JP2009276085A - 曲面に追随する超音波探傷装置 - Google Patents

Abstract

【課題】曲面形状を有する検査対象物の形状に合わせて配置し、精度の良い探傷が可能な超音波探傷装置を提供する。
【解決手段】複数の圧電振動子１が配列され、曲面形状に変形可能なアレイ圧電振動子５と、該アレイ圧電振動子から超音波を発振させる前記圧電振動子を選択する駆動素子選択部と、該駆動素子選択部で選択された圧電振動子から発振される超音波を送受信し、その電気信号を検出する信号検出部と、前記アレイ圧電振動子に応力を加えて所望の曲面形状に変形させる変形調整手段（リニアアクチュエータ７）を備える。圧電振動子を検査対象物の表面形状に沿った形状に容易に調整することが可能になる。これにより、個々の圧電振動子が検査対象物の探傷面と略平行になることで、圧電振動子から発信された超音波が検査対象物の探傷面に対し略垂直に入射することが可能になる。
【選択図】図３

Description

この発明は、検査対象物の内部構造、内部欠陥の状態、探傷面や裏面の凹凸状況を超音波を用いて非破壊検査する超音波検査技術において、特に、曲面形状を有する検査対象部位の欠陥や減肉の状態を可視化し、検査することが可能な曲面に追随する超音波探傷装置に関するものである。

超音波探傷装置として圧電振動子をアレイ型に配列した探触子が知られており、精度の良い超音波探傷を可能にしている。従来のアレイ探傷用探触子では固定した構造において平面又は曲面に振動子を配列した構造を有している。このため、検査対象物の表面が曲面形状を有する場合には、平面に振動子を配列した超音波探触子の構造では曲面形状に密着状態で接触させることができず、検査が困難であった。これを回避する方法として平面配列の探触子と検査対象物の間にアクリル等の遅延材を入れ、遅延材表面を曲率形状に合わせて探傷する方法があるが、この場合でも曲面に対し垂直に超音波を入射可能な部分のみの探傷が可能で、超音波が曲面に対し角度を持って入射する部分では超音波が屈曲し所定の方向への入射が因難である。また、曲面に合わせて配列したアレイ探触子の場合は、曲率毎にアレイ探触子を製作する必要があることと、曲面の曲率が連続的に変化する部位に於いては数度にわけ探触子を交換して探傷する必要があるなどの問題がある。

これに対し、複数の圧電振動子を配列したアレイ圧電振動子を変形可能な柔軟性を有するものとし、これを検査対象物の表面形状に沿うように変形させて配置することで曲面形状を有する検査対象物への設置を可能とした探傷装置が提案されている（特許文献１参照）。
特開特開２００７−１９２６４９号公報

しかし、上記のように柔軟性を有するアレイ圧電振動子も、検査対象物や、これに重ねた遅延材に接して沿わせることでアレイ圧電振動子の形状を変化させているため、検査対象物と超音波探傷装置との間に水などの液体を介在させた超音波探傷では、検査対象物や遅延材に重ねてアレイ圧電振動子の変形を行うことができない。一旦、検査対象物にアレイ圧電振動子を重ねて変形を行った後、これを移動させて水などを介在させることも可能であるが、移動時に形状を保持することが難しく、また、アレイ圧電振動子の正確な移動も困難であり、現実的ではない。

この発明は上記のような従来のものの課題を解決するためになされたもので、曲面形状に対応しアレイ圧電振動子の曲率を部分的にも可変調整可能とすることで、検査対象物の曲面形状に追随することを容易にしたアレイ圧電振動子を備える曲面に追随する超音波探傷装置を提供することを目的としている。

すなわち、本発明の曲面に追随する超音波探傷装置のうち、第１の本発明は、複数の圧電振動子が配列され、曲面形状に変形可能なアレイ圧電振動子と、該アレイ圧電振動子から超音波を発振させる前記圧電振動子を選択する駆動素子選択部と、該駆動素子選択部で選択された圧電振動子から発振される超音波を送受信し、その電気信号を検出する信号検出部と、前記アレイ圧電振動子に応力を加えて所望の曲面形状に変形させる変形調整手段とを備えることを特徴とするる。

