(57)【要約】【課題】探傷精度を向上させると共に、探傷時間を短縮すること。【解決手段】フェーズド・アレイ・プローブ３は超音波発生素子群４を有している。この素子群４は、欠陥部２を有する検査対象物１に対して超音波の発信・受信を行う複数の素子Ｐ1〜Ｐ100で構成されている。超音波制御手段６は、これら素子Ｐ1〜Ｐ100の超音波発信・受信動作の制御を行い、超音波受信信号を超音波解析手段７に送出する。超音波解析手段７の欠陥部有無判別手段８は、最初の超音波発信・受信動作により得られた超音波受信データを簡易解析することにより欠陥部２の有無を判別する。そして、欠陥部位置特定手段９は、欠陥部２が有ると判別された場合、次回以降の超音波発信・受信動作により得られた超音波受信データを詳細解析することにより欠陥部２の有無を判別する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
検査対象物に対する超音波の発信・受信を行う複数の超音波発生素子を有するフェーズド・アレイ・プローブと、
前記フェーズド・アレイ・プローブの超音波発信・受信動作の制御を行う超音波制御手段と、
前記超音波制御手段からの超音波受信信号の解析に基づき前記検査対象物の欠陥部を検出する超音波解析手段と、
を備え、
前記超音波解析手段は、前記超音波制御手段の最初の超音波発信・受信動作の制御により得られた超音波受信データを簡易解析することにより欠陥部の有無を判別し、
前記超音波制御手段は、前記超音波解析手段が欠陥部有りと判別した場合に、欠陥部を含む限定された周辺領域を対象として次回以降の超音波発信・受信動作の制御を行い、
前記超音波解析手段は、前記超音波制御手段の次回以降の超音波発信・受信動作の制御により得られた超音波受信データを詳細解析することにより欠陥部の位置を特定する、
ことを特徴とする超音波探傷装置。
【請求項２】
前記超音波解析手段が行う、超音波受信データの詳細解析による特定は、間引き処理した超音波波形データ上に包絡線を形成し、この包絡線上に現れる各極大値のうちの最大値に対応する位置を欠陥部位置と特定するものである、
ことを特徴とする請求項１記載の超音波探傷装置。
【請求項３】
前記超音波制御手段のフェーズド・アレイ・プローブに対する超音波発信・受信動作の制御は、リニアスキャンであり、
前記超音波制御手段は、欠陥部から遠い所定領域では複数素子数のピッチで前記フェーズド・アレイ・プローブにリニアスキャンを行わせ、欠陥部に近い所定領域ではそれより少ない素子数のピッチでフェーズド・アレイ・プローブにリニアスキャンを行わせる、
ことを特徴とする請求項１記載の超音波探傷装置。
【請求項４】
前記超音波制御手段のフェーズド・アレイ・プローブに対する超音波発信・受信動作の制御は、リニアスキャンであり、
前記フェーズド・アレイ・プローブを検査対象物の表面に沿って移動させるプローブ駆動手段を備え、
前記ピッチの大きさを、フェーズド・アレイ・プローブの移動に伴ってシフトする、
ことを特徴とする請求項１記載の超音波探傷装置。
【請求項５】
前記超音波制御手段のフェーズド・アレイ・プローブに対する超音波発信・受信動作の制御は、リニアスキャンであり、
前記超音波制御手段は、前記超音波解析手段が欠陥部の位置を特定した後、この欠陥部の位置が含まれる領域に向けてセクタスキャンを行うことにより最適探傷角を求め、この最適探傷角で再度リニアスキャンを行う、
ことを特徴とする請求項１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、フェーズド・アレイ・プローブを探触子として用いた超音波探傷装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
フェーズド・アレイ・プローブは、複数個の超音波発生素子（圧電素子）がライン状や平面状に配列されて形成されたものであり、各超音波発生素子の超音波発信タイミングを制御することにより、指向性を持った超音波ビームを発生させ、この超音波ビームを任意の位置に収束させたり、探傷角度を任意の角度に可変できるものである。したがって、フェーズド・アレイ・プローブを探触子として用いた超音波探傷検査装置は、移動制御や姿勢制御を行う駆動機構が充分に接近できないような遠隔位置に対しても容易に効率良く探傷作業を実施することができるので、シュラウドなどの原子炉内構造物の探傷作業に好適である。
