(57)【要約】【課題】管状被探傷材の軸方向に対して種々の傾斜角度を有するきずを高精度に且つ高速に探傷することが可能な超音波探触子等を提供する。【解決手段】本発明は、管状の被探傷材Ｐを超音波探傷するための超音波探触子１Ａであって、環状の曲面に沿って配列された複数の振動子１１を備え、前記環状の曲面は、所定の回転楕円体Ｍを、当該回転楕円体の中心Ｏを通らず且つ当該回転楕円体の中心を挟まずに対向し、なお且つ当該回転楕円体の回転軸に直交する２つの平行な平面Ｓ１及びＳ２で切断して得られる曲面であることを特徴とする。【選択図】    図１
2010266463.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
管状の被探傷材を超音波探傷するための超音波探触子であって、
環状の曲面に沿って配列された複数の振動子を備え、
前記環状の曲面は、所定の回転楕円体を、当該回転楕円体の中心を通らず且つ当該回転楕円体の中心を挟まずに対向し、なお且つ当該回転楕円体の回転軸に直交する２つの平行な平面で切断して得られる曲面であることを特徴とする超音波探触子。
【請求項２】
前記回転楕円体の中心を通り且つ前記２つの平行な平面に直交する直線に沿って配置された少なくとも１つの垂直探触子を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子。
【請求項３】
長径方向が前記管状被探傷材の軸方向に沿い、短径方向が前記管状被探傷材の周方向に沿い、なお且つ前記回転楕円体の中心が前記管状被探傷材の軸心に正対するように前記管状被探傷材に対向配置された請求項１又は２に記載の超音波探触子と、
前記超音波探触子による超音波の送受信を制御する送受信制御手段とを備え、
前記送受信制御手段は、前記複数の振動子の内、少なくとも２つ以上の振動子から前記管状被探傷材に対して超音波を送受信させることを特徴とすることを特徴とする超音波探傷装置。
【請求項４】
前記超音波探触子は、前記回転楕円体の中心が前記管状被探傷材の外面近傍に位置するように配置されていることを特徴とする請求項３に記載の超音波探傷装置。
【請求項５】
前記送受信制御手段は、前記管状被探傷材に対して超音波を送受信する少なくとも２つ以上の振動子の内、一の振動子から送信された超音波の前記管状被探傷材表面での反射エコーの受信タイミングと、他の振動子から送信された超音波の前記管状被探傷材表面での反射エコーの受信タイミングとが略同一となるように、前記一の振動子及び前記他の振動子の超音波の送信タイミング又は受信タイミングを制御することを特徴とする請求項３又は４に記載の超音波探傷装置。
【請求項６】
前記複数の振動子のそれぞれから前記管状被探傷材に送信する超音波の入射角を調整する調整手段を具備することを特徴とする請求項３から５のいずれかに記載の超音波探傷装置。
【請求項７】
前記複数の振動子のそれぞれは、各振動子の径方向に沿って短冊状に分割された複数の圧電素子を備え、
前記調整手段は、前記複数の圧電素子による超音波の送受信タイミングを電気的に制御することによって、前記管状被探傷材に送信する超音波の入射角を調整することを特徴とする請求項６に記載の超音波探傷装置。
【請求項８】
前記管状被探傷材の軸方向に直交する平面内での前記管状被探傷材に対する前記超音波探触子の相対位置を略一定に保持する追従装置を備えることを特徴とする請求項３から７の何れかに記載の超音波探傷装置。
【請求項９】
前記追従装置は、前記管状被探傷材の外面までの距離を測定する１つ以上の非接触式変位計と、前記管状被探傷材の軸方向に直交する２つの軸方向に沿って前記超音波探触子を移動させる位置決め機構と、該位置決め機構を制御する位置決め制御手段とを備え、
前記位置決め制御手段は、前記非接触式変位計で測定した距離に基づいて、前記管状被探傷材に対する前記超音波探触子の相対位置が略一定となるように前記位置決め機構を制御することを特徴とする請求項８に記載の超音波探傷装置。
【請求項１０】
請求項３から９の何れかの超音波探傷装置を用いて、前記超音波探触子を前記管状被探傷材の周方向に沿って相対的に回転させると共に、前記管状被探傷材の軸方向に沿って相対的に移動させることにより、前記管状被探傷材の全長又はその一部を探傷することを特徴とする超音波探傷方法。
【請求項１１】
素材ビレットを穿孔加工することによって継目無管を製造する第１工程と、
前記第１工程によって製造された継目無管を請求項１０に記載の超音波探傷方法を用いて探傷する第２工程とを含むことを特徴とする継目無管の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼管などの管状の被探傷材に存在するきずを超音波を用いて探傷するための超音波探触子、超音波探傷装置、超音波探傷方法及びこの方法を用いた継目無管の製造方法に関し、特に、管状被探傷材の軸方向に対して種々の傾斜角度を有するきずを高精度に且つ高速に探傷することが可能な超音波探触子、超音波探傷装置、超音波探傷方法及びこれを用いた継目無管の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、管に対する高品質化要求が高まるにつれて、管の非破壊検査基準が厳格化される傾向にある。
【０００３】
例えば、代表的な管である継目無管は、ビレットをピアサーによって穿孔して中空シェルを形成し、この中空シェルをマンドレルミル等によって圧延することにより製造される。この継目無管には、軸方向に対して種々の傾斜角度を有するきず（以下、適宜「傾斜きず」という）が存在する。
【０００４】
この傾斜きずは、ビレットに元々存在する縦割れきずが上記製造工程において軸方向に変形を受けることによって発生したり、或いは、中空シェルのパスセンターを維持するためのガイドシューの案内面に存在するきずが転写することによって発生するといわれている。従って、傾斜きずの継目無管の軸方向に対する傾斜角度は、継目無管の管径やその発生原因の相違によって変化する。すなわち、継目無管には、種々の傾斜角度を有する傾斜きずが存在する。
【０００５】
継目無管の使用環境は年々厳しくなる傾向にあるため、その高品質化が要求され、上記傾斜きずを精度良く検出することも厳しく要求されている。
【０００６】
ところで、従来より、継目無管に存在する傾斜きずを探傷するための種々の方法が提案されている。
【０００７】
例えば、日本国特開昭５５−１１６２５１号公報（以下、特許文献１という）には、検出対象とする傾斜きずの位置及び傾斜角度に応じて超音波探触子を適宜の位置及び傾斜角度で配置することにより、傾斜きずを探傷する方法が提案されている。
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載の方法は、検出対象とする傾斜きずの傾斜角度に応じて、超音波探触子の傾斜角度をその都度変更する必要があるため、極めて手間が掛かるという問題がある。また、前述のように継目無管に存在する種々の傾斜角度を有する傾斜きずを一回の探傷作業で検出するには、多数の超音波探触子を準備してそれぞれ異なる傾斜角度で配置する必要がある。つまり、超音波探触子の配置設定や校正等が煩雑であると共に、大型の装置が必須であることやコスト高騰を招くという問題がある。
【０００９】
上記特許文献１に記載の方法における問題点を解決するべく、日本国特開昭６１−２２３５５３号公報（以下、特許文献２という）には、複数の振動子（超音波送受信用素子）を一列に配列したアレイ型超音波探触子を適用した探傷方法が提案されている。より具体的には、前記振動子の配列方向を管の軸方向に一致させると共に、超音波探触子を管の軸心から偏芯させて配置することにより、管内に横波超音波を伝搬させる。そして、各振動子による超音波の送受信タイミングを電気的に制御する電子走査によって、超音波探触子で送受信する超音波の傾斜角度（管の軸方向に対する傾斜角度）を変更することにより、種々の傾斜角度を有する傾斜きずを探傷する方法である。
【００１０】
しかしながら、特許文献２に記載の方法には、主として以下のような２つの課題（第１の課題及び第２の課題）が存在する。
【００１１】
＜第１の課題＞
図１は、本発明の発明者が実験によって確認した、アレイ型超音波探触子を適用した探傷方法における傾斜きずの傾斜角度（傾斜きずの延びる方向と管の軸方向との成す角度）と反射エコー強度との関係の一例を示す図である。より具体的に説明すれば、図１は、特許文献２に記載のものと同様のアレイ型超音波探触子を管の軸心から偏芯させて配置する際の偏芯量を一定の値とした状態において、傾斜きずの延びる方向と超音波探触子から送信された超音波の伝搬方向（超音波の入射点を含む管の接平面の法線方向から見た伝搬方向）とが直交するように、各傾斜きずの傾斜角度に応じて電子走査で超音波の傾斜角度を変更した場合における、各傾斜きずでの反射エコー強度（傾斜角度０°の傾斜きずにおける反射エコー強度を０ｄＢとしたときの相対強度）を示す。本発明の発明者は、図１に示すように、特許文献２に記載の方法には、たとえ同じ大きさの傾斜きず（深さ０．５ｍｍ×長さ２５ｍｍ）であっても、傾斜きずの傾斜角度に応じて反射エコーの強度が異なってしまうという問題を見出した。
【００１２】
以上のように、本発明の発明者は、特許文献２に記載の方法には、傾斜きずの傾斜角度に応じて反射エコーの強度が異なってしまうという問題があり、この問題は有害なきずを見逃したり、検出不要な微小きずを過検出することにつながる虞があることを見出した。
【００１３】
＜第２の課題＞
特許文献２に記載のアレイ型超音波探触子の各振動子による超音波の送受信タイミングを電気的に制御する電子走査によって、超音波探触子で送受信する超音波の傾斜角度を変更する場合、管の特定部位において、検出対象とする傾斜きずの傾斜角度に応じた回数分だけ電子走査を繰り返す必要がある。すなわち、例えば３つの異なる傾斜角度をそれぞれ有する傾斜きずを検出するには、管の特定部位において３回の電子走査を繰り返す必要があり、一方向の傾斜角度を有するきずを検出する場合に比べて、探傷効率が１／３に低下することになる。
【００１４】
より具体的に説明すれば、管の特定部位における１回の超音波探傷に要する時間は、管の外径や肉厚の他、超音波探触子と管との距離等に依存するが、概略５０〜１００μｓｅｃ程度である。すなわち、管の特定部位における単位時間当たりの探傷回数（探傷速度）としては、最大で１００００〜２００００回／ｓｅｃ程度となる。従って、前記電子走査による超音波の傾斜角度の変更速度（変更頻度）も１００００〜２００００回／ｓｅｃ程度以下とならざるを得ず、たとえ電子走査自体は機械的な走査に比べて極めて高速であったとしても、検出対象とする傾斜きずの傾斜角度の数が増えるにつれて、探傷効率が低下することになる。
【００１５】
以上のように、特許文献２に記載の方法には、検出対象とする傾斜きずの傾斜角度の数に応じて探傷効率が低下するという問題がある。
【００１６】
一方、日本国特開昭５９−１６３５６３号公報（以下、特許文献３という）には、種々の傾斜角度を有する傾斜きずを探傷するために、マトリックス状に配列された振動子群を用いて、任意の方向に超音波を入射させる方法が提案されている。より具体的には、振動子群の中から任意の振動子を適数個選択し、その送受信タイミング（駆動時間）を電気的に制御する電子走査によって、超音波の入射方向を任意に変更する。そして、超音波の入射方向を変更するパターンを予めプログラムとして貯えるということが開示されている。
【００１７】
しかし、特許文献３は、前述した各傾斜きずの傾斜角度に応じて反射エコーの強度が変化してしまうという第１の課題には言及しておらず、さらにその課題を解決するために、如何なる変更パターンで超音波の入射方向を変更すればよいかという点についても、何ら開示されていない。また、前述した特許文献２に記載された方法についての第２の課題と同様の課題を有する。つまり、検出対象とする傾斜きずの傾斜角度に応じた回数分だけ電子走査を繰り返す必要があるため、探傷効率が低下するという問題がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
上記従来技術の問題点は、超音波探傷の対象が継目無管に限るものではなく、例えばスパイラル管などの溶接管や、中ぐり車軸など、傾斜きずが発生する可能性のある全ての管状被探傷材の超音波探傷について共通する。
【００１９】
本発明は、斯かる従来技術の問題点を解決するべくなされたものであり、管状被探傷材の軸方向に対して種々の傾斜角度を有するきずを高精度に且つ高速に探傷することが可能な超音波探触子、超音波探傷装置、超音波探傷方法及びこれを用いた継目無管の製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
前記課題を解決するべく、本発明の発明者は、以下に述べるようなことを鋭意検討した。
図２は、本発明の発明者が数値計算によって見出した、アレイ型超音波探触子を適用した探傷方法における傾斜きずの傾斜角度と傾斜きずへの超音波の入射角との関係を示す図である。より具体的に説明すれば、図２は、特許文献２に記載のものと同様のアレイ型超音波探触子を管（肉厚対外径比＝１１％）の軸心から偏芯させて配置する際の偏芯量を適宜設定（偏芯量に応じて決定される管への周方向入射角αｉを１０°、１６°、１９°に設定）して、傾斜きずの延びる方向と超音波探触子から送信された超音波の伝搬方向とが直交するように、各傾斜きずの傾斜角度に応じて電子走査で超音波の傾斜角度を変更した場合における、各傾斜きずへの超音波の入射角を示す。図２（ａ）は管の内面に存在する内面きずへの入射角（内面屈折角）θｋを、図２（ｂ）は管の外面に存在する外面きずへの入射角（外面屈折角）θｒを示す。図２に示すように、本発明の発明者は、内面きず及び外面きずの双方共に、傾斜きずの傾斜角度に応じて超音波の入射角が変化することを見出した。本発明の発明者は、前述のように各傾斜きずの傾斜角度に応じて反射エコーの強度が異なってしまう（図１参照）のは、たとえ傾斜きずの延びる方向と超音波探触子から送信された超音波の伝搬方向とが直交するように、各傾斜きずの傾斜角度に応じて電子走査で超音波の傾斜角度を変更したとしても、図２に示すように、各傾斜きずの傾斜角度に応じて（超音波の伝搬方向に応じて）、外面屈折角及び内面屈折角が変化することが原因であることを見出した。
