JP6368660B2 - 超音波検査方法及び超音波検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、２つの斜角探触子を用い、それらの間隔を可変して交軸点を被検体の深さ方向に走査する超音波検査方法及び超音波検査装置に関する。

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、欠陥が生じやすい溶接部に対し、体積検査として超音波探傷試験（ＵＴ）が実施され、欠陥の検出や大きさの評価を行っている。

被検体の溶接部に生じ易いきずのうち、重大な欠陥として、被検体の厚さ方向に延在する面状欠陥（詳細には、割れや溶け込み不良など）がある。このような面状欠陥を高感度に検出する超音波検査方法として、２つの斜角探触子を用いるタンデム法がある（例えば特許文献１参照）。

特許文献１は、２つの横波斜角探触子を用いるタンデム法を開示している。詳細には、例えば、第１の横波探触子から横波を送信して面状欠陥に向けて伝播させ、面状欠陥で反射した横波を被検体の裏面に向けて伝播させ、被検体の裏面で反射した横波を第２の横波斜角探触子にて受信する。

また、特許文献１は、横波斜角探触子と縦波斜角探触子を用いるタンデム法を開示している。詳細には、例えば、横波斜角探触子から横波を送信して面状欠陥に向けて伝播させ、面状欠陥でモード変換して反射した縦波を被検体の裏面に向けて伝播させ、被検体の裏面で反射した縦波を縦波斜角探触子にて受信する。

特開平１１−１１８７７０号公報

ところで、２つの斜角探触子の間隔を可変すれば、交軸点（詳細には、送信ビーム軸と受信ビーム軸が交わる点）を被検体の厚さ方向（深さ方向）に走査して、被検体の厚さ方向の全範囲を検査することが可能である。

そこで、例えば図１９（ａ）、図１９（ｂ）、及び図１９（ｃ）で示す第１の比較例のように、被検体１００の溶接部１０１の幅方向一方側（図中右側）に横波斜角探触子１０２Ａ，１０２Ｂを配置し、横波斜角探触子１０２Ａ，１０２Ｂの間隔を可変して、交軸点Ｐ１を被検体１００の厚さ方向（図中上下方向）に走査することが考えられる。

この場合、図１９（ａ）で示すように被検体１００の厚さｔのほぼ中間に設定された交軸点Ｐ１に対しては、斜角探触子１０２Ａ，１０２Ｂの間隔Ｌ１ａとなる。また、図１９（ｂ）で示すように比較的深い領域に設定された交軸点Ｐ１に対しては、斜角探触子１０２Ａ，１０２Ｂの間隔Ｌ１ｂが小さくなる（Ｌ１ｂ＜Ｌ１ａ）。一方、図１９（ｃ）で示すように比較的浅い領域に設定された交軸点Ｐ１に対しては、斜角探触子１０２Ａ，１０２Ｂの間隔Ｌ１ｃが非常に大きくなる（Ｌ１ｃ＞Ｌ１ａ）。そして、交軸点Ｐ１に対する探触子１０２Ａ，１０２Ｂの最大移動範囲Ｙ１maxも非常に大きくなる。そのため、探触子１０２Ａ，１０２Ｂの最大移動範囲Ｙ１max（言い換えれば、探触子１０２Ａ，１０２Ｂの設置範囲）を確保できない被検体においては、その厚さ方向の全範囲を検査することができない。したがって、検査適用対象が制限される。

そこで、例えば図２０（ａ）、図２０（ｂ）、及び図２０（ｃ）で示す第２の比較例のように、被検体１００の溶接部１０１の幅方向一方側（図中右側）に横波斜角探触子１０３Ａ及び縦波斜角探触子１０３Ｂを配置し、横波斜角探触子１０３Ａと縦波斜角探触子１０３Ｂの間隔を可変して、交軸点Ｐ２を被検体１００の厚さ方向（図中上下方向）に走査することが考えられる。

この場合、図２０（ａ）で示すように被検体１００の厚さｔのほぼ中間に設定された交軸点Ｐ２に対しては、斜角探触子１０３Ａ，１０３Ｂの間隔Ｌ２ａが比較的小さくなる。一方、図２０（ｂ）で示すように比較的浅い領域に設定された交軸点Ｐ２に対しては、斜角探触子１０３Ａ，１０３Ｂの間隔Ｌ２ｂが大きくなるものの（Ｌ２ｂ＞Ｌ２ａ）、この間隔Ｌ２ｂは上述した斜角探触子１０２Ａ，１０２Ｂの間隔Ｌ１ｃより小さくなる。また、図２０（ｃ）で示すように比較的浅い領域に設定された交軸点Ｐ２に対しては、斜角探触子１０３Ａ，１０３Ｂの間隔Ｌ２ｃが大きくなるものの（Ｌ２ｃ＞Ｌ２ａ）、この間隔Ｌ２ｃは上述した斜角探触子１０２Ａ，１０２Ｂの間隔Ｌ１ｃより小さくなる。そして、交軸点Ｐ２に対する探触子１０３Ａ，１０３Ｂの最大移動範囲Ｙ２maxも、上述した探触子１０２Ａ，１０２Ｂの最大移動範囲Ｙ１maxより小さくなる。しかし、探触子の最大移動範囲をさらに小さくすることが可能な点で、改善の余地がある。

