超音波試験方法及びこれを用いた超音波試験装置

【課題】送信子及び受信子の配置の自由度が高く、試験対象部の範囲が限定されにくく自由度の高い試験を実施することの可能な超音波試験方法及びこれを用いた超音波試験装置を提供することにある。
【解決手段】送信子２０から超音波を試験体１００に送信することにより試験体に板波を発生させ、試験体を伝搬する板波を受信子３０で受信することにより板波の伝搬経路における試験体を試験する。
前記送信子２０と受信子３０との間に他の受信子２０又は送信子３０である他の探触子を配置する。試験体表面上に接触する支持脚４６を有すると共に試験体表面に対するこの他の探触子の角度を一定に保持する探触子保持機構４０に他の探触子を保持させる。そして、前記他の探触子を前記支持脚４６により前記送信子から受信子に至る板波の伝搬経路に対し非接触で跨がせる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、送信子から超音波を試験体に送信することにより試験体に板波を発生させ、試験体を伝搬する板波を受信子で受信することにより板波の伝搬経路における試験体を試験する超音波試験方法及びこれを用いた超音波試験装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
上述の如き超音波試験装置としては、中心点を挟み送信子と受信子とを複数配置してセンサヘッドを構成し、このセンサヘッドと試験体との角度（入射角）を一定に維持しながら試験体表面を非接触でスキャニングする構成のものが知られている（特許文献１参照）。入射角を一定に維持するのは、周波数×試験体厚さと入射角との関係が超音波のモード毎に一定の特性曲線に合致しなければならないからである。
【特許文献１】特開2005-055197
【０００３】
しかし、表面に凹凸が存在する場合や試験体が波打っている場合には、上記センサヘッドにより非接触でスキャニングを行っても、試験体表面と送受信子との間の入射角を一定に維持することができず、板波による検査を行うことが不能となる。
【０００４】
一方、送受信子を試験体に接触させて、試験体を探傷する試験方法も知られている。しかし、同試験では、超音波の経路上に送受信子を接触させるとそれ以降の受信子に信号が十分伝達しないため、複数の受信子を用いた試験が行われることはなかった。
【０００５】
すなわち、上記従来技術によれば、板波の漏洩波又は反射波を利用して試験を行うには、試験対象部を通過する板波の経路に受信子又は送信子を配置することができなかった。その結果、試験対象部の範囲が限定されて試験の自由度が制限され、また、受信子又は送信子を複数配置できないため、試験の効率を向上させることも困難であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
かかる従来の実情に鑑みて、本発明の第一の目的は、送信子及び受信子の配置の自由度が高く、試験対象部の範囲が限定されにくく自由度の高い試験を実施することの可能な超音波試験方法及びこれを用いた超音波試験装置を提供することにある。
【０００７】
また、本発明の第二の目的は、受信子を複数配置できて、試験の効率を向上させることの可能な超音波試験方法及びこれを用いた超音波試験装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明に係る超音波試験方法の特徴は、送信子から超音波を試験体に送信することにより試験体に板波を発生させ、試験体を伝搬する板波を受信子で受信することにより板波の伝搬経路における試験体を試験する方法において、
前記送信子と受信子との間に他の受信子又は送信子である他の探触子を配置し、試験体表面上に接触する支持脚を有すると共に試験体表面に対するこの他の探触子の角度を一定に保持する探触子保持機構に他の探触子を保持させ、前記他の探触子を前記支持脚により前記送信子から受信子に至る板波の伝搬経路に対し非接触で跨がせてあることにある。
【０００９】
また、本発明に係る超音波試験方法の他の特徴は、送信子から超音波を試験体に送信することにより試験体に板波を発生させ、試験体を伝搬する板波を受信子で受信することにより板波の伝搬経路における試験体を試験する方法において、
前記送信子から送信された往路板波は試験対象部で反射し、その反射による反射板波を前記受信子により受信し、試験体表面上に接触する支持脚を有すると共に試験体表面に対する送信子の角度を一定に保持する探触子保持機構に前記探触子を保持させ、前記送信子を前記支持脚により前記往路板波の伝搬経路に対し非接触で跨がせたことにある。