【００２１】
以上の知見に基づき、本発明の発明者は、
（１）超音波の伝搬方向に関わらず外面屈折角（又は内面屈折角）が略同等になるように探傷条件を設定すれば、超音波の伝搬方向に関わらず外面きず（又は内面きず）について略同等の反射エコーの強度を得ることができ、種々の傾斜角度を有するきずを高精度に探傷可能になり、
（２）管状被探傷材に対して複数の異なる伝搬方向に超音波を略同時に送受信可能な構成とすることにより、探傷効率が低下するという問題を解決することができ、
その結果、種々の傾斜角度を有するきずを高精度に且つ高速に探傷することが可能であることに想到した。
【００２２】
本発明は、上記発明者の知見により、完成されたものである。すなわち、本発明は、複数の振動子を備えた超音波探触子を管状の被探傷材に対向配置するステップと、前記管状被探傷材内での超音波の伝搬方向が複数の異なる伝搬方向となるように、前記複数の振動子の中から適宜の振動子を選択して超音波を送受信させるステップとを含み、前記複数の伝搬方向についての超音波の外面屈折角θｒがそれぞれ略同等となるように、及び／又は、前記複数の伝搬方向についての超音波の内面屈折角θｋがそれぞれ略同等となるように、前記超音波探触子による探傷条件を設定することを特徴とする超音波探傷方法を提供するものである。
【００２３】
斯かる発明によれば、複数の伝搬方向についての超音波の外面屈折角θｒがそれぞれ略同等となるように、超音波探触子による探傷条件を設定した場合には、複数の伝搬方向の何れにも関わらず、外面きずについて略同等の反射エコーの強度を得ることができる。また、複数の伝搬方向についての超音波の内面屈折角θｋがそれぞれ略同等となるように、超音波探触子による探傷条件を設定した場合には、複数の伝搬方向の何れにも関わらず、内面きずについて略同等の反射エコーの強度を得ることができる。さらに、複数の伝搬方向についての超音波の外面屈折角θｒ及び内面屈折角θｋの双方がそれぞれ略同等となるように、超音波探触子による探傷条件を設定した場合には、複数の伝搬方向の何れにも関わらず、外面きず及び内面きずについて略同等の反射エコーの強度を得ることができる。従って、複数の伝搬方向にそれぞれ直交する方向に延びる複数のきず（外面きず及び／又は内面きず）を高精度に探傷することが可能である。
【００２４】
また、管状被探傷材に対して複数の異なる伝搬方向に超音波を略同時に送受信することにより、伝搬方向にそれぞれ直交する方向に延びる複数のきずを高速に探傷することが可能である。
【００２５】
以上のように、本発明に係る超音波探傷方法によれば、管状被探傷材の軸方向に対して種々の傾斜角度を有するきずを高精度に且つ高速に探傷することが可能である。なお、本発明における「超音波の伝搬方向」とは、超音波の入射点を含む管状被探傷材の接平面の法線方向から見た超音波の伝搬方向を意味する。また、「外面屈折角」とは、管状被探傷材Ｐの超音波伝搬面において、管状被探傷材Ｐ内に入射した超音波Ｕ（超音波ビームの中心線）が管状被探傷材Ｐの外面に到達した点Ｂにおける管状被探傷材Ｐの法線Ｌ１と前記超音波Ｕ（超音波ビームの中心線）との成す角度θｒを意味する（図４（ｄ）参照）。また、「内面屈折角」とは、管状被探傷材Ｐの超音波伝搬面において、管状被探傷材Ｐ内に入射した超音波Ｕ（超音波ビームの中心線）が管状被探傷材Ｐの内面に到達した点Ａにおける管状被探傷材Ｐの法線Ｌ２と前記超音波Ｕ（超音波ビームの中心線）との成す角度θｋを意味する（図４（ｄ）参照）。さらに、「複数の伝搬方向についての超音波の外面屈折角（又は内面屈折角）がそれぞれ略同等」とは、外面屈折角（又は内面屈折角）の変動範囲が１０°以内であることを意味する。
【００２６】
上記のように、複数の伝搬方向についての超音波の外面屈折角θｒをそれぞれ略同等とする、及び／又は、複数の伝搬方向についての超音波の内面屈折角θｋをそれぞれ略同等とするための具体的方法としては、例えば、複数の振動子をマトリックス状に配列した超音波探触子を用いる方法が考えられる。すなわち、好ましくは、前記超音波探触子は、複数の振動子が平面上又は曲面上にマトリックス状に配列されており、前記複数の伝搬方向についての超音波の外面屈折角θｒがそれぞれ略同等となるように、及び／又は、前記複数の伝搬方向についての超音波の内面屈折角θｋが略同等となるように、前記選択する振動子を決定する方法が採用される。なお、本発明における「複数の振動子が曲面上に配列」とは、曲面の一部と形状が合致するように各振動子（各振動子の振動面）が曲面に形成されている場合の他、各振動子（各振動子の振動面）が平面状に形成され且つそれぞれ曲面と接するように配列されている場合も含む意味として使用している。
【００２７】
前記複数の伝搬方向についての超音波の外面屈折角θｒがそれぞれ略同等となるように選択する振動子は、具体的には、例えば、請求の範囲の請求項３に記載の如く、以下のようにして決定することが可能である。すなわち、前記複数の伝搬方向についての下記の式（１）で表される超音波の外面屈折角θｒがそれぞれ略同等となるように、前記複数の伝搬方向についての前記管状被探傷材への超音波の周方向入射角αｉ及び軸方向入射角βｉをそれぞれ下記の式（１）に基づいて決定し、前記決定した周方向入射角αｉ及び軸方向入射角βｉが得られるように、前記選択する振動子を決定することが可能である。
【数１】
2010266463.tif 000003
ここで、前記式（１）におけるＶｓは管状被探傷材中を伝搬する超音波の伝搬速度を、Ｖｉは超音波探触子と管状被探傷材との間に充填する接触媒質における超音波の伝搬速度を意味する。また、本発明における「周方向入射角」とは、管状被探傷材Ｐの周方向断面において、超音波Ｕ（超音波ビームの中心線）の入射点Ｏにおける管状被探傷材Ｐの法線Ｌ３と前記超音波Ｕ（超音波ビームの中心線）との成す角度αｉを意味する（図４（ｂ）参照）。さらに、「軸方向入射角」とは、管状被探傷材Ｐの軸方向断面において、超音波Ｕ（超音波ビームの中心線）の入射点Ｏにおける管状被探傷材Ｐの法線Ｌ４と前記超音波Ｕ（超音波ビームの中心線）との成す角度βｉを意味する（図４（ｃ）参照）。
【００２８】
また、前記複数の伝搬方向についての超音波の内面屈折角θｋがそれぞれ略同等となるように選択する振動子は、具体的には、例えば、請求の範囲の請求項４に記載の如く、以下のようにして決定することが可能である。すなわち、前記複数の伝搬方向についての下記の式（２）で表される超音波の内面屈折角θｋがそれぞれ略同等となるように、前記複数の伝搬方向についての前記管状被探傷材への超音波の周方向入射角αｉ及び軸方向入射角βｉをそれぞれ下記の式（１）〜（６）に基づいて決定し、前記決定した周方向入射角αｉ及び軸方向入射角βｉが得られるように、前記選択する振動子を決定することが可能である。
【数２】
2010266463.tif 000004
ここで、前記式（２）における外面屈折角θｒ、伝搬角度γ及び角度φは、それぞれ下記の式（１）、（３）及び（４）で表される。
【数３】
2010266463.tif 000005
なお、前記式（１）におけるＶｓは管状被探傷材中を伝搬する超音波の伝搬速度を、Ｖｉは超音波探触子と管状被探傷材との間に充填する接触媒質における超音波の伝搬速度を意味する。また、前記式（４）におけるｋ及びθ’は、それぞれ下記の式（５）及び（６）で表される。
【数４】
2010266463.tif 000006
なお、前記式（５）におけるｔ／Ｄは、管状被探傷材の肉厚対外径比を意味する。また、本発明において、「伝搬角度」とは、管状被探傷材Ｐ内に入射した超音波（超音波ビームの中心線）の伝搬方向（超音波の入射点Ｏを含む管状被探傷材Ｐの接平面の法線方向から見た伝搬方向）と、入射点Ｏを通る管状被探傷材Ｐの周方向接線Ｌとの成す角度γを意味する（図４（ａ）参照）。
【００２９】
一方、前述のように、複数の伝搬方向についての超音波の外面屈折角θｒをそれぞれ略同等とする、及び／又は、複数の伝搬方向についての超音波の内面屈折角θｋをそれぞれ略同等とするための具体的方法としては、所定の環状の曲面に沿って配列された複数の振動子を備える超音波探触子を用いる方法が考えられる。すなわち、好ましくは、前記超音波探触子は、所定の回転楕円体を、当該回転楕円体の中心を通らず且つ当該回転楕円体の中心を挟まずに対向し、なお且つ当該回転楕円体の回転軸に直交する２つの平行な平面で切断して得られる環状の曲面に沿って配列された複数の振動子を備え、前記超音波探触子を前記管状被探傷材に対向配置するステップでは、前記超音波探触子の長径方向が前記管状被探傷材の軸方向に沿い、前記超音波探触子の短径方向が前記管状被探傷材の周方向に沿い、なお且つ前記回転楕円体の中心が前記管状被探傷材の軸心に正対するように配置し、前記複数の伝搬方向についての超音波の外面屈折角θｒがそれぞれ略同等となるように、及び／又は、前記複数の伝搬方向についての超音波の内面屈折角θｋが略同等となるように、前記環状の曲面の形状を決定する方法が採用される。なお、本発明における「環状の曲面に沿って配列された複数の振動子」とは、環状の曲面の一部と形状が合致するように各振動子（各振動子の振動面）が曲面に形成されている場合の他、各振動子（各振動子の振動面）が平面状に形成され且つそれぞれ環状の曲面と接するように配列されている場合も含む意味として使用している。また、本発明における「回転楕円体の中心が管状被探傷材の軸心に正対する」とは、回転楕円体の中心を通り且つ前記２つの平行な平面に直交する直線（回転楕円体の回転軸に相当する）が管状被探傷材の軸心を通る意味として使用している。また、本発明における「回転楕円体」とは、長径と短径とが等しい球体をも含む用語として使用している。
【００３０】
前記複数の伝搬方向についての超音波の外面屈折角θｒがそれぞれ略同等となるような環状の曲面の形状は、例えば、以下のようにして、決定することが可能である。すなわち、前記複数の伝搬方向についての下記の式（７）で表される超音波の外面屈折角θｒがそれぞれ略同等となるように、前記複数の伝搬方向についての前記管状被探傷材への超音波の入射角θｗをそれぞれ下記の式（７）に基づいて算出し、前記算出した入射角θｗが得られるように、前記環状の曲面の形状を決定する。
【数５】
2010266463.tif 000007
ここで、前記式（７）におけるＶｓは管状被探傷材中を伝搬する超音波の伝搬速度を、Ｖｉは超音波探触子と管状被探傷材との間に充填する接触媒質における超音波の伝搬速度を意味する。また、本発明における「管状被探傷材への超音波の入射角」とは、管状被探傷材Ｐの超音波伝搬面において、超音波Ｕ（超音波ビームの中心線）の入射点Ｏにおける管状被探傷材Ｐの法線Ｌ３と前記超音波Ｕ（超音波ビームの中心線）との成す角度θｗを意味する（図６（ｄ）参照）。また、入射角θｗが決まれば、スネルの法則によって屈折角θｓは一意的に定まるため、本発明における「入射角θｗを設定」するとは、文字通り入射角θｗを設定する場合のみならず、屈折角θｓを設定する場合をも含む概念である。
【００３１】
また、前記複数の伝搬方向についての超音波の内面屈折角θｋがそれぞれ略同等となるような環状の曲面の形状は、例えば、以下のようにして、決定することが可能である。すなわち、前記複数の伝搬方向についての下記の式（２）で表される超音波の内面屈折角θｋがそれぞれ略同等となるように、前記複数の伝搬方向についての前記管状被探傷材への超音波の入射角θｗを下記の式（７）に基づいて算出し、前記算出した入射角θｗが得られるように、前記環状の曲面の形状を決定する。
【数６】
2010266463.tif 000008
ここで、前記式（２）における外面屈折角θｒ、伝搬角度γ及び角度φは、それぞれ下記の式（７）、（３）及び（４）で表される。
【数７】
2010266463.tif 000009
なお、前記式（７）におけるＶｓは管状被探傷材中を伝搬する超音波の伝搬速度を、Ｖｉは超音波探触子と管状被探傷材との間に充填する接触媒質における超音波の伝搬速度を意味する。また、前記式（４）におけるｋ及びθ’は、それぞれ下記の式（５）及び（６）で表される。
【数８】
2010266463.tif 000010
なお、前記式（５）におけるｔ／Ｄは、管状被探傷材の肉厚対外径比を意味する。
【００３２】
ここで、管状被探傷材の探傷は、横波超音波を用いた斜角探傷方法を用いてなされるのが一般的である。この斜角探傷方法は、縦波臨界角以上の角度で管状被探傷材に超音波を斜入射させて、縦波超音波を管状被探傷材表面で全反射させる一方、横波超音波を管状被探傷材内に伝搬させる。この際、横波超音波の屈折角（横波屈折角）は約３５°以上でなければならない。従って、本発明に係る方法によって管状被探傷材を探傷するに際し、長径方向が管状被探傷材の軸方向に沿い、短径方向が管状被探傷材の周方向に沿い、なお且つ回転楕円体の中心が管状被探傷材の軸心に正対して管状被探傷材の外面近傍に位置するように超音波探触子を管状被探傷材に対向配置した場合、管状被探傷材内に入射される縦波超音波を少しでも少なくするには、少なくとも超音波探触子の長径部に位置する振動子（送信された超音波の管状被探傷材への入射角、ひいては屈折角が最も大きくなる振動子）から送信される超音波が、３５°以上の横波屈折角で管状被探傷材内に伝搬するように環状の曲面の形状を決定すればよい。
