特許 6973713 探傷装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6973713

(24)【登録日】2021年11月8日

(45)【発行日】2021年12月1日

(54)【発明の名称】探傷装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 29/04 20060101AFI20211118BHJP

   G01N 29/48 20060101ALI20211118BHJP

   G01N 29/265 20060101ALI20211118BHJP

   G01N 29/24 20060101ALI20211118BHJP

【ＦＩ】

   G01N29/04

   G01N29/48

   G01N29/265

   G01N29/24

【請求項の数】13

【全頁数】24

(21)【出願番号】特願2016-173729(P2016-173729)

(22)【出願日】2016年9月6日

(65)【公開番号】特開2018-40630(P2018-40630A)

(43)【公開日】2018年3月15日

【審査請求日】2019年8月26日

(73)【特許権者】

【識別番号】504157024

【氏名又は名称】国立大学法人東北大学

(73)【特許権者】

【識別番号】000222071

【氏名又は名称】東北発電工業株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000222037

【氏名又は名称】東北電力株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100131428

【弁理士】

【氏名又は名称】若山 剛

(72)【発明者】

【氏名】三原 毅

(72)【発明者】

【氏名】相澤 威一郎

(72)【発明者】

【氏名】田附 匡

(72)【発明者】

【氏名】松村 雄士

(72)【発明者】

【氏名】中嶋 誠

【審査官】 村田 顕一郎

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−１６３４７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−０１１３４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２５４９４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−０３８３６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６３−１７７０５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００５／１２１７７１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１４／００９６６１０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１４−１８５８９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 木村勝美 et al.，超音波探傷用点集束斜角探触子の設計方法，非破壊検査，31巻第1号，社団法人日本非破壊検査協会，1982年01月，p2-p10

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２９／００−２９／５２

Ａ６１Ｂ ８／００−８／１５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

中空の円柱形状であるとともに、中心軸に平行な直線に沿って溶接されることにより形成された管の欠陥を検出する探傷装置であって、
駆動信号に応じて超音波を生成するとともに、前記超音波が前記管にて反射されることにより到来する反射波としての超音波に応じて検出信号を生成する、少なくとも１つの圧電素子を有する探触子と、
前記駆動信号を前記探触子に供給するとともに、前記探触子からの前記検出信号に基づいて前記管の欠陥を検出する制御回路と、
前記探触子の、前記管の外表面に平行な方向における位置を所定のピッチ距離毎に変更可能な位置変更部と、
を備え、
前記探触子は、音響レンズを有し、
前記音響レンズは、互いに対向する第１端面及び第２端面を有し、
前記第１端面は、前記少なくとも１つの圧電素子が有する第３端面と接し、
前記第２端面は、媒体を介して前記管の外表面と接し、
前記音響レンズ及び前記少なくとも１つの圧電素子は、前記第３端面内の所定の基準位置と前記超音波の焦点位置との間を前記超音波が伝搬する経路のうちの、前記管の外表面と内表面との間の部分と、前記管の外表面に直交し且つ前記超音波の焦点位置を通る直線と、により、前記管の中心軸に直交する平面において形成される第１角度が１５度乃至７０度の角度であるように、前記管に前記超音波を照射可能な形状を有し、
前記制御回路は、前記焦点位置が互いに異なる複数の位置のそれぞれに一致するように前記探触子が移動することにより生成された、前記複数の位置のそれぞれに対する前記反射波の強度が、所定の閾値以上である場合、当該強度を第１強度に補正し、一方、前記反射波の強度が前記閾値よりも小さい場合、当該強度を第２強度に補正するとともに、前記補正された強度が前記第１強度である領域の数を検出し、前記領域の数に基づいて前記欠陥を検出する、探傷装置。

【請求項2】

中空の円柱形状であるとともに、中心軸に平行な直線に沿って溶接されることにより形成された管の欠陥を検出する探傷装置であって、
駆動信号に応じて超音波を生成するとともに、前記超音波が前記管にて反射されることにより到来する反射波としての超音波に応じて検出信号を生成する、少なくとも１つの圧電素子を有する探触子と、
前記駆動信号を前記探触子に供給するとともに、前記探触子からの前記検出信号に基づいて前記管の欠陥を検出する制御回路と、
前記探触子の、前記管の外表面に平行な方向における位置を所定のピッチ距離毎に変更可能な位置変更部と、
を備え、
前記探触子は、音響レンズを有し、
前記音響レンズは、互いに対向する第１端面及び第２端面を有し、
前記第１端面は、前記少なくとも１つの圧電素子が有する第３端面と接し、
前記第２端面は、媒体を介して前記管の外表面と接し、
前記音響レンズ及び前記少なくとも１つの圧電素子は、前記第３端面内の所定の基準位置と前記超音波の焦点位置との間を前記超音波が伝搬する経路のうちの、前記管の外表面と内表面との間の部分と、前記管の外表面に直交し且つ前記超音波の焦点位置を通る直線と、により、前記管の中心軸に直交する平面において形成される第１角度が１５度乃至７０度の角度であるように、前記管に前記超音波を照射可能な形状を有し、
前記制御回路は、前記焦点位置が互いに異なる複数の位置のそれぞれに一致するように前記探触子が移動することにより生成された、前記複数の位置のそれぞれに対する前記反射波の強度が、所定の閾値以上である場合、当該強度を第１強度に補正し、一方、前記反射波の強度が前記閾値よりも小さい場合、当該強度を第２強度に補正するとともに、前記補正された強度が前記第１強度である領域の面積を検出し、前記面積に基づいて前記欠陥を検出する、探傷装置。

【請求項3】

中空の円柱形状であるとともに、中心軸に平行な直線に沿って溶接されることにより形成された管の欠陥を検出する探傷装置であって、
駆動信号に応じて超音波を生成するとともに、前記超音波が前記管にて反射されることにより到来する反射波としての超音波に応じて検出信号を生成する、少なくとも１つの圧電素子を有する探触子と、
前記駆動信号を前記探触子に供給するとともに、前記探触子からの前記検出信号に基づいて前記管の欠陥を検出する制御回路と、
前記探触子の、前記管の外表面に平行な方向における位置を所定のピッチ距離毎に変更可能な位置変更部と、
を備え、
前記探触子は、音響レンズを有し、
前記音響レンズは、互いに対向する第１端面及び第２端面を有し、
前記第１端面は、前記少なくとも１つの圧電素子が有する第３端面と接し、
前記第２端面は、媒体を介して前記管の外表面と接し、
前記音響レンズ及び前記少なくとも１つの圧電素子は、前記第３端面内の所定の基準位置と前記超音波の焦点位置との間を前記超音波が伝搬する経路のうちの、前記管の外表面と内表面との間の部分と、前記管の外表面に直交し且つ前記超音波の焦点位置を通る直線と、により、前記管の中心軸に直交する平面において形成される第１角度が１５度乃至７０度の角度であるように、前記管に前記超音波を照射可能な形状を有し、
前記制御回路は、前記焦点位置が互いに異なる複数の位置のそれぞれに一致するように前記探触子が移動することにより生成された、前記複数の位置のそれぞれに対する前記反射波の強度が、所定の閾値以上である場合、当該強度を第１強度に補正し、一方、前記反射波の強度が前記閾値よりも小さい場合、当該強度を第２強度に補正し、前記補正された強度に基づいて前記欠陥を検出し、
前記閾値は、前記複数の位置のうちの、前記反射波の強度が前記閾値以上である位置の数を、前記複数の位置の総数により除した値が、所定の目標値に一致するように決定される、探傷装置。

【請求項4】

請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の探傷装置であって、
前記超音波は、中心の周波数が略１０ＭＨｚである帯域を有する、探傷装置。

【請求項5】

請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の探傷装置であって、
前記第１角度は、略４５度である、探傷装置。

【請求項6】

請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の探傷装置であって、
前記焦点位置と前記管の外表面との間の距離は、略３０ｍｍである、探傷装置。

【請求項7】

請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の探傷装置であって、
前記第２端面は、平面である、探傷装置。

【請求項8】

請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の探傷装置であって、
前記ピッチ距離は、略１μｍである、探傷装置。

