(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向に螺旋状に巻かれた融着用ワイヤーを継手内部に備えた融着継手の継手内周面と、前記融着継手に融着される管の管外周面との間に形成される融着界面の状態を、超音波により検査する超音波検査方法であって、
前記融着継手の外表面の入射位置から、前記超音波を、前記融着用ワイヤーの巻き進行面に沿って、前記管の径方向である前記管外周面の法線方向に対して交差して侵入させ、前記融着界面近傍より帰ってくる反射波を前記入射位置で検出して、検出される反射信号データから前記融着界面の状態を検査する検査工程を備えた超音波検査方法。
【請求項２】
前記管の軸方向に沿った複数箇所で、前記検査工程を繰り返し、得られる前記複数の反射信号データにあって、前記融着用ワイヤーからの反射波が前記入射位置に帰ってくるワイヤー反射時間より長い反射時間領域で、所定強度以上の反射信号が得られた場合に前記融着界面に異常があると判断する第１異常検出工程を備えた請求項１記載の超音波検査方法。
【請求項３】
前記管の軸方向に沿った複数箇所で前記検査工程を繰り返し、得られる複数の反射信号データから、前記融着用ワイヤーからの反射波が小さい正常反射信号データを抽出し、前記正常反射信号データにあって、前記融着用ワイヤーからの反射時間より長い反射時間領域に、所定強度以上の反射信号が得られた場合に、前記融着界面に異常があると判断する第２異常検出工程を備えた請求項１記載の超音波検査方法。
【請求項４】
軸方向に螺旋状に巻かれた融着用ワイヤーを継手内部に備えた融着継手の継手内周面と、前記融着継手に融着される管の管外周面との間に形成される融着界面の状態を、超音波により検査する超音波検査装置であって、
前記融着継手の外表面の入射位置から、前記超音波を、前記融着用ワイヤーの巻き進行面に沿って、前記管の径方向である前記管外周面の法線方向に対して交差して侵入させ、帰ってくる反射波を前記入射位置で検出する超音波探触子を備えた超音波検査装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軸方向に螺旋状に巻かれた融着用ワイヤーを継手内部に備えた融着継手の継手内周面と、前記融着継手に融着される管の管外周面との間に形成される融着界面の状態を、検査する検査技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
今日、都市ガス配管、給湯用配管等を対象として、架橋ポリエチレン管を代表とする樹脂管を使用することが検討されている。
そして、これらの樹脂管１を接合する目的で、所謂、エレクトロフュージョン継手２を採用することが提案され、実施段階に到ろうとしている。ここで、エレクトロフュージョン継手２とは、図１、２に示すように、継手内部に、継手の軸方向Ｚに螺旋状に巻かれた融着用ワイヤー３を備えて構成されるものであり、このような継手２を使用して、管等を接合する場合は、継手内に接合対象の管１を挿入した状態で、前記融着用ワイヤー３に通電をおこない、継手内周面４と管外周面５とを融着して、管１の良好な接合状態を確保するようにしている。即ち、所謂、融着界面６が、両者間に形成される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、例えば、都市ガスの配管を現場で接続する場合や、補修をおこなう必要がある。このような場合に、前述の融着界面に砂を噛みこんだり、一部にボイドが形成されたりする場合がある。このように砂を噛みこんだり、ボイドが形成されたりする場合は、接合状態が異常であるため、再度作業をやり直す必要があるが、このような不良状態の確認手法は、未だ、確立されていない。
発明者らは、上記のような異常を検出するために、超音波による検査をおこなうことを検討した。
