JP2004045401A - 超音波変換器 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、一般に超音波変換器に関し、より具体的には検査結果の品質低下を低減する単純な超音波表面弾性波変換器を提供する。
【解決手段】円錐台形状における変換素子(36)を有する超音波変換器(10)が提供される。変換素子(36)の角度は、ターゲット上に入射する音響エネルギの大部分が縦方向の臨界角を越えて屈折するように選択され、検査結果の品質低下を最小にする。変換素子(36)は、裏材層と中心圧電層と外層とを含む。
【選択図】 図1
【解決手段】円錐台形状における変換素子(36)を有する超音波変換器(10)が提供される。変換素子(36)の角度は、ターゲット上に入射する音響エネルギの大部分が縦方向の臨界角を越えて屈折するように選択され、検査結果の品質低下を最小にする。変換素子(36)は、裏材層と中心圧電層と外層とを含む。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に超音波変換器に関し、より具体的には超音波表面弾性波変換器に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば、ガスタービンエンジンの構成部品のような加工物のひび又は欠陥を検査するために、パルス・エコー超音波非破壊試験方法の使用が従来技術で知られている。パルス・エコー超音波試験方法により加工物を試験する場合には、該加工物及び変換器は、一般に水のような液体の結合媒質に浸されて、良好な超音波接触を得る。例えば表面弾性波(SAW)変換器のような変換器は、入力無線周波数(RF)電気信号を、加工物に向けられる弾性波に変換することにより、表面波をターゲット材料で生成し、そこで表面弾性波が形成される。表面波はターゲット材料の表面に沿って移動し、最終的には結合媒質を通って再放射されてSAW変換器に戻り、該SAW変換器により弾性波を出力RF電気信号に再変換する。この出力信号のパターンを用いることにより、加工物の表面上に欠陥があるかどうかを判断することができる。
【0003】
市販のSAW変換器は、典型的に半球形状であり、表面波に加えて直接反射波を放射する傾向がある。これらの直接反射波は、検査結果の品質を低下させる場合がある。この欠点は、多数の変換器又は位相配列変換器を用いることにより改善することができるが、しかしながら、この選択肢は変換器及び関連する装置の費用を増大させ、さらに変換器の設定及び検査工程を複雑にする。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、検査結果の品質低下を低減する単純なSAW変換器の必要性がある。
【0005】
【発明を解決するための手段】
上述の必要性は、円錐台形状の変換素子を有する超音波変換器を提供する本発明により満たされる。ターゲットに対する変換素子の角度は、該ターゲット上に入射する音響エネルギの大部分が縦方向の臨界角を越えて屈折するように選択される。
【0006】
従来の技術に対する本発明及びその利点は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明及び特許請求の範囲を読むことにより明らかとなるであろう。
【0007】
【発明の実施の形態】
本発明の内容としてみなされるものは、特に指摘され、本明細書の終わりの部分に明確に特許請求されている。しかしながら、本発明は、添付の図面と共に以下の説明を参照することで最も良く理解できるであろう。
【0008】
図面を参照すると、種々の図の全体にわたって同一の参照番号が同じ構成要素を示しており、図1は、本発明により構成された超音波変換器10の外観を示す。変換器10は、一方の端部が閉じた円筒型ケーシング12を有する。ケーシング12自体は、側壁14及び端部壁16を有する。機械式コネクタ18は、端部壁16から延び、変換器10を支持及び操作するために用いられる。端部壁16は、空気逃し管46に開口したベント20を含み、以下により詳細に説明される。電気式コネクタは、例えば、市販のマイクロドットコネクタであり、側壁14に配設される。
