JP4600335B2 - 超音波検査方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、被検査体（被検体ともいう。）の材料中に発生が想定されるき裂，ひび，欠陥を、超音波を被検体内に対して送受信して、受信結果から被検体の状態を非破壊的に評価する検査技術の分野に関するものである。

超音波を利用した非破壊検査に関する技術を記す。超音波センサには、超音波の送信角を固定した単一振動子型センサと、送信角度が可変である超音波アレイセンサがある。図２に、超音波アレイセンサ構成の概要を示す。超音波アレイセンサ１２（以下、単にアレイセンサともいう。）を構成している振動子３は、遅延時間制御装置３１，印加電圧発生装置３２と電気的に接続している。遅延時間制御装置３１は時間差を有した発信信号１１を送信し、印加電圧発生装置３２は発信信号１１の時間差に応じて、印加信号１３をアレイセンサに対して発生する。印加信号１３を受けた超音波アレイセンサでは、各振動子３から発生する超音波の球面波１４の発生時間を制御し、球面波１４の位相の重ね合わせ位置を制御することにより、送信角度を可変している。

また、各振動子への印加電圧発信時間の制御方法によっては、集束音場を形成することも可能である。図２に示すように、遅延時間制御装置３１からの印加信号１３の送信時間つまり遅延時間を、２次関数的に制御する。各振動子３から送信される球面波１４が、位相干渉により干渉波１５が生成される。この干渉波１５を集束目標点１６に合わせることで集束音場を形成し、欠陥へ強い音波を照射することができる。

図３に、受信信号処理について記す。欠陥などの反射源から発生した音波の各振動子への到達時間は、その位置に応じて異なる。そこで、アレイセンサ１２で得られた受信信号は、受信信号処理装置３３で到達時間情報を抽出する。信号発生位置計算装置３４では、この到達時間差を考慮した受信波の合成処理を行う。この合成処理により、反射源からのエコーは重ね合わせ処理がされるため、欠陥エコーのＳＮ比向上が可能であり、欠陥からの反射信号を高感度で検出できる。

次に、き裂の大きさを評価するサイジング技術について述べる。超音波センサ１７を１つ用いてサイジングする場合には、図４に示すように端部エコー法が一般的である。これは、式１に示す関係より、き裂の大きさＨを求める方法であり、Ｓは被検体の板厚、θは送信及び受信角、Ｃは音速、Ｔは超音波１８の往復伝播時間である。

２つの超音波センサ１７を用いてサイジングする場合には、図５に示すようなＴＯＦＤ（Time of flight diffraction）法による評価が一般的である。これは、（式２）に示す関係より、き裂の大きさＨを求める方法であり、２Ｌは送信センサ及び受信センサ間距離である。

超音波アレイセンサ１２を１つ用いた従来の探傷法については、例えば特開平１１−
５１９１５号における段落番号０００５に示されている。図６に示すように、アレイセンサを検査表面上に配し、想定しているき裂面の法線方向とアレイセンサの振動子長手方向の向きを直交するようにする。これにより、深さ方向に超音波ビームを偏向させ、き裂からの反射波及びき裂先端から発生する回折波の受信時間を評価することで、き裂の検出及び深さを評価するサイジングを行っている。このとき、１つの超音波アレイセンサが送信及び受信の役割を兼ねている。しかし、被検体表面からき裂面の向きが確認できないなどの理由により、想定しているき裂面の法線方向とアレイセンサの振動子長手方向の向きを直交するように配置できない場合、き裂からの明瞭なエコーを検出するのは難しい。

超音波アレイセンサ１２を２つ用いた従来の探傷法については、例えば特許第3609975号における段落番号０００８に示されている。図７に示すように、想定しているき裂面に対して、超音波アレイセンサを検査表面上に配し、想定しているき裂面の法線方向と両超音波アレイセンサの振動子長手方向の向きを直交するようにする。この場合、各超音波アレイセンサは送信及び受信の役割をそれぞれ果たす。しかし、被検体表面からき裂面の向きが確認できないなどの理由により、想定しているき裂面の法線方向と超音波アレイセンサの振動子長手方向の向きを直交するように配置できない場合、き裂からの明瞭なエコーを検出するのは難しい。

