(57)【要約】【課題】  被検査体の凹曲面から超音波ビームを凹曲面内部へ入射させて凹曲面内部の超音波探傷を行うに際し、凹曲面直下から凹曲面内部の深い位置にわたって欠陥検出もれなく超音波探傷を行うことができる超音波探触子を得ること。【解決手段】  被検査体２０の凹曲面２０ａから超音波ビーム１０を凹曲面２０ａ内部へ入射させて凹曲面２０ａ内部の超音波探傷を行う超音波探触子１において、超音波の送信と受信を行う振動子部２，４と、前記振動子部に接触して設けられた遅延材部３，５と、被検査体２０と同一の超音波伝播速度を有する材質よりなり、凹曲面２０ａと略同一の曲率半径を持ち、探傷時に凹曲面２０ａに接触させる被検査体接触凸曲面７ａ、及び、前記遅延材部の平面状の下面に面接触している遅延材接触平面７ｂを有する探傷シュー７とを備えたことを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検査体の凹曲面から超音波ビームを凹曲面内部へ入射させて凹曲面内部の超音波探傷を行う超音波探触子において、超音波の送信と受信を行う振動子部と、前記振動子部に接触して設けられた遅延材部と、前記被検査体と同一の超音波伝播速度を有する材質よりなり、前記凹曲面と略同一の曲率半径を持ち、探傷時に前記凹曲面に接触させる被検査体接触凸曲面、及び、前記遅延材部の平面状の下面に面接触している遅延材接触平面を有する探傷シューとを備えたことを特徴とする超音波探触子。
【請求項２】
前記探傷シューは、前記遅延材接触平面から前記被検査体接触凸曲面までの長さが被検査体の前記凹曲面からの探傷領域長さ以上であることを特徴とする請求項１記載の超音波探触子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検査体の凹曲面から超音波ビームを凹曲面内部へ入射させて、凹曲面内部の超音波探傷を行うに際し、センサとして用いる超音波探触子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
船舶のクランク軸などの強度が重要となる構造体では、強度設計上許容される最大欠陥寸法が規定されており、検査において欠陥の有無確認及びその寸法確認が必要である。構造体内部の欠陥の検査には、超音波探傷が広く用いられている。この超音波探傷は、被検査体表面に超音波探触子を、水、油、グリセリン等の接触媒質を介して接触させ、被検査体表面から超音波ビームを被検査体内部に入射させて、欠陥からの反射波（エコー）を観測することにより、欠陥の有無及び寸法を評価するものである。
【０００３】
超音波探傷に用いられる超音波探触子は、一般に、超音波の送信と受信を行う振動子部と、振動子部に接触して設けられた遅延材部（材質はアクリル樹脂が広く採用されている）とを備えている。遅延材部は、その形状によって、斜め前方に超音波を入射させる斜角探触子用、被検査体の表面を伝わる表面波探触子用、垂直方向に入射させる垂直探触子用などがある。そして、一般に、超音波探触子の遅延材部は、探傷時に被検査体に接触する接触部分が平面状をなしている。このため、凹曲面を持つ被検査体の該凹曲面に超音波探触子を接触させようとすると、超音波探触子と凹曲面との間に隙間（空気層）が生じ、超音波が空気層で反射されて被検査体の中へ入って行かないという不具合が発生する。
【０００４】
そこで、超音波探触子と被検査体の凹曲面との間に生じる隙間の問題を解消すべく、特開平１１−３３７５３７号公報には、図７に示す超音波探触子が提案されている（従来技術１）。表面波法に用いられるこの超音波探触子６１は、超音波発振子６４から発振された超音波が、探傷シュー６３を介して検査面が凹曲面６２ａ（曲率半径が２５０〜７５０ｍｍという大きなもの）である被検査体６２に入射される際に、その屈折角が９０°になるように超音波発振子６４が探傷シュー６３に取り付けられたものであって、探傷シュー６３の被検査体凹曲面６２ａと接触する面の形状を凸曲面とし、かつ、該凸曲面の曲率半径を被検査体凹曲面６２ａの曲率半径より小としたものである。