本発明の目的は、探触子の最大移動範囲を小さくして検査適用対象の拡大を図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、本発明は、第１の送信用振動子及び第１の受信用振動子のうちの一方と第２の送信用振動子及び第２の受信用振動子のうちの一方を有する第１の斜角探触子と、前記第１の送信用振動子及び前記第１の受信用振動子のうちの他方と前記第２の送信用振動子及び前記第２の受信用振動子のうちの他方を有する第２の斜角探触子とを用い、被検体の表面上に配置された前記第１の斜角探触子と前記第２の斜角探触子との間隔を可変して、送信ビーム軸と受信ビーム軸が交わる交軸点を被検体の深さ方向に走査する超音波検査方法であって、所定の深さより深い領域に設定された交軸点に対しては、第１の超音波伝播モードを実行し、前記所定の深さより浅い領域に設定された交軸点に対しては、第２の超音波伝播モードを実行しており、前記第１の超音波伝播モードでは、前記第１の送信用振動子から第１の斜角αで横波を送信して前記交軸点に向けて伝播させ、前記交軸点近傍に欠陥が存在するときに前記欠陥で反射した横波を前記被検体の裏面に向けて伝播させ、前記被検体の裏面で反射した横波を前記第１の受信用振動子にて前記第１の斜角αで受信し、前記第２の超音波伝播モードでは、前記第２の送信用振動子から前記第１の斜角αより大きな第２の斜角βで横波を送信して前記交軸点に向けて伝播させ、前記交軸点近傍に欠陥が存在するときに前記欠陥でモード変換して反射した縦波を前記被検体の裏面に向けて伝播させ、前記被検体の裏面で反射した縦波を前記第２の受信用振動子にて前記第２の斜角βより小さな第３の斜角γで受信する。

本発明によれば、深い領域に設定された交軸点に対しては第１の超音波伝播モードを実行し、浅い領域に設定された交軸点に対しては第２の超音波伝播モードを実行することにより、探触子の最大移動範囲を小さくすることができる。したがって、検査適用対象の拡大を図ることができる。

本発明の一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。 本発明の一実施形態における探触子移動機構の構造を表す被検体軸方向の断面図である。 図２中矢印III方向から見た図である。 図２中矢印IV方向から見た図である。 本発明の一実施形態における２つの斜角探触子の構造とともに第１及び第２の超音波伝播モードを表す被検体の軸方向の断面図である。 図５中矢印VI方向から見た断面図である。 図５中矢印VII方向から見た断面図である。 横波が反射面に入射した場合の横波反射波及び縦波反射波へのエネルギー分配率を表す図である。 縦波が反射面に入射した場合の縦波反射波及び横波反射波へのエネルギー分配率を表す図である。 本発明の一実施形態における探傷制御の処理手順を表すフローチャートである。 本発明の一実施形態における交軸点の深さ設定の具体例を説明するための図である。 本発明の一実施形態における交軸点の深さ設定の具体例を説明するための図である。 本発明の一実施形態における第１及び第２の超音波伝播モードの路程を表す図である。 本発明の一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。 本発明の一実施形態における探触子の移動範囲を説明するための図である。 本発明の第１の変形例における２つの斜角探触子の構造とともに第３及び第４の超音波伝播モードを表す被検体の軸方向の断面図である。 本発明の第２の変形例における２つの斜角探触子の構造とともに第１及び第４の超音波伝播モードを表す被検体の軸方向の断面図である。 本発明の第３の変形例における２つの斜角探触子の構造とともに第３及び第４の超音波伝播モードを表す被検体の軸方向の断面図である。 第１の比較例における２つの横波斜角探触子の配置と共に超音波伝播経路を表す被検体の断面図である。 第２の比較例における横波斜角探触子及び縦波斜角探触子の配置と共に超音波伝播経路を表す被検体の断面図である。

本発明の一実施形態を、図面を参照しつつ説明する。

図１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２は、本実施形態における探触子移動機構の構造を表す被検体の軸方向の断面図である。図３は、図２中矢印III方向から見た図であり、図４は、図２中矢印IV方向から見た図である。図５は、本実施形態における２つの斜角探触子の構造と共に第１及び第２の超音波伝播モードを表す被検体の軸方向の断面図である。図６は、図５中矢印VI方向から見た断面図であり、図７は、図５中矢印VII方向から見た断面図である。

本実施形態の超音波検査装置は、円筒状の被検体１（詳細には、例えば原子炉圧力容器の胴体）において周方向（図３中上下方向、図４中左右方向）に延在する溶接部２を検査範囲とし、その厚さ方向（図２及び図４中上下方向）の全範囲を検査するためのものである。また、被検体１の厚さ方向に延在する面状欠陥３を高感度に検出するためのものである。

この超音波検査装置は、被検体１の表面４上で溶接部２の幅方向一方側（図２及び図３中右側）に配置された斜角探触子６Ａ，６Ｂと、溶接部２に対する斜角探触子６Ａ，６Ｂの位置関係を調整する探触子移動機構７と、斜角探触子６Ａ，６Ｂによる超音波の送受信を制御する送受信装置８と、探触子移動機構７及び送受信装置８を制御する制御装置９と、各種の演算処理を実行する計算装置１０と、各種のデータを記録する記憶装置１１と、各種の情報を画面表示する表示装置１２と、各種の条件を入力するとともに、各種の操作を実行するための入力装置１３とを備えている。なお、計算装置１０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１１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１２はディスプレイ等で構成され、入力装置１３はマウスやキーボード、タッチパネルやボタン等で構成されている。

