JP6478637B2 - 超音波探触子 - Google Patents

Description

本発明は、超音波探触子及びそれを使用したコンクリートの品質調査技術に関する。

物質内を伝搬する超音波の伝搬速度は、その物質の特性によって異なるため、それを利用した非・微破壊試験が実施されている。例えば、コンクリート中の超音波伝搬速度測定によるコンクリート強度の推定などが挙げられる。
従来用いられている超音波探触子は、板状の振動子の平面部から送・受信される超音波について測定する機構となっており、送・受信部分を測定対象の表面に接触させて使用されることが多い（図３）。
超音波探触子を用いて厚み方向に計測する場合、従来例では図９に示すように、コンクリート壁の対向する箇所に送受信用の超音波探触子を配置して行う。最短距離を計測するには、両側の位置を正確に特定する必要があり、位置合わせを確認することは困難である。また、壁の厚みの実測も困難であり、設計図の数字を採用する外ない状況である。裏面側にアクセスできない状況では、測定困難になる。
さらに、測定対象の表面と内部で特性が異なる場合（例えば、表面から乾燥などの影響を受けるコンクリート構造物）では、表面での測定ではその内部の超音波伝搬速度を正確に把握することはできない。
このような場合に、測定対象を削孔して、その孔内の所定の深さ位置に超音波探触子を接触させることにより内部の超音波伝搬速度を測定する方法が提案されている（特許文献１：特許第4686068号公報）。削孔はドリルなどによる円孔として設けられることが多く、従来の平面部から超音波を送・受信する超音波探触子を用いた場合には、図３（ｂ）のように凹曲面測定用のウエッジを介しての測定となる。
ダムや原子力施設など表裏面に送受信用の超音波探触子を設置できない場合は、同一面側から削孔して、２つの超音波探触子の発信面と受信面を対向配置することになる。精緻な測定をするためには、対向面が垂直になるように正確に形成する必要があり、ドリルなどによって形成された円形の孔の円周面に超音波探触子をあてることとなり、平面に対置することができない。従来使用されているコンクリートの超音波測定器エルソニックII（（株）東横エルメス社製）では、超音波探触子の寸法は径６０.５ｍｍ、長さ７３ｍｍであり、測定のためには設置孔は超音波探触子の長さ以上の削孔径が必要となる。コンクリート構造物には鉄筋が入っているので、大きな開口を削孔する場合は鉄筋の切断が必要となる場合もある。鉄筋切断作業自体容易でなく、また、構造物に対するダメージも発生するリスクがある。
したがって、図３（ｂ）のような、従来例の測定方法では削孔径が大きくなってしまい、測定対象物に与える損傷が大きい。また、超音波探触子の平面部全体から同時に超音波が送信されても湾曲面による厚み分の差が発生して、ウエッジの各部分から対象物に超音波が伝わるタイミングは同じではない。このため、削孔とウエッジが部分的に接触する場合には、孔内への接触箇所の違いによって測定結果に差が生じうる。

測定対象物により最適な振動子の周波数は異なるが、例えばコンクリートでは20〜200kHzが適しているとされている。これは、超音波の中では比較的低い周波数として位置付けられ、このような周波数を実現するためには振動子、さらには超音波探触子の長さを大きく（例えば周波数100kHzでは20mm程度以上）する必要がある。したがって、従来の平面部から超音波を送・受信する超音波探触子では、小型化するには限界がある。

特許第4686068号公報

本発明は、コンクリート構造物の部材内部コンクリートの品質調査などで、対象物に穿孔して設けた削孔内に挿入して超音波伝搬速度の測定に用いる超音波探触子であって、小さな削孔に挿入可能な寸法で比較的周波数の低い超音波を発生することができる超音波探触子を実現することを目的とする。

通常の削孔ドリルによって形成される孔を利用して測定できる程小さな円筒形の超音波探触子を開発することにより、本発明の課題を解決した。
本発明の主な構成は、次のとおりである。
１．振動子ケース内に円筒形の振動子が２個挿入され、振動子の筒の周面から伝搬する超音波を送・受信可能な超音波探触子。
２．掘削された孔に挿入される超音波探触子であって、振動子の周波数が20〜500kHzであり、振動子の外径が６〜２８mmであることを特徴とする、１．に記載の超音波探触子。
３．１．又は２．に記載されている超音波探触子が筐体の先端に装着されており、２個設けられている振動子の中心からグリップ側に向けて目盛が設けられている挿入型超音波探触子。
４．測定対象物に対して複数の円形の孔を形成し、
該孔に３．記載の挿入型超音波探触子を目盛りを用いて測定深さまで挿入して、１つの超音波探触子を発信器とし、他の超音波探触子を受信器とし、
送受信器間の超音波伝搬速度を測定する方法。
５．測定対象物がコンクリート構造物であることを特徴とする４．に記載の測定方法。

