JPH01244308A - 超音波探触子及びクラッド材の肉厚測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、横波超音波を被検査体の表面に垂直に入射さ
せる超音波探触子、及びこれを用いて構成され、クラッ
ド材の母材及び合せ材の肉厚を同時的に測定する装置に
関する。

〔従来技術〕

超音波を利用して非破壊検査を行う方法は、非破壊検査
法の主流をなすものであり、金属材料製の板材、管材及
び棒材等における肉厚分布の測定、並びに内部探傷検査
に広汎な使用実績を有している。ところで、超音波には
縦波と横波とがあるが、金属材料の非破壊検査において
は、一般的に被検査体の表面に垂直に入射される縦波が
用いられ、肉厚の測定は、被検査体の裏面からのエコー
が受信されるまでの時間に基づいてなされ、また探傷検
査は、前記超音波の伝播経路の途中に疵が存在する場合
、該疵からの反射エコーが前記裏面エコーの受信以前に
受信されることを利用してなされ、反射エコーの受信の
有無により疵の有無が、また受信までの時間により伝播
方向の疵の位置が検出されるようになっている。

一方、非破壊検査における横波超音波は、一般に、溶接
部等、縦波超音波の垂直入射が不可能な部分における探
傷、又は板材若しくは管材の広範囲に亘る探傷を行う際
に実施される斜角探傷、及び板材表面における探傷を行
う際に実施される表面波探傷に用いられている。

〔発明が解決しようとする課題〕

さて、横波超音波を被検査体の表面に垂直に入射させる
ことによっても、縦波超音波を用いる場合と同様肉厚測
定及び探傷を行い得る。ところが、被検査体の表面への
縦波超音波の垂直入射は、例えば、振動子を油等の接触
媒質の薄膜を介して前記表面に接触させることにより容
易に実現されるのに対し、横波超音波の垂直入射は容易
ではなく、被検査体である金属表面に配設されたコイル
に高周波電流を通流し、該金属中に渦電流を誘起させる
一方、該金属中に磁界を生ぜしめ、渦電流と磁界との相
互作用により前記金属中に横波超音波を直接的に発生さ
せる電磁超音波法（例えば「製鉄研究」第３１０号３７
４頁参照）を利用した方法もあるが、従来の非破壊検査
において、被検査体の表面に超音波を垂直入射させる場
合には、縦波超音波が主として用いられており、これに
より、特に支障なく肉厚測定及び探傷が行い得るため、
横波超音波を垂直入射させ得る超音波探触子の開発がな
されていないのが実情である。

ところが、横波超音波と縦波超音波とは、種々の異なる
特性を有しており、この特性の相違を有効に利用するこ
とにより、縦波超音波の使用においては得ることのでき
ない情報を得ることが可能となる。

例えば、縦波超音波を直角な角に入射させた場合の音圧
反射率特性は第５図に示す如くであり、０°又は９０″
近傍の入射角においては略１００％の反射率が得られる
が、１０°〜８０°の入射角における反射率はわずかで
ある。これに対し、横波超音波を直角な角に入射させた
場合の音圧反射率特性は第６図に示す如くであり、０°
〜２０″、３３°〜５７６及び７０°〜９０″の各入射
角範囲において５０％以上の反射率が得られる。従って
、第７図に示す如（、被検査体Ｔの内部にこれの表面に
対して夫々略４５°の角度をなす２辺を有するかぎ形の
疵Ｓが、角部を裏面側に向けて存在しており、該疵Ｓに
相対する被検査体Ｔの表面に位置させた探触子Ｘから、
該表面に垂直な方向に超音波を発せしめた場合、これは
疵Ｓの辺に対して略４５″の角度にて入射するから、前
記超音波が縦波であるときには反射波が殆ど得られない
のに対し、前記超音波が横波であるときには略１００％
の反射率が得られることになる。即ち、前述の如き形状
の疵Ｓの探傷は、縦波超音波の使用によっては困難であ
り、横波超音波の使用によってのみ確実となる。

