JP6290718B2 - 超音波検査装置及び超音波検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、被検体の複雑な三次元曲面形状の曲面部に沿って超音波探触子を走査する超音波検査装置及び超音波検査方法に関する。

発電プラントにおける構成機器の保全は正常な運転を維持するために必要であり、非破壊検査技術の果たす役割は重要性が高い。特に原子力プラントでは、原子炉圧力容器（ＲＰＶ）や再循環系配管などの原子炉一次系機器の健全性確保が重要であり、規格により、供用期間中に経年変化を確認するための体積検査として超音波探傷試験（ＵＴ）が義務づけられている。

例えば図１で示す、原子炉圧力容器１０１と配管１０２を接続するノズル（管台）１０３は、供用前検査（ＰＳＩ）及び供用中検査（ＩＳＩ）の対象箇所である。図２（ａ）にてノズル１０３の軸方向断面（ｘｚ断面及びｙｚ断面）を示すが、ノズル１０３の外面にはＲ部１０４、円筒部１０５、及び傾斜部１０６が形成されている。また、ノズル１０３の内面にはＲ部（ノズルコーナ部）１０７が形成されている。ノズル１０３の検査範囲１０８は、ノズル１０３の内面側の領域ＨＩＪＫであり、Ｒ部１０７を含むとともに原子炉圧力容器１０１の板厚相当部分を含む範囲である。なお、ノズル１０３の軸方向から見た場合における検査範囲１０８と外面Ｒ部１０４との位置関係を、図２（ｂ）に示す。

ノズル１０３の検査範囲１０８を探傷する際には、一般的に、図３（ａ）及び図３（ｂ）で示すように、ノズル１０３の外面Ｒ部１０４上に超音波探触子１を設置する。そして、ノズル１０３の外面Ｒ部１０４の形状に倣うように、ノズル１０３の周方向及び軸方向に超音波探触子１を走査するとともに、超音波探触子１から超音波を送信する。このとき、例えばノズル１０３の軸方向断面では屈折角０度、ノズル１０３の径方向断面では屈折角θとなるように、超音波を入射させる。そして、ノズル１０３の欠陥（詳細には、例えばき裂や孔）等からのエコー（反射波）を超音波探触子１で受信する。

そして、エコーの反射源の位置を認識すれば、エコーの反射源がノズル１０３の表面形状の変化部等でなく欠陥であるかを判断できるし、欠陥の位置も知ることができる。そのため、従来、超音波の伝播経路を解析して、エコーの反射源の位置を認識することが提唱されている（例えば特許文献１参照）。

特開２００２−２５７８０２号公報（特に、図２及び図３参照） 特開昭６３−３０９８５２号公報

上述したノズル１０３の外面Ｒ部１０４は、複雑な三次元曲面形状（詳細には、ノズル１０３の周方向及び軸方向に曲率を持つ形状）を有する曲面部である。そのため、ノズル１０３の周方向における超音波探触子１の位置に応じてノズル１０３の軸方向断面の形状が変化し（上述の図２（ａ）参照）、ノズル１０３の周方向及び軸方向における超音波探触子１の位置に応じて超音波の入射方向を決定づける面の法線方向が変化する。そこで、例えば特許文献１に記載のように、超音波の伝播経路を解析する際に、被検体の三次元形状モデルを用いることが考えられる。

しかし、特許文献１に記載の被検体の三次元形状モデルは、その表面をポリゴンによって定義することで構成されている。すなわち、明確に記載されていないものの、多数の表面座標の設計値で構築されている。そのため、被検体の三次元形状モデルは実像に対して公差内の誤差が生じることから、超音波の伝播経路にも誤差が生じる。特に、上述したノズル１０３の外面Ｒ部１０４は公差が大きい部位であるから、超音波の伝播経路に大きな誤差が生じやすい。

そこで、例えば特許文献２に記載のように、走査装置に距離センサを搭載し、距離センサの位置を変えながら距離センサと被検体の表面との間の距離を測定して、多数の表面座標の計測値を取得し、多数の表面座標の計測値で被検体の三次元形状モデルを構築する方法も考えられる。しかし、この場合、滑らかな三次元形状モデルを構築するために多数の表面座標の計測値を取得する必要があり、多大な手間と時間を要する。

本発明の目的は、迅速かつ高精度に、被検体の三次元形状モデルを生成して、エコーの反射源の位置を評価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。

上記目的を達成するために、本発明の超音波検査装置は、被検体の複雑な三次元曲面形状の曲面部に沿って超音波探触子を走査する走査装置と、前記走査装置の駆動情報に基づいて取得された前記超音波探触子の位置情報から、若しくは前記走査装置の駆動情報及び前記走査装置に搭載された距離センサで検出された距離情報から、前記被検体の外形座標の計測値を取得する外形座標取得部と、前記被検体の三次元形状モデルを形状定義関数で構築するとともに、前記被検体の外形座標の計測値に基づいて前記形状定義関数のパラメータを演算する形状モデル生成部と、前記超音波探触子の走査位置毎に、前記超音波探触子による超音波の送受信を制御して、受信超音波の波形データを取得する送受信装置と、前記被検体の三次元形状モデルに基づき、前記超音波探触子の走査位置毎に超音波の伝播経路を解析する伝播経路解析部と、前記超音波の伝播経路とこれに対応する前記波形データに基づき、三次元探傷画像を生成する探傷画像生成部と、前記三次元探傷画像を、前記被検体の三次元形状モデルに重畳して表示する表示装置と、を備える。

