JP5064280B2 - 超音波検査装置及び超音波検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、検査対象物の内部欠陥の有無を非破壊検査する超音波検査装置及び超音波検査方法に関するものである。

検査対象物、例えば航空エンジン用の回転部品の、素材内部の健全性評価には超音波検査が行われ、特に検査対象物を水に浸して超音波検査を行う水浸法が用いられる。

又、検査対象物がビレット（例えばφ２００ｍｍ×１〜３ｍ）の様な厚い素材の場合、超音波の減衰が大きく、中心部の検査が困難になる。従って、厚い素材については、集束探触子を用いることで超音波の広がりを抑制し、深層部を高感度で検査するのに有効である。

集束探触子を用いた場合、通常の探触子は、１の焦点（単焦点）を有するので、超音波検査は肉厚方向で限られた範囲に限定される。この為、肉厚方向全域の超音波検査を行う場合は、焦点距離の異なる複数の探触子を用意し、各探触子毎に超音波検査を行い、検査対象物の肉厚方向全域に亘って欠陥の有無を検査していた。

斯かる単焦点の探触子を用いた場合、測定対象物に対して複数回の超音波検査を行わなければならず、又１回の検査毎に探触子を交換する作業が伴い、超音波検査時間が長くなると共に作業性が悪いという問題があった。

又、検査対象物が大型になると、探触子の振動子も大型となり、静電容量が増大し、超音波の周波数が低下する問題もある。

これに対し、複数の焦点距離を有し、或は焦点距離の調整が可能なアレイ型超音波深触子がある。

アレイ型超音波深触子は、探触子が小さく分割された所要数の振動子から構成され、又各振動子を個別に位相制御を行って発振させる制御装置を具備し、各振動子の発振時期（位相）を個別に制御することで、探触子全体が１つの焦点距離を有し、又焦点距離が変更され、更に探触子が複数の焦点距離を有する様、各振動子の位相が制御されているものがある。

斯かるアレイ型超音波深触子では、探触子が大型となっても超音波の周波数低下がなく、又焦点距離の変更の度に探触子を交換する必要がなく、更に一度の超音波検査で肉厚方向全域に亘って欠陥の有無を検査することも可能となる。一方で、アレイ型超音波深触子を用いて超音波検査を行うには、高価なアレイ型超音波深触子用の制御装置が必要となる等の問題があった。

特開２００６−２９２６９７号公報

本発明は斯かる実情に鑑み、複数の焦点距離を有する探触子を提供し、又探触子の発振制御が単焦点用の探触子の制御装置で行える様にしたものである。

本発明は、探触子の振動子膜を複数のエリアに分割し、各エリアが異なる焦点距離を持つ様に各エリアの曲面を設定した超音波検査装置に係るものである。

又本発明は、前記エリアがスイッチング手段を介して制御装置に接続され、該制御装置は複数の前記エリアの１つを選択して駆動する様構成した超音波検査装置に係るものである。

又本発明は、前記振動子膜は同心リング状に分割されて前記エリアが形成された超音波検査装置に係るものである。

又本発明は、前記振動子膜は、短冊状に分割して前記エリアが形成され、進行方向に沿って順番に配置された超音波検査装置に係るものである。

又本発明は、前記エリアはマッチング手段を介して前記制御装置に接続された超音波検査装置に係るものである。

又本発明は、前記超音波検査装置を用いた超音波検査方法であって、１つのエリアで検査対象物の全長を探傷した後、他のエリアを順次選択して全長を肉厚方向全域に亘って探傷を行う超音波検査方法に係るものである。

更に又本発明は、前記超音波検査装置を用いた超音波検査方法であって、複数のエリアを繰返し駆動しながら検査対象物の全長を探傷する超音波検査方法に係るものである。

本発明によれば、探触子の振動子膜を複数のエリアに分割し、各エリアが異なる焦点距離を持つ様に各エリアの曲面を設定したので、複数の焦点距離を有する探触子が得られ、又探触子は各エリア毎に駆動すればよく、単焦点用の探触子の制御装置で行える。又検査対象物の大型化に対応して、探触子を大きくした場合でもエリア分割しているので、超音波の周波数低下を防止でき、又近距離での検出感度も損われることがないという優れた効果を発揮する。