また、図８のように、曲率を有する部位を検査する場合には、水中環境下で検査する水浸法で行うことが一般的である。このとき、超音波アレイセンサ１２を被検体５に接触させようとすると、センサと被検体の間の水は、音響レンズの役割を果たす。曲面が凹である場合、被検体が、金属，コンクリート，樹脂などであると、水と被検体の音速の関係から、超音波１８は示す浅い部分（図８での丸）に集束し、深い部分に強い集束音場を作ることは難しい。このため、検査可能範囲は非常に狭い範囲となる。また、き裂の大きさを測定する際には、最も深い位置を検出する必要がある。このため、センサを被検体から離し、センサの向きを回転させる首振り操作を利用して検査を行うのが一般的であるが、検査表面での超音波の屈折によりき裂発生位置の評価が難しくかつ操作機構が複雑になる欠点がある。

また、図９のように、曲率を有する溶接部位では、構造物への応力作用の仕方により、き裂が発生する方向が溶接線に平行（Ｚ方向）な場合と、直交する場合とが想定される。図４及び図５に示した考え方より、き裂の発生方向によりセンサの向きを回転させる必要があった。また、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接部では異方性を持つことが知られており、超音波が歪曲する効果及び減衰効果により、超音波の集束音場が乱れ、き裂からのエコーのＳＮ比が弱くなり、き裂からの超音波信号を検出できない場合がある。

一方で、アレイセンサの配向に関しては、特開平１１−５１９１５号において、振動子を溶接線方向に配列して、溶接線方向に超音波を偏向させることが述べられているが、この方法ではき裂の検出性向上は可能である。しかし、ここに示されるアレイセンサは１つで使われるため、欠陥からのエコーと、金属材料中の結晶粒で生じる散乱エコーを受信するが、散乱エコーはノイズであるため、受信感度及びＳＮ比が悪く、サイジングには適さない。

特開平１１−５１９１５号公報 特許第３６０９９７５号公報

被検体表面からき裂面の向きが確認できない場合には、き裂面に対して、必ずしも超音波アレイセンサの振動子の向きを、超音波アレイセンサ正対方向に直交するように配することは出来ず、き裂からの明瞭なエコーを検出できないことがある。また、曲率を有する部位の検査では、センサを被検体から離し、超音波アレイセンサの向きを回転させる首振り操作を利用して検査を行うが、き裂発生位置の評価が難しくかつ操作機構が複雑になる欠点がある。また、曲率を有するオーステナイト系ステンレス鋼溶接部位は、異方性を持つため、き裂からの信号のＳＮ比が弱くなり、き裂からの超音波信号を検出できない場合がある。

したがって、１）被検体表面からき裂面の向きが確認できない場合において、き裂からの明瞭なエコーを検出する方法、２）曲率を有する部位の検査において簡易にき裂評定ができる方法、３）曲率を有するオーステナイト系ステンレス鋼溶接部位においてき裂からの明瞭なエコーを検出する方法が要望されてきた。

本発明の目的は、超音波検査において被検体の評価を確実に行えるようにすることにある。

本発明の課題を解決する基本的な方法は、複数の振動子を備えた送信用超音波アレイセンサと、複数の振動子を備えた受信用超音波アレイセンサとを用いて、被検体内に対して超音波の送受信を行い、その超音波の受信結果に基づいて前記被検体内の欠陥の位置あるいは大きさを測定する超音波検査方法において、前記送信用及び受信用各超音波アレイセンサを、前記被検体の表面上に、前記送信用及び受信用各超音波アレイセンサの振動子長手方向と前記送信用及び受信用各超音波アレイセンサの振動子面中心位置を通る直線の方向がなす外積の方向が被検体表面の法線方向と直交するように配置し、前記送信用超音波アレイセンサと前記受信用超音波アレイセンサの前記直線の方向の間隔を変化させ、且つ前記送信用超音波アレイセンサから発生させる前記超音波を電気的に走査し、前記被検体から前記受信用超音波アレイセンサで前記超音波を受信して前記超音波の送受信を行い、前記超音波の受信結果に基づいて、前記被検体内の欠陥の位置あるいは大きさを測定することを特徴とした超音波検査方法である。

