(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波探触子から発生する超音波を、被検体より遅い音速を持つシューを介して、被検体に横波斜角超音波を発生し、前記被検体を検査する超音波探傷装置であって、
前記超音波探触子として、複数の圧電振動子がアレイ状に配置されたアレイ探触子を用いると共に、
前記横波斜角超音波の入射角が３５度から５５度とするときに、前記複数の圧電振動子の素子ピッチを、前記被検体を伝搬する横波の波長の０．７５倍より大きく２．３５倍より小さくしたことを特徴とする超音波探傷装置。
【請求項２】
請求項１記載の超音波探傷装置において、
前記シューは、超音波アレイ探触子の位置を被検体の端面に拘束するための段差を備えることを特徴とする超音波探傷装置。
【請求項３】
超音波探触子から発生する超音波を、被検体より遅い音速を持つシューを介して、被検体に横波斜角超音波を発生し、前記被検体を検査する超音波探傷方法であって、
前記超音波探触子として、複数の圧電振動子がアレイ状に配置されたアレイ探触子を用いると共に、前記横波斜角超音波の入射角が３５度から５５度とするときに、前記複数の圧電振動子の素子ピッチを、前記被検体を伝搬する横波の波長の０．７５倍より大きく２．３５倍より小さいものを用いて、前記超音波アレイ探触子を被検体上に設置し、同一の被検体における、探傷箇所において得られた信号と、前記探傷箇所以外において得られた信号の両方を表示することを特徴とする超音波探傷方法。
【請求項４】
請求項３記載の超音波探傷方法において、
超音波の入射方向と被検体の板厚の情報を用いて、多重反射信号を、加算または平均して合成表示することを特徴とする超音波探傷方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検体と異なる媒質による屈折現象により、被検体内部へ超音波を送信し、被検体内部からの反射波を受信して、被検体内部の欠陥を検出する超音波探傷装置及び方法に係り、特に、アレイ探触子を用い、被検体内部で横波を多重反射させて、超音波探触子設置位置から遠い被検体内部からの欠陥を検出するに好適な超音波探傷装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電プラントの構造物として一般に用いられている鋼材など、縦波と横波の伝播を許す固体の非破壊検査方法として、超音波による手法（超音波探傷法）が従来から用いられている。超音波探傷法のひとつに、シューまたはくさび（ウェッジ）と呼ばれる媒質による屈折現象を利用した横波斜角探傷法がある。一般的に、横波斜角探傷法では、シューの材質として、アクリルやポリスチレンなどの合成樹脂が用いられ、その形状は、三角形（くさび形状）をしており、シューを伝搬する超音波が、シューと被検体の境界で屈折を起すことで、所定のモード（横波）の超音波を得ることができる。また、シューのくさび形の角度を調節することで、所望の角度で伝搬する横波超音波を得ることが可能となる。
【０００３】
ここで、構造物の超音波探傷に横波を用いる理由のひとつとして、被検体中での反射効率が良い点が挙げられる。構造物には、通常、割れなどの面状の欠陥（き裂）が発生することがあり、このような面状の欠陥を検出するには、き裂の真上から超音波を入射するのではなく、斜め方向から超音波を入射する方法（斜角探傷法）がよく用いられる。これは、斜め方向から超音波を当てることで、欠陥で反射された超音波をより高い強度で超音波探触子で受信できる効果をねらったものである。このとき、斜め方向から欠陥に当たった超音波の反射率が、横波はほぼ１００％（超音波の伝搬方向が、被検体表面に対して、約３５〜約５５度の範囲で送信される場合）であるのに対して、縦波は約２０％であり、横波の方が高い強度で信号を受信することができる。このような理由により、構造物内部の欠陥検出に、横波斜角超音波が用いられることが多い。
【０００４】
超音波探触子を構成する圧電振動子には、縦波を発生するものと横波を発生するものがある。また、超音波探触子（またはシュー）から被検体に超音波を伝えるために、接触媒質が用いられる。縦波超音波は液体を透過することができるが、横波は液体を十分な強度で透過しない。そのため、被検体に直接横波振動を伝えるためには、非常に粘性の高い接触媒質を用いる必要がある。構造物の超音波探傷では、接触媒質の塗布や除去に係わる作業性を考慮し、塗布及び除去が容易な液体の接触媒質（水、油、グリセリン等）を使用することが一般的である。
【０００５】
このような作業性を考え、構造物の超音波探傷では、被検体に直接横波振動を伝える横波振動子ではなく、シューによる屈折現象を利用した手法、すなわち、シュー内を伝搬する縦波をシューと被検体の境界で横波に変換させる探傷方法が広く用いられている。
【０００６】
従来の横波斜角探傷法として、ある角度を持ったシューに、単一の圧電振動子（但し、送信と受信で素子を分ける場合は、送受信で各１つの合計２つの場合もある）を設置する方法があるが、この場合、屈折現象により発生させることが可能な横波は、１つの角度方向に限定されていた。そのため、超音波の伝搬方向を、例えば、４０度から５０度に変更するためには、異なる角度（または音速）を持ったシューに付け替える必要があった。
【０００７】
