(57)【要約】【課題】  本発明は、フェーズドアレイ超音波プローブ組立体を提供する。【解決手段】  本フェーズドアレイ超音波プローブ組立体（１０）は、例示的な実施形態では、ハウジング（１２）と、ハウジング内に支持されたフェーズドアレイ・トランスデューサ（１４）とを含む。ハウジングは、第１の側壁（１６）及び対向する第２の側壁（１８）と、第１の端壁（２０）及び対向する第２の端壁（２２）とを含む。第１及び第２の側壁と第１及び第２の端壁とは、その中にフェーズドアレイ・トランスデューサが配置されるハウジング空洞（２４）を形成する。第１及び第２の側壁は各々、複数の突出部（５０）を含む内面（５２、５４）を有する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジング（１２）と、
前記ハウジング内に支持されたフェーズドアレイ・トランスデューサ（１４）と、
を含み、前記ハウジングが、
第１の側壁（１６）及び対向する第２の側壁（１８）と、
第１の端壁（２０）及び対向する第２の端壁（２２）と、を含み、
前記第１及び第２の側壁と前記第１及び第２の端壁とが、その中に前記フェーズドアレイ・トランスデューサが配置されるハウジング空洞（２４）を形成し、
前記第１及び第２の側壁が各々、複数の突出部（５０）を含む内面（５２）、（５４）を有する、
フェーズドアレイ超音波プローブ組立体（１０）。
【請求項２】
前記第１及び第２の端壁（２０）、（２２）が各々、少なくとも１つの突出部（５６）を含む内面（５８）、（６０）を有する、請求項１記載のフェーズドアレイ超音波プローブ組立体（１０）。
【請求項３】
前記第１及び第２の側壁の突出部（５０）が、傾斜面のある突出部を含む、請求項１記載のフェーズドアレイ超音波プローブ組立体（１０）。
【請求項４】
前記複数の傾斜面のある突出部（５０）が、複数の鋸歯状突出部を含む、請求項３記載のフェーズドアレイ超音波プローブ組立体（１０）。
【請求項５】
前記第１及び第２の端壁（２０）、（２２）の少なくとも１つの突出部（５６）が、傾斜面のある形状の突出部を含む、請求項２記載のフェーズドアレイ超音波プローブ組立体（１０）。
【請求項６】
前記少なくとも１つの傾斜面のある形状の突出部（５６）が、三角形状の突出部を含む、請求項５記載のフェーズドアレイ超音波プローブ組立体（１０）。
【請求項７】
前記フェーズドアレイ・トランスデューサが、前記ハウジング内に旋回可能に支持されている、請求項１記載のフェーズドアレイ超音波プローブ組立体（１０）。
【請求項８】
前記ハウジング（１２）が流体入口（４０）をさらに含む、請求項１記載のフェーズドアレイ超音波プローブ組立体。
【請求項９】
前記ハウジング（１２）が少なくとも１つの通気口をさらに含む、請求項１記載のフェーズドアレイ超音波プローブ組立体（１０）。
【請求項１０】
前記ハウジング（１２）が、前記ハウジング空洞（２４）の上部をシールするための第１の可撓性膜シール（４４）と、該ハウジング空洞の底部をシールするための第２の可撓性膜シール（４６）とをさらに含む、請求項１記載のフェーズドアレイ超音波プローブ組立体（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的には異種金属溶接部の超音波検査に関し、より具体的には、フェーズドアレイ・トランスデューサによる異種金属溶接部の超音波検査に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば原子炉内のパイプ溶接部は、これまで４５度及び６０度屈折の縦波を用いる超音波トランスデューサで検査されてきた。これらの角度は溶接部構成、超音波理論及び現場経験に基づいて「規準（ノルム）」として確立されてきた。パイプは、４方向にラスタ・スキャンして溶接部ボリュームを完全に検査されるが、これは非常に時間がかかる。超音波トランスデューサを溶接部に送るマニピュレータの設定に関して、さらに重要なことには、トランスデューサと検査対象の被検体との間の接触に関して、時々問題が生じている。トランスデューサとパイプとの間の継続的な接触が維持されない場合、収集したスキャン・データは損なわれ、時間のかかる再スキャン又は欠陥検出の見落しを生じる結果となることがある。
