JP2013088240A - 超音波検査方法，超音波探傷方法及び超音波検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】微小欠陥に対しても、精度よく、簡便に、超音波によるサイジングを実施することが可能な超音波検査方法，超音波探傷方法，超音波検査装置を提供する。
【解決手段】ホルダＨＯは、斜角探傷が可能な送信用探触子１０１Ａと垂直探傷が可能な受信用探触子１０１Ｂを保持する。移動機構のモータＭ及びガイドレールＧＲは、送信用探触子及び受信用探触子を移動する。送・受信部１０２は、斜角探傷が可能な前記送信用探触子で超音波の送受信を行う斜角探傷法により探傷する探傷モードと、斜角探傷が可能な前記送信用探触子で超音波を送信し、垂直探傷が可能な前記受信用探触子で受信するサイジングモードとを実行する。制御部１０３は、送・受信部と移動機構を制御する。送信用探触子によって超音波を入射し、受信用探触子で得られた波形から、端部回折波の端部エコーとコーナーから反射したコーナーエコーを測定し、これらのエコーの路程差を求める。
【選択図】図４

Description

本発明は、超音波検査方法，超音波探傷方法及び超音波検査装置に係り、特に微少欠陥の高さの評価するに好適な超音波検査方法，超音波探傷方法及び超音波検査装置に関する。

発電プラントや化学プラントなどに多数存在する金属機器や構造物には、疲労割れや、応力腐食割れなどのき裂（欠陥）が表面より発生し、内部に進展する可能性がある。金属機器や構造物の健全性を保証するためには、非破壊検査を実施する必要があり、目視検査、放射線透過検査、超音波検査などが実施されている。さらに、単に欠陥の有無を判別するだけでなく、内部に進展した欠陥の高さを精度良く評価する必要が高まっている。

例えば、発電プラントの主要な配管等において、き裂が生じやすい部位や進展方向などは、材質、環境、応力などの状況によって異なるものの、応力解析等によりある程度予測することができる。一方、超音波検査は、欠陥の詳細形状を映像化することは困難であるが、欠陥の発生端（欠陥開口）からの反射波により検出した際には、次いで、欠陥の終端からの回折波を注意深く検出することで、内部への進展の度合いを評価することができる。そのため、検査システムが比較的簡便で、かつ、構造物内部の情報をおおよそ取得可能な超音波検査が重要視されている。

ここで、サイジングのための従来の超音波検査方法として、一素子だけの探触子（以下、単一探触子）、あるいは、複数の素子を備えた探触子（以下、アレイ探触子）を用いた、一探触子法と呼ばれる同一の探触子で超音波の送受信をする検査方法と、二探触子法と呼ばれる、探触子を二つ組み合わせ、超音波を送信する探触子と受信する探触子に分けて超音波の送受信をするする検査方法が知られている（例えば、非特許文献１参照）。二探触子法に用いる探触子の組み合わせとしては、二つとも、単一探触子、あるいは、アレイ探触子でも良いし、単一探触子とアレイ探触子を組み合わせることもある。サイジングに用いられる一探触子法の従来技術としては、主に斜角探傷法が挙げられる。斜角探傷法は、単一斜角探触子、あるいは、アレイ探触子により超音波を探傷面に対して斜めに入射し、欠陥開口からの反射波（コーナーエコー）と、欠陥端部からの回折波（端部エコー）を同じ探触子で受信し、それぞれ最大強度を示す探触子の位置を探し、回折波及び反射波の路程から、欠陥高さを評価する方法である。

二探触子法の従来技術としては、ＴＯＦＤ法、ＳＰＯＤ法、デルタ法、ＣＡＦＳ法などが提案されている。

ＴＯＦＤ法によるサイジングは、送信用探触子と受信用探触子を、欠陥を跨いで配置し、超音波を送受信し、回折波を受信することで、欠陥高さを評価する方法である（例えば、非特許文献２参照）。

また、ＳＰＯＤ法によるサイジングは、送信用探触子は斜角探触子を用いて、欠陥を斜角探傷する位置に配置し、受信用探触子は垂直探触子を用いて、欠陥を垂直探傷する位置に配置し、欠陥に対し斜め方向から斜角探触子によって超音波を入射して欠陥端部において回折波を発生させると共に、欠陥の上方へ直接伝播する回折波と、一度裏面で反射（スキップ）した後に傷の上方に伝播する回折波を欠陥の上方の垂直探触子で受信し、それらの伝播時間差から欠陥端部の裏面からの欠陥高さを評価する方法である（例えば、特許文献１参照）。

また、デルタ法によるサイジングは、モード変換法の一種であり、探触子の配置はＳＰＯＤ法と同じく、送信用探触子は斜角探触子を用いて、欠陥を斜角探傷する位置に配置し、受信用探触子は垂直探触子を用いて、欠陥を垂直探傷する位置に配置し、斜角探触子で６０度の横波を送信し、裏面でスキップ後、欠陥端部にあたり、端部でモード変換された０度方向の縦波回折波を垂直探触子により受信することで、欠陥高さを評価する方法である（例えば、非特許文献３，非特許文献４参照）。

特開２００７−３１５８２０号公報

社団法人日本非破壊検査協会発行「端部エコー法によるきず高さの測定方法」(1997.6.1発行) 社団法人日本非破壊検査協会発行「ＴＯＦＤ法によるきず高さの測定方法」（2001.12.1発行） 超音波探傷法（日刊工業発行）Ｐ．２４９（1974.7.30発行） R/D Tech inc. 発行 「Introduction to phased array ultrasonic technology applications」Ｐ．８４（2004.8発行）

一般に、欠陥端部からの回折波をとらえた端部エコーは、欠陥開口より反射する波をとらえたコーナーエコーより強度が相当小さい。このため微小欠陥の場合は、これらエコーの出現する路程が近く、エコーを分離できない場合が生じる。さらに溶接部では、結晶粒による散乱の影響で端部エコーの信号が小さくなること、溶接境界で端部エコーと同等レベルの強度のノイズが生じる可能性があり、そのためＳＮが低下し、端部エコーを検出できない場合が生じる。

