(57)【要約】【課題】検知感度を向上させる。【解決手段】超音波探傷装置は、検査対象物１０の内部に超音波を送信する複数の振動子で構成された送信部１２０と、検査対象物１０内において反射された超音波を受信する複数の振動子で構成された受信部１３０とを含んで構成されるアレイ探触子１１０と、検査対象物１０とアレイ探触子１１０との間に配され、第１層１７０と、第１層１７０よりアレイ探触子１１０側に配され、第１層１７０と超音波の伝播速度が異なる物質で構成された第２層１８０とを有する遅延材１５０とを備える。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
検査対象物の内部に超音波を送信する複数の振動子で構成された送信部と、該検査対象物内において反射された超音波を受信する複数の振動子で構成された受信部とを含んで構成されるアレイ探触子と、
前記検査対象物と前記アレイ探触子との間に配され、第１層と、該第１層より該アレイ探触子側に配され、該第１層と超音波の伝播速度が異なる物質で構成された第２層とを有する遅延材と、
を備える超音波探傷装置。
【請求項２】
前記送信部における超音波の送信面と、前記受信部における超音波の受信面とは同一平面内に配される請求項１に記載の超音波探傷装置。
【請求項３】
前記第２層は、前記第１層に積層されるとともに前記アレイ探触子に接触する探触子接触面を有し、
前記第１層と前記第２層との界面は、前記探触子接触面と直交する断面において、中央に向かうに従って該探触子接触面との距離が漸増し、
前記第１層は、前記第２層より超音波の伝播速度が大きい物質で構成される請求項１または２に記載の超音波探傷装置。
【請求項４】
前記第２層は、前記第１層に積層されるとともに前記アレイ探触子に接触する探触子接触面を有し、
前記第１層と前記第２層との界面は、前記探触子接触面と直交する断面において、中央に向かうに従って該探触子接触面との距離が漸減し、
前記第１層は、前記第２層より超音波の伝播速度が小さい物質で構成される請求項１または２に記載の超音波探傷装置。
【請求項５】
前記第１層は、前記第２層より引っ掻き硬さが大きい物質で構成される請求項１から４のいずれか１項に記載の超音波探傷装置。
【請求項６】
前記遅延材は、樹脂、金属、液体の群から選択される１または複数で構成される請求項１から５のいずれか１項に記載の超音波探傷装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アレイ探触子から送信される超音波を用いて検査対象物を探傷する超音波探傷装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、検査対象物の傷、亀裂、接合不良等の欠陥を検査する際に、超音波探傷装置が利用されている。超音波探傷装置は、検査対象物の内部に超音波を送信する送信部と、検査対象物内において反射された超音波を受信する受信部とを含んで構成され、受信部が受信した超音波を解析することで、欠陥の有無、欠陥の位置や大きさ等を検知するものである。
【０００３】
超音波探傷装置として、例えば、送信部として機能する複数の振動子と、受信部として機能する複数の振動子とを有するアレイ探触子を備え、送信部を構成する各振動子が送信する超音波の送信時間（遅延時間）を制御して各超音波を集束させるとともに、受信部を構成する各振動子の受信時間を制御することで、集束させた超音波の反射波を選択的に受信する技術が開示されている（例えば、特許文献１）。このようなアレイ探触子を有する超音波探傷装置では、超音波の集束位置を移動（スキャン）させることで、欠陥の形状、大きさを検知することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１１７８７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１に記載されたようなアレイ探触子は、超音波の集束を電子的に制御しているため、検査対象物におけるアレイ探触子の近傍においては、超音波の集束密度をある程度までしか大きくすることができず、欠陥の検知感度の向上に限界があった。このため、欠陥の検知感度をより向上させる技術の開発が希求されている。
【０００６】
本発明は、このような課題に鑑み、検知感度を向上させることが可能な超音波探傷装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の超音波探傷装置は、検査対象物の内部に超音波を送信する複数の振動子で構成された送信部と、該検査対象物内において反射された超音波を受信する複数の振動子で構成された受信部とを含んで構成されるアレイ探触子と、前記検査対象物と前記アレイ探触子との間に配され、第１層と、該第１層より該アレイ探触子側に配され、該第１層と超音波の伝播速度が異なる物質で構成された第２層とを有する遅延材と、を備える。
