JP2001083125A - 超音波振動方向制御方法及び装置並びに当該装置を用いた材料劣化診断装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 超音波探触子を機械的に回転せずに、任意の
振動方向の超音波を形成する方法及び装置並びにこの装
置を使用した材料劣化診断装置を提供する。 【解決手段】 材料劣化診断部４が超音波送受信部２ａ
与えたトリガ信号に同期して超音波送受信部２ａは高電
圧パルスを厚みすべり振動子１０１ａに印加する。厚み
すべり振動子１０１ａは横波１２ａを発生する。材料劣
化診断部４は前記トリガ信号の出力から一定の時間が経
過したときに、超音波送受信部２ｂにトリガ信号を与
え、これに同期して超音波送受信部２ｂは高電圧パルス
を厚みすべり振動子１０１ｂに印加する。厚みすべり振
動子１０１ｂは横波１２ｂを発生する。被検査体１０中
には、横波１２ａと横波１２ｂが合成された横波が発生
する。横波１２ａと横波１２ｂに印加する駆動電圧を制
御することで、合成された横波の振動方向を制御でき
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、固体材料中の検査
を目的とした超音波検査装置に係り、特に音響的異方性
を有する材料の劣化診断に好適な超音波振動方向制御方
法及び装置並びに当該装置を用いた材料劣化診断装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】近年の発電プラントの高経年化により、
構造材料の健全性（劣化）を非破壊で診断できる技術が
重要になってきている。その一方法として、超音波の音
速を用いた方法が提案されている。この方法は、材料の
劣化（クリープ損傷・疲労や脆化）と弾性的特性の変化
に相関があることに着目したもので、例えば高温環境中
に長時間放置された鋼材は、脆化が進行するとともに音
速が速くなるので、使用前の鋼材の音速を基準とした変
化量から脆化の度合いを非破壊で測定することができ
る。

【０００３】測定に使用する超音波の波のモードは、縦
波と横波が代表的であり、一般に探傷の分野では使用頻
度が高くないＳＨ波垂直探触子が使用されることが多
い。これは、配管等のように超音波の伝播経路長に相当
する肉厚の測定が困難な場合でも、縦波と横波を各々垂
直に入射して伝播時間を測定することで、音速の比から
劣化を診断することができるからである。

【０００４】しかしながら、横波の音速を測定する場合
には、鋼材の音響的異方性の影響を考慮しなければなら
ない。例えば、圧延成型したオーステナイト系のステン
レス鋼では、圧延方向に組織が揃う現象が生じる。この
ような鋼材で横波の伝播時間を測定すると、横波探触子
の向き（超音波の振動方向）によって異なる伝播時間が
計測される。したがって、横波伝播時間の測定値として
どの値を用いるのかを決めておいて、縦波との比を算定
する必要がある。

【０００５】この問題への一つの対応策が、特開平４−
１２２９８公報に提示されている。この発明では、残留
応力の影響により音響的異方性が発生している溶接線近
傍において、溶接線に平行な方向に振動する横波の音速
と、それに垂直に振動する横波の音速（伝播時間）の平
均値を代表的な横波音速として、縦波との間で比を算定
する方法を提案している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】一方においてこの発明
では、測定に用いる探触子等の装置に関しては、具体的
な提案は行われていない。横波の伝播時間を測定する場
合、振動方向を変えるには、通常、探触子自体を回転走
査しなければならなず、回転中に鋼材との間のカップリ
ングが悪くなる問題や、駆動機構を有するが故に探触子
周りの構成が大掛かりになり、狭隘部に適用できない問
題、さらにプラントの運転中検査に適用しにくいなどの
問題がある。

【０００７】回転走査の手間をなくすための一つの解決
手段は、特開平１−２２９９２５公報に提示されてい
る。この発明では、直交する２つの横波振動子を積層し
て配置した探触子を提案しており、探触子を回転走査す
ることなしに同一ポイントでの異なる２振動方向の横波
伝播時間の測定を可能としている。この特開平１−２２
９９２５公報に提示された従来技術では、機械的な回転
走査をすることなく、直交する２方向の横波音速を測定
することが可能である。ただし、この場合、溶接線近傍
や応力が負荷された状態の鋼材など、音響異方性の方向
が予めわかっていることが前提である。音響異方性の方
向がわからない場合、例えば、単結晶材料として生成し
たものの異方性の調査では、振動方向と異方性の方向を
合致させるための走査が別途必要となる。

【０００８】本発明は、このような従来技術の実情に鑑
みてなされたもので、その目的は、超音波探触子を機械
的に回転せずに、任意の振動方向の超音波を形成でき、
音響異方性のある物体の横波音速を異なる振動方向で高
速かつ簡便に測定することができる超音波振動方向制御
方法及び装置を提供することにある。

【０００９】また、他の目的は、このような超音波振動
方向制御装置を使用し、音響異方性のある物体の材料劣
化を高速かつ簡便に診断することができる材料劣化診断
装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、第１の手段は、第１及び第２の超音波振動子を使用
して被検体中の超音波の振動方向を制御する超音波振動
方向制御方法において、第１の超音波横波振動子に駆動
電圧を印加して第１の横波を発生する工程と、前記第１
の超音波横波振動子と振動方向が異なるように配置され
た第２の超音波横波振動子に駆動電圧を印加して前記第
１の横波と振動方向の異なる第２の横波を発生させる際
に、前記第２の横波が前記物体中で前記第１の横波と同
じ位相となる時間の遅延を与えて前記駆動電圧を印加し
て前記該物体中に任意の振動方向の横波を形成する工程
とを含むことを特徴としている。。

