円柱体の超音波探傷方法および円柱体の超音波探傷装置
【課題】圧延ロールの表面や表面直下に存在する欠陥（表面欠陥）を超音波探傷する際に、表面欠陥の方向性にかかわらず十分な検出を行うこと。
【解決手段】回転する被検体２である円柱体の表面から一定の距離に、超音波プローブ１を保持し、超音波プローブ１から音響結合媒体である水３を介して円柱体へ超音波を伝搬させると共に、円柱体表面や表面直下に存在する欠陥を検出する場合、超音波プローブ１は、被検体２の表面の全方位に向けて被検体２へ漏洩表面波ＷＲを励起させる斜角入射波の送波を行うとともに、被検体２の表面を伝搬してきた漏洩表面波ＷＲからモード変換によって生成された縦波である漏洩波の受波とを行う超音波振動子４を有する。
【解決手段】回転する被検体２である円柱体の表面から一定の距離に、超音波プローブ１を保持し、超音波プローブ１から音響結合媒体である水３を介して円柱体へ超音波を伝搬させると共に、円柱体表面や表面直下に存在する欠陥を検出する場合、超音波プローブ１は、被検体２の表面の全方位に向けて被検体２へ漏洩表面波ＷＲを励起させる斜角入射波の送波を行うとともに、被検体２の表面を伝搬してきた漏洩表面波ＷＲからモード変換によって生成された縦波である漏洩波の受波とを行う超音波振動子４を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧延ロールやローラ等の金属の円柱体、特に、圧延により表面に損傷を受けた圧延用ロールの表面や表面直下に存在する割れ等の欠陥を超音波により検出する円柱体の超音波探傷方法および円柱体の超音波探傷装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
金属板の熱間圧延および冷間圧延に使用される圧延ロールは、圧延により、その表面が摩耗したり荒れたりするために、圧延量や圧延距離などが一定の基準に達した後、砥石を用いた研削により、表面が平滑にされ、再び圧延に使用される。また、圧延ロールは圧延における様々な負荷により損傷を受けるため、その表面にクラックが発生することがある。この圧延ロール表面にクラックを残したまま、圧延を行うと、圧延中に該クラックが大きく進展し、圧延ロールが割損するトラブルが発生する。このトラブルを防止するため、圧延ロールはその研削後に、表面波を用いた超音波探傷（表面波探傷と称する）によってその表面にクラックがないか検査される（特許文献１，２参照）。
【０００３】
具体的には、回転するロールの表面に、水等の接触媒質の膜を介して表面波プローブ（探触子）を接触させ、該表面波プローブからロール回転方向と逆方向に向かって表面波を伝搬させると共に、ロール表面のうち表面波が伝搬する部分の接触媒質の膜を除去するようにして、ロール表面や表面直下に存在する欠陥（以下、表面欠陥）を検出するようにしている。この表面波探傷で欠陥が検出されれば、追加の研削が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平４−２７６５４７号公報
【特許文献２】特開２０００−３５４１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１，２の記載のものでは、表面波を圧延ロールの円周方向に伝搬させて、表面欠陥を検出方法であるため、表面欠陥が圧延ロールの軸方向、あるいはそれに近い方向性を有する場合には、十分な検出を行なうことができるが、表面欠陥が円周方向あるいはそれに近い方向性を有する場合や軸方向でも円周方向でもない斜め方向の方向性を有する場合には、十分な検出を行うことができず、見逃しが発生することになる。この結果、この見逃した表面欠陥から大きなクラックが進展して、圧延ロールが割損するトラブルが発生する場合があった。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、圧延ロールの表面や表面直下に存在する欠陥（表面欠陥）を超音波探傷する際に、表面欠陥の方向性にかかわらず十分な検出を行うことができる円柱体の超音波探傷方法及び円柱体の超音波探傷装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる円柱体の超音波探傷方法は、回転する被検体である円柱体の表面から一定の距離に、超音波プローブを保持し、該超音波プローブから音響結合媒体を介して円柱体へ超音波を伝搬させると共に、円柱体表面や表面直下に存在する欠陥を検出する円柱体の超音波探傷方法であって、前記超音波プローブは、前記被検体の表面の全方位に向けて前記被検体へ漏洩表面波を励起させる斜角入射波の送波を行うとともに、前記被検体の表面を伝搬してきた前記漏洩表面波からモード変換によって生成された縦波である漏洩波の受波とを行うことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明にかかる超音波探傷方法は、上記の発明において、前記超音波プローブは、凹面状に成型した圧電高分子膜の中央に孔が設けられた超音波振動子を用いて前記斜角入射波の送波と前記漏洩波の受波とを行うことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明にかかる超音波探傷方法は、上記の発明において、前記円柱体は、圧延用ロールであることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明にかかる超音波探傷装置は、回転する被検体である円柱体の表面から一定の距離に、超音波プローブを保持し、該超音波プローブから音響結合媒体を介して円柱体へ超音波を伝搬させると共に、円柱体表面や表面直下に存在する欠陥を検出する円柱体の超音波探傷装置であって、前記超音波プローブは、