(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レールに当接し、レール前後方向に整列された単一の送信用探触子と受信用探触子とを有し、送信用探触子から放射される超音波信号を、受信用探触子から遠ざかる方向に斜めにレール内へ入射させ、欠陥で反射してきた超音波信号を受信用探触子で受信することにより、レール内の欠陥を検出する超音波レール探傷装置において、
送信用探触子から放射される超音波信号のレールへの屈折角度θ及びその超音波信号のレール前後方向のビーム長さＬが、レールの高さｄに対して、
【数１】
0004171130.tif 000002
を満足するように設定されると共に、受信用探触子の受信面のレール前後方向の長さがＬ以上に設定されることを特徴とする超音波レール探傷装置。
【請求項２】
前記受信用探触子はレール前後方向に整列した複数のアレイ素子からなるアレイ形探触子であり、いずれかのアレイ素子において超音波信号が受信されたかを識別することにより欠陥の深さを検出することを特徴とする請求項１記載の超音波レール探傷装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レール内の欠陥を検出する超音波レール探傷装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の超音波レール探傷装置としては、図４に示したものがある。図４において、レール１の頭面に超音波探触子３２が当接されており、この超音波探触子３２に送受信回路３６が接続されている。送受信回路３６から出力される電気パルスが超音波探触子３２に送られると、超音波探触子３２で超音波パルスに変換され、ある屈折角度を持ってレール１内に斜めに入射される。レール内に入った超音波パルスは音響インピーダンスの不連続面、即ち、欠陥があると反射するので、反射して戻ってきた超音波パルスを超音波探触子３２で受信し、欠陥を検出している。
【０００３】
欠陥からの反射方向は、反射面となる欠陥の角度や位置によって影響を受ける。従って、図４の送受信を兼用した超音波探触子３２を使用した場合、図４（ａ）のような底部に開口した欠陥３や、図４（ｂ）の凹凸面のある自然欠陥４に対しては、超音波探触子３２に超音波が戻ってくるため、その受信信号から欠陥の存在を検出することができる。しかしながら、図４（ｃ）に示したように、レール１内にレール前後方向に直交する平坦面状の欠陥５が存在していた場合、反射指向性が鋭く、超音波は入射した方向と別の方向へ反射してしまい超音波探触子３２の方向に戻ってこないので受信することができないという課題がある。欠陥５の端部で散乱反射する超音波成分もあるが、これは非常に信号レベルが低く受信が困難である。
【０００４】
このため、レール内に平坦面状の欠陥５が存在することが予測される溶接部の探傷においては、図５に示したように、レール１の頭面に送信用探触子４２と受信用探触子４４とをレール前後方向にタンデムに配置するタンデム方式の探傷装置を使用することが提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このタンデム方式の探傷装置では、送信用探触子４２と受信用探触子４４との間の相対的な位置関係によって探傷領域が決定されるという課題がある。例えば、図５（ａ）に示したように、送信用探触子４２と受信用探触子４４との間の間隔が小さい場合には深い探傷領域を持つのに対して、送信用探触子４２と受信用探触子４４との間の間隔が大きい場合には浅い探傷領域を持つ。そのため、２つの探触子４２、４４の位置を調整しながら探傷を行わなければならず、超音波探傷車のように走行しながら探傷する場合には、上記位置調整を伴うために探傷走行速度に制限ができるという課題がある。
【０００６】
本発明はかかる従来の課題に鑑みなされたもので、請求項１及び２の発明は、送信用探触子と受信用探触子との相対位置を動かすことなく広い探傷領域で平坦面状の欠陥を検出することができる超音波レール探傷装置を提供することをその目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１記載の発明は、レールに当接し、レール前後方向に整列された単一の送信用探触子と受信用探触子とを有し、送信用探触子から放射される超音波信号を、受信用探触子から遠ざかる方向に斜めにレール内へ入射させ、欠陥で反射してきた超音波信号を受信用探触子で受信することにより、レール内の欠陥を検出する超音波レール探傷装置において、
送信用探触子から放射される超音波信号のレールへの屈折角度θ及びその超音波信号のレール前後方向のビーム長さＬが、レールの高さｄに対して、
【０００８】
【数２】
ｄ＝Ｌ／ｔａｎθ                （１）
を満足するように設定されると共に、受信用探触子の受信面のレール前後方向の長さがＬ以上に設定されることを特徴とする。
【０００９】