また、横波超音波と縦波超音波とは、同−物質内におい
て異なる伝播速度を有する。従って、縦波超音波及び横
波超音波を併用し、両者の伝播速度の差異を利用するこ
とにより、従来、困難又は不可能とされている種々の測
定が可能となることも考えれらる。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、横波
超音波を被検査体の表面に垂直入射させ得る超音波探触
子を、簡略な構成により提供し、更にこれと縦波超音波
垂直入射用の探触子とを併用することにより、クラッド
材の母材及び合せ材の肉厚を、同時的にしかも確実に測
定し得るクラッド材の肉厚測定装置を提供することを目
的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係る超音波探触子は、縦波超音波を発振する振
動子と、固体又は液体がらなり、その内部に前記縦波超
音波を伝播させる伝播部と、所定の傾斜角にて相互に傾
斜する２面を有する固体であり、前記縦波超音波を一方
の面に所定の入射角にて入射せしめるべく配設され、該
縦波超音波を横波超音波に変換し、これを、他方の面か
ら該面に垂直な方向に発する音波変換部とを備え、前記
入射角は、前記伝播部と音波変換部とにおける往復通過
率曲線に基づいて決定してあり、また前記傾斜角は、音
波変換部の入射面における横波屈折角に等しくしてある
ことを特徴とし、また本発明に係るクラッド材の肉厚測
定装置は、クラッド材の母材及び合せ材の肉厚を超音波
を利用して測定する装置において、請求項１記載の超音
波探触子と垂直探触子とを、前者が発する横波超音波及
び後者が発する縦波超音波を、前記クラッド材の表面に
垂直に入射させるように、該表面に対向配置してあるこ
とを特徴とする。

〔作用〕

本発明に係る超音波探触子においては、振動子が発振す
る縦波超音波は、伝播体内を進行して音波変換部の一面
に達し、該−面から入射する際に横波超音波に変換され
、所定の屈折角度にて屈折して音波変換部内を伝播し、
前記−面に対して前記屈折角度に等しい角度をなして傾
斜する他の面から、これに垂直に発せられ、また本発明
に係るクラッド材の肉厚測定装置においては、前記超音
波探触子が発する横波超音波と、垂直探触子が発する縦
波超音波とが、クラッド材の表面に垂直に入射せしめら
れ、両者の伝播速度の差に基づいて、母材及び合せ材の
肉厚が測定される。

〔実施例〕

以下本発明をその実施例を示す図面に基づいて詳述する
。第１図は本発明に係る超音波探触子の縦断面図である
。

本発明に係る超音波探触子は、縦波超音波を送受する探
触子本体１、該縦波超音波を伝播させる伝播部２、及び
縦波超音波を横波超音波に変換する音波変換部３とから
なる。

探触子本体１は、例えば、板状に成形された水晶を用い
てなり、板面に垂直な方向に縦波超音波を発すると共に
、これに伝播される縦波超音波を受信する振動子１０と
、弾性材料を用いてなり振動子１０を保持する保持体１
１と、−側に開口部を有する円筒形のケーシング１２と
を備え、保持体１１を、その一部が前記開口部から突出
された状態でケーシング１２に内挿し、該ケーシング１
２の底板との間に介装したコイルばね１３により突出方
向に付勢して、ケーシング１２に取付ける一方、振動子
１０を、超音波の送受面をケーシング１２の軸心に略直
交せしめた状態で、前記保持体１１の突出端面に固着し
て構成されている。

前記伝播部２は、前記探触子本体１を装着する装着孔２
０が形成されていると共に、該装着孔２０の底面に対し
所定角度αをなして傾斜する密着面２１を備えてなる、
例えばエポキシ樹脂製のブロックであり、また前記音波
変換部３は、所定の傾斜角βをなして相互に傾斜する２
面、即ち発振面３０と密着面３１とを備えてなる、例え
ばニッケル製のブロックである。

探触子本体１は、振動子１０の送受面に油、水等　”の
接触媒質を塗布した状態で、振動子１０の固着側を内側
として、伝播部２の装着孔２０に内挿され、前記送受面
を装着孔２０の底面に押付け、両面を前記接触媒質の薄
膜を介して相互に密着させた後、止めねじ１４．１４に
より伝播部２に固着しである。

