三维超声波成像装置的制作方法

专利名称：三维超声波成像装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用超声波来以三维方式对检查对象物的内部结构、连接处 的状态和缺陷的状态进行非破坏性检查的三维超声波检査技术，尤其涉及 三维可视检査对象物内的缺陷、剥离、氧化膜、空隙(void)等的杂质或连 接处的剥离状态的三维超声波成像装置。
背景技术：
作为这种三维超声波成像装置，有日本特开2003 — 149213号公报和特 开2004—53360号公报中公开的立体超声波检査技术。
这些公报中记载的三维超声波成像装置具有按矩阵状或阵列状平面配 置了多个压电振动器的超声波换能器(transducer)，使用从该超声波换能 器向检查对象物发送接收的超声波来使对象物的内部结构或缺陷、空隙、 氧化膜、剥离等的状态三维可视化，而可以非破坏性地对检査对象物进行 检査。
在基于具有多个压电振动器的超声波换能器的三维超声波成像装置中， 可以使具有多个声学特性的检查对象物的层结构、检查对象物内的缺陷或 空隙、剥离等的状态通过超声波来可视化，但是由于处理超声波换能器的 接收回波信号后得到的三维图像数据上根据超声波的发送接收图案，成像 结果不均匀，所以正确定量判断检查对象物的质量是否优良很困难，需要 目测判断检查结果，但因个人差异产生了偏差。
现有技术的三维成像处理装置中，在处理从超声波换能器发送接收的超 声波的接收回波信号而得到的检查对象物的三维成像数据的超声波图像中，
(1) 根据超声波的发送接收图案，三维超声波图像的成像数据变得不 均匀，对检查对象物进行客观、定量的检査很困难。
(2) 由于通过目测来判断检査对象物内的缺陷，所以花费时间和人力， 且检查的判断条件可能产生了偏差。
(3) 使用按矩阵状配置的单个或一对超声波换能器，事先计算对应于 所发送接收的超声波信号的传播/折射的传播时间并表格化，从而在进行表 面为曲面形状的检査对象的缺陷探伤、进行焊接处的缺陷检査用的斜角探 伤时，要求高速/高精度地实现，尤其表面是曲面形状的检査对象的缺陷探 伤和焊接处的缺陷检査用的斜角探伤。

发明内容
本发明考虑上述的情况而做出，其目的是提供一种三维超声波成像化 装置，在进行例如圆筒等的曲面形状的检査对象的内部缺陷检查或表面具 有焊珠的焊接处的斜角探伤等的情况下，使检查对象物的基于超声波的内 部检查的精度和处理速度提高，并可自动判断检査对象物的质量是否优良。
本发明的三维超声波成像装置，为了解决上述问题，包括超声波换 能器，按矩阵状或阵列状配置了多个压电振动器；驱动元件选择部，从该
超声波换能器连接到压电振动器，选择多个压电振动器中振荡出超声波的
压电振动器；信号检测电路，使从该驱动元件选择部所选择的压电振动器 振荡出的超声波经声传播介质射入检査对象物，接收来自该检查对象物的 反射回波，并检测出该反射回波的电信号；信号处理部，通过并行运算处 理所检测出的反射回波的电信号，使检查对象物的内部对应于预先划分的 三维成像区域内的网格来生成三维成像数据；以及显示处理装置，取得来 自该信号处理部的三维成像数据，进行所述三维成像数据的图像亮度校正， 使得所述检查对象物表面的平面方向的成像强度分布平坦化，并显示校正 结果。
在上述本发明的三维超声波成像装置的优选实施例中，所述显示处理 装置具有亮度校正电路，将平面(X， Y)方向的校正函数乘以三维成像 数据的值，来进行三维成像数据的亮度校正，其中该平面(X， Y)方向的
6校正函数被设定为使从所述信号处理部取得的三维成像数据的检査对象物
表面的成像强度分布平坦化；以及显示部，显示通过该亮度校正电路校正
了亮度后的三维成像数据。
另外，所述显示处理装置也可具有运算判断电路，生成将对应于检查 对象物的三维成像区域内的网格的三维成像数据在平面方向上切片的切片 图像，作为切片图像，计算各切片图像的强度在设定值以上的成像网格数， 并根据缺陷等的异常部的位置和面积进行检查对象物的异常判断，将该判 断结果显示在显示部上。
另外，为了实现上述目的而提供的本发明的三维超声波成像装置，其
特征在于，包括超声波换能器，按矩阵状配置了多个压电振动器；
驱动元件选择部，从该超声波换能器连接到压电振动器，有选择地驱
动多个压电振动器，并选择振荡出超声波的压电振动器；
信号检测电路，使从该驱动元件选择部所选择的压电振动器振荡出的
超声波经声传播介质射入检查对象物，接收来自该检查对象物的反射回波，
并检测出该反射回波的电信号；
信号处理部，取得所检测出的反射回波的电信号，进行用于将检查对
象物的状态成像的图像合成处理，生成三维成像数据；以及
显示装置，取得来自该信号处理部的三维成像数据，显示图像合成处
