JP3707957B2

JP3707957B2 - Ultrasonic probe

Info

Publication number: JP3707957B2
Application number: JP13679199A
Authority: JP
Inventors: 祐二松井; 義則武捨; 良明永島; 尚幸河野; 文信高橋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-05-18
Filing date: 1999-05-18
Publication date: 2005-10-19
Anticipated expiration: 2019-05-18
Also published as: JP2000329755A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波探触子にかかり、特に超音波探触子表面に保護板を安定に接合して信頼性を向上した超音波探触子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図８は従来の超音波探触子を示す図であり、図８（ａ）は平面図、図８（ｂ）は断面図である。これらの図において、２１は超音波振動子、２２は振動子２１の表面を保護する保護板、２３は超音波振動子１のケース、２４は超音波振動子２１を駆動する駆動信号および超音波振動子の受信信号を図示しない超音波探触装置本体に伝送するケーブル、２５は超音波探触子であり、超音波探触子２５は超音波振動子２１、保護板２２、ケース２３およびケーブル２４からなる。
【０００３】
２６は被検査体、２７は超音波振動子２１が放射した超音波、２８は超音波振動子の保護板と被検査体２６間に充填したグリセリン等のペースト状の接触媒体である。
前記探触装置本体からケーブル２４を介して駆動信号、例えば数十ないし数百Ｖの高圧パルスの駆動信号を供給する。超音波振動子２５は前記高圧パルスの駆動信号を超音波に変換し、保護板２２および接触媒体８を介して被検査体２６の一方端から超音波２７を被検査体２６中に送信する。被検査体２６中を伝播し、被検査体の他方端で反射した反射波は接触媒体２８および保護板２２を介して超音波振動子に入射する。超音波振動子２１は入射した前記超音波を電気信号に変換し、ケーブル２４を介して前記超音波探触装置に送信する。前記超音波探触装置は前記超音波の送信から受信までに要する時間と前記被検査体中の超音波の伝播速度から前記被検査体の厚み等を測定する。
【０００４】
前記超音波探触子は、超音波振動子２１としてはセラミック系振動子であるＰＺＴ（Ｐb（Ｚr，Ｔi）Ｏ₃）を用い、保護板２２としてはベークライトやアクリル樹脂等を用い、超音波振動子２１と保護板２２はエポキシ系接着剤で接合する。
【０００５】
ところで、従来から発電プラントなどの配管の健全性を確保するため、超音波探触装置により前記配管を被破壊検査することが行われている。発電プラントが定期検査期間中で休止状態にある場合には、前記配管を常温で非破壊検査することができる。しかし、発電プラントの運転中あるいは停止直後においては前記配管は高温状態にある。例えば、沸騰水型原子力発電プラント（ＢＷＲ）では、炉内温度は２８０℃以上、高温水が循環する配管表面温度は１００℃以上になる。
【０００６】
前記エポキシ接着剤は高温で接着強度が低下するため、高温配管を検査すると、超音波振動子２１と保護板２間に剥離が生じる可能性がある。
【０００７】
特開平１０−１５３５８６号公報および特開平１０−３３９７２２号公報には、高温環境で使用できる高温用超音波探触子が示されている。該高温用超音波探触子は高温環境で使用するため、超音波振動子と保護板との間にろう材を挿入し、該ろう材を加熱溶融して超音波振動子と保護板を接合している。
【０００８】
図９は従来の高温用超音波探触子を示す図であり、図９（ａ）は平面図、図９（ｂ）は断面図である。これらの図において、２１ａはニオブ酸リチウム（ＬiＮbＯ₃）等で形成した高温用の超音波振動子、２２ａは超音波振動子とほぼ同一の熱膨張係数を有するステンレス鋼の保護板であり、保護板２２ａは超音波振動子２１ａとろう材等により接合している。２６ａは高温配管、２８ａは高温用接触媒体である。なお、図において図８に示される部分と同一部分については同一符号を付してその説明を省略する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
超音波振動子に用いるニオブ酸リチウム（ＬiＮbＯ₃）の結晶体はＸ、Ｙ、Ｚの直交する３軸の結晶方向がある。超音波振動子はこの結晶体から平板を切り出して使用する。平板の切り出し方向によって、Ｘカット、ＹカットおよびＺカットと呼ばれる振動子が得られる。
【００１０】
ニオブ酸リチウム（ＬiＮbＯ₃）の結晶体は、前記３軸の各結晶方向で熱膨張係数が相互に相違する。このため切り出した超音波振動子の熱膨張係数はその縦方向と横方向で異なる。
【００１１】
例えば、Ｘカットの超音波振動子の縦方向の熱膨張係数は１５×１０^-6、横方向のそれは７．５×１０^-6である。この超音波振動子を、この超音波振動子の縦方向の熱膨張係数と略等しい熱膨張係数を持つステンレス鋼製の保護板（熱膨張係数は縦方向および横方向とも１７×１０^-6）に接合すると、ろう付け後の冷却過程において、前記ステンレス鋼の保護板の熱膨張係数と超音波振動子の熱膨張係数が大きく相違する振動子の横方向に歪みが生じて、振動子に割れが発生する可能性が生じる。また、割れを生じることなく接合しても、高温下での使用による熱サイクルにより割れを生じる可能性がある。
【００１２】
図１０は超音波振動子と保護板の接合による割れを説明する図である。図に示すようにＸカットの超音波振動子をステンレス鋼製の保護板にろう付けする。接合後の冷却過程において、Ｘカット振動子にはその熱膨張係数の小さい方向に沿って圧縮応力が作用し、図に示すような割れが生じる。