探触子移動機構７は、被検体１の外周側に取付けられた円環状の軌道１４と、この軌道１４に沿って（すなわち、図３及び図４中矢印Ｄ１で示す方向であって、被検体１の周方向に）移動可能に設けられた周方向移動装置１５と、この周方向移動装置１５に設けられ、軌道１４に対して垂直な方向に（すなわち、図２及び図３中矢印Ｄ２で示す方向であって、被検体１の軸方向に）アーム１６を移動させるアーム移動装置１７と、アーム１６に沿って（すなわち、被検体１の軸方向に）移動可能に設けられ、斜角探触子６Ａ，６Ｂをそれぞれ保持する探触子保持装置１８Ａ，１８Ｂとを備えている。

周方向移動装置１５は、軌道１４の外周側に形成されたラック１９と噛み合うピニオン２０と、このピニオン２０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２０が回転することにより、周方向移動装置１５が軌道１４に沿って移動する。これに伴い、斜角探触子６Ａ，６Ｂが被検体１の周方向に移動して、後述する交軸点の周方向位置を調整可能としている。

アーム移動装置１７は、軌道１４に対して垂直な方向にアーム１６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１６が移動することにより、斜角探触子６Ａ，６Ｂが被検体１の軸方向に移動して、交軸点の軸方向位置を調整可能としている。

探触子保持装置１８Ａは、押付アーム２１Ａと、この押付アーム２１Ａの先端側に取付けられ、斜角探触子６Ａを保持する探触子ホルダ２２Ａと、押付アーム２１Ａを被検体１側に付勢して、斜角探触子６Ａを被検体１の表面４に押圧する付勢機構（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）とを有している。同様に、探触子保持装置１８Ｂは、押付アーム２１Ｂと、この押付アーム２１Ｂの先端側に取付けられ、斜角探触子６Ｂを保持する探触子ホルダ２２Ｂと、押付アーム２１Ｂを被検体１側に付勢して、斜角探触子６Ｂを被検体１の表面４に押圧する付勢機構とを有している。

また、探触子保持装置１８Ａは、アーム１６の一方側（図３中下側、図４中左側）側面に形成されたラック２３Ａと噛み合うピニオン２４Ａと、このピニオン２４Ａ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。同様に、探触子保持装置１８Ｂは、アーム１６の他方側（図３中上側、図４中右側）側面に形成されたラック２３Ｂと噛み合うピニオン２４Ｂと、このピニオン２４Ｂ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。なお、探触子保持装置１８Ａと探触子保持装置１８Ｂは、アーム１６を挟んで対向するように設けられており、互いに干渉しないようになっている。

そして、例えばピニオン２４Ａ及びピニオン２４Ｂのうちの少なくとも一方が回転すれば、探触子保持装置１８Ａ及び探触子保持装置１８Ｂのうちの少なくとも一方がアーム１６に沿って移動する。これにより、被検体１の軸方向における斜角探触子６Ａ，６Ｂの間隔（相対変位量）を調整可能としている。そして、被検体１の軸方向における斜角探触子６Ａ，６Ｂの間隔を可変することにより、交軸点を被検体１の厚さ方向（深さ方向）に走査して、被検体１の厚さ方向の全範囲を検査することが可能である。

斜角探触子６Ａは、複数の傾斜面を有するウェッジ２５Ａと、ウェッジ２５Ａの各傾斜面上に配置された送信用の振動子（圧電素子）２６Ａ，２７Ａと、ノイズを抑制するための吸音材２８Ａとを有している。同様に、斜角探触子６Ｂは、複数の傾斜面を有するウェッジ２５Ｂと、ウェッジ２５Ｂの各傾斜面上に配置された受信用の振動子（圧電素子）２６Ｂ，２７Ｂと、ノイズを抑制するための吸音材２８Ｂとを有している。

斜角探触子６Ａの振動子２６Ａ，２７Ａは、それぞれ、送受信装置８からの電気信号によって振動し、ウェッジ２５Ａを介して被検体１の内部に超音波を送信する。詳細には、振動子２６Ａ又は２７Ａからの縦波がウェッジ２５Ａの内部に伝播し、被検体１の表面４で横波にモード変換して、被検体１の内部に送信されるようになっている。なお、被検体１の軸方向の断面における振動子２６Ａの横波送信角が斜角αとなり、振動子２７Ａの横波送信角が斜角β（但し、β＞α）となるように、ウェッジ２５Ａの各傾斜面の角度が設計されている。また、被検体１の軸方向における振動子２６Ａの横波送信点と振動子２７Ａの横波送信点との間隔が、所定値Ｍ１（詳細には、例えば被検体１の厚さｔの１０〜４０％の範囲内であって、本実施形態では２０％）となるように設計されている。

斜角探触子６Ｂの振動子２６Ｂ，２７Ｂは、それぞれ、ウェッジ２５Ｂを介して被検体１の内部からの超音波を受信し、波形信号（電気信号）に変換して送受信装置８に出力する。詳細には、被検体１の内部からの横波が被検体１の表面４で縦波にモード変換し、ウェッジ２５Ｂの内部に伝播して、振動子２６Ｂにて受信される。また、被検体１の内部からの縦波がウェッジ２５Ｂの内部に伝播して、振動子２７Ｂにて受信されるようになっている。なお、被検体１の軸方向の断面における振動子２６Ｂの横波受信角が斜角αとなり、振動子２７Ｂの縦波受信角が斜角γとなるように、ウェッジ２５Ｂの各傾斜面の角度が設計されている。また、被検体１の軸方向における振動子２６Ｂの横波受信点と振動子２７Ｂの縦波受信点との間隔が、所定値Ｍ２（詳細には、例えば被検体１の厚さｔの０〜２０％の範囲内であって、本実施形態では１０％）となるように設計されている。

