(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
湾曲状圧電素子と、前記湾曲状圧電素子の凹面に密着した入力端面と被検査物としてのポリマー材料の表面に適合した出力端面とを有するマッチング材とを備え、
前記マッチング材の音響インピーダンスが前記被検査物の音響インピーダンスに互いの境界で生じる音波反射の超音波探傷における影響が無視できる範囲で類似しており、かつ
前記マッチング材は第１マッチング材と第２マッチング材とに分割されており、前記第１マッチング材は一方の端面が前記入力端面として形成されるとともに他方の端面が第１移行端面として形成され、前記第２マッチング材は一方の端面が前記出力端面として形成されるとともに他方の端面が前記第１移行端面に密着可能な第２移行端面として形成され、前記第１移行端面の音響インピーダンスは前記第２移行端面の音響インピーダンスに互いの境界で生じる音波反射の超音波探傷における影響が無視できる範囲で類似していることを特徴とするポリマー材料検査用フォーカス型縦波超音波探触子。
【請求項２】
湾曲状圧電素子と、前記湾曲状圧電素子の凹面に密着した入力端面と被検査物としてのポリマー材料の表面形状に合うように加工された出力端面とを有するマッチング材とを備え、
前記マッチング材の音響インピーダンスが前記湾曲状圧電素子の音響インピーダンスに互いの境界で生じる音波反射の超音波探傷における影響が無視できる範囲で類似しており、かつ
前記マッチング材は第１マッチング材と第２マッチング材とに分割されており、前記第１マッチング材は一方の端面が前記入力端面として形成されるとともに他方の端面が第１移行端面として形成され、前記第２マッチング材は一方の端面が前記出力端面として形成されるとともに他方の端面が前記第１移行端面に密着可能な第２移行端面として形成され、前記第１移行端面の音響インピーダンスは前記第２移行端面の音響インピーダンスに互いの境界で生じる音波反射の超音波探傷における影響が無視できる範囲で類似していることを特徴とするポリマー材料検査用フォーカス型縦波超音波探触子。
【請求項３】
湾曲状圧電素子と、前記湾曲状圧電素子の凹面に密着した入力端面と被検査物としてのポリマー材料の表面形状に合うように加工された出力端面とを有するマッチング材とを備え、
前記マッチング材の音響インピーダンスが前記被検査物の音響インピーダンスに互いの境界で生じる音波反射の超音波探傷における影響が無視できる範囲で類似しており、かつ
前記マッチング材の音響インピーダンスは前記湾曲状圧電素子の音響インピーダンスに互いの境界で生じる音波反射の超音波探傷における影響が無視できる範囲で類似しており、かつ
前記マッチング材は第１マッチング材と第２マッチング材とに分割されており、前記第１マッチング材は一方の端面が前記入力端面として形成されるとともに他方の端面が第１移行端面として形成され、前記第２マッチング材は一方の端面が前記出力端面として形成されるとともに他方の端面が前記第１移行端面に密着可能な第２移行端面として形成され、前記第１移行端面の音響インピーダンスは前記第２移行端面の音響インピーダンスに互いの境界で生じる音波反射の超音波探傷における影響が無視できる範囲で類似していることを特徴とするポリマー材料検査用フォーカス型縦波超音波探触子。
【請求項４】
前記湾曲状圧電素子はポリマー圧電材料からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のポリマー材料検査用フォーカス型縦波超音波探触子。
【請求項５】
前記マッチング材の音響インピーダンスは、前記入力端面から出力端面にかけて前記湾曲状圧電素子から発射された縦波超音波の伝播方向に関して前記湾曲状圧電素子の音響インピーダンスに互いの境界で生じる音波反射の超音波探傷における影響が無視できる範囲で類似する値から前記被検査物の音響インピーダンスに互いの境界で生じる音波反射の超音波探傷における影響が無視できる範囲で類似する値に向かって変化していることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のポリマー材料検査用フォーカス型縦波超音波探触子。
【請求項６】
前記第２マッチング材は前記第１マッチング材に対して脱着自在であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のポリマー材料検査用フォーカス型縦波超音波探触子。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、ポリマー材料などの被検査物に超音波を送信し、欠陥等から反射してくるエコーを評価することにより非破壊検査を行う超音波探傷に用いられるフォーカス型縦波超音波探触子に関する。
