(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水膜を介して被検査材と音響結合し、超音波パルスを送信し、かつ、反射波を受信する超音波探触子に於いて、
超音波パルスを送信し、かつ、反射波を受信する表面部材に深さが１／４波長またはその奇数倍である複数の溝を設けたことを特徴とする超音波探触子。
【請求項２】
請求項１記載の超音波探触子に於いて、
深さが１／４波長またはその奇数倍である複数の溝の長手方向を、水膜が流れる方向に形成することを特徴とする超音波探触子。
【請求項３】
請求項１に記載の超音波探触子に於いて、
溝に代えて深さが１／４波長またはその奇数倍の円柱状、三角柱状、多角柱状、楕円柱状を含むくぼみを設けたことを特徴とする超音波探触子。
【請求項４】
前記請求項１，２又は３の何れかに記載の超音波探触子に於いて、
溝の幅、及び、溝と溝の間隔、又は、くぼみの開口幅、及び、くぼみとくぼみの間隔を１波長付近とすることを特徴とする超音波探触子。
【請求項５】
前記請求項３に記載の超音波探触子において、
超音波パルスを送信し、かつ、反射波を受信する表面部材におけるくぼみの開口面積と、平坦部の面積を同一に形成する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、鉄道レール、厚板鋼材、ビレット鋼材などの被検査材の探傷を行う際に、被検査材と水膜とを介して音響結合を図って超音波パルスを送信し、かつ、反射波を受信する超音波探触子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図８は従来の鉄道などのレール（被検査材）に対する超音波での探傷の計測状態を示す斜視図であり、図９は、その電気的構成を示すブロック図である。また、図１０は超音波探触子と被検査材との接合状態を説明するための図である。
図８、図９及び図１０において、この例では、探傷対象のレール（被検査材）１に、超音波探傷装置２と接続されるケーブル３の先端に設けられた超音波探触子４を移動させてレール１の探傷を行っている。この場合、図９及び図１０に示すように探触子ホルダ４ａに固定された超音波探触子４とレール１との間の水膜５を介して探傷を行っている。この超音波探触子４のレール１と対向する表面部材（遅延材）は平滑な構造となっている。この表面部材及び水膜５を介して被検査材のレール１と音響結合が図られている。
【０００３】
図９に示す超音波探傷装置２では、超音波探触子４又はレール１を水膜５を介して移動させている。この際、送信部７が一定周期で出力する送信信号が超音波探触子４に入力され、内部の図示しない振動子からの超音波パルスが水膜５を介してレール１に入射される。この超音波パルスがレール１の傷で反射し、この反射波が超音波探触子４の振動子で受信される。
【０００４】
この受信波信号が受信部８に入力され、ここで増幅などを行い、信号処理部９のゲート回路を通じて受信波信号を抽出する。さらに、信号処理部９でデジタル信号化処理を行い、受信波を判定レベルと比較してレール１における傷を検出し、この傷データと図示しない走行距離センサからの移動量に基づいたレール１の位置などをブラウン管（ＣＲＴ）などの表示部１０で画面表示している。
【０００５】
また、信号処理部９が出力する傷波形やレール１の位置などの探傷情報を記録装置１１のメモリなどに記憶して保存し、さらに、必要に応じて記録紙に印字して出力している。
このような探傷では、この探傷を行う際の被検査材のレール１又は超音波探触子４の移動に伴って、水膜５の厚さが変化して、その探傷感度が変動し、所望の一定値を維持できないという問題点がある。
【０００６】
図１１は送信超音波パルスの透過と多重反射による探傷感度の変動を説明するための図であり、図１２は透過波及び多重反射波の位相状態から探傷感度の変動を説明するための図である。また、図１３は水膜厚さの変化に対する探傷感度の変動を示す特性図である。
