(57)【要約】【課題】ＴＯＦＤ法による超音波探傷において、厚肉構造物の探傷を高精度で実行できると共に、探傷に要する時間の短縮ができる、複合型超音波探触子及びそれを用いたＴＯＦＤ法による超音波探傷法を提供すること。【解決手段】ＴＯＦＤ法による超音波探傷に用いられる一対の送信探触子１０及び受信探触子１１を有し、送信探触子１０は、複数の送信振動子２ａ，２ｂを有し、受信探触子１１は、複数の送信振動子２ａ，２ｂからそれぞれ送信される超音波を受信自在な複数個の受信振動子６ａ，６ｂを有し、複数の送信振動子２ａ，２ｂは、それぞれ送信する超音波（２２ａ，２２ｂ）の屈折角が互いに異なるが（θａ１≠θｂ１）、それぞれ送信する超音波（２２ａ，２２ｂ）の入射点Ｐ１が共通であるよう配置され、複数の受信振動子６ａ，６ｂは、それぞれ受信する超音波（２３ａ，２３ｂ）の屈折角（θａ２≠θｂ２）が互いに異なるが、それぞれ受信する超音波（２３ａ，２３ｂ）の入射点Ｐ２が共通であるよう配置される。【選択図】図２
2011149888.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＴＯＦＤ法（Time of Flight Diffraction）による超音波探傷に用いられる一対の送信探触子及び受信探触子を有する、複合型超音波探触子であって、
前記送信探触子は、複数の送信振動子を有し、
前記受信探触子は、前記複数の送信振動子からそれぞれ送信される超音波を受信自在な複数の受信振動子を有し、
前記複数の送信振動子は、それぞれ送信する超音波の屈折角が互いに異なるが、それぞれ送信する超音波の入射点が共通であるよう配置され、
前記複数の受信振動子は、それぞれ受信する超音波の屈折角が互いに異なるが、それぞれ受信する超音波の入射点が共通であるよう配置される、
ことを特徴とする複合型超音波探触子。
【請求項２】
一つの前記送信及び受信探触子がそれぞれ有する前記複数の送信及び受信振動子において、
第１の該送信振動子の屈折角は、少なくとも、試験体の表面を伝播するラテラル波が得られるよう設定され、第１の該受信振動子の屈折角は、少なくとも、試験体の表面を伝播するラテラル波が得られるよう設定され、
第２の該送信振動子の屈折角は、少なくとも、前記試験体の底面付近を探傷可能に設定され、第２の該受信振動子の屈折角は、少なくとも、前記試験体の底面付近を探傷可能に設定される、
ことを特徴とする請求項１記載の複合型超音波探触子。
【請求項３】
前記複数の送信振動子から送信側の前記入射点までの距離が共通であり、
前記複数の受信振動子から受信側の前記入射点までの距離が共通である、
ことを特徴とする請求項１記載の複合型超音波探触子。
【請求項４】
前記送信探触子において、前記複数の送信振動子は、前記送信探触子と前記受信探触子間における超音波の伝播方向に配列され、
前記受信探触子において、前記複数の受信振動子は、前記送信探触子と前記受信探触子間における超音波の伝播方向に配列される、
ことを特徴とする請求項１記載の複合型超音波探触子。
【請求項５】
前記送信探触子において、前記複数の送信振動子は、前記送信探触子と前記受信探触子間における超音波の伝播方向に交差する方向に配列され、
前記受信探触子において、前記複数の受信振動子は、前記送信探触子と前記受信探触子間における超音波の伝播方向に交差する方向に配列される、
ことを特徴とする請求項１記載の複合型超音波探触子。
【請求項６】
ＴＯＦＤ法（Time of Flight Diffraction）による超音波探傷法であって、
超音波探傷する試験体の表面に一対の送信探触子及び受信探触子を装着し、
前記送信探触子が有する、送信する超音波の屈折角が互いに異なる複数の送信振動子から、超音波を同時にそれぞれ送信して、共通の送信側入射点から前記試験体に入射させ、
前記受信探触子が有する、互いに受信する超音波の屈折角が異なる複数の受信振動子は、共通の受信側入射点を通じて該受信探触子に入射される超音波をそれぞれ受信し、
前記送信振動子と前記受信振動子間における超音波の伝播時間に基づいて探傷を行う、
ことを特徴とする複合型超音波探触子を用いたＴＯＦＤ法による超音波探傷法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合型超音波探触子及び超音波探触方法に関し、特に、飛行時間回折法（以下、これを「ＴＯＦＤ法（Time of Flight Diffraction）」という）」による複合型超音波探触子及び超音波探傷方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
垂直探傷法や斜角探傷法のような通常の超音波探傷法は、一つの送受信探触子を用いて、この送受信探触子から横波を送信して、きずからの反射波を、同じ送受信探触子が受信する。これに対して、超音波探傷法の一つであるＴＯＦＤ法は、一対の送信探触子及び受信探触子を用いて、送信探触子から縦波を送信して、試験体表面を伝播するラテラル波、及びきずの各部で生じる反射波や回折波を受信探触子が受信し、ラテラル波の伝播時間を基準として、一対の送信探触子及び受信探触子間における各波の伝播時間の差から、きずの位置や寸法を測定する方法である。ＴＯＦＤ法は、その探傷原理より、探傷の高速化が期待できるため、原子力発電所等の探傷時間の制約を受ける放射線管理区域における配管溶接部の探傷に適している。ＴＯＦＤ法に関して、２００１年には、日本非破壊検査協会にて、“ＮＤＩＳ２４２３”が制定され、現在、有識者によるＪＩＳ化が進められている。
