(57)【要約】【課題】位置ずれによる偏芯量を補正でき、精度の良い探傷結果を得ることができる超音波自動探傷装置を得る。【解決手段】丸棒２０の全周を、接触媒質２１を介して覆うように配置され、超音波ビームを丸棒２０へ向けて照射し、丸棒２０内部の音響的不連続部で反射された反射波エコーを受信する複数のアレイ探触子１１Ａ〜１１Ｄと、アレイ探触子１１Ａ〜１１Ｄを励振する送受信器１０とを設け、送受信器１０は、接触媒質２１の音速と、丸棒２０の表面で反射された反射波エコーの伝搬遅延時間とに基づき、アレイ探触子から丸棒２０の表面までの距離を算出し、偏芯がない場合の既知である、アレイ探触子から丸棒２０の表面までの距離と、算出した距離とに基づき、丸棒２０の偏芯量を算出し、丸棒２０の偏芯量を補正するようにアレイ探触子１１Ａ〜１１Ｄの励振条件を変え、超音波ビームの向きを変えて照射するようにアレイ探触子１１Ａ〜１１Ｄを励振する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
長手方向に垂直な方向の断面が円形又は四角形の棒状あるいは柱状の試験体の全周を、接触媒質を介して覆うように配置され、超音波ビームを試験体へ向けて照射するとともに、試験体内部の音響的不連続部で反射された反射波エコーを受信する複数のアレイ探触子と、
前記複数のアレイ探触子を励振する送受信器とを備え、
前記送受信器は、
前記接触媒質の音速と、前記試験体の表面で反射された反射波エコーの伝搬遅延時間とに基づき、アレイ探触子から試験体の表面までの第１の距離を算出し、
試験体の本来の位置からのずれである偏芯がない場合の既知である、前記アレイ探触子から試験体の表面までの第２の距離と、前記第１の距離とに基づき、試験体の偏芯量を算出し、
前記試験体の偏芯量を補正するように前記複数のアレイ探触子の励振条件を変え、超音波ビームの向きを変えて照射するように前記複数のアレイ探触子を励振する
ことを特徴とする超音波自動探傷装置。
【請求項２】
前記送受信器は、
既知である前記接触媒質の音速と、前記複数のアレイ探触子のうちの第１のアレイ探触子により試験体へ向けて照射される超音波ビームが、前記試験体の表面で反射され前記第１のアレイ探触子により受信された反射波エコーの伝搬遅延時間とに基づき、前記第１のアレイ探触子から試験体の表面までの垂直方向の距離を算出するとともに、
既知である前記接触媒質の音速と、前記複数のアレイ探触子のうちの前記第１のアレイ探触子の超音波ビームと直交する超音波ビームを照射する第２のアレイ探触子であって、前記第２のアレイ探触子により試験体へ向けて照射される超音波ビームが、前記試験体の表面で反射され前記第２のアレイ探触子により受信された反射波エコーの伝搬遅延時間とに基づき、前記第２のアレイ探触子から試験体の表面までの水平方向の距離を算出する
ことを特徴とする請求項１記載の超音波自動探傷装置。
【請求項３】
前記送受信器は、
試験体の本来の位置からのずれである偏芯がない場合の既知である、前記第１のアレイ探触子から試験体の表面までの垂直方向の距離と、算出した垂直方向の距離とに基づき、試験体の垂直方向の偏芯量を算出するとともに、
既知の前記第２のアレイ探触子から試験体の表面までの水平方向の距離と、算出した水平方向の距離とに基づき、試験体の水平方向の偏芯量を算出し、
前記試験体の垂直方向の偏芯量を補正するように前記第２のアレイ探触子の励振条件を変え、超音波ビームの向きを変えて照射するように前記第２のアレイ探触子を励振するとともに、
前記試験体の水平方向の偏芯量を補正するように前記第１のアレイ探触子の励振条件を変え、超音波ビームの向きを変えて照射するように前記第１のアレイ探触子を励振する
ことを特徴とする請求項２記載の超音波自動探傷装置。
【請求項４】
前記送受信器は、前記接触媒質の音速が既知でない場合には、前記接触媒質の音速を測定する音速測定機能を有する
ことを特徴とする請求項２記載の超音波自動探傷装置。
【請求項５】
