JP2008151599A

JP2008151599A - 超音波探触子

Info

Publication number: JP2008151599A
Application number: JP2006338828A
Authority: JP
Inventors: Masao Endo; 正男遠藤; Yoshiaki Nagashima; 良昭永島; Isao Koga; 勇雄甲賀
Original assignee: Hitachi Engineering and Services Co Ltd
Current assignee: Hitachi Engineering and Services Co Ltd
Priority date: 2006-12-15
Filing date: 2006-12-15
Publication date: 2008-07-03
Anticipated expiration: 2026-12-15
Also published as: JP5105851B2

Abstract

【課題】被検体との圧接に強く、かつ、残響の減衰も十分な超音波探触子を提供することにある。
【解決手段】超音波振動子１と、超音波振動子１の両面に形成された電極３と、電極３を保護する保護板２とを有する。保持体５は、金属製の直方体形状であり、保護板２に面接着する。ケース６は、保持体５を収納する凹部を有し、凹部内に保持体５を取り付け固定する。ケース６の凹部と保持体５の間の空隙７ｂには、絶縁性の硬化性樹脂９が充填される。
【選択図】図１

Description

本発明は、配管や肉厚の薄い円筒管の劣化状態を検査する超音波探触子に係り、特に、ガイド波を用いて長距離区間一括して検査するのに好適な非破壊検査の超音波探触子に関する。

従来の、超音波を送波・受波する超音波探触子は、電気・音響変換を行うＰＺＴ等からなる圧電振動子と、この圧電振動子の一方の側に配置される保持体と、上記圧電振動子に対して、この保持板と反対側に配置される保護板とから構成されている。

このような超音波探触子を用いて配管の劣化状態を検査する代表的なものとして、超音波厚み計がある。超音波厚み計では、圧電振動子から成る超音波センサ（探触子）を用いて、配管中に弾性波を励起し、配管の肉厚底面で反射した弾性波を受信して配管の肉厚を測定する。この装置の測定範囲はセンサの大きさに等しいので、長い配管を測定しようとすると、測定点が増加し、多くの時間を要する。

このような問題に対する一つの対応策として、配管のように境界面を有する物体中を反射、モード変換しながら伝播する縦波、横波の干渉によって形成される弾性波であるガイド波を用いて、長距離区間一括して検査する方法がある。

ガイド波を用いる超音波探触子としては、例えば、特許第３７３２５１３号公報の図４や図１１に示されたものが知られている。特許第３７３２５１３号公報の図４に示されたものでは、圧電素子が被検体のパイプとの圧接で壊れないようにタングステン添加エポキシの損失材をチャンバー内に充填し、圧電素子を固定している。また、特許第３７３２５１３号公報の図１１に示されたものでは、支持ブロックに圧電素子が直接接着されている。

特許第３７３２５１３号公報

しかしながら、特許第３７３２５１３号公報の図４に示されたものでは、圧電素子面全体が損失材で接着されていることから、損失材内の欠陥や劣化により亀裂などが発生すると、圧接されている圧電素子に局所的に負荷が生じることにより、破損する恐れがある。

また、特許第３７３２５１３号公報の図１１に示されたものでは、圧電素子は支持ブロックに直接接着されているため、圧接には耐えうるが、残響の減衰が十分にできないという問題ある。

本発明の目的は、被検体との圧接に強く、かつ、残響の減衰も十分な超音波探触子を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、超音波振動子と、前記超音波振動子の両面に形成された電極と、前記電極を保護する保護板とを有する超音波探触子であって、前記保護板の内、一方の保護板に面接着するとともに、金属製の直方体形状の保持体と、前記保持体を収納する凹部を有し、この凹部内に前記保持体を取り付け固定するケースと、前記ケースの凹部と前記保持体の間の空隙に充填された絶縁性の硬化性樹脂とを備えるようにしたものである。
かかる構成により、被検体との圧接に強く、かつ、残響の減衰も十分なものとなる。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記保護板は、被検体と接触する面が、被検体の方向に凸形状である。

（３）上記（１）において、好ましくは、前記保持体は、前記超音波振動子と前記保護板を取付ける部位に、前記超音波振動子と前記保護板の形状に合致する凹部が形成されているものである。

