JP2001056322A - 超音波探触子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 超音波探触子において、試験体内部にある近
接した反射源からのエコーの分解能向上と検出感度向上
を図る。さらに外部からの耐衝撃性を維持する。 【解決手段】 超音波を発生させる振動子として、単一
板状セラミック振動子に変えてコンポジット振動子２を
用いる。そして、コンポジット振動子２と充填材４との
間にカバー部品６を設ける。また、カバー部品６とコン
ポジット振動子２との間に空気層７を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波探触子に関
し、特に、分解能及び検出感度のよい超音波探触子に関
する。

【０００２】

【従来の技術】超音波の反射や透過を利用して材料や構
造物のきずを検出する超音波探傷法が使用されている。
この超音波探傷法は、材料や構造物を壊さず内部のきず
を検出できる非破壊検査法であり、例えば、鋼板などの
工業用材料や溶接部の探傷、原子力発電所設備の保守点
検などに用いられている。

【０００３】以下、超音波探傷法において試験体に対す
る超音波の送信、あるいは受信に使用する従来の超音波
探触子について、図面を用いて説明する。

【０００４】図８は、従来の斜角超音波探触子の外観を
表した斜視図である。また、図９は、図８のＡ−Ａ’で
切断し、矢印の方向から眺めた断面図である。

【０００５】図９において、接栓１０１は、超音波探傷
器（図示せず）と探触子ケーブル（図示せず）を介して
電気接続するためのものである。振動子１０２は、従
来、単一板状の水晶板や単一板状のセラミックから構成
される圧電素子であり、接栓１０１と接続されている。
この振動子１０２は、超音波探傷器から送られる電気パ
ルスにより振動し、超音波を発生させるためのものであ
る。振動子１０２と探触子ケーブル又は超音波探傷器と
のインピーダンス整合が必要な場合は、探触子内部にマ
ッチングトランスやコイルを取り付けることもある。

【０００６】くさび１０３は、図示していない試験体と
接触させるものであり、振動子１０２によって発生した
超音波パルスを、接触する試験体に所定の角度で入射さ
せるためのものである。

【０００７】ケース１０５は、超音波探触子の外形を形
成するものであり、充填材１０４は、超音波探触子の外
部からの耐衝撃性を高めることとくさび内の乱反射を軽
減させるため、超音波探触子内部に充填されたものであ
る。

【０００８】従来の斜角超音波探触子は、上記のように
構成されており、以下に動作を図１０に基づいて説明す
る。超音波探傷器で発生された電気パルスは、探触子ケ
ーブル、接栓１０１を介して振動子１０２に印加され
る。電気パルスを印加された振動子１０２は、圧電効果
により振動し、超音波パルスが発生する。発生した超音
波パルスは、くさび１０３を伝搬し、試験体に入射す
る。試験体に入射した超音波パルスは、試験体内部に存
在するきずなどの反射源により反射される。この反射さ
れた超音波パルス（エコー）は、振動子１０２で電気パ
ルスに変換され、接栓１０１と探触子ケーブルを経由し
て超音波探傷器に取り込まれ、表示される。すなわち、
エコーの到達時間を知って、試験体内部のきずなどの反
射源の位置を推定するとともにエコーの高さから反射源
の大きさを推定するものである。

【０００９】このようにして、試験体を破壊することな
く、試験体内部のきずを検出することができる。

【００１０】上述した従来の探触子で用いる振動子１０
２は、単一板状セラミックを使用している例が多く、そ
のため機械的Ｑが高い。

【００１１】機械的Ｑについて図を用いて説明する。振
動子１０２へ図１１（ａ）に示すような電気パルスを印
加すると、圧電効果により歪みが生じる。この歪みに起
因する振動は、電気パルスが印加されなくなった後も、
図１１（ｂ）に示すように、次第に減少しながら継続す
る。この歪みに基づく振動が長く続くことを機械的Ｑが
高いという。言い換えれば、機械的Ｑが高いということ
は、超音波パルスの幅Ｔが大きいことである。すなわ
ち、図１１（ｂ）の幅Ｔが大きければ大きいほど機械的
Ｑが高いことになる。

【００１２】次に、機械的Ｑが高いと互いに近接して存
在するきずを識別できる分解能が悪くなることについて
説明する。きず間の距離が超音波パルスの幅Ｔより小さ
い２つのきずからのエコーを図１２に示す。図１２を見
て分かるようにきず１からのエコーときず２からのエコ
ーが重なってしまい、一つのきずからのエコーなのか二
つのきずからのエコーなのか区別が付かなくなってしま
う。したがって、機械的Ｑが高い程、互いに近接して存
在するきずを識別できる分解能が悪くなる。

