JP3593055B2 - 超音波探触子 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、超音波を用いて検査や計測を行う際に、センサとして用いる超音波探触子に関するものであり、特に、送信用振動子と受信用振動子を別個に有し、送信と受信を個別に行う二振動子探触子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、この種の超音波探触子については、例えば、「超音波探傷試験II」、(社)日本非破壊検査協会編、(社)日本非破壊検査協会発行、平成6年4月15日、1990年版第8刷発行、第34頁〜第45頁(以下、「文献A」と略称する)に詳しく記述されている。図10は、文献Aに記載されている従来の超音波探触子を説明する図である。図10において、1は送信用振動子、2は送信用音響的遅延材、3は受信用振動子、4は受信用音響的遅延材、5は音響的隔離板である。また、6は接触媒質層、7は試験体である。
【0003】
図10を参照しながら、従来のこの種の超音波探触子の動作について説明する。図10には示されていないが、送信用振動子1および受信用振動子3は探触子ケーブルを介して超音波探傷器に接続されている。この超音波探傷器からパルス状の電気信号が送信用振動子1に伝達される。送信用振動子1は逆圧電効果によって伸縮し、音響的信号を発生する。ここでは簡単のため、この音響的信号を「超音波」として説明する。
【0004】
送信用振動子1で発生した超音波は、送信用音響的遅延材2中を伝搬し、その後、接触媒質層6中に伝搬していく。接触媒質層6中の超音波の一部は、試験体7中に伝搬していく。一方、音響的隔離板5は、送信用音響的遅延材2から受信用音響的遅延材4中に直接伝搬していく超音波をなくすために設けられているが、接触媒質層6中を多重反射の形で伝搬してく超音波を全てなくすことはできず、一部は接触媒質層6中を多重反射の形で伝搬していく。
【0005】
試験体7中に伝搬した超音波は、試験体7中にきずがあった場合には、このきずで反射され、その反射波の一部は接触媒質層6の方向に戻ってくる。また、試験体7の底面で反射された反射波も接触媒質層6の方向に戻ってくる。きずあるいは試験体7の底面で反射された反射波の一部と、接触媒質層6中で多重反射の形で伝搬してきた波が、受信用音響的遅延材4の中を伝搬し、これらの波が受信用振動子3において圧電効果によって電気信号に変換される。この電気信号を超音波探傷器で受信することによって、超音波探傷を行う。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
以上が、従来のこの種の超音波探触子の動作および構成である。この構成の超音波探触子では、以上に説明したように、接触媒質層6中を多重反射の形で伝搬する超音波が存在し、これが「表面エコー」と呼ばれるエコーとなる。この表面エコーは、試験体7中にきずがない場合でも受信されるため、実際の超音波探傷試験においては妨害エコーとなり、探傷試験結果を劣化させるという問題があった。
【0007】
この表面エコーを低減させる手段として、特開平4−122854号公報では、音響的隔離板を金属と非金属とでサンドイッチにし、さらにこの接合面に凸凹を付ける方法が用いられている。しかし、この方法では、音響的隔離板の製造が複雑になってしまう。また、この方法では接触媒質層6中を多重反射の形で伝搬する超音波をなくすことはできない。
【0008】
上述のように、従来のこの種の超音波探触子では、接触媒質層6中を多重反射の形で伝搬して受信される表面エコーが存在し、この表面エコーが妨害エコーとなって超音波探傷試験の結果を劣化させるという問題があった。
【0009】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、特開平4−122854号公報のように音響的隔離板の構造を複雑にすることなく、音響的遅延材の形状の一部を変形させることによって表面エコーを低減させ、精度の良い超音波探傷試験をすることができる超音波探触子を得ることを目的としたものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る超音波探触子においては、逆圧電効果によって電気的信号を音響的信号に変換する送信用振動子と、送信用振動子に接触して設けられたブロック状の送信用音