前記被検体の表面の全方位に向けて前記被検体へ漏洩表面波を励起させる斜角入射波の送波を行うとともに、前記被検体の表面を伝搬してきた前記漏洩表面波からモード変換によって生成された縦波である漏洩波の受波とを行うことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明にかかる超音波探傷装置は、上記の発明において、前記超音波プローブは、凹面状に成型した圧電高分子膜の中央に孔が設けられた超音波振動子を用いて前記斜角入射波の送波と前記漏洩波の受波とを行うことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明にかかる超音波探傷装置は、上記の発明において、前記円柱体は、圧延用ロールであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、円柱体の表面や表面直下に存在する欠陥（表面欠陥）を超音波探傷する際に、表面欠陥の方向性にかかわらず十分な検出を行うことが可能である。特に圧延ロールの表面欠陥検査に本発明を適用した場合には、圧延中のロール割損事故の原因となる有害な表面欠陥をその欠陥が有する方向性によらず、漏れなく検出できるので、圧延におけるロールトラブルを有効に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明にかかる円柱体の超音波探傷装置に用いる超音波プローブの構成を示す断面図である。
【図２】図２は、図１に示した超音波振動子の概要構成を示す斜視図である。
【図３】図３は、図１に示した超音波振動子の円弧角度と凹状の表面を有する被検体との関係を示す断面図である。
【図４】図４は、図１に示した超音波振動子の円弧角度と凸状の表面を有する被検体との関係を示す断面図である。
【図５】図５は、板状の超音波振動子と音響レンズとを用いた超音波プローブの構成を示す断面図である。
【図６】図６は、図１に示した超音波振動子を用いた超音波探傷装置の概要構成を示す模式図である。
【図７】図７は、図６に示したプローブホルダの構成を示す拡大図である。
【図８】図８は、本発明の超音波プローブと従来の超音波プローブとによる表面欠陥の検出性を比較評価した結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、図面を参照して、本発明にかかる円柱体の超音波探傷方法および円柱体の超音波探傷装置について説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１６】
（超音波プローブ）
図１は、本発明に係る円柱体の超音波探傷方法および円柱体の超音波探傷装置に用いる超音波プローブの構成を示す断面図である。図１において、この超音波プローブ１は、図２に示すように、お椀型の略半球の球面であって縦断面が円弧形状となる超音波振動子４が先端に設けられ、該球面の凹面が圧延ロールなどの被検体２側に向けられる。超音波振動子４は、極薄の電極５ａ，５ｂによって挟まれ、電極５ａ，５ｂ間に超音波パルスが印加されることによって超音波を送波し、受波した超音波は、電極５ａ，５ｂ間の超音波電圧信号として受信される。なお、先端側の電極５ｂには、表面に保護膜が形成されている。また、超音波プローブ１には、その中心軸Ｃまわりに貫通孔６が設けられ、この貫通孔６から超音波伝達媒体としての水３が供給され、この水３は、超音波プローブ１と被検体２との間に満たされる。なお、超音波振動子４は、ＰＶＤＦやＰ（ＶＤＦ-ＴｒＦＥ）などのいわゆる高分子圧電体が好ましい。
【００１７】
超音波振動子４の円弧角度θは、必ずしも円弧である必要はないが、送波される超音波から漏洩表面波ＷＲを励起させる臨界角θRより十分に大きい角度を有するようにしている。この臨界角θRと漏洩表面波ＷＲとは、次式（１）に示す関係を有する。
（sinθR）／ＣＷ＝（sin９０°）／ＣＲ …（１）
ただし、ＣＷは水中での超音波の速度であり、ＣＲは漏洩表面波ＷＲの速度である。
【００１８】
この関係式（１）は、超音波振動子４から斜角入射された超音波と漏洩表面波ＷＲとの関係、および漏洩表面波ＷＲとこの漏洩表面波ＷＲからモード変換されて生成された縦波として超音波振動子４に向かう超音波との関係の双方で成り立つ。この結果、図２に示すように漏洩表面波ＷＲを生成する超音波の送波位置と漏洩表面波ＷＲの受波位置とは、超音波振動子４上で円ＬＲを描く。すなわち、漏洩表面波ＷＲを測定する際の超音波が伝達する経路は、図２の下段に示すように、下方が萎む円筒形状となり、被検体２の表面上に対して３６０°の全方位から伝搬してきた漏洩表面波ＷＲ（より正確には漏洩表面波ＷＲからモード変換されて生成された縦波）を受波することができる。
【００１９】
ここで、図３に示すように、被検体２の表面が凹形状である場合、臨界角θRは、小さい角度の臨界角θR１となり、図４に示すように、被検体２の表面が凸形状である場合、大きい角度の臨界角θR２となる。すなわち、臨界角θRは、表面の凹凸形状によって左右されるため、超音波振動子４の円弧角度は、上述したように、臨界角θRよりも十分大きな角度を有することが好ましい。なお、この円弧角度は、従来の焦点型超音波プローブの円弧角度よりも十分大きい。
【００２０】
また、超音波プローブ１は、上述したように、貫通孔６が形成され、この貫通孔６の部分には超音波振動子４が形成されていない。すなわち、超音波振動子４の中央部分には孔が設けられている。これは、臨界角θR未満でほぼ中心軸Ｃに近い角度で入射し反射する超音波の強度が強すぎるため、この受波を除外するためである。なお、漏洩表面波ＷＲの伝搬経路は直接反射波に比べて長いことから、漏洩表面波ＷＲの受波は、直接反射波の受波に比して少し遅く検出される。しかし、直接反射波に比して強度がたとえば１／１０程度となるため、この直接反射波を予め除去しておくことがＳ／Ｎ比を確保するために好ましい。なお、直接反射波の波形は事前に取得することができるので、直接反射波が飽和しない感度で受波した超音波波形から、事前に同じ感度で取得された直接反射波の波形を減算処理することによって、この直接反射波を容易に取り除くこともできる。この場合には、必ずしも超音波振動子４の中央部分に孔を設けなくても良い。