【００１３】
一方、図９に示すように超音波探触子の保護板８１は平板であるのに対し、被検査体である高温配管は筒状である場合には、超音波振動子１１が送受信する超音波ビーム７の高温用接触媒体８１中を通過する距離は、振動子の中央部は短く周縁部で長くなる。さらに、前記高温用接触媒体８１としては、常温用の接触媒体に比して沸点が高く粘性の大きな媒体を使わざるを得ないため、高温用接触媒体８１中での減衰が大きくなり、超音波探触子の検出感度が低下する。また、接触媒体中の超音波に伝播速度は前記被検査体である配管中のそれに比してかなり遅くなる。このため前記接触媒体中を通過する距離の差による伝播時間の差により、前記ビームに干渉が生じて感度が低下する。
【００１４】
また、超音波振動子の材料にＰＺＴを使用すると比較的良好な感度を持つ超音波振動子を得ることができる。しかし、キュリー温度が低いため高温用の超音波振動子として利用することはできない。このためキュリー温度の高いニオブ酸リチウム（ＬiＮbＯ₃）が一般的に用いられるが、ニオブ酸リチウム（ＬiＮbＯ₃）を用いた超音波振動子はＰＺＴに比して感度は低い。さらに超音波振動子と保護板の接合法も制限されるため、高温用超音波振動子の感度は常温用超音波振動子のそれに比して低い。
【００１５】
すなわち、高温状態の配管を検査する高温用超音波振動子においては、超音波振動子自体の感度低下のほかに、高温状態の円筒状の配管に平板状の超音波探触子の保護板を接することによる感度低下が加わり、感度低下は無視できない量になる。
【００１６】
本発明は前記問題点に鑑みてなされたもので、高温下での使用に耐えることができ、また高温下での検出感度の低下しない超音波探触子を提供する。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するために次のような手段を採用した。
【００１８】
超音波振動子と、該超音波振動子表面に接合して前記超音波振動子表面を保護する保護板からなり、前記保護板を表面に接合した超音波振動子を被検査体表面に接触して該被検査体を超音波検査する超音波探触子で、前記振動子に熱膨張係数の異方性がある場合には前記保護板と前記振動子はその熱膨張係数の大きさと方向性の両方を一致して接合した超音波探触子において、前記保護板は被検査面の曲率に合致する曲率を有し、かつ前記保護板の材質として保護板中の音速が被検査体中の音速と等しいか、あるいは、速い材質を選定した。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第１の実施形態にかかる超音波探触子を示す図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は断面図である。これらの図において、１は超音波振動子であり、ニオブ酸リチウム（ＬiＮbＯ₃）等の圧電材料で形成する。２は振動子１の表面を保護する保護板であり、超音波振動子１と同一材料で形成する。また、超音波振動子１の熱膨張係数と保護板２は、その熱膨張係数の方向性を一致して接合する。すなわち、すなわち振動子および保護板の接合面において、振動子１の熱膨張係数が最大となる方向と、保護板２の熱膨張係数が最大となる方向を一致させて接合する。また、保護板２の被検査体に接する面側は被検査体である配管表面の曲率に合致するように、一軸のみ凹型に形成する。
【００２１】
３は超音波振動子１のケース、４は超音波振動子１を駆動する駆動信号および超音波振動子の受信信号を図示しない超音波探触装置本体に伝送するケーブル、５は超音波探触子であり、超音波探触子５は超音波振動子１、保護板２、ケース３およびケーブル４からなる。
【００２２】
６は被検査体、７は超音波振動子１が放射した超音波、８は超音波振動子の保護板と被検査体６間に充填したグリセリン等のペースト状の接触媒体である。
【００２３】
前記探触装置本体からケーブル４を介して駆動信号、例えば数十ないし数百Ｖの高圧パルスの駆動信号を供給する。超音波振動子５は前記高圧パルスの駆動信号を超音波に変換し、保護板２および接触媒体８を介して被検査体６の一方端から超音波７を被検査体６中に送信する。被検査体６中を伝播し、被検査体の他方端で反射した反射波は接触媒体８および保護板２を介して超音波振動子に入射する。超音波振動子１は入射した前記超音波を電気信号に変換し、ケーブル４を介して前記超音波探触装置に送信する。前記超音波探触装置は前記超音波の送信から受信までに要する時間と前記被検査体中の超音波の伝播速度から前記被検査体の厚み等を測定する。
【００２４】
前述したように超音波振動子の表面を保護する保護板を超音波振動子と同一材料で形成し、さらに超音波振動子１の熱膨張係数と保護板２は、その熱膨張係数の方向性が一致するように接合する。これにより超音波振動子と保護板は温度変化に対して常に同一割合で伸縮するので、振動子に割れが生じることはなく、信頼性の高い高温用探触子が得られる。
【００２５】
なお、前記保護板は超音波振動子と同一材料であることは必要ではなく熱膨張係数が略一致すれば他の材料でもよい。
【００２６】
図２ないし図４は保護板２の管状の被検査体６に接する面を凹型に形成した場合の超音波ビームの伝播経路を保護板の材質毎に示す図である。
【００２７】
図２は、保護板６中の超音波の音速が被検査体６中の音速と同程度の場合の超音波ビームの伝播経路を示す図である。例えば、炭素鋼の配管を検査するときに保護板としてステンレス鋼を使用した場合がこれに相当する。保護板２と被検査体６との界面において屈折角と入射角が等しくなるので超音波振動子１が発信した超音波は直進し被検査体の底面で反射し、反射した超音波のほとんどは超音波振動子１に入射する。このように保護板を凹型に形成することにより超音波振動子の感度の低下を抑制することができる。
【００２８】