響的遅延材と、圧電効果によって音響的信号を電気的信号に変換する受信用振動子と、受信用振動子に接触して設けられたブロック状の受信用音響的遅延材と、送信用振動子および送信用音響的遅延材と受信用振動子および受信用音響的遅延材とが分離するように挟まれて設けられた音響的隔離板とを備えた超音波探触子において、送信用音響的遅延材と音響的隔離板とが接触する面の試験体側の先端部に設けられ送信用音響的遅延材と音響的隔離板のいずれかに形成された面取り、あるいは受信用音響的遅延材と音響的隔離板とが接触する面の試験体側の先端部に設けられ受信用音響的遅延材と音響的隔離板のいずれかに形成された面取りを有する。
【0011】
また、送信用音響的遅延材と音響的隔離板とが接触する面の試験体側の先端部に設けられ送信用音響的遅延材と音響的隔離板のいずれかに形成された面取りと受信用音響的遅延材と音響的隔離板とが接触する面の試験体側の先端部に設けられ受信用音響的遅延材と音響的隔離板のいずれかに形成された面取りの2つの面取りを有する。
【0012】
また、面取りは、断面が直線となる平面状の面取りである。
【0013】
また、面取りは、断面が曲線となる曲面状の面取りである。
【0014】
また、面取りは、試験体の表面と平行となる長手方向にノコギリ刃状であり、ノコギリ刃の大きさは、この部分で発生した端部エコーが受信用振動子で受信されるときに位相が打ち消し合うような大きさにされている。
【0015】
さらに、面取りは、試験体の表面と平行となる長手方向に円弧状であり、円弧の大きさは、この部分で発生した端部エコーが受信用振動子で受信されるときに位相が打ち消し合うような大きさにされている。
【0016】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
図1はこの発明に係る超音波探触子の実施の形態を示す図である。図2は図1に示した超音波探触子を図1の下方から見た場合の図である。本実施の形態の超音波探触子について、図1および図2を参照しながら説明する。図1において、1は逆圧電効果によって電気的信号を音響的信号に変換する送信用振動子である。2は送信用振動子1に接触して設けられたブロック状の送信用音響的遅延材である。3は圧電効果によって音響的信号を電気的信号に変換する受信用振動子である。4は受信用振動子3に接触して設けられたブロック状の受信用音響的遅延材である。5は送信用振動子1および送信用音響的遅延材2と受信用振動子3および受信用音響的遅延材4とが分離するように、送信用音響的遅延材2と受信用音響的遅延材4との間に挟まれて設けられた音響的隔離板である。
【0017】
本実施の形態においては、図1に示すように、受信用音響的遅延材4と、音響的隔離板5とが接触する面の試験体側の先端部において、受信用音響的遅延材4の角部が面取りされた形になっている。そして、この面取り4aの形状は、図1に示されるように、断面が直線となる平面状の面取りであり、また、図2に示されるように、図示しない試験体の表面と平行となる長手方向に直線状に延びたの面取りである。
【0018】
次に、この発明の超音波探触子の動作について、図3から図6を参照しながら説明する。図3は、従来のこの種の探触子において、表面エコーが発生するメカニズムを説明するための図である。図4は、表面エコーが発生するメカニズムをシミュレーションによって確認した図である。さらに、図5は、図4のシミュレーションによって得られたエコーを示すグラフである。また、図6は、図1および図2に示した面取りの効果を説明するための図である。
【0019】
図3に示すように、受信用音響的遅延材4と音響的隔離板5とが接触する面の試験体側の先端部が面取りされていない場合には、多重反射の形で接触媒質層6を伝搬してきた超音波がこの先端角部を起点にした端部エコーを発生させ、この端部エコーを受信用振動子3で受信してしまうため、表面エコーが受信される。
【0020】
図4は、端部エコーが表面エコーの原因となっていることを確認するため、送信用音響的遅延材2、受信用音響的遅延材4、接触媒質層6、および試験体7中の音場をシミュレーションした結果を示している。図4では、送信用振動子1を電気的に励振して超音波を発生させてから、4.3μsec後(a)、5.3μsec後(b)、6.3μsec後(c)、7.3μsec後(d)、および8.3μsec後(e)の結果を示している。6.3μsec後(c)の音場シミュレーション結果から分かるように、受信用音響的遅延材4と音響的隔離板5とが接触する面の試験体側の先端部を起点にした端部エコーが発生している様子が分かる。また、8.3μsec後(e)の音場シミュレーション結果から、底面エコーが受信される様子も分かる。
