JP2014077708A - 検査装置および検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】探傷を精度よく検出すること。
【解決手段】ＳＨ波を送受信させる複数の第１振動子２１およびＳＶ波を送受信させる複数の第２振動子２２を含み、第１振動子２１と第２振動子２２とを交互に配置させたアレイ振動子２０と、アレイ振動子２０および被検体１４の間に設けられ、アレイ振動子２０から出力される信号を被検体１４に伝えるシュウ２３とを備える探触子１１と、被検体１４に探触子１１が配置された場合に、第１振動子２１が送受信するＳＨ波の方向、および第２振動子２２が送受信するＳＶ波の方向を、被検体１４内で走査させる制御部２を具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、検査装置および検査方法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非破壊検査の一手法として、フェーズドアレイ式の超音波探傷装置が用いられている。一般的に、フェーズドアレイ超音波探傷装置のプローブ内の探触子は、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ており、被検体の探傷面を移動させてプローブ走査することで、探傷を実施している。しかしながら、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、管の溶接部など複雑な形状を持つ場合が多く、被検体の探傷面上を移動させる工夫が検討されている。
例えば、下記特許文献１では、被検体の形状に倣う機構を設け、探傷面が曲面であってもフェーズドアレイ素子が独立に動き、読み取られた被検体とフェーズドアレイ素子との相対位置関係に基づいて、被検体に超音波ビームを正確に入射させる超音波探傷装置が提案されている。

特開２００７−２０９８３９号公報

ところで、上記特許文献１の方法では、超音波ビームに音の直進性に優れ、音響異方性による曲がりの影響が小さく、欠陥コーナでの反射効率が高いＳＨ波を用いるために、プローブと被検体との間に粘性の高い接触媒質を設け、被検体の探傷面上において探触子を移動させている。
しかしながら、粘性の高い接触媒質は探傷面における探触子の走査性が悪く、探触子を移動させると探触子と接触媒質との密着が悪くなり正確な探傷ができないという問題があった。また、検出精度を向上させるために周波数の異なる探触子を用いて複数回の探傷を実施することも考えられるが、複数回探傷を実施した場合には、探傷毎に反射源の位置にバラツキが生じてしまうため、精度よく探傷を実施することはできず、上記問題は解決できなかった。

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、探傷を精度よく検出できる検査装置および検査方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、超音波探傷によって被検体の内部に発生した欠陥を検出する検査装置であって、ＳＨ波を送受信させる複数の第１振動子およびＳＶ波を送受信させる複数の第２振動子を含み、前記第１振動子と前記第２振動子とを交互に配置させたアレイ振動子と、前記アレイ振動子および前記被検体の間に設けられ、前記アレイ振動子から出力される信号を前記被検体に伝えるシュウとを備える探触子と、前記被検体に前記探触子が配置された場合に、前記第１振動子が送受信する前記ＳＨ波の方向、および前記第２振動子が送受信する前記ＳＶ波の方向を、前記被検体内で走査させる制御手段とを具備する検査装置を提供する。

このような構成によれば、ＳＨ波を送受信させる複数の第１振動子とＳＶ波を送受信させる複数の第２振動子とが交互に配置されたアレイ振動子と、アレイ振動子および被検体の間に設けられるシュウとを備える探触子が被検体に配置された場合に、第１振動子が送受信するＳＨ波と第２振動子が送受信するＳＶ波との方向を被検体内で走査させ、被検体の内部に発生した欠陥を検出する。
このように、探触子に、ＳＨ波を送受信する第１振動子とＳＶ波を送受信する第２振動子とを含むアレイ振動子とシュウとを含めることにより、１つの探触子によって横波（ＳＶ波）、縦波、ＳＨ波を発生させることができるので、縦波（ＳＶ波）、ＳＨ波による同時探傷が可能となる。また、同時探傷のため、反射源の位置ずれ（バラツキ）がなくなり、位置精度が向上する。さらに、ＳＶ波データとＳＨ波データとの同時に得られたデータと開先形状とを合成させることにより、欠陥の識別性および検出性を向上させることができる。なお、好ましくは、探触子を被検体に対して静止させて検査を行う。

上記検査装置の前記制御手段は、セクタースキャン、リニアスキャン、タンデム探傷法、およびＴＯＦＤ探傷法のうち、いずれか一の方法により前記探触子から送受信させる超音波を走査させることとしてもよい。

セクタースキャン、リニアスキャン、タンデム探傷法、ＴＯＦＤ（Ｔｉｍｅ−ｏｆ−ｆｌｉｇｈｔ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）探傷法のうち、いずれか一の方法により探触子から送受信させる超音波を走査させることにより、より多くの情報が得られ、欠陥の識別性および検出性が向上できる。

上記検査装置の前記探触子は、前記第１振動子間の間隔、前記第２振動子間の間隔、前記被検体に対して超音波が送信される鉛直方向に対する入射角度、および前記第１振動子と前記第２振動子との周波数条件に基づいて、前記アレイ振動子の配列位置が決定されることが好ましい。

振動子の素子間隔、入射角度、周波数（波長）などの条件が揃うことにより、グレーティンググローブの発生しない条件に基づく振動子アレイが設計できるので、そのように設計された振動子アレイによる走査を行うことで、精度の高い探傷が可能となる。

上記検査装置の前記制御手段は、前記第１振動子からＳＨ波を送信させるタイミングと、前記第２振動子からＳＶ波を送信させるタイミングとを異ならせることが好ましい。

ＳＨ波とＳＶ波とは音速が異なるので同時に送信する場合には干渉するが、超音波を送信させるタイミングをずらすことにより波の干渉を防ぎ、確実に探傷を行うことができる。

上記検査装置の前記制御手段は、前記第１振動子からＳＨ波を送信させるタイミングと前記第２振動子からＳＶ波を送信させるタイミングとを、パルス繰り返し周期と測定範囲と超音波のビーム本数とに基づいて決定することが好ましい。

パルス繰り返し周期（ＰＲＴ：Ｐｕｌｓｅ Ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）と、測定範囲（路程）と、超音波のビーム本数とによって波の印加タイミングを決定することにより、より正確に波の干渉を防ぐことができ、精度の高い探傷を行うことができる。

