JP2021085728A

JP2021085728A - 探触子および板厚測定装置

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Publication number: JP2021085728A
Application number: JP2019214073A
Authority: JP
Inventors: 孝夫名取; Takao Natori
Original assignee: High Pressure Institute Of Japan; Japan Oil Gas and Metals National Corp
Current assignee: High Pressure Institute Of Japan; Japan Oil Gas and Metals National Corp
Priority date: 2019-11-27
Filing date: 2019-11-27
Publication date: 2021-06-03
Anticipated expiration: 2039-11-27
Also published as: JP7327759B2

Abstract

【課題】劣化したコーティング層を有する金属板の厚さを精度よく測定する板厚測定装置の探触子を提供する。【解決手段】板厚測定装置に用いられる探触子３０であって、金属板２０の第１面に接触する接触面１３０と、接触面を介して超音波を金属板に向けて送信する第１送信側振動子１１２を有する送信部１１０と、第１送信側振動子から送信され、接触面を介して金属板に反射された超音波を受信する第１受信側振動子１２２を有する受信部１２０と、送信部から受信部への超音波の伝播を遮断する第１隔離部１４０と、を有し、第１受信側振動子の超音波を受信する周波数特性の中心周波数が、第１送信側振動子が発生させる超音波の周波数特性の中心周波数よりも低い、探触子を提供する。【選択図】図４

Description

本発明は、探触子および板厚測定装置に関する。

鋼板等の金属板の厚さを測定する板厚測定装置が知られている。板厚測定装置は、例えば、探触子を金属板の表面に接触させて金属板の裏面方向に超音波を送信してから、裏面で反射された超音波を検出するまでの時間に基づき、当該金属板の厚さを測定していた（例えば特許文献１）。

特開２００２−３９７３２号公報

金属板の探触子が接触する接触面には、金属板の保護等の目的で、コーティング層が設けられていることがある。このようなコーティング層は、経年劣化等により、超音波を吸収および散乱させてしまい、金属板を伝播する超音波を減衰させてしまうことがある。この場合、板厚測定装置は、劣化したコーティング層を有する金属板の厚さを測定することが困難になることがあった。

そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、劣化したコーティング層を有する金属板の厚さを精度よく測定する板厚測定装置の探触子を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様においては、金属板の厚さを測定する板厚測定装置に用いられる探触子であって、前記金属板の第１面に接触する接触面と、前記接触面を介して超音波を前記金属板に向けて送信する第１送信側振動子を有する送信部と、前記第１送信側振動子から送信され、前記接触面を介して前記金属板に反射された超音波を受信する第１受信側振動子を有する受信部と、前記送信部から前記受信部への超音波の伝播を遮断する第１隔離部と、を有し、前記第１受信側振動子の超音波を受信する周波数特性の中心周波数が、前記第１送信側振動子が発生させる超音波の周波数特性の中心周波数よりも低い、探触子を提供する。

前記第１隔離部は、前記送信部と前記受信部との間において、前記接触面と直交する面を有してもよい。

前記金属板は、前記第１面の少なくとも一部にコーティング層が形成されており、前記第１受信側振動子の超音波の受信帯域の中心周波数は、前記第１送信側振動子が発生した超音波の周波数帯域のうち、前記コーティング層で減衰する減衰率が９０％以下となる周波数帯域に含まれる周波数であってもよい。

前記送信部は、前記第１送信側振動子を固定する送信側固定部をさらに有し、前記第１送信側振動子は、前記送信側固定部における前記接触面とは反対側の送信側固定面に設けられており、前記送信側固定面は、前記第１送信側振動子が発生させた超音波を前記金属板の前記第１面とは反対側の第２面の一部を含む領域に集める曲率の曲面を有してもよい。

前記受信部は、前記第１受信側振動子を固定する受信側固定部をさらに有し、前記第１受信側振動子は、前記受信側固定部における前記接触面とは反対側の受信側固定面に設けられており、前記受信側固定面は、前記金属板の前記第２面の一部から反射されて拡散された超音波を前記第１受信側振動子に到達させる曲率の曲面を有してもよい。

前記送信側固定面および前記受信側固定面は、予め定められた共通の点を中心とした共通の球面の、互いに異なる一部の曲面であってもよい。

前記送信部は、超音波を前記金属板の前記第１面に向けて送信する第２送信側振動子を更に有し、前記受信部は、前記第２送信側振動子から送信され、前記金属板の前記第１面に反射された超音波を受信する第２受信側振動子を更に有してもよい。

前記第２送信側振動子が発する超音波の周波数特性の中心周波数は、前記第２受信側振動子の超音波の受信帯域の中心周波数と一致してもよい。

前記接触面は円形であり、前記送信部、前記受信部、および前記第１隔離部の少なくとも一部は、一体となって、前記接触面と直交する方向に延伸する円柱の形状を有し、前記円柱の内部において、前記第１送信側振動子および前記第１受信側振動子が超音波を送受信する第１領域は、前記第２送信側振動子および前記第２受信側振動子が超音波を送受信する第２領域とは異なり、当該第２領域よりも外周側に設けられていてもよい。

