JP7074488B2

JP7074488B2 - 超音波プローブ

Info

Publication number: JP7074488B2
Application number: JP2018016160A
Authority: JP
Inventors: 利英福井
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2018-02-01
Filing date: 2018-02-01
Publication date: 2022-05-24
Anticipated expiration: 2038-02-01
Also published as: JP2019132748A; WO2019150953A1

Description

本発明は、検査対象の欠陥を検査する超音波プローブに関するものである。

従来、非破壊で鋼材等の検査対象に存在する欠陥を検査する手段の一つとして、いわゆる二振動子垂直プローブが知られている。例えば、特許文献１には、送信用振動子と、送信用音響的遅延材と、受信用振動子と、受信用音響的遅延材と、音響的隔離板と、を備える超音波探触子（二振動子垂直プローブ）が開示されている。

特開２００３－３０２３８８号公報

特許文献１に記載されるような超音波探触子では、検査対象の内部に存在する欠陥を検知することは可能であるものの、検査対象の表面領域（表面ないしその近傍の領域）の欠陥を検査することはできない。

本発明の目的は、検査対象の内部領域に加え、表面領域に存在する欠陥をも検査することが可能な超音波プローブを提供することである。

前記課題を解決するために、本発明者らは、いわゆる二振動子垂直プローブでの欠陥の検査時にクリーピング波が生じることに着目した。クリーピング波は、送信振動子から送信された超音波（縦波）が検査対象に横波として入射する際に生じる超音波であり、検査対象の表面領域を伝播する縦波である。このクリーピング波を用いることによって、検査対象の表面領域に存在する欠陥を検知可能となることに想到した。

本発明は、このような観点に基づいてなされたものである。具体的に、本発明は、超音波として縦波を送信する送信振動子と、超音波を受信する第１受信振動子と、超音波を受信する第２受信振動子と、超音波を吸収する音響隔離部と、前記送信振動子、前記第１受信振動子、前記第２受信振動子及び前記音響隔離部を保持するくさびと、を備え、前記くさびは、前記送信振動子から送信された縦波が横波として検査対象に入射し、かつ、前記横波の前記検査対象への入射時に前記検査対象の表面領域を伝播するクリーピング波を生じさせる角度で前記送信振動子を保持する送信振動子保持部と、前記検査対象内を伝播する横波が前記検査対象の内部領域に存在する欠陥で反射することにより生成された反射超音波を前記第１受信振動子が受信可能な角度で当該第１受信振動子を保持する第１受信振動子保持部と、前記送信振動子保持部と前記第１受信振動子保持部との間で前記音響隔離部を保持する音響隔離部保持部と、前記クリーピング波が前記検査対象の表面領域に存在する欠陥で反射することにより生成される反射クリーピング波を前記第２受信振動子が受信可能な角度で当該第２受信振動子を保持する第２受信振動子保持部と、を有する、超音波プローブを提供する。

本超音波プローブでは、送信振動子から送信されて検査対象の内部に進入した横波が検査対象の内部領域に存在する欠陥で反射することにより生成された反射超音波を受信する第１受信振動子と、送信振動子から送信された縦波の検査対象への入射時に生じたクリーピング波が検査対象の表面領域に存在する欠陥で反射することにより生成される反射クリーピング波を受信する第２受信振動子と、を有しているので、検査対象の内部領域に存在する欠陥に加え、表面領域に存在する欠陥をも検知することができる。なお、表面領域とは、検査対象の表面からクリーピング波の数波長程度の深さに相当する領域を意味する。

また、前記第２受信振動子保持部は、前記音響隔離部保持部と前記第１受信振動子保持部との間に設けられていることが好ましい。

このようにすれば、送信振動子から送信された縦波を第２受信振動子が受信することが回避されるので、第２受信振動子が超音波を受信した際に生成される信号のＳＮ比が高まる。

