JP2022141589A

JP2022141589A - 音波検査装置、音波検査方法、及び接触部材

Info

Publication number: JP2022141589A
Application number: JP2022023840A
Authority: JP
Inventors: 明子平尾; Akiko Hirao; 紀子山本; Noriko Yamamoto; 富男小野; Tomio Ono; 剛史小林; Takefumi Kobayashi; 豊中井; Yutaka Nakai
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2021-03-15
Filing date: 2022-02-18
Publication date: 2022-09-29
Also published as: US20220291174A1; US11656202B2

Abstract

【課題】検査時に接触媒質を被検査体と密着させることができ、かつ接触媒質を容易に移動させることをできると共に、Ｓ／Ｎ比の低下を抑制した音波検査装置を提供する。【解決手段】実施形態の音波検査装置１は、音波の送信及び受信の少なくとも一方の機能を有する振動子を備え、音波の送信面及び受信面の少なくとも一方として機能する音波機能面２ａを有する音波探触子２と、音波探触子２の音波機能面２ａに直接又は中間部材を介して接する、少なくともエラストマーを含む接触媒質１０と、接触媒質１０と接するように設けられ、複数の穴１２を有するシート部材１２とを備える接触部材９と、接触部材９に対する荷重の印加及び前記荷重の取り除きを行う荷重機構１３と具備する。シート部材１２は、接触媒質１０中を伝播する音波の波長λの０．１５倍以上０．３５倍以下の範囲の厚さを有する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、音波検査装置、音波検査方法、及び接触部材に関する。

超音波や弾性波等の音波の伝播を用いた音波検査装置は、様々な部材、装置、インフラ等の点検に用いられている。また、超音波検査装置は医療診断等にも利用されている。そのような検査装置に用いられる超音波探触子やＡＥ（ＡｃｏｕｓｔｉｃＥｍｉｓｓｉｏｎ）センサ等に代表される音波受信機、音波送信機、音波送受信機等の音波検査用探触子を被検査体に設置する場合、被検査体との間で音波伝播を効率よく行うために、探触子の音波の送信面及び受信面の少なくとも一方として機能する音波機能面と被検査体との間に、グリセリンやワセリン等の液体状又は粘性体状の接触媒質を介在させている。

上述した接触媒質は、探触子から被検査体、又は被検査体から探触子に超音波等の音波を効率よく伝達し、試験精度を高める上で重要である。しかし、液体状又は粘性体状の接触媒質を塗布したり、除去したりする工程が煩雑である。このため、検査の時間や工数を増加させる要因となっている。また、検査対象の被検査体によっては、接触媒質で汚染される場合もあり、その場合は検査自体を実施することができない。

固体の接触媒質も提案されているが、超音波の伝播は液体状の接触媒質を用いた場合と比較して大きく劣る。これは、探触子の接触媒質と被検査体との間に、音響インピーダンスが大きく異なる空気が介在してしまうことが原因と考えられる。音波検査用接触媒質の設置面と被検査体との間に空気が介在するのを避けるために、粘着性のある固体の接触媒質も提案されている。しかしながら、この場合には、音波検査用接触媒質の設置面が被検査体に密着し、音波検査用接触媒質を滑らせることができない。そのため、設置位置を微小距離で動かす場合であっても、一度接触媒質と共に探触子を、被検査体から剥がす必要があり、検査工程が煩雑になる。さらに、接触媒質を介して音波検査用探触子から音波の送信及び反射波の受信を行う場合、接触媒質による音波及び反射波の減衰や多重反射等によるＳ／Ｎ比の低下を抑制することが求められている。

国際公開第２０１７／０２４７０４号明細書

本発明が解決しようとする課題は、被検査体を液体状の接触媒質で汚染せずに検査することである。本発明によって、検査時に接触媒質を被検査体と密着させることができ、かつ接触媒質を被検査体上を容易に移動させることをできると共に、Ｓ／Ｎ比の低下を抑制することを可能にした音波検査装置、音波検査方法、及び接触部材を提供する。

実施形態の音波検査装置における一態様は、音波の送信及び受信の少なくとも一方の機能を有する振動子を備え、音波の送信面及び受信面の少なくとも一方として機能する音波機能面を有する音波探触子と、前記音波探触子の前記音波機能面に直接又は中間部材を介して接する第１の面と、前記第１の面とは反対側の第２の面とを有し、少なくともエラストマーを含む接触媒質と、前記接触媒質の前記第２の面と接するように設けられ、複数の穴を有するシート部材とを備える接触部材と、前記接触部材に対する荷重の印加及び前記荷重の取り除きを行う荷重機構と具備する。実施形態の音波検査装置の一態様における前記シート部材は、前記接触媒質中を伝播する音波の波長λの０．１５倍以上０．３５倍以下の範囲の厚さを有する。

実施形態の音波検査装置における他の態様は、音波の送信及び受信の少なくとも一方の機能を有する振動子を備え、音波の送信面及び受信面の少なくとも一方として機能する音波機能面を有する音波探触子と、前記音波探触子の前記音波機能面に直接又は中間部材を介して接する第１の面と、前記第１の面とは反対側の第２の面とを有し、少なくともエラストマーを含む接触媒質と、前記接触媒質の前記第２の面と接するように設けられ、複数の穴を有するシート部材とを備える接触部材と、前記接触部材に対する荷重の印加及び前記荷重の取り除きを行う荷重機構と具備する。実施形態の音波検査装置の他の態様における前記シート部材は、第１の穴と前記第１の穴と近接する第２の穴との間隔が、前記接触媒質中を伝播する超音波の波長λの０．１倍以上１．５倍以下の範囲となるように配置された前記複数の穴を有する。