【００１３】このため、従来の探触子では機械的Ｑを低
くするために、振動子１０２の背面１０６を押さえつけ
る（ダンピングする）ことが行われる。すなわち、探触
子内に充填される充填材１０４とくさび１０３によって
振動子１０２をダンピングすることによって、機械的Ｑ
を下げている。充填材１０４は、探触子の耐衝撃性を高
める本来の役割の他に、振動子１０２を押さえつけるダ
ンパの役割も有している。また、充填材１０４とは別の
物質の部品を設けてダンパとすることもある。

【００１４】しかし、振動子１０２の機械的Ｑを下げる
（超音波パルスの幅Ｔを小さくする）ために背面１０６
から押さえつけると振動の振幅Ｓの減少すなわち、検出
感度の低下を招く問題がある。

【００１５】ここで、振動子２の種類には、従来から使
用されてきた単一板状セラミックの他に、多数のセラミ
ックの棒を規則正しく配列し、それらの隙間をポリマー
材で充填したコンポジット振動子が知られている。コン
ポジット振動子の特徴は、個々のセラミック棒が側面の
機械的Ｑの低いポリマー材によって制動されるために振
動子全体では超音波探傷の用途に適した程度に機械的Ｑ
が低いことにある。このため超音波パルスの幅は単一板
状セラミック振動子に比較して狭くなり、試験体内部の
２個以上の近接した反射源からのエコーの分解能がよ
い。したがって、コンポジット振動子を組み込んだ探触
子の場合には、くさび自体が十分にダンパの効果をもた
らすため、振動子の背面に接着されるダンパを用いるこ
となく高分解能を実現できる。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の解決しようと
する課題は、探触子に要求される耐衝撃性を確保するた
めの充填材を内蔵しながら、コンポジット振動子の背面
に空気層を設けるなどの手段によって、振動子の背面か
らのダンピングがかからない状態を確保する構造を提供
し、検出感度向上を図ることにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る超音波探触
子は、超音波を発生させるコンポジット振動子と、上記
振動子を接着させるくさびと、上記くさびに固定され
た、上記振動子を内包するケースと、上記ケースの内部
に充填された充填材と、上記振動子と上記充填材との間
に上記振動子を覆うカバー部品とを備えることを特徴と
する。

【００１８】また、上記カバー部品は、コルク材で形成
されていることを特徴とする。

【００１９】さらに本発明に係る超音波探触子は、上記
振動子と上記カバー部品とを接着しないことによって空
気層を設けることを特徴とする。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る超音波探触子
の一例について図面を参照しながら説明する。 実施の形態１．実施の形態１では、本発明を斜角探触子
に用いた例について説明する。図１は、実施の形態１に
係る超音波探触子の断面図である。図１において、接栓
１は、超音波探傷器（図示せず）と探触子ケーブルを介
して電気接続するためのものである。

【００２１】コンポジット振動子２は、超音波探傷器で
発生した電気パルスを超音波パルスに変換する圧電素子
である。コンポジット振動子２は、図２に示すように、
セラミックで形成された角柱状の振動子２１が規則正し
く配列され、振動子２１の間をポリマー材２２で充填し
た構造を有している。ポリマー材２２としては、例えば
エポキシ樹脂が用いられる。また、振動子２１の上下に
は、電気パルスを印加するために一対の電極２３が設け
られている。

【００２２】上記のように構成されるコンポジット振動
子２は、個々の振動子２１の周囲にある機械的Ｑの低い
ポリマー材によって、個々の振動子２１が制動されるた
め、単一板状のセラミック振動子に比べて機械的Ｑが低
いという特徴がある。このため、圧電素子として、コン
ポジット振動子２を使用した場合の超音波パルスの幅Ｔ
は、単一板状のセラミック振動子１０２を使用した場合
の超音波パルスの幅Ｔより狭くすることができる。

【００２３】次に、くさび３は、コンポジット振動子２
で発生した超音波パルスを試験体に所定の角度で入射さ
せるためのものであり、例えばアクリル樹脂から構成さ
れる。くさび３とコンポジット振動子２は、コンポジッ
ト振動子２から発生した超音波パルスを効率良く伝達さ
せるため、接着されている。

【００２４】ケース５は、超音波探触子の外形を形成す
るものである。また、充填材４は、超音波探触子の外部
からの耐衝撃性を高めるため、超音波探触子内部に充填
されたものであり、例えば、エポキシ樹脂から構成され
る。

