JPH04276548A - 超音波探触子および超音波診断方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は積層された複数の振動子
を同一容器内に組込んだ超音波探触子とこの超音波探触
子を用いた超音波診断方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば鋼板等の被測定体内に存在する欠
陥を検出する欠陥探傷手法の一つとして超音波探傷法が
実用化されている。図９は超音波探触子を用いた超音波
探傷装置を示す図である。

【０００３】超音波探触子１においては、ダンパー材が
充填された容器２内に超音波の送信と受信とを行う１枚
の振動子３が鋼板等の被測定体４の取付面４ａに平行に
配設されている。また、振動子３は信号線５で容器２に
設けられた端子６に接続されている。そして、外部の探
傷器内のパルス発生回路７から信号線５を介してパルス
信号を振動子３に印加すると、振動子３から超音波８が
被測定体４の厚み方向（垂直方向）に送出される。

【０００４】被測定体４内を垂直方向に伝播される超音
波８は例えば被測定体４の反対面（底面）で反射されて
、同一の振動子３へ入射する。振動子３に入射した反射
波（エコー）は電気信号に変換されて受信信号として信
号線５を介して前記探傷器の受信回路９で受信される。 受信回路９は受信信号を検波して、ブラウン管１０へ送
出する。したがって、受信回路９にて検波された受信信
号には、ブラウン管１０に示すように、送信パルス波Ｔ
と底面での反射波Ｂとが含まれる。

【０００５】ここで、被測定体４の内部に欠陥１１が存
在すると、この欠陥１１で超音波８が反射されるので、
送信パルス波Ｔと底面反射波Ｂとの間に欠陥に起因する
欠陥波Ｆが生じる。よって、欠陥の発生位置（発生深さ
）と波形高さで示される規模とを特定できる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図９に
示す超音波探傷装置においてもまだ次のような問題があ
る。

【０００７】すなわち、超音波探触子１の振動子３にパ
ルス信号が印加されると、振動子３は、厚みｔに応じた
伸び縮みの振動（共振）を開始する。そして、数回振動
を繰り返して減衰して停止する。したがって、超音波探
触子１から被測定体４内へ入射される超音波８の周波数
ｆは、振動子３の厚みｔによって一義的に定まる。この
ことは、一つの超音波探触子１でもって予め設定された
単一の周波数ｆを有する超音波８しか被測定体４内へ入
射できなかった。

【０００８】一方、超音波８の被測定体４内における減
衰特性は超音波８の周波数ｆによって大きく変化する。 すなわち、周波数ｆが高いと比較的減衰しやすく、周波
数ｆが低いと比較的減衰しにくい。また、微細な欠陥は
高い周波数ｆの超音波で比較的検出しやすく、低い周波
数では検出能力が低下する懸念がある。

【０００９】また、被測定体４の取付面４ａから欠陥１
１が存在する位置までの距離ｘと、欠陥波Ｆと底面の反
射波Ｂとの比（Ｆ／Ｂ）で示される欠陥エコー高さとの
関係を示すＤＧＳ線図を図１０に示す。図示するように
、欠陥１１までの距離ｘが大きくなると、エコー高さで
示される検出感度が低下する。また、図中のパラメータ
Ｇは欠陥１１の大きさ（規模）ｄと振動子３の外径Ｄと
の比（Ｇ＝ｄ／Ｄ）である。このように、振動子３の寸
法によっても減衰特性は大きく変化する。

【００１０】このように、被測定体４内の任意の位置に
おける欠陥の検出能力は、超音波８の周波数ｆと振動子
３の寸法でほぼ定まる。逆に、このことは、被測定体４
内における各位置の欠陥検出感度分布を任意に設定でき
ないことになる。

【００１１】したがって、一般的に被測定体４を探傷す
る場合には、被測定体４の厚みや結晶粒度等の超音波８
の透過率に影響する因子を考慮して、超音波８が通過し
て反射して来ると共に、充分なＳ／Ｎが得られる周波数
ｆを選択するようにしてる。