このような課題の対策として、超音波アレイ探触子とシューを組み合わせて用いる方法が提案されている。超音波アレイ探触子を用いることで、フェーズドアレイ方式を適用することができる。
【０００８】
ここで、フェーズドアレイ方式とは、電子走査方式又は電子スキャン方式とも呼ばれるので、例えば圧電振動子からなる複数の超音波発生素子をアレイ状に配置した探触子、いわゆるアレイ探触子を用い、超音波発生の契機となる電気信号を、このアレイ探触子の各素子に所定の時間だけ遅延させて与え、各素子から発生した超音波が重ね合わされ、合成波を形成することで、被検査体への超音波の送信角度と受信角度、送信位置と受信位置、或いは合成波が干渉して互いにエネルギーを強め合う位置、つまり焦点位置などの条件が電気的な制御により高速で変化させることができるようにした超音波探傷法である。
【０００９】
このようにアレイ探触子を用いて探傷条件を電気的に走査する理由は、広い角度範囲にわたって超音波の送受信角度位置や焦点を自由に変化させられるからであり、そうすることにより、被検査体の内部或いは表面の反射源(欠陥等)からの反射波をより強く受信できる角度や位置、焦点を選択することで、反射源である欠陥が見付け易くできるからである
このようにアレイ探触子を用いることで、横波超音波を送信する角度を複数個にすることができシューの取替え作業は不必要となるが、アレイ探触子を用いたフェーズドアレイ法により角度を変化させるには、アレイ探触子を構成する圧電振動子の大きさを十分に小さくする必要がある。例えば、圧電振動子の間隔（ピッチ）を被検体の波長の１／４より長く、１／２より短く設定することが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【００１０】
【特許文献１】米国特許第４３６３１１５号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
このように、従来、アレイ探触子を用いたフェーズドアレイ法を用いて横波斜角探傷法を実現する場合には、アレイ探触子を構成する圧電素子ピッチを細かくする必要があるとされてきた。例えば、周波数５ＭＨｚで炭素鋼を横波で探傷する場合、炭素鋼の横波音速を３２００ｍ／秒とすれば、波長は０．６４ｍｍとなるので、素子ピッチは、例えば、０．３２ｍｍとなる。圧電振動子の寸法が小さくなると、アレイ探触子全体のセンサ開口が小さくなりセンサ全体の感度が低下することとなる。また、圧電振動子が細密化することで、圧電振動子の電気的なインピーダンスが大きくなり、電気的なマッチングを取ることが難しくなるために、アレイ探触子を構成するそれぞれの振動子の感度が低下し、アレイ探触子全体の感度のさらなる低下につながるという問題があった。
【００１２】
加えて、アレイ探触子全体の寸法が小さくなることで、被検体を探傷する際に、アレイ探触子の位置を移動させる必要があり、検査時間が長くなるという課題がある。
【００１３】
本発明の目的は、アレイ探触子を構成する圧電振動子の寸法を大きくすることで、アレイ探触子全体の開口を大きくし、また、電気的なマッチングを改善させ、感度の高い信号を得ることができ、かつ、大きなアレイ探触子により、短い時間で広範囲の検査が可能な、超音波探傷装置及び方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、超音波探触子から発生する超音波を、被検体より遅い音速を持つシューを介して、被検体に横波斜角超音波を発生し、前記被検体を検査する超音波探傷装置であって、前記超音波探触子として、複数の圧電振動子がアレイ状に配置されたアレイ探触子を用いると共に、前記横波斜角超音波の入射角が３５度から５５度とするときに、前記複数の圧電振動子の素子ピッチを、前記被検体を伝搬する横波の波長の０．７５倍より大きく２．３５倍より小さくしたものである。 
かかる構成により、アレイ探触子を構成する圧電振動子の寸法を大きくすることで、アレイ探触子全体の開口を大きくし、また、電気的なマッチングを改善させ、感度の高い信号を得ることができ、かつ、大きなアレイ探触子により、短い時間で広範囲の検査が可能となる。
【００１５】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記シューは、超音波アレイ探触子の位置を被検体の端面に拘束するための段差を備えるようにしたものである。
【００１６】
（３）また、上記目的を達成するために、本発明は、超音波探触子から発生する超音波を、被検体より遅い音速を持つシューを介して、被検体に横波斜角超音波を発生し、前記被検体を検査する超音波探傷方法であって、前記超音波探触子として、複数の圧電振動子がアレイ状に配置されたアレイ探触子を用いると共に、前記横波斜角超音波の入射角が３５度から５５度とするときに、前記複数の圧電振動子の素子ピッチを、前記被検体を伝搬する横波の波長の０．７５倍より大きく２．３５倍より小さいものを用いて、前記超音波アレイ探触子を被検体上に設置し、同一の被検体における、探傷箇所において得られた信号と、前記探傷箇所以外において得られた信号の両方を表示するようにしたものである。
かかる方法により、アレイ探触子を構成する圧電振動子の寸法を大きくすることで、アレイ探触子全体の開口を大きくし、また、電気的なマッチングを改善させ、感度の高い信号を得ることができ、かつ、大きなアレイ探触子により、短い時間で広範囲の検査が可能となる。
