(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検材を挟み一方側面に送信用探触子を配置し、他方側面に受信用探触子を配置して、送信用探触子からの超音波信号を被検材に透過させ、この透過した超音波信号を受信用探触子で受信して、被検材の探傷を行う超音波探傷装置において、
被検材の側面に接触する送信用探触子及び受信用探触子のそれぞれのシューの少なくとも一方を、被検材の側面の形状の変化に追従するよう超音波振動子に対して回動自在にし、該超音波振動子を被検材の長手方向に直交する幅方向に変位可能とする一方で被検材に対して該超音波振動子の姿勢を保持すると共に、該回動自在なシューの縦波または横波のいずれかの音速を被検材の縦波または横波のいずれかの音速にほぼ等しく設定することを特徴とする超音波探傷装置。
【請求項２】
前記被検材はレールであり、受信用探触子で受信した信号レベルに応じてレールの横裂深さを測定するものである請求項１記載の超音波探傷装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被検材の探傷を行う超音波探傷装置に関し、特に、摩耗により形状が変化する被検材の探傷を行う超音波探傷装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種の超音波探傷装置としては、図７ないし図９に示すものがある。これは鉄道レール頭部の横裂深さを測定するもので、被検材であるレール１を挟み一方頭側面に送信用探触子４０を配置し、他方に受信用探触子４２を配置して、送信用探触子４０からの超音波信号を受信用探触子４２で受信する。このレール頭部を透過してきた超音波の信号レベルと、横裂深さとは、図１２に示すような線形関係があり、測定した信号レベルから横裂深さを測定することが行われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、レール、特に鉄道レールでは、鉄道車両の走行中に車輪のフランジがレール頭側面に当たることがあるため、レール頭側面の形状が摩耗により変化する。しかしながら、従来の探触子では、レールと接触するシューが固定であるため、図１０のようにレール頭側面が摩耗している場合、探触子から放射される超音波ビームの方向が受信用探触子の方向と異なる方向に向いてしまい、受信された信号レベルが変化して正しい測定評価が行えないという問題がある。
【０００４】
このレール頭側面の形状変化に対して探触子の接触面を追従させるために、探触子表面が可撓性を有するタイヤ探触子４４、４６を用いて、図１１に示すようにタイヤの柔らかさによってレール頭側面に追従させることも行われている。しかしながら、タイヤ内の充填物の音速が通常レール内の超音波音速と異なるために、レールに入射する際に屈折が起こる。例えば、タイヤ内の充填物が水（音速１５００ｍ／ｓ）で、レールが鋼材でありレール内で横波超音波（音速３２３０ｍ／ｓ）が発生するものとすると、スネルの法則により入射角の約２倍の屈折角となって入射することになる。レール頭側面の摩耗は最大で車輪のフランジ面の角度７０°にほぼ等しくなる傾向となるので、超音波を水平に入射させた場合、スネルの法則により水平から約２７°上方に向かって屈折してしまう。レール頭部の幅が約６５ｍｍであり、受信用探触子４６に到達するまでにこの超音波ビームは、水平から約３３ｍｍ上方にずれるため、受信用探触子４６はほとんど超音波を捉えることはできない。
【０００５】
本発明はかかる問題点に鑑みなされたもので、請求項１及び２記載の発明は、被検材の摩耗等による表面形状の変化の影響を受けない超音波探傷装置を提供することをその目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のうち請求項１記載の超音波探傷装置は、被検材を挟み一方側面に送信用探触子を配置し、他方側面に受信用探触子を配置して、送信用探触子からの超音波信号を被検材に透過させ、この透過した超音波信号を受信用探触子で受信して、被検材の探傷を行う超音波探傷装置において、
被検材の側面に接触する送信用探触子及び受信用探触子のそれぞれのシューの少なくともいずれか一方を、被検材の側面の形状の変化に追従するよう超音波振動子に対して回動自在にし、該超音波振動子を被検材の長手方向に直交する幅方向に変位可能とする一方で被検材に対して該超音波振動子の姿勢を保持すると共に、該回動自在なシューの縦波または横波のいずれかの音速を被検材の縦波または横波のいずれかの音速にほぼ等しく設定することを特徴とする。
【０００７】
シューが回動することで被検材の側面の変化に追従するので、超音波振動子の姿勢はそのままで、シューと被検材の側面とが密接することができる。そして、さらにこの回転自在なシューの縦波または横波のいずれかの音速を被検材の縦波または横波のいずれかの音速にほぼ等しく設定することで、シューと被検材との接触面でシュー内の縦波または横波のいずれかから被検材の縦波または横波のいずれかへ少ない屈折角の変化で入射させることができる。
