WO2014126023A1

WO2014126023A1 - 超音波探触子

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Publication number: WO2014126023A1
Application number: PCT/JP2014/052974
Authority: WO
Inventors: 和佐　泰宏
Original assignee: 株式会社神戸製鋼所
Priority date: 2013-02-14
Filing date: 2014-02-07
Publication date: 2014-08-21
Also published as: PL2957906T3; KR101716997B1; KR20150103290A; EP2957906A4; JP2014178302A; ES2719793T3; EP2957906A1; EP2957906B1; DK2957906T3; JP5642248B2

Abstract

　検査対象Ｗの内部の欠陥を検出する超音波探触子１は、溝部Ｇの湾曲面に向かって超音波を送信する送信振動子２と、検査対象Ｗの内部で反射して湾曲面に伝播した反射超音波を受信する受信振動子３と、を備える。送信振動子２は、溝部Ｇの伸長方向に直交する断面視における溝部Ｇの湾曲面に相当する位置または湾曲面直下の検査対象Ｗの内部に、送信した超音波が集束する点を結ぶ。送信振動子２及び受信振動子３は、溝部Ｇの伸長方向に沿って隣り合うように配置される。

Description

超音波探触子

　本発明は、超音波探傷に用いられる超音波探触子に関する。

　超音波探傷は、機械部品や構造物など検査対象の内部に存在するクラックやボイドなどの物理的な欠陥、及び金属組織的な欠陥（以上合わせて単に欠陥と呼ぶ）を、検査対象を破壊することなく検出する非破壊検査の一手法として広く知られる技術である。超音波探傷には、透過法、パルス反射法、及び共振法の３種の方式がある。このうちパルス反射法は、検査対象内部の欠陥で反射した超音波パルスの反射波を検出することで、検査対象の内部の欠陥を検出する方法である。

　パルス反射法を用いて検査対象内を探傷する技術としては、検査対象の表面に対して垂直に進行する超音波を用いて検査対象内を探傷する垂直探傷法や、検査対象の表面に対して斜めに進行する超音波を用いて検査対象内又は検査対象被検査材表面を探傷する斜角探傷法など、複数の探傷法がある。また、検査対象の表面近傍を探傷する技術としては、検査対象の表面近傍を伝播する表面超音波を用いた表面探傷法がある。表面探傷法では、超音波探触子から表面超音波を送出し、検査対象の表面又は表面皮下に存在する欠陥で反射して戻ってきた反射超音波を超音波探触子で受信することで、検査対象の表面欠陥及び表面皮下欠陥を検出する。

　このような斜角探傷法及び斜角探傷法を用いた超音波探触子が、特許文献１に開示されている。
　特許文献１の超音波探触子は、楔材の傾斜面に超音波振動子を設け、試験体との接触面を曲面状に形成した曲面探傷用超音波探触子である。この超音波探触子は、超音波振動子をその放射超音波が接触面で集束するように球殻状に形成したことを特徴とする。
　このような超音波探触子によれば、探触子と試験体との間にギャップが生じる場合であっても、接触面エコーを抑制しつつ欠陥の検出が可能になると、特許文献１には記載されている。

　また、超音波探傷を行う超音波探触子が、特許文献２に開示されている。
　特許文献２の超音波探触子は、超音波を送信する素子と、検査対象の凹曲面部へ前記超音波を伝播させる音響レンズと、前記検査対象からの前記超音波のエコーを前記音響レンズを経由して受信する素子と、を備えた超音波探傷装置の超音波探触子である。特許文献２の超音波探触子においては、前記凹曲面部に対面する前記音響レンズの面が、前記凹曲面部の曲率半径の２分の１から３分の２の範囲の曲率半径の凸曲面の形状を有する。また、前記超音波を送信する素子と前記エコーを受信する素子とがアレイセンサであって、前記送受用各アレイセンサの素子の配列の方向が、円筒形状の一部の形状をした前記音響レンズの凸曲面の形状を構成する前記円筒形状の中心軸方向に向けられている。さらに、前記音響レンズは、超音波の縦波音速が前記検査対象内の縦波音速よりも遅く且つ前記超音波探触子と前記検査対象との間の中間媒質内の超音波の縦波音速より早い材質によって構成される。また、前記音響レンズの内部に、送信された前記超音波と受信された前記エコーとの伝播経路を隔てる配置で、音響の伝播を遮る遮音板を有する。

　この特許文献２の超音波探触子では、特許文献２の図１３に示されるように、探触子内の振動子の形状および楔の形状を、試験体界面での超音波の屈折をも考慮して、試験体に向けた凸状形状としている。この超音波探触子の構成によって、試験体表面が曲面形状の場合に、接触した探傷子の楔内の音速と試験体内の音速と差に起因した屈折が発生して、入射する超音波が不安定に散乱してしまうという問題に対処することができ、試験体内での音場の集束が可能であると特許文献２には記載されている。

日本国特開平２－７３１５１号公報日本国特許第４７７０３８６号公報

　上述したように、特許文献１では、超音波探触子の球殻状の超音波振動子は、検査対象である試験体の表面で焦点を結ぶように超音波を照射するが、照射された超音波は、検査対象の表面を伝播するクリーピング波となっている。そのため、特許文献１の超音波探触子は、検査対象の内部に存在する欠陥の検出に用いることが困難である。
　また、検査対象内部の欠陥の深度は様々であり、広い深度範囲で高精度の探傷を行うことが理想ではある。しかしながら、特許文献１の超音波探触子に限らず、従来の超音波探触子を用いて広い深度範囲で高精度に探傷することは一般的には難易度が高いという問題があった。特に検査対象の表面が曲面であれば、照射された超音波が曲面で屈折して深さ方向において拡散（又は分散）してしまうため、広い深度範囲で高精度に探傷することは更に困難であった。

