(57)【要約】【課題】バッキング材等の歪みに起因した振動子ユニット間の傾きを抑制し、大きな有効ビーム幅を得ることが可能な超音波探触子、超音波探傷装置および超音波探傷方法を提供する。【解決手段】被検体に対向配置し、超音波探傷を行うための超音波探触子であって、第１電極１ａ、圧電振動子２、第２電極１ｂおよびバッキング材３を順に積層し、接合した超音波探触子であって、バッキング材３が厚さ方向に直交する平面内で２つ以上に分割されている超音波探触子。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体に対向配置し、超音波探傷を行うための超音波探触子であって、
第１電極、圧電振動子、第２電極およびバッキング材を順に積層し、接合した超音波探触子であって、該バッキング材が厚さ方向に直交する平面内で２つ以上に分割されていることを特徴とする超音波探触子。
【請求項２】
前記バッキング材の分割される方向が１方向であり、かつ、前記バッキング材の分割断面の法線方向が、前記被検体の長手方向と一致することを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子。
【請求項３】
前記第１電極および／または第２電極が、前記バッキング材の分割される方向と同一の方向に２つ以上に分割されていることを特徴とする請求項２に記載の超音波探触子。
【請求項４】
さらに前記圧電振動子が、前記バッキング材の分割される方向と同一の方向に２つ以上に分割されていることを特徴とする請求項３に記載の超音波探触子。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれかに記載の超音波探触子を備えることを特徴とする超音波探傷装置。
【請求項６】
請求項１から請求項４までのいずれかに記載の超音波探触子を用いることを特徴とする超音波探傷方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超音波探触子、超音波探傷装置および超音波探傷方法に係り、特に、鋼管等の被検体に存在する種々の疵を高精度で検出可能な超音波探触子、超音波探傷装置および超音波探傷方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼管等に存在する内部の疵の検査に、超音波探傷検査がしばしば利用される。超音波探傷検査を自動で行う方法の１つとして、被検体である鋼管を回転させながら、または超音波探触子を回転させながら管軸方向に一定のピッチで送り、検査を行う方法がある。
【０００３】
図１は、超音波探触子の構造、および、探触子の走査位置と得られる相対エコー強度との関係を模式的に説明する図である。超音波探触子は、一般的に２枚の電極１と、電極１に挟まれた圧電振動子２と、その背面のバッキング材３とで構成される。図１に示すように、超音波探触子の中央部分にエコー強度のピークが存在し、中央から離れる程、強度が低下する。そして、十分な精度が保証できる程度の範囲、例えば、探触子の中央部分での強度のピーク値に対して６ｄＢ低下するまでの範囲を「有効ビーム幅」という。
【０００４】
上述のように、一定のピッチで鋼管等を送りながら超音波探傷検査を行う場合、鋼管の全面において探傷を行うためには、送りピッチが有効ビーム幅以下でなければならない。製品の生産性を向上させるためには、送りピッチは大きい方が望ましく、すなわち、超音波探傷検査においては、有効ビーム幅の大きな超音波探触子を用いるのが望ましい。
【０００５】
さらに、高品質な製品を安定して供給するため、超音波探傷検査を用いて、被検体中のより細かい疵を高精度で検出することが可能な検査方法に対する要望が高まっている。その実現のためにも、有効ビーム幅を大きくする技術の改良は必要不可欠な課題であるといえる。
【０００６】
大きな有効ビーム幅を得る方法として、マルチ探触子またはアレイ探触子を用いる方法がある。マルチ探触子とは、例えば、図２に模式的に示すように、複数の振動子ユニットを有する探触子であり、超音波の送受信位置を順次変化させることによって有効ビーム幅を大きくするものである。
【０００７】
なお、本明細書中において、「振動子ユニット」とは、個別に超音波の送受信が可能な最小単位を指す。振動子ユニット間は、必ずしも完全に分断されている必要はない。図２に示すように、圧電振動子２が分断されていなくても、上下の電極１のうちの少なくとも一方が分断されていれば良い。
【０００８】
特許文献１には、アレイ探触子を構成する振動子背面の電極について、その両端の幅を内側より大きくし、またはさらに電極の形状を平行四辺形にすることによって、ビームパターンを均一化する方法が開示されている。
【０００９】
特許文献２には、複数の振動子を具備する超音波探触子において、選択された振動子を順次切り替え、適切な切り替えピッチを設定することにより、所定の有効ビーム幅を確保する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平９−１３８２２４号公報
