KR101716997B1 - 초음파 탐촉자 - Google Patents

Abstract

검사 대상(W)의 내부의 결함을 검출하는 초음파 탐촉자(1)는 홈부(G)의 만곡면을 향하여 초음파를 송신하는 송신 진동자(2)와, 검사 대상(W)의 내부에서 반사되어 만곡면에 전파한 반사 초음파를 수신하는 수신 진동자(3)를 구비한다. 송신 진동자(2)는 홈부(G)의 신장 방향에 직교하는 단면에서 볼 때의 홈부(G)의 만곡면에 상당하는 위치 또는 만곡면 바로 아래의 검사 대상(W)의 내부에, 송신된 초음파가 집속하는 점을 이룬다. 송신 진동자(2) 및 수신 진동자(3)는 홈부(G)의 신장 방향을 따라 인접하도록 배치된다.

Description

초음파 탐촉자 {ULTRASONIC PROBE}

본 발명은 초음파 탐상에 사용되는 초음파 탐촉자에 관한 것이다.

초음파 탐상은, 기계 부품이나 구조물 등 검사 대상의 내부에 존재하는 크랙이나 보이드 등의 물리적인 결함 및 금속 조직적인 결함(이상 합쳐서 단순히 결함이라고 칭함)을 검사 대상을 파괴하는 일 없이 검출하는 비파괴 검사의 일 수법으로서 널리 알려지는 기술이다. 초음파 탐상에는, 투과법, 펄스 반사법 및 공진법의 3종의 방식이 있다. 이 중 펄스 반사법은, 검사 대상 내부의 결함에서 반사된 초음파 펄스의 반사파를 검출함으로써, 검사 대상의 내부의 결함을 검출하는 방법이다.

펄스 반사법을 사용하여 검사 대상 내를 탐상하는 기술로서는, 검사 대상의 표면에 대해 수직으로 진행하는 초음파를 사용하여 검사 대상 내를 탐상하는 수직 탐상법이나, 검사 대상의 표면에 대해 비스듬히 진행하는 초음파를 사용하여 검사 대상 내 또는 검사 대상 피검사재 표면을 탐상하는 사각 탐상법 등, 복수의 탐상법이 있다. 또한, 검사 대상의 표면 근방을 탐상하는 기술로서는, 검사 대상의 표면 근방을 전파하는 표면 초음파를 사용한 표면 탐상법이 있다. 표면 탐상법에서는, 초음파 탐촉자로부터 표면 초음파를 송출하고, 검사 대상의 표면 또는 표면 피하에 존재하는 결함에서 반사되어 되돌아 온 반사 초음파를 초음파 탐촉자에서 수신함으로써, 검사 대상의 표면 결함 및 표면 피하 결함을 검출한다.

이와 같은 사각 탐상법 및 사각 탐상법을 사용한 초음파 탐촉자가, 특허문헌 1에 개시되어 있다.

특허문헌 1의 초음파 탐촉자는, 쐐기재의 경사면에 초음파 진동자를 설치하고, 시험체와의 접촉면을 곡면 형상으로 형성한 곡면 탐상용 초음파 탐촉자이다. 이 초음파 탐촉자는, 초음파 진동자를 그 방사 초음파가 접촉면에서 집속하도록 구각 형상으로 형성한 것을 특징으로 한다.

이와 같은 초음파 탐촉자에 의하면, 탐촉자와 시험체 사이에 갭이 발생하는 경우에도, 접촉면 에코를 억제하면서 결함의 검출이 가능해진다고, 특허문헌 1에는 기재되어 있다.

또한, 초음파 탐상을 행하는 초음파 탐촉자가, 특허문헌 2에 개시되어 있다.

특허문헌 2의 초음파 탐촉자는, 초음파를 송신하는 소자와, 검사 대상의 오목 곡면부로 상기 초음파를 전파시키는 음향 렌즈와, 상기 검사 대상으로부터의 상기 초음파의 에코를 상기 음향 렌즈를 경유하여 수신하는 소자를 구비한 초음파 탐상 장치의 초음파 탐촉자이다. 특허문헌 2의 초음파 탐촉자에 있어서는, 상기 오목 곡면부에 대면하는 상기 음향 렌즈의 면이, 상기 오목 곡면부의 곡률 반경의 2분의 1에서 3분의 2의 범위의 곡률 반경의 볼록 곡면의 형상을 갖는다. 또한, 상기 초음파를 송신하는 소자와 상기 에코를 수신하는 소자가 어레이 센서이며, 상기 송수신용 각 어레이 센서의 소자의 배열 방향이, 원통 형상의 일부의 형상을 한 상기 음향 렌즈의 볼록 곡면의 형상을 구성하는 상기 원통 형상의 중심축 방향을 향하고 있다. 또한, 상기 음향 렌즈는, 초음파의 종파 음속이 상기 검사 대상 내의 종파 음속보다도 느리게, 또한 상기 초음파 탐촉자와 상기 검사 대상 사이의 중간 매질 내의 초음파의 종파 음속보다 빠른 재질에 의해 구성된다. 또한, 상기 음향 렌즈의 내부에, 송신된 상기 초음파와 수신된 상기 에코의 전파 경로를 이격시키는 배치로, 음향의 전파를 차단하는 차음판을 갖는다.

이 특허문헌 2의 초음파 탐촉자에서는, 특허문헌 2의 도 13에 도시된 바와 같이, 탐촉자 내의 진동자의 형상 및 쐐기의 형상을, 시험체 계면에서의 초음파의 굴절도 고려하여, 시험체를 향한 볼록 형상으로 하고 있다. 이 초음파 탐촉자의 구성에 의해, 시험체 표면이 곡면 형상인 경우에, 접촉한 탐상자의 쐐기 내의 음속과 시험체 내의 음속의 차에 기인한 굴절이 발생하여, 입사하는 초음파가 불안정하게 산란해 버린다고 하는 문제에 대처할 수 있고, 시험체 내에서의 음장의 집속이 가능하다고 특허문헌 2에는 기재되어 있다.

일본 특허 공개 평 2-73151호 공보 일본 특허 제4770386호 공보

상술한 바와 같이, 특허문헌 1에서는, 초음파 탐촉자의 구각 형상의 초음파 진동자는, 검사 대상인 시험체의 표면에서 초점을 이루도록 초음파를 조사하는데, 조사된 초음파는, 검사 대상의 표면을 전파하는 크리핑 파로 되어 있다. 그로 인해, 특허문헌 1의 초음파 탐촉자는, 검사 대상의 내부에 존재하는 결함의 검출에 사용하는 것이 곤란하다.

또한, 검사 대상 내부의 결함의 심도는 다양하고, 넓은 심도 범위에서 고정밀도의 탐상을 행하는 것이 이상적이다. 그러나, 특허문헌 1의 초음파 탐촉자로 한정되지 않고, 종래의 초음파 탐촉자를 사용하여 넓은 심도 범위에서 고정밀도로 탐상하는 것은 일반적으로는 난이도가 높다고 하는 문제가 있었다. 특히 검사 대상의 표면이 곡면이라면, 조사된 초음파가 곡면에서 굴절되어 깊이 방향에 있어서 확산(또는, 분산)되어 버리기 때문에, 넓은 심도 범위에서 고정밀도로 탐상하는 것은 더욱 곤란하였다.

