JP5430533B2

JP5430533B2 - 表面皮下欠陥検出方法及びその装置

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Publication number: JP5430533B2
Application number: JP2010234534A
Authority: JP
Inventors: 利英福井; 泰宏和佐
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2010-10-19
Filing date: 2010-10-19
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2030-10-19
Also published as: JP2012088148A

Description

本発明は、棒鋼や鋼片の表面及び表面皮下に存在する欠陥を検出する表面皮下欠陥検出方法及びその装置に関する。

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、磁粉探傷法、浸透探傷法、渦流探傷法、超音波探傷法などが知られている。
磁粉探傷法は、被検査体表面にできた磁粉指示模様を観察することで表面欠陥を検出する技術であり、浸透探傷法は、被検査体表面にできた指示模様の蛍光を観察することで表面欠陥を検出する技術であるが、これらは共に湿式検査である。そのため、磁粉液や蛍光浸透剤の被検査体表面への散布量変化による輝度の変動、被検査体の表面粗度分布などの影響を大きく受けるので、検査結果の再現性が良くない。これによって、検査作業者によって検査結果が異なるという問題と、被検査体の表面に開口している欠陥しか検出できないという特徴を有している。

また、渦流探傷法は、誘導電流の変化を検出することで被検査体の欠陥とその深さを検出する技術である。この渦流探傷法は、金属材料の表層部分の検査が可能であるものの、欠陥以外の組織変化や磁気変化も検出してしまうので、検出結果において欠陥だけを弁別するのが難しいという問題を有している。
そこで、一般的には、特許文献１に示すような超音波を用いた超音波探傷法が用いられることが多い。超音波探傷法としては、垂直探傷法と斜角探傷法と表面探傷法の３つの技術が一般に用いられる。

ここで、垂直探傷法は、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。
このうち表面探傷法では、超音波探触子から被検査体の表面に対して表面波となる表面超音波を送出し、被検査体の表面又は表面皮下に存在する欠陥で反射して戻ってきた反射超音波を超音波探触子で受信することで、被検査体の表面欠陥及び表面皮下欠陥を検出できる。

特許文献１に開示の表層欠陥探傷方法は、上述の斜角探傷法を用いたものであって、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該角鋼片の表層領域側の面と直交する側の面に斜角探触子を配設して検出する超音波斜角法による表層欠陥探傷方法において、前記表層領域の層厚を２ｂとし、角鋼片の表層領域側の側面から斜角探触子までの距離をａとし、伝播速度Ｃの超音波が入射されて表層領域内の内部欠陥により反射して検出されるまでの時間をｔ_Fとしたとき、[(Ｃ・ｔ_F／２)² −(ａ−ｂ)²]^1/2 の計算式で表層領域側の側面に沿う方向の内部欠陥の位置までの距離である評定距離を求めることを特徴とするものである。

これによって、特許文献１は、角鋼片の表層領域にある内部欠陥の位置を精度良く評定し得るとしている。

特開平５−３４３２０号公報

特許文献１に開示の表層欠陥探傷方法では、欠陥での反射波による信号のみならず、コーナーエコー（コーナー反射波）による信号を検出するものとなっている。コーナー反射波とは、角鋼片のコーナーで反射した超音波のことであり、欠陥に起因する反射波とは異なるものである。
しかしながら、特許文献１では、このようなコーナー反射波を低減することが困難であると共に、上述の検出信号からコーナー反射波を排除する、言い換えれば、欠陥に起因する反射波のみを抽出することも困難である。よって、適切にこれら検出した信号の弁別を行い欠陥を検出することは困難であり、欠陥が小さくなるほどその検出はさらに困難になる。加えて、特許文献１では、探触子による１回の超音波の送出によって被検査体の１面しか探傷できないといった課題もある。

そこで本発明は、上記問題点に鑑み、棒鋼や鋼片などの表層部分を伝播する表面超音波を用いた表面探傷法において、被検査体の角部（オーバル）で生じるコーナー反射波による影響を低減することで、小さな表面皮下欠陥を適切に検出できると共に１回の超音波の送出で被検査体の隣接する複数の面を探傷することができる表面皮下欠陥検出方法及びその装置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。
本発明の表面皮下欠陥検出方法は、複数の面を有する被検査体表面に存在する欠陥を超音波を用いて検出する方法であって、前記被検査体の表面直下を伝播する超音波を、前記被検査体の一つの面から隣接する他の面へ向かって送出する送出ステップと、前記送出ステップで送出された超音波のうち前記被検査体表面の欠陥で反射した反射超音波を検出する検出ステップと、前記一つの面から前記隣接する他の面への移行部である角部を透過した超音波を受波する受波ステップと、前記受波ステップで受波した超音波の強度に基づいて、前記送出ステップで送出される超音波の周波数を変更するか否かを判定する判定ステップと、を備えることを特徴とする。

ここで、前記判定ステップは、前記受波ステップで受波した超音波の強度が所定の閾値以上となったときに、前記検出ステップで検出した反射超音波が真に前記欠陥で反射したものであると判定してもよい。
具体的に、前記判定ステップは、前記受波ステップで受波した超音波の強度が所定の閾値以上となったときに、前記送出ステップで送出される超音波の周波数を変更しないことが好ましい。
また、前記判定ステップは、前記受波ステップで受波した超音波の強度が所定の閾値未満となったときに、前記送出ステップで送出される超音波の周波数を変更してもよい。

ここで、前記被検査体が順に隣接するＡ〜Ｄの４面を有すると共に、Ａ面とＢ面の間の角部及びＣ面とＤ面の間の角部が前記超音波の減衰が大きくなるオーバル形状を有し、当該前記被検査体の表面に存在する欠陥を検出するに際しては、前記送出ステップが、前記被検査体の表面直下を伝播する超音波を、前記被検査体のＡ面からＢ面へ送出する第１送出ステップと、前記被検査体の表面直下を伝播する超音波を、前記被検査体のＢ面からＣ面へ送出する第２送出ステップと、前記被検査体の表面直下を伝播する超音波を、前記被検査体のＣ面からＤ面へ送出する第３送出ステップと、前記被検査体の表面直下を伝播する超音波を、前記被検査体のＤ面からＡ面へ送出する第４送出ステップと、を有していてもよい。

