(57)【要約】【課題】ノイズエコーの低減を図りつつ、被検査物Ｗの内部の深い箇所に在る内部欠陥の有無を高精度に検査すること。【解決手段】探触子ケース３に超音波Ｓを送受信する振動子７が設けられ、振動子７の振動面は、被検査物Ｗの内部における共通の焦点ｆから放射されて被検査物Ｗの表面を経由し到達するまで超音波Ｓの伝播時間Ｔtが等しい伝播点ｋの集合によって構成されていること。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面が湾曲した被検査物の内部欠陥の有無を検査する際に用いられる超音波探触子において、
探触子ケースと、
前記探触子ケースに設けられ、超音波を送受信する振動子と、を備え、
前記振動子の振動面は、前記被検査物の内部における共通の焦点から放射されて前記被検査物の表面を経由し到達するまで超音波の伝播時間が等しい伝播点の集合によって構成されていることを特徴とする超音波探触子。
【請求項２】
超音波を送受信する振動子を備えた超音波探触子を用い、前記振動子から送信された超音波を表面が湾曲した被検査物に入射させて、前記振動子によって反射波としての超音波を受信することにより、前記被検査物の内部欠陥の有無を検査する超音波探傷方法において、
前記振動子の振動面は、前記被検査物の内部における共通の焦点から放射されて前記被検査物の表面を経由し到達するまで超音波の伝播時間が等しい伝播点の集合から構成されていることを特徴とする超音波探傷方法。
【請求項３】
前記被検査物は、丸棒状であることを特徴とする請求項２に記載の超音波探傷方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面が湾曲した被検査物（例えば丸棒状の被検査物等）の内部欠陥の有無を検査する際に用いられる超音波探触子、及び表面が湾曲した被検査物の内部欠陥の有無を検査する超音波探傷方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、航空エンジンの分野においては、エンジン部品の素材として丸棒状のビレットが使われており、ビレットに対し、通常、鍛造等の加工を行う前に、振動面が球面状を呈しかつ超音波を送受信する振動子を備えた超音波探触子を用い、水浸法によって被検査物である丸棒状のビレットの内部欠陥の有無を検査している。
【０００３】
即ち、図６に示すように、丸棒状の被検査物（ビレット）Ｗを水Ｌに浸した状態で水槽Ｔ内の所定位置にセットする。そして、超音波探触子１０１を被検査物Ｗの軸方向に沿って移動させつつ、超音波探触子１０１における振動子１０３から送信された超音波Ｓを被検査物Ｗに入射させて、振動子１０３によって反射波としての超音波Ｓを受信する。これにより、被検査物Ｗの内部欠陥による反射波（反射エコー）の有無、換言すれば、被検査物Ｗの内部欠陥の有無を被検査物Ｗの軸方向に亘って検査することができる。ここで、被検査物Ｗを軸心周りに回転させることにより、被検査物Ｗの内部欠陥の有無を被検査物Ｗの周方向に亘って検査することができる。
【０００４】
なお、本発明に関連する先行技術として特許文献１及び特許文献２に示すものがある。
【特許文献１】特開２００１−１５３８４７号公報
【特許文献２】特開平４−１６６７６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、従来の超音波探触子１０１における振動子１０３の振動面は球面状を呈してあって、被検査物Ｗの表面が湾曲しているため、被検査物Ｗの軸方向に対する被検査物Ｗの縦断面の傾斜角φが異なると、図７（ａ）（ｂ）に示すように、被検査物Ｗの縦断面における超音波Ｓの焦点距離が異なり、換言すれば、振動子１０３から送信された超音波Ｓが被検査物Ｗの内部において一点に集束するのでなく、局在化された領域に集束することになる。そのため、被検査物Ｗの内部欠陥が被検査物Ｗの内部の深い箇所に在ると、被検査物Ｗの内部欠陥による反射波Ｓの超音波強度が弱くなり、被検査物Ｗの内部欠陥による反射波を検出することができなくなる。また、振動子１０３に受信される超音波Ｓの検出感度を高めると、ノイズエコーが増大して、超音波探触子１０１の検出精度が悪化することになる。つまり、従来の超音波探触子１０１にあっては、被検査物Ｗの内部の深い箇所に在る内部欠陥の有無を高精度に検査することは極めて困難であるという問題があった。
