JP6905422B2

JP6905422B2 - 超音波探触子、超音波探傷装置及び方法

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Publication number: JP6905422B2
Application number: JP2017168873A
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Inventors: 聡北澤; 秀孝小室; 潤一郎長沼
Original assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2017-09-01
Filing date: 2017-09-01
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Description

本発明は、超音波探触子、超音波探傷装置及び方法に関する。

超音波探傷（ＵＴ）は原子力プラントで用いられる代表的な非破壊検査手法である。現在はＡスコープと呼ばれる波形で欠陥を評価する方法とともに、フェーズドアレイ（ＰＡ）法もＵＴの主力技術となっている。ＰＡ法は、アレイセンサの各素子から発振される超音波の位相を制御することにより、その合成波である超音波ビームを任意方向に走査したり、焦点位置を変化させたりすることができる技術である。さらに検査結果も画像上で評価できるため、検査の高速化と高精度化に大きく寄与してきた。しかし、アレイセンサ各素子の駆動タイミング（遅延時間）を適切に制御しないと、正しい検査結果が得られないため、検査対象の形状が複雑になったり、超音波が複数の媒質を透過したりするような場合には遅延時間の設定が複雑になり、適用が困難になる場合がしばしばあった。

これに対し、近年、新たな超音波探傷手法としてフルマトリクスキャプチャー（ＦｕｌｌＭａｔｒｉｘＣａｐｔｕｒｅ: ＦＭＣ）法が注目を集めている。ＦＭＣ法はアレイセンサ各素子の送受信の組合せに対応する波形を個別に全て収録し、適切な波形合成処理をソフト上で施すことにより、高精細な画像を得る技術である。ＦＭＣ法ではデータ収録時に位相を制御する必要がなく、一度波形を収録すればオフラインで好きなように位相整合条件を変えて画像を生成することができる。遅延時間を考慮して波形を合成させることでＰＡ法の画像も再現できる。

ＰＡ法では、アレイセンサの各素子から発振される超音波（以下、素元波）の位相を制御することにより、その合成波である超音波ビームの方向と焦点位置を検査対象領域に合わせて変化させる。欠陥等で反射した超音波は再びアレイセンサの各素子で受信され、デジタル信号に変換された後、装置内のＦＰＧＡ（ｆｉｅｌｄ-ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅｇａｔｅａｒｒａｙ）等の演算手段で遅延時間を加味して加算される。この場合、遅延時間の設定はホイヘンスの原理に基づき、素元波の位相を揃えて一つの包絡線となるように行えばよい。しかし波動の線形性を仮定すれば、電気回路のスイッチング処理で物理的に合成波を生成しなくても、一つの振動素子から発生する素元波を後から個々に重ね合わせることによっても集束ビームが生成できるはずである。これに着目し、振動素子の全ての組合せで得られる波形をメモリに保存しておき、後のソフト処理で波形を合成して探傷画像を生成する方法がＦＭＣ法である。欠陥像の各画素値は、送受信素子と画素までの路程に相当する時刻の振幅を全ての素元波について重ね合せることで得られる。処理プロセスの違いでいくつかの画像生成アルゴリズムが提案されているが、基本的な原理は同じであり、いずれのアルゴリズムでも、ほぼ同等の画像が得られる。開口合成法（ＳｙｎｔｈｅｔｉｃＡｐｅｒｔｕｒｅＦｏｃｕｓｉｎｇＴｅｃｈｎｉｑｕｅ: ＳＡＦＴ）やＴｏｔａｌＦｏｃｕｓｉｎｇＭｅｔｈｏｄ（ＴＦＭ）が代表的な手法である。本発明では以下の説明には画像生成アルゴリズムとしてＴＦＭを用いるが、開口合成やその他の類似の画像生成アルゴリズムでも同様である。ＦＭＣ法はあくまでも波形データの収録手法の呼称であり、画像生成手法を示すＳＡＦＴやＴＦＭとは区別されるべきものであるが、本発明では簡単のため収録と画像生成のプロセスを合わせてＦＭＣ法と呼ぶこととする。