このような状況にあって、超音波による検査を行おうとすると、超音波探触子を検査部表面に当接させて、超音波を材料内に侵入させて、材料内部から反射、もしくは透過してくる波を検出して、融着界面の状態を検査することとなるが、本願のような場合は、管が接合状態にあるため、継手、管内部からの検査は不可能である。
一方、継手外表面から超音波を侵入させて、その反射波を検出して融着界面に存することがありうる異物の検出をおこなうことが好ましいが、融着用ワイヤーが界面近傍にあり、さらに、このワイヤーの巻き密度（管軸方向の単位長さ当たりの本数）が比較的高いため、融着用ワイヤーが障害となって、異物の検出が行い難いことが判明した。この状態を図５に示した。例えば、超音波探触子からの超音波の入射方向を管の法線方向に選択し、継手、外表面から、入射すると、融着用ワイヤーからの信号が、時間領域において比較的広がって受信されることとなるため、融着界面にある異物からの信号との識別ができず、有効な検出をおこなうことができない。
【０００４】
従って、本発明の目的は、所謂、エレクトロフュージョン継手と管との融着界面の状態を、超音波により良好に検査することができる超音波検査方法を得るとともに、この方法を使用する超音波検査装置を得ることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するための本発明による本願第１の発明の超音波検査方法は、請求項１に記載のとおり、軸方向に螺旋状に巻かれた融着用ワイヤーを継手内部に備えた融着継手の継手内周面と、前記融着継手に融着される管の管外周面との間に形成される融着界面の状態を、超音波により検査する超音波検査方法であって、前記融着継手の外表面の入射位置から、前記超音波を、前記融着用ワイヤーの巻き進行面に沿って、前記管の径方向である前記管外周面の法線方向に対して交差して侵入させ、前記融着界面近傍より帰ってくる反射波を前記入射位置で検出して、検出される反射信号データから前記融着界面の状態を検査する検査工程を備えることにある。
この超音波検査方法にあっては、超音波を継手内部に入射させ、内部より帰ってくる反射波をその入射位置で検出する。ここで、超音波の入射方向は、融着用ワイヤーの巻き進行面に沿い、なおかつ、融着対象の管の径方向である管外周面の法線方向に対して交差した方向とされる。この超音波の入射方向に関して、図１、図２を参照しながら説明する。図１は、継手及び管をその軸方向とは、ほぼこれと直交する断面方向で切断した図面であり、図２は、両者を、その軸方向に沿って切断した図面である。これらの図には、それぞれ、融着用ワイヤー及び融着界面に噛みこまれた異物の一例としての砂、さらに、超音波の進行方向が図示されている。このようなエレクトロフュージョン継手にあっては、融着用ワイヤーは、ほぼ、管周方向に沿って僅かに傾きを持って巻かれるため、ワイヤー３は図１の状態で、断面で周方向に沿って露出した状態となる。本願にあっては、超音波は、このワイヤーの巻き進行面に沿って入射されるため、図１の紙面に沿って、進行する。従って、図２の断面にあっては、ワイヤー、超音波は共に、紙面、表裏方向に分布することとなる。
さらに、本願の方法にあっては、超音波は、図１に示すように、管の法線方向から傾いた状態で、継手内部に入射される。従って、融着用ワイヤーに向かって進行する超音波は、このワイヤーの表面状態が良好なこととも相まって、元進行して来た側とは反対側の継手材料内に向かって反射される。即ち、図１、入射波ｓ１反射波ｓ２の状態となって、超音波探触子がある側とは反対側の継手表面に伝播されて、その後散逸される。
一方、入射された超音波の一部は、融着界面にある異物（例えば先に述べたように砂等）まで到達する。そして、このような異物の表面が比較的、均一でないことに起因して、入射側である超音波探触子の位置する入射位置にも反射される。従って、本願にあっては、入射位置において、優先的に、融着界面にある異物からの信号を拾うことができる。結果、Ｓ／Ｎ比を比較的確保した状態で、融着界面の状況を的確に把握できる。
【０００６】
