JP2971361B2

JP2971361B2 - 金属薄板の超音波探傷装置

Info

Publication number: JP2971361B2
Application number: JP7052894A
Authority: JP
Inventors: 伸之武藤
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1995-03-13
Filing date: 1995-03-13
Publication date: 1999-11-02
Anticipated expiration: 2014-11-02
Also published as: JPH08248008A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えばアルミニウムや
アルミニウム合金の薄い板材内部および表面に存在する
非金属介在物等の異物や傷、空洞等の欠陥をオンライン
で検査する金属薄板の超音波探傷装置（以下、単に超音
波探傷装置ともいう）に関する。

【０００２】

【従来の技術】薄板のような薄く広い対象物の超音波探
傷には、振動子が発生した超音波を板に斜めに入射して
板波を発生させ、その板波が欠陥に反射されて返ってく
るのを観測して探傷を行う板波式の超音波探傷装置が用
いられている（例えば、トキメック製『タイヤ型探触
子』）。この種の探傷装置は、一次元走査で薄板全面を
効率よく検査し得るため、オンライン検査に適する。

【０００３】この超音波探傷装置の動作を以下に示す。
図１６に示したように、この種の超音波探傷装置は、タ
イヤ探触子またはくさび状音響カップラントを介して板
１０１の表面に斜めに配設された振動子１０３を備えて
いる。そして、振動子１０３が発生した超音波は板１０
１に斜めに入射し、板波を発生させる。そのパルス状の
板波は板１０１中を被導波として伝播し、欠陥や板端が
あると、反射してほぼ同じモードの板波として反射して
くる。この波は同じ入射経路を戻って振動子１０３に到
達し、振動子１０３はその反射波に応じた電気信号を発
生する。そこで、この電気信号を周知の超音波探傷器に
よって解析すれば、パルスエコー波として表示すること
ができる。

【０００４】ここで、板波の発生条件は、次のように弾
性理論的に計算することができる。先ず、板１０１に
は、図１７に例示するような板波モードが存在する。な
お、各モードを表すＳ，Ａは、それぞれ対称，斜対称を
表しており、そのＳ，Ａの添え字は振動の次数を表す。
この板波モードをパラメータとして、（周波数ｆ×板厚
ｄ）に一意に依存する位相速度Ｃを求めることができ、
この位相速度Ｃおよび入射角θが式（１）を満足したと
きのみ板波が発生する。但し、式（１）において、Ｃｉ
は振動子１０３と板１０１との間に存在する媒体（例え
ば、タイヤ内充填液）中の音速である。

【０００５】Ｃ＝Ｃｉ／ｓｉｎ θ （１）この関係から、板波モードをパラメータとして（周波数
ｆ×板厚ｄ）と入射角θの関係を、ある種の鋼板に対し
て求めたものが、図１８のマップである。このように、
超音波探傷装置は上記の条件を満足するときのみ利用で
きるもので、通常の超音波探傷とは異なり、送受信号の
周波数特性に充分に留意しなければならない。

【０００６】従来から、薄鋼板への超音波探傷装置の適
用がなされており、対象とする鋼板の板厚は、０．５ｍ
ｍ〜３．５ｍｍ程度で、周波数は２．２５ＭＨｚが一般
的であった。非鉄関係、特にアルミニウム材への適用例
はない。また、鋼板に対する欠陥体積と欠陥エコーレベ
ルとの関係を図１９に例示する。従来の装置では、検査
条件の最適化を計ることによって、体積で０．０３４ｍ
ｍ³、球状介在物としてφ０．４ｍｍ以上の欠陥は検出
可能であるが、それより小さい欠陥は検出困難である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】また、厚さ０．３ｍｍ
のアルミニウム合金板に、市販のタイヤ探触子（最高周
波数５ＭＨｚ）を用いた場合の実験結果では、５ＭＨｚ
（Ｓ₀ モード）で、φ０．２ｍｍ程度が限界で、φ０．
１ｍｍ程度の欠陥は検出できなかった。

