超音波深傷装置
（書誌＋要約＋請求の範囲）
(19)【発行国】日本国特許庁（ＪＰ）
(12)【公報種別】公開特許公報（Ａ）
(11)【公開番号】特開平６−２８１６３０
(43)【公開日】平成６年（１９９４）１０月７日
(54)【発明の名称】超音波探傷装置
(51)【国際特許分類第５版】
G01N 29/04 502 8105-2J
【審査請求】未請求
【請求項の数】２
【出願形態】ＯＬ
【全頁数】６
(21)【出願番号】特願平５−６９７１９
(22)【出願日】平成５年（１９９３）３月２９日
(71)【出願人】
【識別番号】００００００２８４
【氏名又は名称】大阪瓦斯株式会社
【住所又は居所】大阪府大阪市中央区平野町四丁目１番２号
(71)【出願人】
【識別番号】０００２３５５３２
【氏名又は名称】非破壊検査株式会社
【住所又は居所】大阪府大阪市北区西天満２丁目１０番２号
(72)【発明者】
【氏名】佐藤 富徳
【住所又は居所】大阪府大阪市中央区平野町四丁目１番２号 大阪瓦斯株式会社内
(72)【発明者】
【氏名】高橋 英夫
【住所又は居所】大阪府大阪市中央区平野町四丁目１番２号 大阪瓦斯株式会社内
(72)【発明者】
【氏名】藪下 秀記
【住所又は居所】大阪府大阪市中央区北久宝寺町２丁目３番６号 非破壊検査株式会社大阪事業部内
(72)【発明者】
【氏名】江藤 芳丸
【住所又は居所】大阪府大阪市中央区北久宝寺町２丁目３番６号 非破壊検査株式会社大阪事業部内
(74)【代理人】
【弁理士】
【氏名又は名称】北村 修
(57)【要約】
【目的】 超音波を送信する発信素子１２と材料内から反射してくる超音波を受信する受信素子１３とを備え、材料１０に存在する欠陥２００を検出する超音波探傷装置を、簡単な構成で、不感帯なく、高いＳ／Ｎ比を確保できるものとする。
【構成】 超音波探傷装置を、発信素子１２と受信素子１３とを単一の探触子本体１１に設け、発信素子１２の発信方向と受信素子１３の受信方向とが、平面視、発信素子１２の位置と受信素子１３の位置とを結ぶ線分の垂直二等分線上の一点Ｆに向けられるとともに、側面視、材料１０の外表面Ｓに対して同一の傾斜角を有して設定され、超音波の前記材料内からの出射位置２１が、所定の屈折角θで材料内へ入射される超音波が、板状材料の内外表面間を屈折角θで全反射して伝搬して外表面に到達する位置に設定されているものとする。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 探傷対象の材料（１０）内に超音波を送信する発信素子（１２）と材料内から反射してくる前記超音波を受信する受信素子（１３）とを備え、受波の状態より材料（１０）に存在する欠陥（２００）を検出する超音波探傷装置であって、前記発信素子（１２）と前記受信素子（１３）とを備えるとともに、探傷対象の板状材料の表面（Ｓ）に当接させて使用される探触子本体（１１）を設け、前記発信素子（１２）の発信方向と前記受信素子（１３）の受信方向とが、平面視で、前記発信素子（１２）の位置と前記受信素子（１３）の位置とを結ぶ線分の垂直二等分線上の一点（Ｆ）に向けられるとともに、側面視で、前記材料（１０）の表面（Ｓ）に対して同一の傾斜角を有して設定され、所定の屈折角（θ）で材料内へ入射される前記超音波が、前記板状材料の内外表面間を前記屈折角で全反射して材料伝搬して外表面に到達する位置に受信素子（１３）で受信される超音波の前記材料内からの出射位置（２１）がくるように設定される構成で、前記探触子本体（１１）が、前記発振素子（１２）もしくは受信素子（１３）の一方の素子を端部側に備えるとともに他方の素子側に延出される距離測定部材（１１ｃ）を備えた第一探触子本体（１１ａ）と、前記他方の素子を備えるとともに前記一方の素子に対して近接離間する方向に摺動自在に前記距離測定部材（１１ｃ）に取り付けてある第二探触子本体（１１ｂ）とから構成されている超音波探傷装置。
