JP7122973B2 - 超音波プローブおよび超音波検査システム - Google Patents

Description

本発明は、検査対象が検査方向に沿ってプローブに対して相対的に移動している間に非破壊材料検査するための超音波検査システム用のプローブに関する。

超音波検査は、不連続部として知られている材料欠陥を見つけ、超音波によって構成要素の寸法を決定するための音響プロセスである。この検査は、非破壊検査法に分類される。超音波（ＵＳ）を用いた非破壊材料検査では、音がカップリング媒体、例えば液体の膜を介してプローブから検査対象に伝達される。また、検査される材料の状態に関する情報を運ぶ超音波の検査対象から受信プローブへの伝達は、一般に、同じカップリング媒体を介して行われる。超音波または超音波パルスを放射および受信するために、別々の送信および受信プローブが使用されることがある。プローブとは、ここでは、１つまたは複数の超音波トランスデューサが据え付けられたハンドリングユニットを意味すると理解される。超音波トランスデューサ自体は、電気信号を音信号（音響信号）に、または音信号を電気信号に変換する素子である。通常、出音および受音超音波トランスデューサは、１つのプローブ内で組み合わされている。超音波トランスデューサが別々の送信器および受信器である場合は、超音波トランスデューサは、送信－受信プローブまたはトランシーバプローブとも呼ばれる。これは、例えば、高い近接場分解能が必要とされる場合は常に好まれる。同じ超音波トランスデューサが送信および受信に使用される場合は、この超音波トランスデューサは、パルスエコープローブと呼ばれる。

送信－受信プローブ（トランシーバプローブ）は、例えば、金属板の超音波検査で使用される。金属板は、一般に、１ｍ～５ｍの典型的な幅、典型的には３ｍ～３０ｍの長さ、および５ｍｍ～１５０ｍｍの典型的な厚さを有する。Ａ．Ｗｅｂｅｒらによる論文「Ｂｅｔｒｉｅｂｌｉｃｈｅ Ｅｒｆａｈｒｕｎｇｅｎ ｍｉｔ ｅｉｎｅｒ ｎｅｕｅｎ Ｇａｎｚｔａｆｅｌ－Ｕｌｔｒａｓｃｈａｌｌｐｒｕｆａｎｌａｇｅ」［新しい全板超音波検査システムによる操作体験］、ＤＧＺｆＰ Ａｎｎｕａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ２０１３－Ｄｉ．２．Ｂ．２、１～８ページには、剪断区間の入口の冷却ベッドのすぐ下流の圧延機に配置された全板超音波検査システムが記載されている。全体で７６個の個々に空気圧作動するプローブホルダーが、記載された超音波検査システムに嵌め込まれている。公称周波数が５ＭＨｚのトランシーバプローブが使用されている。使用される複数の振動子は、５０ｍｍの幅を有し、４つに分割され、すなわち、個々に処理されなければならない３０４個の検査チャネルがある。プローブホルダーは、検査方向に前後して配置された、プローブ幅によって互いに対して横方向にオフセットされた２つの表面検査キャリッジに据え付けられている。その結果、この論文によると、全表面領域検査（１００％の検査）が達成される。
４つに分割された公知のトランシーバプローブは、断面が矩形のプローブハウジング内部に、互いに直接隣接して配置された４つの受信素子、および単一の送信素子の列（ｒｏｗ）を有し、この列が受信素子によってカバーされた全幅にわたって広がる。その結果、例えば、ＦＢＨ－３クラス（直径３ｍｍの平底穴（Ｆｌａｔ Ｂｏｔｔｏｍ Ｈｏｌｅ））の基準欠陥を高い信頼度で検出することができる。しかしながら、例えば、金属板検査の場合、より小さな欠陥、例えばＦＢＨ－２、ＦＢＨ－１．２を高い信頼度で検出する必要性もますます高まっている。

公開された特許出願独国第１９５ ３３ ４６６ Ａ１号には、複数のパルスエコー超音波トランスデューサを備える非破壊材料検査用の超音波プローブが開示されており、このパルスエコー超音波トランスデューサは、それらの送信／受信面と共に、ある列の超音波トランスデューサ間の各間隙が別の列の超音波トランスデューサによってカバーされるように、第１の平面内で、間隙によって互いに対してオフセットされた少なくとも２つの平行な列にそれぞれ配置されている。これにより、検査幅全体にわたって感度がほぼ一定の幅広い検査幅を有するプローブが生成される。
公開された特許出願独国第３４ ４２ ７５１ Ａ１号には、超音波で動作し、シートに設定可能な複数のプローブを備える金属シート用の検査システムが開示されており、これらのプローブは、シートの搬送方向に対して横方向の列に、かつ搬送方向の複数の列で前後して重なり合って設けられている。各プローブは、送信器および受信器を有する。
公開された特許出願独国第１９６ ４２ ０７２ Ａ１号には、共通の送信振動子の両側に千鳥状に配置された複数の受信振動子を有する複合プローブ装置が開示されている。送信振動子および受信振動子は、共通の圧電板で構築され、それらの電極の一方が分割されている。異なる列からの受信振動子は、横方向に部分的に重なり、その結果、送信振動子によってカバーされる全長にわたって間隙なしに検査が可能である。
公開された特許出願独国第１０ ２００８ ００２ ８５９ Ａ１号には、超音波によるシート状物品の非破壊検査用の装置が開示されており、本装置は、マトリックスフェーズドアレイプローブを用いている。

本発明は、例えば、超音波金属板検査システムでの使用に適したプローブであって、取り扱いが容易で、かつ検査システムに据え付けるのが容易であるが、検査対象の小さな欠陥に対してでさえ高い信頼度で間隙なしに大きな検査幅の検査を可能にするプローブを提供するという問題に対処する。

