JPWO2019008833A1 - フェーズドアレイ探傷装置と方法 - Google Patents

Abstract

フェーズドアレイ探触子（１０）の複数の超音波振動子（１２）（セグメント（１５））は、同心円状に分離され、かつ円の中心を通る基準線Ｌに直交する列上に分離し、基準線Ｌに対し線対称に位置する。フェーズドアレイ探触子（１０）の検出面（１４）は、直径Ｄの円形であり、基準線Ｌに対し対称の複数の円弧状部分に分割された複数のセグメント（１５）を有する。さらに、線対称の対の超音波振動子（１２）を同一条件で制御する複数の制御チャンネルを有する制御装置を備える。

Description

本発明は、複数の素子を円状に順次励起させる機能と、列状に順次励起させる機能を有し、二つの機能を同時に作用させることで、例えば超音波ビームを円形に集束させることと、任意の方向に進行させることとができるフェーズドアレイ探傷装置とこれを用いた超音波探傷方法に関する。

フェーズドアレイ探触子は、複数の振動子により構成され、各振動子が超音波を送受信するタイミング（位相）を独立して制御し、合成された超音波波面を形成することにより、超音波ビームの制御を行うものである。

従来のフェーズドアレイ探触子は、リニアアレイ探触子、マトリクスアレイ探触子、及び、アニュラーアレイ探触子に大別することができる。
リニアアレイ探触子は、方形振動子を短冊状に一方向に分割したプローブ、マトリクスアレイ探触子は、方形振動子を縦横の二方向に分割したプローブ、アニュラーアレイ探触子は、円形振動子を同心円状に分割したプローブである。これらの探触子はそれぞれ長短を有し使い分けられている。

アニュラーアレイ探触子は、例えば特許文献１，２に開示されている。
また、マトリクスアレイ探触子は、例えば特許文献３に開示されている。

特開平６−３８２９８号公報 特開２００９−１０５７６２号公報 特表２０１６−５０１３７５号公報

リニアアレイ探触子では、分割した分割線の直交方向に超音波ビーム（以下単に「ビーム」という）の進行方向を電子的に変えたり、任意の深さにビームを集束させることができるが、これと直交方向にはビームを制御することができない。このために、例えばビーム幅を狭く集束させて、きずの寸法測定精度を改善しようとしても、一方向にしか集束できず測定精度の改善は一方向に限られる。

一方、リング状のアニュラーアレイ探触子によれば、円状に超音波ビームを細かく集束できるので、例えばきずの寸法測定では縦横いずれの測定精度の改善も期待できる。しかし、アニュラーアレイ探触子は、ビームの進行方向を自在に制御することはできない。

マトリクスアレイ探触子によれば、縦横のいずれにも分割面をもつので、アニュラーアレイ探触子のように円形に超音波ビームを集束させることも、任意の方向に超音波ビームを進行させることもできる。

しかし、マトリクスアレイ探触子の場合、各振動子が超音波を送受信するタイミング（位相）を独立に制御する制御装置の制御チャンネル（以下、単に「チャンネル」という）が多くなる。
例えば、現状多用されている６４チャンネルの制御装置の場合、マトリクスアレイ探触子の素子数は８×８＝６４個が最大となり、縦方向及び横方向の分割面数が少なく、ノイズレベルが過大となる。

さらに制御装置のチャンネル数を増やすことは、制御装置のハード及びソフトの新開発を必要とするため、過大な費用と時間を必要とする。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、制御装置のチャンネル数を増やさずに、複数の素子を円状に順次励起させる機能と、列状に順次励起させる機能を有し、二つの機能を同時に作用させることで、例えば超音波ビームを円形に集束させることと、任意の方向に進行させることとができ、かつノイズレベルを小さくできる、フェーズドアレイ探傷装置と方法を提供することにある。

本発明によれば、同心円状に分離され、かつ円の中心を通る基準線に直交する列上に分離し、前記基準線に対し線対称に位置する複数の超音波振動子を有する、フェーズドアレイ探触子と、
前記線対称の対の前記超音波振動子を同一条件で制御する複数の制御チャンネルを有する制御装置と、を備える、フェーズドアレイ探傷装置が提供される。

また本発明によれば、上記のフェーズドアレイ探傷装置を用い、
前記基準線に対し線対称の対の前記超音波振動子を、同一条件で制御する、フェーズドアレイ探傷方法が提供される。

本発明によれば、複数の超音波振動子が、同心円状に分離されているので、同心円状の複数の超音波振動子を同一条件で制御して、それぞれの超音波ビームを円形に集束させることができる。

また基準線に直交する列上に分離しているので、複数のそれぞれの超音波振動子の位相差を基準線方向で制御することで、超音波ビームを基準線に沿った方向に進行させたり、基準線方向に集束させた線状の集束ビームを形成させることができる。

