JP2011127996A - Ultrasonic probe and ultrasonic flaw detector - Google Patents

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Kenichi Kizu
健一 木津
Tomoyuki Sawayama
智之 澤山
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To determine the thickness or the depth of a crack with a high S/N ratio by moving an ultrasonic probe in any direction without separating it from an object to be measured. <P>SOLUTION: An ultrasonic probe 10 includes an ultrasonic oscillator 11; a sphere 12 which is arranged between the ultrasonic oscillator and an object to be measured 100 and through which an ultrasonic wave passes; a holding mechanism for rotatably holding a sphere; and a liquid medium 17 for transmitting the ultrasonic wave between the ultrasonic oscillator and the sphere. The sphere includes an outer core 12a and a liquid 12b filling the outer core. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、超音波探傷試験等に好ましく使用することができる超音波探触子及び超音波探傷装置に関する。   The present invention relates to an ultrasonic probe and an ultrasonic flaw detection apparatus that can be preferably used for an ultrasonic flaw detection test or the like.

従来から、種々の分野において、金属部品等の厚さを測定するため、あるいは、表面または内部のき裂の発生やその大きさを調べるため、超音波を用いた探傷試験が行われている。超音波による厚さの測定は図７に示すようにして行うことができ、また、超音波による亀裂深さの測定は、図８に示すようにして行うことができる（例えば、特許文献１、非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３参照）。   Conventionally, in various fields, a flaw detection test using ultrasonic waves has been performed in order to measure the thickness of a metal part or the like, or to investigate the occurrence or size of a surface or internal crack. The thickness measurement using ultrasonic waves can be performed as shown in FIG. 7, and the crack depth measurement using ultrasonic waves can be performed as shown in FIG. 8 (for example, Patent Document 1, Non-patent document 1, Non-patent document 2, Non-patent document 3).

図７は、従来の超音波による厚さ測定方法を示す図である。図７に示すように、超音波探触子９０を測定対象物１００の一方の表面上に配置し、次いで、超音波探触子９０から測定対象物１００内に超音波を入射する。さらに、測定対象物１００の他方の表面で反射した超音波を超音波探触子９０で受信し、超音波の送信から受信までの時間を計測する。この測定した時間から超音波の進んだ距離が算出される。この距離の１／２が測定対象物１００の厚さとなる。   FIG. 7 is a diagram illustrating a conventional thickness measurement method using ultrasonic waves. As shown in FIG. 7, the ultrasonic probe 90 is arranged on one surface of the measurement object 100, and then ultrasonic waves are incident from the ultrasonic probe 90 into the measurement object 100. Furthermore, the ultrasonic wave reflected by the other surface of the measuring object 100 is received by the ultrasonic probe 90, and the time from transmission to reception of the ultrasonic wave is measured. The distance traveled by the ultrasonic wave is calculated from the measured time. One half of this distance is the thickness of the measuring object 100.

図８は、従来の超音波による亀裂深さの測定方法を示す図である。図８に示すように、送信用探触子９１と受信用探触子９２とをあらかじめ定めた距離を隔てて測定対象物１００の表面上に配置する。このとき、送信用探触子９１と受信用探触子９２との間を測定対象物１００の表面に形成されている亀裂１０１が横切るように、探触子９１，９２の位置を調整する。   FIG. 8 is a diagram showing a conventional method for measuring the crack depth using ultrasonic waves. As shown in FIG. 8, the transmitting probe 91 and the receiving probe 92 are arranged on the surface of the measurement object 100 with a predetermined distance therebetween. At this time, the positions of the probes 91 and 92 are adjusted so that the crack 101 formed on the surface of the measurement object 100 crosses between the transmission probe 91 and the reception probe 92.

次いで、送信用探触子９１から測定対象物１００内に超音波を入射する。さらに、亀裂１０１の底部１０１ａを回折して送信用探触子９１とは反対側に進む超音波を受信用探触子９２で受信し、超音波の送信から受信までの時間を計測する。この測定した時間から超音波の進んだ距離が算出される。その後、算出した距離と、送信用探触子９１から受信用探触子９２までの距離とから、亀裂１０１の深さが算出される。   Next, an ultrasonic wave enters the measurement object 100 from the transmission probe 91. Further, the reception probe 92 receives ultrasonic waves that are diffracted at the bottom 101a of the crack 101 and proceed to the opposite side of the transmission probe 91, and measures the time from transmission of ultrasonic waves to reception. The distance traveled by the ultrasonic wave is calculated from the measured time. Thereafter, the depth of the crack 101 is calculated from the calculated distance and the distance from the transmission probe 91 to the reception probe 92.

また、特許文献２には、一対の車輪の内部に送信用探触子及び受信用探触子をそれぞれ内蔵した超音波探傷装置が開示されている。この超音波探傷装置によれば、一対の車輪を回転させることにより送信用探触子及び受信用探触子を測定対象物から離すことなくその位置を移動させることができるので、効率よく連続して測定を行うことができる。   Further, Patent Document 2 discloses an ultrasonic flaw detector in which a transmission probe and a reception probe are respectively built in a pair of wheels. According to this ultrasonic flaw detector, the position of the transmitting probe and the receiving probe can be moved without separating them from the object to be measured by rotating a pair of wheels. Can be measured.

更に、特許文献３には、超音波振動子と測定対象物との間に球体を介在させた超音波探触子が記載されている。この超音波探触子によれば、探触子を測定対象物から離すことなく所望する位置に自由に移動させることができるので、測定対象物の厚さや亀裂深さを更に効率よく連続して測定することができる。   Furthermore, Patent Document 3 describes an ultrasonic probe in which a sphere is interposed between an ultrasonic transducer and a measurement object. According to this ultrasonic probe, since the probe can be freely moved to a desired position without being separated from the measurement object, the thickness and crack depth of the measurement object can be continuously and more efficiently. Can be measured.

