(57)【要約】【課題】計測対象物の表面と超音波プローブの先端面とが密に当接され、カプラントの流出が少なく、安定な超音波信号を得ることのできる超音波計測装置を提供する。【解決手段】計測対象物４に当接されて前記計測対象物４に超音波を送受信する超音波プローブ１を備え、前記超音波プローブ１の前記計測対象物４との当接面に、超音波の伝送効率を高めるカプラント３を収容する凹部２が形成されている構成とする。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測対象物に当接されて前記計測対象物に超音波を送受信する超音波プローブを備え、前記超音波プローブの前記計測対象物との当接面に、超音波の伝送効率を高めるカプラントを収容する凹部が形成されていることを特徴とする超音波計測装置。
【請求項２】
前記凹部の深さは、１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の超音波計測装置。
【請求項３】
前記超音波プローブの側面にネジが形成され、前記ネジに嵌合して前記超音波プローブを計測対象物の方向に進退させ固定可能とする固定用治具を備えていることを特徴とする請求項１記載の超音波計測装置。
【請求項４】
前記超音波プローブと計測対象物との当接部に洗浄剤を供給し、その後カプラントを供給する洗浄剤・カプラント供給装置を備えていることを特徴とする請求項１記載の超音波計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波計測装置に係り、超音波プローブを計測対象物に密着させ長時間安定な超音波信号を得ることのできる超音波計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
機器や設備を構成する部材の厚さを計測し確認することは、製造時や稼動中の保守検査時ともに機器や設備の信頼性と安全を確保する上で極めて重要であるが、それらの厚さは超音波プローブを用いて計測されることが多い。このような超音波プローブは特開昭５４−３３０８９号公報、特開昭５７−３０４０号公報、特開昭５８−１０８４５３号公報、特開平３−２７３１０７号公報、特開平３−２８７５６号公報、実開昭６２−１９７０６２号公報等に記載されている。
【０００３】
現在、いろいろな部材の厚さを計測する場合、超音波プローブの先端にカプラント（接触媒質）を塗布し、計測対象物に押し当てることにより、エコーを検出し計測している。カプラントは計測対象物と超音波プローブとの間の空気層を除き、超音波が計測対象物に効率よく伝わるようにする。しかし、計測対象物が超音波プローブに対し斜めの場合や曲面である場合には、カプラントの粘性が高くても徐々にプローブ先端から流れ出す。カプラントが流出してしまったときはカプラントを再度塗布する必要があるが、再塗布は作業性が悪く、結果として計測に長時間を費すことになる。
【０００４】
ところが、計測対象物が超音波プローブに対し垂直な場合や、斜め、真下等の場合には、超音波プローブと計測対象物との間に塗布されたカプラントが流れ落ちるため、超音波が計測対象物に伝わりにくくなり、必要な量の超音波エコーが得られない。特に計測対象物が高温の場合には、流れ落ちたカプラントを補充することは危険でもある。
【０００５】
さらに、カプラントを補充するときに計測対象物の表面とプローブ面とがずれやすいため位置調整に手間取るという問題がある。さらに、超音波プローブの表面が平面であるため、計測対象物の表面の曲率により超音波プローブ表面と密に当接せず超音波エコーが得にくいという問題もある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、計測対象物の表面と超音波プローブの先端面とが密に当接され、カプラントの流出が少なく、安定な超音波信号を得ることのできる超音波計測装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、計測対象物に当接されて前記計測対象物に超音波を送受信する超音波プローブを備え、前記超音波プローブの前記計測対象物との当接面に、超音波の伝送効率を高めるカプラントを収容する凹部が形成されている構成とする。
【０００８】