本発明によれば、被検体との圧接に強く、かつ、残響の減衰も十分なものとなる。

最初に、図１を用いて、本発明の第１の実施形態による超音波探触子の構成について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態による超音波探触子の構成を示す断面図である。図１（Ａ）は正面断面図であり、図１（Ｂ）は側面断面図である。

図１（Ａ），図１（Ｂ）に示すように、超音波振動子１は、チタン酸ジルコン酸鉛ＰＺＴで、板形状に製造した剪断振動圧電素子である。超音波振動子１の両面には、電極３が形成されている。電極３は、例えば、銀ペースト焼付け法や無電解ニッケルメッキ法で形成される。超音波振動子１の電極２のそれぞれの表面は、超音波振動子１を保護するため板形状の保護板２が接着されている。

ここで、図１（Ｂ）に示すように、板形状の保護板２は、被検体と接触する面（図中の下面）には全面に接着され、もう一方の面（図中の上面）には超音波振動子１の両側電極にリード線１１を取付ける部位を除いた面に接着する。保護板２としては、十分な強度を有するセラミックス材のアルミナを用いている。なお、保護板２としては、十分な強度を有すれば、エポキシ系の材料、又は、電極表面と保護板を絶縁すれば金属製の材料でもよい。

リード線１１は、超音波振動子１の正負の両電極に、半田付け４や接着剤で結線される。リード線１１は、シールド付き信号線の同軸ケーブルが好ましいものである。リード線１１の結線後は、電極部の半田や接着剤の不純物を溶剤などでよく洗浄しきれいに拭き取る。

リード線１１が結線された超音波振動子１は、リード線１１を取付けた面側を、金属保持体５に接着する。金属保持体５は、鉄基合金のステンレス鋼からなる直方体形である。金属保持体５の超音波振動子１との接着部には、凹部５ａが機械加工で形成されている。凹部５ａの寸法は、超音波振動子１や保護板２と同幅寸法、即ち、振動子１の形状に合った寸法となっている。これにより、製作時に、超音波振動子１が凹部５ａに勘合して、移動しないため、製造時の製品の歩留まりを防止できる。なお、金属保持体５としては、耐食性の良い材料であれば、他の金属を用いることもできる。
金属保持体５は、超音波振動子１がもっている共振周波数を、範囲外に移動させて被検体の測定に用いることで感度の向上を図っている。例えば、超音波振動子１が厚さ１ｍｍで、縦横が３ｍｍ×１５ｍｍのものの場合、その共振周波数は２万Ｈｚ程度である。一方、超音波探触子を測定に用いる周波数は、４０ｋＨｚである。超音波振動子１と金属保持体５とを接着した構造体の共振周波数を、測定周波数（４０ｋＨｚ）と同じにすると、測定時の残響が多く好ましくないものである。それに対して、超音波振動子１と金属保持体５とを接着した構造体の共振周波数を、測定周波数（４０ｋＨｚ）の２倍，すなわち、８０ｋＨｚとすることで、測定時の残響も少なくでき、かつ、超音波振動子１の素子単体で用いた場合に比べて感度を向上することができる。超音波振動子１と金属保持体５とを接着した構造体の共振周波数を、８０ｋＨｚとするための、超音波振動子１の大きさは、厚さ５ｍｍで、縦横が１１ｍｍ×１２ｍｍのものとなる。

金属保持体５に接着された超音波振動子１と保護板２は、金属保持体５にエポキシ系の樹脂により面で接着されているため、測定時にかかる被検体との接触圧力に十分耐えうる。したがって、超音波振動子１を被検体に圧接した場合でも、破壊されるのを防止できる。

金属保持体５に接着した超音波振動子１は、ガイド波超音波探触子のケース６の凹部に取付けられる。ガイド波超音波探触子のケース６は、図示するように、上部空隙７ａと下部空隙７ｂとを有する二層構造である。二層構造の場合、その上部空隙７ａには電極３からの信号配線１１を配置し、下部空隙７ｂには金属保持体５に接着した超音波振動子一体を金属保持体５の片面をケース６に接着剤１３により面接着させて、超音波探触子を製作している。上部空隙７ａの上部は、蓋１４によってカバーされている。