特開昭５４−１５０１８８号公報JP 54-150188 A 特開２００５−３１５８００号公報JP 2005-315800 A 特開２００８−５１５５７号公報JP 2008-51557 A

「ブリティッシュ・スタンダード(BRITISH STANDARD)」、１９９３年、ＢＳ７７０６"BRITISH STANDARD", 1993, BS 7706 ジョセフ・クラウトクレーマ(Josef Krautkramer)、ヘルベルト・クラウトクレーマ(Herbert Krautkramer)著、「ウルトラソニック・テスティング・オブ・マテリアルズ(Ultrasonic Testing of Materials)」、スプリンガー・ベルラーグ(Springer Verlag)、１９９０年、ｐ．３２３Joseph Krautkramer, by Herbert Krautkramer, "Ultrasonic Testing of Materials", Springer Verlag, 1990, p. . 323 「超音波探傷試験III」、社団法人日本非破壊検査協会、１９８９年２月１日、ｐ１３３−１３４"Ultrasonic flaw detection test III", Japan Nondestructive Inspection Association, February 1, 1989, p133-134

しかしながら、図７及び図８に示した測定方法においては、厚さの連続した変化を測定する場合あるいは多数の亀裂深さをそれぞれ測定する場合には、探触子の移動及び位置決めに多大な時間を要する。   However, in the measurement method shown in FIG. 7 and FIG. 8, when measuring a continuous change in thickness or when measuring a number of crack depths, a great amount of time is required for moving and positioning the probe. Cost.

また、特許文献２に示された超音波探傷装置では、探触子を測定対象物から離すことなく厚さや亀裂深さを連続して測定することができるが、一対の車輪の回転軸方向は固定されているので、超音波探傷装置を任意の方向に移動させながら連続して測定することはできない。   Further, in the ultrasonic flaw detector shown in Patent Document 2, the thickness and crack depth can be continuously measured without separating the probe from the object to be measured. Since it is fixed, it cannot measure continuously while moving the ultrasonic flaw detector in an arbitrary direction.

特許文献３に示された超音波探触子では、特許文献２の上記の問題は解消されるものの、ゴム等で構成される球体の内部で超音波の横波によってノイズが発生するとともに、超音波の縦波が減衰してしまうのでＳ／Ｎ比が低いという問題がある。   In the ultrasonic probe disclosed in Patent Document 3, although the above-mentioned problem of Patent Document 2 is solved, noise is generated by ultrasonic transverse waves inside a sphere composed of rubber or the like. This causes a problem that the S / N ratio is low.

本発明は、任意の方向に自由に移動させることができるという特許文献３の超音波探触子の特徴を備えながら、球体の内部での横波によるノイズを低減し、且つ、縦波の減衰を抑えることによりＳ／Ｎ比を向上させ、測定精度が改善された超音波探触子及び超音波探傷装置を提供することを目的とする。   The present invention has the characteristics of the ultrasonic probe of Patent Document 3 that can be freely moved in an arbitrary direction, reduces noise due to transverse waves inside the sphere, and reduces longitudinal wave attenuation. An object of the present invention is to provide an ultrasonic probe and an ultrasonic flaw detector with improved S / N ratio and improved measurement accuracy.

本発明の超音波探触子は、測定対象物に超音波を入射させ及び／又は前記測定対象物からの超音波を受信する超音波探触子であって、超音波振動子と、前記超音波振動子と前記測定対象物との間に配置され、超音波が通過する球体と、前記球体を回転可能に保持する保持機構と、前記超音波振動子と前記球体との間で超音波を伝播させる液状媒体とを備える。そして、前記球体は、外殻と、前記外殻の内部に充填された液体とを備えることを特徴とする。   The ultrasonic probe of the present invention is an ultrasonic probe that makes an ultrasonic wave incident on a measurement object and / or receives an ultrasonic wave from the measurement object, and includes an ultrasonic transducer and the ultrasonic wave An ultrasonic wave is disposed between the ultrasonic transducer and the measurement object, and a sphere through which the ultrasonic wave passes, a holding mechanism that rotatably holds the sphere, and an ultrasonic wave between the ultrasonic transducer and the sphere. A liquid medium to be propagated. The sphere includes an outer shell and a liquid filled in the outer shell.

本発明の超音波探傷装置は、一対の超音波探触子と、前記一対の超音波探触子を保持するホルダとを備え、前記一対の超音波探触子のうちの一方が測定対象物に超音波を入射させ、他方が前記測定対象物からの超音波を受信する超音波探傷装置であって、前記一対の超音波探触子のそれぞれが上記の本発明の超音波探触子であることを特徴とする。   The ultrasonic flaw detector of the present invention includes a pair of ultrasonic probes and a holder that holds the pair of ultrasonic probes, and one of the pair of ultrasonic probes is an object to be measured. Is an ultrasonic flaw detector that receives ultrasonic waves from the measurement object, and each of the pair of ultrasonic probes is the ultrasonic probe of the present invention described above. It is characterized by being.

本発明によれば、球体の外殻内に充填された液体が、横波によるノイズを取り除き、且つ、縦波の減衰を抑える。従って、Ｓ／Ｎ比が向上し、測定精度が改善される。   According to the present invention, the liquid filled in the outer shell of the sphere removes the noise caused by the transverse wave and suppresses the attenuation of the longitudinal wave. Therefore, the S / N ratio is improved and the measurement accuracy is improved.

また、超音波振動子と測定対象物との間に球体が配置されているので、超音波探触子を測定対象物に接触させたまま任意の方向に自由に移動させることができる。   In addition, since the sphere is arranged between the ultrasonic transducer and the measurement object, the ultrasonic probe can be freely moved in any direction while being in contact with the measurement object.

図１は、本発明の一実施形態に係る超音波探触子の概略構成を示した断面図である。FIG. 1 is a sectional view showing a schematic configuration of an ultrasonic probe according to an embodiment of the present invention. 図２は、本発明の一実施形態に係る超音波探触子の概略構成を示した外観斜視図である。FIG. 2 is an external perspective view showing a schematic configuration of an ultrasonic probe according to an embodiment of the present invention. 図３は、本発明の一実施形態に係る超音波探触子の概略構成を示した分解斜視図である。FIG. 3 is an exploded perspective view showing a schematic configuration of the ultrasonic probe according to the embodiment of the present invention. 図４は、本発明の一実施形態に係る超音波探傷装置の概略構成を示した外観斜視図である。FIG. 4 is an external perspective view showing a schematic configuration of an ultrasonic flaw detector according to one embodiment of the present invention. 図５は、本発明の一実施形態に係る超音波探傷装置において、測定対象物と球体と超音波振動子との相対的位置関係を示した概念図である。FIG. 5 is a conceptual diagram showing the relative positional relationship among the measurement object, the sphere, and the ultrasonic transducer in the ultrasonic flaw detector according to one embodiment of the present invention. 図６は、本発明の別の実施形態に係る超音波探傷装置の概略構成を示した断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of an ultrasonic flaw detector according to another embodiment of the present invention. 図７は、従来の超音波による厚さの測定方法を示した図である。FIG. 7 is a diagram showing a conventional thickness measuring method using ultrasonic waves. 図８は、従来の超音波による亀裂深さの測定方法を示した図である。FIG. 8 is a diagram showing a conventional method for measuring crack depth using ultrasonic waves.