上記検査装置において、前記探触子の前記アレイ振動子は、異なる周波数の複数種類の前記第１振動子と、異なる周波数の複数種類の前記第２振動子とを交互に配置させることとしてもよい。

これにより、周波数の異なるＳＨ波および周波数の異なるＳＶ波のデータを得ることができるので、例えば、高周波数素子の振動子では表層の探傷を行い、低周波数素子の振動子では底面の探傷を行うことにより、欠陥の識別性、検出性、深さサイジング精度が向上する。

本発明は、超音波探傷によって被検体の内部に発生した欠陥を検出する検査装置であって、異なる周波数の超音波を送受信する複数種類の振動子を、交互に配列したアレイ振動子と、前記アレイ振動子と前記被検体との間に設けられ、前記アレイ振動子から出力される信号を前記被検体に伝えるシュウとを備える探触子と、前記被検体に前記探触子が配置された場合に、前記アレイ振動子が送受信する超音波の方向を、前記被検体内で走査させる制御手段とを具備する検査装置を提供する。

このような構成によれば、異なる周波数の超音波を送受信する複数種類の振動子を交互に配列されたアレイ振動子と、アレイ振動子と被検体との間にシュウとを備える探触子が被検体に配置された場合に、アレイ振動子が送受信する超音波の方向を被検体内で走査させ、被検体の内部に発生した欠陥を検出する。
このように、探触子に、異なる周波数の超音波を送受信する複数種類の振動子を含むアレイ振動子とシュウとを含めることにより、異なる周波数によって検査される欠陥を同時に検出することができる。また、例えば、高周波数に対応する振動子では表層の探傷を行い、低周波数に対応する振動子では底面の探傷を行うことができ、欠陥の識別性、検出性、深さサイジング精度が向上する。

上記検査装置の前記制御手段は、異なる周波数の超音波を送受信する複数種類の振動子から同時に超音波を送信させることとしてもよい。

これにより、速やかに周波数成分毎のデータが取得できるので、周波数成分毎の探傷、分析が速やかに行える。

上記検査装置の前記制御手段は、異なる周波数の超音波を送受信する複数種類の振動子から順次超音波を送信させ、複数種類の振動子間で送信タイミングを異ならせることとしてもよい。

時間差を設けて超音波の送信を行うことにより、周波数成分を検出する作業をせずに、簡便に探傷を実施することができる。

本発明は、超音波探傷によって被検体の内部に発生した欠陥を検出する検査方法であって、ＳＨ波を送受信させる複数の第１振動子およびＳＶ波を送受信させる複数の第２振動子を含み、前記第１振動子と前記第２振動子とを交互に配置させたアレイ振動子と、前記アレイ振動子および前記被検体の間に設けられ、前記アレイ振動子から出力される信号を前記被検体に伝えるシュウとを備える探触子が、前記被検体に配置された場合に、前記第１振動子が送受信する前記ＳＨ波の方向、および前記第２振動子が送受信する前記ＳＶ波の方向を、前記被検体内で走査させる検査方法を提供する。

本発明は、超音波探傷によって被検体の内部に発生した欠陥を検出する検査方法であって、異なる周波数の超音波を送受信する複数種類の振動子を、交互に配列したアレイ振動子と、前記アレイ振動子と前記被検体との間に設けられ、前記アレイ振動子から出力される信号を前記被検体に伝えるシュウとを備える探触子が、前記被検体に配置された場合に、前記アレイ振動子が送受信する超音波の方向を、前記被検体内で走査させる検査方法を提供する。

本発明は、探傷を精度よく検出できるという効果を奏する。

本発明の第１の実施形態に係る検査装置の機能ブロック図である。 アレイ振動子の配列一例が示されている。 （ａ）複数屈性角のリニアスキャンによる溶金部断面データ、（ｂ）ＴＯＦＤ探傷、によるＳＨ波−ＳＶ波同時探傷データの一例を示している。 本発明の第１の実施形態の変形例に係るアレイ振動子の一例を示した図である。 本発明の第２の実施形態に係る検査装置の機能ブロック図である。 本発明の第３の実施形態に係る検査装置の機能ブロック図である。 本発明の第４の実施形態に係る検査装置の機能ブロック図である。

以下に、本発明に係る検査装置および検査方法の実施形態について図面を参照して説明する。

〔第１の実施形態〕
図１には、本実施形態に係る検査装置１０の概略構成が示されている。具体的には、図１に示されるように、検査装置１０は、探触子１１と探傷器１２とコントローラ１３とを備えており、被検体１４の内部に発生した欠陥の探傷検出を実行している様子を示している。
探触子１１は、ＳＨ波を送受信させる圧電素子である複数のＳＨ素子（第１振動子）２１およびＳＶ波を送受信させる圧電素子である複数のＳＶ素子（第２振動子）２２を含み、ＳＨ素子２１とＳＶ素子２２とを交互に配置させたアレイ振動子２０と、アレイ振動子２０および被検体１４の間に設けられ、アレイ振動子２０から出力される信号を被検体１４に伝えるシュウ２３とを備える。

シュウ２３は、アレイ振動子２０と被検体１４との間に位置し、被検体１４に対する超音波入射角θを調整する。
アレイ振動子２０は、ＳＨ素子２１間の間隔、ＳＶ素子２２間の間隔、被検体１４に対して超音波が送信される鉛直方向に対する入射角度θ、およびＳＨ素子２１とＳＶ素子２２との周波数条件に基づいて、アレイ振動子２０の配列位置が決定される。

以下に、図２を用いてアレイ振動子２０の配列位置の決定方法の一例を説明する。
図２は、ＳＨ素子２１（黒色）とＳＶ素子２２（灰色）とがそれぞれｎ個、交互に配置されている様子が示されている。図２に示されるように、ｄ１はＳＨ素子間の間隔とし、ｄ２はＳＶ素子間の間隔とし、ａはＳＨ素子幅およびＳＶ素子幅とし、θはアレイ振動子２０から超音波ビームが送信される送信角とし、Ｆは焦点深さとする。
一般にアレイ状の振動子の場合、隣接する素子間隔をｄとし、送受信する超音波の送受信角θとの間に、以下（１）式の関係が満たされる場合には、グレーティングローブが発生しないものとされている。