【0009】
図2は、その構成をより詳細に示す変換器10の断面図である。上述のように、ケーシング12は側壁14及び端部壁16を有し、該側壁及び端部壁は互いに一体であり、かつ、水又は用いられる他の結合媒質に浸漬するのに適当な、例えばPVC、ステンレス鋼又は真鍮のような如何なる材料で構成してもよい。機械式コネクタ18、例えばネジ付きコネクタは、端部壁16の表面に取り付けられ、かつ該表面から延びる。凹み45を有するほぼ円筒型の裏材44は、ケーシング12の中心に配設される。凹み45の下方部分は、円錐状である。凹み45の上方部分は、変換素子36(後述される)の上に気泡のための空間を設けるように働き、如何なる形状であってもよい。裏材44は、例えば、ニューヨーク州12019、ボールストン・レイク、3ミル・ロード所在のAstro Chemical社から入手可能なAstro 3060エポキシのようなエポキシから形成される。空気逃し通路47は、凹み45から裏材44を通って延び、空気逃し管46に連結する。円錐台の形状をした変換素子36は、例えば、接着剤又はエポキシを用いて、凹み45の外縁で裏材44に取り付けられる。凹み45の下方部分の外形は、したがって、以下により詳細に説明されるように、変換素子36(及びより具体的にはその能動表面39)の角度を、ケーシング12の側壁14に対して設定する。図2、図3、図5及び図6において、変換素子36は、その構造をより良く示すために、その寸法、主にその厚さが、変換器10の他の構成部品に対して拡大して示される。変換素子36の周方向に延びる底部縁55は、基部平面57を定め、以下により詳細に説明される。中央リード線50及びアース線52はケーシング12の内側に配設され、変換素子36を電気式コネクタに接続する。シーラント54は変換素子36の両端部に配設されて、変換器10の作動中、如何なる水もシールされて入らないようにする。適当なシーラント材料の一例は、マサチューセッツ州01730、ベッドフォード、45ウィギンズアベニュー所在のTRA−CON社から入手可能な2126シール用エポキシである。
【0010】
図3は、変換素子36のより詳細な図を示す。変換素子36は、3つの層で形成される。中心層40は圧電材料であり、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)フィルムから形成することができる。外層38は中心層40に結合され、該中心層40を保護し、かつ接地電極接続を形成するように働く。外層38の外面は、裏材44から外向きに面し、変換素子36の能動表面39を形成する。外層38は、中心層40の表面を、例えばスパッタリング処理を用いて、金で金属被膜することにより形成することができる。その結果得られる金の層は、約1.5×10−4から2.0×10−4mmまで(1500から2000オングストロームまで)の厚さである。他の材料を外層38のために用いてもよい。用いられる如何なる材料も導電性がありかつ環境に耐えるものであるべきである。裏材電極42は、中間層40の裏材として働く。裏材電極42は、電気リード線50に接続される。裏材電極42は、約0.127mm(0.005インチ)の厚さのアルミニウムから形成することができ、必要に応じて、裏材44に嵌合して、該裏材44に結合するように形成することができる。裏材44は、音響エネルギの良好な吸収体であり、かつ散乱体であることが好ましい。これにより不必要なエコーが低減される。典型的には、実用において、裏材44を初めに適切な形状に成形し、裏材電極42を該裏材44に結合する。次に、中間層40を裏材電極に結合し、次に外層38を中間層の上でスパッタする。最後に、銅のタブ及び可撓性のあるワイヤを用いて、中心リード線50及びアース線52を、裏材電極42及び外層の接地電極38のそれぞれに接続する。
【0011】
変換器10の設計の詳細をより詳細に考慮すると、図4は第1材料26及び第2材料28の一般化された図表を示し、該第1及び第2材料は界面30で接触する。当業者には知られているように、第1及び第2材料の各々の組み合わせについて、界面30に対して垂直な線から測定した縦方向の臨界角がある。入射弾性波32が臨界角と等しいか、又は該臨界角より大きい角度φで界面30の方向に向けられるとき、第2材料28における屈折した音響エネルギは表面波34の形状をとる。本発明はこの現象を利用して、検査結果における歪みを低減する。
