JP2001004607A - 超音波探傷方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 単一の超音波探触子を用いて、被検材の表面
から底面までの全探傷範囲を高感度で探傷することがで
きる超音波探傷方法及び装置。 【解決手段】 中心部振動子１と周辺部振動子２，３を
有するアレイ型超音波探触子１０により超音波を送受信
する振動子面積を３段階に変更可能とし、被検材の表面
から底面までの全探傷範囲を３つの探傷範囲に分割し、
予め３段階の各振動子面積にそれぞれ対応させて３つに
分割したうちの１つの探傷範囲を割り当てておき、超音
波の送受信周期毎に１段階ずつ順次前記３段階に振動子
面積を変更して被検材に超音波を送受信すると共に（２
０，２１，３０，４０）、前記各振動子面積に対応させ
て割り当てた各探傷範囲の探傷を行う（４１，５０，５
１，５２，５３，６０）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数の振動子を有
するアレイ探触子により被検材に超音波を送受信して探
傷を行う方法及び装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の超音波探傷方法は、超音波探傷機
に複数の超音波探触子のうちから選択された１つの探触
子を接続して被検材の検査（探傷）を行うものである。
従ってこの超音波探触子は使用目的に適合する周波数、
寸法、型式（垂直、斜角等）のものが選択されて接続さ
れる。例えば、５Ｚ２０Ｎと表示された探触子は、周波
数が５ＭＨｚ、振動子は円形で直径が２０ｍｍの寸法の
垂直探触子である。このように１つの超音波探触子が選
択されると、この探触子の周波数や寸法（この例では、
円形振動子の直径Ｄとする）が決定（固定）されるた
め、この探触子により被検材内に生成される音場も決ま
ったものとなる。

【０００３】円形振動子により被検材内に生成される音
場は、振動子を接触させた被検材表面から次の（１）式
により決まる近距離音場限界距離ｘ₀ までの範囲の近距
離音場と、ｘ₀ より遠距離の範囲の遠距離音場とに分け
られる。 ｘ₀＝Ｄ²／４λ＝Ｄ²ｆ／４Ｃ …（１） ここでＤは円形振動子の直径、λは伝搬中の超音波の波
長であり、ｆを周波数、Ｃを伝搬速度とすると、λ＝Ｃ
／ｆである。

【０００４】図７は円形振動子による超音波ビーム形状
の説明図であり、円形振動子で発生した振動が被検材の
表面からその内部に伝搬する超音波ビームは、図７に示
すように、近距離音場においては、振動子の直径とほぼ
等しく一定の太さになっている。またｘ₀ よりの遠方の
遠距離音場では、図７に示すように、振動子の中心を頂
点とした円すい形状で、次の（２）式により決まる指向
角ψ₀ により、距離が遠くなるに従い次第に太いビーム
になっていく。 ψ₀ ＝７０λ／Ｄ＝７０Ｃ／Ｄｆ …（２） ここでＤ，λは、（１）式と同様に、それぞれ振動子の
直径、波長である。このように超音波ビームの形状は、
振動子寸法と超音波の波長により種々変化する。

【０００５】いま、通常の市販されている垂直探触子を
用いて、被検材内の近距離音場のきず、例えば表面近く
にある小さなきずを検出しようとすると、一般にＡスコ
ープ表示器において、きずからの反射エコーの高さ（振
幅値）は、このきずの面積と振動子の有効面積（超音波
ビームの有効面積の意）との比に比例して表示されるた
め、小さな寸法（直径）の振動子を用いた方が、高感度
で微細なきずまで検出することができる。

【０００６】しかし小さな寸法の振動子を用いると、被
検材内の近距離音場にあるきずは高感度で検出できる
が、遠距離音場にあるきずを検出するには、その指向角
の広がりから、振動子のみかけ上の有効面積が大きくな
り、きず面積との比の関係から検出感度が低下してしま
う。この被検材内の遠距離音場にあるきずを検出しやす
くするためには、指向角を小さくするために振動子の寸
法（直径）を大きくする必要がある。しかし大きな寸法
の振動子を用いると、遠距離音場のきずは検出しやすい
が、逆に、表面近くにある小さなきずは、振動子面積が
大きいので、きず面積の比との関係から感度が低下し検
出が困難となる。

【０００７】このように従来の超音波探傷方法では、単
一の超音波探触子によって、被検材内の近距離音場から
遠距離音場までの広範囲を良好な感度で、またはほぼ均
一な感度で探傷することはできなかった。従って検出感
度を低下させずに探傷をするには、まず直径の小さな探
触子を用いて被検材の近距離音場（被検材の表面に近い
部分）についての探傷を行い、次に探触子を直径の大き
なもに交換し、同一被検材に対して、その遠距離音場
（被検材の内部の深い部分）についての探傷を行う必要
があり、探傷作業量が単一の探触子の場合の２倍に増加
するという問題があった。

【０００８】また、きず寸法を推定する場合、きずが振
動子寸法より小さい場合、Ａスコープ上のきずエコー高
さＦと底面エコー高さＢとの比Ｆ／Ｂにより推定する方
法が一般に用いられている。このため、超音波探触子と
被検材との接触状態が少し変化すると、振動子の見かけ
上の有効面積が変り、底面エコーの高さＢや、前記Ｆ／
Ｂの値が変化するので、きず寸法の推定精度にバラツキ
が生じる等の問題もあった。

【０００９】この超音波探傷技術と類似するものに超音
波診断技術があり、この超音波診断においても、被検体
の浅い部位から深い部位まで広範囲にわたり、鮮明な超
音波画像を得るために、焦点深度が深く、かつ細い超音
波ビームを形成する探触子が要望されていた。この要望
に応えた公知文献として特開平８−２８９８８９号公報
（以下単に特許公報という）がある。

【００１０】図８は上記特許公報の第１実施例による超
音波診断装置の構成図である。図８においては、アニュ
ラアレイ型超音波振動子（トランスデューサ）１０４
を、所定の点に焦点を結ぶ集束音場を発生する圧電素子
１０１と、共焦点を有する同心円状の圧電素子１０２，
１０３とで構成し、その音響放射面に音響レンズ１２０
を接合する。圧電素子１０１の電極１０６を遅延線１０
７、分離回路１０８を介して励振回路１０９に接続し、
圧電素子１０２の電極１１０を遅延線１１１を介して励
振回路１０９に接続し、圧電素子１０３の電極１１２を
励振回路１０９に直接接続する。励振回路１０９を観測
装置１１３に接続し、分離回路１０８をアンプ１１４を
介して観測装置１１３に接続する。各圧電素子の合成音
場が、上記所定の焦点とは異なる点に焦点を結ぶよう、
圧電素子１０１，１０２を１０３に対して遅延駆動す
る。この第１実施例では、圧電素子１０３は直接（即ち
時間遅延なく）、圧電素子１０２は遅延線１１１で４０
ｎｓ遅延させ、圧電素子１０１は遅延線１０７で８０ｎ
ｓ遅延させてそれぞれ励振して、周波数１５ＭＨｚの超
音波を発生させ、各圧電素子の合成音場では幾何学焦点
距離３０ｍｍと異なる電子的焦点距離２１ｍｍを得たと
している。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記特許
公報の超音波探触子とその送受信方法による音場特性
は、その図３、図８に示されるように、電子的焦点距離
における超音波ビームは細く絞られているが、その前後
の位置においてはかなり太いビームとなっている。超音
波探傷においては、所定の探傷範囲内では、超音波ビー
ム径がほぼ一定で且つ良好な感度で探傷できることが望
ましいので、上記特許公報の音場特性は、超音波探傷に
用いるには、満足できるものではなかった。

【００１２】また上記特許公報における各圧電素子の励
振方法は、各圧電素子間に時間差を設けて順次励振する
ので、最初にある圧電素子の励振により複数波の超音波
が発生され、この最初の超音波の発生期間中に次の圧電
素子の励振により再び複数波の超音波が発生されるとい
う過程を繰り返す。従って全部の圧電素子を同時に励振
する場合に比例して、全体として発生される超音波の波
数が増加するので、距離分解能が悪化することになる。
超音波探傷においては、きずの位置や大きさの情報は重
要であるので、上記距離分解能の悪化は好ましくないも
のであった。

【００１３】このように超音波探傷においては、単一の
超音波探触子を用いて、被検材内の近距離音場から遠距
離音場までの広範囲を高感度で、またはほぼ均一な良好
な感度で探傷できると共に、距離分解能も悪化しない超
音波探傷方法及び装置が要望されていた。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係る
超音波探傷方法は、複数の振動子を有するアレイ探触子
により超音波を送受信する振動子面積を複数Ｎ段階に変
更可能とし、被検材の所定探傷範囲を前記複数Ｎと同数
の範囲に分割し、予め前記Ｎ段階の各振動子面積にそれ
ぞれ対応させて前記複数Ｎに分割したうち１つの探傷範
囲を割り当てておき、超音波の送受信周期毎に１段階ず
つ順次前記Ｎ段階に振動子面積を変更して被検材に超音
波を送受信すると共に、前記各振動子面積に対応させて
割り当てた各探傷範囲の探傷を行うものである。

