JP2003028841A

JP2003028841A - 超音波探傷方法及びその装置

Info

Publication number: JP2003028841A
Application number: JP2001210103A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Okubo; 寛之大久保; Tsuyoshi Sasaki; 強佐々木; Masao Kyoya; 昌男京屋
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd; KJTD Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp; KJTD Co Ltd
Priority date: 2001-07-11
Filing date: 2001-07-11
Publication date: 2003-01-29

Abstract

(57)【要約】【課題】表面波を利用するロール等の被検材の探傷に
おいて、その探傷精度を向上する。【解決手段】本願発明に係る超音波探傷方法は、表面
波を利用し、探傷する被検材に対し、下式(1) を満足す
る角度θｉにて超音波を入射させることを特徴とする。 θｉ＝ｓｉｎ^-1（Ｃ１／Ｃ２）…式(1) Ｃ１：探触子中の超音波の音速Ｃ２：探傷する被検材の表面波の音速 θｉ：被検材表面に対する超音波の入射角これにて、被検材毎に、最も送信効率の良い入射角θｉ
で超音波を入射させることとし、探傷精度を著しく向上
した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本願発明は、超音波探傷方法
及びその装置に関し、詳しくは表面波を利用した超音波
探傷方法及びその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】熱間・冷間に使用するロールの表面直下
に存在する割れなどの欠陥の検出には、例えば、特開平
４−２７６５４７号で開示されているような表面波を用
いた超音波探傷法が用いられている。これは、被検材で
あるロール表面に接触媒質を介して表面波探触子を接触
させ、表面波探触子ロール回転方向の逆方向に向かって
表面波を伝播させると共に、ロール表面の表面波が伝播
する部分の接触媒質を除去するようにしておいて、ロー
ル表面または表面直下に存在する欠陥を検出する方法で
ある。上記の表面波は、媒質と被検材（ロール）との界
面に沿って即ち被検材表面に沿って伝播するものであ
り、被検材内部においては表面から離れるに従って急速
に減衰するが、僅かに、被検材内にも伝播するため、表
面欠陥のみならず、表面直下の（被検材内部であるが表
面付近にある）欠陥の検出にも有効である。

【０００３】ここで、表面波を発生させるための表面波
探触子は、これまで一般的な鋼の表面波音速である２９
８０ｍ／ｓｅｃ（メートル毎秒）に基づいて入射角θｉ
を決めて表面波探触子が作製されてきた。表面波探触子
による表面波のロール表面への送受信は、下記数１に示
す式で表される屈折現象を利用し、入射角θｉに対して
屈折角９０度として行うものである。

【０００４】

【数１】θｉ＝ｓｉｎ^-1（Ｃ／Ｃａｖｇ）

【０００５】この数１において、Ｃは入射する超音波の
音速を示し、Ｃａｖｇはロールを伝播する表面波の平均
音速を示す。θｉはロール表面に直交する鉛直面との角
度を示している。

【０００６】一方、被検材であるロールの材質によって
表面波の音速が異なる場合には、入射角度をそれぞれの
表面波の速度に応じて変更する必要がある。ところが、
上記の通り、現状では、一般的な鋼の表面波音速である
２９８０ｍ／ｓｅｃに基づいて入射角θｉを決め、表面
波探触子が作製されているため、上記の場合、表面波の
送信効率が低下することになるのであった。また、ロー
ルの探傷は、便宜上、ロール研削の設備の上において、
或いはロールの研削設備の近くで、実施されるのが一般
的である。このような機械設備は、モータ或いはインバ
ータなどから大きな電気ノイズを発生する場合が多く、
表面波を用いた探傷信号に大きな電気信号が重畳する場
合が多い。このため、ロール探傷には、前述の、表面波
の送信効率の低下から欠陥による超音波の反射信号が低
下することになり、欠陥検出能が低下してしまう問題が
ある。

【０００７】このような問題に対し、特開平１１−１３
３００５号では、表１に示すようにロール表面を伝播す
る表面波の速度が一般的な鋼の表面波速度の２９８０ｍ
／ｓｅｃとは大きく異なり、更に各ロールの製造方法の
違いでも表面波速度が異なることを見出している。

【０００８】

【表１】ロール番号メーカ製造法表面波速度（ｍ／ｓｅｃ）＃１Ａ社連続鋳掛け肉盛法３１５８＃２Ａ社遠心鋳造法３１１０＃３Ｂ社遠心鋳造法３１６８＃４Ｃ社遠心鋳造法３０９０＃５Ｄ社鋳造法３１８０

【０００９】そこで、この特開平１１−１３３００５号
では、ロール探傷の対象とする表１のロール表面波速度
を平均し、その平均値と入射する超音波の速度から、θ
ｉを４８．１度とする表面波探触子を提案している。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この提案で
は、各ロールの平均の表面波速度で、入射角θｉを決定
しているため、以下の問題がある。先ず、第一に、平均
値から入射角θｉを決めているということは、全てに満
遍なく表面波を発生させているに過ぎず、各ロールで最
も送信効率の良い入射角θｉで超音波を入射させている
訳ではない。従って探傷精度は良いものとは言えなかっ
た。第二に、異なるロールに使用する場合は、そのロー
ルの音速を計測する必要がある。即ち、新たなロールを
探傷する場合は、このロールの音速を計測しなければな
らない。更に、その音速を計測した結果、表１に示すロ
ールの表面波速度と異なる場合は、新たに表面波探触子
を作製する必要がある。第三に、使用するロールの種類
が増え、これに対応して作製した表面波探触子の個数が
増えると、使用するロール毎に探触子を交換する必要が
あり、探傷を行う上で作業能率が非常に悪い。