実施形態の音波検査装置を示す図である。図１に示す音波検査装置における音波探触子を示す断面図である。図１に示す音波検査装置における音波探触子と接触部材との組合せの第１の例を示す断面図である。図３に示す接触部材におけるシート部材の第１の例を示す平面図である。図１に示す音波検査装置における音波探触子と接触部材との組合せの第２の例を示す断面図である。図３に示す接触部材におけるシート部材の第２の例を示す平面図である。図３に示す接触部材におけるシート部材の第３の例を示す平面図である。図３に示す接触部材におけるシート部材の第４の例を示す平面図である。図３に示す接触部材におけるシート部材の第５の例を示す平面図である。図３に示す接触部材におけるシート部材の第６の例を示す平面図である。図３に示す接触部材の荷重を印加する前の状態を示す断面図である。図３に示す接触部材の荷重印加状態を示す断面図である。実施例１の音波検査装置における反射波振幅幅の音波波長に対する穴同士の最近接距離の比の依存性を示す図である。実施例２の音波検査装置を用いて実施した超音波検査の反射波の振幅及び多重反射波の振幅を示す図である。実施例２の音波検査装置における反射波振幅幅に対する多重反射波の振幅の比の音波波長に対するシート部材の比の依存性を示す図である。

以下、実施形態の音波検査装置及び音波検査方法について、図面を参照して説明する。なお、各実施形態において、実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、その説明を一部省略する場合がある。図面は模式的なものであり、各部の厚さと平面寸法との関係、各部の厚さの比率等は現実のものとは異なる場合がある。説明中の上下方向を示す用語は、被検査体の検査面を上とした場合の相対的な方向を示し、重力加速度方向を基準とした現実の方向とは異なる場合がある。

図１は実施形態の音波検査装置を示す図である。図１に示す音波検査装置１は垂直型の音波探触子２を有し、傷等の検査対象物から戻ってくる音波（反射波）、あるいは検査対象物が発生する音波を計測することで非破壊検査を行うものである。音波探触子２は、音波の送信及び受信の少なくとも一方の機能を有するものであり、具体例としては超音波送受信機や音波受信機が挙げられる。超音波送受信機の代表例としては、超音波プローブが挙げられる。また、音波受信機の代表例としては、ＡＥセンサが挙げられる。音波探触子２は音波送信機であってもよい。

ここに記載される音波とは、気体、液体、固体を問わず、弾性体を伝播するあらゆる弾性振動波の総称であり、可聴周波数域の音波に限らず、可聴周波数域より高い周波数を有する超音波、及び可聴周波数域より低い周波数を有する低周波音等も含まれる。音波の周波数は特に限定されるものではなく、高周波から低周波まで含まれるものである。実施形態の音波検査装置１において、音波探触子２は音波の送受信面、受信面、送信面等を有する。ここでは、音波探触子２の音波の送信面及び受信面の少なくとも一方として機能する面を音波機能面と称する。このような音波機能面２ａを音波探触子２は備えている。

図１に示す音波検査装置１において、音波探触子２は例えば超音波送受信機としての超音波プローブである。超音波プローブ（２）は、図２に示すように、超音波探傷用の振動子（圧電体）３と、振動子３の上下両面に設けられた電極４とを有する超音波送受信素子５を備えている。超音波送受信素子５は受波板６上に配置されており、この状態でケース７内に収容されている。超音波送受信素子５の電極４は、ケース７に設けられたコネクタ８と電気的に接続されている。振動子３、超音波送受信素子５、受波板６等には、公知の超音波探触子に用いられる構成材料や構造等を適用することができ、特に限定されるものではない。また、音波探触子２がＡＥセンサ等の音波受信機である場合、ＡＥ受信用の振動子（圧電体）３を有する音波受信素子が用いられる以外は、超音波プローブと同様な構成が適用される。その場合、ＡＥ受信用の振動子３、音波受信素子、受波板６等には、公知のＡＥセンサに用いられる構成材料や構造等を適用することができる。

音波探触子２として超音波プローブを適用した場合、振動子３に電極４から電圧を印加することで、受波板６を介して超音波を発信すると共に、受波板６を介して超音波の反射波を受信する。超音波プローブにおいて、受波板６の超音波送受信素子５と接する面６ａとは反対側の面６ｂが超音波の送信面及び受信面（送受信面）となる。音波探触子２としてＡＥセンサを適用した場合、被検査体内のＡＥ（ＡｃｏｕｓｔｉｃＥｍｉｓｓｉｏｎ）による音波（弾性波）を振動子３が受波板６を介して受信する。ＡＥセンサにおいて、受波板６の音波受信素子と接する面６ａとは反対側の面６ｂが音波の受信面となる。音波探触子２において、超音波送受信素子又は音波受信素子（以下、総称して音波素子と記す場合がある。）５が配置された受波板６の音波素子５と接する面６ａとは反対側の面６ｂが音波の送信面及び受信面の少なくとも一方として機能する音波機能面２ａとなる。

音波探触子２の音波機能面２ａには、音波伝播部として機能する接触部材９が設けられている。接触部材９は、図３及び図４に示すように、エラストマーを含む接触媒質１０と、複数の穴１１を有するシート部材１２とを備える。図３は接触部材９を拡大して示す断面図、図４はシート部材１２の穴１１の形状等を示す平面図である。接触媒質１０は、音波探触子２の音波機能面２ａに直接又は中間部材を介して接する第１の面１０ａと、第１の面１０ａとは反対側の第２の面１０ｂとを有する。接触媒質１０の第１の面１０ａは、音波探触子２の音波機能面２ａに直接又は中間部材を介して、図示しない接着剤により接着されている。中間部材としては、高分子材料からなるシューや接合層等が挙げられる。シート部材１２は、接触媒質１０の第２の面１０ｂと接するように設けられた第３の面１２ａと、第３の面１２ａとは反対側の第４の面１２ｂとを有する。シート部材１２の第３の面１２ａは、接触媒質１０の第２の面１０ｂに、図示しない接着剤により接着されている。シート部材１２の第４の面１２ｂは、被検査体Ｘとの接触面を構成している。