【請求項9】

請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の探傷装置であって、
前記少なくとも１つの圧電素子は、前記超音波を生成する第１圧電素子と、前記検出信号を生成する第２圧電素子と、を含む、探傷装置。

【請求項10】

請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の探傷装置であって、
前記少なくとも１つの圧電素子は、０−３型のコンポジット圧電体を含む、探傷装置。

【請求項11】

中空の円柱形状であるとともに、中心軸に平行な直線に沿って溶接されることにより形成された管の欠陥を検出する探傷方法であって、
少なくとも１つの圧電素子と音響レンズとを有し、前記音響レンズが、互いに対向する第１端面及び第２端面を有し、前記第１端面が、前記少なくとも１つの圧電素子が有する第３端面と接する探触子を、前記第２端面が、媒体を介して前記管の外表面と接するように配置し、
前記探触子の、前記管の外表面に平行な方向における位置を所定のピッチ距離毎に変更しながら検出工程を実行する、
ことを含み、
前記検出工程は、
前記探触子に駆動信号を供給し、
前記探触子が前記駆動信号に応じて前記管に超音波を照射し、
前記超音波が前記管にて反射されることにより到来する反射波としての超音波に応じて、前記探触子が検出信号を生成し、
前記検出信号に基づいて前記管の欠陥を検出する、
ことを含み、
前記第３端面内の所定の基準位置と前記照射された超音波の焦点位置との間を前記照射された超音波が伝搬する経路のうちの、前記管の外表面と内表面との間の部分と、前記管の外表面に直交し且つ前記焦点位置を通る直線と、により、前記管の中心軸に直交する平面において形成される第１角度は、１５度乃至７０度の角度であり、
前記検出工程は、前記焦点位置が互いに異なる複数の位置のそれぞれに一致するように前記探触子が移動することにより生成された、前記複数の位置のそれぞれに対する前記反射波の強度が、所定の閾値以上である場合、当該強度を第１強度に補正し、一方、前記反射波の強度が前記閾値よりも小さい場合、当該強度を第２強度に補正するとともに、前記補正された強度が前記第１強度である領域の数を検出し、前記領域の数に基づいて前記欠陥を検出する、ことを含む、探傷方法。

【請求項12】

中空の円柱形状であるとともに、中心軸に平行な直線に沿って溶接されることにより形成された管の欠陥を検出する探傷方法であって、
少なくとも１つの圧電素子と音響レンズとを有し、前記音響レンズが、互いに対向する第１端面及び第２端面を有し、前記第１端面が、前記少なくとも１つの圧電素子が有する第３端面と接する探触子を、前記第２端面が、媒体を介して前記管の外表面と接するように配置し、
前記探触子の、前記管の外表面に平行な方向における位置を所定のピッチ距離毎に変更しながら検出工程を実行する、
ことを含み、
前記検出工程は、
前記探触子に駆動信号を供給し、
前記探触子が前記駆動信号に応じて前記管に超音波を照射し、
前記超音波が前記管にて反射されることにより到来する反射波としての超音波に応じて、前記探触子が検出信号を生成し、
前記検出信号に基づいて前記管の欠陥を検出する、
ことを含み、
前記第３端面内の所定の基準位置と前記照射された超音波の焦点位置との間を前記照射された超音波が伝搬する経路のうちの、前記管の外表面と内表面との間の部分と、前記管の外表面に直交し且つ前記焦点位置を通る直線と、により、前記管の中心軸に直交する平面において形成される第１角度は、１５度乃至７０度の角度であり、
前記検出工程は、前記焦点位置が互いに異なる複数の位置のそれぞれに一致するように前記探触子が移動することにより生成された、前記複数の位置のそれぞれに対する前記反射波の強度が、所定の閾値以上である場合、当該強度を第１強度に補正し、一方、前記反射波の強度が前記閾値よりも小さい場合、当該強度を第２強度に補正するとともに、前記補正された強度が前記第１強度である領域の面積を検出し、前記面積に基づいて前記欠陥を検出する、ことを含む、探傷方法。

【請求項13】

中空の円柱形状であるとともに、中心軸に平行な直線に沿って溶接されることにより形成された管の欠陥を検出する探傷方法であって、
少なくとも１つの圧電素子と音響レンズとを有し、前記音響レンズが、互いに対向する第１端面及び第２端面を有し、前記第１端面が、前記少なくとも１つの圧電素子が有する第３端面と接する探触子を、前記第２端面が、媒体を介して前記管の外表面と接するように配置し、
前記探触子の、前記管の外表面に平行な方向における位置を所定のピッチ距離毎に変更しながら検出工程を実行する、
ことを含み、
前記検出工程は、
前記探触子に駆動信号を供給し、
前記探触子が前記駆動信号に応じて前記管に超音波を照射し、
前記超音波が前記管にて反射されることにより到来する反射波としての超音波に応じて、前記探触子が検出信号を生成し、
前記検出信号に基づいて前記管の欠陥を検出する、
ことを含み、
前記第３端面内の所定の基準位置と前記照射された超音波の焦点位置との間を前記照射された超音波が伝搬する経路のうちの、前記管の外表面と内表面との間の部分と、前記管の外表面に直交し且つ前記焦点位置を通る直線と、により、前記管の中心軸に直交する平面において形成される第１角度は、１５度乃至７０度の角度であり、
前記検出工程は、前記焦点位置が互いに異なる複数の位置のそれぞれに一致するように前記探触子が移動することにより生成された、前記複数の位置のそれぞれに対する前記反射波の強度が、所定の閾値以上である場合、当該強度を第１強度に補正し、一方、前記反射波の強度が前記閾値よりも小さい場合、当該強度を第２強度に補正し、前記補正された強度に基づいて前記欠陥を検出することを含み、
前記閾値は、前記複数の位置のうちの、前記反射波の強度が前記閾値以上である位置の数を、前記複数の位置の総数により除した値が、所定の目標値に一致するように決定される、探傷方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、探傷装置に関する。

【背景技術】

【0002】

超音波を生成するとともに、生成した超音波が対象物にて反射されることにより到来する反射波としての超音波を検出することによって、対象物の欠陥を検出する探傷装置が知られている。この種の探傷装置の一つは、１ｍｍ程度以上の大きさを有する欠陥を検出する。

【0003】

例えば、発電設備において水蒸気を輸送するために管が用いられる。図１は、管ＯＢの中心軸ＣＡに直交する平面により切断された管ＯＢの断面を表す。管ＯＢは、外表面ＷＯと内表面ＷＩとを有する。本例では、管ＯＢは、管ＯＢの中心軸ＣＡに平行な直線に沿って溶接されることにより形成される。管ＯＢの中心軸ＣＡに平行な直線に沿った溶接は、長手溶接と表されてもよい。

【0004】

管ＯＢは、溶接金属部ＷＭと、母材部ＢＭと、熱影響部（ＨＡＺ；Ｈｅａｔ Ａｆｆｅｃｔｅｄ Ｚｏｎｅ）ＨＺと、を有する。溶接金属部ＷＭは、管ＯＢのうちの、溶接中に溶融し、その後、凝固した部分である。母材部ＢＭは、管ＯＢのうちの、溶接による熱の影響を受けなかった部分である。熱影響部ＨＺは、管ＯＢのうちの、溶接中に溶融することなく、且つ、溶接による熱の影響を受けた部分である。熱影響部ＨＺは、溶接金属部ＷＭと母材部ＢＭとの間に存在する。

【0005】

熱影響部ＨＺにおいて、タイプＩＶと呼ばれる型の欠陥が生じることが知られている。タイプＩＶの欠陥（例えば、ボイド）が成長すると、管ＯＢが破損する虞がある。このため、タイプＩＶの欠陥が比較的小さい（例えば、１μｍ乃至１０μｍ程度の大きさを有する）時点にて、当該欠陥を検出できれば、管ＯＢの破損を回避しやすい。