さらに、複数の制御チャンネルが線対称の対の超音波振動子を同一条件で制御するので、制御装置のチャンネル数を増やさずに、基準線に沿った超音波振動子の個数を増やすことができ、これによりノイズレベルを小さくできる。

本発明によるフェーズドアレイ探傷装置の全体構成図である。 図１のＡ−Ａ矢視図であり、発明プローブの第１実施形態を示す図である。 本発明のフェーズドアレイ探傷方法の説明図である。 発明プローブの第２実施形態を示す図２と同様の図である。 発明プローブ１０の第３実施形態を示す図２と同様の図である。 図５の発明プローブ１０の制御方法の説明図である。 第２実施形態の発明プローブを用い、円筒形の外面を有する試験体を検査する場合の模式的側面図である。 図７ＡのＸ軸を通る断面図である。 図７Ａと図７Ｂに対して、斜めに傾いた面を持つくさび（中間部材２）上に本発明の探触子１０を搭載して試験体の軸方向に斜めに超音波を入射させる斜角探傷の例を示している。 分割数が８分割の場合の、リニアプローブ、アニュラープローブ、および、マトリクスプローブのシミュレーションで求めたビームプロファイルの比較図である。 分割数が４〜３２分割の場合の、幅方向のエコー高さの比較図である。 振動子の分割数と副極ノイズレベルとの関係図である。 振動子の分割数と超音波ビームＳのビーム幅との関係図である。 マトリクスプローブと、発明プローブの第１，２実施形態とのビームプロファイルの比較図である。 端部のエコーレベルとビーム幅の関係図である。 リニアプローブ、マトリクスプローブ、及び発明プローブによる探傷試験結果の比較図である。 円筒形の外面を有する試験体に対する、発明プローブ、アニュラープローブ、及び、マトリクスプローブによる探傷試験結果の比較図である。 製作した発明プローブの外形図である。 製作した発明プローブの超音波振動子の配置図である。 製作した発明プローブの試験条件を示す説明図である。 きずの説明図である。 欠陥平面上のＣスキャン画像である。 走査方向におけるピーク図である。 走査方向に直交する方向におけるピーク図である。 探触子の構造例を示す断面図である。 探触子の別の構造例を示す断面図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を、図面を参照して説明する。なお各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。

図１は、本発明によるフェーズドアレイ探傷装置１００の全体構成図である。
この図において、フェーズドアレイ探傷装置１００は、フェーズドアレイ探触子１０及び制御装置２０を備える。なお、１は、試験体ＴＰの表面（試験体表面）である。
以下、本発明のフェーズドアレイ探触子１０を、単に「探触子１０」又は「発明プローブ１０」と略称する。

フェーズドアレイ探触子１０（発明プローブ１０）は、独立して励起する複数の超音波振動子１２を有する。

図２３Ａは、探触子１０の構造例を示す断面図である。
複数の超音波振動子１２が１枚の圧電素子９（圧電セラミックや水晶など）の場合は、独立して励起する領域を設けるには、特定の領域（励起領域Ｂ）での振動が他の領域に及ばないように複数の超音波振動子１２を分離しておく必要がある。

すなわち、探触子１０の検出面１４には１枚の共通電極Ｃを取り付け、反対側の電極（分割電極Ａ）は分割しておき、所定の領域（励起領域Ｂ）だけに電圧を印加するようにする。また、励起領域Ｂで生じた振動が他の領域に伝播しないように、圧電素子９に分割電極Ａの分割にあわせて可能な限り深い溝８ａを設けて複数の超音波振動子１２に分割する。

具体的には、１枚の圧電素子９の両側に電極Ａ，Ｂを取り付けて、最後に検出面１４の反対側から電極Ｂと圧電素子９をあわせてできるだけ深い溝８ａで分離して複数の超音波振動子１２とするのがよい。

図２３Ｂは、探触子１０の別の構造例を示す断面図である。
この図に示すように、探触子１０は、小さな格子状や円柱状に分割された小さな圧電素子９を配列して、隙間８ｂにエポキシ樹脂などを充填したコンポジットタイプが好ましい。

コンポジットタイプでは、検査面１４に１枚の共通電極Ｃを取り付け、反対側に励起させる領域の複数の分割電極Ａを設けることで、独立して励起する複数の超音波振動子１２の励起領域Ｂを形成できる。

すなわち、図２３Ｂにおいて、通電する分割電極Ａと検出面１４の共通電極Ｃとに挟まれた微小な圧電素子９のみが励起し、その振動はその他の圧電素子９に影響を及ぼすことがない。

この構造によれば、片面の分割電極Ａを例えばメッキ技術を利用して形成すれば、複雑な複数の振動領域の分割も可能になる。すなわち、検出面１４とは反対側の電極を分割しておくだけで、一枚のコンポジットタイプの圧電素子９を複数の超音波振動子１２に分割することができる。