【００１１】第２の手段は、同様の前提の超音波振動方
向制御方法において、第１の超音波横波振動子に駆動電
圧を印加して第１の横波を発生する工程と、前記第１の
超音波横波振動子と振動方向が異なるように配置された
第２の超音波横波振動子に駆動電圧を印加して前記第１
の横波と振動方向の異なる第２の横波を発生させる際
に、該第２の横波が該物体中で該第１の横波と異なる位
相となる時間の遅延を与えて前記駆動電圧を印加し、前
記物体中に任意の振動方向の捻れ波を形成する工程とを
含むことを特徴としている。

【００１２】第３の手段は、第１または第２の手段にお
いて、前記第１の超音波横波振動子に駆動電圧を印加し
て第１の横波を発生することに代えて、前記第１の超音
波振動子に駆動電圧を印加して前記超音波振動子に隣接
した遅延保護板中に超音波を発生させ、この超音波を前
記遅延保護板の境界面で反射／屈折させて横波を発生さ
せるようにしたことを特徴としている。

【００１３】第４の手段は、第１または第２の手段にお
いて、前記第２の超音波横波振動子に駆動電圧を印加し
て第２の横波を発生することに代えて、前記第２の超音
波振動子に駆動電圧を印加して前記超音波振動子に隣接
した遅延保護板中に超音波を発生させ、この超音波を前
記遅延保護板の境界面で反射／屈折させて横波を発生さ
せるようにしたことを特徴としている。

【００１４】第５の手段は、第１及び第２の超音波振動
子に駆動電圧をそれぞれ印加し、物体中の超音波の振動
方向を制御するために用いる超音波横波探触子におい
て、前記第１の超音波振動子は前記物体に最も近い場所
に配置されて横波を発生し、前記第２の振動子は前記第
１の超音波振動子に隣接して設けられ、前記第２の超音
波振動子の振動方向が該第１の超音波振動子の振動方向
と異なるように、かつ、前記第２の超音波振動子と前記
第１の超音波振動子との隣接する面で導通するように、
例えば、第２の超音波振動子の上面と第２の超音波振動
子の下面とが導通するように配置されていることを特徴
としている。

【００１５】第６の手段は、第５の手段において、前記
第１の超音波振動子よりもさらに前記物体に近接した位
置に横波超音波の前記物体への入射を遅延させる遅延保
護板を設けたことを特徴としている。

【００１６】第７の手段は、第５の手段と同様の前提の
超音波横波探触子において、前記物体への入射を遅延さ
せる少なくとも１つ以上の遅延保護板を備え、前記第１
の超音波振動子は前記遅延保護板中に第１の超音波を発
生させ、前記第１の超音波が前記遅延保護板の境界面で
反射／屈折するときに第１の横波が発生するように配置
され、前記第２の超音波振動子は前記遅延保護板中に第
２の超音波を発生させ、前記第２の超音波が前記遅延保
護板の境界面で反射／屈折するときに第２の横波が発生
し、当該第２の横波の音軸が前記第１の横波の音軸と等
しくなり、前記第２の横波の振動方向が該第１の横波の
振動方向と異なるように配置されていることを特徴とし
ている。

【００１７】第８の手段は、第５の手段と同様の前提の
超音波横波探触子において、前記物体への入射を遅延さ
せる遅延保護板を備え、前記第１の超音波振動子は前記
遅延保護板中に縦波を発生させ、前記縦波が前記物体中
に入射する際に第１の横波が発生するように配置され、
前記第２の超音波振動子は、前記遅延保護板中に第２の
横波を発生させ、前記第１の横波の音軸と前記第２の横
波の音軸が等しくなるように配置されていることを特徴
としている。

【００１８】第９の手段は、第５ないし第８の手段にお
ける超音波横波探触子と、前記第１の超音波振動子に対
する印加電圧を変えて当該第１の超音波振動子を駆動す
る第１の超音波送受信部と、前記第２の超音波振動子に
対する印加電圧を変えて当該第２の超音波振動子を駆動
する第２の超音波送受信部と、前記第１及び第２の超音
波送受信部に電圧と位相を指示する制御手段とを備えて
いることを特徴としている。

【００１９】第１０の手段は、第５ないし第８の手段に
おける超音波横波探触子と、前記第１及び第２の超音波
横波振動子に対して可変電圧を印加可能な超音波送受信
部と、前記超音波受信部から前記第１の超音波振動子及
び該第２の超音波振動子に印加する電圧を切り換える切
換手段と、前記超音波送受信部に前記第１及び第２の超
音波横波振動子に印加する電圧と位相を指示する制御手
段とを備えていることを特徴とする。

【００２０】第１１の手段は、第９及び第１０の手段に
おける超音波振動方向制御装置と、第１及び第２の超音
波横波振動子から振動方向を変えて取得したデータに基
づいて材料の劣化を診断する診断手段とを備えているこ
とを特徴とする。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照し、本発明の実
施形態について説明する。

【００２２】＜第１の実施形態＞図１は本実施形態に係
る超音波振動方向制御用の横波探触子と、この横波探触
子を使用したシステムの構成を示すブロック図、図２は
前記横波探触子の構成を示す図である。図２において、
横波探触子１は、第１及び第２の２個の厚みすべり振動
子１０１ａ，１０１ｂと、パッキング材１０４と、前記
厚みすべり振動子１０１ａ，１０１ｂと前記パッキング
材１０４との間に設けられた第１ないし第３の電極１０
３ａ，１０３ｂ，１０３ｃと、保護板１０５と、外枠１
０６とから構成されている。

【００２３】第１の厚みすべり振動子１０１ａは、紙面
に平行な方向に厚みすべりをする超音波振動子である。
第２の厚みすべり振動子１０１ｂは、紙面に垂直な方向
に厚みすべりをする超音波振動子であり、第１の厚みす
べり振動子１０１ａとは振動方向が９０°異なってい
る。厚みすべり振動子１０１ａ，１０１ｂは、例えば、
水晶をＹ軸に垂直に切断したＹカット素子を使用するこ
とができる。電極１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃは、予
め厚みすべり振動子１０１ａ，１０１ｂまたは保護板１
０５に金などを蒸着したものである。バッキング材１０
４は、エポキシ樹脂にタングステン粉末を混ぜたものな
どを用いることができる。保護板１０５は、ベークライ
トなどを用いることができる。

