(57)【要約】【課題】超音波発信の際のフェイズド・アレイ・プローブを検査対象材料表面に確実に正対させる姿勢とすることができるようにする。【解決手段】傾斜状態検出手段１１は、超音波発信・受信制御手段１０に対して超音波走査指令を出力し、一端側の素子Ｕ１から他端側の素子Ｕ５へ向かう方向に、超音波発生素子Ｕ１〜Ｕ５に対して順次発信・受信動作を行わせる。傾斜状態検出手段１１は、このとき各素子の発信・受信間の時間からシュラウド５表面との間の距離を算出し、傾斜状態の有無を検出する。プローブ正対制御手段１２は、この検出結果に基づき、フェイズド・アレイ・プローブ９からの超音波信号の入射方向を正対させる制御を行う【選択図】図１
2008051645.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検査対象材料表面に対する超音波信号の発信・受信動作を水又はその他の液状接触媒体を介して行う複数個の超音波発生素子がライン状に配列されて成るフェイズド・アレイ・プローブと、
前記フェイズド・アレイ・プローブを装着し、このフェイズド・アレイ・プローブの姿勢及び位置を可変するプローブ駆動機構と、
前記フェイズド・アレイ・プローブの各超音波発生素子の発信・受信動作を制御する超音波発信・受信制御手段と、
前記超音波発信・受信制御手段に対して超音波走査指令を出力し、前記ライン状に配列された複数個の超音波発生素子に対して前記超音波信号の発信・受信動作を一端側から他端側へ向かって順次行わせ、この一連の発信・受信動作に基づき前記検査対象材料表面と前記フェイズド・アレイ・プローブとの間における相対的な傾斜状態の有無を検出する傾斜状態検出手段と、
前記傾斜状態検出手段の検出結果に基づき、前記フェイズド・アレイ・プローブからの超音波信号の入射方向を検査対象材料表面に対して正対させる正対制御を、前記超音波発信・受信制御手段による超音波発信タイミング制御、又は前記プローブ駆動機構によるフェイズド・アレイ・プローブの姿勢制御を介して行うプローブ正対制御手段と、
を備えたことを特徴とする超音波探傷装置。
【請求項２】
前記傾斜状態検出手段は、前記検査対象材料表面と各超音波発生素子との間の各距離の算出に基づき、前記検査対象材料表面の傾斜状態の有無を検出するものである、
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】
前記傾斜状態検出手段は、前記検査対象材料表面で反射された超音波信号を各超音波発生素子が受信したときの各信号レベルの検出に基づき、前記検査対象材料表面の傾斜状態の有無を検出するものである、
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４】
前記傾斜状態検出手段が検査対象材料表面の一部にのみ傾斜が有ることを検出した場合、前記プローブ正対制御手段は、その傾斜面を通る超音波信号の伝播経路を前記検査対象材料中の経路と前記液状接触媒体中の経路とに分け、各経路における超音波伝播時間の算出に基づき、前記複数個の超音波発生素子に対する各発信タイミングを前記超音波発信・受信制御手段に制御させるものである、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の超音波探傷装置。
【請求項５】
前記プローブ正対制御手段が前記フェイズド・アレイ・プローブに対する正対制御を第１の検査位置で行った後に、このフェイズド・アレイ・プローブが前記プローブ駆動機構の位置制御により第２の検査位置に移動した場合、
前記傾斜状態検出手段は、前記傾斜状態の有無を再度検出し、
前記プローブ正対制御手段は、この検出結果に基づき、前記正対制御を再度行うものである、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の超音波探傷装置。
【請求項６】
検査対象材料表面に対する超音波信号の発信・受信動作を水又はその他の液状接触媒体を介して行う複数個の超音波発生素子がライン状に配列されて成るフェイズド・アレイ・プローブと、
前記フェイズド・アレイ・プローブを装着し、このフェイズド・アレイ・プローブの姿勢及び位置を可変するプローブ駆動機構と、
前記フェイズド・アレイ・プローブの各超音波発生素子の発信・受信動作を制御する超音波発信・受信制御手段と、
