JPS62172260A - 表面波探触子 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は弾性部材の表面に超音波の表面波を伝播させた
ときの伝播速度、伝播時間、伝播距離などをｆｌｌｌ！
定するための表面波探触子に関するものである。

〔従来の技術〕

第７図は従来の表面波探触子の上記利用分野における使
用状態例を説明する断面図である。同図のなかで示され
るように、従来の表面波探触子１゜１′は振動子１ａ、
１″ａと遅延材（一般にアクリル樹脂）　ｌｂ、ｌ’ｂ
を有し、遅延材１ｂ、ｌ’ｂを伝播する超音波の速度と
試験体３を伝播する超音波の速度との相違によってモー
ド変換を生じさせ、超音波の表面波を発信したり、受信
したりするものである。

第７図の例で述べると、発信側の表面波探触子１の振動
子１ａから超音波を発信し、遅延材１ｂを伝播させて試
験体３に表面波を伝播させる。試験体３には、接触媒質
４を介して音波をある角度以上で入射させると、音波の
モード変換によって表面波が試験体３の表面部を矢印Ａ
の方向に伝播する。

そして、受信側の表面波探触子１′　において、接触媒
質４′　と遅延材１ｂ’を伝播して振動子１’ａに音波
が受信される。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来の表面波探触子１．１′は一般に広く使用され
ているものであるが、音波の伝播速度。

伝播時間、伝播距離などを正確に測定しようとする場合
には不十分であった。

すなわち、第７図の例で述べると、まず、探触子１及び
１′の接触面１ｃ及びｌ’ｃは音波の進行方向Ａに対し
て幅があるので、距離りを設定しようとする場合に正確
な基準点が得られない。また、１ｃ及びｌ’ｃは平面で
あるので、例えば、試験体３表面の凹凸状況、試験体表
面との平行関係などにもとづく試験体３への接触状態の
わずかな相違によっても、試験体３への音波の入射位置
及び試験体３からの受信位置に変動を生じる。

さらに、接触媒質４，４′の材質、特性、厚みなどによ
って表面波の発信量と受信量に変動を生じる。これらに
より、音波の伝播時間及び伝播距離りに変動を生じて正
確な測定が不可能となる。

本発明は、上記問題点を解決するためなされたものであ
って、音波の伝播速度、伝播時間、伝播距離などの正確
な測定を可能とするものである。

そして、本発明により得られる探触子を利用して、後述
するように、物体の表面に作用している応力値、物体の
表面に発生している亀裂の深さなどを非破壊的に測定す
ることを可能にしたものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は鋭意追究の結果、実施例を説明する第１図にて
示されるように、従来の表面波探触子１と試験体３との
間に表面波伝達体２を介在させることにより得られたも
のである。実施例を説明するための断面図を引用しなが
ら本発明の要点を次に述べる。

（１）第７図にて示した従来の表面波探触子１を直接試
験体３に当接した場合の問題点を解消するため、第１図
にて示すように表面波伝達体２の先端部２ａを線状に当
接するようにした。図面は断面図にて画かれているため
点状のようにも見えるが。

実際は紙面の直角方向に厚みがあるため線状の接触をし
ている。試験体３との接触は、点状の接触を理想とする
が、超音波の減衰が著しくなって、十分に伝達されなく
なる。したがって、実用性を考慮すれば、超音波の出力
が許容する範囲で点に近づいて線状の接触にするのが好
ましい。

こうすることによって、表面波探触子１より発信された
超音波は伝達体２の表面２ｂを伝播し、先端部２ａにて
試験体３の表面に伝達され、矢印Ｂの方向に伝播される
。そして、先端部は上述のように線状の接触をしている
ので、安定した接触状態及び接触位置が得られるのであ
る。

なお、逆に音波の伝達能力を特に必要とする場合は、第
５図に示すように、先端部２Ｃに丸味をもたせ、音波が
矢印Ｃのように伝達するようにすればよい。この場合、
先端部２ｅの接触は幅の狭い帯状になっている。そして
、上記線状接触の場合に比べて接触幅に相応する面積を
有しているので。

接触精度はやや劣るが、第７図にて示すような従来例に
比べてはるかに向上していることは明らかである。

以上は発信用探触子の場合について説明したが。

受信用探触子の場合は発信用の場合の矢印の逆方向に伝
播されてきた音波が受信され、同様の効果が得られる。

（２）例えば第３図にて示すように、くさび形の伝達体
２の２ｂ面に探触子１の接触面１ｃを当接した場合、表
面波の進行方向（矢印Ｄ）に鋭い角部があると表面波の
減衰が大きいので、丸み２ｄｔ！：設けることにより解
決した。この場合、丸みの曲率半径は用いられる表面波
の波長よりも大きければ良いのであるが、なるべく大き
くするほうが好ましい。

なお、受信用探触子の場合も同様しこ丸みを設けること
によって表面波の減衰が防止される。

〔実施例〕

第１図から第６図及び第８図、第９図は本発明の詳細な
説明する断面図である。第１３図はさらに他の実施例を
説明する正面図である。各図とも共通するものについて
は同一の符号をつけた。

