JP2001289831A

JP2001289831A - 超音波プローブ

Info

Publication number: JP2001289831A
Application number: JP2000108423A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Yamamoto; 弘山本; Yoshihiko Takishita; 芳彦瀧下
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2000-04-10
Filing date: 2000-04-10
Publication date: 2001-10-19

Abstract

(57)【要約】【課題】被検体の劣化度評価と被検体表層部の健全性
評価と欠陥の方向性を検出することができる超音波プロ
ーブを提供する。【解決手段】振動子２と当該振動子２から送信された
超音波を収束して被検体Ｓに入射する音響レンズ３とを
備えた超音波プローブ１において、音響レンズ３の垂直
入射波の伝搬経路Ｇ→Ｉ及び垂直反射波の伝搬経路Ｉ→
Ｇにおける超音波の伝搬速度と、斜角入射波の伝搬経路
Ａ→Ｂ→Ｃ及び漏洩波の伝搬経路Ｄ→Ｅ→Ｆにおける超
音波の伝搬速度とを異ならせる。また、被検体Ｓへの斜
角入射波及び被検体からの漏洩波の伝搬経路を一部遮断
して、これらの伝搬経路に方向性を付与する。具体的に
は、音響レンズの中央部に、振動子設定面３ａからレン
ズ曲率面３ｂまで貫通する透孔４を開設すると共に、音
響レンズの径方向に延びるスリット４ａを形成する。透
孔４に代えて、くぼみ５を形成することもできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被検体の非破壊検
査に適用される超音波プローブに係り、特に、被検体の
劣化度評価及び被検体表層部の健全性評価並びに被検体
に生じた欠陥の方向性検出を行うに好適な超音波プロー
ブに関する。

【０００２】

【従来の技術】被検体の超音波検査を高能率かつ高精度
に行うため、１回の超音波走査で、被検体の劣化度評価
と被検体表層部の健全性評価と被検体に生じた欠陥の方
向性検出とを総合的に行うことが望まれている。

【０００３】従来より、被検体の劣化度を評価する技術
としては、例えば特開平１０−３１８９９５号公報等に
記載されているように、超音波モードの１つである漏洩
弾性表面波の音速変化から、応力分布や破壊靱性値、そ
れに熱脆化や粒界腐蝕といった被検体の劣化度（以下、
本明細書においては、これらを総称して「被検体の劣化
度等」という。）を非破壊で評価する技術が知られてい
る。

【０００４】図１６は従来よりこの種の非破壊検査に適
用されている超音波プローブの一例を示す要部断面図及
び平面図であって、これらの図から明らかなように、本
例の超音波プローブ１０１は、平面形状が円形に形成さ
れた単一型の振動子１０２と、当該振動子１０２から送
信された超音波を収束して被検体Ｓに入射する凹レンズ
型の音響レンズ１０３とを備えた構成になっている。振
動子１０２は、上下面にそれぞれ上部電極１０２ａと下
部電極１０２ｂが設けられた圧電薄膜をもって構成され
る。一方、音響レンズ１０３は、アルミニウム等の超音
波伝搬速度が大きな物質をもって構成され、振動子対向
面１０３ａが平面状に、レンズ曲率面１０３ｂが球面状
に形成されている。なお、前記超音波プローブ１０１の
上部電極１０２ａ側には、必要以上の振動の発生を抑制
するためのダンパ材が取り付けられることがあり、また
下部電極１０２ｂ側には、振動子１０２の保護板が取り
付けられることもある。

【０００５】被検体の劣化度等を評価するに際し、超音
波プローブ１０１は、３次元方向に移動する機械式スキ
ャナ（図示省略）に固定され、水中で被検体Ｓと対向に
配置される。その高さ位置は、図１６（ａ）に示すよう
に、被検体Ｓの表面よりもやや下方に音響レンズ１０３
の焦点Ｐがくるように調整される。図中の符号ΔＺは、
被検体Ｓの表面から焦点Ｐまでのデフォーカス量を示し
ている。この状態で、振動子１０２の電極に図示しない
制御部から駆動電圧を供給すると、振動子１０２が駆動
し、当該振動子１０２から送信された超音波が音響レン
ズ１０３及び水を通って被検体Ｓに入射する。また、被
検体Ｓからの反射波及び漏洩波は、水及び音響レンズ１
０３を通って振動子１０２に受信される。

【０００６】振動子１０２から送信された超音波のう
ち、経路Ａ→Ｂ→Ｃを通って被検体Ｓの表面にレーリー
臨界角θ_Ｌで入射した斜角入射波は、漏洩弾性表面波
に変換され、被検体Ｓの表面に沿って進行する。この漏
洩弾性表面波は、入射点Ｃから被検体Ｓの表面を伝搬す
る間にレーリー臨界角θ_Ｌで漏洩し、被検体表面のＤ
点で漏洩した漏洩波は、経路Ｄ→Ｅ→Ｆを通って振動子
１０２に受信される。一方、振動子１０２から送信され
た超音波のうち、垂直経路Ｇ→Ｈ→Ｉを通って被検体Ｓ
の表面に入射した垂直入射波は、被検体Ｓによって反射
され、その反射波（垂直反射波）が経路Ｉ→Ｈ→Ｇを通
って振動子２に受信される。

【０００７】振動子１０２による漏洩波と垂直反射波と
の受信タイミングには、振動子１０２から斜角入射波及
び垂直入射波が送信されてから漏洩波及び垂直反射波が
振動子１０２に受信されるまでの各波の行程差に基づく
時間差があり、この時間差Δｔと、超音波プローブ１０
１と被検体Ｓとの間に介在する超音波媒質である水中を
伝搬する超音波の音速Ｖ_Ｗと、音響レンズ１０３のデ
フォーカス量ΔＺとから、次式によって漏洩弾性表面波
の音速Ｖ_Ｌを算出することができ、当該漏洩弾性表面
波の音速Ｖ_Ｌの変化から被検体Ｓの劣化度等を評価す
ることができる。

【０００８】

【数１】図１７は、振動子１０２によって受信された漏洩波のエ
コー波形Ｌと垂直反射波のエコー波形Ｖとを示す図であ
って、前記時間差Δｔは、この漏洩波のエコー波形Ｌと
垂直反射波のエコー波形Ｖとのピーク間の時間差を計測
することによって求められる。また、水中を伝達する超
音波の音速Ｖ_Ｗは、水温を測定することによって求め
ることができ、音響レンズ１０３のデフォーカス量ΔＺ
は、被検体Ｓと超音波プローブ１０１の設定間隔と音響
レンズ１０３の焦点距離の差から求めることができる。

【０００９】また、この技術によれば、被検体の表層を
伝搬する漏洩弾性表面波の音速変化から被検体の劣化度
等を評価するだけでなく、被検体より漏洩する漏洩波の
レベル変化からクラックの有無や被膜剥離の有無といっ
た被検体表層の健全性を評価する方法としても適用する
ことができる。

【００１０】即ち、漏洩弾性表面波は、被検体の表面か
ら１波長程度、被検体の内部に浸透するが、母材に対す
る被膜の密着性が良好である場合には、被検体の内部に
浸透した漏洩弾性表面波の母材への浸透量が大きくなる
ため、振動子にて受信される漏洩波のレベルが低くな
る。これに対して、母材に対する被膜の密着性が悪い場
合には、母材と被膜との間に剥離による空気層が生じ、
当該空気層と被膜との界面で漏洩弾性表面波が反射され
るために漏洩弾性表面波の母材への浸透量が小さくな
り、相対的に振動子にて受信される漏洩波のレベルが大
きくなる。したがって、超音波プローブにおける漏洩波
の受信レベルより演算処理部にて母材に対する被膜の密
着性の良否を判定することができる。また、被検体の表
層にクラック等の欠陥が存在すると、被検体の表層にお
ける漏洩弾性表面波の伝搬がクラック等によって妨げら
れるために、振動子にて受信される漏洩波のレベルが低
くなる。これに対して、被検体の表層にクラック等の欠
陥が存在しない場合には、被検体の表層における漏洩弾
性表面波の伝搬がクラック等によって妨げられないた
め、振動子にて受信される漏洩波のレベルが高くなる。
したがって、この場合にも、超音波プローブにおける漏
洩波の受信レベルより演算処理部にて被検体表層におけ
るクラックの有無を判定することができる。なお、被検
体表層の健全性を評価するためには、必ずしも漏洩波と
垂直反射波の双方を検出可能な超音波プローブを用いる
必要はないが、少なくとも漏洩波のエコー波形を明確に
検出できる超音波プローブを用いる必要がある。