請求項２の発明は、前記凹部の深さは、１００μｍ以下である構成とする。　請求項３の発明は、前記超音波プローブの側面にネジが形成され、前記ネジに嵌合して前記超音波プローブを計測対象物の方向に進退させ固定可能とする固定用治具を備えている構成とする。
【０００９】
請求項４の発明は、前記超音波プローブと計測対象物との当接部に洗浄剤を供給し、その後カプラントを供給する洗浄剤・カプラント供給装置を備えている構成とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施の形態の超音波計測装置を図１を参照して説明する。図１は、超音波プローブ１が計測物対象物４に当接されている状態を示している。超音波プローブ１の先端には深さ５０μｍ以下の円形状の凹部２が形成されておりその中にはカプラント３が充填されている。ここでは凹部２の深さが２０〜５０μｍであるのでカプラント３の厚さも２０〜５０μｍになる。
【００１１】
凹部２は超音波プローブ１の先端にその先端径より小さく同心円状に形成されている。カプラント３は凹部２に充填されているため、計測対象物４の縦横斜め等の状態にかかわらず、流れ出ることが少なく、補充する必要がなく長時間測定が可能である。
【００１２】
カプラント３の厚さに対するエコー感度特性は図２のようになっている。図２からわかるように、カプラント３の厚さが厚くなればなるほどエコー感度は低下する傾向を示す。１００μｍ以上ではエコー感度はノイズ信号に隠れやすく測定に支障をきたす。カプラント３の厚さは１００μｍ以下、好ましくは１０μｍから１００μｍまでの範囲がよい。
【００１３】
この特性図からカプラント３の厚さが５０μｍの場合のエコー感度は検出が十分可能の範囲であるため、なんら問題なく計測対象物４の厚さの測定ができる。凹部２内に充填されたカプラント３の流れ出しがなく長時間の測定（実測では１４２時間までエコーを確認）が可能である。
【００１４】
図３は本発明の第２の実施の形態の超音波計測装置を示し、超音波プローブ１と計測対象物４との間に円環状のパッキン６を挿入し、パッキン６の内側にカプラント３を充填して超音波計測をおこなう状態を示す。この実施の形態においても、カプラント３は充填されているため補充する必要がなく長時間測定が可能であり、また第１の実施の形態（図１）のようにプローブ１の先端に同心円状の凹部を加工する工数（費用）がかからない。
【００１５】
パッキン６は１０〜１００μｍの厚さの銅、アルミニウム等の板からなり、パッキン６をプローブ１の先端部と計測対象物４とのあいだに存在させることによって、カプラント３はパッキン６内に滞留し流れ出ない構造となる。
【００１６】
パッキン６はプローブ１の先端に単独で設けても、また凹部つきのプローブ１の先端に凹部径より大きいパッキン６を取りつけてもよい。凹部の深さとパッキン６の厚さとの合計が１０μｍ以上かつ１００μｍ以下であれば超音波信号を良好に検出することができる。
【００１７】
図４は本発明の第３の実施の形態の超音波計測装置を示す。超音波プローブを計測対象物に押し当てる作業の時に超音波プローブの先端が斜めになり超音波エコーが得られないときがあるが、気が付かない場合が多い。特に計測対象物の曲率を持った表面に超音波プローブを押し当てる作業の時にエコーが得にくく不都合が生じる。
【００１８】
このような状況に対処して、本発明の実施の形態においては、図４に示すように、超音波プローブ１の後部側面にオスネジ９を設け、それをメスネジ８を切った固定用治具７に挿入し時計方向あるいは反時計方向に回転させることのできる構成とする。超音波プローブ１の回転によって計測対象物４に押し当てて最大波高値である最高感度のエコーが得られるように位置を調整する。
【００１９】
この第３の実施の形態においては、計測対象物４に設置した固定用治具７に対して超音波プローブ１をねじ込んでいくと、超音波プローブ１はねじ込みによる回転で計測対象物４の表面に良好に面当て（面接触）される。このようにネジ８を切った固定用治具７を備えて操作することにより、超音波信号は極めてよく計測対象物４に入り込み、感度の高いエコー信号を得ることができる。
【００２０】