実施例１ 第１図及び第２図はそれぞれ本発明探触子の第１実施例
を示す。いずれの場合も探触子１の接触面１ｃと伝達体
２の２ｂ面とは接着剤（図示せず）によって固定しであ
る。これらの場合、接着剤が媒体の役目を果している。

こうすることによって、振動子１ａから発信され遅延材
１ｂを伝播した音波の表面波へのモード変換を安定化さ
せた。これらの実施例探触子の伝達体２の先端部２ａを
試験体３の表面に線状に当接すると、表面波は２ｂ面か
ら矢印ＢまたはＧの方向に伝播して試験体３の表面に伝
達される。

実施例２ 第３図及び第４図はそれぞれ本発明探触子の第２実施例
を示す。いずれの場合も探触子１と伝達体２との固定は
実施例１と同じであるが、さらに伝達体２の表面の音波
伝播方向（矢印Ｄ）に鋭い角部があると音波が減衰する
ので、角部２ｄに丸みを設けたものである。この角部２
ｄの曲率半径は伝播する音波の波長よりも大きければよ
い、これらの実施例探触子の伝達体２の先端部２ａを試
験体３の表面に線状に当接すると、表面波は２ｂ面から
矢印り、Ｅ、Ｆまたはり、Ｅ、Ｈの方向に伝播して試験
体３の表面に伝達される。

実施例３ 第５図及び第６図は本発明の第３実施例を示す。

これらの場合も、探触子１と伝達体２との固定及び音波
の伝播方向は実施例１または実施例２と同じであるが、
さらに先端部２ｃに丸味を設けたものである。音波は矢
印Ｃまたはり、Ｅ、Ｃのように伝播し、伝達体２の音波
の伝達性は向上するが、先端部２ｅは幅をもって接触し
ているので、線状接触したものに比べて接触精度が若干
者る。したがって、先端部２８の幅は設計的に可能な範
囲で狭くして線状接触に近づけるのが好ましい。

実施例４ 第８図及び第９図は本発明探触子を用いて表面波が伝播
するときの速度すなわち音速度を測定する応用例を説明
するための図である。

第８図にて示すように、試験体３の表面に送信用探触子
１及び２と受信用探触子１′及び２′を任意間隔Ｍをあ
けてあてる。超音波送受信器（図示せず）からパルス電
流を送信用探触子１に供給すると超音波の表面波は試験
体３の表面を矢印Ｊの方向に伝播し、受信用探触子１′
で電気信号に変えられ、超音波送受信器で増幅される。

そして、音速測定器（図示せず）により、送信用探触子
の接触位置２ａと受信用探触子の接触位置２’ａとの距
離Ｍを伝播した超音波の伝播時間から演算して音速度が
得られる。

第９図は、他の応用例として、試験体３の表面に送信用
と受信用を兼備した送受信探触子５及び２をあてて接触
位置２ａから任意の間隔Ｎをあけて反射用の金属体６を
貼付して測定する例である。

超音波送受信器（図示せず）からパルス電流を送受信探
触子５に供給すると、超音波の表面波は試験体３の表面
を伝播して反射用の金属体６に到着する。反射用の金属
体６のところで表面波の一部は反射されて送受信用探触
子２及び５に戻ってくる。同図において矢印には表面波
の伝播方向を示す。戻ってきた表面波は送受信探触子５
により電気信号に変えられ、超音波送受信器により増幅
される。探触子の接触位置２ａと反射用の金属体６との
間の１往復距離ＮＸ２と超音波が１往復した時間から音
速測定器（図示せず）により音速度が演算して得られる
。

これらのようにして精度良く表面波の音速度を測定する
ことにより、試験体表面部の材質判定、試験体表面に作
用している応力値の判定などが可能となる。すなわち、
試験体はその材質特有の音速変位を有している。そして
、圧縮応力の増加とともに音速度は直線的に増加し、引
張応力の増加とともに音速度は直線的に減少する。した
がって、試験体と同一材質または類似材質の音速度と応
力の関係をあらかじめ求めておけば、試験体の音速度を
測定することによって材質や発生している応力値が非破
壊的に判明するのである。なお、音速度と応力の関係は
試験体と同一または類似材質の試片に圧縮荷重または引
張荷重を加えなから試片の音速度を測定することによっ
て得られる。

本実施例の方法を用いて圧延用ロールの表面に発生して
いる残留応力の測定例を次に述べる。第１表ａ行及びｂ
行に示す化学成分及び硬さの圧延用ロール材について、
平行部面径２０ｍｍ、平行部長さ５０ｍｍの引張試片及
び圧縮試片を作製した。

万能試験機を用いて、この試片に引張荷重または圧縮荷
重を加えると同時に５第９図に示す方法で平行部表面の
音速度を測定した。用いた超音波は第１表 周波数５ＭＨｚ、送受信用探触子５の接触位置２ａと反
射用金属体６間の距離Ｎは１５ＩＩＩＩ１１である。荷
重を変えながらそのときの音速度を測定し、発生した応
力と音速度変化率との関係を示すと、グレンロール材の
場合は第１０図、アダマイトロール材の場合は第１１図
のような直線関係になる。これらの図において、縦軸は
音速度変化率で示したが、次式で求められる値である。

