(57)【要約】【課題】複雑な欠陥部を有し、かつ深さ位置が不明な欠陥の検出精度を向上できるフェイズドアレイ探触子を実現する。【解決手段】多数の圧電素子１２が配列されて探傷部１０を形成し、単一材料からなり欠陥の深さ位置ｈが不明な被検査体１０６の欠陥検出に用いられるフェイズドアレイ探触子の仕様決定方法において、評価因子が超音波の集束度を表す超音波の集束径ｇ１、ｇ２であり、制御因子が探傷部１０の全長Ｌ及び幅ｌと、圧電素子の数ｎと、探傷部１０の被検査体１０６に接触する面の曲率ｒとであり、誤差因子が探傷深さ位置ｈ及び探傷屈折角θであり、実験計画法により、誤差因子の変動見込み幅の範囲内で該誤差因子及び前記制御因子の値を異ならせた複数の設計値を設定し、該設計値から算出された該集束径の平均から求められる感度Ｓが小さくかつ該集束径のばらつき度を表すＳＮ比ηが大きい設計値を推定し、確認計算により選択された設計値に基づいて前記制御因子の値を決定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数の圧電素子が配列されて探傷部を形成し、単一材料からなり欠陥の深さ位置が不明な被検査体の欠陥検出に用いられるフェイズドアレイ探触子の仕様決定方法において、
評価因子が超音波の集束度を表す超音波の集束径であり、制御因子が前記探傷部の全長及び幅と、圧電素子の数と、探傷部の被検査体に接触する面の曲率とであり、誤差因子が探傷深さ位置及び探傷屈折角であり、
実験計画法により、誤差因子の変動見込み幅の範囲内で該誤差因子及び前記制御因子の値を異ならせた複数の設計値を設定し、該設計値から算出された該集束径の平均から求められる感度が小さくかつ該集束径のばらつき度を表すＳＮ比が大きい設計値を推定し、確認計算により選択された設計値に基づいて前記制御因子の値を決定するようにしたことを特徴とするフェイズドアレイ探触子の仕様決定方法。
【請求項２】
設定された設計値から算出された前記集束径の平均値μと該集束径の標準偏差σとからなる算式（μ±σ）の差分が最小となる設計値を選択し、
選択された設計値に基づいて前記制御因子の値を決定することを特徴とする請求項１に記載のフェイズドアレイ探触子の仕様決定方法。
【請求項３】
検査対象となる欠陥が被検査体に形成された応力腐食割れであることを特徴とする請求項１又は２に記載のフェイズドアレイ探触子の仕様決定方法。
【請求項４】
前記制御因子が請求項１又は２のいずれかの項に記載された仕様決定方法により製作されてなることを特徴とするフェイズドアレイ探触子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多数の微小な圧電素子を配列させ、該圧電素子で送受信する超音波により被検査体の欠陥を検出するフェイズドアレイ探触子において、特に単一材料からなり欠陥のの深さ位置が不明な被検査体の欠陥検出に用いられるフェイズドアレイ探触子の仕様決定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
フェイズドアレイ探触子は、前述のように、多数の微小な圧電素子を配列させ、該圧電素子で送受信を行ない、超音波断層像を得ることにより被検査体の欠陥を検出するものである。その原理を図９により説明する。
図９において、フェイズドアレイ探触子１００は、多数の圧電素子１０２が微小間隔を有して配列され、各圧電素子１０２から超音波を発生させる。各圧電素子１０２から発信された超音波Xは、合成波面XＯを形成して矢印ａ方向に進行する。そして、欠陥部分で反射して戻ってきた反射波を受信し解析して断層像を得、欠陥部分を検出する。
【０００３】
図９（ｂ）に示すように、各圧電素子１０２の励起時間に差を設けることにより、超音波の進行方向を角度θ（探傷屈折角）だけ変えることができる。例えば、金属部材の内部に発生した応力腐食割れ（ＳＣＣ）の割れ方向に対して超音波の入射方向ａを直角方向に入射させることによって、ＳＣＣの検出能力を向上できる。
また、各圧電素子１０２の励起時間を図９（ｃ）に示すように設定することによって、合成波面XＯの集束位置ｂを適宜に設定することができる。欠陥部分に集束位置ｂを合わせることにより、欠陥部分に照射される超音波の強度を高め、欠陥検出能を向上できる。
【０００４】
図１０は、蒸気タービンにおいて、翼根部１０４が挿入される翼植込み溝部１０６にＳＣＣ１０８が発生した状態を模式的に示している。翼植込み溝部１０６の外周面に超音波探触子１００を当ててＳＣＣ１０８を探傷する場合に、ＳＣＣ１０８の基部ｃ１は超音波が良く反射されるので、測定が可能である。しかし、ＳＣＣ１０８は複雑に割れが発生しており、その方向は様々であるので、測定は容易ではない。
