JP3212734U

JP3212734U - 超音波探触子

Info

Publication number: JP3212734U
Application number: JP2017003269U
Authority: JP
Inventors: 進幸崎
Original assignee: 株式会社検査技術研究所
Priority date: 2017-07-18
Filing date: 2017-07-18
Publication date: 2017-09-28
Anticipated expiration: 2027-07-18

Abstract

【課題】弾性を有する部材を用いつつ薄型で感度の良い超音波探触子を提供する。【解決手段】超音波探触子１Ａは、保護層部３と、保護層部の一方の面３ｂに固定される振動子２と、振動子に電気的に接続しているコネクタ６とを備え、保護層部は、弾性を有し、一方の面３ｂの反対側の他方の面を被検査対象との接触面３ａとしており、好ましくは振動子がコンポジット振動子であり、更に好ましくは、保護層部の一方の面３ｂに弾性を有する膜状の緩衝部４が接着剤Ｇで貼り合わされ、振動子が少なくとも保護層部と緩衝部とに挟持されている。【選択図】図１

Description

本考案は、超音波探触子に関する。

構造物の内部の欠陥を非破壊的に検査する方法として、超音波探傷検査が広く知られている。超音波探傷検査を実施する場合、超音波探触子に発生させる超音波を対象構造物の内部に効率よく伝播させるために、検査対象物の表面に超音波探触子を密着させる必要がある。このために、従来は、検査対象物の表面と超音波探触子の接触面との間に、超音波を伝播させるグリセリンやグリス等、粘性を有する液状の接触媒質を介在させていた。しかし、グリセリンやグリス等、粘性を有する液状の接触媒質を検査対象物に塗布した場合、検査後に検査対象物の表面から接触媒質を除去する洗浄作業が必要となり、この作業に多大な労力を要していた。また、検査対象物によっては、接触媒質を塗布出来ないこともある。
この問題を解決するために、超音波探触子の先端の接触面上にウレタン等の弾性材を配し、液状の接触媒質を用いることなく検査対象物の表面に超音波探触子を密着させる技術が広く知られている（例えば、下記特許文献１）。

特開２０１２−３２３６０号公報

しかし、従来の超音波探触子は、振動子を保護する硬質のアルミナ板等の保護板上に弾性材を配していたため、超音波探触子の全体が厚くなってしまうとともに、音響インピ−ダンスの差が大きいため感度が低下するという問題があった。

そこで、本考案は、弾性を有する部材を用いつつ薄型で感度の良い超音波探触子を提供する。

本考案の超音波探触子は、振動子と、この振動子を一方の面で覆う保護層部と、前記振動子と電気的に接続しているコネクタとを備え、前記保護層部は、弾性を有し、前記一方の面に前記振動子を固定し、前記一方の面の反対側の他方の面を被検査対象との接触面としている。
この構成によれば、超音波探触子を薄型に形成することができ、音響インピ−ダンの差が小さいため超音波探触子の感度を良好にすることができる。

本考案の前記振動子は、コンポジット振動子であるとよい。
この構成によれば、保護層部の変形に合わせて振動子を変形させることができ、振動子と検査対象との距離を一定に保ち易くなる。

前記振動子の電極には、長尺な金属箔が接着され、前記金属箔の先端が配線を介してコネクタに接続されていてもよい。
この構成によれば、電極の表面に金属箔をしっかりと接着できるため、配線を介したコネクタとの接続が安定的になる。

本考案の前記振動子を固定した前記保護層部の一方の面に弾性を有する膜状の緩衝部が貼り合わされ、前記振動子が少なくとも前記保護層部と前記緩衝部とに挟持されていてもよい。
この構成によれば、振動子がより弾性変形し易くなり、また、振動子の保護層部からの剥離を防止することができる。

