剝離狀態的三維超聲波成像裝置。
背景技術：
作為這種三維超聲波成像裝置，有日本特開2003 — 149213號公報和特 開2004—53360號公報中公開的立體超聲波檢査技術。
這些公報中記載的三維超聲波成像裝置具有按矩陣狀或陣列狀平面配 置了多個壓電振動器的超聲波換能器(transducer)，使用從該超聲波換能 器向檢查對象物發送接收的超聲波來使對象物的內部結構或缺陷、空隙、 氧化膜、剝離等的狀態三維可視化，而可以非破壞性地對檢査對象物進行 檢査。
在基於具有多個壓電振動器的超聲波換能器的三維超聲波成像裝置中， 可以使具有多個聲學特性的檢查對象物的層結構、檢查對象物內的缺陷或 空隙、剝離等的狀態通過超聲波來可視化，但是由於處理超聲波換能器的 接收回波信號後得到的三維圖像數據上根據超聲波的發送接收圖案，成像 結果不均勻，所以正確定量判斷檢查對象物的質量是否優良很困難，需要 目測判斷檢查結果，但因個人差異產生了偏差。
現有技術的三維成像處理裝置中，在處理從超聲波換能器發送接收的超 聲波的接收回波信號而得到的檢查對象物的三維成像數據的超聲波圖像中，
(1) 根據超聲波的發送接收圖案，三維超聲波圖像的成像數據變得不 均勻，對檢查對象物進行客觀、定量的檢査很困難。
(2) 由於通過目測來判斷檢査對象物內的缺陷，所以花費時間和人力， 且檢查的判斷條件可能產生了偏差。
(3) 使用按矩陣狀配置的單個或一對超聲波換能器，事先計算對應於 所發送接收的超聲波信號的傳播/折射的傳播時間並表格化，從而在進行表 面為曲面形狀的檢査對象的缺陷探傷、進行焊接處的缺陷檢査用的斜角探 傷時，要求高速/高精度地實現，尤其表面是曲面形狀的檢査對象的缺陷探 傷和焊接處的缺陷檢査用的斜角探傷。

發明內容
本發明考慮上述的情況而做出，其目的是提供一種三維超聲波成像化 裝置，在進行例如圓筒等的曲面形狀的檢査對象的內部缺陷檢查或表面具 有焊珠的焊接處的斜角探傷等的情況下，使檢查對象物的基於超聲波的內 部檢查的精度和處理速度提高，並可自動判斷檢査對象物的質量是否優良。
本發明的三維超聲波成像裝置，為了解決上述問題，包括超聲波換 能器，按矩陣狀或陣列狀配置了多個壓電振動器；驅動元件選擇部，從該
超聲波換能器連接到壓電振動器，選擇多個壓電振動器中振蕩出超聲波的
壓電振動器；信號檢測電路，使從該驅動元件選擇部所選擇的壓電振動器 振蕩出的超聲波經聲傳播介質射入檢査對象物，接收來自該檢查對象物的 反射回波，並檢測出該反射回波的電信號；信號處理部，通過並行運算處 理所檢測出的反射回波的電信號，使檢查對象物的內部對應於預先劃分的 三維成像區域內的網格來生成三維成像數據；以及顯示處理裝置，取得來 自該信號處理部的三維成像數據，進行所述三維成像數據的圖像亮度校正， 使得所述檢查對象物表面的平面方向的成像強度分布平坦化，並顯示校正 結果。
在上述本發明的三維超聲波成像裝置的優選實施例中，所述顯示處理 裝置具有亮度校正電路，將平面(X， Y)方向的校正函數乘以三維成像 數據的值，來進行三維成像數據的亮度校正，其中該平面(X， Y)方向的
6校正函數被設定為使從所述信號處理部取得的三維成像數據的檢査對象物
表面的成像強度分布平坦化；以及顯示部，顯示通過該亮度校正電路校正
了亮度後的三維成像數據。
另外，所述顯示處理裝置也可具有運算判斷電路，生成將對應於檢查 對象物的三維成像區域內的網格的三維成像數據在平面方向上切片的切片 圖像，作為切片圖像，計算各切片圖像的強度在設定值以上的成像網格數， 並根據缺陷等的異常部的位置和面積進行檢查對象物的異常判斷，將該判 斷結果顯示在顯示部上。
另外，為了實現上述目的而提供的本發明的三維超聲波成像裝置，其
特徵在於，包括超聲波換能器，按矩陣狀配置了多個壓電振動器；
驅動元件選擇部，從該超聲波換能器連接到壓電振動器，有選擇地驅
動多個壓電振動器，並選擇振蕩出超聲波的壓電振動器；
信號檢測電路，使從該驅動元件選擇部所選擇的壓電振動器振蕩出的
超聲波經聲傳播介質射入檢查對象物，接收來自該檢查對象物的反射回波，
並檢測出該反射回波的電信號；
信號處理部，取得所檢測出的反射回波的電信號，進行用於將檢查對
象物的狀態成像的圖像合成處理，生成三維成像數據；以及
顯示裝置，取得來自該信號處理部的三維成像數據，顯示圖像合成處
理結果，
所述信號處理部根據所述信號檢測電路檢測出所述壓電振動器的驅動 信號作為反射回波的檢測時間、和所述壓電振動器的矩陣狀的空間配置， 對所述檢查對象物的狀態進行圖像合成。