このように実施の形態の超音波計測装置においては、超音波プローブ１の後部側面にオスネジ９が切られており、メスネジ８が切られた固定用治具７に挿入し回転させることにより超音波プローブ１は長手方向に移動するので、計測対象物４の面と超音波プローブ１の先端部の面とは極めて一致しやすい。したがって超音波プローブ１と計測対象物４の間で超音波は効率よく伝送され、感度が高くかつ正確なエコーがえられる。
【００２１】
図５は本発明の第４の実施の形態を示す。すなわち、オスネジ９を切った超音波プローブ１をメスネジ８を切った固定用治具１０に挿入し、設置後にバネ常数を持ったコイルバネ１１を座金１２を介した押し圧調整用ネジ１３ａ，１３ｂで締めることにより一定の圧力を超音波プローブ１にかける構成として、安定した超音波エコー信号が得られるように改善したものである。この取付け調整は、ネジを切った超音波プローブ１とそれを押すコイルバネ１１とそれらを保持する固定用治具１０の構成により作業を極めて短時間でおこなうことができる。
【００２２】
このようにこの第４の実施の形態の超音波計測装置は、超音波プローブ１をコイルバネ１１で押し付ける機構を設けているが、超音波プローブ１のエコー感度は押付け圧力に依存する。この関係を適切につかむことは超音波計測作業に大きな改善をもたらす。
【００２３】
図６は超音波プローブにかかる荷重に対するエコー感度を示す。この図から、超音波プローブにかかる荷重が０．２ＭＰａ以下の場合ではエコー感度が不安定であるといえる。単位当りの荷重が０．２ＭＰａ以上ではほぼ安定した高感度のエコーが得られる。本実施の形態では、この特性を生かすために所定のバネ常数を有するコイルバネ１１を用いている。
【００２４】
本実施の形態では、密着し位置が固定された超音波プローブ１をコイルバネ１１で押すことにより常に一定の荷重が維持される。具体的には、座金１２側のネジ１３ａを回転させるとコイルバネ１１が縮むため、超音波プローブ１が一定荷重で押される。バネ常数４．４ＭＰａのコイルバネ１１を上部のネジ１３ａを回転させて２０ｍｍ縮ませ約９０Ｎの一定荷重をかけると、単位あたり０．３９ＭＰａの荷重がかかり、図６に示した特性から安定したエコー信号が得られる。
【００２５】
つぎに図７は本発明の第５の実施の形態の超音波計測装置を示す。すなわち、カプラント注入治具１５内に超音波プローブ１を設置し、計測対象物４と超音波プローブ１との間に厚さ５０μｍの銅製のパッキン２０を挿入した構成とする。パッキン２０はカプラント注入口１６をはさんでコの字状である。カプラント注入口１６と計測対象物４との間は挿入したパッキン２０と同じ厚さの隙間が存在する。チューブ１８あるいは１９を介してこの隙間に温水、ヘリウムガス、ネオンガス等の流体を注入する。注入された流体はパッキン２０のない個所から流出しカプラントの充填部分を洗浄する。
【００２６】
このようにパッキン２０の形状はコの字形をしており、注入口１６から注入された流体はパッキン２０のない方向へ流れる。温水や不活性ガスで計測対象物４の表面を洗浄後、切り替えバルブ１７を切り替えてカプラント３を供給する。
【００２７】
計測対象物４の温度が３００℃というような高温の場合には、まず水を注入して超音波プローブ１と計測対象物４の表面を洗浄し、次に高温用カプラントを圧入して超音波計測を行う。計測対象物４が液体窒素が入った容器壁のように、温度が−１５０℃というような極低温の場合には、その温度で液化しない沸点の低いヘリウムガスを注入口１６から送風し計測対象物４に付着している氷を気化させ、その後でカプラント３を圧入して超音波計測を行う。
【００２８】
この第５の実施の形態の超音波計測装置においては、計測対象物４が高温の場合、計測対象物４に高温用のカプラント３を適用するにあたり表面の汚れを水を噴霧して除去することができる。またカプラント３を再塗布する作業時に前に塗布してあった不要のカプラントを除去するために水を噴霧し洗い流すことができる。
【００２９】
カプラント３は超音波プローブ１を動かすことにより計測対象物４に付着していくため、最初に供給したカプラントの量（層厚さ）は減少する。カプラント３の量が足りなくてもエコー感度が下がるので、十分な検査検出ができなくなるが、本実施の形態ではチューブ１８，１９と切替えバルブ１７を介して超音波プローブ１の先端部にカプラントを供給する注入口１６を備えているので、安定にカプラント３を供給することができる。
