JP7150648B2 - 超音波探傷装置及び超音波探傷方法並びに超音波探傷プログラム - Google Patents

Description

本発明は、超音波探傷装置及び超音波探傷方法並びに超音波探傷プログラムに関するものである。

近年、配管や圧力容器或いは材料内部の固体または液体中の欠陥等を検査する超音波探傷の一手法として、フェーズドアレイ式の超音波探傷装置及び超音波探傷方法が注目されている。このフェーズドアレイ超音波探傷プローブを用いた超音波探傷技術の特徴として、超音波ビームを任意方向に送出できる点、超音波ビームを任意位置に集束できる点、ビーム走査を電子的に高速に切り替えることができる点、等が挙げられる。ここで、フェーズドアレイ超音波探傷プローブは、一般的に、複数個の振動子が列状または面状に並べて配置された構成を備えるが、被検体の探傷面が平面である場合は少なく、探傷面が曲面である場合や、また管の溶接部など複雑な形状を持つ場合が多い。

そこで、探傷面が曲面であっても振動子の下端が該探傷面に当接するように、振動子の配置列または配置面が任意の曲率を持つことが可能なフレキシブルフェーズドアレイ超音波探傷プローブが提案されている。例えば、特許文献１には、医用超音波診断装置に用いられるフレキシブル超音波プローブとして、複数のアレイ状微少振動子集合体を連結して板状に形成したものが記載されている。

また、管の溶接部など複雑な部位の探傷を正確に行うために、被検体表面形状の情報を予め取得し、この表面形状情報を参照して探傷を行う超音波探傷技術も提案されている。例えば、特許文献２には、フェーズドアレイ超音波探傷プローブを用いて被検体表面形状の情報を予め取得し、取得した表面形状情報に基づき、被検体内部の所定位置が超音波集束位置となるように探傷プローブの各振動子から発せられる超音波の遅延時間を制御する手法が記載されている。

特開平２－２４６９５９号公報 特開２００７－１７０８７７号公報

しかしながら、上述したフレキシブルフェーズドアレイ超音波探傷プローブを用いた従来の超音波探傷技法では、被検体の外形が曲面であって、探傷プローブの移動走査と共に外形の曲率が変化する場合には、外形の曲率変化と共に探傷プローブの振動子配置面と被検体の外形表面との間隔も変化することとなる。この際、外形表面の曲率に合わせて超音波ビームの集束位置を適切な位置に変化させたとしても、ビーム伝搬距離の違いによる検出誤差が生じてしまい、検出精度が低下するという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、フェーズドアレイ超音波探傷プローブを用いた超音波探傷において、検査の信頼性向上を図ることのできる超音波探傷装置及び超音波探傷方法並びに超音波探傷プログラムを提供することを目的とする。

本発明の第一態様は、複数の振動子が間隔をあけて円弧状に配置されたフェーズドアレイ超音波探傷プローブである探傷プローブを用いて、スキャン方向に沿って外形が変化する被検体の超音波探傷を行う超音波探傷装置であって、前記被検体の基準スキャン位置における前記被検体の横断面の外形曲線の曲率中心である基準曲率中心と、前記探傷プローブの曲率中心とが一致するように設置された前記探傷プローブを前記被検体のスキャン方向に沿って移動させる走査部と、超音波ビームの集束位置が各スキャン位置における前記被検体の横断面の外形曲線の曲率中心である検査曲率中心と一致するように、前記探傷プローブから射出される超音波ビームを制御するビーム制御部と、前記被検体から反射された反射ビームを受信する受信部と、前記反射ビームに基づいて、前記被検体の周方向における欠陥の長さを推定する欠陥推定部と、前記被検体の厚さ方向における前記基準曲率中心と各前記検査曲率中心とのずれ量に応じた補正係数を用いて、推定された前記欠陥の長さを補正する補正部とを具備する超音波探傷装置である。

上記超音波探傷装置によれば、基準スキャン位置とは異なるスキャン位置である検査スキャン位置において被検体の探傷検査を行う場合には、被検体の横断面の外形曲線の曲率中心である検査曲率中心と超音波ビームの集束位置が一致するように、探傷プローブから超音波ビームを射出し、その反射ビームを用いて、被検体の周方向における欠陥の長さを推定する。この場合、検査スキャン位置においては、基準スキャン位置とは異なり、各振動子から被検体の外形表面に向けて垂直に超音波を入射させることができない場合がある。そして、このような場合には、各振動子から伝搬される超音波の伝搬距離が異なることから、欠陥推定部によって推定される欠陥の長さに誤差が生じてしまう。このような場合であっても、上記超音波探傷装置によれば、被検体の厚さ方向における基準曲率中心と検査曲率中心とのずれ量に応じた補正係数を用いて、欠陥推定部によって推定された欠陥の長さを補正するので、検査精度を向上させることができ、検査の信頼性向上を図ることが可能となる。

上記超音波探傷装置は、前記被検体の厚さ方向における前記基準曲率中心と各前記検査曲率中心とのずれ量に応じて、前記被検体からの反射ビームを受信できない非検査範囲の評価を行う非検査範囲評価部を更に備えていてもよい。