【０００３】
超音波ビームを所定の角度範囲に電気的にステアリングする（導く）ことによって従来型の超音波検査法の検査効率を高めたフェーズドアレイ超音波プローブが、開発された。依然として存在する１つの主要な問題は、フェーズドアレイ超音波トランスデューサと検査対象の被検体との間の接触である。この問題を克服する目的で、トランスデューサに下向きの押圧力を加える複雑なジンブリング機構が用いられてきた。しかしながら、他の問題、例えば不適切なスキャナ設定及びパイプ表面の不規則性もまた、検査精度に影響を与えるおそれがある。
【特許文献１】米国特許６．３３２，０１１号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
１つの態様では、ハウジングとハウジング内に支持されたフェーズドアレイ・トランスデューサとを含むフェーズドアレイ超音波プローブ組立体を提供する。ハウジングは、第１の側壁及び対向する第２の側壁と、第１の端壁及び対向する第２の端壁とを含む。第１及び第２の側壁と第１及び第２の端壁とは、その中にフェーズドアレイ・トランスデューサが配置されるハウジング空洞を形成する。第１及び第２の側壁は各々、複数の突出部を含む内面を有する。
【０００５】
別の態様では、ハウジングとハウジング内に旋回可能に支持されたフェーズドアレイ・トランスデューサとを含むフェーズドアレイ超音波プローブ組立体を提供する。フェーズドアレイ・トランスデューサは、複数の素子を含む。ハウジングは、第１の側壁及び対向する第２の側壁と、第１の端壁及び対向する第２の端壁とを含む。第１及び第２の側壁と第１及び第２の端壁とは、その中にフェーズドアレイ・トランスデューサが配置されるハウジング空洞を形成する。第１及び第２の側壁は各々、複数の突出部を含む内面を有する。
【０００６】
さらに別の態様では、フェーズドアレイ超音波プローブ組立体を用いて金属対象物内の溶接部の一部分を検査する方法を提供する。プローブ組立体は、ハウジングとハウジング内に旋回可能に支持されたフェーズドアレイ・トランスデューサとを含む。ハウジングは、第１の側壁及び対向する第２の側壁と、第１の端壁及び対向する第２の端壁とを含む。第１及び第２の側壁と第１及び第２の端壁とは、その中にフェーズドアレイ・トランスデューサが配置されるハウジング空洞を形成する。第１及び第２の側壁は各々、複数の突出部を含む内面を有する。本方法は、検査対象の溶接部の一部分の外面に隣接させてフェーズドアレイ超音波プローブ組立体を位置決めする段階と、ハウジング空洞に流体を加える段階と、溶接部をスキャンする段階とを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下に、ハウジングとハウジング内に支持されたフェーズドアレイ・トランスデューサとを含むフェーズドアレイ超音波プローブ組立体を詳細に説明する。ハウジングは、複数の「鋸歯」突出部を有する互いに対向する側壁と、各々が少なくとも１つの「鋸歯」すなわち三角形状の突出部を有する互いに対向する端壁とを含む。ハウジングは、直立した水柱内にフェーズドアレイ超音波トランスデューサを保持する。水は、トランスデューサの底部と検査対象の材料との間の容積を満たし、接触が破壊されない状態で超音波がプローブから直接材料に伝わることを可能にする。音波は、所定の角度でトランスデューサを出て、材料と接触するまで水中を移動し、材料と接触する位置で速度変化が起こる。音波が材料に貫入する時に、速度の変化により音波に屈折を生じさせて、所定の角度を用いて溶接ボリュームを検査することを可能にする。システム内に持ち込まれるノイズの量を最小にするために、ハウジングの壁は、表面近くの反射物を吸収又は散乱するように設計され、このことにより分解能が改善される。円周方向及び軸方向両方の傷を識別することができる。円周方向の傷は、トランスデューサがパイプの長手方向軸線に対して垂直な場合に検出される。軸方向の傷を検出するために、パイプの長手方向軸線に沿ってトランスデューサを回転させる。
【０００８】