【００１１】そこで、本願発明は、上記特開平１１−１
３３００５号において固定されていた入射角度を特定条
件に合わせて変えるものとして、上記第一乃至第三の課
題の解決を図る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本願第１の発明に係る超
音波探傷方法は、超音波を伝播する媒質を介し探触子か
らロール等の被検材表面に向けて超音波を入射すること
により被検材表面にて超音波表面波を発生させ、被検材
表面或いは表面付近に存在する欠陥で反射した当該超音
波表面波を検出することにより、被検材表面或いは表面
付近の欠陥を検出するものであり、次の構成を採る。即
ち、探傷する被検材の種類毎に、下式(1) を満足する角
度θｉを決定し、当該入射角θｉにて超音波を入射させ
ることを特徴とする。 θｉ＝ｓｉｎ^-1（Ｃ１／Ｃ２）…式(1) Ｃ１：探触子中の超音波の音速Ｃ２：探傷する被検材の表面波の音速 θｉ：被検材表面に対する超音波の入射角なお、「表面付近に存在する欠陥」に存在する欠陥と
は、被検材の内部欠陥であるが、被検材表面から表面波
の届く範囲にある欠陥をいう。

【００１３】このような構成を採ることによって、本願
第１の発明に係る超音波探傷方法は、被検材毎に、最も
送信効率の良い入射角θｉで超音波を入射させることと
し、探傷精度を著しく向上した。即ち、探触子中の超音
波の音速Ｃ１と平均値ではなく実際に探傷する被検材の
表面波の音速Ｃ２との比に、正弦の値が合致する角度
を、入射角度θｉとすることによって、被検材に対し最
も超音波を強く入射できる方向に向けて超音波を発する
ものであるため、超音波の減衰を最大限抑えることが可
能となった。

【００１４】本願第２の発明に係る超音波探傷方法は、
超音波を伝播する媒質を介し探触子からロール等の被検
材表面に向けて超音波を入射することにより被検材表面
にて超音波表面波を発生させ、被検材表面或いは表面付
近に存在する欠陥で反射した当該超音波表面波を検出す
ることにより、被検材表面或いは表面付近の欠陥を検出
するものであり、次の構成を採る。即ち、探傷前、被検
材に対する超音波の入射角θｉを変化させながら欠陥以
外の表面波超音波のエコー強度を観測して、このエコー
強度に基づき入射角θｉを決定し、探傷時、決定した超
入射角θｉに探触子を設定して探傷を行う。

【００１５】本願第２の発明に係る超音波探傷方法は、
実際に、反射する超音波の強さを検出し、検出した強さ
に基づき探傷時の入射角θｉを決定し、当該入射角θｉ
にて探傷を行うものであるため、探傷時に、実際の被検
材の超音波の音速は未知まままであっても、その音速を
検出して最適な入射角で探傷するのと、同様の作用を得
ることが可能となった。

【００１６】本願の第３の発明に係る超音波探傷装置
は、ロール等の円柱状体或いは円筒状体を被検材とし、
超音波を伝播する媒質を介し探触子から被検材表面に向
けて超音波を入射することにより被検材表面にて超音波
表面波を発生させ、被検材表面或いは表面付近に存在す
る欠陥で反射した当該超音波表面波を検出することによ
り、被検材表面或いは表面付近の欠陥を検出するものに
ついて、次の構成を採る。即ち、探触子は、探傷する被
検材に対し、下式(1) を満足する角度θｉにて超音波を
入射させることが可能な入射角調整手段を備えたことを
特徴とする。 θｉ＝ｓｉｎ^-1（Ｃ１／Ｃ２）…式(1) Ｃ１：探触子中の超音波の音速Ｃ２：探傷する被検材の表面波の音速 θｉ：被検材表面に対する超音波の入射角

【００１７】このような構成を採ることによって、ロー
ル等の円柱状体或いは円筒状体を被検材とする欠陥の探
傷において、本願第１の発明に係る超音波探傷方法が奏
する作用を得ること可能な、具体的な超音波探傷装置を
提供し得た。

【００１８】本願第４の発明に係る超音波探傷装置は、
ロール等の円柱状体或いは円筒状体を被検材とし、超音
波を伝播する媒質を介し上記被検材表面に向けて超音波
を入射することにより被検材表面にて表面波を発生さ
せ、被検材表面或いは表面付近に存在する欠陥で反射し
た当該表面波を検出することにより、被検材表面或いは
表面付近の欠陥を検出する探触子を備えたものであり、
次の構成を採る。即ち、探触子内部にて、複数の超音波
振動子を配列することにて１つの超音波発信部が構成さ
れ、個々の振動子の超音波の発信時期を順次ずらすこと
によって、超音波の上記の入射角度の変更を可能であ
り、被検材に対する超音波の入射角θｉを変化させなが
ら欠陥以外の表面波超音波のエコー強度を観測し反射す
る超音波の強さが最大となる入射角θｉを検出すること
が可能な入射角決定手段と、検出した超音波が最大強度
となる入射角θｉに探触子を設定して探傷を行うことが
可能な入射角調整手段とを備える。