さらに、前記第２受信振動子保持部は、前記第１受信振動子と前記第２受信振動子とのなす角が７０度以上１１０度以下となるように前記第２受信振動子を保持していることが好ましい。

このようにすれば、検査対象の内部領域に存在する欠陥での反射時に生成された反射超音波を第２受信振動子が受信することが抑制される。具体的に、前記反射超音波（横波）は、再びくさび内に進入するときに縦波になるので、この縦波を受信する第１受信振動子と第２受信振動子とのなす角が７０度以上１１０度以下に設定されることにより、その縦波を第２受信振動子が受信することが抑制される。

また、前記超音波プローブにおいて、超音波を受信する第３受信振動子をさらに備え、前記くさびは、前記反射クリーピング波を前記第３受信振動子が受信可能な角度で当該第３受信振動子を保持する第３受信振動子保持部と、を有し、前記第３受信振動子保持部は、前記送信振動子保持部と前記第１受信振動子保持部とを結ぶ方向について前記送信振動子保持部を基準として前記音響隔離部保持部とは反対側に設けられていることが好ましい。

このようにすれば、くさびのうち音響隔離部よりも送信振動子が配置されている側の直下に存在する欠陥と、くさびのうち音響隔離部よりも第１受信振動子が配置されている側の直下に存在する欠陥と、の識別が可能となる。

また、前記送信振動子は、広帯域振動子であることが好ましい。なお、広帯域振動子とは、１波又は２波程度の超音波パルスを発生する振動子を指す。

この態様では、送信振動子及び第１受信振動子によって検査対象の表面領域に存在する欠陥をも検知することが可能となる。具体的に、広帯域振動子から送信される超音波は、波の数が少ないので、検査対象の表面で反射することにより生成される反射超音波の第１受信振動子での受信信号と、前記表面領域に存在する欠陥で反射することにより生成される反射超音波の第１受信振動子での受信信号と、の識別が可能となる。

以上のように、本発明によれば、検査対象の内部領域に加え、表面領域に存在する欠陥をも検査することが可能な超音波プローブを提供することができる。

本発明の第１実施形態の超音波プローブの概要を示す図である。送信振動子として広帯域振動子が用いられた場合に第１受信振動子で受信される受信信号の例を示す図である。送信振動子として狭帯域振動子が用いられた場合に第１受信振動子で受信される受信信号の例を示す図である。本発明の第２実施形態の超音波プローブの概要を示す図である。図４に示される超音波プローブの斜視図である。第１実施形態の超音波プローブの変形例を示す図である。クリーピング波による欠陥検知信号の例を示す図である。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態の超音波プローブ１について、図１を参照しながら説明する。本超音波プローブ１は、検査対象Ｔ（本実施形態では鋼材）の内部領域に存在する欠陥ｆ１に加え、検査対象Ｔの表面ないしその近傍の領域（以下、「表面領域」と称する。）に存在する欠陥ｆ２をも検査可能である。具体的に、この超音波プローブ１は、送信振動子１０と、第１受信振動子２０と、第２受信振動子３０と、音響隔離部４０と、くさび５０と、を備えている。

送信振動子１０は、超音波として縦波Ｌを送信する。具体的に、送信振動子１０として、広帯域振動子（１波又は２波程度の超音波パルスを発生する振動子）が用いられることが好ましい。

第１受信振動子２０及び第２受信振動子３０は、それぞれ、超音波を受信するとともに、その超音波に対応した信号を生成する。この信号は、ケーブルを介して図示略の探傷装置に送られる。

音響隔離部４０は、超音波を吸収する。本実施形態では、音響隔離部４０は、コルクやゴム等からなる。

くさび５０は、各振動子１０，２０及び音響隔離部４０を保持する。具体的に、くさび５０は、第１音響遅延材５０Ａと、第２音響遅延材５０Ｂと、を有している。本実施形態では、第１音響遅延材５０Ａは、送信振動子１０を保持する送信振動子保持部５１と、音響隔離部４０を保持する音響隔離部保持部５４と、を有している。第２音響遅延材５０Ｂは、第１受信振動子２０を保持する第１受信振動子保持部５２と、第２受信振動子３０を保持する第２受信振動子保持部５３と、を有している。

