(57)【要約】      （修正有）【課題】実用性を飛躍的に高めたドライコンタクト形式の超音波非破壊測定方法および装置を提供する。【解決手段】超音波送受波手段２が挿入された超音波伝達媒体３と被検体５とを、シリコンゴムシート４を介して隔てるとともに、前記シリコンゴムシートと前記被検体５との界面を負圧下に置いて該界面を隙間のない状態として前記超音波送受波手段から送られた超音波を前記被検体５へ伝達し、当該被検体５からの超音波エコーを超音波伝達媒体へ伝達して前記超音波送受波手段で受け、該超音波エコーを用いて測定するに当たり、前記シリコンゴムシート４に、厚さ：0.15mm以下、硬さ：30以下、破断伸び：［800−2000×（0.15−ｔ）］％以上（但し、ｔはシリコンゴムシートの厚さ（mm））であるシリコンゴムを用いる。【選択図】図３
2014092497.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波送受波手段が挿入された超音波伝達媒体と被検体とを、シリコンゴムシートを介して隔てるとともに、前記シリコンゴムシートと前記被検体との界面を負圧下に置いて該界面を隙間のない状態として前記超音波送受波手段から送られた超音波を前記被検体へ伝達し、当該被検体からの超音波エコーを超音波伝達媒体へ伝達して前記超音波送受波手段で受け、該超音波エコーを用いて測定するに当たり、
前記シリコンゴムシートに、
厚さ：0.15mm以下、
硬さ：30以下、
破断伸び：［800−2000×（0.15−ｔ）］％以上（但し、ｔはシリコンゴムシートの厚さ（mm））
であるシリコンゴムを用いることを特徴とする超音波非破壊測定方法。
【請求項２】
超音波送受波手段が挿入された超音波伝達媒体を収容する容器と、前記超音波伝達媒体を被検体に対して隔てるシリコンゴムシートと、前記シリコンゴムシートおよび前記被検体の界面を負圧下に置くための負圧付与手段と、を有する超音波非破壊測定装置において、
前記シリコンゴムシートは、
厚さ：0.15mm以下、
硬さ：30以下、
破断伸び：［800−2000×（0.15−ｔ）］％以上（但し、ｔはシリコンゴムシートの厚さ（mm））
であることを特徴とする超音波非破壊測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非破壊測定手段を用いて内部欠陥検査や肉厚測定を行うことが必要である被検体のうち、特に超音波による非破壊測定において伝達媒体として用いられる液体（水や油）による品質劣化のために、超音波非破壊測定の適用が好ましくないか、あるいは適用に制限がある被検体に適した、超音波非破壊測定方法および装置に関する。
具体的には、腐食（錆や電食）などの不具合発生のために水に曝されるのを嫌う鋼、アルミニウムなどの金属材料、水分吸収が機能不全や劣化促進を引き起こす電子パッケージをはじめとする電子デバイス製品、水分吸収が材質変化や強度劣化を引き起こす可能性が高い主に航空機などに用いられる複合材料や各種セラミックス材料に好適である、超音波非破壊測定方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、被検体、例えば高分解能な材料の内部非破壊測定法として、水浸式超音波測定方法が用いられている。この方法では、被検体を水浸して、水を介して超音波を被検体へ送受波する超音波送受波手段（超音波探触子のみを指す場合、超音波探触子およびそれに接続される超音波パルサ／レシーバを含む場合がある）を被検体に対して走査し、被検体の内部欠陥からのエコーを検出する。この超音波送受波手段に超音波ビームを集束させる機能を持たせれば、高い空間分解能で被検体内部の欠陥を検出することができ、２次元走査手段と組み合わせた場合には高い分解能で内部欠陥の映像化が可能になる。
【０００３】
しかし、前記の通り、水浸式超音波測定方法では、被検体を水等の超音波伝達媒体に浸漬する必要があるため、この方法は、腐食（錆や電食）などの不具合が発生するために、水に曝されるのを嫌う鋼、アルミニウムなどの金属材料、水分吸収が機能不全や劣化促進を引き起こす電子パッケージをはじめとする電子デバイス製品、水分吸収が材質変化や強度劣化を引き起こす可能性が高い主に航空機用複合材料や、各種セラミックス材料への適用が好ましくないか、あるいは適用が制限される問題があった。