また、上記目的を達成するために、本発明の超音波検査方法は、走査装置を用いて、被検体の複雑な三次元曲面形状の曲面部に沿って超音波探触子を走査した場合に、前記走査装置の駆動情報に基づいて取得された前記超音波探触子の位置情報から、若しくは前記走査装置の駆動情報及び前記走査装置に搭載された距離センサで検出された距離情報から、前記被検体の外形座標の計測値を取得する第１の手順と、前記被検体の三次元形状モデルを形状定義関数で構築するとともに、前記被検体の外形座標の計測値に基づいて前記形状定義関数のパラメータを演算する第２の手順と、前記走査装置を用いて、前記被検体の前記曲面部に沿って前記超音波探触子を走査し、前記超音波探触子の走査位置毎に、前記超音波探触子による超音波の送受信を行って、受信超音波の波形データを取得する第３の手順と、前記被検体の三次元形状モデルに基づき、前記超音波探触子の走査位置毎に超音波の伝播経路を解析する第４の手順と、前記超音波の伝播経路とこれに対応する前記波形データに基づき、探傷画像を生成する第５の手順と、前記探傷画像を、前記被検体の三次元形状モデルに重畳して表示する第６の手順と、を有する。

本発明によれば、迅速かつ高精度に、被検体の三次元形状モデルを生成して、エコーの反射源の位置を評価することができる。

本発明の検査対象の一例であるノズルの構造を表す斜視図である。 図１で示されたノズルの検査範囲を示すためのノズルの軸方向断面図、並びにノズルの軸方向から見た場合におけるノズルの検査範囲と外面Ｒ部との位置関係を示す図である。 図２で示されたノズルの検査範囲を探傷するときの超音波探触子の走査を説明するための図である。 本発明の第１の実施形態における超音波検査装置の構成を表すブロック図である。 本発明の第１の実施形態における走査装置の構造を表す図である。 本発明の第１の実施形態における走査装置の走査パターンの具体例を表すとともに、送受信装置で取得する波形データの具体例を表す図である。 本発明の第１の実施形態における表示装置の表示画面の具体例を表す図である。 本発明の第１の実施形態におけるノズルの三次元形状モデルの一部を構築する形状定義関数を説明するための図である。 本発明の第１の実施形態における超音波検査方法の手順を表すフローチャートである。 本発明の第１の実施形態におけるパラメータ入力画面の具体例を表す図である。 本発明の第１の実施形態におけるノズルの外形座標の計測値の具体例を表す図である。 本発明の第１の実施形態におけるパラメータの補正方法を説明するための図である。 本発明の第１の実施形態における超音波の伝播経路の具体例を表す図である。 本発明の第１の変形例における表示装置の表示画面の具体例を表す図である。 本発明の第２の実施形態における超音波検査装置の構成を表すブロック図である。 本発明の第２の実施形態における複数の接触式距離センサの構造を表す図である。 本発明の第２の変形例におけるレーザ式距離センサの構造を表す図である。 本発明の第３の変形例における走査装置の傾き調整方法を説明するための図であり、走査装置が傾いていない状態を示す。 本発明の第３の変形例における走査装置の傾き調整方法を説明するための図であり、走査装置が傾いている状態を示す。 本発明の第３の変形例における走査装置の傾き調整方法を説明するための図であり、周方向走査装置の移動位置と倣い走査装置の移動位置との関係を示す。

以下、本発明の検査対象として、上述したノズル１０３を例にとり、本発明の実施形態を説明する。

本発明の第１の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。

図４は、本実施形態における超音波検査装置の構成を表すブロック図である。図５は、本実施形態における走査装置の構造を表す図である。

本実施形態の超音波検査装置は、斜角探傷用の超音波探触子１と、超音波探触子１を走査する走査装置２と、走査装置２を制御する制御装置３と、超音波探触子１による超音波の送受信を制御する送受信装置４と、各種の演算処理を実行する計算装置５と、各種のデータを記録する記憶装置６と、各種の情報を画面表示する表示装置７と、各種の条件を入力するとともに、各種の操作を実施するための入力装置８とを備えている。なお、計算装置５はコンピュータや電子部品を搭載した基板等で構成され、記憶装置６はハードディスクやランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）等で構成されている。また、表示装置７はディスプレイ等で構成され、入力装置８はマウスやキーボード、タッチパネル等で構成されている。

走査装置２は、例えば、配管１０２の外周側に取付けられた環状の軌道９と、この軌道９に沿って（すなわち、図５中矢印Ｄ１の方向に）移動可能に設けられた周方向走査装置１０と、この周方向走査装置１０に設けられ、軌道９に対して垂直な方向（図５中矢印Ｄ２の方向）にアーム１１を移動させる軸方向移動装置１２と、アーム１１の先端側（図５中右側）に設けられ、超音波探触子１を保持する倣い走査装置１３とを備えている。