　表面が曲面となった検査対象を探傷する技術として、振動子がアレイ状に配置された超音波探触子を用いるフェーズドアレイ法が広く知られている。しかし、フェーズドアレイ法による既存の超音波探触子は一般的に平面形状であり、振動子と検査対象の曲面との間の広い空間を水などの接触媒体で満たす必要があるため、作業性が良くないだけでなく、超音波探触子の機構も複雑になってしまうという問題がある。さらに、超音波探触子の機構の複雑さや、アレイ状に配置された振動子の制御の煩雑さなどが原因で、超音波探触子を含む装置全体の製造コストが高価なものとなってしまうという問題も生じる。

　特許文献２の手法は、曲面形状の試験体においても、試験体内部の任意の位置に超音波を集束可能な方法である。しかしながら、探触子と試験体の曲界面を正確に接触させる必要があり、探傷中に探触子が傾いたり、探触子と試験体の間にギャップが生じたりすると、超音波の集束条件が乱れてしまうという問題がある。手動走査に限らず、機械走査においても、曲面状の試験体に曲面状の探触子を正確に倣わせて走査することには大きな困難が伴う。

　さらに、超音波の送信において探触子と試験体との間にギャップが生じるとそのギャップで多重反射が発生し、送信波が時間的にばらついてしまう。その結果として、送信パルスの音圧が低くなったり、表面エコーが長時間にわたって発生したりして、試験体の表面近傍の不感帯が大きくなるといった不都合が生じてしまう。

　本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであって、検査対象の表面が湾曲面である場合でも、湾曲面に対して照射された超音波の該湾曲面での屈折による影響を低減できると共に、該湾曲面での表面エコーを抑制することのできる超音波探触子を提供することを目的とする。

　上記課題を達成するために、本発明は、以下の技術的手段を採用した。
　本発明に係る超音波探触子は、湾曲面で構成された溝部を有する検査対象に対して超音波を送信すると共に、前記検査対象の内部で反射した反射超音波を受信することで、前記検査対象の内部の欠陥を検出する超音波探触子であって、前記溝部の湾曲面に向かって超音波を送信する送信振動子を有する送信部と、前記検査対象の内部で反射して前記湾曲面に伝播した反射超音波を受信する受信振動子を有する受信部と、を備え、前記送信振動子は、前記溝部の伸長方向に直交する断面視における前記溝部の湾曲面に相当する位置または、前記湾曲面直下の前記検査対象の内部に、送信した超音波が集束する点を結び、前記送信部及び前記受信部は、前記溝部の伸長方向に沿って隣り合うように配置されていることを特徴とする。

　ここで、前記送信部の送信振動子が有する送信面と前記受信部の受信振動子が有する受信面とで形成される対面角が鈍角となるように、前記送信振動子及び受信振動子が前記湾曲面に対して傾斜して配置されていると好ましい。
　さらに、前記受信振動子の受信面が、前記溝部の伸長方向に直交する断面視における前記溝部の湾曲面に相当する位置に、受信する超音波が集束する点を結ぶと好ましい。

　また、前記受信振動子の受信面が、前記溝部の伸長方向に直交する断面視における前記溝部の湾曲面下の前記検査対象の内部に、受信する超音波が集束する点を結ぶと好ましい。
　ここで、前記受信振動子の受信面が、前記検査対象と接する探傷面に向けて凸状に形成されていて、前記探傷面は、前記検査対象での超音波の伝播速度よりも前記探傷面での超音波の伝播速度が低くなるような材料で構成されると好ましい。

　本発明の超音波探触子によれば、検査対象の表面が湾曲面である場合でも、湾曲面に対して照射された超音波の該湾曲面での屈折による影響を低減できると共に、該湾曲面での表面エコーを抑制することができる。

本発明の実施形態による超音波探触子を検査対象の溝部に当接させた状態を示す概略斜視図である。本発明の実施形態による超音波探触子の構成を示す概略図であり、（ａ）は、超音波探触子を検査対象に当接させた状態を溝部の伸長方向に沿った図１の矢印Ａ側から見た図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す状態を、溝部の伸長方向（矢印Ａ）に対して垂直となる図１の矢印Ｂ側から見た図である。対面角を３通りに設定した場合において、送信軸と受信軸が交わる位置の違いを示した図であり、（ａ）（ｂ）（ｃ）のそれぞれは、異なる対面角で送信振動子と受信振動子が設けられた超音波探触子を配置したときの状態を示す。本実施形態による超音波探触子の感度特性について説明する図であり、（ａ）は、一つの振動子によって探傷面上に集束線を形成する表面集束のみによる探傷感度特性を示し、（ｂ）は、２分割探触子の構成による探傷感度特性を示し、（ｃ）は、（ａ）に示す表面収束の構成と（ｂ）に示す２分割探触子の構成を組み合わせた探傷感度特性を示す。異なる屋根角（対面角）の超音波探触子を用いて、異なる深さの平底に対して探傷したときの実験結果のグラフを示す図である。本発明の第２実施形態による超音波探触子の構成を示す概略図であり、（ａ）は、一方側（送信側）の断面視における超音波探触子の配置及び構成を示す概略図、（ｂ）は、他方側（受信側）の断面視における超音波探触子の配置及び構成を示す概略図である。本発明の第３実施形態による超音波探触子の受信部の構成を説明するための概念図である。第３実施形態による超音波探触子の構成を示す概略図であり、（ａ）は、一方側（送信側）の断面視における超音波探触子の配置及び構成を示す概略図、（ｂ）は、他方側（受信側）の断面視における超音波探触子の配置及び構成を示す概略図である。

　以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
　なお、以下に説明する実施形態は、本発明を具体化した一例であって、その具体例をもって本発明の構成を限定するものではない。従って、本発明の技術的範囲は、本実施形態に開示内容だけに限定されるものではない。