【０００３】
しかし、原子炉内構造物に対する探傷作業では、検査対象範囲は極めて広範囲であり、また検査対象物の形状が複雑になっている個所も有る。一方、フェーズド・アレイ・プローブにより得られる超音波受信データの数は膨大なものとなり、また、その波形パターンも多岐にわたるものとなる。したがって、このような超音波受信データに基づき、検査対象物に存在する欠陥部の有無及び欠陥部の位置を、精度よく且つ短時間に探し出すことは非常に難しい作業となり、そのため探傷作業を担当するのはある程度熟練した技能を有する検査員に限定されているのが実情であった。
【０００４】
そこで、このような探傷作業を極力簡単化するため、例えば特許文献１に開示されている技術が提案されている。この特許文献１の手法は、超音波受信データから得られる複数の極大値の列データの中で最大値に係る個所を欠陥部として求めようとするものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平２００７−２９２５５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１の手法は、フェーズド・アレイ・プローブから得られる膨大な超音波受信データを探傷対象領域の場所如何にかかわらず同一の解析手法で処理しようとするものであり、探傷精度の向上及び探傷時間の短縮化の観点からはなお改善の余地を有するものである。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、探傷精度を向上させると共に、探傷時間を短縮す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】
【０００８】
本発明は、上記課題を課題を解決するための手段として、検査対象物に対する超音波の発信・受信を行う複数の超音波発生素子を有するフェーズド・アレイ・プローブと、フェーズド・アレイ・プローブの超音波発信・受信動作の制御を行う超音波制御手段と、超音波制御手段からの超音波受信信号の解析に基づき検査対象物の欠陥部を検出する超音波解析手段と、を備え、超音波解析手段は、超音波制御手段の最初の超音波発信・受信動作の制御により得られた超音波受信データを簡易解析することにより欠陥部の有無を判別し、超音波制御手段は、超音波解析手段が欠陥部有りと判別した場合に、欠陥部を含む限定された周辺領域を対象として次回以降の超音波発信・受信動作の制御を行い、超音波解析手段は、超音波制御手段の次回以降の超音波発信・受信動作の制御により得られた超音波受信データを詳細解析することにより欠陥部の位置を特定する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、探傷精度を向上させると共に、探傷時間を短縮することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る超音波探傷装置の構成図。
【図２】図１におけるフェーズド・アレイ・プローブ３の超音波発生素子群４が行うリニアスキャン動作についての説明図。
【図３】図１における欠陥部有無判別手段８が簡易解析を行う場合の超音波受信データを示す波形図。
【図４】超音波発生素子Ｐ1〜Ｐ100の超音波発信・受信動作の際の素子ピッチの変化についての説明図。
【図５】フェーズド・アレイ・プローブ３のＸ方向又はＹ方向への移動に伴い素子ピッチの大きさがシフトされることについての説明図。
【図６】図１における欠陥部位置特定手段９が詳細解析を行う場合の超音波受信データを示す波形図。
【図７】図６に示した超音波受信データのうちPos6及びPos7の受信データに包絡線を描いて示した説明図であり、（ａ）はPos6についての説明図、（ｂ）はPos7についての説明図。
【図８】図６におけるPos1〜Pos10の各受信データに包絡線を描き、包絡線上の極大値のうちの各最大値を結んで得られる曲線を示した特性図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、本発明の実施形態に係る超音波探傷装置の構成図である。欠陥部２を有する検査対象物１の上面に対向してフェーズド・アレイ・プローブ３が位置している。このフェーズド・アレイ・プローブ３は超音波発生素子群４を有しており、プローブ駆動機構５により検査対象物１の上面に沿ってＸ方向及びＹ方向へ移動可能になっている。
