JP2008051557A - 超音波探触子及び超音波探傷装置 - Google Patents

Abstract

【課題】探触子を測定対象物から離すことなく任意の方向に移動させて厚さ又は亀裂深さを測定する。
【解決手段】超音波探触子１０は、超音波振動子１１と、前記超音波振動子と測定対象物１００との間に配置され、超音波が通過する球体１２と、前記球体を回転可能に保持する保持機構と、前記超音波振動子と前記球体との間で超音波を伝播させる液状媒体１７とを備える。超音波探傷装置は、一対の超音波探触子と、前記一対の超音波探触子を保持するホルダとを備え、前記一対の超音波探触子のそれぞれが本発明の超音波探触子である。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波探傷試験等に好ましく使用することができる超音波探触子及び超音波探傷装置に関する。

従来から、種々の分野において、金属部品等の厚さを測定するため、あるいは、表面または内部のき裂の発生やその大きさを調べるため、超音波を用いた探傷試験が行われている。超音波による厚さの測定は図７に示すようにして行うことができ、また、超音波による亀裂深さの測定は、図８に示すようにして行うことができる（例えば、特許文献１、非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３参照）。

図７は、超音波による厚さ測定方法を示す図である。図７に示すように、超音波探触子９０を測定対象物１００の一方の表面上に配置し、次いで、超音波探触子９０から測定対象物１００内に超音波を入射する。さらに、測定対象物１００の他方の表面で反射した超音波を超音波探触子９０で受信し、超音波の送信から受信までの時間を計測する。この測定した時間から超音波の進んだ距離が算出される。この距離の１／２が測定対象物１００の厚さとなる。

図８は、超音波による亀裂深さの測定方法を示す図である。図８に示すように、送信用探触子９１と受信用探触子９２とをあらかじめ定めた距離を隔てて測定対象物１００の表面上に配置する。このとき、送信用探触子９１と受信用探触子９２との間を測定対象物１００の表面に形成されている亀裂１０１が横切るように、探触子９１，９２の位置を調整する。

次いで、送信用探触子９１から測定対象物１００内に超音波を入射する。さらに、亀裂１０１の底部１０１ａを回折して送信用探触子９１とは反対側に進む超音波を受信用探触子９２で受信し、超音波の送信から受信までの時間を計測する。この測定した時間から超音波の進んだ距離が算出される。その後、算出した距離と、送信用探触子９１から受信用探触子９２までの距離とから、亀裂１０１の深さが算出される。

また、特許文献２には、一対の車輪の内部に送信用探触子及び受信用探触子をそれぞれ内蔵した超音波探傷装置が開示されている。この超音波探傷装置によれば、一対の車輪を回転させることにより送信用探触子及び受信用探触子を測定対象物から離すことなくその位置を移動させることができるので、効率よく連続して測定を行うことができる。
特開昭５４−１５０１８８号公報 特開２００５−３１５８００号公報 「ブリティッシュ・スタンダード(BRITISH STANDARD)」、１９９３年、ＢＳ７７０６ ジョセフ・クラウトクレーマ(Josef Krautkramer)、ヘルベルト・クラウトクレーマ(Herbert Krautkramer)著、「ウルトラソニック・テスティング・オブ・マテリアルズ(Ultrasonic Testing of Materials)」、スプリンガー・ベルラーグ(Springer Verlag)、１９９０年、ｐ．３２３ 「超音波探傷試験III」、社団法人日本非破壊検査協会、１９８９年２月１日、ｐ１３３−１３４

しかしながら、図７及び図８に示した測定方法においては、厚さの連続した変化を測定する場合あるいは多数の亀裂深さをそれぞれ測定する場合には、探触子の移動及び位置決めに多大な時間を要する。

また、特許文献２に示された超音波探傷装置では、探触子を測定対象物から離すことなく厚さや亀裂深さを連続して測定することができるが、一対の車輪の回転軸方向は固定されているので、超音波探傷装置を任意の方向に移動させながら連続して測定することはできない。

本発明は、上記の従来の問題を解決し、探触子を測定対象物から離すことなく任意の方向に移動させて厚さ又は亀裂深さを測定することができる超音波探触子及び超音波探傷装置を提供することを目的とする。