同じく、本発明の課題を解決する基本的な装置は、複数の振動子を備えた送信用超音波アレイセンサと、複数の振動子を備えた受信用超音波アレイセンサと、前記送信用超音波アレイセンサの振動子に電気信号の発信時間を制御する遅延時間制御装置と、前記送信用超音波アレイセンサの振動子へ電気振動を発信する印加電圧発生装置と、前記受信用超音波アレイセンサで被検体内から受信した超音波の受信結果に基づいて前記被検体内の欠陥の位置あるいは大きさを求める情報処理手段と、前記情報処理手段の処理結果を表示する表示手段とを備えた超音波検査装置において、前記被検体の表面上に、前記送信用及び受信用各超音波アレイセンサの振動子長手方向と前記送信用及び受信用各超音波アレイセンサの振動子面中心位置を通る直線の方向がなす外積の方向が被検体表面の法線方向と直交するように配置された前記送信用及び受信用各超音波アレイセンサと、前記送信用及び受信用超音波アレイセンサを前記直線の方向へ移動させて前記送信用及び受信用超音波アレイセンサの間隔を調整するセンサ移動装置と、前記送信用及び受信用超音波アレイセンサの位置を測定するセンサ位置計算装置と、前記送信用及び受信用超音波アレイセンサの位置と前記受信結果に基づいて前記欠陥の位置あるいは大きさを演算する手段とを備えた超音波検査装置である。

本発明によれば、超音波アレイセンサを用いて被検体の健全性を評価する超音波検査方法において、き裂４の傾き方向に係わらず健全性を確実に評価可能になる。

本発明の実施形態における超音波検査方法は、複数の振動子から構成される送信用超音波アレイセンサと、複数の振動子から構成される受信用超音波アレイセンサを用いて、被検体の健全性を評価する超音波検査方法において、送信用超音波アレイセンサと受信用超音波アレイセンサを被検体の同一表面上に、超音波アレイセンサの振動子長手方向と各超音波アレイセンサの振動子面中心位置を通る直線の方向がなす外積の方向が、被検体の法線方向と直交するように配置し、超音波アレイセンサを移動させながら、送信用超音波アレイセンサから発生させる送信超音波を電気的に走査して、被検体内の反射源に当たって発生した超音波を、受信用超音波アレイセンサで受信して、超音波アレイセンサ間距離，超音波伝播時間，超音波送受信角度に基づいて、欠陥の位置あるいは大きさを測定することを特徴としている。

本発明の実施形態における超音波検査装置は、複数の振動子から構成される送信用超音波アレイセンサと、複数の振動子から構成される受信用超音波アレイセンサと、アレイセンサを移動させるセンサ移動装置と、アレイセンサの位置を測定する移動距離計算装置と、送信用超音波アレイセンサの振動子に電気信号の発信時間を制御する遅延時間制御装置と、アレイセンサを構成する振動子へ電気振動を発信する印加電圧発生装置と、受信用超音波アレイセンサで受信した信号に対して数値演算処理をする受信信号処理装置と、検査結果を表示する検査結果表示装置と、各装置とのデータ伝達と統合を行う情報処理装置から構成される超音波検査装置において、被検体の同一表面上に、超音波アレイセンサの振動子長手方向と各超音波アレイセンサの振動子面中心位置を通る直線の方向がなす外積の方向が、被検体の法線方向と直交するように配置された前記送信用超音波アレイセンサと受信用超音波アレイセンサを有し、センサ移動装置に設置した前記超音波アレイセンサを移動させながら、遅延時間制御装置により制御された発信時間に基づき、印加電圧発生装置から発信される電気信号を受けて送信用超音波アレイセンサから発生させる送信超音波を電気的に走査して、被検体内の反射源に照射されて発生した超音波を、受信用超音波アレイセンサで受信して、移動距離計算装置から計算される超音波アレイセンサ間距離，受信信号処理装置から計算される超音波伝播時間，超音波送受信角度，材料音速情報に基づいて、情報処理装置において、欠陥の位置あるいは大きさを測定し、その結果を検査結果表示装置で表示することを特徴とした超音波検査装置である。