前記フェイズド・アレイ・プローブの前記検査対象材料表面に対する傾斜角を前記プローブ駆動機構を介して複数回可変させると共に、各回の傾斜角毎に前記超音波発信・受信制御手段を介して前記複数個のうちのいずれか一の超音波発生素子に発信・受信動作を行わせ、各回の傾斜角毎における前記検査対象材料表面からの反射超音波信号のうち信号レベルが最大のものに係る傾斜角を正対傾斜角として選択するプローブ正対制御手段と、
を備えたことを特徴とする超音波探傷装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フェイズド・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】
シュラウドなどの原子炉内構造物に対しては定期又は不定期に探傷作業が実施されているが、この探傷作業実施の際には、溶接部位における応力腐食割れ等の傷を看過することなく高精度で検出することが要求される。この探傷作業に用いられる装置のひとつに、フェイズド・アレイ・プローブを探触子として用いた超音波探傷装置がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
フェイズド・アレイ・プローブは、複数個の超音波発生素子（圧電素子）がライン状に配列されたものであり（ライン状の他に、平面状、環状に配列されたものもあるが、ここではライン状に配列されたものを対象とする）、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、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することができるなどのメリットを有している。
【０００４】
特許文献１に係る超音波探傷装置では、このようなフェイズド・アレイ・プローブを水中ロボットのようなプローブ駆動機構により炉内の複数個所の位置に移動させて探傷作業を行うようにしている。この場合、炉内には探傷作業にとって障害となるような種々の部材が設けられているが、フェイズド・アレイ・プローブは、上記のような超音波発信タイミング制御に基づく超音波ビーム収束機能や探傷角可変機能等を有しているので、水中ロボットが充分に接近できないような遠隔個所からでも比較的容易に探傷作業を実施することが可能となっている。
【特許文献１】特開２００５−３０７７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、原子炉内の水中に没しているフェイズド・アレイ・プローブの超音波発生素子から発信された超音波信号は、水中を伝播した後、シュラウド等を形成している鋼材（検査対象材料）の表面から内部に入射し、内部を伝播して探傷部位まで到達する。このとき、超音波信号が鋼材に対して斜めに入射すると、この超音波信号は鋼材表面で屈折する（スネルの法則）。そのため、鋼材内部を進行する超音波信号は所定探傷部位に到達するまでに散乱減衰量が大きくなり、所望の探傷精度を得られなくなる虞がある。
【０００６】
そのため、フェイズド・アレイ・プローブから検査対象材料表面に対して超音波信号を発信する際は、このフェイズド・アレイ・プローブから発射される超音波信号の入射方向を極力検査対象材料表面に対して正対（真正面に対向させる意）させることが望ましい。
【０００７】
しかし、原子炉内に設けられている種々の部材の表面は必ずしも一様でなく、また、超音波発信の際のフェイズド・アレイ・プローブが検査対象材料表面に正対しているか否かを正確に検出する技術は存在していなかった。それ故、従来は検査オペレータの勘と経験を頼りに、フェイズド・アレイ・プローブの検査対象材料表面に対する姿勢を手動により調整する他はなく、充分な探傷精度を得られない場合が多く生じていた。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、超音波発信の際のフェイズド・アレイ・プローブを検査対象材料表面に確実に正対させる姿勢とすることができる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】
【０００９】