音波探触子２と接触部材９とは、例えば図５に示すように、音波機能面２ａと第１の面１０ａとの間に配置された接合層１４により接合されていてもよい。接合層１４は、例えば可逆性を有する第１接着層１５、ポリマー層１６、及び第２接着層１７が順に配置された構成を有する。これら各層１５、１６、１７については後に詳述するが、可逆性を有する第１接着層（可逆性接着層）１５を用いることによって、音波探触子２に対する接触部材９の脱着を容易に実施することができる。例えば、被検査体Ｘはバルク状の固体に限らず、粉体の集合体や圧粉体のような場合もある。そのような検査においては、被検査体Ｘとしての粉体が接触部材９に付着するため、接触部材９を交換する必要が生じる場合がある。音波探触子２に対する接触部材９を容易に脱着することによって、粉体の集合体等の被検査体Ｘの検査効率を高めることが可能になる。

図４は、シート部材１２に複数の穴１１として丸穴を６０°千鳥型に配置した状態を示している。この場合、近接する穴１１同士の距離はほぼ同一となる。複数の穴１１の配置は、図４に示した配置に限られるものではない。例えば、図６に示すように、複数の穴１１としての丸穴を並列型に配置してもよい。さらに、丸穴の配置は４５°千鳥型等であってもよい。穴１１の形状も丸穴に限られるものではなく、図７に示す正方形穴（四角形穴）や図８に示す六角形穴（多角形穴）のような角穴、図９に示す長丸穴、図１０に示す長角穴等であってもよい。角穴、長丸穴、長角穴等の配置に関しても、千鳥型、並列型等の各種の配置を適用することができる。図４、図６、図７、図８、図９、図１０において、いずれも黒色部分は穴１１の位置（穴１１が開いている部分）を示し、白色部分はシート部材１２の穴１１が開いていない部分を示している。

音波検査装置１は、シート部材１２の第４の面１２ｂが被検査体（被処理体）Ｘと接するように配置される。音波検査装置１は、音波探触子２の外周に設けられた荷重負荷治具１３を有している。音波検査装置１においては、まず荷重負荷治具１３を介して音波探触子２に荷重が印加され、さらに音波探触子２を介して接触部材９に荷重が印加される。後述するように、接触媒質１０は接触部材９に印加された荷重によって、シート部材１２の複数の穴１１を介して被検査体Ｘと接する。従って、接触媒質１０と被検査体Ｘとの間で音波を効率よく伝播させることができ、被検査体Ｘの非破壊検査を精度よく実施することが可能になる。さらに、荷重負荷治具１３による荷重を取り除くことによって、シート部材１２のみが被検査体Ｘと接した状態となるため、被検査体Ｘ上を音波検査装置１を滑らせた状態で移動させることができる。これによって、音波検査装置１を被検査体Ｘの次の検査位置に容易に移動させることができる。接触媒質１０への荷重の印加は、接触媒質１０に力を加える様々な機構及び方法により実施することができる。例えば、ステッピングモータやＡＣサーボモータを用いた電動アクチュエータ、油圧や空圧を利用したアクチュエータ等によって、接触媒質１０に荷重を印加することができる。

接触媒質１０は、少なくともエラストマーを含むものであり、上記したように被検査体Ｘと接触するための接触面を有している。荷重負荷治具１３により接触部材９に荷重が印加されていない状態においては、図１１に示すように、接触媒質１０の第２の面１０ｂがシート部材１２の第３の面１２ａと単に接している状態である。従って、接触媒質１０は被検査体Ｘと接しておらず、シート部材１２の第４の面１２ｂのみが被検査体Ｘと接した状態となる。この状態は、音波検査を実施することなく、音波検査装置１を単に移動させる状態である。後述するシート部材１２の構成材料に基づく滑り性等によって、シート部材１２のみが接した状態の場合には、被検査体Ｘ上を音波検査装置１をシート部材１２を介して滑らせた状態で移動させることができる。

一方、図１２に示すように、荷重負荷治具１３により接触部材９に荷重Ｐが印加された状態においては、少なくともエラストマーを含む接触媒質１０の変形特性、すなわち超低弾性率、可逆的大変形、粘弾性等によって、接触媒質１０の一部がシート部材１２の複数の穴１１内に充填されるように変形する。このような印加荷重による接触媒質１０の変形によって、接触媒質１０の一部が被検査体Ｘと接した状態が得られる。粘着性のあるエラストマーは、液体の接触媒体と同様に超音波等の音波を良好に伝播させることができる。従って、接触媒質１０の一部が被検査体Ｘと接した状態とすることによって、荷重Ｐの印加時に接触媒質１０と被検査体Ｘとの間で音波を効率よく伝播させることができる。これらによって、音波検査装置１による被検査体Ｘの非破壊検査精度の向上と音波検査装置１の被検査体Ｘ上における移動性とを両立させることが可能となる。

エラストマーの摩擦力を測定すると、他の材料と比較して圧倒的に大きく、場合によっては１を超えるような摩擦が観測されることがある。この大きな摩擦力の起源は、ファンデルワールス力を起源としたエラストマーの被検査体Ｘへの吸着力によるもので、変形により接触面積が極めて大きくなるために観測される現象である。金属のような硬質材料同士を接触させようとしても、接触面の極一部である粗さ、具体的には微小突起の先端のみが接触するに留まる。しかし、エラストマーのように弾性率が低い場合、同じ荷重でも接触面積が多くなるため、接触面積に応じて吸着力が増すことになる。また、エラストマーの粘弾性は、接触した吸着界面を引き剥がす力を増す方向に作用するので、これも摩擦係数を大きくする要因となる。このように、エラストマーは被検査体Ｘとの実質的な（微視的な）接触面積が大きいため、超音波をよく通すことができる。ただし、超音波を通しやすいものほど、摩擦力が大きく剥がしづらくなってしまう。そこで、接触部材９においては、図３に示すように、接触媒質１０の表面１０ｂに複数の穴１１を有するシート部材１２を設けており、これにより無荷重時の移動を容易にしている。