この問題を解決するために、本発明は、当初請求項１の特徴を有するプローブを提供する。有利な発展形態は、従属当初請求項に明記されている。すべての当初請求項の文言は、参照により本明細書の内容とされる。
プローブは、縦方向およびこれに直交する横方向を定めるプローブハウジングを有する。縦方向は、動作中に検査方向に対して可能な限り平行に整列する方向である。横方向は、縦方向に垂直に伸び、それゆえ、検査動作中に検査方向に対して可能な限り垂直である。プローブは、複数の送信－受信ユニットを有しているため、超音波マルチプローブである。送信－受信ユニットのそれぞれは、送信素子と、割り当てられた受信素子と、を有する。その結果、検査対象が検査方向に沿ってプローブに対して相対的に移動している間に実効的な検査幅を有する検査軌跡

が送信－受信ユニットによって検査可能であるように、実効的な検査幅が横方向に定められる。送信－受信ユニットの感度が横方向端部の近傍で通常急激に低下するため、実効的な検査幅は、一般に横方向の送信－受信ユニットの物理的な広がりよりもいくぶん小さく、その結果、事実上わずかに小さな検査幅のみが使用可能である。送信－受信ユニットは、縦方向に前後して位置する、それぞれ横方向に伸びる少なくとも２つの列に配置されている。異なる列からの送信－受信ユニットは、互いに対してオフセットされた送信－受信ユニットの受信素子が重なり領域において互いに重なり合うように、横方向に互いに対してオフセットされ、それにより送信－受信ユニットが全体で間隙なしに実効的なプローブ検査幅をカバーする。送信－受信ユニットのすべてがプローブハウジング内に配置されている。

また、送信素子のすべてがプローブの共通の送信器ターミナル要素に電気的に接続されているものとする。それゆえ、送信素子は、互いに電気的に接続され、共通の信号によって容易に同期して作動させることができる。それゆえ、送信信号の同期性（シンクロニシティ）は、プローブの構造によって既に提供されており、複雑な電子機器によって保証される必要がない。
それぞれが１つまたは複数の送信－受信ユニットを有する３つ以上の列が設けられてもよいが、送信－受信ユニットは、縦方向に前後して位置する正確に２つの列に配置されるのが好ましい。

送信－受信ユニットのすべてがプローブハウジング内に一緒に配置されているため、プローブの生産中に送信－受信ユニットをプローブハウジング内部の意図された位置に正確に持ってくることができ、互いに対する送信－受信ユニットの相対的な位置決めを正確に確定することも可能である。プローブハウジング内部の送信－受信ユニットの幾何学的配置は、一般にキャリア要素によって確定され、空的間に永続的に固定され、例えばエポキシ樹脂などの適切な入れ込み化合物（ｐｏｔｔｉｎｇ ｃｏｍｐｏｕｎｄ）を導入することによってカップリング媒体の侵入に対して保護される。
個々の送信－受信ユニットの実効的な検査幅の相互の重なりは、実際に、送信－受信ユニットがそれ自身のプローブハウジング内にそれぞれ据え付けられて、次いでこうして得られた個々のプローブがプローブホルダー内部の２つ以上の列に互いに対してオフセットされて配置されることによって達成することもできる。しかしながら、対応する検査によると、複数の個々のプローブのこの組合せでは、プローブホルダー内部の各プローブに対して別々に所望のカップリング間隙を十分正確に設定することは、困難である場合があることが示された。一方、送信－受信ユニットのすべてが同じプローブハウジング内部に置かれる場合は、互いに対する送信－受信ユニットの相対的な配置は、プローブの生産中に既に正確に固定され得て、その結果、プローブがプローブホルダーに据え付けられるときに、カップリング間隙の設定を、送信－受信ユニットのすべてに対して一緒に迅速かつ正確に行うことができる。その結果、プローブの送信－受信ユニットすべての基準欠陥の信号振幅の直接的な比較可能性が保証される。

重なり領域における互いに対してオフセットされた送信－受信ユニットの横方向の相互の重なりによって、十分に高い感度がある理論上利用可能な検査幅の領域のみが各送信－受信ユニットによって使用されることが保証され得る。相互の重なりの幅は、この場合、横方向に隣り合う送信－受信ユニット間の感度の決定的な低下が、１列にのみ配置された従来の複数の振動子と比較して相当に回避されるか、または低減するように、送信－受信ユニットの横方向縁部のすぐ近傍の感度低下領域が互いに重なり合うように、都合よく選択される。一部の例示的な実施形態の場合、重なり領域は、個々の送信－受信ユニットの実効的な検査幅の少なくとも１０％の幅、好ましくは実効的な検査幅の２０％～３０％の範囲にある重なり領域の幅を有する。これらの制限が維持される場合、一方では、重なり領域における感度の著しい低下を防止するのに重なりが十分であることを保証することができる。他方では、重なり領域が広すぎないように選択することによって、プローブの必要とされる全体的な検査幅（実効的なプローブ検査幅）が、比較的少数の個々の送信－受信ユニットを用いて達成可能であるという効果を達成することができる。

一部の実施形態の場合、列内で隣り合う送信－受信ユニット間に、送信－受信ユニットの実効的な検査幅の３０％を超える、または５０％を超える間隔があるように、配置が選択される。このようにして、原則として使用可能な検査幅が全くないか、または少ししかないことが「断念される（ｇｉｖｅｎ ｕｐ）」ことが保証され得る。

