(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱膨張係数に異方性がある材質でできた超音波振動子と、
該超音波振動子表面に接合して前記超音波振動子表面を保護する保護板からなり、
前記保護板を表面に接合した超音波振動子を被検査体表面に接触して該被検査体を超音波検査する超音波探触子で、
前記保護板と前記振動子はその熱膨張係数の大きさと方向性の両方を一致して接合した超音波探触子において、
前記保護板は被検査面の曲率に合致する曲率を有し、
かつ前記保護板の材質として保護板中の音速が被検査体中の音速と等しいか、あるいは、速い材質を選定したことを特徴とする超音波探触子。
【請求項２】
熱膨張係数に異方性がある材質でできた超音波振動子と、
該超音波振動子表面に接合して前記超音波振動子表面を保護する保護板からなり、
前記保護板を表面に接合した超音波振動子を被検査体表面に接触して該被検査体を超音波検査する超音波探触子で、
前記保護板と前記振動子はその熱膨張係数の大きさと方向性の両方を一致して接合した超音波探触子において、
前記保護板は該保護板と円筒状の被検査面間に形成される間隙における超音波の伝播を防止するための遮蔽材を備えたことを特徴とする超音波探触子。
【請求項３】
超音波振動子と、
該超音波振動子表面に接合して前記超音波振動子表面を保護する保護板からなり、
前記保護板を表面に接合した超音波振動子を被検査体表面に接触して該被検査体を超音波検査する超音波探触子で、
前記保護板は前記超音波振動子と同材質の結晶からなり、かつ結晶の方向性を一致して接合した超音波探触子において、
前記保護板は被検査面の曲率に合致する曲率を有し、
かつ前記保護板の材質として保護板中の音速が被検査体中の音速と等しいか、あるいは、速い材質を選定したことを特徴とする超音波探触子。
【請求項４】
超音波振動子と、
該超音波振動子表面に接合して前記超音波振動子表面を保護する保護板からなり、
前記保護板を表面に接合した超音波振動子を被検査体表面に接触して該被検査体を超音波検査する超音波探触子で、
前記保護板は前記超音波振動子と同材質の結晶からなり、かつ結晶の方向性を一致して接合した超音波探触子において、
前記保護板は該保護板と円筒状の被検査面間に形成される間隙における超音波の伝播を防止するための遮蔽材を備えたことを特徴とする超音波探触子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波探触子にかかり、特に超音波探触子表面に保護板を安定に接合して信頼性を向上した超音波探触子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図８は従来の超音波探触子を示す図であり、図８（ａ）は平面図、図８（ｂ）は断面図である。これらの図において、２１は超音波振動子、２２は振動子２１の表面を保護する保護板、２３は超音波振動子１のケース、２４は超音波振動子２１を駆動する駆動信号および超音波振動子の受信信号を図示しない超音波探触装置本体に伝送するケーブル、２５は超音波探触子であり、超音波探触子２５は超音波振動子２１、保護板２２、ケース２３およびケーブル２４からなる。
【０００３】
２６は被検査体、２７は超音波振動子２１が放射した超音波、２８は超音波振動子の保護板と被検査体２６間に充填したグリセリン等のペースト状の接触媒体である。
前記探触装置本体からケーブル２４を介して駆動信号、例えば数十ないし数百Ｖの高圧パルスの駆動信号を供給する。超音波振動子２５は前記高圧パルスの駆動信号を超音波に変換し、保護板２２および接触媒体８を介して被検査体２６の一方端から超音波２７を被検査体２６中に送信する。被検査体２６中を伝播し、被検査体の他方端で反射した反射波は接触媒体２８および保護板２２を介して超音波振動子に入射する。超音波振動子２１は入射した前記超音波を電気信号に変換し、ケーブル２４を介して前記超音波探触装置に送信する。前記超音波探触装置は前記超音波の送信から受信までに要する時間と前記被検査体中の超音波の伝播速度から前記被検査体の厚み等を測定する。
【０００４】
前記超音波探触子は、超音波振動子２１としてはセラミック系振動子であるＰＺＴ（Ｐb（Ｚr，Ｔi）Ｏ3）を用い、保護板２２としてはベークライトやアクリル樹脂等を用い、超音波振動子２１と保護板２２はエポキシ系接着剤で接合する。
【０００５】
ところで、従来から発電プラントなどの配管の健全性を確保するため、超音波探触装置により前記配管を被破壊検査することが行われている。発電プラントが定期検査期間中で休止状態にある場合には、前記配管を常温で非破壊検査することができる。しかし、発電プラントの運転中あるいは停止直後においては前記配管は高温状態にある。例えば、沸騰水型原子力発電プラント（ＢＷＲ）では、炉内温度は２８０℃以上、高温水が循環する配管表面温度は１００℃以上になる。
【０００６】