在上述發明的優選實施例中，最好，所述信號處理部中，對於構成所 述超聲波換能器的所有壓電振動器，根據從存儲了單程超聲波傳播時間的 多個表格數據中、選擇對應於發送接收的組合的成對的表格數據並相加而 得到的往返超聲波傳播時間數據，從來自所述檢查對象物的反射回波的電 信號中選擇成像數據，從而對檢查對象物的表面形狀和內部狀態進行圖像 合成，其中該單程超聲波傳播時間為從該壓電振動器經聲傳播介質、向檢 查對象物內的對應於三維成像數據的三維成像網格的每個進行傳播的時 間。
7另外，最好，所述信號處理部包括邊界設定部，設定並存儲所述檢 査對象物的表面形狀；表格數據生成部，根據由所述邊界設定部設定的檢 査對象物的表面形狀和所述壓電振動器的坐標信息，容納從壓電振動器經 聲學介質到檢查對象的表面和內部的所述三維成像網格的超聲波傳播時 間，並對所有壓電振動器生成存儲了所述單程超聲波傳播時間的表格數據; 以及圖像合成處理部，經A/D轉換器，取得在波形存放存儲器中記錄的波 形數據和所述表格數據，併合成三維圖像。
另外，所述信號處理部也可通過將邊界抽出部生成的表面形狀和所述 壓電振動器的坐標信息輸入到表格數據生成部中，將檢查對象物的內部狀 態可視化，其中所述邊界抽出部取得所述檢查對象的表面的成像結果，並 自動抽出表面形狀。
另外，所述信號處理部也可依次選擇在所述表格數據生成部生成的多 個表格數據當中，與對於所收集的所有所述波形數據、在收集所述波形數 據時被選擇出的發送、接收的一對壓電振動器相對應的兩個表格數據並進 行相加，並根據由該相加結果得到的往返超聲波傳播時間，對所述三維成 像網格依次進行所對應的所述波形數據的分配和相加處理，從而合成三維 圖像。
另外，可以是，所述信號處理部的所述表格數據生成部，通過在所生 成的多個表格數據中，利用單程超聲波傳播時間在深度方向上連續變化的 情況來存儲深度方向的差分處理結果，從而壓縮單程超聲波傳播時間表格 的數據容量。
另外，也可以是，通過在所述超聲波換能器上經由耦合劑來緊貼固定 楔形的底板材料，相對檢査對象物傾斜固定，來生成表格數據，從而沿斜 角發送接收超聲波而將檢査對象物的內部狀態三維可視化。
另外，也可以是，通過設置一對所述超聲波換能器，在檢查對象的表 面上彼此面對對方的狀態來傾斜固定，並將該一對超聲波換能器中的一個 作為發送用，另一個作為接收用，來生成所述表格數據，從而將檢查對象 物的內部狀態三維可視化。
再有，還可以是，使用使所述壓電振動器為線性配置的超聲波換能器， 將檢查對象物的表面形狀二維可視化，並在所述信號處理部的所述邊界抽出部中取得所得到的截面成像數據，每次將檢查對象物旋轉一定角度時， 由邊界抽出部自動抽出表面形狀，重新生成所述表格數據(二維)的同時， 一個接一個地將檢査對象物的內部截面圖像可視化，並沿所述旋轉角度的 軸重疊所得到的多個所述截面圖像，從而進行三維成像並顯示。
根據具有上述特徵的本發明，可以校正由具有超聲波換能器的三維超 聲波成像裝置合成的三維成像數據，提供更均勻且更容易看的顯示圖像， 另外，可以客觀且定量顯示檢査對象物的內部缺陷或空隙等的異常部，可 以迅速且正確地、定量地自動判斷檢查對象物的質量是否優良。
本發明的進一步特徵和使用性可以通過參考附圖的下面所記載的本發 明的優選實施例的記載，來進一步明白地加以理解。


圖1是表示本發明的第一實施方式的三維超聲波成像裝置的整體結構
圖2 (圖2A、圖2B和圖2C)是表示圖1所示的三維超聲波成像裝置 中具有的顯示處理裝置的圖像校正處理例的圖3 (圖3A和圖3B)是表示本發明的三維超聲波成像裝置中具有的 顯示處理裝置中的運算判斷電路的自動判斷處理例的圖4 (圖4A、圖4B和圖4C)是表示本發明的三維超聲波成像裝置中 具有的顯示處理裝置中的差分判斷電路的自動判斷處理例的圖5是表示本發明的第二實施方式的三維超聲波成像裝置的整體結構
圖6是圖5的信號處理部的結構圖7是表示了本發明的第三實施方式的三維超聲波成像裝置的信號處 理例的說明圖8是表示了本發明的第四實施方式的三維超聲波成像裝置適用於斜 角檢查的例子的說明圖9是本發明的第五實施方式中的三維超聲波成像裝置中的按發送接 收來區分的矩陣換能器對成像的說明圖IO是表示了本發明的第六實施方式中的三維超聲波成像裝置中的線性陣列換能器的使用例的說明圖。
具體實施例方式
參考附圖來說明本發明的三維超聲波成像裝置的實施方式。
圖1是表示本發明的三維超聲波成像裝置的第一實施方式的結構圖。
三維超聲波成像裝置io作用為可以將檢查對象物的內部結構或缺陷形
狀精細地立體成像的超聲波攝像機。三維超聲波成像裝置10包括使超聲 波振動和電信號彼此變換，並發送接收需要頻率的超聲波的超聲波換能器 11;產生使該超聲波換能器11驅動的驅動信號的信號發生部12;選擇來自 信號發生部12的驅動信號，並有選擇地驅動超聲波換能器11的壓電振動
