(57)【要約】  超音波測定装置（１）は、素子配列方向（Ｙ軸方向）に沿って配列された複数の超音波放射素子を含むアレイ探触子（１０）と、これら複数の超音波放射素子の最大放射方向と素子配列方向との双方に直交する方向（Ｘ軸方向）にアレイ探触子（１０）を移動させるアクチュエータ（３０）と、試験体（２）の周方向から視たときの超音波ビーム（Ｔｗ）の第１の入射角度を制御する超音波制御部（２１Ａ）と、アクチュエータ（３０）の動作を制御して試験体（２）の長手方向（Ｙ軸方向）から視たときの超音波ビーム（Ｔｗ）の第２の入射角度（αｘｚ）を制御する移動制御部（２２）とを備える。アレイ探触子（１０）における複数の超音波放射素子の最大放射方向は、素子配列方向（Ｙ軸方向）に対して傾斜している。
2017122346.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
柱状構造を有する試験体の性状を判定する超音波測定装置であって、
予め定められた素子配列方向に沿って配列された複数の超音波放射素子を含むアレイ探触子と、
前記複数の超音波放射素子の最大放射方向と前記素子配列方向との双方に直交する方向に沿って前記アレイ探触子を移動させるアクチュエータと、
前記複数の超音波放射素子の各々から超音波が放射されるタイミングを電子的に制御することにより、前記試験体の周方向から視たときの前記試験体へ入射する超音波ビームの第１の入射角度を制御する超音波制御部と、
前記アクチュエータの動作を制御して前記アレイ探触子の移動量を調整することにより、前記試験体の長手方向から視たときの前記試験体への前記超音波ビームの第２の入射角度を制御する移動制御部と
を備え、
前記複数の超音波放射素子の最大放射方向は、前記素子配列方向に対して傾斜していることを特徴とする超音波測定装置。
【請求項２】
請求項１記載の超音波測定装置であって、前記試験体から到来した反射エコーに基づいて前記試験体の内部の性状を判定する性状判定部を更に備え、
前記複数の超音波放射素子は、前記反射エコーを電気信号群に変換して受信信号群を出力し、
前記性状判定部は、前記受信信号群を解析して前記試験体の性状を判定する、
ことを特徴とする超音波測定装置。
【請求項３】
請求項１記載の超音波測定装置であって、前記試験体は、当該試験体の周方向に沿って湾曲する外周面を有することを特徴とする超音波測定装置。
【請求項４】
柱状構造を有する試験体の性状を判定する超音波測定装置であって、
予め定められたアレイ配列方向に沿って配列され、且つ各々が複数の超音波放射素子を含む複数のサブアレイ探触子と、
前記複数の超音波放射素子の最大放射方向と前記アレイ配列方向との双方に直交する方向に沿って前記複数のサブアレイ探触子を移動させるアクチュエータと、
前記複数の超音波放射素子の各々から超音波が放射されるタイミングを電子的に制御することにより、前記試験体の周方向から視たときの前記試験体へ入射する超音波ビームの第１の入射角度を制御する超音波制御部と、
前記アクチュエータの動作を制御して前記複数のサブアレイ探触子の移動量を調整することにより、前記試験体の長手方向から視たときの前記試験体への前記超音波ビームの第２の入射角度を制御する移動制御部と
を備え、
前記複数の超音波放射素子の最大放射方向は、前記アレイ配列方向に対して傾斜していることを特徴とする超音波測定装置。
【請求項５】
請求項４記載の超音波測定装置であって、前記複数の超音波放射素子は、前記アレイ配列方向に対して傾斜する方向に沿って配列されており、前記複数の超音波放射素子の最大放射方向は、当該複数の超音波放射素子の配列方向と直交していることを特徴とする超音波測定装置。
【請求項６】
請求項４記載の超音波測定装置であって、前記試験体から到来した反射エコーに基づいて前記試験体の性状を判定する性状判定部を更に備え、
前記複数の超音波放射素子は、前記反射エコーを電気信号群に変換して受信信号群を出力し、
前記性状判定部は、前記受信信号群を解析して前記試験体の性状を判定する、
ことを特徴とする超音波測定装置。
【請求項７】
請求項４記載の超音波測定装置であって、前記試験体は、当該試験体の周方向に沿って湾曲する外周面を有することを特徴とする超音波測定装置。
【請求項８】
柱状構造を有する試験体の性状を判定する超音波測定装置であって、
予め定められた素子配列方向に沿って配列され、且つ各々が前記素子配列方向とは直交する方向に延在する複数の超音波放射素子を含むアレイ探触子と、
前記複数の超音波放射素子の延在方向が前記試験体の長手方向と平行になる平行状態から、前記延在方向が前記長手方向に対して傾斜する傾斜状態へ前記アレイ探触子の配置状態を変化させるアクチュエータと、
前記複数の超音波放射素子の各々から超音波が放射されるタイミングを電子的に制御することにより、前記長手方向から視たときの前記試験体へ入射する超音波ビームの第１の入射角度を制御する超音波制御部と、
前記アクチュエータの動作を制御して前記試験体の周方向から視たときの前記超音波ビームの第２の入射角度を制御する移動制御部と
を備え、
前記複数の超音波放射素子の最大放射方向は、前記長手方向における前記試験体の中心軸を含む平面に対して傾斜することを特徴とする超音波測定装置。
【請求項９】
請求項８記載の超音波測定装置であって、前記試験体から到来した反射エコーに基づいて前記試験体の性状を判定する性状判定部を更に備え、
前記複数の超音波放射素子は、前記反射エコーを電気信号群に変換して受信信号群を出力し、
前記性状判定部は、前記受信信号群を解析して前記試験体の性状を判定する、
ことを特徴とする超音波測定装置。
【請求項１０】
請求項８記載の超音波測定装置であって、前記試験体は、当該試験体の周方向に沿って湾曲する外周面を有することを特徴とする超音波測定装置。
【請求項１１】
柱状構造を有する試験体の性状を判定する超音波測定装置であって、
各々が複数の超音波放射素子を含み、且つ予め定められたアレイ配列方向に沿って配列された複数のサブアレイ探触子と、
前記複数のサブアレイ探触子を移動させるアクチュエータと、
前記複数の超音波放射素子の各々から超音波が放射されるタイミングを電子的に制御することにより、前記試験体の長手方向から視たときの前記試験体へ入射する超音波ビームの第１の入射角度を制御する超音波制御部と、
前記アクチュエータの動作を制御して前記試験体の周方向から視たときの前記超音波ビームの第２の入射角度を制御する移動制御部と
を備え、
前記複数の超音波放射素子は、前記アレイ配列方向と直交する素子配列方向に沿って配列され、前記複数の超音波放射素子の各々は、前記素子配列方向とは直交する方向に延在しており、
前記アクチュエータは、前記移動制御部による制御に応じて、前記複数の超音波放射素子の延在方向が前記試験体の長手方向と平行になる平行状態から、前記延在方向が前記長手方向に対して傾斜する傾斜状態へ前記複数のサブアレイ探触子の配置状態を変化させ、
前記複数の超音波放射素子の最大放射方向は、前記長手方向における前記試験体の中心軸を含む平面に対して傾斜する
ことを特徴とする超音波測定装置。
【請求項１２】
請求項１１記載の超音波測定装置であって、前記各サブアレイ探触子は、前記超音波ビームを前記長手方向に拡げる音響レンズを有することを特徴とする超音波測定装置。
【請求項１３】
請求項１１記載の超音波測定装置であって、前記超音波制御部は、前記超音波ビームを前記試験体の周方向に集束させることを特徴とする超音波測定装置。
【請求項１４】
請求項１１記載の超音波測定装置であって、前記試験体から到来した反射エコーに基づいて前記試験体の性状を判定する性状判定部を更に備え、
前記複数の超音波放射素子は、前記反射エコーを電気信号群に変換して受信信号群を出力し、
前記性状判定部は、前記受信信号群を解析して前記試験体の性状を判定する、
ことを特徴とする超音波測定装置。
