(57)【要約】  肉厚tと外径Dとの比(t/D)が15%超の高(t/D)金属管の内部に存在する微小なきずを、検査能率低下やコスト上昇を伴わずに、斜角探傷により高精度で確実に探傷する。高(t/D)金属管の中心位置から見て、振動子から金属管に超音波を斜めに入射し、金属管の内部を伝搬する屈折縦波及び屈折横波を発生することにより金属管を探傷する超音波探触子である。振動子の先端部が、少なくとも、曲率半径が一端側から他端側にかけて連続的に増加する非対称曲線形状の部分を有する。曲率半径が小さい端部側が屈折波の非伝搬方向側に位置し、かつ曲率半径が大きい端部側が屈折波の伝搬方向側に位置するとともに、金属管内面に到達しない屈折縦波と金属管内面で集束する屈折横波とを生成する入射波を発信するように、超音波探触子を金属管に対して配置して斜角探傷を行う。
2007113907.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内蔵される振動子から、金属製の管状被検体に超音波を斜めに入射し、該管状被検体の内部を伝搬する屈折縦波及び屈折横波を発生することによって該管状被検体を探傷する超音波探触子であって、前記振動子の先端部は、少なくとも、曲率半径が一端側から他端側にかけて連続的に増加する非対称曲線形状の部分を有することを特徴とする超音波探触子。
【請求項２】
内蔵される振動子と、該振動子の超音波発信方向の前方に配置された音響レンズとを備え、該音響レンズを介して、金属製の管状被検体に超音波を斜めに入射し、該管状被検体の内部を伝搬する屈折縦波及び屈折横波を発生することによって該管状被検体を探傷する超音波探触子であって、前記音響レンズの先端部は、少なくとも、曲率半径が一端側から他端側にかけて連続的に増加する非対称曲線形状の部分を有することを特徴とする超音波探触子。
【請求項３】
内蔵される振動子から、金属製の管状被検体に超音波を斜めに入射し、該管状被検体の内部を伝搬する屈折縦波及び屈折横波を発生することによって該管状被検体を探傷する超音波探触子であって、前記振動子は並設された複数の振動発生素子により構成されるとともに、前記複数の振動発生素子それぞれから発振される超音波の干渉によって、曲率半径が一端側から他端側にかけて連続的に増加する非対称曲線形状の部分を少なくとも有する波面を備える入射波が発振されることを特徴とする超音波探触子。
【請求項４】
前記複数の振動発生素子それぞれの超音波送受信の遅延時間を調整することによって前記入射波を発振するための遅延時間調整装置を備える請求項３に記載された超音波探触子。
【請求項５】
前記振動子の超音波発信方向の前方に配置された音響レンズを備えることを特徴とする請求項４に記載された超音波探触子。
【請求項６】
前記管状被検体は、外径に対する肉厚の比が１５％超の金属管である請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載された超音波探触子。
【請求項７】
金属製の管状被検体の中心位置から見て、請求項１又は請求項２に記載された超音波探触子を構成する振動子又は音響レンズの先端部における曲率半径が小さい端部側が前記管状被検体における屈折波の非伝搬方向側に位置し、かつ該曲率半径が大きい端部側が前記屈折波の伝搬方向側に位置するとともに、前記管状被検体の内面に到達しない屈折縦波と該金属管の内面で集束する屈折横波とを生成する入射波を発信することができるように、前記超音波探触子を前記管状被検体に対して配置して、斜角探傷を行うことを特徴とする超音波探傷方法。
【請求項８】
金属製の管状被検体の中心位置から見て、請求項３から請求項５までのいずれか１項に記載された超音波探触子を構成する振動子から発振される入射波の波面における曲率半径が小さい端部側が前記管状被検体における屈折波の非伝搬方向側に位置し、かつ該波面における曲率半径が大きい端部側が前記屈折波の伝搬方向側に位置するとともに、前記管状被検体の内面に到達しない屈折縦波と該管状被検体の内面で集束する屈折横波とを生成する入射波を発信することができるように、前記超音波探触子を前記管状被検体に対して配置して、斜角探傷を行うことを特徴とする超音波探傷方法。
【請求項９】
請求項７又は請求項８に記載された超音波探傷方法を用いて、外径に対する肉厚の比が１５％超の特定の値である金属製の管状被検体を斜角探傷することを特徴とする超音波探傷方法。
【請求項１０】
請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載された超音波探触子を備える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、超音波探触子、超音波探傷方法及び超音波探傷装置に関する。具体的には、本発明は、金属製の管状被検体管、特に外径Ｄに対する肉厚ｔの比（ｔ／Ｄ）が例えば１５％以上である金属管に対しても、その外表面、内表面又は内部等に存在する微小なきずを、斜角探傷により高精度で確実に探傷することができる超音波探触子、超音波探傷方法及び超音波探傷装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属製の管状被検体、例えば油井管、ラインパイプさらには機械部品(中ぐりされた車軸、自動車部品等に用いられるメカニカルチューブ、さらには高温環境下で使用されるステンレス鋼管等)として用いられる金属管を、破壊せずに存在するきずを検査する非破壊検査方法として、金属管に超音波を入射して内部に存在するきずからの反射エコーを検出することによる超音波探傷方法が知られる。金属管の内表面、外表面、内部さらには溶接部におけるきずを探傷するには、この超音波探傷方法のうち探傷面に超音波を斜めに入射する斜角探傷法が用いられる。周知のように、この斜角探傷法では、通常、超音波を探傷面に対して斜めに発信するように配置された振動子、吸音材、さらには探傷面における接触媒質（アクリル等の樹脂製のくさび等）を収容するケーシングを備える斜角探触子を用いる。なお、接触媒質として水を用いる場合には、ケーシングにくさび等の接触媒質を収容することに替えて、金属管及び斜角探触子を水没させて探傷する。【０００３】
図１１は、斜角探傷法における入射波１及び屈折波２、３の関係を示す説明図である。なお、図１１及び後述する図１２、１３における破線は探傷面０の法線を示す。
図１１に示すように、斜角探傷法により超音波の入射波１を金属管（媒質ＩＩ）の探傷面０に斜めに入射すると、図示しない振動子から入射される超音波の入射波１が超音波の縦波であっても、屈折波として超音波の屈折縦波２及び屈折横波３がともに金属管の内部を伝搬する。媒質Ｉ（一般的に、水に代表される液状接触媒質、又は斜角探触子に内蔵されるくさび）における超音波の入射波１の音速をＶｉとし、媒質ＩＩ（管状被検体である金属管）における超音波の屈折横波３の音速をＶｓとし、媒質ＩＩにおける超音波の屈折縦波２の音速をＶＬとし、入射波１の入射角をθｉとし、屈折横波３の屈折角をθｓとし、さらに屈折縦波２の屈折角をθＬとすると、入射波１及び屈折波２、３の間にはスネルの法則、すなわちｓｉｎθｉ／Ｖｉ＝ｓｉｎθｓ／Ｖｓ＝ｓｉｎθＬ／ＶＬの関係が成立する。【０００４】
図１２は、屈折波２、３が金属管５の内部５ｃを伝搬する状況を示す説明図である。
同図に示すように、超音波探触子の振動子４から入射波１を入射角θｉで金属管５に入射すると、入射した超音波２、３は、金属管５の内表面５ａ及び外表面５ｂで反射を繰り返しながら、金属管５の内部５ｃを伝搬する。金属管５の内表面５ａ、外表面５ｂさらには内部５ｃにきずが存在すると、このきずにより反射する超音波の反射エコーが振動子４へ戻り、きずエコーとして受信される。このようにして金属管５の超音波探傷が行われる。【０００５】
