特許 7010770 超音波検査システム

(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】

(24)【登録日】2022-01-17

(45)【発行日】2022-01-26

(54)【発明の名称】超音波検査システム

(51)【国際特許分類】

   G01N 29/30 20060101AFI20220119BHJP

   G01N 29/07 20060101ALI20220119BHJP

   G01B 17/02 20060101ALI20220119BHJP

【ＦＩ】

G01N29/30

G01N29/07

G01B17/02 Z

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2018112535

(22)【出願日】2018-06-13

(65)【公開番号】P2019215249

(43)【公開日】2019-12-19

【審査請求日】2021-01-15

(73)【特許権者】

【識別番号】507250427

【氏名又は名称】日立ＧＥニュークリア・エナジー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001829

【氏名又は名称】特許業務法人開知国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】田村 明紀

(72)【発明者】

【氏名】河野 尚幸

(72)【発明者】

【氏名】松井 哲也

(72)【発明者】

【氏名】大城戸 忍

(72)【発明者】

【氏名】花木 洋

(72)【発明者】

【氏名】岡澤 周

【審査官】岩本 太一

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－７８９１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特公昭５０－１５５９６（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】特開昭５９－１１９２１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第５０９５７５４（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｂ １７／００－１７／０８

Ｇ０１Ｎ ２９／００－２９／５２

Ａ６１Ｂ ８／００－ ８／１５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

超音波を送受信する圧電素子と校正片を備えた超音波センサと、
前記校正片内を伝播した超音波の伝播時間と前記校正片の音速に基づいて時間軸を校正し、被検体内を伝播した超音波の伝播時間と前記被検体の音速に基づいて前記被検体の厚さを演算する制御装置と、を備えた超音波検査システムにおいて、
前記校正片は、
前記圧電素子の前記被検体側とは反対側の表面に沿って延在する伝播部と、
前記伝播部の延在方向の一方側に形成され、前記圧電素子の前記表面に接触媒質を介し接続された伝播方向転換部とを有しており、
前記伝播方向転換部は、前記圧電素子の前記表面に垂直な方向にて傾けられた傾斜面を有し、前記圧電素子から前記伝播方向転換部に入射された超音波を、前記傾斜面で反射して前記伝播部へ出射すると共に、前記伝播部の延在方向の他方側の端面で反射されて前記伝播部から前記伝播方向転換部に入射された超音波を、前記傾斜面で反射して前記圧電素子へ出射するように構成されたことを特徴とする超音波検査システム。

【請求項2】

請求項１に記載の超音波検査システムにおいて、
前記校正片の前記伝播部は、前記伝播方向転換部の前記傾斜面からの超音波の伝播距離が互いに異なる第１端面及び第２端面を有しており、
前記制御装置は、
前記校正片の前記伝播部の前記第１端面で反射された超音波の伝播時間及び伝播距離から前記校正片の音速を演算し、前記校正片の音速に基づいて前記被検体の音速を補正し、
前記校正片の前記伝播部の前記第２端面で反射された超音波の伝播時間及び伝播距離と前記校正片の音速に基づいて時間軸を校正することを特徴とする超音波検査システム。

【請求項3】

請求項１に記載の超音波検査システムにおいて、
前記校正片は、前記伝播部を少なくとも２つ有し、更に、前記伝播部の間に配置された少なくとも１つの伝播方向変化部を有しており、
前記伝播方向変化部は、前記圧電素子の前記表面に平行な方向にて傾けられた傾斜面を有し、一方の伝播部から前記伝播方向変化部に入射された超音波を、前記傾斜面で反射して他方の伝播部へ出射すると共に、前記他方の伝播部から前記伝播方向変化部に入射された超音波を、前記傾斜面で反射して前記一方の伝播部へ伝播するように構成されたことを特徴とする超音波検査システム。

【請求項4】

超音波を送受信する圧電素子と校正片を備えた超音波センサと、
前記校正片内を伝播した超音波の伝播時間と前記校正片の音速に基づいて時間軸を校正し、被検体内を伝播した超音波の伝播時間と前記被検体の音速に基づいて前記被検体の厚さを演算する制御装置と、を備えた超音波検査システムであって、
前記校正片は、
前記圧電素子の前記被検体側とは反対側の表面に沿って延在する伝播部と、
前記伝播部の延在方向の一方側に形成され、前記圧電素子の前記表面に接触媒質を介し接続された第１の伝播方向転換部と、
前記伝播部の延在方向の他方側に形成され、前記圧電素子の前記表面に接触媒質を介し接続された第２の伝播方向転換部とを有しており、
前記第１の伝播方向転換部は、前記圧電素子の前記表面に垂直な方向にて傾けられた第１の傾斜面を有し、前記圧電素子から前記第１の伝播方向転換部に入射された超音波を、前記第１の傾斜面で反射して前記伝播部へ出射するように構成されており、
前記第２の伝播方向転換部は、前記圧電素子の前記表面に垂直な方向にて傾けられた第２の傾斜面を有し、前記伝播部から前記第２の伝播方向転換部に入射された超音波を、前記第２の傾斜面で反射して前記圧電素子へ出射するように構成されたことを特徴とする超音波検査システム。

【請求項5】

請求項４に記載の超音波検査システムにおいて、
前記校正片は、前記伝播部を少なくとも２つ有し、更に、前記伝播部の間に配置された少なくとも１つの伝播方向変化部を有しており、
前記伝播方向変化部は、前記圧電素子の前記表面に平行な方向にて傾けられた傾斜面を有し、一方の伝播部から前記伝播方向変化部に入射された超音波を、前記傾斜面で反射して他方の伝播部へ出射するように構成されたことを特徴とする超音波検査システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、被検体の厚さを計測する超音波検査システムに関する。

