JP3189463B2 - 超音波探傷器及びその探触子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波探傷器に関し、
特に、試料の欠陥を超音波ビームにより探査する超音波
探傷器に関する。

【０００２】

【従来の技術】金属材料の内部や溶接部等における損傷
及び欠陥を探査するために超音波探傷器が使用されてい
る。この超音波探傷器は、一般に、試料の探査面に超音
波ビームを送受波するための圧電振動子等が内蔵された
探触子と、この探触子に接続され送受波用の信号を送受
波するための探査装置本体と、探査結果を表示するモニ
タ等から構成されている。この超音波探傷器では、探触
子から試料に超音波を送波し、試料内部から反射してく
る超音波エコー信号を得てこれを演算処理することによ
り、試料の欠陥を探査するものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】一般に超音波探傷器で
は、探触子と試料との間における超音波の送受波が効率
良く行われるように、試料の探査面に対して探触子から
の超音波ビームが垂直に照射される必要がある。これに
より、良好な感度を一定に保ちながら探査精度を上げる
ことができる。

【０００４】そこで、試料の探査面の表面形状が平坦で
ない場合、探触子の走査に伴って常に超音波ビームが探
査面に対して垂直に当たるように、試料の表面形状に対
応して探触子の角度制御データを予めをティーチングし
ておく必要がある。しかし、ティーチング作業は面倒で
時間がかかり、しかもティーチング時と実測時とで試料
の位置が変わると正確な探査を行うことができない。

【０００５】本発明の目的は、容易に高精度の探傷を行
うことができるようにすることにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】第１の発明に係る超音波
探傷器は、試料の欠陥を超音波ビームにより探査するた
めのものであり、送受波手段と送受信手段と表示手段と
判断手段と角度制御手段とを備えている。前記送受波手
段は、送受波角度が可変であり、試料の探査用の超音波
ビームを送受波する主送受波部と、主送受波部の周囲に
密着して均等に配置されるとともに超音波ビームの送受
波角度を計測するための超音波ビームを送受波する４つ
の副送受波部とを有する手段である。前記送受信手段
は、送受波手段に超音波ビーム送波用の駆動信号を与え
るとともに、送受波手段からの反射信号を処理する手段
である。前記表示手段は、送受信手段での処理結果を表
示する手段である。前記判断手段は、送受信手段での処
理結果を基に、送受波手段から送波される超音波ビーム
の試料の探査面に対する角度が垂直か否かを判断する手
段である。前記角度制御手段は、判断手段の結果に基づ
いて送受波手段から送波される超音波ビームの試料に対
する送受波角度を制御する手段である。

【０００７】第２の発明に係る超音波探傷器用探触子
は、試料の欠陥を超音波ビームにより探査するための超
音波探傷器に用いられる探触子であり、試料の探査用の
超音波ビームを送受波する主送受波部と、主送受波部の
周囲に密着して均等に配置され、試料の探査中に超音波
ビームの送受波角度を計測するための超音波ビームを送
受波する４つの副送受波部とを備えている。

【０００８】

【作用】第１の発明に係る超音波探傷器では、試料の探
査中に、送受信手段からの駆動信号により送受波手段が
駆動され、この送受波手段の主送受波部から試料に対し
て超音波ビームが送波される。試料からの反射超音波ビ
ームは送受波手段の主送受波部で受波され、送受信手段
によって処理される。処理結果としての探査情報は、表
示手段によってＣＲＴ等のモニタに表示される。

【０００９】ここで、試料の探査面が平面でない場合に
は、探査面の角度に応じて送受波手段からの超音波ビー
ムの送受角度を制御する必要がある。そこで、まず、判
断手段により、送受信手段での処理結果を基に超音波ビ
ームの試料の探査面に対する角度が判断される。このと
き、前記角度が垂直でないと判断されると、超音波ビー
ムの試料に対する送受波角度が垂直になるように角度制
御手段により制御される。この角度制御動作において、
角度制御手段は、送受波手段の４つの副送受波部からの
超音波ビームに基づいて送受波角度の制御を行う。