【0006】

そこで、例えば、散乱波を用いることにより、管ＯＢの外表面ＷＯの近傍における比較的小さい欠陥を検出することが試みられている。例えば、非特許文献１に記載の探傷装置は、超音波を用いることによりタイプＩＶの欠陥を検出する。この探傷装置は、中心の周波数が３０ＭＨｚである帯域を有する超音波を生成し、生成された超音波を用いて、管ＯＢのうちの、管ＯＢの外表面ＷＯからの距離が１．５ｍｍから２．０ｍｍの間の長さである位置における欠陥を検出する。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0007】

【非特許文献1】大谷俊博、外２名、「非線形超音波によるボイラ配管溶接部のタイプＩＶ損傷の検出」、湘南工科大学紀要、湘南工科大学、２００９年３月、第４３巻、第１号、ｐ．１−８

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

ところで、タイプＩＶの欠陥は、管ＯＢのうちの、管ＯＢの外表面ＷＯからの距離が比較的長い（換言すると、管ＯＢのうちの外表面ＷＯと内表面ＷＩとの間の比較的深い）位置にて生じることがある。一方、超音波は、当該超音波が伝搬する距離が長くなるほど大きく減衰する。また、超音波が伝搬する距離が長くなるほど、管ＯＢのうちの外表面ＷＯと内表面ＷＩとの間の目標位置にて反射された超音波に対する雑音が大きくなりやすい。

【0009】

このため、上述した探傷装置を用いても、管ＯＢのうちの外表面ＷＯと内表面ＷＩとの間の比較的深い位置におけるタイプＩＶの欠陥を十分に高い精度にて検出できなかった。なお、上述した課題は、タイプＩＶ以外の型の欠陥の検出に対しても同様に生じ得る。

【0010】

そこで、本発明の目的は、管の欠陥を十分に高い精度にて検出することができる探傷装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0011】

一つの側面では、探傷装置は、探触子と制御回路とを備える。
上記探触子は、駆動信号に応じて超音波を生成するとともに、上記超音波が対象物としての管にて反射されることにより到来する反射波としての超音波に応じて検出信号を生成する、少なくとも１つの圧電素子を有する。
上記制御回路は、上記駆動信号を上記探触子に供給するとともに、上記探触子からの上記検出信号に基づいて上記対象物の欠陥を検出する。
上記探触子は、音響レンズを有する。上記音響レンズは、互いに対向する第１端面及び第２端面を有する。上記音響レンズの第１端面は、上記少なくとも１つの圧電素子が有する第３端面と接する。上記音響レンズの第２端面は、媒体を介して上記管の外表面と接する。上記音響レンズ及び上記少なくとも１つの圧電素子は、上記管の外表面に直交し且つ上記超音波の焦点位置を通る直線に対して斜めの角度から上記管に上記超音波を照射可能な形状を有する。

【0012】

更に、上記探傷装置において、上記圧電素子の第３端面内の所定の基準位置と上記超音波の焦点位置との間を上記超音波が伝搬する経路のうちの、上記管の外表面と内表面との間の部分と、上記管の外表面に直交し且つ上記焦点位置を通る直線とにより形成される第１角度は、上記管のうちの溶接に伴って生じた熱影響部と上記管の外表面に直交し且つ上記焦点位置を通る直線とにより形成される第２角度よりも大きい。

【発明の効果】

【0013】

管の欠陥を十分に高い精度にて検出できる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】長手溶接により形成された管の断面図である。

【図2】第１実施形態の探傷装置の構成を表す図である。

【図3】図２の探傷装置における走査領域の一例を表す説明図である。

【図4】図２の探触子の斜視図である。

【図5】図２の探触子の底面図である。

【図6】図５のＩ−Ｉ線により表される平面により切断された探触子の断面図である。

【図7】図２の探触子の左側面図である。

【図8】図２の探触子の右側面図である。

【図9】図２の探触子における、第１圧電素子及び第２圧電素子の第３端面と、焦点位置と、超音波が伝搬する経路と、を表す説明図である。

【図10】図２の探触子における、焦点位置と、超音波が伝搬する経路と、熱影響部と、を表す説明図である。

【図11】複数の反射波の強度に対する、強度毎に当該強度が出現する頻度を表す頻度分布を表すグラフである。

【図12】反射波の強度を、走査領域に含まれる複数の位置のそれぞれと関連付けて表す説明図である。

【図13】母材部及び熱影響部のそれぞれに対する、領域数及び面積率を表す表である。

【図14】周溶接により形成された管の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明の探傷装置に関する各実施形態について図１乃至図１４を参照しながら説明する。

【0016】

本発明の探傷装置が適用される管は、例えば、図１に表されるように、溶接部が多層盛（多パス）溶接されている。従って、管を構成する溶接部の組織は複雑である。特に溶接金属部及び熱影響部の金属組織は、凝固、急加熱、及び、急冷等の複雑で非平衡的な熱履歴を受けることから、母材部の金属組織と異なる。そのため、溶接金属部及び熱影響部に超音波を直接照射すると、母材部に比して超音波が散乱されやすくなるために超音波探傷が困難となる。

【0017】

従って、本発明の探傷装置では、超音波を溶接金属部及び熱影響部に直接照射するのではなく、管の外表面に直交する直線に対する斜め方向から照射可能なように圧電素子及び音響レンズの形状を工夫して、溶接部における超音波散乱の影響を極力少なくしている。例えば、図１に表されるように、溶接部の外縁である熱影響部ＨＺは、管ＯＢの中心軸ＣＡに対する径方向に対してやや傾斜しているため、本発明では、溶接金属部及び熱影響部に超音波を照射する場合、超音波を溶接金属部及び熱影響部に、管の外表面に直交する直線に対する斜め方向から照射できるように工夫している。

【0018】

そのため、本発明の探触子は、少なくとも音響レンズと圧電素子とで構成され、これら音響レンズと圧電素子は、超音波を溶接金属部及び熱影響部に、管の外表面に直交する直線に対する斜め方向から照射することができるような形状を有している。なお、照射角度と形状の詳細については後述する。

【0019】

また、超音波は、当該超音波の周波数が高くなるほど大きく減衰しやすい。また、超音波の周波数が低くなるほど、検出可能な欠陥の大きさが大きくなりやすい（換言すると、空間分解能が低下しやすい）。

【0020】

当業者は、欠陥を検出するためには、当該欠陥の大きさの２０倍以下の波長に対応する周波数を有する超音波を用いる必要があると考えていた。例えば、１０μｍの大きさの欠陥を検出する場合、３０ＭＨｚ以上の周波数の超音波を用いる必要があると考えられていた。

【0021】

しかしながら、３０ＭＨｚ以上の周波数を有する超音波は、十分に大きい強度を維持しながら、管のうちの外表面と内表面との間の比較的深い位置に到達できない。このため、管の欠陥を十分に高い精度にて検出できない。

【0022】

本発明の探傷装置は、音響レンズの端面と管の外表面とが媒体（例えば、水等の液体）を介して接しているため、超音波を減衰させる空気の存在を排除できる。これにより、超音波が伝搬される経路におけるインピーダンスの変化量を低減できるので、超音波の減衰を抑制できる。

【0023】

更に、本発明の探傷装置において、圧電素子の端面は、音響レンズの端面と管の外表面とが媒体を介して接する状態において、圧電素子の端面と超音波の焦点位置との間を超音波が伝搬するために要する伝搬時間が、圧電素子の端面内の任意の位置間で互いに一致する形状を有する。

【0024】

これにより、ある時点において圧電素子の端面にて生成されたすべての超音波を、焦点位置に同時に到達させることができる。従って、焦点位置における超音波の強度が大きくなるため、比較的低い周波数の超音波を用いても、空間分解能を十分に高めることができる。換言すると、超音波の周波数を低くすることができるので、十分に大きい強度の超音波を、管のうちの外表面と内表面との間の比較的深い位置に到達させることができる。この結果、管の欠陥を十分に高い精度にて検出できる。

