特許 7637307 超音波センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-02-18

(45)【発行日】2025-02-27

(54)【発明の名称】超音波センサ

(51)【国際特許分類】

   G01N 29/24 20060101AFI20250219BHJP

   H04R 17/00 20060101ALI20250219BHJP

【ＦＩ】

G01N29/24

H04R17/00

H04R17/00 330H

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2024173409

(22)【出願日】2024-10-02

【審査請求日】2024-10-02

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000006208

【氏名又は名称】三菱重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100149548

【弁理士】

【氏名又は名称】松沼 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100162868

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 英輔

(74)【代理人】

【識別番号】100161702

【弁理士】

【氏名又は名称】橋本 宏之

(74)【代理人】

【識別番号】100189348

【弁理士】

【氏名又は名称】古都 智

(74)【代理人】

【識別番号】100196689

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 康一郎

(72)【発明者】

【氏名】五島 康二

(72)【発明者】

【氏名】山本 裕子

(72)【発明者】

【氏名】川浪 精一

【審査官】小澤 瞬

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１４－０７４６３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－２４４３６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１４－５０３８０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１１３２５２７９６（ＣＮ，Ａ）

【文献】中国実用新案第２０８７２１６２０（ＣＮ，Ｕ）

【文献】特開昭５６－１００３５８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２９／００ － Ｇ０１Ｎ ２９／５２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

金属基板と、
該金属基板の表面に設けられた圧電体と、
該圧電体の表面に設けられた上部電極と、
該上部電極に電気的に接続されたケーブルと、
前記圧電体、及び前記上部電極を前記表面側から覆うマイカ箔と、
前記金属基板との間で、前記圧電体、前記上部電極、及び前記マイカ箔を挟持するとともに前記金属基板に固定され、少なくとも５００℃の高温環境下での耐熱性、及び絶縁性を有するカバーと、
を備える超音波センサ。

【請求項2】

前記マイカ箔は複数積層され、前記圧電体側の前記マイカ箔になるほど、前記表面側から見た場合の面積が大きい請求項１に記載の超音波センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、超音波センサに関する。

【背景技術】

【0002】

各種のプラントでは、多数の配管や容器等が備えられている。このような配管や容器等（以下「配管等」と称する）に、高温（例えば６０℃～６００℃）の流体が流通し、または貯留される場合には、経年劣化により、配管等に減肉や亀裂が発生することがある。かかる減肉や亀裂は、内部流体の流れに変化が起こる、湾曲管やエルボ管等の曲面部や、配管等の狭隘部等で発生しやすい。そのため、超音波センサを使用した超音波探傷検査が行われている。

【0003】

この種の超音波センサとしては、下記特許文献１に記載されたものが知られている。下記特許文献１に係る装置は、金属基板と、圧電素子と、上部電極と、これらを周囲から一体に包み込むシリコンカバーと、を主に備える。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特許第６４３２０９７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、上記のようにシリコンカバーで全体を覆う構成では、シリコンの耐熱温度が比較的に低いことから、配管から放射される高熱に耐えることができないという課題があった。

【0006】

本開示は上記課題を解決するためになされたものであって、高温環境下で安定的に使用することが可能な超音波センサを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するために、本開示に係る金属基板と、該金属基板の表面に設けられた圧電体と、該圧電体の表面に設けられた上部電極と、該上部電極に電気的に接続されたケーブルと、前記圧電体、及び前記上部電極を前記表面側から覆うマイカ箔と、前記金属基板との間で、前記圧電体、前記上部電極、及び前記マイカ箔を挟持するとともに前記金属基板に固定され、少なくとも５００℃の高温環境下での耐熱性、及び絶縁性を有するカバーと、を備える。

【発明の効果】

【0009】

本開示によれば、高温環境下で安定的に使用することが可能な超音波センサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本開示の第一実施形態に係る超音波センサの構成を示す分解斜視図である。

【図2】本開示の第二実施形態に係る超音波センサの構成を示す分解斜視図である。

【図3】本開示の第二実施形態に係る超音波センサの構成を示す平面図である。

【図4】本開示の第一／第二実施形態に係る超音波センサの変形例を示す平面図である。

【図5】本開示の第三実施形態に係る超音波センサの構成を示す分解斜視図である。

【図6】本開示の第四実施形態に係る超音波センサの構成を示す分解斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

＜第一実施形態＞
（超音波センサ１の構成）
以下、本開示の第一実施形態に係る超音波センサ１について、図１を参照して説明する。この超音波センサ１は、高温の流体が流れる配管の外周側に取り付けられた状態で、当該配管の減肉や割れを検出するために用いられる。