【００１０】このように、試料の探査を行いながら自動
的に超音波ビームの送受波角度が制御されるので、ティ
ーチング等の面倒な作業をすることなしに、常に超音波
ビームの角度を探査面に垂直にでき、容易に精度の良い
探査を行うことができる。第２の発明に係る超音波探傷
器用探触子では、主送受波部から超音波ビームが送波さ
れ、試料の探査が行われる。また、試料の探査中に、４
つの副送受波部から超音波ビームが送受波され超音波ビ
ームの試料に対する送受波角度を計測する。

【００１１】このような探触子を用いることにより、簡
単な構成で超音波ビームの試料の探査面に対する角度を
測定することが可能となる。

【００１２】

【実施例】図１は本発明の一実施例による超音波探傷器
の概略ブロック図である。この超音波探傷器は、探傷器
本体１と、探触子装置２及びその保持部６を含むスキャ
ナー３とを有している。スキャナー３は、試料４が収納
される水槽５の上部に取り付けられている。

【００１３】探触子装置２は探触子保持部６により保持
されている。探触子保持部６は、円筒フレーム６ａと、
円筒フレーム６ａの下端部にＡ軸方向に回動自在に装着
された上フレーム６ｂと、上フレーム６ｂの下端にＢ軸
方向に回動自在に装着された下フレーム６ｃとを有して
いる。なお、円筒フレーム６ａは、図６に示すように、
外筒部材７と、この外筒部材７の内部を貫通する内筒部
材８とを有している。また、探触子装置２は、Ｘ軸駆動
機構１０、Ｙ軸駆動機構１１、Ｚ軸駆動機構１２、Ｒ軸
駆動機構１３、Ａ軸駆動機構１４、Ｂ軸駆動機構１５に
よって各方向に移動させられ、超音波ビームの送受波角
度を制御可能である。ここで、Ｘ軸駆動機構１０は探触
子装置２をＸ軸方向（図２参照）に移動させるための機
構であり、Ｙ軸駆動機構１１は探触子装置２をＸ軸と直
交するＹ軸方向に移動させるための機構である。また、
Ｚ軸駆動機構１２は探触子装置２を上下方向に移動させ
るための機構であり、Ｒ軸駆動機構１３は探触子装置２
をＺ軸を中心として回転させるための機構である。さら
に、Ａ軸駆動機構１４及びＢ軸駆動機構１５は、それぞ
れ上フレーム６ｂ及び下フレーム６ｃをＡ軸、Ｂ軸方向
に回動させるための機構である。

【００１４】図２〜図６において、Ｘ軸駆動機構１０
は、水槽５の上部においてＸ軸方向両端に配置された１
対のフレーム２０ａ，２０ｂと、１対のフレーム２０
ａ，２０ｂの両端部にＸ軸方向に沿って配置された１対
のガイドロッド２１ａ，２１ｂと、一方のガイドロッド
２１ａに近接しかつ当該ロッド２１ａと平行に配置され
たＸ方向ねじ軸２２と、Ｘ方向ねじ軸２２を回転するた
めのＸ軸モータ２３とを有している。１対のガイドロッ
ド２１ａ，２１ｂには、それぞれリテーナ２４ａ，２４
ｂが移動自在に装着されている。一方のリテーナ２４ａ
にはナット２５が固定されており、ナット２５はＸ方向
ねじ軸２２に螺合している。

【００１５】Ｙ軸駆動機構１１は、１対のリテーナ２４
ａ，２４ｂ間にＹ軸方向に沿って設けられたガイドロッ
ド２６と、同様に１対のリテーナ２４ａ，２４ｂ間にガ
イドロッド２６と平行に設けられたＹ方向ねじ軸２７
と、Ｙ方向ねじ軸２７を回転するためのＹ軸モータ２８
とを有している。ガイドロッド２６にはリテーナ２９が
Ｙ軸方向に移動自在に装着されており、リテーナ２９の
一部にはＹ方向ねじ軸２７に螺合するナット部２９ａが
形成されている。