【００２５】カバー部品６は、充填材４とコンポジット
振動子２が接触しないように、コンポジット振動子２を
覆うように構成されている。このカバー部品６は、例え
ば、枡状や、カップ状の形状をしている。そして、コン
ポジット振動子２とカバー部品６との間には、空気層７
が設けられている。このように構成することにより、く
さび３と接着されたコンポジット振動子２の面と反対側
の面（以下、背面１０という。）からのダンピング（押
さえつけ）がないため、超音波パルスの振幅Ｓを減衰さ
せずに済む。したがって、きずの検出感度向上を図るこ
とができる。すなわち、圧電素子にコンポジット振動子
２を使用する場合、背面１０から押さえつけるダンパを
設けるまでもなく、ダンパの役割を有するくさび３だけ
で超音波探傷に適した程度に機械的Ｑが低くなるのであ
る。

【００２６】実施の形態１において、カバー部品６は、
電気絶縁体から構成される必要がある。これは、コンポ
ジット振動子２とカバー部品６が側面１１で接触してい
るため、電気的にショートを起こさないようにするため
である。したがって、カバー部品６は、例えば、プラス
チック材やコルク材から構成される。また、カバー部品
６は、コンポジット振動子２を覆うことが目的であるか
ら、くさび３と接着剤で接着してもよいが、その必要性
はない。

【００２７】空気層７は、上述したようにコンポジット
振動子２の背面１０からダンピングがかからないように
するためのものである。つまり、空気層７は、コンポジ
ット振動子２の背面１０にカバー部品６が接触しない程
度の厚みを有すれば十分である。したがって、カバー部
品６自体の大きさは小型にすることができる。このた
め、カバー部品６を設けても従来の斜角探触子自体の大
きさを変更することなく製作することができる。

【００２８】実施の形態１に係る超音波探触子は、上記
のように構成されており、以下その動作及び作用につい
て説明する。

【００２９】超音波探傷器で発生した電気パルスは、探
触子ケーブル、接栓１を介してコンポジット振動子２に
印加される。電気パルスを印加されたコンポジット振動
子２は、圧電効果により振動し、超音波パルスが発生す
る。ここで発生した超音波パルスの幅Ｔは、背面にダン
パを付けていない単一板状のセラミック振動子から発生
する超音波パルスの幅Ｔより小さい。また、コンポジッ
ト振動子２の背面１０には空気層７が有りダンピングが
かからないため、ダンピングをかけた場合に比べて超音
波パルスの振幅Ｓも大きくなる。

【００３０】コンポジット振動子２で発生した超音波パ
ルスは、くさび３を伝搬し、試験体に入射する。試験体
に入射した超音波パルスは、試験体内部に存在するきず
などの反射源により反射される。この反射された超音波
パルス（エコー）は、コンポジット振動子２で電気パル
スに変換され、接栓１と探触子ケーブルを経由して超音
波探傷器に取り込まれ、表示される。

【００３１】このように、実施の形態１に係る超音波探
触子で発生する超音波パルスの振幅Ｓは、ダンピングを
かけた場合よりも大きいため、反射源の検出感度向上を
図ることができる。なお、充填材４も超音波探触子内に
充填されているため、従来の超音波探触子と同等の耐衝
撃性を維持することができる。

【００３２】具体的には、従来の探触子で発生する超音
波パルスの振幅Ｓで約３倍を達成することができた。し
たがって、約３倍の検出感度を得ることができた。

【００３３】なお、実施の形態１では、コンポジット振
動子２の背面１０だけ空気層７を設けるような構成例を
示した。しかし、カバー部品６は、空気層７を有するよ
うにコンポジット振動子２を覆えばよいから、例えば、
図３に示すように側面１１にも空気層７を設けてもよい
し、図４のような半球状やお椀形状のカバー部品を用い
てもよい。

【００３４】実施の形態２．次に、実施の形態２に係る
超音波探触子について図を参照しながら説明する。図５
は、本実施の形態に係る超音波探触子の断面図である。
図５は、実施の形態１の図１に相当する図である。本実
施の形態における超音波探触子は、実施の形態１に係る
超音波探触子とほとんど同じ構成をとっており、同様な
部分の説明は省略する。

【００３５】実施の形態１と相違する点は、コンポジッ
ト振動子２とこのコンポジット振動子２を覆うカバー部
品６との間に積極的には空気層７を設けない点である。
コンポジット振動子２の背面１０にダンピングをかけな
いとの観点からは、空気層７を設けることが望ましい。
しかし、わずかな厚さの空気層７を設けるように製造す
ることは手間がかかる。そこで、空気層７を設けなくて
も、同等の検出感度を得る構成が本実施の形態である。

【００３６】図５において、カバー部品６は、コンポジ
ット振動子２を覆うように構成され、かつ、コンポジッ
ト振動子２と接触するように構成されている。したがっ
て、コンポジット振動子２になるべくダンピングをかけ
ない観点からは、より軽い材質のものが望ましい。ま
た、超音波を通しにくい材質の方が望ましい。このよう
な観点から、カバー部品６は、例えばコルク材で形成さ
れている。

