JP4244172B2 - 高温用超音波探触子 - Google Patents

Description

本発明は、超音波を発射し被検査物からの反射波により被検査物の内部の傷を探査する超音波探傷装置や配管内の液位を計測する超音波液位計測装置のセンサとして用いる超音波探触子に関し、更に詳しくは、高温環境下で長期間使用可能な高温用超音波探触子に関する。

超音波探触子は、被検査物を非破壊で内部の傷を探査する装置である超音波探傷装置や、配管内の液位を計測する超音波液位計測装置のセンサとして用いられる。近年では構造物の使用期間が長期化するに伴って、構造物の経年劣化測定に対するニーズが高まっているが、超音波探傷装置は構造物の疲労寿命等を予測する上で有効な測定装置である。また、超音波液位計測装置は、発電所に設けられている高温配管、タンク等の被検体に超音波を伝播させ、被検体内部の液面から反射する超音波を受信することにより被検体内部の水位を計測する装置として広く用いられている。

図４は、従来の超音波探触子の構成を示す図である。この図に示す超音波探触子は、一対の電極２０１、２０１と、電極間に狭持される超音波振動子２０２と、被検査物２１１と電極２０１との間に狭持される保護部材２０３を備えており、保護部材２０３と被検査物２１１の間には接触媒質２０４を介在させている。一対の電極間にパルス電圧をかけると、超音波振動子２０２から超音波が発生し、この超音波が保護部材２０３を介して被検査物２１１内に伝播し、被検査物２１１から戻ってくる反射波により、被検査物２１１の内部の傷の有無やその位置を探査するようになっている。

従来、接触媒質としては、グリセリン、油、水等が主に用いられており、これらの接触媒質を常温で使用する場合には支障は生じないが、これらの接触媒質を高温で用いようとした場合には、有機物は高温で不安定であり、分解によって、変質が生じたり、更にガスが発生したり、沸騰が生じ超音波の伝達は著しく阻害される。このため、ボイラの主蒸気管付近の配管等のように検査対象となる構造物の温度が高温となる場合に、要求される超音波伝播特性を満足することができないという問題があったため、高温環境下においても超音波伝播特性を十分に発揮し得る高温用超音波探触子の開発が強く要望されている。かかる要望に応えるべく、近年、超音波探傷装置、超音波液位計測装置に用いられる高温用超音波探触子に関する技術が下記特許文献１、特許文献２に開示されている。

図５に示す特許文献１の「超音波探傷装置の探触子」は、被探傷物３１１に取り付けられる超音波伝達部材３０３に、一対の電極３０１、３０１の間に挟まれた振動子３０２を積層してなる超音波探傷装置の探触子において、上記振動子３０２をニオブ酸リチウムで形成するとともに、この振動子３０２と超音波伝達部材３０３との間に、これらを直接アルミ系ろう材で接合してアルミ系の耐熱性電極層Aを形成し、これを上記電極としたものである。

図６に示す特許文献２の「高温用超音波探触子」は、被検体４１１側の表面である銀電極を鏡面研磨し、この研磨面に金メッキし又は金を蒸着した超音波振動子４０２と、超音波振動子４０２と面する側の表面を鏡面研磨し、この研磨面に金をメッキ又は蒸着して超音波振動子４０２の表面処理された表面に密着させるくさび４０３と、超音波振動子４０２をくさび４０３に押圧するバネ４０４とを具備してなり、超音波振動子４０２及びくさび４０３は、使用環境温度において表面処理された超音波振動子４０２及びくさび４０３との間に金属アマルガムを生じさせることにより密着され、超音波振動子４０２から発生した超音波振動をくさび４０３に伝播させるようにしたものである。

特公平７−４６０９５号公報 特開平１０−３３９７２２号公報

上述した特許文献１の「超音波探傷装置の探触子」は、耐熱許容限界温度を５５０〜６００℃まで高めることができるが、このような高温環境下での長期間にわたる使用については考慮されておらず、耐久性という観点からは満足のいくものではなかった。

また特許文献２の「高温用超音波探触子」は、鏡面研磨を施した銀電極と超音波振動子に金メッキ又は金蒸着を施し、バネにより押圧力を負荷して使用環境温度において接触面に金属アマルガムが生じて密着性を向上させていると共に耐久性を向上させているが、銀電極と振動子に金メッキ及び金蒸着を施すためには、製作工程において高い真空状態を必要とするため、コスト面、時間面における負担が大きかった。

本発明は上述した問題点に鑑みて創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、高温環境下において電極と振動子との密着性を確保しつつ、耐久性を向上させることができ、かつ、製作が容易な高温用超音波探触子を提供することを目的とする。