【０００５】
特に、ＳＣＣ１０８の先端部ｃ２の深さ位置h及び方向が不明確であるので、合成波面XＯを先端部ｃ２に集束させようとしても、正確に当てることは困難である。
従来は、被検査体が厚肉のときは、経験上から、音圧を上げるか又は周波数を下げ、あるいは探触子のサイズを大きくし、逆に、被検査体が薄肉のときは、音圧を下げるか又は周波数を上げることにより、検出精度を向上させようとしていた。
【０００６】
しかし、これでは大幅な検出精度の向上は望めず、根本的な解決にはならない。また、Ｓ／Ｎ比（雑音に対する信号の比）を上げても、ノイズと反射エコーとの差を識別するのは容易ではなかった。
また、フェイズドアレイ探触子の仕様も、経験的に、被検査体の材質、探傷深さ範囲（ビーム路程）、対象欠陥の程度、必要な検出精度などから決定していた。
【０００７】
特許文献１（特開２００７−１５１５６１号公報）には、フェイズドアレイ探触子を生体の体腔内に挿入し、体腔内から超音波の送受信を行ない、超音波断層像を得る超音波探触子が開示されている。
特許文献１では、圧電素子１０２の比誘電率を２５００以上とすると共に、図１１に示すように、圧電素子１０２の横幅ｗと厚みｔの比率ｗ／ｔを０．６以下とし、かつ隣接する圧電素子間の間隔を超音波の波長以下とするものであり、これによって、電気機械変換率が高く、工程難易度を低下させ、信頼性を向上させた超音波探触子を提案している。
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−１５１５６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１では、生体の各臓器や脂肪層等で誘電率が異なるため、圧電素子の誘電率をある範囲に特定することにより、探傷精度を安定させている。しかし、蒸気タービン翼根部のように、単一の材料からなる被検査体の場合には、特許文献１とは適用分野が異なり、有効ではない。
しかも、特許文献１に開示された超音波探触子は、応力腐食割れのように、割れ方向が線状に連なりかつ複雑で、欠陥の深さ位置が不明なものに対して検出精度を向上できるものではない。
【００１０】
本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、応力腐食割れのように、複雑な形態の欠陥部を有し、かつ深さ位置が不明な欠陥の検出精度を向上できるフェイズドアレイ探触子を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的を達成するため、本発明のフェイズドアレイ探触子の仕様決定方法は、
多数の圧電素子が配列されて探傷部を形成し、単一材料からなり欠陥の深さ位置が不明な被検査体の欠陥検出に用いられるフェイズドアレイ探触子の仕様決定方法において、
評価因子が超音波の集束度を表す超音波の集束径であり、制御因子が前記探触子の全長及び幅と、圧電素子の数と、探傷部の被検査体に接触する面の曲率とであり、誤差因子が探傷深さ位置及び探傷屈折角であり、
実験計画法により、誤差因子の変動見込み幅の範囲内で該誤差因子及び前記制御因子の値を異ならせた複数の設計値を設定し、該設計値から算出された該集束径を計算し、該計算結果を用いて該集束径の平均から求められる感度が小さくかつ該集束径のばらつき度を表すＳＮ比が大きい設計値を推定し、確認計算された設計値に基づいて前記制御因子の値を決定するようにしたものである。
【００１２】
本発明方法では、実験計画法により、制御因子として前記４因子を選択し、誤差因子である探傷深さ位置及び探傷屈折角の変動範囲内で、算出された超音波の集束径の平均から求められる感度が小さくかつ該集束径のばらつき度を表すＳＮ比が大きい設計値を選択し、この設計値に基づいて制御因子の値を決定するものである。
これによって、探傷深さ位置及び探傷屈折角に変動に対して、超音波の集束径が小さく合成波面XＯの集束度が良好な探触子の設計値を効率良く得ることができ、検出精度が良く、かつ探傷深さ位置及び探傷屈折角に変動に対してロバストな設計が可能となる。
【００１３】
なお、「実験計画法」とは、そもそもイギリスのR.A.Fisher氏によって農場実験の合理化のために開発された手法であり、技術研究の世界では、田口玄一氏によって「直交表」の利用法、ＳＮ比の導入、種々の実験への適応例が広く紹介されたため、一般に普及したもので、海外でも“TAGUCHI METHOD”（田口法）として知られている。
