JPH02264859A - 超音波探触子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、超音波により物体の検査を行なう超音波検査
装置に使用される超音波探触子に関する。

〔従来の技術〕

超音波検査装置は、検査対称物体（被検体）に対して超
音波を放射し、被検体からの反射波を受信してこれを電
気信号に変換し、この電気信号に基づいて被検体の傷、
亀裂等の欠陥の有無や被検体表面の性質を検査する装置
である。そして、超音波を放射し、かつ、その反射波を
受信してこれを電気信号に変換するために超音波探触子
が備えられている。以下、このような超音波探触子を図
により説明する。

第３図は従来の超音波探触子の断面図である。

図で、１は超音波が透過する音響レンズであり、上部の
平坦面１ａおよび下部のレンズ面１ｂを有する。２は圧
電素子、３ａ、３ｂは圧電素子２の両面に設けられた電
極であり、これらは音響レンズ１の平坦面１ａに設置さ
れる。４は被検体、５は音響レンズ１と被検体４との間
に介在する伝達媒質である水を示す。

次に、上記超音波探触子の動作を、第４図（ａ）。

（ｂ）に示す超音波波形図を参照しながら説明する。電
極３ａ、３ｂ間にパルス電圧を印加すると圧電素子２が
励振して超音波が発生する。この超音波は音響レンズ１
内を透過し、レンズ面１ｂで集束されて超音波ビーム６
となって水５内に放射される。この集束された超音波ビ
ーム６の焦点が符号Ｆで示されており、図では焦点Ｆと
被検体４の表面とが一致している。超音波ビーム６は水
５内を通り被検体４の表面における焦点Ｆの位置に達す
るとここで反射され、被検体４の反射波（エコー）とな
ってそれまで通って来た経路を逆に進行し、水５、音響
レンズ１を経て圧電素子２に達する。圧電素子２はこれ
により当該エコーの大きさに比例して励振され、この励
振に比例した電圧を電極３ａ、３ｂ間に発生する。この
電圧が取出され、適宜処理されることにより被検体４の
表面の焦点Ｆの位置の状態が検査される。

このような検査において、実際には、電極３ａ。

３ｂに対してパルス電圧は１個でなく複数個高速で印加
される。この結果、圧電素子２からは第４図（ａ）の波
形Ａに示されるような超音波（バースト波）が出力され
ることになる。ところで、超音波は物質と物質の境界面
で反射を生じる。第３図でこれをみると、電極３ａと平
坦面１ａの境界面、レンズ面１ｂと水５の境界面、水５
と被検体４の境界面で超音波の反射が生じる。したがっ
て、バースト波Ａはまずレンズ面１ｂで一部が反射され
てレンズエコーとなり、他が水５内に放射される。当該
レンズエコーは音響レンズ内を通って平坦面１ａに達す
る。この平坦面１ａに達したレンズエコーが第４図（ａ
）に符号Ｂ、で示されている。このレンズエコーＢ、の
一部は平坦面１ａで再び反射されて音響レンズ１内を通
り、その一部が再びレンズ面１ｂで反射され第２回目の
レンズエコーとなって平坦面１ａに戻る。このレンズエ
コーが第４図（ａ）に符号Ｂ２で示されている。

同様に順次レンズエコーＢ３−Ｂ４・・・・・・が減衰
を伴って発生してゆく。

一方、バースト波Ａによる被検体４からのエコーは、第
１回目のレンズエコーＢ、に対して超音波がレンズ面１
ｂと焦点Ｆ間を往復する時間だけ遅れて平坦面１ａに到
達する。この被ネ★体４からのエコーが第４図（ｂ）に
符号Ｃで示されている。

なお、レンズエコーＢ＋、Ｂｚ、・・・・・・によって
も被検体４からのエコーが発生するが、これらのエコー
の図示は省略されている。レンズエコーＢ＋Ｂ２．・・
・・・・、エコーＣはそれぞれ圧電素子２を励振し、電
極３ａ、３ｂからはそれらに比例した電圧が発生するが
、その処理回路には時間により制御されるゲートが設け
られており、エコーＣによる電圧が発生する時間のみゲ
ートが開かれるようになっている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記超音波検査装置による検査には、振幅モードによる
検査方法と干渉モードによる検査方法の２つの検査方法
がある。振幅モードは通常用いられるモードであり、第
４図（ａ）、（ｂ）に示すようにエコーＣがレンズエコ
ーと重ならない単独のエコーとして電ｉ３ａ、３ｂから
取出される。