図３は、保護板６中の超音波の音速が被検査体６中の音速よりも速い場合の超音波ビームの伝播経路を示す図である。例えば、炭素鋼の配管を検査するときに保護板としてニオブ酸リチウムを使用した場合がこれに相当する。保護板２と被検査体６との界面において屈折角が入射角より小さくなるように屈折するので超音波振動子１が発信した超音波ビーム収束する方向に進行し被検査体の底面で反射し、反射した超音波のほとんどは超音波振動子１に入射する。このように保護板を凹型に形成することにより超音波振動子の感度の低下をさらに抑制することができる。
【００２９】
図４は、保護板６中の超音波の音速が被検査体６中の音速よりも遅い場合の超音波ビームの伝播経路を示す図である。例えば、炭素鋼の配管を検査するときに保護板としてポリスチレンおよびアクリル等のシュー材またはベークライトを使用した場合がこれに相当する。保護板２と被検査体６との界面において屈折角が入射角より大きくなるように屈折するので超音波振動子１が発信した超音波ビームを拡散する方向に進行し被検査体の底面で反射する。しかしこの場合は反射した超音波の小部分が超音波振動子１に入射するのみであり、超音波振動子の感度の低下を抑制することはできない。
【００３０】
すなわち、保護板６の材質はニオブ酸リチウムおよびステンレス鋼が望ましく、ニオブ酸リチウムが特に望ましいことが分かる。
【００３１】
図５は、本発明の第２の実施形態にかかる超音波探触子を示す図であり、図５（ａ）は平面図、図５（ｂ）は断面図である。これらの図において、１ａは超音波振動子であり、超音波振動子１ａの被検査体側の面は凹型に形成してある。２ａ保護板であり、保護板２はその一方の面を前記超音波振動子１ａに接合するとともに、他方の管状の被検査体に接する面は凹型に形成してある。なお、図において図１に示される部分と同一部分については同一符号を付してその説明を省略する。
【００３２】
本実施形態においては、保護板２ａと管状の被検査体間に接触媒体の層を均一に形成することができる。また、保護板の厚みを均一に形成することができる。すなわち、接触媒体を通過する超音波の伝播距離および保護板を通過する超音波の伝播距離をそれぞれ均一に形成することができる。
【００３３】
したがって、振動子の各表面で送受信する超音波の伝播時間をそろえることができ、超音波探触子の感度低下をより一層抑制することができる。
【００３４】
図６は、本発明の第３の実施形態にかかる超音波探触子を示す図であり、図６（ａ）は平面図、図６（ｂ）は断面図である。これらの図において、１ｂは超音波振動子であり、超音波振動子１ｂは被検査体である配管の軸方向に縦長に形成し、その縦横比は約３：１である。２ｂは円盤状の保護板である。なお、図において図１に示される部分と同一部分については同一符号を付してその説明を省略する。
【００３５】
発明者等の実験によると、沸騰水型原子力発電プラント（ＢＷＲ）の一次冷却水循環系（ＰＬＲ系）配管によく用いられる呼び径１２Ｂ（外径１２インチ）の配管表面と平面状の保護板が実質的に接触している幅は約１ｍｍであった。一方、現段階では長辺が３ｍｍ以上の高温用の振動子を製作することは困難である。
【００３６】
このようにして形成した縦横比が３以上の振動子を用い、該振動子の長辺を配管の軸方向に向けて配置すると、保護板が実質的に接触しない部分に超音波が発信されることを抑制できる。したがって超音波の干渉を防止することができ検出感度の低下を防止することができる。
【００３７】
本実施形態においては、平板状の保護板を使用するため、保護板の製作が簡単である。また、保護板２ｂの形状を振動子１ｂ同様に縦長とすることもできる。
【００３８】
図７は、本発明の第４の実施形態にかかる超音波探触子を示す図であり、図７（ａ）は平面図、図７（ｂ）は断面図である。これらの図において、９は上面に超音波探触子５を回転可能に装着し、下面に管状の被検査体表面を装着した遮蔽材である。遮蔽材９は被検査体である配管の軸方向に沿った縦長の貫通孔を備える。
【００３９】
前記遮蔽体に装着した超音波振動子１は前記貫通孔を介して前記配管と接触することができる。したがって、超音波振動子１が発信する超音波は前記貫通孔を通してのみ前記被検査体に入射することが可能であり、これによって超音波の干渉を防止して、検出感度の低下を防止することができる。
【００４０】
また、前記超音波探触子を９０度回転させることにより、振動面の直交する超音波をそれぞれ被検査体に送信して、被検査体の残留応力、組織の劣化等を測定することができる。
【００４１】
以上の説明では、高温状態の配管等の被検査体を検査する高温用超音波探触子について説明したが、常温状態および低温状態の被検査体を検査する常温用および低温用の超音波探触子においても、超音波振動子と保護板を高温で接合する際の歪みや使用環境下での温度変化による歪みを回避することができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、高温下での使用に耐えることができ、また高温下での検出感度の低下しない超音波探触子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる超音波探触子を示す図である。
【図２】超音波ビームの伝播経路を示す図である。
【図３】超音波ビームの伝播経路を示す図である。
【図４】超音波ビームの伝播経路を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態にかかる超音波探触子を示す図である。
【図６】本発明の第３の実施形態にかかる超音波探触子を示す図である。
【図７】本発明の第４の実施形態にかかる超音波探触子を示す図である。
【図８】従来の超音波探触子を示す図である。
【図９】従来の高温用超音波探触子を示す図である。
【図１０】超音波振動子と保護板の接合による割れを説明する図である。
