JP5593208B2 - 超音波探傷装置および超音波探傷方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波振動素子を２次元配列した超音波センサを用いる超音波探傷装置および超音波探傷方法に関する。

金属など固体の非破壊検査方法として、超音波探傷法が一般に用いられている。この超音波探傷法の一種に、フェーズドアレイ方式の超音波探傷法がある。フェーズドアレイ方式（電子走査方式や電子スキャン方式とも呼ばれる）は、例えば圧電素子などの、超音波を発振可能な複数の素子をアレイ状に配置したアレイセンサを用いる。探傷器により、各素子に電気信号を所定の時間だけ遅延させて与えることで、各素子から発生した超音波が被検体中で焦点を形成し、さらに、この各素子への電気信号を遅延させるパターン（遅延パターン）を高速で変化させることにより、被検査体中への超音波の送受信角度（屈折角）、焦点位置などを制御できるようにした超音波探傷法のことである。この方式が重要視されている理由は、被検体の内部で特に、環境や応力などの影響で欠陥が想定される近傍からの反射波をより強く受信できる角度や位置，焦点を選択することで、反射源である欠陥を検出しやすくできるからである。例えば、溶接部における検査では溶接線に沿う欠陥が予測されるので、この欠陥に対して屈折角３０度以上の範囲と、板厚あるいはその数倍程度の伝搬距離で焦点を形成するように遅延パターンを作成し、好適な条件下で検査するフェーズドアレイ方式による斜角探傷法ことが有効である。

近年、素子を２次元配列したマトリクスアレイセンサを用い、３次元に超音波を送受信することを可能とした３次元フェーズドアレイ技術の研究開発が盛んに行われており、これまでの２次元フェーズドアレイ技術による断面検査から、体積検査を可能としている（例えば、特許文献１参照）。

そこで、本発明者らは、マトリクスアレイセンサを用いた３次元超音波技術を、機械的な回転検査が必要とされる配管溶接部に対する超音波検査や、厚板材の超音波検査へ適用することを検討している。

上述した従来手法は、例えば薄い被検体に対し検査する場合には有効である。しかし、厚板材深部に位置する欠陥を３次元フェーズドアレイ技術による斜角探傷法で検査するには、超音波の収束性を向上するべくセンサ開口を大型化する必要がある。

ここで、従来のマトリクスアレイセンサとしては、ほぼ一定の大きさをもつ素子を直交配列した矩形マトリクスセンサや、素子の配列を変えることにより対称性を高めた矩形マトリクスアレイセンサ（例えば、特許文献２参照）などが知られている。

特開２００５−３５１７１８号公報 米国特許６３８４５１６号公報

これらのマトリクスアレイセンサでセンサ開口の大型化を行うには、いずれもセンサ開口の２乗に比例して超音波振動素子数が増加する。しかし、探傷器で制御可能な総素子数には技術的な限界があり、また、制御可能な超音波振動素子数を増やせたとしても装置が大型で高価なものとなる。

そこで、総素子数を制御可能な数に抑えつつ、センサ開口の大型化を行おうとすると、各素子の間の距離（ピッチ）が大きくなる。各素子の間の距離（ピッチ）が大きくなると、本来の探傷に用いる超音波（メインローブ）の他に、妨害波となる超音波（グレーティングローブ）が発生する。グレーティングローブが発生することにより、ノイズが増加し、ＳＮ比が低下するという問題が発生する。