理结果，
所述信号处理部根据所述信号检测电路检测出所述压电振动器的驱动 信号作为反射回波的检测时间、和所述压电振动器的矩阵状的空间配置， 对所述检查对象物的状态进行图像合成。
在上述发明的优选实施例中，最好，所述信号处理部中，对于构成所 述超声波换能器的所有压电振动器，根据从存储了单程超声波传播时间的 多个表格数据中、选择对应于发送接收的组合的成对的表格数据并相加而 得到的往返超声波传播时间数据，从来自所述检查对象物的反射回波的电 信号中选择成像数据，从而对检查对象物的表面形状和内部状态进行图像 合成，其中该单程超声波传播时间为从该压电振动器经声传播介质、向检 查对象物内的对应于三维成像数据的三维成像网格的每个进行传播的时 间。
7另外，最好，所述信号处理部包括边界设定部，设定并存储所述检 査对象物的表面形状；表格数据生成部，根据由所述边界设定部设定的检 査对象物的表面形状和所述压电振动器的坐标信息，容纳从压电振动器经 声学介质到检查对象的表面和内部的所述三维成像网格的超声波传播时 间，并对所有压电振动器生成存储了所述单程超声波传播时间的表格数据; 以及图像合成处理部，经A/D转换器，取得在波形存放存储器中记录的波 形数据和所述表格数据，并合成三维图像。
另外，所述信号处理部也可通过将边界抽出部生成的表面形状和所述 压电振动器的坐标信息输入到表格数据生成部中，将检查对象物的内部状 态可视化，其中所述边界抽出部取得所述检查对象的表面的成像结果，并 自动抽出表面形状。
另外，所述信号处理部也可依次选择在所述表格数据生成部生成的多 个表格数据当中，与对于所收集的所有所述波形数据、在收集所述波形数 据时被选择出的发送、接收的一对压电振动器相对应的两个表格数据并进 行相加，并根据由该相加结果得到的往返超声波传播时间，对所述三维成 像网格依次进行所对应的所述波形数据的分配和相加处理，从而合成三维 图像。
另外，可以是，所述信号处理部的所述表格数据生成部，通过在所生 成的多个表格数据中，利用单程超声波传播时间在深度方向上连续变化的 情况来存储深度方向的差分处理结果，从而压縮单程超声波传播时间表格 的数据容量。
另外，也可以是，通过在所述超声波换能器上经由耦合剂来紧贴固定 楔形的底板材料，相对检査对象物倾斜固定，来生成表格数据，从而沿斜 角发送接收超声波而将检査对象物的内部状态三维可视化。
另外，也可以是，通过设置一对所述超声波换能器，在检查对象的表 面上彼此面对对方的状态来倾斜固定，并将该一对超声波换能器中的一个 作为发送用，另一个作为接收用，来生成所述表格数据，从而将检查对象 物的内部状态三维可视化。
再有，还可以是，使用使所述压电振动器为线性配置的超声波换能器， 将检查对象物的表面形状二维可视化，并在所述信号处理部的所述边界抽出部中取得所得到的截面成像数据，每次将检查对象物旋转一定角度时， 由边界抽出部自动抽出表面形状，重新生成所述表格数据(二维)的同时， 一个接一个地将检査对象物的内部截面图像可视化，并沿所述旋转角度的 轴重叠所得到的多个所述截面图像，从而进行三维成像并显示。
根据具有上述特征的本发明，可以校正由具有超声波换能器的三维超 声波成像装置合成的三维成像数据，提供更均匀且更容易看的显示图像， 另外，可以客观且定量显示检査对象物的内部缺陷或空隙等的异常部，可 以迅速且正确地、定量地自动判断检查对象物的质量是否优良。
本发明的进一步特征和使用性可以通过参考附图的下面所记载的本发 明的优选实施例的记载，来进一步明白地加以理解。


图1是表示本发明的第一实施方式的三维超声波成像装置的整体结构
图2 (图2A、图2B和图2C)是表示图1所示的三维超声波成像装置 中具有的显示处理装置的图像校正处理例的图3 (图3A和图3B)是表示本发明的三维超声波成像装置中具有的 显示处理装置中的运算判断电路的自动判断处理例的图4 (图4A、图4B和图4C)是表示本发明的三维超声波成像装置中 具有的显示处理装置中的差分判断电路的自动判断处理例的图5是表示本发明的第二实施方式的三维超声波成像装置的整体结构
图6是图5的信号处理部的结构图7是表示了本发明的第三实施方式的三维超声波成像装置的信号处 理例的说明图8是表示了本发明的第四实施方式的三维超声波成像装置适用于斜 角检查的例子的说明图9是本发明的第五实施方式中的三维超声波成像装置中的按发送接 收来区分的矩阵换能器对成像的说明图IO是表示了本发明的第六实施方式中的三维超声波成像装置中的线性阵列换能器的使用例的说明图。
具体实施例方式
参考附图来说明本发明的三维超声波成像装置的实施方式。
图1是表示本发明的三维超声波成像装置的第一实施方式的结构图。
