WO1999013327A1

WO1999013327A1 - Focusing longitudinal wave ultrasonic probe for inspecting polymer material and ultrasonic defect evaluation system

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Publication number: WO1999013327A1
Application number: PCT/JP1998/003962
Authority: WO
Inventors: Toshimichi Kitaoka; Fumio Inoue; Hiroki Toda
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 1997-09-08
Filing date: 1998-09-03
Publication date: 1999-03-18
Anticipated expiration: 2000-03-08
Also published as: EP1014085A1; JP3747266B2

Description

明細書ポリマー材料検査用フォーカス型縦波超音波探触子及び

超音波欠陥評価装置技術分野

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及び超音波欠陥評価装置に関する。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 Z 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、架橘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イン樹脂製（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ォ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极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ツ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ツ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ツ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。

さらに本発明のもう 1つの課題は、前述したようなポリマ一管の接合箇所の超音波探傷に用いられる超音波探傷装置のための欠陥評価装置の改善である。つまり、従来より超音波探傷装置において被検査物中に存在する欠陥を評価するために、表面エコーや底面エコーなどの被検査物の形状に起因するエコーが生じる時間軸領域を除外した領域にゲ一トをかけることにより欠陥からのエコーだけを選別できるように構成されている。つまり、欠陥検出用ゲ一卜は、超音波探触子によって被検査物を走査する際超音波探触子の位置に応じた幾何学的な計算によって、探傷範囲を満足するようにその位置や幅が決められるが、その際、ゲート回路は、被検査物の表面エコーに同時させてこれを基準にして欠陥検出用ゲ一トを設定する表面エコー同期ゲートモ一ドゃ、超音波を励起するパルスを同期信号を基準として欠陥検出用ゲー卜を設定する励起パルス同期ゲートモ一ドを採用することで、常に被検査物内から戻ってきたエコーを欠陥エコーとして評価する。このような超音波探傷装置のための欠陥評価装置では、被検査物内部に欠陥ではない反射源が存在する場合、この反射源からのエコーを欠陥エコーから除外するため、この反射源の超音波伝播時間領域を欠陥ゲートから外すことになるが、その場合、この反射源と同じ超音波伝播時間領域に存在する欠陥を検出することができなくなる。

要するに、ここでの本発明のもう 1つの課題とは、超音波探傷装置によつて検査される被検査物内に欠陥でない反射源が存在する場合においても所望の探傷範囲をカバーする欠陥評価装置を提供することである。発明の開示

ポリマ一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、前記マツチング材の音響ィンピーダンスが前記被検査物の音響ィンピーダンスに適合させられ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ィンピ一ダンスとを適合させることにより、マツ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、つまりマツ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。

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、前記マツチング材の音響ィンピーダンスが前記湾曲状圧電素子の音響ィンピーダンスに適合させられ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ィンピ一ダンスに適合させることにより、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 Z N比に優れた欠陥検出信号が得られる。

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、つまりマツチング材の音響ィンピーダンスが被検査物の音響ィンピーダンスに適合させられ、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ィンピーダンスに適合させられ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ィ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ィンピーダンスにマツチング材の音響ィンピ一ダンスを合わすより、より小さな音響ィ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ツ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ィンピーダンスはポリマー圧電素子の音響ィ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ィンピ一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倍程度の音響ィ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、この程度の音響ィンピ一ダンスの相違は本発明でのマツチング材の音響ィ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 1 0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ィンピ —ダンスに適合する値から前記被検査物の音響ィンピーダンスに適合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、マツ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、マツ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、ポリマ一材料に音響ィンピ一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、マツ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ボイン卜で焦点を結ぶように設定することが望ましい。しカゝし、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つているので、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。

しかしながら、このような問題は、本発明の好適な実施形態としての、マツチング材は第 1マッチング材と第 2マッチング材とに分割され、第 1マツチング材は一方の端面が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、第 2マッチング材は一方の端面が出力端面として形成されるとともに他方の端面が第 1移行端面に密着可能な第 2移行端面として形成され、第 1移行端面の音響インピーダンスは第 2移行端面の音響ィンピーダンスに適合させられていることを特徴とする縦波超音波探触子によって解消される。

湾曲状圧電素子と被検査物との間をつなぐマツチング材を第 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オ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マツチング材の界面領域の音饗ィンピ一ダンスを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ィ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、両者の音響ィ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マツチング材だけが異なる探触子を用意するだけでよい。

