(57)【要約】【課題】ＳＨ波を用いた超音波センサーは粘度の高い接触媒質を要し、物理的な走査は時間がかかる。フェイズドアレイ技術によって電子的な走査することができるが、従来のフェイズドアレイ技術は、探傷面形状が曲率を有する場合、振動子と探傷面の密着性、接触媒質膜の均一性に問題があった。【解決手段】ＳＨ波を発生させる振動子Ｖ１〜Ｖ８を弾性体５によって互いに接続して形成したセンサー１を用いることで密着性、接触媒質膜の均一性を改善し、かつ歪ゲージＧ１ａ〜Ｇ７ａ、Ｇ１ｂ〜Ｇ７ｂによって隣接振動子相対位置関係情報を読み取り、超音波ビームの入射角度と隣接振動子相対位置関係情報を用いて振動子の駆動タイミングを計算し、センサー１の変形による振動子駆動タイミングの誤差を防止する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳＨ波を発生させる複数の振動子を１次元アレイ状または２次元アレイ状に配列し、隣接する前記複数の振動子を弾性体によって互いに接続してなる超音波センサーと、
前記超音波センサーの探傷面と前記探傷面と対向する面のそれぞれに、前記複数の振動子のうち隣接する振動子間にわたって設けられ、検査対象への配置にともなう前記超音波センサーの変形に応じて歪量を出力する複数の歪検出器と、
前記歪検出器の各々から出力された歪量を用いて隣接する振動子間の相対位置関係情報を計算する第１の演算機と、
前記検査対象へ入射する超音波ビームの入射角度と隣接する振動子間の相対位置関係情報を用いて前記複数の振動子の駆動タイミングを計算する第２の演算機と、
この第２の演算機が計算した前記駆動タイミングに基づいて前記複数の振動子を駆動させる探傷器と、
を備えることを特徴とする超音波探傷装置。
【請求項２】
前記弾性体は合成樹脂、天然樹脂、バネ、ゴム、ゲル状物質から選択された一部材であることを特徴とする請求項１に記載の超音波探傷装置。
【請求項３】
ＳＨ波を発生させる複数の振動子を１次元アレイ状または２次元アレイ状に配列し、隣接する前記複数の振動子を弾性体によって互いに接続してなる超音波センサーを検査対象に配置するセンサー配置ステップと、
それぞれ隣接した前記複数の振動子間の相対的な位置関係を計測する隣接振動子相対位置関係計測ステップと、
この隣接振動子相対位置関係計測ステップによって計測した隣接振動子相対位置関係と前記超音波センサーから前記検査対象へ入射する超音波ビームの入射角度情報を用いて前記複数の振動子の駆動タイミングを計算する振動子駆動タイミング計算ステップと、
この振動子駆動タイミング計算ステップによって得た前記複数の振動子駆動タイミング情報に基づいて前記複数の振動子を駆動する振動子駆動ステップと、
を備え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、フェイズドアレイ探触子を用いて検査対象に発生したき裂等の検出を行う超音波探傷装置および超音波探傷方法に関わる。
【背景技術】
【０００２】
一般に超音波探傷装置とは、検査対象物に超音波を送信し、き裂等から反射した超音波信号を受信・解析することによって検査対象のき裂等を検出するものである。
【０００３】
このような超音波装置としては、ＳｈｅａｒＶｅｒｔｉｃａｌ波（以下ＳＶ波）、ＳｈｅａｒＨｏｒｉｚｏｎｔａｌ波（以下ＳＨ波）を用いたものがよく知られている。ＳＨ波はモード変換を起こさないために干渉による減衰や擬似エコーの発生がＳＶ波よりも少なく、ＳＶ波よりも探傷精度が高いことが知られている。しかし、ＳＶ波のほうが取り扱い容易であるため、実際にはＳＶ波を用いた探傷装置が多く用いられている。
【０００４】
ＳＨ波は、モード変換を利用して検査対象へ入射することが不可能であるため、センサーを検査対象へ配置する際に粘度の高い液体などの接触媒質を用いる必要がある。接触媒質は検査対象となる構造物よりも超音波のエネルギー減衰率が高く、また音速も検査対象と異なるため、なるべく薄く均一な膜状に形成されることが望ましい。また、このような粘度の高い接触媒質を用いる場合は、センサー配置後に反射エコーが安定するまでに数分から数十分程度の時間を要する。このため、センサーの移動によって走査を行うことは非常に時間がかかり非効率的である。
【０００５】