【０００８】
また、前記送信部における超音波の送信面と、前記受信部における超音波の受信面とは同一平面内に配されるとしてもよい。
【０００９】
また、前記第２層は、前記第１層に積層されるとともに前記アレイ探触子に接触する探触子接触面を有し、前記第１層と前記第２層との界面は、前記探触子接触面と直交する断面において、中央に向かうに従って該探触子接触面との距離が漸増し、前記第１層は、前記第２層より超音波の伝播速度が大きい物質で構成されるとしてもよい。
【００１０】
また、前記第２層は、前記第１層に積層されるとともに前記アレイ探触子に接触する探触子接触面を有し、前記第１層と前記第２層との界面は、前記探触子接触面と直交する断面において、中央に向かうに従って該探触子接触面との距離が漸減し、前記第１層は、前記第２層より超音波の伝播速度が小さい物質で構成されるとしてもよい。
【００１１】
また、前記第１層は、前記第２層より引っ掻き硬さが大きい物質で構成されるとしてもよい。
【００１２】
また、前記遅延材は、樹脂、金属、液体の群から選択される１または複数で構成されるとしてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、検知感度を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】超音波探傷装置を説明する図である。
【図２】アレイ探触子による超音波の集束を説明する図である。
【図３】遅延材を説明する第１の図である。
【図４】遅延材を説明する第２の図である。
【図５】パラメータの算出手順の一部を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００１６】
（超音波探傷装置１００）
図１は、超音波探傷装置１００を説明する図である。本実施形態の図１をはじめ以下の図では、垂直に交わるＸ軸（水平方向）、Ｙ軸（水平方向）、Ｚ軸（鉛直方向）を図示の通り定義している。
【００１７】
図１（ａ）に示すように、超音波探傷装置１００は、アレイ探触子１１０と、遅延材１５０とを含んで構成される。図１（ａ）、（ｂ）に示すように、アレイ探触子１１０は、不図示の制御部による制御指令に応じて超音波を送信する送信部１２０と、制御部による制御指令に応じて超音波を受信する受信部１３０とを含んで構成される。そして、アレイ探触子１１０の送信部１２０から送信された超音波（図１（ｂ）中、破線の矢印で示す）は、遅延材１５０を通過して検査対象物１０内に入射され、検査対象物１０内で反射された超音波は、遅延材１５０を通過して受信部１３０に到達することとなる。
【００１８】
なお、詳しくは後述するが、遅延材１５０における送信部１２０と受信部１３０との境界に対応する箇所には、超音波をほとんど通過させないコルク等で構成された音響遮断材１５２が設けられている。音響遮断材１５２を備える構成により、送信部１２０から送信された超音波が直接受信部１３０に到達してしまう事態を回避することができ、ノイズを低減することが可能となる。
【００１９】
本実施形態にかかるアレイ探触子１１０は、図１（ｃ）に示すように、直方体形状の筐体１１２内に、複数（ここでは、１６個）の振動子１１４がマトリクス状（４個×４個）に固定された探触子、所謂マトリクス型アレイ探触子である。本実施形態のアレイ探触子１１０では、筐体１１２内において、複数の振動子１１４が同一平面内に配される。
【００２０】
本実施形態のアレイ探触子１１０では、複数の振動子１１４のうち、図１（ｃ）中、右側に配される８個の振動子１１４（２個×４個、図１（ｃ）中、白い塗りつぶしで示す）が送信部１２０として機能し、図１（ｃ）中、左側に配される８個の振動子１１４（２個×４個、図２中、ハッチングで示す）が受信部１３０として機能する。したがって、アレイ探触子１１０は、送信部１２０と受信部１３０とが隣接しており、送信部１２０の超音波の送信面１２２と受信部１３０の超音波の受信面１３２とが同一平面内に配されることとなる。
【００２１】
図２は、アレイ探触子１１０による超音波の集束を説明する図である。図２（ａ）に示すように、アレイ探触子１１０では、送信部１２０を構成する各振動子１１４が送信する超音波の送信時間が制御されて各超音波が集束される（図２（ａ）中、クロスハッチングで示す）。そして、受信部１３０を構成する各振動子１１４の受信時間が制御されることで、集束させた超音波の反射波を選択的に受信する。こうして、受信した反射波を解析することで欠陥の有無を検知する。また、アレイ探触子１１０では、超音波の集束位置を移動させることで、欠陥の形状、大きさを検知することができる。
