JPH08502585A - 超音波検査ヘッド及びその作動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ワークピース内の傷を超音波検査するための超音波検査ヘッドは、ワークピース（３）内を伝播する横波（１２）のためにパルス・エコーモードで作動可能である超音波変換器アレイ（６０）を備えて共通の容器（２）内に配置された超音波変換器装置を含み、その場合この超音波変換器装置はワークピース内で表面近くを伝播する縦波のために送信・受信モードで作動可能である少なくとも２つの音響的に互いに分離された超音波変換器を含む。このような超音波変換器を用いれぼ、空間的に制限された状況でも、検査ヘッドを交換することなく、種々異なった方向に向きしかも異なった深さ位置に存在する多数の傷を検出することができる。

Description

【発明の詳細な説明】 超音波検査ヘッド及びその作動方法 本発明はワークピース内の傷を検査するための超音波検査ヘッド及びその作動 方法に閏する。 ワークピース内に存在する亀裂傷はワークピースの表面に対して異なった深さ 位置と異なった方向とを有している。非破壊式超音波検査の場合あらゆる傷を検 出することができるようにするために、種々異なった傷の種類に適した多数の超 音波検査ヘッドをそれぞれ連続測定で使用する必要がある。 刊行物“材料検査”（第２８巻、１９８８年出版、第２０頁〜第２４頁参照） により、送信・受信モードで作動する２つの超音波変換器アレイをそれぞれ含む 検査ヘッドが公知である。この超音波ヘッドアレイはその都度の検査問題に応じ て交換することのできる取付楔に結合される。この公知の装置を用いれば音響照 射方向に関して高い柔軟性が得られるが、傷の深さ位置に応じてその都度異なっ た検査ヘッドを使用しなければならない。検査ヘッド又はブリズム楔を交換する こと、及びこの交換に関連して全検査区域を新たに走査することにより測定を多 数回繰り返さなければならないことは、時間が掛かり、特に検査作業者への超音 波爆射に繋がり得る環境では回避されなければならない。さらに種々の測定で得 られた検査結果の相閲閏係を求めることは困難である。 そこで本発明の課題は、検査ヘッドを交換することなく、種々異なった方向に 向きしかも異なった深さ位置に存在する多数の傷を検出することができる、ワー クピース内の傷を超音波検査するための超音波検査ヘッドを提供することにある 。さらに本発明の他の課題は本発明による超音波検査ヘッドの作動方法を提供す ることにある。 このような課題はそれぞれ請求項１もしくは９の特徴部分によって解決される 。 ワークビース内の傷を超音波検査するための超音波検査ヘッドは、本発明によ れば、ワークピース内を伝播する横波のためにパルス・エコーモードで作動可能 である少なくとも１つの超音波変換器アレイを備えて共通の容器内に配置された 超音波変換器装置を含み、その場合この超音波変換器装置はワークピース内で表 面近くを伝播する縦波のために送信・受信モードで作動可能である少なくとも２ つの音響的に互いに分離された超音波変換器を含む。このような手段によって、 表面近くの傷及び表面から遠い傷を検出することができるコンパクトな超音波検 査ヘッドを構成することができる。 本発明は、送信のために設けられた超音波変換器と受信のために設けられた超 音波変換器との間の空間的分離、すなわち、送信・受信モードでの超音波変換器 装置の作動はワークピースの表面の直ぐ下に存在する傷を検出しなければならな い場合にのみ必要であるという考えに基づいている。パルス・エコーモードで作 動する超音波変換器装置、すなわち、送信時に作動し送信後に同様に受信器とし ても作動する超音波変換器は、表面近くの傷の検出には適しない。というのは、 このような作動方式では、送信工程に続いて、超音波変換器装置が傷によって反 射して戻された信号に対していわゆる残響により実際上無効になる時間ウインド ーが常に生じるからである。この残響は、超音波変換器によって受信されて表面 近くの区域から反射して戻された信号に重畳してその検出を困難にする検査ヘッ ド内反射によって惹き起こされる。送信機能及び受信機能を異なった超音波変換 器に分割することよりこの残響は抑制され、表面近くの傷を検出することができ るようになる。表面から遠い傷を検出するためにはこのような空間的離間は必要 ない。というのは、深いところからのエコー信号は検査ヘッド内反射による擾乱 が十分に減衰した後に到着するからである。深さの異なった表面近くの傷はパル ス・エコーモードで作動して横波をワークピース内へ入射させる超音波変換器ア レイによって検出することができる。横波の伝播方向は個々の変換器素子を適当 に位相制御して駆動することにより特に４５°〜６０°の角度範囲で方位を電子 的に制御することができる。 