【０００３】
特許文献１又は２には、ＴＯＦＤ法を用いた超音波探傷法が開示されている。特許文献１には、送信探触子のくさび面上に、複数の送信振動子を同一の屈折角（傾斜角）で配列し、同様に、受信探触子のくさび面上に、複数の受信振動子を同一の屈折角（傾斜角）で配列した超音波探傷装置が提案されている。したがって、複数の送信振動子から送信される超音波の被検査物に対する入射点は、互いに相違している。特許文献１の装置において、送受信は、対称位置にある一組の送信振動子と受信振動子の間で、時間差をおいて実行される。すなわち、ある組の送信振動子と受信振動子の間で、送受信が完了した後、時間をおいて、次の組の送信振動子と受信振動子の間で送受信が行われる。
【０００４】
特許文献２には、交差部などの複雑な形状を有する溶接部に対して、送信角と受信角が相違するよう一対の送信振動子及び受信振動子を配置することにより、一度の探傷で広範囲を探傷できるようにした超音波探傷装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−３１６２１５号公報（図１）
【特許文献２】特開平２００４−１３８３９２号公報（図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の装置によれば、複数組の送信振動子及び受信振動子を有しているが、複数組の送信振動子及び受信振動子は、互いに時間差をおいて作動されるため、探傷に要する時間が長くなるという問題、及び、送受信のタイミング制御が複雑になるという問題がある。また、特許文献１の超音波探傷法によれば、複数組の送信振動子及び受信振動子の屈折角（送信角及び受信角）は、全て同じであるため、屈折角を小さく設定した場合は、基準となるラテラル波（表面波）の受信や表面付近の探傷が困難となり、屈折角を大きく設定した場合は、深部の探傷が困難となるという問題がある。
【０００７】
特許文献２の装置は、一組の送信振動子及び受信振動子しか有していないため、探傷に要する時間が長くなるという問題がある。また、特許文献２の装置において、送信振動子及び受信振動子の屈折角（送受信角）を、底面付近の探傷向けに設定した場合には、基準となるラテラル波の受信や表面付近の探傷が困難となり、表面付近の探傷向けに設定した場合には、深部の探傷が困難となるという問題がある。
【０００８】
本発明の目的は、ＴＯＦＤ法による超音波探傷において、厚肉構造物の探傷を高精度で実行できると共に、探傷に要する時間の短縮ができる、複合型超音波探触子及びそれを用いたＴＯＦＤ法による超音波探傷法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、第１の視点において、ＴＯＦＤ法による超音波探傷に用いられる一対の送信探触子及び受信探触子を有する、複合型超音波探触子であって、前記送信探触子は、複数の送信振動子を有し、前記受信探触子は、前記複数の送信振動子からそれぞれ送信される超音波を受信自在な複数個の受信振動子を有し、前記複数の送信振動子は、それぞれ送信する超音波の屈折角が互いに異なるが、それぞれ送信する超音波の入射点が共通であるよう配置され、前記複数の受信振動子は、それぞれ受信する超音波の屈折角が互いに異なるが、それぞれ受信する超音波の入射点が共通であるよう配置される、複合型超音波探触子を提供する。
【００１０】
本発明は、第２の視点において、ＴＯＦＤ法による超音波探傷法であって、超音波探傷する試験体の表面に一対の送信探触子及び受信探触子を装着し、前記送信探触子が有する、送信する超音波の屈折角が互いに異なる複数の送信振動子から、超音波を同時にそれぞれ送信して、共通の送信側入射点から前記試験体に入射させ、前記受信探触子が有する、互いに受信する超音波の屈折角が異なる複数の受信振動子は、共通の受信側入射点を通じて該受信探触子に入射される超音波をそれぞれ受信し、前記送信振動子と前記受信振動子間における超音波の伝播時間に基づいて探傷を行う、複合型超音波探触子を用いたＴＯＦＤ法による超音波探傷法を提供する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、複数の振動子が同時に複数の超音波を送信又は受信しても、送信側及び受信側で複数の超音波の入射点はそれぞれ共通であるため、送信又は受信する超音波同士の干渉が防止され、高精度ないし高感度の探傷が実現される。よって、本発明によれば、明瞭なラテラル波を得るための振動子と、試験体の底面付近を検出するための振動子を同時に作動させ、探傷の基準となるラテラル波と同時に、試験体底面付近のきずによって発生する回折波や反射波を同時に得ることができる。この結果、本発明によれば、薄肉から厚肉までの様々な厚さをもった構造物の探傷を高精度で実行できると共に、探傷に要する時間ないし走査回数の短縮を実現することができる。また、ＴＯＦＤ法による超音波探傷においては、探触子から送信される超音波ビームの指向性から、きずの検出が可能な有効検出範囲が決まる。本発明によれば、屈折角が異なる複数の振動子の配置により、複数の超音波を同時に送受信することができるため、一回の探傷走査における有効検出範囲、特に、厚さ方向の有効検出範囲が拡大され、その結果、探傷作業時間が短縮され、さらに、基準となる明瞭なラテラル波が得られることから、データの校正や解析も容易となる。