【００１６】Ｚ軸駆動機構１２は、リテーナ２９の上部
に装着されたＺ軸モータ３０と、モータ３０によって回
転させられるウォーム３１及びウォームホイール３２
（図６参照）とを有している。円筒フレーム６ａを構成
する外筒部材７の外周には縦方向にラック７ａが形成さ
れており、ウォームホイール３２はラック７ａに噛み合
っている。なお、外筒部材７はリテーナ２９に昇降自在
に支持されている。

【００１７】Ｒ軸駆動機構１３は、円筒フレーム６ａの
上部に固定されたＲ軸モータ３５と、かさ歯車列３６を
介して前記Ｒ軸モータ３５により回転する第１歯車３７
とを有している。第１歯車３７は、内筒部材８の上端に
固定された第２歯車３８と噛み合っている。なお、外筒
部材７と内筒部材８との間には互いに回転自在となるよ
うに軸受９が配置されている。

【００１８】さらにＡ軸駆動機構１４は、円筒フレーム
６ａの上端に固定されたＡ軸モータ４０と、内筒部材８
の中心部を貫通する回転軸４１とを有している。回転軸
４１はモータ４０によって回転させられるようになって
いる。回転軸４１の下端には第３歯車４２が固定されて
おり、第３歯車４２は第４歯車４３と噛み合っており、
第４歯車４３とウォーム４４とは一体回転するように連
結されている。第４歯車４３は内筒部材８の下端に固定
された下プレート４５及び上フレーム６ｂを支持する支
持プレート４６に回転自在に支持されている。また、回
転軸４１の下端は支持プレート４６を保持している。な
お、回転軸４１と支持プレート４６とは回転自在となっ
ている。支持プレート４６の下部には軸４７を介して上
フレーム６ｂが支持されている。軸４７には、ウォーム
４４と噛み合うウォームホイール４８が固定されてお
り、ウォームホイール４８が回転すると上フレーム６ｂ
がＡ軸方向に回転するようになっている。

【００１９】図３及び図４に示すように、Ｂ軸駆動機構
１５は、下フレーム６ｃに固定されたＢ軸モータ５０
と、Ｂ軸モータ５０によって回転させられる第５歯車５
１及び第６歯車５２と、第６歯車５２とともに回転する
ウォーム５３と、ウォームホイール５４とを有してい
る。ウォームホイール５４は軸５５に固定されており、
さらに軸５５は下フレーム６ｃに固定されている。この
ため、ウォームホイール５４が回転することにより、下
フレーム６ｃがＢ軸方向に回転する。なお、下フレーム
６ｃと上フレーム６ｂとは軸５５により回転自在となっ
ている。さらに、第６歯車５２及びウォーム５３は軸５
６を介して下フレーム６ｃの一部に回転自在に支持され
ている。

【００２０】探触子装置２は取り付け部材６０を介して
下フレーム６ｃの下端に固定されており、中央部の測定
用探触子６１と、測定用探触子６１の周囲に配置された
４個の補正用探触子６２ａ〜６２ｄとから構成されてい
る。測定用探触子６１は、通常の探傷用の探触子として
用いられる。また、補正用探触子６２ａ〜６２ｄは測定
用探触子６１の周囲に密着して均等に配置されており、
各探触子６２ａ〜６２ｄで受波された反射エコー信号の
処理結果、すなわち各探触子の送信から受信までの時間
（距離）に基づいて超音波ビームの送受波角度を制御す
るために用いられる。