前記第１領域および前記第２領域の間には、超音波の伝播を遮断する第２隔離部が設けられており、前記第２隔離部は、前記円柱の中心軸を中心軸とする円錐の一部であってもよい。

前記送信部は、前記送信側固定面の一部に第１凹部を有し、前記第１凹部の底面に前記第２送信側振動子が設けられていてもよい。

前記受信部は、前記受信側固定面の一部に第２凹部を有し、前記第２凹部の底面に前記第２受信側振動子が設けられていてもよい。

本発明の第２の態様においては、金属板の厚さを測定する板厚測定装置であって、第１の態様の前記探触子と、前記探触子の前記送信部に超音波を発生させるための駆動信号を供給する信号供給部と、前記探触子の前記受信部が受信した超音波信号を取得する信号取得部と、前記超音波信号に基づき、前記金属板の厚さを算出する算出部とを備える、板厚測定装置を提供する。

本発明によれば、劣化したコーティング層を有する金属板の厚さを精度よく測定できるという効果を奏する。

本実施形態に係る板厚測定装置１０の概要を説明するための図である。本実施形態に係るコーティング層を有する金属板２０の伝播特性の第１例を示す。本実施形態に係るコーティング層を有する金属板２０の伝播特性の第２例を示す。本実施形態に係る探触子３０の第１構成例を金属板２０と共に示す。第１構成例の探触子３０の接触面１３０側から見た図の一例を示す。本実施形態に係る探触子３０の第２構成例を金属板２０と共に示す。第２構成例の探触子３０の接触面１３０側から見た図の一例を示す。本実施形態に係る信号取得部５０が、探触子３０から取得した超音波信号の信号波形の概念図を示す。

＜板厚測定装置１０の構成例＞
図１は、本実施形態に係る板厚測定装置１０の概要を説明するための図である。図１（ａ）は、板厚測定装置１０の機能構成図である。図１（ｂ）は、板厚測定装置１０が厚さを測定する対象である金属板２０の断面の模式図である。板厚測定装置１０は、超音波を用いて金属板２０の厚さを非破壊で測定する。金属板２０は、金属製の板であり、例えば、一般構造用圧延鋼材といった鋼板等である。本実施形態において、板厚測定装置１０が測定する金属板２０の厚さは、金属板２０の第１面２１と、第１面２１の反対側の第２面２２との間の距離である。金属板２０は、第１面２１の少なくとも一部にコーティング層２３が形成されている。コーティング層２３は、金属板の保護等の目的で設けられている。板厚測定装置１０は、探触子３０と、信号供給部４０と、信号取得部５０と、算出部６０と、表示部７０とを備える。

探触子３０は、測定対象の当該金属板２０に接触して超音波を送信し、送信した超音波の反射波を受信する。探触子３０は、送信部１１０と、受信部１２０と、接触面１３０とを有する。送信部１１０は、外部から供給される駆動信号に応じて超音波を金属板２０に送信する。受信部１２０は、金属板２０の第１面２１とは反対側の第２面２２で反射された超音波を受信する。接触面１３０は、金属板２０の厚さを測定する際に金属板２０の第１面２１と接触する面である。このような探触子３０のより詳細な説明は、後述する。

信号供給部４０は、探触子３０の送信部１１０に超音波を発生させるための駆動信号を供給する。信号供給部４０は、例えば、予め定められたスパイク波または矩形波等のパルス状の駆動信号を供給する。信号供給部４０は、１波長から数波長程度の駆動信号を供給する。これにより、送信部１１０が送信する超音波は、ある程度の帯域幅を有することになる。例えば、超音波は、中心周波数の値の１／２程度以上の帯域幅を有することが望ましい。信号供給部４０は、このような超音波を発生させる駆動信号を、送信部１１０に供給する。

信号取得部５０は、探触子３０の受信部１２０が受信した超音波信号を取得する。信号取得部５０は、受信部１２０が出力する出力信号の時間的な変化を超音波信号として取得する。信号取得部５０は、一例として、取得した超音波信号を記憶部等に記憶する。

算出部６０は、超音波信号に基づき、金属板２０の厚さを算出する。算出部６０は、例えば、金属板２０の第１面２１で反射された超音波と、第２面２２で反射された超音波とをそれぞれ検出したタイミングの差に基づき、金属板２０の厚さを算出する。算出部６０による厚さの計算は、既知の方法に基づくものなのでここでは説明を省略する。算出部６０は、例えば、算出した金属板２０の厚さを記憶部等に記憶する。また、算出部６０は、外部のデータベース等に算出結果を記憶してもよい。

表示部７０は、算出した金属板２０の厚さを測定結果として表示する。また、表示部７０は、超音波信号の時間波形および／または周波数特性等を表示してもよい。また、表示部７０は、金属板２０の異なる複数の位置と、当該複数の位置における厚さの測定結果とを、対応させて表示してもよい。

