JPS59126948A - 超音波振動子アレイ - 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】 この発明はバッキング材上に設けたｔｕ数の超音波振動
子に対してそれぞれ独立に遅延信号を印加することによ
って超音波波面が扇形状になるようにして被検材の欠陥
、険査を行ういわゆるセクタスキャンによる超音波探傷
方法に用いる超音波振動子アレイに関するものである。

まず第１図を用いて従来のこの種超音波振動子アレイ（
以下単にアレイ）について簡単に説明する。同図におい
て、（１）はセクタスキャン用のアレイであって、バッ
キング材（２）とこのバッキング材（２）の一方の面に
直筬にしかも互いに独立して設けられた復νの振動子Ａ
１〜Ａ１１とからできている。

上記振ｕ′ＩＩ子Ａ１〜Ａ１１はそれぞれ対応する遅延
回路Ｄ１〜Ｄ４．につながっている。なお、上記遅延回
路Ｄ　−Ｄ　　のそ扛ぞれ一端は共通に信号ラインを介
１　　　１１ して図示していない基準信号発生源（でりながっている
。（４）は上記アレイによって探傷される被検材であっ
て、ここでは便宜上、上記被検材（４）の欠陥を点線で
囲むＦおよびＦ２で示している。このよう１ な従来の構成において、上記信号ライン（３）に基準パ
ルスＰと与えたとすれば、上記遅延回ｉ＃ＪＤ１〜Ｄ１
１からそれぞれ遅延パルスＰ１〜Ｐ１．が送信される・
なお、ＰｌとＰｌｌ、Ｆ２とＰ、。、Ｆ３とＰ、。

Ｆ４とＦ８．そしてＦ５とＦ７は送信のタイミングが同
じである。上記遅延パルスＰ１〜Ｐ１１はそれぞれ上記
振動子Ａ１〜Ａ１１を励振し、それぞれの撮動子からそ
れぞれ超音波ビームＢ１〜Ｂ１．が発生する。ａ音波ビ
ームＢ１〜Ｂ５およびＢ７〜Ｂ１１はθ１だけ偏向角を
もっている。上記超音波ビームＢ１〜Ｂ１１の９ち、超
音波ビームＢ２〜Ｂ４により欠陥Ｆ、が検出される。

ところで、このような従来の方法においては。

次の２つの欠点がある。すなわち、Ｖ′）遅延回路Ｄ１
〜Ｄ１１には自ずと遅延喰には限界があシ、従って偏向
角θ１の最大値に限界が生ずる。よって同図において被
検材（４）の欠陥Ｆ２のような欠陥は上記アレイの回向
角の外にあシ、とのアレイでは検出できない。すなわち
、従来のこの種アレイを用いた検査では、被検材中に検
出不可能な部分か残ることになる。（イ）バッキング材
（２）上に直線的に振動子が並設さｆしているので、並
んでいる方向に対する欠陥検出にはよいが１紙面に対し
て垂直な方向の欠陥に対しては不十分である。すなわち
１紙面に対して垂直な方向の欠陥の検出について上記の
超音波ビームによってカバーさ７しる範囲外となるため
、もしこの範囲外の被検材の状態を知ろうとするなら、
振動子アレイを紙面に対して垂直方向へ小刻みに移動さ
せながら検査する必要がある。

この発明は上述した従来のアレイの２つの欠点を改善す
るもので、アレイが当接する被検材の面内の欠陥をよシ
広い範囲にわたって一度に把握できるようにしたもので
、以下第２図〜第６図を用いて説明する。

第２図は上記従来の問題点刀を改善するだめの一実施例
である。図に示すようにバッキング材の一方の面に複数
の超音波振動子を並設しだアレイのうち１両端側の所定
の数の振動子の向きは所定の角度で外側に向いている。

（図においてＡ〜ＡＡ−Ａ　　が外向きとなっている。

）３１　９　　１１ さて同図において上記アレイを構成する振動子Ａ１〜Ａ
１１はそれぞれ遅延回路Ｄ１〜Ｄ１１に接続されている
。遅延回路Ｄ１〜Ｄ、１からはそれぞれ遅延、ｓ。

