JP2002195986A - 超音波アレイ探触子及び超音波探傷方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 送受別体型アレイ探触子を対向させて超音波
探傷を行い、板厚方向探傷可能範囲を従来よりも拡大で
きる超音波アレイ探触子及び超音波探傷方法。 【解決手段】 送受別体型リニアアレイ探触子２，３に
おいて、その振動子配列方向に基準軸４を仮定し、該基
準軸上に各振動子を前記基準軸により各振動子が二等分
されるようにそれぞれ配列し、各振動子を前記基準軸上
でそれぞれ回転させて複数の各振動子の探傷面に対する
傾斜角がそれぞれ異なる値となるように構成した超音波
アレイ探触子、並びに該送受別体型超音波アレイ探触子
をアレイ配列方向に対向させて一定間隔として被検体１
上に配置して探傷を行う超音波探傷方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数の超音波の振
動子を直線状に配列して構成する超音波アレイ探触子及
び該超音波アレイ探触子を用いた超音波探傷方法に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、金属の溶接部には余盛があるた
め、超音波探傷では、余盛からある距離隔てた被検体の
表面から適当な角度（探傷屈折角）で超音波を入射させ
る斜角探傷法により探傷を行う。しかし通常の探触子
は、構造的に屈折角が固定されているためきず（超音波
の反射源）の位置や角度によっては、「超音波がきずに
到達しない」とか「きずから反射した超音波が探触子に
戻らない」という問題があった。この問題を解決する方
法として、複数の振動子を直線状に配列したアレイ探触
子を用いて、その励振タイミングを制御することにより
屈折角を変化させる（一般に走査、スキャンという）超
音波アレイ探傷も用いられる。しかしこれらのアレイ探
触子では、複数の振動子を同一平面に配置するものであ
るので以下の問題があった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】（１）まず探傷面付近
を探傷する場合には、“近距離音場限界距離”を考慮し
て探触子にくさびを付けて路程距離を長くする手法もし
くは振動素子のサイズを小さくする手法、または送信用
と受信用を別個のアレイ探触子とする場合に、入射角と
屈折角間のスネルの法則を考慮して、送信用振動子と受
信用振動子間の相対角度を大きくする（勾配の大きい屋
根型に配置する）手法等を選択したりまたは組み合せて
用いている。

【０００４】図１１は従来の送受別体型のアレイ探触子
の屋根形配置例を示す図である。図１１の（ａ）は、同
一勾配（傾斜）の切妻屋根の一方の面上に送信用アレイ
振動子を、また他方の面上に受信用アレイ振動子をそれ
ぞれ配置した模式配置位置を示すものである。図１１の
（ｂ）は、被検体１上に送信用アレイ探触子２と受信用
アレイ探触子３を一定間隔に対向して配置した場合に、
各探触子内部に含まれる＃１〜＃ｎの振動子の空間的
（立体的）位置が、同図の（ａ）の切妻屋根の一方の面
上と他方の面上にそれそれ配置された場合と同一の空間
的位置となることを示している。

【０００５】図１１の（ｃ）は、同図の（ｂ）の送信用
及び受信用の＃１〜＃ｎ振動子を（ｂ）のＹＺ断面で見
通した場合、すべて同一位置となるため、あたかも１対
の振動子があるように見える様子を示している。図１１
の（ｄ）は、探触子内の各振動子の空間的位置を固定す
る方法として、例えば図示のような、断面が三角形で長
さ方向を有するくさび材（材質は例えばアクリル）上に
等間隔で直線状に各振動子を配列し、同一勾配とした状
態を示している。

【０００６】図１２は送受別体型アレイ探触子で送信用
振動子と受信用振動子間の相対角度の大きい場合と小さ
い場合の探傷範囲の説明図である。そして上記（１）の
場合には、図１２の（ａ）に示すように、探傷面から近
距離のきずは探傷可能であるが、被検体深層部の探傷は
困難または不可能である。

【０００７】（２）また超音波の路程距離（振動子とき
ず間の距離）が長くなると、超音波の減衰や散乱に基づ
き探傷精度が悪化することがあるため、被検体深層部を
探傷する場合には、上記（１）とは逆に、路程距離を短
くする手法もしくは振動素子のサイズを大きくする手
法、または送受別体型のアレイ探触子とする場合に、送
信用振動子と受信用振動子間の相対角度を小さくする
（勾配の小さい屋根形に配置する）手法等を選択したり
または組み合せて用いている。しかし、上記（２）の場
合には、図１２の（ｂ）に示すように、被検体の深層部
のきずは探傷可能であるが、探傷面から近距離のきずは
探傷が困難または不可能となる。