ＦＭＣ法の利点は複数挙げられるが、代表的なものに曲面物体を探傷する際の適合性の良さが挙げられる。つまり、超音波を入射させる被検体表面が曲面である場合でも、ＦＭＣ法を使えば、ＰＡ法に比べ容易に探傷画像を生成することができる。一般にアレイセンサを用いて、曲面から超音波を入射させて探傷する場合、フレキシブルタイプのアレイセンサを直接被検体に密着させるか、被検体とセンサを水に浸して水を媒介物質として被検体内に超音波を入射させる方法（以下、水浸法と呼ぶ）で行う。水浸法では直線状に素子が並んだリニアアレイセンサが用いられることが多いが、フレキシブルアレイセンサを用いてもかまわない。画像を生成するには各素子と画像上の計算点を結んだ超音波伝播経路を求める必要があるが、水浸法の場合には水と被検体の界面での屈折を考慮する必要がある。このためには被検体に対する素子の相対座標と、被検体表面形状の幾何情報が必要となる。幾何情報は離散的な座標値か関数の形で与えられるが、ＣＡＤデータが存在する場合にはそれを利用しても構わない。このようにして全ての素元波の伝播経路が求まれば、屈折を考慮したＦＭＣ探傷画像を生成することができる。しかし、素子と被検体との相対座標を正確に把握するためには、別途、位置情報を取得するセンサを用いるか、あるいはスキャナ等の機械的な可動装置にセンサを設置する必要があり、費用的にも作業的にも負担が大きい。これらを解決するために、例えば特許文献１にはアレイセンサを用いて遅延時間の制御をしないで電子リニア走査を行い、その結果を用いて開口合成処理を行い、得られた画像の輝度値が最大になっている画素の分布から表面形状を抽出する方法が開示されている。また、特許文献２には、フェーズトアレイ法で得られた波形から表面エコーを抽出し、各振動子から被検体表面までのビーム路程を半径とする複数の円の接線を利用して表面形状を推定する方法が開示されている。

特開２０１２−２５５６５３号公報特開２０１１−２４７６４９号公報

しかしながら、これらの手法では、当然のことながら反射波が素子に再び戻ってくる伝播経路上にある部分のみ、すなわち表面形状の一部しか抽出できないという課題があった。よって、特許文献１あるいは２に記載の方法で、例えば溶接部の余盛り形状のような凸面を抽出しようとした場合、余盛りの頂点付近と両脇の平坦部の信号しか抽出できない。そのため、余盛り側面から被検体内部に入射する伝播経路が画像に寄与しない、あるいは、誤った伝播経路で画像が生成されるため、被検体内部の探傷画像に歪みが生じ、検査精度が劣化するという課題があった。

本発明の目的は、曲面構造物の検査精度を向上することができる超音波探触子等を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の一例の超音波探触子は、複数の振動子から構成され、超音波を発生する超音波アレイセンサと、前記超音波アレイセンサと検査対象との間に配置され、前記超音波を伝播する伝播部材と、前記検査対象の表面又は内部で反射されて戻ってくる前記超音波を反射し、前記超音波をいずれかの前記振動子に入射させる少なくとも２つの超音波反射部材と、を備え、少なくとも２つの前記超音波反射部材は、前記振動子の配列の両端に配置される。

本発明によれば、曲面構造物の検査精度を向上することができる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

ＦＭＣ法における波形収録の原理を示す図である。送受信素子の組合せに対応する素元波を説明するための図である。超音波の挙動を示す図である。図３Ａの被検体から得られる直線状の表面エコーを示す図である。凸部を有する被検体における超音波の挙動を示す図である。図４の被検体の凸部の端付近における超音波の挙動を示す図である。図４の被検体から得られる表面エコーを示す図である。第１の実施形態による超音波探触子の構成図である。仮想素子を示す図である。第１の実施形態による超音波探触子を用いて凸部を有する被検体から得られる表面エコーを示す図である。反射手段を設置する位置の一例を示す図である。反射手段を設置する位置の別の例を示す図である。第１の実施形態による超音波探触子を備える超音波探傷装置が映像化に用いる素元波の一覧を示す図である。第２の実施形態による超音波探触子の構成図である。第２の実施形態による超音波探触子の変形例の構成図である。第３の実施形態による超音波探触子の構成図である。第４の実施形態による超音波探触子の構成図である。超音波探傷装置の構成図である。超音波探傷装置のフローチャートの一例である。

以下、図面を用いて、本発明の第１〜第４の実施形態による超音波探触子を備える超音波探傷装置の構成及び動作について説明する。

（第１の実施形態）
はじめに、本発明のＦＭＣ法による波形収録と、収録した波形を用いて画像を生成する手順について説明する。

図１はＦＭＣ法における波形収録の原理を示している。説明を簡単にするためセンサの総素子数は４とした。素子数が増えても原理は同じである。波形信号の収録は、まずアレイセンサ１００内の１番の素子（素子１０１）だけを励振させて超音波を入射する。被検体１０７内を伝播した超音波１０６は、欠陥等の反射源１０５で反射あるいは散乱され、再び素子方向に戻っていき、自身を含む各素子（素子１０１、１０２、１０３、１０４）で受信される。

受信波形の収録は一素子ずつ行ってもよいし、素子１０１から１０４で同時に受信した信号を一旦ハードウェアのメモリ上に保存し、マルチプレクサ等で切り替えながら順次読み出しても構わない。また、素子を切り替える順番に制約はなく、ランダムに切り替えても構わない。受信波は電気信号に変換され、ハードウェアのメモリ上に素元波Ｗ₁₁、Ｗ₁₂、Ｗ₁₃、Ｗ₁₄として記憶される。同様に２番の素子（素子１０２）を励振させ、その反射波を１番から４番の各素子（素子１０１、１０２、１０３、１０４）で受信する。