器的驅動元件選擇部13;將從超聲波換能器11發出的超聲波照射到檢查對
象物14的檢查區域15，並經超聲波換能器11來檢測來自該檢査區域15 的反射回波的電信號的信號檢測電路16;並行運算處理由該信號檢測電路
16檢測到的反射回波的電信號而生成三維(3D)超聲波圖像數據的信號處 理部17;進行通過該信號處理部n處理後的三維超聲波成像數據或顯示圖 像的校正處理與比較處理，自動高精度地判斷檢查對象物14的內部缺陷28 的狀態，並顯示判斷結果的顯示處理裝置18。
另外，三維超聲波成像裝置10具有超聲波檢査用傳感器裝置20，該超 聲波檢查用傳感器裝置20可以將檢查對象物14的內部結構作為高靈敏度/ 高解析度的三維超聲波圖像迅速取出，並加以顯示，並可對每一個圖像進 行1秒到幾十秒的高速檢查。該超聲波檢查用傳感器裝置20具有作為發送 接收超聲波的超聲波傳感器的超聲波換能器11，在作為該超聲波換能器11 的傳感面的發送接收面上緊貼有聲傳播介質21 。
該三維超聲波成像裝置IO可以應用於汽車業、航空業、鐵路業的焊接 處的維護狀態或有無焊接缺陷的探傷及設備(plant)業與造船業的焊接處 的狀態觀察。
超聲波換能器11構成為由按m行n列的矩陣狀來獨立排列配置了作為 壓電元件的多個壓電振動器22的矩陣傳感器構成的超聲波傳感器。通過具 有該超聲波傳感器11的超聲波攝像機(三維超聲波成像裝置10)，可以瞬 時收集幾千到幾萬個反射回波的超聲波波形，並通過圖像合成處理，來高
10速成像處理檢査對象物14的內部結構、連接區域15的狀態或有無焊接缺
陷或狀態。
通過驅動元件選擇部13將信號發生部12產生的驅動信號選擇地施加 到超聲波換能器11的各壓電振動器22。通過驅動元件選擇部13的選擇， 一個一個地或一次多個地決定各壓電振動器22的驅動順序，各壓電振蕩器 22在需要的驅動定時進行驅動。也可以是代替按矩陣狀來配置壓電振動器 22，而按一列或按十字的線狀來進行陣列排列，而構成陣列傳感器。艮P， 構成超聲波換能器ll的超聲波傳感器可以是矩陣傳感器，也可以是陣列傳 感器。
超聲波換能器11將液體或固體的聲傳播介質21作為底板(shoe)部 件緊貼到作為超聲波的傳感面的發送接收面，具體為檢査對象物14側。在 聲傳播介質21和檢查對象物14之間根據需要設置獲得超聲波的聲學匹配 的耦合劑24。耦合劑24由揮發性低的膠狀液體或固體形成。在聲傳播介質 21是液體的情況下，不需要耦合劑24。
另外，作為底板部件的聲傳播介質21整體上是箱狀，其開口面積根據 檢查對象物14的檢査區域(目標區域)15的大小形成，聲傳播介質21的 高度由從壓電振動器22振蕩的超聲波的振蕩角度(擴展角)來決定。
檢查對象物14例如以通過點焊接來連接的兩片板狀構造物14a、 14b 為對象，該板狀構造物14a、 14b的檢査區域15通過三維超聲波成像裝置 10，使用超聲波非破壞性地進行內部檢查。檢查對象14也可使用重疊三片 以上的板狀結構物來進行焊接的多層構造物。另外，檢査對象物14可以是 金屬材料，可以是樹脂材料，也可以是被檢體。
另一方面，使驅動信號作用於超聲波換能器11的信號發生器12是為 了驅動壓電振動器22的壓電體而產生超聲波，對超聲波換能器11通過外 部電壓的施加，產生脈衝狀或連續的驅動信號的裝置。即，所產生的驅動 信號在選擇了通過驅動元件選擇部13驅動的第m行n列的壓電振動器 22mn後，在預定的定時向所選擇的壓電振動器22mn施加驅動信號。驅動 元件選擇部13在所需要的定時依次選擇要驅動的一個或多個壓電振動器 22mn，並向所選擇的壓電振動器22mn施加來自信號發生部12的驅動信號 時，壓電振動器22mn被驅動，由於作為壓電體的性質，向檢查對象物14振蕩超聲波U。
從超聲波換能器11的各壓電振動器22依次振蕩的超聲波通過作為底
板部件的聲傳播介質21，並經耦合劑24射入到檢查對象物14的檢查區域 15內部，而在檢查區域15的各邊界層上進行反射。
通過檢查對象物14的表面25、邊界面(檢査對象物體14a的底面、檢 查對象物14b的表面)26、底面27、缺陷部28等的各邊界層反射的超聲波 的反射回波，從檢查對象物14經聲傳播介質21，具有時間差地分別被作為 超聲波傳感器的超聲波換能器11的各壓電振動器22接收，使各壓電振動 器22振動而變換為反射回波的電信號。反射回波的電信號接著輸入到信號 檢測電路16中，這裡，反射回波的電信號由每個壓電振動器22檢測出。