【００１５】本発明の請求項２に係る超音波探傷方法
は、前記請求項１に係る超音波探傷方法において、前記
超音波の送受信周期毎に１段階ずつ順次前記複数Ｎ段階
に振動子面積を変更して超音波を送受信すると共に、前
記各振動子面積に対応させて割り当てた各探傷範囲の受
信信号を表示又は記録する際に、前記各探傷範囲の受信
感度を変更せずにそのままの感度で表示又は記録する
か、または前記所定探傷範囲においてほぼ均一な感度と
なるように各探傷範囲の感度を変更して表示又は記録す
るものである。

【００１６】本発明の請求項３に係る超音波探傷方法
は、前記請求項１又は２に係る超音波探傷方法におい
て、前記超音波の送受信周期毎に１段階ずつ順次前記複
数Ｎ段階に振動子面積を変更して超音波を送受信すると
共に、前記各振動子面積に対応させて割り当てた各探傷
範囲を探傷し、この各探傷範囲の受信信号より検出した
きずの評価として、この検出したきずのエコー高さと前
記各探傷範囲内のきず検出位置における超音波ビームの
有効面積とに基づききず寸法を評価するものである。

【００１７】本発明の請求項４に係る超音波探傷方法
は、複数の振動子を有するアレイ探触子により超音波を
送受信する振動子面積を複数Ｎ段階に変更可能とし、超
音波の送受信周期毎に１段階ずつ順次前記Ｎ段階に振動
子面積を変更して被検材に超音波を送受信して所定探傷
範囲の受信信号を取得し、複数Ｎの超音波送受信周期に
おいて前記取得した各送受信周期毎の受信信号をそれぞ
れ量子化して複数Ｎの時系列データとして記憶し、この
記憶した複数Ｎの時系列データを各時系列位置毎に比較
し、そのうちの最大振幅値を有するデータを該当時系列
位置における受信結果データとして抽出するものであ
る。

【００１８】本発明の請求項５に係る超音波探傷方法
は、前記請求項４に係る超音波探傷方法において、前記
複数Ｎの時系列データを各時系列位置毎に比較し、その
うちの最大振幅値を有するデータを順次抽出して得た前
記所定探傷範囲内の受信結果データを表示又は記録する
際に、各抽出位置における受信結果データの感度を変更
せずにそのままの感度で表示又は記録するか、または各
抽出位置における受信結果データの感度を前記所定探傷
範囲においてほぼ均一な感度となるように変更して表示
又は記録するものである。

【００１９】本発明の請求項６に係る超音波探傷方法
は、前記請求項４又は５に係る超音波探傷方法におい
て、前記複数Ｎの時系列データを各時系列位置毎に比較
し、そのうちの最大振幅値を有するデータを順次抽出し
て得た所定探傷範囲の受信結果データより検出したきず
の評価として、前記検出したきずのエコー高さと、この
きずに相当する受信結果データが抽出された時系列デー
タにおける底面エコーの高さとの比に基づききず寸法を
評価するか、または前記検出したきずのエコー高さと、
前記きずに相当する受信結果データが抽出された時系列
データを記憶した送受信周期の該当きず検出位置におけ
る超音波ビームの有効面積とに基づききず寸法を評価す
るものである。

【００２０】本発明の請求項７に係る超音波探傷装置
は、中心部振動子と、この中心部振動子を取り囲む位置
に配置された単数又は複数の周辺部振動子とを有するア
レイ探触子と、前記アレイ探触子の中心部振動子と、こ
の中心部振動子に単数又は複数の周辺部振動子を付加す
ることにより、超音波の送受信周期毎に１段階ずつ順次
複数Ｎ段階に振動子面積を変更させ、被検材に超音波の
送受信を行う超音波送受信手段と、前記複数Ｎ段階の各
振動子面積に対応させ、被検材の所定探傷範囲を複数Ｎ
に分割したうちの１つの探傷範囲をそれぞれ割り当てて
おき、前記超音波の送受信周期毎に、前記超音波送受信
手段が得た受信信号から前記各送受信周期の振動子面積
に対応して割り当てた各探傷範囲の受信信号を抽出する
受信信号抽出手段とを備えたものである。

【００２１】本発明の請求項８に係る超音波探傷装置
は、前記請求項７に係る超音波探傷装置において、前記
受信信号抽出手段が抽出した各探傷範囲の受信信号を入
力し、この各探傷範囲の受信信号を、その受信感度のま
まで出力するか、または前記所定探傷範囲においてほぼ
均一な感度となるように各探傷範囲の感度を変更して出
力する感度変更選択手段と、前記受信信号抽出手段が抽
出した各探傷範囲の受信信号を検査し、この受信信号よ
り検出したきずの評価として、この検出したきずのエコ
ー高さと前記各探傷範囲内のきず検出位置における超音
波ビームの有効面積とに基づききず寸法を評価するきず
寸法評価手段とを付加したものである。

【００２２】本発明の請求項９に係る超音波探傷装置
は、中心部振動子と、この中心部振動子を取り囲む位置
に配置された単数又は複数の周辺部振動子とを有するア
レイ探触子と、前記アレイ探触子の中心部振動子と、こ
の中心部振動子に単数又は複数の周辺部振動子を付加す
ることにより、超音波の送受信周期毎に１段階ずつ順次
複数Ｎ段階に振動子面積を変更させ、被検材に超音波の
送受信を行う超音波送受信手段と、複数Ｎの超音波送受
信周期において前記超音波送受信手段が各送受信周期毎
に取得した所定探傷範囲の受信信号をそれぞれ量子化し
て複数Ｎの時系列データとして記憶し、この記憶した複
数Ｎの時系列データを各時系列位置毎に比較し、そのう
ちの最大振幅値を有するデータを該当時系列位置におけ
る受信結果データとして抽出する受信結果データ抽出手
段とを備えたものである。

【００２３】本発明の請求項１０に係る超音波探傷装置
は、前記請求項９に係る超音波探傷装置において、前記
受信結果データ抽出手段が複数Ｎの時系列データより各
時系列位置毎に抽出した受信結果データを入力し、この
各時系列位置毎の受信結果データを、その受信感度の振
幅値のまま出力するか、または前記所定探傷範囲におい
てほぼ均一な感度となるように振幅値を変更して出力す
る感度変更選択手段と、前記受信結果データ抽出手段が
複数Ｎの時系列データより各時系列位置毎に抽出した受
信結果データを検査し、この受信結果データより検出し
たきずの評価として、前記検出したきずのエコー高さ
と、このきずに相当する受信結果データが抽出された時
系列データにおける底面エコーの高さとの比に基づきき
ず寸法を評価するか、または前記検出したきずのエコー
高さと、前記きずに相当する受信結果データが抽出され
た時系列データを記憶した送受信周期の該当きず検出位
置における超音波ビームの有効面積とに基づききず寸法
を評価するきず寸法評価手段とを付加したものである。

【００２４】

【発明の実施の形態】実施形態１ 実施形態１では、超音波探触子の振動子面積を複数（こ
の実施形態では３とするが、一般的にはＮ）の段階に変
更できるようにすると共に、被検材の所定探傷範囲（例
えば垂直探傷の場合、被検材の表面から底面までの全範
囲）を前記複数Ｎと同数の範囲に分割し、予め前記Ｎ段
階の各振動子面積にそれぞれ対応させて前記複数Ｎに分
割したうちの１つの探傷範囲を割り当てておき、超音波
の送受信周期毎に１段階ずつ順次前記Ｎ段階に振動子面
積を変更して被検材に超音波を送受信すると共に、前記
各振動子面積に対応させて割り当てた各探傷範囲の探傷
を行うものである。

【００２５】なお、本実施形態１では、３段階の振動子
面積と、これに対応させて全探傷範囲を３つに分割した
各探傷範囲との組み合せ例を後述するが、これは３段階
の各振動面積によってそれぞれ探傷を行った場合に、各
振動子面積によって最も高感度で探傷ができるように、
各振動子面積と各探傷範囲との対応組み合せがなされる
ものである。また、各振動子面積と各探傷範囲との対応
組み合せを予め決めておくことが不要な方法は、実施形
態２において説明する。

【００２６】図１は本発明の実施形態１に係る超音波探
傷装置の構成図であり、図２は図１の装置の動作を説明
するためのタイミングチャートである。最初に、実施形
態１，２で共用するアレイ型超音波探触子について説明
する。図３は本発明の実施形態１，２に係るアレイ型超
音波探触子の構成図である。図３はアニュラアレイ型超
音波探触子の場合の例を示したものであり、同図の
（ａ）の１，２，３は同心円状に配置された＃１，＃
２，＃３振動子であり、４，５は振動子間のスペーサで
ある。例えば＃１振動子１は直径７ｍｍの円形、＃２振
動子２は内径７．１ｍｍ、外径１０．０ｍｍのリング
状、＃３振動子３は内径１０．１ｍｍ、外径１４．０ｍ
ｍのリング状である。またスペーサ４，５は、例えば非
導電性ゴムや樹脂等の円環状であり、各振動子間に設け
られる。なお、図３の（ａ）の構成により、＃１振動子
１は中心部振動子、＃２，＃３振動子２，３は、中心部
振動子を取り囲む位置に配置された周辺部振動子ともい
う。

