JP4648888B2 - 超音波探触子 - Google Patents

Description

本発明は、各種構造物の超音波検査に用いる超音波探触子に係り、特に超音波探触子を被検査体に直接接触させて検査するに好適な超音波探触子に関する。

超音波探触子を被検査体に当接させる超音波検査方法には、探触子の底面にギャップを設けて接触媒質を溜めて超音波検査を実施するギャップ法が知られている（例えば、特許文献１参照）。しかし、ギャップ法においては、接触媒質を供給および回収するための設備を要するため装置が煩雑になるという問題があった。

それに対して、接触媒質を介して超音波探触子の底面を被検査体表面に直接当接させて超音波検査を実施する直接接触法が知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００３−１３９７４９号公報 特開平９−３１８６０６号公報

しかしながら、直接接触法においては、超音波探触子を被検査体に当接させると超音波探触子の接触面と被検査体表面に隙間がなくなり、探傷走査中に事前塗布した接触媒質を超音波探触子側部が押し出すため次第に接触媒質が途切れて超音波が被検査体中に伝達されなくなる状態になることがあるという問題がある。

本発明の目的は、簡便な装置で安定した超音波の伝達を可能にした超音波検査ができる超音波探触子を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、超音波を発する振動子と、底面に対して所定の角度を有する斜面を有し、その斜面に前記振動子が取り付けられるくさびとからなり、被検査体に超音波探触子を直接接触させて、移動しながら超音波検査をおこなう超音波探触子であって、前記くさびの底面側に取り付けられるとともに、前記被検査体と接触する側の面に形成され、前記超音波探触子の移動方向に延在し、一方の端部が前記移動方向の前方側の端部に開口し、他方の端部は、前記移動方向の後方側の端部に開口する断面形状がＶ字型のＶ型溝を有するシューを備えるようにしたものである。
かかる構成により、 簡便な装置で安定した超音波の伝達を可能にし得るものとなる。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記シューに形成されたＶ型溝は、少なくとも３本としたものである。

（３）上記（１）において、好ましくは、前記シューに形成されたＶ型溝の断面形状は、直角二等辺三角形としたものである。

（４）上記（１）において、好ましくは、前記シューは、前記くさびと同一の材質としたものである。

（５）上記（４）において、好ましくは、前記シュー及び前記くさびは、アクリル樹脂またはポリイミド樹脂からなり、前記シューは、エポキシ樹脂系接着剤により、前記くさびに接着固定したものである。

（６）上記（５）において、好ましくは、前記シューは、そのくさびの接着部の近傍の側面に形成された溝部を備えるようにしたものである。

本発明によれば、簡便な装置で安定した超音波の伝達を可能にした超音波検査ができるものとなる。

以下、図１〜図７を用いて、本発明の一実施形態による超音波探触子の構成について説明する。
最初に、図１〜図３を用いて、本実施形態による超音波探触子の全体構成について説明する。
図１は、本発明の一実施形態による超音波探触子の全体構成を示す側面断面図である。図２は、本発明の一実施形態による超音波探触子の全体構成を示す正面図である。図３は、本発明の一実施形態による超音波探触子の全体構成を示す底面図である。なお、各図において、同一符号は同一部分を示している。

図１及び図２に示すように、超音波探触子１は、接栓２と、くさび３と、シュー４と、振動子５とを備えている。くさび３は、その底面に対して所定の角度を有する斜面を備え、その斜面に振動子５が接着されて、取り付けられる。これによって、振動子５から発せられた超音波７は、所定の角度を持って、被検査体８に伝達される。くさび３は、例えば、アクリル樹脂またはポリイミド樹脂などの樹脂製である。振動子５には、接栓２を介して、外部から電圧が供給され、振動する。シュー４は、くさび３の底面に接着剤で取り付けられている。シュー４の材質としては、くさび３と同じ材料，すなわち、アクリル樹脂またはポリイミド樹脂などの樹脂が用いられる。これによって、くさび３を伝達するときの音速と、シュー４を伝達するときの音速とを同一にできる。接着剤としては、エポキシ樹脂が用いられる。

被検査体８の表面には、接触媒質６が塗布されている。接触媒質６としては、例えば、水やグリセリン等が用いられる。振動子５の振動により発せられた超音波７は、くさび３およびシュー４を通り接触媒質６を介して被検査体８に伝達される。