周方向走査装置１０は、軌道９の外周側に形成されたラック１４と噛み合うピニオン１５と、このピニオン１５を回転させるモータ（図示せず）と、このモータの回転量を検出するエンコーダ（図示せず）とを有している。そして、ピニオン１５が回転することにより、周方向走査装置１０が軌道９に沿って移動する。これに伴い、倣い走査装置１３（すなわち、超音波探触子１）がノズル１０３の周方向に移動するようになっている。

軸方向移動装置１２は、軌道９に対して垂直な方向にアーム１１を移動させるモータ（図示せず）と、このモータの回転量を検出するエンコーダ（図示せず）とを有している。そして、アーム１１が移動することにより、ノズル１０３の軸方向における倣い走査装置１３の位置を調整可能としている。なお、倣い走査装置１３には、原子炉圧力容器１０１との接触状態を検出するリミットセンサ１６が設けられている。

倣い走査装置１３は、ノズル１０３の軸方向（図５中矢印Ｓ３参照）に回動可能に設けられた探触子押付機構１７と、この探触子押付機構１７を回動させるモータ（図示せず）と、このモータの回転量を検出するエンコーダ（図示せず）とを有している。探触子押付機構１７は、基端側がスライド可能に支持された押付アーム１８と、この押付アーム１８の先端側に取付けられ、超音波探触子１を保持する探触子ホルダ１９と、押付アーム１８をノズル１０３側に付勢して、超音波探触子１をノズル１０３の外面Ｒ部に押圧する付勢機構（詳細には、図示しないが、例えばバネ、空気圧シリンダ、又は油圧シリンダ）と、押付アーム１８のスライド量を検出するエンコーダ（図示せず）とを有している。

探触子ホルダ１９は、２軸のジンバル構造を有している。すなわち、超音波探触子１をノズル１０３の軸方向に回転可能に保持する内枠と、この内枠をノズルの周方向に回転可能に保持する外枠とを有している。これにより、上述した付勢機構によって押圧された超音波探触子１の姿勢を、ノズル１０３の外面Ｒ部１０４の法線方向に合わせるようになっている。そして、探触子押付機構１７が回動することにより、ノズル１０３の外面Ｒ部１０４の形状に倣うように、超音波探触子１がノズル１０３の軸方向に移動するようになっている。

制御装置３は、走査装置２のリミットセンサ１６及び複数のエンコーダからの検出情報を入力している。そして、リミットセンサ１６が原子炉圧力容器に接触するように、アーム１１の移動量を制御する。これにより、ノズル１０３の軸方向における倣い走査装置１３の位置（言い換えれば、探触子押付機構１７の回動中心位置）を制御するようになっている。また、例えば図６中左側に示すような走査パターンに基づき、周方向走査装置１０の移動位置を制御するとともに、探触子押付機構１７の回動角を制御する。これにより、ノズル１０３の外面Ｒ部１０４の形状に倣うように、ノズル１０３の周方向及び軸方向に超音波探触子１を走査させるようになっている。

超音波探触子１は、詳細を図示しないが、例えば１つの圧電素子及びシューを有している。超音波送受信装置４は、超音波探触子１の走査位置毎に、圧電素子に電圧を印加して圧電素子を振動させ、超音波を発生させる。そして、圧電素子からシューを介して送信された超音波が、ノズル１０３の外面で屈折し、ノズル１０３の内部に斜角で入射する（上述の図３（ｂ）参照）。そして、ノズル１０３の内部に欠陥が存在する場合は、その欠陥で反射した超音波が圧電素子で受信され、波形信号（電気信号）に変換されて出力される。

送受信装置４は、超音波探触子１の走査位置毎に、圧電素子からの波形信号に対し所定の処理（詳細には、アナログ信号からデジタル信号への変換処理等）を行って波形データ（図６中右側参照）を取得して、記憶装置６に記憶させるようになっている。波形データは、超音波の路程と波高値の関係からなる離散データである。

計算装置５は、探触子位置演算部２０、伝播経路解析部２１、及び探傷画像生成部２２を有している。

探触子位置演算部２０は、制御装置３を介して走査装置２の駆動情報（詳細には、上述した複数のエンコーダの検出情報等）を入力しており、走査装置２の駆動情報と走査装置２の幾何学的情報に基づき、三次元空間における超音波探触子１の走査位置を演算するようになっている。伝播経路解析部２１は、記憶装置６から読込んだ被検体（本実施形態では、ノズル）の三次元形状モデル（詳細は後述）に基づき、探触子位置演算部２０で演算された超音波探触子１の走査位置などから、超音波の伝播経路を解析して、そのデータを記憶装置６に記憶させるようになっている。

