JP2014185895A - 超音波探傷の探触子および超音波探傷方法 - Google Patents

Abstract

【課題】円柱状試験体であっても試験体内部に超音波を収束させることができる超音波探傷の探触子を提供すること。
【解決手段】本発明にかかる超音波探傷の探触子１は、超音波を発する振動子３および該振動子３を配置するウェッジ２の振動子面Ｓ_Ｔが曲率をもって湾曲してなり、振動子面Ｓ_Ｔの曲率をなす円の中心は、ウェッジ２を円柱状試験体Ｒに対向配置させた時の円柱状試験体Ｒの側にあり、振動子面Ｓ_Ｔは、ウェッジ２の試験体側面Ｓ_Ｂで、入射する超音波が円柱状試験体Ｒの円周方向に広がらないように曲率を有してなることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波探傷の探触子および超音波探傷方法に関する。

従来より、非破壊検査の一つとして、超音波探傷が知られている。超音波探傷とは、試験体内部に超音波を入射し、その超音波の反射波または透過波を検出することにより、試験体内部の疵を検出する方法のことをいう。

超音波探傷における超音波の射出方法として、フェーズドアレイ法による超音波探傷方法がある。フェーズドアレイ法とは、アレイ状に配置された振動子から位相を遅延させた超音波を射出することにより、超音波の射出方向を制御する方法である。フェーズドアレイ法によれば、振動子の位置を変えずに探傷位置を走査すること、および超音波を収束させることができるなどの利点がある（非特許文献１参照）。

山本優一郎著 「超音波フェイズドアレイの基本原理」溶接学会誌 ２００５年 第７４巻 第４号

しかしながら、ロールのような円柱状試験体にフェーズドアレイ法を適用しようとすると、超音波が円柱状試験体の内部に入射する際に屈折してしまい、探傷部位に超音波を収束させることが困難となる。とくに、鉄鋼製造プロセスに用いられるテーブルロール等の中実の回転体では、回転体の側面（ロールの場合はロール胴部）から超音波を入射して回転体の軸受部や歯車外歯の圧入部を探傷する場合、回転体の側面と軸受部や歯車外歯の圧入部とでは径が２倍程度異なるので、超音波が周方向に広がってしまう影響が大きくなる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、円柱状試験体であっても試験体内部に超音波を収束させることができる超音波探傷の探触子および超音波探傷方法を提供することにある。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる超音波探傷の探触子は、ウェッジを介して円柱状試験体の側面から該円柱状試験体の内部に超音波を入射する超音波探傷の探触子であって、超音波を発する振動子および該振動子を配置する前記ウェッジの振動子面が曲率をもって湾曲してなり、該振動子面の曲率をなす円の中心は、前記ウェッジを前記円柱状試験体に対向配置させた時の前記円柱状試験体の側にあり、前記振動子面は、前記ウェッジの試験体側面で、入射する超音波が前記円柱状試験体の円周方向に広がらないように曲率を有してなる、ことを特徴とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる超音波探傷方法は、上期の探触子を用いて、円柱状試験体の側面から該円柱状試験体の内部に超音波を入射し、該円柱状試験片の内部の疵を検知することを特徴とする。

本発明にかかる超音波探傷の探触子および超音波探傷方法は、円柱状試験体であっても試験体内部に超音波を収束させることができるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施形態にかかる超音波探傷の探触子の概略構成を示す模式図である。 図２は、本発明の実施形態にかかるウェッジおよび振動子の三面図である。 図３は、従来の超音波探傷の探触子の概略構成を示す模式図である。 図４は、従来の探触子を用いた場合の超音波の伝播を示すウェッジおよびロールの断面図である。 図５は、本発明の実施形態にかかる探触子を用いた場合の超音波の伝播を示すウェッジおよびロールの断面図である。 図６は、本発明の実施形態にかかる探触子を用いた場合の超音波の伝播を示すウェッジおよびロールの軸方向断面図である。 図７は、湾曲した振動素子により超音波が収束する状態を示す模式図である。 図８は、湾曲した振動素子により超音波が収束する状態を示す模式図である。 図９は、ロールの段付部の超音波探傷方法を示すロール断面図である。 図１０は、ロールの軸受部の超音波探傷方法を示すロール断面図である。 図１１は、ベアリングの圧入部近傍の段付部を探傷領域としたときの、圧入エコーの発生状況を示す図であり、（ａ）は超音波探傷を行ったロールの形状を示す断面図、（ｂ）は比較例による超音波写真、（ｃ）は本発明の実施形態による超音波写真である。 図１２は、一日に診断可能なロール本数を比較したグラフである。