長手方向に垂直な方向の断面が円形又は四角形の棒状あるいは柱状の試験体の全周を、接触媒質を介して覆うように配置され、超音波ビームを試験体へ向けて照射するとともに、試験体内部の音響的不連続部で反射された反射波エコーを受信する複数のアレイ探触子と、
前記複数のアレイ探触子を励振する送受信器とを備える超音波自動探傷装置において、
前記送受信器により、
前記接触媒質の音速と、前記試験体の表面で反射された反射波エコーの伝搬遅延時間とに基づき、アレイ探触子から試験体の表面までの第１の距離を算出するステップと、
試験体の本来の位置からのずれである偏芯がない場合の既知である、前記アレイ探触子から試験体の表面までの第２の距離と、前記第１の距離とに基づき、試験体の偏芯量を算出するステップと、
前記試験体の偏芯量を補正するように前記複数のアレイ探触子の励振条件を変え、超音波ビームの向きを変えて照射するように前記複数のアレイ探触子を励振するステップと
を含むことを特徴とする超音波自動探傷方法。
【請求項６】
前記第１の距離を算出するステップは、
前記送受信器により、
既知である前記接触媒質の音速と、前記複数のアレイ探触子のうちの第１のアレイ探触子により試験体へ向けて照射される超音波ビームが、前記試験体の表面で反射され前記第１のアレイ探触子により受信された反射波エコーの伝搬遅延時間とに基づき、前記第１のアレイ探触子から試験体の表面までの垂直方向の距離を算出するステップと、
既知である前記接触媒質の音速と、前記複数のアレイ探触子のうちの前記第１のアレイ探触子の超音波ビームと直交する超音波ビームを照射する第２のアレイ探触子であって、前記第２のアレイ探触子により試験体へ向けて照射される超音波ビームが、前記試験体の表面で反射され前記第２のアレイ探触子により受信された反射波エコーの伝搬遅延時間とに基づき、前記第２のアレイ探触子から試験体の表面までの水平方向の距離を算出するステップと含む
請求項５記載の超音波自動探傷方法。
【請求項７】
前記試験体の偏芯量を算出するステップは、
前記送受信器により、
試験体の本来の位置からのずれである偏芯がない場合の既知である、前記第１のアレイ探触子から試験体の表面までの垂直方向の距離と、算出した垂直方向の距離とに基づき、試験体の垂直方向の偏芯量を算出するステップと、
既知の前記第２のアレイ探触子から試験体の表面までの水平方向の距離と、算出した水平方向の距離とに基づき、試験体の水平方向の偏芯量を算出するステップとを含み、
前記複数のアレイ探触子を励振するステップは、
前記送受信器により、
前記試験体の垂直方向の偏芯量を補正するように前記第２のアレイ探触子の励振条件を変え、超音波ビームの向きを変えて照射するように前記第２のアレイ探触子を励振するステップと、
前記試験体の水平方向の偏芯量を補正するように前記第１のアレイ探触子の励振条件を変え、超音波ビームの向きを変えて照射するように前記第１のアレイ探触子を励振するステップとを含む
請求項６記載の超音波自動探傷方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、丸棒などに発生した「きず」を非破壊で検査する超音波自動探傷装置に関するものであり、特に、超音波自動探傷装置における超音波ビームの制御に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
まず、従来の超音波自動探傷装置及び方法について、図４から図６までを参照しながら、試験体対象が丸棒である場合を例にとり説明する（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
図４は、従来の超音波自動探傷装置の垂直探傷を説明するための図である。また、図５は、従来の超音波自動探傷装置の斜角探傷を説明するための図である。
【０００４】
図４において、垂直探触子１２と、試験体である丸棒２０とが描かれている。
【０００５】
図５において、２つ配置された斜角探触子１３Ａ、１３Ｂと、試験体である丸棒２０とが描かれている。
【０００６】