接触媒質１０として用いるエラストマーの弾性定数（ヤング率）は０．１ＭＰａ以上１０ＭＰａ以下であることが好ましい。接触媒質１０を構成する熱可塑性エラストマーとしては、ポリスチレン系熱可塑性エラストマー（ＳＢＣ、ＴＰＳ）、ポリオレフィン系熱可塑性エラストマー（ＴＰＯ）、塩化ビニル系熱可塑性エラストマー（ＴＰＶＣ）、ポリウレタン系熱可塑性エラストマー（ＴＰＵ）、ポリエステル系熱可塑性エラストマー（ＴＰＥＥ、ＴＰＣ）、ポリアミド系熱可塑性エラストマー等が挙げられる。熱硬化性エラストマーとしては、ジエン系ゴムに分類されるスチレン・ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、イソプレンゴム（ＩＲ）、ブタジエンゴム（ＢＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、アクリロニトリル・ブタジエンゴム（ＮＢＲ）、非ジエン系ゴムに分類されるイソブチレン・イソプレンゴム（ＩＩＲ）のようなブチルゴム、エチレン・プロピレンゴム（ＥＰＭ）、エチレン・プロピレン・ジエンゴム（ＥＰＤＭ）、ウレタンゴム（Ｕ）、シリコーンゴム、フッ素ゴム(ＦＫＭ) 等が挙げられる。その他のゴムとして、クロロスルホン化ポリエチレン（ＣＳＭ）、塩素化ポリエチレン（ＣＭ）、アクリルゴム（ＡＣＭ）、多硫化ゴム（Ｔ）、エピクロルヒドリンゴム（ＣＯ、ＥＣＯ）等が挙げられる。耐熱性、耐摩耗性、耐油性、耐薬品性等、それぞれの材料により特徴を有することから、検査対象によって適宜選択することが好ましい。用途によっては、複数のエラストマーを混合して用いてもよい。音波の透過を妨げない大きさ、すなわち概ね直径２００μｍ以下の添加物が混合されていてもよい。

接触媒質１０を構成するエラストマーは、耐熱性に優れる、ポリエステル系熱可塑性エラストマー、スチレン・ブタジエンゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、クロロプレンゴム、アクリロニトリル・ブタジエンゴム、イソブチレン・イソプレンゴム、エチレン・プロピレンゴム、エチレン・プロピレン・ジエンゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、アクリルゴム、及びエピクロルヒドリンゴムからなる群より選ばれる少なくとも１つを含むことがより好ましい。

シート部材１２を構成する材料には、接触媒質１０を構成するエラストマーより弾性率が大きい材料が用いられ、例えばポリテトラフルオロエチレン、パーフルオロアルコキシアルカン、パーフルオロエチレンプロペンコポリマー、エチレンテトラフルオロエチレンコポリマー、ポリビニリデンフルオライド、ポリクロロトリフルオロエチレン、エチレンクロロトリフルオロエチレンコポリマーのようなフッ素樹脂、ポリエステル樹脂、ナイロン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、フッ素系樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂等の樹脂材料、金属材料、セラミックス材料、酸化物のような化合物材料等を用いることができる。シート部材１２には、接触媒質１０を構成するエラストマーより弾性率が大きく、かつ滑り性に優れる材料を用いることが好ましい。なお、超音波等の音波の伝播性に関しては、接触部材９のうち主として接触媒質１０が担うため、シート部材１２に関しては音波の伝播性を考慮しなくてもよい。

接触媒質１０の構成材料は、環動エラストマーを含んでいてもよい。これはエラストマーのヤング率を下げ、ヒステリシスを低減するためである。環動エラストマーとは、ヤング率が極めて低いことで知られるポリロタキサン構造に代表される環動高分子材料である。ロタキサンは、大環状分子を棒状分子が貫通し、軸の両末端に嵩高い部位を結合させることで、立体障害でリングが軸から抜けなくなったものである。その構造的特徴は、以下の３つに分類される。すなわち、（１）環状分子と線状高分子との間に共有結合が存在しない、（２）多数の環状分子が線状高分子に沿って回転・滑り運動が可能である、（３）ポリロタキサン中の環状分子の化学修飾による機能付与が可能である。

上述した環動エラストマーは、原料において、軸分子としてポリエチレングリコール、環状分子としてシクロデキストリン誘導体、キャッピング分子としてアダマンタンを用いたポリロタキサンが好適である。特に、ポリロタキサンにポリカプロラクトン等をグラフトし、他の高分子をブレンドして架橋したエラストマーは、弾性率が１ｋＰａ程度と極めて小さい。このようなエラストマーを構成材料として用いることによって、凹凸を有する被検査体Ｘの表面への追従性をより一層高めることができる。また、ヒステリシスも低減されるため、継続使用回数を増大させることができる。

上述したように、印加荷重により接触媒質１０の一部を被検査体Ｘと接触させた状態において、音波素子５から被検査体Ｘに超音波等を発信すると、超音波は接触媒質１０内を伝播し、さらに接触媒質１０と被検査体Ｘとの接触界面を介して、被検査体Ｘに到達してその内部を伝播する。この際、超音波の一部はシート部材１２で反射され、この不要な反射波が被検査体Ｘ内の傷等により反射された反射波と多重反射波を形成するおそれがある。このような多重反射波は、被検査体Ｘ内の傷等により反射された反射波の信号特性を劣化させる要因となる。すなわち、本来検知したい反射波による信号のＳ／Ｎ比を低下させる要因となる。そこで、実施形態の音波検査装置１においては、シート部材１２の厚さ（図３に示す厚さＴ）を、接触媒質１０内を伝播する超音波の波長λの０．１５倍以上０．３５倍以下の範囲としている。

