(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
湾曲した円形の集束型超音波素子を用いた超音波探傷センサにおいて、
センサ中心部から外周に向けて超音波素子の曲率ｒを、
半径Ｒの位置からの半径の増加量をΔＲ、焦点距離ｆにおける必要センサ面積Ｓ0、焦点距離ｆ、とした場合に
ΔＲ＝（Ｓ0ｆ2）／（２πＲ）
ｆ＝−１２５＋３６・ｌｏｇ（ｒ）
と変化させることを特徴とする超音波探傷センサ。
【請求項２】
請求項１の超音波探傷センサにおいて、前記超音波素子の曲率はセンサ中心部から外周に向けて超音波素子の曲率を大きくすることを特徴とする超音波探傷センサ。
【請求項３】
請求項１の超音波探傷センサにおいて、
超音波素子の曲率を連続変化させることを特徴とする超音波探傷センサ。
【請求項４】
請求項１の超音波探傷センサにおいて、
超音波素子をｎ個に分割し、分割した素子間で曲率ｒを変化させることを特徴とする超音波探傷センサ。
【請求項５】
請求項４の超音波探傷センサを用いた超音波探傷において、
焦点距離が探傷距離に合致した超音波素子を用いることを特徴とする超音波探傷方法。
【請求項６】
請求項５の超音波探傷方法において、
各超音波素子から探傷位置に同時に超音波が届くよう、素子間の超音波発振開始時間差を制御することを特徴とする超音波探傷方法。
【請求項７】
請求項４の超音波探傷センサを用いた超音波探傷において、
超音波の広がり範囲が必要な空間分解能以下となる超音波素子を用いることを特徴とする超音波探傷方法。
【請求項８】
請求項７の超音波探傷方法において、
各超音波素子から探傷位置に同時に超音波が届くよう、素子間の超音波発振開始時間差を制御することを特徴とする超音波探傷方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波探傷センサおよびその超音波探傷センサを用いた超音波探傷方法に係り、超音波探傷の高感度に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波探傷（以下、ＵＴと記す）とは、超音波探傷センサ１（以下、センサと記す）から検査対象２内に超音波を送信し、検査対象内の欠陥で反射される超音波３をセンサで受信して欠陥の有無を判断する検査手法である。図１５（ａ）に示すように健全部では欠陥４からセンサへの反射波は発生しないが、図１５（ｂ）に示すように欠陥がある場合に反射波が生じる。
【０００３】
小さな欠陥を検出する場合や超音波の伝播距離が長くなって欠陥に入射する超音波強度が低下する場合、感度を向上する必要がある。
【０００４】
感度向上策として、非特許文献１に記載のように、超音波素子を湾曲させて曲面の中心部へ超音波を集束させるセンサが知られている。
【０００５】
また、図１６に示したように特許文献１では、感度向上のために曲面により構成される超音波素子と、超音波素子と異なる曲率をもつ音響レンズ１０を用いてセンサを構成している。このセンサは、超音波素子と音響レンズそれぞれの曲面の中心に超音波が集束される構成となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−２４４６４号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Japan Probe製品カタログ Ver.8,p.13 http://www.jp-probe.com/catalog_pdf/jp_catalog.pdf
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
非特許文献１の超音波センサを構成する超音波素子の曲率は一定に保たれているため、曲面の中心付近にある集束範囲の音圧は上昇するが、集束範囲からずれた距離の音圧は低下する。このため、高感度で検出できる距離が限定されるという問題があった。
【０００９】