【０００８】また、欠陥の反射は一般論で示される超音
波探傷における欠陥反射と類似して考えられる。従っ
て、超音波の周波数を増加することにより、より微少な
欠陥まで検出可能にすることも考えられる。ところが、
超音波の周波数を増加すると、板１０１内での超音波音
圧の減衰が激しくなると共に、雑音も増加する。更に、
検出対象の欠陥が小さくなるため、欠陥自体の反射エコ
ーが弱くなる。そこで、探傷装置の増幅度（ゲイン）を
かなり増加させる必要が生じ、雑音エコーの混入が一層
問題となる。

【０００９】そこで、本発明は、この種の超音波探傷装
置によって、φ０．１ｍｍ程度までの微小欠陥を検出可
能とすることを目的としてなされた。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達するために
なされた請求項１記載の発明は、金属薄板に超音波を斜
入射して該金属薄板に板波を発生すると共に、該金属薄
板から同一経路を介して返送される超音波を受波して、
受波した超音波に応じた電気信号を発生する超音波送受
波器と、該超音波送受波器を内部に保持すると共に、上
記超音波送受波器と上記金属薄板との間に液状の超音波
伝播体を保持する保持手段と、該保持手段を、上記金属
薄板に対して一定方向に相対移動可能とする移動手段
と、上記超音波送受波器が発生する電気信号を解析して
上記金属薄板内の欠陥を検出する解析手段と、を備えた
金属薄板の超音波探傷装置において、上記解析手段とは
別体に構成されると共に上記超音波送受波器と近接配置
され、上記超音波送受波器が発生する電気信号を増幅し
て上記解析手段に入力する信号増幅手段を備え、上記超
音波送受波器が５．５〜１５ＭＨｚの超音波を発生し、
かつ、該超音波の上記金属薄板への入射角が上記金属薄
板にＡ₀ モードの板波を発生させる所定角度に設定さ
れ、更に、上記超音波送受波器が上記移動手段による上
記保持手段の移動方向に対して３０〜７０°の方位に上
記超音波を発生し、上記超音波送受波器が発生する超音
波がバースト波であると共に、該バースト波の包絡線
が、三角形，台形，指数関数，ガウス曲線，またはサイ
ン曲線で近似でき、高周波成分に起因する雑音の発生を
抑制する滑らかな立ち上がりおよび立ち下がりを有する
ことを特徴とする金属薄板の超音波探傷装置を要旨とす
る。

【００１１】請求項２記載の発明は、上記超音波送受波
器の、上記金属薄板に対して超音波を発生する面に関わ
る電気・機械結合係数が、他の面に関わる電気・機械結
合係数より大きいことを特徴とする請求項１記載の金属
薄板の超音波探傷装置を要旨とする。

【００１２】請求項３記載の発明は、上記保持手段が、
所定の接地面を有するタイヤ状に形成され、上記超音波
送受波器の上記金属薄板に対して超音波を発生する面
が、上記接地面に超音波を集中させるべく凹面状に形成
されたことを特徴とする請求項１または２記載の金属薄
板の超音波探傷装置を要旨とする。

【００１３】

【００１４】

【００１５】

【００１６】

【作用および発明の効果】このように構成された請求項
１記載の発明では、超音波送受波器が５．５〜１５ＭＨ
ｚの超音波を発生し、かつ、該超音波の上記金属薄板へ
の入射角が、金属薄板にＡ₀ モードの板波を発生させる
所定角度に設定されている。板波には種々のモードが存
在するが、Ａ₀ モードは位相速度が小さく、波長も短く
なるため微小欠陥の検出に適している。また、このＡ₀
モードは超音波の波長が１５ＭＨｚを上回ると発生し難
くなる。更に、φ０．１ｍｍ程度の微小欠陥を検出する
ためには、超音波の周波数を５．５ＭＨｚ以上にするの
が望ましいことが、実験的に判明した。

【００１７】本発明では、周波数５．５ＭＨｚ以上の超
音波によってＡ₀ モードの板波を発生させるので、φ
０．１ｍｍ程度の微小欠陥を良好に検出することができ
る。しかも、本発明では、超音波送受波器が発生する電
気信号を増幅して解析手段に入力する信号増幅手段を、
解析手段とは別体に構成すると共に超音波送受波器と近
接配置している。このため、超音波送受波器が受波した
超音波に応じて発生した電気信号を、その超音波送受波
器の近傍で増幅して解析手段に入力することができる。
上記電気信号は高周波の信号であるため伝送中に雑音が
混入し易いが、このように電気信号を増幅して伝送する
ことにより、雑音混入を良好に防止することができる。
また、欠陥が小さいほどそれによる上記電気信号の変化
も小さくなるが、信号増幅手段にて増幅することによ
り、解析手段が良好にその欠陥を検出することができ
る。従って、本発明では、Ｓ／Ｎ比を低下させることな
く上記電気信号を増幅することができる。