【００２１】
ここで、上述した超音波プローブ１は、お椀型の超音波振動子４を用いているため、音響レンズを用いる必要がないので、音響レンズに起因する音圧通過率の低下がない。また、高分子圧電体の音響インピーダンスは、水の音響インピーダンスに近いため、超音波振動子４に励起された音響的勢力を効率よく被検体２表面へ入射させ、大きな振幅の漏洩表面波ＷＲを励起することができる。漏洩表面波ＷＲからモード変換された水中縦波の受波の効率も同様に高い。したがって、漏洩表面波ＷＲの伝搬距離を長くしても、伝達した漏洩表面波ＷＲからモード変換された水中縦波の受波が可能であるため、超音波ビームの焦点を被検体２内部の深い位置に設定することが可能である。すなわち、被検体４と超音波プローブ１との距離設定における自由度が高くなる。
【００２２】
また、被検体２である圧延ロールは、圧延による摩耗や研削によってその直径が変化し、表面の曲率が変化する。また、圧延ロールの軸方向に曲率はないのに対し、円周方向には曲率があり、また、その両者の中間の方向では徐々に曲率が変化する。このため、超音波プローブ１からみたときの漏洩表面波ＷＲの臨界角θＲが変化する現象（見掛け上の臨界角変化現象）が発生する。しかし、球面である超音波振動子４のいずれかの位置から送波された超音波により、直接、漏洩表面波ＷＲを励起でき、また、漏洩表面波ＷＲからモード変換された水中縦波を球面である超音波振動子４のいずれかの位置で直接受波することができる。よって、受波される漏洩表面波ＷＲの振幅には、圧延ロールの方向および径変化の影響があらわれにくい。
【００２３】
なお、図５に示すように、お椀型の超音波振動子４に替えて板状の超音波振動子１４を用いて、さらにアルミニウムなどによる音響レンズ１１を用いて超音波の送受波を行う超音波プローブ１０を用いてもよい。これによって、全周方向の超音波探傷を行うことができるからである。
【００２４】
また、上述した超音波プローブ１，１０が対象とする被検体２は、圧延ロールなどの円柱体に限らず、どのような形状のものであっても、被検体表面近傍の全周方向の探傷を行うことができる。
【００２５】
（超音波探傷装置）
ここで、上述した超音波プローブ１を用いた超音波探傷装置の構成について説明する。図６に示すように、この超音波探傷装置は、圧延ロール１１０を被検体とする。超音波探傷装置は、圧延ロール１１０を回転させる図示しないロール回転装置と、圧延ロール１１０へ漏洩表面波を送受波するための超音波プローブ１と、超音波プローブ１を保持するためのプローブホルダ２２と、プローブホルダ２２に付設され、接触媒質である水をロール１１０の表面と超音波プローブ１との間に供給する図示しない給水手段とを備える。
【００２６】
この超音波探傷装置は、超音波プローブ１には給水手段から給水チューブ４１を通して水が供給され、超音波プローブ１の中央に設けられた給水孔（貫通孔６）から水が流れ出ることにより、局部水浸法による超音波測定が可能になっている。
【００２７】
また、超音波プローブ１は、超音波送受信器５０に接続され、超音波送受信器５０から一定の繰返し周期にて印加される高電圧パルスにより超音波パルスを水中へ送波する。超音波パルスにより円柱体の圧延ロール１１０表面に漏洩表面波ＷＲが励起され、さらに、圧延ロール１１０表面を伝搬した漏洩表面波ＷＲは、モード変換により水中縦波となって超音波プローブ１に受波される。受波され電気信号に変換された信号が超音波送受信器５０により適当な振幅に増幅される。増幅後の超音波信号は、ゲート回路５１へ送られ、漏洩表面波ＷＲによる信号のみが抽出され、ピーク値検出回路５２へ送られる。ピーク値検出回路５２では入力された漏洩表面波ＷＲによる信号の振幅が検出され、走査制御、データ処理、画像表示の機能を兼ねた制御表示装置５３へ送られる。制御表示装置５３は、図示しないロール回転装置の動きを制御しつつ、超音波プローブ１の位置と対応付けて漏洩表面波ＷＲによる信号の振幅を収集し、この結果に基づいて、漏洩表面波ＷＲによる２次元走査映像を作製し、表示する。なお、ロール回転装置は、検査対象の圧延ロール１１０を、その円周方向Ｃ１に回転させることができるものであればよい。
【００２８】
ここで、超音波プローブ１は、超音波プローブ１と圧延ロール１１０との表面との間の空隙に水が満たされた状態を形成し、この水を介して超音波を圧延ロール１１０の表面に伝達することにより、圧延ロール１１０に漏洩表面波ＷＲを伝搬させ、その表面欠陥による弱まりを検出することにより、圧延ロール１１０の表面欠陥を検出することができるようになっている。
【００２９】
この超音波プローブ１を保持しているプローブホルダ２２は、圧延ロール１１０の上方に位置する固定構造部２４に対して、上下方向に摺動可能なガイド２６の下部に取り付けられている保持機構部２８に保持されている。この保持機構部２８には、前後各一対、計４個のローラ３０が備えられ、これらローラ３０の間にプローブホルダ２２が配置されている。そして、探傷を行うときには、これら４個のローラ３０が、圧延ロール１１０の表面に当接して回転することにより、探傷走査を安定させる。
【００３０】
固定構造部２４には、保持機構部２８をガイド２６に沿って昇降させる動力を、図示しない伝達手段を介して供給するためのモータ２４Ａと、その取り付けベース２４Ｂが備えられている。