【０００６】
そこで、本発明は、前述の問題を解決することができる、新規な構成の超音波探触子及び超音波探傷方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の特徴は、表面が湾曲した被検査物の内部欠陥の有無を検査する際に用いられる超音波探触子において、探触子ケースと、前記探触子ケースに設けられ、超音波を送受信する振動子と、を備え、前記振動子の振動面（送受信面）は、前記被検査物の内部における共通の焦点から放射されて前記被検査物の表面を経由し到達するまで超音波の伝播時間が等しい伝播点の集合によって構成されていることを要旨とする。
【０００８】
第１の特徴によると、前記振動子から送信された超音波を前記被検査物に入射させて、前記振動子によって反射波としての超音波を受信する。これにより、前記被検査物の内部欠陥による反射波（反射エコー）の有無、換言すれば、前記被検査物の内部欠陥の有無を検査することができる。
【０００９】
ここで、前記振動子の振動面は、前記被検査物の内部における共通の焦点から放射されて前記被検査物の表面を経由し到達するまで超音波の伝播時間が等しい伝播点の集合によって構成されているため、前記被検査物の軸方向に対する傾斜角が異なる任意の縦断面において、超音波の焦点距離が等しくなり、換言すれば、前記振動子から送信された超音波が前記被検査物の内部において一点に集束することになる。これにより、前記振動子に受信される超音波の検出感度を高く設定しなくても、前記被検査物の内部の深い箇所に在る内部欠陥による反射波の超音波強度を十分に確保することができる。
【００１０】
本発明の第２の特徴は、超音波を送受信する振動子を備えた超音波探触子を用い、前記振動子から送信された超音波を表面が湾曲した被検査物に入射させて、前記振動子によって反射波としての超音波を受信することにより、前記被検査物の内部欠陥の有無を検査する超音波探傷方法において、前記振動子の振動面（送受信面）は、前記被検査物の内部における共通の焦点から放射されて前記被検査物の表面を経由し到達するまで超音波の伝播時間が等しい伝播点の集合からなることを要旨とする。
【００１１】
第２の特徴によると、前記振動子の振動面は、前記被検査物の内部における共通の焦点から放射されて前記被検査物の表面を経由し到達するまで超音波の伝播時間が等しい伝播点の集合からなるため、前記被検査物の軸方向に対する傾斜角が異なる任意の縦断面において、超音波の焦点距離が等しくなり、換言すれば、前記振動子から送信された超音波が前記被検査物の内部において一点に集束することになる。これにより、前記振動子に受信される超音波の検出感度を高く設定しなくても、前記被検査物の内部の深い箇所に在る内部欠陥による反射波の超音波強度を十分に確保することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、前記振動子に受信される超音波の検出感度を高く設定しなくても、前記被検査物の内部の深い箇所に在る内部欠陥による反射波の超音波強度を十分に確保できるため、ノイズエコーの低減を図りつつ、前記被検査物の内部の深い箇所に在る内部欠陥の有無を高精度に検査することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の実施形態について図１から図５を参照して説明する。
【００１４】
ここで、図１（ａ）は、本発明の実施形態に係る超音波探触子における振動子の振動面を説明する図、図１（ｂ）は、図１（ａ）における矢視部IBの拡大図、図２は、本発明の実施形態に係る超音波探触子の断面図、図３（ａ）は、本発明の実施形態に係る超音波探触子における振動子の平面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）における矢視部IIIBから見た図、図３（ｃ）は、図３（ａ）における矢視部IIICから見た図、図４（ａ）は、水槽内の水に被検査物を浸した状態を示す図、図４（ｂ）は、図４（ａ）におけるIVB-IVBに沿った図である。
【００１５】