丸棒２０の自動探傷は、図４に示すように、垂直探触子１２を用いて丸棒２０内に超音波ビームを垂直に入射して、丸棒２０の内部を探傷する。また、図５に示すように、斜角探触子１３Ａ及び１３Ｂを用いて丸棒２０に対して斜めに超音波ビームを入射して、丸棒２０の表層部を探傷する。この際、図示はしていないが、丸棒２０の周囲には接触媒質として水などの液体が満たされている。
【０００７】
従来の丸棒２０の自動探傷では、垂直探触子１２は丸棒２０に対して垂直に超音波ビームを入射するように設定されているが、丸棒２０の位置が搬送に伴い位置ずれが生じるため、垂直に入射しない状況が発生する。
【０００８】
図６は、従来の超音波自動探傷装置で丸棒の位置ずれを説明するための図である。
【０００９】
長手方向に垂直な径方向の断面が真円（円形）の丸棒２０の搬送に伴う位置ずれを、「偏芯」と呼ぶ。この様子を、図６に示す。図６では、説明を簡単にするため、垂直探触子１２を図の上側に示している。また、水平方向の偏芯量を「Δｘ」として示している。垂直探触子１２から丸棒２０へ向けて垂直方向へ超音波ビームが発射されている場合、丸棒２０の円形の断面の中心Ｏを通る水平方向の軸をＸ軸、中心Ｏを通る垂直方向の軸をＹ軸とすると、図６に示すように、Ｙ軸と超音波ビームの間の距離（位置ずれ）が水平方向の偏芯量Δｘである。垂直探触子１２を図の下側に設けた場合も同様である。また、図示していないが、垂直探触子１２を図の右側あるいは左側に設け、丸棒２０へ向けて水平方向へ超音波ビームが発射されている場合、Ｘ軸と超音波ビームの間の距離（位置ずれ）が垂直方向の偏芯量Δｙである。
【００１０】
【非特許文献１】（社）日本非破壊検査協会編、「新非破壊検査便覧」、日刊工業新聞社、１９９２年１０月１５日発行、第９７２頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述したような従来の超音波自動探傷装置では、図６に示すように、丸棒２０が偏芯すると垂直探触子１２からの超音波ビームが丸棒２０に対して垂直に入射しないため、屈折して伝搬する。この結果として、所望の領域を探傷することができないという問題点があった。このような問題点は、斜角探傷においても同様である。
【００１２】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、超音波ビームの向きを変えて照射することにより、位置ずれによる偏芯量を補正することができ、精度の良い探傷結果を得ることができる超音波自動探傷装置及び方法を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この発明に係る超音波自動探傷装置は、長手方向に垂直な方向の断面が円形又は四角形の棒状あるいは柱状の試験体の全周を、接触媒質を介して覆うように配置され、超音波ビームを試験体へ向けて照射するとともに、試験体内部の音響的不連続部で反射された反射波エコーを受信する複数のアレイ探触子と、前記複数のアレイ探触子を励振する送受信器とを設け、前記送受信器は、前記接触媒質の音速と、前記試験体の表面で反射された反射波エコーの伝搬遅延時間とに基づき、アレイ探触子から試験体の表面までの第１の距離を算出し、試験体の本来の位置からのずれである偏芯がない場合の既知である、前記アレイ探触子から試験体の表面までの第２の距離と、前記第１の距離とに基づき、試験体の偏芯量を算出し、前記試験体の偏芯量を補正するように前記複数のアレイ探触子の励振条件を変え、超音波ビームの向きを変えて照射するように前記複数のアレイ探触子を励振するものである。
【発明の効果】
【００１４】
この発明に係る超音波自動探傷装置は、超音波ビームの向きを変えて照射することにより、位置ずれによる偏芯量を補正することができ、精度の良い探傷結果を得ることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る超音波自動探傷装置について図１から図３までを参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係る超音波自動探傷装置の構成を示す図である。なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