【００１１】一方、被検体に生じた欠陥の方向性を検出
する技術としては、例えば特開平１１−５１９１１号公
報等に記載されているように、ラインフォーカス型超音
波送受信器を用いて、圧延金属板の内部に発生した圧延
方向に伸びる非金属介在物を検出する技術が提案されて
いる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前出の
（１）式から漏洩弾性表面波の音速Ｖ_Ｌを求め、被検
体Ｓの劣化度等を評価するためには、振動子１０２の受
信信号から漏洩波のエコー波形Ｌと垂直反射波のエコー
波形Ｖとを明確に分離でき、その時間差Δｔを計れるこ
とが前提となる。一般に、音響レンズ１０３のデフォー
カス量ΔＺを大きくすると、漏洩弾性表面波の伝搬距離
が長くなって、経路Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅ→Ｆと経路Ｇ→
Ｈ→Ｉ→Ｈ→Ｇの行程差が大きくなり、図１７に示すよ
うに時間軸上で漏洩波のエコー波形Ｌと垂直反射波のエ
コー波形Ｖとが分離して時間差Δｔの測定が可能になる
が、本願発明者らの研究によると、漏洩弾性表面波が減
衰しやすい被検体、例えば、母材の表面に溶射皮膜が施
された被検体については、音響レンズ１０３のデフォー
カス量ΔＺを種々変更しても漏洩波のエコー波形Ｌと垂
直反射波のエコー波形Ｖとを明確に分離できず、時間差
Δｔを求めることができないことが判明した。即ち、本
願発明者らは、母材の表面に厚さ０．１ｍｍのＷＣ系サ
ーメット材料からなる溶射皮膜が施された被検体につい
て実験を行ったところ、音響レンズ１０３のデフォーカ
ス量ΔＺを大きくすると漏洩弾性表面波の減衰が大きく
なって漏洩波のエコー波形Ｌを検出することが困難にな
り、反対に、音響レンズ１０３のデフォーカス量ΔＺを
小さくすると垂直反射波のエコー波形Ｖに漏洩波のエコ
ー波形Ｌが埋没して両者を明確に分離することができ
ず、時間差Δｔを求めることができなかった。

【００１３】これについて理論的な解析を加えると、前
記の被検体にのど厚（図１６（ａ）のＧＨ間）が５ｍｍ
のアルミニウム製（音速＝６４００ｍ／ｓ）の音響レン
ズからデフォーカス量ΔＺを０．２ｍｍとして１０ＭＨ
ｚの超音波パルスを送信した場合、ＷＣ系溶射皮膜を伝
搬する漏洩弾性表面波の音速Ｖ_Ｌは約２３００ｍ／ｓ
（表面を研磨した同種の溶射皮膜を用いて予め計測した
値）であり、レーリー臨界角は約４１度であるので、図
１６（ａ）に示した経路Ｇ→Ｈ→Ｉ→Ｈ→Ｇを伝搬する
垂直入射波及び垂直反射波の伝搬時間が１０．０５μｓ
であるのに対して、図１６（ａ）に示した経路Ａ→Ｂ→
Ｃ→Ｄ→Ｅ→Ｆ経路を伝搬する斜角入射波、漏洩弾性表
面波及び漏洩波の伝搬時間は１０．１μｓであり、その
差が５０ｎｓとなって使用周波数の周期（１００ｎｓ）
の半分しかないので、仮に微弱な漏洩波が受信されてい
ても、時間差Δｔを求めることができない。

【００１４】一方、特開平１１−５１９１１号公報に記
載の技術によれば、圧延金属板中に存在する非金属介在
物のように方向性を有する欠陥を高精度に検出できる
が、被検体の劣化度評価や被検体表層部の健全性評価に
ついては行うことができず、被検体の超音波検査を効率
化することができない。また、前記公知例に係る超音波
探傷装置は、ラインフォーカス型超音波送受信器を用い
るので、装置が大型化及び複雑化するという問題もあ
る。

【００１５】本発明は、かかる従来技術の不備を解決す
るためになされたものであって、その目的は、第１に、
被検体の劣化度評価と被検体表層部の健全性評価と欠陥
の方向性を検出することができ、超音波検査の高能率化
と高精度化を図ることができる超音波プローブを提供す
ることにある。また、第２に、被検体の表層、内部又は
底面に存在する欠陥の方向性を検出できる小型かつ簡単
な構成の超音波プローブを提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記の目的を
達成するため、まず第１に、振動子設定面が平面状に形
成されたフラット型超音波プローブと、当該フラット型
超音波プローブの先端部に取り付けられ、前記振動子か
ら送信された超音波を集束する音響レンズとを備えた集
束型の超音波プローブにおいて、前記音響レンズとし
て、被検体への垂直入射波及び被検体からの垂直反射波
の伝搬経路における超音波の伝搬速度と、被検体への斜
角入射波及び被検体からの漏洩波の伝搬経路における超
音波の伝搬速度とが異なり、かつ、前記被検体への斜角
入射波及び被検体からの漏洩波の伝搬経路が一部遮断さ
れたものを用いるという構成にした。

【００１７】音響レンズの垂直入射波及び垂直反射波の
伝搬経路における超音波の伝搬速度と、音響レンズの斜
角入射波及び漏洩波の伝搬経路における超音波の伝搬速
度とを異ならせ、かつ、被検体への斜角入射波及び被検
体からの漏洩波の伝搬経路を一部遮断する手段として
は、（ａ）音響レンズとして、振動子対向面の中央部に
レンズ曲率面まで貫通する透孔が開設され、かつ、前記
レンズ曲率面に前記透孔の直径よりも幅の狭いスリット
が形成されたものを用いる、（ｂ）音響レンズとして、
振動子対向面の中央部にレンズ曲率面まで貫通する透孔
が開設され、かつ、前記レンズ曲率面に前記透孔の直径
よりも幅の狭いスリットが形成されたものを用い、前記
透孔内及びスリット内に、音響レンズを構成する素材と
は超音波の伝搬速度が異なる素材からなる充填物を充填
する、（ｃ）音響レンズとして、レンズ曲率面の中央部
にくぼみが形成され、かつ、当該レンズ曲率面に当該く
ぼみの直径よりも幅の狭いスリットが形成されたものを
用いる、（ｄ）音響レンズとして、レンズ曲率面の中央
部にくぼみが形成され、かつ、当該レンズ曲率面に当該
くぼみの直径よりも幅の狭いスリットが形成されたもの
を用い、前記くぼみ内及びスリット内に、音響レンズを
構成する素材とは超音波の伝搬速度が異なる素材からな
る充填物を充填する、といった手段がある。

【００１８】なお、前記（ｂ），（ｄ）における充填物
としては、音響レンズを構成する素材よりも超音波の伝
搬速度が遅いものを用いることもできるし、速いものを
用いることもできる。前者の具体例としては、アルミニ
ウムからなる音響レンズの透孔内又はくぼみ内に樹脂を
充填したものを挙げることができる。また、後者の具体
例としては、樹脂からなる音響レンズの透孔内又はくぼ
み内にアルミニウムの円筒体を圧入するか、アルミニウ
ムからなる心材の周囲に樹脂をアウトサートモールドし
て音響レンズとしたものを挙げることができる。

【００１９】音響レンズの垂直入射波及び垂直反射波の
伝搬経路における超音波の伝搬速度と、音響レンズの斜
角入射波及び漏洩波の伝搬経路における超音波の伝搬速
度とを異ならせると、デフォーカス量ΔＺを大きくでき
ない場合にも、振動子による垂直反射波の受信タイミン
グと漏洩波の受信タイミングとをずらすことができるの
で、垂直反射波のエコー波形Ｖと漏洩波のエコー波形Ｌ
とを時間軸上で明確に分離できるようになり、各エコー
波形の受信の時間差Δｔを求めることが可能になる。し
たがって、漏洩弾性表面波の音速Ｖ_Ｌが求められるこ
とから、母材の表面に溶射皮膜などの漏洩弾性表面波Ｌ
が減衰しやすい被膜が施された被検体についても、その
劣化度等を非破壊で評価することができる。また、垂直
反射波のエコー波形Ｖと漏洩波のエコー波形Ｌとを時間
軸上で明確に分離でき、漏洩波の受信レベルを正確に求
められることから、被検体表層の健全性も非破壊で評価
することができる。一方、被検体への斜角入射波及び被
検体からの漏洩波の伝搬経路を一部遮断すると、超音波
プローブから被検体に入射される斜角入射波及び被検体
から超音波プローブに入射される漏洩波に方向性を付与
できるので、漏洩波の検出信号のＳ／Ｎ（信号対雑音
比）を向上することができ、線状又は面状欠陥の検出精
度を高めることができる。