図１１を参照しながら説明したように、金属管５の内部５ｃ、すなわち媒質ＩＩを屈折縦波２と屈折横波３とがともに伝搬するので、振動子４により受信されるきずエコーが屈折縦波２によるものであるのか、あるいは屈折横波３によるものであるのかを識別することが困難になる。このため、きずの存在位置を特定できなかったり、受信される信号波形が複雑になってきずエコーのＳＮ比が低下する。【０００６】
そこで、一般的に斜角探傷法により金属管５の超音波探傷を行うには、入射角θｉを屈折縦波２の臨界角よりも大きく設定することにより、金属管５の内部５ｃを伝搬する屈折波に屈折縦波２が混じらないようにする。例えば、媒質Ｉが水である場合、常温での媒質Ｉにおける屈折縦波２の音速Ｖｉは約１５００ｍ／ｓｅｃとなり、媒質ＩＩである金属管５における屈折縦波２の音速ＶＬを５９００ｍ／ｓｅｃとし、屈折横波３の音速Ｖｓを３２００ｍ／ｓｅｃとすれば、（１）式から、屈折縦波２の臨界角（θＬ＝９０°）となる入射角θｉは約１５°となり、屈折横波３の屈折角θｓは約３３°となる。このため、原理的には、入射波１の入射角θｉを１５°以上に設定すれば、媒質ＩＩ中には屈折横波３しか存在しないこととなる。【０００７】
近年、油井管、ラインパイプさらには機械部品等として用いられる鋼管に対しては、軽量化のみならず高強度化に対する要求が高まっている。これに伴って、外径Ｄに対する肉厚ｔの比（ｔ／Ｄ）が例えば１５％以上と大きな金属管（本明細書では「高ｔ／Ｄ金属管」という）に対する需要が増加している。しかし、斜角探傷法により高ｔ／Ｄ金属管６の探傷を行う状況の説明図である図１３に示すように、上述した従来の超音波探傷方法により高ｔ／Ｄ金属管６の斜角探傷を行う場合、高ｔ／Ｄ金属管６の外表面６ｂから超音波１を縦波超音波の臨界角以上となる入射角θｉで入射しても、金属管６の内部６ｃに伝搬する屈折横波３が金属管６の内表面６ａには到達せずに外表面６ｂに至る伝搬経路を辿ることがある。この場合、金属管６の内表面６ａ付近に存在するきずを検出することができない。【０００８】
そこで、例えば特許文献１には、金属管の内部における屈折横波の屈折角θｓが例えば３５度超と大きくなる第１の振動子と、屈折角θｓが例えば３５度未満と小さくなる第２の振動子とをともに備える超音波探触子を用い、通常の比（ｔ／Ｄ）の金属管５を探傷する場合には第１の振動子を単独で用いるとともに、高ｔ／Ｄ金属管６を探傷する場合には第１の振動子及び第２の振動子を併用することが開示されている。【０００９】
特許文献１により開示された超音波探触子を用いれば、高ｔ／Ｄ金属管６を探傷する際には第２の振動子によって生じる屈折横波を高ｔ／Ｄ金属管６の内表面に到達させることが確かに可能になる。しかし、この第２の振動子を用いると屈折横波のみならず屈折縦波をも生じるので、きずの存在位置を特定できなかったり、受信する信号波形が複雑となってきずエコーのＳＮ比が低下する。【００１０】
さらに、例えば非特許文献１には、先端面が球面又は円柱面の形状を有する音響レンズを振動子の前に配置するか、又は振動子の先端面を球面又は円柱面の形状に加工しておき、金属管の管軸方向に短いとともに深さが小さいきずを検出する場合には、先端面が球面形状の音響レンズ又は先端面を球面形状に加工した振動子を用いるとともに、深さは小さいものの管軸方向に連続したきずを検出する場合には、円柱面の湾曲方向が金属管の周方向に沿った先端面が円柱面形状の音響レンズ又は先端面を円柱面形状に加工した振動子を用いることによって、金属管に入射する超音波を金属管の内部で集束させ、これにより、きずエコーの強度を高めて良好なＳＮ比で検出し、金属管の内部に発生する微小なきずを高精度で検出する発明が、開示されている。【００１１】
図１４は、非特許文献１により開示された発明によって金属管５、６の内表面に屈折横波３を集束させる場合における、金属管５、６の内部を伝搬する屈折縦波２及び屈折横波３の伝搬挙動を示す説明図であり、図１４（ａ）は比（ｔ／Ｄ）が略１５％以上の高ｔ／Ｄ金属管６を用いた場合の屈折横波３を示し、図１４（ｂ）はこの高ｔ／Ｄ金属管６を用いた場合の屈折縦波２を示し、図１４（ｃ）は比（ｔ／Ｄ）が略１５％未満（１０％程度）の金属管５を用いた場合の屈折横波３を示し、さらに、図１４（ｄ）はこの金属管５を用いた場合を示す。【００１２】
図１４（ｃ）及び図１４（ｄ）に示すように、比（ｔ／Ｄ）が略１５％未満の通常の金属管５の場合には、屈折横波３を金属管５の内表面５ａに集束させるとともに屈折縦波２を発生しない条件を簡単に設定して超音波探傷を行うことができる。これに対し、図１４（ａ）及び図１４（ｂ）に示すように、比（ｔ／Ｄ）が略１５％以上の高ｔ／Ｄ金属管６の場合には、屈折横波３を金属管６の内表面６ａに到達させようとすると屈折縦波２も発生する。発生した屈折縦波２の一部は屈折横波３と同様に金属管６の内表面６ａに到達し、到達した屈折縦波２は金属管６の内表面６ａに対して略垂直に近い角度で伝搬するため、金属管６の内表面６ａ及び外表面６ｂ間で多重反射する。【００１３】
図１５は、このようにして高ｔ／Ｄ金属管６を探傷した場合に観察される反射エコーの一例を示すグラフである。図１５にグラフで例示するように、屈折横波３による内面きずエコーは、屈折縦波２の多重反射エコーの間に埋もれるように、観察される。この屈折縦波２の多重反射エコーがきずの検出を妨害するノイズ信号となり、微小なきずを良好なＳＮ比で検出することができない。また、金属管６の肉厚によっては、多数乱立する屈折縦波２の多重反射エコーの中にきずエコーが完全に埋没し、熟練した検査員であってもきずエコーを識別できない。【００１４】
そこで、特許文献２には、ある周波数での探傷によりきずエコー及び多重反射エコーを検出するとともにこれとは異なる周波数での探傷により多重反射エコーのみを検出するように二種の周波数での探傷を交互に行い、これらの周波数での探傷波形を差分処理してノイズである多重反射エコーを除去することによって、高ｔ／Ｄ金属管のきずエコーを求める発明が開示されている。
【特許文献１】特開平１０−９０２３９号公報
【特許文献２】特開平６−３３７２６３号公報
【非特許文献１】「超音波探傷法」日本学術振興会、製鋼第１９委員会、日刊工業新聞社、２２４〜２２７頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、特許文献２により開示された発明にも、以下に列記する課題（ａ）〜（ｃ）がある。
（ａ）二種の周波数で交互に略同一の位置での探傷波形を収集する必要があるので、検査能率が約半分に低下することは避けられない。
（ｂ）きずエコーの強度が隣接する多重反射エコーの強度と比較して同等であるか、又は小さい場合や、きずエコーの出現位置が多重反射エコーの出現位置と極めて接近している場合には、多重反射エコーの差分処理を行っても、きずエコーの大半を差し引いてしまうこととなり、差分処理後の波形に基づいてきずエコーを検出できない。
（ｃ）複数の周波数で探傷することができる特殊な超音波探傷装置を用いる必要があるので、必然的に検査コストが嵩む。【００１６】