これに対して干渉モードでは、レンズエコーＢ１とエコ
ーＣとが重なって干渉する状態で両者が電極３ａ、３ｂ
から取出される。このような干渉を発生させるため、電
極３ａ、３ｂに印加されるパルス電圧の数（バースト波
の時間幅）が調整され、バースト波Ａの時間間隔ｔが、
レンズエコーＢ。

とエコーＣとの時間間隔ｔ′だけ延長される。これによ
り、レンズエコーＢ＋　とエコーＣとを重ねて干渉を発
生させることができる。干渉モードは、レンズエコーＢ
、とエコーＣの位相が一致した場合とずれた場合の差が
エコー強度の大きな差となって現れるので、例えば被検
体４の表面の微細な凹凸でもエコー強度の顕著な差とし
て取出すことができ、精細な検査が可能な優れた検査方
法である。

ところで、近年、超音波検査装置により被検体の表層の
状態を精細に検査する手法が開発され、実用化されてい
る。この手法の概略を以下に述べる。超音波探触子を被
検体４に接近させながらエコーの大きさをプロットして
ゆくと、両者間の位置に関して特定の周期をもった曲線
が得られる。

この曲線はＶ　（Ｚ）曲線と称されている。この■（Ｚ
）曲線が周期をもって変化するのは、超音波ビーム６の
被検体４からの反射波と、超音波ビーム６の入射により
被検体４の表層に生じた表面波との干渉が生じるためで
ある。そして、この表面波の伝播速度は被検体４の表層
の状態（例えば残留応力の有無）によって変化し、さら
に、当該伝播速度は上記周期と一定の関係にある。そこ
で、Ｖ　（Ｚ）曲線を検出してその周期を測定すれば被
検体４の表層の状態を知ることができる。

上記Ｖ　（Ｚ）曲線を検出する場合に前述の干渉モード
を用いると、レンズエコーＢ１　とエコーＣとが干渉し
続けるので、精度良＜Ｖ（Ｚ）曲線を検出することはで
きない。したがって、この場合には振幅モードを用いる
ことが要件となる。

このように、振幅モードと干渉モードとは、検査目的に
応じて使い分ける必要がある。そして、この使い分けを
行なうにはバースト波Ａの時間間隔を調整しなければな
らず、この調整には多くの手間と時間を要していた。さ
らに、上記調整のためには、電極３ａ、３ｂに印加する
パルス電圧を発生するバルサを調整可能な機構としなけ
ればならず、その構造が複雑になるという問題もあった
。

本発明の目的は、上記従来技術における課題を解決し、
何等の調整をも行なうことなく振幅モードによる検査と
干渉モードによる検査を実施することができる超音波探
触子を提供するにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するため、本発明は、レンズ面を形成
する第１の面およびこの第１の面と対向する第２の面を
有し、超音波を焦点に集束させる音響レンズと、前記第
２の面に設けられた振動子とにより構成される超音波探
触子において、前記音響レンズの前記第１の面と前記第
２の面との間の距離、および前記焦点の距離のうちの少
なくとも一方の距離が、前記第１の面での複数の超音波
反射波のうちの第２回目以降の超音波反射波の１つと、
前記焦点からの超音波反射とが同時に第２の面に到達す
る距離に設定されていることを特徴とする。

〔作用〕

音響レンズは上記のように形成されているので、通常の
使用状態では焦点からのエコーが保取されることになり
、必然的に干渉モードによる検査となる。又、Ｖ　（Ｚ
）曲線を測定する使用状態では、超音波探触子が被検体
に近接してゆくので被検体表面との距離が短かくなって
ゆき、したがって、エコーの伝播時間も短かくなり、当
該エコーは検査の期間１つのレンズエコーと次のレンズ
エコーとの間に存在する。即ち、検査は振幅モードによ
る検査となる。

〔実施例〕

以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明する。

第１図は本発明の実施例に係る超音波探触子の断面図で
ある。図で、第３図に示す部分と同−又は等価な部分に
は同一符号を付して説明を省略する。Ｌａ＋Ｌｂは電極
３ａ、３ｂに接続されたリード線である。１０は本実施
例の超音波探触子の音響レンズを示し、１０ａはその平
坦面、１０ｂはそのレンズ面である。Ｄは平坦面１０ａ
とレンズ面１０ｂとの間の距離、ｆはレンズ面ｔａｂと
焦点Ｆとの間の距離（焦点距Ｍ）を示す。