背景技術
ポリマー材料などは、鋼などの金属に較べ、一般的に音波の減衰率が高く、通常の超音波探触子を用いると低いＳ／Ｎ比をもった検出信号しか得られない。減衰による損失を少なくするため超音波ビームの周波数を低くすると欠陥分解能が悪くなり、例えば、都市ガス配管、給湯用配管等に使われ始めている、架橋ポリエチレン樹脂管を代表とするポリマー管の接合箇所の超音波探傷、より詳しくは継手軸周りに螺旋状に巻かれた融着用ワイヤーを内部に備えたポリオレフィン樹脂製（代表的には、ポリエチレンもしくは架橋ポリエチレンを挙げることができ、ポリブテンの場合もある）の融着継手の内周面と、この融着継手に融着されるポリオレフィン樹脂管の管外周面との間に形成される融着界面の超音波探傷では、ワイヤーからの反射エコーと融着不良界面などからの欠陥エコーとを区別することが困難となる。
このような問題点を克服するため、横波より減衰率が少ない縦波を用いるとともに、より強い超音波ビームを被検査物に送り込むことができるフォーカス型縦波超音波探触子の採用が考えられる。フォーカス型縦波超音波探触子から送信された超音波ビームはそのフォーカス領域においてビーム径が小さくなるため、分解能に優れた探傷を行うことができる。このため、欠陥の発生領域に欠陥ではない反射源が存在するようなケースでも、被検査物の表面をフォーカス型探触子で正確に走査すれば、その小さなビーム径により予め位置が分かっている反射源と欠陥とを区別することが可能である。
フォーカス型縦波超音波探触子には、超音波振動子としての圧電素子の湾曲形状として（多数の圧電素子片湾曲状に並べて湾曲圧電素子を形成してもよい）超音波ビームを集束させて予め決められた伝播距離にフォーカスを合わせる固定フォーカスタイプと、走査方向に複数個配列されている各圧電素子を少しづつ遅延させて発振させることによって超音波ビームに指向性をもたせて全体で合成される超音波ビームを所望の伝播距離にフォーカスを合わせる電子フォーカスタイプとがある。電子フォーカスタイプは制御回路が複雑であり、探触子そのものも非常に精密なもので慎重に扱わなければならないことから医療現場での超音波診断装置に主に使用されており、材料検査などでは固定フォーカスタイプが使用されている。
しかし、固定フォーカスタイプの探触子では、湾曲状圧電素子の前面にマッチング材を形成しておき、このマッチング材の先端面を被検査物表面に接触させ、湾曲状圧電素子によって励起された超音波をマッチング材を経て被検査物内に入射させる。この場合、湾曲状圧電素子とマッチング材との間及びマッチング材と被検査物表面との間で超音波の反射が生じ、この反射は音波エネルギーの損失をもたらすだけではなく、その反射エコーの繰り返しが欠陥検出を妨害する。
本発明の課題の１つは、湾曲状圧電素子を用いたフォーカス型縦波超音波探触子からこのような問題点を低減することである。
発明の開示
ポリマー材料検査ためのフォーカス型縦波超音波探触子に関する本発明の課題は、本発明によれば、湾曲状圧電素子と、前記湾曲状圧電素子の凹面に密着した入力端面と被検査物としてのポリマー材料の表面に適合した出力端面とを有するマッチング材とを備え、前記マッチング材の音響インピーダンスが前記被検査物の音響インピーダンスに互いの境界で生じる音波反射の超音波探傷における影響が無視できる範囲で類似しており、かつ前記マッチング材は第１マッチング材と第２マッチング材とに分割されており、前記第１マッチング材は一方の端面が前記入力端面として形成されるとともに他方の端面が第１移行端面として形成され、前記第２マッチング材は一方の端面が前記出力端面として形成されるとともに他方の端面が前記第１移行端面に密着可能な第２移行端面として形成され、前記第１移行端面の音響インピーダンスは前記第２移行端面の音響インピーダンスに互いの境界で生じる音波反射の超音波探傷における影響が無視できる範囲で類似しているフォーカス型縦波超音波探触子によって解決される。この構成では、マッチング材の音響インピーダンスと被検査物の音響インピーダンスとを類似させることにより、マッチング材と被検査物の表面との界面で超音波の反射を抑制することができ、つまりマッチング材から被検査物へ入射する超音波のエネルギー損失を少なくすることができ、反射エコーの繰り返しによる探傷の妨害をなくすとともに超音波減衰の大きな材料に対する検査においてもＳ／Ｎ比に優れた欠陥検出信号が得られる。