送信振動子保持部５１は、送信振動子１０から送信された縦波Ｌが横波Ｓとして検査対象Ｔに入射し、かつ、前記横波Ｓの検査対象Ｔへの入射時に検査対象Ｔの表面領域を伝播するクリーピング波Ｃを生じさせる角度で送信振動子１０を保持する。具体的に、送信振動子保持部５１は、検査対象Ｔの表面に垂直な直線と、送信振動子１０から送信される縦波Ｌの送信方向（送信振動子１０に垂直な方向）と、のなす角θ１が送信振動子１０から送信される縦波Ｌの臨界角近傍の角度になるように送信振動子１０を保持する。ここで、「臨界角近傍の角度」は、臨界角±５度であり、好ましくは、臨界角±３度である。なお、表面領域は、検査対象Ｔの表面からクリーピング波Ｃの数波長程度の深さに相当する領域を意味する。

第１受信振動子保持部５２は、検査対象Ｔ内を伝播する横波Ｓが検査対象Ｔの内部領域に存在する欠陥ｆ１で反射することにより生成された反射超音波を第１受信振動子２０が受信可能な角度で第１受信振動子２０を保持する。なお、反射超音波は、検査対象Ｔからくさび５０の第２音響遅延材５０Ｂに進入する際に縦波Ｌになる。第１受信振動子２０が反射超音波（縦波Ｌ）を受信した際に生成される信号は、第１受信振動子２０から前記探傷装置に送られる。つまり、送信振動子１０及び第１受信振動子２０によって検査対象Ｔの内部領域に存在する欠陥ｆ１が検知される。

音響隔離部保持部５４は、送信振動子保持部５１と第１受信振動子保持部５２との間で音響隔離部４０を保持する。音響隔離部保持部５４に音響隔離部４０が保持されることにより、送信振動子１０から第１音響遅延材５０Ａ内に送信された超音波が検査対象Ｔを経由することなく第１受信振動子２０に至るのが抑制される。

第２受信振動子保持部５３は、クリーピング波Ｃが検査対象Ｔの表面領域に存在する欠陥ｆ２で反射することにより生成される反射クリーピング波を第２受信振動子３０が受信可能な角度で当該第２受信振動子３０を保持する。第２受信振動子３０が反射クリーピング波を受信した際に生成される信号は、第２受信振動子３０から前記探傷装置に送られる。つまり、送信振動子１０及び第２受信振動子３０によって検査対象Ｔの表面領域に存在する欠陥ｆ２が検知される。本実施形態では、第２受信振動子保持部５３は、音響隔離部保持部５４と第１受信振動子保持部５２との間に設けられている。この第２受信振動子保持部５３は、第１受信振動子２０と第２受信振動子３０とのなす角θ２が７０度以上１１０度以下となるように第２受信振動子３０を保持することが好ましい。本実施形態では、第２受信振動子保持部５３は、前記角θ２が９０度となるように第２受信振動子３０を保持している。

以上に説明したように、本実施形態の超音波プローブ１では、送信振動子１０から送信されて検査対象Ｔの内部に進入した横波Ｓが検査対象Ｔの内部領域に存在する欠陥ｆ１で反射することにより生成された反射超音波を受信する第１受信振動子２０と、送信振動子１０から送信された縦波の検査対象Ｔへの入射時に生じたクリーピング波Ｃが検査対象Ｔの表面領域に存在する欠陥ｆ２で反射することにより生成される反射クリーピング波を受信する第２受信振動子３０と、を有しているので、検査対象Ｔの内部領域に存在する欠陥ｆ１に加え、表面領域に存在する欠陥ｆ２をも検知することができる。