本考案の前記保護層部、前記振動子及び前記緩衝部は、前記緩衝部の裏面側に設けられたダンパー部材に支持され、前記ダンパー部材は、このダンパー部材を内部に収容可能で先端に開口部が形成されたハウジング内に保持され、保護層部、振動子及び緩衝部は、前記ハウジングの先端開口部から前記ハウジングの外に突出するように設けられていてもよい。
この構成によれば、保護層部、振動子及び緩衝部を検査対象の表面により柔軟に追従させることができる。

本考案の前記保護層部の一方の面及びこれに対向する前記緩衝部の表面の少なくともいずれか一方に、前記振動子を嵌合させる凹所が形成されていてもよい。
この構成によれば、保護層部の一方の面及びこれに対向する緩衝部の表面の少なくともいずれか一方に振動子を固定し易くなる。

本考案の前記保護層部、振動子及び緩衝部の外周面には、これらを保持する先端補強部が設けられていてもよい。
この構成によれば、保護層部、振動子及び緩衝部を安定的に保持することができる。

本考案の前記保護層部は、ブチルゴムを含んでいてもよい。
この構成によれば、振動子の保護層部への接着を良好に行うことができる。

本考案の超音波探触子は、弾性を有する保護層部を用いつつ薄型で感度を良くすることができるという効果を奏する。

本考案に係る超音波探触子の第１の実施形態を示す縦断面図である。本考案に係る超音波探触子の第２の実施形態の縦断面図である。本考案に係る超音波探触子の第２の実施形態の正面図である。本考案に係る超音波探触子の第１の実施形態の保護層部及び緩衝部の変形例を示す一部縦断面図である。本考案に係る超音波探触子の第１の実施形態の保護層部、振動子、緩衝部及びダンパー部材の変形例を示す一部縦断面図である。

以下、図面を参照して本考案の第１の実施形態について説明する。本実施形態は、本願考案を垂直探触子に適用した例を以て説明する。
なお、各図は、超音波探触子を模式的に示したものであって、各構成要素の寸法関係は各図で示された比率等に拘束されるものではない。

図１に示すように、本考案の一実施形態の超音波探触子１Ａは、振動子２と、振動子２を固定し弾性を有する保護層部３と、振動子２を挟持しつつ保護層部３の裏面３ｂに貼り合わされる膜状の緩衝部４と、ダンパー部材５と、コネクタ６と、ハウジング７とを備えている。

本実施形態の振動子２は、コンポジットタイプ（いわゆるコンポジット振動子）である。コンポジットタイプの振動子２とは、格子状に形成された不図示のエポキシ樹脂の各枠（ブロック）内に擦切れ状に圧電材料８が配され、圧電材料８の両面に電極９，１０が成膜された振動子である。このようなコンポジットタイプの振動子２は、圧電材料８の表面側を格子状にカットし、カットされた溝部分にエポキシ樹脂を充填し、その後底面側を研磨し、エポキシ・マトリクスの中に小圧電ブロックを設け、更に両面に電極９，１０を成膜して形成されている。

振動子２の圧電材料８としては、チタン酸ジルコン酸鉛系（ＰＺＴ）セラミックス、多孔性ポリプロピレン、ポリマー、コンポジット等を用いることができる。

振動子２の厚さは、本実施形態では約３００μｍに形成されている。なお、振動子２の厚さは、１４０μｍ以上７００μｍ以下に形成されていればよく、２００μｍ以上３５０μｍ以下に形成されていることが好ましい。
また、振動子２の表面積は、検査対象により適宜設定されるが、小さいものであれば例えば１ｍｍ^２程度のものがあり、大盤のものであれば例えば３１４ｍｍ^２のものがある。本実施形態では、周波数帯域が２ＭＨｚ〜１０ＭＨｚであり、表面積が１ｍｍ^２から２０ｍｍ^２の振動子２が用いられている。

振動子２の電極１０には、略線状で長尺に形成され、格子状に交差させた導電性を有する金属箔（本実施形態では銀箔）２５が接着されており、金属箔２５の端部がそれぞれダンパー部材５に向けて延びている。金属箔２５の先端はダンパー部材５の端面近傍で配線２６に接続され、配線２６を介してコネクタ６に接続されている。なお、電極１０は、配線２６を用いて確実にコネクタ６に接続されれば、金属箔２５の設置は必須ではない。
電極９には、アース線２７が接続されている。