本発明は、従来の技術が有するこれらの課題（ａ）〜（ｃ）を解決するためになされたものであり、例えば油井管、ラインパイプさらには機械部品(中ぐりされた車軸、自動車部品等に用いられるメカニカルチューブ、さらには高温環境下で使用されるステンレス鋼管等)として用いられる金属製の管状被検体、特に外径Ｄに対する肉厚ｔの比（ｔ／Ｄ）が例えば１５％以上である金属管に対しても、その外表面、内表面又は内部等に存在する微小なきずを、斜角探傷により高精度で確実に探傷することができる超音波探触子、超音波探傷方法及び超音波探傷装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明者は、上述した課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、以下に列記する知見（Ａ）及び（Ｂ）を得て、本発明を完成した。
（Ａ）図１４（ａ）及び図１４（ｂ）を参照しながら説明したように、先端面が球面又は円柱面の形状、すなわち先端部の縦断面形状が円弧形状である振動子７から入射波１を発信し、高ｔ／Ｄ金属管６の内表面６ａにおける屈折横波３の集束を図りながら探傷を行おうとすると、同時に発生する屈折縦波２が金属管６の内表面６ａに到達する。この金属管６の内表面６ａに到達する屈折縦波２は、金属管６の中心から見て超音波の伝搬方向側（図１４の紙面左側）に位置する部分７ａから送信されて金属管６の外表面６ｂへ小さな入射角で入射する入射波１によって、生成する。
（Ｂ）図１（ａ）は、本発明者が想到した改良型の振動子８の先端部８ｃの縦断面形状を、上述した振動子７の先端部７ｃの縦断面形状と対比して示す説明図である。また、図１（ｂ）は、この振動子８を用いて高ｔ／Ｄ金属管６（外径４０ｍｍ、肉厚１０ｍｍ）の斜角探傷を行う状況を、振動子７を用いて高ｔ／Ｄ金属管６の斜角探傷を行う状況と対比して示す説明図である。なお、図１（ａ）において横軸が０ｍｍの位置は、探傷対象である高ｔ／Ｄ金属管６の中心位置を示す。
（ｉ）図１（ａ）に例示するように、斜角探触子を構成する振動子８の先端部８ｃを、曲率半径が一端８ｂ側から他端８ａ側にかけて連続的に増加する非対象曲線形状の部分を少なくとも有する形状とすること、及び
（ｉｉ）金属管６の中心位置から見て、振動子８の先端部８ｃにおける一端８ｂ側が金属管６における屈折波の非伝搬方向側（図１（ａ）の紙面右側）に位置するとともに、振動子８の先端部８ｃにおける他端８ａ側が屈折波の伝搬方向側（図１（ａ）の紙面左側）に位置するように、この振動子８を高ｔ／Ｄ金属管６に対する特定の位置に配置して、斜角探傷を行うこと
という２つの条件を満足することによって、図１（ｂ）で実線矢印で示すように、他端８ａ側から送信される入射波１の入射角及び屈折縦波２の屈折角を大きく確保することができる。これにより、屈折縦波２は金属管６の内表面６ａには到達せずに金属管６の外表面６ｂに直接到達するようになる。したがって、屈折縦波２による多重反射エコーの発生を解消できる。【００１８】
振動子８の先端部８ｃの縦断面形状は、上述したように、曲率半径が一端８ｂ側から他端８ａ側にかけて連続的に増加する非対称曲線形状の部分を少なくとも有する形状とし、曲率半径の大きさや、増加の程度、さらにはこの非対称曲線形状の部分を設ける割合等は、屈折横波３が金属管６の内表面６ａに到達するとともに内表面６ａの近傍の特定の位置で集束するように、金属管６の種類等を勘案して個別に適宜決定すればよい。【００１９】
本発明は、内蔵される振動子から、金属製の管状被検体に超音波を斜めに入射し、この管状被検体の内部を伝搬する屈折縦波及び屈折横波を発生することによってこの管状被検体を探傷する超音波探触子であって、振動子の先端部が、少なくとも、曲率半径が一端側から他端側にかけて連続的に増加する非対称曲線形状の部分を有することを特徴とする超音波探触子である。【００２０】
また、本発明は、内蔵される振動子と、この振動子の超音波発信方向の前方に配置された音響レンズとを備え、この音響レンズを介して、金属製の管状被検体に超音波を斜めに入射し、管状被検体の内部を伝搬する屈折縦波及び屈折横波を発生することによって管状被検体を探傷する超音波探触子であって、音響レンズの先端部が、少なくとも、曲率半径が一端側から他端側にかけて連続的に増加する非対称曲線形状の部分を有することを特徴とする超音波探触子である。【００２１】
また、本発明は、内蔵される振動子から、金属製の管状被検体に超音波を斜めに入射し、この管状被検体の内部を伝搬する屈折縦波及び屈折横波を発生することによって管状被検体を探傷する超音波探触子であって、振動子が並設された複数の振動発生素子により構成されるとともに、複数の振動発生素子それぞれから発振される超音波の干渉によって、曲率半径が一端側から他端側にかけて連続的に増加する非対称曲線形状の部分を少なくとも有する波面を備える入射波が発振されることを特徴とする超音波探触子である。【００２２】
この本発明に係る超音波探触子では、複数の振動発生素子それぞれの超音波送受信の遅延時間を調整することによって入射波を発振するための遅延時間調整装置を備えることが例示される。この場合に、振動子の超音波発信方向の前方に配置された音響レンズを備えることが望ましい。【００２３】
これらの本発明に係る超音波探触子では、管状被検体が、外径に対する肉厚の比が１５％超の金属管であることが例示される。
別の観点からは、本発明は、金属製の管状被検体の中心位置から見て、上述した本発明に係る超音波探触子を構成する振動子又は音響レンズの先端部における曲率半径が小さい端部側が管状被検体における屈折波の非伝搬方向側に位置し、かつ該曲率半径が大きい端部側が前記屈折波の伝搬方向側に位置するとともに、前記管状被検体の内面に到達しない屈折縦波と該管状被検体の内面で集束する屈折横波とを生成する入射波を発信することができるように、超音波探触子を金属管に対して配置して、斜角探傷を行うことを特徴とする超音波探傷方法である。【００２４】
また、本発明は、金属製の管状被検体の中心位置から見て、上述した本発明に係る超音波探触子を構成する振動子から発振される入射波の先端の波面における曲率半径が小さい端部側が金属管における屈折波の非伝搬方向側に位置し、かつこの波面における曲率半径が大きい端部側が屈折波の伝搬方向側に位置するとともに、金属管の内面に到達しない屈折縦波と金属管の内面で集束する屈折横波とを生成する入射波を発信することができるように、超音波探触子を金属管に対して配置して、斜角探傷を行うことを特徴とする超音波探傷方法である。【００２５】
また、本発明は、上述した本発明に係る超音波探傷方法を用いて、外径に対する肉厚の比が１５％超の特定の値である金属製の管状被検体を斜角探傷することを特徴とする超音波探傷方法である。【００２６】
さらに別の観点からは、本発明は、上述した本発明に係る超音波探触子を備えることを特徴とする超音波探傷装置である。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、金属製の管状被検体、特に比（ｔ／Ｄ）が１５％以上である高ｔ／Ｄ金属管に対しても、本発明に係る超音波探触子を適正な位置に配置することにより、この管状被検体の内部を伝搬する屈折波のうち、屈折横波は集束するとともに屈折縦波は管状被検体の内表面に到達しないようにすることができる。このため、屈折横波が集束することによって微小なきずからの反射エコー強度が高まるとともに、屈折縦波が管状被検体の内表面に到達しない伝搬経路を辿るために屈折縦波による多重反射エコーの発生を解消できる。これにより、特に高ｔ／Ｄ金属管に対しても高精度な斜角探傷を確実に行うことができる。【００２８】
このようにして本発明によれば、管状被検体、特に比（ｔ／Ｄ）が１５％以上である高ｔ／Ｄ金属管に対しても、その内部に存在する微小なきずを、検査能率の低下や検査コストの上昇を伴うことなく、斜角探傷により高精度で確実に探傷することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１（ａ）は、本発明者が想到した改良型の振動子の先端部の縦断面形状を、従来の振動子の先端部の縦断面形状と対比して示す説明図であり、図１（ｂ）は、この振動子を用いて高ｔ／Ｄ金属管の斜角探傷を行う状況を、従来の振動子を用いて高（ｔ／Ｄ）金属管の斜角探傷を行う状況と対比して示す説明図である。