【請求項１５】
請求項１１記載の超音波測定装置であって、前記試験体は、当該試験体の周方向に沿って湾曲する外周面を有することを特徴とする超音波測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を用いて試験体の表面及び内部の物理的な性質または状態（以下「性状」ともいう。）を非破壊で測定するための超音波測定技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超音波測定技術では、超音波を試験体の内部に入射させて当該試験体の内部の欠陥部位で反射された超音波（以下「反射エコー」ともいう。）を検出することにより、当該欠陥部位の性状を判定することができる。また、近年、フェーズドアレイ法と呼ばれる超音波測定技術が注目されている。フェーズドアレイ法は、１次元配列または２次元配列がなされた多数の振動素子を含むアレイ探触子を利用する技術であり、それら多数の振動素子から超音波が放射されるタイミングを電子的に制御することにより、当該超音波の合成波すなわち超音波ビームの波面を制御する方法である。フェーズドアレイ法を使用すれば、たとえば、超音波ビームの伝搬方向及び広がりを電子的に制御することができ、また、試験体内部における超音波ビームの集束位置を電子的に制御することもできる。【０００３】
フェーズドアレイ法に関する従来技術は、たとえば、特許文献１（特開２００６−１７７８４５号公報）に開示されている。特許文献１には、アレイ探触子を使用して被検査管の斜めきずを検出する超音波探傷方法が開示されている。ここで、斜めきずとは、被検査管において当該被検査管の管軸方向から傾斜する方向に延びるきずをいう。この超音波探傷方法では、所定の式を用いた計算によって、超音波ビームの管周方向の入射角及び管軸方向の入射角が算出される。そして、アレイ探触子を構成する各振動素子の発振タイミングを電子的に制御することにより超音波ビームの管軸方向の入射角が当該算出値に設定され、且つ、アレイ型超音波探触子全体の管周方向の傾きまたは管軸中心からの芯ずれ量を機械的に制御することにより超音波ビームの管周方向の入射角が当該算出値に設定される。このように管周方向の入射角及び管軸方向の入射角を設定することによって、被検査管への超音波ビームの入射角が定められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１７７８４５号公報（段落００２０〜００２１、並びに、図１及び段落００２３〜００５０）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
被検査管における斜めきずは、当該斜めきずの傾斜角度が０°〜９０°となる範囲内で発生する可能性がある。しかしながら、特許文献１の従来技術では、アレイ探触子を構成する各振動素子の放射指向性が考慮されていないので、傾斜角度が大きいと、斜めきずの検出精度が低下するおそれが生ずる。【０００６】
すなわち、特許文献１の従来技術では、斜めきずの傾斜角度が大きいと、アレイ探触子を構成する振動素子の最大放射方向（最大放射強度を指す方向）と被検査管への超音波ビームの入射方向との間の差が大きくならざるを得ない場合がある。この場合には、各振動素子の放射指向性に起因して超音波ビームの入射強度が低くなり、これにより反射エコーの受信強度が弱くなる。この結果、その反射エコーのＳＮ比（信号対雑音比）が低下して斜めきずの検出精度を低下させるおそれが生じる。【０００７】
上記に鑑みて本発明の目的は、被検査管などの柱状構造を有する試験体において当該試験体の長軸方向に対して斜め方向に延びる欠陥部位の性状を高い精度で判定することができる超音波測定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様による超音波測定装置は、柱状構造を有する試験体の性状を判定する超音波測定装置であって、予め定められた素子配列方向に沿って配列された複数の超音波放射素子を含むアレイ探触子と、前記複数の超音波放射素子の最大放射方向と前記素子配列方向との双方に直交する方向に前記アレイ探触子を移動させるアクチュエータと、前記複数の超音波放射素子の各々から超音波が放射されるタイミングを電子的に制御することにより、前記試験体の周方向から視たときの前記試験体へ入射する超音波ビームの第１の入射角度を制御する超音波制御部と、前記アクチュエータの動作を制御して前記アレイ探触子の移動量を調整することにより、前記試験体の長手方向から視たときの前記試験体への前記超音波ビームの第２の入射角度を制御する移動制御部とを備え、前記複数の超音波放射素子の最大放射方向は、前記素子配列方向に対して傾斜していることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、超音波放射素子の放射指向性に起因する検出感度の低下が抑制されるので、試験体内部における欠陥部位の性状を高い精度で判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る実施の形態１の超音波測定装置の概略構成を示す図である。
【図２】実施の形態１におけるアレイ探触子と試験体とを概略的に示す断面図である。
【図３】実施の形態１におけるアレイ探触子と試験体とを概略的に示す上面図である。
【図４】図４Ａは、水と鋼との間の超音波の透過の様子を示す図であり、図４Ｂは、水と鋼との間の超音波の横波の往復透過率の測定結果を示すグラフである。
【図５】実施の形態１に係る入射角ときず傾斜角との間の関係を示すグラフである。
【図６】実施の形態１に係る超音波測定方法の手順の一例を示すフローチャートである。
【図７】実施の形態１におけるアレイ探触子と試験体とを概略的に示す断面図である。
【図８】図７に示したＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線におけるアレイ探触子及び試験体の概略断面を示す図である。
【図９】実施の形態１におけるアレイ探触子と試験体とを概略的に示す上面図である。
【図１０】実施の形態１におけるアレイ探触子と試験体とを概略的に示す断面図である。
【図１１】図１０に示したＸＩ−ＸＩ線におけるアレイ探触子及び試験体の概略断面を示す図である。
【図１２】実施の形態１におけるアレイ探触子と試験体とを概略的に示す上面図である。
【図１３】振動素子単体の放射指向性の測定結果の例を示すグラフである。
【図１４】比較例におけるアレイ探触子と試験体とを概略的に示す断面図である。
【図１５】図１４に示したＸＶ−ＸＶ線におけるアレイ探触子及び試験体の概略断面を示す図である。
【図１６】比較例におけるアレイ探触子と試験体とを概略的に示す断面図である。
【図１７】図１６に示したＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ線におけるアレイ探触子及び試験体の概略断面を示す図である。
【図１８】比較例におけるアレイ探触子と試験体とを概略的に示す断面図である。
【図１９】図１９に示したＸＩＸ−ＸＩＸ線におけるアレイ探触子及び試験体の概略断面を示す図である。
【図２０】本発明に係る実施の形態２におけるアレイ探触子の概略断面図である。
【図２１】本発明に係る実施の形態３の超音波測定装置の概略構成を示す図である。
【図２２】実施の形態３におけるアレイ探触子の概略断面図である。
【図２３】実施の形態３におけるアレイ探触子と試験体とを概略的に示す断面図である。
【図２４】実施の形態３におけるアレイ探触子と試験体とを概略的に示す上面図である。
【図２５】実施の形態３におけるアレイ探触子と試験体とを概略的に示す断面図である。
【図２６】実施の形態３におけるアレイ探触子と試験体とを概略的に示す断面図である。
【図２７】実施の形態３におけるアレイ探触子と試験体とを概略的に示す上面図である。
