(57)【要約】【課題】本発明は、一般に超音波変換器に関し、より具体的には検査結果の品質低下を低減する単純な超音波表面弾性波変換器を提供する。【解決手段】円錐台形状における変換素子（３６）を有する超音波変換器（１０）が提供される。変換素子（３６）の角度は、ターゲット上に入射する音響エネルギの大部分が縦方向の臨界角を越えて屈折するように選択され、検査結果の品質低下を最小にする。変換素子（３６）は、裏材層と中心圧電層と外層とを含む。【選択図】　　　図１
2004045401.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波変換器（１０）であって、リングの中に形成され、開口した内部を有する円錐台を定めるように傾斜された変換素子（３６）を備え、前記変換素子（３６）は、基部平面を定める底部縁、及び能動表面（３９）を有し、前記能動表面（３９）は、前記基部平面に対して角度φで配設され、前記超音波変換器（１０）の作動中、ターゲットの表面上に入射するほぼすべての音響エネルギが表面波として屈折されるようになったことを特徴とする超音波変換器（１０）。
【請求項２】
ターゲットの表面を検査するための超音波変換器（１０）であって、
閉端部及び内部キャビティを有し前記キャビティが前記閉端部の反対側に開口部を有するほぼ円筒型のケーシングと、
前記キャビティの中に配設され、前記開口部に面するほぼ円錐状の凹みを有する裏材と、
前記ほぼ円錐状の凹みの外縁において前記裏材に取り付けられた圧電材料を備えるほぼ円形の変換素子（３６）と、
を備え、前記変換素子（３６）は円錐台形状に形成され、かつ基部平面を定める底部縁を有し、前記変換素子（３６）の能動表面（３９）は前記基部平面に対して角度φで配設され、前記超音波変換器（１０）の作動中、前記ターゲットの前記表面上に入射するほぼすべての前記音響エネルギが表面波として屈折するようになった、
ことを特徴とする超音波変換器（１０）。
【請求項３】
前記変換素子（３６）が裏材層と、中心圧電層と、外層とを含むことを特徴とする請求項７に記載の超音波変換器（１０）。
【請求項４】
φが、約
【数１】
2004045401.tif 000005
より小さくなく、ここで、νは試験されるべき前記ターゲットの縦方向の音速に等しく、νｍは前記変換素子（３６）と前記ターゲットとを音響的に結合するために用いられるべき結合媒質の音速に等しい、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超音波変換器（１０）。
【請求項５】
φが
【数２】
2004045401.tif 000006
にほぼ等しく、ここで、νは試験されるべき前記ターゲットの縦方向の音速に等しく、νｍは前記変換素子（３６）と前記ターゲットとを音響的に結合するために用いられるべき結合媒質の音速に等しい、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超音波変換器（１０）。
【請求項６】
前記変換素子（３６）の前記能動表面（３９）が幅ｑを有し、前記幅が
【数３】
2004045401.tif 000007
に等しく、ここで、Ｄは前記変換素子（３６）の外径であり、ａは前記変換素子（３６）の底部縁から前記ターゲットの前記表面までの高さ方向距離である、
ことを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の超音波変換器（１０）。
【請求項７】
超音波によりターゲットを検査するための方法であって、
結合媒質を準備し、
検査されるべき表面を有するターゲットを前記結合媒質内に置き、
リングの中に形成され、開口した内部と基部平面を定める底部縁と能動表面（３９）とを有する円錐台を定めるように傾斜された変換素子（３６）を有する変換器（１０）を準備し、前記能動表面（３９）は前記基部平面に対して角度φで配設され、前記超音波変換器（１０）の作動中、前記ターゲットの表面上に入射するほぼすべての音響エネルギが表面波として屈折するようにする、
ことを含む方法。
【請求項８】
φが、約
【数４】
2004045401.tif 000008
より小さくなく、ここで、νは試験されるべき前記ターゲットの縦方向の音速に等しく、νｍは前記変換素子（３６）と前記ターゲットとを音響的に結合するために用いられるべき結合媒質の音速に等しく、