三维超声波成像装置io作用为可以将检查对象物的内部结构或缺陷形
状精细地立体成像的超声波摄像机。三维超声波成像装置10包括使超声 波振动和电信号彼此变换，并发送接收需要频率的超声波的超声波换能器 11;产生使该超声波换能器11驱动的驱动信号的信号发生部12;选择来自 信号发生部12的驱动信号，并有选择地驱动超声波换能器11的压电振动
器的驱动元件选择部13;将从超声波换能器11发出的超声波照射到检查对
象物14的检查区域15，并经超声波换能器11来检测来自该检査区域15 的反射回波的电信号的信号检测电路16;并行运算处理由该信号检测电路
16检测到的反射回波的电信号而生成三维(3D)超声波图像数据的信号处 理部17;进行通过该信号处理部n处理后的三维超声波成像数据或显示图 像的校正处理与比较处理，自动高精度地判断检查对象物14的内部缺陷28 的状态，并显示判断结果的显示处理装置18。
另外，三维超声波成像装置10具有超声波检査用传感器装置20，该超 声波检查用传感器装置20可以将检查对象物14的内部结构作为高灵敏度/ 高分辨率的三维超声波图像迅速取出，并加以显示，并可对每一个图像进 行1秒到几十秒的高速检查。该超声波检查用传感器装置20具有作为发送 接收超声波的超声波传感器的超声波换能器11，在作为该超声波换能器11 的传感面的发送接收面上紧贴有声传播介质21 。
该三维超声波成像装置IO可以应用于汽车业、航空业、铁路业的焊接 处的维护状态或有无焊接缺陷的探伤及设备(plant)业与造船业的焊接处 的状态观察。
超声波换能器11构成为由按m行n列的矩阵状来独立排列配置了作为 压电元件的多个压电振动器22的矩阵传感器构成的超声波传感器。通过具 有该超声波传感器11的超声波摄像机(三维超声波成像装置10)，可以瞬 时收集几千到几万个反射回波的超声波波形，并通过图像合成处理，来高
10速成像处理检査对象物14的内部结构、连接区域15的状态或有无焊接缺
陷或状态。
通过驱动元件选择部13将信号发生部12产生的驱动信号选择地施加 到超声波换能器11的各压电振动器22。通过驱动元件选择部13的选择， 一个一个地或一次多个地决定各压电振动器22的驱动顺序，各压电振荡器 22在需要的驱动定时进行驱动。也可以是代替按矩阵状来配置压电振动器 22，而按一列或按十字的线状来进行阵列排列，而构成阵列传感器。艮P， 构成超声波换能器ll的超声波传感器可以是矩阵传感器，也可以是阵列传 感器。
超声波换能器11将液体或固体的声传播介质21作为底板(shoe)部 件紧贴到作为超声波的传感面的发送接收面，具体为检査对象物14侧。在 声传播介质21和检查对象物14之间根据需要设置获得超声波的声学匹配 的耦合剂24。耦合剂24由挥发性低的胶状液体或固体形成。在声传播介质 21是液体的情况下，不需要耦合剂24。
另外，作为底板部件的声传播介质21整体上是箱状，其开口面积根据 检查对象物14的检査区域(目标区域)15的大小形成，声传播介质21的 高度由从压电振动器22振荡的超声波的振荡角度(扩展角)来决定。
检查对象物14例如以通过点焊接来连接的两片板状构造物14a、 14b 为对象，该板状构造物14a、 14b的检査区域15通过三维超声波成像装置 10，使用超声波非破坏性地进行内部检查。检查对象14也可使用重叠三片 以上的板状结构物来进行焊接的多层构造物。另外，检査对象物14可以是 金属材料，可以是树脂材料，也可以是被检体。
另一方面，使驱动信号作用于超声波换能器11的信号发生器12是为 了驱动压电振动器22的压电体而产生超声波，对超声波换能器11通过外 部电压的施加，产生脉冲状或连续的驱动信号的装置。即，所产生的驱动 信号在选择了通过驱动元件选择部13驱动的第m行n列的压电振动器 22mn后，在预定的定时向所选择的压电振动器22mn施加驱动信号。驱动 元件选择部13在所需要的定时依次选择要驱动的一个或多个压电振动器 22mn，并向所选择的压电振动器22mn施加来自信号发生部12的驱动信号 时，压电振动器22mn被驱动，由于作为压电体的性质，向检查对象物14振荡超声波U。
从超声波换能器11的各压电振动器22依次振荡的超声波通过作为底
板部件的声传播介质21，并经耦合剂24射入到检查对象物14的检查区域 15内部，而在检查区域15的各边界层上进行反射。
通过检查对象物14的表面25、边界面(检査对象物体14a的底面、检 查对象物14b的表面)26、底面27、缺陷部28等的各边界层反射的超声波 的反射回波，从检查对象物14经声传播介质21，具有时间差地分别被作为 超声波传感器的超声波换能器11的各压电振动器22接收，使各压电振动 器22振动而变换为反射回波的电信号。反射回波的电信号接着输入到信号 检测电路16中，这里，反射回波的电信号由每个压电振动器22检测出。