接触媒質１０内を伝播する超音波（波長λ）に対して、０．１５λ以上０．３５λ以下の範囲の厚さを有するシート部材１２を用いることによって、接触媒質１０中では反射波の多重反射を軽減することができる。例えば、シート部材１２の厚さが０．２５λ（１／４λ）であるとき、半波長位相がずれて打ち消しあうことによって、多重反射を軽減することができる。このような多重反射の軽減効果は、シート部材１２の厚さを０．１５λ以上０．３５λ以下の範囲とすることによって、シート部材１２の厚さが０．１５λ未満の場合や０．３５λを超える場合に比べて有効に得ることができる。シート部材１２の厚さは０．２λ以上０．３λ以下の範囲であることがより好ましい。上記した多重反射の軽減効果は、超音波に限らず、音全般に得ることができ、さらに被検査体Ｘから放出されて音波素子５に到達する音においても得ることができる。

さらに、上記したシート部材１２による多重反射や減衰等を軽減するにあたって、シート部材１２に設けられた複数の穴１１の最接近間隔を調整することも有効である。具体的には、例えば図３及び図４に示すように、複数の穴１１のうちの第１の穴１１Ａと、第１の穴１１Ａに近接する第２の穴１１Ｂとの間隔（最接近間隔）Ｗを、接触媒質１０内を伝播する超音波の波長λに対して、０．１倍以上１．５倍以下の範囲とすることが有効である。さらに、複数の穴１１のそれぞれにおいて、近接する穴１１同士の間隔（最近接間隔）Ｗを、０．１λ以上１．５λ以下の範囲とすることが好ましい。このように、複数の穴１１同士の最近接間隔Ｗを０．１λ以上１．５λ以下の範囲とすることによって、接触媒質１０を伝播する超音波が通りやすくなり、接触媒質１０中では反射波の多重反射やシート部材１２による音波の減衰を軽減することができる。シート部材１２に設けられた複数の穴１１の間隔同士の最近接間隔Ｗは、０．１λ以上１λ以下の範囲とすることがより好ましい。このような超音波等の多重反射やシート部材１２による減衰の軽減効果は、超音波に限らず、音全般に得ることができ、さらに被検査体Ｘから放出されて音波素子５に到達する音においても得ることができる。

上記したシート部材１２の厚さを０．１５λ以上０．３５λ以下の範囲とする構成、及び複数の穴１１同士の最近接間隔Ｗを０．１λ以上１．５λ以下の範囲とする構成のいずれか一方を適用した場合においても、シート部材１２に起因する多重反射や減衰を軽減することができる。シート部材１２に起因する多重反射や減衰を軽減し、音波素子５で受信する音波信号のＳ／Ｎ比をより高めるにあたって、シート部材１２の厚さを０．１５λ以上０．３５λ以下の範囲とする構成、及び複数の穴１１同士の間隔Ｗを０．１λ以上１．５λ以下の範囲とする構成を共に適用することが好ましい。

実施形態の音波検査装置１において、接触媒質１０の厚さは１０μｍ以上１０ｍｍ以下とすることが好ましい。接触媒質１０を構成する材料の音響インピーダンスやヤング率により適した厚さは異なるが、さらに０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下程度の厚さのときに、音波の伝播性能を高くいることができる。実施形態で用いられるエラストマーは、所定の粘弾性を有し、対象物に貼り付くことができるため、水や油類等の他の接触媒質と比べて周囲を汚染することがなく、また固体であるため、取り除きも容易であり、再利用も可能である。接触媒質１０を押し付けることで、空気層を排除するために、用いるエラストマーの弾性定数（ヤング率）は０．１ＭＰａ以上０．１ＧＰａ以下であることが好ましい。

さらに、図３ないし図１０に示す接触部材９においては、穴１１の総面積（図４、図６ないし図１０における黒色部分の面積）は、シード部材１２の穴１１が開いていない部分の面積（図４、図６ないし図１０における白色部分の面積）と同等もしくはそれ以上であることが好ましい。これによって、接触媒質１０と被検査体Ｘとの接触面積を確保し、超音波検査等の音波検査精度を高めることができる。さらに、シード部材１２の厚さ、シード部材１２の穴１１が開いていない部分の最小幅、シート部材１２における穴１１の総面積とシート部材１２の穴１１が開いていない部分の面積との比等は、接触媒質１０に用いる材料のヤング率や音響インピーダンス等に応じて適宜選択することが好ましい。

図５に示す接合層１４において、可逆性を有する第１接着層（可逆性接着層）１５は、例えば感温性粘着剤、光照射硬化剤、加熱発泡剤、熱膨張剤、及び光構造変化剤のいずれかを含むことによって、刺激・環境の変化による接着力の変化を起こすものである。このような可逆性接着層１５を設けることによって、接触部材９は所望のときに、光照射や温度変化等を用いることで、速やかに音波探触子２から取り外すことができる。ポリマー層１６及び第２接着層１７は、可逆接着層１５と接触媒質１０との間に設けられ、これら両者を一体化する場合に必要となることがあり、必要に応じて設けられる。