【０００８】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載のものにおいて、前記被検材はレールであり、受信用探触子で受信した信号レベルに応じてレールの横裂深さを測定するものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の超音波探傷装置１０の第１の実施の形態を表す全体構成図である。この例では、超音波探傷装置が、具体的にはレールの横裂３の深さを測定するレール横裂深さ測定装置となっている。
【００１０】
この超音波探傷装置１０は、レール１を挟み、レール１の内側頭側面１ａに送信用探触子１２を、レール１の外側頭側面１ｂに受信用探触子２４を配置しており、レール１の長手方向に沿って見て、送信用探触子１２と受信用探触子２４との位置がずれた斜角探傷による透過法を適用した構成となっている。
送信用探触子１２と受信用探触子２４とは、それぞれ信号処理回路２８に接続されている。
【００１１】
ここで、この実施の形態では、車輪フランジが当たり摩耗が起こり易いレール１の内側頭側面１ａに配置した送信用探触子１２に図２のものを使用している。図２において、（ａ）は送信用探触子の側面図、（ｂ）は（ａ）と９０度異なる方向から見た図、（ｃ）は（ｂ）のｃ−ｃ線に沿って見た断面図である。
送信用探触子１２は、電気パルス信号と超音波パルス信号の変換を行う超音波振動子１４と、該超音波振動子１４の超音波信号をある角度を持って導くための固定シュー１８及び可動シュー２０と、これら超音波振動子１４、固定シュー１８及び可動シュー２０を収容するハウジング２２とを備えている。固定シュー１８は、超音波振動子１４に対して固定されるいるのに対して、可動シュー２０は固定シュー１８に対して回動可能となっている。
【００１２】
即ち、可動シュー２０は、横断面で見て円弧状の曲面２０ａと、レール１への接触面となる平面２０ｂとを有する略半円柱であり、その両端はハウジング２２に対して軸止されて、摩耗していないときのレール１の内側頭側面１ａに平行な軸の回りで回動自在となっている。また、固定シュー１８も、曲面２０ａに適合するように曲面２０ａと同曲率の曲面１８ａを有しており、曲面２０ａと曲面１８ａが隙間なく摺接しつつ可動シュー２０が回動することができる。
【００１３】
可動シュー２０と固定シュー１８とは、同一の材質のものからなり、材質として、その縦波音速が被検材であるレール１の鋼材中の横波音速とほぼ同じ程度のものが選択される。縦波音速が鋼材の横波音速（音速３２３０ｍ／ｓ）に近い材料としては、以下のようなものがある。
【００１４】
【表１】
0003905978.tif 000002
【００１５】
上記表１の材質から適宜使用することができる。
また、車輪フランジが当たらず摩耗の起こり難いレール１の外側頭側面１ｂに配置した受信用探触子２４は、従来の斜角探触子と同様、超音波振動子２６と、固定シュー２７とを有したものとなっている。
また、送信用探触子１２及び受信用探触子２４は、それぞれ図４に示すように支持ロッド３２、３３により支持されており、支持ロッド３２、３３に連結されたシリンダ３４、３６によって送信用探触子１２はレール１の内側頭側面１ａに、受信用探触子２４はレール１の外側頭側面１ｂに押し付けられている。さらに、支持ロッド３２、３３及びこれらシリンダ３４、３６は図示しない探傷車両に支持されている。この支持ロッド３２及びシリンダ３４によって、送信用探触子１２の超音波振動子１４は、レール１の長手方向に直交する幅方向に変位するものの、常にその姿勢は保持される。
【００１６】
以上のように構成される超音波探傷装置１０において、信号処理回路２８から電気パルス信号が送信用探触子１２へと送出され、超音波振動子１４が駆動され、超音波パルスが放射される。図３に示すように、内側頭側面１ａが摩耗していても、可動シュー２０が回動することで、可動シュー２０の平面２０ｂが内側頭側面１ａとの接触を保つように追従する。一方、超音波振動子１４は、内側頭側面１ａの摩耗にかかわらずレール１に対して同じ姿勢を保持しているから、超音波振動子１４からの超音波パルスは、縦波モードで略水平方向に固定シュー１８を伝搬する。可動シュー２０も固定シュー１８と同じ材質であるから、摺接する曲面１８ａ及び曲面２０ａにおいて、屈折は起きずに超音波は直進する。そして、鋼材であるレール１接触面にくると、横波に変換されて、レール中に超音波が入射する。このときの図２（ｃ）に示す入射角θ１及び屈折角θ２はスネルの法則から、次の式で表される。
【００１７】
【数１】
sinθ１／ｖ１ ＝ sinθ２／ｖ２
ここで、ｖ１はシューの縦波音速、ｖ２はレールの横波音速である。
【００１８】
例えば、シューの材質として、前記表１中の STYCAST+CATALYST を用いると、ｖ１＝３１７０ｍ／ｓとなる。また、レール頭側面の摩耗が車輪のフランジ面の角度とほぼ等しい７０゜となっていたとすると、レールへの入射角度θ１は２０゜程度となる。従って、屈折角θ２は、
【００１９】
【数２】
0003905978.tif 000003
【００２０】
となる。従って、水平からの角度は、
【００２１】
【数３】
θ３ ＝ ２０．３９゜−２０゜＝ ０．３９゜
【００２２】