本発明の超音波探触子は、測定対象物に超音波を入射させ及び／又は前記測定対象物からの超音波を受信する超音波探触子であって、超音波振動子と、前記超音波振動子と前記測定対象物との間に配置され、超音波が通過する球体と、前記球体を回転可能に保持する保持機構と、前記超音波振動子と前記球体との間で超音波を伝播させる液状媒体とを備えることを特徴とする。

また、本発明の超音波探傷装置は、一対の超音波探触子と、前記一対の超音波探触子を保持するホルダとを備え、前記一対の超音波探触子のうちの一方が測定対象物に超音波を入射させ、他方が前記測定対象物からの超音波を受信する超音波探傷装置であって、前記一対の超音波探触子のそれぞれが上記の本発明の超音波探触子であることを特徴とする。

本発明の超音波探触子によれば、超音波探触子を測定対象物に接触させたまま任意の方向に移動させることができるので、その間、超音波の送信及び受信を行えば、測定対象物の厚さを連続して測定することができる。

また、本発明の超音波探傷装置によれば、一対の超音波探触子を測定対象物に接触させたまま任意の方向に移動させることができるので、その間、超音波の送信及び受信を行えば、測定対象物に不規則に存在する多数の亀裂の深さを次々に測定していくことができる。

本発明の超音波探触子において、前記球体がゴム系材料からなることが好ましい。これにより、球体と測定対象物の表面とが面積を有する接触領域にて密着する。従って、超音波探傷において通常必要である接触媒質を用いることなく、球体と測定対象物との間での超音波の伝播が容易になる。

前記超音波振動子から放出された超音波が前記球体と前記測定対象物の表面との接触領域内又はその近傍に集束されることが好ましい。これにより、超音波エネルギーの無駄を少なくして超音波振動子からの超音波を測定対象物に入射させることができる。従って、Ｓ／Ｎ比が向上し、精度よい測定を行うことができる。

前記超音波振動子がコンポジット振動子であり、前記球体に対向する面が凹曲面となるように変形されていることが好ましい。コンポジット振動子を用いることにより、エネルギー変換効率が良く高感度の超音波探触子を実現できる。また、吸音材を軽量化できる。更に、超音波を集束させるために音響レンズが不要になるので、部品点数を削減できる。また、球体の曲率半径に応じて、任意の凹曲面を高精度に容易に形成することができる。

以下、本発明を、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は本発明の一実施形態に係る超音波探触子１０の概略構成を示した断面図、図２はその外観斜視図、図３はその分解斜視図である。

超音波探触子１０は、超音波を放出し及び／又は超音波を受信する超音波振動子１１と、超音波振動子１１と測定対象物１００との間に配置される球体１２とを備える。

超音波振動子１１は、吸音材などを含む振動子ホルダ１３の下端に固定されている。振動子ホルダ１３から導出された配線ケーブル１４を介して超音波振動子１１に対して電気信号の授受が行われる。振動子ホルダ１３は、略円柱状の第１支持部材２１の中心軸にほぼ沿って形成された貫通孔２１ａ内に挿入され、固定ネジ１５を用いて第１支持部材２１に固定される。

中空円筒形状の第２支持部材２２の一方の側の開口から、球体１２及び複数の支持ボール１６が順に挿入され、更に第１支持部材２１が嵌入される。第２支持部材２２の他方の側の開口近傍の内壁面にはシール２３が環状に突出して形成されている。シール２３が、この他方の側の開口から球体１２が脱落するのを防止している。複数の支持ボール１６及びシール２３により、球体１２は第１支持部材２１及び第２支持部材２２により形成されたカップ状の空間内に任意の方向に自由に回転可能に保持される。

図１に示すように、超音波振動子１１と球体１２とは互いに近接し且つ対向して配置されている。超音波振動子１１と球体１２との間の隙間を含む、球体１２が収納されたカップ状の空間内には液状媒体１７が充填されている。液状媒体１７は、第２支持部材２２の側壁に形成された貫通孔に挿入された注入パイプ１８を介して注入される。シール２３は液状媒体１７が漏出するのを防止している。

