JP6776144B2 - 超音波プローブ - Google Patents

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Description

本発明は、検査対象の欠陥を検査する超音波プローブに関するものである。
従来、非破壊で検査対象の欠陥を検査する装置として、振動子及びくさびを備える超音波プローブが知られている。例えば、特許文献１には、検査対象の表面領域（表面ないしその近傍の領域）の欠陥を検査することが可能な超音波探傷装置が開示されている。
この超音波探傷装置では、検査対象の表面領域を伝播した表面波が欠陥で反射することにより生成される反射超音波を受信部で受信することにより、検査対象の表面領域に存在する欠陥が検知される。なお、表面領域は、検査対象の表面から表面波の約１〜２波長の深さに相当する領域を意味する。
特開２０１０−５４４９７号公報
特許文献１に記載されるような超音波プローブでは、特に微小な欠陥での反射により生成される反射超音波を大きくし、ノイズ（欠陥以外の部位での反射により生成される反射超音波）から明確に区別すること、すなわち、微小欠陥の検知精度をできるだけ高めることが望ましい。
本発明の目的は、微小な欠陥の検知精度を高めることが可能な超音波プローブを提供することである。
前記課題を解決するための手段として、本発明は、超音波を送信する送信部と、前記送信部から送信された超音波が検査対象の表面領域を表面波として伝播する角度で当該送信部を保持するくさびと、を備え、前記送信部は、第１伝播方向に沿って前記表面波が伝播するように前記超音波を送信する第１送信要素と、前記第１伝播方向と交差する第２伝播方向に沿って前記表面波が伝播するように前記超音波を送信する第２送信要素と、を有し、前記送信部は、前記第１伝播方向と前記第２伝播方向との交点を通り、かつ、前記第１伝播方向及び前記第２伝播方向の双方に直交する軸を中心軸とする円錐の外周面に沿う形状を有する、超音波プローブを提供する。
本超音波プローブでは、第１送信要素から送信された超音波により生成された表面波と第２送信要素から送信された超音波により生成された表面波とが互いに交差するので、従来のように表面波が互いにほとんど交差することなく平行に伝播するものに比べ、その交差点近傍における検知精度が高まる。よって、検査対象の表面領域に存在する微小欠陥での反射により生成された反射超音波を大きくし、その他のノイズから明確に区別することが可能となる。さらに、検査対象の幅方向の寸法がくさびの幅方向の寸法よりも小さい場合であっても、各送信要素から送信された超音波のうちくさびの底面から検査対象に入射する成分が増えるので、前記微小欠陥が有効に検知される。前記送信部が前記形状を有することで、検査対象の表面領域のうち第１伝播方向と第２伝播方向との交点近傍の部位に表面波が効果的に集中するので、前記交点近傍の部位における微小欠陥の検知精度がさらに高まる。
なお、第１伝播方向は、第１送信要素の幅方向の中央部から送信された超音波の伝播方向を意味し、第２伝播方向は、第２送信要素の幅方向の中央部から送信された超音波の伝播方向を意味する。
この場合において、前記くさびは、前記送信部の全域から送信された超音波が前記検査対象に対して臨界角で入射する姿勢で前記送信部を保持していることが好ましい。
このようにすれば、送信部から送信された超音波によって効果的に表面波が生成されるので、検査対象の表面領域に存在する微小欠陥の検知精度がより高まる。
以上のように、本発明によれば、微小な欠陥の検知精度を高めることが可能な超音波プローブを提供することができる。
本発明の一実施形態の超音波プローブの概要を示す図である。 図１に示される超音波プローブの平面図である。 検査対象の表面の最大変位分布の解析結果を示す図である。 従来の超音波プローブの平面図である。 図１に示される超音波プローブの変形例を示す図である。
本発明の一実施形態の超音波プローブ１について、図１〜図３を参照しながら説明する。本超音波プローブ１は、鋼材等の検査対象Ｔの表面ないしその近傍の領域（以下、「表面領域」と称する。）に存在する欠陥を表面波Ｓを利用することによって検査可能である。なお、表面領域は、検査対象Ｔの表面から表面波Ｓの約１〜２波長の深さに相当する領域を意味する。具体的に、この超音波プローブ１は、振動子１０と、くさび２０と、振動子１０及びくさび２０を収容するケース３０と、を備えている。
振動子１０は、超音波を送信する送信部と、送信部から送信された超音波の反射により生成される反射超音波を受信する受信部と、を有する。
送信部は、超音波の送信方向と反対方向（図１の左方向）に向かって凸となる形状を有している。送信部は、第１伝播方向Ｄ１（図２を参照）に沿って表面波Ｓが伝播するように超音波を送信する第１送信要素１１と、第１伝播方向Ｄ１と交差する第２伝播方向Ｄ２（図２を参照）に沿って表面波Ｓが伝播するように超音波を送信する第２送信要素１２と、を含む。なお、第１伝播方向Ｄ１は、第１送信要素１１の幅方向（図２の上下方向）の中央部から送信された超音波の伝播方向を意味し、第２伝播方向Ｄ２は、第２送信要素１２の幅方向の中央部から送信された超音波の伝播方向を意味する。
