JPH08184586A - 斜角探傷用超音波アレイプローブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】S/N比が高く、素子ピッチを小さくできる斜角
アレイプローブを提供することにある。 【構成】斜面に垂直な方向の減衰率に対して斜面にほぼ
４５°の方向の減衰率が大きな材料のシューを用いるも
の。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、斜角探傷用超音波ア
レイプローブ（以下斜角アレイプローブ）に関し、詳し
くは、超音波電子スキャン装置で、斜角探傷を行うとき
に用いる斜角アレイプローブにおいて、より精度の高い
測定を行う際に問題となるノイズを低減し、各振動子
（各素子）のピッチを小さくすることができる斜角アレ
イプローブに関する。

【０００２】

【従来の技術】アレイプローブを用いて、探傷を行う場
合の技術として、多数の素子のうちの複数個を１つの素
子群として組にしてこれら素子群を順次電子的に高速に
切り換えて高速走査する電子走査方式、あるいは各素子
群の中において超音波を送受信するタイミングを制御す
ることにより電子的に焦点を結ばせる電子集束方式、さ
らには、電子的に偏向させる電子セクタ駆動方式などが
知られている。これらの電子的な制御をより高精細に行
えば、それだけ高分解の測定が可能であるが、それには
素子の配列ピッチを細かくする必要がある。また、高周
波の超音波を用いる理由が、分解能を高くすることにあ
る関係から、必然的に高い周波数のアレイプローブほど
素子ピッチが細かくなる。以上のことは、斜角アレイプ
ローブについても言えることであり、より精密な探傷を
行うために素子を細かいピッチでより多く配列したいと
いう要望がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】例えば、特開昭６３−
６７５６４号に記述されるように、非金属材料などの欠
陥を探傷する場合には、斜角アレイプローブが用いられ
るが、この種の斜角アレイプローブは、共振周波数が５
ＭＨｚ程度であり、素子ピッチが１mm程度であって、そ
の数が１０個程度のものが通常用いられている。しか
し、非金属材料といっても各種の材料があって、その欠
陥探傷もより微小な欠陥へと移行しつつある。したがっ
て、より高い分解能での探傷の要求があるが、それに応
えるためには、プローブの周波数の向上とともに素子数
の一層の増加が必要であり、さらに素子ピッチを狭くす
ることが不可欠である。

【０００４】一方、素子ピッチを狭くすることは、素子
幅が狭くなる関係で欠陥エコーの受信レベルが低下して
ノイズとの区分けが難しくなるという問題がある。この
素子ピッチについて研究したところ、ピッチを０．５mm
程度かそれ以下に設定すると、 S/N比が悪化して精度の
高い測定が難しくなることが分かった。この発明の目的
は、このような従来技術の問題点を解決するものであっ
て、 S/N比が高く、素子ピッチを小さくできる斜角アレ
イプローブを提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
る発明の斜角アレイプローブの特徴は、底面が被検体に
接しているシューの斜面に複数個の振動子を配列した斜
角探傷用超音波アレイプローブにおいて、斜面に垂直な
方向の減衰率に対して前記斜面にほぼ４５°の方向の減
衰率が大きな材料のシューを有するものである。

【０００６】

【作用】ところで、アレイプローブは、図３（ａ）に示
すように、一般的に配列された各素子（その１つを素子
１とする）の角の部分に横波が発生する。この横波は、
プローブの内部で反射して再び素子側に戻り、それがあ
る素子で受信された場合にその受信タイミングがその素
子の欠陥エコーの受信タイミングに相当するときには横
波の受信がノイズとし作用して S/N比が低下する。特
に、その素子の幅が狭くなり、その受信エコーの検出レ
ベルが低下することにより 欠陥エコーを捉えることが
できない。これは、素子の幅に応じて縦波の受信エコー
の検出レベルが低下するが、横波は、素子の角で発生す
る関係から素子の幅に影響を受けないことによる。先に
説明したように、ピッチを０．５mm以下に設定すると素
子を増加させなくても、 S/N比が悪化する。そこで、図
３に従って、その理由について検討してみると、各素子
の角から放射される横波がノイズとして大きな影響を与
えていることが分かった。