斜角探触子６Ａ，６Ｂは、被検体１の軸方向に沿うように平行配置されている。また、被検体１の周方向における振動子２６Ａの横波送信点と振動子２６Ｂの横波受信点との間隔や、被検体１の周方向における振動子２７Ａの横波送信点と振動子２７Ｂの縦波受信点との間隔は、所定値Ｍ０である。そのため、被検体１の周方向の断面において振動子２６Ａの送信ビーム軸及び振動子２６Ｂの受信ビーム軸が所定の角度δ（下記の数式（１）参照）だけ傾くように設計されている。同様に、被検体１の周方向の断面において振動子２７Ａの送信ビーム軸及び振動子２７Ｂの受信ビーム軸が所定の角度δだけ傾くように設計されている。これにより、送信ビーム軸と受信ビーム軸が交わるとともに、その交軸点の深さを任意に設定可能としている。
δ＝arctan（Ｍ０／２×ｔ）・・・（１）

送受信装置８は、本実施形態の大きな特徴として、所定の深さｈ（詳細は後述するものの、例えば被検体１の厚さｔの７０％）以上の深い領域に設定された交軸点Ｐ３に対しては、第１の超音波伝播モードを実行し、所定の深さｈ未満の浅い領域に設定された交軸点Ｐ４に対しては、第２の超音波伝播モードを実行するようになっている。

第１の超音波モードでは、斜角探触子６Ａの振動子２６Ａから斜角αで横波を送信して交軸点Ｐ３に向けて伝播させ、交軸点Ｐ３近傍に欠陥３が存在するときに欠陥３で反射した横波を被検体１の裏面５に向けて伝播させ、被検体１の裏面５で反射した横波を斜角探触子６Ｂの振動子２６Ｂにて斜角αで受信する。

第２の超音波モードでは、斜角探触子６Ａの振動子２７Ａから斜角βで横波を送信して交軸点Ｐ４に向けて伝播させ、交軸点Ｐ４近傍に欠陥３が存在するときに欠陥３でモード変換して反射した縦波を被検体１の裏面５に向けて伝播させ、被検体１の裏面で反射した縦波を斜角探触子６Ｂの振動子２７Ｂにて斜角γで受信する。

次に、上述した斜角α，β，γの設定範囲を説明する。

第１の超音波伝播モードでは、欠陥３に対する横波の入射角は、送信斜角αの余角、すなわち（９０°−α）である。被検体１の裏面５に対する横波の入射角は、欠陥３に対する横波の反射角（９０°−α）の余角、すなわち９０°−（９０°−α）＝αである。ここで、図８で示すように、横波入射波から横波反射波へのエネルギー分配率（反射効率）は、横波の入射角が３３°〜９０°の範囲にて最大となる。そのため、欠陥３での反射効率が最大となるように、欠陥３に対する横波の入射角（９０°−α）は、３３°≦（９０°−α）＜９０°の関係を満たすほうがよい。また、被検体１の裏面５での反射効率が最大となるように、被検体１の裏面５に対する横波の入射角αは、３３°≦α＜９０°の関係を満たすほうがよい。したがって、斜角αは、３３°≦α≦５７°の範囲内で設定すればよい。なお、本実施形態では、超音波の指向性を考慮して、α＝４５°に設定する。

第２の超音波伝播モードでは、欠陥３に対する横波の入射角は、送信斜角βの余角、すなわち（９０°−β）である。ここで、図８で示すように、横波入射波から縦波反射波へのエネルギー分配率（モード変換効率）は、横波の入射角が２５°〜３３°の範囲で９０％以上となる。そのため、欠陥３でのモード変換効率が９０％以上となるように、欠陥３に対する横波の入射角（９０°−β）は、２５°≦（９０°−β）＜３３°の関係を満たすほうがよい。したがって、斜角βは、５７°＜β≦６５°の範囲内で設定すればよい。

また、欠陥３に対する縦波の反射角は、スネルの法則と上述した斜角βの範囲を用いて演算すれば、５０°〜８２°の範囲となる。被検体１の裏面５に対する縦波の入射角は、欠陥３に対する縦波の反射角の余角であるから、８°〜４０°の範囲となる。受信斜角γは、被検体１の裏面５に対する縦波の入射角及び縦波の反射角と同じであるから、８°≦γ≦４０°の範囲内で設定すればよい。

なお、図９で示すように、被検体１の裏面５における縦波入射波から縦波反射波へのエネルギー分配率（反射効率）は、縦波の入射角が小さいほどよく、縦波の入射角４０°で２３％、縦波の入射角８°で９４％である。縦波入射波から縦波反射波へのエネルギー分配率が横波反射波へのエネルギー分配率を上回るのは、縦波の入射角２８°以下である。また、縦波の入射角が小さすぎると、裏面エコーなどの擬似エコーが生じやすいため、縦波の入射角１５度以上としたほうがよい。したがって、好ましくは、受信斜角γは、１５°≦γ≦２８°の範囲内で設定したほうがよい。そのため、本実施形態では、β＝６０°、γ＝２５°に設定する。この場合、欠陥３でのモード変換効率が９８％、被検体１の裏面５での反射効率が６０％となり、第２の超音波伝播モードのエネルギー伝播効率が約５９％となる。