また、前記被検査体が順に隣接するＡ〜Ｄの４面を有すると共に、Ａ面とＢ面の間の角部及びＣ面とＤ面の間の角部が前記超音波の減衰が大きくなるオーバル形状を有し、当該前記被検査体の表面に存在する欠陥を検出するに際しては、前記送出ステップが、前記被検査体の表面直下を伝播する超音波を、前記被検査体のＡ面からＢ面を経てＣ面へ送出する第５送出ステップと、前記被検査体の表面直下を伝播する超音波を、前記被検査体のＣ面からＤ面を経てＡ面へ送出する第６送出ステップと、を有していてもよい。

本発明の表面皮下欠陥検出装置は、被検査体の表面直下を伝播する超音波を送出する送出部と、少なくとも前記被検査体表面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直下を伝播する超音波を送出する送出部と、少なくとも前記被検査体表面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、を備え、第１の探触子は、複数の面を有する前記被検査体の一つの面上に配置され、第２の探触子は、前記第１の探触子が配置された面から隣接する他の面への移行部である角部を隔てて前記第１の探触子とは異なる面上に配置されている表面皮下欠陥検出装置であって、前記第１の探触子に備えられた送出部から、前記被検査体の表面直下を伝播する超音波を、前記被検査体の一つの面から隣接する他の面へ向かって送出し、前記第１の探触子に備えられた受波部により、前記送出された超音波のうち前記被検査体表面の欠陥で反射した反射超音波を検出し、前記第２の探触子に備えられた受波部により、前記一つの面から前記隣接する他の面への移行部である角部を透過した超音波を受波し、前記第２の探触子に備えられた受波部で受波した超音波の強度に基づいて、前記送出される超音波の周波数を変更するか否かを判定するように構成されていることを特徴とする。

ここで、前記第２の探触子は、送出する超音波の送出方向を、前記第１の探触子から送出された超音波の伝播方向の逆方向に向けて配置されていてもよい。
さらに、前記第１の探触子及び／又は前記第２の探触子の送出部は、周波数の異なる超音波を送出可能であってもよい。
また、前記第１の探触子及び／又は前記第２の探触子の送出部は、前記周波数の異なる超音波を全て含む広帯域超音波を送出可能であってもよい。

ここで、前記第１の探触子及び／又は前記第２の探触子の受波部で受波された前記広帯域超音波に含まれる前記周波数の異なる超音波のそれぞれを選択的に透過する又は選択的に遮断するフィルタ部を備えていてもよい。
さらに、本発明に係る表面皮下欠陥検出装置は、被検査体の表面直下を伝播する超音波を送出する送出部と、少なくとも前記被検査体表面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直下を伝播する超音波を送出する送出部と、少なくとも前記被検査体表面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、を備え、前記第１の探触子及び／又は前記第２の探触子の送出部は、周波数の異なる超音波を含む広帯域超音波を送出可能とされ、第１の探触子は、複数の面を有する前記被検査体の一つの面上に配置され、第２の探触子は、前記第１の探触子が配置された面から隣接する他の面への移行部である角部を隔てて前記第１の探触子とは異なる面上に配置されている表面皮下欠陥検出装置であって、前記第１の探触子に備えられた送出部から、前記被検査体の表面直下を伝播する超音波を、前記被検査体の一つの面から隣接する他の面へ向かって送出し、前記第１の探触子に備えられた受波部により、前記送出された超音波のうち前記被検査体表面の欠陥で反射した反射超音波を検出し、前記第２の探触子に備えられた受波部により、前記一つの面から前記隣接する他の面への移行部である角部を透過した超音波を受波し、前記第２の探触子に備えられた受波部で受波した超音波の強度に基づいて、前記第２の探触子の受波部で受波された前記広帯域超音波に含まれる前記周波数の異なる超音波のそれぞれを選択的に透過する又は選択的に遮断するフィルタ部を切り替えるか否かを判定するように構成されていると好ましい。

本発明によれば、例えばオーバルと呼ばれる角部で反射してきた表面超音波の影響を受けることなく、小さな表面欠陥及び表面皮下欠陥を適切に検出できると共に１回の超音波の送出で被検査体の隣接する複数の面を探傷することができる表面皮下欠陥検出方法及びその装置を提供することができる。

オーバルを有する被検査体の表面皮下欠陥を検出する方法の概略を説明する図である。本発明の第１実施形態による表面皮下欠陥検出装置の構成の概略を示す図であり、（ａ）は、表面皮下欠陥検出装置全体の概略図、（ｂ）は、探触子の構成の概略図である。表面皮下欠陥検出装置の動作のフローチャートを示す図である。表面皮下欠陥検出装置の動作における、初期設定の方法を説明する概略図であり、（ａ）は、欠陥からの反射表面波（Ｓ）のオーバルからの反射表面波（Ｎ）に対する比（Ｓ／Ｎ比）の検出方法を示す図であり、（ｂ）は、オーバルを透過した透過表面波強度の閾値の決定方法を示す図である。探触子から送出される表面波が狭帯域である場合の波形例と広帯域である場合の波形例とを示す図である。本発明の第２実施形態による表面皮下欠陥検出方法の概略を示す図である。２つの探触子からそれぞれ対向する方向に表面波を送出した状態を示す図である。本発明の第３実施形態による表面皮下欠陥検出方法の概略を示す図である。

以下、本発明の実施形態を、図を基に説明する。
（第１実施形態）
図１〜図５を参照しながら、以下に、本発明の第１実施形態による表面皮下欠陥検出装置１について説明すると共に、この表面皮下欠陥検出装置１を用いた表面皮下欠陥検出方法について説明する。