【００１２】その結果、被測定体４の内質部に対しては
目的とした検出能力（感度）が得られるが、表層部に対
しては検出能力（感度）が高すぎて、不必要な疵まで検
出してしまう問題がある。また、逆に表層部は目的とし
た検出能力（感度）が得られるが、内質部は検出能力（
感度）不足になる問題がある。

【００１３】従来、このような不都合を解消するために
、周波数の異なる複数の超音波探触子を準備して、被測
定体４の同一場所を２回に分けて探傷する手法が実施さ
れているが、別々に得られた受信信号を合成したり、信
号処理を行う必要があるので、超音波探触子の取付位置
等の補正処理などを含んだ高度で複雑なシステムが必要
となる。また、同一場所を異なる超音波探触子でもって
２回測定する必要があり、探傷作業能率が低下する。

【００１４】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであり、同一容器内に複数の振動子を積層すること
によって、各振動子単独で又は各振動子を連結して励振
することができ、もって複数種類の周波数の超音波を被
測定体に入射でき、近距離から遠距離まで目的とする検
出感度を実現でき、小さい対象から大きい対象まで精度
よく診断できる超音波探触子および超音波診断方法を提
供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解消するため
に、本発明の超音波探触子は、同一容器内に組込まれ、
被測定体の取付面に直交する方向に積層された複数の振
動子と、この積層された各振動子の両端に取付けられた
電極と、この各電極に送受信する信号を容器外へ導く複
数の信号線とを備えたたものである。

【００１６】また、本発明の超音波診断方法によれば、
被測定体の取付面に直交する方向に積層された複数の振
動子を同一容器内に組込み、各振動子の両端に取付けら
れた電極から容器外にそれぞれ信号線を導出し、この導
出された複数の信号線のうちから一対の信号線の組合せ
を同時または交互に選択していき、選択された一対の信
号線間にパルス信号を印加することによって、前記被測
定体内に複数の異なる周波数を有する超音波を入射させ
て超音波診断するようにしている。

【００１７】

【作用】このように構成された超音波探触子および超音
波診断方法によれば、一つの容器内に複数の振動子が積
層されている。そして、各振動子の両側に取付けられた
電極から信号線が容器外へ導出されている。

【００１８】したがって、積層された複数の探触子のう
ちの最下端に位置する振動子の下面の電極に接続された
信号線と最上端に位置する振動子の上面の電極に接続さ
れた信号線との間にパルス信号を印加すると、積層され
た複数の振動子が１個の振動子と見なして振動する。こ
の場合の振動の周波数は積層された振動子の全部の厚み
を加算した厚みで定まる。

【００１９】逆に、最下端に位置する振動子の下面の電
極に接続された信号線と同じ振動子の上面の電極に接続
された信号線との間にパルス信号を印加すると、この最
下端の振動子のみが振動する。この場合の振動の周波数
は最下端の振動子の厚みで定まる。

【００２０】このように、パルス信号を印加する一対の
信号線間を適宜切換えることによって、１個の超音波探
触子でもって複数種類の周波数を有した超音波を被測定
体に入射させることが可能である。よって、被測定体の
取付面からの距離によって超音波の周波数を使い分ける
ことが可能となり、任意の検出能力（感度）を設定でき
る。

【００２１】

【実施例】以下本発明の一実施例を図面を用いて説明す
る。

【００２２】図１は実施例の超音波探触子および超音波
診断方法を適用した超音波探傷装置を示す概略構成図で
ある。図９と同一部分には同一符号が付してある。した
がって、重複する部分の詳細説明を省略する。

【００２３】この超音波探傷装置は、大きく分けて、鋼
板等の被測定体４に対して超音波２１を送受信する超音
波探触子２２と、この超音波探触子２２の各振動子に対
する信号を切換える信号切換回路２３と、信号切換回路
２３を介して超音波探触子２２にパルス信号を送出する
とともに受信信号を処理する探傷器２４とで構成されて
いる。

