JP2004191143A

JP2004191143A - 超音波センサ操作治具及び超音波検査システム

Info

Publication number: JP2004191143A
Application number: JP2002358492A
Authority: JP
Inventors: Shigeo Nakayama; 茂雄中山; Shigeru Kanemoto; 茂兼本; Koji Hikuma; 幸治日隈
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-12-10
Filing date: 2002-12-10
Publication date: 2004-07-08

Abstract

【課題】被検査体に塗布する接触媒質の粘性等に左右されることなく超音波検査システムにより被検査体の厚さを高精度に測定する。
【解決手段】超音波検査システム１が備える超音波センサ操作治具５では、その内側筒状体２５には、径方向に突設された回転バー２９が設けられ、一方、外側筒状体２６には、回転バー２９と係合しこの回転バー２９の移動経路を定める螺旋溝３０が設けられている。したがって、被検査体６に超音波センサ２を圧接する操作に連動して、被検査体６のその圧接面上で超音波センサ２が自転し、接触媒質の粘性等に影響されることなく、被検査体６の表面に接触媒質２７を薄く引き延ばして塗布することが可能になる。これにより、超音波センサ２と被検査体６との密接状態を高めることができるので、超音波を良好に伝播させることが可能となり、被検査体６の厚さを高精度に測定することができる。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば金属やセラミック等で形成された構造体の厚さ等を超音波センサを通じて検査する際に用いる超音波センサ操作治具及び超音波検査システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、鉄塔、鉄橋、石油タンク等、主に鉄鋼材料で構成される構造物では、その材料の経年変化による機械的強度の低下について配慮する必要がある。すなわち、上記構造物では、５年、１０年と時間が経つにつれて、構成材料の酸化による例えば薄肉化等が徐々に進行すること等が考えられるためである。そこで、このような構造物に対しては安全性確保のために寿命診断等を行う場合がある。この寿命診断には、超音波を利用して構造物の構成材料の厚さを測定しその測定結果から現状の構造物の機械的強度が、どの程度低下しているかを診る方法等がある。
【０００３】
具体的には、構造物の構成材料である被検査体の表面に接触媒質を介して超音波センサ（超音波探触子）を接触させ、この超音波センサを通じて被検査体に超音波を送信すると共に、被検査体を伝播されるエコー波からその厚さを測定する方法等が知られている（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−２５８４０２号公報（第２頁、図３）
【０００５】
超音波センサを被検査体の表面に接触させる操作は、例えば超音波センサの周囲に配置した磁石の吸引力等を利用したり、また作業者が直接、手で超音波センサを被検査体に押し当てたりすること等により行われる。接触媒質としては、例えばグリセリン、ひまし油、マシン油、グリース等が主に適用され、今日では、粘性が低くて扱い易いグリセリンを主原料としたものが広く普及している。
【０００６】
粘性の低いこのグリセリン系の接触媒質を被検査体の表面に塗布し、この部位に超音波センサを軽く押付（荷重１９ｇｆ程度）けることで、図６に示すように、比較的鮮明に超音波エコーを観察することができる。この際、被検査体の厚さに対応してエコー波形に周期的に現れるピーク点の出現期間（間隔）ｔを計測すると共に、この計測結果に基づいて所定の演算を行うことで、被検査体の厚さを求めることができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したグリセリン系の接触媒質は、蒸気圧が一般に０．００１ｍｍＨｇ程度であり、これにより蒸発し易いため、高温環境下での使用や長時間使用する場合等には、測定を継続して行くにつれて、データの信頼性を著しく低下させる。そこで、蒸発し難い接触媒質であるグリース等も用いられている。
