JP2002328120A - 超音波探触子および超音波探傷方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 時間幅の極めて狭い半波の超音波を出力し、
高精度な探傷が可能な超音波探傷方法を提供する。 【解決手段】 超音波探触子に電気信号を印加すること
により圧力波を発生し、その圧力波を材料内部へ伝播さ
せ、材料内部から反射される前記圧力波を検出すること
により欠陥や劣化の診断を行なう超音波探傷法におい
て、時間幅の非常に狭いインパルス状の半波波形の圧力
波を材料内部へ伝播させる。前記超音波探触子は、パッ
キング層とマッチング層と、両者の間に支持された圧電
体とからなり、前記パッキング層およびマッチング層は
前記圧電体の音響インピーダンスとほぼ等しい音響イン
ピーダンス特性を有し、前記パッキング層は前記圧電体
と比べて充分に厚く形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、材料の内部を非破
壊に検査、劣化診断を行なう超音波探傷方法およびこの
超音波探傷方法に使用される超音波探触子に関する。

【０００２】

【従来の技術】金属材料等の被測定物内に存在する割
れ、溶込不良、スラグ等の欠陥を非破懐に検出する探傷
方法の１つとして超音波を使用した探傷法が知られてい
る。図１４は送信用探触子と受信用探触子を用いた一般
的な二探触子法による探傷の構成を示す図である。以
下、図１４を参照してこの二探触子法による探傷の構成
について説明する。

【０００３】この従来例に係る探傷装置は、探触子１０
０と測定装置２００とからなり、探触子１００は、送信
用探触子ブロックと受信用探触子ブロックを１つに接合
して１つの探触子としたものが使用され、測定装置２０
０は、前記探触子１００の送信用探触子４に所定の信号
を送信し、受信用探触子１２で受信した信号に基づいて
測定動作を行う。送信用探触子ブロックＢ４には、送信
用探触子４、送信側の圧電素子６、マッチング層７が設
けられ、同様に受信用探触子ブロックＢ１２には、受信
用探触子１２、圧電素子１８およびマッチング層１８が
設けられている。マッチング層７，１８は被測定物１０
の表面に対向する面に配され、マッチング層７，１８の
背面に設けられた圧電素子６，１７にそれぞれ送信用探
触子６，１２が接続されている。

【０００４】測定装置２００はモニタ１と、同期信号発
生部２、送信電圧発生部３、受信増幅部４および信号処
理部５となる。この従来例の構成では、同期信号発生器
２からの信号に従い、送信信号発生部３はある大ききの
電圧信号を発生させる。その信号は同軸ケーブル１５を
経て送信用探触子４中の圧電素子６に加えられる。圧電
素子６は電圧（電界）が印加されると、その電圧の大き
さに比例して伸縮し機械的な振動を起こし圧力波として
伝播していく。圧電素子６より発生した圧力波（超音
波）は被測定物１０との音響インピーダンスを整合させ
るためのマッチング層７を介して探傷面１１から被測定
物１０の内部に一定の速さで伝播していく。内部に欠陥
８があると圧力波はそこで反射して探傷面１１まで帰っ
てくる。欠陥に当たらなかった圧力波は被測定物１０の
底面９まで進み、そこで反射して探傷面１１まで帰って
くる。なお、送信用探触子４および受信用探触子１２と
探傷面１１との間には、探触子４から発生した圧力波を
伝播させる水、グリセリン等の接触媒質を用い、さらに
その媒質の充填機構が必要であるが、本発明の本質に関
することではないので、前記媒質の充填機構についての
説明は省略する。前記欠陥８からの反射波の波形および
底面からの反射波の波形をモニタ１ではＦおよびＢでそ
れぞれ示す。

【０００５】前記送信用接触子４から送信され、前記欠
陥８もしくは底面９で反射して前記欠陥探傷面１１へ帰
ってくるた圧力波は受信用探触子１２へ伝播し、受信用
探触子１２内部の圧電素子１７により電気信号に変換さ
れる。変換された電気信号は同軸ケーブル１６を介して
電気的に接続された受信増幅部１３に入力して増幅さ
れ、増幅された信号は信号処理部１４へ入力される。信
号処理部１４に入力された信号は、同期信号発生器２か
ら出力される信号に同期して取込まれ、モニタ１に出力
される。

