アレイ探触子を用いた超音波探傷方法及び装置
【課題】探触子位置を機械的に移動することなく簡便に表面検査画像を作成する。
【解決手段】液中に浸漬したアレイ探触子１０１をフェーズドアレイ方式で動作させ、そのアレイ探触子１０１と被検体１０２の間で液体を介して超音波を送受信して、受信した情報に基づく検査画像を表示部１０４で表示する超音波探傷装置において、アレイ探触子１０１から被検体１０２の入射点に斜角超音波を発信して被検体１０２の表面に表面波１０５Ｂを発生させ、その表面波１０５Ｂの伝搬方向であるＸ軸方向と、電子走査で移動させられる入射点１０５の移動方向であるＹ軸方向とによるＸ−Ｙ２次元座標軸にて検査画像を表示部に表示するための画像データを計算機１０３Ａで作成し、表示部１０４に検査画像１０４ＡをＣスコープで表示して可視化する。
【解決手段】液中に浸漬したアレイ探触子１０１をフェーズドアレイ方式で動作させ、そのアレイ探触子１０１と被検体１０２の間で液体を介して超音波を送受信して、受信した情報に基づく検査画像を表示部１０４で表示する超音波探傷装置において、アレイ探触子１０１から被検体１０２の入射点に斜角超音波を発信して被検体１０２の表面に表面波１０５Ｂを発生させ、その表面波１０５Ｂの伝搬方向であるＸ軸方向と、電子走査で移動させられる入射点１０５の移動方向であるＹ軸方向とによるＸ−Ｙ２次元座標軸にて検査画像を表示部に表示するための画像データを計算機１０３Ａで作成し、表示部１０４に検査画像１０４ＡをＣスコープで表示して可視化する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アレイ探触子をフェーズドアレイ方式で駆動して固体の被検体に対して超音波探傷を施す超音波探傷技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鋼材などの固体を被検体とする非破壊検査として、表面の健全性を評価する表面検査と、固体内部の健全性を評価する体積検査がある。表面検査の手法として、目視検査法，浸透探傷法，磁粉探傷法，渦流探傷法などが知られている。
【０００３】
また、体積検査の手法として、放射線透過法，超音波探傷法が知られている。検査対象となる被検体の表面と内部（体積）の両方の健全性を評価するには、例えば、表面検査と体積検査を組み合わせて実施するなどの工夫が必要となる。
【０００４】
体積検査法のうち、固体の検査方法として、固体内部を伝搬する縦波及び横波による超音波探傷法が従来から一般に用いられている。この超音波探傷法の一種に、いわゆるフェーズドアレイ方式の超音波探傷法がある。
【０００５】
ここで、このフェーズドアレイ方式とは、電子的走査である電子走査方式又は電子スキャン方式とも呼ばれ、例えば圧電素子からなる複数の超音波発生素子をアレイ状に配置した探触子、いわゆるアレイ探触子を用い、超音波発生の契機となる電気信号を、このアレイ探触子の各素子毎に所定の時間だけ遅延させて与え、各素子から発生した超音波が重ね合わされ、合成波を形成することで、被検査体への超音波の送信角度と受信角度、送信位置と受信位置、或いは合成波が干渉して互いにエネルギーを強め合う位置、つまり焦点位置などの条件が電気的な制御により高速で変化させることができるようにした超音波探傷法のことである。なお、ここでは、素子毎に与える所定の遅延の組み合わせをディレイパターンと呼ぶこととする。
【０００６】
このようにアレイ探触子を用いて探傷条件を電気的に走査する理由は、広い検査範囲にわたって超音波の送受信角度位置や焦点を自由に変化させられるからであり、そうすることにより、被検査体の反射源（欠陥等）からの反射波をより強く受信できる角度や位置、焦点を選択することで、反射源である欠陥が見付け易くできるからである。
【０００７】
固体を伝わる超音波には、体積中を伝搬する体積波（縦波，横波）以外に、表面波（レイリー波，Rayleigh波）と呼ばれる固体表面を伝搬する振動モードが存在する。
【０００８】
レイリー波（レーリー波）とは、「表面近傍にだけエネルギーが集中して伝わる波」とあり、その伝搬速度は固体中の横波音速の約９０％程度で、表面が曲面の場合でも表面近傍に沿って伝搬する。
【０００９】
レイリー波を用いた超音波探傷装置では、被検体の表面に探触子から超音波を斜めに入射させることで、被検体表面に表面波（レイリー波）を発生させ、被検体の欠陥や損傷を検査する（例えば、特許文献１参照）。
【００１０】
また、フェーズドアレイ方式を利用してレイリー波による検査を行うことも可能であり、被検体の表面に伝搬する表面波により、被検体表面の欠陥から反射する超音波を受信することができる（例えば、特許文献２参照）。
【００１１】
上記従来技術は、レイリー波を受信することで被検体の健全性を評価している。被検体の検査結果を画像化するには、図２に示すように、探触子を２次元的に走査する必要があり、機械的な探触子走査が不可避である。
【００１２】
通常の超音波探傷では、図２及び図３に示すように、ある探触子位置２０５において、超音波探傷器２０３と接続された探触子２０１で超音波が送信され、被検体１０２で反射された超音波が再び探触子２０１で受信される。この受信信号は、時間と振幅の関係で表される信号（Ａスコープ信号２０６）として、収録・表示される。
【００１３】
超音波探傷結果を画像化するには、駆動制御部２０４Ａ及び移動量検出部２０４Ｂを備える制御機構２０４と接続された走査機構２０２により探触子を２次元的に走査させ、探触子位置におけるＡスコープ信号２０６から、ＸＺ断面図（Ｂスコープ３０１），ＸＹ断面図（Ｃスコープ３０２），ＹＺ断面図（Ｄスコープ３０３）に合成する。
【００１４】
例として、図４を用いて、２次元画像のうちＢスコープの合成方法について説明する。図４は、入射点位置４０３におけるＸＺ断面図である。屈折角θ４０２Ｃで被検体中に斜め方向の超音波（斜角超音波）が伝搬しているとする。探触子位置４０３で受信される信号は、Ａスコープ信号４０１のように、横軸は時間、縦軸は振幅で表される波形となる。
【００１５】
ここで、受信信号は、伝搬時間Ｔにおいて振幅値Ａ（Ｔ）４０１Ａを持つ。伝搬時間Ｔの信号は、被検体中の音速Ｃにより、伝搬距離（または路程）Ｗ（Ｔ）に換算することができる。さらに、被検体中の音速Ｃと屈折角θを用いて、伝搬距離Ｗ（Ｔ）は、数１により、被検体中の座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に変換することができる。
【００１６】
（数１）
Ｘ＝Ｘ′＋Ｗ（Ｔ）×sinθ
Ｙ＝Ｙ′
Ｚ＝Ｚ′＋Ｗ（Ｔ）×cosθ
Ｘ′：入射点４０３のＸ座標
Ｙ′：入射点４０３のＹ座標
Ｚ′：入射点４０３のＺ座標
Ｗ（Ｔ）：超音波の片道伝播路程（Ｗ（Ｔ）＝Ｃ×Ｔ／２）
Ｃ：被検査体中を伝搬する超音波の音速
Ｔ：受信信号の伝搬時間
θ：被検体中の屈折角
【００１７】
このように、一箇所の入射点でのＡスコープ信号はＸＺ断面図４０２の中の１本のライン４０２Ｂに相当するデータを与える。伝搬時間Ｔに相当する画素４０２Ａに、振幅Ａ（Ｔ）と比例する濃淡や色情報を付与することで、振幅の強度を可視化することが可能となる。
【００１８】
さらに、探触子２０１を走査機構によってＸ軸方向に移動すると、探触子位置２０５の移動にともなって、斜角超音波の入射点位置４０３がＸ軸に沿って移動する。こうすることで、振幅の強度を可視化したライン４０２Ｂが複数平行に並ぶことで、ライン状のデータが、各伝搬時間に相当する振幅値の強度に相当する濃度や色情報を持った２次元画像に変換される。
【００１９】
以上の処理を、Ｘ方向とＹ方向の両方向に対して実施することで、１ラインのＡスコープ信号（伝搬時間と振幅値）が、３次元座標に対応したデータ群としてまとめられ、特定の座標に関する断面図または透視図として３次元データ群から２次元データを抜き出すことで、Ｂスコープ画像，Ｃスコープ画像，Ｄスコープ画像等の２次元画像が合成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】特開平１０−１２３１０６号公報
【特許文献２】特開２００８−２９８４５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
上記従来技術は、検査結果を２次元の検査画像として得るためには、探触子を２次元的に走査する必要がある。高い精度の検査画像を得るには、位置精度が高いより大規模な探触子走査機構が必要となる。このため、検査対象が狭隘な部位の検査や、検査装置のアクセスが困難な場合においては、検査装置の操作性及び検査作業の簡便性に問題があった。
【００２２】
本発明の目的は、超音波探触子自体の位置を移動させるという走査を行うことなく、簡便に検査画像の作成を可能とする超音波探傷方法及び装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明の目的を達成するための手段としての装置は、アレイ探触子と、前記アレイ探触子をフェーズドアレイ方式により動作させて、被検体に表面波を発生させる角度の斜角超音波を送受信する送受信部と、前記送受信部から供給された受信信号に基づいて前記被検体の検査画像を表示する表示部とを備えた超音波探傷装置において、前記被検体への前記斜角超音波の入射点を、前記アレイ探触子で用いる圧電素子のディレイパターンを切り替えて、前記斜角超音波の伝搬方向と被検体の法線方向とが形成する超音波伝搬面の面外に、電子的に移動させる手段と、前記入射点の移動量と、前記入射点で発生した表面波が前記被検体を伝播して超音波反射源で反射して受信された前記受信信号とに基づいた前記被検体の表面の検査画像を前記表示部に表示させる手段とを備えたことを特徴とするアレイ探触子を用いた超音波探傷装置である。
【００２４】
本発明の目的を達成するための手段としての方法は、超音波探傷装置のアレイ探触子をフェーズドアレイ方式により動作させて、前記アレイ探触子から超音波を被検体に対して送受信し、前記送受信結果に基づいて前記超音波探傷装置の表示部に検査画像を表示する超音波探傷方法において、前記アレイ探触子から前記被検体の表面に表面波を発生させる角度の斜角超音波を発信すると共に、前記斜角超音波の前記被検体への入射点を、前記被検体に設定した多次元座標軸の内、前記斜角超音波の伝搬方向と前記被検体の法線方向とに対して角度を有して設定した一つの次元の座標軸沿いに移動させ、前記入射点の移動量と、前記入射点で発生した表面波が前記被検体を伝播して超音波反射源で反射して受信された前記受信信号とに基づいた前記被検体の表面の検査画像を前記表示部に表示させる手段とを備えたことを特徴とするアレイ探触子を用いた超音波探傷方法である。
【発明の効果】
【００２５】
このような手段によれば、表面波による被検体の表面検査の検査画像を、アレイ探触子の位置を機械的に走査することなく、入射点の移動方向を一つの座標軸とした多次元座標上での検査画像として簡便に作成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施例による超音波探傷装置の構成図である。
【図２】従来の超音波探傷装置の構成図である。
【図３】超音波探傷装置における表示部にて表示される２次元画像の説明図である。
【図４】従来の超音波探傷法による画像化方法の説明図である。
【図５】本発明の実施例による超音波探傷法による画像化方法の説明図である。
【図６】本発明の実施例による超音波探傷法による画像化方法の説明図である。
【図７】本発明の実施例に採用されるアレイ探触子の構造模式図である。
【図８】本発明の実施例による超音波探傷方法の全体フローの説明図である。
【図９】本発明の実施例による被検体表面の検査のフローの説明図である。
【図１０】本発明の実施例による被検体表面形状の測定のフローの説明図である。
【図１１】本発明の実施例による被検体内部の検査のフローの説明図である。
【図１２】本発明の実施例による被検体表面の探傷のフローの詳細説明図である。
【図１３】本発明の実施例による被検体表面形状の測定のフローの詳細説明図である。
【図１４】本発明の実施例による被検体内部の探傷のフローの詳細説明図である。
【図１５】本発明の実施例による被検体表面の検査画像を例示した図である。
【図１６】本発明の実施例による被検体表面形状の測定結果を画像表示した例示図である。
【図１７】本発明の実施例による被検体内部の検査画像を例示した図である。
【図１８】本発明の実施例による被検体内部の超音波探傷方法による画像化方法の説明図である。
【図１９】本発明の実施例による被検体表面の検査の計算機による自動処理フローの説明図である。
【図２０】本発明の実施例による被検体表面形状測定の計算機による自動処理フローの説明図である。
【図２１】本発明の実施例による被検体内部の検査（体積検査）の計算機による自動処理フローの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明の実施例では、複数個の圧電素子の配列からなるアレイ探触子を液体中に浸漬させて用い、これをフェーズドアレイ方式により動作させ、そのアレイ探触子と前述の液体に接している金属などの固体の被検体の間で超音波を送受信して、受信した情報から検査画像を構築して表示する手段を有する超音波探傷装置において、アレイ探触子から被検体の表面の入射点へ斜角超音波を発信して、その表面に表面波（レイリー波）を発生させ、その表面波の伝搬方向（図１のＸ座標軸方向）、即ち探傷を行う方向或いは超音波の強度の高い伝播方向、と被検体の表面の法線方向とが形成する面の面外に、入射点を（図１のＹ座標軸方向沿い）へ順次移動させる電子的走査を行う手段と、その入射点の移動量と、斜角超音波の受信信号に基づいた被検体表面の欠陥の検査画像を入射点の移動方向を一つの座標軸方向に、超音波の伝播方向をもう一つの座標軸方向として検査画像を構築するためのデータを作成する計算機を備え、そのデータに基づいて被検体表面の検査結果を被検体表面の２次元画像（図３のＣスコープ）として表示し、探触子の機械的走査無しに簡便に表面検査の検査画像を可視化している。