ここで、本願で採用する超音波として、縦波を採用すると、比較的、散逸の大きな樹脂管にあっても、良好な検査をおこなうことができる。さらに縦波にあっては、対象物に入射角９０度程度を有して当たったものが、優先的に反射してくるため、ノイズの少ない明確な信号を得ることができる。さらに伝播速度が大きいため、初期の反射波で捕らえることができる。
さらに、管の法線方向Ｎと入射される超音波の入射方向との交差角ｉとしては、１３〜１８度程度の範囲内にある角度が好ましい。このような範囲内にある角度にあっては、ワイヤーからの反射を低減させる効果を奏することができる。図６の横軸は入射角度としての交差角ｉと信号強度の関係を示している。実線でワイヤーからの信号を、破線で界面からの信号を示した。
【０００７】
さて、本願第１の発明の超音波検査方法をおこなう場合に、請求項２に記載のように、以下のような手法を採ることが好ましい。
即ち、前記管の軸方向に沿った複数箇所で、前記検査工程を繰り返し、得られる複数の反射信号データにあって、融着用ワイヤーからの反射波が入射位置に帰ってくるワイヤー反射時間より長い反射時間領域で、所定強度以上の反射信号が得られた場合に融着界面に異常があると判断する第１異常検出工程を備えるのである。
本願にあっては、検査対象が特定されているため、使用する超音波及びその入射条件が特定されると、ワイヤーからの反射時間は、比較的容易に判明する。
即ち、ワイヤーの埋め込み深度から、これを予め推定することができるとともに、管の軸方向に沿って移動しながら、本願の検査方法を繰り返すと、一定の反射時間内に比較的弱い信号を頻繁に捕らえることができる。この状態を図７に示した。図７において横軸は管軸方向の位置であり、縦軸は信号強度である。この図からも判明するように、反射信号の受信時間領域を区分けして、信号の状態を捕らえることによって、明らかに、ワイヤーからの反射信号を判別できることが判る。一方、融着界面からの反射信号は、例えば、砂等を問題とするため、均等、且つ頻繁な分布を示すことはない。
従って、検査データとして得ることができる複数の反射信号データにおいて、ワイヤー反射時間より長い反射時間領域に、所定強度以上の反射信号があった場合に、これを融着界面にある異物からの信号と判断して、検査を良好におこなうことができる。
【０００８】
さらに、本願第１の発明の超音波検査方法をおこなう場合に、請求項３に記載のように、以下のような手法を採ることが好ましい。
即ち、管の軸方向に沿った複数箇所で前記検査工程を繰り返し、得られる複数の反射信号データから、前記融着用ワイヤーからの反射波が小さい正常反射信号データを抽出し、前記正常反射信号データにあって、前記融着用ワイヤーからの反射時間より長い反射時間領域に、所定強度以上の反射信号が得られた場合に、前記融着界面に異常があると判断する第２異常検出工程を備えるのである。
先にも説明したように、本願にあっては、融着用ワイヤーからの反射信号とおぼしき信号は、これがノイズとなる。但し、この信号が発生する深度は、先にも説明したように、比較的特定しやすい。しかしながら、この反射時間域に振幅の大きな反射信号があり、融着界面深度にも反射信号がある場合にあっては、これが、ワイヤーによるものか、界面上にある異物によるものかの判別は困難である。
従って、この方法にあっては、敢えて、融着用ワイヤーからの反射波を含む信号は、有意な信号ではないとして、これを棄て、融着用ワイヤーからの反射波が、得られる複数のデータ間で相対的に小さい（例えば図７のデータで信号強度が２Ｖ以下のもの）正常反射信号データを抽出し、このデータ内に、融着用ワイヤーからの反射時間より長い反射時間領域に、所定強度以上の反射信号が得られた場合に、融着界面に異常があると判断する。従って、この場合は、管の軸方向に於ける検査工程を繰り返して、有意な信号を抽出することで、信頼性の高い検査をおこなうことができる。
【０００９】
