JP2015010935A - 欠陥検出装置及び欠陥検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】垂直探傷法及び斜角探傷法の少なくとも一方で確実に欠陥を検出することができる欠陥検出装置及び欠陥検出方法を提供すること。【解決手段】欠陥検出装置１ａに、鋼片Ｗの表面上に配置され、該表面に対して垂直となる方向に沿って、鋼片Ｗの内部に超音波を送出する送出部と、少なくとも鋼片Ｗの表層を含む内部に存在する欠陥で反射して戻った超音波を受波する受波部とを有する第１の探触子２を設ける。その上で、欠陥検出装置１ａに、鋼片Ｗの表面上に配置され、該表面に対して第１の探触子２寄りに斜めとなる方向に沿って、鋼片Ｗの内部に超音波を送出する送出部と、少なくとも鋼片Ｗの表層を含む内部に存在する欠陥で反射して戻った超音波を受波する受波部とを有する第２の探触子３ａ及び第３の探触子４ａと設ける。【選択図】図２

Description

本発明は、棒鋼や鋼片の表層や内部に存在する欠陥を検出する欠陥検出装置及び欠陥検出方法に関する。

金属材料である棒鋼や鋼片などの表面や表面皮下に存在する欠陥を非破壊で検出する方法として、超音波探傷法が広く用いられている。一般的に、超音波探傷法とは、垂直探傷法、斜角探傷法及び表面探傷法の３つの技術の総称である。
ここで、垂直探傷法とは、被検査体の表面に対して垂直に進行する超音波を用いて被検査体内を探傷する技術であり、斜角探傷法は、被検査体の表面に対して斜めに進行する超音波を用いて被検査体内又は被検査体表面を探傷する技術である。また、表面探傷法は、被検査体の表面を伝播する表面超音波を用いて被検査体表面を探傷する技術である。

具体的に、垂直探傷法は、超音波を鋼片の表面から垂直に内部に向かって入射させ、その超音波の反射波を受信することで探傷を行う垂直探触子を用いている。この垂直探触子を用いた垂直探傷法は、鋼片内部の中央近傍に存在する欠陥の検出が可能である。しかし、鋼片表面における垂直探触子との接触面の表皮下は、表面不感帯であるため探傷できないという問題がある。

このような背景をもとに、特許文献１は、角鋼片の表層欠陥探傷方法を開示している。 特許文献１の表層欠陥探傷方法は、角鋼片の表面下の所定深さ範囲の表層領域内にある内部欠陥を超音波探傷により検出する角鋼片の表層欠陥探傷方法であって、前記表層領域の相対する領域側の表面の外方に複数の超音波探触子を配置して角鋼片の内部欠陥を垂直法により検出し、前記表層領域の表面と直交する角鋼片の両側面の該領域の端部に隣接した位置の外方に探傷角度領域を限定して超音波探触子を配置して角鋼片の内部欠陥を斜角法により検出すると共に、これらの探触子によって検出される内部欠陥の有無に基づいて前記表層領域内における欠陥を評定することを特徴とするものである。

このように、特許文献１の表層欠陥探傷方法では、鋼片内部を垂直法による探傷（以下、垂直探傷法という）で探傷し、表層領域を斜角法による探傷法（以下、斜角探傷法という）で探傷する。つまり、鋼片内部の探傷領域を、垂直探傷法によって探傷する領域と、斜角探傷法によって探傷する領域とに分けるという工夫をしている。

特開平２−２１０２５７号公報

特許文献１に開示の表層欠陥探傷方法において、垂直探傷法で良好に検出できない欠陥は、斜角探傷法に用いる探触子（以下、斜角探触子）によって検出しなくてはならないが、斜角探傷法でも検出できなければ欠陥を見落としてしまうことになる。例えば、介在物のように球に近い形状の欠陥であれば、超音波がほぼ全方位にわたって反射することが期待できるので、垂直探傷法で検出できなくとも斜角探傷法による探傷で検知できる可能性がある。しかし、割れのような欠陥の場合には欠陥の進展に方向性があるので、超音波が斜角探触子とは別方向に反射され斜角探傷法では欠陥が検出できない場合がある。

従って、特許文献１に開示の表層欠陥探傷方法は、欠陥の方向性を考慮した技術とはいえず、垂直探傷法で検出できなかった欠陥を斜角探傷法でも検出できない可能性があるという問題を有している。
そこで本発明は、上記問題点に鑑み、垂直探傷法及び斜角探傷法の少なくとも一方で確実に欠陥を検出できる欠陥検出装置及び欠陥検出方法を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
本発明の欠陥検出装置は、被検査体の表層を含む内部に存在する欠陥を超音波を用いて検出する欠陥検出装置であって、前記被検査体の表面上に配置され、前記表面に対して垂直となる方向に沿って、前記被検査体の内部に超音波を送出する送出部と、少なくとも前記被検査体の表層を含む内部に存在する欠陥で反射して戻った超音波を受波する受波部とを有する第１の探触子と、前記被検査体の表面上に配置され、前記表面に対して前記第１の探触子寄りに斜めとなる方向に沿って、前記被検査体の内部に超音波を送出する送出部と、少なくとも前記被検査体の表層を含む内部に存在する欠陥で反射して戻った超音波を受波する受波部とを有する第２の探触子と、前記被検査体の表面上に配置され、前記表面に対して前記第１の探触子寄りに斜めとなる方向に沿って、前記被検査体の内部に超音波を送出する送出部と、少なくとも前記被検査体の表層を含む内部に存在する欠陥で反射して戻った超音波を受波する受波部とを有する第３の探触子と、を備えることを特徴とする。