ルスＰ　、　Ｐ　　が送られ、遅延パルスＰ〜Ｐ　はそ
１　　　１１　　　　　　　　　　　　　　　　１　　
　１１れぞれ振動子Ａ１〜Ａ１１に印加される。よって
個々の振動子は振動子に印加された遅延パルスにより励
振され、超音波を発生する。遅延ノ櫂ルスＰ１〜Ｐ　　
Ｆ、およびＰ、〜”１１は送信のタイミンクが同１　　
６ じになっている。また、遅延パルスＰ４とＦ８およびＦ
５とＰ、４送信のタイミングが同じである。Ｂ１〜Ｂ　
は振動子Ａ１〜Ａ１１からそれぞれ発生した超１ 音波である。超音波ビームＢ１〜Ｂ３おヨヒＢ、〜Ｂ１
１は送信のタイミングが同じなので超音７ノツビームＢ
１〜Ｂ、およびＢ、〜Ｂ１１によるｖｌｍはたとんば垂
直縦波振１・υ子を仮定すると、それぞれ振動子Ａ１〜
Ａ６およびＡ、〜Ａ１１の底面に平行にそろい、被検材
（４）　Ｋ入射して屈折角θ２で屈折する。また、超音
波ビームＢ４’　Ｂ５’　Ｆ７およびＦ８は偏向角θ１
をもっている。

ところで前述したように、従来の直線状に並んでいたア
レイでは幅向角θ１Ｖｃ限度があったので。

たとえば欠陥Ｆ２のようにアレイからの超音波ビームの
走査外に位置する欠陥は検出不可能であったが、第２図
に示した構造をもつアレイにおいて。

両端側の振動子を傾ける角度を被検材中で走査する時の
所望の屈折角になるように選定すれば、偏向角θ２よシ
走査範囲を広くでき、欠陥検出が可能となる。

なお、−両端側の傾き角度には限界があることは言うま
でもなく、すなわち、異なる媒質に超音波が入射すると
屈折角の相違により縦波と横反の両方のモードが生ずる
。このアレイを欠陥検出のためて具現化するためには、
被検材中では単一モードの超音波となるよう如構成する
必要がある。ここで第３図のよりに縦波が被検材（４）
に入射することを想定する。なお通常の超音波探傷にお
いてはアレイと被検材（４）との間に介在する接触媒質
（５）には水などの液体が常用される。従って、縦波は
被検材（４）に入射して屈折角θ　　、およびθ２Ｂで
屈折Ｌ してそれぞれ縦波および横波となる。入射角と屈折角と
の関係は第（１）式で表わされる。

ｓｉｎθ　　　ｓｉｎθ゛　　ｓｉｎθ１Ｌ　　　　　
　２Ｌ　　　　　　２８ここでＣ１Ｌは媒質（５）での
縦波の音速Ｃ２Ｌ　”　２８はそれぞれ被検材（４）で
の縦波および横波の音速である。上記第（１）式よ９１
次の第（２）、第（３）式が導かれる。

この第（２）式よりθ１Ｌがある値になるとθ２Ｌは９
０°になシ、その角度θ１Ｌすなわち縦波臨界角以上の
入射角では被検材（４）中では縦波は存在しなくなる。

また、同様に０２８が９０″　になるようなθ　もあシ
、このθ１Ｌは横波の存在する限界の入Ｌ 射角ｔなわち横波臨界角を示している。なお、縦波の音
速Ｃ２Ｌと横波の音速Ｃ２Ｓの関係はＣ２Ｌ＞０２８な
ので横波臨界角は縦波臨界角より太きい。よって、入射
角は縦波臨界角と横波臨界角の間に制限される。たとえ
ば、媒質（５）を水、被検材（４）を鉄とすると、θ　
のｆｊへ囲は１４５°〈θ１Ｌ〈２７５°となシ。

Ｌ この範囲では被検材中では横波のみとなる。

よって、被検材中で横波のみ存在させるために第３図に
示すように両１ｍ　（）ｉ！ｌの所定の数の振動子の傾
き角度θはちようど入射角θ１’Ｌと等し、くなるので
、縦波臨界角と横波臨界角の間に制限される。