該三維超聲波成像裝置10在驅動信號施加到超聲波換能器11的各壓 電振動器22中的、通過驅動元件選擇部13選擇出的第m行n列的壓電振 動器22mn時，該壓電振動器22mn動作而使超聲波U振蕩。該振蕩的超聲 波U經聲傳播介質21及根據需要設置的耦合劑24照射到檢査對象物14 的檢査區域15。照射到檢查對象物14的檢查區域15的超聲波U從檢查區 域15的密度邊界層反射一部分而變為反射回波，該反射回波通過耦合劑 24、聲傳播介質21回到矩陣傳感器(超聲波換能器)11中，在各壓電振動 器22上具有時間差地分別被接收。通過基於各壓電振動器22的壓電變換， 反射回波變為電信號而送到信號檢測電路16中並被檢測出。
超聲波換能器11通過對各壓電振動器22，由驅動信號選擇部13依次 作用驅動信號，從而各壓電振動器22在需要的定時依次被驅動，並通過作 為超聲波傳感器的矩陣傳感器11來分別二維接收從各壓電振動器22振蕩 的超聲波的反射回波。
矩陣傳感器ll的壓電振動器22的m行n列為例如10X10個時，按矩 陣狀排列100個壓電振動器22，並通過驅動元件選擇部13來依次驅動各壓 電振動器22mn。若向各壓電振動器22依次施加驅動信號，則在其驅動定 時從各壓電振動器22依次振蕩出超聲波U。從各壓電振動器22依次振蕩 的超聲波的反射回波通過作為超聲波傳感器的矩陣傳感器11來依次接收， 並將作為該接收信號的反射回波的電信號每次發送到信號檢測電路16。
因此，通過超聲波換能器ll的動作，從矩陣狀排列的各個壓電振動器22振蕩的超聲波的反射回波由矩陣傳感器11來二維接收。矩陣傳感器11
分別接收振蕩超聲波的各個超聲波振動器20mn部分的反射回波，並作為反 射回波的電信號送到信號檢測電路16，經該信號檢測電路16送到信號處理 部17中。
信號檢測電路16檢測由矩陣傳感器11發生的反射回波的電信號。檢
測出的電信號中，檢查所需的多個信號經放大器31a、 31b.....31i分別導
入到信號處理部17中。放大器31a、 31b、 ...、 31i也可包含在信號處理部 17中。
放大器31a、 31b.....31i將所導入的反射回波的電信號例如約10000
倍左右地放大為可進行信號處理的分貝(dB)值，並將其分別供給將模擬
信號轉換為數位訊號的A/D轉換器32a、 32b.....32i。 A/D轉換器32a、
32b..... 32i對所導入的電信號進行A/D變換，並將其分別導入到並行處
理器33a、 33b、 ...、 33i上。
信號處理部17內的並行處理器33具有作為綜合處理器的三維圖像生
成部，並行且迅速地運算處理從A7D轉換器32a、 32b.....32i導入的數
字信號，分別確定來自檢查區域(成像區域)上預先劃分的各網格的反射 強度，而生成將檢查對象物14網格化後的內部狀態可視化的三維成像數據 I。所生成的三維成像數據I從並行處理器33送到顯示處理裝置18中。
信號處理部17的並行處理器33按每個檢査區域的網格來處理從A/D
轉換器32a、 32b.....32i導入的數位訊號，並生成將檢査對象物14的連
接區域15的狀態可視化的三維超聲波成像數據I。從由信號檢測電路16檢 測出的反射回波的電信號通過孔徑合成處理，對應於在檢查對象物14的內 部設置的三維成像區域內的各網格來生成三維成像數據I。
另外，並行處理器33的三維圖像生成部從作為超聲波傳感器的超聲波 換能器ll看為正面(X-Y平面)的方向，和相對與該正面正交的兩個側面 (Y-Z平面)、(Z-X平面)垂直的方向的總共三個方向來透視三維成像 數據I，並且，通過分別將三個方向的三維成像數據I中與透視方向重合的 成像數據中值最大的數據投影到平面上，而從各方向進行透視，從而生成 三個平面(二維)圖像。
顯示處理裝置18具有校正處理從信號處理部17導入的三維成像數
13據I的圖像亮度分布的亮度校正電路35;將所測量的三維成像數據I分割
為水平方向的切片圖像Is的集合體，根據各個切片圖像Is的超聲波反射強
度分布來計算異常部的位置及其面積或體積，並自動判斷檢查對象物14的 質量是否優良的運算判斷電路36;對正常的檢査對象物14的標準化成像數 據和所計算出的三維成像數據I進行差分處理，來自動檢測出缺陷等的異 常部位的差分判斷電路37;和顯示亮度校正後的三維成像數據I或檢查對
象物14的自動判斷結果的顯示部38。運算判斷電路36和差分判斷電路37 也可僅具有其中一個。
顯示處理裝置18的亮度校正電路35進行亮度分布校正，以使得從信 號處理部17發送的三維成像數據I中產生的亮度分布的偏差被消除，圖像 的亮度分布平坦化。