【００２１】探傷器本体１は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ
等を有するマイクロコンピュータを含む制御部６５を有
している。制御部６５には、送信部６６、受信部６７、
送受信切り換え部６８及び探触子切り換え部６９が接続
されている。また、制御部６５には、測定条件等の入力
のためのキー等が配列されたキー入力部７０、探傷結果
を表示するためのＣＲＴ等を含む表示部７１及び各駆動
機構１０〜１５を駆動制御するための駆動回路部７２が
接続されている。送信部６６は、遅延回路やパルサー等
を含んでいる。また、受信部６７は検波回路等を含んで
いる。送受信切り換え部６８は、探触子装置２側と送信
部６６及び受信部６７のいずれかとを接続するためのも
のである。また、探触子切り換え部６９は、送信部６６
及び受信部６７のいずれか一方と測定用探触子６１及び
補正用探触子６２ａ〜６２ｄのいずれか一方とを切り換
え接続するためのものである。

【００２２】本実施例の超音波探傷器１は、制御部６５
によって制御され、以下に説明するように動作する。な
お、図７及び図８はその制御フローチャートである。起
動スイッチがオンされると、まずステップＳ１において
初期設定が行われる。この初期設定では、各駆動機構１
０〜１５を初期位置に設定する等の処理を行う。次に、
ステップＳ２ではオペレータによってスタートキーが押
されたか否かを判断する。スタートキーが押されていな
い場合には、ステップＳ３に移行して条件設定のキー入
力が行われたか否かを判断する。条件設定のためのキー
が入力された場合は、ステップＳ４に移行して、キー入
力に応じて測定のための条件設定処理を実行する。ま
た、キー入力が行われていない場合はステップＳ５に移
行して他の処理を行うための指令がなされたか否か判断
し、指令がなされた場合はステップＳ６に移行して指令
に応じた処理を実行する。

【００２３】測定のためのスタートキーが押された場合
は、図８のステップＳ７に移行する。ステップＳ７で
は、駆動回路部７２に対して原点移動指令が出力され
る。これにより、各駆動機構１０〜１５が駆動制御さ
れ、探触子装置２は予め設定された原点に移動する。次
に、ステップＳ８において測定用探触子６１及び補正用
探触子６２ａ〜６２ｄから超音波ビームを発射するため
に、各探触子にパルス（主パルス及び補正パルス）を出
力させる。ここで、この場合は送受信切り換え部６８は
送信部側に切り換えられ、また探触子切り換え部６９は
時分割で切り換えられる。また、各パルスを出力した後
は、反射エコーを受波するために送受信切り換え部６８
は受信部側に切り換えられる。ステップＳ９では、ステ
ップＳ８での超音波ビームに対する反射エコー信号から
フォーカス距離を演算する。ステップＳ１０では、この
フォーカス距離が予め設定した距離であるか否かを判断
する。フォーカス距離が許容範囲内でない場合はステッ
プＳ１１に移行し、Ｚ軸駆動機構１２を制御する。これ
により、Ｚ軸モータ３０が回転制御され、探触子装置２
が昇降する。フォーカス距離が許容範囲内に入るまでス
テップＳ８〜ステップＳ１１の処理を繰り返し実行す
る。

【００２４】フォーカス距離が許容範囲内に入ったと判
断された場合には、ステップＳ１０からステップＳ１２
に移行する。ステップＳ１２では、まず探触子装置２の
傾きを測定するために、補正パルスを出力し、補正用探
触子６２ａ〜６２ｄから順に補正用の超音波ビームを送
受波する。次にステップＳ１３では、各補正用探触子６
２ａ〜６２ｄによって得られた反射エコー信号の処理結
果から、各探触子における送信から受信までの時間を求
め、探触子装置２の傾きの演算を行う。ステップＳ１４
では、ステップＳ１３での演算結果に基づいて、超音波
ビームが試料の探査面に垂直に照射されているか否かを
判断する。傾きが許容範囲外であれば、ステップＳ１５
に移行し、Ａ軸駆動機構１４及びＢ軸駆動機構１５を制
御する。これにより、Ａ軸モータ４０及びＢ軸モータ５
０が回転制御され、探触子装置２の傾きが制御される。
探触子装置２の傾きが許容範囲内に入るまでステップＳ
１２〜ステップＳ１５の処理を繰り返し実行する。