【背景技術】

【0002】

非破壊検査技術のひとつである超音波検査は、低コスト性、適用の容易性などの特徴から幅広い分野で採用されている。原子力プラント、火力プラントや化学プラントなどでは、配管や容器などの健全性を担保するため、その肉厚を計測する超音波検査が定期的に実施されている。具体的には、配管や容器などから保温材を取り外した後、予め規定された検査点に超音波センサを押し付けて、超音波検査を実施する。そのため、検査前後で保温材の着脱が必要であり、検査箇所が高所であれば、検査前後で足場の組み立て・撤去も必要となる。また、配管や容器などに超音波センサを手動で押し当てるため、超音波の伝播方向が適切となるように、超音波センサを注意深く配置する必要がある。原子力プラントなどでは、多数の配管や容器などを検査することが規定されており、多大な労力や時間を要する。

【0003】

そこで、例えば保温材下の配管の表面に、超音波センサを予め固定しておく手法が提案されている。これにより、保温材の着脱なしに超音波検査を実施することができる。また、プラントの運転中に超音波検査を実施することで、定期検査の負荷を低減することが可能となる。しかしながら、本手法では、保温材下の配管の表面に超音波センサを固着するため、従来のように校正板を別途用意して、計測前後で機器を校正することが困難となる。そこで、材質及び厚さが既知である校正板を、超音波センサに組み込む方法が開示されている（例えば特許文献１）。

【0004】

特許文献１の超音波計測装置は、配管の表面に固定された超音波センサと、探傷器本体とを備えている。例えば特許文献１の図７で示されるように、超音波センサは、超音波を送受信する圧電素子と、圧電素子の上面（言い換えれば、配管側とは反対側の面）に固着された校正板とを備えている。探傷器本体は、配管の内面（言い換えれば、圧電素子側とは反対側の表面）で１回反射された超音波の伝播時間に基づいて、配管の肉厚を演算する。また、校正板の厚さ及び材質が既知であるから、探傷器本体は、校正板の上面（言い換えれば、圧電素子側とは反対側の表面）で１回反射された超音波の伝播時間に基づいて時間軸を校正する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１５－０７８９１０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上記の従来技術には、次のような課題が存在する。例えば特許文献１の図８（Ｂ）で示されるように、校正板が比較的薄い場合は、校正板の上面で１回反射された超音波の受信タイミングが、配管の内面で１回反射された超音波の受信タイミングより早くなる。そのため、校正板の表面で複数回反射された超音波（いわゆる多重反射波）の受信タイミングが、配管の内面で１回反射された超音波の受信タイミングと重なるか若しくは近くなって、前者の超音波が後者の超音波に影響を及ぼす可能性がある。したがって、超音波センサの薄型化を図ることができるものの、配管の厚さの計測精度が損なわれる。

【0007】

一方、例えば特許文献１の図８（Ａ）で示されるように、校正板が比較的厚い場合は、校正板の上面で１回反射された超音波の受信タイミングが、配管の内面で１回反射された超音波の受信タイミングより遅くなる。そのため、校正板の表面で複数回反射された超音波の受信タイミングが、配管の内面で１回反射された超音波の受信タイミングより更に遅くなって、前者の超音波が後者の超音波に影響を及ぼさない。したがって、配管の厚さの計測精度を確保することができるものの、超音波センサの薄型化が損なわれる。

【0008】

本発明は、上記事柄に鑑みてなされたものであり、その目的は、超音波センサに校正片を組み込みながら、超音波センサの薄型化と被検体の厚さの計測精度を両立することができる超音波検査システムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記目的を達成するために、代表的な本発明は、超音波を送受信する圧電素子と校正片を備えた超音波センサと、前記校正片内を伝播した超音波の伝播時間と前記校正片の音速に基づいて時間軸を校正し、被検体内を伝播した超音波の伝播時間と前記被検体の音速に基づいて前記被検体の厚さを演算する制御装置と、を備えた超音波検査システムにおいて、前記校正片は、前記圧電素子の前記被検体側とは反対側の表面に沿って延在する伝播部と、前記伝播部の延在方向の一方側に形成され、前記圧電素子の前記表面に接触媒質を介し接続された伝播方向転換部とを有しており、前記伝播方向転換部は、前記圧電素子の前記表面に垂直な方向にて傾けられた傾斜面を有し、前記圧電素子から前記伝播方向転換部に入射された超音波を、前記傾斜面で反射して前記伝播部へ出射すると共に、前記伝播部の延在方向の他方側の端面で反射されて前記伝播部から前記伝播方向転換部に入射された超音波を、前記傾斜面で反射して前記圧電素子へ出射するように構成される。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、超音波センサに校正片を組み込みながら、超音波センサの薄型化と被検体の厚さの計測精度を両立することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の第１の実施形態における超音波検査システムの構成を、被検体である配管と共に表す概略図である。

【図2】本発明の第１の実施形態における超音波センサの構造を表す上面図である。

【図3】図２中矢印III方向から見た図である。

【図4】本発明の第１の実施形態における受信波形の具体例を表す図である。

【図5】本発明の第１の実施形態における制御装置の処理手順を表すフローチャートである。

【図6】本発明の第１の実施形態における校正片の伝播方向転換部の傾斜面の傾斜角を説明するための図である。

【図7】本発明の第２の実施形態における超音波センサの構造を表す上面図である。

【図8】図７中矢印VIII方向から見た図である。

【図9】本発明の第２の実施形態における受信波形の具体例を表す図である。

【図10】本発明の第２の実施形態における制御装置の処理手順を表すフローチャートである。

【図11】本発明の第３の実施形態における超音波センサの構造を表す上面図である。

【図12】図１１中矢印XII方向から見た図である。

【図13】図１１中矢印XIII方向から見た図である。

【図14】本発明の第４の実施形態における超音波センサの構造を表す上面図である。

【図15】図１４中矢印XV方向から見た図である。

【図16】本発明の第５の実施形態における超音波センサの構造を表す上面図である。

【図17】図１６中矢印XVII方向から見た図である。

【図18】図１６中矢印XVIII方向から見た図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

本発明の第１の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。

【0013】

図１は、本実施形態における超音波検査システムの構成を、被検体である配管と共に表す概略図である。図２は、本実施形態における超音波センサの構造を表す上面図であり、図３は、図２中矢印III方向から見た図である。