【０００４】
この問題の解決のため、特許文献１では、超音波伝達媒体を収容した容器の中に超音波計測手段と接続された超音波探触子を内装するとともに、当該容器に設けた開口部に密着性および／または粘着性のある高分子フィルムを備えてなる超音波伝達基体と、前記容器の開口部の外側とドライ空間に存在する被検体との間に介在し得るアタッチメントにして、前記開口部に対応した狭空間窓口を設けるとともに、当該狭空間窓口内を負圧にできる負圧付与手段を備えてなる超音波伝達連結体とから構成されることを特徴とする乾接触高周波数超音波伝達装置を用意し、前記超音波伝達基体の容器の開口部外側に前記超音波伝達連結体を介して被検体を配置し、前記超音波伝達連結体の負圧付与手段を稼動して、その狭空間窓口内を負圧にすることにより被検体の少なくとも検査対象領域をドライコンタクトしたうえ、前記高分子フィルムと被検体の少なくとも検査対象領域との両者間に空気層が生じていないように均一に密着したドライコンタクト界面を形成するとともに、高周波数超音波伝達中もドライコンタクト界面の変位連続性が保持されるようにし、そのうえで前記超音波計測手段と接続された超音波探触子から高周波数超音波を発信し、これを被検体に高効率で伝達するようにしたことを特徴とする乾接触高周波数超音波伝達方法が提案されている。ここでは、前記の密着性および／または粘着性のある高分子フィルムとして、ポリ塩化ビニリデンフィルム、ポリ塩化ビニルフィルム、ポリエチレンフィルム、ポリプロピレンフィルム、ナイロンフィルムのいずれか単体、若しくはこれらのうちの複数を組合せて多層構造体にしたもの、または前記単体若しくは前記多層構造体に粘着付与剤等の添加物を加えたものを含み、当該高分子フィルムの厚さは数μm〜数十μm程度とすることが記載されている。
【０００５】
この高分子フィルムを介することによって、被検体と超音波伝達媒体との密着がはかれて効率の良い超音波の伝達が実現した。ところが、高分子フィルムは変形が加わる前であれば破断伸びが250％前後あるものの、負圧付与手段によって被検体に密着させられる際に局所的に大きな伸びが発生するが、その伸び部分が変形して元に戻らなくなる場合があり、特に変形が大きい場合は破断伸び特性が劣化して破れやすくなるため、繰り返し使用に適さないという、実用上の問題を残していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１７７１１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、このような実用上の問題に鑑みなされたものであって、超音波送受波手段が挿入された超音波伝達媒体と被検体とを隔てるとともに、両者の界面を負圧下に置く際に機能する柔軟性のある薄膜として、シリコンゴムシートを用いる場合に、特に繰り返し使用に耐えうるためのシリコンゴムシートの条件を確立することによって、上記のドライコンタクト形式の超音波非破壊測定方法および装置の実用性を飛躍的に高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願発明は、繰り返し使用に堪えうる柔軟薄膜として、超音波減衰が大きいものの耐久性が高いとされるシリコンゴムを用いるに当たり、硬度および破断伸び率が適正であるシリコンゴムを用いると繰り返しの使用回数が飛躍的に伸びること、さらに水浸超音波非破壊測定において実用的な超音波周波数の上限が約50MHzであることに着目し、前記シリコンゴムの厚さを0.15mm以下とすれば、周波数50MHzまでの超音波を減衰の大きな影響なく送受波できること、を見出し、本発明を完成するに到った。
【０００９】
すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
（１）超音波送受波手段が挿入された超音波伝達媒体と被検体とを、シリコンゴムシートを介して隔てるとともに、前記シリコンゴムシートと前記被検体との界面を負圧下に置いて該界面を隙間のない状態として前記超音波送受波手段から送られた超音波を前記被検体へ伝達し、当該被検体からの超音波エコーを超音波伝達媒体へ伝達して前記超音波送受波手段で受け、該超音波エコーを用いて測定するに当たり、
前記シリコンゴムシートに、