前記変換器（１０）を用いて弾性波を発生させ、前記発生された弾性波が前記結合媒質を通って移動し、前記ターゲットの前記表面に接触し、表面弾性波が前記ターゲットにおいて生成され、前記ターゲットの前記表面を旋回させ、前記結合媒質の中に放射され、
前記放射した弾性波を前記変換器（１０）において受ける、
ことを含む請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記発生された弾性波が、ほぼ円形の重なり合わないパターンで、前記ターゲットの前記表面に接触することを特徴する、請求項８に記載の超音波によりターゲットを検査するための方法。
【請求項１０】
前記変換素子（３６）の前記能動表面（３９）が幅ｑを有し、前記幅が
【数５】
2004045401.tif 000009
に等しく、ここで、Ｄは前記変換素子（３６）の外径であり、ａは前記変換素子（３６）の底部縁から前記ターゲットの前記表面までの高さ方向距離であることを特徴とする請求項８に記載の超音波によりターゲットを検査するための方法。
【請求項１１】
φが
【数６】
2004045401.tif 000010
にほぼ等しく、ここで、νは試験されるべき前記ターゲットの縦方向の音速に等しく、νｍは前記変換素子（３６）と前記ターゲットとを音響的に結合するために用いられるべき結合媒質の音速に等しいことを特徴とする請求項７に記載の超音波変換器（１０）。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に超音波変換器に関し、より具体的には超音波表面弾性波変換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、ガスタービンエンジンの構成部品のような加工物のひび又は欠陥を検査するために、パルス・エコー超音波非破壊試験方法の使用が従来技術で知られている。パルス・エコー超音波試験方法により加工物を試験する場合には、該加工物及び変換器は、一般に水のような液体の結合媒質に浸されて、良好な超音波接触を得る。例えば表面弾性波（ＳＡＷ）変換器のような変換器は、入力無線周波数（ＲＦ）電気信号を、加工物に向けられる弾性波に変換することにより、表面波をターゲット材料で生成し、そこで表面弾性波が形成される。表面波はターゲット材料の表面に沿って移動し、最終的には結合媒質を通って再放射されてＳＡＷ変換器に戻り、該ＳＡＷ変換器により弾性波を出力ＲＦ電気信号に再変換する。この出力信号のパターンを用いることにより、加工物の表面上に欠陥があるかどうかを判断することができる。
【０００３】
市販のＳＡＷ変換器は、典型的に半球形状であり、表面波に加えて直接反射波を放射する傾向がある。これらの直接反射波は、検査結果の品質を低下させる場合がある。この欠点は、多数の変換器又は位相配列変換器を用いることにより改善することができるが、しかしながら、この選択肢は変換器及び関連する装置の費用を増大させ、さらに変換器の設定及び検査工程を複雑にする。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、検査結果の品質低下を低減する単純なＳＡＷ変換器の必要性がある。
【０００５】
【発明を解決するための手段】
上述の必要性は、円錐台形状の変換素子を有する超音波変換器を提供する本発明により満たされる。ターゲットに対する変換素子の角度は、該ターゲット上に入射する音響エネルギの大部分が縦方向の臨界角を越えて屈折するように選択される。
【０００６】
従来の技術に対する本発明及びその利点は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明及び特許請求の範囲を読むことにより明らかとなるであろう。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の内容としてみなされるものは、特に指摘され、本明細書の終わりの部分に明確に特許請求されている。しかしながら、本発明は、添付の図面と共に以下の説明を参照することで最も良く理解できるであろう。
【０００８】
