技術紹介

マトリクスアレイによる高精度探傷技術の開発
神代修平 *1

Koujiro Shuuhei

引地達也 *2

Hikichi Tatsuya

長沼隼人 *2

Naganuma Hayato

フェーズドアレイ法による超音波探傷検査は、発電設備の保守点検や鉄道・航空宇宙・鉄鋼製造ライン・橋梁構造物など幅広い分野で適用されているが、現行のフェーズドアレイ法（リニアアレイ）を含む一般的な UT 技術でのきず寸法測定は、実際のきず長さに対して過大評価となっている。一方、マトリクスア
レイは超音波ビームの点集束が可能であり、検出性能・識別性能の向上による高精度なきず寸法測定が見込める。そこでリニアアレイとマトリクスアレイの性能比較試験を実施した結果、マトリクスアレイの方が指示長さ測定・識別性能において優れていることを確認した。
キーワード：超音波探傷試験、フェーズドアレイ法、リニアアレイ探触子、マトリクスアレイ探触子、
欠陥寸法測定当社では、原子力プラントの SCC（応力腐食1. はじめに割れ）部の寸法測定、火力・水力発電所の保守検超音波フェーズドアレイ技術（Ultrasonic Phased

査、その他溶接部検査、腐食検査、裏面の形状計

Array）の適用範囲は、1980 年代の初頭に医療分測など多岐にわたり超音波フェーズドアレイ法を野から産業分野へと拡大し、主に原子力容器・大適用しているが、現行のフェーズドアレイ法を含型鍛造シャフト・蒸気タービン部品等の比較的高む一般的な UT 技術でのきず寸法測定は、超音波い精度を要するものに適用されていた。近年には、ビームの拡がりによる影響で実際のきず長さに対製造・電子・コンピュータ技術の進歩とそれに伴し過大評価となっている。また、火力発電所用ボうソフトウェアの開発によりフェーズドアレイ技

イラの主要耐圧部溶接部の経年変化に対する健全術は飛躍的に発展し、大容量データの高速処理能性確認検査において検査精度の向上が求められて力が向上したことにより小型携帯タイプの探傷装いる。

置も登場している。

マトリクスアレイは、超音波ビームの点集束が現在では、発電設備の保守点検の他、鉄道・航可能であり検出性能・識別性能の向上による高精

空宇宙・鉄鋼製造ライン・橋梁構造物など適用分

度のきず寸法測定および、より微細なきずの検出野が広がっている。また、今後普及拡大が見込まが見込める。

れる FRP 材に対する健全性検査の適用例も出て本稿では、現行のフェーズドアレイ法（リニ

きており超音波フェーズドアレイ法の一般化が進ア ア レ イ ） と マ ト リ ク ス ア レ イ（Matrix Phased

んできている。

Array）の性能比較試験の実施結果を報告する。

*1：検査事業部*2：検査事業部

第一検査部 品質管理グループ
技術部 NDE グループ—

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2. 超音波フェーズドアレイ法の概略
超音波フェーズドアレイ法は、一つの探触子内に複数の微小振動子を配し、各振動子の励振タイミングを電子的に制御することにより超音波ビームの方向と集束位置を任意に設定することが可能な超音波探傷試験の手法である。また、ビーム方向・集束位置を複数設定することが可能であり、（a）リニアアレイ

探触子位置を固定したままでの電子走査による所定領域全体の探傷ができる。
もう一つの特徴として、収集した波形データを画像化することができ、探傷画像を見ながらの走査が可能である。エンコーダ等で体積データを収集すれば任意の位置での上面・側面・断面の各方向の画像データを取得できる。
以上二つの特徴により、複雑な形状部分の探傷（b）マトリクスアレイにおいても内部状態の可視化ができることから、

図1

きずエコーと形状エコーの視認性・識別性が容易になっている。

超音波ビーム制御例

3. 検出精度試験

2.1 リニアアレイ
3.1 試験方法

一般的なフェーズドアレイ（リニアアレイ）探触子は、振動子を直線上に配列したもので、ビー

本試験では、周波数 5MHz のリニアアレイ探触ム方向（振り角）と集束位置を任意に設定するこ子とマトリクスアレイ探触子を使用し、STB-A2とにより 2 次元の電子制御（制御例：図 1-（a））

試験片（超音波探傷試験用標準試験片）の平底穴が可能となる。

f8mm、f4mm、f2mm を屈折角 -30°～ +30°のセ

2.2 マトリクスアレイ

クタースキャンによる垂直探傷を実施した。
探触子の仕様を表 1 に、探傷イメージ図を図 2

マトリクスアレイ探触子は、振動子を格子状に配列したもので超音波ビームの点集束が可能であに示す。

る。また、ビーム方向（振り角）と集束位置、さらに傾き角（首振り方向）を任意に設定することで 3次元のビーム制御（制御例：図 1-（b））が可能である。

表1探触子仕様
図2—

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垂直探傷イメージ図IIC REVIEW/2012/10. No.48

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3.2 試験結果

図 3（縦軸：セクター方向、横軸：走査方向）では、

図 3 にリニアアレイ・マトリクスアレイの垂直セクター方向（振動子配列方向）の指示にほとん

探傷結果画像、図 4 にデシベルドロップ法によるど差異は見られないが、走査方向ではビーム集束指示長さ寸法測定結果を示す。の有無の差が顕著に表れている。走査方向に振動子の配列がないリニアアレイでは、ビーム拡散の影響でマトリクスアレイの結果に比べ指示が長くなっている。また、平底穴 f 2mm の指示ではピークエコーが分離してしまっている。
マトリクスアレイの指示形状（特に f 2、f 4）は均等な円形をしており、両方向でビームが集束していることが確認できる。
図 4 からセクター方向における指示長さ寸法
測定結果は、穴径 f 2、f 4、f 8 の順にリニアアレ
イ で 3mm、4mm、5.5mm、 マ ト リ ク ス ア レ イ で3mm、4.5mm、5.5mm となった。走査方向はリニアアレイで 7mm、8mm、9.5mm、マトリクスアレ
イで 2.5mm、4mm、8.5mm となった。