各実施形態を図面に基づいて以下具体的に説明する。初めに、全体の超音波検査装置に係る実施形態について、図１を用いて説明する。本発明の実施形態では、送信用超音波アレイセンサ１（以下、アレイセンサ１という。）と受信用超音波アレイセンサ２（以下、アレイセンサ２という。）は被検体表面上に配置し、各アレイセンサ１，２の振動子３の長手方向と各アレイセンサ１，２の振動子面中心位置を通る直線６の方向（アレイセンサ１及び２の正対方向ともいう。）がなす外積の方向が被検体の法線方向と直交するように、アレイセンサ１及び２は配置される。振動子面８は、振動子の長手方向の端辺から構成される面で、アレイセンサ１及び２中に点線で表示した。アレイセンサを構成する振動子３には、前記外積の方向と直交する方向に曲率を持たせる。本発明のような振動子配置にしたときの効果は、第１の実施形態の説明及び図１１を用いて、後述する。

支柱２１と軌道２２は、しっかりした土台に設置し、アレイセンサを移動させたときに安定した探傷ができるようにする。車輪２３が内蔵されているステージ２４は、軌道２２上を安定に移動できる。送信用アレイセンサ１及び受信用アレイセンサ２は、センサを保持する垂直アーム２５および水平アーム２６を介してステージ２４に設置する。アームはスパイラル状の溝が切ってあり、モータ制御により、垂直アーム２５では昇降、水平アーム２６では水平に移動可能であり、アレイセンサを任意の位置に移動させ、超音波検査をすることができる。

情報統括装置２７は移動目標位置を指示し、スキャナ制御装置２８はその目標に対する移動信号を出し、ステージ２４及びアーム２５，２６は移動する。ステージ２４及びアーム２５，２６の移動量は、エンコーダ２９により測定し、その情報に基づき、センサ位置計算装置３０は、アレイセンサ１，２の位置を求めることができる。アレイセンサの位置情報から、既述の式２における送信センサ及び受信センサ間距離２Ｌを計算できる。なお、アレイセンサの位置は、情報統括装置２７に送られ、検査結果記憶装置３４に蓄積される。

次に、超音波の送受信について述べる。送信用アレイセンサ１及び受信用アレイセンサ２を構成している振動子３は、遅延時間制御装置３１，印加電圧発生装置３２，受信信号処理装置３３，信号発生位置計算装置３４と、電気的に接続している。超音波の送信制御に関しては、情報統括装置２７からの命令に受け、遅延時間制御装置３１は時間差を有した発信信号を送信し、印加電圧発生装置３２は発信信号の時間差に応じて、印加電圧１３をアレイセンサに対して発生する。印加電圧を印加信号１３として受けた送信用アレイセンサ１では、各振動子３から発生する超音波球面波の発生時間を制御し、球面波の位相の重ね合わせ位置を制御することにより、送信角度及びビームプロファイルを可変している。

また、送信超音波が欠陥などの反射源に照射され発生した音波の各振動子への到達時間は、反射源の位置に応じて異なる。そこで、受信用アレイセンサ２で得られた受信信号から、受信信号処理装置３３で到達時間情報を抽出する。信号発生位置計算装置３４では、この到達時間差を考慮した受信波の合成処理を行う。この処理により、既述の式２における超音波伝播時間Ｔ及び送信及び受信角θを求めることができる。この情報は情報統括装置２７に送られ、先に得られたＬ、そして予め測定しておいた被検体の板厚Ｓと材料音速Ｃを用いて、既述の式２に基づいて受信波発生位置とき裂４の大きさＨを求めることができる。この過程で得られた超音波伝播時間Ｔ，送信及び受信角θ，受信波発生位置，き裂４の大きさＨは、検査結果記憶装置３５に蓄積され、検査結果表示装置３６で確認することができる。また、検査結果表示装置３６は、情報統括装置２７に搭載されていてもよい。なお、ステージ２４，アーム２５，２６，情報統括装置２７，スキャナ制御装置２８，エンコーダ２９，センサ位置計算装置３０，遅延時間制御装置３１，印加電圧発生装置
３２，受信信号処理装置３３，信号発生位置計算装置３４，検査結果記憶装置３５，検査結果表示装置３６は、電送線３７で結線している。なお、遅延時間制御機能と受信信号制御機能を併せ持った装置を、遅延時間制御装置３１及び受信信号処理装置３３の代わりに結線してもよい。

