JPH09304355A - 金属薄板の超音波探傷装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 超音波の金属薄板に対する入射角が変動する
のを抑制して、欠陥等の検出精度を良好に向上させるこ
とのできる金属薄板の超音波探傷装置の提供。 【解決手段】 タイヤ内充填液を満たしたゴムタイヤ３
内には、振動子５が傾けて配設されている。ゴムタイヤ
３の両隣には硬質ゴム製の一対の補助輪７，８が配設さ
れ、ゴムタイヤ３および補助輪７，８は、支軸９ａを介
して支持部９に同軸状に回転自在に固定されている。そ
して、このゴムタイヤ３、振動子５、補助輪７，８、お
よび支持部９によってタイヤ探触子１１が構成されてい
る。ゴムタイヤ３を補助輪７，８で両側から支持するの
で、振動子５が発する超音波ビーム３７の入射角が変動
しない。また、振動子５は図１の斜め手前に向かって超
音波ビーム３７を発するので、補助輪８の影響を受けず
に板波３３を発生することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えばアルミニウ
ムやアルミニウム合金等の薄い板材の、内部および表面
に存在する非金属介在物等の異物や傷、空洞等の欠陥を
オンラインで検査する金属薄板の超音波探傷装置（以下
単に超音波探傷装置ともいう）に関する。

【０００２】

【従来の技術】薄板のような薄く広い対象物の超音波探
傷には、振動子が発生した超音波を板面法線に対して斜
めに板に入射して板波を発生させ、その板波が欠陥に反
射されて返ってくるのを観測して探傷を行う板波式の超
音波探傷装置が用いられている（例えば、トキメック製
『タイヤ型探触子』）。この種の探傷装置は、一次元走
査で薄板全面を効率よく検査し得るため、オンライン検
査に適している。

【０００３】例えば、図９に例示する超音波探傷装置５
１では、タイヤ内充填液（ここでは水を使用）を満たし
たゴムタイヤ５３内に、振動子５５が傾けて配設されて
いる。なお、振動子５５は、ゴムタイヤ５３の回転方向
（金属薄板８１に対する相対移動方向）と直交する方向
に超音波を発振するように配設されている。

【０００４】ゴムタイヤ５３の隣（振動子５５による超
音波の発振方向と反対側）には硬質の補助輪５７が配設
され、ゴムタイヤ５３および補助輪５７は、支軸５９ａ
を介して支持部５９に回転自在に固定されている。そし
て、このゴムタイヤ５３，補助輪５７，および支持部５
９によってタイヤ探触子６１が構成されている。また、
タイヤ探触子６１には信号線６７を介して演算部７１が
接続され、次のような処理によって、金属薄板８１の欠
陥等を検出している。

【０００５】振動子５５が発生した超音波ビーム８７は
金属薄板８１に斜めに入射し、板波８３を発生させる。
そのパルス状の板波８３は金属薄板８１中を被導波とし
て伝播し、欠陥８５や板端８１ａがあると、反射してほ
ぼ同じモードの板波として反射してくる。この波は同じ
入射経路を戻って振動子５５に到達し、振動子５５はそ
の反射波に応じた電気信号を発生する。そこで、演算部
７１では、この電気信号を周知の方法で解析し、パルス
エコー波として表示するのである。なお、板波８３の発
生原理を図１０に更に詳細に示す。図１０に示すよう
に、板波８３の波長λは、超音波ビーム８７の波長λｉ
および入射角θに依存している。

【０００６】ここで、板波８３の発生条件は、次のよう
に弾性理論的に計算することができる。先ず、金属薄板
８１には、図１１に例示するような板波モードが存在す
る。なお、各モードを表すＳ，Ａは、それぞれ対称，斜
対称を表しており、そのＳ，Ａの添え字は振動の次数を
表す。この板波モードをパラメータとして、（周波数ｆ
×板厚ｄ）に一意に依存する位相速度Ｃを求めることが
でき、この位相速度Ｃおよび入射角θが式（１）を満足
したときのみ板波８３が発生する。但し、式（１）にお
いて、Ｃｉはタイヤ内充填液中の音速である。