特許文献１においては超音波素子と曲率の異なる音響レンズを組み合わせ、超音波素子と音響レンズのそれぞれの焦点へ超音波を集束させることで超音波の集束範囲を拡張している。この構成のセンサは、検査対象へ音響レンズを密着させる必要があるため、生体等の柔軟な組織のＵＴには適用可能であるが、金属やセラミック等のＵＴには適用できなかった。
【００１０】
本発明は、金属やセラミック等においても焦点距離の範囲を拡張した集束型センサ及びそのセンサを用いたＵＴ方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
超音波素子の曲率を素子の中心から外周にかけて大きくなるように変化させる。曲率は超音波素子の中心からの距離とともに連続的に変化させる。また、超音波素子を複数の領域に分けて、領域ごとに変化させてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、集束型センサの集束範囲を拡張できる。また、焦点距離の範囲を拡張した集束型センサの空間分解能を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施の形態における超音波素子の形状とセンサ構造を示す図。
【図２】超音波集束範囲の素子曲率依存性。
【図３】必要センサ面積の探傷距離依存性。
【図４】超音波素子曲率の超音波素子の半径方向距離依存性。
【図５】第２の実施の形態における超音波素子の形状を示す図。
【図６】第２の実施の形態における超音波素子の曲率決定方法の説明図。
【図７】第２の実施の形態における超音波探傷方法を示す図。
【図８】遅延時間の解析例。
【図９】空間分解能低下機構の説明図。
【図１０】空間分解能向上方法の説明図。
【図１１】第２の実施の形態のセンサを用いた超音波探傷方法のステップ。
【図１２】第２の実施の形態の超音波探傷における信号伝達のフロー図。
【図１３】空間分解能向低下に伴う感度向上機構の説明図。
【図１４】空間分解能と感度の相関図。
【図１５】超音波探傷方法を示す概念図。
【図１６】特許文献１のセンサの構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施例について、以下図面を用いて説明する。
（１）超音波素子の曲率を素子の中心から外周にかけて大きく又は小さくなるように変化させる。曲率は超音波素子の中心からの距離とともに連続的に変化させる。また、超音波素子を複数の領域に分けて、領域ごとに変化させてもよい。
（２）曲率が一定でない超音波素子では素子の部位ごとに超音波が集束する距離が変化するため、素子の一部は探傷位置に集束しない。そこで、超音波素子を分割し、分割した超音波素子のうち探傷位置と集束距離が合致する素子を用いて超音波を発振させる。また、超音波を発振する際に、分割した各超音波素子から探傷距離に同時に超音波が届くよう、各分割素子間の超音波発振開始時間差を制御してもよい。
（３）（２）の構造のセンサでＵＴを行う場合に、空間分解能を目標範囲とする超音波素子を使用し、（２）に対して超音波強度を向上する。また、超音波を発振する際に、分割した各超音波素子から探傷距離に同時に超音波が届くよう、各分割素子間の超音波発振開始時間差を制御してもよい。
【実施例１】
【００１５】
図１〜図４及び数式（１）〜（９）を用いて本発明の第１の実施形態について説明する。
【００１６】
図１（ａ）は第１の実施形態の超音波探傷センサ１に用いる超音波素子５の外形で、円形の超音波素子を用い、超音波素子の曲率を中心から外周に向けて連続的に大きくなるように変化させている。超音波素子の材料としては、ＰＺＴ（圧電セラミック：（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）），ＬｉＮｂＯ2，ＰＶＤＦ（高分子圧電素子：Polyvinylidene Fluoride）等の圧電素子を使用する。図１（ｂ）は図１（ａ）の素子を用いたセンサの構造図で、超音波素子の両端に電極６を設けて電圧を印加する構造としている。また、超音波素子の背面に超音波発振時の残振を吸収するためのバッキング材７を設置している。電極はＡｕを蒸着して形成する。バッキング材としては樹脂にＷやＴａ等の重金属を混合したものを用いる。電極を超音波探傷装置８と接続し、電圧を印加することで超音波を発信し、反射波の振動を超音波素子で電圧に変換して超音波探傷装置で測定する。