【００１４】
田口法は、「直交表」を用いた実験と、「ＳＮ比」と呼ばれるばらつき（誤差）による評価法とを特長としている。ここで「直交表」とは、試験するパラメータの組み合わせを表す表であり、試験者は試験するパラメータを選定しそのパラメータに応じて予め用意されている「直交表」を選択しさえすれば、実験回数と試験条件が決まり、それに従って実験を進めれば良いようになっている。
【００１５】
また、その結果得られたデータに「分散分析」と呼ばれる統計解析処理を施すことで、各パラメータの効果の大きさを数値として評価することができる。さらに、この手法は、最適化したい特性値の推定値を求めることもできる。
本発明方法では、パラメータとして前記４制御因子を選択し、田口法を使って、誤差因子である探傷深さ及び探傷屈折角の変動に対してロバスト性のある制御因子の値を選択できるようにしたものである。
【００１６】
本発明方法において、設定された設計値から算出された前記集束径の平均値μと該集束径の標準偏差σとからなる算式（μ±σ）の差分（変動幅）が最小となる設計値を選択し、選択された設計値に基づいて前記制御因子の値を決定するようにするとよい。
これによって、前記算式（μ±σ）の差分から一義的に、検出精度が良くかつ探傷深さ位置及び探傷屈折角に対するロバスト性のある仕様を決定することができる。
【００１７】
従って、検査対象となる欠陥が複雑な形態をもち探傷深さが不明な応力腐食割れであっても、良好な検出精度で検出できる。
【００１８】
また、本発明のフェイズドアレイ探触子は、前記本発明方法により仕様が決定されたものである。従って、応力腐食割れのように、亀裂の方向が定まらない複雑な欠陥でも検出精度を維持でき、また探傷深さや探傷屈折角が変動しても検出精度が低下しないロバスト性を有する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明方法によれば、多数の圧電素子が配列されて探傷部を形成し、単一材料からなり欠陥の深さ位置が不明な被検査体の欠陥検出に用いられるフェイズドアレイ探触子の仕様決定方法において、評価因子が超音波の集束度を表す超音波の集束径であり、制御因子が前記探傷部の全長及び幅と、圧電素子の数と、探傷部の被検査体に接触する面の曲率とであり、誤差因子が探傷深さ位置及び探傷屈折角であり、実験計画法により、誤差因子の変動見込み幅の範囲内で該誤差因子及び前記制御因子の値を異ならせた複数の設計値を設定し、該設計値から算出された該集束径の平均から求められる感度が小さくかつ該集束径のばらつき度を表すＳＮ比が大きい設計値を選択し、選択された設計値に基づいて前記制御因子の値を決定するようにしたことにより、応力腐食割れのように探傷深さが不明で複雑な形態をもつ欠陥であっても、探傷深さの変動に係わり無く、高い検出精度を維持できる。
【００２０】
また、前記本発明方法により仕様が決定された本発明のフェイズドアレイ探触子は、応力腐食割れのように探傷深さが不明で複雑な形態をもつ欠陥であっても、探傷深さの変動に係わり無く、高い検出精度が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明をそれのみに限定する趣旨ではない。
【００２２】
本発明を蒸気タービンの翼植込み溝部に発生する応力腐食割れ等の欠陥検出に適用した一実施形態を図１〜図８に基づいて説明する。図１に本実施形態の手順を示す。まず、ステップ１で、材質、探傷深さ範囲（ビーム路程）及び対象欠陥等、被検査体の仕様に関する情報と必要な検出精度を設定する。
【００２３】
次に、フェイズドアレイ探触子の探触子１０の制御因子（設計パラメータ）を選択する。図２に示すように、探傷部のプローブ全長Ｌ、探傷部のプローブ幅ｌ、圧電素子１２の数及び被検査体に対する圧電素子１２の接触面の曲率ｒの４因子を制御因子として選択する。
次に、フェイズドアレイ探触子の基本設計値を決定する（ステップ２）。
【００２４】
基本設計値の決定手法は、例えば、図１１に示すプローブ（探傷部）全長Ｌは、次の算式（１）から求める。
Ｌ＝ｄ・Ｄmax／ｅ・ｆ            （１）
ここで、ｄは超音波モード（縦波又は横波）の音速、Ｄmaxは最大フォーカシング距離（最大路程）、ｅはビームサイズ（ビームスポット）、ｆは周波数である。
【００２５】
また、圧電素子の素子長ｗは次の算式（２）から求める。