本発明の超音波探触子において、球体の前記外殻がゴム系材料を含むことが好ましい。特に、外殻の外表面がゴム系材料を含むことが好ましい。これにより、球体と測定対象物の表面とが面積を有する接触領域にて密着する。従って、超音波探傷において通常必要である接触媒質を用いることなく、球体と測定対象物との間での超音波の伝播が容易になる。   In the ultrasonic probe of the present invention, it is preferable that the outer shell of the sphere includes a rubber-based material. In particular, the outer surface of the outer shell preferably contains a rubber material. Thereby, a spherical body and the surface of a measurement object adhere | attach in the contact area | region which has an area. Therefore, propagation of ultrasonic waves between the sphere and the measurement object is facilitated without using a contact medium that is normally required for ultrasonic flaw detection.

また、球体の外殻内に充填される液体は水又は油であることが好ましい。これにより、探傷性能が長期に安定した超音波探触子を安価に提供することができる。   The liquid filled in the outer shell of the sphere is preferably water or oil. Thereby, an ultrasonic probe with stable flaw detection performance for a long period can be provided at low cost.

以下、本発明を、好適な実施形態を用いて詳細に説明する。但し、以下に示す実施形態は例示に過ぎず、本発明は当該実施形態に限定されないことはいうまでもない。   Hereinafter, the present invention will be described in detail using preferred embodiments. However, it is needless to say that the embodiment described below is merely an example, and the present invention is not limited to the embodiment.

図１は本発明の一実施形態に係る超音波探触子１０の概略構成を示した断面図、図２はその外観斜視図、図３はその分解斜視図である。   1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of an ultrasonic probe 10 according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is an external perspective view thereof, and FIG. 3 is an exploded perspective view thereof.

超音波探触子１０は、超音波を放出し及び／又は超音波を受信する超音波振動子１１と、超音波振動子１１と測定対象物１００との間に配置される球体１２とを備える。   The ultrasonic probe 10 includes an ultrasonic transducer 11 that emits ultrasonic waves and / or receives ultrasonic waves, and a sphere 12 disposed between the ultrasonic transducer 11 and the measurement object 100. .

超音波振動子１１は、吸音材などを含む振動子ホルダ１３の下端に固定されている。振動子ホルダ１３から導出された配線ケーブル１４を介して超音波振動子１１に対して電気信号の授受が行われる。振動子ホルダ１３は、略円柱状の第１支持部材２１の中心軸にほぼ沿って形成された貫通孔２１ａ内に挿入され、固定ネジ１５を用いて第１支持部材２１に固定される。   The ultrasonic transducer 11 is fixed to the lower end of the transducer holder 13 including a sound absorbing material. An electrical signal is transferred to the ultrasonic transducer 11 through the wiring cable 14 led out from the transducer holder 13. The vibrator holder 13 is inserted into a through hole 21 a formed substantially along the central axis of the substantially cylindrical first support member 21, and is fixed to the first support member 21 using a fixing screw 15.

中空円筒形状の第２支持部材２２の一方の側の開口から、球体１２及び複数の支持ボール１６が順に挿入され、更に第１支持部材２１が嵌入される。第２支持部材２２の他方の側の開口近傍の内壁面にはシール２３が環状に突出して形成されている。シール２３が、この他方の側の開口から球体１２が脱落するのを防止している。複数の支持ボール１６及びシール２３により、球体１２は第１支持部材２１及び第２支持部材２２により形成されたカップ状の空間内に任意の方向に自由に回転可能に保持される。   From the opening on one side of the hollow cylindrical second support member 22, the sphere 12 and the plurality of support balls 16 are sequentially inserted, and the first support member 21 is further inserted. On the inner wall surface near the opening on the other side of the second support member 22, a seal 23 protrudes in an annular shape. The seal 23 prevents the spherical body 12 from dropping out from the opening on the other side. The sphere 12 is held by the plurality of support balls 16 and the seal 23 so as to be freely rotatable in an arbitrary direction within a cup-shaped space formed by the first support member 21 and the second support member 22.

図１に示すように、超音波振動子１１と球体１２とは互いに近接し且つ対向して配置されている。超音波振動子１１と球体１２との間の隙間を含む、球体１２が収納されたカップ状の空間内には液状媒体１７が充填されている。液状媒体１７は、第２支持部材２２の側壁に形成された貫通孔に挿入された注入パイプ１８を介して注入される。シール２３は液状媒体１７が漏出するのを防止している。   As shown in FIG. 1, the ultrasonic transducer 11 and the sphere 12 are arranged close to each other and facing each other. A liquid medium 17 is filled in a cup-shaped space in which the sphere 12 is accommodated, including a gap between the ultrasonic transducer 11 and the sphere 12. The liquid medium 17 is injected through an injection pipe 18 inserted into a through hole formed in the side wall of the second support member 22. The seal 23 prevents the liquid medium 17 from leaking out.

球体１２は、外殻１２ａと、外殻１２ａ内に充填された液体１２ｂとを備える。   The spherical body 12 includes an outer shell 12a and a liquid 12b filled in the outer shell 12a.