（第１実施形態）
　図１及び図２を参照しながら、本実施形態による超音波探触子１について説明する。
　図１は、本発明の実施形態による超音波探触子１を検査対象Ｗに形成されたフィレット等の溝部Ｇに当接させた状態を示す概略斜視図である。図２は、超音波探触子１が、検査対象Ｗの溝部Ｇの湾曲面に配置されたときの構成を示す概略図である。図２（ａ）は、溝部Ｇの長手方向（伸長方向ともいえる）に直交する断面視における、超音波探触子１の配置及び構成を示す概略図である。図２（ｂ）は、溝部Ｇの長手方向（伸長方向）に沿った断面視における、超音波探触子１の配置及び構成を示す概略図である。すなわち、図２（ａ）は、図１における矢印Ａ側（矢視Ａ）から見た図であり、図２（ｂ）は、図１における矢印Ｂ側（矢視Ｂ）から見た図である。

　超音波探触子１は、送信振動子２に超音波を送信させる超音波探傷器（図示せず）、及び後述する信号記録処理装置（図示せず）に接続されて、機械部品や構造物などの検査対象Ｗの表面に対して超音波を送信する。また、超音波探触子１は、検査対象Ｗの内部の深さ方向に存在する欠陥（クラックなどの物理的な欠陥や及び金属組織的な欠陥）で反射した反射超音波を受信することで、検査対象Ｗの内部の欠陥を高精度に検出する。特に、本実施形態による超音波探触子１は、例えばフィレットなど、湾曲面で構成された凹状の溝部Ｇが表面に形成された機械部品や構造物などの検査対象Ｗにおける、該湾曲面下の深さ方向に存在する欠陥の検出に特に適している。

　図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、超音波探触子１は、溝部Ｇの湾曲面に向かって超音波を送信する送信振動子２を有する送信部と、検査対象Ｗの内部で反射して湾曲面に伝播した反射超音波を受信する受信振動子３を有する受信部と、を備える。送信振動子２は、溝部Ｇの長手方向に直交する断面視（図１の矢視Ａ）における溝部Ｇの湾曲面に相当する位置に、送信した超音波が集束する点Ｆを結ぶように配置されている、送信部及び受信部は、溝部Ｇの長手方向に沿って隣り合うように配置されている。

　超音波探触子１は、送信振動子２、受信振動子３、及びくさび（楔材）４を備える。送信振動子２及び受信振動子３が、くさび４に保持されている。このような超音波探触子１は、超音波探傷器及び信号記録処理装置に接続されて検査対象Ｗに当接することで、超音波探傷器による制御の下で、送信振動子２から検査対象Ｗの表面に超音波を送信すると共に、検査対象Ｗ内部の欠陥等で反射した反射超音波を受信振動子３で受信する。超音波探触子１に接続された信号記録処理装置は、受信振動子３で受信した反射超音波に基づいて検査対象Ｗ内部の欠陥等の有無及び位置を示す情報を提供する。

　図２（ａ）及び図２（ｂ）を参照しながら、超音波探触子１を構成する送信振動子２、受信振動子３、及びくさび４について詳しく説明する。
　超音波探触子１の送信振動子２は、例えば、複数の球面波の点源が形成された圧電素子からなるコンポジット振動子によって構成されている。送信振動子２は、所定電圧のパルス電圧が印加されると、各点源から印加されたパルス電圧に対応する周波数の球面波を発生する。送信振動子２から同じタイミングで発生した複数の球面波は単一波として合成されるので、送信振動子２は、点源が配置された面の前方に向かって超音波を送信する。

　図２（ａ）に示すように、コンポジット振動子によって構成される送信振動子２は、超音波を発生する送信面５が検査対象Ｗの表面に向かって凹面形状となるように略円弧を描いて湾曲しており、樋又は半円筒に類似した形状を有している。さらに、送信振動子２の送信面５は、送信面５から送信された超音波が所定距離だけ進行した位置で集束するような曲率を有する凹面形状となっている。

　つまり、樋状又は半円筒状の送信振動子２の送信面５から送信された超音波は、送信面５から所定距離だけ離れ、且つ送信面５の円弧の形成方向に垂直な送信振動子２の長手方向に沿った略直線の集束線Ｌ上に集束する。言い換えれば、図２（ａ）に示すように、送信振動子２の送信面５から送信された超音波は、フィレット部の表面上（溝部Ｇの湾曲面上）で焦点Ｆを結ぶように照射され、溝部Ｇ内部に伝播する。

　ここで、集束線Ｌは、樋状又は半円筒状の送信振動子２の送信面５を側面の一部とする円筒形、円柱形又は円錐（円錐台）の中心軸に相当し、焦点Ｆは、該中心軸の一点に相当すると考えることもできる。
　受信振動子３は、例えば、送信振動子２と同様の構成のコンポジット振動子によって構成されており、超音波を受信する受信面６が凹面形状となるように略円弧を描いて湾曲している。受信振動子３は、受信面６で受信した超音波の強度及び周波数に対応する電圧を発生する。

　受信振動子３は、上述のように、送信振動子２と同様の凹面形状に成形したコンポジット振動子で構成されてもよいが、コンポジット振動子でなくとも、平板状の圧電素子を送信振動子２と同様に凹面形状に成形したもので構成されてもよい。
　一般的には、受信振動子３を送信振動子２と同様の構成とすると、検査対象Ｗ内部の欠陥で反射した反射超音波の受信において良好な感度及びＳ／Ｎ比を得ることができる。しかし、検査対象Ｗの材質や形状、並びに所望する受信感度及びＳ／Ｎ比に応じて、凹状に成形された圧電素子で受信振動子３を構成してもよい。