図１に示すように、超音波探触子１は、ばね等の押圧力が加えられ、被検査体８の表面に軽く押し付けられ、シュー４と被検査体８の間に接触媒質６が充満した状態で矢印Ｘ方向に移動され、被検査体８の内部の探傷が行われる。

ここで、図３に示すように、シュー４の底面（被検査体８の側で、接触媒質６に接触する面）には、断面形状がＶ字型のＶ型溝４ａが形成されている。Ｖ型溝４ａが延在する方向は、図１における超音波探触子１の移動方向Ｘと同じである。Ｖ型溝４ａは、図示するように、５本形成されている。Ｖ型溝４ａの長さは、シュー４の長辺の長さと等しい。すなわち、Ｖ型溝４ａは、超音波探触子１の移動方向Ｘにおいて、その全域に形成されている。従って、Ｖ型溝４ａの一方の端部は、超音波探触子１の移動方向Ｘの前方側の端部に開口し、また、他方の端部は、超音波探触子１の移動方向Ｘの後方側の端部に開口している。

次に、図４及び図５を用いて、本実施形態による超音波探触子におけるシュー４に形成されたＶ型溝４ａの機能について説明する。
図４及び図５は、本発明の一実施形態による超音波探触子の要部拡大図である。図４は、図２と同じ方向から見た場合の拡大図である。図５は、図１と同じ方向から見た場合の拡大図である。なお、図４及び図５において、図１〜図３と同一符号は同一部分を示している。

図４に示すように、被検査体８の表面に事前塗布されたに接触媒質６は、超音波探触子１を被検査体８の表面に軽く押圧し、図１に示した矢印Ｘ方向に移動することで、Ｖ型溝４ａに浸透し、探傷走査の連続でＶ型溝４ａ内の接触媒質６は飽和状態になるが、Ｖ型溝４ａの斜面４ｂで押された接触媒質６は、矢印６ａの方向（溝４ａの延在する方向に直交する方向；探触子１の移動方向に直交する方向）に、超音波探触子１の幅方向に浸透して行く。

また、図５に示すように、Ｖ型溝４ａは、走査方向に延在した溝としているので、矢印６ｂの方向（溝４ａの延在する方向；探触子１の移動方向）に、Ｖ型溝４ａの内部を、その長さ方向に押し出されて超音波探触子１の後方に流出する。

従来は、直接接触法においては、超音波探触子を被検査体に当接させると超音波探触子の接触面と被検査体表面に隙間がなくなり、探傷走査中に事前塗布した接触媒質を超音波探触子側部が押し出すため、次第に探触子と被検査体の間の接触媒質が途切れて、超音波が被検査体中に伝達されなくなる状態になることがあった。

それに対して本実施形態では、図４にて説明したように、矢印６ａの方向（Ｖ型溝４ａの延在する方向に直交する方向）に接触媒質６が押し出されて、超音波探触子１の幅方向に浸透し、また、図５にて説明したように、Ｖ型溝４ａの長さ方向に押し出されることにより、探触子と被検査体の間の接触媒質が途切れることを防止できる。

また、Ｖ型溝４ａは、超音波探触子１の移動方向Ｘにおいて、その全域に形成されており、Ｖ型溝４ａの一方の端部は、超音波探触子１の移動方向Ｘの前方側の端部に開口しているので、超音波探触子１が移動方向Ｘに移動すると、Ｖ型溝４ａの前方の開口部から接触媒質が補給され、溝内で接触媒質が途切れることを防止できる。また、Ｖ型溝４ａの他方の端部は、超音波探触子１の移動方向Ｘの後方側の端部に開口しているので、接触媒質が溝内にあふれそうになっても、余分な接触媒質は後方から排出されるので、シューと被検査体の間に一定の膜厚の皮膜を形成することができる。

Ｖ型溝４ａの断面形状は、頂角が９０度の直角二等辺三角形としている。溝４ａの断面形状としては、半円形や四角形も考えられるが、図４にて説明したように、溝の斜面が接触媒質を押して、左右に押し出す作用を考えると、Ｖ字型の溝が適している。Ｖ型溝４ａの頂角は、９０度に限らないが、９０度よりも鋭角や鈍角になると、溝の左右に押し出す力が弱くなるため、９０度近傍が好ましいものである。