【０００７】図３（ａ）に示すように、斜角探傷を行う
場合には、各素子１，…は、シュー２０の斜面２０ａに
配列される。そして、各素子１，…の素子ピッチＰを狭
くすると、各素子の欠陥からのエコーの受信レベルは、
その素子の幅に応じて低下する。ここで、素子１，…の
角で発生する横波について下方へと向かう２ヶの横波
ａ，ｂのみとりあげて考えてみる。なお、ｃ，ｄは、素
子１，…の反対側の角から発生するほぼ水平方向へと向
かう横波である。これについては、シュー２０の端部に
到達する距離が長いことと、通常、シュー２０の水平方
向には減衰部材等が設けられることでその一次反射波は
あまり問題とはならない。一方、底面側は、被検体に接
するので、減衰部材は設けられず、横波の一次反射波の
伝搬距離（路程）が比較的短いので、これがノイズとし
て作用する。なお、二次反射波以降は、その路程が長く
なる関係で徐々に減衰していく。

【０００８】そこで、底面２０ｃへと向かう横波ａ，ｂ
について考えてみる。これの波長をλとすると、λ＝ｖ
／ｍとなる。ただし、ｍは、超音波の周波数、ｖは音速
である。ここで、素子の垂直方向に採った幅をｈとし、
シュー２０の傾斜角度をθとしたときに、幅ｈは、ｈ＝
Ｐ sinθになる。図３（ｂ）に示されるように、ｈ／λ
＝１，２，３，４，５…のときに横波ａ，ｂのピークが
一致して横波ａとｂの合成波が最大になる。これが受信
されると、この合成波の受信タイミングの近傍で受信さ
れる欠陥エコーに対してノイズとして作用してそのレベ
ルが大きくなる。斜角アレイプローブは、通常、パルス
波で駆動されるため、その被検体からのエコーは、波数
が少なく、最初の１波長に対応するピークが高く、その
後のピクは順次小さくなる。したがって、各横波の伝搬
時間を距離に対応させて表すと、図３（ｂ）の合成波の
ずれの距離ｈが１波長に対応する場合が一番大きくな
る。 公称５ＭＨｚの素子についてこれを考えてみる
と、これの実際の受信横波周波数は４ＭＨｚ程度であ
る。これについて、ｈ／λ＝１を計算すると、傾斜角θ
をθ＝４３．５°とした場合、音速ｖ＝１４３５ｍ／se
c でそのピッチＰは、０．５２mmとなる。したがって、
ピッチをこれの近傍にしたときには、受信レベルの低下
に対して S/N比が低下し、ノイズが問題になる。

【０００９】以上は、素子１，…の角から発生し下方へ
向う横波のうち２ヶのみとりあげたものであるが、素子
は多数同じピッチで配列されているので、他の素子の角
において発生した横波の反射波が前記にさらに加わって
くる。しかも、前記ピッチより小さなピッチに配列した
場合には各素子の受信レベルが低下するので、斜角アレ
イプローブでは良好に欠陥エコーの受信ができなくな
る。その結果、０．５mm程度か、これ以下になると斜角
アレイプローブとしての使用は困難になる。このような
ことから、前記の構成のように、斜面に垂直な方向の減
衰率に対して前記斜面にほぼ４５°の方向の減衰率が大
きな材料のシューを用いることにより、素子から送出さ
れる縦波については、従来と同様に扱うことができ、横
波については、減衰させることができる。