保護層部３は、弾性を有し厚みがほぼ一定の薄い膜状に形成されている。
保護層部３の裏面（一方の面）３ｂには、振動子２が取り付けられ、固定されている。振動子２の固定は、特に限定されないが本実施形態では接着剤により保護層部３に対して相対的に移動しないように、また保護層部３から剥離し難いようになされている。接着剤には、エポキシ樹脂等、固化した後に柔軟性を有するものが好適に使用される。

保護層部３の表面（他方の面）は、超音波探触子１Ａの先端面を構成しており、検査対象に当てる接触面３ａとなっている。
保護層部３は、弾性を有し、超音波の伝播性が良い材質であれば特に限定されないが、本実施形態では振動子２の接着に適したブチルゴムにより、中実に形成されている。

すなわち、本考案の超音波探触子１Ａは、従来の超音波探触子のように振動子の表面に配した耐摩耗性のある硬質な保護板（耐摩耗板と称されることもある）の表面に平板状の弾性体を貼り合わせているのではなく、振動子２の保護と被検査対象への密着性の機能とを一つに兼ね備えた保護層部３を用いている。

保護層部３の厚さは、０．５ｍｍ以上１ｍｍ未満であることが好ましく、本実施形態では０．６ｍｍ〜０．９ｍｍの範囲で形成されている。保護層部３の表面積は、振動子２の表面積と同等以上に形成されており、振動子２を完全に覆うことができるようになっている。
本実施形態において保護層部３の表裏面は、円形に形成されている。なお、表裏面の形状は円形以外に、矩形その他の多角形で形成されていてもよい。

緩衝部４は、保護層部３と同材料で、振動子２を完全に覆い得るように保護層部３と略同形状に形成されている。この緩衝部４は、振動子２を間に挟んで接着剤Ｇにより保護層部３の裏面３ｂに貼り合わされている。緩衝部４と保護層部３との間にはほとんど空隙が形成されないように接着剤Ｇが介在している。なお、保護層部３と振動子２との間、振動子２と緩衝部４との間も接着剤Ｇにより空隙が形成されないように密着しているが、これらの間の接着剤Ｇは図示していない。

緩衝部４は、保護層部３及び振動子２の変形にある程度追従できる弾性を有しかつ保護層部３及び振動子２との貼り合わせの相性が良ければ、必ずしも保護層部３と同じ材料及び同じ厚さで形成されていなくてもよい。また、緩衝部４は、振動子２が保護層部３と貼り合わせ易くかつ保護層部３の変形に合わせて弾性変形しやすい膜により形成されていれば、複数層に形成されていてもよい。

ダンパー部材５は、特に限定されないが、軸線Ｌ方向に視た形状が保護層部３と略同形状で保護層部３の厚さよりも厚く形成されている。本実施形態では、円柱形状に形成されている。ダンパー部材５の材質には、金属性又は接着剤に鉄粉を含ませたものなど、公知のものが採用されている。

このように形成されたダンパー部材５は、接着剤Ｇを介して緩衝部４の裏面に貼り合わされている。そして、ダンパー部材５は、振動子２から発生した余分なパルスの振動を抑えるとともに、保護層部３、振動子２及び緩衝部４を、緩衝部４の裏面側から支持してこれらの相互のずれを防止している。

ハウジング７は、大径部１１ａと小径部１１ｂとを有し、軸線Ｌ方向に貫通した円筒部１１と、大径部１１ａ側（すなわち基端部側）の開口部７ｂを閉塞するキャップ１２とを備えている。
大径部１１ａと小径部１１ｂとの間には大径部１１ａから小径部１１ｂに向かって縮径するテーパ部１１ｃが設けられている。
小径部１１ｂの内径は、ダンパー部材５よりも大径に形成されている。そして、ハウジング７は、ダンパー部材５を小径部１１ｂのみ又は小径部１１ｂ及び大径部１１ａ内に収容可能に形成されている。
ハウジング７は、導電性を有する金属により形成されている。