本発明の好適な実施形態として、第 2マツチング材を第 1マツ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プ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 E F (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マツチング材はポリオレフイ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、ポリオレフイ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。超音波探傷装置のための欠陥評価装置に関する本発明の課題は、本発明によれば、被検査物内の所定反射源からのエコーのための第 1ゲートを生成する第 1ゲート回路と、前記第 1エコーから所定時間遅れの位置に欠陥検出用の第 2ゲートを生成する第 2ゲー卜回路と、前記第 1エコーの振幅が所定レベルを越えた場合欠陥検出と判定する第 1評価回路と、前記第 2ゲートに発生したエコーが生じた場合欠陥検出と判定する第 2評価回路とが備えられている欠陥評価装置によって解決される。

この構成では、欠陥ではない反射源から生じるエコーの超音波伝播時間領域に第 1ゲートを設定し、その他の探傷領域には第 2ゲートを設定し、第 1 ゲー卜に生じるエコーに対しては欠陥ではない反射源から通常生じるエコーの強度を越えるレベルの信号のみを欠陥として評価し、第 2ゲートに生じるエコーは欠陥として評価する。これにより、欠陥でない反射源が存在する領域も含めて所望の探傷範囲をカバーすることができる。

さらに、前記第 2ゲ一ト回路は前記第 1エコーと前記第 2ゲー卜の時間間隔を前記被検査物中の音速の変化に追従して変更することを特徴とする本発明の好適な 1つの実施形態によって得られる利点は、前述した表面エコー同期ゲートモ一ドゃ励起パルス同期ゲートモ一ドでゲ一トを生成する場合の被検査物内の音速が一定であるという絶対条件が必要でなくなるということである。熱によって音速は大きく変化する材料等の溶融接合などの熱加工後の探傷において、このことは大きな利点をもつ。音速変化に応じてゲートスタ一トとゲ一ト幅の時間を変更することにより、被検査物中の所望の領域に正確に対応するようにゲートを発生させることができるのである。この目的のため、第 1ゲート回路は表面エコーと第 1ゲ一卜の時間間隔を被検査物中の音速の変化に追従して変更するように構成され、第 2ゲート回路は第 1ェコ一と第 2ゲー卜の時間間隔を被検査物中の音速の変化に追従して変更するように構成される。

このようなゲー卜の音速変化の追従には、その時点での音速を把握しなければならないが、本発明の好適な実施形態では、被検査物内の 2つの所定反射源からのエコー、例えば表面エコーや底面エコーなどの時間間隔の計測によって被検査物中の音速の変化を求めている。本発明による欠陥評価装置を備えた超音波探傷装置の典型的な使用例として、ポリオレフィン樹脂管 E F (熱融着）継手融着部の超音波検査を取り上げると、この検査では軸方向に螺旋状に巻かれた融着用ワイヤ一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、検査するわけであり、第 1 ゲートをワイヤー領域に、そして第 2ゲートを融着面領域に設定するとともに、所定反射源からのエコーとして、ワイヤ一からのエコーと管内面からのエコーを利用するとよい。図面の簡単な説明

図 1は、ポリエチレン管 E F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ボ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ェチレン管 E F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 E F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 E F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プロック図、

図 8は、第 1ゲー卜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ゲー卜で検出された欠陥エコーを示すモニター画面、図 1 0は、溶着直後のゲート設定の模式図、

図 1 1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 E F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 E F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ヮィヤー 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 E F継手 3の内壁面 3 b とポリエチレン管 2の外壁面 2 a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 E F継手 3の内壁面 3 b とポリエチレン管 2の外壁面 2 a 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 E F継手 3の外壁面 3 a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、ダンパ一材 1 3によって裏打ちされた湾曲状圧電素子 1 1 と、圧電素子 1 1の前面、つまり凹曲面に密着されているマッチング材 1 2 と、これらの一体物を内装している力ップ状の本体ケース 1 4を備えている。圧電素子 1 1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、ポリジフルォロェチレン（ポリフッ化ビニリデン： P VD F)、 P (VD F— T r F E) (フッ化ビニリデンと 3フッ化工チレンの共重合体）、 P (VD F -T e F E) (フッ化ビニリデンと 4 フッ化工チレンの共重合体）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ツチング材 1 2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 1 5 を介して本体ケース 1 4に設けられたコネクター 1 6に接続されている。このコネクター 1 6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一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 1 2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 1 1 とは反対側の面は、ポリエチレン管 E F継手 3の外壁面 3 aにぴつたりと合うように凹面に加工されている。これによりマツチング材 1 2と外壁面 3 a との間に力ップリング剤 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 1 2の長さを変更することによつ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 1 1 の音響ィンピ一ダンスは 2. I X

1 0⁶ k g / s · πι²であり、ポリエチレン製のマツチング材 1 2の音響ィンピーダンスは 4. 5 X 1 0⁶ k g / s ' m²であり、 3 0 X