【０００８】このように平面状に振動子を配置した送信
用アレイ探触子及び受信用アレイ探触子を両探触子のア
レイ配列方向を対向させ一定間隔として被検体上に配置
して傾角探傷を行う従来の探傷方法では、送信用振動子
の励振タイミングと受信用振動子の出力合成タイミング
とを制御したとしても、超音波の位相を制御できる被検
体内の深さ方向の距離は短く、探傷可能な領域が狭いと
いう問題があった。例えば板厚の薄い被検体と厚い被検
体とでは、同一のアレイ探触子を使用できないとか、ま
た板厚の厚い被検体では探傷面近傍と深層部とを同一の
アレイ探触子で探傷はできないという問題があった。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係る
超音波アレイ探触子は、複数の超音波の振動子を直線状
に配列して構成する超音波アレイ探触子において、前記
アレイ探触子の振動子配列方向に基準軸を仮定し、該基
準軸上に各振動子を前記基準軸により各振動子が二等分
されるようにそれぞれ配列し、各振動子を前記基準軸上
でそれぞれ回転させて複数の各振動子の探傷面に対する
傾斜角がそれぞれ異なる値となるように構成したもので
ある。

【００１０】本発明の請求項２に係る超音波アレイ探触
子は、前記請求項１に係る超音波アレイ探触子におい
て、前記複数の各振動子の探傷面に対する傾斜角がそれ
ぞれ異なる値となるように構成する際に、前記傾斜角の
最大値と最小値との差が被検体中での超音波の指向角の
２倍より小さくなるように構成したものである。

【００１１】本発明の請求項３に係る超音波アレイ探触
子は、前記請求項１または２に係る超音波アレイ探触子
において、前記複数の各振動子の探傷面に対する傾斜角
がそれぞれ異なる値となるように構成する際に、隣接す
る各振動子間の傾斜角の差が一定またはほぼ一定となる
ように構成したものである。

【００１２】本発明の請求項４に係る超音波アレイ探触
子は、前記請求項１または２に係る超音波アレイ探触子
において、前記複数の各振動子の探傷面に対する傾斜角
がそれぞれ異なる値となるように構成する際に、隣接す
る各振動子間の傾斜角の差は、アレイ配列された端部に
おける傾斜角の差よりも中央部における傾斜角の差が小
さくなるように構成したものである。

【００１３】本発明の請求項５に係る超音波アレイ探触
子は、前記請求項１から４までのいずれかの請求項に係
る超音波アレイ探触子において、前記複数の各振動子の
探傷面に対する傾斜角が、前記探傷面に対する垂直な面
に対して左右対称となるように構成した一対の超音波ア
レイ探触子を送信用超音波アレイ探触子及び受信用超音
波アレイ探触子とするものである。

【００１４】本発明の請求項６に係る超音波探傷方法
は、前記請求項５に記載の送信用超音波アレイ探触子及
び受信用超音波アレイ探触子を両探触子のアレイ配列方
向を対向させ一定間隔として被検体上に配置し、前記送
信用超音波アレイ探触子内の各振動子を励振し、前記受
信用超音波アレイ探触子内の各振動子の受信信号出力を
合成し、該合成信号に基づき前記被検体の探傷を行うも
のである。

【００１５】本発明の請求項７に係る超音波探傷方法
は、前記請求項５に記載の送信用超音波アレイ探触子及
び受信用超音波アレイ探触子に各アレイ探触子のアレイ
配列方向に傾斜する斜角用くさびをそれぞれ付加し、該
くさびの付加された両探触子をこれらのアレイ配列方向
を対向させ一定間隔として被検体上に配置し、前記送信
用超音波アレイ探触子内の各振動子を励振し、前記受信
用超音波アレイ探触子内の各振動子の受信信号出力を合
成し、該合成信号に基づき前記被検体の探傷を行うもの
である。

【００１６】本発明の請求項８に係る超音波探傷方法
は、前記請求項６または７に係る超音波探傷方法におい
て、前記送信用超音波アレイ探触子内の各振動子を励振
する際に、アレイ配列位置内の送信電力の分布が所望の
分布となるようにそれぞれ重み付けして励振し、前記受
信用超音波アレイ探触子内の各振動子の受信出力を合成
する際に、アレイ配列位置内の受信信号増幅率の分布が
所望の分布となるようにそれぞれ重み付けして増幅して
得られる各出力を合成し、該合成信号に基づき前記被検
体の探傷を行うものである。

【００１７】本発明の請求項９に係る超音波探傷方法
は、前記請求項６または７に係る超音波探傷方法におい
て、前記送信用超音波アレイ探触子内の各振動子を励振
する際に、アレイ配列位置に応じた時間差を設けてそれ
ぞれ励振し、前記受信用超音波アレイ探触子内の各振動
子の受信出力を合成する際に、アレイ配列位置に応じた
時間差を設けてそれぞれ合成し、該合成信号に基づき前
記被検体の探傷を行うものである。

【００１８】本発明の請求項１０に係る超音波探傷方法
は、前記請求項６または７に係る超音波探傷方法におい
て、前記送信用超音波アレイ探触子内の各振動子を励振
する際に、アレイ配列位置に応じた時間差を設けて且つ
アレイ配列位置内の送信電力の分布が所望の分布となる
ようにそれぞれ重み付けして励振し、前記受信用超音波
アレイ探触子内の各振動子の受信出力を合成する際に、
アレイ配列位置に応じた時間差を設けて且つアレイ配列
位置内の受信信号増幅率の分布が所望の分布となるよう
にそれぞれ重み付けして増幅して得られる各出力を合成
し、該合成信号に基づき前記被検体の探傷を行うもので
ある。