【００２７】図３の（ｂ）の６，７，８は、＃１，＃
２，＃３の振動子の一方の面に設けられた個別電極で、
それぞれ＃１振動子電極、＃２振動子電極、＃３振動子
電極という。９は＃１，＃２，＃３振動子の他方の面に
共通に設けられた共通電極である。この共通電極９は、
＃１，＃２，＃３振動子１，２，３と樹脂等のスペーサ
４，５とを一体的に接合した後に、音響放射面に金属材
のスパッタリング等により形成する。また各電極６〜９
には、それぞれ接続線が設けられる。このように図３の
アレイ型超音波探触子１０は、単一探触子の構造である
が、各振動子による超音波の送受信も、複数の振動子に
よる超音波の送受信も可能である。即ち各電極への接続
線を介して、いま共通電極９と＃１振動子電極６間のみ
にパルス電圧を印加すれば、＃１振動子１による超音波
の送信が行われ、共通電極９と＃２振動子電極７間のみ
にパルス電圧を印加すれば＃２振動子２による送信が行
われる。また＃１振動子電極６と＃２振動子電極７とを
接続線を介して外部で結合し、この結合点と共通電極９
間にパルス電圧を印加すれば、＃１振動子１と＃２振動
子２による超音波の送信が行われる。また各振動子は、
超音波の送信と同様に受信も可能である。

【００２８】次に＃１，＃２，＃３振動子１，２，３を
用いて、超音波を送受信する振動子面積を３段階に変更
する例を説明する。 （１）いま＃１振動子１のみを使用する場合は、この例
では直径が７ｍｍの円形面積として、振動子面積Ａ₁は
約３８．５ｍｍ²となる。 （２）次に＃１振動子１及び＃２振動子２を使用する場
合は、近似的に直径１０ｍｍの円形となるので、振動子
面積Ａ₂は約７８．５ｍｍ²となり、Ａ₁ の約２倍とな
る。 （３）次に＃１振動子１、＃２振動子２及び＃３振動子
３を使用する場合は、近似的に直径１４ｍｍの円形とな
るので、振動子面積Ａ₃ は約１５３．９ｍｍ² となり、
Ａ₂ の約２倍となる。

【００２９】本実施形態１，２では上記のように、最初
は中心部振動子のみ、次は中心部振動子とこれに隣接す
る周辺部振動子が１個、次は中心部振動子とこれに隣接
する周辺部振動子が２個、…と超音波を送受信する振動
子の数を順次増加させることにより、振動子面積を３
８．５ｍｍ²、７８．５ｍｍ²、１５３．９ｍｍ² と３段
階に変更できるようにしている。なお実施形態１におけ
る上記各振動子面積と全探傷範囲を３つに分割したうち
の１つの探傷範囲との組み合せ例は後述する。

【００３０】図１の超音波探傷装置において、１０は図
３で説明したアレイ型超音波探触子であり、共通電極９
は接地され、＃１，＃２，＃３振動子電極６，７，８か
らの各接続線は、それぞれ振動子選択回路２０に接続さ
れる。２０は振動子選択回路であり、内部に超音波の送
受信を行う振動子を選択するための機械式または半導体
式のスイッチＳ₁ 及びＳ₂ を含む。即ちスイッチＳ₁が
閉となると、＃１，＃２振動子１，２による送受信が可
能となり、スイッチＳ ₁ とＳ₂ が共に閉となると、＃
１，＃２，＃３振動子１，２，３による送受信が可能と
なる。なおスイッチＳ₁，Ｓ₂の開閉制御信号はタイミン
グ制御回路８０から供給される。２１は受信保護回路で
あり、送信時に受信回路４０を保護するための回路であ
る。例えば双方向性ダイオード等により送信時に正，負
双方向の過大電圧が受信回路４０に印加されるのを保護
する。

【００３１】３０は送信回路であり、タイミング制御回
路８０から同期信号（繰返周波数がｆ、即ち繰返周期が
Ｔ＝１／ｆ）が供給される毎に、振動子を励振する送信
パルスを出力する。この送信パルスは例えば、高電圧電
源から抵抗を介してコンデンサに電荷をチャージしてお
き、前記同期信号により半導体スイッチ（ＳＣＲ等）を
介してコンデンサの電荷を瞬時に放電させることにより
発生する。４０は受信回路であり、振動子からの受信信
号が受信保護回路２１を介して入力されるので、所要周
波数帯域の受信信号を増幅し、検波し、ビデオ信号（エ
コー信号を含む）として出力する。４１は受信ゲート回
路であり、タイミング制御回路８０から受信ゲート信号
として＃１受信ゲート信号、＃２受信ゲート信号または
＃３受信ゲート信号のうちのいずれか１つの受信ゲート
信号が供給されるので、受信回路４０の出力信号のうち
から前記供給される受信ゲート信号の発生期間中の信号
のみを取り出して出力する。

【００３２】５０はＡ／Ｄ変換器、５１は＃１メモリ、
５２は＃２メモリ、５３は書込・読出制御回路、Ｓ₃，
Ｓ₄は半導体等のスイッチである。なお＃１と＃２の２
つのメモリを設けるのは、Ａ／Ｄ変換器５０の出力デー
タをスイッチＳ₃ を介して一方のメモリ（図示では＃１
メモリ５１）に書込んでいる期間に、並列的に他方のメ
モリ（図示では＃２メモリ５２）から既に格納されてい
るデータをスイッチＳ₄を介して読出せるようにするた
めである。６０は探傷結果評価手段であり、例えば市販
のパソコン等により構成される。６１はＤ／Ａ変換器、
６２はＣＲＴや液晶等の表示装置、７０はプリント装置
（記録計も含む）である。

【００３３】８０はタイミング制御回路であり、本装置
全体のタイミングを制御するため各種信号を発生し、他
の機器に供給する。例えば、振動子選択回路２０内のス
イッチＳ₁，Ｓ₂に＃２，＃３周期信号を、送信回路３０
に同期信号を、受信ゲート回路４１に＃１，＃２，＃３
受信ゲート信号を、Ａ／Ｄ変換器５０にサンプリングク
ロック信号を、また書込・読出制御回路５３にタイミン
グ制御信号をそれぞれ供給する。なお、タイミング制御
回路８０が発生し出力する各種タイミング制御信号は、
アレイ型超音波探触子１０に含まれる振動子の数、被検
材の厚さ、材質等のパラメータデータにより変更され
る。従ってタイミング制御回路８０には、例えば上記パ
ラメータデータを設定できるデップスイッチを設けてお
くとか、またはパラメータデータ入力用のレジスタを設
けておき、パソコン等の探傷結果評価手段６０を介して
パラメータデータを入力する等の手法により、パラメー
タデータを容易に変更できるようにしておことが望まし
い。

【００３４】なお、本実施形態１，２では、被検材は軟
鋼とし、その厚さ（表面から底面までの長さ）を５５ｍ
ｍとする。そして底面エコーも十分に検出できるよう
に、受信信号の取得範囲は表面から深さ６０ｍｍに相当
する時間範囲とする。次に本実施形態１においては、こ
の表面から６０ｍｍまでの受信範囲（全探傷範囲ともい
う）を表面〜２０ｍｍ、２０ｍｍ〜４０ｍｍ、４０ｍｍ
〜６０ｍｍの３つの探傷範囲に分割し、前記アレイ型超
音波探触子の３段階の面積と上記分割した各探傷範囲と
を次のように組み合せて探傷を行う。なお上記３つの各
探傷範囲の境界部では、隣接する探傷範囲が多少重複す
るように設定し、探傷落ちがないようにすることが望ま
しい。そして上記各組み合せ毎に送受信の１周期を要す
るので、次の３つの送受信周期を用いる。 （１）＃１送受信周期において、振動子面積を３８．５
ｍｍ² として送受信し、被検材の表面から内部２０ｍｍ
までの範囲の受信信号を探傷に用いる。 （２）＃２送受信周期において、振動子面積を７８．５
ｍｍ² として送受信し、被検材の内部２０ｍｍから４０
ｍｍまでの範囲の受信信号を探傷に用いる。 （３）＃３送受信周期において、振動子面積を１５３．
９ｍｍ² として送受信し、被検材の内部４０ｍｍから６
０ｍｍまでの範囲の受信信号を探傷に用いる。

【００３５】図２のタイムチャートを参照し、図１の動
作を説明する。なお図２の横軸はすべて時間である。図
１のタイミング制御回路８０は、所定の繰返周波数ｆ
（例えば１０ＫＨｚ）、即ち繰返周期Ｔ（＝１／ｆなの
で、ｆ＝１０ＫＨｚとすると、Ｔ＝１００μｓ）毎に同
期信号（図２の（ａ）を参照）を発生し、送信回路３０
に供給する。またタイミング制御回路８０は、＃１送受
信周期において、この例では被検材表面から２０ｍｍま
での範囲の受信信号を抽出するための＃１受信ゲート信
号を、＃２送受信周期において、この例では被検材内部
２０ｍｍから４０ｍｍまでの範囲の受信信号を抽出する
ための＃２受信ゲート信号を、また＃３送受信周期にお
いて、この例では被検材内部４０ｍｍから６０ｍｍまで
の範囲の受信信号を抽出するための＃３受信ゲート信号
をそれぞれ発生する。そして１つの送受信サイクルは、
上記３周期により形成されるので、タイミング制御回路
８０は、３進カウンタにより同期信号を計数し、常に現
在何番目の周期であるかを承知している。

