(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属物体内部に存在が予測される欠陥に向けて超音波を送信する送信用の超音波探触子と、
前記送信用の超音波探触子から送信され、前記欠陥で反射された超音波を受信する受信用の超音波探触子と、
を備え、
前記受信用の超音波探触子は、
前記欠陥で反射された超音波を受信する超音波振動子と、
前記超音波振動子の前面に設けられ、前記欠陥で反射された超音波を前記超音波振動子に伝播するシューと、
前記シューの側面を囲繞する吸音材と、
を含み、
前記金属物体内部の結晶粒で反射され、前記超音波振動子で受信するノイズレベルの信号強度が欠陥からの信号強度に対して小さくなるように、前記シューの材質、直径および超音波伝搬方向長さを設定するとともに、
前記シューの減衰係数をα、直径をｄとした場合に、前記超音波伝播方向長さｘが下記の数式１を満たすことを特徴とする超音波探傷装置。
【数１】
0006016759.tif 000010
【請求項２】
前記送信用の超音波探触子の設置角度と前記受信用の超音波探触子の設置角度とは、前記送信用の超音波探触子と前記受信用の超音波探触子との間隔、および前記欠陥の深さにより設定されることを特徴とする請求項１に記載の超音波探傷装置。
【請求項３】
金属物体内部に存在が予測される欠陥に向けて超音波を送信する送信用の超音波探触子と、
前記送信用の超音波探触子から送信され、前記欠陥で反射された超音波を受信する受信用の超音波探触子と、
を備え、
前記受信用の超音波探触子は、
前記欠陥で反射された超音波を受信する超音波振動子と、
前記超音波振動子の前面に設けられ、前記欠陥で反射された超音波を前記超音波振動子に伝播するシューと、
前記シューの側面を囲繞する吸音材と、
を含み、
前記シューの減衰係数をα、直径をｄとした場合に、前記シューの超音波伝播方向長さｘを下記の数式１ａを満たすように設定したことを特徴とする超音波探傷装置。
【数１ａ】
0006016759.tif 000011
ただし、Ｎは、前記金属物体内部の結晶粒で反射され、前記超音波振動子で受信するノイズレベルの信号強度が欠陥からの信号強度に対して小さくなる基準値として任意に設定される数値である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波探傷検査に用いられる超音波探傷装置に関するもので、特に、欠陥で反射された超音波を受信用の超音波探触子で受信する超音波探傷装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波探触子から超音波を発生させ、検査対象となる物体に超音波を伝播させる一方、検査対象となる物体内部の欠陥で反射された超音波（反射波）を前記超音波探触子で感知することで、物体内部の欠陥を探傷する超音波探傷装置が広く知られている。
また、特許文献１には、超音波プローブ、超音波振動子、シュー、吸音材を備えた超音波探触子が記載されている。この超音波探触子は、物体内部の欠陥で反射された超音波（反射波）を感知する一方、シューと検査対象となる物体の境界面で反射された超音波（シュー内エコー）を吸音材で減衰させる。
また、特許文献２には、超音波発生部（超音波プローブと超音波振動子）と、超音波発生部の前面に取り付けられ、超音波を伝播させる方向に対して所定角度傾斜した反射面を有するシューと、シューの外周に取り付けられた吸音材と、を備えた超音波探触子が記載されている。この超音波探触子は、物体内部の欠陥で反射された超音波をシューの反射面で屈折させることにより、物体内部の欠陥で反射された超音波を超音波発生部で感知する。一方、シュー内で発生した超音波（雑エコー）を吸音材で減衰させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１４５３５７号公報
【特許文献２】実開昭６１−１６１７５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した特許文献１や特許文献２に記載された超音波探触子では、検査対象となる物体が結晶粒でも超音波が反射（散乱）する金属物体の場合には、結晶粒で反射した超音波の大部分は吸音材に到達せず、ノイズとして超音波探触子に検知される。これにより、金属物体内部の欠陥が小さい場合には金属物体内部の欠陥で反射した超音波（反射波）が結晶粒で反射した超音波に埋もれ、金属物体内部の欠陥の検出性が悪くなり、欠陥の判別が困難なものとなっていた。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、検査対象となる物体が結晶粒でも超音波が反射する金属物体であっても、金属物体内部の欠陥の検出性を良好なものとし、欠陥の判別を容易にできる超音波探傷装置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】
