JP6223783B2 - 超音波探傷センサおよび超音波探傷方法 - Google Patents

Description

本発明は、送信用センサと受信用センサを用いた超音波探傷センサおよび超音波探傷方法に関するものである。

初めに、一般的なフェーズドアレイ超音波探傷方法（以下、超音波探傷をUT(Ultrasonic Testing)と記載する。）の原理を説明する。図８に示されるように、ＵＴセンサを構成する直方体の超音波素子（以下、素子と記述する。）は、平行配列される。素子間の超音波発信開始時間差（以下、遅延時間と記述する。）を調整することで焦点に同時に超音波を到達させ、焦点の音圧を高めて探傷を行う。遅延時間を調整することで焦点位置を変更し、超音波を走査する。

この構成よりなるアレイセンサの素子ピッチの制約因子は次の通りである。メインローブ（以下、ＭＬと記述する。）を焦点に収束させる際に、図９に示すように、ＭＬ以外にも超音波の位相が揃うグレーティングローブ（以下、ＧＬと記述する。）が生じる。ＧＬのＭＬに対する発生角Δφは、数式（１）で記述される（例えば、非特許文献１のｐ．３の１６行目参照）。

２ｄ・ｓｉｎΔφ＝ｎ・λ 数式（１）
ここで、
ｄ：素子ピッチ [mm]
ｎ：整数
λ：超音波波長 [mm]
を表す。

ＧＬの入射方向に反射源がある場合、MLの反射波として誤認識される疑似信号が発生する。このため、センサの素子ピッチｄは数式（２）で記述されるＧＬが発生しない範囲に限定されていた。

ｎ・λ÷２ｄ＝ｓｉｎθ＞１
ｄ＜λ÷２ （ｎ＝１） 数式（２）

一方、センサ面積拡大によるフェーズドアレイＵＴの感度向上方法として、超音波素子ピッチをλ／２以上とするセンサが知られている（例えば、特許文献１参照）。また、検査対象に対する設置角が異なる複数のアレイセンサを組み合わせた超音波プローブが知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００９−２９３９８０号公報 特開２０１３−４２９７４号公報 ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｌｉｔ．ｇｏ．ｊｐ／ｃｈｏｓａｈｏｋｏｋｕ／ｈ１６ｇｉｋｅｎ／ｈ１５／ｐｄｆ／０５０２．ｐｄｆ

特許文献１に示されるようなセンサでは、ＧＬが発生する。ここで、ＧＬ発生方向に反射源がある場合、疑似信号が発生するため、ＭＬで発生した信号と識別する必要がある。

これに対し、特許文献２に示されるようなプローブでは、検査対象に対する設置角が異なる複数のアレイセンサを組み合わせることで、ＧＬを識別可能としている。

図１０に示すように、この構成のプローブの左側のアレイセンサで反射源を探傷した場合、ＭＬが入射するため強いエコーが検出される。中央のセンサで探傷した場合にはＧＬにより弱いエコーが検出される。右側のセンサで探傷した場合には反射波は検出されない。これらのアレイセンサごとの反射エコー挙動の差異を利用して、ＧＬによる反射を識別可能としている。

しかし、特許文献２に記載されるようなセンサを外形が平面の検査対象に適用しようとする場合、センサを直接接触させられないという問題がある。

本発明の目的は、検査対象の平面部分にセンサを設置した場合にもＧＬを識別することができるＵＴセンサおよびＵＴ方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、送信センサと受信センサを検査対象を挟むように配置するステップと、グレーティングローブの発生角Δφを計算するステップと、検査対象の形状と前記検査対象に対する送信センサ及び受信センサの位置とに基づいて、グレーティングローブ発生方向の反射源の有無を評価するステップと、前記受信センサにより反射波の受信位置を測定するステップと、計算された発生角Δφに基づくグレーティングローブの受信位置と、測定された反射波の受信位置とを比較することにより、グレーティングローブの反射波か否かを評価するステップと、を有するようにしたものである。

本発明によれば、検査対象の平面部分にセンサを設置した場合にもＧＬを識別することができる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の第１の実施形態によるＧＬ識別方法の概念図である。 ＧＬの識別を行わない超音波探傷において必要な受信センサの最短長さの説明図である。 本発明の第１の実施形態による超音波探傷センサの構成図である。 本発明の第１の実施形態による超音波探傷方法のフロー図である。 本発明の第１の実施形態による超音波探傷センサを備えた超音波探傷システムのフロー図である。 本発明の第２の実施形態によるＧＬ識別方法の概念図である。 ＧＬの識別を行わない超音波探傷において必要な送信センサの最短長さの説明図である。 本発明の第２の実施形態による超音波探傷センサの構成図である。 本発明の第２の実施形態による超音波探傷方法のフロー図である。 フェーズドアレイ超音波探傷方法の原理の説明図である。 ＧＬの発生機構の説明図である。 検査対象に対する設置角が異なる複数のアレイセンサを組み合わせたセンサを用いたＧＬの識別方法の説明図である。