このようにして励振させる素子を順次切り替えながら繰り返し収録を行うと、図２に示すように全ての送受信素子の組合せに対応する素元波Ｗ_mn (ｍ，ｎ = １、２、３、４）を得ることができる。アレイセンサの素子総数がＮ個ならば、組合せはＮ²パターン存在する。理論的には波動の相反性でＷ_mn = Ｗ_nm (ｍ，ｎ = １、２、 .... 、Ｎ）が成り立つため、全素元波を収録する必要はなく、組合せは(Ｎ²＋Ｎ)/２パターンでよい。しかし、実際には回路や素子の特性により完全には相反性が成立しないことが多いため、本発明では全パターンの素元波を収録することを前提として説明する。また、特定の角度の伝播経路だけを用いたい場合や、不良な素子の波形信号を排除したい場合など、必要に応じて一部の素元波を選択的に用いて画像化することもある。

次に図３Ａを用いて、これらの素元波から探傷画像を生成する方法について述べる。ここでは簡単のため、伝播物質が二つの場合で考える。伝播物質が二つ以上の場合でも考え方は同様である。また、説明を分かりやすくするために、伝播物質が水と鋼材であると仮定する。図３Ａでは伝播物質３０１が水、３０２が鋼材である。もちろん他の物質であっても考え方は同じである。

例えば、アレイセンサ３００の素子３０３ａから出発する超音波は、伝播経路３０４ａに沿って水３０１内を直線的に透過し、水３０１と鋼材３０２の界面３０６上の点３０７ａで一部は反射し、一部はスネルの法則を満たすような屈折角を持って鋼材３０２内部に伝播経路３０４ｂに沿って進行する。ここで、例えば鋼材３０２中の反射源３０５があると仮定すると、超音波は反射源３０５で反射し、伝播経路３０４ｃに沿って再び界面３０６に達する。さらに界面３０６上の点３０７ｂにおいてスネルの法則を満たすように屈折し、水３０１内を伝播経路３０４ｄに沿って進み、最終的に素子３０３ｂで受信される。

素子３０３ａの座標を（ｘｍ，ｚｍ）、反射源３０５の座標を（ｘｉ，ｚｉ）、界面上の点３０７ａの座標を（ｘｂ１，ｚｂ１）とすると、素子３０３ａから反射源３０５までの伝播時間τｍｉは次式で与えられる。

ここで、ｃ１とｃ２はそれぞれ水３０１と鋼材３０２の音速である。

反射源３０５から素子３０３ｂまでの伝播時間τｎｉも全く同様の考え方で求めることができるため、素子３０３ａから素子３０３ｂまでの伝播時間はτｍｉ＋τｎｉで与えられる。さらに、同様のことが他の送受信素子の組合せにおいても言える。開口合成やＴＦＭでは、実際の反射源の有無にかかわらず、全ての画素が反射源であると仮定して画像を生成するため、反射源３０５は任意の画素と考えてもよい。よって、この画素において、全ての素元波を加え合わせれば画素値Ｓｉは次式で与えられる。

ここで、Ｎはアレイセンサ３００の素子数である。

素元波には鋼材３０２内の反射源３０５に起因する反射信号以外にも、界面３０６での反射によるものが含まれる。前述のように、素子３０３ａから発信された超音波は、伝播経路３０４ａに沿って水３０１内を直線し、界面３０６上の点３０７ａで一部が反射し、伝播経路３０４ｅに沿って進み素子３０３ｃで受信される。３０３ａ以外の素子から発信した超音波も同様に界面３０６（境界）でその一部が反射し、アレイセンサ３００の素子配列領域から外れたものは受信されないが、それ以外はいずれかの素子で受信される。

その結果、画像上の水３０１と鋼材３０２の界面３０６付近には、図３Ｂに示すような直線状の表面エコー３０８が形成される。表面エコー３０８の位置を分析すれば、アレイセンサ３００と鋼材３０２の相対的な距離や角度を容易に知ることができる。

次に、溶接部のような表面形状が凸型の被検体の場合について、図４を用いて説明する。この場合も説明を分かりやすくするために、伝播物質が水と鋼材であると仮定する。すなわち、図４において伝播物質４０１が水、４０２が鋼材である。もちろん他の物質であっても考え方は同じである。

最初に被検体表面の凸部４０５の頂点付近に伝播した超音波の挙動について述べる。例えば、アレイセンサ４００の素子４０３ａから発信された超音波は、伝播経路４０４ａに沿って直進し凸部４０５に到達すると仮定する。凸部４０５で超音波の一部は反射し、一部は境界上の点４０７ａで屈折して鋼材４０２内部に伝播する。このときの反射角と屈折角は、凸部の点４０７ａにおける法線に対し入射角と反射角、もしくは屈折角がスネルの法則を満たしている。伝播経路４０４ｂに沿って進んだ超音波は反射源４０８で反射して再び境界での屈折を経てアレイセンサ４００の素子、例えば素子４０３ｃで受信される。

