JP5298439B2 - 超音波探傷装置、この超音波装置の感度補正方法および超音波探傷方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波探傷装置、この超音波探傷装置の感度補正方法および超音波探傷方法に関するものであり、特に好適には、鋼材などの被測定材（被探傷材）の内部状態を、超音波を用いることにより被測定材を破壊することなく測定する超音波探傷装置と、この超音波探傷装置の感度補正方法および超音波探傷方法に関するものである。

鋼材などの被測定材の状態、たとえば表面きずや内部きずなどを測定する装置および方法としては、超音波探傷装置および超音波探傷方法が広く用いられている。超音波探傷装置には、配列形探触子（アレイ探触子とも称する）を備え、配列形探触子に設けられる各超音波振動子を励起するパルス電圧の位相を変えることにより、被測定材の内部を超音波ビームが移動するようにできるものがある。そして超音波探傷方法には、配列形探触子の超音波振動子が発する超音波を被測定材の内部に伝搬させ、その反響波（エコー）を検出することにより、被測定材の表面や内部に存する異常な不連続部、すなわち「きず（表面きずおよび／または内部きず）」を測定する方法がある。

超音波探傷装置および超音波探傷方法を用いて被測定材に存するきずを測定し、当該測定されたきずが欠陥であるか否かを判別するためには、測定感度を最適な値に設定するとともに、精度の高い測定を行う必要がある。このため、被測定材の健全部の底面エコーを用いて測定感度を調整する方法（底面エコー方式の感度調整方法）や、感度標準試験片または対比試験片を用いて測定感度を調整する方法（試験片方式の感度調整方法）などが行われる。

このほかにも、被測定材の表面状態や内部状態をより精度良く測定するために、種々の感度調整方法や感度補正方法、およびそれらを用いた超音波探傷装置や超音波探傷方法が提案されている。たとえば感度補正方法としては、次のような構成が提案されている。

たとえば、特許文献１には、セクタ走査方式の超音波探傷装置および超音波探傷方法において、超音波ビームの受信信号を補正することにより、エコー高さを一定にする（すなわち感度を一定にする）構成が開示されている。具体的には、受信信号の感度は、（１）探触子の指向性の相違に起因する超音波ビームの偏向角の相違、（２）探触子と被検査材とを音響結合する媒体と被検査体との屈折率の相違、（３）被検査材と前記媒体の内部における超音波ビームの減衰、（４）超音波ビームの集束点におけるビーム幅の相違、の影響を受けるとしている。そこで、それぞれに起因する感度変化の補正値を所定の数式により算出して記憶し、記憶した補正値に基づいて感度を補正するものである。

また、特許文献２には、リニア走査方式の超音波診断装置において、振幅変化したエコーに所定の信号を加算することにより、エコーの変化を相殺して一定振幅のエコー（補正エコー信号）を得る構成が開示されている。具体的には、超音波診断装置は、深さ方向（超音波ビームの進行方向と思われる）感度補正器と、方位方向（超音波ビームの進行方向に直角な方向と思われる）感度補正器とを備える。さらにこの方位方向感度補正器は、複数の可変抵抗と切換スイッチとを備える。そして、被測定材に反射して方位方向に振幅変化したエコーに、前記各抵抗からの信号を前記切換スイッチを介して加算する。これにより、エコーの変化を相殺して一定振幅のエコーを得るものである。

このように、配列形探触子を用いる超音波探傷装置は、あらかじめ設定された単数または複数の焦点位置に対して超音波ビームを伝搬させてエコーを得る。そしてこのような超音波探傷装置または超音波探傷方法における従来の感度補正は、エコーを得る際に、超音波ビームの入射角、ビーム路程、測定対象部位の角度による感度の変化を補正するために行われる。

しかしながら、前記各超音波探傷装置を用いた探傷方法では、被測定材に存在する同一の位置にあるきずを、同一の入射角かつ同一のビーム路程で探傷した場合に、エコー高さが相違することがないため、前記各特許文献に開示される構成は、同一位置に対する感度の相違を補正することまでは考慮されていない。

ところで、超音波探傷装置および超音波探傷方法の一種として、特許文献３に記載の構成が用いられることがある。特許文献３に記載の超音波探傷装置は、超音波の擬似平面波を発することができる配列形探触子と、エコーを記憶する波形メモリと、波形メモリの内容から測定対象領域の欠陥分布状況を演算する手段とを備える。

このような構成によれば、一回の超音波の送信とそれに続く超音波の受信により、測定対象領域の情報を広範囲にわたって得ることができる。そして波形メモリに記憶されたデータを用いて任意位置にフォーカスした波形を合成することで、高精度の情報を得ることができる。したがって、短時間で高精度の探傷が可能となる。なお、以下、このような探傷方法を「ダイナミックフォーカス方式の探傷方法」と称することがある。

しかしながら、特許文献３に記載の超音波探傷装置を用いて被測定材を探傷する場合、超音波ビームを送受信した測定対象領域におけるきずの位置によっては、探傷感度が異なることがある。すなわち、「ダイナミックフォーカス方式」の探傷方法の場合、同一位置のきずでありながら、検査対象領域の設定が異なると、検出感度が異なるという現象が発生しうる。

特開平１１−１８３４４６号公報 特開平２−２４６９５４号公報 特開２００３−２８８４６号公報

上記実情に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、「ダイナミックフォーカス方式」の探傷方法において、被測定材の表面きずおよび／または内部きずを配列形探触子を用いて測定する際に、測定対象範囲の測定感度が略一定となるような超音波探傷装置、この超音波装置の感度補正方法および超音波探傷方法を提供すること、たとえば被測定材に存在する略同じ寸法形状の表面きずおよび／または内部きずの測定感度が略一定となるような超音波探傷装置、この超音波装置の感度補正方法および超音波探傷方法を提供することである。

前記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、一回の超音波の送信とそれに続く超音波の受信により、測定対象領域の情報を広範囲にわたって得ることができ、波形メモリに記憶されたデータを用いて任意位置にフォーカスした波形を合成することで、高精度の情報を得ることができるダイナミックフォーカス方式の超音波探傷装置であって、被測定材の表面に対向して配列される複数の超音波振動子を有する配列形探触子と、前記各超音波振動子が受信した超音波エコーを波形データとして前記超音波振動子ごとに記憶できる波形記憶手段と、該波形記憶手段の内容を読み出して測定範囲内の任意の位置に焦点が位置する超音波ビームを位相合成できるとともに該位相合成された超音波ビームのエコーを算出する任意焦点波形合成部と、実際の被測定材のエコーに乗ずるための補正係数を算出し記憶する補正係数演算部と、実際の被測定材に対する測定において前記任意波形合成部が算出したエコーに前記補正係数を乗じた値に基づいて前記実際の被測定材の状態を判定する判定部と、を有し、前記補正係数演算部は、実際の被測定材のエコーに乗ずるための補正係数を、表面から所定の深さに所定の形状および寸法の人工きずが形成される補正用の被測定材を用いて前記任意焦点波形合成部が算出したエコーに基づいて算出し記憶することを要旨とするものとする。

また、前記補正係数演算部は、前記補正用の被測定材を用いて前記任意焦点波形合成部が算出した所定の位置に焦点がある超音波ビームのエコーを記憶する合成波形記憶手段と、該合成波形記憶手段に記憶されるエコーとあらかじめ設定される感度調整のための係数に基づいて補正係数を算出する補正係数演算手段と、該補正係数演算手段が算出した補正係数を記憶する補正係数記憶手段と、を備えることが好ましい。

また、前記被測定材の表面に対向して配列される複数の超音波振動子は、円弧状または環状に配列されることが好ましい。

前記被測定材の表面に対向して配列される複数の超音波振動子は所定の数のグループにグループ分けされており、前記補正係数演算部は、前記グループごとに補正係数を算出し記憶することが好ましい。

そして、前記補正用の被測定材の位置合わせ手段をさらに備えるとよい。

また、前記補正係数演算手段は、前記グループごとに、前記補正用の被測定材を用いて前記補正用の被測定材の所定の位置に焦点が位置する超音波ビームを位相合成するとともに該位相合成された超音波ビームのエコーから人工きずのエコー高さを算出し、前記人工きずのエコー高さから前記補正用の被測定材の表面からの前記人工きずの深さと前記人工きずのエコー高さとの関係を表す関数を推定し、該推定した関数の逆数に感度を調整する係数を乗じた値を算出し、前記補正係数記憶手段は該算出した値を補正係数として記憶することが好ましい。

また、本発明は、配列形探触子に設けられる複数の超音波振動子が所定の数のグループにグループ分けされるステップと、表面から所定の深さに所定の形状および寸法の人工きずが形成される補正用の被測定材が前記超音波探傷装置にセッティングされるステップと、前記グループごとに前記補正用の被測定材の所定の位置に焦点が位置する超音波ビームを位相合成するとともに該位相合成された超音波ビームのエコーから人工きずのエコー高さを算出するステップと、前記算出された超音波ビームのエコーに基づいて前記人工きずの深さと前記人工きずのエコー高さの関係を表す関数を推定するステップと、前記関数の逆数に感度を調整する係数を乗じた補正係数を算出するステップと、該補正係数を記憶するステップと、を有することを要旨とするものである。

