JPH07167845A - 超音波変換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 粗い音ビーム入射表面を有する部品および構
成要素の超音波検査を行うための超音波変換器を提供す
る。 【構成】 変換器ハウジング（４）の中に取り付けられ
た圧電素子（１８）、上記圧電素子が基準平面に対して
所定の傾斜角で配置されるように上記変換器ハウジング
を支持する支持手段（６，６’）、および上記変換器ハ
ウジングに結合されて、圧縮性液体媒体（１４）を上記
圧電素子に超音波結合させるように該圧縮性液体媒体を
包囲する包囲手段（１０，２２；１０’，２２’）であ
って、上記圧縮性液体媒体を介して上記圧電素子に超音
波結合されている超音波に対して透明な柔軟な膜（２
２，２２’）を含む包囲手段をそなえる。軟らかい膜
は、検査対象物の平らでないすなわち粗い表面と接触す
るように押されたとき、表面の形状にほぼ順応するよう
に変形し、圧電素子と対象物との間の超音波結合を増大
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は一般に、材料の完全性を
害する恐れのある空洞、きず、き裂等の欠陥について
の、金属または合金のような材料の非破壊検査に関する
ものである。更に詳しく述べると、本発明は粗い音ビー
ム入射表面を有する部品および構成要素の超音波検査に
関するものである。

【０００２】

【発明の背景】超音波検査は、部品および構成要素の状
態を測定するために原子力産業および他の殆どの主要産
業で行われる。超音波を使用して部品または構成要素の
金属または合金の材料を検査することにより、その部品
または構成要素の安全な動作を害することがわかってい
るきずを検出する。超音波非破壊検査法を使用すること
により、殆どの工学技術の金属および合金内部のきずを
検出することができる。溶接、ろう付け、はんだ付けお
よび接着によって形成される接合部も超音波で検査する
ことができる。

【０００３】構造物、原子炉圧力容器、機体、パイプ
系、橋、自動車およびジェットエンジンの製造の際の品
質管理および材料の検査に、超音波検査が使用される。
本発明はこれらの分野のすべてに適用できる。超音波検
査の技術、方法および装置の適切な適用のため、変換器
を含む超音波システムは遂行しょうとしている検査の種
別に対して適当なものでなければならない。正しい変換
器を使用しない場合には、検査結果に大きな誤差が生じ
る危険性が高くなるか、または全く結果が得られない。
たとえば、溶接されたままのオーバーレイされたパイプ
溶接部を調べるために、堅くて表面の平らな、ルーサイ
ト（透明合成樹脂）のウェッジ（ｗｅｄｇｅ）を有する
普通の超音波変換器を使用すると、超音波検査の結果に
大きな誤差が生じる。多くの場合、超音波検査データは
全く記録されない。その理由は、変換器のヘッドと検査
対象の粗い表面との間に空隙があり、この空隙が不透明
な障壁を形成するからである。

【０００４】材料中のき裂の超音波検査は、少なくとも
２段階のプロセスで行われる。すなわち、（１）検出と
位置探索、および（２）絶対値または相対値による大き
さの分類である。このプロセスの第１段階では変換器が
励起されて縦方向の超音波を放出し、これが検査対象の
構造に結合される。放出された超音波は構造物に入り、
そこでき裂によって反射される。反射波は帰還路で変換
器に当たり、そこで反射波は「パルスエコー」信号とし
て検出される。

【０００５】き裂の大きさ、または表面につながったき
ずの場合の侵入深さの決定は、異なる、より複雑な作業
である。平面状のき裂の侵入深さを決定するための通常
の方法は飛行時間回折技術である。この方法は、き裂の
縁での超音波エネルギー波の前方散乱を利用するもので
ある。検査対象の表面に結合された短い超音波パルスの
放出器を用いることにより、屈折した音波がき裂の縁に
当たるようになり、超音波エネルギーがすべての方向に
散乱される。き裂平面の反対側に配置された検出器が、
き裂の高さおよび他の寸法の関数である時間遅延の後
に、散乱されたパルス状エネルギーの射線（ｒａｙ）に
よって励起される。放出器からき裂の縁を経由して検出
器に至るまでのパルスの飛行時間を測定することによ
り、き裂の高さが幾何学的解析から容易に計算できる。