표면이 곡면으로 된 검사 대상을 탐상하는 기술로서, 진동자가 어레이 형상으로 배치된 초음파 탐촉자를 사용하는 페이즈드 어레이법이 널리 알려져 있다. 그러나, 페이즈드 어레이법에 의한 기존의 초음파 탐촉자는 일반적으로 평면 형상이며, 진동자와 검사 대상의 곡면 사이의 넓은 공간을 물 등의 접촉 매체로 채울 필요가 있기 때문에, 작업성이 좋지 않을 뿐만 아니라, 초음파 탐촉자의 기구도 복잡하게 되어 버린다고 하는 문제가 있다. 또한, 초음파 탐촉자의 기구의 복잡함이나, 어레이 형상으로 배치된 진동자의 제어의 번잡함 등이 원인으로, 초음파 탐촉자를 포함하는 장치 전체의 제조 비용이 고가인 것으로 되어 버린다고 하는 문제도 발생한다.

특허문헌 2의 방법은, 곡면 형상의 시험체에 있어서도, 시험체 내부의 임의의 위치에 초음파를 집속 가능한 방법이다. 그러나, 탐촉자와 시험체의 곡계면을 정확하게 접촉시킬 필요가 있고, 탐상 중에 탐촉자가 기울거나, 탐촉자와 시험체의 사이에 갭이 발생하면, 초음파의 집속 조건이 흐트러져 버린다고 하는 문제가 있다. 수동 주사로 한정되지 않고, 기계 주사에 있어서도, 곡면 형상의 시험체에 곡면 형상의 탐촉자를 정확하게 따르게 하여 주사하는 것에는 큰 곤란이 수반된다.

또한, 초음파의 송신에 있어서 탐촉자와 시험체 사이에 갭이 발생하면 그 갭에서 다중 반사가 발생하고, 송신파가 시간적으로 변동되어 버린다. 그 결과로서, 송신 펄스의 음압이 낮아지거나, 표면 에코가 장시간에 걸쳐 발생하여, 시험체의 표면 근방의 불감대가 커진다고 하는 문제가 발생해 버린다.

본 발명은 상술한 문제를 감안하여 이루어진 것이며, 검사 대상의 표면이 만곡면인 경우에도, 만곡면에 대해 조사된 초음파의 상기 만곡면에서의 굴절에 의한 영향을 저감시킬 수 있음과 함께, 상기 만곡면에서의 표면 에코를 억제할 수 있는 초음파 탐촉자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 이하의 기술적 수단을 채용하였다.

본 발명에 따른 초음파 탐촉자는, 만곡면으로 구성된 홈부를 갖는 검사 대상에 대해 초음파를 송신함과 함께, 상기 검사 대상의 내부에서 반사된 반사 초음파를 수신함으로써, 상기 검사 대상의 내부의 결함을 검출하는 초음파 탐촉자이며, 상기 홈부의 만곡면을 향하여 초음파를 송신하는 송신 진동자를 갖는 송신부와, 상기 검사 대상의 내부에서 반사되어 상기 만곡면에 전파된 반사 초음파를 수신하는 수신 진동자를 갖는 수신부를 구비하고, 상기 송신 진동자는, 상기 홈부의 신장 방향에 직교하는 단면에서 볼 때의 상기 홈부의 만곡면에 상당하는 위치, 또는 상기 만곡면 바로 아래의 상기 검사 대상의 내부에, 송신된 초음파가 집속하는 점을 이루고, 상기 송신부 및 상기 수신부는, 상기 홈부의 신장 방향을 따라 인접하도록 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 송신부의 송신 진동자가 갖는 송신면과 상기 수신부의 수신 진동자가 갖는 수신면으로 형성되는 대면각이 둔각으로 되도록, 상기 송신 진동자 및 수신 진동자가 상기 만곡면에 대해 경사져 배치되어 있으면 바람직하다.

또한, 상기 수신 진동자의 수신면이, 상기 홈부의 신장 방향에 직교하는 단면에서 볼 때의 상기 홈부의 만곡면에 상당하는 위치에, 수신하는 초음파가 집속하는 점을 이루면 바람직하다.

또한, 상기 수신 진동자의 수신면이, 상기 홈부의 신장 방향에 직교하는 단면에서 볼 때의 상기 홈부의 만곡면 아래의 상기 검사 대상의 내부에, 수신하는 초음파가 집속하는 점을 이루면 바람직하다.

여기서, 상기 수신 진동자의 수신면이, 상기 검사 대상과 접하는 탐상면을 향해 볼록 형상으로 형성되어 있고, 상기 탐상면은, 상기 검사 대상에서의 초음파의 전파 속도보다도 상기 탐상면에서의 초음파의 전파 속도가 낮아지는 재료로 구성되면 바람직하다.

본 발명의 초음파 탐촉자에 의하면, 검사 대상의 표면이 만곡면인 경우에도, 만곡면에 대해 조사된 초음파의 상기 만곡면에서의 굴절에 의한 영향을 저감시킬 수 있음과 함께, 상기 만곡면에서의 표면 에코를 억제할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 형태에 의한 초음파 탐촉자를 검사 대상의 홈부에 접촉시킨 상태를 도시하는 개략 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시 형태에 의한 초음파 탐촉자의 구성을 도시하는 개략도이며, (a)는 초음파 탐촉자를 검사 대상에 접촉시킨 상태를 홈부의 신장 방향을 따른 도 1의 화살표 A측에서 본 도면이며, (b)는 (a)에 도시하는 상태를, 홈부의 신장 방향(화살표 A)에 대해 수직으로 되는 도 1의 화살표 B측에서 본 도면이다.
도 3은 대면각을 3가지로 설정한 경우에 있어서, 송신축과 수신축이 교차하는 위치의 차이를 도시한 도면이며, (a)(b)(c)의 각각은, 상이한 대면각으로 송신 진동자와 수신 진동자가 설치된 초음파 탐촉자를 배치한 때의 상태를 도시한다.
도 4는 본 실시 형태에 의한 초음파 탐촉자의 감도 특성에 대해 설명하는 도면이며, (a)는 하나의 진동자에 의해 탐상면 상에 집속선을 형성하는 표면 집속만에 의한 탐상 감도 특성을 나타내고, (b)는 2분할 탐촉자의 구성에 의한 탐상 감도 특성을 나타내고, (c)는 (a)에 나타내는 표면 수렴의 구성과 (b)에 나타내는 2분할 탐촉자의 구성을 조합한 탐상 감도 특성을 나타낸다.
도 5는 상이한 지붕각(대면각)의 초음파 탐촉자를 사용하여, 상이한 깊이의 평저에 대해 탐상한 때의 실험 결과의 그래프를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시 형태에 의한 초음파 탐촉자의 구성을 도시하는 개략도이며, (a)는 일측(송신측)의 단면에서 볼 때의 초음파 탐촉자의 배치 및 구성을 도시하는 개략도, (b)는 타측(수신측)의 단면에서 볼 때의 초음파 탐촉자의 배치 및 구성을 도시하는 개략도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시 형태에 의한 초음파 탐촉자의 수신부의 구성을 설명하기 위한 개념도이다.
도 8은 제3 실시 형태에 의한 초음파 탐촉자의 구성을 도시하는 개략도이며, (a)는 일측(송신측)의 단면에서 볼 때의 초음파 탐촉자의 배치 및 구성을 도시하는 개략도, (b)는 타측(수신측)의 단면에서 볼 때의 초음파 탐촉자의 배치 및 구성을 도시하는 개략도이다.

이하, 도면을 참조하면서, 본 발명의 실시 형태를 설명한다.

또한, 이하에 설명하는 실시 형태는, 본 발명을 구체화한 일례이며, 그 구체예를 갖고 본 발명의 구성을 한정하는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는, 본 실시 형태에 개시 내용만으로 한정되는 것은 아니다.