【００３７】コルク材で形成されたカバー部品６は、コ
ンポジット振動子２と接触はしているが接着はされてい
ない。接着するとダンピングがかかってしまうためであ
る。

【００３８】本実施の形態２の動作は、実施の形態１と
同様である。なお、カバー部品６の材質としてコルク材
を用い、コンポジット振動子２と接着しない場合におい
ては、カバー部品６をコンポジット振動子２と接触させ
ても、空気層７を設けた場合と同等のダンピングがかか
らない状態を確保できた。すなわち、実施の形態１と同
等の検出感度を達成することができた。

【００３９】実施の形態３．実施の形態１、２では、斜
角探触子の構造を例に本発明を説明したが、本実施の形
態３では、垂直探触子を例にとって説明する。図６は、
垂直探触子の外観を表した斜視図である。また、図７
は、図６のＢ−Ｂ’で切断し、矢印の方向から眺めた断
面図である。

【００４０】図７は、実施の形態１の図１に相当し、ほ
とんど構成を同じくする。実施の形態１と相違する点
は、くさび３の形状が異なる点である。これは、実施の
形態１で例示した斜角探触子の場合、くさび３から試験
体（図示せず）へ入射する超音波パルスにある角度を持
たせる必要があるのに対し、本実施の形態で例示する垂
直探触子の場合、くさび３から試験体へ垂直に超音波パ
ルスを入射させるためである。しかし、コンポジット振
動子２が接着されているとともに、コンポジット振動子
２で発生した超音波パルスを試験体に伝達するという点
では同じ役割を有する。

【００４１】くさび３は、垂直探触子において遅延材と
も呼ばれ、超音波パルスを試験体へ安定に伝達させる役
目をもつ。

【００４２】実施の形態では、コンポジット振動子と呼
ばれる振動子を使用した場合について説明したが、これ
に限られない。例えば、コンポジット振動子と同程度あ
るいは低い機械的Ｑを有する振動子であってもよい。

【００４３】また、実施の形態では、超音波パルスの送
信と受信を一つの探触子で行う場合について説明した
が、超音波パルスの送信と受信を別々の振動子又は探触
子で行う場合に本発明を適用してもよい。

【００４４】

【発明の効果】本発明に係る超音波探触子によれば、振
動子の背面からダンピングがかからないように構成した
ので、検出感度向上を図ることができる効果が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施の形態１に係る超音波探触子の断面図で
ある。

【図２】 実施の形態１において使用するコンポジット
振動子の構成を表した斜視図である。

【図３】 実施の形態１に係る超音波探触子の変形例を
示した断面図である。

【図４】 実施の形態１に係る超音波探触子の変形例を
示した断面図である。

【図５】 実施の形態２に係る超音波探触子の断面図で
ある。

【図６】 実施の形態３に係る超音波探触子の外観を表
した斜視図である。

【図７】 実施の形態３に係る超音波探触子の断面図で
ある。

【図８】 斜角探触子の外観を表した斜視図である。

【図９】 従来の斜角探触子を表した断面図である。

【図１０】 超音波探触子の動作を説明した図である。

【図１１】 超音波探触子内の振動子に印加する電気パ
ルスの一例とこの電気パルスを印加されたときの振動子
に発生する超音波パルスの振幅を表した図である。

【図１２】 超音波パルスの幅Ｔよりも近い距離にある
二つのきずからのエコーを表した図である。

【符号の説明】

１ 接栓、２ コンポジット振動子、３ くさび、４
充填材、５ ケース、６カバー部品、７ 空気層、１０
背面、１１ 側面、２１ 振動子、２２ ポリマー
材、２３ 電極。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 一ノ瀬 勝好 神奈川県鎌倉市上町屋214番地 湘菱電子 株式会社内 (72)発明者 米津 元照 神奈川県鎌倉市上町屋214番地 湘菱電子 株式会社内 Ｆターム(参考） 2G047 AA07 AB04 AB07 AC01 BA01 BA03 BB02 BC07 CA01 EA05 EA19 GA01 GB11 GB27 GB30 GB35

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超音波を発生させるコンポジット振動子
   と、上記振動子を接着させるくさびと、上記くさびに固
   定された、上記振動子を内包するケースと、上記ケース
   の内部に充填された充填材と、上記振動子と上記充填材
   との間に、上記振動子にダンピングがかからないように
   上記振動子を覆うカバー部品とを備えることを特徴とす
   る超音波探触子。
2. 【請求項２】 上記カバー部品は、コルク材で形成され
   ていることを特徴とする請求項１に記載の超音波探触
   子。
3. 【請求項３】 上記振動子と上記カバー部品との間に空
   気層を設けることを特徴とする請求項１又は２に記載の
   超音波探触子。