JP6815360B2 - 超音波検査装置および超音波検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波検査装置および超音波検査方法に関する。

従来、フェーズドアレイ法を用いた超音波検査に関する技術が知られている。例えば、特許文献１には、タービンのタービン翼を保持するロータディスクの欠陥を、フェーズドアレイ法を用いた超音波ビームによるスキャンで超音波探傷検査を行う方法が開示されている。フェーズドアレイ法では、超音波ビームを発信および受信する探触子ごとに駆動タイミングを変化させることによって、各探触子からの超音波ビームの合成波の進行方向および集束位置を調整することができる。それにより、複雑な表面形状を有する検査対象物においても、精度良く探傷検査を行うことができる。

米国特許出願公開第２００６／２８３２５０号明細書

しかしながら、複数の探触子の配列方向と直交する方向である探触子の幅方向において、検査対象物の表面形状が変化する場合、各超音波ビームが検査対象物の表面で幅方向において屈折することがある。フェーズドアレイ法では、この幅方向における超音波ビームの屈折を調整することができない。そのため、各超音波ビームを幅方向において所望の位置で集束させることができず、超音波検査の精度を確保できない可能性がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、フェーズドアレイ法を用いて検査対象物をスキャンする超音波検査の精度の向上を図ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、フェーズドアレイ法により検査対象物を検査する超音波検査装置であって、所定の配列方向に沿って並んで配列され、前記検査対象物に超音波ビームを発信し、前記検査対象物から反射した前記超音波ビームを受信する複数の探触子を備え、前記配列方向と直交する方向である幅方向において、前記検査対象物の表面形状とは反対方向に凸型を描く曲率面を通して、前記検査対象物に前記超音波ビームを入射させる、ことを特徴とする。

この構成により、複数の探触子が配列された配列方向と直交する幅方向において、曲率面を通った超音波ビームに、検査対象物の表面において屈折する方向と反対方向の屈折を予め付与することができる。その結果、検査対象物の表面形状が幅方向において変化する場合にも、超音波ビームを検査対象物に対して所望の方向に入射させ、幅方向において所望の位置で集束させることが可能となる。したがって、本発明によれば、フェーズドアレイ法を用いて検査対象物をスキャンする超音波検査の精度の向上を図ることができる。

また、前記検査対象物の表面に配置されるクサビ部材と、複数の前記探触子と前記クサビ部材との間で前記超音波ビームを伝達させる媒質とをさらに備え、前記曲率面は、前記クサビ部材の前記媒質側の面に形成されることが好ましい。

この構成により、媒質と検査対象物との間に配置されるクサビ部材の一面を用いて、曲率面を容易に形成することができる。それにより、検査対象物の種類等、検査条件に応じて、比較的に容易かつ安価に製造可能なクサビ部材の一面を形成する部分を予め用意しておくだけで、種々の検査条件に対応することが可能となる。

また、前記曲率面は、前記配列方向における少なくとも一部の範囲において、前記検査対象物の前記表面形状に応じて、異なる曲率半径に設定されることが好ましい。

この構成により、超音波ビームに、検査対象物の表面形状に応じた屈折を予め付与することができるため、超音波検査の精度をさらに向上させることができる。

また、前記曲率面は、前記配列方向における少なくとも一部の範囲において、前記超音波ビームが目標位置で前記幅方向において集束するように、前記曲率半径が設定され、前記目標位置は、フェーズドアレイ法によって前記幅方向と直交する平面上で前記超音波ビームの中心が進行する伝達経路上に、予め設定される、ことが好ましい。

この構成により、幅方向と直交する平面上において、ビーム中心が目標位置に向かう超音波ビームを、幅方向において目標位置で集束させることができる。すなわち、超音波ビームを、ビーム端部の位置ではなく最も音圧が高い中心領域で、幅方向において集束させることができる。それにより、超音波検査の精度をさらに高めることができる。

また、前記目標位置は、前記検査対象物の内部において表面側に予め設定される第１目標位置と、前記検査対象物の内部において裏面側に設定される第２目標位置とを含み、前記第１目標位置は、前記配列方向の一端に配置された前記探触子から発信された前記超音波ビームの前記伝達経路上に設定され、前記第２目標位置は、前記配列方向の他端に配置された前記探触子から発信された前記超音波ビームの前記伝達経路上に設定される、ことが好ましい。

この構成により、ビーム中心が、検査対象物の表面側に設定される第１目標位置と裏面側に設定される第２目標位置とに向かう超音波ビームの双方を、幅方向において目標位置で集束させることができる。それにより、検査対象物の表面側および裏面側の双方で、超音波ビームを最も音圧が高い中心領域で、幅方向において集束させることができる。そのため、検査対象物の厚みが大きい場合にも、超音波検査の精度を向上させることが可能となる。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、フェーズドアレイ法により検査対象物を検査する超音波検査方法であって、所定の配列方向に沿って並んで配列され、前記検査対象物に超音波ビームを発信し、前記検査対象物から反射した前記超音波ビームを受信する複数の探触子から、前記配列方向と直交する方向である幅方向において、前記検査対象物の表面形状とは反対方向に凸型を描く曲率面を通して、前記検査対象物に前記超音波ビームを入射させる、ことを特徴とする。

