JP2008039629A - 超音波探傷装置及びそれを用いた超音波探傷方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 振動子の配列方向と直交する方向の超音波ビームを集束することができる超音波探傷装置及びそれを用いた超音波探傷方法の提供。
【解決手段】 複数の振動子１２を所定の方向に配列してなるフェーズドアレイ探触子１１と、フェーズドアレイ探触子１１の超音波ビームの送受信面に接して設けられる音響レンズ１３とを備え、その音響レンズ１３には、フェーズドアレイ探触子１１側に開放され、その長手方向が複数の振動子１２の配列方向と平行となるように形成され、しかもその配列方向と直交する方向に湾曲する溝１４が設けられており、この溝１４には、音響レンズ１３とは音速が異なる媒質が充填されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、被検体の探傷を行う場合に用いられる超音波探傷装置に関し、特に超音波ビームの集束を容易に行うことができる超音波探傷装置、及びそれを用いた超音波探傷方法に関する。

被検体における欠陥の有無などを、超音波を用いて検査する超音波探傷において、従来から、所定の方向に配列された複数の振動子を備えるフェーズドアレイ探触子が用いられている。フェーズドアレイ探触子を用いる場合、各振動子を励振するタイミングを制御することによって、超音波ビームの伝搬方向及び焦点位置を移動させることが可能になるという利点がある。

しかしながら、複数の振動子が一列に配列されたフェーズドアレイ探触子の場合、振動子の配列方向と同一の方向の超音波ビームを集束することはできても、その配列方向と直交する方向の超音波ビームを集束することはできない。このように、複数の振動子が一列に配列されたフェーズドアレイ探触子では、超音波ビームに方向性ができることになるため、被検体が有する欠陥の形状によっては判定結果が異なるという不都合が生じ得る。

そこで、振動子の配列方向と直交する方向の超音波ビームを集束させるべく、以下のような方法が提案されている。

第１に、振動子の配列方向と直交する方向に湾曲したフェーズドアレイ探触子を用いる方法が提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。フェーズドアレイ探触子をこのような形状とすることによって、振動子の配列方向のみではなく、その配列方向に直交する方向の超音波ビームをも集束することが可能となる。

第２に、音響レンズを備えた超音波探傷装置を用いて、水浸探傷法により超音波探傷を行う方法が提案されている。図８は、この場合の超音波探傷装置の構成を示す側面図であり、図９は、同じく超音波探傷装置の構成を示す正面図である。

図８及び図９に示すように、従来の超音波探傷装置１００は、一列に配された複数の振動子１０２を備えるフェーズドアレイ探触子１０１と、そのフェーズドアレイ探触子１０１の下方に設けられ、振動子１０２の配列方向と直交する方向に湾曲した下面を有する音響レンズ１０３とを具備している。

このように音響レンズの下面（超音波が送受信される面）が曲面となっている場合、被検体との直接接触又はギャップ法による探傷が困難となる。したがって、図８及び図９に示すとおり、被検体１０５を水１０４に浸水させて探傷を行う水浸探傷法による必要がある。

このように構成することにより、振動子１０２の配列方向に直交する方向の超音波ビームを集束させることが可能となる。

また、第３に、一列ではなく、マトリクス状に配列された複数の振動子を備えるフェーズドアレイ探触子を用いる方法が提案されている（例えば、特許文献２を参照。）。このように振動子をマトリクス状に敷き詰めることによって、一方向のみではなく、その方向と直交する方向の超音波ビームを集束することが可能となる。
特開２００３−１５８７９９号公報 特開２００５−１２１６６０号公報

しかしながら、上記の第１の従来技術による場合、超音波ビームを集束させることができる位置が固定されることになる。そのため、超音波探傷の対象が限定されるという問題がある。本来、焦点位置を自由に変えることができるというのがフェイズアレイ探触子の利点であったが、この第１の従来技術では、この利点が消失してしまうことになる。

また、上記の第２の従来技術による場合、上述したとおり、水浸探傷法によらなければならない。そのため、大規模な装置が必要になるという問題があった。

さらに、上記の第３の従来技術による場合、振動子を一列に配列する場合と比べて、振動子の数が多くなるため、高コスト化を招くという問題があった。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡易な構成で、振動子の配列方向と直交する方向の超音波ビームを集束することができる超音波探触子を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明に係る超音波探傷装置は、被検体の超音波探傷に用いられる超音波探傷装置において、複数の振動子を所定の方向に配列してなるフェーズドアレイ探触子と、当該フェーズドアレイ探触子の超音波ビームの送受信面に接して設けられる音響レンズとを備え、前記音響レンズには、当該音響レンズとは音速が異なる媒質が充填されている媒質部が設けられており、当該媒質部は、前記複数の振動子の配列方向と直交する方向に湾曲する湾曲部を有している。