【０００５】
また、被検査体を水没させるか、被検査体の凹曲面部分を局所的に水浸させることで、超音波探触子と被検査体の間のギャップに接触媒質としての水を満たし、この接触媒質である水を介して超音波を被検査体へ入射させるようにした方法も知られている（従来技術２）。
【０００６】
さらに、特開平１１−３０４７７４号公報には、図８に示すように、可撓性を有する振動子部７２と、振動子部７２を指先９０に取り付けるための可撓性を有する指サック状の固定部７３とによって構成された超音波探触子７１が提案されている。この超音波探触子７１によると、被検査体８０の凹部形状に合わせて振動子部７２を変形させて、被検査体８０と超音波探触子７１の間に隙間が生じないようにしている（従来技術３）。
【特許文献１】特開平１１−３３７５３７号公報（第２頁、図１）
【特許文献２】特開平１１−３０４７７４号公報（第２頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前述した従来技術１〜３では、被検査体の凹曲面と超音波探触子との間に隙間（空気層）が生じて、超音波が空気層で反射されるという問題を解消することができる。
【０００８】
ところが、被検査体の凹曲面から超音波ビームを凹曲面内部へ入射させて、凹曲面内部の超音波探傷を行うに際し、被検査体の凹曲面の曲率半径が、前記従来技術１での２５０〜７５０ｍｍなどに比べて、１０ｍｍ程度と相当に小さい場合（曲率が大きく急峻な場合）には、凹曲面と超音波探触子との間に隙間が発生するという前記の問題の他にも重大な問題があることを、発明者らは、実験及び詳細な検討の結果から見出した。
【０００９】
図５は本発明の課題を説明するための図であって、被検査体接触凸曲面を有するアクリル樹脂製遅延材部を備えた超音波探触子において、該超音波探触子からの被検査体の凹曲面内部への超音波ビームの入射の様子を模式的に示す図である。
【００１０】
図５において、２０はフィレット（ｆｉｌｌｅｔ）部として曲率半径１２ｍｍの凹曲面を有する一般炭素鋼製の被検査体、３１は超音波探触子である。超音波探触子３１は、二振動子垂直探触子（二分割垂直型探触子）であり、振動子部３２と、振動子部３２に接触して設けられたアクリル樹脂製遅延材部３３とを備えている。また、アクリル樹脂製遅延材部３３は、その先端側に、被検査体２０の凹曲面と略同一の曲率半径を持ち、探傷時に被検査体２０の凹曲面に接触する被検査体接触凸曲面３３ａを有している。
【００１１】
そして、一般炭素鋼製の被検査体２０の曲率半径１２ｍｍの凹曲面に、この超音波探触子３１の被検査体接触凸曲面３３ａをグリセリン等の接触媒質を介して接触させて、凹曲面内部の超音波探傷を行うと、その探傷性能は、被検査体接触平面を有する超音波探触子による表面形状が平坦な被検査体での超音波探傷に比較して、極端に低下してしまう。
【００１２】
その理由は、図５に示すように、超音波探触子３１と被検査体２０の凹曲面との界面（曲率半径が小さい曲面をなす界面）での超音波ビームの屈折によるものである。材質が一般炭素鋼である被検査体２０での縦波音速は、約５９００ｍ／ｓであるのに対し、材質がアクリル樹脂であるアクリル樹脂製遅延材部３３での縦波音速は、２７００ｍ／ｓである。スネルの法則から、例えば入射角１０度で斜めから入射した超音波ビームは、２２度方向に約１２度曲げられて伝搬し、また、例えば入射角２０度で入射した超音波ビームは、４７．７度方向に約２７度曲げられて伝搬する。その結果を模式的に示したものが、図５における超音波ビームＴである。図５に示すように、超音波ビームＴは、例えば入射角１０度の場合、被検査体２０の凹曲面直下９．８ｍｍ付近に収束するものの、それよりも深い部分では広く分散してしまっている。このため、深い位置にある欠陥には十分な音圧の超音波ビームが到達せず、Ｓ／Ｎ比が良好な探傷は困難となり、欠陥検出もれが発生する。このことは実験的にも確認されており、人工欠陥として直径１ｍｍの平底穴を凹曲面から深さ１０〜５０ｍｍまでの位置に５ｍｍピッチで施した試験片をそれぞれ製作し、超音波探触子３１による探傷を行ったところ、凹曲面から深さ１０ｍｍの位置にある前記人工欠陥を検出できたものの、それより深い位置にある人工欠陥については、明確なエコーを観測することができなかった。