上述のように、検査スキャン位置においては、各振動子から被検体の外形表面に向けて垂直に超音波を入射させることができない場合がある。そして、このような場合には、被検体からの反射ビームを受信できない非検査範囲が生じることがある。このような場合に、反射ビームを受信できない非検査範囲を評価する非検査範囲評価部を備えているので、例えば、非検査範囲が許容値を超える場合には、その検査スキャン位置における探傷検査は行わず、当該検査スキャン位置の被検体の外形により適合する探傷プローブを用いて再検査を行うなどの対策をとることができる。これにより、非検査範囲が許容値よりも大きいことに起因する検査精度の低下を抑制することが可能となる。

本発明の第二態様は、複数の振動子が間隔をあけて円弧状に配置されたフェーズドアレイ超音波探傷プローブである探傷プローブを用いて、スキャン方向に沿って外形が変化する被検体の超音波探傷を行う超音波探傷方法であって、前記被検体の基準スキャン位置における前記被検体の横断面の外形曲線の曲率中心である基準曲率中心と、前記探傷プローブの曲率中心とが一致するように探傷プローブを設置する設置工程と、前記探傷プローブを前記被検体のスキャン方向に沿って移動させる走査工程と、超音波ビームの集束位置が各スキャン位置における前記被検体の横断面の外形曲線の曲率中心である検査曲率中心と一致するように、前記探傷プローブから射出される超音波ビームを制御するビーム制御工程と、前記被検体から反射された反射ビームを受信する受信工程と、前記反射ビームに基づいて、前記被検体の周方向における欠陥の長さを推定する欠陥推定工程と、前記被検体の厚さ方向における前記基準曲率中心と各前記検査曲率中心とのずれ量に応じた補正係数を用いて、推定された前記欠陥の長さを補正する補正工程とを有する超音波探傷方法である。

上記超音波探傷方法は、前記被検体の厚さ方向における前記基準曲率中心と各前記検査曲率中心とのずれ量に応じて、前記被検体からの反射ビームを受信できない非検査範囲の評価を行う非検査範囲評価工程を更に有していてもよい。

本発明の第三態様は、複数の振動子が間隔をあけて円弧状に配置されたフェーズドアレイ超音波探傷プローブである探傷プローブを用いて、スキャン方向に沿って外形が変化する被検体の超音波探傷を行うための超音波探傷プログラムであって、前記被検体の基準スキャン位置における前記被検体の横断面の外形曲線の曲率中心である基準曲率中心と、前記探傷プローブの曲率中心とが一致するように設置された前記探傷プローブを前記被検体のスキャン方向に沿って移動させる走査処理と、超音波ビームの集束位置が各スキャン位置における前記被検体の横断面の外形曲線の曲率中心である検査曲率中心と一致するように、前記探傷プローブから射出される超音波ビームを制御するビーム制御処理と、前記被検体から反射された反射ビームを受信する受信処理と、前記反射ビームに基づいて、前記被検体の周方向における欠陥の長さを推定する欠陥推定処理と、前記被検体の厚さ方向における前記基準曲率中心と各前記検査曲率中心とのずれ量に応じた補正係数を用いて、推定された前記欠陥の長さを補正する補正処理とをコンピュータに実行させるための超音波探傷プログラムである。

上記超音波探傷プログラムは、前記被検体の厚さ方向における前記基準曲率中心と各前記検査曲率中心とのずれ量に応じて、前記被検体からの反射ビームを受信できない非検査範囲の評価を行う非検査範囲評価処理を更に含んでいてもよい。

本発明によれば、フェーズドアレイ超音波探傷プローブを用いた超音波探傷において、検査の信頼性向上を図ることができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る超音波探傷装置の概略構成図である。 本発明の一実施形態に係る検査装置のハードウェア構成の一例を示した概略構成図である。 本発明の一実施形態に係る検査装置が有する機能の一例を示した機能ブロック図である。 被検体の一例を示した図である。 本発明の一実施形態に係る探傷プローブと基準スキャン位置における被検体との位置関係について説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る非検査範囲の演算手法について説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る補正係数について説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る超音波探傷方法の手順の一例を示したフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る超音波探傷装置を用いて探傷検査を行った場合の検査結果の一例を示した図である。 本発明の一実施形態に係る超音波探傷装置を用いて探傷検査を行った場合の検査結果の一例を示した図である。 本発明の一実施形態に係る超音波探傷装置において、コーナー部の凹部側から探傷検査を行う場合の被検査範囲の演算手法について説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る超音波探傷装置において、コーナー部の凹部側から探傷検査を行う場合の補正係数について説明するための図である。

以下、本発明の一実施形態に係る超音波探傷装置及び超音波探傷方法並びに超音波探傷プログラムについて、図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る超音波探傷装置の構成図である。図１に示すように、超音波探傷装置１は、探傷プローブ５と、検査装置１０とを主な構成として備えている。探傷プローブ５は、フェーズドアレイ超音波探傷プローブであり、曲面４の円弧に沿って間隔をあけて列状に配置された複数の振動子６を有している。本実施形態において、探傷プローブ５は、振動子６が配置された曲面の曲率が変化しない曲率固定型の探傷プローブ５を用いて探傷検査を行う場合を例示して説明するが、探傷プローブ５の構造はこの例に限定されず、例えば、振動子６が配置された曲面４の曲率を変形させることのできるフレキシブル超音波プローブであってもよい。