本実施形態による表面皮下欠陥検出装置１は、複数の面を有する棒鋼や鋼片などの被検査体２の表面や表面皮下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。
この表面皮下欠陥検出装置１は、被検査体２の表面直下を伝播する超音波（表面波）を送出する送出部及び少なくとも被検査体２の表面及び表面皮下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を有する第１の探触子と、第１の探触子と同様の構成を有する第２の探触子と、を備え、第１の探触子は、複数の面を有する被検査体２の一つの面上に配置され、第２の探触子は、第１の探触子が配置された面から隣接する他の面への移行部である角部を隔てて第１の探触子とは異なる面上に配置されている。

表面皮下欠陥検出装置１について説明する前に、図１を参照して、棒鋼や鋼片などの被検査体２の形状を説明し、探触子から送出される超音波が被検査体２の形状によって受ける影響について説明する。
図１は、後述するオーバルを有する被検査体２の表面皮下欠陥を検出する方法の概略を説明する図である。

被検査体２は、例えばカリバー圧延などで圧延されて形成された略四角柱の棒鋼や鋼片であるので、長手方向の両端にある２つの端面と、長手方向に沿った側面Ａ〜側面Ｄの４側面と、隣接する２つの側面の一方から他方への移行部である４つの角部を有している。図１は、この略四角柱の被検査体２を、長手方向におけるある位置で、被検査体２の側面Ａ〜側面Ｄに垂直な一つの平面で切断したときの断面を示している。

この被検査体２の断面形状は略四角形であり、側面Ａ〜側面Ｄの４側面に対応する４本の辺と、４つの角部に対応する４つの頂部を有している。４本の辺は、被検査体２の側面Ａ〜側面Ｄにそれぞれ対応しているので、図１において、各辺には、対応する側面の記号Ａ〜Ｄのいずれかを付している。
４つの頂部のうち、図１の紙面に向かって左右方向に位置する２つの頂部は、圧延時に、例えば最終スタンドのカリバーロールの溝で形成された部位であり、弧を描く滑らかな形状となっている。図１の紙面に向かって上下方向に位置する残りの２つの頂部は、例えば最終スタンドでカリバーロールの溝に接していなかった部位であり、弧を描かずに角張った多角形状又は不規則形状となっている。

以下の説明において、この多角形状又は不規則形状の２つの頂部をオーバルというと共に、棒鋼や鋼片などの被検査体２を、図１に示す断面形状で代表させて説明する。
また、図１に示すように、上述の構成の被検査体２の側面Ｂの皮下には、例えばクラックなどの欠陥ｄが存在しているとする。
次に、被検査体２の多角形状又は不規則形状のオーバルが、「表面超音波による表面欠陥及び表面皮下欠陥の検出」に及ぼす影響について説明する。

図１に示すように、被検査体２の側面Ａ上に、被検査体２の表面直下を伝播する超音波（表面波）を送出すると共に被検査体２の表面直下を伝播した表面波を受波する探触子Ｔ（第１の探触子）を配置する。
側面Ａ上に配置された探触子Ｔが側面Ａから側面Ｂに向かって表面波を送出すると、側面Ａ上の探触子Ｔから送出された表面波は、オーバルを透過して側面Ｂに伝播し、側面Ｂの表面皮下に存在する欠陥ｄで反射して探触子Ｔに戻る。このように、探触子Ｔが送出した表面波がオーバルを透過して欠陥ｄに到達し、その後欠陥ｄで反射した表面波がオーバルを透過して探触子Ｔに戻ることで、探触子Ｔが配置された側面の隣接面に存在する欠陥ｄを検出（探傷）することができる。

しかし、前述のとおりオーバルは多角形状又は不規則形状を有しているので、オーバルを伝播する表面波は様々な方向に反射して減衰する。オーバルによる表面波の減衰が大きい場合（以下、オーバルの影響が大きい場合という）、図１に示すモデルにおいても、探触子Ｔは、信号成分である欠陥ｄからの反射表面波（信号成分Ｓ）を受波することはできず、ノイズ成分となるオーバルからの反射表面波（ノイズ成分Ｎ）を受波するだけである。よって、表面皮下欠陥検出装置１の後述する超音波探傷器６では、オーバルからの反射表面波に対応する信号（Ｎ）が検出されるだけである。

オーバルによる表面波の減衰が小さい場合（以下、オーバルの影響が小さい場合という）、図１に示すモデルにおいて、探触子Ｔは、オーバルからの反射表面波（Ｎ）を受波した後に、欠陥ｄからの反射表面波（Ｓ）を受波することができる。よって、超音波探傷器６には、オーバルからの反射表面波（Ｎ）に対応する信号に続いて、欠陥ｄからの反射波（Ｓ）に対応する信号が検出される。しかし、オーバルの影響の程度によっては、欠陥ｄからの反射表面波（Ｓ）のオーバルからの反射表面波（Ｎ）に対する比（Ｓ／Ｎ比）が必要とされる大きさとならない場合もある。

上述のように、オーバルの影響が大きい場合、探触子Ｔが配置された側面Ａにオーバルを隔てて隣接する側面Ｂの表面皮下に存在する欠陥ｄを検出できなくなるが、この場合は、先に用いた表面波よりも低い周波数の表面波を探触子Ｔから送出する。低周波数の超音波を表面波に使用すると、表面波に対するオーバルの影響が小さくなるので、探触子Ｔから送出された表面波は、オーバルを透過しやすくなる。よって、図１に「低周波数を使用」した場合として示すように、超音波探傷器６には、オーバルからの反射表面波（Ｎ）に対応する信号に続いて、欠陥ｄからの反射表面波（Ｓ）に対応する信号が検出される。