【００１２】
超音波制御手段６は、超音波発生素子群４を構成する複数の超音波発生素子の超音波発信・受信動作を制御すると共に、プローブ駆動機構５の駆動動作を制御するようになっている。
【００１３】
超音波発生素子群４を構成する複数の超音波発生素子は、超音波制御手段６からの超音波発信指令に基づき検査対象物１に対して超音波を発信し、その反射受信信号を超音波制御手段６に送出するようになっている。超音波制御手段６は、この反射受信信号を超音波解析手段７に送出する。
【００１４】
超音波解析手段７は、欠陥部有無判別手段８及び欠陥部位置特定手段９を有している。欠陥部有無判別手段８は、検査対象物１に欠陥部２が存在するか否かについて判別する手段であり、欠陥部位置特定手段９は、欠陥部有無判別手段８により欠陥部２が存在すると判別された場合に、この欠陥部２の位置を特定するための手段である。
【００１５】
図２は、図１におけるフェーズド・アレイ・プローブ３の超音波発生素子群４が行うリニアスキャン動作についての説明図である。本実施形態では、超音波発生素子群４を構成する複数の超音波発生素子の数を例えば１００個とし、これらの素子を符号Ｐ1〜Ｐ100で表す。
【００１６】
素子Ｐ1〜Ｐ100の検査対象物１に対する探傷角は予め設定されているαとし、超音波発信・受信動作を行う素子がＰ1からＰ100に向けて順次シフトされていく。このシフトは、予め設定された個数の素子で構成される１つのグループを単位としてシフトされていく。例えば、１０個の素子で１グループが構成されるとすると、最初に第１のグループである１０個の素子Ｐ1，Ｐ2，…，Ｐ10の範囲内で素子Ｐ1から素子Ｐ10までの超音波発信・受信動作が順次行われ、次いで第２のグループである１０個の素子Ｐ2，Ｐ3，…，Ｐ11の範囲内で素子Ｐ2からＰ11までの超音波発信・受信動作が順次行われる。同様にして、１グループを単位として超音波発信・受信動作がシフトされていき、最後に第９１のグループである１０個の素子Ｐ91，Ｐ92，…，Ｐ100の範囲内で素子Ｐ91からＰ100までの超音波発信・受信動作が順次行われるようになっている。この後、フェーズド・アレイ・プローブ３はプローブ駆動機構５によりＸ方向又はＹ方向に位置が移動され、上記と同様の超音波発信・受信動作が繰り返し行われるようになっている。
【００１７】
次に、本実施形態の動作につき説明する。素子Ｐ1〜Ｐ100が、上記のように、１０個の素子で構成される１グループ毎に超音波発信・受信動作を繰り返し、その超音波受信データを超音波制御手段６に送出する。そして、超音波制御手段６は、この超音波受信データを超音波解析手段７に送出する。
【００１８】
超音波解析手段７では、この超音波制御手段６からの超音波受信データを、まず欠陥部有無判別手段８が簡易解析することにより欠陥部２の有無を判別する。本実施形態では、この判別は図３に示すように、ある超音波発生素子からの超音波受信データが所定閾値を超えた場合に欠陥部２が有ると判別する。
【００１９】
この場合、第１のグループから第９１のグループまで超音波発信・受信動作が行われ、欠陥部有無判別手段８が欠陥部２が無いと判別したときには、フェーズド・アレイ・プローブ３はプローブ駆動機構５によりＸ方向又はＹ方向に位置が移動され、同様の超音波発信・受信動作を繰り返し行う。
【００２０】
しかし、例えば第５１のグループにおける超音波発信・受信動作で超音波受信データが所定閾値を超え、欠陥部有無判別手段８が欠陥部２有りと判別したとすると、この判別結果が超音波制御手段６に出力される。超音波制御手段６は、この判別結果を入力すると、素子Ｐ1〜Ｐ100に再度超音波発信・受信動作を行わせる。
【００２１】
ここで、第５１のグループは略中間のグループなので、第１のグループから第９１のグループまでの全てにわたって再度超音波発信・受信動作を行うようにする。しかし、例えば第９１のグループで欠陥部有りと判別した場合、第１のグループから超音波発信・受信動作を行うのは非効率的で無駄時間が多くなるので、第８０のグループあたりから超音波発信・受信動作を開始した方が効率的で好ましい。同様に、第１のグループで欠陥部有りと判別した場合、最後の第９１のグループまで超音波発信・受信動作を行うのは非効率的で無駄時間が多くなるので、第２０のグループあたりまでで超音波発信・受信動作を終了させた方が効率的で好ましい。