この問題に対して、超音波ビームを電子的に走査させてさまざまな角度で探傷を行うフェイズドアレイ技術を用いることにより、センサーの物理的な走査を行わずに検査対象内部の走査を可能とすることができる。
【０００６】
フェイズドアレイ技術の概要について、図６を用いて説明する。複数個の振動子１０２からなセンサー１０７が接触媒質１０６を介して検査対象物１０８に配置されている。複数の振動子の駆動タイミングをずらして順番に駆動して振動子１０２の各々が超音波１０９を発生させる。この超音波１０９が合成されることによって、所望の入射角θを有する超音波ビーム１１０が発生する。各振動子の駆動タイミングを計算して制御することでさまざまな角度の超音波ビームを合成し、超音波ビームの電子的な走査を実現している。
【０００７】
入射角θを有する超音波ビーム１１０を得るための複数の振動子の駆動タイミングについて、（１）式を用いて以下説明する。各振動子間の距離をｄ（ｍｍ）、探傷角度をθ（度）、超音波の音速をｖ(ｍ／ｓ)とすると各振動子間の駆動タイミングを下記（１）式に示すΔｔ（ｍｓ）だけ遅らせて超音波を送信することにより斜角探傷は実現できる。
【０００８】
Δｔ＝ｄ・ｓｉｎθ／ｖ   （１）
しかしながら、このようなフェイズドアレイ探触子は、配置される探傷面が水平でない場合、各振動子の駆動タイミングの計算結果と実際の超音波に誤差が生じるため、超音波ビームが検査対象のターゲットに収束せず探傷精度が低下する。ＳＨ波を用いる場合、センサーの再配置を繰り返して検査に好適な探傷面を探すことは、センサーの再配置の度に反射エコーが安定するまでの時間を要するため非効率的である。
【０００９】
探傷面の形状に起因する精度の低下を解消するための技術として、例えば特許文献１に示される装置がある。
【００１０】
特許文献１に示された従来のフェイズドアレイ式超音波探傷装置について、図７を用いて以下説明する。図７（ａ）は従来の装置の概略を示すブロック図、図７（ｂ）は従来の装置を探傷面１０５に配置した状態の概略を示すブロック図である。
【００１１】
図７（ａ）を用いて従来の装置の構成について説明する。探傷プローブ１１１の枠体１０１内に複数個の振動子１０２が１列に配置され、この振動子１０２の各々はそれぞれ弾性体１０３によって下方に押されて上下方向に移動可能に支持されている。振動子１０２の各々を支持する各弾性体１０３はそれぞれ上側に配置された振動子移動量検出器１０４に接続されている。
【００１２】
図７（ｂ）を用いてこの装置の作用について説明する。図７（ｂ）に示すように接触媒質１０６を介して探傷面１０５に探傷プローブ１１１を配置させる。ここでは探傷面１０５は曲面をなしており、振動子１０２の各々は弾性体１０３によって探傷面１０５に押し付けられる。各振動子１０２を探傷面１０５に押し付けることにより、探傷面１０５の表面形状に応じて弾性体１０３が圧縮され、これを振動子移動量検出器１０４が検出して各振動子１０２の上下方向の位相情報を得る。この位相情報を用いて振動子１０２各々の駆動タイミングを補正することによって探傷面の表面形状に起因するターゲットへの収束誤差を解消し、探傷精度を向上させている。
【特許文献１】特開２００１−３０５１１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上述した装置は各振動子が上下方向のみに可動である。そのため、探傷面が大きい曲率を有する場合、超音波センサーが探傷面に対して十分な密着性を得ることができない。大きい曲率を有する探傷面に超音波センサーを配置した例を図８に示す。図８においては検査対象である構造物が円形状の断面を有しており、探傷面が大きい曲率を有している。図８に示した検査対象物においては探傷面１０５へ配置された振動子１０２の一部が探傷面１０５に対して大きく傾いてしまっている。そのため、密着性が悪く、振動子１０２各々から探傷面１０５に対して出力した超音波が収束せず、所望の角度の超音波ビームが合成されない可能性がある。また、接触媒質１０６の膜が振動子１０２と探傷面１０６の間において均一に形成されないために探傷精度が低下してしまう可能性があった。
【００１４】