上記課題を解決するための手段として、請求項１記載の発明は、検査対象材料表面に対する超音波信号の発信・受信動作を水又はその他の液状接触媒体を介して行う複数個の超音波発生素子がライン状に配列されて成るフェイズド・アレイ・プローブと、前記フェイズド・アレイ・プローブを装着し、このフェイズド・アレイ・プローブの姿勢及び位置を可変するプローブ駆動機構と、前記フェイズド・アレイ・プローブの各超音波発生素子の発信・受信動作を制御する超音波発信・受信制御手段と、前記超音波発信・受信制御手段に対して超音波走査指令を出力し、前記ライン状に配列された複数個の超音波発生素子に対して前記超音波信号の発信・受信動作を一端側から他端側へ向かって順次行わせ、この一連の発信・受信動作に基づき前記検査対象材料表面と前記フェイズド・アレイ・プローブとの間における相対的な傾斜状態の有無を検出する傾斜状態検出手段と、前記傾斜状態検出手段の検出結果に基づき、前記フェイズド・アレイ・プローブからの超音波信号の入射方向を検査対象材料表面に対して正対させる正対制御を、前記超音波発信・受信制御手段による超音波発信タイミング制御、又は前記プローブ駆動機構によるフェイズド・アレイ・プローブの姿勢制御を介して行うプローブ正対制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記傾斜状態検出手段は、前記検査対象材料表面と各超音波発生素子との間の各距離の算出に基づき、前記検査対象材料表面の傾斜状態の有無を検出するものである、ことを特徴とする。
【００１１】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記傾斜状態検出手段は、前記検査対象材料表面で反射された超音波信号を各超音波発生素子が受信したときの各信号レベルの検出に基づき、前記検査対象材料表面の傾斜状態の有無を検出するものである、ことを特徴とする。
【００１２】
請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の発明において、前記傾斜状態検出手段が検査対象材料表面の一部にのみ傾斜が有ることを検出した場合、前記プローブ正対制御手段は、その傾斜面を通る超音波信号の伝播経路を前記検査対象材料中の経路と前記液状接触媒体中の経路とに分け、各経路における超音波伝播時間の算出に基づき、前記複数個の超音波発生素子に対する各発信タイミングを前記超音波発信・受信制御手段に制御させるものである、ことを特徴とする。
【００１３】
請求項５記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の発明において、前記プローブ正対制御手段が前記フェイズド・アレイ・プローブに対する正対制御を第１の検査位置で行った後に、このフェイズド・アレイ・プローブが前記プローブ駆動機構の位置制御により第２の検査位置に移動した場合、前記傾斜状態検出手段は、前記傾斜状態の有無を再度検出し、前記プローブ正対制御手段は、この検出結果に基づき、前記正対制御を再度行うものである、ことを特徴とする。
【００１４】
請求項６記載の発明は、検査対象材料表面に対する超音波信号の発信・受信動作を水又はその他の液状接触媒体を介して行う複数個の超音波発生素子がライン状に配列されて成るフェイズド・アレイ・プローブと、前記フェイズド・アレイ・プローブを装着し、このフェイズド・アレイ・プローブの姿勢及び位置を可変するプローブ駆動機構と、前記フェイズド・アレイ・プローブの各超音波発生素子の発信・受信動作を制御する超音波発信・受信制御手段と、前記フェイズド・アレイ・プローブの前記検査対象材料表面に対する傾斜角を前記プローブ駆動機構を介して複数回可変させると共に、各回の傾斜角毎に前記超音波発信・受信制御手段を介して前記複数個のうちのいずれか一の超音波発生素子に発信・受信動作を行わせ、各回の傾斜角毎における前記検査対象材料表面からの反射超音波信号のうち信号レベルが最大のものに係る傾斜角を正対傾斜角として選択するプローブ正対制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、フェイズド・アレイ・プローブの複数個の超音波発生素子に一連の発信・受信動作を行わせて、検査対象材料表面とフェイズド・アレイ・プローブとの間における相対的な傾斜状態の有無を検出するようにし、この検出結果に基づき、各超音波発生素子の超音波発信タイミング制御、又はプローブ姿勢制御を行う構成としているので、超音波発信の際のフェイズド・アレイ・プローブから発射される超音波信号の入射方向を検査対象材料表面に確実に正対させる姿勢とすることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図２は、本発明の実施形態に係る超音波探傷装置全体の概略構成図である。この図において、床１には開口された室２が形成されている。この室２の下方には原子炉圧力容器３が設置されており、室２及び原子炉圧力容器３内部には水４が満たされている。そして、原子炉圧力容器３内には、検査対象材料であるシュラウド５が配設されている。