【０００８】
しかしながら、このグリース系の接触媒質は、一般に粘性が高く被検査体の表面に薄く延ばして塗布することが困難である。したがって、このグリース系の接触媒質を適用したことで、接触媒質が厚く塗布されてしまった場合等では、図７に示すように、シャープなエコー波形が得られなくなり、エコー波形のピーク間隔の正確な計測、すなわち被検査体の厚さを高精度に測定することが難しくなる。勿論、超音波を利用しての被検査体の傷、ひび割れ等の探傷や、被検査体の硬度を測定する装置等においても同様の課題がある。
【０００９】
そこで、本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、接触媒質の粘性等に左右されることなく、被検査体の高精度な検査を行える超音波センサ操作治具及び超音波検査システムの提供を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る超音波センサ操作治具は、超音波探触子を自転可能に保持するケーシングと、前記ケーシングに設けられ、接触媒質を介し被検査体の表面に前記超音波探触子を圧接する操作に連動して、前記被検査体のその圧接面上で前記超音波探触子を自転させる探触子自転機構とを具備することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る超音波センサ操作治具を備えた超音波検査システムを機能的に示すブロック図、図２は、超音波センサが装着された超音波センサ操作治具を正面からみた断面図である。本実施形態の超音波測定システムは、例えば鉄塔や鉄橋等を構成する材料の厚さを測定し、その測定結果から現状の構造物の機械的強度が、経年変化によりどの程度低下しているかを診る寿命診断システムである。
【００１２】
図１に示すように、超音波検査システム１は、超音波センサ（超音波探触子）２と、超音波センサ２を通じて被検査体に超音波を送信すると共に被検査体を伝播されるエコー波を受信する超音波送受信装置３と、超音波送受信装置３によるエコー波の計測結果の表示や超音波の送受信に関する設定を行う計算機４と、超音波センサ２に装着される超音波センサ操作治具５とから主に構成されている。
【００１３】
図２に示すように、超音波センサ操作治具５が装着される超音波センサ２には、圧電素子が内蔵されており、この圧電素子は、超音波センサ２の先端部の音響窓を避けたかたちでバッキング材等で覆われている。超音波が外部へ出て行くこの音響窓は、超音波センサ２における被検査体６表面への接触部位７となる。また、超音波センサ２の基端部には、信号ケーブル８を介して超音波送受信装置３に接続される信号ケーブル用接栓が雄ネジ９により形成されている。この雄ネジ９は、信号ケーブル８の一端のコネクタ１０の内部に形成された雌ネジ１１と螺合する。さらに、超音波センサ２の外形部分には、超音波センサ操作治具５をネジ止めするための雄ネジ１２が形成されている。
【００１４】
超音波送受信装置３には、超音波を発生させるための信号の生成やエコー波の検出を行う超音波生成・検出部１３と、超音波生成・検出部１３により検出された上記エコー波に基づいて被検査体６の厚さを求める演算部１４と、電源１５等が設けられている。超音波生成・検出部１３は、超音波センサ２の圧電素子に供給すべき所定の周波数のパルスを発生させるパルス発生器１６と、被検査体６を伝播するエコー波を検出しその出力を増幅する受信用増幅器１７とを備えている。ここで、パルス発生器１６によるパルスの発生周期や受信用増幅器１７のゲインは、計算機４からの入力信号により設定される。
【００１５】