本願の検査方法を利用する超音波検査装置としては、請求項４に記載のように、これが、軸方向に螺旋状に巻かれた融着用ワイヤーを継手内部に備えた融着継手の継手内周面と、前記融着継手に融着される管の管外周面との間に形成される融着界面の状態を、超音波により検査する超音波検査装置であって、前記融着継手の外表面の入射位置から、前記超音波を、前記融着用ワイヤーの巻き進行面に沿って、前記管の径方向である前記管外周面の法線方向に対して交差して侵入させ、帰ってくる反射波を前記入射位置で検出する超音波探触子を備えて構成されていることが好ましい。
この装置にあっては、超音波探触子が、検査用の超音波を本願独特の方向で継手内に入射して、入射位置に帰ってくる信号を検出して、融着界面の検査をおこなうこととなるため、これまで、説明してきた原理により、融着用ワイヤーからのノイズ成分ができるだけ、少ない状態で作業を進めることができる。
従って、この検査装置において、継手形状との関係から、超音波探触子を、本願独特の姿勢に保持設定する、例えば、継手に対するカップリング部材様の形状となっている探触子姿勢保持設定具を備えていることが、好ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本願の超音波検査方法を使用する超音波検査装置７の構成を、図面に基づいて説明する。
図２は、融着作業完了後の管１と継手２の状態を示しており、両者間には融着界面６が形成されるとともに、継手内で融着界面６の近傍位置には、融着用ワイヤー３がその断面で見えている。図１は、先にも説明したように、管軸を横断する方向の断面を示している。融着用ワイヤー３は、線径０．８〜１．５ｍｍ程度のものが、軸方向の巻き密度で、０．４〜０．８回／ｍｍ程度で配設されている。従って、融着用ワイヤー３は管軸に対してほぼ直交する状態で巻かれている。
【００１１】
本願の超音波検査装置７は、超音波探触子８を備えたセンサ部９と、このセンサ部９に備えられる超音波探触子８を動作させて、所定の反射信号データを得るとともに、得られた反射信号データから、融着界面６の状態を判定する本体部１０とを備えている。
先ず、センサ部９から説明すると、このセンサ部９は、所謂、超音波探触子８と、この超音波探触子８を継手２、管１に対して所定の姿勢に保持設定する探触子姿勢保持設定具１１とを備えて構成されている。超音波探触子８は、本体部１０にケーブル１２により接続されている。
前記超音波探触子８は、継手内に超音波を入射するとともに、継手内部から反射して帰ってくる波を受信して、前記本体部側へ送れる構成とされている。さらに、これは、探触子姿勢保持設定具１１により、融着用ワイヤー３の巻き進行面Ｗに沿って、管外周面の法線方向Ｎに対して１３度程度傾いた方向に、超音波を入射できる姿勢に姿勢設定可能に構成されている。探触子姿勢保持設定具１１は、継手２を抱き込むことで、継手２に対して超音波探触子８を位置決めする。
ここで、融着用ワイヤー３の巻き進行面Ｗとは、図１の紙面に沿った面であり、継手２を所定断面で切断した場合に、融着ワイヤー３が、その長手方向において露出される面である。但し、この面は厳密に解されるべきではなく、ワイヤーの進行方向に沿って引かれた接線を含む面に対して±５度程度の角度は許容される。
さらに、探触子姿勢保持設定具１１は、管の軸方向Ｚに沿った、複数の位置で、超音波探触子８を位置決めできるように構成されており、超音波探触子８による検査を、軸方向Ｚの複数箇所で行える。
【００１２】
次に、本体部１０について説明する。この本体部１０は、超音波探触子８を、公知の所定の状態で動作させる（所定の超音波を継手内に入射し、継手内から帰ってきる信号を受信する）探触子動作制御手段１３と、この探触子８が継手２の軸方向でどの位置で検査を行っているかの位置情報（これは、前述の探触子姿勢保持設定具１１に備えられる探触子動作位置決め機構１１ａに於ける位置情報）を得るための動作位置検出手段１４と、前記探触子動作制御手段１３を介して得られる反射信号データを探触子の位置情報に関連付けて記憶する反射信号データ記憶手段１５を備えている。従って、この記憶手段１５には、管の軸方向Ｚに沿った複数箇所で、得られる複数の反射信号データが記憶される。