球体１２の材料は特に限定されないが、ゴム系材料であることが好ましい。ゴム系材料としては、例えばシリコンゴム、ＮＢＲゴム、ウレタンゴム、バイトンゴムなどを使用することができる。ゴム系材料を用いることにより、測定に際して球体１２が測定対象物１００の表面に押し付けられると、球体１２が変形して測定対象物１００の表面に密着してある面積を有する接触領域１１０が形成される。これにより、接触領域１１０を介して測定対象物１００と球体１２との間での超音波の伝播が容易になり、超音波探傷において通常必要である超音波探触子と測定対象物との間に付与される接触媒質が不要になる。

超音波振動子１１から放出された超音波は、球体１２と測定対象物１００の表面との接触領域１１０内又はその近傍にビーム状に集束されることが好ましい。これにより、より強い超音波を測定対象物１００内に入射させることができる。また、測定対象物１００に入射せず、球体１２の表面で反射することで発生するノイズを抑制することができる。

超音波を集束するための方法は特に限定されない。例えば、図１に示すように、超音波振動子１１としてコンポジット振動子を用い、その球体１２に対向する面が凹曲面となるようにコンポジット振動子を変形させてもよい。コンポジット振動子とは、ポリマーなどのシート状物に多数の微小な圧電セラミックを格子点状に埋め込んだ複合振動子である。コンポジット振動子は可撓性を有し、任意の３次元曲面に容易に成形することができる。特に１−３コンポジット振動子はエネルギー変換効率が高く、高感度であるので好ましい。コンポジット振動子の球体１２に対向する面が凹曲面となるようにコンポジット振動子を変形させることにより、球体１２に対する超音波の入射角が小さくなるので、球体１２の表面で反射され、球体１２内に入射しない超音波を低減できるという効果も得られる。

コンポジット振動子の球体１２に対向する面の曲率半径は、球体１２の外表面の曲率半径よりやや大きいことが好ましい。これにより、集束された超音波ビームの焦点位置を、球体１２と測定対象物１００の表面との接触領域１１０にほぼ一致させることができる。

超音波を集束するための方法としては、上記に限定されず、例えば後述する図６に示すように、超音波振動子４１と球体１２との間に音響レンズ４２を配置する方法を用いることもできる。

液状媒体１７は、超音波振動子１１と球体１２との間での超音波の伝播を容易にする。液状媒体１７の材料は特に制限はないが、例えばグリース、グリセリンなどを使用することができる。液状媒体１７中を伝播する超音波の伝播速度が球体１２中を伝播する超音波の伝播速度及び／又は支持部材中を伝播する超音波の伝播速度と同じになるように液状媒体１７の材料を選択すれば、超音波探触子１０の各部での超音波の反射によるノイズを低減することができる。

支持ボール１６は球体１２より小径の球状体である。支持ボール１６の材料は特に制限はないが例えばステンレス鋼を用いることができる。支持ボール１６の個数も特に制限はない。なお、球体１２を自由に回転させることができれば、複数の支持ボール１６以外の方法により球体１２を支持してもよい。

次に、本発明の超音波探触子１０を用いた測定対象物１００の厚さ測定方法を説明する。図７で説明したのと同様に、厚さ測定では１つの超音波探触子１０を用いる。図１に示すように、接触領域１１０での測定対象物１００の表面に対する法線上に超音波振動子１１がほぼ位置するように、超音波探触子１０を測定対象物１００に押し付ける。次いで、超音波振動子１１を振動させると、これから放出された超音波は、液状媒体１７、球体１２を順に通過して、接触領域１１０を介して測定対象物１００に入射する。入射した超音波は測定対象物１００の入射面とは反対側の面に到達し、ここで反射されて、上記と逆の経路を通って超音波振動子１１に入射してこれを振動させる。超音波振動子１１はこの振動を電気信号に変換して出力する。超音波振動子１１による超音波の送信から受信までの時間を計測すれば、測定対象物１００の厚さを計算することができる。

測定対象物１００上の測定位置を変えるには、超音波探触子１０を測定対象物１００に押し付けたままで超音波探触子１０を任意の方向に移動させればよい。移動中、球体１２は測定対象物１００の表面との密着状態を維持しながら測定対象物１００上を転がる。従って、移動中も超音波の送信と受信とを繰り返し行えば、厚さ測定を次々に連続的に行うことができる。