ここで、表面波の周波数について説明する。
通常、表面波を用いた表面探傷法における検出可能な欠陥の大きさは、表面波の波長の１／４程度までといわれている。しかしながら、実験の結果、表面波の波長の１／４〜１／７程度が検出できる欠陥の大きさの下限（最小値）となることが分かった。
つまり、検出したい欠陥の大きさの下限値（最小値）が決まれば、表面波の波長をその下限値の４〜７倍程度にすればよいことがわかる。いま、表面波の波長が決まれば、棒鋼や鋼片などの被検査体２における音速は一定であるので、表面波の周波数も決まる。

このようにして決められた周波数の表面波を用いれば、下限値以上の大きさの欠陥を検出することが可能となる。しかし、上述のオーバルの影響によって、先に用いた表面波よりも低い周波数の表面波を用いると、周波数が低下した分だけ表面波の波長が大きくなるので、検出できる欠陥の大きさの下限値が、先に用いた高周波数の表面波の場合よりも大きくなってしまう。

ここまでで述べたように、オーバルを有する被検査体２に対して表面探傷法を適用する場合は、用いる表面波の周波数に留意することより確実に欠陥を検出することができる。
次に、図２を参照しながら、上述のオーバルを有する被検査体２の表面及び表面皮下に存在する欠陥の検出に用いる表面皮下欠陥検出装置１について説明する。
図２は、表面皮下欠陥検出装置１の構成の概略を示す図であり、図２（ａ）は、表面皮下欠陥検出装置１全体の概略図、図２（ｂ）は、センサヘッド３、センサホルダ４、及び探触子Ｔの概略構成を示す図である。

表面皮下欠陥検出装置１は、探触子Ｔ（第１の探触子）とセンサホルダ４とホルダ支持体５からなるセンサヘッド３、探触子Ｔ’（第２の探触子）とセンサホルダ４’とホルダ支持体５’からなるセンサヘッド３’、超音波探傷器６、信号記録処理装置７、接触媒質供給回収部８、エアブロア９、エアブロア９’及びエア供給部１０を有するものであり、略四角柱の被検査体２の検査ラインに設置されている。

まず、表面欠陥及び表面皮下欠陥に用いるセンサヘッド３，３’の構成について説明する。
図２（ｂ）に示すセンサヘッド３は、探触子Ｔと、探触子Ｔを保持するセンサホルダ４と、センサホルダ４を支持し被検査体２に当接させるホルダ支持体５からなるものである。センサヘッド３’は、センサヘッド３と同様の構成を有している。本実施形態による表面皮下欠陥検出装置１は、同様の構成を有する２つのセンサヘッド３，３’を備えている。

探触子Ｔ及び探触子Ｔ’は、例えば圧電素子によって構成されており、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（表面波）を送出する送出部としての機能と、反射超音波（反射表面波）を受波する受波部としての機能とを有するものである。受波部としての機能は、反射表面波を受波すると受波した反射表面波に対応したパルス電流を発生することである。

図２（ｂ）に示すように、本実施形態における探触子Ｔ及び探触子Ｔ’は、それぞれ異なる２種類の圧電素子で構成されており、一方の圧電素子は周波数ｆ１の表面波を送出することができ、他方の圧電素子は周波数ｆ２の表面波を送出することができる。なお、圧電素子は、周波数ｆ１が周波数ｆ２より高く（ｆ１＞ｆ２）なるように選択されている。
圧電素子の代わりに、電磁コイルを用いたローレンツ型横波発生用センサなどの電磁超音波センサを用いて、探触子Ｔ及び探触子Ｔ’を構成してもよい。

センサホルダ４は、例えば略立方体で下方が開放された箱型の筐体であって、その箱型の内部において、超音波である表面波（レーリー波）を送出及び受波する探触子Ｔを有する。
さらにセンサホルダ４は、探触子Ｔと被検査体２との間で超音波を伝達する接触媒質を探触子Ｔに供給するための接触媒質供給管と、供給された接触媒質を探触子Ｔから回収するための接触媒質回収管を有するものである。このセンサホルダ４は、ホルダ支持体５により支持されるものとなっている。

センサホルダ４’は、上述のセンサホルダ４と同様の構成を有しており、ホルダ支持体５’により支持される。
超音波探傷器６は、２つのセンサヘッド３，３’に備えられた２つの探触子Ｔ，Ｔ’に接続されており、探触子Ｔ，Ｔ’の送出部として働く２種類の圧電素子のいずれかへ選択的に所定電圧のパルス電流を出力する。また、超音波探傷器６は、当該２種類の圧電素子が反射表面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り、後述する信号記録処理装置７に反射表面波信号として出力するものである。超音波探傷器６でパルス電流を調整することで、被検査体２の少なくとも２つの側面に伝播する表面波を探触子Ｔ，Ｔ’に送出させることができる。

信号記録処理装置７は、超音波探傷器６に接続されており、超音波探傷器６から出力された反射表面波信号を受信して、受信した反射表面波信号を基に、反射表面波（エコー）の到達時間、すなわち欠陥の位置などを算出するものである。
接触媒質供給回収部８は、センサヘッド３，３’の探触子Ｔ，Ｔ’で用いられる接触媒質を、センサホルダ４，４’の接触媒質供給管を通して探触子Ｔ，Ｔ’に供給すると共に、センサホルダ４，４’の接触媒質回収管を通して探触子Ｔ，Ｔ’から接触媒質を回収するものである。そのため、接触媒質供給回収部８は、センサホルダ４，４’の接触媒質供給管及び接触媒質回収管に接続される。ここで、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る。なお、探触子Ｔ，Ｔ’に電磁超音波センサを用いる場合は、接触媒質は不要である。