【００２０】また、本発明は、前記の目的を達成するた
め、第２に、振動子設定面が平面状に形成されたフラッ
ト型超音波プローブと、当該フラット型超音波プローブ
の先端部に取り付けられ、前記振動子から送信された超
音波を集束する音響レンズとを備えた集束型の超音波プ
ローブにおいて、前記音響レンズとして、被検体への斜
角入射波及び被検体からの漏洩波の伝搬経路を有する
が、被検体への垂直入射波及び被検体からの垂直反射波
の伝搬経路がなく、かつ、前記被検体への斜角入射波及
び被検体からの漏洩波の伝搬経路が一部切断されたもの
を用いるという構成にした。

【００２１】被検体への垂直入射波及び被検体からの垂
直反射波の伝搬経路を除き、かつ、被検体への斜角入射
波及び被検体からの漏洩波の伝搬経路を一部遮断する手
段としては、（ａ）音響レンズとして、振動子対向面の
中央部にくぼみが形成され、かつ、当該振動子対向面の
径方向に当該くぼみの直径よりも幅の狭いスリットが形
成されたものを用い、前記くぼみ及びスリットとフラッ
ト型超音波プローブにて構成される空間内に超音波遮蔽
部材を封入するか、超音波遮蔽体としての空気を封入す
る、（ｂ）音響レンズとして、振動子対向面に、前記振
動子の中央部と径方向の一部とを覆う超音波遮蔽部材を
備える、といった手段がある。

【００２２】かように、被検体への斜角入射波及び被検
体からの漏洩波の伝搬経路を有し、被検体への垂直入射
波及び被検体からの垂直反射波の伝搬経路を有しない音
響レンズを備えた超音波プローブを用いると、垂直反射
波のエコー波形Ｖが得られず時間差Δｔを求めることが
できないが、漏洩波の受信レベルを正確に求められるの
で、被検体表層の健全性を評価することができる。ま
た、前記と同様に、被検体への斜角入射波及び被検体か
らの漏洩波の伝搬経路を一部遮断すると、超音波プロー
ブから被検体に入射される斜角入射波及び被検体から超
音波プローブに入射される漏洩波に方向性を付与できる
ので、漏洩波の検出信号のＳ／Ｎを向上することがで
き、線状又は面状欠陥の検出精度を高めることができ
る。

【００２３】なお、前記各構成の音響レンズとしては、
被検体に超音波をスポット状に入射でき、高精度の超音
波検査を実行できることから、レンズ曲率面が球面状に
形成された凹レンズを用いることが好ましい。

【００２４】さらに、本発明は、前記の目的を達成する
ため、第３に、振動子設定面が平面状に形成されたフラ
ット型超音波プローブと、当該フラット型超音波プロー
ブの先端部に取り付けられた音響レンズとを備えた超音
波プローブにおいて、前記音響レンズとして、超音波の
伝搬経路が一部遮断されたものを用いるという構成にし
た。

【００２５】かように、超音波の伝搬経路が一部遮断さ
れた音響レンズを備えた超音波プローブを用いると、超
音波プローブから被検体に入射される超音波及び被検体
から超音波プローブに入射される超音波に方向性を付与
することができるので、エコー信号のＳ／Ｎを向上する
ことができ、線状又は面状欠陥の検出精度を高めること
ができる。

【００２６】なお、超音波の伝搬経路を一部遮断する手
段としては、音響レンズの超音波送受信面にスリットを
形成するという手段を用いることができる。

【００２７】また、音響レンズの超音波送受信面は、凹
状のレンズ曲率面とすることもできるし、フラットに形
成することもできる。超音波送受信面に凹状のレンズ曲
率面を形成した場合には、振動子から送信された超音波
をスポット状に集束させることができるので、高精度の
超音波検査を行うことができる。一方、超音波送受信面
をフラットに形成した場合には、振動子から送信された
超音波を一度に被検体の広範囲に入射できるので、高能
率の超音波検査を行うことができる。

【００２８】前記各構成の超音波プローブにおいては、
音響レンズを、フラット型超音波プローブの先端部に一
体不可分に固着することもできるし、フラット型超音波
プローブの先端部に着脱可能に取り付けることもでき
る。音響レンズをフラット型超音波プローブに着脱可能
に取り付ける場合には、音響レンズとフラット型超音波
プローブとに互いに噛み合うねじを刻設しておき、これ
らを螺合することによって着脱可能に結合することもで
きるし、音響レンズの側面部に形成されたねじ孔にビス
を螺合し、当該ビスによってフラット型超音波プローブ
を着脱可能に固定することもできる音響レンズをフラッ
ト型超音波プローブの先端部に着脱可能に取り付ける
と、仕様が異なる各種のフラット型超音波プローブと音
響レンズを組み合わせて多様な仕様の集束型超音波プ
ローブを得ることができるので、少ない部品点数で多様
な超音波検査を実行することができ、超音波検査のトー
タルコストを低減することができる。また、フラット型
の超音波プローブと音響レンズとを着脱可能に結合した
ことから、水中における集束型超音波プローブの組立が
可能で、フラット型超音波プローブと音響レンズとの間
に気泡が介在することがなく、検査結果の信頼性を高め
ることができる。また、気泡を除去するための手数を要
しないので、この点からも検査コストの低減を図ること
ができる。

【００２９】

【発明の実施の形態】まず、本発明に係る超音波プロー
ブの実施形態例を説明するに先立ち、超音波検査装置の
全体構成を図１及び図２に基づいて説明する。図１は超
音波検査装置のブロック図、図２は超音波検査装置にお
ける超音波プローブ設定部の一部断面した斜視図であ
る。

【００３０】これらの図に示すように、本例の超音波検
査装置は、被検体Ｓの表面に沿って超音波を二次元走査
する超音波走査部１０と、当該超音波走査部１０の駆動
部２０と、当該駆動部２０を介して前記超音波走査部１
０を制御し、超音波の受信波形から被検体の応力分布や
破壊靱性値それに劣化度等の所望の検査結果を演算によ
って求める演算処理部３０と、当該演算処理部３０にて
得られた超音波検査結果を表示する表示部４０とから主
に構成されている。

【００３１】超音波走査部１０は、図２に示すように、
超音波プローブ１と、当該超音波プローブ１及び被検体
Ｓを収納する水Ｗが貯えられた水槽１１と、超音波プロ
ーブ１を三次元方向に駆動する機械式スキャナ１２とか
らなる。機械式スキャナ１２は、水槽１１の相平行な２
辺に沿ってＹ−Ｙ方向に配置された一対のＹ軸ガイド１
３と、当該Ｙ軸ガイド１３によってＹ−Ｙ方向に案内さ
れるＹ軸スライダ１４と、当該Ｙ軸スライダ１４に両端
が固定され、Ｘ−Ｘ方向に配置されたＸ軸ガイド１５
と、当該Ｘ軸ガイド１５によってＸ−Ｘ方向に案内され
るＸ軸スライダ１６と、当該Ｘ軸スライダ１６に垂直に
固定されたＺ軸ガイド１７と、前記超音波プローブ１を
保持し、前記Ｚ軸ガイド１７によってＺ−Ｚ方向に案内
されるＺ軸スライダ１８を有しており、前記各スライダ
１４，１６，１８は、図１に示す３つのモータＭ１〜Ｍ
３によって駆動される。これらの各モータには、ロータ
リーエンコーダ等の位置信号出力装置が備えられてお
り、各スライダ１４，１６，１８の座標信号を演算処理
部３０にて検出できるようになっている。

【００３２】駆動部２０には、超音波プローブ１からの
超音波の発信と超音波プローブ１による超音波の受信と
を行うパルサー／レシーバー２１と、当該パルサー／レ
シーバー２１の受信信号をデジタル変換するＡ／Ｄ変換
器２２と、前記機械式スキャナ１２に備えられた３つの
モータＭ１〜Ｍ３を駆動するモータドライバ２３とが備
えられている。

【００３３】また、演算処理部３０には、ＣＰＵ３１
と、キーボードやマウス等の入力手段３２と、当該入力
手段３２からの指令によって駆動するトリガー３３及び
モータコントローラ３４と、Ａ／Ｄ変換された受信信号
をモータドライバ２３及びモータコントローラ３４を介
してモータ（Ｍ１〜Ｍ３）から取り込まれた座標信号と
共に蓄積する第１のメモリ３５と、トリガー３３からの
信号によって起動されＣＰＵ３１による信号処理のゲー
トを設定するタイマー３６と、ＣＰＵ３１による信号処
理の手順を記憶した第２のメモリ３７とが備えられてい
る。