【図２８】振動素子単体の放射指向性の測定結果の例を示すグラフである。
【図２９】本発明に係る実施の形態４におけるアレイ探触子の概略断面図である。
【図３０】実施の形態４におけるアレイ探触子の概略断面図である。
【図３１】実施の形態４におけるアレイ探触子の概略断面図である。
【図３２】実施の形態４におけるアクチュエータ及び駆動機構の一例を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照しつつ、本発明に係る種々の実施の形態について詳細に説明する。なお、図面全体において同一符号を付された構成要素は、同一構成及び同一機能を有するものとする。
【００１２】
実施の形態１．
図１は、本発明に係る実施の形態１である超音波測定装置１の概略構成を示す図である。この超音波測定装置１は、柱状構造を有する試験体の表面または内部に存在し得る欠陥部位の性状を超音波を用いて非破壊で測定する機能を有する。図１に示されるように超音波測定装置１は、試験体２に対向して配置されるべきアレイ探触子１０と、送受信器２０と、アレイ探触子１０を図１のＸ軸方向に沿って移動させるアクチュエータ３０とを備えて構成される。
【００１３】
図１には、試験体２の正面方向から視たときのアレイ探触子１０及び試験体２の断面構造の例が概略的に示されている。また、図２は、図１に示したＩＩ−ＩＩ線におけるアレイ探触子１０及び試験体２の概略断面図である。図２には、試験体２の右側方から視たときのアレイ探触子１０及び試験体２の概略断面が示されている。そして、図３は、図１に示したアレイ探触子１０及び試験体２の上面を概略的に示す外観図である。なお、試験体２とアレイ探触子３との間に介在する接触媒質として水が存在するが、この接触媒質は図示されていない。
【００１４】
図３に示されるように、Ｙ軸方向は、試験体２の長手方向における中心軸ＣＡと平行な方向である。図１及び図２に示されるように、試験体２は、Ｙ軸方向に沿って延在する外周面２ａ及び内周面２ｂを有する管状構造物である。外周面２ａは、試験体２の周方向に沿って湾曲している。この種の管状構造物としては、たとえば、一定の肉厚を有する鋼管が挙げられる。なお、超音波測定装置１の測定対象物は、超音波を伝搬する柱状構造物であればよく、図１及び図２に示した管状構造物に限定されるものではない。
【００１５】
アレイ探触子１０は、本体部１１に固定された複数の振動素子Ｔｒ，…，Ｔｒを超音波放射素子として有する。各振動素子Ｔｒは、たとえば、高周波の励振信号に応じて超音波を放射する圧電素子を用いて構成されればよい。また、振動素子Ｔｒ，…，Ｔｒは、図２に示されるように、予め定められた素子配列方向（図２の場合、Ｙ軸方向）に沿って配列されており、同じ放射指向性を有する。これら振動素子Ｔｒ，…，Ｔｒの最大放射方向（最大放射強度を指す方向）は、素子配列方向に対して９０°−α０の角度で傾斜している（以下、α０をオフセット角と呼ぶ。）。このようなアレイ探触子１０は、素子配列方向が試験体２の中心軸ＣＡと平行になるように配置される。
【００１６】
アクチュエータ３０は、アレイ探触子１０を保持するホルダ３１を移動させる機構である。すなわち、アクチュエータ３０は、振動素子Ｔｒ，…，Ｔｒの最大放射方向と素子配列方向（Ｙ軸方向）との双方に直交する試験体２の周方向（図１〜図３の場合、Ｘ軸方向）に沿ってアレイ探触子１０を移動させることができる。
【００１７】
一方、図１を参照すると、送受信器２０は、主制御部２１と、この主制御部２１による制御に応じてアクチュエータ３０の動作を制御する移動制御部２２と、主制御部２１による制御に応じて励振信号群を発生する信号発生器２３と、当該励振信号群を増幅する送信用増幅器２４と、この送信用増幅器２４で増幅された励振信号群をアレイ探触子１０内の振動素子Ｔｒ，…，Ｔｒに伝達する配線群２８と、この配線群２８から入力された受信アナログ信号群を増幅する受信用増幅器２５と、この受信用増幅器２５で増幅された受信アナログ信号群を受信ディジタル信号群に変換するＡ／Ｄ変換器２６と、当該受信ディジタル信号群を記憶するメモリ２７とを含んで構成されている。なお、受信アナログ信号群の強度が大きい場合には、受信用増幅器２５は省略されてもよい。
【００１８】
主制御部２１は、超音波制御部２１Ａ及び性状判定部２１Ｂを含む。超音波制御部２１Ａは、フェーズドアレイ法に従って、アレイ探触子１０内の振動素子Ｔｒ，…，Ｔｒを励振するための指令信号を信号発生器２３に供給する。信号発生器２３は、この指令信号に基づいて、振動素子Ｔｒ，…，Ｔｒにそれぞれ対応する複数の励振信号を発生する。送信用増幅器２４は、これら励振信号を増幅し、当該増幅された励振信号を配線群２８を介して振動素子Ｔｒ，…，Ｔｒにそれぞれ供給する。超音波制御部２１Ａは、各励振信号を遅延させる遅延時間を調整することにより、アレイ探触子１０内の各振動素子Ｔｒから超音波が放射されるタイミングを電子的に制御することができる。これにより、図２に例示されるように、試験体２の周方向（Ｘ軸方向）から視たときの試験体２に入射する超音波ビームＴｗの入射角αｙｚを可変制御することが可能となる。この入射角αｙｚは、試験体２への超音波ビームＴｗの入射角αのＹ−Ｚ平面（Ｙ軸方向及びＺ軸方向の双方に平行な平面）への投影角である。ここで、図中のＺ軸方向は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の双方に垂直な方向である。
【００１９】
本明細書では、このように電子的な制御により超音波ビームの伝搬方向を制御することを「ステアリング（ｓｔｅｅｒｉｎｇ）」または「ビームステアリング（ｂｅａｍ  ｓｔｅｅｒｉｎｇ）」と呼ぶこととする。
【００２０】
また、移動制御部２２は、図１及び図３に例示されるように、アクチュエータ３０の動作を制御してアレイ探触子１０のＸ軸方向における移動量δを調整することができる。これにより、移動制御部２２は、図１に例示されるように、試験体２の長手方向（Ｙ軸方向）から視たときの超音波ビームＴｗの入射角度αｘｚを可変制御することができる。この入射角αｘｚは、試験体２への超音波ビームＴｗの入射角αのＸ−Ｚ平面（Ｘ軸方向及びＺ軸方向の双方に平行な平面）への投影角である。超音波ビームＴｗは、試験体２に入射されると、回折波Ｄｗとなって試験体２の内部を伝搬する。
【００２１】
一方、アレイ探触子１０内の振動素子Ｔｒ，…，Ｔｒは、試験体２から反射エコーが到来したとき、当該反射エコーを電気信号群に変換して受信アナログ信号群を配線群２８に出力する。受信用増幅器２５は、この配線群２８から入力された受信アナログ信号群を増幅する。Ａ／Ｄ変換器２６は、当該増幅された受信アナログ信号群を受信ディジタル信号群に変換する。そして、メモリ２７は、この受信ディジタル信号群を記憶する。性状判定部２１Ｂは、メモリ２７から受信ディジタル信号群を読み出し、これら受信ディジタル信号群を解析して試験体２の表面及び内部の性状を判定する機能を有する。性状判定部２１Ｂは、たとえば、反射エコーの振幅または強度の測定結果に基づいて試験体２内の欠陥部位の寸法を推定することができ、反射エコーの伝搬時間の測定結果に基づいて試験体２内の欠陥部位の存在位置を推定することもできる。
【００２２】
なお、上記した主制御部２１及び移動制御部２２は、たとえば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）内蔵のコンピュータにより実現可能である。あるいは、主制御部２１及び移動制御部２２は、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）またはＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）などのＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ  Ｓｃａｌｅ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔ）により実現されてもよい。