【図２】実施の形態の超音波探傷装置の概略構成を示すブロック図である。
【図３】振動子の先端部の形状を設計する手順を概略的に示すフロー図である。
【図４Ａ】外径４０ｍｍ及び肉厚１０ｍｍの高ｔ／Ｄ金属管を検査対象とした場合に、振動子の先端部の形状の設計手順を示すための説明図である。
【図４Ｂ】外径４０ｍｍ及び肉厚１０ｍｍの高ｔ／Ｄ金属管を検査対象とした場合に、振動子の先端部の形状の設計手順を示すための説明図である。
【図４Ｃ】外径４０ｍｍ及び肉厚１０ｍｍの高ｔ／Ｄ金属管を検査対象とした場合に、振動子の先端部の形状の設計手順を示すための説明図である。
【図４Ｄ】外径４０ｍｍ及び肉厚１０ｍｍの高ｔ／Ｄ金属管を被検査対象とした場合に、振動子の先端部の形状の設計手順を示すための説明図である。
【図５】３種の寸法（外径４０ｍｍかつ肉厚１０ｍｍ、外径２６ｍｍかつ肉厚６．５ｍｍ、外径６０ｍｍかつ肉厚１５ｍｍ）の高ｔ／Ｄ金属管について、図３に示す手順Ｓ１〜８に基づいて、振動子の先端部の形状を設計した結果の一例を示す説明図である。
【図６】きず入射角θと高ｔ／Ｄ金属管の軸方向へ伸びてスリット状に存在するスリットきずの反射率（％）との関係を示すグラフである。
【図７】実施の形態１に係る超音波探傷装置によって高ｔ／Ｄ金属管からなるメカニカルチューブの内面に存在する深さ０．１ｍｍの微小きずを探傷した際に得られた、メインアンプの出力信号波形である探傷波形の一例を示すグラフである。
【図８】実施の形態２の超音波探傷装置の概略構成を示す説明図である。
【図９】実施の形態３に係る超音波探傷装置の概略構成を示すブロック図である。
【図１０】送信遅延時間及び受信遅延時間の設定方法を説明するための説明図である。
【図１１】斜角探傷法における入射波及び屈折波の関係を示す説明図である。
【図１２】屈折波が金属管の内部を伝搬する状況を示す説明図である。
【図１３】斜角探傷法により高ｔ／Ｄ金属管の探傷を行う状況の説明図である
【図１４】非特許文献１により開示された発明によって金属管の内表面に屈折横波を集束させる場合における、金属管の内部を伝搬する屈折縦波及び屈折横波の伝搬挙動を示す説明図であり、図１４（ａ）は比（ｔ／Ｄ）が略１５％以上の金属管を用いた場合の屈折横波を示し、図１４（ｂ）はこの金属管を用いた場合の屈折縦波を示し、図１４（ｃ）は比（ｔ／Ｄ）が略１５％未満（１０％程度）の金属管を用いた場合の屈折横波を示し、さらに、図１４（ｄ）はこの金属管を用いた場合を示す。
【図１５】高ｔ／Ｄ金属管を探傷した場合に観察される反射エコーの一例を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３０】
０  探傷面
１  入射波
２  屈折縦波
３  屈折横波
４  振動子
５  金属管
５ａ  内表面
５ｂ  外表面
５ｃ  内部
６  高ｔ／Ｄ金属管
６ａ  内表面
６ｂ  外表面
６ｃ  内部
７  振動子
９  金属管
１０  超音波探傷装置
１１  超音波探触子
１２  超音波探傷器
１３  警報器
１４  マーキング装置
１５  振動子
１５ａ  他端
１５ｂ  一端
１５ｃ  先端部
１６  高ｔ／Ｄ金属管
１６ａ  内表面
１６ｂ  外表面
１６ｃ  内部
１７  集束点
１８  初期点
１９  パルサー
２０  プリアンプ
２１  フィルター
２２  メインアンプ
２３  きず判定部
３０  超音波探傷装置
３１  振動子
３２  超音波探触子
３３  探触子ホルダー
３４  下水平アーム
３５  上下動アーム
３６  水平動アーム
３７  上水平アーム
３８  管追従機構
３９  エアシリンダ
４０  超音波探傷装置
４１  振動子
４１ａ  圧電素子
４２  超音波探触子
４３  送信回路
４４  受信回路
４５  警報器
４６  マーキング装置
４７  金属管
４７ａ  外面
４８  パルサー
４９  遅延回路（送信遅延回路）
５０  プリアンプ
５１  遅延回路（受信遅延回路）
５２  加算器
５３  メインアンプ
５４  きず判定部
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
（実施の形態１）
以下、本発明に係る超音波探触子、超音波探傷方法及び超音波探傷装置を実施するための最良の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以降の説明では、金属製の管状被検体が、外径Ｄに対する肉厚ｔの比（ｔ／Ｄ）が１５％以上である高ｔ／Ｄ金属管１６である場合を例にとる。【００３２】
図２は、本実施の形態の超音波探傷装置１０の概略構成を示すブロック図である。
同図に示すように、本実施の形態の超音波探傷装置１０は、超音波探触子１１と、超音波探傷器１２と、警報器１３と、マーキング装置１４とを備えるので、これらについて順次説明する。
［超音波探触子１１］
超音波探触子１１は、慣用されるこの種の超音波探触子と同様に、吸音材や、超音波を探傷面に対して斜めに発信するように配置された振動子１５等を収容するケーシングを有する。ケーシングや吸音材等は、いずれも、周知慣用のものでよいので、図２における図示及びこれらについての説明は省略する。また、本実施の形態では接触媒質として水を用い、高ｔ／Ｄ金属管１６の探傷面に水を満たしておくことができるケーシングを用いた。【００３３】
本実施の形態では、振動子１５は、後述する超音波探傷器１２を構成するパルサー１９からの所定周期毎の送信信号を入力されて励振する。これにより、接触媒質である水Ｗを介して高ｔ／Ｄ金属管１６の外面表面１６ｂに斜めに、超音波の入射波Ｕを入射する。入射波Ｕは屈折縦波Ｕ１及び屈折横波Ｕ２からなる屈折波として、高ｔ／Ｄ金属管１６の内部１６ｃを伝搬する。そして、高ｔ／Ｄ金属管１６の外表面１６ｂ、内表面１６ａ又は内部１６ｃに存在するきず等による屈折横波Ｕ２の反射エコー（きずエコー等）が振動子１５により受信される。その受信信号は超音波探傷器１２に送信される。このようにして、高ｔ／Ｄ金属管１６の斜角探傷が行われる。【００３４】
この振動子１５の先端部１５ｃの一部には、少なくとも、図１（ａ）及び図１（ｂ）を参照しながら説明したように、一端１５ｂ側から他端１５ａ側にかけて曲率半径ρ１から曲率半径ρ２へと、曲率半径が連続的に増加する非対称曲線形状の部分を有するように、成形されている。先端部１５ｃがこの非対称曲線形状の部分を少なくとも有するように精度良く成形するために、この振動子１５は、振動子として慣用されるものの硬質で加工し難いＰＺＴ（ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３）に代表されるセラミック系圧電素子ではなく、加工性が良好なＰＺＴ−エポキシコンポジット圧電素子により、構成される。【００３５】
この先端部１５ｃの非対称曲線形状の部分は、例えば以下に示す手順ステップ（以下「Ｓ」と略記する）１〜Ｓ８に基づいて決定される。
この先端部１５ｃの非対称曲線形状の部分の決定手順を説明する。図３は、振動子１５の先端部１５ｃの形状を設計する手順を概略的に示すフロー図である。また、図４Ａ〜図４Ｄは、外径４０ｍｍ及び肉厚１０ｍｍの高ｔ／Ｄ金属管１６を検査対象とした場合の振動子１５の先端部１５ｃの形状の設計手順を示すための説明図である。【００３６】