【００１２】
本発明による効果をさらに例示する：
・送信側の振動子と送信側の入射点までの距離、及び、受信側の振動子と受信側の入射点までの距離、をそれぞれ共通にすることにより、複数組の送信振動子と受信振動子において、ラテラル波等の伝播時間が共通となるため、複数組の送信振動子と受信振動子の発振タイミングの制御や探傷解析が容易となると共に、複数組の送信振動子と受信振動子間でそれぞれ送受信される超音波の干渉がさらに防止される。
・明瞭なラテラル波に基づいて、きずの位置、さらには、きずの寸法を高精度で検出できる；
・試験体表面付近のきずと同底面付近のきずを、一回の探傷走査（スクリーニング）で検出できる；
・きずのスクリーニングのためのＤスキャン走査を、厚さ毎に複数回実行する必要がなくなり、探傷時間が短縮される。
・本発明によれば、高精度の探傷が短時間で実行できるため、本実施例による超音波探傷は、放射線管理区域における探傷に適している。
・本発明によれば、厚み方向の有効検出範囲が拡大されるため、一対の送信探触子及び受信探触子間の距離を可及的に近接させることができる。これによって、狭隘な空間、或いは、配管上にリブ等の障害物がある環境における、探傷走査が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の一実施例に係る超音波探傷が採用するＴＯＦＤ法の測定原理を説明するための図である。
【図２】本発明の一実施例に係る複合型超音波探触子を用いたＴＯＦＤによる超音波探傷の状況図である。
【図３】（Ａ）〜（Ｄ）は、図２に示した複合型超音波探触子に適用される、本発明の一実施例に係る送信・受信探触子の構造を説明するための図である。
【図４】（Ａ）〜（Ｄ）は、図２に示した複合型超音波探触子に適用される、本発明の他の実施例に係る送信・受信探触子の構造を説明するための図である。
【図５】本発明の一実施例に係る超音波探傷試験のイメージ図である。
【図６】図５に示した試験結果を示す探傷画像図及び探傷波形図である。
【図７】比較例１及び２に係る超音波探傷試験のイメージ図である。
【図８】（Ａ）は、図７に示した比較例１の試験結果を示す探傷画像図及び探傷波形図、（Ｂ）は、図７に示した比較例２の試験結果を示す探傷画像図及び探傷波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の好ましい実施の形態においては、一つの前記送信及び受信探触子がそれぞれ有する前記複数の送信及び受信振動子において、第１の該送信振動子の屈折角は、少なくとも、試験体の表面を伝播するラテラル波が得られるよう設定され、第１の該受信振動子の屈折角は、少なくとも、試験体の表面を伝播するラテラル波が得られるよう設定され、
第２の該送信振動子の屈折角は、少なくとも、前記試験体の底面付近を探傷可能に設定され、第２の該受信振動子の屈折角は、少なくとも、前記試験体の底面付近を探傷可能に設定される。この形態によれば、厚物構造物の探傷時、走査回数が低減される。なお、一つの探触子に搭載する振動子の個数は、試験体の厚さ等に応じて、設定することが好ましい。
【００１５】
本発明の好ましい実施の形態において、振動子の設置角度、すなわち、振動子が設置される設置面（くさび上の所定面）の角度は、試験体において望まれる屈折角、くさび内における超音波伝播速度及び試験体内における超音波伝播速度から、スネルの法則によって求められる、くさびに対する超音波の屈折角（送信角又は受信角）から定めることができる。
【００１６】
本発明の好ましい実施の形態において、複数の振動子は、試験体の表面付近を伝播して明瞭なラテラル波が得られるよう、屈折角が５０〜８０度となる超音波を送信又は受信するよう配置される第１の振動子と、試験体の底面付近を伝播する超音波を送信又は受信するよう、屈折角が１０〜４５度となる超音波を送信又は受信するよう配置される第２の振動子と、を含む。さらに、複数の振動子は、試験体の厚さ方向中間領域を伝播する超音波を送信又は受信する第３の振動子を含んでもよく、さらに、試験体の厚さに応じて、多数の振動子を含んでもよい。
【００１７】
本発明の好ましい実施の形態においては、前記複数の送信振動子から送信側の前記入射点までの距離が共通であり、前記複数の受信振動子から受信側の前記入射点までの距離が共通である。この形態によれば、同一の屈折角を有して対称位置にある複数組の送信振動子と受信振動子において、ラテラル波等の伝播時間が共通となるため、複数組の送信振動子と受信振動子の発振タイミングの制御や探傷解析が容易となると共に、複数組の送信振動子と受信振動子間でそれぞれ送受信される超音波の干渉がさらに防止される。
【００１８】