【００３６】（１）＃１送受信周期 ＃１送受信周期においては、＃１振動子１のみを用いて
（市販探触子の５Ｚ７と同等の探触子面積として）、例
えば被検材の表面から深さ２０ｍｍまでの範囲について
の探傷を行うものとする。この＃１送受信周期では、振
動子選択回路２０内のスイッチＳ₁，Ｓ₂は共に開となる
ようにタイミング制御回路８０に制御されるので、同期
信号に基づき送信回路３０から出力される送信パルスは
＃１振動子１のみに印加される（図２の（ｂ）を参
照）。この＃１振動子１の励振により被検材内に伝搬
し、内部のきず等から反射された超音波は、再び＃１振
動子１、受信保護回路２１、受信回路４０を介して受信
ゲート回路４１に供給される。

【００３７】この＃１送受信周期では、タイミング制御
回路８０は、＃１振動子送信パルスの終了直後から時間
幅ｔ₁ の＃１受信ゲート信号のみを受信ゲート回路４１
に供給する（図２の（ｅ）を参照）。ここで上記時間幅
ｔ₁ は、被検材の表面から深さ２０ｍｍの範囲の受信信
号を抽出するため、次のように求める。いま、被検材は
軟鋼であり、垂直探触子による縦波探傷を行うとする
と、この場合の縦波音速ｖは約５９００ｍ／ｓであり、
往復４０ｍｍの距離を縦波が伝搬するのに要する時間ｔ
₁ は、ｔ₁ ＝４０ｍｍ／５９００ｍ／ｓ≒６．７８μｓ
として求められる。

【００３８】受信ゲート回路４１は、前記供給される＃
１受信ゲート信号に基づき、入力ビデオ信号より被検材
の表面から深さ２０ｍｍまでの受信ビデオ信号を抽出し
てＡ／Ｄ変換器５０に供給する。Ａ／Ｄ変換器５０で
は、この入力ビデオ信号を、所望の距離分解能を満足す
るように選定されてタイミング制御回路８０から供給さ
るサンプリングクロック信号毎に、所望の振幅分解能に
よりエコー波形を表示できるような十分なビット数のデ
ジタルデータに順次変換して出力する。Ａ／Ｄ変換器５
０の出力する時系列デジタルデータは、書込・読出制御
回路５３の制御によって、半導体等のスイッチＳ₃ を介
して、現在読出動作を行っていないほうのメモリ（図１
では＃１メモリ５１）に供給される。

【００３９】＃１メモリ５１、＃２メモリ５２は、垂直
探傷の場合、それぞれ被検材の表面から底面までの全受
信信号を量子化した時系列データ（各サンプリング位置
毎の振幅データ）並びに各探傷範囲境界の境界識別デー
タ等を十分に格納できるメモリ容量を備えている。そし
て書込・読出制御回路５３は、図１の例では、＃ｉ送受
信サイクルの＃１送受信周期において、＃１メモリ５１
内の被検材の表面から深さ２０ｍｍまでの各単位深さ毎
に設定された各アドレスに、Ａ／Ｄ変換器５０からスイ
ッチＳ₃ を介して供給される時系列デジタルデータを順
次書込む。またこの＃１送受信周期に、書込・読出制御
回路５３は、探傷結果評価手段６０からの読出制御信号
に基づき、＃２メモリ５２から前回の＃（ｉ−１）送受
信サイクルに格納した被検材の表面から底面までの全探
傷範囲の時系列デジタルデータを順次読出し、スイッチ
Ｓ₄ を介して探傷結果評価手段６０に供給する。なお、
探傷結果評価手段６０の動作は、＃１〜＃３送受信周期
の全部に関係するので、＃３送受信周期の説明の後に、
記述する。

【００４０】（２）＃２送受信周期 ＃２送受信周期においては、＃１振動子１及び＃２振動
子２を用いて（市販探触子の５Ｚ１０と同等の探触子面
積として）超音波の送受信を行い、例えば被検材の深さ
２０ｍｍ〜４０ｍｍの範囲についての探傷を行うものと
する。この＃２送受信周期では、振動子選択回路２０内
のスイッチＳ₁ はタイミング制御回路８０から供給され
る＃２周期信号によって閉となっているので、送信回路
３０から出力される送信パルスは＃１振動子１と＃２振
動子２の両方に印加される（図２の（ｂ），（ｃ）を参
照）。この＃１振動１及び＃２振動子２の励振により被
検材内を伝搬し、内部のきず等から反射された超音波
は、再び＃１振動子１及び＃２振動子２を介し、受信保
護回路２１、受信回路４０を通って受信ゲート回路４１
に供給される。

【００４１】この＃２送受信周期では、タイミング制御
回路８０は、送信パルスの終了直後から前記時間ｔ₁ の
経過後に、時間幅ｔ₂ の＃２受信ゲート信号のみを受信
ゲート回路４１に供給する（図２の（ｆ）を参照す
る）。ここで上記時間ｔ₁ は、前記＃１受信ゲート信号
の時間ｔ₁ と同じで約６．７８μｓであり、時間幅ｔ₂
は次のように求める。前記と同様に、縦波音速ｖは約５
９００ｍ／ｓで、往復８０ｍｍの距離を縦波が伝搬する
のに要する時間ｔは、ｔ＝８０ｍｍ／５９００ｍ／ｓ≒
１３．５６μｓであり、ｔ₂ ＝ｔ−ｔ₁ ≒（１３．５６
−６．７８）μｓ≒６．７８μｓとして求められる。な
お、実際の装置設計時には、＃２受信ゲート信号が発生
してから＃１受信ゲート信号を終了させ、両ゲート信号
間に信号の切れ目が生じないようにすることが好まし
い。

【００４２】受信ゲート回路４１は、前記供給される＃
２受信ゲート信号に基づき、入力ビデオ信号により被検
材の深さ２０ｍｍ〜４０ｍｍの範囲の受信ビデオ信号を
抽出してＡ／Ｄ変換器５０に供給する。Ａ／Ｄ変換器５
０は、入力ビデオ信号を、＃１送受信周期のときと同様
に、タイミング制御回路８０から供給されるサンプリン
グクロック信号毎に、その振幅値を所定ビット数のデジ
タルデータに変換して順次出力する。Ａ／Ｄ変換器５０
から出力される時系列デジタルデータは、書込・読出制
御回路５３の制御により、スイッチＳ₃ を介して、＃１
送受信周期においてデータ書込の行われた＃１メモリ５
１内の被検材の深さ２０ｍｍから４０ｍｍまでの各単位
深さ毎に設定された各アドレスに、順次書込まれる。な
おこの際に、＃１送受信周期の探傷範囲のデータ群と、
＃２送受信周期の探傷範囲のデータ群との境界を示す境
界識別データをメモリ内に設けておくと両データ群の感
度差を補正する際に便利である。また書込・読出制御回
路５３は、探傷結果評価手段６０からの読出制御信号に
基づき、＃２メモリ５２より前回の＃（ｉ−１）送受信
サイクルに格納した被検材の表面から底面までの全探傷
範囲の時系列デジタルデータのうちから、必要とするエ
コーデータ等を読出し、スイッチＳ₄ を介して探傷結果
評価手段６０に供給する。

【００４３】＃３送受信周期 ＃３送受信周期においては、＃１振動子１、＃２振動子
２及び＃３振動子３の全振動子を用いて（市販探触子の
５Ｚ１４と同等の振動子面積として）超音波の送受信を
行い、例えば被検材の深さ４０ｍｍ〜６０ｍｍの範囲に
ついての探傷を行うものとする。この＃３送受信周期で
は、振動子選択回路２０内のスイッチＳ₁，Ｓ₂はタイミ
ング制御回路８０から供給される＃３周期信号によっ
て、共に閉となっているので、送信回路３０から出力さ
れる送信パルスは、＃１振動子１、＃２振動子２及び＃
３振動子３の全振動子に印加される（図２の（ｂ），
（ｃ），（ｄ）を参照）。この＃１振動子１、＃２振動
子２及び＃３振動子３の励振により被検材内を伝搬し、
内部のきずや底面等から反射された超音波は、再び＃１
〜＃３振動子１〜３を介し、受信保護回路２１、受信回
路４０を通って受信ゲート回路４１に供給される。

【００４４】この＃３送受信周期では、タイミング制御
回路８０は、送信パルスの終了直後から前記時間ｔ₁ 及
びｔ₂ の経過後に時間幅ｔ₃ の受信ゲート信号のみを受
信ゲート回路４１に供給する（図２の（ｇ）を参照）。
ここで上記時間ｔ₁，ｔ₂は、前記＃１，＃２受信ゲート
信号の時間ｔ₁，ｔ₂と同じで、それぞれ６，７８μｓで
あり、時間幅ｔ₃ は次のように求める。前記と同様に、
縦波音速ｖは約５９００ｍ／ｓで、往復１２０ｍｍの距
離を縦波が伝搬するのに要する時間ｔは、ｔ＝１２０ｍ
ｍ／５９００ｍｓ≒２０．３４μｓであり、ｔ₃ ＝ｔ−
（ｔ₁＋ｔ₂）≒（２０．３４−１３．５６）μｓ≒６．
７８μｓとして求められる。なお、実際の装置設計時に
は、＃３送受信ゲート信号が発生してから＃２送受信信
号を終了させ、両ゲート信号間に信号の切れ目が生じな
いようにすることが好ましい。