となり、屈折の影響は無視できる程度となる。この結果、レールへ入射した超音波はほぼ水平に反対側のレール頭側面へ進む。反対側のレール頭側面は摩耗していないので、通常の斜角探傷法と同様、受信用探触子２４の超音波振動子２６へと到達し、電気パルスに変換され、信号処理回路２８へと送られる。信号処理回路２８では、その信号レベルに応じて横裂深さを求める。即ち、横裂がない場合に比べて横裂がある場合の透過信号の信号レベルの減少の程度は、横裂によって遮蔽される面積、即ち横裂深さに比例することになるので（図１２参照）、透過してきた超音波の信号レベルによって横裂深さを求めることができる。
【００２３】
本実施の形態では、送信用探触子１２の可動シュー２０が回動することで、レール頭側面に追従し、さらに可動シュー２０の縦波音速がレール１の横波音速とほぼ同じ程度であるため、可動シュー２０とレール１との接触面で超音波が屈折しないため、レールの摩耗に拘らず常に常時レール頭部内をほぼ水平に超音波を伝搬させることができ、同じ条件で探傷を行うことができる。
尚、以上の実施の形態では、送信用探触子１２に図２の構成のものを使用し、受信用探触子２４に従来の斜角探触子を使用したが、送信と受信を逆にしてもよいことは勿論である。
【００２４】
図５は、第２の実施の形態を表す全体構成図であり、この実施の形態では、レール頭側面の両側が摩耗している場合に、送信用及び受信用探触子の両方に図２の構成のものを使用した例である。前述したように、レール１の摩耗は、鉄道車両の車輪のフランジが当たりやすいレールの内側頭側面で発生するが、レール１の内側頭側面と外側頭側面とを入れ換えて使用する場合があり、かかる場合にはレール１の両側頭側面が摩耗することが起こる。このようなレールに対しては送信用及び受信用探触子ともに可動シュー２０と固定シュー１８とから構成すると、レール頭部内をほぼ水平に超音波を透過させることができ、且つ、この水平な超音波を受けることができ、正しい欠陥評価が行える。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１および２記載の発明によれば、被検材の側面に接触する送信用探触子及び受信用探触子のそれぞれのシューの少なくとも一方を回動自在にすることで、被検材の側面の摩耗等による表面形状の変化に追従させることができ、さらにこの回転自在なシューの縦波または横波のいずれかの音速を被検材の縦波または横波のいずれかの音速にほぼ等しく設定することで、シューと被検材との接触面でシュー内の縦波または横波のいずれかから被検材の縦波または横波のいずれかへ少ない屈折角の変化で伝搬させることができる。従って、被検材の摩耗等による表面形状の変化に拘らず、常に同じ状態で探傷を行うことができる。
【００２６】
また、請求項２記載の発明によれば、レールの摩耗等による表面形状の変化に拘らず、常に同じ状態で超音波を伝搬させることができるので、横裂の深さを正しく評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超音波探傷装置の第１の実施の形態を表す全体構成図であり、レール上方から見た使用状態を示す。
【図２】図１の超音波探傷装置に使用される送信用探触子を表す図であり、（ａ）はその側面図、（ｂ）は（ａ）と９０度異なる方向から見た図、（ｃ）は（ｂ）のｃ−ｃ線に沿って見た端面図である。
【図３】第１の実施の形態の作用を示すレールの長手方向から見た説明図である。
【図４】第１の実施の形態の使用状態を表す要部斜視図である。
【図５】本発明に係る超音波探傷装置の第２の実施の形態を表す全体構成図であり、レール上方から見た使用状態を示す。
【図６】第２の実施の形態の作用を示すレールの長手方向から見た説明図である。
【図７】従来の超音波探傷装置の使用状態を表す斜視図である。
【図８】従来の超音波探傷装置のレール上方から見た使用状態である。
【図９】従来の超音波探傷装置の作用を示すレールの長手方向から見た説明図である。
【図１０】従来の超音波探傷装置の作用を示すレールの長手方向から見た説明図である。
【図１１】従来のタイヤ探触子を用いた超音波探傷装置の作用を示すレールの長手方向から見た説明図である。
【図１２】受信された超音波レベルと横裂深さとの関係を表すグラフである。
【符号の説明】
１  レール（被検材）
１０  超音波探傷装置
１２  送信用探触子
２０  可動シュー
２４  受信用探触子
【図１】
0003905978.tif 000004
【図２】
0003905978.tif 000005
【図３】
0003905978.tif 000006
【図４】
0003905978.tif 000007
【図５】
0003905978.tif 000008
【図６】
0003905978.tif 000009
【図７】
0003905978.tif 000010
【図８】
0003905978.tif 000011
【図９】
0003905978.tif 000012
【図１０】
0003905978.tif 000013
【図１１】
0003905978.tif 000014
【図１２】
0003905978.tif 000015