本発明の好ましい実施の形態に係る超音波探傷法においては、同一の屈折角をもった送信振動子と受信振動子が対向するよう、対称構造を有する一対の送信探触子と受信探触子が対向配置され、両探触子の位置関係が保持された状態で、走査が実行される。
【００１９】
本発明の好ましい実施の形態においては、前記送信探触子において、前記複数の送信振動子は、前記送信探触子と前記受信探触子間における超音波の伝播方向に配列され、前記受信探触子において、前記複数の受信振動子は、前記送信探触子と前記受信探触子間における超音波の伝播方向に配列される。このように、複数の振動子が縦型に配置された探触子は、周方向走査時、搭載している複数の振動子がくさびを介して周面に実質的に密着し続けることができるから、周方向継手の探傷に適している。また、この縦型配置によれば、複数の振動子が載置されるくさびの面加工が容易となる。
【００２０】
本発明の別の好ましい実施の形態においては、前記送信探触子において、前記複数の送信振動子は、前記送信探触子と前記受信探触子間における超音波の伝播方向に交差する方向に配列され、前記受信探触子において、前記複数の受信振動子は、前記送信探触子と前記受信探触子間における超音波の伝播方向に交差する方向に配列される。このように、複数の振動子が並列に配置された探触子は、軸方向走査時、搭載している複数の振動子がくさびを介して周面に実質的に密着し続けることができるから、軸方向継手の探傷に適している。また、上記縦型配置とこの並列配置を組み合わせてもよい。
【００２１】
本発明の好ましい実施の形態においては、複数の振動子が入射点を中心に同心円上に配列されることにより、複数の振動子の中心（発振点）と入射点間の距離が共通化される。
【００２２】
本発明の好ましい実施の形態においては、複数の振動子は、共通の周波数で超音波を送信又は受信することにより、複数の超音波間の干渉がさらに防止される。
【００２３】
本発明の好ましい実施の形態において、送信ないし受信振動子には、１個の振動子からなる一般的な振動子、或いは、複数の振動子が集合されて一枚の振動子がグリッド状に分割されたような構造を有するコンポジット型振動子、或いは、その他の構造を有する振動子を用いることができる。また、振動子には、ピエゾ型振動子、或いは、その他の振動原理による各種振動子を用いることができる。
【００２４】
本発明の好ましい実施の形態において、振動子には種々の形状の振動子を採用することができ、例えば、正方形、長方形、円形又は楕円形などの形状を有する振動子が採用される。
【００２５】
本発明の好ましい実施の形態においては、検出精度を高めるため、くさびと隣接して吸音体が配置され、又、複数の振動子間には、それらの配列形態に応じて、音響隔離板ないし音響隔離面が配置される。
【００２６】
本発明の好ましい実施の形態においては、くさびは、探触子ケースに内蔵される。或いは、くさびは、探触子ケースと別体で用意され、探傷時、探触子ケースと一体化される。
【００２７】
本発明の好ましい実施の形態に係る送信探触子において、複数の振動子から送信される超音波は、入射点において、超音波ビームの中心が一致している。受信探触子においても、送信探触子と同様である。
【００２８】
本発明の好ましい実施の形態においては、複数の振動子の−６ｄｂ指向角範囲（エコー高さが半分になる領域）を２５度以上、さらに好ましくは３０度以上又は３５度以上に設定する。これによって、深さ方向の探傷領域が拡大される。
【００２９】
本発明の好ましい実施の形態において、使用する超音波の周波数は、一般的な１〜１０ＭＨｚの範囲でよく、又その他の範囲の周波数でもよい。
【実施例】
【００３０】
以下、図面を参照して本発明の一実施例を説明する。最初に、本発明の一実施例に係る超音波探傷法が用いるＴＯＦＤ法について説明する。図１（Ａ）〜図１（Ｃ）は、ＴＯＦＤ法の測定原理を説明するための図であって、図１（Ａ）は、ＴＯＦＤ法による超音波探傷状況図、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＴＯＦＤ法による超音波探傷によって得られる探傷波形図、図１（Ｃ）は、図１（Ｂ）に示した探傷波形を解析して得られるＤスキャン画像である。
【００３１】
図１（Ａ）〜図１（Ｂ）を参照すると、ＴＯＦＤ法により超音波探傷を行う場合、試験体３０上に、一対の送信探触子４０及び受信探触子４１が距離２Ｓ分離して設置され、送信探触子４０から送信された超音波を、受信探触子４１が受信し、受信した超音波の伝播時間より、きずＤの検出等が行われる。詳細には、送信探触子４０から送信され、試験体３０の表面を透過して、受信探触子４１に受信されるラテラル波（表面透過波）４２の到達時間を基準として、きずＤの上端で発生した上端反射波４３の到達時間、又は、きずＤの下端で発生した下端回折波４４の到達時間から、きずＤの位置又は寸法（サイズ）を解析することができる。
【００３２】
ラテラル波４２は、探傷表面位置を現す波形であり、ＴＯＦＤ法においては、ラテラル波４２を寸法基準として、きずＤの検出が行われる。詳細には、送信探触子４０と受信探触子４１間における、ラテラル波４２の伝播時間と上端反射波４３の到達時間の時間差Ｔｄ、及び、ラテラル波４２の伝播時間と下端回折波４４の到達時間の時間差Ｔｄｈ（Ｔｘ）に基づいて、下記のように、きずＤの位置及び寸法の解析を行う。