【００１６】
図１において、この発明の実施の形態１に係る超音波自動探傷装置は、送受信器１０と、丸棒２０の周囲に設置された４つのアレイ探触子１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ及び１１Ｄとが設けられている。この丸棒２０は、図１に示すように、長手方向に垂直な径方向の断面が真円（円形）である。
【００１７】
なお、丸棒２０の周囲には、水などの接触媒質２１が満たされている。実際には、容器の中に接触媒質２１を満たし、その接触媒質２１の中に丸棒２０やアレイ探触子１１Ａ〜１１Ｄを浸す。
【００１８】
送受信器１０は、アレイ探触子１１Ａ〜１１Ｄを励振し、かつアレイ探触子１１Ａ〜１１Ｄからの電気信号を受信する。また、アレイ探触子１１Ａ〜１１Ｄは、送受信器１０からの電気信号によって駆動され、接触媒質２１を介して超音波ビームを試験体である丸棒２０へ向けて照射し、さらに試験体表面及び試験体内部の音響的不連続部（きず等）で反射された超音波を、接触媒質２１を介して受信して電気信号に変換する。
【００１９】
つぎに、この実施の形態１に係る超音波自動探傷装置の動作について図面を参照しながら説明する。図２は、この発明の実施の形態１に係る超音波自動探傷装置のアレイ探触子の励振を説明するための図である。また、図３は、図１の右側の側面から見た超音波自動探傷装置の概略構成を示す図である。
【００２０】
アレイ探触子は、４つ（複数）用い、図１では、「アレイ探触子１１Ａ」、「アレイ探触子１１Ｂ」、「アレイ探触子１１Ｃ」、「アレイ探触子１１Ｄ」として示している。アレイ探触子１１Ａと、アレイ探触子１１Ｂやアレイ探触子１１Ｄとでは、照射する超音波ビームがほぼ直交するものである。同様に、アレイ探触子１１Ｂと、アレイ探触子１１Ａやアレイ探触子１１Ｃとでは、照射する超音波ビームがほぼ直交するものである。
【００２１】
すなわち、丸棒２０の円形の断面の中心Ｏを通る水平方向の軸をＸ軸、中心Ｏを通る垂直方向の軸をＹ軸とすると、例えば、アレイ探触子１１Ａ、１１Ｃの中心の素子から出射される超音波ビームがＹ軸に沿うようにアレイ探触子１１Ａ、１１Ｃを丸棒２０の周りに設置するとともに、アレイ探触子１１Ｂ、１１Ｄの中心の素子から出射される超音波ビームがＸ軸に沿うようにアレイ探触子１１Ｂ、１１Ｄを丸棒２０の周りに設置する。なお、アレイ探触子１１Ａ〜１１Ｄの設置位置はこれに限られず、あるアレイ探触子と、試験体の偏芯量を算出し、この偏芯量に応じて励振条件を変える上で、このアレイ探触子と対になるアレイ探触子は、それぞれ照射する超音波ビームが直交するように、設置されていればよい。
【００２２】
なお、実際では、丸棒２０の全周を覆うように複数のアレイ探触子を配置するので、丸棒２０の径が太い場合には、図１に示すような４つのアレイ探触子１１Ａ〜１１Ｄとは限らない。例えば、４つのアレイ探触子１１Ａ〜１１Ｄの間にそれぞれ１つずつ配置する場合には、丸棒２０の全周を覆うように合計で８（＝４＋４）つのアレイ探触子を配置する。同様に、４つのアレイ探触子１１Ａ〜１１Ｄの間にそれぞれ２つずつ配置する場合には、丸棒２０の全周を覆うように合計で１２（＝４＋８）個のアレイ探触子を配置する。
【００２３】
非特許文献１に示されている従来例では、丸棒２０の全周を探傷するため、丸棒２０の周囲を探触子１２、１３Ａ，１３Ｂが回転するものであるが、本実施の形態ではアレイ探触子１１Ａ〜１１Ｄは回転しない。アレイ探触子１１Ａ〜１１Ｄを用いて丸棒２０の全周を探傷する。まず、アレイ探触子１１Ａ〜１１Ｄを用いて丸棒２０の全周を探傷する方法について説明する。
【００２４】
送受信器１０から励振信号がアレイ探触子１１Ａに伝達される。この励振信号は、アレイの素子毎に異なるものである。この様子を、図２に示す。図２（ａ）では、アレイの一番左側にあるＮ個の素子を励振し、他の素子は励振せずに超音波ビームを照射している。次の励振タイミングでは、図２（ｂ）に示すように、隣のＮ個の素子を励振し、他の素子は励振しない。また次の励振タイミングでは、図２（ｃ）に示すように、またその隣のＮ個の素子を励振し、他の素子は励振しない。この動作を、一番右側にあるＮ個の素子を励振する図２（ｅ）の状態になるまで繰り返す。