【００４５】受信ゲート回路４１は、前記供給される＃
３受信ゲート信号に基づき、入力ビデオ信号より被検材
の深さ４０ｍｍ〜６０ｍｍの範囲の受信ビデオ信号を抽
出してＡ／Ｄ変換器５０に供給する。Ａ／Ｄ変換器５０
は、入力ビデオ信号を、＃１，＃２送受信周期のときと
同様に、タイミング制御回路８０から供給されるサンプ
リングクロック信号毎に、その振幅値を所定ビット数の
デジタルデータに変換して順次出力する。Ａ／Ｄ変換器
５０から出力される時系列デジタルデータは、書込・読
出制御回路５３の制御により、スイッチＳ₃ を介して＃
１，＃２送受信周期においてデータ書込みの行われた＃
１メモリ５１内の被検材の深さ４０ｍｍから６０ｍｍま
での各単位深さ毎に設定された各アドレスに、順次書込
まれる。なおこの際に＃２送受信周期の探傷範囲のデー
タ群と、＃３送受信周期の探傷範囲のデータ群との境界
を示す境界識別データをメモリ内に設けておく。

【００４６】このようにして＃３送受信周期の終了時点
では、被検材の表面から底面までの全探傷範囲からの受
信信号を量子化した全データは、＃１メモリ５１内の表
面から単位深さ（Ａ／Ｄ変換器５０のサンプリングクロ
ックの周期に超音波が往復できる距離）毎に設定された
各アドレスに格納されている。そしてこの＃３送受信周
期の終了により＃ｉ送信サイクルは終了する。なお書込
・読出制御回路５３は、この＃３送受信周期において
も、探傷結果評価手段６０からの読出制御信号に基づ
き、＃２メモリ５２より前回の＃（ｉ−１）送受信サイ
クルに記憶した被検材の表面から底面までの全探傷範囲
の時系列デジタルデータのうちから、必要とするエコー
データ等を読出し、スイッチＳ₄ を介して探傷結果評価
手段６０に供給する。

【００４７】図４は本発明の実施形態１，２に係るアレ
イ型超音波探触子のビームの説明図であり、図の
（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ＃１，＃２，＃３送
受信周期において振動子寸法を直径７ｍｍ、１０ｍｍ、
１４ｍｍの円形振動子とした場合を示し、各振動子の発
生する超音波周波数は５ＭＨｚとして示したものであ
る。なお、図のｘ₀ は近距離音場限界距離、ψ₀ は指向
角であり、図の（ａ），（ｂ），（ｃ）では、ｘ₀ は約
１０．４ｍｍ、２１．２ｍｍ、４１．５ｍｍとなり、ψ
₀ は約１１．８°、８．２８°、５．９°となる。また
図のｔ₁，ｔ₂，ｔ₃は、＃１，＃２，＃３受信ゲート時
間であり、（ａ），（ｂ），（ｃ）の各振動子面積によ
り高感度で探傷ができる各探傷範囲（振動子〜２０ｍ
ｍ、２０ｍｍ〜４０ｍｍ、４０ｍｍ〜６０ｍｍ）からの
受信信号をそれぞれ抽出するのに使用される。

【００４８】本発明の実施形態１では、３つの送受信周
期を用いて、図４のように振動子面積を３段階に変化さ
せると共に、予め全探傷範囲を３分割して各振動子面積
毎にそのうちの１つの探傷範囲を割り当てているが、従
来の探傷方法では、単一の超音波探触子（即ち同一の振
動子面積）を用いて全探傷範囲の探傷を行っている。こ
こでは、市販の探触子５Ｚ１０を用いて全探傷範囲の探
傷を行う従来の探傷方法と、本発明の探傷方法とにおけ
る音場寸法と感度とを比較する。いま試験用鋼材とし
て、厚さ１００ｍｍの鋼板に直径２ｍｍの平底穴を表面
から１７ｍｍ、３０ｍｍ、５５ｍｍに加工する。この鋼
板を従来型の探触子５Ｚ１０で探傷した一例を示すと、
前記３つの加工穴の検出感度は、表面からの深さが１７
ｍｍで＋１ｄＢ、３０ｍｍで０ｄＢ、５５ｍｍで−７ｄ
Ｂとなった。この深さ５５ｍｍにおける感度低下は、図
４の（ｂ）に示すように深さ４０ｍｍ以上でビームが太
くなり振動子の有効面積が増加することに起因する。ま
たこの範囲内における感度差は８ｄＢである。

【００４９】本実施形態１では、表面から深さ１７ｍｍ
の円形平面きずは、図４の（ａ）の直径７ｍｍの振動子
により探傷する。図４の（ａ）において、振動子からの
距離１７ｍｍの位置では、音場は既に遠距離音場となっ
ているが、超音波ビームの有効寸法はほぼ振動子の直径
に等しい。そしてこの場合のきずからの反射エコーの高
さは、きずの面積と振動子の面積との比に比例する。従
来の探傷法では、図４の（ｂ）の直径１０ｍｍの振動子
による探傷であり、（ｂ）の振動子面積（７８．５ｍｍ
² ）は（ａ）の振動子面積（３８．５ｍｍ² ）の２倍で
ある。従って深さ１７ｍｍの円形平面きずを、直径７ｍ
ｍの振動子により検出した場合のきずエコーの高さは、
直径１０ｍｍの振動子により検出した場合のきずエコー
の高さのほぼ２倍（＋６ｄＢ）となり、本実施形態１の
方が高感度であるので、微細なきずまで検出することが
できる。また振動子から距離１７ｍｍの位置は、図４の
（ｂ）では音圧変動の多い近距離音場であるが、図４の
（ａ）では、音圧変動の少い遠距離音場となっているの
で、安定した探傷が可能である。

【００５０】表面から深さ３０ｍｍの円形平面きずの探
傷では、本実施形態１でも、従来の探傷法でも、同一の
直径１０ｍｍの振動子を用いるので、共に遠距離音場に
おける探傷であり、検出感度も同一と考えてよい。

【００５１】表面から深さ５５ｍの円形平面きずについ
て、本実施形態１では、図４の（ｃ）の直径１４ｍｍの
振動子により探傷する。図４の（ｃ）において、振動子
から距離５５ｍｍの位置では、音場は既に遠距離音場と
なっているが、超音波ビームの有効寸法はほぼ振動子の
直径に等しい。従来の探傷方法では、図４の（ｂ）の直
径１０ｍｍの振動子による探傷であり、深さ５５ｍｍの
位置ではビームの直径は約１６ｍｍに太くなっている。
そしてこの位置における図４の（ｂ）と（ｃ）とでの超
音波ビームの有効面積は、約２０１ｍｍ²と１５４ｍｍ²
である。従って深さ５５ｍｍの円形平面きずを直径１４
ｍｍの振動子により検出したきずエコーの高さは、直径
１０ｍｍの振動子により検出した場合のほぼ１．３倍
（＋２．５ｄＢ）となり、本実施形態１の方が感度が良
い。

【００５２】このように本実施形態１では、全探傷範囲
を複数に分割した各探傷範囲に対して、この各探傷範囲
で最も高感度の探傷が可能となる振動子面積を組み合せ
るように設定するので、従来の全探傷範囲を１つの振動
子面積で探傷する場合よりも高感度の探傷ができる。ま
た前記分割した各探傷範囲の大部分（この例では８０％
程度）は、遠距離音場ではあるが、超音波ビームの有効
寸法が振動子の直径にほぼ近い範囲（ビームが太くなら
ない範囲）に設定されるので、安定した探傷を行うこと
ができる。

【００５３】なお、被検材の表面から底面までの全範囲
をまとめて表示又は記録する場合には、前記複数に分割
した各探傷範囲間の検出感度差を少くして、全探傷範囲
においてほぼ均一な検出感度により行ないたい場合があ
る。このような場合に、本実施形態１では、次の
（１），（２）のいずれか一方、または両方によりこれ
を実現している。 （１）振動子面積の変更段数とこれに対応する各探傷範
囲の組み合せを、これまでの各探傷範囲毎に最高感度と
する組み合せから、全探傷範囲にわたりほぼ均一な検出
感度が得られるような組み合せに変更する。例えば、表
面から２０ｍｍの探傷範囲においても直径１０ｍｍの振
動子を用い（直径７ｍｍの振動子の使用を中止し）、２
段階の面積による探傷とする。即ち表面から深さ４０ｍ
ｍまでは直径１０ｍｍの振動子により探傷し、深さ４０
ｍｍ〜６０ｍｍまでを直径１４ｍｍの振動子により探傷
するようにすれば、表面から深さ５５ｍｍまでは２．５
ｄＢ以内の感度差において探傷を行うことができる。

【００５４】（２）後述する探傷結果評価手段６０によ
り、同一寸法のきずは各探傷範囲毎に同一高さのエコー
となるように補正し、この補正後のデータを表示又は記
録する。これは較正用の試験材として、予め試験材の各
探傷範囲毎に同一寸法のきず（平底穴等）を設けてお
く。そしてこの試験材による本装置の較正時に、各探傷
範囲毎のきずエコー高さを測定し、これらのエコー高さ
が全探傷範囲にわたりほぼ同一の高さになるように各探
傷装置毎の補正係数を求め、この補正係数を内部に記憶
しておく。そして実際の探傷時に、この較正時に記憶し
た補正係数を用いて、測定したきずエコー高さに対して
各探傷範囲毎に補正を行う。