【００１７】
（４）上記（３）において、好ましくは、超音波の入射方向と被検体の板厚の情報を用いて、多重反射信号を、加算または平均して合成表示するようにしたものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、アレイ探触子を構成する圧電振動子の寸法を大きくすることで、アレイ探触子全体の開口を大きくし、また、電気的なマッチングを改善させ、感度の高い信号を得ることができ、かつ、大きなアレイ探触子により、短い時間で広範囲の検査が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図１〜図１２を用いて、本発明の一実施形態による超音波探傷装置の構成及び動作について説明する。  
最初に、図１を用いて、本実施形態による超音波探傷装置の概略について説明する。  
図１は、本発明の一実施形態による超音波探傷装置の概略図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＡ−Ａ断面の拡大図である。
【００２０】
本実施形態の超音波探傷装置は、超音波アレイ探触子１０４と、超音波アレイ探触子１０４を構成する圧電振動子１０６と、超音波アレイ探触子１０４に取付けるシュー１０５と、検査対象である被検体１０１に超音波を送信し、また、被検体１０１からの反射信号を受信する送受信部１０７と、データの記憶部１０８と、受信信号の表示をする表示部１０９とから構成されている。
【００２１】
ここで、図２を用いて、本実施形態による超音波探傷装置の被検体の一例について説明する。  
図２は、本発明の一実施形態による超音波探傷装置の被検体の一例の説明図である。
【００２２】
図１に示した被検体１０１は、段差のついた板状の被検体であり、具体的には、図２に示すように、タービン翼８０１をタービンロータ８０４に取付けるためのフォーク８０５がこの形状に相当する。タービン翼８０１の基部には、フォーク８０５が形成されている。フォーク８０５は、タービンロータ８０４に取り付けられる。この際、フォーク８０５及びタービンロータ８０４に形成されたピン穴８０３にピン８０２を挿入することで、両者は固定される。フォーク８０５は、図示のように、段差のついた板状である。そして、超音波アレイ探触子及びシューを設置できる面は、フォークの上側の表面８１０に限定されている。
【００２３】
再び、図１において、図１に示す被検体１０２は、説明を簡単にするため、平板形状の断面図として表している。このような細長い被検体を検査するために、超音波アレイ探触子１０４及びシュー１０５により送信される横波超音波１１１を、被検体１０１中において複数回多重反射させて、形状変化部１０２（図２におけるピン穴８０３に相当）に発生する欠陥１０３まで超音波を伝搬させる。
【００２４】
なお、本実施形は、タービン翼取付け部（フォーク）以外に、平板や配管などの超音波探傷において、被検体の形状や被検体の周囲に存在する構造物との干渉により、超音波探触子を欠陥発生想定位置に十分に近づけることが困難な場合に、被検体中に横波斜角超音波を多重に反射させることで、検査発生想定位置から離れた位置に超音波探触子を設置して探傷を行う場合にも適用することが可能である。
【００２５】
図１に示すように、超音波アレイ探触子１０４は、シュー１０４と呼ばれる傾斜した媒質の上に設置され、さらに、シュー１０４は被検体１０１の上に設置される。なお本実施例では、超音波アレイ探触子１０４及びシュー１０５を設置できる面が、被検体１０１の上側の表面１１２に限定されている場合を想定する（図２においては、表面８１０に限定されている場合を想定する）。
【００２６】
シュー１０５は、被検体より音速が遅く、密度が小さい材料で作られており、例えば、アクリル、ポリスチレン、ポリイミド等の合成樹脂を用いる。また、超音波アレイ探触子１０４とシュー１０５の間、及び、シュー１０５と被検体１０１の間には、接触媒質と呼ばれる縦波超音波を伝えるための媒質を介在させる。接触媒質として、例えば、水、マシン油、グリセリン等を用いる。
【００２７】
超音波アレイ探触子１０４を構成する圧電振動子１０６は、送受信部１０７に接続され、送受信部から送られる駆動信号により、圧電振動子１０６からシュー１０５内部に縦波が発生する。シュー１０５の内部を伝搬した縦波超音波１１１は、次に、シュー１０５と被検体１０１の境界において、屈折現象により横波に変換させ、被検体１０１中を横波超音波１１１として伝搬する。被検体中を多重反射して、形状変化部１０２または欠陥１０３で反射された横波超音波は、再び、被検体１０１とシュー１０５の境界で屈折し、縦波に変換され、シュー１０５内を縦波超音波として伝搬し、超音波アレイ探触子１０４の圧電振動子１０６で受信され、電気信号に変換される。受信波の電気信号は、送受信部１０７で受信され、受信信号として表示部１０９に表示される。また、受信信号は、必要に応じて、記憶部１０８に参照信号として記憶される。
【００２８】
次に、図３を用いて、本実施形態による超音波探傷装置の詳細構成について説明する。  
図３は、本発明の一実施形態による超音波探傷装置の構成を示すシステムブロック図である。
