JPS63131058A - 表面波探触子 - 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、弾性部材の表面に超音波の表面波を伝播させ
たときの伝播速度、伝播時間などを測定するための表面
波探触子に関するものである。

［従来の技術］ 第１０図は従来の表面波探触子の上記利用分野における
使用状態例を説明する断面図である。同図の中で示され
るように、従来の表面波探触子１゜１′は振動子１ａ、
　１’　ａと遅延材（一般にアクリル樹脂）１ｂ、１’
　ｂを有し、遅延材１ｂ、１ｂ′を伝播する超音波の速
度と試験体３を伝播する超音波の速度との相違によって
モード変換を生じさせ、超音波の表面波を発信したり、
受（ｆｆｉ　したりするものである。

第１０図の例で述べると、発信側の表面波探触子１の振
動子１ａから超音波を発信し、遅延材１ｂを伝播させて
試験体３に表面波を伝播させる。

試験体３には、接触媒質４を介して音波をある角度以上
で入射させると、音波のモード変換によって表面波が試
験体３の表面部を矢印Ａの方向に伝播する。そして、受
信側の表面波探触子１′において、接触！Ｉ！質４′と
遅延材１’　ｂを伝播して振動子１′ａに音波が受信さ
れる。

上記従来の表面波探触子１．１′は一般に広く使用され
ているものであるが、８波の伝播速度。

伝播時間などを正確に測定しようとする場合には不十分
であった。

すなわち、第１０図の例で述べると、まず、探触子１及
び１′の接触面１Ｃ及び１′Ｃは音波の進行方向Ａに対
して幅があるので、距離りを設定しようとする場合に正
確な基準点が得られない。

また、１Ｃ及び１’ｃは平面であるので、例えば、試験
体３表面の凹凸状況、試験体表面との平行関係などにも
とづく試験体３への接触状態のわずかな相違によっても
、試験体３への音波の入射位置及び試験体３からの受信
位置に変動を生じる。

さらに、接触媒質４．４′の材質、特性、厚みなどによ
って表面波の発信量と受信量に変動を生じる。これらに
より、音波の伝播時間及び伝播距！！ＩＬに変動を生じ
て正確な測定が不可能となる。

上記問題点を解決するために、先に、われわれは特願昭
６１−１５４０２号において、音波の伝播速度、伝播時
間などの正確な測定を可能とする表面波探触子を発明し
た。そして、該探触子を利用して、物体の表面に作用し
ている応力値、物体の表面に発生している亀裂の深さな
どを非破壊的に測定することを可能にした。

上記出願は、第８図及び第９図にて示すように、従来の
表面波探触子１と試験体３との間に表面波伝達体２を介
在させることにより得られたものである。そして、第１
０図にて示した従来の表面探触子１を直接試験体３に当
接した場合の問題点を解消するため、第８図及び第９図
にて示すように表面波伝達体２の先端部２ａを線状に当
接するようにした。図面は断面図にて描かれているため
点状のようにも見えるが、実際は紙面の直角方向に厚み
があるため線状の接触をしている。試験体３との接触は
、点状の接触を理想とするが、超音波の減衰が著しくな
って、十分に伝達されなくなる。

したがって、実用性を考慮すれば、超音波の出力が許容
する範囲で点に近づいて線状の接触にするのが好ましい
。

こうすることによって、表面波探触子１より発信された
超音波は伝達体２の表面２ｂを伝播し、先端部２ａにて
試験体３の表面に伝達され、矢印Ｂの方向に伝播される
。そして、先端部は上述の用に線状の接触をしているの
で、安定した接触状態及び接触位置が得られるのである
。

以上は発信用探触子の場合について説明したが、受信用
探触子の場合は発信用の場合の矢印の逆方向に伝播され
てきた音波が受信され、同様の効果が得られる。

なお、第９図にて示すように、くさび形の伝達体２の２
ｂ面に探触子１の接触面１Ｃを当接した場合、表面波の
進行方向（矢印Ｄ）に鋭い角部があると表面波の減衰が
大きいので、丸み２ｄを設けることにより解決した。こ
の場合、丸みの曲率半径は用いられる表面波の波長より
も大きければ良いのであるが、なるべく大きくするほう
が好ましい。