【００１０】
上記各特徴方法において、前記試験体を分岐させ、分岐させた各試験体部分に前記受信子をそれぞれ配置することができる。
【００１１】
前記板波の伝搬経路方向に直交する方向に対し前記試験体と送信子及び受信子とを相対移動させて試験を行ってもよい。また、前記板波の伝搬経路方向に沿う方向に対し前記試験体と送信子及び受信子とを相対移動させて試験を行ってもよい。
【００１２】
一方、上記いずれかの特徴方法に用いる超音波試験装置の特徴構成は、前記探触子保持機構を前記送信子及び受信子毎に設け、各探触子保持機構を支持フレームに取り付け、各探触子保持機構の支持脚を前記試験体表面に接触させるように支持フレームに対し押圧する押圧体を備えたことにある。
【００１３】
上記いずれかの特徴方法に用いる超音波試験装置の他の特徴構成は、前記探触子保持機構を前記送信子及び受信子毎に設け、前記支持脚を前記各探触子保持機構毎に少なくとも板波の伝搬方向に対して隔てて配置し、前記各探触子保持機構を支持フレームに取り付け、前記支持フレームと前記各探触子保持機構との間に前記支持フレームに対して前記伝搬方向に直交する軸周りで前記送信子及び受信子を揺動させる揺動機構を設け、各探触子保持機構の支持脚を前記試験体表面に接触させるように支持フレームに対し押圧する押圧体を備えたことにある。
【００１４】
上記いずれかの特徴方法に用いる超音波試験装置のさらに他の特徴構成は、前記支持脚が前記試験体と前記各送信子及び受信子との相対移動方向に対する転動を許容する車輪を有していることにある。
【００１５】
なお、送信子から超音波を試験体に送信することにより試験体に板波を発生させ、試験体を伝搬する板波を受信子で受信することにより板波の伝搬経路における試験体を試験する超音波試験装置において、試験体表面上に接触する支持脚を有すると共に試験体表面に対する送信子及び受信子の角度を一定に保持する探触子保持機構に送信子及び受信子を保持させ、前記支持脚を前記各探触子保持機構毎に少なくとも板波の伝搬方向に対して隔てて配置し、前記各探触子保持機構を支持フレームに取り付け、前記支持フレームと前記各探触子保持機構との間に前記支持フレームに対して少なくとも前記伝搬方向に直交する軸周りで前記送信子及び受信子を揺動させる揺動機構を設け、各探触子保持機構の支持脚を前記試験体表面に接触させるように支持フレームに対し押圧する押圧体を備えてもよい。
【発明の効果】
【００１６】
上記本発明に係る超音波試験方法及びこれを用いた超音波試験装置の特徴によれば、「探触子保持機構に前記探触子を保持させ、前記送信子を前記支持脚により前記往路板波の伝搬経路に対し非接触で跨がせてある」ので、板波が妨げられることなく、送信子及び受信子の配置の自由度が高く、試験対象部の範囲が限定されにくく自由度の高い試験を実施することが可能となった。
【００１７】
また、前記送信子と受信子との間に他の受信子又は送信子である他の探触子を配置することで、信号を複数箇所で受信でき、又は、複数種の信号を送信できて、試験の効率を向上させることが可能となった。
【００１８】
本発明の他の目的、構成及び効果については、以下の発明の実施の形態の項から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
まず、添付図面１〜７を参照しながら、本発明の第一実施形態を説明する。
図５及び図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、超音波試験装置１は、パーソナルコンピュータ（以下ＰＣと略す）２により制御される板波送受信機３を用いてスキャンヘッド１０の送信子２０から超音波を送信する。そして、送信子２０を含む探触子保持機構４０ａの支持脚４６と、受信子３０を含む探触子保持機構４０ｂの支持脚４６との間を通って、試験体１００に板波Ｗｓを発生させ、送受信を行う。受信された漏洩波Ｗｉをプリアンプ４、フィルタ５、Ａ／Ｄ変換機６を介してＰＣ２にて受信し、演算処理を行う。また、ＰＣ２はドライバ７を介してスキャナ８を起動させ、スキャンヘッド１０を走査させることにより、試験体１００の探傷を行う。スキャンヘッド１０と試験体１００との間に設けたセンサ１０ｘにより、スキャンヘッド１０の走査位置の情報を獲得している。
【００２０】
上述のスキャンヘッド１０は、図２、図３に示すように、複数の探触子保持機構４０を支持する支持フレーム１１、送信子２０又は受信子３０、探触子保持機構４０により構成されている。探触子保持機構４０は、直動ベアリング４２、押圧体４３、揺動機構４４、筐体４５、支持脚４６、締付用摘み４７、遮蔽体４９により構成されている。