以上の板厚測定装置１０は、金属板２０を超音波が伝播する時間に基づき、当該金属板２０の厚さを算出する。ここで、金属板２０に設けられているコーティング層２３が正常な状態であれば、次に説明するように、数ＭＨｚ程度の超音波を伝播させることができる。

＜正常なコーティング層２３を有する金属板２０の伝播特性＞
図２は、本実施形態に係るコーティング層２３を有する金属板２０の伝播特性の第１例を示す。図２は、コーティング層２３が正常な場合の伝播特性の例を示す。図２は、横軸が超音波の周波数、縦軸が超音波の透過率を示す。図２に示す伝播特性は、金属板２０の第２面２２から反射された超音波を板厚測定装置１０が検出した時間軸の波形を、フーリエ変換して周波数軸上の特性に変換した結果の一例である。

図２より、正常なコーティング層２３を有する金属板２０は、数ＭＨｚ程度の超音波を伝播させることができることがわかる。したがって、板厚測定装置１０は、超音波の反射波に基づき、金属板２０の厚さを測定することができる。なお、板厚測定装置１０は、用いる超音波の周波数を高くすることで、より高い精度で金属板２０の厚さを測定することができる。したがって、板厚測定装置１０が用いる超音波の周波数は、測定対象の金属板２０における超音波の透過率が高い帯域内において、より高い周波数であることが望ましい。

そこで、従来は、例えば、±０．１ｍｍ程度の誤差で金属板２０の厚さを測定するために、中心周波数が５ＭＨｚ程度の超音波を用いていた。この場合、探触子３０の送信部１１０および受信部１２０には、固有振動の周波数が略５ＭＨｚとなる振動子をそれぞれ設けられていた。しかしながら、コーティング層２３が変質すると、金属板２０の伝播特性が大きく変動することがある。

＜劣化したコーティング層２３を有する金属板２０の伝播特性＞
図３は、本実施形態に係るコーティング層２３を有する金属板２０の伝播特性の第２例を示す。図３は、経年劣化等によりコーティング層２３が劣化した場合の伝播特性の例を示す。図３は、図２と同様に、横軸が超音波の周波数、縦軸が超音波の透過率を示す。図３に示すように、コーティング層２３が劣化すると、超音波の伝播特性が悪化することがわかる。例えば、３ＭＨｚ以上の高周波領域の伝播特性が悪化していることがわかる。この場合、中心周波数が５ＭＨｚ程度の超音波を用いている板厚測定装置１０は、超音波の反射波を検出することが困難となり、金属板２０の厚さを測定できなくなってしまう。

金属板２０の厚さの測定は、例えば、構造物として形成された後の当該金属板２０の保守点検等の目的で実行されることがある。一例として、金属板２０がオイルタンク等として形成された場合、金属板２０のコーティング層２３とは反対側のオイルと接触する第２面２２が腐食してしまうことがある。このような腐食が進むと、金属板２０の少なくとも一部の厚さが薄くなるので、板厚測定装置１０が当該金属板２０の厚さを測定することで、腐食の度合いを確認することができる。

したがって、金属板２０がオイルタンク等として形成された後に、コーティング層２３側の第１面２１側から金属板２０の厚さを定期的に測定して、当該オイルタンクを容易に保守および点検できる板厚測定装置１０が望まれていた。しかしながら、コーティング層２３が経年劣化すると、図３に示すように超音波の伝播特性が悪化するので、板厚測定装置１０は、金属板２０の腐食等の経年劣化による厚さの変化を測定することが困難になっていた。

そこで、本実施形態に係る板厚測定装置１０は、送信部１１０の振動子および受信部１２０の振動子の周波数特性を、コーティング層２３の減衰特性に対応させてそれぞれ調節することで、コーティング層２３が劣化した金属板２０であっても、精度よく厚さを測定可能とする。このような板厚測定装置１０に設けられている探触子３０について次に説明する。

＜探触子３０の第１構成例＞
図４は、本実施形態に係る探触子３０の第１構成例を金属板２０と共に示す。図４は、金属板２０の厚さを測定すべく、探触子３０が金属板２０に接している例を示す。また、図５は、第１構成例の探触子３０の接触面１３０側から見た図の一例を示す。図４および図５において、直交する２つの方向をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸として示す。第１構成例の探触子３０は、送信部１１０と、受信部１２０と、接触面１３０と、第１隔離部１４０と、収容部１５０と、電極部１６０とを備える。図１で説明したように、送信部１１０は超音波を送信し、受信部１２０は超音波を受信する。

送信部１１０は、第１送信側振動子１１２と、送信側固定部１１４とを有する。第１送信側振動子１１２は、接触面１３０を介して超音波を金属板２０に向けて送信する。第１送信側振動子１１２は、信号供給部４０から入力される電気信号に応じて超音波を発生する。第１送信側振動子１１２は、例えば、ピエゾ素子等の圧電振動子である。第１送信側振動子１１２は、コンポジット型の圧電振動子であることが望ましい。