【0014】

本実施形態の被検体である配管２０は、例えば炭素鋼製もしくはステンレス鋼製であって、プラントの運転中に液体もしくは気体が流れて高温となる。そのため、例えばケイ酸カルシウム製、ロックウール製、グラスウール製、無定形水練製、もしくは硬質ウレタンフォーム製の保温材２１で覆われている。

【0015】

本実施形態の超音波検査システムは、超音波センサ１、制御装置２、及び表示装置３（ディスプレイ）を備えている。超音波センサ１は、保温材２１下の配管２０の表面に耐熱性接着剤４（接触媒質）を介し固定されている。

【0016】

超音波センサ１は、圧電素子５と、圧電素子５の上面（言い換えれば、被検体側とは反対側の表面）に固着された校正片６とを備えている。圧電素子５は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛などの圧電セラミックス製である。校正片６の材質は、配管２０の材質（炭素鋼もしくはステンレス鋼）と同じにすることが好ましいものの、例えばアルミ、鉛、チタン、黄銅、もしくはアルミナなどのセラミックであってもよい。

【0017】

校正片６は、圧電素子５の上面に沿う一方向（図２及び図３中左右方向）に延在する四角柱形状の伝播部７と、伝播部７の延在方向の一方側（図２及び図３中左側）に形成され、圧電素子５に耐熱性接着剤４（後述の図６参照）を介し接続された三角柱形状の伝播方向転換部８とを有している。なお、図３において、校正片６の伝播部７は、圧電素子５の上面から離間されているものの、これに限られない。すなわち、校正片６の伝播部７と圧電素子５の上面が隣接していても、それらの間に極わずかでも空気層が存在すれば超音波が伝播しないので、それらの間に接触媒質がなければよい（後述する他の実施形態の伝播部も同様）。

【0018】

伝播方向転換部８は、圧電素子５の上面に垂直な方向にて傾けられた傾斜面９を有している。そして、図２及び図３中矢印Ａ１で示すように、圧電素子５から伝播方向転換部８に入射された超音波を、傾斜面９で反射して伝播部７へ出射し、図２及び図３中矢印Ａ２で示すように、伝播部７の延在方向の他方側（図２及び図３中右側）の端面１０で反射されて伝播部７から伝播方向転換部８に入射された超音波を、傾斜面９で反射して圧電素子５へ出射するようになっている。

【0019】

制御装置２は、パルサ１１、レシーバ１２、信号処理部１３、及び記憶部１４を有している。なお、信号処理部１３は、プログラムに従って処理を実行するプロセッサ等で構成され、記憶部１４は、ハードディスクやメモリ等で構成されている。

【0020】

超音波センサ１の圧電素子５は、制御装置２のパルサ１１からの駆動信号（電気信号）によって厚さ方向に振動して、校正片６及び配管２０に超音波を送信する。また、圧電素子５は、図３中矢印Ａ１，Ａ２で示すように校正片６の端面で１回反射された超音波Ａと、図３中矢印Ｂ１，Ｂ２で示すように配管２０の内面で１回反射された超音波Ｂを受信する。そして、受信した超音波Ａ，Ｂを波形信号（電気信号）に変換して制御装置２のレシーバ１２へ出力する。

【0021】

制御装置２の信号処理部１３は、レシーバ１２を介して得られた波形信号に対し、所定の処理（詳細には、アナログ信号からデジタル信号への変換処理等）を実行する。これにより、図４で示すように、超音波Ａ，Ｂの波形データを取得する。そして、波形データを記憶部１４へ出力して記憶させると共に、表示装置３へ出力して表示させる。

【0022】

本実施形態の制御装置２の処理内容について説明する。図５は、本実施形態における制御装置２の処理手順を表すフローチャートである。

【0023】

ステップＳ１にて、制御装置２のパルサ１１は、超音波センサ１の圧電素子５に駆動信号を出力して、圧電素子５から超音波を送信させる。その後、圧電素子５は、上述した超音波Ａ，Ｂを受信し、波形信号に変換して制御装置２のレシーバ１２へ出力する。制御装置２の信号処理部１３は、レシーバ１２を介して得られた波形信号に対し所定の処理を実行して、超音波Ａ，Ｂの波形データを取得する。そして、例えば駆動信号の出力タイミングを起点とし、各超音波の振幅（補間値）が最大となるタイミングを終点として、超音波Ａの伝播時間ｔａ及び超音波Ｂの伝播時間ｔｂを計測する。

【0024】

その後、ステップＳ２に進み、信号処理部１３は、超音波Ａの伝播時間ｔａ、校正片６内の超音波の伝播距離、及び校正片６の音速に基づいて、時間軸（詳細には、伝播時間の起点）を校正する。具体的には、例えば、校正片６内の超音波の伝播距離及び校正片６の音速から、超音波Ａの伝播時間ｔａ’を演算する。そして、超音波の伝播時間の計測値ｔａと演算値ｔａ’との差分が許容範囲内にあるかどうかを判定する。差分が許容範囲内にない場合は、差分が小さくなるように、時間軸を校正する。すなわち、上述のステップＳ１で計測した超音波Ｂの伝播時間ｔｂを補正する。

【0025】

その後、ステップＳ３に進み、信号処理部１３は、上述のようにして得られた超音波Ｂの伝播時間ｔｂと配管２０の縦波音速ｖから、配管２０の肉厚Ｈを演算する。信号処理部１３は、算出した配管２０の肉厚Ｈを記憶部１４へ出力して記憶させると共に、表示装置３へ出力して表示させる。