前記エポキシ接着剤は高温で接着強度が低下するため、高温配管を検査すると、超音波振動子２１と保護板２間に剥離が生じる可能性がある。
【０００７】
特開平１０−１５３５８６号公報および特開平１０−３３９７２２号公報には、高温環境で使用できる高温用超音波探触子が示されている。該高温用超音波探触子は高温環境で使用するため、超音波振動子と保護板との間にろう材を挿入し、該ろう材を加熱溶融して超音波振動子と保護板を接合している。
【０００８】
図９は従来の高温用超音波探触子を示す図であり、図９（ａ）は平面図、図９（ｂ）は断面図である。これらの図において、２１ａはニオブ酸リチウム（ＬiＮbＯ3）等で形成した高温用の超音波振動子、２２ａは超音波振動子とほぼ同一の熱膨張係数を有するステンレス鋼の保護板であり、保護板２２ａは超音波振動子２１ａとろう材等により接合している。２６ａは高温配管、２８ａは高温用接触媒体である。なお、図において図８に示される部分と同一部分については同一符号を付してその説明を省略する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
超音波振動子に用いるニオブ酸リチウム（ＬiＮbＯ3）の結晶体はＸ、Ｙ、Ｚの直交する３軸の結晶方向がある。超音波振動子はこの結晶体から平板を切り出して使用する。平板の切り出し方向によって、Ｘカット、ＹカットおよびＺカットと呼ばれる振動子が得られる。
【００１０】
ニオブ酸リチウム（ＬiＮbＯ3）の結晶体は、前記３軸の各結晶方向で熱膨張係数が相互に相違する。このため切り出した超音波振動子の熱膨張係数はその縦方向と横方向で異なる。
【００１１】
例えば、Ｘカットの超音波振動子の縦方向の熱膨張係数は１５×１０-6、横方向のそれは７．５×１０-6である。この超音波振動子を、この超音波振動子の縦方向の熱膨張係数と略等しい熱膨張係数を持つステンレス鋼製の保護板（熱膨張係数は縦方向および横方向とも１７×１０-6）に接合すると、ろう付け後の冷却過程において、前記ステンレス鋼の保護板の熱膨張係数と超音波振動子の熱膨張係数が大きく相違する振動子の横方向に歪みが生じて、振動子に割れが発生する可能性が生じる。また、割れを生じることなく接合しても、高温下での使用による熱サイクルにより割れを生じる可能性がある。
【００１２】
図１０は超音波振動子と保護板の接合による割れを説明する図である。図に示すようにＸカットの超音波振動子をステンレス鋼製の保護板にろう付けする。接合後の冷却過程において、Ｘカット振動子にはその熱膨張係数の小さい方向に沿って圧縮応力が作用し、図に示すような割れが生じる。
【００１３】
一方、図９に示すように超音波探触子の保護板８１は平板であるのに対し、被検査体である高温配管は筒状である場合には、超音波振動子１１が送受信する超音波ビーム７の高温用接触媒体８１中を通過する距離は、振動子の中央部は短く周縁部で長くなる。さらに、前記高温用接触媒体８１としては、常温用の接触媒体に比して沸点が高く粘性の大きな媒体を使わざるを得ないため、高温用接触媒体８１中での減衰が大きくなり、超音波探触子の検出感度が低下する。また、接触媒体中の超音波に伝播速度は前記被検査体である配管中のそれに比してかなり遅くなる。このため前記接触媒体中を通過する距離の差による伝播時間の差により、前記ビームに干渉が生じて感度が低下する。
【００１４】
また、超音波振動子の材料にＰＺＴを使用すると比較的良好な感度を持つ超音波振動子を得ることができる。しかし、キュリー温度が低いため高温用の超音波振動子として利用することはできない。このためキュリー温度の高いニオブ酸リチウム（ＬiＮbＯ3）が一般的に用いられるが、ニオブ酸リチウム（ＬiＮbＯ3）を用いた超音波振動子はＰＺＴに比して感度は低い。さらに超音波振動子と保護板の接合法も制限されるため、高温用超音波振動子の感度は常温用超音波振動子のそれに比して低い。
【００１５】
すなわち、高温状態の配管を検査する高温用超音波振動子においては、超音波振動子自体の感度低下のほかに、高温状態の円筒状の配管に平板状の超音波探触子の保護板を接することによる感度低下が加わり、感度低下は無視できない量になる。
【００１６】
本発明は前記問題点に鑑みてなされたもので、高温下での使用に耐えることができ、また高温下での検出感度の低下しない超音波探触子を提供する。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するために次のような手段を採用した。
【００１８】