【符号の説明】
１，１ａ，１ｂ超音波振動子
２，２ａ，２ｂ保護板
３超音波振動子のケース
４ケーブル
５超音波探触子
６被検査体
７超音波
８接触媒体
９遮蔽材[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ultrasonic probe, and more particularly to an ultrasonic probe in which a protective plate is stably bonded to the surface of the ultrasonic probe to improve reliability.
[0002]
[Prior art]
8A and 8B are diagrams showing a conventional ultrasonic probe. FIG. 8A is a plan view and FIG. 8B is a cross-sectional view. In these drawings, 21 is an ultrasonic transducer, 22 is a protective plate for protecting the surface of the transducer 21, 23 is a case of the ultrasonic transducer 1, and 24 is a drive signal and ultrasonic wave for driving the ultrasonic transducer 21. A cable for transmitting a reception signal of the vibrator to an ultrasonic probe main body (not shown), 25 is an ultrasonic probe, and the ultrasonic probe 25 is an ultrasonic vibrator 21, a protective plate 22, a case 23, and a cable. 24.
[0003]
Reference numeral 26 denotes an object to be inspected, 27 an ultrasonic wave emitted from the ultrasonic vibrator 21, and 28 a paste-like contact medium such as glycerin filled between the protective plate of the ultrasonic vibrator and the object 26 to be inspected.
A driving signal, for example, a driving signal of a high voltage pulse of several tens to several hundreds V is supplied from the probe main body via the cable 24. The ultrasonic transducer 25 converts the drive signal of the high-pressure pulse into an ultrasonic wave, and transmits an ultrasonic wave 27 from one end of the inspection object 26 into the inspection object 26 via the protective plate 22 and the contact medium 8. The reflected wave that propagates through the inspection object 26 and is reflected by the other end of the inspection object enters the ultrasonic vibrator via the contact medium 28 and the protective plate 22. The ultrasonic transducer 21 converts the incident ultrasonic wave into an electric signal and transmits the electric signal to the ultrasonic probe device via the cable 24. The ultrasonic probe device measures the thickness of the object to be inspected from the time required from transmission to reception of the ultrasonic wave and the propagation speed of the ultrasonic wave in the object to be inspected.
[0004]
In the ultrasonic probe, PZT (Pb (Zr, Ti) O ₃ ), which is a ceramic vibrator, is used as the ultrasonic vibrator 21, bakelite, acrylic resin, or the like is used as the protective plate 22. The vibrator 21 and the protective plate 22 are joined with an epoxy adhesive.