以下に、本発明の実施形態にかかる超音波探傷の探触子および超音波探傷方法を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態により本発明が限定されるものではない。

〔超音波探傷の探触子〕
図１、図２は、本発明の実施形態にかかる超音波探傷の探触子の概略構成を示す模式図である。図１に示されるように、本発明の実施形態にかかる超音波探傷の探触子１は、主要構成要素として、ウェッジ２と振動子３とを備える。また、一般的な超音波探傷の探触子１と同様に、本発明の実施形態にかかる超音波探傷の探触子１は、振動子３の背面に吸音材を設け、ウェッジ２、振動子３、および吸音材などの構成要素を内包する筐体を備える。

図１には、本発明の実施形態にかかる超音波探傷の探触子１と共に、ロールＲが記載されている。図２は、本発明の実施形態にかかるウェッジ２の三面図である。図２には、（ａ）正面図、（ｂ）側面図、および（ｃ）上面図が記載されている。ロールＲは、本発明の実施形態にかかる超音波探傷の探触子１を用いた超音波探傷方法を適用する円柱状試験体の一例であり、以下では、ロールＲを円柱状試験体の一例として、本発明の実施形態の説明を行う。

ウェッジ２は、ロールＲに対向させる試験体側面Ｓ_Ｂと振動子３を配置する振動子面Ｓ_Ｔとを有する曲面を含む多面体により構成されている。本実施形態では、試験体側側面Ｓ_Ｂは、ロールＲと接触する接触面として構成されている。ウェッジ２は、振動子３から射出された超音波がロールＲに対して斜めに入射するように超音波を導く媒体である。すなわち、本発明の実施形態にかかる超音波探傷の探触子１は、いわゆる斜角探触子と呼ばれる探触子の一態様となっている。

振動子３は、電気エネルギーを音響エネルギーへ変換、およびその逆変換を行う能動素子である。図１、図２に示されるように、本発明の実施形態にかかる振動子３は、ロールＲの軸方向ＤＲからロールＲの軸を含む面内で角度θ（図２（ｂ）参照）だけ傾斜させた方向に複数の振動素子３_ｌを配列して構成されている。それぞれの振動素子３_ｌは、ロールＲの軸方向が直交する面内で湾曲してなる形状とされ、それらの曲率は、曲率をなす円の中心がウェッジ２をロールＲの側面に対向配置させた時（超音波探傷の実行時）にはロールＲ側に存在するようにされている。そして、ウェッジ２の振動子面Ｓ_Ｔは振動素子３_ｌと同様の曲率を持って湾曲している。

図２の（ａ）正面図に示されるように、本発明の実施形態にかかるウェッジ２のロールＲとの対向面をなす接触面（試験体側面）Ｓ_Ｂと振動子面Ｓ_Ｔとは、曲率半径が異なっている。例えば、接触面Ｓ_Ｂの曲率半径をｒ_Ｂとし、振動子面Ｓ_Ｔの曲率半径をｒ_Ｔとした場合、下式が成り立つ。
ｒ_Ｂ ＜ ｒ_Ｔ ・・・（１）

また、本発明の実施形態にかかるウェッジ２の接触面Ｓ_Ｂは、ロールＲに接触させるので、接触面Ｓ_Ｂの曲率半径ｒ_ＢとロールＲの半径ｒ_Ｒとほぼ等しい。すなわち、式（１）と合わせて、下式が成り立つ。
ｒ_Ｒ ＜ ｒ_Ｔ ・・・（２）

さらに、本発明の実施形態にかかるウェッジ２の振動子面Ｓ_Ｔは、ロールＲの内部に超音波を収束させるため、振動子面Ｓ_Ｔの曲率半径ｒ_Ｔが、ロールＲの直径φ_Ｒよりも小さいことが好ましい。この場合、下式が成り立つ。
ｒ_Ｔ ＜ φ_Ｒ ・・・（３）