垂直探傷画像（C スコープ）以上の結果から、セクター方向では計測精度に（a）リニアアレイ、（b）マトリクスアレイ

ほとんど差異は見られなかったが、走査方向にお図3けるリニアアレイの測定結果では、f 2 および f 4の穴径が 2 倍以上の過大評価となったのに対し、マトリクスアレイではいずれも設計値寸法との差は 0.5mm 以内であった。
平底穴 f 8 に対するセクター方向の測定結果は、両探触子とも 5.5mm と過小評価となった。これは、穴径に対して探触子サイズ（セクター方向の開口幅）が小さかったため、平底穴端部への入射角が大きくなり、端部からの反射エコー強度が下がったことに起因するものと考えられる。

図4指示長さ寸法測定結果—

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4. 識別性能試験
4.1 試験方法
本試験では、周波数 5MHz のリニアアレイ探触子とマトリクスアレイ探触子を使用し、試験体（材質：2.25Cr-1Mo、 板 厚：24mm） の f 0.3mm の 密集した五つの平底穴群を屈折角 -25°～ +25°のセクタースキャンによる垂直探傷を実施した。試験体仕様を図 5 に、探触子仕様を表 2 に示す。
表2探触子仕様

4.2 試験結果
図5探傷結果を図 6 に示す。

図6

平底穴群寸法および試験体写真

平底穴群探傷画像（上からＣスコープ、B スコープ、D スコープ）（a）リニアアレイ 16el、（b）リニアアレイ 32el、（c）マトリクスアレイ 8el × 8el—

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図 6（①～⑤：図 5 に対応）の（a）および（b）

図 7（b） で は、 指 示 エ コ ー 表 面 深 さ 測 定 結に示すリニアアレイの探傷結果では、ビームが集果 が ① ～ ⑤ の 順 に 9.0mm、10.0mm、11.2mm、束する D スコープで指示が多少確認できるもの

11.8mm、13.0mm であった。平底穴端部の設計表の、送信波の影響により不明瞭である。また、B・面深さは、9 ～ 13mm の 1mm ピッチなので最大

C スコープでは指示同士が重なり識別は困難であ誤差は③の -0.8mm となった。また、エコー強度る。一方、（c）のマトリクスアレイでは B・C・は表面から遠くなるにつれ減少傾向を示すことを

D 各スコープとも平底穴端部の指示エコー①～⑤確認した。指示②のエコー高度が低くなっているが識別でき、指示個数の確認および検出位置の測のは平底穴の端部形状によるものと考える。

定が可能である。

5. まとめマトリクスアレイで検出した指示の位置測定および高さ測定の結果を図 7 に示す。

超音波フェーズドアレイ法におけるリニアアレ

図 7（a）では、指示エコー①の座標を（走査方向、イとマトリクスアレイの性能比較試験を実施した。

セクター方向）=（0, 0）として、②～⑤の順に各平底穴 f2mm、f4mm に対する測定結果では、リ穴の位置座標は（-0.6, -0.6）、（0.8, -0.6）、（0.8, 0.8）、ニアアレイで指示長さ 7mm、8mm となったのに（-0.8, 0.6）であった。設計値の座標は中心穴より対し、マトリクスアレイでは 2.5mm、4mm であった。

両方向に 0.65mm であり、エンコーダの計測精度

また、2mm 角範囲内にある最小間隔が約 0.9mmが ±0.5mm なので、すべて測定誤差範囲内で検出の f0.3mm 平底穴群に対する探傷結果では、マトできることが確認できた。

リクスアレイによる各スコープで検出・識別可能であるが、リニアアレイでは識別不可であった。
以上のことから、本試験ではマトリクスアレイ
は現行の超音波フェーズドアレイ法（リニアアレイ）を含む一般的な UT 技術より検出性能・識別性能に優れ、より高精度の探傷ができることを確認した。
今回は、板厚 30mm 以下の鉄鋼材料における検証であったため、今後は板厚 30mm を超える鉄鋼（a）指示エコー検出位置測定結果材や拡大普及が見込まれる FRP 材等のデータを蓄積し、実機適用に向けた開発を進めることが重要である。

（b）指示エコー表面深さおよびエコー強度測定結果

図7

マトリクスアレイによる平底穴群探傷結果—

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参考文献（1） Olympus NDT Guideline, Introduction to Phased
Arrary Ultrasonic Technology Applications,
Canada Quebec, 2006.8（2） 小林英男・大岡起一・牧原善次、超音波による欠陥寸法測定 - 非破壊検査の新しい展開 - 、共立出版、2009.7（3） 中畑和之・石川千智・河野尚幸、超音波リニ
ア・マトリクスアレイ探触子の 3 次元放射音場のモデル化とその性能比較、日本機械学会
論 文 集（A 編 ）75 巻 759 号（2009-11） 論 文
No.09-0438（4） 日本工業出版株式会社「検査技術」、超音波
フェイズドアレイ技術 ‐ フェイズドアレイの基礎からの応用 ‐ 、2010 年改訂版

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