【００３４】したがって、本例の超音波検査装置は、入
力手段３２を操作することによって機械式スキャナ１２
に備えられたモータＭ１〜Ｍ３を駆動することができ、
水槽１１内に設定された被検体Ｓに対する超音波プロー
ブ１の位置決めを行うことができる。このときの超音波
プローブ１の座標信号は、モータドライバ２３及びモー
タコントローラ３４を介して第１のメモリ３５に取り込
まれる。この状態から、入力手段３２を操作することに
よって、パルサー／レシーバー２１及びモータコントロ
ーラ３４を駆動することができ、超音波プローブ１を被
検体Ｓの表面に沿って二次元的に移動しつつ、超音波プ
ローブ１からの超音波の送信と超音波プローブ１による
超音波の受信とを行うことができる。超音波プローブ１
によって受信された超音波は、Ａ／Ｄ変換器２２によっ
てＡ／Ｄ変換され、モータドライバ２３及びモータコン
トローラ３４を介してモータＭ１〜Ｍ３より取り込まれ
た座標信号と共に第１のメモリ３５に蓄積される。ＣＰ
Ｕ３１は、タイマー３６に設定されたゲートごとに第１
のメモリ３５に蓄積された信号を取り込んで、第２のメ
モリ３７に記憶された信号処理手順に基づいてその信号
処理を行い、その処理結果を表示装置４０に色調表示す
る。

【００３５】以下、本発明に係る超音波プローブの実施
形態例について説明する。

【００３６】〈超音波プローブの第１例〉第１実施形態
例に係る超音波プローブを、図３乃至図６に基づいて説
明する。図３（ａ），（ｂ）は第１実施形態例に係る超
音波プローブの要部断面図及び平面図、図４はフラット
型超音波プローブに対する音響レンズの取付方式の他の
例を示す断面図、図５は振動子によって受信される漏洩
波及び垂直反射波のエコー波形図、図６（ａ），（ｂ）
は第１実施形態例に係る超音波プローブの効果を示す漏
洩波のＣスコープ画像である。

【００３７】図３（ａ），（ｂ）から明らかなように、
本例の超音波プローブ１Ａは、振動子設定面７ａが平面
状に形成されたフラット型超音波プローブ７と、前記振
動子設定面７ａに取り付けられた平面形状が円形の単一
型振動子２と、当該振動子２から送信された超音波を収
束して被検体Ｓに入射する凹レンズ型の音響レンズ３と
を備えた構成になっている。本例の超音波プローブ１Ａ
は、音響レンズ３として、その中央部に振動子対向面３
ａからレンズ曲率面３ｂまで貫通する透孔４を開設する
と共に、当該透孔４の中心を通って音響レンズ３の径方
向に延びるスリット４ａを、音響レンズ３の端面から振
動子対向面３ａまで達する位置に形成したことを特徴と
する。

【００３８】振動子２は、表裏両面に電極が設けられた
圧電薄膜をもって構成され、前記振動子設定面７ａに接
着等の手段によって固定される。一方、音響レンズ３
は、アルミニウム等の超音波伝搬速度が大きな物質をも
って凹レンズ型に構成され、振動子対向面３ａが平面状
に、これと対向するレンズ曲率面３ｂが球面状に形成さ
れている。透孔４の直径は、垂直入射波及び垂直反射波
の伝搬範囲以上に設定すれば足りるが、雑音の受信を極
力抑制するため、斜角入射波及び漏洩波の伝搬を阻害し
ない範囲内で可能な限り大きくする方が好ましい。ま
た、スリット４ａの幅は、透孔４の直径よりも小さい範
囲で任意に設定できるが、あまり小さくすると、超音波
プローブから被検体に入射される斜角入射波及び被検体
から超音波プローブに入射される漏洩波の方向性が失わ
れて線状又は面状欠陥の検出精度が低下し、反対にあま
り大きくすると、超音波プローブから被検体に入射され
る斜角入射波及び被検体から超音波プローブに入射され
る漏洩波のレベルが低下して線状又は面状欠陥の検出精
度が低下するため、これらを考慮して、線状又は面状欠
陥の検出精度が最も高くなる値に設定する。実験による
と、音響レンズの焦点距離が５．７ｍｍ、開口径が８．
５ｍｍ、透孔４の直径が５ｍｍである場合、スリット４
ａの幅を１〜３ｍｍ程度にした場合に良好な線状又は面
状欠陥の検出精度が得られた。なお、本例の超音波プロ
ーブ１Ａにおいては、音響レンズ３に形成された透孔４
及びスリット４ａが被検体への垂直入射波及び被検体か
らの垂直反射波の伝搬経路になり、その他の部分が被検
体への斜角入射波及び被検体からの漏洩波の伝搬経路に
なる。また、スリット４ａによって、被検体への斜角入
射波及び被検体からの漏洩波の伝搬経路が一部遮断され
る。

【００３９】図３（ａ）に示すように、フラット型超音
波プローブ７の外周面には雄ねじ７ａが刻設され、音響
レンズ３の上半部に形成された凹部３ｃの内周面には前
記雄ねじ７ａと螺合する雌ねじ３ｄが刻設されていて、
これら両ねじ７ａ、３ｄを螺合することによって、フラ
ット型超音波プローブ７の先端部に音響レンズ３が着脱
可能に固定される。前記凹部３ｃの底面は平面状に形成
されており、フラット型超音波プローブ７の先端部に密
着できるようになっている。

【００４０】なお、かかる構成に代えて、図４に示すよ
うに、音響レンズ３の側面に、凹部３ｃまで貫通するね
じ孔３ｅを開設し、当該ねじ孔３ｅに螺合されたビス３
ｆにて、凹部３ｃ内に挿入されたフラット型超音波プロ
ーブ７の先端部を締結することもできる。

【００４１】前記したように、超音波プローブは、被検
体Ｓの評価に際して、被検体Ｓと共に水中に配置され
る。したがって、音響レンズ３の中央部に透孔４が開設
された本実施形態例の超音波プローブ１Ａを用いると、
図３（ａ）に示すように、振動子２の斜角経路Ａ→Ｂ→
Ｃ及びＤ→Ｅ→Ｆと被検体Ｓとの間には、超音波の伝搬
速度が高いアルミニウム製の音響レンズ３（音速＝約６
４００ｍ／ｓ）と超音波の伝搬速度が低い水（１９℃で
約１４８０ｍ／ｓ、２６℃で約１５００ｍ／ｓ）とが介
在するのに対して、振動子２の垂直経路Ｇ→Ｉ及びＩ→
Ｇと被検体Ｓとの間には、超音波の伝搬速度が低い水の
みが介在することになるので、経路Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅ
→Ｆを通る斜角入射波、漏洩弾性表面波及び漏洩波の伝
搬時間よりも経路Ｇ→Ｉ→Ｇを通る垂直入射波及び垂直
反射波の伝搬時間の方が長くなり、図５に示すように、
垂直反射波のエコー波形Ｖと漏洩波のエコー波形Ｌとが
分離し、かつ漏洩波のエコー波形Ｌの方が表面反射波の
エコー波形Ｖよりも先行した受信信号が得られる。した
がって、漏洩波のエコー波形Ｌと表面反射波のエコー波
形Ｖとの時間差Δｔを求めることができ、漏洩弾性表面
波の音速Ｖ_Ｌを求めることができるので、当該漏洩弾
性表面波の音速変化から例えば被検体Ｓの応力分布や破
壊靱性値それに熱脆化や粒界腐蝕といった被検体の劣化
度、並びに被検体表面におけるクラックの有無や被検体
表面に設けられた被膜の剥離の有無といった被検体表面
の健全性を非破壊で評価することができる。

【００４２】この点についてより詳細に説明すると、前
記と同様に、母材の表面に厚さ０．１ｍｍのＷＣ系溶射
皮膜が施された被検体とレンズのど厚（透孔４を開設す
る前のＧＨ間の距離）が５ｍｍのアルミニウム製音響レ
ンズを用い、デフォーカス量ΔＺを０．２ｍｍ、使用周
波数を１０ＭＨｚ、漏洩弾性表面波の音速Ｖ_Ｌを２３
００ｍ／ｓ、レーリー臨界角を４１度として垂直波Ｖと
漏洩弾性表面波Ｌの時間差Δｔを求めると、経路Ａ→Ｂ
→Ｃ→Ｄ→Ｅ→Ｆを伝搬する超音波の伝搬時間が約１０
μｓであるのに対して、経路Ｇ→Ｉ→Ｇを伝搬する超音
波の伝搬時間は約１５μｓであり、その差が５μｓ（使
用周波数の周期の５０倍）となって、溶射被膜を有する
被検体においても両波を分離できることが判る。なお、
前例においては、使用周波数を１０ＭＨｚとしたが、５
〜２０ＭＨｚの範囲で変更した場合にも同様の結果が得
られた。