【０００７】 Ｃ＝Ｃｉ／ｓｉｎθ （１） この関係から、板波モードをパラメータとして（周波数
ｆ×板厚ｄ）と入射角θとの関係を、ある種の鋼板に対
して求めたものが、図１２のマップである。このよう
に、超音波探傷装置は上記の条件を満足するときのみ利
用できるもので、通常の超音波探傷とは異なり、送受信
号の周波数特性や超音波の入射角に充分に留意しなけれ
ばならない。また、鋼板に対する欠陥体積と欠陥エコー
レベルとの関係を図１３に例示する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところが、ゴムタイヤ
５３は、超音波ビーム８７を金属薄板８１に良好に伝達
できるよう、きわめて薄く形成されている。このため、
図９の例のように補助輪５７をゴムタイヤ５３の片側に
設けただけでは、タイヤ探触子６１が金属薄板８１上を
移動するとき支軸５９ａが上下左右に揺動し、超音波ビ
ーム８７の入射角θが変動する。このように入射角θが
変動すると、振動子５５の受信状態が変動するので、欠
陥８５等の検出精度を充分に得ることができなかった。

【０００９】また、例えば実開昭５７−１１４９６４号
公報に記載のように、ゴムタイヤの（相対移動方向に対
する）前後に補助輪を二つずつ設け、これによってゴム
タイヤを支持することも考えられている。ところが、こ
の種のタイヤ探触子は、ゴムタイヤとドラム等との間に
検査対象の金属薄板を挟んで使用されることが多く、こ
の場合、補助輪の下にドラム等が配設されない。このた
め、金属薄板に局部的な歪等があると超音波の入射角が
変動してしまう。更に、例えば、実公昭６１−４２１２
８号公報に記載のように、超音波の入射角を任意に調整
する機構を設けて、最適な入射角に制御することも考え
られているが、この場合、入射角の制御に時間がかか
り、タイヤ探触子を金属薄板に対して相対移動させなが
ら検査を行う、いわゆるオンライン検査には適用困難で
ある。

【００１０】そこで、本発明は、超音波の金属薄板に対
する入射角が変動するのを抑制して、欠陥等の検出精度
を良好に向上させることのできる金属薄板の超音波探傷
装置を提供することを目的としてなされた。

【００１１】

【課題を解決するための手段および発明の効果】上記目
的を達するためになされた請求項１記載の発明は、金属
薄板に超音波を斜入射して該金属薄板に板波を発生する
と共に、該金属薄板から同一経路を介して返送される超
音波を受信する超音波送受信手段と、該超音波送受信手
段を内部に保持すると共に、上記超音波送受信手段と上
記金属薄板との間に液状の超音波伝播体を保持する保持
手段と、該保持手段を、上記金属薄板上に支持する支持
手段と、上記保持手段を、上記金属薄板に対して一定方
向に相対移動可能とする移動手段と、を備えた金属薄板
の超音波探傷装置において、上記超音波送受信手段が、
上記一定方向とは直交しない方向に超音波を斜入射する
と共に、上記支持手段が、上記一定方向と直交する方向
の両側から上記保持手段を支持することを特徴としてい
る。

【００１２】このように構成された本発明では、保持手
段内部に保持された超音波送受信手段は、超音波伝播体
を介して金属薄板に超音波を斜入射し、その金属薄板に
板波を発生すると共に、その金属薄板から同一経路を介
して返送される超音波を受信する。この超音波の受信状
態に応じて金属薄板の欠陥等が検出可能となる。また、
移動手段は、保持手段を金属薄板に対して一定方向に相
対移動可能としており、これによって、金属薄板の欠陥
等をオンラインで検出することが可能となる。

【００１３】ここで、保持手段を金属薄板上に支持する
支持手段は、上記一定方向と直交する方向（以下、横方
向という）の両側から保持手段を支持するので、保持手
段の揺動を良好に防止することができ、延いては、その
内部に保持された超音波送受信手段の揺動を良好に防止
することができる。このため、本発明では、超音波の金
属薄板に対する入射角が変動するのを抑制して、欠陥等
の検出精度を良好に向上させることができる。