【0012】

図１に示すように、超音波センサ１は、金属基板１０と、圧電体２０と、上部電極３０と、ケーブル４０と、複数のマイカ箔７０と、マイカカバー８０と、を備える。

【0013】

金属基板１０、圧電体２０、上部電極３０、マイカ箔７０、及びマイカカバー８０は、下方からこの順で積層されている。以下の説明では、金属基板１０側から見てマイカカバー８０が位置する側を「表面側」と呼び、その反対側を「裏面側」と呼ぶ。

【0014】

（金属基板１０）
金属基板１０は、薄膜状の金属で形成され、平面視で矩形をなしている。より具体的には、金属基板１０は長方形、又は正方形をなしている。金属基板１０は、一対の金属電極のうちの一方（下部電極）を構成し、例えば厚さが２０μｍ～５０μｍのＳＵＳ（Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ Ｓｔｅｅｌ：ステンレス鋼）薄板、白金薄板、金薄板、またはインコネル（登録商標）の薄板などによって形成されている。

【0015】

（圧電体２０）
圧電体２０は、超音波の送受信をする薄膜状の圧電素子であり、圧電セラミックスの粉を含んだ溶液を金属基板１０の表面の一部に塗布して熱処理することにより成形されている。圧電体２０としては、例えば８０μｍ～１００μｍのチタン酸ジルコン酸鉛膜（ＰＺＴ膜）を使用することができる。圧電体２０は、平面視で金属基板１０よりも外径寸法が小さい円形状をなしている。圧電体２０は、金属基板１０の中央部を含む領域に設けられている。

【0016】

（上部電極３０）
上部電極３０は、金属ペースト、蒸着、メッキ、金属箔などにより成形され、例えば、５μｍ～２０μｍの銀（Ａｇ）ペーストを用いることができる。上部電極３０は、圧電体２０の表面の一部に、例えば金属ペーストを塗布した後に焼成することにより形成されている。あるいは、圧電体２０の表面の一部に、金等の金属ウールを圧着することにより形成されている。また、上部電極３０は、平面視で圧電体２０よりも小径をなす円形状をなしている。

【0017】

（ケーブル４０）
ケーブル４０は、同軸ケーブルであり、その内部導体は上部電極３０に電気的に接続されている。外部導体は金属基板１０に電気的に接続されている。ケーブル４０の他端は、不図示の解析装置及び電源装置等に接続されている。

【0018】

（マイカ箔７０）
上部電極３０の表面側には、複数のマイカ箔７０が積層されている。マイカ箔７０は、絶縁性を有する雲母で形成された薄膜状をなしている。マイカ箔７０は、上部電極３０と後述するマイカカバー８０の外側との絶縁性と、周囲の熱に対する耐熱性を補完するために設けられている。いずれのマイカ箔７０も、上部電極３０、及び圧電体２０を表面側から覆うことができるだけの面積を有している。一例として、マイカ箔７０は矩形状をなしている。さらに、複数のマイカ箔７０のうち、圧電体２０側（つまり、裏面側）に位置するマイカ箔７０になるほど、表面側から見た面積が大きい。これは、マイカ箔７０を積層した際に、その裏面側に位置する上部電極３０、及び圧電体２０の突出高さが小さくなるようにするためである。

【0019】

（マイカカバー８０）
マイカカバー８０（カバー）は、上記のマイカ箔７０のさらに表面側に積層されている。マイカカバー８０は、マイカ箔７０と同様に雲母を主成分とする薄膜状をなし、その裏面には接着剤が予め塗布されている。マイカカバー８０は、金属基板１０と同様に矩形状をなし、その面積も金属基板１０と同等である。接着剤によって、マイカカバー８０の裏面と金属基板１０の表面とが接着固定される。これにより、マイカカバー８０と金属基板１０との間に、圧電体２０、上部電極３０、ケーブル４０の先端が挟持された状態となっている。

【0020】

以上のように構成された金属基板１０、圧電体２０、上部電極３０、マイカ箔７０、及びマイカカバー８０により形成される部分は、厚さが１ｍｍ程度の薄膜状になっているため、全体が可撓性及び弾性を有している。即ち、この超音波センサ１は、曲面形状を有する配管の外表面等に追従して変形することが可能となっている。なお、超音波センサ１の面積は、一例として４００ｍｍ^２程度である。

