JP2912639B2

JP2912639B2 - 超音波斜角探触子

Info

Publication number: JP2912639B2
Application number: JP24626989A
Authority: JP
Inventors: 章村山; 武繁勝又; 俊弥秋山; 充宏星野
Original assignee: JAPAN PUROOBU KK; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JAPAN PUROOBU KK; JFE Engineering Corp
Priority date: 1989-09-25
Filing date: 1989-09-25
Publication date: 1999-06-28
Anticipated expiration: 2014-06-28
Also published as: JPH03110463A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、被検査材を探傷する超音波斜角探触子に係
わり、特に高い探傷能力をもった超音波斜角探触子に関
する。

〔従来の技術〕

従来、探触子を用いた斜角探傷には次のような種々の
構成のものが開発されている。

、その１つは、くさびを利用して、斜め方向から被検
査材に超音波を入射する、いわゆる通常の斜角探触子を
用いたものである。この斜角探触子は、具体的には第３
図に示すように、下部側を開放とした箱型ハウジング１
内にほぼ三角形状または台形状をなすアクリル樹脂のく
さび２が内装され、このくさび２の被検査材接触面とは
反対側の上部傾斜面に振動子３が取り付けられている。
４は吸音材、５は接栓、６は被検査材である。

しかして、以上のような斜角探触子を用いて被検査材
６の疵を探傷する場合、斜角探触子の被検査材接触面を
被検査材６に接触させ、振動子３から超音波を送波す
る。この超音波はくさび２内を縦波で伝播され、被検査
材６との接触面に対し所定の入射角i_Lで入射し、当該接
触面から被検査材６に所定の屈折角θ_Ｓで屈折して入射
する。

、他の１つは、水浸法を用いて疵を探傷する方法であ
る。すなわち、この探傷方法は、垂直探触子を被検査材
に対し斜めに配置し、この垂直探触子からの超音波を水
中に伝播さながら被検査材に入射するか、或いは第４図
に示すように被検査材６の中心軸線から△ｄだけ偏心さ
て垂直探触子７を配置し、この垂直探触子７からの超音
波を水８中を伝播させて被検査材６へ入射する構成であ
る。

、さらに、他の１つは、第５図に示すごとく前記垂直
探触子の振動子３全面側に音響レンズ９を取り付けた
り、或いは垂直探触子の振動子３自体を球面状に加工
し、この振動子３から送波された超音波を球面を利用し
て集束させるもので、これら振動子等は前記と同様に
被検査材６に対し斜めに配置したり、被検査材６に対し
て偏心させて配置する構成である（第６図参照）。第５
図においてｒは音響レンズ９の曲率半径、ｆは焦点距離
である。

、さらに、他のもう１つは、電子走査型超音波探傷装
置を用いて探傷するものである。これは、短冊状に多数
の振動子が配列され、これら振動子から異なったタイミ
ングで超音波を発生させて合成波面を形成する，いわゆ
る斜角探触子の役割を有し、しかも各振動子で受信した
超音波信号に異なる時間で遅延させて合成することによ
りある波面に対する感度を高める構成である。

ところで、以上のような斜角探触子ないし斜角探傷で
は、探傷性能を表わす指標の１つに「有効ビーム幅」が
ある。この探傷性能の試験は、第７図および第８図に示
すように被検査材６の表面に予め規定された例えばφ４
×４の人工疵10を施した後、この疵10をターゲットと
し、第７図のように探触子11を前後走査或いは第８図の
ように左右走査を行い、これら走査によってえられた疵
10からのエコー高さについて包絡線を作成し（第９図参
照）、探触子移動距離に対する「（エコー高さのピーク
値）−（××dB）」をもって表した図である。このう
ち、最もよく用いられている例は「（ピーク値）−（6d
B）」に相当する幅Ｄが有効ビーム幅とされている。