【０００６】モニタ１へは圧力波の反射の様子がＡスコ
ープとして表示され、欠陥８までの伝播時間とそこから
の反射波の強さが示される。そこで、圧力波が送信用探
触子４内の圧電素子６から出力されてから、欠陥８で反
射して受信用探触子１２内の圧電素子１７へ伝播するま
でに要する時間を求めることにより、欠陥の位置を求め
ることができる。なお、この演算は、圧力波の伝播速度
は既知であることから、前記圧電素子６から出力されて
から前記圧電素子１７へ伝播するまでに要する時間が分
かれば容易に行える。

【０００７】従来の超音波探傷方法では一般的に送信エ
ネルギーを強くするために、探触子は共振し易い構造と
し、圧電素子の後部には何も貼付（空気層）しないか、
必要に応じ音響インピーダンスの違うパッキング材を用
い、圧電体へはその圧電体の共振周波数と合致した周波
数特性の強いパースト波もしくはスパイク波、正弦波等
を用いていた。そのため、出力される圧力波は最大値は
大きいが、波数が多く時間幅の広い波形を構成してい
た。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１４
に示した従来の超音波探傷装置では、圧電素子６の共振
周波数と合致した信号を印加すると、出力される圧力波
はモニタ１に示すように波数が多く、時間幅の広い波形
２７なり、そのため分解能が悪くなる。したがって図１
５に示すとおり、厚さの薄い材料、近距離欠陥８の探
傷、欠陥の精密測定等を実施する場合、底面９からの反
射波、近傍の欠陥からの反射波等が重複し分離が困難に
なる。なお、図１５において、図１４に示した各部と同
等な各部には同一の参照符号を付し、重複する説明は省
略する。

【０００９】その場合、帰ってくる圧力波が重複しにく
いように、波数のできるだけ少ない圧力波を発生させる
必要があり、通常は圧電素子の振動を妨げるような機械
的負荷としての機能をもつパッキング層を圧電素子の後
面に設けて、できるだけ波数を少なくすることにより分
解能を高くした探触子を用いている。この場合の探触子
の周波数特性は、上記パッキング層のない探触子と比べ
て共振周波数を中心とする振動成分が広いことから、広
帯域探触子を呼ばれている。

【００１０】ただし、機械的な振動を最小にしても、パ
ッキング層と圧電素子の音響不整合や、印加電圧の変化
時における圧電素子の振動により波数を最小である半波
１個分にするのはできず、最小の分解能を達成すること
は困難である。

【００１１】また、近年、鉄鋼、ステンレス、インコネ
ル等合金においての材料特性の改善（特に耐食性の向
上）の実施に伴い、金属結晶粒が粗雑な材料が多くなっ
ている。一般的に結晶粒度が大きく、結晶粒が粗雑な金
属の超音波探傷を行う場合には、結晶粒界により超音波
が敢乱し、林状エコーと呼ばれるノイズが出現するとと
もに超音波が材料中で減衰し、Ｓ／Ｎ比が悪化するため
に、探傷性が悪化したり、探傷が困難になる場合があ
る。このような特性の材料を高減衰材と呼んでおり、高
減衰材の探傷を実施する場合、時間幅が大きい音波を伝
播させると、図１６のモニタ１に示すように散乱波２８
が幾重にも重複するとともに、欠陥からの反射波とも重
複して欠陥の識別が困難になるとともに、圧力波の伝播
が大きく減衰する。なお、図１６において、図１４に示
した各部と同等な各部には同一の参照符号を付し、重複
する説明は省略する。

【００１２】このような高減衰材に対する欠陥の検出方
法として、従来、次のような手法が採用されていた。

【００１３】１つ目は、探触子の構造に着目して改善
を図る方法である。この方法では、前記パッキング材お
よび吸音材を用いて圧電素子の機械的振動に制限を加え
ることによる高分解能化を図るようにしている。この場
合、ダンピングを目的としたパッキング層を用いない通
常の探触子と比べて波数が少なくなるので、通常の探触
子と比べて欠陥の検出性は向上する。しかし、前述のよ
うな半波１個という最小の波数にはならないので、当
然、欠陥の検出性向上には限界が生じる。