続いて、個々の超音波探傷方法について説明する。本発明にかかる超音波検査方法の、第１の実施形態の説明図を図１０に示す。本発明では、送信用アレイセンサ１と受信用アレイセンサ２は被検体表面上に配置し、各アレイセンサの振動子３の長手方向と各アレイセンサの振動子面中心位置を通る直線６の方向がなす外積の方向が、被検体の法線方向と直交するように、アレイセンサ１及び２は配置する。振動子面８は、振動子の長手方向の端辺から構成される面で、アレイセンサ１及び２中に点線で表示した。

本発明のような振動子配置にすると、Ｘ方向に超音波ビームを走査させることができる。この場合、Ｘ方向に平行なき裂の探傷は従来と同様に探傷可能であるが、図１１に示すように、Ｘ方向に対して傾いたき裂に対しても、集束ビームをき裂に照射することが出来る。また、端部エコーはき裂４から広角度に発生するが、回折波の強度には空間分布が存在するため、き裂４とセンサの正対方向の角度が平行に近い場合は、端部エコーは弱くなり、ノイズとの識別が困難になる。しかし、受信用アレイセンサ２では、Ｘ方向に対して遅延時間を考慮した受信が可能であるため、背景技術の欄で記した到達時間差を考慮した受信波の合成処理を行うことで、弱い端部エコーでも受信強度を高めることができ、ノイズとの分離及びＳＮ比の向上を達成できる。

また、この方法は、欠陥からの回折波である端部エコーを利用した欠陥の評価方法であるので、欠陥開口部がセンサ配置側でも、非センサ配置側でも、中空欠陥でも、その機能は損なわれない。また、本発明では、アレイセンサ１及び２からの超音波ビームをクロスさせるために、振動子面に傾斜を設けたアレイセンサとすることが効果的である。

また、実際に超音波検査を実施する際には、アレイセンサ１及び２を正対方向である直線６の方向に移動させてアレイセンサ１及び２の間隔を変化させて実施する。検査位置を変える場合には、アレイセンサ１及び２を直線６の方向へ同方向に移動させて行い、欠陥と推定された反射源から超音波を受信したとき、センサ間距離２Ｌと、受信波解析をすることによって得られる超音波伝播時間Ｔ，送信及び受信角θ、そして被検体の板厚Ｓ，材料音速Ｃから、既述の式２に基づいて受信波発生位置及びき裂４の大きさＨを求めることができる。

また、第１の実施形態の例として、図１２に示したタンデム法でも有効である。これは、送信用アレイセンサ１と受信用アレイセンサ２において、超音波の各主ビームの出射方向のなす角βが９０°以内になるように配置させ、振動子面の角度は互いに異なる角度とする。タンデム法では、き裂４に対して近い側に配置したアレイセンサから出射した超音波ビームは直接き裂４先端に当てるようにする。き裂４に対して遠い側に配置したアレイセンサでは、き裂４先端に当たって発生した回折波を受信する。この場合でも、センサ間距離２Ｌと、受信波解析をすることによって得られる超音波伝播時間Ｔ，送信及び受信角θ、そして被検体の板厚Ｓ，材料音速Ｃが分かれば、記述の式２に基づいて受信波発生位置とき裂４の大きさを求めることができる。

本発明にかかる超音波検査方法の、第２の実施形態の説明図を図１３に示す。本発明では、送信用アレイセンサ１と受信用アレイセンサ２は被検体表面上に配置し、各アレイセンサの振動子３の長手方向と各アレイセンサの振動子面中心位置を通る直線６の方向がなす外積の方向が、被検体の法線方向と直交するように、アレイセンサ１及び２は配置する。第２の実施形態では、振動子３に曲率を持たせることが特徴である。図１０に示したような振動子３が真っ直ぐな場合、ＹＺ方向への集束ビームの形成はできなかったが、曲率を持つ振動子ではＹＺ面への集束ビームが形成できるようになる。これにより、集束点でのビーム強度をさらに強くすることができ、第１の実施形態よりもＳＮ比を向上させることが可能である。

本発明にかかる超音波検査方法の、第３の実施形態の説明図を図１４に示す。本発明では、送信用アレイセンサ１と受信用アレイセンサ２は被検体表面上に配置し、各アレイセンサの振動子３の長手方向と各振動子面８は、振動子の長手方向の端辺から構成される面で、アレイセンサ１及び２中に点線で表示した。アレイセンサの振動子面中心位置を通る直線６の方向がなす外積の方向が被検体の法線方向と直交するように、アレイセンサ１及び２は配置する。

