JP2011237208A - 超音波検査装置及び超音波検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】狭隘部に設置できる薄型探触子の構造の探触子を用いて、被検査体の裏面近傍の深い位置を含む板厚方向全範囲を検査することができる超音波検査装置及び超音波検査方法を提供することにある。
【解決手段】探触子１０８，１０９は、狭隘部に設置可能な薄型の探触子である。制御装置２０１は、探触子からの超音波の送信を制御し、該探触子にて受信した超音波の信号処理を行う。遅延時間制御部２０５は、複数の探触子の距離差に応じてそれぞれの探触子から送信する超音波の送信タイミングに遅延時間を設け、信号処理部はそれぞれの探触子により受信した超音波の信号処理を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、超音波検査装置及び超音波検査方法に係り、特に、高さ方向に制限がある空間に超音波探触子を設置して、被検査体の板厚方向全範囲を検査するに好適な超音波検査装置及び超音波検査方法に関する。

従来、高さ方向の寸法（隙間）に制限がある空間（狭隘部）に超音波探触子を設置するには、隙間より低い（薄型の）探触子をその狭隘部に設置する必要があるため、超音波を送受信する振動子も小さくする必要がある。しかし、振動子が小さくなると超音波の強度が低下するため感度（ＳＮ比）が低くなるため、被検査体の裏面近傍の深い位置を含む板厚方向全範囲を検査することが困難となる。

ここで、関連する技術として、くさび内のノイズの影響を最小限に抑えることを目的で、小さな振動子を複数個配列したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、素子のばらつきや電気回路内の時間ずれなどを補正する目的で、遅延時間を制御するものが知られている（例えば、特許文献２参照）。

さらに、検査位置による検出時間差を補正する目的で、超音波に受信時間（検出時間）差を補正するものが知られている（例えば、特許文献３参照）。

特開平１１−３１６２１６号公報 特開２００２−３０３６１２号公報 特開２００２−５９０６号公報

しかしながら、特許文献１は、各探触子（振動子）からの送信時間を制御することを考慮していないものである。

また、特許文献２や特許文献３は、狭隘部に可能な検査技術ではない。

本発明の目的は、狭隘部に設置できる薄型探触子の構造の探触子を用いて、被検査体の裏面近傍の深い位置を含め、板厚方向全範囲を検査することができる超音波検査装置及び超音波検査方法を提供することにある。

（１）上記目的を達成するため、本発明は、狭隘部に設置可能な薄型の探触子と、該探触子からの超音波の送信を制御し、該探触子にて受信した超音波の信号処理を行う制御手段とを有する超音波検査装置であって、前記探触子は複数の探触子から構成され、前記制御手段は、前記複数の探触子の距離差に応じてそれぞれの探触子から送信する超音波の送信タイミングに遅延時間を設ける遅延時間制御部と、それぞれの探触子により受信した超音波の信号処理を行う信号処理部を備えるようにしたものである。
かかる構成により、狭隘部に設置できる薄型探触子の構造の探触子を用いて、被検査体の裏面近傍の深い位置を検査することができるものとなる。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記制御手段は、被検査体の表面から浅い領域を検査する時は、前記複数の探触子のそれぞれを単独で用いて超音波の送受信を行い、被検査体の表面から深い領域を検査する時は、前記複数の探触子を組み合わせて、前記遅延時間制御部により複数の探触子の間の超音波の送信タイミングに遅延時間を設け、前記信号処理部により受信信号に信号処理を行うようにしたものである。

（３）上記（１）において、好ましくは、前記探触子は、くさびと、該くさびに設置された振動子とから構成され、前記複数の探触子の距離差はくさび距離差であり、前記遅延時間は（くさび距離差／くさび音速）として算出されるものである。

（４）上記（１）において、好ましくは、被検査体は曲率を有する物体であり、前記探触子は、前記被検査体の曲率に応じた曲率を有するようにしたものである。

（５）また、上記目的を達成するため、本発明は、制御手段により、狭隘部に設置可能な薄型の探触子からの超音波の送信を制御し、該探触子にて受信した超音波の信号処理を行う超音波検査方法であって、前記探触子は複数の探触子から構成され、前記制御手段は、前記複数の探触子の距離差に応じてそれぞれの探触子から送信する超音波の送信タイミングに遅延時間を設けるとともに、それぞれの探触子により受信した超音波の信号処理を行うようにしたものである。
かかる方法により、狭隘部に設置できる薄型探触子の構造の探触子を用いて、被検査体の裏面近傍の深い位置を検査することができるものとなる。