演算部１４には、受信用増幅器１７から出力されたエコー波をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器１８と、このＡ／Ｄ変換器１８から出力されるエコー波をデジタル化した信号に基づいて被検査体６の厚さを求める高速メモリ１９と、高速メモリ１９の演算結果を一時的に記憶するバッファメモリ２０等が設けられている。Ａ／Ｄ変換器１８は、被検査体６の厚さに応じてエコー波形に周期的に現れるピーク点の出現間隔（出現周期）に対応するデジタル信号を生成する。高速メモリ１９は、Ａ／Ｄ変換器１８から入力された信号を基に、下記演算式により被検査体６の厚さを演算する。
すなわち、被検査体６の厚さは、演算式
ｄ＝ｖ・ｔ／２
で求められる。
ｄ：被検査体の厚さ
ｖ：被検査体を伝わる超音波の伝播速度
ｔ：エコー波形に周期的に現れるピーク点の出現期間
【００１６】
また、超音波送受信装置３は、デジタル出力端子２１を備えており、この出力端子及びＰＣカード２２を介して計算機４に接続されている。さらに、超音波送受信装置３には、超音波生成・検出部１３により検出される超音波エコーが、鮮明に現れているかどうかを確認できるように、オシロスコープ等が接続されるアナログ出力端子２３が設けられている。
【００１７】
計算機４は、検査結果として被検査体６の厚さを表示する。また、計算機４は、パルス発生器１６によるパルスの発生周期や受信用増幅器１７のゲイン等を設定するための制御信号を超音波生成・検出部１３に出力する。
【００１８】
次に、本実施形態の超音波センサ操作治具５の構造を図２ないし図４に基づき詳述する。図２は、上述したように超音波センサ操作治具５を正面からみた断面図、図３は、超音波センサ操作治具５を被検査体６に圧接する前の状態を示す正面図、図４は、超音波センサ操作治具５を被検査体６に圧接した状態を示す正面図である。
【００１９】
これらの図に示すように、超音波センサ操作治具５は、超音波センサ２を保持するためのケーシングが２ピース構造で構成されており、一端部の開口２４より超音波センサ２の接触部位７を露出させた状態でこの超音波センサ２を内側部分に固定する第１の筒体としての内側筒状体２５と、内側筒状体２５を、矢印Ｓ１−Ｓ２方向に自転可能且つ矢印Ｙ１−Ｙ２方向に挿抜可能に収容する第２の筒体である外側筒状体２６とを備えている。この外側筒状体２６の外形部分は、被検査体６の厚さを実際に測定する測定者の例えば把持部となる。
【００２０】
ここで、本実施形態の超音波センサ操作治具５は、図３に示すように、接触媒質２７が塗布された被検査体６の表面に超音波センサ２を矢印Ｙ１方向に圧接（押圧）する操作に連動して、図４に示すように、被検査体６のその圧接面上で超音波センサ２を矢印Ｓ１方向に自転させる探触子自転機構２８を備えている。
【００２１】
すなわち、この探触子自転機構２８を実現する構成として、図２ないし図４に示すように、内側筒状体２５には、その本体から径方向に突設された係合突起としての回転バー２９が設けられている。一方、外側筒状体２６には、回転バー２９と係合しこの回転バー２９の移動経路を定める案内溝としての螺旋溝３０が設けられており、この螺旋溝３０は、外側筒状体２６にスパイラル状に周回するように形成されている。したがって、外側筒状体２６内に対し内側筒状体２５を矢印Ｙ２方向に挿入する挿入動作、つまり被検査体６に超音波センサ２先端の接触部位７を矢印Ｙ１方向に圧接する圧接操作により、超音波センサ２が固定された内側筒状体２５が、外側筒状体２６内で矢印Ｓ１方向に自転する。これにより、超音波センサ２を圧接させた被検査体６の圧接面上で接触媒質２７を薄く引き延ばして塗布することが可能となる。
【００２２】
また、超音波センサ操作治具５には、図２に示すように、一端の端末３１が、外側筒状体２６の内壁部分に形成された係止部３２に係止され、且つ他端の端末３３が、内側筒状体２５の内壁部分に形成された係止部３４に係止されたコイルバネ３５が設けられている。このコイルバネ３５は、内側筒状体２５を外側筒状体２６から抜脱する矢印Ｙ１方向に付勢力を発生させると共に、外側筒状体２６に対し内側筒状体２５を矢印Ｓ２方向に自転させる方向に付勢力を発生させている。すなわち、コイルバネ３５は、圧縮バネにのみならず、トーションバネとしても機能する。コイルバネ３５が発生させるこのようなバネ力により、被検査体６の上記圧接面上で接触媒質２７を薄く引き延ばして塗布する作用を高めることが可能となる。