例えば、鋼材の横波伝播速度を３２３０〔ｍ／ｓ〕とし、入射角を３０〔ｄｅｇ〕とし、周波数２ＭＨｚのＳＨ素子２１を使用する場合には、波長λは以下（２）式によって算出される。

これを上記（１）式に代入することにより、ＳＨ素子間隔ｄ１は、以下（３）式により算出される。

このような場合、ＳＨ素子間隔ｄ１は、１．０７〔ｍｍ〕以下にするとグレーティングローブが発生しない。
また、縦波伝播速度を５９００〔ｍ／ｓ〕、入射角を３０ｄｅｇ、周波数５ＭＨｚの素子を使用する場合には、波長λは以下（４）式によって算出され、ＳＶ素子間隔ｄ２は以下（５）式により算出される。

上記計算結果から、２ＭＨｚのＳＨ素子２１と５ＭＨｚのＳＶ素子２２とを組み合わせたアレイ振動子２０の素子間隔ｄ１およびｄ２を０．７８〔ｍｍ〕程度にすることで、ＳＨ波およびＳＶ波ともにグレーティングローブが発生しなくなる。
このように、素子間隔ｄ、送信角θ、素子の周波数条件を考慮し、周波数の高い素子を基準としてアレイ振動子を設計することにより精度の高い探傷が可能となる。

探傷器１２は、コントローラ１３から取得した指令に基づいて、探触子１１から送受信する超音波ビームを制御する。具体的には、パルサ２４ａ，２４ｂ、レシーバ２５ａ，２５ｂ、送受信切替部２６、遅延時間制御部２７、および信号処理部２８を備えている。
パルサ２４ａは、ＳＶ波送信用の回路であり、超音波信号用電線を介してアレイ振動子２０の全てのＳＶ素子２２と接続されている。パルサ２４ａは、送受信切替部２６から取得した送信指令に基づいて有効にされると、接続されるＳＶ素子２２にパルス電圧を印加し、ＳＶ素子２２からＳＶ波を発生させる。
パルサ２４ｂは、ＳＨ波送信用の回路であり、超音波信号用電線を介してアレイ振動子２０の全てのＳＨ素子２１と接続されている。パルサ２４ｂは、送受信切替部２６から取得した送信指令に基づいて有効にされると、接続されるＳＨ素子２１にパルス電圧を印加し、ＳＨ素子２１からＳＨ波を発生させる。

レシーバ２５ａは、ＳＶ波受信用の回路であり、超音波信号用電線を介してアレイ振動子２０の全てのＳＶ素子２２と接続されている。レシーバ２５ａは、送受信切替部２６から取得した受信指令に基づいて有効にされ、ＳＶ波の反射波がＳＶ素子２２に到達することにより発生した反射波の音圧に比例した電圧を受信すると、ＳＶ波の放射方向の情報を信号処理部２８に出力する。
レシーバ２５ｂは、ＳＨ波受信用の回路であり、超音波信号用電線を介してアレイ振動子２０の全てのＳＨ素子２１と接続されている。レシーバ２５ｂは、送受信切替部２６から取得した受信指令に基づいて有効にされ、ＳＨ波の反射波がＳＨ素子２１に到達することにより発生した反射波の音圧に比例した電圧を受信すると、ＳＨ波の放射方向の情報を信号処理部２８に出力する。

遅延時間制御部２７は、パルサ２４ａ，２４ｂから出力させる駆動信号のタイミングを制御するとともに、レシーバ２５ａ，２５ｂによる受信信号の入力タイミングを制御する。これにより、送受信タイミング制御することにより、共通のＳＶ素子、および共通のＳＨ素子を送受信の両方で使用できる。
また、遅延時間制御部２７は、複数のＳＨ素子２１を励振させるタイミングと、複数のＳＶ素子２２を励振させるタイミングとを異ならせる。これにより、音速の違う波が干渉しあい、音場が乱れて探傷ができないことを防ぐことができる。

信号処理部２８は、レシーバ２５ａ，２５ｂから供給される受信信号に基づいて、ＳＶ波およびＳＨ波の放射方向の情報を解析し、コントローラ１３に供給する。

コントローラ１３は、処理部１と制御部（制御手段）２と入出力装置３とを備えている。
処理部１は、例えば、図示しないＣＰＵ（中央演算装置）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、及びコンピュータ読み取り可能な記録媒体等から構成されている。後述の各種機能を実現するための一連の処理の過程は、プログラムの形式で記録媒体等に記録されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、後述の各種機能が実現される。

入出力装置３は、キーボードやマウスなどの入力装置と、ディスプレイやプリンタなどの出力装置とを含む。入出力装置３は、探触子１１と探傷器１２とから取得した情報に基づいて形成された超音波ビームの波形情報などを、出力装置を介して検査員に提示する。また、出力装置において、ＳＶ波データとＳＨ波データとともに、開先形状を合成させて提示することとしてもよい。これにより、欠陥の識別性および検出性を向上させることができる。

制御部２は、被検体１４に探触子１１が配置された場合に、ＳＨ素子２１が送受信するＳＨ波の方向、およびＳＶ素子２２が送受信するＳＶ波の方向を、被検体内で走査させる。具体的には、制御部２は、セクタースキャン、リニアスキャン（図３（ａ）参照）、タンデム探傷法（後段〔第２の実施形態〕参照）、およびＴＯＦＤ探傷法（図３（ｂ）参照）のうち、いずれか一の方法により探触子１１から送受信させる超音波を電子的に走査させる。
本実施形態においては、制御部２は、一探法のセクタースキャン探傷により電子スキャンして被検体を検査することとして説明する。
このように、スキャンの方法を異ならせることにより、より多くの情報が得られ、欠陥の識別性、検出性が向上される。