第２の本発明の曲面に追随する超音波探傷装置は、前記第１の本発明において、前記変形調整手段は、前記圧電素子の配列方向に沿って配置された複数の変形調整部を備えており、該複数の変形調整部は、独立して前記アレイ圧電振動子に所望の応力付加が可能であることを特徴とする。

第３の本発明の曲面に追随する超音波探傷装置は、前記第１または第２の本発明において、前記信号検出部で検出された超音波反射波の電気信号を演算処理により画像化して、表示する表示処理装置を備えることを特徴とする。

第４の本発明の曲面に追随する超音波探傷装置は、前記第１〜第３の本発明のいずれかにおいて、前記アレイ圧電振動子は、柔軟性を有する基板に複数の圧電振動子が直線状に配列され、該圧電振動子が両面側から変形可能な弾力性のある材料で保持されていることを特徴とする。

第５の本発明の曲面に追随する超音波探傷装置は、前記第１〜第４の本発明のいずれかにおいて、前記変形調整手段は、前記アレイ圧電振動子面方向において複数の位置で固定され、該アレイ圧電振動子の面方向と交差する方向において独立して固定位置の変更が可能な複数のジグ又はリニアアクチュエータを有することを特徴とする。

第６の本発明の曲面に追随する超音波探傷装置は、前記第１〜第５の本発明のいずれかにおいて、前記アレイ圧電振動子は、液体を介して検査対象物の検査面側に配置して表面超音波を検査対象物に送受信するものであることを特徴とする。

第７の本発明の曲面に追随する超音波探傷装置は、前記第１〜第６の本発明のいずれかにおいて、前記各圧電振動子で発信された超音波による反射波を受信して、前記圧電素子と検査物表面との距離を算出し、該算出結果に基づいて前記変形調整手段を制御して、前記アレイ圧電振動子を前記検査物表面に沿った形状に変形させる制御を行うことを特徴とする。

すなわち、本発明によれば、複数の圧電振動子が配列され、曲面形状に変形可能なアレイ圧電振動子と、該アレイ圧電振動子から超音波を発振させる前記圧電振動子を選択する駆動素子選択部と、該駆動素子選択部で選択された圧電振動子から発振される超音波を送受信し、その電気信号を検出する信号検出部と、前記アレイ圧電振動子に応力を加えて所望の曲面形状に変形させる変形調整手段とを備えるので、各圧電素子から超音波を送信して、検査対象物からの反射波を信号検出部で検出することができ、高精度な超音波探傷を行うことができるとともに、前記検出結果に基づいて各圧電振動子と検査対象物表面との距離を測定することができ、該測定結果に基づいて変形調整手段によってアレイ圧電振動子を変形させることで、該圧電振動子を検査対象物の表面形状に沿った形状に容易に調整することが可能になる。これにより、個々の圧電振動子が検査対象物の探傷面と略平行になることで、圧電振動子から発信された超音波が検査対象物の探傷面に対し略垂直に入射することが可能になり、測定精度を一層高めることができる。

以下に、本発明の曲面に追随する超音波探傷装置の一実施形態を添付図面に基づいて説明する。
柔軟性を有するポリマー圧電フィルム材や柔軟性を有する基板に貼り付けたコンポジット材等からなる圧電振動子１を直線状に配置してガラスエポキシ基板２に貼り付け固定する。
上記ガラスエポキシ基板２は厚さによって柔軟性は変わるが、適切な厚さを選択すると必要な曲率までの変形が可能である。ガラスエポキシを薄くしすぎると個々の圧電振動子１の剛性により屈曲が一様ではなくなり、ガラスエポキシの曲率と個々の圧電振動子１の向きが異なることが発生する。

このガラスエポキシ基板２の端部分を剛性のある鋼材などで軽く挟み、鋼材に曲がるように力を加えたとき、その力に応じてサンドイッチ構造で曲がる様に保持する。すなわち、その各圧電振動子を両側から変形可能な弾力性のある鋼板またはプラスチック板３、４にて挟んでアレイ圧電振動子５とする。前記鋼板またはプラスチック板３、４の一方には、圧電素子１からの超音波の送受信を行うために窓（図示しない）を設け、他方には圧電素子の信号線の取り出しのための窓（図示しない）を設ける。このとき、鋼板またはプラスチック板３、４側のガラスエポキシ面には音響吸収としてゴムやシリコンゴムの貼り付けを行う場合もある。