【請求項２】 測定対象の材料（１０）の板厚に対応して前記他方の素子が採るべき前記距離測定部材（１１ｃ）上の位置が、前記距離測定部材（１１ｃ）上に印されている請求項１記載の超音波探傷装置。
詳細な説明
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、探傷対象の材料内に超音波を送信する発信素子と材料内から反射してくる超音波を受信する受信素子とを備え、受波の状態より材料に存在する欠陥を検出する超音波探傷装置に関し、配管、板等の内外面の表面近傍にある微小な割れなどの欠陥を検出する超音波探傷装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】ガスなどの供給に実際に使用中の管材などの割れを検出する方法としては、超音波探傷法等が用いられる。この超音波探傷法においては、管材中に超音波を送信し、割れなどの欠陥部分において反射される超音波を受信して、その反射状況から割れの位置、大きさ等の情報が得られる。
【０００３】図３（イ）、（ロ）に、従来からの超音波探傷法である一探触子法の探傷構成が示されている。（イ）は側面視図を、（ロ）は平面視図を示している。この方法を探触子の構成とともに説明する。尚、別途図４（イ）、（ロ）に説明する発信・受信素子分離タイプのものにおいても、その探触子の内部構成は概略同一である。さて、図３（イ）、（ロ）に示すように、ガス管などの材料１の表面付近には、割れ２が存在する。検査にあっては、割れ２に対して一定の間隔を有する位置に探触子３が配置されて、割れ２の検出が行われる。探触子３には、振動子４がくさび５によって傾斜して取付けられる。くさび５中には、ビーム中心６で示すように超音波が進行し、材料１中に入射する時点で屈折角θ１を有するように屈折する。屈折角θ１を有するように屈折した超音波ビームは、材料１の他方表面で全反射し、割れ２に達する。割れ２に到達した超音波は、反対方向に反射され、振動子４に戻る。したがって、この方法では振動子４を一定時間だけ振動させた後で、振動子４からの超音波の発信を停止し、反射してくる超音波の振動を、同一の振動子４によって受信する。振動子４は電圧効果や磁歪効果によって、外部から与えられる電気エネルギを超音波エネルギに変換し、また超音波エネルギを電気エネルギに変換する。振動子４へのエネルギの供給または振動子４からの受信情報は、リード線７を介して探傷ケーブル８に与えられる。探触子３のケースとくさび５との間には、吸音材９が充填される。
【０００４】一探触子法においては、単一の振動子４が、超音波の発信・受信の用に供される。この振動子４は、超音波の送信が終了すると直ちに受信に切換えられる。しかしながら、機械的な振動状態が減衰するまでに時間を要し、時刻まではかなり大きな振動が残る。従って、受信を開始できる時間（超音波が一定の距離を伝達されている必要がある）に一定の限界がある。
【０００５】上記の一探触子法とは別に、探触子本体内に発信素子３０ａと受信素子３０ｂとを備えておいて、これにより探傷をおこなうことが提案されている。この方法に採用される探触子の構成が図４（イ）、（ロ）に示されている。（イ）は側面視図を、（ロ）は平面視図を示している。この例の場合は発信素子３０ａと受信素子３０ｂとが、探傷対象の外表面Ｓに対して側面視同一の傾斜角度αに設定された状態で、材料表面Ｓに沿い、且つ、被検査箇所に対する遠近方向に並べて配設されるとともに、その材料表面Ｓでの離間位置関係が板状材料内での超音波の全反射状態で決定される離間位置関係に設定されている。