従って、振動子１０が発する縦波超音波は、図中に実線
の矢符にて示す如く、装着孔２０の底面に垂直な方向に
該伝播部２内部を伝播し、密着面２１に前記角度αにて
入射する。

また、伝播部２と音波変換部３とは、夫々の密着面２１
．３１を、両者間に油、水等の図示しない薄膜状の接触
媒質を介在させて相互に密着せしめることにより、図示
の如く、前記αとβとが同一平面内における角度となる
ように一体化させである。

従って、前述した如く伝播部２の密着面２１に入射角α
にて入射する縦波超音波は、密着面３１を通過して音波
変換部３に入射されるに際し、横波超音波に変換され、
次式を満足する屈折角θをなして音波変換部３内を進行
し、他方の面、即ち発振面３０に達する。

ｓｉｎ　α　　　ｓｉｎ　θ 但し、Ｃ２は伝播部２における縦波超音波の伝播速度で
あり、またＣ１は音波変換部３内における横波超音波の
伝播速度である。これらは伝播部２及び音波変換部３の
材質に夫々対応し、前述した如く、伝播部２がエポキシ
樹脂製であり、また音波変換部３がニッケル製である場
合、Ｃｚ　＝２５４０ｍ／ｓｅｅ　　　Ｃｘ　＝２９６
０ｍ／ｓｅｃとなる。

本発明に係る超音波探触子は、音波変換部３における前
記交叉角βを、前記屈折角θに等しくすることにより、
該屈折角θの方向に音波変換部３内を横波超音波を、発
振面３０に垂直に入射せしめ該発振面３０から横波超音
波が垂直に発せられるようになしたものであり、発振面
３０を被検査体Ｔの表面に適宜の接触媒質を介して密着
せしめることにより、該被検査体Ｔへの横波超音波の垂
直入射を可能とする。

さて、前記入射角αは、伝播部２と音波変換部３とにお
ける超音波の往復通過率曲線に基づいて、次のように決
定される。

第２図及び第３図は、エポキシ樹脂製の伝播部２と、ニ
ッケル製の音波変換部３とを用い、音波変換部３におい
て超音波を全反射させた場合の振動子１０における受信
音圧の発振音圧との比、即ち往復通過率を示すグラフで
あり、第２図は、音波変換部３内を横波に変換されて伝
播する場合の往復通過率を、また第３図は、同じく縦波
のままで伝播する場合の往復通過率を夫々示している。

入射角αは、第２図に基づいて、例えば、本図における
往復通過率のピーク値の略半分の往復通過率が得られる
とういう条件のもとで決定する。

第２図に示す如く、この範囲は、略３０″〜５６″であ
り、この範囲において決定された入射角αは、第３図か
ら明らかな如く、縦波の臨界入射角（略２６．８　°）
を超えており、音波変換部３内に縦波超音波は生じない
。このように入射角αの選択範囲は広いが、往復通過率
が第２図に示すように、前記条件を満足する範囲の下限
近傍においてピーク値を生じ、該ピーク値に対応する入
射角を超える範囲においては、入射角の増大に対して漸
減する傾向を示すこと、及びこの往復透過率の曲線が、
温度変化に伴う超音波の伝播速度の変化に応じて異なる
ことを考慮し、前記ピーク値に対応する入射角よりも大
きい入射角αを用いるのが望ましく、例えば、前述の２
値の平均値４３°前後とするのがよい。

前述した如く、入射角αは、伝播部２における密着面２
１と装着孔２０の底面とのなす角度に等しいから、第２
図に基づいて決定された入射角αは、密着面２１又は装
着孔２０の底面とが該角度αをなすように伝播部２を加
工することにより実現される。

入射角αを決定した後、（１）式に従って音波変換部３
における屈折角θを算出する。第２図には、入射角αの
目盛の下部に、これに対応する屈折角θの目盛を併記し
てあり、本図がら、屈折角θを直接的に読取ることも可
能である。入射角αを、前述した如＜４３°とした場合
、屈折角θは５２．６　”となる。従って、音波変換部
３の発振面３０と密着面３１とを、これらがなす角度β
が、このようにして決定された屈折角θに等しくなるよ
うに加工することにより、発振面３０から、これに垂直
な方向に横波超音波を発せしめることができる。