【００５５】次に＃ｉ送受信サイクルにおける、＃（ｉ
−１）送受信サイクルの探傷結果の評価、表示、プリン
ト動作について説明する。＃ｉ送受信サイクルの開始時
点において、この例では＃２メモリ５２内には、＃（ｉ
−１）送受信サイクルにおける被検材の表面から底面ま
での探傷結果の時系列デジタルデータが格納されている
ので、＃１送受信周期に入ると、探傷結果評価手段６０
は、書込・読出制御回路５３を制御し、上記時系列デジ
タルデータを、＃２メモリ５２からスイッチＳ₄ を介し
て読出し、一旦自己の内部メモリに記憶後、下記
（１），（２）の処理を並列的に行う。

【００５６】（１）探傷結果評価手段６０は、第１の処
理として、前記記憶した時系列データをＤ／Ａ変換器６
１を介してアナログ信号に変換し、表示装置６２のＡス
コープ上にエコー波形として表示させる。このエコー波
形の表示法には、表示範囲を限定して各探傷範囲毎に表
示する場合と、表面から底面までの全探傷範囲を一括表
示する場合の２通りがある。前者の場合には、局部的な
走査によりきず波形を拡大表示できるので、各探傷範囲
毎の高感度のデータをそのまま表示する方法（ここでは
方法Ａという）でよいが、後者の場合には、全部の探傷
範囲においてほぼ均一な検出感度となるようにデータを
補正して表示する方法（ここでは方法Ｂという）が一般
に用いられる。従って本実施形態では、上記表示範囲の
選択により、表示感度は上記方法Ａ又は方法Ｂが自動的
に選択されるようにしている。

【００５７】前記方法Ａが選択された場合には、データ
振幅値の補正が不要なので、探傷結果評価手段６０は、
自己の内部に記憶した時系列デジタルデータをそのまま
表示装置６２の走査速度に同期してＤ／Ａ変換器６１に
出力すればよい。また前記方法Ｂが選択された場合に
は、データ振幅値の補正が必要なので、探傷結果評価手
段６０は、予め各探傷範囲毎に区別して（例えば境界デ
ータを設けて）自己の内部に記憶した時系列デジタルデ
ータに対して、較正時に取得した各探傷範囲毎の補正係
数をそれぞれ乗算し、この乗算結果のデータを表示装置
６２の走査速度に同期してＤ／Ａ変換器６１に出力す
る。この（１）のエコー波形の表示処理は、表示装置６
２がビデオメモリを有する場合には、＃１送受信周期に
１回だけ行えばよいが、ビデオメモリを有しない場合に
は、表示を連続させるため、探傷結果評価手段６０は、
＃１，＃２，＃３送受信周期のすべての走査時間につい
て行う。

【００５８】（２）また探傷結果評価手段６０は、例え
ば表示装置６２の走査帰線期間等を利用した時分割処理
により、上記（１）の処理と並列的に次の第２の処理を
行う。即ち探傷結果評価手段６０は、第２の処理とし
て、前記記憶した時系列デジタルデータに含まれるすべ
てのきずデータについてきず寸法（直径等）の推定を行
い、きずの位置（深さ）と寸法のデータをプリント装置
７０（または記録計等）へ出力する。一探触子法で、き
ずが平面きずで遠距離音場にある場合、きずからのエコ
ー高さは、きずの面積と振動子の有効面積（超音波ビー
ムの有効面積の意）との比に比例すると考えられるか
ら、予めこの両者の関係を試験材等を用いて求めておけ
ば、振動子の有効面積ときずエコーの高さからきず寸法
を算出することができる。

【００５９】即ち予め試験材の前記探傷範囲毎に、複数
の既知の穴径の平底穴等を加工して設けておく。そして
装置の較正時に、前記振動子の面積を３段階（Ａ₁ ，Ａ
₂ ，Ａ₃ ）に変化させた３つの各探傷範囲（＃１，＃
２，＃３探傷範囲）毎に既知の穴径（φ₁ ，φ₂ ，…）
に対するきずエコー高さ（Ｆ₁ ，Ｆ₂ ，…）をそれぞれ
測定する。そして各探傷範囲毎に測定した穴径φ₁，
φ₂，…に対応するエコー高さＦ₁ ，Ｆ₂ ，…をエコー
高さの参照値として、探傷結果評価手段６０内に記憶し
ておく。そして実際の探傷時に各探傷範囲毎に得たきず
エコー高さについて、既知穴径に対する前記参照値を用
いて、きずの直径を推定して求めることができる。探傷
結果評価手段６０は、＃１〜＃３送受信周期内における
（１）の処理と重複しない時間帯に、自己の内部に記憶
した時系列デジタルデータを用いて、きず寸法の推定と
推定したきずデータのプリント装置７０への出力を行
う。

【００６０】実施形態２ 実施形態２では、超音波探触子の振動子面積を複数（こ
の実施形態では３とするが、一般的にはＮ）の段階に変
更できるようにし、超音波の送受信周期毎に１段階ずつ
順次前記Ｎ段階に振動子面積を変更して被検材に超音波
を送受信して所定探傷範囲の受信信号を取得し、複数Ｎ
の超音波送受信周期において前記取得した各送受信周期
毎の受信信号をそれぞれ量子化して複数Ｎの時系列デー
タとして記憶する。そしてこの記憶した複数Ｎの時系列
データを各時系列位置毎に比較し、そのうちの最大振幅
値を有するデータを該当時系列位置における受信結果デ
ータとして抽出する。その結果、同一のきずに対する複
数Ｎのエコーから最大感度で得られたエコーを自動的に
抽出することができる。

【００６１】図５は本発明の実施形態２に係る超音波探
傷装置の構成図であり、図６は図５の装置の動作を説明
するためのタイミングチャートである。最初に図５と図
１との相違点及び図６と図２の相違点について説明す
る。図５においては、受信ゲート回路４１に対して、タ
イミング制御回路８０Ａは、被検材の表面から底面まで
の全探傷範囲の受信信号を取出することができる一種類
の受信ゲート信号を供給するようにしている。また＃１
メモリ５１Ａ、＃２メモリ５２Ａには、それぞれ被検材
の表面から底面までの全探傷範囲の時系列デジタルデー
タを送受信の３周期分記憶できる容量を備えるようにし
た。なお探傷結果評価手段６０の処理内容は、実施形態
１の場合と異なるが、パソコン等の装置としてみた場合
には、実施形態１と同一装置でよい。以上が図５と図１
と相違する点であり、その他の図５の機器は図１と同じ
ものである。また図６では、図５の＃１，＃２，＃３受
信ゲート信号（ｅ），（ｆ），（ｇ）の代りに、共通の
受信ゲート信号（ｅ）（時間幅はｔ）をすべての送受信
周期に用いるようにした点以外は、図２と同一タイミン
グである。

【００６２】実施形態２では、実施形態１と異なる動作
を主に説明する。超音波探触子の振動子面積を＃１，＃
２，＃３送受信周期毎に１段階ずつ順次増加させて（こ
の例では、３８．５ｍｍ²、７８．５ｍｍ²、１５３．９
ｍｍ² として）、被検材に超音波を送受信する動作は実
施形態１の場合と同じである（図６の（ａ）〜（ｄ）を
参照）。そして各送受信周期毎に、被検材内から反射さ
れ振動子、受信保護回路２１、受信回路４０を介して受
信ゲート回路４１Ａに入力された受信信号に対して、タ
イミング制御回路８０Ａは、時間幅ｔの共通の受信ゲー
ト信号を供給する（図６の（ｅ）を参照）。ここで上記
時間幅ｔは、被検材の表面から底面までの全探傷範囲を
カバーするように、この例では表面から深さ６０ｍｍの
距離を超音波縦波が往復するのに要する時間ｔ＝２０．
３４μｓとして決められる。従って受信ゲート回路４１
Ａは、各送受信周期毎に表面から６０ｍｍまでの全探傷
範囲の受信信号を出力する。

【００６３】Ａ／Ｄ変換器５０が、サンプリングクロッ
ク毎に受信ゲート回路４１Ａの出力するアナログ信号を
量子化データに変換し、スイッチＳ₃ を介して、現在読
出動作を行っていない方のメモリ（図５では＃１メモリ
５１Ａ）に供給すると、書込・読出制御回路５３は、＃
１，＃２，＃３送受信周期にそれぞれ対応して＃１メモ
リ５１Ａ内に設けられた＃１，＃２，＃３周期用メモリ
に対して、該当（例えば＃１）送受信周期に受信して得
られた時系列デジタルデータを該当（この場合＃１）周
期用メモリに格納する。このようにして３つの送受信周
期が終了した時点では、＃１メモリ５１Ａ内には、振動
子面積を３段階に変化させて、被検材の全探傷範囲を探
傷した結果の３つの時系列デジタルデータが格納されて
いる。なおこの格納データには、当然底面エコーデータ
も含まれている。