【0012】
図5を参照すると、例示的な適用例において、例えば、試験サンプル又は検査されるべき生産部品とすることができる、ターゲット表面70を有するターゲットサンプル80が、典型的には水である結合媒質82に浸されている。変換器10も結合媒質82に浸されており、機械式コネクタ18により、機械的に支持手段(図示せず)に連結されている。支持手段は、当業者に知られているように、変換器10を表面70から選択された距離だけ吊し、並びに、該変換器10を該表面に対して横方向に旋回させるための手段を含むことができる。変換器は、ケーブル84により試験装置(図示せず)に連結される。試験装置は、変換素子36を作動させて弾性波を生成するためのRF入力信号を発生させるための手段、並びに、該変換素子36からの出力信号を受信し、処理し及び/又は表示するための手段を含む。
【0013】
図6を参照すると、変換素子36は、ケーシング12の外部側壁14に対して傾斜角θを有する。この傾斜角は、
(1)θ=90°−φ
であり、ここで
【0014】
【数7】
【0015】
である(このφの値は上述の臨界角である)。等式(2)において、νmは結合媒質82の音速であり、νはターゲットサンプル80の縦方向の音速、すなわち縦波が該ターゲットサンプル80の材料を通って伝搬する速度である。変換素子36は、円錐台の周方向の表面を形成する。この円錐の基部の直径はDである。この特定の幾何学的形状について、qで示される変換素子36の幅は、ターゲット部分80の問われている表面70上の、幾何学的に重なり合わない弾性「フットプリント」に基づくものであり、
【0016】
【数8】
【0017】
により定義される。
【0018】
変数aは、図5に示されるように、変換器10の底面とターゲット部分80との間の距離である「高さ方向」距離である。結合媒質82を通る弾性波の移動が遠ければ遠いほど、それらのより多くのエネルギが該媒質により失われることに留意して、高さ方向距離a及び円錐の直径Dの両方を、特定の用途に適合するように変えることができる。高さ方向距離aが小さすぎる場合、変換器は、検査が所望される加工物の突出した表面形態の上を通過することができないことになる。高さ方向距離aが大きすぎる場合は、過度に少ないエネルギしかターゲット部分80に伝達されないことになる。より重要なことには、高さ方向距離が大きすぎる場合には、二次的な源のリング72(後述される)が円形のディスクとなったとき、検査領域86(図7)が消失する。直径Dを増加させることにより、変換器10内に囲まれた検査領域はより大きくなり、走査時間を減少させる。パラメータa及びDが選択されると、変換素子の幅qを上記の等式(3)により計算することができる。例示的な実施形態は、以下のおおよその寸法を有する。D=7.62cm(3インチ)、q=0.66cm(0.26インチ)、及びνm=1.483mm/マイクロ秒(水)、ν=1.63mm/マイクロ秒(ポリウレタン材料)についてθ=24.5°、及び高さ方向距離「a」は1cm(0.394インチ)となるように選択される。この実施例において、Doと示される変換器10の外径は、約9.7cm(3.82インチ)であり、高さhは約6.35cm(2.5インチ)である。Do及びhは、両方とも出来るだけ小さく維持し、変換器10の全体寸法が大きくなり過ぎてより小さなターゲット上で用いるのが困難にならないようにする。角度θは、等式(1)から計算された値と等しいか、又は該値より小さくすべきであり、表面波ではないものとして送信された音響エネルギが最小になるようにする。弾性波は変換素子36の表面に垂直に放射されるため、角度φも、図6に示されるように、ターゲットサンプル80の表面と変換素子36の能動表面39との間の角度に等しい。さらに、作動において、変換器10はターゲット部分80に対して置かれるため、基部平面57はターゲット部分80のターゲット表面と平行となる。したがって、変換素子の能動表面39と加工物のターゲット表面70との間の角度も、能動表面39と基部平面57との間の角度φに等しい。臨界角は、ターゲット部分80の材料により変化し、結合媒質82と試験されるべきターゲット部分の材料との各々の組み合わせについて、新しい変換器が必要とされる。これは、本発明の変換器10の製造の単純さにより可能となる。