　くさび４は、例えば樹脂やガラスで構成される略直方体形状の中空の筐体であって、筐体の壁面に検査対象Ｗに当接する探傷面７を有する。くさび４は、探傷面７に対向する位置に送信振動子２及び受信振動子３を隣り合わせて保持することで超音波探触子１を構成している。
　図２（ｂ）に示すように、送信振動子２及び受信振動子３は、それぞれの送信面５及び受信面６を探傷面７に向けて、アクリル等の樹脂製くさび４を介して保持されている。また、探傷面７と送信振動子２及び受信振動子３との間の空間は筐体を構成する壁面で分離され、この空間を送信振動子２側の送信くさびと受信振動子３側の受信くさびとに仕切る（分割する）音響分割壁８が設けられている。音響分割壁８は、探傷面７に対してほぼ垂直に形成されて、一方の空間の超音波が他方の空間に伝播しないように遮蔽する。この音響分割壁８によって、超音波を送信する送信振動子２の影響を受信振動子３が受けることが防止される。

　ここで、探傷面７と送信振動子２及び受信振動子３との間の空間（送信空間及び受信空間）は、水、グリセリンペースト、油など、超音波を伝達する物質である接触媒質で満たされている。ここで、くさび４の探傷面７は、当接する検査対象Ｗのフィレットなど、湾曲面で構成された溝部Ｇの曲率とほぼ同じ曲率又は若干小さい曲率の湾曲面であり、くさび４の外部に向かって凸状の円筒面形状を有している。

　超音波探触子１は、この探傷面７の湾曲面の凸形状が溝部Ｇの湾曲面の凹形状に対応するように、検査対象Ｗと当接する。つまり、超音波探触子１は、探傷面７の円筒面形状の径方向に直交する方向が溝部Ｇの伸長方向に沿うように、検査対象Ｗの溝部Ｇと当接する。
　図２（ａ）を参照すると、送信振動子２は、送信面５から送信された超音波が集束する集束線Ｌが探傷面７上に形成されるような位置で保持されている。これによって、溝部Ｇの伸長方向に直交する断面視である図２（ａ）では、探傷面７と当接する溝部Ｇの湾曲面上に超音波が集束する点（焦点Ｆ）を結ぶように、送信振動子２の送信面５から超音波が送信される。

　図２（ａ）に示すように、送信された超音波を溝部Ｇの湾曲面上で集束すれば、照射された超音波が溝部Ｇの湾曲面で屈折することによる超音波の深さ方向における不均一な拡散（又は分散）を抑制することができる。図２（ａ）によれば、溝部Ｇの湾曲面から検査対象Ｗの内部に伝播した超音波は、焦点Ｆを点音源として、欠陥として形成された平底穴（ＦＢＨ：Ｆｌａｔ　Ｂｏｔｔｏｍ　Ｈｏｌｅ）の平底Ｈに向かって伝播している。

　ここで、図２（ｂ）を参照しながら、送信振動子２と受信振動子３の配置について、さらに詳しく説明する。図２（ｂ）は、超音波探触子１を検査対象Ｗに当接させた図２（ａ）に示す状態を、溝部Ｇの伸長方向に対して垂直となる側方から見たときの超音波探触子１の構成を示している。
　既に述べたように、送信振動子２と受信振動子３は、音響分割壁８を挟んで、それぞれの送信面５及び受信面６をくさび４の探傷面７に向けて配置されている。さらに、送信振動子２は、送信面５が探傷面７から音響分割壁８を向くように傾けて配置され、受信振動子３も、受信面６が探傷面７から音響分割壁８を向くように傾けて配置されている。

　図２（ｂ）に示すように、送信振動子２及び受信振動子３は、送信振動子２の送信面５と受信振動子３の受信面６とでなす対面角αが鈍角となるように、溝部Ｇの湾曲面及び超音波探触子１の探傷面７に対して傾斜状に配置されている。ここで対面角αは、以下のように定義される。
　まず、例えば、送信振動子２の送信面５の円弧形成方向における中央位置を集束線Ｌに向かって垂直に貫通する送信軸９を想定する。同じく受信振動子３の受信面６の円弧形成方向における中央位置を受信面６に対応する集束線Ｌに向かって垂直に貫通する受信軸１０を想定する。そして送信軸９と受信軸１０のなす角を屋根角βとする。なお、受信振動子３が平板状である場合、平板状の受信面６の幅方向及び長手方向における中央位置を垂直に貫通する受信軸１０を想定して、送信軸９と受信軸１０のなす角を屋根角βとする。

　このように屋根角βを定めると、送信振動子２の送信面５と受信振動子３の受信面６とでなす対面角αは、１８０°から屋根角βを減じた値となる（対面角α＝１８０°－屋根角β）。
　このとき、図２（ｂ）において送信振動子２と受信振動子３は、くさび４を建物と見立てたときに屋根に相当する位置に配置されており、傾斜している。送信振動子２と受信振動子３を、屋根角βが９０°未満となる傾きで配置するのが好ましい。屋根角βを９０°未満として対面角αを鈍角となるように設定すれば、検査対象Ｗの表面下での様々な深度に存在する欠陥を検出できる超音波探触子１を実現することができる。

　このとき、送信振動子２と受信振動子３とは、音響分割壁８に対して互いに同じ角度だけ傾けられると共に、送信軸９と受信軸１０の延長が１点（軸交点）で交わるように配置される。このように送信振動子２と受信振動子３を配置することによって、図２（ｂ）に示すように、送信軸９と受信軸１０は、検査対象Ｗの表面での屈折を考慮しても検査対象Ｗ内部のある深度の１点で交わることとなる。