第３の実施形態では、第１の実施形態にＹＺ方向へ超音波送信角を変えられるくさび７をアレイセンサの振動子面に配することが特徴である。一般のアレイセンサでは、振動子面は被検体面に対して平行になるように作られることが多い。このようなアレイセンサでも、くさび７を使えば、超音波の屈折角を容易に変えられるため、被検体，き裂４の深さに応じて、最適な探傷条件の元、検査することができる。また、くさびのＹＺ面方向に曲率を持たせれば、ＹＺ面方向での集束効果を付与することができ、第２の実施形態と同等の効果が得られる。

第２及び第３の実施形態において、実際に超音波検査を実施する際にも、アレイセンサ１及び２を正対方向の前後に走査して実施する。欠陥と推定された反射源から超音波を受信したとき、センサ間距離２Ｌと、受信波解析をすることによって得られる超音波伝播時間Ｔ，送信及び受信角θ、そして被検体の板厚Ｓ，材料音速Ｃから、既述の式２に基づいて受信波発生位置及びき裂４の大きさＨを求めることができる。また、第３の実施形態は、前述した第１の実施形態の例として示した図１２に示したタンデム法への適用も可能である。

本発明にかかる超音波検査方法の、第４の実施形態の説明図を図１５に示す。また、図１５において、Ｚ方向に平行でかつ被検体表面の法線方向Ｎに平行な面での様子を、図
１６に示す。本発明では、送信用アレイセンサ１と受信用アレイセンサ２は被検体表面上に配置し、各アレイセンサの振動子３の長手方向と各アレイセンサの振動子面中心位置を通る直線６の方向がなす外積の方向が、被検体表面の法線方向と直交するように、アレイセンサ１及び２は配置する。このような振動子配置にすると、ビームを集束させながら、Ｚ方向直交方向への超音波ビームを走査することができる。

この実施例によると、図１５に示すようなき裂４の場合、超音波ビームの走査によってき裂４の最も深い位置を検出することができるようになる。従って、アレイセンサをＺ方向直交方向で回転させる機構が不要になり、アレイセンサを動かす機構が小さくでき、狭隘な箇所へのアレイセンサのアクセスが可能になる。また、アレイセンサの被検体接触面にはＸＹ方向への曲率を設け、接触性を向上させる。また、アレイセンサの被検体に接触させる曲率部の材料としては、樹脂，金属など、音響インピーダンスが被検体の音響インピーダンスと接触媒質の音響インピーダンスの間になる材料物性とすることで、超音波のエネルギ伝達効率は水浸法に比べて向上でき、被検体内に強く超音波を入射できる。以上の効果より、本発明によれば、背景技術の欄で述べた水浸法より強い音場を形成することができ、欠陥先端からの微弱な端部エコーを高感度で受信することができる。

また、このような曲率部はＴ継ぎ手や十字継ぎ手などでみられる。継ぎ手材料がオーステナイト系ステンレス鋼溶接部など音響異方性を持つ場合、溶接棒をＺ方向に走査して溶接は施工される。ここで、溶接部結晶組織は、除熱される材料面の法線方向に成長する柱状晶となる。つまり、Ｚ方向に対して法線方向に成長する。つまり、Ｚ方向に平行な被検体面に対しては、法線方向に一様な結晶組織となる。このように一様な結晶組織を持つ溶接部に対しては、縦波超音波は４５度方向へ伝播しやすい。このため、例えば、図１６中に示した超音波の被検体中での送受信角度θが３０−５０度になるように振動子面を傾ければ、溶接部でも高感度に探傷できるようになる。

本発明にかかる超音波検査方法の、第５の実施形態の説明図を図１７に示す。本発明では、送信用アレイセンサ１と受信用アレイセンサ２は被検体表面上に配置し、各アレイセンサの振動子３の長手方向と各超音波アレイセンサの振動子面中心位置を通る直線６の方向がなす外積の方向が、被検体の法線方向と直交するように、アレイセンサ１及び２は配置する。第５の実施形態では、振動子３に曲率を持たせることが特徴である。図１５に示したような振動子３が真っ直ぐな場合、ＹＺ面への集束ビームの形成はできなかったが、曲率を持つ振動子ではＹＺ方向への集束ビームが形成できるようになる。これにより、集束点でのビーム強度をさらに強くすることができ、第５の実施形態よりも高感度にすることが可能である。