図４では反射源４０８で反射された超音波は再び凸部４０５と水４０１の境界上の点４０７ｂを経てアレイセンサ４００に戻っていくように描かれているが、例えば境界の平面部４０６ｂを経てアレイセンサに戻る経路も考えられる。また、素子４０３ａから発信された超音波の一部は凸部４０５上の点４０７ａで反射され、素子４０３ｂで受信される。凸部以外の平坦部４０６ａや４０６ｂを経て反射や屈折をする伝播経路については、図３で述べたのと同じである。

次に、被検体表面の凸部４０５の端付近に伝播した超音波の挙動について図５を用いて説明する。素子５０１から発信された超音波は水４０１を伝播し、被検体表面の凸部４０５の端付近、例えば点５０３ａに到達したとする。超音波は点５０３ａで一部は反射され、一部は屈折して鋼材４０２中に進入する。点５０３ａで屈折して鋼材４０２内部に進入した超音波は、反射源５０４で反射され、界面方向に戻っていく。その際、図４に示したように素子面に到達するものもあれば、図５に示した伝播経路５０２ｃおよび５０２ｄのように、素子面外側に伝播してしまう超音波も存在する。

図５には一例として素子面外に伝播していく経路のみを示してある。このような波形信号は素元波として収録されないため、反射源の情報が失われてしまう。一方、点５０３ａで反射された超音波に関しては、凸部の端付近の接線がアレイセンサ４００の素子面に対し大きな勾配を持っているため、超音波は例えば伝播経路５０２ｅに沿ってアレイセンサ４００の素子面の外に向かって伝播してしまい、該当部の表面反射の情報が失われてしまう。

その結果、画像上の水３０１と鋼材３０２の境界付近には、図６に示すような平坦部の表面エコー６０２ａおよび６０２ｂと、凸部頂点付近の表面エコー６０１のみが形成され、表面形状が正確に抽出できない。よって、ＴＦＭもしくは開口合成で鋼材４０２内部を映像化しようとしても、屈折した伝播経路を正確に求めることができないため、歪みが生じて欠陥等の反射源の位置がずれたり、エコー強度が弱くなったりして検査結果に影響を及ぼす可能性がある。

これに対し、本発明では図７に示すように、アレイセンサと鋼材面の間に反射手段７０５ａおよび７０５ｂを設ける。これにより、鋼材表面で反射されてアレイセンサ４００の素子面の範囲外に伝播する超音波や、反射源で反射されてアレイセンサ４００の素子面の範囲外に伝播する超音波を逃さずに受信することが可能となる。

これを図７を用いて詳細に説明する。例えばアレイセンサ４００の素子７０１から発信されて点７０３ａで反射された超音波は伝播経路７０２ｆに沿って進み、反射手段７０５ａの内面上の点７０４ａで素子面方向に反射され、伝播経路７０２ｇに沿って素子７０１ｂで受信される。よって、反射手段７０５ａが無い場合はそのまま素子面の範囲外に出てしまった超音波も受信することができる。

また、反射源５０４で反射されて、例えば伝播経路７０２ｃと７０２ｄを経て鋼材４０２から水４０１に戻った超音波も、例えば反射手段７０５ｂの内面上の点７０４ｂで反射され、伝播経路７０２ｅに沿って進み素子７０１ｃで受信される。よって、反射手段７０５ｂが無い場合は素子面の範囲外に出て行ってしまった超音波も受信できるため、反射源の情報がより多く得られることになる。

換言すれば、アレイセンサ４００（超音波アレイセンサ）は、複数の素子（振動子）から構成され、超音波を発生する。水４０１（伝播部材）は、アレイセンサ４００と鋼材４０２（検査対象）との間に配置され、超音波を伝播する。少なくとも１つの反射手段７０５a、７０５ｂ（超音波反射部材）は、鋼材４０２の表面又は内部で反射されて戻ってくる超音波を反射し、超音波をいずれかの素子に入射させる。

反射手段７０５aおよび７０５ｂは伝播物質と音響インピーダンスが異なる物質であれば超音波が反射するため、材料は樹脂、金属など何でも構わない。伝播物質が水４０１の場合は音響インピーダンスは約１．５×１０^６ｋｇ／ｍ^２ｓであるので、この数値との差が大きいほど反射率も高くなるため、ステンレス等の金属が好ましい。もちろんステンレス以外の金属でも構わない。

反射は表面で起こるため、板の厚さによる影響は少ないが、薄すぎる場合は板波が発生し、その振動が水を伝って素子に達するとノイズ源となりうるため、数ミリ以上の厚さであることが好ましい。