ここで、前記被検査体の表面は複数の面で構成され、前記第１の探触子が、前記被検査体の１つの面である第１の側面上に配置され、前記第２の探触子が、前記第１の側面の一方側に隣接する面である第２の側面上に配置されて、前記第１の側面へ向かう超音波を送出し、前記第３の探触子が、前記第１の側面の他方側に隣接する面である第３の側面上に配置されて、前記第１の側面へ向かう超音波を送出してもよい。

また、前記第２の探触子が、前記第１の探触子の送出部が送出した超音波が伝播する伝播領域へ向かう超音波を送出し、前記第３の探触子が、前記第１の探触子が送出した超音波の伝播領域と前記第２の探触子が送出した超音波の伝播領域とが交差する領域へ向かう超音波を送出してもよい。
また、前記第１の探触子、第２の探触子及び第３の探触子が、前記被検査体の表面上で移動可能であり、前記被検査体の表面上を移動することで当該３つの探触子から送出された超音波が交差する領域の位置を変更してもよい。

本発明の欠陥検出方法は、被検査体の表層を含む内部に存在する欠陥を超音波を用いて検出する欠陥検出方法であって、前記被検査体の表面上から、前記表面に対して垂直となる方向に沿って、前記被検査体の内部に超音波を送出し、少なくとも前記被検査体の表層を含む内部に存在する欠陥で反射して戻った超音波を受波する第１の探触工程と、前記被検査体の表面上から、前記表面に対して前記第１の探触工程で送出された超音波寄りに斜めとなる方向に沿って、前記被検査体の内部に超音波を送出し、少なくとも前記被検査体の表層を含む内部に存在する欠陥で反射して戻った超音波を受波する第２の探触工程と、前記被検査体の表面上から、前記表面に対して前記第１の探触工程で送出された超音波寄りに斜めとなる方向に沿って、前記被検査体の内部に超音波を送出し、少なくとも前記被検査体の表層を含む内部に存在する欠陥で反射して戻った超音波を受波する第３の探触工程と、前記第１の探触工程、第２の探触工程及び第３の探触工程のうち少なくとも１つの探触工程で受波した超音波に基づいて前記被検査体の表層を含む内部に存在する欠陥を検出する欠陥検出工程と、を備えることを特徴とする。

ここで、前記第２の探触工程が、前記第１の探触子の送出部が送出した超音波が伝播する伝播領域に向かう超音波を送出し、前記第３の探触工程が、前記第１の探触工程で送出した超音波の伝播領域と前記第２の探触工程で送出した超音波の伝播領域とが交差する領域に向かう超音波を送出してもよい。
さらに、前記第２の探触工程が、受波した超音波に基づいて前記被検査体の表層を含む内部に存在する欠陥までの距離を取得し、前記第３の探触工程が、受波した超音波に基づいて前記被検査体内部に存在する欠陥までの距離を取得し、前記表面皮下欠陥検出工程が、前記第２の探触工程で得られた欠陥までの距離と、前記第３の探触工程で得られた欠陥までの距離とを用いて、前記被検査体の表層を含む内部に存在する欠陥の位置を検出してもよい。

また、第１の探触工程で受波した超音波の第１の受波強度を取得し、第２の探触工程で受波した超音波の第２の受波強度を取得し、第３の探触工程で受波した超音波の第３の受波強度を取得し、前記取得した第１の受波強度、第２の受波強度及び第３の受波強度を用いて、前記被検査体の表層を含む内部に存在する欠陥の進展方向を検出する欠陥状態検出工程を備えてもよい。

本発明の欠陥検出装置及び欠陥検出方法によれば、垂直探傷法及び斜角探傷法の少なくとも一方で確実に欠陥を検出することができる。

本発明の実施形態による欠陥検出装置の外観を示す図である。 本実施形態による欠陥検出装置の概略構成を示す図である。 欠陥の角度と超音波のエコーレベルの関係を説明する図である。 本実施形態による欠陥検出装置の欠陥検出動作を類型化して示す図である。 本実施形態による欠陥検出装置の斜角探触子による欠陥検出動作を説明する図である。 本実施形態による欠陥検出装置の変形例の概略構成を示す図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態を説明する。
［第１実施形態］
以下に、図１〜図５を参照しつつ、本発明の第１実施形態による欠陥検出装置１ａについて説明すると共に、欠陥検出装置１ａを用いた欠陥検出方法について説明する。
図１は、本実施形態による欠陥検出装置１ａの外観を示す図である。欠陥検出装置１ａは、例えば角柱形状の棒鋼や鋼片など、外表面が複数の面で構成された被検査体の表層を含む内部に存在する欠陥を、超音波を用いて検出（探傷）する装置である。本実施形態では、被検査体として鋼片Ｗを例示する。

欠陥検出装置１ａは、後述する第１の探触子２、第２の探触子３ａ及び第３の探触子４ａを備える。第１の探触子２は、被検査体である鋼片Ｗの表面上に配置され、該表面に対して垂直となる方向に沿って鋼片Ｗの内部に超音波を送出する送出部（図示せず）と、少なくとも鋼片Ｗの表層を含む内部に存在する欠陥で反射して戻った超音波を受波する受波部（図示せず）とを有する。第２の探触子３ａは、鋼片Ｗの表面上に配置され、該表面に対して第１の探触子２寄りに斜めとなる方向に沿って鋼片Ｗの内部に超音波を送出する送出部（図示せず）と、少なくとも鋼片Ｗの表層を含む内部に存在する欠陥で反射して戻った超音波を受波する受波部（図示せず）とを有する。第３の探触子４ａは、鋼片Ｗの表面上に配置され、該表面に対して第１の探触子２寄りに斜めとなる方向に沿って鋼片Ｗの内部に超音波を送出する送出部（図示せず）と、少なくとも鋼片Ｗの表層を含む内部に存在する欠陥で反射して戻った超音波を受波する受波部（図示せず）とを有する。