【００１３】
図６は本発明の課題を説明するための図であって、局部水浸法での超音波探触子からの被検査体の凹曲面内部への超音波ビームの入射の様子を模式的に示す図である。
【００１４】
図６において、２０はフィレット部として曲率半径１２ｍｍの凹曲面を有する一般炭素鋼製の被検査体、４１は超音波探触子である。超音波探触子４１は、二振動子垂直探触子（二分割垂直型探触子）であり、振動子部４２と、振動子部４２に接触して設けられたアクリル樹脂製遅延材部４３とを備えている。また、アクリル樹脂製遅延材部４３は、その先端側に平面４３ａを有している。すなわち、超音波探触子４１は、超音波探触子として一般的な形状のものである。５０は被検査体２０の凹曲面と超音波探触子４１との間を水で満たすようにした局部水浸である。
【００１５】
界面での超音波ビームの屈折は、図６に示すような局部水浸法、あるいは全没水浸法での超音波探触子４１による超音波探傷においても発生する。水での縦波音速は１４８０ｍ／ｓであり、前記図５におけるアクリル樹脂製遅延材部３３での縦波音速（２７００ｍ／ｓ）と比較してもさらに屈折角が大きく、図６に示すように、超音波ビームＴは、例えば入射角１０度の場合、被検査体２０の凹曲面直下３．８ｍｍ付近に収束するものの、その発散度合いが激しい。
【００１６】
このように、被検査体の凹曲面から超音波ビームを凹曲面内部へ入射させて、凹曲面内部の超音波探傷を行うに際し、被検査体の凹曲面の曲率半径が１０ｍｍ程度と相当に小さい場合、曲面をなす界面でスネルの法則による超音波ビームの屈折が発生する。なお、前述した従来技術３の図８に示す可撓性の振動子部を被検査体になじませる場合にも、同様に被検査体表面の法線方向に超音波ビームが伝搬して広がってしまう。さらに、振動子部が被検査体の形状に応じて変化してしまうこと自体、欠陥寸法の定量化の観点からあまり望ましいとはいえない。一般に、超音波探傷では、テストピースとして既知寸法の人工欠陥からのエコーレベルと実際の欠陥からのエコーレベルを比較して、その欠陥寸法と特定することが行われる。その前提となるのは、超音波振動子が送受信において特性が不変で再現性があることである。ところが、従来技術３では、被検査体の形状に応じて振動子部の形状が変化することは、再現性を損なう大きな要因となりうるので不都合となる。
【００１７】
本発明の課題は、被検査体の凹曲面から超音波ビームを凹曲面内部へ入射させて凹曲面内部の超音波探傷を行うに際し、凹曲面直下から凹曲面内部の深い位置にわたって欠陥検出もれなく超音波探傷を行うことができる超音波探触子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
前記の課題を解決するため、本願発明では、次の技術的手段を講じている。
【００１９】
請求項１の発明は、被検査体の凹曲面から超音波ビームを凹曲面内部へ入射させて凹曲面内部の超音波探傷を行う超音波探触子において、超音波の送信と受信を行う振動子部と、前記振動子部に接触して設けられた遅延材部と、前記被検査体と同一の超音波伝播速度を有する材質よりなり、前記凹曲面と略同一の曲率半径を持ち、探傷時に前記凹曲面に接触させる被検査体接触凸曲面、及び、前記遅延材部の平面状の下面に面接触している遅延材接触平面を有する探傷シューとを備えたことを特徴とする超音波探触子である。
【００２０】
請求項２の発明は、請求項１記載の超音波探触子において、前記探傷シューは、前記遅延材接触平面から前記被検査体接触凸曲面までの長さが被検査体の前記凹曲面からの探傷領域長さ以上であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の超音波探触子は、振動子部、遅延材部及び探傷シューを備えており、探傷シューが、被検査体と同一の超音波伝播速度を有する材質よりなり、かつ、被検査体の凹曲面と略同一の曲率半径を持ち、探傷時に前記凹曲面に接触させる被検査体接触凸曲面と、振動子部に接触して設けられた遅延材部の平面状の下面に面接触している遅延材接触平面とを有している。