1 0⁶ k g / s . m²以上の金属酸化物圧電素子の音響インピ一ダンスを考えると、ポリマー製圧電素子 1 1 とマッチング材 1 2の音響ィ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. 3 4 mm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 E F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 E F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、ワイヤ一 4からのエコーが、ここでは伝播時間 1 6 μ sec の位置付近に高くなつたり低くなつたりしながら生じ、人工欠陥（接合不良個所）のエコーは伝播時間 1 8 /i sec 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ャ一 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つて（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 E F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 E F継手 3に対しては 1 7 μ sec から 2 0 μ sec 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、 7 μ secから 2 7 μ sec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 1 2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 1 2 との材料が異なりその音響ィンピーダンスが大きく異なる場合、マッチング材 1 2 として、その音響インピーダンスがポリマー圧電素子 1 1 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ィ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。音響ィ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、ポリマ一材料に音響ィ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 1 0 と、このメインボディ 1 0に選択的に取り替え可能に連結されるサブボディ 2 0 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 2 0を取り外し可能に取り付けた構成であり、マッチング材 1 2がここでは、メインボディ 1 0に内装される第 1部材 1 2 と、サブボディ 2 0に内装される第 2部材 2 1 とに分割されているのである。

メィンボディ 1 0は、ダンパ一材 1 3によって裏打ちされた湾曲状圧電素子 1 1 と、圧電素子 1 1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 1 2 と、これらの一体物を内装している力ップ状の本体ケース 1 4を備えている。圧電素子 1 1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 1 5を介して本体ケース 1 4に設けられたコネクタ一 1 6に接続されている。第 1部材 1 2は、ここでも被検査物と同じ材料であるポリェチレンから作られており、圧電素子 1 1 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 1 4の端面からわずかに突出させている。

サブボディ 2 0は、第 2部材 2 1 とこの第 2部材 2 1 を外嵌しているサブケース 2 2 とを備えている。第 2部材 2 1 も第 1部材 1 2 と同じポリェチレンから作られており、第 1部材 1 2 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 E F継手 3の外壁面 3 aにぴつたりと合うように凹面に加工されている。サブケース 2 2の内壁面に設けられた雌ねじ部 2 2 aは本体ケース 1 4の外壁面に設けられた雄ねじ部

1 4 aに螺合することにより、本体ケース 1 4 とサブケース 2 2は一体化され、第 1部材 1 2 と第 2部材 2 1 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力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 1 4にサブケース 2 2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 2 0の第 2部材 2 1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マツチング材 1 2の軸方向長さ： L 1 は一定であり、第 2マッチング材 2 1 の軸方向長さ： L 2 は選択するサブボディ 2 (おによって異なり、圧電素子 1 1 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マツチング材 2 1 の長さ： L 2 を有するサブボディ 2 0を選択することにより、ポリエチレン管 E F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 2 0の選択の際には、第 2部材 2 1の被検査物側の面の形状がポリエチレン管 E F継手 3の外壁面 3 a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 2 1 と外壁面 3 a 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 2 0を装着したフォ一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 1 2 と第 2部材 2 1力フォーカス距離のマツ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ィ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 1 1 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 1 1 とマッチング材と被検査物 3の音響ィ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 1 1 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一カスタイプであつたが、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 5 0を備えた超音波探傷装置 1 0 0のブロック図である。超音波探傷装置 1 0 0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 E F (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 E F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 E F継手 3の内壁面 3 b とポリェチレン管 2の外壁面 2 a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、泥水などがポリェチレン管 E F継手 3の内壁面 3 b とポリェチレン管 2の外壁面 2 a 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 E F継手 3の外壁面 3 a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からのェコ一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 3 b と外壁面 2 a 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一 4の周辺に生じた空隙 5 a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 5 0は、第 1ゲート回路 5 1 と第 2ゲート回路 5 2、そして第 1評価回路 5 3 と第 2評価回路 5 4、さらに被検査物であるポリエチレン管 E F継手 3 の音速を評価する音速評価回路 5 5を備えている。図 7からよく理解できるように、第 1ゲ一ト回路 5 1で生成された第 1ゲート 3 1 と、第 2ゲート回路 5 2で生成された第 2ゲ一卜 3 2は画像表示部 5 6によって場合よつて生じるエコーとともにモニタ一 5 7に表示される。融着用ワイヤー 4からのェコ一と空隙 5 aからのエコーは第 1ゲート 3 1 に、未融着部 5からのエコーは第 2ゲート 3 2に検出される。