検査装置１０は、図２に示すように、例えば、ＣＰＵ１１、ＣＰＵ１１が実行するプログラム及びこのプログラムにより参照されるデータ等を記憶するための補助記憶装置１２、各プログラム実行時のワーク領域として機能する主記憶装置１３、ネットワークに接続するための通信インターフェース１４、キーボードやマウス等からなる入力部１５、及びデータを表示する液晶表示装置等からなる表示部１６等を備えている。これら各部は、例えば、バス１８を介して接続されている。補助記憶装置１２は、例えば、磁気ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリ等が一例として挙げられる。

後述する各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラム（例えば、超音波探傷プログラム）の形式で補助記憶装置１２に記憶されており、このプログラムをＣＰＵ１１が主記憶装置１３に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。なお、プログラムは、補助記憶装置１２に予めインストールされている形態や、他のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、半導体メモリ等である。

図３は、本実施形態に係る検査装置１０が有する機能の一例を示した機能ブロック図である。図３に示すように、検査装置１０は、探傷プローブ５を駆動制御するためのプローブ制御部２０と、探傷プローブ５によって取得された反射ビームの情報に基づいて被検体７の探傷検査を行う評価部３０とを備えている。

プローブ制御部２０は、例えば、探傷プローブ５を被検体７（図４参照）のスキャン方向に移動させる走査部２１と、各スキャン位置における被検体７の形状に応じて被検体７に対して射出させる超音波ビームの遅延分布を制御し、所望の超音波ビームを探傷プローブ５から射出させるビーム制御部２２と、被検体７からの反射ビームを受信する受信部２３とを主な構成として備えている。

また、評価部３０は、被検体７の各スキャン位置において欠陥の検出が不可能な非検査範囲の距離を算出する非検査範囲評価部３１と、被検体７から反射された反射ビームに基づいて被検体７の周方向における欠陥の長さを推定する欠陥推定部３２と、欠陥推定部３２で推定された欠陥の長さを補正する補正部３３と、検査結果を表示する表示部３４とを主な構成として備えている。

図４は、本実施形態に係る超音波探傷装置１によって探傷検査を行う被検体７の一例を示した図である。被検体７は、図４、図５に示すようにコーナー部２を有する。このコーナー部２は、探傷プローブ５の走査と共に曲率が変化する形状とされている。より詳しくは、被検体７は、スキャン方向に直交する面で切断した横断面における外側曲線の曲率がスキャン位置によって異なるような形状とされている。
本実施形態に係る超音波探傷装置１は、コーナー部２の内部において周方向に発生した欠陥を検出するとともに、その周方向における欠陥の長さを推定する機能を備えている。

被検体７のコーナー部２の探傷を行う場合、まずは、ある基準となるスキャン位置（以下「基準スキャン位置」という。）に対して探傷プローブ５を設置する。このとき、図５に示すように、基準スキャン位置における被検体７の横断面の外形曲線の曲率中心Ｃａと、探傷プローブ５において振動子６が並んでいる円弧の曲率中心Ｃｐとが一致するように、探傷プローブ５の傾きや水距離（探傷プローブ５とコーナー部２の外形表面との直線距離）Ｗが調整され、探傷プローブ５が設置される。なお、探傷プローブ５の設置工程についての詳細は後述する。

ところで、この基準スキャン位置の被検体７の外形に合致するように設置された探傷プローブ５の姿勢を維持したまま、探傷プローブ５を被検体７のスキャン方向（図５において、紙面の奥行き方向）に平行移動させた場合、被検体７の外側曲線の曲率はスキャン位置によって異なるため、検査条件（例えば、各振動子６と被検体７の外側表面との間の距離、各振動子６から射出された超音波の被検体への入射角度等）が変化することとなる。そして、検査条件の変化により、探傷プローブ５によって検査ができる範囲が狭まったり、欠陥推定部３２によって推定された欠陥の長さに誤差が生じたりする。そこで、本実施形態に係る評価部３０は、探傷プローブ５によって検査が不可能な範囲を評価する非検査範囲評価部３１及び欠陥長さの誤差を補償するための補正部３３等を備えている。

以下、本実施形態に係る非検査範囲評価部３１及び補正部３３について、順番に図を用いて詳しく説明する。

図６は、基準スキャン位置及び基準スキャン位置とは異なるスキャン位置における被検体７の横断面を比較するために、両者を一断面に投影して示した図である。図中、点線は基準スキャン位置における被検体７の外形曲線、実線は基準スキャン位置とは異なる任意のスキャン位置（以下「検査スキャン位置」という。）における被検体７の外形曲線を示している。

図６に示すように、スキャン位置が異なると外側曲線の曲率が変化することから、検査スキャン位置の外形曲線の曲率中心Ｃｔは、基準スキャン位置における外形曲線の曲率中心Ｃａ（＝探傷プローブ５の曲率中心Ｃｐ）からずれた位置となる。
そして、この曲率中心Ｃｔに集束位置が一致するような超音波ビームを探傷プローブ５から射出してその反射ビームを受信する場合、反射ビームを受信できない非検査範囲Ｎｓが生じることとなる。この非検査範囲Ｎｓが大きすぎると探傷性能が低下するため好ましくない。したがって、非検査範囲評価部３１は非検査範囲Ｎｓを演算するとともに、演算した非検査範囲Ｎｓが予め設定されている許容値内であるか否かを判定する。
非検査範囲評価部３１によって、非検査範囲Ｎｓが許容値内でないと判定された場合には、例えば、そのスキャン位置における欠陥推定等は見送ることとし、曲率が異なる他の探傷プローブに切り替えて再度探傷を行うなどの対策を行う。