【００４３】また、本実施形態例に係る超音波プローブ
１Ａは、音響レンズ３の径方向にスリット４ａを設けた
ので、斜角入射波の伝搬及び漏洩波の伝搬は、図３
（ｂ）に矢印で示すように、スリット形成部以外の部分
でのみ行われ、スリット形成部においては斜角入射波の
伝搬及び漏洩波の伝搬が行われない。したがって、超音
波プローブ１Ａから被検体Ｓに入射される斜角入射波及
び被検体Ｓから超音波プローブ１Ａに入射される漏洩波
に方向性が付与されるので、漏洩波の検出信号のＳ／Ｎ
を向上することができ、線状欠陥又は面状欠陥の検出精
度を高めることができる。図６（ａ）に本実施形態例に
係る超音波プローブ１Ａを用い、スリット４ａを線状欠
陥と平行に向けることによって検出された漏洩波のＣス
コープ画像を、図６（ｂ）に透孔４のみを有しスリット
４ａを有しない超音波プローブを用いて検出された漏洩
波のＣスコープ画像を示す。これらの図から明らかなよ
うに、本実施形態例に係る超音波プローブ１Ａを用いた
場合には、透孔４のみを有しスリット４ａを有しない超
音波プローブを用いた場合に比べて、線状欠陥がより明
瞭に検出される。

【００４４】さらに、本実施形態例に係る超音波プロー
ブ１Ａは、フラット型超音波プローブ７の先端部に音響
レンズ３を着脱可能に取り付けたので、仕様が異なる各
種のフラット型超音波プローブ７と音響レンズ３とを組
み合わせて多様な仕様の集束型超音波プローブを得るこ
とができ、少ない部品点数で多様な超音波検査を実行す
ることができることから、超音波検査のトータルコスト
を低減することができる。また、フラット型超音波プロ
ーブ７と音響レンズ３とを着脱可能に結合したことか
ら、水中における集束型超音波プローブの組立が可能で
あり、フラット型超音波プローブ７と音響レンズ３の間
に気泡が介在することがないので、検査結果の信頼性を
高めることができる。加えて、気泡を除去するための手
数を要しないので、この点からも検査コストの低減を図
ることができる。

【００４５】〈超音波プローブの第２例〉第２実施形態
例に係る超音波プローブを、図７に基づいて説明する。
図７（ａ），（ｂ）は第２実施形態例に係る超音波プロ
ーブ１Ｂの要部断面図及び平面図である。

【００４６】第２実施形態例に係る超音波プローブ１Ｂ
は、音響レンズ３に単に透孔４及びスリット４ａを形成
する構成に代えて、形成された透孔４内及びスリット４
ａ内に音響レンズ３を構成する素材とは超音波の伝搬速
度が異なる素材からなる充填物６を充填したことを特徴
とする。その他については、第１実施形態例に係る超音
波プローブ１Ａと同じであるので、重複を避けるために
説明を省略する。

【００４７】音響レンズ３を構成する素材と充填物６と
は、超音波の伝搬速度の差が大きいほど好ましく、音響
レンズ３がアルミニウム（音速＝６４００ｍ／ｓ）をも
って構成される場合には、充填物６としてはアクリル樹
脂等の樹脂材料（音速＝２０００〜３０００ｍ／ｓ）が
好適に用いられ、反対に音響レンズ３が樹脂材料をもっ
て構成される場合には、充填物６としてはアルミニウム
が好適に用いられる。充填部６として樹脂を用いる場合
には、開設された透孔４及び形成されたスリット４ａ内
に充填物である樹脂をポッティングすることによって音
響レンズ３を製造することができる。また、充填部６と
して固体を用いる場合には、開設された透孔４及び形成
されたスリット４ａ内に充填物である固体を圧入するこ
とによっても音響レンズ３を製造することができる。さ
らに、音響レンズ３が樹脂材料から構成される場合に
は、アルミニウム等の充填物６の周囲に樹脂をアウトサ
ート成形することによっても所望の音響レンズ３を製造
することができる。

【００４８】勿論、音響レンズ３を構成する素材よりも
超音波の伝搬速度が低い充填物６を充填した場合には、
経路Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅ→Ｆを通る超音波の伝搬時間よ
りも経路Ｇ→Ｉ→Ｇを伝搬する超音波の伝搬時間が相対
的に遅くなって、図５に示すように漏洩波のエコー波形
Ｌの方が垂直反射波のエコー波形Ｖより先行した形にな
り、逆に、音響レンズ３を構成する素材よりも超音波の
伝搬速度が高い充填物６を充填した場合には、経路Ａ→
Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅ→Ｆを通る超音波の伝搬時間よりも経路
Ｇ→Ｉ→Ｇを伝搬する超音波の伝搬時間が相対的に速く
なって、図１６に示すように垂直反射波のエコー波形Ｖ
の方が漏洩波のエコー波形Ｌより先行した形になる。

【００４９】本例の超音波プローブ１Ｂは、音響レンズ
３における垂直入射波及び垂直反射波の伝搬経路Ｇ→Ｉ
及びＩ→Ｇと斜角入射波及び漏洩波の伝搬経路Ａ→Ｂ→
Ｃ及びＤ→Ｅ→Ｆとを音速が異なる素材で構成したの
で、各経路を通る超音波の伝搬時間の差が大きくなっ
て、垂直反射波のエコー波形Ｖと漏洩波のエコー波形Ｌ
の分離が可能になり、被検体の劣化度等並びに被検体表
層の健全性の評価を行うことができる。また、スリット
４ａを有するので、線状又は面状の欠陥の検出を高精度
に行うことができる。

【００５０】〈超音波プローブの第３例〉第３実施形態
例に係る超音波プローブを、図８に基づいて説明する。
図８は第３実施形態例に係る超音波プローブの要部断面
図である。

【００５１】第３実施形態例に係る超音波プローブ１Ｃ
は、音響レンズ３の中央部に透孔４を開設する構成に代
えて、音響レンズ３のレンズ曲率面３ｂの中央部にくぼ
み５を形成したことを特徴とする。くぼみ５の直径は、
垂直入射波及び垂直反射波の伝搬範囲以上であり、雑音
の受信を極力抑制するため、斜角入射波及び漏洩波の伝
搬を阻害しない範囲内で可能な限り大きく形成される。
その他については、第１実施形態例に係る超音波プロー
ブ１Ａと同様に形成される。

【００５２】この超音波プローブ１Ｃを用いた場合に
も、第１実施形態例に係る超音波プローブ１Ａと同様
に、経路Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅ→Ｆを通る超音波の伝搬時
間よりも経路Ｇ→Ｉ→Ｇを伝搬する超音波の伝搬時間を
相対的に遅らせることができるので、垂直反射波のエコ
ー波形Ｖと漏洩波のエコー波形Ｌの分離が可能で、被検
体の劣化度等並びに被検体表層の健全性の評価を行うこ
とができる。また、スリット４ａを有するので、線状又
は面状の欠陥の検出を高精度に行うことができる。

【００５３】〈超音波プローブの第４例〉第４実施形態
例に係る超音波プローブを、図９に基づいて説明する。
図９（ａ），（ｂ）は、第４実施形態例に係る超音波プ
ローブ１Ｄの要部断面図及び平面図である。

【００５４】第４実施形態例に係る超音波プローブ１Ｄ
は、音響レンズ３に単にくぼみ５及びスリット４ａを形
成する構成に代えて、形成されたくぼみ５内及びスリッ
ト４ａ内に音響レンズ３を構成する素材とは超音波の伝
搬速度が異なる素材からなる充填物６を充填したことを
特徴とする。その他については、第２実施形態例に係る
超音波プローブ１Ｂと同じであるので、重複を避けるた
めに説明を省略する。

【００５５】本例の超音波プローブ１Ｄも、第２実施形
態例に係る超音波プローブ１Ｂと同様の効果を有する。

【００５６】〈超音波プローブの第５例〉第５実施形態
例に係る超音波プローブを、図１０に基づいて説明す
る。図１０は第５実施形態例に係る超音波プローブ１Ｅ
の要部断面図である。

【００５７】第５実施形態例に係る超音波プローブ１Ｅ
は、図１０に示すように、音響レンズ３の振動子対向面
３ａの中央部にくぼみ５を形成すると共に、当該振動子
対向面３ａの径方向に当該くぼみ５の直径よりも幅の狭
いスリット４ａを形成し、これらくぼみ５及びスリット
４ａと前記フラット型超音波プローブ７に備えられた振
動子２の表面にて構成される空間内に超音波遮蔽部材８
を封入するか、超音波遮蔽体としての空気を封入すると
いう構成にした。その他については、第３実施形態例に
係る超音波プローブ１Ｃと同じであるので、説明を省略
する。