外殻１２ａの外面及び内面はいずれも球面であり、両者の中心は一致する。外殻１２ａの材料は特に限定されないが、例えばゴム系材料、樹脂材料、金属系材料などを用いることができるが、ゴム系材料が好ましい。ゴム系材料は容易に変形し得るので、測定に際して球体１２が測定対象物１００の表面に押し付けられると、球体１２が変形して測定対象物１００の表面に密着してある面積を有する接触領域１１０が形成される。これにより、接触領域１１０を介して測定対象物１００と球体１２との間での超音波の伝播が容易になり、超音波探傷において通常必要である超音波探触子と測定対象物との間に付与される接触媒質が不要になる。   Both the outer surface and the inner surface of the outer shell 12a are spherical surfaces, and the centers of both coincide. The material of the outer shell 12a is not particularly limited. For example, a rubber-based material, a resin material, a metal-based material, or the like can be used, but a rubber-based material is preferable. Since the rubber-based material can be easily deformed, when the sphere 12 is pressed against the surface of the measurement object 100 at the time of measurement, the contact region 110 having an area that is in close contact with the surface of the measurement object 100 due to the deformation of the sphere 12. Is formed. This facilitates the propagation of ultrasonic waves between the measurement object 100 and the sphere 12 via the contact region 110, and between the ultrasonic probe and the measurement object, which is normally required in ultrasonic flaw detection. The contact medium applied to is not necessary.

ゴム系材料としては、例えばシリコンゴム、ＢＲゴム、ＮＢＲゴム、ウレタンゴム、バイトンゴムなどを使用することができる。樹脂材料としては、ポリエステル系樹脂（例えばＰＥＴ）、ポリエチレン、ポリプロピレン、塩化ビニル、アクリル系樹脂などを使用することができる。金属系材料としては、ステンレス鋼、アルミニウム、銅などを使用することができる。   As the rubber material, for example, silicon rubber, BR rubber, NBR rubber, urethane rubber, Viton rubber and the like can be used. As the resin material, polyester resin (for example, PET), polyethylene, polypropylene, vinyl chloride, acrylic resin, and the like can be used. As the metallic material, stainless steel, aluminum, copper, or the like can be used.

外殻１２ａは、単一材料から構成されていてもよいが、厚さ方向（即ち、半径方向）に複数の層が積層されていてもよい。この場合、最外層にゴム系材料を用いると、球体１２を測定対象物１００の表面に押し付けたときに、最外層が変形してある面積を有する接触領域１１０を容易に形成することができるので好ましい。一方、内層には金属系材料や樹脂材料等の相対的に硬い材料を用いることにより、球体１２のマクロ的な変形を抑えることができる。   The outer shell 12a may be made of a single material, but a plurality of layers may be laminated in the thickness direction (that is, the radial direction). In this case, when a rubber-based material is used for the outermost layer, the contact region 110 having an area where the outermost layer is deformed can be easily formed when the sphere 12 is pressed against the surface of the measuring object 100. preferable. On the other hand, macro deformation of the sphere 12 can be suppressed by using a relatively hard material such as a metal-based material or a resin material for the inner layer.

液体１２ｂの材料は特に制限はないが、長期間にわたって安定した特性を維持し得る材料、例えば、水、油などを用いることができる。油としては、特に制限はないが、例えば潤滑、冷却、防錆等に用いられる公知の油、好ましくは鉱物油が好ましい。液体１２ｂは、２種以上の液体この混合物であってもよく、また、各種添加剤等を含んでいてもよい。液体１２ｂは、超音波探触子１０の使用温度において液体であればよい。   The material of the liquid 12b is not particularly limited, but a material that can maintain stable characteristics over a long period of time, such as water or oil, can be used. Although there is no restriction | limiting in particular as oil, For example, the well-known oil used for lubrication, cooling, rust prevention, etc., Preferably mineral oil is preferable. The liquid 12b may be a mixture of two or more liquids and may contain various additives. The liquid 12b may be a liquid at the use temperature of the ultrasonic probe 10.

外殻１２ａ内に液体１２ｂが充填された球体１２の製造方法は特に制限はない。例えば以下の方法で製造できる。最初に、外殻１２ａの材料で作成した中実の球体を２つの半球体に分割する。次いで、各半球体の分割面にフライス盤等を用いて半球状の凹部を形成するとともに、少なくとも一方の半球体に液体１２ｂの注入孔を形成する。次いで、２つの半球体を熱融着、接着等の方法により接合して外殻１２ｂを得る。そして、注入孔を介して外殻１２ｂ内に液体１２ａを注入し、注入孔を封止する。このとき、外殻１２ａ内に気泡が残存しないように注意する。   The manufacturing method of the sphere 12 in which the outer shell 12a is filled with the liquid 12b is not particularly limited. For example, it can be produced by the following method. First, a solid sphere made of the material of the outer shell 12a is divided into two hemispheres. Next, a hemispherical recess is formed on the dividing surface of each hemisphere using a milling machine or the like, and an injection hole for the liquid 12b is formed in at least one hemisphere. Next, the two hemispheres are joined by a method such as heat fusion or adhesion to obtain the outer shell 12b. Then, the liquid 12a is injected into the outer shell 12b through the injection hole to seal the injection hole. At this time, care is taken not to leave bubbles in the outer shell 12a.

外殻１２ａ内に液体１２ｂが充填された球体１２による作用を説明する。   The operation of the sphere 12 in which the outer shell 12a is filled with the liquid 12b will be described.

一般に、超音波は媒質中を縦波及び／又は横波として伝播する。特許文献３に記載された従来の超音波探触子では、ゴム等からなる中実の球体を使用する。この場合、超音波の横波は、球体内を伝播可能であるが、球体１２と測定対象物１００の表面との接触領域１１０に集束されない。従って、球体内で多重反射を繰り返し、これがノイズとして検出されてしまう。一方、超音波の縦波は、球体がゴム等の圧縮性の材料からなるので、球体内で減衰されやすい。従って、Ｓ／Ｎ比が低下するという問題があった。   In general, ultrasonic waves propagate in a medium as longitudinal waves and / or transverse waves. In the conventional ultrasonic probe described in Patent Document 3, a solid sphere made of rubber or the like is used. In this case, the ultrasonic transverse wave can propagate through the sphere, but is not focused on the contact region 110 between the sphere 12 and the surface of the measurement object 100. Therefore, multiple reflections are repeated in the sphere, and this is detected as noise. On the other hand, longitudinal waves of ultrasonic waves are easily attenuated in the sphere because the sphere is made of a compressible material such as rubber. Therefore, there is a problem that the S / N ratio is lowered.