【００２２】
なお、再度の超音波発信・受信動作における探傷角は最初にリニアスキャンを行ったときのαより大きな探傷角であるα1若しくは小さな探傷角であるα2、あるいは双方の探傷角α1，α2でリニアスキャンを行う。
【００２３】
さて、上記のように、超音波制御手段６は第１乃至第９１の各グループまでの全てにわたって再度超音波発信・受信動作を行わせる。このとき、図４に示すように、第５１のグループよりも遠い領域（欠陥部２から遠い領域）のグループ、例えば、第１のグループから第４１のグループまで、及び第６１のグループから第９１のグループまでは２素子ピッチ毎に超音波発信・受信動作を行わせるようにする。
【００２４】
つまり、第１のグループの素子Ｐ1，Ｐ2，…，Ｐ10が再度の超音波発信・受信動作を順次行うと、次は２素子ピッチ後の第３のグループの素子Ｐ3，Ｐ4，…，Ｐ12が再度の超音波発信・受信動作を順次行い、以下同様にして、第４１のグループの素子Ｐ41，Ｐ42，…，Ｐ50までが再度の超音波発信・受信動作を順次行う。
【００２５】
次いで、第５１のグループに近い領域（欠陥部２に近い領域）である第４２のグループに入り、素子Ｐ42，Ｐ43，…，Ｐ51が再度の超音波発信・受信動作を順次行うと、次は最初の超音波発信・受信動作における素子ピッチ数と同様に、１素子ピッチ後の第４３のグループの素子Ｐ43，Ｐ44，…，Ｐ52が再度の超音波発信・受信動作を順次行う。以下同様にして、第６０のグループの素子Ｐ60，Ｐ61，…，Ｐ69までが再度の超音波発信・受信動作を順次行う。
【００２６】
そして、第５１のグループよりも遠い領域（欠陥部２から遠い領域）である第６１のグループに入り、素子Ｐ61，Ｐ62，…，Ｐ70が再度の超音波発信・受信動作を順次行うと、次は２素子ピッチ後の第６３のグループの素子Ｐ63，Ｐ64，…，Ｐ72が再度の超音波発信・受信動作を順次行い、以下同様にして、第９１のグループの素子Ｐ91，Ｐ92，…，Ｐ100までが再度の超音波発信・受信動作を順次行う。
【００２７】
フェーズド・アレイ・プローブ３は、上記のような再度の超音波発信・受信動作に基づく超音波受信データを超音波制御手段６に送出し、超音波制御手段６はこれを超音波解析手段７に送出する。そして、超音波解析手段７では欠陥部位置特定手段９が、この超音波受信データを詳細解析することにより欠陥部２の位置を特定する。
【００２８】
なお既述したように、第１のグループから第９１のグループまで超音波発信・受信動作が行われ、欠陥部有無判別手段８が欠陥部２が無いと判別したときには、フェーズド・アレイ・プローブ３はプローブ駆動機構５によりＸ方向又はＹ方向に位置が移動され、同様の超音波発信・受信動作を繰り返し行う。このとき、図５に示すように、本実施形態ではフェーズド・アレイ・プローブ３のＸ方向又はＹ方向への移動に伴ってリニアスキャン実行時の素子ピッチの大きさがシフトされていく。
【００２９】
次に、欠陥部位置特定手段９による超音波受信データの詳細解析につき説明する。図６は、あるグループの１番目の素子から１０番目の素子までの超音波受信データPos1〜Pos10を示す波形データである。これらの波形データの横軸は、超音波発生素子の発信時からの経過時間（μs）であり、縦軸は受信信号強度のレベル（％）を示している。なお、これらの波形データの経過時間において、１３[μs]程度までは検査対象物１表面からの受信信号が現れているので、解析対象範囲は約１４〜２０[μs]に設定している。
【００３０】
欠陥部位置特定手段９は、図６に示したようなあるグループの超音波受信データPos1〜Pos10を受け取ると、このデータに対して間引き処理を実施し、包絡線を描けるようにする。つまり、超音波解析手段７で用いられているＡＤ変換器は時間分解能が高く、１波形分のデータがノイズの影響も含む多数のデジタルデータで表されるので、そのままのデータでは極大値を自動処理により求めるのが難しくなる。そこで、間引き処理によって包絡線を求め、この包絡線から極大値を容易に求めることができるようにしている。
【００３１】