次に、本実施形態の動作を、図１０を用いて説明する。図１０は、本実施形態における探傷制御の処理手順を表すフローチャートである。

まず、ステップＳ１にて、制御装置９は、探触子移動機構７の周方向移動装置１５を制御して、斜角探触子６Ａ，６Ｂを被検体１の周方向に移動させる。これにより、交軸点Ｐ３，Ｐ４の周方向位置を調整する。

その後、ステップＳ２に進み、制御装置９は、探触子移動機構７の探触子保持装置１８Ａ，１８Ｂのうちの少なくとも一方を制御して、被検体１の軸方向における斜角探触子６Ａ，６Ｂの間隔を変更させる。これにより、交軸点Ｐ３，Ｐ４の深さを調整する。

その後、ステップＳ３に進み、制御装置９は、探触子移動機構７のアーム移動装置１７を制御してアーム１６を移動させ、斜角探触子６Ａ，６Ｂを被検体１の軸方向に移動させる。これにより、交軸点Ｐ３，Ｐ４の軸方向位置を調整する。

そして、ステップＳ４に進み、制御装置９は、送受信装置８を制御して、上述した第１の超音波伝播モードを実行させる。また、ステップＳ５に進み、制御装置９は、送受信装置８を制御して、上述した第２の超音波伝播モードを実行させる。

その後、ステップＳ６に進み、送受信装置８は、第１の超音波伝播モードにて斜角探触子６Ｂの振動子２６Ｂから得られた波形信号に対し、予め設定された第１の時間ゲートにおける波高値が閾値を超えているか否かを判定することにより、エコーを検出する。同様に、第２の超音波伝播モードにて斜角探触子６Ｂの振動子２７Ｂから得られた波形信号に対し、予め設定された第２の時間ゲートにおける波高値が閾値を超えているか否かを判定することにより、エコーを検出する。エコーを検出した場合は、その検出結果（詳細には、波形データと探触子移動機構７の制御パラメータ）を記憶装置１１に記憶させる。

そして、ステップＳ７に進み、交軸点Ｐ３，Ｐ４の軸方向走査が完了したか否かを判定する。最初のうちは、ステップＳ７の判定が満たされないから、ステップＳ３に戻って交軸点Ｐ３，Ｐ４の軸方向位置を変更した後、上述したステップＳ４〜Ｓ６を繰り返す。

その後、ステップＳ７の判定が満たされると、ステップＳ８に進み、交軸点Ｐ３，Ｐ４の深さ方向走査が完了したか否かを判定する。最初のうちは、ステップＳ８の判定が満たされないから、ステップＳ２に戻って交軸点Ｐ３，Ｐ４の深さを変更した後、上述したステップＳ３〜Ｓ７を繰り返す。

その後、ステップＳ８の判定が満たされると、ステップＳ９に進み、交軸点Ｐ３，Ｐ４の周方向走査が完了したか否かを判定する。最初のうちは、ステップＳ８の判定が満たされないから、ステップＳ１に戻って交軸点Ｐ３，Ｐ４の周方向位置を変更した後、上述したステップＳ２〜Ｓ８を繰り返す。その後、ステップＳ９の判定が満たされると、探傷制御が終了する。

上述したステップＳ２における交軸点Ｐ３，Ｐ４の深さの設定について、図１１及び図１２を用いて説明する。送信ビーム及び受信ビームは、例えば±８度の指向角で拡散していることから、それらが交わるクロスエリアを考慮して、交軸点Ｐ３，Ｐ４の深さを設定する。

例えば図１１（ａ）及び図１１（ｂ）で示すように、被検体１の軸方向における斜角探触子６Ａ，６Ｂの間隔を変更することにより、振動子２６Ａの横波送信点と振動子２６Ｂの横波受信点との間隔Ｌ３ａを、被検体１の厚さｔの６０％に設定するとともに、振動子２７Ａの横波送信点と振動子２７Ｂの縦波受信点との間隔Ｌ４ａを、被検体１の厚さｔの７０％に設定する。これにより、図１１（ａ）で示すように、第１の超音波伝播モードにおける交軸点Ｐ３の深さを、被検体１の厚さｔの７０％に設定し、交軸点Ｐ３の近傍にクロスエリアＥ１ａを設定する。また、図１１（ｂ）で示すように、第２の超音波伝播モードにおける交軸点Ｐ４の深さを、被検体１の厚さｔの１０％に設定し、交軸点Ｐ４の近傍にクロスエリアＥ２ａを設定する。

また、例えば図１２（ａ）及び図１２（ｂ）で示すように、被検体１の軸方向における斜角探触子６Ａ，６Ｂの間隔を変更することにより、振動子２６Ａの横波送信点と振動子２６Ｂの横波受信点との間隔Ｌ３ｂを、被検体１の厚さｔの２０％に設定するとともに、振動子２７Ａの横波送信点と振動子２７Ｂの縦波受信点との間隔Ｌ４ｂを、被検体１の厚さｔの３０％に設定する。これにより、図１２（ａ）で示すように、第１の超音波伝播モードにおける交軸点Ｐ３の深さを、被検体１の厚さｔの９０％に設定し、交軸点Ｐ３の近傍にクロスエリアＥ１ｂを設定する。また、図１２（ｂ）で示すように、第２の超音波伝播モードにおける交軸点Ｐ４の深さを、被検体１の厚さｔの３０％に設定し、交軸点Ｐ４の近傍にクロスエリアＥ２ｂを設定する。