【００２２】
しかし、アレイ探触子１１０では、超音波の集束が電子的に制御されているため、図２（ｂ）に示すように、１の物質で構成された従来の遅延材５０を用いた場合、検査対象物１０における遅延材５０の近傍１２では、超音波の集束密度をある程度までしか大きくすることができない。このため、ノイズが大きくなり、欠陥の検知感度の向上に限界があった。
【００２３】
そこで、図２（ｃ）に示すように、アレイ探触子１１０を２つ用いる構成が開発されている。具体的に説明すると、一方のアレイ探触子１１０を送信部１２０として機能させるとともに、他方のアレイ探触子１１０を受信部１３０として機能させ、送信面１２２と受信面１３２との為す角が１８０°未満となるように設置する。この構成では、送信面１２２と受信面１３２との傾斜角分、超音波を屈折させることができるため、図２（ｃ）、（ｄ）に示すように、１つのアレイ探触子１１０を用いる場合と比較して、従来の遅延材６０を用いた場合であっても、検査対象物１０における遅延材５０の近傍１２において、超音波の集束密度を大きくすることができる。
【００２４】
しかし、２つのアレイ探触子１１０を用いる場合、１つのアレイ探触子１１０を用いる場合と比較して、遅延材６０を大きくする必要があり、検査対象物１０における遅延材６０の接地面積が大きくなる。そうすると、検査対象物１０が小さかったり、検査対象物１０の表面が凹凸であったりする場合に遅延材６０の設置が困難になるという問題がある。また、接地面積が大きくなることから、検査対象物１０の表面形状によってはノイズが大きくなるという問題がある。
【００２５】
そこで、本実施形態の超音波探傷装置１００は、遅延材１５０を工夫することで、１つのアレイ探触子１１０であっても、検査対象物１０における遅延材１５０の近傍において超音波の集束密度を大きくすることができ、欠陥の検知感度を向上させる。以下、遅延材１５０について詳述する。
【００２６】
図３、図４は、遅延材１５０を説明する図であり、図３（ａ）は、遅延材１５０の斜視図を示し、図３（ｂ）は、遅延材１５０の側面図を示し、図４は、図３（ｂ）におけるＩＶ線断面図（探触子接触面１６４に垂直な断面図）を示す。
【００２７】
図３（ａ）、（ｂ）に示すように、遅延材１５０は、検査対象物１０と接触する対象物接触面１６０と、対象物接触面１６０に平行な平行面１６２と、対象物接触面１６０との為す角が鋭角となる探触子接触面１６４とを有する。そして、図４に示すように、アレイ探触子１１０は、送信面１２２および受信面１３２が探触子接触面１６４に接触するように、遅延材１５０に設置される。
【００２８】
遅延材１５０は、対象物接触面１６０を有する第１層１７０と、第１層１７０に積層されるとともに探触子接触面１６４を有する第２層１８０とを含んで構成される。なお、音響遮断材１５２は、第１層１７０、第２層１８０をそれぞれ２分割するように、遅延材１５０の中央に設けられる。
【００２９】
本実施形態において、第１層１７０は、第２層１８０より引っ掻き硬さ（引っ掻き硬度）が大きい物質で構成される。第１層１７０には、対象物接触面１６０が設けられているため、検査対象物１０と接触する。したがって、第１層１７０を、相対的に引っ掻き硬さが大きい物質で構成することで、遅延材１５０（対象物接触面１６０）の損傷を抑制することが可能となる。
【００３０】
また、第１層１７０と、第２層１８０とは、超音波の伝播速度が異なる物質で構成されており、本実施形態において、第１層１７０は、第２層１８０より超音波の伝播速度が大きい物質で構成される。例えば、第１層１７０は、アクリルで構成され、第２層１８０はポリスチレンで構成される。
【００３１】
したがって、送信部１２０（送信面１２２）から送信された超音波は、第２層１８０、第１層１７０の順で通過し、その後、検査対象物１０に入射されることとなる。第１層１７０と第２層１８０とを超音波の伝播速度が異なる物質で構成することにより、第１層１７０と第２層１８０との界面１９０において超音波が屈折することになる（スネルの法則）。
【００３２】