【００２４】超音波探触子２２においては、ダンパー材
が充填された容器２５内に、同一構成の２枚の振動子２
６，２７が被測定体４の取付面４ａに直交する方向に積
層されている。各振動子２６，２７の上下面にはそれぞ
れ電極２８ａ，２８ｂ，２９ａ，２９ｂが取付けられて
いる。なお、実際の境界面は各々の振動子の電極で構成
されている。各電極２８ａ，２８ｂ（２９ａ），２９ｂ
から信号線３０ａ，３０ｂ，３０ｃが容器２５に取付ら
れた端子３１を介して信号切換回路２３に接続されてい
る。

【００２５】信号切換回路２３は、図２に示すように、
前記３本の信号線３０ａ，３０ｂ，３０ｃから一対の信
号線を選択する機能を有する。共通アースとなる信号線
３０ａはそのまま探傷器２４の（−）側端子に接続され
、信号線３０ｂ，３０ｃが切換スイッチ２３ａを介して
探傷器２４の（＋）側端子に接続されている。

【００２６】切換スイッチ２３ａは例えばスナップスイ
ッチ，水銀リレー，通常のコイルを利用したリレー，Ｉ
ＣやＳＣＲ等の電子切換回路等で構成されている。そし
て、この切換スイッチ２３ａは探傷器２４内の同期回路
３２によって切換制御される。

【００２７】また、探傷器２４は、パルス発生回路７，
受信回路９，ブラウン管１０，および信号切換回路２３
の切換動作とブラウン管１０の表示内容との同期を取る
同期回路３２とで構成されている。

【００２８】このように構成された超音波探傷装置にお
いて、 （１）　　信号切換回路２３の切換スイッチ２３ａを信
号線３０ｂ側に投入した状態で、探傷器２４内のパルス
発生回路７からパルス信号を出力すると、このパルス信
号は信号切換回路２３を介して信号線３０ａと信号線３
０ｂとを介して、下側の振動子２６の電極２８ａ，２８
ｂに印加される。

【００２９】その結果、下側の振動子２６がこの振動子
２６の厚みで一義的に定まる周波数ｆ１　で振動して、
周波数ｆ１　の超音波２１が被測定体４の厚み方向（垂
直方向）に送出される。被測定体４内を垂直方向に伝播
される超音波２１は例えば被測定体４の反対面（底面）
で反射されて、同一の振動子２６へ入射する。振動子２
６に入射した反射波（エコー）は電気信号に変換されて
受信信号として信号線３０ａ，３０ｂおよび信号回路２
３を介して探傷器２４の受信回路９で受信される。受信
回路９は受信信号を検波して、ブラウン管１０へ送出す
る。 したがって、受信回路９にて検波された受信信号には、
ブラウン管１０に示すように、送信パルス波Ｔと底面で
の反射波Ｂとが含まれる。

【００３０】ここで、被測定体４の内部に欠陥１１が存
在すると、この欠陥１１で超音波２１が反射されるので
、送信パルス波Ｔと底面反射波Ｂとの間に欠陥１１に起
因する欠陥波Ｆが生じる。よって、欠陥の発生位置（発
生深さ）と波形高さ（エコー高さ）で示される規模とを
特定できる。

【００３１】（２）　　次に、信号切換回路２３の切換
スイッチ２３ａを信号線３０ｃ側に投入した状態で、探
傷器２４内のパルス発生回路７からパルス信号を出力す
ると、このパルス信号は信号切換回路２３を介して信号
線３０ａと信号線３０ｃとを介して、下側の振動子２６
の下面の電極２８ａと上側の振動子２７の上面の電極２
９ｂとの間に印加される。

【００３２】この場合、各振動子２６，２７は薄い電極
２８ｂ（２９ａ）を介して積層されているので、２個の
振動子２６，２７が合成された一つの振動子のように動
作する。その結果、各振動子２６，２７の各厚みを加算
した等価的な厚みで一義的に定まる周波数ｆ２　で振動
し、周波数ｆ２　の超音波２１が被測定体４の厚み方向
（垂直方向）に送出される。その結果、周波数ｆ１　の
超音波２１と同様に、ブラウン管１０内に被測定体４内
に存在する欠陥１１に起因する欠陥波Ｆが生じる。