例えば、フェーズド・アレイ・プローブ３の超音波発生素子の発振周波数が２MHzで、繰り返し周期が５００ns、ＡＤ変換器の時間分解能が２５nsであるとすると、１波長分のデータは２０点のデジタルデータにより表され、したがって、半波長分のデータは１０点のデジタルデータにより表される。そして、１〜１０点目のデータのうちの最大値を第１地点、１１〜２０点目のデータのうちの最大値を第２地点、２１〜３０点目のデータのうちの最大値を第３地点、…というように各地点を求め、各地点を曲線で結ぶことにより包絡線を得ることができる。なお、このように超音波受信データを間引き処理することにより、欠陥部位置特定のための対象データ量を削減することができ、演算速度を速くできるという効果も得られる。
【００３２】
図７は、図６に示した超音波受信データのうちPos6及びPos7の受信データに包絡線を描いて示した説明図であり、（ａ）はPos6についての説明図、（ｂ）はPos7についての説明図である。これらの説明図における包絡線上には、１４〜２０[μs]の解析対象範囲に複数個所に極大値が現れるが、欠陥部位置特定手段９は、これらの極大値のうちの最大値、つまりPos6では点A、Pos7では点Bが欠陥部２からの受信データであると判別する。
【００３３】
極大値の地点の求め方は、例えば、包絡線上における連続した３つの地点i-1,i,i+1での値Data(i-1),Data(i),Data(i+1)を求め、Data(i-1)＜Data(i)＞Data(i+1)を満足するiを求めればよい。なお、ノイズの影響を排除するため、信号強度が所定レベル（例えば２０％）以下の極大値は判別対象から除外するのが好ましい。
【００３４】
ここで、図７（ａ），（ｂ）における点Ａ及び点Ｂの各受信データはいずれも同一個所（つまり欠陥部２）からの反射データであることにつき検証してみる。フェーズド・アレイ・プローブ３の隣接する２つの超音波発生素子間の距離を例えば１[mm]とし、探傷角を６０°とすると、これら２つの超音波発生素子からの超音波信号間の路程差は１[mm]／sin60°となる。また、検査対象物１における音速を５６００[m/s]程度とすると、各超音波信号が各超音波発生素子に到達するまでの時間差は約０．４[μs]となる。一方、図７（ａ），（ｂ）における点Ａ及び点Ｂの時間軸上の各値は１６．９[μs]及び１７．２[μs]であるから、その時間差は０．３[μs]となり、０．４[μs]と略同一の値となる。したがって、点Ａ及び点Ｂの各受信データはいずれも欠陥部２からの反射データであるということができる。
【００３５】
図８は、図６におけるPos1〜Pos10の各受信データに包絡線を描き、包絡線上の極大値のうちの各最大値を結んで得られる曲線を示した特性図である。この特性図によれば、Pos8に係る最大値が他の最大値よりも大きく突出している。このような場合、Pos8の受信データを検出した超音波発生素子が欠陥部２に対して最適位置であるのを示すことが知られている。したがって、欠陥部位置特定手段９はこのPos8に係る超音波発生素子からの受信データに基づき欠陥部２の位置を演算すれば、欠陥部２の位置を精度良く特定することができる。
【００３６】
更に、上記のようにして欠陥部２の位置を超音波解析手段７が精度良く特定した後、超音波制御手段６は、最適探傷角を求めるために、この欠陥部２の位置が含まれる領域に向けてフェーズド・アレイ・プローブ３にセクタスキャンを行わせるようにし、この最適探傷角で再度リニアスキャンを行わせるようにすることもできる。これによれば、一層、欠陥部２の位置を精度良く特定することができる。
【００３７】
このように、本実施形態では、最初のリニアスキャンで得られた超音波受信データを簡易解析することにより欠陥部の有無を判別し、欠陥部が有ると分かった場合に、次回以降のリニアスキャンで得られた超音波受信データを詳細解析することにより欠陥部の位置を特定するようにしており、更に、欠陥部２から遠い領域と近い領域とで、リニアスキャン実行の際の素子ピッチの大きさを適宜変更できるようにしている。したがって、探傷時間を短縮できると共に、無駄な解析データが増大するのを抑制することが可能になる。
【符号の説明】
【００３８】
１：検査対象物
２：欠陥部
３：フェーズド・アレイ・プローブ
４：超音波発生素子群
Ｐ1〜Ｐ100：超音波発生素子
５：プローブ駆動機構５
６：超音波制御手段
７：超音波解析手段
８：欠陥部有無判別手段
９：欠陥部位置特定手段
【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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