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特開2024-104643超音波検査装置

書誌要約請求の範囲詳細な説明課題実施例実施するための形態図面の説明

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024104643

(43)【公開日】2024-08-05

(54)【発明の名称】超音波検査装置

(51)【国際特許分類】

G01N 29/24 20060101AFI20240729BHJP

G01N 29/06 20060101ALI20240729BHJP

G01N 29/44 20060101ALI20240729BHJP

【ＦＩ】

G01N29/24

G01N29/06

G01N29/44

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023008969

(22)【出願日】2023-01-24

(71)【出願人】

【識別番号】000006208

【氏名又は名称】三菱重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】梶川敬介

(72)【発明者】

【氏名】井裕一

【テーマコード（参考）】

2G047

【Ｆターム（参考）】

2G047AA06

2G047AB01

2G047AB07

2G047BA03

2G047BC03

2G047BC10

2G047CA01

2G047DB02

2G047EA10

2G047GB02

2G047GB15

2G047GB18

2G047GB24

2G047GE01

2G047GE02

2G047GF18

2G047GG34

2G047GH06

(57)【要約】

【課題】超音波難透過材の検査対象物に対してサイジング精度を向上すること。
【解決手段】超音波検査装置１，１１は、フルマトリックス捕捉スキャンにより超音波難透過材（検査対象物１００）を超音波信号Ｓでスキャンしたデータを取得し、取得したデータをトータルフォーカシング法による波形合成処理を行い、検査を行う超音波検査装置１であって、１列の圧電素子部３Ａが複数並んで配置された圧電素子ユニット３と、圧電素子部３Ａから送信される超音波信号Ｓを集束させる集束手段（Ｒ加工３Ａａ）を有する。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

フルマトリックス捕捉スキャンにより超音波難透過材を超音波信号でスキャンしたデータを取得し、取得したデータをトータルフォーカシング法による波形合成処理法を用い、検査を行う超音波検査装置であって、
圧電素子部が複数並んで配置された圧電素子ユニットと、
前記圧電素子部から送信される超音波信号を集束させる集束手段と、
を含む、超音波検査装置。

【請求項2】

前記集束手段は、前記圧電素子部が１列に長い１つの圧電素子で構成され、前記超音波難透過材の厚さ方向に向けて凹状のＲ加工が施される、請求項１に記載の超音波検査装置。

【請求項3】

前記集束手段は、前記圧電素子部が１列に複数の圧電素子を並んで設けられ、前記複数の圧電素子による超音波信号の送信タイミングを制御する、請求項１に記載の超音波検査装置。

【請求項4】

前記圧電素子ユニットと前記超音波難透過材との間に介在される接触媒質をさらに含む、請求項１から３のいずれか１項に記載の超音波検査装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、超音波検査装置に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば、特許文献１には、検査対象物を超音波信号によりスキャンして検査する超音波検査装置が示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１９－１５８８７６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

検査対象部のサイジング精度を向上するには、探傷する検査対象物の内外面の形状把握が重要となる。そのため、複数の探触子を用いたフルマトリックス捕捉（ＦＭＣ：Full Matrix Capture）スキャンにより検査対象物を超音波信号でスキャンしたデータを取得し、取得したデータをトータルフォーカシング法（ＴＦＭ：Total Focusing Method）による波形合成処理を行い、アダプティブ処理を行うことで、内外面の形状把握が見込まれる。しかし、検査対象物がステンレスの溶接金属部の場合は超音波難透過材であるため、超音波透過性が悪化し、超音波信号が検査対象物の厚さの内面まで到達しないため、内外面の形状把握が難しい。

【0005】

本開示は、上述した課題を解決するものであり、超音波難透過材の検査対象物に対してサイジング精度を向上することのできる超音波検査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】

【0006】

上述の目的を達成するために、本開示の一態様に係る超音波検査装置は、フルマトリックス捕捉スキャンにより超音波難透過材を超音波信号でスキャンしたデータを取得し、取得したデータをトータルフォーカシング法による波形合成処理を行い、検査を行う超音波検査装置であって、圧電素子部が複数並んで配置された圧電素子ユニットと、前記圧電素子部から送信される超音波信号を集束させる集束手段と、を含む。

【発明の効果】

【0007】

本開示は、超音波難透過材の検査対象物に対してサイジング精度を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、実施形態の超音波検査装置の概略構成図である。