さらに、湾曲状圧電素子と被検査物との間をつなぐマッチング材を第１マッチング材と第２マッチング材との２つで構成しており、被検査物内で形成されるフォーカスポイントを第２マッチング材の長さにより調整するとともに、第１移行端面と第２移行端面の音響インピーダンス、つまり第１マッチング材と第２マッチング材の界面領域の音響インピーダンスを互いの境界で生じる音波反射の超音波探傷における影響が無視できる範囲で類似させることにより第１マッチング材と第２マッチング材との界面から生じるエコーも抑えている。ここで第１マッチング材と第２マッチング材の音響インピーダンスが等しいという記載には、互いの界面から生じるエコーが欠陥エコーの評価に影響を与えない程度しか生じさせない範囲の相違も含まれるべきであり、両者の音響インピーダンスが超音波探傷に関して実質的に同一であることが重要である。このような第１マッチング材と第２マッチング材との採用により、本発明のフォーカス型縦波超音波探触子では、種々の被検査物が検査対象となっていても、各検査対象ごとに第２マッチング材だけが異なる探触子を用意するだけでよい。
フォーカス型縦波超音波探触子に関する本発明の課題は、本発明によれば、
湾曲状圧電素子と、前記湾曲状圧電素子の凹面に密着した入力端面と被検査物としてのポリマー材料の表面形状に合うように加工された出力端面とを有するマッチング材とを備え、前記マッチング材の音響インピーダンスが前記湾曲状圧電素子の音響インピーダンスに互いの境界で生じる音波反射の超音波探傷における影響が無視できる範囲で類似しており、かつ前記マッチング材は第１マッチング材と第２マッチング材とに分割されており、前記第１マッチング材は一方の端面が前記入力端面として形成されるとともに他方の端面が第１移行端面として形成され、前記第２マッチング材は一方の端面が前記出力端面として形成されるとともに他方の端面が前記第１移行端面に密着可能な第２移行端面として形成され、前記第１移行端面の音響インピーダンスは前記第２移行端面の音響インピーダンスに互いの境界で生じる音波反射の超音波探傷における影響が無視できる範囲で類似しているフォーカス型縦波超音波探触子によっても解決される。この構成では、マッチング材の音響インピーダンスと湾曲状圧電素子の音響インピーダンスに類似させることにより、湾曲状圧電素子からマッチング材への超音波の伝播特性が改善され、上記超音波探触子と同様に、超音波減衰の大きな材料に対する検査においてもＳ／Ｎ比に優れた欠陥検出信号が得られる。マッチング材を第１マッチング材と第２マッチング材との２つで構成したことによる作用効果は上述した通りである。
もちろん、上述した２つの特徴を備えたフォーカス型縦波超音波探触子、つまりマッチング材の音響インピーダンスが被検査物の音響インピーダンスに類似し、かつマッチング材の音響インピーダンスは前記湾曲状圧電素子の音響インピーダンスに類似した超音波探触子の場合、より優れた検査結果が得られる。
ただし、通常、超音波探傷の分野で用いられている圧電素子は、チタン酸ジルコン酸鉛、ニオブ酸鉛、ニオブ酸リチウムなどの圧電性金属酸化物から作られており、固定フォーカスタイプの探触子のための湾曲状の圧電素子を作るには、かなりの技術力が必要とされる。また、圧電性金属酸化物の音響インピーダンスは比較的大きいので、圧電性金属酸化物の音響インピーダンスにマッチング材の音響インピーダンスを合わすより、より小さな音響インピーダンスを有する圧電材料と組み合わせる方が望ましい。
従って、本発明の好適な実施形態の１つでは、ポリマー圧電材料製の湾曲状圧電素子が用いられる。湾曲状圧電素子として弾力性に富んだポリマー材料を採用することで、超音波伝播部材としてのマッチング材の凸面湾曲状に形成された端部に、薄膜電極を施されたシート状のポリマー材料を密着させるだけで、フォーカス型縦波超音波探触子が作られ、その際マッチング材の音響インピーダンスはポリマー圧電素子の音響インピーダンスに容易に類似させることができるので、その境界面における音波反射や音場の乱れは金属酸化物とプラスチックに比べ著しく抑制される。これにより、簡単に製造されるにもかかわらず、好ましい超音波パルス波を励起することができる。ここでいうマッチング材とポリマー圧電素子の音響インピーダンスの類似の範囲は、互いの境界で生じる音波反射や音場の乱れが高分解能を必要とする探傷に悪影響を与えないという条件を満たす、両者の音響インピーダンスの相違は含まれる範囲である。実験的には１〜３倍程度の音響インピーダンスの違いでも十分であることがわかっているが、この程度の音響インピーダンスの相違は本発明でのマッチング材の音響インピーダンスと前記湾曲状圧電素子の音響インピーダンスの類似範囲に入るとみなされるが、一般に１０倍以上ある圧電性金属酸化物とプラスチックの違いに比べると、その違いは極めて小さいといえるだろう。