なお、受信用探触子の場合も同様に丸みを設けることに
よって表面波の減衰が防止される。

第１１図及び第１２図は上記探触子を用いて表面波が伝
播するときの速度すなわち音速度を測定する応用例を説
明するための図である。

第１１図にて示すように、試験体３の表面に送信用探触
子１及び２と受信用探触子１′及び２′を任意間隔Ｍを
あけてあてる。超音波送受信器（図示せず）からパルス
電流を送信用探触子１に供給すると超音波の表面波は試
験体３の表面を矢印Ｊの方向に伝播し、受信用探触子１
′で電気信号に変えられ、超音波送受信器で増幅される
。そして、音速測定器（図示せず）により、送信用探触
子の接触位１ｔ２ａと受信用探触子の接触位置２′　ａ
との距離Ｍを伝播した超音波の伝播時間から演算して音
速度が得られる。

第１２図は、他の応用例として、試験体３の表面に送信
用と受信用を兼備した送受信探触子５及び２をあてて接
触位置２ａから任意の間隔Ｎをあけて反射用の金属体６
を貼付して測定する例である。超音波送受信器（図示せ
ず）からパルス電流を送受信探触子５に供給すると、超
音波の表面波は試験体３の表面を伝播して反射用の金属
体６に到着する。反射用の金属体６のところで表面波の
一部は反射されて送受信用探触子２及び５に戻ってくる
。同図において、矢印には表面波の伝播方向を示す。戻
ってきた表面波は送受信探触子５により電気信号に変え
られ、超音波送受信器により増幅される。探触子の接触
位置２ａと反射用の金属体６との間の１往復距１１１Ｎ
Ｘ２と超音波が１往復した時間から音速測定器（図示せ
ず）により音速型が演算して得られる。

これらのようにして精度良く表面波の音速型を測定する
ことにより、試験体表面部の材質判定。

試験体表面に作用している応力値の判定などが可能とな
る。すなわち、試験体はその材質特有の音速変位を有し
ている。そして、圧縮応力の増加とともに音速型は直線
的に増加し、引張応力の増加とともに音速型は直線的に
減少する。したがって、試験体と同一材質または類似材
質の音速型と応力の関係をあらかじめ求めておけば、試
験体の音速型を測定することによって材質や発生してい
る応力値が非破壊的に判明するのである。なお、音速型
と応力の関係は試験体と同一または類似材質の試験片に
圧縮荷重または引張荷重を加えながら試験片の音速型を
測定することによって得られる。

第１３図は前記出願の他の応用例として破壊靭性試験片
の疲労予亀裂の深さを用いた例を説明づる正面図である
。

試験片７は支点Ｒ及びＳで支持して荷重Ｔを加える３点
曲げ試験用のものである。発信用探触子１及び伝達体２
の線状接触位置２ａから発信された表面波は矢印Ｕのよ
うにして試験片の表面７ａを伝播し、線状接触位置２１
　ａにて探触子１′及び伝達体２′にて受信される。最
初、溝底７ｂに亀裂が発生していない状態で表面波が伝
播づる速度すなわち音速度、伝播距離（判明している）
。

伝播時間を求めておく。次に、疲労予亀裂７Ｃが発生し
た後に、同様にして測定すると、表面波は亀裂７Ｃの先
端を迂回するのでそれだけ伝播時間が長くなってくる。

このとき音速型がすでに判明しており、伝播時間が測定
されるので、亀裂７ｃの深さを知ることができる。

［発明が解決しようとする問題点］ 上述した特願昭６１−１５４０２号にて示した表面波探
触子を、例えば第１１図に示すように、試験体３の表面
にあてて音速を測定する場合、超音波送受信器（図示せ
ず）からパルス電流を送信用探触子１に供給すると、追
音波の表面波は伝達体２の表面をり、Ｅ、Ｆの方向に伝
播し、さらに、試験体３０表面をＪの方向に伝播し、伝
達体２′の表面をＧ、Ｈ，Ｑの方向に伝播して受信用探
触子１′で電気信号に変えられ、超音波送受信器で増幅
される。超音波の表面波の伝播経路が上記のように接触
位ｆｆ２ａ及び２’　ａにおいて大きく屈曲しているた
め、受信強度が弱くなるという問題点があった。

本発明の目的は、受信強度が大きく、物体の表面に作用
している応力値、物体の表面に発生している亀裂の深さ
などを精度よく非破壊的に測定可能な表面波探触子を提
供することにある。