[0005]
By the way, conventionally, in order to ensure the soundness of piping of a power plant or the like, the piping is subjected to a destructive inspection using an ultrasonic probe. When the power plant is in a dormant state during the regular inspection period, the pipe can be inspected nondestructively at room temperature. However, the pipe is in a high temperature state during operation of the power plant or immediately after it is stopped. For example, in a boiling water nuclear power plant (BWR), the furnace temperature is 280 ° C. or higher, and the piping surface temperature through which high-temperature water circulates is 100 ° C. or higher.
[0006]
Since the adhesive strength of the epoxy adhesive decreases at a high temperature, peeling may occur between the ultrasonic vibrator 21 and the protective plate 2 when the high-temperature pipe is inspected.
[0007]
Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 10-153586 and 10-339722 show high-temperature ultrasonic probes that can be used in a high-temperature environment. Since the high-temperature ultrasonic probe is used in a high-temperature environment, a brazing material is inserted between the ultrasonic transducer and the protective plate, and the brazing material is heated and melted to join the ultrasonic transducer and the protective plate. are doing.
[0008]
9A and 9B are diagrams showing a conventional high-temperature ultrasonic probe. FIG. 9A is a plan view and FIG. 9B is a cross-sectional view. In these figures, 21a is a high-temperature ultrasonic vibrator formed of lithium niobate (LiNbO ₃ ) or the like, and 22a is a stainless steel protective plate having a thermal expansion coefficient substantially the same as that of the ultrasonic vibrator. The plate 22a is joined to the ultrasonic transducer 21a by a brazing material or the like. Reference numeral 26a denotes a high-temperature pipe, and 28a denotes a high-temperature contact medium. In the figure, the same parts as those shown in FIG.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
The crystal of lithium niobate (LiNbO ₃ ) used for the ultrasonic transducer has three orthogonal crystal directions of X, Y, and Z. The ultrasonic transducer is used by cutting a flat plate from this crystal. Depending on the cutting direction of the flat plate, vibrators called X-cut, Y-cut and Z-cut are obtained.
[0010]
Crystals of lithium niobate (LiNbO ₃ ) have different thermal expansion coefficients in the three crystal directions. For this reason, the thermal expansion coefficient of the cut-out ultrasonic transducer differs between the vertical direction and the horizontal direction.
[0011]
For example, an X-cut ultrasonic transducer has a thermal expansion coefficient of 15 × 10 ^{−6 in} the vertical direction and 7.5 × 10 ⁻⁶ in the horizontal direction. This ultrasonic vibrator is made of a stainless steel protective plate having a thermal expansion coefficient substantially equal to the thermal expansion coefficient in the vertical direction of the ultrasonic vibrator (the thermal expansion coefficient is 17 × 10 ^{−6 in} both the vertical and horizontal directions). In the cooling process after brazing, distortion occurs in the transverse direction of the vibrator in which the thermal expansion coefficient of the stainless steel protective plate and the thermal expansion coefficient of the ultrasonic vibrator are greatly different, and the vibrator is cracked. May occur. Moreover, even if it joins without producing a crack, there exists a possibility of producing a crack by the thermal cycle by use under high temperature.
[0012]
FIG. 10 is a view for explaining cracks caused by joining of the ultrasonic vibrator and the protective plate. As shown in the figure, an X-cut ultrasonic transducer is brazed to a protective plate made of stainless steel. In the cooling process after joining, the X-cut vibrator is subjected to compressive stress along the direction in which the thermal expansion coefficient is small, and cracks are generated as shown in the figure.
[0013]
On the other hand, as shown in FIG. 9, when the protection plate 81 of the ultrasonic probe is a flat plate, but the high-temperature pipe that is the object to be inspected is cylindrical, the ultrasonic transducer 11 transmits and receives an ultrasonic wave. The distance that the sound beam 7 passes through the high-temperature contact medium 81 is short at the center of the vibrator and long at the peripheral edge. Further, as the high-temperature contact medium 81, a medium having a high boiling point and a high viscosity as compared with a normal-temperature contact medium must be used. The detection sensitivity of the probe decreases. Further, the propagation speed of the ultrasonic wave in the contact medium is considerably slower than that in the pipe as the inspection object. For this reason, due to the difference in propagation time due to the difference in distance passing through the contact medium, interference occurs in the beam and the sensitivity is lowered.
[0014]
Further, when PZT is used as the material of the ultrasonic vibrator, an ultrasonic vibrator having relatively good sensitivity can be obtained. However, since the Curie temperature is low, it cannot be used as a high-temperature ultrasonic transducer. For this reason, lithium niobate (LiNbO ₃ ) having a high Curie temperature is generally used. However, an ultrasonic vibrator using lithium niobate (LiNbO ₃ ) has a lower sensitivity than PZT. Furthermore, since the joining method of the ultrasonic vibrator and the protective plate is also limited, the sensitivity of the high-temperature ultrasonic vibrator is lower than that of the normal-temperature ultrasonic vibrator.