以上の超音波探触子１Ａの各構成要素のうち、主として振動子２とダンパー部材５とは、超音波の送受信を行う超音波マイクロフォン１４を構成している。そして、超音波マイクロフォン１４は、振動子２の電極１０に接続した配線２５をダンパー部材５側に引き出しコネクタ６に電気的に接続して、不図示の探触子ケーブルに接続できるようになっている。

なお、超音波マイクロフォン１４には、図１において仮想線で示すように、ソースフォロワー型のインピーダンス変換部２０と、信号処理回路からなる超音波受信音圧変換部（超音波受信音圧変換手段）２１を介してコネクタ６に接続されていてもよい。この場合、インピーダンス変換部２０と、超音波受信音圧変換部２１とは、ダンパー部材５よりも基端側のハウジング７内の空間Ｓに収容される。

ハウジング７は、保護層部３、振動子２及び緩衝部４をハウジング７の先端開口部（小径側の開口部）７ａから突出させ、ダンパー部材５をハウジング７の内部に収容して基端側開口部７ｂにおいてキャップ１２により閉塞されている。なお、ハウジング７の内壁面７ｐとダンパー部材５との間には、充填剤としてエポキシ樹脂等の絶縁性を有する合成樹脂材料１６が充填されている。これにより、ダンパー部材５は、ハウジング７内で移動不能に保持されているとともに、ハウジング７との間で絶縁されている。
なお、緩衝部４は、完全に先端開口部７ａの外に位置していても、基端側の一部が小径部１１ｂ内に位置していてもよい。

ハウジング７の先端開口部７ａの軸線Ｌ方向の外側に突出した保護層部３、振動子２及び緩衝部４の外周面には、エポキシ樹脂等の合成樹脂が周方向に連続して配され、保護層部３、振動子２及び緩衝部４を保持及び保護している。保護層部３、振動子２及び緩衝部４の外周面に設けられた前記合成樹脂は、小径部１１ｂ先端の外縁から保護層部３の先端の外縁に向かって縮径するテーパ状に形成されており、超音波探触子１Ａの先端補強部１９を構成している。

このように、構成された超音波探触子１Ａは、弾性を有する保護層部３の裏面３ｂに振動子２が接着剤Ｇにより直接固定されている。この構成によって、超音波探触子１Ａは、振動子２を覆う保護板の表面に板状の弾性体を設けた従来の超音波探触子１Ａのように、振動子２と接触面３ａとの間が肉厚になることを回避することができる。したがって、超音波探触子１Ａは、検査対象の表面形状に追従させるために弾性体を設けることによって、音響インピーダンスの差が大きくなることで生じる超音波探触子１Ａの感度の低下を回避することができるという効果を奏する。

また、超音波探触子１Ａは、弾性を有する保護層部３の裏面３ｂに接着した振動子２としてコンポジットタイプの振動子２を用いているため、検査対象の表面形状に保護層部３のみならず振動子２をも追従させやすくなっている。したがって、硬質な保護板の表面に設けた弾性体のみが検査対象の曲面等に追従して弾性変形することによって、振動子と接触面との距離が異なってしまう従来の超音波探触子とは異なり、超音波探触子１Ａは、振動子２と接触面３ａとの距離を一定に保ち易い。このことからも、超音波探触子１Ａは、硬質な保護板上に弾性体を設けた従来の超音波探触子１Ａに比べて感度を向上させることができるという効果を奏する。

また、超音波探触子１Ａは、弾性を有する保護層部３、振動子２及び緩衝部４をハウジング７の先端開口部７ａから軸線Ｌ方向の外側に突出させている。したがって、超音波探触子１Ａは、剛性のあるハウジング７によって保護層部３、振動子２及び緩衝部４の弾性変形を抑制されることなく、検査対象の表面に合わせて柔軟に変形させることができるという効果を奏する。