【００３１】
固定構造部２４は、図示しない走査手段によって、圧延ロール１１０の軸方向に走査可能であり、これにより、超音波プローブ１を圧延ロール１１０の軸方向に走査可能である。
【００３２】
プローブホルダ２２は、保持機構部２８に対して上下に移動可能に遊嵌されている棒状体２２Ａの下端に取り付けられ、棒状体２２Ａの周囲の所定位置に介装されたばねにより、常に図中下方、即ち圧延ロール１１０の表面に対して適当な力で押付けられた状態で支持されている。
【００３３】
プローブホルダ２２には、超音波プローブ１と圧延ロール１１０との間に所定のギャップを形成するために、超音波プローブ１よりも下方の圧延ロール１１０側に突出する一対の倣いローラ３２が設けられている。
【００３４】
図７は、プローブホルダ２２が圧延ロール１１０の表面に当接するように支持された状態を拡大した図である。水平方向（ロール軸方向）に沿ってプローブホルダ２２の対向する両側部にそれぞれ軸３４が設けられ、その両側に倣いローラ３２が回転可能にそれぞれ取付けられている。このように、プローブホルダ２２に軸支された倣いローラ３２が、ばねによる適当な押付力を受けることにより、測定時には常に圧延ロール１１０の表面に当接するようになっており、この構成によってプローブホルダ２２では、超音波プローブ１と圧延ロール１１０との間に常に一定のギャップが維持されるように、超音波プローブ１が保持されるようになっている。
【００３５】
（実施例）
ここで、放電加工機を用いて、圧延ロール表面に軸方向に伸びた表面欠陥、円周方向に伸びた表面欠陥、およびその中間の方向に３０°および６０°傾いた表面欠陥を加工し、上述した超音波プローブ１および従来の超音波プローブを用いた場合の表面欠陥の検出性を評価した。
【００３６】
漏洩表面波ＷＲによる２次元走査映像の作成においては、映像輝度を受波した漏洩表面波ＷＲの振幅に応じて設定する。すなわち、受波した漏洩表面波ＷＲの振幅が大きい場合には明るく表示し、受波した漏洩表面波ＷＲの振幅が小さい場合には暗く表示する。
【００３７】
超音波プローブ１は、振動子材質：Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）、周波数２０ＭＨｚ、振動子直径１６ｍｍ、水中焦点距離１２ｍｍの仕様のものを用いた。
【００３８】
この結果、図８に示すように、本発明の超音波プローブ１を用いた場合の検出性変化は最大でも２ｄＢ程度であるのに対し、従来の超音波プローブを用いた場合は、円周方向に伸びた表面欠陥および６０°傾いた方向の表面欠陥を検出することは困難であった。なお、本発明では、漏洩表面波を検出しており、欠陥があった場合、漏洩表面波はこの欠陥によって散乱し、欠陥がない場合の漏洩表面波の受信レベルに比して低くなり、この低くなる程度によって欠陥を検出する。
【００３９】
このようにして、５００本の冷間圧延用前段ワークロールの探傷を行ったところ、本発明の超音波プローブ１を用いることによって、圧延ロール１１０の軸方向に伸びた表面欠陥以外に、円周方向に伸びた欠陥を２個、軸方向と円周方向との中間の方向に伸びた表面欠陥を１０個検出することができた。
【００４０】
この超音波探傷装置では、超音波の伝搬媒体となる水を超音波プローブ１と圧延ロール１１０の表面との間に供給すると共に、超音波プローブ１をその表面上で走査移動させながら、探傷する作業を容易且つ確実に実行することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１，１０ 超音波プローブ
２ 被検体
３ 水
４，１４ 超音波振動子
５ａ，５ｂ 電極
６ 貫通孔
１１ 音響レンズ
２２ プローブホルダ
２４ 固定構造部
２６ ガイド
２８ 保持機構部
３０ ローラ
３２ 倣いローラ
５０ 超音波送受信器
５１ ゲート回路
５２ ピーク値検出回路
５３ 制御表示装置
１１０ 圧延ロール
ＷＲ 漏洩表面波
θＲ 臨界角
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧延ロールやローラ等の金属の円柱体、特に、圧延により表面に損傷を受けた圧延用ロールの表面や表面直下に存在する割れ等の欠陥を超音波により検出する円柱体の超音波探傷方法および円柱体の超音波探傷装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
金属板の熱間圧延および冷間圧延に使用される圧延ロールは、圧延により、その表面が摩耗したり荒れたりするために、圧延量や圧延距離などが一定の基準に達した後、砥石を用いた研削により、表面が平滑にされ、再び圧延に使用される。また、圧延ロールは圧延における様々な負荷により損傷を受けるため、その表面にクラックが発生することがある。この圧延ロール表面にクラックを残したまま、圧延を行うと、圧延中に該クラックが大きく進展し、圧延ロールが割損するトラブルが発生する。このトラブルを防止するため、圧延ロールはその研削後に、表面波を用いた超音波探傷（表面波探傷と称する）によってその表面にクラックがないか検査される（特許文献１，２参照）。
【０００３】
具体的には、回転するロールの表面に、水等の接触媒質の膜を介して表面波プローブ（探触子）を接触させ、該表面波プローブからロール回転方向と逆方向に向かって表面波を伝搬させると共に、ロール表面のうち表面波が伝搬する部分の接触媒質の膜を除去するようにして、ロール表面や表面直下に存在する欠陥（以下、表面欠陥）を検出するようにしている。この表面波探傷で欠陥が検出されれば、追加の研削が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平４−２７６５４７号公報