【００３３】
きずＤの上端位置（深さｄ）は、幾何学的に下記の式（１）より求められる。
ｄ＝１／２［（Ｃ・Ｔｄ）２＋４Ｃ・Ｔｄ・Ｓ］１／２  ・・・（１）
但し、ｄ：きずＤの上端位置（きずＤの深さ）
Ｃ：超音波伝播速度
Ｔｄ：ラテラル波４２の伝播時間と上端反射波４３の到達時間の時間差
Ｓ：送信探触子４０と受信探触子４１の距離の半分
きずＤの下端位置（深さｘ＝ｄ＋ｈ）も同様に求められ、きずＤの寸法（サイズｈ）は、“ｘ−ｄ”より算出される。
【００３４】
また、探傷前に実行される校正においても、ラテラル波４２が使用される。詳細には、きずＤの位置又は試験体３０の厚さｔが既知である試験体３０を用いて、ラテラル波４２の伝播時間と上端反射波４３の到達時間の時間差ときずＤの位置との関係、或いは、ラテラル波４２の伝播時間と試験体３０の底面（裏面）で反射された底面反射波４５の到達時間の時間差Ｔｗと厚さｔとの関係に基づいて、音速調整により時間軸が調整される。
【００３５】
したがって、ＴＯＦＤ法による超音波探傷においては、明瞭なラテラル波４２が得られなければ、きずＤの正確な検出が困難となる。一方、試験体３０が厚い場合、底面付近に有効な探傷領域を設定するためには、送信探触子４０から送信される超音波を底面側にも伝播させることが求められる。しかし、このような底面側を指向する設定をすると、明瞭なラテラル波４２が得られず、又、表面付近のきずＤが検出できないおそれがある。以下に説明する本実施例に係る超音波探触子によれば、この相反する課題を解決することができる。なお、受信探触子４１は、底面反射波４５も受信する。しかし、実際の試験、例えば、配管溶接部を外周側から超音波探傷する場合においては、底面（配管内周面）の形状は、平滑ないし一様ではないため、底面反射波４５を基準として校正を行い、高精度の超音波測定を行うことは困難である。
【００３６】
図２は、本発明の一実施例に係る超音波探触子を用いたＴＯＦＤ法による超音波探傷の状況図である。図２を参照すると、試験体３０上には、一対の送信探触子１０及び受信探触子１１が対向して設置されている。送信探触子１０は、超音波の屈折角を調節自在な振動子設置面を備えるくさび１と、くさび１の所定面上にそれぞれ設けられた複数の送信振動子２ａ，２ｂと、くさび１及び複数の送信振動子２ａ，２ｂを内蔵するケース３と、ケース３外面に設けられ、複数の送信振動子２ａ，２ｂと不図示の電源及び解析装置を接続するコネクタ（接栓）４と、を有している。受信探触子１１は、送信探触子１０と面対称な構造を有し、超音波の屈折角を調節自在な所定面を備えるくさび５と、くさび５の振動子設置面上にそれぞれ設けられ複数の送信振動子２ａ，２ｂから送信される超音波を受信自在な複数の受信振動子６ａ，６ｂと、くさび５及び複数の受信振動子６ａ，６ｂを内蔵するケース７と、ケース７外面に設けられ、複数の受信振動子６ａ，６ｂと不図示の電源及び解析装置を接続してパルス状電圧又は検出信号を伝達するコネクタ（接栓）８と、を有している。
【００３７】
複数の送信振動子２ａ，２ｂは、それぞれ送信する第１及び第２の送信波２２ａ，２２ｂの屈折角θａ１，θｂ１が互いに異なるが（θａ１≠θｂ１、但し、θａ１＞θｂ１）、それぞれ送信する第１及び第２の送信波２２ａ，２２ｂの入射点Ｐ１が共通であるよう配置されている。さらに、複数の送信振動子２ａ，２ｂは、それらの中心から送信側の入射点Ｐ１までの距離Ｌ１，Ｌ２が共通であるよう設置されている（Ｌ１＝Ｌ２）。なお、入射点Ｐ１は、送受信探触子１０，１１と試験体３０との境界面Ｂ上に位置している。
【００３８】
第１の送信振動子２ａから送信される第１の送信波２２ａの屈折角θａ１は、明瞭なラテラル波２１が得られるよう比較的大きく設定され、第２の送信振動子２ｂから送信される第２の送信波２２ｂの屈折角θｂ１は、試験体３０の底面付近のきずＤを検出できるよう、比較的に小さく設定される。すなわち、第１の送受信振動子２ａ，６ａないし第１の送受信波２２ａ，２３ａは、試験体３０の表面側を探傷範囲とし、第２の送受信振動子２ｂ，６ｂないし第２の送受信波２２ｂ，２３ｂは、試験体３０の底面側を探傷範囲としている。
【００３９】
屈折角θａ１，θｂ１は、複数の送信振動子２ａ，２ｂの入射点Ｐ１に対する設置角度によって設定され、具体的には、複数の送信振動子２ａ，２ｂが配置されるくさび１の外郭線の部分的な角度によって設定できる。すなわち、第１の送信振動子２ａは、くさび１上、境界面Ｂに対して比較的傾斜している部分に貼着され、第２の送信振動子２ｂは、くさび１上、境界面Ｂに対して比較的傾斜していない部分に貼着されている。
【００４０】
一方、複数の受信振動子６ａ，６ｂは、複数の送信振動子２ａ，２ｂと面対称に配置されると共に、それぞれ受信する第１及び第２の受信波２３ａ，２３ｂの屈折角θａ２，θｂ２が互いに異なるが（θａ２≠θｂ２、但し、θａ２＞θｂ２、θａ１＝θａ２、θｂ１＝θｂ２）、それぞれ受信する第１及び第２の受信波２３ａ，２３ｂの入射点Ｐ２が共通であるよう配置されている。さらに、複数の受信振動子６ａ，６ｂは、それらの中心から受信側の入射点Ｐ２までの距離Ｌ１，Ｌ２が共通であるよう設置されている（Ｌ１＝Ｌ２）。なお、入射点Ｐ２は、送受信探触子１０，１１と試験体３０との境界面Ｂ上に位置している。