【実施例１】
【００２８】
以下に、本発明の実施例による超音波探傷方法及び装置について、図に基づいて詳細に説明する。
【００２９】
図１は、本発明の第１の実施形態で、その図示のように、この実施形態は、検査対象である被検体１０２は被検査対象面が液体に接している。その被検体１０２を検査する超音波探傷装置は、被検体１０２に対して超音波を送受信するアレイ探触子１０１と、アレイ探触子１０１に超音波の送受信の駆動及び制御を司り、受信信号に含まれる情報を処理する送受信部１０３と、送受信部１０３で受信信号に含まれる情報を処理して検査画像を描画するための画像データを構築したその画像データに基づいて検査画像を表示する表示部１０４で構成されている。
【００３０】
本実施例の適用先である被検体１０２は、例えば、原子力発電所の炉内構造物溶接部１００（例えば、制御棒駆動機構スタブチューブ，炉内計装管台ハウジング，シュラウドサポート，シュラウド等）であり、図１の被検体１０２は溶接部の断面を示している。なお、本実施例に記載の方法及び装置は、炉内構造物に特徴的な曲面の他、配管や平板形状の検査対象にも同様に適用することが可能である。
【００３１】
アレイ探触子１０１は液体に浸漬されて用いられる。その液体は主に水である場合が多い。そのアレイ探触子１０１は被検体１０２の探傷面の上方に液体を介して設定され、送受信部１０３から供給される駆動信号により超音波を発生し、これを液体を介して被検体１０２内に伝搬させ、これにより現れる反射波をアレイ探触子１０１で受信して検出し、その受信信号を送受信部１０３に入力する。
【００３２】
第１の実施例の記載の例では、アレイ探触子１０１が例えば水などの液体中に浸漬して表面波を発生させる例であるが、液体以外にも、固体や気体を介して超音波を入射した場合においても、超音波の入射角を横波臨界角（液体の場合を数２に示した）で超音波を入射させることで被検体１０２に表面波を発生させ、同様の検査を実施することができる。
【００３３】
送受信部１０３は、計算機１０３Ａと、遅延時間制御部１０３Ｂと、パルサー１０３Ｃと、レシーバ１０３Ｄと、データ収録部１０３Ｅとを備え、パルサー１０３Ｃが駆動信号をアレイ探触子１０１に供給し、これによりアレイ探触子１０１から入力される受信信号をレシーバ１０３Ｄが受けるようになっている。
【００３４】
ここで、計算機１０３Ａは、遅延時間制御部１０３Ｂや、パルサー１０３Ｃや、レシーバ１０３Ｄや、それにデータ収録部１０３Ｅを制御して、必要な動作が得られるようにする。
【００３５】
第１の実施例では、アレイ探触子１０１が浸漬されている液体の縦波音速に基づくディレイパターンと、順次入射点位置を切り替えていくために使用する送受信素子群のパターンを、記憶部１０３Ｆに記憶する。
【００３６】
遅延時間制御部１０３Ｂは、パルサー１０３Ｃから出力される駆動信号のタイミングを制御すると共に、レシーバ１０３Ｄによる受信信号の入力タイミングを制御する。さらに、送信，受信に使用する素子群のパターンを順次切り替えることで、フェーズドアレイ方式によるアレイ探触子１０１の動作が得られるようにし、順次送信位置を切り替えて入射点１０５の位置を移動させることが可能となる。
【００３７】
そして、データ収録部１０３Ｅは、レシーバ１０３Ｄから供給される受信信号を収録する。レシーバ１０３Ｄからの信号は、通常、アナログの電気信号であるので、例えば、アナログ−デジタル変換器（Ａ／Ｄ変換器）によりサンプリングして、デジタル信号として収録する。
【００３８】
このとき、デジタル値の値が超音波の波高値（超音波の強さ）に相当し、何個目にサンプリングされたかという情報が超音波の往復伝搬時刻に相当する情報となる。また、収録部１０３Ｄで収録されたデジタルのデータ列は、計算機１０３Ａで検査画像の表示用の画像データに処理され、表示部１０４に供給される。ここで、表示部１０３で表示するためのデータ処理の方法（画像の作成方法）については、後で詳述する。
【００３９】
次に、アレイ探触子１０１の詳細について図７を参照して説明する。図７はアレイ探触子１０１の基本的な構成を模式図で示したもので、図示のように、このアレイ探触子１０１は、送受信素子として複数個の超音波発生素子１０１Ａを用いて構成されている。図７では、超音波発生素子が２次元的に配列されており、Ａ方向にＮａ個、もう一方のＢ方向にＮｂ個の素子が配列されており、合計Ｎａ×Ｎｂ個の素子で構成されている。Ｎｂが１の場合は、超音波発生素子が１列に並んだ構造になり、一般にリニアアレイ探触子と呼ばれる。また、Ｎｂが２以上の場合は、マトリクスアレイ探触子と呼ばれる。
【００４０】
上述の記憶部１０３Ｆに記憶される使用する送受信素子は、例えば、アレイ探触子１０１を構成する超音波発生素子１０１ＡにＡ方向の１番からＮａ番まで（Ｎａとして、例えば６４）通し番号を与えて、最初はＡ方向の配列で１番から３２番で、Ｂ方向にはすべての超音波発生素子が含まれる領域７０１を使用し、第２ステップとして、Ａ方向配列で２番から３３番の領域７０２、同様に、第３ステップはＡ方向の配列で３番から３４番などとして切り替えることで、順次超音波が発信する点を移動させることができ、これにより超音波が鋼材に入射する位置（入射点１０５）を移動させることができる。
【００４１】
次に、本発明の実施形態による探傷方法及び探傷検査結果の表示方法について説明する。アレイ探触子１０１を用いたフェーズドアレイ法により、アレイ探触子１０１が浸漬された液体の縦波音速を用いて、被検体１０２表面でレイリー波を発生するディレイパターンを作成し、レイリー波による被検体１０２の表面検査画像を表示部１０４に表示する。
【００４２】
図５及び図６を用いて、表面検査画像の作成方法について詳細に説明する。ここでは、アレイ探触子１０１の超音波発生素子が配列されている方向がＹ軸に平行になるように座標系を設定し、送受信に使用する素子を順次切り替えることで、Ｙ軸方向に入射点位置が移動する場合を考える。
【００４３】
入射点位置のＹ座標がＹ０である場合について説明する。アレイ探触子１０１から、液体５０５中に斜め方向に超音波（斜角超音波５０１）を発信する。斜角超音波５０１は、被検体１０２と液体５０５の境界面５０４上の入射点１０５に到達し、レイリー波５０２に振動モードが変換される。このとき境界面５０４への斜角超音波５０１の入射角度５０１Ａは、数２で与えられる横波臨界角θＣＲで与えられる。例えば、液体が水、被検体が鋼材の場合、水の縦波音速が１４８０ｍ／ｓ、被検体の横波損速が３２００ｍ／ｓなので、θＣＲは２７.５°となる。
【００４４】
（数２）
θＣＲ＝sin-1（Ｃｗ／Ｃｓ）
Ｃｗ：液体中の縦波音速
Ｃｓ：被検体中の横波音速
【００４５】
実際には、探触子から発生する超音波は空間的に広がりがあるため、入射角度は２７.５°の前後、すなわち、約２２.５°から約３２.５°の間の角度であれば、十分な強度で被検体中にレイリー波が発生する。境界５０４でレイリー波に変換された超音波は、被検体表面を伝搬し、表面または表面近傍に存在する反射源（欠陥）１０２Ａが存在すると、欠陥で反射し進行方向を変えて、再び被検体表面をレイリー波５０３として伝搬する。表面を伝搬するレイリー波は、レイリー波として伝搬すると同時に、エネルギーの一部が、液体及び被検体中へ超音波として漏洩するように伝搬する。この漏洩した超音波が、再びアレイ探触子１０１で受信される。
【００４６】
入射点のＹ座標がＹ０であるときの受信波形は、Ａスコープ信号６０５として、横軸に時間、縦軸に振幅として収録される。欠陥１０２Ａの位置を求めるには、超音波の送信点６０３を位置の基準とした場合の、入射点１０５と鋼材表面の伝搬距離６０４を求めればよい。なお、ここではアレイ探触子１０１の超音波送信点６０３は既知として取り扱う。実際には、例えば、アレイ探触子を検査対象部位まで移動するための移動機構により、アレイ探触子の位置を測定することができる。また、本実施例２に記載する方法で超音波によっても測定することができる。
【００４７】
アレイ探触子１０１の超音波送信点６０３が既知であり、ＸＹＺ座標が（Ｘ０，Ｙ０，Ｚ０）で与えられているとする。アレイ探触子１０１と被検体１０２の距離６０６（ここでは、液体中を超音波が伝搬する距離として、水距離Ｄと呼ぶ）については、Ｚ０＝−Ｄが成立するため、Ｄは既知の値である。このとき、被検体表面に対する入射角θ５０１Ａと水距離Ｄ６０６から、入射点１０５の座標（Ｘｉｎ，Ｚｉｎ）は数３で与えられる。
【００４８】
（数３）
Ｘｉｎ＝Ｘ０＋Ｄ×tanθ
Ｚｉｎ＝０
【００４９】
従って、伝搬時間Ｔのうち、液体中の往復伝搬時間Ｔｉｎ及び、被検体表面の往復伝搬時間Ｔｓは数４で与えられる。
【００５０】
（数４）
Ｔｉｎ＝（Ｄ／cosθ）／Ｃｗ
Ｔｓ＝Ｔ−Ｔｉｎ
Ｃｗ：液体中の縦波音速
【００５１】
被検体表面の伝搬時間Ｔｓが求められるので、欠陥のＸＹＺ位置座標（Ｘｄ，Ｙｄ，Ｚｄ）は数５で計算できる。なお、被検体表面からの反射信号６０５Ｃの出現位置が、液体中の伝搬時間Ｔｉｎ６０５Ｂよりやや手前にシフトすることがある。この理由については、実施例２で説明する。
【００５２】
（数５）
Ｘｄ（Ｔ）＝Ｔｓ×Ｃｒ／２＝（Ｔ−Ｔｉｎ）×Ｃｒ／２
Ｙｄ＝Ｙ０
Ｚｄ＝０
Ｃｒ：被検体のレイリー波音速
【００５３】
数５において、Ｘ座標は伝搬時間Ｔの関数となっている。伝搬時間Ｔにおける振幅６０５Ａは振幅Ａ（Ｔ）を持つため、Ｘ座標の値がＸｄ（Ｔ）で、Ｙ座標の値がＹ０である画素に対して、振幅Ａ（Ｔ）の強さに対応した濃淡またはカラーの画素値を与えることで１ラインの画像を得ることができる。
【００５４】
なお、数５中の被検体のレイリー波（表面波）音速は、例えば、記憶部１０３Ｆに記憶され、計算機１０３Ａでの処理に提供される。
【００５５】
以上は入射点のＹ座標がＹ０の場合の説明であるが、フェーズドアレイ方式により、送信に使用する素子群をＹ軸方向に移動させることで、送信点をＹ方向にΔＹだけ移動することが可能であり、入射点のＹ座標をＹ０＋ΔＹに移動することができる。この場合も上記と同様に１ラインの画像を得ることができる。このようにしてＹ軸方向に入射点を順次移動することで、１ラインの画像を並べることで、ＸＹ２次元の画像を得ることができる。
【００５６】
以上のように、フェーズドアレイ方式で超音波の送信点６０３をＹ方向に順次切り替えることで、探触子を移動させることなく、１つの軸（Ｘ軸）は受信信号の伝搬時間に基づく距離、もう１つの軸（Ｙ軸）はフェーズドアレイ方式による入射点の移動量に基づく距離の２つの軸を持つ２次元画像を作成することができる。
【００５７】
なお、２次元画像化範囲を図示すると、図５の領域５０６のようになり、斜角超音波が入射してレイリー波に変換する領域となる。また、画像化領域内のあるピクセル５０６Ａに、例えば、画素値としてＡ（Ｔ）に対応した濃淡やカラーの値（例えば、振幅が大きいと黒、０に近いと白など）が設定される。
【００５８】
欠陥１０２Ａの近傍を本実施例で探傷すると、例えば、１０４Ａに示すような画像を得ることができ、欠陥１０２Ａの形状と同様の欠陥像１０４Ｂを得ることができ、被検体表面の欠陥の寸法や性状を評価することができる。
【００５９】
図８，図９，図１２を用いて、本実施例の探傷方法をフローチャートで示す。図８に、探傷全体のフローを示す。探傷全体は４つのステップで構成される。
【００６０】
第一ステップとして、検査対象機器の検査対象（被検体）にアクセスする（Ｓ８０１）。検査対象機器の例として、原子力発電プラントの原子炉炉内構造物（シュラウドサポート，制御棒駆動機構スタブチューブ，炉内計装管台）の溶接部などがある。また、アクセス方法としては、遠隔走査が可能なロボット，マニプレータ，泳動ビークルなどの自動装置の他、センサを直接吊り降ろす等の手動による手段でもよい。
【００６１】
第二ステップで、被検体の表面形状を測定する（Ｓ８０２）。このステップの目的は、被検体の表面形状や、被検体表面とアレイ探触子の位置関係を把握することにある。したがって、この第二ステップにより、アレイ探触子１０１と被検体１０２の距離６０６（水距離Ｄ）が明らかとなる。本ステップの詳細は、実施例２で説明する。
【００６２】
第三ステップで、被検体表面を検査する（Ｓ８０３）。本実施例では、図９を用いて、このステップの詳細について説明する。
【００６３】
最後に、被検体内部を検査する（Ｓ８０４）。本ステップの詳細は、第３の実施例で説明する。
【００６４】
上記の４つのステップにより、被検体の探傷時に必要な被検体とアレイ探触子の位置関係をステップＳ８０２で把握し、被検体の表面検査をＳ８０３で実施し、被検体内部の体積検査をＳ８０４で実施することで、被検体の表面検査と体積検査の両方を行うことができる。
【００６５】
図９に、被検体表面の表面検査（Ｓ８０３）を構成するステップを示す。被検体表面の表面検査では、最初に、レイリー波入射の設定を行い（Ｓ９０１）、次に、被検体表面の探傷を行い（Ｓ９０２）、最後に、被検体表面の検査結果画像を表示する（Ｓ９０３）。
【００６６】
レイリー波入射の設定（Ｓ９０１）を行う方法には、例えば、以下の方法がある。被検体表面にレイリー波を発生させるには、被検体表面の法線方向に対して、θＣＲ（数２参照）傾斜した超音波を入射すればよい。
【００６７】
