JP2006234701A - 超音波探傷装置及び超音波探傷装置方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
従来のタンデム探傷法で困難であった、傾斜した欠陥の寸法を評価する事を可能とした超音波探傷装置及び方法を提供することにある。
【解決手段】
複数の振動素子から構成されるアレイセンサ１０１を用いて、前記アレイセンサ１０１の送信位置と受信位置を、一致している状態と相違している状態とに移動させて超音波を送受する超音波探傷装置を用い、モード変換波，縦波，横波の入射角度及び超音波の受信位置により、欠陥の傾斜の有無または角度、さらに、傾斜欠陥の寸法を評価する探傷方法を採用した。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波探傷装置及び超音波探傷装置方法に関する。特にアレイセンサを用いて板厚数十ミリ程度の平板及び配管形状の、母材及び溶接部の検査に好適な超音波探傷技術に関するものである。

金属など縦波と横波の双方の伝播を許す固体の非破壊検査方法として、超音波による手法（超音波探傷法）が従来から一般に用いられている。この超音波探傷法の一種に、いわゆるフェーズドアレイ方式の超音波探傷法がある。

ここで、このフェーズドアレイ方式とは、電子走査方式又は電子スキャン方式とも呼ばれるので、例えば圧電素子からなる複数の超音波発生素子（振動子）をアレイ状に配置した探触子、いわゆるアレイセンサ（アレイ探触子とも言う。）を用い、アレイセンサの各振動子のうち送信振動子として複数個選択した各振動子からなる送信振動子列と、アレイセンサの各振動子のうち受信振動子として複数個選択した各振動子からなる受信振動子列との間で超音波の送受信を行う。即ち、超音波発生の契機となる電気信号を、送信振動子列の各振動子毎に所定の時間だけ遅延させて与えて超音波を送信し、反射源からのエコーを受信振動子列の各振動素子で受けて電気信号に変えてその受信振動子列の各振動素子からの電気信号ごとに所定の時間だけ遅延させる制御を加えて電気的な受信信号にする。送信振動子列の各振動子から発生した超音波が重ね合わされ、合成波を形成することで、被検査体への超音波の送信角度と受信角度，送信位置と受信位置、或いは合成波が干渉して互いにエネルギーを強め合う位置、つまり焦点位置などの条件が電気的な制御により高速で変化させることができるようにした超音波探傷法のことである。

このようにアレイセンサを用いて探傷条件を電気的に走査する理由は、超音波の送受信角度，送受信位置、及び焦点位置を自由に変化させられるからであり、そうすることにより、被検査体の内部或いは表面の反射源（欠陥等）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、反射源である欠陥が見付け易くできるからである。

これに対して、従来から広く用いられている超音波探触子を用いた超音波探傷方法の場合、探触子の条件（送受信角度，送受信位置，焦点位置）も一つの値しか持つことができない。特に、超音波の送受信位置を変化させるためには、超音波探触子を物理的に移動させるための機構を別途準備する必要があった。

探触子を移動させることで欠陥を検出する超音波探傷法のひとつとして、従来からタンデム探傷法が知られている。タンデム探傷法とは、非特許文献１によれば、送信用及び受信用の２個の探触子を前後に配置し対照的に前後に移動させることで、探傷面に垂直な割れ等の面状欠陥を効率的に検出する手法である。このとき、通常の１つの探触子を利用する方法と異なる特徴として、超音波を被検査体の底面に１回反射させて探傷に用いる点である。このため、従来のタンデム法では、底面や検査面などの直角な面での反射効率がよい横波４５度が一般に用いられている（例えば、非特許文献１参照）。

通常、タンデム探傷法が適用される場合は、非破壊検査の対象となる検査面３０１が溶接境界や開先面など、場所が予め特定されているため、図３に示すように、タンデム基準線３０４と呼ばれる探触子位置の基準を設定することができる。タンデム基準線３０４とは、タンデム探傷に用いる送信用探触子３０２及び受信用探触子３０３と同じ角度で検査面３０１の底面側から探傷面３０５に引いた直線と探傷面との交線であり、この基準線
３０４に対して対称に前後に探触子を配置すると、送信超音波と受信超音波の交わる領域（交軸点３０６）を検査面３０１に一致させることができる。

このように、タンデム基準線に対して前後に探触子を配置し、前後に対称的に送信用及び受信用探触子を移動させることで、交軸点３０６を検査面３０１上で移動させることが可能であり、検査面３０１の欠陥を効果的に検出することができる。

「超音波探傷試験II」（社）非破壊検査協会（２０００．１１）

上述した手法では、検査対象となる面または欠陥面が、探傷面に対して垂直な場合には有効であるが、欠陥が傾斜している場合には交軸点を検査面上で移動させることができなかった。また、図４に示すように、探触子が有限な外形寸法を持つために、送受信の超音波が交軸点を形成できない領域、すなわに、探傷不可能な領域４０１が存在する。このために、探触子寸法とほぼ同程度の領域で欠陥の検出が困難であった。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、検査対象となる面または欠陥面が探傷面に対して傾斜している場合であっても、探触子の外形寸法に無関係に、広い範囲を探傷することが可能な探傷装置及び方法を提供することである。

本発明の超音波探傷装置は、複数の振動子を配列したアレイセンサと、前記各振動子から受信振動子及び送信振動子に使用する振動子を選択して、前記受信振動子及び前記送信振動子の内の少なくとも一方を他方に対して移動するように前記選択を繰り返す選択手段と、前記送信振動子から検査対象に送信された超音波のエコーを前記受信振動子で受けて得られた受信情報を表示する表示部と、前記アレイセンサを前記振動子の配列方向へ移動する走査機構とを備えることを特徴とするものである。

本発明の超音波探傷方法は、検査対象の内部にアレイセンサの送信振動子から超音波を送信し、前記検査対象の内部または表面の反射源からの前記超音波のエコーを前記アレイセンサの受信振動子で受信し、前記受信された前記超音波のエコーに基づいた受信情報を表示部に表示する超音波探傷方法において、前記送信位置と前記受信位置とが同じ位置の状態と、前記送信位置及び前記受信位置とが互いに離れる状態とに前記受信振動子と送信振動子との少なくとも一方の位置が変化するように前記アレイセンサを構成する複数の振動子から前記受信振動子と送信振動子とを選択しては前記選択した前記受信振動子と送信振動子間で前記超音波を送受信することを特徴とするものである。

以上説明したように、本発明によれば、アレイセンサの送信振動子列及び受信振動子列の送信及び受信位置を、送受信位置を重複させて探傷できるとで、探触子の外形寸法に無関係に、広い範囲を探傷することが可能な探傷装置及び方法を提供することができる。

また、超音波が受信される角度及び位置に注目することで、被検査対象内部または表面の欠陥が傾斜している場合であっても、欠陥の寸法及び傾斜角度を評価することが可能な探傷装置及び方法を提供することができる。

本発明の実施例では、前記課題を解決するために、検査対象の内部に超音波を送信し、前記検査対象の内部または表面の反射源からのエコーを受信し、前記エコーから検査対象の内部または表面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のうち、少なくとも１方向に配列された複数個の振動子から構成される振動子列からなるアレイセンサを持ち、前記振動子列のうち前記検査対象に超音波を送信する送信振動子列と、前記反射源からのエコーを受信する受信振動子列に関して、以下の要素を有する超音波探傷装置を構成したものである。
（１）送受信位置の一致を含んで、送信位置（送信振動子列の中央）と受信位置（受信振動子列の中央）の少なくとも一方が移動するように、送信振動子列及び受信振動子列に使用する振動子を選択する手段を備え、送受信振動子列に電気的なトリガ信号を与える遅延時間制御部を備え、振動子列の配列方向と同じ方向にアレイセンサを移動するための走査機構を備えること。
（２）被検査体に対して、縦波として少なくとも０度から７０度を含む範囲で、かつ、横波として少なくとも２０度から３０度を含む範囲で、超音波の送受信角度を変化させるように、送受信振動子列に、トリガ信号を与える遅延時間制御部を備えること。

