JPH0833375B2 - 表面波探触子 - Google Patents

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、受信したりするもの
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、接触媒質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、音波の伝播速度，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Ｌ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離Ｌ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
10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
2b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Ｋ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往復距離Ｎ×２
と超音波が１往復した時間から音速測定器（図示せず）
により音速度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度を測定す
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度値を有している。そ
して、圧縮応力の増加とともに音速度は直線的に増加
し、引張応力の増加とともに音速度は直線的に減少す
る。したがって、試験体と同一材質または類似材質の音
速度と応力の関係をあらかじめ求めておけば、試験体の
音速度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、音速度と応力
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度を測定す
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２′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、超音波の
表面波は伝達体２の表面をD,E,Fの方向に伝播し、さら
に、試験体３の表面を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置2a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図は本発明の実施例を説明する断面図、
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
してある。

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）によって固定してある。
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1b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D,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度を測定する応用例
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D,
Eを経て試験体３の表面を矢印F,L,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度が得られる。

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D,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を経て送受信探触
子２及び５に戻ってくる。同図において、矢印Ｋ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往復距離Ｎ×２と超音波が１往復した時間から音
速測定器（図示せず）により音速度が演算して得られ
る。

これらのようにして精度良く表面波の音速度を測定す
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度値を有している。そ
して、圧縮応力の増加とともに音速度は直線的に増加
し、引張応力の増加とともに音速度は直線的に減少す
る。したがって、試験体と同一材質または類似材質の音
速度と応力の関係をあらかじめ求めておけば、試験体の
音速度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、音速度と応力
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度を測定するこ
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（％） 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（％） （・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（％）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（％）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２′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
強度が大きくなり、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す
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探触子を説明する
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（％）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ための正面図であ
る。 1,1′……探触子、1a,1′ａ……振動子、1b,1′ｂ……
遅延材、2,2′……伝達体、３……試験体、５……送受
信探触子。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−180456（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−172260（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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. 【請求項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。