［問題点を解決するための手段］ 上記問題点を解決するために本発明は、振動子と遅延材
とを有する超音波の表面波探触子に表面波伝達体を当接
して設け、前記表面波伝達体の試験体と接触する先端は
線状もしくは幅の狭い帯状にし、かつ、表面波の進行方
向または受信方向の反対方向にある前記表面波伝達体の
後端部には丸みが設けられており、前記後端部と先端と
を結ぶ試験体表面と対向する面は試験体表面となづ角度
が０．２”〜１．２°になるようにしたことを特徴とす
る表面波探触子である。

そして、表面波伝達体の後端部の丸みの曲率半径は、用
いられる表面波の波長よりも大きいことが望ましい。

［作　用］ 表面波探触子の表面波伝達体の形状を上述のようにし、
試験体表面との接触位置において表面波の大きな屈曲が
ないので、超音波の減衰が防止され、その結果受信強度
を大きくすることができる。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図〜第５図は本発明の詳細な説明する断面図、第７
図は他の実施例を説明する正面図である。各図とも前述
の第８図〜第１３図と同一箇所は同一の参照符号が付し
である。

第１図に示すように、探触子１の接触面１Ｃと伝達体２
の２ｂ面とは接着剤（図示せず）によって固定しである
。これらの場合、接着剤が媒体の役目を果している。こ
うすることによって、振動子１ａから発信され遅延材１
ｂを伝播した音波の表面波へのモード変換を安定化させ
た。

伝達体２の表面の音波伝播方向（矢印Ｄ）に鋭い角部が
あると音波が減衰するので、本発明の探触子は角部２ｄ
に丸みを設けたものである。この角部２ｄの曲率半径は
伝播する音波の波長よりも大きければよい。

探触子１の伝達体２の先端部２ａを試験体３の表面に線
状もしくは幅の狭い帯状に当接すると、表面波は２ｂ面
から矢印り、Ｅ、Ｆの方向に伝播して試験体３の表面に
伝達される。

第２図は伝達体２の下部の幅を小さくした接触子の実施
例を示すもので、伝達体２の角部２ｃ。

２ｄにそれぞれ丸みを設けて音波の減衰を防いでおり、
試験体３の狭い部分、凹状になった部分も測定すること
ができる。

第３図及び第４図は、本発明の探触子を用いて表面波が
伝播するときの速度すなわち音速塵を測定する応用例を
説明するための図である。

第３図にて示すように、試験体３の表面に送信用探触子
１及び２と受信用探触子１′及び２′を任意間隔Ｍをあ
けてあてる。超音波送受信器（図示せず）からパルス電
流を送信用探触子１に供給すると超音波の表面波はり、
Ｅを経て試験体３の表面を矢印Ｆ、Ｊ、Ｇの方向に伝播
し、Ｈ，Ｑを経て受信用探触子１′で電気信号に変えら
れ、超音波送受信器で増幅される。そして、音速測定器
（図示せず）により、送信用探触子の接触位置２ａと受
信用探触子の接触位置２’　　ａとの距離Ｍを伝播した
超音波の伝播時間から演算して音速塵が得られる。

第４図は、他の応用例として、試験体３の表面に送信用
と受信用を兼備した送受信探触子５及び２をあてて接触
位置２ａから任意の間隔Ｎをあけて反射用の金属体６を
貼付して測定する例である。

超音波送受信器（図示せず）からパルス電流を送受信探
触子５に供給すると、超音波の表面波はり。

Ｅを経て試験体３の表面Ｆを伝播して反射用の金属体６
に到着する。反射用の金属体６のところで表面波の一部
は反射されてＦ、Ｅ、Ｄを経て送受信用探触子２及び５
に戻ってくる。同図において、矢印には表面波の伝播方
向を示す。戻ってきた表面波は送受信探触子５により電
気信号に変えられ、超音波送受信器により増幅される。

探触子の接触位置２ａと反射用の金３休６との間の１往
復距離ＮＸ２と超音波が１往復した時間から音速測定器
（図示せず）により音速塵が演算して得られる。

これらのようにして精度良く表面波の音速塵を測定する
ことにより、試験体表面部の材質判定。

試験体表面に作用している応力値の判定などが可能とな
る。すなわち、試験体はその材質特有の音速変位を有し
ている。そして、圧縮応力の増加とともに音速塵は直線
的に増加し、引張応力の増加とともに音速塵は直線的に
減少する。したがって、試験体と同一材質または類似材
質の音速塵と応力の関係をあらかじめ求めておけば、試
験体の音速塵を測定することによって材質や発生してい
る応力値が非破壊的に判明するのである。なお、音速塵
と応力の関係は試験体と同一または類似材質の試片に圧
縮荷重または引張荷重を加えながら試片の音速塵を測定
することによって得られる。