【００１８】また、本発明では、超音波送受波器が、移
動手段による保持手段の移動方向に対して、３０〜７０
°の方位に超音波を発生する。通常、保持手段は金属薄
板の圧延方向に移動することが多い。ところが、圧延方
向と垂直な方向に板波を伝播させると、その伝播方向を
横切る結晶粒の断面積は、圧延方向に比較して大きくな
り、その反射も大きくなる。これに対して、本発明で
は、上記移動方向（圧延方向）に対して７０°以下の方
位に超音波を発生し、その方向に板波を伝播させるの
で、Ｓ／Ｎ比を良好に向上させることができる。なお、
上記移動方向に対して３０°未満の方位に超音波を発生
すると、一次元走査が困難になる。

【００１９】更に、本発明では、超音波送受波器が発生
する超音波がバースト波であると共に、該バースト波の
包絡線が、三角形，台形，指数関数，ガウス曲線，また
はサイン曲線で近似できる滑らかな立ち上がりおよび立
ち下がりを有している。超音波送受波器がパルス状の超
音波を発生する場合、その周波数は超音波送受波器とそ
の結合された回路の共振周波数が支配的になる。このた
め、任意の周波数の超音波を効率よく発振することがで
きない。これに対して、本発明では、バースト波を使用
しているので、周波数の選択性を向上させ、対象欠陥に
適した周波数に容易に調整することができる。

【００２０】また、バースト波の立ち上がりまたは立ち
下がりで高周波成分が発生すると、これが雑音となる場
合があるが、本発明では、バースト波の包絡線の立ち上
がりおよび立ち下がりを滑らかにしている。このため、
この種の高周波成分に起因する雑音の発生を抑制して、
Ｓ／Ｎ比を一層向上させることができる。すなわち、前
述のように、φ０．１ｍｍ程度の微小欠陥を検出するた
めには、超音波の周波数を５．５ＭＨｚ以上にし、か
つ、Ａ0 モードの板波を使用するのが望ましいが、超音
波の周波数を増加すると雑音も増加する。これに対し
て、本発明では、前述のように、信号増幅器を解析手段
とは別体に構成すると共に超音波送受波器と近接配置
し、保持手段の移動方向に対して３０〜７０°の方位に
超音波を発生させ、更に、バースト波の包絡線の立ち上
がりおよび立ち下がりを滑らかにして高周波成分に起因
する雑音の発生を抑制している。従って、Ｓ／Ｎ比を良
好に向上させることができ、延いては、微小欠陥を良好
に検出することができる。

【００２１】請求項２記載の発明では、請求項１記載の
構成に加え、上記保持手段が、所定の接地面を有するタ
イヤ状に形成され、上記超音波送受波器の上記金属薄板
に対して超音波を発生する面が、上記接地面に超音波を
集中させるべく凹面状に形成されている。このため、請
求項１記載の発明の作用・効果に加えて、更に次のよう
な作用・効果が生じる。すなわち、保持手段をタイヤ状
に形成したいわゆるタイヤ探触子では、保持手段が移動
手段を兼ねることができ、きわめて実用的である。とこ
ろが、超音波送受波器が発生した超音波がタイヤの接地
面以外の部分に当たると、タイヤ内で反射して超音波送
受波器に戻り、それが雑音となってしまう。これに対し
て、本発明では、超音波送受波器が発生する超音波を上
記接地面に集中させているので、この種の反射を防止し
て、Ｓ／Ｎ比を良好に向上させることができる。従っ
て、微小欠陥を良好に検出することができる。