【００２４】横波探触子１は、第１の厚みすべり振動子
１０１ａの下面と第２の厚みすべり振動子１０１ｂの上
面を導通した構造としているので、第１の厚みすべり振
動子１０１ａと第２の厚みすべり振動子１０１ｂの間に
余計な障害物を設置する必要が無く、第１の厚みすべり
振動子１０１ａから発生した振動を直接第２の厚みすべ
り振動子１０１ｂに伝えることが可能である。また、第
２の電極１０３ｂをグランドとして第１及び第３の電極
１０３ａ，１０３ｃに異なる電圧を与えれば、厚みすべ
り振動子１０１ａ，１０１ｂに異なる振幅の振動を発生
させることができる。

【００２５】図１は、本実施形態に係るシステム構成、
すなわち、材料劣化診断装置の構成を示している。図１
においては、図２に示した横波探触子１に対して、第１
及び第２の超音波送受信部２ａ，２ｂと、デジタイザ３
と、材料劣化診断部４とを付加してシステムを構成して
いる。第１及び第２の超音波送受信部２ａ，２ｂは、市
販の超音波探傷器で構成するか、超音波パルサーと、そ
れに直流電圧を供給する直流電圧源を用いて構成する。
このとき、超音波探傷器あるいは直流電圧源は、材料劣
化診断部４からの制御信号により出力電圧を制御できる
タイプのものを用いる。また、超音波探傷器あるいは超
音波パルサーは、材料劣化診断部４からのトリガ信号に
同期してパルスを発信できるタイプのものを用いる。材
料劣化診断部４は、市販のコンピュータで構成できる
が、第１及び第２の超音波送受信部２ａ，２ｂに送るト
リガ信号の間隔を設定するためのデジタルディレイを備
えるものとする。この例では、第１の電極１０３ａに第
１の超音波送受信部２ａが接続され、第２の電極１０３
ｃに第２の超音波送受信部２ｂが接続されている。な
お、第２の電極１０３ｂは接地されている。なお、第１
の電極横波探触子１の構成については、前述のように図
２に示したものと同一であるので説明は省略する。

【００２６】次に、本実施形態の材料劣化診断装置の動
作手順について、図３のフローチャートを用いて説明す
る。

【００２７】この処理では、まず、ステップＳ１０１に
おいて、横波探触子１を被検査体１０に適当な加重で接
触させる。このとき、横波探触子１と被検査体１０との
間には横波の透過を良くする水あめなどの接触媒質を塗
布する。そして、係数ｉ←０として初期化し、横波振動
方向の制御ピッチΔθを、例えば１.０°と設定する。

【００２８】次いで、ステップＳ１０２において、材料
劣化診断部４は、第１の超音波送受信部２ａの出力電圧
Ｖａと第２の超音波送受信部を２ｂの出力電圧Ｖｂを、
それぞれ数１と数２から算出し、電圧を設定する。

【００２９】

【数１】

【００３０】

【数２】

【００３１】ここで、係数ｒ_bは、ステップＳ１０３で
説明する横波１２ａが、厚みすべり振動子１０１ｂを通
過する間に減衰する分を補正するための項である。

【００３２】そして、ステップＳ１０３において、材料
劣化診断部４は第１の超音波送受信部２ａにトリガ信号
を与える。これに同期して、第１の超音波送受信部２ａ
はピーク間電圧Ｖａのパルスを第１の厚みすべり振動子
１０１ａに印加する。第１の厚みすべり振動子１０１ａ
は紙面に平行方向にすべり振動をするので、紙面に平行
方向に振動する横波１２ａが発生する。横波１２ａは、
時間Δｔ２を経て第２の厚みすべり振動子１０１ｂを通
過し、保護板１０５に垂直に入射する。これと同時に、
材料劣化診断部４は、第２の超音波送受信部２ｂにトリ
ガ信号を与える。これに同期して、第２の超音波送受信
部２ｂはピーク間電圧Ｖｂのパルスを第２の厚みすべり
振動子１０１ｂに印加する。第２の厚みすべり振動子１
０１ｂは紙面に垂直方向にすべり振動をするので、紙面
に垂直方向に振動する横波１２ｂが発生する。横波１２
ｂは、紙面に垂直方向に振動して保護板１０５に垂直に
入射する。横波１２ａと横波１２ｂは、同じ場所で振動
方向が９０°異なる同期した振動をすることになり、合
成振動の横波１２ｃが発生する。なお、時間Δｔ２は、
予め測定しておき、材料劣化診断部４に記憶しておく必
要がある。

【００３３】ここで、合成した波の振動の振幅及び振動
方向を図４を用いて説明する。深さ方向の位置ｚにおけ
る横波１２ａの粒子変位をｘ（ｚ）、横波１２ｂの粒子
変位をｙ（ｚ）とすると、その合成変位はｒ（ｚ）とな
る。粒子変位ｘ（ｚ）と粒子変位ｙ（ｚ）が、図５に示
すように同位相で変位すれば、ｒ（ｚ）の振動方向は、
粒子変位ｘ（ｚ）に対して常に角度θ（＝ｉ×Δθ）傾
いていることになり、実効的に振動方向θの横波が発生
する。第１及び第２の超音波送受信部２ａ，２ｂが、各
々パルス状の電圧ではなく、持続時間の長い連続波やバ
ースト波を発信する場合でも、同様に合成変位ｒ（ｚ）
を発生させることができる。