【０００６】超音波飛行時間回折技術を使用する検査方
法が、埋まっているか又は表面につながっているき裂に
対して工夫されたが、これは実際にき裂の大きさの分類
の最も正確な手段であることがわかった。必要な場合に
は、パイプおよびノズルに対して使用するために、表面
わん曲の影響に対する補正を行って、正確さを向上す
る。他方、散乱された波が検出器に達することができな
い場合には、この方法は明らかに失敗する。散乱された
波が検出器に達することができないということは、変換
器と検査対象の表面との間に比較的一様でない空隙が存
在する場合に起きる。このような空隙が生じるのは、超
音波変換器の堅い平坦な表面が、平らでないすなわち粗
い音ビーム入射表面上に置かれたとき、たとえば溶接さ
れたままの状態のパイプ溶接部、すなわち溶接後の機械
仕上げをしていないパイプ溶接部の上に置かれたときで
ある。

【０００７】ブーツ状覆い付き変換器は、過去に非破壊
検査産業で存在したことが知られている。公知の一つの
設計では、大きなプラスチックケース（覆い）の中に比
較的小さな変換器が設置される。その従来技術のブーツ
状覆い付き変換器に用いられる結合媒体は低粘性の圧縮
機油である。変換器が発生する超音波の入射角は、変換
器を取り付けるプラスチックケースの内側に設置される
保持ブラケットによって決められる。所望の入射角に対
応する保持ブラケットの設置後に、変換器が設置され、
プラスチックのブーツ状覆いが定められた場所に固定さ
れ、組立体全体が油で充たされる。

【０００８】上記の種別のブーツ状覆い付き変換器は極
めて大きくなりがちであり、その接触部は被検査部品に
対して大き過ぎることが多い。この従来技術のもう一つ
の限界は、変換器の変更が難しいということである。最
初に油を流出さなければならず、その後ブーツ状覆いを
除去しなければならない。入射角を変更しなければなら
ない場合には、もとの保持ブラケットを除去して、異な
る入射角に対応する別のブラケットを設置しなければな
らない。その後、変換器を設置し、組立てプロセス全体
を繰り返す。空気の泡が油の表面に上昇して取り除かれ
る間、変換器組立体を遊ばせたままにしておかなければ
ならないことが非常に多い。一般に、これは極めて時間
がかかり、非効率なプロセスであり、特に、原子力発電
所のような不良環境で実施する場合にそうである。

【０００９】

【発明の概要】本発明は、従来技術のブーツ状覆い付き
変換器の欠点の無い改善されたブーツ状覆い付き超音波
変換器を提供するものである。本発明のブーツ状覆い付
き変換器は、オーバーレイされた溶接したままの状態の
パイプ溶接部や他の溶接されたままの接触表面の粗い構
成要素に伴う上記の接触の問題を軽減する。

【００１０】本発明は、変換器ハウジングの中に取り付
けられた圧電素子、および上記圧電素子が基準平面に対
して所定の傾斜角で配置されるように上記変換器ハウジ
ングを支持する支持手段を含む超音波変換器に於いて、
上記変換器ハウジングに結合されて、圧縮性液体媒体を
上記圧電素子に超音波結合させるように該圧縮性液体媒
体を包囲する包囲手段であって、超音波に対して透明な
柔軟な膜を含み、この柔軟な膜が上記圧縮性液体媒体を
介して上記圧電素子に超音波結合されている包囲手段を
そなえていることを特徴とする超音波変換器を提供す
る。

【００１１】本発明の装置は、変換器を平らでないすな
わち粗い音ビーム入射表面に結合するために軟らかい膜
のブーツ状覆いを設けた超音波変換器である。軟らかい
膜は、超音波を伝達することができる柔軟な材料で作ら
れる。検査対象の対象物の平らでないすなわち粗い表面
と接触するように押されたとき、膜は接触する表面の形
状にほぼ順応するように変形する。膜の柔軟さにより、
変換器と対象物表面との間の空隙が無くなるか又は減少
する。これにより、対象物に出入りする超音波エネルギ
ーの結合が増大する。その結果、表面が平らでないすな
わち粗い部品または構成要素のき裂等のきずの検出性能
が向上する。