配列形探触子に設けられる複数の超音波振動子が所定の数のグループにグループ分けされるステップと、表面から所定の深さに所定の形状および寸法の人工きずが形成される補正用の被測定材が前記超音波探傷装置にセッティングされるステップと、前記グループごとに前記補正用の被測定材の所定の位置に焦点が位置する超音波ビームを位相合成するとともに該位相合成された超音波ビームのエコーから人工きずのエコー高さを算出するステップと、前記算出された超音波ビームのエコーに基づいて前記人工きずの深さと前記人工きずのエコー高さの関係を表す関数を推定するステップと、前記人工きずのエコー高さの関係を表す関数を記憶するステップとを、有することを要旨とするものである。

ここで、前記補正用の被測定材に形成される人工きずの形状および寸法は、実際の被測定材に存した場合において「欠陥」と判断すべき最小の形状および寸法であることが好ましい。

また、前記補正用の被測定材は断面円形の円柱状の部材であり、前記人工きずは中心から前記補正用の被測定材の半径の１／２の位置に形成され、前記補正用の被測定材を１８０°回転させることによって、表面から半径の１／２の深さに位置する人工きずのエコー高さと、表面から半径の３／２の深さに位置する人工きずのエコー高さとを算出することが好ましい。

また、本発明は、実際の被測定材に存するきずのエコー高さと、前記記憶された補正用の被測定材の人工きずのエコー高さとを比較するステップと、
前記実際の被測定材に存するエコー高さが前記記憶された補正用の被測定材の人工きずのエコー高さより高い場合には、前記実際の被測定材に存するきずを欠陥と判断するステップとを有することを要旨とするものである。

本発明によれば、補正用の被測定材を用いて算出した補正係数を、実際の被測定材のエコーに乗ずることにより、エコー高さを補正できる。したがって、精度の高い測定を行うことができる。

ここで、配列形探触子に設けられる複数の超音波振動子が、円弧状または環状に配列されるものであれば、断面略円形の被測定材についても、高精度の測定を行うことができる。

また、配列形探触子に設けられる複数の超音波振動子を複数のグループにグループ分けし、グループごとに補正係数を演算することにより、測定範囲の広範囲にわたって均一な感度で測定を行うことができる。ここで、補正用の被測定材の位置合わせ手段をさらに有する構成であれば、グループごとの補正係数の算出時における補正用の被測定材の位置合わせを自動的に行うことができ、補正が容易となる。

そして、前記補正手段がグループごとに補正係数を演算し、実際の被測定材に対する測定において、得られたエコーに乗ずることにより、グループ間の感度差を無くすことができるか、または小さくすることができる。したがって、測定範囲の広範囲にわたって均一な精度での測定を行うことができる。

以下に、本発明の各種実施形態および実施例について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の第一実施形態にかかる超音波探傷装置１ａの構成を、模式的に示したブロック図である。本発明の第一実施形態にかかる超音波探傷装置１ａは、いわゆる「ダイナミックフォーカス方式（またはボリュームフォーカス方式と称することもある）」により被測定材の状態を測定し、被測定材に存在する異常な不連続部を検出することができる。なお、この「異常な不連続部」を本発明においては「きず（表面きずおよび／または内部きず）」と称する。「きず」には、切欠、亀裂、気泡、介在物などが含まれる。

「ダイナミックフォーカス方式」の走査については、前記特許文献３に記載されていることから、以下簡単に説明し、詳細な説明は省略する。

「ダイナミックフォーカス方式」は、配列形探触子に設けられる超音波振動子を励起させてそのエコーを記憶し、計算機上で任意の位置における超音波の位相合成を行う。これにより、任意の位置に焦点を合わせた超音波ビームを算出する。すなわち、一回の超音波の送受信で、測定対象領域の任意の位置にフォーカスを設定した複数の超音波ビームを算出する。これにより、一回の超音波の送受信で測定対象の広範囲にわたって配列形探触子の配列方向の走査を行うことができる。

図１に示すように、本発明の第一実施形態にかかる超音波探傷装置１ａは、被測定材３（または補正用の被測定材２。これについては後述）の表面に対向するように配設される配列形探触子（アレイ探触子とも称する）１１と、所定の数の信号処理部１２と、任意焦点波形合成部１３と、判定部１４と、補正係数演算部１５とを有する。

配列形探触子１１は、それぞれ独立して動作可能な所定の数の超音波振動子１１１を備える。各超音波振動子１１１は超音波の送受信が可能な素子であり、たとえば水晶やセラミックスなどの公知の各種超音波振動子が適用できる。

そしてこれらの超音波振動子１１１は、被測定材３（または補正用の被測定材２）の表面に対向するように、直列的に配列される。

なお、前記配列形探触子１１は、前記のように被測定材３（または補正用の被測定材２）に対向するように配設されていればよいが、特に、被測定材３（または補正用の被測定材２）の表面に沿うように配列されることが好ましい。

たとえば図１に示すように、被測定材３が断面略円形の円柱状の部材であり、配列形探触子１１と被測定材３とを被測定材３の軸線方向に相対移動させて探傷する構成においては、配列形探触子は略円弧状または環状に形成されることが好ましい。超音波振動子１１１は、配列形探触子の形状にならって直列的に配列される。そして被測定材は、その断面中心が配列形探触子１１の曲率または環の中心に一致するようにセッティングされる。

なお、図１に示すように、本発明の第一実施形態にかかる超音波探傷装置１ａが円弧状の配列形探触子１１を有する場合には、たとえば複数の円弧状の配列形探触子１１が、被測定材３の軸線方向にずらして配設される構成が適用できる。そしてこのような構成とすることにより、全体として、配列形探触子１１（すなわち超音波振動子１１１）が、被測定材３の全周を取り囲む構成となる。

また、各超音波振動子１１１と被測定材３との間には水などの液体の層１９１が形成されており、この液体の層１９１によって、各超音波振動子１１１と被測定材３または補正用の被測定材２とが音響結合する。なお、水以外としては、マシン油やグリセリンなどの油を接触触媒として用いることができる。

信号処理部１２は、超音波パルス送受信タイミング設定手段１２１と、超音波パルス発生手段１２２と、超音波エコー受信手段１２３と、Ａ／Ｄ変換手段１２４と、波形記憶手段１２５とを備える。本発明の第一実施形態にかかる超音波探傷装置１ａが有する信号処理部１２の数は、超音波振動子１１１の数に等しく設定される。すなわち、一個の超音波振動子１１１につきそれに対応する一個の信号処理部１２を有する。そして各信号処理部１２は、互いに同期的におよび／または独立的に動作することができる。なお、図１においては一個の信号処理部のみを示し、他は省略してある。

超音波パルス送受信タイミング設定手段１２１は、配列形探触子１１に設けられる各超音波振動子１１１を励振するタイミングを設定できるとともに、各超音波振動子１１１による超音波エコーの受信タイミングを設定できる。超音波パルス発生手段１２２は超音波パルス送受信タイミング設定手段１２１が設定するタイミングで超音波パルスを生成する。そして、配列形探触子１１に設けられる各超音波振動子１１１を、それぞれ独立して励振することができる。励振された超音波振動子１１１は、外部（すなわち被測定材３または補正用の被測定材２）に向けて超音波を送信する。

また、配列形探触子１１に設けられる各超音波振動子１１１は、超音波パルス送受信タイミング設定手段１２１が設定したタイミングで超音波エコーを受信することができる。超音波エコー受信手段１２３は、各超音波振動子１１１が受信した超音波エコーを増幅することができる。Ａ／Ｄ変換手段１２４は、各超音波振動子１１１が受信し各超音波エコー受信手段１２３が増幅した超音波エコーの値を、アナログ値からディジタル値に変換することができる。波形記憶手段１２５は、Ａ／Ｄ変換手段１２４がディジタル値に変換した超音波エコーの値を記憶することができる。

そして各信号処理部１２は、上記動作を同時に行うことができる。また、各信号処理部１２は、少なくとも超音波ビームを送信してから被測定材３の底面に反射した超音波エコーを受信するまでの間、所定の短いサイクルで前記動作を繰り返すことができる。各信号処理部１２の波形記憶手段１２５には、少なくとも表面エコーの受信から底面エコーの受信までの間の超音波エコーを経時的に蓄積して記憶できる。

各信号処理部１２の波形記憶手段１２５に記憶された超音波エコーは、任意焦点波形合成部１３に送られる。任意焦点波形合成部１３は、波形記憶手段１２５に記憶された超音波エコーに基づいて、測定対象領域（すなわち被測定材３の断面内）の任意の位置における超音波の位相合成を行うことができる。すなわち、被測定材３の断面内の任意の位置に焦点を合わせた超音波ビームとそのエコー高さを算出することができる。

判定部１４は、信号補正手段１４１と、判定手段１４２と、出力手段１４３とを備える。信号補正手段１４１は、後述する補正係数演算手段１５２により算出された補正係数を用いて、任意焦点波形合成部１３が算出したエコー高さを補正する。この詳細は後述する。判定手段１４２は、補正されたエコー高さに、所定の閾値を越える高さがあるか否かを判定する。出力手段１４３は、判定手段１４２の判定結果を出力する。