また、制御部２は、ＳＨ素子２１からＳＨ波を送信させるタイミングと、ＳＶ素子２２からＳＶ波を送信させるタイミングとを異ならせる。具体的には、制御部２は、ＳＨ素子２１からＳＨ波を送信させるタイミングとＳＶ素子２２からＳＶ波を送信させるタイミングとは、パルス繰り返し周期ＰＲＦと測定範囲（路程）Ｒと超音波ビームの本数とに基づいて決定する。

例えば、測定したい路程Ｒを０．１〔ｍ〕とし、Ｃは音速（音波の速度）、Ｔは遅延時間とした場合に、Ｔ＝２Ｒ／Ｃ（音の往復）、１／ＰＲＦ＝Ｔであることから、ＳＨ波音速３２３０〔ｍ／ｓ〕のパルス繰り返し周波数ＰＲＦは、以下の（６）式により求められる。
ＰＲＦ＝Ｃ／Ｒ×２＝３２３０／（０．１×２）＝１６１５０Ｈｚ （６）
また、１００本程度の超音波ビーム（ＳＨ波）を採取するには１００／１６１５０＝０．００６１９〔ｓ〕、つまり、６．１９〔ｍｓ〕の時間が必要となる。

また、ＳＶ波音速５９００〔ｍ／ｓ〕のパルス繰り返し周波数ＰＲＦは、以下（７）式により求められる。
ＰＲＦ＝Ｃ／Ｒ×２＝５９００／（０．１×２）＝２９５００Ｈｚ （７）
また１００本程度の超音波ビーム（ＳＶ波）を採取するには１００／２９５００＝０．００３３８〔ｓ〕、つまり３．３８〔ｍｓ〕の時間が必要となる。
これらの結果から、ＳＶ波送信を、ＳＨ波送信の印加タイミングから６．１９〔ｍｓ〕遅らせて励振させることで、ＳＶ波とＳＨ波との干渉がなくなり（音場の乱れもなくなり）、高い精度の探傷が可能となる。

以下に本実施形態に係る検査装置１０の作用について説明する。
被検体１４の内部に発生した欠陥の探傷検出をする場合には、被検体１４に探触子１１が静止されるように配置され、入出力装置３を介して検査開始の指示が入力される。検査開始指示を取得すると、ＳＨ波とＳＶ波との干渉が発生しないようなＳＨ波とＳＶ波との送信遅延時間を持たせ、パルサ２４ａとパルサ２４ｂから発生させる超音波の送信タイミングが切り替えられる。パルサ２４ａから発生した超音波は複数のＳＶ素子からＳＶ波を送出させ、ＳＶ波送信タイミングから所定遅延時間後にパルサ２４ｂから発生した超音波は複数のＳＨ素子からＳＨ波を送出させる。

送受信切替部２６から取得した受信指令に基づいてレシーバ２５ａが有効にされると、レシーバ２５ａによって、ＳＶ波の反射波がＳＶ素子２２に到達することにより発生した反射波の音圧に比例した電圧を受信し、受信情報が信号処理部２８に出力される。所定遅延時間後に、レシーバ２５ｂが有効にされると、レシーバ２５ｂによってＳＨ波の反射波がＳＨ素子２１に到達することにより発生した反射波の音圧に比例した電圧を受信し、受信情報が信号処理部２８に出力される。

信号処理部２８において、ＳＨ波およびＳＶ波の放射方向の情報が解析され、解析結果がコントローラ１３に出力される。コントローラ１３の入出力装置３は、解析結果に基づいて、出力装置に被検体１４の探傷検出検査結果として、超音波の波形を可視化して提示する。
検査員は、出力装置に提示された波形を確認することにより、視覚的に被検体１４の内部の欠陥有無を把握することができる。

以上説明してきたように、本実施形態に係る検査装置１０および検査方法によれば、ＳＨ波を送受信させる複数のＳＨ素子２１とＳＶ波を送受信させる複数のＳＶ素子２２とが交互に配置され、アレイ化されたアレイ振動子２０と、アレイ振動子２０および被検体１４の間に設けられるシュウ２３とを備える探触子１１が被検体１４に配置された場合に、ＳＨ素子２１が送受信するＳＨ波とＳＶ素子２２が送受信するＳＶ波との方向を被検体１４内で走査させ、被検体１４の内部に発生した欠陥を検出する。

このように、探触子１１に、ＳＨ波を送受信するＳＨ素子２１とＳＶ波を送受信するＳＶ素子２２とを含むアレイ振動子２０とシュウ２３とを含めることにより、１つの探触子１１によって横波（ＳＶ波）、縦波、ＳＨ波を発生させることができるので、縦波（ＳＶ波）、ＳＨ波による同時探傷が可能となる。
また、同時探傷のため、反射源の位置ずれ（バラツキ）がなくなり、位置精度が向上する。さらに、ＳＶ波データとＳＨ波データとの同時に得られたデータと開先形状とを合成させることにより、欠陥の識別性および検出性を向上させることができる。

〔変形例〕
上記実施形態においては、アレイ振動子２０が、１つの周波数に対応する複数のＳＨ素子２１と、１つの周波数に対応する複数のＳＶ素子２２とを含むものとして説明していたが、これに限定されない。例えば、アレイ振動子２０のＳＨ素子２１およびＳＶ素子２２が、それぞれ異なる複数の周波数に対応する素子であってもよい。

図４は、変形例に係る検査装置の探触子２０´の一例が示されている。図４に示されるように、探触子２０´は、２ＭＨｚのＳＨ波を送出するＳＨ素子２１ａ、５ＭＨｚのＳＨ波を送出するＳＨ素子２１ｂ、１０ＭＨｚのＳＨ波を送出するＳＨ素子２１ｃ、２ＭＨｚのＳＶ波を送出するＳＶ素子２２ａ、５ＭＨｚのＳＶ波を送出するＳＶ素子２２ｂ、および１０ＭＨｚのＳＶ波を送出するＳＶ素子２２ｃが、交互に配置されている。