本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、ＳＨ波を用いた超音波探傷において、検査対象の表面形状に起因した接触媒質の偏在と振動子駆動タイミングの誤差を防止して探傷精度を向上させることのできる超音波探傷装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するため、本発明による超音波探傷装置は、ＳＨ波を発生させる複数の振動子を１次元アレイ状または２次元アレイ状に配列し、隣接する前記複数の振動子を弾性体によって互いに接続してなる超音波センサーと、前記超音波センサーの探傷面と前記探傷面と対向する面のそれぞれに、前記複数の振動子のうち隣接する振動子間にわたって設けられ、検査対象への配置にともなう前記超音波センサーの変形に応じて歪量を出力する複数の歪検出器と、前記歪検出器の各々から出力された歪量を用いて隣接する振動子間の相対位置関係情報を計算する第１の演算機と、前記検査対象へ入射する超音波ビームの入射角度と隣接する振動子間の相対位置関係情報を用いて前記複数の振動子の駆動タイミングを計算する第２の演算機と、この第２の演算機が計算した前記駆動タイミングに基づいて前記複数の振動子を駆動させる探傷器とを備えることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明による超音波探傷方法は、ＳＨ波を発生させる複数の振動子を１次元アレイ状または２次元アレイ状に配列し、隣接する前記複数の振動子を弾性体によって互いに接続してなる超音波センサーを検査対象に配置するセンサー配置ステップと、それぞれ隣接した前記複数の振動子間の相対的な位置関係を計測する隣接振動子相対位置関係計測ステップと、この隣接振動子相対位置関係計測ステップによって計測した隣接振動子相対位置関係と前記超音波センサーから前記検査対象へ入射する超音波ビームの入射角度情報を用いて前記複数の振動子の駆動タイミングを計算する振動子駆動タイミング計算ステップと、
この振動子駆動タイミング計算ステップによって得た前記複数の振動子駆動タイミング情報に基づいて前記複数の振動子を駆動する振動子駆動ステップとを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ＳＨ波を用いた超音波探傷において、探傷面の表面形状に起因する各振動子の駆動タイミング計算結果と実際の超音波の誤差を解消するとともに、各振動子が検査対象の探傷面に良好に密着して配置可能であり、接触媒質の膜を薄く均一に形成することによって探傷精度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１９】
図１から図３はそれぞれ本実施例の超音波探傷装置１０のセンサー１を検査対象に配置した状態の概略を示す断面図である。図１ではセンサー１を配置した探傷面が平面である場合、図２では傾斜した探傷面が含まれる場合、図３では円形状の断面を有する構造物５２ｃの円周方向に沿ってセンサー１を配置した場合をそれぞれ示す。また、図４は本実施例の超音波探傷装置１０の動作を示すフローチャートである。
【００２０】
本実施例の超音波探傷装置１０の構成について、図１〜３を用いて以下説明する。
【００２１】
本実施例の超音波探傷装置１０はセンサー１、演算機３、探傷器４から構成される。
【００２２】
センサー１は、1次元アレイ状に配列されたＳＨ波を発生させる振動子Ｖ１〜Ｖ８、隣接した各振動子Ｖ１〜Ｖ８の各々を接続する合成樹脂から成る弾性体５、隣接した振動子Ｖ１〜Ｖ８の各々の間に取り付けられた歪量を出力する歪検出器である歪ゲージＧ１ａ〜Ｇ７ａ、Ｇ１ｂ〜Ｇ７ｂから構成されている。歪ゲージＧ１ａ〜Ｇ７ａはそれぞれセンサー１の上側に、歪ゲージＧ１ｂ〜Ｇ７ｂはそれぞれセンサー１の下側に設けられている。
【００２３】
演算機３と歪ゲージＧ１ａ〜Ｇ７ａ、Ｇ１ｂ〜Ｇ７ｂの各々を結ぶ破線は、演算機３と歪ゲージＧ１ａ〜Ｇ７ａ、Ｇ１ｂ〜Ｇ７ｂの各々が通信可能に接続されていることを示しており、図１〜３中においては一部を省略して図示している。また、演算機３は探傷器４と通信可能に接続されており、歪ゲージＧ１ａ〜Ｇ７ａ、Ｇ１ｂ〜Ｇ７ｂの各々の出力情報や検査対象へ入射する超音波ビームの入射角度などの情報に基づいて振動子Ｖ１〜Ｖ８各々の駆動タイミングを計算する。
【００２４】
探傷器４と各振動子Ｖ１〜Ｖ８を結ぶ破線は、探傷器４と各振動子Ｖ１〜Ｖ８が通信可能に接続されていることを示し、図１〜３中においては一部を省略して図示している。探傷器４各振動子Ｖ１〜Ｖ８各々を演算機３が計算した駆動タイミングに基づいて駆動させる。
