JPH02311759A - 超音波探触子 - 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〕 本発明は超音波により物体の検査を行なう超音波検査装
置に使用される超音波探触子に関する。

〔従来の技術〕

超音波検査装置は検査対象物体（被検体）を破壊するこ
となくその内部の欠陥を検出することができ、多くの分
野において用いられている。即ち、超音波検査装置は１
．超音波探触子から被検体に対して超音波を放射し、被
検体からの反射波を超音波探触子で受信してこれに応じ
た電気信号に変換し、この電気信号を所定の手段で処理
して被検体内部又は外面の傷、亀裂等の欠陥の有無を判
断する。被検体内部の欠陥の有無は、被検体の所定の範
囲についてチェックされることが多く、その場合には、
被検体表面の上記範囲を超音波探触子から放射される超
音波で走査して検査が実施される。

この超音波探触子として、圧電素子を多数−列に配列し
て構成されるアレイ探触子が実用化されている。以下、
このようなアレイ探触子について説明する。

第６図（ａ）はアレイ探触子の一部の正面図、第６図（
ｂ）は第６図（ａ）に示す矢印方向にみたアレイ振動子
の側面図である。各図で、Ｐ、〜Ｐ９はアレイ振動子で
ある。アレイ振動子はＸ。

Ｙ、Ｚで示される座標軸においてＸ軸方向に直線状にｎ
個配列されており、図にはそのうちの最初の９個のみが
示されている。これらｎ個のアレイ振動子Ｐ１〜Ｐ７に
よりアレイ探触子が構成されている。Ｄ１〜Ｄ、は各７
レイ探触子Ｐ、〜Ｐ。

に接続された遅延素子、ｐは各プレイ振動子Ｐ１〜Ｐ９
に入力されるパルスである。遅延素子ＤＩ。

Ｄ、の遅延時間（１＋＊）は等しく設定されている。

同じく、遅延素子Ｄ２．ＤＩ＋の遅延時間（ｉ　ｚｓ）
、遅延素子Ｄ！、Ｄ？の遅延時間（１：＋１）、遅延素
子Ｄｓ＝Ｄｈの遅延時間（ｔ　４６）もそれぞれ等しく
設定されている。そして、設定された各遅延時間の関係
は、遅延素子ＤＳの遅延時間をｔ、とすると次式の関係
にある。

１、、＜１□〈ｊ　ｓｑ＜　Ｌ　４１１＜　ｔ　５　・
・・・・・・・・（１）今、各遅延素子Ｄ　Ｉ−Ｄ　９
の遅延時間を、上記（１）式の関係を保持しながら所定
の値に設定してパルスｐを入力すると、アレイ振動子Ｐ
１〜Ｐ。

から放射される超音波は上記設定された遅延時間にした
がって、アレイ振動子Ｐ、、Ｐ、から最も早く、又、ア
レイ振動子Ｐ、から最も遅く放射される。このようにし
て放射された超音波は放射状に拡がって進行するが、そ
れら進行過程において各アレイ振動子の放射超音波の振
動の最大振幅がすべて合致する地点が生じる。第６図（
ａ）でこの点が符号Ｆで示されている。この点Ｆにおけ
る超音波の大きさは他の点の超音波の大きさに比較して
温かに大きいので、恰も各アレイ振動子Ｐ１〜Ｐ９から
の超音波が破線に示すように点Ｆに集束したのと同じ状
態となる。換言すれば、−列に配列したアレイ振動子か
らの超音波放射に適切な遅延を与えてやれば、それらの
超音波をＸ−Ｚ平面において点Ｆに集束させたのと同様
な状態にすることができる。この点Ｆを焦点と称する。

さらに述べると、アレイ振動子Ｐ、−Ｐ、により、焦点
Ｆで集束する破線で示すような超音波ビームＢが出力さ
れることになる。（１）式の関係を保持しながら各遅延
素子り、−ＤＩの遅延時間を上記の遅延時間より小さく
設定すれば、焦点Ｆは一点鎖線（ビームＢ’）で示すよ
うにより長い焦点Ｆ′に移行する。したがって、各遅延
素子Ｄ１〜Ｄ。