由信號處理部17的並行處理部33生成的三維成像數據I由於基於來 自超聲波換能器11的各壓電振動器22的發送接收圖案的超聲波照射不均 勻，故在檢查對象物14的表面圖像的亮度分布中產生了偏差。檢查對象物 14的表面圖像44在圖2A中縱軸表示增益、橫軸表示X方向位置的分布圖 中，表示為如超聲波的反射強度分布R那樣，三維成像數據I的表面圖像 44如圖2B所示，有中央部強，周邊弱的趨勢。
因此，為了在檢査對象物14的表面圖像44上不產生由超聲波的反射 強度分布R引起的強弱，使用亮度校正曲線C進行三維成像數據I的平坦 化，以便不會表現出由亮度分布偏差所帶來的惡劣影響，並進行三維成像 數據I的圖像亮度校正，以得到圖2C表示的均勻亮度分布圖像，其中亮度 校正曲線C是成為反射強度分布R的例如倒數的平面(X， Y)方向的校正 函數。三維成像數據I的圖像亮度校正結果作為立體的顯示圖像Id顯示在 顯示部38上。
顯示處理裝置18的亮度校正電路35通過從超聲波換能器11的各壓電 振動器22mm進行的超聲波發送接收，校正三維成像數據I的亮度值，使 得來自檢查對象物14內部的無數反射回波進行孔徑合成處理後得到的三維 成像數據I的平面方向的分布平坦化，並得到亮度值沒有偏差的均勻的圖 像Id。
艮P，顯示處理裝置18的亮度校正電路35通過對與檢査對象物14的三維成像區域內的網格相對應的三維(3D)成像數據I，根據水平方向(X、 Y方向)分布，放大成像數據值(亮度值)，或進行檢查對象物14的表面 反射波的影響校正或檢查對象物14內部的超聲波的衰減校正，從而可以在 顯示部38上屏幕顯示沒有亮度偏差、更均勻更容易看的處理後的檢查對象 物14的三維顯示圖像Id。
另外，三維成像數據I或Id表示超聲波的反射強度，顯示處理裝置18 的運算判斷電路36為了自動判斷檢査對象物14有無內部缺陷28，將三維 成像數據Id的三維圖像分割處理為沿水平方向(X， Y方向)截斷的切片 圖像Is。處理後的三維圖像將三維成像數據I的處理前的三維圖像分割為包 含從表面圖像Isl到底面圖像Isb的切片圖像Is的集合體。
將切片圖像Is的網格數設定為在檢查對象物14上預先設置的立體網 格數，通過計算預先設置了成像亮度的設置值以上的成像網格數，來求出 其位置和面積。
處理前的三維圖像通過運算判斷電路36，在處理後分割為沿水平方向 截斷的切片圖像Is，根據各切片圖像Is的反射波強度分布，通過成像網格 數的計算來客觀且定量地求出超聲波的反射強度為設定值以上的缺陷等的 異常部的三維位置(3D位置)及其面積或體積，並可以自動判斷檢查對象 物14的質量是否優良。
另外，檢查對象物14a的底面(檢查對象物的邊界面26)因其密度差 而具有大的超聲波反射強度，該大的超聲波反射強度在檢查對象物14a的 底面圖像Isb上變為成像亮度的大小(明暗)來進行表示。因此，通過定量 觀察檢查對象物"a的底面部的成像亮度，通過切片圖像Is的成像網格數 的計數，可以定量且高精度地評價在檢査對象物14的內部產生的空隙或微 小缺陷。
進一步，顯示處理裝置18具有自動判斷檢查對象物14的內部缺陷等 的異常部的差分判斷電路37。該差分判斷電路37將事先取得的正常檢查對 象物(工件)的三維成像數據作為標準值(標準成像數據)預先存儲在存 儲器40中。通過比較電路41來比較所存儲的標準成像數據和所測量出的 三維成像數據I (或Id)，並通過進行差分處理，來抽出檢査對象物14的 內部缺陷等的異常部位48，而自動判斷檢査對象物14的質量是否優良。
15具體的，差分判斷電路37包含比較電路41、存儲器40，向比較電路41發送圖4A所示的所測量出的三維成像數據I (Id)，另一方面，向該比較電路41送出在存儲器40中存儲的圖4B所示的標準成像數據，並進行差分處理。所測量出的三維成像數據I是對應於檢查對象物14的三維成像區域內的網格的數據值。
通過差分處理圖4A的測量出的三維成像數據和圖4B所示的標準成像數據，如圖4C所示，識別出檢查對象物14的缺陷等的異常部位48和基於形狀的固定圖像，通過得知其差分為事先設定的設定值以上的成像網格數及其位置，可以自動檢測出檢査對象物14內部的缺陷等的異常部位48的三維位置和面積或體積。將該檢查結果顯示在顯示部38上。圖4A和B中，符號46、 47是後加工三維形狀圖像。
本發明的實施方式中，具有由按矩陣狀或陣列狀獨立地形成多個的壓電振動器22構成的超聲波換能器11的三維超聲波成像裝置所合成的三維成像數據I，通過顯示處理裝置18的亮度校正電路35來校正處理，通過根據超聲波換能器11的位置來使移動超聲波換能器11而得到的多個成像數據結合，可以進行更均勻更容易區分的三維成像。