従って、この構成の探傷法においては、予め設定される板状材料内の所定経路（検査対象の板厚と材料内を伝播する超音波の屈折角θ１とのなす角度によって決まる）を伝播してくる超音波のみを選択して検出することにより、Ｓ／Ｎ比が高い状態で、所定位置に存在すると推測される割れ２の検出がおこなえる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】さて、従来技術に於ける前者の例においては、割れまでの距離とその位置（いずれの表面側にあるのか）を、あるいは割れが材料１の内部にあるのかを判断することができる。しかしながら、この方法においては、単一の探触子が発信・受信を交互に受け持つため、上述の様に不感帯（探触子から一定の距離以内にある欠陥が検出できない範囲）が存在する。一方、後者の例においては、平面視の超音波の伝達経路に沿った前後方向で一対の素子を配設するため、不感帯の問題は解消できるものの、受信素子に受信される超音波は、一度発信素子が配設される探触子部位で反射されたものとなる。従って、超音波の伝達経路がこの分長くなっており、信号強度の低下を招来せざるおえない。従って、検出能にもおのずと限界がある。さらに、検査対象の材料の板厚は様々に変化するが、厚みの変化する被検体に対して単一の装置で対応でき、検査を簡単にできるとともに、検出される情報のＳ／Ｎ比が大きい、超音波探傷装置は得られていない。
【０００７】そこで、本発明の目的は、簡単な構成で、不感帯なく、且つ信号の伝達経路ををできるだけ短くするとともに、高いＳ／Ｎ比を確保でき、さらに様々な板厚の材料に対しても簡便に使用できる超音波探傷装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明に於ける超音波探傷装置の特徴は、発信素子と受信素子とを備えるとともに、探傷対象の板状材料の外表面に当接させて使用される探触子本体を設け、発信素子の発信方向と受信素子の受信方向とが、平面視、発信素子の位置と受信素子の位置とを結ぶ線分の垂直二等分線上の一点に向けられるとともに、側面視、材料の外表面に対して同一の傾斜角を有して設定され、所定の屈折角で材料内へ入射される超音波が、板状材料の内外表面間を屈折角で全反射して伝搬して外表面に到達する位置に受信素子で受信される超音波の材料内からの出射位置がくるように設定される構成で、探触子本体が、発振素子もしくは受信素子の一方の素子を端部側に備えるとともに他方の素子側に延出される距離測定部材を備えた第一探触子本体と、他方の素子を備えるとともに前記一方の素子に対して近接離間する方向に摺動自在に距離測定部材取り付けてある第二探触子本体とから構成されていることにあり、その作用・効果は以下のとおりである。
【０００９】
【作用】本願の超音波探傷装置の使用にあたっては、先ず材料の板厚が特定される。そして、第二探触子本体が第一探触子本体に備えられる距離測定部材上を摺動されて、材料の板厚に対応した位置に配設される。この配設状態において、発振素子と受信素子との平面視及び側面視での位置関係及び超音波の材料の侵入、伝播方向が特定されることとなる。探傷構造について以下に説明する。超音波探傷装置に備えられる発信素子と受信素子は個別配設構成とされ、これらの素子の側面視での傾斜角（材料表面の法線に対する傾き）は一定で、夫々同一とされる。従って超音波が、受信素子に帰って来た場合も、所定の屈折角で材料内を伝達し、全反射されて帰ってくる所定の角度成分の超音波のみが選択的に検出される。さらに、材料表面上に於ける平面視の位置関係について述べると、夫々の素子と仮想的な欠陥の位置が、二等辺三角形の各頂点の位置にくるように、その位置関係が設定される。従って、発信素子から発信された超音波は、所定の送信経路を経て仮想欠陥位置に到達するとともに、欠陥がある場合は、この部位から反射されて、前述の送信経路とは異なった経路である受信経路を通って、受信素子に至ることとなる。超音波が材料内に入射する位置と、これから出射する位置との離間位置関係は、前述のように材料の板厚と前述の屈折角とを考慮して、超音波の板状材料内での全反射状態を満たすものとなっている。