【００３３】同一材料で同一外径に形成された振動子に
おいては、振動子の厚さが厚いほど低い周波数で振動す
る。したがって、２枚の振動子２６，２７を励振した（
２）の組合せ条件の周波数ｆ２　は１枚の振動子２８の
みを励振した（１）の組合せ条件の周波数ｆ１　に比較
して約１／２の周波数となる。

【００３４】よって、同期回路３２でもって信号切換回
路２３の切換スイッチ２３ａを一定周期で切換制御する
ことによって、被測定体４の取付面４ａの同一位置にお
ける厚み方向の浅い表層部分を高い周波数ｆ１　で探傷
することによって、表層部の微細な疵を検出でき、かつ
、厚み方向の深い比較的集中応力の起こりにくい内質部
を低い周波数ｆ２　で探傷することによって、大きな疵
を検出する。

【００３５】また、低い周波数ｆ２　の超音波は厚み方
向の深い位置においても検出感度低下が少ないので、高
い周波数ｆ１　の超音波を用いて検出感度を電気的に増
幅する必要がないので、受信信号のＳ／Ｎを厚み方向の
広い距離範囲に亘って高く維持できる。すなわち、被測
定体４の表面近傍の微細な疵から内質部の大きな疵まで
最良の検出感度で精度よく検出できる。

【００３６】さらに、超音波の周波数が異なる複数の超
音波探触子を用いて取付面４ａ上の同一位置を探傷する
場合に比較して、取付け位置合わせ作業は１回で済むの
で、超音波探触子相互間の位置合わせ誤差を排除でき、
かつ探傷作業能率を大幅に向上できる。

【００３７】なお、振動子の厚みｔと振動周波数ｆとの
関係は、周知のように、λを波長とし、Ｃを音速とし、
Ｋを定数とすれば、λ＝Ｃ／ｆ，ｔ＝λ／２であるので
、下式となる。 ｆ＝２Ｋ／ｔ したがって、必要な周波数ｆから振動子の厚みｔを設計
制作することが可能である。次に、実際の超音波探触子
を用いた実験結果を説明する。

【００３８】図１の振動子２６，２７として、外径Ｄ＝
１０ｍｍ，厚さｔ＝０．４ｍｍ　，規格周波数ｆ＝５．
２ＭＨｚ，材質＝チタン酸鉛の振動子を用いる。また、
実験は水浸法を採用し、水距離は約３０ｍｍである。

【００３９】そして、信号線３０ａと信号線３０ｂとの
間にパルス信号を印加した前述した（１）の組合せ条件
では、受信回路９に入力する受信信号は図３（ａ）とな
り、周波数はｆ１　＝５．１７ＭＨｚである。また、そ
のときの検出感度は６４ｄＢであった。

【００４０】また、信号線３０ａと信号線３０ｃとの間
にパルス信号を印加した（２）の組合せ条件では、受信
信号は図３（ｂ）となり、周波数はｆ２　＝２．１４Ｍ
Ｈｚである。また、そのときの検出感度は５１ｄＢであ
った。

【００４１】このように、信号切換回路２３でもってパ
ルス信号を印加する振動子２６，２７の組合せを変更す
ることによって、同一超音波探触子２２でもって２種類
の周波数ｆ１　，ｆ２　を有する超音波２１でもって探
傷できる。

【００４２】図４は本発明の他の実施例の超音波探触子
および超音波診断方法を適用した超音波探傷装置を示す
概略構成図である。図１の実施例と同一部分には同一符
号を付してある。したがって、重複する部分の詳細説明
を省略する。

【００４３】この実施例においては、同一外径を有した
、厚さｔが互いに異なる２種類の振動子４１，４２を中
間に絶縁材４３を介して積層している。そして、各振動
子４１，４２のそれぞれの下面，上面に取付けられた各
電極４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂから各信号線４４
ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄが容器２５に取付けられた
端子３１を介して信号切換回路４５へ入力されている。