【００１９】

【発明の実施の形態】従来の送受別体型のアレイ探触子
の各振動子は、それぞれ平面状に配置されているが、本
発明ではアレイ探触子を構成する各振動子を３次元（立
体的）に配置しているので、最初にこの配置について説
明する。図１は本発明に係るアレイ探触子の各振動子の
配置説明図である。図１の（ａ）は、同一屋根面積で、
それぞれ勾配の異なる３つの切妻屋根の家を連結した状
態を示しており、同図の（ｂ）は、（ａ）の３つの連結
したそれぞれ勾配の異なる屋根の一方の面上に送信用ア
レイ振動子を、また他方の面上に受信用アレイ振動子を
それぞれ配置した模式配置位置を示している（なお、図
１１の（ａ）と対比できる）。

【００２０】図１の（ｃ）は、送信用アレイ探触子２と
受信用アレイ探触子３を両探触子のアレイ配列方向を対
向させ一定間隔として被検体１上に配置した場合に、各
探触子内部に含まれる＃１〜＃ｎの振動子の３次元（空
間的）位置が、同図の（ｂ）の複数の連結したそれぞれ
勾配の異なる屋根の一方の面上と他方の面上にそれぞれ
配置された場合と同一の空間的位置となることを示して
いる。

【００２１】図１の（ｄ）は、アレイ探触子内の各振動
子の配列及び傾斜の説明図である。いまアレイ探触子の
振動子配列方向に基準軸４を設けたと仮定する。そして
この仮想上の基準軸４上に各振動子を基準軸４により各
振動子が二等分されるようにそれぞれ等間隔で配列す
る。（ｄ）の図では、各振動子の傾斜方向の長さをＬと
すると、傾斜方向の端部から長さＬ／２の距離で上下に
２等分する各振動子の裏面側の線分が基準軸４と一致す
る位置で基準軸４上にのるように配列する。そして各振
動子を基準軸４上でそれぞれ回転させて複数の各振動子
の探傷面に対する傾斜角がそれぞれ異なる値となるよう
に構成する。

【００２２】図１の（ｅ）は、前記基準軸４上で隣接す
る各振動子間の傾斜角の差が一定となるように設定し、
（ｃ）のＹＺ断面で見通した場合の送信用振動子と受信
用振動子の空間的位置を示したものである。なお、
（ｅ）では、各振動子の厚さは無視して直線で示してい
る。

【００２３】次に各アレイ探触子内で各振動子の傾斜が
それぞれ異なるように設定する場合の、全体としての角
度範囲について説明する。図３は超音波振動子の指向角
を説明する図である。いま直径Ｄ（mm）の円形振動子を
波長λ（mm）の超音波で励振した場合の指向角（遠距離
音場において超音波が強く放射される振動子の中心軸か
らの角度範囲）φは、次式（１）で表される。 φ≒７０・λ／Ｄ＝７０・Ｃ／Ｄ・ｆ …（１） 但し、Ｃは伝搬媒質中の音速、ｆは超音波の周波数であ
る。

【００２４】図２は、本発明に係るアレイ探触子の振動
子数が８個の場合のＹＺ断面（Ｘ軸方向）で見通した各
振動子の傾斜角の設定例を示す図である。図２において
は、各振動子の法線がＺ軸との間になす角を傾斜角θと
して定義し、この傾斜角が最も小さい角度をθ₁、最も
大きい角度をθ₈とし、最大角度と最小角度の間の相対
角度（θ₈−θ₁）を、被検体中での超音波の指向角φの
２倍より小さくなるように設定する。従って下記式
（２）が成立する。 （θ₈−θ₁）＜２φ …（２） ＹＺ平面において、単一の振動子の超音波の広がりは、
超音波の伝搬中心軸（振動子中心の法線方向）±φであ
るから、超音波の広がりは２φとなる（図３を参照）。
従って式（２）を満足する図２のように各振動子を設置
した場合のＹＺ平面における超音波の広がりは４φとな
る。

【００２５】図４は送信用アレイ探触子と受信用アレイ
探触子内の各振動子の傾斜角の設定例の説明図である。
いま図２の例のように、各探触子内の振動子数は８個と
し、また各振動子の法線がＺ軸との間になす角を傾斜角
θ₁〜θ₈として定義する。図４の（ａ）においては、隣
接する各振動子間の傾斜角の差が一定となるように、即
ち次式（３）が成立するように設定されている。 Δθ＝θ₈−θ₇＝θ₇−θ₆＝…＝θ₂−θ₁＝…（３） この図４の（ａ）の場合には、被検体に対する超音波の
各入射角方向の送信電力及び各出射角方向の受信感度を
各角度方向に対してほぼ均一とすることができる。

【００２６】また図４の（ｂ）においては、隣接する各
振動子間の傾斜角の差が一定ではなく、アレイ配列の中
央部における傾斜角の差が両端部における傾斜角の差よ
り小さくなるように設定されている。換言すると８個の
振動子による各ビームが中央部では密に、両端部では疎
になっていることになる。この図４の（ｂ）の場合に
は、被検体に対する超音波の各入射角方向の送信電力及
び各出射角方向の受信感度をその中央の角度方向で最大
とすることができる。なお、図４の（ａ），（ｂ）のい
ずれの場合にも、前記式（２）で説明したように＃８振
動子の傾斜角θ₈と＃１振動子の傾斜角θ₁との差（θ₈
−θ₁）は指向角φの２倍より小さく設定されること
は、前述の通りである。