図３に示すように、ステップ１において、（１）高ｔ／Ｄ金属管１６の形状（外径Ｄ及び肉厚ｔ）、（２）高ｔ／Ｄ金属管１６における屈折横波Ｕ２の音速Ｖｓ、（３）高ｔ／Ｄ金属管１６における屈折縦波Ｕ１の音速ＶＬ、（４）接触媒質（本実施形態では水）における入射波Ｕの音速Ｖｉ、及び（５）振動子１５の高ｔ／Ｄ金属管１６の先端部の周方向へ沿った長さを条件設定する。【００３７】
なお、接触媒質における入射波の音速Ｖｉや、高ｔ／Ｄ金属管１６における屈折横波Ｕ２の音速Ｖｓ、屈折縦波Ｕ１の音速ＶＬは、それぞれ接触媒質の種類や高ｔ／Ｄ金属管１６の材質等に応じた既知の数値データを用いてもよいし、あるいは予め採取した実験データを設定値として用いてもよい。【００３８】
また、振動子１５の高ｔ／Ｄ金属管１６の先端部の周方向に沿った長さは、十分な送受信感度が得られるとともに実際に製作可能な長さに設定すればよい。一般的に、高ｔ／Ｄ金属管１６の形状や検出すべききずの寸法、さらには材質等にも依存するが、振動子１５の高ｔ／Ｄ金属管１６の周方向に沿った長さは６〜２０ｍｍ程度である。そして、Ｓ２へ移行する。【００３９】
Ｓ２では、図４Ａに示すように、（６）高ｔ／Ｄ金属管１６の内表面１６ａにおける屈折横波Ｕ２の集束点１７を適宜仮設定する。
この集束点１７の仮設定では、きずの反射率を考慮することが好ましい。すなわち、きず入射角θと高ｔ／Ｄ金属管１６の軸方向へ伸びてスリット状に存在するスリットきずの反射率（％）との関係を説明する図６に示すように、スリットきずでの屈折横波Ｕ２の反射率は、横波超音波の入射角θに依存する。現実に設定可能な入射角の範囲で考えると、きず入射角θが４０〜５０°程度で反射率が大きくなる。そこで、探傷精度を高めてきずエコーの強度を高めるためには、入射角θが４０〜５０°程度となり得る集束点１７を初期値として仮設定することが望ましい。そして、Ｓ３へ移行する。【００４０】
Ｓ３では、上述した（１）、（２）、（４）及び（６）の条件に基づいて、仮設定した集束点Ｓに伝搬する屈折横波Ｕ２の伝搬経路を演算する。すなわち、図４Ａに示すように、最初に高ｔ／Ｄ金属管１６の内表面１６ａに設定した集束点１７から高ｔ／Ｄ金属管１６の外表面１６ｂへ向けて、放射状に屈折横波Ｕ２の複数の伝搬経路（実際には、屈折横波Ｕ２は外表面１６ｂから集束点１７へ向けて伝搬する）を描き、次に、高ｔ／Ｄ金属管１６の外表面１６ｂと接触媒質Ｗとの境界面において成立するスネルの法則に基づいて、上述した（２）及び（４）の条件に基づいて入射波の入射角を算出し、屈折横波Ｕ２の各伝搬経路にそれぞれつながる接触媒質Ｗにおける縦波超音波Ｕの各伝搬経路を算出する。そして、集束点１７に伝搬する屈折縦波Ｕ１及び屈折横波Ｕ２の各伝搬経路の初期点、すなわち集束点１７と反対側の端点１８を、想定している振動子１５と高ｔ／Ｄ金属管１６とのオフセット距離に略等しい距離だけ初期点１８が高ｔ／Ｄ金属管１６から離間するように、かつ、各伝搬経路を辿る超音波の伝搬時間（伝搬経路の長さと音速とによって算出される）が互いに同じになるように決定する。【００４１】
このようにして、Ｓ１〜Ｓ３により、探傷する高ｔ／Ｄ金属管１６の形状（外径Ｄ、肉厚ｔ等）と、この金属管１６における屈折横波Ｕ２の音速Ｖｓと、接触媒質における入射波の音速Ｖｉと、金属管１６における屈折横波Ｕ２の集束点１７とに基づいて、スネルの法則により、集束点１７に伝搬する屈折横波Ｕ２の伝搬経路を演算する。そして、Ｓ４へ移行する。【００４２】
Ｓ４では、Ｓ３において演算された伝搬経路と、上述した（５）の条件（振動子１５の高ｔ／Ｄ金属管１６の周方向へ沿った長さ）とに基づいて、振動子１５の先端部１５ｃの形状を演算する。すなわち、各伝搬経路の各初期点１８を順次結んだ曲線、或いは各初期点１８から最小二乗近似法等により近似される曲線の長さを算出する。これを上述した（５）の条件と比較して、両者が略等しい長さとなるように不要な伝搬経路を端から割愛し、残った伝搬経路の各初期点１８により求められる曲線Ｄを、振動子１５の先端部１５ｃの縦断面形状とする。なお、図４Ａに示す例は、高ｔ／Ｄ金属管１６の中心軸に対して左右に略等しい長さの先端部形状となるように、不要な伝搬経路を割愛した状態を示す。【００４３】
このように、Ｓ４では、Ｓ３において演算された伝搬経路と、予め設定された振動子１５の、高ｔ／Ｄ金属管１６の周方向に沿った長さとに基づいて、上述したように曲率半径が一端１５ｂ側から他端１５ａ側にかけて曲率半径ρ１から曲率半径ρ２へと連続的に増加する非対称曲線形状となるように、振動子１５の先端部１５ｃの形状を演算して決定する。そして、Ｓ５へ移行する。【００４４】
Ｓ５では、Ｓ４において決定された振動子１５の先端部１５ｃの形状と、上述した（３）の条件とに基づいて、高ｔ／Ｄ金属管１６の内部へ伝搬する屈折縦波Ｕ１の伝搬経路を演算する。すなわち、図４Ａに示すように、決定された振動子１５の先端部１５ｃの形状を構成する各初期点１８から接触媒質Ｗにおける各伝搬経路を辿った入射波Ｕに関して、高ｔ／Ｄ金属管１６の外面１６ｂと接触媒質Ｗとの境界面において成立するスネルの法則に基づいて、（３）の条件に基づいて、高ｔ／Ｄ金属管１６の内部１６ｃを伝搬する縦波超音波Ｕ１の屈折角を算出し、入射波Ｕの各伝搬経路にそれぞれ繋がる屈折縦波Ｕ１の各伝搬経路を演算する。【００４５】
このように、Ｓ５では、Ｓ２において演算された振動子１５の先端部１５ｃの形状と、予め設定された金属管１６における屈折縦波Ｕ１の音速ＶＬとに基づいて、スネルの法則により、金属管１６の内部に伝搬する屈折縦波Ｕ１の伝搬経路を演算する。そして、Ｓ６へ移行する。【００４６】
Ｓ６では、Ｓ５において算出した屈折縦波Ｕ１の各伝搬経路のうち、高ｔ／Ｄ金属管１６の内表面１６ａに到達する伝搬経路が存在するか否かを判断する。図４Ａに示す例は、内表面１６ａに到達する伝搬経路が存在する場合である。【００４７】
内表面１６ａに到達する伝搬経路が存在する場合には、Ｓ７に移行して、仮に定めた屈折横波Ｕ２の集束点１７を、例えば内周面１６ａに沿って所定ピッチ離れた位置に、変更し、上述したＳ１〜６の演算を繰り返し行う。【００４８】
図４Ｂ〜図４Ｄは、この繰り返し演算の様子を示す説明図である。図４Ｂ〜図４Ｄに示すように、集束点１７の設定位置を、高ｔ／Ｄ金属管１６の内表面１６ａに沿って高ｔ／Ｄ金属管１６の中心軸から段階的に離間させるようにして、変更する。これにより、図４Ｄに示す状態では、屈折縦波Ｕ１の全ての伝搬経路が高ｔ／Ｄ金属管１６の内表面１６ａに到達しなくなる。【００４９】
一方、内面Ｐ２に到達する伝搬経路が存在しなくなった場合には、Ｓ８へ移行し、直前に演算して仮決定した振動子１５の先端部１５ｃの形状を、最終的に振動子１５の先端部１５ｃの形状として本決定する。図４Ａに示す例では、図４Ｄに示す状態となったときの振動子１５の先端部１５ｃの形状を、先端部１５ｃの形状として本決定する。【００５０】
このように、Ｓ６〜８では、Ｓ５において演算された屈折縦波Ｕ１の伝搬経路のうち、高ｔ／Ｄ金属管１６の内表面１６ａに到達する伝搬経路が存在する場合には、高ｔ／Ｄ金属管１６の内表面１６ａに到達する伝搬経路が存在しなくなるまで屈折横波Ｕ２の集束点１７を変更して、Ｓ１からＳ３までの演算を繰り返すとともに、高ｔ／Ｄ金属管１６の内表面１６ａに到達する伝搬経路が存在しなくなった場合には、その際のＳ２で演算した形状を、振動子１５の先端部１５ｃの形状として決定する。【００５１】
以上に説明した手順Ｓ１〜８によって、振動子１５の先端部１５ｃは、曲率半径が一端１５ｂ側から他端１５ａ側にかけて曲率半径ρ１から曲率半径ρ２へと連続的に増加する非対称曲線形状として決定される。【００５２】