【0021】

（作用効果）
上記構成によれば、超音波センサ１の裏面側は金属基板１０で形成され、表面側はマイカカバー８０で形成されている。即ち、露出する部分に樹脂が使用されていない。このため、少なくとも５００℃の高温環境下でも、超音波センサ１が損壊することがなく、安定的に使用することができる。したがって、検査対象となる配管中に高温の流体が流れている状態、即ちプラントが運転されている状態でも超音波探傷検査を行うことができる。これにより、プラントの稼働率や運用効率に影響が及ぶ可能性を最小限に抑えることが可能となる。

【0022】

ここで、金属基板１０上では、圧電体２０、及び上部電極３０の面積が相対的に小さいため、これらをそのままマイカカバー８０等で覆った場合、表面側で一部が盛り上がった状態となってしまう。しかしながら、上記構成では、複数のマイカ箔７０が積層され、圧電体２０側のマイカ箔７０になるほど面積が大きい。これにより、突出高さを吸収して、周囲との高さの差分を小さく抑えることができる。結果として、超音波センサ１の表面の平面度を高めることができる。したがって、超音波センサ１と検査対象物との密着性をより一層高めることが可能となり、検査の精度や効率をさらに向上させることが可能となる。

【0023】

＜第二実施形態＞
次に、本開示の第二実施形態に係る超音波センサ１０１について、図２と図３を参照して説明する。なお、上記第一実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

【0024】

図２に示すように、本実施形態では、上述したマイカカバー８０に代えて、金属カバー１８０が用いられている。金属カバー１８０は、ＳＵＳやニッケル基合金で形成された薄板状をなしている。金属カバー１８０の厚さは、一例として５μｍ以上３０μｍ以下である。より望ましくは、厚さは１５μｍ以上３０μｍ以下である。耐熱性を考慮した場合、最も望ましくは、厚さは３０μｍである。

【0025】

図３に示すように、金属基板１０、及び金属カバー１８０は、４つの角部にそれぞれ設けられたスポット溶接部１８１によって結合されている。つまり、これら角部を除く辺部では、金属基板１０と金属カバー１８０とが結合されておらず、フリーの状態となっている。さらに言い換えれば、スポット溶接部１８１は、金属カバー１８０の外周側の端縁に沿って間隔をあけて複数個設けられている。

【0026】

（作用効果）
上記構成によれば、超音波センサ１の裏面側は金属基板１０で形成され、表面側は金属カバー１８０で形成されている。即ち、露出する部分に樹脂が使用されていない。このため、少なくとも５００℃の高温環境下でも、超音波センサ１が損壊することがなく、安定的に使用することができる。したがって、検査対象となる配管中に高温の流体が流れている状態、即ちプラントが運転されている状態でも超音波探傷検査を行うことができる。これにより、プラントの稼働率や運用効率に影響が及ぶ可能性を最小限に抑えることが可能となる。

【0027】

上記構成によれば、金属カバー１８０の厚さを、耐熱性が確保できる最小限の厚さとすることで、超音波センサ１全体の厚さを可能な限り薄くすることができる。これにより、曲率半径の小さい配管等の外表面に対しても、超音波センサ１を湾曲・追従させやすくすることができる。したがって、超音波センサ１の使用可能範囲が広がり、検査の効率性を高めるとともに、コストを最小限に圧縮することが可能となる。

【0028】

上記構成によれば、金属カバー１８０と金属基板１０とが、角部にそれぞれ設けられたスポット溶接部１８１によって結合される。これにより、例えば金属カバー１８０の外周側の端縁の全体を溶接した場合に比べて、許容される撓み量が大きくなる。したがって、曲率半径の小さな配管等の外表面に対してもさらに柔軟に超音波センサ１全体を湾曲・追従させることができる。よって、検査対象物の範囲を広げることが可能となり、検査の効率化・円滑化を実現することが可能となる。

【0029】

＜第一実施形態、及び第二実施形態の変形例＞
上述の各実施形態に係る変形例として、図４に示す構成を採ることが可能である。同図の例では、マイカカバー８０（金属カバー１８０）、及び金属基板１０が、平面視で円形状をなしている。この構成によっても、上述したものと同様の作用効果を得ることができる。なお、金属カバー１８０を用いる場合には、第二実施形態で説明したものと同様に、外周側の端縁に沿って間隔をあけて配列されたスポット溶接部１８１によって、当該金属カバー１８０と金属基板１０とが結合されることが望ましい。

【0030】

＜第三実施形態＞
次に、本開示の第三実施形態に係る超音波センサ２０１について、図５を参照して説明する。なお、上述の各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