第１の探触子２、第２の探触子３ａ及び第３の探触子４ａの詳細な構成は後述するが、欠陥検出装置１は、第１の探触子２、第２の探触子３ａ及び第３の探触子４ａを鋼片Ｗの表面上に配置して、鋼片Ｗの表層を含む内部に存在する欠陥を検出する。ここで、表層とは、鋼片Ｗの表面下（表面皮下）所定の深さ範囲の領域であり、特に深さ数ｍｍ〜数十ｍｍの範囲の領域のことである。表層とこの表層よりも深い部分とを含んで鋼片Ｗの内部という。

次に、図１及び図２を参照しながら、鋼片Ｗの表層を含む内部に存在する欠陥を検出する欠陥検出装置１について詳しく説明する。
図２は、欠陥検出装置１の概略構成を示す図であり、鋼片Ｗの外表面上に第１の探触子２、第２の探触子３ａ及び第３の探触子４ａを配置した状態を示す。鋼片Ｗの外表面は複数の面で構成されており、図２に示すように、例えば４つの面を側面として有する。

このような形状の鋼片Ｗに対して、第１の探触子２が、鋼片Ｗの４つの側面の内の１つの側面である第１の側面５上に配置される。第１の探触子２は、第１の側面５に対してほぼ垂直に超音波を送出し、送出された超音波は、第１の側面５から鋼片Ｗの内部に伝播する。ここで、第１の側面５とは、欠陥を探傷する対象となる表層の直上の面である。
次に、第２の探触子３ａが、第１の側面５の一方側に隣接する面である第２の側面６上に配置される。第２の探触子３ａは、第１の側面５へ向かう方向に、つまり第２の側面６に対して斜めに超音波を送出し、送出された超音波は、第２の側面６から第１の側面５に向かって鋼片Ｗの内部を伝播する。

さらに、第３の探触子４ａが、第１の側面５を挟んで第２の側面６とは反対側の面であって、第１の側面５の他方側に隣接する面である第３の側面７上に配置される。第３の探触子４ａは、第１の側面５へ向かう方向に、つまり第３の側面７に対して斜めに超音波を送出し、送出された超音波は、第３の側面７から第１の側面５に向かって鋼片Ｗの内部を伝播する。

このように欠陥検出装置１は、第１の探触子２を配置した第１の側面５を挟む両隣の側面（第２の側面６及び第３の側面７）に、斜角探触子としての第２の探触子３ａ及び第３の探触子４ａを配置する。
ここで、図２は、第１の探触子２から送出された超音波が鋼片Ｗの内部で伝播する領域を、伝播領域８として破線で示している。また、図２は、第２の探触子３ａから送出された超音波の伝播領域９を点線で示し、第３の探触子４ａから送出された超音波の伝播領域１０を一点鎖線で示している。第１の探触子２から送出された超音波は、第１の側面５から拡散しながら第１の側面５の反対側に向かって伝播する。

第２の探触子３ａから送出された超音波は、第２の側面６から拡散しながら第１の側面５に向かって伝播する。このとき、第２の探触子３ａは、超音波を、第１の探触子２の送出部が送出した超音波の伝播領域８へ向かって伝播すると共に、第１の側面５のうち第３の側面７側に向かって伝播するように送出する。
また、第３の探触子４ａから送出された超音波は、第３の側面７から拡散しながら第１の側面５に向かって伝播する。このとき、第３の探触子４ａは、超音波を、第１の探触子２が送出した超音波の伝播領域８と第２の探触子３ａが送出した超音波の伝播領域９とが交差する領域へ向かって伝播すると共に、第１の側面５のうち第２の側面６側に向かって伝播するように送出する。

図２に示すように、上述のような第１の探触子２、第２の探触子３ａ及び第３の探触子４ａによる超音波の送出によって、第１の探触子２の下の表層を含む内部に、これら３つの探触子２，３ａ，４ａからの超音波の伝播領域８，９，１０が交差する（重なる）領域が形成され、この領域及びその周辺領域が探傷領域１１となる。
第１の探触子２、第２の探触子３ａ及び第３の探触子４ａは、例えば圧電素子によって構成された一般的な超音波プローブで構成することが可能であり、所定電圧のパルス電流が加えられると所定周波数の超音波を送出する送出部としての機能と、反射超音波を受波する受波部としての機能とを有するものである。なお、超音波を送出する方向（つまり、角度）は任意に設定することができ、第１の探触子２は、垂直探傷を行うために第１の側面５に対して垂直方向（つまり、９０°）に超音波を送出し、第２の探触子３ａ及び第３の探触子４ａは、斜角探傷を行うために第２の側面６及び第３の側面７に対して斜め方向に（つまり、所定の角度で）超音波を送出する。

図１及び図２に示すように、欠陥検出装置１は、鋼片Ｗの形状に沿って第２の側面６から第１の側面５を跨いで第３の側面７にわたるＣ字型のプローブ昇降機構１２ａを備える。プローブ昇降機構１２ａは、第１の側面５に沿って配置される第１の昇降機構１３と、第２の側面６に沿って配置される第２の昇降機構１４と、第３の側面７に沿って配置される第３の昇降機構１５とをＣ字型に配置して構成されたものであり、第１の昇降機構１３に第１の探触子２を、第２の昇降機構１４に第２の探触子３ａを、第３の昇降機構１５に第３の探触子４ａを保持し、鋼片Ｗの側面５，６，７に対して探触子２，３ａ，４ａの各々を昇降させるものである。

欠陥検出装置１は、プローブ昇降機構１２ａを介して探触子２，３ａ，４ａの各々に接触媒質を供給する接触媒質供給部１６を備える。接触媒質とは、水、グリセリンペースト、油など、超音波を伝達する物質のことであり、探触子２，３ａ，４ａと鋼片Ｗの側面との間で超音波を伝達する媒質である。ただし、探触子２，３ａ，４ａにおいて、圧電素子の代わりに電磁超音波センサなどを用いる場合は、接触媒質は不要である。