エアブロア９，９’は、被検査体２の側面上に残る接触媒質などを除去するための手段である。図２（ａ）に示すように、エアブロア９，９’は、被検査体２の側面の幅とほぼ同じ幅を持つ略直方体の筐体と、該筐体の長手方向に沿って設けられた複数のエアノズルと、エア導入口（図示せず）とから構成される。
図２（ａ）に示すように、エアブロア９，９’は、センサヘッド３，３’が配置された被検査体２の側面上で、センサヘッド３，３’から所定の距離だけ離れた通材方向下流側に配置される。このとき、エアブロア９，９’は、被検査体２の側面との間に大きな摩擦が生じないように、該側面との間に所定の間隔を確保して浮き上がった状態で配置される。また、このような位置で、エアブロア９，９’は、エアノズルを被検査体２の周方向に沿った表面波の伝播範囲に向けて配置されている。

エア供給部１０は、表面皮下欠陥検出装置１が設置される工場全体での使用を目的としたエアを供給する工場圧力配管やコンプレッサなどである。このエア供給部１０は、エアブロア９，９’のエア導入口に接続されて、エアを供給する。
上述のような構成の表面皮下欠陥検出装置１を被検査体２の検査ラインに設置して、図２（ａ）の右側に示すように、２つの探触子Ｔ，Ｔ’が被検査体２の隣接する側面に当接し、探触子Ｔは、探触子Ｔ’に向かって矢印で示される被検査体２の周方向に表面波が送出されるように、探触子Ｔ’は、探触子Ｔに向かって該矢印の反対方向に表面波が送出されるように、２つのセンサヘッド３，３’を配置する。

このように配置することで、探触子Ｔが送出した表面波を探触子Ｔ’が受波することができ、その逆に、探触子Ｔ’が送出した表面波を探触子Ｔが受波することができる。
エアブロア９，９’は、これら２つのセンサヘッド３，３’のそれぞれに対応する位置に配置される。
次に、図３及び図４を参照しつつ、上述のように設置された表面皮下欠陥検出装置１の動作（表面皮下欠陥検出方法）について、以下に説明する。

図３は、表面皮下欠陥検出装置１の動作のフローチャートを示す図である。
図４は、表面皮下欠陥検出装置１の動作における、初期設定の方法を説明する概略図であり、図４（ａ）は、欠陥ｄ’からの反射表面波（Ｓ）のオーバルからの反射表面波（Ｎ）に対する比（Ｓ／Ｎ比）の検出方法を示す図であり、図４（ｂ）は、オーバルを透過した表面波（透過表面波）強度の閾値の決定方法を示す図である。

図４に示す表面皮下欠陥検出装置１の動作において、まずステップＳ１を行う。
ステップＳ１では、通常のオーバルを有すると共に検出下限の大きさの表面欠陥又は表面皮下欠陥ｄ’を有するテスト鋼片１１を準備する。その後、オーバルを挟んで隣接する２つの側面のうち、表面皮下欠陥ｄ’を有しない側面に探触子Ｔを当接させ、表面皮下欠陥ｄ’を有する側面上で当該表面皮下欠陥ｄ’よりも探触子Ｔから遠くなる位置に探触子Ｔ’を当接させる。

ステップＳ１でテスト鋼片１１の準備ができれば、ステップＳ２に処理を進める。
ステップＳ２では、図４（ａ）に示すように、探触子Ｔから探触子Ｔ’に向かって周波数ｆ１の表面波を送出する。探触子Ｔが送出した表面波は、オーバルを透過して欠陥ｄ’で反射する。欠陥ｄ’で反射した表面波は、オーバルを透過して探触子Ｔに戻り、受波される。

この一連の動作における信号検出は、超音波探傷器６で行われ、信号記録処理装置７は、図４（ａ）の下に示すような各検出信号の強度を表示する。当該各検出信号のうち、欠陥ｄ’からの反射表面波（Ｓ）と、オーバルからの反射表面波（Ｎ）とを比較して、欠陥ｄ’からの反射表面波（Ｓ）のオーバルからの反射表面波（Ｎ）に対する比（Ｓ／Ｎ比）を求める。こうして求めたＳ／Ｎ比が、例えば２未満であった場合、探触子が送出する表面波の周波数ｆ１を変更して、再度上記動作を行い、Ｓ／Ｎ比が２以上となるような表面波の周波数（探傷信号周波数）ｆ１を選択する。

このとき、もう一つの表面波の周波数ｆ２を、周波数ｆ１に対して所定の値だけ低くなるように選択することで、ｆ１＞ｆ２となるように表面皮下欠陥検出装置１を設定する。（探触子が送出する表面波の周波数ｆ１，ｆ２を選択する。）
その後、ステップＳ３において、探触子Ｔと探触子Ｔ’との間に欠陥ｄ’が存在しないように、２つの探触子Ｔ，Ｔ’の位置をテスト鋼片の長手方向にずらして移動させる。

２つの探触子Ｔ，Ｔ’の位置をずらすと、図４（ｂ）に示すように、探触子Ｔと探触子Ｔ’との間には、オーバルだけが存在し、欠陥ｄ’は存在しなくなる。この状態で、図４（ｂ）に示すように、探触子Ｔから探触子Ｔ’に向かって周波数ｆ１の表面波を送出する。探触子Ｔが送出した表面波は、オーバルを透過して探触子Ｔ’に受波される。
この一連の動作における信号検出は超音波探傷器６で行われ、信号記録処理装置７は、図４（ｂ）の下に示すような透過表面波による信号の強度を表示する。このときの信号強度を、以下に続く被検査体２の検査における閾値として設定する。

次に、ステップＳ４にて、検査対象である鋼片（被検査体２）を準備する。その上で、表面皮下欠陥検出装置１の２つの探触子Ｔ，Ｔ’を、被検査体２のオーバルを挟む側面Ａと側面Ｂにそれぞれ当接させる。その後、探触子Ｔが探触子Ｔ’に向かって表面波を送出し、探触子Ｔは被検査体２内で反射した反射表面波を受波し、探触子Ｔ’はオーバルを透過した透過表面波を受波する。