【００３３】
従って、好ましくは、前記超音波探触子を前記管状被探傷材に対向配置するステップでは、前記回転楕円体の中心が前記管状被探傷材の軸心に正対し且つ前記管状被探傷材の外面近傍に位置するように配置し、前記複数の振動子の内、少なくとも前記超音波探触子の長径部に位置する振動子から送信される超音波が、３５°以上の横波屈折角で前記管状被探傷材内に伝搬するように、前記環状の曲面の形状を決定すればよい。
【００３４】
斯かる好ましい構成によれば、少なくとも超音波探触子の長径部に位置する振動子から送信される超音波（すなわち、管状被探傷材の軸方向に伝搬する超音波）については、管状被探傷材内に横波超音波を伝搬させることが可能である。
【００３５】
また、前記課題を解決するべく、本発明は、管状の被探傷材を超音波探傷するための超音波探傷装置であって、前記管状被探傷材に対向配置され、行方向及び列方向にそれぞれ複数の振動子が平面上又は曲面上にマトリックス状に配列された超音波探触子と、前記超音波探触子による超音波の送受信を制御する送受信制御手段とを備え、前記送受信制御手段は、前記複数の振動子の中から、少なくとも一つの振動子を含む一の振動子群を選択し、該選択した一の振動子群から前記管状被探傷材内の一の伝搬方向に超音波を送受信させる一方、前記一の振動子群を構成する振動子とは行方向及び列方向の位置が異なる少なくとも一つの振動子を含む他の振動子群を選択し、該選択した他の振動子群から前記管状被探傷材内の前記一の伝搬方向とは異なる他の伝搬方向に超音波を送受信させることを特徴とする超音波探傷装置としても提供される。
【００３６】
斯かる発明によれば、まず送受信制御手段によって、マトリックス状に配列された複数の振動子の中から、少なくとも一つの振動子を含む一の振動子群が選択され、当該選択された一の振動子群から管状被探傷材の一の伝搬方向に超音波が送受信される。ここで、一の伝搬方向に送受信される超音波により、該一の伝搬方向に直交する方向に延びるきず（以下、「第１のきず」という）が検出されることになる。なお、複数の振動子が曲面上にマトリックス状に配列された超音波探触子を採用する場合、その曲面の曲率半径及び各振動子の位置によって各振動子から送受信される超音波の方向が決まるため、複数の振動子の中から、前記一の伝搬方向に超音波を送受信可能な振動子群を単純に選択すればよい。一方、複数の振動子が平面上にマトリックス状に配列された超音波探触子を採用する場合には、前記選択した一の振動子群から前記一の伝搬方向に超音波が送受信されるように、前記一の振動子群を構成する各振動子による超音波の送受信タイミングを制御する構成を採用することが可能である。
【００３７】
次に、本発明によれば、送受信制御手段によって、マトリックス状に配列された複数の振動子の中から、前記一の振動子群を構成する振動子とは行方向及び列方向の位置が異なる少なくとも一つの振動子を含む他の振動子群が選択され、当該選択された他の振動子群から管状被探傷材の前記一の伝搬方向とは異なる他の伝搬方向に超音波が送受信される。前記他の伝搬方向に送受信される超音波により、該他の伝搬方向に直交する方向に延びるきず（以下、「第２のきず」という）が検出されることになる。ここで、他の振動子群は、一の振動子群を構成する振動子とは行方向及び列方向の位置が異なる振動子を含むため、超音波の伝搬方向が一の伝搬方向から他の伝搬方向に変更されるのみではなく、これと同時に、超音波を送受信する振動子群の管状被探傷材周方向に沿った位置も変更されることになる。従って、この位置の変更量を適切に設定すれば、第１のきず及び第２のきずの双方について超音波の伝搬方向を直交させると同時に、外面屈折角θｋ及び／又は内面屈折角θｒを略一定にすることができ、各きずの傾斜角度に関わらずに同等の反射エコー強度を得ることが可能である。このようにして、超音波の伝搬方向の数に等しい数の振動子群を選択し、当該選択した各振動子群から超音波を送受信するように構成すれば、前記伝搬方向の数に応じた種々の傾斜角度を有するきずを高精度に探傷することが可能である。
【００３８】
また、選択した各振動子群からそれぞれ超音波を略同時に送受信する構成を採用することにより、種々の傾斜角度を有するきずを高速に探傷することが可能である。
【００３９】
以上のように、本発明に係る超音波探傷装置によれば、管状被探傷材の軸方向に対して種々の傾斜角度を有するきずを高精度に且つ高速に探傷することが可能である。
【００４０】
ここで、選択した各振動子群から送信した超音波が管状被探傷材に入射するまでに要する時間は、各振動子群と超音波入射点との距離によって異なる。各振動子群と超音波入射点との距離は、超音波探触子や管状被探傷材の形状によって異なるため、選択した各振動子群から同じタイミングで超音波を送信したとしても、実際に管状被探傷材に超音波が入射するタイミング、ひいては管状被探傷材表面（内外面）での反射エコーの受信タイミングは異なる。このため、各振動子群で受信した反射エコーを合成し、当該合成した反射エコーに基づいてきずを検出する場合には、各振動子群から送信した超音波の入射タイミングが異なることに起因して、各振動子群で受信した管状被探傷材表面（内外面）での反射エコーが連続し或いは一部が重なり合い、管状被探傷材表面での反射エコー全体の幅が拡がる結果、管状被探傷材内外面近傍での不感帯が増大するおそれがある。
【００４１】
斯かる問題を回避するには、前記送受信制御手段は、前記一の振動子群から送信された超音波の前記管状被探傷材表面での反射エコーの受信タイミングと、前記他の振動子群から送信された超音波の前記管状被探傷材表面での反射エコーの受信タイミングとが略同一となるように、前記一の振動子群及び前記他の振動子群の超音波の送信タイミング又は受信タイミングを制御することが好ましい。
【００４２】
斯かる好ましい発明によれば、一の振動子群から送信された超音波の管状被探傷材表面での反射エコーの受信タイミングと、他の振動子群から送信された超音波の管状被探傷材表面での反射エコーの受信タイミングとが略同一となるように（例えば、送信される超音波のパルス幅以下の時間差となるように）、一の振動子群及び他の振動子群の超音波の送信タイミング又は受信タイミングが制御されるため、たとえ各振動子群で受信した反射エコーを合成し、当該合成した反射エコーに基づいてきずを検出する構成を採用したとしても、管状被探傷材内外面近傍での不感帯を低減することが可能である。
【００４３】
また、前記課題を解決するべく、本発明は、請求項１に記載の如く、管状の被探傷材を超音波探傷するための超音波探触子であって、環状の曲面に沿って配列された複数の振動子を備え、前記環状の曲面は、所定の回転楕円体を、当該回転楕円体の中心を通らず且つ当該回転楕円体の中心を挟まずに対向し、なお且つ当該回転楕円体の回転軸に直交する２つの平行な平面で切断して得られる曲面であることを特徴とする超音波探触子としても提供される。
【００４４】
斯かる超音波探触子によれば、所定の回転楕円体を、当該回転楕円体の中心を通らず且つ当該回転楕円体の中心を挟まずに対向し、なお且つ当該回転楕円体の回転軸に直交する２つの平行な平面で切断して得られる環状の曲面に沿って複数の振動子が配列されているため、各振動子から送信された超音波は、回転楕円体の中心に向かって伝搬される。そして、長径方向が管状被探傷材の軸方向に沿い、短径方向が管状被探傷材の周方向に沿い、なお且つ回転楕円体の中心が管状被探傷材の軸心に正対するように、本発明に係る超音波探触子を管状被探傷材に対して対向配置すると共に、例えば、検出対象とする所定の傾斜角度を有するきずの延びる方向と超音波の伝搬方向とが直交するように、超音波を送信する振動子を選択（検出対象とするきずの傾斜角度の数に等しい数の振動子を選択）すれば良い。この際、回転楕円体の中心から見た各振動子の仰角は、各振動子の配列された位置によって異なるため、各振動子から送信された超音波の管状被探傷材への入射角も異なることになる。従って、超音波探触子の形状（環状の曲面の形状）を適切に設定すれば、各振動子から送信される超音波の伝搬方向を検出対象とするきずの延びる方向に直交させると同時に、外面屈折角θｋ及び／又は内面屈折角θｒを略一定にすることができ、各きずの傾斜角度に関わらずに同等の反射エコー強度を得ることが可能である。このようにして、超音波の伝搬方向の数に等しい数の振動子を選択し、当該選択した各振動子から超音波を送受信するように構成すれば、種々の傾斜角度を有するきずを高精度に探傷することが可能である。
【００４５】
また、選択した各振動子からそれぞれ超音波を略同時に送受信することにより、種々の傾斜角度を有するきずを高速に探傷することが可能である。
【００４６】
以上のように、本発明に係る超音波探触子によれば、管状被探傷材の軸方向に対して種々の傾斜角度を有するきずを高精度に且つ高速に探傷することが可能である。
【００４７】
好ましくは、請求項２に記載の如く、前記超音波探触子は、前記回転楕円体の中心を通り且つ前記２つの平行な平面に直交する直線に沿って配置された少なくとも１つの垂直探触子を更に備える。
【００４８】
斯かる好ましい発明によれば、環状の曲面に沿って配列された複数の振動子による探傷（斜角探傷）に加えて、垂直探触子（管状被探傷材の外面に対して垂直に超音波を入射可能な探触子）による垂直探傷が可能となるため、管状被探傷材の斜角探傷と同時に、管状被探傷材の肉厚測定やラミネーションの検出などが可能であるという利点を有する。
【００４９】
また、前記課題を解決するべく、本発明は、請求項３に記載の如く、長径方向が探傷材である管状被探傷材の軸方向に沿い、短径方向が前記管状被探傷材の周方向に沿い、なお且つ前記回転楕円体の中心が前記管状被探傷材の軸心に正対するように前記管状被探傷材に対向配置された請求項１又は２に記載の超音波探触子と、前記超音波探触子による超音波の送受信を制御する送受信制御手段とを備え、前記送受信制御手段は、前記複数の振動子の内、少なくとも２つ以上の振動子から前記管状被探傷材に対して超音波を送受信させることを特徴とすることを特徴とする超音波探傷装置としても提供される。
【００５０】
斯かる発明によれば、送受信制御手段によって、超音波の伝搬方向の数（検出対象とするきずの傾斜角度の数）に等しい数の振動子を選択し、当該選択した各振動子から超音波を送受信することにより、種々の傾斜角度を有するきずを高精度且つ高速に探傷することが可能である。
【００５１】
ここで、前記超音波探触子を前記回転楕円体の中心が前記管状被探傷材の外面近傍から外れるように配置した場合、各振動子から送信された超音波の管状被探傷材への入射点が各振動子毎に異なることになる。従って、前記回転楕円体の中心が前記管状被探傷材の外面近傍に位置するように超音波探触子を配置することを前提にして、各振動子から送信される超音波の伝搬方向を検出対象とするきずの延びる方向に直交させると同時に、外面屈折角及び／又は内面屈折角を略一定にすることができるように超音波探触子の形状（環状の曲面の形状）を決定したとしても、超音波の管状被探傷材への入射点が各振動子毎に異なることに起因して、特に小径の管状被探傷材（外径１００ｍｍ以下）の場合には、予定通りの超音波の伝搬挙動を得ることができず（超音波の伝搬方向に応じて外面屈折角及び／又は内面屈折角が一定にならず）、ひいてはきず検出能が低下することが懸念される。
【００５２】
従って、好ましくは、請求項４に記載の如く、前記超音波探触子は、前記回転楕円体の中心が前記管状被探傷材の外面近傍に位置するように配置される。
【００５３】
斯かる好ましい構成によれば、各振動子から送信された超音波の管状被探傷材への入射点が略一致することになるため、予定通りの超音波の伝搬挙動を得ることができ（超音波の伝搬方向に関わらず外面屈折角及び／又は内面屈折角が略一定になり）、ひいては種々の傾斜角度を有するきずを高精度に探傷することが可能である。
【００５４】
また、好ましくは、請求項５に記載の如く、前記送受信制御手段は、前記管状被探傷材に対して超音波を送受信する少なくとも２つ以上の振動子の内、一の振動子から送信された超音波の前記管状被探傷材表面での反射エコーの受信タイミングと、他の振動子から送信された超音波の前記管状被探傷材表面での反射エコーの受信タイミングとが略同一となるように、前記一の振動子及び前記他の振動子の超音波の送信タイミング又は受信タイミングを制御する。
【００５５】
斯かる好ましい構成によれば、一の振動子から送信された超音波の管状被探傷材表面での反射エコーの受信タイミングと、他の振動子から送信された超音波の管状被探傷材表面での反射エコーの受信タイミングとが略同一となるように（例えば、送信される超音波のパルス幅以下の時間差となるように）、一の振動子及び他の振動子の超音波の送信タイミング又は受信タイミングが制御されるため、たとえ各振動子で受信した反射エコーを合成し、当該合成した反射エコーに基づいてきずを検出する構成を採用したとしても、管状被探傷材内外面近傍での不感帯を低減することが可能である。
【００５６】
ここで、前記超音波探触子を構成する各振動子から送信される超音波の伝搬方向を検出対象とするきずの延びる方向に直交させると同時に、外面屈折角及び／又は内面屈折角を略一定にすることができるように超音波探触子の形状（環状の曲面の形状）を設定する場合、管状被探傷材の肉厚対外径比等に応じて適切な超音波探触子の形状が異なる一方、いったん形状が設定されれば、各振動子から送信される超音波の入射角は各振動子毎に固定の値となる。従って、多種多様の肉厚対外径比等を有する管状被探傷材に対して、適切な形状の超音波探触子をそれぞれ個別に用意しなければならず、コストやメンテナンス性の点で問題がある。