以下、非検査範囲Ｎｓの演算手法について、図を参照して説明する。
まず、基準スキャン位置における一端の開口と外側曲線の曲率中心Ｃａとを結ぶ直線Ｌ１と、他端の開口と曲率中心Ｃａとを結ぶ直線Ｌ２との間の角度をθとすると、θは以下の（１）式で表される。

（１）式において、Ｎは振動子６の数、Ｑｔｙは開口数である。

図６において、基準スキャン位置の曲率中心Ｃａと検査スキャン位置の曲率中心Ｃｔとを結ぶ直線Ｌ３の距離δ_４５は、以下の（２）式で表される。

（２）式において、ｒ_３は検査スキャン位置におけるコーナー部２の厚さ、ｒ_２は基準スキャン位置におけるコーナー部２の厚さである。

また、直線Ｌ２と直線Ｌ３とのなす角αは、以下の（３）式で表される。

そして、余弦定理を用いると、端部の開口と検査スキャン位置の曲率中心Ｃｔとを結ぶ直線Ｌ４の距離ｒ_４は、以下の（４）式により与えられる。

また、直線Ｌ４と直線Ｌ３とのなす角βは、上記距離ｒ_４を用いて、以下の（５）式により与えられる。

（４）、（５）式において、Ｗは水距離、換言すると、探傷プローブ５の端部から基準スキャン位置における被検体７の外形曲線に垂直に降ろした線分の長さ、ｒ_１は基準スキャン位置における横断面の内形曲線から曲率中心Ｃａまでの距離である。

そして、横断面の垂直方向に対する直線Ｌ４の角度γは、角度βを用いて以下の（６）式で表される。

最終的に、上記（１）～（６）式から、非検査範囲Ｎｓは、以下の（７）式で表される。

非検査範囲評価部３１は、上述した非検査範囲Ｎｓを演算するための各種演算式（１）～（７）及び非検査範囲の算出に用いられる各種データ、並びに非検査範囲Ｎｓの許容値を予め保有しており、これらの情報を用いて非検査範囲Ｎｓの演算及び評価を行う。

なお、非検査範囲評価部３１による非検査範囲Ｎｓの演算・評価タイミングは、各スキャン位置に探傷プローブ５が移動される度に行っても良いし、被検体７の外形が既知であれば、探傷プローブ５を設置した後の任意のタイミングで行っても良い。また、被検体７の形状が既知の場合には、スキャン位置全域について非検査範囲Ｎｓの演算を一括して算出することも可能である。

次に、本実施形態に係る補正部３３による補正処理について図を参照して説明する。
まず、補正部３３によって用いられる補正係数の演算式について、図７を参照して説明する。図７は、図６と同様に、基準スキャン位置及び検査スキャン位置における被検体７の横断面を比較するために両者を一断面に投影して示した図である。図中、点線は基準スキャン位置における外形曲線、実線は検査スキャン位置における外形曲線を示している。

今、外側表面から厚さｄの位置における周方向の欠陥の長さを補正する場合、基準スキャン位置における補正係数（以下、「基準補正係数Ｃｆ_ＲＥＦ」という。）は、以下の（８）式で与えられる。

（８）式において、ｒ_１は基準スキャン位置における横断面の内形曲線から曲率中心Ｃａまでの距離、Ｒは探傷プローブ５の曲率半径である。

補正部３３は、基準スキャン位置における欠陥長さが欠陥推定部３２によって推定された場合、推定された欠陥長さに対して上記（８）式で表される演算式を用いて得た基準補正係数Ｃｆ_ＲＥＦを乗じることにより、欠陥長さを補正する。

これに対し、検査スキャン位置については、基準スキャン位置と検査条件が異なることから、上記基準補正係数を用いることができない。具体的には、検査スキャン位置においては、曲率中心Ｃｔが曲率中心Ｃａからずれるため、各振動子６から射出された超音波を被検体７の外側表面に対して垂直に入射させることができず、また、各振動子６と曲率中心Ｃｔとを結ぶ線分の距離、換言すると、各振動子６から射出された超音波の伝搬距離も振動子６の場所によって異なり、均等でない。したがって、これらの相違点を考慮して、補正係数を更に調整する必要がある。

以下、検査スキャン位置における補正係数について説明する。
例えば、探傷プローブ５の中央部における振動子６と検査スキャン位置における曲率中心Ｃｔとを結ぶ線分Ｌ４５の長さｒ_４５は、ｒ_４５＝Ｒ＋δ_４５で表される。ここで、Ｒは探傷プローブ５の曲率半径である。このｒ_４５を上記（８）式で表される基準スキャン位置における補正係数Ｃｆ_ＲＥＦの演算式に反映させると、以下の（９）式が得られる。

他方、探傷プローブ５の端部における振動子６と検査スキャン位置における曲率中心Ｃｔとを結ぶ線分Ｌ０の長さｒ_０は、図７からｒ_０≒Ｒ＋δ_０で表される。ここで、δ_０＝δ_４５／√２である。このｒ_０を上記（８）式で表される基準スキャン位置における補正係数Ｃｆ_ＲＥＦの演算式に反映させると、以下の（１０）式が得られる。

そして、上記（９）式で得られる補正係数及び（１０）式から得られる補正係数のうち、常に大きい方の補正係数を取るような方程式は、以下の（１１）式で表される。ここで、ｇ＝ｒ_３－ｒ_２である。