【００２１】
探触子保持機構４０は、支持フレーム１１に直動ベアリング４２を介して接続され、軸４１が支持フレーム１１に対して垂直方向に移動可能となっている。そして、軸４１は圧縮捻りコイルばね等の押圧体４３により支持フレーム１１に対して試験体１００方向に付勢される。揺動機構４４は、軸４１の端部に設けた凸円弧面４４ａと、筐体４５側に設けた凹円弧面４４ｂで構成され、筐体４５を少なくともＹ軸方向に沿ったＹ’軸周りで揺動可能である。その結果、各支持脚４６が試験体１００の表面に均等接触することとなり、送信子２０，受信子３０の試験体１００表面に対する角度が一定に保たれる。なお、揺動機構４４はＹ’軸周り以外の軸で更に揺動可能に構成してもよい。
【００２２】
支持脚４６は筐体４５の四隅に設けられた脚部４６ａと、該脚部４６ａの端部に設けられた、Ｙ軸方向に転動する車輪４６ｂにより構成され、車輪４６ｂは試験体１００の表面を滑らかに転動している。締付用摘み４７は、筐体４５に設けた窓４５ａに挿通された探触子支持軸４７ａを締付固定している。これにより、送信子２０又は受信子３０における試験体１００との入射（受信）角θを調整後に固定している。
【００２３】
図６は、鋼板を試験体１００とする場合、各板波Ｗｓのモード（符号Ａ０〜５、Ｓ０〜７）についての超音波の周波数及び試験体１００の板厚Ｔの積ＦＴと、入射角θとの関係を示すグラフである。このような各曲線に示される関係を満たす場合のみ、特定のモードの板波Ｗｓが試験体１００内部に発生し、図１における各試験対象部Ｏの試験が可能となる。
【００２４】
図７は試験対象部を通過し受信子３０で受信した漏洩波Ｗｉの波形である。試験体１００の試験対象部を透過した波形は、まず最初に観測され、その後時間を隔てて空気中を伝播した超音波が観測される。試験対象部ＯにきずＤが存在しない場合は、同図上側（ａ）の上側の波形の如く先の波形は大きく観測される。これに対し、試験対象部Ｏに剥離欠陥等のきずＤが存在したならば、同図下側（ｂ）の波形のように、試験体１００中を伝搬した第一波である漏洩波Ｗｉはより小さく表示されることになる。筐体４５の側面に位置する先の遮蔽体４９はこの空気中伝播波の出現時刻を遅延させる機能を有している。遮蔽体４９は紙、又は合成樹脂等で構成される。
【００２５】
ここで、図１を参照しながら、試験体１００の基本的な試験方法のバリエーションを説明する。同図（ａ）〜（ｃ）の試験方法では、送信子２０から送信波Ｗｏを試験体１００に送信することにより、試験体１００に往路板波Ｗｓを発生させ、試験体１００を通過した漏洩波Ｗｉを受信子３０で受信することにより試験を実施する。
【００２６】
本試験方法において使用される送信子２０、第一受信子３０ａ、第二受信子３０ｂは、上述の通り筐体４５の外端部に試験体１００の表面上に接する四本の支持脚４６を有する。この支持脚４６は、図１（ｂ）、（ｃ）に示されるように、試験体１００を伝搬する往路板波Ｗｓに対して跨いで設けられ、送信子２０、第一受信子３０ａを試験体１００と非接触で跨がせている。
【００２７】
図１（ａ）の方法は、送信子２０と第二受信子３０ｂとの間に第一受信子３０ａを有する。これにより、試験対象部Ｏを送信子２０と第一受信子３０ａとの間と、第一受信子３０ａと第二受信子３０ｂとの間に設定することが可能となる。支持脚４６が往路板波Ｗｓの伝送経路を阻害しないために第一受信子３０ａを配置でき、これにより、複数の箇所で漏洩波Ｗｉを受信することが可能となり、より広範な部分の試験を位置精度高く行うことが可能となる。
【００２８】
また、図１（ｄ）に示すように、第一受信子３０ａ、第二受信子３０ｂの間に送信子２０を配置してもよい。これにより、第一受信子３０ａでは透過波による漏洩波Ｗｉを、第二受信子３０ｂでは反射板波Ｗｒによる漏洩波Ｗｉをそれぞれ受信することが可能となる。
【００２９】
更に、図１（ｅ）に示すように、送信子２０と第一受信子３０ａとの間に位置する第二受信子３０ｂにより、きずＤの反射波Ｗｒによる漏洩波Ｗｉを第二受信子３０ｂで受信することも可能となる。この点は、第二受信子３０ｂの向きに拘わらず受信可能であり、図１（ａ）も同様である。
【００３０】