第４図は、さらに前記従来の問題点（イ）を改善するよ
うになされた本発明の特徴の一つであるアレイの一実施
例である。図に示す如く、バッキング材（２）の一方の
面に格子状て配置されている各々独立している複数の振
動子のうち１両端側の所定のは行）の振動子Ａ　　　　
−Ａ　　　と異なる向きにｘｌ−ｊ＋１ｎ−に 傾いている。

第５図は第２図に示すように構成された超音波振動子ア
レイを励振するだめの方法を示すものである。なお、こ
こでは説明の便宜上１紙面に対して左から右へ（または
右から左）の向きを「列」とし、同様に下から上へ（ま
たは上から下へ）の回きを「行」と仮定する。同図にお
いて、外を向いている振動子はＡ１−１〜Ａ１１−３お
よびＡ１−２〜Ａ１１−１１である。ＳＲ７〜ＳＲ１，
は行単位如設けられ。

かつそれぞれ１１ビツトのシフトレジスタであっテ、Ｓ
Ｒ１→ＳＲ２・・・５Ｒ１１の順に従属接続されており
。

シフトレジスタＳＲ１にセットされた信号ＳＰはシフト
パルスＳＦＰによって順次左から右へ送られ、最終ビッ
トのフリップフロップから次の行に対応するシフトレジ
スタＳＲ２に送られ、以下同様に信号ＳＰは送られてい
き最後のシフトレジスタＳＲに１ 与えられる。

従って、各行単位ｒ設けたシフトレジスタ５Ｒ１ＡＸｉ
１−１　　”１１−１１の各振動子に対応烙せておけば
シフトレジスタＳＲ，〜５Ｒ１１の信号の移動に伴って
行単位に、しかも各振動子ごとに励磁され超音波か発生
する。なお、フリップフロップと振動子との接続によっ
て各行を右から左へも励振できることは言うまでもない
。さて、第５図のような接続および励振では一つの列に
ついて第２図に示す様な超音波を発生させることばでき
ない。

第２図で示す様な超音波を発生させるだめの。

振動子の励振方法を示したのが、第６図である。

ここでは、１１個の振動子を３ビツトのシフトレジスタ
で励振していく方法を示している。同図においてＳＲは
フリップフロップＦＦ１〜ＦＦ３からなるシフトレジス
タであって、ＦＦ１［ヒツトされた信号ＳＰはシフトパ
ルスＳＦＰがＦＦ１のトリガ入力端に与えられる度にＦ
Ｆ　−＋　ＦＦ２→ＦＦ３とシフトしていき、３個目の
シフトパルスが入力されるとＦＦ３のセット出力は　１
　→　０　となる。

すなわち、１個目のパルスでＦＦ２のセット出力が　１
とな、！ｌ１１．２１固目のパルスでＦＦ３の七゛ント
出力は　１　となる。Ａ１−Ａ１１は振動子であり９両
端側の所定の角度で傾けて並設されている振動子Ａ１〜
Ａ３およびＡ、〜Ａ１．と真中の１辰動子Ａ６はＦＦ１
のセット出力端に、Ａ６の両端に位置する振動子Ａ５と
Ａ７はＦＦ２のセット出力端に、そして振動子Ａ４とＡ
８はＦＦ３０セツト出力端につながっている。従って１
両端側の振動子Ａ１〜Ａ３およびＡ、〜Ａ１１と真中の
振動子Ａ６から最初に超音波が発生し２次に振動子Ａ５
とＡ７から、そして最後に振動子Ａ４とＡ８から超音波
が発生する。そして、シフトパルスの周波数に応じて各
ビットのフリップフロップから第２図に示すように遅延
パルスが生じ、それに合わせて対応する振動子から超音
波が発生する。

従って、第２図、第４図および第５図に示すような振動
子アレイの行（まだは列）単位（Ｃシフトレジスタを設
け、そのシフトレジスタを構成するフリップフロップを
第６図に示すように振動子と接続しておけば各行（また
は列）の振動子は第゛６図を用いて説明したように励振
される。そのだめ所定の６父の外を同いている振動子列
（または行）の振動子において、各行（または列）の振
動子からは同じタイミングで超音波が送信され、それ以
外の外を向いていない振動子列（または行）の振動子か
らは１行（または列）毎に波面が扇形をなす超音波が生
じ、それが全ての行から順次発生する。