図面を参照すると、種々の図の全体にわたって同一の参照番号が同じ構成要素を示しており、図１は、本発明により構成された超音波変換器１０の外観を示す。変換器１０は、一方の端部が閉じた円筒型ケーシング１２を有する。ケーシング１２自体は、側壁１４及び端部壁１６を有する。機械式コネクタ１８は、端部壁１６から延び、変換器１０を支持及び操作するために用いられる。端部壁１６は、空気逃し管４６に開口したベント２０を含み、以下により詳細に説明される。電気式コネクタは、例えば、市販のマイクロドットコネクタであり、側壁１４に配設される。
【０００９】
図２は、その構成をより詳細に示す変換器１０の断面図である。上述のように、ケーシング１２は側壁１４及び端部壁１６を有し、該側壁及び端部壁は互いに一体であり、かつ、水又は用いられる他の結合媒質に浸漬するのに適当な、例えばＰＶＣ、ステンレス鋼又は真鍮のような如何なる材料で構成してもよい。機械式コネクタ１８、例えばネジ付きコネクタは、端部壁１６の表面に取り付けられ、かつ該表面から延びる。凹み４５を有するほぼ円筒型の裏材４４は、ケーシング１２の中心に配設される。凹み４５の下方部分は、円錐状である。凹み４５の上方部分は、変換素子３６（後述される）の上に気泡のための空間を設けるように働き、如何なる形状であってもよい。裏材４４は、例えば、ニューヨーク州１２０１９、ボールストン・レイク、３ミル・ロード所在のＡｓｔｒｏ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ社から入手可能なＡｓｔｒｏ　３０６０エポキシのようなエポキシから形成される。空気逃し通路４７は、凹み４５から裏材４４を通って延び、空気逃し管４６に連結する。円錐台の形状をした変換素子３６は、例えば、接着剤又はエポキシを用いて、凹み４５の外縁で裏材４４に取り付けられる。凹み４５の下方部分の外形は、したがって、以下により詳細に説明されるように、変換素子３６（及びより具体的にはその能動表面３９）の角度を、ケーシング１２の側壁１４に対して設定する。図２、図３、図５及び図６において、変換素子３６は、その構造をより良く示すために、その寸法、主にその厚さが、変換器１０の他の構成部品に対して拡大して示される。変換素子３６の周方向に延びる底部縁５５は、基部平面５７を定め、以下により詳細に説明される。中央リード線５０及びアース線５２はケーシング１２の内側に配設され、変換素子３６を電気式コネクタに接続する。シーラント５４は変換素子３６の両端部に配設されて、変換器１０の作動中、如何なる水もシールされて入らないようにする。適当なシーラント材料の一例は、マサチューセッツ州０１７３０、ベッドフォード、４５ウィギンズアベニュー所在のＴＲＡ−ＣＯＮ社から入手可能な２１２６シール用エポキシである。
【００１０】
図３は、変換素子３６のより詳細な図を示す。変換素子３６は、３つの層で形成される。中心層４０は圧電材料であり、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）フィルムから形成することができる。外層３８は中心層４０に結合され、該中心層４０を保護し、かつ接地電極接続を形成するように働く。外層３８の外面は、裏材４４から外向きに面し、変換素子３６の能動表面３９を形成する。外層３８は、中心層４０の表面を、例えばスパッタリング処理を用いて、金で金属被膜することにより形成することができる。その結果得られる金の層は、約１．５×１０−４から２．０×１０−４ｍｍまで（１５００から２０００オングストロームまで）の厚さである。他の材料を外層３８のために用いてもよい。用いられる如何なる材料も導電性がありかつ環境に耐えるものであるべきである。裏材電極４２は、中間層４０の裏材として働く。裏材電極４２は、電気リード線５０に接続される。裏材電極４２は、約０．１２７ｍｍ（０．００５インチ）の厚さのアルミニウムから形成することができ、必要に応じて、裏材４４に嵌合して、該裏材４４に結合するように形成することができる。裏材４４は、音響エネルギの良好な吸収体であり、かつ散乱体であることが好ましい。これにより不必要なエコーが低減される。典型的には、実用において、裏材４４を初めに適切な形状に成形し、裏材電極４２を該裏材４４に結合する。次に、中間層４０を裏材電極に結合し、次に外層３８を中間層の上でスパッタする。最後に、銅のタブ及び可撓性のあるワイヤを用いて、中心リード線５０及びアース線５２を、裏材電極４２及び外層の接地電極３８のそれぞれに接続する。