【特許文献２】特開２０００−３５４１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１，２の記載のものでは、表面波を圧延ロールの円周方向に伝搬させて、表面欠陥を検出方法であるため、表面欠陥が圧延ロールの軸方向、あるいはそれに近い方向性を有する場合には、十分な検出を行なうことができるが、表面欠陥が円周方向あるいはそれに近い方向性を有する場合や軸方向でも円周方向でもない斜め方向の方向性を有する場合には、十分な検出を行うことができず、見逃しが発生することになる。この結果、この見逃した表面欠陥から大きなクラックが進展して、圧延ロールが割損するトラブルが発生する場合があった。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、圧延ロールの表面や表面直下に存在する欠陥（表面欠陥）を超音波探傷する際に、表面欠陥の方向性にかかわらず十分な検出を行うことができる円柱体の超音波探傷方法及び円柱体の超音波探傷装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる円柱体の超音波探傷方法は、回転する被検体である円柱体の表面から一定の距離に、超音波プローブを保持し、該超音波プローブから音響結合媒体を介して円柱体へ超音波を伝搬させると共に、円柱体表面や表面直下に存在する欠陥を検出する円柱体の超音波探傷方法であって、前記超音波プローブは、前記被検体の表面の全方位に向けて前記被検体へ漏洩表面波を励起させる斜角入射波の送波を行うとともに、前記被検体の表面を伝搬してきた前記漏洩表面波からモード変換によって生成された縦波である漏洩波の受波とを行うことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明にかかる超音波探傷方法は、上記の発明において、前記超音波プローブは、凹面状に成型した圧電高分子膜の中央に孔が設けられた超音波振動子を用いて前記斜角入射波の送波と前記漏洩波の受波とを行うことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明にかかる超音波探傷方法は、上記の発明において、前記円柱体は、圧延用ロールであることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明にかかる超音波探傷装置は、回転する被検体である円柱体の表面から一定の距離に、超音波プローブを保持し、該超音波プローブから音響結合媒体を介して円柱体へ超音波を伝搬させると共に、円柱体表面や表面直下に存在する欠陥を検出する円柱体の超音波探傷装置であって、前記超音波プローブは、前記被検体の表面の全方位に向けて前記被検体へ漏洩表面波を励起させる斜角入射波の送波を行うとともに、前記被検体の表面を伝搬してきた前記漏洩表面波からモード変換によって生成された縦波である漏洩波の受波とを行うことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明にかかる超音波探傷装置は、上記の発明において、前記超音波プローブは、凹面状に成型した圧電高分子膜の中央に孔が設けられた超音波振動子を用いて前記斜角入射波の送波と前記漏洩波の受波とを行うことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明にかかる超音波探傷装置は、上記の発明において、前記円柱体は、圧延用ロールであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、円柱体の表面や表面直下に存在する欠陥（表面欠陥）を超音波探傷する際に、表面欠陥の方向性にかかわらず十分な検出を行うことが可能である。特に圧延ロールの表面欠陥検査に本発明を適用した場合には、圧延中のロール割損事故の原因となる有害な表面欠陥をその欠陥が有する方向性によらず、漏れなく検出できるので、圧延におけるロールトラブルを有効に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明にかかる円柱体の超音波探傷装置に用いる超音波プローブの構成を示す断面図である。
【図２】図２は、図１に示した超音波振動子の概要構成を示す斜視図である。
【図３】図３は、図１に示した超音波振動子の円弧角度と凹状の表面を有する被検体との関係を示す断面図である。
【図４】図４は、図１に示した超音波振動子の円弧角度と凸状の表面を有する被検体との関係を示す断面図である。
【図５】図５は、板状の超音波振動子と音響レンズとを用いた超音波プローブの構成を示す断面図である。
【図６】図６は、図１に示した超音波振動子を用いた超音波探傷装置の概要構成を示す模式図である。
【図７】図７は、図６に示したプローブホルダの構成を示す拡大図である。
【図８】図８は、本発明の超音波プローブと従来の超音波プローブとによる表面欠陥の検出性を比較評価した結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、図面を参照して、本発明にかかる円柱体の超音波探傷方法および円柱体の超音波探傷装置について説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１６】
（超音波プローブ）