以下、図面を参照しつつ本発明を実施する為の最良の形態を説明する。

図１〜図３により本発明で用いられる探触子について説明する。

探触子１は、検査対象物２の表面に対し所定距離離れた位置に保持される。尚、図示していないが前記探触子１、前記検査対象物２は水中に配置されている。

前記探触子１の前記検査対象物２に対峙する面には圧電素子である振動子膜３が設けられる。該振動子膜３は、前記検査対象物２の形状に適合した平面形状、曲面を有しており、前記検査対象物２の断面形状が円の長尺材料であると、前記振動子膜３の断面形状は前記検査対象物２の軸心と平行な長軸を有する楕円、或は略楕円（以下、楕円と称す）であり、又、前記検査対象物２の表面に沿う様な曲面となっている。

ここで、前記振動子膜３の曲面の形状は、楕円の図心を含む任意の平面で断面した場合に前記振動子膜３の断面が示す曲線が放物線となる様に形成されている。

前記振動子膜３は、同心リング状に所要数のエリアに分割（図示では４分割）され、更に各リングは周方向に所要分割されている。分割された部位は、それぞれ物理的に分離しており、各部位の面積は等しくてもよい。

該各部位は振動子４を構成し、該各振動子４にはそれぞれに制御装置（後述）が電気的に接続されている。

又、各リングに属する振動子４が、それぞれ振動子群、即ちＡ群５、Ｂ群６、Ｃ群７、Ｄ群８を形成し、各振動子群は、それぞれマッチング回路１０，１１，１２，１３及びスイッチング手段１４を介して制御装置１５に接続されている。

前記マッチング回路１０，１１，１２，１３は、各振動子群の振動子４が同一条件で発振する様に該振動子４の発振状態を調整する。前記スイッチング手段１４は、切換えスイッチ１６，１７，１８，１９をＯＮ／ＯＦＦして前記各振動子群のいずれか１つが前記制御装置１５に接続される様にする。

該制御装置１５は、前記スイッチング手段１４で選択された１つの振動子群の個々の前記振動子４にパルス電流を印加し、該振動子４を発振させ、超音波を発生させる。又、該振動子４が受信した超音波を電気信号として検出する。

各振動子群を同時に、同一条件で発振させることで、各振動子群が１つの振動子として駆動され、超音波を発生する。

前記した様に、各振動子群の振動子４は同一条件で超音波を発生する様になっており、超音波を所定の距離（所定の焦点距離）に集束させるには、前記振動子４の発振面が凹曲面となっている必要があり、又前記振動子膜３、或は各振動子群が連続した凹曲面を形成することが要求され、更に焦点距離に応じて凹曲面の曲率、曲率状態が設定される。

本発明では、図１に見られる様に、各振動子群毎に、異なる焦点距離を有する様に構成され、前記振動子膜３の中心に位置する前記Ａ群５は前記検査対象物２の表面を含む表面近傍の位置に焦点距離を有し、前記振動子膜３の周辺に位置する前記Ａ群５と前記Ｂ群６と前記Ｃ群７と前記Ｄ群８を合わせた集合は前記検査対象物２の中心部に焦点を有する様に設定され、前記Ａ群５と前記Ｂ群６を合わせた集合、前記Ａ群５と前記Ｂ群６と前記Ｃ群７を合わせた集合は前記検査対象物２の表面と、中心の中間に焦点を有する。

又、超音波の集束する部分は、深さ方向に幅を持っており、各振動子群から発せられる超音波の集束部分が傷を検出する探傷ゾーン２１，２２，２３，２４となっており、該探傷ゾーン２１，２２，２３，２４は、所要範囲でオーバラップしている。

前記振動子膜３の、分割された前記Ａ群５、前記Ｂ群６、前記Ｃ群７、前記Ｄ群８がそれぞれ異なる焦点距離を有する様に、前記振動子膜３の曲面が決定され、中心部で短焦点距離、周辺部に行くに従って焦点距離が長くなる様な曲面とされる。

而して、前記検査対象物２が断面円の長尺物であった場合、前記振動子膜３の曲面形状は、上記した様に、該振動子膜３の図心を含む任意の平面で断面した場合に前記振動子膜３の断面が示す曲線は、放物線となる様に形成されている。