送信素子および受信素子は、好ましくは、それぞれの場合に、送信素子の場合は、出音超音波トランスデューサとして機能し、受信素子の場合は、受音超音波トランスデューサとして機能する圧電材料の小板、例えば矩形の小板を有する。これらの小板は、互い分離された要素であり、それぞれ電気接点が設けられている。好ましい実施形態の場合、これらの小板または板は、互いに対して斜めに相対的に配置されており、その結果、分割面（分割平面）に対して鏡面対称に形成された屋根（ｒｏｏｆ）形状が得られる。分割面は、横方向に広がる。屋根の角度は、例えば、６°であってもよいが、場合によってはより大きく、またはより小さくてもよい。

超音波トランスデューサ間の分割面（屋根配置の対称面）には、好ましくは、超音波減衰材料の隔壁がある。この隔壁の目的の１つは、送信－受信ユニットの送信素子と受信素子の音響デカップリングであり、その結果、音伝達は、検査動作中に、送信－受信ユニットに結合された検査対象材料を介して間接的に起こり得るだけである。隔壁は、送信側および受信側の超音波トランスデューサの電気的デカップリングのための役目を果たすことができる。
２つの送信－受信ユニットのみが、プローブハウジング内部で互いに対して横方向にオフセットされ、縦方向に２つの異なる列に配置されている場合は、新奇な概念の利点が既に使用可能である。かなり多くの送信－受信ユニット、例えば、５～１０個の送信－受信ユニットを集積することもできる。一方、好ましい実施形態の場合は、正確に３つ、または正確に４つ、または正確に５つの送信－受信ユニットがプローブハウジング内に配置され、第１および第３の送信－受信ユニットが互いに隣接して第１の列に配置され、第２の送信－受信ユニットが第１および第３の送信－受信ユニットに対して間隙において対称にオフセットされて第２の列に配置されるものとする。４つの送信－受信ユニットが設けられる場合、第４の送信－受信ユニットは、好ましくは、第２の送信－受信ユニットから横方向に距離を置いて第２の列に配置される。場合によっては存在する第５の送信－受信ユニットは、第１の列に配置されてもよい。

送信－受信ユニットの数、寸法、および分布を最適化する場合、一方では、受信器の個々の信号振幅は、所与のサイズの欠陥の場合、実効的な検査幅が小さいほど、または欠陥のサイズと実効的な検査幅との比が大きいほど、それだけより大きくなることが考慮に入れられるべきである。この範囲に対して、より多くの数の送信－受信ユニット、例えば６～１０個以上が、大きな信号振幅に関して好都合になり得る。他方では、送信－受信ユニットの数が増加するにつれ、それらを位置的に正確に収容する（Ｕｎｔｅｒｂｒｉｎｇｕｎｇ：受け入れる）のに必要な技術的労力、ならびに対応する検査電子機器および評価に対して必要な技術的労力が増加する。対照的に、２つの送信－受信ユニットのみが２つの列に前後にオフセットされて（ずらされて）配置されている場合は、個々の実効的な検査幅が比較的大きくなければならないことがあり、その結果、信号振幅が、特に小さな欠陥の場合、十分に高くない可能性がある。したがって、現在のところ、プローブ内に正確に３つ、または正確に４つ、または正確に５つの送信－受信ユニットが好ましいと考えられる。

異なる列に配置された送信－受信ユニットは、縦方向または検査方向に対して、それらの送信素子および受信素子の向きがすべて同じであってもよい。したがって、例えば、送信器ユニットのすべてが、同じ方向に斜め前方に、または斜め後方に放射することができる（それぞれの場合で検査方向に見て）。対照的に、一部の実施形態の場合、プローブの送信－受信ユニットが第１の列および第２の列に分配されて配置され、異なる列に配置された送信－受信ユニットの送信素子が、プローブの中央領域で互いに向かい合って配置され（縦方向に考えて）、屋根形状のために、送信素子の板は、送信素子がそれぞれ屋根角度により反対の斜め方向に内側から外側に向かって放射するように、互いに対して斜めに相対的に配置されるものとする。その結果、異なる列に位置する送信－受信ユニットのより良好な音響デカップリングが、純粋に、互いに反対向きの主放射方向に基づいて達成され得る。プローブハウジングは、相互にオフセットされた送信－受信ユニットが、適合可能なプローブハウジングの適合サブ部分をそれぞれ有するように、設計することが可能である。これは、コーナおよび内角を有するプローブハウジングの複雑な外側輪郭につながる可能性がある。プローブハウジングは、矩形の断面形状を有するのが好ましい。特に、プローブハウジングは、断面形状およびサイズに関して従来の多重分割された複数振動子のプローブハウジングに一致するように、寸法決めされ、かつ設計され、その結果、特許請求された発明によるプローブは、従来の多重分割された複数振動子の代わりに変換の過程で容易に置き換えられ得る。

一部の受信素子またはすべての受信素子を電気的に接続し、それらを共通の受信ターミナル要素に接続することも可能である。しかしながら、受信素子のそれぞれがプローブの別々の受信ターミナル要素に電気的に接続されるものとするのが好ましい。その結果、個々の欠陥信号をある位置または狭い検査軌跡に正確に横方向に割り当てることが可能であり、それによって横方向の欠陥の位置特定性を改良することができる。
プローブホルダー内に取り付けた後のプローブの電気的接続が極めて容易に可能となり、さらに、既存の検査システム内での使用は、場合によっては、ケーブル接続のいかなる適合をも必要としないように、送信器ターミナル要素（送信器端子要素）および受信器ターミナル要素（受信器端子要素）は、共通のコネクタハウジングにおいて受け入れられても（ｕｎｔｅｒｇｅｂｒａｃｈｔ：収容されても）よい。