さらに、本発明による他の１つの好適実施形態では、マッチング材の音響インピーダンスは、前記入力端面から出力端面にかけて湾曲状圧電素子から発射された縦波超音波の伝播方向に関して前記湾曲状圧電素子の音響インピーダンスに互いの境界で生じる音波反射の超音波探傷における影響が無視できる範囲で類似する値から前記被検査物の音響インピーダンスに互いの境界で生じる音波反射の超音波探傷における影響が無視できる範囲で類似する値に向かって変化している。この構成では、圧電素子からマッチング材への超音波の伝播特性が改善されるとともに、マッチング材と被検査物との界面領域では、マッチング材の音響インピーダンスが被検査物の音響インピーダンスに類似しているため、マッチング材と被検査物の境界での音波反射や音場の乱れが抑制され、さらに欠陥検査にとって有利となる。音響インピーダンス変化を有するマッチング材は、ポリマー材料に音響インピーダンスの大きな金属粉末を添加しながら遠心成型をすることで実現することができるし、あるいは、音響インピーダンスの異なるポリマーシートを多重に重ねていくことで実現することもできる。
固定フォーカスタイプの縦波超音波探触子では、マッチング材の長さは湾曲状圧電素子から発射された縦波超音波が被検査物の所定検査ポイントで焦点を結ぶように設定することが望ましい。しかし、固定フォーカスタイプの探触子は圧電素子の湾曲形状によって決定される固定フォーカス距離となっているので、高分解能の鮮明なエコーを得ることのできる範囲は限定される。このため、材料表面からの探傷領域までの距離毎に、その距離用の探触子を用意しなければならないし、被検査物の表面が管材のような曲面である場合探触子と被検査物の良好な接触状態を確保するためにはその表面曲率に合わせた接触面を形成した探触子を用意しなければならない。このため、通常では、異なる種類の管材を検査するためには、かなりの数のフォーカス型探触子が必要となる。
本発明の好適な実施形態として、第２マッチング材を第１マッチング材に対して脱着自在にするならば、各検査対象に適合するように作られた複数の第２マッチング材から最適なものを選択して、湾曲状圧電素子と第１マッチング材からなる唯一のサブアッセンブリに取り付けるだけで、最適なフォーカス型縦波超音波探触子が組み上がるので、従来に比べ、検査コストを劇的に抑制することができる。
本発明のフォーカス型縦波超音波探触子を用いた重要な検査は、ポリオレフィン樹脂管ＥＦ（熱融着）継手融着部の超音波検査であり、この検査では軸方向に螺旋状に巻かれた融着用ワイヤーを継手内部に備えた融着継手の継手内周面と、この融着継手に融着される管の管外周面との間に形成される融着状態を、ワイヤーの隙間を通り抜けるように超音波ビームを伝播させて検査しなければならないのである。もちろん、管の種類に応じて、探触子を接触させる面の曲面形状やワイヤーまでの深さは異なるのである。このような検査のための本発明の好適実施形態では、第１マッチング材と第２マッチング材はポリオレフィン樹脂によって作られており、これにより、第２マッチング材と間の境界面においても、反射が少なく、十分な超音波エネルギーを被検査物に入射することができるとともに、境界エコーによる妨害も無視できるようになる。なお、ポリオレフィン樹脂の代表としては、ポリエチレンもしくは架橋ポリエチレンを挙げることができ、ポリブテンの場合もある。
【図面の簡単な説明】
図１は、ポリエチレン管ＥＦ継手の接合状態の超音波検査における本発明によるフォーカス型縦波超音波探触子の一実施形態を示すポリエチレン管軸方向での断面図、
図２は、図１におけるフォーカス型縦波超音波探触子の一実施形態を示すポリエチレン管周方向での断面図、
図３は、本発明によるフォーカス型縦波超音波探触子のフォーカス状態を測定した際の測定グラフ、
図４は、本発明によるフォーカス型縦波超音波探触子を用いてポリエチレン管ＥＦ継手の接合状態の超音波検査を行った際の反射波を示すモニター画面図、
図５は、ポリエチレン管ＥＦ継手の接合状態の超音波検査における本発明によるフォーカス型縦波超音波探触子の別実施形態を示す断面図、
図６は、短いサブボディを装着したフォーカス型縦波超音波探触子の一実施形態を示すポリエチレン管軸方向の断面図、
図７は、ポリエチレン管ＥＦ継手の接合状態の超音波検査に用いられた本発明による欠陥評価装置を備えた超音波探傷装置のブロック図、
図８は、第１ゲートで検出された欠陥エコーを示すモニター画面、
図９は、第２ゲートで検出された欠陥エコーを示すモニター画面、
図１０は、溶着直後のゲート設定の模式図、
図１１は、溶着後数十分経過後のゲート設定の模式図である。
発明を実施するための最良の形態