【００２７】図５は従来のアレイ振動子の２次元配置と
本発明の３次元配置での板厚方向探傷可能範囲の説明図
である。図５では、被検体は軟鋼として、その縦波音速
を５９００ｍ／ｓ、探傷周波数を５ＭHz、アレイ素子径
を４mm、送受信素子間距離を１０mm、送受信素子の間の
相対角度を６０度とした場合に、従来のアレイ振動子の
２次元配置では板厚方向探傷可能範囲は表面より３５．
８mmであるが（図の（ｂ）を参照）、本発明のアレイ振
動子の３次元配置では板厚方向探傷可能範囲は表面から
８８．６mmとなることを示している（図の（ａ）を参
照）。ただし図４はＹＺ軸断面で見通した図である。

【００２８】なお図５の（ａ）において、各振動子はＸ
軸方向（紙面の表側または裏側の方向）に配列されてい
るので、このＸ軸方向に配列されて少しずつ入射角方向
が異なる超音波ビームが３次元的に重なり合い、この合
成ビームをＹＺ軸断面で見ると、同図のようになるとい
うことである。また探触子の材質（例えばアクリル）内
での音速と鋼内での音速との相異により境界面ではスネ
ルの法則による屈折が生じるが、これについては、図８
または図１０により説明する。

【００２９】実施形態１ 図６は本発明の実施形態１に係る超音波探傷装置の構成
例１を示す図、図７は本発明の実施形態１に係る超音波
探傷装置の構成例２を示す図、図８は図６，７の送信用
振動子と受信用振動子の各対毎の入射角及び屈折角の説
明図である。実施形態１は、図６の（ｂ）に示すよう
に、送信用アレイ探触子２及び受信用アレイ探触子３を
両探触子のアレイ配列方向を対向させ一定間隔として被
検体１上に配置した場合の探傷法を示している。

【００３０】図６，７において、送信用アレイ探触子２
及び受信用アレイ探触子３は、それぞれｎ個の振動子を
内蔵しており、＃１振動子〜＃ｎ振動子は、図４で説明
したように、それぞれ異なる傾斜角に保持されている。

【００３１】図６，７のパルサ群５は、ｎ個のパルサを
内蔵しており、各パルサは制御装置７からの送信タイミ
ング及び送信電力重み付け指令により、送信用アレイ探
触子２内の各振動子を指令されたタイミングで励振する
と共に、各振動子を個別に励振する際に、そのアレイ配
列位置内の送信電力の分布が所望の分布となるようにそ
れぞれ重み付けして励振することができる。なお、図６
においては、パルサ群５の各出力は送信用アレイ探触子
２内の各振動子に直接供給されるようにしているが、図
７においては、パルサ群５と送信用アレイ探触子２の間
に、ｎ個の個別の遅延素子を含む送信用遅延時間制御器
１０を設けて、制御装置７が各遅延素子の遅延時間をそ
れぞれ制御するようにしている。

【００３２】図６，７のレシーバ群６は、ｎ個のレシー
バを内蔵しており、各レシーバは制御装置７からの受信
タイミング及び信号増幅率重み付け指令により、受信用
アレイ探触子３内の各振動子の出力信号を指令されたタ
イミングで受信増幅すると共に、各振動子の出力信号を
受信増幅する際に、そのアレイ配列位置内の信号増幅率
の分布が所望の分布となるようにそれぞれ重み付けして
信号増幅することができる。なお、図６においては、受
信用アレイ探触子３内の各振動子の受信出力は直接レシ
ーバ群６に供給れているが、図７においては、受信用ア
レイ探触子３とレシーバ群６の間に、ｎ個の個別の遅延
素子を含む受信用遅延時間制御器１１を設けて、制御装
置７が各遅延素子の遅延時間をそれぞれ制御するように
している。

【００３３】図６，７の制御装置７は、パルサ群５内の
各パルサに対して送信タイミング及び送信電力重み付け
を制御し、またレシーバ群６内の各レシーバに対して受
信タイミング及び信号増幅率重み付けを制御する。上記
のほかに、図７の制御装置７は、パルサ群５と送信用ア
レイ探触子２間に設けられた送信用遅延時間制御器１０
内の各遅延素子の遅延時間と、レシーバ群６と受信用ア
レイ探触子３間に設けられた受信用遅延時間制御器１１
内の各遅延素子の遅延時間をそれぞれ制御する。

【００３４】パソコン８は、制御装置７及びデータ処理
装置９を制御する。データ処理装置９は、パルサ群５に
励振周波数を供給し、またレシーバ群６からその受信合
成信号を入力し、これを閾値と比較してきずを検出する
等の探傷装置としてのデータ処理を行う。