探触子動作位置決め機構１１ａは、探触子保持設定具１１に備えられる、設定長孔１１ｂとして構成されるとともに、この設定長孔１１ｂ内に超音波探触子８を挿入した状態において、前記超音波探触子８の長孔１１ｂでの位置（管の軸方向の位置）を検出する複数のセンサ（タッチ式センサ）１１ｃを備えて構成されている。従って、使用状態にあっては、検出状態にあるセンサ１１ｃの位置を、動作位置検出手段１４に出力することにより、動作位置検出手段１４が探触子８の位置情報を得ることができるように構成されている。
前記探触子動作制御手段１３には、公知の超音波探触子８を駆動するための回路と、この探触子８によって受信される信号から、有用な信号を抽出する回路かを備えている。即ち、図示は省略するが、所謂、起動用のドライバー、このドライバーからのトリガーにより所定のパルスを発生するパルス発生器、前記パルスの増幅器を、駆動側に備え、受信信号の増幅器、所定の波数の信号を抽出するバンドパスフィルター、さらに、Ａ／Ｄ変換器を受信側に備えている。
【００１３】
そして、本願の超音波検査装置７にあっては、融着界面６に異常があるかどうかの判断をおこなう判定手段１６が備えられている。ここで、この手段１６に於ける判定は、先に説明した反射信号データのそれぞれに関して、融着用ワイヤー３からの反射波が入射位置に帰ってくるワイヤー反射時間より長い反射時間領域に、所定強度以上の反射信号が得られた場合に融着界面６に異常があると判定するものである。この判定を第１異常検出工程と称する。
【００１４】
さらに、この判定手段内には、この手段１６に於ける判定をより確実なものとするために、得られている複数の反射信号データに基づいて、融着用ワイヤー３からの反射信号が帰ってくる時間であるワイヤー反射時間を導出するワイヤー反射時間導出手段１７を備えるとともに、このワイヤー３からの反射信号の小さな反射信号データ（複数のデータ間で相対的に小さいデータ）である正常反射データを抽出する正常反射データ抽出手段１８を備えており、正常反射データのみから、融着界面６における異物の存在の判定を行えるようにも構成されている。
【００１５】
前記ワイヤー反射時間導出手段１７は、管の軸方向に沿った複数箇所で得られた複数の反射信号データにおいて、周期的に所定強度以上の反射信号が得られる反射時間を、融着用ワイヤー３からのワイヤー反射時間として求める構成が採用されている。この工程をワイヤー反射時間導出工程と称する。この状態が、図４に示されている。
先に説明した正常反射データ抽出手段１８は、ワイヤー反射時間導出工程によって求まるワイヤー反射時間もしくは、予め判明しているワイヤー埋め込み深度から推定されるワイヤー反射時間を知ることにより、各反射信号データに於けるワイヤー３からの反射信号の有無の判断が可能であるため、この判断をおこなうことによって、正常反射データを抽出する。
従って、判定手段１６においては、先に説明した判定手法とともに、管１の軸方向に沿った複数箇所で得られる複数の反射信号データから、融着用ワイヤー３からの反射波が小さな正常反射信号データを抽出し、正常反射信号データにあって、融着用ワイヤー３からの反射時間より長い反射時間領域に、所定強度以上の反射信号が得られた場合に、融着界面６に異常があると判定するように構成されている。これを、第２異常検出工程と称する。
【００１６】
以上のようにして、本願の超音波検査装置７にあっては、少なくとも、第１、第２異常検出工程を経て、融着界面６に対する異物の存否の判定結果を得ることができる構成となっている。
【００１７】
以下、本願の手法を適応して、融着界面の状態を検査していく手順について、作業手順に従って、箇条書きしながら説明する。
１  探触子姿勢保持設定具１１の所定位置（第１検査位置）に超音波探触子８を装着した状態で、これを、継手２に取り付ける。
取付状態にあっては、超音波探触子８は、融着用ワイヤー３、管１の法線Ｎに対して、先に説明した本願独特の姿勢に、姿勢保持設定される。