（第１の実施形態）
図１〜図４及び数式（１）、数式（３）〜（４）を用いて、本発明の第１実施形態による超音波探傷センサおよび超音波探傷方法について説明する。

最初に、図１を用いて、第１の実施形態におけるＧＬ識別方法の概要について説明する。ＵＴセンサ１は、送信センサ１Ｔと受信センサ１Ｒを備える。送信センサ１Ｔと受信センサ１Ｒは検査対象３０１を挟むように配置される。送信センサ１Ｔは、直方体の素子（圧電素子）を１次元配列して構成し、超音波を送信する。受信センサ１Ｒも、直方体の素子を１次元配列して構成し、検査対象内３０１で生じる超音波の反射波を受信する。

本実施形態のＵＴにおいては、
（i）超音波探傷により検査対象上におけるセンサの位置を測定する。

図１に示される矢印ＡＲ１は、送信センサ１Ｔから送信された入射波が検査対象３０１の角で反射された反射波を示す。また、矢印ＡＲ２は、受信センサ１Ｒから送信された入射波が、検査対象３０１の角で反射された反射波を示す。このように、送信センサ１Ｔあるいは受信センサ１Ｒと検査対象３０１の角等の超音波反射率が高い特徴エコー源との距離と角度を測定することにより、送信センサ１Ｔ及び受信センサ１Ｒの検査対象３０１に対する位置を測定する。さらに、送信センサ１Ｔと受信センサ１Ｒ間で超音波を送受信することにより、センサ間の相対位置を計測することで、位置測定精度を向上させてもよい。
（ii）素子ピッチから数式（１）を用いてＧＬ発生角を計算し、
（iii）ＧＬ入射方向における反射源の有無を評価（判断）し、
（iv）ＧＬ入射方向に反射源がある場合、反射波の受信位置を測定（評価）する。受信センサ１Ｒ上におけるＭＬの受信位置とＧＬの受信位置は異なるため、受信位置の測定結果に基づきＭＬとＧＬを識別する。

次に、図２を用いて、本発明の第１の実施形態によるＵＴ方法の実施に必要なセンサ構成を示す。図２Ａは、ＧＬの識別を行わないＵＴにおいて必要な受信センサの最短長さLmin1を説明するための図である。Lmin1は、数式（３）で記述される。

Lmin1 = W{tan(Φmax) -tan(Φmin)}＋L0 （３）
ここで、
W：検査対象幅（試験体幅）
Φmax：超音波走査角の最大値
Φmin：超音波走査角の最小値
L0：欠陥検出に必要なセンサの長さ
を表す。

図２Ａにおいて、太線で示される検査範囲ΔＷは、走査角がΦmin以上、かつ、Φmax以下のＭＬで走査される。欠陥検出に必要な送信センサ１Ｔの長さL0は、所定の大きさの欠陥を検出するために必要な送信センサ１Ｔの長さの最小値であり、所定値である。

図２Ｂは、本発明の第１の実施形態によるＵＴセンサ１の構成図である。図２Ｂに記載のように本実施形態においては、受信角度がＧＬの発生角Δφだけ広くなるので、超音波探傷に必要な受信センサ１Ｒの最短長さLmin2は数式（４）で記述される。

Lmin2 = W{tan(Φmax+ Δφ) -tan(Φmin- Δφ)}＋L0 （４）
このように、本実施形態においては反射波の受信位置に基づきＭＬとＧＬを識別するため、ＭＬとＧＬの識別を行わない従来のＵＴ方法のセンサよりも長い受信センサ１Ｒを用いる。これにより、受信センサ１Ｒで、検査範囲ΔＷで反射したＭＬ走査時に生じるＧＬを受信可能とした。

次に、図３及び図４を用いて、第１の実施形態のＧＬ識別ステップについて説明する。図３は、本発明の第１の実施形態によるＵＴ方法のフロー図である。図４は、本発明の第１の実施形態によるＵＴセンサ１を備えたＵＴシステム１００のフロー図である。ＵＴシステム１００は、制御ＰＣ９、ＵＴ装置８、ＵＴセンサ１から構成される。