接触媒質供給部１６は、プローブ昇降機構１２ａを介して接触媒質供給管（図示せず）によって探触子２，３ａ，４ａの各々に接続され、接触媒質供給管を通じて探触子２，３ａ，４ａの各々に接触媒質を供給する。接触媒質供給部１６は、接触媒質回収管（図示せず）によっても探触子２，３ａ，４ａの各々に接続されており、供給された接触媒質を接触媒質回収管を通じて探触子２，３ａ，４ａの各々から回収する。

欠陥検出装置１は、プローブ昇降機構１２ａを介して探触子２，３ａ，４ａの各々に接続された超音波探傷器１７を備える。超音波探傷器１７は、探触子２，３ａ，４ａの各々の送出部として働く圧電素子へ所定電圧のパルス電流を出力して超音波を発生させると共に、当該圧電素子が反射超音波を受波して受波部として働いたときに発生したパルス電流を受け取って、後述する記録信号処理装置１８に反射波信号として出力するものである。

欠陥検出装置１は、超音波探傷器１７に接続された記録信号処理装置１８を備える。記録信号処理装置１８は、受波した反射超音波に基づいて超音波探傷器１７から出力されたパルス電流を受信して、受信したパルス電流を基に、反射超音波（エコー）の到達時間、すなわち表層を含む内部における欠陥の位置などを算出する。
欠陥検出装置１は、上述した第１の探触子２、第２の探触子３ａ及び第３の探触子４ａ、プローブ昇降機構１２ａ、接触媒質供給部１６、超音波探傷器１７及び記録信号処理装置１８を備えて構成される。

ここで、第１の探触子２、第２の探触子３ａ及び第３の探触子４ａは、それぞれが支持される第１の昇降機構１３、第２の昇降機構１４及び第３の昇降機構１５の長手方向に沿って移動可能となっている。これによって第１の探触子２、第２の探触子３ａ及び第３の探触子４ａは、鋼片Ｗの表面である第１の側面５、第２の側面６及び第３の側面７上で移動可能であり、これら側面上を移動することで該３つの探触子２，３ａ，４ａから送出された超音波が交差する探傷領域１１の位置を変更することができる。

上述の構成を有する欠陥検出装置１は、割れのように欠陥の進展に方向性がある場合でも欠陥の検出が可能である。
以下に、図３〜図５を参照して、その検出原理を説明する。
図３は、欠陥ｄの角度と超音波のエコーレベルの関係を説明する図であり、（ａ）は欠陥ｄの位置及び角度と超音波の入射方向との関係を模式的に示し、（ｂ）は欠陥角度を変化させたときのエコーレベルの変化を示す。

図３（ａ）を参照して、一方向に進展した長さ１ｍｍの欠陥ｄが、鋼片Ｗの表面Ｓに対して角度θ（deg）傾いた状態で存在している。このとき、鋼片Ｗの表面Ｓからの欠陥の深さＤを、５ｍｍと２０ｍｍの２通り想定する。鋼片Ｗの表面Ｓに対して角度θ（deg）傾いた欠陥ｄに対して、垂直探傷法によって鋼片Ｗの表面Ｓに垂直に超音波を送出し（入射させ）、斜角探傷法によって鋼片Ｗの表面Ｓの側方から超音波を送出す（入射させ）る。

図３（ｂ）に示すように、垂直探傷法において欠陥ｄの角度θを変化させると、欠陥ｄの進展方向が超音波の伝播方向に対して垂直（θ＝０°，１８０°）に近いときには、欠陥ｄでの超音波の反射（エコー）レベルは高いが、欠陥ｄの進展方向が超音波の伝播方向に対して平行（θ＝９０°）に近くなると、超音波の反射（エコー）レベルは低くなる。垂直探傷法におけるエコーレベルは、欠陥ｄの深さＤが５ｍｍであっても２０ｍｍであってもほぼ同じ変化を示す。

また、斜角探傷法において欠陥ｄの角度θを変化させると、欠陥ｄの進展方向が超音波の伝播方向に対して垂直（θ＝９０°〜１２０°）に近いときには、欠陥ｄでの超音波の反射（エコー）レベルは高いが、欠陥ｄの進展方向が超音波の伝播方向に対して平行（θ＝０°，１８０°）に近くなると、超音波の反射（エコー）レベルは低くなる。斜角探傷法におけるエコーレベルも、欠陥ｄの深さＤが５ｍｍであっても２０ｍｍであってもほぼ同じ傾向の変化を示すが、欠陥ｄの深さＤが５ｍｍのときよりも２０ｍｍときの方がエコーレベルは総じて高い。

このように、欠陥角度θを変化させたときの垂直探傷法によって検出できるエコーレベルと斜角探傷法によって検出できるエコーレベルについては、一方が低下すれば他方が上昇し、一方が上昇すれば他方が低下するという関係が成立している。従って、いかなる欠陥角度θの欠陥ｄであっても垂直探傷法又は斜角探傷法によって検出可能である。
そこで、図４を参照して、上述の第１の探触子（垂直プローブ）２、第２の探触子（斜角１プローブ）３ａ及び第３の探触子（斜角２プローブ）４ａを用いて垂直探傷法及び斜角探傷法を適用した場合における、欠陥角度θの相違、つまり欠陥ｄの方向性による探傷の成否を類型化して説明する。

図４は、欠陥検出装置の欠陥検出動作を類型化して示す図である。
次の表１は、図４に示す（ａ）〜（ｄ）の４つの類型について、各プローブにおける欠陥検出の成否をまとめた表である。