他方、上記（９）式で得られる補正係数及び（１０）式から得られる補正係数のうち、常に小さい方の補正係数を取るような方程式は、以下の（１２）式で表される。ここで、ｇ＝ｒ_３－ｒ_２である。

補正部３３は、上述した各スキャン位置における補正係数を演算するための各種演算式、具体的には（８）式、（１１）式、及び（１２）式、並びに補正係数の算出に用いられる各種データ等を予め保有しており、これらの演算式を適宜切り替えて用いることにより適切な補正係数を演算し、演算した補正係数を用いて欠陥推定部３２によって推定された欠陥の周方向における長さを補正する。

例えば、探傷プローブ５による欠陥の検出性能を確認する場合には、欠陥の長さが小さく検出される方向に欠陥の長さを補正した方が好ましいため、補正係数Ｃｆ_ＭＩＮを用いて欠陥を補正する。一方、実際の探傷検査においては、例えば、安全面からクライテリアが厳しい方が好ましいため、欠陥が大きく検出される補正係数Ｃｆ_ＭＡＸを用いて欠陥を補正するとよい。

次に、上述した構成や機能を備える本実施形態に係る超音波探傷装置１によって行われる超音波探傷方法について図８を参照して説明する。図８は本実施形態に係る超音波探傷方法の手順の一例を示したフローチャートである。

まず、被検体７の基準となるスキャン位置に対して探傷プローブ５を設置する設置工程を行う（ＳＡ１）。設置工程では、図５に示したように、基準スキャン位置における横断面の外形曲線の曲率中心Ｃａと、探傷プローブ５の曲率中心Ｃｐとが一致するように探傷プローブ５を設置する。換言すると、設置工程では、各振動子６から被検体７の外形表面に垂直に降ろした線分がいずれも同じ距離またはその誤差が所定の許容範囲内となるように、探傷プローブ５が設置される。このような位置に探傷プローブ５を設置することにより、探傷プローブ５が有する各振動子６から発せられるそれぞれの超音波を被検体７の外形表面に対して垂直に入射させることが可能となる。

ここで、探傷プローブ５の曲面４の曲率が固定されている場合には、被検体７のスキャン範囲全域から、曲率が探傷プローブ５の曲率と一致するまたは曲率誤差が予め設定されている許容範囲内となるスキャン位置を特定し、特定したスキャン位置を基準スキャン位置と定める。
また、探傷プローブ５の曲面４の曲率を変化させることのできるフレキシブル探傷プローブである場合には、被検体７の任意のスキャン位置を基準スキャン位置として特定し、その基準スキャン位置における被検体７の外形曲線の曲率と同じ曲率を持つように、探傷プローブの曲面４の形状を調整すればよい。

このようにして、基準スキャン位置に対して適切な姿勢で探傷プローブ５が設置されると、続いて、ビーム制御部２２が、基準スキャン位置における被検体７の外側曲線の曲率中心Ｃａに超音波ビームが集束するような超音波ビームの遅延分布を取得し、この遅延分布に基づいて各振動子６を制御することにより、超音波ビームを被検体７に向けて射出させる（ＳＡ２：ビーム制御工程）。
続いて、被検体７から反射された反射ビームが受信部２３によって受信される（ＳＡ３：受信工程）。受信された反射ビームは、評価部３０に出力される。

続いて、評価部３０の欠陥推定部３２により、受信した反射ビームに基づいて周方向における欠陥の長さが推定される（ＳＡ４：欠陥推定工程）。なお、反射ビームに基づいて欠陥の長さを演算する技法については公知であるため、ここでの詳細な説明は省略する。すなわち、欠陥の長さを反射ビームから推定する技法については、公知である種々の手法の中から適宜選択し採用すればよい。

続いて、推定された欠陥の長さが補正部３３により補正される（ＳＡ５：補正工程）。具体的には、補正部３３は、予め保有している基準補正係数の演算式（８）式を用いて基準補正係数Ｃｆ_ＲＥＦを演算し、演算した基準補正係数Ｃｆ_ＲＥＦを欠陥推定部３２によって推定された欠陥の長さに乗じることにより、欠陥の長さを補正する。補正後の欠陥の長さは、スキャン位置と対応付けられて任意の記憶部（図示略）に格納されたり、表示部３４にリアルタイムで表示されたりする。

続いて、走査部２１は、探傷プローブ５をスキャン方向に所定距離移動させることにより、探傷プローブ５を次のスキャン位置に移動させる（ＳＡ６：走査工程）。このとき、探傷プローブ５と被検体７の位置が相対的に移動すればよいので、探傷プローブ５に代えて被検体を所定距離移動させることとしてもよい。

このようにして、次のスキャン位置に探傷プローブ５が移動させられると、非検査範囲評価部３１は、当該スキャン位置における非検査範囲Ｎｓを上述した演算式を用いて算出する（ＳＡ７：非検査範囲評価工程）。なお、本フローでは、探傷プローブ５の移動が行われる度に非検査範囲評価部３１が非検査範囲Ｎｓの算出を行う場合を例示して説明しているが、これに代えて、上述したように、非検査範囲Ｎｓの演算及びその評価については、このタイミングに限定されることはない。