【００５８】この超音波プローブ１Ｅを用いた場合は、
被検体Ｓへの垂直入射波の伝搬及び被検体Ｓからの垂直
反射波の伝搬が超音波遮蔽部材８又は超音波遮蔽体とし
ての空気によって制限されるので、垂直反射波のエコー
波形Ｖが得られず、したがって時間差Δｔを求めること
ができないが、斜角入射波の伝搬経路と漏洩波の伝搬経
路とが設けられているので、漏洩波の受信レベルを検出
することができ、この漏洩波の受信レベルから被検体表
層の健全性を評価することができる。また、スリット４
ａを有するので、線状又は面状の欠陥の検出を高精度に
行うことができる。

【００５９】〈超音波プローブの第６例〉第６実施形態
例に係る超音波プローブを、図１１に基づいて説明す
る。図１１は第６実施形態例に係る超音波プローブに備
えられる音響レンズの振動子対向面側から見た平面図で
ある。

【００６０】第６実施形態例に係る超音波プローブ１Ｆ
は、図１１に示すように、音響レンズ３に透孔４やくぼ
み５を形成せず、振動子対向面３ａに、その中央部と径
方向の一部とを覆う超音波遮蔽部材８を配設したことを
特徴とする。振動子対向面３ａの中央部を覆う超音波遮
蔽部材８の円形部８ａは、第１実施形態例に係る超音波
プローブ１Ａにおける透孔４に対応するものであり、そ
の直径は、雑音の受信を極力抑制するため、斜角入射波
及び漏洩波の伝搬を阻害しない範囲内で可能な限り大き
く形成される。また、振動子対向面３ａの径方向を覆う
超音波遮蔽部材８の突出部８ｂは、第１実施形態例に係
る超音波プローブ１Ａにおけるスリット４ａに対応する
ものであり、その幅は、前記円形部８ａの直径より小さ
く、かつ斜角入射波及び漏洩波に方向性を付与可能な大
きさに形成される。その他については、第１実施形態例
に係る超音波プローブ１Ａと同じであるので、説明を省
略する。

【００６１】本例の超音波プローブ１Ｆを用いた場合
も、被検体Ｓへの垂直入射波の伝搬及び被検体Ｓからの
垂直反射波の伝搬が超音波遮蔽部材８によって制限され
るが、斜角入射波の伝搬経路と漏洩波の伝搬経路とが設
けられているので、漏洩波の受信レベルを検出すること
ができ、この漏洩波の受信レベルから被検体表層の健全
性を評価することができる。また、スリット４ａを有す
るので、線状又は面状の欠陥の検出を高精度に行うこと
ができる。

【００６２】以下、前記のように構成された超音波検査
装置を用いた超音波検査方法の一例を、前出の図３
（ａ）並びに図１２及び図１３に基づいて説明する。こ
の検査方法は、水温の測定を行うことなく、漏洩弾性表
面波の音速Ｖ_Ｌを算出できるようにしたことを特徴と
する。図１２は音響レンズの焦点を被検体の表面に合致
した場合における超音波プローブの配置を示す説明図で
あり、図１３は超音波検査方法の手順を示すフローチャ
ートである。図１３に示した超音波検査方法の手順は、
図１に示した第２のメモリ３７に記憶される。

【００６３】まず、手順Ｓ１で、機械式スキャナ１２の
Ｚ軸スライダ１８を駆動して超音波プローブ１を被検体
Ｓに接近する方向又は被検体Ｓから離隔する方向に移動
し、図１２に示すように、音響レンズ３の焦点を被検体
Ｓの表面に合致させる。音響レンズ３の焦点が被検体Ｓ
の表面に合致すると、漏洩波のエコーレベルが最大にな
るので、音響レンズ３の焦点が被検体Ｓの表面に合致し
たことを知ることができる。

【００６４】手順Ｓ２で、振動子２から超音波を送信
し、経路Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅ→Ｆを通る超音波の伝搬時
間ｔ_Ｌ０と、経路Ｇ→Ｉ→Ｇを通る超音波の伝搬時間ｔ
_Ｖ０を計測する。また、Ｚ軸スライダ１８の出力値Ｚ
_０の読み込みを行う。

【００６５】次に、手順Ｓ３，Ｓ４で、漏洩弾性表面波
を検出するまで超音波プローブ１を被検体Ｓに接近させ
る。超音波プローブ１の停止位置は、必ずしも漏洩弾性
表面波のエコーレベルが最大になる位置とする必要はな
く、漏洩弾性表面波を検出できる範囲内で任意に設定で
きる。漏洩弾性表面波が検出されたとき、超音波プロー
ブ１は、図３（ａ）に示す位置になり、音響レンズ３の
焦点位置は、被検体Ｓの表面からデフォーカス量ΔＺだ
け内側になる。

【００６６】手順Ｓ５で、振動子２から超音波を送信
し、経路Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅ→Ｆを通る超音波の伝搬時
間ｔ_Ｌ１と、経路Ｇ→Ｉ→Ｇを通る超音波の伝搬時間ｔ
_Ｖ１を計測する。また、Ｚ軸スライダ１８の出力値Ｚ
_１の読み込みを行う。

【００６７】次いで手順Ｓ６に移行し、手順Ｓ２で計測
された経路Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅ→Ｆを通る超音波の伝搬
時間ｔ_Ｌ０と手順Ｓ５で計測された経路Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ
→Ｅ→Ｆを通る超音波の伝搬時間ｔ_Ｌ１との時間差Δｔ
_Ｌ（＝ｔ_Ｌ０−ｔ_Ｌ１）、手順Ｓ２で計測された経路Ｇ
→Ｉ→Ｇを通る超音波の伝搬時間ｔ_Ｖ０と手順Ｓ５で計
測された経路Ｇ→Ｉ→Ｇを通る超音波の伝搬時間ｔ_Ｖ１
との時間差Δｔ_Ｖ（＝ｔ_Ｖ０−ｔ_Ｖ１）及び手順Ｓ２で
計測されたＺ軸スライダ１８の出力値Ｚ_０と手順Ｓ５
で計測されたＺ軸スライダ１８の出力値Ｚ_１の差、即
ち音響レンズ３のデフォーカス量ΔＺ（＝Ｚ_０−Ｚ_１）
を算出する。

【００６８】最後に、これらの算出値から、下記の
（２）式を用いて漏洩弾性表面波の音速Ｖ_Ｌを求める

【数２】（２）式は水の音速Ｖ_Ｗを変数に含まないので、この
式に基づけば、水の音速Ｖ_Ｗを測定することなく漏洩
弾性表面波の音速Ｖ_Ｌを算出することができる。な
お、上記においては説明を省略したが、上記の検査方法
を実行するに際しては、機械式スキャナ１２のＹ軸スラ
イダ１４及び／又はＸ軸スライダ１６を適宜駆動して、
被検体Ｓの表面に沿って超音波プローブ１を走査するこ
とはもちろんである。また、図１３の超音波検査方法に
おいては、手順Ｓ１で音響レンズ３の焦点を被検体Ｓの
表面に合致させたが、この手順において音響レンズ３の
焦点を被検体Ｓの表面に完全に合致させなければ所要の
超音波検査を実行できないというものではなく、音響レ
ンズ３の焦点を被検体Ｓの表面よりやや内側に位置付け
ることもできる。この場合には、手順Ｓ３，Ｓ４におい
て、音響レンズ３の焦点位置が、手順Ｓ１で設定された
音響レンズ３の焦点位置よりもさらに被検体Ｓの内側に
移動される。

【００６９】以下、当該（２）式の妥当性について説明
する。

【００７０】音響レンズ３の焦点位置を被検体Ｓの表面
に合致させたときに経路Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅ→Ｆを通る
超音波の伝搬時間ｔ_Ｌ０と音響レンズ３の焦点位置を被
検体Ｓの表面からずらしたときに経路Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→
Ｅ→Ｆを通る超音波の伝搬時間ｔ_Ｌ１との時間差Δｔ
_Ｌは、音響レンズ３のデフォーカス量をΔＺ、レーリ
ー臨界角をθ_Ｌ、水の音速をＶ_Ｗ、漏洩弾性表面波
の音速をＶ_Ｌとしたとき、

【数３】で表され、スネルの法則からＶ_Ｗ＝Ｖ_Ｌｓｉｎθ_Ｌであ
ることを利用して（３）式からθ_Ｌを消去すると、下
記の（４）式が得られる。

【００７１】

【数４】一方、音響レンズ３の焦点位置を被検体Ｓの表面に合致
させたときに経路Ｇ→Ｉ→Ｇを通る超音波の伝搬時間ｔ
_Ｖ０と音響レンズ３の焦点位置を被検体Ｓの表面からず
らしたときに経路Ｇ→Ｉ→Ｇを通る超音波の伝搬時間ｔ
_Ｖ１との時間差Δｔ_Ｖは、下記の（５）式で表され
る。