また、第２受信振動子保持部５３は、音響隔離部保持部５４と第１受信振動子保持部５２との間に設けられているので、送信振動子１０から送信された縦波Ｌを第２受信振動子３０が受信することが回避される。よって、第２受信振動子３０が超音波を受信した際に生成される信号のＳＮ比が高まる。

さらに、第２受信振動子保持部５３は、第１受信振動子２０と第２受信振動子３０とのなす角θ２が９０度となるように第２受信振動子３０を保持しているので、検査対象Ｔの内部領域に存在する欠陥ｆ１での反射時に生成された反射超音波を第２受信振動子３０が受信することが抑制される。具体的に、前記反射超音波（横波Ｓ）は、再びくさび５０の第２音響遅延材５０Ｂ内に進入するときに縦波Ｌになるので、この縦波Ｌを受信する第１受信振動子２０と第２受信振動子３０とのなす角が９０度に設定されることにより、その縦波Ｌを第２受信振動子３０が受信することが抑制される。

さらに、送信振動子１０として前記広帯域振動子が用いられることにより、送信振動子１０及び第１受信振動子２０によって検査対象Ｔの表面領域のうちくさび５０と重なっている部位（くさび直下）の一部（音響隔離部４０の直下）に存在する欠陥ｆ２′を検知することが可能となる。具体的に、広帯域振動子から送信される超音波は、波の数が少ないので、図２に示されるように、検査対象Ｔの表面で反射することにより生成される反射超音波の第１受信振動子２０での受信信号Ａ１と、欠陥ｆ２′で反射することにより生成される反射超音波の第１受信振動子２０での受信信号Ａ２と、の識別が可能となる。一方、送信振動子１０として狭帯域振動子が用いられた場合、図３に示されるように、検査対象Ｔの表面で反射することにより生成される反射超音波の第１受信振動子２０での受信信号ａ１と、欠陥ｆ２′で反射することにより生成される反射超音波の第１受信振動子２０での受信信号ａ２と、の識別は困難である。なお、いずれの場合も、欠陥ｆ１で反射することにより生成される反射超音波の第１受信振動子２０での受信信号Ａ３，ａ３は、他の受信信号から明確に識別可能である。

（第２実施形態）
次に、図４及び図５を参照しながら、本発明の第２実施形態について説明する。なお、第２実施形態では、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明を行い、第１実施形態と同じ構造、作用及び効果の説明は省略する。

本実施形態の超音波プローブ１は、第３受信振動子３５をさらに備え、くさび５０は、第３受信振動子３５を保持する第３受信振動子保持部５５をさらに有している。

第３受信振動子３５は、超音波を受信するとともに、その超音波に対応した信号を生成する。この信号は、ケーブルを介して前記探傷装置に送られる。

第３受信振動子保持部５５は、前記反射クリーピング波を第３受信振動子３５が受信可能な角度で第３受信振動子３５を保持する。この第３受信振動子保持部５５は、送信振動子保持部５１と第１受信振動子保持部５２とを結ぶ方向（図４の左右方向）について送信振動子保持部５１を基準として音響隔離部保持部５４とは反対側に設けられている。

本実施形態では、第１音響遅延材５０Ａの直下に存在する欠陥と第２音響遅延材５０Ｂの直下に存在する欠陥との識別が可能となる。

また、図５に示されるように、第１音響遅延材５０Ａの表面うち第１音響遅延材５０Ａの下面を除く部位（図５で斜線で示されている部位）には、コルク等からなる超音波を吸収する吸収部６０が設けられている。このため、送信振動子１０から送信された縦波Ｌが第３受信振動子３５で受信されることが抑制される。なお、図５では、吸収部６０の図示は省略されている。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