このように配置されたＳＨ素子とＳＶ素子との励振タイミングは上記第１の実施形態に記載したように異ならせることが好ましいが、ＳＨ素子の異なる周波数素子およびＳＶ素子の異なる周波数素子は、それぞれ（１）同時に励振させ、各周波数振動子の周波数成分毎に探傷・分析を行う、（２）周波数の異なる素子（例えば、２ＭＨｚ，５ＭＨｚ，１０ＭＨｚ）を順次励振させ、タイミングを異ならせて探傷を行う、ように（１）（２）の２種類の方法で探傷を行うことが好ましい。
このように、周波数の異なる素子を上記（１）（２）の２種類の方法で探傷することにより、周波数特性に合った焦点深さに超音波ビームを集束させ、欠陥検出性、欠陥高さサイジング精度を向上させることができる。

〔第２の実施形態〕
以下、本発明の第２の実施形態について、図５を用いて説明する。第２の実施形態に係る検査装置１０ａは、送信させる振動子と受信させる振動子とを異ならせる点で、第１の実施形態と異なる。以下、本実施形態の検査装置１０ａについて、第１の実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。

本実施形態においては、検査装置１０ａは、二探法の一例として、タンデム探傷により電子スキャンして被検体を検査することとして説明する。
アレイ振動子２０ａのＳＨ素子は、超音波ビーム送信用のＳＨ素子２１ｓと超音波ビーム受信用のＳＨ素子ｒとに分けられ、アレイ振動子２０ａのＳＶ素子は、超音波ビーム送信用ＳＨ素子２２ｓと超音波ビーム受信用のＳＶ素子２２ｒとに分けられている。
パルサ２４ａは、ＳＶ波送信用の回路であり、超音波信号用電線を介して複数のＳＶ素子２２ｓと接続されている。パルサ２４ａは、送受信切替部２６から取得した送信指令に基づいて有効にされると、接続されるＳＶ素子２２ｓにパルス電圧を印加し、ＳＶ素子２２ｓからＳＶ波を発生させる。
パルサ２４ｂは、ＳＨ波送信用の回路であり、超音波信号用電線を介して複数のＳＨ素子２１ｓと接続されている。パルサ２４ｂは、送受信切替部２６から取得した送信指令に基づいて有効にされると、接続されるＳＨ素子２１ｓにパルス電圧を印加し、ＳＨ素子２１からＳＨ波を発生させる。

レシーバ２５ａは、ＳＶ波受信用の回路であり、超音波信号用電線を介して複数のＳＶ素子２２ｒと接続されている。レシーバ２５ａは、送受信切替部２６から取得した受信指令に基づいて有効にされ、ＳＶ波の反射波がＳＶ素子２２ｒに到達することにより発生した反射波の音圧に比例した電圧を受信すると、ＳＶ波の放射方向の情報を信号処理部２８に出力する。
レシーバ２５ｂは、ＳＨ波受信用の回路であり、超音波信号用電線を介して複数のＳＨ素子２１ｒと接続されている。レシーバ２５ｂは、送受信切替部２６から取得した受信指令に基づいて有効にされ、ＳＨ波の反射波がＳＨ素子２１ｒに到達することにより発生した反射波の音圧に比例した電圧を受信すると、ＳＨ波の放射方向の情報を信号処理部２８に出力する。

以下に本実施形態に係る検査装置１０ａの作用について説明する。
被検体１４の内部に発生した欠陥の探傷検出をする場合には、被検体１４に探触子１１が静止されるように配置され、入出力装置３を介して検査開始の指示が入力される。検査開始指示を取得すると、ＳＨ波とＳＶ波との干渉が発生しないようなＳＨ波とＳＶ波との送信遅延時間を持たせ、パルサ２４ａとパルサ２４ｂから発生させる超音波の送信タイミングが切り替えられる。パルサ２４ａから発生した超音波は複数のＳＶ素子２２ｓからＳＶ波を送出させ、ＳＶ波送信タイミングから所定遅延時間後にパルサ２４ｂから発生した超音波は複数のＳＨ素子２１ｓからＳＨ波を送出させる。

レシーバ２５ａによって、ＳＶ波の反射波がＳＶ素子２２ｒに到達することにより発生した反射波の音圧に比例した電圧を受信し、受信情報が信号処理部２８に出力される。所定遅延時間後に、レシーバ２５ｂによってＳＨ波の反射波がＳＨ素子２１ｒに到達することにより発生した反射波の音圧に比例した電圧を受信し、受信情報が信号処理部２８に出力される。

信号処理部２８において、ＳＨ波およびＳＶ波の放射方向の情報が解析され、解析結果がコントローラ１３に出力される。コントローラ１３の入出力装置３は、解析結果に基づいて、出力装置に被検体１４の探傷検出検査結果として、超音波の波形を可視化して提示する。
検査員は、出力装置に提示された波形を確認することにより、視覚的に被検体１４の内部の欠陥有無を把握することができる。

〔第３の実施形態〕
以下、本発明の第３の実施形態について、図６を用いて説明する。第３の実施形態に係る検査装置１０ｂは、周波数の異なる１種類の超音波を送受信する振動子を用いる点で、上記第１の実施形態、第２の実施形態と異なる。以下、本実施形態の検査装置１０ｂについて、第１の実施形態、第２の実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。
なお、第３の実施形態においては、周波数の異なるＳＶ波を送信するＳＶ素子をアレイ振動子に含む場合を例に挙げて説明する。また、本実施形態においては、異なる周波数を２種類（例えば、２ＭＨｚと１０ＭＨｚ）として説明しているが、異なる周波数の種類は複数であればよく、特に限定されない。

図６には、第３の実施形態に係る検査装置１０ｂの機能ブロック図が示されている。
探触子１１は、異なる周波数の超音波を送受信する複数種類の振動子（ＳＨ素子、またはＳＶ素子）を、交互に配列したアレイ振動子２０ｂと、アレイ振動子２０ｂと被検体１４との間に設けられ、アレイ振動子２０ｂから出力される信号を被検体１４に伝えるシュウ２３とを備える。
例えば、図６に示されるように、アレイ振動子２０ｂは、複数の２ＭＨｚのＳＶ素子３０と、複数の１０ＭＨｚのＳＶ素子３１とが交互に配列されている。なお、アレイ振動子２０ｂのＳＶ素子の配列位置の決定方法は、第１の実施形態と同様であるため説明は省略する。