【００１２】

【好適実施例の説明】図１および図２に示された本発明
の第１の実施例によれば、ブーツ状覆い付き超音波変換
器２はオーバーサイズの変換器ハウジング４をそなえて
いる。変換器ハウジング４は、ねじ付きコネクタ１６を
受入れるための半径方向に延在するねじ付き内腔を含
む。電気配線（図示しない）がこのねじ付きコネクタ１
６を通る。圧電素子１８が変換器ハウジング４の底には
めこまれる。圧電素子１８をパルサおよび受信器回路
（図示しない）に接続するために、上記の電気配線がは
んだ付けされる。組立て完了前に圧電素子に対する裏あ
てとして制振材料が付加される。次に液体の侵入を防ぐ
ため、変換器ハウジングが封止される。

【００１３】変換器ハウジング４は、上端と下端の両方
にねじ山が切られている。入射角調節ウェッジ６が変換
器ハウジング４の上端にねじ結合される。入射角調節ウ
ェッジ６は、変換器組立体を自動化されたスキャナの転
がりキャリッジ８に取り付けるための取付け板としての
役目を果たす。キャリッジ８は、溶接された管継手、た
とえば円周方向の溶接部Ｗによって接合された円筒形の
パイプＰ1 およびＰ2の縦軸に平行な縦軸Ｌに沿って支
持表面Ｓ上を移動可能なものとして図１に全体的に描い
てある。円周方向の溶接部Ｗの円周方向走査を行うた
め、支持表面Ｓ自体が管継手の縦軸を中心として回転す
ることができる。

【００１４】所与の材料内での屈折角は超音波変換器の
入射角、すなわち伝搬路が検査対象物の表面に垂直な軸
に対して何度傾いているかによって制御される。入射角
はスネル（Ｓｎｅｌｌ）の法則に従って決まる。スネル
の法則は数学的に次式で表すことができる。 ｓｉｎ ａ／ｓｉｎ ｂ ＝ Ｖ1 ／Ｖ2 ここで、ａは入射角、ｂは屈折角、Ｖ1 およびＶ2 はそ
れぞれ第１および第２の媒体内での位相速度（ｗａｖｅ
ｖｅｌｏｃｉｔｙ）である。スネルの法則は２つの異
なる媒体の間の界面での波の挙動を記述するものであ
る。スネルの法則はもとは光線に対して得られたもので
あるが、音波（超音波を含む）および他の多くの種別の
波にも同様に成立するものである。この法則は、たとえ
モード変換が行われても成立する。入射角が０゜である
場合、検査対象物の材料内での屈折角も０゜である。

【００１５】本発明によるブーツ状覆い付き変換器に対
する入射角は、入射角調節ウェッジの傾斜角で表され
る。図１および図２は、ウェッジ６の傾斜角、したがっ
て変換器２の入射角が１０゜である変換器を示してい
る。これに対して、図３はウェッジ６’の傾斜角、した
がって変換器２’の入射角が０゜である代替実施例を示
している。入射角調節ウェッジの傾斜は、超音波試験に
通常伴う任意の角度に機械加工することができる。所望
の入射角は、変換器を充たすのに使用される特定の結合
液体によって決まる。結合液体の音速はスネルの法則の
Ｖ1 に対応する。したがって、結合液体が水で、軟鋼内
の所望の屈折角が４３゜である場合には、ウェッジの傾
斜は１０゜の角度に機械加工される。１０゜の入射角に
より、４３゜の屈折した縦波ビームと２２．１゜の屈折
したせん断波ビームの両方が発生する。

【００１６】傾斜角は、走査装置のキャリッジ８に取り
付けられるウェッジの上表面内に加工される。走査装置
のキャリッジは検査対象物の音ビーム入射表面に対して
平行に動き、制御されたラスター走査のやり方で音ビー
ム入射表面を横切って変換器が運ばれる。再び図１およ
び図２を参照して説明する。変換器ハウジング４の下端
のねじ部は結合液体ハウジング１０を変換器に取り付け
る役目を果たす。上端と下端のねじ部の間に伸びる変換
器ハウジング４の部分の外径は上記ねじ部の外径より大
きい。変換器ハウジングの広い方の部分の下側の縁は、
結合液体ハウジング１０の上表面に接触する肩部を形成
する。この肩部は、変換器ハウジング４と結合液体ハウ
ジング１０を一緒に締めたとき、結合液体ハウジング１
０の上表面に形成された環状のみぞの中に配置されたオ
ー（Ｏ）リングシール１２を圧迫する役目を果たす。シ
ール１２は、変換器ハウジング４と結合液体ハウジング
１０との間の界面を通しての結合液体の漏れを防止す
る。