なお、以上の説明は、振動子１５の先端部１５ｃの全域がこの非対称曲線形状を呈する場合であるが、これに限定されるものではなく、例えば、先端部１５ｃの一部の領域がこの非対称曲線形状を呈するとともに、先端部１５ｃの残余の領域がこの非対称曲線形状以外の形状（例えば直線形状や円弧形状等）を呈する場合であってもよい。例えば、振動子１５の先端部１５ｃの周方向の内部に非対称曲線形状の部分が存在し、この非対称曲線形状の部分の一方又は両方の端部に非対称曲線形状以外の部分が存在する場合も、本発明に包含される。【００５３】
高ｔ／Ｄ金属管１６の斜角探傷を行うためには、高ｔ／Ｄ金属管１６の比（ｔ／Ｄ）が大きくなるにつれて、振動子１５の先端部１５ｃに形成する非対称曲線形状の部分が先端部１５ｃの周方向の全域に対して占める割合を増加することとなる。しかし、比（ｔ／Ｄ）が１５％程度の場合にはこの割合は７０％である。このため、振動子１５の先端部１５ｃに形成する非対称曲線形状の部分が先端部１５ｃの周方向の全域に対して占める割合は、検査対象が１５％以上の比（ｔ／Ｄ）の高ｔ／Ｄ金属管１６に対しては、７０％以上であることが望ましく、８０％以上であることがさらに望ましい。【００５４】
また、曲率半径ρ１と、曲率半径ρ２との関係は、ρ１＜ρ２であればよい。この曲率半径は、測定対象である管の外径や肉厚との関係で適宜規定すればよく、これにより、屈折縦波の多重反射を生じることなく、特定の比（ｔ／Ｄ）の高（ｔ／Ｄ）管の斜角探傷を行うことができる。【００５５】
なお、以上に説明した手順Ｓ１〜８は、設計者がその都度作図することによって実行しても良いが、プログラム化して自動的に実行することも無論可能であり、設計効率の点では後者の方が望ましい。【００５６】
また、図４Ａ〜図４Ｄでは、説明を容易にするために、２次元で超音波の伝搬経路を解析することによって、従来の円柱面形状と同様に、高ｔ／Ｄ金属管１６の軸方向の振動子１５の各断面の端部が一様な曲線となるような先端部１５ｃの形状の設計手順を例にとって説明した。しかし、３次元で超音波の伝搬経路を解析することにより、高ｔ／Ｄ金属管１６の軸方向の振動子１５の各断面の端部が一様な曲面となるような先端部１５ｃの形状を設計するようにしてもよい。【００５７】
図５は、３種の寸法（外径４０ｍｍかつ肉厚１０ｍｍ、外径２６ｍｍかつ肉厚６．５ｍｍ、外径６０ｍｍかつ肉厚１５ｍｍ）の高ｔ／Ｄ金属管１６について、上述した手順Ｓ１〜８に基づいて、振動子１５の先端部１５ｃの形状を設計した結果の一例を示す説明図である。この図５では、高ｔ／Ｄ金属管１６の各種寸法に応じて設計された振動子１５の先端部１５ｃの形状の違いを明瞭にするために、設計された先端部１５ｃの形状を、水平方向及び鉛直方向に平行移動して位置を揃えて示す。【００５８】
図５に示すように、これらの先端部１５ｃの形状は、曲率半径が一端１５ｂ側から他端１５ａ側にかけて曲率半径ρ１から曲率半径ρ２へと連続的に増加する非対称曲線形状である。【００５９】
図５に示すように、本実施の形態は、図４Ａ〜図４Ｄを参照しながら説明した外径４０ｍｍかつ肉厚１０ｍｍである高ｔ／Ｄ金属管１６に限定して適用されるものではなく、通常の比（ｔ／Ｄ）の金属管や、各種寸法の高ｔ／Ｄ金属管に対しても、同様に適用可能である。【００６０】
以上説明した超音波探触子１１は、振動子１５から直接に入射波Ｕを発信するように構成されるが、これとは異なり、振動子１５の超音波発信方向の前方に、例えばアクリル樹脂等により製作した音響レンズ（図示しない）を配置しておき、この音響レンズを介して、高ｔ／Ｄ金属管１６に入射波Ｕを斜めに入射し、高ｔ／Ｄ金属管１６の内部を伝搬する屈折縦波Ｕ１及び屈折横波Ｕ２を発生するようにしてもよい。この場合、振動子１５は通常の円弧形状の先端部を有するようにするとともに、音響レンズの先端部を、曲率半径が一端側から他端側へかけて曲率半径ρ１から曲率半径ρ２へと連続的に増加する非対称曲線形状とすればよい。このようにすることにより、振動子１５としてＰＺＴに代表される加工性が低いものの良好な圧電効果を有するセラミック系圧電素子を用いることができるので、振動子１５の性能向上を図ることができる。【００６１】
本実施の形態の超音波探触子１１は、以上のように構成される。
［超音波探傷器１２］
図２に示すように、本実施形態に係る超音波探傷器２は、パルサー１９と、プリアンプ２０と、フィルター２１と、メインアンプ２２と、きず判定部２３とを備える。【００６２】
パルサー１９及びプリアンプ２０は、いずれも、同軸ケーブルＣにより、超音波探触子１１のケーシング後部に設けられた連結栓（いずれも図示しない）を介して、振動子１５に接続される。パルサー１９から振動子１５に所定周期毎の送信信号が入力され、これにより振動子１５は励振され、接触媒質としての水Ｗを介して高ｔ／Ｄ金属管１６に入射波Ｕが入射される。そして、入射波Ｕは屈折縦波Ｕ１及び屈折横波Ｕ２からなる屈折波として高ｔ／Ｄ金属管１６の内部を伝搬する。その反射エコー（きずエコーなど）が振動子１５で受信され、その受信信号が同軸ケーブルＣを介してプリアンプ２０に送信される。受信信号はプリアンプ２０で増幅され、フィルター２１によって所定周波数帯域でのフィルタリングが施された後、メインアンプ２２でさらに増幅される。メインアンプ２２からの出力信号は、きず判定部２３において予め定められた所定のしきい値と比較される。そして、きず判定部２３は、このしきい値以上の出力信号であればきず有りと判定し、きずありと判定した場合には、警報器３やマーキング装置４への動作指令を出力する。【００６３】
本実施の形態の超音波探傷器１２は、以上のように構成される周知慣用のものであるので、超音波探傷器１２に関するこれ以上の説明は省略する。
［警報器１３］
警報機１３は、超音波探傷器１２からの動作指令に基づいて、警報音を出力する。【００６４】
本実施の形態の警報器１３は、以上のように構成される周知慣用のものであるので、警報器１３に関するこれ以上の説明は省略する。
［マーキング装置１４］
マーキング装置１４は、超音波探傷器１２からの動作指令に基づいて、高ｔ／Ｄ金属管１６の表面に所定のマーキングを施す。【００６５】
本実施の形態のマーキング装置１４は、以上のように構成される周知慣用のものであるので、マーキング装置１４に関するこれ以上の説明は省略する。
このように構成される本実施の形態の超音波探傷装置１０を用いて、高ｔ／Ｄ金属管１６の探傷を行う状況を説明する。【００６６】
本実施の形態では、図２に示すように、超音波探傷の対象である高ｔ／Ｄ金属管１６の中心位置から見て、本実施の形態の超音波探傷装置１０を構成する超音波探触子１１の振動子１５の先端部１５ｃにおける一端１５ｂ側が高ｔ／Ｄ金属管１６における屈折波の非伝搬方向側（図２の高ｔ／Ｄ金属管１６の右側）に位置するとともに、振動子１５の先端部１５ｃにおける他端１５ａ側が屈折波の伝搬方向側（図１（ａ）の紙面左側）に位置するように、この振動子１５を高ｔ／Ｄ金属管１６に対して配置して斜角探傷を行う。【００６７】
つまり、超音波探触子１１は、高ｔ／Ｄ金属管１６に対して、振動子１５の先端部１５ｃの一端１５ｂ側が高ｔ／Ｄ金属管１６における屈折波の非伝搬方向側（図２の高ｔ／Ｄ金属管１６の右側）に位置するとともに、振動子１５の先端部１５ｃの他端１５ａ側が屈折波の伝搬方向側（図２の高ｔ／Ｄ金属管１６の左側）に位置するように、配置されればよい。【００６８】
つまり、このように超音波探触子１１を高ｔ／Ｄ金属管１６に対して配置すると、図２に示すように、曲率半径の大きい他端１５ａ側から送信される入射波Ｕの入射角及び屈折縦波Ｕ１の屈折角を大きく確保することができる。【００６９】