具体的には、リニアアレイ探触子（図７においてＮｂが１の場合）では、超音波の送信方向を、アレイ探触子を傾斜させて決めればよい。また、マトリクスアレイ探触子（図７においてＮｂが２以上の場合）では、フェーズドアレイ方式を採用して、入射点の切り替えにはＡ方向で使用する素子領域（７０１，７０２）を切り替え、Ｂ方向に配列された超音波発生素子に対して、超音波発生時間に遅延を与えることで超音波の送信方向を電子的に傾斜させてもよい。
【００６８】
このとき、被検体表面から反射する信号の振幅に着目して、被検体表面からの反射波が最大となるときに、超音波が被検体表面の法線方向に平行に超音波が入射している（すなわち、入射角度が０°）ことが推定できるので、被検体表面からの反射波が最大の状態を角度の基準として、角度θＣＲ傾斜させることで、レイリー波入射の設定を行うことができる。
【００６９】
被検体表面の探傷（Ｓ９０２）を行う方法を、図１２にフローチャートで示す。
【００７０】
最初に、アレイ探触子に与えるディレイパターンを読み込む（Ｓ１２０１）。このディレイパターンには２つの情報が含まれている。１つは、アレイ探触子から送信される超音波の送信角度、もう一つは送受信に使用する送受信素子群である。超音波の送信方向はレイリー波が発生する角度に設定されているが、例えば、機械的に傾斜させる場合には、アレイ探触子からの送信角度は０°、フェーズドアレイ方式で傾斜させる場合には、θＣＲ前後の角度が設定される。また、送受信素子群は、例えば、１２８素子の超音波発生素子が１列に配列されたアレイ探触子の場合、１パターン目では、１から３２素子、２パターン目では、２から３３素子、最後の９７パターン目で、９７から１２８素子で送受信を行う。
【００７１】
次に、読み込んだディレイパターンに従い、最初のパターンの送受信素子群が設定され（Ｓ１２０２）、超音波が送信される（Ｓ１２０３）。液体や被検体表面を伝搬した超音波がアレイ探触子で受信され、Ａスコープ信号として収録される（Ｓ１２０４）。
【００７２】
受信された信号の伝搬時間のうち、水距離Ｄが既知であるので、数４及び数５から、被検体表面の伝搬時間に対応した反射源位置座標（Ｘｄ，Ｙｄ）が算出される（Ｓ１２０５）。次に、前記反射源位置座標を画像化するための画素値として、振幅値Ａ（Ｔ）を与える（Ｓ１２０６）。例えば、振幅値を最大値と最小値で規格化して、規格化された振幅値の大きさに比例した白黒濃淡やカラー値（ＲＧＢなど）を画素値として設定することで、画像データが生成される。次に、次の入射点に対応した送受信素子群に切り替え（Ｓ１２０７）、これをディレイパターンのすべてについて実施し（Ｓ１２０８）、終了となる。
【００７３】
このとき、遅延時間Ｓ１２０２からＳ１２０８の処理は、計算機１０３Ａを用いて自動処理として実行される。計算機１０３Ａの処理のフローを、１９を用いて説明する。
【００７４】
アレイ探触子に与えるディレイパターンは、例えば、ユーザにより手動で入力され（Ｓ１９００）、記憶部１０３Ｆに格納される（Ｓ１９０１）。計算機１０３Ａは、送信に使用する送信素子群及び送信素子群に与えるディレイパターンを、遅延時間制御部１０３Ｂに提供し（Ｓ１９０２）、遅延時間制御部１０３Ｂはディレイパターンに従って送信素子に電圧を印加するタイミングを遅延させたトリガ信号を発生させる。パルサー１０３Ｃは前記トリガ信号に従って、超音波をアレイ探触子から発生させる。送信された超音波は、被検体の表面（または内部）を伝搬して、反射波としてアレイ探触子で受信される。
【００７５】
なお、計算機１０３Ｂは、記憶部１０３Ｆに格納されたディレイパターンに含まれる情報のうち、受信に用いる受信素子群及び受信素子群に与えるディレイパターンを遅延制御部１０３Ｂに提供する（Ｓ１９０２）。アレイ探触子で受信される超音波は、圧電素子により、機械的な振動から電気的な信号に変換される。レシーバ１０３Ｄ及びデータ収録部１０３Ｅは、遅延制御部１０３Ｂにより制御され、受信素子群に指定された素子において受信された信号がレシーバ１０３Ｄからデータ収録部１０３Ｅに提供される。データ収録部１０３Ｅにおいて、電気信号は、アナログからデジタル信号に変換され、さらに、ディレイパターンに従って、各素子で受信された信号が遅延され加算され、Ａスコープ信号として収録される。
【００７６】
計算機１０３ＢはＡスコープ信号を読み込み（Ｓ１９０３）、数４及び数５に従って、反射源位置を計算し（Ｓ１９０４）、さらに前記反射源位置に従った画素値を計算し（Ｓ１９０５）、データ表示部１０４に提供する（Ｓ１９０６）。以上の処理の後に、計算機１０３Ｂは、遅延制御部に対して、次の入射点に対応した送受信素子群に切り替える指示を与える。これをディレイパターンのすべてについて実施し（Ｓ１９０７）、被検体表面の表面検査の処理が終了となる。
【００７７】
ステップＳ９０２により、画素座標（Ｘｄ，Ｙｄ）に画素値Ａ（Ｔ）が割り当てられた２次元画像データが生成されるので、これを表面検査結果として表示する（Ｓ９０３）。図１５に表面検査結果の画像例を示す。２次元画像１５０１において、縦軸は被検体表面の伝搬距離、横軸は入射点の移動量とした例である。また、振幅値Ａ（Ｔ）と画素値の対応の例として、図１５では、カラーバー１５０２により振幅値と白黒の濃淡値を対応させ画像化している。
【００７８】
この実施例によれば、アレイ探触子を構成する超音波発生素子のうち、送受信に使用する送受信素子群をフェーズドアレイ方式により切り替えることで入射点を移動させ、また、被検体表面を伝搬する伝搬時間と表面波音速から、被検体表面の伝搬距離に換算することで、アレイ探触子の位置を走査することなく、被検体表面の検査結果画像を作成，表示することができる。したがって、画像作成のためのアレイ探触子移動なく、電子的な制御で超音波画像を合成できる簡便な超音波探傷方法及び装置を提供することができる。
【実施例２】
【００７９】
第２の実施形態では、第１の実施形態のように被検体表面の表面検査をステップＳ８０３で行うが、その前のステップとして被検体表面形状の測定をステップＳ８０２で行う。被検体表面の表面検査をステップＳ８０３で行う内容は第１の実施形態と同じなので、その説明を省略して、被検体表面形状の測定をステップＳ８０２で行う内容について以下に解説する。
【００８０】
本発明の第２の実施形態では、被検体表面形状の断面画像を表示してその形状を可視化する例である。これは探傷フロー（図８）では、被検体表面形状の測定（Ｓ８０２）に相当する。
【００８１】
図１０に、被検体表面形状の測定（Ｓ８０２）を構成するステップを示す。被検体表面の表面検査では、最初に、縦波垂直超音波入射の設定を行い（Ｓ１００１）、次に、被検体表面形状及び距離の測定を行い（Ｓ１００２）、最後に、被検体表面形状の断面結果画像を表示する（Ｓ１００３）。
【００８２】
縦波垂直超音波入射の設定（Ｓ１００１）を行う方法には、例えば、以下の方法がある。被検体表面の形状及び距離の測定には、被検体表面からの縦波反射波を用いる。なお、アレイ探触子と被検体の間は液体で満たされている。通常の粘性の小さい液体は縦波のみを伝える性質があるため、本実施例で利用する超音波は、液体中を伝搬する縦波超音波である。
【００８３】
液体と被検体表面の境界面での反射波の強度は、被検体表面に垂直に入射する場合に最も反射率が大きくなることが知られているので、理論上は被検体表面の法線方向に超音波が入射するように設定するのがよい。しかしながら、液体から金属に超音波が入射する場合の反射率は約９０％であり、ほとんどのエネルギーが反射されるため非常に強い信号となる。本発明の属する、通常の固体を検査する用途の超音波探傷装置では、超音波探触子から固体に入射し、固体中を伝搬し、再び超音波探触子に戻ってくる微弱な超音波を受信できるように増幅率の大きなアンプ機能を有している。したがって、液体と金属の境界面で反射された超音波についても増幅することで非常に微弱な強度でも識別が可能となる。このため、実用上は、被検体表面の法線方向から約３０°程度ずれた方向であっても、被検体表面の反射波を十分な強度で受信することができる。
【００８４】
被検体表面に縦波垂直超音波を被検体の法線方向に入射させるには、アレイ探触子を機械的に傾斜させる方法と、あるいは、フェーズドアレイ方式を採用して、アレイ探触子を構成する超音波発生素子の超音波発生時間に遅延を与えることで超音波の送信方向を電子的に傾斜させる方法が考えられる。さらに、被検体表面が平板に近い場合には、探触子の方向が被検体表面から約３０°程度ずれていたとしても、前述したように、被検体表面からの反射波の強度が大きい特性があるため、実施例１で示したような、レイリー波が発生するようにアレイ探触子の方向を設定した場合においても、十分な強度で被検体表面からの信号を受信できる。このため、被検体表面からの反射波を受信するためを目的とした機械的または電子的な傾斜操作が不要になり、より簡便な測定が可能となる。
【００８５】
なお、被検体表面が曲率を持つ場合など、被検体表面からの反射波が幾何学的な理由により微弱となる可能性がある場合には、被検体表面から反射する信号の振幅に着目して、被検体表面からの反射波が最大となるときに、超音波が被検体表面の法線方向に平行に超音波が入射している（すなわち、入射角度が０°）ことが推定できるので、振幅が最大となる場合の反射波を利用するとよい。
【００８６】
被検体表面形状及び距離の測定（Ｓ１００２）を行う方法を、図１３にフローチャートで示す。最初に、アレイ探触子に与えるディレイパターンを読み込む（Ｓ１３０１）。このディレイパターンには２つの情報が含まれている。１つは、アレイ探触子から送信される超音波の送信角度、もう一つは送受信に使用する送受信素子群である。
【００８７】
超音波の送信方向は被検体表面からの反射波が受信できる角度に設定されているが、例えば、被検体表面が曲面の場合には、アレイ探触子からの送信角度は０°、被検体表面が平板に近い場合には、実施例１に記載のレイリー波発生のためのディレイパターンのままでよい。
【００８８】
また、送受信素子群は、例えば、１２８素子の超音波発生素子が１列に配列されたアレイ探触子の場合、１パターン目では、１から３２素子、２パターン目では、２から３３素子、最後の９７パターン目で、９７から１２８素子で送受信を行う。
【００８９】
次に、読み込んだディレイパターンに従い、最初のパターンの送受信素子群を設定し（Ｓ１３０２）、超音波を送信する（Ｓ１３０３）。液体中を伝搬し、被検体表面で反射された超音波がアレイ探触子で受信され、Ａスコープ信号として収録される（Ｓ１３０４）。
【００９０】
本実施例では、水距離Ｄは既知でなくてもよい。検査対象機器（被検体）へのアクセス（Ｓ８０１）のステップで、アクセス用の装置の座標等から水距離Ｄが推定できる場合もあるが、本実施例では、本発明で用いるアレイ探触子によって水距離Ｄ及びＤの分布を表したもの、すなわち、断面形状を測定する方法を説明する。
【００９１】
レイリー波が送信されるように設定した場合、被検体表面形状を測定で受信される信号は、例えば、図６のＡスコープ信号６０５のような波形となる。被検体表面からの反射波６０５Ｃは、液体中を斜めの経路（６０１及び６０２）を伝搬する伝播時間Ｔｉｎとややずれた位置に出現する。その理由は、上述の通り、液体と被検体表面の境界からの反射波の信号は非常に強い信号強度を持つため、液体中の最短の伝搬経路（６０８，６０９）を伝わる反射波も十分な強度で受信されることになる。
【００９２】
したがって、被検体表面からの反射波は伝搬経路６０８及び６０９の最短経路をとるため、Ｔｉｎより早い時間位置に出現することになる。被検体表面までの距離Ｄ及び形状を測定するには、被検体表面からの信号６０５Ｃの伝搬時間に注目すればよい。液体中の縦波音速をＣｗ、被検体表面からの反射波の伝搬時間をＴｗとすれば、被検体表面までの距離Ｄは数６で計算することができる（Ｓ１３０５）。
【００９３】
（数６）
Ｄ＝Ｔｗ×Ｃｗ／２
【００９４】
なお、数６中の液体の縦波音速は、例えば、記憶部１０３Ｆに記憶され、計算機１０３Ａの処理に提供される。
【００９５】
次に、前記反射源位置座標を画像化するための画素値として、振幅値Ａ（Ｔ）を与える（Ｓ１３０６）。例えば、振幅値を最大値と最小値で規格化して、規格化された振幅値の大きさに比例した白黒濃淡やカラー値（ＲＧＢなど）を画素値として設定することで、画像データが生成される。次に、次の入射点に対応した送受信素子群に切り替え（Ｓ１３０７）、これをディレイパターンのすべてについて実施し（Ｓ１３０８）、終了となる。
【００９６】
ステップＳ１００２により、超音波入射点の移動量と、水距離Ｄ、すなわち、Ｚ軸（深さ方向）に画素値Ａ（Ｔｗ）が割り当てられた２次元画像データが生成されるので、これを表面検査結果として表示する（Ｓ１００３）。図１６に表面形状の断面結果の画像例を示す。２次元画像１６０１において、縦軸は液体中の伝搬距離、横軸は入射点の移動量とした例である。被検体表面からの反射波１６０２が現れる縦軸の距離から、被検体表面とアレイ探触子の間の水距離Ｄが約２７mmであることが分かる。なお、振幅値Ａ（Ｔ）と画素値の対応の例として、図１５と同じカラーバー１５０２により振幅値と白黒の濃淡値を対応させ画像化している。
【００９７】
このとき、遅延時間Ｓ１３０２からＳ１３０８の処理は計算機１０３Ａを用いて自動処理として実行される。処理のフローは図２０に示すように、図１９に示す実施例１の自動処理のフローと同様の流れとなる。ただし、ディレイパターンの入力（Ｓ２０００）については、例えば、実施例１のフロー（Ｓ１９００）と入力を共通化することで、表面形状計測の処理が終了後、自動処理を継続して、被検体表面の表面検査の処理に移行することが可能となる。
【００９８】