该三维超声波成像装置10在驱动信号施加到超声波换能器11的各压 电振动器22中的、通过驱动元件选择部13选择出的第m行n列的压电振 动器22mn时，该压电振动器22mn动作而使超声波U振荡。该振荡的超声 波U经声传播介质21及根据需要设置的耦合剂24照射到检査对象物14 的检査区域15。照射到检查对象物14的检查区域15的超声波U从检查区 域15的密度边界层反射一部分而变为反射回波，该反射回波通过耦合剂 24、声传播介质21回到矩阵传感器(超声波换能器)11中，在各压电振动 器22上具有时间差地分别被接收。通过基于各压电振动器22的压电变换， 反射回波变为电信号而送到信号检测电路16中并被检测出。
超声波换能器11通过对各压电振动器22，由驱动信号选择部13依次 作用驱动信号，从而各压电振动器22在需要的定时依次被驱动，并通过作 为超声波传感器的矩阵传感器11来分别二维接收从各压电振动器22振荡 的超声波的反射回波。
矩阵传感器ll的压电振动器22的m行n列为例如10X10个时，按矩 阵状排列100个压电振动器22，并通过驱动元件选择部13来依次驱动各压 电振动器22mn。若向各压电振动器22依次施加驱动信号，则在其驱动定 时从各压电振动器22依次振荡出超声波U。从各压电振动器22依次振荡 的超声波的反射回波通过作为超声波传感器的矩阵传感器11来依次接收， 并将作为该接收信号的反射回波的电信号每次发送到信号检测电路16。
因此，通过超声波换能器ll的动作，从矩阵状排列的各个压电振动器22振荡的超声波的反射回波由矩阵传感器11来二维接收。矩阵传感器11
分别接收振荡超声波的各个超声波振动器20mn部分的反射回波，并作为反 射回波的电信号送到信号检测电路16，经该信号检测电路16送到信号处理 部17中。
信号检测电路16检测由矩阵传感器11发生的反射回波的电信号。检
测出的电信号中，检查所需的多个信号经放大器31a、 31b.....31i分别导
入到信号处理部17中。放大器31a、 31b、 ...、 31i也可包含在信号处理部 17中。
放大器31a、 31b.....31i将所导入的反射回波的电信号例如约10000
倍左右地放大为可进行信号处理的分贝(dB)值，并将其分别供给将模拟
信号转换为数字信号的A/D转换器32a、 32b.....32i。 A/D转换器32a、
32b..... 32i对所导入的电信号进行A/D变换，并将其分别导入到并行处
理器33a、 33b、 ...、 33i上。
信号处理部17内的并行处理器33具有作为综合处理器的三维图像生
成部，并行且迅速地运算处理从A7D转换器32a、 32b.....32i导入的数
字信号，分别确定来自检查区域(成像区域)上预先划分的各网格的反射 强度，而生成将检查对象物14网格化后的内部状态可视化的三维成像数据 I。所生成的三维成像数据I从并行处理器33送到显示处理装置18中。
信号处理部17的并行处理器33按每个检査区域的网格来处理从A/D
转换器32a、 32b.....32i导入的数字信号，并生成将检査对象物14的连
接区域15的状态可视化的三维超声波成像数据I。从由信号检测电路16检 测出的反射回波的电信号通过孔径合成处理，对应于在检查对象物14的内 部设置的三维成像区域内的各网格来生成三维成像数据I。
另外，并行处理器33的三维图像生成部从作为超声波传感器的超声波 换能器ll看为正面(X-Y平面)的方向，和相对与该正面正交的两个侧面 (Y-Z平面)、(Z-X平面)垂直的方向的总共三个方向来透视三维成像 数据I，并且，通过分别将三个方向的三维成像数据I中与透视方向重合的 成像数据中值最大的数据投影到平面上，而从各方向进行透视，从而生成 三个平面(二维)图像。
显示处理装置18具有校正处理从信号处理部17导入的三维成像数
13据I的图像亮度分布的亮度校正电路35;将所测量的三维成像数据I分割
为水平方向的切片图像Is的集合体，根据各个切片图像Is的超声波反射强
度分布来计算异常部的位置及其面积或体积，并自动判断检查对象物14的 质量是否优良的运算判断电路36;对正常的检査对象物14的标准化成像数 据和所计算出的三维成像数据I进行差分处理，来自动检测出缺陷等的异 常部位的差分判断电路37;和显示亮度校正后的三维成像数据I或检查对
象物14的自动判断结果的显示部38。运算判断电路36和差分判断电路37 也可仅具有其中一个。
显示处理装置18的亮度校正电路35进行亮度分布校正，以使得从信 号处理部17发送的三维成像数据I中产生的亮度分布的偏差被消除，图像 的亮度分布平坦化。