探傷器１２は、コントローラ１３から取得した指令に基づいて、探触子１１から送受信する超音波ビームを制御する。具体的には、パルサ２４ｃ，２４ｄ、レシーバ２５ｃ，２５ｄ、送受信切替部２６、遅延時間制御部２７、および信号処理部２８を備えている。
パルサ２４ｃは、２ＭＨｚのＳＶ波送信用の回路であり、超音波信号用電線を介してアレイ振動子２０の全ての２ＭＨｚのＳＶ素子３０と接続されている。パルサ２４ｃは、送受信切替部２６から取得した送信指令に基づいて有効にされると、接続される２ＭＨｚのＳＶ素子３０にパルス電圧を印加し、ＳＶ素子３０から２ＭＨｚのＳＶ波を発生させる。
パルサ２４ｄは、１０ＭＨｚのＳＶ波送信用の回路であり、超音波信号用電線を介してアレイ振動子２０の全ての１０ＭＨｚのＳＶ素子３１と接続されている。パルサ２４ｄは、送受信切替部２６から取得した送信指令に基づいて有効にされると、接続される１０ＭＨｚのＳＶ素子３１にパルス電圧を印加し、ＳＶ素子３１からＳＶ波を発生させる。

レシーバ２５ｃは、２ＭＨｚのＳＶ波受信用の回路であり、超音波信号用電線を介してアレイ振動子２０の全ての２ＭＨｚのＳＶ素子３０と接続されている。レシーバ２５ｃは、送受信切替部２６から取得した受信指令に基づいて有効にされ、ＳＶ波の反射波がＳＶ素子３０に到達することにより発生した反射波の音圧に比例した電圧を受信すると、ＳＶ波の放射方向の情報を信号処理部２８に出力する。
レシーバ２５ｄは、１０ＭＨｚのＳＶ波受信用の回路であり、超音波信号用電線を介してアレイ振動子２０の全ての１０ＭＨｚのＳＶ素子３１と接続されている。レシーバ２５ｄは、送受信切替部２６から取得した受信指令に基づいて有効にされ、ＳＶ波の反射波が１０ＭＨｚのＳＶ素子３１に到達することにより発生した反射波の音圧に比例した電圧を受信すると、ＳＶ波の放射方向の情報を信号処理部２８に出力する。

遅延時間制御部２７は、パルサ２４ｃ，２４ｄから出力させる駆動信号のタイミングを制御するとともに、レシーバ２５ｃ，２５ｄによる受信信号の入力タイミングを制御する。これにより、送受信タイミング制御することにより、共通の２ＭＨｚのＳＶ素子３０、および共通の１０ＭＨｚのＳＶ素子３１を、送受信の両方で使用できる。
また、遅延時間制御部２７は、複数の２ＭＨｚのＳＶ素子３０を励振させるタイミングと、複数の１０ＭＨｚのＳＶ素子３１を励振させるタイミングとを同時にしたり、異ならせたりして、遅延時間を制御する。

信号処理部２８は、レシーバ２５ｃ，２５ｄから供給される受信信号に基づいて、２ＭＨｚのＳＶ波の放射方向、および１０ＭＨｚのＳＶ波の放射方向の情報を解析し、コントローラ１３に供給する。

コントローラ１３は、処理部１と制御部（制御手段）２と入出力装置３とを備えている。
処理部１は、例えば、図示しないＣＰＵ（中央演算装置）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、及びコンピュータ読み取り可能な記録媒体等から構成されている。後述の各種機能を実現するための一連の処理の過程は、プログラムの形式で記録媒体等に記録されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、後述の各種機能が実現される。

入出力装置３は、キーボードやマウスなどの入力装置と、ディスプレイやプリンタなどの出力装置とを含む。入出力装置３は、探触子１１と探傷器１２とから取得した情報に基づいて形成された超音波ビームの波形情報などを、出力装置を介して検査員に提示する。また、出力装置において、２ＭＨｚのＳＶ波データおよび１０ＭＨｚのＳＶ波データとともに、開先形状を合成させて提示することとしてもよい。これにより、欠陥の識別性および検出性を向上させることができる。

制御部２は、被検体１４に探触子１１が配置された場合に、アレイ振動子２０ｂ（異なる周波数の複数種類のＳＶ素子）が送受信する超音波の方向を被検体１４内で電子的に走査させる。具体的には、制御部２は、セクタースキャン、リニアスキャン、タンデム探傷法、およびＴＯＦＤ探傷法のうち、いずれか一の方法により探触子１１から送受信させる超音波を電子的に走査させる。
また、制御部２は、周波数の異なる複数種類のＳＶ素子に対して、（１）同時に励振させ、各周波数振動子の周波数成分毎に探傷・分析を行う、（２）周波数の異なる素子（例えば、２ＭＨｚ，５ＭＨｚ，１０ＭＨｚ）を順次励振させ、タイミングを異ならせて探傷を行う、ように（１）（２）の２種類の方法で探傷を行うことが好ましい。

以下に具体的な数値を挙げて、励振させるタイミングの一例を説明する。
例えば、測定したい路程Ｒを０．１〔ｍ〕とし、Ｃは音速（音波の速度）、Ｔは遅延時間とした場合に、Ｔ＝２Ｒ／Ｃ（音の往復）、１／ＰＲＦ＝Ｔであることから、ＳＶ波音速５９００〔ｍ／ｓ〕のパルス繰り返し周波数ＰＲＦは、以下の（８）式により求められる。
ＰＲＦ＝Ｃ／Ｒ×２＝５９００／（０．１×２）＝２９５００Ｈｚ （８）
また、１００本程度の超音波ビーム（ＳＶ波）を採取するには１００／２９５００＝０．００３３８〔ｓ〕、つまり、３．３８〔ｍｓ〕の時間が必要となる。

これにより、３．３８〔ｍｓ〕毎に各周波数のＳＶ素子を励振させることで、周波数成分を検出することなく探傷を実施することが可能となる。例えば、２ＭＨｚは被検体１４の底面に音場を集束、５ＭＨｚは音場を被検体１４の中間に集束、１０ＭＨｚは被検体１４の表層に集束させるなど、周波数特性を生かすことができる。
このように、周波数の異なる素子を上記（１）（２）の２種類の方法で探傷することにより、周波数特性に合った焦点深さに超音波ビームを集束させ、欠陥検出性、欠陥高さサイジング精度を向上させることができる。