このように構成された本発明に、係る超音波探触子と、
従来からある縦波垂直入射用の超音波探触子（第１図に
おける探触子本体１に相当）とを用い、クラフト材の母
材及び合せ材の肉厚を各別に測定する本発明に係るクラ
ッド材の肉厚測定装置を構成することができる。

第４図は、このクラッド材の肉厚測定装置の一例を示す
模式的ブロック図である。図において、４は、母材４ａ
の一面に合せ材４ｂを被着してなるクラッド材であり、
該クラッド材４は、駆動モータ５０にて駆動される一対
のピンチロール５．５間に挾持され、一方向に搬送され
るようになっている。

また、図中６は、本発明に係る横波垂直入射用の超音波
探触子であり、７は、縦波垂直入射用の超音波探触子で
あり、これらは、クラッド材４の搬送方向に、所定距離
だけ離隔させた状態で、該クラッド材４の表面（母材４
ａ側及び合せ材４ｂ側のいずれであってもよい）に、適
宜の接触媒質を介して密着せしめてあり、超音波探触子
６からは横波超音波が、また超音波探触子７からは縦波
超音波が、クラッド材４に、これの表面に対して垂直な
方向に夫々入射されるようになっている。

超音波探触子６，７における超音波の発振は、共通の発
振部８からの発振指令信号に従ってなされ、両川音波探
触子６．７における反射エコーの受信結果は、各別の受
信部６０．７０に送信されるようになっている。受信部
７０は、これに送信される信号に基づいて、超音波探触
子７が発する縦波超音波がクラッド材４の裏面にて反射
されて生じる裏面エコーが受信されるまでの時間を検出
し、検出結果を演算部９へ出力し、また受信部６ｏは、
同じく、超音波探触子６が発する横波超音波の裏面エコ
ーが受信されるまでの時間を検出し、検出結果を、記憶
部６１を経て前記演算部９へ出力する。

発振部８には、例えばピンチロール５．５が一定量回転
する毎に、換言すればクラッド材４が所定距離だけ搬送
される毎に、前記駆動モータ５０の回転軸に装着された
パルス発生器５１が発するパルス信号が与えられ、発振
部８は、該パルス信号に従って発振指令信号を発するよ
うになしてあり、また、超音波探触子６．７間の離隔距
離は、前記所定距離に等しく設定しである。

超音波探触子６．７は、クラッド材４が所定距離だけ搬
送される毎に同時に夫々超音波の発振を行い、裏面エコ
ーを受信するが、両川音波探触子６．７の受信結果は、
クラフト材４の表面上の異なる位置に対応するものであ
る。受信部６０からの出力を一旦記憶部６１に記憶させ
るのは、同一位置における超音波探触子６．７の受信結
果を、同時的に演算部９に出力するためであり、記憶部
６１は、受信部６０からの入力が与えられる毎に、記憶
内容を更新し、先の記憶内容を演算部９へ出力する。

従って、演算部９に入力される信号は、クラッド材４の
所定位置、具体的には、超音波探触子７が密着せしめら
れている位置において、該クラッド材４の厚さ方向に進
行する横波超音波及び縦波超音波による裏面エコーの受
信までの時間であり、一方、同一物質中における横波超
音波の伝播速度と縦波超音波の伝播速度は夫々異なるこ
とは公知であり、演算部９には、予めクラフト材４の母
材４ａ及び合せ材４ｂにおける両波の伝播速度が夫々記
憶させである。演算部９は、受信部７０と記憶部６１゛
とから入力される信号により、クラッド材４の表。

裏面間における縦波超音波及び横波超音波の往復時間を
夫々認識し、これと記憶している伝播速度とから、所定
の演算式に従って母材４ａ及び合せ材４ｂの肉厚を夫々
演算し、演算結果を表示部９０に与え、該表示部９０に
表示せしめる。