【0026】

以上のように構成された本実施形態の作用効果を説明する。本実施形態の校正片６は、超音波の伝播方向を圧電素子５の上面に沿う方向に転換する伝播方向転換部８を有している。これにより、圧電素子５の上面に垂直な方向における校正片６の高さでなく、圧電素子５の上面に平行な方向における校正片６の長さを大きくして、校正片６の端面１０で１回反射された超音波Ａの受信タイミングを、配管２０の内面で１回反射された超音波Ｂの受信タイミングより遅らせることができる（図４参照）。したがって、超音波センサ１に校正片６を組み込みながら、超音波センサ１の薄型化と配管２０の肉厚の計測精度を両立することができる。

【0027】

本実施形態の校正片６の設計方法を補足する。

【0028】

図６で示すように、校正片６の伝播方向転換部８の傾斜面９の傾斜角α（詳細には、圧電素子５の上面と傾斜面９との間の角度）は、圧電素子５からの超音波が傾斜面９に入射する入射角と同じである。伝播方向転換部８の傾斜面９で反射された超音波は、伝播部７の延在方向（すなわち、圧電素子５の上面に平行な方向）に伝播させることが好ましい。そのため、圧電素子５からの超音波が傾斜面９で反射された反射角をβとすれば、α＋β＝９０°となることが好ましい。

【0029】

例えば、圧電素子５から傾斜面９に入射する超音波として縦波を用い、傾斜面９で反射された超音波として縦波を用いる場合は、α＝βであるため、α＝４５°となる。

【0030】

一方、例えば、圧電素子５から傾斜面９に入射する超音波として縦波を用い、傾斜面９で反射されて変換された超音波として横波を用いる場合は、下記の式（１）を用いて傾斜角αを演算する。式中のｖｌは校正片６の縦波音速、ｖｓは校正片６の横波音速である。
sinα／sin（９０°－α）＝ｖｌ／ｖｓ ・・・（１）

【0031】

校正片６の材質に応じて、縦波音速ｖｌ及び横波音速ｖｓが異なるため、傾斜角αが変化する。校正片６の材質がアルミナである場合は、傾斜角α＝５９°となる。校正片６の材質が炭素鋼もしくはステンレス鋼である場合は、傾斜角α＝６２°となる。校正片６の材質がチタンである場合は、傾斜角α＝６３°となる。校正片６の材質がアルミである場合は、傾斜角α＝６４°となる。校正片６の材質が黄銅である場合は、傾斜角α＝６５°となる。校正片６の材質が鉛である場合は、傾斜角α＝７２°となる。

【0032】

予備検討によると、伝播方向転換部８の傾斜面９の傾斜角αが、上記の式（１）を用いて算出された最適値に対し±５°程度ずれても、傾斜面９で反射された超音波が十分なＳＮ比で伝播部７に伝播することが分かっている。そのため、例えば、圧電素子５から傾斜面９に入射する超音波として縦波を用い、傾斜面９で反射された超音波として縦波を用いる場合は、傾斜角α＝４０°としてもよい。また、例えば、圧電素子５から傾斜面９に入射する超音波として縦波を用い、傾斜面９で反射された超音波として横波を用いる場合であって、かつ、校正片６の材質が鉛である場合は、傾斜角α＝７７°としてもよい。したがって、傾斜角αは、４０°～７７°の範囲内となる。

【0033】

図３で示すように、圧電素子５の上面と校正片６の傾斜面９（ここでは、代表的な位置として、校正片６の高さ方向及び長さ方向における傾斜面９の中心位置とする。以下、同様）の間の超音波の片道伝播距離をＬ１とし、校正片６の傾斜面９と端面１０の間の超音波の片道伝播距離をＬ２としたときに、校正片６内の超音波の伝播距離は（Ｌ１＋Ｌ２）×２で表される。別の言い方をすれば、校正片６内の超音波の伝播距離は（伝播方向転換部８の高さ／２＋伝播方向転換部８の長さ／２＋伝播部７の長さ）×２で表される。

【0034】

Ｌ１が小さいのでＬ１＝０と仮定し、校正片６の傾斜面９と端面１０の間で伝播する超音波として縦波を用いるのであれば、校正片６内の超音波の伝播時間ｔａはＬ２×２／ｖｌで表される。一方、校正片６の傾斜面９と端面１０の間で伝播する超音波として横波を用いるのであれば、校正片６内の超音波の伝播時間ｔａはＬ２×２／ｖｓで表される。配管２０内の超音波の伝播時間ｔｂはＨ×２／ｖで表される。

【0035】

したがって、校正片６の傾斜面９と端面１０の間で伝播する超音波として縦波を用いるのであれば、ｔａ＞ｔｂの関係を満たすために、Ｌ２＞Ｈ×ｖｌ／ｖの条件を満たすことが好ましい。一方、校正片６の傾斜面９と端面１０の間で伝播する超音波として横波を用いるのであれば、ｔａ＞ｔｂの関係を満たすために、Ｌ２＞Ｈ×ｖｓ／ｖの条件を満たすことが好ましい。このような観点により、図２及び図３中左右方向における伝播部７の長さも、Ｈ×ｖｌ／ｖより大きくなる条件か、若しくは、Ｈ×ｖｓ／ｖより大きくなる条件を満たすことが好ましい。一般的に、ｖｌ＜ｖｓであるから、後者の条件を満たせば、前者の条件も満たす。

【0036】

なお、図４においては、圧電素子５の上面と校正片６の傾斜面９の間で伝播する超音波として縦波を用い、校正片６の傾斜面９と端面１０の間で伝播する超音波として横波を用いる場合であって、校正片６の材質が炭素鋼であり、傾斜角αが６２°に設定されている。また、配管２０の材質が校正片６の材質と同じであり、配管２０の肉厚Ｈが８．５mm、校正片６の伝播部７の長さが６．５mmに設定されている。