由信号处理部17的并行处理部33生成的三维成像数据I由于基于来 自超声波换能器11的各压电振动器22的发送接收图案的超声波照射不均 匀，故在检查对象物14的表面图像的亮度分布中产生了偏差。检查对象物 14的表面图像44在图2A中纵轴表示增益、横轴表示X方向位置的分布图 中，表示为如超声波的反射强度分布R那样，三维成像数据I的表面图像 44如图2B所示，有中央部强，周边弱的趋势。
因此，为了在检査对象物14的表面图像44上不产生由超声波的反射 强度分布R引起的强弱，使用亮度校正曲线C进行三维成像数据I的平坦 化，以便不会表现出由亮度分布偏差所带来的恶劣影响，并进行三维成像 数据I的图像亮度校正，以得到图2C表示的均匀亮度分布图像，其中亮度 校正曲线C是成为反射强度分布R的例如倒数的平面(X， Y)方向的校正 函数。三维成像数据I的图像亮度校正结果作为立体的显示图像Id显示在 显示部38上。
显示处理装置18的亮度校正电路35通过从超声波换能器11的各压电 振动器22mm进行的超声波发送接收，校正三维成像数据I的亮度值，使 得来自检查对象物14内部的无数反射回波进行孔径合成处理后得到的三维 成像数据I的平面方向的分布平坦化，并得到亮度值没有偏差的均匀的图 像Id。
艮P，显示处理装置18的亮度校正电路35通过对与检査对象物14的三维成像区域内的网格相对应的三维(3D)成像数据I，根据水平方向(X、 Y方向)分布，放大成像数据值(亮度值)，或进行检查对象物14的表面 反射波的影响校正或检查对象物14内部的超声波的衰减校正，从而可以在 显示部38上屏幕显示没有亮度偏差、更均匀更容易看的处理后的检查对象 物14的三维显示图像Id。
另外，三维成像数据I或Id表示超声波的反射强度，显示处理装置18 的运算判断电路36为了自动判断检査对象物14有无内部缺陷28，将三维 成像数据Id的三维图像分割处理为沿水平方向(X， Y方向)截断的切片 图像Is。处理后的三维图像将三维成像数据I的处理前的三维图像分割为包 含从表面图像Isl到底面图像Isb的切片图像Is的集合体。
将切片图像Is的网格数设定为在检查对象物14上预先设置的立体网 格数，通过计算预先设置了成像亮度的设置值以上的成像网格数，来求出 其位置和面积。
处理前的三维图像通过运算判断电路36，在处理后分割为沿水平方向 截断的切片图像Is，根据各切片图像Is的反射波强度分布，通过成像网格 数的计算来客观且定量地求出超声波的反射强度为设定值以上的缺陷等的 异常部的三维位置(3D位置)及其面积或体积，并可以自动判断检查对象 物14的质量是否优良。
另外，检查对象物14a的底面(检查对象物的边界面26)因其密度差 而具有大的超声波反射强度，该大的超声波反射强度在检查对象物14a的 底面图像Isb上变为成像亮度的大小(明暗)来进行表示。因此，通过定量 观察检查对象物"a的底面部的成像亮度，通过切片图像Is的成像网格数 的计数，可以定量且高精度地评价在检査对象物14的内部产生的空隙或微 小缺陷。
进一步，显示处理装置18具有自动判断检查对象物14的内部缺陷等 的异常部的差分判断电路37。该差分判断电路37将事先取得的正常检查对 象物(工件)的三维成像数据作为标准值(标准成像数据)预先存储在存 储器40中。通过比较电路41来比较所存储的标准成像数据和所测量出的 三维成像数据I (或Id)，并通过进行差分处理，来抽出检査对象物14的 内部缺陷等的异常部位48，而自动判断检査对象物14的质量是否优良。
15具体的，差分判断电路37包含比较电路41、存储器40，向比较电路41发送图4A所示的所测量出的三维成像数据I (Id)，另一方面，向该比较电路41送出在存储器40中存储的图4B所示的标准成像数据，并进行差分处理。所测量出的三维成像数据I是对应于检查对象物14的三维成像区域内的网格的数据值。
通过差分处理图4A的测量出的三维成像数据和图4B所示的标准成像数据，如图4C所示，识别出检查对象物14的缺陷等的异常部位48和基于形状的固定图像，通过得知其差分为事先设定的设定值以上的成像网格数及其位置，可以自动检测出检査对象物14内部的缺陷等的异常部位48的三维位置和面积或体积。将该检查结果显示在显示部38上。图4A和B中，符号46、 47是后加工三维形状图像。
本发明的实施方式中，具有由按矩阵状或阵列状独立地形成多个的压电振动器22构成的超声波换能器11的三维超声波成像装置所合成的三维成像数据I，通过显示处理装置18的亮度校正电路35来校正处理，通过根据超声波换能器11的位置来使移动超声波换能器11而得到的多个成像数据结合，可以进行更均匀更容易区分的三维成像。