この構成により、複数の探触子が配列された配列方向と直交する幅方向において、曲率面を通った超音波ビームに、検査対象物の表面において屈折する方向と反対方向の屈折を予め付与することができる。その結果、検査対象物の表面形状が幅方向において変化する場合にも、超音波ビームを検査対象物に対して所望の方向に入射させ、幅方向において所望の位置で集束させることが可能となる。したがって、本発明によれば、フェーズドアレイ法を用いて検査対象物をスキャンする超音波検査の精度の向上を図ることができる。

図１は、実施形態にかかる超音波検査装置を検査対象物に適用した一例を示す模式図である。 図２は、図１に示す検査対象物の一部および超音波検査装置を図中左方向からみた模式図である。 図３は、フェーズドアレイ法による超音波検査の一例を示す模式図である。 図４は、実施形態にかかる超音波検査装置を示す説明図である。 図５は、実施形態にかかる超音波検査装置を示す説明図である。 図６は、比較例としての超音波装置検査での幅方向における超音波ビームの伝達を模式的に示す説明図である。 図７は、実施形態にかかる超音波検査装置での幅方向における超音波ビームの伝達を示す模式図である。 図８は、曲率面の設計手順の一例を示すフローチャートである。 図９は、超音波検査装置により配管を超音波検査する際、配列方向の両端に配置される探触子から発信される超音波ビームＳの伝達経路の一例を示す模式図である。

以下に、本発明にかかる超音波検査装置および超音波検査方法の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、実施形態にかかる超音波検査装置を検査対象物に適用した一例を示す模式図であり、図２は、図１に示す検査対象物の一部および超音波検査装置を図中左方向からみた模式図である。実施形態において、超音波検査装置１００は、検査対象物の内部欠陥を検出するための装置である。検査対象物は、例えば、図１および図２に示すように、蒸気タービンまたはガスタービンにおいて、タービン翼３を保持するロータディスク２である。ロータディスク２は、図２に示すように、周方向に沿って互いに間隔を空けて複数の溝部２ａが形成されており、タービン翼３の翼根部が溝部２ａに嵌め込まれる。なお、検査対象物は、ロータディスク２に限られず、超音波検査装置１００を表面に配置可能なものであればよい。検査対象物は、例えば、各種プラント設備で用いられる配管等であってもよい。

実施形態にかかる超音波検査装置１００は、例えば検査対象物がロータディスク２である場合、ロータディスク２の表面２ｂに配置される。超音波検査装置１００は、表面２ｂの任意の位置において、超音波ビームＳをロータディスク２の内部に発信し、ロータディスク２の内部から反射した超音波ビームＳを受信することで、ロータディスク２の内部をスキャンして探傷検査を実行する。また、超音波検査装置１００は、図２に示すように、ロータディスク２の表面を周方向に沿って移動可能とされており、周方向に沿った任意の位置ごとにロータディスク２内のスキャンを行う。

実施形態において、超音波検査装置１００は、フェーズドアレイ法を用いた超音波検査を行う。図３は、フェーズドアレイ法による超音波検査の一例を示す模式図である。超音波検査装置１００は、複数の探触子１１を備えている。複数の探触子１１は、所定の配列方向に沿って並べて配列されている。以下の説明において、配列方向を「配列方向Ｘ」と称し、配列方向と直交する探触子１１の幅方向を「幅方向Ｙ」と称し、配列方向Ｘおよび幅方向Ｙと直交する方向を「方向Ｚ」と称する。

各探触子１１は、超音波ビームＳを発信すると共に、検査対象物から反射した超音波ビームＳを受信する。図３に示すように、フェーズドアレイ法では、配列方向Ｘに配列された探触子１１ごとに、超音波ビームＳを発信および受信するタイミングを遅延させる遅延時間Ｔを設定する。各探触子１１は、遅延時間Ｔにしたがったタイミングで超音波ビームＳを発信させる。例えば、図中右側に配置される探触子１１ほど、遅延時間Ｔを長く設定したとすると、各探触子１１から発信された超音波ビームＳが互いに干渉しあうことで、超音波ビームＳの合成波は、図中右下方向へと進行し、所定の位置で集束する。そして、検査対象物に内部欠陥があった場合、内部欠陥で反射した超音波ビームＳを各探触子１１で受信し、遅延時間Ｔを考慮しつつ合成することにより、内部欠陥の位置を特定することができる。このように、フェーズドアレイ法によれば、遅延時間Ｔを適宜設定することで、複数の探触子１１が配列される配列方向Ｘを含むＸ−Ｚ平面において、超音波ビームＳの合成波の進行方向および集束位置を調整することができる。それにより、例えば図１に示すロータディスク２のように、複雑な表面形状を有する検査対象物においても、精度良く探傷検査を行うことができる。

次に、実施形態にかかる超音波検査装置１００の構成について、より詳細に説明する。図４および図５は、実施形態にかかる超音波検査装置を示す説明図である。図４は、超音波検査装置１００を、探触子１１の幅方向Ｙに沿った方向からみた図であり、図５は、超音波検査装置１００を配列方向Ｘに沿った方向からみた図である。以下の説明においては、説明の簡略化のため、検査対象物を円管形状の配管５とする。