前記した（１）の手段を採用した装置によれば、アレイセンサのうち送信振動子列と受信振動子列が一致を含んでその位置を電気的に重複させることが可能なことから、超音波の送信位置と受信位置を一致させることができ、超音波探触子の外形寸法による物理的な接近限界により生じた探傷不可能領域を除去することが可能である。また、送信位置と受信位置を移動させることで、送信超音波と受信超音波の交わる領域（交軸）を検査面上で走査することができる。

また走査機構により、超音波信号の強度が最大となる位置にアレイセンサを移動させることが可能となる。

前記した（２）の手段を採用した装置によれば、被検査体に対する縦波超音波の入射角度を、少なくとも０度から７０度まで変化させることで、被検査体内の反射源の傾斜を評価することが可能となる。

図２３Ａ〜図２３Ｅ及び図２４を用いて、アレイセンサから同時に発生する縦波及び横波超音波が、直接または間接的に、欠陥面に対して、垂直に入射・反射される成分に注目して、欠陥の傾斜の程度を評価する方法について説明する。ただし、例として、原理に関して本質的に同じであることから、説明が簡単で、最も基本的な、送受信位置を一致させる場合を扱うこととする。

図２３Ａに、被検査体に横波を入射する場合に、横波から縦波へモード変換されて反射される縦波成分、及びその縦波が面に対して垂直方向となる欠陥面を、模式的に示す。図２３Ｂは、被検査体に縦波を入射する場合に、縦波反射成分、及びその縦波が面に対して垂直方向となる欠陥面を、模式的に示す。図２３Ｃは、横波入射の場合の、横波及び縦波の反射角度を表す。図２３Ｄは、横波が入射される場合に、横波成分として反射される超音波の反射率をグラフで示す。図２３Ｅは、縦波が入射される場合に、縦波成分として反射される超音波の反射率をグラフで示す。なお、このような結果は、炭素鋼やステンレス鋼といった鋼材について、同傾向として、一般的に成立する。

図２３Ｅから、縦波入射角が０度から３０度の間にある場合は、縦波反射率が０.５ より大きくなるために、縦波で往復する場合のエネルギー効率が高いことがわかる。また、図２３Ｄから、横波入射角が２０度から３０度の間にある場合は、横波反射率が０.５ より小さくなるために、半分程度のエネルギーが縦波へのモード変換として失われており、横波から縦波へのモード変換現象を利用する場合のエネルギー効率が高いことがわかる。

以上のことから、横波入射角を横軸にとった場合、横波から縦波へのモード変換の効率がよい領域（図２３ＣのエリアII）を中心として、それよりも入射角度が小さい領域（図
２３のエリアＩ）、角度が大きい領域（図２３のエリアIII ）の３領域に分けて、欠陥の傾斜を評価する方法を分けて説明することとする。このように分類することで、モード変換現象を効率的に利用できる条件を明確にすることができ、欠陥の傾斜の程度に応じて、適切な手法を選択することが可能となる。

第一に、エリアＩに相当する範囲、すなわち、対象となる欠陥の傾斜角が０度から約
２０度の範囲にある場合である。このような傾斜欠陥は、傾斜の角度が比較的小さいため、傾斜していない欠陥と同じ探傷方法で検査することができる。これは、通常、超音波検査で用いられるセンサは、厳密に１方向にのみ超音波を送信するものではなく、指向角とよばれる数度から数十度の広がりを持っているために、欠陥に多少の傾斜がある場合でも、超音波の広がり（指向角）が傾斜の影響を緩和するためである。このように、傾斜の小さい（０度〜±２０度）欠陥は、通常の斜角探傷（送受信角度が同じ角度，同じ振動モードになる）の他に、図２４に示すように、横波入射→底面で縦波にモード変換して反射→欠陥面で縦波として反射→縦波として受信、という経路をとるモード変換波法と呼ばれる手法を適用することができる。

第二に、エリアIIに相当する範囲、すなわち、横波入射角が２０度から３０度に相当し、対象となる欠陥の傾斜角が約２０度から約５０度の範囲にある場合である。このような傾斜欠陥は、図２３Ａに示すように、横波入射→底面で縦波にモード変換して反射→欠陥面で縦波として反射→底面で縦波から横波にモード変換して反射→横波として受信、という経路をとる波のエネルギー効率が高く、この経路をとる波に注目するとよい。

最後に、第三として、エリアIII に相当する範囲、すなわち、対象となる欠陥の傾斜角度が５０度以上となる場合である。この場合は、横波から縦波へのモード変換効率が低いために、図２３Ｅに示すように、直接縦波を送信する方が効率がよい。このような傾斜欠陥は、図２３に示すように、縦波入射→底面で縦波として反射→欠陥面で縦波として反射→底面で縦波として反射→縦波として受信、という経路をとる波に注目するとよい。

実際の探傷では、エリアＩ〜III は、互いに少しずつ重複する領域を持つために、傾斜欠陥に対して、図２４に示した、異なる経路、異なるモードを持つ波の有無及び強度に注目することで、検査対象となる欠陥の傾斜角度が事前に不明である場合でも、どの波が強く受信されているか、さらに、強く受信される波の角度（縦波または横波）から、欠陥の傾斜の有無及び角度を評価することができる。

このように、超音波の送信角度を、縦波として少なくとも０度から７０度、横波として２０度から３０度、を含む範囲で変化させることで、すべての角度の傾斜欠陥に対して、傾斜の程度を評価することが可能となる。

前記超音波探傷装置を採用するに際しては、前記検査対象の板厚の縦波音速による往復伝播時間の１倍から４倍の範囲を表示する手段を備えるという要素を付加することができる。

図１１を用いて、アレイセンサを用いて被検査体の板厚方向の欠陥を検査する場合の伝播時間について説明する。検査面１１０１を探傷する場合、底面に１回反射させて探傷する探傷方法では、探傷面１１０２に近い反射源からのエコーを受信するときに、超音波の伝播距離が最大となる。図１１は、探傷面１１０２に近い反射源に対する３種類の超音波の伝播経路（（Ａ）〜（Ｃ））と、そのときの片道伝播距離を縦波音速で換算した値（すなわち、縦波伝播距離はそのままの値を用い、横波伝播距離の場合は、横波伝播距離に縦波音速と横波音速の比を乗算して換算）をグラフにしたものである。ここで、片道伝播距離は、板厚を１００％として、片道伝播距離を板厚で除算した値を相対値として表示した。

図１１のグラフで、（Ａ）は縦波で往復する伝播経路に対応し、横軸を縦波入射角度で表したものであり、（Ｂ）は横波で往復する伝播経路に対応し、横軸を横波入射角度で表したものであり、（Ｃ）は底面で反射して横波から縦波にモード変換する伝播経路に対応し、横軸を縦波入射角度で表したものである。なお、対象としては、縦波音速５９００ｍ／ｓ，横波音速３２００ｍ／ｓの鋼材を仮定した。他の金属材料でも縦波音速と横波音速の比がほぼ２となるため図１１の伝播経路及びその距離の傾向は材料によらずほぼ同様となる。

本実施例の探傷では、送受信や反射の効率を考慮して、縦波または横波に関して、主として３０度から６０度の入射角度を用いることを想定しており、底面に反射する信号が受信可能であるためには、入射角が６０度の場合のモード変換による伝播経路（Ｃ）が受信できる必要がある。そのため、検査対象の板厚の縦波音速による往復伝播時間の１倍から４倍の範囲を表示する手段により全板厚を対象とした場合に欠陥からのエコーを表示することが可能となる。