上述の図１の各バリエーションを具体例に適用させた形を図４に示す。本例でのＩ型の試験体１００は、第一フランジ１００ａ、第二フランジ１００ｂ、ウェブ１００ｄ、第三フランジ１００ｆ、第四フランジ１００ｇを備え、紙面前後方向（Ｙ方向）に連続する。送信子２０及び受信子３０ａ〜３０ｄはそれぞれ探触子保持機構４０ａ〜４０ｅに保持されてチャンネル型の支持フレーム１１に支持される。また、探触子保持機構４０ａ〜４０ｅを含むセンサーヘッド１０はそれぞれ車輪によりＹ軸方向に転動走査が可能である。
【００３１】
第一フランジ１００ａに配置された送信子２０から送信された往路板波Ｗｓが、第二フランジ１００ｂと、第一分岐１００ｃを介してウェブ１００ｄとに分岐される。その後、第二分岐１００ｅを介して第三フランジ１００ｆ、第四フランジ１００ｇへ伝搬し、それぞれの受信子３０で漏洩波Ｗｉを受信する。これにより、複数の箇所で同時に試験することが可能となるので、超音波試験の実施効率が高くなる。
【００３２】
次に、本発明のさらに他の実施形態の可能性について以下説明する。なお、上記実施形態と同様の部材には同じ符号を附してあり、以下同様とする。
【００３３】
図８の第二実施形態では、送信子２０及び受信子３０が異なり、振動子として湾曲した焦点型探触子Ｓ２を用いている。これにより、入射角θをθ１からθ２までの広い範囲で設定することが可能となる。よって、探触子保持機構４０では対応できない試験体１００表面の小さな凹凸や、支持脚４６と試験体１００とのフィッティング不良にも対応することが可能となる。
【００３４】
図９に示す第三実施形態では、支持脚４６の車輪４６ｂの方向が、第一実施形態と９０度異ならせている。これらの向きの異なる車輪４６ｂを有し、送信子３０を備える探触子保持機構４０Ｌと、同じく方向を異ならせた車輪４６ｂを有する受信子４０を備える探触子保持機構４０Ｍにより構成される。これにより、図中Ｘ方向への走査が可能となり、揺動機構４４の作用と相まって、試験体１００のＸＹ平面の凹凸に対応することが可能となる。
【００３５】
図１０に示す第四実施形態（請求項には記載されていない参考実施形態）では、第二受信子３０ｂを備える探触子保持機構４０ｃと、送信子２０を備える探触子保持機構４０ａとを図上Ｙ軸方向に並べて配置している。第一受信子３０ａを備える探触子保持機構４０ｂは往路板波ＷｓのきずＤの透過波を受信し、第二受信子３０ｂを備える探触子保持機構４０ｃは反射板波Ｗｒを受信する。
【００３６】
図１１に示す第五実施形態では、探触子保持機構４０を構成する支持脚４６が三本で構成される点が異なる。本実施形態の場合は、二本の支持脚４６を有する側から送信波Ｗｏ、漏洩波Ｗｉの送受信を行うことにより、支持脚４６が板波Ｗｓの伝搬を阻害せず、試験を円滑に行うことが可能となる。なお、本実施形態は探触子２０，３０が試験対象部Ｏの端部に位置する場合に有効であり、試験対象部Ｏを試験体保持機構４０が跨ぐ場合は、上述の他の実施形態の構成が適切である。
【００３７】
本発明の試験方法及び試験装置の構成は上記実施例に限られるものではなく、本発明の趣旨に合致する限り種々の改変が可能である。なお、本発明は、探触子（送信子及び受信子）と、板波Ｗｓを伝搬させる試験体１００との間で空気のみならず、あらゆる気体を介して超音波を伝搬させる超音波伝搬方法、並びにこれを用いた超音波伝播装置及び超音波試験装置に適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明に係る試験方法及び試験装置は、飛行機の羽根等、航空宇宙機器、複合材料の剥離検査、長尺部材の連続検査等において、安定で迅速な試験を行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の試験方法を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ方向側面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ方向側面図、（ｄ）は他の試験方法を示す側面図、は（ｅ）他の試験方法を示す側面図である。
【図２】本発明の第一実施形態の一部断面部を有する側面図である。
【図３】図２のＣ−Ｃ方向の一部断面部を有する側面図である。
【図４】第一実施形態の他の試験方法を説明する側面図である。
【図５】本発明の試験装置の概略図である。
【図６】本発明の試験装置における、各板波のモード（符号Ａ０〜５、Ｓ０〜７）についての超音波の周波数と試験体の厚さとの積と、入射角度との関係を示すグラフである。
【図７】受信した漏洩波の波形を示すグラフで、上段がきずなし、下段がきずありの状態を試験したグラフである。
【図８】第二実施形態の試験装置の部分断面図である。
【図９】第三実施形態の試験装置の部分側面図である。