１．本発明は、円周方向に送受信できる小径の超音波探触子を実現した。超音波探触子の径が小さいので、挿入用の孔も小径とすることができ、削孔するコンクリートなどの対象物のダメージを小さくすることができる。
２．送・受信部の面から円周方向に同時に超音波を送信可能であるため、接触箇所による測定結果の差異は生じない。したがって、測定対象の表面からある深さにおける超音波伝搬速度をより正確に測定することが可能である。
３．円筒形の超音波探触子から、円周方向に超音波が発信され、円周面で受信するので、送信部と受信部の対向面は正確な対称面を形成する必要がない。送信器と受信器の間の距離によって、超音波の伝搬速度を測定できる。
また、円形の孔に円筒形の超音波探触子を挿入して超音波を発信するので、湾曲面を有するウエッジを使用する平面の超音波探触子に比べて、測定距離誤差を小さくして正確な測定値を得ることができる。従来例では、振動子の平面部全体から同時に超音波が送信されても、孔の内周面に超音波を伝搬するために使用する湾曲面を有するウエッジ部分からは、超音波がウエッジの厚みの差がある分対象物に対して同時に送信されないため、削孔と曲面を有するウエッジが接触する場合には孔内への接触箇所の違いによる測定結果の差が生じうる。
４．物質の力学特性、材質などによって、固有の伝搬速度を示すので、伝搬速度を測定することにより、ヤング係数、コンクリートの圧縮強度などを推定することができる。ダムや原子力施設、壁面などのコンクリート構造物の診断が可能となる。経年変化の診断に伴う削孔の累積ダメージが小さくて済む。

本発明の超音波探触子の概念図 削孔内での超音波探触子からの送信状態を示す概念図 従来の超音波探触子からの送信状態を示す概念図 本発明の挿入型超音波探触子の構成図 測定対象物の概略図 従来の超音波探触子の例 コンクリート製測定用供試体の概略図 本実施例と従来例の測定の結果の関係を示すグラフ 厚み方向従来例による測定概略図

本発明は、小型の円筒形の超音波探触子である。円筒形の発信面から放射方向に超音波が発信される送信と受信の方向性を厳格に正確にする必要はない。測定に必要となる対象物に対する削孔が小さな開孔で済み、対象物のダメージが少ない。例えば、長期間使用されるコンクリート構造物などの物性評価に有効である。超音波の伝搬速度が物質の密度やヤング係数などによって変化するので、超音波の伝搬速度を計測することにより、ヤング係数などの力学特性を推定することができる。円筒形の超音波振動子は、ＰＺＴ系圧電セラミックス材料である。外径が６〜２８mmの円筒形で周波数20〜500kHzの超音波を発生させることができる。
長期間使用するダム、原子力プラント、建築物などのコンクリート構造物などの検査測定に有効である。

図１、図２に本発明の小型の円筒形超音波探触子の概略を模式的に示す。
本発明の円筒形の超音波探触子は、図１に示すように円筒形であって、周面から超音波を発信する。周面から超音波を発信するので、湾曲した対象面に超音波を照射する場合、対象面に沿うことができるので適している。
円筒形の超音波探触子には円筒形の振動子が収納されており、図１に模式的に示すように円周方向（実線矢印）と長さ方向（破線矢印）に振動する。円筒形の超音波探触子は、円周方向の振動を利用し、送受信部側面から円周方向に均一に伝搬する超音波を送受信する機構を備えている。発生する超音波の周波数は、振動子の長さ寸法に依拠し、直径には関係しない。検査のための挿入する孔の直径は、振動子の直径に影響を受けるが、振動子の長さ寸法には影響を受けないため、振動子の周波数と削孔の径は任意に設定することが可能である。
本発明の超音波探触子は、特に小径の削孔のような湾曲面での測定及び比較的低い周波数の超音波に適している。
なお、現実的な製作上、振動子の直径が小さすぎると、探触子の製作や剛性の確保がむずかしくなるので、使いやすいサイズに設定される。対象物がコンクリート構造物であれば、その削孔に使用されているドリルによって形成される穴の大きさに合わせて設計するのが現実的である。