可逆性接着層１５は、例えば１０μｍ以上１００μｍ以下の厚さを有することが好ましい。可逆性接着層１５の例として、低温で接着性が低下する感温性粘着層が挙げられる。感温性粘着層は、側鎖結晶性ポリマーを主成分として含有しており、側鎖結晶性ポリマーの融点未満の温度に冷却されると、側鎖結晶性ポリマーが結晶化することにより粘着力が低下する粘着層である。側鎖結晶性ポリマーとしては、例えば側鎖結晶性の各種メタクリル樹脂が用いられる。

可逆性接着層１５の他の例として、高温で接着性が低下する感温性粘着層が挙げられる。感温性粘着層としては、側鎖結晶性ポリマー及び発泡剤を含有するものが知られている。感温性粘着層は、側鎖結晶性ポリマーを主成分として含有し、発泡剤を側鎖結晶性ポリマー１００重量部に対して１～６０重量部の割合で含有する。これによって、感温性粘着層を発泡剤の発泡温度以上の温度に加熱すると、側鎖結晶性ポリマーが流動性を示すようになり、粘着層の凝集力が低下すると共に、発泡剤が発泡して膨らむことによって、簡単に接触部材９を音波探触子２から取り外すことができる。

側鎖結晶性ポリマーの例としては、メタクリレート系樹脂が挙げられる。発泡剤としては、化学発泡剤や物理発泡剤が使用可能である。化学発泡剤には、熱分解型及び反応型の有機系発泡剤ならびに無機系発泡剤が包含される。熱分解型の有機系発泡剤としては、例えば各種のアゾ化合物、ニトロソ化合物、ヒドラジン誘導体等が挙げられる。反応型の有機系発泡剤としては、例えばイソシアネート化合物が挙げられる。熱分解型の無機系発泡剤としては、例えば重炭酸塩、炭酸塩等が挙げられる。他の発泡剤としては、市販されているマイクロカプセル化された熱膨張性微粒子を用いることができる。発泡剤の平均粒径は、５～５０μｍであることが好ましい。

可逆性接着層１５のさらに他の例としては、光硬化剥離層が挙げられる。光硬化剥離層は、例えば側鎖結晶性ブロック共重合体であるメタクリルポリマー１００重量部と、光重合開始剤０．１～２重量部とを含有する。さらに、光重合開始剤の１種を単独で用いてもよいし、２種以上の光重合開始剤を併用してもよい。

ポリマー層１６は、フィルム状であることが好ましい。フィルム状とは、フィルムのみに限定されるものではなく、実施形態の効果を損なわない限りにおいて、フィルムないしシート等を含む概念である。ポリマー層１５の構成材料としては、例えばポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリアミド、ポリイミド、ポリカーボネート、エチレン酢酸ビニル共重合体、エチレンエチルアクリレート共重合体、エチレンポリプロピレン共重合体、ポリ塩化ビニル等の合成樹脂が挙げられる。ポリマー層１６は、単層体又は複層体のいずれであってもよく、その厚さは５～２５０μｍであることが好ましい。ポリマー層１６には、第２接着層１７との密着性を高めるために、例えばコロナ放電処理、プラズマ処理、ブラスト処理、ケミカルエッチング処理、プライマー処理等の表面処理を施してもよい。

第２接着層１７は、ポリマー層１６とエラストマーを含む接触媒質１０とを接着するために設けられる。第２接着層１７としては、例えばゴム系溶剤形接着剤を用いることができる。ゴム系溶剤形接着剤には、ＳＢＳ（スチレン－ブタジエン－スチレン）樹脂系接着剤やクロロプレンゴム系接着剤を用いることができる。接着の際に、例えばコロナ放電処理、プラズマ処理、ブラスト処理、ケミカルエッチング処理、プライマー処理等の表面処理を施すことができる。

以下、実施例およびその評価結果について述べる。

（実施例１、比較例１）
まず、エラストマーシートとして、スチレン・ブタジエンエラストマー（プロセスオイルを含有、硬度ＪＩＳタイプＥが４、実験条件での音速１３５０ｍ／ｓ）を用意した。次に、周波数が２．２５ＭＨｚの超音波の上記エラストマー中な波長λに対して０．２５倍の長さに相当する厚さ１５０μｍのポリテトラフルオロエチレンシートを用意した。これらに、直径１００μｍの穴を、様々なピッチ（最近接距離）で全面に開けた。これらの穴を開けたシートをエラストマーシートと密着させることによって接触部材とした。

ポリテトラフルオロエチレンシートが密着していない側のエラストマーに、極薄のＳＢＳ接着剤により厚さ２５μｍのポリマー層（ＰＥＴシート）を接着した。ＰＥＴシートを、可逆性接着層を介して、周波数が２．２５ＭＨｚの超音波探触子の超音波送受信面に積層した。このようにして、超音波探触子に対して、可逆性接着層、ポリマー層、接着層、エラストマー部材、及びポリテトラフルオロエチレンシートを順に積層した。この際に用いた可逆性接着層は、高温で接着性が低下する感温性粘着層であり、ポリメタクリレート系樹脂１００重量部にマイクロカプセル化された熱膨張性微粒子（日本フィライト社製、エクスパンセル（登録商標））３０重量部を混合した厚さ３０μｍの層を用いた。

最初に、せん断引張試験を実施して、自重のみでそれ以上に荷重をかけない状態で、探触子を移動させることができるかどうかを調べた。上記超音波探触子にロードセルを接続し、表面粗さＲｚが３２μｍのステンレス板の上に載せ、そのステンレス板を低速移動させて、静摩擦係数を測定した。比較例として、シート部材を貼り付けていないエラストマーシートのみについて、同様の測定を行った。その結果、シート部材を貼り付けていない場合は、静摩擦係数が極めて大きく、探触子を移動させることが困難であった。これに対して、シート部材を設置した場合、静摩擦係数は一様に小さくなって移動させることが可能なことが分かった。ただし、穴同士の最近接距離が０．１波長以下（この例においては、６０μｍ以下）の場合、シート部材の表面からエラストマーが突出してしまい、探触子のスムースな移動が難しくなることを確認した。