本発明によれば、第１電極及び第２電極と、該第１電極と第２電極の間に狭持される超音波振動子と、被検査物と前記第２電極の間に狭持される保護部材とを備える高温用超音波探触子において、前記第１電極及び前記第２電極と前記超音波振動子との間、前記第２電極と前記保護部材との間、及び、前記保護部材と前記被検査物との間にガラスを主成分とする流動性の接触媒質を介在させる、ことを特徴とする高温用超音波探触子が提供される。

本発明の好ましい実施の形態によれば、前記第１電極及び前記第２電極を前記保護部材に対して押圧する押圧手段を備える。

上記本発明の構成によれば、電極と超音波振動子との間にガラスを主成分とする流動性の接触媒質を介在させるので、電極と超音波振動子との密着性を確保でき、６００℃以上の高温環境下においても、良好な超音波伝播特性を発揮することができる。また、かかる接触媒質は、常温の大気圧下で塗布することができるため、製作が容易である。

また、前記電極を前記保護部材に対して押圧する押圧手段を備えることにより、電極と超音波振動子との密着性が向上すると共に、超音波振動子に均一に所定の電圧をかけることができる。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の高温用超音波探触子を備えた超音波探傷装置の構成を示す図である。図1に示すようにこの超音波探傷装置１００は、超音波探触子１０と本体部２０を備えて構成されている。

超音波探触子１０は、正極電極（第１電極）１ａと、負極電極（第２電極）１ｂと、超音波探触子２と、保護部材３と、ケーシング５と、ダンパ材６と、バネ７と、正極導線８と、負極導線９を有している。

超音波振動子２は、水晶、圧電セラミックス材料等により形成されている。これらの材料は、所定の軸方向に圧縮力又は引張力が交互に加えられると電圧が発生する。この現象を圧電効果（ピエゾ効果）という。また、これらの材料は、所定の軸方向に正負の交番電圧が印加されると伸縮する。この現象を逆圧電効果という。逆圧電効果を利用することにより、超音波振動子は伸縮に伴い振動し超音波を発生する。圧電セラミックス材料には、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ₃）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａｏ₃）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、硫酸リチウム、メタニオブ酸鉛等が含まれる。

この超音波振動子２は、正極電極１ａと負極電極１ｂの間に狭持され、正極電極１ａには導電体からなる正極導線８の一端が取り付けられ、負極電極１ｂには同じく導電体からなる負極導線９の一端が取り付けられている。正極導線８と負極導線９の他端は本体部２０に接続されている。

保護部材４は、超音波を伝播させる性質を有する材料（例えば軟金属）からなるもので、負極電極１ｂと被検査物１１の間に狭持されており、負極電極１ｂと被検査物１１の表面が直接接触しないようにして負極電極１ｂや超音波振動子２の損傷等を防止する役割を果たしている。

負極電極１ｂと保護部材３の間及び保護部材３と被検査物１１の間には接触媒質４が塗布されている。また本発明の高温用超音波探触子では、超音波振動子２と２つの電極１ａ、１ｂの間にも接触媒質４が塗布されている。この接触媒質４はガラスを主成分とする流動性の媒質であり、表１に接触媒質４の組成の一例を示す。

ケーシング５は、導電体、例えばアルミニウム、銅、その他の金属、又は合金等からなり、中空箱状に形成されている。

正極電極の上面に載置されるダンパ材６は、超音波振動子２の振動を緩和させて運動エネルギーを吸収するためのものであり、バネ７はその伸縮によりダンパ材を介して正極電極１ａ、超音波振動子２、負極電極１ｂを保護部材３に対して押圧し、電極１ａ、１ｂと超音波振動子との密着性を向上させるためのものである。

本体部２０は、図示しないパルス信号発信部と、パルス信号受信部と、演算部と、表示部とを有している。パルス信号発信部とパルス信号受信部は、それぞれ正極導線８を介して正極電極１ａに、負極導線９を介して負極電極１ｂに接続されている。表示部は、パルス信号受信部からの所定の出力情報に基づいて出力結果を表示する。

次に、超音波探傷装置１００の動作について説明する。本体部２０のパルス信号発信部がパルス信号を発信すると、正極導線８と負極導線９を介して正極電極１ａ、負極電極１ｂにより超音波振動子２にパルス信号が印加される。このパルス信号印加を受けると超音波振動子２は逆圧電効果により振動し、接触媒質４、保護部材３を介して被検査物１１の内部に超音波を発射する。被検査物１１の内部に入射した超音波は、所定の箇所で反射されて保護部材３を介して超音波振動子２に戻ってくる。超音波振動子２においては、反射して保護部材３、接触媒質４を介して戻ってきた超音波が超音波振動子２の所定の軸方向に作用して超音波振動子に交互に交番力が加えられる。これにより圧電効果が生じ、超音波振動子２の上面と下面に超音波パルスに応じた電圧が発生する。このパルス状の電気信号は、正極電極１ａ、負極電極１ｂ、正極導線８、負極導線９を介して本体部２０のパルス信号受信部に入力される。