の遅延時間を調節することにより、焦点の位置を選択す
ることが可能となり、これを被検体３の検査に適用する
場合、検査部位の深さを選択することができる。

一方、各アレイ振動子Ｐ、〜Ｐ７は第６図（ｂ）に示す
ように所定の曲率半径を有する弧状に形成されている。

アレイ振動子が励振されると、前述の超音波ビームＢが
放射されるが、この超音波ビームＢはアレイ振動子が弧
状に形成されているため、Ｙ−Ｚ平面においても第６図
（ｂ）に示すように焦点Ｆに集束する。

第７図はアレイ探触子の全体構成図である。図でＰ１〜
Ｐ７は第６図（ａ）に示すものと同じアレイ振動子であ
る。Ｐはアレイ探触子を示し、ｎ個のアレイ振動子で構
成されている。各アレイ振動子Ｐ１〜Ｐ１のうち選択さ
れた所定数のものに対して、図示されていないが第６図
（ａ）に示す遅延素子が順次切換接続されるようになっ
ている。

図示の例では、まずｍ個のアレイ振動子Ｐ１〜Ｐ、を選
択し、それらから放射される超音波の遅延時間を適切に
設定することにより、前述のように超音波をみかけ上１
つの焦点に集める。この焦点が符号ＦＩ％又、みかけ上
の超音波ビームが符号Ｂ、で示されている０次に、プレ
イ振動子を１つずらして同じ（ｍ個のアレイ素子Ｐ２〜
Ｐ□１に対して、前回のアレイ振動子Ｐ　ｌ−Ｐ−に与
えた遅延時間と同一パターンの遅延時間を与える。

このときの焦点が符号Ｆ２で、超音波ビームが符号Ｂ２
で示されている。以下、アレイ振動子を１つずつ順に切
換えてゆき、最後にアレイ振動子ｐ　ｎ−ｍ。、〜Ｐ７
を選択して、同じパターンの遅延時間を与え、焦点Ｆ　
Ｒ−１１゜い超音波ビームＢ７−１゜１を得る。このよ
うな手段により、結果的にはアレイ探触子Ｐによって焦
点Ｆ、〜Ｆ＊−ｍｌまでの超音波による走査が実行され
たことになる。このような走査は電子的に高速をもって
行なわれるので、以下電子走査と称する。

上記アレイ探触子Ｐによる検査は、アレイ振動子Ｐ１〜
Ｐ７が直線状に配列されているため、被検体が平板又は
これと類似の形状である場合には有効であるが、被検体
が円筒形状である場合には適用不可能である。したがっ
て、例えば被検体が管体である場合、従来の超音波検査
装置では、上記アレイ探触子ではなく他の探触子が使用
されていた。これを第８図（ａ）、Ｃｂ”）により説明
する。第８図（ａ）は管体検査用探触子の側面図、第８
図（ｂ）は第８図（ａ）に示す線■ｂ−■ｂに沿う断面
図である。各図で、Ｔは被検体である管体、ＰＡ”Ｐｏ
は管体Ｔの外周面に対向して配置された探触子群である
。探触子群ＰＡは第８図（ａ）に示すように、探触子Ｐ
Ａ＋”’ＰＡＩＩより構成されており、各探触子ＰＡＩ
”’ＰＡＷは超音波振動子および音響レンズを有する。

各探触子ＰＡＩ−ＰＡ１１から放射される超音波ビーム
の方向は互いに異なるように設定されており、これによ
り管体Ｔに存在する種々の方向の傷、亀裂に対応し得る
ようになっている。他の探触子群Ｐ３〜ＰＭの構成も、
探触子群ＰＡの構成と類似であるので説明は省略する。