図２の（ｂ）側面図に示されるように、本発明の実施形態にかかるウェッジ２の振動子面Ｓ_Ｔは、斜角θが設けられ、振動子３から射出された超音波がロールＲに対して斜めに入射されるように構成されている。

図２の（ｃ）上面図に示されるように、本発明の実施形態にかかる振動子３は、上述したとおりの曲率をなす湾曲した振動素子３_ｌをロールＲの軸方向ＤＲからロールＲの軸を含む面内で角度θ（図２（ｂ）参照）だけ傾斜させた方向に複数配列して構成されている。そして、本発明の実施形態にかかる振動子３は、各振動素子３_ｌに異なる位相遅延を与えて超音波を射出することができる。

〔設計例〕
ここで、本発明の実施形態にかかる探触子１の設計例について説明する。ただし、以下に掲げる設計例は、胴部の直径φ_Ｒが５００ｍｍのロールＲに対して最適化された設計例であり、本発明の実施に際しては、ロールＲの形状等に応じて各値が適切に設計されるべきものである。

以下に掲げる表は、本発明の実施形態にかかる探触子１の設計例の仕様の抜粋である。

上記表に示されるように、本設計例における探触子１の入斜角は３２．６度である。すなわち、ウェッジ２の振動子面Ｓ_Ｔは、ロールの表面に対して３２．６度の角度をなしている。また、ウェッジ２の接触面Ｓ_Ｂは、ロールの表面に接するので、ウェッジ２の振動子面Ｓ_Ｔと接触面Ｓ_Ｂとのなす角も３２．６度となる。

先述のように、本発明の実施形態にかかる振動子３は、ロールＲの軸方向から角度θだけ傾けた方向（以下、単に配列方向とも云う）に振動素子３_ｌを並べた振動子（以下、リニアアレイ振動子３とも云う）により構成されている。本設計例のリニアアレイ振動子３は、この振動素子３_ｌが配列方向に３２ライン並べられることにより構成されている。

本設計例におけるウェッジ２の振動子面Ｓ_Ｔの曲率半径は、３０６ｍｍである。ウェッジ２の接触面Ｓ_Ｂの曲率半径は、ロールの表面に接するので、ロールの曲率半径に一致し、２５０ｍｍである。したがって、本発明の実施形態にかかるウェッジ２の接触面Ｓ_Ｂと振動子面Ｓ_Ｔとは、曲率半径が異なっており、先述の式（１）および（２）を充たす。
ｒ_Ｒ＝ｒ_Ｂ ＜ ｒ_Ｔ ・・・（１），（２）

また、振動子面Ｓ_Ｔの曲率半径である３０６ｍｍは、ロールの直径である５００ｍｍよりも小さい。すなわち、本設計例におけるウェッジ２は、先述式（３）も充たす。
ｒ_Ｔ ＜ φ_Ｒ ・・・（３）

なお、本設計例におけるウェッジ２の振動子面Ｓ_Ｔの曲率半径は、一定の値としているが、各振動素子３_ｌに対して最適な曲率半径となるように、ウェッジ２の振動子面Ｓ_Ｔを自由曲面加工することも可能である。例えば、各振動素子３_ｌに対して最適な曲率半径は異なる。したがって、更なる測定精度の向上のために、各振動素子３_ｌに対して最適な曲率半径とすることも可能である。

〔作用〕
ここで、上記説明した本発明の実施形態にかかるウェッジ２の形状について、超音波の伝播に対する作用を説明する。そこで、本発明の実施形態にかかるウェッジ２の作用を明確にするために、従来のウェッジ２の形状およびその超音波の伝播に対する作用を参照する。

図３は、従来の超音波探傷の探触子の概略構成を示す模式図であり、図４は、従来のウェッジを用いた場合の超音波の伝播を示すウェッジおよびロールの断面図である。図５は、本発明の実施形態にかかるウェッジを用いた場合の超音波の伝播を示すウェッジおよびロールの断面図である。