探傷画像生成部２２は、超音波探触子１の走査位置に対応する波形データ及び超音波伝播経路データを、記憶装置６から読込む。そして、超音波伝播経路に基づき、波形データの路程を三次元空間上の座標に変換し、三次元座標と波高値の組合せからなる波高データテーブルに変換する。そして、波高データテーブルに基づき、三次元探傷画像を生成して、記憶装置６に記憶させる。

表示装置７は、伝播経路表示部２３及び探傷画像表示部２４を有している。伝播経路表示部２３は、記憶装置６から超音波伝播経路データ及びノズルの三次元形状モデルを読込み、図７（ａ）で示すような画面２５を表示する。この画面２５では、超音波探触子のマーカ２６Ａ及び超音波伝播経路のマーカ２６Ｂを、ノズルの三次元形状モデルの画像２７に重畳して示す。探傷画像表示部２４は、記憶装置６から三次元探傷画像及びノズルの三次元形状モデルを読込み、図７（ｂ）で示すような画面２８を表示する。この画面２８では、三次元探傷画像（詳細には、例えばエコーの反射源の位置と大きさを示すエコー画像２９を含むもの）を、ノズルの三次元形状モデルの画像２７に重畳して示す。

ここで、本実施形態の大きな特徴として、計算装置５は、形状モデル生成部３０及び外形座標取得部３１をさらに有している。

形状モデル生成部３０は、形状定義関数を用いて、被検体（本実施形態では、ノズル）の三次元形状モデルを構築するようになっている。具体的に、図８（ａ）及び図８（ｂ）を用いて、ノズルの三次元形状モデルの一部を構築する形状定義関数を説明する。

三次元空間上の任意の座標をＳ＝（ｘ，ｙ，ｚ）とすると、ノズル１０３の外面円筒部１０５に相当する陰関数ｇ（Ｓ）を、下記の式（１）で表現できる。すなわち、陰関数ｇ（Ｓ）＝０を満たす三次元座標Ｓの集合が、ノズル１０３の外面円筒部１０５を表す。また、原子炉圧力容器１０１の外面円筒部に相当する陰関数ｈ（Ｓ）を、下記の式（２）で表現できる。すなわち、陰関数ｈ（Ｓ）＝０を満たす三次元座標Ｓの集合が、原子炉圧力容器１０１の外面円筒部を表す。ここで、Ｒtoは、ノズル１０３の外面円筒部１０５の半径であり、Ｒvoは、原子炉圧力容器１０１の外面円筒部の半径である。

ノズル１０３の外面円筒部１０５の半径Ｒtoをオフセット値ａだけ拡大した曲面を仮想すれば、これに相当する陰関数Ｇ（Ｓ，ａ）を、下記の式（３）で表現できる。また、原子炉圧力容器１０１の外面円筒部の半径Ｒvoをオフセット値ｂだけ拡大した曲面を仮想すれば、これに相当する陰関数Ｈ（Ｓ，ｂ）を、下記の式（４）で表現できる。

そして、上記の式（１）〜（４）を用いれば、ノズル１０３の外面Ｒ部１０４に相当する陰関数ｆ（ｇ，ｈ）を、下記の式（５）で表現できる。

ここで、図８（ａ）で示すように、αは、ノズル１０３の外面Ｒ部１０４と原子炉圧力容器１０１の外面円筒部の間の稜線までの、ノズル１０３の外面円筒部１０５の半径Ｒtoのオフセット値である。βは、ノズル１０３の外面Ｒ部１０４とノズル１０３の外面円筒部１０５の間の稜線までの、原子炉圧力容器１０１の外面円筒部の半径Ｒvoのオフセット値である。また、図８（ｂ）で示すように、関数ｆ（ｇ，ｈ）は、ｇ（Ｓ）−ｈ（Ｓ）関数空間上で境界条件（αp，０），（０，βp）を満たすものである。境界条件（αp，０）がＧ（Ｓ，α）＝０かつｈ（Ｓ）＝０に相当し、境界条件（０，βp）がｇ（Ｓ）＝０かつＨ（Ｓ，β）＝０に相当する。そして、関数ｆ（ｇ，ｈ）は、図８（ｂ）で示すようにｇ（Ｓ）−ｈ（Ｓ）関数空間上で楕円曲線を表し、図８（ａ）で示すように三次元空間上で滑らかな（言い換えれば、１階微分値も連続的に変化する）曲面を表すものである。

上述の図４に戻り、外形座標取得部３１は、探触子位置演算部２０で演算された超音波探触子１の位置情報を入力している。そして、ノズル１０３の外面Ｒ部１０４に沿って走査された超音波探触子１の位置情報から、ノズル１０３の外形座標の計測値を取得する。形状モデル生成部３０は、外形座標取得部３１で取得されたノズル１０３の外形座標の計測値に基づいて、上述した形状定義関数のパラメータを演算する。そして、このようにして生成した三次元形状モデルを記憶装置６に記憶させるようになっている。

次に、本実施形態の超音波検査方法を、図９を用いて説明する。図９は、本実施形態における超音波検査方法の手順を表すフローチャートである。

ステップＳ２０１にて、オペレータは、初期設定の一つとして、被検体の種類を選択することにより、形状定義関数を選択する。具体的には、例えば、供用中検査（ＩＳＩ）の対象である複数の被検体が表示装置７でリスト表示され、一つの被検体（本実施形態では、ノズル１０３）を入力装置８で選択する。これに伴い、計算装置５の形状モデル生成部３０が、対応する形状定義関数を選択する。