以下本発明の第１の実施の形態を図１と図２を用いて説明する。ここでは、フォーカス型縦波超音波探触子１は、２本のポリエチレン管２を突き合わせ接合するポリエチレン管ＥＦ継手３の接合状態の超音波検査に用いられている。ポリエチレンはポリオレフィン樹脂に含まれる１つの物質としてここで採用されている。このポリエチレン管ＥＦ継手３は、突き合わされたポリエチレン管２に外嵌した状態で、内壁部に軸方向に螺旋状に巻かれた融着用ワイヤー４に給電して加熱し、その周辺部を溶かすことにより、ポリエチレン管ＥＦ継手３の内壁面３ｂとポリエチレン管２の外壁面２ａを融着させて、強固な密封接続を実現するものである。この融着作業において、例えば、砂、ほこり、ごみ、水、どろ水などがポリエチレン管ＥＦ継手３の内壁面３ｂとポリエチレン管２の外壁面２ａとの間に入り込んでいたりしていると、未融着部５が生じる。このような未融着部５をポリエチレン管ＥＦ継手３の外壁面３ａからフォーカス型縦波超音波探触子１を用いて探すのである。
図２から明らかなように、融着用ワイヤー４は管軸方向に螺旋状に巻かれているので、この融着用ワイヤー４からのエコーが未融着部５からのエコーの検出を邪魔しないように、その音軸中心線が融着用ワイヤー４の隙間を通る超音波ビームで融着領域を検査することが重要である。つまり、高分解能をもった超音波ビームで検査する必要があり、そのためにフォーカス型縦波超音波探触子１は融着用ワイヤー４から融着領域の間にフォーカスが合っていなければならない。
このフォーカス型縦波超音波探触子１は、ダンパー材１３によって裏打ちされた湾曲状圧電素子１１と、圧電素子１１の前面、つまり凹曲面に密着されているマッチング材１２と、これらの一体物を内装しているカップ状の本体ケース１４を備えている。圧電素子１１の材料としてポリマー圧電膜は、仕様に応じて選択されるが、例えば、ポリジフルオロエチレン（ポリフッ化ビニリデン：ＰＶＤＦ）、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）（フッ化ビニリデンと３フッ化エチレンの共重合体）、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｅＦＥ）（フッ化ビニリデンと４フッ化エチレンの共重合体）などが代表的であり、これを、所望フォーカス距離に合わせて設計されたマッチング材１２の凸曲面に密着張り付けされることで、湾曲状圧電素子として機能する。そのような圧電素子の両面にここでは図示されていないが、薄膜電極が形成されており、この電極は電線１５を介して本体ケース１４に設けられたコネクター１６に接続されている。このコネクター１６が、高周波ケーブルを介して、高周波発振器、増幅器、信号評価部、モニターなどを備えた超音波探傷器のコネクターに接続されることにより、フォーカス型縦波超音波探触子１は超音波探傷の超音波発信部及び受信部として機能する。マッチング材１２は、ここでは被検査物と同じ材料であるポリエチレンから作られており、圧電素子１１とは反対側の面は、ポリエチレン管ＥＦ継手３の外壁面３ａにぴったりと合うように凹面に加工されている。これによりマッチング材１２と外壁面３ａとの間にカップリング剤６を薄く介在させるだけで、良好な密着性が得られる。このフォーカス型縦波超音波探触子１のフォーカス距離は、マッチング材１２の長さを変更することによって所望のものにすることができる。
ここで用いられた圧電素子１１の音響インピーダンスは２．１×１０6ｋｇ／ｓ・ｍ2であり、ポリエチレン製のマッチング材１２の音響インピーダンスは４．５×１０6ｋｇ／ｓ・ｍ2であり、３０×１０6ｋｇ／ｓ・ｍ2以上の金属酸化物圧電素子の音響インピーダンスを考えると、ポリマー製圧電素子１１とマッチング材１２の音響インピーダンスは類似しているといえる。このフォーカス型縦波超音波探触子１の水浸法（厚さ０．３４ｍｍの刃を照準とする）でのフォーカス点での音圧状態は図３に示しており、良好なフォーカスレベルが得られている。さらに、図４には、前述したポリエチレン管ＥＦ継手３の接合状態を検査するテストピースに対する探触子１の位置とその際のモニターでのエコー表示が示されている。このテストピースには、ワイヤー４の内側に位置するポリエチレン管ＥＦ継手３の接合部に人工的に非融着部が形成されているので、フォーカスがよく効いた本発明による探触子１を管軸方向に沿って走査することにより、ワイヤー４からのエコーが、ここでは伝播時間１６μsecの位置付近に高くなったり低くなったりしながら生じ、人工欠陥（接合不良個所）のエコーは伝播時間１８μsecの位置付近に生じるはずである。実験の結果によれば、図４に示すように、探触子１を融着用ワイヤー４の直上に置いた場合は融着用ワイヤー４からのエコーが表示され（図４（ａ））、探触子１を融着用ワイヤー４の隙間に置いた場合融着用ワイヤー４からのエコーが小さくなって（図４（ｂ））、融着用ワイヤー４の隙間から人工欠陥からのエコーが確実に検出されている（図４（ｃ））。このことから、このフォーカス型縦波超音波探触子１がポリエチレン管ＥＦ継手３の接合状態の検査に有効であることは明らかであり、実際の探傷では、同じサイズのＥＦ継手３に対しては１７μsecから２０μsecの間にゲートをかけて管周面全域から走査することで接合不良の検査を行うことができる。なお、図４のモニター表示において、縦軸は超音波の振幅（電圧）を表しており、横軸は超音波の伝播時間を表しているが、伝播時間は図面の都合上、７μsecから２７μsecの領域だけを示しており、実質的な探傷領域が中央にくるように設定されている。