（６）上記（５）において、好ましくは、前記制御手段は、被検査体の表面から浅い領域を検査する時は、前記複数の探触子のそれぞれを単独で用いて超音波の送受信を行い、被検査体の表面から深い領域を検査する時は、前記複数の探触子を組み合わせて、前記遅延時間制御部により複数の探触子の間の超音波の送信タイミングに遅延時間を設け、複数の探触子により受信した超音波の信号処理を行うようにしたものである。

本発明によれば、狭隘部に設置できる薄型探触子の構造の探触子を用いて、被検査体の裏面近傍の深い位置を含め、板厚方向全範囲を検査することができるものとなる。

本発明の一実施形態による超音波検査方法の基本原理の説明図である。 本発明の一実施形態による超音波検査装置の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による超音波検査方法の内容を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態による超音波検査方法における被検査体の表面近傍の探傷の説明図である。 本発明の一実施形態による超音波検査方法における被検査体の裏面近傍の探傷の説明図である。 本発明の一実施形態による超音波検査装置に用いる探触子の他の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による超音波検査装置に用いる探触子のその他の構成を示すブロック図である。

以下、図１〜図７を用いて、本発明の一実施形態による超音波検査装置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検査方法の基本原理について説明する。
図１は、本発明の一実施形態による超音波検査方法の基本原理の説明図である。

被検査体１０３と構造物１０４との間には、隙間（狭隘部）が存在する。この隙間に複数個の薄型探触子１０８，１０９を設置して、被検査体１０３の裏面にあるひび１０２等の欠陥を探傷する。なお、被検査体１０３の裏面側には、探触子が設置できない状況にある。

隙間の高さｈは、例えば、１０ｍｍ以下と狭いものである。この狭い隙間に設置する探触子１０８，１０９の高さＨは、隙間の高さｈよりも低いものを用いている。探触子１０８と探触子１０９とは同一の寸法形状のものを用いている。探触子１０８，１０９は、それぞれ振動子と、振動子と被検査体１０３の間に設置されるくさびとから構成される。振動子から発生した超音波１０１は、くさびを経て、被検査体１０３の内部に送信される。

ここで、振動子が小さくなると超音波の強度が低下するため感度（ＳＮ比）が低くなる。そのため、被検査体の厚さが厚い場合、被検査体の裏面近傍の深い位置を検査することが困難となり、板厚方向全範囲を検査することが困難となる。

本実施形態では、複数個の探触子（振動子）を直線的に配列（図示の例では、２個配列）した構造としている。これらの探触子において、各探触子（振動子）から超音波を送信するタイミングを、距離差ΔＬに相当した時間（Δｔ）を制御（遅延）する。これにより、例えば、各探触子（振動子）の寸法をＤ／２とすると、見かけ上（実質上）、大きさがＤの探触子で送信した超音波ビームを得ることができる。また、各探触子（振動子）で受信した超音波を、距離差ΔＬに相当した時間（Δｔ）を制御（遅延）して合成することにより、見かけ上、大きさがＤの探触子で受信した信号を得ることができる。

ここで、遅延時間Δｔは、例えば（くさび内距離差ΔＬ／くさび音速Ｖ）として予め算出することができる。

なお、図示の例では、探触子１０８，１０９は、２個別個のものとして図示しているが、両者をひとつのケース等にいれて１個の探触子と考えることもできる。また、用いる探触子の数は２個に限らず、２個以上の複数個とすることができる。

次に、図２を用いて、本実施形態による超音波検査装置の全体構成について説明する。
図２は、本発明の一実施形態による超音波検査装置の構成を示すブロック図である。なお、図１と同一符号は同一部分を示している。

本実施形態の超音波検査装置は、制御装置（ＰＣ）２０１と、探傷器２０２と、複数の探触子１０８，１０９，１１０，１１１とから構成されている。制御装置（ＰＣ）２０１は、送信トリガ回路２０３と、遅延時間設定器２０４と、遅延時間制御器２０５と、信号処理部２０８と、表示部２０９とを備えている。探傷器２０２は、送信回路２０６と、受信回路２０７とを備えている。

制御装置（ＰＣ）２１０の遅延時間制御器２０５は、遅延時間設定器２０４により設定された遅延時間に基づいて、送信トリガ回路２０３から出力される送信トリガの遅延時間制御をする。探傷器２０２は、制御装置（ＰＣ）２０１からの送信トリガを受けて送信回路２０６から超音波探触子１０８，１０９，１１０，１１１の駆動信号を送信する。