厚さ：0.15mm以下、
硬さ：30以下、
破断伸び：［800−2000×（0.15−ｔ）］％以上（但し、ｔはシリコンゴムシートの厚さ（mm））
であるシリコンゴムを用いることを特徴とする超音波非破壊測定方法。
【００１０】
（２）超音波送受波手段が挿入された超音波伝達媒体を収容する容器と、前記超音波伝達媒体を被検体に対して隔てるシリコンゴムシートと、前記シリコンゴムシートおよび前記被検体の界面を負圧下に置くための負圧付与手段と、を有する超音波非破壊測定装置において、
前記シリコンゴムシートは、
厚さ：0.15mm以下、
硬さ：30以下、
破断伸び：［800−2000×（0.15−ｔ）］％以上（但し、ｔはシリコンゴムシートの厚さ（mm））
であることを特徴とする超音波非破壊測定装置。
なお、上記した硬さとは、JIS Ｋ 6253におけるタイプＡデュロメータ硬さ試験による硬さであり、破断伸びはJIS Ｋ 6301に準拠するものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、超音波送受波手段が挿入された超音波伝達媒体と被検体とを、シリコンゴムシートを介して隔てるとともに、シリコンゴムシートと被検体との界面を負圧下に置いて該界面を隙間のない状態として超音波送受波手段から送られた超音波を被検体へ伝達し、当該被検体からの超音波エコーを超音波伝達媒体へ伝達して超音波送受波手段で受け、該超音波エコーを用いて測定する、ドライコンタクト形式の超音波非破壊測定方法において、前記シリコンゴムシートの厚さ、硬さおよび破断伸び率を適切に規定したことから、超音波伝達媒体と被検体との仕切りとなる柔軟薄膜として繰り返し使用に耐えうる耐久性を付与しつつ、超音波の伝達を高い効率の下に行って高い欠陥検出能を得られるため、ドライコンタクト形式の超音波非破壊測定方法および装置の実用性を飛躍的に高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明にかかるドライ超音波非破壊測定方法に使用する装置の基本構成を示す断面図である。
【図２】図１においてシリコンゴムシートと被検体との界面を負圧下とするための排気経路を設けた排気板の構造を示す図である。
【図３】本発明にかかる超音波非破壊測定装置の動作状況を示す断面図である。
【図４】超音波非破壊測定に適切な柔軟薄膜として、厚さ0.25mmの多種類のシリコンゴムシートの使用可否を調査した結果を示すグラフである。
【図５】ドライ超音波非破壊測定に適切な柔軟薄膜として、厚さ0.20mmの多種類のシリコンゴムシートの使用可否を調査した結果を示すグラフである。
【図６】ドライ超音波非破壊測定に適切な柔軟薄膜として、厚さ0.15mmの多種類のシリコンゴムシートの使用可否を調査した結果を示すグラフである。
【図７】ドライ超音波非破壊測定に適切な柔軟薄膜として、厚さ0.10mmの多種類のシリコンゴムシートの使用可否を調査した結果を示すグラフである。
【図８】本発明の超音波非破壊測定装置を用いて、深さ１mmの位置に50μmφの円形平面欠陥を内蔵させた厚さ３mm鋼試験体の円形平面欠陥を検出した結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて、詳細に説明する。
図１に、本発明にかかるドライ超音波非破壊測定装置の一実施形態を示す。同図において、符号１は、超音波送受波手段２が挿入される超音波伝達媒体３（図３参照、図１には図示せず）を収容する容器であり、その底面には例えばＯリング１ａによる液密状態でシリコンゴムシート４を張り渡してなり、容器１の底面外側には、シリコンゴムシート４を介して容器１内の超音波伝達媒体３と隔てられる被検体５が載置される背面板６を設けてある。
さらに、シリコンゴムシート４と背面板６とで区画される閉空間に、負圧を与えるための負圧付与手段７を備える。すなわち、負圧付与手段７は、吸気板７a、コネクタ７b、チューブ７c、真空ポンプ７dおよびシール板７eおよび背面板７fからなる。吸気板７aには、図２に示すように、前記閉空間から吸気を導く経路となる溝70が形成され、溝70は、コネクタ７bおよびチューブ７cを介して真空ポンプ７dと連結され、真空ポンプ７dを動作させて溝70から気体を引き抜くことによって、前記閉空間から吸気を行って該閉空間を負圧にする。