例えば、第１実施形態では、第２受信振動子３０を保持する第２受信振動子保持部５３が第２音響遅延材５０Ｂに設けられた例が示されたが、図６に示されるように、第２受信振動子保持部５３は、第１音響遅延材５０Ａに設けられてもよい。この場合、第２実施形態と同様に、第１音響遅延材５０Ａに吸収部６０が設けられることが好ましい。

次に、上記実施形態についてシミュレーションによる検証を実施した。この実施例では、送信振動子１０の周波数が５ＭＨｚに設定され、前記角θ１が２７度に設定され、前記角θ２が９０度に設定された超音波プローブ１が用いられた。また、検査対象Ｔとして、表面に１ｍｍ×１ｍｍの大きさの欠陥ｆ２を有する鋼材が用いられた。

この超音波プローブ１で検査対象Ｔを検査したときに第２受信振動子３０から得られた信号が図７に示されている。図７に示されるように、第２受信振動子３０が反射クリーピング波を受信した際に生成される信号Ｂが明確に確認された。また、図示は省略するが、第１受信振動子２０が反射超音波を受信した際に生成される信号も明確に確認された。このように、この実施例では、検査対象Ｔの内部領域に存在する欠陥ｆ１に加え、表面領域に存在する欠陥ｆ２をも検知可能であることが確認された。

１超音波プローブ
１０送信振動子
２０第１受信振動子
３０第２受信振動子
３５第３受信振動子
４０音響隔離部
５０くさび
５０Ａ第１音響遅延材
５０Ｂ第２音響遅延材
５１送信振動子保持部
５２第１受信振動子保持部
５３第２受信振動子保持部
５４吸収部保持部
５５第３受信振動子保持部
６０吸収部
Ｃクリーピング波
Ｌ縦波
Ｓ横波

Claims

超音波として縦波を送信する送信振動子と、
超音波を受信する第１受信振動子と、
超音波を受信する第２受信振動子と、
超音波を吸収する音響隔離部と、
前記送信振動子、前記第１受信振動子、前記第２受信振動子及び前記音響隔離部を保持するくさびと、を備え、
前記くさびは、
前記送信振動子から送信された縦波が横波として検査対象に入射し、かつ、前記横波の前記検査対象への入射時に前記検査対象の表面領域を伝播するクリーピング波を生じさせる角度で前記送信振動子を保持する送信振動子保持部と、
前記検査対象内を伝播する横波が前記検査対象の内部領域に存在する欠陥で反射することにより生成された反射超音波を前記第１受信振動子が受信可能な角度で当該第１受信振動子を保持する第１受信振動子保持部と、
前記送信振動子保持部と前記第１受信振動子保持部との間で前記音響隔離部を保持する音響隔離部保持部と、
前記クリーピング波が前記検査対象の表面領域に存在する欠陥で反射することにより生成される反射クリーピング波を前記第２受信振動子が受信可能な角度で当該第２受信振動子を保持する第２受信振動子保持部と、を有する、超音波プローブ。
請求項１に記載の超音波プローブにおいて、
前記第２受信振動子保持部は、前記音響隔離部保持部と前記第１受信振動子保持部との間に設けられている、超音波プローブ。
請求項２に記載の超音波プローブにおいて、
前記第２受信振動子保持部は、前記第１受信振動子と前記第２受信振動子とのなす角が７０度以上１１０度以下となるように前記第２受信振動子を保持している、超音波プローブ。
請求項２又は３に記載の超音波プローブにおいて、
超音波を受信する第３受信振動子をさらに備え、
前記くさびは、前記反射クリーピング波を前記第３受信振動子が受信可能な角度で当該第３受信振動子を保持する第３受信振動子保持部と、を有し、
前記第３受信振動子保持部は、前記送信振動子保持部と前記第１受信振動子保持部とを結ぶ方向について前記送信振動子保持部を基準として前記音響隔離部保持部とは反対側に設けられている、超音波プローブ。
請求項１ないし４のいずれかに記載の超音波プローブにおいて、
前記送信振動子は、広帯域振動子である、超音波プローブ。