一探触子法による斜角探傷法では、微小欠陥の場合、端部エコーとコーナーエコーの強度比が大きいため、端部エコーがコーナーエコーに埋もれてしまい、欠陥高さを評価できないという問題があった。

非特許文献２記載のＴＯＦＤ法では、送信用と受信用の探触子を、欠陥を跨いで配置するために、回折波の伝搬経路が長くなり、特に、溶接部、厚肉材の検査においては、微弱な回折波をとらえることが困難であった。

特許文献１記載のＳＰＯＤ法では、ＴＯＦＤ法の伝搬経路の問題点を改善できているが、一度裏面で反射した後に伝搬する回折波は、やはり伝搬経路が長くなる他、試験体形状によっては、所望する方向への反射強度が得られず、結果的に、信号強度が弱くなる可能性があった。

また、非特許文献３，非特許文献４デルタ法でも、伝搬経路の問題点を改善できているが、単純な反射波ではなく、モード変換された超音波を利用しているため、ＳＰＯＤ法と同様に、被検体形状の影響を受ける他、検査結果として表示される波形データが、単一の音速では正しく路程を表示できないため、波形の評価が困難であることに加え、欠陥高さの評価式が複雑なものとなる問題点があった。

以上のように、従来の方法を用いて、検査員が微小な欠陥の高さを評価するには、検査員の技量に依るところ大きく、探傷方法、波形の評価方法、信号表示方法の改善が必要であった。

本発明の目的は、微小欠陥に対しても、精度よく、簡便に、超音波によるサイジングを実施することが可能な超音波検査方法，超音波探傷方法及び超音波検査装置を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、送信用探触子として斜角探傷が可能な探触子を欠陥を斜角探傷する位置に配置し、受信用探触子として垂直探傷が可能な探触子を前記欠陥を垂直探傷する位置に配置し、前記送信用探触子によって超音波を入射し、前記受信用探触子で得られた波形から、端部回折波の端部エコーとコーナーから反射したコーナーエコーを測定し、これらのエコーの路程差を求めるようにしたものである。
かかる方法により、微小欠陥に対しても、精度よく、簡便に、超音波によるサイジングを実施することが可能となる。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記路程差ｈに対して、（ｈ／（１＋ｃｏｓα））によって、前記欠陥の高さを求めるものであり、角度αは、欠陥の進展方向と超音波を送信する方向のなす角度である。

（３）上記（１）において、好ましくは、前記探触子は、アレイ探触子であり、前記路程差ｈに対して、（ｈ／（１＋（ｃｏｓ（（θ１＋θ２）／２）／ｃｏｓ（（θ２−θ１）／２）））（ｈ／（１＋ｃｏｓα））によって、前記欠陥の高さを求め、ここで、θ１はコーナーエコーが最も強く得られる屈折角であり、θ２は端部エコーが最も強く得られる屈折角である。

（４）上記目的を達成するために、本発明は、探触子を被検体に設置し、検査を開始し、前記探触子を移動する第１のステップと、送信側探触子のみを用いて、斜角探傷法によりコーナーエコーを検出することで、欠陥の有無を判定する第２のステップと、前記コーナーエコーが検出された場合、得られた受信波形に表示された路程や、屈折角より、欠陥位置を評価する第３のステップと、前記コーナーエコーが検出された場合、斜角探傷法により、端部エコーを探す第４のステップと、前記端部エコーが検出されない場合、波形より得られた欠陥位置から、欠陥直上に受信用探触子を設置し、コーナーエコーと端部エコーを検出する第５のステップと、コーナーエコーと端部エコーが得られた場合、これらの路程差から、サイジングを行う第６のステップとを備えるようにしたものである。
かかる方法により、微小欠陥に対しても、精度よく、簡便に、超音波によるサイジングを実施することが可能となる。

（５）上記（４）において、好ましくは、前記第４のステップにおける斜角探傷による端部エコー検出時に、検出された端部エコーのＳＮ比に閾値を設け、十分な強度で検出可能であったか判定するようにしたものである。

（６）上記（４）において、好ましくは、前記路程差ｈに対して、（ｈ−（Ｗia−Ｗit））によって、前記欠陥の高さを求め、ここで、Ｗiaは超音波の入射点から前記欠陥の開口までの距離であり、Ｗitは超音波の入射点から前記欠陥の端部までの距離である。

（７）上記（４）において、好ましくは、前記送信側探触子は、アレイ探触子であり、超音波を送信する角度を極座標θとし、前記送信用探触子によって超音波を入射し、前記受信用探触子で得られた波形から、端部回折波の端部エコーとコーナーから反射したコーナーエコーの路程を極座標ｒとし、受信した波形強度を対応する箇所にマッピングしてセクタ状に表示するようにしたものである。

（８）上記（４）において、好ましくは、前記送信側探触子は、アレイ探触子であり、前記アレイ探触子の超音波を送信する角度を縦軸とし、前記送信用探触子によって超音波を入射し、前記受信用探触子で得られた波形から、端部回折波の端部エコーとコーナーから反射したコーナーエコーの路程を横軸とし、受信した波形強度を対応する箇所にマッピングして２次元画像として表示するようにしたものである。

（９）上記目的を達成するために、本発明は、斜角探傷が可能な送信用探触子と垂直探傷が可能な受信用探触子を保持するホルダと、前記送信用探触子及び受信用探触子を移動可能な移動機構と、斜角探傷が可能な前記送信用探触子で超音波の送受信を行う斜角探傷法により探傷する探傷モードと、斜角探傷が可能な前記送信用探触子で超音波を送信し、垂直探傷が可能な前記受信用探触子で受信するサイジングモードとを実行する送・受信部と、該送・受信部と前記移動機構を制御する制御部と、探傷し、得たデータを表示、記録、評価する表示部を備えるようにしたものである。
かかる構成により、微小欠陥に対しても、精度よく、簡便に、超音波によるサイジングを実施することが可能となる。