レール内において、レール高さと同じ長さを持ち、レール前後方向に直交する仮想反射面を仮定すると、上記式を満足させることによって、送信用探触子から放射される超音波信号は、仮想反射面全体をカバーする。従って、この仮想反射面のいずれかに平坦状の欠陥があったとすると、必ず、送信用探触子からの超音波信号はその欠陥で反射される。また、受信用探触子を同じく上記Ｌ以上の長さとすることによって、反射された超音波信号を確実に受信用探触子で受信することができる。
【００１０】
受信用探触子は、上記仮想反射面で反射された超音波信号をすべて受信できるような位置に配置されればよく、受信用探触子と送信用探触子との相対的位置関係は固定とすることができる。
【００１１】
また、受信用探触子は、一つの振動子を持つ単一の探触子とすることもできるが、請求項２記載の発明は、請求項１記載のものにおいて、前記受信用探触子はレール前後方向に整列した複数のアレイ素子からなるアレイ形探触子であり、いずれかのアレイ素子において超音波信号が受信されたかを識別することにより欠陥の深さを検出することを特徴とする。
レール前後方向の受信位置が前記仮想反射面の反射深さ位置に依存するので、いずれかのアレイ素子で受信されたかで、欠陥の深さを検出することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明に係る超音波レール探傷装置の実施の形態を表すレールの側方から見た説明図、図２は斜視図である。
【００１３】
この超音波レール探傷装置１０は、レール１の頭面に当接し、レール前後方向に整列された送信用探触子１２と受信用探触子１４とを有している。
送信用探触子１２は、その振動子から放射される超音波パルスのレール１への屈折角度θ及び送信用探触子１２から放射される超音波パルスのレール前後方向のビーム長さＬが、レール１の探傷するべき深さ領域長さｄに対して、
【００１４】
【数３】
ｄ≦Ｌ／ｔａｎθ                （１）
を満足するように設定される。（１）式を満足するように設定することにより、送信用探触子１２から放射される超音波信号が図１の仮想反射面６全体をカバーすることができる。即ち、仮想反射面６は、探傷するべき深さ領域と同じ長さｄを持ち、レール前後方向に直交する平坦面である。
【００１５】
また、受信用探触子１４の受信面のレール前後方向の長さも、前記ビーム長さＬと同じか、またはそれ以上となるように設定される。受信用探触子１４は、送信用探触子１２から放射され仮想反射面６で反射された超音波信号を受信することができる位置に設定され、送信用探触子１２と受信用探触子１４との間の相対的位置は固定される。図の例のように、探傷するべき深さ領域ｄが、頭部から底部までの長さにほぼ等しい場合、受信用探触子１４は、送信用探触子１２にほぼ密着して配置される。
【００１６】
屈折角度θは、その値が大きくなると、上記（１）式でＬが大きくなり送信用探触子１２の全体寸法が大きくなるので、屈折角度θは、レール１との境界面における変換効率の良い範囲で可能な限り小さい角度となるように選択されるとよい。
【００１７】
例えば、超音波の横波を用いて探傷を行うものとすると、縦波が臨界角となる屈折角度に設定すれば、縦波の変換がなくなるので効率の良い探傷が可能となる。レールが鋼材である場合、その横波音速は３２３０ｍ／ｓ、縦波音速は５９００ｍ／ｓであるので、スネルの法則から、横波の屈折角度θSと縦波の屈折角度θDとの関係は、
【００１８】
【数４】
ｓｉｎθS／３２３０＝ｓｉｎθD／５９００
が成り立ち、縦波が臨界角となるθD＝９０゜のときのθSを求めると、θS＝約３３゜程度となる。従って、屈折角度３３゜以上の横波を利用すれば、縦波の変換がなくなり効率の良い探傷が可能となる。より好ましくは、横波の最も変換効率の高い３５゜程度が選択されると良い。また、縦波を利用する場合には、屈折角度が０〜３０゜まで利用できることが知られているが、斜角探傷でないと欠陥の平面での反射を利用することができないこと、及び変換効率を勘案して、１５〜２０°が選択されると良い。
【００１９】
例えば、横波超音波を使用する場合、屈折角度θを３５°とし、レール１の探傷するべき深さ領域長さｄとなるレール高さを１６０ｍｍとすると、Ｌは、
【００２０】
【数５】
Ｌ＝１６０×ｔａｎ３５°＝１１２（ｍｍ）
となる。送信用探触子１２のレール前後方向の長さもほぼこのＬに一致したものとするとよい。また、受信用探触子１４の受信面のレール前後方向の長さもこの寸法Ｌ（またはＬ以上）にするとよく、受信用探触子１４のレール前後方向の長さもほぼこのＬ（またはＬ以上）にするとよい。
【００２１】
送信用探触子１２及び受信用探触子１４は、それぞれ送受信回路１６に接続される。送受信回路１６は、送信用探触子１２に接続され電気パルスを送出する送信パルサ１８と、受信用探触子１４に接続され受信信号を増幅して欠陥の有無を検出する増幅検知部２０とを有している。
【００２２】
以上のように構成される超音波レール探傷装置１０において、上記送信用探触子１２と受信用探触子１４とは相対位置関係を保持された状態で超音波探傷車に装備されレール１の頭面上を図２の矢印方向に移動しながら連続的に探傷を行う。送信パルサ１８から電気パルスが送信用探触子１２に送出されると、送信用探触子１２で超音波パルスに変換され、レール前後方向の長さＬの超音波ビームが受信用探触子１４から遠ざかる方向に、上記屈折角度θでレール１に入射される。