【００２３】
次に、図１〜図３を参照すると、試験体２の内周面２ｂには、当該試験体２の長手方向に対して斜め方向に延びる欠陥部位Ｄｘ（以下「斜めきずＤｘ」ともいう。）が形成されている。この斜めきずＤｘは、図３に示されるように試験体２の長手方向に対して角度β（以下「きず傾斜角β」ともいう。）で傾斜しているものとする。このような斜めきずＤｘの性状を超音波を用いて測定する場合には、以下の関係式（１），（２）が成立することが知られている。
【００２４】
ｔａｎαｘｚ＝ｔａｎα×ｃｏｓβ            （１）
ｔａｎαｙｚ＝ｔａｎα×ｓｉｎβ            （２）
【００２５】
上記関係式（１），（２）と等価な式が、たとえば、特許文献２（特開２００５−２２１３７１号公報）に開示されている。
【００２６】
上記関係式（１），（２）と、試験体２の表面における超音波の透過率とに基づき、きず傾斜角βに対して入射角αｘｚ，αｙｘの両方を定めることができる。この理由を、図４Ａ，図４Ｂ及び図５を例に挙げて以下に説明する。図４Ａは、水と鋼との境界面において超音波ＵＷの横波が透過する様子を概略的に示す図である。図４Ａに示されるように、超音波ＵＷは、入射角αで水から鋼に入射する。図４Ｂは、水と鋼との境界面における超音波の横波の往復透過率を示すグラフであり、このグラフの横軸は入射角αを示している。言い換えれば、図４Ｂは、横波の往復透過率の入射角依存性を表すグラフである。図４Ｂに示されるように、当該往復透過率の入射角依存性が低い角度範囲として１６°〜２２°が存在する。図５は、上式（１）を用いて算出された入射角αの特性曲線を示すグラフであり、このグラフの横軸はきず傾斜角βを示している。図５のグラフでは、αｘｚ＝１７°に固定された場合の特性曲線が実線で示され、αｘｚ＝７°に固定された場合の特性曲線が点線で示されている。
【００２７】
図４Ｂに示されるように、水と鋼との境界面における往復透過率は、入射角α＝１６°付近でピークを示す。しかしながら、入射角αが１６°に初期設定されると、設置誤差または音速変動などの要因により、実際の入射角αが１５°程度になることが考えられ、この場合には急激に透過率が低下するおそれがある。このため、入射角αの初期設定値としては１７°程度を用いることが好ましい。
【００２８】
傾斜角β＝０°の斜めきずの性状は、上式（１），（２）から明らかなように、αｘｚ＝α＝１７°とし、αｙｚ＝０°として測定されればよい。きず傾斜角βが小さい場合には、入射角αｘｚが１７°に固定された状態で、超音波ビームＴｗの入射角αｙｚを電子的に可変制御する方法によって、斜めきずの性状が測定可能である。
【００２９】
また、図４Ｂに示すように往復透過率は２５°程度まで比較的大きな値を保っているが、斜めきずでの反射率を考慮すると２２°程度を有効範囲の上限することが好ましい。図５に示すように、αｘｚ＝１７°に固定されても、きず傾斜角β＝４１°まで測定可能である。しかしながら、きず傾斜角βが４１°を超えると、入射角αを２２°以上の値に設定する必要がある。この値は、好適な往復透過率を与える入射角の有効範囲（１７°〜２２°）を超えてしまう。
【００３０】
したがって、きず傾斜角βが大きい斜めきずの性状を測定するには、入射角αｘｚも変える必要がある。図５に示すように、たとえば、αｘｚ＝７°とすれば、きず傾斜角β＝７１°の斜めきずであっても、入射角αの有効範囲（１７°〜２２°）内で測定可能である。このようにして２種類の入射角αｘｚ，αｙｚの両方を変化させることにより、きず傾斜角βの広い範囲について斜めきずの性状を測定することが可能となる。
【００３１】
次に、上記超音波測定装置１の動作について説明する。図６は、送受信器２０による超音波測定処理の基本的な手順の一例を概略的に示すフローチャートである。先ず、超音波制御部２１Ａは、アレイ探触子１０に関する制御条件を設定する（ステップＳＴ１１）。具体的には、超音波制御部２１Ａは、上記入射角αｘｚ，αｙｚの目標値をそれぞれ適当な初期値に設定する。次に、移動制御部２２は、超音波ビームＴｗの入射角αｘｚが目標値となるように移動量δだけアレイ探触子１０を移動させる（ステップＳＴ１２）。また、超音波制御部２１Ａは、超音波ビームＴｗの入射角αｙｚが目標値となるようにアレイ探触子１０から試験体２へ超音波ビームＴｗを送信させる（ステップＳＴ１３）。
【００３２】
その後、送受信器２０は、アレイ探触子１０で検出された受信アナログ信号群を受信する（ステップＳＴ１４）。すなわち、受信用増幅器２５は、配線群２８から入力された受信アナログ信号群を増幅する。Ａ／Ｄ変換器２６は、当該増幅された受信アナログ信号群を受信ディジタル信号群に変換する。そして、メモリ２７は、この受信ディジタル信号群を記憶する（ステップＳＴ１５）
【００３３】
次に、超音波制御部２１Ａは、試験体２の所定の角度範囲の走査が完了したか否かを判定する（ステップＳＴ１６）。所定の角度範囲の走査が完了していない場合は（ステップＳＴ１６のＮＯ）、超音波制御部２１Ａは、ステアリングに関する制御条件を変更する（ステップＳＴ１７）。その後、ステップＳＴ１３〜ＳＴ１６が実行される。所定の角度範囲の走査が完了した場合は（ステップＳＴ１６のＹＥＳ）、超音波制御部２１Ａは、超音波ビームＴｗの送信を終了させる（ステップＳＴ１８）。そして、性状判定部２１Ｂは、メモリ２７から受信ディジタル信号群を読み出し、これら受信ディジタル信号群を解析して試験体２の表面及び内部の性状を判定する（ステップＳＴ１９）。
【００３４】
上記した超音波測定装置１の特徴は、アレイ探触子１０内の振動素子Ｔｒ，…，Ｔｒの最大放射方向が、素子配列方向に対して９０°−α０の角度で傾斜し、非零のオフセット角α０を有する点である。これにより、振動素子Ｔｒ，…，Ｔｒの最大放射方向は、試験体２の長手方向に対しても９０°−α０の角度で傾斜する。以下に説明するように、振動素子Ｔｒ，…，Ｔｒの最大放射方向が素子配列方向に対して傾斜しない場合と比べると、振動素子Ｔｒの放射指向性に起因する検出感度の低下が抑制されるので、試験体２の欠陥部位の性状を高い精度で判定することが可能となる。
【００３５】
図７は、きず傾斜角β＝０°の欠陥部位Ｄ１を有する試験体２と対向して配置されたアレイ探触子１０の概略断面図である。欠陥部位Ｄ１は、試験体２の内周面２ｂに、当該試験体２の長手方向に延在するように形成されている。また、図８は、図７に示したＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線におけるアレイ探触子１０及び試験体２の概略断面を示す図であり、図９は、図７に示したアレイ探触子１０及び試験体２の上面を概略的に示す外観図である。図８に示されるようにアレイ探触子１０の振動素子Ｔｒ，…，Ｔｒは、非零のオフセット角α０を有する。図７〜図９の例では、試験体２は鋼管であり、振動素子Ｔｒのオフセット角α０は＋８．５°に設定されているものとする。
【００３６】
図７に示されるように、きず傾斜角β＝０°の欠陥部位Ｄ１の性状を測定するために、移動制御部２２は、アレイ探触子１０を試験体２の頂点位置からＸ軸負方向に移動させて超音波ビームＴｗの入射角αｘｚを１７°とする。一方、欠陥部位Ｄ１の延在方向に対して垂直に超音波ビームが入射されると当該欠陥部位Ｄ１を感度良く検出することができるため、超音波ビームＴｗの入射角αｙｚは０°に設定される必要がある。このため、超音波制御部２１Ａは、図８に示されるように、超音波ビームＴｗの伝搬方向が振動素子Ｔｒの最大放射方向から角度γ（以下「ステアリング角γ」ともいう。）だけ傾斜する方向となるように超音波ビームＴｗをステアリングする。ここで、ステアリング角γは、オフセット角α０を相殺する−８．５°に設定されている。