図３に示すステップ１０１は、制御ＰＣ９への試験体形状、試験体音速、超音波探傷位置、構成素子数、素子ピッチの入力ステップである。これらの入力パラメータは、制御ＰＣ９のキーボード２６、記録メディア２７のうち１つ以上の装置を用いて入力され、制御ＰＣ９のＩ／Ｏポート２５を介してＣＰＵ２１に伝達される。そして、入力パラメータは、ランダムアクセスメモリ２３（ＲＡＭ）、ハードディスクドライブ２２（ＨＤＤ）のうち１つ以上の記憶媒体に記録される。記録メディア２７としては、ＤＶＤ、ブルーレイ等を用いる。また、ＨＤＤ２２としては、磁気記憶媒体、ＳＳＤ等を用いる。

ステップ１０２は、検査対象３０１上のセンサ位置測定ステップである。検査対象３０１の角等の反射源位置と送信用センサ１Ｔ、受信用センサ１Ｒとの距離、角度をＵＴにより測定し、検査対象３０１上におけるセンサ位置及びセンサ間の相対位置を測定する。

ステップ１０３は、ＧＬ発生角の計算ステップである。リードオンリーメモリ２４（ＲＯＭ）、ＲＡＭ２３、ＨＤＤ２２のうち１つ以上の記憶媒体に格納された数式（１）の計算プログラムをＣＰＵ２１で実行し、ＧＬ発生角Δφを計算する。計算結果は、ＲＡＭ２３、ＨＤＤ２２のうち１つ以上の記憶媒体に記憶するとともに、Ｉ／Ｏポート２５を介してモニタ２８に表示する。

ステップ１０４は、ＧＬ発生方向の反射源有無の評価ステップである。ステップ１０１で入力した検査対象形状と、ステップ１０２で測定した検査対象上のセンサ位置の測定結果から、ＣＰＵ２１でＧＬ発生方向の反射源の有無を評価し、反射源が有る場合には受信位置を計算する。計算結果はＲＡＭ２３、ＨＤＤ２２のうち１つ以上の記憶媒体に記憶するとともに、Ｉ／Ｏポート２５を介してモニタ２８に表示する。

ステップ１０５は、受信センサ１Ｒ上における反射波の受信位置の測定ステップである。ＣＰＵ２１で受信強度が最も強い受信センサ１Ｒの素子位置から受信位置を測定する。受信位置の測定結果はＲＡＭ２３、ＨＤＤ２２のうち１つ以上の記憶媒体に格納するとともに、Ｉ／Ｏポート２５を介してモニタ２８に表示する。

更に、ステップ１０４で計算したＧＬの受信位置と測定された反射波の位置を比較することによりＧＬで生じた疑似信号か否かを評価する。

以上説明したように、本実施形態によれば、検査対象の平面部分にセンサを設置した場合にもＧＬを識別することができる。そのため、フェーズドアレイＵＴの高感度化と高Ｓ／Ｎ化が可能となる。

（第２の実施形態）
図５〜図７及び数式（１）、数式（５）を用いて、本発明の第２の実施形態におけるＵＴセンサおよびＵＴ方法について説明する。なお、図５〜図７において、図１〜図４と同一部分には、同一符号を付する。

最初に、図５を用いて、第２の実施形態におけるＧＬ識別方法の概要について説明する。

本実施形態の超音波探傷においても第１の実施形態と同様に、
（i）超音波探傷により検査対象上におけるセンサの位置を測定し、
（ii）数式（１）を用いてＧＬ発生角を計算し、
（iii）ＧＬ入射方向における反射源の有無を評価する。

第１の実施形態と異なるのは、
（iv）反射源がある場合にＭＬをＧＬ発生方向に入射させ、ＧＬ入射時とＭＬ入射時の反射強度を比較することによりＧＬを識別する点である。

図６に本実施形態におけるセンサ構成を示す。図６Ａは、ＧＬの識別を行わない従来のＵＴにおいて必要な送信センサの最短長さＬ１の説明図である。Ｌ１は、数式（５）で記述される。

Ｌ１＝h1-W1・tan(Φmax)＋Ｌ０ （５）
ここで、
h1：検査位置と最小走査角発信中心位置との距離
W１：送信センサ設置位置から検査対象位置までの距離
を表す。

ＧＬを発生させないＵＴセンサとするためには、Ｌ１全長にわたって素子ピッチをλ/2以下とする必要がある。

一方、図６Ｂの本実施形態の送信センサ１Ｔの長さＬｔは、Ｌｔ≧Ｌ１とするとともに、最小走査角発信中心位置から±Ｌ０／２の範囲だけ素子ピッチｄをλ/2以下とする。こうすることで最小走査角の超音波発信位置からはＧＬを発生させないセンサ構成とする。