【００１７】結合液体ハウジング１０は直径の異なる第
１および第２のねじ付き内腔を有する。相対的に直径の
小さい第１のねじ付き内腔は、変換器ハウジング４のね
じ付き下端とねじ結合する。相対的に直径の大きい第２
のねじ付き内腔は、超音波伝搬チャネル２０を形成す
る。超音波残響を減衰させるため、伝搬チャネル２０は
音を吸収する材料でコーティングされる。結合液体ハウ
ジングは、入射角調節ウェッジの傾斜角と同じか、また
はそれより小さい角度で切られる。

【００１８】伝搬チャネル２０は、斜めの変換器ブーツ
状覆い２２によって形成される結合液体で充たされた室
１４と流体連通している。チャネル２０と室１４は、自
転車のタイヤで使用される種別の弁３０を介して結合液
体で充たされる。弁３０は、結合液体をポンプで送りこ
む液体ポンプに結合される。室１４またはチャネル２０
に捕捉されたガスは、結合液体を介しての超音波の伝搬
を阻止する空隙を形成する可能性がある。結合液体の中
のガスの泡またはポケットを除去するため、ガスが弁３
０の入口のすぐ近くの空間内へ上昇するように変換器を
傾ける。次に弁を開いて、空気を排出する。

【００１９】斜めの変換器ブーツ状覆い２２は超音波に
対して透明な成形プラスチックで作られた柔軟で耐耗性
の膜である。室１４およびチャネル２０の中の結合液体
が油である場合には、プラスチック材料は油による分解
にも耐えるものでなければならない。斜めの変換器ブー
ツ状覆い２２は、外周で円筒形の壁２２ｂに一体接合さ
れたわん曲した凹形接触表面２２ａを持つように成形さ
れる。壁２２ｂの縦寸法はその周縁に沿って変化する。
最大長さと最小長さとの間の差はウェッジ６の傾斜角の
関数である。

【００２０】円筒形の壁２２ｂの内径は、結合液体ハウ
ジング１０の外径より僅かに大きい。組み立ての際、壁
２２ｂを結合液体ハウジング１０上に滑らせた後、ナッ
トとボルトの組立体２６によって一緒に保持される通常
のホースクランプ２４を使って、壁２２ｂを結合液体ハ
ウジング１０に対して締め付ける。代案として、比較的
小さな圧力でブーツ状覆いを締め付けられるような特定
の用途では、金属またはプラスチックで作られた直径が
一定のスリツプリングを使用することにより、変換器ブ
ーツ状覆いを結合液体ハウジング上に締め付けることが
できる。好ましいホースクランプはかみ合う互いに対向
する歯のあるプラスチック素子である。歯は傾斜してい
るので、互いに滑らせた後、特殊な工具を使ってホース
クランプを変換器上に押し込むと定位置にぱちんと入
る。

【００２１】結合液体ハウジング１０の外側円周表面に
機械加工された環状のみぞの中にＯリングシール２８が
入れられている。クランプ２４を締めると、環状のみぞ
の中でＯリングシール２８が押しつけられる。シール２
８により、変換器ブーツ状覆い２２と結合液体ハウジン
グ１０との間の界面を介した結合液体の漏れが防止され
る。

【００２２】図２に示すように、溶接部Ｗの平らでない
表面に対して押し付けられると、凹形の接触表面２２ａ
は内側に変形して、プラスチック材料の柔軟性によって
決まる程度に、平らでない表面の輪郭に順応する。超音
波変換器の動作の間、変換器ブーツ状覆い２２が対象物
表面にこのように順応することにより、空隙が除去され
るか、または空隙の大きさが小さくなるので、変換器と
検査対象物との間の双方向超音波結合が強化される。

【００２３】図２に示される超音波変換器は軟鋼内に４
３゜の中心射線音ビームを生じるように構成されてい
る。第２の実施例による直線ビーム構成が図３に示され
ている。この場合、中心射線音ビームが９０゜の角度で
対象物に入射し、屈折はしない。図３の実施例では、傾
斜角が０゜の入射角調節ウェッジ６’、まっすぐな変換
器ブーツ状覆い２２’、および傾斜角が０゜の結合液体
ハウジング１０’が設けられている。まっすぐな変換器
ブーツ状覆い２２’は、外周で円筒形の壁２２ｂ’に一
体接合された曲面状の凹形接触表面を形成するように成
形されたプラスチックで作られた柔軟で耐耗性の膜であ
る。壁２２ｂの縦方向の寸法はその周縁に沿って一定で
ある。その他の構成要素は第１の実施例の構成要素と同
じであり、同じ参照符号で表してある。