反射手段７０５aおよび７０５ｂは平面状であり、かつ素子面に垂直である方が、映像化の際に伝播経路（例えば伝播経路７０２ｇ）を計算しやすいため好ましい。換言すれば、反射手段７０５a、７０５ｂ（超音波反射部材）は、アレイセンサ４００の素子（振動子）が配列される面に垂直な平面を有し、その平面で超音波を反射する。

ただし、伝播経路を求める計算は複雑になるが、必ずしも板状である必要はない。たとえば曲面であっても素子に戻る伝播経路さえ計算できれば同様の効果を得ることが可能である。

反射手段を設置する位置は図１０に示すように一番端の素子１００１ａの端面１００３が反射手段７０５aの内面と一致するようにすることが好ましい。反射手段７０５ｂに関しても全く同様の考え方で、素子の端面と一致するように設置することが好ましい。換言すれば、反射手段（超音波反射部材）は、２つあり、それぞれの反射手段７０５a、７０５ｂは、アレイセンサ４００の素子（振動子）の配列の両端に配置される。

理由は、このように反射手段を設置すると、ＴＦＭもしくは開口合成で映像化する際に、図８に示したように、端面１００３に対して対称の位置に仮想的に素子が存在すると考えて処理すれば、プログラムをほとんど変更せずにそのまま画像を生成できるためである。

たとえば、伝播経路７０２ｇは伝播経路８０２ａに沿って進み仮想素子８０１ａで受信されると考えればよい。伝播経路７０２ｅも同様で、伝播経路を反射手段７０５ｂの内面に対して対称に折り返し、伝播経路８０２ｂに沿って超音波が進み、仮想素子８０１ｂで受信されるとして処理するだけでよい。この場合に映像化に用いる素元波の一覧を図１２に示す。

実際に収録するのは中央付近の太枠で囲った部分の１６個の素元波だけであるが、仮想素子を考えることにより、画像化に９倍の情報量を活用できることを示している。太枠以外の部分は従来は捨てていた情報である。仮想素子は図１１に示すように端面１１０３に対して対称でありさえすればよく、素子と端面１１０３の間に隙間があっても構わない。この場合、この隙間に到達した超音波は受信されないが、全く仮想素子を考えない場合よりは得られる情報は多い。

また、反射手段で反射した際にモード変換が起こり、縦波や横波が新たに発生し、疑似エコーの原因となる可能性があるが、これは例えば、反射手段に入射する角度が縦波臨界角を超えた場合は、その素元波は縦波で画像を生成する際には用いないといった制限を設けることで、ある程度回避できる。

このように、反射手段を設けることにより、画像上の水３０１と鋼材３０２の境界付近には、図９に示すように、平坦部と凸部頂点付近だけでなく、凸部端付近も含めた表面エコー９０１が形成され、表面形状が正確に抽出できる。よって、ＴＦＭもしくは開口合成で鋼材４０２内部を映像化する際に屈折した伝播経路を正確に求めることができるため、画像に歪みが生じず、欠陥等の反射源の位置がずれたり、エコー強度が弱くなったりすることを防ぐことができ、曲面構造物内部の欠陥を精度良く、かつ容易に非破壊検査可能な超音波探傷法を提供することができる。すなわち、本実施形態によれば、曲面構造物の検査精度を向上することができる。

なお、超音波探傷装置は、図１６に示すように、超音波アレイセンサ、パルサ、レシーバ、記録装置、コンピュータ、ディスプレイ等から構成される。コンピュータは、例えば、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）等のプロセッサ、メモリ、ＨＤＤ（ＨａｒｄＤｉｓｋＤｒｉｖｅ）、インタフェースＩ／Ｆ等から構成される。

図１７は、超音波探傷装置のフローチャートの一例である。パルサ（送信部）は、ＣＰＵからの指令に従い超音波アレイセンサの各々の素子から超音波を発生させる（Ｓ１５）。レシーバは、各々の素子で受信された検査対象からの反射信号を受信し、記録装置に収録する（Ｓ２０）。ここで、レシーバ及び記録装置は、受信記録部として機能する。コンピュータのＣＰＵ（映像化手段）は、記録装置に収録された反射信号を開口合成法またはトータルフォーカシング法またはそれに類する手法により映像化する（Ｓ２５）。

すなわち、コンピュータのＣＰＵ（プロセッサ）は、検査対象の表面又は内部で反射されて戻ってくる超音波のうち、反射手段７０５a、７０５ｂ（超音波反射部材）を介して超音波アレイセンサの素子（振動子）に入射される超音波と、反射手段７０５a、７０５ｂを介さずに素子に入射される超音波と、に基づいて、検査対象の画像を生成する。なお、ＣＰＵは、検査対象の画像をディスプレイに表示する。