[0015]
In other words, in a high-temperature ultrasonic transducer that inspects high-temperature piping, in addition to the sensitivity reduction of the ultrasonic transducer itself, a plate-shaped ultrasonic probe protection plate is attached to the high-temperature cylindrical piping. Sensitivity decrease due to contact is added, and the sensitivity decrease is an amount that cannot be ignored.
[0016]
The present invention has been made in view of the above-described problems, and provides an ultrasonic probe that can withstand use at high temperatures and does not deteriorate detection sensitivity at high temperatures.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
The present invention employs the following means in order to solve the above problems.
[0018]
An ultrasonic transducer and a protective plate that is bonded to the surface of the ultrasonic transducer and protects the surface of the ultrasonic transducer. The ultrasonic transducer having the protective plate bonded to the surface is in contact with the surface of the object to be inspected. In the ultrasonic probe for ultrasonically inspecting the inspection object, when the vibrator has anisotropy in thermal expansion coefficient, the protection plate and the vibrator have a magnitude and directionality of the thermal expansion coefficient . In the ultrasonic probe in which both of them are joined together, the protective plate has a curvature that matches the curvature of the surface to be inspected, and the speed of sound in the protective plate is the material of the protective plate in the object to be inspected. A material that is equal to or faster than the speed of sound was selected.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
1A and 1B are diagrams showing an ultrasonic probe according to a first embodiment of the present invention. FIG. 1A is a plan view and FIG. 1B is a cross-sectional view. In these drawings, reference numeral 1 denotes an ultrasonic vibrator, which is formed of a piezoelectric material such as lithium niobate (LiNbO ₃ ). Reference numeral 2 denotes a protective plate that protects the surface of the vibrator 1 and is made of the same material as the ultrasonic vibrator 1. Further, the thermal expansion coefficient of the ultrasonic transducer 1 and the protective plate 2 are joined with the directionality of the thermal expansion coefficient matched. That is, on the bonding surface of the vibrator and the protection plate, the direction in which the thermal expansion coefficient of the vibrator 1 is maximized and the direction in which the thermal expansion coefficient of the protection plate 2 is maximized are matched. In addition, the surface side of the protective plate 2 that contacts the object to be inspected is formed in a concave shape only on one axis so as to match the curvature of the pipe surface that is the object to be inspected.
[0021]
3 is a case of the ultrasonic transducer 1, 4 is a cable for transmitting a drive signal for driving the ultrasonic transducer 1 and a reception signal of the ultrasonic transducer to an ultrasonic probe main body (not shown), and 5 is an ultrasonic probe The ultrasonic probe 5 includes an ultrasonic transducer 1, a protection plate 2, a case 3, and a cable 4.
[0022]
6 is an object to be inspected, 7 is an ultrasonic wave radiated from the ultrasonic vibrator 1, and 8 is a paste-like contact medium such as glycerin filled between the protective plate of the ultrasonic vibrator and the object to be inspected 6.
[0023]
A driving signal, for example, a driving signal of a high voltage pulse of several tens to several hundreds V is supplied from the probe main body via the cable 4. The ultrasonic transducer 5 converts the drive signal of the high-pressure pulse into an ultrasonic wave, and transmits the ultrasonic wave 7 from the one end of the inspection object 6 into the inspection object 6 via the protective plate 2 and the contact medium 8. The reflected wave that propagates through the inspection object 6 and is reflected by the other end of the inspection object enters the ultrasonic vibrator via the contact medium 8 and the protective plate 2. The ultrasonic transducer 1 converts the incident ultrasonic wave into an electric signal and transmits it to the ultrasonic probe device via the cable 4. The ultrasonic probe device measures the thickness of the object to be inspected from the time required from transmission to reception of the ultrasonic wave and the propagation speed of the ultrasonic wave in the object to be inspected.
[0024]
As described above, the protective plate for protecting the surface of the ultrasonic vibrator is formed of the same material as that of the ultrasonic vibrator, and the thermal expansion coefficient of the ultrasonic vibrator 1 and the protective plate 2 are directed to the direction of the thermal expansion coefficient. Join to match. As a result, the ultrasonic transducer and the protective plate always expand and contract at the same rate with respect to the temperature change, so that the transducer is not cracked and a highly reliable probe for high temperature can be obtained.
[0025]
The protective plate is not necessarily made of the same material as that of the ultrasonic vibrator, and may be made of other materials as long as the thermal expansion coefficients substantially match.
[0026]
2 to 4 are diagrams showing the propagation path of the ultrasonic beam for each material of the protective plate when the surface of the protective plate 2 that contacts the tubular test object 6 is formed in a concave shape.