【００２３】
また、超音波センサ操作治具５には、超音波センサ２の外形部分の雄ネジ１２と螺合する雌ネジ３６が、内側筒状体２５の内径部分に形成されている。この内側筒状体２５と超音波センサ２との互いの結合部分、すなわち雌ネジ３６と雄ネジ１２とで実現される探触子締結用ネジ部は、左ネジにより形成されており、上記圧接操作による超音波センサ２の自転方向Ｓ１と相反する矢印Ｓ２方向が、内側筒状体２５への超音波センサ２の締め付け方向となる。これにより、被検査体６の上記圧接面と超音波センサ２の接触部位７とが摺動する際の摩擦力により、内側筒状体２５と超音波センサ２との締結部分が外れたり、緩んだりすることが防止される。
【００２４】
また、超音波送受信装置３の信号ケーブル８と超音波センサ２との互いのジョイント部分、すなわち雌ネジ１１と雄ネジ９とで実現される信号ケーブル締結用ネジ部は、右ネジにより形成されており、上記圧接操作による超音波センサ２の自転方向Ｓ１と同一の方向（Ｓ１方向）が、信号ケーブル８のコネクタ１０への超音波センサ２の締め付け方向となる。したがって、超音波センサ２の自転動作により、超音波送受信装置３の信号ケーブル８と超音波センサ２との互いの締結部分が、緩んだり外れたりすることが阻止される。
【００２５】
次に、このように構成された超音波検査システム１により、被検査体６の厚さを測定する場合の操作について説明する。ここでは、被検査体６として、縦１００ｍｍ、横１００ｍｍ、厚さ２０ｍｍで形成された鉄（超音波の伝播速度＝６０００ｍ／ｓ）を用い、さらに接触媒質２７としては、グリースを適用した場合について説明する。
【００２６】
まず、被検査体６の表面に接触媒質２７を塗布する。次に、図３に示すように、超音波センサ操作治具５の外側筒状体２６の外形部分を測定者が把持し、さらに、接触媒質２７が塗布された被検査体６の表面に超音波センサ２の接触部位７をコイルバネ３５の付勢力に抗しつつ圧接（矢印Ｙ１方向に押圧）する。この圧接操作に連動して、図４に示すように、外側筒状体２６の螺旋溝３０により内側筒状体２５の回転バー２９の動作がガイドされ（螺旋溝３０を回転バー２９が上昇して行き）、超音波センサ２が固定された内側筒状体２５が、外側筒状体２６内で矢印Ｓ１方向に自転する。この際、コイルバネ３５の付勢力により超音波センサ２が被検査体６の表面に押圧され、この押圧状態で超音波センサ２が自転動作する。したがって、粘性の高い接触媒質が適用されているものの、超音波センサ２を圧接させた被検査体６の圧接面上で接触媒質２７が薄く引き延ばされて塗布されることになる。さらに、例えば被検査体６の表面と接触媒質２７との間に空気が介在されているような場合でも、超音波センサ２のこの自転動作により、介在された空気を押し出すこと等も可能である。
【００２７】
これにより、超音波センサ２と被検査体６との密接状態を高めることができ、超音波センサ２と被検査体６との間で超音波の伝播が良好に行われる。この際、図５に示すように、超音波送受信装置３のアナログ出力端子２３から出力される超音波エコーは、感度の高いシャープな波形となる。ここで、上記演算式ｄ＝ｖ（６０００ｍ／ｓ）・ｔ／２に基づき、エコー波形に周期的に現れるピーク点の出現期間ｔを被検査体６の厚さｄ（２０ｍｍ）から逆算してみると、出現期間ｔ≒６．６μｓが鮮明に現れている。
【００２８】
このように、本実施形態の超音波センサ操作治具５を備えた超音波検査システム１は、適用した接触媒質の粘性等に影響されることなく被検査体６の表面に接触媒質２７を薄く引き延ばして塗布することが可能なので、超音波センサ２と被検査体６との密接状態が高まり、超音波探触子と被検査体との間で超音波を良好に伝播させることができる。したがって、本実施形態によれば、被検査体６の厚さを高精度に測定することができ、構造物の寿命診断を正確に行うことができる。
【００２９】