【００３４】ステップＳ１０３で合成振動横波を発生さ
せた後、ステップＳ１０４において、横波探触子１は、
横波１２ａと横波１２ｂの合成振動横波１２ｃの被検査
体１０底面での反射波（以後、合成振動横波１２ｃの底
面反射波と称す）を受信し、第１及び第２の超音波送受
信部２ａ，２ｂで増幅した信号をデジタイザ３でデジタ
ル信号に変換後、材料劣化診断部４で収録する。このと
き、合成振動横波１２ｃの底面反射波はその振動方向
が、材料の音響異方性の方向に対して、平行あるいは垂
直でない場合、図６に示すように、音速の違いによって
音速の速い横波Ｗ１と音速の遅い横波Ｗ２に２つの波に
分離する現象が生じる。なお、収録する信号は、合成振
動横波１２ｃの底面反射波のうち、底面でｍ回反射した
ｍ回反射波と、底面でｎ回反射したｎ回反射波の最低２
つの信号を収録するものとする。通常は、超音波の減衰
を考慮して、一回反射波と二回反射波（ｍ＝１、ｎ＝
２）を収録するのが良いが、場合によってはさらにあと
の反射波を利用しても良い。

【００３５】次に、ステップＳ１０５において、合成振
動横波１２ｃの振動方向θが終了角度θendに達してい
れば、ステップＳ１０７に進み、θendに達していなけ
れば、ステップＳ１０６において、ｉ←ｉ＋１としてか
ら、ステップＳ１０２に戻って処理を続ける。θend
は、通常１８０°で十分であるが、精度向上のためにθ
end＝３６０°としても良い。

【００３６】ステップＳ１０７において、市販の縦波探
触子を用い、横波探触子１と同様の手順で、底面でｍ回
反射したｍ回反射波と、被検査体１０の底面でｎ回反射
したｎ回反射波の最低２つの信号を収録する。ステップ
Ｓ１０８からは、材料劣化診断部４のソフトウエア処理
により実行する。まず、ステップＳ１０８において、収
録したθstart＝０からθendまでのｍ回反射波に対して
基準波形をθstartとしたときの相互相関処理による波
形の類似度ｓ（ｉ）をｉ＝０〜ｋ−１（ｋは横波を収録
した角度の数）について算定する。ここでは、波形の類
似度の最小値が、しきい値ｓ0よりも大きい場合、被検
査体１０の現在の測定位置の音響異方性は小さいと判断
し、収録したθstart＝０からθendまでのｍ回反射波と
ｎ回反射波の伝播時間差を相互相関処理によるオーバー
ラップ法により算定する。さらに、算定した複数の伝播
時間差の平均をとることにより、代表的な横波の伝播時
間とするのである。なお、オーバラップ法はこの分野で
は通常採用されている手法なので、ここでの説明は省略
する。

【００３７】一方、波形の類似度が、しきい値ｓ0より
も小さい場合、被検査体１０の現在の測定位置の音響異
方性が大きいために、音速の違いによって２つの波に分
離する現象が顕著に発生しているものと判断し、収録し
たθstart＝０からθendまでのｍ回反射波とｎ回反射波
の各々について、２つの波を分離する処理を行う。そし
て、分離した波形毎に、ｍ回反射波とｎ回反射波の伝播
時間差を相互相関処理によるオーバーラップ法により算
定する。さらに、算定した複数の伝播時間差の平均をと
ることにより、代表的な横波の伝播時間ｔsとする。

【００３８】このようにして、ステップＳ１０８で横波
伝播時間が算定されると、ステップＳ１０９において、
縦波のｍ回反射波とｎ回反射波の伝播時間差を相互相関
処理によるオーバーラップ法により算定し、縦波の伝播
時間ｔlとする。

【００３９】ステップＳ１０９で縦波の伝播時間が算定
されると、ステップＳ１１０において、縦波と横波の音
速比ｒを ｒ＝ｔs／ｔl により算定し、予め用意しておいた縦波横波音速比ｒと
劣化度の相関関係曲線を参照して劣化度を評価する。劣
化度は具体的には硬さや寿命で管理され、例えば硬さを
用いる場合、図７に示すような相関関係曲線を用意すれ
ば良い。

【００４０】以上の手順によれば、従来の横波探触子の
ように機械的な回転走査をともなわずに、横波の振動方
向を容易に制御することができるので、小型かつ高速な
劣化評価装置を構成でき、検査時間の短縮や、狭隘部へ
の適用に大きな効果がある。

【００４１】次に、材料劣化診断部４が第２の超音波送
受信部２ｂにトリガ信号を与える時刻と、材料劣化診断
部４が第１の超音波送受信部２ａにトリガ信号を与える
時刻との差が、時間Δｔ2でない場合について、図５を
参照して説明する。

【００４２】ここで、位置ｚにおける横波１２ａの粒子
変位をｘ（ｚ）、横波１２ｂの粒子変位をｙ（ｚ）とす
ると、その合成変位はr（ｚ）となる。粒子変位ｘ
（ｚ）と粒子変位ｙ（ｚ）が、図９に示すように異なる
位相（但し、位相が１８０度ずれる場合を除く）の連続
波で変位すれば、r（ｚ）の変位は、図８に示すように
楕円もしくは円状に変位し、実効的に捻れ波が発生する
ことになる。第１及び第２の超音波送受信部２ａ，２ｂ
が、各々持続時間の長い連続波やパルス波でも、合成変
位r（ｚ）は、同様に考えることができる。

【００４３】＜第２の実施形態＞図１０は本発明の第２
の実施形態のシステム構成を示すブロック図である。こ
の実施形態は、第１の実施形態において図１に示した第
１及び第２の２つの超音波送受信部２ａ，２ｂに代えて
１つの超音波送受信部２ａと切換器５によって構成する
ようにしたものである。その他の各部は前述の第１の実
施形態と同等に構成されている。