(제1 실시 형태)

도 1 및 도 2를 참조하면서, 본 실시 형태에 의한 초음파 탐촉자(1)에 대해 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시 형태에 의한 초음파 탐촉자(1)를 검사 대상(W)에 형성된 필릿 등의 홈부(G)에 접촉시킨 상태를 도시하는 개략 사시도이다. 도 2는 초음파 탐촉자(1)가 검사 대상(W)의 홈부(G)의 만곡면에 배치된 때의 구성을 도시하는 개략도이다. 도 2의 (a)는 홈부(G)의 길이 방향(신장 방향이라고도 할 수 있음)에 직교하는 단면에서 볼 때의, 초음파 탐촉자(1)의 배치 및 구성을 도시하는 개략도이다. 도 2의 (b)는 홈부(G)의 길이 방향(신장 방향)을 따른 단면에서 볼 때의, 초음파 탐촉자(1)의 배치 및 구성을 도시하는 개략도이다. 즉, 도 2의 (a)는 도 1에 있어서의 화살표 A측(화살표 방향에서 볼 때 A)에서 본 도면이며, 도 2의 (b)는 도 1에 있어서의 화살표 B측(화살표 방향에서 볼 때 B)에서 본 도면이다.

초음파 탐촉자(1)는 송신 진동자(2)에 초음파를 송신시키는 초음파 탐상기 (도시하지 않음) 및 후술하는 신호 기록 처리 장치(도시하지 않음)에 접속되어, 기계 부품이나 구조물 등의 검사 대상(W)의 표면에 대해 초음파를 송신한다. 또한, 초음파 탐촉자(1)는 검사 대상(W)의 내부의 깊이 방향에 존재하는 결함(크랙 등의 물리적인 결함이나 및 금속 조직적인 결함)에서 반사된 반사 초음파를 수신함으로써, 검사 대상(W)의 내부의 결함을 고정밀도로 검출한다. 특히, 본 실시 형태에 의한 초음파 탐촉자(1)는, 예를 들어 필릿 등, 만곡면으로 구성된 오목 형상의 홈부(G)가 표면에 형성된 기계 부품이나 구조물 등의 검사 대상(W)에 있어서의, 상기 만곡면 아래의 깊이 방향에 존재하는 결함의 검출에 특히 적합하다.

도 2의 (a) 및 도 2의 (b)에 도시한 바와 같이, 초음파 탐촉자(1)는 홈부(G)의 만곡면을 향하여 초음파를 송신하는 송신 진동자(2)를 갖는 송신부와, 검사 대상(W)의 내부에서 반사되어 만곡면에 전파된 반사 초음파를 수신하는 수신 진동자(3)를 갖는 수신부를 구비한다. 송신 진동자(2)는 홈부(G)의 길이 방향에 직교하는 단면에서 볼 때의[도 1의 화살표 방향에서 볼 때 A] 홈부(G)의 만곡면에 상당하는 위치에, 송신된 초음파가 집속하는 점 F를 이루도록 배치되어 있는, 송신부 및 수신부는, 홈부(G)의 길이 방향을 따라 인접하도록 배치되어 있다.

초음파 탐촉자(1)는 송신 진동자(2), 수신 진동자(3) 및 쐐기(쐐기재)(4)를 구비한다. 송신 진동자(2) 및 수신 진동자(3)가 쐐기(4)에 보유 지지되어 있다. 이와 같은 초음파 탐촉자(1)는 초음파 탐상기 및 신호 기록 처리 장치에 접속되어 검사 대상(W)에 접촉함으로써, 초음파 탐상기에 의한 제어하에서, 송신 진동자(2)로부터 검사 대상(W)의 표면으로 초음파를 송신함과 함께, 검사 대상(W) 내부의 결함 등에서 반사된 반사 초음파를 수신 진동자(3)에서 수신한다. 초음파 탐촉자(1)에 접속된 신호 기록 처리 장치는, 수신 진동자(3)에서 수신한 반사 초음파에 기초하여 검사 대상(W) 내부의 결함 등의 유무 및 위치를 나타내는 정보를 제공한다.

도 2의 (a) 및 도 2의 (b)를 참조하면서, 초음파 탐촉자(1)를 구성하는 송신 진동자(2), 수신 진동자(3) 및 쐐기(4)에 대해 상세하게 설명한다.

초음파 탐촉자(1)의 송신 진동자(2)는, 예를 들어 복수의 구면파의 점원이 형성된 압전 소자로 이루어지는 콤퍼지트 진동자에 의해 구성되어 있다. 송신 진동자(2)는 소정 전압의 펄스 전압이 인가되면, 각 점원으로부터 인가된 펄스 전압에 대응하는 주파수의 구면파를 발생시킨다. 송신 진동자(2)로부터 동일한 타이밍에 발생한 복수의 구면파는 단일파로서 합성되므로, 송신 진동자(2)는 점원이 배치된 면의 전방을 향하여 초음파를 송신한다.

도 2의 (a)에 도시한 바와 같이, 콤퍼지트 진동자에 의해 구성되는 송신 진동자(2)는 초음파를 발생시키는 송신면(5)이 검사 대상(W)의 표면을 향하여 오목면 형상으로 되도록 대략 원호를 그리며 만곡되어 있고, 홈통 또는 반원통에 유사한 형상을 갖고 있다. 또한, 송신 진동자(2)의 송신면(5)은 송신면(5)으로부터 송신된 초음파가 소정 거리만큼 진행한 위치에서 집속하는 곡률을 갖는 오목면 형상으로 되어 있다.

즉, 홈통 형상 또는 반원통 형상의 송신 진동자(2)의 송신면(5)으로부터 송신된 초음파는, 송신면(5)으로부터 소정 거리만큼 이격되고, 또한 송신면(5)의 원호의 형성 방향에 수직한 송신 진동자(2)의 길이 방향을 따른 대략 직선의 집속선 L 상에 집속한다. 바꿔 말하면, 도 2의 (a)에 도시한 바와 같이, 송신 진동자(2)의 송신면(5)으로부터 송신된 초음파는, 필릿부의 표면 상[홈부(G)의 만곡면 상]에서 초점 F를 이루도록 조사되고, 홈부(G) 내부에 전파된다.

여기서, 집속선 L은, 홈통 형상 또는 반원통 형상의 송신 진동자(2)의 송신면(5)을 측면의 일부로 하는 원통형, 원기둥형 또는 원추(원추 사다리꼴)의 중심축에 상당하고, 초점 F는, 상기 중심축의 1점에 상당한다고 생각할 수도 있다.

수신 진동자(3)는, 예를 들어 송신 진동자(2)와 동일한 구성의 콤퍼지트 진동자에 의해 구성되어 있고, 초음파를 수신하는 수신면(6)이 오목면 형상으로 되도록 대략 원호를 그리며 만곡되어 있다. 수신 진동자(3)는 수신면(6)에서 수신한 초음파의 강도 및 주파수에 대응하는 전압을 발생시킨다.

수신 진동자(3)는 상술한 바와 같이, 송신 진동자(2)와 동일한 오목면 형상으로 성형한 콤퍼지트 진동자로 구성되어도 되지만, 콤퍼지트 진동자가 아니어도, 평판 형상의 압전 소자를 송신 진동자(2)와 마찬가지로 오목면 형상으로 성형한 것으로 구성되어도 된다.

일반적으로는, 수신 진동자(3)를 송신 진동자(2)와 동일한 구성으로 하면, 검사 대상(W) 내부의 결함에서 반사된 반사 초음파의 수신에 있어서 양호한 감도 및 S/N비를 얻을 수 있다. 그러나, 검사 대상(W)의 재질이나 형상, 및 원하는 수신 감도 및 S/N비에 따라, 오목 형상으로 성형된 압전 소자로 수신 진동자(3)를 구성해도 된다.