【００２９】
超音波アレイ探触子１０４を構成する圧電振動子１０６は、例えば、超音波発生素子の一例として、圧電セラミックスや、その圧電セラミックスの細棒を高分子材の中に埋めこんだ複合圧電体（コンポジットともいう）を用いる。圧電振動子（または、素子）１０６は、通常、等間隔に配置されており、圧電振動子１０６の間隔（素子ピッチ）１２０は、超音波アレイ探触子１０４の性能を決める上で重要である。従来は、素子ピッチは、被検体中を伝搬する超音波の波長の０．５倍以下に設定することが一般的であったが、本実施形態では、被検体を伝搬する横波の波長の０．７５倍から２．３５倍まで大きくするという特徴がある。素子ピッチ１２０の大きさについては、図４〜図１１を用いて後述する。
【００３０】
送受信部１０７は、パルサー１０７Ａと、レシーバ１０７Ｂと、遅延時間制御部１０７Ｃと、データ収録部１０７Ｄと、計算機１０７Ｅと、コネクタ１０７Ｆと、スイッチ１０７Ｇとを備える。パルサー１０７Ａから出力される駆動信号のタイミングを制御すると共に、遅延時間制御部１０７Ｃは、レシーバ１０７Ｂによる受信信号の入力タイミングを制御し、これによりフェーズドアレイ方式による超音波アレイ探触子１０４の動作が得られるようにする。データ収録部１０７Ｄは、レシーバ１０７Ｂから供給される受信信号を処理し、表示部１０９に供給する働きをする。
【００３１】
記憶部１０８は、送受信部１０７で収録された探傷データを記録し、そのつち、特に、欠陥が無いことが想定される部位（健全部）における探傷データ（受信信号）を参照データ１０８Ａとして記憶し、また、被検体の形状データ１０８Ｂを記憶し、計算機１０７Ｅに供給する。
【００３２】
表示部１０９は、超音波の受信角度（本例では、送信方向と受信方向を同じであるため、送信角度と受信角度は同じ）に対応した受信信号を表示する手段である。例として、開始角度６１１から終了角度６１０までの範囲で超音波を送受信した場合の受信信号を、角度を円周方向に、片道伝搬距離を軸方向とした扇型に表示した例を示す。このように超音波の送信角度を変化させて探傷する方法は、フェーズドアレイ方式のうち、セクタスキャン法と呼ばれる。
【００３３】
送信角度を開始６１１から終了６１０まで走査させると、被検体の形状変化部１０２からの反射信号６０１Ａ，６０１Ｂや欠陥によると想定される反射信号６０２が受信され、探傷中画像１０９Ａのように、扇形の中に、受信信号の強さに応じた色または濃さの異なる領域として表示される。
【００３４】
ここで、探傷中画像１０９Ａと比較するために、記憶部１０８に記憶されている参照データを計算機に読み込み、健全部画像１０９Ｂとして、探傷中画像と並べて表示させてもよい。このように健全部画像１０９Ｂと探傷中画像１０９Ａを比較することで、形状変化部からの反射信号６０１Ａ，６０１Ｂは、健全部画像１０９Ｂと探傷中画像１０９Ａの両方において出現しているが、欠陥によると想定される反射信号６０２は探傷中画像１０９Ａにのみ出現していることを容易に識別することができ、欠陥の有無を短時間に判断することが可能となる。
【００３５】
次に、図４〜図１１を用いて、本実施形態による超音波探傷装置において、素子ピッチを大きくする理由について説明する。  
図４は、本発明の一実施形態による超音波探傷装置の構成を示すシステムブロック図である。
【００３６】
以下、被検体内部で横波を多重反射させて、超音波探触子設置位置から遠い被検体内部からの欠陥を検出する場合には、素子ピッチを大きくすることが可能となる原理を説明する。
【００３７】
本実施形態の検査対象となるタービン翼取り付け部のフォーク（図２のフォーク８０５）などのように、超音波探触子の設置面８１０が限定されている部材を検査する場合には、鋼材などの被検体中に超音波を入射させ、被検体中で多重反射させ、超音波探触子から遠方まで超音波を伝搬させ、欠陥からの反射波を受信する、という探傷方法が必要となる。この場合、入射した超音波のエネルギーをより高い強度で受信するためには、縦波より横波の方が、往復通過率が大きいという点で有利である。
【００３８】
その一方で、超音波アレイ探触子１０４は、規則的に配列された複数個の圧電振動子（素子）から構成されており、超音波を送信できる角度範囲は、圧電振動子の間隔（素子ピッチ）に大きく依存することが知られている。
【００３９】
図４は、素子ピッチが異なる超音波アレイ探触子によって形成される超音波音場の数値計算結果の例を示している。図４（Ａ）は、素子ピッチが被検体中を伝搬する超音波の波長と同じ場合（素子ピッチ＝１波長）の例であり、図４（Ｂ）は、素子ピッチが被検体中を伝搬する超音波の波長の２分の１倍の場合の例である。
【００４０】
図４（Ａ）に示すように、素子ピッチが大きい場合には、所望する左斜め下方向（矢印１２０１）以外に、右斜め下方向（矢印１２０２）にも超音波が発生していることが分かる。
【００４１】
一方、図４（Ｂ）に示すように、素子が小さい場合には、所望する超音波（矢印１２０１）しか確認されない。
【００４２】
図４（Ａ）に示す例において、所望する超音波（矢印１２０１）をメインローブ、それ以外の超音波（矢印１２０２）をグレーティングローブと呼ぶ。
【００４３】