（１０）上記（９）において、好ましくは、前記送・受信部は、前記探触子を構成する一つ以上の素子に対応する送信信号に遅延時間を与える送信遅延手段と、超音波を送信する送信手段を備えるパルサと、受信した超音波をアナログ‐デジタル変換するアナログ‐デジタル変換手段と、受信信号に遅延時間を与えるメモリ手段からなるレシーバから構成され、前記制御部は、遅延時間を制御する遅延制御手段と、受信信号を加算する加算手段と、加算手段により加算された受信信号に対して、探傷モードに基づいて設定された値を用いて乗算する乗算手段と、受信信号を収録するとともにデータ処理する処理手段を備えた制御・処理用コンピュータから構成されるものである。

（１１）上記（９）において、好ましくは、前記探傷モードによる画像と、前記サイジングモードによる画像を、別個にゲイン調整し、これらゲイン値を画面上に表示できるものである。

（１２）上記（９）において、好ましくは、配管や平板など、板厚が一定の被検体を検査する場合、送信用探触子と受信用探触子の位置を固定し、前記送信用探触子から送信される超音波が被検体以外の部分を伝搬して前記受信用探触子で受信されないように吸音材を前記送信用探触子と前記受信用探触子の間に備えるようにしたものである。

本発明によれば、微小欠陥に対しても、精度よく、簡便に、超音波によるサイジングを実施することが可能となる。

超音波の拡がりの説明図である。 超音波に対する欠陥の反射波の説明図である。 欠陥端部で発生する回折波の説明図である。 本発明の一実施形態による超音波検査装置における探傷原理の説明図である。 本発明の一実施形態による超音波検査装置における欠陥高さの測定原理の説明図である。 本発明の一実施形態による超音波検査装置における欠陥高さの測定原理の説明図である。 本発明の一実施形態による超音波検査装置における欠陥高さの測定原理の説明図である。 本発明の一実施形態による超音波検査装置における欠陥高さの測定原理の説明図である。 本発明の一実施形態による超音波検査装置による検査の概要構成図である。 本発明の一実施形態による超音波検査装置の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による超音波検査装置におけるアレイ探触子の設定の説明図である。 本発明の一実施形態による超音波検査装置による検査方法の内容を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態による超音波検査装置による他の検査方法の内容を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態による超音波検査装置による画像の表示方法の説明図である。 本発明の一実施形態による超音波検査装置による画像の表示方法の説明図である。

以下、図１〜図１５を用いて、本発明の一実施形態による超音波検査装置の構成及び動作について説明する。
最初に、図１を用いて、超音波の拡がりについて説明する。
図１は、超音波の拡がりの説明図である。

超音波発振素子１０の中心Ｃからの超音波の広がりは、有効センサ開口Ａｅｆｆと、被検体中波長λを用い、以下の式（１）で表すことができる。

ここで、ω_１／２は、指向角と呼ばれ、一素子から放出される主な空間的な角度分布（主極）のうち、最も音圧の強い方向（中心音線）と比較し、音圧が半分になる角度のことを指し、値が小さいほど鋭いビーム分布（高指向性）である。

次に、図２を用いて、超音波に対する欠陥の反射波について説明する。
図２は、超音波に対する欠陥の反射波の説明図である。

被検体２０は、図示のように、例えば、平板状であり、その内部に欠陥Ｄを有する。欠陥Ｄは、被検体２０の下面側に開口し、その内部（図示の底面側から上方向（被検体２０の内部方向））に延びている。被検体内部における欠陥の終端部を、欠陥の端部と称する。

被検体２０の内部を伝搬した超音波が欠陥Ｄの開口部Ａに当たった場合を考える。特殊なケースを除き、一般的に超音波は、コーナー近傍（開口部近傍）で２回反射するために、伝搬方向と同方向に逆行する方向に強く反射し、受信される。これをコーナーエコーと称する。

ところがコーナーエコーも、伝搬した方向以外にも広範囲に伝搬している。これは、反射波の解釈を、図２に示すように、伝搬してきた超音波により、欠陥開口近傍が伝搬方向と同方向に変位を受け、この変位を受けた欠陥開口が微小な発振源となり、超音波が発せられたとすれば、欠陥開口で反射した超音波は広範囲に伝搬することが定性的に理解できる。

次に、図３を用いて、欠陥の端部で発生する回折波について説明する。
図３は、欠陥端部で発生する回折波の説明図である。

図３（Ａ）に示すように、超音波探触子１０１は、超音波発振素子１０と、シューＳＨを備えている。シューＳＨはクサビ状であり、その上面に配置される超音波発振素子１０の下面と、被検体２０の上面との間を斜めにする。超音波発振素子１０から出力した超音波は、被検体２０の表面で屈折して、被検体の内部を斜角で入射する。

超音波発振素子１０から送信された超音波は、欠陥Ｄの端部Ｔに到達し、回折波が発生する。回折波は、端部より全方位に広がって発生し、伝搬し、受信される。これを端部エコーと呼ぶ。欠陥進展方向に対して、斜めから入射してきた超音波が端部にあたって発生した回折波の強度分布は、図３（Ｂ）に示すように、欠陥Ｄの進展方向に比較的強く伝搬することが分かっている。図３（Ｂ）における角度θは、図３（Ａ）に示すように、欠陥Ａの開口部Ａから下向きの方向を基準方向として、この基準方向に対する角度として表している。そして、図３（Ｂ）に示すように、θ＝１８０度，すなわち、欠陥Ｄの進展方向に比較的強く伝搬する
次に、図４を用いて、本実施形態による超音波検査装置における探傷原理について説明する。
図４は、本発明の一実施形態による超音波検査装置における探傷原理の説明図である。

本実施形態では、送信側の探触子１０１Ａと、受信側の探触子１０１Ｂとを用いる。送信側の探触子１０１Ａは、図３に示したように、超音波発振素子１０とシューＳＨとを備えている。受信側の探触子１０１Ｂは、超音波発振素子１０を備えている。