前記振動子膜３の曲面形状を、図４、図５に於いて説明する。

図４（Ａ）は、断面が円で長尺物の前記検査対象物（ビレット）２を示し、該検査対象物２の軸心に対してφの角度で、前記振動子膜３を断面した場合の前記検査対象物２と前記振動子膜３との関係を、図４（Ｂ）で示している。

図中、ａ：ＡＡ′断面の短軸とビレット２の表面との交点、ｂ：任意の超音波の進行方向とビレット２の表面との交点、ｃ：任意の超音波の進行方向と探触子の交点、ｄ：ＡＡ′断面の長軸とビレット２の表面の交点、ｆ：焦点距離、ｏ：ビレット２の中心（原点）、Ｄ：探触子半径、Ｆ：焦点の深さ（メタルトラベル）、Ｒ：短軸の長さ（ビレット半径）、Ｒ／ｃｏｓφ：長軸の長さ、ＷＰ：水距離（探触子とビレット２との距離）、ｋ：点ｂと原点ｏを結ぶ直線、ｌ：点ｂに於ける接戦、ｍ：直線ｏａに平行で点ｂを通過する直線、ｎ：点ｂに於ける法線、α：超音波の屈折角、β：超音波の入射角、γ：法線ｎがビレット中心軸ｏａと成す角度、θ：直線ｋとｍとの成す角度を示す。

而して、図４（Ｂ）中、原点ｏに関して、前記振動子膜３の断面が示す曲線ｆ（ｘ，ｙ）は、図５中に示す式によって示される。

以下、本発明に係る超音波検査装置の作用について説明する。

先ず、前記切換えスイッチ１６をＯＮとし、前記Ａ群５と前記制御装置１５とを接続する。尚、前記切換えスイッチ１６の操作は、前記制御装置１５の指令により自動で行ってもよく、或は手動で行ってもよい。

前記検査対象物２を回転し、又前記探触子１を前記検査対象物２に対して相対的に移動させる。

所定の時間間隔で、前記Ａ群５の前記各振動子４に電流パルスを印加し、超音波を発生させ、探傷を行う。前記電流パルスの時間間隔と、移動速度との関係は、電流パルス毎に形成される前記探傷ゾーン２１，２１同士が所要範囲オーバラップするものとする。

前記検査対象物２の全長に亘って探傷が完了すると、前記切換えスイッチ１６をＯＦＦとすると共に前記切換えスイッチ１７をＯＮとし、又は、前記切換えスイッチ１６をＯＮのまま前記切換えスイッチ１７をＯＮとし、同様にして前記探傷ゾーン２２について探傷を行う。又、前記探傷ゾーン２３，２４についても前記Ｃ群７、前記Ｄ群８により、順次探傷を行えば、前記検査対象物２の内部全域について超音波探傷を行うことができる。

尚、前記探触子１の移動速度を遅くして、前記Ａ群５、前記Ｂ群６、前記Ｃ群７、前記Ｄ群８を繰返し切換え、一度で内部全域の超音波探傷を行う様にしてもよい。

図６（Ａ）は本発明に係る探触子１の探傷結果を示し、図６（Ｂ）は全ての振動子４についてアレイ型超音波深触子用の制御装置により、位相制御を行って検査した場合の探傷結果を示している。尚、図中、Ｌ２５〜Ｌ１００は、検査用の傷を設けた深さを示している。例えば、Ｌ２５は深さ２５ｍｍの位置に検査用の傷が設けられている。Ｌ２５の例を取れば、（Ａ）（Ｂ）いずれの場合も、検査対象物２の表面と底面で超音波の反射があると共に、深さ２５ｍｍのところで超音波の反射が見られる。又、（Ａ）（Ｂ）のいずれも、深さ２５ｍｍのところでの超音波の大きさは同等である。尚、傷を示す反射波の大きさは、他の場合、Ｌ５０、Ｌ７５、Ｌ１００の場合も同様であり、本発明の探触子１の探傷性能は、アレイ型超音波深触子用の制御装置を用いた場合と同等であることが分る。