以上、本発明を実施の形態により具体的に説明したが、本発明は前記実施形態にのみ限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。すなわち、上記実施形態では、被検査体の厚さを測定する検査システムに本発明を適用したが、被検査体の硬さを測定する検査システムや被検査体の傷、ひび割れ等を検出する探傷器等に本発明を適用してもよい。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、接触媒質を介し被検査体上に超音波探触子を圧接させた状態でこの超音波探触子をその場で自転させることができるので、接触媒質を被検査体のその圧接面上に薄く引き延ばして塗布でき、超音波探触子と被検査体との密接状態を高めることができる。これにより、超音波探触子と被検査体との間で超音波の伝播が良好に行われることになり、適用した接触媒質の粘性等に左右されることなく被検査体の高精度な検査を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る超音波検査システムを機能的に示すブロック図である。
【図２】図１の超音波検査システムが備える超音波センサ操作治具を正面からみた断面図である。
【図３】図２の超音波センサ操作治具を被検査体に圧接する前の状態を示す正面図である。
【図４】図２の超音波センサ操作治具を被検査体に圧接した状態を示す正面図である。
【図５】接触媒質としてグリースを適用した場合の図１の超音波検査システムにより得られる超音波エコーの波形図である。
【図６】接触媒質としてグリセリン系のペーストを適用した場合の従来装置により得られる超音波エコーの波形図である。
【図７】接触媒質としてグリースを適用した場合の従来装置により得られる超音波エコーの波形図である。
【符号の説明】
１…超音波検査システム、２…超音波センサ、３…超音波送受信装置、４…計算機、５…超音波センサ操作治具、６…被検査体、７…接触部位、８…信号ケーブル、９，１２…雄ネジ、１０…コネクタ、１１，３６…雌ネジ、２４…開口、２５…内側筒状体、２６…外側筒状体、２７…接触媒質、２８…探触子自転機構、２９…回転バー、３０…螺旋溝、３５…コイルバネ。

Claims

超音波探触子を自転可能に保持するケーシングと、
前記ケーシングに設けられ、接触媒質を介し被検査体の表面に前記超音波探触子を圧接する操作に連動して、前記被検査体のその圧接面上で前記超音波探触子を自転させる探触子自転機構と
を具備することを特徴とする超音波センサ操作治具。
前記ケーシングが、
一端部の開口より前記超音波探触子の所定の接触部位を露出させた状態でこの超音波探触子を内側部分に固定する第１の筒体と、
前記第１の筒体を自転可能且つ挿抜可能に収容する第２の筒体とを備え、
前記探触子自転機構が、
前記第１の筒体から径方向に突設された係合突起と、
前記超音波探触子の前記接触部位を前記被検査体に圧接する圧接操作に応じた前記第１の筒体の前記第２の筒体内への挿入動作により、前記第１の筒体が前記第２の筒体内で自転するように、前記係合突起との係合部分として前記第２の筒体に螺旋状に周回して設けられ前記係合突起の移動経路を定める案内溝と
を具備することを特徴とする請求項１記載の超音波センサ操作治具。
前記第２の筒体に対して、前記第１の筒体を、自転させつつ抜脱する方向に付勢するスプリングをさらに具備することを特徴とする請求項２記載の超音波センサ操作治具。
前記第１の筒体と前記超音波探触子との互いの結合部分に設けられ、前記圧接操作による前記超音波探触子の自転方向と相反する方向が、前記第１の筒体への前記超音波探触子の締め付け方向となる探触子締結用ネジ部を備えることを特徴とする請求項２又は３記載の超音波センサ操作治具。
請求項１ないし４いずれか１項に記載の超音波センサ操作治具と、
前記超音波探触子と、
前記超音波探触子が圧接された前記被検査体に超音波を送信すると共に前記被検査体から反射されたエコー波を受信する超音波送受信装置と
を少なくとも具備することを特徴とする超音波検査システム。
前記超音波送受信装置の信号ケーブルと前記超音波探触子との互いのジョイント部分に設けられ、前記圧接操作による前記超音波探触子の自転方向と同一の方向が、前記信号ケーブルの端子部への前記前記超音波探触子の締め付け方向となる信号ケーブル締結用ネジ部を備えることを特徴とする請求項５記載の超音波検査システム。