また、本実施形態の超音波探傷装置１００は、音響遮断材１５２上に、送信面１２２と受信面１３２との境界が配されるようにアレイ探触子１１０が設置される。そして、第１層１７０と第２層１８０との界面１９０が、探触子接触面１６４と直交する断面（詳細には、探触子接触面１６４と直交し、かつ、送信面１２２と受信面１３２との境界（音響遮断材１５２）と直交する断面）において、一端部１９０ａおよび他端部１９０ｂから中央（音響遮断材１５２）に向かうに従って探触子接触面１６４との距離が漸増（対象物接触面１６０との距離が漸減）するように、第１層１７０および第２層１８０が形成される。つまり、探触子接触面１６４と直交する断面において、界面１９０がＶ字形状となるように、第１層１７０と第２層１８０とが形成される。
【００３３】
上記のように、界面１９０を構成することで、送信部１２０から送信された超音波を界面１９０において音響遮断材１５２側（受信部１３０側）に屈折させることができる。また、検査対象物１０内で反射した超音波を界面１９０において音響遮断材１５２側（送信部１２０側）に屈折させることが可能となる。
【００３４】
これにより、検査対象物１０における遅延材１５０（アレイ探触子１１０）の近傍においても、超音波の集束密度を大きくすることができ、欠陥の検知感度を向上させることが可能となる。
【００３５】
（界面１９０の角度の決定と、パラメータの算出）
一般的に超音波探傷装置を駆動する制御部が利用するソフトウエアは、２つのアレイ探触子１１０、および、従来の遅延材６０を用いた場合に、超音波の送信時間（遅延時間）を制御して各超音波を集束させたり、受信部１３０を構成する各振動子１１４の受信時間を制御することで、集束させた超音波の反射波を選択的に受信したりできるように構成されている。
【００３６】
そこで、２つのアレイ探触子１１０および従来の遅延材６０を用いた場合に利用されるソフトウエアをそのまま用いて、本実施形態の超音波探傷装置１００を駆動できるように、界面１９０の角度を決定するとともに、パラメータを算出する。
【００３７】
まず、超音波を所望の位置に集束させるために必要な屋根角（送信面１２２と受信面１３２との為す角）と、従来の遅延材６０によって超音波を屈折させることができる角度（屈折角）を、シミュレーションを用いて決定する。なお、遅延材６０は、第２層１８０と同じ材質で構成されると仮定する。
【００３８】
次に、第１層１７０から検査対象物１０に入射される超音波の角度ｓαが屋根角となるような界面１９０を決定する。
【００３９】
図５は、パラメータの算出手順の一部を説明する図である。図５（ａ）に示すように、送信部１２０から送信された超音波の伝播方向と、界面１９０の垂線との為す角をα、第１層１７０における超音波の伝播方向と、界面１９０の垂線との為す角をβとすると、角度ｓαは下記式（１）、式（２）から導出することができる。
ｖ２／ｓｉｎα＝ｖ１／ｓｉｎβ      …式（１）
ｓα＝β−α      …式（２）
ここで、ｖ１は、第１層１７０における超音波の伝播速度であり、ｖ２は、第２層１８０における超音波の伝播速度である。
【００４０】
こうして導出された角度ｓαとなるような界面１９０の角度を決定して遅延材１５０を作成する。
【００４１】
続いて、下記式（３）を用いてパラメータＬ４を導出し、下記式（４）を用いてパラメータＬ６を導出する。
Ｌ４＝（（ｋ／４−ｔ／２）×ｔａｎ（α）＋ｈ）÷ｃｏｓ（ｓα）＋（ｊ−（ｋ／４−ｔ／２）×ｔａｎ（α））×ｖ１／ｖ２      …式（３）
Ｌ６＝ｋ／４＋（ｊ−（ｋ／４−ｔ／２）×ｔａｎ（α））×ｖ１／ｖ２×ｓｉｎ（ｓα）−ｋ／４×ｃｏｓ（ｓα）      …式（４）
ここで、図５（ｂ）に示すように、ｋは送信部１２０の幅であり、ｊは探触子接触面１６４から界面１９０のうち最も対象物接触面１６０に近い位置までの距離であり、ｈは界面１９０のうち最も対象物接触面１６０に近い位置から対象物接触面１６０までの距離であり、ｔは音響遮断材１５２の幅（厚み）である。
【００４２】
こうして導出したパラメータＬ４を、ソフトウエアにおける遅延材６０内の超音波の伝播距離に代入し、パラメータＬ６を送信部１２０と受信部１３０との離隔距離の半値（×０．５）に代入する。これにより、超音波探傷装置１００専用のソフトウエアを開発することなく、既存のソフトウエアを利用して、超音波探傷を行うことができる。
【００４３】
以上説明したように、本実施形態にかかる超音波探傷装置１００によれば、遅延材１５０を工夫するだけといった簡易な構成で、超音波を電子的に屈折させるだけでなく、遅延材１５０を構成する第１層１７０と第２層１８０の超音波の伝播速度（音速）の違いによって超音波を屈折させることが可能となる。これにより、アレイ探触子１１０であっても、検査対象物１０における遅延材１５０の近傍において超音波の集束密度を大きくすることができ、ノイズを低減することが可能となる。
【００４４】