図２に示すように円形の削孔の内周面に円筒形の超音波探触子の発信面が沿って発信されるので、発信面から対象物に対して同時に超音波を伝達することができる。従来の板状の超音波探触子を削孔内で使用する場合は、超音波探触子と削孔内周面の間にウエッジを介する必要があるので、中央部と端部ではｔ長分の差が発生し、対象物への伝搬のタイミングに差が生じ、正確性に欠け誤差となる。図３（ｂ）に模式的にこの平面振動子の状況を示す。

なお、図３に従来の板状の振動子を使用した超音波探触子の使用例を示す。平らな表面では図３（ａ）に示されるように平面に接触させて使用する。円形の孔の曲面に使用する場合は、図３（ｂ）に示すように湾曲面と平面を備えたウエッジを用いて、発信面が平面に接するようにする必要がある。

実施態様を図４に示す。
円筒形の振動子１を振動子ケース２に挿入し、振動子ケース２の基端側に縮径して設けた挿入部２３を連結筐体３の先端側から挿入して、両者に設けた結合用孔２２、３２の位置合わせをして、ネジで固定して、挿入型超音波探触子５を形成する。振動子はＰＺＴ製である。図４に示す振動子１は２個の円筒形振動子が並列されており、中間にハイカコルクが設けられている。これは連続した一つの振動子で形成することも可能である。
挿入型超音波探触子５の筐体には、振動子中心位置５１を始端とする目盛５４がグリップ部側に向けて付されている。振動子中心位置５１は、挿入されている振動子の振動子中心１２と一致し、超音波の発信中心であって、測定箇所の挿入位置が容易に確認できる。
振動子１にはリード線１１が設けられており、振動子ケース２にもリード線２１が設けられている。振動子１のリード線１１は振動子ケース２のリード線２１に連結されるように構成され、連結筐体３の基端部から挿入型超音波探触子５の外部に延出している。挿入連結筐体３は円筒形であり、挿入型超音波探触子５の基端部には蓋５３が設けられ、蓋５３を介してケーブルが接続され、コンピュータやディスプレイと連結される。
なお、グリップ部５２には、滑り止め用のローレット５５が設けられている。
挿入型超音波探触子の外形は、コンクリート構造物に穴を形成する手段として、回転ドリルが効率的で一般的に用いられるので、円形の穴に挿入しやすい円筒形が好ましい。コンクリート構造物のコンクリート本体の強度を知るには、表面の劣化部分を除き、鉄筋のかぶり厚さより深い位置のコンクリート強度を調査対象とすることが適している。挿入型超音波探触子の長さ（目盛部分）は、この調査対象となる深さ以上に形成する。
本実施態様では、コンクリート構造物の開口用ドリルの大きさに合わせて、超音波探触子の挿入外径を決定し、それに適合する振動子を設定する。具体的には、振動子の直径は６〜２８ｍｍ、長さは５〜１５ｍｍ、連結筐体の先端側外径は１０〜３０ｍｍ、目盛部分の長さは１０〜３０ｃｍ、全長は２０〜４０ｃｍ程度に設定している。

この挿入型超音波探触子５を２本準備し、コンクリート製の測定対象物１００の深さＤの位置を測定する場合、間隔Ｌを空けて深さＤ以上の孔を２本削孔し、削孔Ａ１０１と削孔Ｂ１０２を形成する（図５参照）。この削孔Ａ、削孔Ｂに挿入型超音波探触子５を深さＤに相当する目盛位置まで挿入し、超音波を一方から送信し、他方で受信する。この距離Ｌを送受信に要した時間で除して、超音波の伝搬速度を計算する。
一方、超音波の速度が物質の密度やヤング係数などによって変化するので、この計測された速度を元に、ヤング係数、さらにヤング係数に対応する圧縮強度を求めることにより、測定対象であるコンクリート構造物の強度を得ることができる。

表１に示す振動子を組み込んだ挿入型の超音波探触子を製造してそれぞれ実施例１〜３とした。実施例１〜３の超音波探触子は、図４に示されるようにハイカコルクを中間に挟んで２個の振動子が直列に振動子ケースに挿入されている。このハイカコルクの位置が超音波探触子の測定部位となる目盛の始端部に相当する。