その後、ステップＳ２０２に進み、オペレータは、形状定義関数のパラメータの初期値を入力する。具体的には、例えばステップＳ２０１で選択された被検体（本実施形態では、ノズル１０３）に対応する形状定義関数のパラメータ入力画面３２（図１０参照）が表示装置７で表示され、パラメータ（図１０では、パラメータＨ_ｎ，Ｈ_ｔ，Ｒ_ｖｏ，Ｒ_ｖｉ，Ｒ_ｔｏ，Ｒ_ｔｉ，Ｒ_ｎ，Ｒｆ_ｏ，Ｒｆ_ｉ，Ｒｆ_ｔ，Ｒｆ_ｎ，θ_ｔｏ）の初期値として設計値を入力装置８で入力する。

そして、ステップＳ２０３に進み、オペレータは、探傷条件（詳細には、例えば、超音波探触子１の幾何学的情報や音響特性情報、被検体の音響特性情報、被検体の検査範囲、走査装置２の幾何学的情報や走査パターン等）を入力装置８で入力する。なお、被検体の種類と探傷条件との関係を予め記憶したデータベースを設け、被検体の種類に応じて探傷条件を自動的に入力するようにしてもよい。なお、入力された各種の情報は、制御装置３、送受信装置４、並びに、計算装置５の探触子位置演算部２０及び伝播経路解析部２１等で適宜参照される。

そして、ステップＳ２０４に進み、オペレータは、走査装置２を構成する軌道９を配管１０２の外周側に取付ける。その後、走査装置２を構成する他の部品を取付けるとともに、超音波探触子１を取付ける。なお、配管１０２の軸方向と軌道９の周方向が直交しているかどうかを目視等で確認し、直交していなければ、軌道９の設置角度を調整する。

その後、ステップＳ２０５に進み、ノズル１０３の外形座標の計測を行う。詳細には、走査装置２が、ノズル１０３の外面Ｒ部１０４の形状に沿うように、ノズル１０３の周方向及び軸方向に超音波探触子１を走査する。但し、走査装置２の走査間隔は、後述の探傷を行う場合と異なり、例えばノズル１０３の周方向及び軸方向ともに１５度ピッチ程度でよい。すなわち、走査間隔（サンプリング間隔）が小さくなれば多くの外形座標を計測できるものの、時間がかかってしまうため、必要な精度と時間のトレードオフを見極めて、走査間隔を設定することが好ましい。そして、計算装置５の探触子位置演算部２０が、ノズル１０３の外面Ｒ部１０４に沿って走査された超音波探触子１の位置を演算する。そして、外形座標取得部３１が、探触子位置演算部２０で演算された超音波探触子１の位置情報から、例えば図１１で示すようなノズル１０３の外形座標の計測値３３（点群データ）を取得する。

その後、ステップＳ２０６に進み、形状定義関数のパラメータを補正する。詳細には、形状モデル生成部３０が、形状定義関数のパラメータとして設計値を入力したときの三次元形状モデルの外面と外形座標の計測値３３とを比較し、最小二乗法を用いたパラメータフィッティングを行う（図１２参照）。ノズル１０３の外面Ｒ部１０４が公差の大きい部位であることから、ノズル１０３の外面円筒部１０５の半径Ｒtoや原子炉圧力容器１０１の外面円筒部の半径Ｒvoをほとんど変化させず、外面Ｒ部１０４の曲率半径Ｒfoによって変化するオフセット値α及びβを公差範囲内で変化させる。そして、ノズル１０３の外形座標の計測値３３との残差の二乗和が最小となるパラメータを求める。

なお、離散的な点群データの補完法として、一般的に、ラグランジュ多項式を用いる方法が知られている。しかし、これは曲線を単一の多項式で表そうとするものであり、複雑な三次元曲面形状を表す場合には、ルンゲの現象に代表されるような振動現象が生じ、正確な形状を再現できない。また、スプライン関数のように複数の多項式を用いる補完法を用いれば、振動現象をある程度抑えることができるものの、完全ではなく、ある程度詳細なピッチで点群データを取得する必要がある。一方、本実施形態の形状定義関数を用いた補完法においては、そのパラメータの初期値として設計値が与えられており、異なる曲面と曲面をつなぐ接続条件や、公差に基づいてパラメータサーベイの範囲などが定義されている。そのため、振動現象が生じることなく、迅速に、滑らかな３次元曲面形状を表現することができる。