【００３０】
また、計測対象物４が極低温の場合、計測対象物４にカプラント３を塗布する作業時に表面に付着している水分や氷を除去できないとカプラント３は良好に塗布することができないが、本実施の形態によれば、乾燥したヘリウムガスやネオンガスを吹き付けた後にカプラント３を注入して、速やかに超音波計測を行うことができる。
なおこの実施の形態は、パッキン２０を設ける代りに、超音波プローブ１の先端に注入口１６と連通する凹部を形成した構成としてもよい。
【００３１】
つぎに図８は本発明の第６の実施の形態の超音波計測装置を示す。すなわち、超音波プローブ２３の先端の曲率面２４は計測対象物２６の曲率半径に合せて内側に加工してある。平板状の超音波プローブを曲率を有する計測対象物２６に押し当てた場合には、接線のみの接触となり、両端には大きな間隙が生じる。このような間隙はエコー感度を低下させ、超音波エコーは不安定でノイズに隠れやすく信頼できるデータが得られない。本実施の形態においては、計測対象物２６の曲率面２７にあわせた形状の超音波プローブ２３によって、面２４と面２７とが良好に接触する。
【００３２】
図９は、本実施の形態の超音波計測装置において得られるエコー感度と、曲率面を有する対象物に平面型のプローブを当接したときのエコー感度の比較を波高値で示したものである。曲率面型のほうの波高値が高く感度が良いことを示し、その有効性が示されている。すなわち、本実施の形態の計測対象物２６の曲率面２７と同じ曲率面２４を持つ超音波プローブ２３を当接したエコー感度のほうが約２倍高い値を示している。このように、計測対象物の曲率に合せて超音波プローブも加工し、同じ曲率面にして超音波プローブを当接することによって感度の高い安定したエコーが得られる。
【００３３】
このように本実施の形態の超音波計測装置においては、超音波プローブ２３の先端部形状は計測対象物２６の表面の曲率と同一に形成してある。曲率を合せる事により超音波プローブの先端面と計測対象物の表面の間の隙間がなくなり、カプラントは超音波プローブ２３の先端面全体に充填される。このため超音波は計測対象物２６に入りやすくなり、高感度のエコーが得られる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、計測対象物の表面と超音波プローブの先端面とが密に当接され、カプラントの流出が少なく、安定な超音波信号を得ることのできる超音波計測装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の超音波計測装置の要部断面図。
【図２】本発明の第１の実施の形態の超音波計測装置の作用を説明するグラフ。
【図３】本発明の第２の実施の形態の超音波計測装置の要部断面図。
【図４】本発明の第３の実施の形態の超音波計測装置の要部断面図。
【図５】本発明の第４の実施の形態の超音波計測装置の要部断面図。
【図６】本発明の第４の実施の形態の超音波計測装置の作用を説明するグラフ。
【図７】本発明の第５の実施の形態の超音波計測装置を示し、（ａ）は要部断面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線に沿う断面図。
【図８】本発明の第６の実施の形態の超音波計測装置の要部断面図。
【図９】本発明の第６の実施の形態の超音波計測装置の効果を説明するグラフ。
【符号の説明】
１…超音波プローブ、２…凹部、３…カプラント、４…計測対象物、５…信号線、６…パッキン、７…固定用治具、８…メスネジ、９…オスネジ、１０…固定用治具、１１…コイルバネ、１２…座金、１３ａ，１３ｂ…押し圧調整用ネジ、１４…位置調整ネジ、１５…カプラント注入治具、１６…カプラント注入口、１７…切替えバルブ、１８，１９…カプラント注入チューブ、２０…パッキン、２３…曲率面型超音波プローブ、２４…プローブの曲率面、２６…曲率を有する計測対象物、２７…計測対象物の曲率面、２９…発振器、３０…オシロスコープ。
【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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