本実施形態では、送信部は、前記反対方向に向かって凸となるように湾曲する形状を有している。より具体的には、送信部は、第１伝播方向Ｄ１と第２伝播方向Ｄ２との交点を通り、かつ、第１伝播方向Ｄ１及び第２伝播方向Ｄ２の双方に直交する軸Ｐを中心軸とする円錐の外周面に沿う形状を有している。このため、第１送信要素１１及び第２送信要素１２を含む送信部から送信された超音波（図１及び図２の破線の矢印）は、検査対象Ｔの表面領域のうち第１伝播方向Ｄ１と第２伝播方向Ｄ２との交点近傍の部位に集中する。図３は、この送信部から超音波が送信された際の検査対象Ｔの表面の最大変位分布の解析結果を示している。
くさび２０は、送信部から送信された超音波が検査対象Ｔの表面領域を表面波Ｓ（レーリー波やＳＨ波）として伝播する角度で振動子１０を保持する。本実施形態では、くさび２０は、送信部の全域から送信された超音波が検査対象Ｔに対して臨界角で入射する姿勢で送信部を保持している。
ここで、図４を参照しながら、従来の超音波プローブについて説明する。従来の超音波プローブは、振動子１００と、くさび２００と、ケース３００と、を備えている。振動子１００は、平板状に形成されている。このため、振動子１００の送信部から送信された超音波が検査対象Ｔに入射することによって生成される表面波Ｓは、互いにほとんど交差することなく検査対象Ｔの表面領域を伝播する。また、図４に示されるように、検査対象Ｔの幅方向（図４の上下方向）の寸法Ｗ１がくさび２００の幅方向の寸法Ｗ２′よりも小さい場合、送信部のうち検査対象Ｔと重なっている部位よりも幅方向の外側の部位から送信された超音波は、検査対象Ｔに入射しない。
これに対し、本実施形態の超音波プローブ１では、第１送信要素１１から送信された超音波により生成された表面波Ｓと第２送信要素１２から送信された超音波により生成された表面波Ｓとが互いに交差するので、従来のように表面波Ｓが互いに交差することなくほぼ平行に伝播するものに比べ、検査対象Ｔの表面領域のうちその交差点近傍における検知精度が高まる。よって、検査対象Ｔの表面領域に存在する微小欠陥ｆでの反射により生成された反射超音波をその他のノイズ（表面波Ｓの伝播方向についてくさび２０よりも前方に存在する油等の接触媒質で表面波Ｓが反射することにより生成される反射超音波等）から明確に区別することが可能となる。さらに、検査対象Ｔの幅方向の寸法Ｗ１がくさび２０の幅方向の寸法Ｗ２よりも小さい場合であっても、各送信要素１１，１２から送信された超音波のうちくさび２０の底面から検査対象Ｔに入射する成分が増えるので、微小欠陥ｆが有効に検知される。
また、上記実施形態では、くさび２０は、送信部の全域から送信された超音波が検査対象Ｔに対して臨界角で入射する姿勢で送信部を保持しているため、送信部から送信された超音波によって効果的に表面波Ｓが生成される。よって、検査対象Ｔの表面領域に存在する微小欠陥ｆの検知精度がより高まる。
さらに、上記実施形態では、送信部は、第１伝播方向Ｄ１と第２伝播方向Ｄ２との交点を通り、かつ、第１伝播方向Ｄ１及び第２伝播方向Ｄ２の双方に直交する軸Ｐを中心軸とする円錐の外周面に沿う形状を有している。このため、検査対象Ｔの表面領域のうち第１伝播方向Ｄ１と第２伝播方向Ｄ２との交点近傍の部位に表面波Ｓが効果的に集中する。よって、前記交点近傍の部位における微小欠陥ｆの検知精度がさらに高まる。
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
例えば、図５に示されるように、第１送信要素１１及び第２送信要素１２が平板状に形成され、かつ、送信部のうち第１送信要素１１及び第２送信要素１２以外の部位も平板状に形成されてもよい。換言すれば、送信部は、それぞれが平板状に形成された複数の（図５では３つの）送信要素により構成されてもよい。この場合、くさび２０は、各送信要素から送信された超音波に基づく表面波Ｓが検査対象Ｔの表面領域のうちの特定の領域で交差するように各送信要素を保持する。この態様では、表面波Ｓが検査対象Ｔの表面領域における特定の一点に集中する場合に比べ、焦点深度が長くなる。
１ 超音波プローブ
１０ 振動子
１１ 第１送信要素
１２ 第２送信要素
２０ くさび
３０ ケース

Claims (2)

  1. 超音波を送信する送信部と、
    前記送信部から送信された超音波が検査対象の表面領域を表面波として伝播する角度で当該送信部を保持するくさびと、を備え、
    前記送信部は、
    第１伝播方向に沿って前記表面波が伝播するように前記超音波を送信する第１送信要素と、
    前記第１伝播方向と交差する第２伝播方向に沿って前記表面波が伝播するように前記超音波を送信する第２送信要素と、を有し、
    前記送信部は、前記第１伝播方向と前記第２伝播方向との交点を通り、かつ、前記第１伝播方向及び前記第２伝播方向の双方に直交する軸を中心軸とする円錐の外周面に沿う形状を有する、超音波プローブ。
  2. 請求項１に記載の超音波プローブにおいて、
    前記くさびは、前記送信部の全域から送信された超音波が前記検査対象に対して臨界角で入射する姿勢で前記送信部を保持している、超音波プローブ。
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