【0031】

図５に示すように、本実施形態では、金属カバー２８０として、金属繊維で形成されたメッシュ素材が用いられている。このメッシュ素材としては、一例として２００メッシュから８００メッシュ程度の規格品が好適に用いられる。より望ましくは、この数値は３００メッシュから６００メッシュである。最も望ましくは、この数値は４００メッシュから５００メッシュである。なお、同一メッシュ内でも、空間率は低ければ低いほど望ましい。

【0032】

本実施形態においても、金属基板１０、及び金属カバー２８０は、４つの角部にそれぞれ設けられたスポット溶接部１８１によって結合されている。つまり、これら角部を除く辺部では、金属基板１０と金属カバー２８０とが結合されておらず、フリーの状態となっている。

【0033】

（作用効果）
上記構成によれば、金属カバー２８０をメッシュ素材で形成することによって、超音波センサ１全体の柔軟性をより一層高くすることができる。これにより、曲率半径の小さい配管等の外表面に対しても、超音波センサ１を湾曲・追従させやすくすることができる。また、全体の重量も削減することが可能となる。したがって、超音波センサ１の使用可能範囲が広がり、検査の効率性を高めるとともに、コストを最小限に圧縮することが可能となる。

【0034】

＜第四実施形態＞
続いて、本開示の第四実施形態に係る超音波センサ３０１について、図６を参照して説明する。なお、上述の各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

【0035】

図６に示すように、本実施形態では、金属カバー２８０としてのメッシュ素材と金属基板１０との結合手段が上述の第三実施形態とは異なっている。具体的には、金属カバー２８０とマイカ箔７０との間には、接着層３９０が介在している。この接着層３９０は、金属基板１０と同等の面積を有する。接着層３９０は、セラミックス接着剤を耐熱繊維に含侵させることによって形成された膜状をなしている。耐熱繊維としては、芳香族ポリアミド（アラミド），ポリイミド，ポリベンズイミダゾール，ノボロイド，難燃加工綿などが好適に用いられる。

【0036】

（作用効果）
上記構成によれば、例えば、金属カバー１８０をメッシュ素材で形成した際には、接着層３９０を介在させることによって、当該メッシュ素材と金属基板１０との結合強度を、溶接等に比べて格段に高めることができる。したがって、超音波センサ１全体の耐久性を向上させることができる。また、溶接の場合には、溶融池がメッシュの隙間を通じて流出してしまい、加工に難点が伴う。しかしながら、上記構成によれば、このような組立作業上の難点を克服することができる。よって、超音波センサ３０１をより容易かつ効率的に製造することが可能となる。

【0037】

（その他の実施形態）
以上、本開示の実施の形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

【0038】

例えば、上述の各実施形態では、ケーブル４０を支持するために補強板５０を用いる例について説明した。しかしながら、ケーブル４０の強度等によっては、この補強板５０を省略することが可能である。

【0039】

また、超音波センサ１の面積や厚さ等の各寸法は一例であって、設計や仕様に応じて適宜変更することが可能である。

【0040】

さらには、上記の各実施形態では、金属基板１０と金属カバー１８０等の平面形状が矩形、又は円形の場合について説明した。しかしながら、平面形状はこれらに限定されず、例えば六角形や八角形等の多角形状でもよいし、楕円形状であってもよい。いずれの場合であっても、上述したものと同様の作用効果を得ることができる。

【0041】

また、上記実施形態で説明したマイカカバー８０に代えて、その他の種々の材料を採用することが可能である。例えば、ガラス繊維、タルク、又はキサンサイト等、少なくとも５００℃雰囲気下での耐熱性、及び絶縁性を有する材料であればいかなるものも用いることが可能である。

【0042】

この他、上述した各実施形態の構成を相互に組み合わせることも可能である。一例として、第四実施形態で説明した接着層３９０を、第二実施形態で説明した構成に組み合わせることが可能である。

【0043】

＜付記＞
各実施形態に記載の超音波センサ１は、例えば以下のように把握される。

【0044】

（１）第１の態様に係る超音波センサ１は、金属基板１０と、該金属基板１０の表面に設けられた圧電体２０と、該圧電体２０の表面に設けられた上部電極３０と、該上部電極３０に電気的に接続されたケーブル４０と、前記圧電体２０、及び前記上部電極３０を前記表面側から覆うマイカ箔７０と、前記金属基板１０との間で、前記圧電体２０、前記上部電極３０、及び前記マイカ箔７０を挟持するとともに前記金属基板１０に固定され、少なくとも５００℃の高温環境下での耐熱性、及び絶縁性を有するカバー８０と、を備える。