図４（ａ）において、欠陥ｄは、垂直プローブ２からの超音波の伝播方向に対してほぼ平行に進展した面状であり、斜角１プローブ３ａ及び斜角２プローブ４ａからの超音波の伝播方向に対して垂直に近い。このとき欠陥ｄは、垂直プローブ２からの超音波を垂直プローブ２に向かって反射することはほとんどなく、斜角１プローブ３ａからの超音波を斜角１プローブ３ａへ反射し、斜角２プローブ４ａからの超音波を斜角２プローブ４ａへ反射する。従って、表１の（ａ）に記号「×」で示すように、垂直プローブ２は欠陥ｄで反射された超音波（欠陥信号）を検出することはできず、また、記号「○」で示すように、斜角１プローブ３ａ及び斜角２プローブ４ａが欠陥信号を検出する。

図４（ｂ）において、欠陥ｄは、垂直プローブ２からの超音波の伝播方向に対してほぼ垂直に進展した面状であり、斜角１プローブ３ａ及び斜角２プローブ４ａからの超音波の伝播方向に対して平行に近い。このとき欠陥ｄは、垂直プローブ２からの超音波をほぼ垂直プローブ２に向かって反射するが、斜角１プローブ３ａからの超音波をほとんど斜角１プローブ３ａへ反射しないだけでなく、斜角２プローブ４ａからの超音波もほとんど斜角２プローブ４ａへ反射しない。従って、表１の（ｂ）に記号「○」で示すように、垂直プローブ２は欠陥信号を検出し、また、記号「×」で示すように、斜角１プローブ３ａ及び斜角２プローブ４ａは欠陥信号を検出できない。

図４（ｃ）において、欠陥ｄは、図４（ｃ）の紙面に向かって右上から左下に向かって進展した面状であり、一方の面を垂直プローブ２と斜角２プローブ４ａの間に向けると共に、他方の面を斜角１プローブ３ａに向けている。つまり、垂直プローブ２及び斜角２プローブ４ａからの超音波の伝播方向に対しては平行でも垂直でもないが、斜角１プローブ３ａからの超音波の伝播方向に対してはほぼ垂直に近い。このとき欠陥ｄは、斜角１プローブ３ａからの超音波をほぼ斜角１プローブ３ａに向かって反射するが、垂直プローブ２からの超音波をほとんど垂直プローブ２へ反射しないだけでなく、斜角２プローブ４ａからの超音波もほとんど斜角２プローブ４ａへ反射しない。しかし、斜角２プローブ４ａからの超音波は、欠陥ｄで反射した後、垂直プローブ２が配置された面で反射して大きく減衰しつつ斜角２プローブ４ａへ戻る。従って、表１の（ｃ）に記号「×」と示すように、垂直プローブ２は欠陥信号を検出できないが、記号「○」で示すように、斜角１プローブ３ａは欠陥信号を検出する。また、斜角２プローブ４ａは、記号「△」で示すように、減衰した反射波に基づいてわずかな欠陥信号を検出する。

図４（ｄ）において、欠陥ｄは、図４（ｄ）の紙面に向かって左上から右下に向かって進展した面状であり、一方の面を垂直プローブ２と斜角１プローブ３ａの間に向けると共に、他方の面を斜角２プローブ４ａに向けている。つまり、図４（ｃ）に対して左右対称の配置となっている。従って、欠陥検出の成否も図４（ｃ）に対して左右対称であり、表１の（ｄ）に記号「×」と示すように、垂直プローブ２は欠陥信号を検出できないが、記号「○」で示すように、斜角２プローブ４ａは欠陥信号を検出する。また、斜角１プローブ３ａは、記号「△」で示すように、減衰した反射波に基づいてわずかな欠陥信号を検出する。

以上のとおり、本実施形態による欠陥検出装置１は、垂直探傷法及び斜角探傷法の少なくとも一方の探傷法によって確実に欠陥を検出することができる。従来の技術では、欠陥の進展方向を考慮した構成を備えていなかったので、垂直探傷法と斜角探傷法でともに欠陥を検出した場合には、欠陥は鋼片Ｗの皮下に存在すると判断し、斜角探傷法で検出されたものの垂直探傷法で検出されなかった場合には、欠陥は鋼片Ｗの内部に存在すると判断していた。しかし、欠陥が鋼片Ｗの皮下に存在しても、欠陥の方向によっては垂直探傷法で検出できない場合もあり、従来の技術は欠陥箇所を特定するのに十分な技術であるとは言えなかった。

これに対し、本実施形態による欠陥検出装置１は、欠陥検出装置１が欠陥ｄの進展方向を考慮した構成を備えているので、表１に示すように、欠陥ｄを検出したプローブ２，３ａ，４ａの組み合わせと欠陥信号の強度とに基づいて、欠陥ｄの位置及び欠陥ｄの進展方向（傾き）を確実に特定することができる技術であるといえる。
欠陥検出装置１の構成によれば、図５に示すように、欠陥ｄの深さの検出精度を向上させることもできる。

図５は、欠陥検出装置１の斜角探触子３ａ，４ａによる欠陥検出動作を説明する図であり、（ａ）は欠陥ｄが鋼片Ｗの内部に存在するときの動作を示し、（ｂ）は欠陥ｄが鋼片Ｗの皮下に存在するときの動作を示す。
図５（ａ）に示すように、垂直プローブ２に検出されず、斜角１プローブ３ａと斜角２プローブ４ａによって検出された欠陥ｄに関して、斜角１プローブ３ａが検出した欠陥信号（斜角１信号）１９が超音波波形として超音波探傷器１７に表示され、斜角２プローブが検出した欠陥信号（斜角２信号）２０も超音波波形として超音波探傷器１７に表示される。超音波の送出から超音波波形が得られるまでの時間に基づいて超音波の伝播距離を求めることができ、この伝播距離によってプローブ３ａ，４ａの各々から欠陥ｄまでの距離を求めることができる。しかし、一方の超音波波形だけでは該超音波波形に対応するプローブ３ａ又はプローブ４ａから欠陥ｄまでの距離しか分からないので、欠陥ｄが皮下に存在するのか、皮下よりも深い内部に存在するのかの判断ができず、欠陥ｄの深さを検出することはできない。