【００１４】２つ目は、圧電素子に印加する電圧波形
を工夫することによって周波数特性が通常の探触子と異
なる圧力波を伝播させる方法である。この方法の具体例
として、持開平７−２００９６号公報に記載されている
ように、例えば、１波〜４波の非正弦波を通常の探触子
に印加するようにしている。この公知例では、周波数特
性のある高減衰材の探傷のために、前記１波〜４波の矩
形波もしくは三角波を探触子（圧電素子）に印加するこ
とにより、低周波成分の多い圧力波を発生する方法が示
されている。

【００１５】この場合、印加信号である矩形波および三
角波等の非正弦波は正弦波と比べて周波数成分が広く、
したがって、より低周波成分（高周波成分も）が多いこ
とになる。ただし、周波数成分が最も広いのはデルタ関
数で示されるインパルス波形であり、１波〜４波の繰り
返し電圧の印加では、圧電素子の戻り時の圧力波の発生
ならびに探触子内の圧力波の反射によリインパルス波形
にはならず、低周波成分が最も大きくなるというわけで
はない本発明は、このような技術的背景に鑑みてなされ
たもので、その目的は、時間幅の極めて狭い半波の超音
波を出力し、受信用探触子によって被測定物を伝播して
くる超音波の波形とほぼ同一の信号を出力することが可
能な超音波探触子を提供することにある。

【００１６】他の目的は、精密な探傷および周波数依存
性のある高減衰材にあっても探傷および劣化診断を可能
とする超音波探傷方法を提供することにある。

【００１７】

【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、パッキング層とマッチング層と、両
者の間に支持された圧電体とからなり、圧電体に電気信
号を印加することにより圧力波を発生し、その圧力波を
材料内部へ伝播させ、材料内部から反射される前記圧力
波を検出する超音波探触子において、前記パッキング層
およびマッチング層は前記圧電体の音響インピーダンス
とほぼ等しい音響インピーダンス特性を有し、前記パッ
キング層は前記圧力波が前記圧電体と接していない面か
ら反射して前記圧電体と接する面に戻ってきたときに、
前記圧力波が出力波形に対して影響を及ぼすことのない
ように前記圧電体と比べて充分に厚く形成されているこ
とを特徴とする。

【００１８】この場合、前記超音波探触子のうち少なく
とも受信側に使用する超音波探触子の圧電体は、受信し
た信号が雑音に埋もれて検知できなくならないだけの出
力を得ることを条件としてできるだけ薄く形成されてい
ることが望ましく、また、前記超音波探触子は送信用と
受信用とでそれぞれ共振周波数の異なる圧電素子を用い
るとよい。

【００１９】また、第２の手段は、超音波探触子に電気
信号を印加することにより圧力波を発生し、その圧力波
を材料内部へ伝播させ、材料内部から反射される前記圧
力波を検出することにより欠陥や劣化の診断を行なう超
音波探傷法において、時間幅の非常に狭いインパルス状
の半波波形の圧力波を材料内部へ伝播させることを特徴
とする。なお、前記時間幅としては、１００ｎｓｅｃ以
下であることが望ましい。

【００２０】また、この場合、前記超音波探触子として
前記第１の手段における超音波探触子を使用し、前記超
音波探触子の前記圧電体にはステップ状の電界を印加す
るようにする。このステップ状の電界は、前記圧電体の
厚みを当該圧電体の音速で除して得られる時間幅よりも
十分大きく設定される。

【００２１】このように構成された超音波探傷方法で高
減衰材における林状エコーが低減できるのは以下のよう
な理由による。

【００２２】前述したように、結晶粒度が大きく、結晶
粒が粗雑な金属の超音波探傷を行う場合には、結晶粒界
で超音波が敢乱し林状エコーと呼ばれるノイズが出現す
るとともに超音波が材料中で減衰し、Ｓ／Ｎ比が悪化す
るために、探傷性が悪化もしくは困難になる。この場
合、前述したように、一般的な超音波探傷で実施される
時間幅が広く波数の多い圧力波を伝播させると、散乱波
が幾重にも重複して欠陥からの反射波とも重複して欠陥
の識別が困難になるとともに、圧力波が大きく減衰す
る。さらに、周波数帯域が狭いために、周波数特性の強
い高減衰材では、その探触子の中心周波数に依存して大
きく減衰してしまう可能性がある。

【００２３】したがって、高減衰材においてもＳ／Ｎ比
および分解能を向上させるには、時間幅が非常に狭く波
数が最小である半波の圧力波を伝播させることにより、
欠陥同士あるいは底面に近接した欠陥があっても精度よ
く分離して欠陥を認識することができ、また高減衰材に
ついては、結晶粒界で圧力波の反射があっても欠陥から
の反射波と重畳することなく分離して認識することがで
きる。