【００１７】
床１の開口部付近には制御装置６が設置されており、この制御装置６からはケーブル７が開口部内の水中に向かって延びている。ケーブル７の先端部は水中ロボット８（プローブ駆動機構）に接続されており、この水中ロボット８は、シュラウド５に対向するフェイズド・アレイ・プローブ９を装着している。
【００１８】
図１は、本発明の実施形態の要部構成図であり、図２における制御装置６、水中ロボット８、及びフェイズド・アレイ・プローブ９を抜き出して示したものである。この図に示すように、制御装置６は、超音波発信・受信制御手段１０、傾斜状態検出手段１１、及びプローブ正対制御手段１２を有している。また、フェイズド・アレイ・プローブ９は、ライン状に配列された例えば圧電素子などの超音波発生素子Ｕ１〜Ｕ５を有している。そして、このフェイズド・アレイ・プローブ９を装着した水中ロボット８は、原子炉圧力容器３内の任意の位置に移動することが可能であると共に、検査対象材料表面（シュラウド５の表面）に対するフェイズド・アレイ・プローブ９の姿勢（傾斜角）を可変できるようになっている。なお、本実施形態では、説明及び図示を簡略化し理解を容易にするため、超音波発生素子の個数をＵ１〜Ｕ５の５個としているが、この個数はもちろん限定されるものではない（実際には数十個程度である）。
【００１９】
超音波発信・受信制御手段１０は、超音波発生素子Ｕ１〜Ｕ５の各発信・受信動作を制御するものであり、特に、検査対象材料表面に対する超音波発生素子Ｕ１〜Ｕ５の各超音波発信タイミングを制御することに基づき、その超音波ビームを収束させたり、探傷角を可変させたりすることができるようになっている。
【００２０】
傾斜状態検出手段１１は、検査対象材料表面であるシュラウド５表面とフェイズド・アレイ・プローブ９との間における相対的な傾斜状態の有無を検出するものである。すなわち、傾斜状態検出手段１１は、超音波発信・受信制御手段１０に対して超音波走査指令を出力し、一端側の素子Ｕ１から他端側の素子Ｕ５へ向かう方向に、超音波発生素子Ｕ１〜Ｕ５に対して順次発信・受信動作を行わせるようになっている。そして、傾斜状態検出手段１１は、このとき各超音波発生素子が超音波信号を発信してから受信するまでの時間から各素子とシュラウド５表面との間の距離の算出に基づき、上記の傾斜状態の有無を検出するようになっている。
【００２１】
プローブ正対制御手段１２は、上記の傾斜状態検出手段１１からの検出結果に基づき、フェイズド・アレイ・プローブ９からの超音波信号の入射方向をシュラウド５表面に対して正対させる正対制御を行うものである。この場合、プローブ正対制御手段１２は、この正対制御を、超音波発信・受信制御手段１０による超音波発信タイミング制御、又は水中ロボット８によるフェイズド・アレイ・プローブ９の姿勢制御を用いて行うことができる。あるいは更に、傾斜角が小さな場合は超音波発信タイミング制御を用い、傾斜角が大きな場合は姿勢制御を用いるようにして、これら２つの制御を併用することも可能である。
【００２２】
次に、上記構成を有する本実施形態の動作につき、検査対象材料表面であるシュラウド５表面の傾斜状態を検出する技術を中心として説明する。
【００２３】
図３は、シュラウド５表面とフェイズド・アレイ・プローブ９との間に相対的な傾斜状態が生じていない場合の説明図であり、（ａ）はシュラウド５表面と超音波発生素子Ｕ１〜Ｕ５との位置関係を示す部分拡大図、（ｂ）は各素子位置と計測距離Ｌとの関係を示す特性図である。
【００２４】
本実施形態に係る超音波探傷装置によれば、オペレータは図１の制御装置６に設けられている探傷作業開始スイッチなどの特定の操作スイッチ（図示せず）を操作すれば、後は制御装置６の有するプローブ正対制御機能に基づき、フェイズド・アレイ・プローブ９は自動的にシュラウド５表面に正対する姿勢に制御されることになる。したがって、それ以降に行われる、本来の超音波探傷作業について充分に高い探傷精度を得ることができる。