なお第６図においては外側に向いていない振動子の数を
奇数とし３ビツトのシフトレジスタを設けたが、偶数の
場合には上記外側に同いてＧｉない振動子の数の２分の
１のビット数のシフトレジスタを設は中央に位置する二
つの振動子および、外側を向いている所定の数の振動子
［１ビツト目の信号を共通に与えればよい。

以上述べたようにこの発明によれば１両端側の所定の数
の振動子を所定の角度で頌けることによって、従来のこ
の種類Ｔｔ　ｔＦｉ振動子アレイよシ広い範囲の走査を
行なえる。

な２．振動子アレイの移動は、すべての行（！。

たは列）の振動子が励振された後、たとえば−列（また
は−行）分の長さたけ特願昭５３−１２１３２６号の第
４図に示すような機構を用いてスライドさせていけば被
検材の検査領域をもれなく検査することができる。

ところで、上記実施例においては振動子に与える遅延パ
ルスの遅延時間は一定の場合を示したが偏向角を変える
にはシフトパルスのパルス幅、あるいは周波数を変える
ことによって振動子に与えろ遅延信号を変えて行うこと
ができる。その場合すべての振動子に与える印加信号の
遅延時間を一様に変えることができるし、一部の振動子
を対象して変化させることもできる。そして、これらの
制御は手動設定によってもよいし、あるいはあらかじめ
探傷条件を記憶し、それを適宜実行するマイクロコンピ
ュータのような制御手段を用いてもよいなどの種々の方
策がある。

また、上記の実施例の説明においては超音波を発生させ
る」場合てついて説明したが受信の場合はシフト信号に
同期させて送信信号に対して受信して行けばよく、この
発明の要旨とする点を受信に適用できろことは直うまで
もない。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の超音波振動子アレイを説明するための図
、第２図、第５図および第６図はこの発明による振動子
の励振方法を説明するための図。 第３図は端部の所定の数の振動子の傾き角度を説明する
ための図、第４図はこの発明の％敵をなす振動子アレイ
の構成例を示す図であり、（１）は超音波振動子アレイ
、（２）はバッキング材、Ａは振動子。 ＳＲはシフトレジスタ、　ＦＦはフリップフロップであ
る。 なお９図中同一あるいは相幽部分には同一符号を示して
付しである。 代理人　　葛　野　信　− 第　１　図 第２図 第３図 第１図