これに対して、本発明では、球体１２の内部には液体１２ｂが充填されている。この場合、超音波の縦波は液体１２ｂ中を伝播可能であるが、超音波の横波は液体１２ｂ中を伝播されない。しかも、液体１２ｂは、ゴムに比べて概して非圧縮性であるので、縦波の減衰は少ない。従って、縦波を用いて測定対象物の厚さや亀裂深さ等を測定することにより、Ｓ／Ｎ比が向上し、測定精度が向上するのである。   In contrast, in the present invention, the inside of the sphere 12 is filled with the liquid 12b. In this case, the longitudinal wave of the ultrasonic wave can propagate in the liquid 12b, but the transverse wave of the ultrasonic wave is not propagated in the liquid 12b. Moreover, since the liquid 12b is generally incompressible as compared with rubber, the longitudinal wave is less attenuated. Therefore, by measuring the thickness, crack depth, etc. of the measurement object using longitudinal waves, the S / N ratio is improved and the measurement accuracy is improved.

超音波振動子１１から放出された超音波は、球体１２と測定対象物１００の表面との接触領域１１０内又はその近傍にビーム状に集束されることが好ましい。これにより、超音波エネルギーの無駄を少なくし、より強い超音波を測定対象物１００内に入射させることができる。また、測定対象物１００に入射せず、球体１２の表面で反射することで発生するノイズを抑制することができる。これらにより、Ｓ／Ｎ比が更に向上し、測定精度が更に改善される。   The ultrasonic wave emitted from the ultrasonic transducer 11 is preferably focused in a beam shape in or near the contact region 110 between the sphere 12 and the surface of the measurement object 100. Thereby, waste of ultrasonic energy can be reduced, and stronger ultrasonic waves can be incident on the measurement object 100. Further, it is possible to suppress noise generated by being reflected on the surface of the sphere 12 without entering the measurement object 100. As a result, the S / N ratio is further improved, and the measurement accuracy is further improved.

超音波を集束するための方法は特に限定されない。例えば、図１に示すように、超音波振動子１１としてコンポジット振動子を用い、その球体１２に対向する面が凹曲面となるようにコンポジット振動子を変形させてもよい。コンポジット振動子とは、ポリマーなどのシート状物に多数の微小な圧電セラミックを格子点状に埋め込んだ複合振動子である。コンポジット振動子は可撓性を有し、球体１２の曲率半径に応じて任意の３次元曲面に容易且つ高精度に成形することができる。コンポジット振動子はエネルギー変換効率が高いので、高感度の超音波探触子を実現できる。また、吸音材を軽量化できる。特に１−３コンポジット振動子はエネルギー変換効率が高く、高感度であるので好ましい。コンポジット振動子の球体１２に対向する面が凹曲面となるようにコンポジット振動子を変形させることにより、球体１２に対する超音波の入射角が小さくなるので、球体１２の表面で反射され、球体１２内に入射しない超音波を低減できるという効果も得られる。また、後述する音響レンズが不要になるので、部品点数を削減できる。   A method for focusing the ultrasonic wave is not particularly limited. For example, as shown in FIG. 1, a composite vibrator may be used as the ultrasonic vibrator 11, and the composite vibrator may be deformed so that the surface facing the sphere 12 is a concave curved surface. The composite vibrator is a composite vibrator in which a large number of minute piezoelectric ceramics are embedded in lattice points in a sheet-like material such as a polymer. The composite vibrator has flexibility, and can be easily and accurately formed into an arbitrary three-dimensional curved surface according to the radius of curvature of the sphere 12. Since the composite transducer has a high energy conversion efficiency, a highly sensitive ultrasonic probe can be realized. Further, the sound absorbing material can be reduced in weight. In particular, the 1-3 composite vibrator is preferable because it has high energy conversion efficiency and high sensitivity. By deforming the composite vibrator so that the surface facing the sphere 12 of the composite vibrator becomes a concave curved surface, the incident angle of the ultrasonic wave with respect to the sphere 12 becomes small. The effect that the ultrasonic wave which is not incident on can be reduced is also obtained. In addition, since an acoustic lens described later is not necessary, the number of parts can be reduced.

コンポジット振動子の球体１２に対向する面の曲率半径は、球体１２の外表面の曲率半径よりやや大きいことが好ましい。これにより、集束された超音波ビームの焦点位置を、球体１２と測定対象物１００の表面との接触領域１１０にほぼ一致させることができる。   The curvature radius of the surface of the composite vibrator facing the sphere 12 is preferably slightly larger than the curvature radius of the outer surface of the sphere 12. Thereby, the focal position of the focused ultrasonic beam can be made to substantially coincide with the contact region 110 between the sphere 12 and the surface of the measurement object 100.

超音波を集束するための方法としては、上記に限定されず、例えば後述する図６に示すように、超音波振動子４１と球体１２との間に音響レンズ４２を配置する方法を用いることもできる。   The method for focusing the ultrasonic wave is not limited to the above, and for example, as shown in FIG. 6 to be described later, a method of arranging an acoustic lens 42 between the ultrasonic transducer 41 and the sphere 12 may be used. it can.

液状媒体１７は、超音波振動子１１と球体１２との間での超音波の伝播を容易にする。液状媒体１７の材料は特に制限はないが、例えばグリース、グリセリンなどを使用することができる。液状媒体１７中を伝播する超音波の伝播速度が球体１２中を伝播する超音波の伝播速度及び／又は支持部材中を伝播する超音波の伝播速度と同じになるように液状媒体１７の材料を選択すれば、超音波探触子１０の各部での超音波の反射によるノイズを低減することができる。   The liquid medium 17 facilitates the propagation of ultrasonic waves between the ultrasonic transducer 11 and the sphere 12. The material of the liquid medium 17 is not particularly limited, but for example, grease, glycerin, or the like can be used. The material of the liquid medium 17 is set so that the propagation speed of the ultrasonic wave propagating in the liquid medium 17 is the same as the propagation speed of the ultrasonic wave propagating in the sphere 12 and / or the propagation speed of the ultrasonic wave propagating in the support member. If selected, noise caused by reflection of ultrasonic waves at each part of the ultrasonic probe 10 can be reduced.