探触子１０８，１０９，１１０，１１１は、探傷器２０２からの駆動信号を受信して超音波１０１を被検査体１０３の内部に発生させると共に、被検査体１０３からの反射エコーを受信する。探傷器２０２の受信回路２０７は、検査対象からの信号を受信する。制御装置（ＰＣ）２０１の信号処理部２０８は、各探触子（振動子）で受信した信号を、遅延時間を与えて波形合成する。検査結果は、表示部２０９に表示される。

次に、図３〜図５を用いて、本実施形態による超音波検査方法の内容について説明する。
図３は、本発明の一実施形態による超音波検査方法の内容を示すフローチャートである。図４は、本発明の一実施形態による超音波検査方法における被検査体の表面近傍の探傷の説明図である。図５は、本発明の一実施形態による超音波検査方法における被検査体の裏面近傍の探傷の説明図である。

図３のステップ３０１において、超音波検査を開始し、ステップ３０２において、オペレターは、装置の準備，遅延時間の計算・設定等の検査準備を行う。

次に、ステップ３０３〜ステップ３０９において、超音波検査装置は、表面近傍領域の探傷を実施する。表面近傍領域では、超音波の伝搬距離が短いため、比較的小さな探触子を使用しても検査が可能である。

そこで、ステップ３０３において、超音波検査装置の制御装置（ＰＣ）２０１は、探触子（振動子）１０８を用いて単独で超音波を送、受信させる。

次に、ステップ３０４において、超音波検査装置の制御装置（ＰＣ）２０１は、探触子（振動子）１０９を用いて単独で超音波を送、受信させる。

次に、ステップ３０５において、超音波検査装置の制御装置（ＰＣ）２０１は、探触子（振動子）１１０を用いて単独で超音波を送、受信させる。

次に、ステップ３０６において、超音波検査装置の制御装置（ＰＣ）２０１は、探触子（振動子）１１１を用いて単独で超音波を送、受信させる。

すなわち、図４（Ａ）に示す様に探触子（振動子）１０８、探触子（振動子）１０９、探触子（振動子）１１０、探触子（振動子）１１１に単独で超音波を送、受信させることにより検査が可能である。

さらに、ステップ３０７において、超音波検査装置の制御装置（ＰＣ）２０１は、探触子（振動子）１０８を用いて超音波を送信し、反射波を探触子（振動子）１０９を用いて受信させる。

次に、ステップ３０８において、超音波検査装置の制御装置（ＰＣ）２０１は、探触子（振動子）１０９を用いて超音波を送信し、反射波を探触子（振動子）１１０を用いて受信させる。

次に、ステップ３０９において、超音波検査装置の制御装置（ＰＣ）２０１は、探触子（振動子）１１０を用いて超音波を送信し、反射波を探触子（振動子）１１１を用いて受信させる。

すなわち、図４（Ｂ）に示すように、例えば探触子１０８で送信し、探触子１０９で受信するなどのように、超音波を送信する探触子と受信する探触子を分けることで、受信信号に送信波が重畳することがないため、ＳＮ比を向上できる。

なお、図３に示す例では、探触子（振動子）１０８〜１１１の順で記載しているが、どの順番で送受信してもよいものである。また、送信と受信を別々の探触子（振動子）で行う場合においても、組合せは自由である。

次に、ステップ３１０〜ステップ３１２において、超音波検査装置は、裏面近傍領域の探傷を実施する。裏面近傍領域や超音波の伝搬距離が長い部分を検査する場合には、超音波の感度低下防止のために、振動子寸法を大きくする必要がある。そこで、図１にて説明したように、複数個の探触子を組合せて超音波を送、受信させることにより、見かけ上の振動子寸法を大型化することで検査が可能である。

そこで、ステップ３１０において、超音波検査装置の制御装置（ＰＣ）２０１は、図５（Ａ）に示すように、探触子（振動子）１０８，１０９を用いて超音波を送、受信させる。探触子（振動子）１０９から送信するタイミングを、前述の遅延時間Δｔだけ探触子（振動子）１０８からの送信時間より早くすることで、被検査体内へ超音波が入射する際に、見かけ上、探触子（振動子）１０８と探触子（振動子）１０９の寸法を加算した大きな探触子（振動子）から超音波が送信されたものとなり、大きな信号を得ることができる。また、受信のタイミングも、探触子（振動子）１０９から受信するタイミングが、前述の遅延時間Δｔだけ探触子（振動子）１０８の受信時間より遅れて受信されるため、信号を合成する際に１０９での受信信号をΔｔだけ早くして１０８の受信信号と合成することで、被検査体内へ超音波が入射する際に、見かけ上、探触子（振動子）１０８と探触子（振動子）１０９の寸法を加算した大きな探触子（振動子）で超音波を受信されたものとなる。なお、探触子（振動子）１０８からの受信信号をΔｔ早くして合成することでも同じである。