そこで、欠陥検出装置１は、斜角１プローブ３ａによって検出された欠陥信号１９に基づく斜角１プローブ３ａから欠陥ｄまでの距離と、斜角２プローブ４ａによって検出された斜角２プローブ４ａから欠陥ｄまでの距離とを同時に満たす位置を鋼片Ｗ内で特定し、その特定された位置を欠陥ｄの位置として検出する。
具体的には、斜角１プローブ３ａを中心に検出された欠陥ｄまでの距離を半径とする円を描き、同時に、斜角２プローブ４ａを中心に検出された欠陥ｄまでの距離を半径とする円を描く。このとき、描かれた２つの円の交点の位置を求め、求めた位置が、鋼片Ｗの内部で、斜角１プローブ３ａからの超音波の伝播領域内にあり、且つ斜角２プローブ４ａからの超音波の伝播領域内にあるとき、その求めた位置を検出された欠陥ｄの位置として検出する。このような幾何学的な計算を用いて欠陥ｄの位置を検出することができるが、この計算は、記録信号処理装置１８によって行われる。

図５（ａ）は、斜角１プローブ３ａによる欠陥信号１９の超音波波形も、斜角２プローブ４ａによる欠陥信号２０の超音波波形もほぼ同じ伝播距離であった場合の一例を示し、図５（ｂ）は、斜角１プローブ３ａによる欠陥信号１９の超音波波形が示す伝播距離よりも、斜角２プローブ４ａによる欠陥信号２０の超音波波形が示す伝播距離の方が大きかった場合の一例を示している。

なお、斜角探傷法による斜角１プローブ３ａ及び斜角２プローブ４ａで検出できず、垂直探傷法による垂直プローブ２でしか検出できない欠陥ｄについては、垂直方向での伝播距離から欠陥ｄの深さ位置をほぼ正確に特定できる。
上述の構成を有する本実施形態による欠陥検出装置１の動作を、欠陥検出方法として以下に説明する。

欠陥検出装置１は、第１の昇降機構１３を第１の側面５に沿わせ、且つ第２の昇降機構１４を第２の側面６に沿わせると共に、第３の昇降機構１５を第３の側面７に沿わせて、プローブ昇降機構１２ａを鋼片Ｗに対して配置する。
プローブ昇降機構１２ａが、第１の探触子２、第２の探触子３ａ及び第３の探触子４ａを鋼片Ｗに当接させると共に、接触媒質供給部１６が、プローブ昇降機構１２ａを介して探触子２，３ａ，４ａの各々に接触媒質を供給する。このようにして、鋼片Ｗの第１の側面５下を探傷する準備が完了する。

探傷の準備が完了すると、超音波探傷器１７は、探触子２，３ａ，４ａの各々の送出部へ所定電圧のパルス電流を出力して、鋼片（被検査体）Ｗの表面上から、第１の探触子２を介して、該表面に対して垂直となる方向に沿って、鋼片Ｗの内部に超音波を送出し、鋼片Ｗの表層を含む内部に存在する欠陥で反射して戻った超音波を受波する。
その上で、超音波探傷器１７は、第１の探触子２が受波した超音波の超音波パルスを取得し、記録信号処理装置１８が、受波した超音波（つまり、超音波パルス）に基づいて、鋼片Ｗの表層を含む内部に存在する欠陥までの距離を取得する。ここまでが、第１の探触工程である。

次に、鋼片Ｗの表面上から、第２の探触子３ａを介して、該表面に対して第１の探触工程で第１の探触子２から送出された超音波寄りに斜めとなる方向に沿って、鋼片Ｗの内部に超音波を送出し、少なくとも鋼片Ｗの表層を含む内部に存在する欠陥で反射して戻った超音波を受波する。このとき、第２の探触子３ａは、第１の探触子２から送出された超音波が伝播する伝播領域に向かう超音波を送出する。

その上で、超音波探傷器１７は、第２の探触子３ａが受波した超音波の超音波パルスを取得し、記録信号処理装置１８が、受波した超音波（つまり、超音波パルス）に基づいて、鋼片Ｗの表層を含む内部に存在する欠陥までの距離を取得する。ここまでが、第２の探触工程である。
また、鋼片Ｗの表面上から、第３の探触子４ａを介して、該表面に対して第１の探触工程で第１の探触子２から送出された超音波寄りに斜めとなる方向に沿って、鋼片Ｗの内部に超音波を送出し、少なくとも鋼片Ｗの表層を含む内部に存在する欠陥で反射して戻った超音波を受波する。このとき、第３の探触子４ａは、第１の探触子２から送出された超音波が伝播する伝播領域に向かう超音波を送出する。

その上で、超音波探傷器１７は、第３の探触子４ａが受波した超音波の超音波パルスを取得し、記録信号処理装置１８が、受波した超音波（つまり、超音波パルス）に基づいて、鋼片Ｗの表層を含む内部に存在する欠陥までの距離を取得する。ここまでが、第３の探触工程である。
第１の探触工程〜第３の探触工程を経て、記録信号処理装置１８は、第１の探触工程、第２の探触工程及び第３の探触工程のうち少なくとも１つの探触工程で受波した超音波に基づいて鋼片Ｗの表層を含む内部存在する欠陥の位置を検出する。