以下に本実施形態に係る検査装置１０の作用について説明する。
被検体１４の内部に発生した欠陥の探傷検出をする場合には、被検体１４に探触子１１が静止されるように配置され、入出力装置３を介して検査開始の指示が入力される。検査開始指示を取得すると、異なる周波数に対応するＳＶ波の送信遅延時間を同時にする場合と、異ならせる場合の２パターンに応じて、適宜パルサ２４ｃとパルサ２４ｄから発生させる超音波の送信タイミングが切り替えられる。

送受信切替部２６から取得した受信指令に基づいてレシーバ２５ｃが有効にされると、レシーバ２５ｃによって、２ＭＨｚのＳＶ波の反射波がＳＶ素子３０に到達することにより発生した反射波の音圧に比例した電圧を受信し、受信情報が信号処理部２８に出力される。所定遅延時間後に、レシーバ２５ｄが有効にされると、レシーバ２５ｄによって１０ＭＨｚのＳＶ波の反射波がＳＶ素子３１に到達することにより発生した反射波の音圧に比例した電圧を受信し、受信情報が信号処理部２８に出力される。

信号処理部２８において、２ＭＨｚおよび１０ＭＨｚのＳＶ波の放射方向の情報が解析され、解析結果がコントローラ１３に出力される。コントローラ１３の入出力装置３は、解析結果に基づいて、出力装置に被検体１４の探傷検出検査結果として、超音波の波形を可視化して提示する。
検査員は、出力装置に提示された波形を確認することにより、視覚的に被検体１４の内部の欠陥有無を把握することができる。

以上説明してきたように、本実施形態に係る検査装置１０ｂおよび検査方法によれば、異なる周波数の超音波を送受信する複数種類の振動子を交互に配列されたアレイ振動子２０ｂと、アレイ振動子２０ｂと被検体１４との間にシュウ２３とを備える探触子１１が被検体１４に配置された場合に、アレイ振動子２０ｂが送受信する超音波の方向を被検体内で走査させ、被検体の内部に発生した欠陥を検出する。
このように、探触子１１に、異なる周波数（例えば、２ＭＨｚと１０ＭＨｚ）の超音波を送受信する複数種類の振動子（例えば、２ＭＨｚのＳＶ素子３０と１０ＭＨｚのＳＶ素子３１）を含むアレイ振動子２０ｂとシュウ２３とを含めることにより、異なる周波数によって検査される欠陥を同時に検出することができる。また、同時探傷のため、反射源の位置ずれ（ばらつき）がなくなり、位置精度が向上する。
さらに、例えば、高周波数に対応する振動子では表層の探傷を行い、低周波数に対応する振動子では底面の探傷を行うことができ、欠陥の識別性、検出性、深さサイジング精度が向上する。

なお、上記実施形態においては、異なる周波数を送受信する振動子は、ＳＶ波に対応するＳＶ素子として説明していたが、これに限定されず、異なる周波数を送受信するＳＨ素子であってもよいこととする。

〔第４の実施形態〕
以下、本発明の第４の実施形態について、図７を用いて説明する。第４の実施形態に係る検査装置１０ｃは、周波数の異なる１種類の超音波を送受信する振動子を用い、二探法で測定する点で、上記第１の実施形態、第２の実施形態、第３の実施形態と異なる。以下、本実施形態の検査装置１０ｃについて、第１の実施形態、第２の実施形態、第３の実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。
なお、第４の実施形態においては、周波数の異なるＳＶ波を送信するＳＶ素子をアレイ振動子に含む場合を例に挙げて説明する。また、本実施形態においては、異なる周波数を２種類（例えば、２ＭＨｚと１０ＭＨｚ）として説明しているが、異なる周波数の種類は複数であればよく、特に限定されない。

アレイ振動子２０ｃのＳＶ素子は、２ＭＨｚのＳＶ波送信用のＳＶ素子３０ｓと２ＭＨｚのＳＶ波受信用のＳＶ素子３０ｒと、１０ＭＨｚのＳＶ波送信用のＳＶ素子３１ｓと１０ＭＨｚのＳＶ波受信用のＳＶ素子３１ｒとに分けられている。
パルサ２４ｃは、２ＭＨｚのＳＶ波送信用の回路であり、超音波信号用電線を介して複数のＳＶ素子３０ｓと接続されている。パルサ２４ｃは、送受信切替部２６から取得した送信指令に基づいて有効にされると、接続されるＳＶ素子３０ｓにパルス電圧を印加し、ＳＶ素子３０ｓから２ＭＨｚのＳＶ波を発生させる。
パルサ２４ｄは、１０ＭＨｚのＳＶ波送信用の回路であり、超音波信号用電線を介して複数のＳＶ素子３１ｓと接続されている。パルサ２４ｄは、送受信切替部２６から取得した送信指令に基づいて有効にされると、接続されるＳＶ素子３１ｓにパルス電圧を印加し、ＳＶ素子３１から１０ＭＨｚのＳＶ波を発生させる。

レシーバ２５ｃは、２ＭＨｚのＳＶ波受信用の回路であり、超音波信号用電線を介して複数のＳＶ素子３０ｒと接続されている。レシーバ２５ｃは、送受信切替部２６から取得した受信指令に基づいて有効にされ、２ＭＨｚのＳＶ波の反射波がＳＶ素子３０ｒに到達することにより発生した反射波の音圧に比例した電圧を受信すると、２ＭＨｚのＳＶ波の放射方向の情報を信号処理部２８に出力する。
レシーバ２５ｄは、１０ＭＨｚのＳＶ波受信用の回路であり、超音波信号用電線を介して複数のＳＶ素子３１ｒと接続されている。レシーバ２５ｄは、送受信切替部２６から取得した受信指令に基づいて有効にされ、１０ＭＨｚのＳＶ波の反射波がＳＶ素子３１ｒに到達することにより発生した反射波の音圧に比例した電圧を受信すると、１０ＭＨｚのＳＶ波の放射方向の情報を信号処理部２８に出力する。