このような媒質部が設けられた音響レンズを備えることによって、振動子の配列方向と同一の方向の超音波ビームを集束することができるだけではなく、その配列方向と直交する方向の超音波ビームを集束させることが可能となる。

上記発明に係る超音波探傷装置において、前記媒質部は、前記フェーズドアレイ探触子側に開放され、その長手方向が前記複数の振動子の配列方向と平行となるように形成され、しかも前記湾曲部を有する溝であってもよい。

また、上記発明に係る超音波探傷装置において、前記フェーズドアレイ探触子の超音波ビームの送受信面は、前記被検体の探傷面に対して所定の角度傾斜して配されているようにしてもよい。

このように、フェーズドアレイ探触子が斜角探触子の場合であっても、同様にして、振動子の配列方向と同一の方向及び直交する方向の何れの超音波ビームをも集束させることが可能となる。

また、上記発明に係る超音波探傷装置において、前記音響レンズには、前記溝に充填されている媒質を前記被検体の探傷面へ導くための流路が形成されていてもよい。

また、本発明に係る超音波探傷装置を用いた超音波探傷方法は、上記発明に係る超音波探傷装置における溝に対して前記音響レンズとは音速が異なる媒質を継続して供給し、当該溝から溢れた当該媒質を、前記音響レンズと前記被検体との間の接触媒質として用いて前記被検体の超音波探傷を行う。

このように溝から溢れ出た媒質を接触媒質として用いることによって、より確実な探傷を実現することができる。

本発明の超音波探傷装置、及びそれを用いた超音波探傷方法によれば、振動子が所定の方向に配列されてなるフェーズドアレイ探触子を用いて任意の位置に超音波ビームを集束させることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳述する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る超音波探傷装置の構成を示す側面図である。また、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面を示す断面図であり、図３は、ＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面を示す断面図である。

図１及び図２に示すように、本実施の形態の超音波探傷装置１０は、一列に配列された複数の振動子１２を備えてなるフェーズドアレイ探触子１１と、そのフェーズドアレイ探触子１１の下面（超音波ビームの送受信面）側に設けられている音響レンズ１３とを備えている。

音響レンズ１３は、フェーズドアレイ探触子１１と超音波探傷の対象である被検体１６との間に配されており、その上面はフェーズドアレイ探触子１１の下面と接し、その下面は被検体１６の上面に接している。

なお、図１及び図２に示すように、本実施の形態では、音響レンズ１３の下面と接触する被検体１６の上面（探傷面）は平面であるため、音響レンズ１３の下面も平面となっているが、音響レンズ１３の下面の形状はこれに限られるわけではなく、被検体１６の探傷面の形状に沿うような形状であればよい。

音響レンズ１３には、その長手方向が振動子１２の配列方向と平行となるように形成された溝１４が設けられている。この溝１４は、フェーズドアレイ探触子１１側に開放されており、且つ、振動子１２の配列方向と直交する方向に所定の曲率半径で湾曲する湾曲部１５を有している。

この溝１４には、振動子１２と音響レンズ１３との音響結合に供される媒質としての水が充填されている。

なお、本実施の形態では、このように水が溝１４に充填されているが、これに限られるわけではなく、音響レンズ１３とは音速が異なる媒質であれば水以外であってもよい。したがって、水の代わりに、例えば樹脂を音響レンズ１３の溝１４に充填するようにしてもよい。

図１及び図３に示すように、音響レンズ１３には、その上部が溝１４と連結され、溝１４から溢れた出た水を被検体１６の探傷面へ導くための流路１９ａが設けられている。本実施の形態では、図１及び図３に示すとおり、被検体１６の探傷面に接する２本の流路１９ａが、溝１４の長手方向に延設されている。しかし、流路１９ａの形状はこれに限られるわけではなく、溝１４から溢れ出た水を被検体１６の探傷面へ導くことができる形状であればよい。

また、図１及び図２に示すように、音響レンズ１３には、溝１４に対して水を供給するための供給部１９ｂが設けられている。

以上のように構成された超音波探傷装置１０を用いて超音波探傷を実行する場合、振動子１２から発せられた超音波ビーム１８は、音響レンズ１３内を伝搬し、被検体１６の探傷面に垂直に入射する。

ここで、被検体１６の焦点位置１７に超音波ビーム１８が集束するように、超音波の送受信の制御部（図示せず）によって、各振動子１２を励振するタイミングを制御する。これにより、振動子１２の配列方向における超音波ビーム１８を焦点位置１７に集束させることができる。

また、振動子１２の配列方向に直交する方向においては、振動子１２から発せられた超音波ビーム１８は、音響レンズ１３に形成された溝１４に充填された水の中を伝搬して下方へ進み、湾曲部１５にて被検体１６の焦点位置１７に向かうように集束する。