【００１４】なお、超音波の入射方向に保持手段が存在
し、金属薄板を押圧していると、板波の伝播に影響を及
ぼす可能性があるが、本発明では、超音波送受信手段
が、上記一定方向とは直交しない方向に超音波を斜入射
する。すなわち、超音波送受信手段は、保持手段が存在
しない方向に超音波を入射するのである。このため、上
記押圧による影響を排除して、板波を用いた検出が良好
に行える。従って、本発明では、欠陥等の検出精度をき
わめて良好に向上させることができる。

【００１５】請求項２記載の発明は、請求項１記載の構
成に加え、上記超音波送受信手段が、上記一定方向に対
して０〜８０°または１００〜１８０°の角をなす方向
に超音波を斜入射することを特徴としている。すなわ
ち、本発明では、超音波送受信手段による超音波の入射
方向を、横方向回りに１０°以上離れた方向に設定して
いる。超音波の入射方向が横方向からこの程度ずれてい
ると、支持手段の金属薄板との接触面積を充分に確保す
ると共に、支持手段が板波の伝播に与える影響を充分に
排除することができる。このため、本発明では、保持手
段を一層良好に支持して入射角の変動を防止すると共
に、板波の伝播状態を一層良好にすることができる。従
って、請求項１記載の発明の効果に加えて、欠陥等の検
出精度を一層良好に向上させることができるといった効
果が生じる。

【００１６】なお、本発明において、上記０〜８０°ま
たは１００〜１８０°の角は、上記一定方向に対して左
右どちら側にとってもよい。請求項３記載の発明は、請
求項１または２記載の構成に加え、上記保持手段が、内
部に上記超音波送受信手段および超音波伝播体を保持す
る中空のタイヤ状に形成されると共に、上記支持手段が
上記保持手段と回転軸を共有する一対のタイヤ状に形成
され、上記保持手段および上記支持手段が、自身が回転
することにより上記金属薄板に対して上記一定方向に相
対移動することを特徴としている。

【００１７】このように、本発明では、保持手段および
支持手段が共にタイヤ状に形成され、それらが同軸上に
回転することにより金属薄板に対して上記一定方向に相
対移動する。すなわち、保持手段および支持手段が移動
手段を兼ねている。また、保持手段および支持手段が同
軸上に回転しながら移動するので、両者の位置関係が、
移動中にもきわめて良好に保持される。このため、入射
角の変動を一層良好に防止することができる。従って、
本発明では、請求項１または２記載の発明の効果に加え
て、装置の構成を一層簡略化すると共に、欠陥等の検出
精度を一層良好に向上させることができるといった効果
が生じる。

【００１８】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態を図面
と共に説明する。図１は、本発明が適用された超音波探
傷装置１の構成を表す断面図である。なお、この超音波
探傷装置１は、タイヤ内充填液（水でもよく、また、後
述のように水と不凍液との混合液であってもよい）を満
たしたゴムタイヤ３内に、振動子５を傾けて配設したい
わゆるタイヤ探触子型の超音波探傷装置である。

【００１９】ゴムタイヤ３の両隣には硬質ゴム製の一対
の補助輪７，８が配設され、ゴムタイヤ３および補助輪
７，８は、支軸９ａを介して支持部９に同軸上に回転自
在に固定されている。そして、このゴムタイヤ３、振動
子５、補助輪７，８、および支持部９によってタイヤ探
触子１１が構成されている。

【００２０】次に、図２に示すように、タイヤ探触子１
１には更に、振動子５を振動させて超音波を発生する電
気信号（以下、励起信号という）と、振動子５が超音波
を受信して発生する電気信号（以下、検出信号という）
とを弁別する信号弁別器１３が設けられている。また、
タイヤ探触子１１は、信号線１７を介して、次のように
構成された演算部２１と電気的に接続されている。