第５図に示すように、探触子１に固定され丸みを設けた
角部２ｄを有する伝達体２の試験体表面と対向する面が
試験体３の表面となす角部αを変化させて、探触子１の
振動子１ａから超音波を発信して探触子１′の振動子１
’　　ａで受信した場合の受信波形高さく％）（Ｏ印）
と、探触子１′の振動子１’　ａから超音波を発信して
探触子１の振動子１ａで受信した場合の受信波形高さく
％）（・印）のそれぞれをプロットしたものが第６図で
ある。

第６図より、受信波形高さく％）が高いのは、角度αが
０．２′以上１．２°以下の範囲で、この範囲を外れて
当接すると受信波形高さく％）が低くなることがわかる
。

第７図は本発明の他の応用例として破壊靭性試験片の疲
労予亀裂の深さ測定に用いた例を説明する正面図である
。

試験片７は支点Ｒ及びＳで支持して荷ｆｆ１Ｔを加える
３点曲げ試験用のものである。発信用探触子１及び伝達
体２の線状接触位置２ａから発信された表面波は矢印Ｕ
のようにして試験片の表面７ａを伝播し、線状接触位置
２′　ａにて探触子１′及び伝達体２′にて受信される
。最初、ｔＭ底７ｂに亀裂が発生していない状態で表面
波が伝播する速度すなわち音速度、伝播距離（判明して
いる）。

伝播時間を求めておく。次に、疲労予亀裂７Ｃが発生し
た後に、同様にして測定すると、表面波は亀裂７Ｃの先
端を迂回するのでそれだけ伝播時間が長くなってくる。

このとき音速度が既に判明しおり、伝播時間が測定され
るので、亀裂７Ｃの深さを知ることができる。

［発明の効果］ 本発明よれば、超音波の伝播効率が向上するので受信強
度が大ぎくなり、信号がより明確にとらえられて測定精
度が向上する。

そして、超音波の表面波を用いて残留応力の測定、亀裂
深さなどの高精度測定を可能にしたものであるが、単に
これらの実施例のみに利用が限られるものではない。組
み立てられた状態にある機械や構造物の部材のように試
験体がどのような状態にあっても、超音波の表面波が伝
播する速度（音速度）を測定することにより、表面に発
生している応力値や亀裂深さなどを非破壊的に測定り゛
ることを可能にし、表面波が伝播する弾性体であればす
べての物体に適用できるものである。

このように、本発明の探触子は簡便であるとともに広く
工業製品の管理に効果を発揮するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図はそれぞれ本発明の詳細な説明するた
めの断面図、第３図、第４図、第５図は本発明の探触子
を用いて表面波の伝播速度を測定する方法を説明するた
めの断面図、第６図は伝達体が試験体と当接したときの
角度αと超音波の受信波形高さく％）の関係を示す図、
第７図は破壊靭性試験片の亀裂深さを本発明の探触子を
用いて測定する方法を説明するための正面図、第８図及
び第９図はそれぞれ従来の探触子を説明するための断面
図、第１０図、第１１図、第１２図は従来の探触子を用
いて表面波の伝播速度を測定する方法を説明するための
断面図、第１３図は破壊靭性試験片の亀裂深さを従来の
探触子を用いて測定する方法を説明するだめの正面図で
ある。 １．１′・・・探触子、１ａ、　１’　ａ・・・撮動子
、ｌｂ、１’　　ｂ・・・遅延材、２．２′・・・伝達
体、３・・・試験体、５・・・送受信探触子。 第３図 第４図 第５図 １ａ １ｇ６図 角度菖（つ 第７図 第８図 １１９図 第１０図 第１１図 第１３図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）振動子と遅延材とを有する超音波の表面波探触子
   に表面波伝達体を当接して設け、前記表面波伝達体の試
   験体と接触する先端は線状もしくは幅の狭い帯状にし、
   かつ、表面波の進行方向または受信方向の反対方向にあ
   る前記表面波伝達体の後端部には丸みが設けられており
   、前記後端部と先端とを結ぶ試験体表面と対向する面は
   試験体表面となす角度が０．２°〜１．２°になるよう
   にしたことを特徴とする表面波探触子。
2. （２）表面波伝達体の後端部の丸みは、その曲率半径が
   用いられる表面波の波長よりも大きいことを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の表面波探触子。