＜試験＞
実施例１〜３の超音波探触子と市販されている平面部での測定に用いられる超音波探触子であるエルソニックII（東横エルメス（社）製）を用いて検証試験を行った。
エルソニックIIは、図６に示す外形を備えている。外径６０．５ｍｍ、長さ７３ｍｍの筐体の後端にケーブルがついている。
コンクリート製角柱□１５０×５６０ｍｍを作成し、間隔を４００ｍｍ離して直径３０ｍｍの貫通孔111a、111bを設けた。このテスト用コンクリート角柱１１０の平面概略図を図７に示す。使用したコンクリートは、水セメント比４０〜６５％の普通コンクリートである。
テスト用コンクリート角柱１１０を用い、材齢３〜９１日において超音波の伝搬速度を測定した。実施例１〜３の超音波探触子１０５ａ、１０５ｂは貫通孔111a、111bに超音波発信中心が深さ７５ｍｍに位置するように挿入し、測定距離４００ｍｍで測定し、エルソニックII１１２ａ、１１２ｂは角柱の長辺方向（間隔５６０ｍｍ）及び短辺方向（間隔１５０ｍｍ）での測定を行った。
測定位置を図７（ａ）、図７（ｂ）に示す。図７（ａ）は平面視の概略であり、図７（ｂ）は正面視の概略である。

実施例の超音波探触子とエルソニックIIを用いて、各材齢に応じて測定された伝搬速度の関係を図８に示す。
図８に示されるように各実施例とエルソニックIIは１．００〜１．０１と高い一致性を確認することができた。十分に従来の超音波測定装置と同等の性能を発揮している。
なお、エルソニックIIは長辺と短辺の２方向を測定したデータを用いているが、長短による伝搬速度の異方性は認められなかった。

日本建築学会ではコンクリート中の塩化物イオン量の簡易試験方法として、ドリル直径１０ｍｍ以上、土木学会では採取試料中のセメントペーストと骨材の構成比が母材コンクリートと乖離することを避けるために直径２０mm以上のドリルによるサンプリングが必要であるとされているので、実施例で実現した直径２０mmの超音波探触子は、コンクリートのサンプリングに使用された削孔を使用できる。
また、建築学会では探触子の周波数２０〜２００ｋＨｚとされ、標準的なものは５０〜１００ｋＨｚである。超音波の周波数を大きくすると波長が短くなり、粗骨材界面で超音波が分散しやすくなり、測定精度の低下をもたらす可能性があるので、２００ｋＨｚ以下の超音波を使用することが適している。
したがって、建設分野では現実に即しており、十分に有効である。
さらに、円形開口を設けて超音波伝搬速度を測定する利用分野においては、建設関連にとどまらず利用可能である。

１ 振動子
１１ リード線
１２ 振動子中心
２ 振動子ケース
２１ リード線
２２ 結合用孔
２３ 挿入部

３ 連結筐体
３２ 結合用孔
５ 挿入型超音波探触子
５１ 振動子中心位置
５２ グリップ部
５３ 蓋
５４ 目盛
５５ ローレット

１００ 測定対象物
１０１ 削孔Ａ
１０２ 削孔Ｂ
１０５ａ、１０５ｂ 本発明の超音波探触子
１１０ コンクリート角柱
１１１ａ、１１１ｂ 貫通孔
１１２ａ、１１２ｂ 従来例の探触子

Claims (5)

1. 振動子ケース内に円筒形の振動子が２個挿入され、振動子の筒の周面から伝搬する超音波を送・受信可能な超音波探触子。
2. 掘削された孔に挿入される超音波探触子であって、振動子の周波数が20〜500kHzであり、振動子の外径が６〜２８mmであることを特徴とする、請求項１に記載の超音波探触子。
3. 請求項１又は２に記載されている超音波探触子が筐体の先端に装着されており、２個設けられている振動子の中心からグリップ側に向けて目盛が設けられている挿入型超音波探触子。
4. 測定対象物に対して複数の円形の孔を形成し、
   該孔に請求項３記載の挿入型超音波探触子を目盛りを用いて測定深さまで挿入して、１つの超音波探触子を発信器とし、他の超音波探触子を受信器とし、
   送受信器間の超音波伝搬速度を測定する方法。
5. 測定対象物がコンクリート構造物であることを特徴とする請求項４に記載の測定方法。

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