【００５７】
従って、請求項６に記載の如く、前記複数の振動子のそれぞれから前記管状被探傷材に送信する超音波の入射角を調整する調整手段を具備することが好ましい。
【００５８】
斯かる好ましい構成によれば、同一形状の超音波探触子であっても、各振動子から送信される超音波の伝搬方向を検出対象とするきずの延びる方向に直交させると同時に、外屈折角及び／又は内面屈折角を略一定にすることができるように、複数の振動子のそれぞれから管状被探傷材に送信する超音波の入射角を微調整可能であるため、多種多様な形状の超音波探触子を用意する必要が無く、コストやメンテナンス性に優れるという利点が得られる。
【００５９】
なお、前記調整手段としては、例えば、機械的な偏角機構を採用することができる。その他、請求項７に記載の如く、前記複数の振動子のそれぞれは、各振動子の径方向に沿って短冊状に分割された複数の圧電素子を備え、前記調整手段は、前記複数の圧電素子による超音波の送受信タイミングを電気的に制御することによって、前記管状被探傷材に送信する超音波の入射角を調整することも可能である。
【００６０】
斯かる好ましい発明によれば、機械的な偏角機構を採用する場合に比べて、容易且つ再現性良く入射角を調整することが可能である。
【００６１】
また、好ましくは、請求項８に記載の如く、前記超音波探傷装置は、前記管状被探傷材の軸方向に直交する平面内での前記管状被探傷材に対する前記超音波探触子の相対位置を略一定に保持する追従装置を備える。
【００６２】
斯かる好ましい発明によれば、超音波探触子を管状被探傷材の周方向に沿って相対的に回転させると共に、管状被探傷材の軸方向に沿って相対的に移動させて超音波探傷する際に、管状被探傷材の断面形状が真円でなかったり、軸方向の曲がりが生じていたとしても、追従装置によって、管状被探傷材に対する超音波探触子の相対位置を略一定に保持することが可能である。従って、上記好ましい構成によれば、超音波探触子を管状被探傷材に対して相対的に回転させ軸方向に移動させても、各振動子から管状被探傷材への超音波の入射角の変動が抑制され、ひいてはきず検出能を略一定に保つことが可能である。
【００６３】
前記追従装置としては、接触式の変位計を用いた追従装置や、鞍型シューなどの接触式の機械部品から構成される追従装置を採用することも可能である。しかしながら、これらの追従装置を採用する場合には、下記のような問題がある。
（１）管状被探傷材の先後端部において、接触式の変位計や接触式の機械部品が管状被探傷材の外面に接触する際に、或いは外面から離れる際にガタつきやすい。このため、管状被探傷材の先後端部での追従性が低下しやすい。
（２）接触式の追従装置の場合、管状被探傷材外面の僅かな凹凸によって追従性が低下する場合がある（管状被探傷材外面の凹凸性状に鋭敏すぎる）。
（３）繰り返し使用することにより、接触式変位計又は接触式機械部品が摩耗し、これにより追従性が低下する（頻繁にメンテナンスする必要がある）。
そして、上記（１）〜（３）の追従性低下に起因して、きず検出能も低下するおそれがある。
【００６４】
従って、好ましくは、請求項９に記載の如く、前記追従装置は、前記管状被探傷材の外面までの距離を測定する１つ以上の非接触式変位計と、前記管状被探傷材の軸方向に直交する２つの軸方向に沿って前記超音波探触子を移動させる位置決め機構と、該位置決め機構を制御する位置決め制御手段とを備え、前記位置決め制御手段は、前記非接触式変位計で測定した距離に基づいて、前記管状被探傷材に対する前記超音波探触子の相対位置が略一定となるように前記位置決め機構を制御する。
【００６５】
斯かる好ましい発明によれば、管状被探傷材に接触しない非接触式変位計を用いて算出した超音波探触子と管状被探傷材の外面までの距離に基づいて、管状被探傷材に対する超音波探触子の相対位置が略一定となるように位置決め機構を制御する（超音波探触子の位置を調整する）ため、前述した接触式追従装置を採用する場合に比べて、良好な追従性を得ることができ、ひいては良好なきず検出能を得ることが可能である。
【００６６】
また、前記課題を解決するべく、本発明は、請求項１０に記載の如く、請求項３から９の何れかの超音波探傷装置を用いて、前記超音波探触子を前記管状被探傷材の周方向に沿って相対的に回転させると共に、前記管状被探傷材の軸方向に沿って相対的に移動させることにより、前記管状被探傷材の全長又はその一部を探傷することを特徴とする超音波探傷方法としても提供される。
【００６７】
さらに、前記課題を解決するべく、本発明は、請求の範囲の請求項１１に記載の如く、素材ビレットを穿孔加工することによって継目無管を製造する第１工程と、前記第１工程によって製造された継目無管を請求項１０に記載の超音波探傷方法を用いて探傷する第２工程とを含むことを特徴とする継目無管の製造方法としても提供される。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】図１は、従来のアレイ型超音波探触子を適用した探傷方法における傾斜きずの傾斜角度と反射エコー強度との関係の一例を示す図である。
【図２】図２は、従来のアレイ型超音波探触子を適用した探傷方法における傾斜きずの傾斜角度と傾斜きずへの超音波の入射角との関係を示す図である。
【図３】図３は、本発明の第１実施形態に係る超音波探傷装置の概略構成を示す模式図である。
【図４】図４は、図３に示す超音波探傷装置における超音波の伝搬挙動を示す説明図であり、図４（ａ）は斜視図を、図４（ｂ）は管周方向断面図を、図４（ｃ）は管軸方向断面図を、図４（ｄ）は超音波伝搬面に沿った断面図を示す。
【図５】図５は、本発明の第２実施形態に係る超音波探傷装置の概略構成を示す模式図であり、図５（ａ）は斜視図を、図５（ｂ）は平面図を、図５（ｃ）は側面図を、図５（ｄ）は説明図を示す。
【図６】図６は、図５に示す超音波探傷装置における超音波の伝搬挙動を示す説明図であり、図６（ａ）は斜視図を、図６（ｂ）は管周方向断面図を、図６（ｃ）は平面図を、図６（ｄ）は超音波伝搬面に沿った断面図を示す。
【図７】図７は、本発明の実施例１に係る超音波探傷装置によって探傷試験を実施することにより得られた各内面きずでの反射エコー強度を示す。
【図８】図８は、本発明の実施例１において、各振動子の超音波の送信タイミング又は受信タイミングを制御しない場合に得られる波形例を示す。
【図９】図９は、本発明の実施例１において、各振動子の超音波の送信タイミングを制御した場合に得られる波形例を示す。
【図１０】図１０は、本発明の実施例２に係る超音波探傷装置によって探傷試験を実施することにより得られた各内面きずでの反射エコー強度を示す。
【図１１】図１１は、本発明の実施例３に係る超音波探傷装置によって探傷試験を実施することにより得られた各ｔ／Ｄの鋼管に形成した各内面きずでの反射エコー強度を示す。
【図１２】図１２は、本発明の実施例４に係る超音波探傷装置の概略構成を示す図であり、図１２（ａ）は正面視断面図を、図１２（ｂ）は平面図を、図１２（ｃ）は側面視断面図を示す。
【図１３】図１３は、本発明の実施例４に係る超音波探傷装置が備える追従装置の概略構成を示す図である。
【図１４】図１４は、本発明の実施例４に係る超音波探傷装置において、１つの振動子のみで超音波を送受信した場合に得られる探傷波形の一例を示す。
【図１５】図１５は、本発明の実施例４に係る超音波探傷装置において、４つの各振動子の受信タイミングが略同一になるように制御して、各振動子で超音波を送受信した場合に得られる探傷波形の一例を示す。
【図１６】図１６は、本発明の実施例４に係る超音波探傷装置における超音波の伝搬挙動を説明するための図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６９】
以下、添付図面を適宜参照しつつ、本発明の実施形態について、鋼管などの管に適用する場合を例に挙げて説明する。
【００７０】
＜第１実施形態＞
図３は、本発明の第１実施形態に係る超音波探傷装置の概略構成を示す模式図である。図４は、図３に示す超音波探傷装置における超音波の伝搬挙動を示す説明図であり、図４（ａ）は斜視図を、図４（ｂ）は管周方向断面図を、図４（ｃ）は管軸方向断面図を、図４（ｄ）は超音波伝搬面（図４（ａ）に示す点Ｏ、点Ａ及び点Ｂを含む面）に沿った断面図を示す。図３に示すように、本実施形態に係る超音波探傷装置１００は、管Ｐを超音波探傷するための超音波探傷装置であって、行方向及び列方向にそれぞれ複数の振動子１１が平面上又は曲面上にマトリックス状に配列（図３に示す例では、行方向に湾曲した円筒上にマトリックス状に配列）された超音波探触子１と、超音波探触子１による超音波の送受信を制御する送受信制御手段２と備えている。また、本実施形態に係る超音波探傷装置１００は、管Ｐからの反射エコー（より具体的には、後述する波形合成回路２２３で合成された反射エコー）の振幅を所定のしきい値と比較することにより、管Ｐに存在するきずを検出するきず判定回路３と、きず判定回路３によってきずが検出された場合に所定の警報等を出力するための警報等出力手段４とを備えている。
【００７１】
超音波探触子１は、前記行方向が管Ｐの軸方向に沿い、前記列方向が管Ｐの周方向に沿うように管Ｐに対向配置されている。
【００７２】
本実施形態に係る送受信制御手段２は、送信回路２１と、受信回路２２と、制御回路２３とを具備する。送信回路２１は、各振動子１１にそれぞれ接続され各振動子１１から超音波を送信させるためのパルス信号を供給するパルサー２１１と、各パルサー２１１から各振動子１１に供給するパルス信号の遅延時間を設定するための遅延回路２１２とを具備する。受信回路２２は、各振動子１１にそれぞれ接続され各振動子１１で受信した反射エコーを増幅するためのレシーバ２２１と、各レシーバ２２１で増幅された反射エコーの遅延時間を設定するための遅延回路２２２と、各遅延回路２２２で遅延時間を設定された反射エコーを合成するための波形合成回路２２３とを具備する。制御回路２３は、配列された複数の振動子１１の内、超音波を送受信する振動子１１を選択すると共に、当該選択した各振動子１１についての遅延回路２１２又は遅延回路２２２で設定される遅延時間を決定するように動作する。
【００７３】
以上の構成を有する送受信制御手段２（制御回路２３）は、マトリックス状に配列された複数の振動子１１の内、所定の列に配列された一の振動子１１を含む一つ以上の振動子１１からなる一の振動子群を選択し、当該選択した一の振動子群から管Ｐの軸方向に対して所定の角度を成す方向に超音波を送受信させる一方、マトリックス状に配列された複数の振動子１１の内、前記一の振動子１１とは異なる列に配列された他の振動子１１を含む一つ以上の振動子１１からなり前記一の振動子群とは前記列方向に重心の異なる他の振動子群を選択し、当該選択した他の振動子群から管Ｐの軸方向に対して前記所定の角度とは異なる角度を成す方向に超音波を送受信させる。
【００７４】
以下、図４を適宜参照しつつ、上記送受信制御手段２（制御回路２３）の動作について、より具体的に説明する。図４に示すように、超音波探触子１を構成する各振動子１１から送信された超音波は、管Ｐの外面における点Ｏから入射した後、管Ｐの内面における点Ａで反射し、管Ｐの外面における点Ｂに到達する。そして、点Ｏから入射した超音波の伝搬方向（入射点Ｏを含む管Ｐの接平面の法線方向から見た伝搬方向）と、入射点Ｏを通る管Ｐの周方向接線Ｌとの成す角度（伝搬角度）をγ（以下、適宜「伝搬方向γ」ともいう）とし、点Ｂにおける外面屈折角（図４（ｄ）に示す超音波伝搬面において、管Ｐの点Ｂにおける法線Ｌ１と超音波ビームＵとの成す角度）をθｒとし、点Ａにおける内面屈折角（図４（ｄ）に示す超音波伝搬面において、管Ｐの点Ａにおける法線Ｌ２と超音波ビームＵとの成す角度）をθｋとした場合、θｒ、θｋ及びγは、それぞれ以下の式（１）〜（３）で表される。
【数９】
2010266463.tif 000011
【００７５】
ここで、上記式（１）及び式（３）において、αｉは管Ｐへの超音波の周方向入射角（管周方向断面において、管Ｐの点Ｏにおける法線Ｌ３と超音波ビームＵとの成す角度、図４（ｂ）参照）を、βｉは管Ｐへの超音波の軸方向入射角（管軸方向断面において、管Ｐの点Ｏにおける法線Ｌ４と超音波ビームＵとの成す角度、図４（ｃ）参照）を意味する。また、上記式（１）において、Ｖｓは管Ｐ中を伝搬する超音波の伝搬速度を、Ｖｉは振動子１１と管Ｐとの間に充填する接触媒質における超音波の伝搬速度を意味する。さらに、上記式（２）において、φは、図４（ｂ）に示す管軸方向断面において、管中心Ｃ及び点Ｏを通る直線と、管中心Ｃ及び点Ａを通る直線との成す角度（管中心Ｃ及び点Ａを通る直線と、管中心Ｃ及び点Ｂを通る直線との成す角度に等しい）を意味し、下記の式（４）で表される。
【数１０】
2010266463.tif 000012
【００７６】
そして、上記式（４）において、ｋ及びθ’は、それぞれ下記の式（５）及び（６）で表される。
【数１１】
2010266463.tif 000013
【００７７】
上記式（１）及び式（３）から、外面屈折角θｒ及び超音波の伝搬角度γは、管Ｐへの超音波の周方向入射角αｉ及び管Ｐへの超音波の軸方向入射角βｉによって決定する。また、上記式（１）〜（６）を用いて、内面屈折角θｋも同様に、周方向入射角αｉ及び軸方向入射角βｉによって決定する（ただし、厳密には、管Ｐの肉厚対外径比によって決まるφの影響も受ける）。
【００７８】