【００２１】演算部２１は、超音波の振動数に応じた励
起信号を発振する発振器２３と、その励起信号を増幅し
てタイヤ探触子１１の信号弁別器１３へ送信するＲＦ
（ラジオ・フリークエンシー）アンプ２５と、タイヤ探
触子１１の上記検出信号を受信して図示しないモニタ装
置などを駆動する超音波探傷器２７とを備えている。な
お、信号弁別器１３はタイヤ探触子１１と別体に設けて
もよい。

【００２２】このように構成された超音波探傷装置１は
次のように動作する。ゴムタイヤ３および補助輪７，８
は、図１に示すように、金属薄板（例えばアルミニウム
板）３１上に載置される。そして、金属薄板３１が支軸
９ａと直交方向に搬送されることにより、ゴムタイヤ３
および補助輪７，８が回転し、タイヤ探触子１１が金属
薄板３１に対して相対移動する。なお、図３に示すよう
に、振動子５は、タイヤ探触子１１の相対移動の方向
（進行方向）に対して所定角ψ（０°≦ψ≦８０°）の
方向に超音波を発振する。また、振動子５が超音波を発
振する方向は、振動子５を周知の角度変更機構を介して
支持することにより可変としてもよい。

【００２３】このように構成された超音波探傷装置１で
は、発振器２３が励起信号を発振すると、その励起信号
はＲＦアンプ２５にて増幅された後、信号弁別器１３を
介して振動子５に伝達される。すると振動子５は、図１
に示すように、超音波ビーム３７をタイヤ内充填液を介
して金属薄板３１に入射し、この入射角θが前述の所定
条件を満たすとき金属薄板３１に板波３３が発生する。
この板波３３は、金属薄板３１内の欠陥（空隙や非金属
介在物）３５や板端３１ａに反射されると、同じ入射経
路を戻って振動子５に到達し、振動子５はその反射波に
応じた検出信号を発生する。この検出信号は超音波探傷
器２７に入力され、超音波探傷器２７はその検出信号に
応じてモニタ装置を駆動する。このため、金属薄板３１
を搬送しながら上記モニタ装置の波形を観察することに
より、金属薄板３１の欠陥を検出することができる（例
えば図５参照）。

【００２４】なお、金属薄板３１を搬送する構成として
は、次のように種々の形態を採用することができる。例
えば、図４（Ａ）に示すように、表面に金属薄板３１を
巻き付けた回転ドラム４１を、ベルト４２を介してモー
タ４３で回転させてもよい。また、図４（Ｂ）に示すよ
うに、一対のドラム４４の間に金属薄板３１をベルト状
に巻き付け、そのドラム４４をモータ４５によって回転
させてもよい。この場合、タイヤ探触子１１は、いずれ
か一方のドラム４４に隣接配置することが、その位置を
安定させる上で望ましい。更に、図４（Ｃ）に示すよう
に、巻回して金属コイル４６とした金属薄板３１を、ド
ラム４７，４８を介して他の金属コイル４９に巻き取っ
てもよい。この場合も、タイヤ探触子１１は、ドラム４
７または４８に隣接配置することが、その位置を安定さ
せる上で望ましい。

【００２５】次に、欠陥の反射特性について示す。前述
のように、振動子５が発生する超音波の周波数ｆおよび
金属薄板３１の板厚ｄの積ｆ・ｄと、板波モードとか
ら、板波３３の位相速度Ｃが求められる。振動子５から
発せられた超音波ビーム３７はタイヤ内充填液中を伝わ
り、ゴムタイヤ３を介して金属薄板３１に入射する。タ
イヤ内充填液中の音速をＣｉとすると前述の式（１）の
関係が成り立つとき、すなわち入射角θが次式を満たす
とき、板波３３が発生する。