送信側固定部１１４は、第１送信側振動子１１２を固定する。送信側固定部１１４は、第１対向面１１５および送信側固定面１１６を含む。第１対向面１１５は、金属板２０に対向する面であり、接触面１３０の一部を形成している。送信側固定面１１６は、接触面１３０とは反対側に設けられている面である。第１送信側振動子１１２は、例えば、送信側固定面１１６に設けられており、第１対向面１１５を介して金属板２０に超音波を送信する。

受信部１２０は、第１受信側振動子１２２と、受信側固定部１２４とを有する。第１受信側振動子１２２は、第１送信側振動子１１２から送信され、接触面１３０を介して金属板に反射された超音波を受信する。第１受信側振動子１２２は、受信した超音波に応じた電気信号を発生させ、信号取得部５０に供給する。第１受信側振動子１２２は、例えば、第１送信側振動子１１２と同様に、ピエゾ素子等の圧電振動子である。第１受信側振動子１２２は、コンポジット型の圧電振動子であることが望ましい。

受信側固定部１２４は、第１受信側振動子１２２を固定する。受信側固定部１２４は、第２対向面１２５および受信側固定面１２６を含む。第２対向面１２５は、金属板２０に対向する面であり、接触面１３０の一部を形成している。受信側固定面１２６は、接触面１３０とは反対側に設けられている面である。第１受信側振動子１２２は、例えば、受信側固定面１２６に設けられており、第２対向面１２５を介して金属板２０から反射された超音波を受信する。

接触面１３０は、金属板２０の第１面２１に接触する。接触面１３０は、送信側固定部１１４の第１対向面１１５と、受信側固定部１２４の第２対向面１２５とによって形成されている段差のない面である。

第１隔離部１４０は、送信部１１０から受信部１２０への超音波の伝播を遮断する。第１隔離部１４０は、送信部１１０と受信部１２０との間において、接触面１３０と直交する面を有する。第１隔離部１４０は、例えば、送信部１１０および受信部１２０に挟まれている板状の部材である。第１隔離部１４０は、一例として、コルク等の空気を含む材質を有する。

以上の送信部１１０、受信部１２０、および第１隔離部１４０の少なくとも一部は、例えば、一体となって形成されている。また、送信部１１０、受信部１２０、および第１隔離部１４０の少なくとも一部は、一例として、接触面１３０と直交する方向に延伸する円柱の形状を有する。この場合、接触面１３０は、円形に形成されている。

収容部１５０は、このような送信部１１０、受信部１２０、および第１隔離部１４０の少なくとも一部を収容する。収容部１５０の少なくとも一部は、円筒状に形成され、送信部１１０、受信部１２０、および第１隔離部１４０の少なくとも一部を覆い、接触面１３０を外部に露出させる。

電極部１６０は、収容部１５０の接触面１３０とは反対側の面に設けられ、外部と電気信号を授受する。電極部１６０は、例えば、送信側電極１６２および受信側電極１６４を有する。送信側電極１６２は、第１送信側振動子１１２と電気的に接続されている。送信側電極１６２は、信号供給部４０と電気的に接続され、信号供給部４０から供給される駆動信号を受け取って第１受信側振動子１２２へと伝達する。受信側電極１６４は、第１受信側振動子１２２と電気的に接続されている。受信側電極１６４は、信号取得部５０と電気的に接続され、第１受信側振動子１２２から出力される超音波信号を信号取得部５０へと伝達する。

以上の本実施形態の探触子３０は、劣化したコーティング層２３を有する金属板２０の厚さを測定すべく、第１送信側振動子１１２および第１受信側振動子１２２の周波数特性が調整されている。例えば、第１受信側振動子１２２の超音波の受信帯域の中心周波数は、第１送信側振動子１１２が発生した超音波の周波数帯域のうち、コーティング層２３で減衰する減衰率が９０％以下となる周波数帯域に含まれる周波数である。

一例として、コーティング層２３が図３のように劣化した場合、コーティング層２３の減衰率が９０％以下となる帯域は、略０．１ＭＨｚから略３．２ＭＨｚまでの帯域となる。即ち、略３．２ＭＨｚを超える周波数の超音波のほとんどは、第１受信側振動子１２２に到達しない。そこで、第１受信側振動子１２２の固有周波数を略０．１ＭＨｚから略３．２ＭＨｚまでの範囲とする。

また、好ましくは、第１受信側振動子１２２の超音波の受信帯域の中心周波数は、コーティング層２３で減衰する減衰率が７０％以下となる周波数帯域に含まれる周波数である。この場合、コーティング層２３の減衰率が７０％以下となる帯域は、略０．３ＭＨｚから略２．７５ＭＨｚまでの帯域となる。より好ましくは、第１受信側振動子１２２の超音波の受信帯域の中心周波数は、コーティング層２３で減衰する減衰率が５０％以下となる周波数帯域に含まれる周波数である。この場合、コーティング層２３の減衰率が５０％以下となる帯域は、略０．５ＭＨｚから略２．５ＭＨｚまでの帯域となる。