図４および図５に示すように、超音波検査装置１００は、プローブ１０と、媒質保持部２０と、クサビ部材３０とを備える。プローブ１０は、複数の探触子１１を有する。実施形態において、複数の探触子１１は、プローブ１０の下面（配管５側の面）に設けられ、配列方向Ｘに沿って並んで配列される。媒質保持部２０は、プローブ１０の下面側に配置され、内部に超音波ビームＳを伝達可能な媒質Ａを保持している。媒質Ａとしては、例えば、水、超音波透過性のゲル等を用いることができる。

クサビ部材３０は、プローブ１０との間で媒質保持部２０を挟んで設けられ、プローブ１０に固定される。それにより、複数の探触子１１とクサビ部材３０との間は、媒質保持部２０に保持された媒質Ａによって満たされる。クサビ部材３０は、プローブ１０とは反対側の当接面３０ａが、検査対象物としての配管５の表面５０に沿った形状に形成されており、当接面３０ａにおいて配管５上に配置される。また、クサビ部材３０は、補正部材３１を有する。補正部材３１は、媒質保持部２０と当接するクサビ部材３０の上面３０ｂを形成する。上面３０ｂは、図４に示すように、配列方向Ｘに沿った方向に延在する。実施形態において、上面３０ｂは、配管５の表面５０に対して傾斜して延在する。その結果、プローブ１０は、配管５の表面５０に対して傾斜して設けられ、各探触子１１からは、図４において破線で模式的に示すように、表面５０に対して超音波ビームＳが所定の角度を成した状態で発信されることになる。

また、実施形態において、クサビ部材３０は、図５に示すように、媒質Ａ側の上面３０ｂが、曲率面４０として形成されている。以下の説明では、適宜、上面３０ｂを「曲率面４０」と称して説明する。曲率面４０は、配管５の表面５０の形状に基づいて、表面５０とは反対方向に凸型を描いて形成される。図５に示す例では、配管５の表面５０がプローブ１０側に向けて凸型を描く形状を呈するため、曲率面４０は、表面５０側に向けて凸型を描く形状を呈することになる。なお、検査対象物が例えば図１に示すロータディスク２である場合等には、表面２ｂが、超音波検査装置１００側とは反対側に向けて凸型を描く形状を呈する。この場合、曲率面４０は、図５に示す例とは反対側に向けて凸型を描いて形成されればよい。曲率面４０は、幅方向Ｙに沿って、配管５の表面５０の形状に応じて、異なる曲率半径Ｒ_４０に設定されている。曲率半径Ｒ_４０の設定手法については、後述する。

実施形態にかかる超音波検査方法および作用を、比較例と比較しながら説明する。図６は、比較例としての超音波装置検査での幅方向における超音波ビームの伝達を模式的に示す説明図であり、図７は、実施形態にかかる超音波検査装置での幅方向における超音波ビームの伝達を示す模式図である。図６に示す比較例としての超音波検査装置２００は、媒質保持部２０を有さず、プローブ１０の下面側にクサビ部材３０のみが設けられるものである。そして、超音波検査装置２００では、クサビ部材３０の上面３０ｂが曲率面４０として形成されておらず、探触子１１の超音波ビームの発信面に沿って平坦な面として形成される。

図６に示すように、超音波検査装置２００では、探触子１１から発信された超音波ビームＳが、クサビ部材３０を透過し、表面５０から配管５内に入射する。このとき、表面５０において、超音波ビームＳが通る部材の材質が変化することから、超音波ビームＳに屈折が生じる。フェーズドアレイ法を用いれば、Ｘ−Ｚ平面上においては超音波ビームＳの合成波の進行方向および集束位置を調整することができる。しかしながら、表面５０がプローブ１０側に向けて凸型を描いていることから、各超音波ビームＳは、図６の実線矢印に示すように、表面５０において探触子１１の中心線Ｌに対して幅方向Ｙの外側に向かって屈折することになる。このように、表面５０が幅方向Ｙにおいて変化する場合、超音波ビームＳに屈折が生じ、フェーズドアレイ法では、この屈折を調整することができない。その結果、超音波ビームＳが幅方向Ｙにおいて所望の位置で集束させることができず、超音波検査の精度が低下する可能性がある。

一方、超音波検査装置１００では、図７に示すように、探触子１１から発信された超音波ビームＳが、媒質Ａを透過し、クサビ部材３０の上面３０ｂすなわち曲率面４０を介してクサビ部材３０の内部へと進行し、さらに、表面５０から配管５内に入射する。このとき、媒質Ａとクサビ部材３０との境界およびクサビ部材３０と配管５の表面５０との境界において、超音波ビームＳに屈折が生じる。比較例の超音波検査装置２００と同様に、Ｘ−Ｚ平面上では、フェーズドアレイ法によって、超音波ビームＳの屈折を考慮した上で、合成波の進行方向および集束位置を調整することができる。

そして、超音波検査装置１００では、曲率面４０が表面５０とは反対方向に凸型を描いて形成されるため、超音波ビームＳは、図７の実線矢印で示すように、曲率面４０で探触子１１の中心線Ｌに対して幅方向Ｙの内側に向かって屈折することになる。すなわち、超音波検査装置１００では、超音波ビームＳに対して、配管５の表面５０に至る前に、表面５０での屈折方向とは反対方向の屈折を予め付与しておくことができる。その結果、表面５０において超音波ビームＳが幅方向Ｙの外側に向かって屈折したとしても、配管５の内部を進行する超音波ビームＳが中心線Ｌ側に向かうように調整することが可能となる。したがって、超音波ビームＳを幅方向Ｙにおいて所望の位置で集束させることができ、超音波検査の精度が向上する。