【００１９】このような構成を採ることによって、ロー
ル等の円柱状体或いは円筒状体を被検材とする欠陥の探
傷において、一つの探触子で、超音波の上記の入射角度
が可変となり、複数の探触子を用意することなく、上記
本願第１乃至第３の発明が奏する作用を得ることを可能
とした。即ち、従来、上記の探傷に用いられる探触子
（表面波用斜角探触子）では、超音波の発信部は、１つ
の振動子によって構成されていたが、これを、本願第４
の発明において、複数の超音波振動子を配列することに
て１つの発信部を構成し、探触子及び探触子の構成部材
を物理的に動かすことなく、各振動子の超音波の発信を
順次遅延することにより、一つの探触子で、超音波の上
記の入射角度が可変とした。そして、このような探触子
を利用して、入射角決定手段が、実際に、反射する超音
波の強さが最大となる入射角θｉを検出し、入射角調整
手段が、検出した当該入射角θｉにて探傷を行うもので
あるため、探傷時に、実際の被検材の超音波の音速Ｃ２
は未知のままであっても、その音速Ｃ２を検出してその
音速Ｃ２に規定される最適な入射角で探傷するのと、同
様の作用を得ることが可能となった。即ち、反射する超
音波の強さが最大となる入射角θｉを検出することによ
って、伝播する音速Ｃ２が分からない被検材について
も、上記本願第２の発明に係る超音波探傷方法の式(1)
を満たす最適な入射角度θｉにて、探傷を行うことを可
能とした。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づき本願発明の実
施の形態を説明する。図１乃至図６へ、本願発明の一実
施の形態を示す。図１（Ａ）は本願発明の一実施の形態
に係る超音波探傷装置１の探傷部１ａの使用状態を示す
略側面図であり、図１（Ｂ）はその要部を示す説明図で
ある。図２は、この超音波探傷装置１が備える超音波探
触子２の略側面図である。図３は、上記の超音波探傷装
置１の探傷制御部１ｂの説明図である。図４は、上記超
音波探触子２から発信した超音波による表面波の伝播方
向を示す説明図である。図５の（Ａ）〜（Ｃ）の夫々
は、超音波探傷装置１が備える超音波探触子２の入射角
度の調整についての説明図である。図６は、この超音波
探傷装置１の操作工程についての説明図（ブロック図）
である。

【００２１】この超音波探傷装置１は、表面波用斜角探
触子２（以下探触子２という。）と、入射角決定手段
と、入射角調整手段と、超音波表面波の反射源となるタ
ーゲット３と、水などの超音波を伝播する媒質Ｎを供給
する供給装置４と、探触子２と被検材との間隔を一定に
保つ間隔維持手段５とを備える。上記の入射角決定手段
は、最適な入射角θｉを検出する手段であり、上記の入
射角調整手段は、入射角決定手段にて得た最適な入射角
θｉにて、超音波Ｓを発するように探触子２を調整する
手段である。超音波探傷装置１の使用時、ロール等の被
検材Ｍの表面に探触子２が配設される。このとき、ター
ゲット３は、ロール等の被検材Ｍの表面にて、探触子２
が超音波Ｓを発する方向について探触子２から間隔を開
けて配置される。この間隔は、被検材Ｍの表面につい
て、一回の超音波Ｓの発信で探傷を行おうとする範囲に
従って設定されている。供給装置４は、被検材Ｍの表面
と探触子２との間に媒質Ｎを満たし、媒質Ｎの膜を形成
する。図４のＮ１は、スクレーパ３０にて除去された残
留媒質を示している。

【００２２】上記探触子２は、励振電圧（スパイク電
圧）を受けて超音波Ｓを発する発信部２０と、通常くさ
びと呼ばれる伝達部２２とを備える。伝達部２２は、発
信部２０から探触子２外部へ超音波を送出するまでの超
音波Ｓの通路を提供するものである。上記発信部２０
は、複数の超音波振動子２１…２１（以下振動子２１…
２１という。）を配列することにて構成され、個々の振
動子に対し励振電圧を時間を順次ずらして与えることに
よって、超音波Ｓの発信方向を所望の方向にすることが
可能なものである。この探触子２は、それ１つで送信と
受信とを行うものである。即ち、発信部２０は、受信部
も兼ねるものであり、上記の伝達部２２は、外部から入
ってきた超音波を受信部（発信部２０）へ伝える超音波
の通路も提供するものである。探触子２は、被検材Ｍに
向けて超音波Ｓを送信して、表面波を発生されると共に
ターゲット３にて反射した反射波を受信する。即ち、上
記のターゲット３は、欠陥以外の表面波超音波のエコー
強度を観測するための指標となる反射源を提供する。上
記の入射角決定手段は、種々の角度で超音波Ｓを発して
得た、ターゲット３からの種々の反射波のうち、強さが
最も大きなものを検出することが可能な検出手段であ
る。また、上記の入射角調整手段は、各振動子間の電圧
供給の時間差を変更することが可能であり、これにて、
入射角を入射角決定手段で得た最適な角度に調整するこ
とが可能な角度変更手段である。上記の探触子２の発信
部２０は、入射角決定手段と入射角調整手段の双方の制
御を受け、探傷する被検材Ｍに対し、ターゲット３から
の反射波の強さが最大となる角度で超音波Ｓを発するこ
とで、次の数２に示す式を満足する角度θｉにて超音波
Ｓを入射させることが可能なものである（この数２に示
す式は、特許請求の範囲及び課題を解決するための手段
に示す式(1) と対応するものである）。

【００２３】

【数２】θｉ＝ｓｉｎ^-1（Ｃ１／Ｃ２）

【００２４】ここで、Ｃ１は探触子中の即ち伝達部２２
の超音波Ｓの音速を示し、Ｃ２は探傷する被検材Ｍの表
面波の音速を示し、θｉは被検材Ｍ表面に対する超音波
の入射角を示す。