支持ボール１６は球体１２より小径の球状体である。支持ボール１６の材料は特に制限はないが例えばステンレス鋼を用いることができる。支持ボール１６の個数も特に制限はない。なお、球体１２を自由に回転させることができれば、複数の支持ボール１６以外の方法により球体１２を支持してもよい。   The support ball 16 is a sphere having a smaller diameter than the sphere 12. The material of the support balls 16 is not particularly limited, but for example, stainless steel can be used. The number of support balls 16 is not particularly limited. Note that the sphere 12 may be supported by a method other than the plurality of support balls 16 as long as the sphere 12 can be freely rotated.

次に、本発明の超音波探触子１０を用いた測定対象物１００の厚さ測定方法を説明する。図７で説明したのと同様に、厚さ測定では１つの超音波探触子１０を用いる。図１に示すように、接触領域１１０での測定対象物１００の表面に対する法線上に超音波振動子１１がほぼ位置するように、超音波探触子１０を測定対象物１００に押し付ける。次いで、超音波振動子１１を振動させると、これから放出された超音波は、液状媒体１７、球体１２を順に通過して、接触領域１１０を介して測定対象物１００に入射する。入射した超音波は測定対象物１００の入射面とは反対側の面に到達し、ここで反射されて、上記と逆の経路を通って超音波振動子１１に入射してこれを振動させる。超音波振動子１１はこの振動を電気信号に変換して出力する。超音波振動子１１による超音波の送信から受信までの時間を計測すれば、測定対象物１００の厚さを計算することができる。   Next, a method for measuring the thickness of the measurement object 100 using the ultrasonic probe 10 of the present invention will be described. As described with reference to FIG. 7, one ultrasonic probe 10 is used for the thickness measurement. As shown in FIG. 1, the ultrasonic probe 10 is pressed against the measurement object 100 so that the ultrasonic transducer 11 is substantially located on the normal line to the surface of the measurement object 100 in the contact region 110. Next, when the ultrasonic transducer 11 is vibrated, the ultrasonic waves emitted from the ultrasonic transducer 11 pass through the liquid medium 17 and the sphere 12 in this order, and enter the measurement object 100 through the contact region 110. The incident ultrasonic wave reaches the surface opposite to the incident surface of the measuring object 100, is reflected here, and enters the ultrasonic transducer 11 through the path opposite to the above to vibrate it. The ultrasonic vibrator 11 converts this vibration into an electric signal and outputs it. If the time from transmission to reception of ultrasonic waves by the ultrasonic transducer 11 is measured, the thickness of the measurement object 100 can be calculated.

測定対象物１００上の測定位置を変えるには、超音波探触子１０を測定対象物１００に押し付けたままで超音波探触子１０を任意の方向に移動させればよい。移動中、球体１２は測定対象物１００の表面との密着状態を維持しながら測定対象物１００上を転がる。従って、移動中も超音波の送信と受信とを繰り返し行えば、厚さ測定を次々に連続的に行うことができる。   In order to change the measurement position on the measurement object 100, the ultrasonic probe 10 may be moved in an arbitrary direction while the ultrasonic probe 10 is pressed against the measurement object 100. During movement, the sphere 12 rolls on the measurement object 100 while maintaining a close contact state with the surface of the measurement object 100. Accordingly, if transmission and reception of ultrasonic waves are repeated during movement, the thickness measurement can be performed continuously one after another.

次に、本発明の超音波探触子１０を用いた、測定対象物１００上に形成された亀裂深さの測定方法を説明する。図８で説明したのと同様に、亀裂深さ測定では２つの超音波探触子１０を備えた超音波探傷装置を用いる。２つの超音波探触子１０のうちの一方を超音波を送信する送波子とし、他方を超音波を受信する受波子とする。   Next, a method for measuring the depth of a crack formed on the measurement object 100 using the ultrasonic probe 10 of the present invention will be described. As described with reference to FIG. 8, an ultrasonic flaw detector provided with two ultrasonic probes 10 is used for crack depth measurement. One of the two ultrasonic probes 10 is a transmitter that transmits ultrasonic waves, and the other is a wave receiver that receives ultrasonic waves.

２つの超音波探触子１０を測定対象物１００に同時に押し付ける。このとき、測定対象物１００に対する超音波探触子１０の角度は、垂直、即ち、図１に示すように接触領域１１０での測定対象物１００の表面に対する法線上に超音波振動子１１が位置する角度であってもよい。しかしながら、２つの超音波探触子１０の間の亀裂に向かって超音波が送信され、且つこの亀裂からの超音波が受信されるように、図４に示すように、測定対象物１００の表面に対して２つの超音波探触子１０を互いに反対方向に傾斜させることが好ましい。測定中に２つの超音波探触子１０の相対的位置関係（間隔及び傾斜角度など）が一定に維持されるように、２つの超音波探触子１０はホルダ（図示せず）で一体に保持されていることが好ましい。   Two ultrasonic probes 10 are pressed against the measurement object 100 simultaneously. At this time, the angle of the ultrasonic probe 10 with respect to the measurement object 100 is vertical, that is, the ultrasonic transducer 11 is positioned on the normal line to the surface of the measurement object 100 in the contact region 110 as shown in FIG. It may be an angle. However, as shown in FIG. 4, the surface of the measuring object 100 is transmitted so that the ultrasonic wave is transmitted toward the crack between the two ultrasonic probes 10 and the ultrasonic wave from the crack is received. In contrast, it is preferable to tilt the two ultrasonic probes 10 in opposite directions. The two ultrasonic probes 10 are integrated with a holder (not shown) so that the relative positional relationship (distance, inclination angle, etc.) of the two ultrasonic probes 10 is kept constant during the measurement. It is preferable that it is held.