図１は、本発明に係る円柱体の超音波探傷方法および円柱体の超音波探傷装置に用いる超音波プローブの構成を示す断面図である。図１において、この超音波プローブ１は、図２に示すように、お椀型の略半球の球面であって縦断面が円弧形状となる超音波振動子４が先端に設けられ、該球面の凹面が圧延ロールなどの被検体２側に向けられる。超音波振動子４は、極薄の電極５ａ，５ｂによって挟まれ、電極５ａ，５ｂ間に超音波パルスが印加されることによって超音波を送波し、受波した超音波は、電極５ａ，５ｂ間の超音波電圧信号として受信される。なお、先端側の電極５ｂには、表面に保護膜が形成されている。また、超音波プローブ１には、その中心軸Ｃまわりに貫通孔６が設けられ、この貫通孔６から超音波伝達媒体としての水３が供給され、この水３は、超音波プローブ１と被検体２との間に満たされる。なお、超音波振動子４は、ＰＶＤＦやＰ（ＶＤＦ-ＴｒＦＥ）などのいわゆる高分子圧電体が好ましい。
【００１７】
超音波振動子４の円弧角度θは、必ずしも円弧である必要はないが、送波される超音波から漏洩表面波ＷＲを励起させる臨界角θRより十分に大きい角度を有するようにしている。この臨界角θRと漏洩表面波ＷＲとは、次式（１）に示す関係を有する。
（sinθR）／ＣＷ＝（sin９０°）／ＣＲ …（１）
ただし、ＣＷは水中での超音波の速度であり、ＣＲは漏洩表面波ＷＲの速度である。
【００１８】
この関係式（１）は、超音波振動子４から斜角入射された超音波と漏洩表面波ＷＲとの関係、および漏洩表面波ＷＲとこの漏洩表面波ＷＲからモード変換されて生成された縦波として超音波振動子４に向かう超音波との関係の双方で成り立つ。この結果、図２に示すように漏洩表面波ＷＲを生成する超音波の送波位置と漏洩表面波ＷＲの受波位置とは、超音波振動子４上で円ＬＲを描く。すなわち、漏洩表面波ＷＲを測定する際の超音波が伝達する経路は、図２の下段に示すように、下方が萎む円筒形状となり、被検体２の表面上に対して３６０°の全方位から伝搬してきた漏洩表面波ＷＲ（より正確には漏洩表面波ＷＲからモード変換されて生成された縦波）を受波することができる。
【００１９】
ここで、図３に示すように、被検体２の表面が凹形状である場合、臨界角θRは、小さい角度の臨界角θR１となり、図４に示すように、被検体２の表面が凸形状である場合、大きい角度の臨界角θR２となる。すなわち、臨界角θRは、表面の凹凸形状によって左右されるため、超音波振動子４の円弧角度は、上述したように、臨界角θRよりも十分大きな角度を有することが好ましい。なお、この円弧角度は、従来の焦点型超音波プローブの円弧角度よりも十分大きい。
【００２０】
また、超音波プローブ１は、上述したように、貫通孔６が形成され、この貫通孔６の部分には超音波振動子４が形成されていない。すなわち、超音波振動子４の中央部分には孔が設けられている。これは、臨界角θR未満でほぼ中心軸Ｃに近い角度で入射し反射する超音波の強度が強すぎるため、この受波を除外するためである。なお、漏洩表面波ＷＲの伝搬経路は直接反射波に比べて長いことから、漏洩表面波ＷＲの受波は、直接反射波の受波に比して少し遅く検出される。しかし、直接反射波に比して強度がたとえば１／１０程度となるため、この直接反射波を予め除去しておくことがＳ／Ｎ比を確保するために好ましい。なお、直接反射波の波形は事前に取得することができるので、直接反射波が飽和しない感度で受波した超音波波形から、事前に同じ感度で取得された直接反射波の波形を減算処理することによって、この直接反射波を容易に取り除くこともできる。この場合には、必ずしも超音波振動子４の中央部分に孔を設けなくても良い。
【００２１】
ここで、上述した超音波プローブ１は、お椀型の超音波振動子４を用いているため、音響レンズを用いる必要がないので、音響レンズに起因する音圧通過率の低下がない。また、高分子圧電体の音響インピーダンスは、水の音響インピーダンスに近いため、超音波振動子４に励起された音響的勢力を効率よく被検体２表面へ入射させ、大きな振幅の漏洩表面波ＷＲを励起することができる。漏洩表面波ＷＲからモード変換された水中縦波の受波の効率も同様に高い。したがって、漏洩表面波ＷＲの伝搬距離を長くしても、伝達した漏洩表面波ＷＲからモード変換された水中縦波の受波が可能であるため、超音波ビームの焦点を被検体２内部の深い位置に設定することが可能である。すなわち、被検体４と超音波プローブ１との距離設定における自由度が高くなる。
【００２２】
また、被検体２である圧延ロールは、圧延による摩耗や研削によってその直径が変化し、表面の曲率が変化する。また、圧延ロールの軸方向に曲率はないのに対し、円周方向には曲率があり、また、その両者の中間の方向では徐々に曲率が変化する。このため、超音波プローブ１からみたときの漏洩表面波ＷＲの臨界角θＲが変化する現象（見掛け上の臨界角変化現象）が発生する。しかし、球面である超音波振動子４のいずれかの位置から送波された超音波により、直接、漏洩表面波ＷＲを励起でき、また、漏洩表面波ＷＲからモード変換された水中縦波を球面である超音波振動子４のいずれかの位置で直接受波することができる。よって、受波される漏洩表面波ＷＲの振幅には、圧延ロールの方向および径変化の影響があらわれにくい。
【００２３】
なお、図５に示すように、お椀型の超音波振動子４に替えて板状の超音波振動子１４を用いて、さらにアルミニウムなどによる音響レンズ１１を用いて超音波の送受波を行う超音波プローブ１０を用いてもよい。これによって、全周方向の超音波探傷を行うことができるからである。
【００２４】
また、上述した超音波プローブ１，１０が対象とする被検体２は、圧延ロールなどの円柱体に限らず、どのような形状のものであっても、被検体表面近傍の全周方向の探傷を行うことができる。
【００２５】
（超音波探傷装置）
ここで、上述した超音波プローブ１を用いた超音波探傷装置の構成について説明する。図６に示すように、この超音波探傷装置は、圧延ロール１１０を被検体とする。超音波探傷装置は、圧延ロール１１０を回転させる図示しないロール回転装置と、圧延ロール１１０へ漏洩表面波を送受波するための超音波プローブ１と、超音波プローブ１を保持するためのプローブホルダ２２と、プローブホルダ２２に付設され、接触媒質である水をロール１１０の表面と超音波プローブ１との間に供給する図示しない給水手段とを備える。