続いて、非検査範囲Ｎｓが許容値以下であるか否かを判定する（ＳＡ８）。この結果、非検査範囲Ｎｓが許容値を超えている場合には（ＳＡ８：ＮＯ）、当該スキャン位置における探傷検査は行わずに、ステップＳＡ６に戻り、次のスキャン位置に探傷プローブ５を移動させる。

一方、非検査範囲Ｎｓが許容値以下であれば（ＳＡ８：ＹＥＳ）、当該スキャン位置において、超音波ビームを被検体７に対して射出する。このとき、ビーム制御部２２は、当該スキャン位置における外形曲線の曲率中心Ｃｔに超音波ビームが集束するような超音波ビームを探傷プローブ５から射出させる（ＳＡ９：ビーム制御工程）。なお、このような超音波ビームの制御技法については公知の技術であるので、ここでの詳細な説明は省略する。なお、一例として、被検体７の外形形状が既知である場合には、各スキャン位置における遅延分布を予め記憶部（図示略）に格納しておき、各スキャン位置において記憶部に格納されている遅延分布を読み出して利用することにより、各スキャン位置において曲率中心Ｃｔに超音波ビームが集束するような超音波ビームを探傷プローブ５から射出させることができる。また、被検体７の形状が既知でない場合には、例えば、形状を把握するための超音波ビームを照射することで被検体の形状を把握し、その上で、適切な超音波ビームを射出できるように遅延時間を調整すればよい。

続いて、上記超音波ビームの反射ビームが受信部２３によって受信され（ＳＡ１０：受信工程）、欠陥推定部３２によって、受信した反射ビームに基づいて周方向における欠陥の長さが推定される（ＳＡ１１：欠陥推定工程）。続いて、推定された欠陥の長さが補正部３３により補正される（ＳＡ１２：補正工程）。例えば、補正部３３は、予め保有している補正係数の演算式（１１）式を用いて補正係数Ｃｆ_ＭＡＸを演算し、演算した補正係数Ｃｆ_ＭＡＸを欠陥推定部３２によって推定された欠陥の長さに乗じることにより、欠陥の長さを補正する。補正後の欠陥の長さは、スキャン位置と対応付けられて任意の記憶部に格納されたり、表示部３４にリアルタイムで表示されたりする。

続いて、被検体７に予め設定されている全検査領域における探傷検査が完了したか否かが判定され（ＳＡ１３）、完了していなかった場合には（ＳＡ１３：ＮＯ）、ステップＳＡ６に戻り、ステップＳＡ６以降の処理を繰り返し行う。一方、全検査領域における探傷検査が完了したと判定した場合には（ＳＡ１３：ＹＥＳ）、当該処理を終了する。

以上、説明してきたように、本実施形態に係る超音波探傷装置１及び超音波探傷方法並びに超音波探傷プログラムによれば、例えば、基準スキャン位置とは異なるスキャン位置である検査スキャン位置において、被検体７の探傷検査を行う場合には、被検体７の横断面の外形曲線の曲率中心である検査曲率中心Ｃｔと超音波ビームの集束位置が一致するように、探傷プローブ５から超音波ビームを射出し、その反射ビームを用いて、被検体７の周方向における欠陥の長さを推定する。この場合、検査スキャン位置においては、基準スキャン位置とは異なり、各振動子６から被検体７の外形表面に向けて垂直に超音波を入射させることができない場合がある（例えば、図６、図７参照）。そして、このような場合には、各振動子６から射出される超音波の伝搬距離等が異なることから、欠陥推定部３２によって推定される欠陥の長さに誤差が生じてしまう。そのような場合であっても、本実施形態によれば、被検体７の厚さ方向における基準スキャン位置における基準曲率中心Ｃａと、検査曲率中心Ｃｔとの距離δ_４５に応じた補正係数を用いて、欠陥推定部３２によって推定された欠陥の長さを補正するので、検査精度を向上させることができ、検査の信頼性向上を図ることが可能となる。

また、上述のように、検査スキャン位置においては、各振動子６から被検体７の外形表面に向けて垂直に超音波を入射させることができない場合があるため、被検体７からの反射ビームを受信できない非検査範囲が生じることがある。このような場合に、反射ビームを受信できない非検査範囲を評価する非検査範囲評価部３１を備えているので、例えば、非検査範囲が許容値を超える場合には、その検査スキャン位置における探傷検査は行わず、当該検査スキャン位置の被検体の外形により適合する探傷プローブを用いて再検査を行うなどの対策をとることができる。これにより、非検査範囲が許容値よりも大きいことに起因する検査精度の低下を抑制することが可能となる。

次に、本実施形態に係る超音波探傷装置１を用いて探傷検査を行った場合の検査結果の一例を図９、図１０に示す。図９（ａ）に示すように、今回の検査では、被検体７のスキャン方向に間隔をあけて、それぞれ長さの異なる計９個の欠陥Ａ１～Ａ３、Ｂ１～Ｂ３、Ｃ１～Ｃ３を人工的に形成し、このような被検体７に対して超音波探傷を行った。図１０（ｂ）は、図９（ａ）に示した人工欠陥が形成された被検体を超音波探傷装置１によって探傷検査したときのＣスキャン画像の一例を示した図である。図９（ｂ）に示すように、全ての人口欠陥について検出されていることがわかる。