【0025】

＜第１実施形態＞
（概要）
第１実施形態の探傷装置は、探触子と、制御回路と、を備える。
探触子は、駆動信号に応じて超音波を生成するとともに、超音波が対象物にて反射されることにより到来する反射波としての超音波に応じて検出信号を生成する、少なくとも１つの圧電素子を有する。制御回路は、駆動信号を探触子に供給するとともに、探触子からの検出信号に基づいて対象物の欠陥を検出する。対象物は、溶接により形成されるとともに内表面及び外表面を有する管である。

【0026】

探触子は、音響レンズを有する。音響レンズは、互いに対向する第１端面及び第２端面を有する。第１端面は、上記少なくとも１つの圧電素子が有する第３端面と接する。
第３端面は、第２端面が管の外表面と媒体を介して接している状態において、管のうちの外表面と内表面との間の焦点位置と、第３端面と、の間を超音波が伝搬するために要する伝搬時間が、第３端面内の任意の位置間で互いに一致する形状を有する。

【0027】

第３端面は、第２端面が管の外表面と媒体を介して接している状態において、第３端面内の所定の基準位置と焦点位置との間を超音波が伝搬する経路のうちの、管のうちの外表面と内表面との間の部分と、外表面に直交し且つ焦点位置を通る直線と、により形成される第１角度が、管のうちの溶接に伴って生じた熱影響（ＨＡＺ；Ｈｅａｔ Ａｆｆｅｃｔｅｄ Ｚｏｎｅ）部と、上記直線と、により形成される第２角度よりも大きくなる形状を有する。

【0028】

以下、第１実施形態の探傷装置について、より詳細に説明する。

【0029】

（構成）
以下、図２乃至図１０に表されるように、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸を有する右手系の直交座標系を用いて、第１実施形態の探傷装置１を説明する。
図２に表されるように、探傷装置１は、探触子１０と、駆動装置２０と、支持体３０と、媒体保持装置４０と、制御回路５０と、を備える。

【0030】

探触子１０は、Ｚ軸に沿って延びる柱体形状を有する。本例では、探触子１０の底面は、長方形状を有する。なお、探触子１０の底面は、長方形状と異なる形状（例えば、円形、楕円形、正方形、又は、多角形等）を有してもよい。本例では、探触子１０のうちの、Ｚ軸の正方向側の端部は、駆動装置２０に固定される。

【0031】

駆動装置２０は、支持体３０により支持される。本例では、駆動装置２０のうちの、Ｚ軸の正方向側の端部は、支持体３０に固定される。駆動装置２０は、駆動装置２０のうちのＺ軸の負方向側の端部にて探触子１０を支持する。

【0032】

本例では、駆動装置２０は、探触子１０のＸＹ平面における位置を、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれにおいて、予め定められたピッチ距離毎に変更可能に構成される。ＸＹ平面は、Ｚ軸に直交する平面である。本例では、ピッチ距離は、略１μｍの距離（例えば、１μｍ）である。なお、ピッチ距離は、０．５μｍ乃至１０μｍの距離であってもよい。駆動装置２０は、制御回路５０による制御に従って、探触子１０の位置をＸＹ平面において変更する。本例では、ＸＹ平面における位置の変更は、管ＯＢの外表面ＷＯに平行な方向における位置の変更に対応する。本例では、駆動装置２０は、位置変更部に対応する。

【0033】

管ＯＢは、鋼からなる。本例では、管ＯＢは、クロム及びモリブデンを含む鋼からなる。本例では、管ＯＢは、中空の円柱形状（換言すると、円筒形状）を有する。本例では、管ＯＢは、対象物に対応する。

【0034】

図１に表されるように、管ＯＢは、外表面ＷＯと内表面ＷＩとを有する。本例では、管ＯＢは、管ＯＢの中心軸に平行な直線に沿って溶接されることにより形成される。管ＯＢは、外表面ＷＯと内表面ＷＩとの間に、管ＯＢのうちの溶接に伴って生じた熱影響部ＨＺを有する。

【0035】

支持体３０は、管ＯＢの外表面ＷＯに着脱可能に固定される。例えば、支持体３０は、支持体３０のうちのＺ軸の負方向側の端部に磁石を備え、磁石の磁力によって、管ＯＢの外表面ＷＯに固定される。

【0036】

支持体３０は、探触子１０のうちのＺ軸の負方向側の端面ＥＦ０と、管ＯＢの外表面ＷＯと、の間の距離が、予め定められたギャップ距離に一致するように駆動装置２０を支持する。ギャップ距離は、略３ｍｍの距離（例えば、３ｍｍ）である。なお、ギャップ距離は、１ｍｍ乃至１０ｍｍの距離であってもよい。

【0037】

媒体保持装置４０は、探触子１０のうちのＺ軸の負方向側の端面ＥＦ０と、管ＯＢの外表面ＷＯと、の間の空間を媒体ＭＤが満たす（換言すると、端面ＥＦ０及び外表面ＷＯのそれぞれと媒体ＭＤが接する）ように、媒体ＭＤを保持する。本例では、媒体保持装置４０は、Ｚ軸に沿って延びる、中空の柱体形状を有する。本例では、媒体ＭＤは、水である。なお、媒体ＭＤは、水以外の液体、又は、ゲルであってもよい。

【0038】

制御回路５０は、パルサ部５１と、レシーバ部５２と、駆動制御部５３と、を備える。
パルサ部５１は、中心周波数が所定の送信周波数に一致する超音波を探触子１０が生成するための駆動信号を探触子１０に供給する。中心周波数は、超音波が有する周波数の帯域の中心の周波数である。本例では、駆動信号は、スパイク状のパルス波である。なお、駆動信号は、矩形状のパルス波、又は、ステップ状のパルス波であってもよい。また、駆動信号は、バースト波であってもよい。本例では、送信周波数は、略１０ＭＨｚの周波数（例えば、１０ＭＨｚ）である。なお、送信周波数は、５ＭＨｚ乃至１５ＭＨｚの周波数であってもよい。

【0039】

レシーバ部５２には、探触子１０により生成された検出信号が、探触子１０から入力される。検出信号は、探触子１０により生成された超音波が管ＯＢにて反射されることにより到来する反射波としての超音波に応じて探触子１０により生成される。本例では、検出信号は、反射波の強度を表す。レシーバ部５２は、入力された検出信号に基づいて、管ＯＢの欠陥（換言すると、損傷）を検出する。レシーバ部５２による欠陥の検出については、後述する。例えば、欠陥は、タイプＩＶと呼ばれる型の欠陥である。

【0040】

駆動制御部５３は、駆動装置２０を制御する。本例では、駆動制御部５３は、探触子１０による超音波の生成と、探触子１０による反射波の検出と、が行なわれる毎に、探触子１０の位置を変更するように駆動装置２０を制御する。

【0041】

本例では、探触子１０の位置は、所定の走査領域を走査するように変更される。換言すると、探触子１０の位置は、走査領域に含まれる複数の位置に順次に変更される。本例では、探触子１０の位置が、走査領域に含まれる複数の位置に順次に変更されることは、後述する焦点位置が互いに異なる複数の位置のそれぞれに一致するように探触子１０が移動することに対応する。

【0042】

本例では、図３に表されるように、走査領域ＳＲは、正方形状を有する。なお、走査領域は、正方形状と異なる形状（例えば、円形、楕円形、長方形、又は、多角形等）を有してもよい。本例では、走査領域ＳＲに含まれる複数の位置ＳＰは、格子点間の距離がピッチ距離ＰＤに一致する正方格子を構成する。

【0043】

例えば、走査領域ＳＲの走査は、点線矢印ＳＯにより表されるように、探触子１０の位置を、Ｙ軸方向における位置が同一である複数の位置ＳＰに、Ｘ軸の正方向にて順次に変更するＸ軸方向変更処理が実行される毎に、当該Ｘ軸方向変更処理の対象となるＹ軸方向における位置を、Ｙ軸の正方向にて順次に変更することにより実行される。なお、探触子１０の位置は、図３に表される順序と異なる順序に従って変更されてもよい。

【0044】

制御回路５０は、処理装置及び記憶装置を備え、処理装置が、記憶装置に記憶されているプログラムを実行することにより、上述した制御回路５０の機能の少なくとも一部を実現する。

【0045】

例えば、処理装置は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、又は、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）を含む。