【００１４】
なお、容器１は、主に前記したシリコンゴムシート４と側壁１ｂとで区画形成され、これら側壁１bのフランジ部分と吸気板７aとの間にＯリング１ａとシリコンゴムシート４の外周部分とを挟み込むことにより容器底部を水密に封止し、超音波伝達媒体３を容器１内に収容する。
【００１５】
次に、図１に示した超音波非破壊測定装置の動作を説明する。
まず、図１において、負圧付与手段７を作動させると、シリコンゴムシート４と背面板６とに囲まれた閉空間に存在する気体が排気され、図３に示すように、シリコンゴムシート４と被検体５との間にある気体も排気されて、シリコンゴムシート４と被検体５とが密着した状態となる。この状態において、シリコンゴムシート４と被検体５との界面は負圧下に置かれ、その圧力が0.5MPa以下になると、界面での隙間は全く消失してシリコンゴムシート４と被検体５とが強固に密着する結果、超音波送受波手段２からの超音波は超音波伝達媒体３を通してシリコンゴムシート４から被検体５へ高い効率で伝達するようになる。そして、被検体５に入射した超音波によって生起されるエコーも同様に、高い効率で被検体５からシリコンゴムシート４へ伝達し、最終的に超音波送受波手段２へ確実に伝達する。このようにして、ドライ状態の被検体５に対して超音波の送受波を高い効率にて行うことができる。
【００１６】
また、超音波送受波手段２を走査してそのエコーを受波することにより、被検体５を水等の超音波伝達媒体３に触れさせることなく、被検体５内部の画像化が可能であり、超音波送受波手段２として集束ビームを送受波可能なものを用いれば、被検体５を水等の超音波伝達媒体３に触れさせることなく、被検体５内部の高分解能画像化が可能である。
【００１７】
ここで、上記ドライ超音波測定を実現するのに不可欠のシリコンゴムシート４として、最も適切な材料を比較検討した。すなわち、硬さおよび破断伸びの特性が異なる複数のシリコンゴム、具体的には、硬さおよび破断伸びの組み合わせが、[45、580]、[40、650]、[35、720]、[30、800]、[20、960]、[45、490]、[40、550]、[35、610]、[30、700]、[20、850]、[45、680]、[40、70]、[35、830]、[30、900]および[20、1050]の15種類を用いて、それぞれ厚さ0.25mm、0.20mm、0.15mmおよび0.10mmのシートを製作し、繰り返し使用可能回数および超音波伝達特性を評価した。なお、硬さおよび破断伸びは、上述したところに従って、測定している。
【００１８】
まず、上記多種類のシリコンゴムシートの繰り返し使用可能回数を、図１に示した装置に厚さ２mm、大きさ50×50mmの鋼板サンプルをセットし、負圧付与手段７にて排気（負圧付与）および導気（大気圧への開放）のサイクルを繰り返すことにより測定した。この測定では1000回のサイクルを繰り返した結果、破れたり、伸びきってしまったりして使用不可能になったシートはなく、シリコンゴムの繰り返し使用に対する耐久性が確認された。
【００１９】
次に、上記多種類のシリコンゴムシートを図１に示した超音波非破壊測定装置に適用し、超音波伝達特性の評価を行った。超音波送受波手段２として、周波数50MHz、振動子径（口径）6.4mm、水中焦点距離12.7mmの広帯域水浸型超音波探触子を用い、被検体５として、厚さ２mm、サイズ50×50mmの鋼板サンプルを用いて、前記超音波探触子にて送受波される超音波ビームの焦点を鋼板サンプルの底面へ設定し、底面エコー（第２波）高さＢＤを測定した。ここで、従来の水浸法により、同じ超音波探触子および同じ被検体を用いて、鋼板底面に超音波ビーム焦点を設定して測定される底面エコー高さＢＷを基準とし、20dB以上のエコー高さの低下がみられる場合は、その結果が得られたシリコンゴムシートは使用不可と判断した。なぜなら、このような場合には、深さ２mmの位置にある50μmφの円形平面欠陥の検出が困難となり、十分な検出能を有さないと判断されるからである。
【００２０】