【0021】
図5は、図4の音場シミュレーションによって得られたエコーである。図5から、底面エコーよりも早い時刻で表面エコーが受信されている。図4の音場シミュレーション結果と照らし合わせると、図5に示す表面エコーは、図4に示す端部エコーが原因となっていることが分かる。
【0022】
図6は、図1および図2に示した面取り4aの効果を模式的に説明するための図である。図6に示すように、受信用音響的遅延材4と音響的隔離板5とが接触する面の試験体側の先端部が面取りされた形状になっているため、この先端部によって生じる端部エコーを低減することができる。すなわち、受信用音響的遅延材4と音響的隔離板5とが接触する面の試験体側の先端部を面取りすることによって、表面エコーの高さを低減させることができるという効果がある。
【0023】
また、図1および図6では、断面直線的に面取りを施した状態を示しているが、必ずしも面取りは断面直線的でなくても良い。すなわち、図7に示すように、断面曲線的(円弧状)に面取り4bを施しても、同様の効果が得られる。
【0024】
さらに、ここでは受信用音響的遅延材4と音響的隔離板5とが接触する面の先端部を面取りした場合について説明したが、送信用音響的遅延材2と音響的隔離板5とが接触する面の先端部を面取りしても良い。この場合も、同様の効果がある。さらに、受信用音響的遅延材4と音響的隔離板5とが接触する面の先端部と、送信用音響的遅延材2と音響的隔離板5とが接触する面の先端部の両方を面取りしても良い、この場合も、同様の効果を得ることができる。
【0025】
また、上述では、受信用音響的遅延材4または送信用音響的遅延材2に面取りを施す例を示したが、面取りは、音響的隔離板5に設けても良い。この場合も、同様の効果を得ることができる。
【0026】
実施の形態2.
次に、この発明の実施の形態2に係る超音波探触子の構成について、図8を参照しながら説明する。図8は、超音波探触子を下方から見た場合の構成図であり、実施の形態1における図2に相当する。図8に示すように、受信用音響的遅延材4と音響的隔離板5とが接触する面の試験体側の先端部に面取り4cが施されている。この面取り4cの形状は、実施の形態1の場合とは異なり、図1あるいは図7の奥行き方向に対して一定でなく、ノコギリ刃状になっている。このノコギリ刃の大きさは、この部分で発生した端部エコーが受信用振動子3で受信されるときに位相が打ち消し合うような大きさにされている。
【0027】
本実施の形態に係わる超音波探触子の動作について説明する。実施の形態1の場合と同様に、接触媒質層6中を多重反射の形で伝搬してきた超音波が、受信用音響的遅延材4と音響的隔離板5とが接触する面の試験体側の先端部に達したとき、この部分が面取りされているため、実施の形態1と同様に端部エコーが低減し、その結果として受信用振動子3で受信する表面エコーの高さが低減する。そしてさらに、本実施の形態では、面取り4cが試験体の表面に平行な長手方向にノコギリ刃状であり、このノコギリ刃の大きさは、この部分で発生した端部エコーが受信用振動子3で受信されるときに位相が打ち消し合うような大きさであるため、表面エコーの高さがさらに低減する。
【0028】
尚、ノコギリ刃の大きさは、図8に示した形状に限られるものでなくて、上述のようにこの部分で発生した端部エコーが受信用振動子3で受信されるときに位相が打ち消し合うようなものであればよい。すなわち、図8ではノコギリ刃が6周期で示されているが、1周期でも半周期でも構わない。
【0029】
このように、本実施の形態においては、受信用音響的遅延材4と音響的隔離板5とが接触する面の試験体側の先端部を面取りすることによって端部エコーを低減でき、さらに面取りした部分の形状を長手方向にノコギリ刃状にすることによって、表面エコーの高さをさらに低減させることができるという効果がある。
【0030】
また、実施の形態1の場合と同様に、必ずしも面取りは断面直線的でなくても良い。すなわち、横から見た場合、実施の形態1における図7のように、断面曲線的に面取りを施しても、同様の効果が得られる。
【0031】
実施の形態3.