【0037】

本発明の第２の実施形態を、図７～図１０を用いて説明する。なお、本実施形態において、上記実施形態と同等の部分は同一の符号を付し、適宜、説明を省略する。

【0038】

図７は、本実施形態における超音波センサの構造を表す上面図であり、図８は、図７中矢印VIII方向から見た図である。

【0039】

本実施形態の校正片６の伝播部７は、その延在方向の他方側（図７及び図８中右側）の端面１０Ａ，１０Ｂを有している。校正片６の傾斜面９と端面１０Ａの間の超音波の片道伝播距離をＬ３とし、校正片６の傾斜面９と端面１０Ｂの間の超音波の片道伝播距離をＬ４としたときに、Ｌ３＜Ｌ４である。

【0040】

なお、校正片６の傾斜面９と端面１０Ａ，１０Ｂの間で伝播する超音波として縦波を用いるのであれば、Ｌ３＞Ｈ×ｖｌ／ｖの条件を満たすことが好ましい。一方、校正片６の傾斜面９と端面１０Ａ，１０Ｂの間で伝播する超音波として横波を用いるのであれば、Ｌ３＞Ｈ×ｖｓ／ｖの条件を満たすことが好ましい。このような観点により、端面１０Ａからの伝播部７の長さも、Ｈ×ｖｌ／ｖより大きくなる条件か、若しくは、Ｈ×ｖｓ／ｖより大きくなる条件を満たすことが好ましい。一般的に、ｖｌ＜ｖｓであるから、後者の条件を満たせば、前者の条件も満たす。

【0041】

また、校正片６の傾斜面９と端面１０Ａ，１０Ｂの間で伝播する超音波として縦波を用いるのであれば、校正片６の縦波波長をλｌとしたときに、（Ｌ４－Ｌ３）＞λｌの条件を満たすものとする。一方、校正片６の傾斜面９と端面１０Ａ，１０Ｂの間で伝播する超音波として横波を用いるのであれば、校正片６の横波波長をλｓとしたときに、（Ｌ４－Ｌ３）＞λｓの条件を満たすものとする。

【0042】

圧電素子５は、図８中矢印Ｂ１，Ｂ２で示すように配管２０の内面で１回反射された超音波Ｂと、図７及び図８中矢印Ｃ１，Ｃ２で示すように校正片６の端面１０Ａで１回反射された超音波Ｃと、図７及び図８中矢印Ｄ１，Ｄ２で示すように校正片６の端面１０Ｂで１回反射された超音波Ｄを受信する。そして、受信した超音波Ｂ，Ｃ，Ｄを波形信号に変換して制御装置２のレシーバ１２へ出力する。

【0043】

制御装置２の信号処理部１３は、レシーバ１２を介して得られた波形信号に対し、所定の処理を実行する。これにより、図９で示すように、超音波Ｂ，Ｃ，Ｄの波形データを取得する。そして、波形データを記憶部１４へ出力して記憶させると共に、表示装置３へ出力して表示させる。

【0044】

本実施形態の制御装置２の処理内容について説明する。図１０は、本実施形態における制御装置２の処理手順を表すフローチャートである。

【0045】

ステップＳ１にて、制御装置２のパルサ１１は、超音波センサ１の圧電素子５に駆動信号を出力して、圧電素子５から超音波を送信させる。その後、圧電素子５は、上述した超音波Ｂ，Ｃ，Ｄを受信し、波形信号に変換して制御装置２のレシーバ１２へ出力する。制御装置２の信号処理部１３は、レシーバ１２を介して得られた波形信号に対し所定の処理を実行して、超音波Ｂ，Ｃ，Ｄの波形データを取得する。そして、例えば駆動信号の出力タイミングを起点とし、各超音波の振幅（補間値）が最大となるタイミングを終点として、超音波Ｂの伝播時間ｔｂ、超音波Ｃの伝播時間ｔｃ、及び超音波Ｄの伝播時間ｔｄを計測する。

【0046】

その後、ステップＳ４に進み、信号処理部１３は、校正片６の端面１０Ａで反射された超音波Ｃの伝播時間ｔｃ及び伝播距離から、校正片６の音速を演算する。具体的には、例えば、校正片６の端面１０Ａで反射された超音波Ｃの伝播距離として（Ｌ１＋Ｌ３）×２で表されるものを用い、圧電素子５の上面と校正片６の傾斜面９の間で伝播する超音波として縦波を用い、校正片６の傾斜面９と端面１０Ａの間で伝播する超音波として縦波を用いるのであれば、超音波Ｃの伝播時間ｔｃ及び伝播距離から、校正片６の縦波音速ｖｌを演算する。

【0047】

あるいは、例えば、Ｌ１＝０と仮定して、校正片６の端面１０Ａで反射された超音波Ｃの伝播距離としてＬ３×２で表されるものを用い、校正片６の傾斜面９と端面１０の間で伝播する超音波として縦波を用いるのであれば、超音波Ｃの伝播時間ｔｃ及び伝播距離から、校正片６の縦波音速ｖｌを演算する。また、例えば、Ｌ１＝０と仮定して、校正片６の端面１０Ａで反射された超音波Ｃの伝播距離としてＬ３×２で表されるものを用い、校正片６の傾斜面９と端面１０の間で伝播する超音波として横波を用いるのであれば、超音波Ｃの伝播時間ｔｃ及び伝播距離から、校正片６の横波音速ｖｓを演算する。

【0048】

信号処理部１３は、算出した校正片６の音速（詳細には、縦波音速ｖｌまたは横波音速ｖｓ）に基づいて配管２０の縦波音速ｖを補正する。詳しく説明すると、校正片６の材質と配管２０の材質が同じである場合、校正片６の温度と配管２０の温度が同じとみなせるから、配管２０の縦波音速ｖは、算出した校正片６の縦波音速ｖｌと同じである。あるいは、予め作成された校正片６の横波音速ｖｓと縦波音速ｖｌとの関係式を用いて、算出した校正片６の横波音速ｖｓから縦波音速ｖ１を演算すれば、配管２０の縦波音速ｖは、算出した校正片６の縦波音速ｖｌと同じである。