図１において、隣接する超音波振動子１２の間には隙間１１が設けられ、それぞれ独立して作動するようになっている。隙間１１は、図２３Ａにおける溝８ａ、又は図２３Ｂにおける隙間８ｂに相当する。
隙間１１の大きさ（ギャップ幅）は後述する例では０．０５ｍｍである。
また発明プローブ１０は、超音波ビームＳを発信し受信する検出面１４を有する。
なお、この例において、検出面１４は、試験体ＴＰの表面（試験体表面１）に直接接しているが、その間に中間部材２（図７Ｂ、図８参照）を設けてもよい。

制御装置２０は、複数の超音波振動子１２を制御し、各超音波振動子１２により超音波ビームＳを発信し受信する。超音波ビームＳの振動数は後述する例では鋼中に使用可能な５ＭＨｚである。

図１において、フェーズドアレイ探傷装置１００は、さらに表示装置２２、及び画像処理装置２４を備える。

表示装置２２は、ディスプレイ装置であり、発明プローブ１０で受信した超音波ビームＳの探傷波形などを表示する。
画像処理装置２４は、例えば探傷波形から異物（例えばき裂）の回折波を抽出し、幾何学的に異物の大きさを求める。

図１において、本発明は、試験体ＴＰが鉄鋼製の圧力容器や厚肉配管であり、検出対象とするきずＭが試験体表面１から深さｘの位置にある場合を想定する。このような検査対象は、原子力やボイラの圧力容器や配管に相当する。
上述したように、例えば、現状多用されている６４チャンネルの制御装置２０の場合、マトリクスアレイ探触子の素子数は８×８＝６４個が最大となり、縦方向及び横方向に使用される素子数が制約されることで超音波ビームＳの制御が難しくなる欠点がある。
特に、試験体表面１から深い位置にビームを集束させるには振動子全体の大きさが大きくなり、分割数の制限の影響が顕著になる。

例えば、超音波ビームＳを集束させることができる範囲（試験体表面１からの深さｘ）は、近距離音場内であり、次式（１）で示され、振動子が大きいほど集束の効果が得られる。
ｘ＜Ｄ^２／４λ・・・（１）
Ｄ：分割する振動子の公称直径、λ：波長
ここで公称直径Ｄは、振動子の面積に相当する円の直径を意味する。

すなわち、鋼中縦波で深さ１００ｍｍの近傍に超音波ビームＳを集束させるには最低２４ｍｍの振動子を分割する必要があり（鋼中に使用可能な５ＭＨｚ使用）、より効果的に行うには３５ｍｍ程度の素子を分割するのが望ましい。
従って、分割する振動子の公称直径Ｄを大きくする必要がある。

図２は、図１のＡ−Ａ矢視図であり、発明プローブ１０の第１実施形態を示す図である。
この図において、複数の超音波振動子１２は、中心Ｏを中心とする同心円状に分離され、かつ周方向にそれぞれ分離して位置する。また各超音波振動子１２は、同心円の中心Ｏを通る基準線Ｌに直交する方向に列上に分離されており、基準線Ｌに対し線対称に位置する。

「同心円」は完全な同心円に限定されず、例えば楕円の同心円であってもよい。
基準線Ｌは、この例では図中のＹ軸である。
超音波振動子１２の出力はその大きさに比例する。また線対称の超音波振動子１２の大きさは、同一に形成されている。

図２において、発明プローブ１０の検出面１４は、直径Ｄの円形であり、基準線Ｌに対し対称の複数の円弧状部分に分割された複数のセグメント１５を有する。セグメント１５は、上述した１つの超音波振動子１２に相当する。

セグメント１５は、この例では中心の円形部分とその他の円弧状部分からなる。なお、セグメント１５の形状はこの例に限定されず、その他の形状であってもよい。
また、隣接するセグメント１５の間の隙間１１の大きさ（ギャップ幅）は、一定であることが好ましいが変化してもよい。以下、ギャップ幅が一定又は一定に近い場合、セグメント間の隙間１１を分割線１６と呼ぶ。

セグメント１５の分割線１６は、この例では、複数の円形分割線１６ａと複数の直線分割線１６ｂと、からなる。

図２において、直線分割線１６ｂは、互いに平行であり、円形の中心Ｏを通る基準線Ｌに直交し、かつ円形分割線１６ａの両端に接している。この場合、直線分割線１６ｂは、基準線Ｌと円形分割線１６ａの交点を通り、互いに平行な直線である。

円形分割線１６ａは、この例では５本であり、検出面１４の円形を６つの円環状部分（リング状部分）に分割している。直線分割線１６ｂは、この例では１０本であり、リング状部分を６１の円弧状部分（中央の一つの円を含む）に分割している。以下、図２の分割を、「６リング、１１行分割」と呼ぶ。

