JP3095055B2 - 斜角探傷用電子走査式探触子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、鋼材の溶
接部内部にある欠陥を検査する自動探傷装置などに使用
される斜角探傷用電子走査式探触子（フェーズトアレイ
探触子）に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】鋼材の溶接部内部にある疵等の欠陥の有
無を非破壊検査する手法として、超音波斜角探傷法が広
く用いられている。この超音波斜角探傷は、探触子を用
いて行われる。特に、かかる探触子として、特開平７−
２２９８７９号公報に記載されているような斜角探傷用
電子走査式探触子が提案されている。図３はその斜角探
傷用電子走査式探触子の概略構成図である。図３に示す
斜角探傷用電子走査式探触子は、楔５０と、複数の超音
波振動子５１とを備える。楔５０は、被検体の表面に対
向する平坦な底面と、第一及び第二の斜面を所定のピッ
チで反復させて形成された鋸歯状の表面とを有する。超
音波振動子５１は、第一及び第二の斜面のうち一方の斜
面のそれぞれに一個ずつ配置される。

【０００３】上記の斜角探傷用電子走査式探触子は、超
音波振動子５１が配置されたすべての斜面に対し、その
斜面の中心から楔５０の底面までの距離は等しい。通
常、超音波は楔の中を通過する際に減衰する。したがっ
て、各超音波振動子によって、斜面の中心から楔の底面
までの距離が異なると、材料中に入る超音波の振幅が異
なるため、この誤差を補正する必要がある。しかし、上
記の特開平７−２２９８７９号公報に記載されている斜
角探傷用電子走査式探触子は、かかる補正を必要としな
い点で優れている。

【０００４】尚、超音波振動子５１が、図３に示すよう
に斜面に取り付けられているのは、以下の理由による。
通常、溶接部の探傷には屈折角θが４５°から７０°の
横波が利用される。楔として通常使用されるアクリル樹
脂内を伝播する縦波の伝播速度（音速）は約２７３０m/
s であるから、上述の屈折角の横波を発生させるために
は、スネルの法則によれば、約３７°から５３°の方向
に縦波を偏向させる必要がある。しかし、一個の超音波
振動子の幅を１mm程度とし、探傷周波数５MHzとする
と、この超音波振動子の指向角は理論的に約３１°に過
ぎないため、被検体に対して平行な平面に配置された超
音波振動子では、所望の屈折角の横波の発生に必要な３
７°から５３°の範囲の偏向角は実現できない。このた
め、超音波振動子を被検体に対して傾けて配置する必要
がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、例えば板厚
が１９mmの鋼板同士の突き合わせ溶接部について、屈折
角７０度の超音波斜角探傷を行う場合、振動子を走査さ
せる距離、すなわち、超音波振動子全体の長手方向の幅
は約１００mm必要になる。超音波振動子に幅が１mmのも
のを使用すると、超音波振動子は約１００チャンネル
（個）必要となる。したがって、このような階段状アレ
イ探触子を製造する場合、約１００個の幅１mmの超音波
振動子を一つずつ各斜面に張りつけなければならい。か
かる作業は、極めて煩雑な作業となる。検査の精度を向
上させるために、より幅の狭い超音波振動子を配置する
ときには、この配列の作業はさらに困難なものとなり、
製造上、問題となる。

【０００６】本発明は上記事情に基づいてなされたもの
であり、幅の小さい超音波振動子を使用する場合でも、
製造が容易な斜角探傷用電子走査式探触子を提供するこ
とを目的とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の請求項１記載の発明に係る斜角探傷用電子走査式探触
子は、被検体の表面に対向する平坦な底面と、第一及び
第二の斜面を所定のピッチで反復させて形成した鋸歯状
の表面とを有する板状又は棒状の楔体と、前記第一及び
第二の斜面のうち一方の斜面のそれぞれに配置された複
数個の超音波振動子が、表面部のみに切り込みを入れる
ことにより、個別の各超音波振動子に区分され、裏面部
は前記複数個の超音波振動子について連続して形成さ
れ、一体的に形成された併合振動子とを備え、前記併合
振動子が配置された前記斜面の傾斜角を、被検体中に入
射する超音波の角度とスネルの法則から求めた前記楔体
中の縦波の入射角と同じ角度とし、更に前記併合振動子
の切り込みのピッチを、探傷するときの走査ピッチと前
記入射角（又は傾斜角）に基づいて決定し、且つ前記併
合振動子内の超音波振動子の数は、各超音波振動子から
発せられた超音波の楔体中における減衰量の差が許容範
囲内になるように決定したものであることを特徴とする
ものである。

