JP2006145559A - フッ素樹脂検査用超音波探触子，超音波検査装置及び超音波検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】温度変化に関係なく、目的とする被検査物内の位置に超音波を入射でき、被検査物内部を検査可能な超音波探触子，超音波検査装置及び検査方法を提供すること。
【解決手段】温度による音響特性変化が被検査物４と同程度のシュー２を用いることで、温度変化に関係なく超音波のシューへの入射角θ１と被検査物４への屈折角θ２が等しくなるようにし、直射法で欠陥検出ができるように斜角超音波探触子０および検査装置を構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、フッ素樹脂検査用超音波探触子，超音波検査装置及び超音波検査方法に関する。

超音波探傷法は、検査対象物（以下、或いは、被検査物と称する）内に超音波を入射して、該被検査物内部の欠陥の有無などを検査するものである。この方法には、大きく２つの方法が知られており、一方は被検査物内へ超音波を垂直に入射する垂直法である。もう一方は斜めに入射する斜角法であり、この斜角法も多く用いられている。

斜角法において、超音波探触子として、超音波を発信する振動子と被検査物との間にシュー（或いはくさびと称する）を用いることで、被検査物内へ超音波を斜めに入射している。シューに超音波を発生する振動子を貼り付け、被検査物内に目的とする超音波（縦波や横波など）を入射している。このような技術は、例えば、特開平１１−１４６０７号公報に記載のように知られている。

特開平１１−１４６０７号公報

シュー材としては、実用的にアクリル材等が用いられており、一方、被検査物としては、これと異なる材料が用いられることが多い。そのため、温度が変化すると、両者の音響特性（音速など）の変動に差が表われる。

ところで、シュー内の超音波音速をＣ１，被検査物表面（シューとの接触面）の法線と超音波のなす角をθ１，検査対象内の超音波音速をＣ２、そして被検査物内への超音波入射角をθ２とすると、これらの関係は、式（１）に示すスネルの法則として知られている。

Ｃ１／sinθ１＝Ｃ２／sinθ２ （式１）
このような条件下で、シュー及び被検査物の超音波音速が温度によって変化すると、それに伴い、音速（Ｃ１，Ｃ２）が変化する。式（１）に示すように、被検査物内への超音波入射角（θ２）は、シュー内の音速（Ｃ１），被検査物内の音速（Ｃ２）に依存するのであるから、音速（Ｃ１，Ｃ２）が変化すると、超音波入射角（θ２）が変化する。

温度変化があると、シュー材と被検査物は音響特性（音速など）の変動が異なるので、超音波入射角（θ２）が変化し、目的とする被検査物内の特定の位置に超音波を入射することが困難となり、超音波検査したい箇所を検査できなくなる。

本発明はこれに鑑みなされたもので、その目的とするところは、温度変化に関係なく、目的とする被検査物内の位置に超音波を入射でき、被検査物内部を検査可能なフッ素樹脂検査用超音波探触子，超音波検査装置及び検査方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明では、超音波を発生する振動子と、振動子で発生した超音波をフッ素樹脂製の被検査物に入射するシューを有し、被検査物から戻ってきた超音波を検出するものにおいて、被検査物の温度に対する音響特性とほぼ同等にシューの音響特性を設定するように構成した。

好ましくは、被検査物の温度に対する音響特性として音速値を使用し、シューの音響特性として音速値を使用した。

好ましくは、シューは高分子系材料である。さらに好ましくは、シューはフッ素樹脂材である。さらに好ましくは、シューと被検査物は、超音波伝播補助部材を介して、超音波が伝播される。さらに好ましくは、シューと振動子は、ケースに格納される。

上記目的を達成するために、或いは、超音波を発生する振動子と、振動子に電圧を印加する送信手段と、振動子で発生した超音波を被検査物に入射するシューと、被検査物から戻ってきた超音波を受信する受信手段と、受信手段の受信信号に基づいて被検査物の内部状況に関する情報を表示する表示手段を有するものにおいて、被検査物の温度に対する音響特性とほぼ同等にシューの音響特性を設定するように構成した。

好ましくは、被検査物の温度に対する音響特性として音速値を使用し、シューの音響特性として音速値を使用するものとして構成した。

好ましくは、送信手段または受信手段はシュー及び振動子とは別体である。さらに好ましくは、表示手段は受信波形を表示する。

上記目的を達成するために、或いは、超音波を発生し、被検査物の温度に対する音響特性とほぼ同等にシューの音響特性を設定し、発生した超音波をシューを介して被検査物に入射し、被検査物から戻ってきた超音波を検出する。

或いは、超音波を発生し、被検査物に入射する前の超音波の角度と後の角度がほぼ等しくなるように設定し、発生した超音波をシューを介して被検査物に入射し、被検査物から戻ってきた超音波を検出する。