本発明の目的は、制御可能な総素子数を抑えつつ、センサ開口の大型化を行うことで深部の検査を行えるとともに、ＳＮ比の向上した超音波探傷装置および超音波探傷方法を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、超音波を発振するセンサとして、超音波を発振する超音波振動素子を規則的に２次元状に配列した超音波センサを用い、当該超音波センサから検査対象の内部に超音波を送信し、前記超音波センサにより前記検査対象からのエコーを受信し、前記エコーから検査対象の欠陥の有無または欠陥の寸法を評価する超音波探傷装置であって、前記超音波振動素子の数は、前記超音波探傷装置によって制御可能な数よりも多く、前記超音波センサを構成する複数の超音波振動素子の内、超音波の送受信に使用する素子を選択する素子使用範囲選択手段と、該素子使用範囲選択手段にて、前記超音波探傷装置によって制御可能な数よりも多い数の超音波振動素子を選択した場合に、複数の素子を同電位となるように短絡する素子短絡パターン選択部とを備える構成としたものである。
（２）上記目的を達成するために、本発明は、超音波を発振するセンサとして、超音波を発振する超音波振動素子を規則的に２次元状に配列した超音波センサを用い、当該超音波センサから検査対象の内部に超音波を送信し、前記超音波センサにより前記検査対象からのエコーを受信し、前記エコーから検査対象の欠陥の有無または欠陥の寸法を評価する超音波探傷方法であって、前記超音波振動素子の数は、前記超音波探傷装置によって制御可能な数よりも多く、前記超音波センサを構成する複数の超音波振動素子の内、超音波の送受信に使用する素子を素子使用範囲選択手段で選択し、該素子使用範囲選択手段にて、前記超音波探傷装置によって制御可能な数よりも多い数の超音波振動素子を選択した場合に、素子短絡パターン選択部で複数の素子を同電位となるように短絡する。

本発明によれば、制御可能な総素子数を抑えつつ、センサ開口の大型化を行うことで深部の検査を行えるとともに、ＳＮ比を向上し得るものとなる。

本発明の第１の実施形態による超音波センサの構成を示す平面図である。 本発明の第１の実施形態による超音波センサにおける超音波の送受信方向の説明図である。 アレイセンサにおけるグレーティングローブの説明図である。 本発明の第１の実施形態による超音波センサにおけるグレーティングローブの発生方向の説明図である。 本発明の第２の実施形態による超音波センサの構成を示す平面図である。 本発明の第２の実施形態による超音波センサによる送受信配置を示す平面図である。 本発明の第３の実施形態による超音波探傷装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第３の実施形態による超音波探傷装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の第３の実施形態による超音波探傷装置に用いる超音波センサの説明図である。 本発明の第３の実施形態による超音波探傷装置に用いる超音波センサの説明図である。

以下、図１〜図４を用いて、本発明の第１の実施形態による超音波センサの構成及び動作について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による超音波センサの構成について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態による超音波センサの構成を示す平面図である。

本実施形態の超音波センサ１は、アレイ状に配置された複数の超音波振動素子１Ａから構成されている。複数の素子の総数は、探傷器で制御可能な総素子数（例えば、２５６個）以内となっている。本例では、複数の超音波振動素子１Ａは千鳥状に配置されている。

ここで、アレイセンサを構成する要素としては、代表的に、圧電素子，整合層，バッキング，接合部分，ケース，配線などが挙げられる。このうち、各素子の重心位置Ｒは、図１に示した本実施形態の超音波センサ１では、（ｎ１ａ１＋ｎ２ａ２）を満たすように素子配列されている。ｎ１，ｎ２は整数であり、ａ１，ａ２はベクトルである。

ここで、個々の超音波振動素子１Ａは、図示のように長方形状をしている。そして、ある素子の重心位置から、その素子に対して長辺方向（Ｘ方向）に隣接する他の素子の重心位置までのベクトルを、ａ１とする。また、ある素子の重心位置から、その素子に対して短辺方向（Ｙ方向）に隣接する他の素子の重心位置までのベクトルを、ａ２とする。そして、ある素子の重心位置を基準とした場合、他の素子の重心位置Ｒは、（ｎ１ａ１＋ｎ２ａ２）を満たす。なお、ベクトルａ１＞ベクトルａ２である。

また、複数の超音波振動素子１Ａは千鳥状に配置されているため、ベクトルａ１とベクトルａ２のなす角度は９０度以外であるとともに、（２ａ２−ａ１）・ａ１＝０を満たしている。なお、ここで、「・」は内積を示している。