次に、本発明の超音波探触子１０を用いた、測定対象物１００上に形成された亀裂深さの測定方法を説明する。図８で説明したのと同様に、亀裂深さ測定では２つの超音波探触子１０を備えた超音波探傷装置を用いる。２つの超音波探触子１０のうちの一方を超音波を送信する送波子とし、他方を超音波を受信する受波子とする。

２つの超音波探触子１０を測定対象物１００に同時に押し付ける。このとき、測定対象物１００に対する超音波探触子１０の角度は、垂直、即ち、図１に示すように接触領域１１０での測定対象物１００の表面に対する法線上に超音波振動子１１が位置する角度であってもよい。しかしながら、２つの超音波探触子１０の間の亀裂に向かって超音波が送信され、且つこの亀裂からの超音波が受信されるように、図４に示すように、測定対象物１００の表面に対して２つの超音波探触子１０を互いに反対方向に傾斜させることが好ましい。測定中に２つの超音波探触子１０の相対的位置関係（間隔及び傾斜角度など）が一定に維持されるように、２つの超音波探触子１０はホルダ（図示せず）で一体に保持されていることが好ましい。

図５に一方の超音波探触子１０についての測定対象物１００と球体１２と超音波振動子１１との相対的位置関係を示す。図１と異なり、図５に示すように超音波探触子１０を傾斜させると、接触領域１１０での測定対象物１００の表面に対する法線からずれた位置に超音波振動子１１が配置される。このとき、図５に示した超音波振動子１１と球体１２との間の間隔ｄ１，ｄ２がｄ１＜ｄ２を満足すると、超音波振動子１１から放出された超音波を接触領域１１０内に集束させやすくなるので好ましい。亀裂の深さが相対的に深い場合には超音波の減衰が大きくなるので、図４のように超音波探触子１０を傾斜させること、更に、超音波振動子１１から放出された超音波を接触領域１１０内に集束させることは、亀裂深さを正確に測定するのに効果的である。

送波子から超音波を放出させながら、２つの超音波探触子１０を測定対象物１００に同時に押し付けまま移動させる。２つの超音波探触子１０間に亀裂がなければ受波子は測定対象物１００の表面に沿って直進する超音波を受信し、２つの超音波探触子１０間に亀裂があれば受波子は亀裂の底部（図８の底部１０１ａを参照）を回折した超音波を受信する。亀裂が深いほど受波子が受信する超音波のエネルギーは小さくなるので、受信した超音波の振幅から亀裂の深さを測定することができる。また、深い亀裂であれば、超音波が送波子から送信された後、亀裂の底部を回折して受波子に受信されるまでの時間が長くなるので、厚さ測定の場合と同様に、超音波の送信から受信までの時間を計測することにより、亀裂の深さを算出することもできる。

また、測定対象物１００の裏面で反射した超音波を受波子で受信し、超音波の送信から受信までの時間を計測することにより、２つの超音波探触子１０を用いて測定対象物１００の厚さを測定することもできる。

図６は本発明の別の実施形態に係る超音波探傷装置の概略構成を示した断面図である。図６の超音波探傷装置は、図４の超音波探傷装置と同様に、測定対象物１００の厚さ及び亀裂１０１の深さを測定することができる。図６の超音波探傷装置は、２つの超音波探触子１０ａ，１０ｂと、２つの超音波探触子１０ａ，１０ｂ間で超音波が直接伝播するのを防止するための音響隔離壁３１と、２つの超音波探触子１０ａ，１０ｂを一体に保持するホルダ３０とを備える。２つの超音波探触子１０ａ，１０ｂの構成は同じであり、一方は超音波を送信する送波子として使用され、他方は超音波を受信する受波子として使用される。図６において、図１〜図４と同じ構成部材には同じ符号を付してそれらの説明を省略する。

超音波振動子から放出された超音波を集束させるために、図１では超音波振動子１１として曲面成形されたコンポジット振動子を用いたが、図４では超音波振動子４１と球体１２との間に音響レンズ４２を用いている。音響レンズ４２の球体１２に対向する面に形成された凹曲面が超音波振動子４１から放出された超音波を球体１２と測定対象物１００の表面との接触領域内又はその近傍に集束させる。音響レンズ４２は、超音波を集束させる機能を有していれば特に制限はないが、例えば高密度ポリスチレン樹脂の板材を削り出し加工して製作することができる。音響レンズ４２は、超音波の伝播を容易にするために超音波振動子４１に密着されている。