ステップＳ５では、探触子Ｔ’が受波した透過表面波の強度が、ステップＳ３で設定した閾値以上であるか否かを判定する。透過表面波の強度が当該閾値以上であった場合、探触子Ｔが送出する表面波の周波数をｆ１のまま変更しないことにする（ステップＳ６）。しかし、透過表面波の強度が当該閾値未満であった場合、探触子Ｔが送出する表面波の周波数をｆ２に変更する（ステップＳ７）。

その後、ステップＳ６、ステップＳ７のどちらを採用したとしても、探触子Ｔにより検出した「Ｓ／Ｎ比が２以上となる表面反射波」を基に、表面欠陥の有無を判断する。
ところで、ステップＳ７において、探触子Ｔが送出する表面波の周波数をｆ２に切り換えていたが、図５に示すように、送出する表面波の周波数を広帯域とすることで、斯かる切り換えが不要となる。

すなわち、これまでに述べた２つの探触子Ｔ，Ｔ’は、図５に「狭帯域の場合」として示すように、互いに帯域が重なり合わない狭帯域の表面波を送出する２つの圧電素子として、周波数ｆ１の表面波を送出する圧電素子と周波数ｆ２の表面波を送出する圧電素子とを有している。
しかし、２つの探触子Ｔ，Ｔ’は、図５に「広帯域の場合」として示すような、[(ｆ１＋ｆ２)／２｝を中心周波数としつつ周波数ｆ１と周波数ｆ２を含む広帯域の表面波を送出する「単一の圧電素子」から構成されていてもよい。

例えば図３のフローチャートにおいて、ステップＳ４で、探触子Ｔが周波数ｆ１と周波数ｆ２を含む広帯域の表面波を送出し、探触子Ｔ’が被検査体２を伝播した当該広帯域の表面波を受波したとする。
そのときステップＳ５において、超音波探傷器６又は信号記録処理装置７は、周波数ｆ１及び周波数ｆ２の何れか一方を選択的に透過させるローパスフィルタやハイパスフィルタなど（バンドパスフィルタでもよい）を用いて、探触子Ｔ’が受波した当該広帯域の表面波から周波数ｆ１の成分だけを抽出し、オーバルを透過した周波数ｆ１の透過表面波の強度が、ステップＳ３で設定した閾値以上であるか否かを判定する。

当該透過表面波の強度が閾値未満であった場合、ステップＳ７では、フィルタを切り換え、周波数ｆ２の成分だけを抽出するように変更して、検査をやり直すことができる。
このような広帯域の表面波を送出する圧電素子を採用しても、表面又は表面皮下欠陥からの反射表面波（Ｓ）のオーバルからの反射表面波（Ｎ）に対する比（Ｓ／Ｎ比）が高く、且つ欠陥からの反射表面波の検出においてオーバルの影響が小さな表面皮下欠陥検出を実現することができる。
（第２実施形態）
図６及び図７を参照しながら、以下に、本発明の第２実施形態による表面皮下欠陥検出装置１及び表面皮下欠陥検出方法について説明する。

図６は、本実施形態による表面皮下欠陥検出方法の概略を示す図である。
図７は、２つの探触子Ｔ，Ｔ’からそれぞれ対向する方向に表面波を送出した状態を示す図である。
本実施形態による表面皮下欠陥検出装置１の構成は第１実施形態における表面皮下欠陥検出装置１と同様の構成を有するものである。

また、本実施形態による表面皮下欠陥検出方法は、第１実施形態において図３のフローチャートに示した各ステップとほぼ同様のステップを有している。本実施形態による表面皮下欠陥検出方法は、図３のフローチャートに示したステップＳ１〜ステップＳ３を実行した後に、ステップＳ４〜ステップＳ７で、被検査体２の全周（側面Ａ〜側面Ｄ）を検査することと、表面波を探触子Ｔと探触子Ｔ’との間でそれぞれ対向する方向に送出することを特徴としている。

図６を参照しながら、本実施形態による表面皮下欠陥検出方法について以下に説明する。
まず、第１実施形態における図３のステップＳ４と同様に、表面皮下欠陥検出装置１の２つの探触子Ｔ，Ｔ’を被検査体２のオーバルを挟む側面Ａと側面Ｂにそれぞれ当接させる。その後、探触子Ｔが探触子Ｔ’に向かって表面波を送出し、探触子Ｔは被検査体２内で反射した反射表面波を受波し、探触子Ｔ’はオーバルを透過した透過表面波を受波する。

これに続いて、探触子Ｔ’が探触子Ｔに向かって表面波を送出し、探触子Ｔ’は被検査体２内で反射した反射表面波を受波し、探触子Ｔはオーバルを透過した透過表面波を受波する。これら反射表面波及び透過表面波を受波した後、図３のステップＳ５に処理を進める。
ステップＳ５では、探触子Ｔ’が受波した透過表面波の強度が、ステップＳ３で設定した閾値以上であるか否かを判定する。透過表面波の強度が当該閾値以上であった場合、探触子Ｔが送出する表面波の周波数をｆ１のまま変更しない（ステップＳ６）。しかし、透過表面波の強度が当該閾値未満であった場合、探触子Ｔが送出する表面波の周波数をｆ２に変更する（ステップＳ７）。

続いて、探触子Ｔが受波した透過表面波の強度が、ステップＳ３で設定した閾値以上であるか否かを判定する。透過表面波の強度が当該閾値以上であった場合、探触子Ｔ’が送出する表面波の周波数をｆ１のまま変更しない（ステップＳ６）。しかし、透過表面波の強度が当該閾値未満であった場合、探触子Ｔ’が送出する表面波の周波数をｆ２に変更する（ステップＳ７）。