【００２５】即ち、上記の入射角決定手段は、種々の超
音波の反射波のうち、反射波の強さが最も大きなものを
検出することが可能な検出手段であり、また、入射角調
整手段は、各振動子間の電圧供給の時間差を変更するこ
とが可能であり、これにて入射角を入射角決定手段で得
た最適な角度に調整することが可能な角度変更手段であ
る。このような手段により、この超音波探傷装置１は、
被検材Ｍ毎に、最も送信効率の良い表面波を発生させる
ことが可能な入射角で、被検材Ｍに対し超音波Ｓを入射
することによって探傷精度の向上を図るものである。

【００２６】ロールなどの円筒或いは円柱状体を被検材
Ｍとして、その周面を探傷する上記の超音波探傷装置１
について、具体的に説明する。超音波探傷装置１は、被
検材Ｍを回転させる回転手段（図示しない。）と、探傷
部１ａ（図１（Ａ））と、探傷制御部１ｂ（図３）とを
備える。図１へ示すように、上記の探傷部１ａは、上記
の探触子２と、上記の供給部４と、探触子２及び供給部
４を収容する探触子ホルダ６と、探触子ホルダ６を保持
するホルダ保持機構６０と、ホルダ保持機構６０に設け
られた間隔維持手段５と、ホルダ保持機構６０に設けら
れたアーム３０と、アーム３０に設けられたスクレーパ
３と、支持部６１とを有する。ロールなどの円筒或いは
円柱状体である被検材Ｍは、その軸が水平に配され、
る。上記の回転手段は、被検材Ｍを上記軸を中心に回転
させる。回転手段及びその制御手段には、周知の装置を
用いる。図１（Ａ）（Ｂ）中のＣは、被検材Ｍであるロ
ールの回転方向を示している。走査部１ａは、このよう
な被検材Ｍの上方に位置し、被検材Ｍの周面Ｆについて
探傷を行う。

【００２７】上記のホルダ保持機構６０は、支持部６１
にて支持される。支持部６１は、ベース６２と、ベース
６２に設けられ且つ鉛直方向に伸びるガイド６３と、モ
ータ６４とを備える。ガイド６３は鉛直方向に伸びるバ
ーであり、その先端（下端）にホルダ保持機構６０が固
定されている。ガイド６３は、ギア等の周知の動力伝達
手段（図示しない。）にてモータ６４からの動力の供給
を受け、ベース６２に対し、上下に移動することが可能
であり、これにて、ホルダ保持機構６０を上下に移動す
ることが可能である。探傷に際し、ガイド６３が下方に
移動することによって、ホルダ保持機構６０は、上方よ
り被検材Ｍの周面Ｆに近づく。ホルダー保持機構６０の
下部には、アーム３０と探触子ホルダ６とが設けられ、
更に、ホルダー保持機構６０の下部には、横方向（図１
（Ａ）において左右方向）に伸び且つ上記アーム３０と
探触子ホルダ６とを結合する、結合部６５が設けられて
いる。この結合部６５には、間隔維持手段５が軸止され
ている。

【００２８】間隔維持手段５は、上記の結合部６５に軸
される基体５１と、下部に軸止され、被検材Ｍの周面Ｆ
と接触してこれを倣う、前倣いローラ５０ａ及び後倣い
ローラ５０ｂとを備える。基体５１には、その上下に貫
通する貫通孔５２が設けられている。上記の探触子ホル
ダ６には、上方に突出する棒状体６６が設けられてお
り、この棒状部６６は、上記間隔維持手段５の基体５１
の貫通孔５２へ嵌合する。棒状体６６の上端側は、間隔
維持手段５の基体５１より上方へ突出し、この突出部分
には鍔状体６７が設けられ、基体５１から棒状体６６が
脱落するのを防ぐ。この鍔状体６７と基体５１との間に
は、バネなどの弾性体が介されている（図示しない）。
また探触子ホルダ６には、前後の倣いローラ５０ａ，５
０ｂとの間に位置し、前後の倣いローラ５０ａ，５０ｂ
と共に被検材Ｍの周面Ｆと接触してこれを倣う、主倣い
ローラ５０ｃが設けられている。上記のガイド６３の移
動で、ホルダ保持機構６０の下方へ移動することによっ
て、倣いローラ５０ａ，５０ｂ，５０ｃと、スクレーパ
３とが、被検材Ｍの周面Ｆと接触する。上記の弾性体に
て、探触子ホルダ６（の主倣いローラ５０ｃ）は、被検
材Ｍの周面Ｆに押しつけられた状態になり、ガイド６３
が上方に移動しない限り、探触子ホルダ６（の主倣いロ
ーラ５０ｃ）は被検材Ｍの周面Ｆから離れない。回転手
段にて回転する被検材Ｍに追従し、上記の各倣いローラ
５０ａ，５０ｂ，５０ｃも回転する。倣いローラの数
は、必要に応じて変更可能である。上記の通り、倣いロ
ーラ５０ａ，５０ｂ，５０ｃが被検材Ｍの周面Ｆと接触
することによって、探触子ホルダ６内の探触子２は、被
検材Ｍの周面Ｆとの間に、必要なギャップ（間隔）を保
つことができる。ホルダ保持機構６０及び支持部６１
は、探触子２を、被検材Ｍの回転方向Ｃに対向して超音
波Ｓを発射することができるように配置する。また、ホ
ルダ保持機構６０及び支持部６１は、上記の動作にて、
被検材Ｍの周面Ｆの頂部Ｐ（図４）に向けて、超音波を
発することが可能なよう、探触子２を配位させるもので
もある（斜角探傷となるので、探触子２自身は、被検材
Ｍの周面Ｆの頂部の真上に位置する必要はない）。スク
レーパ３は、被検材Ｍ周面Ｆ上、探触子２に先行する。
即ち、スクレーパ３は、被検材Ｍの回転に従い、被検材
Ｍ周面Ｆに対し、探触子２（の倣いローラ）に先行して
接触して行く。