【００２４】さらに、時間幅が非常に狭く、波数が半波
の圧力波はデルタ関数に非常に近く、したがって周波数
帯域が非常に広いために、周波数特性の強い高減衰材で
あってもその周波数特性に影響されにくい。

【００２５】この発明においては、材料内部へ伝播させ
る圧力波に時間幅が非常に狭く、波数が半波の圧力波を
用い、その発生方法として、圧電素子と音響インピーダ
ンスのほぼ等しいパッキング層、マッチング層を用い、
ステップ状の電界を圧電素子に印加することにより圧電
素子の後ろ面から発生する圧力波をキャンセルさせるこ
とにより、圧電素子の時間幅と等しく波数が半波の圧力
波を発生させるようにしている。

【００２６】

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

【００２７】まず、探触子に電圧を印加したときの圧力
波発生原理について説明する。なお、以下の説明におい
て、前述の従来例と同等な各部には同一の参照符号を付
し、重複する説明は省略する。

【００２８】図４は圧電素子に電界を印加したときの圧
力波発生の状況を示した図である。圧電素子４３はパッ
キング層４２およびマッチング層４４で扶持され、送信
信号発生部４１により電界を圧電素子４３に印加した場
合に圧力波４５が発生する。この場合、圧電素子４３に
印加電圧４１ｅ（ｔ）を印加した時に微小時間ｄＴにお
ける圧電素子内に発生する徹小応力ｄｐは（１）式のよ
うに表される。ただし、ｄは圧電素子の厚み、ｕｔは圧
電素子の音速、ｇ（Ｔ）は圧電素子のインパルス応答を
示す。

【００２９】

【数１】 したがって、ｄｐを時間で積分することにより、圧電素
子４３の片面から得られる（２）式で示す圧力波ｐ
（ｔ）が得られる。

【００３０】

【数２】 次に、発生した圧力波の伝播状況について説明する。

【００３１】図５は音響インピーダンスＺｌのマッチン
グ層４４および音響インピーダンスＺ２のパッキング層
４２に扶持された音響インピーダンスＺＴの圧電素子４
３にある電界を印加した時の伝播の様子を示す図であ
る。軸方向に分極された圧電素子４３は電界を加えるこ
とにより、端面同士がお互いに引合い（もしくはは離れ
あい）、両端面から上記（２）式に示す圧力波が発生す
る。圧電素子４３とマッチング層４４との境界面で発生
した圧力波は圧電素子４３側とマッチング層４４側に伝
播する。発生した圧力波の強さをＰＯとすると、マッチ
ング層４４側に伝播する圧力波５１の強さＰｌは、
（３）式で示す通り、圧電素子４３側に伝播する圧力波
５２の強さＰ２は（４）式で示すようになる。

【００３２】

【数３】

【数４】 一方、圧電素子４３とパッキング層４２との境界面で発
生した圧力波は、上記と同様に圧電素子４３側およびパ
ッキング層４２側に伝播し、圧電素子４３側に伝播する
圧力波５３の強さＰ３は（５）式で示すようになる。

【００３３】

【数５】 さらに、圧電素子４３とパッキング層４４との境界面で
発生し、圧電素子４３側を伝播する圧力波５３は、圧電
素子４３とマッチング層４４との境界面で透過および反
射を行い、マッチング層４４側へ透過していく圧力波５
４の強さＰ４は（６）式で示すようになる。

【００３４】

【数６】 上記圧電素子４３とマッチング層４４の境界面で発生
し、圧電素子４３内を伝播する圧力波５２は圧電素子４
３とパッキング層４２の境界面で透過および反射を行
い、反射した圧力波は再び圧電素子４３内を伝播し、圧
電素子４３とマッチング層４４の境界面で透過および反
射を行う。そのマッチング層４４側へ伝播していく圧力
波５５の強さＰ５は（７）式で示すようになる。

【００３５】

【数７】 音響インピーダンスが整合してない場合、発生した圧力
波は、さらに同様にして圧電素子４３内を幾つも多重反
射して伝播するがここでは省略する。

【００３６】このように圧電素子４３に電界を印加した
ときに発生する圧力波は、圧電素子４３を扶持するパッ
キング層４２とマッチング層４４の音響インピーダンス
の大小および圧電素子４３への電界の印加方法により決
定する。