【００２２】請求項３記載の発明は、請求項１または２
記載の構成に加え、超音波送受波器の、金属薄板に対し
て超音波を発生する面に関わる電気・機械結合係数が、
他の面に関わる電気・機械結合係数より大きいことを特
徴としている。このため、請求項１または２記載の発明
の作用・効果に加えて、更に次のような作用・効果が生
じる。すなわち、上記他の面から超音波が発生すると、
その超音波が保持手段内で反射して超音波送受波器に戻
り、それが雑音となってしまう。これに対して本発明で
は、金属薄板に対して超音波を発生する面に関わる電気
・機械結合係数を他の面のそれよりも大きくすることに
より、板波を良好に発生させつつ保持手段内での超音波
の反射を抑制している。このため、Ｓ／Ｎ比を向上さ
せ、微小欠陥を良好に検出することができる。

【００２３】

【実施例】次に、本発明の実施例を図面と共に説明す
る。図１は、実施例の超音波探傷装置１の構成を表す断
面図である。なお、本実施例の超音波探傷装置１は、タ
イヤ内充填液（ここでは水を使用）を満たしたゴムタイ
ヤ３内に超音波送受波器としての振動子５を傾けて配設
したいわゆるタイヤ探触子型の超音波探傷装置である。

【００２４】ゴムタイヤ３の隣（振動子５による超音波
の発振方向と反対側）には硬質の補助輪７が配設され、
ゴムタイヤ３および補助輪７は、支軸９ａを介して支持
部９に回転自在に固定されている。そして、このゴムタ
イヤ３，補助輪７，および支持部９によってタイヤ探触
子１１が構成されている。

【００２５】次に、図２に示すように、タイヤ探触子１
１には更に、振動子５を振動させて超音波を発生する電
気信号（以下、励起信号という）と、振動子５が超音波
を受信して発生する電気信号（以下、検出信号という）
とを弁別する信号弁別器１３、並びに、検出信号を増幅
するプリアンプ１５とが設けられている。また、タイヤ
探触子１１は、信号線１７を介して、次のように構成さ
れた解析手段としての演算部２１と電気的に接続されて
いる。

【００２６】演算部２１は、超音波の振動数に応じた励
起信号を発振する発振器２３と、その励起信号を増幅し
てタイヤ探触子１１の信号弁別器１３へ送信するＲＦ
（ラジオ・フリークエンシー）アンプ２５と、タイヤ探
触子１１のプリアンプ１５を介して送信される上記検出
信号を受信してモニタ装置などを駆動する超音波探傷器
２７とを備えている。なお、振動子５の構成および発振
器２３が発生する励起信号については、後に詳述する。

【００２７】このように構成された本実施例の超音波探
傷装置１は次のように動作する。ゴムタイヤ３および補
助輪７は、金属薄板（例えばアルミニウム板）３１上に
載置され、金属薄板３１が支軸９ａと直交方向に搬送さ
れることにより、ゴムタイヤ３および補助輪７が回転す
る。ここで、発振器２３が励起信号を発振すると、その
励起信号はＲＦアンプ２５にて増幅された後、信号弁別
器１３を介して振動子５に伝達される。すると振動子５
は、超音波ビーム３７をゴムタイヤ３内に充填されたタ
イヤ内充填液（ここでは水）を介して金属薄板３１に入
射し、この入射角が所定条件を満たすとき金属薄板３１
に板波３３が発生する。この板波３３は、金属薄板３１
内の欠陥（空隙や非金属介在物）３５に反射されると、
同じ入射経路を戻って振動子５に到達し、振動子５はそ
の反射波に応じた検出信号を発生する。この検出信号は
プリアンプ１５にて増幅された後、超音波探傷器２７に
入力され、超音波探傷器２７はその検出信号に応じてモ
ニタ装置を駆動する。このため、金属薄板３１を搬送し
ながら上記モニタ装置の波形を観察することにより、金
属薄板３１の欠陥を検出することができる（例えば、図
３参照）。

【００２８】次に、欠陥の反射特性について示す。前述
のように、振動子５が発生する超音波の周波数ｆおよび
金属薄板３１の板厚ｄの積ｆ・ｄと板波モードとから、
板波３３の位相速度Ｃが求められる。振動子５から発せ
られた超音波ビーム３７はタイヤ内充填液中を伝わり、
ゴムタイヤ３を介して金属薄板３１に入射する。タイヤ
内充填液中の音速をＣｉとすると前述の式（１）の関係
が成り立つとき、すなわち次式が成立する入射角度θの
とき、板波３３が発生する。