【００２５】
図２はアレイ探触子１１Ａの動作説明であるが、同様の動作をアレイ探触子１１Ｂ、１１Ｃ及び１１Ｄにおいても行なう。その結果、探触子が丸棒２０の周囲を回転するのと同様となるので、丸棒全周を探傷することができる。このように、励振タイミング毎に励振する素子位置を変えることにより超音波ビームが回転することになるので、探触子が回転することなく丸棒２０の全周を探傷することができる。なお、励振する素子をＮ個ずつずらす方法を例にとり説明したが、ずらす素子数と励振する素子数とが一致してなくても、構わない。
【００２６】
このようなアレイ探触子１１Ａ〜１１Ｄを用いた探傷においても、丸棒２０が搬送されることには変わりないので、偏芯が探傷結果に及ぼす影響は無視できない。本実施の形態では、アレイ探触子１１Ａ〜１１Ｄを用いて偏芯が探傷結果に及ぼす影響を低減し、精度の良い超音波自動探傷装置及び方法を提供するものである。具体的な動作説明を、以下に示す。
【００２７】
送受信器１０から励振信号がアレイ探触子１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ及び１１Ｄに伝達される。この励振信号は、図２に示したように、アレイの素子毎に異なるものである。アレイ探触子１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ及び１１Ｄからは、超音波ビームが丸棒２０へ向けて照射される。図１では、簡略的に、アレイ探触子１１Ａ及び１１Ｂから超音波ビームが照射される様子を示している。図３では、簡略的に、アレイ探触子１１Ａから超音波ビームが照射される様子を示している。
【００２８】
アレイ探触子１１Ａから照射された超音波ビームの一部は、丸棒２０の表面を透過し、丸棒２０の探傷を行なう。一方、丸棒２０の表面で反射される反射波もある。丸棒２０の表面で反射された反射波を、アレイ探触子１１Ａで受信する（アレイ探触子１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ及び１１Ｄで受信する信号を、反射波エコーと呼ぶ）。この時、接触媒質２１の音速が既知であれば、反射波エコーの伝搬遅延時間と、接触媒質２１の音速を用いてアレイ探触子１１Ａから丸棒２０の表面までの垂直方向の距離を算出することができる。偏芯がない場合、アレイ探触子１１Ａと丸棒２０の設置位置は既知であり、丸棒２０の径も既知であるので、アレイ探触子１１Ａから丸棒２０の表面までの垂直方向の距離ＹＡが既知となる。偏芯がある場合に、反射波エコーの伝搬遅延時間と接触媒質２１の音速から、アレイ探触子１１Ａから丸棒２０の表面までの垂直方向の距離ＹＢを算出することができる。それらの差分（ＹＡ−ＹＢ）から、垂直方向の偏芯量Δｙを算出することができる。
【００２９】
垂直方向の偏芯量Δｙの算出は、送受信器１０で行なう。求めた偏芯量Δｙを用いてアレイ探触子１１Ｂの励振を変更して超音波ビームの向きを変え、丸棒２０に対して垂直に入射するようにする。このような方法を実現する装置は色々考えられるが、例えば、送受信器１０の内部にアレイの励振条件を予めメモリなどの記憶装置に保存しておき、偏芯量に応じて励振条件を記憶装置から読み出して超音波ビームの制御を行なうという超音波ビーム制御装置が考えられる。上述したように、偏芯がない場合には、複数（Ｎ個）の素子を同時に励振するが、偏芯がある場合には、偏芯量に応じて各素子の励振タイミング（例えば、数μｓ）をずらして、複数（Ｎ個）の素子からの超音波ビームの向きを変えて、超音波ビームが丸棒２０の表面に対して垂直に入射するようにする。この各素子の励振タイミングが励振条件である。このような動作を行なうと、アレイ探触子１１Ｂからは、丸棒２０の表面に対して垂直に入射するように、超音波ビームが照射される。
【００３０】