本発明の優れた実施態様によれば、超音波変換器アレイは縦波用の送信器及び 受信器として作動可能な超音波変換器の横に配置される。 本発明の他の有利な実施態様によれば、超音波変換器アレイは縦波用の送信器 及び受信器として作動可能な２つの超音波変換器の間に配置される。 この２つの超音波変換器も同様にアレイとして形成されると好適である。これ によって、ワークピース内へ入射する縦波はさらに横方向へ転回することができ る。 本発明の別の有利な実施態様によれば、超音波変換器アレイの横に配置された 超音波変換器は矩形状受信面又は送信面を有し、その縦辺が超音波変換器アレイ の縦辺に対して斜めに配置され、互いに鋭角を形成するようにされる。 特に優れた実施態様によれば、超音波検査ヘッドはさらにその送信面又は受信 面が結合面に平行に配置された超音波変換器を有する。 本発明による超音波検査ヘッドを作動させるための優れた方法によれば、超音 波変換器アレイは送信・受信モードで作動する。 このために好適には、多数の超音波変換器素子から構成されて空間的に互いに 分離された２つの部分群が形成される。この２つの部分群は特に不活性な超音波 変換器素子から形成された部分群によって互いに分離される。 本発明をさらに詳細に説明するために、図面に示された実施例を参照する。 図１は本発明による検査ヘッドの平面図を示す。 図２及び図３は本発明による検査ヘッドの縦断面図をそれぞれ示す。 図４は検査ヘッドに配置された超音波変換器アレイの有利な作動方法について 説明するための概略図である。 図５及び図６は本発明による検査ヘッドの他の有利な実施例の平面図及び縦断 面図を示す。 図７は３つの超音波変換器アレイを備えた本発明による超音波検査ヘッドの特 に有利な実施例の平面図を示す。 図１に示された平面図において、矩形状輪郭を有する容器２内の超音波検査へ ッドは２つの偏心配置された圧電セラミック超音波変換器４０、４２を含んでい る。これらの超音波変換器４０、４２は図には詳細に示されていないワークピー ス内で表面近くを伝播する縦波用の受信器としてまた送信器としてそれぞれ作動 することができる。この容器２内にはさらに両超音波変換器４０、４２間に例え ば１２個の個別の超音波変換器素子６１を含む直線状超音波変換器アレイ６０が 配置されている。この超音波変換器アレイ６０はその縦辺６２が容器２の側壁に 平行に向けられ、容器２の中心面２２に対して対称に配置されている。 圧電セラミックスから同様に構成された個別の超音波変換器素子６１を動作時 間遅れで駆動することにより、超音波（縦波及び横波）はワークピース内へ表面 法線に対して異なった角度で入射することができる。中心面２２内で行われるこ の方位転向によって、検査ヘッドを移動させることなく、ワークピース内の異な った深さ及び位置に存在する傷を検出することができる。 超音波変換器４０、４２及び超音波変換器アレイ６０は音響的に互いに分離さ れた楔状音響案内部材８０、８２、８４上に配置されている。これらの音響案内 部材８０、８２、８４は例えばメタクリル酸ポリメチルＰＭＭＡから構成されて いる。図に示された実施例においては、音響案内部材８０、８２は互いに平行な 楔面を備えており、それゆえこれらの楔面上に配置された超音波変換器４０、４ ２の送信面もしくは受信面は共通な面内に位置する。 音響案内部材８０と８４、８２と８４は、超音波変換器４０、４２と超音波変 換器アレイ６０との間の直接のクロストークを防止するために、例えばコルクか ら構成された中間層８６によって音響的に互いに分離されている。 超音波変換器４０、４２はそれぞれ矩形状受信面もしくは送信面を備えた個別 変換器であり、それらの縦辺４１、４３は、互いに鋭角２αで傾斜するように、 直線状超音波変換器アレイ６０の縦辺６２に対して角度αで斜めに配置されてい る。 超音波変換器４０、４２の受信面もしくは送信面から出射した音響波３２、３ ４は紙面の下側で符号３６を付されたハッチング領域で重なる。このハッチング 領域３６の中心は容器２から側方距離ａのところに位置する。図をわかり易くす るために、ワークピースの表面で行われる音響波３２、３４の屈折は示されてい ない。この距離ａは、超音波変換器４０、４２の一方が送信モードで作動しかつ 超音波変換器４２、４０の他方が受信モードで作動するか又は超音波変換器アレ イ６０が送信モードで作動しかつ両超音波変換器４０、４２が受信モードで作動 する場合に変換器装置の最大感度が生ずる焦点領域と、容器２との距離に一致す る。 焦点領域の側方距離ａは容器内での超音波変換器４０、４２の幾何学的配置に よって、また選定された送信・受信組合わせに応じて、さらに超音波変換器アレ イの配置及び駆動によって決定され、その都度の検査要求に適合させることがで きる。 