なお、金属保持体５と超音波振動子１の接着と同様、ガイド波超音波探触子のケース６の下部空隙７ｂに金属保持体５を接着するとき、金属保持体５が移動しないように、段差部を加工し、移動防止部１２を設けることで、一定の位置に接着することができるので、製造時の製品の歩留まりを防止できる。

ガイド波超音波探触子のケース６の内部の空隙７ａ，７ｂには、樹脂９が隙間なく充填させれている。樹脂９は、超音波振動子１の補強と、超音波振動子１から送信される音波の残響を減衰させる役割がある。充填する樹脂９は、絶縁性の硬化材料のエポキシ系樹脂やアクリル系樹脂やポリスチレンなどの材料が適当である。

超音波振動子１の電極３に接着又は半田付けして接続したリード線１１は、配線孔１０を通してそのままケース６外へ引き出される。

以上説明したように、本実施形態によれば、超音波振動子を、金属保持体に面接着されているため、測定時にかかる被検体との接触圧力に十分耐えることができ、超音波振動子１を被検体に圧接した場合でも、破壊されるのを防止できる。

また、ガイド波超音波探触子のケースの内部の保持体との間の空隙には、樹脂が充填させれているので、超音波振動子から送信される音波の残響を減衰させることができる。

また、超音波振動子と保持体の共振周波数を最適な共振周波数を選定できるので、感度を向上することができる。

また、保持体に凹状の溝を形成することで、超音波振動子の保護板の表面を保持体に完全に面同士で接着させることができるので、被検体との圧接に強い超音波探触子を得ることができる。

また、超音波探触子ケースの空隙には、超音波振動子、保持体、信号配線を取付けて生じた隙間に絶縁性の硬化性樹脂を隙間なく、気泡が混在しないように緻密に充填することにより、保持体と超音波振動子を一体的に覆うことができるので、超音波振動子と電気配線の接続部を保護でき、外部からの衝撃にも強くすることができる。

次に、図２を用いて、本発明の第２の実施形態による超音波探触子の構成について説明する。
図２は、本発明の第２の実施形態による超音波探触子の構成を示す断面図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。図２（Ａ）は正面断面図であり、図２（Ｂ）は側面断面図である。

本実施形態では、ガイド波超音波探触子ケース６Ａが、二層構造ではなく、一層構造のものである。本実施形態では、保持体５は、図１に示したものと同様であるので、ケース６Ａの高さを、図１に示したケース６に比べて低くでき、超音波探触子を薄型にすることができる。

本実施形態によれば、超音波振動子を、金属保持体に面接着されているため、測定時にかかる被検体との接触圧力に十分耐えることができ、超音波振動子１を被検体に圧接した場合でも、破壊されるのを防止できる。

さらに、超音波探触子を薄型にすることができる。

次に、図３を用いて、本発明の第３の実施形態による超音波探触子の構成について説明する。
図３は、本発明の第３の実施形態による超音波探触子の構成を示す要部断面図である。すなわち、図３は、図１に示す構造の下半分を拡大して図示している。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。図３（Ａ）は要部正面断面図であり、図３（Ｂ）は要部側面断面図である。

本実施形態では、金属保持体５Ｂは、超音波振動子１の取付ける部分（図中の下側）に、凸部５ｂを形成している。これは超音波振動子１の形状が金属保持体５Ｂと比べ小さい場合（図３（Ｂ）における左右方向の超音波振動子１の幅が、保持体５Ｂに比べて小さい場合）に有効である。即ち、リード線１１を取付けた超音波振動子１の正極と負極の電極３が金属保持体５Ｂと接触して導通するのを防止できる。金属保持体５Ｂの凸部５ｂの高さは、半田４や接着剤の高さより高くしている。また、超音波振動子１が製作時に移動しないように、金属保持体５Ｂの接着部は、超音波振動子１と保護板２と同幅寸法の溝、即ち、振動子１の形状に合った凹部５ａを機械加工で形成することで製造時の製品の歩留まりを防止できる。