【００２９】上記の供給部４は、超音波の媒質Ｎとなる
水などの液体を一時的に収容することが可能な収容部４
０と、この収容部４０内に、他から媒質Ｎを導く導入部
４１と、収容部４０内に収容され媒質Ｎを被検材Ｍ周面
Ｆに向けて放出する放出孔４２とを備える。被検材Ｍに
超音波Ｓを発する際、供給部４は、放出孔４から、上記
の探触子２と被検材Ｍの周面Ｆとの間に、媒質Ｎを供給
するものである。これにて、超音波の発信と、反射エコ
ーの観測とが可能となる。上記の通り、倣いローラ５０
ａ，５０ｂ，５０ｃで被検材Ｍ周面Ｆを倣い、被検材Ｍ
周面Ｆと探触子との間に適性な一定のギャップを保つよ
うにして、超音波Ｓによる表面波の発生を、安定して行
うことができる。スクレーパ３は、被検材Ｍの回転に伴
い、表面波による探傷での阻害要因となる、既述の不要
な残留媒質Ｎ１や、ゴミなどを事前に除去する（図１
（Ａ）に示す被検材Ｍの周面Ｆ上部において、スクレー
パ３より左側は、上記の除去処理前の領域となり、スク
レーパ３より右側は、上記の除去処理が済んだ探傷領域
となる。但し、図１（Ａ）（Ｂ）において、図面の煩雑
を避けるため、媒質Ｎは省略している）。被検材Ｍの回
転により、探触子２の超音波を発する方向と逆の方向に
流れた媒質Ｎは、再度周面Ｆ上方に戻ってくる際に、ス
クレーパ３にて、払拭されるのである。この実施の形態
では、スクレーパ３がターゲットとなるものであった
（以下スクレーパ３という）。この他、スクレーパ３と
は別にターゲットを設けても、実施可能である（図示し
ない）。

【００３０】図２へ示すように、伝達部２２は、直方体
であり、その上部一辺を斜面２２ａとし、この斜面２２
ａに、１つの発信部２０を構成する振動子群、即ち、複
数の振動子２１…２１が貼り付けられている。振動子２
１…２１の夫々は、斜面２２ａに沿って（斜面２２ａの
上方側Ｘから下方側Ｙにかけて）直線的に並ぶように、
配列されている。斜面２２ａの傾斜角度φは、既述の数
１に示すθｉ（入射する超音波の音速Ｃと、ロールを伝
播する表面波の平均音速Ｃａｖｇとの比に、正弦が合致
する角度）を採るように形成しておく。なお、ここで、
斜面２２ａの傾斜角度φは、被検材Ｍ表面に立てた法線
Ｚと直交する横線Ｗに対して、斜面２２ａがなす角度で
ある（法線Ｚ及び横線Ｗはいずれも仮想線である）。こ
の法線Ｚは、図４へ示すように、被検材Ｍの中心を通
る。そして、ここで法線Ｚは、鉛直線と一致し、法線Ｚ
と周面Ｆとの（上方側の）交点は、既述の通り配置され
た被検材Ｍの（上下方向について）最も高い位置（頂部
Ｐ）となる。従って、ここで、傾斜角度φは、被検材Ｍ
であるロール表面に直交する鉛直線（を含む鉛直面）に
対して、斜面２２ａの向きを示す方向線Ｋがなす角度と
等しい。ここでは、被検材Ｍの頂部Ｐの真上に探触子２
を配置するものとした。即ち、伝達部２２の超音波の出
口となる面（伝達部２２の底面２３）と、ロールの中心
を通る鉛直線（法線Ｚ）との交点Ｑを、斜面２２ａの向
きを示す方向線Ｋが通るように設定した。しかし、例え
ば媒質Ｎを、探触子２を挟んでスクレーパ３と反対の方
向に流れ（逃げ）にくくするため、被検材Ｍの頂部Ｐよ
りもスクレーパ３寄りに探触子２を配位する場合など、
必ずしも、法線Ｚを、鉛直線と一致させる必要はない。
探触子２の伝達部２２は、樹脂で形成されたものであ
り、特に、アクリル樹脂、ポリスチロール樹脂、ポリミ
ノイド樹脂などの合成樹脂にて形成されたものが適当で
ある。

【００３１】振動子２１には、ニオブ酸鉛系磁器、チタ
ン酸鉛系磁器、ニオブ酸リチウム系磁器、チタン酸バリ
ウム系磁器、ジルコン酸チタン酸鉛系磁器等の圧電振動
子が用いられる。発信部２０は、１ｍｍ以下の幅の振動
子２１が数１０個配列されることにて、構成される。発
信部２０の個数や寸法は、上記や図示したものに限定す
るものではなく、必要に応じて、変更可能である。

【００３２】図３へ示すように、探傷制御部１ｂは、入
射角決定手段及び入射角調整手段を構成するものであ
り、探触子２の送信部２０を構成する各振動子２１…２
１と電気的に接続された制御回路部７と、増幅部７０
と、処理装置７１（ＣＰＵ）と、探傷結果を表示するこ
とが可能な表示部７２とを有する。制御回路部７は、遅
延回路及びパルサーレシーバを備える。増幅部７０とし
ては、周知のアンプを採用して実施すればよい。制御回
路部７が備える遅延回路及びパルサーレシーバは、探触
子２の発信部２０の振動子２１…２１の夫々に接続され
ている。