【００２９】Ｃｉ＝Ｃ・ｓｉｎ（θ）（２）一方、タイヤ内充填液中の波長をλｉ，板波３３の波長
をλとすると、以下の関係がある。Ｃｉ＝ｆ・λｉ（３）Ｃ＝ｆ・λ （４）従って、ｆ・ｄおよびｆが決められれば、板波３３の位
相速度Ｃが決まり、その波長λも決定される。図４にア
ルミニウム板の場合での理論的に計算された板波３３の
位相速度Ｃとｆ・ｄの関係を示した。次に図４から求め
られたＣを式（４）に代入して、板波３３の波長λとｆ
の関係を図５に示した。但し、板厚ｄは０．３ｍｍとし
た。この結果から分かるように、周波数ｆを高くするこ
とによって、波長λが短くなり、欠陥の反射効率も増加
する。また、周波数が１０ＭＨｚ付近以下では、Ａ₀ モ
ードの方がλが小さく、微小欠陥検出に適することが分
かる。

【００３０】続いて、対象欠陥に近い体積を持つ人工欠
陥（円柱形の穴）を金属薄板３１に設け、実験的手法で
板波３３の欠陥反射特性を求めた。図６，７にその特性
を示す。この実験では、振動子５として１０±１０ＭＨ
ｚ程度の広帯域のものを用い、広帯域成分を持つショッ
ク波をその振動子５に与え、前述のように板波３３を発
生させて、欠陥の反射エコーを計測したものである。ま
た、本実験では、金属薄板３１の板厚ｄを０．３ｍｍと
している。実験結果より、欠陥体積すなわち欠陥径が小
さい程、最大反射を示す周波数が増加することが分か
る。なお、モードは反射特性がよいＡ₀ モードを適用し
た。また、欠陥径が大きい程、反射強度は大きい。以上
の結果から、例えば、板厚０．３ｍｍの場合、φ０．１
ｍｍ程度の微小欠陥を検出するには、周波数を８〜１５
ＭＨｚ程度（望ましくは８〜９ＭＨｚ、より望ましくは
８．５〜８．７ＭＨｚ）、φ０．２ｍｍなら５〜８ＭＨ
ｚ（望ましくは７〜７．５ＭＨｚ）を選択することが望
ましい。但し、欠陥径が大きい場合は、周波数を増加さ
せても欠陥エコーは元来レベルが高く、最高感度ではな
いというものの充分検出可能である。

【００３１】このようにして、振動子５の振動周波数を
８〜１５ＭＨｚに設定し、かつＡ₀モードを用いること
によってφ０．１ｍｍ程度の欠陥が最高感度で検出でき
る。次に、ｆ・ｄによって波長λが決まるので、板厚ｄ
に応じて適性周波数が変わる。そこで、適正周波数を求
めるためには、ある程度周波数を変動させる必要があ
る。例えば、板厚ｄ＝０．３〜０．５ｍｍを対象とする
場合、周波数は５〜９ＭＨｚ程度で変動させる必要があ
る。しかし、振動子５の励起の方法は、ショック波と呼
ばれるパルス状の電圧をかける方法が一般的で、この場
合、振動子５とその結合された回路の共振周波数が支配
的になる。このため、任意の周波数の超音波を効率よく
発振することができない。そこで、本実施例では、バー
スト波を用いて振動子５を振動させる構成を採用した。
これによって、振動子５の振動周波数の選択性を向上さ
せることができる。また、振動子５も任意の高周波数の
振動が効率よく行えるように、例えば、ＰｂＴｉ₂ Ｏ₃
などの材料を適用するとよい。

【００３２】更に、バースト波を用いて振動子５を励起
する場合、そのバースト波の包絡線が、三角形，台形，
指数関数，ガウス曲線，サイン曲線などで近似できる滑
らかな立ち上がりおよび立ち下がりとなるようにすると
よく、この場合、次のような効果が得られる。振動子５
を励起する際には、波の立ち上がりおよび立ち下がりで
高周波成分が発生し、これが雑音となる場合がある。そ
こで、包絡線の立ち上がりおよび立ち下がりを滑らかに
すれば、この種の高周波成分に起因する雑音の発生を抑
制して、Ｓ／Ｎ比を一層向上させることができる。例え
ば、図８に例示するように、（Ａ）の矩形の包絡線を有
するサインバースト波を用いた場合に比べ、（Ｂ）の指
数包絡線を有するサインバースト波を用いた場合の方
が、雑音をきわめて低減できることが判る。