【００６４】本実施形態２においては、＃ｉ送受信サイ
クルの＃１送受信周期が開始すると、探傷結果評価手段
６０は、下記（１），（２），（３）の処理を行う。 （１）探傷結果評価手段６０は、第１の処理として、＃
２メモリ５２Ａ内の＃１，＃２，＃３周期用メモリに、
＃（ｉ−１）送受信サイクルの探傷結果データとして記
憶されている３つの時系列デジタルデータを、スイッチ
Ｓ₄ を介して読出し、各時系列位置毎に３つのデータを
比較して、そのうちの最も振幅値の高いデータを代表デ
ータ（ここでは受信結果データという）として抽出し、
この抽出したデータを自己の内部のメモリに記憶する。
なおこの際に、どの送受信周期（即ち振動子面積がいく
つの場合）のデータを抽出したかを識別する２ビットの
符号を受信結果データの先頭に付加しておくと、後で感
度補正やきず寸法の測定をする場合に便利である。

【００６５】上記同一時系列位置にある３つのデータの
うちで最も振幅値の高いデータを抽出することの物理的
意味は、被検材内の同一のきずに対して、３回測定を行
って得られた３つのエコーデータのうちから最大感度で
得られたエコーデータを自動的に抽出するということで
ある。このようにして抽出される高感度エコーは、図４
で説明したように、結果としては、振動子から深さ方向
の距離の近距離、中距離、遠距離に応じて、振動子直径
の小径、中径、大径の場合のエコーから順次抽出される
ことになるが、さらにどの直径の振動子では、どの距離
まで探傷するかという境界（例えば近距離と中距離の境
界）も感度比較により自動的に決まることになる。従っ
て本実施形態２では、実施形態１のように、予め振動子
面積毎に対応する探傷範囲を設定する必要はない。なお
この（１）の受信結果データの抽出処理が完了すると、
探傷結果評価手段６０は、実施形態１の場合と同様に、
直ちに次の（２），（３）の処理を並列的に行う。

【００６６】（２）次に探傷結果評価手段６０は、前記
最大感度データとして抽出した全探傷範囲にわたる時系
列デジタルデータをＤ／Ａ変換器６１を介してアナログ
信号に変換し、表示装置６２のＡスコープ上にエコー波
形として表示させる。このエコー波形の表示法は、実施
形態１の場合と同様に、表示範囲を限定して（局部的な
走査として）、きず波形を拡大表示するため、（１）の
処理で抽出した最大感度のデータを、そのままの感度で
表示する方法Ａと、全探傷範囲を一括表示するため、各
データの感度を全探傷範囲にあたりほぼ均一な検出感度
となるようにそれぞれ補正して表示する方法Ｂのいずれ
かが選択されるので、この選択された方法による処理を
行う。具体的な感度補正方法や表示装置６２へのデータ
出力タイミング等は、実施形態１の場合と同様であるの
で、重複する説明は省略する。

【００６７】（３）また探傷結果評価手段６０は、上記
（２）の処理と並列的に次の第３の処理を行う。即ち探
傷結果評価手段６０は、第３の処理として、前記抽出し
て記憶した時系列デジタルデータに含まれるすべてのき
ずデータについて、きず寸法（直径等）の推定を行い、
きずの位置（深さ）及び寸法のデータをプリント装置７
０（または記録計等）へ出力する。本実施形態２では、
各送受信周期毎の底面エコー高さデータも記憶されるの
で、例えばきずエコーの高さ（Ｆ）と底面エコーの高さ
（Ｂ）の比からきず直径を算出するＦ／Ｂ法を用いるこ
とができる（Ｆ／Ｂ法については、例えば日本非破壊検
査協会、超音波探傷試験II、平成元年２月、ｐ１０９を
参照）。また実施形態１の場合と同様に、予め試験材を
用いて較正用データを取得しておき、きずエコーの高さ
と、このきずに相当する受信結果データが抽出された時
系列データを記憶した送受信周期の該当きず検出位置に
おける超音波ビームの有効面積とに基づききず寸法を評
価することもできる。

【００６８】なお上記Ｆ／Ｂ法においても、実施形態１
の場合と同様に試験材を用いて予め較正用データを取得
しておくことは有効である。即ち試験材には、予め被検
材の表面から等間隔の深さの複数の位置毎に、複数の既
知の穴径の平底穴等を加工して設けておく。そして本装
置の較正時に、前記振動子の面積を３段階（Ａ₁，Ａ₂，
Ａ₃ ）に変化させ、前記複数の位置毎に既知の穴径（φ
₁，φ₂，…）に対するきずエコー高さ（Ｆ₁，Ｆ₂，…）
及び底面エコー高さ（Ｂ₁，Ｂ₂，…）を測定する。そし
てこの各穴径に対応する各エコー高さの測定値を参照値
として内部に記憶し、さらに前記文献等に記載のＦ／Ｂ
ときず直径（ｄ）との関係式から求めた理論的きず直径
と実際の穴径との誤差を求めておく。そして実際の探傷
時に得られたきずエコー高さ、底面エコー高さに対して
前記参照値、誤差を用いてきず直径を精度良く算出する
ことができる。

【００６９】探傷結果処理手段６０は、＃１〜＃３送受
信周期内において、最初に（１）の処理を完了させ、そ
の後、この（１）による処理済みのデータを用いて、
（２）と（３）の処理を互に時間帯が重複しないように
時分割で並列処理で行う。

【００７０】なお図３の超音波探触子では、中心部振動
子である＃１振動子を円形として、この中心部振動子を
取り囲む位置に配置された周辺部振動子である＃２，＃
３振動子を同心のリング状としたが、本発明はこの形状
に限定されるものではない。例えば中心部振動子を、長
円、四角形、六角形、八角形等として、周辺部振動子は
中心部振動子を取り囲み、順次振動子面積を増加させる
形状のものであればよい。

【００７１】

【発明の効果】本発明においては、複数の振動子を有す
るアレイ探触子により超音波を送受信する振動子面積を
複数Ｎ段階に変更可能とし、被検材の所定探傷範囲を前
記複数Ｎと同数の範囲に分割し、予め前記Ｎ段階の各振
動子面積にそれぞれ対応させて前記複数Ｎに分割したう
ち１つの探傷範囲を割り当てておき、超音波の送受信周
期毎に１段階ずつ順次前記Ｎ段階に振動子面積を変更し
て被検材に超音波を送受信すると共に、前記各振動子面
積に対応させて割り当てた各探傷範囲の探傷を行うよう
にしたので、各探傷範囲においてそれぞれ最高感度で探
傷を行い、微細なきずまで検出することが可能となる。

【００７２】また本発明においては、前記超音波の送受
信周期毎に１段階ずつ順次前記複数Ｎ段階に振動子面積
を変更して超音波を送受信すると共に、前記各振動子面
積に対応させて割り当てた各探傷範囲の受信信号を表示
又は記録する際に、前記各探傷範囲の受信感度を変更せ
ずにそのままの感度で表示又は記録するか、または前記
所定探傷範囲においてほぼ均一な感度となるように各探
傷範囲の感度を変更して表示又は記録するようにしたの
で、各探傷範囲毎の最高感度によるきずの表示も、全探
傷範囲にわたるほぼ均一な感度によるきずの表示も可能
となる。

【００７３】また本発明においては、前記超音波の送受
信周期毎に１段階ずつ順次前記複数Ｎ段階に振動子面積
を変更して超音波を送受信すると共に、前記各振動子面
積に対応させて割り当てた各探傷範囲を探傷し、この各
探傷範囲の受信信号より検出したきずの評価として、こ
の検出したきずのエコー高さと前記各探傷範囲内のきず
検出位置における超音波ビームの有効面積とに基づきき
ず寸法を評価するようにしたので、較正データの併用等
により、まず寸法を精度良く評価することができる。

【００７４】また本発明においては、複数の振動子を有
するアレイ探触子により超音波を送受信する振動子面積
を複数Ｎ段階に変更可能とし、超音波の送受信周期毎に
１段階ずつ順次前記Ｎ段階に振動子面積を変更して被検
材に超音波を送受信して所定探傷範囲の受信信号を取得
し、複数Ｎの超音波送受信周期において前記取得した各
送受信周期毎の受信信号をそれぞれ量子化して複数Ｎの
時系列データとして記憶し、この記憶した複数Ｎの時系
列データを各時系列位置毎に比較し、そのうちの最大振
幅値を有するデータを該当時系列位置における受信結果
データとして抽出するようにしたので、各きず毎に、該
当きずの検出位置において最高感度で検出したきずデー
タを自動的に取得することができる。

【００７５】また本発明においては、前記複数Ｎの時系
列データを各時系列位置毎に比較し、そのうちの最大振
幅値を有するデータを順次抽出して得た前記所定探傷範
囲内の受信結果データを表示又は記録する際に、各抽出
位置における受信結果データの感度を変更せずにそのま
まの感度で表示又は記録するか、または各抽出位置にお
ける受信結果データの感度を前記所定探傷範囲において
ほぼ均一な感度となるように変更して表示又は記録する
ようにしたので、各きず検出位置毎の最高感度によるき
ずの表示も、全探傷範囲にわたるほぼ均一な感度による
きずの表示も可能となる。

【００７６】また本発明によれば、前記複数Ｎの時系列
データを各時系列位置毎に比較し、そのうちの最大振幅
値を有するデータを順次抽出して得た所定探傷範囲の受
信結果データより検出したきずの評価として、前記検出
したきずのエコー高さと、このきずに相当する受信結果
データが抽出された時系列データにおける底面エコーの
高さとの比に基づききず寸法を評価するか、または前記
検出したきずのエコー高さと、前記きずに相当する受信
結果データが抽出された時系列データを記憶した送受信
周期の該当きず検出位置における超音波ビームの有効面
積とに基づききず寸法を評価するようにしたので、底面
エコー高さが十分に得られる場合にも、また得られない
場合にも、較正データの併用等により、きず寸法を精度
良く評価することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１に係る超音波探傷装置の構
成図である。

