JPH03110463A - 超音波斜角探触子 - 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、被検査材を探傷する超音波斜角探触子に係わ
り、特に高い探傷能力をもった超音波斜角探触子に関す
る。

〔従来の技術〕

従来、探触子を用いた斜角探傷には次のような種々の構
成のものが開発されている。

■、その１つは、くさびを利用して、斜め方向から被検
査材に超音波を入射する、いわゆる通常の斜角探触子を
用いたものである。この斜角探触子は、具体的には第３
図に示すように、下部側を開放とした箱型ハウジング１
内にほぼ三角形状または台形状をなすアクリル樹脂のく
さび２が内装され、このくさび２の被検葺材接触面とは
反対側の上部傾斜面に振動子３が取り付けられている。

４は吸音材、５は接栓、６は被検査材である。

しかして、以上のような斜角探触子を用いて被検査材６
の疵を探傷する場合、斜角探触子の被検葺材接触面を被
検査材６に接触させ、振動子３から超音波を送波する。

この超音波はくさび２内を縦波で伝播され、被検査材６
との接触面に対し所定の入射角ｉして入射し、当該接触
面から被検査材６に所定の屈折角θ、で屈折して入射す
る。

■、他の１つは、水浸法を用いて疵を探傷する方法であ
る。すなわち、この探傷方法は、垂直探触子を非検査材
に対し斜めに配置し、この垂直探触子からの超音波を水
中を伝播させながら被検査材に入射するか、或いは第４
図に示すように被検葺材６の中心軸線からΔｄだけ偏心
させて垂直探触子７を配置し、この垂直探触子７からの
超音波を水８中を伝播させて被検査材６へ入射する構成
である。

■、さらに、他の１つは、第５図に示すごとく前記垂直
探触子の振動子３全面側に音響レンズ９を取り付けたり
、或いは垂直探触子の振動子３自体を球面状に加工し、
この振動子３から送波された超音波を球面を利用して集
束させるもので、これら振動子等は前記■と同様に被検
査材６に対し斜めに配置したり、被検査材６に対して偏
心させて配置する構成である（第６図参照）。第５図に
おいて「は音響レンズ９の曲率半径、ｆは焦点距離であ
る。

■、さらに、他のもう１つは、電子走査型超音波探傷装
置を用いて探傷するものである。これは、短冊状に多数
の振動子が配列され、これら振動子から異なったタイミ
ングで超音波を発生させて合成波面を形成する。いわゆ
る斜角探触子の役割を有し、しかも各振動子で受信した
超音波信号に異なる時間で遅延させて合成することによ
りある波面に対する感度を高める構成である。

ところで、以上のような斜角探触子ないし斜角探傷では
、探傷性能を表わす指標の１つに「有効ビーム幅」があ
る。この探傷性能の試験は、第７図および第８図に示す
ように被検査材６の表面に予め規定された例えば４Ｘ４
φの人工疵１０を施した後、この疵１０をターゲットと
し、第７図のように探触子１１を前後走査或いは第８図
のように左右走査を行い、これら走査によってえられた
疵１０からの反射エコー高さについて包絡線を作成しく
第９図参照）、探触子移動距離に対する「（エコー高さ
のピーク値）−（ＸＸｄＢ）Ｊをもって表した図である
。このうち、最もよく用いられている例は「（ピーク値
）−（６ｄＢ）　Ｊに相当する幅りが有効ビーム幅とさ
れている。

この有効ビーム幅りが大きいということは製品を検査す
る場合、１個の探触子１１でカバーできる範囲が広いと
いうことであり、それだけ探傷能率が高いことを表して
いる。そこで、現在、有効ビーム幅りを大きくするため
、 （イ）、前記■、■、■等では振動子の寸法を大きくす
ること、 （ロ）、また、前記■のように小型の振動子を走査方向
に複数個並べて１個の探触子１１とすること等が行われ
ている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、前記（イ）、（ロ）のような手段を講じた場合
には以下のような問題が指摘されている。