音響波３２、３４の最適な重なりを得るために、さらに音響案内部材８０、８ ２の楔面は、超音波変換器４０、４２の送信面もしくは受信面がさらに屋根状の 角度で互いに傾斜するように形成される。 図２の断而図に示されているように、超音波変換器４０、４２は結合面２４に 対して楔角βで傾けられて配置されている。この楔角βは、超音波変換器４０、 ４２が表面法線２６に対して約７０°の角度γ_Lで紙面に対して斜めにワークピ ース３内を伝播する縦波１０を送信又は受信するのに適するように設計されてお り、約２６．５°である。楔角βと、音響案内部材８０又は８２並びにワークピ ース３の音響インピーダンスとによって、縦波１０の伝播方向γ_Lが決定される 。楔面の屋根状角度及び傾斜角度α（図１参照）によって、紙面の下側に位置す る焦点領域の深さＴ及び側方距離ａが左右される。 超音波変換器４０、４２はさらに例えばにかわ、ゴム及びセラミックスから成 る混合物から構成された減衰材料８８内に埋込まれ、音響案内部材８０又は８２ 上にλ／４整合層を介して取付けられている。 図３の断面図から分かるように、直線状超音波変換器アレイ６０は楔角β_aが 楔角βより大きく約４６．５°である音響案内部材８４上に配置されている。こ の超音波変換器アレイ６０は、表面法線２６に対して４５°〜６０°の角度γ_T でワークピース３内を伝播する横波１２を送信及び受信することができしかも角 度γ_L≒７０°でワークピース３内を伝播する縦波１１を送信及び受信すること ができるように駆動することができる。 縦波１１は、超音波変換器４０、４２から縦波１０（図２参照）として送信さ れて表面近くの傷３１ａで反射して超音波変換器アレイ６０によって受信される 縦波、又は超音波変換器アレイ６０から送信され傷３１ａで反射した後超音波変 換器４０、４２によって縦波１０として受信された縦波である。 超音波変換器アレイ６０は６０°以下の伝播方向を持つ横波１２のためにパル ス・エコーモードで作動する、すなわち全ての超音波変換器素子６１は送信器及 び受信器として交互に作動し傷３１ｂ、３１ｃで反射した横波１２は先に横波１ ２を送信した超音波変換器アレイ６０の超音波変換器素子６１によって受信され る。 超音波変換器アレイ６０は縦波１１に対しては送信・受信モード、すなわち、 送信器として又は受信器としてだけ動作する。この作動方式の場合、超音波変換 器４０、４２（図１参照）は受信器もしくは送信器として共通的に又は個々に作 動する。これによって、送信器として作動する超音波変換器が受信器として作動 する超音波変換器から音響的及び空間的に互いに分離されることが保証される。 超音波変換器アレイ６０の横に配置された２つの超音波変換器４０、４２の代 わりに、簡単な実施例では同様に唯一の超音波変換器だけを設けることもできる 。しかし２つの超音波変換器４０、４２を備えた装置では、表面近くの傷に対し て検査へッドによって検出可能な横方向の角度範囲が拡大される。 特に優れた実施例においては同様に超音波変換器アレイ６０は送信・受信モー ドで超音波変換器素子６１を適当に駆動することによって縦波用としてもまた横 波用としても作動することができる。図４にはこのことが縦波１４、１５用とし て示されている。超音波変換器アレイ６０はこのために適当に駆動されることに よって電気的に２つの部分群６１ａ、６１ｂに分割されている。この部分群の一 方、例えば部分群６１ａは送信器として作動し、他方の部分群６１ｂは受信器し て作動する。特にこの作動方式ではこの両部分群６１ａ、６１ｂはアレイ中心部 の作動しないように接続された部分群６１ｃによって分離されている。この作動 方式の場合、このようにして達成された音響的減結合は表面近くの傷３１ａを検 出するのに十分であることが判明している。 図５及び図６に示された実施例においては、検査ヘッドの容器２内にはさらに ０°作動用つまり検査ヘッドの下側に位置する傷用にそれぞれ送信器及び受信器 として作動可能な２つの超音波変換器５０、５２が設けられている。これによっ て検査ヘッドによって検出可能な深さ範囲及び角度範囲は図１乃至図４に示され た実施例に比較して高められる。 この実施例ではさらに７０°縦波モード用に２つの並置された超音波変換器４ ４、４６が設けられている。超音波変換器アレイ６０はこの実施例においても同 様に４５°〜６０°の角度範囲の横波用の送信器及び受信器として、かつ７０° の角度範囲の縦波用の送信器及び受信器として設けられている。超音波変換器４ ４、４６、６０を音響案内部材８０、８２、８４上に配置する楔角は図１乃至図 ３に示された装置の角度に一致する。但し、縦波のためにほぼ同一の側方焦点距 離を得るために、傾斜角αがこの実施例においては図１の実施例に比べて小さく されている。この実施例においても同様に超音波変換器４４、４６の送信面もし くは受信面はさらに屋根状の角度で互いに傾斜している。 