【００３３】ここで各振動子２１…２１の励振タイミン
グ（励振電圧を受けて振動する時期）を同一とすると、
超音波は、図５（Ａ）へ示すように、斜面２２ａと直交
する方向（９０°−φ）に向けて直進する。従って、こ
の場合、発信部２０が向く方向へ、即ち、斜面２２ａの
方向線Ｋ（図２）に沿って、超音波Ｓを発することとな
る。一方、図５（Ｂ）へ示すように、斜面２２ａの上方
側Ｘに位置する振動子２１を、斜面２２ａの下方側Ｙに
位置する振動子２１よりも、励振タイミングを遅延させ
るものとすると、上記（図２）の方向線Ｋよりも、超音
波Ｓの入射角度θｉは、小さくなる。図５（Ｃ）のＳ１
はその超音波を示している（図５（Ｃ）のＳは、図２）
の方向線Ｋに沿って進む超音波を示している）。逆に、
斜面２２ａの下方側Ｙに位置する振動子２１を、斜面２
２ａの上方側Ｘに位置する振動子２１よりも、励振タイ
ミングを遅延させるものとすると、上記の方向線Ｋより
も、入射角度θｉは、大きくなる。図５（Ｃ）のＳ２が
その超音波を示している。このように、各振動子２１…
２１の励振タイミングを制御することで、機械的に振動
子角度を変更させずとも入射角度を変えることができ
る。

【００３４】上記の探触子２において、処理装置７１に
て、制御回路部７及び増幅部７０を制御し、振動子２１
…２１の励振タイミングを変えることで入射角を変化さ
せ、異なる入射角毎にスクレーパ３からの反射エコーを
観測する。これにて得た反射エコーのうち最も大きなも
のを検出する。このスクレーパ３からの反射エコーが最
大となるときは、つまり数２に示す式が成立していると
きである。超音波探傷装置１を操作して、検出したスク
レーパ３からの反射エコーを最大とする入射角度に設定
後、被検材Ｍの探傷を開始し、欠陥エコーの有無を調べ
る。探傷時、振動子２１…２１の励振をずらすことによ
って、送信された超音波の、反射波を受信するに際して
は、送信部２０が受信部として働くのであるが、個々の
振動子２１…２１は、遅延回路にて、個々の振動子２１
…２１の受信時期を同期とすることができる。即ち、受
信時において、送信時の振動子２１…２１の発信の時期
のずれを遅延回路にて補正し、各振動子２１…２１の受
信にて生じる電圧の同期をとることができる。上記の反
射エコーのうち最も大きなものを検出し、その入射角度
に設定し、被検材Ｍの探傷を開始する一連の工程を全
て、処理装置７１の制御下におくことによって、これら
一連の工程を完全に自動化することが可能である。

【００３５】以下に、入射角決定手段における探触子２
の入射角度θｉの選定方法、及び、入射角調整手段の動
作を、図６を用いて、より具体的に、説明する。

【００３６】先ず、処理装置７１の制御下、第１工程１
０１にて、超音波探傷装置１の操作が開始される。即
ち、処理装置７１よる超音波探傷装置１の制御により、
探傷部１ａにおいて、探触子ホルダ６の着材（被検材Ｍ
周面Ｆへの配置）と被検材Ｍ周面Ｆへの媒質Ｎの供給が
行われる。次に、第２工程１０２において、処理装置７
１よる制御回路部７の制御により、超音波Ｓの入射角θ
ｉを４８．１−２．０＋０．１×ｎに設定する（ｎは入
射角設定回数を示す）。第３工程１０３において、探触
子２から超音波を発し、スクレーパ３からの反射エコー
を検出する。一つの入射角度について、反射エコーの強
度を所定回数（１０回）測定する。第４工程１０４にお
いて、処理装置７１にて、スクレーパ３からの反射エコ
ーの強度の平均（１０回の平均）を算出する。このよう
な平均値の算出によって、個々のデータの信頼性を確保
することができる。第５工程１０５において、上記の入
射角θｉ毎に、反射エコーの強度の平均を処理装置７１
に保存する。第６工程１０６において、処理装置７１
に、上記の入射角設定回数ｎが設定回数（２０回）を越
えたか否かの判定をさせる。判定の結果越えていない場
合は、第２工程１０２に戻って、上記の各工程を繰り返
す。判定の結果越えている場合は、第７工程１０７に進
む。

【００３７】第７工程１０７において、入射角θｉを４
８．１＋０．１×（ｎ−２０）に設定する。そして、第
８工程１０８において、探触子２から超音波を発し、ス
クレーパ３からの反射エコーを検出する。一つの入射角
度について、反射エコーの強度を所定回数（１０回）測
定する。第９工程１０９において、処理装置７１にて、
スクレーパ３からの反射エコーの強度の平均（１０回の
平均）を算出する。第１０工程１１０において、上記の
入射角θｉ毎に、反射エコーの強度の平均を処理装置７
１に保存する。第１１工程１１１において、処理装置７
１に、上記の入射角設定回数ｎが設定回数（４０回）を
越えたか否かの判定をさせる。判定の結果越えていない
場合は、第７工程１０７に戻って、上記の各工程を繰り
返す。判定の結果越えている場合は、第１２工程１１２
に進む。第１２工程１１２において、処理装置７１は保
存したデータの中から、反射エコーが最大の時の入射角
度θｉを検出する。そして、第１３工程１１３におい
て、第１２工程１１２で検出した反射エコーが最大の時
の入射角度θｉに、処理装置７１は探触子２の制御を設
定する。即ち、制御回路部７が行う振動子２１…２１に
電圧を与えるタイミングの制御を、制御回路部７の制御
を行う処理装置７１に設定する。タイミング制御の設定
の内容は、処理装置７１が保持するものであっても、制
御回路部７などの探傷装置の他の部位が保持するもので
あってもよい（いずれにセットするものとしてもよ
い）。設定後、第１４工程１１４によって、実際に、欠
陥エコーを検出するための、探傷を開始する。