【００４４】図５は信号切換回路４５の回路図である。 この信号切換回路４５は２個の切換スイッチ４５ａ，４
５ｂと１個のスイッチ４５ｃとで構成されている。そし
て、この信号切換回路４５においては、探傷器２４内の
同期回路３２の切換指令にて、各振動子４１，４２に対
して次に示す（３）（４）（５）の３つ組合せ条件を設
定できる。

【００４５】（３）の組合せ条件は、スイッチ４５ｃを
解放して、切換スイッチ４５ａ，４５ｂを信号線４４ａ
，４４ｂ側に投入して、パルス信号を下側の振動子４１
のみに印加する。

【００４６】（４）の組合せ条件は、スイッチ４５ｃを
閉成して、切換スイッチ４５ａを信号線４４ａ側に投入
して、切換スイッチ４５ｂを信号線４４ｄ側に投入する
。そして、パルス信号を積層された振動子４１，４２の
両端に印加する。

【００４７】（５）の組合せ条件は、スイッチ４５ｃを
解放して、切換スイッチ４５ａ，４５ｂを信号線４４ｃ
，４４ｄ側に投入して、パルス信号を上側の振動子４２
のみに印加する。

【００４８】このように絶縁材４３を介して厚さｔの異
なる２種類の振動子４１，４２を積層することによって
、各振動子４１，４２をそれぞれ単独で励振する場合と
、合成して励振する場合とで、前述した（３）〜（５）
に示す３種類の等価的な厚みを確保できる。その結果、
各等価的な厚みｔに対応して、３種類の周波数ｆ３　，
ｆ４　，ｆ５　を実現できる。

【００４９】したがって、図１に示した２種類の周波数
ｆ１　，ｆ２　が得られる装置に比較して、周波数ｆの
選択の自由度が増し、被測定体４の厚み方向の距離を３
つの領域に分割して、各領域に最良の周波数ｆを割当て
ることが可能である。よって、より細かく検出感度調整
を実行できる。次に、実際の超音波探触子を用いた実験
結果を説明する。

【００５０】図４の振動子４１として、外径Ｄ＝１０ｍ
ｍ，厚さｔ＝０．２５ｍｍ，規格周波数ｆ＝１０ＭＨｚ
，材質＝チタン酸鉛の振動子を用いる。また、振動子４
２として、外径Ｄ＝１０ｍｍ，厚さｔ＝１．０ｍｍ　，
規格周波数ｆ＝２ＭＨｚ，材質＝チタン酸鉛の振動子を
用いる。

【００５１】なお、一方の振動子のみを励振した場合に
は、励振された振動子による正規の振動に対して、背面
に存在する他方の振動子が振動して、図８に示すように
、その振動子による干渉現象が生じる。したがって、得
られた受信信号のＳ／Ｎが低下する懸念が生じる。

【００５２】そこで、このような干渉現象を未然に防止
するために、図６に示すように、信号線４４ａ，４４ｂ
に０．１　μＨのインピーダンス整合コイル４６ａを介
挿し、さらに信号線４４ｄに２０μＨのインピーダンス
整合コイル４６ｄを介挿している。

【００５３】そして、信号線４４ａと信号線４４ｂとの
間にパルス信号を印加した前述した（３）の組合せ条件
では、受信回路９に入力する受信信号は図７（ａ）とな
り、周波数はｆ３　＝１０．１７　ＭＨｚである。また
、信号線４４ａと信号線４４ｄとの間にパルス信号を印
加した（４）の組合せ条件では、受信信号は図７（ｂ）
となり、周波数はｆ４　＝１．５４ＭＨｚである。

【００５４】さらに、信号線４４ｃと信号線４４ｄとの
間にパルス信号を印加した（５）の組合せ条件では、受
信信号は図７（ｃ）となり、周波数はｆ５　＝２．０　
ＭＨｚである。