（１）　振動子の寸法を大きくした場合。

振動子寸法を単純に大きくした場合、その寸法が大きく
なった分だけ送信出力および受信出力が増加して全体の
パワーアップを図ることができるが、第１０図からも明
らかなように有効ビーム幅りを拡大するには至らない。

そこで、探触子１１の走査方向にだけ振動子の寸法を大
きくすることが考えられる。この場合には振動子３が走
査方向に大きい分だけ、疵１０当たる超音波の時間が長
いので有効ビーム幅りを大きくすることができる。

しかし、疵１０から反射する実際の信号高さに対するノ
イズ信号筒さ、っまりＳ／Ｎが低下する問題がある。一
般に、探傷能力は「疵１ｏの面積／振動子３の面積」に
よって決定されるといわれているが、ここで同一の欠陥
疵１ｏを検出しようとした場合、振動子３の面積が大き
いとき、疵１０からの信号音を一定のレベルにしようと
すると、相対的に超音波探触子１１の感度を高くしなけ
ればならない。その結果、被検査材６の形状。

表面性状および金属組織等からの反射がノイズとなって
現れ、Ｓ／Ｎを低下させる可能性が高い。

また、振動子３が走査方向に細長い形状となるので、音
場がゆがんで双峰状となり、逆に疵１ｏの探傷能力が低
下するといった問題がある。

（２）　小型の振動子３を走査方向に複数個並べて１個
の探触子１１とした場合。

この手段は、振動子３が走査方向に幾つも連なっている
ことから、いつでも超音波が疵１ｏに当たるので有効ビ
ーム幅りを大きくできる。

しかし、例えば第１１図に示すように複数個の振動子３
・・・を左右方向に並べた場合、探触子１１の有効ビー
ム幅を示す包絡線は、音場の最も高い点が振動子３の中
心にくるために山形となり、−方、隣接した振動子３の
端部では谷間となり、音場が凹凸状態となる。しかも、
この凹凸状の音場を少なくしてできるだけ台形状とする
ことが考えられるが、幾つもの振動子３・・・の感度を
一様に揃えることは非常に難しい。

また、第１２図に示すように複数の振動子３ａ。

３ｂが前後走査方向（高さ方向）に並べとともに、これ
ら振動子３ａ、３ｂ同じ屈折角となるように配置した場
合、探触子１１のくさび２内の距離は振動子３ａと３ｂ
とで異なることおよび入射点が丁度振動子の高さ寸法の
屈折角関数性だけズしていること等から、検出された疵
１０が表面か裏面か、或いはどの位置にあるか等を判別
しようとするとき、疵１０までのビーム路程および入射
点が異なるために判断できない。

さらに、第１３図に示すように複数の振動子３ａ、３ｂ
を前後方向、かつ、山形状の同じ方向の傾斜部分に同一
高さで並べるとともに、それらの振動子３ａ、３ｂの屈
折角を同じ様に配置した場合、各振動子３ａ、３ｂから
送波された超音波のくさび２内の伝播距離が同じになる
。しかし、検出された疵１０の位置を識別しようとする
としたとき、探触子の入射点が２ケ所あるので、どちら
の振動子３ａまたは３ｂで欠陥疵１０を検出したのか不
明であり、探触子の音場も複数の振動子３ａ、３ｂを左
右に並べた場合と同様に凹凸状態となってしまう。第１
４図は第１３図の如く探傷手段を用いて得られた反射エ
コー高さの包路線を表わしている。

本発明は上記実情にかんがみてなされたもので、広い有
効ビーム幅が得られ、かつ、大幅にＳ／Ｎを改善しうる
超音波斜角探触子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〕

本発明に係わる超音波斜角探触子は上記課題を解決する
ために、被検査材の接触面とは反対側に位置するくさび
面に数度の異なる傾斜角で、かつ、近接させた状態で複
数の振動子がタンデムに配列され、これら振動子からの
超音波がくさび内を近似するビーム路程で伝播させ、か
つ、前記被検香材内では近似する屈折角で伝播させる構
成である。