【００２５】
まず、図１において図示を省略してある上記の探傷作業開始スイッチをオペレータが操作すると、傾斜状態検出手段１１は、超音波発信・受信制御手段１０に対して超音波走査指令を出力し、一端側の素子Ｕ１から他端側の素子Ｕ５へ向かう方向に、超音波発生素子Ｕ１〜Ｕ５に対して順次発信・受信動作を行わせる。そして、傾斜状態検出手段１１は、このとき各超音波発生素子が超音波信号を発信してから受信するまでの時間から各素子とシュラウド５表面との間の距離の算出に基づき、上記の傾斜状態の有無を検出する。
【００２６】
なお、超音波発生素子Ｕ１〜Ｕ５の発信・受信動作を１個ずつ順次行うようにし、同時には行わないようにしているのは、各素子からの超音波が互いに干渉することにより形状検出が正確に行われなくなるのを防止するためである。
【００２７】
超音波発生素子Ｕ１〜Ｕ５のそれぞれとシュラウド５表面との間の各距離Ｌ1〜Ｌ5は、図３（ｂ）に示すように等しく、これらの距離レベルを示す各黒丸印を結ぶ線分（シュラウド５表面の形状に対応する）は水平状態となって傾斜状態は生じていない。したがって、この場合、プローブ正対制御手段１２は、超音波発信・受信制御手段１０に対する超音波発信タイミング制御、又は水中ロボット８に対するフェイズド・アレイ・プローブ９の姿勢制御のいずれについても行うことはしない。
【００２８】
図４は、シュラウド５表面とフェイズド・アレイ・プローブ９との間に相対的な傾斜状態が生じている場合の説明図であり、（ａ）はシュラウド５表面と超音波発生素子Ｕ１〜Ｕ５との位置関係を示す部分拡大図、（ｂ）は各素子位置と計測距離Ｌとの関係を示す特性図である。
【００２９】
この場合、超音波発生素子Ｕ１〜Ｕ５のそれぞれとシュラウド５表面との間の各距離Ｌ1〜Ｌ5は、図４（ｂ）に示すように次第に短くなっており、これらの距離レベルを示す各黒丸印を結ぶ線分は右下がりの傾斜状態となる。そして、各素子間の距離をｄとすると、超音波発生素子Ｕ１と超音波発生素子Ｕ５との間の距離は４・ｄである。また、距離Ｌ1と距離Ｌ5との差をδ5で表すと、このときの傾斜角θ0は、下記（１）式により求めることができる。
θ0＝ｔａｎ−１（δ5／４・ｄ）  ……  （１）
【００３０】
したがって、この場合、プローブ正対制御手段１２は、超音波発信・受信制御手段１０に対して超音波発信タイミング制御を行う際は、超音波発生素子Ｕ５側の超音波発信タイミングを超音波発生素子Ｕ１側に比べて遅くすることにより、各素子からの超音波信号をシュラウド５表面に同時に到達させることができ、上記の傾斜角θ0の影響を排除することができる。あるいは、水中ロボット８に対してフェイズド・アレイ・プローブ９の姿勢制御を行う際は、フェイズド・アレイ・プローブ９の前面をシュラウド５表面と平行にすることにより、上記の傾斜角θ0がゼロとなるようにする。
【００３１】
上記の例では、各超音波発生素子Ｕ１〜Ｕ５が超音波信号を発信してから受信するまでの時間を検出し、この検出した時間から各素子とシュラウド５表面との間の距離Ｌ1〜Ｌ5を算出することにより、傾斜状態検出手段１１が傾斜状態の有無を検出している。しかし、傾斜状態検出手段１１は、超音波発信・受信制御手段１０が受信した超音波信号レベルを検出することによっても傾斜状態の有無を検出することができる。
【００３２】
すなわち、各超音波発生素子Ｕ１〜Ｕ５が超音波信号の発信後に受信した超音波信号の電圧レベルをＥ1〜Ｅ5とすると、この電圧レベルは超音波信号の伝播距離の２乗に比例する。したがって、比例定数をａとすると、これらの電圧レベルＥ1〜Ｅ5は、下式（２）〜（６）式により表すことができる。
Ｅ1＝ａ・Ｌ1２                                                  ……  （２）
Ｅ2＝ａ・Ｌ2２＝ａ・（Ｌ1−δ2）２                              ……  （３）
Ｅ3＝ａ・Ｌ3２＝ａ・（Ｌ1−δ3）２  ＝ａ・（Ｌ1−２・δ2）２    ……  （４）
Ｅ4＝ａ・Ｌ4２＝ａ・（Ｌ1−δ4）２  ＝ａ・（Ｌ1−３・δ2）２    ……  （５）
Ｅ5＝ａ・Ｌ5２＝ａ・（Ｌ1−δ5）２  ＝ａ・（Ｌ1−４・δ2）２    ……  （６）
【００３３】