図２において、セグメント１５の内側に記載された「数字」は、セグメント番号Ｉである。セグメント番号Ｉ（＝１〜６１）は、各セグメント１５に異なる番号が付されている。
この結果、検出面１４は、円形分割線１６ａと直線分割線１６ｂで分割された６１のセグメント１５を有する。

制御装置２０は、複数の制御チャンネル２１を有する。各制御チャンネル２１は線対称の対の超音波振動子１２を同一条件で制御する。
複数（この例では６１）の制御チャンネル２１は、セグメント番号Ｉ（＝１〜６１）のセグメント１５の超音波振動子１２をそれぞれ制御する。

本発明のフェーズドアレイ探傷方法は、上述したフェーズドアレイ探傷装置１００を用い、基準線Ｌに対し線対称の対の超音波振動子１２を、同一の位相で同時に励起する。

図４は、発明プローブ１０の第２実施形態を示す図２と同様の図である。
この図において、第１実施形態と同様に、直線分割線１６ｂは、円形の中心を通る基準線Ｌに直交し、かつ円形分割線１６ａの両端に接している。

円形分割線１６ａは、この例では７本であり、検出面１４の円形を８つの円環状部分（リング状部分）に分割している。直線分割線１６ｂは、この例では１４本であり、リング状部分を多数（１１３）の円弧状部分（中央の一つの円を含む）に分割している。以下、図４の分割を、「８リング、１５行分割」と呼ぶ。

図４において、例えば、セグメント番号Ｉが１０、１１、１２、１４と１５のセグメント１５は、Ｙ軸に対し線対称に位置しており、同一の制御チャンネル２１により同一条件で制御される。
Ｙ軸に対し線対称に位置する他の対の超音波振動子１２も同様である。
その他の構成は、第１実施形態と同様である。

図５は、発明プローブ１０の第３実施形態を示す図４と同様の図である。
円形分割線１６ａは、この例では７本であり、検出面１４の円形を８つの円環状部分（リング状部分）に分割している。直線分割線１６ｂは、この例では多数（１１２本）であり、リング状部分を多数（１１３）の円弧状部分（中央の一つの円を含む）に分割している。

図５において、セグメント１５の内側に記載された「数字」は、セグメント番号Ｉである。セグメント番号Ｉ（＝１〜６４）は、Ｙ軸に対し線対称に位置する対のセグメント１５に、同一番号が付されている。
すなわち、この例で検出面１４は、Ｙ軸上に位置する１５のセグメント１５には異なるセグメント番号Ｉが付され、Ｙ軸に対し線対称に位置する１対のセグメント１５にはそれぞれ同一のセグメント番号Ｉが付されている。
この結果、検出面１４は、円形分割線１６ａと直線分割線１６ｂで分割された１１３のセグメント１５を有する。

図６は、図５の発明プローブ１０の制御方法の説明図である。
第３実施形態において、直線分割線１６ｂは、半径方向の線であり、基準線Ｌに直交せず、かつ円形分割線１６ａの両端に接しない点で、第１、第２実施形態と相違している。
しかし、図６に示すように、Ｘ軸（基準線Ｌに直交）に平行な直線上（例えばＬ１，Ｌ２）に位置する複数のセグメント１５を同一条件で制御することで、第１、第２実施形態と同様の同等の効果を得ることができる。

図３は、本発明のフェーズドアレイ探傷方法の説明図で、図５に示す実施形態３を用いて説明している。
この図は、超音波ビームＳを集束したり、傾けたり（進行方向を変えたり）するための遅延則の例を示している。遅延則とは、各素子（微笑振動子）を励起させる時間の規則である。
なお、図３（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）における、（ａ）は横方向より観察した図、（ｂ）は三軸表示による図である。

図３（Ａ）は、真下３０ｍｍの位置に本発明の探触子１０を用いて集束させるための遅延則である。振動子の上側の棒グラフが遅延時間にあたる。真下に集束させるためには、外側のリングから順次励起させ、最後に中央部の素子を励起させることで、一定の深さ位置で位相をそろえて集束することができる。
図３（Ｂ）は、１０度進行方向を傾ける場合の遅延則を示している。ビームの傾きとは反対側の素子より順次励起させ、最後にビームを傾ける側の素子を励起する。本発明では、リング状の分割に加えて直線的な分割も伴っており、この直線的分割で超音波ビームＳを傾けることができる。
一方、本発明の任意の傾きを持たせて超音波ビームＳを任意の深さに集束させる遅延則を図３（Ｃ）に示すが、図３（Ａ）と図３（Ｂ）の遅延則の合成となる。すなわち、本発明は、リング状の分割と直線的分割を組み合わせ、かつ左右対称の素子を同時に励起させたことで最少素子数で傾きと集束位置を自在に調整することが可能になった。