音響デカップリングのために、送信素子と受信素子との間には、例えば、コルク、発泡体などの超音波減衰材料の隔壁（サウンドバッフル）があるのが好ましい。一部の実施形態の場合、この目的のために、代わりにまたはさらに、超音波減衰材料、例えばコルクの少なくとも１つの隔壁が、列内で隣り合う送信－受信ユニット間に配置されるものとする。その結果、横方向のクロストークを低減させるか、または回避することができる。２つ以上の送信－受信ユニットが列内で互いに隣接して配置されている場合、これらの送信－受信ユニットは、送信－受信ユニットの送信素子と受信素子を互いに音響的に減結合する共通の隔壁を有することができる。このようにして、音響デカップリングに必要な生産労力を低減させることができる。
プローブを音響的に最適化するために、各送信－受信ユニットには、検査対象の表面に音伝導接触するプローブの側と反対側に置かれた減衰体（ｄａｍｐｉｎｇ ｂｏｄｙ）が割り当てられてもよい。各送信－受信ユニットに、それ自身の減衰体が設けられてもよいが、プローブハウジングは、好ましくは、送信－受信ユニットのすべてに対して減衰体として機能する単一の減衰体を有する。この１つの効果は、生産が簡略化されるということである。
また、本発明は、検査対象が検査方向に沿ってプローブに対して相対的に移動している間に検査対象を非破壊検査するための超音波検査システムであって、本発明によるプローブの１つまたは複数を有する、超音波検査システムに関する。超音波検査システムは、特に超音波金属板検査システムであってもよい。
本発明のさらなる利点および態様は、特許請求の範囲、ならびに図に基づいて以下で説明される本発明の好ましい例示的な実施形態の以下の記載から明らかになる。
［当初請求項１］
検査対象（２９０）が検査方向（２９５）に沿ってプローブに対して相対的に移動している間に非破壊材料検査するための超音波検査システム用のプローブ（１００）であって、
前記検査方向の縦方向（Ｌ）、および前記検査方向に垂直な横方向（Ｑ）を定めるプローブハウジング（１１０）と、
複数の送信－受信ユニット（１５０－１、１５０－２、１５０－３）であり、各送信－受信ユニットが送信素子（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）と、割り当てられた別々の受信素子（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３）と、を有し、実効的な検査幅を有する検査軌跡が、前記検査対象が前記検査方向に沿って前記プローブに対して相対的に移動している間に、前記送信－受信ユニットによって検査可能であるように、前記横方向（Ｑ）の前記実効的な検査幅（ＰＢ１、ＰＢ２、ＰＢ３）を定める、複数の送信－受信ユニット（１５０－１、１５０－２、１５０－３）と、
を備え、
前記送信－受信ユニットが、前記縦方向（Ｌ）に前後して位置する、前記横方向（Ｑ）に伸びる少なくとも２つの列（１５５－１、１５５－２）に配置され、
異なる列からの送信－受信ユニットが、互いに対してオフセットされた送信－受信ユニットの受信素子（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３）が重なり領域（Ｕ１－２、Ｕ２－３）において互いに重なり合うように、前記横方向（Ｑ）に互いに対してオフセットされ、それにより前記送信－受信ユニットが全体で間隙なしに実効的なプローブ検査幅（ＰＫＰＢ）をカバーし、
前記送信－受信ユニットのすべてが前記プローブハウジング（１１０）内に配置され、
前記送信素子（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）のすべてが前記プローブの共通の送信器ターミナル要素（ＡＴ）に電気的に接続されている、
プローブ（１００）。
［当初請求項２］
前記重なり領域（Ｕ１－２、Ｕ２－３）が前記横方向に前記実効的な検査幅（ＰＢ１、ＰＢ２、ＰＢ３）の少なくとも１０％の幅を有し、前記重なり領域の前記幅が好ましくは前記実効的な検査幅の２０％～３０％の範囲にあることを特徴とする、当初請求項１に記載のプローブ。
［当初請求項３］
列（１５５－１）内で隣り合う送信－受信ユニット（１５０－１、１５０－２）間に、送信－受信ユニットの前記実効的な検査幅（ＰＢ１、ＰＢ２、ＰＢ３）の３０％を超える間隔（ＤＱ）があることを特徴とする、当初請求項１または２に記載のプローブ。
［当初請求項４］
前記送信素子（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）および前記受信素子（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３）が、それぞれの場合に、圧電材料の板を有し、送信－受信ユニットの前記板が互いに対して斜めに相対的に配置され、その結果、分割面に対して鏡面対称に形成された屋根形状が得られ、超音波減衰材料の隔壁（１５２－１）が好ましくは前記板間の前記分割面内で伸びていることを特徴とする、当初請求項１から３までのいずれか１項に記載のプローブ。
［当初請求項５］
正確に３つまたは正確に４つの送信－受信ユニット（１５０－１、１５０－２、１５０－３）が前記プローブハウジング（１１０）内に配置され、第１および第３の送信－受信ユニットが第１の列（１５５－１）に互いに隣接して配置され、第２の送信－受信ユニット（１５０－２）が第２の列（１５５－２）に前記第１および第３の送信－受信ユニット対して対称にオフセットされて（ずらされて）配置されていることを特徴とする、当初請求項１から４までのいずれか１項に記載のプローブ。
［当初請求項６］
送信－受信ユニット（１５０－１、１５０－２、１５０－３）が第１の列（１５５－１）および第２の列（１５５－２）に分配されて配置され、異なる列に配置された送信－受信ユニットの前記送信素子が前記プローブの中央領域で互いに向かい合って配置され、前記屋根形状のために、前記送信素子の前記板が、前記送信素子が屋根角度により動作中に反対の斜め方向にそれぞれ外側に向かって放射するように、互いに対して斜めに相対的に配置されていることを特徴とする、当初請求項４または５に記載のプローブ。
［当初請求項７］
前記プローブハウジング（１１０）が矩形の断面形状を有することを特徴とする、当初請求項１から６までのいずれか１項に記載のプローブ。
［当初請求項８］
前記受信素子（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３）のそれぞれが前記プローブの別々の受信器ターミナル要素（ＡＲ１、ＡＲ２、ＡＲ３）に電気的に接続されていることを特徴とする、当初請求項１から７までのいずれか１項に記載のプローブ。
［当初請求項９］
前記送信器ターミナル要素（ＡＴ）および前記受信器ターミナル要素（ＡＲ１、ＡＲ２、ＡＲ３）が共通のコネクタハウジング内に収容されていることを特徴とする、当初請求項１から８までのいずれか１項に記載のプローブ。
［当初請求項１０］
前記送信－受信ユニットのすべてに対して減衰体として機能する単一の減衰体（２６０）が前記プローブハウジング（１１０）内に配置されていることを特徴とする、当初請求項１から９までのいずれか１項に記載のプローブ。
［当初請求項１１］
前記プローブが、列内で隣り合う送信－受信ユニット間に配置された超音波減衰材料の少なくとも１つの隔壁を有することを特徴とする、当初請求項１から１０までのいずれか１項に記載のプローブ。
［当初請求項１２］
検査対象が検査方向に沿って前記プローブに対して相対的に移動している間に前記検査対象を非破壊検査するための超音波検査システムであって、当初請求項１から１１までのいずれか１項に記載のプローブの１つまたは複数を有する、超音波検査システム。