補正係数演算部１５は、合成波形記憶手段１５１と、補正係数演算手段１５２と、補正係数記憶手段１５３とを有する。合成波形記憶手段１５１は、任意焦点合成部において算出されたエコー高さを記憶できる。補正係数演算手段１５２は、合成波形記憶手段１５１の内容を読み出して、補正係数を算出できる。補正係数記憶手段１５３は、補正係数演算手段１５２が算出した補正係数を蓄積的に記憶できる。

本発明の第一実施形態にかかる超音波探傷装置１ａの感度補正方法において実行される処理は、次のとおりである。

まず、その概要について説明する。

本発明の第一実施形態にかかる超音波探傷装置１ａの感度補正方法には、配列形探触子１１に設けられる複数の超音波振動子１１１を、所定の数のグループに分け、グループごとに補正係数を算出する処理が含まれる（なお、超音波の送信はすべてのグループが一斉に行う）。算出された補正係数は、実際の被測定物３に対する測定（たとえば出荷前の製品に対する測定）において、任意焦点波形合成部１３が算出したエコー高さの値に乗じる係数である。任意焦点波形合成部１３が算出したエコー高さの値に補正係数を乗じることにより、エコー高さの値が補正され、超音波振動子１１１のグループ間で測定感度が等しくなる。

補正係数の算出は、測定対象物として、補正用の被測定材２を用いて算出したエコー高さに基づいて行われる。補正用の被測定材２は、実際に測定を行う被測定材３（たとえば出荷前の製品など）と、略同一の断面形状および寸法を有する部材である。そしてその断面内の所定の既知の位置に、所定の形状および寸法（いずれも既知）の人工きず２１が形成される。

超音波振動子１１１のグループごとに人工きず２１のエコー高さを算出する際に、超音波振動子１１１のグループと人工きず２１との相対的な位置関係を等しくすると、得られるエコーは超音波振動子１１１のグループ間で差が生じないはずである。しかしながら実際には、得られる人工きず２１のエコー高さが、超音波振動子１１１のグループごとに相違する（換言すると、超音波振動子１１１のグループ間で差が生じる）ことがある。そこで、本発明の第一実施形態にかかる超音波探傷装置１ａは、感度を補正するために、各グループについて得られた人工きずのエコー高さに基づいて補正係数を算出し記憶する。

そして実際の測定（出荷する製品などに対する探傷）において、得られたエコー高さに、前記のようにして得られた補正係数を乗ずる。この補正係数を乗じたエコー高さに基づいて、被測定材３の内部状態を測定する。このようにすれば、各グループの補正後の受信感度は互いにほぼ等しくなるから、第一実施形態にかかる超音波探傷装置１ａの測定の精度が向上する。

次に、図２および図３を参照して、本発明の第一実施形態にかかる超音波探傷装置１ａの感度補正方法、すなわち、補正係数を算出して記憶する際の超音波探傷装置１ａの動作について、詳細に説明する。図２は、本発明の第一実施形態にかかる超音波探傷装置１ａの感度補正方法を示したフローチャートである。また、図３は、この感度補正方法の実施時における、配列形探触子１１に設けられる超音波振動子１１１の各グループ１１２と、これら各グループ１１２にて合成される超音波ビームＵと、補正用の被測定材２に形成される人工きず２１との関係を、模式的に示した断面図である。

ステップＳ１においては、配列形探触子１１に設けられる複数の超音波振動子１１１が、所定の数のグループ１１２にグループ分けされる。このグループ分けは、配列形探触子１１に直列的に配列される超音波振動子１１１のうち、連続する同数ずつの超音波振動子１１１が一つのグループ１１２として設定される。

たとえば、配列形探触子１１に直列的に配列される複数の超音波振動子１１１のうち、配列形探触子１１の一端から１〜１０番目の超音波振動子１１１を第一のグループ、１１〜２０番目の超音波振動子１１１を第二のグループ、２１〜３０番目の超音波振動子１１１を第三のグループ、３１〜４０番目の超音波振動子１１１を第四のグループ、・・・、などというようにグループ分けされる。

なお、超音波振動子１１１のグループ分けは、ある特定の一つの超音波振動子１１１が、ある特定の一つのグループ１１２に属するような方法に限定されるものではない。すなわち、ある一つの超音波振動子１１１が、複数のグループ１１２に属するようなグループ分けの方法であっても良い。

具体的にはたとえば、配列形探触子１１に設けられる複数の超音波振動子１１１のうち、配列形探触子１１の一端から１〜１０番目の超音波振動子１１１を第一のグループ、６〜１５番目の超音波振動子１１１を第二のグループ、１１〜２０番目の超音波振動子１１１を第三のグループ、１６〜２５番目を第四のグループ、・・・、などというようなグループ分けの方法を用いても良い。

なお、各グループ１１２に属する超音波振動子１１１の数は、互いに等しく設定されることが好ましい。ただし、具体的に一つのグループ１１２に属する超音波振動子１１１の数は限定されるものではない。同様に、グループ１１２の数も限定されるものではない（図３は、四組の超音波振動子１１１のグループを備える構成を示すが、この構成に限定されるものではない）。配列形探触子１１に設けられる超音波振動子１１１の数などに応じて、適宜設定すればよい。

ステップＳ２においては、本発明の第一実施形態にかかる超音波探傷装置１ａの感度補正方法で用いられる補正用の被測定材２が、本発明の第一実施形態にかかる超音波探傷装置１ａにセッティングされる。前記のとおり補正用の被測定材２は、実際に測定を行う被測定材３（たとえば出荷前の製品）と略同じ断面の形状および寸法を有する。そしてその断面内の所定の位置には、所定の形状および所定の寸法の人工きず２１が形成される。この人工きず２１としては、所定の径の丸穴などが適用できる。

なお、人工きず２１の位置は、補正用の被測定材２の超音波ビームが送信される面からの深さと、配列形探触子１１の超音波振動子１１１の配列方向（すなわち、超音波振動子１１１のグループ１１２の配列方向）とにより特定される。補正用の被測定材２が断面略円形である場合には、人工きず２１の位置は、その表面からの深さ（または中心からの距離）と、円周方向位置とにより特定される。

本発明の第一実施形態にかかる超音波探傷装置１ａが円弧状または環状に形成される配列形探触子１１を有し、円柱状の測定材３を測定するものであれば、補正用の被測定材２は、その断面中心が配列形探触子１１の曲率の中心に略一致するようにセッティングされる。また、直線状に形成される配列形探触子１１を有し、角柱状の被測定材３を測定するものであれば、補正用の被測定材２は、その配列形探触子１１に対向する面が、前記配列形探触子１１に略平行になるようにセッティングされる。

ステップＳ３においては、補正用の被測定材２の位置合わせが実行される。すなわち、このステップＳ３において補正係数を算出する超音波振動子１１１の特定の一つのグループ１１２と、補正用の被測定材２に形成される人工きず２１とが、所定の位置関係となるように、補正用の被測定材２が移動および／または回転させられる。

たとえば、補正係数を算出する超音波振動子１１１の特定のグループ１１２にて合成される超音波ビームのうち、所定の位置に焦点が位置する超音波ビームＵ、ここでは、補正用の被測定材２の底面（超音波ビームが送信される側の面とは反対側の面）に焦点が位置する超音波ビームＵの中心軸上に、補正用の被測定材２に形成される人工きず２１が位置するように位置合わせが実行される（図３参照）。

具体的には次のとおりである。人工きず２１のエコー高さは、人工きず２１が補正係数を算出する超音波振動子１１１の特定のグループ１１２が発する超音波ビームＵの中心軸上に位置するときに最も高くなり、その位置から外れるにしたがって小さくなると考えられる。

そこで、補正用の被測定材２が本発明の第一実施形態にかかる超音波探傷装置１ａにおおまかな位置決めでセッティングされた後（またはおおまかな位置決めをしなくともよい）、位置合わせ手段１７が、補正用の被測定材２を移動および／または回転させる。そして、このステップＳ３において補正係数を算出する超音波振動子１１１の特定の一つのグループ１１２が受信する人工きず２１のエコー高さが最も高くなる位置を見出す。

具体的には、補正用の被測定材２の移動および／または回転と、人工きず２１のエコー高さの測定とを交互に繰り返すことによって、人工きず２１のエコー高さが最も高くなる位置を見出す。人工きず２１のエコー高さが最も高い位置において、補正用の被測定材２に形成される人工きず２１が、補正係数を算出する超音波振動子１１１の特定のグループ１１２にて合成される超音波ビームＵの中心軸上に位置するはずである。

なお、補正用の被測定材３を「回転」と記したが、実際には、一方向の回転ではなく、正逆双方向の回転を交互に繰り返すことによって、補正用の被測定材２の位置決めがなされる。また、「移動」についても同様であり、一方向の移動ではなく、双方向の移動を繰り返すことによって、補正用の被測定材２の位置決めがなされる。

本発明の第一実施形態にかかる超音波探傷装置１ａの配列形探触子１１が円弧状または環状に形成され、補正用の被測定材２の断面形状が略円形である場合には、補正用の被測定材２の位置合わせは、その断面中心を回転中心として回転させて、前記位置関係を充足するようにすればよい（図３参照。補正用の被測定材２を矢印の向きに回転させればよい）。