音響レンズ４２を用いて超音波を集束させる場合、超音波振動子４１としては、圧電セラミック材料からなる一般的なセラミック振動子を用いることができる。セラミック振動子を用いた場合、コンポジット振動子を用いた場合に比べて、超音波の周波数帯域を拡大することができるという利点を有する反面、多くの吸音材を設ける必要があること、また概して感度が低いという欠点を有する。

図６では図示を省略しているが、球体１２は図１と同様の保持機構により回転可能に保持されている。また、音響レンズ４２と球体１２とは互いに近接して配置され、音響レンズ４２と球体１２との間の隙間には図１と同様に液状媒体（図示せず）が充填されている。

図６では、ホルダ３０は２つの超音波探触子１０ａ，１０ｂをほぼ平行に保持しているが、図４と同様に、２つの超音波探触子１０ａ，１０ｂを互いに傾斜させて保持していても良い。

本発明の利用分野は特に制限はなく、超音波を用いた探傷試験として広く利用することができる。特に、超音波探触子又は超音波探傷装置を測定対象物から離すことなく任意の方向に移動させて連続的に厚さ又は亀裂深さを測定することができるので、厚さが連続的に変化する場合や多数の亀裂が存在する場合に、効率よい測定を行うことができる。例えば、配管やタンクの肉厚測定、ガスタービン動翼や溶接部の亀裂測定などに利用できる。

図１は、本発明の一実施形態に係る超音波探触子の概略構成を示した断面図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る超音波探触子の概略構成を示した外観斜視図である。 図３は、本発明の一実施形態に係る超音波探触子の概略構成を示した分解斜視図である。 図４は、本発明の一実施形態に係る超音波探傷装置の概略構成を示した外観斜視図である。 図５は、本発明の一実施形態に係る超音波探傷装置において、測定対象物と球体と超音波振動子との相対的位置関係を示した概念図である。 図６は、本発明の別の実施形態に係る超音波探傷装置の概略構成を示した断面図である。 図７は、超音波による厚さの測定方法を示した図である。 図８は、超音波による亀裂深さの測定方法を示した図である。

符号の説明

１０，１０ａ，１０ｂ 超音波探触子
１１ 超音波振動子
１２ 球体
１３ 振動子ホルダ
１４ 配線ケーブル
１５ 固定ネジ
１６ 支持ボール
１７ 液状媒体
１８ 注入パイプ
２１ 第１支持部材
２１ａ 貫通孔
２２ 第２支持部材
２３ シール
３０ ホルダ
３１ 音響隔離壁
４１ 超音波振動子
４２ 音響レンズ
１００ 測定対象物
１０１ 亀裂
１１０ 接触領域

Claims (5)

1. 測定対象物に超音波を入射させ及び／又は前記測定対象物からの超音波を受信する超音波探触子であって、
   超音波振動子と、
   前記超音波振動子と前記測定対象物との間に配置され、超音波が通過する球体と、
   前記球体を回転可能に保持する保持機構と、
   前記超音波振動子と前記球体との間で超音波を伝播させる液状媒体と
   を備えることを特徴とする超音波探触子。
2. 前記球体がゴム系材料からなる請求項１に記載の超音波探触子。
3. 前記超音波振動子から放出された超音波が前記球体と前記測定対象物の表面との接触領域内又はその近傍に集束される請求項１に記載の超音波探触子。
4. 前記超音波振動子がコンポジット振動子であり、前記球体に対向する面が凹曲面となるように変形されている請求項１に記載の超音波探触子。
5. 一対の超音波探触子と、前記一対の超音波探触子を保持するホルダとを備え、前記一対の超音波探触子のうちの一方が測定対象物に超音波を入射させ、他方が前記測定対象物からの超音波を受信する超音波探傷装置であって、前記一対の超音波探触子のそれぞれが請求項１〜４のいずれかに記載の超音波探触子である超音波探傷装置。

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