図５に一方の超音波探触子１０についての測定対象物１００と球体１２と超音波振動子１１との相対的位置関係を示す。図１と異なり、図５に示すように超音波探触子１０を傾斜させると、接触領域１１０での測定対象物１００の表面に対する法線からずれた位置に超音波振動子１１が配置される。このとき、図５に示した超音波振動子１１と球体１２との間の間隔ｄ１，ｄ２がｄ１＜ｄ２を満足すると、超音波振動子１１から放出された超音波を接触領域１１０内に集束させやすくなるので好ましい。亀裂の深さが相対的に深い場合には超音波の減衰が大きくなるので、図４のように超音波探触子１０を傾斜させること、更に、超音波振動子１１から放出された超音波を接触領域１１０内に集束させることは、亀裂深さを正確に測定するのに効果的である。   FIG. 5 shows the relative positional relationship between the measurement object 100, the sphere 12, and the ultrasonic transducer 11 for one ultrasonic probe 10. Unlike FIG. 1, when the ultrasonic probe 10 is tilted as shown in FIG. 5, the ultrasonic transducer 11 is arranged at a position shifted from the normal to the surface of the measurement object 100 in the contact region 110. . At this time, if the distances d1 and d2 between the ultrasonic transducer 11 and the sphere 12 shown in FIG. 5 satisfy d1 <d2, the ultrasonic waves emitted from the ultrasonic transducer 11 are focused in the contact region 110. Since it becomes easy to make it easy, it is preferable. When the depth of the crack is relatively deep, the attenuation of the ultrasonic wave becomes large. Therefore, the ultrasonic probe 10 is tilted as shown in FIG. 4 and the ultrasonic wave emitted from the ultrasonic transducer 11 is further inclined. Focusing within the contact area 110 is effective in accurately measuring the crack depth.

送波子から超音波を放出させながら、２つの超音波探触子１０を測定対象物１００に同時に押し付けたまま移動させる。２つの超音波探触子１０間に亀裂がなければ受波子は測定対象物１００の表面に沿って直進する超音波を受信し、２つの超音波探触子１０間に亀裂があれば受波子は亀裂の底部（図８の底部１０１ａを参照）を回折した超音波を受信する。亀裂が深いほど受波子が受信する超音波のエネルギーは小さくなるので、受信した超音波の振幅から亀裂の深さを測定することができる。また、深い亀裂であれば、超音波が送波子から送信された後、亀裂の底部を回折して受波子に受信されるまでの時間が長くなるので、厚さ測定の場合と同様に、超音波の送信から受信までの時間を計測することにより、亀裂の深さを算出することもできる。   While emitting ultrasonic waves from the transmitter, the two ultrasonic probes 10 are moved while being pressed against the measurement object 100 simultaneously. If there is no crack between the two ultrasonic probes 10, the receiver receives ultrasonic waves that travel straight along the surface of the measurement object 100. If there is a crack between the two ultrasonic probes 10, the receiver Receives ultrasonic waves diffracted at the bottom of the crack (see bottom 101a in FIG. 8). The deeper the crack is, the smaller the energy of the ultrasonic wave received by the wave receiver is. Therefore, the depth of the crack can be measured from the amplitude of the received ultrasonic wave. Also, if the crack is deep, the time from when the ultrasonic wave is transmitted from the transmitter to when it is diffracted at the bottom of the crack and received by the receiver becomes longer. The crack depth can also be calculated by measuring the time from transmission of the sound wave to reception.

また、測定対象物１００の裏面で反射した超音波を受波子で受信し、超音波の送信から受信までの時間を計測することにより、２つの超音波探触子１０を用いて測定対象物１００の厚さを測定することもできる。   In addition, the ultrasonic wave reflected by the back surface of the measurement object 100 is received by the wave receiver, and the measurement object 100 is measured using the two ultrasonic probes 10 by measuring the time from transmission to reception of the ultrasonic wave. Can also be measured.

図６は本発明の別の実施形態に係る超音波探傷装置の概略構成を示した断面図である。図６の超音波探傷装置は、図４の超音波探傷装置と同様に、測定対象物１００の厚さ及び亀裂１０１の深さを測定することができる。図６の超音波探傷装置は、２つの超音波探触子１０ａ，１０ｂと、２つの超音波探触子１０ａ，１０ｂ間で超音波が直接伝播するのを防止するための音響隔離壁３１と、２つの超音波探触子１０ａ，１０ｂを一体に保持するホルダ３０とを備える。２つの超音波探触子１０ａ，１０ｂの構成は同じであり、一方は超音波を送信する送波子として使用され、他方は超音波を受信する受波子として使用される。図６において、図１〜図４と同じ構成部材には同じ符号を付してそれらの説明を省略する。   FIG. 6 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of an ultrasonic flaw detector according to another embodiment of the present invention. The ultrasonic flaw detector shown in FIG. 6 can measure the thickness of the measurement object 100 and the depth of the crack 101, similarly to the ultrasonic flaw detector shown in FIG. The ultrasonic flaw detector shown in FIG. 6 includes two ultrasonic probes 10a and 10b, and an acoustic isolation wall 31 for preventing ultrasonic waves from directly propagating between the two ultrasonic probes 10a and 10b. And a holder 30 that integrally holds the two ultrasonic probes 10a and 10b. The configurations of the two ultrasonic probes 10a and 10b are the same, one is used as a transmitter for transmitting ultrasonic waves, and the other is used as a receiver for receiving ultrasonic waves. In FIG. 6, the same components as those in FIGS.

超音波振動子から放出された超音波を集束させるために、図１では超音波振動子１１として曲面成形されたコンポジット振動子を用いたが、図４では超音波振動子４１と球体１２との間に音響レンズ４２を用いている。音響レンズ４２の球体１２に対向する面に形成された凹曲面が超音波振動子４１から放出された超音波を球体１２と測定対象物１００の表面との接触領域内又はその近傍に集束させる。音響レンズ４２は、超音波を集束させる機能を有していれば特に制限はないが、例えば高密度ポリスチレン樹脂の板材を削り出し加工して製作することができる。音響レンズ４２は、超音波の伝播を容易にするために超音波振動子４１に密着されている。   In order to focus the ultrasonic wave emitted from the ultrasonic vibrator, a composite vibrator having a curved surface is used as the ultrasonic vibrator 11 in FIG. 1, but in FIG. An acoustic lens 42 is used between them. A concave curved surface formed on the surface of the acoustic lens 42 facing the sphere 12 focuses the ultrasonic wave emitted from the ultrasonic transducer 41 in or near the contact area between the sphere 12 and the surface of the measurement object 100. The acoustic lens 42 is not particularly limited as long as it has a function of focusing ultrasonic waves. For example, the acoustic lens 42 can be manufactured by cutting out a plate material of high-density polystyrene resin. The acoustic lens 42 is in close contact with the ultrasonic transducer 41 to facilitate the propagation of ultrasonic waves.