쐐기(4)는, 예를 들어 수지나 글래스로 구성되는 대략 직육면체 형상의 중공의 하우징이며, 하우징의 벽면에 검사 대상(W)에 접촉하는 탐상면(7)을 갖는다. 쐐기(4)는 탐상면(7)에 대향하는 위치에 송신 진동자(2) 및 수신 진동자(3)를 인접시켜 보유 지지함으로써 초음파 탐촉자(1)를 구성하고 있다.

도 2의 (b)에 도시한 바와 같이, 송신 진동자(2) 및 수신 진동자(3)는 각각의 송신면(5) 및 수신면(6)을 탐상면(7)을 향해, 아크릴 등의 수지제 쐐기(4)를 개재하여 보유 지지되어 있다. 또한, 탐상면(7)과 송신 진동자(2) 및 수신 진동자(3) 사이의 공간은 하우징을 구성하는 벽면으로 분리되고, 이 공간을 송신 진동자(2)측의 송신 쐐기와 수신 진동자(3)측의 수신 쐐기로 구획(분할)하는 음향 분할 벽(8)이 설치되어 있다. 음향 분할 벽(8)은 탐상면(7)에 대해 거의 수직으로 형성되어, 한쪽의 공간의 초음파가 다른 쪽의 공간에 전파되지 않도록 차폐한다. 이 음향 분할 벽(8)에 의해, 초음파를 송신하는 송신 진동자(2)의 영향을 수신 진동자(3)가 받는 것이 방지된다.

여기서, 탐상면(7)과 송신 진동자(2) 및 수신 진동자(3) 사이의 공간(송신 공간 및 수신 공간)은 물, 글리세린 페이스트, 오일 등, 초음파를 전달하는 물질인 접촉 매질로 채워져 있다. 여기서, 쐐기(4)의 탐상면(7)은 접촉하는 검사 대상(W)의 필릿 등, 만곡면으로 구성된 홈부(G)의 곡률과 거의 동일한 곡률 또는 약간 작은 곡률의 만곡면이며, 쐐기(4)의 외부를 향하여 볼록 형상의 원통면 형상을 갖고 있다.

초음파 탐촉자(1)는 이 탐상면(7)의 만곡면의 볼록 형상이 홈부(G)의 만곡면의 오목 형상에 대응하도록, 검사 대상(W)과 접촉한다. 즉, 초음파 탐촉자(1)는 탐상면(7)의 원통면 형상의 직경 방향에 직교하는 방향이 홈부(G)의 신장 방향을 따르도록, 검사 대상(W)의 홈부(G)와 접촉한다.

도 2의 (a)를 참조하면, 송신 진동자(2)는 송신면(5)으로부터 송신된 초음파가 집속하는 집속선 L이 탐상면(7) 상에 형성되는 위치에서 보유 지지되어 있다. 이에 의해, 홈부(G)의 신장 방향에 직교하는 단면에서 볼 때인 도 2의 (a)에서는, 탐상면(7)과 접촉하는 홈부(G)의 만곡면 상에 초음파가 집속하는 점(초점 F)을 이루도록, 송신 진동자(2)의 송신면(5)으로부터 초음파가 송신된다.

도 2의 (a)에 도시한 바와 같이, 송신된 초음파를 홈부(G)의 만곡면 상에서 집속하면, 조사된 초음파가 홈부(G)의 만곡면에서 굴절됨으로써 초음파의 깊이 방향에 있어서의 불균일한 확산(또는 분산)을 억제할 수 있다. 도 2의 (a)에 의하면, 홈부(G)의 만곡면으로부터 검사 대상(W)의 내부로 전파된 초음파는, 초점 F를 점음원으로 하여, 결함으로서 형성된 평저공(FBH:Flat Bottom Hole)의 평저(H)를 향하여 전파되어 있다.

여기서, 도 2의 (b)를 참조하면서, 송신 진동자(2)와 수신 진동자(3)의 배치에 대해, 더욱 상세하게 설명한다. 도 2의 (b)는 초음파 탐촉자(1)를 검사 대상(W)에 접촉시킨 도 2의 (a)에 도시하는 상태를, 홈부(G)의 신장 방향에 대해 수직으로 되는 측방에서 본 때의 초음파 탐촉자(1)의 구성을 도시하고 있다.

이미 설명한 바와 같이, 송신 진동자(2)와 수신 진동자(3)는 음향 분할 벽(8)을 사이에 놓고, 각각의 송신면(5) 및 수신면(6)을 쐐기(4)의 탐상면(7)을 향해 배치되어 있다. 또한, 송신 진동자(2)는 송신면(5)이 탐상면(7)으로부터 음향 분할 벽(8)을 향하도록 기울여 배치되고, 수신 진동자(3)도, 수신면(6)이 탐상면(7)으로부터 음향 분할 벽(8)을 향하도록 기울여 배치되어 있다.

도 2의 (b)에 도시한 바와 같이, 송신 진동자(2) 및 수신 진동자(3)는 송신 진동자(2)의 송신면(5)과 수신 진동자(3)의 수신면(6)으로 이루는 대면각 α가 둔각으로 되도록, 홈부(G)의 만곡면 및 초음파 탐촉자(1)의 탐상면(7)에 대해 경사 형상으로 배치되어 있다. 여기서 대면각 α는, 이하와 같이 정의된다.

먼저, 예를 들어 송신 진동자(2)의 송신면(5)의 원호 형성 방향에 있어서의 중앙 위치를 집속선 L을 향하여 수직으로 관통하는 송신축(9)을 상정한다. 동일하게 수신 진동자(3)의 수신면(6)의 원호 형성 방향에 있어서의 중앙 위치를 수신면(6)에 대응하는 집속선 L을 향하여 수직으로 관통하는 수신축(10)을 상정한다. 그리고 송신축(9)과 수신축(10)이 이루는 각을 지붕각 β로 한다. 또한, 수신 진동자(3)가 평판 형상인 경우, 평판 형상의 수신면(6)의 폭 방향 및 길이 방향에 있어서의 중앙 위치를 수직으로 관통하는 수신축(10)을 상정하여, 송신축(9)과 수신축(10)이 이루는 각을 지붕각 β로 한다.

이와 같이 지붕각 β를 정하면, 송신 진동자(2)의 송신면(5)과 수신 진동자(3)의 수신면(6)으로 이루는 대면각 α는, 180°에서 지붕각 β를 감한 값으로 된다(대면각 α＝180°－지붕각 β).

이때, 도 2의 (b)에 있어서 송신 진동자(2)와 수신 진동자(3)는 쐐기(4)를 건물로 간주한 때에 지붕에 상당하는 위치에 배치되어 있고, 경사져 있다. 송신 진동자(2)와 수신 진동자(3)를 지붕각 β가 90°미만으로 되는 기울기로 배치하는 것이 바람직하다. 지붕각 β를 90°미만으로 하고 대면각 α를 둔각으로 되도록 설정하면, 검사 대상(W)의 표면하에서의 다양한 심도에 존재하는 결함을 검출할 수 있는 초음파 탐촉자(1)를 실현할 수 있다.

이때, 송신 진동자(2)와 수신 진동자(3)는, 음향 분할 벽(8)에 대해 서로 동일한 각도만큼 기울어짐과 함께, 송신축(9)과 수신축(10)의 연장이 1점(축 교점)에서 교차하도록 배치된다. 이와 같이 송신 진동자(2)와 수신 진동자(3)를 배치함으로써, 도 2의 (b)에 도시한 바와 같이, 송신축(9)과 수신축(10)은 검사 대상(W)의 표면에서의 굴절을 고려해도 검사 대상(W) 내부의 어느 심도의 1점에서 교차하는 것으로 된다.