例えば、遅延材１５０を用いた場合と、ポリスチレンのみで構成された遅延材５０を用いた場合とで比較すると、Ｓ／Ｎ比が８倍程度高くなることが実験で確認された。つまり、検知感度を８倍程度低くしたとしても欠陥の有無を検知することが可能となることが分かった。
【００４５】
また、上記したように、１つのアレイ探触子１１０を用いることにより、２つのアレイ探触子１１０を用いる場合と比較して、遅延材１５０を小さくすることができ、検査対象物１０における遅延材１５０の接地面積（対象物接触面１６０）を小さくすることが可能となる。したがって、検査対象物１０が小さかったり、検査対象物１０の表面が凹凸であったりしても、対象物接触面１６０を容易に設置することができる。また、対象物接触面１６０が小さくなることから検査対象物１０の表面形状によるノイズの影響を少なくすることが可能となる。
【００４６】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００４７】
例えば、上記実施形態において、超音波探傷装置１００が１つのアレイ探触子１１０と遅延材１５０とを備える構成を例に挙げて説明した。しかし、２つのアレイ探触子１１０と遅延材１５０とを組み合わせてもよい。この場合、検査対象物１０における遅延材１５０の近傍（つまり、検査対象物１０の表面近傍）において集束密度をさらに大きくすることができる。
【００４８】
また、上記実施形態において、第１層１７０が、第２層１８０より超音波の伝播速度が大きい物質で構成される遅延材１５０を例に挙げて説明した。しかし、第１層１７０が、第２層１８０より超音波の伝播速度が小さい物質で構成される遅延材１５０を提供することもできる。この場合、第１層１７０と第２層１８０との界面１９０は、探触子接触面１６４に垂直な断面が逆Ｖ字形状になるとよい。詳細に説明すると、この場合、界面１９０は、一端部１９０ａおよび他端部１９０ｂから中央（音響遮断材１５２）に向かうに従って探触子接触面１６４との距離が漸減（対象物接触面１６０との距離が漸増）するように、第１層１７０および第２層１８０が形成されるとよい。
【００４９】
また、上記実施形態において、界面１９０が、平面（詳細は、２つの平面）で構成される場合を例に挙げて説明した。しかし、界面１９０は半球面で構成されてもよい。
【００５０】
また、上記実施形態において、送信部１２０側に配される界面１９０と音響遮断材１５２との為す角と、受信部側に配される界面１９０と音響遮断材１５２とが為す角とが実質的に等しい場合を例に挙げて説明した。しかし、送信部１２０側に配される界面１９０と音響遮断材１５２との為す角と、受信部１３０側に配される界面１９０と音響遮断材１５２とが為す角とは異なっていてもよい。
【００５１】
また、上記実施形態において、遅延材１５０が第１層１７０および第２層１８０で構成される場合を例に挙げて説明した。しかし、遅延材１５０は、３層以上で構成されてもよい。例えば、第１層が対象物接触面１６０を有し、第２層が第１層に積層され、第３層が第２層に積層されるとともに探触子接触面１６４を有する遅延材であってもよい。また、この構成の場合、例えば、第１層と第２層との間の界面、および、第２層と第３層との間の界面をＶ字形状とし、両界面の位相を９０°ずらしてもよい。
【００５２】
また、上記実施形態において、第１層１７０がアクリルで構成され、第２層１８０がポリスチレンで構成される場合を例に挙げて説明した。しかし、第１層１７０は、少なくとも検査対象物１０よりも超音波の伝播速度が小さい物質で構成されればよい。したがって、第１層１７０、第２層１８０は、金属（例えば、金、銀）、樹脂（例えば、ポリイミド）、液体（例えば、水、油、グリセリン）の群から選択される１または複数で構成されればよい。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明は、アレイ探触子から送信される超音波を用いて検査対象物を探傷する超音波探傷装置に利用することができる。
【符号の説明】
【００５４】
１０  検査対象物
１００  超音波探傷装置
１１０  アレイ探触子
１２０  送信部
１２２  送信面
１３０  受信部
１３２  受信面
１５０  遅延材
１６０  対象物接触面
１６４  探触子接触面
１７０  第１層
１８０  第２層
１９０  界面
【図１】
2018004522.tif 000003
【図２】
2018004522.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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