顯示處理裝置18通過根據將檢查對象物14的三維成像數據I沿水平方向切開的切片圖像來計算設定值以上的亮度的成像網格數及其位置，比較檢査對象物14的正常工件的三維成像的標準成像數據和所測量出的三維成像數據、並進行差分處理，從而可以自動判斷出檢査對象物14的內部缺陷等的缺陷部的三維位置、大小(面積或體積)，而可以自動判斷檢查對象物14是否優良。
另一方面，本發明中，如之前所描述的，提供了使用具有上述這種結構、作用的圖1所示的三維超聲波成像裝置來進行檢查的機構，尤其在該三維超聲波成像裝置中，作為本發明的第二實施方式，參考附圖來說明檢查表面為曲面形狀的檢査對象的缺陷的情況。
圖5和圖6是本實施方式的三維超聲波成像裝置的結構圖。對與圖1所示的三維超聲波成像裝置相同的結構，添加同一符號而省略詳細的說明。如圖5所示，該三維超聲波成像裝置具有超聲波換能器(矩陣傳感器)11、信號發生器12、驅動元件選擇部13、信號檢測電路16、放大器31a、...、31i、信號處理部17和顯示處理裝置8，超聲波換能器11的前表面直接接
觸液體的聲傳播介質21，接收從檢查對象(超聲波的照射對象)14中的缺陷28反射的超聲波U。超聲波換能器11按矩陣狀來配置n個壓電振動器
22.....22，對於各個壓電振動器22，確定通過驅動元件選擇部13的選擇
來進行驅動的振動器，並通過導線來導入來自信號發生部12的驅動信號。另外，各個壓電振動器22發出的電信號通過導線導入到信號檢測電路16中。
若電驅動壓電振動器22，則由於作為壓電體的性質，產生了超聲波，所產生的超聲波U在聲傳播介質21中傳播，並通過曲面邊界49折射後，到達檢查對象14A內的缺陷28。由缺陷28引起的超聲波U再次在曲面邊界49上折射後，經聲傳播介質21輸入到壓電振動器22，由此，各個壓電振動器22產生電信號。
信號發生部12產生脈衝狀或連續的驅動信號，使得壓電振動器22產生超聲波U。所產生的驅動信號導入到驅動元件選擇部13中。
驅動信號選擇部13在選擇要驅動的一個或多個壓電振動器22後，將從信號發生部12導入的驅動信號導入到所選擇的壓電振動器22中。信號檢測電路16檢測出由壓電振動器22產生的電信號。將所檢測出的電信號
中，檢查所需的多個電信號分別依次導入到放大器31 Gla.....31i)中。
放大器31放大所導入的電信號，並將其供給圖6中的信號處理部17內的
A/D轉換器32 (32a.....32i) 。 A/D轉換器32對所導入的電信號進行
A/D轉換，並將其暫時存儲到信號處理部7內的波形存放存儲器75中後，導入到圖像合成處理部76中。圖像合成處理部76處理從波形存放存儲器75導入的數位訊號，生成將檢查對象的狀態可視化的信息。所生成的信息導入到顯示處理裝置18中，而顯示在顯示部38中。
另一方面，綜合處理器80的表格數據生成部81中，根據邊界面設定部83或邊界面抽出部82生成的曲面邊界49的數據和各壓電振動器22、…、22的坐標數據，生成存儲了來自各個壓電振動器22的信號被發送、在曲面邊界49中折射併到達成像區域50內的所有成像網格的單程超聲波傳播時間的n個表格數據(1) 84 表格數據(n) 88。
另外，在邊界面抽出部82中，通過從事先取得並在圖像合成處理部76中生成的檢査對象14A的成像結果中抽出處理檢查對象14A的表面位置，從而可以自動生成曲面邊界49的位置數據。
圖7是在與本發明的第三實施方式有關的圖像合成處理部中進行的圖像合成處理有關的變形例，表示了基於在壓電振動器(j) 22j和壓電振動器(k) 22k中發送接收的超聲波U的圖像合成處理過程。
超聲波U在曲面邊界49中進行折射後，到達成像區域50內。因此，表格數據(1) 86中，存儲了從壓電振動器(1) 22—1發送、在曲面邊界49中進行折射後，到到達成像區域50的各網格為止的單程超聲波傳播時間的數據。同樣，在表格數據(k) 87中，存儲了從壓電振動器(k) 22k發送、在曲面邊界49中進行折射後，到到達成像區域50的各網格為止的單程超聲波傳播時間的數據。
圖7中作為圖像合成處理例，表示了向成像區域50內的成像網格(i)51 成像網格(i+2) 52...的壓電振動器(j)和壓電振動器(k)之間的發送接收波形60的分配處理。
對成像網格(i) 51的分配處理通過將表格數據(j) 86內的第(i)個中存儲的傳播時間(j， 0 91和在表格數據(k) 87內的第(i)個上存儲的傳播時間(k， 0 94相加來得到往返傳播時間，或從壓電振動器(j)和壓電振動器(k)之間的發送接收波形60中選擇最近延遲時間的數據，而對成像區域50內的成像網格(i) 51內的數據進行相加處理。