また更に、超音波探触子１Ａは、保護層部３の裏面３ｂ側に弾性を有する緩衝部４を更に貼り合わせているため、振動子２の保護層部３への密着をより良好に維持することができ、振動子２に接続させた配線２５等の剥がれを効果的に防止することができるという効果を奏する。

また、超音波探触子１Ａは、振動子２の電極１０に長尺線状の金属箔２５を接着させ、配線２６を通じてコネクタ６に接続している。したがって、超音波探触子１Ａは、保護層部３、振動子２及び緩衝部４が弾性変形しても、金属箔２５をしっかりと電極１０に接着させておくことができ、コネクタ６との接続を良好に維持することができる。

また、超音波探触子１Ａは、保護層部３、振動子２及び緩衝部４の外周面に先端補強部１９を設けているため、保護層部３を摩耗から保護することができる。また、同様の理由により、超音波探触子１Ａは、保護層部３、振動子２及び緩衝部４を貼り合わせた構成を保護又は強化することができるという効果を奏する。

次に、本考案の第２の実施形態について図２及び図３を用いて説明する。本実施形態において、第１の実施形態の超音波探触子１Ａと同一の構成については同一の符号を付してその説明を省略し、超音波探触子１Ａと異なる点を中心に説明する。

図２に示すように、第２の実施形態の超音波探触子１Ｂは、二振動子型である点で一振動子型の超音波探触子１Ａと異なっているが、音響隔壁板４０及び銅板４１を隔てた振動子２等の構成は、ほぼ超音波探触子１Ａと同様である。以下、超音波探触子１Ｂの概要を説明する。

超音波探触子１Ｂは、音響隔壁板４０及び銅板４１を隔てて、一方側に送信用振動子２Ｘを備え、他方側に受信用振動子２Ｙを備えている。
超音波探触子１Ａと同様に、送信用振動子２Ｘは、コンポジット型の振動子である。送信用振動子２Ｘは、保護層部３と緩衝部４とに挟持され、これらと接着している。

送信用振動子２Ｘの電極１０には、１本又は２本以上（本実施形態では２本）を平行に並べた導電性を有する金属箔２５を一組として、２組の金属箔２５がこれらを互いに交差させた状態で導電性を有する接着剤により接着されている。電極１０には更に緩衝部４が接着している。金属箔２５はその端部をハウジング７の基端側に延ばし、ダンパー部材５を積層させた間で配線２６と接続している。配線２６は、ダンパー部材５から取り出され、送信用コネクタ６Ｘに接続されている。電極９は、アース線２７が接続している。

受信用振動子２Ｙ側は、超音波探触子１Ａと同様に、コンポジット型の振動子である。受信用振動子２Ｙは、保護層部３と緩衝部４とに挟持され、これらと接着している。

受信用振動子２Ｙの電極１０には、１本又は２本以上（本実施形態では２本）を平行に並べた金属箔２５を一組として、２組の金属箔２５がこれらを互いに交差させた状態で導電性を有する接着剤により接着されている。電極１０には更に緩衝部４が接着している。金属箔２５はその端部をハウジング７の基端側に延ばし、ダンパー部材５を積層させた間で配線２６と接続している。配線２６は、ダンパー部材５から取り出され、受信用コネクタ６Ｙに接続されている。電極９は、アース線２７が接続している。

図２では、送信用振動子２Ｘ及び受信用振動子２Ｙは、互いにほぼ同一面上に設けられているが、送信用振動子２Ｘと受信用振動子２Ｙとは、接触面３ａ側が±１０度程度の角度を成していてもよい。
超音波探触子１Ｂのコネクタ６Ｘ，６Ｙは、図３に示すように、ハウジング７の軸線に直交する方向に突出している。

超音波探触子１Ｂは、送信用振動子２Ｘ及び受信用振動子２Ｙがそれぞれ、保護層部３に直接に接着しており、更に接触面３ａの反対側に金属箔２５を有して緩衝部４と接着しているため、超音波探触子１Ａと同様の効果を奏する。