被検査物とマッチング材１２が同じ材料の場合は問題ないが、被検査物とマッチング材１２との材料が異なりその音響インピーダンスが大きく異なる場合、マッチング材１２として、その音響インピーダンスがポリマー圧電素子１１の音響インピーダンスから被検査物の音響インピーダンスに近づくような傾斜した音響インピーダンス特性をもった材料を用いると、被検査物との境界で境界エコーが低減するので、欠陥検査にとって有利となる。音響インピーダンス変化を有するマッチング材の製造は使用する材料によって選択されるが、ポリマー材料に音響インピーダンスの大きな金属粉末を添加しながら遠心成型する方法や、音響インピーダンスの異なるポリマーシートを多重に重ねていく方法が提案される。
本発明の第２の実施の形態を図５を用いて説明する。
このフォーカス型縦波超音波探触子１は、メインボディ１０と、このメインボディ１０に選択的に取り替え可能に連結されるサブボディ２０とから構成されている。つまり、先の実施の形態の探触子の下部にサブボディ２０を取り外し可能に取り付けた構成であり、マッチング材１２がここでは、メインボディ１０に内装される第１部材１２と、サブボディ２０に内装される第２部材２１とに分割されているのである。
メインボディ１０は、ダンパー材１３によって裏打ちされた湾曲状圧電素子１１と、圧電素子１１の前面、つまり凹曲面に密着されている第１マッチング材１２と、これらの一体物を内装しているカップ状の本体ケース１４を備えている。圧電素子１１に設けられているここでは図示されていない薄膜電極は電線１５を介して本体ケース１４に設けられたコネクター１６に接続されている。第１部材１２は、ここでも被検査物と同じ材料であるポリエチレンから作られており、圧電素子１１とは反対側の面は精密に平坦に仕上げられており、本体ケース１４の端面からわずかに突出させている。
サブボディ２０は、第２部材２１とこの第２部材２１を外嵌しているサブケース２２とを備えている。第２部材２１も第１部材１２と同じポリエチレンから作られており、第１部材１２と密着する面は平坦に精密仕上げされており、他方の面は走査面であるポリエチレン管ＥＦ継手３の外壁面３ａにぴったりと合うように凹面に加工されている。サブケース２２の内壁面に設けられた雌ねじ部２２ａは本体ケース１４の外壁面に設けられた雄ねじ部１４ａに螺合することにより、本体ケース１４とサブケース２２は一体化され、第１部材１２と第２部材２１の突き合わせ接触するが、その際互いの接触面にグリセリンなどのカップリング剤を塗布しておくことで、超音波音響学的な密着を確保する。
本体ケース１４にサブケース２２を組み付けることにより、フォーカス型縦波超音波探触子１の完成品となるが、そのフォーカス距離はサブボディ２０の第２部材２１の長さを選択することによって所望のものにすることができる。つまり、図５から明らかなように、第１マッチング材１２の軸方向長さ：Ｌ1は一定であり、第２マッチング材２１の軸方向長さ：Ｌ2は選択するサブボディ２０によって異なり、圧電素子１１のフォーカス距離：Ｌは曲面形状から決定されるので、適切な第２マッチング材２１の長さ：Ｌ2を有するサブボディ２０を選択することにより、ポリエチレン管ＥＦ継手３の融着部領域にフォーカス点をもってくることができる。サブボディ２０の選択の際には、第２部材２１の被検査物側の面の形状がポリエチレン管ＥＦ継手３の外壁面３ａに適合したものを選択することも重要であり、これにより第２部材２１と外壁面３ａとの間にカップリング剤６を薄く介在させるだけで、良好な密着性が得られる。図６には、短いサブボディ２０を装着したフォーカス型縦波超音波探触子１が示されている。
上記説明から明らかなように、この実施形態のフォーカス型縦波超音波探触子１では、第１部材１２と第２部材２１が、フォーカス距離のマッチングのために機能しているとともに、互いの境界から欠陥判定の障害となるような境界エコーが生じないようにそれらの音響インピーダンスもマッチングをとっていることが重要である。
これまでの実施の形態の説明では、圧電素子１１としてポリマー圧電膜が用いられたが、これに代えてチタン酸ジルコン酸鉛、ニオブ酸鉛、ニオブ酸リチウムなどの圧電性金属酸化物を採用しても良い。この発明で第１に重要な点は、フォーカス型縦波超音波探触子１において、圧電素子１１とマッチング材と被検査物３の音響インピーダンスを適切に選択することである。また、上述した圧電素子１１は球面状の湾曲体形状を備えており、いわゆるポイントフォーカスタイプであったが、これに代えて、円柱周面状の湾曲体形状を備えることでラインフォーカスタイプとすることも本発明の枠内に入るものである。