【0046】

例えば、記憶装置は、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、半導体メモリ、有機メモリ、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）、又は、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）を含む。

【0047】

なお、制御回路５０は、処理装置及び記憶装置に代えて、又は、処理装置及び記憶装置に加えて、ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）回路、又は、プログラム可能な論理回路（例えば、ＰＬＤ、又は、ＦＰＧＡ）を備えてもよい。ＰＬＤは、Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅの略記である。ＦＰＧＡは、Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙの略記である。

【0048】

以下、探触子１０について説明を加える。
図４は、探触子１０の斜視図である。図５は、探触子１０をＺ軸の正方向にて見た図（換言すると、底面図）である。図６は、図５のＩ−Ｉ線により表される平面により切断された探触子１０の断面をＸ軸の負方向にて見た図である。図７は、探触子１０をＹ軸の正方向にて見た図（換言すると、左側面図）である。図８は、探触子１０をＹ軸の負方向にて見た図（換言すると、右側面図）である。

【0049】

図４乃至図８に表されるように、探触子１０は、筐体１１と、音響隔離体１２と、第１バッキング体１３と、第１圧電素子１４と、第１音響レンズ１５と、第２バッキング体１６と、第２圧電素子１７と、第２音響レンズ１８と、を備える。なお、探触子１０は、音響隔離体１２を備えなくてもよい。

【0050】

筐体１１は、Ｚ軸に沿って延びる柱体形状を有する。本例では、筐体１１の底面は、Ｘ軸に沿って延びる短辺と、Ｙ軸に沿って延びる長辺と、を有する長方形状を有する。図６に表されるように、筐体１１は、探触子１０のうちの、Ｚ軸の負方向側の端面ＥＦ０にて開口する収容空間１１ａを形成する。収容空間１１ａは、凹部、又は、底を有する穴と捉えられてもよい。

【0051】

収容空間１１ａは、Ｚ軸に沿って延びる柱体形状を有する。本例では、収容空間１１ａの底面は、Ｘ軸に沿って延びる短辺と、Ｙ軸に沿って延びる長辺と、を有する長方形状を有する。

【0052】

音響隔離体１２は、超音波を遮断する材料からなる。本例では、音響隔離体１２は、コルクからなる。なお、音響隔離体１２は、樹脂（例えば、アクリル樹脂、エラストマー、ゴム、又は、エポキシ樹脂等）を主成分とする材料からなっていてもよい。音響隔離体１２は、音響隔離壁と表されてもよい。

【0053】

図４乃至図６に表されるように、音響隔離体１２は、Ｙ軸に直交する平板状である。音響隔離体１２は、Ｙ軸方向にて収容空間１１ａを見た場合に、収容空間１１ａと同じ形状を有する。音響隔離体１２は、収容空間１１ａのうちのＹ軸方向における中央に位置する。

【0054】

音響隔離体１２は、収容空間１１ａをＹ軸方向において分割する。本例では、音響隔離体１２は、収容空間１１ａをＹ軸方向において等分する。これにより、音響隔離体１２は、第１圧電素子１４と第２圧電素子１７との間の超音波の伝搬を遮断する。本例では、音響隔離体１２は、遮断体に対応する。

【0055】

図６に表されるように、収容空間１１ａのうちの、音響隔離体１２に対して、Ｙ軸の負方向側の部分は、第１部分空間１１ａ１と表される。収容空間１１ａのうちの、音響隔離体１２に対して、Ｙ軸の正方向側の部分は、第２部分空間１１ａ２と表される。

【0056】

第１バッキング体１３は、超音波を吸収する材料からなる。本例では、第１バッキング体１３は、樹脂（例えば、エラストマー、ゴム、発泡シリコン、又は、エポキシ樹脂等）を主成分とする材料からなる。第１バッキング体１３は、バッキング材と表されてもよい。

【0057】

図６に表されるように、第１バッキング体１３は、第１部分空間１１ａ１のうちの、第１圧電素子１４に対して、Ｚ軸の正方向側の部分を満たす。なお、探触子１０は、第１バッキング体１３を備えなくてもよい。この場合、第１部分空間１１ａ１のうちの、第１圧電素子１４に対して、Ｚ軸の正方向側の部分は、空洞であってよい。

【0058】

図４乃至図７に表されるように、第１圧電素子１４は、Ｚ軸に直交する平面と略平行な板状である。第１圧電素子１４は、第１部分空間１１ａ１のうちの、Ｚ軸方向における中央部に位置する。図５に表されるように、第１圧電素子１４は、Ｚ軸方向にて第１圧電素子１４を見た場合に、Ｙ軸に沿って延びる短辺と、Ｘ軸に沿って延びる長辺と、を有する長方形状を有するとともに、第１部分空間１１ａ１の中央部に位置する。

【0059】

第１圧電素子１４は、図示されない、圧電体、及び、２つの電極を備える。２つの電極は、第１圧電素子１４のうちの、Ｚ軸方向における２つの端面をそれぞれ形成する。圧電体は、２つの電極の間に位置する。本例では、圧電体は、０−３型のコンポジット圧電体である。なお、圧電体は、１−３型のコンポジット圧電体であってもよい。また、圧電体は、チタン酸ジルコン酸鉛（換言すると、ＰＺＴ）からなっていてもよい。電極は、金属（例えば、金、白金、銀、銅、又は、クロム等）を主成分とする材料からなる。

【0060】

第１圧電素子１４は、パルサ部５１に接続される。第１圧電素子１４は、パルサ部５１から供給される駆動信号に応じて超音波を生成する。
図４乃至図７に表されるように、第１圧電素子１４のうちの、Ｚ軸の負方向側の端面は、曲面を形成する。第１圧電素子１４の形状については、後述する。

【0061】

第１音響レンズ１５は、樹脂（例えば、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリカーボネート、シリコーンゴム、又は、エポキシ樹脂等）を主成分とする材料からなる。なお、第１音響レンズ１５は、金属（例えば、アルミニウム、又は、マグネシウム等）、合金（例えば、アルミニウム合金、又は、マグネシウム合金等）、又は、ガラスを主成分とする材料からなっていてもよい。

【0062】

図４及び図６に表されるように、第１音響レンズ１５は、第１圧電素子１４のうちの、Ｚ軸の負方向側の端面と接する。第１音響レンズ１５は、第１部分空間１１ａ１のうちの、第１圧電素子１４に対して、Ｚ軸の負方向側の部分を満たす。第１音響レンズ１５は、遅延材、又は、整合層と表されてもよい。

【0063】

第２バッキング体１６、第２圧電素子１７、及び、第２音響レンズ１８は、第１バッキング体１３、第１圧電素子１４、及び、第１音響レンズ１５とそれぞれ同様に構成される。図４乃至図８に表されるように、第２バッキング体１６、第２圧電素子１７、及び、第２音響レンズ１８は、音響隔離体１２に対して、第１バッキング体１３、第１圧電素子１４、及び、第１音響レンズ１５とそれぞれ面対称である。なお、探触子１０は、第２バッキング体１６を備えなくてもよい。この場合、第２部分空間１１ａ２のうちの、第２圧電素子１７に対して、Ｚ軸の正方向側の部分は、空洞であってよい

【0064】

第２圧電素子１７は、パルサ部５１の代わりにレシーバ部５２に接続される。第２圧電素子１７は、第１圧電素子１４により生成された超音波が管ＯＢにて反射されることにより到来する反射波としての超音波に応じて検出信号を生成し、生成した検出信号をレシーバ部５２へ出力する。

【0065】

なお、探触子１０は、第１圧電素子１４及び第２圧電素子１７に代えて、超音波の生成と検出信号の生成とを行なう１つの圧電素子を備えていてもよい。

【0066】

次に、第１圧電素子１４、第１音響レンズ１５、第２圧電素子１７、及び、第２音響レンズ１８の形状について、図９及び図１０を参照しながら説明を加える。

【0067】

図９の（Ａ）は、図５のＩＩ−ＩＩ線により表される平面により切断された探触子１０の断面をＹ軸の正方向にて見た図である。図９の（Ｂ）は、図５のＩ−Ｉ線により表される平面により切断された探触子１０の断面をＸ軸の負方向にて見た図である。図９の（Ｃ）及び図１０は、図５のＩＩＩ−ＩＩＩ線により表される平面により切断された探触子１０の断面をＹ軸の負方向にて見た図である。なお、図１０において、媒体ＭＤの図示は、省略されている。