對成像網格(i) 52的分配處理通過將在表格數據(j) 86內的第(i+ 1)個中存儲的傳播時間(j， i+l) 92和在表格數據(k) 87內的第(i+ 1)個上存儲的傳播時間(k， i+l) 95相加來得到往返傳播時間，或從壓電振動器(j)和壓電振動器(k)之間的發送接收波形60中選擇最近延遲時間的數據，而對成像區域40內的成像網格(i+l) 52內的數據進行相加處理。
通過對成像網格(i+2) 53、成像網格(i+3) 54 —個接一個地進行同樣的處理，並對成像區域50內的所有網格進行同樣的處理，壓電振動器(j)和壓電振動器(k)之間的發送接收波形60的基於分配的圖像合成處理完成。
之後，改變對成像區域50分配的發送接收波形，並對發送接收的所有組合重複同樣的處理，從而可以完成檢查對象14A的內部狀態的成像。
進一步，由於在表格數據(1) 84 表格數據(n) 88中存儲了從壓電振動器(1) 22—1到壓電振動器(n) 22n發送、在曲面邊界49中折射後，到到達成像區域50的各網格為止的單程超聲波傳播時間的數據，所以沿深度方向連續配置的單程超聲波傳播時間也連續變化。因此，通過對於沿深度方向配置了沿深度方向配置的表格數據(1) 84 表格數據(n) 88的單程超聲波傳播時間數據的網格，依次進行差分處理來加以存儲，從而可以大幅度壓縮數據容量。
圖8作為本發明的第四實施方式，是說明適用於斜角檢查的例子的結構圖。如圖8所示，在適用於斜角檢査的例子中，在超聲波換能器ll的前端部上隔著液狀的耦合劑111緊貼有丙稀或聚苯乙烯等的樹脂類的底板材料108，並進一步在底板材料108的表面上塗敷耦合劑，從而緊貼在平面或圓筒形狀等的檢查對象109上的結構。
這裡，通過傾斜底板材料108和矩陣換能器的安裝面角度，而使由壓電振動器(1) 22—l到壓電振動器(n) 22n發送的超聲波在檢査對象109內折射，沿傾斜方向(例如45度或70度)射入，並通過接收從缺陷110反射的超聲波U，而可以進行缺陷110的成像。以該傾斜射入為前提，通過進行基於邊界面設定部83的表格數據(1) 84 表格數據(n) 88的生成，從而可以進行基於斜角的三維圖像合成。
圖9作為本發明的第五實施方式，是說明基於分為發送接收的三維換能器對的成像的適用例的結構圖。如圖9所示，相對地配置發送用換能器102和接收用換能器103，使其可彼此進行超聲波發送接收。
發送用換能器102和接收用換能器103與適用於斜角檢查的例子相同，在前端部分別隔著液狀的耦合劑111來緊貼相同形狀的底板材料108，並進一步在底板材料108的表面上塗敷耦合劑而緊貼到配管等的檢査對象物109上，夾著缺陷110的方式固定為大致對稱地配置。
這裡，通過改變底板材料108和發送用換能器102與接收用換能器103的安裝面角度，從發送用壓電振動器106發送的超聲波在檢查對象109內折射並沿傾斜方向來射入，在缺陷110中衍射、反射的超聲波U由接收用壓電振動器107來接收，從而可以進行缺陷110的成像。
19通過以發送用矩陣換能器102和接收用矩陣換能器103進行的發送接收為前提，並進行基於表格數據生成部81的表格數據(1) 84 表格數據(n) 88的生成，可以進行基於發送用矩陣換能器102和接收用矩陣換能器103的三維圖像合成。
圖10作為本發明的第六實施方式，是說明基於線性陣列換能器119的適用於圓筒形狀檢查的例子的結構圖。如圖IO所示，在排列了按直線狀配置的n個壓電振動器(l) 120到壓電振動器(n) 121的線性陣列換能器119中，通過發送接收超聲波，而可以將檢査對象109內的二維截面成像。
這時，通過由邊界面設定部設定檢查對象109的曲線邊界113，並生成表格數據(1) 84到表格數據(n) 88，從而可以進行截面形狀固定的檢查對象109的內部檢査。
這時，通過以中心軸125為中心而使檢查對象109旋轉，每次轉角a變化一定值時進行截面的成像，並沿轉角a的方向來重疊顯示所得到的多個截面圖像，從而可以進行檢査對象109內的缺陷的三維成像。
進一步，每次轉角(x變化一定值時，將檢查對象109的表面成像，並通過邊界抽出部82來處理其結果，通過每次重新生成曲線邊界113，並生成表格數據(1) 84到表格數據(n) 88，從而可以進行截面形狀變化的檢査對象109的內部檢査。
權利要求
1、一種三維超聲波成像裝置，其特徵在於，包括超聲波換能器，按矩陣狀配置了多個壓電振動器；驅動元件選擇部，從該超聲波換能器連接到壓電振動器，有選擇地驅動多個壓電振動器，並選擇振蕩出超聲波的壓電振動器；信號檢測電路，使從該驅動元件選擇部所選擇的壓電振動器振蕩出的超聲波經聲傳播介質射入檢查對象物，接收來自該檢查對象物的反射回波，並檢測出該反射回波的電信號；信號處理部，取得所檢測出的反射回波的電信號，進行用於將檢查對象物的狀態成像的圖像合成處理，生成三維成像數據；以及顯示裝置，取得來自該信號處理部的三維成像數據，顯示圖像合成處理結果，所述信號處理部根據所述信號檢測電路檢測出所述壓電振動器的驅動信號作為反射回波的檢測時間、和所述壓電振動器的矩陣狀的空間配置，對所述檢查對象物的狀態進行圖像合成。