【００２４】上記の装置は説明のために開示したもので
ある。開示された装置の変更および変形は、超音波検出
技術に熟達した従業者には容易に明らかとなるものであ
る。たとえば、入射角調節ウェッジの傾斜角は、上記の
例の４３゜に限られないが、それを含む所望の屈折角を
生じるように選択することができる。このようなすべて
の変更および変形を包含するように、特許請求の範囲を
記述してある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例によるブーツ状覆い付き
超音波変換器の側面図であり、変換器が検査対象物の表
面に接触はしているが、変換器が対象物の表面に押し付
けられていない状態を示す。

【図２】図１に示されるブーツ状覆い付き変換器の断面
図であり、変換器が対象物の表面に押し付けられている
状態を示す。

【図３】本発明の第２の実施例によるブーツ状覆い付き
変換器の断面図であり、変換器が対象物の表面に押し付
けられていない状態を示す。

【符号の説明】

４ 変換器ハウジング ６，６’ 入射角調節ウェッジ １０，１０’ 結合液体ハウジング １４ 室 １８ 圧電素子 ２０ 超音波伝搬チャネル ２２，２２’ 変換器ブーツ状覆い ２４ ホースクランプ ２６ ナットとボルトの組立体 ３０ 弁

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 変換器ハウジング（４）の中に取り付け
   られた圧電素子（１８）、および上記圧電素子が基準平
   面に対して所定の傾斜角で配置されるように上記変換器
   ハウジングを支持する支持手段（６，６’）を含む超音
   波変換器に於いて、 上記変換器ハウジングに結合されて、圧縮性液体媒体
   （１４）を上記圧電素子に超音波結合させるように該圧
   縮性液体媒体を包囲する包囲手段であって、超音波に対
   して透明な柔軟な膜（２２，２２’）を含み、この柔軟
   な膜が上記圧縮性液体媒体を介して上記圧電素子に超音
   波結合されている包囲手段をそなえていることを特徴と
   する超音波変換器。
2. 【請求項２】 上記の柔軟な膜が成形プラスチックで作
   られている請求項１記載の超音波変換器。
3. 【請求項３】 上記支持手段が、上記変換器ハウジング
   をスキャナに結合する手段を含む請求項１記載の超音波
   変換器。
4. 【請求項４】 上記支持手段が、上記圧電素子の平面に
   対して所定の角度に配置された面を有するウェッジを含
   む請求項１記載の超音波変換器。
5. 【請求項５】 上記包囲手段が、音を吸収する材料でコ
   ーティングされ、かつ上記圧電素子の平面に垂直な軸を
   持つ円筒形のねじ付き内腔（２０）を有する堅固なハウ
   ジング（１０，１０’）を含む請求項１記載の超音波変
   換器。
6. 【請求項６】 上記の堅固なハウジングが上記変換器ハ
   ウジングの一端にねじ結合され、上記ウェッジが上記変
   換器ハウジングの他端にねじ結合されている請求項５記
   載の超音波変換器。
7. 【請求項７】 上記の堅固なハウジングが円周状の外表
   面を持ち、上記の柔軟な膜が上記の堅固なハウジングの
   上記の円周状の外表面上にぴったりはまる部分（２２
   ｂ，２２ｂ’）を持ち、上記の柔軟な膜の上記部分が円
   周に沿って半径方向内側に向かう力を印加する手段によ
   って上記の円周状の外表面に対して締めつけられている
   請求項５記載の超音波変換器。
8. 【請求項８】 上記の力を印加する手段がホースクラン
   プ（２４，２６）を有する請求項７記載の超音波変換
   器。
9. 【請求項９】 上記の力を印加する手段がスリップリン
   グを含む請求項７記載の超音波変換器。
10. 【請求項１０】 更に、開いた状態では上記変換器の外
    部と上記包囲手段の内部との間を流体流通するように
    し、閉じた状態ではこのような流体流通を阻止する弁手
    段（３０）が設けられている請求項５記載の超音波変換
    器。