【００４４】本実施形態では、まず、材料劣化診断部４
は超音波送受信部２にトリガ信号を与える。これに同期
して、超音波送受信部２は時間差Δｔ2の２つの高電圧
パルスを出力する（Δｔ2は、横波１２ａが厚みすべり
振動子１０１ｂを通過するのに要する時間）。材料劣化
診断部４は、切換器５を制御して高電圧パルスを順に第
１の厚みすべり振動子１０１ａ及び第２の厚みすべり振
動子１０１ｂに与える。そのあとの動作及び処理の手順
は第１の実施形態と同様なので説明は省略する。

【００４５】＜第３の実施形態＞図１１は第３の実施形
態に係る超音波横波探触子の構成を示す図であり、この
超音波横波探触子は、前述の第１及び第２の実施形態で
使用された超音波横波探触子１の変形例に当たる。

【００４６】この実施形態に係る超音波横波探触子１
は、図１１から分かるように図２における保護板１０５
を厚い遅延保護板１０５ａとしたことを特徴としてお
り、遅延保護板１０５ａとしては、比較的厚いアクリル
などを用いて構成することができる。この遅延保護板１
０５ａを用いれば、横波１２ａ、１２ｂが被検査体１０
に入射するまでの時間を遅延させることができ、図２の
構成の横波探触子のように保護板１０５の中で横波１２
ａ、１２ｂが各々短い時間間隔での多重により干渉する
のを防止することができる。

【００４７】その他の各部は図２における超音波横波探
触子１と同等に構成され、図１もしくは図１０に示すシ
ステムによって同様に動作するので、ここでの説明は省
略する。

【００４８】＜第４の実施形態＞図１２は第４の実施形
態に係る超音波探触子の構成を示す図であり、この超音
波探触子は、前述の第１及び第２の実施形態で使用され
た超音波横波探触子の変形例に当たる。

【００４９】この実施形態に係る超音波探触子１は、図
１２から分かるように図２における第１及び第２の厚み
すべり振動子１０１ａ，１０１ｂを、保護板１０５に対
して積層せずに、横方向に並べて配置したことを特徴と
しており、その他の各部は図２の超音波横波探触子と同
等に構成されている。このように構成すると、第１の厚
みすべり振動子１０１ａから発生する横波１２ａと第２
の厚みすべり振動子１０１ａから発生する横波１２ｂ
は、被検査体１０中で干渉して、偏向方向の異なる横波
や捻れ波になる。この場合、横波探触子の近傍では、横
波１２ａと横波１２ｂが重ならずに干渉しない領域が存
在するといった点で、図２や図１１に示した構成の横波
探触子に劣るが、図１の超音波振動方向制御装置に置き
換えて構成する場合に、第１及び第２の超音波送受信部
２ａ、２ｂに同時にパルスを印加すれば良いので、より
単純に動作させることができる点や、横波１２ａ，１２
ｂのいずれもが、他の厚みすべり振動子を通過する必要
がないので、横波の減衰が少なく感度が良いといった点
において優れている。

【００５０】その他の各部は図２における超音波横波探
触子１と同等に構成され、図１もしくは図１０に示すシ
ステムによって同様に動作するので、ここでの説明は省
略する。

【００５１】＜第５の実施形態＞図１３は第５の実施形
態に係る超音波横波探触子の構成を示す図である。同図
において、１０１ｂは紙面に垂直に振動する厚みすべり
振動子、１０２は縦波振動子、１０５ｂはくさびであ
る。ここで言うくさびとは、超音波斜角入射用の中間伝
播媒体であり、材質はアクリル、ポリスチレン等であ
る。この横波探触子１は、以下のようにして被検査体１
０中に横波を発せさせる。

【００５２】すなわち、厚みすべり振動子１０１ｂでく
さび１０５ｂ中に紙面に垂直に振動する横波１２ｂを発
生させ、くさび１０５ｂと被検査体１０の境界面で横波
１２ｂを屈折させ、被検査体１０中に紙面に垂直に振動
する横波（ＳＨ波）を発生させる。一方で、縦波振動子
１０２でくさび１０５ｂ中に縦波１４を発生させ、くさ
び１０５ｂと被検査体１０の境界面で縦波１４を屈折さ
せ、被検査体１０中に紙面に平行に振動する横波（ＳＶ
波）を発生させる。このＳＨ波とＳＶ波の位相が同じに
なるように、あるいは異なるように、厚みすべり振動子
１０１ｂと縦波振動子１０２が駆動されることで、被検
査体１０中に任意の振動方向の斜角横波（あるいは、捻
れ波）１３が形成できる。

【００５３】くさび１０５ｂの材料としては、前述のよ
うにアクリルを用いる。被検査体１０が鋼である場合、
被検査体１０中に屈折角４５度の任意の振動方向の横波
を発生させるには、縦波振動子１０２を入射角３７度の
縦波を発生させるように配置でき、かつ厚みすべり振動
子１０１ｂを入射角１９度の横波を発生させるように配
置できるようなくさび１０５ｂを用意する。このよう
に、斜角の横波を発生させることは、図２の横波探触子
において保護板１０５の代わりに斜角用のくさびを取り
付ければ可能であるが、図１３の斜角用超音波横波探触
子の利点は、図１２と同様に、横波１２ｂや縦波１４
が、他の振動子を通過する必要がなく、超音波の減衰が
少なく感度が良いといった点にある。また、このような
ＳＨ波・ＳＶ波のいずれでもない傾いた振動を発生でき
る横波探触子の利点は、入射面と反射面（検査面）が平
行でない構造物においても、反射面に対して相対的にＳ
Ｈ波となるような振動面の横波を発生させることで、反
射のときのモード変換が生じず、ＳＮ比の向上が期待で
きることにある。