この実施例によれば、アレイ探触子を構成する超音波発生素子のうち、送受信に使用する送受信素子群をフェーズドアレイ方式により切り替えることで入射点を移動させ、また、液体中を伝搬する伝搬時間と液体中の縦波音速から、液体中の伝搬距離に換算することで、アレイ探触子の位置を走査することなく、被検体表面形状の断面結果画像を作成，表示することができる。さらに、実施例１に記載の表面検査も実施することが可能である。したがって、画像作成のためのアレイ探触子移動なく、電子的な制御で超音波画像を合成できる簡便な超音波探傷方法及び装置を提供することができる。
【実施例３】
【００９９】
第３の実施形態では、第２の実施形態による被検体表面形状の測定をステップＳ８０２で行った後に第１の実施形態のように被検体表面の表面検査をステップＳ８０３で行い、その後に、被検体１０２の体積検査のステップＳ８０４を行う。
【０１００】
第１と第２の各実施形態は既述したので、それらのステップ８０２，Ｓ８０３の説明を省略して、以下には、被検体１０２の内部の体積検査のステップＳ８０４について解説する。
【０１０１】
本発明の第３の実施形態では、被検体内部の体積検査の検査画像を表示する例である。探傷フロー（図８）では、被検体内部の体積検査（Ｓ８０４）に相当する。
【０１０２】
図１１に、被検体内部の体積検査（Ｓ８０４）を構成するステップを示す。体積検査では、最初に、被検体１０２内部の体積検査箇所の選定を行う（Ｓ１１００）。すなわち、体積検査に先行して実施した被検体表面の検査結果から、被検体表面に欠陥が存在する箇所について、欠陥の深さの情報得るために、被検体内部の体積検査を実施する箇所を選定する。次に、被検体１０２中を伝搬する縦波または横波超音波入射の設定を行い（Ｓ１１０１）、縦波または横波を用いて被検体内部の探傷（Ｓ１１０２）にて体積検査を行い、最後に、被検体１０２内部の体積検査の結果画像を検査画像として表示部１０４に表示する（Ｓ１１０３）。
【０１０３】
縦波または横波超音波入射の設定（Ｓ１１０１）を行う方法には、例えば、以下の方法がある。被検体内部に発生する超音波が縦波でも横波でも方法に差はないため、ここでは縦波を中心に説明する。なお、縦波と横波の使い分けとしては、例えば、オーステナイト系ステンレス鋼や、高ニッケル合金の溶接部に対しては縦波を、炭素鋼溶接部には横波を用いる、などとする。
【０１０４】
図１８は、入射点位置１８０３におけるＸＺ断面図である。被検体１０２に表面開口している反射源（欠陥）１０２Ａを例に説明する。一般にき裂などの欠陥は、開口部（ＸＹ面の表面）の広がりの他に、内部（Ｚ方向）の広がりを持っている。体積検査では、この反射源の先端位置１８０２Ａからの反射波から反射源の深さ位置１８０４を評価する。先端位置１８０２Ａに超音波を入射させるため、一般に斜角超音波が利用される。ここでは、屈折角θ２（１８０２Ｃ）で被検体中に斜め方向の超音波（斜角超音波）を伝搬させている。
【０１０５】
被検体内部を角度θ２で伝搬する縦波または横波超音波を発生させるには、被検体表面の法線方向に対して、θ１（数７参照）傾斜した超音波を入射すればよい。
【０１０６】
（数７）
θ１＝sin-1（sinθ２×Ｃｗ／Ｃｖ）
Ｃｗ：液体中の縦波音速
Ｃｖ：被検体中の音速（縦波または横波）
【０１０７】
なお、数７中の液体の縦波音速及び被検体中の音速（縦波または横波）は、例えば、記憶部１０３Ｆに記憶され、計算機１０３Ａの処理に提供される。
【０１０８】
具体的には、リニアアレイ探触子の場合では探触子を傾斜させて超音波の送信方向を傾斜させればよい。また、マトリクスアレイ探触子の場合では、フェーズドアレイ方式を採用して、アレイ探触子を構成する超音波発生素子の超音波発生時間に遅延を与えることで超音波の送信方向を電子的に傾斜させてもよい。
【０１０９】
このとき、被検体表面から反射する信号の振幅に着目して、被検体表面からの反射波が最大となるときに、超音波が被検体表面の法線方向に平行に超音波が入射している（すなわち、入射角度が０°）ことが推定できるので、被検体表面からの反射波が最大の状態を角度の基準として、角度θ１傾斜させることで、角度θ２の超音波入射の設定を行うことができる。
【０１１０】
被検体内部の探傷（Ｓ１２０２）を行う方法を、図１４にフローチャートで示す。最初に、アレイ探触子に与えるディレイパターンを読み込む（Ｓ１４０１）。このディレイパターンには２つの情報が含まれている。１つは、被検体内部の超音波の伝搬角度θ２（または液体中の送信角度θ１）、もう一つは送受信に使用する送受信素子群である。超音波の送信方向は縦波（または横波）が発生する角度に設定されているが、例えば、機械的に傾斜させる場合には、アレイ探触子からの送信角度は０°、フェーズドアレイ方式で傾斜させる場合には、θ１の角度が設定される。
【０１１１】
また、送受信素子群は、例えば、１２８素子の超音波発生素子が１列に配列されたアレイ探触子の場合、１パターン目では、１から３２素子、２パターン目では、２から３３素子、最後の９７パターン目で、９７から１２８素子で送受信を行う。
【０１１２】
次に、読み込んだディレイパターンに従い、最初のパターンの送受信素子群を設定し（Ｓ１４０２）、超音波を送信する（Ｓ１４０３）。液体や被検体表面を伝搬した超音波がアレイ探触子で受信され、Ａスコープ信号として収録される（Ｓ１４０４）。探触子位置１８０３で受信されるＡスコープ信号１８０１は、横軸に時間、縦軸に振幅Ａ（Ｔ）で表される波形となる。
【０１１３】
受信された信号の伝搬時間のうち、水距離Ｄが既知であるので、数８及び数９から、被検体表面の伝搬時間に対応した反射源位置座標（Ｘｄ，Ｙｄ，Ｚｄ）が算出される（Ｓ１４０５）。次に、前記反射源位置座標を画像化するための画素値として、振幅値Ａ（Ｔ）を与える（Ｓ１４０６）。例えば、振幅値を最大値と最小値で規格化して、規格化された振幅値の大きさに比例した白黒濃淡やカラー値（ＲＧＢなど）を画素値として設定することで、画像データが生成される。次に、次の入射点に対応した送受信素子群に切り替え（Ｓ１４０７）、これをディレイパターンのすべてについて実施し（Ｓ１４０８）、終了となる。
【０１１４】
（数８）
Ｔ１＝（Ｄ／cosθ１）／Ｃｗ
Ｔ２＝Ｔ−Ｔ１
Ｃｗ：液体中の縦波音速
【０１１５】
（数９）
Ｘｄ（Ｔ）＝Ｔ２×Ｃｖ／２×sinθ２
Ｙｄ＝Ｙ０
Ｚｄ（Ｔ）＝Ｔ２×Ｃｖ／２×cosθ２
【０１１６】
ステップＳ９０２により、画素座標（Ｘｄ，Ｙｄ，Ｚｄ）に画素値Ａ（Ｔ）が割り当てられる。このように、一箇所の入射点でのＡスコープ信号はＸＺ断面図１８０２の中の１本のライン１８０２Ｂに相当するデータを与える。さらに、探触子２０１を、アレイ探触子の送信位置を切り替えることによってＹ軸方向に移動すると、探触子位置２０５の移動にともなって、斜角超音波の入射点位置４０３がＹ軸に沿って移動する。こうすることで、振幅の強度を可視化したライン４０２Ｂが複数本、Ｙ軸方向に並ぶことで、ライン状のデータが、各伝搬時間に相当する振幅値の強度に相当する濃度や色情報を持った２次元画像に変換される。このようにして生成された２次元画像データを、体積検査結果として表示する（Ｓ９０３）。
【０１１７】
このとき、遅延時間Ｓ１４０２からＳ１４０８の処理は計算機１０３Ａを用いて自動処理として実行される。処理のフローは図２１に示すように、実施例１及び実施例２の自動処理のフロー（図１９及び図２０）と同様の流れとなる。ただし、ディレイパターンの入力（Ｓ２１００）については、例えば、実施例２のフロー（Ｓ２０００）と入力を共通化することで、表面形状計測及び表面検査の処理が終了後、自動処理を継続して、被検体内部の体積検査の処理に移行することが可能となる。
【０１１８】
図１７にフェーズドアレイ方式で被検体中に斜め方向に超音波を入射した場合の被検体内部の体積検査結果の画像例を示す。図１７は、あるＹ座標での（Ｙｄ，Ｚｄ）の２次元画像１７０１である。なお、振幅値Ａ（Ｔ）と画素値の対応の例として、図１５と同じカラーバー１５０２により振幅値と白黒の濃淡値を対応させ画像化している。被検体表面の指示（１７０２）を基準として、被検体内部に存在する欠陥の先端部の指示（１７０３）を測定することで、欠陥の深さ（１８０４）を測定することができる。
【０１１９】
この実施例によれば、アレイ探触子を構成する超音波発生素子のうち、送受信に使用する送受信素子群をフェーズドアレイ方式により切り替えることで入射点を移動させ、また、被検体中を伝搬する伝搬時間と被検体の縦波または横波音速から、被検体中の伝搬距離に換算することで、アレイ探触子の位置を走査することなく、被検体内部の体積検査の結果画像を作成，表示することができる。さらに、実施例１に記載の表面検査も実施することが可能である。したがって、画像作成のためのアレイ探触子移動なく、電子的な制御で超音波画像を合成できる簡便な超音波探傷方法及び装置を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１２０】
本発明は、構造物を非破壊的に検査する超音波探傷技術の分野に利用可能性がある。
【符号の説明】
【０１２１】
１０１ アレイ探触子
１０２ 被検体
１０３ 送受信部
１０４ 表示部
１０５ 入射点
１０５Ｂ 表面波
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アレイ探触子をフェーズドアレイ方式で駆動して固体の被検体に対して超音波探傷を施す超音波探傷技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鋼材などの固体を被検体とする非破壊検査として、表面の健全性を評価する表面検査と、固体内部の健全性を評価する体積検査がある。表面検査の手法として、目視検査法，浸透探傷法，磁粉探傷法，渦流探傷法などが知られている。
【０００３】
また、体積検査の手法として、放射線透過法，超音波探傷法が知られている。検査対象となる被検体の表面と内部（体積）の両方の健全性を評価するには、例えば、表面検査と体積検査を組み合わせて実施するなどの工夫が必要となる。
【０００４】
体積検査法のうち、固体の検査方法として、固体内部を伝搬する縦波及び横波による超音波探傷法が従来から一般に用いられている。この超音波探傷法の一種に、いわゆるフェーズドアレイ方式の超音波探傷法がある。
【０００５】
ここで、このフェーズドアレイ方式とは、電子的走査である電子走査方式又は電子スキャン方式とも呼ばれ、例えば圧電素子からなる複数の超音波発生素子をアレイ状に配置した探触子、いわゆるアレイ探触子を用い、超音波発生の契機となる電気信号を、このアレイ探触子の各素子毎に所定の時間だけ遅延させて与え、各素子から発生した超音波が重ね合わされ、合成波を形成することで、被検査体への超音波の送信角度と受信角度、送信位置と受信位置、或いは合成波が干渉して互いにエネルギーを強め合う位置、つまり焦点位置などの条件が電気的な制御により高速で変化させることができるようにした超音波探傷法のことである。なお、ここでは、素子毎に与える所定の遅延の組み合わせをディレイパターンと呼ぶこととする。
【０００６】
このようにアレイ探触子を用いて探傷条件を電気的に走査する理由は、広い検査範囲にわたって超音波の送受信角度位置や焦点を自由に変化させられるからであり、そうすることにより、被検査体の反射源（欠陥等）からの反射波をより強く受信できる角度や位置、焦点を選択することで、反射源である欠陥が見付け易くできるからである。
【０００７】
固体を伝わる超音波には、体積中を伝搬する体積波（縦波，横波）以外に、表面波（レイリー波，Rayleigh波）と呼ばれる固体表面を伝搬する振動モードが存在する。
【０００８】
レイリー波（レーリー波）とは、「表面近傍にだけエネルギーが集中して伝わる波」とあり、その伝搬速度は固体中の横波音速の約９０％程度で、表面が曲面の場合でも表面近傍に沿って伝搬する。
【０００９】
レイリー波を用いた超音波探傷装置では、被検体の表面に探触子から超音波を斜めに入射させることで、被検体表面に表面波（レイリー波）を発生させ、被検体の欠陥や損傷を検査する（例えば、特許文献１参照）。
【００１０】
また、フェーズドアレイ方式を利用してレイリー波による検査を行うことも可能であり、被検体の表面に伝搬する表面波により、被検体表面の欠陥から反射する超音波を受信することができる（例えば、特許文献２参照）。
【００１１】
上記従来技術は、レイリー波を受信することで被検体の健全性を評価している。被検体の検査結果を画像化するには、図２に示すように、探触子を２次元的に走査する必要があり、機械的な探触子走査が不可避である。
【００１２】
通常の超音波探傷では、図２及び図３に示すように、ある探触子位置２０５において、超音波探傷器２０３と接続された探触子２０１で超音波が送信され、被検体１０２で反射された超音波が再び探触子２０１で受信される。この受信信号は、時間と振幅の関係で表される信号（Ａスコープ信号２０６）として、収録・表示される。
【００１３】
超音波探傷結果を画像化するには、駆動制御部２０４Ａ及び移動量検出部２０４Ｂを備える制御機構２０４と接続された走査機構２０２により探触子を２次元的に走査させ、探触子位置におけるＡスコープ信号２０６から、ＸＺ断面図（Ｂスコープ３０１），ＸＹ断面図（Ｃスコープ３０２），ＹＺ断面図（Ｄスコープ３０３）に合成する。
【００１４】
例として、図４を用いて、２次元画像のうちＢスコープの合成方法について説明する。図４は、入射点位置４０３におけるＸＺ断面図である。屈折角θ４０２Ｃで被検体中に斜め方向の超音波（斜角超音波）が伝搬しているとする。探触子位置４０３で受信される信号は、Ａスコープ信号４０１のように、横軸は時間、縦軸は振幅で表される波形となる。
【００１５】