【0019】
理論上、表面波は、角度φが臨界角にほぼ等しいか、又は該臨界角より大きければ如何なるときも発生する。図示の実施例において、角度φは、計算された臨界角にほぼ等しくなるように選択される。実際、角度φは、予想される製造公差のために変動する可能性があり、例えば、選択された角度よりも約5度少ない角度から約5度多い角度のオーダーとすることができる。これは変換器10の性能を容認できないほど低下させるものではない。
【0020】
作動において、変換器10を用いて、図7及び図8に示されるように、弾性波をターゲットサンプル80の表面70上に発生させる。この実施例において、及び典型的な実用用途においては、水が結合媒質82として用いられる。弾性波は変換素子36で発生し、該弾性波は、次に結合媒質82を通り、サンプル70の表面の方向に移動する。弾性波がサンプルの表面に当たると、該弾性波は二次的な表面弾性波源をサンプル上70に生成する。この二次的な源は、図7及び図8に示されるように、円形のリング72の形状をサンプル表面70の上に有する。リング72は、現在の位置での変換器10の検査領域である円形のディスク領域86を囲む。変換器10が、緩やかなステップで、ターゲットサンプル80の一方の縁に沿い、他方の縁に沿う走査パターンにおいて移動すると、全体の表面70が覆われる。各々の変換器の位置において、波がリング72の縁の中又は該縁にある場合、生成された表面は前方に移動し、エネルギを一定に結合媒質82に戻すように放射し、最終的には変換器要素36の反対側に戻すように放射する。検査領域内に表面欠陥がない場合、矢印74によりその一般的な方向が示される送信された波は、図7に示されるように、如何なる途切れも無く前方に移動する。しかしながら、検査領域内に表面欠陥がある場合は、送信された波74は、図8における矢印76により示されるように、該欠陥により反射及び散乱し、異なる形態及び形状をもたらす。表面波72の形態及び形状における変化は、変換素子36により収集される。
【0021】
上記において、検査結果の品質低下を低減する円錐台の変換素子を有する超音波変換器について述べた。本発明の特定の実施形態が説明されてきたが、特許請求の範囲に定義される本発明の技術的思想及び技術的範囲から逸脱することなくまた、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の超音波変換器の概略斜視図。
【図2】構成の詳細を示す図1の超音波変換器の概略断面図。
【図3】本発明の変換素子の断面図。
【図4】ターゲット部分における弾性波の屈折の一般化された図。
【図5】本発明を用いて検査されているターゲット部分を示す側面図。
【図6】作動中にある図1の超音波変換器の概略断面図。
【図7】本発明を用いて検査されているターゲット部分の一部を示す平面図。
【図8】本発明を用いて検査されているターゲット部分の一部を示す平面図。
【符号の説明】
10 超音波変換器
12 円筒型ケーシング
14 側壁
16 端部壁
18 機械式コネクタ
20 ベント
36 変換素子
39 能動表面
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に超音波変換器に関し、より具体的には超音波表面弾性波変換器に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば、ガスタービンエンジンの構成部品のような加工物のひび又は欠陥を検査するために、パルス・エコー超音波非破壊試験方法の使用が従来技術で知られている。パルス・エコー超音波試験方法により加工物を試験する場合には、該加工物及び変換器は、一般に水のような液体の結合媒質に浸されて、良好な超音波接触を得る。例えば表面弾性波(SAW)変換器のような変換器は、入力無線周波数(RF)電気信号を、加工物に向けられる弾性波に変換することにより、表面波をターゲット材料で生成し、そこで表面弾性波が形成される。表面波はターゲット材料の表面に沿って移動し、最終的には結合媒質を通って再放射されてSAW変換器に戻り、該SAW変換器により弾性波を出力RF電気信号に再変換する。この出力信号のパターンを用いることにより、加工物の表面上に欠陥があるかどうかを判断することができる。
