技術紹介

フェーズドアレイ法による欠陥検出技術
芝 田 三 郎 ＊＊Saburou

Shibata

船 戸 一 寛 ＊＊Kazuhiro

Funato

近年、構造材の新しい検査手法としてフェーズドアレイ法が注目されてきている。これは、プローブに組み込んだ多数の振動子を電子的に走査して任意の方向へビームを伝搬させることや、任意の位置に焦点を結ぶことが可能となり測定精度が向上できるためである。さらに、試験体にプローブを置くだけで内部を画像で見ることができることも大きなメリットの一つである。本報では、フェーズドアレイ法の概要に加え、これまで行ってきた適用研究で明らかになったことを抜粋して技術を紹介する。
キーワード：超音波探傷法、フェーズドアレイ法、アレイプローブ、リニアスキャン、セクタスキャン、垂直法、斜角法

壊検査機器も進歩しフェーズドアレイ装置として１．はじめに国内外の装置が出回り始めてきている。

フェーズドアレイ法（Ultrasonic Phased Array）

当社では、平成 12 年に設備投資と同時に適用技

は、一昨年来の諸般の原子力プラント事情により術の開発に着手して以後、試験片レベルのデータマスコミで報道され非破壊的に欠陥を検出できるだけでなく原子力発電プラントの配管等、実機レ超音波探傷技術として広く知れ渡った。また、一ベルのデータも蓄積してきている。
本報では、フェーズドアレイ法の概要とこれま般的には、医学の面で内科的な体内の健康管理やでの研究成果を加えて技術を紹介する。

胎児の監視などに超音波エコー診断装置が広く用いられていることが良く知られている。

２．フェーズドアレイ法の概要

ここで紹介するフェーズドアレイ法は、そもそ2. 1

も医学の方面で進歩した技術を工業面に応用されパルス反射法（JIS 法）とフェーズドアレイ法たものであり、非破壊検査としては電子走査と称との走査の違いを図 1 に示す。パルス反射法では呼していたころを加えると歴史は古い。

1 個又は 2 個の振動子を持つ探触子を X 及び Y 方向

最近では、データ処理技術の発展に伴って非破＊＊＊パルス反射法とフェーズドアレイ法

元検査事業部 技術部 課長（現株式会社アデルコ）
検査事業部 技術部 課長―27―

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へ機械的に矩形走査して 2 次元の欠陥イメージを（Dynamic Depth Focusing）が多く用いられる。

描写するのに対し、フェーズドアレイ法では X 方

2. 2

フェーズドアレイ法の欠陥イメージ

向は電子的に走査されているため、Y 方向の機械

図 3 にフェーズドアレイ法での斜角法の欠陥イ的な走査だけでチャンネル数の範囲で欠陥イメーメージを示しているが、通常の自動 UT 装置と同ジを描くことが可能となる。また、振動子毎の励様に、試験片に対し側面視の B イメージ、上面視振時間をコントロールすることによりビームの伝の C イメージ及び前面視の D イメージの 3 方向の搬方向だけでなく、任意の位置に焦点域を変える描画（Volumetric Merge 画像（全波形を加算したことができるのが大きな特徴である。代表的なビ画像））が得られる。さらに、64 ch 分の振動子毎ームの走査例とその利点を図 2 に示すが、一般にの全波形を取り込んでおり各振動子の B, C, D イメ

リニアスキャンやセクタスキャン及び DDFージの描画（Non Volumetric Merge 画像（加算し図 1 パルス反射法とフェーズドアレイ法との走査

図 2 ビームの走査例―28―

ない振動子毎の画像））が可能である。これらは（2）アレイプローブ（IMASONIC 社）

プローブを 1 走査するだけで採取できるため検査

外形寸法： 72 × 38 × 45

スピードは速いが、その反面、データの量はチャ

周波数： 5 MHz

ンネル数×走査距離（データ採取ピッチ）となり

CH 数： 64 CH

かなりの解析時間を要する。

振動子寸法： 1 × 27 mm
振動子ピッチ： 0.25 mm

３．装置（3）その他

装置の構成及びプローブの外観を図 4 に示す。
装置は、①データ採取本体

一軸走査機構②データ解析用 PC

各種屈折角のプローブシュー③アレイプローブからなり、プローブの走査機構として簡易的な一軸走査機構（リニアエンコーダ）で構成されている。主な装置仕様を以下に示す。
（1）フェーズドアレイ装置（m-Tomo Scan Focus
R&D Tech 社）
外形寸法： 520 × 420 × 200