そして、ステップＳ２０７に進み、ノズル１０３の探傷を行う。詳細には、超音波探触子１が超音波を送受信し、送受信装置４が波形データを取得して、記憶装置６に収録する。

そして、ステップＳ２０８に進み、計算装置５の伝播経路分析部２１が、ノズルの三次元形状モデルに基づき、現在の超音波探触子の走査位置における超音波の伝播経路を分析する。詳細には、ノズルの三次元形状モデルに基づき、超音波探触子の走査位置に対応するノズルの外面の超音波入射点を演算する。そして、その超音波入射点におけるノズルの外面の法線方向を演算し、このノズルの外面の法線方向及び探傷条件に基づいて超音波の入射方向を演算する。そして、超音波入射点及び入射方向を初期条件とし、レイトレース法と呼ばれる解析手法を用いて、超音波の伝播経路を演算する。そして、現在の超音波の伝播経路が、記憶装置６に記憶されるとともに、表示装置７の伝播経路表示部２３でノズルの三次元形状モデルに重畳されて表示される。

その後、ステップＳ２０９に進み、現在の超音波の伝播経路に基づき、対応する波形データを波高データテーブルに変換する。そして、波高データテーブルに基づき、三次元探傷画像を構成するボクセルの値を代入することで、三次元探傷画像を更新する。具体的には、例えば図１３で示すように、検査範囲１０８の周囲に三次元探傷画像の生成範囲１０９が予め設定されており、この範囲１０９に対応するボクセルのうち、超音波ビーム３４（言い換えれば、超音波の伝播経路３５にビーム幅を持たせたもの）が通過するボクセル３６を抽出する。そして、波高データテーブルに基づき、ビーム通過ボクセル３６の値を内挿処理して代入する。ボクセル３６にすでに値が代入されている場合は、最初に代入された値を残すか、常に新しい値で上書きするか、最大値を残すか、若しくは重み付け平均を取るような処理を選択して実行する。このようにして更新された三次元探傷画像が、記憶装置６に記憶されるとともに、表示装置７の探傷画像表示部２４でノズルの三次元形状モデルに重畳されて表示される。

そして、ステップＳ２１０に進み、計算装置５は、検査（言い換えれば、走査）が完了したか否かを判定する。検査が完了していない場合は、ステップＳ２１０の判定が満たされず、ステップＳ２１１に移る。ステップ２１１では、ノズル１０３の外面Ｒ部１０４に沿って超音波探触子１を移動させ、その後、上述したステップＳ２０７〜Ｓ２０９の手順を行う。検査が完了すれば、ステップＳ２１０の判定が満たされ、検査が終了する。

以上のような本実施形態においては、被検体の三次元形状モデルを形状定義関数で構築するとともに、被検体の外形座標の計測値に基づいて形状定義関数のパラメータを演算する。これにより、迅速かつ高精度に、被検体の三次元形状モデルを生成することができる。そして、この被検体の三次元形状モデルに基づき、超音波の伝播経路を解析し、この超音波の伝播経路に基づいて生成した三次元探傷画像等を表示する。したがって、迅速かつ高精度に、エコーの反射源の位置を評価することができる。

なお、上記第１の実施形態において、表示装置７は、超音波探触子のマーカ２６Ａ及び超音波伝播経路のマーカ２６Ｂを、ノズルの三次元形状モデルの画像２７に重畳して示す画面２５と、三次元探傷画像（詳細には、例えばエコー画像２９を含むもの）を、ノズルの三次元形状モデルの画像２７に重畳して示す画面２８とを表示する場合を例にとって説明したが、これに限られず、本発明の趣旨及び技術思想を逸脱しない範囲内で変形が可能である。すなわち、例えば、画面２８を表示するものの、画面２５を表示しなくともよい。また、画面２５，２８に代えて、例えば図１４で示すように、超音波探触子のマーカ２６Ａ、超音波伝播経路のマーカ２６Ｂ、及び三次元探傷画像を、ノズルの三次元形状モデルの画像２７に重畳して示す画面３７を表示してもよい。これらの場合も、上記同様の効果を得ることができる。

本発明の第２の実施形態を、図１５及び図１６により説明する。

図１５は、本実施形態における超音波検査装置の構成を表すブロック図である。図１６は、本実施形態における距離センサの構造を表す図である。なお、本実施形態において、上記第１の実施形態及び変形例と同等の部分は同一の符号を付し、適宜、説明を省略する。

本実施形態では、走査装置２の倣い走査装置１３には、複数の接触式距離センサ３８が設けられている。これら距離センサ３６は、所定のピッチ角で扇状に配置されており、複数の方向におけるノズル１０３の外面との距離を同時に検出可能としている。

計算装置５の外形座標取得部３１Ａは、走査装置２の幾何学情報と、制御装置３を介して入力した走査装置２の駆動情報（詳細には、周方向走査装置１０のエンコーダの検出情報や軸方向移動装置１２のエンコーダの検出情報）から、距離センサ３６の位置を演算する。そして、距離センサ３８の位置情報及び検出情報から、ノズル１０３の外形座標の計測値を演算して取得するようになっている。

以上のように構成された本実施形態においても、上記第１の実施形態と同様、迅速かつ高精度に、被検体の三次元形状モデルを生成して、エコーの反射源の位置を評価することができる。