管体Ｔの超音波による検査は、管体Ｔを回転させつ１そ
の長手方向に移動させながら実施される。

〔発明が解決しようとする課題〕

第６図（ａ）、　　（ｂ）および第７図に示すアレイ探
触子Ｐは、被検体の探傷部位が変更されたり、又は被検
体自体その径や肉厚が異なる被検体になった場合、遅延
素子の遅延条件を調節して焦点位置を変更することによ
りこれに対応することができる。即ち、例えば探傷部位
がそれまでの焦点Ｆの位置より離れた位置に変更された
場合、第６図（ａ）に示すように焦点Ｆを当該探傷部位
と一致する焦点Ｆ′に変更すればよい、しかしながら、
このアレイ探触子ＰのＹ−Ｚ面内における焦点Ｆはアレ
イ振動子の形状により固定されているので、Ｘ−Ｚ面内
で焦点を焦点Ｆ′に変更してもＹ−Ｚ面内では超音波ビ
ームは焦点Ｆ′に集束しない。

それ故、分解能の高い探傷を実施しようとする場合には
、Ｘ−Ｚ面での焦点調節機能を有するにもかかわらず、
焦点を焦点Ｆに固定しアレー探触子自体をＺ軸方向に調
節する必要があり、この調節に多くの手間と時間を要す
るという問題があった。

又、第８図（ａ）、（ｂ）に示すように、管体Ｔを探傷
する探触子群Ｐａ”＝ＰＭにあっては、各探触子群の探
触子（第８図（ａ）に示す探触子ＰＡＩ〜Ｐ　ａｓ）に
よりすべての方向の傷や亀裂をカバーし得るものではな
く、かつ、管体Ｔ全面の探傷も困難であって、欠陥の検
出洩れを生じるおそれがあった。さらに、管体Ｔが径の
異なる管体に変更された場合、すべての探触子の配置を
、変更された管体の探傷に適合するように調節しなけれ
ばならず、この調節には極めて多くの手間と時間が必要
であった。

なお、この管体Ｔのように、円筒形状の被検体に対して
は、第７図に示す直線状のアレイ探触子を、被検体をこ
れと同心で囲むリング形状に構成することも考えられる
が、このようにリング形状としたアレイ探触子であって
も、前述のＹ−Ｚ平面内における焦点が固定されている
ことによる問題を免れることはできない。

本発明の目的は、上記従来技術における課題を解決し、
探傷部位又は被検体自体の変更があっても、これに容易
に対応することができる超音波探触子を提供するにある
。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するため、本発明は、多数の超音波振
動子を配列し、連続する所定数の前記超音波振動子を順
次ずらして選択するとともに、選択された各超音波振動
子を所定の遅延時間をもつて励振させることにより前記
配列の方向に沿う第１の面内で集束された超音波ビーム
を発生させる超音波探触子において、前記第１の面と垂
直な第２の面内で前記超音波ビームを集束後平行に放射
させるビーム形成手段を備えたことを特徴とする。

〔作用〕

選択された各超音波振動子を所定の遅延時間をもって励
振させると超音波ビームが放射される。

この超音波ビームは、超音波振動子の配列の方向に沿う
第１の面内で集束され、かつ、第１の面と直交する第２
の面内では一旦集束された後平行状態となる。探傷部位
又は被検体に変更が生じた場合、前記の遅延時間を適切
に選定して第１の面内における焦点を変更して当該変更
に対応させることができる。又、第２の面内における超
音波ビームは、集束された後の平行状態となっているの
で、何等の変更をも要せず、結局、当該変更には、前記
遅延時間のみで対処できる。

〔実施例〕

以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明する。

第１図（ａ）は本発明の第１の実施例に係る超音波探触
子の正面図、第１図（ｂ）は第１図（ａ）に示す線Ｉｂ
−Ｉｂに沿う断面図である。各図で、ｘ、ｙ、ｚは座標
軸を示す。Ｐ、〜Ｐ、１は第７図に示すものと同じアレ
イ振動子であり、順次選択される所定数のアレイ振動子
に対して遅延素子が切換接続される。１はプレイ振動子
Ｐ、〜Ｐ１の配列方向（Ｘ軸方向）に延びる音響レンズ
であり、本体部１ａ、頂面１ｂおよび底面１ｃより成る
。