上述したステップＳ６で用いる第１及び第２の時間ゲートについて、図１３を用いて説明する。図１３は、第１及び第２の超音波伝播モードの路程を表す図である。横軸は、交軸点Ｐ３，Ｐ４の深さを、被検体１の厚さｔを基準（１００％）とした相対値で表し、縦軸は、第１及び第２の超音波伝播モードの路程（但し、超音波の伝播時間に換算したもの）を相対値で表している。第１の超音波伝播モードの路程は、交軸点Ｐ３の深さにかかわらず、一定である。一方、第２の超音波伝播モードの路程は、交軸点Ｐ４が深くなるほど増加するものの、所定の深さｈでも第１の超音波伝播モードの７０％弱にしかならない。そのため、第１の時間ゲートを、例えば第１の超音波伝播モードの路程の８０％以上となるように設定し、第２の時間ゲートを、例えば第１の超音波伝播モードの路程の８０％未満となるように設定すればよい。

なお、表示装置１２は、例えば図１４（ａ）で示すように、記憶装置１１で記録された第１の超音波伝播モードの波形データを表示したり、例えば図１４（ｂ）で示すように、記憶装置１１で記録された第２の超音波伝播モードの波形データを表示するようになっている。

次に、本実施形態の作用効果を、図１５を用いて説明する。図１５は、本実施形態における探触子の移動範囲を説明するための図である。

図１５中の実線は、上述の図１９で示した第１の比較例とほぼ同様、第１の超音波伝播モード（送信斜角α＝４５°、受信斜角α＝４５°）のみで被検体１の厚さ方向の全範囲を走査した場合の（すなわち、交軸点Ｐ３の深さを被検体１の厚さｔの０％から１００％まで変化させた場合の）、被検体１の軸方向における交軸点Ｐ３と斜角探触子６Ａの振動子２６Ａの送信点の間の距離Ｎ１の変化を表す。図１５中の点線は、第１の超音波伝播モードのみで被検体１の厚さ方向の全範囲を走査した場合の、被検体１の軸方向における交軸点Ｐ３と斜角探触子６Ｂの振動子２６Ｂの受信点の間の距離Ｎ２の変化を表す。

図１５中の一点鎖線は、上述の図２０で示した第２の比較例とほぼ同様、第２の超音波伝播モード（送信斜角β＝６０°、受信斜角γ＝２５°）のみで被検体１の厚さ方向の全範囲を走査した場合の（すなわち、交軸点Ｐ４の深さを被検体１の厚さｔの０％から１００％まで変化させた場合の）、被検体１の軸方向における交軸点Ｐ４と斜角探触子６Ａの振動子２７Ａの送信点の間の距離Ｎ３の変化を表す。図１５中の二点鎖線は、第２の超音波伝播モードのみで被検体１の厚さ方向の全範囲を走査した場合の、被検体１の軸方向における交軸点Ｐ４と斜角探触子６Ｂの振動子２７Ｂの受信点の間の距離Ｎ４の変化を表す。なお、距離Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３，Ｎ４は、被検体１の厚さｔを基準（１００％）とした相対値で表している。

この図１５から明らかなように、第１の超音波伝播モードのみで被検体１の厚さ方向の全範囲を走査した場合に、交軸点Ｐ３と斜角探触子６Ｂの振動子２６Ｂの受信点の間の距離Ｎ２は、交軸点Ｐ３が浅くなるに従って増加し、２００％に達する。一方、第２の超音波伝播モードのみで被検体１の厚さ方向の全範囲を走査した場合に、交軸点Ｐ４と斜角探触子６Ａの振動子２７Ａの送信点の間の距離Ｎ３は、交軸点Ｐ４が深くなるに従って増加し、１７３％に達する。

そこで、本実施形態では、距離Ｎ３と距離Ｎ４の大小関係が逆転する交軸点の深さ（具体的には、斜角α＝４５°、斜角β＝６０°、斜角γ＝２５°の条件では、被検体１の厚さｔの７３％）に着目し、その前後（本実施形態では、被検体１の厚さｔの７０％）に所定の深さｈを設定する。そして、所定の深さｈ以上の深い領域に設定された交軸点Ｐ３に対しては、第１の超音波伝播モードを実行し、所定の深さｈ未満の浅い領域に設定された交軸点Ｐ４に対しては、第２の超音波伝播モードを実行する。これにより、距離Ｎ２，Ｎ３の最大値を、被検体１の厚さｔの１３０％弱まで抑えることができる。したがって、交軸点に対する斜角探触子６Ａ，６Ｂの最大移動範囲を小さくすることができ、検査適用対象の拡大を図ることができる。

なお、斜角α、β、γの設定範囲内（３３°≦α≦５７°、５７°＜β≦６５°、８°≦γ≦４０°）において、最も小さな角度の組み合わせ（α＝３３°、β≒５７°、γ＝８°）であるとき、距離Ｎ２と距離Ｎ３の大小関係が逆転する交軸点の深さは、被検体１の厚さｔの６０％である。また、最も大きな角度の組み合わせ（α＝５７°、β＝６５°、γ＝４０°）であるとき、距離Ｎ２と距離Ｎ３の大小関係が逆転する交軸点の深さは、被検体１の厚さｔの８４％である。そのため、所定の深さｈは、被検体１の厚さｔの６０％〜８４％の範囲内で設定することが好ましい。