[0027]
FIG. 2 is a diagram showing a propagation path of an ultrasonic beam when the sound velocity of the ultrasonic wave in the protective plate 6 is approximately the same as the sound velocity in the inspection object 6. For example, this corresponds to the case where stainless steel is used as a protective plate when inspecting a carbon steel pipe. Since the refraction angle and the incident angle are equal at the interface between the protective plate 2 and the object 6 to be inspected, the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transducer 1 goes straight and is reflected by the bottom surface of the object to be inspected, and most of the reflected ultrasonic wave is Incident on the ultrasonic transducer 1. By forming the protective plate in a concave shape in this way, it is possible to suppress a decrease in sensitivity of the ultrasonic transducer.
[0028]
FIG. 3 is a diagram showing a propagation path of the ultrasonic beam when the sound speed of the ultrasonic wave in the protection plate 6 is faster than the sound speed in the inspection object 6. For example, this corresponds to the case where lithium niobate is used as a protective plate when inspecting a carbon steel pipe. Since the refraction angle is refracted at the interface between the protective plate 2 and the object to be inspected 6 so that the refraction angle is smaller than the incident angle, the ultrasonic transducer 1 travels in the direction of convergence of the ultrasonic beam and reflects on the bottom surface of the object to be inspected. Most of the reflected ultrasonic waves are incident on the ultrasonic transducer 1. By thus forming the protective plate in a concave shape, it is possible to further suppress a decrease in sensitivity of the ultrasonic transducer.
[0029]
FIG. 4 is a diagram showing a propagation path of the ultrasonic beam when the sound speed of the ultrasonic wave in the protection plate 6 is slower than the sound speed in the test object 6. For example, this corresponds to the case where shoe material such as polystyrene and acrylic or bakelite is used as the protective plate when inspecting the piping of carbon steel. Since the refraction angle is refracted at the interface between the protective plate 2 and the object to be inspected 6 so that the refraction angle is larger than the incident angle, the ultrasonic beam transmitted by the ultrasonic transducer 1 travels in the direction of diffusion and is reflected by the bottom surface of the object to be inspected. To do. However, in this case, only a small portion of the reflected ultrasonic wave is incident on the ultrasonic transducer 1, and a decrease in sensitivity of the ultrasonic transducer cannot be suppressed.
[0030]
That is, it can be seen that the material of the protective plate 6 is preferably lithium niobate and stainless steel, and lithium niobate is particularly desirable.
[0031]
5A and 5B are diagrams showing an ultrasonic probe according to the second embodiment of the present invention, in which FIG. 5A is a plan view and FIG. 5B is a cross-sectional view. In these drawings, reference numeral 1a denotes an ultrasonic transducer, and the surface of the ultrasonic transducer 1a on the side to be inspected is formed in a concave shape. The protective plate 2a has one surface joined to the ultrasonic transducer 1a and the other surface in contact with the tubular test object is formed in a concave shape. In the figure, the same parts as those shown in FIG.
[0032]
In the present embodiment, a contact medium layer can be formed uniformly between the protective plate 2a and the tubular test object. Moreover, the thickness of the protective plate can be formed uniformly. That is, the propagation distance of the ultrasonic wave passing through the contact medium and the propagation distance of the ultrasonic wave passing through the protective plate can be formed uniformly.
[0033]
Therefore, it is possible to align the propagation times of ultrasonic waves transmitted and received on each surface of the transducer, and it is possible to further suppress the decrease in sensitivity of the ultrasonic probe.
[0034]
6A and 6B are diagrams showing an ultrasonic probe according to a third embodiment of the present invention, in which FIG. 6A is a plan view and FIG. 6B is a cross-sectional view. In these drawings, 1b is an ultrasonic transducer, and the ultrasonic transducer 1b is formed in a longitudinal direction in the axial direction of a pipe to be inspected, and its aspect ratio is about 3: 1. 2b is a disk-shaped protective plate. In the figure, the same parts as those shown in FIG.
[0035]
According to experiments by the inventors, the surface of a pipe having a nominal diameter of 12B (outer diameter of 12 inches) and a flat protective plate, which are often used for a primary cooling water circulation system (PLR system) pipe of a boiling water nuclear power plant (BWR) The substantially contacting width was about 1 mm. On the other hand, at the present stage, it is difficult to manufacture a high-temperature vibrator having a long side of 3 mm or more.
[0036]
When a vibrator having an aspect ratio of 3 or more formed in this way is used and the long side of the vibrator is arranged in the axial direction of the pipe, an ultrasonic wave is transmitted to a portion where the protective plate does not substantially contact. This can be suppressed. Therefore, interference of ultrasonic waves can be prevented and a decrease in detection sensitivity can be prevented.
[0037]
In the present embodiment, since a flat protective plate is used, the production of the protective plate is simple. Further, the shape of the protective plate 2b can be made vertically long like the vibrator 1b.