次に、図７により、他の実施の形態を説明する。

該他の実施の形態では、振動子膜３を短冊状のエリアに分割して、更にエリアを分割して振動子群を形成し、Ａ群５、Ｂ群６、Ｃ群７、Ｄ群８を進行方向に沿って順番に配置したものであり、各振動子群毎に曲率が異なる曲面となっており、前記Ａ群５、前記Ｂ群６、前記Ｃ群７、前記Ｄ群８がそれぞれ異なる焦点距離を有し、各エリアは、それぞれ深さの異なる探傷ゾーン２１，２２，２３，２４を有している。

本実施の形態では、各エリア間の進行方向ピッチＰは、相対速度ｖとするとし、前記Ａ群５→前記Ｂ群６→前記Ｃ群７→前記Ｄ群８→前記Ａ群５と順次繰返し、パルス電流を印加する時間間隔をｔとすると、Ｐ＝ｖｔである。

相対速度と、パルス電流を印加する時間間隔とをマッチングさせることで、同じ進行方向位置で深さの異なる部位を順次探傷することができる。

尚、前記振動子膜３の曲面の形状は、検査対象物２の断面形状によって異なり、前記振動子膜３の断面が示す曲線は、放物線に限定されるものではない。又、各エリアの分割数は任意であり、各エリアが分割されていない１枚の振動子４で構成されてもよい。

本発明によれば、検査対象物２の大型化に対応して、探触子１を大きくした場合に、超音波の周波数低下を防止でき、又近距離での検出感度も損われることがない。更に、複数の焦点距離を有する探触子１を、単焦点の探触子用の制御装置で駆動できる。

本発明の実施の形態を示す模式図である。 本発明に係る探触子の振動子膜を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は右側面図であり、（Ｃ）は正面図である。 本発明に係る超音波検査装置を示す概略構成図である。 検査対象物と振動子膜の関係を示す説明図である。 振動子膜の曲面の式を示す説明図である。 （Ａ）は本発明の超音波検査装置の検査結果、（Ｂ）は従来のアレイ型超音波深触子の検査結果を示すグラフである。 本発明の他の実施の形態を示す説明図であり、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は正面図、（Ｃ）は平面図である。

符号の説明

１ 探触子
２ 検査対象物
３ 振動子膜
４ 振動子
５ Ａ群
６ Ｂ群
７ Ｃ群
８ Ｄ群
１０ マッチング回路
１１ マッチング回路
１２ マッチング回路
１３ マッチング回路
１４ スイッチング手段
１５ 制御装置

Claims (6)

1. 探触子の振動子膜により連続した凹曲面が形成され、該振動子膜は同心リング状に分割されてエリアが形成され、該エリアは周方向に更に所要分割され、所要分割された部位は振動子を構成し、各エリアに属する振動子はそれぞれ振動子群を形成し、１つの振動子群に属する振動子は同時に、同一条件で発振され、且つ同一の焦点距離を有し、各振動子群が異なる焦点距離を持つ様に各エリアの曲面を設定したことを特徴とする超音波検査装置。
2. 前記エリアがスイッチング手段を介して制御装置に接続され、該制御装置は複数の前記エリアの１つを選択して駆動する様構成した請求項１の超音波検査装置。
3. 前記エリアはマッチング手段を介して前記制御装置に接続された請求項２の超音波検査装置。
4. 探触子の振動子膜が複数の短冊状エリアによって構成され、該エリアは進行方向に対して所定のピッチで配設され、更に各エリアは進行方向に対して直交する方向に所要分割され、所要分割された部位は振動子を構成し、各エリアに属する振動子はそれぞれ振動子群を形成すると共に連続した凹曲面を形成し、１つの振動子群に属する振動子は同時に、同一条件で発振され、且つ同一の焦点距離を有し、各振動子群が異なる焦点距離を持つ様に各エリアの曲面を設定し、前記振動子膜の進行速度と前記振動子群に印加する電流間隔をマッチングさせ、進行方向の同じ位置で深さの異なる部位を順次探傷する様構成したことを特徴とする超音波検査装置。
5. 請求項１に係る超音波検査装置を用いた超音波検査方法であって、１つのエリアで検査対象物の全長を探傷した後、他のエリアを順次選択して全長を肉厚方向全域に亘って探傷を行うことを特徴とする超音波検査方法。
6. 請求項４に係る超音波検査装置を用いた超音波検査方法であって、複数のエリアを繰返し駆動しながら検査対象物の全長を探傷することを特徴とする超音波検査方法。

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