図１１において、超音波探触子４の振動子４ｃで発生した送信超音波パルスが遅延材を介して超音波探触子４の表面から水膜５に入射する。この送信超音波パルスは水膜５を透過波ａとして通過し、レール１の被検査材の表面から入射する。同時に透過波ａの一部が被検査材の表面で反射して、この反射波が超音波探触子４の表面方向に戻って反射し、再度、レール１の被検査材の表面に向かうことになる。すなわち、多重反射波ｂが発生する。
【０００７】
この場合、図１２（Ａ）に示すように、水膜５内で透過波ａと多重反射波ｂの位相が反転していると打ち消し合ってレール１の被検査材表面から入射する透過波ａの波高レベルが低下する。また、図１２（Ｂ）に示すように水膜５内の透過波ａと多重反射波ｂが同相の場合、透過波ａと多重反射波ｂの波高レベルが加算されて、レール１の被検査材表面から入射する透過波ａの波高レベルが高くなる。したがって、探傷を行う際の被検査材のレール１又は超音波探触子４の移動に伴って水膜５の厚さが変化すると、その探傷感度が変動することになる。例えば、図１３に示すように、水膜５の厚さが０．２ｍｍ，０．６ｍｍで、その感度  （ｄＢ）が大きく低下し、また、水膜５の厚さが０．４ｍｍで、その感度（ｄＢ）が高くなる。このように従来の超音波探触子では、水膜５の厚さの変化による探傷感度が大きく変動（１０ｄＢ程度）してしまう。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の超音波探触子では、探傷を行う際の被検査材のレール１又は超音波探触子４の移動に伴って水膜５の厚さが変化する。このため一定値の探傷感度が要求される場合の、その探傷精度が悪化し、かつ、確実な再現性が得られないという欠点がある。
【０００９】
本発明は、このような従来の技術における欠点を解決するものであり、被検査材又は超音波探触子の移動に伴う水膜の厚さの変化による探傷感度の変動をなくして、探傷精度が向上し、かつ、その再現性などが向上する超音波探触子を提供することを解決課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この課題を達成するために、本発明は、水膜を介して被検査材と音響結合し、超音波パルスを送信し、かつ、反射波を受信する超音波探触子であり、超音波パルスを送信し、かつ、反射波を受信する表面部材に少なくとも１／４波長の深さの複数の溝を設けている。
【００１１】
また、本発明の超音波探触子は、１／４波長の深さの溝の長手方向を、水膜が流れる方向に形成している。
さらに、本発明の超音波探触子は溝に代えて少なくとも１／４波長の深さの円柱状、三角柱状、多角柱状、楕円柱状を含むくぼみを設けている。
また、本発明の超音波探触子は、溝の幅、及び、溝と溝の間隔、又は、くぼみの開口幅、及び、くぼみとくぼみの間隔を１波長付近としている。
【００１２】
さらに、本発明の超音波探触子は超音波パルスを送信し、かつ、反射波を受信する表面部材におけるくぼみの開口面積と、平坦部の面積を同一に形成している。
また、本発明は水膜を介して被検査材と音響結合し、超音波パルスを送信し、かつ、反射波を受信する超音波探触子であり、反射波を受信する振動子と、反射波を遅延する遅延材と、超音波探触子の表面となる遅延材の一方側に設けられ、１／４波長の厚さ、かつ、水と遅延材の音響インピーダンスの相乗平均となる音響インピーダンスの整合膜とを備えている。
【００１３】
このように本発明の超音波探触子は、超音波パルスを送信し、かつ、反射波を受信する表面部材に、１波長付近の間隔で設けた１／４波長の深さの溝やくぼみでの反射波と、平坦部での反射波とが入り混じって入射する。この際、溝やくぼみの経路での反射波は、その溝の深さが１／４波長であるため往復では１／２波長の長さになり、この溝やくぼみの凹部での反射波と平坦部のでの反射波との位相が１／２波長（１８０度）反転して打ち消される。
【００１４】
したがって、超音波探触子の表面での反射が無い場合と同じ動作になり、波高レベルが低下したり、波高レベルが高くなるなどの干渉が発生しなくなる。すなわち、被検査材又は超音波探触子の移動に伴う水膜の厚さが変化しても、その探傷感度が変動しなくなる。この結果、探傷精度及び再現性などが向上することになる。
【００１５】