【図2】図２は、実施形態の超音波検査装置の圧電素子ユニットの斜視図である。

【図3】図３は、実施形態の超音波検査装置の概略構成図である。

【図4】図４は、実施形態の超音波検査装置の動作の説明図である。

【図5】図５は、実施形態の超音波検査装置の検査結果の比較図である。

【図6】図６は、実施形態の超音波検査装置のＲ加工の説明図である。

【図7】図７は、実施形態の超音波検査装置のＲ加工の説明図である。

【図8】図８は、実施形態の超音波検査装置のＲ加工の説明図である。

【図9】図９は、実施形態の超音波検査装置の他の例の概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下に、本開示に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

【0010】

図１は、実施形態の超音波検査装置の概略構成図である。図２は、実施形態の超音波検査装置の圧電素子ユニットの斜視図である。図３は、実施形態の超音波検査装置の概略構成図である。

【0011】

実施形態の超音波検査装置１は、超音波信号Ｓによる探傷検査を行うものである。検査の対象となる検査対象物１００は、超音波難透過材であって、例えば、ステンレス鋼がある。検査対象位部は、超音波難透過材の溶接金属部１０１であり、検査対象物１００の外面１００ａから内面１００ｂまでの厚さＴに亘って設けられる。検査対象物１００は、溶接金属部１０１の施工に伴い、外面１００ａおよび内面１００ｂが変形してうねりを生じる。実施形態の超音波検査装置１は、このような検査対象物１００の溶接金属部１０１の部分、もしくはその近傍の部分（図１参照）に生じたき裂１０２のサイジングを行う。

【0012】

なお、以下の説明では、互いに交差する第一方向、第二方向および第三方向において、第一方向を溶接金属部１０１が連続する方向に交差する幅方向Ｘといい、第二方向を溶接金属部１０１が連続する奥行方向Ｙといい、第三方向を検査対象物１００および溶接金属部１０１の厚さ方向Ｚという。幅方向Ｘと奥行方向Ｙと厚さ方向Ｚとは、相互に直交する。

【0013】

この超音波検査装置１は、探触子２に設けられた圧電素子ユニット３と、接触媒質４と、制御部５と、を含む。

【0014】

圧電素子ユニット３は、図２および図３に示すように奥行方向Ｙに沿って延びる１列の圧電素子部３Ａが、図１および図２に示すように幅方向Ｘに沿って複数平行に並んで構成される。各圧電素子部３Ａは、検査対象物１００および溶接金属部１０１の厚さ方向Ｚに超音波信号Ｓを送信する。また、各圧電素子部３Ａは、検査対象物１００および溶接金属部１０１の厚さ方向Ｚで反射した超音波信号Ｓを受信する。

【0015】

各圧電素子部３Ａは、送信する超音波信号Ｓを集束させる集束手段を有する。具体的に、集束手段は、各圧電素子部３Ａが奥行方向Ｙに長い１つの圧電素子で構成され、検査対象物１００および溶接金属部１０１の厚さ方向Ｚに向けて凹状のＲ加工３Ａａが施される。即ち、それぞれの圧電素子部３Ａは、長い１つの圧電素子がＲ加工３Ａａによって曲率を有して湾曲して形成される。これにより、集束手段は、それぞれの圧電素子部３Ａから送信される超音波信号Ｓを、検査対象物１００の外面１００ａから内面１００ｂに向けて集束させる。幅方向Ｘに並ぶ複数の圧電素子部３Ａは、それぞれ同じＲ加工３Ａａが施される。

【0016】

接触媒質４は、探触子２の圧電素子ユニット３と検査対象物１００の外面１００ａとの間に介在されこの間を満たす。接触媒質４は、超音波信号Ｓを伝播可能なものであれば、いかなるものであってもよい。接触媒質４は、例えば、超音波透過ゲル、水などを用いることができる。接触媒質４に超音波透過ゲルを用いた場合、検査対象物１００の外面１００ａに当該超音波透過ゲルを適切な力で押しつけて当接させることで、検査対象物１００の外面１００ａがうねった複雑な凹凸形状であったとしても、当該形状に応じて超音波透過ゲルが変形する。これにより、接触媒質４は、検査対象物１００の外面１００ａの形状を補正し、圧電素子ユニット３と検査対象物１００の外面１００ａとの間を隙間なく満たすことができる。その結果、接触媒質４は、圧電素子ユニット３と検査対象物１００との間に超音波信号Ｓを伝搬させる。このような、圧電素子ユニット３と検査対象物１００の外面１００ａとの間に接触媒質４を介在させ、上記集束手段によって超音波信号Ｓを集束させる圧電素子部３Ａの振動タイミングを計算する処理をアダプティブ処理という。