上述した構成により、図３（Ａ）に示したように、円状の複数の超音波振動子１２（セグメント１５）を同一条件で制御することにより、従来のアニュラーアレイ探触子と同様に、それぞれの超音波ビームＳを円形に集束させることができる。

また、図３（Ｂ）に示したように、基準線上に遅延則を設け、各素子から基準腺に下ろした垂線の交点位置の遅延時間で素子を励起することで、超音波ビームＳを基準線Ｌに沿った方向に進行させることができる。また、基準線方向に線状に集束したビームを形成することができる。すなわち、図６に示すＬ１の５９、４５、３３、２３、１５，９の素子、及びＬ２の６１、４７、３５、２５の素子は同時に励起されている。なお「基準線Ｌに沿った方向」は、発明プローブ１０を中心Ｏを中心に回転させることで、自由に設定することができる。

またこの際、図３（Ｃ）に示したように、図３（ａ）の円状に集束させる遅延則に、図３（ｂ）に示すＬ線に沿った方向の遅延則を加味することで、例えば、基準線Ｌに沿って進行する超音波ビームＳを円状にも集束させることができる。

図７Ａは、第２実施形態の発明プローブ１０を用い、円筒形の外面を有する試験体ＴＰを検査する場合の模式的側面図である。また、図７Ｂは、図７ＡのＸ軸を通る断面図である。
また、図８は、超音波を試験片に垂直に入射するときの図７Ａと図７Ｂに対して、斜めに傾いた面を持つくさび（中間部材２）上に本発明の探触子１０を搭載して試験体ＴＰの軸方向に斜めに超音波を入射させる斜角探傷の例を示している。

本発明の方法では、図７Ａに示すように、円筒形の外面を有する試験体ＴＰに対し、試験体ＴＰの外側より円筒形の中心線に向けて行う垂直探傷において、試験体ＴＰと接触する検出面１４を外面に接触させ、かつ基準線Ｌを円筒形の軸方向に直交する周方向に向けて、試験体ＴＰを探傷検査する。
この例において、発明プローブ１０の検出面１４は平面であり、試験体ＴＰの外面は円弧面である。そのため、図７Ｂと図８において、発明プローブ１０の検出面１４と試験体ＴＰの外面の間に、中間部材２を挟んでいる。中間部材２の材質は、一般にはアクリル樹脂などの樹脂で作成される。
なお、図７Ａと図７Ｂでは、中間部材２を用いず、水やグリセリンを接触媒質とした直接接触で用いてもよく、また、水中で探触子と試験体ＴＰとの距離を離して探傷する水浸探傷法で用いてもよい。

図８では、中間部材２に傾斜面を持つアクリル樹脂など樹脂で作製されるくさびを用いている。くさびの傾斜面は、軸方向に向けて設置され、傾斜面上に発明プローブ１０が、基準線Ｌを円筒形の軸方向に直交する周方向に向けて設置される。これによって、超音波は試験体に軸方向に沿って、斜め方向に試験体に超音波が入射される軸方向の斜角探傷が行われる。中間部材２の円筒形試験体側の面は、平坦でも円筒形の曲率に合わせた曲率面であってもよい。また、ここでは中間部材２にくさびを用いて、くさび上に本発明プローブを設置する場合を述べたが、発明プローブ１０とくさびを一体としたフェーズドアレイ探傷用の斜角探触子であってもよい。

また、円形分割線１６ａが７以上であり、直線分割線１６ｂが１４本以上であり、超音波振動子１２が６４以上である、ことが好ましい。

上述した本発明の実施形態によれば、複数の超音波振動子１２が、同心円状に分離され、かつ円の中心を通る基準線Ｌに直交する列上に分離し、基準線Ｌに対して線対称に配列されている。この構成により、同心円上の複数の超音波振動子１２を同一条件で制御して、アニュラーアレイ探触子と同様に、それぞれ超音波ビームＳを円形に集束させることができる。

円柱試験体は、図７Ｂの断面より見れば超音波が試験体ＴＰに入射する界面は円であるが、側面から見れば直線である。試験体内部に形成される超音波ビームＳを側面から観察すれば、平板の内部のビームプロファイルと同様に集束させることが可能である。しかし、断面上で観察すると、超音波ビームＳは円状の試験体界面で屈折し、試験体ＴＰの音速の方が中間部材２の音速より一般に早いので試験体内部の超音波ビームＳは拡散し、集束する位置が側面の場合とは大きく異なる結果となり、円状に集束できなくなって検査精度が悪くなる。

本発明の探触子は、リング状に分割した素子で円状に超音波ビームＳを集束させる機能に加えて、基準線Ｌの直線状に遅延則を設けて直線状に超音波ビームＳを制御する機能を持っている。すなわち、断面上の円状の界面でビームが拡散する分だけ、周方向の集束効果をよりあげることで、側面から見た超音波ビームＳの集束を断面方向においてもより同等に近づけて、円状に近い集束効果を得ることができる。