本発明の例示的な実施形態による超音波プローブのアクティブ側からの平面図である。 プローブホルダー内部に据え付けられた状態での図１のプローブの断面図である。 音減衰隔壁の別の構成を有する実施形態の概略平面図である。 音減衰隔壁の別の構成を有するさらなる実施形態の概略平面図である。 送信素子および受信素子の別の順番を有する、図２に示す実施形態の変形形態の断面図である。

概略図１は、本発明の例示的な実施形態によるプローブ１００を、プローブのアクティブ側、すなわちプローブが、検査される検査対象の表面の近傍に持ってこられる側の平面図で示す。図２は、断面図を示す。プローブは、複数の名目上同一のプローブが使用される全自動超音波金属板検査システムでの使用が意図されている。プローブは、好ましくは、約４または５ＭＨｚの公称周波数で動作し、本例の場合、送信－受信プローブ（トランシーバプローブ）となるように、３つの出音超音波トランスデューサと３つの受音超音波トランスデューサとを組み合わせている。

プローブは、図１の図面の面内で実質的に矩形の断面形状を有し、好ましくは機械加工された金属のプローブハウジング１１０を有し、横方向Ｑの幅が縦方向Ｌの長さの２倍よりも大きい。本例の場合、横方向の幅は、約６５ｍｍであるが、これに垂直に測定された長さは、約２４ｍｍ～２５ｍｍである。アクティブ面１２０の側では、プローブハウジングは、開いている（図２参照）。アクティブ面の反対側の背面側では、プローブハウジングは、電線のための通路を除いて閉じられている。
概略図２が示すように、検査システムの組立て中に、プローブ１００は、プローブホルダー２００に挿入され、このプローブホルダー２００が、複数の名目上同一のプローブホルダーと共に検査システムの表面検査キャリッジ上に固定される。プローブホルダー２００は、検査対象２９０に面するその下面に、耐摩耗性材料、例えば、ハードメタル含有物を有する高級鋼および／または硬化鋼材料の固体板の形態のいわゆる摩耗底（ｗｅａｒ ｓｏｌｅ）２１０を有する。検査のために、プローブホルダーは、検査対象２９０の方向に送達され、それにより、検査対象が検査方向２９５にプローブホルダーに対して移動すると、摩耗底が検査対象の表面２９２と接触し、その表面２９２上を摺動する。プローブは、この場合、プローブの縦方向Ｌが可能な限り検査方向２９５と平行に伸びるように、プローブホルダーに据え付けられている。そして、縦方向および横方向に対して直角に伸びる高さ方向Ｈは、検査対象の表面から可能な限り垂直方向に伸び上がる（ｅｘｔｅｎｄ ｕｐ）。すべてのプローブホルダーを送達した後の検査動作中の典型的な検査速度は、一般に、０．５ｍ／ｓと１ｍ／ｓの間である。

摩耗底２１０は、接触面２１２から内側に貫通する、縦方向Ｌおよび横方向Ｑに寸法決めされた矩形の切抜き、または矩形の空隙もしくは開口部２１５を有し、それにより、プローブホルダーの内側からのわずかな側面方向の遊びで空隙にプローブ１００を挿入することができる。プローブの背面端に、すなわち、アクティブ面１２０とは反対向きの側に、プローブをプローブホルダー２００内で固定および垂直方向位置合わせするための役目を果たすキャリアプレート２２０がある。プローブがプローブホルダー内に据え付けられるとき、プローブは、プローブの平坦なアクティブ面２１０と摩耗底２１０の接触面２１２によって形成される平面との間に、プローブの幅にわたって可能な限り一定の厚さの、いわゆるカップリング間隙ＳＰが残るように配置される。厚さＤは、しばしば、約０．２５ｍｍ～０．３５ｍｍ程度の大きさである。検査動作中に、この間隙は、カップリング液、一般には水で満たされる。特に縦方向のカップリング間隙をくさび形ではなく正確に設定することは、信頼できる超音波検査のための必須の前提条件である。