【００２６】
この超音波探傷装置は、超音波プローブ１には給水手段から給水チューブ４１を通して水が供給され、超音波プローブ１の中央に設けられた給水孔（貫通孔６）から水が流れ出ることにより、局部水浸法による超音波測定が可能になっている。
【００２７】
また、超音波プローブ１は、超音波送受信器５０に接続され、超音波送受信器５０から一定の繰返し周期にて印加される高電圧パルスにより超音波パルスを水中へ送波する。超音波パルスにより円柱体の圧延ロール１１０表面に漏洩表面波ＷＲが励起され、さらに、圧延ロール１１０表面を伝搬した漏洩表面波ＷＲは、モード変換により水中縦波となって超音波プローブ１に受波される。受波され電気信号に変換された信号が超音波送受信器５０により適当な振幅に増幅される。増幅後の超音波信号は、ゲート回路５１へ送られ、漏洩表面波ＷＲによる信号のみが抽出され、ピーク値検出回路５２へ送られる。ピーク値検出回路５２では入力された漏洩表面波ＷＲによる信号の振幅が検出され、走査制御、データ処理、画像表示の機能を兼ねた制御表示装置５３へ送られる。制御表示装置５３は、図示しないロール回転装置の動きを制御しつつ、超音波プローブ１の位置と対応付けて漏洩表面波ＷＲによる信号の振幅を収集し、この結果に基づいて、漏洩表面波ＷＲによる２次元走査映像を作製し、表示する。なお、ロール回転装置は、検査対象の圧延ロール１１０を、その円周方向Ｃ１に回転させることができるものであればよい。
【００２８】
ここで、超音波プローブ１は、超音波プローブ１と圧延ロール１１０との表面との間の空隙に水が満たされた状態を形成し、この水を介して超音波を圧延ロール１１０の表面に伝達することにより、圧延ロール１１０に漏洩表面波ＷＲを伝搬させ、その表面欠陥による弱まりを検出することにより、圧延ロール１１０の表面欠陥を検出することができるようになっている。
【００２９】
この超音波プローブ１を保持しているプローブホルダ２２は、圧延ロール１１０の上方に位置する固定構造部２４に対して、上下方向に摺動可能なガイド２６の下部に取り付けられている保持機構部２８に保持されている。この保持機構部２８には、前後各一対、計４個のローラ３０が備えられ、これらローラ３０の間にプローブホルダ２２が配置されている。そして、探傷を行うときには、これら４個のローラ３０が、圧延ロール１１０の表面に当接して回転することにより、探傷走査を安定させる。
【００３０】
固定構造部２４には、保持機構部２８をガイド２６に沿って昇降させる動力を、図示しない伝達手段を介して供給するためのモータ２４Ａと、その取り付けベース２４Ｂが備えられている。
【００３１】
固定構造部２４は、図示しない走査手段によって、圧延ロール１１０の軸方向に走査可能であり、これにより、超音波プローブ１を圧延ロール１１０の軸方向に走査可能である。
【００３２】
プローブホルダ２２は、保持機構部２８に対して上下に移動可能に遊嵌されている棒状体２２Ａの下端に取り付けられ、棒状体２２Ａの周囲の所定位置に介装されたばねにより、常に図中下方、即ち圧延ロール１１０の表面に対して適当な力で押付けられた状態で支持されている。
【００３３】
プローブホルダ２２には、超音波プローブ１と圧延ロール１１０との間に所定のギャップを形成するために、超音波プローブ１よりも下方の圧延ロール１１０側に突出する一対の倣いローラ３２が設けられている。
【００３４】
図７は、プローブホルダ２２が圧延ロール１１０の表面に当接するように支持された状態を拡大した図である。水平方向（ロール軸方向）に沿ってプローブホルダ２２の対向する両側部にそれぞれ軸３４が設けられ、その両側に倣いローラ３２が回転可能にそれぞれ取付けられている。このように、プローブホルダ２２に軸支された倣いローラ３２が、ばねによる適当な押付力を受けることにより、測定時には常に圧延ロール１１０の表面に当接するようになっており、この構成によってプローブホルダ２２では、超音波プローブ１と圧延ロール１１０との間に常に一定のギャップが維持されるように、超音波プローブ１が保持されるようになっている。
【００３５】
（実施例）
ここで、放電加工機を用いて、圧延ロール表面に軸方向に伸びた表面欠陥、円周方向に伸びた表面欠陥、およびその中間の方向に３０°および６０°傾いた表面欠陥を加工し、上述した超音波プローブ１および従来の超音波プローブを用いた場合の表面欠陥の検出性を評価した。
【００３６】
漏洩表面波ＷＲによる２次元走査映像の作成においては、映像輝度を受波した漏洩表面波ＷＲの振幅に応じて設定する。すなわち、受波した漏洩表面波ＷＲの振幅が大きい場合には明るく表示し、受波した漏洩表面波ＷＲの振幅が小さい場合には暗く表示する。
【００３７】
超音波プローブ１は、振動子材質：Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）、周波数２０ＭＨｚ、振動子直径１６ｍｍ、水中焦点距離１２ｍｍの仕様のものを用いた。
【００３８】
この結果、図８に示すように、本発明の超音波プローブ１を用いた場合の検出性変化は最大でも２ｄＢ程度であるのに対し、従来の超音波プローブを用いた場合は、円周方向に伸びた表面欠陥および６０°傾いた方向の表面欠陥を検出することは困難であった。なお、本発明では、漏洩表面波を検出しており、欠陥があった場合、漏洩表面波はこの欠陥によって散乱し、欠陥がない場合の漏洩表面波の受信レベルに比して低くなり、この低くなる程度によって欠陥を検出する。
【００３９】
このようにして、５００本の冷間圧延用前段ワークロールの探傷を行ったところ、本発明の超音波プローブ１を用いることによって、圧延ロール１１０の軸方向に伸びた表面欠陥以外に、円周方向に伸びた欠陥を２個、軸方向と円周方向との中間の方向に伸びた表面欠陥を１０個検出することができた。