また、本発明は、前記課題を解決するための手段として、検査対象の内部に超音波を送信し、前記検査対象の内部または表面の反射源からのエコーを受信し、前記エコーから検査対象の内部または表面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のうち、複数個の振動子から構成される振動子列を用いて、前記振動子列のうち前記検査対象に超音波を送信する送信振動子列と、前記反射源からのエコーを受信する受信振動子列に関して、以下の要素を持つことを特徴とする超音波探傷方法を採用したものである。
（３）送受信位置の一致を含んで重複しながら、少なくとも送信位置（送信振動子列の中央）と受信位置（受信振動子列の中央）の一方向を移動させながら超音波を送受信すること。

前記超音波探傷方法（３）を採用するに際しては、以下の要素を付け加えることができる。
（ア）送受信位置を一致させ、超音波を送受信する角度を、縦波として少なくとも０度から７０度を含む範囲で、かつ、横波として２０度から３０度を含む範囲で、変化させながら、超音波を送受信すること。
（イ）送信振動子と受信振動子列のおのおのの中心間距離を求め、センサの中心間距離と欠陥寸法が比例関係にあることを利用して、前記欠陥の寸法を評価すること。
（ウ）送信振動子列で送信される超音波信号のうち、反射源に対して入射角度を変化させながら、反射源からの信号を受信し、その受信強度が最大となる入射角度から、前記欠陥の傾斜の有無または傾斜角度を評価すること。
（エ）送受信振動と受信振動子列を一致させ、反射源に対して送受信位置を変化させながら、反射源からの信号を受信し、受信信号の強度に対してしきい値を設定し、前記しきい値を超えた受信強度が得られた送受信位置の範囲から、前記欠陥の傾斜の寸法を評価する。

前記（３）を採用した方法によれば、超音波探触子の外形寸法による物理的な接近限界により生じる探傷不可領域を除去し、送信超音波と受信超音波の交わる領域（交軸）を検査面上で走査して検査することが可能となる。

さらに上述の（ア）により、被検査体に対する縦波超音波の入射角度を、少なくとも０度から７０度まで変化させることができ、被検査体内の反射源の傾斜を評価するために必要なさまざまな角度及び振動モードの超音波を被検査体内に送信することが可能となる。

さらに、上述の（イ）によれば、欠陥からの信号の受信が可能な範囲、すなわち、送信振動子列と受信振動子列の中心間距離、により欠陥寸法を評価することができる。これは、欠陥が小さい場合（図５）には、欠陥からのエコーを受信可能な領域（送信振動子列
１１０と受信振動子列１１１の間隔）が狭く、逆に、欠陥が大きい場合（図６）には、欠陥からのエコーを受信可能な領域（送信振動子列１１０と受信振動子列１１１の間隔）が広くなり、欠陥からのエコーを受信可能な領域と欠陥の寸法の比例関係が成立するため、送受信素子列の中心間距離から欠陥寸法を評価することができる。

さらに、上述の（ウ）によれば、送信または受信に用いられる縦波の入射角度により欠陥が傾斜の有無または角度を評価することができる。図８を用いて原理を簡単に説明する。

例えば、前述のエリアIIに相当する、４５度に傾斜した欠陥８０５を探傷する場合について説明する。欠陥面に対して直交に入射する超音波に対して最も反射率が高くなり受信されるエコーも最大となる。そのため、欠陥面に垂直に超音波が入射する縦波４５度にモード変換する横波成分を入射することで、欠陥を探傷することができる。このときの超音波の伝播経路は、横波８０１→底面で縦波にモード変換→縦波８０２→欠陥面で反射→縦波８０３→底面で横波にモード変換→横波８０４となり、受信振動子列で受信される。なお、鋼材（縦波音速５９００ｍ／ｓ，横波音速３２００ｍ／ｓ）の場合、縦波４５度にモード変換する横波の入射角度は、（数１）から約２３度と計算することができる。

（数１）
θｔ＝sin−１（sinθｐ×Ｖｔ／Ｖｐ） …（１）
θｔ：横波の入射角度
θｐ：縦波の反射角度
Ｖｔ：被検査体中の横波音速
Ｖｐ：被検査体中の縦波音速

このように、欠陥面の傾斜角（４５度）に応じて、欠陥からの反射波の強度が最大となる、縦波の反射角度、すなわち、横波の入射角度が決まるので、超音波の入射角度により、欠陥面の傾斜の有無または傾斜角度を評価することが可能となる。エリアIIの場合と同様に、エリアIII の場合も、欠陥の傾斜角度φと、受信波の強度が最大となる角度θの間には、通常、φ＝９０−θ、の関係式が成立する。

また、前記（エ）によれば、傾斜した欠陥の場合であっても、送信振動子列と受信振動子列を一致させ、反射源からの信号が、あるしきい値を超える場合の送受信位置の範囲から、前記欠陥の寸法を評価することができる。図８及び図９Ａ及び図９Ｂを用いて原理を簡単に説明する。図８と図９では、欠陥の傾きは同じだが大きさが異なる場合のエコーの伝播経路を矢印で示した。横波成分８０１が底面でモード変換して欠陥面９０５で往復する時間を比較すると、図９に示す欠陥が小さい場合の方が、往復伝播時間が短くなっていることが分かる。図９Ａでは、アレイセンサ１０１の内部での送受信振動子列を固定して、アレイセンサ１０１全体を移動させて、送受信位置９０６を求める場合を示す。図９Ｂは、アレイセンサ１０１の位置は固定して、送受信位置を一致させながら、移動させて、送受信位置９１０を求める場合を示す。図９Ａ及び図９Ｂのいずれの場合においても、アレイセンサ１０１の受信振動子列の位置と欠陥までの距離（８０６と９０６，８０６と
９１０）が変化しており、欠陥が深くなるにつれて、この距離が長くなる。このように、欠陥からのエコーが最大となる超音波の入射角度で欠陥の傾斜角度を評価することができ、さらに、受信振動子列の位置と欠陥までの距離により欠陥の大きさを評価することが可能となる。

以下に、本発明の各実施例を一層具体的に説明する。

図１は本発明の第１の実施形態で、図示のように、この実施対象である被検査体１００と、これに超音波を入射するアレイセンサ１０１，送受信部１０２，受信信号を表示する表示部１０３で構成されている。また、アレイセンサ１０１には、アレイセンサ全体を移動させるための走査機構１２０及びその制御をするための走査制御機構１２１が組み合わされている。

第１，第２，第３実施例の適用先は、管に対する超音波検査であり、被検査体１００は配管軸方向の断面図を示している。なお、本実施例に記載の装置及び方法は、平板形状を対象とした検査にも同様に適用することが可能である。また、実施例の説明に用いた図では、被検査体の底面側から進展した欠陥を例にとっているが、表面側から進展した欠陥を対象としても、同様に適用することが可能である。

アレイセンサ１０１は被検査体１００の探傷面に設定され、送受信部１０２から供給される駆動信号により超音波を発生し、これを被検査体１００内に伝播させ、これにより現れる反射波を検出し、受信信号を送受信部１０２に入力する。送受信部１０２は、計算機１０２Ａと遅延時間制御部１０２Ｂ，パルサー１０２Ｃ，レシーバ１０２Ｄ，データ収録部１０２Ｅを備え、パルサー１０２Ｃが駆動信号をアレイセンサ１０１に供給し、これによりアレイ探触子１０１（アレイセンサとも言う。）から入力される受信信号をレシーバ１０２Ｄが処理するようになっている。

ここで、計算機１０２Ａは、遅延時間制御部１０２Ｂ，パルサー１０２Ｃ，レシーバ
１０２Ｄ、それにデータ収録部１０２Ｅを制御して、送信及び受信の動作が得られるようにする。