プローブ１００は、その実効的なプローブ検査幅ＰＫＰＢ全体にわたって感度の大きな局所的な低下がなく、比較的均一な高感度を有するように設計される。この目的のために、本例の場合、３つの名目上同一の送信－受信ユニット、具体的には第１の送信－受信ユニット１５０－１、第２の送信－受信ユニット１５０－２、および第３の送信－受信ユニット１５０－３がプローブハウジングによって囲まれた内部ハウジング空間に配置される。送信－受信ユニットのそれぞれは、単一の送信素子Ｔ１、Ｔ２またはＴ３、および送信素子に割り当てられた単一の受信素子Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３を含む。送信素子および受信素子は、それぞれの場合に、送信素子の場合は出音超音波トランスデューサとして機能し、受信素子の場合は受音超音波トランスデューサとして機能する圧電材料の薄い矩形の小板を有する。前面および背面には接点があるが、示されていない。矩形板は、横方向Ｑに互いに平行に広がり、互いに対して斜めに相対的に配置され、その結果、例えば、分割面に対して鏡面対称に形成された、例えば６°の屋根角度を有する屋根形状が得られる（図２）。分割面（屋根配置の対称面）では、超音波減衰材料の隔壁１５２－１が超音波トランスデューサ間に伸びている。好ましくはコルク材料から生成される隔壁は、送信－受信ユニットの送信素子と受信素子の音響デカップリングのための役目を果たし、その結果、音伝達は、検査動作中に送信－受信ユニットに結合された検査対象の材料を介して間接的に起こり得るだけである。隔壁は、送信側と受信側の超音波トランスデューサの電気的デカップリングのための役目も果たす。

また、検査方向の送信－受信ユニットの送信素子および受信素子の順番は、図示する順番と逆であってもよい。図５に関連して例を説明する。
背面側で閉じられたプローブハウジング１１０の内部の送信－受信素子の上方に、送信－受信ユニットのすべてに対して背面音減衰としての役目を果たす単一の減衰体２６０が据え付けられている。送信素子と受信素子と隔壁との間のハウジング内部空間の自由容積は、アクティブ面１２０の平面までプラスチックの入れ込み化合物で充填され、その結果、電気的に操作されるプローブの素子は、水を通さないように封止される。

送信－受信ユニットのそれぞれは、横方向に測定された実効的な検査幅ＰＢ１などを有し、この検査幅は、送信素子Ｔ１および受信素子Ｒ１の横方向の物理的な広がりよりもいくぶん（約１０％～２０％）小さい。第１の送信－受信ユニット１５０－１の実効的な検査幅について説明するために、図１は、基準欠陥ＦＢＨ－２に関して横方向Ｑに測定された、素子長にわたる典型的な信号振幅プロファイルを表わす曲線Ｅ１を示す。信号振幅は、感度の尺度である。この感度プロファイルの特徴は、比較的高い達成可能な信号振幅の、送信－受信ユニットの中央に対して対称な比較的広いプラトーであり、素子の中央における感度の浅い局所的な低下と、素子の外側縁部により近い２つの局大値Ｍ１、Ｍ２と、さらに横方向の端部のすぐ近傍の感度の急激な低下と、を有する。実効的な検査幅ＰＢ１は、例えば、信号振幅が局大値よりも例えば最大４ｄＢだけ低い領域を指すように規定される。他の送信－受信ユニットは、対応する実効的な検査幅ＰＢ２、ＰＢ３を有する。実効的な検査幅は、例えば、２０ｍｍ以上であってもよい。検査対象２９０が検査方向２９５に沿ってプローブに対して相対的に移動している間に、送信－受信ユニットのそれぞれが、それぞれの送信－受信ユニットの実効的な検査幅に対応する幅の検査軌跡を（横方向に）走査する。

送信－受信ユニットは、それらの実効的な検査幅と、送信－受信ユニットによって走査される３つの検査軌跡とが横方向に部分的に重なるように、互いに対して相対的に配置され、その結果、プローブの検査幅全体にわたって高感度で走査を行うことができる。この目的のために、送信－受信ユニットは、縦方向Ｌに前後して位置する、それぞれ横方向Ｑに伸びる２つのまっすぐな列１５１－１、１５５－２に配置されている。第１の送信－受信ユニット１５２－１および第３の送信－受信ユニット１５２－３は、この場合、それぞれの送信素子Ｔ１、Ｔ３と受信素子Ｒ１、Ｒ３との間の分割面が互いに一致するか、または一直線になるように、横方向Ｑに相互間隔ＤＱを介して第１の列１５５－１に設けられている。同じ列の２つの送信－受信ユニット間の横方向Ｑに測定された間隔ＤＱは、この方向に送信－受信ユニットのそれぞれの幅の４０％と６０％の間である。

第２の送信－受信ユニット１５０－２は、第２の列１５５－２に、すなわち第１および第３の送信－受信ユニットに対して縦方向にオフセットされて配置されている。第２の送信－受信ユニットは、第１の列の送信－受信ユニット間の間隙が完全にカバーされるように、他の送信－受信ユニットに対して対称である。第２の送信－受信ユニット１５２－２は、外側部分が、縦方向に見て、第１の列に位置する送信－受信ユニットの外側部分の後方に位置するように、横方向に両側に広がる。これによって、互いに対してオフセットされた送信－受信ユニットの受信素子、およびさらにはこれらの送信－受信ユニットによって走査される検査軌跡が重なり領域Ｕ１－２またはＵ２－３において重なり合うように、異なる列（第１の列、第２の列）の送信－受信ユニットが横方向Ｑに互い対してオフセットされ、それにより送信－受信ユニットが全体で間隙なしにかつ感度の著しい低下を伴わずに実効的なプローブ検査幅ＰＫＰＢをカバーするという効果が達成される。横方向Ｑに測定された重なり領域Ｕ１－２およびＵ２－３の幅は、個々の送信－受信ユニットの実効的な検査幅ＰＢ１、ＰＢ２、ＰＢ３の約１５％～２０％である。これによって、一方では、検査対象の重なり領域でさえ高感度で検査を行うことができ、他方では、実効的なプローブ検査幅全体を比較的少数の３つの送信－受信ユニットのみでカバーできることが保証される。