【0003】
市販のSAW変換器は、典型的に半球形状であり、表面波に加えて直接反射波を放射する傾向がある。これらの直接反射波は、検査結果の品質を低下させる場合がある。この欠点は、多数の変換器又は位相配列変換器を用いることにより改善することができるが、しかしながら、この選択肢は変換器及び関連する装置の費用を増大させ、さらに変換器の設定及び検査工程を複雑にする。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、検査結果の品質低下を低減する単純なSAW変換器の必要性がある。
【0005】
【発明を解決するための手段】
上述の必要性は、円錐台形状の変換素子を有する超音波変換器を提供する本発明により満たされる。ターゲットに対する変換素子の角度は、該ターゲット上に入射する音響エネルギの大部分が縦方向の臨界角を越えて屈折するように選択される。
【0006】
従来の技術に対する本発明及びその利点は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明及び特許請求の範囲を読むことにより明らかとなるであろう。
【0007】
【発明の実施の形態】
本発明の内容としてみなされるものは、特に指摘され、本明細書の終わりの部分に明確に特許請求されている。しかしながら、本発明は、添付の図面と共に以下の説明を参照することで最も良く理解できるであろう。
【0008】
図面を参照すると、種々の図の全体にわたって同一の参照番号が同じ構成要素を示しており、図1は、本発明により構成された超音波変換器10の外観を示す。変換器10は、一方の端部が閉じた円筒型ケーシング12を有する。ケーシング12自体は、側壁14及び端部壁16を有する。機械式コネクタ18は、端部壁16から延び、変換器10を支持及び操作するために用いられる。端部壁16は、空気逃し管46に開口したベント20を含み、以下により詳細に説明される。電気式コネクタは、例えば、市販のマイクロドットコネクタであり、側壁14に配設される。
【0009】
図2は、その構成をより詳細に示す変換器10の断面図である。上述のように、ケーシング12は側壁14及び端部壁16を有し、該側壁及び端部壁は互いに一体であり、かつ、水又は用いられる他の結合媒質に浸漬するのに適当な、例えばPVC、ステンレス鋼又は真鍮のような如何なる材料で構成してもよい。機械式コネクタ18、例えばネジ付きコネクタは、端部壁16の表面に取り付けられ、かつ該表面から延びる。凹み45を有するほぼ円筒型の裏材44は、ケーシング12の中心に配設される。凹み45の下方部分は、円錐状である。凹み45の上方部分は、変換素子36(後述される)の上に気泡のための空間を設けるように働き、如何なる形状であってもよい。裏材44は、例えば、ニューヨーク州12019、ボールストン・レイク、3ミル・ロード所在のAstro Chemical社から入手可能なAstro 3060エポキシのようなエポキシから形成される。空気逃し通路47は、凹み45から裏材44を通って延び、空気逃し管46に連結する。円錐台の形状をした変換素子36は、例えば、接着剤又はエポキシを用いて、凹み45の外縁で裏材44に取り付けられる。凹み45の下方部分の外形は、したがって、以下により詳細に説明されるように、変換素子36(及びより具体的にはその能動表面39)の角度を、ケーシング12の側壁14に対して設定する。図2、図3、図5及び図6において、変換素子36は、その構造をより良く示すために、その寸法、主にその厚さが、変換器10の他の構成部品に対して拡大して示される。変換素子36の周方向に延びる底部縁55は、基部平面57を定め、以下により詳細に説明される。中央リード線50及びアース線52はケーシング12の内側に配設され、変換素子36を電気式コネクタに接続する。シーラント54は変換素子36の両端部に配設されて、変換器10の作動中、如何なる水もシールされて入らないようにする。適当なシーラント材料の一例は、マサチューセッツ州01730、ベッドフォード、45ウィギンズアベニュー所在のTRA−CON社から入手可能な2126シール用エポキシである。