【0017】

制御部５は、圧電素子ユニット３を制御する。制御部５は、図４に示すように、１つの圧電素子部３Ａから超音波信号Ｓを送信し、反射源で反射した超音波信号Ｓを他の圧電素子部３Ａで受信する。制御部５は、各圧電素子部３Ａで受信した超音波信号Ｓの全波形を抽出する。この処理をフルマトリックス捕捉（ＦＭＣ）スキャンという。その後、制御部５は、抽出して全波形の超音波信号Ｓについて、時間遅延を考慮して合成する。制御部５は、この合成した信号において、送信から受信の路程に相当する振幅をプロットし、任意の座標にエコーを重ね合わせ画像化する。この処理をトータルフォーカシング法（ＴＦＭ）という。また、ここまでの処理をＦＭＣ／ＴＦＭという。

【0018】

図５において、（ａ）から（ｃ）は、図１に示す検査対象物１００のき裂１０２のサイジングを行うため、それぞれＦＭＣ／ＴＦＭにより画像化した結果である。図５（ｃ）は、本実施形態の超音波検査装置１による画像である。図５（ｂ）は、本実施形態の超音波検査装置１に対し、Ｒ加工を施されておらず奥行方向Ｙに沿って直線状に延びた１列の圧電素子部が幅方向Ｘに沿って複数並んで配置された圧電素子ユニットを用いた場合の画像である。図５（ａ）は、図５（ｂ）に対し、アダプティブ処理を用いない場合の画像である。

【0019】

図５（ａ）では、各圧電素子部が直線状であり、かつ、アダプティブ処理を用いないため、検査対象物１００の外面１００ａに生じたうねりの影響によって、内面１００ｂの検出レベルが低く、き裂１０２の検出も困難である。また、図５（ｂ）では、図５（ａ）に対してアダプティブ処理を適用することで、検査対象物１００の外面１００ａおよび内面１００ｂの性状がより実物に近い状況であることが確認でき、き裂１０２の検出も可能であるが、き裂１０２のサイジング精度が低い。一方、本実施形態の超音波検査装置１による図５（ｃ）では、各圧電素子部３ＡにＲ加工３Ａａが施されているため、それぞれの圧電素子部３Ａから送信される超音波信号Ｓが検査対象物１００の外面１００ａから内面１００ｂに向けて集束され、内面１００ｂで反射される信号レベルが高く検出され、き裂１０２のサイジング精度が高い。

【0020】

ここで、図６から図８は、Ｒ加工３Ａａの設定に係る説明図である。Ｒ加工３Ａａは、シミュレーション結果から検査対象物１００の外面１００ａから内面１００ｂまでの厚さＴに応じて求められる。

【0021】

まず、図６に示すように、超音波探傷検査のシミュレーションにて音場解析を実施した。図６では、呼び径（呼称口径）が４Ｂの配管において、圧電素子部３ＡにＲ加工３Ａａ無し（Ｆｌａｔ）からＲ加工３Ａａ有り（Ｒ３０、Ｒ５０、Ｒ７０［ｍｍ］）を設けた場合に、それぞれの音場解析、および４Ｂの配管板厚（厚さＴ＝１３．５［ｍｍ］）に相当する内面のＦＭＣ／ＴＦＭ画像化結果を示している。そして、圧電素子部３ＡにＲ加工３Ａａを設けていない場合と比較し、圧電素子部３ＡにＲ加工３Ａａを設けた場合は、２倍から３倍程度、信号強度［ｐｔｓ］が増加することが確認できた。

【0022】

次に、図７および図８に示すように、上記シミュレーションによる画像化の信号強度比較をグラフ化した。画像化の観点から周波数は、５ＭＨｚ以上を使うことが望ましいが、検査対象物１００となる配管は、４Ｂから１４Ｂまでサイズがあり、厚肉の配管では超音波が内面１００ｂまで到達しない懸念がある。このため、５ＭＨｚで４Ｂから８Ｂ（図７では６Ｂ）、２ＭＨｚで１０Ｂから１４Ｂ（図８では１２Ｂ）をカバーするようにＲ加工半径を設計した。そして、図７および図８において、信号強度が最大値（図中赤丸）となるＲ加工半径で圧電素子部３ＡにＲ加工３Ａａを加工する。なお、図８の２ＭＨｚでは、一般的な圧電素子部３Ａの奥行方向Ｙの寸法（１０［ｍｍ］）では十分な集束効果が得られなかったため、圧電素子部３Ａの奥行方向Ｙの寸法を広く（１５［ｍｍ］）して集束効果を大きくした。また、水距離は、圧電素子部３Ａから検査対象物１００の外面１００ａまでの距離であり接触媒質４が介在する寸法である。また、図３に示すように、集束された超音波信号Ｓは、その集束点Ｓａが検査対象物１００の内面１００ｂを超えた位置とする。