상술한 대면각 α 및 지붕각 β는, 검사 대상(W)의 형상이나 재질에 맞추어 임의로 설정할 수 있다. 대면각 α 및 지붕각 β를 변경함으로써, 송신축(9)과 수신축(10)이 교차하는 점의 위치가 변화하므로, 검사 대상(W)의 내부에 있어서 송신축(9)과 수신축(10)이 교차하는 위치를 다양한 심도로 설정할 수 있다.

이와 같이, 송신축(9)과 수신축(10)이 교차하도록 송신 진동자(2) 및 수신 진동자(3)를 배치하면, 송신축(9)과 수신축(10)의 축 교점 근방의 감도가 특히 높은 초음파 탐촉자(1)를 구성할 수 있다. 따라서, 송신축(9)과 수신축(10)이 교차하는 위치를 다양한 심도로 설정함으로써, 원하는 심도에 있어서 우수한 감도를 갖는 초음파 탐촉자(1)를 구성할 수 있다.

도 3의 (a)(b)(c)는 대면각 α 및 지붕각 β를 3가지로 설정한 경우에 있어서, 송신축(9)과 수신축(10)이 교차하는 위치의 차이를 도시한 도면이다. 도 3의 (a)∼도 3의 (c)의 각각은, 검사 대상(W)의 홈부(G)에 있어서의 동일한 위치에, 상이한 대면각 α 및 지붕각 β로 송신 진동자(2)와 수신 진동자(3)가 설치된 초음파 탐촉자(1)를 배치한 때의 상태를 도시하고 있다. 초음파 탐촉자(1) 바로 아래의 검사 대상(W)의 내부에 결함으로서 형성된 평저공(FBH)의 평저(H)의 검사 대상(W) 표면으로부터의 깊이 및 위치는, 도 3의 (a)∼도 3의 (c)의 각각에 있어서 동일하다.

도 3의 (a)는 큰 지붕각 β(또는 작은 대면각 α)로 송신 진동자(2) 및 수신 진동자(3)가 설치된 때의 상태를 도시하고 있다. 지붕각 β가 크면(또는 대면각 α가 작으면), 송신축(9)과 수신축(10)이 검사 대상(W)의 내부의 비교적 얕은 위치에서 교차하게 된다. 이때, 평저공의 평저(H)보다도 얕은 위치에서 송신축(9)과 수신축(10)이 교차하고 있으므로, 가장 감도가 높은 심도가, 평저(H)의 위치에 존재하는 결함의 위치보다도 얕아진다. 따라서, 도 3의 (a)에 나타내는 대면각 α 및 지붕각 β는, 평저(H)의 위치에 존재하는 결함을 검출하기 위해서는 적절하다고는 말하기 어렵다.

도 3의 (b)는 도 3의 (a)보다도 작은 지붕각 β[또는 도 3의 (a)보다도 큰 대면각 α]로 송신 진동자(2) 및 수신 진동자(3)가 설치된 때의 상태를 도시하고 있다. 도 3의 (b)에 나타내는 대면각 α 및 지붕각 β라면, 송신축(9)과 수신축(10)이, 정확히 평저공의 평저(H)의 위치에서 교차하고 있다. 따라서, 도 3의 (b)에 나타내는 대면각 α 및 지붕각 β는, 평저(H)의 위치에 존재하는 결함의 위치에서 가장 감도가 높아, 결함의 위치나 형상을 정확하게 검출 가능하다고 말할 수 있다.

도 3의 (c)는 도 3의 (a) 및 도 3의 (b)와 비교하여 더욱 작은 지붕각 β(또는 더욱 큰 대면각 α)로 송신 진동자(2) 및 수신 진동자(3)가 설치된 때의 상태를 도시하고 있다. 도 3의 (c)에 나타내는 대면각 α 및 지붕각 β라면, 송신축(9)과 수신축(10)이 평저공의 평저(H)보다도 깊은 위치에서 교차하게 되고, 가장 감도가 높은 심도가, 평저(H)의 위치에 존재하는 결함의 위치보다도 깊어진다. 따라서, 도 3의 (c)에 나타낸 대면각 α 및 지붕각 β는, 결함의 존재를 검출할 수는 있지만, 결함의 위치나 형상을 정확하게 검출하기 위해서는 불리하다고 할 수 있다.

상술한 본 실시 형태의 초음파 탐촉자(1)는 송신 전용의 송신 진동자(2)와 수신 전용의 수신 진동자(3)의 2개의 진동자를 사용하여 탐상하는, 소위 2분할 탐촉자의 구성을 갖는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 실시 형태의 초음파 탐촉자(1)는 송신 진동자(2)가 탐상면(7) 상에 집속선 L을 형성하도록 초음파를 송신하는 구성을 갖는 것을 특징으로 하고 있다. 본 실시 형태의 초음파 탐촉자(1)에 의하면, 이들 특징 외에 송신 진동자(2)와 수신 진동자(3)의 대면각 α 및 지붕각 β를 적절하게 설정함으로써, 초음파의 표면 에코를 양호하게 억제하고, 검사 대상(W)의 깊이 방향에 있어서의 감도를 원하는 심도에서 적절하게 조정할 수 있다.

초음파 탐촉자(1)에 있어서, 대면각 α 및 지붕각 β가 설정되면, 송신 진동자(2)와 수신 진동자(3)의 탐상면(7)까지의 거리가, 음향 분할 벽(8)측과 음향 분할 벽(8)의 반대측에서 상이하다. 이와 같이 대면각 α 및 지붕각 β가 설정된 경우에서도 송신 진동자(2)가 탐상면(7) 상에 집속선 L을 형성할 수 있도록, 송신 진동자(2)의 곡면 형상 및 곡률을 송신 진동자(2)의 길이 방향을 따라 변화시키면 된다.

도 4의 (a)(b)(c)를 참조하면서, 본 실시 형태에 의한 초음파 탐촉자(1)의 감도 특성에 대해 설명한다.

도 4의 (a)는 초음파의 송신 및 수신을 겸하는 하나의 진동자에 의해 탐상면(7) 상에 집속선 L을 형성하도록 초음파를 송신하는 구성(표면 집속)만에 의한 탐상 감도 특성을 나타내고, 도 4의 (b)는 2분할 탐촉자의 구성에 의한 탐상 감도 특성을 나타내고 있다. 도 4의 (c)는 송신 진동자(2)와 수신 진동자(3)의 대면각 α 및 지붕각 β를 적절하게 설정하여, 도 4의 (a)에 나타내는 표면 수렴의 구성과 도 4의 (b)에 나타내는 2분할 탐촉자의 구성을 조합한 본 실시 형태에 의한 초음파 탐촉자(1)의 탐상 감도 특성을 나타내고 있다.

도 4의 (a)에 나타내는 바와 같이, 표면 수렴에 의한 탐상 감도 특성은, 유효 범위로서 나타낸 검사 대상(W)의 표면 바로 아래에 있어서 양호한 감도 특성을 나타내지만, 어느 정도의 깊이(심도)가 되면 탐상 감도는 크게 저하된다.

이어서, 도 4의 (b)에 나타내는 바와 같이, 2분할 탐촉자의 구성에 의한 탐상 감도 특성은, 유효 범위로서 나타낸 어느 정도의 심도에 있어서의 축 교점 위치의 근방에서 양호한 감도 특성을 나타내지만, 검사 대상(W)의 표면 바로 아래 등에서는, 충분한 탐상 감도를 얻는 것은 곤란하다.