第１図（ｂ）に示されるように、頂面１ｂはアレイ振動
子Ｐ、〜Ｐ１が形成する弧と同一曲率半径の弧状に形成
され、アレイ振動子Ｐ、〜Ｐ、が付着されている。又、
底面１ｃは頂面１ｂと反対側に突出する所定の凸面に形
成されている。この音響レンズ１は、例えば合成樹脂、
ガラス５金属などのように、音速が当該音響レンズｌと
接する媒質に比して大きい物質で構成され、かつ、底面
ＩＣが凸面に形成されているので、凸レンズを構成する
。２はアレイ振動子Ｐ、〜Ｐ、および音響レンズ１より
成るアレイ探触子を示す。３は一検体であり、音響レン
ズ１の底面１ｃに対向して設置される。４は音響レンズ
１と被検体３との間に介在する媒質（例えば水）を示す
。

次に、本実施例の動作を説明する。本実施例では同時に
８個のアレイ振動子が選択され所定の遅延時間をもって
励振され、超音波ビームを発生するものとし、かつ、当
該超音波ビームの焦点は被検体３の底面に一致せしめら
れるものとする。第１図（ａ＞には、被検体３が図で左
方から順次超音波ビームで走査されてきて、現在、アレ
イ振動子Ｐ１〜Ｐ五。、の励振による超音波ビームＢ、
により被検体３の検査が行なわれている状態が示されて
いる。Ｆは超音波ビームＢ！の焦点であり、被検体３の
底面と一致する。

この状態を第１図（ｂ）に示すＹ−Ｚ平面でみると次の
ようになる。即ち、超音波ビームＢ、はアレイ振動子が
弧状であるため、音響レンズ１の本体内で底面１ｃに向
って集束される。この集束された超音波ビームＢ、は底
面１ｃがら媒質４中に放射されるとき拡散され、結果と
してＹ−Ｚ平面では平行ビームとなる。以後、超音波ビ
ームＢ。

はＹ−Ｚ平面で前記平行ビームの状態に保持される。即
ち、アレイ振動子Ｐ、〜Ｐ、による超音波ビームＢ１か
らアレイ振動子Ｐ□７〜Ｐ、による超音波ビームＢａ−
？までのそれぞれのビームはすべて超音波ビームＢえと
同一のビームとなる。

ここで、被検体３に対する検査が終了し、破線に示す他
の異なる被検体３′が図示位置に設置されたとする。こ
の場合、同時に選択される８個のアレイ振動子の励振遅
延時間の設定を変更すれば、第１図（ａ）に示すように
Ｘ−Ｚ平面において被検体３′の底面と一致する焦点Ｆ
′を有する超音波ビームＢｅゑを放射Ｊることができる
。この超音波ビームＢ′ムのＹ−Ｚ平面内での状態は超
音波ビームＢ！と同一であり、被検体３′の底面に至っ
ても平行状態が保持されている。

このように、本実施例では、凸レンズを構成する音響レ
ンズを用い、この音響レンズがら放射される超音波ビー
ムがＹ−Ｚ平面で平行になるようにしたので、被検体の
変更や検査部位の変更に、アレイ振動子の励振遅延時間
を調節するのみで対応することができる。

第２図（ａ）は本発明の第２の実施例に係る超音波探触
子の一部の正面図、第２図（ｂ）は第２図（ａ）に示す
線ｎｂ−ｎｂに沿う断面図である。

図で、ｐｔｌ・・・・・・Ｐ′、・・・・・・Ｐ　’ｉ
＋？・・・・・・ｐ　Ｉ７はアレイ振動子である。これ
らアレイ振動子ｐｌ。

〜Ｐ′７は第１図（ａ）に示す直線状に配列されたアレ
イ振動子Ｐ、〜Ｐ７を円環状に配列したものと同一構成
である。１′は音響レンズであり、この音響レンズ１′
も第１図（ａ）、（ｂ）に示す柱状の音響レンズ１を円
環状に形成したものと同一構成である。したがって、そ
の頂面１’ｂは円環の外周面を、又底面１／Ｃは円環の
内周面を形成することとなる。アレイ振動子ｐｌ、〜ｐ
　／。