【００２５】探触子装置２の傾きが許容範囲内に入った
と判断された場合は、ステップＳ１４からステップＳ１
６に移行する。ステップＳ１６では、主パルスを出力
し、測定用探触子６１から試料４に対して超音波ビーム
を発射する。ステップＳ１７では、試料４からの反射エ
コー信号に基づいて通常の探傷のための計測を行う。次
にステップＳ１８では、Ｘ，Ｙ駆動機構１０，１１を駆
動制御して異なる位置にスキャンし、試料４の新たな探
査面に探触子装置２を移動させる。ステップＳ１９で
は、計測が終了したか否かを判断し、終了していない場
合はステップＳ８に戻って前述の処理を繰り返す。ま
た、処理が終了したと判断した場合は、ステップＳ３に
戻る。

【００２６】このような実施例では、補正用探触子６２
ａ〜６２ｄを設けて、計測中に自動的に探触子装置２の
傾き補正を行うようにしたので、前もってティーチング
等の面倒な作業を行う必要がない。また、精度の高い計
測を行うことができる。さらに、補正用探触子６２ａ〜
６２ｄを測定用探触子６１と一体的に設けたので、コン
パクトになる。

【００２７】〔他の実施例〕 （ａ）前記実施例では、４個の補正用探触子を設けた
が、補正用探触子の個数は前記実施例に限定されない。
例えば、１個の補正用探触子を測定用探触子に隣接して
配置し、これを回転させながら複数の補正用超音波ビー
ムを発射して傾き演算を行うようにしてもよい。

【００２８】（ｂ）各軸の駆動機構は前記実施例の構成
に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。

【００２９】

【発明の効果】以上のように第１の発明では、予めティ
ーチング等の作業が不要となり、計測中に自動で傾き補
正を行いながら正確に計測を行うことができる。また第
２の発明では、簡単な構成で探触子の傾きを計測するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による超音波探傷器の概略ブ
ロック図。

【図２】前記超音波探傷器のスキャナーの斜視図。

【図３】前記超音波探傷器の探傷器保持部の正面図。

【図４】前記探傷器保持部の側面図。

【図５】探触子装置の底面図。

【図６】前記スキャナーの各軸の駆動機構の模式図。

【図７】前記探傷器の制御フローチャート。

【図８】前記探傷器の制御フローチャート。

【符号の説明】

１ 探傷器本体 ２ 探触子装置 ３ スキャナー ４ 試料 ６１ 測定用探触子 ６２ａ〜６２ｄ 補正用探触子 ６５ 制御部 ６６ 送信部 ６７ 受信部 ７１ 表示部

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】試料の欠陥を超音波ビームにより探査する
   ための超音波探傷器であって、 送受波角度が可変であり、前記試料の探査用の超音波ビ
   ームを送受波する主送受波部と、前記主送受波部の周囲
   に密着して均等に配置されるとともに超音波ビームの送
   受波角度を計測するための超音波ビームを送受波する４
   つの副送受波部とを有する送受波手段と、 前記送受波手段に超音波ビーム送波用の駆動信号を与え
   るとともに、前記送受波手段からの反射信号を処理する
   送受信手段と、 前記送受信手段での処理結果を表示する表示手段と、 前記送受信手段での処理結果を基に、前記送受波手段か
   ら送波される超音波ビームの前記試料の探査面に対する
   角度が垂直か否かを前記試料の探査中に判断する判断手
   段と、 前記判断手段の結果に基づいて前記送受波手段から送波
   される超音波ビームの前記試料に対する送受波角度を前
   記試料の探査中に制御する角度制御手段と、 を備えた超音波探傷器。
2. 【請求項２】試料の欠陥を超音波ビームにより探査する
   ための超音波探傷器に用いられる超音波探触子であっ
   て、 前記試料の探査用の超音波ビームを送受波する主送受波
   部と、 前記主送受波部の周囲に密着して均等に配置され、前記
   試料の探査中に超音波ビームの送受波角度を計測するた
   めの超音波ビームを送受波する４つの副送受波部と、 を備えた超音波探傷器用探触子。