【0068】

第１音響レンズ１５及び第２音響レンズ１８のうちの、Ｚ軸の正方向側の端面ＥＦ１は、第１端面と表される。第１音響レンズ１５及び第２音響レンズ１８のうちの、Ｚ軸の負方向側の端面ＥＦ２は、第２端面と表される。図９及び図１０に表されるように、第１端面ＥＦ１と第２端面ＥＦ２とは、互いに対向する。また、上述したように、第２端面ＥＦ２は、平面である。本例では、図９及び図１０に表されるように、第２端面ＥＦ２が管ＯＢの外表面ＷＯと媒体ＭＤを介して接している状態において、第２端面ＥＦ２と外表面ＷＯとは、互いに略平行である。

【0069】

また、第１圧電素子１４及び第２圧電素子１７のうちの、Ｚ軸の負方向側の端面ＥＦ３は、第３端面と表される。図９及び図１０に表されるように、第１端面ＥＦ１は、第３端面ＥＦ３と接する。

【0070】

第１端面ＥＦ１及び第３端面ＥＦ３は、第２端面ＥＦ２が管ＯＢの外表面ＷＯと媒体ＭＤを介して接している状態において、管ＯＢのうちの外表面ＷＯと内表面ＷＩとの間の焦点位置ＦＰと、第３端面ＥＦ３と、の間を超音波が伝搬するために要する伝搬時間が、第３端面ＥＦ３内の任意の位置間で互いに一致する形状を有する。

【0071】

本例では、伝搬時間は、超音波（本例では、縦波）が、第３端面ＥＦ３内の位置から、当該位置にて第３端面ＥＦ３に直交する方向（換言すると、当該位置における第３端面ＥＦ３の法線方向）へ伝搬するとともに、スネルの法則に従って伝搬することを想定することによって算出される。

【0072】

更に、図１０に表されるように、第１端面ＥＦ１及び第３端面ＥＦ３は、第１角度θが第２角度γよりも大きくなる形状を有する。図１０は、焦点位置ＦＰが、管ＯＢのうちの溶接に伴って生じた熱影響部ＨＺ内の位置ＴＰ１に一致する場合を表す。

【0073】

第１角度θは、第２端面ＥＦ２が管ＯＢの外表面ＷＯと媒体ＭＤを介して接している状態において、第３端面ＥＦ３内の第１基準位置ＲＰ１又は第２基準位置ＲＰ２と焦点位置ＦＰとの間を超音波が伝搬する経路のうちの、管ＯＢのうちの外表面ＷＯと内表面ＷＩとの間の部分と、所定の基準直線ＳＬと、により形成される角度である。基準直線ＳＬは、外表面ＷＯに直交し、且つ、焦点位置ＦＰを通る直線である。図１０に表されるように、第２角度γは、熱影響部ＨＺと、基準直線ＳＬと、により形成される角度である。

【0074】

第１基準位置ＲＰ１は、第１参照直線ＲＬ１が第３端面ＥＦ３と交わる位置である。第１参照直線ＲＬ１は、Ｚ軸に沿って延びるとともに、第１部分空間１１ａ１のうちの、Ｘ軸方向における中央であり、且つ、Ｙ軸方向における中央である位置を通る。第２基準位置ＲＰ２は、第２参照直線ＲＬ２が第３端面ＥＦ３と交わる位置である。第２参照直線ＲＬ２は、Ｚ軸に沿って延びるとともに、第２部分空間１１ａ２のうちの、Ｘ軸方向における中央であり、且つ、Ｙ軸方向における中央である位置を通る。

【0075】

従って、第１端面ＥＦ１及び第３端面ＥＦ３は、球面と異なる曲面（換言すると、非球面）を形成する。

【0076】

本例では、第１角度θは、略４５度の角度（例えば、４５度）である。なお、第１角度θは、１５度乃至７０度の角度であってもよい。本例では、第２角度γは、略１０度の角度（例えば、１０度）である。本例では、焦点位置ＦＰと外表面ＷＯとの間の距離は、略３０ｍｍの距離（例えば、３０ｍｍ）である。なお、焦点位置ＦＰと外表面ＷＯとの間の距離は、５ｍｍ乃至６０ｍｍの距離であってもよい。

【0077】

次に、レシーバ部５２による欠陥の検出について説明を加える。
上述したように、駆動制御部５３は、探触子１０の位置（換言すると、焦点位置ＦＰ）を、走査領域に含まれる複数の位置に順次に変更することにより走査領域を走査するように駆動装置２０を制御する。パルサ部５１は、探触子１０の位置が変更される毎に、探触子１０が超音波を生成するように駆動信号を探触子１０へ供給する。

【0078】

レシーバ部５２は、探触子１０の位置が変更される毎に、探触子１０から入力された検出信号が表す反射波の強度を、探触子１０の位置と関連付けて記憶する。

【0079】

レシーバ部５２は、走査領域の走査が完了した場合、記憶されている、反射波の強度及び探触子１０の位置に基づいて強度閾値を決定する。本例では、レシーバ部５２は、強度閾値以上の強度と関連付けられた位置の数を、走査領域に含まれる位置の総数により除した値が、所定の目標値（本例では、０．０１）に一致するように、当該強度閾値を決定する。なお、目標値は、０．００１乃至０．１の値であってもよい。

【0080】

この場合、レシーバ部５２は、図１１に表されるような頻度分布を取得し、取得された頻度分布に基づいて強度閾値αを決定してもよい。頻度分布は、走査領域に含まれる複数の位置とそれぞれ関連付けられた、複数の反射波の強度に対する、強度毎に当該強度が出現する頻度を表す分布である。

【0081】

レシーバ部５２は、走査領域に含まれる複数の位置のそれぞれに対して、当該位置と関連付けられた強度が、決定された強度閾値以上である場合、当該強度を第１強度に補正し、一方、当該位置と関連付けられた強度が、当該強度閾値よりも小さい場合、当該強度を第２強度に補正する。本例では、第１強度は、第２強度よりも大きい。第１強度及び第２強度は、予め定められる。

【0082】

第１強度及び第２強度は、走査領域に含まれる複数の位置のそれぞれにおける反射波の強度を表す画像を、モノクロに二値化処理した場合の、白及び黒にそれぞれ対応する２つの強度である。欠陥の有無を判定するためには、第１強度及び第２強度は、白及び黒にそれぞれ対応する２つの強度に限られず、何らかの（予め定められた）２つの強度であればよい。当該画像は、焦点位置からの反射波の最大振幅に基づいて生成される。

【0083】

本例では、第１強度は、欠陥が存在する確率が相対的に高いことに対応し、且つ、第２の強度は、欠陥が存在する確率が相対的に低い（換言すると、結晶粒界等の健全な金属組織部が相対的に多く存在する）ことに対応する。例えば、欠陥は、鋼との間のインピーダンスの差が比較的大きい、数μｍ以下のボイドを含む。

【0084】

レシーバ部５２は、補正された強度に基づいて第１強度領域の数を検出し、検出された第１強度領域の数に基づいて、管ＯＢの欠陥を検出する。本例では、第１強度領域は、補正された強度が第１強度である位置が連続する領域であり、且つ、当該領域の面積が所定の面積閾値以上である領域である。

【0085】

本例では、レシーバ部５２は、検出された第１強度領域の数を走査領域の面積により除した値である領域数が、予め定められた領域数閾値よりも大きい場合、管ＯＢに欠陥が存在することを検出し、一方、当該領域数が当該領域数閾値以下である場合、管ＯＢに欠陥が存在しないことを検出する。