【0049】

校正片の材質と配管２０の材質が異なる場合、予め作成された校正片６の音速と校正片６の温度との関係式を用いて、算出した校正片６の音速から校正片６の温度を演算し、この校正片６の温度と配管２０の温度が同じとみなす。そして、予め作成された配管２０の温度と配管２０の縦波音速ｖとの関係式を用いて、算出した配管２０の温度から配管２０の縦波音速ｖを演算する。

【0050】

その後、ステップＳ２に進み、信号処理部１３は、校正片６の端面１０Ｂで反射された超音波Ｄの伝播時間ｔｄ及び伝播距離と校正片６の音速に基づいて、時間軸（詳細には、伝播時間の起点）を校正する。具体的には、例えば、校正片６の端面１０Ｂで反射された超音波Ｄの伝播距離（詳細には、例えば（Ｌ１＋Ｌ４）×２で表されるものか、若しくは、Ｌ４×２で表されるもの）と校正片６の音速から、超音波Ｄの伝播時間ｔｄ’を演算する。そして、超音波の伝播時間の計測値ｔｄと演算値ｔｄ’との差分が許容範囲内にあるかどうかを判定する。差分が許容範囲内にない場合は、差分が小さくなるように、時間軸を校正する。すなわち、上述のステップＳ１で取得した超音波Ｂの伝播時間ｔｂを補正する。

【0051】

その後、ステップＳ３に進み、信号処理部１３は、上述のようにして得られた超音波Ｂの伝播時間ｔｂと配管２０の縦波音速ｖから、配管２０の肉厚Ｈを演算する。信号処理部１３は、算出した配管２０の肉厚Ｈを記憶部１４へ出力して記憶させると共に、表示装置３へ出力して表示させる。

【0052】

以上のように構成された本実施形態の作用効果を説明する。本実施形態の校正片６も、第１の実施形態と同様、超音波の伝播方向を圧電素子５の上面に沿う方向に転換する伝播方向転換部８を有している。これにより、圧電素子５の上面に垂直な方向における校正片６の高さでなく、圧電素子５の上面に平行な方向における校正片６の長さを大きくして、校正片６の端面１０Ａで１回反射された超音波Ｃの受信タイミングと校正片６の端面１０Ｂで１回反射された超音波Ｄの受信タイミングを、配管２０の内面で１回反射された超音波Ｂの受信タイミングより遅らせることができる（図９参照）。したがって、超音波センサ１に校正片６を組み込みながら、超音波センサ１の薄型化と配管２０の肉厚の計測精度を両立することができる。

【0053】

また、本実施形態では、校正片６や配管２０の温度を検出する温度センサを用いなくとも、校正片６や配管２０の音速を補正することができる。したがって、簡素な構成でありながら、配管２０の肉厚の計測精度を高めることができる。

【0054】

本発明の第３の実施形態を、図１１～図１３を用いて説明する。なお、本実施形態において、上記実施形態と同等の部分は同一の符号を付し、適宜、説明を省略する。

【0055】

図１１は、本実施形態における超音波センサの構造を表す上面図である。図１２は、図１１中矢印XII方向から見た図であり、図１３は、図１１中矢印XIII方向から見た図である。

【0056】

本実施形態の校正片６は、圧電素子５の上面に沿う一方向（図１１及び図１２中左右方向）に延在する四角柱形状の伝播部７Ａと、圧電素子５の上面に沿う他の方向（図１１中上下方向、図１３中左右方向）に延在する四角柱形状の伝播部７Ｂと、伝播部７Ａ，７Ｂの間に配置された三角柱形状の伝播方向変化部１５と、伝播部７Ａの延在方向の一方側（図１１及び図１２中左側）に形成され、圧電素子５に耐熱性接着剤４を介し接続された三角柱形状の伝播方向転換部８とを有している。

【0057】

伝播方向転換部８は、圧電素子５の上面に垂直な方向にて傾けられた傾斜面９を有し、伝播方向変化部１５は、圧電素子５の上面に平行な方向にて傾けられた傾斜面１６を有している。そして、図１１及び図１２中矢印Ｅ１，Ｅ２で示すように、圧電素子５から伝播方向転換部８に入射された超音波を、傾斜面９で反射して伝播部７Ａへ出射し、伝播部７Ａから伝播方向変化部１５に入射された超音波を、傾斜面１６で反射して伝播部７Ｂへ出射するようになっている。また、図１１及び図１３中矢印Ｅ３，Ｅ４で示すように、伝播部７Ｂの延在方向の他方側（図１１中上側、及び図１３中右側）の端面１０で反射されて伝播部７Ｂから伝播方向変化部１５に入射された超音波を、傾斜面１６で反射して伝播部７Ａへ出射し、伝播部７Ａから伝播方向転換部８に入射された超音波を、傾斜面９で反射して圧電素子５へ出射するようになっている。

【0058】

校正片６の傾斜面９と傾斜面１６の間及び傾斜面１６と端面１０の間で伝播する超音波として縦波を用いるのであれば、校正片６の傾斜面９と傾斜面１６（ここでは、代表的な位置として、校正片６の幅方向及び長さ方向における傾斜面１６の中心位置とする。以下、同様）の間の超音波の片道伝播距離をＬ５とし、校正片６の傾斜面１６と端面１０の間の超音波の片道伝播距離をＬ６としたときに、（Ｌ５＋Ｌ６）＞Ｈ×ｖｌ／ｖの条件を満たすことが好ましい。一方、校正片６の傾斜面９と傾斜面１６の間及び傾斜面１６と端面１０の間で伝播する超音波として横波を用いるのであれば、（Ｌ５＋Ｌ６）＞Ｈ×ｖｓ／ｖの条件を満たすことが好ましい。