【００３５】図６の探傷装置では、図の（ｂ）に示すよ
うに、送信用アレイ探触子２及び受信用アレイ探触子３
を両探触子のアレイ配列方向を対向さて一定間隔として
被検体１上に配置し、パソコン８の制御に基づき、デー
タ処理装置９は励振周波数をパルサ群５に供給し、また
制御装置７がパルサ群５に送信タイミング及び送信電力
重み付け信号を供給すると共に、レシーバ群６に受信タ
イミング及び信号増幅率重み付け信号を供給することに
より、ｎ個の送信用振動子の同時励振とｎ個の受信用振
動子の同時受信を行う。そしてレシーバ群６がｎ個の各
レシーバ受信出力を合成した受信合成信号をデータ処理
装置９へ供給し、データ処理装置９が入力信号を閾値と
比較して探傷処理を行う。以下さらに上記動作を詳細に
説明する。

【００３６】図８は送信用アレイ探触子２と受信用アレ
イ探触子３内の同一番号の付与された各振動子対が、そ
れぞれスネルの法則に従って超音波の入射と屈折をしな
がら被検体の探傷を行う状態を説明している。いま超音
波を送信用振動子からアクリル（媒質１）のくさびから
鋼（媒質２）に入射する場合、その入射角をα、屈折角
をβ、媒質１の音速をＣ₁、媒質２の音速をＣ₂とする
と、次式（４）のスネルの法則が成立する。 sinα／Ｃ₁＝sinβ／Ｃ₂ …（４）

【００３７】図８の（ａ）〜（ｄ）は、各振動子対の傾
斜角（アクリルのくさび角度）が変化するに従い、鋼の
探傷面付近から順次深層部へと探傷している様子を示し
ている。また図８の（ｅ）は、送信側の各振動子をＹＺ
断面で見通した場合の各屈折角を示しており、鋼内の広
範囲に超音波が屈折して入射される結果、広範囲の探傷
が可能であることを示している。実施形態１において
は、図８に示すように、被検体に対する超音波の入射点
と出射点間の距離を一定として、この間の探傷面から深
層部までの広範囲の探傷を行うことができる。

【００３８】次にパルサ群５が行う送信電力の重み付け
とレシーバ群６が行う信号増幅率の重み付けの目的及び
効果について説明する。いま、送信用と受信用のアレイ
探触子内の隣接振動子間の傾斜角の差が、図４の（ｂ）
のように中央部では小に、両端部では大になっていると
する。そしてパルサ群５が送信電力の重み付けをしない
で、送信用の各振動子を同一電力で励振したとする。こ
の場合に各振動子からそれぞれ放射される超音波ビーム
をそれぞれ同位相で合成した場合、アレイ配列の中心部
（＃ｎ／２の近傍）では重なり合うビーム数が多いの
で、放射電力は最大となり、アレイ配列の端部（図２で
は、＃１，＃ｎ振動子の位置）では放射電力は最小とな
る。一般に、放射電力が大きいと探傷感度は上昇し、放
射電力が小さと探傷感度は低下するから、アレイ配列の
振動子の位置により（本実施形態では図８のように振動
子の位置により探傷方位が変わるので）、即ち探傷方位
により感度差が生じることになる。

【００３９】この探傷方位による感度差を補償するた
め、パルサ群５が送信用アレイ探触子２内のｎ個の各振
動子をそれぞれ励振する際に、アレイ配列の端部の振動
子（図６，７では、＃１，＃ｎ振動子）の送信電力を中
央部の振動子の送信電力より大きくしておき、送信電力
の分布が両端から中心部に向って次第に減少する所望の
凹型分布曲線となるように各振動子の送信電力の重み付
けを行う。

【００４０】また同様に、レシーバ群６が受信用アレイ
探触子３内のｎ個の各振動子の受信出力をそれぞれ信号
増幅する際に、アレイ配列の端部の振動子（図６，７で
は＃１，＃ｎ振動子）についての信号増幅率を中央部の
振動子についての信号増幅率より大きくしておき、信号
増幅率の分布が両端から中央部に向って次第に減少する
所望の凹型分布曲線となるように各振動子についての信
号増幅率の重み付けを行う。上記の送信電力の重み付け
によりｎ個の振動子からそれぞれ放射される超音波の合
成ビームを所望の形状とし、また信号増幅率の重み付け
によりｎ個の各レシーバの受信出力の合成信号を所望の
波形とし、図８で説明した広い探傷範囲においてはも、
感度差の少い探傷を行うことができる。

【００４１】次に図７の送信用遅延時間制御器１０及び
受信用遅延時間制御器１１の目的と効果について説明す
る。送信用探触子２及び受信用探触子３内のｎ個の振動
子は、図１の（ｃ）に示すようにＸ軸方向に配列されて
いる。そして各振動子の送信ビーム及び受信ビームの中
心軸は、図２に示す各振動子の法線方向であるから、図
６の探傷装置の場合、ｎ個の合成送信ビーム及び合成受
信ビームは、アレイの配列幅とほぼ等しい幅でＸ軸方向
に幅のあるビームとなる。