【００３７】例えば、パッキング材として空気層５６
（音響インピーダンス：ほぼ０）、圧電素子４３とマッ
チング層４４の音響インピーダンスが等しいとして、時
間幅τが圧電素子４３の厚みと等しいパルス状の電圧６
１を印加した場合、図６に示すようにマッチング層４４
に伝播していく圧力波は、圧電素子４３とマッチング層
４４の境界に発生する圧力波のうちマッチング層４４側
へ伝播していく圧力波５１と、圧電素子４３と空気層５
８の境界で発生し、マッチング層４４へ伝播していく圧
力波５４と、圧電素子４３とマッチング層４４の境界に
発生する圧力波のうち圧電素子４３側へ伝播し、圧電素
子４３と空気層５８の境界で反射し（全反射する）、マ
ッチング層４４へ伝播していく圧力波５５の合成とな
り、（１）式、（４）式、（５）式を用いて図７に示す
ような圧力波６２が発生する。

【００３８】さらに、τ時間後に電界がゼロとなるの
で、圧電素子４３はもとの厚みに戻ろうとして前記圧力
波６２と反対極性の時間τだけ遅れた圧力波６３が発生
し、前記圧力波６２と圧力波６３の合成波がマッチング
層４４へ伝播していく圧力波６４となる。

【００３９】また、構成は同じで電界が図８に示すよう
に正負が時間τで反転する矩形波７１を印加した場合、
上記と同様に（１）式、（４）式、（５）式より、正電
圧印加時に圧力波７２が発生する。さらに、τ時間後の
負電圧印加時に圧力波７３が発生し、２τ時間後の電圧
印加終了時に圧力波７４が発生し、前記圧力波７２と圧
力波７３と圧力波７４の合成波がマッチング層４４へ伝
播していく圧力波７５となる。

【００４０】なお、同様に正弦波状の電界を圧電素子に
印加した場合も、図８に示した波形と同様の図９に示す
ような波形（ただし、発生圧力波は正弦波状となる）と
なる。この波形が一般的なパルス反射法における探触子
に印加する入力電圧と、そのとき出力される超音波の出
力波形である。

【００４１】この場合、電界を圧電素子４３へ印加した
際に発生する幾つもの反射波、および繰り返し電界を圧
電素子４３に印加することによって波形が重畳され、ピ
ークの大きい圧力波が出力される反面、圧力波の発生時
間（発生する半波の数に相当）が長く（波数が多く）な
って分解能が悪化し、周波数帯域が狭くなる。

【００４２】分解能および周波数帯域の非常に高い圧力
波は、理想的には図２に示すようなインパルス状の圧力
波２９であり、現実的にはパルス幅の非常に狭い半波の
圧力波を出力させる必要がある。前記パルス幅の非常に
狭い圧力波を発生するためには、前記図６に示したよう
に空気層５８が背面側にある構造の場合、印加電圧を最
低限、図７に示すような半波状のパルス電界を印加して
も前述したように３個の半波６４が発生する。そのた
め、通常は空気層５８の代わりに圧力波が減衰するよう
にパッキング層４２を設定する。本方法は一般的な広帯
域探触子に用いられている方法である。ただし、圧電素
子４３とパッキング層４２に使用するパッキング材の音
響インピーダンスは一般に異なるため、境界面から反射
が生じ、完全な半波状のインパルス波形が生じることは
ない。

【００４３】そこで、図１０に示すように電界がゼロか
ら一定値へ立上る（もしくは立下る）だけのステップ状
の電圧８１を印加すると、２個の半波が出現する圧力波
８２が発生することになる。さらに、図１１に示すとお
り、パッキング層５９に圧電素子４３と音響インピーダ
ンスが等しい（もしくは非常に近い）材料を用いると、
図１２に示すように、ステップ状の電圧８３を圧電素子
４３へ印加した場合、圧電素子４３とマッチング層４４
との境界面に発生した圧力波５１はτ時間後に圧電素子
４３とパッキング層５９との境界面に発生しマッチング
層４４へ透過していく圧力波５４で相殺され、圧力波が
出力しなくなる。すなわち、図において８４で示すよう
な出力の圧力波となる。また、圧電素子４３とマッチン
グ層４４との境界面に発生し、圧電素子４３へ伝播して
いく圧力波５２は圧電素子４３とパッキング層５９との
境界面では音響インピーダンスが等しいために反射せず
にマッチング層４４へは伝播しない。したがって、マッ
チング層４４へは時間幅τの半波が発生して伝播してい
くことになる。ここで、時間幅τをできるだけ短くする
には、圧電素子４３の厚みをできる限り薄くするか、音
速の早い材質を用いればよい。