次に、曲率面４０の曲率半径Ｒ_４０の設計方法の一例について、図７から図９を参照しながら説明する。図８は、曲率面の設計手順の一例を示すフローチャートであり、図９は、超音波検査装置により配管を超音波検査する際、配列方向の両端に配置される探触子から発信される超音波ビームＳの伝達経路の一例を示す模式図である。以下の説明においては、配列方向Ｘの一端に配置される探触子１１を「第１探触子１１１」と称し、配列方向Ｘの他端に配置される探触子１１を「第２探触子１１２」と称する。実施形態では、図８に示す手順にしたがって、第１探触子１１１および第２探触子１１２から発信された超音波ビームＳが入射する位置における曲率半径Ｒ_４０を設定するものとする。つまり、実施形態では、図８に示す手順にしたがって、曲率面４０のうち、複数の探触子１１からの超音波ビームＳの入射範囲内における両端部の曲率半径Ｒ_４０を設定する。

図８に示す手順は、例えば演算処理装置により実行される。図示するように、演算処理装置は、ステップＳ１として、曲率面４０の曲率半径Ｒ_４０の初期設定値を入力する。曲率半径Ｒ_４０の初期設定値は、設計者により設定され、演算処理装置に入力される。曲率半径Ｒ_４０の初期設定値は、少なくとも表面５０とは反対側に向けて凸型を描く形状を呈するように、配管５の表面５０の曲率半径Ｒ_５０に基づいて任意の値に設定することができる。

演算処理装置は、ステップＳ２として、配列方向Ｘにおける探触子幅Ｄ１１、表面５０の曲率半径Ｒ_５０、媒質Ａでの音速Ｖ_Ａ、クサビ部材３０での音速Ｖ_３０、配管５の内部での音速Ｖ_５０、透過路程Ｗ_Ａ、透過路程Ｗ_３０、透過路程Ｗ_５０および目標路程Ｗ_{ｔａｒｇｅｔ}の各パラメータを入力する。各パラメータは、設計者により設定され、演算処理装置に入力される。探触子幅Ｄ１１、曲率半径Ｒ_５０、音速Ｖ_Ａ、音速Ｖ_３０および音速Ｖ_５０は、超音波検査装置１００および検査対象物としての配管５に関する各種データにしたがって設定することができる。

図９を参照しながら、透過路程Ｗ_Ａ、透過路程Ｗ_３０、透過路程Ｗ_５０および目標路程Ｗ_{ｔａｒｇｅｔ}について説明する。図９において実線矢印で示す各伝達経路は、各超音波ビームＳの中心、すなわち最も音圧が高い領域における伝達経路を表している。一方、図９において破線矢印で示す各伝達経路は、各超音波ビームＳの中心から離れた端部の位置、すなわち相対的に音圧が低い領域における伝達経路を表している。

図９に示すように、配管５に形成された溶接部５２の内部を超音波検査することを想定する。このとき、第１探触子１１１から発信された超音波ビームＳは、フェーズドアレイ法により、その中心が実線矢印で例示する伝達経路を通って、第１目標位置Ｐ_１までＸ−Ｚ平面上で進行するものとする。また、第２探触子１１２から発信された超音波ビームＳは、フェーズドアレイ法により、その中心が実線矢印で例示する伝達経路を通って、第２目標位置Ｐ_２までＸ−Ｚ平面上で進行するものとする。第１目標位置Ｐ_１は、溶接部５２に対応した位置で配管５の表面５０側に設定される。第２目標位置Ｐ_２は、溶接部５２に対応した位置で配管５の裏面（内面）５１側に設定される。第１目標位置Ｐ_１の表面５０からの高さ、第２目標位置Ｐ_２の裏面（内面）５１の高さは、任意に設定することができる。

透過路程Ｗ_Ａは、第１探触子１１１、第２探触子１１２から発信された超音波ビームＳの中心が媒質Ａを透過する距離である。また、透過路程Ｗ_３０は、第１探触子１１１、第２探触子１１２から発信された超音波ビームＳの中心がクサビ部材３０を透過する距離である。また、透過路程Ｗ_５０は、第１探触子１１１、第２探触子１１２から発信された超音波ビームＳの中心が配管５の内部を透過する距離である。透過路程Ｗ_Ａ、透過路程Ｗ_３０および透過路程Ｗ_５０は、超音波ビームＳの中心が図９に実線で例示する伝達経路を通ってＸ−Ｚ平面上で進行する距離にしたがって、設定することができる。そして、目標路程Ｗ_{ｔａｒｇｅｔ}は、第１探触子１１１、第２探触子１１２から発信された超音波ビームＳの中心が、配管５の内部で幅方向Ｙにおいて集束するまでの目標進行距離である。目標路程Ｗ_{ｔａｒｇｅｔ}は、透過路程Ｗ_Ａ、Ｗ_３０、Ｗ_５０の合算値として設定される。