また、最大走査角を超音波反射効率が高い最大値５５°として、ＧＬの入射角を５５°以上、即ち反射効率が低い入射角とする。この場合、送信センサ両端で探傷した場合にはＧＬは発生しないためその識別は不要となる。また、最小走査角発信中心位置から±Ｌ０／２以外の長さ範囲においては、本実施例における超音波探傷方法でＧＬを識別可能であるため、素子ピッチｄをλ/2以上とすることが可能である。

このため、送信センサ１Ｔの素子数を減らすことが可能である。また、第１の実施形態とは異なり、受信センサ１Ｒを数式（３）で記述される従来のＵＴにおける受信センサ１Ｒの長さとしてもＧＬを識別可能である。

次に、図７及び図４を用いて、第２の実施形態のＧＬ識別ステップについて説明する。図７は、本発明の第２の実施形態によるＵＴ方法のフロー図である。

ステップ２０１はステップ１０１と同様の、試験体形状、試験体音速、超音波探傷位置、構成素子数、素子ピッチの制御ＰＣ９への入力ステップである。

ステップ２０２はステップ１０２と同様の、検査対象３０１上におけるセンサ位置の測定ステップである。

ステップ２０３はステップ１０３と同様の、ＧＬ発生角の計算ステップである。

ステップ２０４はステップ１０４と同様の、ＧＬ発生方向の反射源有無の評価ステップである。

ステップ２０５は、ＧＬ発生方向をＭＬで探傷するステップである。ＭＬはＧＬに比し強度が強いため、ＭＬ入射時に強い反射が測定された場合、ＧＬの反射により生じたノイズと判断可能である。計算されたＧＬ発生方向へＭＬを入射させた場合に強い反射が測定された場合、疑似信号と判断する。

以上説明したように、本実施形態によれば、検査対象の平面部分にセンサを設置した場合にもＧＬを識別することができる。そのため、フェーズドアレイＵＴの高感度化と高Ｓ／Ｎ化が可能となる。

「なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記した実施例は本発明を分かりやすく説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることも可能であり、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。」

また、第１実施形態におけるＵＴにおいて、ステップ１０５の後にステップ２０５を実施してもよい。

また、第１の実施形態の受信センサ１Ｒを第２の実施形態におけるＵＴ方法に用いてもよく、第２の実施形態の送信センサ１Ｔを第１実施形態におけるＵＴ方法に用いてもよい。

１…超音波探傷センサ
２…検査対象
５…超音波素子
８…超音波探傷装置
９…制御ＰＣ
２１…ＣＰＵ（制御部）
２２…ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）
２３…ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）
２４…リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）
２５…Ｉ／Ｏポート
２６…キーボード
２７…記録メディア
２８…モニタ
２９…Ａ／Ｄコンバータ
３０…Ｄ／Ａコンバータ
１００…超音波探傷システム
１０１…試験体形状、試験体音速、超音波探傷位置、構成素子数、素子ピッチの制御ＰＣへの入力ステップ
１０２…試験体上のセンサ位置測定ステップ
１０３…ＧＬ発生角の計算ステップ
１０４…ＧＬ発生方向の反射源有無の評価ステップ
１０５…ＧＬ受信位置の評価ステップ
２０１…試験体形状、試験体音速、超音波探傷位置、構成素子数、素子ピッチの制御ＰＣへの入力ステップ
２０２…試験体上のセンサ位置測定ステップ
２０３…ＧＬ発生角の計算ステップステップ
２０４…ＧＬ発生方向の反射源有無の評価ステップ
２０５…ＧＬ入射方向のＭＬによる探傷ステップ
１…超音波探傷センサ
１Ｔ…送信センサ
１Ｒ…受信センサ
３０１…検査対象（試験体）

Claims (1)

1. 送信センサと受信センサを検査対象を挟むように配置するステップと、
   グレーティングローブの発生角Δφを計算するステップと、
   検査対象の形状と前記検査対象に対する送信センサ及び受信センサの位置とに基づいて、グレーティングローブ発生方向の反射源の有無を評価するステップと、
   前記受信センサにより反射波の受信位置を測定するステップと、
   計算された発生角Δφに基づくグレーティングローブの受信位置と、測定された反射波の受信位置とを比較することにより、グレーティングローブの反射波か否かを評価するステップと、
   を有することを特徴とする超音波探傷方法。

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