また、本実施形態では、厚板材深部に位置する欠陥を検査できるようにするため、センサ開口を大型化している。具体例を挙げると、Ｘ方向の長さＸ１は３０ｍｍとして、Ｙ方向の長さＹ１を７５ｍｍとしている。そして、アレイ状に配列された素子の数は、Ｘ方向には１０個とし、Ｙ方向に２５個として、総数は２５０個としている。この場合、Ｘ方向のピッチｐｘ１は３ｍｍであり、Ｙ方向のピッチｐｙ１は３ｍｍとなっている。例えば、超音波として２ＭＨｚの信号を用いる場合、各ピッチｐｘ１，ｐｙ１は、超音波の波長λに対して、（λ／２）以上となっている。

次に、図２を用いて、本実施形態による超音波センサにおける超音波の送受信方向について説明する。
図２は、本発明の第１の実施形態による超音波センサにおける超音波の送受信方向の説明図である。なお、図２（Ａ）は斜視図であり、図２（Ｂ）は上面図である。

他の素子の重心位置Ｒが（ｎ１ａ１＋ｎ２ａ２）を満たすように素子配列されているセンサを用いて超音波の送受信を行う場合、超音波の送受信方向を屈折角θｍ、方位角φｍとして表すものとする。

ここで、グレーティングローブの発生方向は、次のようになる。まず、アレイセンサを構成するベクトルａ１，ａ２を、それぞれ、式（１）により、

とする。

そして、超音波の波長をλ、超音波を集束させる方向を屈折角θｍ、方位角φｍと置くと、以下の式（２）、式（３）、

を満たす、式（４）の位置に、

グレーティングローブが発生する。

式（４）より、素子配列を決定するベクトルａ１，ａ２と超音波を伝搬させる方向により、グレーティングローブ発生場所が決まるため、ノイズとなるグレーティングローブの発生位置をずらしたい場合は、ベクトルａ１，ａ２のなす角度を変えた、図１に示すようなセンサを用いればよいものとなる。

次に、図３を用いて、アレイセンサにおけるグレーティングローブについて説明する。
図３は、アレイセンサにおけるグレーティングローブの説明図である。

図３（Ａ）は、素子間隔（ピッチ）ｐが（λ／２）より狭い場合である。この場合には、メインローブのみであり、グレーティングローブは発生しない。

それに対して、図３（Ｂ）に示すように、素子間隔（ピッチ）ｐが（λ／２）より広い場合には、メインビームに加えて、ノイズとなるグレーティングローブが発生する。なお、ここでは、集音する方向、すなわち検査したい方向（図示の例では、４５度）に対して、グレーティングローブは、集音方向以外に強く伝搬する音である。

次に、図４を用いて、本実施形態による超音波センサにおけるグレーティングローブの発生方向について説明する。
図４は、本発明の第１の実施形態による超音波センサにおけるグレーティングローブの発生方向の説明図である。

図４（Ａ）に示すように、超音波センサ１から、屈折角θｍ、方位角φｍの方向に超音波を集束させ、メインビームＭを発生させるものとする。このとき、メインビームＭの発生方向とは異なる方向に、グレーティングローブＧＬが発生する。

図４（Ｂ）は、複数の素子を直交配列（ベクトルａ１とベクトルａ２のなす角度を９０度）した場合の、メインビームＭとグレーティングローブＧＬのなす角度をα１とする。

また、図４（Ｃ）は、図１に示した複数の素子を千鳥配列（ベクトルａ１とベクトルａ２のなす角度を９０度以外）した場合の、メインビームＭとグレーティングローブＧＬのなす角度をα２とする。

なお、図４（Ｂ）及び図４（Ｃ）のいずれも、素子間隔は（λ／２）よりも大きいものとしている。

本実施形態の場合、グレーティングローブの発生する位置は、式（４）で求められ、このときの角度α２は、図４（Ｂ）における角度α１よりも広くなる。そのため、探傷への影響を少なくすることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、アレイセンサを大開口化するとともに、その際、探傷範囲上には関係がないところにノイズが出現するようにして、ノイズの影響を低減できるようになり、深部の検査をＳＮ比よく実施できる。

次に、図５及び図６を用いて、本発明の第２の実施形態による超音波センサの構成及び動作について説明する。
図５は、本発明の第２の実施形態による超音波センサの構成を示す平面図である。図６は、本発明の第２の実施形態による超音波センサによる送受信配置を示す平面図である。