次に、この発明の実施の形態3に係る超音波探触子の構成について、図9を参照しながら説明する。図9は、超音波探触子を下方から見た場合の構成図であり、実施の形態1における図2に相当する。図9に示すように、本実施の形態においては、受信用音響的遅延材4と音響的隔離板5とが接触する面の試験体側の先端部に面取り4dが施されている。面取り4dは実施の形態1の場合とは異なり図1あるいは図7の奥行き方向に対して一定でなく、また実施の形態2の場合とも異なり、奥行き方向に対して円弧状に丸みを帯びている。円弧の大きさは、この部分で発生した端部エコーが受信用振動子3で受信されるときに位相が打ち消し合うような大きさにされている。
【0032】
本実施の形態に係わる超音波探触子の動作について説明する。実施の形態1の場合と同様に、接触媒質層6中を多重反射の形で伝搬してきた超音波が、受信用音響的遅延材4と音響的隔離板5とが接触する面の試験体側の先端部に達したとき、この部分が面取りされているため、実施の形態1と同様に端部エコーが低減し、その結果として表面エコーの高さが低減する。さらに、本実施の形態では、面取り4dは円弧状に丸みを帯びており、この円弧の大きさは、この部分で発生した端部エコーが受信用振動子3で受信されるときに位相が打ち消し合うような大きさであるため、表面エコーの高さをさらに低減させる。
【0033】
尚、円弧の大きさは、図9に示したものに限るものでなく、上述したようにこの部分で発生した端部エコーが受信用振動子3で受信されるときに位相が打ち消し合うようなものであればよい。すなわち、図9では丸みは上下対象な円弧になっているが、特に上下対象な円弧でなくても構わない。
【0034】
このように、受信用音響的遅延材4と音響的隔離板5とが接触する面の試験体側の先端部を面取りすることによって端部エコーを低減でき、さらに面取りした部分の形状を長手方向に丸みを帯びた形にしているため、表面エコーの高さをさらに低減させることができるという効果がある。
【0035】
また、実施の形態1の場合と同様に、必ずしも面取りは断面直線的でなくても良い。すなわち、横から見た場合、実施の形態1における図7のように、断面曲線的に面取りを施しても、同様の効果が得られる。
【0036】
【発明の効果】
この発明に係る超音波探触子においては、逆圧電効果によって電気的信号を音響的信号に変換する送信用振動子と、送信用振動子に接触して設けられたブロック状の送信用音響的遅延材と、圧電効果によって音響的信号を電気的信号に変換する受信用振動子と、受信用振動子に接触して設けられたブロック状の受信用音響的遅延材と、送信用振動子および送信用音響的遅延材と受信用振動子および受信用音響的遅延材とが分離するように挟まれて設けられた音響的隔離板とを備えた超音波探触子において、送信用音響的遅延材と音響的隔離板とが接触する面の試験体側の先端部に設けられ送信用音響的遅延材と音響的隔離板のいずれかに形成された面取り、あるいは受信用音響的遅延材と音響的隔離板とが接触する面の試験体側の先端部に設けられ受信用音響的遅延材と音響的隔離板のいずれかに形成された面取りを有する。そのため、表面エコーを低減させることができ、精度の良い超音波探傷試験をすることができる超音波探触子を得ることができる。
【0037】
また、送信用音響的遅延材と音響的隔離板とが接触する面の試験体側の先端部に設けられ送信用音響的遅延材と音響的隔離板のいずれかに形成された面取りと受信用音響的遅延材と音響的隔離板とが接触する面の試験体側の先端部に設けられ受信用音響的遅延材と音響的隔離板のいずれかに形成された面取りの2つの面取りを有する。そのため、さらに表面エコーを低減させることができ、さらに精度の良い超音波探傷試験をすることができる超音波探触子を得ることができる。
【0038】
また、面取りは、断面が直線となる平面状の面取りである。そのため、加工が容易で安価に作製することができる。
【0039】
また、面取りは、断面が曲線となる曲面状の面取りである。そのため、加工方法を選ばず任意の方法にて作製することができる。
【0040】