【０００５】
本発明は、金属物体内部に存在が予測される欠陥に向けて超音波を送信する送信用の超音波探触子と、前記送信用の超音波探触子から送信され、前記欠陥で反射された超音波を受信する受信用の超音波探触子と、を備え、前記受信用の超音波探触子は、前記欠陥で反射された超音波を受信する超音波振動子と、前記超音波振動子の前面に設けられ、前記欠陥で反射された超音波を前記超音波振動子に伝播するシューと、前記シューの側面を囲繞する吸音材と、を含み、前記金属物体内部の結晶粒で反射され、前記超音波振動子で受信するノイズレベルの信号強度が欠陥からの信号強度に対して小さくなるように、前記シューの材質、直径および超音波伝播方向長さを設定したことを特徴とする。
【０００６】
本発明によれば、金属物体内部の結晶粒で反射され、超音波振動子で受信するノイズレベルの信号強度が欠陥からの信号強度に対して小さくなる。これにより、欠陥の検出性が良好なものとなり、欠陥の判別が容易にできる。
【０００７】
本発明の一態様では、前記シューの減衰係数をα、直径をｄとした場合に、前記超音波伝播方向長さｘが下記の数式１を満たすことが好ましい。
【数１】
0006016759.tif 000002
【０００８】
このようにすれば、シューを取り付けない場合に対して２倍以上の信号対ノイズ比（Ｓ／ＳＮ比）を得ることができる。
【０００９】
本発明の一態様では、前記送信用の超音波探触子の設置角度と前記受信用の超音波探触子の設置角度とは、前記送信用の超音波探触子と前記受信用の超音波探触子との間隔、および前記欠陥の深さにより設定されることが好ましい。
このようにすれば、深さを予測できる金属物体内部の欠陥を効率的に検査することができる。
【発明の効果】
【００１０】
以上説明したように、本発明によれば、金属物体内部の結晶粒で反射され、超音波振動子で受信するノイズレベルの信号強度が欠陥からの信号強度に対して小さくなる。これにより、欠陥の検出性が良好なものとなり、欠陥の判別が容易にできるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態である超音波探傷子を採用し超音波探傷検査装置を示す概念図である。
【図２】シューと超音波振動子とを示す模式図である。
【図３】受信可能角度範囲を説明するための図である。
【図４】シューの直径が５ｍｍの場合におけるシューの高さｘと受信可能角度θとの関係を示す図である。
【図５】受信可能角度θとノイズ受信強度比との関係を示す図である。
【図６】シュー内部における信号の減衰イメージを示す図である。
【図７】欠陥サイズと信号強度との関係を示す図である。
【図８】シューの高さｘと信号強度Ｆとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に添付図面を参照して、本発明に係る超音波探傷装置に好適な実施の形態を詳細に説明する。尚、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１３】
まず、図１に基づいて本発明の実施の形態である超音波探傷装置について説明する。尚、図１は、本発明の実施の形態である超音波探傷装置の構成を示す概念図である。
【００１４】
本発明の実施の形態である超音波探傷装置１は、結晶粒でも超音波が反射（散乱）する金属物体内部の欠陥の検出性を良好なものとし、欠陥の判別を容易にできるようにするもので、欠陥の位置、深さを予想できる金属物体内部に生じる欠陥の探傷に好適である。例えば、開先を設けた板状体を突き合わせ溶接した金属物体内部にクリープ損傷によって生じる欠陥の探傷に好適である。
【００１５】
図１に示すように、本発明の実施の形態である超音波探傷装置１は、送信用の超音波探触子２と、受信用の超音波探触子３とを備えて構成される。本発明の実施の形態である超音波探傷装置１は、送信用の超音波探触子２と受信用の超音波探触子３とが独立して設けられ、送信用の超音波探触子２が受信用の超音波探触子３を兼ねることはない。