が音響レンズ１′の頂面１／、に付着されている点もさ
きの実施例と同じである０円環状のアレイ振動子ｐ／、
〜Ｐ　Ｊ、および円環状の音響レンズ１′によりアレイ
探触子２′が構成される。３Ｔは被検体である管体、破
線で示す３’Ｔは管体３Ｔとは径の異なる他の管体、４
は媒質を示す。

管体３Ｔを超音波検査する場合には、円環状のアレイ探
触子２′の中心と管体３Ｔの中心とが一致するように両
者の位置関係を保持し、円環状に配列されたアレイ振動
子ｐ／、〜Ｐ′１を８個ずつ所定の遅延時間で順次途切
れなく励振してゆくことにより、超音波ビームＢ、・・
・・・・・・・Ｂｉ・・・・・・・・・Ｂ７で管体３Ｔ
の全周を走査することができ、この走査終了後管体３Ｔ
をその軸方向に相対移動させて再び同様の走査を行なう
、この場合もさきの実施例と同様、第２図（ｂ）に示す
ように、音響レンズ１′の断面を通る面内においては、
音響レンズ１から放射される超音波ビームは平行を維持
するので、被検体が管体３Ｔから管体３’Ｔに変更され
ても、単にアレイ振動子の遅延時間を調節して超音波ビ
ームＢ、を超音波ビームＢ′（に変更するだけで対応し
得る。

上記の構成により、本実施例は、さきの実施例と同じ効
果を奏するばかりでなく、第８図（ａ）（ｂ）に示す従
来例に比べ、被検体や検査部位が変更される度毎に超音
波探触子の設置を変更する必要はなく、上記変更に伴な
う時間と手間を大幅に減少せしめることができる。さら
に、被検体全面に亘って検査を実施することができ、欠
陥の検出洩れを防止することができる。

第３図（ａ）は本発明の第３の実施例に係る超音波探触
子の一部の正面図、第３図（ｂ）は第３図（ａ）に示す
線ｍｂ−ｍｂに沿う断面図である。

各図で、Ｐ′１〜Ｐ″、は円環状に配列されたアレイ振
動子、１″は凸状の底面１″Ｃを有する音響レンズであ
る。アレイ振動子Ｐ′１〜Ｐ′７および音響レンズ１Ｎ
によりアレイ探触子２＃が構成される。３’Ｔは被検体
である管体、４は媒質である。Ｂ＃門はアレイ振動子Ｐ
＃、〜Ｐ”１や。

により放射される超音波ビームである。本実施例と第２
の実施例とは、第２の実施例のアレイ探触子２′が管体
３Ｔを囲んで配置されるのに対し、本実施例のアレイ探
触子２″が管体３″Ｔの内周側に配置される点で相違す
る。このようなアレイ探触子２′、２″の配置の相違に
より、第２の実施例の各超音波ビームは中心軸方向に放
射され、本実施例の各超音波ビームは外周方向に放射さ
れることになる。本実施例の動作および効果は第２の実
施例の動作および効果に準じる。

第４図は本発明の第４の実施例に係る超音波探触子の一
部の断面図である０図で、ｐＨ□は円環状に配列された
アレイ振動子の１つである。又、１１１は円環状に形成
された音響レンズである。円環状のアレイ振動子と音響
レンズ１１１により、円環状のアレイ探触子２１１に構
成される。３Ｒは円環状の被検体を示す。Ｃはアレイ振
動子、音響レンズ１１１および被検体３Ｒの各円環の中
心軸を示す。本実施例において、アレイ探触子ｉｌｌか
ら放射される各超音波ビームＢ１１１は前記第２、第３
の実施例と異なり、中心軸Ｃに平行に放射され、これに
より円環状被検体３Ｒの検査が行なわれる。