そして、（２）式から求められるａ＝Ｅ1／Ｌ1２を（３）式に代入し、これをδ2について解くと、下記の（７）式が得られる。
δ2＝Ｌ1（１−（Ｅ1／Ｅ2）０．５）  ……  （７）
【００３４】
したがって、δ5＝４・δ2を（１）式に代入して傾斜角θ0を求めてもよいし、あるいは、δ2を下記の（８）式に代入して傾斜角θ0を求めてもよい。傾斜角θ0を求めた後の制御は既述した通りである。
θ0＝ｔａｎ−１（δ2／ｄ）  ……  （８）
【００３５】
図５は、シュラウド５表面の一部（傾斜部５ａ）とフェイズド・アレイ・プローブ９との間に相対的な傾斜状態が生じている場合の説明図であり、（ａ）はシュラウド５表面と超音波発生素子Ｕ１〜Ｕ５との位置関係を示す部分拡大図、（ｂ）は各素子位置と計測距離Ｌとの関係を示す特性図である。
【００３６】
この場合、超音波発生素子Ｕ１〜Ｕ５のそれぞれとシュラウド５表面との間の各距離Ｌ1〜Ｌ5は、図４（ｂ）に示すようになり、これらの距離レベルを示す各黒丸印を結ぶ線分は素子Ｕ２〜Ｕ４の区間だけが右下がりの傾斜状態となる。そして、各素子間の距離をｄとすると、この素子Ｕ２〜Ｕ４の区間の距離は２・ｄであるから、距離Ｌ2（＝Ｌ1）と距離Ｌ4との差をδで表すと、このときの傾斜角θは、下記（９）式により求めることができる。
θ＝ｔａｎ−１（δ／２・ｄ）  ……  （９）
【００３７】
したがって、この場合、プローブ正対制御手段１２は、超音波発信・受信制御手段１０に対して超音波発信タイミング制御を行う際は、超音波発生素子Ｕ３，Ｕ４側の超音波発信タイミングを超音波発生素子Ｕ２側に比べて遅くすることにより、上記の傾斜角θによる影響を排除することができる。
【００３８】
なお、このようにシュラウド５表面の一部のみに傾斜が生じている場合、水中ロボット８に対してフェイズド・アレイ・プローブ９の姿勢制御を行うことにより、上記の傾斜角θがゼロとなるようにすることも理論上は可能であるが、フェイズド・アレイ・プローブ９の姿勢を機械的手段により可変するのは時間がかかるため実用的でないことが多いと考えられる。
【００３９】
ところで、図５（ａ）に示すように、シュラウド５表面の一部に傾斜部５ａが形成されるのは溶接個所であることが多い。したがって、実際の探傷作業では傾斜部５ａの背面側であるシュラウド５内部の特定個所を目標探傷位置として超音波信号を収束させることが要求される。そのため、超音波発信タイミング制御を行う際は、傾斜部５ａを通る超音波信号とそれ以外の個所を通る超音波信号との経路上の差違を考慮した演算を行う必要がある。
【００４０】
そこで、この場合の演算内容につき図６を参照しつつ説明する。この図６は、超音波発生素子Ｕ１〜Ｕ５から発信される超音波信号が目標探傷位置に到達するまでの経路を示した説明図である。
【００４１】
図６において、シュラウド５内部の目標探傷位置をＰ0とし、超音波発生素子Ｕ１〜Ｕ５からの超音波のシュラウド５表面における入射地点をＰ1〜Ｐ5、各素子から入射地点Ｐ1〜Ｐ5までの水中伝播距離をＬ1〜Ｌ5、入射地点Ｐ1〜Ｐ5から目標探傷位置Ｐ0までの炭素鋼中伝播距離をＤ1〜Ｄ5、地点Ｐ1が属する表面から目標探傷位置Ｐ0までの探傷位置深さをＤ0とする。
【００４２】
上記の目標探傷位置Ｐ0は、傾斜部始点Ｐ2及び傾斜部終点Ｐ4を通る超音波進行方向とＰ0を通る水平軸線とのなす角（「探傷角」と呼ぶことがある）がそれぞれ４５°、α1となる位置に設定されるものとする。また、上記水平軸線と点Ｐ2，Ｐ3を通る各垂直軸線との交点をＰ01，Ｐ02とする。そして、点Ｐ2を通る垂直軸線と点Ｐ3を通る垂直軸線との間の距離はｄ・ｔａｎθで表されるが、このｔａｎθは（９）式により既知である。
【００４３】
上記のような条件下において、超音波発生素子Ｕ１〜Ｕ５から発信される各超音波信号が目標探傷位置Ｐ0に到達するまでの超音波伝播時間Ｔ1〜Ｔ5の求め方について説明する。なお、本実施形態では、シュラウド５の材料は炭素鋼であり、超音波信号の水中伝播速度をＶw、超音波信号の炭素鋼中速度をＶsとする。
【００４４】
＜超音波発生素子Ｕ１からの超音波伝播時間Ｔ1＞
伝播時間Ｔ1は下記の（１０）式により表される。
Ｔ1＝Ｌ1／Ｖw＋Ｄ1／Ｖs    ……  （１０）
【００４５】
そして、炭素鋼中伝播距離Ｄ1は三角形Ｐ0Ｐ01Ｐ1における３平方の定理から下記の（１１）式により求められる。
Ｄ1＝（Ｄ0２＋（Ｄ0・tan45°＋ｄ）２）０．５    ……  （１１）