図１では、プローブ１００の送信素子Ｔ１、Ｔ２およびＴ３のすべてがプローブの共通の送信器ターミナル要素ＡＴに接続されているのがよく分かる。各受信素子Ｒ１、Ｒ２およびＲ３から、別々の電線が、別々の受信器ターミナル要素ＡＲ１、ＡＲ２、ＡＲ３に通じている。送信器ターミナル要素ＡＴ、ならびに受信器ターミナル要素ＡＲ１、ＡＲ２およびＡＲ３は、共通のコネクタハウジング（マルチプルプラグ（Ｍｅｈｒｆａｃｈｓｔｅｃｋｅｒ：多重プラグ、多端子プラグ、並列プラグ））内において受け入れられ（ｕｎｔｅｒｇｅｂｒａｃｈｔ：収容され）、その結果、プローブを、対応するソケットに接続することによって超音波検査システムの超音波電子機器に都合よく接続することができる。
送信素子と受信素子の音響的および電気的デカップリング（音響的および電気的分離）には様々な可能性がある。図１および図２の例示的な実施形態の場合は、各送信－受信ユニットは、送信素子と受信素子との間にそれ自身の隔壁１５２－１を有する。隔壁は、互いに接続されていない。図３のプローブ３００の例示的な実施形態の場合は、同じ列（第１の列）に配置された２つの送信－受信ユニットに対して共通の隔壁３５２がある。その結果、生産を簡略化することができる。図４のプローブ４００の例示的な実施形態の場合は、第１の列の送信－受信ユニットと第２の列の送信－受信ユニットとの間に横方向に伸びる隔壁４５２がある。また、送信－受信ユニットの幅の狭い側面には、縦方向に伸びるさらなる隔壁がある。特に、隔壁は、第１列の送信－受信ユニットの相互に向かい合う側面に配置され、その結果、プローブ内部のクロストークの可能性がそのような隔壁のない例示的な実施形態の場合よりもさらに良好に抑制される。

図１～図４の実施形態の場合、様々な送信－受信ユニットの送信素子Ｔ１、Ｔ２などは、送信素子のすべてが、Ｌ－Ｑ平面に対して斜めに互いに平行に伸びる平面内に位置するようにそれぞれ配置され、その結果、縦方向Ｌに前後して位置する列の送信素子のすべてが、斜め位置のために同じ方向に放射する。したがって、図１の実施形態の３つの送信素子Ｔ１、Ｔ２およびＴ３の放射方向は、プローブが縦方向Ｌ（図１では上向き）に移動している間、この方向に斜め前方に放射する。
図５では、図１および図２に示す実施形態の変形形態が、図２と類似した断面図で示されている。全体的に明瞭にするために、同じ参照符号が使用されている。図２の変形形態と比較した唯一の相違点は、互いに平行な列に前後して位置する送信－受信ユニットの送信素子Ｔ１およびＴ２が、互いに平行な平面内に位置するのではなく、互いに対して斜めに配置されていることである。同じことが、受信素子Ｒ１、Ｒ２にも同様に当てはまる。これによって達成される効果の１つは、縦方向に互いのすぐ後に続く送信－受信ユニットの送信素子Ｔ１、Ｔ２が音放射面に関して互いに反対向きであり、重なり領域でそれぞれ互いに隣接していることである。反対向きの斜め位置の結果として、主放射方向（双頭の矢印）が、送信素子がそれぞれ超音波を内側から外側に向かって送信するように、向けられている。したがって、縦方向に見て、主放射方向は、反対向きの成分を有する。その結果、例えば図１に示す向きと比較して、異なる列に位置する送信素子のさらなる改善された音響デカップリングを達成することができる。したがって、２列配置の場合、送信素子は、縦方向に見て、プローブの中央領域にそれぞれ配置され得て、屋根角度によるそれらの斜め位置のために、音を外側に向かって両側に（縦方向に）放射する。

図３および図４の例示的な実施形態の場合も、対応する修正が可能である。したがって、例えば、図３から導出される変形形態の場合は、送信素子Ｔ２が他の列の２つの送信－受信ユニットの送信素子Ｔ１およびＴ３に直接隣接するように、送信素子Ｔ２と受信素子Ｒ２の配置を入れ替えることができる。図４の配置の場合も、送信素子Ｔ２が隔壁４４２に直接隣接し、一方、受信素子Ｒ２が外側に、すなわち、プローブハウジングの近傍に位置するように、対応する修正が行われてもよい。

知られているように、超音波検査は、異なる媒体中を異なる速度で伝播する音波に基づく。音波は、異なる波インピーダンスの界面で部分的に反映される。波インピーダンスの差が増加すると共に、反射成分も増加する。検査される検査対象の内部の欠陥または不連続部の領域の界面における音響特性の変化は、送信素子によって放射された音波パルスを反射し、この音波パルスをプローブの受信素子に送信する。微細構造中のボイド（キャビティ）、含有物、クラック、または他の割れ目は、例えば欠陥（または不連続部）として考慮に入れられる。パルスエコー法の場合、送信と受信との間で経過した時間が測定される。測定された時間差に基づいて、信号を生成することができる。この信号に基づいて、不連続部の位置、および欠陥または不連続部のサイズが、等価反射器（例えば、平底穴（ＦＢＨ）、溝または横方向孔）と比較することによって決定され得る。自動検査システムの場合、この情報は、検査対象に対して保存され、設定され、様々なやり方ですぐにまたは後で文書化される。