さらに、超音波探触子が小さい場合でも、電極が金属保持体と接触して導通するのを防止できる。

次に、図４を用いて、本発明の第４の実施形態による超音波探触子の構成について説明する。
図４は、本発明の第４の実施形態による超音波探触子の構成を示す断面図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。図４（Ａ）は正面断面図であり、図４（Ｂ）は側面断面図である。

本実施形態は、図１に示した二層構造のガイド波超音波探触子ケース６の上部空隙７ａに、接続コネクタ８を取付けてている。電極３からのリード線１１は、接続コネクタ８も接続され、リード線１１を外部と簡易に接続できるようにしている。また、接続コネクタ８の仕様によっては、上部空隙７ａの全領域を接続コネクタ８が占める場合もあり、この点でも二層構造が有効である。さらに、接続コネクタ８を設けることで、ガイド波超音波探触子が不良になった場合でもリード線１１の切断，接続が必要なく、容易に交換が可能な利点がある。

さらに、外部との接続を容易にすることができる。

次に、図５を用いて、本発明の第５の実施形態による超音波探触子の要部構成について説明する。
図５は、本発明の第５の実施形態による超音波探触子の構成を示す要部断面図である。すなわち、図３は、図１に示す構造の下半分を拡大して図示している。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。図５（Ａ）は要部正面断面図であり、図５（Ｂ）は要部側面断面図である。

本実施形態は、超音波振動子１の電極３の表面に設けられ、電極３を保護する保護板２の内、被検体１５の表面に接触する保護板２ａとして、被検体１５の方向に凸形状の曲率を設けた形状としている。

被検体１５は、配管のような円筒菅である。円筒菅の直径が小さい場合（例えば、３００ｍｍφ以下の場合）は、平面上の保護板と被検体１５の表面が直線で接触するため、その接触位置をほぼ一定にすることができる。しかしながら、円筒菅の直径が大きくなると（例えば、３００ｍｍφ以上となると）、円筒菅の表面は、より平面に近くなるため、保護板と被検体１５の接触位置が変化しやすくなる。このように、被検体１５の表面の曲率半径が大きい場合、保護板２ａとして、図示するように凸形状とすることで、保護板２ａと被検体１５の接触位置をほぼ一定にすることができる。

また、被検体１５との接触面積が小さくでき、接触部位の圧力が大きくなるため、超音波振動子１の送信受信信号は被検体１５に伝播し易くなる。

さらに、保護板と被検体の接触位置をほぼ一定にすることができる。

また、被検体との接触面積が小さくでき、超音波振動子の送信受信信号は被検体に伝播し易くなるため、感度を向上することができる。

本発明の第１の実施形態による超音波探触子の構成を示す断面図である。本発明の第２の実施形態による超音波探触子の構成を示す断面図である。本発明の第３の実施形態による超音波探触子の構成を示す要部断面図である。本発明の第４の実施形態による超音波探触子の構成を示す断面図である。本発明の第５の実施形態による超音波探触子の構成を示す要部断面図である。

符号の説明

１…超音波振動子
２…保護板
３…電極
４…半田接着部
５…金属保持体
６…ケース
７…空隙
８…接続コネクタ
９…樹脂
１０…配線孔
１１…リード線
１２…移動防止部
１３…面接着部
１４…蓋
１５…被検体

Claims

超音波振動子と、前記超音波振動子の両面に形成された電極と、前記電極を保護する保護板とを有する超音波探触子であって、
前記保護板の内、一方の保護板に面接着するとともに、金属製の直方体形状の保持体と、
前記保持体を収納する凹部を有し、この凹部内に前記保持体を取り付け固定するケースと、
前記ケースの凹部と前記保持体の間の空隙に充填された絶縁性の硬化性樹脂とを備えることを特徴とする超音波探触子。
請求項１記載の超音波探触子において、
前記保護板は、被検体と接触する面が、被検体の方向に凸形状であることを特徴とする超音波探触子。
請求項１記載の超音波探触子において、
前記保持体は、前記超音波振動子と前記保護板を取付ける部位に、前記超音波振動子と前記保護板の形状に合致する凹部が形成されていることを特徴とする超音波探触子。