【００３３】また更に、図９に例示するような台形包絡
線を有するバースト波を用いた場合、前述のように雑音
を低減してＳ／Ｎ比を向上させると共に、包絡線の平坦
部分を増やすことによって、超音波の出力を一層向上さ
せることができる。また、欠陥がφ０．１ｍｍと小さい
と、その欠陥の反射に応じた信号が非常に小さくなる。
このため、振動子５が発生する検出信号を比較的高い増
幅度で増幅しなければならない場合がある。例えば、本
実施例では、６０ｄＢをかなり越えて増幅しなければな
らない場合がある。これに対し、本実施例では、タイヤ
探触子１１にプリアンプ１５を設け、増幅した後に演算
部２１へ送信しているので、その雑音混入をかなり軽減
できる。これによって、超音波探傷器２７での増幅度は
実用的な４０〜５０ｄＢ以下とすることができる。

【００３４】また、本実施例では、Ｓ／Ｎ比を向上する
ため、振動子５に次のような構成を採用した。通常、金
属薄板３１は、タイヤ探触子１１の下をその圧延方向に
搬送される。金属薄板３１の結晶粒は圧延方向に伸びて
いることから、圧延方向と垂直な方向に板波３３を伝播
させると、その伝播方向を横切る結晶粒の断面積は、圧
延方向に比較して大きくなり、その反射も大きくなる。
また、表面粗さは、圧延方向の方が小さく、凹凸のピッ
チも大きいので、ゴムタイヤ３と金属薄板３１との界面
での反射において、圧延方向に沿って超音波を入射した
方が界面での反射雑音が小さくなる。以上のように、振
動子５の超音波の発振方向を圧延方向に近づける程、組
織などから受ける雑音反射が少なくなる。

【００３５】従来は、図１０（Ｂ）に例示するように板
幅方向（圧延方向と直交方向）に板波３３を伝播させて
いた。これに対し、本実施例では、図１０（Ａ）に例示
するように、板波３３の伝播方向を圧延方向に対してψ
＝３０〜７０°にすることによって、Ｓ／Ｎ比を向上さ
せることができた。ψを種々変更してＳ／Ｎ比の変化を
測定した結果を図１１に例示する。図に示すように、ψ
＝０°のときが最もＳ／Ｎ比が大きいが、ψが小さくな
るほど金属薄板３１の一次元走査が困難になる。すなわ
ち、板波３３が薄板状の材料中を伝播するときに、その
材料中の結晶粒界などで反射吸収され（これが雑音の主
な原因である）、板波３３の強度が減衰するので、板波
３３の到達距離Ｌが限定される。このため、走行する金
属薄板３１の幅方向の探傷可能域はＬ・ＳＩＮ（ψ）に
なり、ψを０°に近づけるほど探傷可能域は０に近づ
く。そこで、例えば、探傷可能域の常識的な限界をＬ／
２とすれば、ψ＝３０°程度が下限となる。一方、ψを
大きくすると、探傷可能域は最大のＬに近づくが、図１
１に例示した如く、Ｓ／Ｎ比は低下し、それが６ｄＢ
（比で２）を下回ると測定不能にとなる。従って、Ｓ／
Ｎ比６ｄＢの下限に対応したψ＝７０°程度を上限とす
れば欠陥信号弁別が可能である。従って、ψを３０°〜
７０°の範囲に設定するのが適当である。