【００１１】
変換器１０の設計の詳細をより詳細に考慮すると、図４は第１材料２６及び第２材料２８の一般化された図表を示し、該第１及び第２材料は界面３０で接触する。当業者には知られているように、第１及び第２材料の各々の組み合わせについて、界面３０に対して垂直な線から測定した縦方向の臨界角がある。入射弾性波３２が臨界角と等しいか、又は該臨界角より大きい角度φで界面３０の方向に向けられるとき、第２材料２８における屈折した音響エネルギは表面波３４の形状をとる。本発明はこの現象を利用して、検査結果における歪みを低減する。
【００１２】
図５を参照すると、例示的な適用例において、例えば、試験サンプル又は検査されるべき生産部品とすることができる、ターゲット表面７０を有するターゲットサンプル８０が、典型的には水である結合媒質８２に浸されている。変換器１０も結合媒質８２に浸されており、機械式コネクタ１８により、機械的に支持手段（図示せず）に連結されている。支持手段は、当業者に知られているように、変換器１０を表面７０から選択された距離だけ吊し、並びに、該変換器１０を該表面に対して横方向に旋回させるための手段を含むことができる。変換器は、ケーブル８４により試験装置（図示せず）に連結される。試験装置は、変換素子３６を作動させて弾性波を生成するためのＲＦ入力信号を発生させるための手段、並びに、該変換素子３６からの出力信号を受信し、処理し及び／又は表示するための手段を含む。
【００１３】
図６を参照すると、変換素子３６は、ケーシング１２の外部側壁１４に対して傾斜角θを有する。この傾斜角は、
（１）θ＝９０°−φ
であり、ここで
【００１４】
【数７】
2004045401.tif 000003
【００１５】
である（このφの値は上述の臨界角である）。等式（２）において、νｍは結合媒質８２の音速であり、νはターゲットサンプル８０の縦方向の音速、すなわち縦波が該ターゲットサンプル８０の材料を通って伝搬する速度である。変換素子３６は、円錐台の周方向の表面を形成する。この円錐の基部の直径はＤである。この特定の幾何学的形状について、ｑで示される変換素子３６の幅は、ターゲット部分８０の問われている表面７０上の、幾何学的に重なり合わない弾性「フットプリント」に基づくものであり、
【００１６】
【数８】
2004045401.tif 000004
【００１７】
により定義される。
【００１８】
変数ａは、図５に示されるように、変換器１０の底面とターゲット部分８０との間の距離である「高さ方向」距離である。結合媒質８２を通る弾性波の移動が遠ければ遠いほど、それらのより多くのエネルギが該媒質により失われることに留意して、高さ方向距離ａ及び円錐の直径Ｄの両方を、特定の用途に適合するように変えることができる。高さ方向距離ａが小さすぎる場合、変換器は、検査が所望される加工物の突出した表面形態の上を通過することができないことになる。高さ方向距離ａが大きすぎる場合は、過度に少ないエネルギしかターゲット部分８０に伝達されないことになる。より重要なことには、高さ方向距離が大きすぎる場合には、二次的な源のリング７２（後述される）が円形のディスクとなったとき、検査領域８６（図７）が消失する。直径Ｄを増加させることにより、変換器１０内に囲まれた検査領域はより大きくなり、走査時間を減少させる。パラメータａ及びＤが選択されると、変換素子の幅ｑを上記の等式（３）により計算することができる。例示的な実施形態は、以下のおおよその寸法を有する。Ｄ＝７．６２ｃｍ（３インチ）、ｑ＝０．６６ｃｍ（０．２６インチ）、及びνｍ＝１．４８３ｍｍ／マイクロ秒（水）、ν＝１．６３ｍｍ／マイクロ秒（ポリウレタン材料）についてθ＝２４．５°、及び高さ方向距離「ａ」は１ｃｍ（０．３９４インチ）となるように選択される。この実施例において、Ｄｏと示される変換器１０の外径は、約９．７ｃｍ（３．８２インチ）であり、高さｈは約６．３５ｃｍ（２．５インチ）である。Ｄｏ及びｈは、両方とも出来るだけ小さく維持し、変換器１０の全体寸法が大きくなり過ぎてより小さなターゲット上で用いるのが困難にならないようにする。角度θは、等式（１）から計算された値と等しいか、又は該値より小さくすべきであり、表面波ではないものとして送信された音響エネルギが最小になるようにする。