【００１７】
図２に集束範囲の素子曲率依存性を示す。ハッチングした部分が音圧が高い集束範囲となる。曲率が大きくなると集束距離が長くなる。集束範囲の音圧は高いが、集束範囲外の音圧は低下する。このため、従来の曲率一定の集束型センサで６０〜１５０mmの距離を探傷しようとした場合、この距離範囲を集束範囲とする曲率は無いため、感度が低下する距離が発生する。しかし、超音波素子の曲率を２２０〜２６０mmの曲率を含むように変化させることにより、６０〜１５０mmの距離を１つのセンサの集束範囲とすることが可能となる。このように超音波素子内で曲率を変化させることで、集束型センサの集束範囲を拡張することができる。
【００１８】
図３に必要素子面積の焦点距離依存性を示す。焦点距離の２乗に比例して欠陥に入射する超音波強度が低下するため、欠陥に入射する超音波強度を一定とするための素子面積Ｓ［mm2］と焦点距離ｆ［ｍ］の関係は数式（１）で記述される。
〔数１〕
Ｓ＝Ｓ0ｆ2                                                          …（１）
【００１９】
ここで、Ｓ0は基準距離の欠陥を検出するために必要なセンサ面積を表す。図３は焦点距離６０mmにおける必要センサ面積が１０mmの場合の、必要素子面積の焦点距離依存性を示した図で、数式（１）で記述されるように焦点距離が長くなるほど必要面積が増加する。本実施の形態に示す円形の素子の場合、直径増加に対する面積の増加率は円外周ほど大きいため、素子外周の超音波素子の曲率を大きくし、素子中心の超音波素子の曲率を最小とすることにより、超音波素子が小型化される。
【００２０】
数式（１）〜（７）と図４を用いて焦点距離６０〜１５０mm、使用超音波素子曲率２６０〜２８０mmとした場合を例にとり、超音波素子の半径の決定方法について説明する。
【００２１】
超音波素子の半径がＲ［mm］からＲ＋ΔＲ［mm］に増加したときの面積増加量ΔＳ［mm2］は数式（２）で記述される。
〔数２〕
ΔＳ＝２・π・Ｒ・ΔＲ                                              …（２）
【００２２】
焦点距離１５０mmを含む素子曲率範囲は２６０〜２８０mmとなるので、曲率を２６０〜２８０mmの範囲で増加させる素子外周における半径増加量は数式（３）となる。
〔数３〕
Ｓ（１５０）＝ΔＳ＝２・π・Ｒ・ΔＲ                                …（３）
【００２３】
ここで、Ｓ（１５０）は数式（１）で与えられる焦点距離１５０mmを探傷するために必要な素子面積である。数式（３）を変形してΔＲ［mm］は
〔数４〕
ΔＲ＝Ｓ（１５０）÷（２・π・Ｒ）                                  …（４）
と求められる。
【００２４】
また、曲率２８０mmの素子の集束範囲は焦点距離７３〜１５０mmを含むこと、必要なセンサ面積は焦点距離が長くなるほど大きくなり焦点距離１５０mmを探傷する超音波素子の外周の面積は焦点距離７３〜１５０mmを探傷するために必要な面積よりも大きいことから、素子外周で焦点距離７３〜１５０mmを探傷可能である。
【００２５】
次に、焦点距離６０mmを探傷する素子中心部の半径Ｒ０を決定する。中心部の素子面積が数式（１）で記述される焦点距離６０mmを探傷するために必要な素子面積Ｓ（６０）と等しいとおくことにより、Ｒ０［mm］は数式（５）で記述される。
〔数５〕
Ｒ０＝√（Ｓ（６０）÷π）                                          …（５）
【００２６】
素子中心から半径Ｒ０内で曲率を２００mmから２２０mmに増加させる。
【００２７】