【００４１】
さらに、第１の受信振動子６ａが受信する第１の受信波２３ａの屈折角θａ２は、明瞭なラテラル波２１が受信できるよう比較的大きく設定され、第２の受信振動子６ｂが受信する第２の受信波２３ｂの屈折角θｂ２は、試験体３０の底面付近のきずＤを検出できるよう、比較的に小さく設定される。
【００４２】
屈折角θａ２，θｂ２は、特に、複数の受信振動子６ａ，６ｂの入射点Ｐ２に対する設置角度によって設定され、具体的には、複数の受信振動子６ａ，６ｂが配置されるくさび５の外郭線の部分的な角度によって設定できる。すなわち、第１の受信振動子６ａは、くさび５上、境界面Ｂに対して比較的傾斜している部分に貼着され、第２の受信振動子６ｂは、くさび５上、境界面Ｂに対して比較的傾斜しない部分に貼着されている。
【００４３】
以上説明した本発明の一実施例に係る複合型超音波探触子を用いたＴＯＦＤ法による超音波探傷法及びその効果について説明する。
【００４４】
同一の屈折角を有する送信振動子と受信振動子（２ａ，６ａ），（２ｂ，６ｂ）がそれぞれ対向するよう、一対の送信探触子１０及び受信探触子１１が、試験体３０上に対向配置される。送信探触子１０において、複数の送信振動子２ａ，２ｂを同時に発振させる。第１の送信振動子２ａから送信される送信波２２ａと、第２の送信振動子２ｂから送信される送信波２２ｂとは、共通の入射点Ｐ１から、試験体３０に入射される。このように両方の送信波２２ａ，２２ｂの入射点Ｐ１が共通であることにより、両方の送信波２２ａ，２２ｂの干渉を防止することができる。また、複数の送信振動子２ａ，２ｂと入射点Ｐ１までの距離Ｌ１，Ｌ２が共通であることにより（Ｌ１＝Ｌ２）、複数の送信振動子２ａ，２ｂから入射点Ｐ１までの間、両方の送信波２２ａ，２２ｂの伝播時間が共通化されるため、複数の送信振動子２ａ，２ｂの発振タイミングの制御及び探傷波形の解析が容易となり、又、上記干渉もさらに防止される。
【００４５】
第１の送信振動子２ａから送信された超音波の一部は、ラテラル波２１となって、試験体３０の表面（境界面Ｂ）上を伝播し、第１の受信振動子６ａによって受信される。第１の送信振動子２ａの設置角度ないしそれが送信する第１の送信波２２ａの屈折角θａ１は、大きく設定されているため、明瞭なラテラル波２１が出現する。この明瞭なラテラル波２１を基準として、上述したＴＯＦＤ法によるきずＤの高精度な検出を行うことができる。
【００４６】
試験体３０中にきずＤがある場合、第１ないし第２の送信波２２ａ，２２ｂがきずＤで反射又は回折して、図１（Ａ）に示したようなきずＤの上端反射波４３及び下端回折波４４が出現し、これらを第１ないし第２の受信振動子６ａ，６ｂが受信する。特に、試験体３０の表面付近にきずＤがある場合には、第１の送受信波２２ａ，２３ａによって、表面付近のきずＤが検出される。試験体３０の底面付近にきずＤがある場合には、第２の送受信波２２ｂ，２３ｂによって、深部のきずＤが検出される。また、受信探触子１１においては、送信探触子１０側と対称的に、第１及び第２の受信波２３ａ，２３ｂが共通点の入射点Ｐ２から入射し、入射点Ｐ２から複数の受信振動子６ａ，６ｂとまでの距離Ｌ１，Ｌ２が共通であることにより（Ｌ１＝Ｌ２）、上述した送信側の効果と同様の効果が発生する。
【００４７】
以上より、本実施例に係る超音波探触子は、下記の効果を達成する：
（１）屈折角の大きい超音波を送受信する第１の送信及び受信振動子２ａ，６ａにより、明瞭なラテラル波が得られる；
（２）明瞭なラテラル波に基づいて、きずＤを正確に検出できる；
（３）屈折角の大きい超音波を送受信する第１の送信及び受信振動子２ａ，６ａと、屈折角の小さい超音波を送受信する第２の送信及び受信振動子２ｂ，６ｂとの複合により、試験体表面付近及び同底面付近のきずＤのいずれも一回の探傷走査で検出できる；
（４）きずＤのスクリーニングのためのＤスキャン走査を、厚さ毎に複数回実行する必要がなくなり、探傷時間が短縮される。
（５）本実施例による超音波探傷を採用することにより、厚肉な配管等の厚物構造物の探傷が、省力化され、探傷精度も向上される。
（６）本実施例による超音波探傷によれば、高精度の探傷が短時間で実行できるため、本実施例による超音波探傷は、探傷時間の制約を受ける放射線管理区域における探傷に適している。
【００４８】
［縦列型の複合型超音波探触子］
図３（Ａ）〜図３（Ｄ）は、図２に示した複合型超音波探触子に適用される、本発明の一実施例に係る送信探触子及び受信探触子の構造を説明するための図である。図３（Ａ）は正面図、図３（Ｂ）は平面図、図３（Ｃ）は側面図、図３（Ｄ）は複数の振動子の配置イメージ図である。なお、本発明の一実施例に係る超音波探触子は、屈折角が同一の送信振動子と受信振動子が対向配置されるよう対称な構造を有する一対の送信探触子及び受信探触子から構成されるから、以下の説明においては、主として、送信探触子について説明し、受信探触子については、送信探触子に関する説明を参照するものとする。
【００４９】