【0010】
図3は、変換素子36のより詳細な図を示す。変換素子36は、3つの層で形成される。中心層40は圧電材料であり、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)フィルムから形成することができる。外層38は中心層40に結合され、該中心層40を保護し、かつ接地電極接続を形成するように働く。外層38の外面は、裏材44から外向きに面し、変換素子36の能動表面39を形成する。外層38は、中心層40の表面を、例えばスパッタリング処理を用いて、金で金属被膜することにより形成することができる。その結果得られる金の層は、約1.5×10−4から2.0×10−4mmまで(1500から2000オングストロームまで)の厚さである。他の材料を外層38のために用いてもよい。用いられる如何なる材料も導電性がありかつ環境に耐えるものであるべきである。裏材電極42は、中間層40の裏材として働く。裏材電極42は、電気リード線50に接続される。裏材電極42は、約0.127mm(0.005インチ)の厚さのアルミニウムから形成することができ、必要に応じて、裏材44に嵌合して、該裏材44に結合するように形成することができる。裏材44は、音響エネルギの良好な吸収体であり、かつ散乱体であることが好ましい。これにより不必要なエコーが低減される。典型的には、実用において、裏材44を初めに適切な形状に成形し、裏材電極42を該裏材44に結合する。次に、中間層40を裏材電極に結合し、次に外層38を中間層の上でスパッタする。最後に、銅のタブ及び可撓性のあるワイヤを用いて、中心リード線50及びアース線52を、裏材電極42及び外層の接地電極38のそれぞれに接続する。
【0011】
変換器10の設計の詳細をより詳細に考慮すると、図4は第1材料26及び第2材料28の一般化された図表を示し、該第1及び第2材料は界面30で接触する。当業者には知られているように、第1及び第2材料の各々の組み合わせについて、界面30に対して垂直な線から測定した縦方向の臨界角がある。入射弾性波32が臨界角と等しいか、又は該臨界角より大きい角度φで界面30の方向に向けられるとき、第2材料28における屈折した音響エネルギは表面波34の形状をとる。本発明はこの現象を利用して、検査結果における歪みを低減する。
【0012】
図5を参照すると、例示的な適用例において、例えば、試験サンプル又は検査されるべき生産部品とすることができる、ターゲット表面70を有するターゲットサンプル80が、典型的には水である結合媒質82に浸されている。変換器10も結合媒質82に浸されており、機械式コネクタ18により、機械的に支持手段(図示せず)に連結されている。支持手段は、当業者に知られているように、変換器10を表面70から選択された距離だけ吊し、並びに、該変換器10を該表面に対して横方向に旋回させるための手段を含むことができる。変換器は、ケーブル84により試験装置(図示せず)に連結される。試験装置は、変換素子36を作動させて弾性波を生成するためのRF入力信号を発生させるための手段、並びに、該変換素子36からの出力信号を受信し、処理し及び/又は表示するための手段を含む。
【0013】
図6を参照すると、変換素子36は、ケーシング12の外部側壁14に対して傾斜角θを有する。この傾斜角は、
(1)θ=90°−φ
であり、ここで
【0014】
【数7】
【0015】
である(このφの値は上述の臨界角である)。等式(2)において、νmは結合媒質82の音速であり、νはターゲットサンプル80の縦方向の音速、すなわち縦波が該ターゲットサンプル80の材料を通って伝搬する速度である。変換素子36は、円錐台の周方向の表面を形成する。この円錐の基部の直径はDである。この特定の幾何学的形状について、qで示される変換素子36の幅は、ターゲット部分80の問われている表面70上の、幾何学的に重なり合わない弾性「フットプリント」に基づくものであり、