送信側の探触子１０１Ａとしては、ＳＰＯＤ法やデルタ法と同じく斜角探傷が可能な探触子を用いている。送信側の探触子１０１Ａは、欠陥Ｄを斜角探傷する位置（入射点Ｉ）に配置される。また、受信側の探触子１０１Ｂとしては、垂直探傷が可能な探触子を用いている。受信側の探触子１０１Ｂは、欠陥Ｄを垂直探傷する位置（受信点Ｃ）に配置する。

欠陥Ｄに対し斜め方向から、斜角探触子（送信側の探触子１０１Ａ）によって超音波を入射し、欠陥Ｄに超音波をあて、欠陥Ｄの端部Ｔにおいて回折波を発生させる。

受信側の探触子１０１Ｂは、欠陥Ｄの端部Ｔから上方へ直接伝播する回折波と、コーナー（欠陥Ｄの開口部Ａ）から反射する超音波の広がりによって上方へ向かう反射波を受信し、それらの伝播時間差ｈから欠陥端部の裏面からの欠陥高さＨを評価する。上記の回折波と反射波は、欠陥の高さＨに相当する時間差ｈが生じる。

次に、図５〜図８を用いて、本実施形態による超音波検査装置における欠陥高さの測定原理について説明する。
図５〜図８は、本発明の一実施形態による超音波検査装置における欠陥高さの測定原理の説明図である。

図５において、図１に示した超音波の入射点をＩとし、超音波の受信点をＣとする。また、欠陥Ｄの開口をＡとし、端部をＴとする。欠陥Ｄの高さは、欠陥の開口Ａと端部Ｔの距離となるので、これをＷatとして表すこととする。また、欠陥Ｄの開口Ａと受信点Ｃの距離をＷacとし、欠陥Ｄの端部Ｔと受信点Ｃの距離をＷtcとする。

欠陥Ｄの実際の高さＷatは、図５から理解されるように、Ｗat＝Ｗac―Ｗtcである。しかし、探傷試験では、受信点Ｃで受信された波形で評価するため、コーナーエコーが出現する路程と、端部エコーが出現する路程の差から、単純に欠陥高さを評価すると、測定値ｈ（図４に示した測定値ｈ）は、以下の式（２）のように、

ｈ＝（Ｗia＋Ｗac）−（Ｗit＋Ｗtc） …（２）

となる。

ここで、入射点Ｉから、欠陥開口Ａまでの距離Ｗiaと、入射点Ｉから欠陥端部Ｔまでの距離Ｗitは、開口Ａと点Ｔ’の間の距離Ｗt'aだけ異なるため、実際の値は、測定値ｈに対して、距離Ｗt'aだけ補正をする必要があり、以下の式（３）のように、

Ｗat＝Ｗac−Ｗtc＝ｈ−Ｗt'a …（３）

となる。

ここで、距離Ｗiaは、測定値より、既知とすると、距離Ｗt'aの値は、幾何的な関係から、以下の式（４）のように、

Ｗt'a＝Ｗia−Ｗit …（４）

となる。

通常の斜角探傷では、微少欠陥の場合、端部エコーをコーナーエコーと分離、識別することが難しく、この場合、幾何的な関係上、角度βを９０度で近似できる。測定値ｈを真の欠陥の高さに近い値にするためには、補正後の値をｈｓとして、補正式（５）のように、

ｈｓ＝ｈ／（１＋ｃｏｓα） …（５）

で表すことができる。ここで、角度αは、欠陥の進展方向と超音波を送信する方向のなす角度である。ただし、微小欠陥の場合、補正に必要な値も微小となるため、欠陥を過小評価しないために、そのままの値を用いても良い。

一方、欠陥が微小欠陥ではなく、送信された超音波の広がりより十分に大きい欠陥の場合、受信した一波形上に、コーナーエコーと端部エコーが同時に表示されないことがある。この時、βを９０度で近似できないため、単一探触子とアレイ探触子の場合に分けて考える。

図６は、送信用探触子に単一探触子を用いた場合で、大きい欠陥測定の場合を示している。

送信用探触子に単一探触子を用いた場合は、斜角探傷法の手順と同様に、探触子を動かす必要がある。この場合、入射点Ｉは、端部エコーが最も強く得られる入射点Ｉ’へ移動するため、入射点Ｉ，Ｉ’、欠陥開口Ａ、欠陥端部Ｔ、受信点Ｃの位置関係は、図７に示すような関係となる。したがって、図４にて説明した手法で欠陥高さを評価する場合は、送信用探触子の移動距離をＷii'とすると、

ｈｓ＝ｈ−（Ｗii'／ｃｏｓθ） …（６）
となる。

図８は、送信用探触子にアレイ探触子を用いた場合で、大きい欠陥測定の場合を示している。

アレイ探触子を用いれば、超音波を任意の屈折角に集束させ、さらに、電子的に走査することが可能となる。この時得られる波形データは、図５のように入射点Ｉを固定した位置関係で得られた波形データである。この時、屈折角θ１方向に超音波を送信したＩＡＣの伝搬経路ではコーナーエコーのみ、屈折角θ２方向に超音波を送信したＩＴＣの伝搬経路では端部エコーのみ検出されている。コーナーエコーと端部エコーが最も強く得られる屈折角θ１、θ２を用いて、

ｈｓ＝ｈ／（１＋（ｃｏｓ（（θ１＋θ２）／２）／ｃｏｓ（（θ２−θ１）／２）） …（７）

となる。

また、図９及び図１２を用いて後述する検査方法で送信用探触子のみで送受信を行う斜角探傷も併用して検査を実施する場合は、端部までの路程は、アレイ探触子を用いた送受信により端部までの路程を測定し、