図５に示すように、本実施形態の超音波センサ１’は、アレイ状に配置された複数の超音波振動素子１Ａから構成されている。複数の素子の総数は、探傷器で制御可能な総素子数（例えば、２５６個）以内となっている。本例では、各素子の重心位置Ｒは、（ｎ１ａ１＋ｎ２ａ２）を満たすように素子配列されている。ｎ１，ｎ２は整数であり、ａ１，ａ２はベクトルである。

ここで、個々の超音波振動素子１Ａは、図示のように長方形状をしている。そして、ある素子の重心位置から、その素子に対して長辺方向（Ｘ方向）に隣接する他の素子の重心位置までのベクトルと、ａ１とする。また、ある素子の重心位置から、その素子に対して短辺方向（Ｙ方向）に隣接する他の素子の重心位置までのベクトルと、ａ２とする。そして、ある素子の重心位置を基準とした場合、他の素子の重心位置Ｒは、（ｎ１ａ１＋ｎ２ａ２）を満たす。なお、ベクトルａ１＞ベクトルａ２である。

また、本実施形態では、厚板材深部に位置する欠陥を検査できるようにするため、センサ開口を大型化している。そして、Ｘ方向のピッチｐｘ１及びＹ方向のピッチｐｙ１は、超音波の波長λに対して、（λ／２）以上となっている。

本実施形態の場合も、グレーティングローブの発生する位置は、式（４）で求められ、このときの角度α２は、図４（Ｂ）における角度α１よりも広くなる。そのため、探傷への影響を少なくすることができる。

また、図６に示すように、センサ配列のベクトルａ１，ａ２と、超音波の送受信方向により、グレーティングローブの発生位置が推定できるので、２つのセンサを用意し、一方を送信用センサ１’（Ｔ）として使用し、他方を受信用センサ１’（Ｒ）として使用することで、ノイズの発生を抑えることが可能となる。このとき、それぞれのセンサに同じ配列のセンサを用いても良いし、別のセンサを用いても良い。また、図１に示した配列のセンサを用いてもよいものである。

以上説明したように、本実施形態によれば、アレイセンサを大開口化するとともに、その際、探傷範囲上には関係がないところにノイズが出現するようにして、ノイズの影響を低減できるようになり、深部の検査をＳＮ比よく実施できる。

次に、図７〜図１０を用いて、本発明の第３の実施形態による超音波探傷装置の構成及び動作について説明する。
図７は、本発明の第３の実施形態による超音波探傷装置の構成を示すブロック図である。図８は、本発明の第３の実施形態による超音波探傷装置の動作を示すフローチャートである。図９及び図１０は、本発明の第３の実施形態による超音波探傷装置に用いる超音波センサの説明図である。

図７に示すように、本実施形態の超音波探傷装置は、探傷器１００と、アレイセンサ１”と、表示器１０とから構成される。探傷器１００は、計算機１１０と、メモリ１２０と、データ収録部１３０と、遅延時間制御部１４０と、素子使用範囲選択部１５０と、パルサー・レシーバ１６０と、チャンネルボックス１７０とからなる。チャンネルボックス１７０は、素子短絡パターン選択部１７２と、スイッチ回路１７４とからなる。

ここで、図９を用いて、アレイセンサ１”について説明する。アレイセンサ１”は、複数の超音波振動素子１Ａがマトリック状に配列されたものである。ここでは、例えば、ｍ行ｎ列のマトリクスアレイセンサとし、各素子の間隔は（λ／２）以下と十分に狭く、グレーティングローブを発生しないものである。但し、素子の総数は、探傷器が制御可能な数以上としている。探傷器が制御可能な数を例えば２５６個としたとき、アレイセンサ１”は２５行３０列で、総数７５０個とする。