さらに、複数の制御チャンネル２１が線対称の対の超音波振動子１２を同一条件で制御するので、制御装置２０のチャンネル数を増やさずに、基準線Ｌに沿った超音波振動子１２の個数を増やすことができ、これによりノイズレベルを小さくできる。

以下、本発明の実施例１〜３を従来例と比較してシミュレーション結果に基づき説明する。

図９は、分割数が８分割の場合の、リニアアレイ探触子、アニュラーアレイ探触子、および、マトリクスアレイ探触子のビームプロファイルの比較図である。各図において、上図は試験体内の超音波ビームＳの集束状態を示し、下図は上図で最も超音波ビームＳが集束している位置（最大エコー位置）における幅方向のエコー強度（ビーム強度）を示している。
以下、リニアアレイ探触子を「リニアプローブ」、アニュラーアレイ探触子を「アニュラープローブ」、マトリクスアレイ探触子を「マトリクスプローブ」と略称する。

この図において、各振動子の大きさは、リニアプローブとマトリクスプローブでは、３５×３５ｍｍの方形振動子を分割しており、アニュラープローブでは直径３５ｍｍの円形振動子を分割している。また、隙間１１の大きさ（ギャップ幅）を０．０５ｍｍと一定にして、深さ１００ｍｍの位置に集束点を設定している。

図１０は、分割数が４〜３２分割の場合の、幅方向のエコー高さの比較図である。なお、マトリクスプローブの最大分割数は、８×８＝６４分割であるため、４，６，８分割のみを示している。

図９、図１０のビームプロファイルの比較から、分割数が少なく、個々の素子（上述したセグメント１５）の大きさが大きくなると、超音波ビームＳの集束性が悪くなることがわかった。また、得られたビームプロファイルにおいて、測定に使用する集束した超音波ビームＳの周辺に、副極と考えられるビームが強くなり、きずＭを主極と副極でとらえたり、あるいは主極と副極を分離できずに測定精度が悪くなる結果となることがわかった。

図１１は、振動子の分割数と深さ７５ｍｍにおける副極ノイズレベルとの関係図である。
この図は、図９、図１０のビームプロファイルを比較した結果である。
図１１から、副極ノイズレベルを１０％以下にするには、アニュラープローブの場合は４分割以上、リニアプローブでは１１分割以上が必要になることがわかる。これより、図３のリングの分割数が５である６リング１１行分割において、副極ノイズレベルを１０％以下にすることができる。また、８×８の６４チャンネルの通常のマトリクスプローブでは１０％以下を達成することはできないことがわかる。

図１２は、振動子の分割数と超音波ビームＳのビーム幅との関係図である。
この図では、最も音圧が集中する位置における、最大音圧の１／２以上のビーム幅で求めている。
図１２から、振動子の分割数が少なくなると急激にビーム幅が大きくなり、超音波ビームＳの集中性が悪くなることがわかる。
またこの図から、アニュラーアレイの場合には８リング以上に、リニアアレイの場合には１３分割以上とすることで、最小ビーム幅の５％の範囲にビームを制御できるのがわかる。すなわち、図４及び図５の実施例２及び３の８リング１５行分割で達成できる。

上述した実施例１，２から、以下のことが明らかとなった。

（１）図２と図４に示すように、発明プローブ１０の検出面１４は、同心円状の円形分割線１６ａ（中央の円および楕円リングも含む）と互いに平行な直線分割線１６ｂとによって分割することが好ましい。
（２）また、同心円状の円形分割線１６ａの隙間位置に、互いに平行な直線分割線１６ｂが一致することが好ましい。
（１）（２）の構成により、検出面１４を同心円上かつ中心を通る基準線に直交する方向に分離し、基準線Ｌに対し線対称に位置するセグメント１５に容易に分割することができる。またこの場合、隣接するセグメント１５の間の隙間１１の大きさ（ギャップ幅）を一定又は一定に近い幅に維持することができ、隙間１１を除く検出面１４の全面を有効利用できる。

（３）中央の円を含めて、円形分割線１６ａによる分割数は６以上であり、直線分割線１６ｂによる分割数は１１以上であることが好ましい。
この構成により、発明プローブ１０をアニュラーアレイ探触子と同様に、超音波ビームＳを円形に集束させる場合に、図１１における副極ノイズレベルを３〜４％の低い値に抑えることができる。
また、発明プローブ１０をリニアアレイ探触子と同様に、超音波ビームＳを基準線Ｌに沿って任意の方向に進行させる場合に、図１２における超音波ビームＳのビーム幅を４．３〜４．４ｍｍの低い値に抑えることができる。