ここで、前述したように、特許文献２に記載の方法では、超音波探触子を管Ｐの軸心から偏芯させて配置する際の偏芯量を一定にする（すなわち、偏芯量に応じて決定される管Ｐへの周方向入射角αｉを一定にする）条件下で、超音波の伝搬方向と傾斜きずの延びる方向とが直交するように、超音波の管Ｐの軸方向に対する傾斜角度のみを変更（軸方向入射角βｉのみを変更）する。この軸方向入射角βｉのみを変更する方法は、上記式（１）及び式（２）からも導出できるが、外面屈折角θｒ及び内面屈折角θｋが、それぞれ軸方向入射角βｉの変更に応じて変化するため、前述の本発明者の知見のように、超音波の伝搬方向に応じて（傾斜きずの傾斜角度に応じて）反射エコーの強度が異なってしまい、ひいてはきず検出能が変化する。
【００７９】
これに対し、本実施形態に係る超音波探傷装置１００では、前述のように、送受信制御手段２（制御回路２３）が、まず最初に、マトリックス状に配列された複数の振動子１１の中から、少なくとも一つの振動子１１を含む一の振動子群を選択し、当該選択した一の振動子群から管Ｐ内の一の伝搬方向γに超音波を送受信させるように動作する。より具体的に説明すれば、制御回路２３は、検出対象とする所定の傾斜角度を有するきず（第１のきず）の延びる方向と直交する超音波の伝搬方向γが得られるように、上記式（３）に基づいて、周方向入射角αｉ及び軸方向入射角βｉを決定し、これらαｉ及びβｉが得られる振動子群を選択する。
【００８０】
次に、送受信制御手段２（制御回路２３）は、マトリックス状に配列された複数の振動子１１の内、前記一の振動子群を構成する振動子１１とは行方向及び列方向の位置が異なる少なくとも一つの振動子１１を含む他の振動子群を選択し、当該選択した他の振動子群から管Ｐ内の前記一の伝搬方向γとは異なる他の伝搬方向γに超音波を送受信させるように動作する。より具体的に説明すれば、制御回路２３は、検出対象であり且つ前記第１のきずとは異なる傾斜角度を有するきず（第２のきず）の延びる方向と直交する超音波の伝搬方向γが得られるように、上記式（３）に基づいて、周方向入射角αｉ及び軸方向入射角βｉを決定し、これらαｉ及びβｉが得られる他の振動子群を選択する。この際、他の振動子群は、一の振動子群を構成する振動子とは行方向及び列方向の位置が異なる振動子を含むため、一の振動子群から送受信される超音波の周方向入射角αｉと、他の振動子群から送受信される超音波の周方向入射角αｉとは異なる。また、他の振動子群は、一の振動子群とは超音波の伝搬方向γが異なるため、一の振動子群から送受信される超音波の軸方向入射角βｉと、他の振動子群から送受信される超音波の軸方向入射角βｉとは異なる。さらに具体的に説明すれば、他の振動子群を選択するに際しては、一の振動子群についての周方向入射角αｉ及び軸方向入射角βｉとは異なる（式（３）に基づいて、第２のきずの延びる方向と直交する超音波の伝搬方向γが得られるαｉ及びβｉとする）と共に、上記式（１）で決定される外面屈折角θｒ及び上記式（２）で決定される内面屈折角θｋの双方がそれぞれ一の振動子群についてのθｒ及びθｋと略同等になるように、他の振動子群についての周方向入射角αｉ及び軸方向入射角βｉを決定し、当該αｉ及びβｉが得られるように、他の振動子群の内の各振動子１１が選択される。
【００８１】
以上に説明した送受信制御手段２（制御回路２３）の動作により、第１のきず及び第２のきずの双方について、超音波の伝搬方向γを直交させると同時に、屈折角（θｒ、θｋ）を略一定にすることができ、各きずの傾斜角度に関わらずに同等の反射エコー強度を得ることが可能である。このようにして、検出対象とするきずの傾斜角度の数に等しい数の振動子群を選択し、当該選択した各振動子群から超音波を送受信すれば、種々の傾斜角度を有するきずを高精度に探傷することが可能である。また、選択した各振動子群からそれぞれ超音波を略同時に送受信することにより、種々の傾斜角度を有するきずを高速に探傷することが可能である。
【００８２】
なお、本実施形態に係る超音波探傷装置１００では、曲面上にマトリックス状に配列（行方向に湾曲した円筒上にマトリックス状に配列）された超音波探触子１を用いているため、各振動子１１から送受信される超音波の軸方向入射角βｉは、前記曲面の曲率半径及び各振動子１１の位置に応じて決まる。従って、振動子群を選択する際には、複数の振動子１１の内、決定した軸方向入射角βｉが得られる振動子群を単純に選択すればよい。しかしながら、本発明はこれに限るものではなく、複数の振動子１１が平面上にマトリックス状に配列された超音波探触子を採用することも可能である。この場合には、選択した振動子群から決定した軸方向入射角βｉで超音波が送受信されるように、前記選択した振動子群の内の各振動子１１による超音波の送受信タイミングを制御回路２３によって制御すれば良い。
【００８３】
本実施形態に係る超音波探傷装置１００では、前述のように、回路構成を簡略化して製造コストを低減するべく、波形合成回路２２３によって各振動子１１で受信した反射エコーを合成し、当該合成した反射エコーに基づいて、きず判定回路３できずを検出する。このため、本実施形態に係る送受信制御手段２（制御回路２３）は、好ましい構成として、前記一の振動子群から送信された超音波の管Ｐ表面での反射エコーの受信タイミングと、前記他の振動子群から送信された超音波の管Ｐ表面での反射エコーの受信タイミングとが略同一となるように（例えば、送信される超音波のパルス幅以下の時間差となるように）、前記一の振動子群及び前記他の振動子群の超音波の送信タイミング又は受信タイミングを制御（対応する遅延回路２１２又は遅延回路２２２の遅延時間を設定）している。
【００８４】
斯かる好ましい装置により、一の振動子群から送信された超音波の管Ｐ表面での反射エコーの受信タイミングと、他の振動子群から送信された超音波の管Ｐ表面での反射エコーの受信タイミングとが略同一となるため、上記のように波形合成回路２２３によって各振動子１１（各振動子群）で受信した反射エコーを合成しても、各振動子群で受信した管表面（内外面）での反射エコーが連続し或いは一部が重なり合うことにより反射エコー全体の幅が拡大するという状況が生じ難く、管Ｐ内外面近傍での不感帯を低減することが可能である。
【００８５】
＜第２実施形態＞
図５は、本発明の第２実施形態に係る超音波探傷装置の概略構成を示す模式図であり、図５（ａ）は斜視図を、図５（ｂ）は平面図を、図５（ｃ）は側面図を、図５（ｄ）は説明図を示す。図６は、図５に示す超音波探傷装置における超音波の伝搬挙動を示す説明図であり、図６（ａ）は斜視図を、図６（ｂ）は管周方向断面図を、図６（ｃ）は平面図を、図６（ｄ）は超音波伝搬面（図６（ｂ）に示す点Ｏ、点Ａ及び点Ｂを含む面）に沿った断面図を示す。図５に示すように、本実施形態に係る超音波探傷装置１００Ａは、第１実施形態に係る超音波探傷装置１００と同様に、管Ｐを超音波探傷するための超音波探傷装置であって、超音波探触子１Ａと、超音波探触子１Ａによる超音波の送受信を制御する送受信制御手段２Ａとを備えている。また、本実施形態に係る超音波探傷装置１００Ａは、第１実施形態に係る超音波探傷装置１００と同様に、管Ｐからの反射エコーの振幅を所定のしきい値と比較することにより、管Ｐに存在するきずを検出するきず判定回路３と、きず判定回路３によってきずが検出された場合に所定の警報等を出力するための警報等出力手段４とを備えている。なお、送受信制御手段２Ａの機器構成については、第１実施形態に係る超音波探傷装置１００の送受信制御手段２と同様であるので、その詳細な説明は省略する。
【００８６】
超音波探触子１Ａは、環状の曲面に沿って配列された複数の振動子１１を備え、前記環状の曲面は、所定の回転楕円体Ｍを、当該回転楕円体Ｍの中心Ｏを通らず且つ当該回転楕円体の中心Ｏを挟まずに対向し、なお且つ当該回転楕円体の回転軸に直交する２つの平行な平面Ｓ１及びＳ２で切断して得られる曲面である（図５（ｃ）、図５（ｄ）参照）。そして、超音波探触子１Ａは、その長径方向（図５（ｂ）に示すｘ方向）が管Ｐの軸方向に沿い、短径方向（図５（ｂ）に示すｙ方向）が管Ｐの周方向に沿い、なお且つ前記回転楕円体Ｍの中心Ｏが管Ｐの軸心に正対するように管Ｐに対向配置される。
【００８７】
送受信制御手段２Ａは、複数の振動子１１の内、少なくとも２つ以上の振動子１１から管Ｐに対して超音波を送受信させるように動作する。
【００８８】
以下、図６を参照して、超音波探触子１Ａの形状（環状の曲面の形状）を決定する具体的方法について説明する。超音波探触子１Ａの形状を決定する際には、図６に示すように、前記回転楕円体Ｍの中心Ｏが管Ｐの外面近傍に位置する（従って、各振動子１１から送信された超音波が前記中心Ｏを入射点として管Ｐに入射する）ように超音波探触子１Ａを配置した状態を考える。
【００８９】
図６に示すように、超音波探触子１Ａを構成する各振動子１１から送信された超音波は、管Ｐの外面における点Ｏ（回転楕円体の中心Ｏ）から入射した後、管Ｐの内面における点Ａで反射し、管Ｐの外面における点Ｂに到達する。そして、点Ｏから入射した超音波の伝搬方向（入射点Ｏを含む管Ｐの接平面の法線方向から見た伝搬方向）と、入射点Ｏを通る管Ｐの周方向接線Ｌとの成す角度（伝搬角度）をγ（以下、適宜「伝搬方向γ」ともいう）とし、点Ｂにおける外面屈折角（図６（ｄ）に示す超音波伝搬面において、管Ｐの点Ｂにおける法線Ｌ１と超音波ビームＵとの成す角度）をθｒとし、点Ａにおける内面屈折角（図６（ｄ）に示す超音波伝搬面において、管Ｐの点Ａにおける法線Ｌ２と超音波ビームＵとの成す角度）をθｋとする。また、管Ｐへの超音波の入射角（図６（ｄ）に示す超音波伝搬面において、管Ｐの入射点Ｏにおける法線Ｌ３と入射する超音波ビームＵとの成す角度）をθｗとし、管Ｐでの超音波の屈折角（図６（ｄ）に示す超音波伝搬面において、管Ｐの入射点Ｏにおける法線Ｌ３と入射後の超音波ビームＵとの成す角度）をθｓとする。
【００９０】
入射角θｗで管Ｐに入射した超音波は、幾何光学的な伝搬挙動を示す。すなわち、入射角θｗで管Ｐに入射した超音波は、スネルの法則に従って決定される屈折角θｓで管Ｐ内に伝搬することになる。そして、幾何学的に導出されるように、外面屈折角θｒは、屈折角θｓと等しくなる。つまり、下記の式（７）が成立する。
【数１２】
2010266463.tif 000014
ここで、上記式（７）において、Ｖｓは管Ｐ中を伝搬する超音波の伝搬速度を、Ｖｉは超音波探触子１Ａと管Ｐとの間に充填する接触媒質における超音波の伝搬速度を意味する。
【００９１】
一方、前述した式（２）で表される内面屈折角θｋは、上記式（７）及び前述した式（３）〜（６）から導出されるように、入射角θｗ、伝搬角度γ及び管Ｐの肉厚対外径比ｔ／Ｄの関数となる。そして、超音波の伝搬方向γが管Ｐの軸方向に一致する（すなわち、伝搬角度γ＝９０°）ときに最小値となって、外面屈折角θｒ（＝屈折角θｓ）と等しくなり、超音波の伝搬方向γが管Ｐの周方向に一致する（すなわち、伝搬角度γ＝０°）ときに最大値となって、以下の式（８）で表される。
【数１３】
2010266463.tif 000015
【００９２】
ここで、管Ｐの肉厚対外径比ｔ／Ｄが数％程度であれば、上記式（８）によって算出される内面屈折角θｋと外面屈折角θｒとの差は１０°程度の範囲内に収まる。従って、管Ｐの軸方向に延びる内面きず（伝搬方向γが管Ｐの周方向に一致する超音波によって検出）を検出する場合の内面屈折角θｋと、管Ｐの周方向に延びる内面きず（伝搬方向γが管Ｐの軸方向に一致する超音波によって検出）を検出する場合の内面屈折角θｋ（＝θｓ）との差が１０°程度の範囲内に収まることになり、両内面きずの検出能に有意差は生じない。しかしながら、管Ｐのｔ／Ｄが１５％以上になると、上記式（８）によって算出される内面屈折角θｋは、外面屈折角θｓに対して２０°以上も大きくなり（すなわち、伝搬方向γを管Ｐの軸方向から周方向に変更することにより、内面屈折角θｋは２０°以上も大きくなり）、管Ｐの軸方向に延びる内面きずの検出能が大きく低下する。同様にして、管Ｐの軸方向と周方向の間の傾斜角度を有する内面きずについても、内面屈折角θｋの増加に伴って検出能が低下する。
【００９３】
以上に説明した内面屈折角θｋの変動に伴うきずの検出能低下を抑制するには、超音波の伝搬方向γに応じて（すなわち、超音波の伝搬方向γに直交するきずの傾斜角度に応じて）、各伝搬方向γに対応する内面屈折角θｋが略一定の値となるように、各伝搬方向γに対応する屈折角θｓを変更（すなわち、入射角θｗを変更）すればよい。
【００９４】
そこで、本実施形態に係る超音波探触子１Ａは、各振動子１１から送信される超音波の伝搬方向γに応じて、各伝搬方向γに対応する内面屈折角θｋが略一定の値となるように、各伝搬方向γに対応する入射角θｗが変化する形状に設計されている。前述のように、超音波探触子１Ａは、環状の曲面に沿って配列された複数の振動子１１を備え、前記環状の曲面は、所定の回転楕円体Ｍを、当該回転楕円体Ｍの中心Ｏを通らず且つ当該回転楕円体Ｍの中心Ｏを挟まずに対向し、なお且つ当該回転楕円体の回転軸に直交する２つの平行な平面Ｓ１及びＳ２（図５（ｃ）、図５（ｄ）参照）で切断して得られる曲面である。これにより、各振動子１１から送信される超音波の伝搬方向γは−１８０°〜１８０°の範囲内にある。また、回転楕円体Ｍの中心Ｏから見た各振動子１１の仰角は、各振動子１１の配列された位置によって異なる。換言すれば、超音波探触子１Ａの長径、短径及び超音波探触子１Ａの前記回転楕円体Ｍの中心Ｏからの距離に応じて各振動子１１の仰角は定まり、各振動子１１の配列された位置に応じて（各振動子１１から送信される超音波の伝搬方向γに応じて）仰角が異なる。この仰角を９０°から減算した角度が入射角θｗに相当する。従って、本実施形態に係る超音波探触子１Ａは、超音波探触子１Ａの長径、短径及び超音波探触子１Ａの前記回転楕円体Ｍの中心Ｏからの距離を適切に設定することにより、各振動子１１から送信される超音波の伝搬方向γに応じて、各伝搬方向γに対応する内面屈折角θｋが略一定の値となるように、各伝搬方向γに対応する入射角θｗが変化する形状に設計される。