なお、上記第２の実施形態においては、複数の接触式距離センサ３６を走査装置２に搭載した場合を例にとって説明したが、これに限られず、本発明の趣旨及び技術思想を逸脱しない範囲内で変形が可能である。すなわち、例えば図１７で示すように、複数の方向におけるノズル１０３の外面との距離を同時に検出可能なレーザ式（非接触式）距離センサ３８Ａを、走査装置２に搭載してもよい。この場合も、上記同様の効果を得ることができる。

また、上記第１及び第２の実施形態においては、特に、説明しなかったが、走査装置２の走査パターン（上述の図６参照）を、超音波の伝播経路の解析に基づいて設定してもよい。すなわち、例えば超音波の伝播経路がノズル１０３の検査範囲１０８に到達するか否かを判定することにより、探触子押付機構１７の回動角の範囲を提示又は自動設定してもよい。また、例えばノズル１０３の周方向及び軸方向における所望の検査ピッチに対応する走査ピッチ（すなわち、周方向走査装置１０の移動ピッチ及び探触子押付機構１７の回動ピッチ）を演算して提示又は自動設定してもよい。このような場合も、本発明の特徴の恩恵を被ることができる。すなわち、迅速かつ高精度に、走査パターンを設定することができる。

また、上記第１及び第２の実施形態においては、特に、説明しなかったが、走査装置２の軌道９の周方向と配管１０２の軸方向が直交しているかどうかを判断するための情報を取得して表示し、この情報に基づいて軌道９の設置角度（すなわち、走査装置２の設置角度）を調整するようにしてもよい。このような変形例を、図１８〜図２０を用いて説明する。なお、図１８及び図１９においては、便宜上、探触子押付機構１７及び超音波探触子１の図示を省略している。

制御装置３は、周方向走査装置１０を軌道９に沿って移動させつつ、リミットセンサ１６が原子炉圧力容器１０１に接触するように、倣い走査装置１３の位置を制御する。そして、走査装置２の駆動情報（詳細には、周方向走査装置１０のエンコーダの検出情報や軸方向移動装置１１のエンコーダの検出情報）及び走査装置２の幾何学情報から、周方向走査装置１０の移動位置と倣い走査装置１３の移動位置（言い換えれば、アーム１１の移動方向における周方向走査装置１０からリミットスイッチ１６までの長さ）との関係（図２０参照）を取得して、表示装置７に表示させる。

図１８で示すように走査装置２が傾いていない場合（言い換えれば、走査装置２の軌道９の周方向と配管１０２の軸方向が直交している場合）は、図２０中実線で示すように、周方向走査装置１０の周方向方位０度における倣い走査装置１３の移動位置Ｌ_０と、周方向走査装置１０の周方向方位１８０度における倣い走査装置１３の移動位置Ｌ_１８０が等しくなる。また、周方向走査装置１０の周方向方位９０度における倣い走査装置１３の移動位置Ｌ_９０と、周方向走査装置１０の周方向方位２７０度における倣い走査装置１３の移動位置Ｌ_２７０が等しくなる。

一方、図１９で示すように走査装置２が傾いている場合（言い換えれば、走査装置２の軌道９の周方向と配管１０２の軸方向が直交していない場合）は、図２０中点線で示すように、周方向走査装置１０の周方向方位０度における倣い走査装置１３の移動位置Ｍ_０と、周方向走査装置１０の周方向方位１８０度における倣い走査装置１３の移動位置Ｍ_１８０が異なるようになる。あるいは、図示しないが、周方向走査装置１０の周方向方位９０度における倣い走査装置１３の移動位置Ｍ_９０と、周方向走査装置１０の周方向方位２７０度における倣い走査装置１３の移動位置Ｍ_２７０が異なるようになる。したがって、それらの差分を減らすように、軌道９の設置角度（すなわち、走査装置２の設置角度）を調整すればよい。

また、上記実施形態においては、走査装置２は、図５等で示すような構造を有する場合を例にとって説明したが、これに限られず、本発明の趣旨及び技術思想を逸脱しない範囲内で変形が可能である。すなわち、ノズル１０３の外面Ｒ部１０４の形状に倣うように、ノズル１０３の周方向及び軸方向に超音波探触子１を走査できるのであれば、他の構造でもよい。この場合も、上記同様の効果を得ることができる。

また、上記実施形態においては、超音波探触子１は、1つの圧電素子及びシューを有する場合を例にとって説明したが、これに限られず、本発明の趣旨及び技術思想を逸脱しない範囲内で変形が可能である。すなわち、超音波探触子１は、一次元的又は二次元的に配列された複数の圧電素子を有してもよい。そして、送受信装置４は、超音波探触子１の走査位置毎に、各圧電素子の超音波送受信のタイミングを制御して超音波の送受信方向を走査し、超音波の送受信方向毎に、波形データを取得する。また、計算装置５の伝播経路解析部２１は、被検体の形状モデルに基づき、超音波探触子１の走査位置及び超音波の送受信方向に応じて超音波の伝播経路を解析する。この場合も、上記同様の効果を得ることができる。

なお、以上においては、検査対象として、原子炉圧力容器１０１の側面に接合された、原子炉圧力容器１０１より小径のノズル（管台）１０３を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、例えば、円筒状の容器又は配管の側面に接合された、その容器又は配管より小径の管台でもよい。この場合も、上記同様の効果を得ることができる。