計算機１０２Ａによる送信動作の詳細を説明する。

アレイセンサ１０１を構成する複数個の振動子のうち、送信振動子列に用いる振動子と、パルサー１０２Ｃから出力される駆動信号のタイミングとのパターン（超音波発振のトリガ信号を与える時間のずれ、すなわち、遅延時間を、素子ごとにリスト化したもの。以下、送信の遅延時間パターンと記載する）を予め計算機１０２Ａに記憶させておく。計算機１０２Ａから遅延時間制御部１０２Ｂに対して、送信振動子列として選択された振動子とその振動子に対する遅延時間の情報が送られ、遅延時間制御部１０２Ｂで当該振動子に対して当該遅延時間分だけタイミングをすらして、パルサー１０２Ｃに超音波発振のトリガ信号が送られる。パルサー１０２Ｃからトリガ信号に従って、各振動子から少しずつ時間のずれた波が発振され、それらの波の合成波が被検査体１００に超音波が送信される。

なお、計算機１０２Ａには複数個の送信の遅延時間パターンが記憶され、これらのパターンが、繰り返し遅延時間制御部１０２Ｂに伝達され、パルサーからは様々なパターンの合成波が送信される。例えば、送信振動子列に用いる素子の少しずつずらしたパターンを複数個記憶させておくことで、合成波の送信位置（送信振動子列の中心）を移動させることが可能となる。

次に、計算機１０２Ａによる受信動作の詳細を説明する。

アレイセンサ１０１から発生された合成波が被検査体を伝播した後、再びアレイセンサ１０１に戻ってくる。このとき、最終的に得られる受信信号は、アレイセンサ１０１の受信振動子列の振動子で受信された超音波信号に対して、各振動子の受信信号ごとに、時間的な遅延を与えて、データ収録部でひとつの信号として合成される。受信振動子列に用いる振動子と、各振動子の受信信号に与えるタイミングとのパターン（受信信号に与える遅延時間を、素子ごとにリスト化したもの。以下、受信の遅延時間パターンと記載する）を予め計算機１０２Ａに記憶させておく。計算機１０２Ａから遅延時間制御部１０２Ｂに対して、受信振動子列として選択された振動子と、レシーバ１０２Ｄで受信された当該振動子の受信信号に対する遅延時間の情報が送られ、当該振動子からの信号に対して当該遅延時間分だけタイミングをすらして、データ収録部１０２Ｅでそれらの波の合成波が計算機１０２Ａに記録される。

なお、計算機１０２Ａには複数個の受信の遅延時間パターンが記憶され、これらのパターンが、繰り返し遅延時間制御部１０２Ｂに伝達され、レシーバからの信号から様々なパターンの波として合成され収録される。例えば、受信振動子列に用いる素子の少しずつずらしたパターンを複数個記憶させておくことで、合成波の受信位置(受信振動子列の中心)を移動させることが可能となる。

このようにして、フェーズドアレイ方式によるアレイセンサ１０１の動作が得られる。

さらに、データ収録部１０２Ｅは、レシーバ１０２Ｄから供給される受信信号を処理した結果を、表示部１０３に供給する働きをする。なお、表示部１０３の動作については、後で詳述する。

アレイセンサ１０１には、アレイセンサ自身を各振動素子の配列方向に移動するための走査機構１２０と走査制御機構１２１が組み合わされており、アレイセンサの位置（移動量）は、送受信部１０２内の計算機１０２Ａに送られる。

次に、アレイセンサ１０１の詳細について図２により説明する。ここで、この図２はアレイセンサ１０１の最も基本的な構成を模式図で示したもので、図示のように、このアレイセンサ１０１は、基本的には複数個の振動子（超音波発生素子）２０１で構成されている。そして、この実施形態では、例として、この振動子２０１の一例としてＰＺＴ圧電セラミックスの細棒を高分子材の中に埋めこんだ複合圧電体（コンポジットともいう）を用いている。

アレイセンサ１０１は、一列に配列されたＮ個の振動子から構成され、Ｎ個の振動素子のうちの複数個を用いて超音波を被検査体に送信し、同様に、Ｎ個の素子のうちの複数個を用いて反射源からのエコーを受信する。

このとき、素子の総数Ｎは、被検査体１００の板厚１１２を考慮して決めることができる。例えば、板厚４０mmのステンレス鋼配管の全板厚を検査対象する場合の探傷について図１０を用いて説明する。斜角振動子列の長さ２０５（１番目素子とＮ番目素子の中心間の距離）として、板厚の２倍とすると、配管の板厚の全板厚を検査することが可能となる。例えば、振動子２０１の中心間距離である素子ピッチ２０４（素子幅２０２と素子ギャップ２０３の和）が１mmの場合、総素子数Ｎとして、４０個以上とすることで、全板厚をカバーした検査が可能となる。

また、図１１を用いて発明を解決する手段として説明したように、検査対象の板厚の縦波音速による往復伝播時間の１倍から４倍の範囲を表示する手段により全板厚を対象とした場合に欠陥からのエコーを表示することが可能となる。

超音波を発生させる探触子として、図１２，図１３に示すように、複数の方向に超音波を送信可能なアレイ探触子を用いることとする。図１３及び図１４に示したアレイセンサ１０１は、複数個の振動子２０１から構成される。振動子２０１は超音波を発生する機能を持った圧電素子であり、各素子での超音波送受信のタイミングを制御することで、所望する方向の超音波を送受信することができる。縦波または横波成分を発生させる方法として、図１２に示すように、各素子から発生する超音波のタイミングを合わせる手法と、図１３に示すように、くさび材１３０１と被検査体１００の境界面での屈折を利用する手法のどちらを用いてもよい。

第１の実施例では、図２３Ｃに示すエリアＩの場合、すなわち、対象となる欠陥にほとんど傾斜が無い場合（傾斜角φが±２０度以内）を考える。

まず、対象となる欠陥の傾斜の有無は、検査前には、不明である前提にたつとすると、欠陥の傾斜の有無及び程度の評価を最初に実施することとなる。傾斜の有無及び程度を評価する方法のフローを図２５Ａ及び図２５Ｂに、装置の模式図を図２２に示す。

まず、被検査体１００の板厚を確認し（Ｓ２５０１）、表示範囲を縦波換算で板厚の４倍まで表示可能なように、表示範囲を設定する（Ｓ２５０２）。次に、超音波の入射方向２２０１（入射角度）を、縦波として、０度から７０度、横波として、２０度から３０度を含む範囲で変化させて被検査体に超音波を入射しながら反射源から戻ってくる超音波信号を受信する（Ｓ２５０３）。受信された信号のうち、最も強い信号強度となる信号に注目し（Ｓ２５０４）、さらに、最大強度を与える入射角度に注目する（Ｓ２５０５）。

図２２に示す例では、送信振動子列２２０１と受信振動子列２２０２が一致している場合について図示した。実際の探傷では、反射源１０５からの反射信号をより強く受信するために、走査機構を用いてアレイセンサ１０１を前後に移動させる方法（機械走査）、または、アレイセンサの位置を固定して、アレイセンサを構成する複数個の素子のうち、送信振動子列及び受信振動子列として使用する素子を電気的に切り替えて送受信位置を移動させる方法（電子走査）を用いて検査を実施する。

受信される信号強度が最大となる角度に注目して、反射源１０５の傾斜の有無及び傾斜角を評価する。受信が最大となる角度が、縦波０〜３０度である場合（Ｓ２５０６）、図２３ＣのエリアIII に対応し、欠陥の傾斜は、６０度以上と、非常に大きいことがわかる（Ｓ２５０７）。また、受信信号の強度が最大となる角度が、縦波として４０〜７０度
（横波として２０〜３０度）の場合（Ｓ２５０８）は、さらに、エリアＩまたはエリアIIの判定（Ｓ２５０９）を実施する（図２５Ｂ参照）。