（第２の実施形態）
図１３Ａを用いて本発明の第２の実施形態を説明する。第２の実施形態はアレイセンサ１３０５の素子から発せられた超音波がウェッジ１３００（シュー）と伝播物質１３０４を介して被検体４０２に入射される。第１の実施形態と同様に、被検体４０２は例えば溶接の余盛形状のような凸部を持つ鋼材である。なお、ウェッジ１３００は、超音波を伝播する伝播部材として機能する。ウェッジ１３００は、固体である。

ウェッジ１３００は凸部の上部を十分に覆うことができるような凹部を持っており、ウェッジ１３００と凸部の隙間には超音波伝播物質１３０４が充填されている。伝播物質１３０４は例えば、接触媒質としてよく用いられるグリセリンペースト等を用いる。もちろんグリセリンペースト以外でも超音波が伝播できる物質であれば構わない。外部から水を供給する方法も考えられるし、ジェル状の物質を充填しても構わない。

ウェッジ１３００の材料には樹脂が用いられる。例えばポリスチレンやアクリル等、通常斜角探傷のウェッジとして用いられる材料で構わない。しかし、本実施形態のウェッジ１３００は内部に反射手段１３０６ａおよび１３０６ｂを備えており、その内部表面で超音波が反射するようになっている。反射手段１３０６ａおよび１３０６ｂ（超音波反射部材）の材質は、音響インピーダンスがウェッジ１３００（伝播部材）の値と異なるものであれば何でも構わないが、例えばウェッジ１３００が樹脂だとすると、反射手段１３０６ａおよび１３０６ｂはステンレス等の金属であることが好ましい。あるいは、反射手段１３０６ａおよび１３０６ｂとして板状の物質を埋め込む代わりに、空隙を設ける方法もある。換言すれば、反射手段１３０６ａ、１３０６ｂ（超音波反射部材）は、気体である。

また、これと類似した考え方で、図１３Ｂに示すように、ウェッジ１３００の端面が反射手段１３０６ａおよび１３０６ｂの位置になるようにウェッジ１３００の形状そのものを加工しても同様の効果が得られる。

つまり、反射手段１３０６ａ、１３０６ｂ（超音波反射部材）は、前記伝播部材の内部又は表面に配置される。両端がこのように加工されていることが望ましいが、片端だけでも有る程度の効果は期待できる。反射手段の役割と映像化への寄与については第１の実施形態と同様であるため、ここでは省略する。

（第３の実施形態）
図１４を用いて本発明の第３の実施形態を説明する。第３の実施形態は第２の実施形態のウェッジの形を変えたものである。それに伴い、アレイセンサ１４００ならびに素子面の被検体表面に対する角度も変わっている。一般的にアレイセンサは、素子面の正面方向にもっとも強い超音波を発生させることができるため、溶接部の脇から斜め方向に強い超音波を入れたい場合に好適な例である。

詳細には、アレイセンサ１４００の素子（振動子）が配列される面は、溶接部の余盛りの端部の曲面の法線Ｎに垂直である。ここで、余盛りの端部とは、例えば、余盛りの端から所定の距離以下の部分をいう。余盛りの端部の表面は曲面であるため、法線Ｎの傾きは所定の範囲で変化する。そこで、例えば、法線Ｎの傾きの範囲の平均から１つの法線Ｎを決定する。

この場合もウェッジ１４０１の内部には反射手段１４０３ａおよび１４０３ｂを備えており、これらが第１の実施形態や第２の実施形態と同様の役割を果たす。反射手段の役割と映像化への寄与については第１の実施形態と同様であるため、ここでは省略する。

（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態を図１５を用いて説明する。第４の実施形態は、配管１５０２の溶接部１５０６の周囲を円筒形のウェッジ１５０３で囲み、その外側に設置したアレイセンサ１５０１で配管溶接部１５０６の内部をＦＭＣ法で検査する例である。ウェッジ１５０３は円筒形をしている。換言すれば、ウェッジ１５０３（伝播部材）は、円筒状であり、配管１５０２の溶接部１５０６を覆う。その軸方向の断面は第２の実施形態で示したものと同じ構造となっており、図示はしないが内部には反射手段を設けてある。

また、アレイセンサが周方向に移動しやすいように、ウェッジ１５０３の外面には、例えば溝１５０４が設けられている。換言すれば、ウェッジ１５０３（伝播部材）は、アレイセンサ１５０１（超音波アレイセンサ）を配管１５０２の周囲に沿ってガイドする溝を有する。溝以外でもアレイセンサが周方向に溶接部の上方を移動しやすい構造であれば構わない。

またウェッジ１５０３は配管に取り付けやすいように、分割されており、検査時には配管を挟み込むように設置した後、接続手段１５０５で固定するのでも構わない。ウェッジ１５０３と溶接部１５０６の隙間１５０７にはグリセリンペースト等の伝播物質が充填されている。伝播物質は通常の超音波探傷で用いられているもので構わないし、外部から水を供給するような構造でも構わない。