【００１６】
送信用の超音波探触子２と受信用の超音波探触子３とは、金属物体Ｍの外表面に傾きφを有して設置される。傾き（設置角度）φは、送信用の超音波探触子２と受信用の超音波探触子３との間隔Ｌ、予想される欠陥Ｄの深さによって定められる。これにより、送信用の超音波探触子２と受信用の超音波探触子３との間隔Ｌに変動がないとすれば、予想される欠陥Ｄの深さが浅くなると傾きφが大きくなり、予想される欠陥Ｄの深さが深くなると傾きφが小さくなる。
【００１７】
送信用の超音波探触子２は、検査対象となる金属物体Ｍの内部に向けて超音波を送信するためのもので、超音波振動子２１が埋め込まれている。送信用の超音波探触子２は、圧電素子２２に電圧を印加することで超音波振動子２１から超音波を発生し、超音波探触子から検査対象となる金属物体内部に向けて超音波が送信される。また、送信用の超音波探触子２と金属物体Ｍとの間には、超音波プローブシュー４が設置されている。超音波プローブシュー４は、送信用の超音波探触子２から金属物体Ｍの内部に超音波を伝播させるためのもので、送信用の超音波探触子２を傾けるべく、傾斜角φを有するくさび状に形成されている。
【００１８】
受信用の超音波探触子３は、送信用の超音波探触子２から送信され、金属物体内部で反射された超音波を受信するためのもので、超音波振動子３１が埋め込まれている。これにより、受信用の超音波探触子３は、送信用の超音波探触子２から送信され、金属物体内部の欠陥Ｄで反射された超音波を受信する。
【００１９】
また、送信用の超音波探触子３と金属物体Ｍとの間には、超音波プローブシュー５が設置されている。超音波プローブシュー５は、金属物体Ｍから受信用の超音波探触子３に超音波を伝播させるためのもので、受信用の超音波探触子３を傾けるべく、傾斜角φを有するくさび状に形成されている。
【００２０】
本発明の実施の形態に係る受信用の超音波探触子３は、金属物体Ｍの内部の結晶粒（図示せず）で反射した超音波を減衰させ、金属物体Ｍの内部の欠陥Ｄで反射した超音波の検出性を良好なものとするもので、超音波プローブ３０、シュー３３、吸音材３４を備えている。超音波プローブ３０には、上述した超音波振動子３１が埋め込まれ、超音波振動子３１に伝播された超音波は圧電素子３２で受信される。
【００２１】
シュー３３は、超音波を超音波振動子３１に伝播させるためのもので、円柱形状に形成され、検出対象となる超音波が一端面から他端面に至る経路を通り伝播され、検出対象とならない超音波（ノイズとなる超音波）が一端面から側面に経路を逸れるように形成される。具体的には、金属物体内部の欠陥Ｄで反射された超音波が一端面から他端面に至る経路を通り伝播され、金属物体内部の結晶粒で反射された超音波（ノイズとなる超音波）の一部が一端面から側面に経路を逸れるように形成される。これにより、シュー３３は、その直径ｄ及びその高さｘ（超音波の伝播方向長さ）がパラメータとなり、後述するように、適切なものが選定される。
【００２２】
吸音材３４は、検出対象とならない超音波、すなわち、一端面から側面に経路を逸れた超音波を減衰させるためのもので、シュー３３の側面を囲繞するように設けられている。これにより、一端面から側面に経路を逸れた超音波は、吸音材３４に吸収され、減衰される。
【００２３】
つぎに、シュー３３の直径ｄ及び高さｘ（超音波の伝播方向長さ）の選定について説明する。ここでは、図２に示すように、シュー３３の直径寸法をｄ、シューの高さ（超音波の伝播方向長さ）をｘとする。図３に示すように、他端面に接する超音波振動子３１の受信可能角度範囲はθで与えられる。受信可能角度範囲θは、下記の数式２で求められる。
【数２】
0006016759.tif 000003
【００２４】
図４は、直径ｄが５ｍｍの場合におけるシューの高さと受信可能角度範囲θとの関係を示す図である。図４に示すように、シュー３３の高さｘが大きくなるのにともない受信可能角度範囲θは漸次小さくなる。
【００２５】
ここで、シュー３３による散乱ノイズ受信強度は、受信可能角度範囲θに比例するものと仮定する。散乱ノイズ受信強度をＳＮ、シュー３３がない場合のノイズ受信強度ＳＮ０とすると、ノイズ受信強度ＳＮは、ｘの関数として下記の数式３で表される。
【数３】
0006016759.tif 000004
【００２６】