受信信号のうち、縦波４０〜７０度成分のいずれかの角度に注目する（Ｓ２５１０）。そのうちのあるひとつの角度の波形の路程を評価する（Ｓ２５１１）。例えば、縦波４５度成分で受信された信号に注目すると、路程から深さに換算して、縦波で換算された板厚にほぼ等しい深さと、その少し後ろ（およそ１.５倍程度）の２箇所に、受信波形が存在する場合（Ｓ２５１２）、欠陥の傾斜は、エリアＩ（図２３Ｃ）に相当し、傾斜角度は、０〜２０度程度と評価できる（Ｓ２５１３）。例として、図１８に、欠陥の傾斜角度が０度の場合と、２０度の場合の縦波４５度成分の信号の例を示す。傾斜の有無にかかわらず、縦波で送信された超音波が欠陥で反射され縦波として受信される波（ＬＬ）と、横波で送信された超音波が底面で縦波にモード変換し、縦波として反射され、反射源である欠陥面で縦波として反射し、縦波として受信される波（ＳＬＬ）の２つの波が受信されていることが確認できる。

逆に、当該箇所に２つの受信波形が存在しない場合は、エリアIIに相当し、傾斜角度は約２０〜５０度であることがわかる（Ｓ２５１４）。

なお、これらの角度判定には、重複する領域もあるので、図２４に示した伝播経路の超音波が強い信号強度で受信されているかを確認し、さらに、欠陥と想定される位置の両側から超音波を入射できる場合では、両側のデータを比較することで、さらに、よい精度で、傾斜の有無及び角度を評価することが可能となる。

このように、縦波として、０度から７０度、横波として、２０度から３０度を含む範囲で変化させて被検査体に超音波を入射させることで、対象となる欠陥の傾斜の程度をおおまかに把握した後、欠陥寸法を評価する段階に進む。

第一の実施例では、欠陥寸法を評価するための超音波の送受信方法として、アレイセンサ１０１の、送受信位置の一致を含んで互いに逆方向に移動して超音波を送受信する場合を考える。

以下、図１４，図１５，図１６を用いて本実施例を説明する。図中の欠陥は、傾斜が０度として模式的に描かれているが、本質的には、エリアＩ（図２３Ｃ）に属する傾斜角度の小さな欠陥の場合は、同様の手法が成立する。

図１４（Ａ）は、欠陥を検出する段階での超音波の伝播経路を、図１４（Ｂ）は欠陥寸法を評価する段階での超音波の伝播径を、それぞれ表す。図１５は処理の流れを、図１６は受信波形の例を、図１７は本発明による方法を用いた欠陥寸法と信号受信領域の関係の例を示している。

第１段階として、受信信号の表示範囲を決定するために、被検査体の板厚を確認する
（Ｓ１５０１）。次に、この板厚の往復伝播距離の少なくとも２倍の距離（深さ）を表示できるように表示部１０３を設定する（Ｓ１５０２）。検査対象が溶接部であるかを確認し（Ｓ１５０３）、溶接部でない場合は、送信超音波として横波４５度を用い、溶接部の場合は、横波４５度に加えて、溶接部での伝播効率の良い、縦波４５度の両方を用いて探傷する。この入射角度の情報から、計算機１０２Ａでアレイセンサ１０１の送信素子列
１１０及び受信素子列１１１に与える遅延時間が計算される。

次に、上記のように設定した探傷角度での超音波の送受信が可能となったアレイセンサ１０１を探傷面１４０６上で前後に走査する。送信位置と受信位置が一致する信号を表示して（Ｓ１５０４）、受信信号の有無を確認する（Ｓ１５０５）。信号がある場合は、送信位置と受信位置が一致する場合での受信信号が極大値となる位置にアレイセンサを移動し、送受信位置を移動させたときの信号を表示する（Ｓ１５０６）。最後に、受信信号が受信される領域を測定し（Ｓ１５０７）、欠陥の寸法を評価する（Ｓ１５０８）。

受信波形の例を図１６に示す。図１６（Ａ）は送信位置１４０１と受信位置１４０２が一致する点１４１０における受信信号であり、図１６（Ｂ）は、図１４（Ａ）に示すＸＺ面での断面図上に受信波形の強度を色の濃淡で表示した断面表示である。

図１６（Ａ）の波形は、図１４（Ａ）の伝播経路に対応し、この信号に注目して欠陥を検出する。従来のタンデム法では、超音波探触子の外形寸法があるため、接近限界が存在したために、送受信位置を一致させた検出を実施することができなかった。

欠陥が存在する場合には、図１４（Ｂ）に示すように、送信位置１４０３と受信位置
１４０４を逆方向に移動させ、その受信信号を図１６（Ｂ）のように表示させる。

欠陥からのエコーのピークは、送信位置と受信位置が一致するときに得られるので、その信号の強度を基準（１００％に設定）として、例えば、欠陥からのエコーの相対強度が５０％（６ｄＢ）に低下する範囲(送信位置１４１１と受信位置１４１２に囲まれた領域)を、信号の受信領域１４１３として設定する。なお、受信領域の設定方法には、この他にも、ピーク信号の２５％（１２ｄＢ）に低下する範囲とする方法や、予め設定したしきい値を越える強度の信号が得られる範囲とする方法を採用してもよい。

図１７に、欠陥の寸法（高さ）と信号受信領域の関係の例を示す。図１７（Ａ）は縦波４５度の探傷の場合であり、図１７（Ｂ）は横波４５度の探傷の場合の結果である。いずれの場合も、欠陥が大きくなるにつれて、信号が受信される領域が大きくなり、両者の間には、明瞭な比例関係があることが分かる。実際の寸法評価では、図１７に示すような、欠陥寸法と受信信号領域の関係を予め高さの分かった試験体を対象に関係をマスターカーブとして測定しておき、そのデータを基に、実際の測定で得られた受信信号領域から寸法を評価するという手順をとる。また、解析等で幾何学的な伝播経路から受信領域と欠陥寸法の関係を計算し、解析から得られたデータをマスターカーブとして採用して、欠陥寸法を評価してもよい。

また、当然であるが、欠陥の先端部からの回折エコー（端部エコー、ともいう）が斜角成分で受信できる場合は、従来知られている、端部エコー法を用いて、端部エコーの路程（Ｗ）と角度（θ）から、深さ（ｄ）を、数式(ｄ＝Ｗ×cosθ) を用いて計算し、先端部の深さ、すなわち、欠陥の寸法を評価してもよい。

以上の方法は、縦波（または母材であれば横波）の４５度成分に注目した手法であるが、エリアＩ（図２３Ｃ）に含まれる傾斜角度の小さな欠陥に対しては、モード変換波に注目する手法も有効であるので、実施例２において詳細を説明する。

第一の実施例と同様に、図２５Ａ及び図２５Ｂに示すフローに従って、欠陥の傾斜が比較的小さい（エリアＩ）という評価が終了しているとし、傾斜の小さな欠陥の寸法を、縦波（４０〜７０度）及び、縦波と同時に発生する横波成分（約２０〜３０度）を利用した、欠陥寸法評価方法について説明する。

図７は、例として、縦波６０度及び、縦波と同時に発生する横波約３０度によるモード変換波を利用して、傾斜角０度及び±１５度の傾斜欠陥を探傷する場合の伝播経路を示す。ここで、縦波の入射角度を６０度としたが、６０度以外の縦波でも（例えば、図１８は縦波４５度の場合の例を示す）、同様にモード変換波を受信することができる。