【００４４】したがって、時間幅が非常に狭く、波数が
半波の圧力波を発生させるには、 （１）圧電素子４３を扶持するパッキング層５９および
マッチング層４４を圧電素子４３と音響インピーダンス
の等しい材質を用いる。

【００４５】（２）圧電素子４３をできる限り薄く、音
速の早い素材にする。

【００４６】（３）圧電素子４３へ印加する電圧は圧電
素子と比べて時間幅が非常に長いステップ状の波形を印
加する。

【００４７】ようにすればよいことがわかる。なお、半
波の時間幅τは１００ｎｓｅｃ以下であることが望まし
い。

【００４８】次に、パルス圧力波を発生させるための探
触子について述べる。

【００４９】図１３は前述した本発明の原理を用いたパ
ルス圧力波発生探触子の構造を示す図である。パルス圧
力波発生探触子は、圧電素子９５の音響インピーダンス
のほぼ等しいマッチング層９４およびパッキング層９６
に挟持された圧電素子９５と、前記マッチング層９４に
接続され、マッチング層を支持するシヤーシ９３と、こ
のシヤーシ９３とパッキング層９６を電気的に絶縁する
絶縁体９２と、圧電素子９５を機械的に押付けるための
圧電素子押え蓋９１と、圧電素子９５へ電気信号を伝達
させるためのコネクタ９７とから構成される。圧電素子
９５の両面にはコネクタ９７からのコードが接続される
が、その図示についてはここでは省略する。

【００５０】なお、前述の（１）を実現するために、マ
ッチング層９４とパッキング層９６を圧電素子９５と同
じ音響インピーダンスとする方法の１つとして、圧電性
をもたない圧電素子と同一の素材を用いる方法がある。
例えば、ＬｉＮｂＯ_３のような結晶系材料の場合、通常
は結晶配列がばらばらであるため圧電性を持たない。た
だし、材料に電界をかけたままキュリー温度を超える温
度にあげることにより結晶配列が電界に沿って揃い、分
極するために圧電性を持つ。したがって、圧電性を持つ
結晶系材料と、持たない結晶系材料が存在することにな
り、それ以外の物性（音速、密度等）が等しいために音
響インピーダンスは等しい。よって、圧電性を持たない
結晶系材料をパッキング層９６およびマッチング層９４
として用いることによって、圧電素子９５と同じ音響イ
ンピーダンスとすることができる。

【００５１】前記構造の探触子中の圧電素子９５へ圧電
素子９５の時間幅よりも非常に長いステップ状の電界を
印加することにより圧電素子９５後面から発生する圧力
波と相殺し、圧電素子９５の厚さに応じた半波の圧力波
が発生する。

【００５２】なお、このような探触子は、例えば図１に
示すような超音波探傷装置として使用される。この図１
に示した本実施形態に係る超音波探傷装置は、前述の図
１４に示した従来例と同様に超音波探触子１００と測定
装置２００とからなる。測定装置２００は、同期信号発
生器２から出力されるタイミングパルスにより送信信号
発生部３からステップ波形状の電気信号を発生させる。
発生したステップ電圧は同軸ケーブル１５を介して送信
用探触子４中の圧電素子６へ印加され、圧力波を発生さ
せる。発生した圧力波は探傷面１１から非測定物内１０
に伝播し、欠陥８等がある場合、圧力波はそこで反射
し、受信用探触子１２で受信される。送信信号発生部３
は、ステップ波形状の電気信号を出力する回路で、任意
の電圧を探触子１００へ印加する電源回路、送信用探触
子４からの反射波が生じないように電気インピーダンス
のマッチングをとる整合回路、反射波を分離するサーキ
ュレータ等の回路を含む。なお、送信信号発生部３から
出力されるステップ波形状の信号は、圧電素子６の持つ
厚みを圧電素子６の音速で除した値である時間幅よりも
十分大きい長さであれば、ステップ波形状とみなせる。
したがって、圧電素子６の時間幅よりも十分大きい時間
幅の矩形波も本発明の範囲となる。