この有効ビーム幅Ｄが大きいということは製品を検査
する場合、１個の探触子11でカバーできる範囲が広いと
いうことであり、それだけ探傷能率が高いことを表して
いる。そこで、現在，有効ビーム幅Ｄを大きくするた
め、（イ）、前記，，等では振動子の寸法を大きくす
ること、（ロ）、また、前記のように小型の振動子を走査方向
に複数個並べて１個の探触子11とすること等が行われて
いる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、前記（イ），（ロ）のような手段を講じた場
合には以下のような問題が指摘されている。

（１）振動子の寸法を大きくした場合。

振動子寸法を単純に大きくした場合、その寸法が大き
くなった分だけ送信出力および受信出力が増加して全体
のパワーアップを図ることができるが、第10図からも明
らかなように有効ビーム幅Ｄを拡大するには至らない。

そこで、探触子11の走査方向にだけ振動子の寸法を大
きくすることが考えられる。この場合には振動子３が走
査方向に大きい分だけ、疵10に当たる超音波の時間が長
いので有効ビーム幅Ｄを大きくすることができる。

しかし、疵10から反射する実際の信号高さに対するノ
イズ信号高さ，つまりS/Nが低下する問題がある。一般
に、探傷能力は「疵10の面積／振動子３の面積」によっ
て決定されるといわれているが、ここで同一の疵10を検
出しようとした場合、振動子３の面積が大きいとき、疵
10からの信号音を一定のレベルにしようとすると、相対
的に超音波探触子11の感度を高くしなければならない。
その結果、被検査材６の形状，表面性状および金属組織
等からの反射がノイズとなって現れ、S/Nを低下させる
可能性が高い。また、振動子３が走査方向に細長い形状
となるので、音場がゆがんで双峰状となり、逆に疵10の
探傷能力が低下するといった問題がある。

（２）小型の振動子３を走査方向に複数個並べて１個
の探触子11とした場合。

この手段は、振動子３が走査方向に幾つも連なってい
ることから、いつでも超音波が疵10に当たるので有効ビ
ーム幅Ｄを大きくできる。

しかし、例えば第11図に示すように複数個の振動子３
…を左右方向に並べた場合、探触子11の有効ビーム幅を
示す包絡線は、音場の最も高い点が振動子３の中心にく
るために山形となり、一方、隣接した振動子３の端部で
は谷間となり、音場が凹凸状態となる。しかも、この凹
凸状の音場を少なくしてできるだけ台形状とすることが
考えられるが、幾つもの振動子３…の感度を一様に揃え
ることは非常に難しい。

また、第12図に示すように複数の振動子3a,3bが前後
走査方向（高さ方向）に並べるとともに、これら振動子
3a,3b同じ屈折角となるように配置した場合、探触子11
のくさび２内の距離は振動子3aと3bとで異なることおよ
び入射点が丁度振動子の高さ寸法の屈折角関数分だけズ
レていること等から、検出された疵10が表面か裏面か、
或いはどの位置にあるか等を判別しようとするとき、疵
10までのビーム路程および入射点が異なるために判断で
きない。

さらに、第13図に示すように複数の振動子3a,3bを前
後方向、かつ、山形状の同じ方向の傾斜部分に同一高さ
で並べるとともに、それらの振動子3a,3bの屈折角を同
じ様に配置した場合、各振動子3a,3bから送波された超
音波のくさび２内の伝播距離が同じになる。しかし、検
出された疵10の位置を識別しようとするとしたとき、探
触子の入射点が２ヶ所あるので、どちらの振動子3aまた
は3bで欠陥疵10を検出したのか不明であり、探触子の音
場も複数の振動子3a,3bを左右に並べた場合と同様に凹
凸状態となってしまう。第14図は第13図の如く探傷手段
を用いて得られたエコー高さの包絡線を表わしている。

本発明は上記実情にかんがみてなされたもので、広い
有効ビーム幅が得られ、かつ、大幅にS/Nを改善しうる
超音波斜角探触子を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係る超音波斜角探触子は、上記課題を解決す
るために、被検査材の接触面と反対側に位置するくさび
面に近接させた状態で複数の振動子をタンデムに配列す
るとともに、これら隣接する振動子からの超音波による
疵反射エコー高さの包絡線がほぼ台形状となるように、
前記隣接する振動子の傾斜角の角度差が数度の範囲で前
記くさび面に前記隣接する振動子を取り付けた構成であ
る。