欠陥の傾斜が無い、または、１５度程度と小さい場合には、実施例１の斜角４５度による方法のような、傾斜のない欠陥に対する検査手法が有効であり、そのひとつとして、縦波（約４０〜７０度）及び同時に発生する横波（約２０〜３０度）によるモード変換波に注目した手法も有効となる。

欠陥に傾斜のない場合（図７（Ａ））、モード変換波の伝播経路は以下のようになる。まず、入射角として縦波６０度に設定したアレイセンサ１０１から、同時に発生する横波成分７０１が底面に向かって伝播する。この横波成分は、底面での反射の際に、振動モードが横波から縦波に変換され、欠陥７０３に向かって縦波成分７０２として伝播する。さらに、縦波成分７０２は欠陥７０３の面状の部分で反射され、縦波成分７０４のままアレイセンサ１０１に戻る。

もしも欠陥がアレイセンサから遠ざかるように（鈍角的に）傾斜している場合（Ｂ）、鈍角傾斜欠陥７０６に入射した縦波成分７０２は、傾斜が無い場合と比較して、欠陥に近い位置に向かって、縦波成分７０５として反射される。逆に、欠陥がアレイセンサに近づくように（鋭角的に）傾斜している場合（Ｃ）、鋭角傾斜欠陥７０８に入射した縦波成分７０２は、傾斜が無い場合と比較して、欠陥から遠ざかる位置に向かって、縦波成分707として反射される。

このように、欠陥の傾斜が小さい場合、傾斜が無い場合の受信位置とは異なる位置で信号が受信されることとなる。そのため、「傾斜無し」を想定した場合の所定の入射角をともなう超音波による欠陥エコーの受信振動子列の位置を、対比試験体または数値解析等によって、予め把握しておくことで、傾斜が無い場合と比較して、受信位置が送信位置から遠ざかるようであれば、鈍角的な傾斜であると判断でき、逆に、受信位置が送信位置から近づいているようであれば、鋭角的な傾斜があると判断できる。このようにして、モード変換波の受信位置を利用することで、欠陥の傾斜の有無、及び、鈍角側の傾斜か鋭角側の傾斜か、を評価することが可能である。

また、「傾斜無し」と比較した場合の、受信位置の移動量は、欠陥の傾斜の深さに比例して増大する。このため、検査対象となる材質・板厚・形状等を模擬した対比試験体を使った実験や、数値解析により、受信位置の移動量と傾斜角度の関係を調査しマスターカーブを作成しておけば、傾斜の向き（鋭角的か鈍角的か）に加えて、傾斜角を評価することも可能となる。

なお、図７の例では、傾斜のない場合に、送信位置と受信位置が一致する点で、モード変換波を受信する例を示しているが、実際の探傷では、板厚や欠陥の寸法によって両者が一致しない場合もある。その場合は、傾斜の無い欠陥からのエコーに対する、受信振動子列の位置を基準位置とし、その基準位置と比較することで、同様に、欠陥の傾斜を評価することが可能である。

また、図７の例では、送信位置が固定され、受信位置のみが変化するように超音波を送受信する場合を示しているが、受信位置を固定する場合でも、送受信位置を互いに移動させながら探傷する場合においても、送信振動子列と受信振動子列の中心間距離の値によって、同様に、欠陥の傾斜を評価することができる。

第３の実施例では、検査対象となる大きく欠陥が傾斜している場合を考える。第１の実施例と同様に、事前に、図２５Ａ及び図２５Ｂに示したフローに従い、対象となる欠陥の傾斜の有無及び程度（すなわち、どのエリアに含まれるか）を評価しておく。

エリアII（図２３Ｃ）の代表として傾斜角度４５度の欠陥を、エリアIII(図２３Ｃ) の場合の代表として傾斜角度６０度の欠陥を、それぞれ例にあげて説明する。同じエリア内の傾斜角度であれば、同様の評価方法が適用できる。また、傾斜角度が５０度程度の場合は、両エリアの境界となるため、両方の評価方法を適用することが可能である。

以下、図８，図９，図１９，図２０，図２１を用いて本実施例を説明する。図８から図２０は、被検査体内部での欠陥からのエコーの伝播経路を表しており、図８及び図９は縦波４５度（及び縦波４５度と同時に発生する横波約２５度）によるモード変換波によって傾斜角度が垂直方向に対してセンサに近づく側（鋭角）に４５度程度傾斜した欠陥を探傷する場合の伝播経路を、図１９は４５度の縦波によって傾斜角度が垂直方向に対してセンサから遠ざかる側（鈍角）に４５度程度傾斜した欠陥を探傷する場合の伝播経路を、図
２０は、３０度の縦波及び縦波６０度と同時発生する約３０度横波によって傾斜角度が垂直方向に対して±６０度である欠陥を探傷する場合の伝播経路を、それぞれ表す。図２１は、本発明における第３の実施例のフロー図である。

図２１により、処理の流れを説明する。まず、図２５Ａ及び図２５Ｂに示したフローに従い、対象となる欠陥の傾斜の有無及び程度（すなわち、どのエリアに含まれるか）を評価しておく（Ｓ２１０１〜Ｓ２１０３）。次に、欠陥の傾斜角度に応じた寸法評価法を適用するために、超音波の入射角として、縦波０度〜７０度、横波としては２０〜３０度を含む範囲で探傷した結果のうち、欠陥からの反射波と想定される信号の強度が最大となる角度を選択し、その角度で再度探傷を実施する。

例えば、Ｓ２１０３の処理の結果、エリアII（図２３Ｃ）に分類された欠陥は、傾斜角度が大きい（傾斜角約２０〜５０度）ため、縦波として約３０〜５０度、横波として２０度〜３０度程度の範囲で超音波の角度を変化させる（Ｓ２１０４）。また、エリアIII に分類された欠陥は、さらに傾斜角度が大きい（傾斜角約５０度以上）ため、縦波として約０〜３０度に設定する（Ｓ２１０５）。

なお、エリアＩに分類された場合は、傾斜角度が小さく、垂直欠陥と同様の手法が適用できる（Ｓ２１０６）。詳細は、実施例１及び実施例２に記載した。

傾斜欠陥の寸法評価方法の詳細に関して、図８，図９，図１９，図２０を用いて説明する。

〔エリアII（傾斜角２０〜５０度程度）の場合〕
説明を簡単にするために、代表例として、傾斜角４５度の場合について説明する。本質的には、欠陥からの受信波形が最大となる角度θに対して、傾斜欠陥の角度φは、数式φ＝９０−θで決定される。評価手法は４５度の場合と同等である。

欠陥の傾斜が約４５度程度と大きい場合には、図８，図９，図１９に示す、縦波４５度によるモード変換波及び縦波成分に注目した手法が有効である。

欠陥が鋭角的に傾斜（センサに近付く方向に４５度傾斜）している方向から探傷する場合は、モード変換波に注目する。ここで、モード変換波とは、図８において、アレイセンサ１０１から、縦波４５度と同時に発生する約２５度の横波成分８０１が底面で反射して横波から縦波にモード変換し、縦波成分８０２が傾斜欠陥にほぼ垂直に入射し、縦波成分８０３として反射し、再び底面で反射して、縦波から横波にモード変換し、横波成分804となり、アレイセンサ１０１に到達する波のことである。欠陥の傾斜角が４５度以外の場合は、図２３Ｃのグラフに示すように、アレイセンサ１０１から発生する横波角度は、当該縦波角度が反射して得られる横波入射角度となる。

このとき、欠陥からのエコーを受信する受信素子列の位置に注目すると、欠陥が大きい場合（図８）では広い領域８０６にわたっているのに対し、傾斜欠陥が小さい場合（図
９Ａ及び図９Ｂ）では、より狭い領域９０６（図９Ｂでは９１０）でしか受信されないことが分かる。なお、図９Ａは、アレイセンサ１０１の内部での送受信振動子列を固定して、アレイセンサ１０１全体を移動させて、送受信位置９０６を求める場合を示す。図９Ｂは、アレイセンサ１０１の位置は固定して、送受信位置を一致させながら、移動させて、送受信位置９１０を求める場合を示す。