따라서, 도 4의 (c)를 참조하면, 본 실시 형태에 의한 초음파 탐촉자(1)는 유효 범위로서 나타내는 바와 같이, 검사 대상(W)의 표면 바로 아래로부터 어느 정도의 심도에 있어서의 축 교점 위치의 근방에 걸쳐 양호한 감도 특성을 나타내므로, 검사 대상(W)의 깊이 방향에 있어서 넓은 범위에서 충분한 탐상 감도를 얻을 수 있다.

도 5를 참조하면서, 본 실시 형태에 의한 초음파 탐촉자(1)의 효과를 구체적으로 설명한다. 도 5는 지붕각 10°(대면각 170°)의 초음파 탐촉자(1)와, 지붕각 12°(대면각 168°)의 초음파 탐촉자(1)를 사용하여, 상이한 깊이의 평저공의 평저(H)에 대해 탐상한 때의 실험 결과를 그래프에 나타내고 있다.

실험은 다음 수순으로 행하였다. 먼저, 직경 0.5㎜(φ0.5)의 평저(H)가 깊이 5㎜, 10㎜, 20㎜, 35㎜, 50㎜의 위치에 형성된 5개의 검사 대상(W)을 준비하였다. 계속해서, 각각의 검사 대상(W)의 평저공의 평저(H)에 대해, 지붕각 10°의 초음파 탐촉자(1)와 지붕각 12°의 초음파 탐촉자(1)로 탐상을 행하고, 얻어진 에코의 노이즈에 대한 비(S/N비)를 구하였다.

도 5의 그래프에 의하면, 평저공의 평저(H)가 깊어짐에 따라 S/N비가 저하되어 간다. 지붕각 10°의 초음파 탐촉자(1)와 지붕각 12°의 초음파 탐촉자(1)는 모두, 평저(H)의 깊이가 5㎜∼10㎜의 범위에서는 18㏈를 초과하는 충분한 S/N비를 얻음과 함께, 깊이가 40㎜를 초과해도 결함의 검출이 가능한 2㏈ 이상의 S/N비를 얻고 있다.

따라서, 본 실시 형태에 의한 초음파 탐촉자(1)에 의하면, 깊이 5㎜ 전후의 얕은 평저(H)로부터 깊이가 40㎜를 초과하는 깊은 평저(H)까지, 검사 대상(W)의 깊이 방향에 있어서의 넓은 범위에서의 탐상을 할 수 있다. 이것은, 도 4의 (c)에 나타낸 탐상 감도 특성과도 일치한다. 또한, 예를 들어 깊이가 30㎜를 초과하는 깊은 평저(H)에 대해서는, 지붕각 12°의 초음파 탐촉자(1)보다도 지붕각 10°의 초음파 탐촉자(1) 쪽이, 양호한 S/N비를 얻고 있다. 이것은, 지붕각 β 및 대면각 α를 적절하게 설정함으로써 원하는 심도에 있어서 우수한 감도를 발휘한다고 하는 본 실시 형태에 의한 초음파 탐촉자(1)의 특징을 나타내는 것이며, 도 3의 (a)(b)(c)를 이용한 설명과 합치한다.

(제2 실시 형태)

도 1 및 도 6의 (a)(b)를 참조하여, 본 발명의 제2 실시 형태에 대해 설명한다.

도 6의 (a)(b)는 본 실시 형태에 의한 초음파 탐촉자(1a)가 검사 대상(W)의 홈부(G)의 만곡면에 배치된 때의 구성을 도시하는 개략도이다. 도 6의 (a)는 도 2의 (a)와 마찬가지이며, 홈부(G)의 길이 방향(신장 방향이라고도 할 수 있음)에 직교하는 일측의 단면에서 볼 때의, 초음파 탐촉자(1a)의 배치 및 구성을 도시하는 개략도이다. 도 6의 (b)는 홈부(G)의 길이 방향(신장 방향)에 직교하는 다른 일측(타측)의 단면에서 볼 때의, 초음파 탐촉자(1a)의 배치 및 구성을 도시하는 개략도이다. 즉, 도 6의 (a)는 도 1에 있어서의 화살표 A측(송신부측)에서 본 도면이며, 도 6의 (b)는 도 1에 있어서의 화살표 A의 반대측(수신부측)에서 본 도면이다.

본 실시 형태에 의한 초음파 탐촉자(1a)는 제1 실시 형태의 초음파 탐촉자(1)와 거의 동일한 구성을 갖고, 송신부, 수신부 및 쐐기(4)를 포함하여 구성되어 있지만, 제1 실시 형태의 초음파 탐촉자(1)와 비교하여, 수신부의 구성에 특징을 갖는다. 이하, 본 실시 형태에 의한 초음파 탐촉자(1a)의 수신부의 구성을 설명한다.

초음파 탐촉자(1a)의 수신부는, 검사 대상(W)의 내부에서 반사되어 만곡면까지 전파된 반사 초음파를 수신하는 수신 진동자(3a)를 갖는다.

도 6의 (b)에 도시한 바와 같이, 수신 진동자(3a)는 제1 실시 형태에 의한 초음파 탐촉자(1)의 송신 진동자(2)와 마찬가지로, 초음파를 수신하는 수신면(6a)이 검사 대상(W)의 표면을 향하여 오목면 형상의 대략 원호를 그리며 만곡되어 있다. 수신면(6a)의 만곡은, 홈부(G)의 신장 방향에 직교하는 단면에서 볼 때의(도 1의 화살표 방향에서 볼 때 A) 홈부(G)의 만곡면(만곡 표면)에 상당하는 위치에, 수신하는 초음파가 집속하는 점 F'(초점 F')를 이루도록 형성되어 있다. 바꿔 말하면, 수신 진동자(3a)는 수신면(6a)의 대략 원호 형상에 대응하여 결정되는 초점인 점 F'(초점 F')가 홈부(G)의 만곡면(만곡 표면)에 상당하는 위치, 즉 쐐기(4)의 탐상면(7) 상에 이루어지도록, 초음파 탐촉자(1)에 설치된다.

이와 같이 초점 F'를 이루는 수신 진동자(3a)는 송신 진동자(2)가 초점 F에 대응하여 탐상면(7) 상에 형성하는 집속선 L과 마찬가지로, 초점 F'에 대응하여 탐상면(7) 상에 집속선 L'를 형성한다. 상세하게는, 수신 진동자(3a)는 수신면(6a)으로부터 소정 거리만큼 이격된 탐상면(7) 상에, 수신면(6a)의 원호의 형성 방향에 수직한 수신 진동자(3a)의 길이 방향을 따라 대략 직선의 집속선 L'(초점 F')를 형성한다. 송신 진동자(2)의 송신면(5)으로부터 송신된 초음파 중, 검사 대상(W)의 내부에서 반사되어 집속선 L'(초점 F')를 통과한 반사 초음파는, 수신 진동자(3a)의 수신면(6a)에 의해 수신된다.

여기서, 집속선 L'는, 홈통 형상 또는 반원통 형상의 수신 진동자(3a)의 수신면(6a)을 측면의 일부로 하는 원통형, 원기둥형 또는 원추(원추 사다리꼴)형의 중심축에 상당하고, 초점 F'는, 상기 중심축의 1점에 상당한다고 생각할 수도 있다.