図５は、受信可能角度範囲とノイズ受信強度比との関係を示す図である。図５に示すように、受信可能角度範囲θとノイズ受信強度比とは比例関係にあり、受信可能角度範囲θが大きくなるのにともないノイズ受信強度比も大きくなる。
【００２７】
図６は、シューの高さと信号強度との関係を示す図である。図６に示すように、超音波は、シュー３３を通過することにより減衰する。ここで、シュー３３の減衰係数をαとすれば、超音波の受信強度は、下記の数式４で表される。
【数４】
0006016759.tif 000005
【００２８】
また、信号強度／散乱ノイズをＦで表すと、Ｆは下記の数式５で表される。
【数５】
0006016759.tif 000006
【００２９】
図７は、欠陥の大きさと信号強度との関係を示す図である。図７に示すように、ノイズレベルが高いとノイズレベルよりも小さな欠陥は、ノイズに埋もれて検出することができない。したがって、ノイズレベルを下げることができれば、ノイズに埋もれていた欠陥でも検出可能となる。
【００３０】
ここでは、シュー３３がない場合のノイズ受信強度ＳＮＯ＝０．７５，シューの直径ｄ＝５ｍｍ，シュー３３の減衰係数α＝０．０２ｄＢ／ｍｍとすると、Ｆ（Ｓ／ＳＮ比（信号強度／ノイズ受信強度））は下記の数式６で表される。
【数６】
0006016759.tif 000007
【００３１】
図８は、シューの高さとＦ（Ｓ／ＳＮ比）との関係を示す図である。図８に示すように、シュー３３の直径ｄが５ｍｍ、減衰比が０．０２ｄＢ／ｍｍの場合には、シュー３３の高さが５０ｍｍでＦ（Ｓ／ＳＮ比）の値が最大となる。これにより、シュー３３の直径ｄが５ｍｍ、減衰比が０．０２ｄＢ／ｍｍの場合にはシュー３３の高さを５０ｍｍとするのが好ましい。
【００３２】
ここで、Ｆ（Ｓ／ＳＮ比）は、検出する欠陥Ｄの大きさにより決定される。例えば、Ｆ（Ｓ／ＳＮ比）の向上の効果が確認できる基準として、シューを取り付けない場合に対してＦの値が２倍より大きくなるように決定される。具体的には、下記の数式７を満たすように決定される。これにより、下記の数式７を満たすように、シューの減衰係数α、シューの直径ｄ、シューの高さｘが組み合わされる。尚、Ｆ（Ｓ／ＳＮ比）は、２倍よりも大きくなる場合に限られるものではなく、効果が確認できる基準として適切であれば任意に設定することができる。
【数７】
0006016759.tif 000008
【００３３】
尚、数式７は、数式８に示すように表すこともできる。
【数８】
0006016759.tif 000009
【００３４】
本発明の実施の形態である超音波探傷装置１によれば、金属物体内部の結晶粒で反射され、超音波振動子３１で受信するノイズレベルの信号強度が欠陥からの信号強度に対して小さくなる。これにより、欠陥の検出性が良好なものとなり、欠陥の判別が容易にできるようになる。
【００３５】
また、送信用の超音波探触子２の傾き（設置角度）φと超音波探触子３の傾き（設置角度）φとは、送信用の超音波探触子２と受信用の超音波探触子３との間隔、および欠陥の深さにより設定されるので、深さを予測できる金属物体内部の欠陥を効率的に検査することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明に係る超音波探傷装置は、検査対象となる物体が結晶粒でも超音波が反射する金属物体であっても、金属物体内部の検出性を良好なものとし、欠陥の判別を容易にできるので、金属物体内部の欠陥を検出する超音波探傷装置の好適である。
【符号の説明】
【００３７】
１    超音波探傷装置
２    送信用の超音波探触子
２１    超音波振動子
２２    圧電素子
３    受信用の超音波探触子
３０    超音波プローブ
３１    超音波振動子
３２    圧電素子
３３    シュー
３４    吸音材
４    超音波プローブシュー
５    超音波プローブシュー
Ｍ    金属物体
Ｄ    欠陥
ｄ    シューの直径
ｘ    シューの高さ（超音波の伝播方向長さ）
【図１】
0006016759.tif 000012
【図２】
0006016759.tif 000013
【図３】
0006016759.tif 000014
【図４】
0006016759.tif 000015
【図５】
0006016759.tif 000016
【図６】
0006016759.tif 000017
【図７】
0006016759.tif 000018
【図８】
0006016759.tif 000019