【００７２】

【数５】この（５）式から、水の音速をＶ_Ｗは、下記の（６）
式で求められる。

【００７３】

【数６】ここで、（６）式を（４）式に代入すれば、水の音速Ｖ
_Ｗを変数に含まない漏洩弾性表面波の音速Ｖ_Ｌを求
める（２）式を得ることができる。

【００７４】なお、本例においては、第１実施形態例に
係る超音波プローブ１Ａを用いた検査方法について説明
したが、第２乃至第４実施例に係る超音波プローブ１Ｂ
乃至１Ｄを用いた場合にも、同様の効果を得ることがで
きる。

【００７５】次に、前記のように構成された超音波検査
装置及び超音波プローブを用いた超音波検査方法の他の
例を、図１、図２、図３、図１２及び図１４を参照して
説明する。ここに、図１４は超音波検査方法の手順を示
すフローチャートである。

【００７６】まず、図１４の手順Ｓ１において、入力手
段３２を操作し、機械式スキャナ１２に備えられたモー
タＭ１，Ｍ２を駆動して、水槽１１内に設定された被検
体Ｓに対する超音波プローブ１のＸ−Ｙ方向の位置決め
を行う。このときの超音波プローブ１のＸ−Ｙ座標は、
モータドライバ２３及びモータコントローラ３４を介し
て第１のメモリ３５に取り込まれ、超音波プローブ１の
現在位置が特定される。

【００７７】次いで、図１４の手順Ｓ２に移行し、入力
手段３２を操作して機械式スキャナ１２に備えられたモ
ータＭ３を駆動し、機械式スキャナ１２のＺ軸スライダ
１８に取り付けられた超音波プローブ１をＺ方向に移動
し、図３に示すように、音響レンズ３の焦点を被検体Ｓ
の表面より所要のデフォーカス量ΔＺだけ下方に合致さ
せる。音響レンズ３の焦点が図１５に示すように被検体
Ｓの表面に合致すると漏洩波のエコーレベルが最大にな
るので、超音波プローブ１をＺ方向に移動しつつ、漏洩
波のエコーレベルを連続的に検知することによって、音
響レンズ３の焦点を被検体Ｓの表面に合致させることが
でき、その位置から所要のデフォーカス量ΔＺだけ超音
波プローブ１を下降することによって、音響レンズ３の
焦点を所定の位置に合致させることができる。この操作
は、演算処理部３０に備えられた第２のメモリ３７に記
憶されたプログラムに基づいて自動的に行わせることが
できる。なお、デフォーカス量ΔＺが大きいほど垂直反
射波の検出タイミングと漏洩波の検出タイミングとがず
れて漏洩波レベルの検出が容易になるが、その反面溶射
皮膜Ｓ_２による漏洩弾性表面波の減衰が大きくなって
漏洩波レベルが低下するため、両者を勘案して、膜厚が
０．１ｍｍの溶射皮膜の場合、デフォーカス量ΔＺを
０．２ｍｍ程度とすることが好ましい。

【００７８】次いで、図１４の手順Ｓ３に移行し、入力
手段３２を操作して所要の範囲で超音波プローブ１をＸ
−Ｙ方向に二次元走査しつつ、所要の走査ピッチで漏洩
波のエコー像を超音波プローブ１の座標信号と共に演算
処理部３０に備えられた第１のメモリ３５に取り込む。
この操作も、演算処理部３０に備えられた第２のメモリ
３７に記憶されたプログラムに基づいて自動的に行わせ
ることができる。

【００７９】最後に、図１４の手順Ｓ４に移行し、第１
のメモリ３５に蓄積されたデータを順次ＣＰＵ３１に取
り込んでＣスコープ画像化し、その結果を表示部４０に
表示する。この操作も、演算処理部３０に備えられた第
２のメモリ３７に記憶されたプログラムに基づいて自動
的に行わせることができる。これにより、図６に示すよ
うなＣスコープ画像を得ることができる。

【００８０】なお、本例においては、第１実施形態例に
係る超音波プローブ１Ａを用いた検査方法について説明
したが、第２乃至第６実施例に係る超音波プローブ１Ｂ
乃至１Ｆを用いた場合にも、同様の効果を得ることがで
きる。

【００８１】以上説明した各超音波検査方法によると、
被検体Ｓの表面側から検査部位である被検体Ｓの表層部
分に超音波を入射するので、被検体Ｓの厚みや被検体Ｓ
の内部状態それに被検体Ｓの底面の状態に関わりなく、
常に高精度の欠陥検査を行うことができる。また、上記
と同様の理由から、被検体Ｓの端部まで超音波検査が可
能で、信頼性の高い欠陥検査を行うことができる。

【００８２】〈超音波プローブの第７例〉第７実施形態
例に係る超音波プローブを、図１５に基づいて説明す
る。図１５は第７実施形態例に係る超音波プローブの要
部断面図及び平面図である。

【００８３】第７実施形態例に係る超音波プローブ１Ｇ
は、図１５に示すように、音響レンズ３に透孔４を形成
せず、かつレンズ曲率面３ｂの曲率を大きくして音響レ
ンズ３の焦点距離を大きくし、さらには音響レンズ３の
中心を通って径方向に延びるスリット４ａを音響レンズ
３の端面から振動子対向面３ａまで達する位置に形成し
たことを特徴とする。レンズ曲率面３ｂの曲率は、必要
に応じて任意の値に設定できるが、漏洩弾性表面波の発
生を抑制して被検体内部の探傷を高精度に行えるように
するため、レーリー臨界角θ_Ｌで被検体に入射する斜
角入射波を生じさせない値に調整することが特に好まし
い。その他については、第１実施形態例に係る超音波プ
ローブ１Ａと同じであるので、説明を省略する。

【００８４】本例の超音波プローブ１Ｇは、図１５
（ａ）に示すように、音響レンズ３の焦点ｆを被検体Ｓ
の表層から所要の深さに位置付けることによって、被検
体内部又は被検体底面の探傷を行うことができる。な
お、被検体Ｓが圧延金属板であり、探傷の対象が当該圧
延金属板中に存在する非金属介在物である場合には、音
響レンズ３に形成されたスリット４ａを金属板の圧延方
向と平行に向けて超音波探傷を行う。圧延金属板中に存
在する非金属介在物は、圧延方向に伸びる線状欠陥にな
ることが知られているので、スリット４ａの向きをこの
ように調整することによって、高精度の超音波探傷が可
能になる。

【００８５】本例の超音波プローブ１Ｇは、音響レンズ
３にスリット４ａを形成したので、線状又は面状の欠陥
の検出を高精度に行うことができる。また、音響レンズ
３を凹レンズ状に形成したので、振動子２から送信され
た超音波をスポット状に集束させることができ、高精度
の探傷を行うことができる。さらに、レンズ曲率面３ｂ
の曲率半径を大きくして音響レンズ３の焦点距離を大き
くしたので、被検体Ｓの表層のみならず、被検体Ｓの内
部や底面の探傷も行うことができる。

【００８６】なお、前記第７実施形態例においては、音
響レンズ３の端面（超音波送受信面）にレンズ曲率面３
ｂを形成したが、かかる構成に代えて、音響レンズ３の
端面をフラット状に形成し、当該フラット状の端面にス
リット４ａを形成することもできる。

【００８７】この場合には、超音波がスポット状に集束
されず、被検体Ｓの広い範囲にわたって超音波が一度に
照射されるので、被検体Ｓの検査効率を高めることがで
き、粗探傷を高速に行う場合などに適する。

【００８８】

【発明の効果】請求項１乃至５に記載の発明は、振動子
設定面が平面状に形成されたフラット型超音波プローブ
と、当該フラット型超音波プローブの先端部に取り付け
られ、前記振動子から送信された超音波を集束する音響
レンズとを備えた集束型の超音波プローブにおいて、前
記音響レンズとして、被検体への垂直入射波及び被検体
からの垂直反射波の伝搬経路における超音波の伝搬速度
と、被検体への斜角入射波及び被検体からの漏洩波の伝
搬経路における超音波の伝搬速度とを異ならせたものを
用いたので、デフォーカス量ΔＺを大きくできない場合
にも、振動子による垂直反射波の受信タイミングと漏洩
波の受信タイミングとをずらすことができ、各エコー波
形の受信の時間差Δｔを求めることができる。よって、
母材の表面に溶射皮膜などの漏洩弾性表面波Ｌが減衰し
やすい被膜が施された被検体についても、その劣化度等
を非破壊で評価することができると共に、漏洩波の受信
レベルを正確に求められることから、被検体表層の健全
性も非破壊で評価することができる。また、音響レンズ
における被検体への斜角入射波及び被検体からの漏洩波
の伝搬経路を一部遮断したので、超音波プローブから被
検体に入射される斜角入射波及び被検体から超音波プロ
ーブに入射される漏洩波に方向性を付与でき、漏洩波の
検出信号のＳ／Ｎを向上できて、線状又は面状欠陥の検
出精度を高めることができる。