【００５４】本実施形態に係る超音波横波探触子１も図
１もしくは図１０に示すシステムによって同様に動作す
るので、ここでの説明は省略する。

【００５５】＜第６の実施形態＞図１４は第６の実施形
態に係る超音波横波探触子の構成を示す図である。同図
において、１０１ｂは紙面に垂直に振動する厚みすべり
振動子、１０２は縦波振動子、１０５ｃ、１０５dは第
１及び第２のくさびである。ここでいうくさびも第５の
実施形態と同様に超音波斜角入射用の中間伝播媒体であ
り、材質はアクリル、ポリスチレン等である。この横波
探触子は、以下のようにして被検査体１０中に横波を発
せさせる。

【００５６】すなわち、厚みすべり振動子１０１ｂで第
１のくさび１０５ｃ中に紙面に垂直に振動する横波１２
ｂを発生させ、第１のくさび１０５ｃと第２のくさび１
０５dの境界面で横波１２ｂを屈折させ、第２のくさび
１０５d中に紙面に垂直に振動する横波を発生させる。
一方で、縦波振動子１０２で第１のくさび１０５ｃ中に
縦波１４を発生させ、第１のくさび１０５ｃと第２のく
さび１０５dの境界面で縦波１４を屈折させ、被検査体
中に紙面に平行に振動する横波を発生させる。これら横
波の位相が同じになるように、あるいは異なるように、
厚みすべり振動子１０１ｂと縦波振動子１０２が駆動さ
れることで、第２のくさび１０５d中に任意の振動方向
の横波（あるいは、捻れ波）１３を形成することがで
き、これが被検査体１０中に垂直に入射することで、任
意の振動方向の横波（あるいは、捻れ波）を形成でき
る。

【００５７】本実施形態に係る超音波横波探触子１も図
１もしくは図１０に示すシステムによって同様に動作す
るので、ここでの説明は省略する。

【００５８】＜第７の実施形態＞図１５は第７の実施形
態に係る超音波横波探触子の構成を示す図である。同図
において、１０１ａは紙面に平行に振動する第１の厚み
すべり振動子、１０１ｂは紙面に垂直に振動する第２の
厚みすべり振動子、１０５e、１０５fは第１及び第２の
くさびである。ここでいうくさびも第５の実施形態と同
様に超音波斜角入射用の中間伝播媒体であり、材質はア
クリル、ポリスチレン等である。この横波探触子は、以
下のようにして被検査体１０中に横波を発せさせる。

【００５９】すなわち、第１の厚みすべり振動子１０１
ａで第１のくさび１０５e中に紙面に平行に振動する横
波１２ａを発生させ、第１のくさび１０５eと第２のく
さび１０５fの境界面で横波１２ａを屈折させ、第２の
くさび１０５f中に紙面に平行に振動する横波を発生さ
せる。一方で、第２の厚みすべり振動子１０１ｂで第２
のくさび１０５f中に紙面に垂直に振動する横波１２ｂ
を発生させ、第１のくさび１０５ｅとくさび１０５ｆの
境界面で横波１２ｂを反射させる。これら横波の位相が
同じになるように、あるいは異なるように、第１及び第
２の厚みすべり振動子１０１ａ、１０１ｂを駆動するこ
とで、第２のくさび１０５f中に任意の振動方向の横波
（あるいは、捻れ波）１３が形成でき、これが被検査体
１０中に垂直に入射することで、任意の振動方向の横波
（あるいは、捻れ波）を形成できる。

【００６０】本実施形態に係る超音波横波探触子１も図
１もしくは図１０に示すシステムによって同様に動作す
るので、ここでの説明は省略する。

【００６１】これら第６の実施形態（図１４）や第７の
実施形態（図１５）のように、くさび１０５ｃ，１０５
ｄ、あるいはくさび１０５ｅ，１０５ｆを介して垂直横
波を発生させることの利点は、第４の実施形態（図９）
や第５の実施形態（図１０）と同様に、横波１２ａや横
波１２ｂ、もしくは縦波１４が、他の振動子を通過する
必要がなく、超音波の減衰が少なく感度が良いといった
点にある。

【００６２】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、 第１
の超音波横波振動子に駆動電圧を印加して第１の横波を
発生させ、第１の超音波横波振動子と振動方向が異なる
ように配置された第２の超音波横波振動子に駆動電圧を
印加して第１の横波と振動方向の異なる第２の横波を発
生させる際に、第２の横波が物体中で第１の横波と同じ
位相となる時間の遅延を与えて駆動電圧を印加して物体
中に任意の振動方向の横波を形成するので、超音波探触
子を機械的に回転させることなく、超音波の振動方向を
任意に制御することが可能となる。その結果、音響異方
性のある物体の横波音速を異なる振動方向で高速かつ簡
便に測定することができる。

【００６３】また、本発明によれば、第１の超音波振動
子及び第２の超音波振動子に駆動電圧を印加して前記超
音波振動子に隣接した遅延保護板中に超音波を発生さ
せ、この超音波を前記遅延保護板の境界面で反射／屈折
させて横波を発生させるので、被検体中に任意の振動方
向の斜角横波または捻れ波を形成することが可能とな
り、音響異方性のある物体の横波音速を異なる振動方向
で高速かつ簡便に測定することができる。

【００６４】また、本発明によれば、第１の超音波振動
子は被検体に最も近い場所に配置されて横波を発生し、
第２の振動子は第１の超音波振動子に隣接して設けら
れ、第２の超音波振動子の振動方向が第１の超音波振動
子の振動方向と異なるように、かつ、第２の超音波振動
子と第１の超音波振動子の隣接する面で導通するように
配置されているので、第１の振動子から発生した振動を
直接第２の振動子に伝えることが可能となり、音響異方
性のある物体の横波音速を異なる振動方向で高速かつ簡
便に測定することが可能な超音波横波探触子を提供でき
る。