显示处理装置18通过根据将检查对象物14的三维成像数据I沿水平方向切开的切片图像来计算设定值以上的亮度的成像网格数及其位置，比较检査对象物14的正常工件的三维成像的标准成像数据和所测量出的三维成像数据、并进行差分处理，从而可以自动判断出检査对象物14的内部缺陷等的缺陷部的三维位置、大小(面积或体积)，而可以自动判断检查对象物14是否优良。
另一方面，本发明中，如之前所描述的，提供了使用具有上述这种结构、作用的图1所示的三维超声波成像装置来进行检查的机构，尤其在该三维超声波成像装置中，作为本发明的第二实施方式，参考附图来说明检查表面为曲面形状的检査对象的缺陷的情况。
图5和图6是本实施方式的三维超声波成像装置的结构图。对与图1所示的三维超声波成像装置相同的结构，添加同一符号而省略详细的说明。如图5所示，该三维超声波成像装置具有超声波换能器(矩阵传感器)11、信号发生器12、驱动元件选择部13、信号检测电路16、放大器31a、...、31i、信号处理部17和显示处理装置8，超声波换能器11的前表面直接接
触液体的声传播介质21，接收从检查对象(超声波的照射对象)14中的缺陷28反射的超声波U。超声波换能器11按矩阵状来配置n个压电振动器
22.....22，对于各个压电振动器22，确定通过驱动元件选择部13的选择
来进行驱动的振动器，并通过导线来导入来自信号发生部12的驱动信号。另外，各个压电振动器22发出的电信号通过导线导入到信号检测电路16中。
若电驱动压电振动器22，则由于作为压电体的性质，产生了超声波，所产生的超声波U在声传播介质21中传播，并通过曲面边界49折射后，到达检查对象14A内的缺陷28。由缺陷28引起的超声波U再次在曲面边界49上折射后，经声传播介质21输入到压电振动器22，由此，各个压电振动器22产生电信号。
信号发生部12产生脉冲状或连续的驱动信号，使得压电振动器22产生超声波U。所产生的驱动信号导入到驱动元件选择部13中。
驱动信号选择部13在选择要驱动的一个或多个压电振动器22后，将从信号发生部12导入的驱动信号导入到所选择的压电振动器22中。信号检测电路16检测出由压电振动器22产生的电信号。将所检测出的电信号
中，检查所需的多个电信号分别依次导入到放大器31 Gla.....31i)中。
放大器31放大所导入的电信号，并将其供给图6中的信号处理部17内的
A/D转换器32 (32a.....32i) 。 A/D转换器32对所导入的电信号进行
A/D转换，并将其暂时存储到信号处理部7内的波形存放存储器75中后，导入到图像合成处理部76中。图像合成处理部76处理从波形存放存储器75导入的数字信号，生成将检查对象的状态可视化的信息。所生成的信息导入到显示处理装置18中，而显示在显示部38中。
另一方面，综合处理器80的表格数据生成部81中，根据边界面设定部83或边界面抽出部82生成的曲面边界49的数据和各压电振动器22、…、22的坐标数据，生成存储了来自各个压电振动器22的信号被发送、在曲面边界49中折射并到达成像区域50内的所有成像网格的单程超声波传播时间的n个表格数据(1) 84 表格数据(n) 88。
另外，在边界面抽出部82中，通过从事先取得并在图像合成处理部76中生成的检査对象14A的成像结果中抽出处理检查对象14A的表面位置，从而可以自动生成曲面边界49的位置数据。
图7是在与本发明的第三实施方式有关的图像合成处理部中进行的图像合成处理有关的变形例，表示了基于在压电振动器(j) 22j和压电振动器(k) 22k中发送接收的超声波U的图像合成处理过程。
超声波U在曲面边界49中进行折射后，到达成像区域50内。因此，表格数据(1) 86中，存储了从压电振动器(1) 22—1发送、在曲面边界49中进行折射后，到到达成像区域50的各网格为止的单程超声波传播时间的数据。同样，在表格数据(k) 87中，存储了从压电振动器(k) 22k发送、在曲面边界49中进行折射后，到到达成像区域50的各网格为止的单程超声波传播时间的数据。
图7中作为图像合成处理例，表示了向成像区域50内的成像网格(i)51 成像网格(i+2) 52...的压电振动器(j)和压电振动器(k)之间的发送接收波形60的分配处理。
对成像网格(i) 51的分配处理通过将表格数据(j) 86内的第(i)个中存储的传播时间(j， 0 91和在表格数据(k) 87内的第(i)个上存储的传播时间(k， 0 94相加来得到往返传播时间，或从压电振动器(j)和压电振动器(k)之间的发送接收波形60中选择最近延迟时间的数据，而对成像区域50内的成像网格(i) 51内的数据进行相加处理。