図面を参照すると、図１は、本発明の例示的な実施形態によるフェーズドアレイ超音波プローブ組立体１０の斜視図である。プローブ組立体は、ハウジング１２とハウジング１２内に旋回可能に支持されたフェーズドアレイ超音波トランスデューサ１４とを含む。ハウジング１２は、ほぼ角胴形状であり、第１の側壁１６、対向する第２の側壁１８、第１の端壁２０及び対向する第２の端壁２２を含む。側壁１６及び１８と端壁２０及び２２とは、その中にトランスデューサ１４が取付けられる空洞２４を形成する。
【０００９】
トランスデューサ・ピボットピン２６及び２８は、それぞれ端壁１８及び２０を貫通して延びて、トランスデューサ１４をハウジング１２内に旋回可能に支持する。角度調整ブロック３０は、トランスデューサ１４の一端部に結合され、ハウジング１２に結合された角度選択部材３２と相互作用する。この例示的な実施形態では、角度選択部材３２は、角度調整ブロック３０の弓形状端部３６にかみ合う弓形部分３４を含む。角度選択部材内の固定ねじ３８は、角度調整ブロック３０を所定の位置に固定し、それによりトランスデューサ１４の所望の角度を設定する。
【００１０】
ハウジング空洞２４は、液体で満たされる。この例示的な実施形態では、液体は水であり、また別の実施形態では、液体は超音波ビームの送受信を可能にする液体の混合物である。ハウジング１２に流体入口４０を設置して、ハウジング空洞２４を流体で満たすことを可能にする。ハウジング１２はまた、空洞２４を流体で満たす間に空洞２４内の全ての捕捉空気を除去するための少なくとも１つの空気放出通気口４２（２つを図示する）を含む。
【００１１】
第１の可撓性膜シール４４は、トランスデューサ１４と側壁１６及び１８との間の領域を覆って、流体をハウジング空洞２４内に保持する。第２のシール４６は、検査対象物との間でハウジング１２の底部をシールする。１つの実施形態におけるシール４６は、少なくとも１つのスリット又は開口部を有する膜シールであり、この膜シールによって、空洞２４の容積を満たしたハウジング空洞２４内の流体のボリュームをトランスデューサ１４の底部と検査対象物との間に保持しながら、流体がハウジング空洞２４を通って流れることが可能になる。別の実施形態では、シール４６は、ハウジング１２の底縁部の周りに設置されてハウジング空洞２４から液体が流出できないようにする防水シールを形成した弾力部材である。ハウジング１２はまた、少なくとも１つのツール・マニピュレータ装着部材４８を含み、プローブ組立体１０をツール・マニピュレータ（図示せず）に結合する。
【００１２】
図２は、フェーズドアレイ超音波プローブ組立体１０の側壁１６の断面図であり、図３は、端壁２０の断面図である。また図２及び図３を参照すると、側壁１６及び１８は、それぞれ内面５２及び５４から延びる複数の突出部５０を含む。端壁２０及び２２は、それぞれ内面５８及び６０から延びる少なくとも１つの突出部５６を含む。この例示的な実施形態では、突出部５０及び５６は、三角形状すなわち「鋸歯」形状である。別の実施形態では、突出部５０及び５６は、他の形状、例えば半円形、楕円形、又はハウジング１２の壁に当たって跳ね返った音波によって発生するノイズを低減する他の任意の形状とすることができる。
【００１３】
図４は、パイプ６１上に取付けたフェーズドアレイ・トランスデューサ・プローブ組立体１０の概略図であり、図５は、フェーズドアレイ超音波トランスデューサ１２の概略図である。また図４及び図５を参照すると、トランスデューサ１２は、超音波ビーム６４を照射する複数の素子６２を含む。プローブ組立体１０の用法の重要な態様は、超音波ビーム６４を動的に合成し、個々の素子６２のビーム拡がり全体の中で任意の角度の「仮想プローブ」を形成する能力である。作動中、ビーム６４は各素子６２を順次発射することによって生成されて、所望の角度６８に沿った波面６６を形成する。角度６８は、角度選択部材３２及び角度調整ブロック３０によって選択されかつ設定される。この「仮想プローブ」はまた、大型アレイ内の一群の素子を発射させることによってパイプ６１内の溶接部７０を通して「掃引する」ことができる。プローブ発射順序及びパルス遅延を選択することによって、この作用を使用して、超音波ビーム６４を動的に集束させる、すなわち「電気的にステアリング」することができる。この作用をそれぞれのパルス・ベースで変化させて、溶接部７０を通して焦点を効果的に「掃引させる」ことができる。ビームのステアリング及び動的収束を組合せて、得られたビーム６４を所定の増分で集束させかつ傾斜させるのを可能にすることができる。