ここで、レンズエコーＢ＋　、ＢｔおよびエコーＣの伝
播時間を第２図（ａ）、　　（ｂ）、（ｃ）に示す波形
図を参照しながら考察する。なお、第２図（ａ）、　　
（ｂ）、　　ＣＣ，）において、各エコーはパルス状に
略示されている。今、第２図（ａ）に示すように、圧電
素子２に電圧が印加された後、１回目のレンズエコーＢ
１が平坦面１０ａに戻る時間をｔＩ、２回目のレンズエ
コーＢ２が平坦面１０ａに戻る時間をｔ２とし、音響レ
ンズ１０内の音速をｖｌｌとすると、これら時間ｔＩ＋
Ｌｔは次式で表わされる。

又、第２図（ｂ）に示すように、圧電素子２に電圧が印
加された後、エコーＣが平坦面１０ａに戻る時間をｔ、
い水５の内部の音速を■。とすると、時間ｔｅｌは次式
で表わされる。

本実施例では、音響レンズ１０は、距離り又は距離ｆ、
あるいはそれら両者を、時間１ｔと時間ｔ□とが等しく
なるような距離に設定して形成されている。これにより
、被検体４が焦点Ｆに置かれている場合、第２図（ｂ）
に示すように、エコーＣと第２回目のレンズエコーＢ！
とが一致し、超音波検査は干渉モードとなり、大きな分
解能による検査を行なうことができる。

次に、この超音波探触子でＶ　（Ｚ）曲線を検出する場
合について考察する。超音波探触子を第１図に破線で示
すように被検体４に近接させてゆ（場合、その近接方向
の変位量即ち、焦点Ｆが焦点Ｆ′にずれるＮ（デフォー
カス量）をΔＺとし、又、圧電素子２に電圧が印加され
た後、エコーＣが平坦面１０ａに戻るまでの時間をｔｓ
ｚとすると、この時間ｔｘｔは次式で表わされる。

Ｖ、　　　　　　　　Ｖ。

この（４）式により、デフォーカス量ΔＺが大きくなる
に従って時間ｔｓｚが小さくなることが判る。

この状態が第２図（ｃ）に示されている。即ち、エコー
Ｃはデフォーカス量ΔＺが大きくなると矢印方向に移行
することとなり、第２回目のレンズエコーＢｔからずれ
ることとなる。それ故、■（Ｚ）曲線検出時にはエコー
ＣとエコーＢｔとのｌはなくなり、振幅モードによる検
査を行なうことができる。

なお、上記実施例の説明では、エコーＣが第２回目のレ
ンズエコーＢ２と一致するように音響レンズを形成する
例について説明したが、第３回目以降のレンズエコーと
一致するように形成してもよいのは明らかである。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明では、距離り又は距ｊ［ある
いはそれら両者を、第２回目以降のレンズエコーの１つ
とエコーＣとが一致するような距離に設定して音響レン
ズを形成したので、バースト波の時間幅の調整を行なう
ことなく、振幅モードと干渉モードを使い分けることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る超音波探触子の断面図、
第２図（ａ）、　　（ｂ）、　　（ｃ）はそれぞれ本実
施例の動作を示すタイムチャート、第３図は従来の超音
波探触子の断面図、第４図（ａ）。 （ｂ）はそれぞれ超音波反射波の波形図である。 ２・・・・・・・・・圧電素子、３ａ、３ｂ・・・・・
・・・・電極、４・・・・・・・・・被検体、６・・・
・・・・・・超音波ビーム、１０・・・・・・・・・・
音響レンズ、１０ａ・・・・・・・・・平坦面、１０ｂ
・・・・・・・・・レンズ面。 第１図 ４：被検体 ６：超音波ビーム １ｏ：音響レンズ １００：平坦面 ＋Ｏｂ：レンズ面 第２ 図 Ａ；バースト波 Ｂ、、Ｂ２：レンズエコー Ｃ：エコー 第３ 第４

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. レンズ面を形成する第１の面およびこの第１の面と対向
   する第２の面を有し、超音波を焦点に集束させる音響レ
   ンズと、前記第２の面に設けられた振動子とにより構成
   される超音波探触子において、前記音響レンズの前記第
   １の面と前記第２の面との間の距離、および前記焦点の
   距離のうちの少なくとも一方の距離が、前記第１の面で
   の複数の超音波反射波のうちの第２回目以降の超音波反
   射波の１つと、前記焦点からの超音波反射とが同時に第
   ２の面に到達する距離に設定されていることを特徴とす
   る超音波探触子。