　上述の対面角α及び屋根角βは、検査対象Ｗの形状や材質に合わせて任意に設定することができる。対面角α及び屋根角βを変更することで、送信軸９と受信軸１０が交わる点の位置が変化するので、検査対象Ｗの内部において送信軸９と受信軸１０が交わる位置を様々な深度に設定することができる。
　このように、送信軸９と受信軸１０が交わるように送信振動子２及び受信振動子３を配置すれば、送信軸９と受信軸１０の軸交点近傍の感度が特に高い超音波探触子１を構成することができる。従って、送信軸９と受信軸１０が交わる位置を様々な深度に設定することで、所望の深度において優れた感度を有する超音波探触子１を構成することができる。

　図３（ａ）（ｂ）（ｃ）は、対面角α及び屋根角βを３通りに設定した場合において、送信軸９と受信軸１０が交わる位置の違いを示した図である。図３（ａ）～図３（ｃ）のそれぞれは、検査対象Ｗの溝部Ｇにおける同一の位置に、異なる対面角α及び屋根角βで送信振動子２と受信振動子３が設けられた超音波探触子１を配置したときの状態を示している。超音波探触子１直下の検査対象Ｗの内部に欠陥として形成された平底穴（ＦＢＨ）の平底Ｈの検査対象Ｗ表面からの深さ及び位置は、図３（ａ）～図３（ｃ）のそれぞれにおいて同じである。

　図３（ａ）は、大きな屋根角β（又は小さな対面角α）で送信振動子２及び受信振動子３が設けられたときの状態を示している。屋根角βが大きい（又は対面角αが小さい）と、送信軸９と受信軸１０が検査対象Ｗの内部の比較的浅い位置で交わることになる。このとき、平底穴の平底Ｈよりも浅い位置で送信軸９と受信軸１０が交わっているので、最も感度が高い深度が、平底Ｈの位置に存在する欠陥の位置よりも浅くなる。従って、図３（ａ）に示す対面角α及び屋根角βは、平底Ｈの位置に存在する欠陥を検出するには適切であるとは言い難い。

　図３（ｂ）は、図３（ａ）よりも小さな屋根角β（又は図３（ａ）よりも大きな対面角α）で送信振動子２及び受信振動子３が設けられたときの状態を示している。図３（ｂ）に示す対面角α及び屋根角βであれば、送信軸９と受信軸１０が、ちょうど平底穴の平底Ｈの位置で交わっている。したがって、図３（ｂ）に示す対面角α及び屋根角βは、平底Ｈの位置に存在する欠陥の位置で最も感度が高く、欠陥の位置や形状を正確に検出可能であるといえる。

　図３（ｃ）は、図３（ａ）及び図３（ｂ）と比較してさらに小さな屋根角β（又はさらに大きな対面角α）で送信振動子２及び受信振動子３が設けられたときの状態を示している。図３（ｃ）に示す対面角α及び屋根角βであれば、送信軸９と受信軸１０が、平底穴の平底Ｈよりも深い位置で交わることになり、最も感度が高い深度が、平底Ｈの位置に存在する欠陥の位置よりも深くなる。従って、図３（ｃ）に示した対面角α及び屋根角βは、欠陥の存在を検出することはできるが、欠陥の位置や形状を正確に検出するには不利であるといえる。

　上述した本実施形態の超音波探触子１は、送信専用の送信振動子２と受信専用の受信振動子３の２つの振動子を用いて探傷する、いわば２分割探触子の構成を有することを特徴とする。また、本実施形態の超音波探触子１は、送信振動子２が、探傷面７上に集束線Ｌを形成するように超音波を送信する構成を有することを特徴としている。本実施形態の超音波探触子１によれば、これらの特徴に加えて送信振動子２と受信振動子３の対面角α及び屋根角βを適切に設定することで、超音波の表面エコーを良好に抑制し、検査対象Ｗの深さ方向における感度を所望の深度で適切に調整することができる。

　超音波探触子１において、対面角α及び屋根角βが設定されると、送信振動子２と受信振動子３の探傷面７までの距離が、音響分割壁８側と音響分割壁８の反対側とで異なる。このように対面角α及び屋根角βが設定された場合でも送信振動子２が探傷面７上に集束線Ｌを形成できるように、送信振動子２の曲面形状および曲率を送信振動子２の長手方向に沿って変化させるとよい。

　図４（ａ）（ｂ）（ｃ）を参照しながら、本実施形態による超音波探触子１の感度特性について説明する。
　図４（ａ）は、超音波の送信及び受信を兼ねる一つの振動子によって探傷面７上に集束線Ｌを形成するように超音波を送信する構成（表面集束）のみによる探傷感度特性を示し、図４（ｂ）は、２分割探触子の構成による探傷感度特性を示している。図４（ｃ）は、送信振動子２と受信振動子３の対面角α及び屋根角βを適切に設定して、図４（ａ）に示す表面収束の構成と図４（ｂ）に示す２分割探触子の構成を組み合わせた本実施形態による超音波探触子１の探傷感度特性を示している。

　図４（ａ）に示すように、表面収束による探傷感度特性は、有効範囲として示した検査対象Ｗの表面直下において良好な感度特性を示すが、ある程度の深さ（深度）になると探傷感度は大きく低下する。
　次に、図４（ｂ）に示すように、２分割探触子の構成による探傷感度特性は、有効範囲として示したある程度の深度における軸交点位置の近傍で良好な感度特性を示すが、検査対象Ｗの表面直下などでは、十分な探傷感度を得ることは困難である。

　そこで、図４（ｃ）を参照すると、本実施形態による超音波探触子１は、有効範囲として示すように、検査対象Ｗの表面直下からある程度の深度における軸交点位置の近傍にかけて良好な感度特性を示すので、検査対象Ｗの深さ方向において広い範囲で十分な探傷感度を得ることができる。
　図５を参照しながら、本実施形態による超音波探触子１の効果を具体的に説明する。図５は、屋根角１０°（対面角１７０°）の超音波探触子１と、屋根角１２°（対面角１６８°）の超音波探触子１と、を用いて、異なる深さの平底穴の平底Ｈに対して探傷したときの実験結果をグラフに示している。