【特許文献２】特開２０１０−１２２０７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１および２に記載された方法は、いずれも各振動子ユニットから送信される超音波が互いに平行であることを前提としている。しかしながら、本発明者らは、探触子には各振動子ユニットの間に１°以下の範囲で傾きが生じ得ることを知見した。このような場合、図３に示すように、マルチ探触子を用いても、ビームパターンに乱れが生じて所定の有効ビーム幅が得られなくなることがある。
【００１２】
上記の各振動子ユニット間に生じる傾きの原因については明らかではないが、バッキング材３の収縮による歪み、または振動子ユニットとバッキング材３とを固定するためのエポキシ系接着剤の硬化時の歪みに起因しているものと考えられる。通常、超音波探触子は、背面にバッキング材３を備え、振動子ユニットを保持するとともに余分な振動を抑制している。バッキング材３は、ウレタンゴム等からなり、電極１ｂに塗布した後に凝固させる。また、振動子ユニットとバッキング材３との固定に、エポキシ系接着剤が用いられることがある。このバッキング材の凝固過程および／または接着剤の硬化過程において、歪みが生じ、振動子ユニット間の傾きが発生していると推測される。
【００１３】
本発明は、バッキング材等の歪みに起因した振動子ユニット間の傾きを抑制し、大きな有効ビーム幅を得ることが可能な超音波探触子、超音波探傷装置および超音波探傷方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、下記の超音波探触子、超音波探傷装置および超音波探傷方法を要旨とする。
【００１５】
（１）被検体に対向配置し、超音波探傷を行うための超音波探触子であって、
第１電極、圧電振動子、第２電極およびバッキング材を順に積層し、接合した超音波探触子であって、該バッキング材が厚さ方向に直交する平面内で２つ以上に分割されていることを特徴とする超音波探触子。
【００１６】
（２）前記バッキング材の分割される方向が１方向であり、かつ、前記バッキング材の分割断面の法線方向が、前記被検体の長手方向と一致することを特徴とする上記（１）に記載の超音波探触子。
【００１７】
（３）前記第１電極および／または第２電極が、前記バッキング材の分割される方向と同一の方向に２つ以上に分割されていることを特徴とする上記（２）に記載の超音波探触子。
【００１８】
（４）さらに前記圧電振動子が、前記バッキング材の分割される方向と同一の方向に２つ以上に分割されていることを特徴とする上記（３）に記載の超音波探触子。
【００１９】
（５）上記（１）から（４）までのいずれかに記載の超音波探触子を備えることを特徴とする超音波探傷装置。
【００２０】
（６）上記（１）から（４）までのいずれかに記載の超音波探触子を用いることを特徴とする超音波探傷方法。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、バッキング材等の歪みに起因した振動子ユニット間の傾きを抑制することができるため、所定の有効ビーム幅を確保することができる。したがって、本発明に係る超音波探触子、超音波探傷装置および超音波探傷方法は、鋼管の自動探傷を行う際に、送りピッチを大きくすることを可能にし、生産効率を向上させることができるだけでなく、より細かい疵まで精度良く検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】超音波探触子の構造、および、探触子の走査位置と得られる相対エコー強度との関係を模式的に説明する図である。
【図２】複数の振動子ユニットを有するマルチ探触子の構造およびその有効ビーム幅を模式的に説明する図である。
【図３】バッキング材等の歪みによりビームパターンに乱れが生じる様子を模式的に説明する図である。
【図４】本発明に係る超音波探触子を模式的に示した図である。
【図５】本発明に係る超音波探触子と従来の超音波探触子との有効ビーム幅を比較した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図４は、本発明に係る超音波探触子を模式的に示した図である。超音波探触子は、図示しない被検体に対向配置することで、超音波探傷に用いられる。本発明における超音波探触子は、第１電極１ａ、圧電振動子２、第２電極１ｂおよびバッキング材３を順に積層し、接合したものである。上述のように、バッキング材３に歪みが発生すると、ビームパターンに乱れが生じ、大きな有効ビーム幅が得られなくなる。そのため、本発明に係るバッキング材３は、厚さ方向に直交する平面内で２つ以上に分割されている。バッキング材３をこのように分割することによって、不均一な歪みを抑制することが可能となる。
【００２４】
バッキング材３を分割する方向については、特に制限はないが、分割される方向が１方向のみであり、かつ、バッキング材３の分割断面の法線方向が、被検体の長手方向と一致しているのが望ましい。このような方向に分割することによって、被検体の長手方向への歪みを確実に抑制することが可能となり、有効ビーム幅を大きくすることができるようになる。なお、被検体の長手方向とは、被検体が管材、棒材、線材等の場合は軸方向を、被検体が板材の場合は長さ方向を指す。