【００２５】
センサー１は検査対象となる構造物５１ａ〜５１ｃに接触媒質２を介して配置されている。構造物５１ａ〜５１ｃの内部にはそれぞれき裂５２が発生している。
【００２６】
本実施例による超音波探傷装置の作用について、以下説明する。
【００２７】
センサー１は、弾性機能を有している合成樹脂から成る弾性体５の伸縮により、図２、図３のように探傷面が曲面を有する場合でも探傷面の形状に対して柔軟に設置可能であり、良好な密着性を得ることができる。また、各振動子Ｖ１〜Ｖ８が構造物５１ａ〜５１ｃの表面に沿って配置されるため、接触媒質２の膜を薄く均一に形成することができる（図４、ステップＳ１）。
【００２８】
センサー１が探傷面へ配置されたとき、探傷面形状に応じてセンサー１が変形すると、それにともなって歪ゲージＧ１ａ〜Ｇ７ａ、Ｇ１ｂ〜Ｇ７ｂの各々が変形し、歪量を出力する。この歪ゲージＧ１ａ〜Ｇ７ａ、Ｇ１ｂ〜Ｇ７ｂの各々の出力値は演算機３へ送信される（図４、ステップＳ２）。
【００２９】
歪ゲージＧ１ａ〜Ｇ７ａ、Ｇ１ｂ〜Ｇ７ｂの各々の出力値について、以下説明する。
【００３０】
図１のように探傷面が平面である場合、センサー１は変形せず、歪ゲージＧ１ａ〜Ｇ７ａ、１ｂ〜Ｇ７ｂの出力値は全て０である。
【００３１】
図２においては振動子Ｖ２、Ｖ３間、及び振動子Ｖ６、Ｖ７間で弾性体５が伸縮してセンサー１が変形しており、振動子Ｖ３〜Ｖ６が傾斜した探傷面に沿って配置されている。センサー１の変形にともなって、歪ゲージＧ２ａ、Ｇ２ｂ、Ｇ６ａ、Ｇ６ｂがそれぞれ歪量を出力する。他の歪ゲージは伸縮しないため、出力値は０となる。
【００３２】
図３においては各振動子Ｖ１〜Ｖ８間の弾性体５がそれぞれ伸縮してセンサー１が変形しており、振動子Ｖ１〜Ｖ８の各々が探傷面に沿って配置されている。センサー１の変形にともなって歪ゲージＧ１ａ〜Ｇ７ａ、Ｇ１ｂ〜Ｇ７ｂがそれぞれ歪量を出力する。
【００３３】
演算機３は歪ゲージＧ１ａ〜Ｇ７ａ、Ｇ１ｂ〜Ｇ７ｂの各々の出力値から、隣接振動子相対位置関係情報を計算する（図４、ステップＳ３）。
【００３４】
隣接振動子相対位置情報について、図５を用いて以下説明する。図５はセンサー1が変形した状態の一例について、振動子Ｖ１と振動子Ｖ２を例として拡大して示しており、振動子Ｖ１に対して振動子Ｖ２が下方へ移動して傾いている。
【００３５】
隣接振動子相対位置情報とは、隣接した各振動子間の距離や相対的な傾斜角度などの情報であり、隣接振動子相対位置関係情報を用いることによって、隣接した振動子の一方の位置を基準とした他方の振動子の位置を計算で求めることができる。
【００３６】
なお、相対的な傾斜角度とは、基準となる一方の振動子に対しての他方の振動子の傾きを意味している。図５においては、θが振動子Ｖ１に対する振動子Ｖ２の相対角度を示す。
【００３７】
振動子Ｖ１〜Ｖ８の各々について隣接振動子相対位置関係情報が分かれば、振動子Ｖ１〜Ｖ８の各々の位置関係を計算することができる。例えば、振動子Ｖ１と振動子Ｖ３の位置関係は、振動子Ｖ１を基準にした振動子Ｖ２の位置の計算結果と、振動子Ｖ２を基準にして振動子Ｖ３の位置の計算結果を加算することで求めることができる。また、各振動子Ｖ１〜Ｖ８の位置関係が分かるため、隣接振動子相対位置関係情報によってセンサー１の形状を求めることができる。
【００３８】
次に、歪ゲージＧ１ａ〜Ｇ７ａ、Ｇ１ｂ〜Ｇ７ｂと隣接振動子相対位置関係情報との出力値の関係について以下説明する。
【００３９】
例えば、歪ゲージＧ１ａの出力値をＸ、歪ゲージＧ１ｂの出力値をＹとし、センサー１が変形していない状態での出力値をＸ＝Ｙ＝０とする。
【００４０】
出力値がＸ＞Ｙの場合は、図４に示すように、振動子Ｖ２が初期位置よりも歪ゲージＧ１ｂ側へ移動して傾いており、Ｘ＜Ｙの場合は振動子Ｖ２が初期位置よりも歪ゲージＧ１ａ側へ移動して傾いている。また、ＸとＹの差が大きいほど、振動子Ｖ１に対する振動子Ｖ２の相対的な傾斜角度は大きくなる。
【００４１】
以上説明したように、歪ゲージＧ１ａ〜Ｇ７ａ、Ｇ１ｂ〜Ｇ７ｂの出力値から隣接振動子相対位置関係情報を求めることができる。
【００４２】