図７に示された優れた実施例においては、超音波変換器４２、４４（図１乃至 図３参照）は直線状超音波変換器アレイ６４、６６によって置換されている。優 れた実施例においては、超音波変換器アレイ６４、６６はそれぞれ８個の超音波 変換器素子６１を有している。この実施例においても同様に直線状超音波変換器 アレイ６４、６６はその縦辺６５、６７が超音波変換器アレイ６０の縦辺６２に 対して斜めに配置されている。 この超音波変換器アレイ６４、６６によって、縦波モード用の横方向送信及び ／又は受信角度δはワークピースの表面に対して垂直に位置する軸線を中心にし て転回させることができる。この実施例においても同様に変換器装置は縦波用と して送信・受信モードで作動し、その場合全ての超音波変換器アレイ６０、６４ 、６６は送信器及び受信器として作動することができる。さらに、アレイは図４ と同様に電子的分離によって送信・受信モードで作動することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 エアハルト、アントン ドイツ連邦共和国 デー‐12307 ベルリ ン ウオルチンガー ツアイレ 37 (72)発明者 メールレ、ワルター ドイツ連邦共和国 デー‐12109 ベルリ ン モルスブロンナー ヴエーク 42 (72)発明者 ヴユステンベルク、ヘルマン ドイツ連邦共和国 デー‐14163 ベルリ ン ボイケシユトラーセ 20

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ワークピース（３）内を伝播する横波（１２）のためにパルス・エコーモー ドで作動可能である少なくとも１つの超音波変換器アレイ（６０）を備えて共通 の容器（２）内に配置された超音波変換器装置を含み、その場合この超音波変換 器装置はワークピース（３）内で表面近くを伝播する縦波（１０、１１）のため に送信・受信モードで作動可能である少なくとも２つの音響的に互いに分離され た超音波変換器（６０、４０、４２；６０、４４、４６；６０、６１ａ、６１ｂ ；６０、６４、６６）を含むことを特徴とするワークピース内の傷を超音波検査 するための超音波検査へッド。 ２．超音波変換器アレイ（６０）は縦波（１０、１１）用の送信器及び受信器と して作動可能な超音波変換器（４０、４２；４４、４６：６４、６６）の横に配 置されることを特徴とする請求項１記載の超音波検査ヘッド。 ３．超音波変換器アレイ（６０）は縦波（１０、１１）用の送信器及び受信器と して作動可能な２つの超音波変換器（４０、４２；６４、６６）間に配置される ことを特徴とする請求項２記載の超音波検査ヘッド。 ４．超音波変換器アレイ（６０）の横に配置された超音波変換器（６４、６６） は超音波変換器アレイとして形成されることを特徴とする請求項２又は３記載の 超音波検査へッド。 ５．超音波変換器アレイ（６０）の横に配置された超音波変換器（４０、４２； ４４、４６；６４、６６）は矩形状受信面又は送信面を有し、その縦辺（４１、 ４３；４５、４７：６５、６７）が超音波変換器アレイ（６０）の縦辺（６２） に対して斜めに配置されることを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の超音 波検査へッド。 ６．超音波変換器アレイ（６０）の横に配置された超音波変換器（４０、４２； ４４、４６；６４、６６）はそれらの縦辺（４１、４３；４５、４７；６５、６ ７）が互いに鋭角（２α）を形成するように配置されることを特徴とする請求項 ５と２とを組合わせた超音波ヘッド。 ７．超音波変換器アレイ（６０）と超音波変換器（４０、４２；４４、４６；６ ４、６６）とは音響的に互いに分離されて楔角（β_a、β）が異なる楔状音響案 内部材（８０、８２、８６）上に配置されることを特徴とする請求項５又は６項 記載の超音波ヘッド。 ８．超音波変換器（４０、４２；４４、４６；６４、６６）用の音響案内部材（ ８０、８２）は結合面（２４）に平行に配置された補助超音波変換器（５０、５ ２）を収容するために結合面（２４）に平行な部分（８１、８３）を有すること を特徴とする請求項７記載の超音波ヘッド。 ９．超音波変換器アレイ（６０、６４、６６）はそれぞれ送信・受信モードで駆 動されることを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載の超音波検査へッドの作 動方法。 １０．送信モード及び受信モードで作動する超音波変換器アレイ（６０、６４、 ６６）においては、多数の超音波変換器素子（６１）から構成されて空間的に互 いに分離された２つの部分群（３１ａ、６１ｂ）が形成されることを特徴とする 請求項９記載の方法。 １１．部分群（３１ａ、６１ｂ）は作動しない超音波変換器素子から形成された 部分群（６１ｃ）によって互いに分離されることを特徴とする請求項１０項記載 の方法。