アレイ探触子１１Ｂから照射された超音波ビームの一部は、丸棒２０の表面を透過し、丸棒２０の探傷を行なう。一方、反射波エコーもアレイ探触子１１Ｂで受信される。この時、接触媒質２１の音速が既知であれば、垂直方向の偏芯量Δｙの算出方法と同様にして、水平方向の偏芯量Δｘを算出することができる。
【００３１】
水平方向の偏芯量Δｘの算出は、送受信器１０で行なう。求めた偏芯量Δｘを用いてアレイ探触子１１Ａの励振を変更して超音波ビームの向きを変え、丸棒２０に対して垂直に入射するようにする。このような動作を行なうと、アレイ探触子１１Ａからは、丸棒２０の表面に対して垂直に入射するように、超音波ビームが照射される。
【００３２】
このように、偏芯量を求めながら探傷を行なうことにより、偏芯がある場合でも丸棒２０に対して垂直に超音波ビームを照射することができるので、所望の領域を探傷することができる。その結果、偏芯が生じても探傷結果の精度を維持できるという効果がある。
【００３３】
これまで、アレイ探触子１１Ａと１１Ｂを用いた場合について説明したが、アレイ探触子１１Ａと１１Ｄを用いても同様である。また、アレイ探触子１１Ｃで垂直方向の偏芯量Δｙを求めても良いし、アレイ探触子１１Ｄを用いて水平方向の偏芯量Δｘを求めても良い。すなわち、水平方向の偏芯量Δｘと、垂直方向の偏芯量Δｙを求めることができれば良い。
【００３４】
また、丸棒２０の表面で反射された反射波で偏芯量を求める装置をよび方法について説明したが、丸棒２０を透過した超音波ビームが反対側の表面で反射された反射波を用いても良い。要するに、偏芯量が測定できれば、丸棒２０のどの部位で反射された反射波を用いても、構わない。
【００３５】
さらに、丸棒２０の垂直探傷で得られた偏芯量を、丸棒２０の斜角探傷に適用し、本実施の形態で示したように超音波ビームを制御しても構わない。
【００３６】
なお、この実施の形態１では、丸棒２０を試験体の例として説明したが、試験体が丸棒２０に限定されるものではない。パイプなどの棒状、柱状の試験体や、ビレット（長手方向に垂直な方向の断面が四角形である角材）などの棒状、柱状の試験体の自動探傷にも、適用可能である。つまり、自動探傷において偏芯が生じるもの一般に適用できる。
【００３７】
以上、丸棒２０の垂直探傷を例にして、偏芯がある場合にも高精度で探傷可能な超音波自動探傷装置及び方法について説明したが、これまでの説明では、接触媒質２１の音速が既知であることを前提としていた。接触媒質２１の音速は温度によって変化することが考えられるので、実際には音速測定を行ないながら探傷を行なう必要が生じる可能性がある。この場合、接触媒質２１の音速を測定する音速測定機能を有する送受信器１０を用いることで、対応可能である。音速測定方法は色々あるが、例えば、接触媒質２１中に基準となる反射源を設け、この反射源からのエコーの伝搬遅延時間から音速を求めるという方法が考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】この発明の実施の形態１に係る超音波自動探傷装置の構成を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る超音波自動探傷装置のアレイ探触子の励振を説明するための図である。
【図３】図１の右側の側面から見た超音波自動探傷装置の概略構成を示す図である。
【図４】従来の超音波自動探傷装置の垂直探傷を説明するための図である。
【図５】従来の超音波自動探傷装置の斜角探傷を説明するための図である。
【図６】従来の超音波自動探傷装置で丸棒の位置ずれを説明するための図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０  送受信器、１１Ａ  アレイ探触子、１１Ｂ  アレイ探触子、１１Ｃ  アレイ探触子、１１Ｄ  アレイ探触子、２０  丸棒、２１  接触媒質。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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