したがって、本実施の形態によれば、比（ｔ／Ｄ）が１５％以上である高ｔ／Ｄ金属管１６の内部を伝搬する屈折波２、３のうち屈折横波Ｕ２は集束するとともに屈折縦波Ｕ１は金属管１６の内表面１６ａに到達しないようにすることができるので、屈折横波Ｕ２が集束することによって微小なきずからの反射エコー強度が高まるとともに、屈折縦波Ｕ１が金属管１６の内表面１６ａに到達しない伝搬経路を辿るために屈折縦波による多重反射エコーの発生を解消できる。これにより、特に高ｔ／Ｄ金属管１６に対しても高精度な斜角探傷を確実に行うことができる。【００７０】
このため、本実施の形態によれば、比（ｔ／Ｄ）が例えば１５％以上である高ｔ／Ｄ金属管１６の内部に存在する微小なきずを、検査能率の低下や検査コストの上昇を伴うことなく、斜角探傷により高精度で確実に探傷することができるようになる。【００７１】
以上に説明した構成を有する超音波探傷装置１０によって高ｔ／Ｄ金属管１６を探傷する際、高ｔ／Ｄ金属管１６は、周方向へ回転しながら軸方向へ搬送され、これにより、高ｔ／Ｄ金属管１６の略全面に亘る探傷が可能となる。ただし、これに限るものではなく、高ｔ／Ｄ金属管１６を軸方向に直進搬送しながら、超音波探触子１０を高ｔ／Ｄ金属管１６の周方向に回転させるようにしてもよい。【００７２】
なお、本実施の形態に係る超音波探傷装置１０は、例えば、自動車部品等に用いられるメカニカルチューブや高温環境下で使用されるステンレス鋼管等といった、比（ｔ／Ｄ）が１５％以上である鋼管の内部を探傷するのに、特に好適である。【００７３】
図７は、この本実施の形態に係る超音波探傷装置１０によって高ｔ／Ｄ金属管からなるメカニカルチューブの内面に存在する深さ０．１ｍｍの微小きずを探傷した際に得られた、メインアンプ２４の出力信号波形である探傷波形の一例を示すグラフである。【００７４】
図７にグラフで示すように、本実施の形態に係る超音波探傷装置１０によれば、屈折波Ｕ１及びＵ２のうち屈折横波Ｕ２が高ｔ／Ｄ金属管１６の内部で集束することによって微小きずからの反射エコー強度が高まるとともに、同時に発生する屈折縦波Ｕ１が高ｔ／Ｄ金属管１６の内表面１６ａに到達しない伝搬経路を辿るため、屈折縦波Ｕ１による多重反射エコーを抑制することができ、きずエコーのみを良好なＳＮ比で検出することが可能である。
（実施の形態２）
図８は、本実施の形態の超音波探傷装置３０の概略構成を示す説明図である。【００７５】
図８に示すように、本実施形態に係る超音波探傷装置３０は、振動子３１、３１をそれぞれ有する２基の超音波探触子３２と、超音波探傷器（図示せず）と、警報器（図示せず）と、マーキング装置（図示せず）とを備える。なお、図示しない超音波探傷器、警報器及びマーキング装置は、上述した実施の形態１と同様の構成であるため、その説明は省略する。【００７６】
さらに、この超音波探傷装置３０は、振動子３１、３１をそれぞれ保持する探触子ホルダー３３、３３と、探触子ホルダー３３、３３をそれぞれ保持する下水平アーム３４、３４と、下水平アーム３４、３４を支持するとともに上水平アーム３７と上下方向について連結された上下動アーム３５、３５と、上下動アーム３５、３５の上部に固定されるとともに上水平アーム３７の上面を上水平アーム３７の延設方向（図８における左右方向）へ移動自在に配置された水平動アーム３６、３６と、水平動アーム３６、３６及び上下動アーム３５、３５を水平方向に移動自在に搭載するとともにエアーシリンダ３９により昇降自在に支持される上水平アーム３７と、エアーシリンダ３９により昇降自在に支持される管追従機構３８と、エアシリンダ３９とを備える。【００７７】
探触子ホルダー３３、３３は、下水平アーム３４、３４、上下動アーム３５、３５、水平動アーム３６、３６さらには上水平アーム３７を介して、管追従機構３８に連結されている。管追従機構３８は、エアシリンダー３７に連結されて上下動する。管追従機構３８が上下動する際には、下水平アーム３４、３４、上下動アーム３５、３５、水平動アーム３６、３６さらには上水平アーム３７も上下動し、これにより、探触子ホルダ３３、３３も一体となって上下動する。【００７８】
超音波探触子３２，３２を構成する振動子３１，３１は、測定対象である金属管９の材質（超音波の屈折縦波、屈折横波の音速）、外径Ｄ、肉厚ｔ等に応じて、その先端部が、図１に示すように、一端１５ｂ側から他端１５ａ側にかけて曲率半径ρ１から曲率半径ρ２へと、曲率半径が連続的に増加する非対称曲線形状に成形されており、探触子ホルダー３３、３３に手動又は自動的に装填される。【００７９】
振動子３１、３１は、上下動アーム３５及び水平動アーム３６を駆動して、金属管９に対して、振動子３１、３１の一端１５ｂ側が金属管９における屈折波の非伝搬方向側（図８では左側の振動子３１では金属管９の右側部分、右側の振動子３１では左側部分）に位置するとともに、他端１５ａ側が屈折波の伝搬方向側（図８では左側の振動子３１では金属管９の左側部分、右側の振動子３１では右側部分）に位置するように、配置した。【００８０】
振動子３１、３１と金属管９との相対的な位置関係がずれると、振動子３１、３１の先端部３１ｃ、３１ｃの非対称曲線形状を決定する際に想定した金属管９における横波超音波の集束点（図２における符号１７）の位置がずれることになるため、きず検出能が低下する。したがって、振動子３１，３１と金属管９との相対的な位置関係を精度良く設定するために、上下動アーム３５，３５及び水平動アーム３６、３６としてリニアガイドを用いることが好ましい。【００８１】
以上の構成を有する超音波探傷装置３０によって金属管９を探傷する際には、内部への水侵入防止用の栓（図示せず）によりで金属管９の先端部を閉塞した状態で、金属管９を周方向へ回転させながら軸方向へ搬送しながら、探傷用水槽（図示せず）を通過させる。【００８２】
このとき、所定の材料検知センサによって金属管９の先端部を検知したタイミングでエアシリンダー３７が起動し、これにより管追従機構３８、上下動アーム３５、３５、水平動アーム３７及び探触子ホルダー３６、３６が一体となって下降し、管追従機構３８が適当な圧力で金属管３８の外面に押し付けられる。【００８３】
適当な圧力で押し付けられた管追従機構３８は、上下左右に所定の範囲だけ可動に構成されており、その下面が金属管９の外面に接触した状態を保ちながら、金属管９の搬送時のガタに追従して上下左右に移動する。この際、管追従機構３８に連結された上下動アーム３５、３５、水平動アーム３６、３６及び探触子ホルダ３８も上下左右に追従して移動する。これにより、探触子ホルダ３３、３３に装填された振動子３１、３２と金属管９との相対的な位置関係は一定に保たれる。【００８４】
このようにして、本実施形態に係る超音波探傷装置３０によっても、屈折横波が集束することによって微小きずからの反射エコー強度が高まるとともに、同時に発生する屈折縦波が金属管９の内面に到達しない伝搬経路を辿るため、屈折縦波による多重反射エコーの発生を解消することができ、きずエコーのみを良好なＳＮ比で検出することが可能である。【００８５】
なお、図８に示す超音波探傷装置３０では、金属管９中の屈折波の伝搬方向が時計回り及び反時計回りの２方向になるように、振動子３１、３１を２個配設する形態を例にとったが、探傷効率をより一層向上させるためには、例えば、屈折波の伝搬方向が時計回り及び反時計回りとなる振動子３１を金属管９の軸方向に沿ってそれぞれ複数個ずつ配設することも可能である。
（実施の形態３）
本実施の形態３では、上述した実施の形態１、２とは異なり、振動子が、並設された複数の振動発生素子により平板状に構成されている場合を説明する。【００８６】