図３に示されるように、従来の超音波探傷の探触子１も主要構成要素として、ウェッジ２と振動子３とを備える。しかしながら、従来の超音波探傷の探触子１のウェッジ２は、振動子面Ｓ_Ｔが平坦である。その結果、図４に示されるように、各振動素子３_ｌから放射された超音波は、ウェッジ２とロールＲとの間の界面により屈折し、超音波の波面が広がってしまう。この現象は、ウェッジ２内よりもロールＲ内の方が超音波の伝播速度が速いので、界面に斜めに入射した超音波が屈折してしまうことにより発生する。

一方、図５に示されるように、本発明の実施形態にかかるウェッジ２を用いた場合、振動子面Ｓ_Ｔが平坦ではなく湾曲しており、振動子面Ｓ_Ｔの曲率をなす円の中心は、前記ウェッジを前記円柱状試験体に対向配置させた時の前記円柱状試験体の側にある。さらに、振動子面Ｓ_Ｔの曲率半径とウェッジの試験体側面Ｓ_Ｂの曲率半径とは、該試験体側面で入射する超音波が前記円柱状試験体の円周方向に広がらないように設定されている。これにより、各振動素子３_ｌから放射された超音波がロールＲ内に収束する。

図６は、本発明の実施形態にかかるウェッジ２を用いた場合の超音波の伝播を示すウェッジおよびロールＲの軸方向断面図である。図６に示されるように、本発明の実施形態にかかる振動子３は、振動素子３_ｌをロールＲの軸方向から角度θだけ傾けた方向に並べることにより構成されている。そして、各振動素子３_ｌに異なる位相遅延を与えて超音波を放射することができるので、いわゆるフェーズドアレイ法による超音波の射出方向制御を行うことができる。

すなわち、図６に示されるように、本発明の実施形態にかかる探触子１は、ロールＲの軸方向に傾斜して各振動素子３_ｌに位相遅延量を付与することにより、ロールＲの軸方向に傾斜して超音波を射出することができる。さらに、ロールＲの軸方向に傾斜して射出された超音波は、ウェッジ２とロールＲとの間の界面により屈折し、ロールＲの軸方向にさらに傾斜されて伝播してゆく。したがって、本発明の実施形態にかかる探触子は、探傷すべき箇所の真上に配置されなくても、適切に所望位置の探傷を行うことができる。また、フェーズドアレイ法による超音波の射出方向制御では、振動素子３_ｌに対する位相遅延の制御を行なうことによりロールＲの軸を含む面内で超音波の収束点を変化させることができる。つまり、図６に実線で示したように超音波の収束点をＰ_Ａとすることもできるし、破線で示したように超音波の収束点をＰ_Ｂとすることもできる。本発明の実施形態にかかる探触子１のこの性質は、後に詳述するように、ロールの胴部からロールの軸受部を探傷する際に大いに役立つ。

一方、図５に示したように、ロールＲの軸方向から見たときには、超音波の収束点は振動素子の曲率とウェッジの試験体側面（ロールとの接触面）の曲率によってある位置に定まる。したがって、それぞれの振動素子３_ｌについて、ロールＲの疵の有無を検査すべき探傷域内に探傷点Ｐを設定したときに、この探傷点から振動素子３_ｌの任意の点までの超音波が伝播する音響的距離が一定となるように、振動子面Ｓ_Ｔの曲率半径とウェッジの試験体側面の曲率半径とが設定されているようにすることが好ましい。このように振動子面Ｓ_Ｔの曲率半径とウェッジの試験体側面の曲率半径とを設定すれば、個々の振動素子からの超音波が探傷域で収束したものとなる。

図７はこの例を示す模式図である。図７では、振動素子３_ｌとして、振動素子３_ｌ１と振動素子３_ｌ２の２つのみを示し、その他の振動素子は省略している。超音波が、探傷点ＰからロールＲの内部を伝搬しロールＲとウェッジ２との接触面で屈折した後、振動素子３_ｌ1の任意の点まで伝播する際の音響的距離は一定値Ｌ1としてある。図７の例では、探傷点Ｐから振動素子３_ｌ1内の点Ｐ_１Ａまでの経路Ｘ₁における音響的距離と、探傷点Ｐから振動素子３_ｌ1内の点Ｐ_１Ｂまでの経路Ｘ₂における音響的距離がともにＬ１である場合を示している。したがって、ロールＲの軸方向から見たときに、振動素子３_ｌ1からの超音波は探傷点Ｐにて収束する。