このような帯域の範囲内において、測定精度が低下することを防止すべく、コーティング層２３が透過させる超音波のより高い周波数を検出できるように、第１受信側振動子１２２の受信帯域の中心周波数を予め設定することが望ましい。例えば、コーティング層２３が透過させた超音波のうち、略３．２ＭＨｚ程度以下の超音波が検出可能となるように、第１受信側振動子１２２の固有周波数を予め設定する。

本実施例においては、第１受信側振動子１２２の超音波の受信帯域の中心周波数を２ＭＨｚ程度とする。また、第１受信側振動子１２２の超音波の受信帯域の帯域幅は、２ＭＨｚ程度以上でよい。以上のように、第１受信側振動子１２２の超音波を受信する周波数特性の中心周波数を、第１送信側振動子１１２が発生させる超音波の周波数特性の中心周波数よりも低くすることで、探触子３０の超音波の受信効率を向上させることができる。

また、第１送信側振動子１１２が発生する超音波の高周波成分がコーティング層２３によって減衰しているので、第１送信側振動子１１２の周波数特性も、測定精度が許容する範囲内で低周波側にシフトさせてもよい。例えば、±０．１ｍｍ程度の誤差で金属板２０の厚さを測定する場合、第１送信側振動子１１２が発生させる超音波の周波数特性の中心周波数を、３．５ＭＨｚ程度とする。

このように、コーティング層２３が劣化して超音波の高周波成分を減衰させても、送信部１１０が送信した超音波のうち、測定精度が低下しない範囲で伝播可能な周波数帯域の超音波を増加させることで、探触子３０の超音波の伝播効率を向上させることができる。したがって、このような探触子３０を用いた板厚測定装置１０は、コーティング層２３の劣化状態に関わらず、金属板２０の厚さを精度よく測定できる。

以上の本実施形態に係る探触子３０において、第１送信側振動子１１２および第１受信側振動子１２２の周波数特性を調節して超音波の検出効率を向上させる例を説明したが、これに限定されることはない。探触子３０において、第１送信側振動子１１２および第１受信側振動子１２２の形状を調節して、超音波の検出効率を向上させてもよい。

この場合、図４に示すように、送信側固定部１１４の送信側固定面１１６は、第１送信側振動子１１２が発生させた超音波を金属板２０の第１面２１とは反対側の第２面２２の一部を含む領域に集める曲率の曲面を有するように設けられている。例えば、送信側固定面１１６は、予め定められた点を中心とした球面の一部となる曲面を有する。これにより、第１送信側振動子１１２は、送信側固定面１１６の曲面に沿って形成され、送信側固定面１１６の曲面と同様の曲面を有することになる。

このような曲面を有する第１送信側振動子１１２が発生する超音波は、金属板２０の第２面２２の一部を含む領域に集中する。したがって、金属板２０の第２面２２の一部で反射する超音波の強度を増加させることができ、第１受信側振動子１２２がこのような超音波を検出することで、当該第１受信側振動子１２２の検出効率を向上させることができる。

これに代えて、または、これに加えて、図４に示すように、受信側固定部１２４の形状を調節してもよい。この場合、受信側固定面１２６は、金属板２０の第２面２２の一部から反射されて拡散された超音波を第１受信側振動子１２２に到達させる曲率の曲面を有するように設けられている。例えば、受信側固定面１２６は、予め定められた点を中心とした球面の一部となる曲面を有する。

これにより、第１受信側振動子１２２は、受信側固定面１２６の曲面に沿って形成され、受信側固定面１２６の曲面と同様の曲面を有することになる。したがって、第１受信側振動子１２２は、金属板２０の第２面２２から反射されて拡散する超音波を効率的に集めることができ、検出効率を向上させることができる。

なお、送信側固定面１１６および受信側固定面１２６がそれぞれ曲面を有する場合、送信側固定面１１６および受信側固定面１２６は、予め定められた共通の点を中心とした共通の球面の、互いに異なる一部の曲面であることが望ましい。これにより、第１送信側振動子１１２が発生させて第２面２２の一部に集中させた超音波の反射光を、第１受信側振動子１２２が効率的に受信できる。

以上の本実施形態に係る探触子３０において、送信部１１０および受信部１２０がそれぞれ１つの振動子を有する例を説明したが、これに限定されることはない。送信部１１０および／または受信部１２０は、複数の振動子を有してもよい。例えば、送信部１１０および／または受信部１２０は、金属板２０の第１面２１および第２面２２でそれぞれ反射される超音波に対応する複数の振動子を有してもよい。このように、送信部１１０および受信部１２０が、金属板２０の第１面２１および第２面２２でそれぞれ反射される超音波に対応する２つの振動子をそれぞれ有する例を次に説明する。

＜探触子３０の第２構成例＞
図６は、本実施形態に係る探触子３０の第２構成例を金属板２０と共に示す。また、図７は、第２構成例の探触子３０の接触面１３０側から見た図の一例を示す。図６および図７において、直交する２つの方向をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸として示す。第２構成例の探触子３０において、図４に示された本実施形態に係る第１構成例の探触子３０の動作と略同一のものには同一の符号を付け、説明を省略する。第２構成例の探触子３０は、送信部１１０が第２送信側振動子２１２を更に有し、受信部１２０が第２受信側振動子２２２を更に有する。また、探触子３０は、第２隔離部２５０を更に備える。