（４）円の中心Ｏを通り、基準線Ｌを挟んで線対称に位置する対の超音波振動子１２を同時励起させることが好ましい。
（５）発明プローブ１０を、厚肉の円柱または配管に用いる場合、基準線Ｌ（Ｙ軸）の方向を円柱または配管の軸方向と直交する方向に向けて探傷することが好ましい。
（４）（５）の構成により、断面方向から見たときの試験体に入射するビームプロファイルを、超音波ビームが試験体に入射するときの円形界面の影響を補正して、側面から見た平滑面と同様のビームプロファイルに近づけて探傷精度を改善することができる。

（６）またこの場合、円形分割線１６ａによる分割数を８、直線分割線１６ｂによる分割数を１５とし、基準線Ｌに対し線対称に位置する対のセグメント１５を同一の制御チャンネル２１で制御するのがよい。
基準線Ｌを挟んで線対称にある超音波振動子１２を同時励起させることにより、６４の制御チャンネル２１で、円形分割線１６ａと直線分割線１６ｂで分割された１１３のセグメント１５を制御することができる。これによって、ビームの集束効果を最適のビーム幅の５％以内にすることができる。

図１３は、マトリクスプローブと、発明プローブ１０の第１，２実施形態とのビームプロファイルの比較図である。
この図において、（Ａ）は、３５×３５ｍｍの方形振動子を８列８行に分割したマトリクスプローブである。また、（Ｂ）は、直径３５ｍｍの円形振動子の６リング、１１行分割の発明プローブ１０（第１実施形態）、（Ｃ）は、直径３５ｍｍの円形振動子の８リング、１５行分割の発明プローブ１０（第２実施形態）である。
また、各図において、（ａ）は、縦波屈折角を５．７度、深さ１００ｍｍ、距離１０ｍｍに設定した場合、（ｂ）は、縦波屈折角を１１．３度、深さ１００ｍｍ、距離２０ｍｍに設定した場合である。

図１４は、図１３から得られた、端部のエコーレベルとビーム幅の関係図である。
この図から、第１，２実施形態の発明プローブ１０によるビーム幅が、従来法（マトリクスプローブ）よりも小さいことがわかる。

図１５は、深さ７０ｍｍの位置に、２０×２０ｍｍの平板きずと直径３ｍｍの球状きずがある場合の、リニアプローブ、マトリクスプローブ、及び発明プローブ１０による探傷試験結果の比較図である。
この図から、リニアプローブ、マトリクスプローブと比較して、発明プローブ１０により、平板きず及び球状きずをより高い精度で検出できることがわかる。

図１６は、円筒形の外面を有する試験体ＴＰに対する、発明プローブ１０、アニュラープローブ、及び、マトリクスプローブによる探傷試験結果の比較図である。
この図において、（Ａ）は、発明プローブ１０の第３実施形態の８リングで１１３の円弧状素子分割、（Ｂ）は、アニュラープローブの３２分割、（Ｃ）はマトリクスプローブの８×８分割である。
また、各図において、（ａ）は、軸方向断面、（ｂ）は、軸直交方向断面である。
この図から、アニュラープローブ及びマトリクスプローブと比較して、発明プローブ１０により、軸方向断面及び軸直交方向断面の両方において、ビームを集束させることができ、より高い精度できずを検出できることがわかる。

特に、アニュラーアレイ探触子では、円状に分割した振動子を用いており、平滑面では９０度直交する断面でのビームの集束特性は同等であるが、円柱試験体の本試験の場合には、特に軸直交断面において、ビームが入射する界面での円状の曲率でビームが大きく拡散して集束していないのがわかり、測定精度を著しく害することがわかる。これに対し、本発明の探傷では、特に周方向の曲率分を、基準線に直交する方向に列をなして分割しており、基準線方向に遅延則を設けて曲率の影響を補正しているので、軸方向断面ならびに軸直交方向断面においてともによく集束し、円状に集束できて検査精度が大きく改善できるのがわかる。

上述した本発明の装置を製作し試験した。

（製作した発明プローブ１０）
表１は、製作した発明プローブ１０の仕様である。

図１７は、製作した発明プローブ１０の外形図である。この図において、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は下面図である。

図１８は製作した発明プローブ１０の超音波振動子１２の配置図である。
この図において、超音波振動子１２の配置は、図４と同じであり、「８リング、１５行分割」である。また、検出面１４の直径Ｄは、３４．４ｍｍ、セグメント１５の幅ｂは２．２ｍｍ、隙間１１の大きさ（ギャップ幅Ｇ）は０．１ｍｍである。

（試験条件）
図１９Ａは、製作した発明プローブ１０の試験条件を示す説明図である。
試験に用いた試験体ＴＰは、幅（Ｗ＝１００ｍｍ）、長さ（Ｌ＝１６０ｍｍ）、高さ（Ｈ＝１２０ｍｍ）の鋼製ブロックである。試験体ＴＰの上面（試験体表面１）に対向して下面に４５°の傾斜面を加工し、その傾斜面の中央に模擬欠陥（きずＭ）を加工した。