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）平板状のバッキング材の一方の面罠複数の超音波
   振動子を格子状に配置した超音波撮動子アレイにおいて
   ２両端側の所定の数の振動子列（または行）の向きをそ
   れ以外の振動子列（または行）と異なる向きにしである
   ことを特徴とする超音波振動子アレイ。
2. （２）両端側の所定の数の振動子列（または行）の向き
   が所定の角度で外側に向いていて、超音波を所定の角度
   で外ｆｔ１ｌｌ　ＶＣ発生できるようにしであることを
   特徴とする特許請求の範囲第（１）頌記）浅の超音波振
   動子アレイ。
3. （３）所定の角度で外イｔ＋！！に囲いている両；ｒ■
   ｔｕの所定の叔の振動子列（まだは行）の振動子におい
   て各々の行（または行）の堀動子は同じタイミングで超
   音波を発生するようにしであることを特徴とする特許請
   求の範囲第（１）項および第（２）項記載の超音波振動
   子アレイ。
4. （４）平板状のバッキング材の一方の面に複数の超音波
   振動子を格子状に配置した超音波振動子アレイの励振方
   法において１両端（ｆｌｌｌの所定の奴の振動子列（ま
   たは行）の向きをそれ以外の県動子列（または行）と異
   なる外側に向け、と７しら外側に向いている振動子列（
   または行）の振動子におＧ）で各々の行（または列）の
   振動子はいず２’Ｌも同じタイミングで超音波を発生す
   るようになすとともに９行（または列）ごとに各行（ま
   た列）の列（または行）方向て並ぶ外側ｒ１７５］いて
   Ｇ１なＧ）所定の・叙の振動子に対して順番にパルスを
   与えてそれぞハの振動子から超音波を発生させ、ある一
   つの行（または列）の列（または行）方向の振動子から
   超音波を発生させたのち、瞬合う次の行（まだＱま列）
   の列（または行）方向の複数の振動子に対して前記と同
   様にパルスを順番に与えて超音波を発生させ、この動作
   を行（または列）単位で順番に行っていくことにより、
   上記格子状に配置した複数の振動子の特定のものから超
   音波を発生させて。 被検材内の超音波の入射方向、および入射方向と交叉す
   る面内の欠陥の形態を検出するようにしたことを特徴と
   する超音波振動子アレイの励振方法。
5. （５）平板状のバッキング材の一方の而に複数の超音波
   振動子を格子状に配置した超音波振動子アレイの励振方
   法において１両端１則の所定の数の振動子列（または行
   ）の向きをそれ以外の振動子列（または行）と異なる外
   側に向け、これら外側に向いている振動子列（行）の振
   動子において各々の行（または列）の振動子はいずれも
   同じタイミングで超音波が発生するようになすとともて
   ２行（または列）それぞれに対応してその行（または列
   ）の振動子のうち外側に向いていない振動子に対しては
   、その数が奇数の場合はその数に１を加入た叔の２分の
   １のビット数、または偶数の場合はその数の２分の１の
   ビット数のシフトレジスタを設け、そのシフトレジスタ
   の１ビツト目の１言号を上記外側に向いていない所定の
   数の振動子のうち、それら振動子の数が奇数の場合は真
   中の一つの振動子、ｉたけ偶数の場合は中央の二つの振
   動子に印加し、２ビツト目の（８号を上記中央の一つま
   たは二つの振動子とそれぞれ１宜合う二つの振動子に共
   通に印加し、以下同様にして次のビットの信号をそｎぞ
   れ対をなす振動子に共通に印加し。 最終ビットの信号を外側に向いていない所定の数の振動
   子の両端の二つの振動子に与えることにより、ある行（
   または列）の外側に向いていない所定の数の振動子に対
   し中央から両☆ｊｈ：へ回けて励振して超音波を発生さ
   せるようにしたことを特徴とする超音波振動子アレイの
   励振方法。
6. （６）平板状のバッキング材の一方の而に複数の超音波
   振１力子を格子状に配置した超音波振動子アレイにおい
   て９両端側の所定の数の振動子列（または行）の向きを
   それ以外の振動子列（または行）と異なる外側に向け、
   こノ′ムら外１１（ｌｌに同いている（辰動子列（また
   は行）の振動子において各々の行（または列）の振動子
   からいずれも同じタイミングで超音波が発生するように
   なすとともに１行（または列）それぞれに対応してその
   行（または列）の振動子のうち、外側に向いていない所
   定の数の振動子の数が奇数の場合はその数に１を加えた
   数の２分の１．または偶数の場合はその数の２分の１の
   ビット数のシフトレジスタを設け、１ビツト目の信号は
   外側に向いている所定の数の振動子。 および外側に向いていない振動子の数が奇数の場合は真
   中の一つの」辰動子、または偶数の場合は中央の二つの
   振動子に共通に印加し、２ビツト目の信号を上記中央の
   一つまたは二つの振動子とそれぞｎ隣合う二つの振動子
   に共通に印加し、以下同様にして次のビットの信号をそ
   れぞれ対をなす振動子に印加し、最終ビットの信号を外
   側に向いていない所定の数の振動子の両端の二つの振動
   子に与えることを特徴とする超音波振動子アレイの励振
   方法。
7. （７）各行（または列）にそれぞれ対応して収けられた
   シフトレジスタは超音波を発生させる行（または列）の
   順番に従属接続さγし、シフト信号は超音波発生の順に
   沿って次のシフトレジスタへ転送されるようにしである
   ことを特徴とする特許請求の範囲第＋１１項〜第（６）
   項記載の超音波振動子アレイの励振方法。