【００４６】
＜超音波発生素子Ｕ２からの超音波伝播時間Ｔ2＞  
伝播時間Ｔ2は下記の（１２）式により表される。
Ｔ2＝Ｌ2／Ｖw＋Ｄ2／Ｖs    ……  （１２）
【００４７】
そして、炭素鋼中伝播距離Ｄ2は三角形Ｐ0Ｐ01Ｐ2における３平方の定理から下記の（１３）式により求められる。
Ｄ2＝（Ｄ0２＋（Ｄ0・tan45°）２）０．５    ……  （１３）
【００４８】
＜超音波発生素子Ｕ３からの超音波伝播時間Ｔ3＞
伝播時間Ｔ3は下記の（１４）式により表される。
Ｔ3＝Ｌ3／Ｖw＋Ｄ3／Ｖs    ……  （１４）
【００４９】
そして、炭素鋼中伝播距離Ｄ3は三角形Ｐ0Ｐ02Ｐ3における３平方の定理から下記の（１５）式により求められる。
Ｄ3＝（（Ｄ0＋ｄ・tanθ）２＋（Ｄ0・tan45°−ｄ）２）０．５  ……  （１５）
【００５０】
＜超音波発生素子Ｕ４，Ｕ5からの超音波伝播時間Ｔ4，Ｔ5＞
伝播時間Ｔ4，Ｔ5は下記の（１６）式及び（１７）式により表される。
Ｔ4＝Ｌ4／Ｖw＋Ｄ4／Ｖs    ……  （１６）
Ｔ5＝Ｌ5／Ｖw＋Ｄ5／Ｖs    ……  （１７）
【００５１】
これらの式における炭素鋼中伝播距離Ｄ4，Ｄ5の求め方の詳細は省略するが、上述したような三角形の３平方の定理を用いた同様の手法により求めることができる。
【００５２】
さて、プローブ正対制御手段１２は、上記のようにして超音波伝播時間Ｔ1〜Ｔ5を求めたならば、超音波発信・受信制御手段１０に対して超音波発信タイミング制御を次のようにして行うべきことを指令する。
【００５３】
例えば、超音波伝播時間Ｔ1〜Ｔ5の長さが、Ｔ2＜Ｔ1＜Ｔ3＜Ｔ4＜Ｔ5であったとすると、まず超音波発生素子Ｕ２から超音波信号を発信させた後、（Ｔ1−Ｔ2）秒後に超音波発生素子Ｕ１から超音波信号を発信させる。次いで、（Ｔ3−Ｔ2）秒後に超音波発生素子Ｕ３から超音波信号を発信させる。以下、同様にして、それぞれ（Ｔ4−Ｔ2）秒後、及び（Ｔ5−Ｔ2）秒後に超音波発生素子Ｕ４，Ｕ５から超音波信号を発信させるようにする。
【００５４】
このように、最初に超音波発生素子Ｕ２から超音波信号を発信させた後、上記の所定時間だけ遅らせて順次超音波発生素子Ｕ１，Ｕ３，Ｕ４，Ｕ５を発信させていけば、各素子からの超音波信号は同時に目標探傷位置Ｐ0に到達することになる。
【００５５】
したがって、溶接により形成された傾斜部５ａの前面にフェイズド・アレイ・プローブ９を位置させた状態で、超音波発信タイミング制御による探傷作業を行う場合にも充分に高い探傷精度を確保することができる。
【００５６】
但し、各超音波発生素子からの超音波信号が炭素鋼中を伝播する過程では、各伝播経路におけるき裂等の存在により伝播速度や信号減衰量に差違が生じることも考えられる。それ故、実際に探傷作業を実施する前に、予め校正試験等を行っておくことが望ましい。
【００５７】
上述したように、本実施形態に係る超音波探傷装置によれば、検査対象材料表面に傾斜部が形成されているような場合でもフェイズド・アレイ・プローブに対する正対制御を容易且つ確実に実行することができ、高い探傷精度を得ることができる。しかし、或る個所で高い探傷精度が得られたとしても、フェイズド・アレイ・プローブを別の個所に移動させた場合には、検査対象材料表面の状態は一様ではないため、必ずしも同じように高い探傷精度が得られるかどうかは保証されないのが通常である。
【００５８】
例えば、図７に示すように、フェイズド・アレイ・プローブ９を原子炉圧力容器３内の第１の検査位置で正対させて探傷作業を終えた後に、このフェイズド・アレイ・プローブ９を第２の検査位置に移動させた場合、そのままではこのフェイズド・アレイ・プローブ９が第２の検査位置においても検査対象材料表面に対して正対しているとは限らない。
【００５９】
それ故、本発明では、傾斜状態検出手段１１は第２の検査位置においても検査対象材料表面の傾斜状態の有無を再度検出し、プローブ正対制御手段１２はこの検出結果に基づき、既述した正対制御を再度行うように構成することができる。
【００６０】
ところで、これまで説明してきた実施形態は、傾斜状態検出手段１１が超音波発信・受信制御手段１０を介して行った傾斜状態検出の結果を用いて、プローブ正対制御手段１２がフェイズド・アレイ・プローブ９に対する正対制御を行うものであった。
【００６１】