【0086】

図１２は、補正された強度を、走査領域に含まれる複数の位置のそれぞれと関連付けて表す。図１２の（Ａ）における第１強度領域の数と、図１２の（Ｂ）における第１強度領域の数と、は等しい。従って、第１強度領域の数に基づいて欠陥を検出した場合、図１２の（Ｂ）に表される強度に対して欠陥が検出される確率は、図１２の（Ａ）に表される強度に対して欠陥が検出される確率と等しい。しかしながら、図１２の（Ｂ）に表される強度が検出された管ＯＢは、図１２の（Ａ）に表される強度が検出された管ＯＢよりも多くの欠陥を有する確率が高い。

【0087】

そこで、レシーバ部５２は、第１強度領域の数に代えて、第１強度領域の面積に基づいて欠陥の検出を行なってもよい。この場合、レシーバ部５２は、第１強度領域の面積を検出し、検出された面積に基づいて、管ＯＢの欠陥を検出する。例えば、レシーバ部５２は、検出された第１強度領域の面積を、走査領域の面積により除した値である面積率が、予め定められた面積率閾値よりも大きい場合、管ＯＢに欠陥が存在することを検出し、一方、当該面積率が当該面積率閾値以下である場合、管ＯＢに欠陥が存在しないことを検出する。

【0088】

また、レシーバ部５２は、第１強度領域の数と、第１強度領域の面積と、の両方に基づいて欠陥の検出を行なってもよい。

【0089】

（動作）
次に、探傷装置１の動作について説明する。
先ず、探傷装置１のユーザは、支持体３０を管ＯＢの外表面ＷＯに固定する。これにより、支持体３０は、探触子１０のうちのＺ軸の負方向側の端面ＥＦ０と、管ＯＢの外表面ＷＯと、の間の距離が、予め定められたギャップ距離に一致するように駆動装置２０を支持する。

【0090】

更に、探傷装置１のユーザは、探触子１０のうちのＺ軸の負方向側の端面ＥＦ０と、管ＯＢの外表面ＷＯと、の間の空間に媒体ＭＤを満たす。これにより、第１音響レンズ１５及び第２音響レンズ１８のうちのＺ軸の負方向側の端面である第２端面ＥＦ２は、管ＯＢの外表面ＷＯと媒体ＭＤを介して接する。

【0091】

次いで、駆動制御部５３は、探触子１０の位置を、走査領域に含まれる複数の位置に順次に変更することにより走査領域を走査するように駆動装置２０を制御する。これにより、探触子１０の位置は、走査領域に含まれる複数の位置に順次に変更される。この結果、焦点位置ＦＰは、走査領域に含まれる複数の位置にそれぞれ対応する複数の位置に順次に変更される。

【0092】

パルサ部５１は、探触子１０の位置が変更される毎に、探触子１０が超音波を生成するように駆動信号を探触子１０へ供給する。これにより、探触子１０の第１圧電素子１４は、パルサ部５１から供給される駆動信号に応じて超音波を生成する。

【0093】

更に、探触子１０の第２圧電素子１７は、第１圧電素子１４により生成された超音波が管ＯＢにて反射されることにより到来する反射波としての超音波に応じて検出信号を生成し、生成した検出信号をレシーバ部５２へ出力する。これにより、レシーバ部５２は、探触子１０の位置が変更される毎に、探触子１０から入力された検出信号が表す反射波の強度を、探触子１０の位置と関連付けて記憶する。

【0094】

次いで、レシーバ部５２は、走査領域の走査が完了した場合、記憶されている、反射波の強度及び探触子１０の位置に基づいて強度閾値を決定する。

【0095】

そして、レシーバ部５２は、走査領域に含まれる複数の位置のそれぞれに対して、当該位置と関連付けられた強度が、決定された強度閾値以上である場合、当該強度を第１強度に補正し、一方、当該位置と関連付けられた強度が、当該強度閾値よりも小さい場合、当該強度を第２強度に補正する。

【0096】

次いで、レシーバ部５２は、補正された強度に基づいて第１強度領域の数を検出し、検出された第１強度領域の数に基づいて、管ＯＢの欠陥を検出する。

【0097】

以上、説明したように、第１実施形態の探傷装置１の探触子１０は、第１音響レンズ１５及び第２音響レンズ１８を有する。第１音響レンズ１５及び第２音響レンズ１８は、互いに対向する第１端面ＥＦ１及び第２端面ＥＦ２を有する。第１端面ＥＦ１は、第１圧電素子１４及び第２圧電素子１７が有する第３端面ＥＦ３と接する。

【0098】

第３端面ＥＦ３は、第２端面ＥＦ２が管ＯＢの外表面ＷＯと媒体ＭＤを介して接している状態において、外表面ＷＯと内表面ＷＩとの間の焦点位置ＦＰと、第３端面ＥＦ３と、の間を超音波が伝搬するために要する伝搬時間が、第３端面ＥＦ３内の任意の位置間で互いに一致する形状を有する。

【0099】

第３端面ＥＦ３が上記形状を有するので、第１音響レンズ１５及び第２音響レンズ１８の第２端面ＥＦ２が管ＯＢの外表面ＷＯと媒体ＭＤを介して接している状態において、第１圧電素子１４及び第２圧電素子１７の第３端面ＥＦ３内の任意の位置にて生成された超音波が同一のタイミングにて焦点位置ＦＰに到達できる。これにより、比較的低い周波数の超音波を用いても、空間分解能を十分に高めることができる。換言すると、超音波の周波数を低くすることができるので、十分に大きい強度の超音波を、管ＯＢのうちの外表面ＷＯと内表面ＷＩとの間の比較的深い位置に到達させることができる。この結果、管ＯＢの欠陥を十分に高い精度にて検出できる。

【0100】

更に、第３端面ＥＦ３は、第２端面ＥＦ２が管ＯＢの外表面ＷＯと媒体ＭＤを介して接している状態において、第３端面ＥＦ３内の第１基準位置ＲＰ１又は第２基準位置ＲＰ２と焦点位置ＦＰとの間を超音波が伝搬する経路のうちの、外表面ＷＯと内表面ＷＩとの間の部分と、外表面ＷＯに直交し且つ焦点位置ＦＰを通る基準直線ＳＬと、により形成される第１角度θが、管ＯＢのうちの溶接に伴って生じた熱影響部ＨＺと、基準直線ＳＬと、により形成される第２角度γよりも大きくなる形状を有する。

【0101】

第３端面ＥＦ３が上記形状を有するので、超音波が熱影響部ＨＺにて伝搬する距離を短縮できる。この結果、管ＯＢのうちの外表面ＷＯと内表面ＷＩとの間の目標位置（換言すると、焦点位置ＦＰ）にて反射された超音波に対する雑音を抑制できる。従って、管ＯＢの欠陥を十分に高い精度にて検出できる。

【0102】

更に、第１実施形態の探傷装置１において、超音波は、中心の周波数が略１０ＭＨｚである帯域を有する。

【0103】

本発明の発明者らは、試行の結果、中心の周波数が略１０ＭＨｚである帯域を有する超音波を用いることにより、管ＯＢのうちの外表面ＷＯと内表面ＷＩとの間の比較的深い位置において空間分解能を十分に高めることができることを見出した。従って、探傷装置１によれば、タイプＩＶの欠陥のように、管ＯＢのうちの外表面ＷＯと内表面ＷＩとの間の比較的深くに位置する微小な欠陥を十分に高い精度にて検出できる。

【0104】

更に、第１実施形態の探傷装置１において、第１角度θは、略４５度である。

【0105】

第２角度γは、５度乃至２０度であることが多い。従って、探傷装置１によれば、超音波が熱影響部ＨＺにて伝搬する距離を短縮できる。この結果、管ＯＢのうちの外表面ＷＯと内表面ＷＩとの間の目標位置（換言すると、焦点位置ＦＰ）にて反射された超音波に対する雑音を抑制できる。従って、管ＯＢの欠陥を十分に高い精度にて検出できる。

【0106】

更に、第１実施形態の探傷装置１において、焦点位置ＦＰと外表面ＷＯとの間の距離は、略３０ｍｍである。

【0107】

タイプＩＶの欠陥は、管ＯＢの外表面ＷＯからの距離が３０ｍｍである位置に生じることがある。従って、探傷装置１によれば、タイプＩＶの欠陥を十分に高い精度にて検出できる。