【００３７】
一方、図１０は、きず傾斜角β＝９０°の欠陥部位Ｄ２を有する試験体２と対向して配置されたアレイ探触子１０の概略断面図である。欠陥部位Ｄ２は、試験体２の内周面２ｂに、当該試験体２の長手方向と直交する方向に延在するように形成されている。また、図１１は、図１０に示したＸＩ−ＸＩ線におけるアレイ探触子１０及び試験体２の概略断面を示す図であり、図１２は、図１０に示したアレイ探触子１０及び試験体２の上面を概略的に示す外観図である。図１０〜図１２の例でも、試験体２は鋼管であり、振動素子Ｔｒのオフセット角α０は＋８．５°に設定されているものとする。
【００３８】
図１０に示されるように、きず傾斜角β＝０°の欠陥部位Ｄ２の性状を測定するために、移動制御部２２は、アレイ探触子１０を試験体２の頂点位置から移動させずに超音波ビームＴｗの入射角αｘｚを０°とする。一方、欠陥部位Ｄ２の延在方向に対して垂直に超音波ビームが入射されると当該欠陥部位Ｄ２を感度良く検出することができるため、図１１に示されるように、超音波ビームＴｗの入射角αｙｚは１７°に設定される必要がある。よって、この場合のステアリング角γは＋８．５°に設定されている。
【００３９】
きず傾斜角βが０°〜９０°となる範囲内で欠陥部位が発生し得る場合には、移動制御部２２は、試験体２の頂点位置からのアレイ探触子１０の移動量δを変化させることにより、試験体２の長手方向から視た入射角αｘｚを０°〜１７°の範囲内で変化させればよい。また、超音波制御部２１Ａは、超音波ビームＴｗのステアリング角γを−８．５°〜＋８．５°の範囲内で変化させることにより、試験体２の周方向から視た入射角αｙｚを０°〜１７°の範囲内で変化させることができる。このように、オフセット角α０を与えることにより、きず傾斜角βの０°〜９０°の範囲に対応するステアリング角γの範囲を−８．５°〜＋８．５°とすることができる。
【００４０】
図１３は、振動素子Ｔｒ単体の放射指向性の測定結果の例を示すグラフである。図１３では、素子幅０．９ｍｍで且つ周波数３ＭＨｚとした場合の振動素子Ｔｒ単体の放射指向性の測定結果が示されている。また、グラフの横軸は、最大放射強度を中心とするステアリング角γ（単位：°）を示し、グラフの縦軸は、超音波の相対振幅（単位：ｄＢ）を示している。図１３の場合、ステアリング角γの範囲Δ１（−８．５°〜＋８．５°）では、相対振幅の最大変化幅（感度差）は４ｄＢ以内である。したがって、アレイ探触子１０の振動素子Ｔｒ単体の放射指向性が強い場合でも、本実施の形態の超音波測定装置１は、感度低下を抑制することができることが分かる。
【００４１】
一方、仮に、振動素子Ｔｒ，…，Ｔｒの最大放射方向が素子配列方向に対して傾斜せずに垂直である場合には、感度低下は著しく大きくなる。以下、この点について説明する。図１４は、欠陥部位Ｄｘを有する試験体２と対向して配置されたアレイ探触子１００の概略断面図である。また、図１５は、図１４に示したＸＶ−ＸＶ線におけるアレイ探触子１０及び試験体２の概略断面を示す図である。このアレイ探触子１００の構成は、振動素子Ｔｒ，…，Ｔｒの最大放射方向が素子配列方向に対して垂直である点を除いて、上記アレイ探触子１０の構成と同じである。
【００４２】
図１６は、きず傾斜角β＝０°の欠陥部位Ｄ１を有する試験体２と対向して配置されたアレイ探触子１００の概略断面図である。また、図１７は、図１６に示したＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ線におけるアレイ探触子１００及び試験体２の概略断面を示す図である。一方、図１８は、きず傾斜角β＝９０°の欠陥部位Ｄ２を有する試験体２と対向して配置されたアレイ探触子１００の概略断面図である。また、図１９は、図１８に示したＸＩＸ−ＸＩＸ線におけるアレイ探触子１００及び試験体２の概略断面を示す図である。図１６〜図１９の例では、試験体２は鋼管である。
【００４３】
図１６に示されるように、きず傾斜角βが０°の場合には、入射角度αｘｚは１７°に設定され、超音波ビームＴｗの電子的な制御は行われない。また、図１７に示されるように、入射角度αｙｚは０°に設定されている。振動素子Ｔｒ，…，Ｔｒは、同時に励振され、同時に反射エコーを受信する。
【００４４】
一方、図１８に示されるように、きず傾斜角βが９０°の場合には、入射角度αｘｚは０°に設定され、図１９に示されるように、超音波ビームＴｗの電子的な制御により入射角度αｙｚは１７°に設定される。
【００４５】
図１６〜図１９から分かるように、きず傾斜角βの０°〜９０°の範囲に対応するには、ステアリングにより入射角度αｙｚを０°〜１７°に設定する必要がある。この結果、大きく反射エコーの受信強度（感度）が低下する可能性がある。図１３の場合、ステアリング範囲Δ２は、入射角度αｙｚの０°〜１７°の範囲となる。このため、図１３に示されるように、０°と１７°との感度差は１０ｄＢ以上ある。送信だけで１０ｄＢ以上の差があるので、送受信兼用の場合には、２０ｄＢ以上の差があることになる。したがって、図１３に示したような放射指向性が強い振動素子Ｔｒを用いた場合、図１６に示したきず傾斜角β＝０°の場合と比較して、図１８に示したきず傾斜角β＝９０°の場合は、２０ｄＢ以上の感度低下が生じる可能性がある。
【００４６】
以上に説明したように実施の形態１の超音波測定装置１では、アレイ探触子１０内の振動素子Ｔｒ，…，Ｔｒの最大放射方向が素子配列方向に対して傾斜している。これにより、振動素子Ｔｒ単体の放射指向性が強い場合でも、感度低下を抑制することができる。したがって、試験体２の内部における欠陥部位の性状を高い精度で判定することができる。
【００４７】
なお、アレイ探触子１０の移動量δは、試験体２の直径及びきず傾斜角βに応じて変化し得る。また、アレイ探触子１０の各振動素子Ｔｒを励振するタイミングも、きず傾斜角βに応じて変化し得る。これら移動量δ及びタイミングを予め計算しておき、メモリ２７内に情報として記憶させておくことが望ましい。この場合、主制御部２１は、試験体２の直径及びきず傾斜角βに応じてメモリ２７内に記憶させた情報を読み出し、その情報に基づいて、移動量δを決定したり、信号発生器２３に供給すべき指令信号を生成したりしてもよい。
【００４８】
実施の形態２．
次に、本発明に係る実施の形態２について説明する。本実施の形態は、上記実施の形態１の変形例である。図２０は、実施の形態２におけるアレイ探触子１２の概略断面図である。本実施の形態の超音波測定装置の構成は、上記アレイ探触子１０に代えてアレイ探触子１２を有する点を除いて、上記実施の形態１の超音波測定装置１の構成と同じである。
【００４９】
図２０に示されるように、本実施の形態におけるアレイ探触子１２は、予め定められたアレイ配列方向（Ｙ軸方向）に沿って配列されたＭ個（Ｍは正整数）のサブアレイ探触子１２１，…，１２Ｍを含んで構成されている。サブアレイ探触子１２１，…，１２Ｍの各々は、複数の振動素子Ｔｒ，…，Ｔｒを有する。なお、サブアレイ探触子１２１，…，１２Ｍの個数は、４個以上である必要はなく、２個または３個であってもよい。
【００５０】
図２０に示されるように、本実施の形態の振動素子Ｔｒ，…，Ｔｒの最大放射方向は、アレイ配列方向（Ｙ軸方向）に対して非零のオフセット角α０で傾斜している。よって、上記実施の形態１の場合と同様に、振動素子Ｔｒ単体の放射指向性が強い場合でも、ステアリング角γの範囲を感度差の小さい範囲に設定することができるため、感度低下を抑制することができる。したがって、試験体２の内部における欠陥部位の性状を高い精度で判定することが可能である。
【００５１】
また、上記実施の形態のアレイ探触子１０と比べると、小さな振動素子Ｔｒ，…，Ｔｒの最大放射方向を素子配列方向に対して一定角度で傾斜させる必要がないので、本実施の形態のアレイ探触子１２は製造しやすいという利点がある。