なお、上記一実施形態においては、探触子移動機構７は、軌道１４、周方向移動装置１５、アーム１６、アーム移動装置１７、及び探触子保持装置１８Ａ，１８Ｂで構成され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。また、上記一実施形態においては、円筒状の被検体１の溶接部２を検査範囲とする場合を例にとって説明したが、これに限られない。

また、上記一実施形態においては、斜角探触子６Ａは、送信用として振動子２６Ａ，２７Ａを有し、斜角探触子６Ｂは、受信用として振動子２６Ｂ，２６Ｂを有する場合を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、例えば図１７で示す第１の変形例のように、斜角探触子６Ａは、受信用として振動子２６Ａ、送信用として振動子２７Ａを有し、斜角探触子６Ｂは、送信用として振動子２６Ｂ、受信用として振動子２７Ｂを有してもよい。そして、送受信装置８は、所定の深さｈ以上の深い領域に設定された交軸点Ｐ３に対しては、上述した第１の超音波伝播モードの代わりに、第３の超音波伝播モードを実行する。第３超音波伝播モードでは、斜角探触子６Ｂの振動子２６Ｂから斜角αで横波を送信して被検体１の裏面５に向けて伝播させ、被検体１の裏面５で反射した横波を交軸点Ｐ３に向けて伝播させ、交軸点Ｐ３近傍に欠陥３が存在するときに欠陥３で反射した横波を斜角探触子６Ａの振動子２６Ａにて斜角αで受信する。

また、例えば図１８で示す第２の変形例のように、斜角探触子６Ａは、送信用として振動子２６Ａ、受信用として振動子２７Ａを有し、斜角探触子６Ｂは、受信用として振動子２６Ｂ、送信用として振動子２７Ｂを有してもよい。そして、送受信装置８は、所定の深さｈ未満の浅い領域に設定された交軸点Ｐ４に対しては、第２の超音波伝播モードの代わりに、第４の超音波伝播モードを実行する。第４の超音波伝播モードでは、斜角探触子６Ｂの振動子２７Ｂから斜角γで縦波を送信して被検体１の裏面５に向けて伝播させ、被検体１の裏面５で反射した縦波を交軸点Ｐ４に向けて伝播させ、交軸点Ｐ４近傍に欠陥３が存在するときに欠陥３でモード変換して反射した横波を斜角探触子６Ａの振動子２７Ａにて斜角βで受信する。

また、例えば図１９で示す第３の変形例のように、斜角探触子６Ａは、受信用として振動子２６Ａ，２７Ａを有し、斜角探触子６Ｂは、送信用として振動子２６Ｂ，２７Ｂを有してもよい。そして、送受信装置８は、所定の深さｈ以上の深い領域に設定された交軸点Ｐ３に対しては、上述した第１の超音波伝播モードの代わりに、第３の超音波伝播モードを実行する。また、所定の深さｈ未満の浅い領域に設定された交軸点Ｐ４に対しては、第２の超音波伝播モードの代わりに、第４の超音波伝播モードを実行する。

上述した第１〜第３の変形例においても、上記一実施形態と同様の効果を得ることができる。

６Ａ，６Ｂ 斜角探触子
７ 探触子移動機構
８ 送受信装置
２６Ａ，２６Ｂ 振動子（第１の送信用振動子、第１の受信用振動子）
２７Ａ，２７Ｂ 振動子（第２の送信用振動子、第２の受信用振動子）

Claims (10)