本発明にかかる超音波検査方法の、第６の実施形態の説明図を図１８に示す。本発明では、送信用アレイセンサ１と受信用アレイセンサ２は被検体表面上に配置し、各アレイセンサの振動子３の長手方向と各超音波アレイセンサの振動子面中心位置を通る直線６の方向がなす外積の方向が、被検体表面の法線方向と直交するように、アレイセンサ１及び２は配置する。第６の実施形態では、ＹＺ方向へ超音波送信角を変えられるくさび７をアレイセンサの振動子面に配し、くさびの被検体との接触面には曲率を設けることが特徴である。これにより、第１の実施形態で示すようなアレイセンサ、あるいは平板部の検査用に作られたアレイセンサに、本発明に示すようなくさびを接触させることで、第６の実施形態と同等の効果が得られ、既存のアレイセンサの転用が可能になる。

第４，第５及び第６の実施形態において、実際に超音波検査を実施する際にも、アレイセンサ１及び２を正対方向の前後に動かして実施する。欠陥と推定された反射源から超音波を受信したとき、センサ間距離２Ｌと、受信波解析をすることによって得られる超音波伝播時間Ｔ，送信及び受信角θ、そして被検体の板厚Ｓ，材料音速Ｃから、既述の式２に基づいて受信波発生位置及びき裂４の大きさＨを求めることができる。また、この実施例をタンデム法に適用することも考えられる。

以上の各実施例から明らかのように、本発明によれば、超音波アレイセンサを用いて被検体の健全性を評価する超音波検査方法において、送信用超音波アレイセンサと受信用超音波アレイセンサは被検体表面上に配置し、各アレイセンサの振動子の長手方向と各超音波アレイセンサの振動子面中心位置を通る直線の方向がなす外積の方向（Ｘ方向）が被検体の法線方向と直交するように、アレイセンサは配置する。これにより、Ｘ方向に対して超音波ビームを走査させることができるため、Ｘ方向に対して傾いたき裂４に対しても、集束ビームをき裂４に照射することが出来る。また、Ｘ方向に対して遅延時間を考慮した受信信号処理が可能であるため、弱い端部エコーの受信強度を高め、高いＳＮ比を確保して健全性を確実に評価可能になる。

本発明は、超音波を用いた非破壊検査方法及び装置に利用される。

本発明の超音波検査方法で用いられる超音波検査装置の構成図である。 超音波アレイセンサを用いた集束音場形成方法の概念図である。 超音波アレイセンサを用いた受信信号処理の概念図である。 超音波センサを用いた端部エコー法の原理説明図である。 超音波センサを用いたＴＯＦＤ法の原理説明図である。 超音波センサを１つ用いた場合の探傷方法の説明図である。 超音波センサを２つ用いた場合の探傷方法の説明図である。 曲率部位での探傷方法の説明図である。 曲率を有する溶接部位での探傷方法の説明図である。 本発明の第１の実施形態の超音波検査方法の説明図である。 本発明の第１の実施形態のアレイセンサの配置とき裂角度に関する説明図である。 本発明の第１の実施形態の超音波検査方法の他の説明図である。 本発明の第２の実施形態の超音波検査方法の説明図である。 本発明の第３の実施形態の超音波検査方法の説明図である。 本発明の第４の実施形態の超音波検査方法の説明図である。 本発明の第４の実施形態の超音波検査方法の補足説明図である。 本発明の第５の実施形態の超音波検査方法の説明図である。 本発明の第６の実施形態の超音波検査方法の説明図である。

符号の説明

１…送信用超音波アレイセンサ、２…受信用超音波アレイセンサ、３…振動子、４…き裂、５…被検体、６…直線、７…くさび、８…振動子面、１１…発信信号、１２…超音波アレイセンサ、１３…印加信号、１４…球面波、１５…干渉波、１６…集束目標点、１７…超音波センサ、１８…超音波、２１…支柱、２２…軌道、２３…車輪、２４…ステージ、２５…垂直アーム、２６…水平アーム、２７…情報統括装置、２８…スキャナ制御装置、２９…エンコーダ、３０…センサ位置計算装置、３１…遅延時間制御装置、３２…印加電圧発生装置、３３…受信信号処理装置、３４…信号発生位置計算装置、３５…検査結果記憶装置、３６…検査結果表示装置、３７…電送線。