【００５２】
なお、本実施の形態のアレイ探触子１２はサブアレイ化されているので、アレイ配列方向における超音波ビームＴｗのビーム幅に谷間が発生する可能性がある。当該谷間に欠陥部位が存在する場合には、当該欠陥部位の検出精度が低下するおそれがある。これに対処すべく、超音波制御部２１Ａは、各サブアレイ探触子１２ｍ（ｍは１〜Ｍのうちの任意整数）の振動素子Ｔｒ，…，Ｔｒから超音波が放射されるタイミングを制御することにより、各サブアレイ探触子１２ｍから放射される超音波ビームのビーム幅をアレイ配列方向に拡げることが望ましい。これにより、超音波ビームＴｗの谷間が狭く、あるいは当該谷間が浅くなるので、欠陥部位の検出精度の低下を抑制することができる。
【００５３】
実施の形態３．
次に、本発明に係る実施の形態３について説明する。図２１は、本発明に係る実施の形態３である超音波測定装置１Ａの概略構成を示す図である。この超音波測定装置１Ａも、柱状構造を有する試験体の表面または内部に存在し得る欠陥部位の性状を超音波を用いて非破壊で測定する機能を有する。図２１に示されるように超音波測定装置１Ａは、試験体２に対向して配置されるべきアレイ探触子１３と、送受信器２０Ｍと、アレイ探触子１３を図２１のＸ軸方向に沿って移動させるアクチュエータ３２とを備えて構成されている。
【００５４】
図２１には、試験体２の正面方向から視たときのアレイ探触子１３及び試験体２の断面構造の例が概略的に示されている。図２２は、図２１に示したアレイ探触子１３の断面構造の拡大図である。また、図２３は、図２１に示したＸＸＩＩＩ−ＸＸＩＩＩ線におけるアレイ探触子１３及び試験体２の概略断面図である。図２３には、試験体２の右側方から視たときのアレイ探触子１０及び試験体２の概略断面が示されている。そして、図２４は、図２１に示したアレイ探触子１３及び試験体２の上面を概略的に示す外観図である。なお、試験体２とアレイ探触子１３との間に介在する接触媒質として水が存在するが、この接触媒質は図示されていない。
【００５５】
アレイ探触子１３は、図２２に示されるように、本体部１４に固定された複数の振動素子Ｔｒａ，…，Ｔｒａを超音波放射素子として有する。これら振動素子Ｔｒａ，…，Ｔｒａは、予め定められた素子配列方向に沿って配列されており、同じ放射指向性を有する。また、図２３に示されるように、各振動素子Ｔｒａは、素子配列方向と直交する方向（図２３の場合、Ｙ軸方向）に沿って延在している。各振動素子Ｔｒａは、たとえば、高周波の励振信号に応じて超音波を放射する圧電素子を用いて構成されればよい。
【００５６】
また、図２１及び図２４に示されるように、アレイ探触子１３は、試験体２と対向し、且つ試験体２の中心軸ＣＡを含む平面と交差する位置に配置されている。この平面は、Ｙ−Ｚ平面と平行である。振動素子Ｔｒａ，…，Ｔｒａの最大放射方向は、この平面に対してオフセット角α０で傾斜している。
【００５７】
アクチュエータ３２は、振動素子Ｔｒａ，…，Ｔｒａの延在方向が試験体２の長手方向と平行になる平行状態から、その延在方向が試験体２の長手方向に対して傾斜する傾斜状態へアレイ探触子１３の配置状態を変化させる機構を有する。図２１〜図２４には、アレイ探触子１３の平行状態が示されている。アレイ探触子１３の傾斜状態については、後述する。
【００５８】
一方、図２１を参照すると、送受信器２０Ｍは、主制御部２１Ｍと、この主制御部２１Ｍによる制御に応じてアクチュエータ３２の動作を制御する移動制御部２２Ｍと、主制御部２１Ｍによる制御に応じて励振信号群を発生する信号発生器２３Ｍと、当該励振信号群を増幅する送信用増幅器２４Ｍと、この送信用増幅器２４Ｍで増幅された励振信号群をアレイ探触子１３内の振動素子Ｔｒａ，…，Ｔｒａに伝達する配線群２８Ｍと、この配線群２８Ｍから入力された受信アナログ信号群を増幅する受信用増幅器２５Ｍと、この受信用増幅器２５Ｍで増幅された受信アナログ信号群を受信ディジタル信号群に変換するＡ／Ｄ変換器２６Ｍと、当該受信ディジタル信号群を記憶するメモリ２７とを含んで構成されている。なお、受信アナログ信号群の強度が大きい場合には、受信用増幅器２５Ｍは省略されてもよい。
【００５９】
主制御部２１Ｍは、超音波制御部２１ＭＡ及び性状判定部２１ＭＢを含む。超音波制御部２１ＭＡは、フェーズドアレイ法に従って、アレイ探触子１３内の振動素子Ｔｒａ，…，Ｔｒａを励振するための指令信号を信号発生器２３Ｍに供給する。信号発生器２３Ｍは、この指令信号に基づいて、振動素子Ｔｒａ，…，Ｔｒａにそれぞれ対応する複数の励振信号を発生する。送信用増幅器２４Ｍは、これら励振信号を増幅し、当該増幅された励振信号を配線群２８Ｍを介して振動素子Ｔｒａ，…，Ｔｒａにそれぞれ供給する。超音波制御部２１ＭＡは、各励振信号を遅延させる遅延時間を調整することにより、アレイ探触子１３内の各振動素子Ｔｒａから超音波が放射されるタイミングを電子的に制御することができる。これにより、図２１に例示されるように、試験体２の長手方向（Ｙ軸方向）から視たときの試験体２に入射する超音波ビームＴｗの入射角αｘｚを可変制御することが可能となる。この入射角αｘｚは、試験体２への超音波ビームＴｗの入射角αのＸ−Ｚ平面（Ｘ軸方向及びＺ軸方向の双方に平行な平面）への投影角である。
【００６０】
また、移動制御部２２Ｍは、アクチュエータ３２の動作を制御してアレイ探触子１３の配置状態を変化させることができる。
【００６１】
一方、アレイ探触子１３内の振動素子Ｔｒａ，…，Ｔｒａは、試験体２から反射エコーが到来したとき、当該反射エコーを電気信号群に変換して受信アナログ信号群を配線群２８Ｍに出力する。受信用増幅器２５Ｍは、この配線群２８Ｍから入力された受信アナログ信号群を増幅する。Ａ／Ｄ変換器２６Ｍは、当該増幅された受信アナログ信号群を受信ディジタル信号群に変換する。そして、メモリ２７は、この受信ディジタル信号群を記憶する。性状判定部２１ＭＢは、メモリ２７から受信ディジタル信号群を読み出し、これら受信ディジタル信号群を解析して試験体２の表面及び内部の性状を判定する機能を有する。性状判定部２１ＭＢは、たとえば、反射エコーの振幅または強度の測定結果に基づいて試験体２内の欠陥部位の寸法を推定することができ、反射エコーの伝搬時間の測定結果に基づいて試験体２内の欠陥部位の存在位置を推定することもできる。
【００６２】
なお、上記した主制御部２１Ｍ及び移動制御部２２Ｍは、たとえば、ＣＰＵ内蔵のコンピュータにより実現可能である。あるいは、主制御部２１Ｍ及び移動制御部２２Ｍは、ＤＳＰ、ＡＳＩＣまたはＦＰＧＡなどのＬＳＩにより実現されてもよい。また、上記送受信器２０Ｍによる超音波測定処理の基本的な手順は、図６に示した手順と同様である。
【００６３】
上記した超音波測定装置１Ａの特徴は、振動素子Ｔｒａ，…，Ｔｒａの最大放射方向が、試験体２の中心軸ＣＡを含む平面に対してオフセット角α０で傾斜している点にある。以下に説明するように、この特徴により、振動素子Ｔｒａの放射指向性に起因する検出感度の低下が抑制されるので、試験体２の欠陥部位の性状を高い精度で判定することが可能となる。
【００６４】
図２１、図２３及び図２４に示される試験体２は、きず傾斜角β＝０°の欠陥部位Ｄ１を有している。オフセット角α０は＋８．５°に設定されているものとする。図２１に示されるように、超音波制御部２１ＭＡは、超音波ビームＴｗの伝搬方向が入射角αｘｚ＝１７°を形成するように超音波ビームＴｗをステアリングする。この場合のステアリング角γは、８．５°−θである。ここで、θは、図２１に示すように、欠陥部位Ｄ１の性状を測定するときの超音波ビームＴｗの入射点位置に対応する角度である。一方、図２３に示されるように入射角αｙｚは０°に設定される必要があるので、アレイ探触子１３の配置状態は、平行状態である。
【００６５】