【００４０】
この超音波探傷装置では、超音波の伝搬媒体となる水を超音波プローブ１と圧延ロール１１０の表面との間に供給すると共に、超音波プローブ１をその表面上で走査移動させながら、探傷する作業を容易且つ確実に実行することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１，１０ 超音波プローブ
２ 被検体
３ 水
４，１４ 超音波振動子
５ａ，５ｂ 電極
６ 貫通孔
１１ 音響レンズ
２２ プローブホルダ
２４ 固定構造部
２６ ガイド
２８ 保持機構部
３０ ローラ
３２ 倣いローラ
５０ 超音波送受信器
５１ ゲート回路
５２ ピーク値検出回路
５３ 制御表示装置
１１０ 圧延ロール
ＷＲ 漏洩表面波
θＲ 臨界角
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転する被検体である円柱体の表面から一定の距離に、超音波プローブを保持し、該超音波プローブから音響結合媒体を介して円柱体へ超音波を伝搬させると共に、円柱体表面や表面直下に存在する欠陥を検出する円柱体の超音波探傷方法であって、
前記超音波プローブは、
前記被検体の表面の全方位に向けて前記被検体へ漏洩表面波を励起させる斜角入射波の送波を行うとともに、前記被検体の表面を伝搬してきた前記漏洩表面波からモード変換によって生成された縦波である漏洩波の受波とを行うことを特徴とする円柱体の超音波探傷方法。
【請求項２】
前記超音波プローブは、凹面状に成型した圧電高分子膜の中央に孔が設けられた超音波振動子を用いて前記斜角入射波の送波と前記漏洩波の受波とを行うことを特徴とする請求項１に記載の円柱体の超音波探傷方法。
【請求項３】
前記円柱体は、圧延用ロールであることを特徴とする請求項１または２に記載の円柱体の超音波探傷方法。
【請求項４】
回転する被検体である円柱体の表面から一定の距離に、超音波プローブを保持し、該超音波プローブから音響結合媒体を介して円柱体へ超音波を伝搬させると共に、円柱体表面や表面直下に存在する欠陥を検出する円柱体の超音波探傷装置であって、
前記超音波プローブは、
前記被検体の表面の全方位に向けて前記被検体へ漏洩表面波を励起させる斜角入射波の送波を行うとともに、前記被検体の表面を伝搬してきた前記漏洩表面波からモード変換によって生成された縦波である漏洩波の受波とを行うことを特徴とする円柱体の超音波探傷装置。
【請求項５】
前記超音波プローブは、凹面状に成型した圧電高分子膜の中央に孔が設けられた超音波振動子を用いて前記斜角入射波の送波と前記漏洩波の受波とを行うことを特徴とする請求項４に記載の円柱体の超音波探傷装置。
【請求項６】
前記円柱体は、圧延用ロールであることを特徴とする請求項４または５に記載の円柱体の超音波探傷装置。
【請求項１】
回転する被検体である円柱体の表面から一定の距離に、超音波プローブを保持し、該超音波プローブから音響結合媒体を介して円柱体へ超音波を伝搬させると共に、円柱体表面や表面直下に存在する欠陥を検出する円柱体の超音波探傷方法であって、
前記超音波プローブは、
前記被検体の表面の全方位に向けて前記被検体へ漏洩表面波を励起させる斜角入射波の送波を行うとともに、前記被検体の表面を伝搬してきた前記漏洩表面波からモード変換によって生成された縦波である漏洩波の受波とを行うことを特徴とする円柱体の超音波探傷方法。
【請求項２】
前記超音波プローブは、凹面状に成型した圧電高分子膜の中央に孔が設けられた超音波振動子を用いて前記斜角入射波の送波と前記漏洩波の受波とを行うことを特徴とする請求項１に記載の円柱体の超音波探傷方法。
【請求項３】
前記円柱体は、圧延用ロールであることを特徴とする請求項１または２に記載の円柱体の超音波探傷方法。
【請求項４】
回転する被検体である円柱体の表面から一定の距離に、超音波プローブを保持し、該超音波プローブから音響結合媒体を介して円柱体へ超音波を伝搬させると共に、円柱体表面や表面直下に存在する欠陥を検出する円柱体の超音波探傷装置であって、
前記超音波プローブは、
前記被検体の表面の全方位に向けて前記被検体へ漏洩表面波を励起させる斜角入射波の送波を行うとともに、前記被検体の表面を伝搬してきた前記漏洩表面波からモード変換によって生成された縦波である漏洩波の受波とを行うことを特徴とする円柱体の超音波探傷装置。
【請求項５】
前記超音波プローブは、凹面状に成型した圧電高分子膜の中央に孔が設けられた超音波振動子を用いて前記斜角入射波の送波と前記漏洩波の受波とを行うことを特徴とする請求項４に記載の円柱体の超音波探傷装置。
【請求項６】
前記円柱体は、圧延用ロールであることを特徴とする請求項４または５に記載の円柱体の超音波探傷装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１０３０３３（Ｐ２０１２−１０３０３３Ａ）
【公開日】平成２４年５月３１日（２０１２．５．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２４９５４８（Ｐ２０１０−２４９５４８）
【出願日】平成２２年１１月８日（２０１０．１１．８）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月３１日（２０１２．５．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月８日（２０１０．１１．８）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
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