JP2012054843A - 空気超音波センサー及び空気超音波センサーの整合層の形状決定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高い透過波信号強度とＳＮ比とを得るのに最適な形状・寸法を備えた整合層を備えた空気超音波センサー及びその形状決定方法を提供する。
【解決手段】空気超音波センサー１の整合層１１形状の決定方法（ステップＳ１〜Ｓ９）は、集束点２１に伝播する透過波成分が第１波成分２２又は第２波成分２３のいずれかであるとして、いずれの透過波成分もある同一の集束点２１に集束するように決定し、いずれの波成分２２，２３も最も効果的に励起されるように集束点２１から逆算的に整合層１１の放射面１３上の点を求めることを特徴とする。さらに、これらの点１４の軌跡から第１波励起形状１３ａと第２波励起形状とを決定し、これらを組み合せた放射面形状１３を決定するものである。この放射面形状１３を備えた整合層１１から出射して測定対象物２の集束点２１に透過した超音波の信号強度とＳＮ比とは格段に向上する。
【選択図】図４

Description

本発明は、空気超音波センサーに用いられる超音波整合層の形状決定方法に関するものであり、より具体的には、透過波信号の強度とＳＮ比（signal-to-noise ratio）とを向上させるために最適な形状・寸法を求める超音波整合層の形状決定方法に関するものである。

非接触超音波法の一種である空気超音波センサーは、例えば、溶接材料の特性評価に利用されている。この技術は、非接触であると共に小型で安価にシステムを構成できるため、工学・工業の幅広い分野への応用が期待されている。しかしながら、空気中においては超音波が高減衰と低インピーダンスとの特性を有するために、高精度な測定が困難となり、そのセンサーの実用化には克服すべき課題が多い。例えば、振動子と整合層とから構成されたセンサーから出射し、測定対象物を透過していく波の信号強度やＳＮ比が小さくなり過ぎてしまうといった課題が挙げられる。

従来の空気超音波センサー（以下、「従来センサー」と呼ぶ。）の原理を簡単に説明する。従来センサーは、圧電素子に金属板を張り合わせたユニモルフ構造を成す振動子と、音響整合層（音響レンズとも呼ばれる）とを備える。超音波は異種の伝達媒質間の界面を透過する際に、媒質間の音響インピーダンスの差が大きいほど透過率が低下する。振動子は代表的にはＰＺＴ等のセラミックから成り、大気に比べて音響インピーダンスが著しく大きく、振動子から直接大気中へ放射しようとしても、透過率が非常に小さくなるか全反射してしまい実用化できない。

そのため空気超音波センサーでは、振動子と大気との間に、両者の中間の音響インピーダンスを持つ音響整合層を介在させ、振動子において発生した超音波を実用的な透過率で大気中へ放射できるようにしてある。この整合層としては一般にエポキシ樹脂等が用いられている。

図１（ａ）に、従来センサー１００の構造と超音波の伝達経路とを例示する。図１（ａ）では、振動子で発生した超音波が整合層１１０と空気とを透過して測定対象物である平板２（例えば、鋼板）に入射する。従来センサー１００に利用されてきた整合層１１０の放射面１３０は、通常、曲率半径が一定の凹形状を成した断面を有する。ここで、凹状を成す放射面１３０は、奥行方向にその断面形状が変化しない溝状凹部を成す場合と、放射面１３０の中心Ｏが最も窪み、その中心Ｏを基点に同心円状に一定の曲率半径を有した球状凹部を成す場合とがある。

放射面１３０から局所的に発生した超音波は、放射面１３０の中心線又は中心面に対して、線対称又は面対称となるために、鋼鈑２に入射した透過波は、上記中心線又は中心面の延長線上の点２１に集束することになる。しかしながら、従来センサー１００における整合層１１０の放射面１３０は、上述のように曲率半径が一定の凹部形状を成すために、集束点２１が多数存在（つまり分散）してしまうことになる。これは、測定対象物２を透過していく波の信号強度やＳＮ比が小さくなり過ぎることを意味する。従って、測定対象物２から透過（又は反射）した波の十分な受信が困難になり、高精度な測定が困難になってしまう。