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ここで、Ｄminは必要最小フォーカシング距離（最小路程）、Ｄmaxは必要最大フォーカシング距離（最大路程）である。
【００２６】
このようにして、探傷部１０の基本仕様を決定した後、次に、選択した前記４制御因子による直交表を作成する（ステップ３）。図３は、４制御因子の値として、３つの水準１〜３を設定したものである。
図４は、誤差因子として探傷屈折角θと探傷深さ位置ｈとを設定し、これらの値として３つの水準１〜３を設定したものである。なお、探傷屈折角θはＳＣＣの向きに直角方向に合わせるように調整されるものであり、探傷深さ位置ｈはＳＣＣの深さに合わせるように調整されるものである。
【００２７】
図５は、前記4制御因子の水準１〜３の値と前記２誤差因子の水準１〜３の値を１８通りに割り振ったときの超音波ビーム径の算出結果を示す直交表である。該直交表中、感度Ｓは試験Ｎｏ．１〜１８の夫々のビーム径の平均値を用いて次の算式（３）より求めたものであり、ＳＮ比ηは、次の算式（４）から求めたものである。
感度Ｓ＝１０logｍ２（ｄＢ）                  （３）
ＳＮ比η＝１０log（ｍ／σ）２(db)            （４）
ここで、ｍはビーム径の平均であり、σはビーム径の標準偏差である。
【００２８】
ビーム径は、各設計パラメータの設計値に基づいて音場シミュレーションにより求めることができる（ステップ４）。図６は、音場シミュレーションによりビーム径を求める際の画面表示を示すものであり、超音波の強さを濃淡で示している。
超音波の強さ（ｄＢ）は、次の算式（５）で求められる。
ｄＢ＝２０log10Ａ／Ａ０                      （５）
ここで、Ａはエコー高さ、Ａ０は基準エコー高さを示す。
【００２９】
図５に示したビーム径は、図６で得られたシミュレーション上で、式（６）に示すように、ビーム強度が最も高いピーク位置に対して、ビーム強度が半減するビーム範囲としている。即ち、音場シミュレーションでは、超音波の強さを、ピーク値から半減するまでの[ピーク値〜−６ｄＢ]間のビーム範囲を有効ビーム範囲とし、有効ビーム範囲に対応するビーム径を求めるようにする。
２０log10Ａ／ＡO＝２０log10１／２＝−６ｄＢ        （６）
【００３０】
フェイズドアレイ探触子では、複数の圧電素子を用いてビームを集束する効果があるため、探触子の寸法や、各圧電素子に与える時間差によって、集束位置でのビーム径が異なるため、一般的な理論式によりビーム径を求めるのは困難である。
図６において、（ａ）は、被検査体内部の浅い位置に超音波が集束した時のビーム径ｇ１を示し、（ｂ）は、被検査体内部の深い位置に超音波が集束した時のビーム径ｇ２を示す。なお、図中、右側の数値は超音波の強度（ｄＢ）を示す。
【００３１】
次に、図５に示す直交表から、ＳＮ比η及び感度Ｓに関する要因効果図を作成する。図７にその要因効果図を示す。図７の要因効果図から、特に接触面の曲率ｒがＳＮ比η及び感度Ｓの出力変動に大きな影響を与えることがわかる。
【００３２】
次に、確認計算により前記４設計パラメータの値を決定する（ステップ６）。図８に、ビーム径について、田口法を用いた推定計算値と確認計算値を示す。図中、上段の因子の行に記入された数字は、図３の制御因子の水準１〜３の数字を示す。例えば、現行条件の列では、４制御因子とも水準２の数値を用いたものであり、改善１の列では、プローブ全長Ｌが水準３の数値を用い、プローブ幅ｌは水準１の数値を用い、圧電素子数ｎ及び接触面の曲率ｒは水準２の数値を用いたことを示す。
【００３３】
図８の仕様決定表中の推定計算値は、各制御因子が同じ水準の場合でのＳＮ比η及び感度Ｓの平均値を使って求めている。一方、確認計算値は、設定した各制御因子の水準に合わせて、探触子の音場シミュレーションを行い（図５の誤差因子のケース分実施）を行なう。これらの結果（図７の要因効果図等）や図８の最大化／最小化の条件を元にして、改善１〜５の項目において各制御因子を設定し、目標のＳＮ比η及び感度Ｓになるような推定計算を行い、確認計算を行なう。
【００３４】
この結果が確認計算値であり、これらの結果を見ながら、より改善される条件を考えて、改善１〜５で探触子の仕様を最適設計に近づける。
図８では、感度Ｓが最小のものは改善４であるが、改善４はＳＮ比ηが小さいので、感度Ｓが2番目に小さくかつＳＮ比ηが大きい改善５を選択する。
【００３５】