このように、本実施形態に示したように、反射手段を設けた円筒形のウェッジを用いることにより、配管溶接部の表面形状が正確に抽出でき、ＴＦＭもしくは開口合成で配管溶接部の内部を映像化することにより、溶接部内部の欠陥を精度良く、かつ容易に非破壊検査可能な超音波探傷法を提供することができる。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上述した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

また、上記の各構成、機能等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、SSD（Solid State Drive）等の記録装置、または、ICカード、SDカード、DVD等の記録媒体に置くことができる。

なお、本発明の実施形態は、以下の態様であってもよい。

（１）．アレイセンサの各々の素子から発せられる超音波を伝播媒質を介して検査対象に到達させ，検査対象からの反射信号を開口合成法またはトータルフォーカシング法またはそれに類する手法により映像化する超音波探傷方法において、前記伝播媒質の内部または表面に前記検査対象表面で反射された超音波が再び前記素子のいずれかに入射するような位置に超音波反射手段を設けたことを特徴とする超音波探傷方法。

（２）．（１）に記載の超音波探傷方法において、前記超音波反射手段の形状が平面でかつ、前記平面が前記素子の配列面に垂直であることを特徴とする超音波探傷方法。

（３）．（１）または（２）に記載の超音波探傷方法において、前記超音波反射手段の位置が前記アレイセンサの前記素子の配列の両端であることを特徴とする超音波探傷方法。

（４）．（１）から（３）のいずれかに記載の超音波探傷方法において、前記伝播媒質が固体で形成されており、かつ前記超音波反射手段が前記固体と音響インピーダンスが異なる物質で形成されることを特徴とする超音波探傷方法。

（５）．（４）に記載の超音波探傷方法において、前記固体が樹脂で形成され、前記超音波反射手段が金属であることを特徴とする超音波探傷方法。

（６）．（４）に記載の超音波探傷方法において、前記固体が樹脂で形成され、前記超音波反射手段が気体であることを特徴とする超音波探傷方法。

（７）．（１）から（３）のいずれかに記載の超音波探傷方法において、前記伝播媒質が固体で形成されており、前記伝播媒質の少なくとも一方の端面の位置が、前記アレイセンサの前記素子の配列の端と一致していることを特徴とする超音波探傷方法。

（８）．（１）から（７）のいずれかに記載の超音波探傷方法において、前記伝播媒質を配管の溶接部の外面に設置し、前記伝播媒質の外面に沿ってアレイセンサを移動させながら超音波波形データを収録することを特徴とする超音波探傷方法。

（９）．検査対象物の表面に配置された超音波アレイセンサと、アレイセンサの各々の素子から超音波を発する送信部と、前記超音波を検査対象に到達させる伝播媒質（伝播物質）と、検査対象からの反射信号を受信し収録する受信収録部と、前記反射信号を開口合成法またはトータルフォーカシング法またはそれに類する手法により映像化する映像化手段と、前記伝播媒質の内部または表面に前記検査対象表面で反射された超音波が再び前記素子のいずれかに入射するような位置に超音波反射手段を備えることを特徴とする超音波探傷装置。

（１０）．（９）に記載の超音波探傷装置において、前記超音波反射手段の形状が平面でかつ、前記平面が前記素子の配列面に垂直であることを特徴とする超音波探傷装置。

（１１）．（９）または（１０）に記載の超音波探傷装置において、前記超音波反射手段の位置が前記アレイセンサの前記素子の配列の両端であることを特徴とする超音波探傷装置。

（１２）．（９）から（１１）のいずれかに記載の超音波探傷装置において、前記伝播媒質が固体で形成されており、かつ前記超音波反射手段が前記固体と音響インピーダンスが異なる物質で形成されることを特徴とする超音波探傷装置。

（１３）．（１２）に記載の超音波探傷装置において、前記固体が樹脂で形成され、前記超音波反射手段が金属であることを特徴とする超音波探傷装置。

（１４）．（１２）に記載の超音波探傷装置において、前記固体が樹脂で形成され、前記超音波反射手段が気体であることを特徴とする超音波探傷装置。

（１５）．（９）から（１１）のいずれかに記載の超音波探傷装置において、前記伝播媒質が固体で形成されており、前記伝播媒質の少なくとも一方の端面の位置が、前記アレイセンサの前記素子の配列の端と一致していることを特徴とする超音波探傷装置。

（１６）．（９）から（１５）のいずれかに記載の超音波探傷装置において、前記伝播媒質を配管の溶接部の外面に設置し、前記伝播媒質の外面に沿ってアレイセンサを移動させながら超音波波形データを収録することを特徴とする超音波探傷装置。