【００６５】また、本発明によれば、第１の超音波振動
子よりもさらに被検体に近接した位置に横波超音波の前
記物体への入射を遅延させる遅延保護板を設けたので、
横波超音波が被検体に入射するまでの時間を遅延させる
ことができ、これにより保護板の中での干渉を抑制する
ことが可能になる。

【００６６】また、本発明によれば、被検体への入射を
遅延させる少なくとも１つの遅延保護板を備え、第１の
超音波振動子は遅延保護板中に第１の超音波を発生さ
せ、第１の超音波が遅延保護板の境界面で反射／屈折す
るときに第１の横波が発生するように配置され、第２の
超音波振動子は遅延保護板中に第２の超音波を発生さ
せ、第２の超音波が遅延保護板の境界面で反射／屈折す
るときに第２の横波が発生し、当該第２の横波の音軸が
前記第１の横波の音軸と等しくなり、前記第２の横波の
振動方向が該第１の横波の振動方向と異なるように配置
されているので、第１及び第２の超音波振動子に同時に
パルス印加が可能となり、動作を単純にすることができ
る。また、他の超音波振動子を通過する必要がないの
で、横波の減衰が少なく、高感度に構成できる。

【００６７】また、本発明によれば、被検体への入射を
遅延させる遅延保護板を備え、第１の超音波振動子は遅
延保護板中に縦波を発生させ、前記縦波が前記物体中に
入射する際に第１の横波が発生するように配置され、第
２の超音波振動子は遅延保護板中に第２の横波を発生さ
せ、前記第１の横波の音軸と前記第２の横波の音軸が等
しくなるように配置されているので、第１及び第２の超
音波振動子の駆動状態を制御することにより、被検体の
中に任意の振動方向の斜角横波あるいは捻れ波を形成す
ることができる。

【００６８】また、本発明に係る超音波振動方向制御装
置によれば、第１の超音波振動子に対する印加電圧を制
御して当該第１の超音波振動子を駆動する第１の超音波
送受信部と、第２の超音波振動子に対する印加電圧を制
御して当該第２の超音波振動子を駆動する第２の超音波
送受信部と、第１及び第２の超音波送受信部に電圧と位
相を指示する制御手段とを備えているので、制御手段に
より振動方向を任意に設定することができる。

【００６９】また、本発明に係る超音波振動方向制御装
置によれば、第１及び第２の超音波横波振動子に対して
可変電圧を印加可能な超音波送受信部と、超音波受信部
から前記第１の超音波振動子及び該第２の超音波振動子
に印加する電圧を切り換える切換手段と、超音波送受信
部に第１及び第２の超音波横波振動子に印加する電圧と
位相を指示する制御手段とを備えているので、より低コ
ストで制御手段により振動方向を任意に設定することが
できる。

【００７０】さらに、本発明に係る材料劣化診断装置に
よれば、本発明に係る超音波振動方向制御装置と第１及
び第２の超音波横波振動子から振動方向を変えて取得し
たデータに基づいて材料の劣化を診断する診断手段と備
えているので、超音波探触子を機械的に回転することな
く、超音波の振動方向を電気的に任意に制御することが
可能となり、音響異方性のある物体の材料劣化を高速か
つ簡便に診断することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態に係る材料劣化診断装置のシス
テム構成を示すブロック図である。

【図２】図１における超音波横波探触子の構成を示す図
である。

【図３】図２の超音波横波探触子の出力によって被検体
内を伝播する合成された横波の振動の状態を示す説明図
である。

【図４】図１におけるシステムを使用した材料劣化診断
の手順を示すフローチャートである。

【図５】図４において位相が同じ振動方向の異なる２つ
の振動の合成状態を示す説明図である。

【図６】被検査体の劣化を診断するときに利用する超音
波データを示す説明図である。

【図７】硬さと縦波横波音速比の相関関係を示す説明図
である。

【図８】図２の超音波横波探触子の出力によって被検体
内を伝播する合成された捻れ波の振動の状態を示す説明
図である。

【図９】図８において位相の異なる振動方向の異なる２
つの振動の合成状態を示す説明図である。

【図１０】第２の実施形態に係る材料劣化診断装置のシ
ステム構成を示すブロック図である。

【図１１】第３の実施形態に係る超音波横波探触子の構
成を示す図である。

【図１２】第４の実施形態に係る超音波横波探触子の構
成を示す図である。

【図１３】第５の実施形態に係る超音波横波探触子の構
成を示す図である。

【図１４】第６の実施形態に係る超音波横波探触子の構
成を示す図である。

【図１５】第７の実施形態に係る超音波横波探触子の構
成を示す構成図である。

【符号の説明】

１ 横波探触子 １０１ａ、１０１ｂ 厚みすべり振動子 １０２ 縦波振動子 １０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ 電極 １０４ バッキング材 １０５ 保護板 １０６ 外枠 ２ａ，２ｂ 超音波送受信部 ３ デジタイザ ４ 材料劣化診断部 ５ 切換器 １０ 被検査体 １２ａ、１２ｂ 横波 １２ｃ 合成振動による横波 １３ 合成振動による横波 １４ 縦波

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ▲高▼橋 文信 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所電力・電機開発研究所内 (72)発明者 川又 啓人 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所火力・水力事業部内 Ｆターム(参考） 2G047 AA07 AB07 BA03 BB01 BB02 BC02 BC11 CB01 CB02 EA05 EA09 GA13 GB11 GF22 GG30