図４〜７は、シリコンゴムシートの厚さ毎に、横軸を硬さ、縦軸を破断伸びとして底面エコー高さの測定結果をマーク表示した結果である。ＢＤ／ＢＷ≦−20dB（使用不可）ならば×、ＢＤ／ＢＷ＞−20dB（使用可）ならば○として表示した。これらの図に示したように、シリコンゴムシートの厚さが0.20mm以上であれば、ほとんどの組み合わせで使用不可の結果であった。また、シリコンゴムシートの厚さが0.15mmでは、硬さが35以下、かつ破断伸びが800％以上の範囲が使用可であった。さらに、シリコンゴムシートの厚さが0.10mmでは、硬さが35以下、かつ破断伸びが700％以上の範囲が使用可であった。
【００２１】
これらの結果から、シリコンゴムシートの厚さが0.15mm以下であって、硬さが35以下、そして破断伸びがシリコンゴム厚をｔ（mm）としたとき［800−2000×（0.15−ｔ）］％以上であれば、ドライコンタクト形式の超音波非破壊測定に使用可能であると判断される。ここで、破断伸びの下限を［800−2000×（0.15−ｔ）］％としたのは、シリコンゴム厚0.10mmのときには破断のびの下限が700％となること、厚さが小さいシリコンゴムシートほど破断伸びが小さくとも被検体に密着しやすいことによる。  
【００２２】
一方、シリコンゴムシートの厚さの下限は、0.01mmにすることが好ましい。シリコンゴムシートの厚さが小さいほど減圧時に破裂しやすくなるため、減圧時に破裂しない厚さとして前記下限値の厚さが必要である。
【実施例】
【００２３】
以下に、本発明にかかる超音波非破壊測定装置を用いて、被検体５として深さ１mmの位置に50μmφの円形平面欠陥を内蔵させた厚さ３mmの鋼板を試験対象として測定を行った事例を説明する。
具体的には、図１に示したドライ超音波非破壊測定装置に、そのシリコンゴムシート４として厚さ0.15mm、硬さ30、破断伸び率800％のシリコンゴムを適用した。超音波送受波手段２は、周波数50MHzの広帯域超音波の送受波が可能であり、かつ水中でならば該超音波送受波手段２から25mmの位置にビームを集束可能な水浸超音波探触子を備えている。超音波伝達媒体３としては水を用いた。また、超音波送受波手段２を構成する水浸超音波探触子は、図示しない２次元機械走査手段と連動させることにより、該水浸超音波探触子を容器１内で２次元走査させることが可能になっている。
【００２４】
図８は、このようにして測定した上記鋼板（被検体５）の内部画像である。シリコンゴムシート４とは音響的なミスマッチングがきわめて大きい鋼板被検体の中部にある極めて微小な50μmφの円形平面欠陥が明瞭に画像化されている。なお、この測定では、水浸超音波探触子を用いて送受波される集束ビームの焦点を円形平面欠陥が存在する深さである１mmと同じ深さに設定した。音響的なミスマッチングがきわめて大きい被検体５の中部にある極めて微小な50μmφの円形平面欠陥を検出できたことは、シリコンゴムシート４から被検体10へきわめて高効率に超音波が伝達し、被検体10からシリコンゴムシート４へエコーがきわめて高効率に伝達していることを実証している。
【００２５】
なお、図１および図３では、超音波送受波手段２を被検体５の検査面に対して垂直に設定しているので、超音波は被検体５へ垂直に送受波される。超音波の送受波方向はこれに限らず、超音波送受波手段２を被検体５の検査面に対して傾けて斜角に送受波しても良い。
超音波送受波手段２として，超音波フェイズドアレイ探触子（超音波フェイズドアレイプローブ)を用いることも可能である。
また，容器１は水を封入して密閉した容器とすることも可能である。この場合には、超音波送受波手段２は適当な支持手段を用いて容器の中に封入され，さらに該密閉容器の中に適当な走査手段を設けて超音波送受波手段２を走査することも可能である。
【符号の説明】
【００２６】
１  容器
１ａ  Ｏリング
２  超音波送受波手段
３  超音波伝達媒体
４  シリコンゴムシート
５  被検体
６  背面板
７  負圧付与手段
７ａ  吸気板
７ｂ  コネクタ
７ｃ  チューブ
７ｄ  真空ポンプ
７ｅ  シール板
70  溝
【図１】
2014092497.tif 000003
【図２】
2014092497.tif 000004
【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】
2014092497.tif 000009
【図８】
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