Ｒ０からΔＲ′半径が増加したときの素子面積で探傷可能な焦点距離ｆ［ｍ］は数式（１）で記述される焦点距離ｆを探傷するために必要なセンサ面積と素子面積は等しくなるため数式（６）の関係を満たす。
〔数６〕
π（Ｒ０＋ΔＲ′）2＝Ｓ0ｆ2                                         …（６）
【００２８】
焦点距離ｆを与える曲率ｒは数式（７）で記述されるため、数式（６）から求められるｆを代入して、直径増加に伴う曲率増加を決定する。
〔数７〕
ｆ＝−１２５＋３６・log（ｒ）                                       …（７）
【００２９】
図４に数式（１）〜（７）を用いて決定した超音波素子曲率の素子半径方向距離依存性を示す。この図の関係を満たすように素子半径と素子曲率を増加させていくことにより、１つの収束型センサで焦点距離６０〜１５０mmの範囲が探傷可能となる。
【００３０】
このように本発明は超音波素子の曲率を変化させることにより、集束距離を拡張しているため、超音波送信面を検査対象に対向させるとともにセンサの外周を検査対象に接触させて、センサと検査対象間にグリセリン等の超音波の伝播物質を充填することにより、生体のような柔軟な組織に限られずに、セラミックや金属等の固体でもＵＴが可能である。また、集束型超音波素子の曲率をセンサの中心から外周にかけて大きなものとしているため、センサが小型化される。
【００３１】
上述した実施例では、集束型超音波素子の曲率をセンサの中心から外周にかけて大きなものとして説明したが、その逆の中心から外周にかけて曲率が小さなセンサとしても良い。
【実施例２】
【００３２】
次に図５〜図１４，数式（１）および数式（８）〜数式（１４）を用いて本発明の第２の実施の形態について説明する。
【００３３】
図５に第２の実施の形態のセンサに用いる超音波素子の構成を示す。本実施形態においては長方形の超音波素子を縦方向にｍ個、横方向にｎ個に分割した構成とし、分割した各超音波素子ごとに曲率を変化させるとともに、中心から横方向に超音波素子の曲率を大きくするものとする。
【００３４】
図６を用いて焦点距離を６０〜１５０mmの範囲とする超音波素子の幅の決定方法について説明する。この焦点距離においては図６の斜線部分の曲率２２０〜２６０mmを探傷に使用する。図６に示すように、この斜線部分の曲率をｎ−１個に分割し、中心からｉ番目の素子の曲率Ｒ（ｉ）［mm］を数式（８）のように決定する。
〔数８〕
Ｒ（ｉ）＝２２０＋（２６０−２２０）×（ｉ−１）÷（ｎ−１）        …（８）
【００３５】
数式（８）で決定したｎ番目の素子の曲率は２６０mmとなる。なおこの分割は例示的なものであり、分割間隔を不等間隔としても良い。焦点距離１５０mmを集束範囲とする素子はｎ番目の素子のみなので、この素子の幅ｗ（ｎ）［mm］は、
〔数９〕
ｗ（ｎ）＝Ｓ（ｎ）÷（２・ｍ・ｈ）                                  …（９）
となる。ここで、Ｓ（ｎ）［mm2］は数式（１）で与えられる焦点距離１５０mmを探傷するために必要なセンサ面積、ｈ［mm］は超音波素子の縦方向の長さを表す。また、焦点距離７０〜１５０mmは曲率２６０mmの素子の集束範囲であること、必要なセンサ面積は焦点距離が長くなるほど大きくなることから、ｎ番目の素子で焦点距離７０〜１５０mmを探傷可能である。そこで、焦点距離６０〜７０mmのセンサ面積が必要面積以上となるよう１〜ｉ−１番目の素子の幅を決定していく。
【００３６】
１番目の素子の曲率は２２０mmで、焦点距離６０mmを集束範囲とする素子はこの素子のみとなる、この素子の幅ｗ（１）［mm］は、
〔数１０〕
ｗ（１）＝Ｓ（１）÷（２・ｍ・ｈ）                                …（１０）
となる。ここで、Ｓ（１）［mm2］は数式（１）で与えられる焦点距離６０mmを探傷するために必要なセンサ面積をあらわす。
【００３７】