また、面取りは、試験体の表面と平行となる長手方向にノコギリ刃状であり、ノコギリ刃の大きさは、この部分で発生した端部エコーが受信用振動子で受信されるときに位相が打ち消し合うような大きさにされている。そのため、表面エコーの高さをさらに低減させることができ、さらに精度の良い超音波探傷試験をすることができる超音波探触子を得ることができる。
【0041】
さらに、面取りは、試験体の表面と平行となる長手方向に円弧状であり、円弧の大きさは、この部分で発生した端部エコーが受信用振動子で受信されるときに位相が打ち消し合うような大きさにされている。そのため、表面エコーの高さをさらに低減させることができ、さらに精度の良い超音波探傷試験をすることができる超音波探触子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明に係る超音波探触子の実施の形態1を示す図である。
【図2】図1に示した超音波探触子を図1の下方から見た場合の図である。
【図3】表面エコーが発生するメカニズムを説明するための図である。
【図4】表面エコーが発生するメカニズムをシミュレーションによって確認した図である。
【図5】図4のシミュレーションによって得られたエコーを示すグラフである。
【図6】図1および図2に示した面取りの効果を模式的に説明するための図である。
【図7】断面曲線的に面取りを施した例を示す図である。
【図8】この発明に係る超音波探触子の実施の形態2を示す図である。
【図9】この発明に係る超音波探触子の実施の形態3を示す図である。
【図10】従来の超音波探触子を説明する図である。
【符号の説明】
1 送信用振動子、2 送信用音響的遅延材、3 受信用振動子、4 受信用音響的遅延材、4a,4b,4c,4d 面取り、5 音響的隔離板、6 接触媒質層、7 試験体。
Claims (6)
- 逆圧電効果によって電気的信号を音響的信号に変換する送信用振動子と、
前記送信用振動子に接触して設けられたブロック状の送信用音響的遅延材と、
圧電効果によって音響的信号を電気的信号に変換する受信用振動子と、
前記受信用振動子に接触して設けられたブロック状の受信用音響的遅延材と、前記送信用振動子および前記送信用音響的遅延材と前記受信用振動子および前記受信用音響的遅延材とが分離するように挟まれて設けられた音響的隔離板と
を備えた超音波探触子において、
前記送信用音響的遅延材と前記音響的隔離板とが接触する面の試験体側の先端部に設けられ該送信用音響的遅延材と該音響的隔離板のいずれかに形成された面取り、あるいは前記受信用音響的遅延材と前記音響的隔離板とが接触する面の試験体側の先端部に設けられ該受信用音響的遅延材と該音響的隔離板のいずれかに形成された面取りを有する
ことを特徴とする超音波探触子。 - 前記送信用音響的遅延材と前記音響的隔離板とが接触する面の試験体側の先端部に設けられ該送信用音響的遅延材と該音響的隔離板のいずれかに形成された面取りと前記受信用音響的遅延材と前記音響的隔離板とが接触する面の試験体側の先端部に設けられ該受信用音響的遅延材と該音響的隔離板のいずれかに形成された面取りの2つの面取りを有する
ことを特徴とする請求項1記載の超音波探触子。 - 前記面取りは、断面が直線となる平面状の面取りである
ことを特徴とする請求項1または2に記載の超音波探触子。 - 前記面取りは、断面が曲線となる曲面状の面取りである
ことを特徴とする請求項1または2に記載の超音波探触子。 - 前記面取りは、前記試験体の表面と平行となる長手方向にノコギリ刃状であり、該ノコギリ刃の大きさは、この部分で発生した端部エコーが前記受信用振動子で受信されるときに位相が打ち消し合うような大きさにされている
ことを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の超音波探触子。 - 前記面取りは、前記試験体の表面と平行となる長手方向に円弧状であり、該円弧の大きさは、この部分で発生した端部エコーが前記受信用振動子で受信されるときに位相が打ち消し合うような大きさにされている
ことを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の超音波探触子。
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