【００２５】
本発明に係る探触子は、１つの振動子ユニットからなるものであっても良いし、２つ以上の振動子ユニットの配列よりなるものであっても良い。後者の場合、第１電極１ａおよび／または第２電極１ｂを２つ以上に分割することによって、複数の振動子ユニットとすることができる。振動子ユニットの配列方向は、被検体の長手方向と一致しているのが望ましい。すなわち、第１電極１ａおよび／または第２電極１ｂは、バッキング材３の分割される方向と同一の方向に分割されていることが望ましい。なお、電極１の分割される位置は、バッキング材３の分割される位置と必ずしも一致していなくても良い。
【００２６】
さらに、圧電振動子２を２つ以上に分割しても良い。圧電振動子２を分割することによって、隣接する振動子の振動を遮断可能となる。圧電振動子２を分割する場合、分割方向は、電極１の分割する方向と一致している必要がある。すなわち、圧電振動子２は、バッキング材３の分割される方向と同一の方向に分割されていることが望ましい。また、分割位置は、電極の分割される位置と一致しているのが望ましい。
【００２７】
振動子ユニットの幅については特に制限はないが、１つの振動子ユニットよりなる探触子の場合、その幅は２ｍｍ以上であるのが好ましい。また２つ以上の振動子ユニットの配列よりなる探触子の場合、各振動子ユニットの幅は２ｍｍ以上であるのが好ましい。配列直交方向の振動子ユニットの長さについては特に制限はなく、配列方向開口寸法とのバランスにより決定すれば良い。
【００２８】
また、大きな有効ビーム幅を確保するためには、３つ以上の振動子ユニットの配列よりなるマルチ探触子を用いるのが望ましい。このような探触子であれば、図４に示すように、一部が重なり合う振動子ユニットのグループから、順次位置を変化させながら超音波を送受信することができるようになり、大きな有効ビーム幅を得ることが可能となる。
【００２９】
また、振動子ユニットから送信される超音波の周波数については、特に制限は設けないが、２〜１０ＭＨｚの範囲とするのが望ましい。
【００３０】
鋼管等の被検体の超音波探傷検査を自動で行う場合、被検体をその場で回転させながら探触子を被検体の長手方向に送りながら行っても良いし、超音波探触子をその場で回転させながら被検体を長手方向に送りながら行っても良い。
【００３１】
鋼管等の超音波探傷検査を行う際は、被検体を水中に浸しながら検査を行う、水浸法を用いるのが望ましい。また、被検体の全体を水浸させなくても、探触子と被検体の間隙のみを水で充填する機能を備えた探触子ホルダーを用いても良い。探触子ホルダーを用いる場合、探触子と探触子ホルダーとを被検体の長手方向に移動させ、被検体をその場で回転させる機構とすることができる。
【００３２】
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【実施例】
【００３３】
図４に示すような、バッキング材を分割した本発明に係る超音波探触子と、図３に示すような分割していない従来の超音波探触子とを用いて、有効ビーム幅の比較を行った。双方の探触子とも第２電極を３つに分割しており、振動子ユニットの配列数が３つとなっている。なお、第１電極および圧電振動子は分割していない。第２電極で分割された振動子ユニットの幅は７ｍｍであり、配列に直交する方向の長さは８ｍｍである。本発明に係る超音波探触子のバッキング材は、振動子ユニットの配列方向に６つに分割されており、それぞれの幅は３ｍｍである。また、振動子の周波数は５ＭＨｚとした。同時に送受信する振動子ユニットは２つであり、図３および４に示すように、２回に分けて送受信を行い、それぞれを重ね合わせた。
【００３４】
有効ビーム幅の評価は、直径４ｍｍの鋼球、および外径１６０ｍｍ、肉厚２０ｍｍの鋼管外面の１２．７ｍｍスリット疵を反射源として、水距離１６０ｍｍで水浸法を用いて行った。鋼球およびスリット疵の双方におけるビームプロファイルを図５に示す。なお、有効ビーム幅は、強度のピーク値に対して、鋼球では６ｄＢ低下するまでの範囲、スリット疵では２ｄＢ低下するまでの範囲とした。
【００３５】
図５から、バッキング材を分割した本発明の超音波探触子は、分割していない従来の超音波探触子と比較して、有効ビーム幅が広いことが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明によれば、バッキング材等の歪みに起因した振動子ユニット間の傾きを抑制することができるため、所定の有効ビーム幅を確保することができる。したがって、本発明に係る超音波探触子、超音波探傷装置および超音波探傷方法は、鋼管の自動探傷を行う際に、送りピッチを大きくすることを可能にし、生産効率を向上させることができるだけでなく、より細かい疵まで精度良く検出することが可能となる。
【符号の説明】
【００３７】
１．電極
１ａ．第１電極
１ｂ．第２電極
２．圧電振動子
３．バッキング材
【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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