【図２】図１の装置の動作を説明するためのタイミング
チャートである。

【図３】本発明の実施形態１，２に係るアレイ型超音波
探触子の構成図である。

【図４】本発明の実施形態１，２に係るアレイ型超音波
探触子のビームの説明図である。

【図５】本発明の実施形態２に係る超音波探傷装置の構
成図である。

【図６】図５の装置の動作を説明するためのタイミング
チャートである。

【図７】円形振動子による超音波ビーム形状の説明図で
ある。

【図８】公知文献に示された超音波診断装置の構成例を
示す図である。

【符号の説明】

１ ＃１振動子 ２ ＃２振動子 ３ ＃３振動子 ４ スペーサ ５ スペーサ ６ ＃１振動子電極 ７ ＃２振動子電極 ８ ＃３振動子電極 ９ 共通電極 １０ アレイ型超音波探触子 ２０ 振動子選択回路 ２１ 受信保護回路 ３０ 送信回路 ４０ 受信回路 ４１，４１Ａ 受信ゲート回路 ５０ Ａ／Ｄ変換器 ５１，５１Ａ ＃１メモリ ５２，５２Ａ ＃２メモリ ５３ 書込・読出制御回路 ６０ 探傷結果評価手段 ６１ Ｄ／Ａ変換器 ６２ 表示装置 ７０ プリトン装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 飯塚 幸理 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 (72)発明者 中沢 晋 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 (72)発明者 鬼丸 昭夫 東京都大田区南蒲田２丁目16番46号 株式 会社トキメック内 Ｆターム(参考） 2G047 BC03 BC07 CA01 GB02 GB14 GF15 GF18 GF31 GG16 GG19 GG27

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の振動子を有するアレイ探触子によ
   り超音波を送受信する振動子面積を複数Ｎ段階に変更可
   能とし、被検材の所定探傷範囲を前記複数Ｎと同数の範
   囲に分割し、予め前記Ｎ段階の各振動子面積にそれぞれ
   対応させて前記複数Ｎに分割したうち１つの探傷範囲を
   割り当てておき、超音波の送受信周期毎に１段階ずつ順
   次前記Ｎ段階に振動子面積を変更して被検材に超音波を
   送受信すると共に、前記各振動子面積に対応させて割り
   当てた各探傷範囲の探傷を行うことを特徴とする超音波
   探傷方法。
2. 【請求項２】 前記超音波の送受信周期毎に１段階ずつ
   順次前記複数Ｎ段階に振動子面積を変更して超音波を送
   受信すると共に、前記各振動子面積に対応させて割り当
   てた各探傷範囲の受信信号を表示又は記録する際に、前
   記各探傷範囲の受信感度を変更せずにそのままの感度で
   表示又は記録するか、または前記所定探傷範囲において
   ほぼ均一な感度となるように各探傷範囲の感度を変更し
   て表示又は記録することを特徴とする請求項１記載の超
   音波探傷方法。
3. 【請求項３】 前記超音波の送受信周期毎に１段階ずつ
   順次前記複数Ｎ段階に振動子面積を変更して超音波を送
   受信すると共に、前記各振動子面積に対応させて割り当
   てた各探傷範囲を探傷し、この各探傷範囲の受信信号よ
   り検出したきずの評価として、この検出したきずのエコ
   ー高さと前記各探傷範囲内のきず検出位置における超音
   波ビームの有効面積とに基づききず寸法を評価すること
   を特徴とする請求項１又は２記載の超音波探傷方法。
4. 【請求項４】 複数の振動子を有するアレイ探触子によ
   り超音波を送受信する振動子面積を複数Ｎ段階に変更可
   能とし、超音波の送受信周期毎に１段階ずつ順次前記Ｎ
   段階に振動子面積を変更して被検材に超音波を送受信し
   て所定探傷範囲の受信信号を取得し、複数Ｎの超音波送
   受信周期において前記取得した各送受信周期毎の受信信
   号をそれぞれ量子化して複数Ｎの時系列データとして記
   憶し、この記憶した複数Ｎの時系列データを各時系列位
   置毎に比較し、そのうちの最大振幅値を有するデータを
   該当時系列位置における受信結果データとして抽出する
   ことを特徴とする超音波探傷方法。
5. 【請求項５】 前記複数Ｎの時系列データを各時系列位
   置毎に比較し、そのうちの最大振幅値を有するデータを
   順次抽出して得た前記所定探傷範囲内の受信結果データ
   を表示又は記録する際に、各抽出位置における受信結果
   データの感度を変更せずにそのままの感度で表示又は記
   録するか、または各抽出位置における受信結果データの
   感度を前記所定探傷範囲においてほぼ均一な感度となる
   ように変更して表示又は記録することを特徴とする請求
   項４記載の超音波探傷方法。
6. 【請求項６】 前記複数Ｎの時系列データを各時系列位
   置毎に比較し、そのうちの最大振幅値を有するデータを
   順次抽出して得た所定探傷範囲の受信結果データより検
   出したきずの評価として、前記検出したきずのエコー高
   さと、このきずに相当する受信結果データが抽出された
   時系列データにおける底面エコーの高さとの比に基づき
   きず寸法を評価するか、または前記検出したきずのエコ
   ー高さと、前記きずに相当する受信結果データが抽出さ
   れた時系列データを記憶した送受信周期の該当きず検出
   位置における超音波ビームの有効面積とに基づききず寸
   法を評価することを特徴とする請求項４又は５記載の超
   音波探傷方法。
7. 【請求項７】 中心部振動子と、この中心部振動子を取
   り囲む位置に配置された単数又は複数の周辺部振動子と
   を有するアレイ探触子と、 前記アレイ探触子の中心部振動子と、この中心部振動子
   に単数又は複数の周辺部振動子を付加することにより、
   超音波の送受信周期毎に１段階ずつ順次複数Ｎ段階に振
   動子面積を変更させ、被検材に超音波の送受信を行う超
   音波送受信手段と、 前記複数Ｎ段階の各振動子面積に対応させ、被検材の所
   定探傷範囲を複数Ｎに分割したうちの１つの探傷範囲を
   それぞれ割り当てておき、前記超音波の送受信周期毎
   に、前記超音波送受信手段が得た受信信号から前記各送
   受信周期の振動子面積に対応して割り当てた各探傷範囲
   の受信信号を抽出する受信信号抽出手段とを備えたこと
   を特徴とする超音波探傷装置。
8. 【請求項８】 前記受信信号抽出手段が抽出した各探傷
   範囲の受信信号を入力し、この各探傷範囲の受信信号
   を、その受信感度のままで出力するか、または前記所定
   探傷範囲においてほぼ均一な感度となるように各探傷範
   囲の感度を変更して出力する感度変更選択手段と、 前記受信信号抽出手段が抽出した各探傷範囲の受信信号
   を検査し、この受信信号より検出したきずの評価とし
   て、この検出したきずのエコー高さと前記各探傷範囲内
   のきず検出位置における超音波ビームの有効面積とに基
   づききず寸法を評価するきず寸法評価手段とを付加した
   ことを特徴とする請求項７記載の超音波探傷装置。
9. 【請求項９】 中心部振動子と、この中心部振動子を取
   り囲む位置に配置された単数又は複数の周辺部振動子と
   を有するアレイ探触子と、 前記アレイ探触子の中心部振動子と、この中心部振動子
   に単数又は複数の周辺部振動子を付加することにより、
   超音波の送受信周期毎に１段階ずつ順次複数Ｎ段階に振
   動子面積を変更させ、被検材に超音波の送受信を行う超
   音波送受信手段と、 複数Ｎの超音波送受信周期において前記超音波送受信手
   段が各送受信周期毎に取得した所定探傷範囲の受信信号
   をそれぞれ量子化して複数Ｎの時系列データとして記憶
   し、この記憶した複数Ｎの時系列データを各時系列位置
   毎に比較し、そのうちの最大振幅値を有するデータを該
   当時系列位置における受信結果データとして抽出する受
   信結果データ抽出手段とを備えたことを特徴とする超音
   波探傷装置。
10. 【請求項１０】 前記受信結果データ抽出手段が複数Ｎ
    の時系列データより各時系列位置毎に抽出した受信結果
    データを入力し、この各時系列位置毎の受信結果データ
    を、その受信感度の振幅値のまま出力するか、または前
    記所定探傷範囲においてほぼ均一な感度となるように振
    幅値を変更して出力する感度変更選択手段と、 前記受信結果データ抽出手段が複数Ｎの時系列データよ
    り各時系列位置毎に抽出した受信結果データを検査し、
    この受信結果データより検出したきずの評価として、前
    記検出したきずのエコー高さと、このきずに相当する受
    信結果データが抽出された時系列データにおける底面エ
    コーの高さとの比に基づききず寸法を評価するか、また
    は前記検出したきずのエコー高さと、前記きずに相当す
    る受信結果データが抽出された時系列データを記憶した
    送受信周期の該当きず検出位置における超音波ビームの
    有効面積とに基づききず寸法を評価するきず寸法評価手
    段とを付加したことを特徴とする請求項９記載の超音波
    探傷装置。