【0108】

更に、第１実施形態の探傷装置１において、第２端面ＥＦ２は、平面である。加えて、第２端面ＥＦ２が管ＯＢの外表面ＷＯと媒体ＭＤを介して接している状態において、第２端面ＥＦ２と外表面ＷＯとは、互いに略平行である。

【0109】

これによれば、探触子１０を管ＯＢの外表面ＷＯに平行な方向にて移動させることにより、焦点位置ＦＰと当該外表面ＷＯとの間の距離を一定に維持しながら、焦点位置ＦＰを移動させることができる。これにより、管ＯＢの外表面ＷＯからの距離が同一である複数の位置における反射波を検出できる。この結果、管ＯＢの欠陥を十分に高い精度にて検出できる。

【0110】

更に、第１実施形態の探傷装置１は、探触子１０の、外表面ＷＯに平行な方向における位置を略１μｍのピッチ距離毎に変更可能な駆動装置２０を備える。

【0111】

探触子１０が管ＯＢの外表面ＷＯに平行な方向にて移動可能な距離の最小値（換言すると、ピッチ距離）が管ＯＢの欠陥の大きさに対して大き過ぎると、当該欠陥を検出できない虞がある。これに対し、探傷装置１においては、ピッチ距離が管ＯＢの欠陥の大きさに対して十分に小さい。従って、管ＯＢの欠陥を十分に高い精度にて検出できる。

【0112】

更に、第１実施形態の探傷装置１において、制御回路５０は、反射波の強度が、所定の閾値以上である場合、当該強度を第１強度に補正し、一方、反射波の強度が当該閾値よりも小さい場合、当該強度を第２強度に補正し、補正された強度に基づいて管ＯＢの欠陥を検出する。

【0113】

タイプＩＶの欠陥における反射波の強度は、タイプＩＶの欠陥と異なる要因に基づく反射波の強度よりも大きくなりやすい。従って、探傷装置１によれば、タイプＩＶの欠陥を十分に高い精度にて検出できる。

【0114】

更に、第１実施形態の探傷装置１において、制御回路５０は、焦点位置ＦＰが互いに異なる複数の位置のそれぞれに一致するように探触子１０が移動することにより生成された、当該複数の位置のそれぞれに対する検出信号に基づいて、補正された強度が第１強度である領域の数を検出し、当該領域の数に基づいて管ＯＢの欠陥を検出する。

【0115】

反射波の強度が閾値以上である領域の数は、管ＯＢの欠陥を反映しやすい。従って、探傷装置１によれば、管ＯＢの欠陥を高い精度にて検出できる。

【0116】

更に、第１実施形態の探傷装置１は、超音波を生成する第１圧電素子１４と、検出信号を生成する第２圧電素子１７と、を備える。

【0117】

圧電素子の入力インピーダンスが、制御回路の出力インピーダンスに対して小さくなり過ぎると、十分に大きい強度の超音波を生成できない虞がある。これに対し、探傷装置１によれば、超音波の生成と検出信号の生成とを行なう１つの圧電素子を探触子が有する場合よりも、第１圧電素子１４の入力インピーダンスを大きくすることができる。これにより、第１圧電素子１４の入力インピーダンスを、制御回路５０の出力インピーダンスに近づけることができる。この結果、生成される超音波の強度を十分に大きくすることができる。

【0118】

更に、第１実施形態の探傷装置１において、第１圧電素子１４は、０−３型のコンポジット圧電体を含む。

【0119】

これによれば、圧電素子が、例えば、１−３型のコンポジット圧電体を含む場合よりも、第１圧電素子１４の入力インピーダンスを大きくすることができる。これにより、第１圧電素子１４の入力インピーダンスを、制御回路５０の出力インピーダンスに近づけることができる。この結果、生成される超音波の強度を十分に大きくすることができる。

【0120】

更に、第１実施形態の変形例の探傷装置１において、制御回路５０は、焦点位置ＦＰが互いに異なる複数の位置のそれぞれに一致するように探触子１０が移動することにより生成された、当該複数の位置のそれぞれに対する検出信号に基づいて、補正された強度が第１強度である領域の面積を検出し、当該面積に基づいて管ＯＢの欠陥を検出する。

【0121】

反射波の強度が閾値以上である領域の面積は、管ＯＢの欠陥を反映しやすい。従って、探傷装置１によれば、管ＯＢの欠陥を高い精度にて検出できる。

【0122】

図１３は、図１０に表される母材部内の位置ＴＰ２に焦点位置ＦＰが一致する場合と、図１０に表される熱影響部ＨＺ内の位置ＴＰ１に焦点位置ＦＰが一致する場合と、のそれぞれにおいて、第１実施形態のレシーバ部５２により取得された領域数［個／ｍｍ^２］を表す。同様に、図１３は、図１０に表される母材部内の位置ＴＰ２に焦点位置ＦＰが一致する場合と、図１０に表される熱影響部ＨＺ内の位置ＴＰ１に焦点位置ＦＰが一致する場合と、のそれぞれにおいて、第１実施形態の変形例のレシーバ部５２により取得された面積率［％］を表す。

【0123】

更に、図１３は、管ＯＢを切断した後に、管ＯＢの切断面を研磨し、研磨後の切断面における位置ＴＰ１及び位置ＴＰ２にて、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により測定したボイド個数密度［個／ｍｍ^２］を表す。ボイド個数密度は、単位面積あたりのボイドの数を表す。
なお、図１３に係る管ＯＢにおける第２角度γは、１０度であり、且つ、図１３に係る探触子１０における第１角度θは、３０度である。

【0124】

図１３に表されるように、探傷装置１によれば、管ＯＢのうちの外表面ＷＯと内表面ＷＩとの間の比較的深くに位置する微小な欠陥を十分に高い精度にて検出できる。ボイド個数密度は、高損傷材において、１０００［個／ｍｍ^２］程度まで達することがある。従って、図１３の熱影響部におけるボイド個数密度である１３５．３３［個／ｍｍ^２］は、低損傷材に相当する値であると言える。このように、探傷装置１によれば、低損傷材に相当する管ＯＢにおいても、微小な欠陥を十分に検出できる。

【0125】

なお、上述した実施形態においては、探傷装置１は、長手溶接により形成された管ＯＢの欠陥を検出するために用いられている。ところで、探傷装置１は、周溶接により形成された管ＯＢの欠陥を検出するために用いられてもよい。図１４に表されるように、周溶接は、管ＯＢの中心軸ＣＡに対する周方向に沿った溶接である。図１４は、管ＯＢの中心軸ＣＡを含む平面により管ＯＢを切断した断面を表す。

【0126】

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されない。例えば、上述した実施形態に、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において当業者が理解し得る様々な変更が加えられてよい。

【符号の説明】

【0127】

１ 探傷装置
１０ 探触子
１１ 筐体
１１ａ 収容空間
１１ａ１ 第１部分空間
１１ａ２ 第２部分空間
１２ 音響隔離体
１３ 第１バッキング体
１４ 第１圧電素子
１５ 第１音響レンズ
１６ 第２バッキング体
１７ 第２圧電素子
１８ 第２音響レンズ
２０ 駆動装置
３０ 支持体
４０ 媒体保持装置
５０ 制御回路
５１ パルサ部
５２ レシーバ部
５３ 駆動制御部
ＢＭ 母材部
ＣＡ 中心軸
ＥＦ０ 端面
ＥＦ１ 音響レンズの第１端面
ＥＦ２ 音響レンズの第２端面
ＥＦ３ 圧電素子の第３端面
ＦＰ 焦点位置
ＨＺ 熱影響部
ＭＤ 媒体
ＯＢ 管
ＲＬ１ 第１参照直線
ＲＬ２ 第２参照直線
ＲＰ１ 第１基準位置
ＲＰ２ 第２基準位置
ＳＬ 基準直線
ＷＩ 内表面
ＷＭ 溶接金属部
ＷＯ 外表面
θ 第１角度
γ 第２角度

【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】