メインローブの角度をα、圧電振動子の間隔である素子ピッチをｐと書くとすると、グレーティングが発生しない素子ピッチ（ｐ）の条件は、以下の式（１）与えられることが知られている（例えば、伊東正安、望月  剛  著、「超音波診断装置」コロナ社（２００２年、初版第１刷）４８頁参照）。  
【００４４】
【数１】
0005127573.tif 000002
【００４５】
式（１）の意味するところは、超音波（波長λ）で、角度α方向に送信する探傷を実施する場合、超音波アレイ探触子の素子ピッチｐの最大値を表わしている。式（１）を変形すると、メインローブの角度αと、素子ピッチｐと波長λの比  ｐ／λ  の関係は、式（２）のようになる。  
【００４６】
【数２】
0005127573.tif 000003
【００４７】
図５は、式（２）をグラフ（曲線１４０３）としてプロットしたものである。
【００４８】
図５から、エネルギー効率良く横波を被検体中に伝搬させるには、横波３５〜５５度を用いるのがよいものである。すなわち、メインローブの角度αとして、３５〜５５度（領域Ｃ）を設定すると、式（２）から、素子ピッチｐの最大値は、３５度入射の場合に波長の０．６４倍、５５度入射の場合に波長の０．５５倍であることがわかる（領域Ｄ）。このように、式（１）（または式（２））を用いて、超音波アレイ探触子の仕様を決定すると、被検体中を横波斜角３５〜５５度で探傷する場合、素子ピッチは波長の０．５５倍以下とする必要がある。
【００４９】
しかしながら、素子ピッチが小さくなると、前述の通り、超音波アレイ探触子全体のセンサ開口を小さくなる等の理由により、信号の感度が低下する。本実施形態では、被検体中を多重反射させて長い経路を伝搬させるので、できるだけ感度が高いことが望ましい。
【００５０】
なお、グレーティングローブは、超音波アレイ探触子に特有の現象であり、発生の条件が揃った時に発生する。超音波アレイ探触子において、メインローブを角度αに設定することは、すわなち、角度α方向に送信する超音波の位相を同位相に設定することである。しかしながら、素子ピッチの大きさによっては、別の角度ψの超音波の位相が、ｎ×２π倍に揃う現象が発生する。このように、位相差が０ではなく、２πの整数倍として位相が揃う角度方向をグレーティングローブといい、２πのｎ倍で位相が揃うグレーティング角度ψは、式（３）のように書くことができる。  
【００５１】
【数３】
0005127573.tif 000004
【００５２】
ここで、θ０は、シューの屈折による横波の屈折角度であり、シューの傾斜角度をφとすると、ｓｉｎθ０＝ｓｉｎ（φ×Ｖ２／Ｖ１）の関係がある。また、Ｖ１はシューの縦波音速、Ｖ２は被検体の横波音速である。
【００５３】
ここでは、斜角横波超音波の多重反射を利用した超音波探傷に限定することで、式（１）で規定される素子ピッチよりも大きな値にとれる原理を説明する。
【００５４】
本実施形態では、３つの量に関する、横波のエネルギー効率の角度依存性に注目する。第１は、シューから被検体への横波通過率の角度依存性である。
【００５５】
ここで、図６に、合成樹脂製のシュー中から被検体へ、縦波（１１０）が横波（１１１）として通過する場合の通過率ＲＴＬ（１３０３）を示す。横波透過角度αｔが３５度より大きい角度で、横波透過率ＲＴＬが大きな値となることが分かる。
【００５６】
第２は、横波の欠陥に対する横波往復通過率である。図６に、横波往復通過率を重ねてプロットして示す。
【００５７】
この２つの量の角度依存性を考慮すると、欠陥での反射効率（横波往復通過率）を考慮すると、領域Ｂで示される、横波透過角度αｔが３５度から５５度の範囲の場合に、エネルギー的に良い効率でシューから被検体に超音波が伝わり、かつ、欠陥で反射して超音波探触子で受信できることが分かる。逆に、横波透過角度αｔが、領域Ａにある場合には、シューから被検体に超音波が伝わるときも、欠陥で超音波が反射して超音波探触子に戻ってくるときも、両方の場合でエネルギー損失が大きい。従って、グレーティングローブ発生角度ψｎが、領域Ａの範囲内に存在する限りにおいては、グレーティングローブの影響を小さいとみなすことができる。
【００５８】
第３は、超音波アレイ探触子を構成する圧電振動子（素子）の指向性の角度依存性である。有限の大きさを持つ超音波探触子から発生される超音波は、指向性と呼ばれる広がりを持っている。
【００５９】
図７（Ｂ）は、超音波の指向性を示しており、曲線１６０１に示すような分布となる。図７（Ｂ）では、シューによる屈折角θ０が、左斜め下方向４５度（θ０＝４５）に超音波を送信する場合である。このとき、矢印１６０２の方向以降では、超音波の強度が極端に小さくなっている。角度θ０における指向性のピーク値に対して、強度が１０分の１となる角度をγ０と定義すると、γ０は式（４）のような近似式で与えられる。曲線１６０１で表わされる角度分布を圧電振動子（素子）１つの持つ指向性と呼び、式（４）に示すように、シューによる屈折角θ０と、被検体の波長λ、素子ピッチｐに依存する量である。なお、図７（Ａ）は、横波透過率ＲＴＬを示している。
【００６０】
【数４】
0005127573.tif 000005
【００６１】
超音波アレイ探触子によるグレーティングローブ発生角度ψｎは式（３）で表わされるが、グレーティングローブ発生角度ψｎが、圧電振動子（素子）１つの持つ指向性（図７（Ｂ）の１６０２）の範囲を外れるのであれば、グレーティングローブの影響を小さいとみなすことができる。