このように、湾曲部１５を有する溝１４が音響レンズ１３に形成されていることによって、振動子１２の配列方向に直交する方向の超音波ビーム１８を集束させることが可能となる。

ところで、超音波探傷を実行している間は、供給部１９ｂを介して、溝１４に水が継続して供給される。これにより、溝１４から水が溢れることになる。溢れ出た水は、流路１９に導かれて被検体１６の探傷面に到達し、その結果、音響レンズ１３と被検体１６との間の接触媒質として機能する。

たとえ音響レンズ１３の被検体１６側の面の形状を、被検体１６の探傷面の形状に沿うように加工したとしても、音響レンズ１３と被検体１６との間に微少な隙間は生じる。そこで、このようにして溝１４から溢れ出た水を接触媒質として用いることによって、より高精度な探傷を実現することができる。

なお、この溝１４への水の継続的な供給は、そのための装置を設けることにより自動的に行ってもよく、手動で行ってもよい。

上記のとおり、本実施の形態の超音波探傷装置１０によれば、振動子１２の配列方向と同一の方向のみならず、その配列方向と直交する方向の超音波ビームの集束が可能となる。なお、上記の第１の従来技術のように、フェーズドアレイ探触子自体の形状を加工するようなことはないため、超音波ビームの集束位置が固定されるようなことはない。また、音響レンズ１３の下面の形状を、被検体１６の探傷面の形状に沿うように加工することが可能であるため、被検体１６との直接接触又はギャップ法による探傷を行うことができる。したがって、上記の第２の従来技術のように、水浸探傷法による必要がなく、大規模な装置が不要となる。さらに、上記の第３の従来技術のように、複数の振動子をマトリクス状に配列するのではなく、一列に配列するのみで足りるため、高コスト化を招くようなこともない。

なお、溝１４が有する湾曲部１５の曲率半径または溝１４に充填する媒質を変更することによって、超音波ビームの焦点位置を変化させることができる。したがって、所望の焦点位置となるように、湾曲部１５の曲率半径または媒質の種類を適宜することになる。

また、本実施の形態では、図２に示すように、溝１４に媒質が充填されているが、媒質が充填される媒質部は湾曲部１５を有していればそれ以外の形状のものであってもよく、例えば、図４に示すように、空洞部１４ａであってもよい。

（実施の形態２）
実施の形態１に係る超音波探傷装置は、垂直探傷法による超音波探傷に用いられるものであった。これに対し、実施の形態２に係る超音波探傷装置は、被検体の探傷面に対して所定の角度傾斜して超音波ビームを入射させる斜角探傷法による超音波探傷に用いられるものである。

図５は、本発明の実施の形態２に係る超音波探傷装置の構成を示す側面図である。また、図６は、図５のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面を示す断面図であり、図７は、図５のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った断面を示す断面図である。

図５及び図６に示すように、本実施の形態の超音波探傷装置２０は、一列に配された複数の振動子２２を備えてなるフェーズドアレイ探触子２１と、そのフェーズドアレイ探触子２１の裏面側に設けられている音響レンズ２３とを備えている。

フェーズドアレイ探触子２１の超音波ビームの送受信面は、被検体２６の探傷面に対して所定の角度傾斜して配されている。これにより、フェーズドアレイ探触子２１は斜角探触子として機能することになる。

音響レンズ２３は、実施の形態１における音響レンズ１３の場合と同様に、フェーズドアレイ探触子２１の下面（超音波ビームの送受信面）側に設けられている。そして、音響レンズ２３の上面はフェーズドアレイ探触子２１の下面と接し、その下面は被検体２６の上面に接している。上述したとおり、フェーズドアレイ探触子２１の超音波ビームの送受信面は、被検体２６の探傷面に対して所定の角度傾斜しているため、音響レンズ２３の上面も、同様にして被検体２６の探傷面に対して所定の角度傾斜している。

また、実施の形態１における音響レンズ１３の場合と同様に、音響レンズ２３には、その長手方向が振動子２２の配列方向と平行となるように形成された溝２４が設けられており、この溝２４は、フェーズドアレイ探触子２１側に開放されており、且つ、振動子２２の配列方向と直交する方向に所定の曲率半径で湾曲する湾曲部２５を有している。

この溝２４には、音響レンズ２３と振動子２２との音響結合に供される媒質としての水が充填されている。また、実施の形態１の場合と同様に、音響レンズ１３には、その上部が溝２４と連結され、溝２４から溢れた出た水を被検体２６の探傷面へ導くための流路２９ａが設けられている。なお、この媒質が水でなくてもよいことは実施の形態１の場合と同様である。

以上のように構成された超音波探傷装置２０を用いて超音波探傷を実行する場合、振動子２２から発せられた超音波ビーム２８は、音響レンズ２３内を伝搬し、被検体２６の探傷面に所定の角度傾斜して入射する。