重量： 20 kg

PFR ：最大 6887
サンプリング周波数： 100 MHz
バンドパス周波数： 0.5 MHz 〜 15 MHz
図 4 フェーズドアレイ装置

ゲイン：最大 105 dB

図 3 フェーズドアレイ法の概要―29―

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向を Y とし、欠陥指示の青色の輪郭を計測した。
４．試験結果および考察
4. 1

欠陥の指示模様は、X 方向及びＹ方向とも過大

垂直法評価であるが、Y 方向は 1 対 1 に近いのに対し、（1）欠陥検出性及び寸法計測

X 方向はかなりの過大となることが判った。こ

平底穴を裏面に付与した平板試験片（35 t，れは振動子の長さが 27 mm と長くビーム幅が広65 t）を用い、周波数 5 MHz の垂直リニアスキくなっているためであり、欠陥がビーム幅よりャンにより走査ピッチ（データ採取ピッチ）をも小さい場合に顕著となる。

変えて検出性を検討した結果を図 5 に示す。平

このように振動子長さ方向の指示が大きく測

底穴は、底面から高さ 15 mm と一定にし直径を定された場合は、プローブの向きを 90º 変えてφ 0.5, 1, 2, 3, 4, 5 mm の 6 種類とした。

欠陥の指示長さを確認したうえで適正な評価をいずれの走査ピッチもφ 0.5 mm は不鮮明であ行う必要がある。

ったがφ 1 mm 以上は鮮明に検出することがで（2）欠陥指示の分解能きた。走査ピッチを 0.5、1 及び 2 mm としたが板厚 100 t の平板に表面から 50 mm 以降に長さ通常の画像では際立った優位性は認められなか5 mm の放電スリットを 3 箇所（A, B, C）付与した試った。しかし、0.5 mm ピッチではメモリの増大

験片を用い、周波数を 10 MHzとし DDFとセクタスと走査に時間がかかり、2 mm ピッチでは拡大表示すると指示模様の輪郭が若干粗くなること等を考慮し 1 mm ピッチが妥当と考えた。
なお、走査ピッチは、検出すべき欠陥の大きさや走査距離等を考慮してその都度決定する必要がある。
平底穴の探傷画像から欠陥指示模様の寸法を読み取り、測定精度について検討した結果を図6 に示す。欠陥指示の読み取りは、図中に示す
図 6 平底穴の直径寸法測定結果

ように振動子の長さ方向を X、振動子の並び方

図 5 垂直リニアスキャンによる平底穴検出例（65 t）―30―

キャンにより欠陥の検出性及び分解能について検のノッチ付与試験体を用い周波数 5 MHz により検討した結果を図 7 に示す。図中にスリットの位置と討した結果を図 8 に示す。図中の下側には開口形状を示しているが、これらは実機部材に発生し部エコー高さに対する端部エコー高さを座標でたき裂をモデル化したものである。各スリットの間示している。縦波及び横波ともいずれのノッチも隔は AとB が 2 mm、BとC が 10 mmとした。

鮮明に検出することができたが、縦波の方が寸法DDF 及びセクタスキャンともスリットの端部はほ計測は容易であるのに対し、横波は開口部エコぼ同等に検出されたが、B 及び C の下端部が検ーの指示模様がかなり大きく、しかも端部エコー出性は低かった。いずれの走査ともスリットの面の指示も分離されず重畳するため寸法計測は困反射は得られず、画像ではあたかも単独の欠陥難であった。これは端部エコーと開口部エコーとが数個内在しているとの判断となる可能性が示唆の差が 19 dB もあり、端部エコーを明確に描写さされる。これは、面にあたったビームは底面方向れるまで感度を上げたことにより指示模様が大きへ反射されるためであり超音波の性質である。Aくなり重畳したためである。一方、縦波は開口部の下端とB の上端とは 2 mm の間隔を空けているエコーと端部エコーとの差がわずか 8 dB であり、が DDF 及びセクタスキャンとも明確に分離されて感度を上げなくても開口部エコーと端部エコーといるものの、指示の大きさや分解能の面でセクタが分離して明確に描写できるためである。