【０００８】

【作用】一の斜面に設ける併合振動子内の超音波振動子
の数をｎ個とすれば、ｎ個の超音波振動子は一体的に形
成されているので、各斜面に超音波振動子を設ける作業
は、１／ｎとなり、製造作業の簡素化を図ることができ
る。各併合振動子内のｎ個の超音波振動子は、表面部の
みに切り込みを入れて個別の各超音波振動子に区分し、
裏面部は前記ｎ個の超音波振動子について連続したもの
とすることにより、容易にｎ個の超音波振動子が一体的
に形成された併合振動子を得ることができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下に本発明の一実施形態につい
て図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施形態
である斜角探傷用電子走査式探触子の概略構成図、図２
はその斜角探傷用電子走査式探触子の併合振動子内の超
音波振動子の数を説明するための図である。

【００１０】本実施形態の斜角探傷用電子走査式探触子
は、多数の鋸歯状の山部が形成された楔体１と、楔体１
の山部の一方の各斜面に設けられた３つの超音波振動子
Ｔが一体的に形成された併合振動子ＴＡとを備えてい
る。なお、２は被検体である鋼材である。本実施形態に
使用する併合振動子ＴＡは、３個の超音波振動子Ｔを切
り離さずに、表面部にのみ切り込みをいれて形成したも
のである。切り込みの深さは、隣り合う超音波振動子が
互いに他の超音波振動子の影響を受けない範囲内であれ
ばよい。超音波振動子Ｔの種類によっては、上部の電極
だけに切り込みを入れて造ることも可能であると考え
る。また、この切り込みは、併合振動子を張りつけた後
に行った方が、切り込みによる割れが少ないので、望ま
しい。勿論、併合振動子を各斜面に張りつける前に、こ
の切り込みを行ってもよい。

【００１１】本実施形態の併合振動子ＴＡは、上記のよ
うに構成したことにより、表面部のみに切り込みを入れ
て区分した３個の超音波振動子Ｔを一の振動子として取
り扱うことができる。すなわち、各斜面に超音波振動子
を張りつける際には、３個の超音波振動子Ｔを一の振動
子として張り付け作業を行うことができるので、張り付
け作業は、従来のものに比べて約１／３の労力で足り
る。

【００１２】また、本実施形態の併合振動子ＴＡは、各
併合振動子内の下部電極が繋がっているので、３個の超
音波振動子の下部電極の配線を１回の配線作業で行うこ
とができ、したがって各超音波振動子毎に配線を行う従
来のものに比べて、配線作業における省労力化を図るこ
とができる。次に、図２を用いて、併合振動子ＴＡ内の
超音波振動子Ｔの数、すなわち一の斜面に張り付けるこ
とが可能な超音波振動子の数について説明する。

【００１３】図１は併合振動子ＴＡ内の超音波振動子Ｔ
の数が３個である場合を示しているが、一の斜面に配置
する超音波振動子は、数が多いほど、製造作業工程を簡
略化することができる。しかし、その数が多すぎると、
各超音波振動子から発せられた超音波が楔体１中を通過
するときの減衰の差を無視できなくなり、前述したよう
に補正が必要となる。したがって、一の斜面に配置する
ことができる超音波振動子の数は、楔体中における超音
波の減衰量の差が無視できる範囲内の数でなければなら
い。楔体中における超音波の減衰量は、楔体１として使
用する材料によって大きく異なり、したがって一の斜面
に配置することができる超音波振動子の数は、楔体１と
して使用する材料によって、その最大値が決まる。

【００１４】今、一の斜面に超音波振動子Ｔをｎ個配置
した場合を考える。楔体内の音速をｖ₀ 、鋼材中の音速
をｖ₁ 、楔体内の入射角をα、鋼材中での屈折角をθ、
一つの超音波振動子Ｔの幅をｗとすれば、各斜面の両端
に位置する超音波振動子Ｔ間の距離は、（ｎ−１）ｗと
なる。楔体中の伝播距離の差をΔとすると、スネルの法
則からθとαの関係はｖ₀ ／sin α＝ｖ₁ ／sin θ と
なり、したがって、αは、 α＝sin ^-1（ｖ₀ ・sin θ／ｖ₁ ） ・・・ となる、このαを使うと、Δは、 Δ＝（ｎ−１）ｗ・tan α ・・・ となる。