なお、上記実施形態では、保護層部３の裏面３ｂに緩衝部４を貼り合わせたより好ましい超音波探触子１の例を示したが、緩衝部４は無くても、弾性を有する保護層部３の裏面３ｂに振動子２を直接に取り付けた際の本願考案の作用、機能及び効果を奏し得る。

また、上記各実施形態では、保護層部３の平坦な裏面３ｂに振動子２又は送信用振動子２Ｘ及び受信用振動子２Ｙを接着させた例を示したが、図４に示すように、保護層部３の裏面３ｂ及びこれに対向する緩衝部４の表面４ａに振動子２又は送信用振動子２Ｘ及び受信用振動子２Ｙを嵌合可能な凹所３０が形成されていてもよい。この場合、凹所３０の深さ寸法は、振動子２又は送信用振動子２Ｘ及び受信用振動子２Ｙの両面が保護層部３と緩衝部４との双方に密着できる程度であればよい。なお、凹所３０は、保護層部３及び緩衝部４のいずれか一方に形成されていてもよい。
このような凹所３０が形成されている場合には、保護層部３及び／又は緩衝部４に振動子２をより一層固定し易くなるという効果が得られる。

また、図５に示すように、超音波マイクロフォン１４は、例えば管体の外周面等の検査対象Ｘの表面Ｘ１の形状に合わせた形状に予め形成されていてもよい。その場合、ダンパー部材５の先端側の表面５ａの形状を検査対象Ｘの表面Ｘ１の形状にほぼ合わせて形成し、ダンパー部材５の先端側の表面５ａに沿って保護層部３、振動子２及び緩衝部４を固定するとよい。

このように、保護層部３、振動子２及び緩衝部４を検査対象Ｘの表面Ｘ１の形状にある程度合わせて形成しておくことにより、検査対象Ｘの表面Ｘ１に超音波探触子１の接触面３ａをより一層合わせ易くなるという効果を奏する。
また、ハウジング７は、図示しないが一定の径寸法で形成されたものであってもよい。

１超音波探触子
２振動子
３保護層部
３ａ接触面（他方の面）
３ｂ裏面（一方の面）
４緩衝部
５ダンパー部材
６コネクタ
７ハウジング
７ａ開口部
８圧電材料
９電極
１０電極
１２キャップ
１９先端補強部
３０凹所

Claims

振動子と、この振動子を一方の面で覆う保護層部と、前記振動子に電気的に接続しているコネクタとを備え、
前記保護層部は、弾性を有し、前記一方の面に前記振動子を固定し、前記一方の面の反対側の他方の面を被検査対象との接触面としている超音波探触子。
前記振動子がコンポジット振動子である請求項１に記載の超音波探触子。
前記振動子の電極には、長尺な金属箔が接着され、前記金属箔の先端が配線を介してコネクタに接続されている請求項１又は２に記載の超音波探触子。
前記振動子を固定した前記保護層部の一方の面に弾性を有する膜状の緩衝部が貼り合わされ、前記振動子が少なくとも前記保護層部と前記緩衝部とに挟持されている請求項１から３のいずれか一項に記載の超音波探触子。
前記保護層部、前記振動子及び前記緩衝部は、前記緩衝部の裏面側に設けられたダンパー部材に支持され、
前記ダンパー部材は、このダンパー部材を内部に収容可能で先端に開口部が形成されハウジング内に保持され、
前記保護層部、前記振動子及び前記緩衝部は、前記ハウジングの先端開口部から前記ハウジングの外に突出するように設けられている請求項４に記載の超音波探触子。
前記保護層部の一方の面及びこれに対向する前記緩衝部の表面の少なくともいずれか一方に、前記振動子を嵌合させる凹所が形成されている請求項４又は５に記載の超音波探触子。
前記保護層部、前記振動子及び前記緩衝部の外周面には、これらを保持する先端補強部が設けられている請求項４から６のいずれか一項に記載の超音波探触子。
前記保護層部は、ブチルゴムを含んでいる請求項１から７のいずれか一項に記載の超音波探触子。