〔作用〕

従って、本発明は以上のような手段を講じたことにより
、複数の振動子から同時に送波された超音波はくさび内
でほぼ近似するビーム路程およびほぼ近似する屈折角を
もって被検香材内を伝播するので、被検香材内の遠距離
のある点で焦点が結ばれる。

そして、以上のような探触子を前後方向に走査して探傷
底を探傷した場合、先ず、前方側の振動子が疵からの反
射エコーを検知し、かつ、探触子の移動にしたがって徐
々に反射エコーが高くなり、その後、再び反射エコー高
さが低下していく。

しかし、前方側の振動子による反射エコー高さが下り始
めるとき、後方側の振動子が疵からの反射エコーを検出
するので、反射エコーの包絡線はなだらかな台形状とな
って広い有効ビーム幅が得られ、しかも探触子のＨ効面
積は２倍になるものの、探傷能フハつまりＳ／Ｎは「疵
面積／個々の振動子面積」となるために格段に向上する
。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例について第１図を参照して説明
する。同図において２１は金属またはプラスチック等で
形成された下部側を開放とした箱型ハウジングであって
、このハウジング２１には金属、プラスチック或いはセ
ラミックス等のくさび材２２が内装されている。このく
さび材２２は、下部側の被検香材接触面が水平、かつ、
平坦に形成され、かつ、ハウジング２１の前面位置と同
じか或いはハウジング前面位置よりも多少前方に突出す
るように設けられている。また、このくさび材２２の前
記被検香材接触面とは反対側、つまり上部側面は数度の
異なる複数の傾斜角度の傾斜面２３ａ、２３ｂが形成さ
れ、これら傾斜面２３ａ。

２３ｂには例えば圧電型の水晶、或いは電歪型のチタン
酸バリウム、ジルコン酸チタン酸鉛、チタン酸鉛、ニオ
ブ酸素リチウム等で形成された振動子２４ａ、２４ｂが
近接させた状態でタンデムに配列されている。つまり、
これらの振動子２４ａ。

２４ｂは当該振動子２４ａ、２４ｂから同時に発振され
ｔ；超音波がくさび材２２内をほぼ近似したビーム路程
で伝播するとともに、被検査材２５への入射角および被
検査材２５内の屈折角をほぼ近似させることにより、被
検査材２５内の遠距離のある点で焦点を結ぶような構成
としている。なお、これらの振動子２４ａ、２４ｂには
図示しない高周波発振回路から高周波ケーブル２６を介
してが励振用の高周波信号が供給される。この（さび材
２２の前記傾斜面２３ａ、２３ｂには複数の振動子２４
ａ、２４ｂの背面および周囲を包囲するごとく例えばプ
ラスチックを基材とするダンパー材２７が接着されてい
る。このダンパー材２７の代わり押工手段によりにくさ
び傾斜面に複数の振動子２４ａ、２４ｂを押し付けるよ
うにして接触させてもよい。２８は振動子２４ａ、２４
ｂを含むくさび材２２とハウジング２１との隙間に充填
されるエポキシ樹脂等の充填用プラスチックである。

２９は複合探触子、３０は複合探触子２９を収納するホ
ルダである。

しかして、以上のような複合探触子２９を用いて被検査
材２５にある欠陥を探傷する場合、被検査材２５表面に
水または浦等の接触媒質３１を介在させた状態で複合探
触子２９を設置する。高周波発振回路から励振用高周波
信号を振動子２４ａ。