図２に示すように、本発明の実施形態に係る超音波探触子１は、表面が湾曲した被検査物である丸棒状（半径Ｒ）のビレットＷの内部欠陥の有無を検査する際に用いられるものである。そして、本発明の実施形態に係る超音波探触子１の具体的な構成は、以下のようになる。なお、表面が湾曲した被検査物であるビレットＷは、Ｔｉ合金からなるものである。
【００１６】
本発明の実施形態に係る超音波探触子１は、ケース３を備えており、このケースは、先端側に、開口部５を有している。また、ケース内における開口部５側には、超音波Ｓを送受信する楕円形の（長径Ｄ1、短径Ｄ2）の圧電振動子７が設けられており、この圧電振動素子７の振動面は、超音波Ｓを集束できるように凹面形状になっている。なお、圧電振動子７は、コンポジット材料からなるものである。
【００１７】
ケース３の基端面には、超音波探傷器（図示省略）にケーブル（図示省略）を介して接続可能なコネクタ９が設けられており、このコネクタ９は、圧電振動子７に一対のリード線１１を介して電気的に接続されている。
【００１８】
ケース３内における圧電振動子７の裏側には、圧電振動子７の余分な振動を抑制するダンパー１３が設けられている。また、ケース３内の先端部には、圧電振動子７を保護する保護層１５がケース３の開口部５を塞ぐように設けられており、この保護層１５は、合成樹脂からなるものである。
【００１９】
続いて、本発明の実施形態に係る超音波探触子１の要部について説明する。
【００２０】
図１（ａ）（ｂ）、図３（ａ）（ｂ）（ｃ）、及び図４（ａ）（ｂ）に示すように、圧電振動子７の振動面（送受信面）は、被検査物Ｗの内部における共通の焦点ｆから放射されて被検査物Ｗの表面を経由し到達するまで超音波Ｓの伝播時間が等しい伝播点ｋの集合によって形成されている。
【００２１】
具体的には、被検査物Ｗの軸方向に対する傾斜角φ（０°≦φ≦１８０°）の任意の縦断面（Ａ−Ａ’断面）と同一平面上において、被検査物Ｗの縦中心線と被検査物Ｗの表面との交点ａを原点とし、共通の焦点ｆから放射されて被検査物Ｗの表面を経由し到達するまでの超音波Ｓの伝播時間Ｔtが等しい任意の伝播点ｋの座標を（Ｘ、Ｙ）とすると、Ｘ、Ｙは、後記の関係式（１）（２）によって表すことができる。なお、超音波Ｓの伝播時間Ｔtは、後記の関係式（３）によって表すことができる。
【数１】
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【００２２】
ここで、関係式（１）、関係式（２）、及び関係式（３）において、Ｖm：被検査物Ｗの内部における音速、Ｐ：水距離、Ｖw：水中における音速、|fb|：共通の焦点ｆから、任意の放射した超音波Ｓの進行路と被検査物Ｗの表面との交点ｂまでの長さ、α：交点ｂにおける法線ｎと任意の放射した超音波Ｓのなす角（任意の放射した超音波Ｓの入射角）、γ：交点ｂにおける法線ｎと、交点ｂを通る垂線ｇとのなす角であって、|fb|及び（α＋γ）は、それぞれ傾斜角φの関数である。また、Ｔm：被検査物Ｗの内部における超音波Ｓの伝播時間、Ｔw：水Ｌ中における超音波Ｓの伝播時間のことである。なお、図１中において、ｉ：交点ｂにおける接線、β：交点ｂにおける放射した超音波Ｓの屈折角である。
【００２３】
そして、|fb|及び（α＋γ）を変化させつつ、共通の焦点ｆから放射されて到達するまでの超音波Ｓの伝播時間Ｔtが等しい伝播点ｋを集合すると、二次元的な軌跡が構成される。更に、傾斜角φを変化させつつ、共通の焦点ｆから放射されて到達するまでの超音波Ｓの伝播時間Ｔtが等しい伝播点ｋを集合すると、圧電振動子７の振動面が構成される。
【００２４】
続いて、本発明の実施形態に係る超音波探傷方法について作用を含めて説明する。
【００２５】
即ち、図４（ａ）（ｂ）に示すように、丸棒状の被検査物Ｗを水Ｌに浸した状態で水槽Ｔ内の所定位置にセットする。そして、前述のように構成された圧電振動子７を備えた超音波探触子１を用い、超音波探触子１を被検査物Ｗの軸方向に沿って移動させつつ、圧電振動子７から被検査物Ｗの軸心に向かって送信された超音波Ｓを被検査物Ｗに入射させて、圧電振動子７によって反射波としての超音波Ｓを受信する。これにより、被検査物Ｗの内部欠陥による反射波（反射エコー）の有無、換言すれば、被検査物Ｗの内部欠陥の有無を被検査物Ｗの軸方向に亘って検査することができる。なお、被検査物Ｗを軸心周りに回転させることにより、被検査物Ｗの内部欠陥の有無を被検査物Ｗの周方向に亘って検査することができる。