本実施例の動作および効果は第２、第３の実施例の動作
および効果に準じる。

第５図は本発明の第５の実施例に係る超音波探触子の側
面図である。図で、Ｐ、は弧状でなく真直な板状のアレ
イ振動子、ＩＡは上面にアレイ振動子Ｐ、が付着され下
面が凹面に形成された第１の音響レンズ、ＩＢは上面お
よび下面が凸面に形成された第２の音響レンズである。

これらにより本実施例のアレイ探触子２ＡＢが構成され
る。４は音響レンズＩＡ、ＩＢ間に介在する望ましい媒
質（例えば水）を示す０本実施例では、音響レンズＩＡ
が凹レンズ、音響レンズＩＢが凸レンズの機能を遂行す
る。したがって、真直な板状のアレイ振動子Ｐ、の励振
により放射された超音波は、音響レンズＩＡから放射さ
れるとき集束されて音響レンズＩＢに入射され、音響レ
ンズＩＢから放射されるとき平行な超音波ビームとなる
。このアレイ探触子２ＡＢは直線状にも円環状にも構成
することができ、したがって、さきの各実施例のアレイ
探触子に代えて使用することができる。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明は、ビーム形成手段により、
アレイ振動子の配列の方向に沿う面に垂直な面において
、被検体に放射される集束された超音波ビームが平行な
ビームとなるようにしたので、被検体の変更や検査部位
の変更があっても、単にアレイ振動子の励振遅延時間を
調節するのみで容易に当該変更に対処することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）、第２図（ａ）、（ｂ）および第
３図（ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明の第１、第２およ
び第３の実施例に係る超音波探触子の正面図および断面
図、第４図は本発明の第４の実施例に係る超音波探触子
の断面図、第５図は本発明の第５の実施例に係る超音波
探触子の側面図、第６図（ａ）、　　（ｂ）および第７
図はアレイ探触子の動作を説明する説明図、第８図（ａ
）。 （ｂ）は管体の検査に使用される従来の超音波探触子の
正面図および側面図である。 Ｐ、〜Ｐ、、Ｐ’、〜Ｐ’、、Ｐ′１〜Ｐ＃７・・・・
・・・・・アレイ振動子、ｌ、１′、１＃、１１１、Ｉ
Ａ、ＩＢ・・・・・・・・・音響レンズ、２．２′、２
＃、２１１．２ＡＢ・・・・・・・・・アレイ探触子、
３．３’、３Ｒ・・・・・・・・・被検体、３Ｔ、３’
Ｔ、３’Ｔ・・・・・・・・・管体。 代　理　人　弁理士　武　顕次部（外１名）３．３’　
：被検体 ３７．３’Ｔ　：菅体 ２ＡＢ　ニアレイ探触子

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）多数の超音波振動子を配列し、連続する所定数の
   前記超音波振動子を順次ずらして選択するとともに、選
   択された各超音波振動子を所定の遅延時間をもつて励振
   させることにより前記配列の方向に沿う第１の面内で集
   束された超音波ビームを発生させる超音波探触子におい
   て、前記第１の面と垂直な第２の面内で前記超音波ビー
   ムを集束後平行に放射させるビーム形成手段を備えたこ
   とを特徴とする超音波探触子。
2. （２）請求項（１）において、前記多数の超音波振動子
   の配列は直線状であることを特徴とする超音波探触子。
3. （３）請求項（１）において、前記多数の超音波振動子
   の配列はリング状であることを特徴とする超音波探触子
   。
4. （４）請求項（１）において、前記各超音波振動子は平
   板状に形成され、かつ、前記ビーム形成手段は凹型音響
   レンズと凸型音響レンズで構成されることを特徴とする
   超音波探触子。
5. （５）請求項（１）において、前記各超音波振動子は前
   記第２の面内で弧状に形成され、かつ、前記ビーム形成
   手段は凸型音響レンズで構成されることを特徴とする超
   音波探触子。