スキャンの方が優位な画像が得られた。
4. 2

よって、板厚方向の欠陥寸法計測は縦波の方斜角法が優位であることが認められた。また、縦波の（1）モードの違い

場合、プローブシューの外形寸法が横波よりも縦波と横波との検出性について、深さ0.3, 4 mm小さくなるため走査性の面でも優れていた。

図 7 スリットの検出性及び分解能―

31―

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図 8 モードの違いによる検出性―32―

（2）屈折角

指示はピークから-6 dB の範囲としこれを比較

縦波屈折角 45º, 60º 及び 70º の検出性検討結果した。欠陥指示は屈折角が大きいほど板厚方向（Volumetric Merge 画像）を図 9 に示す。ビームのへ大きめに描写され、特に 70º は大きい。これ

表示幅（1 〜 64 ch 間）は屈折角が大きいほど狭は、ビームの指向性に起因するためと、さらに、くなるのが判る。これは図中に示しているよう屈折角が大きいほど開口部エコーと端部エコーに見掛けのプローブ寸法が小さくなるためであとの時間差が小さくなるため近接した画像になる。したがって、屈折角が大きいほど監視範囲ることなどが考えられる。したがって、ピークが狭くなり検出性の低下や欠陥の見落しの原因エコーが識別し難くなることでデータのばらつとなることも考えられるため、プローブ走査はき要因につながるため、例えば面状欠陥の高さ

監視範囲に対し適切なプローブ位置（Y）及び走計測においては十分注意が必要である。

査範囲を考慮の上決定する必要がある。また、（3）寸法測定限界

欠陥高さの大きい欠陥には 60º 及び 70º では欠陥

NonVolumetric Merge 画像上による寸法の計測に対し直交走査の距離を大きくする必要がある。

限界について検討した結果（縦波）の代表例を屈折角の違いによる板厚方向の欠陥指示の大図 11 に示す。検討方法としては、画像上で開口きさについて、4 mm ノッチの Volumetric Merge

部エコーと端部エコーとが分離でき、しかもピ画像により検討した結果を図 10 に示す。欠陥ークの位置が読み取れるかどうかで決定した。

図 9 屈折角の違いによる検出性（縦波）―

33―

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図 10屈折角の違いによる欠陥指示模様の違い（-6 dB 範囲）

図 11

屈折角の違いによるノッチ高さ計測限界―34―屈折角 45º では 1 mm ノッチを、60º が 3 mm ノ③屈折角 60º 及び 70º よりも 45º の方が検出性、

ッチ、70º が 4 mm ノッチであり、45º が最も小寸法計測の面で優位である。

さいノッチを分離して読み取ることができ 45º④屈折角が大きいほど板厚方向の欠陥指示は大の優位性が確認された。

きめに描写されるため、ピーク位置の決定には注意が必要である。

５．まとめ
６．おわりにフェーズドアレイ法の適用拡大を図るため垂直法と斜角法について適用性を検討した結果、以下フェーズドアレイ法は、通常のパルス反射法のことが判った。

（JIS 法）と同様に反射されてきた超音波信号を解5. 1

析する方法であるが、多数の振動子をアレイ状に垂直法①本報では走査ピッチは 1 mm が最適であった

配列したことによりビーム走査やフォーカジングが、走査ピッチの設定は検出すべき欠陥の寸及び、欠陥の画像化等が容易になった点が手法そ法や走査距離を考慮の上決定する必要があのものの大きな特徴である。今回、手法の概要とる。

その優位性について代表例を述べ、優れた検査方②欠陥指示は過大評価されるが、特に、振動子法であることは確認できたが、しかし様々な機種の長さ方向の寸法は大きく計測されるので注に適用するにはクリヤしなければならないことも意が必要である。

多い。特に、キャリブレーションの検討は重要で③DDF 及びセクタスキャン画像とも近接した欠あり、中でも感度設定は欠陥が画像として表示さ陥の上端部と下端部との 2 mm の間隔を十分れてはじめて評価の対象となるためと、有害・無に分離できることが確認された。

害を判断するうえでも重要なパラメータである。

斜角法

本検査法がオーサライズされるためには、これら

5. 2①画像上で端部エコー法により欠陥高さを計測

キャリブレーションを充実することが急務でありする場合、横波よりも縦波の方が優位である。

これにはデータの蓄積が必要となる。今後更なる②屈折角が大きいほど画像に表示されるビーム検討を加え適用技術を開発していく考えである。の表示幅は狭くなる。

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