パルス信号受信部では、パルス信号が検出され図示しないタイマにより、超音波の発信から受信までの経過時間を計測する。演算部は、パルス信号の性状、上記の経過時間等から被検査物１１の内部に存在する傷の深度や形状等を計算し、画像情報信号として表示部に送る。表示部では演算部からの信号に基づき、被検査物１１の内部の傷の位置や形状等を画像又は数値として表示する。

次に図２及び図３を参照して、本発明の高温用超音波探触子の性能確認試験結果を説明する。図２における試験では室温から７００℃までの間を１００℃のステップで１００℃／ｈの温度で昇温し、各温度で３時間保持後波形を採取し、超音波の感度を確認した。図２には５００℃、６００℃及び７００℃のＡ−スコープ画面を示す。温度の上昇とともに感度の低下が見られたが、７００℃まで問題なく超音波エコーが確認された。

図４は、底面一回反射エコーのＲＦ波形の一例を示すものである。波形は非常にクリアな広帯域波形を示しており、超音波探傷の適用に向けた十分な性能を有していることが確認された。

以上の説明から明らかなように、本発明の高温用超音波探触子によれば、電極１ａ、１ｂと超音波振動子２との間にガラスを主成分とする流動性の接触媒質４を介在させるので、６００℃以上の高温環境下においても、良好な超音波伝播特性を発揮することができる。また、かかる接触媒質は、常温の大気圧下で塗布することができるため、超音波探触子の製作が容易である。

また、電極を保護部材に対して押圧する押圧手段を備えることにより、電極と超音波振動子との密着性が向上すると共に、超音波振動子に均一に所定の電圧をかけることができる。

なお、これまでの実施形態の説明においては垂直探傷式の探触子について説明したがこれに限定されるものではなく、斜角式の探触子にも応用できるものである。例えば、金属製あるいはセラミック製のくさびを介して斜角に探触子２を取り付けるようにしてもよい。また、探触子を発信用と受信用に分割した二探触子にも応用可能であり、超音波水位計測装置にも適用可能である

また、上記実施形態においては、超音波探傷装置の探触子を説明しているが、これにはアコースティックエミッション試験用センサを含んでいる。アコースティックエミッション試験とは、固体が変形あるいは破壊する際に、それまで貯えられていたひずみエネルギーが開放されて発生する超音波を受信して、構造物等の異常を検知する試験である。したがって、アコースティックエミッション試験用のセンサの構造はここで示した探触子の構造と全く同じものである。また、超音波探傷試験では、一般に探触子より超音波を発生させ、これの反射波を受信して測定するのに対して、アコースティックエミッション試験用センサは受信するのみなので、試験の目的から両者を区別することもある。しかし、両者の構造は全く同等であるから、本発明はアコースティックエミッション試験用のセンサも含むものである。

その他、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲で種々変更し得ることは勿論である。

本発明の実施形態を示す図である。 本発明の高温用超音波探触子の性能確認試験結果を示す図である。 底面一回反射エコーのＲＦ波形の一例を示す図である。 従来の超音波探触子の構成図である。 特許文献１の「超音波探傷装置の探触子」の構成図である。 特許文献２の「高温用超音波探触子」の構成図である。

符号の説明

１ａ 正極電極
１ｂ 負極電極
２ 超音波振動子
３ 保護部材
４ 接触媒質
５ ケーシング
６ ダンパ材
７ バネ
８ 正極導線
９ 負極導線
１０ 超音波探触子
１１ 被検査物
２０ 本体部
１００ 超音波探傷装置

Claims (2)

1. 第１電極及び第２電極と、該第１電極と第２電極の間に狭持される超音波振動子と、被検査物と前記第２電極の間に狭持される保護部材とを備える高温用超音波探触子において、
   前記第１電極及び前記第２電極と前記超音波振動子との間、前記第２電極と前記保護部材との間、及び、前記保護部材と前記被検査物との間にガラスを主成分とする流動性の接触媒質を介在させる、ことを特徴とする高温用超音波探触子。
2. 前記第１電極及び前記第２電極を前記保護部材に対して押圧する押圧手段を備える、ことを特徴とする請求項１記載の高温用超音波探触子。