【００２２】
したがって、遅延材部の平面状の下面に探傷シューの遅延材接触平面を面接触させており、探傷シューが被検査体接触凸曲面を持つことで被検査体の凹曲面との間に隙間が発生することをなくすことができ、探傷シューが被検査体と同一の超音波伝播速度を有する材質よりなることで、探傷シューと被検査体の凹曲面との界面でスネルの法則による超音波ビームの屈折が発生することをなくすことができる。これにより遅延材部から出た超音波ビームは、探傷シュー内部から被検査体の凹曲面内部にわたって途中で屈折することなく直進する。
【００２３】
よって、本発明の超音波探触子は、探傷シューによって実質的に被検査体の凹曲面を平面化することにより、平坦な面での超音波探傷と同様の探傷性能が確保でき、被検査体の凹曲面直下から凹曲面内部の深い位置にわたって欠陥検出もれなく超音波探傷を行うことができる。また、超音波探触子の探傷シューの長さを被検査体の凹曲面からの探傷領域長さ以上にすることにより、探傷シューと被検査体との界面での多重エコーによる影響を受けることなく、欠陥からのエコーを観察することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。図１は本発明の一実施形態による超音波探触子を概略的に示す構成図、図２は図１に示す超音波探触子の正面図、図３は図１に示す超音波探触子からの被検査体の凹曲面内部への超音波ビームの入射の様子を模式的に示す図である。
【００２５】
図１において、２０は被検査体である。被検査体２０は、この実施形態では、フィレット部として曲率半径１２ｍｍの凹曲面２０ａを有する一般炭素鋼製の被検査体である。機械部品（構造体）にフィレット部を施すのは、その部分の設計応力が大きい場合が多い。したがって、そのフィレット部での許容される欠陥の寸法も小さく、ワレや介在物欠陥などが存在しないか否かについて、超音波探傷が義務づけられる場合がある。超音波探触子１は、この実施形態では周波数１０ＭＨｚの二振動子垂直探触子（二分割垂直型探触子）である。
【００２６】
図１、図２において、２は送信振動子であり、３はブロック状をなし、送信振動子２に接触して設けられたアクリル樹脂製の送信用遅延材である。４は受信振動子であり、５はブロック状をなし、受信振動子４に接触して設けられたアクリル樹脂製の受信用遅延材である。６は音響的隔離板であり、送信振動子２及び送信用遅延材３と受信振動子４及び受信用遅延材５とが分離するように、送信用遅延材３と受信用遅延材５との間に挟まれて設けられたものである。送信振動子２と受信振動子４とは、超音波の送信と受信を行う振動子部を構成している。また、送信用遅延材３と受信用遅延材５とは、前記振動子部に接触して設けられた遅延材部を構成している。なお、振動子部及び遅延材部を収容するケース等については図示省略している。
【００２７】
７は探傷シューである。探傷シュー７は、被検査体２０と同一の超音波伝播速度を有する材質よりなり、凹曲面２０ａと略同一の曲率半径を持ち、探傷時に被検査体２０の凹曲面２０ａに接触させる被検査体接触凸曲面７ａと、送信用遅延材３及び受信用遅延材５の平面状の下面に面接触している遅延材接触平面７ｂとを有しており、接着剤等によって送信用遅延材３及び受信用遅延材５の下面に固定されている。探傷シュー７は、この実施形態では被検査体２０と同一の材質である一般炭素鋼よりなり、探傷シュー７の被検査体接触凸曲面７ａは、被検査体２０の曲率半径１２ｍｍの凹曲面２０ａに合わせて、この凹曲面２０ａと略同一の曲率半径にて凸曲面に形成されている。この場合、被検査体接触凸曲面７ａの曲率半径は、被検査体２０の凹曲面２０ａの曲率半径と全く同一でなくてもよく、その許容範囲として±１０％程度を満たすものである。なお、超音波探触子１は、その探傷シュー７の被検査体接触凸曲面７ａを被検査体２０の凹曲面２０ａにグリセリン等の接触媒質を介して接触させることがよい。