焦点距離６０〜７０mmにおいては、ｉ−１番目の素子はｉ番目の素子の焦点距離を収束範囲に含むため、ｉ番目の素子の必要面積は数式（１１）となる。
〔数１１〕
（Ｓ（ｉ）−ΣＳ（ｉ−１））                                      …（１１）
【００３８】
ここで、ΣＳ（ｉ−１）は、１番目からｉ−１番目の素子の面積の和を表す。従って、ｉ番目の素子の幅ｗ（ｉ）［ｍ］は数式（１２）で記述される。
〔数１２〕
ｗ（ｉ）＝（Ｓ（ｉ）−ΣＳ（ｉ−１））÷（２・ｍ・ｈ）            …（１２）
【００３９】
図７に図５の構成の超音波素子を用いたセンサの超音波探傷方法の概念図を示す。この図に示すように、超音波探傷を行う際には、センサ内に平行配置した複数の超音波素子から焦点に同時に超音波が届くように、各超音波素子における超音波発振開始時間を調整する。
【００４０】
ここで、超音波素子と焦点との最大距離をmax（Ｌ）［ｍ］、図中左からｉ番目の超音波素子と焦点との距離をＬｉ［ｍ］、超音波の伝搬速度（音速）をＶ［ｍ／ｓ］、ｉ番目の超音波素子のＸ座標をｘｉ［ｍ］、ｉ番目の超音波素子のＹ座標をｙｉ［ｍ］、焦点のＸ座標をｘｆ［ｍ］、焦点のＹ座標をｙｆ［ｍ］とする。
【００４１】
このとき、ｉ番目の超音波素子と焦点との距離Ｌｉ［ｍ］、及び各超音波素子の超音波発振開始時間差ｄｔ［ｓ］（以下、超音波発振開始時間差を遅延時間と記す）は、次式（１３），（１４）で表される。
〔数１３〕
Ｌｉ＝（（ｘｉ−ｘｆ）2＋（ｙｉ−ｙｆ）2）1/2［ｍ］               …（１３）
〔数１４〕
ｄｔ＝（max（Ｌ）−Ｌｉ）／Ｖ［ｓ］                               …（１４）
【００４２】
図８は、横軸に超音波探傷用センサの各素子の位置をとり、縦軸に遅延時間ｄｔ［ｓ］を示した図である。この図の例では、８個の素子から構成される素子列を、３列設置した例であり、Ｖ＝５７８０［ｍ／ｓ］、ｘｉ＝（０.５ｉ−０.２５）×１０-3［mm］、ｙｉ＝０［ｍ］、ｘｆ＝０［ｍ］、ｙｆ＝３×１０-2［ｍ］のときの遅延時間ｄｔ［ｓ］を示している。この図のとおり、焦点から遠い超音波素子を早く発振させると、各素子から焦点への超音波到達時間が揃うので信号強度を強くすることができる。
【００４３】
図９（ａ）に本実施例の集束型センサで近距離を探傷する場合の更なる改良点を示す。この条件における探傷では、曲率が大きな超音波素子は焦点に集束しないため、集束点の幅が広いものとなる。また、本実施例の集束型センサで長距離を探傷する場合、図９（ｂ）に示すように曲率が小さな超音波素子は焦点に集束しないため、集束点の幅が広いものとなる。このため空間分解能が低下する。そこで、図１０（ａ）に示すとおり、焦点距離が短い場合には曲率が小さく近距離で焦点が合う素子を発信させて超音波探傷する。また、図１０（ｂ）に示すとおり、焦点距離が長い場合には曲率が大きく遠距離で焦点が合う素子を用いて超音波探傷する。図１１に示した探傷ステップと図１２の超音波探傷装置の信号伝達のフロー図を用いてこの超音波探傷方法の手順を示す。
【００４４】
ステップ１０１：超音波素子形状及び検査条件入力ステップ
パソコン９のキーボード２６，記録メディア２７のうち１つ以上の入力装置を用いて、超音波の集束位置と超音波素子の形状を入力する。入力された情報は、パソコンのＩ／Ｏポート２５を介してＣＰＵ２１に伝達され、ハードディスクドライブ２２（以下、ＨＤＤと記す。）、ランダムアクセスメモリ２３（以下、ＲＡＭと記す。）のうち１つ以上の記憶装置に記憶される。
【００４５】
ステップ１０２：使用超音波素子決定ステップ
ステップ１０１で入力した超音波素子の曲率と、リードオンリーメモリ２４（以下、ＲＯＭと記す。），ＨＤＤのうち１つ以上の記憶装置に記憶させてある図２の集束範囲の超音波素子曲率依存性から、ＣＰＵで探傷距離を集束範囲に含む超音波素子を同定し、探傷に使用する素子として決定する。
【００４６】
ステップ１０３：遅延時間解析ステップ