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１及び第２の超音波振動子を使用して
   物体中の超音波の振動方向を制御する超音波振動方向制
   御方法において、 第１の超音波横波振動子に駆動電圧を印加して第１の横
   波を発生する工程と、 前記第１の超音波横波振動子と振動方向が異なるように
   配置された第２の超音波横波振動子に駆動電圧を印加し
   て前記第１の横波と振動方向の異なる第２の横波を発生
   させる際に、前記第２の横波が前記物体中で前記第１の
   横波と同じ位相となる時間の遅延を与えて前記駆動電圧
   を印加して前記該物体中に任意の振動方向の横波を形成
   する工程と、を含むことを特徴とする超音波振動方向制
   御方法。
2. 【請求項２】 第１及び第２の超音波振動子を使用して
   物体中の超音波の振動方向を制御する超音波振動方向制
   御方法において、 第１の超音波横波振動子に駆動電圧を印加して第１の横
   波を発生する工程と、 前記第１の超音波横波振動子と振動方向が異なるように
   配置された第２の超音波横波振動子に駆動電圧を印加し
   て前記第１の横波と振動方向の異なる第２の横波を発生
   する際に、該第２の横波が該物体中で該第１の横波と異
   なる位相となる時間の遅延を与えて該駆動電圧を印加し
   て前記物体中に任意の振動方向の捻れ波を形成する工程
   と、を含むことを特徴とする超音波振動方向制御方法。
3. 【請求項３】 前記第１の超音波横波振動子に駆動電圧
   を印加して第１の横波を発生することに代えて、 前記第１の超音波振動子に駆動電圧を印加して前記超音
   波振動子に隣接した遅延保護板中に超音波を発生させ、
   この超音波を前記遅延保護板の境界面で反射／屈折させ
   て横波を発生させることを特徴とする請求項１または２
   に記載の超音波振動方向制御方法。
4. 【請求項４】 前記第２の超音波横波振動子に駆動電圧
   を印加して第２の横波を発生することに代えて、 前記第２の超音波振動子に駆動電圧を印加して前記超音
   波振動子に隣接した遅延保護板中に超音波を発生させ、
   この超音波を前記遅延保護板の境界面で反射／屈折させ
   て横波を発生させることを特徴とする請求項１または２
   に記載の超音波振動方向制御方法。
5. 【請求項５】 第１及び第２の超音波振動子にそれぞれ
   駆動電圧を印加し、物体中の超音波の振動方向を制御す
   るために用いる超音波横波探触子において、 前記第１の超音波振動子は前記物体に最も近い場所に配
   置されて横波を発生し、 前記第２の振動子は前記第１の超音波振動子に隣接して
   設けられ、 前記第２の超音波振動子の振動方向が該第１の超音波振
   動子の振動方向と異なるように、かつ、前記第２の超音
   波振動子と前記第１の超音波振動子との隣接面で導通す
   るように配置されている、ことを特徴とする超音波横波
   探触子。
6. 【請求項６】 前記第１の超音波振動子よりもさらに前
   記物体に近接した位置に横波超音波の前記物体への入射
   を遅延させる遅延保護板を設けたことを特徴とする請求
   項５記載の超音波横波探触子。
7. 【請求項７】 第１及び第２の超音波振動子にそれぞれ
   駆動電圧を印加し、物体中の超音波の振動方向を制御す
   るために用いる超音波横波探触子において、 前記物体への入射を遅延させる少なくとも１つ以上の遅
   延保護板を備え、 前記第１の超音波振動子は前記遅延保護板中に第１の超
   音波を発生させ、前記第１の超音波が前記遅延保護板の
   境界面で反射／屈折するときに第１の横波が発生するよ
   うに配置され、 前記第２の超音波振動子は前記遅延保護板中に第２の超
   音波を発生させ、前記第２の超音波が前記遅延保護板の
   境界面で反射／屈折するときに第２の横波が発生し、当
   該第２の横波の音軸が前記第１の横波の音軸と等しくな
   り、前記第２の横波の振動方向が該第１の横波の振動方
   向と異なるように配置されている、ことを特徴とする超
   音波横波探触子。
8. 【請求項８】 第１及び第２の超音波振動子にそれぞれ
   駆動電圧を印加し、物体中の超音波の振動方向を制御す
   るために用いる超音波横波探触子において、 前記物体への入射を遅延させる遅延保護板を備え、 前記第１の超音波振動子は前記遅延保護板中に縦波を発
   生させ、前記縦波が前記物体中に入射する際に第１の横
   波が発生するように配置され、 前記第２の超音波振動子は、前記遅延保護板中に第２の
   横波を発生させ、前記第１の横波の音軸と前記第２の横
   波の音軸が等しくなるように配置されていること、を特
   徴とする超音波横波探触子。
9. 【請求項９】 請求項５ないし８のいずれか１項に記載
   の超音波横波探触子と、 前記第１の超音波振動子に対する印加電圧を制御して当
   該第１の超音波振動子を駆動する第１の超音波送受信部
   と、 前記第２の超音波振動子に対する印加電圧を制御して当
   該第２の超音波振動子を駆動する第２の超音波送受信部
   と、 前記第１及び第２の超音波送受信部に電圧と位相を指示
   する制御手段と、を備えていることを特徴とする超音波
   振動方向制御装置。
10. 【請求項１０】 請求項５ないし８のいずれか１項に記
    載の超音波横波探触子と、 前記第１及び第２の超音波横波振動子に対して可変電圧
    を印加可能な超音波送受信部と、 前記超音波受信部から前記第１の超音波振動子及び該第
    ２の超音波振動子に印加する電圧を切り換える切換手段
    と、 前記超音波送受信部に前記第１及び第２の超音波横波振
    動子に印加する電圧と位相を指示する制御手段と、を備
    えていることを特徴とする超音波振動方向制御装置。
11. 【請求項１１】 請求項９または１０記載の超音波振動
    方向制御装置と、 前記第１及び第２の超音波横波振動子から振動方向を変
    えて取得したデータに基づいて材料の劣化を診断する診
    断手段と、を備えていることを特徴とする材料劣化診断
    装置。