【0016】
【数8】
【0017】
により定義される。
【0018】
変数aは、図5に示されるように、変換器10の底面とターゲット部分80との間の距離である「高さ方向」距離である。結合媒質82を通る弾性波の移動が遠ければ遠いほど、それらのより多くのエネルギが該媒質により失われることに留意して、高さ方向距離a及び円錐の直径Dの両方を、特定の用途に適合するように変えることができる。高さ方向距離aが小さすぎる場合、変換器は、検査が所望される加工物の突出した表面形態の上を通過することができないことになる。高さ方向距離aが大きすぎる場合は、過度に少ないエネルギしかターゲット部分80に伝達されないことになる。より重要なことには、高さ方向距離が大きすぎる場合には、二次的な源のリング72(後述される)が円形のディスクとなったとき、検査領域86(図7)が消失する。直径Dを増加させることにより、変換器10内に囲まれた検査領域はより大きくなり、走査時間を減少させる。パラメータa及びDが選択されると、変換素子の幅qを上記の等式(3)により計算することができる。例示的な実施形態は、以下のおおよその寸法を有する。D=7.62cm(3インチ)、q=0.66cm(0.26インチ)、及びνm=1.483mm/マイクロ秒(水)、ν=1.63mm/マイクロ秒(ポリウレタン材料)についてθ=24.5°、及び高さ方向距離「a」は1cm(0.394インチ)となるように選択される。この実施例において、Doと示される変換器10の外径は、約9.7cm(3.82インチ)であり、高さhは約6.35cm(2.5インチ)である。Do及びhは、両方とも出来るだけ小さく維持し、変換器10の全体寸法が大きくなり過ぎてより小さなターゲット上で用いるのが困難にならないようにする。角度θは、等式(1)から計算された値と等しいか、又は該値より小さくすべきであり、表面波ではないものとして送信された音響エネルギが最小になるようにする。弾性波は変換素子36の表面に垂直に放射されるため、角度φも、図6に示されるように、ターゲットサンプル80の表面と変換素子36の能動表面39との間の角度に等しい。さらに、作動において、変換器10はターゲット部分80に対して置かれるため、基部平面57はターゲット部分80のターゲット表面と平行となる。したがって、変換素子の能動表面39と加工物のターゲット表面70との間の角度も、能動表面39と基部平面57との間の角度φに等しい。臨界角は、ターゲット部分80の材料により変化し、結合媒質82と試験されるべきターゲット部分の材料との各々の組み合わせについて、新しい変換器が必要とされる。これは、本発明の変換器10の製造の単純さにより可能となる。
【0019】
理論上、表面波は、角度φが臨界角にほぼ等しいか、又は該臨界角より大きければ如何なるときも発生する。図示の実施例において、角度φは、計算された臨界角にほぼ等しくなるように選択される。実際、角度φは、予想される製造公差のために変動する可能性があり、例えば、選択された角度よりも約5度少ない角度から約5度多い角度のオーダーとすることができる。これは変換器10の性能を容認できないほど低下させるものではない。
【0020】
作動において、変換器10を用いて、図7及び図8に示されるように、弾性波をターゲットサンプル80の表面70上に発生させる。この実施例において、及び典型的な実用用途においては、水が結合媒質82として用いられる。弾性波は変換素子36で発生し、該弾性波は、次に結合媒質82を通り、サンプル70の表面の方向に移動する。弾性波がサンプルの表面に当たると、該弾性波は二次的な表面弾性波源をサンプル上70に生成する。この二次的な源は、図7及び図8に示されるように、円形のリング72の形状をサンプル表面70の上に有する。リング72は、現在の位置での変換器10の検査領域である円形のディスク領域86を囲む。変換器10が、緩やかなステップで、ターゲットサンプル80の一方の縁に沿い、他方の縁に沿う走査パターンにおいて移動すると、全体の表面70が覆われる。