従って、前述の仮想的な欠陥の位置から全反射状態で反射してくる超音波が主に、受信素子に到達することとなる。即ち受信素子の傾斜角関係、及び平面的な両素子の位置関係より、異なった角度で進行する超音波は、受信素子に到達しにくい。よって、雑音は非常に少なくなる。さらに、本願の超音波探傷装置においては、発信素子と受信素子とが分離しているので、受信素子には不感帯はほとんど生じない。また、超音波の伝達経路が発信側と受信側とで平面的に分離されて重なることがないため、経路を最短に選択することが可能となっており、雑音の少ない状態で且つ強い信号強度で、欠陥に係わる所定の信号を良好に検出することができる。
【００１０】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、不感帯をほとんど生じることなく、しかも高いＳ／Ｎ比で割れなどの欠陥の検出を行うことができる。Ｓ／Ｎ比が高いので、例えば、探傷すべき材料の表面に塗装膜が施されていても欠陥の検出が可能となる。さらに、材料の板厚の変化に対しては、第二探触子本体の位置をこれに合わせて設定することにより、簡便に精度のよい測定をおこなうことができる。従って、実際に使用中の管材などでは、応力腐食割れを防止するために塗装を施しているけれども、欠陥の検出を塗装の剥離をすることなく行える。
【００１１】
【実施例】図１は、本発明の一実施例による超音波探傷装置の使用状態の平面視図が示されている。さらに、図２は、図１の状態を検出対象の材料の厚み方向（側面視）からみた図面である。
【００１２】探傷にあたっては、管材や板材などの材料１０の表面に、探触子本体１１の下面が接触されて使用される。この探触子本体１１は、発振素子である発振用の振動子１２を端部側に備えるとともに受信素子である受信用の振動子１３側に延出される距離測定部材としてのノギス１１ｃを備えた第一探触子本体１１ａと、受信用の振動子１３を備えるとともにノギス１１ｃに対して発振用の振動子１２から近接、離間する方向に摺動自在な第二探触子本体１１ｂとを備えて構成されている。そして、図１に示するように、ノギス１１ｃ上には探傷対象となる材料１０の板厚に対応したマーク１１ｄが刻印されており、第二探触子本体１１ｂをこのマーク１１ｄに従って位置決めすることにより、探傷が容易でおこなえる構成が採用されている。ここで、第二探触子本体１１ｂとノギス１１ｃ間の位置固定は、第二探触子本体１１ｂに備えられているロックネジ１１ｅによっておこなわれる。各素子１２、１３の構成について説明すると、発信用・受信用の振動子１２、１３は、夫々くさび１４、１５に取付けられて構成される。振動子１２，１３はダンパ１６，１７によってそれぞれ制動される。探触子本体１１内の空間には吸音材１８が充填される。
【００１３】ここで、振動子１２，１３は、同一形状で、同一共振周波数、たとえば５ＭＨｚを有する。振動子４の材料としては、たとえばチタン酸バリウムなどの磁器材料が用いられる。くさび１４，１５も同一形状であり、材料としてはアクリル樹脂などが用いられる。くさび１４，１５は、材料１０中で超音波が屈折角θ、たとえば４５°を有するように、振動子１２，１３を傾斜して保持する。ダンパ１６，１７は、布入りのフェノール樹脂などが用いられ、振動子１２，１３の余分な振動を防止する。吸音材１８は、空気を介して超音波が伝搬するのを防止する。以上のように、振動子１２，１３に関連する構造はほぼ同一であるので、超音波探傷装置の製造は容易で、コストダウンが可能である。