図８の説明に戻る。演算処理装置は、ステップＳ３として、曲率面４０に入射する超音波ビームＳの配列方向Ｘのビーム幅Ｄ_４０を算出する。実施形態では、図７に示すように、探触子１１から発信される超音波ビームＳの中心線Ｌに対する角度θ_１が０°であり、超音波ビームＳは、探触子１１から媒質Ａ内を幅方向Ｙにおいて直進する。そのため、ビーム幅Ｄ_４０は、探触子１１の探触子幅Ｄ_１１と一致する。

演算処理装置は、ステップＳ４として、図７に示す曲率面４０での超音波ビームＳの屈折角θ_２を算出する。屈折角θ_２は、ステップＳ１で設定した曲率半径Ｒ_４０、ステップＳ２で入力した媒質Ａでの音速Ｖ_Ａ、クサビ部材３０での音速Ｖ_３０およびステップＳ３で算出された曲率面４０でのビーム幅Ｄ_４０に基づいて算出される。より詳細には、演算処理装置は、ビーム幅Ｄ_４０と曲率半径Ｒ_４０とに基づいて、超音波ビームＳの端部における曲率面_４０の中心線Ｌに対する傾斜角度θ_４０を算出する。次に、演算処理装置は、超音波ビームＳの端部における曲率面４０への入射角θ_１２ｉｎを算出する。実施形態では、入射角θ_１２ｉｎは、傾斜角度θ_４０と一致する。さらに、演算処理装置は、入射角θ_１２ｉｎ、音速Ｖ_Ａおよび音速Ｖ_３０に基づいて、スネルの法則により、超音波ビームＳの端部における曲率面４０からの出射角θ_{１２ｏｕｔ}を算出する。そして、演算処理装置は、傾斜角度θ_４０（入射角θ_１２ｉｎ）および出射角θ_{１２ｏｕｔ}に基づいて、屈折角θ_２を算出する。

演算処理装置は、ステップＳ５として、配管５の表面５０に入射する超音波ビームＳの幅方向Ｙのビーム幅Ｄ_５０を算出する。ビーム幅Ｄ_５０は、ステップＳ２で入力した透過路程Ｗ_３０、ステップＳ３で設定したビーム幅Ｄ_４０、ステップＳ４で算出した屈折角θ_２に基づいて算出される値を、近似値として用いることができる。

演算処理装置は、ステップＳ６として、図７に示す表面５０での超音波ビームＳの屈折角θ_３を算出する。屈折角θ_３は、ステップＳ２で入力した表面５０の曲率半径Ｒ_５０、クサビ部材３０での音速Ｖ_３０、配管５での音速Ｖ_５０、ステップＳ４で算出された屈折角θ_２およびステップＳ５で算出された表面５０でのビーム幅Ｄ_５０に基づいて算出される。より詳細には、演算処理装置は、ビーム幅Ｄ_５０と曲率半径Ｒ_５０とに基づいて、超音波ビームＳの端部における表面５０の中心線Ｌに対する傾斜角度θ_５０を算出する。次に、演算処理装置は、屈折角θ_２と傾斜角度θ_５０とに基づいて、超音波ビームＳの端部における表面５０への入射角θ_２３ｉｎを算出する。さらに、演算処理装置は、入射角θ_２３ｉｎ、音速Ｖ_Ａおよび音速Ｖ_５０に基づいて、スネルの法則により、超音波ビームＳの端部における表面５０からの出射角θ_{２３ｏｕｔ}を算出する。そして、演算処理装置は、傾斜角度θ_５０および出射角θ_{２３ｏｕｔ}に基づいて、屈折角θ_３を算出する。

演算処理装置は、ステップＳ７として、超音波ビームＳの幅方向Ｙのビーム幅がゼロとなるまでの路程、すなわち超音波ビームＳが幅方向Ｙにおいて集束するまでの集束路程Ｗ_ｆを算出する。より詳細には、演算処理装置は、ステップＳ２で入力した各パラメータおよびステップＳ３からステップＳ６で算出した各値に基づいて、図７に示す超音波ビームＳの透過路程Ｗ_Ａ´、Ｗ_３０´、Ｗ_５０´を算出する。透過路程Ｗ_Ａ´は、超音波ビームＳの幅方向Ｙの端部において、媒質Ａを透過する距離であり、実施形態では、透過路程Ｗ_Ａと一致する。透過路程Ｗ_３０´は、超音波ビームＳの幅方向Ｙの端部において、クサビ部材３０を透過する距離である。透過路程Ｗ_５０´は、配管５の内部において超音波ビームＳのビーム幅がゼロとなるまでの距離である。そして、演算処理装置は、透過路程Ｗ_Ａ´、Ｗ_３０´、Ｗ_５０´を合算することで、集束路程Ｗ_ｆを算出する。

演算処理装置は、ステップＳ８として、ステップＳ７で算出された集束路程Ｗ_ｆと、ステップＳ２で入力した目標路程Ｗ_{ｔａｒｇｅｔ}とを比較し、集束路程Ｗ_ｆが目標路程Ｗ_{ｔａｒｇｅｔ}に近似しているか否かを判定する。集束路程Ｗ_ｆが目標路程Ｗ_{ｔａｒｇｅｔ}に近似しているか否かは、例えば集束路程Ｗ_ｆと目標路程Ｗ_{ｔａｒｇｅｔ}との差が所定値未満であるか否かによって判定することができる。