ステップ４からステップ７にかけては、超音波振動子１１１のグループ１１２ごとに、ダイナミックフォーカス方式による測定が実行される。

具体的には、ステップ４において、すべてのグループ１１２に属する超音波振動子１１１が超音波ビームを発し、そのエコーを受信する。次いでステップ５において、超音波振動子１１１が受信したエコーを超音波エコー受信手段１２３が増幅し、増幅されたエコーをＡ／Ｄ変換手段１２４がディジタル値に変換し、変換された値を波形記憶手段１２５が記憶する。

ステップ６において、任意焦点波形合成部１３が、信号処理部１２の波形記憶手段に記憶されるエコーの値を読み出す。そして補正係数を算出するグループ１１２の超音波振動子１１１について、補正用の被測定材２の底面（超音波振動子１１１に対向する面とは反対側の面）に焦点があるような波形データ（図３の超音波ビームＵの形状を参照）を算出し、このような波形による超音波エコーを算出する。ステップ７において、補正係数演算部１５の合成波形記憶手段１５１は、任意焦点波形合成部１３が算出したエコーを記憶する。

以上のステップ３からステップ７にかけての動作が、他のすべての超音波振動子１１１のグループ１１２についても実行される（ステップ８）。すなわち、すべてのグループ１１２による超音波ビームの送信と、補正用の被測定材２の位置合わせと、特定グループ１１２ごとに所定の位置に焦点が位置する超音波ビームとそのエコーを算出するステップとを繰り返す。

そして、グループ１１２ごとに任意焦点波形合成部１３で算出されたエコーは、補正係数演算部１５の合成波形記憶手段１５１に蓄積的に記憶される。したがって、超音波振動子１１１のすべてのグループ１１２について、ステップ３からステップ７にかけての動作が完了すると、補正係数演算部１５の合成波形記憶手段１５１には、超音波振動子１１１のすべてのグループ１１２について、互いに同じ相対位置関係にある人工きず２１のエコーが記憶されることになる。

なお、各グループ１１２の人工きずの位置合わせ（ステップ３）は、配列形探触子１１の形状、および補正用の被測定材２の断面形状に応じて異なりうる。

たとえば、図３に示すように、配列形探触子１１が円弧状または環状であり、補正用の被測定材２の断面形状が略円形である場合には、補正用の被測定材２を、その断面の中心を回転中心として、所定の角度だけ回転させることにより行うことができる（図中の矢印は、回転方向を示す）。一方、配列形探触子１１が直線状に形成され、補正用の被測定材２の断面形状が略四辺形である場合には、補正用の被測定材２または／および配列形探触子１１を、超音波振動子１１１のグループ１１２の配列方向に、所定の距離だけ相対的に移動させることにより行うことができる。

このほか、人工きず２１が形成される位置が互いに異なる複数の補正用の被測定材２を用意し、超音波振動子１１１のグループ１１２ごとに交換して人工きず２１のエコーを記憶する方法であっても良い。すなわち、人工きず２１の形状、寸法および表面からの深さ位置が同じで、配列形探触子１１に設けられる超音波振動子１１１の配列方向の位置が互いに異なる複数の補正用の被測定材２を用意しておく。

そして、超音波ビームを送信してエコーを記憶する際に、グループ１１２ごとに所定の補正用の被測定材２に交換する。このような方法においては、超音波振動子１１１のグループ１１２ごとに、ステップＳ２からステップＳ７の動作を行うことになる。すなわち図２中において、ステップＳ８で『Ｎｏ』であった場合には、実線ではなく破線のルートをたどりステップＳ２に戻る。

なお、配列形探触子１１の形状が円弧状、環状または直線状以外で、補正用の被測定材２の断面形状が略円形または略四辺形以外の場合にも、前記方法が適用できる。すなわち、エコーを記憶する超音波振動子１１１のグループ１１２ごとに、異なる補正用の被測定材２を用意しておく。そして超音波振動子１１１のある特定のグループ１１２について、ステップ２からステップ７の動作を行う際に、ステップ２において所定の補正用の被測定材２に交換する、という方法が適用できる。

次いで、人工きず２１の深さが異なる補正用の被測定材２を用い、異なる深さの人工きず２１を有する補正用の被測定材２についても、超音波振動子１１１のグループ１１２ごとにエコーを算出する。そして算出したエコーは、補正係数演算部１５の合成波形記憶手段１５１に蓄積的に記憶される。すなわち、異なる深さ位置に人工きず２１が形成される補正用の被測定材２についても、超音波振動子１１１のグループ１１２ごとにステップ２またはステップ３からステップ７の動作を実行する。

なお、人工きず２１の表面からの深さの種類および数は限定されるものではない。ただし、多くの深さの種類についてエコーを算出することにより、精度の高い補正係数を算出することができるようになる。

深さが異なる人工きず２１のエコーを算出するに際しては、人工きず２１の表面からの深さが互いに異なる複数の補正用の被測定材２を用意しておき、適宜交換してエコーを算出する方法が適用できる。ただし、次のような方法を用いることにより、補正用の被測定材２の種類を増やすことなく、人工きず２１の深さの種類を増やすことができる。

配列形探触子１１が略円弧状または略環状に形成され、補正用の被測定材２の断面形状が略円形の場合には、補正用の被測定材２を１８０°回転させることによって、人工きず２１の深さ位置を変更することができる。たとえば、補正用の被測定材２の半径がＲであり、人工きず２１の中心からの距離がｒであるとすると、補正用の被測定材２を１８０°回転させることによって、表面から（Ｒ−ｒ）の深さにある人工きず２１と、表面から（Ｒ＋ｒ）の深さにある人工きず２１について、エコーを算出することができる。

一方、配列形探触子１１が略直線状に形成され、補正用の被測定材２の断面形状が略四辺形の場合には、まず一方表面に超音波ビームを送信して人工きず２１のエコーを算出する。そしてその後、補正用の被測定材２の表裏を入れ替えて他方表面に超音波ビームを送受信して同じ人工きず２１のエコーを算出する。たとえば補正用の被測定材２の厚さ寸法がＨであり、人工きず２１の一方表面からの深さ寸法がｈである場合には、当該一個の補正用の被測定材２を用いることによって、表面からｈの深さにある人工きず２１と、表面から（Ｈ−ｈ）の深さにある同じ人工きずのエコーを算出することができる。

そして、超音波振動子１１１のすべてのグループ１１２について、あらかじめ定めておいたすべての深さの人工きず２１のエコーを算出し記憶する（ステップＳ９）。なお、人工きず２１の深さを変更するに際し、補正用の被測定材２を変更（交換）する必要がある場合には、破線に示した経路をとおり、ステップＳ２に戻る。これにより、補正係数演算部１５の合成波形記憶手段１５１には、すべてのグループ１１２について、各深さに存在する人工きず２１のエコーが蓄積的に記憶されることになる。

次いでステップＳ１０において、補正係数演算部１５の補正係数演算手段１５２が超音波振動子１１１の各グループ１１２の補正係数を算出する。ステップＳ１１において、補正係数演算部１５の補正係数記憶手段１５３が、算出された補正係数を記憶する。この動作（補正係数の演算と記憶）を、超音波振動子１１１のすべてのグループ１１２について行う（ステップＳ１２）。

補正係数の具体的な算出方法は、次のとおりである。

まず、補正用の被測定材２の超音波ビームが送信される側の表面からの深さ、または超音波ビームを送信してからの時間と、算出された人工きず２１のエコー高さとの関係を推定する。具体的にはたとえば、補正用の被測定材２の超音波ビームが送信される側の表面からの深さ、または超音波ビームを送信してからの時間を定義域（ｘ軸）とし、算出された人工きず２１のエコー高さを値域（ｙ軸）とするグラフを作成する。

そして作成されたグラフから、前記深さまたは時間とエコー高さとの関係を示すような直線または曲線、すなわち関数ｙ＝Ｆ_i（ｘ）を推定する。ここで、ｘは補正用の被測定材２の超音波ビームが送信される側の表面からの深さ、または超音波ビームを送信してからの時間であり、ｙは人工きず２１のエコー高さである。なお、各関数の添字iは、超音波振動子１１１のグループを示す（すなわち、第ｉ番目のグループについての関数であることを示す）。

この関数の推定方法は、得られたグラフのプロットに応じて適当な方法を選択すれば良く、特定の方法に限定されるものではない。たとえば最小二乗法など公知の各種方法が適用できる。また、推定される関数の種類も限定されるものではない。本発明では、このようにして推定された関数Ｆ_i（ｘ）を「補正関数」と称する。これらの補正関数Ｆ_i（ｘ）は、超音波振動子１１１のグループ１１２ごとに異なりうる。

次いで、この補正関数をＦ_i（ｘ）とした場合において、Ｇ_i（ｘ）＝ａ／Ｆ_i（ｘ）という関数Ｇ_i（ｘ）を定義する。係数ａは、補正後のエコー高さを調整するための係数であり、その値は任意に設定される。ただし、通常は０を越え１未満の範囲に設定され、好ましくは０．７〜０．８の範囲に設定される。ここでは、この係数ａを「感度係数」と称する。