상술한 바와 같이, 초음파 탐촉자(1a)의 수신 진동자(3a)는 홈부(G)의 만곡면에 상당하는 위치에 수신하는 초음파가 집속하는 초점 F'를 이루도록, 초음파를 수신하는 수신면(6a)이 오목면 형상의 대략 원호를 그리며 만곡하도록 형성된다. 여기서, 수신 진동자(3a)의 수신면(6a)이 이루는 초점 F'에 대응하는 집속선 L'는, 송신 진동자(2)에 의한 집속선 L의 연장과 일치하는 것이 바람직하다. 집속선 L'가 집속선 L의 연장과 일치하면, 제1 실시 형태의 도 2의 (b)에 도시한 바와 같이 대면각 α 및 지붕각 β가 설정된 초음파 탐촉자(1a)에 있어서, 수신 감도를 향상시킬 수 있다.

수신 진동자(3a)는 송신부의 송신 진동자(2)와 동일한 콤퍼지트 진동자에 의해 구성되어 있고, 수신면(6a)에서 수신한 초음파의 강도 및 주파수에 대응하는 전압을 발생시킨다. 이 수신 진동자(3a)는 상술한 바와 같이, 송신 진동자(2)와 동일한 오목면 형상으로 성형한 콤퍼지트 진동자로 구성된 것이어도 되지만, 콤퍼지트 진동자가 아니어도, 평판 형상의 압전 소자를 오목면 형상으로 만곡시켜 성형한 것이어도 된다.

이와 같이 초음파 탐촉자(1a)의 수신부를, 송신부와 마찬가지로 홈부(G)의 만곡면 상에 집속하는 구조로 하면, 검사 대상(W) 내부의 결함에서 반사된 초음파 중 점 F'를 통과한 반사 초음파를 매우 명료하게 수신할 수 있다. 이에 의해, 검사 대상(W)의 표면 근방의 감도가 높은 초음파 탐촉자(1a)를 얻을 수 있다.

(제3 실시 형태)

도 1, 도 7 및 도 8의 (a)(b)를 참조하여, 본 발명의 제3 실시 형태에 대해 설명한다.

도 7은 본 실시 형태에 의한 초음파 탐촉자(1b)의 수신부의 구성을 설명하기 위한 개념도이다. 도 8의 (a)(b)는 본 실시 형태에 의한 초음파 탐촉자(1b)가 검사 대상(W)의 홈부(G)의 만곡면에 배치된 때의 구성을 도시하는 개략도이다. 도 8의 (a)는 도 2의 (a) 및 도 6의 (a)와 마찬가지이며, 홈부(G)의 길이 방향(신장 방향이라고도 할 수 있음)에 직교하는 일측의 단면에서 볼 때의, 초음파 탐촉자(1b)의 배치 및 구성을 도시하는 개략도이다. 도 8의 (b)는 홈부(G)의 길이 방향(신장 방향)에 직교하는 다른 일측(타측)의 단면에서 볼 때의, 초음파 탐촉자(1b)의 배치 및 구성을 도시하는 개략도이다. 즉, 도 8의 (a)는 도 1에 있어서의 화살표 A측(송신부측)에서 본 도면이며, 도 8의 (b)는 도 1에 있어서의 화살표 A의 반대측(수신부측)에서 본 도면이다.

본 실시 형태에 의한 초음파 탐촉자(1b)는 제1 실시 형태의 초음파 탐촉자(1) 및 제2 실시 형태의 초음파 탐촉자(1a)와 거의 동일한 구성을 갖고, 송신부, 수신부 및 쐐기(4)를 포함하여 구성되어 있지만, 초음파 탐촉자(1) 및 초음파 탐촉자(1a)와 비교하여, 수신부의 구성에 특징을 갖는다. 이하, 본 실시 형태에 의한 초음파 탐촉자(1b)의 수신부의 구성을 설명한다.

초음파 탐촉자(1b)의 수신부는, 검사 대상(W)의 내부에서 반사되어 만곡면까지 전파된 반사 초음파를 수신하는 수신 진동자(3b)를 갖는다.

도 7을 참조하면서, 수신부의 수신 진동자(3b)의 구성의 개념에 대해 설명한다. 제2 실시 형태에 의한 수신 진동자(3a)의 수신면(6a)은 검사 대상(W)의 표면을 향하여 오목면 형상의 대략 원호를 그리며 만곡되어 있었지만, 본 실시 형태에 의한 초음파 탐촉자(1b)의 수신부의 수신 진동자(3b)는 검사 대상(W)의 표면을 향하여 볼록면 형상의 대략 원호를 그리며 만곡한 수신면(6b)을 갖는다. 즉, 수신 진동자(3b)의 수신면(6b)은 검사 대상(W)의 표면에 대해, 제2 실시 형태에 의한 수신 진동자(3a)의 수신면(6a)과는 반대 방향으로 대략 원호를 그리며 만곡되어 있다.

수신 진동자(3b)는 송신부의 송신 진동자(2)와 동일한 콤퍼지트 진동자에 의해 구성되어 있고, 수신면(6b)에서 수신한 초음파의 강도 및 주파수에 대응하는 전압을 발생시킨다. 이 수신 진동자(3b)는 상술한 바와 같이, 송신 진동자(2)와 동일한 오목면 형상으로 성형한 콤퍼지트 진동자로 구성된 것이어도 되지만, 콤퍼지트 진동자가 아니어도, 평판 형상의 압전 소자를 오목면 형상으로 만곡시켜 성형한 것이어도 된다.

여기서, 도 7에는 도시하지 않지만, 수신 진동자(3b)를 보유 지지하는 쐐기(4)를 수지의 일종인 아크릴로 구성하고, 검사 대상(W)을 강재로 구성한 경우에 대해 생각한다. 이 경우, 수신 진동자(3b)의 수신면(6b)으로부터 쐐기(4)의 탐상면(7)을 거쳐 검사 대상(W)인 강재 내에 전파되는 초음파는, 탐상면(7)과 강재의 계면에서 굴절되어, 도 7에 나타내는 집속점 FI에서 집속한다. 그러나, 수신 진동자(3b)의 수신면(6b)은 초음파를 송신하는 것이 아니라 수신하는 것이므로, 검사 대상(W)인 강재 내에서 반사되어 집속점 FI를 통과하고, 상술한 수신면(6b)으로부터 강재 내로의 전파 경로를 역행한 반사 초음파를 수신한다.

이와 같이, 본 실시 형태에 의한 수신 진동자(3b)에 있어서, 수신하는 초음파의 전파 경로가 검사 대상(W)의 내부에서 집속하는 집속점 FI를 이루도록, 수신면(6b)이 검사 대상(W)의 표면을 향하여 볼록면 형상의 대략 원호를 그리며 만곡되고, 초음파 탐촉자(1b)의 수신부에 배치되어 있다. 아크릴[쐐기(4)] 내를 초음파의 종파가 전파되는 속도(음속) V1(2730m/s)과 강재[검사 대상(W)] 내를 초음파의 종파가 전파되는 속도(음속) V2(5900m/s)의 차에 의해, 검사 대상(W)과 쐐기(4)의 계면에서는, 초음파는 굴절된다. 집속점 FI는 이 굴절 효과에 의한 이 위치에 초음파가 집속하는 것을 나타내고 있다. 즉, 검사 대상(W) 내부에 집속점 FI를 실현하기 위해서는, 계면에서 도시한 바와 같은 초음파의 굴절을 실현할 필요가 있다. 이로 인해, 수신 진동자(3b)가 설치되는 쐐기(쐐기재)(4)는, 적어도 검사 대상(W)과 접하는 탐상면(7)이 검사 대상(W)의 음속(V2:5900m/s)보다도 낮은 음속을 갖는 아크릴(V1:2730m/s) 등의 재질로 구성될 필요가 있다.