【００９５】
より具体的に説明すれば、図５に示すように、超音波探触子１Ａの長径を２ｘ、短径を２ｙ、超音波探触子１Ａの回転楕円体Ｍの中心Ｏからの距離（回転楕円体Ｍの中心Ｏから平面Ｓ１及びＳ２までの平均距離）をｈとしたとき、超音波探触子１Ａの長径部に位置する振動子１１から送信される超音波の入射角θｗ（θｗ１と称する）と、超音波探触子１Ａの短径部に位置する振動子１１から送信される超音波の入射角θｗ（θｗ２と称する）とは、それぞれ以下の式（９）及び（１０）で表される。
【数１４】
2010266463.tif 000016
【００９６】
そして、上記式（９）及び（１０）で表される入射角θｗ１及びθｗ２が、以下の式（１１）を満足するように、探傷する管Ｐのｔ／Ｄに応じて、超音波探触子１Ａの形状（ｘ、ｙ及びｈ）を決定する。
【数１５】
2010266463.tif 000017
【００９７】
入射角θｗ１及びθｗ２が上記式（１１）を満足することにより、超音波の伝搬方向γが管Ｐの軸方向に一致する場合（超音波探触子１Ａの長径部に位置する振動子１１から超音波を送信した場合）における内面屈折角θｋと、超音波の伝搬方向γが管Ｐの周方向に一致する場合（超音波探触子１Ａの短径部に位置する振動子１１から超音波を送信した場合）における内面屈折角θｋとが略等しくなる。これにより、超音波の伝搬方向γが管Ｐの軸方向と周方向の間にある場合についても、略等しい内面屈折角θｋが得られる。すなわち、超音波の伝搬方向γが−１８０°〜１８０°の範囲内の何れであっても、略等しい内面屈折角θｋが得られる。
【００９８】
なお、入射角θｗ１及びθｗ２が上記式（１１）を満足すれば、超音波探触子１Ａの長径部に位置する振動子１１から送信した超音波の内面屈折角θｋ（以下、適宜θｋ１と称する）と、超音波探触子１Ａの短径部に位置する振動子１１から送信した超音波の内面屈折角θｋ（以下、適宜θｋ２と称する）とが略等しくなる理由は下記の通りである。すなわち、超音波探触子１Ａの長径部に位置する振動子１１から送信した超音波の屈折角をθｓ１、超音波探触子１Ａの短径部に位置する振動子１１から送信した超音波の屈折角をθｓ２とすると、これら屈折角θｓ１及び屈折角θｓ２は、スネルの法則に従って、それぞれ以下の式（１２）及び（１３）で表される。
【数１６】
2010266463.tif 000018
ここで、上記式（１２）及び（１３）において、Ｖｓは管Ｐ中を伝搬する超音波（横波超音波）の伝搬速度を、Ｖｉは振動子１１と管Ｐとの間に充填する接触媒質における超音波（縦波超音波）の伝搬速度を意味する。
【００９９】
そして、超音波探触子１Ａの長径部に位置する振動子１１から送信した超音波は管Ｐの軸方向に伝搬するため、図６を参照して前述したのと同様に、内面屈折角θｋ１と屈折角θｓ１との間には、以下の式（１４）の関係が成立する。一方、超音波探触子１Ａの短径部に位置する振動子１１から送信した超音波は管Ｐの周方向に伝搬するため、前述した式（８）と同様に、内面屈折角θｋ２と屈折角θｓ２との間には、以下の式（１５）の関係が成立する。
【数１７】
2010266463.tif 000019
【０１００】
ここで、θｋ１＝θｋ２とすると、ｓｉｎθｋ１＝ｓｉｎθｋ２が成立する。そして、ｓｉｎθｋ２に上記式（１５）及び式（１３）を適用すれば、以下の式（１６）の関係が成立する。
【数１８】
2010266463.tif 000020
【０１０１】
一方、ｓｉｎθｋ１に上記式（１４）及び式（１２）を適用すれば、以下の式（１７）の関係が成立する。
【数１９】
2010266463.tif 000021
【０１０２】
従って、上記式（１６）及び式（１７）により、以下の式（１８）の関係が成立し、この式（１８）を整理すれば、上記式（１１）が成立する。すなわち、θｋ１＝θｋ２のとき上記式（１１）が成立する。
【数２０】
2010266463.tif 000022
【０１０３】
以上のように、θｋ１＝θｋ２のとき上記式（１１）が成立し、逆に上記式（１１）を満足すれば、θｋ１＝θｋ２が成立する。換言すれば、入射角θｗ１及びθｗ２が上記式（１１）を満足すれば、超音波探触子１Ａの長径部に位置する振動子１１から送信した超音波の内面屈折角θｋ（θｋ１）と、超音波探触子１Ａの短径部に位置する振動子１１から送信した超音波の内面屈折角θｋ（θｋ２）とが略等しくなる。
【０１０４】
本実施形態に係る超音波探触子１Ａの形状は、以上のようにして決定されるため、各振動子１１から送信される超音波の伝搬方向γを検出対象とするきずの延びる方向に直交させると同時に、内面屈折角θｋを略一定にすることができ、各きずの傾斜角度に関わらずに同等の反射エコー強度を得ることが可能である。このようにして、検出対象とするきずの傾斜角度の数に等しい数の振動子１１を送受信制御手段２Ａによって選択し、当該選択した各振動子１１から超音波を送受信すれば、種々の傾斜角度を有するきずを高精度に探傷することが可能である。
【０１０５】
なお、上記式（１１）を満足する入射角θｗ１及びθｗ２の組合せ（つまり、ｘ、ｙ及びｈの組合せ）は種々存在するが、一般的な斜角探傷と同様に管Ｐ内に入射される縦波超音波を少しでも少なくするには、少なくとも超音波探触子１Ａの長径部に位置する振動子１１（送信された超音波の管への入射角θｗ、ひいては屈折角θｓが最も大きくなる振動子）から送信される超音波が、３５°以上の横波屈折角θｓで管Ｐ内に伝搬するように超音波探触子１Ａの形状（ｘ、ｙ及びｈ）を決定すればよい。この場合、前述した管Ｐの肉厚外径比（ｔ／Ｄ）のみならず、管Ｐ中を伝搬する超音波の伝搬速度及び超音波探触子１Ａと管Ｐとの間に充填する接触媒質における超音波の伝搬速度も考慮し、上記式（１１）を満足するｘ、ｙ及びｈの組合せの中から、少なくとも超音波探触子１Ａの長径部に位置する振動子１１から送信される超音波が、３５°以上の横波屈折角θｓで管Ｐ内に伝搬する組合せを選択する。
【０１０６】
すなわち、好ましくは、超音波探触子１Ａの長径方向が管Ｐの軸方向に沿い、超音波探触子１Ａの短径方向が管Ｐの周方向に沿い、なお且つ前記回転楕円体の中心Ｏが管Ｐの軸心に正対して管Ｐの外面近傍に位置するように超音波探触子１Ａを管Ｐに対向配置した場合において、複数の振動子１１の内、少なくとも超音波探触子１Ａの長径部に位置する振動子１１から送信される超音波が、３５°以上の横波屈折角で管Ｐ内に伝搬するように、管Ｐの肉厚外径比（ｔ／Ｄ）、管Ｐ中を伝搬する超音波の伝搬速度及び超音波探触子１Ａと管Ｐとの間に充填する接触媒質における超音波の伝搬速度に基づいて、超音波探触子１Ａの長径２ｘ、短径２ｙ及び超音波探触子１Ａの前記回転楕円体の中心Ｏからの距離ｈが設定される。
【０１０７】
以上のようにして決定した好ましい形状の超音波探触子１Ａによれば、少なくとも超音波探触子１Ａの長径部に位置する振動子１１から送信される超音波（すなわち、管Ｐの軸方向に伝搬する超音波）については、管Ｐ内に横波超音波を伝搬させることが可能である。
【０１０８】
本実施形態に係る超音波探触子１Ａは、前述した形状を決定する際のみならず、実際に探傷する際にも、前記回転楕円体の中心Ｏが管Ｐの外面近傍に位置するように配置することが好ましい。
【０１０９】
斯かる好ましい装置により、各振動子１１から送信された超音波の管Ｐへの入射点が略一致する（回転楕円体の中心Ｏが入射点となる）ことになるため、超音波探触子１Ａの形状を決定した際に予定していた通りの超音波の伝搬挙動を得ることができ（超音波の伝搬方向に関わらず内面屈折角θｋが略一定になり）、ひいては種々の傾斜角度を有するきずを高精度に探傷することが可能である。
【０１１０】
また、本実施形態に係る超音波探傷装置１００Ａの送受信制御手段２Ａは、第１実施形態に係る送受信制御手段２と同様に、好ましくは、管Ｐに対して超音波を送受信する少なくとも２つ以上の振動子１１の内、一の振動子１１から送信された超音波の管Ｐ表面での反射エコーの受信タイミングと、他の振動子１１から送信された超音波の管Ｐ表面での反射エコーの受信タイミングとが略同一となるように（例えば、送信される超音波のパルス幅以下の時間差となるように）、前記一の振動子１１及び前記他の振動子１１の超音波の送信タイミング又は受信タイミングを制御する。
【０１１１】
斯かる好ましい装置により、一の振動子１１から送信された超音波の管Ｐ表面での反射エコーの受信タイミングと、他の振動子１１から送信された超音波の管Ｐ表面での反射エコーの受信タイミングとが略同一となるため、第１実施形態と同様に波形合成回路（図示せず）によって各振動子１１で受信した反射エコーを合成したとしても、各振動子１１で受信した管Ｐ表面（内外面）での反射エコーが連続し或いは一部が重なり合うことにより反射エコーの幅が拡大するという状況が生じ難く、管Ｐ内外面近傍での不感帯を低減することが可能である。
【０１１２】
また、前述のように、本実施形態に係る超音波探触子１Ａは、探傷する管Ｐのｔ／Ｄ等に応じて、超音波探触子１Ａの形状（ｘ、ｙ及びｈ）を決定する。換言すれば、探傷する管Ｐのｔ／Ｄ等に応じて適切な超音波探触子１Ａの形状が異なる。従って、多種多様のｔ／Ｄ等を有する管に対して、適切な形状の超音波探触子１Ａをそれぞれ個別に用意しなければならず、コストやメンテナンス性の点で問題がある。
【０１１３】
斯かる問題を解決するには、複数の振動子１１のそれぞれから管Ｐに送信する超音波の入射角θｗを調整する調整手段を設けることが好ましい。これにより、同一形状（ｘ、ｙ及びｈ）の超音波探触子１Ａであっても、各振動子１１から送信される超音波の伝搬方向γを検出対象とするきずの延びる方向に直交させると同時に、内面屈折角θｋを略一定にすることができるように（前述した式（１１）を満足するように）、複数の振動子１１のそれぞれから管Ｐに送信する超音波の入射角θｗを微調整可能であるため、管Ｐのｔ／Ｄ等に応じた多種多様な形状の超音波探触子１Ａを用意する必要が無く、コストやメンテナンス性に優れるという利点が得られる。
【０１１４】
前記調整手段としては、例えば、機械的な偏角機構を採用することができる。その他、図５（ａ）に示すように、複数の振動子１１のそれぞれが、各振動子１１の径方向に沿って短冊状に分割された複数の圧電素子１１１を備え、前記調整手段（たとえば、送受信制御手段２Ａが前記調整手段として機能する）が、複数の圧電素子１１１による超音波の送受信タイミングを電気的に制御することによって、管Ｐに送信する超音波の入射角θｗを調整することも可能である。この場合、機械的な偏角機構を採用する場合に比べて、容易且つ再現性良く入射角θｗを調整することが可能である。
【０１１５】
なお、本実施形態に係る超音波探触子１Ａの形状によれば、内面屈折角θｋを略一定にすることができる一方、外面屈折角θｒは、伝搬方向γに応じて変化することになる。換言すれば、本実施形態に係る超音波探触子１Ａは、種々の傾斜角度を有する内面きずを高精度に探傷する上で好適な形状とされている。これに対して、種々の傾斜角度を有する外面きずを高精度に探傷するには、外面屈折角θｒを各きずの傾斜角度に関わらずに（すなわち、超音波の伝搬方向γに関わらずに）略一定にする必要がある。前述のように、外面屈折角θｒは屈折角θｓと等しいため、斯かる屈折角θｓを伝搬方向γに関わらずに略一定にすれば良く、このためには入射角θｗを伝搬方向γに関わらずに略一定にすれば良い。入射角θｗを超音波の伝搬方向γに関わらずに略一定にするには、超音波探触子の長径（２ｘ）と短径（２ｙ）の長さを略等しい値に設定すれば良い。すなわち、前記回転楕円体を球体とした場合に得られる形状に設定すれば良い。斯かる形状の超音波探触子によれば、外面屈折角ｒを伝搬方向γに関わらず略一定にすることができ、種々の傾斜角度を有する外面きずを高精度に探傷することが可能である。
【０１１６】
そして、管Ｐにおけるきずの主たる検出対象が内面きず或いは外面きずのいずれであるかに応じて、各きずを検出するのに好適な超音波探触子の形状を選択すれば良い。或いは、内面きず及び外面きずの双方を同等に検出する必要がある場合には、内面きずを検出するのに好適な式（１１）を満足する超音波探触子の形状（ｘ、ｙ及びｈ）と、外面きずを検出するのに好適なｘ＝ｙを満足する超音波探触子の形状との略中間のｘ、ｙの値を有する形状とすれば良い。
【０１１７】
以下、実施例及び比較例を示すことにより、本発明の特徴をより一層明らかにする。
【０１１８】
＜実施例１（図３参照）＞
図３に概略構成を示す超音波探傷装置１００によって、鋼管の内面に形成され、それぞれ異なる傾斜角度（鋼管の軸方向に対して０°、１０°、２０°、３０°、４５°の傾斜角度）を有する複数の内面きず（深さ０．５ｍｍ×長さ２５．４ｍｍ）の探傷試験を実施した。ここで、超音波探触子１は、長さ５ｍｍ×幅３ｍｍで発振周波数２ＭＨｚの複数（３０個）の振動子１１を、行方向（鋼管の軸方向）に曲率半径２００ｍｍで湾曲した円筒上にマトリックス状（１０行×３列）に配列したものとした。以下、適宜、第１列目に配列した振動子１１を＃１〜＃１０、第２列目に配列した振動子１１を＃１１〜＃２０、第３列目に配列した振動子１１を＃２１〜＃３０と称する。
【０１１９】
表１は、第１列目の振動子＃１が傾斜角度０°の内面きず検出に最適となるように、超音波探触子１の偏芯量を調整（すなわち、振動子＃１の周方向入射角αｉを調整）した場合において、当該振動子＃１及びその他の振動子＃２〜＃３０から送信される超音波の軸方向入射角βｉ、超音波の伝搬方向γ、及び内面屈折角θｋを示す。
【表１】
2010266463.tif 000023