【００６２】
以上のように、本実施形態では、素子寸法を大きくして、たとえグレーティングローブを発生する条件を満たしたとしても、そのグレーティングローブの伝搬する角度ψｎを領域Ａ内に設定する、あるいは、圧電振動子（素子）１つの持つ指向性の範囲外に設定することで、実質的にグレーティングローブの影響を抑制するものである。
【００６３】
図８、図９、図１０に、シューによる横波屈折角度θ０が３５度、４５度、５５度の場合について、横波屈折角度θ０、グレーティングローブ発生角度ψｎ、圧電振動子の広がりを表す角度γ０を、素子ピッチｐと被検体中の横波波長λの比ｐ／λについて、計算した例である。これは、横波超音波の往復通過率が１００％の範囲をカバーしており、本実施形態では、θ０として、３５度〜５５度の範囲で使用することを想定する。
【００６４】
図８（θ０＝３５度）から、圧電振動子の広がりを表す角度γ０がグレーティングローブ発生角度ψｎ−１よりも大きい，すなわち、グレーティングローブ発生角度ψｎ−１が、図７（Ｂ）の領域１６０１の範囲外となる条件から、ｐ／λは０．７５より大きいという条件が導かれる。また、グレーティングローブψ１が発生しない条件から、ｐ／λは２．３５より小さいという条件が導かれる。同様に、図９、図１０からもｐ／λに対する条件が導かれるが、いずれも図８から得られる条件の範囲内になっていることから、本実施形態においては、超音波アレイ探触子を構成する圧電振動子の間隔（素子ピッチ）は、被検体を伝搬する波長の０．７５倍より大きく、２．３５倍より小さい範囲であれば、グレーティングローブの影響を抑制することができ、かつ、素子ピッチを大きくすることができる。
【００６５】
なお、図８〜図１０では、シューとしてアクリル（縦波音速２７３０ｍ／ｓ）、被検体として鋼材（縦波音速５９００ｍ／ｓ、横波音速３２００ｍ／ｓ）、超音波の周波数として５ＭＨｚを想定した。しかしながら、シューの超音波音速により大きく値が異なる。そこで、図５に、シューから被検体への横波通過率を、シューの縦波音速が３０００ｍ／ｓの場合、２０００ｍ／ｓの場合の両方について計算した例を示す。
【００６６】
図１１（Ａ）は、シューの縦波音速が３０００ｍ／ｓの場合のシューから被検体への横波通過率を示し、図１１（Ｂ）は、シューの縦波音速が２０００ｍ／ｓの場合のシューから被検体への横波通過率を示している。
【００６７】
シューの材質として使用される合成樹脂の音速は、通常、２０００〜３０００ｍ／ｓの範囲に分布するからである。図１１（Ａ）、（Ｂ）いずれの場合についても、横波の通過率は、横波透過角度αｔが３０度より小さい範囲で小さくなることが確認できる。従って、本発明の内容は、シューの材質の違いによりシューの音速が異なる場合でも同様に発明の効果を得ることができる。
【００６８】
次に、図１２を用いて、本実施形態による超音波探傷装置による探傷方法について説明する。  
図１２は、本発明の一実施形態による超音波探傷装置による探傷方法の内容を示すフローチャートである。
【００６９】
まず、被検体１０１に、超音波アレイ探触子１０４をシュー１０５と組み合わせたものを、設置する（ステップＳ７０１）。
【００７０】
次に、同一被検体内で得られる信号を参照信号とするかを選択し（ステップＳ７０２），ＮＯの場合は、例えば、被検体の形状や材質が同等の対比試験片の健全部の信号を計算機１０７Ｅに呼び出す（ステップＳ７０３）。
【００７１】
一方、ＹＥＳを選択した場合は、超音波アレイ探触子１０４を被検体１０１上の探触子走査面１１２上を移動させ、健全部の信号を収録し、記憶部１０８に保存する（ステップＳ７０４）。その後、健全部信号を計算機１０７Ｅに呼び出す（ステップＳ７０５）。
【００７２】
次に、被検体１０１を探傷し（ステップＳ７０６）、健全部信号と探傷中の信号を表示部１０９に表示する（ステップＳ７０７）。
【００７３】
探傷信号と健全部信号を比較し（ステップＳ７０８）、信号の出現パターンに差がない場合は、探傷位置を健全と判断する（ステップＳ７０９）。また、差がある場合は、欠陥の可能性ありと判断する（ステップＳ７１０）。このように、健全部と比較することで、欠陥の有無を容易に判断することが可能となる。
【００７４】
以上説明したように、本実施形態によれば、超音波探触子の設置位置から欠陥までの距離が遠い場合において、素子ピッチが被検体中の波長の０．７５倍より大きく、２．３５倍より小さくし、超音波アレイ探触子１０４とシュー１０５を組み合わせて、横波超音波を被検体内部に送信することで、超音波アレイ探触子のセンサ開口を大きくすることで、超音波の感度を向上し、被検体内部を多重反射させても十分な信号強度を維持でき、超音波探触子から遠くに位置する欠陥を探傷することができる。なお、これにより、多重反射により複雑な信号が受信され欠陥判定が難しくなる課題が発生するが、これに対しては、健全部信号と探傷信号を表示することで、欠陥の有無の判定を容易にすることができる。これにより、高感度の超音波探傷が実現できるとともに、欠陥判定を含めて、超音波探傷に必要な時間を短縮することができる。
【００７５】