【００１４】さらに、これらの振動子１２、１３あるいはこれらの振動子１２、１３に対する超音波の材料１０内への入射位置２０もしくは出射位置２１に関して述べると、発信素子１２の発信方向と受信素子１３の受信方向とが、平面視（材料表面上での位置関係で）、発信素子１２の位置と受信素子１３の位置とを結ぶ線分の垂直二等分線上の一点Ｆに向けられている。即ちここで、この一点Ｆが検査対象である欠陥が仮想的に存在する位置と設定されている。さらに、超音波の材料内への入射位置２０と材料内からの出射位置２１とが、所定の屈折角θで入射される超音波が、板状材料の内外表面Ｓ２，Ｓ１（材料表面を単にＳで表す）間を前記屈折角θで全反射して伝搬する距離だけ離間して設定されている。この設定位置関係は、超音波の屈折角θを検査対象の板状材料の板厚ｔを、前述の仮想の欠陥位置と超音波の入射位置２０と出射位置２１とが形成する二等辺三角形の底辺と斜辺がなす角β、さらに頂角を２γ、二等辺三角形の底辺の半分の長さをＬとすると、以下の式が成立する。
Ｌ＝２×ｔ×ｓｉｎγ／ｔａｎ（π／２−θ）
【００１５】材料中に存在する割れ２００などの欠陥は、表示器２５による表示によって検出される。この検出を行うために、発信器２６から５ＭＨｚの信号出力が送信用の振動子１２に与えられる。表示器２５および発信器２６は、探傷器２７に含まれる。
【００１６】以下に検出状況について説明する。発信用の振動子１２から発信された超音波は、くさび１４中を進み、材料１０の表面で入射点２０に達する。材料１０中では、屈折角θとなるように屈折して、入射点２０側の表面と対向する側の表面の反射点３１ａに達する。反射点３１ａでは、表面が空気と接触しており、空気中の音速はくさび１４，１５中の音速よりも小さいので、材料１０中の音速との差が大きく、超音波は反射点３１ａで全反射され、割れ２００の反射点３２に達する。反射点３２では、超音波の進行方向が変化され、反射点３１ｂを経て出射点２１に至る。出射点２１では、到達した超音波の一部がくさび１５中に侵入し、受信用の振動子１３に到達する。入射点２０と出射点２１との伝達経路に沿った距離は、超音波が屈折角θで１回全反射して到達する往復各々１スキップの距離である。この距離は、たとえば屈折角θが４５°のときには、板厚ｔの２倍となる。割れ２００までの距離は、材料１０中の音速と屈折角θによって求めることができる。割れ２００が検出されたかどうかは、その距離だけ離れた表面を押さえるなどして、表示器２５の表示が変化するか否かで判断することができる。
【００１７】この探触子本体１１に取付けられる、発信素子１２と受信素子１３との間隔は、上述のように１スキップに選ぶのが望ましいけれども、板厚ｔが薄いときには、１スキップの整数倍、たとえば３スキップ程度であっても差支えないことが、実験結果により確認されている。
【００１８】表１に、従来例で説明した一探触子法（図３に示すもので表中『一探法』と記載）及び二探触子法（図４に示す、探触子を前後方向に配設したもので、表中『前後配列』と記載）と、本願のもの（表中『Ｖ型配列』と記載）との検出結果の比較を示す。実験に当たっては、発信側、受信側のいずれかを通常型（一般型）とし、他方をフォーカス型（収束型）とした。
検査対象大口径配管環状溶接部の欠陥【００１９】
【表１】
【００２０】結果、一探触子法もしくは、前後配列型の二探触子法のＳ／Ｎ比が６以下であるのに対して、本願のものはそれらより高く、良好な検出性能を得ることが可能であることが判明した。
【００２１】〔別実施例〕上述の実施例においては、第一探触子本体１１ａ側に発振素子１２を第二探触子本体１１ｂ側に受信素子１３を備える構成を示したが、この配置は逆の構成であってもよい。また、前述の仮想的な欠陥位置と両素子からの超音波の入射位置と出射位置とが形成する二等辺三角形の底辺と斜辺がなす角を可変とするように装置を構成してもよい。この場合、一方の素子位置が全反射の条件を満足する離間位置関係で、円弧レール上を移動する。こういった構成を採用する場合は、欠陥の方向に対応した検査が行える。
【００２２】尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を便利にするために符号を記すが、該記入により本発明は添付図面の構成に限定されるものではない。