【０１２０】
ここで、前述した特許文献２に記載の方法は、言わば第１列目の振動子＃１〜＃１０若しくは第２列目の振動子＃１１〜＃２０又は第３列目の振動子＃２１〜＃３０のみを用いて（周方向入射角αｉを一定にした条件で）、軸方向入射角βｉを変更し、これにより傾斜方向γを変更する方法である。しかしながら、表１から明らかなように、同じ列の振動子１１のみを用いて傾斜方向γを変更したのでは、内面屈折角θｋも変化し、これによりきず検出能が変化する。
【０１２１】
これに対し、本実施例の超音波探傷装置１００では、送受信制御手段２が、マトリックス状に配列された複数の振動子１１の中から、第１列目に配列された少なくとも一の振動子１１を含む一の振動子群（本実施例では、振動子＃１及び＃３）を選択し、当該選択した一の振動子群から鋼管内の一の伝搬方向に超音波を送受信させるように動作する。また、制御回路２３は、マトリックス状に配列された複数の振動子１１の中から、前記一の振動子群を構成する振動子１１とは行方向及び列方向の位置が異なる少なくとも一つの振動子を含む他の振動子群（本実施例では、第２列目の振動子＃１５及び＃１７からなる振動子群と、第３列目の振動子＃３０からなる振動子群）を選択し、当該選択した他の振動子群から鋼管内の他の伝搬方向に超音波を送受信させるように動作する。
【０１２２】
より具体的に説明すれば、本実施例の送受信制御手段２は、
（１）傾斜角度０°の内面きずを検出するために第１列目の振動子＃１を選択し、
（２）傾斜角度１０°の内面きずを検出するために第１列目の振動子＃３を選択し、
（３）傾斜角度２０°の内面きずを検出するために第２列目の振動子＃１５を選択し、
（４）傾斜角度３０°の内面きずを検出するために第２列目の振動子＃１７を選択し、
（５）傾斜角度４５°の内面きずを検出するために第３列目の振動子＃３０を選択し、
各選択した振動子＃１、＃３、＃１５、＃１７及び＃３０から超音波を略同時に送受信するように動作する。
【０１２３】
これにより、表１から明らかなように、それぞれ異なる傾斜角度を有する各内面きずについて、超音波の伝搬方向γを直交させる（γの値と、検出対象とする内面きずの傾斜角度とを略同一にする）と同時に、内面屈折角θｋを略一定の値（約４０°）にすることができる。
【０１２４】
図７は、本実施例に係る超音波探傷装置１００によって探傷試験を実施することにより得られた、各内面きずでの反射エコー強度（傾斜角度０°の内面きずにおける反射エコー強度を０ｄＢとしたときの相対強度）を示す。なお、図７には、比較例として、周方向入射角αｉを一定にした条件で（すなわち、同じ列に配列された振動子１１のみを用いて）、軸方向入射角βｉのみを変更することにより、各内面きずに超音波の伝搬方向γを直交させた場合に得られた各内面きずでの反射エコー強度も示す。図７に示すように、比較例では、きずの傾斜角度が大きくなるにつれて反射エコー強度が低下し、ひいてはきず検出能が低下するのに対し、本実施例では、傾斜角度０°〜４５°までの内面きずについて略同等の反射エコー強度が得られ、ひいては略一定のきず検出能が得られることが分かる。
【０１２５】
なお、本実施例に係る超音波探傷装置１００では、回路構成を簡略化して製造コストを低減するべく、波形合成回路２２３によって各振動子１１（振動子＃１、＃３、＃１５、＃１７及び＃３０）で受信した反射エコーを合成し、当該合成した反射エコーに基づいて、きず判定回路３できずを検出する。そして、送受信制御手段２は、各振動子１１から送信された超音波の鋼管表面での反射エコーの受信タイミングが略同一となるように（送信される超音波のパルス幅以下の時間差となるように）、各振動子１１の超音波の送信タイミング又は受信タイミングを制御（対応する遅延回路２１２又は遅延回路２２２の遅延時間を設定）する。
【０１２６】
図８は、振動子＃１及び＃３０の超音波の送信タイミング又は受信タイミングを制御することなく、振動子＃１及び＃３０から略同時に超音波を送信した場合における、振動子＃１及び＃３０でそれぞれ受信した反射エコー（振動子＃１及び＃３０でそれぞれ受信した鋼管表面（外面）での反射エコー、並びに振動子＃３０によって検出した傾斜角度４５°の内面きずからの反射エコー（きずエコー））を波形合成回路２２３によって合成することにより得られる波形例を示す。図８において、波形Ｅ１は振動子＃３０で受信した鋼管外面の反射エコーに相当し、波形Ｅ２は振動子＃１で受信した鋼管外面の反射エコーに相当する。図８に示すように、振動子＃１及び＃３０の超音波の送信タイミング又は受信タイミングを制御しなければ、波形Ｅ１と波形Ｅ２とが連続し或いは一部が重なり合って、鋼管外面の反射エコー全体の幅が拡大することにより、鋼管外面近傍での不感帯が増大する。これは、振動子＃１から送信された超音波が鋼管外面に到達するまでのビーム路程と、振動子＃３０から送信された超音波が鋼管外面に到達するまでのビーム路程とが異なるために生じる現象である。
【０１２７】
これに対し、本実施例に係る送受信制御手段２は、前述のように、各振動子１１から送信された超音波の鋼管表面での反射エコーの受信タイミングが略同一となるように、各振動子１１の超音波の送信タイミング又は受信タイミングを制御しているため、図８に示す場合に比べて不感帯を低減することが可能である。図９は、本実施例に係る送受信制御手段２によって振動子＃３０の送信タイミングを振動子＃１に対して所定時間だけ遅延させた後、振動子＃１及び＃３０でそれぞれ受信した反射エコーを波形合成回路２２３によって合成することにより得られる波形例を示す。図９に示すように、本実施例に係る送受信制御手段２によって振動子＃３０の送信タイミングを振動子＃１に対して所定時間だけ遅延させることにより、図８に示す波形Ｅ１と波形Ｅ２とが略完全に重なり合う状態となる。図９に示す波形Ｅ１及びＥ２の合成波形（Ｅ１＋Ｅ２）の幅は、図８に示す波形Ｅ１の幅に比べれば若干広いものの、図８に示す不感帯に比べれば約１／３以下に低減できることが分かる。
【０１２８】
＜実施例２（図５参照）＞
図５に概略構成を示す超音波探傷装置１００Ａによって、鋼管（ｔ／Ｄ＝１１％）の内面に形成され、それぞれ異なる傾斜角度を有する複数の内面きず（深さ０．５ｍｍ×長さ２５．４ｍｍ）の探傷試験を実施した。ここで、超音波探触子１Ａは、長さ５ｍｍ×幅３ｍｍで発振周波数２ＭＨｚの複数（３２個）の振動子１１を、所定の回転楕円体を、当該回転楕円体の中心Ｏを通らず且つ当該回転楕円体の中心Ｏを挟まずに対向し、なお且つ当該回転楕円体の回転軸に直交する２つの平行な平面Ｓ１及びＳ２で切断して得られる環状の曲面に沿って配列した。超音波探触子１Ａの形状は、前述した式（９）で表される入射角θｗ１が約１８°、式（１０）で表される入射角θｗ２が約１４°になるように決定した。斯かる入射角θｗ１及びθｗ２は、前述した式（１１）を満足する。
【０１２９】
そして、超音波探触子１Ａの長径方向が鋼管の軸方向に沿い、超音波探触子１Ａの短径方向が鋼管の周方向に沿い、なお且つ前記回転楕円体の中心Ｏが鋼管の軸心に正対して鋼管の外面近傍に位置するように超音波探触子１Ａを鋼管に対向配置した状態で探傷試験を行った。なお、超音波探触子１Ａと鋼管との間に充填する接触媒質としては水を用いた。
【０１３０】
ここで、鋼管内の超音波（横波超音波）の伝搬速度は３２００ｍ／ｓｅｃ、接触媒質である水中の超音波（縦波超音波）の伝搬速度は１５００ｍ／ｓｅｃであることから、超音波探触子１Ａの長径部に位置する振動子１１から送信される超音波の屈折角（入射角θｗ１に対応する屈折角）θｓ（θｓ１と称する）は約４１°となり、超音波探触子１Ａの短径部に位置する振動子１１から送信される超音波の屈折角（入射角θｗ２に対応する屈折角）θｓ（θｓ２と称する）は約３１°となる。
【０１３１】
前述のように、超音波の外面屈折角θｒは、屈折角θｓ１及びθｓ２と等しくなる一方、超音波の内面屈折角θｋは、入射角θｗ、伝搬方向γ及び管Ｐのｔ／Ｄの関数で表される。すなわち、伝搬方向γが鋼管の軸方向に一致するとき、内面屈折角θｋは最小値となって、屈折角θｓ１と等しくなる。つまり、内面屈折角θｋは、約４１°となる。伝搬方向γが鋼管の軸方向から周方向に偏向するに従って一般的に屈折角θｓは大きくなり、伝搬方向γが鋼管の周方向に一致するとき、内面屈折角θｋは最大値となって、前述した式（８）で表される。本実施例の場合、この内面屈折角θｋは、式（８）にｔ／Ｄ＝１１％、θｓ（θｓ２）＝３１°を代入することにより約４１°となり、伝搬方向γが鋼管の軸方向に一致するときの内面屈折角θｋと同等の値になる。これにより、超音波の伝搬方向γが鋼管の軸方向と周方向の間にある場合についても、略等しい内面屈折角θｋが得られる。すなわち、超音波の伝搬方向γが−１８０°〜１８０°の範囲内の何れであっても、略等しい内面屈折角θｋが得られる。
【０１３２】
本実施例に係る超音波探触子１Ａの形状は、以上のようにして決定されているため、各振動子１１から送信される超音波の伝搬方向γを検出対象とするきずの延びる方向に直交させると同時に、内面屈折角θｋをきずの傾斜角度に関わらずに略一定にすることができる。
【０１３３】
図１０は、本実施例に係る超音波探傷装置１００Ａによって探傷試験を実施することにより得られた、各内面きずでの反射エコー強度（傾斜角度０°の内面きずにおける反射エコー強度を０ｄＢとしたときの相対強度）を示す。図１０に示すように、本実施例に係る超音波探傷装置１００Ａによれば、傾斜角度−６７．５°〜９０°までの内面きずについて略同等の反射エコー強度が得られ、ひいては略一定のきず検出能が得られることが分かる。
【０１３４】
なお、本実施例に係る超音波探傷装置１００Ａについても、実施例１に係る超音波探傷装置１００と同様に、送受信制御手段２Ａが、各振動子１１から送信された超音波の鋼管表面での反射エコーの受信タイミングが略同一となるように、各振動子１１の超音波の送信タイミング又は受信タイミングを制御する構成を採用すれば、種々の傾斜角度を有するきずを高速に探傷できると共に、鋼管表面近傍での不感帯を低減することが可能である。
【０１３５】
＜実施例３（図５参照）＞
図５に概略構成を示す超音波探傷装置１００Ａにおいて、実施例２と同様の探傷試験を実施した。ただし、試験条件が、超音波探触子１Ａが備える複数の振動子１１のそれぞれを、各振動子１１の径方向に沿って短冊状に分割された８個の圧電素子１１１で構成した点、並びにｔ／Ｄが１１％だけではなく５％及び１４％の鋼管をも探傷材とした点で相違する。
【０１３６】
超音波探触子１Ａの形状は、実施例２と同様に、ｔ／Ｄ＝１１％の鋼管に対して最適となるように決定する一方、他のｔ／Ｄの鋼管に対しても略同等のきず検出能が得られるように、送受信制御手段２Ａによって複数の圧電素子１１１による超音波の送受信タイミングを電気的に制御することにより、鋼管に送信する超音波の入射角θｗを調整した。
【０１３７】
図１１は、本実施例に係る超音波探傷装置１００Ａによって探傷試験を実施することにより得られた、各ｔ／Ｄの鋼管に形成した各内面きずでの反射エコー強度（ｔ／Ｄ＝１１％の鋼管に形成した傾斜角度０°の内面きずにおける反射エコー強度を０ｄＢとしたときの相対強度）を示す。図１１に示すように、本実施例に係る超音波探傷装置１００Ａによれば、ｔ／Ｄが５％〜１４％までの鋼管における傾斜角度−７０°〜９０°までの内面きずについて略同等の反射エコー強度が得られ、ひいては略一定のきず検出能が得られることが分かる。
【０１３８】
＜実施例４＞
本実施例は、前述した実施例２の変形例であり、鋼管（ｔ／Ｄ＝１１％）の内面に形成された内面きずの探傷試験を実施した。図１２は、本実施例に係る超音波探傷装置１００Ｂの概略構成を示す図であり、図１２（ａ）は正面視断面図を、図１２（ｂ）は平面図を、図１２（ｃ）は側面視断面図を示す。図１２に示すように、本実施例に係る超音波探傷装置１００Ｂは、発振周波数５ＭＨｚの４つの振動子（斜角振動子）１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ、及び発振周波数５ＭＨｚの垂直探触子１２を具備する超音波探触子１Ｂと、これらの振動子１１Ａ〜１１Ｄ及び垂直探触子１２が取り付けられたアクリル製の筐体５と、筐体５の先端部に取り付けられた軟質性のホース６とを備えている。なお、本実施例に係る超音波探傷装置１００Ｂについても、実施例２と同様に、超音波探触子１Ｂによる超音波の送受信を制御する送受信制御手段（図５に示す送受信制御手段２Ａ参照）を備えている。また、鋼管Ｐからの反射エコーの振幅を所定のしきい値と比較することにより、鋼管Ｐに存在するきずを検出するきず判定回路３（図５参照）と、きず判定回路３によってきずが検出された場合に所定の警報等を出力するための警報等出力手段４（図５参照）とを備えている。なお、本実施例の送受信制御手段の機器構成については、図３に示す送受信制御手段２と同様であるので、その詳細な説明は省略する。
【０１３９】
超音波探触子１Ｂが具備する４つの振動子１１Ａ〜１１Ｄは、実施例２と同様に、それらの振動面ＳＡ〜ＳＤが、所定の回転楕円体を、当該回転楕円体の中心Ｏを通らず且つ当該回転楕円体の中心Ｏを挟まずに対向し、なお且つ当該回転楕円体の回転軸に直交する２つの平行な平面で切断して得られる環状の曲面に沿うように配置されている。より具体的には、振動子１１Ａ及び１１Ｂは、前述した式（９）で表される入射角θｗ１が約１８°となるように、超音波探触子１Ｂの長径方向（環状の曲面の長径方向であり、図１２（ｂ）に示すｘ方向）に配置している。振動子１１Ｃ及び１１Ｄは、前述した式（１０）で表される入射角θｗ２が約１４°になるように、超音波探触子１Ｂの短径方向（環状の曲面の短径方向であり、図１２（ｂ）に示すｙ方向）に配置されている。これら入射角θｗ１及びθｗ２は、前述した式（１１）を満足する。