図９Ａ及び図９Ｂのいずれの場合においても、アレイセンサ１０１の受信振動子列の位置と欠陥までの距離（８０６と９０６，８０６と９１０）が変化しており、欠陥が深くなるにつれて、この距離が長くなる。これは、小さい欠陥の場合には、距離８０６に相当する場所から超音波（９１０）を送信したとしても、底面でモード変換後（９１１）に、欠陥にあたらずアレイセンサ１０１に超音波が戻ってこないが、大きくなるにつれて、アレイセンサに戻る経路が成立する領域が大きくなるためである。

受信振動子列と欠陥までの距離と欠陥の寸法には比例関係が成立する。そのため、同じ材質・板厚の対比試験体に、代表的に４５度の傾斜欠陥を付与した実験結果に基づいて、または、探傷で使用した角度（Ｓ２１０５で使用）による超音波伝播経路の解析により、受信振動子列と欠陥までの距離と欠陥の寸法のマスターカーブを作成しておき、探傷結果と比較することで、受信振動子列と欠陥までの距離から欠陥寸法を求めることができる。

なお、受信振動子列と欠陥までの距離を求めるには、図９Ａの場合は、走査機構１２０によってアレイセンサ１０１全体を動かすため、走査機構１２０に、エンコーダ等の位置検出手段を備えることにより、当該距離を把握することができる。また、図９Ｂの場合は、電気的に送受信位置を移動させるため、アレイセンサ１０１を構成するどの素子群で送受信するべきか、すなわち、どのような素子にどのような遅延時間パターンを与えるか
（遅延時間制御部をどう制御するか）という情報は、計算機１０２Ａが管理しているため、送受信素子の制御情報から、当該距離を把握することができる。

このように、鋭角的に（センサに近づく方向に）４５度傾斜した欠陥の傾斜及び寸法を評価するためには、縦波４５度によるモード変換波を利用し、受信振動子列の位置に注目するとよい。

逆に、アレイセンサ１０１から遠ざかる方向に（鈍角的に）４５度程度傾斜した欠陥を探傷する場合には、４５度縦波に注目した手法が有効である（図１９）。アレイセンサから発生した縦波成分は４５度に傾斜した欠陥の面にほぼ垂直にあたって、強い反射波となって、アレイセンサに戻る。

このとき、図１９（Ｂ−１）に示すように、送信位置と受信位置を同じ位置に固定し、アレイセンサ１０１を走査機構１２０で、素子の配列方向に移動させる場合には、欠陥からのエコーを受信できる範囲１９０１、すなわち、欠陥の根本からのエコーが受信されるアレイセンサの位置（図１９（Ａ））と欠陥上端部からのエコーが受信されるアレイセンサ位置の差が、欠陥の寸法（高さ）に比例して大きくなることが分かる。

また、図１９（Ｂ−２）に示すように、アレイセンサ１０１の位置を固定し、送信位置と受信位置を電子的に走査する場合にも同様に、欠陥からのエコーを受信できる範囲1901、すなわち、欠陥の根本からのエコーが受信される送受信位置（図１９（Ａ））と欠陥上端部からのエコーが受信される送受信位置の差が欠陥の寸法（高さ）と比例して大きくなることが分かる。

このように、エコーが受信される範囲１９０１（アレイセンサの移動量、または送受信位置の移動量）と欠陥の寸法の比例関係に注目することで、欠陥の傾斜及び寸法を評価することが可能である。具体的には、前述の通り、対比試験体または超音波伝播経路の解析により、前記比例関係のマスターカーブを作成することで、エコー受信範囲１９０１から欠陥寸法を評価することができる。

なお、被検査体が母材などの比較的超音波の減衰の小さい材料で構成されている場合には、図８及び図９の横波及び縦波の代わりに、欠陥傾斜角度φから９０度を減算した角度θ（＝９０−φ）に相当する、横波成分、例えば横波４５度を用いて、底面に１回反射させて、傾斜欠陥面で反射して戻ってくる横波成分を用いて探傷しても、同様に、欠陥の傾斜及び寸法を評価することができる。また、図１９に示した、縦波４５度成分の代わりに、横波４５度成分で探傷を実施しても、同様に、欠陥の傾斜及び寸法を評価することが可能である。この場合の伝播経路は、図２０Ａ及び図２０Ｂの経路と同じ（ただし、図中の伝播モードを縦波から横波に変更したもの）となる。

〔エリアIII（傾斜角約５０度以上）の場合〕
説明を簡単にするために、代表例として、傾斜角６０度の場合について説明する。本質的には、欠陥からの受信波形が最大となる角度θに対して、傾斜欠陥の角度φは、数式φ＝９０−θで決定される。評価手法は６０度の場合と同等である。

欠陥の傾斜が約６０度程度と非常に大きい場合には、図２０Ａ及び図２０Ｂに示すような、３０度縦波成分に注目した手法が有効である。なお、被検査体が母材等の減衰が小さい媒質である場合には、３０度横波成分に注目してもよい。伝播経路及び手法は、以下図２０Ａと図２０Ｂを用いて説明する内容と同じであるので、縦波３０度の場合のみ記載する。

アレイセンサ側に鋭角的に６０度傾斜している場合、図２０Ａに示すように、アレイセンサから発生した３０度の超音波２００４（縦波）は底面で反射し、欠陥２００５に向かって伝播する。欠陥にほぼ垂直にあたった超音波２００２は、欠陥面で反射され再び底面に向かって伝播する（２００３）。底面で反射された超音波２００４はアレイセンサで受信される。

このとき、欠陥からのエコーを受信する受信素子列の位置に注目すると、欠陥２００６のように欠陥寸法が大きい場合（図２０Ａ（２）及び（３））では広い領域２０２１にわたっているのに対し、傾斜欠陥２００５のように欠陥寸法が小さい場合（図２０Ａ(１)）では、より狭い領域２０２０でしか受信されないことが分かる。なお、図２０Ａ（２）は、アレイセンサ１０１の内部での送受信振動子列を固定して、アレイセンサ１０１全体を移動させて、送受信位置２０２１を求める場合を示す。図２０Ａ（３）は、アレイセンサ
１０１の位置は固定して、送受信位置を一致させながら、移動させて、送受信位置2021を求める場合を示す。

エリアIII に分類される場合も、前述のエリアIIの場合と同様に、受信振動子列と欠陥までの距離と欠陥の寸法には比例関係が成立する。そのため、同じ材質・板厚の対比試験体に、代表的に４５度の傾斜欠陥を付与した実験結果に基づいて、または、探傷で使用した角度による超音波伝播経路の解析により、受信振動子列と欠陥までの距離と欠陥の寸法のマスターカーブを作成しておき、探傷結果と比較することで、受信振動子列と欠陥までの距離から欠陥寸法を求めることができる。

逆に、アレイセンサから遠ざかる側に鈍角的に６０度傾斜している場合、図２０Ｂに示すように、アレイセンサから発生した超音波（縦波）は欠陥面に直接あたったのち反射してふたたびアレイセンサで受信される。

このとき、図２０Ｂ（２）に示すように、送信位置と受信位置を同じ位置に固定し、アレイセンサ１０１を走査機構１２０で、素子の配列方向に移動させる場合には、欠陥からのエコーを受信できる範囲２０１０、すなわち、欠陥の根本からのエコーが受信されるアレイセンサの位置（図２０Ｂ（１））と欠陥上端部からのエコーが受信されるアレイセンサ位置の差が、欠陥の寸法（高さ）に比例して大きくなることが分かる。