【００３６】また、ψ＝９０°のときとψ＝６０°のと
きとにおけるモニタ波形の一例を、図１２に例示する。
図に示すように、ψ＝６０°とすることにより、きわめ
て良好に雑音を解消できることが判る。更に、図から判
るように、金属薄板３１の板端からの反射に起因する雑
音（板端エコー）も低減することができる。これは、板
波３３が板端面に対して所定角度（ここでは３０°）で
到達するため、その反射波がそのまま振動子５に返らな
いからである。なお、このようにψを変更した構成は、
振動子５の向きを、金属薄板３１に立てた法線を中心に
角度ψだけ回転させて配設することによって容易に実現
することができる。また、金属薄板３１が鋼板である場
合は、欠陥３５が金属薄板３１の圧延方向に潰れ、欠陥
３５自体の形状が変化してしまうが、金属薄板３１がア
ルミニウム合金などの軽金属であり、欠陥３５として非
金属介在物を検出しようとする場合、特に優れた効果が
得られる。すなわち、この種の軽金属は軟らかいので、
圧延によっても非金属介在物は変形しない。従って、前
述のＳ／Ｎ比向上に関する効果が得られる。従って、本
実施例の装置を用いた非金属介在物の検出方法は、金属
薄板３１がアルミニウム合金などの軽金属である場合に
特に有効であるといえる。

【００３７】次に、ゴムタイヤ３内部の反射による雑音
の低減を行うこともＳ／Ｎ比向上に効果が大きい。そこ
で、本実施例では、図１３（Ａ）に例示するように、超
音波発振面５ａを凹面状に構成した、いわゆるフォーカ
ス型の振動子５を使用している。このため、振動子５か
ら発振された超音波ビーム３７を、ゴムタイヤ３の有効
接地面３ａに集中させることができ、効率よく板波３３
に変換することができる。これによって、図１３（Ｂ）
に例示する従来の振動子４５が発振する平行な超音波ビ
ーム４７では、両端のビーム４７ａが板波３３に変換せ
ず、ゴムタイヤ３で反射して、雑音になっていたのを、
本実施例では有効に利用し、雑音を低減することができ
る。

【００３８】この実験結果を図１４に例示する。図１４
では、実施例の振動子５を使用した場合のモニタ波形を
（Ａ）に、従来の振動子４５を使用した場合のモニタ波
形を（Ｂ）に例示している。図に示すように、本実施例
では、良好に雑音を低減し、ゴムタイヤ３からの反射に
基づく不感帯を縮小することができる。

【００３９】また、振動子５自体も従来のよく用いられ
るＰＺＴ系振動子から縦横方向（超音波ビーム３７を金
属薄板３１に入射して板波３３を発生する方向を縦とす
る）の電気・機械結合係数の比Ｋ₃₃／Ｋ₃₁の大きい、例
えばＰｂＴｉＯ₃のＰＴ系またはビスマス層状構造強誘
電体（ＢＬＳＦ）などの振動子に変えることによって、
横方向の振動成分を軽減し、ゴムタイヤ３内部の雑音を
減少させることができた。図１５に例示するように、超
音波ビーム３７ａが横方向に発振されると、ゴムタイヤ
３内で反射して雑音になるが、本実施例ではこの種の雑
音を良好に低減することができた。

【００４０】更に、欠陥の反射による微小な信号を良好
に受信するためには、可能な限りの超音波減衰を抑制す
る必要がある。この種の減衰には、ゴムタイヤ３を通過
する際の超音波ビーム３７の減衰、ゴムタイヤ３に押さ
えられた部分での板波３３の減衰、金属薄板３１内での
板波３３の減衰がある。

【００４１】本実施例では、この内ゴムタイヤ３通過時
の減衰を次のようにして抑制している。すなわち、この
種の減衰はゴムタイヤ３を構成するゴムの厚さが増加す
るほど著しくなる。そこで、実用上、問題ない程度（−
１０ｄＢ）の減衰に押さえるためには、例えば、ウレタ
ンゴムであれば、１ｍｍ以下とすることが必要である。
本実施例では、補助輪７を設けたことによって、ゴムタ
イヤ３をこのように薄く形成しても、充分にゴムタイヤ
３の形態を保持することができる。そして、この構成に
よって、ゴムタイヤ３の姿勢が傾き、その接地面積が変
化するのをも良好に防止することができる。なお、補助
輪７は、超音波ビーム３７の照射位置を避けてゴムタイ
ヤ３内部に設けたり、ゴムタイヤ３の外側に板波３３を
避けて設けたりすることもできる。そして、複数の補助
輪７を設けることにより、上記課題を一層良好に解決す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の超音波探傷装置の構成を表す断面図で
ある。