４つに分割された従来の送信－受信プローブを用いた検査では、ＦＢＨ－３クラス（直径３ｍｍの平底穴）までの等価反射器に対しては実効的なプローブ検査幅全体にわたって十分な感度を有することが可能であることが示されている。しかしながら、ＦＢＨ－２以下の基準欠陥の検出は、しばしば十分な再現性では不可能であることが分かった。この感度が制限される原因と考えられる理由の１つは、列内の隣り合う受信素子間の当接部における感度の低い領域である。したがって、本発明の例示的な実施形態による、重なり合う検査軌跡または実効的な検査幅を有する、プローブ内部の送信－受信ユニットの新奇な配置によって、ＦＢＨ－２クラス以下の（例えば、ＦＢＨ－１．２またはＦＢＨ－１以下の）基準欠陥を再現性よく検出することができる。

Claims (10)

1. 検査対象（２９０）が検査方向（２９５）に沿ってプローブに対して相対的に移動している間に非破壊材料検査するための超音波検査システム用のプローブ（１００）であって、
   前記検査方向の縦方向（Ｌ）、および前記検査方向に垂直な横方向（Ｑ）を定めるプローブハウジング（１１０）と、
   複数の送信－受信ユニット（１５０－１、１５０－２、１５０－３）であって、
   送信素子（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）と、割り当てられた別々の受信素子（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３）とを、前記複数の送信－受信ユニット中のそれぞれの送信－受信ユニットが有し、
   前記横方向（Ｑ）の実効的な検査幅（ＰＢ１、ＰＢ２、ＰＢ３）を、前記それぞれの送信－受信ユニットがそれぞれ定め、
   前記検査対象が前記検査方向に沿って前記プローブに対して相対的に移動している間に、前記それぞれの送信－受信ユニットによってそれぞれの前記実効的な検査幅を有するそれぞれの検査軌跡を検査可能である、
   前記複数の送信－受信ユニット（１５０－１、１５０－２、１５０－３）と、
   を備え、
   前記送信－受信ユニットが、前記縦方向（Ｌ）に前後して位置する、前記横方向（Ｑ）に伸びる少なくとも２つの列（１５５－１、１５５－２）に配置され、
   異なる列からの送信－受信ユニットが、互いに対してオフセットされた送信－受信ユニットの受信素子（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３）が重なり領域（Ｕ１－２、Ｕ２－３）において互いに重なり合うように、前記横方向（Ｑ）に互いに対してオフセットされ、それにより前記送信－受信ユニットが全体で間隙なしに実効的なプローブ検査幅（ＰＫＰＢ）をカバーし、
   前記送信－受信ユニットのすべてが前記プローブハウジング（１１０）内に配置され、
   前記送信素子（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）のすべてが前記プローブの共通の送信器ターミナル要素（ＡＴ）に電気的に接続されており、
   前記受信素子（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３）のそれぞれが前記プローブの別々の受信器ターミナル要素（ＡＲ１、ＡＲ２、ＡＲ３）に電気的に接続されており、
   前記送信器ターミナル要素（ＡＴ）および前記受信器ターミナル要素（ＡＲ１、ＡＲ２、ＡＲ３）が共通のコネクタハウジング内において受け入れられている、
   プローブ（１００）。
2. 前記重なり領域（Ｕ１－２、Ｕ２－３）が前記横方向に前記実効的な検査幅（ＰＢ１、ＰＢ２、ＰＢ３）の少なくとも１０％の幅を有し、前記重なり領域の前記幅が好ましくは前記実効的な検査幅の２０％～３０％の範囲にあることを特徴とする、請求項１に記載のプローブ。
3. 列（１５５－１）内で隣り合う送信－受信ユニット（１５０－１、１５０－２）間に、送信－受信ユニットの前記実効的な検査幅（ＰＢ１、ＰＢ２、ＰＢ３）の３０％を超える間隔（ＤＱ）があることを特徴とする、請求項１または２に記載のプローブ。
4. 前記送信素子（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）および前記受信素子（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３）が、それぞれの場合に、圧電材料の板を有し、送信－受信ユニットの前記板が互いに対して斜めに相対的に配置され、その結果、分割面に対して鏡面対称に形成された屋根形状が得られ、超音波減衰材料の隔壁（１５２－１）が好ましくは前記板間の前記分割面内で伸びていることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項に記載のプローブ。
5. 正確に３つまたは正確に４つの送信－受信ユニット（１５０－１、１５０－２、１５０－３）が前記プローブハウジング（１１０）内に配置され、第１および第３の送信－受信ユニットが第１の列（１５５－１）に互いに隣接して配置され、第２の送信－受信ユニット（１５０－２）が第２の列（１５５－２）に前記第１および第３の送信－受信ユニット対して対称にオフセットされて配置されていることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項に記載のプローブ。
6. 送信－受信ユニット（１５０－１、１５０－２、１５０－３）が第１の列（１５５－１）および第２の列（１５５－２）に分配されて配置され、異なる列に配置された送信－受信ユニットの前記送信素子が前記プローブの中央領域で互いに向かい合って配置され、前記屋根形状のために、前記送信素子の前記板が、前記送信素子が屋根角度により動作中に反対の斜め方向にそれぞれ外側に向かって放射するように、互いに対して斜めに相対的に配置されていることを特徴とする、請求項４に記載のプローブ。
7. 前記プローブハウジング（１１０）が矩形の断面形状を有することを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項に記載のプローブ。
8. 前記送信－受信ユニットのすべてに対して減衰体として機能する単一の減衰体（２６０）が前記プローブハウジング（１１０）内に配置されていることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項に記載のプローブ。
9. 前記プローブが、列内で隣り合う送信－受信ユニット間に配置された超音波減衰材料の少なくとも１つの隔壁を有することを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項に記載のプローブ。
10. 検査対象が検査方向に沿って前記プローブに対して相対的に移動している間に前記検査対象を非破壊検査するための超音波検査システムであって、請求項１から９までのいずれか１項に記載のプローブの１つまたは複数を有する、超音波検査システム。

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