図３（Ａ）〜図３（Ｄ）を参照すると、送信探触子１０は、くさび１と、複数の送信振動子２ａ〜２ｅと、くさび１及び複数の送信振動子２ａ等を内蔵するケース３と、ケース３外面に設けられたコネクタ４と、を有している。
【００５０】
くさび１の上面には、第１〜第５の送信振動子２ａ〜２ｅが、送信・受信探触子間の超音波伝播方向に配列できるよう、探触子１０の入射点Ｐ１に対して、ないし、試験体３０に対する設置面（図２の境界面Ｂ）に対して、互いに異なる角度を有する、第１〜第５の設置面１ａ〜１ｅが同超音波伝播方向に配列されている。さらに、第１〜第５の設置面１ａ〜１ｅは、入射点Ｐ１に対して同心円状に形成されている。これによって、第１〜第５の設置面１ａ〜１ｅ上にそれぞれ配置される第１〜第５の送信振動子２ａ〜２ｅから送信される超音波は、共通の入射点Ｐ１を通過し、さらに、第１〜第５の送信振動子２ａ〜２ｅと入射点Ｐ１間の距離は、共通になっている。
【００５１】
このように、縦列型に配置された複数の振動子を有する複合型超音波探触子は、周方向継手の探傷に適している。なお、一つの探触子に搭載する振動子の個数は、試験体（探傷対象）の厚さ等に応じて、調整することが好ましい。
【００５２】
［並列型の複合型超音波探触子］
図４（Ａ）〜図４（Ｄ）は、図２に示した複合型超音波探触子に適用される、本発明の他の実施例に係る送信探触子及び受信探触子の構造を説明するための図である。図４（Ａ）は正面図、図４（Ｂ）は平面図、図４（Ｃ）は側面図、図４（Ｄ）は複数の振動子の配置イメージ図である。なお、本発明の一実施例に係る超音波探触子は、屈折角が同一の送信振動子と受信振動子が対向配置されるよう対称な構造を有する一対の送信探触子及び受信探触子から構成されるから、以下の説明においては、主として、送信探触子について説明し、受信探触子については、送信探触子に関する説明を参照するものとする。
【００５３】
図４（Ａ）〜図４（Ｄ）を参照すると、送信探触子１０は、くさび１と、複数の送信振動子２ａ等と、くさび１及び複数の送信振動子２ａ〜２ｃを内蔵するケース３と、ケース３外面に設けられたコネクタ４と、第１及び第２の隔離面１３ａ，１３ｂと、を有している。
【００５４】
くさび１の上面には、第１〜第３の送信振動子２ａ〜２ｃが送信・受信探触子間の超音波伝播方向に交差する方向に配列できるよう、送信・受信探触子間の超音波伝播方向に交差する方向に、第１〜第３の設置面１ａ〜１ｃが配列されている。第１〜第３の設置面１ａ〜１ｃは、探触子１０の入射点Ｐ１に対して、ないし、試験体３０に対する設置面（図２の境界面Ｂ）に対して、互いに異なる角度を有している。第１〜第３の設置面１ａ〜１ｃは順に、第１〜第３の区画１２ａ〜１２ｃにそれぞれ属している。第１〜第３の区画１２ａ〜１２ｃは、超音波の伝播方向に直交する方向に配列され、区画間には、第１及び第２の音響隔離面１３ａ，１３ｂがそれぞれ挿入されている。第１〜第３の設置面１ａ〜１ｃは、入射点Ｐ１に対して同心円状に形成されている。これによって、第１〜第３の設置面１ａ〜１ｃ上にそれぞれ配置される第１〜第３の送信振動子２ａ〜２ｃから送信される超音波は、共通の入射点Ｐ１を通過し、さらに、第１〜第３の送信振動子２ａ〜２ｃと入射点Ｐ１間の距離は、共通になっている。
【００５５】
このように、並列型に配置された複数の振動子を有する複合型超音波探触子は、軸方向継手の探傷に適している。なお、一つの探触子に搭載する振動子の個数は、試験体（探傷対象）の厚さ等に応じて、調整することが好ましい。
【００５６】
なお、第１〜第３の区画１２ａ〜１２ｃにおいては、図４（Ａ）に示したように、それらの角度を多様に設定することができ、或いは、図３（Ａ）に示したように、複数の振動子を縦列配置することもできる。縦列ないし並列配置される複数の振動子の個数に特段の制限はない。
【００５７】
図３（Ａ）〜図３（Ｄ）に示した本発明の一実施例に係る複合型超音波探触子を用いて、図２に示したようにＴＯＦＤ法による超音波探傷試験を行い、図１（Ａ）〜図１（Ｃ）に示したＴＯＦＤ法の原理に基づいて解析を行った。また、比較のため、１個の振動子（屈折角２５度又は屈折角６０度）しか有していない比較例１，２に係る超音波探触子をそれぞれ用いて、同条件で試験を行った。これらの試験条件は、下記のとおりである。
【００５８】
［試験条件］
（１）実施例に係る超音波探触子（複合型超音波探触子）の構成
屈折角２５度の振動子と屈折角７０度の振動子を有する一対の送信及び受信探触子１０，１１（図２及び図５参照）
（２）比較例１に係る超音波探触子（一般的な単一型超音波探触子）の構成
屈折角２５度の振動子を有する一対の送信及び受信探触子７１，７２（図７中央部参照）
（３）比較例２に係る超音波探触子（一般的な単一型超音波探触子）
屈折角６０度の振動子を有する一対の送信及び受信探触子７３，７４（図７左部参照）
（４）試験条件
振動子の種類：ピエゾ型コンポジット振動子
振動子の周波数：５ＭＨｚ
くさびの材質：ＰＳ（ポリスチレン）
探触子と試験体の接触媒質：マシン油
複数の送信及び受信振動子２ａ，２ｂ，６ａ，６ｂ：
試験体材質：ＳＮＣＭ４３９  φ３．０ｍｍ
試験体の厚さ：厚さ６０ｍｍ×長さ（走査方向）４１０ｍｍ×幅３０ｍｍ