【0045】

上記構成によれば、高温環境下でも、超音波センサ１が損壊することがなく、安定的に使用することができる。

【0046】

（２）第２の態様に係る超音波センサ１は、（１）の超音波センサ１であって、金属基板１０と、該金属基板１０の表面に設けられた圧電体２０と、該圧電体２０の表面に設けられた上部電極３０と、該上部電極３０に電気的に接続されたケーブル４０と、前記圧電体２０、及び前記上部電極３０を前記表面側から覆うマイカ箔７０と、前記金属基板１０との間で、前記圧電体２０、前記上部電極３０、及び前記マイカ箔７０を挟持するとともに前記金属基板１０に固定される金属カバー１８０と、を備え、前記金属カバー１８０は、前記金属基板１０に対して複数個所に設けられたスポット溶接部１８１によって固定されている。

【0047】

上記構成によれば、高温環境下でも、超音波センサ１が損壊することがなく、安定的に使用することができる。

【0048】

（３）第３の態様に係る超音波センサ１は、（２）の超音波センサ１であって、前記金属カバー１８０は、５μｍ以上３０μｍ以下の厚さを有する。

【0049】

上記構成によれば、曲率半径の小さい配管等の外表面に対しても、超音波センサ１を湾曲・追従させやすくすることができる。

【0050】

（４）第４の態様に係る超音波センサ１は、（２）又は（３）の超音波センサ１であって、前記金属カバー１８０は、金属繊維で形成されたメッシュ素材である。

【0051】

上記構成によれば、曲率半径の小さい配管等の外表面に対しても、超音波センサ１を湾曲・追従させやすくすることができる。また、全体の重量も削減することが可能となる。

【0052】

（５）第５の態様に係る超音波センサ１は、（２）から（４）のいずれか一態様に係る超音波センサ１であって、前記金属カバー１８０の裏面側に設けられ、前記マイカ箔７０、前記圧電体２０、及び前記金属基板１０を覆うことで前記金属カバー１８０と前記金属基板１０とを固定する耐熱接着剤を含む接着層３９０をさらに備える。

【0053】

上記構成によれば、超音波センサ１全体の耐久性を向上させることができる。

【0054】

（６）第６の態様に係る超音波センサ１は、（２）から（５）のいずれか一態様に係る超音波センサ１であって、前記金属基板１０、及び前記金属カバー１８０は、前記表面側から見て矩形をなし、前記スポット溶接部１８１は、該矩形の角部に１つずつ設けられている。

【0055】

上記構成によれば、曲率半径の小さな配管等の外表面に対してもさらに柔軟に超音波センサ１全体を湾曲・追従させることができる。

【0056】

（７）第７の態様に係る超音波センサ１は、（２）から（６）のいずれか一態様に係る超音波センサ１であって、前記金属基板１０、及び前記金属カバー１８０は、前記表面側から見て円形をなし、前記スポット溶接部１８１は、該円形の外周側の端縁に沿って間隔をあけて４つ設けられている。

【0057】

上記構成によれば、曲率半径の小さな配管等の外表面に対してもさらに柔軟に超音波センサ１全体を湾曲・追従させることができる。

【0058】

（８）第８の態様に係る超音波センサ１は、（１）から（７）のいずれか一態様に係る超音波センサ１であって、前記マイカ箔７０は複数積層され、前記圧電体２０側の前記マイカ箔７０になるほど、前記表面側から見た場合の面積が大きい。

【0059】

上記構成によれば、超音波センサ１と検査対象物との密着性をより一層高めることが可能となり、検査の精度や効率をさらに向上させることが可能となる。

【符号の説明】

【0060】

１…超音波センサ １０…金属基板 ２０…圧電体 ３０…上部電極 ４０…ケーブル ４１…芯線 ４２…被膜 ５０…補強板 ５１…補強板本体 ５２…サドル ６０…絶縁テープ ７０…マイカ箔 ８０…マイカカバー １０１…超音波センサ １８０…金属カバー １８１…スポット溶接部 ２０１…超音波センサ ２８０…金属カバー ３０１…超音波センサ ３９０…接着層

【要約】

【課題】高温環境下で安定的に使用することが可能な超音波センサを提供する。
【解決手段】超音波センサは、金属基板と、金属基板の表面に設けられた圧電体と、圧電体の表面に設けられた上部電極と、上部電極に電気的に接続されたケーブルと、圧電体、及び上部電極を表面側から覆うマイカ箔と、金属基板との間で、圧電体、上部電極、及びマイカ箔を挟持するとともに金属基板に固定されるカバーと、を備える。この構成によれば、超音波センサの耐熱性を格段に向上させることができる。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】