次に、ステップ３１１において、超音波検査装置の制御装置（ＰＣ）２０１は、探触子（振動子）１１０，１１１を用いて超音波を送、受信させる。

次に、ステップ３１２において、超音波検査装置の制御装置（ＰＣ）２０１は、図５（Ｂ）に示すように、探触子（振動子）１０８，１０９を用いて超音波を送信し、探触子（振動子）１１０，１１１を用いて超音波を受信させる。このように、表面近傍領域の検査と同様に、例えば探触子（振動子）１０８，１０９で送信し、探触子（振動子）１１０，１１１で受信するなどのように、超音波を送信する探触子（振動子）組と受信する探触子（振動子）組を分けることにより、ＳＮ比を向上できる。

超音波探触子による送受信が終了すると、ステップ３１３において、信号処理部２０８は、受信した信号を、遅延時間を与えて波形合成する。ステップ３１４において、信号処理部２０８は、検査結果を表示部２０９に表示する。

そして、ステップ３１５において、オペレータは、検査結果の評価を行い、ステップ３１６において、検査を終了する。

以上説明したように、本実施形態では、狭隘部に設置できる薄型探触子の構造の探触子を用いて、複数の探触子を遅延時間を設けて送受信することで、見かけ上大きな探触子を用いたものとでき、被検査体の裏面近傍の深い位置を検査することができる。

また、複数の探触子を単独で用いて表面近傍の検査を行うができるので、薄型探触子を使用して感度低下の無い、検査対象の深さ方向の全範囲を検査可能とする信頼性の高い狭隘部の超音波検査が可能となる。

次に、図６を用いて、本実施形態による超音波検査装置に用いる探触子の他の構成について説明する。
図６は、本発明の一実施形態による超音波検査装置に用いる探触子の他の構成を示すブロック図である。なお、図１と同一符号は同一部分を示している。

本例では、探触子１０８Ａ，探触子１０９Ａ，探触子１１０Ａ，探触子１１１Ａの振動子として、アレイ状の振動子からなるアレイ探触子を用いている。これにより、超音波ビームを扇状に走査でき、探触子を固定した状態で広い範囲を検査可能となる。

本例のように、探触子をアレイ化した場合でも、図４にて説明したと同様に、超音波検査が可能である。なお、アレイ状の探触子を用いた場合、アレイ状の振動子を構成する個々の振動子毎に超音波を送信するタイミングを遅延させている。そこで、例えば、探触子１０８Ａと探触子１０９Ａの間の遅延時間Δｔは、アレイ状の探触子１０８Ａの中心に位置する振動子と、アレイ状の探触子１０９Ａの中心に位置する振動子との間の送信タイミング及び受信タイミングに遅延時間Δｔを設けるようにする。

また、アレイ状の振動子を用いる場合、くさびを用いないでも、アレイ探触子を構成するアレイ状の振動子の送信タイミングを遅延させることで斜め方向に超音波を送信することができる。アレイ振動子においてくさびを用いない場合には、図１にて説明した距離差ΔＬはなくなる。しかし、例えば、アレイ探触子１０８Ａが８個の振動子Ｖ１１，…，Ｖ１８から構成され、また、アレイ探触子１０９Ａが８個の振動子Ｖ２１，…，Ｖ２８から構成されている場合、アレイ探触子１０８Ａの振動子Ｖ１８とアレイ探触子１０９Ａの振動子Ｖ２１が隣接すると、両者の間には、ギャップ（V１８とV２１の中心間距離）が存在する。このギャップが距離差ΔＬに相当するので、アレイ探触子１０８Ａの振動子Ｖ１１，…，Ｖ１８から所定の遅延時間で順次超音波を送信し、その後、アレイ探触子１０９Ａが振動子Ｖ２１から超音波を送信する際に、遅延時間Δｔ（例えば超音波の伝播角度をθとするとΔｔ＝ΔL×ｓｉｎθ／被検査体音速）をおいて、アレイ探触子１０９Ａの振動子Ｖ２１，…，Ｖ２８から所定の遅延時間で順次超音波を送信することで、くさびが有る場合と同様に、見かけ上大きなアレイ探触子を用いた場合と同様に超音波を送信することができる。同様にして遅延時間を設けることで、見かけ上大きなアレイ探触子を用いた場合と同様に超音波を受信できる。