演算処理装置は、集束路程Ｗ_ｆが目標路程Ｗ_{ｔａｒｇｅｔ}に近似していないと判定した場合（ステップＳ８でＮｏ）、ステップＳ９として、曲率半径Ｒ_４０の再設定を行う。曲率半径Ｒ_４０の再設定は、少なくとも表面５０とは反対側に向けて凸型を描く形状を呈するように、曲率半径Ｒ_４０をステップＳ１での初期設定とは異なる値に設定する。曲率半径Ｒ_４０の再設定は、例えば前回の曲率半径Ｒ_４０に対する変化量を予め設定しておく等の手法により、演算処理装置において自動的に最適化計算が進むようにしてもよいし、１回ごとに設計者が再設定値を決定して演算処理装置に入力してもよい。

そして、演算処理装置は、ステップＳ８において、集束路程Ｗ_ｆが目標路程Ｗ_{ｔａｒｇｅｔ}に近似したと判定されるまで、ステップＳ２以降の処理を繰り返し実行する。演算処理装置は、集束路程Ｗ_ｆが目標路程Ｗ_{ｔａｒｇｅｔ}に近似していると判定した場合（ステップＳ８でＮｏ）、ステップＳ１０として、現在の曲率半径Ｒ_４０を最終的な設定値として決定する。これにより、第１探触子１１１および第２探触子１１２から発信された超音波ビームＳが入射する曲率面４０の両端部について、曲率半径Ｒ_４０が決定される。このように、曲率半径Ｒ_４０は、超音波ビームＳが目標路程Ｗ_{ｔａｒｇｅｔ}で、つまり、第１目標位置Ｐ_１または第２目標位置Ｐ_２で、幅方向Ｙにおいて集束するように設定される。なお、「超音波ビームＳが第１目標位置Ｐ_１または第２目標位置Ｐ_２で、幅方向Ｙにおいて集束するように設定される」とは、集束路程Ｗ_ｆと目標路程Ｗ_{ｔａｒｇｅｔ}とが一致する場合のみでなく、例えば集束路程Ｗ_ｆと目標路程Ｗ_{ｔａｒｇｅｔ}との差が所定値未満であるといったように、集束路程Ｗ_ｆが目標路程Ｗ_{ｔａｒｇｅｔ}に近似することを含むものである。

曲率面４０の他の範囲における曲率半径Ｒ_４０は、両端部の曲率半径Ｒ_４０の値に基づいて、種々の手法により設定されればよい。例えば、他の範囲における曲率半径Ｒ_４０を両端部の曲率半径Ｒ_４０の値に基づいて周知の補完法を用いて算出してもよい。また、他の範囲における曲率半径Ｒ_４０を所定範囲において両端部の曲率半径Ｒ_４０と同一の値としてもよい。さらに、図８に示す手順にしたがって、各探触子１１から発信された超音波ビームＳが入射する位置のすべてについて、曲率面４０の曲率半径Ｒ_４０を設定し、設定した複数の曲率半径Ｒ_４０の間の範囲を、上述した補間法等を用いて算出または設定してもよい。

以上説明したように、実施形態にかかる超音波検査装置１００および超音波検査方法では、複数の探触子１１が配列された配列方向Ｘと直交する幅方向Ｙにおいて、曲率面４０を通った超音波ビームＳに、検査対象物（ロータディスク２、配管５）の表面において屈折する方向と反対方向の屈折を予め付与することができる。その結果、検査対象物の表面形状が幅方向Ｙにおいて変化する場合にも、超音波ビームＳを検査対象物に対して所望の方向に入射させ、幅方向Ｙにおいて所望の位置で集束させることが可能となる。したがって、フェーズドアレイ法を用いて検査対象物をスキャンする超音波検査の精度の向上を図ることができる。

また、検査対象物の表面に配置されるクサビ部材３０と、複数の探触子１１とクサビ部材３０との間で超音波ビームＳを伝達させる媒質Ａとをさらに備え、曲率面４０は、クサビ部材３０の媒質Ａ側の面に形成される。

この構成により、媒質Ａと検査対象物との間に配置されるクサビ部材３０の一面（上面３０ｂ）を用いて、曲率面４０を容易に形成することができる。なお、探触子１１の超音波ビームＳを発信する発信面そのものを曲率面４０としてもよい。ただし、探触子１１の製造容易性が低下する可能性があり、また、比較的に高価な探触子１１を検査条件に応じて複数用意することが必要となる。実施形態の構成によれば、検査対象物の種類等、検査条件に応じて、比較的に容易かつ安価に製造可能なクサビ部材３０の上面３０ｂを形成する部分（補正部材３１）を予め用意しておくだけで、種々の検査条件に対応することが可能となる。

また、曲率面４０は、配列方向Ｘにおける少なくとも一部の範囲において、検査対象物の表面形状に応じて、異なる曲率半径Ｒ_４０に設定される。

この構成により、超音波ビームＳに、検査対象物の表面形状に応じた屈折を予め付与することができるため、超音波検査の精度をさらに向上させることができる。

また、曲率面４０は、配列方向Ｘにおける少なくとも一部の範囲において、超音波ビームＳが目標位置で幅方向Ｙにおいて集束するように、曲率半径Ｒ_４０が設定され、目標位置は、フェーズドアレイ法によって幅方向Ｙと直交するＸ−Ｚ平面上で超音波ビームＳの中心が進行する伝達経路上に、予め設定される。