ＣＰＵで、ＲＯＭとＨＤＤのうち１つ以上の記憶装置に記録した数式（１）と数式（２）に、ステップ１０２で決定した使用超音波素子の位置とステップ１０１で入力した焦点位置を代入して遅延時間を解析する。
【００４７】
ステップ１０４：超音波探傷ステップ
遅延時間解析後、パソコンのＩ／Ｏポート，超音波探傷機のＩ／Ｏポート，Ｄ／Ａコンバータ３０を介して超音波素子に電圧を印加し、検査対象内で反射される超音波をセンサで受信して、Ａ／Ｄコンバータ２９，超音波探傷機のＩ／Ｏポート，パソコンのＩ／Ｏポートを介してＣＰＵに伝達する。ＣＰＵでは探傷結果をＨＤＤ，ＲＡＭのうち１つ以上の記憶装置に記録するとともに、Ｉ／Ｏポートを介してモニタ２８に探傷結果を表示する。
【００４８】
また、本構成の超音波探傷センサは空間分解能を低下させることで、感度を向上できる。図１３を用いて空間分解能向低下に伴う感度向上機構を説明する。図１３（ａ）に記載したように焦点距離が探傷距離と一致した素子のみを用いる場合、空間分解能が最も高い。図１３（ｂ）は焦点距離と探傷距離の差が小さい素子も使用した場合の超音波の集束状況の概念図で、空間分解能は低下するが探傷距離に入射する超音波の強度は大きくなる。図１３（ｃ）は焦点距離と探傷距離の差が大きい素子も使用した場合の超音波の集束状況の概念図で、探傷距離における超音波の広がり範囲が広くなり、空間分解能が大きく低下する。また、超音波が広がっているため、探傷距離における超音波強度増加への寄与は小さなものとなる。図１４にこの空間分解能低下と超音波強度増加の相関を示す。焦点距離と探傷距離の差が小さい素子を使用した場合空間分解能低下に対する超音波強度の増加率は、焦点距離と探傷距離の差が大きい素子も使用した場合と比べて大きくなる。従って、焦点距離と探傷距離の差が小さい素子まで使用することにより、少ない空間分解能の低下で超音波強度を向上することが可能となる。
【００４９】
図１１に示した探傷ステップ１０１において空間分解能の許容値を入力し、ステップ１０２で空間分解能が許容範囲となる超音波素子を使用素子として決定することにより、感度を向上することが可能である。
【００５０】
本実施例は以上説明したように構成されているため、第１の実施の形態と同様に集束型センサの集束距離の範囲を拡張できる。また、上述した実施例では、集束型超音波素子の曲率をセンサの中心から外周にかけて大きなものとして説明したが、その逆の中心から外周にかけて曲率が小さなセンサとしても良い。また、探傷距離に集束しない曲率を持つ超音波素子を使用せずにＵＴを実施可能なため、第１の実施の形態と比べて空間分解能が向上される。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明の集束型超音波探傷センサは検査対象の材質に関係なく、生体のみならずセラミックや金属等の固体においても、超音波集束距離が拡張される。
【符号の説明】
【００５２】
１  超音波探傷センサ
２  検査対象
３  超音波
４  欠陥
５  超音波素子
６  電極
７  バッキング材
８  超音波探傷装置
９  パソコン
１０  音響レンズ
２１  ＣＰＵ
２２  ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）
２３  ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）
２４  リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）
２５  Ｉ／Ｏポート
２６  キーボード
２７  記録メディア
２８  モニタ
２９  Ａ／Ｄコンバータ
３０  Ｄ／Ａコンバータ
１０１  超音波素子形状及び検査条件入力ステップ
１０２  使用超音波素子決定ステップ
１０３  遅延時間解析ステップ
１０４  超音波探傷ステップ
【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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