好ましくは、検査物内部の抜水を行い、真空引きする。さらに好ましくは、被検査物に対し、応力負荷をかけて音響特性の変化を調べることを特徴とする。

以上説明してきたように、本発明によれば、温度変化に関係なく、被検査物内の特定位置に超音波を入射でき、被検査物内部を検査可能となる。

詳細には、フッ素樹脂検査用超音波探触子，超音波検査装置，超音波検査方法において、被検査物とシュー（くさび）を同材質の高分子材料やフッ素樹脂材にして、温度変化に関係なくシューへの超音波入射角と被検査物内への超音波入射角を等しくすることで、被検査物内部を検査することが可能となる。また、超音波検査において試験対象物内部の抜水・真空引きを行うことで、超音波の反射に影響を及ぼす因子を除去し、被検査物の超音波検査が可能になる。さらに、内圧をかけて超音波検査を行うこともできる。

以下図示した実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。

図１は、本発明における、温度変化の大きい被検査物を検査する際に用いる超音波探触子の模式図の一例を示したものである。超音波探触子０は、超音波を発生させる振動子１がシュー２に取り付けられ、ケース３に納められた構造となっている。本発明で、ケース３は必要条件ではない。

従来、シュー２の材質は音響特性の良いアクリルなどが用いられていたが、本発明では、温度変化の大きい被検査物の超音波検査を行うために、被検査物と同じ音響特性を持つ高分子系またはフッ素樹脂系の材料を使用した。

図２は、本発明において超音波が送受信される状況を説明するために、超音波検査装置を模式的に示したものである。１〜３は図１と同様であり、４は被検査物、５が欠陥等の反射源、６が振動子１から発せられてシュー２に入射する超音波、７が被検査物４内へ入射する超音波、８が探触子ケーブル、９が超音波送受信器である。この場合、被検査物４内部の反射源５が検出される超音波検査方法を図３のフローチャートを用いて説明する。

ステップ１０１に示すように、図１記載の超音波探触子０を、超音波の伝播を補助する部材、すなわち超音波を効率よく伝搬させるための液体（接触媒質。図示していない。）を介して被検査物表面に接触させると、ステップ１０２で示すように、超音波送受信器９からの印加電圧により振動子１で発生した超音波６はシュー２に入射し、入射角θ１でシュー２と被検査物４の境界面に到達する。なお、使用する振動子は、被検査物４内に入射したい超音波を発生する振動子を用いれば良い。すなわち、横波を入射したい場合には横波振動子を用い、縦波を入射したい場合には縦波振動子を用いれば良い。この時超音波６の一部は反射し、残りは被検査物４内へ通過する超音波７となる。ここで、ステップ103に示すように、シュー２に入射する超音波６の音速をＣ１，被検査物４内へ入射する超音波７の音速をＣ２，超音波７の入射角をθ２とすると、スネルの法則として知られた式
（１）のような関係がある。

Ｃ１／sinθ１＝Ｃ２／sinθ２ （式１）
ところで本発明では、ステップ１０４のように、シュー２と被検査物４は温度による音響特性が同一の材質であるから、上式においてＣ１＝Ｃ２となり、その結果ステップ105のようにθ１＝θ２となる。

ゆえに、温度変化に関係なく超音波のシュー２への入射角と被検査物４への入射角は等しくなり、ステップ１０６のように超音波６は被検査物４内を直進して超音波７となり、反射源５に当たる。この過程が超音波の送信である。次にステップ１０７のように、欠陥５で反射した超音波は入射時と逆の方向に直進し、振動子１に到達する。この過程が超音波の受信である。そして、最終的にはステップ１０８のように、探触子ケーブル８を通して超音波の信号が超音波送受信器９に伝わり受信波形が表示される。上記の発明の形態においては、温度にかかわらずＣ１＝Ｃ２が成立するので、式（１）のスネルの法則に基づく入射角計算が不要になり、探触子の設計がより簡便になる効果も得られる。

本発明では、被検査物４の音速が、温度Ｔにより変化する音速Ｃ２(Ｔ)であった場合に、式（１）を変形した式（２）の関係を満足する音速Ｃ１(Ｔ)を有する材料、あるいはこれを近似できる材料をシュー２として使用しても良い。

Ｃ１(Ｔ)＝Ｃ２(Ｔ)＊sinθ１／sinθ２ （式２）
このとき、シュー２中を伝播する超音波６のモードとして、縦波と横波があるが、式
（２）をより高い精度で近似できる超音波モードを選定するのが望ましい。

温度が変化することで音速や減衰率等の音響特性が大きく変動する被検査物の例として、高分子材料がある。高分子材料は、検査が実施される可能性のある温度領域、たとえば０℃から４０℃において、音響特性が非線形な変動を示したり、極値や変曲点を示すなど、複雑な挙動を示すことがある。さらには、成分比や分子の結合状態の違いによって、数多くの種類の材料が存在し、材料毎に温度による音響特性の変動傾向が異なってくる。このことから、特に、被検査物を高分子材料とする場合においては、被検査物と同一材料もしくはほぼ同一の材料を探触子のシュー材として用いることが、入射角を一定に保持する点において、大きな効果を得られる。また、探触子のシュー材を被検査物そのものと同じ製造工程で製作した素材から、切断加工して製作するのが望ましい。また、シュー材を被検査物に設置するときに、シュー材と被検査物の材料の方向性を一致するように、素材からの切断や加工の方向を選択するのが望ましい。