ｈｓ＝ｈ−（Ｗia−Ｗit） …（８）

で表すことができる。

次に、図９〜図１１を用いて、本実施形態による超音波検査装置の構成について説明する。
図９は、本発明の一実施形態による超音波検査装置による検査の概要構成図である。図１０は、本発明の一実施形態による超音波検査装置の構成を示すブロック図である。図１１は、本発明の一実施形態による超音波検査装置におけるアレイ探触子の設定の説明図である。

図９では、配管検査を例に挙げて、本実施形態による超音波検査装置の全体構成例を示している。被検体２０である配管の外周には、ガイドレールＧＲが取り付けられている。ガイドレールＧＲには、斜角探傷が可能な送信用探触子１０１Ａと、垂直探傷が可能な受信用探触子１０１ＢがそれぞれホルダＨＯにより保持され、移動可能に取り付けられている。ガイドレールＧＲとモータＭは移動機構を構成し、モータＭにより、ガイドレールＧＲが被検体２０の外周に沿って回転移動し、これにより、被検体２０の外周上を、送信用探触子１０１Ａ及び受信用探触子１０１Ｂが移動可能である。

本実施形態による超音波検査装置は、送信用探触子１０１Ａ及び受信用探触子１０１Ｂの他に、送・受信部１０２と、制御部１０３と、表示部１０４とを備えている。

送・受信部１０２は、斜角探傷が可能な探触子１０１Ａで超音波の送受信を行う斜角探傷法により探傷する欠陥検出モードと、斜角探傷が可能な探触子１０１Ａで超音波を送信し、垂直探傷が可能な探触子１０１Ｂで受信して、微少欠陥の高さを測定するサイジングモードが可能となるように、送信用探触子１０１Ａ及び受信用探触子１０１Ｂにおける超音波の送受信を制御する。なお、欠陥検出モードでは、探触子１０１Ａは、送受信の兼用に用いられる。制御部１０３は、送・受信部１０２における超音波の送受信を制御する送・受信部制御部１０３−１と、移動機構を制御する移動機構制御部１０３−２とを備えている。表示部１０４には、探傷により得たデータが表示され、記録され、評価される。なお、移動機構に関しては、被検体形状が不明の場合は、所望の位置に二つの探触子を移動できるような構成のものを用いる。

次に、図１０を用いて、本実施形態による超音波検査装置のより詳細な構成について説明する。本実施形態による超音波検査装置は、送信用探触子で超音波の送受信を行う斜角探傷法により探傷する欠陥検出モードと、送信用探触子で送信し、受信用で受信して、微少欠陥の高さを測定するサイジングモードとを実行可能である。これらの両手法で得たデータを画像表示する際、モードに合わせたゲイン調整を実施し、探傷結果画像表示することが可能である。ここでは、送信用・受信用探触子にアレイ探触子を用いている。

送・受信部１０２は、アレイ探触子１０１に遅延時間を与えて超音波を送信するパルサ１０２Ａと、受信した超音波をアナログ‐デジタル変換して受信信号とするレシーバ１０２Ｚからなる。制御部１０３は、超音波の送・受信素子に用いる超音波振動素子を切り替え、随時制御する使用素子選択回路１０３Ｃと、送・受信時の遅延時間の制御回路１０３Ｄと、受信信号の加算回路１０３Ｚと、加算された信号を探傷モードに従って乗算する乗算回路１０３Ｙと、これらを制御するパターン、受信した信号を収録する記憶装置１０３Ａと、制御するパターンに基づいて、処理を行う制御・処理用コンピュータ１０３Ｂとからなる。表示部１０４は、各種設定を表示する設定入力画面１０４Ａと、これら探傷手法による受信信号及び測定画像を表示可能な表示画面１０４Ｚとからなる。

次に、それぞれの動作について説明する。まず、制御・処理用コンピュータ１０３Ｂは、超音波を送・受信して測定対象からの反射信号を収録する際に、使用素子制御回路１０３Ｃへ超音波の送・受信に用いる超音波振動素子の選択のための送・受信素子切り替え信号を送信するとともに、遅延制御回路１０３Ｄを通じて、超音波を集束して送・受信するための超音波振動素子への遅延時間を与える。送信信号と遅延時間を受取った送信遅延回路１０２Ｂは、与えられた遅延時間で送信信号を送信素子選択部１０２Ｃに送る。送信素子選択部１０２Ｃでは、送信遅延回路１０２Ｂから遅延時間を付与して送信された送信信号を受け、使用素子制御回路１０３Ｃからの送信素子の選択信号に基づき、送信素子を選択して、送信信号を送信増幅器１０２Ｅへ送信する。送信増幅器１０２Ｅは送信信号を増幅して、探触子１０１中の素子に超音波を送信するための駆動電圧を印加する。この際に、送信素子選択部１０２Ｃは、探触子１０１Ｂが持つ素子に対して、個々にあるいは複数の素子に同時に送信信号を送ることが可能である。増幅された送信信号を受けた素子は、圧電効果で超音波を送信する。前述したように、送信信号に遅延時間を与えて探触子１０１に電圧を印加すると、それぞれの素子は遅延時間に対応した時間遅れで超音波を送信する。超音波を集束する場合には、各超音波振動素子から集束位置までの幾何学的な距離、つまり各媒質での超音波の音速と境界面での屈折を考慮した距離に対応した遅延時間で各超音波振動素子に電圧を印加し、被検体中の所定の位置に超音波を集束して送信する。

被検体から返ってきた超音波を、レシーバ１０２Ｚで受信し、圧電効果により生じた電気信号を処理する際には、探触子１０１の各素子で受信した超音波に対応して、受信信号を受信増幅器１０２Ｙで増幅して、アナログ‐デジタル変換器１０２Ｘでアナログであった受信信号をデジタル信号に変換する。更に、受信素子選択部１０２Ｗで受信素子を選択し受信する。デジタル信号に変換され、選択された受信信号は、遅延メモリ１０２Ｖに記憶される。この際に、遅延メモリ１０２Ｖでは、超音波送信時と同様に超音波を集束して受信する際には、遅延制御回路１０３Ｄから送信された遅延時間を各超音波振動素子からの受信信号に付与して、記憶される。加算回路１０３Ｚで加算した波形は、斜角探傷法による欠陥検出モードで取得した波形と、サイジングモードで取得した波形があるので、それぞれ適切な強度で画像表示できるように、図１１で後述する補正ゲインＧ１，Ｇ２を用いて、乗算回路１０３Ｙでゲイン補正を行い、制御・処理用コンピュータ１０３Ａに送る。