【００１５】楔体にポリイミド樹脂（カタログ値で、音
速２８３０ｍ／ｓ、減衰係数０．６dB/cm ）を使用し、
鋼材（音速３２４０m/s ）中の屈折角を７０度と仮定す
ると、式より、 α＝sin ^-1（２８３０m/s ・sin ７０°／３２４０m/s ） ＝５５．２° となる。

【００１６】各斜面における超音波の許容減衰量の差
を、厳しくみて１dB以内とすると、Δの上限値Δmax
は、 １dB÷０．６dB/cm ＝１６．７mm≡Δmax となる。したがって、一段に並べることのできる振動子
の数は、ｗ＝１mmとすると、 Δmax ＞２×Δ １６．７＞２×（ｎ−１）×１mm×tan ５５．２° ｎ＜６．８ となり、楔体にポリイミド樹脂を使用した場合、一の斜
面には６個の超音波振動子数を並べることが可能とな
る。

【００１７】次に、図１に示す本実施形態の斜角探傷用
電子走査式探触子を用いて、板厚が１９mmの鋼板同士の
突き合わせ溶接部を探傷する場合について説明する。JI
S Z3060「鋼溶接部の超音波探傷試験方法及び等級分類
方法」によれば、周波数５MHz 、超音波振動子寸法１０
mm×１０mm、屈折角７０度の探触子を用い、直射から一
回反射の範囲で、探触子を走査することが標準となって
いる。以下、これに適合する本実施形態の斜角探傷用電
子走査式探触子について説明する。

【００１８】超音波振動子の周波数を５MHz とすれば、
一回反射の範囲まで走査するには、本実施形態では、板
厚１９mm、屈折角７０度であるから、約１００mmの走査
幅が必要である。探傷するときの溶接部に直交する方向
の走査ピッチを１mmとする。楔体１としてアクリル樹脂
を使用すると、その内部を伝播する縦波の速度は２７３
０m/s であり、鋼材中を伝播する横波の速度は３２４０
m/s であるから、鋼材中に屈折角θが７０度の横波を発
生するには、スネルの法則から楔体中の縦波の入射角α
は５２．４度となる。したがって、楔体１の鋸歯状の表
面の併合振動子ＴＡを設置する側の斜面の傾斜角は５
２．４度に設定する。また、楔体１の鋸歯状の山部の角
度は９０度に設定する。

【００１９】上述した１mmの走査ピッチを得るために
は、上記５２．４度の入射角で、各超音波振動子から発
射した超音波ビームの中心軸の鋼材２の表面上でのピッ
チを１mmにする必要がある。これを鋸歯状の面に投影す
ると、以下のようなギャップを含めた超音波振動子の幅
ｗが得られる。 ｗ＝１．０×cos ５２．４°= ０．６(mm) また、各超音波振動子の幅を０．５mm、振動子間のギャ
ップを０．１mmとすると、併合振動子の幅ｗ_A は、 ｗ_A ＝０．５×３＋０．１×２＝１．７(mm) となる。したがって、鋸歯状の斜面の併合振動子を設け
る面の幅は併合振動子のｗ_A にギャップ分の０．１mmを
足して１．８mmとなる。

【００２０】また、併合振動子ＴＡ間の距離（すなわ
ち、鋸歯の反対側の斜面の幅）ｈは、 ｈ＝１．８×tan ５２．４°＝２．３４(mm) となる。したがって、併合振動子を設置する側の鋸歯の
斜面の幅は１．８mm、他方の側の斜面の幅は２．３４mm
となり、鋸歯状の山のピッチは約３mmとなる。また、各
斜面の長さを１０mmとし、山の数は３４個とする。

【００２１】また、各併合振動子の長さは、上記斜面の
寸法に合わせて１０mmとする。このような併合振動子を
３４個の斜面のそれぞれに設置し、そのうちの１６の各
超音波振動子を一組として動作させることにより、幅が
１０mm、長さが１０mmの寸法の１個の斜角探触振動子を
設置した場合と同様の効果が得られる。また、併合振動
子の下端から被検体である鋼材の表面までの距離を約７
mmとした。この距離は楔体内での超音波の減衰を少なく
するには短くほど良いが、楔体内で乱反射する超音波を
十分に減少させるためにある程度の距離も必要なことを
勘案して、最適値を実験的に決めることになる。