この構成により、幅方向Ｙと直交するＸ−Ｚ平面上において、ビーム中心が目標位置に向かう超音波ビームＳを、幅方向Ｙにおいて目標位置で集束させることができる。すなわち、超音波ビームＳを、ビーム端部（図７の破線矢印参照）の位置ではなく、最も音圧が高い中心（図７の実線矢印参照）領域で、幅方向Ｙにおいて集束させることができる。それにより、超音波検査の精度をさらに高めることができる。

また、目標位置は、検査対象物の内部において表面側に予め設定される第１目標位置Ｐ_１と、検査対象物の内部において裏面側に設定される第２目標位置Ｐ_２とを含み、第１目標位置Ｐ_１は、配列方向Ｘの一端に配置された第１探触子１１１から発信された超音波ビームＳの伝達経路上に設定され、第２目標位置Ｐ_２は、配列方向Ｘの他端に配置された第２探触子１１２から発信された超音波ビームＳの伝達経路上に設定される。

この構成により、ビーム中心が、検査対象物の表面側に設定される第１目標位置Ｐ_１と裏面側に設定される第２目標位置Ｐ_２とに向かう超音波ビームＳの双方を、幅方向Ｙにおいて目標位置で集束させることができる。それにより、検査対象物の表面側および裏面側の双方で、超音波ビームＳを最も音圧が高い中心領域で、幅方向Ｙにおいて集束させることができる。そのため、検査対象物の厚みが大きい場合にも、超音波検査の精度を向上させることが可能となる。

なお、実施形態では、曲率面４０の曲率半径Ｒ_４０を配列方向Ｘの少なくとも一部の範囲で異なるものとしたが、曲率面４０は、超音波ビームＳに、検査対象物の表面において屈折する方向と反対方向の屈折を予め付与することさえできれば、一定の曲率半径Ｒ_４０とされてもよい。

また、実施形態では、図８に示す手順にしたがって、曲率面４０のうち超音波ビームＳの入射範囲内における両端部の曲率半径Ｒ_４０を設定するものとしたが、図８に示す手順により曲率半径Ｒ_４０を設定する位置は、これに限られない。つまり、目標位置を、第１目標位置Ｐ_１および第２目標位置Ｐ_２以外の位置に設定してもよく、目標位置に向かう超音波ビームＳを発信する探触子１１を、第１探触子１１１および第２探触子１１２以外の探触子１１としてもよい。

また、実施形態では、検査対象物としての配管５の内部において超音波ビームＳの屈折が生じない例を説明したが、実施形態の構成は、配管５の内部において超音波ビームＳの屈折が生じる場合にも適用することができる。つまり、図８に示す手順において、ステップＳ６で屈折角θ_３を算出した後、配管５の内部で屈折が生じる位置における超音波ビームＳのビーム幅を算出し、さらに同位置における超音波ビームＳの屈折角を算出し、これらの値を考慮した上でステップＳ７の集束路程Ｗ_ｆを算出すればよい。

また、実施形態では、クサビ部材３０の上面３０ｂを曲率面４０としたが、曲率面４０は、クサビ部材３０の上面３０ｂとは異なる位置に形成されてもよいし、クサビ部材３０とは異なる部材を別に設けることで形成されてもよい。

２ ロータディスク
２ａ 溝部
２ｂ 表面
３ タービン翼
５ 配管
５０ 表面
５１ 裏面（内面）
１０ プローブ
１１ 探触子
１１１ 第１探触子
１１２ 第２探触子
２０ 媒質保持部
３０ クサビ部材
３０ａ 当接面
３０ｂ 上面
３１ 補正部材
４０ 曲率面
１００、２００ 超音波検査装置
Ａ 媒質
Ｄ_１１ 探触子幅
Ｄ_４０、Ｄ_５０ ビーム幅
Ｌ 中心線
Ｐ_１ 第１目標位置
Ｐ_２ 第２目標位置
Ｒ_４０、Ｒ_５０ 曲率半径
Ｓ 超音波ビーム
Ｔ 遅延時間
Ｖ_３０、Ｖ_５０、Ｖ_Ａ 音速
Ｗ_３０、Ｗ_３０´、Ｗ_５０、Ｗ_５０´、Ｗ_Ａ、Ｗ_Ａ´ 透過路程
Ｗ_ｆ 集束路程
Ｗ_{ｔａｒｇｅｔ} 目標路程
Ｘ 配列方向
Ｙ 幅方向
θ_１ 角度
θ_１２ｉｎ、θ_２３ｉｎ 入射角
θ_{１２ｏｕｔ}、θ_{２３ｏｕｔ} 出射角
θ_２、θ_３ 屈折角
θ_４０、θ_５０ 傾斜角度

Claims (8)