超音波フェーズドアレイ・トランスデューサ１４は、ペンシルベニア州リューイスタウン所在のＫｒａｕｔｋｒａｍｅｒ  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  Ｇｒｏｕｐ  ｏｆ  Ａｇｆａ  ＮＤＴ，Ｉｎｃ．から購入可能である。
【００１４】
図５を参照すると、トランスデューサ１４の基本パラメータは、周波数、アパーチュアＡ、素子サイズＸ、素子幅Ｙ、ピッチＰ及び素子６２の数として定められる。適当な周波数は、原子炉に設置されたパイプ６１内の溶接部７０の材料タイプ及び厚さの場合には、１．０〜５．０ＭＨｚである。しかしながら、他の材料で製造されたパイプ及びパイプ溶接部の場合には、他のトランスデューサ周波数を用いることができる。
【００１５】
素子ピッチＰは、必要な音波経路においてビーム６４を集束させるのに必要な音響アパーチュアＡを算出し、この値を素子６２の総数及び所望の角度を形成するのに必要なステアリング量で除算することによって決定される。素子６２のサイズＸは、最大可能ピッチとして設定される。素子６２の幅Ｙは、ｙ平面内での最小ビームプロフィールを与える、１５センチメートルの近距離音場の有効直径を算出することによって決定される。スキャン面の物理的制約条件もまた、トランスデューサ１４の基本パラメータ値を決定する際に考慮しなければならない。
【００１６】
再び図４を参照すると、検査するビーム６４のボリューム７２は、溶接部７０と外面７４から内面７６に向かって延びるパイプ６１とを含む。上述のように、まさにトランスデューサ１４を複数の角度６８に配向することができた時に、ビーム６４は、複数の角度に配向又はステアリングすることができる。１つの実施形態では、ビーム６４は、溶接部７０を横切るほぼ軸方向の経路に沿って、溶接部７０の配向内の直線経路でステアリングすることができる。別の実施形態では、ビーム６４は、所定の増分で、溶接部７０を横切るほぼ軸方向の経路に沿って溶接部７０の配向に対して垂直な直線経路でステアリングすることができる。さらに別の実施形態では、ビーム７０は、溶接部７０を横切るほぼ円形の経路に沿ってステアリングすることができる。
【００１７】
本発明を様々な特定の実施形態に関して説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施することができることは、当業者には明らかであろう。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態によるフェーズドアレイ超音波プローブ組立体の斜視図。
【図２】図１に示すフェーズドアレイ超音波プローブ組立体の側壁の断面図。
【図３】図１に示すフェーズドアレイ超音波プローブ組立体の端壁の断面図。
【図４】パイプ上に取付けた、図１に示すフェーズドアレイ超音波プローブ組立体の側面図。
【図５】図１に示すフェーズドアレイ超音波トランスデューサの概略図。
【符号の説明】
【００１９】
１０  フェーズドアレイ超音波プローブ組立体
１２  ハウジング
１４  フェーズドアレイ・トランスデューサ
１６、１８  ハウジング側壁
２０、２２  ハウジング端壁
２４  ハウジング空洞
２６、２８  トランスデューサ・ピボットピン
３０  角度調整ブロック
３２  角度選択部材
３８  固定ねじ
４０  流体入口
４２  通気口
４４、４６  可撓性膜シール
５０  側壁の突出部
５２、５４  側壁の内面
５６  端壁の突出部
５８、６０  端壁の内面
６１  パイプ
６２  トランスデューサ素子
６４  超音波ビーム
７０  溶接部
【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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