【００８９】請求項６乃至８に記載の発明は、前記と同
様の集束型の超音波プローブにおいて、前記音響レンズ
として、被検体への斜角入射波及び被検体からの漏洩波
の伝搬経路を有し、被検体への垂直入射波及び被検体か
らの垂直反射波の伝搬経路を有しないものを用いたの
で、漏洩波の受信レベルが正確に求められ、被検体表層
の健全性を評価することができる。また、音響レンズに
おける被検体への斜角入射波及び被検体からの漏洩波の
伝搬経路を一部遮断したので、超音波プローブから被検
体に入射される斜角入射波及び被検体から超音波プロー
ブに入射される漏洩波に方向性を付与でき、漏洩波の検
出信号のＳ／Ｎを向上できて、線状又は面状欠陥の検出
精度を高めることができる。

【００９０】請求項９に記載の発明は、音響レンズとし
て、レンズ曲率面が球面状に形成された凹レンズを用い
たので、フラット型超音波プローブから出力された超音
波を被検体の表層部分にスポット状に集中させることが
でき、高精度の検査を行うことができる。

【００９１】請求項１０乃至１３に記載の発明は、音響
レンズとして、透孔が開設されておらず、超音波の伝搬
経路が一部遮断されたものを用いたので、振動子から送
信される超音波及び被検体から受信される超音波に方向
性を付与することができ、被検体の表層、内部又は底面
に存在する線状又は面状の欠陥の検出を高精度に行うこ
とができる。

【００９２】請求項１４に記載の発明は、音響レンズを
フラット型超音波プローブの先端部に着脱可能に取り付
けたので、仕様が異なる各種のフラット型超音波プロー
ブと音響レンズを組み合わせて、多様な仕様の集束型超
音波プローブを得ることができ、少ない部品点数で多様
な超音波検査を実行することができるので、超音波検査
のトータルコストを低減することができる。また、フラ
ット型の超音波プローブと音響レンズとを着脱可能に結
合したことから、水中における集束型超音波プローブの
組立が可能で、フラット型超音波プローブと音響レンズ
との間に気泡が介在することがなく、検査結果の信頼性
を高めることができる。また、気泡を除去するための手
数を要しないので、この点からも検査コストの低減を図
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】超音波検査装置のブロック図である。

【図２】超音波検査装置における超音波走査部の構成図
である。

【図３】第１実施形態例に係る超音波プローブの要部断
面図及び平面図である。

【図４】フラット型超音波プローブと音響レンズとの結
合方式の他の例を示す断面図である。

【図５】振動子によって受信される漏洩波及び垂直反射
波のエコー波形を示す波形図である。

【図６】漏洩波のＣスコープ画像の一例を示す図であ
る。

【図７】第２実施形態例に係る超音波プローブの要部断
面図及び平面図である。

【図８】第３実施形態例に係る超音波プローブの要部断
面図及び平面図である。

【図９】第４実施形態例に係る超音波プローブの要部断
面図及び平面図である。

【図１０】第５実施形態例に係る超音波プローブの要部
断面図及び平面図である。

【図１１】第６実施形態例に係る超音波プローブの平面
図である。

【図１２】音響レンズの焦点を被検体の表面に合致した
場合における超音波プローブの配置を示す説明図であ
る。

【図１３】超音波検査方法の第１例を示すフローチャー
トである。

【図１４】超音波検査方法の第２例を示すフローチャー
トである。

【図１５】第７実施形態例に係る超音波プローブの要部
断面図及び平面図である。

【図１６】従来より知られている超音波プローブの要部
断面図及び平面図である。

【図１７】振動子によって受信される漏洩波及び垂直反
射波のエコー波形である。

【符号の説明】

１超音波プローブ２振動子３音響レンズ３ａ振動子設定面３ｂレンズ曲率面４透孔４ａスリット５くぼみ６充填物７フラット型超音波プローブ８超音波遮蔽部材９保護材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】振動子設定面が平面状に形成されたフラ
ット型超音波プローブと、当該フラット型超音波プロー
ブの先端部に取り付けられ、前記振動子から送信された
超音波を集束する音響レンズとを備えた集束型の超音波
プローブにおいて、前記音響レンズとして、被検体への
垂直入射波及び被検体からの垂直反射波の伝搬経路にお
ける超音波の伝搬速度と、被検体への斜角入射波及び被
検体からの漏洩波の伝搬経路における超音波の伝搬速度
とが異なり、かつ、前記被検体への斜角入射波及び被検
体からの漏洩波の伝搬経路が一部遮断されたものを用い
たことを特徴とする超音波プローブ。
【請求項２】請求項１に記載の超音波プローブにおい
て、前記音響レンズとして、振動子対向面の中央部にレ
ンズ曲率面まで貫通する透孔が開設され、かつ、前記レ
ンズ曲率面に前記透孔の直径よりも幅の狭いスリットが
形成されたものを用いたことを特徴とする超音波プロー
ブ。
【請求項３】請求項２に記載の超音波プローブにおい
て、前記透孔及びスリット内に、前記音響レンズを構成
する素材とは超音波の伝搬速度が異なる素材からなる充
填物を充填したことを特徴とする超音波プローブ。
【請求項４】請求項１に記載の超音波プローブにおい
て、前記音響レンズとして、レンズ曲率面の中央部にく
ぼみが形成され、かつ、当該レンズ曲率面に当該くぼみ
の直径よりも幅の狭いスリットが形成されたものを用い
たことを特徴とする超音波プローブ。
【請求項５】請求項４に記載の超音波プローブにおい
て、前記くぼみ及びスリット内に、前記音響レンズを構
成する素材とは超音波の伝搬速度が異なる素材からなる
充填物を充填したことを特徴とする超音波プローブ。
【請求項６】振動子設定面が平面状に形成されたフラ
ット型超音波プローブと、当該フラット型超音波プロー
ブの先端部に取り付けられ、前記振動子から送信された
超音波を集束する音響レンズとを備えた集束型の超音波
プローブにおいて、前記音響レンズとして、被検体への
斜角入射波及び被検体からの漏洩波の伝搬経路を有する
が、被検体への垂直入射波及び被検体からの垂直反射波
の伝搬経路がなく、かつ、前記被検体への斜角入射波及
び被検体からの漏洩波の伝搬経路が一部遮断されたもの
を用いたことを特徴とする超音波プローブ。
【請求項７】請求項６に記載の超音波プローブにおい
て、前記音響レンズとして、振動子対向面の中央部にく
ぼみが形成され、かつ、当該振動子対向面の径方向に当
該くぼみの直径よりも幅の狭いスリットが形成されたも
のを用い、前記くぼみ及びスリットと前記フラット型超
音波プローブにて構成される空間内に超音波遮蔽部材を
封入するか、超音波遮蔽体としての空気を封入したこと
を特徴とする超音波プローブ。
【請求項８】請求項６に記載の超音波プローブにおい
て、前記音響レンズとして、振動子対向面に、前記振動
子の中央部と径方向の一部とを覆う超音波遮蔽部材を備
えたものを用いたことを特徴とする超音波プローブ。
【請求項９】請求項１乃至８に記載の超音波プローブ
において、前記音響レンズとして、レンズ曲率面が球面
状に形成された凹レンズを用いたことを特徴とする超音
波プローブ。
【請求項１０】振動子設定面が平面状に形成されたフ
ラット型超音波プローブと、当該フラット型超音波プロ
ーブの先端部に取り付けられた音響レンズとを備えた超
音波プローブにおいて、前記音響レンズとして、超音波
の伝搬経路が一部遮断されたものを用いたことを特徴と
する超音波プローブ。
【請求項１１】請求項１０に記載の超音波プローブに
おいて、前記音響レンズの超音波送受信面にスリットを
形成したことを特徴とする超音波プローブ。
【請求項１２】請求項１０に記載の超音波プローブに
おいて、前記音響レンズの超音波送受信面に凹状のレン
ズ曲率面を形成したことを特徴とする超音波プローブ。
【請求項１３】請求項１０に記載の超音波プローブに
おいて、前記音響レンズの超音波送受信面をフラットに
形成したことを特徴とする超音波プローブ。
【請求項１４】請求項１乃至１３に記載の超音波プロ
ーブにおいて、前記フラット型超音波プローブの先端部
に、前記音響レンズを着脱可能に取り付けたことを特徴
とする超音波プローブ。