次に、このようなフォーカス型縦波超音波探触子１を用いた超音波探傷における超音波探傷装置のための欠陥評価装置について説明する；
図７は、本発明による欠陥評価装置５０を備えた超音波探傷装置１００のブロック図である。超音波探傷装置１００は、超音波探触子１を介して被検査物に超音波を送信して、戻ってきたエコーを評価する。ここでは、２本のポリエチレン管２を突き合わせ接合するポリエチレン管ＥＦ（熱溶融）継手３の接合状態の超音波検査のために用いられている。このポリエチレン管ＥＦ継手３は、突き合わされたポリエチレン管２に外嵌した状態で、内壁部に軸方向に螺旋状に巻かれた融着用ワイヤー４に給電して加熱し、その周辺部を溶かすことにより、ポリエチレン管ＥＦ継手３の内壁面３ｂとポリエチレン管２の外壁面２ａを融着させて、強固な密封接続を実現するものである。この融着作業において、例えば、砂、ほこり、ごみ、水、泥水などがポリエチレン管ＥＦ継手３の内壁面３ｂとポリエチレン管２の外壁面２ａとの間に入り込んでいたりしていると、未融着部５が生じる。このような未融着部５をポリエチレン管ＥＦ継手３の外壁面３ａから超音波探触子１を用いて探すのである。融着用ワイヤー４は管軸方向に螺旋状に巻かれているので、超音波探触子１からの超音波ビーム上にこの融着用ワイヤー４が位置する場合、融着用ワイヤー４からのエコーが生じることになる。もちろん超音波探触子１からの超音波ビーム上に未融着部５が位置する場合、未融着部５からのエコーが欠陥エコーとして検出される。さらに、前述したように内壁面３ｂと外壁面２ａとの間に入り込んだ水や泥水の加熱等により融着用ワイヤー４の周辺に生じた空隙５ａからの欠陥エコーが融着用ワイヤー４からのエコーに重なるような形で生じる。
上述したような欠陥エコーを確実に検出評価するために、欠陥評価装置５０は、第１ゲート回路５１と第２ゲート回路５２、そして第１評価回路５３と第２評価回路５４、さらに被検査物であるポリエチレン管ＥＦ継手３の音速を評価する音速評価回路５５を備えている。図７からよく理解できるように、第１ゲート回路５１で生成された第１ゲート３１と、第２ゲート回路５２で生成された第２ゲート３２は画像表示部５６によって場合よって生じるエコーとともにモニター５７に表示される。融着用ワイヤー４からのエコーと空隙５ａからのエコーは第１ゲート３１に、未融着部５からのエコーは第２ゲート３２に検出される。
第１ゲート３１によって検出されたエコーは電気信号として第１評価回路５３に送られ、前設定されたしきい値と比較され、内壁面３ｂと外壁面２ａとの間に入り込んだ水や泥水の加熱等により融着用ワイヤー４の周辺に生じた空隙５ａからの欠陥エコーであるかどうかが判定される。つまり、融着用ワイヤー４に直接反射して戻ってくるエコーの振幅は予め推測できるため、それを越えるエコーは欠陥エコーと判定される。第２ゲート３２によって検出されたエコーは電気信号として第２評価回路５４に送られ、前設定されたしきい以上の振幅を有しておれば、未融着欠陥を示す欠陥エコーと判定される。このことを例示するために、図８に第１ゲート３１によって検出された欠陥エコーを示すモニター画面とその際の超音波探触子１の走査位置とが示されており、図９に第２ゲート３２によって検出された欠陥エコーを示すモニター画面とその際の超音波探触子１の走査位置とが示されている。なお、ここでは横軸としての超音波伝播時間軸の０点は送信パルス位置ではなく、モニタ画面の見やすさを考慮して適当に設定された位置となっている。
上述したような、ゲートによって検出されたエコーを評価して欠陥判定を行う場合、ゲートの設定が重要となる。通常、ゲートは、被検査物内の欠陥発生領域に対応する時間軸領域に設定されるが、この場合被検査物中の音速が一定であることが条件となる。ここで取り上げているポリエチレン管ＥＦ継手３の接合状態の超音波検査などでは、この検査が熱溶融させた直後に行われることから、検査作業中にわたって、刻々と材料温度が変化し、それに伴って音速も変化する。このため、正確なゲート位置を得るためには音速変化に追従してゲート位置を変更する必要がある。
次に、本発明における欠陥評価装置５０のゲート設定動作を説明する。