1. フェーズドアレイ法により検査対象物を検査する超音波検査装置であって、
   所定の配列方向に沿って並んで配列され、前記検査対象物に超音波ビームを発信し、前記検査対象物から反射した前記超音波ビームを受信する複数の探触子と、
   前記検査対象物の表面に配置されるクサビ部材と、
   複数の前記探触子と前記クサビ部材との間で前記超音波ビームを伝達させる媒質と、
   を備え、
   前記複数の探触子の前記超音波ビームの発信面は、平坦な面に形成され、
   前記配列方向と直交する方向である幅方向において、前記検査対象物の表面形状とは反対方向に凸型を描く曲率面を通して、前記検査対象物に前記超音波ビームを入射させ、
   前記曲率面は、前記検査対象物の表面に配置されるクサビ部材の前記媒質側の面に形成される、
   ことを特徴とする超音波検査装置。
2. 前記平坦な面は、前記探触子と前記媒質との界面であることを特徴とする請求項１に記載の超音波検査装置。
3. 前記曲率面は、前記配列方向における少なくとも一部の範囲において、前記検査対象物の前記表面形状に応じて、異なる曲率半径に設定されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波検査装置。
4. 前記曲率面は、前記配列方向における少なくとも一部の範囲において、前記超音波ビームが目標位置で前記幅方向において集束するように、前記曲率半径が設定され、
   前記目標位置は、フェーズドアレイ法によって前記幅方向と直交する平面上で前記超音波ビームの中心が進行する伝達経路上に、予め設定される、
   ことを特徴とする請求項３に記載の超音波検査装置。
5. 前記目標位置は、前記検査対象物の内部において表面側に予め設定される第１目標位置と、前記検査対象物の内部において裏面側に設定される第２目標位置とを含み、
   前記第１目標位置は、前記配列方向の一端に配置された前記探触子から発信された前記超音波ビームの前記伝達経路上に設定され、
   前記第２目標位置は、前記配列方向の他端に配置された前記探触子から発信された前記超音波ビームの前記伝達経路上に設定される、
   ことを特徴とする請求項４に記載の超音波検査装置。
6. フェーズドアレイ法により検査対象物を検査する超音波検査装置であって、
   所定の配列方向に沿って並んで配列され、前記検査対象物に超音波ビームを発信し、前記検査対象物から反射した前記超音波ビームを受信する複数の探触子を備え、
   前記配列方向と直交する方向である幅方向において、前記検査対象物の表面形状とは反対方向に凸型を描く曲率面を通して、前記検査対象物に前記超音波ビームを入射させ、
   前記曲率面は、前記配列方向における少なくとも一部の範囲において、前記検査対象物の前記表面形状に応じて異なる曲率半径に設定され、かつ、前記配列方向における少なくとも一部の範囲において、前記超音波ビームが目標位置で前記幅方向において集束するように、前記曲率半径が設定され、
   前記目標位置は、フェーズドアレイ法によって前記幅方向と直交する平面上で前記超音波ビームの中心が進行する伝達経路上に予め設定され、前記検査対象物の内部において表面側に予め設定される第１目標位置と、前記検査対象物の内部において裏面側に設定される第２目標位置とを含み、
   前記第１目標位置は、前記配列方向の一端に配置された前記探触子から発信された前記超音波ビームの前記伝達経路上に設定され、
   前記第２目標位置は、前記配列方向の他端に配置された前記探触子から発信された前記超音波ビームの前記伝達経路上に設定される、
   ことを特徴とする超音波検査装置。
7. フェーズドアレイ法により検査対象物を検査する超音波検査方法であって、
   所定の配列方向に沿って並んで配列され、前記検査対象物に超音波ビームを発信し、前記検査対象物から反射した前記超音波ビームを受信する複数の探触子から、前記配列方向と直交する方向である幅方向において、前記検査対象物の表面形状とは反対方向に凸型を描く曲率面を通して、前記検査対象物に前記超音波ビームを入射させ、
   前記複数の探触子の前記超音波ビームの発信面は、平坦な面に形成され、
   前記検査対象物の表面には、クサビ部材が配置され、
   複数の前記探触子と前記クサビ部材との間には、前記超音波ビームを伝達させる媒質が配置され、
   前記曲率面は、前記検査対象物の表面に配置されるクサビ部材の前記媒質側の面に形成される、
   ことを特徴とする超音波検査方法。
8. フェーズドアレイ法により検査対象物を検査する超音波検査方法であって、
   所定の配列方向に沿って並んで配列され、前記検査対象物に超音波ビームを発信し、前記検査対象物から反射した前記超音波ビームを受信する複数の探触子から、前記配列方向と直交する方向である幅方向において、前記検査対象物の表面形状とは反対方向に凸型を描く曲率面を通して、前記検査対象物に前記超音波ビームを入射させ、
   前記曲率面は、前記配列方向における少なくとも一部の範囲において、前記検査対象物の前記表面形状に応じて異なる曲率半径に設定され、かつ、前記配列方向における少なくとも一部の範囲において、前記超音波ビームが目標位置で前記幅方向において集束するように、前記曲率半径が設定され、
   前記目標位置は、フェーズドアレイ法によって前記幅方向と直交する平面上で前記超音波ビームの中心が進行する伝達経路上に予め設定され、前記検査対象物の内部において表面側に予め設定される第１目標位置と、前記検査対象物の内部において裏面側に設定される第２目標位置とを含み、
   前記第１目標位置は、前記配列方向の一端に配置された前記探触子から発信された前記超音波ビームの前記伝達経路上に設定され、
   前記第２目標位置は、前記配列方向の他端に配置された前記探触子から発信された前記超音波ビームの前記伝達経路上に設定される、
   ことを特徴とする超音波検査方法。

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