【0059】

圧電素子５は、図１２及び図１３中矢印Ｂ１，Ｂ２で示すように配管２０の内面で１回反射された超音波Ｂと、図１１～図１３中矢印Ｅ１～Ｅ４で示すように校正片６の端面１０で１回反射された超音波Ｅとを受信する。そして、受信した超音波Ｂ，Ｅを波形信号に変換して制御装置２のレシーバ１２へ出力する。

【0060】

制御装置２は、第１の実施形態と同様、校正片６内を伝播した超音波Ｅの伝播時間と校正片６の音速に基づいて時間軸を校正し、配管２０内を伝播した超音波Ｂの伝播時間と配管２０の縦波音速ｖに基づいて配管２０の肉厚Ｈを演算する。そして、算出した配管２０の肉厚Ｈを記憶部１４へ出力して記憶させると共に、表示装置３へ出力して表示させる。

【0061】

以上のように構成された本実施形態の作用効果を説明する。本実施形態の校正片６も、第１の実施形態と同様、超音波の伝播方向を圧電素子５の上面に沿う方向に転換する伝播方向転換部８を有している。これにより、圧電素子５の上面に垂直な方向における校正片６の高さでなく、圧電素子５の上面に平行な方向における校正片６の長さを大きくして、校正片６の端面１０で１回反射された超音波Ｅの受信タイミングを、配管２０の内面で１回反射された超音波Ｂの受信タイミングより遅らせることができる。したがって、超音波センサ１に校正片６を組み込みながら、超音波センサ１の薄型化と配管２０の肉厚の計測精度を両立することができる。また、本実施形態では、第１の実施形態と比べ、超音波センサ１の小型化を図ることができる。

【0062】

なお、第３の実施形態において、校正片６の伝播部７Ｂは、第１の実施形態と同様、一つの端面１０を有する場合を例にとって説明したが、これに限られず、第２の実施形態と同様、２つの端面１０Ａ，１０Ｂを有してもよい。そして、制御装置２は、第２の実施形態と同様の処理を実行してもよい。

【0063】

本発明の第４の実施形態を、図１４及び図１５を用いて説明する。なお、本実施形態において、上記実施形態と同等の部分は同一の符号を付し、適宜、説明を省略する。

【0064】

図１４は、本実施形態における超音波センサの構造を表す上面図である。図１５は、図１４中矢印XV方向から見た図である。

【0065】

本実施形態の校正片６は、圧電素子５の上面に沿う一方向（図１４及び図１５中左右方向）に延在する四角柱形状の伝播部７と、伝播部７の延在方向の一方側（図１４及び図１５中左側）に形成され、圧電素子５に耐熱性接着剤４を介し接続された三角柱形状の伝播方向転換部８Ａと、伝播部７の延在方向の他方側（図１４及び図１５中右側）に形成され、圧電素子５に耐熱性接着剤４を介し接続された三角柱形状の伝播方向転換部８Ｂとを有している。

【0066】

伝播方向転換部８Ａ，８Ｂは、圧電素子５の上面に垂直な方向にて傾けられた傾斜面９Ａ，９Ｂをそれぞれ有している。そして、図１４及び図１５中矢印Ｆ１で示すように、圧電素子５から伝播方向転換部８Ａに入射された超音波を、傾斜面９Ａで反射して伝播部７へ出射し、伝播部７から伝播方向転換部８Ｂに入射された超音波を、傾斜面９Ｂで反射して圧電素子５へ出射するようになっている。また、図１４及び図１５中矢印Ｆ２で示すように、圧電素子５から伝播方向転換部８Ｂに入射された超音波を、傾斜面９Ｂで反射して伝播部７へ出射し、伝播部７から伝播方向転換部８Ａに入射された超音波を、傾斜面９Ａで反射して圧電素子５へ出射するようになっている。

【0067】

校正片６の傾斜面９Ａと傾斜面９Ｂの間で伝播する超音波として縦波を用いるのであれば、圧電素子５の上面と校正片６の傾斜面９Ａ又は９Ｂの間の超音波の片道伝播距離をＬ１とし、校正片６の傾斜面９Ａと傾斜面９Ｂの間の超音波の片道伝播距離をＬ７としたときに、Ｌ７＞Ｈ×２×ｖｌ／ｖの条件を満たすことが好ましい。一方、校正片６の傾斜面９Ａと傾斜面９Ｂの間で伝播する超音波として横波を用いるのであれば、Ｌ７＞Ｈ×２×ｖｓ／ｖの条件を満たすことが好ましい。

【0068】

圧電素子５は、図１５中矢印Ｂ１，Ｂ２で示すように配管２０の内面で１回反射された超音波Ｂと、図１４及び図１５中矢印Ｆ１，Ｆ２で示すように校正片６内を伝播した超音波Ｆとを受信する。そして、受信した超音波Ｂ，Ｆを波形信号に変換して制御装置２のレシーバ１２へ出力する。

【0069】

制御装置２は、第１の実施形態と同様、校正片６内を伝播した超音波Ｆの伝播時間と校正片６の音速に基づいて時間軸を校正し、配管２０内を伝播した超音波Ｂの伝播時間と配管２０の縦波音速ｖに基づいて配管２０の肉厚Ｈを演算する。そして、算出した配管２０の肉厚Ｈを記憶部１４へ出力して記憶させると共に、表示装置３へ出力して表示させる。

【0070】

以上のように構成された本実施形態の作用効果を説明する。本実施形態の校正片６は、超音波の伝播方向を圧電素子５の上面に沿う方向に転換する伝播方向転換部８Ａ，８Ｂを有している。これにより、圧電素子５の上面に垂直な方向における校正片６の高さでなく、圧電素子５の上面に平行な方向における校正片６の長さを大きくして、校正片６内を伝播した超音波Ｆの受信タイミングを、配管２０の内面で１回反射された超音波Ｂの受信タイミングより遅らせることができる。したがって、超音波センサ１に校正片６を組み込みながら、超音波センサ１の薄型化と配管２０の肉厚の計測精度を両立することができる。