1. 第１の送信用振動子及び第１の受信用振動子のうちの一方と第２の送信用振動子及び第２の受信用振動子のうちの一方を有する第１の斜角探触子と、前記第１の送信用振動子及び前記第１の受信用振動子のうちの他方と前記第２の送信用振動子及び前記第２の受信用振動子のうちの他方を有する第２の斜角探触子とを用い、
   被検体の表面上に配置された前記第１の斜角探触子と前記第２の斜角探触子との間隔を可変して、送信ビーム軸と受信ビーム軸が交わる交軸点を被検体の深さ方向に走査する超音波検査方法であって、
   所定の深さより深い領域に設定された交軸点に対しては、第１の超音波伝播モードを実行し、前記所定の深さより浅い領域に設定された交軸点に対しては、第２の超音波伝播モードを実行しており、
   前記第１の超音波伝播モードでは、前記第１の送信用振動子から第１の斜角αで横波を送信して前記交軸点に向けて伝播させ、前記交軸点近傍に欠陥が存在するときに前記欠陥で反射した横波を前記被検体の裏面に向けて伝播させ、前記被検体の裏面で反射した横波を前記第１の受信用振動子にて前記第１の斜角αで受信し、
   前記第２の超音波伝播モードでは、前記第２の送信用振動子から前記第１の斜角αより大きな第２の斜角βで横波を送信して前記交軸点に向けて伝播させ、前記交軸点近傍に欠陥が存在するときに前記欠陥でモード変換して反射した縦波を前記被検体の裏面に向けて伝播させ、前記被検体の裏面で反射した縦波を前記第２の受信用振動子にて前記第２の斜角βより小さな第３の斜角γで受信することを特徴とする超音波検査方法。
2. 請求項１記載の超音波検査方法において、
   前記所定の深さより深い領域に設定された交軸点に対しては、前記第１の超音波伝播モードの代わりに、第３の超音波伝播モードを実行しており、
   前記第３の超音波伝播モードでは、前記第１の送信用振動子から前記第１の斜角αで横波を送信して前記被検体の裏面に向けて伝播させ、前記被検体の裏面で反射した横波を前記交軸点に向けて伝播させ、前記交軸点近傍に欠陥が存在するときに前記欠陥で反射した横波を前記第１の受信用振動子にて前記第１の斜角αで受信することを特徴とする超音波検査方法。
3. 請求項１又は２記載の超音波検査方法において、
   前記所定の深さより浅い領域に設定された交軸点に対しては、前記第２の超音波伝播モードの代わりに、第４の超音波伝播モードを実行しており、
   前記第４の超音波伝播モードでは、前記第２の送信用振動子から前記第３の斜角γで縦波を送信して前記被検体の裏面に向けて伝播させ、前記被検体の裏面で反射した縦波を前記交軸点に向けて伝播させ、前記交軸点近傍に欠陥が存在するときに前記欠陥でモード変換して反射した横波を前記第２の受信用振動子にて前記第２の斜角βで受信することを特徴とする超音波検査方法。
4. 請求項１記載の超音波検査方法において、
   前記第１の斜角αは、３３°≦α≦５７°の範囲内で設定され、前記第２の斜角βは、５７°＜β≦６５°の範囲内で設定され、前記第３の斜角γは、８°≦γ≦４０°の範囲内で設定されたことを特徴とする超音波検査方法。
5. 請求項４記載の超音波検査方法において、
   前記所定の深さは、被検体の厚さの６０〜８４％の範囲内で設定されたことを特徴とする超音波検査方法。
6. 第１の送信用振動子及び第１の受信用振動子のうちの一方と第２の送信用振動子及び第２の受信用振動子のうちの一方を有する第１の斜角探触子と、
   前記第１の送信用振動子及び前記第１の受信用振動子のうちの他方と前記第２の送信用振動子及び前記第２の受信用振動子のうちの他方を有する第２の斜角探触子と、
   被検体の表面上に配置された前記第１の斜角探触子と前記第２の斜角探触子との間隔を可変して、送信ビーム軸と受信ビーム軸の交点である交軸点を被検体の深さ方向に走査する探触子移動機構と、
   前記第１の斜角探触子及び前記第２の斜角探触子による超音波の送受信を制御する送受信装置とを備え、
   前記送受信装置は、
   所定の深さより深い領域に設定された交軸点に対しては、第１の超音波伝播モードを実行し、前記所定の深さより浅い領域に設定された交軸点に対しては、第２の超音波伝播モードを実行しており、
   前記第１の超音波伝播モードでは、前記第１の送信用振動子から第１の斜角αで横波を送信して前記交軸点に向けて伝播させ、前記交軸点近傍に欠陥が存在するときに前記欠陥で反射した横波を前記被検体の裏面に向けて伝播させ、前記被検体の裏面で反射した横波を前記第１の受信用振動子にて前記第１の斜角αで受信し、
   前記第２の超音波伝播モードでは、前記第２の送信用振動子から前記第１の斜角αより大きな第２の斜角βで横波を送信して前記交軸点に向けて伝播させ、前記交軸点近傍に欠陥が存在するときに前記欠陥でモード変換して反射した縦波を前記被検体の裏面に向けて伝播させ、前記被検体の裏面で反射した縦波を前記第２の受信用振動子にて第３の斜角γで受信することを特徴とする超音波検査装置。
7. 請求項６記載の超音波検査装置において、
   前記送受信装置は、
   前記所定の深さより深い領域に設定された交軸点に対しては、前記第１の超音波伝播モードの代わりに、第３の超音波伝播モードを実行しており、
   前記第３の超音波伝播モードでは、前記第１の送信用振動子から前記第１の斜角αで横波を送信して前記被検体の裏面に向けて伝播させ、前記被検体の裏面で反射した横波を前記交軸点に向けて伝播させ、前記交軸点近傍に欠陥が存在するときに前記欠陥で反射した横波を前記第１の受信用振動子にて前記第１の斜角αで受信することを特徴とする超音波検査装置。
8. 請求項６又は７記載の超音波検査装置において、
   前記送受信装置は、
   前記所定の深さより浅い領域に設定された交軸点に対しては、前記第２の超音波伝播モードの代わりに、第４の超音波伝播モードを実行しており、
   前記第４の超音波伝播モードでは、前記第２の送信用振動子から前記第３の斜角γで縦波を送信して前記被検体の裏面に向けて伝播させ、前記被検体の裏面で反射した縦波を前記交軸点に向けて伝播させ、前記交軸点近傍に欠陥が存在するときに前記欠陥でモード変換して反射した横波を前記第２の受信用振動子にて前記第２の斜角βで受信することを特徴とする超音波検査装置。
9. 請求項６記載の超音波検査装置において、
   前記第１の斜角αは、３３°≦α≦５７°の範囲内で設定され、前記第２の斜角βは、５７°＜β≦６５°の範囲内で設定され、前記第３の斜角γは、８°≦γ≦４０°の範囲内で設定されたことを特徴とする超音波検査装置。
10. 請求項９記載の超音波検査装置において、
    前記所定の深さは、被検体の厚さの６０〜８４％の範囲内で設定されたことを特徴とする超音波検査装置。

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