このような、送・受信に使用する超音波振動素子の組合せの設定を簡便に実施するためには、あらかじめ送・受信に使用する探触子中の素子の組合せを制御・処理コンピュータの記憶装置１０３Ａに保存しておいて、送・受信に使用する超音波振動素子の組合せパターンを指定し、測定開始時に読み込んで、送信時は送信素子選択部１０２Ｃを動作すればよく、受信時は受信素子選択部１０２Ｗを動作すればよい。

ここで、図１１を用いて、送受信に使用する素子の組合せと遅延時間をまとめたデータ表の一例について説明する。

焦点Ｆ（ｉ）に対応する送・受信に使用する超音波振動素子の組合せを選び、各々、送信素子選択部（１０２Ｃ）と受信素子選択部（１０２Ｗ）へ反映し、送・受信で使用する超音波振動素子を限定する。図１０では、ＯＮ＝（正の遅延時間：Ｐｉｋ，Ｒｉｋ）、ＯＦＦ＝−１として表示した例である。なお、上記の説明はアレイ探触子を想定したものであるが、例えば、Ｍ＝１，Ｎ＝１の場合、単一探触子を用いたことに相当し、遅延時間Ｔ１，１＝０、Ｒ１，１＝０、Ｔ２，１＝０、Ｒ２，２＝０を与えれば、送信用・受信用探触子に単一型探触子を使用することに相当する。なお、遅延時間における「−１」は、送受信しないことを示している。

次に、図１２を用いて、本実施形態による超音波検査装置による検査方法の内容についての構成について説明する。
図１２は、本発明の一実施形態による超音波検査装置による検査方法の内容を示すフローチャートである。

まず、図９にて説明したように、探触子１０１を被検体２０に設置し、検査を開始する。

最初に、ステップＳ１００において、移動機構により探触子を移動する。

次に、ステップＳ１０１において、送信側の探触子１０１Ａのみを用いて、斜角探傷法によりコーナーエコーを検出することで、欠陥の有無を判定する。この際、探触子１０１Ａは、超音波を送信するとともに、欠陥等からの反射波を受信する送受信兼用として用いる。検査対象範囲において、コーナーエコーが検出できなければ、ステップＳ１０７において、探傷終了する。

一方、コーナーエコーが検出された場合は、ステップＳ１０２において、制御処理用コンピュータ１０３Ｂは、得られた受信波形に表示された路程や、屈折角より、欠陥位置を評価する。

次に、ステップＳ１０３において、コーナーエコーが検出された場合、斜角探傷法により、端部エコーを探す。これは通常、単一斜角探触子においては、超音波の発生角度が固定されているため、微小欠陥の場合は、図４に示した受信波形例のように、コーナーエコーと端部エコーが同時に表示されるが、巨大な欠陥の場合、受信波形上にコーナーエコーと端部エコーが同時に表示されないケースがある。

端部エコーが検出されない場合、微小欠陥であると想定されるので、ステップＳ１０４において、ステップＳ１０３で求めた端部エコーの波形より、得られた欠陥位置から、欠陥直上に受信用探触子１０１Ｂを設置し、図４にて説明した手法によりコーナーエコーと端部エコーを検出する。図４にて説明した手法でも、端部エコーが得られなかった場合は、評価に値しない反射体であると判定し、ステップＳ１０６で、全検査範囲が完了したか判定する。

一方、ステップＳ１０４において、コーナーエコーと端部エコーが検出された場合には、ステップＳ１０５において、これらの路程差から、サイジングを行う。精確にサイジングする場合は、微小欠陥の場合の補正式としては前述の式（５）を用いる。大きい欠陥の場合は、式（７）あるいは式（８）を用いる。

そして、ステップＳ１０６において、全範囲を検査終了したか判定し、全範囲検査が終了していない場合は、ステップＳ１０１に戻り、終了した場合は、ステップＳ１０７にて検査終了となる。

このとき、通常の斜角探傷で、端部エコーが検出される場合がある。この時は、従来法を用いて欠陥高さを評価することが可能である。ただし、端部エコーは強度が弱いため、十分な強度で検出されないまま、評価することは危険であるので、予め端部エコーのＳＮ比に閾値をもうけ、その閾値以下の場合、図４にて説明した手法を用いて、補助的に評価しておく、あるいは、十分なＳＮでもって端部エコーを検出できた場合でも、やはり補助的にデータを保持しておくことも有効である。したがって、ステップＳ１０３で端部エコーが検出できれば、ステップＳ１０８において、一般に用いられている斜角探傷法でサイジングする。

そして、ステップＳ１０９において、サイジングの際、十分なＳＮ比で検出可能であったか判定する。十分なＳＮ比で検出できていない場合は、ステップＳ１０４で図４にて説明した手法によりサイジングする。より精確にサイジングするには、単一探触子やアレイ探触子に応じ、式（５）や式（７）や式（８）の補正式を用いる。また、十分なＳＮ比で検出できるようなサイズの欠陥であった場合は、この欠陥に対する評価を完了し、ステップＳ１０６へ進んでもよいし、補助的にステップＳ１０４に進み、図４にて説明した手法によりサイジングしたデータを保持してもよい。

次に、図１３を用いて、本実施形態による超音波検査装置による他の検査方法の内容についての構成について説明する。
図１３は、本発明の一実施形態による超音波検査装置による他の検査方法の内容を示すフローチャートである。