上記アレイ圧電振動子５には取付孔５ａを設け、該取付孔５ａを通して圧電振動子１を挟むように固定部６、６によりリニアアクチュエータ７、７が固定されている。リニアアクチュエータ７は、伝導モータなどによって伸縮が可能であり、本発明の変形調整手段に相当する。なお、曲面に合わせた変形時におけるガラスエポキシ基板２と鋼板またはプラスチック板３、４との保持位置のずれを吸収するため取付孔５ａを長穴とする。ガラスエポキシ基板２と鋼板またはプラスチック板３、４とのサンドイヅチ構造はリニアアクチュエータ７の固定部６、６が上下しても追随できる程度に弱く保持されている。

上記リニアアクチュエータ７は、アレイ圧電振動子５の配列方向に沿って、所定間隔で配置されてその固定部６、６によって圧電振動子１に固定されている。通常はアレイ圧電振動子５の配列方向中心を固定し、両側の２点又は４点をリニアアクチュエータ７で固定し、アレイ圧電振動子５の面方向と交差する方向で移動調整することで、曲率に合わせたアレイ圧電振動子５の曲面が得られる。
なお、固定部６は、アレイ圧電振動子５の曲面変形に対応できるようにアレイ圧電振動子５側の面が凸曲面（略半球面）で構成されており、アレイ圧電振動子５の変形によってもアレイ圧電振動子５と固定部６との隙間量が変化しないようにされている。

上記アレイ圧電振動子５では、図２（リニアアクチュエータ７の図示を省略）に示すように、各圧電振動子１に、駆動素子選択部１１が電気的に接続されており、該駆動素子選択部１１に、信号発生部１０で発生させた超音波発生用信号が入力される。駆動素子選択部１１は、スイッチング回路などにより構成され、所望の圧電振動子１に対し信号を加えて超音波発信をさせることができる。また、各圧電振動子１では、受信した超音波信号が信号検出部に相当する信号検出回路１２に出力され、該信号検出回路１２には、前記駆動素子選択部からの出力信号が前記圧電振動子１とともに入力されている。これにより動作している圧電振動子５の確定および出力同期がなされる。信号検出回路１２で検出された信号は信号処理部１３に出力され、増幅部１３ａで増幅された後、Ａ／Ｄ変換部１３ｂでデジタル変換される。該信号処理部１３には、表示部１４が接続されており、該表示部１４では、信号処理部１３で得られた信号に基づいて画像を表示することができる。また、信号処理部１３には、各リニアアクチュエータ７の電気モータなどを個別に制御可能な制御部１５が接続されている。制御部１５は、ＣＰＵとこれを動作させるプログラムを主として構成することができる。

次に、上記超音波探傷装置の使用状態を図２、図３に基づいて説明する。
アレイ圧電振動子５は、望ましくは、検査対象物２０の表面形状に合わせて粗変形させておく。
この使用状態では、超音波探傷には水浸法又は局部水浸法が用いられ、検査対象物２０とアレイ圧電振動子５との間には水が介在されている。
探傷に際しては、アレイ圧電振動子５に対し、超音波を発振させる圧電振動子１を選択する駆動素子選択部１１から圧電素子１へ高電圧パルスを送信する。駆動素子選択部１１に選択され、高電圧パルスを受けた圧電振動子１から超音波が発振される。庄電振動子１から発信された超音波は水を介し検査対象物２０の表面、裏面及び内部欠陥で反射し、再び圧電振動子１で受信される。受信された超音波は、その電気信号を検出する信号検出回路１２と、検出されたエコーの電気信号を増幅しデジタル変換する信号処理部１３にて数値化され、表示部１４の演算処理により、画像化し表示する。したがって表示部１４は本発明の表示処理装置に相当する。