【００２６】 Ｃｉ＝Ｃ・ｓｉｎθ （２） 一方、タイヤ内充填液中の波長をλｉ，板波３３の波長
をλとすると、以下の関係がある。 Ｃｉ＝ｆ・λｉ （３） Ｃ ＝ｆ・λ （４） 従って、ｆ・ｄおよびｆが決められれば、板波３３の位
相速度Ｃが決まり、その波長λも決定される。図６にア
ルミニウム板の場合での理論的に計算された板波３３の
位相速度Ｃとｆ・ｄの関係を示した。次に、図６から求
められた位相速度Ｃを式（４）に代入して、板波３３の
波長λと周波数ｆとの関係を図７に示した。但し、板厚
ｄは０．３ｍｍとした。この結果から分かるように、周
波数ｆを高くすることによって、波長λが短くなり、欠
陥の反射効率も増加する。また、周波数が１０ＭＨｚ付
近以下では、Ａ₀ モードの方がλが小さく、微小欠陥検
出に適することが分かる。

【００２７】

【実施例】次に、この超音波探傷装置１を実際に製造し
（実施例）、図９に例示した従来の超音波探傷装置５１
（比較例）とその特性を比較した。この実験条件を以下
に示す。

【００２８】金属薄板３１，８１としてＡ３００４（Ｊ
ＩＳＨ４０００参照）で、厚さ０．３mm，幅４００mm，
長さ１５００mmのアルミニウム薄板を使用し、人工欠陥
（円柱形の穴）を一つ設けた後、図４（Ａ）に示すよう
に回転ドラム４１に巻き付けた。超音波の発振方向はθ
＝３４°，ψ＝４５°としてＡ0 モードの板波３３，８
３を発生し、超音波の周波数ｆは８ＭＨｚとした。ゴム
タイヤ３，５３は、厚さ０．９mmのウレタンゴムにより
製造し、タイヤ内充填液充填後の自然状態における直径
を１００mm、幅を５０mmとした。タイヤ内充填液として
は水と不凍液との混合液を使用した。更に、補助輪７，
８，５７は、硬度９０以上のウレタンゴムにより直径１
０６mmに形成した。

【００２９】また、回転ドラム４１の直径は、ゴムタイ
ヤ３，５３の直径で割り切れない値とした。このため、
回転ドラム４１を一回転させる毎に、ゴムタイヤ３，５
３の異なる回転角において上記人工欠陥が検出される。
そこで、上記人工欠陥の信号強度と、その検出時におけ
るゴムタイヤ３，５３の回転角とを対応付けてプロット
したのが図８である。図８に示すように、実施例では比
較例に比べて欠陥信号強度のタイヤ回転角に依存するば
らつきが小さくなり、欠陥信号強度が全体的に大きくな
った。これは、次の理由によるものと考えられる。

【００３０】ゴムタイヤ３，５３では、肉厚の不均一や
多少の偏心は免れることができず、ゴムタイヤ３，５３
の回転中に支軸９ａ，５９ａが上下左右に揺動するいわ
ゆるさい差運動が発生する傾向がある。このさい差運動
が発生すると振動子５，５５が揺動し、超音波ビーム３
７，８７の入射角θが変動して欠陥信号強度も変動す
る。比較例では、ゴムタイヤ５３の片側にのみ補助輪５
７を設けているので、支軸５９ａのさい差運動を充分に
防止することができず、欠陥信号強度に前述のような大
きなばらつきが発生すると共にその欠陥信号強度が低下
した。

【００３１】これに対して、実施例では、ゴムタイヤ３
の両側に補助輪７，８を設けたので、支軸９ａのさい差
運動を良好に防止することができ、欠陥信号強度のばら
つきが前述のように小さくなると共にその欠陥信号強度
が大きくなった。よって、本実施例では、欠陥等の検出
精度を良好に向上させることができる。また、このた
め、超音波探傷装置１の位置等を初期設定する作業も容
易となる。

【００３２】なお、超音波ビーム３７の入射方向に補助
輪８が存在し、金属薄板３１を押圧していると、板波３
３の伝播に影響を及ぼす可能性がある。これに対して、
本実施例では、超音波ビーム３７の入射方向をψ＝４５
°とし、補助輪８はψ＝９０°の方向で金属薄板３１を
押圧している。このため、本実施例では上記押圧の影響
を排除することができ、欠陥等の検出精度をきわめて良
好に向上させることができる。