２  探触子動作制御手段１３が、最初の超音波探触子８の動作を行わせ、最初の位置での反射信号データが得られる。
このような一回の反射信号データを取り込むことができる工程を、検査工程と称する。
このような検査工程にあっては、図３（イ）もしくは（ロ）のような反射信号データを取り込むことができる。ここで、（イ）は融着用ワイヤー３からの反射信号と融着界面６にある砂からの信号が、共に、捕らえられている状態を示しており、（ロ）は融着用ワイヤー３からの信号のみが捕らえられている状態が示されている。これらの信号にあっては、ワイヤーからの信号と異物からの信号が、比較的明確に区分けして検出されているが、本願のような超音波探触子８の姿勢を取ることなしに、任意の姿勢で検出をおこなうと、融着用ワイヤー３からの信号時間分布帯域が広がり、両者の識別が困難となる。この状態を図５に示した。
３  次に超音波探触子８を管１の軸方向Ｚで移動させながら、順次、検査工程を繰り返して、管１の軸方向に沿った複数箇所に於ける、検査をおこなう。
４  これらの結果は、軸方向の位置情報とともに、記憶手段１５に記憶され、後の判定手段１６による判定の用に供される。
このようにして得られるデータの例を図４に示した。ワイヤー３からの信号と、融着界面６からの信号とが、時間遅れをもって、検出されることが判る。
さらに、同図において、ａは、ワイヤー３からの反射信号が小さいデータを、ｂはワイヤー３からの信号と、融着界面６にある砂等からの信号が、共に、乗っているデータを示している。超音波探触子８を所定の間隔で、順次、移動させていくと、ワイヤー３からの信号が周期的に現れることとなる。
５  判定手段１６にあっては、複数箇所に於ける反射信号データに基づいて、ワイヤー反射信号時間が、ワイヤー反射時間導出手段１７により導出される。
６  さらに、ワイヤー反射信号時間より、遅れた時間領域にあって、所定値以上の強度を有する反射信号が得られた場合に、融着界面６に異常があると（例えば、砂を噛みこんでいたり、ボイドが存在すると）判定する。これが、第１異常検出工程の判定結果である。
７  さらに、先に説明した正常反射データ抽出手段１８により、正常反射データが抽出される。そして、先に説明したと同様の手法により、ワイヤー反射信号時間より、遅れた時間領域にあって、所定値以上の強度を有する反射信号が得られた場合に、融着界面に異常があると（例えば、砂を噛みこんでいたり、ボイドが存在すると）判定する。これが、第２異常検出工程の判定結果である。
これらの異常検出工程にあっては、管内周面からの反射波が問題になると考えられるが、この反射波は、かなりの遅れを伴うとともに、管内周面の状態が比較的良好であり、さらに、融着用ワイヤー３におけると同様に、入射位置とは反対側に散逸される信号の方が多いため、融着界面６からの信号との間にあって、誤検出する可能性は、非常に低い。
８  この様にして、周方向の一定位置での検査を終了し、さらに、検査位置を周方向でずらしながら、順次作業を進める。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願の手法を使用して融着界面の状態を検査している状況を示す図
【図２】本願の超音波検査装置の一実施の形態を示す図
【図３】本願手法を採用した場合の反射信号データの状況を示す図
【図４】管の軸方向で異なった位置から検査を行った場合の反射信号データを示す図
【図５】従来手法の問題点の説明図
【図６】入射角度と信号強度との関係を示す図
【図７】管軸方向に移動しながら検査を行った場合の信号強度の変化を示す図
【符号の説明】
２    融着継手
３    融着用ワイヤー
６    融着界面
Ｗ    巻き進行面
Ｎ    法線方向
Ｚ    軸方向
【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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