【００２２】次に、本実施形態の斜角探傷用電子走査式
探触子を、板厚１９mmの鋼板の突き合わせ溶接部を有す
る鋼材上に接触媒体（グリセリン）を介して配置し、そ
の突き合わせ溶接部を探傷するときの動作について説明
する。接触媒体を用いるのは、斜角探傷用電子走査式探
触子と鋼材との間に空気層が介在すると、超音波が伝播
しなくなるからである。

【００２３】まず、超音波振動子Ｔ1 からＴ16までに送
信パルスを印加するが、各併合振動子ＴＡ内では、 ｔ₁ ＝０ ずつ遅らせ、また、隣接する併合振動子ＴＡの超音波振
動子Ｔ間（例えば、図１の超音波振動子Ｔ_n-2 とＴ_n-3
の間）は、 ｔ₂ ＝ｈ／ｖ₀ （ｖ₀ ：楔体内の縦波音速） ずつ遅らせて送信パルスを順次印加する。各超音波振動
子から発した縦波は、各超音波振動子Ｔの法線方向に伝
播し、入射角αは５２．４度と変わらず、鋼材中に屈折
角７０度の横波が伝播していく。

【００２４】溶接部中を伝播する横波の伝播経路内に疵
等が存在すると、そこで反射波が発生し、この反射波の
うち入射経路と逆の経路をたどって戻る成分が超音波振
動子に受信される。疵等の欠陥が存在しなければ反射波
は発生しない。溶接部まで超音波パルスが往復するのに
要する時間が経過した後、次の超音波振動子の組である
振動子Ｔ2 からＴ17に、同様に送信パルスを印加する。
このように、超音波振動子を１個ずつずらすことにより
選択した新たな１６個の振動子の組に、上述した遅延時
間をもたせながら順次送信パルスを印加するという具合
に、同様の動作を繰り返す。最後に、振動子Ｔ87からＴ
102 までの１６個の超音波振動子の組に順次送信パルス
を印加し、それによる反射波を受信すれば、直射から一
回反射までの探傷作業は終了する。

【００２５】尚、本発明は上記の実施形態に限定される
ものではなく、その要旨の範囲内において種々の変形が
可能である。例えば、上記の実施形態では、併合振動子
内に３個の超音波振動子が形成されている場合について
説明したが、楔体にポリイミド樹脂を使用する場合に
は、一の併合振動子内に、２個又は４個以上６個以下の
超音波振動子を形成することができる。

【００２６】また、上記の実施形態では、予め製作され
た振動子に切り込みを入れることにより、複数の超音波
振動子を有する併合振動子を形成する場合について説明
したが、併合振動子は、振動子を製作する際に、複数の
各超音波振動子に区分した形で形成するようにしてもよ
い。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、複
数個の超音波振動子が一体的に形成された併合振動子を
用いることにより、幅の小さい超音波振動子を使用する
場合でも、従来のものに比べて大幅に製造作業の簡素化
を図り、もって性能の安定化を図ることができる斜角探
傷用電子走査式探触子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態である斜角探傷用電子走査
式探触子の概略構成図である。

【図２】本実施形態の斜角探傷用電子走査式探触子の併
合振動子内の超音波振動子の数を説明するための図であ
る。

【図３】従来の斜角探傷用電子走査式探触子の概略構成
図である。

【符号の説明】

１ 楔体 ２ 鋼材 Ｔ 超音波振動子 ＴＡ 併合振動子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平７−229879（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−149836（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−133500（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−220600（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 29/00 - 29/28

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検体の表面に対向する平坦な底面と、
   第一及び第二の斜面を所定のピッチで反復させて形成し
   た鋸歯状の表面とを有する板状又は棒状の楔体と、前記
   第一及び第二の斜面のうち一方の斜面のそれぞれに配置
   された複数個の超音波振動子が、表面部のみに切り込み
   を入れることにより、個別の各超音波振動子に区分さ
   れ、裏面部は前記複数個の超音波振動子について連続し
   て形成され、一体的に形成された併合振動子とを備え、 前記併合振動子が配置された前記斜面の傾斜角を、被検
   体中に入射する超音波の角度とスネルの法則から求めた
   前記楔体中の縦波の入射角と同じ角度とし、更に前記併
   合振動子の切り込みのピッチを、探傷するときの走査ピ
   ッチと前記入射角（又は傾斜角）に基づいて決定し、 且つ前記併合振動子内の超音波振動子の数は、各超音波
   振動子から発せられた超音波の楔体中における減衰量の
   差が許容範囲内になるように決定したものであることを
   特徴とする斜角探傷用電子走査式探触子。