ここで、受信信号は、伝搬時間Ｔにおいて振幅値Ａ（Ｔ）４０１Ａを持つ。伝搬時間Ｔの信号は、被検体中の音速Ｃにより、伝搬距離（または路程）Ｗ（Ｔ）に換算することができる。さらに、被検体中の音速Ｃと屈折角θを用いて、伝搬距離Ｗ（Ｔ）は、数１により、被検体中の座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に変換することができる。
【００１６】
（数１）
Ｘ＝Ｘ′＋Ｗ（Ｔ）×sinθ
Ｙ＝Ｙ′
Ｚ＝Ｚ′＋Ｗ（Ｔ）×cosθ
Ｘ′：入射点４０３のＸ座標
Ｙ′：入射点４０３のＹ座標
Ｚ′：入射点４０３のＺ座標
Ｗ（Ｔ）：超音波の片道伝播路程（Ｗ（Ｔ）＝Ｃ×Ｔ／２）
Ｃ：被検査体中を伝搬する超音波の音速
Ｔ：受信信号の伝搬時間
θ：被検体中の屈折角
【００１７】
このように、一箇所の入射点でのＡスコープ信号はＸＺ断面図４０２の中の１本のライン４０２Ｂに相当するデータを与える。伝搬時間Ｔに相当する画素４０２Ａに、振幅Ａ（Ｔ）と比例する濃淡や色情報を付与することで、振幅の強度を可視化することが可能となる。
【００１８】
さらに、探触子２０１を走査機構によってＸ軸方向に移動すると、探触子位置２０５の移動にともなって、斜角超音波の入射点位置４０３がＸ軸に沿って移動する。こうすることで、振幅の強度を可視化したライン４０２Ｂが複数平行に並ぶことで、ライン状のデータが、各伝搬時間に相当する振幅値の強度に相当する濃度や色情報を持った２次元画像に変換される。
【００１９】
以上の処理を、Ｘ方向とＹ方向の両方向に対して実施することで、１ラインのＡスコープ信号（伝搬時間と振幅値）が、３次元座標に対応したデータ群としてまとめられ、特定の座標に関する断面図または透視図として３次元データ群から２次元データを抜き出すことで、Ｂスコープ画像，Ｃスコープ画像，Ｄスコープ画像等の２次元画像が合成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】特開平１０−１２３１０６号公報
【特許文献２】特開２００８−２９８４５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
上記従来技術は、検査結果を２次元の検査画像として得るためには、探触子を２次元的に走査する必要がある。高い精度の検査画像を得るには、位置精度が高いより大規模な探触子走査機構が必要となる。このため、検査対象が狭隘な部位の検査や、検査装置のアクセスが困難な場合においては、検査装置の操作性及び検査作業の簡便性に問題があった。
【００２２】
本発明の目的は、超音波探触子自体の位置を移動させるという走査を行うことなく、簡便に検査画像の作成を可能とする超音波探傷方法及び装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明の目的を達成するための手段としての装置は、アレイ探触子と、前記アレイ探触子をフェーズドアレイ方式により動作させて、被検体に表面波を発生させる角度の斜角超音波を送受信する送受信部と、前記送受信部から供給された受信信号に基づいて前記被検体の検査画像を表示する表示部とを備えた超音波探傷装置において、前記被検体への前記斜角超音波の入射点を、前記アレイ探触子で用いる圧電素子のディレイパターンを切り替えて、前記斜角超音波の伝搬方向と被検体の法線方向とが形成する超音波伝搬面の面外に、電子的に移動させる手段と、前記入射点の移動量と、前記入射点で発生した表面波が前記被検体を伝播して超音波反射源で反射して受信された前記受信信号とに基づいた前記被検体の表面の検査画像を前記表示部に表示させる手段とを備えたことを特徴とするアレイ探触子を用いた超音波探傷装置である。
【００２４】
本発明の目的を達成するための手段としての方法は、超音波探傷装置のアレイ探触子をフェーズドアレイ方式により動作させて、前記アレイ探触子から超音波を被検体に対して送受信し、前記送受信結果に基づいて前記超音波探傷装置の表示部に検査画像を表示する超音波探傷方法において、前記アレイ探触子から前記被検体の表面に表面波を発生させる角度の斜角超音波を発信すると共に、前記斜角超音波の前記被検体への入射点を、前記被検体に設定した多次元座標軸の内、前記斜角超音波の伝搬方向と前記被検体の法線方向とに対して角度を有して設定した一つの次元の座標軸沿いに移動させ、前記入射点の移動量と、前記入射点で発生した表面波が前記被検体を伝播して超音波反射源で反射して受信された前記受信信号とに基づいた前記被検体の表面の検査画像を前記表示部に表示させる手段とを備えたことを特徴とするアレイ探触子を用いた超音波探傷方法である。
【発明の効果】
【００２５】
このような手段によれば、表面波による被検体の表面検査の検査画像を、アレイ探触子の位置を機械的に走査することなく、入射点の移動方向を一つの座標軸とした多次元座標上での検査画像として簡便に作成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施例による超音波探傷装置の構成図である。
【図２】従来の超音波探傷装置の構成図である。
【図３】超音波探傷装置における表示部にて表示される２次元画像の説明図である。
【図４】従来の超音波探傷法による画像化方法の説明図である。
【図５】本発明の実施例による超音波探傷法による画像化方法の説明図である。
【図６】本発明の実施例による超音波探傷法による画像化方法の説明図である。
【図７】本発明の実施例に採用されるアレイ探触子の構造模式図である。
【図８】本発明の実施例による超音波探傷方法の全体フローの説明図である。
【図９】本発明の実施例による被検体表面の検査のフローの説明図である。
【図１０】本発明の実施例による被検体表面形状の測定のフローの説明図である。
【図１１】本発明の実施例による被検体内部の検査のフローの説明図である。
【図１２】本発明の実施例による被検体表面の探傷のフローの詳細説明図である。
【図１３】本発明の実施例による被検体表面形状の測定のフローの詳細説明図である。
【図１４】本発明の実施例による被検体内部の探傷のフローの詳細説明図である。
【図１５】本発明の実施例による被検体表面の検査画像を例示した図である。
【図１６】本発明の実施例による被検体表面形状の測定結果を画像表示した例示図である。
【図１７】本発明の実施例による被検体内部の検査画像を例示した図である。
【図１８】本発明の実施例による被検体内部の超音波探傷方法による画像化方法の説明図である。
【図１９】本発明の実施例による被検体表面の検査の計算機による自動処理フローの説明図である。
【図２０】本発明の実施例による被検体表面形状測定の計算機による自動処理フローの説明図である。
【図２１】本発明の実施例による被検体内部の検査（体積検査）の計算機による自動処理フローの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明の実施例では、複数個の圧電素子の配列からなるアレイ探触子を液体中に浸漬させて用い、これをフェーズドアレイ方式により動作させ、そのアレイ探触子と前述の液体に接している金属などの固体の被検体の間で超音波を送受信して、受信した情報から検査画像を構築して表示する手段を有する超音波探傷装置において、アレイ探触子から被検体の表面の入射点へ斜角超音波を発信して、その表面に表面波（レイリー波）を発生させ、その表面波の伝搬方向（図１のＸ座標軸方向）、即ち探傷を行う方向或いは超音波の強度の高い伝播方向、と被検体の表面の法線方向とが形成する面の面外に、入射点を（図１のＹ座標軸方向沿い）へ順次移動させる電子的走査を行う手段と、その入射点の移動量と、斜角超音波の受信信号に基づいた被検体表面の欠陥の検査画像を入射点の移動方向を一つの座標軸方向に、超音波の伝播方向をもう一つの座標軸方向として検査画像を構築するためのデータを作成する計算機を備え、そのデータに基づいて被検体表面の検査結果を被検体表面の２次元画像（図３のＣスコープ）として表示し、探触子の機械的走査無しに簡便に表面検査の検査画像を可視化している。
【実施例１】
【００２８】
以下に、本発明の実施例による超音波探傷方法及び装置について、図に基づいて詳細に説明する。
【００２９】
図１は、本発明の第１の実施形態で、その図示のように、この実施形態は、検査対象である被検体１０２は被検査対象面が液体に接している。その被検体１０２を検査する超音波探傷装置は、被検体１０２に対して超音波を送受信するアレイ探触子１０１と、アレイ探触子１０１に超音波の送受信の駆動及び制御を司り、受信信号に含まれる情報を処理する送受信部１０３と、送受信部１０３で受信信号に含まれる情報を処理して検査画像を描画するための画像データを構築したその画像データに基づいて検査画像を表示する表示部１０４で構成されている。
【００３０】
本実施例の適用先である被検体１０２は、例えば、原子力発電所の炉内構造物溶接部１００（例えば、制御棒駆動機構スタブチューブ，炉内計装管台ハウジング，シュラウドサポート，シュラウド等）であり、図１の被検体１０２は溶接部の断面を示している。なお、本実施例に記載の方法及び装置は、炉内構造物に特徴的な曲面の他、配管や平板形状の検査対象にも同様に適用することが可能である。
【００３１】
アレイ探触子１０１は液体に浸漬されて用いられる。その液体は主に水である場合が多い。そのアレイ探触子１０１は被検体１０２の探傷面の上方に液体を介して設定され、送受信部１０３から供給される駆動信号により超音波を発生し、これを液体を介して被検体１０２内に伝搬させ、これにより現れる反射波をアレイ探触子１０１で受信して検出し、その受信信号を送受信部１０３に入力する。
【００３２】
第１の実施例の記載の例では、アレイ探触子１０１が例えば水などの液体中に浸漬して表面波を発生させる例であるが、液体以外にも、固体や気体を介して超音波を入射した場合においても、超音波の入射角を横波臨界角（液体の場合を数２に示した）で超音波を入射させることで被検体１０２に表面波を発生させ、同様の検査を実施することができる。
【００３３】
送受信部１０３は、計算機１０３Ａと、遅延時間制御部１０３Ｂと、パルサー１０３Ｃと、レシーバ１０３Ｄと、データ収録部１０３Ｅとを備え、パルサー１０３Ｃが駆動信号をアレイ探触子１０１に供給し、これによりアレイ探触子１０１から入力される受信信号をレシーバ１０３Ｄが受けるようになっている。
【００３４】
ここで、計算機１０３Ａは、遅延時間制御部１０３Ｂや、パルサー１０３Ｃや、レシーバ１０３Ｄや、それにデータ収録部１０３Ｅを制御して、必要な動作が得られるようにする。
【００３５】
第１の実施例では、アレイ探触子１０１が浸漬されている液体の縦波音速に基づくディレイパターンと、順次入射点位置を切り替えていくために使用する送受信素子群のパターンを、記憶部１０３Ｆに記憶する。
【００３６】
遅延時間制御部１０３Ｂは、パルサー１０３Ｃから出力される駆動信号のタイミングを制御すると共に、レシーバ１０３Ｄによる受信信号の入力タイミングを制御する。さらに、送信，受信に使用する素子群のパターンを順次切り替えることで、フェーズドアレイ方式によるアレイ探触子１０１の動作が得られるようにし、順次送信位置を切り替えて入射点１０５の位置を移動させることが可能となる。
【００３７】
そして、データ収録部１０３Ｅは、レシーバ１０３Ｄから供給される受信信号を収録する。レシーバ１０３Ｄからの信号は、通常、アナログの電気信号であるので、例えば、アナログ−デジタル変換器（Ａ／Ｄ変換器）によりサンプリングして、デジタル信号として収録する。
【００３８】
このとき、デジタル値の値が超音波の波高値（超音波の強さ）に相当し、何個目にサンプリングされたかという情報が超音波の往復伝搬時刻に相当する情報となる。また、収録部１０３Ｄで収録されたデジタルのデータ列は、計算機１０３Ａで検査画像の表示用の画像データに処理され、表示部１０４に供給される。ここで、表示部１０３で表示するためのデータ処理の方法（画像の作成方法）については、後で詳述する。
【００３９】
次に、アレイ探触子１０１の詳細について図７を参照して説明する。図７はアレイ探触子１０１の基本的な構成を模式図で示したもので、図示のように、このアレイ探触子１０１は、送受信素子として複数個の超音波発生素子１０１Ａを用いて構成されている。図７では、超音波発生素子が２次元的に配列されており、Ａ方向にＮａ個、もう一方のＢ方向にＮｂ個の素子が配列されており、合計Ｎａ×Ｎｂ個の素子で構成されている。Ｎｂが１の場合は、超音波発生素子が１列に並んだ構造になり、一般にリニアアレイ探触子と呼ばれる。また、Ｎｂが２以上の場合は、マトリクスアレイ探触子と呼ばれる。
【００４０】
上述の記憶部１０３Ｆに記憶される使用する送受信素子は、例えば、アレイ探触子１０１を構成する超音波発生素子１０１ＡにＡ方向の１番からＮａ番まで（Ｎａとして、例えば６４）通し番号を与えて、最初はＡ方向の配列で１番から３２番で、Ｂ方向にはすべての超音波発生素子が含まれる領域７０１を使用し、第２ステップとして、Ａ方向配列で２番から３３番の領域７０２、同様に、第３ステップはＡ方向の配列で３番から３４番などとして切り替えることで、順次超音波が発信する点を移動させることができ、これにより超音波が鋼材に入射する位置（入射点１０５）を移動させることができる。
【００４１】
次に、本発明の実施形態による探傷方法及び探傷検査結果の表示方法について説明する。アレイ探触子１０１を用いたフェーズドアレイ法により、アレイ探触子１０１が浸漬された液体の縦波音速を用いて、被検体１０２表面でレイリー波を発生するディレイパターンを作成し、レイリー波による被検体１０２の表面検査画像を表示部１０４に表示する。
【００４２】