図１９Ｂは、きずＭの説明図である。きずＭは、破線で示す直径３０ｍｍの円の内側にピッチ５ｍｍ、直径１ｍｍの丸孔を十字状に９か所設けた。以下、きずＭを有する平面傾斜面３を「欠陥平面３」と呼ぶ。
図１９Ａにおいて、横波屈折角４５度のくさび２に発明プローブ１０を取り付けて試験体表面１から探傷試験を実施した。この際、走査方向は、図１９Ａの紙面に直交する方向（幅方向）とした。
また、比較例として、３２チャンネルのリニアアレイ探触子（従来プローブ）を用いて同様の探傷試験を実施した。

（試験結果）
図２０は、欠陥平面上のＣスキャン画像であり、（Ａ）は発明プローブ１０の画像、（Ｂ）は従来プローブの画像である。Ｃスキャン画像とは、上部より投影して見た画像を意味する。

図２０において、横軸はスキャン距離（ｍｍ）、縦軸は偏向角度（Ａｎｇｌｅ：°）である。この試験では、超音波探傷する際に前後方向に集束位置を変化させており、偏向角度は中心を０°とし、±７．５°の範囲である。
図２０から、従来プローブの画像と比較して、発明プローブ１０の画像が、模擬欠陥を鮮明に検出していることがわかる。

図２１は、走査方向におけるピーク図であり、図２２は走査方向に直交する方向（図１９Ａで左右方向）におけるピーク図である。図２１、図２２において、（Ａ）は発明プローブ１０の画像、（Ｂ）は従来プローブの画像である。

図２１において、横軸はスキャン距離（ｍｍ）、縦軸はビーム強度（％）である。図２２において、横軸は偏向角度（°）、縦軸はビーム強度（％）である。ビーム強度は最大値を１００％としている。

図２１と図２２からも、従来プローブの画像の画像と比較して、発明プローブ１０の画像が、模擬欠陥を高い精度で検出していることがわかる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができることは勿論である。

Ａ 分割電極、Ｂ 励起領域、Ｃ 共通電極、
Ｄ 分割する振動子のサイズ（検出面の直径）、Ｉ セグメント番号、
Ｌ 基準線、Ｍ きず、Ｏ 中心、Ｓ 超音波ビーム、ＴＰ 試験体、
ｘ 深さ、１ 試験体表面、２ 中間部材（くさび）、３ 欠陥平面、
８ａ 溝、８ｂ 隙間、９ 圧電素子、
１０ フェーズドアレイ探触子（探触子、発明プローブ）、１１ 隙間、
１２ 超音波振動子、１４ 検出面、１５ セグメント、１６ 分割線、
１６ａ 円形分割線、１６ｂ 直線分割線、２０ 制御装置、
２１ 制御チャンネル、２２ 表示装置、２４ 画像処理装置、
１００ フェーズドアレイ探傷装置

Claims (8)

1. 同心円状に分離され、かつ円の中心を通る基準線に直交する列上に分離し、前記基準線に対し線対称に位置する複数の超音波振動子を有する、フェーズドアレイ探触子と、
   前記線対称の対の前記超音波振動子を同一条件で制御する複数の制御チャンネルを有する制御装置と、を備える、フェーズドアレイ探傷装置。
2. 前記フェーズドアレイ探触子は、超音波ビームを発信し受信する円形の検出面を有し、
   前記検出面は、前記基準線に対し対称の複数の円弧状部分に分割された複数のセグメントを有する、請求項１に記載のフェーズドアレイ探傷装置。
3. 前記セグメントの分割線は、前記円形を複数の円環状部分に分割する同心円の複数の円形分割線と、前記円環状部分を複数の前記円弧状部分に分割する複数の互いに平行な直線分割線と、からなる、請求項２に記載のフェーズドアレイ探傷装置。
4. 前記直線分割線は、前記中心を通る前記基準線に直交し、かつ前記円形分割線の両端に接する、請求項３に記載のフェーズドアレイ探傷装置。
5. 前記円形分割線は、５以上である、請求項３に記載のフェーズドアレイ探傷装置。
6. 請求項１に記載のフェーズドアレイ探傷装置を用い、
   前記基準線に対し線対称の対の前記超音波振動子を、同一条件で制御する、フェーズドアレイ探傷方法。
7. 円筒形の外面を有する試験体に対し、前記試験体の外側より前記円筒形の中心線に向けて行う垂直探傷及び軸方向の斜角探傷において、前記基準線を前記円筒形の軸方向に直交する周方向に向けて、前記試験体を探傷検査する、請求項６に記載のフェーズドアレイ探傷方法。
8. 円形分割線が７以上であり、直線分割線が１４本以上であり、前記超音波振動子が６４以上である、請求項６に記載のフェーズドアレイ探傷方法。