【００３８】上記の第１〜第１２工程１０１〜１１２に
て、入射角決定手段による入射角度の決定が行われる。
第１３工程１１３にて、入射角調整手段による調整が行
われる。特に、第１１工程１１１までの一連の工程によ
って、検出した個々のデータの信頼性を高めることがで
きる。第１２工程１１２から第１３工程１１３への移行
を、処理装置７１に行わせることにて、探傷工程の完全
自動化が行える。但し、第１１工程１１１或いは第１２
工程１１２までで得たデータから、作業者の操作にて第
１３工程１１３への移行を行うものとしても実施可能で
ある。

【００３９】上記の通り、ここでは、当初の入射角θｉ
を４８．１度とし、くさびにはポリスチロール樹脂を用
いた。そして、この４８．１度を起点に±２度の範囲を
電子走査により０．１度ピッチに入射角θｉを変化させ
た。また、スクレーパ３からの反射するエコーの観測
は、設定した入射角毎に１０回観測しその平均値をその
入射角θｉに設定したときのスクレーパ３からの反射エ
コー強度を観測した。一方、連続鋳掛け肉盛法、遠心鋳
造法、鋳造法の、夫々の方法にて製造したロールを用
い、各ロールで入射角θｉを変化させたときのスクレー
パからの反射エコーを観測した状況を図７へ示す。図７
（Ａ）は連続鋳掛け肉盛法のロールの観測結果を、図７
（Ｂ）は遠心鋳造法のロールの観測結果を、図７（Ｃ）
は鍛造法のロールの観測結果を、示している。図７
（Ａ）〜（Ｃ）から、製造法の異なるロール毎に、スク
レーパ３からの反射エコー強度が最大となる入射角θｉ
が異なることが分かる。

【００４０】最後に、本願発明に係る超音波探傷装置の
送信効率の向上による、従来装置に対する感度の向上倍
率を次の表２へ示す。

【００４１】

【表２】ロール製造法従来装置に対する本願発明に係る装置の感度倍率連続鋳掛け肉盛り法１．２倍遠心鋳造法１．３倍鍛造法１．５倍

【００４２】このように、従来装置に対し本願発明に係
る装置は、被検材であるロールの製造法ごとに、最低で
も１．２倍の感度の向上が見られ、鍛造法で製造したロ
ールに至っては、１．５倍もの感度の向上が見られる。

【００４３】上記の実施の形態において、超音波の強さ
が最大となる入射角θｉを検出した後、当該入射角θｉ
に設定して探傷を行うものとした。この他、超音波を伝
播する媒質を介し探触子からロール等の被検材表面に向
けて超音波を入射することにより被検材表面にて超音波
表面波を発生させ、被検材表面或いは表面付近に存在す
る欠陥で反射した当該超音波表面波を検出することによ
り、被検材表面或いは表面付近の欠陥を検出する超音波
探傷方法において、被検材に対する超音波の入射角θｉ
を変化させながら欠陥以外の表面波超音波のエコー強度
を観測して、このエコー強度に基づき探傷時の入射角θ
ｉを決定し、決定された入射角θｉに探触子を設定して
探傷を行うものとしてもよく、このようにして、超音波
の強さが最大となる入射角θｉを検出する工程で欠陥検
出まで済ませることも可能である。即ち、角度決定と実
際の探傷とを別々に行うのではなく、超音波の強さが最
大となる入射角θｉを検出したとき、得たデータをその
まま探傷結果とすることも可能である。具体的には、入
射角決定手段が、入射角調整手段を兼ね、超音波の強さ
が最大となる入射角θｉを検出し、そのとき得た得たデ
ータをそのまま探傷結果とするものであっても実施可能
なのである。但し、実際の探傷では、毎秒２５０回程度
のサイクルで超音波を発生させ探傷を行うものであり、
１サイクルの探傷では、ロールのごく一部しか探傷を行
うことができない。

【００４４】

【発明の効果】本願第１の発明の実施によって、探傷す
る被検材の変更毎に、最も送信効率の良い入射角θｉで
超音波を入射させることとし、探傷精度を著しく向上し
た。即ち、探触子中の超音波の音速Ｃ１と平均値ではな
く実際に探傷する被検材の表面波の音速Ｃ２との比に、
正弦の値が合致する角度を、入射角度θｉとすることに
よって、最も超音波を強く入射できる方向に向けて超音
波を発するものであるため、超音波の減衰を最大限抑え
ることが可能となり、探傷精度が著しく向上したのであ
る。

【００４５】本願第２の発明の実施によって、被検材に
対する超音波の反射入射角を変化させながら欠陥以外の
表面波超音波のエコー強度を観測し、この結果に基づき
探傷時の入射角を決定するものであるため、音速が分か
らない被検材についても、よりよい入射角にて、探傷を
行うことができる。従って、この場合に観測したエコー
強度から、最も超音波を強く入射できる方向に向けて超
音波を発することによって、上記本願第１の発明と同様
の効果を得ることができる。また、上記の効果を得るこ
とによって、探傷作業の自動化も、より行いやすいもの
とした。

【００４６】本願第３の発明の実施によって、ロール等
の円柱状体或いは円筒状体を被検材とする欠陥の探傷に
おいて、本願第１の発明に係る超音波探傷方法が奏する
効果を得ること可能な、具体的な超音波探傷装置を提供
し得た。