そして、図９は、開口面積を大きくして、深部の測定を行う場合であり、図１０は、開口面積は狭くして、広い送受信を可能とする場合である。図９の場合は、アレイセンサ１”を構成するすべての素子のうち、図７に示した素子使用範囲選択部１５０を用いて、選択探傷範囲に適切なセンサ開口となるように素子を選択し（具体的には、１行目からｍ行目まで、及び、１列目からｎ列目までの全範囲としてセンサ開口が大きくなるように選択し）、また、図７に示したチャンネルボックス１７０を用いて、このうちの複数の素子（ここでは、行方向に３個）ごとに分けて同電位とすることにより一つに束ね、探傷器の制御可能な素子数以下にするものである。図中、黒の太線で示す素子を使用するものとする。

このとき、３個の素子を同電位とすると、これらの３素子は実質的に単一の素子として挙動し、その場合、隣接する素子間隔は３倍となるため、（λ／２）よりも大きくなり、グレーティングローブが発生することになる。その際、図７に示したチャンネルボックス１７０による同電位の素子の選択の方法を、例えば、ｍ行目は、３列目、４列目、５列目の素子を同電位とし、６列目、７列目、８列目の素子を同電位としたとき、ｍ−１行目は、２列目、３列目、４列目の素子を同電位とし、５列目、６列目、７列目の素子を同電位とするように、直交配列しないようにする。すなわち、図５にて説明したように、同一電位の素子の重心位置から、その素子に対して長辺方向（Ｘ方向）に隣接する他の同一電位の素子の重心位置までのベクトルを、ａ１とする。また、ある素子の重心位置から、その素子に対して短辺方向（Ｙ方向）に隣接する他の素子の重心位置までのベクトルを、ａ２とする。そして、ある素子の重心位置を基準とした場合、他の素子の重心位置Ｒは、（ｎ１ａ１＋ｎ２ａ２）を満たす。なお、ベクトルａ１＞ベクトルａ２である。また、ベクトルａ１とベクトルａ２のなす角度を９０度以外としている。これにより、図４にて説明したように、センサ開口を大きくして深部の測定を可能とした場合にも、グレーティングローブの影響を低減して、ＳＮ比を向上できる。

また、広い送受信を可能とするには、図１０に示すように、アレイセンサ１”を構成するすべての素子のうち、図７に示した素子使用範囲選択部１５０を用いて、選択探傷範囲に適切なセンサ開口となるように素子を選択し（具体的には、５行目から１０行目まで、及び、３列目から８列目までの範囲として、センサ開口が小さく、かつ、探傷器の制御可能な素子数以下になるように選択し）、また、図７に示したチャンネルボックス１７０は用いものである。図中、黒で示す素子を使用するものとする。

次に、図８を用いて、複数個の焦点Ｆに対して、本実施形態による探傷を実施する場合の、図７に示した超音波探傷装置の動作について説明する。

設定を開始すると、アレイセンサに関する初期設定として、計算機１１０は、メモリ１２０から、アレイセンサ１”を構成する素子情報や材質情報などを入力する（ステップＳ０１）。

次に、計算機１１０は、本センサによる検査範囲を設定する（ステップＳ０２）。

そして、計算機１１０は、その検査範囲に好適な使用する素子範囲を決定し、素子使用範囲選択部１５０に対して、使用する素子範囲を設定し、（ステップＳ０３）、また、計算機１１０は、素子短絡パターン選択部１７２に対して、短絡させる素子パターンを設定する（ステップＳ０４）。また、使用する素子範囲が決定すれば、一般的には、センサ全体の中心をセンサ中心とするので、これに倣い、計算機１１０は、センサ中心を設定する。（ステップＳ０５）
次に、計算機１１０は、アレイセンサの各素子に対する遅延時間のパターンを計算し（ステップＳ０６）、遅延時間制御部１４０に遅延時間を設定する。

次に、遅延時間制御部１４０は、設定された遅延時間を用いて、かつ、素子使用範囲選択部１５０にて選択された素子に対して、また、素子短絡パターン選択部１７２で選択されたパターンに応じて、スイッチ回路１７４により短絡すべき素子を短絡させた上で、パルサー１６０からアレイセンサ１”を用いて複数の焦点Ｆに対して、超音波を送信する。また、被検体からの反射波をアレイセンサ１”，レシーバ１６０で受信する（ステップＳ０７）。
そして、複数の焦点Ｆに対するデータ（反射データ）は、データ収録部１３０に収録される（ステップＳ０８）。