そして、実際の被測定材３の表面から底面までの深さについて、所定の数値間隔でＧ_i（ｘ）の値を算出し、補正係数記憶手段１５３に保存する。算出されたＧ_i（ｘ）の具体的な値が、当該グループ１１２に属する超音波素子の当該深さｘの感度の補正係数である。

このようにして算出された補正係数を、実際の測定において算出されたエコー高さに乗ずると、グループ１１２間の感度が略等しくなり、結果として高精度の探傷を行うことができるようになる。その理由は次のとおりである。

補正関数Ｆ_i（ｘ）は、補正用の被測定材２の表面からの深さと所定の形状および寸法の人工きず２１のエコー高さとの関係を表す関数である。したがって、補正用の被測定材２を用いて算出されたエコー高さに補正関数Ｆ_i（ｘ）の値の逆数１／Ｆ_i（ｘ）を乗ずると、超音波振動子１１１のグループ１１２および補正用の被測定材２の表面からの深さに関わりなく、その値はほぼ１となる。すなわち、エコー高さに１／Ｆ_i（ｘ）を乗じることにより、グループ１１２間の感度の相違および表面からの深さの影響が除去される。

そしてさらに感度係数ａを乗ずると、その値は超音波振動子１１１のグループ１１２および補正用の被測定材２の表面からの深さに関わりなく、人工きず２１のエコー高さは、送信した超音波ビームのほぼ（ａ×１００）％となる。

補正用の被測定材２に形成される人工きず２１の形状および寸法は既知であるから、実際の被測定材３を用いて算出されたエコー高さに補正係数を乗じた値に基づいて、被測定材３に存するきずの大きさを推定することができる。少なくとも、実際の被測定材３に存在するきずが、補正用の被測定材２に形成される人工きず２１よりも大きいか小さいかを判別することができる。すなわち、補正係数を乗じたエコー高さの値が（ａ×１００）％より高ければ、当該きずは補正用の被測定材２の人工きず２１より大きく、低ければ小さい。

このような方法によれば、きずの寸法形状が略等しければ、その位置（表面からの深さ）に関係なく、ほぼ一定のエコー高さを得ることができる。すなわち、感度を一定にできる。そしてすべてのグループ１１２についてこのような補正を行うと、グループ１１２間での感度差が無くなるかまたは小さくなり、測定対象範囲の全域について、精度の高い測定ができるようになる。

次に、本発明の第一実施形態にかかる超音波探傷装置１ａの探傷時の動作について説明する。被測定材３は柱状の部材であり、その軸線方向に移動させながら探傷が実行される。

図１を参照して説明する。まず、超音波パルス送受信タイミング設定手段１２１がパルス発信タイミング信号を生成し、超音波パルス発生手段１２２に送信する。超音波パルス発生手段１２２は、この信号を受け、配列形探触子１１に設けられる超音波振動子１１１に同時にスパイクパルスを送る。これにより各超音波振動子１１１は同時に励振され、超音波が発せられる。各超音波振動子１１１から発せられる超音波の包絡線は、配列形探触子１１における超音波振動子１１１の配列形状に略等しくなる。すなわち、超音波探触子１１が円弧状または環状に形成される場合には、各超音波の包絡線は同心円状の円弧状または環状となる。配列形探触子１１が略直線に形成される場合には、包絡線は略直線となり、超音波は疑似的な平面波となる。

発せられた超音波は、液体の層１９１を伝搬し、液体の層１９１と被測定材３との境界で一部が反射する。そして被測定材３の内部に伝搬した超音波は、被測定材３の内部に存在するきずなどの音響反射面に遭遇すると、一部がそこで反射する。さらに被測定材の反対側表面に達した超音波はそこで反射する。

そして、各超音波振動子１１１は表面エコー、音響反射面におけるエコー、底面エコーを受信する。超音波エコー受信手段１２３は受信した超音波エコーを増幅し、Ａ／Ｄ変換手段１２４は、増幅された超音波エコーをアナログ値からディジタル値に変換する。波形記憶手段１２５はディジタル値に変換された超音波エコーを、被測定材３の深さ方向位置と超音波振動子１１１の配列方向位置とともに記憶する。または、被測定材３の深さ方向と超音波振動子１１１の配列方向に応じた所定のアドレスに記憶する。

任意焦点波形合成部１３は、波形記憶手段１２５に記憶される超音波エコーを、被測定材３の深さ方向と超音波振動子１１１の配列方向について読み出しながら、ダイナミックフォーカス方式（ダイナミックフォーカス方式による走査方法の詳細は、前記特許文献３参照のこと）による走査が行われる。信号補正手段１４１は、ダイナミックフォーカス方式による走査結果の値に、前記のとおり算出した補正係数を乗ずる。これにより、被測定材３に存在するきずが同じ大きさのものであれば、配列形探触子１１の超音波振動子１１１の配列方向によらず、略一定の感度で被測定材３の状態を測定できる。

判定手段１４２は、補正係数が乗じられた走査結果に基づいて、超音波エコーが欠陥であるか否かを判定する。すなわち、エコー高さが所定の値以上であれば、当該きずは欠陥であると判定する。出力手段１４３は、判定手段１４２による判定結果を出力する。

次に、本発明の第二実施形態について説明する。本発明の第二実施形態は、断面が略円形の被測定材の測定に特に好適な構成を有する。図４は、本発明の第二実施形態にかかる超音波探傷装置１ｂの構成を模式的に示したブロック図である。なお、本発明の第一実施形態にかかる超音波探傷装置１ａと共通の構成については同一の符号を付して示し、説明は省略する。

本発明の第二実施形態にかかる超音波探傷装置１ｂは、第一実施形態にかかる超音波探傷装置１ａの構成に加えて、制御手段１６と、補正用の被測定材２の位置合わせ手段とを有する。制御手段１６は、補正用の被測定材２の位置合わせ手段１７と、超音波パルス送受信タイミング設定手段１２１とを制御する。補正用の被測定材２の位置合わせ手段１７は、制御手段１６により制御される。このような構成によれば、補正係数の算出時において、第二実施形態にかかる超音波探傷装置１ｂにセッティングされた補正用の被測定材２の人工きず２１の位置合わせを、自動的に行うことができる。

図５は、補正用の被測定材２の位置合わせ手段１７の構成第一の例を模式的に示した平面図である。図５（ａ），（ｂ）は実際の被測定物３を測定している状態を示した超音波探傷装置１ｂの正面図と側面図、図５（ｃ），（ｄ）は、補正係数を算出している状態を示した超音波探傷装置１ｂの正面図と側面図である。図５に示すように、第一の例に係る位置合わせ手段１７ａは、シリンダ１７１と、このシリンダを往復動可能なピストン１７２と、ピストン１７２の先端近傍に設けられる回転ローラ１７３とを備える。

シリンダ１７１は、油圧シリンダなど、公知の各種シリンダが適用できる。ピストン１７２は、シリンダ１７１内の流体によって、シリンダ１７１の軸線方向に往復動できる。シリンダ１７１およびピストン１７２は、それらの軸線が、被測定材３の軸線方向に略直角に交差するように設けられる。回転ローラ１７３は、内部または外部に設けられる回転動力源（図略）によって回転可能に構成される。この回転ローラ１７３の回転軸は、被測定材３の軸線方向に略平行に設定される。そして、複数の位置合わせ手段１７ａが、被測定材３を取り囲むように配設される。図５においては、三組の位置合わせ手段１７ａが設けられる構成を示す。これらシリンダ１７１、ピストン１７２、回転ローラ１７３は、制御手段１６によって、その動作が制御される。

このような位置合わせ手段１７ａの動作は次のとおりである。

図５（ａ），（ｂ）に示すように、第二実施形態にかかる超音波探傷装置１ｂが、実際の被測定材３（たとえば出荷前の製品）の探傷を行っている間は、回転ローラ１７３は被測定材３には接触していない状態に維持される。そして、被測定材３は、搬送ローラ１９２により搬送されながら測定がなされる。

図５（ｃ），（ｄ）に示すように、感度補正を行う際には、まず補正用の被測定材２が第二実施形態にかかる超音波探傷装置１ｂにセッティングされる。そして制御手段１６は、ピストン１７２を前進させて、回転ローラ１７３を補正用の被測定材２に当接させる。これにより補正用の被測定材２は、各回転ローラによって保持される状態となる。そして制御手段１６は、人工きず２１の位置合わせ（図２のステップＳ３参照）において、回転ローラを回転させ、人工きず２１の位置合わせを自動的に行う。

図６は、補正用の被測定材２の位置合わせ手段の構成の第二の例を模式的に示した平面図である。図６に示すように、第二の例に係る位置合わせ手段１７ｂは、回転動力源１７４と保持部１７５とを備える。回転動力源１７４は、補正用の被測定材２を回転させることができる。たとえば公知の各種電動モータ油圧モータなどが適用できる。この回転動力源１７４は、制御手段１６により制御される。保持部１７５は、回転動力源１７４を超音波探傷装置１ｂに保持（たとえば固定）させるための部分であり、その構成は限定されるものではない。