また、図１０は上記検査において得られた欠陥のサイズを示した表である。なお、図１０では代表例として、欠陥Ａ２、Ｂ２、Ｃ２の探傷結果を例示している。図１０に示されるように、欠陥推定部３２によって演算された欠陥サイズは、Ａ２が５０８．３ｍｍ^２、Ｂ２が４９６．６ｍｍ^２、Ｃ２が４２６．８ｍｍ^２で、いずれも実際の欠陥サイズよりも大きな値として算出されている。これに対し、補正係数Ｃｆ_ＭＩＮ、Ｃｆ_ＭＡＸを用いて補正された後の欠陥サイズは、いずれも実際の欠陥サイズに近い値を示しており、探傷の精度向上が検証された。

なお、上記実施形態においては、被検体７のコーナー部２の凸側から超音波を入射させて探傷を行う場合を示したが、被検体７のコーナー部２の凹部側から超音波を入射させて探傷を行うようにしても良い。
以下、被検体７のコーナー部２の凹部側から超音波を入射させる場合の非検査範囲評価部３１による非検査範囲の演算手法及び補正部３３が用いる補正係数について詳しく説明する。

まず、非検査範囲Ｎｓの演算手法について、図１１を参照して説明する。図１１は、基準スキャン位置及び検査スキャン位置における被検体７の横断面を比較するために両者を一断面に投影して示した図である。図中、点線は基準スキャン位置における外形曲線、実線は検査スキャン位置における外形曲線を示している。

まず、基準スキャン位置における一端の開口と外側曲線の曲率中心Ｃａとを結ぶ直線Ｌ１と、他端の開口と曲率中心Ｃａとを結ぶ直線Ｌ２との間の角度をθとすると、θは以下の（１３）式で表される。

（１３）式において、Ｎは振動子６の数、Ｑｔｙは開口数である。

図１１において、基準スキャン位置の曲率中心Ｃａと検査スキャン位置の曲率中心Ｃｔとを結ぶ直線Ｌ３の距離δ_４５は、以下の（１４）式で表される。

（１４）式において、Ｔ_２は基準スキャン位置における曲率半径、Ｔ_１は検査スキャン位置における曲率半径である。

また、直線Ｌ２と直線Ｌ３とのなす角αは、以下の（１５）式で表される。

そして、余弦定理を用いると、端部の開口と検査スキャン位置の曲率中心Ｃｔとを結ぶ直線Ｌ４の距離ｒ_４は、以下の（１６）式により与えられる。

上記（１６）式において、Ｒは探傷プローブの曲率半径である。
また、直線Ｌ４と直線Ｌ３とのなす角βは、上記距離ｒ_４を用いて、以下の（１７）式により与えられる。

そして、横断面の垂直方向に対する直線Ｌ４の角度γは、角度βを用いて以下の（１８）式で表される。

最終的に、上記（１３）～（１８）式から、非検査範囲Ｎｓは、以下の（１９）式で表される。

（１９）式において、Ｔ_３は検査スキャン位置における被検体７の厚さである。

非検査範囲評価部３１は、凹部側から検査を行う場合の非検査範囲Ｎｓを演算するための各種演算式（１３）～（１９）及び非検査範囲の算出に用いられる各種データ、並びに非検査範囲Ｎｓの許容値を予め保有しており、これらの情報を用いて非検査範囲Ｎｓの演算及び評価を行う。このように、コーナー部２の凹部側から探傷検査を行う場合の演算式等を保有しておくことにより、凸側から探傷検査を行う場合と凹部側から探傷検査を行う場合との両方に対応することが可能となる。

続いて、補正部３３が用いる補正係数について図１２を参照して説明する。図１２は、基準スキャン位置及び検査スキャン位置における被検体７の横断面を比較するために両者を一断面に投影して示した図である。図中、点線は基準スキャン位置における外形曲線、実線は検査スキャン位置における外形曲線を示している。

探傷プローブ５の中央部における振動子６と検査スキャン位置における曲率中心Ｃｔとを結ぶ線分Ｌ４５の長さｒ_４５は、ｒ_４５＝Ｒ＋δ_４５で表される。ここで、Ｒは探傷プローブ５の曲率半径である。このｒ_４５を上記（８）式で表される基準スキャン位置における補正係数Ｃｆ_ＲＥＦの演算式に反映させると、以下の（２０）式が得られる。

（２０）式において、Ｔ_１は検査スキャン位置における曲率半径、Ｔ_２は基準スキャン位置における曲率半径である。
他方、探傷プローブ５の端部における振動子６と検査スキャン位置における曲率中心Ｃｔとを結ぶ線分Ｌ０の長さｒ_０は、図１２からｒ_０≒Ｒ＋δ_０で表される。ここで、δ_０＝δ_４５／√２である。このｒ_０を上記（８）式で表される基準スキャン位置における補正係数Ｃｆ_ＲＥＦの演算式に反映させると、以下の（２１）式が得られる。

そして、上記（２０）式で得られる補正係数及び（２１）式から得られる補正係数のうち、常に大きい方の補正係数を取るような方程式は、以下の（２２）式で表される。ここで、ｇ＝Ｔ_２－Ｔ_１である。

他方、上記（２０）式で得られる補正係数及び（２１）式から得られる補正係数のうち、常に小さい方の補正係数を取るような方程式は、以下の（２３）式で表される。ここで、ｇ＝Ｔ_２－Ｔ_１である。

補正部３３は、上述した凹部側から探傷検査を行う場合に使用する補正係数の演算式である（２２）式及び（２３）式についても予め保有しておくことで、凸側から探傷検査を行う場合と凹部側から探傷検査を行う場合との両方に対応することが可能となる。