また、超音波が、探傷点ＰからロールＲの内部を伝搬しロールＲとウェッジ２との接触面で屈折した後、振動素子３_ｌ2の任意の点まで伝播する際の音響的距離は一定値Ｌ2としてある。図７の例では、探傷点Ｐから振動素子３_ｌ2内の点Ｐ_2Ａまでの経路Ｙ₁における音響的距離と、探傷点Ｐから振動素子３_ｌ2内の点Ｐ_2Ｂまでの経路Ｙ₂における音響的距離がともにＬ２である場合を示している。したがって、ロールＲの軸方向から見たときに、振動素子３_ｌ2からの超音波は探傷点Ｐにて収束する。

このように、振動素子３_ｌのそれぞれについて、ロールＲ（円柱状試験体）の疵の有無を検査すべき探傷域内に設定した探傷点Ｐから各振動素子の任意の点までの前記超音波が伝播する音響的距離が一定となるように、その曲率半径が設定されていることで、それぞれの振動素子３_ｌからの超音波を探傷点に収束させることができ、探傷域においては検出感度の高い探傷を行なうことが可能となる。ここで、先述のとおり、ロール軸方向の超音波の収束は、位相遅延量の制御により行なうことができるので、Ｌ１とＬ２の値は等しい必要はない。

なお、探傷点Ｐから振動素子の任意の点までの音響的距離を一定としようとすると、振動素子の湾曲は単純な円弧でない曲線に沿うこととなるが、探傷点Ｐから音響的距離が一定となる曲線に近似した円弧としても、探傷点Ｐの近傍領域である探傷域において十分な超音波の収束は得られる。

また、図７に例示したように、配列された振動素子３_ｌの全てについて、探傷点Ｐから振動素子内の任意の点までの音響的距離を一定にする場合、配列された振動素子３_ｌ同士では、その曲率が異なるものとなる。そのため、振動子面の形状が複雑になり、ウェッジや振動素子の設計や加工が難しくなる。そこで、配列された振動素子３_ｌのうちの少なくとも一つの振動素子３_ｌｘは、ロールＲの疵の有無を検査すべき探傷域にある探傷点Ｐから振動素子３_ｌｘの任意の点までの超音波が伝播する音響的距離が一定となるようにし、この音響的距離が一定とされた振動素子３_ｌｘと同一形状の振動素子を配列するよう構成してもよい。

図８はこの例を示す模式図である。振動素子３_ｌｘについては、ロールＲの軸方向から見たときの超音波の収束が探傷点Ｐに生じるように設定されている。すなわち、探傷点Ｐから振動素子３_ｌｘ内の任意の点までの音響的距離が一定とされている。そして、配列されたその他の振動素子３_ｌｎは、振動素子３_ｌｘと同一形状のものとしてある。したがって、振動素子３_ｌｎからの超音波の収束点は探傷点Ｐからは軸方向にずれた点Ｑとなる。しかしながら、点Ｑの探傷点Ｐからの距離は、振動素子３_ｌｘと振動素子３_ｌｎとの距離のおよそ等しくなるため、それほど遠い訳ではなく、よって、振動素子３_ｌｎからの超音波は探傷点Ｐにおいて完全に収束はしないものの探傷点Ｐの近傍にて収束するので、探傷点Ｐの近傍領域である探傷域において検出感度の高い探傷を行なうことが可能となる。

〔超音波探傷方法〕
ここで、上記説明した本発明の実施形態にかかる超音波探傷の探触子を用いた超音波探傷方法について説明する。

図９は、ロールの段付部の超音波探傷方法を示すロール断面図である。図９に示されるように、一般的なロールＲには軸受部の周辺に段付部Ｒ_１が存在する。そして、この段付部Ｒ_１には、ロールの形状および負荷のかかる力の方向に起因して、ロールの胴部側に傾いた亀裂が発生しやすい。図９には、このようなロールの胴部側に傾いた亀裂の例として、亀裂Ｃが記載されている。