２４ｂに供給して各振動子２４ａ、２４ｂから同時に超
音波を送信して前後方向（例えば図示イ矢印方向）に走
査を行いながら、両振動子２４ａ。

２４ｂで被検査材２５にある疵から反射されてくるエコ
ーを受信する。

ところで、この複合探触子２９の走査の過程において被
検査材２５にある疵を探傷すると、前方側振動子２４ａ
がその被検査材２５にある疵からの反射したエコーを検
知し、しかも複合探触子２９の移動にしたがって徐々に
反射してくるエコー高さが高（なり、その後、再び反射
して（るエコー高さが低下していく。このとき、前方側
振動子２４ａによる反射してくるエコー高さが下り始め
るとき、今度は後方側振動子２４ｂが被検査材２５にあ
る疵から反射してくるエコー高さを検出するので、反射
エコー高さの包絡線はなだらかな台形状となるので、従
来の探触子に比べて広い白゛効ビーム幅を得ることがで
き、探傷能率を大幅に向上させることができる。例えば
第２図は第１図の複合探触子２９を用いて実際に疵の探
傷を行ったときの前後走査による反射してくるエコーの
高さを示す図であるが、この図から明らかなように本発
明による複合探触子（１０Ｘ１０Ａ４５−２Ｔ）の場合
には、−３ｄＢでは１１．０ａｍ、−６ｄＢでは１３．
５ａｖの有効ビーム幅が得られ、これに対し、第１３図
に示す従来の複合探触子の場合には第４図に示すように
有効ビーム幅が非常に狭いことが分かる。

また、振動子２４ａ、２４ｂの超音波のくさび材２２内
ビーム路程を近似させたこと、２つの超音波の被検査材
２５への入射点を極力近づけたこと、さらに複数の振動
子２４　ａ、２４　ｂの傾斜角を異ならせて被検査材２
５内の屈折角を近似させたこと等により、超音波が被検
査材２５を伝播する距離は前方側振動子２４ａが短かく
なる傾向を示し、後方側振動子２４ｂは長くなる傾向を
示すので、疵までの距離が遠くなるほど同じ距離に近ず
く傾向があり、焦点付近では底位置の識別が非常に容易
になる。

さらに、２個の振動子２４ａ、２４ｂがタンデムに配置
され、かつ、個々の振動子２４ａ。

２４ｂの寸法を正方形またはこれに近い矩形としたので
、これら振動子２４ａ、２４ｂから音場は素直で副極の
ない綺麗な形となる。しかも、２つの振動子２４ａ、２
４ｂは同時に励振させることから、振動子の面積も大き
くならない。その結果、探触子の有効面積は２倍となる
ものの、Ｓ／Ｎは「疵面積／個々の振動子面積」となる
ために格段に向上できる。

なお、本発明は上記実施例に限定されずにその要旨を逸
脱しない範囲で種々変形して実施できる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、広い有効ビーム幅
を得ることができ、しかも疵の識別が容易であり、従来
の探触子に比べてＳ／Ｎを大幅に改善しうる超音波斜角
探触子を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係わる超音波斜角探触子の一部切り欠
き断面図、第２図は第１図の超音波斜角探触子を用いて
得られた反射エコー高さの包路線を示す図、第３図ない
し第１４図は従来の斜角探傷を説明するために示したも
ので、第３図ないし第５図はそれぞれ従来の斜角探触の
態様を説明する図、第６図は第５図の斜角探傷に基づく
探傷例を示する図、第７図および第８図は前後走査およ
び左右走査による探傷例を示す図、第９図は！ｆ５７図
および第８図の探傷例から得られるべきエコー高さを示
す図、第１０図ないし第１３図はそれぞれ探触子を構成
する振動子の種々の配置図、第１４図は第１３図の振動
子配置によって得られた前後走査による反射エコー高さ
の包絡線を示す図である。 ２１・・・ハウジング、２２・・・くさび、２３ａ。 ｂ・・・傾斜面、 ２４　ａ。 ２４ｂ・・・振動子、 ・・・被検葺材、 ダンパー材、 ・・・複合探触子、 ０・・・ホルダー

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 被検査材の接触面とは反対側に位置するくさび面に数度
   の異なる傾斜角で、かつ、近接させた状態で複数の振動
   子がタンデムに配列され、これら振動子からの超音波が
   くさび内を近似するビーム路程で伝播させ、かつ、前記
   被検査材内を近似する屈折角で伝播させることを特徴と
   する超音波斜角探触子。