【００２８】
このように構成される超音波探触子１によると、送信用遅延材３及び受信用遅延材５の平面状の下面に探傷シュー７の遅延材接触平面７ｂを面接触させており、探傷シュー７が被検査体接触凸曲面７ａを持つことで被検査体２０の凹曲面２０ａとの間に隙間が発生することをなくすことができ、探傷シュー７が被検査体２０と同一の超音波伝播速度を有する材質よりなることで、探傷シュー７と被検査体２０の凹曲面２０ａとの界面でスネルの法則による超音波ビームの屈折が発生することをなくすことができる。これにより送信用遅延材３から出た超音波ビーム１０は、図３に示すように、探傷シュー７内部から被検査体２０の凹曲面２０ａ内部にわたって途中で屈折することなく直進する。
【００２９】
よって、この超音波探触子１によると、探傷シュー７によって実質的に被検査体２０の凹曲面２０ａを平面化することにより、平坦な面での超音波探傷と同様の探傷性能が確保でき、被検査体２０の凹曲面２０ａ直下から凹曲面２０ａ内部の深い位置にわたって欠陥検出もれなく超音波探傷を行うことができる。
【００３０】
図４は図１に示す超音波探触子によるエコーを模式的に示す図である。
【００３１】
この超音波探触子１によると、図４に示すように、欠陥２１からのエコーが観測される。なお、図４の探傷図形はいわゆるＡスコープと呼ばれている表示であり、横軸は時間、すなわち超音波伝播位置（深さ）を表し、縦軸は超音波エコーレベルを表している。図４において、被検査体表面からのエコーが観測されているが、これは、探傷シュー７と被検査体２０との界面での超音波ビームの反射によるエコーであり、これが多重回反射を繰り返して等間隔の位置に現れる。
【００３２】
この場合、被検査体２０内の探傷すべき領域に合わせて探傷シュー７の長さを適切な長さにすることにより、探傷シュー７と被検査体２０との界面での前記多重エコーの位置を制御することが可能で、欠陥エコーとの弁別が可能となる。探傷シュー７は、その遅延材接触平面７ｂから被検査体接触凸曲面７ａまでの長さが被検査体２０の凹曲面２０ａからの探傷領域長さ以上であるようにすることがよい。超音波探触子１によると、凹曲面２０ａから深さ１０〜５０ｍｍの位置にある人工欠陥の直径０．５ｍｍの平底穴を高精度に検出することが可能であった。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施形態による超音波探触子を概略的に示す構成図である。
【図２】図１に示す超音波探触子の正面図である。
【図３】図１に示す超音波探触子からの被検査体の凹曲面内部への超音波ビームの入射の様子を模式的に示す図である。
【図４】図１に示す超音波探触子によるエコーを模式的に示す図である。
【図５】本発明の課題を説明するための図であって、被検査体接触凸曲面を有するアクリル樹脂製遅延材部を備えた超音波探触子において、該超音波探触子からの被検査体の凹曲面内部への超音波ビームの入射の様子を模式的に示す図である。
【図６】本発明の課題を説明するための図であって、局部水浸法での超音波探触子からの被検査体の凹曲面内部への超音波ビームの入射の様子を模式的に示す図である。
【図７】従来の超音波探触子を示す構成図である。
【図８】従来の別の超音波探触子を示す構成図である。
【符号の説明】
【００３４】
１…超音波探触子
２…送信振動子
３…送信用遅延材（アクリル樹脂製）
４…受信振動子
５…受信用遅延材（アクリル樹脂製）
６…音響的隔離板
７…探傷シュー（一般炭素鋼製）
７ａ…被検査体接触凸曲面
７ｂ…遅延材接触平面
１０…超音波ビーム
２０…被検査体（一般炭素鋼製）
２０ａ…凹曲面
【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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