Claims (9)

1. 複数の振動子を備えた送信用超音波アレイセンサと、複数の振動子を備えた受信用超音波アレイセンサとを用いて、被検体内に対して超音波の送受信を行い、その超音波の受信結果に基づいて前記被検体内の欠陥の位置あるいは大きさを測定する超音波検査方法において、
   前記送信用及び受信用各超音波アレイセンサを、前記被検体の表面上に、前記送信用及び受信用各超音波アレイセンサの振動子長手方向と前記送信用及び受信用各超音波アレイセンサの振動子面中心位置を通る直線の方向がなす外積の方向が被検体表面の法線方向と直交するように配置し、
   前記送信用超音波アレイセンサと前記受信用超音波アレイセンサの前記直線の方向の間隔を変化させ、且つ前記送信用超音波アレイセンサから発生させる前記超音波を電気的に走査し、前記被検体から前記受信用超音波アレイセンサで前記超音波を受信して前記超音波の送受信を行い、
   前記超音波の受信結果に基づいて、前記被検体内の欠陥の位置あるいは大きさを測定することを特徴とした超音波検査方法。
2. 請求項１において、前記被検査体に備わる曲率を有する面から前記超音波を前記被検体内に送信し、前記被検査体に備わる曲率を有する面を通過させて前記超音波を受信することを特徴とした超音波検査方法。
3. 請求項１又は請求項２において、前記送信用及び受信用の各超音波アレイセンサの少なくとも１つの振動子に前記外積の方向と直交する方向に曲率をつけて、前記曲率に基づく集束する超音波の送受信を行うことを特徴とした超音波検査方法。
4. 請求項１又は請求項２において、前記送信用及び受信用の各超音波アレイセンサの少なくとも１つの振動子面にくさびを配して前記超音波を前記くさびで屈折させて超音波の送受信を行うことを特徴とした超音波検査方法。
5. 請求項２において、前記送信用及び受信用の各超音波アレイセンサの少なくとも１つの振動子面に前記曲面に対向する曲面を有するくさびを配して前記超音波を前記くさびで屈折させて超音波の送受信を行うことを特徴とした超音波検査方法。
6. 複数の振動子を備えた送信用超音波アレイセンサと、複数の振動子を備えた受信用超音波アレイセンサと、前記送信用超音波アレイセンサの振動子に電気信号の発信時間を制御する遅延時間制御装置と、前記送信用超音波アレイセンサの振動子へ電気振動を発信する印加電圧発生装置と、前記受信用超音波アレイセンサで被検体内から受信した超音波の受信結果に基づいて前記被検体内の欠陥の位置あるいは大きさを求める情報処理手段と、前記情報処理手段の処理結果を表示する表示手段とを備えた超音波検査装置において、
   前記被検体の表面上に、前記送信用及び受信用各超音波アレイセンサの振動子長手方向と前記送信用及び受信用各超音波アレイセンサの振動子面中心位置を通る直線の方向がなす外積の方向が被検体表面の法線方向と直交するように配置された前記送信用及び受信用各超音波アレイセンサと、
   前記送信用及び受信用超音波アレイセンサを前記直線の方向へ移動させて前記送信用及び受信用超音波アレイセンサの間隔を調整するセンサ移動装置と、
   前記送信用及び受信用超音波アレイセンサの位置を測定するセンサ位置計算装置と、
   前記送信用及び受信用超音波アレイセンサの位置と前記受信結果に基づいて前記欠陥の位置あるいは大きさを演算する手段とを備えた超音波検査装置。
7. 請求項６において、前記送信用及び受信用の各超音波アレイセンサの少なくとも１つの振動子に前記外積の方向と直交する方向に曲率をつけてあることを特徴とした超音波検査装置。
8. 請求項６において、前記送信用及び受信用の各超音波アレイセンサの少なくとも１つの振動子面にくさびを配してあることを特徴とした超音波検査装置。
9. 請求項６において、前記送信用及び受信用の各超音波アレイセンサの少なくとも１つの振動子面に前記被検体の表面に対向する曲面を有するくさびを配してあることを特徴とした超音波検査装置。
   

Images