【００５３】受信用探触子１２により受信された圧力波
は内部の圧電素子６により電気信号に変換され、その電
気信号は受信増幅部１３により増幅され、増幅された信
号は信号処理部１４へ入力される。信号処理部１４に入
力された信号は、同期信号発生器２から出力される信号
に同期して信号処理部１４に取り込まれ、必要に応じフ
ィルタリング処理、アベレージング処理等を行い、モニ
タ１ヘ出力される。信号処理部１４は、入力された探傷
信号をＡ／Ｄ変換により量子化する回路、量子化したデ
ータを保存するバッファ回路、取得データに対しフィル
タリング処理、アベレージング処理を行なう回路も含ま
れる。このようにして高減衰材を探傷した場合の出力波
形３０の一例を図３に示す。

【００５４】なお、圧電素子６中に圧力波ｐ（ｔ）が伝
播したときに発生する信号電荷量ｑ（ｔ）は（８）式

【数８】 で示される。（８）式において、ｕは音速、ａは圧電素
子の厚さ、ｈ（τ）は圧電関数を示す。この場合、発生
する電荷ｑ（ｔ）と伝播する圧力ｐ（ｔ）の波形が等し
いほど、伝播圧力波を正しく電気信号に変換しているこ
とになるが、そのためには、圧電関数ｈ（τ）がデルタ
関数である必要があり、そのためには圧電素子６、９５
をできるだけ薄くする必要がある。一方、圧電素子６、
９５の厚みを厚くするほど得られる電荷量が多くなる
が、それだけ圧電素子６，９５中を伝播する圧力波から
歪んだ波形が電気信号として出力されることになる。

【００５５】通常の超音波探傷では、ある決まった共振
周波数の圧力波を伝播させて、その機械的共振周波数に
合う圧電素子を用いた受信用探触子にて受信を行なって
いる。勿論その手法がより大きな信号を得ることはでき
るが、圧電素子６，９５の共振周波数は厚みにより決ま
るため、その分だけ得られる信号波形が歪み、位置分解
能が悪化することになる。そのため、幅の狭いインパル
ス状の圧力波を伝播させた場合、その幅をできるだけ保
ちつつ検出を行なうためには送信用探触子の圧電素子と
は違う厚さでも、できるだけ厚さの薄い圧電素子を受信
用探触子に用いる必要がある。

【００５６】本実施形態では、縦波のモード、かつ探傷
面から垂直方向に伝播する圧力波を用いた場合で説明し
たが、横波等その他のモードでも あってもよく、さら
には斜角であってもよいことは言うまでもない。

【００５７】

【発明の効果】以上説明したように本発明の超音波探触
子によれば、パッキング層およびマッチング層は圧電体
の音響インピーダンスとほぼ等しい音響インピーダンス
特性を有し、前記パッキング層は前記圧力波が前記圧電
体と接していない面から反射して前記圧電体と接する面
に戻ってきたときに、前記圧力波が出力波形に対して影
響を及ぼすことのないように前記圧電体と比べて充分に
厚く形成されているので、時間幅の極めて狭い半波の超
音波を出力し、受信用探触子によって被測定物を伝播し
てくる超音波の波形とほぼ同一の信号を出力することが
可能となる。

【００５８】また、本発明の超音波探傷方法によれば、
時間幅の非常に狭いインパルス状の半波波形の圧力波を
材料内部へ伝播させるので、探傷が困難な周波数依存性
のある高減衰材にあっても精密な探傷および劣化診断が
可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態による超音波探傷装置の槻
略構成を示すブロック図である。