Ｖ型溝４ａの本数は、少なくとも１本あれば、従来の溝がない場合に比べて、接触媒質が途切れるのを防止できる効果はある。ただし、好ましくは、シュー４の溝４ａによる超音波探触子１の幅方向への接触媒質の浸透効果を積極的に利用するため、少なくても３本のＶ型溝４ａを形成することで接触媒質６を超音波探触子１の底面全体、すなわち被検査体８と超音波探触子１との接触面全体に浸透させることができることにより安定した超音波の送受信を可能にできる。なお、図３に示すように、シュー４の形状は、長方形である。その長辺（図１の移動方向Ｘの方向）は、例えば、２５ｍｍであり、短辺は、例えば、１５ｍｍである。溝４ａの本数が３本の場合、溝ピッチは７ｍｍ程度となる。接触媒質が十分に幅方向に浸透させるには、溝ピンチは４ｍｍ程度が好ましく、その場合には、溝の本数は、図３に示したように、５本となる。

次に、図６及び図７を用いて、本実施形態による超音波探触子におけるシュー４に形成されたＶ型溝４ａの深さについて説明する。
図６は、本発明の一実施形態による超音波探触子の要部拡大図である。図７は、本発明の一実施形態による超音波探触子におけるシューに形成されたＶ型溝の深さを変えた場合の感度の説明図である。なお、図６において、図１〜図３と同一符号は同一部分を示している。

図６は、Ｖ型溝部４ａを拡大して示しており、図６（Ａ）はＶ型溝が浅い場合（本例では深さ０．５ｍｍ）を示しており、図６（Ｂ）はＶ型溝が深い場合（本例では深さ１．０ｍｍ）を示している。

図６（Ａ）に示すように、Ｖ型溝４ａが浅い場合には、振動子から発信された超音波７は、Ｖ型溝４ａの斜面４ｂでスネルの法則による屈折によりＶ型溝内の接触媒質中を超音波７ｂで伝搬し、超音波７ｂは被検査体表面８ａで前記同様の法則に従った屈折により超音波７ｃのように被検査体中に散乱して伝搬する。

また、図６（Ｂ）に示すように、Ｖ型溝４ａが深い場合には、超音波７，７ｂおよび７ｃは、図６（Ａ）と同様に被検査体中に散乱して伝搬するが、Ｖ型溝が深くなったことにより、Ｖ型溝の幅が広くなり、超音波の散乱範囲も広くなる。

したがって、Ｖ型溝以外の平行部４ｃでは超音波は直進して被検査体中に伝搬するのに対し、Ｖ型溝４ａではＶ型形状が超音波を散乱させてしまい、Ｖ型溝を付けない平板シューに比べると超音波の受信感度が低下することになり、その程度はＶ型溝が深く、その結果Ｖ型溝が広いほど大きくなる。

次に、図７を用いて、Ｖ型溝が形成されていない平板シューと、溝深さを０．５ｍｍおよび１．０ｍｍのＶ型溝が形成されたシューとの、超音波の受信感度差を確認した試験結果について説明する。図７の横軸は、スリット深さ（ｍｍ）を示し、縦軸は、感度（ｄＢ）を示している。

試験方法としては、超音波の受信感度差を確認するために、板厚３８ｍｍの試験片に深さの異なる６種類のスリット（スリット深さ０．５ｍｍ，１．０ｍｍ，１．５ｍｍ，２．０ｍｍ，３．０ｍｍおよび５．０ｍｍ）を形成し、前述の３種類のシューをそれぞれ使用して、前述の６種類のスリットを探傷してそれぞれのスリットからの超音波反射波を超音波探傷器表示部上で８０％になるように受信感度を調整してそのときの感度（ｄＢ値）を確認した。

図中、点線Ｓ１は、平板シューを用いた場合の感度を示し、実線Ｓ２は、Ｖ型溝の深さを０．５ｍｍとした場合の感度を示し、実線Ｓ３は、Ｖ型溝の深さを１．０ｍｍとした場合の感度を示している。

Ｖ型溝の深さを０．５ｍｍとした場合は、平板シューに比べて１．９ｄＢ〜２．２ｄＢの感度低下であるが、Ｖ型溝の深さを１．０ｍｍとした場合は平板シューに比べて７．４ｄＢ〜７．９ｄＢの感度低下であり、感度低下が大きいことを確認した。