【０１４０】
超音波探触子１Ｂが具備する垂直探触子１２は、その振動面ＳＯが前記回転楕円体の中心Ｏを通り且つ前記２つの平行な平面に直交する直線Ｌ（回転楕円体の回転軸に相当する）に沿うように（図１２に示す例では、回転楕円体の中心Ｏの直上に）配置されている。これにより、振動子１１Ａ〜１１Ｄによる斜角探傷と同時に、垂直探触子１２による鋼管Ｐの肉厚測定やラミネーションの検出などが可能であるという利点が得られる。
【０１４１】
そして、超音波探触子１Ｂの長径方向が鋼管Ｐの軸方向に沿い、超音波探触子１Ｂの短径方向が鋼管Ｐの周方向に沿い、なお且つ前記回転楕円体の中心Ｏが鋼管Ｐの軸心に正対して鋼管Ｐの外面近傍に位置するように超音波探触子１Ｂを鋼管Ｐに対向配置した状態で探傷試験を行った。なお、筐体５の側壁に設けた給水口５１から筐体５内部に給水することにより、超音波探触子１Ｂと鋼管Ｐとの間に接触媒質としての水を充填した。
【０１４２】
ここで、実施例２で説明したのと同様に、鋼管内の超音波（横波超音波）の伝搬速度は３２００ｍ／ｓｅｃ、接触媒質である水中の超音波（縦波超音波）の伝搬速度は１５００ｍ／ｓｅｃであることから、超音波探触子１Ｂの長径部に位置する振動子１１Ａ、１１Ｂから送信される超音波の屈折角（入射角θｗ１に対応する屈折角）θｓ（θｓ１と称する）は約４１°となり、超音波探触子１Ｂの短径部に位置する振動子１１Ｃ、１１Ｄから送信される超音波の屈折角（入射角θｗ２に対応する屈折角）θｓ（θｓ２と称する）は約３１°となる。
【０１４３】
そして、前述のように、超音波の外面屈折角θｒは、屈折角θｓ１及びθｓ２と等しくなる一方、内面屈折角θｋは、入射角θｗ、伝搬方向γ及び鋼管Ｐのｔ／Ｄの関数で表される。すなわち、伝搬方向γが鋼管Ｐの軸方向に一致するとき、内面屈折角θｋは最小値となって、屈折角θｓ１と等しくなる。つまり、振動子１１Ａ、１１Ｂについての内面屈折角θｋは、約４１°となる。伝搬方向γが鋼管Ｐの軸方向から周方向に偏向するに従って一般的に屈折角θｓは大きくなり、伝搬方向γが鋼管Ｐの周方向に一致するとき、内面屈折角θｋは最大値となって、前述した式（８）で表されることになる。本実施例の場合、振動子１１Ｃ、１１Ｄについての内面屈折角θｋは、式（８）にｔ／Ｄ＝１１％、θｓ（θｓ２）＝３１°を代入することにより約４１°となり、伝搬方向γが鋼管Ｐの軸方向に一致するときの内面屈折角θｋと同等の値になる。
【０１４４】
本実施例に係る超音波探触子１Ｂの形状（振動子１１Ａ〜１１Ｄの配置条件）は、以上のようにして決定されているため、各振動子１１Ａ〜１１Ｄから送信される超音波の伝搬方向γを検出対象とするきずの延びる方向に直交させると同時に、内面屈折角θｋをきずの傾斜角度に関わらずに略一定にすることができる。
【０１４５】
換言すれば、鋼管Ｐの軸方向に沿って配置した振動子１１Ａ、１１Ｂによって鋼管Ｐの周方向に延びるきずを、鋼管Ｐの周方向に沿って配置した振動子１１Ｃ、１１Ｄによって鋼管Ｐの軸方向に延びるきずを、それぞれ精度良く検出することが可能である。
【０１４６】
なお、本実施例では、鋼管Ｐを周方向に回転させると共に軸方向に移動させて超音波探傷が行われる。そして、超音波探傷装置１００Ｂは、好ましくは、鋼管Ｐの軸方向に直交する平面内での鋼管Ｐに対する超音波探触子１Ｂの相対位置を略一定に保持する追従装置を備えている。以下、図１３を適宜参照しつつ、より具体的に説明する。
【０１４７】
図１３は、本実施例に係る超音波探傷装置１００Ｂが備える追従装置の概略構成を示す図である。図１３に示すように、本実施例における追従装置７は、鋼管Ｐの外面までの距離を測定する１つ以上（本実施例では２つ）の非接触式変位計（例えば、レーザ変位計、渦流式変位計、超音波変位計等）７１Ａ、７１Ｂと、鋼管Ｐの軸方向に直交する２つの軸方向（本実施例では、垂直方向（Ｚ方向）及び水平方向（Ｙ方向））に沿って超音波探触子１Ｂを移動させる位置決め機構（本実施例では、油圧シリンダー）７２Ａ、７２Ｂと、位置決め機構７２Ａ、７２Ｂを制御する位置決め制御手段（本実施例では、油圧制御器）７３Ａ、７３Ｂとを備えている。
【０１４８】
本実施例では、非接触式変位計７１Ａで測定した距離が変位計アンプ７４Ａを介して位置決め制御手段７３Ａに入力され、非接触式変位計７１Ｂで測定した距離が変位計アンプ７４Ｂを介して位置決め制御手段７３Ｂに入力される構成を採用している。そして、位置決め制御手段７３Ａは、非接触式変位計７１Ａ（変位計アンプ７４Ａ）から入力された距離測定値に基づいて、鋼管Ｐに対する超音波探触子１Ｂの相対位置が略一定となるように位置決め機構７２Ａを制御（超音波探触子１ＢのＺ方向の位置を調整）する。同様に、位置決め制御手段７３Ｂは、非接触式変位計７１Ｂ（変位計アンプ７４Ｂ）から入力された距離測定値に基づいて、鋼管Ｐに対する超音波探触子１Ｂの相対位置が略一定となるように位置決め機構７２Ｂを制御（超音波探触子１ＢのＹ方向の位置を調整）する。
【０１４９】
より具体的に説明すれば、非接触式変位計７１Ａ、７１Ｂによる鋼管Ｐの外面までの距離測定は、探傷試験を実施している際、常時連続的に行われる。そして、位置決め制御手段７３Ａは、非接触式変位計７１Ａから入力された距離測定値と予め設定した基準距離との偏差がゼロとなるように、位置決め機構７２Ａを駆動する。換言すれば、位置決め制御手段７３Ａは、位置決め機構７２Ａを駆動して、前記偏差に相当する距離だけＺ方向に超音波探触子１Ｂを移動させる。この際、位置決め制御手段７３Ａは、位置決め機構７２Ａの駆動量（超音波探触子１ＢのＺ方向の移動距離）の実績値を随時測定し、当該測定した実績値が前記偏差に等しくなるまで位置決め機構７２Ａを駆動することにより、位置決め精度を高めている。なお、位置決め制御手段７３Ａによる位置決め機構７２Ａの駆動は、非接触式変位計７１Ａによって距離を測定した鋼管Ｐの部位が、所定時間（鋼管Ｐの外径、回転速度によって算出）経過した後に超音波探触子１Ｂが配置された位置（つまり、１８０°回転した位置）に到達するタイミングで実施される。
【０１５０】
同様に、位置決め制御手段７３Ｂは、非接触式変位計７１Ｂから入力された距離測定値と予め設定した基準距離との偏差がゼロとなるように、位置決め機構７２Ｂを駆動する。換言すれば、位置決め制御手段７３Ｂは、位置決め機構７２Ｂを駆動して、前記偏差に相当する距離だけＹ方向に超音波探触子１Ｂを移動させる。この際、位置決め制御手段７３Ｂは、位置決め機構７２Ｂの駆動量（超音波探触子１ＢのＹ方向の移動距離）の実績値を随時測定し、当該測定した実績値が前記偏差に等しくなるまで位置決め機構７２Ｂを駆動することにより、位置決め精度を高めている。なお、位置決め制御手段７３Ｂによる位置決め機構７２Ｂの駆動は、非接触式変位計７１Ｂによって距離を測定した鋼管Ｐの部位が、所定時間（鋼管Ｐの外径、回転速度によって算出）経過した後に１８０°回転した位置に到達するタイミングで実施される。
【０１５１】
なお、本実施例では、非接触式変位計７１Ａで測定した距離に基づいて超音波探触子１ＢのＺ方向の位置を調整し、非接触式変位計７１Ｂで測定した距離に基づいて超音波探触子１ＢのＹ方向の位置を調整する構成について説明したが、これに限るものではない。例えば、非接触式変位計７１Ａによって距離を測定した鋼管Ｐの部位が９０°回転した位置に到達するタイミングで、前記非接触式変位計７１Ａによる距離測定値に基づいて超音波探触子１ＢのＹ方向の位置を調整し、非接触式変位計７１Ｂによって距離を測定した鋼管Ｐの部位が９０°回転した位置に到達するタイミングで、前記非接触式変位計７１Ｂによる距離測定値に基づいて超音波探触子１ＢのＺ方向の位置を調整する構成を採用することも可能である。
【０１５２】
上記のように、本実施例に係る超音波探傷装置１００Ｂは、好ましい構成として追従装置７を備えるため、鋼管Ｐの断面形状が真円でなかったり、軸方向の曲がりが生じていたとしても、追従装置７によって、鋼管Ｐに対する超音波探触子１Ｂの相対位置を略一定に保持することが可能である。従って、超音波探触子１Ｂの各振動子１１Ａ〜１１Ｄから鋼管Ｐへの超音波の入射角の変動が抑制され、ひいてはきず検出能を略一定に保つことが可能である。
【０１５３】
ここで、本実施例に係る超音波探傷装置１００Ｂについても、実施例１、２に係る超音波探傷装置と同様に、送受信制御手段が、各振動子１１Ａ〜１１Ｄから送信された超音波の鋼管Ｐ表面での反射エコーの受信タイミングが略同一となるように、各振動子１１Ａ〜１１Ｄの超音波の送信タイミング又は受信タイミングを制御する。そして、実施例１、２に係る超音波探傷装置と同様に、各振動子１１Ａ〜１１Ｄで受信した反射エコーを合成し、当該合成した反射エコーに基づいてきずを検出する。従って、ほぼ同時に４方向のきずを検出することが可能である。これにより、従来実施されてきた時分割探傷（振動子１１Ａでの探傷→振動子１１Ｂでの探傷→振動子１１Ｃでの探傷→振動子１１Ｄでの探傷→振動子１１Ａでの探傷→以降、繰り返し）に比べて、探傷速度を４倍に向上させることが可能である。
【０１５４】
図１４は、本実施例に係る超音波探傷装置１００Ｂにおいて、振動子１１Ａのみで超音波を送受信した場合に得られる探傷波形（振動子１１Ａで受信した反射エコーの波形）の一例を示す。図１５は、本実施例に係る超音波探傷装置１００Ｂにおいて、各振動子１１Ａ〜１１Ｄの受信タイミングが略同一になるように制御して、各振動子１１Ａ〜１１Ｄで超音波を送受信した場合に得られる探傷波形（振動子１１Ａ〜１１Ｄで受信した反射エコーを合成した波形）の一例を示す。
【０１５５】
一般的な斜角探傷を行ったときに得られる探傷波形と比べると、図１４に示す探傷波形では、形状信号Ｅが出現していることが特徴的である。また、図１５に示す探傷波形では、形状信号Ｅに加えて表面反射信号Ｓが出現していることが特徴的である。これら形状信号Ｅ及び表面反射信号Ｓが出現するのは、２つの振動子を対向配置したためである。つまり、図１２に示す直線Ｌに関して、振動子１１Ａ及び１１Ｂを線対称に、振動子１１Ｃ及び１１Ｄを線対称に、それぞれ配置したためである。
【０１５６】
より具体的に説明すれば、図１６に示すように、形状信号Ｅは、例えば振動子１１Ｂから送信した超音波が鋼管Ｐ外面で反射し、さらに対向配置した振動子１１Ａで反射し、再び鋼管Ｐ外面で反射して、振動子１１Ｂで受信される反射エコーに相当する。また、表面反射信号Ｓは、例えば振動子１１Ｂから送信した超音波が鋼管Ｐ外面で反射し、対向配置した振動子１１Ａで受信される反射エコーに相当する。
【０１５７】
上記のように、本実施例に係る超音波探傷装置１００Ｂで得られる探傷波形には、これら形状信号Ｅ及び表面反射信号Ｓという固定信号（きずの発生に関わらず出現する信号）が出現する。しかしながら、回転楕円体の中心Ｏが鋼管Ｐの軸心に正対して鋼管Ｐの外面近傍に位置するように超音波探触子１Ｂを配置するという条件を維持しつつ、超音波探触子１Ｂの回転楕円体の中心Ｏからの距離ｈ（図５参照）を調整することにより、表面反射信号Ｓと形状信号Ｅとの間に内外面のきず信号を出現させることができるため、従来の斜角探傷と同様にきず検出が可能となる。
【０１５８】
ここで、各振動子１１Ａ〜１１Ｄから送信された超音波の鋼管Ｐ表面での反射エコーの受信タイミングが略同一になるように制御する理由は下記の通りである。
すなわち、
（１）振動子１１Ａから送信した超音波を振動子１１Ｂで受信することにより生じる表面反射信号と、
（２）振動子１１Ｂから送信した超音波を振動子１１Ａで受信することにより生じる表面反射信号と、
（３）振動子１１Ｃから送信した超音波を振動子１１Ｄで受信することにより生じる表面反射信号と、
（４）振動子１１Ｄから送信した超音波を振動子１１Ｃで受信することにより生じる表面反射信号と、
をほぼ同時刻に出現させるためである。
【０１５９】
また、
（５）振動子１１Ａから送信した超音波が振動子１１Ｂで反射し、振動子１１Ａで受信することにより生じる形状信号と、
（６）振動子１１Ｂから送信した超音波が振動子１１Ａで反射し、振動子１１Ｂで受信することにより生じる形状信号と、
（７）振動子１１Ｃから送信した超音波が振動子１１Ｄで反射し、振動子１１Ｃで受信することにより生じる形状信号と、
（８）振動子１１Ｄから送信した超音波が振動子１１Ｃで反射し、振動子１１Ｄで受信することにより生じる形状信号と、
をほぼ同時刻に出現させるためである。
【０１６０】
このように制御することにより、図１５に示す形状信号Ｅ（上記（５）〜（８）の各形状信号を合成した信号）及び表面反射信号Ｓ（上記（１）〜（４）の各表面反射信号を合成した信号）の持続時間（波形の幅）を狭くすることができ、これら固定信号が出現することに起因する不感帯を狭くすることが可能になる。
【０１６１】
以上に説明した本実施例に係る超音波探傷装置１００Ｂは、４方向の斜角探傷及び垂直探傷をほぼ同時に実現しながら、極めてコンパクトな超音波探触子１Ｂの構造としているため、一対の非接触式変位計７１Ａ、７１Ｂ、油圧シリンダー７２Ａ、７２Ｂ及び油圧制御器７３Ａ、７３Ｂを備えた追従装置７を一体化することが可能である。従って、探傷効率を向上させながらも、設備の簡素化、コスト抑制を図ることが可能である。また、非接触式の追従装置７としたため、鋼管Ｐの管端部での追従性が向上し、管端部を含む鋼管Ｐの全長を精度良く探傷することが可能になる。
【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】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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