【0023】

図９は、実施形態の超音波検査装置の他の例の概略構成図である。

【0024】

図９に示す超音波検査装置１１は、上述した超音波検査装置１に対して集束手段が異なる。この超音波検査装置１１は、探触子２１に設けられた圧電素子ユニット３１と、接触媒質４１と、制御部５１と、を含む。

【0025】

圧電素子ユニット３１は、奥行方向Ｙに沿う１列の圧電素子部３１Ａが、複数（図９では５個）の圧電素子３１Ａａで構成され、この圧電素子部３１Ａが幅方向Ｘに沿って複数が平行に並んで構成される。各圧電素子部３１Ａは、検査対象物１００および溶接金属部１０１の厚さ方向Ｚに超音波信号Ｓを送信する。また、各圧電素子部３１Ａは、検査対象物１００および溶接金属部１０１の厚さ方向Ｚで反射した超音波信号Ｓを受信する。

【0026】

接触媒質４１および制御部５１は、上述した超音波検査装置１の接触媒質４および制御部５１と同様であり、説明を省略する。

【0027】

超音波検査装置１１は、各圧電素子部３１Ａから送信する超音波信号Ｓを集束させる集束手段を有する。具体的に、集束手段は、各列の圧電素子部３１Ａが幅方向Ｘに沿って並ぶ複数（図９では５個）の圧電素子３１Ａａで構成される。また、集束手段は、制御部５１において、複数の圧電素子３１Ａａによる超音波信号Ｓの送信タイミングを左右から中心に向かって時間をずらして制御することで、それぞれの圧電素子部３１Ａから送信される超音波信号Ｓを検査対象物１００の外面１００ａから内面１００ｂに向けて集束させる。そして、当該超音波信号Ｓの送信タイミングは、超音波検査装置１のＲ加工３Ａａと同様に、シミュレーション結果の信号強度が最大値となるように、検査対象物１００の外面１００ａから内面１００ｂまでの厚さＴに応じて求められる。また、図９に示すように、集束された超音波信号Ｓは、その集束点Ｓａが検査対象物１００の内面１００ｂを超えた位置とする。幅方向Ｘに並ぶ複数の圧電素子部３１Ａは、それぞれ同じ数の圧電素子３１Ａａが同じ間隔で配置され、超音波信号Ｓの送信タイミングを同じく制御する。

【0028】

このように、実施形態の超音波検査装置１，１１は、フルマトリックス捕捉スキャンにより超音波難透過材（検査対象物１００）を超音波信号Ｓでスキャンしたデータを取得し、取得したデータをトータルフォーカシング法による波形合成処理を行い、検査を行う超音波検査装置１，１１であって、１列の圧電素子部３Ａ，３１Ａが複数並んで配置された圧電素子ユニット３，３１と、圧電素子部３Ａ，３１Ａから送信される超音波信号Ｓを集束させる集束手段を有する。

【0029】

この超音波検査装置１，１１によれば、超音波信号Ｓを集束させることで、超音波信号Ｓの信号強度が増加するため、検査対象物１００の内面１００ｂで反射される信号レベルが高く検出され、超音波難透過材の検査対象物１００であっても、き裂１０２のサイジング精度を向上できる。

【0030】

また、実施形態の超音波検査装置１では、集束手段は、圧電素子部３Ａが１列に長い１つの圧電素子で構成され、超音波難透過材の検査対象物１００の厚さ方向Ｚに向けて凹状のＲ加工３Ａａが施される。

【0031】

この超音波検査装置１によれば、圧電素子部３ＡにＲ加工３Ａａを施すことで、超音波信号Ｓを集束させ、超音波信号Ｓの信号強度を増加できる。

【0032】

また、実施形態の超音波検査装置１１では、集束手段は、圧電素子部３１Ａが１列に複数の圧電素子３１Ａａを並んで設けられ、複数の圧電素子３１Ａａによる超音波信号Ｓの送信タイミングを制御する。

【0033】

この超音波検査装置１１によれば、圧電素子部３１Ａの複数の圧電素子３１Ａａによる超音波信号Ｓの送信タイミングを制御することで、超音波信号Ｓを集束させ、超音波信号Ｓの信号強度を増加できる。

【0034】

また、実施形態の超音波検査装置１，１１では、圧電素子ユニット３，３１と超音波難透過材の検査対象物１００との間に介在される接触媒質４，４１をさらに含む。