第２送信側振動子２１２は、超音波を金属板２０の第１面２１に向けて送信する。第２送信側振動子２１２は、第１送信側振動子１１２と同様に、信号供給部４０から入力される電気信号に応じて超音波を発生する。第２送信側振動子２１２は、例えば、ピエゾ素子等の圧電振動子である。第２送信側振動子２１２は、送信側固定部１１４に固定されている。

第２受信側振動子２２２は、第２送信側振動子２１２から送信され、金属板２０の第１面２１に反射された超音波を受信する。第２受信側振動子２２２は、第１受信側振動子１２２と同様に、受信した超音波に応じた電気信号を発生させ、信号取得部５０に供給する。第２受信側振動子２２２は、例えば、第２送信側振動子２１２と同様に、ピエゾ素子等の圧電振動子である。第２受信側振動子２２２は、受信側固定部１２４に固定されている。

第２構成例の探触子３０は、例えば、第１構成例の探触子３０と同様に、接触面１３０が円形に形成されている。そして、送信部１１０、受信部１２０、および第１隔離部１４０の少なくとも一部は、一体となって、接触面１３０と直交する方向に延伸する円柱の形状を有している。ここで、当該円柱の内部において、第１送信側振動子１１２および第１受信側振動子１２２が超音波を送受信する領域を第１領域２３０とし、第２送信側振動子２１２および第２受信側振動子２２２が超音波を送受信する領域を第２領域２４０とする。この場合、第１領域２３０と第２領域２４０は、重なることなく、互いに異なる領域であることが望ましい。

例えば、第１領域２３０は、第２領域２４０よりも外周側に設けられている。この場合、第１領域２３０および第２領域２４０のＸＹ平面と略平行な断面において、第１領域２３０および第２領域２４０は、同心円状に形成されている。第２領域２４０は、円柱の内部において、第１領域２３０の内部に形成されており、接触面１３０に近づくほど領域が小さくなるように形成されている。即ち、第１領域２３０および第２領域２４０の境界は、円錐の一部の形状を有する。

このような第１領域２３０および第２領域２４０の間には、超音波の伝播を遮断する第２隔離部２５０が設けられている。第２隔離部２５０は、例えば、第１隔離部１４０と同様の材料で形成されている。また、第２隔離部２５０は、例えば、送信部１１０、受信部１２０、および第１隔離部１４０の少なくとも一部で形成されている円柱の中心軸を中心軸とする円錐の一部である。このような第２隔離部２５０を設けることにより、第１領域２３０で授受する超音波と、第２領域２４０で授受する超音波とを隔離して、探触子３０の内部で混信が発生することを防止できる。

また、第２構成例の探触子３０は、第１送信側振動子１１２が発生した超音波のうち金属板２０の第２面２２で反射した超音波を第１受信側振動子１２２が受信する。そして、第２送信側振動子２１２が発生した超音波のうち金属板２０の第１面２１で反射した超音波を第２受信側振動子２２２が受信する。このように、探触子３０は、金属板２０の反射面に対応して、複数の振動子を設けているので、それぞれの振動子をそれぞれの反射面に対応した配置にして、超音波の検出効率をそれぞれ向上させることができる。

例えば、第１送信側振動子１１２および第１受信側振動子１２２の周波数特性を、上述したように、金属板２０のコーティング層に応じて調節する。これに対して、第２送信側振動子２１２が発する超音波の周波数特性の中心周波数と、第２受信側振動子２２２の超音波の受信帯域の中心周波数とを一致させてもよい。

第２領域２４０で授受する超音波は、金属板２０の第１面２１で反射するので、金属板２０内部の吸収および散乱がなく、第１領域２３０で授受する超音波と比較して、信号レベルの損失は小さい。したがって、第１領域２３０で授受する超音波の検出効率と比較して、第２領域２４０で授受する超音波の検出効率を低くしてもよい。この場合、第２領域２４０で授受する超音波の中心周波数は、第１領域２３０で授受する超音波の中心周波数よりも透過率が低い帯域でよい。

例えば、第２領域２４０で授受する超音波の中心周波数を、第１領域２３０で授受する超音波の中心周波数よりも高くする。一例として、±０．１ｍｍ程度の誤差で金属板２０の厚さを測定する場合、第１領域２３０で授受する超音波の中心周波数を２ＭＨｚとし、第２送信側振動子２１２が発生させる超音波の周波数特性の中心周波数を３．５ＭＨｚ程度とする。また、第２受信側振動子２２２の超音波の受信帯域の中心周波数を３．５ＭＨｚ程度とする。これにより、第１領域２３０で授受する超音波の検出信号の波高値と比較して、第２領域２４０で授受する超音波の検出信号の波高値を同程度以下にすることができ、２つの検出信号の分離を容易にすることができる。