第 1ゲート 3 1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 5 3に送られ、前設定されたしきい値と比較され、内壁面 3 b と外壁面 2 a 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 5 a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 3 2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 5 4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 3 1によって検出された欠陥エコーを示すモニタ一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 3 2によって検出された欠陥エコーを示すモユタ一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、ゲ一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 E F 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 5 0のゲー卜設定動作を説明する。超音波探触子 1がポリエチレン管 E F継手 3の外壁面 3 aを走査して、超音波を入射すると、外壁面 3 aから距離： D 1 離れた位置にある融着用ワイヤ一 4からのエコーが表面エコーから時間： t 1 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： t l 一 αから t l + αまでの 2 αの時間幅を有する第 1ゲート 3 1 を設定し、さらに、融着用ワイヤ一 4から距離： D 2 離れた位置に、ポリエチレン管 E F継手 3の内壁面 3 b とポリェチレン管 2の外壁面 2 a との間の未融着欠陥領域があるので、時間： t 1 + t 2— ]3から t 1 + t 2 + βまでの 2 βの時間幅を有する第 2ゲート 3 2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。これらのゲ一ト設定の様子は図 1 0に模式的に示されている。

同時に、音速評価回路 5 2は、ポリエチレン管 E F継手 3の外壁面 3 aから反射されてくる表面エコー及びポリエチレン管 2の內壁面 2 b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： t 3 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 E F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 3 1 と第 2ゲート 3 2の様子は図 1 1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 E F継手 3の場合、融着直後の温度におけるワイヤェコ一は通常の温度におけるワイヤエコーに比べ、約 5 /Z s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 3 1 と第 2ゲート 3 2が最初に設定された時点の音速（ここでは図 1 0に示された表面エコーと底面エコーとの時間間隔： t 3 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：

( t 3 - T 3 ) / t 3 に応じて第 1ゲート 3 1 と第 2ゲート 3 2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： T 1 と T 2 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 3 1 、 3 2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： 2 α と 2 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、ボリエチレン管 2を突き合わせ接合するポリエチレン管 E F (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一 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力；、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レ、。例えば、ワイヤ一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一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ゲ一ト 3 2の位置と必要の場合ゲート幅をさらに補正してもよレ、。

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 E F (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ォ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 Z N比をもった検出信号しか得られないポリォ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。

Claims

請求の範囲

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一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、

前記マツチング材の音響ィンピ一ダンスが前記被検査物の音響ィンビーダンスに適合させられ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。

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ボリ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、

前記マツチング材の音響ィンピーダンスが前記湾曲状圧電素子の音響ィンピーダンスに適合させられていることを特徴とするポリマ一材料検査用フォ —カス型縦波超音波探触子。

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適合させられており、かつ

前記マツチング材の音響ィンピ一ダンスは前記湾曲状圧電素子の音響ィンピーダンスに適合させられていることを特徴とする請求項 1に記載のポリマ —材料検査用フォーカス型縦波超音波探触子。

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。

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適合する値から前記被検査物の音響ィンピーダンスに適合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材料検査用フォーカス型縦波超音波探触子。

6 . 前記マツチング材は第 1マッチング材と第 2マツチング材とに分割されており、前記第 1マツ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マツ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移行端面の音響ィンピーダンスは前記第 2移行端面の音響ィンピーダンスに適合させられてい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。

7 . 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 6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。

8 . 被検査物としてのポリマ一材料に超音波を送信して、そこから戻ってくるエコーを受信する超音波探傷装置のための欠陥評価装置において、前記被検査物内の所定反射源からのエコーのための第 1 ゲートを生成する第 1 ゲート回路と、前記第 1エコーから所定時間遅れの位置に欠陥検出用の第 2ゲー卜を生成する第 2ゲート回路と、前記第 1エコーの振幅が所定レべルを越えた場合欠陥検出と判定する第 1評価回路と、前記第 2ゲー卜に発生したエコーが生じた場合欠陥検出と判定する第 2評価回路とが備えられていることを特徴とする超音波探傷装置のための欠陥評価装置。

9 . 前記第 2ゲー卜回路は前記第 1エコーと前記第 2ゲートの時間間隔を前記被検査物中の音速の変化に追従して変更することを特徴とする請求項 8 に記載の欠陥評価装置。

1 0 . 前記第 1 ゲート回路は表面エコーと前記第 1ゲートの時間間隔を前記被検査物中の音速の変化に追従して変更することを特徴とする請求項 8に記載の超音波探傷装置のための欠陥評価装置。

1 1 . 前記被検査物中の音速の変化が前記被検査物内の 2つの所定反射源からのエコーの時間間隔の計測によって求められることを特徴とする請求項 9 又は 1 0に記載の超音波探傷装置のための欠陥評価装置。