对成像网格(i) 52的分配处理通过将在表格数据(j) 86内的第(i+ 1)个中存储的传播时间(j， i+l) 92和在表格数据(k) 87内的第(i+ 1)个上存储的传播时间(k， i+l) 95相加来得到往返传播时间，或从压电振动器(j)和压电振动器(k)之间的发送接收波形60中选择最近延迟时间的数据，而对成像区域40内的成像网格(i+l) 52内的数据进行相加处理。
通过对成像网格(i+2) 53、成像网格(i+3) 54 —个接一个地进行同样的处理，并对成像区域50内的所有网格进行同样的处理，压电振动器(j)和压电振动器(k)之间的发送接收波形60的基于分配的图像合成处理完成。
之后，改变对成像区域50分配的发送接收波形，并对发送接收的所有组合重复同样的处理，从而可以完成检查对象14A的内部状态的成像。
进一步，由于在表格数据(1) 84 表格数据(n) 88中存储了从压电振动器(1) 22—1到压电振动器(n) 22n发送、在曲面边界49中折射后，到到达成像区域50的各网格为止的单程超声波传播时间的数据，所以沿深度方向连续配置的单程超声波传播时间也连续变化。因此，通过对于沿深度方向配置了沿深度方向配置的表格数据(1) 84 表格数据(n) 88的单程超声波传播时间数据的网格，依次进行差分处理来加以存储，从而可以大幅度压縮数据容量。
图8作为本发明的第四实施方式，是说明适用于斜角检查的例子的结构图。如图8所示，在适用于斜角检査的例子中，在超声波换能器ll的前端部上隔着液状的耦合剂111紧贴有丙稀或聚苯乙烯等的树脂类的底板材料108，并进一步在底板材料108的表面上涂敷耦合剂，从而紧贴在平面或圆筒形状等的检查对象109上的结构。
这里，通过倾斜底板材料108和矩阵换能器的安装面角度，而使由压电振动器(1) 22—l到压电振动器(n) 22n发送的超声波在检査对象109内折射，沿倾斜方向(例如45度或70度)射入，并通过接收从缺陷110反射的超声波U，而可以进行缺陷110的成像。以该倾斜射入为前提，通过进行基于边界面设定部83的表格数据(1) 84 表格数据(n) 88的生成，从而可以进行基于斜角的三维图像合成。
图9作为本发明的第五实施方式，是说明基于分为发送接收的三维换能器对的成像的适用例的结构图。如图9所示，相对地配置发送用换能器102和接收用换能器103，使其可彼此进行超声波发送接收。
发送用换能器102和接收用换能器103与适用于斜角检查的例子相同，在前端部分别隔着液状的耦合剂111来紧贴相同形状的底板材料108，并进一步在底板材料108的表面上涂敷耦合剂而紧贴到配管等的检査对象物109上，夹着缺陷110的方式固定为大致对称地配置。
这里，通过改变底板材料108和发送用换能器102与接收用换能器103的安装面角度，从发送用压电振动器106发送的超声波在检查对象109内折射并沿倾斜方向来射入，在缺陷110中衍射、反射的超声波U由接收用压电振动器107来接收，从而可以进行缺陷110的成像。
19通过以发送用矩阵换能器102和接收用矩阵换能器103进行的发送接收为前提，并进行基于表格数据生成部81的表格数据(1) 84 表格数据(n) 88的生成，可以进行基于发送用矩阵换能器102和接收用矩阵换能器103的三维图像合成。
图10作为本发明的第六实施方式，是说明基于线性阵列换能器119的适用于圆筒形状检查的例子的结构图。如图IO所示，在排列了按直线状配置的n个压电振动器(l) 120到压电振动器(n) 121的线性阵列换能器119中，通过发送接收超声波，而可以将检査对象109内的二维截面成像。
这时，通过由边界面设定部设定检查对象109的曲线边界113，并生成表格数据(1) 84到表格数据(n) 88，从而可以进行截面形状固定的检查对象109的内部检査。
这时，通过以中心轴125为中心而使检查对象109旋转，每次转角a变化一定值时进行截面的成像，并沿转角a的方向来重叠显示所得到的多个截面图像，从而可以进行检査对象109内的缺陷的三维成像。
进一步，每次转角(x变化一定值时，将检查对象109的表面成像，并通过边界抽出部82来处理其结果，通过每次重新生成曲线边界113，并生成表格数据(1) 84到表格数据(n) 88，从而可以进行截面形状变化的检査对象109的内部检査。
权利要求