【００４２】被検体１内に欠陥部が有るか否かを探す場
合には、このＸ軸方向に幅のある合成送信ビーム及び合
成受信ビームを用いて探傷を行うことができる。しかし
欠陥部が有ることが検出された後に、この欠陥部の位置
や形状を正確に検出したい場合に、上記Ｘ軸方向にアレ
イ配列幅とほぼ同一の幅のある合成送信ビーム及び合成
受信ビームを欠陥位置において集束させたいときがあ
る。このようにＸ軸方向（アレイ配列方向）において合
成送信ビーム及び合成受信ビームを集束させたいとき
に、ｎ個の送信用遅延素子とｎ個の受信用遅延素子の各
遅延時間をそれぞれ制御することにより所望の方向、位
置に合成送信ビーム及び合成受信ビームを集束させるこ
とができる。

【００４３】実施形態２ 図９は本発明の実施形態２に係る超音波探傷装置の構成
例を示す図、図１０は図９の斜角用くさびをそれぞれ付
加した送信用振動子と受信用振動子の各対毎の入射点、
出射点、入射角及び屈折角の説明図である。実施形態２
では、図９の（ｂ）に示すように、送信用超音波アレイ
探触子２及び受信用超音波アレイ探触子３に各アレイ探
触子のアレイ配列方向に傾斜する斜角用くさび１２をそ
れぞれ付加し、このくさびの付加された両探触子をこれ
らのアレイ配列方向を対向させ一定間隔として被検体１
上に配置した点のみが実施形態１の場合と異なってい
る。なお実施形態２においても、超音波探傷装置として
は、図９の（ａ）の代りに図７の送信用及び受信用遅延
時間制御器を含む装置を用いることもできる。

【００４４】図１０においては、各振動子の傾斜角を保
持するための部材と斜角用くさび１２とを同一材質のア
クリルとして、この両者の境界面においては、超音波は
直進し屈折は生じないものとして示している。図１０で
は、送信用と受信用の各振動子対のうち、図２で説明し
た傾斜角が最小の＃１振動子対がくさび高さが最大の位
置に、傾斜角が最大の＃ｎ振動子対がくさび高さが最小
の位置となるように配列されているので、被検体（この
例では鋼）に超音波が入射する入射点Ｐ_i（ｉは１，
２，…ｎ）と超音波が出射する出射点Ｑ_i間の距離は、
被検体の探傷面付近を探傷する＃１振動子対における距
離が最小で、深層部を探傷する＃ｎ振動子対における距
離が最大となる。

【００４５】このように各振動子対毎に被検体への超音
波の入射点と出射点の位置が異なると共に、この超音波
の入射点と出射点間の距離が探傷面付近を探傷するもの
では近距離となり、深層部を探傷するものでは遠距離と
なることにより、被検体内部における超音波ビームの相
互干渉が減少し、各振動子対毎の探傷が効果的に行われ
る。

【００４６】なお、図１０の例では、超音波の伝搬距離
は＃ｎ振動子対が最大で、＃１振動子対が最小となる。
そして超音波の伝搬距離が大きくなると超音波に減衰が
生じるので、前記送信電力の重み付けと信号増幅率の重
み付けを、＃１振動子対が最小の重み付けで、＃ｎ振動
子対が最大の重み付けとなる所望の傾斜分布により各振
動子対毎の重み付けを制御することにより、探傷面付近
から深層部までをほぼ均一な探傷感度で探傷を行うこと
ができる。

【００４７】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、複数の超
音波の振動子を直線状に配列して構成する超音波アレイ
探触子において、前記アレイ探触子の振動子配列方向に
基準軸を仮定し、該基準軸上に各振動子を前記基準軸に
より各振動子が二等分されるようにそれぞれ配列し、各
振動子を前記基準軸上でそれぞれ回転させて複数の各振
動子の探傷面に対する傾斜角がそれぞれ異なる値となる
ように構成したので、従来よりも板厚方向探傷可能範囲
を拡大でき、探傷面付近から深層部までを同一の超音波
アレイ探触子により探傷することができる。

【００４８】また本発明によれば、前記超音波アレイ探
触子において、前記複数の各振動子の探傷面に対する傾
斜角がそれぞれ異なる値となるように構成する際に、前
記傾斜角の最大値と最小値との差が被検体中での超音波
の指向角の２倍より小さくなるように構成したので、超
音波の送信及び受信ビームの広がりを前記指向角の４倍
程度とすることができる。

【００４９】また本発明によれば、前記超音波アレイ探
触子において、前記複数の各振動子の探傷面に対する傾
斜角がそれぞれ異なる値となるように構成する際に、隣
接する各振動子間の傾斜角の差が一定またはほぼ一定と
なるように構成したので、被検体に対する超音波の各入
射角方向の送信電力及び各出射角度方向の受信感度を各
角度方向に対してほぼ均一とすることができる。

【００５０】また本発明によれば、前記超音波アレイ探
触子において、前記複数の各振動子の探傷面に対する傾
斜角がそれぞれ異なる値となるように構成する際に、隣
接する各振動子間の傾斜角の差は、アレイ配列された端
部における傾斜角の差よりも中央部における傾斜角の差
が小さくなるように構成したので、被検体に対する超音
波の各入射角方向の送信電力及び各出射角方向の受信感
度をその中央の角度方向で最大とすることができる。