■。

ｖｌ：荷重を加えた状態における音速度（ｍ／　ｓ　）
ｖｏ：荷重を加えていない状態における音速度（ｍ／ｓ
） 次に、胴径が６３５）〜８３２ａｍ、胴長が１４２２〜
２２５０ｍｍの各種寸法のグレン系材質。

アダマイト系材質の圧延用実物ロールについて、第８図
にて示す測定法を用いて音速度変化率を測定し、それぞ
れの材質について第１０図または第１１図の関係から表
面の残留応力値を求めた。音速変度化率測定後は、従来
法の一つである表面解放法によってロール表面に実在し
ていたロール回転軸方向の残留応力値を測定した。なお
＋　Ｖｌは残留応力が存在している胴中央部寄りにて測
定し、Ｖｏはロール回転軸方向の残留応力が殆ど解放さ
れている胴端から３５ｍｍの位置にて測定した。

表面解放法によって求めた残留応力値と本発明探触子を
利用した音速変法によって求めた残留応力値との関係を
第１２図に示す。同図において、白丸印および直線Ｐは
グレン系材質のロールの場合、黒丸印および直線Ｑはア
ダマイト系材質のロールの場合であって１両材質とも従
来の表面解放法と本発明探触子利用法との間には直線の
相関関係のあること及び本発明探触子を用いて残留応力
を非破壊的に測定することが可能であることがわかる。

実施例５ 第１３図は本発明の他の応用例として破壊靭性試験片の
疲労予亀裂の深さ測定に用いた例を説明する正面図であ
る。

試験片７は支点Ｒ及びＳで支持して荷重Ｔを加える３点
曲げ試験用のものである。発信用探触子１及び２の線状
接触位置２ａから発信された表面波は矢印Ｕのようにし
て試験片の表面７ａを伝播し、線状接触位置２’ａにて
探触子１′及び２′にて受信される。最初、溝底７ｂに
亀裂が発生していない状態で表面波が伝播する速度すな
わち音速度、伝播距離（判明している）、伝播時間を求
めておく。次に。

疲労予亀裂７ｃが発生した後に、同様にして測定すると
、表面波は亀裂７ｃの先端を迂回するのでそれだけ伝播
時間が長くなってくる。このとき音速度がすでに判明し
ており、伝播時間が測定されるので、亀裂７ｃの深さを
知ることができる。

〔発明の効果〕

本発明の探触子は、表面波の伝達位置の精度を顕著に向
上させることによって、伝播時間及び伝播速度の正確な
測定を可能にしたものである。

そして、超音波の表面波を用いて残留応力の測定、亀裂
深さの測定などを可能にしたものであるが、単にこれら
の実施例のみに利用が限られるものではない。組み立て
られた状態にある機械や構造物の部材のように試験体が
どのような状態にあっても、超音波の表面波が伝播する
速度（音速度）を測定することにより、表面に発生して
いる応力値や亀裂深さなどを非破壊的に測定することを
可能にし、表面波が伝播する弾性体であればすべての物
体に適用できるものである。

このように、本発明の探触子は簡便であるとともに広く
工業製品の管理に効果を発揮するものである。

【図面の簡単な説明】 第１図から第６図はそれぞれ本発明探触子を説明するた
めの断面図、第７図は従来の探触子を用いて表面波の伝
播速度を測定する方法を説明するための断面図、第８図
及び第９図は本発明の探触子を用いて表面波の伝播速度
を測定する方法を説明するための断面図、第１０図及び
第１１図はそれぞれグレンロール材及びアダマイトロー
ル材の応力と音速度変化率との関係を示す図、第１−２
図はロール表面に存在している従来の表面解放法により
測定した残留応力値と本発明の音速魔法により測定した
残留応力値との関係を示す図、第１３図は破壊靭性試験
片の亀裂深さを本発明探触子を用いて測定する方法を説
明するための正面図である。 １．１′：探触子　　　２．２′：伝達体３　　　：試
験体　　　４．４′：接触媒質５　　　：送受信探触子
６　　　：反射用金属体７　　　：破壊靭性試験片 ｙｌＣ１図　　　　　　第２区 第３図　　　　　　第４ｚ ＊５１Ｋ　　　　　　　第６図 第　７２ 第　　Ｂ　　図 第　９２ 第１０２ 第１１図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）振動子と遅延材とを有する超音波の表面波用探触
   子の探触面に表面波伝達体を当接して設け、前記表面波
   伝達体の試験体と当接する部分は線状もしくは幅の狭い
   帯状に接触するようにしたことを特徴とする表面波探触
   子。
2. （２）前記表面波伝達体の表面波進行方向または受信方
   向に角部がある場合、その角部に丸みが設けられている
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の表面波探
   触子。