このような位置合わせ手段１７ｂの動作は次のとおりである。

第二実施形態にかかる超音波探傷装置１ｂが、実際の被測定材３（たとえば出荷前の製品）の探傷を行っている間は、位置合わせ手段１７ｂは超音波探傷装置１ｂから取りはずされた状態にある。そして感度補正を行う際には、まず補正用の被測定材２が第二実施形態にかかる超音波探傷装置１ｂにセッティングされる。具体的には、各保持部１７５が搬送ローラ１９２に保持される。また、回転動力源１７４が補正用の被測定材２に結合される。この結果、補正用の被測定材２は回転動力源１７４によって回転されられる。そして制御手段１６は、人工きず２１の位置合わせ（図２のステップＳ３参照）において、回転ローラを回転させ、人工きず２１の位置合わせを自動的に行う。

次に、本発明の第三実施形態について説明する。

前記第一および第二実施形態は、補正関数Ｆ_ｉ（ｘ）を推定した後、Ｇi（ｘ）＝ａ／Ｆ_i（ｘ）を定義することにより、各グループ１１２間の感度を均一にする更正である。これに対して第三実施形態は、補正関数Ｆ_ｉ（ｘ）の値をそのまま判定手段１４２の閾値として用いることにより、実際の被測定材３に存在する「きず」が「欠陥」か否かを判定する構成である。

すなわち、補正用の被測定材２ｃの人工きずを、製品の「欠陥」と判定する際の最小の大きさに形成しておく。そして、このような補正用の被測定材２ｃを用いて補正関数Ｆ_i（ｘ）を推測する。なお、補正関数Ｆ_i（ｘ）の推測方法は、前記第一実施形態または第二実施形態と同じ方法が適用できる。したがって、説明は省略する。

そして、補正係数記憶手段１５３は、Ｇi（ｘ）＝ａ／Ｆ_i（ｘ）の具体的な値に代えて（なお、Ｇi（ｘ）＝ａ／Ｆ_i（ｘ）の具体的な値とともに記憶する構成であってもよい）、補正関数Ｆ_i（ｘ）の具体的な値を記憶する。前記のとおり、補正用の被測定材２ｃの人工きずの形状および寸法は、製品の「欠陥」と判定する際の最小の大きさに形成されるから、第三実施形態における具体的な補正関数Ｆ_i（ｘ）の数値は、被測定材に存在する「きず」が「欠陥」であるか否かの閾値となる。また、補正関数Ｆ_i（ｘ）の値をａ倍することで、補正用の被測定材２に形成される人工きず２１の形状および寸法とは、異なるレベルで判定する構成としてもよい。

その後、実際の被測定材３の探傷を行う。そして各グループ１１２が受信し算出されたエコー高さが、当該グループ１１２についての補正関数Ｆ_i（ｘ）の具体的な値より小さい場合には、検出された「きず」は「欠陥」とは判断されず、大きい場合には、「欠陥」と判断する。このような構成であっても、グループ１１２ごとに精度の高い探傷を行うことができ、例えば本来であれば「欠陥」と判定すべき「きず」を見逃すことを防止または抑制できる。

次いで、本発明の実施例について説明する。

本発明の実施例に係る超音波探傷装置は、断面が略円形の円柱状または円筒状の被測定材を測定することができる構成を有する。具体的には、被測定材３の表面に沿うように円弧状に形成される三組の配列形探触子１１を有し、これら三組の配列形探触子１１が、被測定材の全周を取り囲むように配設される。なお、各配列形探触子１１は、被測定材３の軸線方向にずらして配設される。また、各配列形探触子１１は、１２８個の超音波振動子１１１を備える。

本発明の実施例においては、第一の補正用の被測定材２ａと、第二の補正用の被測定材２ｂとが用いられる。第一の補正用の被測定材２ａは、材質がＳＣＭ４３５でφ４６ｍｍの円柱である。そして、その中心から半径の１／２の距離の位置に、φ０．３ｍｍの穴が人工きず２１として形成される。第二の補正用の被測定材２ｂは、材質がＳ２５Ｃでφ４６ｍｍの円柱である。そしてその断面の略中心に、φ０．３ｍｍの穴が人工きず２１として形成される。

以下、図２などに基づいて、本発明の実施例に係る超音波探傷装置の補正方法の手順について説明する。

図２を参照して説明すると、ステップＳ１において、各配列形探触子１１に設けられる超音波振動子１１１がグループ分けされる。本実施例においては、各配列形探触子１１に直列的に配列される１２８個の超音波振動子１１１のうち、一端から１〜３２番目を第一のグループ、１７〜４８番目の超音波振動子１１１を第二のグループ、３３〜６４番目の超音波振動子１１１を第三のグループ、４９〜８０番目の超音波振動子１１１を第四のグループ、６５〜９６番目の超音波振動子１１１を第五のグループ、８１〜１１２番目の超音波振動子１１１を第六のグループ、９７〜１２８番目の超音波振動子１１１を第７のグループとする。

ステップＳ２において、第一の補正用の被測定材２ａが、本発明の実施例に係る超音波探傷装置にセッティングされ、ステップＳ３において位置合わせが実行される。具体的には、第一の補正用の被測定材２ａに形成される人工きず２１が、超音波振動子１１１の第二のグループにて合成される超音波ビームの中心線上であって、かつこれらの超音波振動子１１１に近い側に位置するように位置合わせが実施される。

ステップＳ４において、超音波振動子１１１のすべてのグループ１１２により、エコーデータを取得する。具体的には、超音波パルス送受信タイミング設定手段１２２が超音波パルスの送受信のタイミングを設定する。超音波パルス発生手段１２３は、設定されたタイミングですべてのグループ１１２の各超音波振動子１１１を励起する。励起された各超音波振動子１１１は、第一の補正用の被測定材２ａに向けて超音波ビームを送信する。そして各超音波振動子１１１は、超音波パルス送受信タイミング設定手段１２２が設定したタイミングで超音波エコーを受信する。

ステップ５において、受信した超音波エコーは、超音波エコー受信手段１２３により増幅され、Ａ／Ｄ変換手段１２４によりディジタル値に変換されたうえで、波形記憶手段１２５に記憶される。

ステップ６において、任意焦点波形合成部１３は、波形記憶手段１２５に記憶されるエコーの値のうち、第一のグループが受信したエコーを読み出す。そして、第一のグループが受信した超音波ビームについて、第一の補正用の被測定材２ａの底面（超音波振動子１１１に対向する面とは反対側の面）に焦点が位置するような超音波波形を合成し、合成された超音波波形のエコーを算出する。そして算出されたエコーは、補正係数演算部１５の合成波形記憶手段１５１に記憶される。

次に、ステップＳ７からステップＳ３に戻り、再び人工きず２１の位置合わせを実行する。ここでは、第一の補正用の被測定材２ａに形成される人工きず２１が、超音波振動子１１１の第二のグループ（すなわち配列形探触子の一端から１７〜４８番目の超音波振動子）にて合成される超音波ビームの中心線上であって、かつこれらの超音波振動子１１１に近い側に位置するように位置合わせが実施される。この位置合わせは、第一のグループについてステップ３からステップ６の動作を完了した後、第一の補正用被測定材を所定の角度だけ回転させることにより行われる。

ステップＳ４において、超音波振動子１１１のすべてのグループ１１２により、エコーデータを取得する。具体的には、前記同様の動作であるから、説明は省略する。前記第一のグループにおける説明において、『超音波振動子１１１の第一のグループ』を『超音波振動子１１１の第二のグループ』に読み替えればよい。

ステップ５において、受信した超音波エコーは、超音波エコー受信手段１２３により増幅され、Ａ／Ｄ変換手段１２４によりディジタル値に変換されたうえで、波形記憶手段１２５に蓄積的に記憶される。

以下、超音波振動子１１１の第三のグループ、第四のグループ、・・・、第七のグループの順に、ステップＳ３からステップＳ６の動作を繰り返す。これらの動作が完了すると、補正係数演算部１５の合成波形記憶手段１５１には、超音波振動子１１１のすべてのグループ１１２について、第一の補正用の被測定材２ａに形成される人工きず２１のエコーが蓄積的に記憶されることになる。なお、いずれのグループ１１２も、人工きず２１との相対位置関係は同一である。すなわち人工きず２１は、各超音波振動子１１１に対向する面からその半径の１／２の深さで、かつ各グループ１１２にて合成される超音波ビームの中心線上に位置する。

次に、第一の補正用の被測定材２ａを用いて、超音波振動子１１１に対向する面から第一の補正用の被測定材２ａの半径の３／２の深さにある人工きず２１について、超音波振動子１１１のグループ１１２ごとにエコーを算出し記憶する。

具体的には次のとおりである。まず、ステップＳ３において、人工きず２１の位置合わせを行う。すなわち、第一の補正用の被測定材２ａを回転させ、それに形成される人工きず２１が、超音波振動子１１１の第一のグループ１１２にて合成される超音波ビームの中心線上であって、かつこれらの超音波振動子１１１に遠い側に位置させる。

そしてステップＳ４からステップＳ６の動作を行う。この動作は前記のとおりであるので説明は省略する。超音波振動子１１１の第一のグループ１１２について、ステップＳ３からＳ６の動作が完了したら、ステップＳ７からステップＳ２に戻る。そして引きつづき超音波振動子１１１の第二のグループ１１２について、ステップＳ３からステップＳ６の動作を行う。この一連の動作も前記のとおりであるので、説明は省略する。