〔作用〕

従って、本発明は以上のような手段を講じたことによ
り、複数の振動子のうち隣接する振動子の傾斜角の角度
差が数度の範囲とすることによる複数の振動子から同時
に送波された超音波はくさび内でほぼ近似するビーム路
程およびほぼ近似する屈折角をもって被検査材内を伝播
するので、被検査材内の遠距離のある点で焦点が結ばれ
る。

そして、以上のような探触子を前後方向に走査して疵
を探傷した場合、先ず、前方側の振動子が疵からのエコ
ーを検知し、かつ、探触子の移動にしたがって徐々にエ
コーが高くなり、その後、再びエコーの高さが低下して
いく。

しかし、前方側の振動子によるエコー高さが下がり始
めるとき、後方側の振動子が疵からのエコーを検出する
ので、エコーの包絡線はなだらかな台形状となって広い
有効ビーム幅が得られ、しかも探触子の有効面積は２倍
になるもの、探傷能力，つまりS/Nは「疵面積／個々の
振動子面積」となるために格段に向上する。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例について第１図を参照して説
明する。同図において21は金属またはプラスチック等で
形成された下部側を開放とした箱型ハウジングであっ
て、このハウジング21には金属，プラスチック或いはセ
ラミックス等のくさび材22が内装されている。このくさ
び材22は、下部側の被検査材接触面が水平、かつ、平坦
に形成され、かつ、ハウジング21の前面位置と同じか或
いはハウジング前面位置よりも多少前方に突出するよう
に設けられている。また、このくさび材22の前記被検査
材接触面とは反対側、つまり上部側面は数度の傾斜角の
角度差をもった傾斜面23a,23bが形成され、これら傾斜
面23a,23bには例えば圧電型の水晶、或いは電歪型のチ
タン酸バリウム、ジルコン酸チタン酸鉛、チタン酸鉛、
ニオブ酸リチウム等で形成された振動子24a,24bが近接
させた状態でタンデムに配列されている。つまり、これ
らの振動子24a,24bは当該振動子24a,24bから同時に発振
された超音波がくさび材22内をほぼ近似したビーム路程
で伝播するとともに、被検査材25への入射角および被検
査材25内の屈折角をほぼ近似させることにより、被検査
材25内の遠距離のある点で焦点を結ぶような構成として
いる。なお、これらの振動子24a,24bには図示しない高
周波発振回路から高周波ケーブル26を介して励振用の高
周波信号が供給される。このくさび材22の前記傾斜面23
a,23bには複数の振動子24a,24bの背面および周囲を包囲
するごとく例えばプラスチックを基材とするダンパー材
27が接着されている。このダンパー材27の代わりに押圧
手段によりくさび傾斜面に複数の振動子24a,24bを押し
付けるようにして接触させてもよい。28は振動子24a,24
bを含むくさび材22とハウジング21との隙間に充填され
るエポキシ樹脂等の充填用プラスチックである。29は複
合探触子、30は複合探触子29を収納するホルダーであ
る。

しかして、以上のような複合探触子29を用いて被検査
材25にある疵を探傷する場合、被検査材25表面に水また
は油等の接触媒質31を介在させた状態で複合探触子29設
置する。高周波発振回路から励振用高周波信号を振動子
24a,24bに供給して各振動子24a,24bから同時に超音波を
送信して前後方向（例えば図示イ矢印方向）に走査を行
いながら、両振動子24a,24bで被検査材25にある疵から
反射されてくるエコーを受信する。