なお、金属板２０の板厚が薄くなると、第１領域２３０で授受する超音波の検出タイミング（第１タイミングとする）と、第２領域２４０で授受する超音波の検出タイミング（第２タイミングとする）との差が小さくなってしまい、検出信号の分離が困難になることがある。そこで、第１タイミングおよび第２タイミングの差にオフセットを追加すべく、接触面１３０と直交する方向において、複数の振動子の配置を異ならせてもよい。

この場合、図６に示すように、送信部１１０は、送信側固定面１１６の一部に第１凹部１１８を有し、第１凹部１１８の底面に第２送信側振動子２１２が設けられている。即ち、第２送信側振動子２１２は、第１送信側振動子１１２よりも接触面１３０に近い位置に形成されている。したがって、第２送信側振動子２１２が発生した超音波は、第１送信側振動子１１２が発生した超音波と比較して、より速く金属板２０に到達するので、第１タイミングおよび第２タイミングの差を大きくすることができる。

同様に、受信部１２０は、受信側固定面１２６の一部に第２凹部１２８を有し、第２凹部１２８の底面に第２受信側振動子２２２が設けられていてもよい。即ち、第２受信側振動子２２２は、第１受信側振動子１２２よりも接触面１３０に近い位置に形成されている。したがって、金属板２０から同時に送信された超音波であっても、第１受信側振動子１２２に超音波が到達するタイミングと比較して、第２受信側振動子２２２に超音波が到達するタイミングがより速くなるので、第１タイミングおよび第２タイミングの差を大きくすることができる。このような超音波信号の検出タイミングについて、次に説明する。

＜信号波形の概念＞
図８は、本実施形態に係る信号取得部５０が、探触子３０から取得した超音波信号の信号波形の概念図を示す。図８の横軸は時間を示し、縦軸は信号レベルを示す。図８において、時刻ｔ_０は、第１送信側振動子１１２および第２送信側振動子２１２が超音波を発生したタイミングを示す。この場合、例えば、第１送信側振動子１１２および第２送信側振動子２１２には、信号供給部４０からの駆動信号が略同一のタイミングで供給される。

図８は、時刻ｔ_１、時刻ｔ_２、および時刻ｔ_３において、信号レベルがピークとなっている信号Ｓ、Ｉ、およびＢがそれぞれ検出された例を示す。信号Ｓは、第２送信側振動子２１２から送信された超音波が、金属板２０のコーティング層２３の表面で反射され、第２受信側振動子２２２で受信された信号を示す。このように、探触子３０の接触面１３０に最も近いコーティング層２３の表面で反射された超音波が、最も早く検出されることになる。

信号Ｉは、第２送信側振動子２１２から送信された超音波が、金属板２０の第１面２１で反射され、第２受信側振動子２２２で受信された信号を示す。信号Ｂは、第１送信側振動子１１２から送信された超音波が、金属板２０の第２面２２で反射され、第１受信側振動子１２２で受信された信号を示す。そして、信号Ｉが検出された時刻ｔ_２（第２タイミング）と信号Ｂが検出された時刻ｔ_３（第１タイミング）との間の時間Ｔが、金属板２０を超音波が往復した時間に相当する。したがって、算出部６０は、例えば、超音波の入射角、速度、時間Ｔ等に基づき、金属板２０の厚さを算出できる。

なお、第２送信側振動子２１２および／または第２受信側振動子２２２が設けられている位置を、第１送信側振動子１１２および第１受信側振動子１２２が設けられている位置よりも接触面１３０側に近づけた場合、近づけた距離に比例したオフセット時間が時間Ｔに加わることになる。この場合、信号Ｉおよび信号Ｂが検出される時間の間隔が広がるので、２つの信号が分離されてピーク値が判別することが容易になる。なお、この場合、算出部６０がオフセット時間を差し引いて金属板２０の厚さを算出することは言うまでもない。

以上の例のように、板厚測定装置１０は、第１送信側振動子１１２および第２送信側振動子２１２が金属板２０へと略同時に超音波を送信することで、金属板２０の厚さを算出できる。この場合、例えば、信号供給部４０、信号取得部５０、および算出部６０は、従来の板厚測定装置に用いられていた部位と、本実施形態に係る探触子３０とを組み合わせて、本実施形態の板厚測定装置１０として動作させることができる。即ち、探触子３０を交換するだけで、コーティング層２３が劣化した金属板２０の厚さを測定可能とすることができ、コストおよび手間を低減させることができる。

これに代えて、板厚測定装置１０は、第１送信側振動子１１２および第２送信側振動子２１２が金属板２０へと超音波を送信するタイミングを異ならせてもよい。例えば、板厚測定装置１０は、信号Ｉおよび信号Ｂをそれぞれ別個独立に測定する。これにより、検出信号が重なることによる、信号レベルのピーク値の検出誤差を低減させることができ、より薄い金属板２０の厚さを正確に測定することができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、装置の全部又は一部は、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。また、複数の実施の形態の任意の組み合わせによって生じる新たな実施の形態も、本発明の実施の形態に含まれる。組み合わせによって生じる新たな実施の形態の効果は、もとの実施の形態の効果を併せ持つ。