　実験は次の手順で行った。まず、直径０．５ｍｍ（φ０．５）の平底Ｈが深さ５ｍｍ、１０ｍｍ、２０ｍｍ、３５ｍｍ、５０ｍｍの位置に形成された５つの検査対象Ｗを用意した。続いて、それぞれの検査対象Ｗの平底穴の平底Ｈに対して、屋根角１０°の超音波探触子１と屋根角１２°の超音波探触子１で探傷を行い、得られたエコーのノイズに対する比（Ｓ／Ｎ比）を求めた。

　図５のグラフによると、平底穴の平底Ｈが深くなるにつれてＳ／Ｎ比が低下していく。屋根角１０°の超音波探触子１と屋根角１２°の超音波探触子１は共に、平底Ｈの深さが５ｍｍ～１０ｍｍの範囲では１８ｄＢを超える十分なＳ／Ｎ比を得ると共に、深さが４０ｍｍを超えても欠陥の検出が可能な２ｄＢ以上のＳ／Ｎ比を得ている。
　従って、本実施形態による超音波探触子１によれば、深さ５ｍｍ前後の浅い平底Ｈから深さが４０ｍｍを超える深い平底Ｈまで、検査対象Ｗの深さ方向における広い範囲での探傷ができる。このことは、図４（ｃ）に示した探傷感度特性とも一致する。さらに、例えば、深さが３０ｍｍを超えるような深い平底Ｈに対しては、屋根角１２°の超音波探触子１よりも屋根角１０°の超音波探触子１の方が、良好なＳ／Ｎ比を得ている。これは、屋根角β及び対面角αを適切に設定することで所望の深度において優れた感度を発揮するという本実施形態による超音波探触子１の特徴を示すものであり、図３（ａ）（ｂ）（ｃ）を用いた説明と合致する。

（第２実施形態）
　図１及び図６（ａ）（ｂ）を参照して、本発明の第２実施形態について説明する。
　図６（ａ）（ｂ）は、本実施形態による超音波探触子１ａが、検査対象Ｗの溝部Ｇの湾曲面に配置されたときの構成を示す概略図である。図６（ａ）は、図２（ａ）と同様であり、溝部Ｇの長手方向（伸長方向ともいえる）に直交する一方側の断面視における、超音波探触子１ａの配置及び構成を示す概略図である。図６（ｂ）は、溝部Ｇの長手方向（伸長方向）に直交するもう一方側（他方側）の断面視における、超音波探触子１ａの配置及び構成を示す概略図である。すなわち、図６（ａ）は、図１における矢印Ａ側（送信部側）から見た図であり、図６（ｂ）は、図１における矢印Ａの反対側（受信部側）から見た図である。

　本実施形態による超音波探触子１ａは、第１実施形態の超音波探触子１とほぼ同様の構成を有し、送信部、受信部及びくさび４を含んで構成されているが、第１実施形態の超音波探触子１と比較して、受信部の構成に特徴を有する。以下、本実施形態による超音波探触子１ａの受信部の構成を説明する。
　超音波探触子１ａの受信部は、検査対象Ｗの内部で反射して湾曲面まで伝播した反射超音波を受信する受信振動子３ａを有する。

　図６（ｂ）に示すように、受信振動子３ａは、第１実施形態による超音波探触子１の送信振動子２と同様に、超音波を受信する受信面６ａが検査対象Ｗの表面に向かって凹面形状の略円弧を描いて湾曲している。受信面６ａの湾曲は、溝部Ｇの伸長方向に直交する断面視（図１の矢視Ａ）における溝部Ｇの湾曲面（湾曲表面）に相当する位置に、受信する超音波が集束する点Ｆ’（焦点Ｆ’）を結ぶように形成されている。言い換えれば、受信振動子３ａは、受信面６ａの略円弧形状に対応して決まる焦点である点Ｆ’（焦点Ｆ’）が、溝部Ｇの湾曲面（湾曲表面）に相当する位置、つまりくさび４の探傷面７上に結ばれるように、超音波探触子１に設けられる。

　このように焦点Ｆ’を結ぶ受信振動子３ａは、送信振動子２が焦点Ｆに対応して探傷面７上に形成する集束線Ｌと同様に、焦点Ｆ’に対応して探傷面７上に集束線Ｌ’を形成する。詳しくは、受信振動子３ａは、受信面６ａから所定距離だけ離れた探傷面７上に、受信面６ａの円弧の形成方向に垂直な受信振動子３ａの長手方向に沿って略直線の集束線Ｌ’（焦点Ｆ’）を形成する。送信振動子２の送信面５から送信された超音波のうち、検査対象Ｗの内部で反射して集束線Ｌ’（焦点Ｆ’）を通過した反射超音波は、受信振動子３ａの受信面６ａによって受信される。

　ここで、集束線Ｌ’は、樋状又は半円筒状の受信振動子３ａの受信面６ａを側面の一部とする円筒形、円柱形又は円錐（円錐台）形の中心軸に相当し、焦点Ｆ’は、該中心軸の一点に相当すると考えることもできる。
　上述のとおり、超音波探触子１ａの受信振動子３ａは、溝部Ｇの湾曲面に相当する位置に受信する超音波が集束する焦点Ｆ’を結ぶように、超音波を受信する受信面６ａが凹面形状の略円弧を描いて湾曲するように形成される。ここで、受信振動子３ａの受信面６ａが結ぶ焦点Ｆ’に対応する集束線Ｌ’は、送信振動子２による集束線Ｌの延長と一致することが望ましい。集束線Ｌ’が集束線Ｌの延長と一致すれば、第１実施形態の図２（ｂ）に示すように対面角α及び屋根角βが設定された超音波探触子１ａにおいて、受信感度を向上させることができる。