高分子材料の中でもフッ素樹脂材は、温度による音響特性の変動が複雑であることに加えて、温度による音速の変動が非常に大きい。したがって、被検査物がフッ素樹脂材である場合に、探触子のシュー材質を被検査物と同一材質あるいはほぼ同一材質とすることは、入射角を一定に保持する点において、さらに顕著な効果が得られる。

また、上記のように被検査物が高分子材料である場合や、フッ素樹脂材である場合でも、式（２）を高い精度で近似できるような異なる材質を選定することができる。このときのシュー２の材質として、たとえばポリスチレンがある。

超音波探触子０を被検査物４に接触させたときに、超音波探触子０と被検査物４に温度差がある場合がある。このときは、超音波探触子０と被検査物４の温度がほぼ同じになるまで時間をおいて測定すれば、より温度による変動を受けにくい検査を実施可能となる。

最後に、被検査物が水などの液体を流す用途の管であって、この部材に発生した欠陥を検査する場合の実施の形態について説明する。管内に液体が存在する場合、管内面側において、超音波が液体側に透過して、受信する超音波の強度が低下することが懸念される。これを回避するために、被検査物から自然に抜水する方法、または、圧縮した気体を被検査物に注入し、圧力を加えることで抜水する方法、もしくは、被検査物内部を減圧することにより真空状態にして抜水する方法を用いることにより、超音波の強度の低下を抑制する効果が得られる。また、内圧を加えることで、管内部に開口する欠陥の開口幅を広げることができ、開口幅が狭いことにより生じる超音波の強度低下を抑制する効果が得られる。

本発明における絶縁ホースの斜角超音波探触子の模式図である。 本発明における絶縁ホースの斜角超音波検査装置の模式図である。 本発明における絶縁ホースの他の斜角超音波検査方法を示すフローチャートである。

符号の説明

０…超音波探触子、１…振動子、２…シュー（くさび）、３…ケース、４…被検査物、５…反射源、６…シューに入射する超音波、７…被検査物へ入射する超音波、８…探触子ケーブル、９…超音波送受信器。

Claims (7)

1. 超音波を発生する振動子と、該振動子で発生した超音波をフッ素樹脂製の被検査物に入射するシューとを備え、前記振動子からの超音波を前記シューを介して被検査物に入射し、前記被検査物から戻ってきた超音波を検出する超音波探触子において、
   前記シューは、前記被検査物の温度に対する音速特性と同一の音速特性を有する材質であって、前記被検査物と同じ製造工程で製作した素材であることを特徴とするフッ素樹脂検査用超音波探触子。
2. 請求項１において、前記シューは、前記被検査物に設置するときに前記被検査物の材料と方向性が一致するように、素材からの切断や加工の方向が選択されて製作されていることを特徴とするフッ素樹脂検査用超音波探触子。
3. 超音波を発生する振動子、該振動子で発生した超音波をフッ素樹脂製の被検査物に入射するシューからなる超音波探触子と、前記振動子に電圧を印加する送信手段と、前記振動子からの超音波が前記シューを介して被検査物に入射され、前記被検査物から戻ってきた超音波を受信する受信手段と、該受信手段の受信信号に基づいて前記被検査物の内部状況に関する情報を表示する手段とを備えた超音波検査装置において、
   前記シューは、前記被検査物の温度に対する音速特性と同一の音速特性を有する材質であって、前記被検査物と同じ製造工程で製作した素材であることを特徴とするフッ素樹脂検査用超音波検査装置。
4. 前記シューは、前記被検査物に設置するときに前記被検査物の材料と方向性が一致するように、素材からの切断や加工の方向が選択されて製作されていることを特徴とする請求項３記載のフッ素樹脂検査用超音波検査装置。
5. 振動子で発生した超音波を、被検査物の温度に対する音速特性と同一の音速特性を有する材質であって、前記被検査物と同じ製造工程で製作した素材からなるシューを介して前記被検査物に入射し、前記被検査物から戻ってきた超音波を検出することを特徴とする超音波検査方法。
6. 振動子で発生した超音波を、被検査物の温度に対する音速特性と同一の音速特性を有する材質であって、前記被検査物と同じ製造工程で製作した素材から、前記被検査物に設置するときに前記被検査物の材料と方向性が一致するように、素材からの切断や加工の方向が選択されて製作されているシューを介して前記被検査物に入射し、前記被検査物から戻ってきた超音波を検出することを特徴とする超音波検査方法。
7. 被検査物が液体を流す管であって、該管内に液体が存在する場合に、圧縮した気体を前記管に注入し圧力を加えることで抜水するか、又は前記管内部を減圧することにより真空状態にして抜水した後に前記請求項５，６のいずれかに記載の方法で超音波を検出することを特徴とする超音波検査方法。

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