弾性波は変換素子３６の表面に垂直に放射されるため、角度φも、図６に示されるように、ターゲットサンプル８０の表面と変換素子３６の能動表面３９との間の角度に等しい。さらに、作動において、変換器１０はターゲット部分８０に対して置かれるため、基部平面５７はターゲット部分８０のターゲット表面と平行となる。したがって、変換素子の能動表面３９と加工物のターゲット表面７０との間の角度も、能動表面３９と基部平面５７との間の角度φに等しい。臨界角は、ターゲット部分８０の材料により変化し、結合媒質８２と試験されるべきターゲット部分の材料との各々の組み合わせについて、新しい変換器が必要とされる。これは、本発明の変換器１０の製造の単純さにより可能となる。
【００１９】
理論上、表面波は、角度φが臨界角にほぼ等しいか、又は該臨界角より大きければ如何なるときも発生する。図示の実施例において、角度φは、計算された臨界角にほぼ等しくなるように選択される。実際、角度φは、予想される製造公差のために変動する可能性があり、例えば、選択された角度よりも約５度少ない角度から約５度多い角度のオーダーとすることができる。これは変換器１０の性能を容認できないほど低下させるものではない。
【００２０】
作動において、変換器１０を用いて、図７及び図８に示されるように、弾性波をターゲットサンプル８０の表面７０上に発生させる。この実施例において、及び典型的な実用用途においては、水が結合媒質８２として用いられる。弾性波は変換素子３６で発生し、該弾性波は、次に結合媒質８２を通り、サンプル７０の表面の方向に移動する。弾性波がサンプルの表面に当たると、該弾性波は二次的な表面弾性波源をサンプル上７０に生成する。この二次的な源は、図７及び図８に示されるように、円形のリング７２の形状をサンプル表面７０の上に有する。リング７２は、現在の位置での変換器１０の検査領域である円形のディスク領域８６を囲む。変換器１０が、緩やかなステップで、ターゲットサンプル８０の一方の縁に沿い、他方の縁に沿う走査パターンにおいて移動すると、全体の表面７０が覆われる。各々の変換器の位置において、波がリング７２の縁の中又は該縁にある場合、生成された表面は前方に移動し、エネルギを一定に結合媒質８２に戻すように放射し、最終的には変換器要素３６の反対側に戻すように放射する。検査領域内に表面欠陥がない場合、矢印７４によりその一般的な方向が示される送信された波は、図７に示されるように、如何なる途切れも無く前方に移動する。しかしながら、検査領域内に表面欠陥がある場合は、送信された波７４は、図８における矢印７６により示されるように、該欠陥により反射及び散乱し、異なる形態及び形状をもたらす。表面波７２の形態及び形状における変化は、変換素子３６により収集される。
【００２１】
上記において、検査結果の品質低下を低減する円錐台の変換素子を有する超音波変換器について述べた。本発明の特定の実施形態が説明されてきたが、特許請求の範囲に定義される本発明の技術的思想及び技術的範囲から逸脱することなくまた、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波変換器の概略斜視図。
【図２】構成の詳細を示す図１の超音波変換器の概略断面図。
【図３】本発明の変換素子の断面図。
【図４】ターゲット部分における弾性波の屈折の一般化された図。
【図５】本発明を用いて検査されているターゲット部分を示す側面図。
【図６】作動中にある図１の超音波変換器の概略断面図。
【図７】本発明を用いて検査されているターゲット部分の一部を示す平面図。
【図８】本発明を用いて検査されているターゲット部分の一部を示す平面図。
【符号の説明】
１０　超音波変換器
１２　円筒型ケーシング
１４　側壁
１６　端部壁
１８　機械式コネクタ
２０　ベント
３６　変換素子
３９　能動表面
【図１】
2004045401.tif 000011
【図２】
2004045401.tif 000012
【図３】
2004045401.tif 000013
【図４】
2004045401.tif 000014
【図５】
2004045401.tif 000015
【図６】
2004045401.tif 000016
【図７】
2004045401.tif 000017
【図８】
2004045401.tif 000018