このように、ステップＳ６又はステップＳ７で、探触子Ｔが送出する表面波の周波数と、探触子Ｔ’が送出する表面波の周波数とを選択した後に、図６に示す手順で、被検査体２の全周を検査し、表面欠陥を検出する。
まず、図６の左端に示すように、探触子Ｔを側面Ａに配置し、探触子Ｔ’を側面Ｂに配置する。ステップＳ６又はステップＳ７で選択された周波数の表面波を用いて、探触子Ｔが表面波を送出し、その後に探触子Ｔ’が表面波を送出することで、側面Ａ及び側面Ｂの検査を行う（第１送出ステップ）。

次に、探触子Ｔを側面Ｂに配置すると共に探触子Ｔ’を側面Ｃに配置し、探触子Ｔ及び探触子Ｔ’が同様の手順で表面波を送出することで、側面Ｂ及び側面Ｃの検査を行う（第２送出ステップ）。
続いて、探触子Ｔを側面Ｃに配置すると共に探触子Ｔ’を側面Ｄに配置し、探触子Ｔ及び探触子Ｔ’が同様の手順を繰り返して表面波を送出することで、側面Ｃ及び側面Ｄの検査を行う（第３送出ステップ）。

最後に、探触子Ｔを側面Ｄに配置すると共に探触子Ｔ’を側面Ａに配置し、探触子Ｔ及び探触子Ｔ’が同様の手順を繰り返して表面波を送出することで、側面Ｄ及び側面Ａの検査を行う（第４送出ステップ）。
この手順によって、本実施形態による表面皮下欠陥検出方法は、２つの探触子Ｔ，Ｔ’の配置を図６において時計回りに変更することで、被検査体２の側面を全周にわたって検査することができる。また、探触子Ｔと探触子Ｔ’との間で表面波をそれぞれ対向するに送出しているので（送信波の方向：「探触子Ｔ→探触子Ｔ’」又は「探触子Ｔ←探触子Ｔ’」）、表面波を図６において表面波を時計回りに送出した検査と反時計回りに送出した検査とを行うことができる。

図７を参照して、探触子Ｔと探触子Ｔ’との間で表面波を双方向に送出することの利点を以下に説明する。
図７は、欠陥を有する被検査体２の同一側面上に２つの探触子Ｔ，Ｔ’を配置し、それぞれ対向する方向に表面波を送出した状態を示す図である。図中、被検査体２の表面皮下に示される矢印は、探触子Ｔ，Ｔ’から送出された表面波を示している。

図７に示すように紙面右上から左下方向に向かって傾斜した欠陥は、紙面右側の探触子Ｔ’が送出した表面波を被検査体２の内部に向かって反射してしまうので、右側の探触子Ｔ’で欠陥を検出することは困難である。しかし、紙面左側の探触子Ｔが送出した表面波は、欠陥と被検査体２の表面に閉じこめられる向きに反射するため、被検査体２の側面を伝播して紙面左側の探触子Ｔに戻る。これによって、紙面左側の探触子Ｔは、欠陥を検出することができる。

このように欠陥の形状は複雑であるため、表面波の伝播方向に対して有効な散乱断面積が小さい欠陥や上述したような傾いた欠陥である場合でも、２つの探触子Ｔ，Ｔ’から互いに対向する方向に表面波を送出する表面皮下欠陥検出方法によれば、第１実施形態における効果に加えて、確実に欠陥を検出することができる。
（第３実施形態）
図８を参照しながら、以下に、本発明の第３実施形態による表面皮下欠陥検出装置１及び表面皮下欠陥検出方法について説明する。図８は、本実施形態による表面皮下欠陥検出方法の概略を示す図である。

本実施形態による表面皮下欠陥検出方法は、第２実施形態による表面皮下欠陥検出方法とほぼ同様のステップで、被検査体２の側面を全周にわたって検査するものであるが、第２実施形態とは２つの探触子Ｔ，Ｔ’を配置する側面が異なり、全周検査に要する工程が第２実施形態に比して略半分で済む方法である。
図８に示す如く、まず、表面皮下欠陥検出装置１の２つの探触子Ｔ，Ｔ’のうち、探触子Ｔを側面Ａに配置し、探触子Ｔ’を、探触子Ｔからの表面波の送出方向においてオーバルと側面Ｂを隔てた側面Ｃにそれぞれ当接させる。このように２つの探触子Ｔ，Ｔ’を配置した後に、探触子Ｔから表面波を送出し、その後に探触子Ｔ’からも表面波を送出する（第５送出ステップ）。こうすることで、第２実施形態と同様の方法を用いて、側面Ａ〜側面Ｃの３面を同時に検査することができる。

この後、探触子Ｔを側面Ｃに配置し、探触子Ｔ’を、探触子Ｔからの表面波の送出方向においてオーバルと側面Ｄを隔てた側面Ａにそれぞれ当接させる。このように２つの探触子Ｔ，Ｔ’を配置した後に、探触子Ｔから表面波を送出し、その後に探触子Ｔ’からも表面波を送出する（第６送出ステップ）。こうすることで、第２実施形態と同様の方法を用いて、側面Ｃ〜側面Ａの３面を同時に検査することができる。

このような図８に示す方法によっても、被検査体２の側面を全周にわたって検査することができ、第１実施形態における効果に加えて、確実に欠陥を検出することができる。なぜならば、オーバルが存在するのは、図１の紙面に向かって上下方向に位置する残りの２つの頂部であり、４つの頂部全てに存在しないからである。つまり、本実施形態であっても第２実施形態であっても、探触子Ｔと探触子Ｔ’との間には、一つのオーバルしか存在しないため、本実施形態は第２実施形態と略同じ検出ロジックで表面欠陥を検出可能である。

とはいえ、本実施形態においては、第１及び第２実施形態とは異なり、表面波が被検査体２の３面を伝播しなくてはならないので、表面波送出の出力を適切な大きさに設定する必要があることは言うまでもない。
なお、今回開示された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。

１表面皮下欠陥検出装置
２被検査体
３，３’センサヘッド
４，４’ センサホルダ
５，５’ホルダ支持体
６超音波探傷器
７信号記録処理装置
８，接触媒質供給回収部
９，９’エアブロア
１０エア供給部
１１テスト鋼片
Ｔ，Ｔ’ 探触子
ｄ，ｄ’ 欠陥