【００５５】このように、信号切換回路４５でもってパ
ルス信号を印加する振動子４１，４２の組合せを変更す
ることによって、同一超音波探触子２１でもって３種類
の周波数ｆ３，ｆ４，ｆ５　を有する超音波２１でもっ
て探傷できる。なお、本発明は上述した実施例に限定さ
れるものではない。

【００５６】信号切換回路２３，４５における前述した
振動子の組合せ条件（１）〜（５）の切換タイミングは
同期回路３２によって一定周期で切換る交互励振の方式
を採用したが、例えば、信号切換回路２３，４５の回路
構成を変更して、前述した複数の組合せ条件による励磁
を同時に実施する同時励振の方式を採用してもよい。す
なわち、種々の組合せおよび励振条件のうちから最適な
条件を選択して、信号処理を実施することによって、探
傷処理における最良のＳ／Ｎを実現できる。また、容器
内に積層する各振動子の仕様は同一である必要はなく、
外径，材質等を所望の周波数を得るために任意に組合せ
ることが可能である。

【００５７】さらに、各振動子の材質もチタン酸鉛どう
しに限定されるものではなく、亜鉛酸鉛どうしであって
もよい。さらに、チタン酸鉛と亜鉛酸鉛との組合わせで
あってもよい。

【００５８】さらに、実施例においては、超音波診断方
法を超音波探傷装置に適用した場合について説明したが
、例えば、超音波を用いた医療診断や材質検査や複合材
の構造検査にも適用することは勿論可能である。

【００５９】

【発明の効果】以上説明したように本発明の超音波探触
子によれば、同一容器内に複数の振動子を積層し、かつ
各振動子の両側の電極からそれぞれ信号線を容器外へ導
出している。したがって、パルス信号を印加する信号線
を選択することによって、各振動子単独で又は各振動子
を連結して励振することができ、もって複数種類の周波
数の超音波を被測定体に入射できる。

【００６０】また、超音波診断方法においては、上述し
た超音波探傷探触子を用いることによって、超音波の周
波数を選択できるので、被測定体における取付面の近距
離から遠距離まで広い範囲に亘って目的とする検出感度
に設定でき、小さい対象から大きい対象まで精度よく診
断できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　本発明の一実施例の超音波探触子および超
音波診断方法を用いた超音波探傷装置の概略構成図、

【
図２】　　同実施例装置の信号切換回路を示す回路図、

【図３】　　同実施例装置における受信信号波形図、

【
図４】　　本発明の他の実施例の超音波探触子および超
音波診断方法を用いた超音波探傷装置の概略構成図、

【
図５】　　同実施例装置の信号切換回路を示す回路図、

【図６】　　同信号切換回路にインピータンス整合コイ
ルを付加した回路図、

【図７】　　同実施例装置における受信信号波形図、

【
図８】　　同実施例装置におけるインピータンス整合コ
イルを除去した場合の受信信号波形図、

【図９】　　従
来の超音波探傷装置の概略構成図、

【図１０】　　同従
来装置における検出感度特性図。

【符号の説明】

４…被測定体、７…パルス発生回路、９…受信回路、１
０…ブラウン管、２１…超音波、２２…超音波探触子、
２３，４５…信号切換回路、２４…探傷器、２５…容器
、２６，２７，４１，４２…振動子、３０ａ，３０ｂ，
３０ｃ，４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄ…信号線、３
１…端子、３２…同期回路。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　同一容器内に組込まれ、被測定体の取
   付面に直交する方向に積層された複数の振動子と、この
   積層された各振動子の両端に取付けられた電極と、この
   各電極に送受信する信号を容器外へ導く複数の信号線と
   を備えた超音波探触子。
2. 【請求項２】　　被測定体の取付面に直交する方向に積
   層された複数の振動子を同一容器内に組込み、各振動子
   の両端に取付けられた電極から容器外にそれぞれ信号線
   を導出し、この導出された複数の信号線のうちから一対
   の信号線の組合せを同時または交互に選択していき、選
   択された一対の信号線間にパルス信号を印加することに
   よって、前記被測定体内に複数の異なる周波数を有する
   超音波を入射させて超音波診断する超音波診断方法。