次に、超音波探傷試験を実施した。まず、長さ３００ｍｍの炭素鋼ブロックを用意した。超音波を入射する面の表面粗さＲｚは１８μｍとし、超音波が跳ね返ってくる面の表面粗さＲｚは１．６μｍとした。アクチュエータで荷重を印加し、超音波探触子が０．１５ＭＰａの圧で、炭素鋼ブロックに押し付けられる条件で、探傷試験を行った。得られた結果である、穴同士の最近接距離（波長λで規格化）に対する反射波振幅の依存性を図１３に示す。探触子のスムースな移動のためには、シート部材に形成された穴同士の最近接距離は波長λの０．１倍以上であることが好ましく、反射波の振幅を考慮すると穴同士の最近接距離は波長λの１．５倍以下であることが好ましいことが分かる。試験を行った後、接触部材をドライヤーで加熱したところ、温度が１２０℃に到達した際に、超音波探触子から接触部材が剥離した。容易に接触部材を交換可能であった。

（実施例２、比較例２）
厚さ２ｍｍのエラストマーシートとして、ポリスチレン－ポリ（エチレン－ブチレン）－ポリスチレン（パラフィンを有、実験条件での音速１３５０ｍ／ｓ）を用意した。各種厚さのポリマーシートの全面に、直径１００μｍの穴を最近接間隔が５０μｍとなるように開けた。この穴を開けたポリマーシートをエラストマーシートと密着させることによって接触部材とした。周波数２．２５ＭＨｚの超音波送受信素子の表面に、上記した接触部材のエラストマーシートを、シート部材（ポリマーシート）を貼り付けていない表面を介して貼り付けることによって、超音波探触子を構成した。

最初に、せん断引張試験を実施して、自重のみでそれ以上に荷重をかけない状態で、探触子を移動させることができるかどうかを調べた。上記超音波探触子にロードセルを接続し、表面粗さＲｚが３２μｍのステンレス板の上に載せ、そのステンレス板を低速移動させて、静摩擦係数を測定した。比較例として、シート部材を貼り付けていないエラストマーシートのみについて、同様の測定を行った。その結果、シート部材を貼り付けていない場合は、静摩擦係数が極めて大きく、探触子を移動させることが困難であった。これに対して、シート部材を設置した場合、静摩擦係数は一様に小さくなって移動させることが可能なことが分かった。

次に、超音波探傷試験を実施した。長さ３００ｍｍの炭素鋼ブロックを用意した。超音波を入射する面の表面粗さＲｚは１８μｍとし、超音波が跳ね返ってくる面の表面粗さＲｚは１．６μｍとした。アクチュエータで荷重を印加し、超音波探触子が０．１５ＭＰａの圧で、炭素鋼ブロックに押し付けられる条件で、探傷試験を行った。得られた結果を図１４及び図１５に示す。図１５は、図１４で定義した反射波振幅で規格化した多重反射波振幅が、シート部材の厚さによりどのように変化するかを示している。反射波振幅で規格化した多重反射波振幅は、０．５以下であることが望ましい。このような多重反射波振幅を得るためには、シート部材の厚さを、エラストマー中の波長λの０．１５倍以上０．３５以下とすることが好ましいことが分かる。

なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施し得るものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…音波検査装置、２…音波探触子、３…振動子、５…音波素子、６…受波板、９…接触部材、１０…接触媒質、１１…穴、１２…シート部材、１３…荷重負荷治具、１４…接合層、１５…可逆性の第１接着層、１６…ポリマー層、１７…第２接着層。