また、超音波探触子として、前記被検体を伝搬する横波の波長の０．７５倍より大きく２．３５倍より小さいものとすることで、従来の波長の２分の１程度と比較して、１．５倍から４．５倍だけ寸法の大きな圧電振動子を用いることにより、高い感度の信号を得ることができ、また、一度に広い範囲の探傷を行うことで、探傷にかかる時間を短縮することができる。
【００７６】
次に、図１３及び図１４を用いて、本発明の他の実施形態による超音波探傷装置の構成及び動作について説明する。  
図１３は、本発明の他の実施形態による超音波探傷装置の概略図である。図１４は、本発明の他の実施形態による超音波探傷装置による探傷方法の内容を示すフローチャートである。
【００７７】
本実施形態が、図１及び図１２に示した実施形態と異なる点は、表示部１０９への探傷結果（受信信号）の表示方法，すなわち、多重反射表示の方法である。第１の実施例では、超音波の伝搬方向（角度）と受信信号を円弧上または扇型に表示する方法を採用していた。
【００７８】
本実施形態では、被検体内部で多重反射して得られた受信信号について、どこからの反射波であるのかの同定を容易にするために、被検体形状に対応した表示を行うようにしたものである。すなわち、超音波の入射方向と被検体の板厚の情報を用いて、多重反射信号を、加算または平均して合成表示するようにしている。
【００７９】
図１３は、本実施形態による探傷結果の表示例を示している。超音波アレイ探触子により、矢印６１１から矢印６１０までの範囲に横波超音波を送信する。このとき、ある角度方向θ１に伝搬する超音波１００１と、もうひとつ別の方向θ２に伝搬する超音波１００３を例にとって説明する。通常の扇形のセクタスキャン表示では、角度θ１で距離Ｌ（θ１）に相当する信号の強度を黒点１００２Ａに、角度θ２で距離Ｌ（θ２）に相当する信号の強度を白点１００４Ａに画像として表示していた。なお、信号の振幅値は、距離（または時間）を横軸に、振幅値（または強度）を縦軸にとった、Ａスキャンデータの対応点（１００２Ｂ、１００４Ｂ）から求められ、超音波の送信方向（角度θ１、θ２）に延びる線分上で距離（Ｌ）に相当する画素に、振幅値（または強度）に応じた濃淡やカラーで受信信号を表示している。なお、ここで振幅値とは正負両方の値をとる量とし、強度は絶対値をとった非負の値をとる量とする。
【００８０】
本実施形態では、記憶部１０８に記憶された被検体の形状データ１０８Ｂから、送信方向θ１に相当する超音波の多重反射による幾何学的な伝搬経路１００１Ｃ、及び、同様にθ２に対する経路１００３Ｃを求め、この折れ線上で距離Ｌに対応する点（１００２Ｃ、１００４Ｃ）に振幅（または強度）を画素として表示する。しかし、通常の扇型の表示では、線分１００１と１００３は放射状に延びた後には交差することがないのに対して、図１３の点１００２Ｃ、１００４Ｃのように、多重反射の経路で表示すると、折れ線が交差する場合がある。この場合には、交差する互いの点の振幅値の加算値や平均値、または強度の平均値や加算値を表示する。
【００８１】
次に、図１４を用いて、本実施形態における探傷結果表示方法について説明する。
【００８２】
まず、超音波の送信方向θを変えながら探傷を行い（ステップＳ１１０１）、それぞれのθに対応した探傷データを収録し計算機にデータを読み出す（ステップＳ１１０２）。
【００８３】
次に、記憶部から被検体の形状データを計算機に読み込む（ステップＳ１１０３）。このとき、探傷データは、時間と振幅のデータとなっているので、時間に被検体中の音速を乗算し、片道距離にするために、さらに半分にする（ステップＳ１１０４）。
【００８４】
次に、まず角度θｉに対応した映像化を開始する（ステップＳ１１０５）。被検体形状に対して、角度θｉでの多重反射伝搬経路を計算し（ステップＳ１１０６）、片道距離Ｌに対して振幅値（または強度）を画素値として一旦記録する（ステップＳ１１０７）。そして、θｉによる多重反射と、他の角度による経路との交点との近傍かを判定し（ステップＳ１１０８）、交点と近い場合には、異なる角度との合成値（平均または加算）を求め画素値として記録する（ステップＳ１１０９）。距離Ｌに関する繰り返し処理が終了したところで、記録した画素値を表示する（ステップＳ１１１０）。
【００８５】
ここまでの段階を経たのち、次の角度θｉ＋１に移り、同様の処理を角度θについて繰り返し行うことで、すべての角度に関する探傷データを表示することができる。最後に、探傷結果と被検体形状を合わせて表示して終了する（ステップＳ１１１１）。
【００８６】
上述の表示方法によれば、超音波の入射方向と被検体の板厚の情報を用いて、多重反射信号を、加算または平均して合成表示することにより、被検体内で多重反射する複雑な伝搬経路となる探傷欠陥を、被検体の形状に合わせて表示することが可能となり、反射信号がどの反射源によるものかを判定することが容易になり、欠陥の有無の判断を容易にし、探傷にかかる時間を短縮することができる。
【００８７】
次に、図１５〜図１７を用いて、本発明の各実施形態による超音波探傷装置に用いる超音波アレイ探触子の他の構成について説明する。  
図１５〜図１７は、本発明の各実施形態による超音波探傷装置用いる超音波アレイ探触子の他の構成示す斜視図である。
【００８８】
前述の各実施形態において、超音波アレイ探触子１０４として、図１５に示すように、探触子走査面１１２を広く覆うような大型の超音波アレイ探触子２０１を用いることができる。この場合には、シュー２０２も大型のものを用いる。