記録信号処理装置１８は、第２の探触工程で得られた欠陥までの距離と、第３の探触工程で得られた欠陥までの距離とを用いて、第２の探触工程で得られた距離と、第３の探触工程で得られた欠陥までの距離とを同時に満たす位置を鋼片Ｗ内で特定し、その特定された位置を、鋼片Ｗの表層を含む内部に存在する欠陥の位置として検出する。この欠陥位置の検出が、欠陥検出工程である。

さらに記録信号処理装置１８は、第１の探触工程で超音波探傷器１７が受波した超音波の強度である第１の受波強度を取得し、第２の探触工程で超音波探傷器１７が受波した超音波の強度である第２の受波強度を取得し、第３の探触工程で超音波探傷器１７が受波した超音波の強度である第３の受波強度を取得する。これら受波強度を取得した後、記録信号処理装置１８は、取得した第１の受波強度、第２の受波強度及び第３の受波強度を用いて、鋼片Ｗの表層を含む内部に存在する欠陥の状態、例えば欠陥の傾きや進展方向を検出する。この欠陥の状態の検出が、欠陥状態検出工程である。

以上に説明したとおり、本実施形態による欠陥検出装置１及び欠陥検出方法によれば、鋼片Ｗの内部の１つの探傷領域に対して垂直探傷と２方向からの斜角探傷の計３方向からの探傷によって、欠陥の進展方向によらず欠陥を検出することができる。加えて、垂直探触子２が鋼片Ｗと接する接触面下の表層を含む内部を探傷する構成を有することで、垂直探触子２からの超音波ビームが拡散して広がる前の検出感度のよい伝播領域を用いて欠陥を検出できる。

ここで、垂直探傷法では垂直探触子と鋼片Ｗの接触面の表皮下は、表面不感帯により探傷が難しいという問題があった。しかし、鋼片Ｗの段階で存在する欠陥のうち棒鋼や線材に圧延したときに有害となる欠陥は、鋼片Ｗの表皮下ではなく表層を含む内部（例えば表面から５ｍｍ以上の深さ）にある欠陥であるということが、近年明らかになってきた。
従って、本実施形態による欠陥検出装置１は、欠陥をその進展方向に関係なく検出できて、さらに欠陥の深さも正確に検出することができるので、棒鋼や線材に圧延したときに有害となる欠陥を適切に検出することができる。
［第２実施形態］
以下に、図６を参照しつつ、本発明の第２実施形態による欠陥検出装置１ｂについて説明する。

図６は、本実施形態による欠陥検出装置１ｂの概略構成を示す図である。
欠陥検出装置１ｂは、第１実施形態による欠陥検出装置１ａとほぼ同様の構成を有している。しかし、欠陥検出装置１ｂは、第１実施形態による欠陥検出装置１ａの第２の探触子３ａ及び第３の探触子４ａの代わりに、斜角探触子として第２の探触子３ｂ及び第３の探触子４ｂを備える。

第２の探触子３ｂ及び第３の探触子４ｂは、垂直探触子である第１の探触子２と同じ第１の側面５上に配置される。
第２の探触子３ｂは、第１の探触子２よりも第２の側面６寄りに配置され、第３の側面７へ向かう方向に、つまり第１の側面５に対して斜めに超音波を送出し、送出された超音波は、第１の側面５から第３の側面７に向かって鋼片Ｗの内部を伝播する。

第３の探触子４ｂは、第１の探触子２よりも第３の側面７寄りに配置され、第２の側面６へ向かう方向に、つまり第１の側面５に対して斜めに超音波を送出し、送出された超音波は、第１の側面５から第２の側面６に向かって鋼片Ｗの内部を伝播する。
図６に示すように、上述の構成の第２の探触子３ｂ及び第３の探触子４ｂを有することによって、第１の探触子２、第２の探触子３ｂ及び第３の探触子４ｂによる超音波の送出によって、第１の探触子２の下の表層を含む内部に、これら３つの探触子２，３ｂ，４ｂからの超音波の伝播領域が交差する（重なる）領域が形成され、この領域及びその周辺領域が探傷領域となる。

つまり、本実施形態による欠陥検出装置１ｂによっても、第１実施形態による欠陥検出装置１ａと同様の探傷領域を形成することができ、第１実施形態による欠陥検出装置１ａと同様の動作及び効果を発揮する。また、本実施形態による欠陥検出装置１ｂよれば、プローブ昇降機構１２ｂは、第１の側面５上にのみ設けられればよく、第２の側面６及び第３の側面７上に設けなくてもよい。従って、本実施形態による欠陥検出装置１ｂは、比較的小型の構成となるので、欠陥を検出するための装置の設置空間に制約がある場合に有効である。

なお、今回開示された各実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された各実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。

具体的には、上述の各実施形態において、第１の探触子２、第２の探触子３ａ又は３ｂ及び第３の探触子４ａ又は４ｂを、それぞれ１つずつ用いて欠陥検出装置１ａ又は１ｂを構成したが、これら探触子を、それぞれ複数用いて欠陥検出装置１ａ又は１ｂを構成してもよい。例えば、第１の探触子２を複数用いて構成すると、表層領域内における探傷領域を拡大することができる。

また、上述の各実施形態では、鋼片Ｗの４つの側面のうち１つの側面である第１の側面５下の表層を含む内部のみを探傷する場合を例示して欠陥検出装置１ａ又は１ｂの構成を説明した。しかし、鋼片Ｗの各側面に第１の探触子２が接触するように、欠陥検出装置１ａ又は１ｂを複数用いてもよい。鋼片Ｗの４つの側面下の表層を含む内部を探傷するには、欠陥検出装置１ａ又は１ｂを４台用意して、欠陥検出装置１ａ又は１ｂの第１の探触子２がそれぞれ異なる側面に接触するように欠陥検出装置１ａ又は１ｂを配置すればよい。