Claims

音波の送信及び受信の少なくとも一方の機能を有する振動子を備え、音波の送信面及び受信面の少なくとも一方として機能する音波機能面を有する音波探触子と、
前記音波探触子の前記音波機能面に直接又は中間部材を介して接する第１の面と、前記第１の面とは反対側の第２の面とを有し、少なくともエラストマーを含む接触媒質と、前記接触媒質の前記第２の面と接するように設けられ、複数の穴を有するシート部材とを備える接触部材と、
前記接触部材に対する荷重の印加及び前記荷重の取り除きを行う荷重機構とを具備し、
前記シート部材は、前記接触媒質中を伝播する音波の波長λの０．１５倍以上０．３５倍以下の範囲の厚さを有する、音波検査装置。
前記シート部材は、第１の穴と前記第１の穴と近接する第２の穴との最近接間隔が、前記音波の波長λの０．１倍以上１．５倍以下の範囲となるように配置された前記複数の穴を有する、請求項１に記載の音波検査装置。
前記シート部材の前記複数の穴は、近接する穴同士の最近接間隔が前記音波の波長λの０．１倍以上１．５倍以下の範囲となるように配置されている、請求項１又は請求項２に記載の音波検査装置。
前記エラストマーは、０．１ＭＰａ以上１０ＭＰａ以下のヤング率を有する、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の音波検査装置。
前記シート部材における前記複数の穴の総面積は、前記シート部材の前記複数の穴が開いていない部分の面積と同等又はそれ以上である、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の音波検査装置。
前記振動子は、超音波送受信用振動子である、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の音波検査装置。
音波の送信及び受信の少なくとも一方の機能を有する振動子を備え、音波の送信面及び受信面の少なくとも一方として機能する音波機能面を有する音波探触子と、
前記音波探触子の前記音波機能面に直接又は中間部材を介して接する第１の面と、前記第１の面とは反対側の第２の面とを有し、少なくともエラストマーを含む接触媒質と、前記接触媒質の前記第２の面と接するように設けられ、複数の穴を有するシート部材とを備える接触部材と、
前記接触部材に対する荷重の印加及び前記荷重の取り除きを行う荷重機構とを具備し、
前記シート部材は、第１の穴と前記第１の穴と近接する第２の穴との最近接間隔が、前記接触媒質中を伝播する超音波の波長λの０．１倍以上１．５倍以下の範囲となるように配置された前記複数の穴を有する、音波検査装置。
前記シート部材の前記複数の穴は、近接する穴同士の最近接間隔が前記音波の波長λの０．１倍以上１．５倍以下の範囲となるように配置されている、請求項７に記載の音波検査装置。
前記エラストマーは、０．１ＭＰａ以上１０ＭＰａ以下のヤング率を有する、請求項７又は請求項８に記載の音波検査装置。
前記シート部材における前記複数の穴の総面積は、前記シート部材の前記複数の穴が開いていない部分の面積と同等又はそれ以上である、請求項７ないし請求項９のいずれか１項に記載の音波検査装置。
前記振動子は、超音波送受信用振動子である、請求項７ないし請求項１０のいずれか１項に記載の音波検査装置。
前記エラストマーは、ポリエステル系熱可塑性エラストマー、スチレン・ブタジエンゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、クロロプレンゴム、アクリロニトリル・ブタジエンゴム、イソブチレン・イソプレンゴム、エチレン・プロピレンゴム、エチレン・プロピレン・ジエンゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、アクリルゴム、及びエピクロルヒドリンゴムからなる群より選ばれる少なくとも１つを含む、請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載の音波検査装置。
前記中間部材は、可逆性を有する第１接着層を含む接合層を備える、請求項１ないし請求項１２のいずれか１項に記載の音波検査装置。
前記第１接着層は、感温性粘着剤、光照射硬化剤、加熱発泡剤、熱膨張剤、及び光構造変化剤のいずれか１つを含む、請求項１３に記載の音波検査装置。
前記接合層は、さらに、ポリマー層及び第２接着層から選ばれる少なくとも１つを含む、請求項１３又は請求項１４に記載の音波検査装置。
音波の送信及び受信の少なくとも一方の機能を有する振動子を備え、音波の送信面及び受信面の少なくとも一方として機能する音波機能面を有する音波探触子を、前記音波機能面に直接又は中間部材を介して接する、少なくともエラストマーを含む接触媒質と、前記接触媒質と接するように設けられ、複数の穴を有するシート部材とを備える接触部材を介して、前記シート部材が被検査体と接触するように配置する工程と、
前記接触部材に対して荷重を加え、前記シート部材の前記複数の穴を介して前記接触媒質を前記被検査体に押し付けて接触させる工程と、
前記接触部材を前記被検査体に押し付けた状態で、前記音波探触子により前記被検査体の音波による非破壊検査を行う工程とを具備し、
前記シート部材は、前記接触媒質中を伝播する音波の波長λの０．１５倍以上０．３５倍以下の範囲の厚さ、及び前記複数の穴における第１の穴と前記第１の穴と近接する第２の穴との最近接間隔が前記音波の波長λの０．１倍以上１．５倍以下の範囲となるように配置された前記複数の穴の少なくとも一方を有する、音波検査方法。
前記検査を行う工程は、前記音波として用いた超音波を前記音波探触子から前記被検査体に送信すると共に、前記被検査体からの反射波を前記音波探触子で受信することにより前記被検査体の非破壊検査を行う、請求項１６に記載の音波検査方法。
さらに、前記荷重を取り除く工程と、
前記荷重が取り除かれた前記接触媒質の前記被検査体との接触状態を解除すると共に、前記シート部材を前記被検査体に接触させた状態で、前記音波探触子を前記被検査体上を移動させる工程と
を具備する、請求項１６又は請求項１７に記載の音波検査方法。
前記エラストマーは、０．１ＭＰａ以上１０ＭＰａ以下のヤング率を有する、請求項１６ないし請求項１８のいずれか１項に記載の音波検査方法。
前記シート部材における前記複数の穴の総面積は、前記シート部材の前記複数の穴が開いていない部分の面積と同等又はそれ以上である、請求項１６ないし請求項１９のいずれか１項に記載の音波検査方法。
音波検査装置の音波探触子に用いられる接触部材であって、
少なくともエラストマーを含む接触媒質と、前記接触媒質と接するように設けられ、複数の穴を有するシート部材とを具備し、
前記シート部材は、前記接触媒質中を伝播する音波の波長λの０．１５倍以上０．３５倍以下の範囲の厚さ、及び前記複数の穴における第１の穴と前記第１の穴と近接する第２の穴との最近接間隔が前記音波の波長λの０．１倍以上１．５倍以下の範囲となるように配置された前記複数の穴の少なくとも一方を有する、接触部材。
前記シート部材は、前記音波の波長λの０．１５倍以上０．３５倍以下の範囲の厚さ、及び前記最近接間隔が前記音波の波長λの０．１倍以上１．５倍以下の範囲となるように配置された前記複数の穴を共に有する、請求項２１に記載の接触部材。
前記エラストマーは、０．１ＭＰａ以上１０ＭＰａ以下のヤング率を有する、請求項２１又は請求項２２に記載の接触部材。
前記シート部材における前記複数の穴の総面積は、前記シート部材の前記複数の穴が開いていない部分の面積と同等又はそれ以上である、請求項２１ないし請求項２３のいずれか１項に記載の接触部材。
前記エラストマーは、ポリエステル系熱可塑性エラストマー、スチレン・ブタジエンゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、クロロプレンゴム、アクリロニトリル・ブタジエンゴム、イソブチレン・イソプレンゴム、エチレン・プロピレンゴム、エチレン・プロピレン・ジエンゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、アクリルゴム、及びエピクロルヒドリンゴムからなる群より選ばれる少なくとも１つを含む、請求項２１ないし請求項２４のいずれか１項に記載の接触部材。