【００８９】
この場合、超音波アレイ探触子２０１として、図１６に示すように、圧電振動子４０２が１列に配列された超音波アレイ探触子４０１を用いてもよく、また、図１７に示すように、複数個の圧電振動子５０２が複数列配列されたマトリクス型アレイ探触子５０１を用いてもよいものである。
【００９０】
図１７に示すマトリクス型アレイ探触子５０１は、図１６に示した圧電振動子４０２が１列に配列された超音波アレイ探触子４０１と比較して、２つの利点がある。第１に、３次元的に任意に超音波の送信方向を変更することができるため、健全部や欠陥からの信号を得るために、超音波アレイ探触子本体を機械的に移動することが不要になり、高速に探傷することが可能な点である。第２に、超音波アレイ探触子により形成される焦点が点集束５０３となり、１次元配列の探触子４０１により形成される線集束４０３の場合と比較して、信号の強度を高めることが可能となる。
【００９１】
次に、図１８を用いて、本発明の各実施形態による超音波探傷装置に用いるシューの他の構成について説明する。  
図１８は、本発明の各実施形態による超音波探傷装置用いるシューの他の構成示す正面断面図である。
【００９２】
前述の各実施形態において、図１８に示すように、超音波アレイ探触子と組み合わせるシュー１０５として、シュー内での超音波の多重反射を抑制するための吸音材３０３や、被検体１０１上の探触子走査面１１２での、超音波アレイ探触子１０４とシュー１０５を組み合わせたセンサの位置合わせを容易にするために、被検体１０１のコーナ部に沿うように、Ｌ字型に段差３０１を設けてもよい。この段差３０１によれば、超音波探触子の被検体に対する位置（図３での左右方向の位置）を合わせやすくすることができ、超音波探触子の設置を容易にすることで、超音波探傷の時間を短縮する効果を得ることができる。
【００９３】
本例によれば、シューに、超音波アレイ探触子を被検体の端面に拘束するための段差を用いることで、アレイ探触子を被検体に設置するときの位置決めが容易となるために、探傷にかかる時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】本発明の一実施形態による超音波探傷装置の概略図である。
【図２】本発明の一実施形態による超音波探傷装置の被検体の一例の説明図である。
【図３】本発明の一実施形態による超音波探傷装置の構成を示すシステムブロック図である。
【図４】本発明の一実施形態による超音波探傷装置の構成を示すシステムブロック図である。
【図５】従来の手法に係る説明図である。
【図６】本発明の一実施形態による超音波探傷装置の原理説明図である。
【図７】本発明の一実施形態による超音波探傷装置の原理説明図である。
【図８】本発明の一実施形態による超音波探傷装置の原理説明図である。
【図９】本発明の一実施形態による超音波探傷装置の原理説明図である。
【図１０】本発明の一実施形態による超音波探傷装置の原理説明図である。
【図１１】本発明の一実施形態による超音波探傷装置の原理説明図である。
【図１２】本発明の一実施形態による超音波探傷装置による探傷方法の内容を示すフローチャートである。
【図１３】本発明の他の実施形態による超音波探傷装置の概略図である。
【図１４】本発明の他の実施形態による超音波探傷装置による探傷方法の内容を示すフローチャートである。
【図１５】本発明の各実施形態による超音波探傷装置用いる超音波アレイ探触子の他の構成示す斜視図である。
【図１６】本発明の各実施形態による超音波探傷装置用いる超音波アレイ探触子の他の構成示す斜視図である。
【図１７】本発明の各実施形態による超音波探傷装置用いる超音波アレイ探触子の他の構成示す斜視図である。
【図１８】本発明の各実施形態による超音波探傷装置用いるシューの他の構成示す正面断面図である。
【符号の説明】
【００９５】
１０１…被検体
１０２…被検体の形状変化部
１０３…欠陥
１０４…超音波アレイ探触子
１０５…シュー
１０６…圧電振動子（素子）
１０７…送受信部
１０８…記憶部
１０９…表示部
８０１…タービン翼
８０２…ピン
８０３…ピン穴
８０４…タービンロータ
８０５…フォーク
【図１】
0005127573.tif 000006
【図２】
0005127573.tif 000007
【図３】
0005127573.tif 000008
【図４】
0005127573.tif 000009
【図５】
0005127573.tif 000010
【図６】
0005127573.tif 000011
【図７】
0005127573.tif 000012
【図８】
0005127573.tif 000013
【図９】
0005127573.tif 000014
【図１０】
0005127573.tif 000015
【図１１】
0005127573.tif 000016
【図１２】
0005127573.tif 000017
【図１３】
0005127573.tif 000018
【図１４】
0005127573.tif 000019
【図１５】
0005127573.tif 000020
【図１６】
0005127573.tif 000021
【図１７】
0005127573.tif 000022
【図１８】
0005127573.tif 000023