超音波振動子と、該超音波振動子表面に接合して前記超音波振動子表面を保護する保護板からなり、前記保護板を表面に接合した超音波振動子を被検査体表面に接触して該被検査体を超音波検査する超音波探触子で、前記振動子に熱膨張係数の異方性がある場合には前記保護板と前記振動子はその熱膨張係数の大きさと方向性の両方を一致して接合した超音波探触子において、前記保護板は被検査面の曲率に合致する曲率を有し、かつ前記保護板の材質として保護板中の音速が被検査体中の音速と等しいか、あるいは、速い材質を選定した。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第１の実施形態にかかる超音波探触子を示す図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は断面図である。これらの図において、１は超音波振動子であり、ニオブ酸リチウム（ＬiＮbＯ3）等の圧電材料で形成する。２は振動子１の表面を保護する保護板であり、超音波振動子１と同一材料で形成する。また、超音波振動子１の熱膨張係数と保護板２は、その熱膨張係数の方向性を一致して接合する。すなわち、すなわち振動子および保護板の接合面において、振動子１の熱膨張係数が最大となる方向と、保護板２の熱膨張係数が最大となる方向を一致させて接合する。また、保護板２の被検査体に接する面側は被検査体である配管表面の曲率に合致するように、一軸のみ凹型に形成する。
【００２１】
３は超音波振動子１のケース、４は超音波振動子１を駆動する駆動信号および超音波振動子の受信信号を図示しない超音波探触装置本体に伝送するケーブル、５は超音波探触子であり、超音波探触子５は超音波振動子１、保護板２、ケース３およびケーブル４からなる。
【００２２】
６は被検査体、７は超音波振動子１が放射した超音波、８は超音波振動子の保護板と被検査体６間に充填したグリセリン等のペースト状の接触媒体である。
【００２３】
前記探触装置本体からケーブル４を介して駆動信号、例えば数十ないし数百Ｖの高圧パルスの駆動信号を供給する。超音波振動子５は前記高圧パルスの駆動信号を超音波に変換し、保護板２および接触媒体８を介して被検査体６の一方端から超音波７を被検査体６中に送信する。被検査体６中を伝播し、被検査体の他方端で反射した反射波は接触媒体８および保護板２を介して超音波振動子に入射する。超音波振動子１は入射した前記超音波を電気信号に変換し、ケーブル４を介して前記超音波探触装置に送信する。前記超音波探触装置は前記超音波の送信から受信までに要する時間と前記被検査体中の超音波の伝播速度から前記被検査体の厚み等を測定する。
【００２４】
前述したように超音波振動子の表面を保護する保護板を超音波振動子と同一材料で形成し、さらに超音波振動子１の熱膨張係数と保護板２は、その熱膨張係数の方向性が一致するように接合する。これにより超音波振動子と保護板は温度変化に対して常に同一割合で伸縮するので、振動子に割れが生じることはなく、信頼性の高い高温用探触子が得られる。
【００２５】
なお、前記保護板は超音波振動子と同一材料であることは必要ではなく熱膨張係数が略一致すれば他の材料でもよい。
【００２６】
図２ないし図４は保護板２の管状の被検査体６に接する面を凹型に形成した場合の超音波ビームの伝播経路を保護板の材質毎に示す図である。
【００２７】
図２は、保護板６中の超音波の音速が被検査体６中の音速と同程度の場合の超音波ビームの伝播経路を示す図である。例えば、炭素鋼の配管を検査するときに保護板としてステンレス鋼を使用した場合がこれに相当する。保護板２と被検査体６との界面において屈折角と入射角が等しくなるので超音波振動子１が発信した超音波は直進し被検査体の底面で反射し、反射した超音波のほとんどは超音波振動子１に入射する。このように保護板を凹型に形成することにより超音波振動子の感度の低下を抑制することができる。
【００２８】
図３は、保護板６中の超音波の音速が被検査体６中の音速よりも速い場合の超音波ビームの伝播経路を示す図である。例えば、炭素鋼の配管を検査するときに保護板としてニオブ酸リチウムを使用した場合がこれに相当する。保護板２と被検査体６との界面において屈折角が入射角より小さくなるように屈折するので超音波振動子１が発信した超音波ビーム収束する方向に進行し被検査体の底面で反射し、反射した超音波のほとんどは超音波振動子１に入射する。このように保護板を凹型に形成することにより超音波振動子の感度の低下をさらに抑制することができる。
【００２９】
図４は、保護板６中の超音波の音速が被検査体６中の音速よりも遅い場合の超音波ビームの伝播経路を示す図である。例えば、炭素鋼の配管を検査するときに保護板としてポリスチレンおよびアクリル等のシュー材またはベークライトを使用した場合がこれに相当する。保護板２と被検査体６との界面において屈折角が入射角より大きくなるように屈折するので超音波振動子１が発信した超音波ビームを拡散する方向に進行し被検査体の底面で反射する。しかしこの場合は反射した超音波の小部分が超音波振動子１に入射するのみであり、超音波振動子の感度の低下を抑制することはできない。
【００３０】
すなわち、保護板６の材質はニオブ酸リチウムおよびステンレス鋼が望ましく、ニオブ酸リチウムが特に望ましいことが分かる。
【００３１】