図５及び図６を用いて、表面検査画像の作成方法について詳細に説明する。ここでは、アレイ探触子１０１の超音波発生素子が配列されている方向がＹ軸に平行になるように座標系を設定し、送受信に使用する素子を順次切り替えることで、Ｙ軸方向に入射点位置が移動する場合を考える。
【００４３】
入射点位置のＹ座標がＹ０である場合について説明する。アレイ探触子１０１から、液体５０５中に斜め方向に超音波（斜角超音波５０１）を発信する。斜角超音波５０１は、被検体１０２と液体５０５の境界面５０４上の入射点１０５に到達し、レイリー波５０２に振動モードが変換される。このとき境界面５０４への斜角超音波５０１の入射角度５０１Ａは、数２で与えられる横波臨界角θＣＲで与えられる。例えば、液体が水、被検体が鋼材の場合、水の縦波音速が１４８０ｍ／ｓ、被検体の横波損速が３２００ｍ／ｓなので、θＣＲは２７.５°となる。
【００４４】
（数２）
θＣＲ＝sin-1（Ｃｗ／Ｃｓ）
Ｃｗ：液体中の縦波音速
Ｃｓ：被検体中の横波音速
【００４５】
実際には、探触子から発生する超音波は空間的に広がりがあるため、入射角度は２７.５°の前後、すなわち、約２２.５°から約３２.５°の間の角度であれば、十分な強度で被検体中にレイリー波が発生する。境界５０４でレイリー波に変換された超音波は、被検体表面を伝搬し、表面または表面近傍に存在する反射源（欠陥）１０２Ａが存在すると、欠陥で反射し進行方向を変えて、再び被検体表面をレイリー波５０３として伝搬する。表面を伝搬するレイリー波は、レイリー波として伝搬すると同時に、エネルギーの一部が、液体及び被検体中へ超音波として漏洩するように伝搬する。この漏洩した超音波が、再びアレイ探触子１０１で受信される。
【００４６】
入射点のＹ座標がＹ０であるときの受信波形は、Ａスコープ信号６０５として、横軸に時間、縦軸に振幅として収録される。欠陥１０２Ａの位置を求めるには、超音波の送信点６０３を位置の基準とした場合の、入射点１０５と鋼材表面の伝搬距離６０４を求めればよい。なお、ここではアレイ探触子１０１の超音波送信点６０３は既知として取り扱う。実際には、例えば、アレイ探触子を検査対象部位まで移動するための移動機構により、アレイ探触子の位置を測定することができる。また、本実施例２に記載する方法で超音波によっても測定することができる。
【００４７】
アレイ探触子１０１の超音波送信点６０３が既知であり、ＸＹＺ座標が（Ｘ０，Ｙ０，Ｚ０）で与えられているとする。アレイ探触子１０１と被検体１０２の距離６０６（ここでは、液体中を超音波が伝搬する距離として、水距離Ｄと呼ぶ）については、Ｚ０＝−Ｄが成立するため、Ｄは既知の値である。このとき、被検体表面に対する入射角θ５０１Ａと水距離Ｄ６０６から、入射点１０５の座標（Ｘｉｎ，Ｚｉｎ）は数３で与えられる。
【００４８】
（数３）
Ｘｉｎ＝Ｘ０＋Ｄ×tanθ
Ｚｉｎ＝０
【００４９】
従って、伝搬時間Ｔのうち、液体中の往復伝搬時間Ｔｉｎ及び、被検体表面の往復伝搬時間Ｔｓは数４で与えられる。
【００５０】
（数４）
Ｔｉｎ＝（Ｄ／cosθ）／Ｃｗ
Ｔｓ＝Ｔ−Ｔｉｎ
Ｃｗ：液体中の縦波音速
【００５１】
被検体表面の伝搬時間Ｔｓが求められるので、欠陥のＸＹＺ位置座標（Ｘｄ，Ｙｄ，Ｚｄ）は数５で計算できる。なお、被検体表面からの反射信号６０５Ｃの出現位置が、液体中の伝搬時間Ｔｉｎ６０５Ｂよりやや手前にシフトすることがある。この理由については、実施例２で説明する。
【００５２】
（数５）
Ｘｄ（Ｔ）＝Ｔｓ×Ｃｒ／２＝（Ｔ−Ｔｉｎ）×Ｃｒ／２
Ｙｄ＝Ｙ０
Ｚｄ＝０
Ｃｒ：被検体のレイリー波音速
【００５３】
数５において、Ｘ座標は伝搬時間Ｔの関数となっている。伝搬時間Ｔにおける振幅６０５Ａは振幅Ａ（Ｔ）を持つため、Ｘ座標の値がＸｄ（Ｔ）で、Ｙ座標の値がＹ０である画素に対して、振幅Ａ（Ｔ）の強さに対応した濃淡またはカラーの画素値を与えることで１ラインの画像を得ることができる。
【００５４】
なお、数５中の被検体のレイリー波（表面波）音速は、例えば、記憶部１０３Ｆに記憶され、計算機１０３Ａでの処理に提供される。
【００５５】
以上は入射点のＹ座標がＹ０の場合の説明であるが、フェーズドアレイ方式により、送信に使用する素子群をＹ軸方向に移動させることで、送信点をＹ方向にΔＹだけ移動することが可能であり、入射点のＹ座標をＹ０＋ΔＹに移動することができる。この場合も上記と同様に１ラインの画像を得ることができる。このようにしてＹ軸方向に入射点を順次移動することで、１ラインの画像を並べることで、ＸＹ２次元の画像を得ることができる。
【００５６】
以上のように、フェーズドアレイ方式で超音波の送信点６０３をＹ方向に順次切り替えることで、探触子を移動させることなく、１つの軸（Ｘ軸）は受信信号の伝搬時間に基づく距離、もう１つの軸（Ｙ軸）はフェーズドアレイ方式による入射点の移動量に基づく距離の２つの軸を持つ２次元画像を作成することができる。
【００５７】
なお、２次元画像化範囲を図示すると、図５の領域５０６のようになり、斜角超音波が入射してレイリー波に変換する領域となる。また、画像化領域内のあるピクセル５０６Ａに、例えば、画素値としてＡ（Ｔ）に対応した濃淡やカラーの値（例えば、振幅が大きいと黒、０に近いと白など）が設定される。
【００５８】
欠陥１０２Ａの近傍を本実施例で探傷すると、例えば、１０４Ａに示すような画像を得ることができ、欠陥１０２Ａの形状と同様の欠陥像１０４Ｂを得ることができ、被検体表面の欠陥の寸法や性状を評価することができる。
【００５９】
図８，図９，図１２を用いて、本実施例の探傷方法をフローチャートで示す。図８に、探傷全体のフローを示す。探傷全体は４つのステップで構成される。
【００６０】
第一ステップとして、検査対象機器の検査対象（被検体）にアクセスする（Ｓ８０１）。検査対象機器の例として、原子力発電プラントの原子炉炉内構造物（シュラウドサポート，制御棒駆動機構スタブチューブ，炉内計装管台）の溶接部などがある。また、アクセス方法としては、遠隔走査が可能なロボット，マニプレータ，泳動ビークルなどの自動装置の他、センサを直接吊り降ろす等の手動による手段でもよい。
【００６１】
第二ステップで、被検体の表面形状を測定する（Ｓ８０２）。このステップの目的は、被検体の表面形状や、被検体表面とアレイ探触子の位置関係を把握することにある。したがって、この第二ステップにより、アレイ探触子１０１と被検体１０２の距離６０６（水距離Ｄ）が明らかとなる。本ステップの詳細は、実施例２で説明する。
【００６２】
第三ステップで、被検体表面を検査する（Ｓ８０３）。本実施例では、図９を用いて、このステップの詳細について説明する。
【００６３】
最後に、被検体内部を検査する（Ｓ８０４）。本ステップの詳細は、第３の実施例で説明する。
【００６４】
上記の４つのステップにより、被検体の探傷時に必要な被検体とアレイ探触子の位置関係をステップＳ８０２で把握し、被検体の表面検査をＳ８０３で実施し、被検体内部の体積検査をＳ８０４で実施することで、被検体の表面検査と体積検査の両方を行うことができる。
【００６５】
図９に、被検体表面の表面検査（Ｓ８０３）を構成するステップを示す。被検体表面の表面検査では、最初に、レイリー波入射の設定を行い（Ｓ９０１）、次に、被検体表面の探傷を行い（Ｓ９０２）、最後に、被検体表面の検査結果画像を表示する（Ｓ９０３）。
【００６６】
レイリー波入射の設定（Ｓ９０１）を行う方法には、例えば、以下の方法がある。被検体表面にレイリー波を発生させるには、被検体表面の法線方向に対して、θＣＲ（数２参照）傾斜した超音波を入射すればよい。
【００６７】
具体的には、リニアアレイ探触子（図７においてＮｂが１の場合）では、超音波の送信方向を、アレイ探触子を傾斜させて決めればよい。また、マトリクスアレイ探触子（図７においてＮｂが２以上の場合）では、フェーズドアレイ方式を採用して、入射点の切り替えにはＡ方向で使用する素子領域（７０１，７０２）を切り替え、Ｂ方向に配列された超音波発生素子に対して、超音波発生時間に遅延を与えることで超音波の送信方向を電子的に傾斜させてもよい。
【００６８】
このとき、被検体表面から反射する信号の振幅に着目して、被検体表面からの反射波が最大となるときに、超音波が被検体表面の法線方向に平行に超音波が入射している（すなわち、入射角度が０°）ことが推定できるので、被検体表面からの反射波が最大の状態を角度の基準として、角度θＣＲ傾斜させることで、レイリー波入射の設定を行うことができる。
【００６９】
被検体表面の探傷（Ｓ９０２）を行う方法を、図１２にフローチャートで示す。
【００７０】
最初に、アレイ探触子に与えるディレイパターンを読み込む（Ｓ１２０１）。このディレイパターンには２つの情報が含まれている。１つは、アレイ探触子から送信される超音波の送信角度、もう一つは送受信に使用する送受信素子群である。超音波の送信方向はレイリー波が発生する角度に設定されているが、例えば、機械的に傾斜させる場合には、アレイ探触子からの送信角度は０°、フェーズドアレイ方式で傾斜させる場合には、θＣＲ前後の角度が設定される。また、送受信素子群は、例えば、１２８素子の超音波発生素子が１列に配列されたアレイ探触子の場合、１パターン目では、１から３２素子、２パターン目では、２から３３素子、最後の９７パターン目で、９７から１２８素子で送受信を行う。
【００７１】
次に、読み込んだディレイパターンに従い、最初のパターンの送受信素子群が設定され（Ｓ１２０２）、超音波が送信される（Ｓ１２０３）。液体や被検体表面を伝搬した超音波がアレイ探触子で受信され、Ａスコープ信号として収録される（Ｓ１２０４）。
【００７２】
受信された信号の伝搬時間のうち、水距離Ｄが既知であるので、数４及び数５から、被検体表面の伝搬時間に対応した反射源位置座標（Ｘｄ，Ｙｄ）が算出される（Ｓ１２０５）。次に、前記反射源位置座標を画像化するための画素値として、振幅値Ａ（Ｔ）を与える（Ｓ１２０６）。例えば、振幅値を最大値と最小値で規格化して、規格化された振幅値の大きさに比例した白黒濃淡やカラー値（ＲＧＢなど）を画素値として設定することで、画像データが生成される。次に、次の入射点に対応した送受信素子群に切り替え（Ｓ１２０７）、これをディレイパターンのすべてについて実施し（Ｓ１２０８）、終了となる。
【００７３】
このとき、遅延時間Ｓ１２０２からＳ１２０８の処理は、計算機１０３Ａを用いて自動処理として実行される。計算機１０３Ａの処理のフローを、１９を用いて説明する。
【００７４】
アレイ探触子に与えるディレイパターンは、例えば、ユーザにより手動で入力され（Ｓ１９００）、記憶部１０３Ｆに格納される（Ｓ１９０１）。計算機１０３Ａは、送信に使用する送信素子群及び送信素子群に与えるディレイパターンを、遅延時間制御部１０３Ｂに提供し（Ｓ１９０２）、遅延時間制御部１０３Ｂはディレイパターンに従って送信素子に電圧を印加するタイミングを遅延させたトリガ信号を発生させる。パルサー１０３Ｃは前記トリガ信号に従って、超音波をアレイ探触子から発生させる。送信された超音波は、被検体の表面（または内部）を伝搬して、反射波としてアレイ探触子で受信される。
【００７５】
なお、計算機１０３Ｂは、記憶部１０３Ｆに格納されたディレイパターンに含まれる情報のうち、受信に用いる受信素子群及び受信素子群に与えるディレイパターンを遅延制御部１０３Ｂに提供する（Ｓ１９０２）。アレイ探触子で受信される超音波は、圧電素子により、機械的な振動から電気的な信号に変換される。レシーバ１０３Ｄ及びデータ収録部１０３Ｅは、遅延制御部１０３Ｂにより制御され、受信素子群に指定された素子において受信された信号がレシーバ１０３Ｄからデータ収録部１０３Ｅに提供される。データ収録部１０３Ｅにおいて、電気信号は、アナログからデジタル信号に変換され、さらに、ディレイパターンに従って、各素子で受信された信号が遅延され加算され、Ａスコープ信号として収録される。
【００７６】
計算機１０３ＢはＡスコープ信号を読み込み（Ｓ１９０３）、数４及び数５に従って、反射源位置を計算し（Ｓ１９０４）、さらに前記反射源位置に従った画素値を計算し（Ｓ１９０５）、データ表示部１０４に提供する（Ｓ１９０６）。以上の処理の後に、計算機１０３Ｂは、遅延制御部に対して、次の入射点に対応した送受信素子群に切り替える指示を与える。これをディレイパターンのすべてについて実施し（Ｓ１９０７）、被検体表面の表面検査の処理が終了となる。
【００７７】
ステップＳ９０２により、画素座標（Ｘｄ，Ｙｄ）に画素値Ａ（Ｔ）が割り当てられた２次元画像データが生成されるので、これを表面検査結果として表示する（Ｓ９０３）。図１５に表面検査結果の画像例を示す。２次元画像１５０１において、縦軸は被検体表面の伝搬距離、横軸は入射点の移動量とした例である。また、振幅値Ａ（Ｔ）と画素値の対応の例として、図１５では、カラーバー１５０２により振幅値と白黒の濃淡値を対応させ画像化している。
【００７８】
この実施例によれば、アレイ探触子を構成する超音波発生素子のうち、送受信に使用する送受信素子群をフェーズドアレイ方式により切り替えることで入射点を移動させ、また、被検体表面を伝搬する伝搬時間と表面波音速から、被検体表面の伝搬距離に換算することで、アレイ探触子の位置を走査することなく、被検体表面の検査結果画像を作成，表示することができる。したがって、画像作成のためのアレイ探触子移動なく、電子的な制御で超音波画像を合成できる簡便な超音波探傷方法及び装置を提供することができる。
【実施例２】
【００７９】
第２の実施形態では、第１の実施形態のように被検体表面の表面検査をステップＳ８０３で行うが、その前のステップとして被検体表面形状の測定をステップＳ８０２で行う。被検体表面の表面検査をステップＳ８０３で行う内容は第１の実施形態と同じなので、その説明を省略して、被検体表面形状の測定をステップＳ８０２で行う内容について以下に解説する。