また、本発明は、溝の長手方向を水膜の流れ方向に形成しているため、被検査材又は超音波探触子の移動に伴う水膜の水がスムーズに流れて、安定した音響結合が得られるようになる。さらに、超音波探触子の表面が被検査材と接触する際の磨耗、損傷状態を視覚的に確認し易くなる。
さらに、超音波探触子の表面となる遅延材の他方側に配置された１／４波長の厚さ、かつ、水と遅延材の音響インピーダンスの相乗平均となる音響インピーダンスの整合膜によって、反射波が再反射せずに、多重反射波が極めて少なくなり、透過波との干渉が発生しなくなる。この結果、水膜の厚さの変化による探傷感度の変動が少なくなり、超音波探触子の表面での反射が無い場合と同じ動作が得られ、探傷精度及び再現性が向上することになる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の超音波探触子の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の超音波探触子の第１の実施形態の構成を示す断面図及び底面図である。図１において、この超音波探触子２０は従前の図８に示した鉄道などのレール（被検査材）に対する超音波による探傷を行うものであり、外装体（筐体）２１に、図示しない超音波探傷装置の送受信部に接続されるケーブル２２が接続されている。
【００１７】
また、外装体２１内には、この開口面から挿入して固定された遅延材２３が配置されている。この遅延材２３の外装体２１内側（一方側）に、超音波パルスを発生し、かつ、反射波が入射され、その電気変換した受信信号を出力する振動子２４が取り付けられている。遅延材２３の他方側は溝状の凹凸が形成された凹凸部２３ａとなっている。
【００１８】
この凹凸部２３ａの溝は深さは振動子２４が送出する超音波信号の波長の１／４とする。尚以下の説明では波長は全てλで現わす。さらに、溝（凹部）の幅及び平坦部（凸部）の幅は、凹凸部２３ａでの凹部の反射波と凸部による反射波とが分離せずに、入り混じって確実に打ち消すように経験的な値である約１λとする。
【００１９】
次に、この第１の実施形態における動作及び機能について説明する。
図２は超音波探触子２０の凹凸部２３ａによる送信超音波パルスの透過と多重反射による探傷感度の変動を説明するための図である。図３は透過波及び多重反射波の位相状態から探傷感度の変動を説明するための図である。
図２において、超音波探触子２０の振動子２４が発生した超音波パルスが遅延材２３の凹凸部２３ａを通じて水膜４０に入射する。この送信超音波パルスは凹凸部２３ａの凸部（Ａ）から、水膜４０を透過波ａ１として通過し、被検査材４１の表面から入射する。同時に透過波ａ１の一部が被検査材４１の表面で反射して、この反射波ｂ１が超音波探触子２０の凹凸部２３ａの凸部（Ａ）に戻る。
【００２０】
また、送信超音波パルスは凹凸部２３ａの凹部（Ｂ）から水膜４０を透過波ａ２として通過し、被検査材４１の表面から入射する。同時に透過波ａ２の一部が被検査材４１の表面で反射して、この反射波ｂ２が超音波探触子２０の凹凸部２３ａの凹部（Ｂ）に戻ることになる。
このように、超音波探触子２０の振動子２４が送出した超音波パルスは、凹凸部２３ａの凸部（Ａ）と凹部（Ｂ）の二種類の経路で反射することになる。ここで凹部（Ｂ）の経路での反射は、その溝の深さが１／４波長であり、往復では１／２波長の長さになる。この場合、凸部（Ａ）と凹部（Ｂ）の二種類の経路での反射波が水膜４０内で入り混じることになる。したがって、図３に示すように凸部（Ａ）での反射波ｂ１と、凹部（Ｂ）での反射波ｂ２は位相が１／２波長（１８０度）反転しており、主に水膜４０内で打ち消される。すなわち、超音波探触子２０の表面（凹凸部２３ａ）での反射が無い場合と同じ動作になる。このように超音波探触子２０の表面（凹凸部２３ａ）での反射が無いことになり、従前の図１１（Ａ）（Ｂ）で説明したように波高レベルが低下したり、波高レベルが高くなるなどの干渉が発生しなくなり、被検査材４１又は超音波探触子２０の移動に伴う水膜４０の厚さが変化しても、その探傷感度が変動しなくなる。
【００２１】