【図２】超音波探傷時に出力される分解能および周波数
帯域の非常に高い圧力波の理想的形態であるインパルス
状の圧力波を示す図である。

【図３】本実施形態に係る超音波探傷装置によって高減
衰材を探傷した場合に出力される波形の一例を示す図で
ある。

【図４】圧力波の発生状態を示すモデル図である。

【図５】探触子内における圧力波の伝播の状況を示す説
明図である。

【図６】パッキング層を空気層とした場合の圧力波の伝
播の状況を示す説明図である。

【図７】パッキング層を空気層とした場合の圧力波の発
生と合成の状況を示す説明図である。

【図８】印加電圧を正負矩形波とした場合の圧力波の発
生と合成の状況を示す説明図である。

【図９】印加電圧を正負正弦波とした場合の圧力波の発
生と合成の状況を示す説明図である。

【図１０】印加電圧をステップ状の波形とした場合の圧
力波の発生と合成の状況を示す説明図である。

【図１１】パッキング層を圧電素子と音響インピーダン
スの同じ材質とした場合の圧力波の伝播の状況を示す説
明図である。

【図１２】印加電圧をステップ状の波形とした場合の圧
力波の発生と合成の状況を示す説明図である。

【図１３】本発明の一実施形態に係るインパルス状の圧
力波を発生する超音波探触子の概略構造を示す図であ
る。

【図１４】従来の二探触子法による超音波探傷装置の槻
略構成を示すブロック図である。

【図１５】従来の超音波探傷装置によって内部欠陥のあ
る材料を探傷した場合に出力される波形の一例を示す図
である。

【図１６】従来の超音波探傷装置で高減衰材を探傷した
場合に出力される波形の一例を示す図である。

【符号の説明】

１ モニタ ２ 同期信号発生器 ３，４１ 送信信号発生部 ４ 送信用探触子 ５，４２，５９，９６ パッキング層 ６，４３，９５ 圧電素子 ７，４４，９４ マッチング層 ８ 欠陥 ９ 底面 １０ 被測定物 １１ 探傷面 １２ 受信用探触子 １３ 受信用増幅部 １４ 信号処理部 ２９，３０ 出力波形、 ４５，５１，５２，５３，５４，５５ 圧力波 ５８ 空気層 ９１ 圧電素子押え蓋 ９２ 絶縁体 ９３ シヤーシ １００ 超音波探触子 ２００ 測定装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 米谷 豊 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所原子力事業部内 (72)発明者 高田 達雄 東京都世田谷区玉堤１丁目28番地１号 Ｆターム(参考） 2G047 AA07 BC07 BC11 CA01 EA01 EA04 GB11 GB23 GB28 GF06 5D019 BB02 BB12 BB17 FF05 GG01 GG06

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 パッキング層とマッチング層と、両者の
   間に支持された圧電体とからなり、圧電体に電気信号を
   印加することにより圧力波を発生し、その圧力波を材料
   内部へ伝播させ、材料内部から反射される前記圧力波を
   検出する超音波探触子において、 前記パッキング層およびマッチング層は前記圧電体の音
   響インピーダンスとほぼ等しい音響インピーダンス特性
   を有し、 前記パッキング層は前記圧力波が前記圧電体と接してい
   ない面から反射して前記圧電体と接する面に戻ってきた
   ときに、前記圧力波が出力波形に対して影響を及ぼすこ
   とのないように前記圧電体より充分に厚く形成されてい
   ることを特徴とする超音波探触子。
2. 【請求項２】 前記超音波探触子のうち少なくとも受信
   側に使用する超音波探触子の圧電体は、受信した信号が
   雑音に埋もれて検知できなくならないだけの出力を得る
   ことを条件としてできるだけ薄く形成されていることを
   特徴とする請求項１記載の超音波探触子。
3. 【請求項３】 前記超音波探触子は送信用と受信用とで
   それぞれ共振周波数の異なる圧電素子を用いることを特
   徴とする請求項１または２記載の超音波探触子。
4. 【請求項４】 超音波探触子に電気信号を印加すること
   により圧力波を発生し、その圧力波を材料内部へ伝播さ
   せ、材料内部から反射される前記圧力波を検出すること
   により欠陥や劣化の診断を行なう超音波探傷法におい
   て、 時間幅の非常に狭いインパルス状の半波波形の圧力波を
   材料内部へ伝播させることを特徴とする超音波探傷方
   法。
5. 【請求項５】 前記時間幅が１００ｎｓｅｃ以下である
   ことを特徴とする請求項４記載の超音波探傷方法。
6. 【請求項６】 前記超音波探触子が請求項１ないし３の
   いずれか１項に記載の超音波探触子からなり、前記超音
   波探触子の前記圧電体に印加される電気信号がステップ
   状の電界であることを特徴とする請求項４記載の超音波
   探傷方法。
7. 【請求項７】 前記ステップ状の電界は、前記圧電体の
   厚みを当該圧電体の音速で除して得られる時間幅よりも
   十分大きく設定されたものであることを特徴とする請求
   項６記載の超音波探傷方法。