一方、図２５は、きず傾斜角β＝９０°の欠陥部位Ｄ２を有する試験体２と対向して配置されたアレイ探触子１３の端面を概略的に示す図である。また、図２６は、図２５に示したＸＸＶＩ−ＸＸＶＩ線におけるアレイ探触子１３及び試験体２の概略断面図であり、図２７は、図２５に示したアレイ探触子１３及び試験体２の上面を概略的に示す外観図である。図２５に示されるように、超音波制御部２１ＭＡは、超音波ビームＴｗの入射角αｘｚを０°にするように超音波ビームＴｗをステアリングする。ここで、ステアリング角γは、オフセット角α０を相殺する−８．５°に設定されている。一方、入射角αｙｚは１７°に設定される必要があるので、図２６に示されるように、アレイ探触子１３の振動素子Ｔｒａ，…，Ｔｒａの延在方向を長手方向に対して１７°で傾斜させる。
【００６６】
きず傾斜角βが０°〜９０°の場合、アレイ探触子１３のステアリング角γを変えることにより入射角αｘｚを０°〜１７°の範囲内で変化させることができ、入射角αｙｚを０°〜１７°まで変化させることができる。このようにアレイ探触子１３にオフセット角α０を与えることにより、超音波ビームＴｗのステアリング角γを−８．５°〜８．５°−θの範囲とすることができる。
【００６７】
図２８は、図１３に示した測定結果と同じ測定結果を示すグラフである。図２８の場合、ステアリング角γの範囲Δ３（−８．５°〜＋８．５°−θ）では、相対振幅の最大変化幅（感度差）は４ｄＢ以内である。したがって、アレイ探触子１３の振動素子Ｔｒａ単体の放射指向性が強い場合でも、本実施の形態の超音波測定装置１Ａは、感度低下を抑制することができることが分かる。
【００６８】
実施の形態４．
次に、本発明に係る実施の形態４について説明する。本実施の形態は、上記実施の形態３の変形例である。図２９及び図３０は、実施の形態４におけるアレイ探触子１５の概略断面図であり、図３１は、ｋ番目のサブアレイ探触子１５ｋの概略断面図である。また、図３２は、実施の形態４におけるアクチュエータ３２Ａ及び駆動機構の概略構成を示す図である。
【００６９】
本実施の形態の超音波測定装置の構成は、上記アレイ探触子１３に代えてアレイ探触子１５を有する点と、上記アクチュエータ３２に代えて図２３のアクチュエータ３２Ａ及び駆動機構を有する点とを除いて、上記実施の形態３の超音波測定装置１Ａの構成と略同じである。また、図３１に示す断面構造は、図２２に示した断面構造と実質的に同じ構造を含む。
【００７０】
図２９に示されるように、本実施の形態におけるアレイ探触子１５は、予め定められたアレイ配列方向（Ｙ軸方向）に沿って配列されたＫ個（Ｋは正整数）のサブアレイ探触子１５１，…，１５Ｋを含んで構成されている。サブアレイ探触子１５１，…，１５Ｋの各々は、複数の振動素子Ｔｒｂ，…，Ｔｒｂを有する。なお、サブアレイ探触子１５１，…，１５Ｋの個数は、４個以上である必要はなく、２個または３個であってもよい。
【００７１】
また、本実施の形態のアレイ探触子１５はサブアレイ化されているので、アレイ配列方向における超音波ビームＴｗのビーム幅に谷間が発生する可能性がある。当該谷間に欠陥部位が存在する場合には、当該欠陥部位の検出精度が低下するおそれがある。これに対処すべく、各サブアレイ探触子１５ｋは、超音波ビームＴｗを試験体２の長手方向に拡げる音響レンズＬｓを有している。これにより、超音波ビームＴｗの谷間が狭く、あるいは当該谷間が浅くなるので、欠陥部位の検出精度の低下を抑制することができる。なお、音響レンズＬｓが無くてもビーム幅が十分広ければ、音響レンズＬｓは用いなくてもよい。
【００７２】
図３２のアクチュエータ３２Ａは、各サブアレイ探触子１５ｋの振動素子Ｔｒｂ，…，Ｔｒｂの延在方向が試験体２の長手方向と平行になる平行状態（図３０）から、その延在方向が試験体２の長手方向に対して傾斜する傾斜状態（図２９）へアレイ探触子１５の配置状態を変化させる機構を有する。図３０に示されるように、アクチュエータ３２Ａは駆動軸４０を用いて、支持部材４１，４２間にずれを生じさせることができる。駆動軸４０は、回転軸部４３０，４４０に接続されている。また、支持部材４１，４２は、回転軸部４３１〜４３Ｋ及び回転軸部４４１〜４４Ｋを介してサブアレイ探触子１５１，…，１５Ｋを支持している。アクチュエータ３２Ａは、支持部材４１，４２間のずれ量を調整することで、図２９の傾斜状態と図３０の平行状態との間を切り替えることができる。
【００７３】
実施の形態４でも、図３１に示されるように、振動素子Ｔｒｂ，…，Ｔｒｂの最大放射方向が、試験体２の中心軸ＣＡを含む平面に対して傾斜している。したがって、振動素子Ｔｒｂの放射指向性に起因する検出感度の低下が抑制されるので、試験体２の欠陥部位の性状を高い精度で判定することが可能となる。
【００７４】
以上、図面を参照して本発明に係る種々の実施の形態について述べたが、これら実施の形態は本発明の例示であり、これら実施の形態以外の様々な形態を採用することもできる。なお、本発明の範囲内において、上記実施の形態１〜４の自由な組み合わせ、各実施の形態の任意の構成要素の変形、または各実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明に係る超音波測定装置は、柱状試験体の表面または内部の性状を非破壊で測定することができるので、その柱状試験体の欠陥部位の有無、存在位置、大きさ、形状または分布などを調べる非破壊試験（ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ  ｔｅｓｔｉｎｇ）に使用されることに適している。
【符号の説明】
【００７６】
１，１Ａ  超音波測定装置、２  試験体、２ａ  外周面、２ｂ  内周面、１０，１２，１３，１５  アレイ探触子、１２１，…，１２Ｍ  サブアレイ探触子、１５１，…，１５Ｋ  サブアレイ探触子、２０，２０Ｍ  送受信器、２１，２１Ｍ  主制御部、２１Ａ，２１ＭＡ  超音波制御部、２１Ｂ，２１ＭＢ  性状判定部、２２，２２Ｍ  移動制御部、２３，２３Ｍ  信号発生器、２４，２４Ｍ  送信用増幅器、２５，２５Ｍ  受信用増幅器、２６，２６Ｍ  Ａ／Ｄ変換器、２７  メモリ、２８，２８Ｍ  配線群、３０，３２，３２Ａ  アクチュエータ、１００  アレイ探触子、Ｔｗ  超音波ビーム、Ｄｗ  回折波、Ｔｒ  振動素子、Ｔｒ，Ｔｒａ，Ｔｒｂ  振動素子、Ｄｘ，Ｄ１，Ｄ２  欠陥部位、ＵＷ  超音波、ＣＡ  中心軸、Ｌｓ  音響レンズ。
【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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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【手続補正書】
【提出日】平成28年7月4日(2016.7.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
本発明の一態様による超音波測定装置は、電気信号によって駆動され超音波ビームを管状試験体中に伝搬させ、かつ、管状試験体中を伝搬した超音波を電気信号に変換するアレイ探触子と、アレイ探触子を駆動し、かつ、アレイ探触子からの電気信号を受信する送受信器と、アレイ探触子の位置を機械的に制御する制御機構と、を備え、アレイ探触子は、管状試験体に対して配置された状態において、管状試験体の管軸方向に対してオフセット角を有するよう構成され、送受信器は、制御機構に対してアレイ探触子の移動情報を伝達し、かつ、アレイ探触子に対してビーム制御の指示信号を伝達し、制御機構は、移動情報に基いてアレイ探触子の位置を移動させ、アレイ探触子は、指示信号に基づいて超音波ビームの放射方向を管軸方向に変えることを特徴とする。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気信号によって駆動され超音波ビームを管状試験体中に伝搬させ、かつ、前記管状試験体中を伝搬した超音波を電気信号に変換するアレイ探触子と、