【００１０】

【実施例】図１は、この発明の一実施例の斜角アレイプ
ローブの断面図、図２は、シューの切り出し方向の説明
図である。図１に示すように、斜角アレイプローブ１０
は、素子１ａ，１ｂ，…，１ｎ（図では、ｎ＝４であ
る。）が斜面に配列されたシュー２を有しているが、こ
のシュー２は、ポリイミド樹脂で構成された、超音波伝
搬率に関して異方性を持つ材料になっている。これは、
図２に示すように、縦方向（ｚ方向）に圧縮されたポリ
イミド樹脂６の圧縮面６ａを斜面２ａに平行になるよう
に割り当てて横方向（ＸあるいはＹ方向、図ではＹ方
向）に沿ってシュー２を切り出したものである。これに
より、例えば、Ｘ方向あるいはＹ方向の超音波の減衰率
が４．２dB／cmになり、圧縮した縦方向の超音波の減衰
率が３．２dB／cm程度にでき、１dB／cmの伝搬異方性を
持たせることができる。その結果、図１において、シュ
ー２の斜面に対してほぼ４５°の方向の減衰率は、斜面
に垂直な方向よりも減衰率が大きくなる。

【００１１】そこで、図１に示すように、ある素子１か
らの横波４は、ポリイミド樹脂６のＸＺ面あるいはＹＺ
面をほぼ４５°で斜めに進行することになり、減衰率が
高く、一方、縦波３は、ポリイミド樹脂６のＺ方向に平
行に進行することになるので、減衰率が低い。底面２ｂ
で反射して素子１に戻る横波の一次反射波のレベルが低
下して素子幅が狭くなっても、横波反射波が素子に戻る
時間に相当する表面付近の欠陥Ｆの探傷の際に、この横
波の反射波がノイズとして作用し難くなる。なお、特
に、従来のものより、最下段の素子１ｎの下端からシュ
ー２の垂直方向に底面２ｂまでの距離ｈが横波の反射波
が十分に減衰する程度の距離にあればよい。これは、シ
ュー２を厚くすることなどで可能である。

【００１２】実施例では、ポリイミドを例としている
が、超音波の伝搬率が方向性を持つ材料は、斜面に垂直
な方向の超音波減衰率が欠陥からのエコーの縦波を受信
できる程度のものであり、これに対し、斜面に対してほ
ぼ４５°の方向の減衰率がそれよりも高い材料であれば
どのようなものであってもよい。

【００１３】

【発明の効果】以上の説明のように、この発明にあって
は、斜面に垂直な方向の減衰率に対して前記斜面にほぼ
４５°の方向の減衰率が大きな材料のシューを用いてい
るので、素子から送出される縦波については、従来と同
様に扱うことができ、横波については、減衰させること
ができる。その結果、反射横波と重なる被検体の浅い部
分の S/N比を向上させることができ、素子のピッチを従
来よりも小さくしてより高い分解能の測定が可能な斜角
アレイプローブを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、この発明の一実施例の斜角アレイプロ
ーブの断面図である。

【図２】図２は、そのシューの切り出し方向の説明図で
ある。

【図３】図３は、斜角アレイプローブの振動子における
横波発生の説明図である。

【符号の説明】

１…振動子、１ａ，１ｂ，１ｎ…素子（振動子）、２…
シュー、２ａ…斜面、３…縦波、４…横波、５…被検
体、６…ポリイミド樹脂、１０…斜角アレイプローブ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】底面が被検体に接しているシューの斜面に
   複数個の振動子を配列した斜角探傷用超音波アレイプロ
   ーブにおいて、前記斜面に垂直な方向の減衰率に対して
   前記斜面にほぼ４５°の方向の減衰率が大きな材料のシ
   ューを有する斜角探傷用超音波アレイプローブ。
2. 【請求項２】前記振動子の配列ピッチがほぼ０．５mm程
   度か、これ以下であって、前記振動子のうち最下段の振
   動子の下端から前記底面までの距離が横波が十分減衰す
   る程度の距離になるように、前記シューの厚さが選択さ
   れている請求項１記載の斜角探傷用超音波アレイプロー
   ブ。