１ 超音波探触子
２ 走査装置
４ 送受信装置
７ 表示装置
２１ 伝播経路解析部
２２ 探傷画像生成部
３０ 形状モデル生成部
３１ 外形座標取得部
３１Ａ 外形座標取得部
３８ 接触式距離センサ
３８Ａ レーザ式距離センサ
１０１ 原子炉圧力容器
１０２ 配管
１０３ ノズル（管台）
１０４ 外面Ｒ部

Claims (11)

1. 被検体の複雑な三次元曲面形状の曲面部に沿って超音波探触子を走査する走査装置と、
   前記走査装置の駆動情報に基づいて取得された前記超音波探触子の位置情報から、若しくは前記走査装置の駆動情報及び前記走査装置に搭載された距離センサで検出された距離情報から、前記被検体の外形座標の計測値を取得する外形座標取得部と、
   前記被検体の三次元形状モデルを形状定義関数で構築するとともに、前記被検体の外形座標の計測値に基づいて前記形状定義関数のパラメータを演算する形状モデル生成部と、
   前記超音波探触子の走査位置毎に、前記超音波探触子による超音波の送受信を制御して、受信超音波の波形データを取得する送受信装置と、
   前記被検体の三次元形状モデルに基づき、前記超音波探触子の走査位置毎に超音波の伝播経路を解析する伝播経路解析部と、
   前記超音波の伝播経路とこれに対応する前記波形データに基づき、三次元探傷画像を生成する探傷画像生成部と、
   前記三次元探傷画像を、前記被検体の三次元形状モデルに重畳して表示する表示装置と、を備えた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、
   前記形状モデル生成部は、前記形状定義関数のパラメータの初期値として設計値を入力し、前記被検体の外形座標の計測値に基づいて前記形状定義関数のパラメータを補正する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、
   前記表示装置は、前記超音波の伝播経路を、前記被検体の三次元形状モデルに重畳して表示す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、
   前記表示装置は、前記探傷画像及び前記超音波の伝播経路を、前記被検体の三次元形状モデルに重畳して表示することを特徴とする超音波検査装置。
5. 請求項１記載の超音波検査装置において、
   前記走査装置には、複数方向の距離を同時に検出可能な複数の接触式距離センサが搭載されており、
   前記外形座標取得部は、前記走査装置の駆動情報及び前記複数の接触式距離センサで検出された距離情報から、前記被検体の外形座標の計測値を取得することを特徴とする超音波検査装置。
6. 請求項１記載の超音波検査装置において、
   前記走査装置には、複数方向の距離を同時に検出可能なレーザ式距離センサが搭載されており、
   前記外形座標取得部は、前記走査装置の駆動情報及び前記レーザ式距離センサで検出された距離情報から、前記被検体の外形座標の計測値を取得することを特徴とする超音波検査装置。
7. 請求項１記載の超音波検査装置において、
   前記被検体は、円筒状の容器又は配管の側面に接合された、前記容器又は前記配管より小径の管台であることを特徴とする超音波検査装置。
8. 走査装置を用いて、被検体の複雑な三次元曲面形状の曲面部に沿って超音波探触子を走査した場合に、前記走査装置の駆動情報に基づいて取得された前記超音波探触子の位置情報から、若しくは前記走査装置の駆動情報及び前記走査装置に搭載された距離センサで検出された距離情報から、前記被検体の外形座標の計測値を取得する第１の手順と、
   前記被検体の三次元形状モデルを形状定義関数で構築するとともに、前記被検体の外形座標の計測値に基づいて前記形状定義関数のパラメータを演算する第２の手順と、
   前記走査装置を用いて、前記被検体の前記曲面部に沿って前記超音波探触子を走査し、前記超音波探触子の走査位置毎に、前記超音波探触子による超音波の送受信を行って、受信超音波の波形データを取得する第３の手順と、
   前記被検体の三次元形状モデルに基づき、前記超音波探触子の走査位置毎に超音波の伝播経路を解析する第４の手順と、
   前記超音波の伝播経路とこれに対応する前記波形データに基づき、探傷画像を生成する第５の手順と、
   前記探傷画像を、前記被検体の三次元形状モデルに重畳して表示する第６の手順と、を有することを特徴とする超音波検査方法。
9. 請求項８記載の超音波検査方法において、
   前記第２の手順は、前記形状定義関数のパラメータの初期値として設計値を入力し、前記被検体の外形座標の計測値に基づいて前記形状定義関数のパラメータを補正することを特徴とする超音波検査方法。
10. 請求項８記載の超音波検査方法において、
    前記超音波の伝播経路を、前記被検体の三次元形状モデルに重畳して表示する第７の手順を有することを特徴とする超音波検査方法。
11. 請求項８記載の超音波検査方法において、
    前記第６の手順は、前記探傷画像及び前記超音波の伝播経路を、前記被検体の三次元形状モデルに重畳して表示することを特徴とする超音波検査方法。

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