　受信振動子３ａは、送信部の送信振動子２と同様のコンポジット振動子によって構成されており、受信面６ａで受信した超音波の強度及び周波数に対応する電圧を発生する。この受信振動子３ａは、上述のように、送信振動子２と同様の凹面形状に成形したコンポジット振動子で構成されたものでもよいが、コンポジット振動子でなくとも、平板状の圧電素子を凹面形状に湾曲させて成形したものであってもよい。

　このように超音波探触子１ａの受信部を、送信部と同様に溝部Ｇの湾曲面上に集束する構造とすれば、検査対象Ｗ内部の欠陥で反射した超音波のうち点Ｆ’を通った反射超音波を非常に明瞭に受信できる。これにより、検査対象Ｗの表面近傍の感度が高い超音波探触子１ａを得ることができる。

（第３実施形態）
　図１、図７及び図８（ａ）（ｂ）を参照して、本発明の第３実施形態について説明する。

　図７は、本実施形態による超音波探触子１ｂの受信部の構成を説明するための概念図である。図８（ａ）（ｂ）は、本実施形態による超音波探触子１ｂが、検査対象Ｗの溝部Ｇの湾曲面に配置されたときの構成を示す概略図である。図８（ａ）は、図２（ａ）及び図６（ａ）と同様であり、溝部Ｇの長手方向（伸長方向ともいえる）に直交する一方側の断面視における、超音波探触子１ｂの配置及び構成を示す概略図である。図８（ｂ）は、溝部Ｇの長手方向（伸長方向）に直交するもう一方側（他方側）の断面視における、超音波探触子１ｂの配置及び構成を示す概略図である。すなわち、図８（ａ）は、図１における矢印Ａ側（送信部側）から見た図であり、図８（ｂ）は、図１における矢印Ａの反対側（受信部側）から見た図である。

　本実施形態による超音波探触子１ｂは、第１実施形態の超音波探触子１及び第２実施形態の超音波探触子１ａとほぼ同様の構成を有し、送信部、受信部及びくさび４を含んで構成されているが、超音波探触子１及び超音波探触子１ａと比較して、受信部の構成に特徴を有する。以下、本実施形態による超音波探触子１ｂの受信部の構成を説明する。
　超音波探触子１ｂの受信部は、検査対象Ｗの内部で反射して湾曲面まで伝播した反射超音波を受信する受信振動子３ｂを有する。

　図７を参照しながら、受信部の受信振動子３ｂの構成の概念について説明する。第２実施形態による受信振動子３ａの受信面６ａは、検査対象Ｗの表面に向かって凹面形状の略円弧を描いて湾曲していたが、本実施形態による超音波探触子１ｂの受信部の受信振動子３ｂは、検査対象Ｗの表面に向かって凸面形状の略円弧を描いて湾曲した受信面６ｂを有する。つまり、受信振動子３ｂの受信面６ｂは、検査対象Ｗの表面に対して、第２実施形態による受信振動子３ａの受信面６ａとは反対向きに略円弧を描いて湾曲している。

　受信振動子３ｂは、送信部の送信振動子２と同様のコンポジット振動子によって構成されており、受信面６ｂで受信した超音波の強度及び周波数に対応する電圧を発生する。この受信振動子３ｂは、上述のように、送信振動子２と同様の凹面形状に成形したコンポジット振動子で構成されたものでもよいが、コンポジット振動子でなくとも、平板状の圧電素子を凹面形状に湾曲させて成形したものであってもよい。

　ここで、図７には図示しないが、受信振動子３ｂを保持するくさび４を樹脂の一種であるアクリルで構成し、検査対象Ｗを鋼材で構成した場合について考える。この場合、受信振動子３ｂの受信面６ｂからくさび４の探傷面７を経て検査対象Ｗである鋼材内に伝播する超音波は、探傷面７と鋼材の界面で屈折して、図７に示す集束点ＦＩで集束する。しかし、受信振動子３ｂの受信面６ｂは、超音波を送信するものではなく受信するものであるので、検査対象Ｗである鋼材内で反射して集束点ＦＩを通過し、上述の受信面６ｂから鋼材内への伝播経路を逆行した反射超音波を受信する。

　このように、本実施形態による受信振動子３ｂにおいて、受信する超音波の伝播経路が検査対象Ｗの内部で集束する集束点ＦＩを結ぶように、受信面６ｂが、検査対象Ｗの表面に向かって凸面形状の略円弧を描いて湾曲し、超音波探触子１ｂの受信部に配置されている。アクリル（くさび４）内を超音波の縦波が伝播する速度（音速）Ｖ１（２７３０ｍ／ｓ）と鋼材（検査対象Ｗ）内を超音波の縦波が伝播する速度（音速）Ｖ２（５９００ｍ／ｓ）の差により、検査対象Ｗとくさび４の界面では、超音波は屈折する。集束点ＦＩはこの屈折効果によるこの位置に超音波が集束することを表している。つまり検査対象Ｗ内部に集束点ＦＩを実現するには、界面で図示したような超音波の屈折を実現する必要がある。このために、受信振動子３ｂが設けられるくさび（楔材）４は、少なくとも検査対象Ｗと接する探傷面７が、検査対象Ｗの音速（Ｖ２：５９００ｍ／ｓ）よりも低い音速を有するアクリル（Ｖ１：２７３０ｍ／ｓ）などの材質で構成される必要がある。

　その上で、受信振動子３ｂの湾曲の大きさや、受信振動子３ｂと探傷面７との距離を変化させることで、検査対象Ｗ内における集束点ＦＩの位置及び深さを変更することができる。受信振動子３ｂは、集束点ＦＩ及びその近傍からの反射超音波を明瞭に受信することができるので、検出したい欠陥の深さに合わせて予め決定された集束点ＦＩの深さに応じて、受信振動子３ｂの形状および位置を決定するとよい。