以下、超音波振動子１１１の第三のグループ、第四のグループ、・・・、第七のグループの順に、ステップＳ３からステップＳ６の動作を繰り返す。これらの動作が完了すると、補正係数演算部１５の合成波形記憶手段１５１には、超音波振動子１１１のすべてのグループ１１２について、表面から半径Ｒの１／２（すなわち０．５Ｒ）の深さにある人工きず２１のエコーと、半径の３／２（すなわち１．５Ｒ）の深さにある人工きず２１のエコーが、蓄積的に記憶される。

次に、本発明の実施例に係る超音波探傷装置から、第一の補正用の被測定材２ａが取り外され、第二の補正用の被測定材２ｂがセッティングされる。第二の補正用の被測定材２ｂは、その断面の中心に人工きず２１が形成されるから、被測定材２ｂを回転させなくとも、超音波振動子１１１の各グループ１１２と人工きず２１との相対的な位置関係は、すべて同じである。具体的には、人工きず２１は、超音波振動子１１１の各グループ１１２にて合成される超音波ビームの中心線上であって、超音波振動子１１１に対向する側の表面から、その半径と同じ深さに位置することになる。

そして、超音波振動子１１１のグループ１１２ごとに、ステップＳ４からステップＳ６の動作を繰り返す。前記のとおり、超音波振動子１１１の各グループ１１２と人工きず２１の位置関係は同一であるから、超音波振動子１１１のグループ１１２ごとに人工きず２１の位置合わせ（ステップＳ３）を行う必要はない。

超音波振動子１１１のすべてのグループ１１２について第二の補正用の被測定材２ｂを用いた前記動作が完了すると、補正係数演算部１５の合成波形記憶手段１５１には、第二の補正用の被測定材２ｂの超音波振動子１１１に対向する側の表面からその半径に等しい深さであって、超音波ビームの中心線上に位置する人工きず２１のエコーがさらに蓄積される。

したがって、ここまでの動作が完了すると、補正係数演算部１５の合成波形記憶手段１５１には、超音波振動子１１１のすべてのグループ１１２について、超音波振動子１１１に対向する側の表面から補正用の被測定材２ａの半径の１／２の深さ、半径に等しい深さ、半径の３／２の深さに人工きず２１が存在する場合におけるエコーが蓄積される。

次の表１は、各グループについて得られたエコー高さを示す。なお、Ｒは補正用の被測定材２の半径を表す。

また、図７は、人工きず２１が１．０Ｒ深さのとき、グループ１のエコー高さが８０％となる感度で探傷したときの、各グループ、各深さの人工きず２１のエコー高さを示したグラフである。各グループ１１２の超音波振動子１１１の受信感度が等しければ、エコー高さは深さごとに均一になるはずである。しかしながら図７に示すように、実際にはグループ１１２間でエコー高さが相違する。具体的には、配列形探触子１１の中心近傍に位置するグループ１１２は感度が高く、端部近傍に位置するグループ１１２は感度が低くなるという傾向が見出される。

次いで、超音波振動子１１１の各グループについて、補正用の被測定材２ａ，２ｂの表面からの距離、または超音波ビームを送信してからの時間と、人工きず２１のエコー高さとの関係を示したグラフを作成する。これらのグラフは、定義域（横軸）を表面からの距離または超音波ビームを送信してからの時間とし、値域（縦軸）をエコー高さとするグラフとする。図８（ａ）は、第二のグループについて、表面からの距離とエコー高さの関係を示したグラフである。

そして、作成したグラフのプロットから、補正用の被測定材２ａ，２ｂの表面からの距離または超音波ビームを送信してからの時間と、エコー高さとの関係を表すような関数、すなわち補正関数を推定する。本実施例の各グループについては、各プロットを滑らかに結ぶと単純に上に凸の曲線となったことから、補正関数Ｆ_i（ｘ）をα_iｘ^２＋β_iｘ＋γ_iの二次多項式で表されるものと推定し、各係数および定数α_i，β_i，γ_iを求めた。なお、添字iは、超音波振動子１１１の第ｉ番目のグループの関数、係数または定数であることを示す。

そして、次にＧ_i（ｘ）＝ａ／Ｆ_i（ｘ）を定義する。図８（ｂ）は、第二のグループ（ｉ＝２）について、１／Ｆ_i（ｘ）の値を示したグラフの例である。補正関数Ｆ_i（ｘ）にその逆数１／Ｆ_i（ｘ）を乗ずると、その値はｘの値、すなわち表面からの距離または時間に関わりなく、ほぼ１となる。したがって、得られたエコー高さに１／Ｆ_i（ｘ）を乗ずると、人工きず２１の深さに関わりなく、人工きず２１のエコー高さは１００％となる。

次いで感度係数ａの値を設定し、１／Ｆ_i（ｘ）に乗ずる（すなわちＧ_i（ｘ）＝ａ／Ｆ_i（ｘ）を設定する）この感度係数ａは、人工きずのエコー高さを調整する係数である。本実施例においては、感度係数ａを０．８に設定した。すなわち、φ０．３ｍｍの人工きずのエコー高さは、表面からの深さにかかわらず、送信した超音波ビームの８０％となる。このように、得られたエコー高さにＧi（ｘ）の値を乗ずることにより、人工きず２１の深さの影響が除かれる。

そして、このような計算を、すべてのグループについて行うことにより、各グループとも、人工きず２１のエコーは深さ方向位置に関係なく８０％の高さとなる。図９は、すべてのグループについて、前記計算を行った結果を示したグラフである。図９に示すように、すべてのグループについて、φ０．３ｍｍの人工きず２１のエコー高さは８０％の高さとなる。すなわち、各グループ間の感度差が除去され、各グループの感度を略等しくすることができる。

図１０は、本実施例に係る超音波探傷装置を用いて、内部にきずがある被測定材を測定した結果を示したグラフであり、所定の超音波振動子１１２のブロックの補正前のエコー高さと、前記のようにブロックごとに算出した補正係数と、補正後のエコー高さ（すなわち補正前のエコー高さに補正係数を乗じた値）示すグラフである。それぞれ図１０（ａ）は一番目のブロック、（ｂ）は四番目のブロック、（ｃ）は七番目のブロックを示す。

図１０（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、いずれも測定は、きずが各ブロックから送信される超音波ビームの中心線上に位置する状態でおこなった。また、図１０（ａ），（ｂ）の一番目のブロックと二番目のブロックは、きずが超音波振動子１１１から遠い側に位置する測定結果を示し、図１０（ｃ）の七番目のブロックは、きずが超音波振動子１１１に近い側に位置する測定結果を示す。

補正前のエコー高さおよび補正後のエコー高さのグラフにおいて、左端のピークは表面エコー、右端のエコーは底面エコーであり、それらの間のピークがきずのエコーである。

前記のとおり、配列形探触子の中心近傍に位置する超音波振動子１１１のグループは感度が高く、両端に位置するグループは感度が低いという傾向がある。図１０（ａ）と図１０（ｂ）とを比較すると、補正をしなくとも、本来であれば同じエコー高さが得られるはずである。しかしながら実際には前記傾向のため、補正前のエコー高さは、四番目のグループ（略中心に位置するグループ）が一番目のグループ（端部に位置するグループ）よりも高いという結果が生じる。また図１０（ｂ）と図１０（ｃ）を比較すると、本来であれば減衰などの影響により、表面より遠い位置のきずのエコーは小さくなるものと考えられるが、やはり前記傾向のため、エコー高さが逆転するという結果が得られている。

これに対して、補正係数を乗じたエコー高さは、図１０（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、超音波振動子１１１のグループの位置および傷の深さにかかわらず、同じ形状および寸法のきずであれば、同じエコー高さが得られる。このように、前記のように算出された補正係数を実際のエコー高さ（すなわち感度）に乗ずることにより、超音波振動子１１１の位置や傷の深さに関わりなく、精度の高い測定を行うことができるようになる。

なお、図１０の各補正係数のグラフに示すように、補正係数は、超音波振動子１１１のグループごとに異なりうる。換言すると、前記方法によれば、超音波振動子１１１のグループに応じて最適な補正係数を算出することができ、グループ間で感度の差がないかまたは小さい精度の高い測定を行うことができるようになる。

また、本発明が適用できる被測定材の径は、前記実施例に示す径に限定されるものではない。図１１は、各種の径の被測定材について超音波振動子１１１の各グループのエコー高さを示したグラフである。なお、被測定材の外径を除いては、測定条件は前記実施例と同じである。

図１１に示すように、いずれの径においても、配列形探触子の中心付近に位置する超音波振動子１１１のグループは、測定されるエコー高さが高く、両端のグループはエコー高さが低くなるという傾向が見られる。この傾向は、前記実施例と同じ傾向である。したがって、被測定材の外径が異なっても、本発明が適用できるものと考えられる。

以上、本発明の各種実施形態および実施例について説明したが、本発明は、前記実施形態または実施例に何ら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の改変が可能であることはいうまでもない。

たとえば、前記実施形態および実施例においては、被測定材が断面略円形の柱状体に適用する構成を示したが、被測定材の断面形状は略円形に限定されるものではない。たとえば楕円、その他の曲面、多角形など、任意の断面形状の被測定材に適用できる。そしてその場合には、配列形探触子を被測定材の表面に対向するような形状にすればよく、より好ましくは配列形探触子を被測定材の表面に沿うような形状にすればよい。