以上、本発明について実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記実施形態に多様な変更又は改良を加えることができ、該変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。また、上記実施形態を適宜組み合わせてもよい。
また、上記実施形態で説明した超音波探傷方法の流れも一例であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲内において不要なステップを削除したり、新たなステップを追加したり、処理順序を入れ替えたりしてもよい。

１ ：超音波探傷装置
２ ：コーナー部
４ ：曲面
５ ：探傷プローブ
６ ：振動子
７ ：被検体
１０ ：検査装置
１１ ：ＣＰＵ
１２ ：補助記憶装置
１３ ：主記憶装置
１４ ：通信インターフェース
１５ ：入力部
１６ ：表示部
１８ ：バス
２０ ：プローブ制御部
２１ ：走査部
２２ ：ビーム制御部
２３ ：受信部
３０ ：評価部
３１ ：非検査範囲評価部
３２ ：欠陥推定部
３３ ：補正部
３４ ：表示部

Claims (6)

1. 複数の振動子が間隔をあけて円弧状に配置されたフェーズドアレイ超音波探傷プローブである探傷プローブを用いて、スキャン方向に沿って外形形状が変化する被検体の超音波探傷を行う超音波探傷装置であって、
   前記被検体の基準スキャン位置における前記被検体の横断面の外形曲線の曲率中心である基準曲率中心と、前記探傷プローブの曲率中心とが一致するように設置された前記探傷プローブを前記被検体のスキャン方向に沿って移動させる走査部と、
   超音波ビームの集束位置が各スキャン位置における前記被検体の横断面の外形曲線の曲率中心である検査曲率中心と一致するように、前記探傷プローブから射出される超音波ビームを制御するビーム制御部と、
   前記被検体から反射された反射ビームを受信する受信部と、
   前記反射ビームに基づいて、前記被検体の周方向における欠陥の長さを推定する欠陥推定部と、
   前記被検体の厚さ方向における前記基準曲率中心と各前記検査曲率中心とのずれ量に応じた補正係数を用いて、推定された前記欠陥の長さを補正する補正部と
   を具備する超音波探傷装置。
2. 前記被検体の厚さ方向における前記基準曲率中心と各前記検査曲率中心とのずれ量に応じて、前記被検体からの反射ビームを受信できない非検査範囲の評価を行う非検査範囲評価部を更に備える請求項１に記載の超音波探傷装置。
3. 複数の振動子が間隔をあけて円弧状に配置されたフェーズドアレイ超音波探傷プローブである探傷プローブを用いて、スキャン方向に沿って外形形状が変化する被検体の超音波探傷を行う超音波探傷方法であって、
   前記被検体の基準スキャン位置における前記被検体の横断面の外形曲線の曲率中心である基準曲率中心と、前記探傷プローブの曲率中心とが一致するように探傷プローブを設置する設置工程と、
   前記探傷プローブを前記被検体のスキャン方向に沿って移動させる走査工程と、
   超音波ビームの集束位置が各スキャン位置における前記被検体の横断面の外形曲線の曲率中心である検査曲率中心と一致するように、前記探傷プローブから射出される超音波ビームを制御するビーム制御工程と、
   前記被検体から反射された反射ビームを受信する受信工程と、
   前記反射ビームに基づいて、前記被検体の周方向における欠陥の長さを推定する欠陥推定工程と、
   前記被検体の厚さ方向における前記基準曲率中心と各前記検査曲率中心とのずれ量に応じた補正係数を用いて、推定された前記欠陥の長さを補正する補正工程と
   を有する超音波探傷方法。
4. 前記被検体の厚さ方向における前記基準曲率中心と各前記検査曲率中心とのずれ量に応じて、前記被検体からの反射ビームを受信できない非検査範囲の評価を行う非検査範囲評価工程を更に備える請求項３に記載の超音波探傷方法。
5. 複数の振動子が間隔をあけて円弧状に配置されたフェーズドアレイ超音波探傷プローブである探傷プローブを用いて、スキャン方向に沿って外形形状が変化する被検体の超音波探傷を行うための超音波探傷プログラムであって、
   前記被検体の基準スキャン位置における前記被検体の横断面の外形曲線の曲率中心である基準曲率中心と、前記探傷プローブの曲率中心とが一致するように設置された前記探傷プローブを前記被検体のスキャン方向に沿って移動させる走査処理と、
   超音波ビームの集束位置が各スキャン位置における前記被検体の横断面の外形曲線の曲率中心である検査曲率中心と一致するように、前記探傷プローブから射出される超音波ビームを制御するビーム制御処理と、
   前記被検体から反射された反射ビームを受信する受信処理と、
   前記反射ビームに基づいて、前記被検体の周方向における欠陥の長さを推定する欠陥推定処理と、
   前記被検体の厚さ方向における前記基準曲率中心と各前記検査曲率中心とのずれ量に応じた補正係数を用いて、推定された前記欠陥の長さを補正する補正処理と
   をコンピュータに実行させるための超音波探傷プログラム。
6. 前記被検体の厚さ方向における前記基準曲率中心と各前記検査曲率中心とのずれ量に応じて、前記被検体からの反射ビームを受信できない非検査範囲の評価を行う非検査範囲評価処理を更に含む請求項５に記載の超音波探傷プログラム。
   

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