図４は、この水膜厚さの変化に対する探傷感度の変動を示す特性図である。図４において、超音波探触子２０の凹凸部２３ａを設けない改善前では、水膜４０の厚さが０．２ｍｍ，０．６ｍｍで、その感度（ｄＢ）が大きく低下し、また、水膜４０の厚さが０．４ｍｍでその感度（ｄＢ）が極めて高くなっており、水膜の厚さの変化による探傷感度の変動が発生している。
【００２２】
これに対して、この第１の実施形態のように超音波探触子２０の凹凸部２３ａを設けた改善後では、水膜４０の厚さが０．２ｍｍ，０．６ｍｍで、その感度  （ｄＢ）がやや低下し、また、水膜４０の厚さが０．４ｍｍでその感度（ｄＢ）がやや高くなっている。したがって、改善前に１０ｄＢ程度あった水膜の厚さの変化による探傷感度の変動が１〜２ｄＢ程度のフラットな特性に改善されており、超音波探触子２０の表面（凹凸部２３ａ）での反射が無い場合と同じ動作が得られ、その再現性が向上するとになる。
【００２３】
また、この第１の実施形態では、超音波探触子２０の凹凸部２３ａの凹凸の溝を水膜の流れる方向に形成すると、スムーズな水の流れが出来るようになり、安定した音響結合が得られるようになる。さらに、超音波探触子２０の移動に伴って、その表面が被検査材と接触する場合が多く、磨耗、損傷が発生し易い。この凹凸部２３ａの磨耗、損傷状態を視覚的に確認し易くなる。
【００２４】
図５は、超音波探触子２０の遅延材２３の凹凸部２３ａの変形例を示す底面図である。この例は、超音波探触子２０の遅延材２３の表面に凹凸部２３ａに代えて円柱状くぼみ４５を多数形成したものである。この円柱状くぼみ４５も、その深さを１／４λとし、かつ、円柱状くぼみ４５の開口の幅、及び、円柱状くぼみ４５の間の平坦部を約１λにすることによって、前記の溝の凹凸部２３ａと同様に動作して、同様の効果が得られる。
【００２５】
なお、円柱状くぼみ４５に代えて四角柱状、三角柱状、多角柱状、楕円柱状のくぼみでも同様の効果がある。この場合も、深さを１／４λとし、かつ、開口の幅、及び、この間の平坦部を約１λに設定する。
また、このくぼみは、くぼみと平坦部とで位相が反転した二つの反射波が入り混じって打ち消すようにしているため、くぼみの合計の開口面積と、平坦部の合計の面積を同一に形成し、かつ、約１λ間隔でくぼみ部と平坦部とをとなり合うように形成すれば効果的である。
【００２６】
図６は第２の実施形態の構成を示す側面図である。
図６において、この例は図１の構成と同様の遅延材２３の一方側には振動子２４が取り付けられ、遅延材２３の他方側に凹凸部２３ａに代えた整合膜５０が配置されている。この整合膜５０は水膜５１を介して被検査材５２と接合している。整合膜５０はその厚さが１／４λであり、かつ、音響インピーダンスが、遅延材２３の音響インピーダンスＺ１と水（水膜５１）の音響インピーダンスＺ２の相乗平均値の部材を用いる。
【００２７】
次に、この第２の実施形態における動作及び機能について説明する。
この超音波探触子は、遅延材２３に整合膜５０を設けており、この整合膜５０と水膜５１を介して被検査材５２と接合している。この場合、整合膜５０はその厚さが１／４λである。そして、整合膜５０の音響インピーダンスが、遅延材２３の音響インピーダンスＺ１と水（水膜５１）の音響インピーダンスＺ２の相乗平均値となっており、遅延材２３と水膜５１とのインピーダンスの値が近似し、そのインピーダンスが整合する。したがって、送信超音波パルスが、遅延材２３、整合膜５０、水膜５１を介して、被検査材５２に透過し、その際の反射波が整合膜５０に到達した際に、この整合膜５０の表面（超音波探触子の表面）で反射することなく、遅延材２３へ容易に入射される。
【００２８】
したがって、水膜５１での多重反射波が極めて少なくなり、透過波との干渉が発生しなくなる。この結果、水膜の厚さの変化による探傷感度の変動が少なくなり、超音波探触子２０の表面での反射が無い場合と同じ動作が得られ、その再現性が向上することになる。
その改善例は図４に示す特性と同様の特性が得られる。すなわち、改善前に１０ｄＢ程度あった水膜の厚さの変化による探傷感度の変動が１〜２ｄＢ程度のフラットな特性に改善される。
【００２９】