図５は、本発明の第２の実施形態にかかる超音波探触子を示す図であり、図５（ａ）は平面図、図５（ｂ）は断面図である。これらの図において、１ａは超音波振動子であり、超音波振動子１ａの被検査体側の面は凹型に形成してある。２ａ保護板であり、保護板２はその一方の面を前記超音波振動子１ａに接合するとともに、他方の管状の被検査体に接する面は凹型に形成してある。なお、図において図１に示される部分と同一部分については同一符号を付してその説明を省略する。
【００３２】
本実施形態においては、保護板２ａと管状の被検査体間に接触媒体の層を均一に形成することができる。また、保護板の厚みを均一に形成することができる。すなわち、接触媒体を通過する超音波の伝播距離および保護板を通過する超音波の伝播距離をそれぞれ均一に形成することができる。
【００３３】
したがって、振動子の各表面で送受信する超音波の伝播時間をそろえることができ、超音波探触子の感度低下をより一層抑制することができる。
【００３４】
図６は、本発明の第３の実施形態にかかる超音波探触子を示す図であり、図６（ａ）は平面図、図６（ｂ）は断面図である。これらの図において、１ｂは超音波振動子であり、超音波振動子１ｂは被検査体である配管の軸方向に縦長に形成し、その縦横比は約３：１である。２ｂは円盤状の保護板である。なお、図において図１に示される部分と同一部分については同一符号を付してその説明を省略する。
【００３５】
発明者等の実験によると、沸騰水型原子力発電プラント（ＢＷＲ）の一次冷却水循環系（ＰＬＲ系）配管によく用いられる呼び径１２Ｂ（外径１２インチ）の配管表面と平面状の保護板が実質的に接触している幅は約１ｍｍであった。一方、現段階では長辺が３ｍｍ以上の高温用の振動子を製作することは困難である。
【００３６】
このようにして形成した縦横比が３以上の振動子を用い、該振動子の長辺を配管の軸方向に向けて配置すると、保護板が実質的に接触しない部分に超音波が発信されることを抑制できる。したがって超音波の干渉を防止することができ検出感度の低下を防止することができる。
【００３７】
本実施形態においては、平板状の保護板を使用するため、保護板の製作が簡単である。また、保護板２ｂの形状を振動子１ｂ同様に縦長とすることもできる。
【００３８】
図７は、本発明の第４の実施形態にかかる超音波探触子を示す図であり、図７（ａ）は平面図、図７（ｂ）は断面図である。これらの図において、９は上面に超音波探触子５を回転可能に装着し、下面に管状の被検査体表面を装着した遮蔽材である。遮蔽材９は被検査体である配管の軸方向に沿った縦長の貫通孔を備える。
【００３９】
前記遮蔽体に装着した超音波振動子１は前記貫通孔を介して前記配管と接触することができる。したがって、超音波振動子１が発信する超音波は前記貫通孔を通してのみ前記被検査体に入射することが可能であり、これによって超音波の干渉を防止して、検出感度の低下を防止することができる。
【００４０】
また、前記超音波探触子を９０度回転させることにより、振動面の直交する超音波をそれぞれ被検査体に送信して、被検査体の残留応力、組織の劣化等を測定することができる。
【００４１】
以上の説明では、高温状態の配管等の被検査体を検査する高温用超音波探触子について説明したが、常温状態および低温状態の被検査体を検査する常温用および低温用の超音波探触子においても、超音波振動子と保護板を高温で接合する際の歪みや使用環境下での温度変化による歪みを回避することができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、高温下での使用に耐えることができ、また高温下での検出感度の低下しない超音波探触子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる超音波探触子を示す図である。
【図２】超音波ビームの伝播経路を示す図である。
【図３】超音波ビームの伝播経路を示す図である。
【図４】超音波ビームの伝播経路を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態にかかる超音波探触子を示す図である。
【図６】本発明の第３の実施形態にかかる超音波探触子を示す図である。
【図７】本発明の第４の実施形態にかかる超音波探触子を示す図である。
【図８】従来の超音波探触子を示す図である。
【図９】従来の高温用超音波探触子を示す図である。
【図１０】超音波振動子と保護板の接合による割れを説明する図である。
【符号の説明】
１，１ａ，１ｂ  超音波振動子
２，２ａ，２ｂ  保護板
３  超音波振動子のケース
４  ケーブル
５  超音波探触子
６  被検査体
７  超音波
８  接触媒体
９  遮蔽材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0003707957.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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