また、図２０Ｂ(３)に示すように、アレイセンサ１０１の位置を固定し、送信位置と受信位置を電子的に走査する場合にも同様に、欠陥からのエコーを受信できる範囲２０１０、すなわち、欠陥の根本からのエコーが受信される送受信位置（図２０Ｂ（１））と欠陥上端部からのエコーが受信される送受信位置の差が欠陥の寸法（高さ）と比例して大きくなることが分かる。

このように、エコーが受信される範囲２０１０（アレイセンサの移動量、または送受信位置の移動量）と欠陥の寸法の比例関係に注目することで、欠陥の傾斜及び寸法を評価することが可能である。具体的には、前述の通り、対比試験体または超音波伝播経路の解析により、前記比例関係のマスターカーブを作成することで、エコー受信範囲２０１０から欠陥寸法を評価することができる。

この発明は、超音波検査装置及び方法に適用されて利用される。

本発明の第１実施例に係る超音波探傷装置の構成図である。 本発明に用いるアレイセンサの構造の説明図である。 従来の超音波探傷方法における超音波の送受信経路を示した説明図である。 従来の超音波探傷方法における超音波のもう一つの送受信経路を示した説明図である。 本発明による浅い欠陥の各送受信振動子列の位置と超音波の送受信経路を表した説明図である。 本発明による深い欠陥の各送受信振動子列の位置と超音波の送受信経路を表した説明図である。 本発明によるモード変換波を用いた傾斜欠陥に対する探傷方法での各送受信振動子列の位置と超音波の経路の説明図である。 本発明によるモード変換波を用いた傾斜欠陥に対する探傷方法での各送受信振動子列の位置と超音波の経路のもう一つの説明図である。 本発明によるモード変換波を用いた傾斜欠陥に対する探傷方法での各送受信振動子列の位置と超音波の経路の他の説明図である。 本発明によるモード変換波を用いた傾斜欠陥に対する探傷方法での各送受信振動子列の位置と超音波の経路のさらに他の説明図である。 本発明によるアレイセンサの振動子の配列方向での長さ（振動子列の長さ）に関する説明図である。 本発明で受信される信号の伝播距離に関する説明図である。 本発明に用いるアレイセンサの横波と縦波の超音波の発信例示図である。 本発明に用いるアレイセンサのくさび材を併用した際の横波と縦波の超音波の発信例示図である。 本発明による、欠陥検出と欠陥寸法評価を行う際の各送受信振動子列の位置と超音波ビームとを示した説明図である。 本発明の第１の実施例に関する探傷及び欠陥評価のフロー図である。 本発明の第１の実施例に関する受信波形の例示図である。 本発明の第１実施例に関する、欠陥として代用するスリット高さと信号受信領域の関係の例を示した説明図である。 本発明の第１実施例に関する、欠陥の傾斜が小さい場合の受信波形の例である。 本発明の第３の実施例に関する、４５度傾斜欠陥の探傷作業におけるアレイセンサの位置と各送受振動子列の位置と超音波の伝播経路を示した説明図である。 本発明の第３の実施例に関する、６０度傾斜欠陥の探傷作業におけるアレイセンサの位置と各送受振動子列の位置と超音波の伝播経路を示した説明図である。 本発明の第３の実施例に関する、図２０Ａとは逆方向へ欠陥の傾きが傾斜した際の、６０度傾斜欠陥の探傷作業におけるアレイセンサの位置と各送受振動子列の位置と超音波の伝播経路を示した説明図である。 本発明の第３の実施例に関する探傷及び欠陥評価のフロー図である。 本発明の第１実施例に係る超音波探傷装置の構成図である。 本発明による、傾斜欠陥とモード変換波との関係を示した説明図である。 本発明による、傾斜欠陥と縦波超音波との関係を示した説明図である。 本発明による、モード変換による縦波超音波の反射特性を示した説明図である。 本発明による、モード変換による横波超音波の反射率特性を示した説明図である。 本発明による、縦波超音波の反射率特性を示した説明図である。 本発明による、傾斜欠陥の分類を説明するための説明図である。 本発明による、傾斜欠陥を分類する方法を説明するためのフロー図である。 本発明による、傾斜欠陥を分類する方法を図２５Ａのフロー図に続けて記述したフロー図である。

符号の説明

１００…被検査体、１０１…アレイセンサ、１０２…送受信部、１０３…表示部、110…送信素子列、１１１…受信素子列、１２０…走査機構、１２１…走査制御機構、２０１…探触子。

Claims (9)

1. 複数の振動子を配列したアレイセンサと、
   前記各振動子から受信振動子及び送信振動子に使用する振動子を選択して、前記受信振動子及び前記送信振動子の内の少なくとも一方を他方に対して移動するように前記選択を繰り返す選択手段と、
   前記送信振動子から検査対象に送信された超音波のエコーを前記受信振動子で受けて得られた受信情報を表示する表示部と、
   前記アレイセンサを前記振動子の配列方向へ移動する走査機構とを備えることを特徴とする超音波探傷装置。
2. 請求項１において、前記選択手段は、前記受信振動子及び前記送信振動子が同じ位置となる状態から相対的に前記配列方向に距離を生じる状態とに位置させる選択パターンを有することを特徴とする超音波探傷装置。
3. 請求項２において、前記送信振動子と、前記受信振動子とに対して、前記検査対象に超音波を送受信する角度を、縦波として少なくとも０度から７０度を含む範囲で、かつ、横波として少なくとも２０度から３０度を含む範囲で、変化させるように送受信タイミングを制御する遅延時間制御部を備えることを特徴とする超音波探傷装置。
4. 請求項１又は請求項２又は請求項３において、前記検査対象の板厚の縦波音速による往復伝播時間の範囲の１倍から４倍の範囲の時間に受信された前記受信情報を表示する表示部を備えたことを特徴とする超音波探傷装置。
5. 検査対象の内部にアレイセンサの送信振動子から超音波を送信し、前記検査対象の内部または表面の反射源からの前記超音波のエコーを前記アレイセンサの受信振動子で受信し、前記受信された前記超音波のエコーに基づいた受信情報を表示部に表示する超音波探傷方法において、
   前記送信位置と前記受信位置とが同じ位置の状態と、前記送信位置及び前記受信位置とが互いに離れる状態とに前記受信振動子と送信振動子との少なくとも一方の位置が変化するように前記アレイセンサを構成する複数の振動子から前記受信振動子と送信振動子とを選択しては前記選択した前記受信振動子と送信振動子間で前記超音波を送受信することを特徴とする超音波探傷方法。
6. 請求項５において、前記検査対象に前記超音波を送受信する角度を、縦波として少なくとも０度から７０度を含む範囲で、かつ、横波として少なくとも２０度から３０度を含む範囲で変化させて、前記超音波を送受信することを特徴とする超音波探傷方法。
7. 請求項６または請求項７において、前記送信振動子と前記受信振動子の間の距離を求め、前記距離と前記反射源の寸法が比例関係にあることを利用して、前記距離から前記反射源の寸法を評価することを特徴とする超音波探傷方法。
8. 請求項６または請求項７において、前記検査対象に対して前記超音波の入射角度を変化させては、前記反射源からの前記エコーを受信することを繰り返し、その受信強度が最大となる入射角度から、前記反射源の傾斜の有無または傾斜角度を評価することを特徴とする超音波探傷方法。
9. 請求項５または請求項６において、前記アレイセンサの送信振動子と受信振動子を一致させ、前記反射源に対して送受信位置を変化させながら、前記反射源からの前記エコーを受信し、受信した前記エコーの信号の強度に対してしきい値を設定し、前記しきい値を超えた受信強度が得られた送受信位置の範囲から、前記欠陥の傾斜の寸法を評価することを特徴とする超音波探傷方法。
   

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