[0038]
7A and 7B are diagrams showing an ultrasonic probe according to a fourth embodiment of the present invention, in which FIG. 7A is a plan view and FIG. 7B is a cross-sectional view. In these drawings, reference numeral 9 denotes a shielding material in which the ultrasonic probe 5 is rotatably mounted on the upper surface and a tubular test object surface is mounted on the lower surface. The shielding member 9 includes a vertically long through hole along the axial direction of a pipe that is an object to be inspected.
[0039]
The ultrasonic transducer 1 attached to the shield can contact the pipe through the through hole. Therefore, the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transducer 1 can be incident on the object to be inspected only through the through hole, thereby preventing the interference of the ultrasonic wave and preventing the detection sensitivity from being lowered. Can do.
[0040]
Further, by rotating the ultrasonic probe by 90 degrees, ultrasonic waves whose vibration planes are orthogonal to each other can be transmitted to the object to be inspected, and the residual stress of the object to be inspected, tissue deterioration, etc. can be measured. .
[0041]
In the above description, a high-temperature ultrasonic probe for inspecting an inspection object such as a pipe in a high-temperature state has been described. Also in the touch element, it is possible to avoid distortion when the ultrasonic vibrator and the protective plate are joined at a high temperature and distortion due to temperature change in the use environment.
[0042]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to obtain an ultrasonic probe that can withstand use at high temperatures and that does not deteriorate detection sensitivity at high temperatures.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an ultrasonic probe according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a propagation path of an ultrasonic beam.
FIG. 3 is a diagram showing a propagation path of an ultrasonic beam.
FIG. 4 is a diagram showing a propagation path of an ultrasonic beam.
FIG. 5 is a diagram showing an ultrasonic probe according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing an ultrasonic probe according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing an ultrasonic probe according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing a conventional ultrasonic probe.
FIG. 9 is a diagram showing a conventional high-temperature ultrasonic probe.
FIG. 10 is a diagram for explaining cracking due to joining of an ultrasonic transducer and a protective plate.
[Explanation of symbols]
1, 1a, 1b Ultrasonic vibrator 2, 2a, 2b Protection plate 3 Ultrasonic vibrator case 4 Cable 5 Ultrasonic probe 6 Inspected object 7 Ultrasonic 8 Contact medium 9 Shielding material

Claims

An ultrasonic transducer made of a material with anisotropic thermal expansion coefficient ,
It consists of a protective plate that protects the ultrasonic transducer surface by bonding to the ultrasonic transducer surface,
An ultrasonic probe for ultrasonically inspecting the object to be inspected by contacting the surface of the object to be inspected with an ultrasonic transducer bonded to the surface of the protective plate,
In the ultrasonic probe in which the protection plate and the vibrator are joined by matching both the size and direction of the thermal expansion coefficient thereof,
The protective plate has a curvature that matches the curvature of the surface to be inspected,
An ultrasonic probe characterized in that the material of the protective plate is selected from a material in which the speed of sound in the protective plate is equal to or faster than the speed of sound in the object to be inspected.

An ultrasonic transducer made of a material with anisotropic thermal expansion coefficient ,
It consists of a protective plate that protects the ultrasonic transducer surface by bonding to the ultrasonic transducer surface,
An ultrasonic probe for ultrasonically inspecting the object to be inspected by contacting the surface of the object to be inspected with an ultrasonic transducer bonded to the surface of the protective plate,
In the ultrasonic probe in which the protection plate and the vibrator are joined by matching both the size and direction of the thermal expansion coefficient thereof,
The ultrasonic probe according to claim 1, wherein the protective plate includes a shielding material for preventing propagation of ultrasonic waves in a gap formed between the protective plate and a cylindrical surface to be inspected.

An ultrasonic transducer,
It consists of a protective plate that protects the ultrasonic transducer surface by bonding to the ultrasonic transducer surface,
An ultrasonic probe for ultrasonically inspecting the object to be inspected by contacting the surface of the object to be inspected with an ultrasonic transducer bonded to the surface of the protective plate,
In the ultrasonic probe, the protective plate is made of a crystal of the same material as the ultrasonic transducer, and is bonded in accordance with the crystal directivity.
The protective plate has a curvature that matches the curvature of the surface to be inspected,
An ultrasonic probe characterized in that the material of the protective plate is selected from a material in which the speed of sound in the protective plate is equal to or faster than the speed of sound in the object to be inspected.

An ultrasonic transducer,
It consists of a protective plate that protects the ultrasonic transducer surface by bonding to the ultrasonic transducer surface,
An ultrasonic probe for ultrasonically inspecting the object to be inspected by contacting the surface of the object to be inspected with an ultrasonic transducer bonded to the surface of the protective plate,
In the ultrasonic probe, the protective plate is made of a crystal of the same material as the ultrasonic transducer, and is bonded in accordance with the crystal directivity.
The ultrasonic probe according to claim 1, wherein the protective plate includes a shielding material for preventing propagation of ultrasonic waves in a gap formed between the protective plate and a cylindrical surface to be inspected.