【図２】実施例の超音波探傷装置の信号系統を表すブロ
ック図である。

【図３】実施例の超音波探傷装置のモニタ画面を例示す
る説明図である。

【図４】ｆ・ｄと位相速度との関係を例示する説明図で
ある。

【図５】超音波周波数と板波波長との関係を例示する説
明図である。

【図６】振動子の周波数とＳ／Ｎ比との関係を例示する
説明図である。

【図７】欠陥体積と振動子の最適周波数との関係を例示
する説明図である。

【図８】超音波の包絡線形状に起因するモニタ波形の変
化を例示する説明図である。

【図９】台形包絡線を有するバースト波を例示する説明
図である。

【図１０】実施例の板波伝播方向を、従来との比較にお
いて例示する説明図である。

【図１１】探触子角度とＳ／Ｎ比との関係を例示する説
明図である。

【図１２】探触子角度に起因するモニタ波形の変化を例
示する説明図である。

【図１３】実施例の振動子の構成・作用を従来との比較
において例示する説明図である。

【図１４】振動子の構成に起因するモニタ波形の変化を
例示する説明図である。

【図１５】振動子の横方向の振動成分による雑音の発生
源理を表す説明図である。

【図１６】超音波探傷装置による板波の発生源理を表す
説明図である。

【図１７】板波モードを例示する説明図である。

【図１８】各モードにおける、ｆ・ｄと入射角との関係
を例示するマップである。

【図１９】鋼板に対する欠陥体積と欠陥エコーレベルと
の関係を例示する説明図である。

【符号の説明】

１…超音波探傷装置３…ゴムタイヤ５
…振動子７…補助輪９…支持部１
１…タイヤ探触子１３…信号弁別器１５…プリアンプ１
７…信号線２１…演算部２３…発振器２
５…ＲＦアンプ２５…アンプ２７…超音波探傷器３
１…金属薄板３３…板波３５…欠陥３
７…超音波ビーム

フロントページの続き (56)参考文献特開昭57−94647（ＪＰ，Ａ) 特開平３−297455（ＪＰ，Ａ) 特開平４−142458（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−108152（ＪＰ，Ａ) 特開平２−157652（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−233362（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−120249（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−69300（ＪＰ，Ａ) (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】金属薄板に超音波を斜入射して該金属薄
板に板波を発生すると共に、該金属薄板から同一経路を
介して返送される超音波を受波して、受波した超音波に
応じた電気信号を発生する超音波送受波器と、該超音波送受波器を内部に保持すると共に、上記超音波
送受波器と上記金属薄板との間に液状の超音波伝播体を
保持する保持手段と、該保持手段を、上記金属薄板に対して一定方向に相対移
動可能とする移動手段と、上記超音波送受波器が発生する電気信号を解析して上記
金属薄板内の欠陥を検出する解析手段と、を備えた金属薄板の超音波探傷装置において、上記解析手段とは別体に構成されると共に上記超音波送
受波器と近接配置され、上記超音波送受波器が発生する
電気信号を増幅して上記解析手段に入力する信号増幅手
段を備え、上記超音波送受波器が５．５〜１５ＭＨｚの超音波を発
生し、かつ、該超音波の上記金属薄板への入射角が上記
金属薄板にＡ₀ モードの板波を発生させる所定角度に設
定され、更に、上記超音波送受波器が上記移動手段によ
る上記保持手段の移動方向に対して３０〜７０°の方位
に上記超音波を発生し、上記超音波送受波器が発生する超音波がバースト波であ
ると共に、該バースト波の包絡線が、三角形，台形，指
数関数，ガウス曲線，またはサイン曲線で近似でき、高
周波成分に起因する雑音の発生を抑制する滑らかな立ち
上がりおよび立ち下がりを有することを特徴とする金属
薄板の超音波探傷装置。
【請求項２】上記超音波送受波器の、上記金属薄板に
対して超音波を発生する面に関わる電気・機械結合係数
が、他の面に関わる電気・機械結合係数より大きいこと
を特徴とする請求項１記載の金属薄板の超音波探傷装
置。
【請求項３】上記保持手段が、所定の接地面を有する
タイヤ状に形成され、上記超音波送受波器の上記金属薄板に対して超音波を発
生する面が、上記接地面に超音波を集中させるべく凹面
状に形成されたことを特徴とする請求項１または２記載
の金属薄板の超音波探傷装置。