1、一种三维超声波成像装置，其特征在于，包括超声波换能器，按矩阵状配置了多个压电振动器；驱动元件选择部，从该超声波换能器连接到压电振动器，有选择地驱动多个压电振动器，并选择振荡出超声波的压电振动器；信号检测电路，使从该驱动元件选择部所选择的压电振动器振荡出的超声波经声传播介质射入检查对象物，接收来自该检查对象物的反射回波，并检测出该反射回波的电信号；信号处理部，取得所检测出的反射回波的电信号，进行用于将检查对象物的状态成像的图像合成处理，生成三维成像数据；以及显示装置，取得来自该信号处理部的三维成像数据，显示图像合成处理结果，所述信号处理部根据所述信号检测电路检测出所述压电振动器的驱动信号作为反射回波的检测时间、和所述压电振动器的矩阵状的空间配置，对所述检查对象物的状态进行图像合成。
2、 根据权利要求1所述的三维超声波成像装置，其特征在于 所述信号处理部中，对于构成所述超声波换能器的所有压电振动器，根据从存储了单程超声波传播时间的多个表格数据中、选择对应于发送接 收的组合的成对的表格数据并相加而得到的往返超声波传播时间数据，从 来自所述检查对象物的反射回波的电信号中选择成像数据，从而对检査对 象物的表面形状和内部状态进行图像合成，其中该单程超声波传播时间为 从该压电振动器经声传播介质、向检查对象物内的对应于三维成像数据的 三维成像网格的每个进行传播的时间。
3、 根据权利要求2所述的三维超声波成像装置，其特征在于 所述信号处理部包括边界设定部，设定并存储所述检查对象物的表面形状； 表格数据生成部，根据由所述边界设定部设定的检查对象物的表面形 状和所述压电振动器的坐标信息，容纳从压电振动器经声学介质到检査对 象的表面和内部的所述三维成像网格的超声波传播时间，并对所有压电振 动器生成存储了所述单程超声波传播时间的表格数据；以及图像合成处理部，经A/D转换器，取得在波形存放存储器中记录的波形数据和所述表格数据，并合成三维图像。
4、 根据权利要求2所述的三维超声波成像装置，其特征在于所述信号处理部通过将边界抽出部生成的表面形状和所述压电振动器的坐标信息输入 到表格数据生成部中，将检査对象物的内部状态可视化，其中所述边界抽出部取得所述检査对象的表面的成像结果，并自动抽 出表面形状。
5、 根据权利要求2所述的三维超声波成像装置，其特征在于所述信号处理部依次选择在所述表格数据生成部生成的多个表格数据当中，与对于所 收集的所有所述波形数据、在收集所述波形数据时被选择出的发送、接收 的一对压电振动器相对应的两个表格数据并进行相加，并根据由该相加结 果得到的往返超声波传播时间，对所述三维成像网格依次进行所对应的所 述波形数据的分配和相加处理，从而合成三维图像。
6、 根据权利要求3 5的任意一项所述的三维超声波成像装置，其特征在于所述信号处理部的所述表格数据生成部，通过在所生成的多个表格数 据中，利用单程超声波传播时间在深度方向上连续变化的情况来存储深度 方向的差分处理结果，从而压縮单程超声波传播时间表格的数据容量。
7、 根据权利要求2所述的三维超声波成像装置，其特征在于通过在所述超声波换能器上经由耦合剂来紧贴固定楔形的底板材料， 相对检查对象物倾斜固定，来生成表格数据，从而沿斜角发送接收超声波 而将检查对象物的内部状态三维可视化。
8、 根据权利要求2所述的三维超声波成像装置，其特征在于通过设置一对所述超声波换能器，在检査对象的表面上彼此面对对方 的状态来倾斜固定，并将该一对超声波换能器中的一个作为发送用，另一 个作为接收用，来生成所述表格数据，从而将检查对象物的内部状态三维 可视化。
9、 根据权利要求4所述的三维超声波成像装置，其特征在于使用使所述压电振动器为线性配置的超声波换能器，将检查对象物的 表面形状二维可视化，并在所述信号处理部的所述边界抽出部中取得所得 到的截面成像数据，每次将检査对象物旋转一定角度时，由边界抽出部自 动抽出表面形状，重新生成所述表格数据(二维)的同时， 一个接一个地 将检査对象物的内部截面图像可视化，并沿所述旋转角度的轴重叠所得到 的多个所述截面图像，从而进行三维成像并显示。
全文摘要
本发明的目的是提供三维超声波成像装置，使检查对象物的基于超声波的内部检查的精度提高，并可进行自动判断，本发明的三维超声波成像装置包括具有多个压电振动器的超声波换能器；选择从该超声波换能器振荡超声波的压电振动器的驱动元件选择部；将从所选择的压电振动器振荡的超声波射入检查对象物并接收来自该检查对象物的反射回波，检查出该反射回波的电信号的信号检测电路；通过并行运算处理所检测出的反射回波的电信号，生成三维成像数据(I)的信号处理部；和取得来自该信号处理部的三维成像数据，进行所述三维成像数据的图像亮度校正，使该数据的成像强度分布平坦，并显示校正结果的显示处理装置。
文档编号G01N29/06GK101477085SQ20091000131
公开日2009年7月8日 申请日期2005年6月13日 优先权日2004年6月14日
发明者伊藤佳乃, 唐泽博一, 池田贤弘, 片山雅弘, 阿部素久 申请人:株式会社东芝