【００２６】
前述のように、圧電振動子７の振動面は、被検査物Ｗの内部における共通の焦点から放射されて被検査物Ｗの表面を経由し到達するまで超音波Ｓの伝播時間Ｔtが等しい伝播点の集合から構成されているため、被検査物Ｗの軸方向に対する傾斜角φが異なる任意の縦断面において、超音波Ｓの焦点距離Ｆが等しくなり、換言すれば、圧電振動子７から送信された超音波Ｓが被検査物Ｗの内部において一点に集束することになる。これにより、圧電振動子７に受信される超音波Ｓの検出感度を高く設定しなくても、被検査物Ｗの内部の深い箇所に在る内部欠陥による反射波Ｓの超音波強度を十分に確保することができる。
【００２７】
従って、本発明の実施形態によれば、ノイズエコーの低減を図りつつ、被検査物Ｗの内部の深い箇所に在る内部欠陥の有無を高精度に検査することができる。
【００２８】
なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限られるものではなく、その他、種々の態様で実施可能である。また、本発明に包含される権利範囲は、これらの実施形態に限定されないものである。
【実施例】
【００２９】
実施例について図５（ａ）（ｂ）を参照して説明する。
【００３０】
ここで、図５（ａ）は、発明品の超音波波形を示す図、図５（ｂ）は、比較品の超音波波形を示す図である。
【００３１】
まず、本発明の実施形態に係る超音波探触子１（図２参照）を発明品として試作し、市販された超音波探触子を比較品として用意する。また、表面が湾曲（曲率半径１００ｍｍ）しかつ人工内部欠陥（深さ７５ｍｍ）を埋設したの模擬被検査物を用意する。そして、発明品によって圧電振動子によって反射波としての受信された超音波の波形（発明品の超音波波形）、比較品における圧電振動子によって反射波としての受信された超音波の波形（比較品の超音波波形）は、図５（ａ）（ｂ）に示すようになる。
【００３２】
即ち、発明品は、比較品に比べて、ノイズエコーの低減を図りつつ、模擬被検査物の内部の深い箇所に在る人工内部欠陥の有無を高精度に検査できることが確認された。また、人工内部欠陥（深さ７５ｍｍ）の有無を検査した場合において、発明品のＳＮ比（欠陥エコーの強度とノイズエコーの強度の比）は、７．０、比較品のＳＮ比は、１．６である。更に、超音波波形の図示は省略するが、人工内部欠陥（深さ１００ｍｍ）の有無を検査した場合において、発明品のＳＮ比は、４．０、比較品のＳＮ比は、１．０である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１（ａ）は、本発明の実施形態に係る超音波探触子における振動子の振動面を説明する図、図１（ｂ）は、図１（ａ）における矢視部IBの拡大図である。
【図２】本発明の実施形態に係る超音波探触子の断面図である。
【図３】図３（ａ）は、本発明の実施形態に係る超音波探触子における振動子の平面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）における矢視部IIIBから見た図、図３（ｃ）は、図３（ａ）における矢視部IIICから見た図である。
【図４】図４（ａ）は、水槽内の水に被検査物を浸した状態を示す図、図４（ｂ）は、図４（ａ）におけるIVB-IVBに沿った図である。
【図５】図５（ａ）は、発明品の超音波波形を示す図、図５（ｂ）は、比較品の超音波波形を示す図である。
【図６】従来の超音波探触子を説明する図である。
【図７】従来の超音波探触子の課題を説明する図である。
【符号の説明】
【００３４】
Ｓ          超音波
Ｗ          被検査物（ビレット）
１          超音波探触子
３          ケース
５          開口部
７          圧電振動子
９          コネクタ
１１          リード線
１３          ダンパー
１５          保護層
【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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