【図１０】第四実施形態を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ方向側面図、（ｃ）は（ａ）の平面図である。
【図１１】第五実施形態の部分底面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１：超音波試験装置、２：ＰＣ、３：板波送受信機、４：プリアンプ、５：フィルタ、６：Ａ／Ｄ変換機、７：ドライバ、８：スキャナ、１０：スキャンヘッド、１１：支持フレーム、２０：送信子、３０：受信子（３０ａ：第一受信子、３０ｂ：第二受信子、３０ｃ：第三受信子、３０ｄ：第四受信子）、４０：探触子保持機構、４１：軸、４２：直動ベアリング、４３：押圧体（ばね）、４４：揺動機構、４４ａ：凸円弧面、４４ｂ：凹円弧面、４５：筐体、４５ａ：窓、４６：支持脚、４６ａ：脚部、４６ｂ：車輪、４７：締付用摘み、４７ａ：探触子支持軸、４９：遮蔽体、１００：試験体、１００ａ：第一フランジ、１００ｂ：第二フランジ、１００ｃ：第一分岐、１００ｄ：ウェブ、１００ｅ：第二分岐、１００ｆ：第三フランジ、１００ｇ：第四フランジ、Ｄ：きず、Ｏ：試験対象部、Ｆ：探触子面、Ｗｏ：送信波、Ｗｓ：板波（往路板波）、Ｗｉ：漏洩波、Ｗｒ：反射板波

【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信子から超音波を試験体に送信することにより試験体に板波を発生させ、試験体を伝搬する板波を受信子で受信することにより板波の伝搬経路における試験体を試験する超音波試験方法であって、
前記送信子と受信子との間に他の受信子又は送信子である他の探触子を配置し、試験体表面上に接触する支持脚を有すると共に試験体表面に対するこの他の探触子の角度を一定に保持する探触子保持機構に他の探触子を保持させ、前記他の探触子を前記支持脚により前記送信子から受信子に至る板波の伝搬経路に対し非接触で跨がせてあることを特徴とする超音試験方法。
【請求項２】
送信子から超音波を試験体に送信することにより試験体に板波を発生させ、試験体を伝搬する板波を受信子で受信することにより板波の伝搬経路における試験体を試験する超音波試験方法であって、
前記送信子から送信された往路板波は試験対象部で反射し、その反射による反射板波を前記受信子により受信し、試験体表面上に接触する支持脚を有すると共に試験体表面に対する送信子の角度を一定に保持する探触子保持機構に前記探触子を保持させ、前記送信子を前記支持脚により前記往路板波の伝搬経路に対し非接触で跨がせてあることを特徴とする超音試験方法。
【請求項３】
前記試験体を分岐させ、分岐させた各試験体部分に前記受信子をそれぞれ配置したことを特徴とする請求項１又は２記載の超音波試験方法。
【請求項４】
前記板波の伝搬経路方向に直交する方向に対し前記試験体と送信子及び受信子とを相対移動させて試験を行うことを特徴とする請求項１又は２記載の超音波試験方法。
【請求項５】
前記板波の伝搬経路方向に沿う方向に対し前記試験体と送信子及び受信子とを相対移動させて試験を行うことを特徴とする請求項１又は２記載の超音波試験方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の超音波伝搬方法に用いる超音波試験装置であって、前記探触子保持機構を前記送信子及び受信子毎に設け、各探触子保持機構を支持フレームに取り付け、各探触子保持機構の支持脚を前記試験体表面に接触させるように支持フレームに対し押圧する押圧体を備えた超音波試験装置。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれかに記載の超音波伝搬方法に用いる超音波試験装置であって、前記探触子保持機構を前記送信子及び受信子毎に設け、前記支持脚を前記各探触子保持機構毎に少なくとも板波の伝搬方向に対して隔てて配置し、前記各探触子保持機構を支持フレームに取り付け、前記支持フレームと前記各探触子保持機構との間に前記支持フレームに対して少なくとも前記伝搬方向に直交する軸周りで前記送信子及び受信子を揺動させる揺動機構を設け、各探触子保持機構の支持脚を前記試験体表面に接触させるように支持フレームに対し押圧する押圧体を備えた超音波試験装置。
【請求項８】
請求項１〜５のいずれかに記載の超音波伝搬方法に用いる超音波試験装置であって、前記支持脚が前記試験体と前記各送信子及び受信子との相対移動方向に対する転動を許容する車輪を有していることを特徴とする超音波試験装置。

【図１】