　図８（ａ）（ｂ）を参照しながら、上述の概念に基づく受信振動子３ｂを備えた超音波探触子１ｂの構成を説明する。
　図８（ｂ）に示すように、受信振動子３ｂは、超音面波を受信する受信面６ｂが、検査対象Ｗの表面である溝部Ｇの湾曲（探傷面）に向けて凸面形状の略円弧を描くように湾曲して形成されている。受信面６ｂの湾曲は、溝部Ｇの伸長方向に直交する断面視（図１の矢視Ａ）における溝部Ｇの湾曲面（湾曲表面）直下の検査対象Ｗの内部に、受信する超音波が集束する点である集束点ＦＩを結ぶように形成されている。

　言い換えれば、受信振動子３ｂは、受信面６ｂの略円弧形状に対応して決まる焦点である集束点ＦＩが溝部Ｇの湾曲面下の検査対象Ｗの内部に結ばれるように、例えばアクリルなどの樹脂製のくさび（楔材）４に保持されて超音波探触子１に設けられる。
　このように集束点ＦＩを結ぶ受信振動子３ｂは、送信振動子２が焦点Ｆに対応して探傷面７上に形成する集束線Ｌと同様に、集束点ＦＩに対応して検査対象Ｗの内部に集束線ＬＩを形成する。詳しくは、受信振動子３ｂは、検査対象Ｗの内部において、受信する超音波が集束して通過する集束点ＦＩに対応して、集束線Ｌとほぼ平行に集束線ＬＩを形成する。送信振動子２の送信面５から送信された超音波のうち、検査対象Ｗの内部で反射して集束線ＬＩ（集束点ＦＩ）を通過した反射超音波は、受信振動子３ｂの受信面６ｂによって受信される。

　ここで、図２（ｂ）に示される第１実施形態と同様に、本実施形態の受信振動子３ｂに対して受信軸１０を設定する。このとき、設定された対面角α及び屋根角βによって決まる送信振動子２の送信軸９と受信軸１０が交わる点に、集束点ＦＩが形成されることが好ましい。つまり、送信軸９と受信軸１０が交わる点を集束線ＬＩが通過することが好ましい。
　上述の図８（ｂ）に示すとおり、集束線ＬＩ（集束点ＦＩ）を、溝部Ｇの伸長方向に直交する断面視における溝部Ｇの湾曲面下の検査対象Ｗ内部に形成することで、本実施形態による超音波探触子１ｂは、検査対象Ｗの表面近傍より深い位置の感度を向上させることができる。これにより、本実施形態による超音波探触子１ｂは、検査対象Ｗ内部の欠陥で反射した超音波のうち集束線ＬＩ（集束点ＦＩ）を通った反射超音波を明瞭に受信できる。また、送信振動子２の送信軸９と受信振動子３ｂの受信軸１０が交わる点に集束点ＦＩが形成されて集束線ＬＩが通過することで、上述の感度の向上に加えて、検査対象Ｗの深さ方向の非常に広い範囲に高い感度を実現することが可能となる。

　なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。

　例えば、上述の実施形態で説明した超音波探触子１，１ａ，１ｂは、検査対象Ｗに形成されたフィレットなどの湾曲面に対して用いることを想定したため、検査対象Ｗの湾曲面に沿った曲率で湾曲した探傷面７を採用している。しかし、上述の実施形態で説明した超音波探触子１，１ａ，１ｂを検査対象Ｗの平坦な面に対して用いるために、平坦な探傷面を採用しても上述の効果と同様の効果が得られることは明らかである。

　本出願は２０１３年２月１４日出願の日本特許出願（特願２０１３－０２６７１２）および２０１３年１０月２８日出願の日本特許出願（特願２０１３－２２３２６９）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

１，１ａ，１ｂ　超音波探触子
２　送信振動子
３，３ａ，３ｂ　受信振動子
４　くさび（楔材）
５　送信面
６，６ａ，６ｂ　受信面
７　探傷面
８　音響分割壁
９　送信軸
１０　受信軸
Ｇ　溝部
Ｈ　平底
Ｗ　検査対象

Claims

　湾曲面で構成された溝部を有する検査対象に対して超音波を送信すると共に、前記検査対象の内部で反射した反射超音波を受信することで、前記検査対象の内部の欠陥を検出する超音波探触子であって、
　前記溝部の湾曲面に向かって超音波を送信する送信振動子を有する送信部と、前記検査対象の内部で反射して前記湾曲面に伝播した反射超音波を受信する受信振動子を有する受信部と、を備え、
　前記送信振動子は、前記溝部の伸長方向に直交する断面視における前記溝部の湾曲面に相当する位置または前記湾曲面直下の前記検査対象の内部に、送信した超音波が集束する点を結び、
　前記送信部及び前記受信部は、前記溝部の伸長方向に沿って隣り合うように配置されていることを特徴とする超音波探触子。
　前記送信部の送信振動子が有する送信面と前記受信部の受信振動子が有する受信面とで形成される対面角が鈍角となるように、前記送信振動子及び受信振動子が前記湾曲面に対して傾斜して配置されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子。
　前記受信振動子の受信面が、前記溝部の伸長方向に直交する断面視における前記溝部の湾曲面に相当する位置に、受信する超音波が集束する点を結ぶことを特徴とする請求項２に記載の超音波探触子。
　前記受信振動子の受信面が、前記溝部の伸長方向に直交する断面視における前記溝部の湾曲面下の前記検査対象の内部に、受信する超音波が集束する点を結ぶことを特徴とする請求項２に記載の超音波探触子。
　前記受信振動子の受信面が、前記検査対象と接する探傷面に向けて凸状に形成されていて、
　前記探傷面は、前記検査対象での超音波の伝播速度よりも、前記探傷面での超音波の伝播速度が低くなるような材料で構成されることを特徴とする請求項４に記載の超音波探触子。