なお、この第１及び第２の実施形態では、遅延材の一方側に一つの振動子を設けた例をもって説明したが、他の構成タイプにも、そのまま適用できる。例えば、図７（Ａ）に示すように斜め方向で超音波パルスを送信し、かつ、反射波を受信する斜角タイプにもそのまま適用可能である。さらに、図７（Ｂ）に示すように送受信用の別個の振動子を遅延部材などに配置して超音波パルスを送信し、かつ、反射波の受信を行う垂直分割タイプにもそのまま適用可能である。
【００３０】
尚、上記の実施形態にあっては、凹凸部２３ａ、整合膜５０を１／４λとした場合を例にとっているが、１／４λの奇数倍の３／４λ、５／４λ等であってもよい。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の超音波探触子によれば、約１波長間隔で設けた１／４波長の深さの溝やくぼみと平坦部に反射波が入り混じって入射する。この際、溝やくぼみ経路での１／２波長の長さを通過した反射波の位相が、平坦部での反射波と１／２波長反転して打ち消されるため、超音波探触子の表面での反射が無い場合と同じ動作になり、波高レベルが低下したり、波高レベルが高くなるなどの干渉が発生しなくなる。これによって、被検査材又は超音波探触子の移動に伴う水膜の厚さが変化しても、その探傷感度が変動しなくなり、その探傷精度及び再現性などが向上するようになる。
【００３２】
また、本発明は、溝の長手方向を水膜の流れ方向に形成しているため、被検査材又は超音波探触子の移動に伴う水膜の水がスムーズに流れて、安定した音響結合が得られると共に、超音波探触子の表面が被検査材と接触する際の磨耗、損傷状態を視覚的に容易に確認できるようになる。
さらに、超音波探触子の表面となる遅延材の一方側に配置された１／４波長の厚さ、かつ、水と遅延材の音響インピーダンスの相乗平均となる音響インピーダンスの整合膜によって、反射波が表面で反射せずに、水膜での多重反射波が極めて少なくなって透過波との干渉が発生しなくなる。この結果、水膜の厚さの変化による探傷感度の変動が少なくなり、超音波探触子の表面での反射が無い場合と同じ動作が得られ、探傷精度及び再現性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波探触子の第１の実施形態の構成を示す断面図及び底面図
【図２】図１に示す超音波探触子の凹凸部での送信超音波パルスの透過と多重反射による探傷感度の変動を説明するための図
【図３】第１実施形態にあって透過波及び多重反射波の位相状態から探傷感度の変動を説明するための図
【図４】第１実施形態にあって水膜厚さの変化に対する探傷感度の変動を示す特性図
【図５】第１実施形態にあって超音波探触子の変形例を示す断面図及び底面図
【図６】第２の実施形態の構成を示す側面図
【図７】第１及び第２の実施形態の適用例を示す側面図
（Ａ）は斜め方向で超音波パルスを送信し、かつ、反射波を受信する斜角タイプの概略構成を示す図
（Ｂ）は送受信用の別個の振動子を設けた垂直分割タイプの概略構成を示す図
【図８】従来の被検査材に対する超音波による探傷の計測状態を示す斜視図
【図９】図８に示す構成の電気的構成を示すブロック図
【図１０】従来例にあって超音波探触子と被検査材との接合状態を説明するための図
【図１１】従来例にあって送信超音波パルスの透過と多重反射による探傷感度の変動を説明するための図
【図１２】従来例にあって透過波及び多重反射波の位相状態から探傷感度の変動を説明するための図
（Ａ）は透過波と多重反射波の位相が反転した状態を示す波形図
（Ｂ）は透過波と多重反射波が同相の場合を示す波形図
【図１３】従来例にあって水膜厚さの変化に対する探傷感度の変動を示す特性図
【符号の説明】
２０：超音波探触子
２１：外装体（筐体）
２２：ケーブル
２３：遅延材
２４：振動子
２３ａ：凹凸部
４０，５１：水膜
４１，５２：被検査材
４５：円柱状くぼみ
５０：整合膜
【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】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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