【００８０】
本発明の第２の実施形態では、被検体表面形状の断面画像を表示してその形状を可視化する例である。これは探傷フロー（図８）では、被検体表面形状の測定（Ｓ８０２）に相当する。
【００８１】
図１０に、被検体表面形状の測定（Ｓ８０２）を構成するステップを示す。被検体表面の表面検査では、最初に、縦波垂直超音波入射の設定を行い（Ｓ１００１）、次に、被検体表面形状及び距離の測定を行い（Ｓ１００２）、最後に、被検体表面形状の断面結果画像を表示する（Ｓ１００３）。
【００８２】
縦波垂直超音波入射の設定（Ｓ１００１）を行う方法には、例えば、以下の方法がある。被検体表面の形状及び距離の測定には、被検体表面からの縦波反射波を用いる。なお、アレイ探触子と被検体の間は液体で満たされている。通常の粘性の小さい液体は縦波のみを伝える性質があるため、本実施例で利用する超音波は、液体中を伝搬する縦波超音波である。
【００８３】
液体と被検体表面の境界面での反射波の強度は、被検体表面に垂直に入射する場合に最も反射率が大きくなることが知られているので、理論上は被検体表面の法線方向に超音波が入射するように設定するのがよい。しかしながら、液体から金属に超音波が入射する場合の反射率は約９０％であり、ほとんどのエネルギーが反射されるため非常に強い信号となる。本発明の属する、通常の固体を検査する用途の超音波探傷装置では、超音波探触子から固体に入射し、固体中を伝搬し、再び超音波探触子に戻ってくる微弱な超音波を受信できるように増幅率の大きなアンプ機能を有している。したがって、液体と金属の境界面で反射された超音波についても増幅することで非常に微弱な強度でも識別が可能となる。このため、実用上は、被検体表面の法線方向から約３０°程度ずれた方向であっても、被検体表面の反射波を十分な強度で受信することができる。
【００８４】
被検体表面に縦波垂直超音波を被検体の法線方向に入射させるには、アレイ探触子を機械的に傾斜させる方法と、あるいは、フェーズドアレイ方式を採用して、アレイ探触子を構成する超音波発生素子の超音波発生時間に遅延を与えることで超音波の送信方向を電子的に傾斜させる方法が考えられる。さらに、被検体表面が平板に近い場合には、探触子の方向が被検体表面から約３０°程度ずれていたとしても、前述したように、被検体表面からの反射波の強度が大きい特性があるため、実施例１で示したような、レイリー波が発生するようにアレイ探触子の方向を設定した場合においても、十分な強度で被検体表面からの信号を受信できる。このため、被検体表面からの反射波を受信するためを目的とした機械的または電子的な傾斜操作が不要になり、より簡便な測定が可能となる。
【００８５】
なお、被検体表面が曲率を持つ場合など、被検体表面からの反射波が幾何学的な理由により微弱となる可能性がある場合には、被検体表面から反射する信号の振幅に着目して、被検体表面からの反射波が最大となるときに、超音波が被検体表面の法線方向に平行に超音波が入射している（すなわち、入射角度が０°）ことが推定できるので、振幅が最大となる場合の反射波を利用するとよい。
【００８６】
被検体表面形状及び距離の測定（Ｓ１００２）を行う方法を、図１３にフローチャートで示す。最初に、アレイ探触子に与えるディレイパターンを読み込む（Ｓ１３０１）。このディレイパターンには２つの情報が含まれている。１つは、アレイ探触子から送信される超音波の送信角度、もう一つは送受信に使用する送受信素子群である。
【００８７】
超音波の送信方向は被検体表面からの反射波が受信できる角度に設定されているが、例えば、被検体表面が曲面の場合には、アレイ探触子からの送信角度は０°、被検体表面が平板に近い場合には、実施例１に記載のレイリー波発生のためのディレイパターンのままでよい。
【００８８】
また、送受信素子群は、例えば、１２８素子の超音波発生素子が１列に配列されたアレイ探触子の場合、１パターン目では、１から３２素子、２パターン目では、２から３３素子、最後の９７パターン目で、９７から１２８素子で送受信を行う。
【００８９】
次に、読み込んだディレイパターンに従い、最初のパターンの送受信素子群を設定し（Ｓ１３０２）、超音波を送信する（Ｓ１３０３）。液体中を伝搬し、被検体表面で反射された超音波がアレイ探触子で受信され、Ａスコープ信号として収録される（Ｓ１３０４）。
【００９０】
本実施例では、水距離Ｄは既知でなくてもよい。検査対象機器（被検体）へのアクセス（Ｓ８０１）のステップで、アクセス用の装置の座標等から水距離Ｄが推定できる場合もあるが、本実施例では、本発明で用いるアレイ探触子によって水距離Ｄ及びＤの分布を表したもの、すなわち、断面形状を測定する方法を説明する。
【００９１】
レイリー波が送信されるように設定した場合、被検体表面形状を測定で受信される信号は、例えば、図６のＡスコープ信号６０５のような波形となる。被検体表面からの反射波６０５Ｃは、液体中を斜めの経路（６０１及び６０２）を伝搬する伝播時間Ｔｉｎとややずれた位置に出現する。その理由は、上述の通り、液体と被検体表面の境界からの反射波の信号は非常に強い信号強度を持つため、液体中の最短の伝搬経路（６０８，６０９）を伝わる反射波も十分な強度で受信されることになる。
【００９２】
したがって、被検体表面からの反射波は伝搬経路６０８及び６０９の最短経路をとるため、Ｔｉｎより早い時間位置に出現することになる。被検体表面までの距離Ｄ及び形状を測定するには、被検体表面からの信号６０５Ｃの伝搬時間に注目すればよい。液体中の縦波音速をＣｗ、被検体表面からの反射波の伝搬時間をＴｗとすれば、被検体表面までの距離Ｄは数６で計算することができる（Ｓ１３０５）。
【００９３】
（数６）
Ｄ＝Ｔｗ×Ｃｗ／２
【００９４】
なお、数６中の液体の縦波音速は、例えば、記憶部１０３Ｆに記憶され、計算機１０３Ａの処理に提供される。
【００９５】
次に、前記反射源位置座標を画像化するための画素値として、振幅値Ａ（Ｔ）を与える（Ｓ１３０６）。例えば、振幅値を最大値と最小値で規格化して、規格化された振幅値の大きさに比例した白黒濃淡やカラー値（ＲＧＢなど）を画素値として設定することで、画像データが生成される。次に、次の入射点に対応した送受信素子群に切り替え（Ｓ１３０７）、これをディレイパターンのすべてについて実施し（Ｓ１３０８）、終了となる。
【００９６】
ステップＳ１００２により、超音波入射点の移動量と、水距離Ｄ、すなわち、Ｚ軸（深さ方向）に画素値Ａ（Ｔｗ）が割り当てられた２次元画像データが生成されるので、これを表面検査結果として表示する（Ｓ１００３）。図１６に表面形状の断面結果の画像例を示す。２次元画像１６０１において、縦軸は液体中の伝搬距離、横軸は入射点の移動量とした例である。被検体表面からの反射波１６０２が現れる縦軸の距離から、被検体表面とアレイ探触子の間の水距離Ｄが約２７mmであることが分かる。なお、振幅値Ａ（Ｔ）と画素値の対応の例として、図１５と同じカラーバー１５０２により振幅値と白黒の濃淡値を対応させ画像化している。
【００９７】
このとき、遅延時間Ｓ１３０２からＳ１３０８の処理は計算機１０３Ａを用いて自動処理として実行される。処理のフローは図２０に示すように、図１９に示す実施例１の自動処理のフローと同様の流れとなる。ただし、ディレイパターンの入力（Ｓ２０００）については、例えば、実施例１のフロー（Ｓ１９００）と入力を共通化することで、表面形状計測の処理が終了後、自動処理を継続して、被検体表面の表面検査の処理に移行することが可能となる。
【００９８】
この実施例によれば、アレイ探触子を構成する超音波発生素子のうち、送受信に使用する送受信素子群をフェーズドアレイ方式により切り替えることで入射点を移動させ、また、液体中を伝搬する伝搬時間と液体中の縦波音速から、液体中の伝搬距離に換算することで、アレイ探触子の位置を走査することなく、被検体表面形状の断面結果画像を作成，表示することができる。さらに、実施例１に記載の表面検査も実施することが可能である。したがって、画像作成のためのアレイ探触子移動なく、電子的な制御で超音波画像を合成できる簡便な超音波探傷方法及び装置を提供することができる。
【実施例３】
【００９９】
第３の実施形態では、第２の実施形態による被検体表面形状の測定をステップＳ８０２で行った後に第１の実施形態のように被検体表面の表面検査をステップＳ８０３で行い、その後に、被検体１０２の体積検査のステップＳ８０４を行う。
【０１００】
第１と第２の各実施形態は既述したので、それらのステップ８０２，Ｓ８０３の説明を省略して、以下には、被検体１０２の内部の体積検査のステップＳ８０４について解説する。
【０１０１】
本発明の第３の実施形態では、被検体内部の体積検査の検査画像を表示する例である。探傷フロー（図８）では、被検体内部の体積検査（Ｓ８０４）に相当する。
【０１０２】
図１１に、被検体内部の体積検査（Ｓ８０４）を構成するステップを示す。体積検査では、最初に、被検体１０２内部の体積検査箇所の選定を行う（Ｓ１１００）。すなわち、体積検査に先行して実施した被検体表面の検査結果から、被検体表面に欠陥が存在する箇所について、欠陥の深さの情報得るために、被検体内部の体積検査を実施する箇所を選定する。次に、被検体１０２中を伝搬する縦波または横波超音波入射の設定を行い（Ｓ１１０１）、縦波または横波を用いて被検体内部の探傷（Ｓ１１０２）にて体積検査を行い、最後に、被検体１０２内部の体積検査の結果画像を検査画像として表示部１０４に表示する（Ｓ１１０３）。
【０１０３】
縦波または横波超音波入射の設定（Ｓ１１０１）を行う方法には、例えば、以下の方法がある。被検体内部に発生する超音波が縦波でも横波でも方法に差はないため、ここでは縦波を中心に説明する。なお、縦波と横波の使い分けとしては、例えば、オーステナイト系ステンレス鋼や、高ニッケル合金の溶接部に対しては縦波を、炭素鋼溶接部には横波を用いる、などとする。
【０１０４】
図１８は、入射点位置１８０３におけるＸＺ断面図である。被検体１０２に表面開口している反射源（欠陥）１０２Ａを例に説明する。一般にき裂などの欠陥は、開口部（ＸＹ面の表面）の広がりの他に、内部（Ｚ方向）の広がりを持っている。体積検査では、この反射源の先端位置１８０２Ａからの反射波から反射源の深さ位置１８０４を評価する。先端位置１８０２Ａに超音波を入射させるため、一般に斜角超音波が利用される。ここでは、屈折角θ２（１８０２Ｃ）で被検体中に斜め方向の超音波（斜角超音波）を伝搬させている。
【０１０５】
被検体内部を角度θ２で伝搬する縦波または横波超音波を発生させるには、被検体表面の法線方向に対して、θ１（数７参照）傾斜した超音波を入射すればよい。
【０１０６】
（数７）
θ１＝sin-1（sinθ２×Ｃｗ／Ｃｖ）
Ｃｗ：液体中の縦波音速
Ｃｖ：被検体中の音速（縦波または横波）
【０１０７】
なお、数７中の液体の縦波音速及び被検体中の音速（縦波または横波）は、例えば、記憶部１０３Ｆに記憶され、計算機１０３Ａの処理に提供される。
【０１０８】
具体的には、リニアアレイ探触子の場合では探触子を傾斜させて超音波の送信方向を傾斜させればよい。また、マトリクスアレイ探触子の場合では、フェーズドアレイ方式を採用して、アレイ探触子を構成する超音波発生素子の超音波発生時間に遅延を与えることで超音波の送信方向を電子的に傾斜させてもよい。
【０１０９】
このとき、被検体表面から反射する信号の振幅に着目して、被検体表面からの反射波が最大となるときに、超音波が被検体表面の法線方向に平行に超音波が入射している（すなわち、入射角度が０°）ことが推定できるので、被検体表面からの反射波が最大の状態を角度の基準として、角度θ１傾斜させることで、角度θ２の超音波入射の設定を行うことができる。
【０１１０】
被検体内部の探傷（Ｓ１２０２）を行う方法を、図１４にフローチャートで示す。最初に、アレイ探触子に与えるディレイパターンを読み込む（Ｓ１４０１）。このディレイパターンには２つの情報が含まれている。１つは、被検体内部の超音波の伝搬角度θ２（または液体中の送信角度θ１）、もう一つは送受信に使用する送受信素子群である。超音波の送信方向は縦波（または横波）が発生する角度に設定されているが、例えば、機械的に傾斜させる場合には、アレイ探触子からの送信角度は０°、フェーズドアレイ方式で傾斜させる場合には、θ１の角度が設定される。
【０１１１】
また、送受信素子群は、例えば、１２８素子の超音波発生素子が１列に配列されたアレイ探触子の場合、１パターン目では、１から３２素子、２パターン目では、２から３３素子、最後の９７パターン目で、９７から１２８素子で送受信を行う。
【０１１２】
次に、読み込んだディレイパターンに従い、最初のパターンの送受信素子群を設定し（Ｓ１４０２）、超音波を送信する（Ｓ１４０３）。液体や被検体表面を伝搬した超音波がアレイ探触子で受信され、Ａスコープ信号として収録される（Ｓ１４０４）。探触子位置１８０３で受信されるＡスコープ信号１８０１は、横軸に時間、縦軸に振幅Ａ（Ｔ）で表される波形となる。
【０１１３】
受信された信号の伝搬時間のうち、水距離Ｄが既知であるので、数８及び数９から、被検体表面の伝搬時間に対応した反射源位置座標（Ｘｄ，Ｙｄ，Ｚｄ）が算出される（Ｓ１４０５）。次に、前記反射源位置座標を画像化するための画素値として、振幅値Ａ（Ｔ）を与える（Ｓ１４０６）。例えば、振幅値を最大値と最小値で規格化して、規格化された振幅値の大きさに比例した白黒濃淡やカラー値（ＲＧＢなど）を画素値として設定することで、画像データが生成される。次に、次の入射点に対応した送受信素子群に切り替え（Ｓ１４０７）、これをディレイパターンのすべてについて実施し（Ｓ１４０８）、終了となる。