各々の変換器の位置において、波がリング72の縁の中又は該縁にある場合、生成された表面は前方に移動し、エネルギを一定に結合媒質82に戻すように放射し、最終的には変換器要素36の反対側に戻すように放射する。検査領域内に表面欠陥がない場合、矢印74によりその一般的な方向が示される送信された波は、図7に示されるように、如何なる途切れも無く前方に移動する。しかしながら、検査領域内に表面欠陥がある場合は、送信された波74は、図8における矢印76により示されるように、該欠陥により反射及び散乱し、異なる形態及び形状をもたらす。表面波72の形態及び形状における変化は、変換素子36により収集される。
【0021】
上記において、検査結果の品質低下を低減する円錐台の変換素子を有する超音波変換器について述べた。本発明の特定の実施形態が説明されてきたが、特許請求の範囲に定義される本発明の技術的思想及び技術的範囲から逸脱することなくまた、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の超音波変換器の概略斜視図。
【図2】構成の詳細を示す図1の超音波変換器の概略断面図。
【図3】本発明の変換素子の断面図。
【図4】ターゲット部分における弾性波の屈折の一般化された図。
【図5】本発明を用いて検査されているターゲット部分を示す側面図。
【図6】作動中にある図1の超音波変換器の概略断面図。
【図7】本発明を用いて検査されているターゲット部分の一部を示す平面図。
【図8】本発明を用いて検査されているターゲット部分の一部を示す平面図。
【符号の説明】
10 超音波変換器
12 円筒型ケーシング
14 側壁
16 端部壁
18 機械式コネクタ
20 ベント
36 変換素子
39 能動表面
Claims (11)
- 超音波変換器(10)であって、リングの中に形成され、開口した内部を有する円錐台を定めるように傾斜された変換素子(36)を備え、前記変換素子(36)は、基部平面を定める底部縁、及び能動表面(39)を有し、前記能動表面(39)は、前記基部平面に対して角度φで配設され、前記超音波変換器(10)の作動中、ターゲットの表面上に入射するほぼすべての音響エネルギが表面波として屈折されるようになったことを特徴とする超音波変換器(10)。
- ターゲットの表面を検査するための超音波変換器(10)であって、
閉端部及び内部キャビティを有し前記キャビティが前記閉端部の反対側に開口部を有するほぼ円筒型のケーシングと、
前記キャビティの中に配設され、前記開口部に面するほぼ円錐状の凹みを有する裏材と、
前記ほぼ円錐状の凹みの外縁において前記裏材に取り付けられた圧電材料を備えるほぼ円形の変換素子(36)と、
を備え、前記変換素子(36)は円錐台形状に形成され、かつ基部平面を定める底部縁を有し、前記変換素子(36)の能動表面(39)は前記基部平面に対して角度φで配設され、前記超音波変換器(10)の作動中、前記ターゲットの前記表面上に入射するほぼすべての前記音響エネルギが表面波として屈折するようになった、
ことを特徴とする超音波変換器(10)。 - 前記変換素子(36)が裏材層と、中心圧電層と、外層とを含むことを特徴とする請求項7に記載の超音波変換器(10)。
- 超音波によりターゲットを検査するための方法であって、
結合媒質を準備し、
検査されるべき表面を有するターゲットを前記結合媒質内に置き、
リングの中に形成され、開口した内部と基部平面を定める底部縁と能動表面(39)とを有する円錐台を定めるように傾斜された変換素子(36)を有する変換器(10)を準備し、前記能動表面(39)は前記基部平面に対して角度φで配設され、前記超音波変換器(10)の作動中、前記ターゲットの表面上に入射するほぼすべての音響エネルギが表面波として屈折するようにする、
ことを含む方法。 - 前記発生された弾性波が、ほぼ円形の重なり合わないパターンで、前記ターゲットの前記表面に接触することを特徴する、請求項8に記載の超音波によりターゲットを検査するための方法。
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