また、本実施例では、補正用の被測定材２を用いて補正係数を求めるものとして説明したが、実際の補正用の被測定材２を用いず、数値計算により補正係数を算出するものとしてもよい。たとえば、本実施例で説明した被測定材、測定条件のモデリングを行い、有限要素法を用いたシミュレーションによって波形を求め、その波形データから補正係数を算出する構成であってもよい。このような構成とすれば、人工きず（または人工欠陥）が形成された補正用の被測定材を準備する手間を省くことができる。

本発明の第一実施形態にかかる超音波探傷装置の構成を模式的に示したブロック図である。 本発明の第一実施形態にかかる超音波探傷装置の感度補正方法の動作の流れを示したフローチャートである。 本発明の第一実施形態にかかる超音波探傷装置の感度補正方法における超音波振動子の各ブロックと、補正用の被測定材に形成される人工きずとの位置関係を示した断面模式図である。 本発明の第二実施形態にかかる超音波探傷装置の構成を模式的に示したブロック図である。 本発明の第二実施形態にかかる超音波探傷装置の感度補正方法において用いられる補正用の被測定材の位置合わせ手段の第一の例の構成を示した模式図である。 本発明の第二実施形態にかかる超音波探傷装置の感度補正方法において用いられる補正用の被測定材の位置合わせ手段の第二の例の構成を示した模式図である。 各グループの各人工きずのエコーを、人工きずの深さごとに示したグラフである。 （ａ）は、人工きずの表面からの位置とエコー高さの関係を示したグラフであり、（ｂ）は（ａ）に基づいて算出した補正係数の逆数を示したグラフである。 補正後の各グループの感度を示したグラフである。 各超音波振動子１１２のブロックの補正前のエコー高さと、前記のように算出した補正係数と、補正後のエコー高さ示すグラフであり、（ａ）は一番目のブロック、（ｂ）は四番目のブロック、（ｃ）は七番目のブロックを示す。 各種の径の被測定材について超音波振動子の各グループのエコー高さを示したグラフである。

符号の説明

１ａ 第一実施形態にかかる超音波探傷装置
１ｂ 第二実施形態にかかる超音波探傷装置
１１ 配列形探触子
１１１ 超音波振動子
１１２ 超音波振動子のグループ
１２ 信号処理部
１２１ 超音波パルス送受信タイミング設定手段
１２２ 超音波パルス発生手段
１２３ 超音波エコー受信手段
１２４ Ａ／Ｄ変換手段
１２５ 波形記憶手段
１３ 任意焦点波形合成部
１４ 判定部
１４１ 信号補正手段
１４２ 判定手段
１４３ 出力手段
１５ 補正係数演算部
１５１ 合成波形記憶手段
１５２ 補正係数演算手段
１５３ 補正係数記憶手段
１６ 制御手段
１７ 位置合わせ手段
１７１ シリンダ
１７２ ピストン
１７３ 回転ローラ
１７４ 回転動力源
１７５ 保持部
１９１ 液体の層
２ａ 第一の補正用の被測定材
２ｂ 第二の補正用の被測定材
２ｃ 第三の補正用の被測定材
２１ 人工きず
３ 実際の被測定材

Claims (11)

1. 一回の超音波の送信とそれに続く超音波の受信により、測定対象領域の情報を広範囲にわたって得ることができ、波形メモリに記憶されたデータを用いて任意位置にフォーカスした波形を合成することで、高精度の情報を得ることができるダイナミックフォーカス方式の超音波探傷装置であって、
   被測定材の表面に対向して配列される複数の超音波振動子を有する配列形探触子と、
   前記各超音波振動子が受信した超音波エコーを波形データとして前記超音波振動子ごとに記憶できる波形記憶手段と、
   該波形記憶手段の内容を読み出して測定範囲内の任意の位置に焦点が位置する超音波ビームを位相合成できるとともに該位相合成された超音波ビームのエコーを算出する任意焦点波形合成部と、
   実際の被測定材のエコーに乗ずるための補正係数を算出し記憶する補正係数演算部と、
   実際の被測定材に対する測定において前記任意波形合成部が算出したエコーに前記補正係数を乗じた値に基づいて前記実際の被測定材の状態を判定する判定部と、
   を有し、
   前記補正係数演算部は、実際の被測定材のエコーに乗ずるための補正係数を、表面から所定の深さに所定の形状および寸法の人工きずが形成される補正用の被測定材を用いて前記任意焦点波形合成部が算出したエコーに基づいて算出し記憶することを特徴とする超音波探傷装置。
2. 前記補正係数演算部は、前記補正用の被測定材を用いて前記任意焦点波形合成部が算出した所定の位置に焦点がある超音波ビームのエコーを記憶する合成波形記憶手段と、
   該合成波形記憶手段に記憶されるエコーとあらかじめ設定される感度調整のための係数に基づいて補正係数を算出する補正係数演算手段と、
   該補正係数演算手段が算出した補正係数を記憶する補正係数記憶手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の超音波探傷装置。
3. 前記被測定材の表面に対向して配列される複数の超音波振動子は、円弧状または環状に配列されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波探傷装置。
4. 前記被測定材の表面に対向して配列される複数の超音波振動子は所定の数のグループにグループ分けされており、前記補正係数演算部は、前記グループごとに補正係数を算出し記憶することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の超音波探傷装置。
5. 前記補正用の被測定材の位置合わせ手段をさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の超音波探傷装置。
6. 前記補正係数演算手段は、前記グループごとに、前記補正用の被測定材を用いて前記補正用の被測定材の所定の位置に焦点が位置する超音波ビームを位相合成するとともに該位相合成された超音波ビームのエコーから人工きずのエコー高さを算出し、前記人工きずのエコー高さから前記補正用の被測定材の表面からの前記人工きずの深さと前記人工きずのエコー高さとの関係を表す関数を推定し、該推定した関数の逆数に感度を調整する係数を乗じた値を算出し、前記補正係数記憶手段は該算出した値を補正係数として記憶することを特徴とする請求項４または請求項５に記載の超音波探傷装置。
7. 請求項１から請求項６のいずれかに記載の超音波探傷装置の感度補正方法であって、
   配列形探触子に設けられる複数の超音波振動子が所定の数のグループにグループ分けされるステップと、
   表面から所定の深さに所定の形状および寸法の人工きずが形成される補正用の被測定材が前記超音波探傷装置にセッティングされるステップと、
   前記グループごとに前記補正用の被測定材の所定の位置に焦点が位置する超音波ビームを位相合成するとともに該位相合成された超音波ビームのエコーから人工きずのエコー高さを算出するステップと、
   前記算出された超音波ビームのエコーに基づいて前記人工きずの深さと前記人工きずのエコー高さの関係を表す関数を推定するステップと、
   前記関数の逆数に感度を調整する係数を乗じた補正係数を算出するステップと、
   該補正係数を記憶するステップと、
   を有することを特徴とする超音波探傷装置の感度補正方法。
8. 請求項１から請求項６のいずれかに記載の超音波探傷装置の感度補正方法であって、
   配列形探触子に設けられる複数の超音波振動子が所定の数のグループにグループ分けされるステップと、
   表面から所定の深さに所定の形状および寸法の人工きずが形成される補正用の被測定材が前記超音波探傷装置にセッティングされるステップと、
   前記グループごとに前記補正用の被測定材の所定の位置に焦点が位置する超音波ビームを位相合成するとともに該位相合成された超音波ビームのエコーから人工きずのエコー高さを算出するステップと、
   前記算出された超音波ビームのエコーに基づいて前記人工きずの深さと前記人工きずのエコー高さの関係を表す関数を推定するステップと、
   前記人工きずのエコー高さの関係を表す関数を記憶するステップと、
   を、有することを特徴とする超音波探傷装置の感度補正方法。
9. 前記補正用の被測定材に形成される人工きずの形状および寸法は、実際の被測定材に存した場合において「欠陥」と判断すべき最小の形状および寸法であることを特徴とする請求項８に記載の超音波探傷装置の感度補正方法。
10. 前記補正用の被測定材は断面円形の円柱状の部材であり、前記人工きずは中心から前記補正用の被測定材の半径の１／２の位置に形成され、前記補正用の被測定材を１８０°回転させることによって、表面から半径の１／２の深さに位置する人工きずのエコー高さと、表面から半径の３／２の深さに位置する人工きずのエコー高さとを算出することを特徴とする請求項７から請求項９のいずれかに記載の超音波探傷装置の感度補正方法。
11. 請求項８または請求項９に記載の超音波探傷装置の感度補正方法により感度が補正された超音波探傷装置をもちいた超音波探傷方法であって、
    実際の被測定材に存するきずのエコー高さと、前記記憶された補正用の被測定材の人工きずのエコー高さとを比較するステップと、
    前記実際の被測定材に存するエコー高さが前記記憶された補正用の被測定材の人工きずのエコー高さより高い場合には、前記実際の被測定材に存するきずを欠陥と判断するステップと、
    を、有することを特徴とする超音波探傷方法。

Images