【００２３】
上記の仮想反射面６内のどこにも欠陥がない場合には、超音波パルスは、そのまま前方（受信用探触子１４から遠ざかる方向）に進んでいって、受信用探触子１４で受信されることはない。
【００２４】
一方、仮想反射面６内のどこかに平坦面状の垂直欠陥５が存在すると、超音波が反射して底面に向かって反射する。この反射エコーはさらに底面で反射し、受信用探触子１４で受信されて電気信号に変換される。この受信信号は、増幅検知部２０で増幅、検出されて、内在した平坦面状の垂直欠陥５が当該探傷領域ｄに存在することが検出される。
【００２５】
このとき受信される受信信号の強度は、反射面の大きさに比例すると考えられるので、信号の強度を増幅検知部２０で測定することによって、欠陥５の面積（大きさ）を推定することもできる。面積の推定は、予め基準の欠陥に対して求めておいた強度と面積との関係に基づいて、行うことができる。
【００２６】
尚、検出できる欠陥としては、平坦面状の垂直欠陥５に限ることなく、底部に開口した欠陥３（図４（ａ）参照）や凹凸面のある自然欠陥４（図４（ｂ）参照）も同様に、反射波の一部が受信用探触子１４に受信されるので、欠陥を検出することができる。
【００２７】
次に、図３は、本発明の第２の実施の形態を表す図１相当図である。図において、図１と同一部材は、同一符号を付し、その詳細説明を省略する。
この実施の形態では、受信用探触子１４’として、レール前後方向に整列した複数のアレイ素子１４−１、１４−２、１４−３からなるアレイ形探触子を用いており、アレイ素子１４−１、１４−２、１４−３は、それぞれ個別に増幅検知部２０’に接続されている。増幅検知部２０’は、深部増幅検知部２０−１、中間部増幅検知部２０−２、浅部増幅検知部２０−３からなり、それぞれアレイ素子１４−１、１４−２、１４−３が受信可能な欠陥が存在する位置に応じてアレイ素子に接続されている。
【００２８】
アレイ素子１４−１、１４−２、１４−３の各受信面のレール前後方向長さは、送信用探触子１２から放射される超音波信号のレール前後方向のビーム長さＬに対して、それぞれ同じ長さＬ／３となっている。
【００２９】
以上のように構成される超音波レール探傷装置１０’では、仮想反射面６内のどこかに平坦面状の垂直欠陥５が存在すると、その垂直欠陥５の位置に応じてアレイ素子１４−１、１４−２、１４−３のいずれかで反射エコーが受信されるので、反射エコーに対応する電気信号が検知部２０−１、２０−２、２０−３のいずれかで検出されたか識別することによって、欠陥５の深さを知ることができる。例えば、アレイ素子１４−１で反射エコーが受信された場合、欠陥５は（２／３）・ｄからｄの範囲にあることが分かる。
【００３０】
この例では簡単のため３個のアレイ素子で説明したが、受信用探触子を多数のアレイ素子で構成することにより、欠陥の深さの分解能を向上させることができる。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のうち請求項１記載の発明によれば、送信用探触子から放射される超音波信号のレールへの屈折角度θ及びその超音波信号のレール前後方向のビーム長さＬを、レールの高さｄに対して、
【００３２】
【数６】
ｄ＝Ｌ／ｔａｎθ                （１）
を満足するように設定すると共に、受信用探触子の受信面のレール前後方向の長さをＬ以上に設定することにより、送信用探触子と受信用探触子との相対位置を動かすことなく、広い探傷領域であるレール高さｄでレール内に存在するレール前後方向に直交する平坦面状の欠陥を確実かつ効率的に検出することができる。
そして、受信用探触子で受信される受信信号の強度を測定することによって、欠陥の面積を推定することもできる。
【００３３】
また、請求項２記載の発明によれば、受信用探触子はレール前後方向に整列した複数のアレイ素子からなるアレイ形探触子であり、いずれかのアレイ素子において超音波信号が受信されたかを識別することにより欠陥の深さを検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超音波レール探傷装置の実施の形態を表すレールの側方から見た説明図である。
【図２】図１の斜視図である。
【図３】本発明に係る超音波レール探傷装置の第２の実施の形態を表すレールの側方から見た説明図である。
【図４】従来の超音波レール探傷装置を表すレールの側方から見た説明図である。
【図５】従来の他の超音波レール探傷装置を表すレールの側方から見た説明図である。
【符号の説明】
１  レール
１０、１０’  超音波レール探傷装置
１２  送信用探触子
１４  受信用探触子
１４’  受信用探触子（アレイ形探触子）
１４−１、１４−２、１４−３  アレイ素子
【図１】
0004171130.tif 000003
【図２】
0004171130.tif 000004
【図３】
0004171130.tif 000005
【図４】
0004171130.tif 000006
【図５】
0004171130.tif 000007