（１）〜（１６）では、検査対象の曲面で反射した超音波の伝播経路がアレイセンサ素子面に戻るような位置の伝播物質内に超音波反射手段を設ける。これにより、アレイセンサに戻らない経路を伝播する超音波も映像化に用いることができるため、余盛の全体形状を抽出することができる。ＴＦＭで仮想的に素子を増やすだけで映像化が可能となる。

１００…アレイセンサ
１０１、１０２、１０３、１０４…素子
１０５…反射源
１０６…超音波
１０７…被検体
３００…アレイセンサ
３０１…伝播物質
３０１…水
３０２…鋼材
３０３ａ、３０３ｂ、３０３ｃ…素子
３０５…反射源
３０６…界面
３０８…表面エコー
４００…アレイセンサ
４０１…水
４０２…鋼材
４０３ａ、４０３ｂ、４０３ｃ…素子
４０５…凸部
４０６ａ、４０６ｂ…平面部
４０８…反射源
５０１…素子
５０４…反射源
６０１、６０２ａ、６０２ｂ…表面エコー
７０１、７０１ｂ、７０１ｃ…素子
７０５ａ、７０５ｂ…反射手段
８０１ａ、８０１ｂ…仮想素子
９０１…表面エコー
１００１ａ、１００１ｂ、１００１ｃ…素子
１３００…ウェッジ
１３０４…伝播物質
１３０５…アレイセンサ
１３０６ａ、１３０６ｂ…反射手段
１４００…アレイセンサ
１４０１…ウェッジ
１４０３ａ、１４０３ｂ…反射手段
１５０１…アレイセンサ
１５０２…配管
１５０３…ウェッジ
１５０４…溝
１５０５…接続手段
１５０６…溶接部
１５０７…隙間

Claims

複数の振動子から構成され、超音波を発生する超音波アレイセンサと、
前記超音波アレイセンサと検査対象との間に配置され、前記超音波を伝播する伝播部材と、
前記検査対象の表面又は内部で反射されて戻ってくる前記超音波を反射し、前記超音波をいずれかの前記振動子に入射させる少なくとも２つの超音波反射部材と、を備え、
少なくとも２つの前記超音波反射部材は、
前記振動子の配列の両端に配置されることを特徴とする超音波探触子。
請求項１に記載の超音波探触子であって、
前記超音波反射部材は、
前記振動子が配列される面に垂直な平面を有し、
前記平面で前記超音波を反射する
ことを特徴とする超音波探触子。
請求項１に記載の超音波探触子であって、
前記伝播部材は、
固体であり、
前記超音波反射部材は、
前記伝播部材と音響インピーダンスが異なる
ことを特徴とする超音波探触子。
請求項３に記載の超音波探触子であって、
前記伝播部材は、
樹脂であり、
前記超音波反射部材は、
金属である
ことを特徴とする超音波探触子。
請求項３に記載の超音波探触子であって、
前記伝播部材は、
樹脂であり、
前記超音波反射部材は、
気体である
ことを特徴とする超音波探触子。
複数の振動子から構成され、超音波を発生する超音波アレイセンサと、前記超音波アレイセンサと検査対象との間に配置され、前記超音波を伝播する伝播部材と、前記検査対象の表面又は内部で反射されて戻ってくる前記超音波を反射し、前記超音波をいずれかの前記振動子に入射させる少なくとも１つの超音波反射部材と、を備え、前記伝播部材は、固体であり、前記超音波反射部材は、前記伝播部材と音響インピーダンスが異なる超音波探触子であって、
前記伝播部材は、
円筒状であり、
配管の溶接部を覆う
ことを特徴とする超音波探触子。
請求項６に記載の超音波探触子であって、
前記伝播部材は、
前記超音波アレイセンサを前記配管の周囲に沿ってガイドする溝を有する
ことを特徴とする超音波探触子。
請求項３に記載の超音波探触子であって、
前記振動子が配列される面は、
溶接部の余盛りの端部の曲面の法線に垂直である
ことを特徴とする超音波探触子。
請求項１に記載の超音波探触子であって、
前記超音波反射部材は、
前記伝播部材の内部又は表面に配置される
ことを特徴とする超音波探触子。
請求項１に記載の超音波探触子を有する超音波探傷装置であって、
前記検査対象の表面又は内部で反射されて戻ってくる前記超音波のうち、前記超音波反射部材を介して前記振動子に入射される前記超音波と、前記超音波反射部材を介さずに前記振動子に入射される前記超音波と、に基づいて、前記検査対象の画像を生成するプロセッサを備える
ことを特徴とする超音波探傷装置。
複数の振動子で超音波を発生する工程と、
検査対象の表面又は内部で反射されて戻ってくる前記超音波のうち、前記振動子の配列の両端に配置される少なくとも２つの超音波反射部材を経由する超音波と、前記超音波反射部材を経由しない前記超音波と、に基づいて、前記検査対象の画像を生成する工程と、を有する方法。