また、探傷に先立って、各圧電素子５で受信した信号が信号処理された後、制御部１５に出力される。制御部では、受信信号に基づいて、各圧電素子５と検査物２０の探傷面２０ａとの距離を算出することができる。すなわち、アレイ圧電振動子５で発信した超音波は水などの液体２１を介して伝搬し、検査対象物の探傷面２０ａで反射し、一部が検査物２０に入射する。このときの、探傷面２０ａの反射波の受信時間は液体２１の音速と液体の厚さによって定まる。この液体の音速を予め測定しておくことで液体の厚さは反射波の受信時間から求まることから、それぞれのアレイ圧電振動子で受信される探傷面２０ａでの反射波の時間がほぼ一定となるよう制御することで、アレイ圧電振動子５は検査対象物２０の表面形状に合うことになる。

制御部１５では、算出結果に基づいて、図３に示すように、各圧電素子５と検査物２０の探傷面２０ａとの距離を調整するように各リニアアクチュエータ７の伸縮制御を行う。この結果、アレイ圧電振動子は、各固定部６によって位置が調整され、探傷面２０ａの曲率形状に合わせて変形される。このとき、アレイ圧電振動子５の個々の振動子１と探傷面２０ａとの間隔は全て一定でなくとも良い。距離の変動は、表示部１４での入力を可能にしておくことで表示部１４を通して入力が可能であり、該入力結果は制御部１５に出力されてリニアアクチュエータ７の調整がなされる。個々の圧電振動子１と探傷面２０ａとの平行度は２度以内であれば探傷結果に殆ど影響しない。
この結果、個々の圧電振動子が検査対象物２０の探傷面２０ａと略平行になり、圧電振動子１から発信された超音波が検査材対象物２０に対し略垂直に入射することが可能になり、探傷精度が向上する。

本発明の一実施形態のアレイ圧電振動子を示す平面図および断面図である。 同じく、超音波探傷装置を検査対象物に配置した状態を示す図である。 同じく、超音波探傷装置を検査対象物に配置した状態を示す図である。

符号の説明

１ 圧電振動子
２ ガラスエポキシ基板
３ 鋼板またはプラスチック板
４ 鋼板またはプラスチック板
５ アレイ圧電振動子
７ リニアアクチュエータ
１０ 信号発生部
１１ 駆動信号選択部
１２ 信号検出回路
１３ 信号処理部
１４ 表示部
１５ 制御部
２０ 検査対象物
２０ａ 探傷面

Claims (7)

1. 複数の圧電振動子が配列され、曲面形状に変形可能なアレイ圧電振動子と、該アレイ圧電振動子から超音波を発振させる前記圧電振動子を選択する駆動素子選択部と、該駆動素子選択部で選択された圧電振動子から発振される超音波を送受信し、その電気信号を検出する信号検出部と、前記アレイ圧電振動子に応力を加えて所望の曲面形状に変形させる変形調整手段とを備えることを特徴とする曲面に追随する超音波探傷装置。
2. 前記変形調整手段は、前記圧電素子の配列方向に沿って配置された複数の変形調整部を備えており、該複数の変形調整部は、独立して前記アレイ圧電振動子に所望の応力付加が可能であることを特徴とする請求項１記載の曲面に追随する超音波探傷装置。
3. 前記信号検出部で検出された超音波反射波の電気信号を演算処理により画像化して、表示する表示処理装置を備えることを特徴とする請求項１または２記載の超音波検査装置。
4. 前記アレイ圧電振動子は、柔軟性を有する基板に複数の圧電振動子が直線状に配列され、該圧電振動子が両面側から変形可能な弾力性のある材料で保持されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の曲面に追随する超音波探傷装置。
5. 前記変形調整手段は、前記アレイ圧電振動子面方向において複数の位置で固定され、該アレイ圧電振動子の面方向と交差する方向において独立して固定位置の変更が可能な複数のジグ又はリニアアクチュエータを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の曲面に追随する超音波探傷装置。
6. 前記アレイ圧電振動子は、液体を介して検査対象物の検査面側に配置して表面超音波を検査対象物に送受信するもの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曲面に追随する超音波探傷装置。
7. 前記各圧電振動子で発信された超音波による反射波を受信して、前記圧電素子と検査物表面との距離を算出し、該算出結果に基づいて前記変形調整手段を制御して、前記アレイ圧電振動子を前記検査物表面に沿った形状に変形させる制御を行うことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の曲面に追随する超音波探傷装置。

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