【００３３】また、本実施例では、タイヤ内充填液およ
び振動子５（超音波送受信手段）を保持するゴムタイヤ
３（保持手段）と、そのゴムタイヤ３を金属薄板３１上
に支持する補助輪７，８（支持手段）とが、自身が回転
することにより金属薄板３１上を移動する（すなわち、
移動手段を兼ねる）ので、装置の構成を簡略化すること
ができる。しかも、ゴムタイヤ３および補助輪７，８は
同軸上に回転しながら移動するので、両者の位置関係
が、移動中にもきわめて良好に保持される。このため、
入射角θの変動を一層良好に防止することができ、欠陥
等の検出精度を一層良好に向上させることができる。

【００３４】以上、本発明の実施の形態について例を挙
げて説明したが、本発明は上記実施の形態になんら限定
されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で
種々の形態で実施することができる。例えば、補助輪８
が板波３３の伝播に及ぼす影響は、ψ≠９０°であれば
一応排除することができるので、ψを９０°以外の種々
の角度に設定することができる。但し、０°≦ψ≦８０
°または１００°≦ψ≦１８０°とすると、補助輪８と
金属薄板３１との接触面積を充分に確保すると共に、上
記影響を充分に排除することができ、欠陥等の検出精度
を一層向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用された超音波探傷装置の構成を表
す断面図である。

【図２】その超音波探傷装置の信号系統を表すブロック
図である。

【図３】その超音波探傷装置の構成を表す横断面図であ
る。

【図４】金属薄板の搬送機構の構成を例示する説明図で
ある。

【図５】その超音波探傷装置のモニタ画面を例示する説
明図である。

【図６】ｆ・ｄと位相速度との関係を例示する説明図で
ある。

【図７】超音波周波数と板波波長との関係を例示する説
明図である。

【図８】実施例におけるタイヤ回転角と欠陥信号強度と
の関係を表す説明図である。

【図９】比較例の超音波探傷装置の構成を表す断面図で
ある。

【図１０】その超音波探傷装置による板波の発生原理を
表す説明図である。

【図１１】板波モードを例示する説明図である。

【図１２】各モードにおける、ｆ・ｄと入射角との関係
を例示するマップである。

【図１３】鋼板に対する欠陥体積と欠陥エコーレベルと
の関係を例示する説明図である。

【符号の説明】

１…超音波探傷装置 ３…ゴムタイヤ ５
…振動子 ７，８…補助輪 ９…支持部 ９
ａ…支軸 １１…タイヤ探触子 ２１…演算部 ３
１…金属薄板 ３３…板波 ３７…超音波ビーム ４
１…回転ドラム

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属薄板に超音波を斜入射して該金属薄
   板に板波を発生すると共に、該金属薄板から同一経路を
   介して返送される超音波を受信する超音波送受信手段
   と、 該超音波送受信手段を内部に保持すると共に、上記超音
   波送受信手段と上記金属薄板との間に液状の超音波伝播
   体を保持する保持手段と、 該保持手段を、上記金属薄板上に支持する支持手段と、 上記保持手段を、上記金属薄板に対して一定方向に相対
   移動可能とする移動手段と、 を備えた金属薄板の超音波探傷装置において、 上記超音波送受信手段が、上記一定方向とは直交しない
   方向に超音波を斜入射すると共に、 上記支持手段が、上記一定方向と直交する方向の両側か
   ら上記保持手段を支持することを特徴とする金属薄板の
   超音波探傷装置。
2. 【請求項２】 上記超音波送受信手段が、上記一定方向
   に対して０〜８０°または１００〜１８０°の角をなす
   方向に超音波を斜入射することを特徴とする請求項１記
   載の金属薄板の超音波探傷装置。
3. 【請求項３】 上記保持手段が、内部に上記超音波送受
   信手段および超音波伝播体を保持する中空のタイヤ状に
   形成されると共に、 上記支持手段が上記保持手段と回転軸を共有する一対の
   タイヤ状に形成され、 上記保持手段および上記支持手段が、自身が回転するこ
   とにより上記金属薄板に対して上記一定方向に相対移動
   することを特徴とする請求項１または２記載の金属薄板
   の超音波探傷装置。