さらに、すべての点でのデータ収録を終了したかどうかの判別（ステップＳ０９）を行い、終了していない（ＮＯ）場合には、焦点Ｆ（ｉ）から次の焦点Ｆ（ｉ＋１）へ移行し、再び超音波の送・受信行い、反射データを収録することを全測定領域での反射データの収録が終了するまで順次繰り返す。

全終了した（ＹＥＳ）場合は終了する（ステップＳ１０）。

その後は、一般的には、画素と画素値のマップを作成し、画像表示により視覚的に検査結果を、表示器１０に表示する。

このような、送・受信に使用する素子、および短絡するパターンの組合せの設定を簡便に実施するためには、あらかじめ図７で示した装置のメモリ１２０に、使用する素子の組合せと短絡するパターンを保存しておき、測定開始時に読み込んで動作すればよい。深いところから浅いところまで検査する場合は、図９と図１０に一例を示したように使用する素子の組み合わせに対応する短絡パターンを用いて、ステップＳ０２から繰り返し収録することで深さを問わず検査可能になる。

なお、チャンネルボックス１７０は、探傷器内部にあってもよいし、元ある探傷器に外部から接続しても良いものである。

なお、図９に示した例において、４個の素子，例えば、ｍ行目は、３列目、４列目、５列目、６列目の素子を同電位とし、７列目、８列目、９列目、１０列目の素子を同電位としたとき、ｍ−１行目は、５列目、６列目、７列目、８列目の素子を同電位とするように、直交配列しないようにすると、図１にて説明したのと同様に配置となる。

以上のように、本実施形態によれば、チャンネルボックスの使用素子のパターンと短絡させる素子パターンを切り替えれば良く、深いところも浅いところも一つのアレイセンサで検査が可能となる。

また、アレイセンサを大開口化して、深い所の測定時にも、ノイズの影響を低減できるようになり、深部の検査をＳＮ比よく実施できる。

１…アレイセンサ
１０…表示器
１００…探傷器
１１０…計算機
１２０…メモリ
１３０…データ収録部
１４０…遅延時間制御部
１５０…素子使用範囲選択部
１６０…パルサー・レシーバ
１７０…チャンネルボックス
１７２…素子短絡パターン選択部
１７４…スイッチ回路

Claims (2)

1. 超音波を発振するセンサとして、超音波を発振する超音波振動素子を規則的に２次元状に配列した超音波センサを用い、
   当該超音波センサから検査対象の内部に超音波を送信し、前記超音波センサにより前記検査対象からのエコーを受信し、前記エコーから検査対象の欠陥の有無または欠陥の寸法を評価する超音波探傷装置であって、
   前記超音波振動素子の数は、前記超音波探傷装置によって制御可能な数よりも多く、
   前記超音波センサを構成する複数の超音波振動素子の内、超音波の送受信に使用する素子を選択する素子使用範囲選択手段と、
   該素子使用範囲選択手段にて、前記超音波探傷装置によって制御可能な数よりも多い数の超音波振動素子を選択した場合に、複数の素子を同電位となるように短絡する素子短絡パターン選択部とを備えることを特徴とする超音波探傷装置。
2. 超音波を発振するセンサとして、超音波を発振する超音波振動素子を規則的に２次元状に配列した超音波センサを用い、
   当該超音波センサから検査対象の内部に超音波を送信し、前記超音波センサにより前記検査対象からのエコーを受信し、前記エコーから検査対象の欠陥の有無または欠陥の寸法を評価する超音波探傷方法であって、
   前記超音波振動素子の数は、前記超音波探傷装置によって制御可能な数よりも多く、
   前記超音波センサを構成する複数の超音波振動素子の内、超音波の送受信に使用する素子を素子使用範囲選択手段で選択し、
   該素子使用範囲選択手段にて、前記超音波探傷装置によって制御可能な数よりも多い数の超音波振動素子を選択した場合に、素子短絡パターン選択部で複数の素子を同電位となるように短絡することを特徴とする超音波探傷方法。

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