以下に本実施形態に係る検査装置１０ｃの作用について説明する。
被検体１４の内部に発生した欠陥の探傷検出をする場合には、被検体１４に探触子１１が静止されるように配置され、入出力装置３を介して検査開始の指示が入力される。検査開始指示を取得すると、異なる周波数に対応するＳＶ波の送信遅延時間を同時にする場合と、異ならせる場合の２パターンに応じて、適宜パルサ２４ｃとパルサ２４ｄから発生させる超音波の送信タイミングが切り替えられる。

レシーバ２５ｃによって、２ＭＨｚのＳＶ波の反射波がＳＶ素子３０ｒに到達することにより発生した反射波の音圧に比例した電圧を受信し、受信情報が信号処理部２８に出力される。所定遅延時間後に、レシーバ２５ｄによって１０ＭＨｚのＳＶ波の反射波がＳＶ素子３１ｒに到達することにより発生した反射波の音圧に比例した電圧を受信し、受信情報が信号処理部２８に出力される。

信号処理部２８において、２ＭＨｚおよび１０ＭＨｚのＳＶ波の放射方向の情報が解析され、解析結果がコントローラ１３に出力される。コントローラ１３の入出力装置３は、解析結果に基づいて、出力装置に被検体１４の探傷検出検査結果として、超音波の波形を可視化して提示する。
検査員は、出力装置に提示された波形を確認することにより、視覚的に被検体１４の内部の欠陥有無を把握することができる。

１ 処理部
２ 制御部（制御手段）
３ 入出力装置
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ 検査装置
１１ 探触子
１２ 探傷器
１３ コントローラ
１４ 被検体
２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ アレイ振動子
２１、２１ｓ、２１ｒ ＳＨ素子（第１振動子）
２２、２２ｓ、２２ｒ ＳＶ素子（第２振動子）
３０、３０ｓ、３０ｒ ２ＭＨｚのＳＶ素子（振動子）
３１、３１ｓ、３１ｒ １０ＭＨｚのＳＶ素子（振動子）

Claims (11)

1. 超音波探傷によって被検体の内部に発生した欠陥を検出する検査装置であって、
   ＳＨ波を送受信させる複数の第１振動子およびＳＶ波を送受信させる複数の第２振動子を含み、前記第１振動子と前記第２振動子とを交互に配置させたアレイ振動子と、前記アレイ振動子および前記被検体の間に設けられ、前記アレイ振動子から出力される信号を前記被検体に伝えるシュウとを備える探触子と、
   前記被検体に前記探触子が配置された場合に、前記第１振動子が送受信する前記ＳＨ波の方向、および前記第２振動子が送受信する前記ＳＶ波の方向を、前記被検体内で走査させる制御手段と
   を具備する検査装置。
2. 前記制御手段は、セクタースキャン、リニアスキャン、タンデム探傷法、およびＴＯＦＤ探傷法のうち、いずれか一の方法により前記探触子から送受信させる超音波を走査させる請求項１に記載の検査装置。
3. 前記探触子は、前記第１振動子間の間隔、前記第２振動子間の間隔、前記被検体に対して超音波が送信される鉛直方向に対する入射角度、および前記第１振動子と前記第２振動子との周波数条件に基づいて、前記アレイ振動子の配列位置が決定される請求項１または請求項２に記載の検査装置。
4. 前記制御手段は、前記第１振動子からＳＨ波を送信させるタイミングと、前記第２振動子からＳＶ波を送信させるタイミングとを異ならせる請求項１から請求項３のいずれかに記載の検査装置。
5. 前記制御手段は、前記第１振動子からＳＨ波を送信させるタイミングと前記第２振動子からＳＶ波を送信させるタイミングとを、パルス繰り返し周期と測定範囲と超音波のビーム本数とに基づいて決定する請求項１から請求項４のいずれかに記載の検査装置。
6. 前記探触子の前記アレイ振動子は、異なる周波数の複数種類の前記第１振動子と、異なる周波数の複数種類の前記第２振動子とを交互に配置させる請求項１から請求項５のいずれかに記載の検査装置。
7. 超音波探傷によって被検体の内部に発生した欠陥を検出する検査装置であって、
   異なる周波数の超音波を送受信する複数種類の振動子を、交互に配列したアレイ振動子と、前記アレイ振動子と前記被検体との間に設けられ、前記アレイ振動子から出力される信号を前記被検体に伝えるシュウとを備える探触子と、
   前記被検体に前記探触子が配置された場合に、前記アレイ振動子が送受信する超音波の方向を、前記被検体内で走査させる制御手段と
   を具備する検査装置。
8. 前記制御手段は、異なる周波数の超音波を送受信する複数種類の振動子から同時に超音波を送信させる請求項７に記載の検査装置。
9. 前記制御手段は、異なる周波数の超音波を送受信する複数種類の振動子から順次超音波を送信させ、複数種類の振動子間で送信タイミングを異ならせる請求項７または請求項８に記載の検査装置。
10. 超音波探傷によって被検体の内部に発生した欠陥を検出する検査方法であって、
    ＳＨ波を送受信させる複数の第１振動子およびＳＶ波を送受信させる複数の第２振動子を含み、前記第１振動子と前記第２振動子とを交互に配置させたアレイ振動子と、前記アレイ振動子および前記被検体の間に設けられ、前記アレイ振動子から出力される信号を前記被検体に伝えるシュウとを備える探触子が、前記被検体に配置された場合に、前記第１振動子が送受信する前記ＳＨ波の方向、および前記第２振動子が送受信する前記ＳＶ波の方向を、前記被検体内で走査させる検査方法。
11. 超音波探傷によって被検体の内部に発生した欠陥を検出する検査方法であって、
    異なる周波数の超音波を送受信する複数種類の振動子を、交互に配列したアレイ振動子と、前記アレイ振動子と前記被検体との間に設けられ、前記アレイ振動子から出力される信号を前記被検体に伝えるシュウとを備える探触子が、前記被検体に配置された場合に、前記アレイ振動子が送受信する超音波の方向を、前記被検体内で走査させる検査方法。
    

Images