音響レンズ４２を用いて超音波を集束させる場合、超音波振動子４１としては、圧電セラミック材料からなる一般的なセラミック振動子を用いることができる。セラミック振動子を用いた場合、コンポジット振動子を用いた場合に比べて、超音波の周波数帯域を拡大することができるという利点を有する反面、多くの吸音材を設ける必要があること、また概して感度が低いという欠点を有する。   When focusing the ultrasonic wave using the acoustic lens 42, a general ceramic vibrator made of a piezoelectric ceramic material can be used as the ultrasonic vibrator 41. The use of ceramic vibrators has the advantage that the frequency band of ultrasonic waves can be expanded compared to the case of using composite vibrators, but it is necessary to provide many sound absorbing materials, and generally the sensitivity Has the disadvantage of being low.

図６では図示を簡略化しているが、球体１２は図１と同様の保持機構により回転可能に保持されている。また、音響レンズ４２と球体１２とは互いに近接して配置され、音響レンズ４２と球体１２との間の隙間には図１と同様に液状媒体（図示せず）が充填されている。   Although the illustration is simplified in FIG. 6, the sphere 12 is rotatably held by a holding mechanism similar to that in FIG. The acoustic lens 42 and the sphere 12 are arranged close to each other, and a liquid medium (not shown) is filled in the gap between the acoustic lens 42 and the sphere 12 as in FIG.

図６では、ホルダ３０は２つの超音波探触子１０ａ，１０ｂをほぼ平行に保持しているが、図４と同様に、２つの超音波探触子１０ａ，１０ｂを互いに傾斜させて保持していても良い。   In FIG. 6, the holder 30 holds the two ultrasonic probes 10a and 10b substantially in parallel. However, similarly to FIG. 4, the holder 30 holds the two ultrasonic probes 10a and 10b so as to be inclined with respect to each other. May be.

本発明の利用分野は特に制限はなく、超音波を用いた探傷試験として広く利用することができる。特に、超音波探触子又は超音波探傷装置を測定対象物から離すことなく任意の方向に移動させて連続的に厚さ又は亀裂深さを高精度で測定することができるので、厚さが連続的に変化する場合や多数の亀裂が存在する場合に、効率よい測定を行うことができる。例えば、配管やタンクの肉厚測定、ガスタービン動翼や溶接部の亀裂測定などに利用できる。   The application field of the present invention is not particularly limited, and can be widely used as a flaw detection test using ultrasonic waves. In particular, the thickness or crack depth can be continuously measured with high accuracy by moving the ultrasonic probe or ultrasonic flaw detector in an arbitrary direction without being separated from the measurement object. Efficient measurement can be performed when continuously changing or when there are many cracks. For example, it can be used for measuring the thickness of pipes and tanks, and measuring cracks in gas turbine blades and welds.

１０，１０ａ，１０ｂ 超音波探触子
１１ 超音波振動子
１２ 球体
１２ａ 外殻
１２ｂ 液体
１３ 振動子ホルダ
１４ 配線ケーブル
１５ 固定ネジ
１６ 支持ボール
１７ 液状媒体
１８ 注入パイプ
２１ 第１支持部材
２１ａ 貫通孔
２２ 第２支持部材
２３ シール
３０ ホルダ
３１ 音響隔離壁
４１ 超音波振動子
４２ 音響レンズ
１００ 測定対象物
１０１ 亀裂
１１０ 接触領域 10, 10a, 10b Ultrasonic probe 11 Ultrasonic transducer 12 Sphere 12a Outer shell 12b Liquid 13 Vibrator holder 14 Wiring cable 15 Fixing screw 16 Support ball 17 Liquid medium 18 Injection pipe 21 First support member 21a Through hole 22 Second support member 23 Seal 30 Holder 31 Acoustic isolation wall 41 Ultrasonic vibrator 42 Acoustic lens 100 Measurement object 101 Crack 110 Contact area

Claims (4)

測定対象物に超音波を入射させ及び／又は前記測定対象物からの超音波を受信する超音波探触子であって、
超音波振動子と、前記超音波振動子と前記測定対象物との間に配置され、超音波が通過する球体と、前記球体を回転可能に保持する保持機構と、前記超音波振動子と前記球体との間で超音波を伝播させる液状媒体とを備え、
前記球体は、外殻と、前記外殻の内部に充填された液体とを備えることを特徴とする超音波探触子。 An ultrasonic probe that makes ultrasonic waves incident on a measurement object and / or receives ultrasonic waves from the measurement object,
An ultrasonic transducer; a sphere disposed between the ultrasonic transducer and the measurement object; an ultrasonic wave passing through; a holding mechanism that rotatably holds the sphere; the ultrasonic transducer; A liquid medium that propagates ultrasonic waves to and from a sphere,
The ultrasonic probe according to claim 1, wherein the spherical body includes an outer shell and a liquid filled in the outer shell. 前記外殻はゴム系材料を含む請求項１に記載の超音波探触子。   The ultrasonic probe according to claim 1, wherein the outer shell includes a rubber-based material. 前記液体が、水又は油である請求項１又は２に記載の超音波探触子。   The ultrasonic probe according to claim 1, wherein the liquid is water or oil. 一対の超音波探触子と、前記一対の超音波探触子を保持するホルダとを備え、前記一対の超音波探触子のうちの一方が測定対象物に超音波を入射させ、他方が前記測定対象物からの超音波を受信する超音波探傷装置であって、前記一対の超音波探触子のそれぞれが請求項１〜３のいずれかに記載の超音波探触子である超音波探傷装置。   A pair of ultrasonic probes; and a holder for holding the pair of ultrasonic probes; one of the pair of ultrasonic probes makes an ultrasonic wave incident on a measurement object; An ultrasonic flaw detector that receives ultrasonic waves from the measurement object, wherein each of the pair of ultrasonic probes is the ultrasonic probe according to any one of claims 1 to 3. Flaw detection equipment.
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