ここで、段付部Ｒ１の近傍の胴部側を探傷域として設定し、湾曲した振動素子の超音波のロールＲの軸方向から見たときの収束域が探傷域と重なるように、ロール胴部の軸方向位置に探触子１を配置する。また、配列した複数の振動素子からの超音波がロールの軸方向で探傷域に収束するように、振動素子の配列方向に関して相異する位相遅延を与えて超音波を放射する。このとき、図９に示されるように、ロールＲの胴部から超音波を入射する超音波探傷では、図中破線で示した探触子１から直接探傷域に到達する経路で、探傷域に対して超音波を収束させると、探触子１から射出された超音波の伝播方向（図中破線）と亀裂Ｃとの方向が平行に近くなってしまう場合がある。この場合、超音波の亀裂破面における反射率の低下、および亀裂端部エコーの検出が困難であるなどの結果、亀裂Ｃを精度よく超音波探傷することができない。

そこで、探触子１から射出された超音波をロールＲの側面にて反射させてから、亀裂Ｃの箇所を超音波探傷する方法が考えられる。図９に示されるように、ロールＲの側面にて反射させてから亀裂Ｃに超音波を照射した場合、亀裂Ｃの投影面積が大きくなるので、亀裂Ｃの探傷精度が向上するからである。したがって、配列した複数の振動素子からの超音波がロールＲの側面で反射した後に探傷域で収束するように前記位相遅延を与えることで、亀裂Ｃの探傷精度を向上できる。この超音波探傷方法において、本発明の実施形態にかかる超音波探傷の探触子を用いた場合、探触子１から射出された超音波がロールＲの界面で屈折して広がることなく、長い路程においても良好に収束するので、亀裂Ｃを高精度に超音波探傷することが可能となる。

図１０は、ロールの軸受部の超音波探傷方法を示すロール断面図である。図１０に示されるように、一般的なロールＲの軸受部にはベアリング４が圧入されている。図１０に示されるベアリング４の例では、ロールＲの段付部Ｒ₁に当て付けるように段付部Ｒ_２にベアリング４が圧入されている。ベアリング４が圧入された段付部Ｒ_２の段付部Ｒ_１とは反対側にはさらに段付部Ｒ_３があることが多く、この段付部Ｒ_３の段付部Ｒ_２側のコーナーから亀裂Ｃが発生することも多い。

このような状況で、段付部Ｒ_３の段付部Ｒ_２側コーナー近傍を探傷域Ｅとして設定し、コーナーからロールの胴部側に傾いた亀裂の探傷を行なう場合に、ロールＲの側面にて反射させてから亀裂Ｃに超音波を照射しようとすると、超音波を反射させるべきロールＲの側面はベアリング４の圧入部分となる。一方、探触子からの超音波には、ロールＲの側面を透過するものもある。そして、ロールＲの側面を透過した超音波からは、ベアリングの形状エコー（以下、圧入エコーと云う）が得られる。

図３に示した、湾曲していない振動素子を配列した場合、これら振動素子に位相遅延を与えて複数の振動素子３_ｌからの超音波をロールＲの側面で反射させて探傷域Ｅに収束させた場合、超音波の収束が不十分であるため圧入エコーの幅が大きく、亀裂Ｃによるエコーとの区別ができなかった。すなわち、亀裂Ｃによるエコーが検出されたとしても、その場所が圧入エコーのある場所と重なってしまい、亀裂Ｃの有無が判別できなかった。

一方、振動素子３_ｌを湾曲させ、各振動素子からの超音波が軸受部近傍に収束するようにした場合、圧入エコーの幅を小さくでき、亀裂Ｃによるエコーと圧入エコーとの重なりが回避でき、亀裂Ｃによるエコーと圧入エコーとを判別することが可能となる。