１０板厚測定装置
２０金属板
２１第１面
２２第２面
２３コーティング層
３０探触子
４０信号供給部
５０信号取得部
６０算出部
７０表示部
１１０送信部
１１２第１送信側振動子
１１４送信側固定部
１１５第１対向面
１１６送信側固定面
１１８第１凹部
１２０受信部
１２２第１受信側振動子
１２４受信側固定部
１２５第２対向面
１２６受信側固定面
１２８第２凹部
１３０接触面
１４０第１隔離部
１５０収容部
１６０電極部
２１２第２送信側振動子
２２２第２受信側振動子
２３０第１領域
２４０第２領域
２５０第２隔離部

Claims

金属板の厚さを測定する板厚測定装置に用いられる探触子であって、
前記金属板の第１面に接触する接触面と、
前記接触面を介して超音波を前記金属板に向けて送信する第１送信側振動子を有する送信部と、
前記第１送信側振動子から送信され、前記接触面を介して前記金属板に反射された超音波を受信する第１受信側振動子を有する受信部と、
前記送信部から前記受信部への超音波の伝播を遮断する第１隔離部と、
を有し、
前記第１受信側振動子の超音波を受信する周波数特性の中心周波数が、前記第１送信側振動子が発生させる超音波の周波数特性の中心周波数よりも低い、
探触子。
前記第１隔離部は、前記送信部と前記受信部との間において、前記接触面と直交する面を有する、
請求項１に記載の探触子。
前記金属板は、前記第１面の少なくとも一部にコーティング層が形成されており、
前記第１受信側振動子の超音波の受信帯域の中心周波数は、前記第１送信側振動子が発生した超音波の周波数帯域のうち、前記コーティング層で減衰する減衰率が９０％以下となる周波数帯域に含まれる周波数である、
請求項１又は２に記載の探触子。
前記送信部は、前記第１送信側振動子を固定する送信側固定部をさらに有し、
前記第１送信側振動子は、前記送信側固定部における前記接触面とは反対側の送信側固定面に設けられており、
前記送信側固定面は、前記第１送信側振動子が発生させた超音波を前記金属板の前記第１面とは反対側の第２面の一部を含む領域に集める曲率の曲面を有する、
請求項１から３のいずれか一項に記載の探触子。
前記受信部は、前記第１受信側振動子を固定する受信側固定部をさらに有し、
前記第１受信側振動子は、前記受信側固定部における前記接触面とは反対側の受信側固定面に設けられており、
前記受信側固定面は、前記金属板の前記第２面の一部から反射されて拡散された超音波を前記第１受信側振動子に到達させる曲率の曲面を有する、
請求項４に記載の探触子。
前記送信側固定面および前記受信側固定面は、予め定められた共通の点を中心とした共通の球面の、互いに異なる一部の曲面である、請求項５に記載の探触子。
前記送信部は、超音波を前記金属板の前記第１面に向けて送信する第２送信側振動子を更に有し、
前記受信部は、前記第２送信側振動子から送信され、前記金属板の前記第１面に反射された超音波を受信する第２受信側振動子を更に有する、
請求項５または６に記載の探触子。
前記第２送信側振動子が発する超音波の周波数特性の中心周波数は、前記第２受信側振動子の超音波の受信帯域の中心周波数と一致している、請求項７に記載の探触子。
前記接触面は円形であり、
前記送信部、前記受信部、および前記第１隔離部の少なくとも一部は、一体となって、前記接触面と直交する方向に延伸する円柱の形状を有し、
前記円柱の内部において、前記第１送信側振動子および前記第１受信側振動子が超音波を送受信する第１領域は、前記第２送信側振動子および前記第２受信側振動子が超音波を送受信する第２領域とは異なり、当該第２領域よりも外周側に設けられている、
請求項７または８に記載の探触子。
前記第１領域および前記第２領域の間には、超音波の伝播を遮断する第２隔離部が設けられており、
前記第２隔離部は、前記円柱の中心軸を中心軸とする円錐の一部である、
請求項９に記載の探触子。
前記送信部は、前記送信側固定面の一部に第１凹部を有し、前記第１凹部の底面に前記第２送信側振動子が設けられている、請求項７から１０のいずれか一項に記載の探触子。
前記受信部は、前記受信側固定面の一部に第２凹部を有し、前記第２凹部の底面に前記第２受信側振動子が設けられている、請求項７から１１のいずれか一項に記載の探触子。
金属板の厚さを測定する板厚測定装置であって、
請求項１から１２のいずれか一項に記載の前記探触子と、
前記探触子の前記送信部に超音波を発生させるための駆動信号を供給する信号供給部と、
前記探触子の前記受信部が受信した超音波信号を取得する信号取得部と、
前記超音波信号に基づき、前記金属板の厚さを算出する算出部と
を備える、板厚測定装置。