したがって、Ｖ型溝の形状は接触媒質を被検査体との接触面に浸透させるのに都合の良い形状であるが、溝深さを深くし過ぎると超音波の受信感度を低下させてしまうため浅い方（本例では０．５ｍｍ）が好ましいことがわかった。

次に、図８を用いて、本発明の他の実施形態による超音波探触子の構成について説明する。
図８は、本発明の他の実施形態による超音波探触子の構成を示す図であり、図８（Ａ）は正面図であり、図８（Ｂ）は要部拡大図である。なお、図８において、図１〜図３と同一符号は同一部分を示している。

超音波探触子１におけるシュー４’は、図１に示したシューと同様に、被検査体と接触する側の底面に、Ｖ型溝４ａを有している。超音波探触子１との接触面は、エポキシ樹脂にて探触子１に接着されている。また、その側端部であって、探触子１と接触する部分には、溝４ｄが形成されている。

そして、シュー４’が磨耗した場合には、シュー４’の側面の面取り部分の溝４ｄを使って、この溝にドライバー等の金属部材を引っかけることで、エポキシ樹脂の粘着を剥がすことにより、被検査体８にきず等をつけることがなくシュー４’を交換することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、超音波検査を直接接触法で実施する場合の超音波探触子と被検査体表面との接触面における接触媒質の途切れによる超音波の送受信不良を起こすことがなくなるため、安定した超音波検査ができる。

また、被検査体表面に接触媒質を一度塗布するだけで十分であることから、本発明を自動超音波探傷に使用した場合、接触媒質の供給設備等は不要であり、シンプルな装置構成にできるため現場での作業効率が向上する。

また、シューの磨耗によるＶ型溝効果低減時は、超音波探触子とシューを接着しているエポキシ樹脂を剥がすことで、シューの貼り替えが可能な構造にしたことから超音波探触子のくさびの磨耗はなく、超音波探触子の寿命を長くできる。

本発明の一実施形態による超音波探触子の全体構成を示す側面断面図である。 本発明の一実施形態による超音波探触子の全体構成を示す正面図である。 本発明の一実施形態による超音波探触子の全体構成を示す底面図である。 本発明の一実施形態による超音波探触子の要部拡大図である。 本発明の一実施形態による超音波探触子の要部拡大図である。 本発明の一実施形態による超音波探触子の要部拡大図である。 本発明の一実施形態による超音波探触子におけるシューに形成されたＶ型溝の深さを変えた場合の感度の説明図である。 本発明の他の実施形態による超音波探触子の構成を示す図である。

符号の説明

１…超音波探触子
２…接栓
３…くさび
４…シュー
４ａ…Ｖ型溝
４ｄ…溝
５…振動子
６…接触媒質
７…超音波
８…被検査体

Claims (6)

1. 超音波を発する振動子と、底面に対して所定の角度を有する斜面を有し、その斜面に前記振動子が取り付けられるくさびとからなり、被検査体に超音波探触子を直接接触させて、移動しながら超音波検査をおこなう超音波探触子であって、
   前記くさびの底面側に取り付けられるとともに、前記被検査体と接触する側の面に形成され、前記超音波探触子の移動方向に延在し、一方の端部が前記移動方向の前方側の端部に開口し、他方の端部は、前記移動方向の後方側の端部に開口する断面形状がＶ字型のＶ型溝を有するシューを備えたことを特徴とする超音波探触子。
2. 請求項１記載の超音波探触子において、
   前記シューに形成されたＶ型溝は、少なくとも３本であることを特徴とする超音波探触子。
3. 請求項１記載の超音波探触子において、
   前記シューに形成されたＶ型溝の断面形状は、直角二等辺三角形であることを特徴とする超音波探触子。
4. 請求項１記載の超音波探触子において、
   前記シューは、前記くさびと同一の材質からなることを特徴とする超音波探触子。
5. 請求項４記載の超音波探触子において、
   前記シュー及び前記くさびは、アクリル樹脂またはポリイミド樹脂からなり、
   前記シューは、エポキシ樹脂系接着剤により、前記くさびに接着固定されていることを特徴とする超音波探触子。
6. 請求項５記載の超音波探触子において、
   前記シューは、そのくさびの接着部の近傍の側面に形成された溝部を備えたことを特徴とする超音波探触子。

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