【０１１４】
（数８）
Ｔ１＝（Ｄ／cosθ１）／Ｃｗ
Ｔ２＝Ｔ−Ｔ１
Ｃｗ：液体中の縦波音速
【０１１５】
（数９）
Ｘｄ（Ｔ）＝Ｔ２×Ｃｖ／２×sinθ２
Ｙｄ＝Ｙ０
Ｚｄ（Ｔ）＝Ｔ２×Ｃｖ／２×cosθ２
【０１１６】
ステップＳ９０２により、画素座標（Ｘｄ，Ｙｄ，Ｚｄ）に画素値Ａ（Ｔ）が割り当てられる。このように、一箇所の入射点でのＡスコープ信号はＸＺ断面図１８０２の中の１本のライン１８０２Ｂに相当するデータを与える。さらに、探触子２０１を、アレイ探触子の送信位置を切り替えることによってＹ軸方向に移動すると、探触子位置２０５の移動にともなって、斜角超音波の入射点位置４０３がＹ軸に沿って移動する。こうすることで、振幅の強度を可視化したライン４０２Ｂが複数本、Ｙ軸方向に並ぶことで、ライン状のデータが、各伝搬時間に相当する振幅値の強度に相当する濃度や色情報を持った２次元画像に変換される。このようにして生成された２次元画像データを、体積検査結果として表示する（Ｓ９０３）。
【０１１７】
このとき、遅延時間Ｓ１４０２からＳ１４０８の処理は計算機１０３Ａを用いて自動処理として実行される。処理のフローは図２１に示すように、実施例１及び実施例２の自動処理のフロー（図１９及び図２０）と同様の流れとなる。ただし、ディレイパターンの入力（Ｓ２１００）については、例えば、実施例２のフロー（Ｓ２０００）と入力を共通化することで、表面形状計測及び表面検査の処理が終了後、自動処理を継続して、被検体内部の体積検査の処理に移行することが可能となる。
【０１１８】
図１７にフェーズドアレイ方式で被検体中に斜め方向に超音波を入射した場合の被検体内部の体積検査結果の画像例を示す。図１７は、あるＹ座標での（Ｙｄ，Ｚｄ）の２次元画像１７０１である。なお、振幅値Ａ（Ｔ）と画素値の対応の例として、図１５と同じカラーバー１５０２により振幅値と白黒の濃淡値を対応させ画像化している。被検体表面の指示（１７０２）を基準として、被検体内部に存在する欠陥の先端部の指示（１７０３）を測定することで、欠陥の深さ（１８０４）を測定することができる。
【０１１９】
この実施例によれば、アレイ探触子を構成する超音波発生素子のうち、送受信に使用する送受信素子群をフェーズドアレイ方式により切り替えることで入射点を移動させ、また、被検体中を伝搬する伝搬時間と被検体の縦波または横波音速から、被検体中の伝搬距離に換算することで、アレイ探触子の位置を走査することなく、被検体内部の体積検査の結果画像を作成，表示することができる。さらに、実施例１に記載の表面検査も実施することが可能である。したがって、画像作成のためのアレイ探触子移動なく、電子的な制御で超音波画像を合成できる簡便な超音波探傷方法及び装置を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１２０】
本発明は、構造物を非破壊的に検査する超音波探傷技術の分野に利用可能性がある。
【符号の説明】
【０１２１】
１０１ アレイ探触子
１０２ 被検体
１０３ 送受信部
１０４ 表示部
１０５ 入射点
１０５Ｂ 表面波
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アレイ探触子と、
前記アレイ探触子をフェーズドアレイ方式により動作させて、被検体に表面波を発生させる角度の斜角超音波を送受信する送受信部と、
前記送受信部から供給された受信信号に基づいて前記被検体の検査画像を表示する表示部と、
を備えた超音波探傷装置において、
前記被検体への前記斜角超音波の入射点を、前記アレイ探触子で用いる圧電素子のディレイパターンを切り替えて、前記斜角超音波の伝搬方向と被検体の法線方向とが形成する超音波伝搬面の面外に、電子的に移動させる手段と、
前記入射点の移動量と、前記入射点で発生した表面波が前記被検体を伝播して超音波反射源で反射して受信された前記受信信号とに基づいた前記被検体の表面の検査画像を前記表示部に表示させる手段とを備えたことを特徴とするアレイ探触子を用いた超音波探傷装置。
【請求項２】
請求項１において、前記送受信部は、前記受信信号に基づいて前記入射点から超音波反射源との間の距離を算出する計算機を備え、前記入射点の移動量を二次元座標の一つの座標軸とし、前記入射点から超音波反射源との間の距離をもう一つの座標軸として被検体表面の検査画像を二次元画像にて前記表示部に表示させる手段を備えたことを特徴とするアレイ探触子を用いた超音波探傷装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２において、前記送受信部は、前記アレイ探触子から発信した超音波の前記アレイ探触子と前記被検体の間の伝播距離から前記アレイ探触子と前記被検体の間の距離を算出する計算機を備え、前記入射点の移動量を二次元座標の一つの座標軸とし、前記アレイ探触子と前記被検体の間の距離をもう一つの座標軸として前記アレイ探触子と前記被検体表面との間の断面画像を二次元画像にて前記表示部に表示させる手段を備えたことを特徴とするアレイ探触子を用いた超音波探傷装置。
【請求項４】
請求項１又は請求項２又は請求項３において、前記送受信部は、前記入射点から被検体の深層方向に入射した超音波の受信信号に基づいて超音波反射源の座標を求める計算機を備え、前記入射点の移動量を二次元座標の一つの座標軸として前記被検体の体積検査の検査画像を二次元画像にて前記表示部に表示させる手段と、前記被検体の表面からの反射波の伝播時間と前記超音波の音速に基づいて前記被検体の表面の形状を測定する手段とを備えたことを特徴とするアレイ探触子を用いた超音波探傷装置。
【請求項５】
超音波探傷装置のアレイ探触子をフェーズドアレイ方式により動作させて、前記アレイ探触子から超音波を被検体に対して送受信し、前記送受信結果に基づいて前記超音波探傷装置の表示部に検査画像を表示する超音波探傷方法において、
前記アレイ探触子から前記被検体の表面に表面波を発生させる角度の斜角超音波を発信すると共に、前記斜角超音波の前記被検体への入射点を、前記被検体に設定した多次元座標軸の内、前記斜角超音波の伝搬方向と前記被検体の法線方向とに対して角度を有して設定した一つの次元の座標軸沿いに移動させ、
前記入射点の移動量と、前記入射点で発生した表面波が前記被検体を伝播して超音波反射源で反射して受信された前記受信信号とに基づいた前記被検体の表面の検査画像を前記表示部に表示させることを特徴とするアレイ探触子を用いた超音波探傷方法。
【請求項６】
請求項５において、前記表示部に、前記入射点の移動量を一つの座標軸にとり、前記入射点から前記超音波反射源までの距離をもう一つの座標軸にとって前記被検体の表面の検査画像を二次元座標にて表示することを特徴とするアレイ探触子を用いた超音波探傷方法。
【請求項７】
請求項６に記載の超音波探傷方法において、前記被検体へのアレイ探触子から発信角度０度の超音波或いは前記斜角超音波の前記被検体表面からの伝搬時間及び超音波の縦波音速から算出される被検体表面までの伝搬距離と、前記入射点の移動量に基づいて、前記被検体表面形状の形状を測定する形状測定ステップを有することを特徴とするアレイ探触子を用いた超音波探傷方法。
【請求項８】
請求項６または請求項７に記載の超音波探傷方法において、前記入射点の移動量を一つの座標軸として、前記被検体の体積検査の検査画像を二次元画像として表示する体積検査のステップを有することを特徴とするアレイ探触子を用いた超音波探傷方法。
【請求項９】
請求項８に記載の超音波探傷方法において、
前記被検体の検査を、前記被検体表面の形状測定のステップと、前記表面波による被検体表面の表面検査のステップと、前記被検体内部の体積検査のステップの３つのステップとを、前記形状測定のステップ，表面検査のステップ，体積検査のステップの順で実施して行うことを特徴とするアレイ探触子を用いた超音波探傷方法。
【請求項１】
アレイ探触子と、
前記アレイ探触子をフェーズドアレイ方式により動作させて、被検体に表面波を発生させる角度の斜角超音波を送受信する送受信部と、
前記送受信部から供給された受信信号に基づいて前記被検体の検査画像を表示する表示部と、
を備えた超音波探傷装置において、
前記被検体への前記斜角超音波の入射点を、前記アレイ探触子で用いる圧電素子のディレイパターンを切り替えて、前記斜角超音波の伝搬方向と被検体の法線方向とが形成する超音波伝搬面の面外に、電子的に移動させる手段と、
前記入射点の移動量と、前記入射点で発生した表面波が前記被検体を伝播して超音波反射源で反射して受信された前記受信信号とに基づいた前記被検体の表面の検査画像を前記表示部に表示させる手段とを備えたことを特徴とするアレイ探触子を用いた超音波探傷装置。
【請求項２】
請求項１において、前記送受信部は、前記受信信号に基づいて前記入射点から超音波反射源との間の距離を算出する計算機を備え、前記入射点の移動量を二次元座標の一つの座標軸とし、前記入射点から超音波反射源との間の距離をもう一つの座標軸として被検体表面の検査画像を二次元画像にて前記表示部に表示させる手段を備えたことを特徴とするアレイ探触子を用いた超音波探傷装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２において、前記送受信部は、前記アレイ探触子から発信した超音波の前記アレイ探触子と前記被検体の間の伝播距離から前記アレイ探触子と前記被検体の間の距離を算出する計算機を備え、前記入射点の移動量を二次元座標の一つの座標軸とし、前記アレイ探触子と前記被検体の間の距離をもう一つの座標軸として前記アレイ探触子と前記被検体表面との間の断面画像を二次元画像にて前記表示部に表示させる手段を備えたことを特徴とするアレイ探触子を用いた超音波探傷装置。
【請求項４】
請求項１又は請求項２又は請求項３において、前記送受信部は、前記入射点から被検体の深層方向に入射した超音波の受信信号に基づいて超音波反射源の座標を求める計算機を備え、前記入射点の移動量を二次元座標の一つの座標軸として前記被検体の体積検査の検査画像を二次元画像にて前記表示部に表示させる手段と、前記被検体の表面からの反射波の伝播時間と前記超音波の音速に基づいて前記被検体の表面の形状を測定する手段とを備えたことを特徴とするアレイ探触子を用いた超音波探傷装置。
【請求項５】
超音波探傷装置のアレイ探触子をフェーズドアレイ方式により動作させて、前記アレイ探触子から超音波を被検体に対して送受信し、前記送受信結果に基づいて前記超音波探傷装置の表示部に検査画像を表示する超音波探傷方法において、
前記アレイ探触子から前記被検体の表面に表面波を発生させる角度の斜角超音波を発信すると共に、前記斜角超音波の前記被検体への入射点を、前記被検体に設定した多次元座標軸の内、前記斜角超音波の伝搬方向と前記被検体の法線方向とに対して角度を有して設定した一つの次元の座標軸沿いに移動させ、
前記入射点の移動量と、前記入射点で発生した表面波が前記被検体を伝播して超音波反射源で反射して受信された前記受信信号とに基づいた前記被検体の表面の検査画像を前記表示部に表示させることを特徴とするアレイ探触子を用いた超音波探傷方法。
【請求項６】
請求項５において、前記表示部に、前記入射点の移動量を一つの座標軸にとり、前記入射点から前記超音波反射源までの距離をもう一つの座標軸にとって前記被検体の表面の検査画像を二次元座標にて表示することを特徴とするアレイ探触子を用いた超音波探傷方法。
【請求項７】
請求項６に記載の超音波探傷方法において、前記被検体へのアレイ探触子から発信角度０度の超音波或いは前記斜角超音波の前記被検体表面からの伝搬時間及び超音波の縦波音速から算出される被検体表面までの伝搬距離と、前記入射点の移動量に基づいて、前記被検体表面形状の形状を測定する形状測定ステップを有することを特徴とするアレイ探触子を用いた超音波探傷方法。
【請求項８】
請求項６または請求項７に記載の超音波探傷方法において、前記入射点の移動量を一つの座標軸として、前記被検体の体積検査の検査画像を二次元画像として表示する体積検査のステップを有することを特徴とするアレイ探触子を用いた超音波探傷方法。
【請求項９】
請求項８に記載の超音波探傷方法において、
前記被検体の検査を、前記被検体表面の形状測定のステップと、前記表面波による被検体表面の表面検査のステップと、前記被検体内部の体積検査のステップの３つのステップとを、前記形状測定のステップ，表面検査のステップ，体積検査のステップの順で実施して行うことを特徴とするアレイ探触子を用いた超音波探傷方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
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【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【公開番号】特開２０１２−５８１１２（Ｐ２０１２−５８１１２Ａ）
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２０２６１３（Ｐ２０１０−２０２６１３）
【出願日】平成２２年９月１０日（２０１０．９．１０）
【出願人】（５０７２５０４２７）日立ＧＥニュークリア・エナジー株式会社 (858)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月１０日（２０１０．９．１０）
【出願人】（５０７２５０４２７）日立ＧＥニュークリア・エナジー株式会社 (858)
【Ｆターム（参考）】
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