図１１は、この効果を示すための図であり、（ａ）は実際に超音波探傷を行なったロールＲの形状を示す断面図、（ｂ）は振動素子３_ｌを湾曲させない直線形ものとして探傷を行なった場合の超音波写真、（ｃ）は振動素子３_ｌを湾曲させて振動素子３_ｌからの超音波を軸受部近傍に収束させて探傷を行なった場合の超音波写真である。ここで、図１１（ｂ）、（ｃ）の超音波写真は、図１１（ａ）におけるＡ部分のものである。また、探傷に用いたロールＲは亀裂Ｃが存在していないものである。

図１１（ｂ）からわかるように、振動素子３_ｌを湾曲させずに振動素子３_ｌからの超音波を軸受部近傍に収束させていない場合には、圧入エコーが大きいことがわかる。これに対し、図１１（ｃ）に示すように振動素子３_ｌを湾曲させ、振動素子３_ｌからの超音波を軸受部近傍に収束させた場合には、圧入エコーが小さくなっている。破線で示したように亀裂Ｃが発生していることを想定すると、この写真において亀裂Ｃからのエコーは実線で示した位置に現れる。図１１（ｃ）に示した場合は、亀裂Ｃエコーが現れる位置には圧入エコーが認められていないので、亀裂Ｃが存在した場合には、亀裂Ｃの検出が可能であることがわかる。一方、図１１（ｂ）の場合は亀裂Ｃが発生した場合にエコーが現れる位置には、圧入エコーがあるため、亀裂Ｃの検出は困難である。

本発明の実施形態にかかる超音波探傷の探触子を用いた場合、長い路程においても良好に超音波が収束するので、ロールＲの側面にて超音波を反射させてからベアリングが圧入されている段差部近傍に探傷領域Ｅを設定して、段差部から発生する亀裂Ｃを探傷する場合であっても、圧入エコーと亀裂エコーとの判別がしやすくなる。

本発明の実施形態にかかる超音波探傷の探触子を用いた超音波探傷方法では、長い路程においても良好に超音波が収束するので、ロールＲの胴部からロールＲの軸受部を探傷することができる。したがって、ロールＲの軸受部のベアリング４等を取り外すことなく、ロールＲの軸受部を探傷する。結果、本発明の実施形態にかかる超音波探傷の探触子を用いた超音波探傷方法では、ロールＲの保全診断にかかる作業効率が大幅に改善し、一日に診断可能なロールの本数が増える。

図１２は、本発明および従来技術の実施形態にかかる超音波探傷方法による、一日に診断可能なロール本数を比較したグラフである。図１２に示されるように、従来技術の実施形態にかかる超音波探傷方法では、一日に診断可能なロール本数が５本であったものが、本発明の実施形態にかかる超音波探傷方法では、１６本に向上している。

以上より、本発明の実施形態にかかる超音波探傷の探触子１は、超音波を発する振動子および振動子３を配置するウェッジの振動子面Ｓ_Ｔが曲率をもって湾曲してなり、振動子面の曲率をなす円の中心は、ウェッジをロールＲに対向配置させた時のロールＲの側にあり、さらに振動子面は、試験体側面Ｓ_Ｂで入射する超音波がロールＲの円周方向に広がらないように曲率を有してなるので、ロールＲの内部に超音波を収束させることができる。

また、本発明の実施形態にかかる超音波探傷の振動子３は、ロールＲの軸方向または軸を含む面内で傾けた方向に、振動子面Ｓ_Ｔの曲率と同じ曲率をもって湾曲した複数の振動素子３_ｌを配列して構成され、振動素子３_ｌのそれぞれは、ロールＲの軸方向または軸を含む面内で傾けた方向に関して相異する位相遅延を与えられて超音波を放射するので、探傷すべき箇所の真上に配置されなくても、適切に所望位置の探傷を行うことができる。

なお、以上説明した実施形態では、被検査体がロールＲであるが、本発明はこれに限らず円柱状試験体であれば探傷を行なうことができる。但し、本発明は上述のとおり、軸受部を有する円柱状試験体において、軸受部の探傷を行なう際に特に有用であるので、円柱状試験体がロールのような中実の回転体であるときに特に効果がある。また、中実の回転体では、ベアリングの他、歯車外歯が圧入される場合もある。歯車外歯が圧入される場合であっても、円柱状試験体の側面で超音波を反射させて疵の検査を行う場合には、歯車外歯の圧入部近傍の亀裂を探傷したい場合には、圧入エコーと亀裂エコーとの区別をできるようにすることが必要となり、したがって、この場合においても本願発明は特に有用となる。つまり、本発明の探触子は、ベアリングや歯車外歯が圧入される中実の回転体の探傷において、特に有利な効果が発現する。