그리고 나서, 수신 진동자(3b)의 만곡의 크기나, 수신 진동자(3b)와 탐상면(7)의 거리를 변화시킴으로써, 검사 대상(W) 내에 있어서의 집속점 FI의 위치 및 깊이를 변경할 수 있다. 수신 진동자(3b)는 집속점 FI 및 그 근방으로부터의 반사 초음파를 명료하게 수신할 수 있으므로, 검출하고자 하는 결함의 깊이에 맞추어 미리 결정된 집속점 FI의 깊이에 따라, 수신 진동자(3b)의 형상 및 위치를 결정하면 된다.

도 8의 (a)(b)를 참조하면서, 상술한 개념에 기초하는 수신 진동자(3b)를 구비한 초음파 탐촉자(1b)의 구성을 설명한다.

도 8의 (b)에 도시한 바와 같이, 수신 진동자(3b)는 초음면파를 수신하는 수신면(6b)이 검사 대상(W)의 표면인 홈부(G)의 만곡(탐상면)을 향해 볼록면 형상의 대략 원호를 그리며 만곡하여 형성되어 있다. 수신면(6b)의 만곡은, 홈부(G)의 신장 방향으로 직교하는 단면에서 볼 때의(도 1의 화살표 방향에서 볼 때 A) 홈부(G)의 만곡면(만곡 표면) 바로 아래의 검사 대상(W)의 내부에, 수신하는 초음파가 집속하는 점인 집속점 FI를 이루도록 형성되어 있다.

바꿔 말하면, 수신 진동자(3b)는 수신면(6b)의 대략 원호 형상에 대응하여 결정되는 초점인 집속점 FI가 홈부(G)의 만곡면 아래의 검사 대상(W)의 내부에 이루어지도록, 예를 들어 아크릴 등의 수지제의 쐐기(쐐기재)(4)에 보유 지지되어 초음파 탐촉자(1)에 설치된다.

이와 같이 집속점 FI를 이루는 수신 진동자(3b)는 송신 진동자(2)가 초점 F에 대응하여 탐상면(7) 상에 형성하는 집속선 L과 마찬가지로, 집속점 FI에 대응하여 검사 대상(W)의 내부에 집속선 LI를 형성한다. 상세하게는, 수신 진동자(3b)는 검사 대상(W)의 내부에 있어서, 수신하는 초음파가 집속하여 통과하는 집속점 FI에 대응하여, 집속선 L과 거의 평행하게 집속선 LI를 형성한다. 송신 진동자(2)의 송신면(5)으로부터 송신된 초음파 중, 검사 대상(W)의 내부에서 반사되어 집속선 LI(집속점 FI)를 통과한 반사 초음파는, 수신 진동자(3b)의 수신면(6b)에 의해 수신된다.

여기서, 도 2의 (b)에 도시되는 제1 실시 형태와 마찬가지로, 본 실시 형태의 수신 진동자(3b)에 대해 수신축(10)을 설정한다. 이때, 설정된 대면각 α 및 지붕각 β에 의해 결정되는 송신 진동자(2)의 송신축(9)과 수신축(10)이 교차하는 점에, 집속점 FI가 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 송신축(9)과 수신축(10)이 교차하는 점을 집속선 LI가 통과하는 것이 바람직하다.

상술한 도 8의 (b)에 도시하는 바와 같이, 집속선 LI(집속점 FI)를 홈부(G)의 신장 방향에 직교하는 단면에서 볼 때의 홈부(G)의 만곡면 아래의 검사 대상(W) 내부에 형성함으로써, 본 실시 형태에 의한 초음파 탐촉자(1b)는 검사 대상(W)의 표면 근방보다 깊은 위치의 감도를 향상시킬 수 있다. 이에 의해, 본 실시 형태에 의한 초음파 탐촉자(1b)는 검사 대상(W) 내부의 결함에서 반사된 초음파 중 집속선 LI(집속점 FI)를 통과한 반사 초음파를 명료하게 수신할 수 있다. 또한, 송신 진동자(2)의 송신축(9)과 수신 진동자(3b)의 수신축(10)이 교차하는 점에 집속점 FI가 형성되어 집속선 LI가 통과함으로써, 상술한 감도의 향상 외에, 검사 대상(W)의 깊이 방향의 매우 넓은 범위에 높은 감도를 실현하는 것이 가능하게 된다.

또한, 금회 개시된 실시 형태는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 특히, 금회 개시된 실시 형태에 있어서, 명시적으로 개시되어 있지 않은 사항, 예를 들어 운전 조건이나 조업 조건, 각종 파라미터, 구성물의 치수, 중량, 체적 등은, 당업자가 통상 실시하는 범위를 일탈하는 것은 아니고, 통상의 당업자라면 용이하게 상정하는 것이 가능한 값을 채용하고 있다.

예를 들어, 상술한 실시 형태에서 설명한 초음파 탐촉자(1, 1a, 1b)는, 검사 대상(W)에 형성된 필릿 등의 만곡면에 대해 사용하는 것을 상정하였기 때문에, 검사 대상(W)의 만곡면을 따른 곡률로 만곡한 탐상면(7)을 채용하고 있다. 그러나, 상술한 실시 형태에서 설명한 초음파 탐촉자(1, 1a, 1b)를 검사 대상(W)의 평탄한 면에 대해 사용하기 때문에, 평탄한 탐상면을 채용해도 상술한 효과와 동일한 효과가 얻어지는 것은 명백하다.

본 출원은 2013년 2월 14일 출원의 일본 특허 출원(일본 특허 출원 제2013-026712) 및 2013년 10월 28일 출원의 일본 특허 출원(일본 특허 출원 제2013-223269)에 기초하는 것으로, 그 내용은 여기에 참조로서 포함된다.

1, 1a, 1b : 초음파 탐촉자
2 : 송신 진동자
3, 3a, 3b : 수신 진동자
4 : 쐐기(쐐기재)
5 : 송신면
6, 6a, 6b : 수신면
7 : 탐상면
8 : 음향 분할 벽
9 : 송신축
10 : 수신축
G : 홈부
H : 평저
W : 검사 대상

Claims (5)

1. 만곡면으로 구성된 홈부를 갖는 검사 대상에 대해 초음파를 송신함과 함께, 상기 검사 대상의 내부에서 반사된 반사 초음파를 수신함으로써, 상기 검사 대상의 내부의 결함을 검출하는 초음파 탐촉자이며,
   상기 홈부의 만곡면을 향하여 초음파를 송신하는 송신 진동자를 갖는 송신부와, 상기 검사 대상의 내부에서 반사되어 상기 만곡면에 전파된 반사 초음파를 수신하는 수신 진동자를 갖는 수신부를 구비하고,
   상기 송신 진동자는, 상기 홈부의 신장 방향에 직교하는 단면에서 볼 때의 상기 홈부의 만곡면에 상당하는 위치에, 송신된 초음파가 집속하는 점을 이루고,
   상기 송신부 및 상기 수신부는, 상기 홈부의 신장 방향을 따라 인접하도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 초음파 탐촉자.
2. 제1항에 있어서,
   상기 송신부의 송신 진동자가 갖는 송신면과 상기 수신부의 수신 진동자가 갖는 수신면으로 형성되는 대면각이 둔각으로 되도록, 상기 송신 진동자 및 수신 진동자가 상기 만곡면에 대해 경사져 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 초음파 탐촉자.
3. 제2항에 있어서,
   상기 수신 진동자의 수신면이, 상기 홈부의 신장 방향에 직교하는 단면에서 볼 때의 상기 홈부의 만곡면에 상당하는 위치에, 수신하는 초음파가 집속하는 점을 이루는 것을 특징으로 하는, 초음파 탐촉자.
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