超音波探触子１がポリエチレン管ＥＦ継手３の外壁面３ａを走査して、超音波を入射すると、外壁面３ａから距離：Ｄ1離れた位置にある融着用ワイヤー４からのエコーが表面エコーから時間：ｔ1離れた位置にワイヤーエコーが生じるので、まずこの領域に、時間：ｔ1−αからｔ1＋αまでの２αの時間幅を有する第１ゲート３１を設定し、さらに、融着用ワイヤー４から距離：Ｄ2離れた位置に、ポリエチレン管ＥＦ継手３の内壁面３ｂとポリエチレン管２の外壁面２ａとの間の未融着欠陥領域があるので、時間：ｔ1＋ｔ2−βからｔ1＋ｔ2＋βまでの２βの時間幅を有する第２ゲート３２を設定する。その際表面エコーが明確に生じない場合は、送信パルスを基準として擬似的な表面エコー位置を求め、そこをゲート設定の基準としても良い。これらのゲート設定の様子は図１０に模式的に示されている。
同時に、音速評価回路５２は、ポリエチレン管ＥＦ継手３の外壁面３ａから反射されてくる表面エコー及びポリエチレン管２の内壁面２ｂから反射されてくる、いわゆる底面エコーを検出し、その間の時間：ｔ3を計測する。この時間は、被検査物中の音速の変化に反比例するので、これにより音速変化を即座に評価することができる。溶着後数十分が経過して、温度が下がり、ポリエチレン管２やポリエチレン管ＥＦ継手３中の音速が再び上昇するが、それに追従して変更されていく第１ゲート３１と第２ゲート３２の様子は図１１に模式的に示されている。ここで取りあげられた被検査物、ポリエチレン管２とポリエチレン管ＥＦ継手３の場合、融着直後の温度におけるワイヤエコーは通常の温度におけるワイヤエコーに比べ、約５μｓ程度遅れていることが実験で確かめられている。
第１ゲート３１と第２ゲート３２が最初に設定された時点の音速（ここでは図１０に示された表面エコーと底面エコーとの時間間隔：ｔ3に対応する）を基準として音速（時間間隔）が変化するに従って、その変化量：（ｔ3−Ｔ3）／ｔ3に応じて第１ゲート３１と第２ゲート３２の位置が変更され、それぞれ音速変化に追従した時間間隔：Ｔ1とＴ2となる位置にくる。これにより、温度変動により、ワイヤーエコーや欠陥エコーの生じる時間位置がずれても、そのためのゲート３１、３２も追従しているので、確実に欠陥エコーを検出することができる。なお、ここでは、各ゲート幅：２αと２βは一定にしているが、温度差による音速差が大きい場合は、より精密なゲート幅が要求される場合は、ゲート幅も音速変化に追従して変更するとよい。
図７で示したような、ポリエチレン管２を突き合わせ接合するポリエチレン管ＥＦ（熱溶融）継手３の接合状態の超音波検査では、被検査物中での温度傾斜がかなり特異的であるため、つまりポリエチレンの熱伝導が遅いので加熱源としてのワイヤー４から離れるほど温度差が生じることから、融着用ワイヤー４周辺部が高温で、そこから内外に離れるほど急激に温度が低下しているという現象となる。この温度差は時間経過とともに解消されていくが、このように探傷時において被検査物中での温度傾斜、結果的には被検査物中で音速の相違が大きい場合、探傷領域近傍での音速をチェックすることが重要となるので、この例では、表面エコーと底面エコーに基づいた平均的な音速測定の結果に基づくゲート設定においてさらなる補正を行うことが好ましい。例えば、ワイヤーエコーと底面エコーに基づいた平均的な音速測定の結果に基づくゲート設定を行うとよい。さらに、融着用ワイヤー４と未融着欠陥領域との間の温度変化はワイヤーエコーと底面エコーが発生する領域の平均的な温度変化より無視できない程度に大きい場合では、経験的に求められた補正係数によって第２ゲート３２の位置と必要の場合ゲート幅をさらに補正してもよい。
上述した実施の形態の説明では、超音波探傷中に被検査物中の音速が変動するものとして、２本のポリエチレン管２を突き合わせ接合するポリエチレン管ＥＦ（熱溶融）継手３の接合状態の超音波検査を取り上げたが、もちろん本発明の超音波探傷装置用欠陥評価装置は、ポリエチレン以外のポリオレフィン樹脂系の同様な管の熱溶融継手の接合状態の超音波検査やその他検査中に音速変化が生じる被検査物の超音波探傷に広く利用することができる。
産業上の利用可能性
本発明によるフォーカス型縦波超音波探触子は、鋼などの金属に較べ、一般的に音波の減衰率が高く、通常の超音波探触子を用いると低いＳ／Ｎ比をもった検出信号しか得られないポリオレフィン樹脂管などの熱溶融継手の接合状態の検査に用いるのに適している。同様に、本発明による超音波探傷装置用欠陥評価装置は、複雑な反射エコーや音速変動を考慮しなければならない熱溶融継手の接合状態の検査に用いるのに特に適している。
【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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【図１０】
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【図１１】
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