ここでは、板厚が一定の場合の検査方法について説明する。

超音波による非破壊検査が必要とされる対象物は、配管や平たい鋼板などに代表されるように、被検体形状、対象とする欠陥種類が決まっている場合が多い。配管や平板のように、板厚が一定で、被検体裏面に対しほぼ法線方向に欠陥進展が予測される場合は、二つの探触子１０１Ａ，１０１Ｂの位置の位置関係は固定できる。したがって、これら二つの探触子の位置関係が固定された探触子を移動させて、図４にて説明した手法により検査すればよい。

そのためには、まず、探触子１０１Ａ，１０１Ｂを被検体２０に設置し、検査を開始する。

ステップＳ２０１において、探触子１０１Ａ，１０１Ｂの位置の位置関係は固定して、移動する。

ステップＳ２０２において斜角探傷により被検体の欠陥を検出し、ステップＳ２０４において、得られたデータを取得し、ステップＳ２０４において、得られたデータを画像化する。

一方、ステップＳ２０５において図４にて説明した手法により被検体の欠陥に対するコーナーエコーと端部エコーを検出し、ステップＳ２０６において、得られたデータを取得し、ステップＳ２０７において、得られたデータを画像化する。

そして、ステップＳ２０８において、これら二つの探傷画像を画像表示する。

さらに、ステップＳ２０９において、全検査範囲を検査完了したか判定し、検査完了していた場合は、ステップＳ２１０にて検査終了する。検査が完了していない場合、ステップＳ２０１に戻る。

次に、図１４及び図１５を用いて、本実施形態による超音波検査装置による画像の表示方法についての構成について説明する。
図１４及び図１５は、本発明の一実施形態による超音波検査装置による画像の表示方法の説明図である。

画像の表示方法としては、送信用探触子として単一探触子若しくはアレイ探触子を用い、受信用探触子として単一探触子若しくはアレイ探触子を用いる場合があり、これらの計４通りの組み合わせが考えられる。送信用探触子に単一探触子を用いる場合、特定の場所で探傷し、表示可能なデータは、斜角探傷法と図４にて説明した手法でえられた二つの波形である。送信用探触子にアレイ探触子を用いた場合、特定の場所で探傷し、表示可能なデータは、斜角探傷法と図４にて説明した手法とも、２次元画像である。斜角探傷法では、リニアスキャン、セクタスキャンによる画像表示が可能である。図４にて説明した手法では、リニアスキャンのパターンやセクタスキャンの屈折角に合わせてデータ表示することにより、図１４に示すように２次元表示可能である。

図１４（Ａ）は、送信用探触子にアレイ探触子を、受信探触子に単一垂直探触子を用いて、セクタスキャンによる斜角探傷と、図４にて説明した手法による探傷を行い、左にセクタスキャン結果を、右に、図４にて説明した手法で得られたデータを、セクタスキャンの送信パターンで決定される屈折角に合わせて描画したものである。受信用探触子には、単一・アレイ探触子を用いても、表示可能なデータとしては大差なく、焦点深さが可変か可変でないかの違い、つまり、端部エコー、コーナーエコーに対する感度が変わるのみである。

また、超音波検査では、一般に、基準となる反射体からの反射強度を測定し、このデータを元に予め探傷感度（ゲイン）を設定し、このゲインで探傷する。このため、斜角探傷法と、図４にて説明した探傷法を組み合わせた本発明の検査手法では、図１４（Ａ）に示すように、ゲインを一定に探傷した場合、（斜角探傷法によるコーナーエコー強度）≫（図４にて説明した手法によるコーナーエコー強度）≒（図４にて説明した手法による端部エコー強度）であるから、例えば、斜角探傷に適切なゲインで取得したデータを結果表示した場合、図４にて説明した探傷法による探傷画像側は、信号強度が小さく、検査員が回折波を判別しにくくなる。この問題を回避するためには、図１４（Ｂ）に示すように、斜角探傷法による画像と、本発明手法による画像を、別個にゲイン調整、ゲイン表示できるようにすればよい。その上で、信号強度の弱い図４にて説明した探傷法による探傷画像側のゲインを上げることで、回折波を判別しやすくすることができる。

図１４に示した表示例は、超音波を送信する角度を極座標θとし、送信用探触子によって超音波を入射し、受信用探触子で得られた波形から、端部回折波の端部エコーとコーナーから反射したコーナーエコーの路程を極座標ｒとし、受信した波形強度を対応する箇所にマッピングしてセクタ状に表示したものである。

それに対して、図１５（Ｂ）に示すように表示することもできる。図１５（Ａ）は図１４と同じ極座標による表示である。それに対して、図１５（Ｂ）のものは、アレイ探触子の超音波を送信する角度を縦軸とし、送信用探触子によって超音波を入射し、受信用探触子で得られた波形から、端部回折波の端部エコーとコーナーから反射したコーナーエコーの路程を横軸とし、受信した波形強度を対応する箇所にマッピングして２次元画像として表示したものである。

以上説明したように、本実施形態によれば、通常斜角方向で強く受信するコーナーエコーは、音波の広がりを利用して、意図して音波の広がりのうち、比較的弱い垂直方向で受信することで、コーナーエコー強度を弱めることが可能となる。一方、回折波は、後述するように、垂直方向に比較的強く分布するため、コーナーエコーに対する欠陥端部からの回折波の信号強度を相対的に強めることができる。その結果、コーナーエコーに端部エコーが埋没し、サイジングできなくなる問題を回避することができる。また、伝搬経路として、ＳＰＯＤ法と比較し、送信用探触子から発振された超音波が被検体底面にて反射し、直接的に受信用探触子で受信することが無いため、被検体形状の影響を受けることのない最短の伝搬経路で到達する回折波だけを利用することができる。その結果、溶接部や底面で反射した影響で弱められた回折波のピークや路程の評価が不要になり、例えば厚肉の被検体の検査等で、感度良く検査できるようになる。また、モード変換波を利用していないため、音速は単一のもので評価することができる。その結果、検査欠陥データの表示上での、波形の評価が容易となる。