これに対し、本発明に係るプローブ正対制御手段１２は、傾斜状態検出手段１１の検出結果を用いることなく正対制御を実行することが可能である。
【００６２】
すなわち、図８（ａ）に示すように、プローブ正対制御手段１２は、探傷作業の開始に先立ち、水中ロボット８に対する駆動制御により、フェイズド・アレイ・プローブ９を初期の回転角β0の姿勢から、回転角β1，β2，β3の姿勢に順次回転させていく。そして、各回転角の位置において、いずれか１つの超音波発生素子（例えばＵ１）のみにシュラウド５表面に対する超音波の発信・受信動作を行わせるようにし、その超音波受信信号の強度を検出する。
【００６３】
図８（ｂ）は、このようにして得られた各回転角位置における信号強度を示した特性図である。この図によれば、回転角β1における信号強度が最も大きな値となっている。したがって、回転角β1の姿勢が、フェイズド・アレイ・プローブ９がシュラウド５表面に対して正対している姿勢であることがわかる。それ故、プローブ正対制御手段１２は、この後回転角β1の姿勢にフェイズド・アレイ・プローブ９を固定する。
【００６４】
本発明に係る超音波探傷装置は上記実施形態の他に種々の変形が可能であり、また、次のような形態をも広く包含するものである。
【００６５】
（１）上記実施形態では、超音波探傷を行う際の液状接触媒体が、原子炉圧力容器内の水である場合を示したが、これに限定される趣旨ではなく、環境に応じてグリセリンなどの種々の接触媒体を用いることが可能である。
【００６６】
（２）上記実施形態では、検査対象材料が原子炉圧力容器内のシュラウドである場合を例に取り説明したが、本発明に係る超音波探傷装置は、停泊中の船体の水中に没した外板部など種々の検査対象材料に適用可能である。
【００６７】
（３）上記実施形態では、フェイズド・アレイ・プローブにつき複数個の超音波発生素子がライン状の配列されたものに限定しているが、平面上又は立体状に配列されたものであっても、ライン状の配列の特徴を利用したものであれば本発明のフェイズド・アレイ・プローブに実質的に相当するものである。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の実施形態に係る超音波探傷装置全体の概略構成図。
【図２】本発明の実施形態の要部構成図。
【図３】図２におけるシュラウド５表面とフェイズド・アレイ・プローブ９との間に相対的な傾斜状態が生じていない場合の説明図であり、（ａ）はシュラウド５表面と超音波発生素子Ｕ１〜Ｕ５との位置関係を示す部分拡大図、（ｂ）は各素子位置と計測距離Ｌとの関係を示す特性図。
【図４】図２におけるシュラウド５表面とフェイズド・アレイ・プローブ９との間に相対的な傾斜状態が生じている場合の説明図であり、（ａ）はシュラウド５表面と超音波発生素子Ｕ１〜Ｕ５との位置関係を示す部分拡大図、（ｂ）は各素子位置と計測距離Ｌとの関係を示す特性図。
【図５】図２におけるシュラウド５表面の一部（傾斜部５ａ）とフェイズド・アレイ・プローブ９との間に相対的な傾斜状態が生じている場合の説明図であり、（ａ）はシュラウド５表面と超音波発生素子Ｕ１〜Ｕ５との位置関係を示す部分拡大図、（ｂ）は各素子位置と計測距離Ｌとの関係を示す特性図。
【図６】図５における超音波発生素子Ｕ１〜Ｕ５から発信される超音波信号が目標探傷位置に到達するまでの経路を示した説明図。
【図７】本発明の実施形態に係るフェイズド・アレイ・プローブ９が検査位置を移動する場合についての説明図。
【図８】本発明に係るプローブ正対制御手段１２が傾斜状態検出手段１１の検出結果を用いることなく正対制御を実行する場合の説明図であり、（ａ）はフェイズド・アレイ・プローブ９の各回転角毎の姿勢を示す部分拡大図、（ｂ）は各回転角毎の信号強度を示す特性図。
【符号の説明】
【００６９】
１：床
２：室
３：原子炉圧力容器
４：水
５：シュラウド
５ａ：傾斜部
６：制御装置
７：ケーブル
８：水中ロボット（プローブ駆動機構）
９：フェイズド・アレイ・プローブ
１０：超音波発信・受信制御手段
１１：傾斜状態検出手段
１２：プローブ正対制御手段
Ｕ１〜Ｕ５：超音波発生素子
【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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