１ａ，１ｂ 欠陥検出装置
２ 第１の探触子（垂直プローブ）
３ａ，３ｂ 第２の探触子（斜角１プローブ）
４ａ，４ｂ 第３の探触子（斜角２プローブ）
５ 第１の側面
６ 第２の側面
７ 第３の側面
８，９，１０ 伝播領域
１１ 探傷領域
１２ａ，１２ｂ プローブ昇降機構
１３ 第１の昇降機構
１４ 第２の昇降機構
１５ 第３の昇降機構
１６ 接触媒質供給部
１７ 超音波探傷器
１８ 記録信号処理装置
１９ 欠陥信号（斜角１信号）
２０ 欠陥信号（斜角２信号）
Ｗ 鋼片（被検査体）
ｄ 欠陥

Claims (8)

1. 被検査体の表層を含む内部に存在する欠陥を超音波を用いて検出する欠陥検出装置であって、
   前記被検査体の表面上に配置され、前記表面に対して垂直となる方向に沿って、前記被検査体の内部に超音波を送出する送出部と、少なくとも前記被検査体の表層を含む内部に存在する欠陥で反射して戻った超音波を受波する受波部とを有する第１の探触子と、
   前記被検査体の表面上に配置され、前記表面に対して前記第１の探触子寄りに斜めとなる方向に沿って、前記被検査体の内部に超音波を送出する送出部と、少なくとも前記被検査体の表層を含む内部に存在する欠陥で反射して戻った超音波を受波する受波部とを有する第２の探触子と、
   前記被検査体の表面上に配置され、前記表面に対して前記第１の探触子寄りに斜めとなる方向に沿って、前記被検査体の内部に超音波を送出する送出部と、少なくとも前記被検査体の表層を含む内部に存在する欠陥で反射して戻った超音波を受波する受波部とを有する第３の探触子と、を備えることを特徴とする欠陥検出装置。
2. 前記被検査体の表面は複数の面で構成され、
   前記第１の探触子が、前記被検査体の１つの面である第１の側面上に配置され、
   前記第２の探触子が、前記第１の側面の一方側に隣接する面である第２の側面上に配置されて、前記第１の側面へ向かう超音波を送出し、
   前記第３の探触子が、前記第１の側面の他方側に隣接する面である第３の側面上に配置されて、前記第１の側面へ向かう超音波を送出することを特徴とする請求項１に記載の欠陥検出装置。
3. 前記第２の探触子が、前記第１の探触子の送出部が送出した超音波が伝播する伝播領域へ向かう超音波を送出し、
   前記第３の探触子が、前記第１の探触子が送出した超音波の伝播領域と前記第２の探触子が送出した超音波の伝播領域とが交差する領域へ向かう超音波を送出することを特徴とする請求項１又は２に記載の欠陥検出装置。
4. 前記第１の探触子、第２の探触子及び第３の探触子が、前記被検査体の表面上で移動可能であり、前記被検査体の表面上を移動することで当該３つの探触子から送出された超音波が交差する領域の位置を変更することを特徴とする請求項３に記載の欠陥検出装置。
5. 被検査体の表層を含む内部に存在する欠陥を超音波を用いて検出する欠陥検出方法であって、
   前記被検査体の表面上から、前記表面に対して垂直となる方向に沿って、前記被検査体の内部に超音波を送出し、少なくとも前記被検査体の表層を含む内部に存在する欠陥で反射して戻った超音波を受波する第１の探触工程と、
   前記被検査体の表面上から、前記表面に対して前記第１の探触工程で送出された超音波寄りに斜めとなる方向に沿って、前記被検査体の内部に超音波を送出し、少なくとも前記被検査体の表層を含む内部に存在する欠陥で反射して戻った超音波を受波する第２の探触工程と、
   前記被検査体の表面上から、前記表面に対して前記第１の探触工程で送出された超音波寄りに斜めとなる方向に沿って、前記被検査体の内部に超音波を送出し、少なくとも前記被検査体の表層を含む内部に存在する欠陥で反射して戻った超音波を受波する第３の探触工程と、
   前記第１の探触工程、第２の探触工程及び第３の探触工程のうち少なくとも１つの探触工程で受波した超音波に基づいて前記被検査体の表層を含む内部に存在する欠陥を検出する欠陥検出工程と、を備えることを特徴とする欠陥検出方法。
6. 前記第２の探触工程が、前記第１の探触子の送出部が送出した超音波が伝播する伝播領域に向かう超音波を送出し、
   前記第３の探触工程が、前記第１の探触工程で送出した超音波の伝播領域と前記第２の探触工程で送出した超音波の伝播領域とが交差する領域に向かう超音波を送出することを特徴とする請求項５に記載の欠陥検出方法。
7. 前記第２の探触工程が、受波した超音波に基づいて前記被検査体の表層を含む内部に存在する欠陥までの距離を取得し、
   前記第３の探触工程が、受波した超音波に基づいて前記被検査体内部に存在する欠陥までの距離を取得し、
   前記表面皮下欠陥検出工程が、前記第２の探触工程で得られた欠陥までの距離と、前記第３の探触工程で得られた欠陥までの距離とを用いて、前記被検査体の表層を含む内部に存在する欠陥の位置を検出することを特徴とする請求項５又は６に記載の欠陥検出方法。
8. 第１の探触工程で受波した超音波の第１の受波強度を取得し、第２の探触工程で受波した超音波の第２の受波強度を取得し、第３の探触工程で受波した超音波の第３の受波強度を取得し、前記取得した第１の受波強度、第２の受波強度及び第３の受波強度を用いて、前記被検査体の表層を含む内部に存在する欠陥の進展方向を検出する欠陥状態検出工程を備えることを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の欠陥検出方法。