ここで、実施の形態１の場合と同様に、被検体２６の焦点位置２７に超音波ビーム２８が集束するように、超音波の送受信の制御部（図示せず）によって、各振動子２２を励振するタイミングが制御される。これにより、振動子２２の配列方向において超音波ビーム２８を集束させることができる。

他方、振動子２２の配列方向に直交する方向においては、振動子２２から発せられた超音波ビーム２８は、音響レンズ２３に形成された溝２４に充填された水の中を伝搬して下方へ進み、湾曲部２５にて焦点位置２７に向かうように集束する。

このように、湾曲部２５を有する溝２４が音響レンズ２３に形成されていることによって、振動子２２の配列方向に直交する方向の超音波ビーム２８を集束させることが可能となる。

そして、実施の形態１の場合と同様に、超音波探傷を実行している間、供給部２９ｂを介して、溝２４に水が継続して供給されることにより、溝２４から水が溢れる。溢れ出た水は、流路２９ａに導かれて被検体２６の探傷面に到達し、その結果、音響レンズ２３と被検体２６との間の接触媒質として機能させる。これによって、より高精度な探傷を実現することができる。この溝２４への水の継続的な供給を、自動または手動の何れで行ってもよいことは、実施の形態１の場合と同様である。

このように、フェーズドアレイ探触子が斜角探触子である場合、音響レンズの上面、すなわちフェーズドアレイ探触子と接している側の面は、そのフェーズドアレイ探触子と同様に被検体の探傷面に対して所定の角度傾斜した形状にする必要があるものの、音響レンズの下面、すなわち被検体と接している側の面は平面又は被検体の探傷面に沿った形状とすることができる。そのため、音響レンズと被検体の焦点位置との距離は、実施の形態１のようなフェーズドアレイ探触子が垂直探触子である場合と変わらない。したがって、上述したような形状の溝が設けられた音響レンズを備えることにより、実施の形態１の場合と同様にして、振動子の配列方向及びその配列方向と直交する方向の何れの超音波ビームをも集束させることができる。

本発明に係る超音波探傷装置は、フェーズドアレイ探触子が有する振動子の配列方向と同一の方向の超音波ビームのみならず、その配列方向と直交する方向の超音波ビームをも集束させることが可能であり、各種の被検体の超音波探傷に用いられる超音波探傷装置として有用である。

本発明の実施の形態１に係る超音波探傷装置の構成を示す側面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面を示す断面図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る超音波探傷装置の構成の他の例を示す断面図である。 本発明の実施の形態２に係る超音波探傷装置の構成を示す側面図である。 図５のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面を示す断面図である。 図５のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った断面を示す断面図である。 従来の超音波探傷装置の構成を示す側面図である。 従来の超音波探傷装置の構成を示す正面図である。

符号の説明

１０，２０ 超音波探傷装置
１１，２１ フェーズドアレイ探触子
１２，２２ 振動子
１３，２３ 音響レンズ
１４，２４ 溝
１５，２５ 湾曲部
１６，２６ 被検体
１７，２７ 焦点位置
１８，２８ 超音波ビーム
１９ａ，２９ａ 流路
１９ｂ，２９ｂ 供給部

Claims (5)

1. 被検体の超音波探傷に用いられる超音波探傷装置において、
   複数の振動子を所定の方向に配列してなるフェーズドアレイ探触子と、
   当該フェーズドアレイ探触子の超音波ビームの送受信面に接して設けられる音響レンズとを備え、
   前記音響レンズには、当該音響レンズとは音速が異なる媒質が充填されている媒質部が設けられており、
   当該媒質部は、前記複数の振動子の配列方向と直交する方向に湾曲する湾曲部を有していることを特徴とする超音波探傷装置。
2. 前記媒質部は、前記フェーズドアレイ探触子側に開放され、その長手方向が前記複数の振動子の配列方向と平行となるように形成され、しかも前記湾曲部を有する溝である、請求項１に記載の超音波探傷装置。
3. 前記フェーズドアレイ探触子の超音波ビームの送受信面は、前記被検体の探傷面に対して所定の角度傾斜して配されている、請求項１又は請求項２に記載の超音波探傷装置。
4. 前記音響レンズには、前記媒質部に充填されている媒質を前記被検体の探傷面へ導くための流路が形成されている、請求項１乃至請求項３の何れかに記載の超音波探傷装置。
5. 前記媒質部に対して前記音響レンズとは音速が異なる媒質を継続して供給し、当該媒質部から溢れた当該媒質を、前記音響レンズと前記被検体との間の接触媒質として用いて前記被検体の超音波探傷を行う、請求項１乃至請求項４の何れかに記載の超音波探傷装置を用いた超音波探傷方法。

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