また、上述の実施形態では、ウェッジ２のロールＲとの接触面Ｓ_Ｂ（試験体側面）の曲率がロールＲの曲率と同一である例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、試験体側面Ｓ_Ｂの曲率がロールの曲率より大きい場合には、接触媒質をロールＲとウェッジ２との隙間に充填することで、良好な探傷を行なうことができる。

また、上述の実施形態では、接触面Ｓ_Ｂの曲率半径ｒ_Ｂよりも、振動子面Ｓ_Ｔの曲率半径ｒ_Ｔが大きい場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、高屈折角で探傷を行なう場合には、接触面Ｓ_Ｂの曲率半径ｒ_Ｂよりも振動子面Ｓ_Ｔの曲率半径ｒ_Ｔを小さくすることで、良好に超音波を収束させることができる。

１ 探触子
２ ウェッジ
３ 振動子
３_ｌ 振動素子
４ ベアリング
Ｒ ロール（円柱状試験体）

Claims (10)

1. ウェッジを介して円柱状試験体の側面から該円柱状試験体の内部に超音波を入射する超音波探傷の探触子であって、
   超音波を発する振動子および該振動子を配置する前記ウェッジの振動子面が曲率をもって湾曲してなり、該振動子面の曲率をなす円の中心は、前記ウェッジを前記円柱状試験体に対向配置させた時の前記円柱状試験体の側にあり、
   前記振動子面は、前記ウェッジの試験体側面で、入射する超音波が前記円柱状試験体の円周方向に広がらないように曲率を有してなる、ことを特徴とする超音波探傷の探触子。
2. 前記振動子面の曲率半径は、前記円柱状試験体の直径よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の超音波探傷の探触子。
3. 前記振動子は、前記円柱状試験体の軸方向または軸を含む面内で傾けた方向に、前記振動子面の曲率と同じ曲率をもって湾曲した複数の振動素子を配列して構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波探傷の探触子。
4. 前記振動素子から発せられた超音波が、前記円柱状試験体の疵の有無を検査すべき探傷域で収束するように、前記振動素子の曲率が設定されてなることを特徴とする請求項３に記載の超音波探傷の探触子。
5. 前記振動素子のそれぞれは、前記円柱状試験体の軸方向または軸を含む面内で傾けた方向に関して相異する位相遅延を与えられて超音波を放射し、複数の振動素子からの超音波を、前記円柱状試験体の疵の有無を検査すべき探傷域に収束可能であることを特徴とする請求項３または４に記載の超音波探傷の探触子。
6. 前記円柱状試験体が中実の回転体であり、前記探傷域が該中実の回転体のベアリングあるいは歯車外歯の圧入部近傍であることを特徴とする請求項４または５に記載の超音波探傷の探触子。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の超音波探傷の探触子を用い、円柱状試験体の側面から該円柱状試験体の内部に超音波を入射し、前記円柱状試験体の疵を検知することを特徴とする超音波探傷方法。
8. 請求項５に記載の超音波探傷の探触子を用い、円柱状試験体の側面から該円柱状試験体の内部に超音波を入射して円柱状試験体の疵を検知するに際し、該円柱状試験体の内部に探傷域を設定し、該探傷域に複数の振動素子からの超音波が収束するように前記位相遅延を与えて、該探傷域の疵を検知することを特徴とする超音波探傷方法。
9. 前記位相遅延は、前記円柱状試験体の入射された超音波を前記円柱状試験体の側面にて反射して前記探傷域に達する経路にて、前記超音波が収束するように行なうことを特徴とする請求項８に記載の超音波探傷方法。
10. 前記円柱状試験体が中実の回転体であり、該中実の回転体のベアリングあるいは歯車外歯の圧入部近傍に前記探傷域を設定することを特徴とする請求項８または９のいずれかに記載の超音波探傷方法。

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