きずの位置：走査方向３０ｍｍ毎に深さ４〜４０ｍｍ範囲で４ｍｍ毎に計１０個の横孔
表面側から底面側に向って、順にＮｏ．１〜１０のきずと称する
きずの大きさ：孔長さ３０ｍｍ、孔径φ３ｍｍの横孔
探傷感度：交軸深さ４０ｍｍ（Ｎｏ．１０の横孔の位置）において超音波エコー強度が            ３４ｄＢとなるように調整
探傷走査方向：Ｂスキャン走査（超音波伝播方向の走査）
【００５９】
図５は、本発明の一実施例に係る超音波探傷試験のイメージ図、図６は、図５に示した試験結果を示す探傷画像図及び探傷波形図である。図７は、比較例１及び２に係る超音波探傷試験のイメージ図、図８（Ａ）は、図７に示した比較例１の試験結果を示す探傷画像図及び探傷波形図、図８（Ｂ）は、図７に示した比較例２の試験結果を示す探傷画像図及び探傷波形図である。なお、探傷画像図において、縦軸は、試験体３０の厚さ方向、横軸は、試験体の長さ方向（走査方向）に相当し、探傷波形図において、縦軸は、試験体３０の厚さ方向に相当し、横軸は受信された超音波の強度を示す。
【００６０】
図５及び図６を参照すると、実施例の探傷によれば、全域（全走査時間）にわたって、複数対の送信・受信振動子間で超音波の送受信をそれぞれ行っているにもかかわらず、明瞭なラテラル波が検出された。この明瞭なラテラル波に基づいて、一回の走査で、Ｎｏ．１〜１０のきず、すなわち、厚さ方向の位置が異なる全てのきずが検出できた。また、きずのサイジング（寸法測定）については、１０個中、７個のきずの寸法を高精度（±０．５ｍｍ以内）で検出することができた。この結果、本発明によれば、ＴＯＦＤ法による超音波探傷において、きずの有無をスクリーニングするために、最初に実行されるＤスキャン走査を、深さ区分毎に複数回に分けて実行することなく、一回で実行できることが確認された。また、明瞭なラテラル波が得られたことにより、校正や測定範囲の調整が容易となり、探傷測定値の信頼性が向上された。
【００６１】
図７中央部及び図８（Ａ）を参照すると、比較例１の探傷（屈折角２５度）によれば、ラテラル波が検出されなかった。このため、探傷表面を示す基準位置を、底面反射波から逆算して、高さ６０ｍｍの位置に合わせたが、浅い位置にあるＮｏ１．〜６のきずが検出できず、さらに、全てのきずについて、有効な精度でサイジング（寸法測定）ができなかった。なお、今回の試験は、厚さが一定、すなわち、底面位置が一定な理想的な試験体を用いているが、実際の探傷においては、探傷体の厚さは未知であることが多く、又、厚さが変動するものもあるため、底面反射波を基準とすると、校正や解析が困難となり、測定精度が低下する。
【００６２】
図７及び図８（Ｂ）を参照すると、比較例２の探傷（屈折角６０度）によれば、ラテラル波は検出できたが、深い位置にあるＮｏ．７〜１０のきずが検出できなかった。この結果から、比較例２の探触子（屈折角６０度）を用いた場合には、厚物構造物の深部にあるきずを検出することが困難であるから、屈折角を変更して複数回の探傷を行う必要があることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明は、ＴＯＦＤ法に基づく超音波探傷に利用され、特に、厚物構造物の探傷に利用され、中でも、原子力発電所等の放射線管理区域内の配管溶接部等の探傷に好適に利用される。
【符号の説明】
【００６４】
１  くさび
１ａ，１ｂ，・・，１ｅ  第１〜第５の振動子の設置面（複数の送信振動子の設置面）
２ａ，２ｂ，・・，２ｅ  第１〜第５の送信振動子（複数の送信振動子）
３  ケース
４  コネクタ（接栓）
５  くさび
６ａ，６ｂ  第１及び第２の受信振動子（複数の受信振動子）
７  ケース
８  コネクタ（接栓）
１０  送信探触子
１１  受信探触子
１２ａ  第１の区画
１２ｂ  第２の区画
１２ｃ  第３の区画
１３ａ  第１の音響隔離面
１３ｂ  第２の音響隔離面
２１  ラテラル波（表面透過波）
２２ａ  第１の送信波
２２ｂ  第２の送信波
２３ａ  第１の受信波
２３ｂ  第２の受信波
３０  試験体
４０  送信探触子
４１  受信探触子
４２  ラテラル波（表面透過波）
４３  上端反射波
４４  下端回折波
４５  底面反射波
Ｂ  境界面
Ｃ  超音波伝播速度
Ｄ  きず
Ｐ１  入射点（送信側の入射点）
Ｐ２  入射点（受信側の入射点）
Ｓ  送信探触子と受信探触子間距離の半分
Ｔｄ  ラテラル波（表面透過波）４２と上端反射波４３の到達時間差
Ｔｄｈ（Ｔｘ）  ラテラル波（表面透過波）４２と下端回折波４４の到達時間差
Ｔｗ  ラテラル波（表面透過波）４２と底面反射波４５の到達時間差
ｄ  きずＤの上端位置（きずＤの上端深さ）
ｘ（ｄ＋ｈ）  きずの下端深さ
ｈ  きずＤの寸法（サイズ）
ｔ  試験体３０の厚み
７１  比較例１の送信探触子（屈折角２５度）
７２  比較例１の受信探触子（屈折角２５度）
７３  比較例２の送信探触子（屈折角６０度）
７４  比較例２の受信探触子（屈折角６０度）
【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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