前記アレイ探触子を駆動し、かつ、前記アレイ探触子からの電気信号を受信する送受信器と、
前記アレイ探触子の位置を機械的に制御する制御機構と、
を備え、
前記アレイ探触子は、前記管状試験体に対して配置された状態において、前記管状試験体の管軸方向に対してオフセット角を有するように構成され、
前記送受信器は、前記制御機構に対して前記アレイ探触子の移動情報を伝達し、かつ、前記アレイ探触子に対してビーム制御の指示信号を伝達し、
前記制御機構は、前記移動情報に基いて前記アレイ探触子の位置を移動させ、
前記アレイ探触子は、前記指示信号に基づいて前記超音波ビームの放射方向を管軸方向に変えることを特徴とする超音波測定装置。
【請求項２】
前記アレイ探触子は、前記管状試験体の管軸方向に対して複数個のサブアレイ探触子が配列されて構成されることを特徴とする請求項１記載の超音波測定装置。
【請求項３】
前記送受信器からの指示信号は、前記管軸方向に超音波ビームを広げて探傷する指示を含んでいることを特徴とする請求項２記載の超音波測定装置。
【請求項４】
電気信号によって駆動され超音波ビームを管状試験体中に伝搬させ、かつ、前記管状試験体中を伝搬した超音波を電気信号に変換するアレイ探触子と、
前記アレイ探触子を駆動し、かつ、前記アレイ探触子からの電気信号を受信する送受信器と、
前記アレイ探触子の位置を機械的に制御する制御機構と、
を備え、
前記アレイ探触子は、前記管状試験体に対して配置された状態において、前記管状試験体の管周方向に対してオフセット角を有するよう構成され、
前記送受信器は、前記制御機構に対して前記アレイ探触子の角度情報を伝達し、かつ、前記アレイ探触子に対してビーム制御の指示信号を伝達し、
前記制御機構は、前記角度情報に基いて前記アレイ探触子の角度を変化させ、
前記アレイ探触子は、前記指示信号に基づいて前記超音波ビームの放射方向を前記管周方向に変えることを特徴とする超音波測定装置。
【請求項５】
前記アレイ探触子は、前記管状試験体の管軸方向に対して複数個のサブアレイ探触子が配列されて構成されることを特徴とする請求項４記載の超音波測定装置。
【請求項６】
前記サブアレイ探触子は、前記管軸方向に超音波ビームを広げる音響レンズを有していることを特徴とする請求項５記載の超音波測定装置。
【手続補正書】
【提出日】平成28年10月24日(2016.10.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
本発明の一態様による超音波測定装置は、電気信号によって駆動され超音波ビームを管状試験体中に伝搬させ、かつ、管状試験体中を伝搬した超音波を電気信号に変換するアレイ探触子と、アレイ探触子を駆動し、かつ、アレイ探触子からの電気信号を受信する送受信器と、アレイ探触子の位置を機械的に制御する制御機構と、を備え、アレイ探触子は、管状試験体に対して配置された状態において前記管状試験体の管軸方向に沿って配列される複数の超音波放射素子を含み、前記複数の超音波放射素子の各々が、管状試験体の管軸方向に対してオフセット角を有するよう構成され、送受信器は、制御機構に対してアレイ探触子の移動情報を伝達し、かつ、アレイ探触子に対してビーム制御の指示信号を伝達し、制御機構は、移動情報に基いてアレイ探触子の位置を移動させ、アレイ探触子は、指示信号に基づいて超音波ビームの伝搬方向を、前記複数の超音波放射素子の最大放射方向に対して前記オフセット角を相殺する角度だけ傾斜する方向から、前記最大放射方向に対して前記オフセット角に等しい角度だけ傾斜する方向までの範囲内で管軸方向に変えることを特徴とする。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３８】
図１０に示されるように、きず傾斜角β＝９０°の欠陥部位Ｄ２の性状を測定するために、移動制御部２２は、アレイ探触子１０を試験体２の頂点位置から移動させずに超音波ビームＴｗの入射角αｘｚを０°とする。一方、欠陥部位Ｄ２の延在方向に対して垂直に超音波ビームが入射されると当該欠陥部位Ｄ２を感度良く検出することができるため、図１１に示されるように、超音波ビームＴｗの入射角αｙｚは１７°に設定される必要がある。よって、この場合のステアリング角γは＋８．５°に設定されている。
【手続補正３】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気信号によって駆動され超音波ビームを管状試験体中に伝搬させ、かつ、前記管状試験体中を伝搬した超音波を電気信号に変換するアレイ探触子と、
前記アレイ探触子を駆動し、かつ、前記アレイ探触子からの電気信号を受信する送受信器と、
前記アレイ探触子の位置を機械的に制御する制御機構と、
を備え、
前記アレイ探触子は、前記管状試験体に対して配置された状態において前記管状試験体の管軸方向に沿って配列される複数の超音波放射素子を含み、
前記複数の超音波放射素子の各々が、前記管状試験体の管軸方向に対してオフセット角を有するように構成され、
前記送受信器は、前記制御機構に対して前記アレイ探触子の移動情報を伝達し、かつ、前記アレイ探触子に対してビーム制御の指示信号を伝達し、
前記制御機構は、前記移動情報に基いて前記アレイ探触子の位置を移動させ、
前記アレイ探触子は、前記指示信号に基づいて前記超音波ビームの伝搬方向を、前記複数の超音波放射素子の最大放射方向に対して前記オフセット角を相殺する角度だけ傾斜する方向から、前記最大放射方向に対して前記オフセット角に等しい角度だけ傾斜する方向までの範囲内で前記管軸方向に変えることを特徴とする超音波測定装置。
【請求項２】
前記アレイ探触子は、前記管状試験体の管軸方向に対して複数個のサブアレイ探触子が配列されて構成されることを特徴とする請求項１記載の超音波測定装置。
【請求項３】
前記送受信器からの指示信号は、前記管軸方向に超音波ビームを広げて探傷する指示を含んでいることを特徴とする請求項２記載の超音波測定装置。
【請求項４】
電気信号によって駆動され超音波ビームを管状試験体中に伝搬させ、かつ、前記管状試験体中を伝搬した超音波を電気信号に変換するアレイ探触子と、
前記アレイ探触子を駆動し、かつ、前記アレイ探触子からの電気信号を受信する送受信器と、
前記アレイ探触子の位置を機械的に制御する制御機構と、
を備え、
前記アレイ探触子は、前記管状試験体に対して配置された状態において前記管状試験体の管軸方向に直交する方向に沿って配列される複数の超音波放射素子を含み、
前記複数の超音波放射素子の各々が、前記管状試験体の管周方向に対してオフセット角を有するよう構成され、
前記送受信器は、前記制御機構に対して前記アレイ探触子の角度情報を伝達し、かつ、前記アレイ探触子に対してビーム制御の指示信号を伝達し、
前記制御機構は、前記角度情報に基いて前記アレイ探触子の角度を変化させ、
前記アレイ探触子は、前記指示信号に基づいて前記超音波ビームの伝搬方向を、前記超音波放射素子の最大放射方向に対して前記オフセット角を相殺する角度だけ傾斜する方向から、前記最大放射方向に対して、前記オフセット角に等しい角度から所定角度を減じて得た角度だけ傾斜する方向までの範囲内で前記管周方向に変えることを特徴とする超音波測定装置。
【請求項５】
前記アレイ探触子は、前記管状試験体の管軸方向に対して複数個のサブアレイ探触子が配列されて構成されることを特徴とする請求項４記載の超音波測定装置。
【請求項６】
前記サブアレイ探触子は、前記管軸方向に超音波ビームを広げる音響レンズを有していることを特徴とする請求項５記載の超音波測定装置。
【国際調査報告】
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