次に、図７を用いて、本実施形態による超音波検査装置に用いる探触子のその他の構成について説明する。
図７は、本発明の一実施形態による超音波検査装置に用いる探触子のその他の構成を示すブロック図である。なお、図１と同一符号は同一部分を示している。

図１にて説明した例では、被検査体及び構造物とも平板の場合である。それに対して、図７に示す例では、被検査体１０３Ｂ及び構造物１０４Ｂとも曲率を有し、探触子１０８Ｂ，１０９Ｂ，１１９Ｂ，１１１Ｂを設置する空間も曲率を有する場合の例である。被検査体１０３Ｂ及び構造物１０４Ｂは、例えば、２重管であり、被検査体１０３Ｂが内管であり、構造物１０４Ｂが外管である。

この場合には、探触子（振動子）が平面状の場合には、その空間内に設置するには更に薄くする必要がある。そこで、本例では、探触子（振動子）１０８Ｂ，１０９Ｂ，１１９Ｂ，１１１Ｂも、図７（Ａ）に示すように、被検査体１０３Ｂと同様な曲率を持つ構造とすることで、曲率を有する空間に対しても平面と同様な検査が可能となる。

以上説明した本発明は、平板（平面）に挟まれた部位や二重管構造部（曲面）等の狭隘部に対する超音波検査を対象とし、狭隘部を探傷する場合に好適なものである。

以上説明したように、本実施形態によれば、狭隘部に設置できる薄型探触子の構造の探触子を用いて、被検査体の裏面近傍の深い位置を含む板厚方向全範囲を検査することができるものとなる。

１０１…超音波
１０２…ひび
１０３…被検査体
１０４…構造物
１０８，１０９，１１０，１１１…薄型探触子（振動子）
１０８Ａ，１０９Ａ，１１０Ａ，１１１Ａ…薄型アレイ探触子（振動子）
２０１…制御装置（ＰＣ）
２０２…探傷器
２０３…送信トリガ回路
２０４…遅延時間設定器
２０５…遅延時間制御器
２０６…送信回路
２０７…受信回路
２０８…信号処理部
２０９…表示部

Claims (6)

1. 狭隘部に設置可能な薄型の探触子と、該探触子からの超音波の送信を制御し、該探触子にて受信した超音波の信号処理を行う制御手段とを有する超音波検査装置であって、
   前記探触子は複数の探触子から構成され、
   前記制御手段は、前記複数の探触子の距離差に応じてそれぞれの探触子から送信する超音波の送信タイミングに遅延時間を設けるとともに、それぞれの探触子により受信した超音波の信号処理を行う遅延時間制御部を備えることを特徴とする超音波検査装置。
2. 請求項１記載の超音波検査装置において、
   前記制御手段は、被検査体の表面から浅い領域を検査する時は、前記複数の探触子のそれぞれを単独で用いて超音波の送受信を行い、被検査体の表面から深い領域を検査する時は、前記複数の探触子を組み合わせて、前記遅延時間制御部により複数の探触子の間の超音波の送信タイミングに遅延時間を設け、受信信号に信号処理を行うことを特徴とする超音波検査装置。
3. 請求項１記載の超音波検査装置において、
   前記探触子は、くさびと、該くさびに設置された振動子とから構成され、
   前記複数の探触子の距離差はくさび距離差であり、前記遅延時間は（くさび距離差／くさび音速）として算出されることを特徴とする超音波検査装置。
4. 請求項１記載の超音波検査装置において、
   被検査体は曲率を有する物体であり、
   前記探触子は、前記被検査体の曲率に応じた曲率を有することを特徴とする超音波検査装置。
5. 制御手段により、狭隘部に設置可能な薄型の探触子からの超音波の送信を制御し、該探触子にて受信した超音波の信号処理を行う超音波検査方法であって、
   前記探触子は複数の探触子から構成され、
   前記制御手段は、前記複数の探触子の距離差に応じてそれぞれの探触子から送信する超音波の送信タイミングに遅延時間を設けるとともに、それぞれの探触子により受信した超音波の信号処理を行うことを特徴とする超音波検査方法。
6. 請求項５記載の超音波検査方法において、
   前記制御手段は、被検査体の表面から浅い領域を検査する時は、前記複数の探触子のそれぞれを単独で用いて超音波の送受信を行い、被検査体の表面から深い領域を検査する時は、前記複数の探触子を組み合わせて、前記遅延時間制御部により複数の探触子の間の超音波の送信タイミングに遅延時間を設け、受信信号の信号処理を行うことを特徴とする超音波検査方法。

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