【００４７】本願第４の発明の実施によって、ロール等
の円柱状体或いは円筒状体を被検材とする欠陥の探傷に
おいて、複数の探触子を用意することなく、一つの探触
子で、上記本願第１乃至第３の発明が奏する作用を得る
ことを可能とした。従って、探傷の作業効率が著しく向
上し、また、探傷の自動化を極めて行い易いものとし
た。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）は本願発明の一実施の形態に係る超音波
探傷装置１の探傷部１ａの使用状態を示す略側面図であ
り、（Ｂ）はその要部を示す説明図である。

【図２】上記超音波探傷装置１が備える超音波探触子２
の略側面図である。

【図３】上記の超音波探傷装置１の探傷制御部１ｂの説
明図である。

【図４】上記超音波探触子２から発信した超音波による
表面波の伝播方向を示す説明図である。

【図５】（Ａ）は各振動子２１…２１を同時に振動させ
た際の超音波の伝播方向を示す説明図であり、（Ｂ）は
各振動子２１…２１の振動時期をずらした際の超音波の
伝播方向を示す説明図であり、（Ｃ）は上記の振動子２
１…２１の振動時期と超音波の伝播方向との関係を纏め
て示す説明図である。

【図６】上記超音波探傷装置１の動作工程、特に、入射
各決定手段の一連の動作を中心とする動作工程について
の説明図である。

【図７】図７（Ａ）は連続鋳掛け肉盛法にて得たロール
において、入射角θｉを変化させたときのスクレーパか
らの反射エコーの観測結果を示す説明図であり、図７
（Ｂ）は遠心鋳造法にて得たロールにおいて、入射角θ
ｉを変化させたときのスクレーパからの反射エコーの観
測結果を示す説明図であり、図７（Ｃ）は鍛造法にて得
たロールにおいて、入射角θｉを変化させたときのスク
レーパからの反射エコーの観測結果を示す説明図であ
る。

【符号の説明】

１超音波探傷装置２超音波探触子３ターゲット４供給部５間隔維持手段７制御回路２０発信部２１超音波振動子２２伝達部

フロントページの続き (72)発明者佐々木強茨城県鹿嶋市大字光３番地住友金属工業株式会社鹿島製鉄所内 (72)発明者京屋昌男大阪府東大阪市角田１丁目９番29号日本クラウトクレーマー株式会社大阪事業所内Ｆターム(参考） 2G047 AA07 AB01 AC05 BA03 BB02 BC03 BC07 CB03 EA10 EA13 GG24

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超音波を伝播する媒質を介し探触子から
ロール等の被検材表面に向けて超音波を入射することに
より被検材表面にて超音波表面波を発生させ、被検材表
面或いは表面付近に存在する欠陥で反射した当該超音波
表面波を検出することにより、被検材表面或いは表面付
近の欠陥を検出する超音波探傷方法において、探傷する被検材の種類毎に、下式(1) を満足する角度θ
ｉを決定し、当該入射角θｉにて超音波を入射させるこ
とを特徴とする超音波探傷方法。 θｉ＝ｓｉｎ^-1（Ｃ１／Ｃ２）…式(1) Ｃ１：探触子中の超音波の音速Ｃ２：探傷する被検材の表面波の音速 θｉ：被検材表面に対する超音波の入射角
【請求項２】超音波を伝播する媒質を介し探触子から
ロール等の被検材表面に向けて超音波を入射することに
より被検材表面にて超音波表面波を発生させ、被検材表
面或いは表面付近に存在する欠陥で反射した当該超音波
表面波を検出することにより、被検材表面或いは表面付
近の欠陥を検出する超音波探傷方法において、探傷前、被検材に対する超音波の入射角θｉを変化させ
ながら欠陥以外の表面波超音波のエコー強度を観測し
て、このエコー強度に基づき探傷時の入射角θｉを決定
し、探傷時、決定された入射角θｉに探触子を設定して
探傷を行うことを特徴とする超音波探傷方法。
【請求項３】ロール等の円柱状体或いは円筒状体を被
検材とし、超音波を伝播する媒質を介し探触子から被検
材表面に向けて超音波を入射することにより被検材表面
にて超音波表面波を発生させ、被検材表面或いは表面付
近に存在する欠陥で反射した当該超音波表面波を検出す
ることにより、被検材表面或いは表面付近の欠陥を検出
する超音波探傷装置において、探傷する被検材に対し、下式(1) を満足する角度θｉに
て超音波を入射させることが可能な入射角調整手段を備
えたことを特徴とする超音波探傷装置。 θｉ＝ｓｉｎ^-1（Ｃ１／Ｃ２）…式(1) Ｃ１：探触子内の超音波の音速Ｃ２：探傷する被検材の表面波の音速 θｉ：被検材表面に対する超音波の入射角
【請求項４】ロール等の円柱状体或いは円筒状体を被
検材とし、超音波を伝播する媒質を介し被検材表面に向
けて超音波を入射することにより被検材表面にて超音波
表面波を発生させ、被検材表面或いは表面付近に存在す
る欠陥で反射した当該超音波表面波を検出することによ
り、被検材表面或いは表面付近の欠陥を検出する探触子
を有する超音波探傷装置において、探触子内部にて、複数の超音波振動子を配列することに
て１つの超音波発信部が構成され、個々の振動子の超音
波の発信時期を順次ずらすことによって、超音波の上記
の入射角度の変更を可能とし、被検材に対する超音波の入射角θｉを変化させながら欠
陥以外の表面波超音波のエコー強度を観測し反射する超
音波の強さが最大となる入射角θｉを検出することが可
能な入射角決定手段と、検出した超音波が最大強度とな
る入射角θｉに探触子を設定して探傷を行うことが可能
な入射角調整手段とを備えたことを特徴とする超音波探
傷装置。