Claims

複数の面を有する被検査体表面に存在する欠陥を超音波を用いて検出する方法であって、
前記被検査体の表面直下を伝播する超音波を、前記被検査体の一つの面から隣接する他の面へ向かって送出する送出ステップと、
前記送出ステップで送出された超音波のうち前記被検査体表面の欠陥で反射した反射超音波を検出する検出ステップと、
前記一つの面から前記隣接する他の面への移行部である角部を透過した超音波を受波する受波ステップと、
前記受波ステップで受波した超音波の強度に基づいて、前記送出ステップで送出される超音波の周波数を変更するか否かを判定する判定ステップと、を備えることを特徴とする表面皮下欠陥検出方法。
前記判定ステップは、前記受波ステップで受波した超音波の強度が所定の閾値以上となったときに、前記送出ステップで送出される超音波の周波数を変更しないことを特徴とする請求項１に記載の表面皮下欠陥検出方法。
前記判定ステップは、前記受波ステップで受波した超音波の強度が所定の閾値未満となったときに、前記送出ステップで送出される超音波の周波数を変更することを特徴とする請求項１に記載の表面皮下欠陥検出方法。
前記被検査体が順に隣接するＡ〜Ｄの４面を有すると共に、Ａ面とＢ面の間の角部及びＣ面とＤ面の間の角部が前記超音波の減衰が大きくなるオーバル形状を有し、当該前記被検査体の表面に存在する欠陥を検出するに際しては、
前記送出ステップが、
前記被検査体の表面直下を伝播する超音波を、前記被検査体のＡ面からＢ面へ送出する第１送出ステップと、
前記被検査体の表面直下を伝播する超音波を、前記被検査体のＢ面からＣ面へ送出する第２送出ステップと、
前記被検査体の表面直下を伝播する超音波を、前記被検査体のＣ面からＤ面へ送出する第３送出ステップと、
前記被検査体の表面直下を伝播する超音波を、前記被検査体のＤ面からＡ面へ送出する第４送出ステップと、を有することを特徴とする請求項１に記載の表面皮下欠陥検出方法。
前記被検査体が順に隣接するＡ〜Ｄの４面を有すると共に、Ａ面とＢ面の間の角部及びＣ面とＤ面の間の角部が前記超音波の減衰が大きくなるオーバル形状を有し、当該前記被検査体の表面に存在する欠陥を検出するに際しては、
前記送出ステップが、
前記被検査体の表面直下を伝播する超音波を、前記被検査体のＡ面からＢ面を経てＣ面へ送出する第５送出ステップと、
前記被検査体の表面直下を伝播する超音波を、前記被検査体のＣ面からＤ面を経てＡ面へ送出する第６送出ステップと、を有することを特徴とする請求項１に記載の表面皮下欠陥検出方法。
被検査体の表面直下を伝播する超音波を送出する送出部と、少なくとも前記被検査体表面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直下を伝播する超音波を送出する送出部と、少なくとも前記被検査体表面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、を備え、
第１の探触子は、複数の面を有する前記被検査体の一つの面上に配置され、
第２の探触子は、前記第１の探触子が配置された面から隣接する他の面への移行部である角部を隔てて前記第１の探触子とは異なる面上に配置されている表面皮下欠陥検出装置であって、
前記第１の探触子に備えられた送出部から、前記被検査体の表面直下を伝播する超音波を、前記被検査体の一つの面から隣接する他の面へ向かって送出し、
前記第１の探触子に備えられた受波部により、前記送出された超音波のうち前記被検査体表面の欠陥で反射した反射超音波を検出し、
前記第２の探触子に備えられた受波部により、前記一つの面から前記隣接する他の面への移行部である角部を透過した超音波を受波し、
前記第２の探触子に備えられた受波部で受波した超音波の強度に基づいて、前記送出される超音波の周波数を変更するか否かを判定するように構成されていることを特徴とする表面皮下欠陥検出装置。
前記第２の探触子は、送出する超音波の送出方向を、前記第１の探触子から送出された超音波の伝播方向の逆方向に向けて配置されていることを特徴とする請求項６に記載の表面皮下欠陥装置。
前記第１の探触子及び／又は前記第２の探触子の送出部は、周波数の異なる超音波を送出可能であることを特徴とする請求項７に記載の表面皮下欠陥検出装置。
被検査体の表面直下を伝播する超音波を送出する送出部と、少なくとも前記被検査体表面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直下を伝播する超音波を送出する送出部と、少なくとも前記被検査体表面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、を備え、
前記第１の探触子及び／又は前記第２の探触子の送出部は、周波数の異なる超音波を含む広帯域超音波を送出可能とされ、
第１の探触子は、複数の面を有する前記被検査体の一つの面上に配置され、
第２の探触子は、前記第１の探触子が配置された面から隣接する他の面への移行部である角部を隔てて前記第１の探触子とは異なる面上に配置されている表面皮下欠陥検出装置であって、
前記第１の探触子に備えられた送出部から、前記被検査体の表面直下を伝播する超音波を、前記被検査体の一つの面から隣接する他の面へ向かって送出し、
前記第１の探触子に備えられた受波部により、前記送出された超音波のうち前記被検査体表面の欠陥で反射した反射超音波を検出し、
前記第２の探触子に備えられた受波部により、前記一つの面から前記隣接する他の面への移行部である角部を透過した超音波を受波し、
前記第２の探触子に備えられた受波部で受波した超音波の強度に基づいて、前記第２の探触子の受波部で受波された前記広帯域超音波に含まれる前記周波数の異なる超音波のそれぞれを選択的に透過する又は選択的に遮断するフィルタ部を切り替えるか否かを判定するように構成されていることを特徴とする表面皮下欠陥検出装置。