【００５１】また本発明によれば、前記超音波アレイ探
触子において、前記複数の各振動子の探傷面に対する傾
斜角が、前記探傷面に対する垂直な面に対して左右対称
となるように構成した一対の超音波アレイ探触子を送信
用超音波アレイ探触子及び受信用超音波アレイ探触子と
するので、送受信兼用型のアレイ探触子のように、受信
波形に送信波が混入し、信号対雑音比の低下を招く障害
が少い。

【００５２】また本発明によれば、前記請求項５に記載
の送信用超音波アレイ探触子及び受信用超音波アレイ探
触子を両探触子のアレイ配列方向を対向させ一定間隔と
して被検体上に配置し、前記送信用超音波アレイ探触子
内の各振動子を励振し、前記受信用超音波アレイ探触子
内の各振動子の受信信号出力を合成し、該合成信号に基
づき前記被検体の探傷を行うようにしたので、被検体に
対する超音波の入射点と出射点間の距離を一定して、そ
の間の探傷面付近から深層部までの広範囲の探傷を行う
ことができる。

【００５３】また本発明によれば、前記請求項５に記載
の送信用超音波アレイ探触子及び受信用超音波アレイ探
触子に各アレイ探触子のアレイ配列方向に傾斜する斜角
用くさびをそれぞれ付加し、該くさびの付加された両探
触子をこれらのアレイ配列方向を対向させ一定間隔とし
て被検体上に配置し、前記送信用超音波アレイ探触子内
の各振動子を励振し、前記受信用超音波アレイ探触子内
の各振動子の受信信号出力を合成し、該合成信号に基づ
き前記被検体の探傷を行うようにしたので、被検体に対
する超音波の入射点と出射点間の距離を送信用振動子と
受信用振動子の各対毎に変更して、その間の探傷面付近
から深層部までの探傷を行うことができる。

【００５４】また本発明によれば、前記送信用超音波ア
レイ探触子内の各振動子を励振する際に、アレイ配列位
置内の送信電力の分布が所望の分布となるようにそれぞ
れ重み付けして励振し、前記受信用超音波アレイ探触子
内の各振動子の受信出力を合成する際に、アレイ配列位
置内の受信信号増幅率の分布が所望の分布となるように
それぞれ重み付けして増幅して得られる各出力を合成
し、該合成信号に基づき前記被検体の探傷を行うように
したので、被検体に対する超音波の各入射角方向の送信
電力及び各出射角方向の受信感度を所望の分布とするこ
とができる。

【００５５】また本発明によれば、前記送信用超音波ア
レイ探触子内の各振動子を励振する際に、アレイ配列位
置に応じた時間差を設けてそれぞれ励振し、前記受信用
超音波アレイ探触子内の各振動子の受信出力を合成する
際に、アレイ配列位置に応じた時間差を設けてそれぞれ
合成し、該合成信号に基づき前記被検体の探傷を行うよ
うにしたので、アレイ配列幅とほぼ同一の幅のある送信
ビーム及び受信ビームを特定の位置において集束させる
ことができる。

【００５６】また本発明によれば、前記送信用超音波ア
レイ探触子内の各振動子を励振する際に、アレイ配列位
置に応じた時間差を設けて且つアレイ配列位置内の送信
電力の分布が所望の分布となるようにそれぞれ重み付け
して励振し、前記受信用超音波アレイ探触子内の各振動
子の受信出力を合成する際に、アレイ配列位置に応じた
時間差を設けて且つアレイ配列位置内の受信信号増幅率
の分布が所望の分布となるようにそれぞれ重み付けして
増幅して得られる各出力を合成し、該合成信号に基づき
前記被検体の探傷を行うようにしたので、超音波の各入
射角方向の送信電力及び各出射角方向の受信感度を所望
の分布とし且つアレイ配列幅とほぼ同一の幅のある送信
ビーム及び受信ビームを特定の位置において集束させる
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るアレイ探触子の各振動子の配置説
明図である。

【図２】本発明に係るアレイ探触子の振動子数が８個の
場合のＹＺ断面で見通した各振動子の傾斜角の設定例を
示す図である。

【図３】超音波振動子の指向角を説明する図である。

【図４】送信用アレイ探触子と受信用アレイ探触子内各
振動子の傾斜角の設定例の説明図である。

【図５】従来のアレイ振動子の２次元配置と本発明の３
次元配置での板厚方向探傷可能範囲の説明図である。

【図６】本発明の実施形態１に係る超音波探傷装置の構
成例１を示す図である。

【図７】本発明の実施形態１に係る超音波探傷装置の構
成例２を示す図である。

【図８】図６，７の送信用振動子と受信用振動子の各対
毎の入射角及び屈折角の説明図である。

【図９】本発明の実施形態２に係る超音波探傷装置の構
成例を示す図である。

【図１０】図９の斜角用くさびをそれぞれ付加した送信
用振動子と受信用振動子の各対毎の入射点、出射点、入
射角及び屈折角の説明図である。

【図１１】従来の送受別体型のアレイ探触子の屋根形配
置例を示す図である。

【図１２】送受別体型アレイ探触子で送信用振動子と受
信用振動子間の相対角度の大きい場合と小さい場合の探
傷範囲の説明図である。

【符号の説明】

１ 被検体 ２ 送信用アレイ探触子 ３ 受信用アレイ探触子 ４ 基準軸 ５ パルサ群 ６ レシーバ群 ７ 制御装置 ８ パソコン ９ データ処理装置 １０ 送信用遅延時間制御器 １１ 受信用遅延時間制御器 １２ 斜角用くさび