2、 根據權利要求1所述的三維超聲波成像裝置，其特徵在於 所述信號處理部中，對於構成所述超聲波換能器的所有壓電振動器，根據從存儲了單程超聲波傳播時間的多個表格數據中、選擇對應於發送接 收的組合的成對的表格數據並相加而得到的往返超聲波傳播時間數據，從 來自所述檢查對象物的反射回波的電信號中選擇成像數據，從而對檢査對 象物的表面形狀和內部狀態進行圖像合成，其中該單程超聲波傳播時間為 從該壓電振動器經聲傳播介質、向檢查對象物內的對應於三維成像數據的 三維成像網格的每個進行傳播的時間。
3、 根據權利要求2所述的三維超聲波成像裝置，其特徵在於 所述信號處理部包括邊界設定部，設定並存儲所述檢查對象物的表面形狀； 表格數據生成部，根據由所述邊界設定部設定的檢查對象物的表面形 狀和所述壓電振動器的坐標信息，容納從壓電振動器經聲學介質到檢査對 象的表面和內部的所述三維成像網格的超聲波傳播時間，並對所有壓電振 動器生成存儲了所述單程超聲波傳播時間的表格數據；以及圖像合成處理部，經A/D轉換器，取得在波形存放存儲器中記錄的波形數據和所述表格數據，併合成三維圖像。
4、 根據權利要求2所述的三維超聲波成像裝置，其特徵在於所述信號處理部通過將邊界抽出部生成的表面形狀和所述壓電振動器的坐標信息輸入 到表格數據生成部中，將檢査對象物的內部狀態可視化，其中所述邊界抽出部取得所述檢査對象的表面的成像結果，並自動抽 出表面形狀。
5、 根據權利要求2所述的三維超聲波成像裝置，其特徵在於所述信號處理部依次選擇在所述表格數據生成部生成的多個表格數據當中，與對於所 收集的所有所述波形數據、在收集所述波形數據時被選擇出的發送、接收 的一對壓電振動器相對應的兩個表格數據並進行相加，並根據由該相加結 果得到的往返超聲波傳播時間，對所述三維成像網格依次進行所對應的所 述波形數據的分配和相加處理，從而合成三維圖像。
6、 根據權利要求3 5的任意一項所述的三維超聲波成像裝置，其特徵在於所述信號處理部的所述表格數據生成部，通過在所生成的多個表格數 據中，利用單程超聲波傳播時間在深度方向上連續變化的情況來存儲深度 方向的差分處理結果，從而壓縮單程超聲波傳播時間表格的數據容量。
7、 根據權利要求2所述的三維超聲波成像裝置，其特徵在於通過在所述超聲波換能器上經由耦合劑來緊貼固定楔形的底板材料， 相對檢查對象物傾斜固定，來生成表格數據，從而沿斜角發送接收超聲波 而將檢查對象物的內部狀態三維可視化。
8、 根據權利要求2所述的三維超聲波成像裝置，其特徵在於通過設置一對所述超聲波換能器，在檢査對象的表面上彼此面對對方 的狀態來傾斜固定，並將該一對超聲波換能器中的一個作為發送用，另一 個作為接收用，來生成所述表格數據，從而將檢查對象物的內部狀態三維 可視化。
9、 根據權利要求4所述的三維超聲波成像裝置，其特徵在於使用使所述壓電振動器為線性配置的超聲波換能器，將檢查對象物的 表面形狀二維可視化，並在所述信號處理部的所述邊界抽出部中取得所得 到的截面成像數據，每次將檢査對象物旋轉一定角度時，由邊界抽出部自 動抽出表面形狀，重新生成所述表格數據(二維)的同時， 一個接一個地 將檢査對象物的內部截面圖像可視化，並沿所述旋轉角度的軸重疊所得到 的多個所述截面圖像，從而進行三維成像並顯示。
全文摘要
本發明的目的是提供三維超聲波成像裝置，使檢查對象物的基於超聲波的內部檢查的精度提高，並可進行自動判斷，本發明的三維超聲波成像裝置包括具有多個壓電振動器的超聲波換能器；選擇從該超聲波換能器振蕩超聲波的壓電振動器的驅動元件選擇部；將從所選擇的壓電振動器振蕩的超聲波射入檢查對象物並接收來自該檢查對象物的反射回波，檢查出該反射回波的電信號的信號檢測電路；通過並行運算處理所檢測出的反射回波的電信號，生成三維成像數據(I)的信號處理部；和取得來自該信號處理部的三維成像數據，進行所述三維成像數據的圖像亮度校正，使該數據的成像強度分布平坦，並顯示校正結果的顯示處理裝置。
文檔編號G01N29/06GK101477085SQ20091000131
公開日2009年7月8日 申請日期2005年6月13日 優先權日2004年6月14日
發明者伊藤佳乃, 唐澤博一, 池田賢弘, 片山雅弘, 阿部素久 申請人:株式會社東芝