そして、改善５の制御因子を基準とし、これらの値を適宜調節することにより、誤差因子である探傷屈折角θ及び探傷深さｈの変動に対して、その影響を受けない良好なロバスト性と、良好な検出精度を維持できる仕様を決定することができる。
【００３６】
即ち、田口法によって最適設計に近づけられた設計値である改善５を求めて、図８に示した利得について、（７）利得（ＳＮ比）が、１．８１と向上しており、（８）利得（感度）が−１．８３と減少している。
このように、図５の１８ケースに比べてより良い条件、即ち、ビーム径が小さく、探傷深さｈ及び探傷屈折角θに対するばらつきが少ない条件を見出せたことで、ロバスト性が向上したと言うことができる。更に、改善５に対して、設計パラメータで水準を設定し、繰り返してタグチ法を行うことで、より最適設計に近づけることができる。
【００３７】
このように、本実施形態によれば、田口法を採用して、４つの制御因子（プローブ全長Ｌ、プローブ幅ｌ、圧電素子数ｎ及び圧電素子の被検査体への接触面の曲率ｒ）を選択すると共に、探傷屈折角θ及び探傷深さ位置ｈを誤差因子とし、これら誤差因子の変動に検出精度が影響を受けない制御因子の値を決定するようにしたので、応力腐食割れのように、深さ位置及び割れ方向が定まらない複雑な形態をなす欠陥に対しても、高い検出精度を得ることができる。
【００３８】
なお、前記実施形態において、ＳＮ比η及び感度Ｓの値に基づいて設計仕様を決定したが、代わりに、出力（μ±σ）の差分（変動幅）が最小のものを選択するようにしてもよい。図９において、出力（μ±σ）の差分が最小となるものは改善５であり、ＳＮ比η及び感度Ｓから選択した場合と同様の結果を得ることができる。
出力（μ±σ）の差分を用いる場合には、１個の変数を指標として制御因子を選択するので、選択が容易になり、誤りがなくなる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明によれば、田口法を用いて、ロバスト性があり検出精度が高いフェイズドアレイ探触子の最適仕様を効率良く求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の一実施形態に係る仕様決定手順を示すフローチャートである。
【図２】前記実施形態で選択された制御因子を示す探傷部の斜視図である。
【図３】前記実施形態の制御因子の設定値（水準１〜３）を示す図表である。
【図４】前記実施形態の誤差因子の設定値（水準１〜３）を示す図表である。
【図５】前記実施形態の直交表を示す図表である。
【図６】前記実施形態で音場シミュレーションを行なった画面表示を示す図である。
【図７】前記実施形態のＳＮ比η及び感度Ｓの要因効果図である。
【図８】前記実施形態で確認計算により探触子の仕様決定を行なう図表である。
【図９】フェイズドアレイ探触子の探傷原理を示す説明図である。
【図１０】蒸気タービンの翼植込み溝部に発生した応力腐食割れを探傷する場合の説明図である。
【図１１】フェイズドアレイ探触子を構成する圧電素子の斜視図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０                フェイズドアレイ探傷部
１２、１０２        圧電素子
１００              フェイズドアレイ探触子
１０６              蒸気タービン翼植込み溝部（被検査体）
１０８              応力腐食割れ
Ｌ                  プローブ全長
ＸＯ                合成波面
ａ                  合成波面進行方向
ｂ                  合成波面の集束位置
ｈ                    探傷深さ
ｌ                  プローブ幅
ｒ                  接触面曲率
ｔ                  圧電素子厚さ
ｗ                  圧電素子長
θ                  探傷屈折角
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
2010117215.tif 000012
【図１０】
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【図１１】
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