超音波を利用したクラッド材４の肉厚測定装置として、
前記超音波探触子７を単独で用い、該探触子７からクラ
ッド材４に縦波超音波を垂直に入射させ、該超音波の母
材４ａと合せ材４ｂとの境界面からの反射による境界エ
コーが受信されるまでの時間、及び前記裏面エコーが受
信されるまでの時間を夫々検出し、前者により合せ材４
ｂ又は母材４ａの厚さを、後者によりクラッド４の全厚
を夫々算出する構成としたものがあるが、この装置にお
いては、母材４ａと合せ材４ｂとの間における音響イン
ピーダンスの差が小さい場合（クラッド材においては一
般的に小さい）、境界エコーの検出が困難であり、これ
に基づいて行われる肉厚の算出が困難、又は不可能であ
ったが、本発明に係るクラフト材の肉厚測定装置は、こ
の境界エコーを用いず、十分に検出可能な裏面エコーの
みを用いるから、母材４ａと合せ材４ｂの組合せの如何
に拘わらず、これらの肉厚を確実に測定できる。

なお伝播部２の材質は、本実施例に示すエポキシ樹脂に
限らず、例えば、アクリル樹脂、水、油脂類等が使用で
き、固体、液体のいずれであってもよい。また音波変換
部３の材質は、本実施例中に示すニッケルに限らず、例
えばアルミニウム。

チタン、鋼、セラミック等が使用できるが、これは横波
の伝播を可能とするため、固体に限定される。

また本実施例においては、板状のクラッド材４の肉厚測
定装置について説明したが、本発明に係るクラッドの肉
厚測定装置は、クラッド材を管状に成形してなるクラッ
ド管の肉厚測定装置としても構成可能であることは言う
までもない。

〔効果〕

以上詳述した如く、本発明に係る超音波探触子は、簡略
な構成を有していると共に、横波超音波の被検査体表面
への垂直入射を可能とするから、従来の超音波探触子に
より困難であった探傷が容易に行え、更に、これと縦波
垂直入射用の探触子を用いてなる本発明に係るクラッド
材の肉厚測定装置によれば、従来、困難であった音響イ
ンピーダンスに差のない母材及び合せ材からなるクラッ
ド材の肉厚測定が確実に行える等、本発明は優れた効果
を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る超音波探触子の一例を示す模式的
縦断面図、第２図及び第３図は往復通過率曲線の一例を
示すグラフ、第４図は本発明に係るクラッド材の肉厚測
定装置の模式的ブロック図、第５図は直角な角に入射さ
れる縦波超音波の反射率を示すグラフ、第６図は横波超
音波における同様のグラフ、第７図は従来の超音波探触
子により探傷が困難な疵の一例を示す図である。 １・・・探触子本体　　２・・・伝播部　　３・・・音
波変換部　　４・・・クラッド材　　６，７・・・超音
波探触子　　８・・・発振部　　９・・・演算部　　１
０・・・振動子２１・・・密着面　　３０・・・発振面
　　３１・・・密着面持　許　出願人　　住友金属工業
株式会社代理人　弁理士　　河　　野　　登　　夫第２
図 第３図 −」〜 第４図 第７図 ０　　ＩＧ　２０３０４０５０６０７０８０９０第５図 ０　１０２０３０４０５０６０７０　’８０９０第６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、縦波超音波を発振する振動子と、 固体又は液体からなり、その内部に前記縦波超音波を伝
   播させる伝播部と、 所定の傾斜角にて相互に傾斜する２面を有する固体であ
   り、前記縦波超音波を一方の面に所定の入射角にて入射
   せしめるべく配設され、該縦波超音波を横波超音波に変
   換し、これを、他方の面から該面に垂直な方向に発する
   音波変換部とを備え、 前記入射角は、前記伝播部と音波変換部とにおける往復
   通過率曲線に基づいて決定してあり、また前記傾斜角は
   、音波変換部の入射面における横波屈折角に等しくして
   あることを特徴とする超音波探触子。 ２、クラッド材の母材及び合せ材の肉厚を超音波を利用
   して測定する装置において、 請求項１記載の超音波探触子と、垂直探触子とを、前者
   が発する横波超音波及び後者が発する縦波超音波を、前
   記クラッド材の表面に垂直に入射させるように、該表面
   に対向配置してあることを特徴とするクラッド材の肉厚
   測定装置。