次に、演算機３は検査対象へ入射する超音波ビームの入射角度と隣接振動子相対位置関係情報を用いて振動子Ｖ１〜Ｖ８の各々の駆動タイミングを計算する（図４、ステップＳ４）。
【００４３】
次に、演算機３はステップＳ４で計算した振動子Ｖ１〜Ｖ８の各々の駆動タイミング情報を探傷器４へ送信する（図４、ステップＳ５）。
【００４４】
探傷器４は振動子Ｖ１〜Ｖ８の各々の駆動タイミング情報に基づいて振動子Ｖ１〜Ｖ８の各々を駆動させて超音波ビームを入射する（図４、ステップＳ６）。
【００４５】
振動子Ｖ１〜Ｖ８の各々の駆動によって入射された超音波ビームがき裂５２へ達すると反射波が発生する。振動子Ｖ１〜Ｖ８の各々がこの反射波を受信すると、探傷器４が超音波入射タイミングと反射波受信タイミングの時間差と超音波の速度に基づいてき裂の位置を計算し、特定する（図４、ステップＳ７）。
【００４６】
このような一連の動作によって、探傷面が大きい曲率を有する場合であっても、センサー１を良好な密着性で探傷面に配置し、接触媒質２膜を均一に形成させ、かつ探傷面の形状によって生じる振動子駆動タイミングの誤差を防止し、ＳＨ波を用いた高精度な超音波探傷を行うことが可能である。
【００４７】
なお、本実施例においてはセンサー１を複数の振動子Ｖ１〜Ｖ８を１次元アレイ状に配列したものとして説明したが、例えば複数の振動子を２次元アレイ状に配列してセンサー1を構成するものとしても同様の効果を得ることができる。
【００４８】
また、本実施例において弾性体５を合成樹脂として説明したが、天然樹脂、バネ、ゴム、ゲル状物質に代えても同様の作用が得られ、それに伴って本発明の効果を得ることができるのはもちろんである。
【００４９】
以上本発明の実施例について図を参照して説明してきたが、本発明は上記実施例に限定されるものでなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲でいろいろの変形を採ることができる。当業者にあっては、具体的な実施例において本発明の技術思想および技術範囲から逸脱せずに種種の変形・変更を加えることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】実施例１の超音波探傷装置のセンサーを、水平な探傷面に配置した状態の概要を示すブロック図。
【図２】実施例１の超音波探傷装置のセンサーを、傾斜面した部分を有する探傷面に配置した状態の概要を示すブロック図。
【図３】実施例１の超音波探傷装置のセンサーを、円形断面を有する構造物の円周方向に沿って配置した状態の概要を示すブロック図。
【図４】実施例１の超音波探傷装置の動作を示すフローチャート。
【図５】実施例１の超音波探傷装置のセンサーについて、変形した状態の一部分を拡大して示したブロック図。
【図６】フェイズドアレイ技術の概要を示すブロック図。
【図７】（ａ）は従来の超音波探傷装置の概要を示すブロック図、（ｂ）は（ａ）に示した装置を探傷面に配置した状態を示すブロック図。
【図８】従来の超音波探傷装置を、曲率の大きい探傷面に配置した状態の概略を示すブロック図。
【符号の説明】
【００５１】
１  センサー
２  接触媒質
３  演算機
４  探傷器
５  弾性体
１０  超音波探傷装置
５１ａ〜ｃ  構造物
５２  き裂
Ｖ１〜Ｖ８  振動子
Ｇ１ａ〜Ｇ７ａ、Ｇ１ｂ〜Ｇ７ｂ  歪ゲージ
１０１  枠体
１０２  振動子
１０３  弾性体
１０４  振動子移動量検出器
１０５  探傷面
１０６  接触媒質
１０７  センサー
１０８  検査対象物
１０９  超音波
１１０  超音波ビーム
１１１  探傷プローブ 
【図１】
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【図２】
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【図３】
2009042173.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
2009042173.tif 000008
【図７】
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【図８】
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