したがって、微小欠陥に対しても、精度よく、簡便に、超音波によるサイジングを実施することが可能となる。

１０…
２０…被検体
１０１，１０１Ａ，１０１Ｂ…探触子
１０２…送・受信部
１０３…制御部
１０４…表示部

Claims (12)

1. 送信用探触子として斜角探傷が可能な探触子を欠陥を斜角探傷する位置に配置し、
   受信用探触子として垂直探傷が可能な探触子を前記欠陥を垂直探傷する位置に配置し、
   前記送信用探触子によって超音波を入射し、前記受信用探触子で得られた波形から、端部回折波の端部エコーとコーナーから反射したコーナーエコーを測定し、
   これらのエコーの路程差を求めることを特徴とする超音波探傷方法。
2. 請求項１記載の超音波探傷方法において、
   前記路程差ｈに対して、（ｈ／（１＋ｃｏｓα））によって、前記欠陥の高さを求めるものであり、角度αは、欠陥の進展方向と超音波を送信する方向のなす角度であることを特徴とする超音波探傷方法。
3. 請求項１記載の超音波探傷方法において、
   前記探触子は、アレイ探触子であり、
   前記路程差ｈに対して、（ｈ／（１＋（ｃｏｓ（（θ１＋θ２）／２）／ｃｏｓ（（θ２−θ１）／２）））（ｈ／（１＋ｃｏｓα））によって、前記欠陥の高さを求め、ここで、θ１はコーナーエコーが最も強く得られる屈折角であり、θ２は端部エコーが最も強く得られる屈折角であることを特徴とする超音波探傷方法。
4. 探触子を被検体に設置し、検査を開始し、前記探触子を移動する第１のステップと、
   送信側探触子のみを用いて、斜角探傷法によりコーナーエコーを検出することで、欠陥の有無を判定する第２のステップと、
   前記コーナーエコーが検出された場合、得られた受信波形に表示された路程や、屈折角より、欠陥位置を評価する第３のステップと、
   前記コーナーエコーが検出された場合、斜角探傷法により、端部エコーを探す第４のステップと、
   前記端部エコーが検出されない場合、波形より得られた欠陥位置から、欠陥直上に受信用探触子を設置し、コーナーエコーと端部エコーを検出する第５のステップと、
   コーナーエコーと端部エコーが得られた場合、これらの路程差から、サイジングを行う第６のステップとを備えることを特徴とする超音波検査方法。
5. 請求項４記載の超音波検査方法において、
   前記第４のステップにおける斜角探傷による端部エコー検出時に、検出された端部エコーのＳＮ比に閾値を設け、十分な強度で検出可能であったか判定することを特徴とする超音波検査方法。
6. 請求項４記載の超音波検査方法において、
   前記路程差ｈに対して、（ｈ−（Ｗia−Ｗit））によって、前記欠陥の高さを求め、ここで、Ｗiaは超音波の入射点から前記欠陥の開口までの距離であり、Ｗitは超音波の入射点から前記欠陥の端部までの距離であることを特徴とする超音波検査方法。
7. 請求項４記載の超音波検査方法において、
   前記送信側探触子は、アレイ探触子であり、
   超音波を送信する角度を極座標θとし、前記送信用探触子によって超音波を入射し、前記受信用探触子で得られた波形から、端部回折波の端部エコーとコーナーから反射したコーナーエコーの路程を極座標ｒとし、受信した波形強度を対応する箇所にマッピングしてセクタ状に表示することを特徴とする超音波検査方法。
8. 請求項４記載の超音波検査方法において、
   前記送信側探触子は、アレイ探触子であり、
   前記アレイ探触子の超音波を送信する角度を縦軸とし、前記送信用探触子によって超音波を入射し、前記受信用探触子で得られた波形から、端部回折波の端部エコーとコーナーから反射したコーナーエコーの路程を横軸とし、受信した波形強度を対応する箇所にマッピングして２次元画像として表示することを特徴とする超音波検査方法。
9. 斜角探傷が可能な送信用探触子と垂直探傷が可能な受信用探触子を保持するホルダと、
   前記送信用探触子及び受信用探触子を移動可能な移動機構と、
   斜角探傷が可能な前記送信用探触子で超音波の送受信を行う斜角探傷法により探傷する探傷モードと、斜角探傷が可能な前記送信用探触子で超音波を送信し、垂直探傷が可能な前記受信用探触子で受信するサイジングモードとを実行する送・受信部と、
   該送・受信部と前記移動機構を制御する制御部と、
   探傷し、得たデータを表示、記録、評価する表示部とを備えることを特徴とする超音波探傷装置。
10. 請求項９記載の超音波探傷装置において、
    前記送・受信部は、
    前記探触子を構成する一つ以上の素子に対応する送信信号に遅延時間を与える送信遅延手段と、超音波を送信する送信手段を備えるパルサと、
    受信した超音波をアナログ‐デジタル変換するアナログ‐デジタル変換手段と、受信信号に遅延時間を与えるメモリ手段からなるレシーバから構成され、
    前記制御部は、
    遅延時間を制御する遅延制御手段と、
    受信信号を加算する加算手段と、
    加算手段により加算された受信信号に対して、探傷モードに基づいて設定された値を用いて乗算する乗算手段と、
    受信信号を収録するとともにデータ処理する処理手段を備えた制御・処理用コンピュータから構成されることを特徴とする超音波探傷装置。
11. 請求項９記載の超音波探傷装置において、
    前記探傷モードによる画像と、前記サイジングモードによる画像を、別個にゲイン調整し、これらゲイン値を画面上に表示できることを特徴とする超音波探傷装置。
12. 請求項９記載の超音波探傷装置において、
    配管や平板など、板厚が一定の被検体を検査する場合、送信用探触子と受信用探触子の位置を固定し、前記送信用探触子から送信される超音波が被検体以外の部分を伝搬して前記受信用探触子で受信されないように吸音材を前記送信用探触子と前記受信用探触子の間に備えることを特徴とする超音波探傷装置。

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