ところで、この複合探触子29の走査の過程において被
検査材25にある疵を探傷すると、前方側振動子24aがそ
の被検査材25にある疵からの反射したエコーを検知し、
しかも複合探触子29の移動にしたがって徐々に反射して
くるエコー高さが高くなり、その後、再び反射してくる
エコー高さが低下していく。このとき、前方側振動子24
aる反射してくるエコー高さが下り始めるとき、今後は
後方側振動子24bが被検査材25にある疵から反射してく
る高さを検出するので、反射してくるエコー高さの包絡
線はなだらかな台形状となるので、従来の探触子に比べ
て広い有効ビーム幅を得ることができ、探傷能率を大幅
に向上させることができる。例えば第２図は第１図の複
合探触子29を用いて実際に疵の探傷を行ったときの前後
走査による反射してくるエコーの高さを示す図である
が、この図から明らかなように本発明による複合探触子
（10×10A45−2T）の場合には、−3dBでは11.0mm、−6d
Bでは13.5mmの有効ビーム幅が得られ、これに対し、第1
3図に示す従来の複合探触子の場合には第４図に示すよ
うに有効ビーム幅が非常に狭いことが分かる。

また、振動子24a,24bの超音波のくさび材22内ビーム
路程を近似させたこと、２つの超音波の被検査材25への
入射点を極力近づけたこと、さらに複数の振動子24a,24
bの傾斜角を異ならせて被検査材25内の屈折角を近似さ
せたこと等により、超音波が被検査材25を伝播する距離
は前方側振動子24aが短かくなる傾向を示し、後方側振
動子24bは長くなる傾向を示すので、疵までの距離が遠
くなるほど同じ距離に近ずく傾向があり、焦点付近では
疵位置の識別が非常に容易になる。

さらに、２個の振動子24a,24bがタンデムに配置さ
れ、かつ、個々の振動子24a,24bの寸法を正方形または
これに近い矩形としたので、これら振動子24a,24bから
音場は素直で副極のない綺麗な形となる。しかも、２つ
の振動子24a,24bは同時に励振させることから、振動子
の面積も大きくならない。その結果、探触子の有効面積
は２倍となるものの、S/Nは「疵面積／個々の振動子面
積」となるために格段に向上できる。

なお、本発明は上記実施例に限定されずにその要旨を
逸脱しない範囲で種々変形して実施できる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、広い有効ビーム
幅を得ることができ、しかも疵の識別が容易であり、従
来の探触子に比べてS/Nを大幅に改善しうる超音波斜角
探触子を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係わる超音波斜角探触子の一部切り欠
き断面図、第２図は第１図の超音波斜角探触子を用いて
得られた反射エコー高さの包絡線を示す図、第３図ない
し第14図は従来の斜角探傷を説明するために示したもの
で、第３図ないし第５図はそれぞれ従来の斜角探触子の
態様を説明する図、第６図は第５図の斜角探傷に基づく
探傷例を示する図、第７図および第８図は前後走査およ
び左右走査による探傷例を示す図、第９図は第７図およ
び第８図の探傷例から得られるべきエコー高さを示す
図、第10図ないし第13図はそれぞれ探触子を構成する振
動子の種々の配置図、第14図は第13図の振動子配置によ
って得られた前後走査による反射エコー高さの包絡線を
示す図である。 21……ハウジング、22……くさび、23a,23b……傾斜
面、24a,24b……振動子、25……被検査材、ダンパー
材、29……複合探触子、30……ホルダー。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者秋山俊弥東京都千代田区丸の内１丁目１番２号日本鋼管株式会社内 (72)発明者星野充宏神奈川県横浜市中区西竹之丸106―４ジャパンプローブ株式会社内 (56)参考文献実開昭56−142362（ＪＰ，Ｕ) 実開昭61−154559（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01N 29/00 - 29/28

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】被検査材の接触面と反対側に位置するくさ
び面に近接させた状態で複数の振動子をタンデムに配列
するとともに、これら隣接する振動子からの超音波によ
る疵反射エコー高さの包絡線がほぼ台形状となるよう
に、前記隣接する振動子の傾斜角の角度差が数度の範囲
で前記くさび面に前記隣接する振動子を取り付けたこと
を特徴とする超音波斜角探触子。