【0071】

本発明の第５の実施形態を、図１６～図１８を用いて説明する。なお、本実施形態において、上記実施形態と同等の部分は同一の符号を付し、適宜、説明を省略する。

【0072】

図１６は、本実施形態における超音波センサの構造を表す上面図である。図１７は、図１６中矢印XVII方向から見た図であり、図１８は、図１６中矢印XVIII方向から見た図である。

【0073】

本実施形態の校正片６は、圧電素子５の上面に沿う一方向（図１６及び図１７中左右方向）に延在する四角柱形状の伝播部７Ａと、圧電素子５の上面に沿う他の方向（図１６中上下方向、図１８中左右方向）に延在する四角柱形状の伝播部７Ｂと、伝播部７Ａ，７Ｂの間に配置された三角柱形状の伝播方向変化部１５と、伝播部７Ａの延在方向の一方側（図１６及び図１７中左側）に形成され、圧電素子５に耐熱性接着剤４を介し接続された三角柱形状の伝播方向転換部８Ａと、伝播部７Ｂの延在方向の他方側（図１６中上側、図１８中右側）に形成され、圧電素子５に耐熱性接着剤４を介し接続された三角柱形状の伝播方向転換部８Ｂとを有している。

【0074】

伝播方向転換部８Ａ，８Ｂは、圧電素子５の上面に垂直な方向にて傾けられた傾斜面９Ａ，９Ｂをそれぞれ有し、伝播方向変化部１５は、圧電素子５の上面に平行な方向にて傾けられた傾斜面１６を有している。そして、図１６～図１８中矢印Ｇ１，Ｇ２で示すように、圧電素子５から伝播方向転換部８Ａに入射された超音波を、傾斜面９Ａで反射して伝播部７Ａへ出射し、伝播部７Ａから伝播方向変化部１５に入射された超音波を、傾斜面１６で反射して伝播部７Ｂへ出射し、伝播部７Ｂから伝播方向転換部８Ｂに入射された超音波を、傾斜面９Ｂで反射して圧電素子５へ出射するようになっている。また、図１１～図１３中矢印Ｇ３，Ｇ４で示すように、圧電素子５から伝播方向転換部８Ｂに入射された超音波を、傾斜面９Ｂで反射して伝播部７Ｂへ出射し、伝播部７Ｂから伝播方向変化部１５に入射された超音波を、傾斜面１６で反射して伝播部７Ａへ出射し、伝播部７Ａから伝播方向転換部８Ａに入射された超音波を、傾斜面９Ａで反射して圧電素子５へ出射するようになっている。

【0075】

校正片６の傾斜面９Ａと傾斜面１６の間及び傾斜面１６と傾斜面９Ｂの間で伝播する超音波として縦波を用いるのであれば、圧電素子５の上面と校正片６の傾斜面９Ａ又は９Ｂの間の超音波の片道伝播距離をＬ１とし、校正片６の傾斜面９Ａと傾斜面１６の間の超音波の片道伝播距離をＬ８とし、校正片６の傾斜面１６と傾斜面９Ｂの間の超音波の片道伝播距離をＬ９としたときに、（Ｌ８＋Ｌ９）＞Ｈ×２×ｖｌ／ｖの条件を満たすことが好ましい。一方、校正片６の傾斜面９Ａと傾斜面１６の間及び傾斜面１６と傾斜面９Ｂの間で伝播する超音波として横波を用いるのであれば、（Ｌ８＋Ｌ９）＞Ｈ×２×ｖｓ／ｖの条件を満たすことが好ましい。

【0076】

圧電素子５は、図１７及び図１８中矢印Ｂ１，Ｂ２で示すように配管２０の内面で１回反射された超音波Ｂと、図１６～図１８中矢印Ｇ１～Ｇ４で示すように校正片６内を伝播した超音波Ｇとを受信する。そして、受信した超音波Ｂ，Ｇを波形信号に変換して制御装置２のレシーバ１２へ出力する。

【0077】

制御装置２は、第１の実施形態と同様、校正片６内を伝播した超音波Ｇの伝播時間と校正片６の音速に基づいて時間軸を校正し、配管２０内を伝播した超音波Ｂの伝播時間と配管２０の縦波音速ｖに基づいて配管２０の肉厚Ｈを演算する。そして、算出した配管２０の肉厚Ｈを記憶部１４へ出力して記憶させると共に、表示装置３へ出力して表示させる。

【0078】

以上のように構成された本実施形態の作用効果を説明する。本実施形態の校正片６も、第４の実施形態と同様、超音波の伝播方向を圧電素子５の上面に沿う方向に転換する伝播方向転換部８Ａ，８Ｂを有している。これにより、圧電素子５の上面に垂直な方向における校正片６の高さでなく、圧電素子５の上面に平行な方向における校正片６の長さを大きくして、校正片６内を伝播した超音波Ｇの受信タイミングを、配管２０の内面で１回反射された超音波Ｂの受信タイミングより遅らせることができる。したがって、超音波センサ１に校正片６を組み込みながら、超音波センサ１の薄型化と配管２０の肉厚の計測精度を両立することができる。

【0079】

なお、第３及び第５の実施形態において、校正片６は、２つの伝播部７Ａ，７Ｂと、伝播部７Ａ，７Ｂの間に配置された１つの伝播方向変化部１５とを有する場合を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、校正片６は、３つ以上の伝播部と、伝播部の間に配置された２つ以上の伝播方向変化部とを有してもよい。

【符号の説明】

【0080】

１ 超音波センサ
２ 制御装置
４ 耐熱性接着剤（接触媒質）
５ 圧電素子
６ 校正片
７，７Ａ，７Ｂ 伝播部
８，８Ａ，８Ｂ 伝播方向転換部
９，９Ａ，９Ｂ 傾斜面
１０，１０Ａ，１０Ｂ 端面
１５ 伝播方向変化部
１６ 傾斜面
２０ 配管（被検体）

【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】