図９は、本実施の形態に係る超音波探傷装置４０の概略構成を示すブロック図である。同図に示すように、本実施の形態に係る超音波探傷装置４０は、振動子４１を備える超音波探触子４２と、送信回路４３と、受信回路４４と、警報器４５と、マーキング装置４６とを備える。なお、警報器４５及びマーキング装置４６は、上述した実施の形態１と同様の構成であるため、その説明は省略する。【００８７】
本実施の形態に係る超音波探触子４２を構成する振動子４１は、金属管４７の外面４７ａに対向配置され、複数個（例えば、３２個）の微小な片状の圧電素子４１ａを金属管４７の軸方向に直交する方向へ、例えば０．５ｍｍ間隔で直線状に並設（配列）して構成される。すなわち、この超音波探触子４２はいわゆるアレイ探触子である。【００８８】
送信回路４３は、振動子４１が具備する圧電素子４１ａの数と同数のパルサー４８及び遅延回路（送信遅延回路）４９を具備する。各パルサー４８は、振動子４１の各圧電素子４１ａに接続されるとともに、各遅延回路４９に接続される。各圧電素子４１ａは、各圧電素子４１ａに接続された各パルサー４８からの所定周期毎の送信信号で励振され、接触媒質としての水Ｗを介して金属管４７に超音波の入射波Ｕを入射する。【００８９】
ここで、各パルサー４８から送信信号を送信するタイミングは、各遅延回路４９によって設定された送信遅延時間に応じて各パルサー４８毎に異ならせることが可能であり、後述するように各パルサー４８の送信遅延時間を適宜設定することにより、実施の形態１、２で示した、先端部が非対称円弧形状の振動子から超音波の入射波Ｕを送信する態様と同様の態様が実現される。【００９０】
金属管４７に入射した入射波Ｕは、屈折縦波Ｕ１及び屈折横波Ｕ２からなる屈折波として金属管４７の内部４７ｃに伝搬し、その反射エコーは振動子４１の圧電素子４１ａによって受信され、その受信信号が受信回路４４に送信される。【００９１】
受信回路４４は、振動子４１が具備する圧電素子４１ａの数と同数のプリアンプ５０及び遅延回路（受信遅延回路）５１を具備する。また、受信回路４４は、加算器５２と、メインアンプ５３と、きず判定部５４とを備える。各プリアンプ５０は、振動子４１の各圧電素子４１ａに接続されるとともに、各遅延回路５１に接続される。各圧電素子４１ａからの受信信号は、各圧電素子４１ａに接続された各プリアンプ５０によって増幅された後、各プリアンプ５０に接続された各遅延回路５１によって、各圧電素子４１ａの送信遅延時間（各圧電素子４１ａに接続された各パルサー４８の送信遅延時間）と同じ受信遅延時間の遅延を施される。各遅延回路５１の出力信号は、受信回路４４が具備する加算器５２によって加算された後、メインアンプ５３によって増幅される。メインアンプ５３からの出力信号は、実施の形態１のきず判定部２３と同様の構成であるきず判定部５４に入力され、きずの有無が判定される。【００９２】
以下、前述した送信遅延時間及び受信遅延時間の設定方法について説明する。
図１０は、送信遅延時間及び受信遅延時間の設定方法を説明するための説明図である。同図に示すように、送信遅延時間及び受信遅延時間を設定するに際し、先ず最初に、実施の形態で説明した、図３に示す手順Ｓ１〜８と同様の手順で設計した非対称曲線形状Ｄの水平方向（図１０の左右方向）の長さと、振動子１１の長さとを比較し、両者が略同じ長さとなるように、使用する圧電素子４１ａを選択する。選択された圧電素子４１ａの纏まりを選択素子群という。【００９３】
次に、この選択素子群を構成する各圧電素子４１ａの中心座標と，非対称曲線形状Ｄとの相対距離を、いずれかの圧電素子４１ａと非対称円弧形状との相対距離を０として、それぞれ算出する。図１０では、右端の圧電素子４１ａと非円弧形状Ｄとの相対距離を０とした）。そして、各相対距離を接触媒質Ｗにおける入射波Ｕの音速で除した値を、各圧電素子４１ａに対応する送信遅延時間及び受信遅延時間として設定する。【００９４】
以上に説明した方法により、送信遅延時間及び受信遅延時間を設定することにより、断面端形状が非対称曲線形状Ｄとされた振動子４１を用いて超音波を送受信する場合と同様の挙動を示すことになる。すなわち、図９に示すように、金属管４７の内部４７ｃに伝搬する屈折縦波Ｕ１及び屈折横波Ｕ２からなる屈折波において、屈折横波Ｕ２が集束するとともに屈折縦波Ｕ１が金属管４７の内面４７ａに到達しないことになる。したがって、屈折横波Ｕ２が集束することによって微小きずからの反射エコー強度が高まるとともに、同時に発生する屈折縦波Ｕ１による多重反射エコーの発生を解消することができるため、きずエコーのみを良好なＳＮ比で検出することが可能である。【００９５】
本実施形態に係る超音波探傷装置４０は、超音波探触子４２が、多数の圧電素子４１ａにより振動子４１が構成されて、アレイ探触子として構成され、各圧電素子４１ａについて超音波送受信の遅延時間を適宜設定することにより、実施の形態１、２により説明した、先端部が非対称曲線形状を有する振動子を備える超音波探触子を模擬するものである。【００９６】
すなわち、複数の振動発生素子それぞれから発振される超音波の干渉によって、曲率半径が一端側から他端側にかけて連続的に増加する非対称曲線形状の部分を少なくとも有する波面を備える入射波を発振することができるように、構成される。これにより、各圧電素子４１ａの配列が、本実施の形態のように直線条に配列されて固定された振動子４１を用い、超音波送受信の遅延時間を適宜変更するだけで、多種の非対称曲線形状の先端部を有する振動子と同等の作用効果を奏する振動子を提供することができる。【００９７】
したがって、金属管４７の材質、外径Ｄさらには肉厚ｔ等に応じて多数の非対称曲線形状の振動子を準備する必要が無くなり、ランニングコストの上昇を抑制することができる。また、金属管４７の材質、外径Ｄさらには肉厚ｔ等に応じて非対称曲線形状の振動子を取り替える必要がないため、段取り替え等に要する時間を短縮することができ、検査能率を向上することもできる。【００９８】
なお、本実施の形態では、振動子４１として各圧電素子４１ａを直線状に配列したアレイ探触子を適用する場合について説明したが、本発明はこれに限るものではなく、各配列に応じた超音波の送受信の遅延時間を設定しさえすれば、円弧状や多角状に配列したアレイ探触子を適用することも可能である。
【図１】
2007113907.tif 000003
【図２】
2007113907.tif 000004
【図３】
2007113907.tif 000005
【図４Ａ】
2007113907.tif 000006
【図４Ｂ】
2007113907.tif 000007
【図４Ｃ】
2007113907.tif 000008
【図４Ｄ】
2007113907.tif 000009
【図５】
2007113907.tif 000010
【図６】
2007113907.tif 000011
【図７】
2007113907.tif 000012
【図８】
2007113907.tif 000013
【図９】
2007113907.tif 000014
【図１０】
2007113907.tif 000015
【図１１】
2007113907.tif 000016
【図１２】
2007113907.tif 000017
【図１３】
2007113907.tif 000018
【図１４】
2007113907.tif 000019
【図１５】
2007113907.tif 000020
【国際調査報告】
2007113907.tif 000021
2007113907.tif 000022
2007113907.tif 000023
2007113907.tif 000024