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の超音波の振動子を直線状に配列し
   て構成する超音波アレイ探触子において、 前記アレイ探触子の振動子配列方向に基準軸を仮定し、
   該基準軸上に各振動子を前記基準軸により各振動子が二
   等分されるようにそれぞれ配列し、各振動子を前記基準
   軸上でそれぞれ回転させて複数の各振動子の探傷面に対
   する傾斜角がそれぞれ異なる値となるように構成したこ
   とを特徴とする超音波アレイ探触子。
2. 【請求項２】 前記複数の各振動子の探傷面に対する傾
   斜角がそれぞれ異なる値となるように構成する際に、前
   記傾斜角の最大値と最小値との差が被検体中での超音波
   の指向角の２倍より小さくなるように構成したことを特
   徴とする請求項１記載の超音波アレイ探触子。
3. 【請求項３】 前記複数の各振動子の探傷面に対する傾
   斜角がそれぞれ異なる値となるように構成する際に、隣
   接する各振動子間の傾斜角の差が一定またはほぼ一定と
   なるように構成したことを特徴とする請求項１または２
   記載の超音波アレイ探触子。
4. 【請求項４】 前記複数の各振動子の探傷面に対する傾
   斜角がそれぞれ異なる値となるように構成する際に、隣
   接する各振動子間の傾斜角の差は、アレイ配列された端
   部における傾斜角の差よりも中央部における傾斜角の差
   が小さくなるように構成したことを特徴とする請求項１
   または２記載の超音波アレイ探触子。
5. 【請求項５】 前記複数の各振動子の探傷面に対する傾
   斜角が、前記探傷面に対する垂直な面に対して左右対称
   となるように構成した一対の超音波アレイ探触子を送信
   用超音波アレイ探触子及び受信用超音波アレイ探触子と
   することを特徴とする請求項１から４までのいずれかの
   請求項に記載の超音波アレイ探触子。
6. 【請求項６】 請求項５に記載の送信用超音波アレイ探
   触子及び受信用超音波アレイ探触子を両探触子のアレイ
   配列方向を対向させ一定間隔として被検体上に配置し、
   前記送信用超音波アレイ探触子内の各振動子を励振し、
   前記受信用超音波アレイ探触子内の各振動子の受信信号
   出力を合成し、該合成信号に基づき前記被検体の探傷を
   行うことを特徴とする超音波探傷方法。
7. 【請求項７】 請求項５に記載の送信用超音波アレイ探
   触子及び受信用超音波アレイ探触子に各アレイ探触子の
   アレイ配列方向に傾斜する斜角用くさびをそれぞれ付加
   し、該くさびの付加された両探触子をこれらのアレイ配
   列方向を対向させ一定間隔として被検体上に配置し、前
   記送信用超音波アレイ探触子内の各振動子を励振し、前
   記受信用超音波アレイ探触子内の各振動子の受信信号出
   力を合成し、該合成信号に基づき前記被検体の探傷を行
   うことを特徴とする超音波探傷方法。
8. 【請求項８】 前記送信用超音波アレイ探触子内の各振
   動子を励振する際に、アレイ配列位置内の送信電力の分
   布が所望の分布となるようにそれぞれ重み付けして励振
   し、前記受信用超音波アレイ探触子内の各振動子の受信
   出力を合成する際に、アレイ配列位置内の受信信号増幅
   率の分布が所望の分布となるようにそれぞれ重み付けし
   て増幅して得られる各出力を合成し、該合成信号に基づ
   き前記被検体の探傷を行うことを特徴とする請求項６ま
   たは７記載の超音波探傷方法。
9. 【請求項９】 前記送信用超音波アレイ探触子内の各振
   動子を励振する際に、アレイ配列位置に応じた時間差を
   設けてそれぞれ励振し、前記受信用超音波アレイ探触子
   内の各振動子の受信出力を合成する際に、アレイ配列位
   置に応じた時間差を設けてそれぞれ合成し、該合成信号
   に基づき前記被検体の探傷を行うことを特徴とする請求
   項６または７記載の超音波探傷方法。
10. 【請求項１０】 前記送信用超音波アレイ探触子内の各
    振動子を励振する際に、アレイ配列位置に応じた時間差
    を設けて且つアレイ配列位置内の送信電力の分布が所望
    の分布となるようにそれぞれ重み付けして励振し、前記
    受信用超音波アレイ探触子内の各振動子の受信出力を合
    成する際に、アレイ配列位置に応じた時間差を設けて且
    つアレイ配列位置内の受信信号増幅率の分布が所望の分
    布となるようにそれぞれ重み付けして増幅して得られる
    各出力を合成し、該合成信号に基づき前記被検体の探傷
    を行うことを特徴とする請求項６または７記載の超音波
    探傷方法。