従来センサー１００の整合層１１０として、現時点（本出願時点）での技術水準を示すものとして、例えば、特許文献１〜３に開示の技術が知られている。具体的には、特許文献１では、超音波を探触子から試験体に入射することにより試験体表面に表面波を発生させると共に、この探触子により前記表面波に起因する漏洩波を受信し、この試験体の表面波音速により試験体の劣化又は損傷の程度を評価する方法が開示されている。この特許文献１において利用されている整合層は曲率半径５ｍｍが一定の外壁形状を成しており（段落番号００１９の記載）、上述の集束点の分散の課題を解決するものではない。

また、特許文献２に開示の超音波プローブは、曲率半径が一定の整合層（音響レンズ）の中央部に、振動子設定面からレンズ曲率面まで貫通する透孔が開設されると共に、音響レンズの径方向に延びるスリットが形成されている。しかしながら、特許文献２の技術は、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ことが目的であり、これも本発明の上記課題を解決するものではない。

また、特許文献３では、音響レンズの超音波放射面を中央部の超音波放射面はある集束点に超音波を集束する曲率半径の曲面に形成し、その両側の複数の超音波放射面は同一の曲率半径で異なる曲率中心を有する曲面に形成した超音波アプリケータが開示されている。しかしながら、特許文献３は、超音波振動子より発生した超音波を生体内の複数の集束点に集束させることができ、且つ、超音波振動子および／または音響レンズの厚みを薄くできるようにした超音波アプリケータを提供することを目的とするものであって、本発明のように一つの集束点に集束させて信号強度やＳＮ比の感度を向上させることを目的とするものではない。

また、音響レンズの形状としてはギザギザ状で円心状に区分けされた曲面状の放射面になっており、区分けされた各曲面区分では曲率半径は一定である。従って、当該特許文献３に開示の技術も、各曲面区分では上記図１（ａ）に示した従来センサー１００の伝播経路及び原理に従うと考えられる。

特開平１０−３１８９９５号公報 特開２００１−２８９８３１号公報 特開平６−２８５１０６号公報

以上の事情に鑑み、本発明の目的は、高い透過波信号強度とＳＮ比とを得るのに最適な形状・寸法を備えた整合層を備えた空気超音波センサー及びその整合層形状の決定方法を提供することである。

本発明者らは、透過波信号強度とＳＮ比とを向上させるためには、整合層放射面上の任意の点から測定対象物に入射する全ての透過波（通常、縦波）が該測定対象物内の一点に同時に集束・励起させることが有効であること、さらに、別のモードである横波も上記集束点にて同時に集束・励起させることがさらに有効であること、これらのモードの超音波の集束・励起は整合層放射面を所望の最適な形状に決定することで実現可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。

例えば、本発明の一実施態様は以下に示すものである。
整合層の最適な形状を決定するための空気超音波センサーの形状決定方法であって、
使用する測定対象物の材料と、前記測定対象物内の集束点の位置と、前記測定対象物から前記整合層の放射面中心までの測定距離と、を予め決定する予備決定ステップと、
前記測定対象物内において前記集束点まで伝播する第１波成分を超音波の縦波又は横波のいずれかから選択する波成分選択ステップと、
前記第１波成分が前記集束点に向かう第１屈折角を任意に決定する第１屈折角決定ステップと、
前記第１波成分の有する音速と前記第１屈折角とから、前記測定対象物表面上の第１入射角と入射位置とを決定する第１入射角決定ステップと、
前記整合層内を伝播する第２入射角を少なくとも前記第１入射角を利用して決定する第２入射角決定ステップと、
前記第１入射角と前記入射位置と前記第２入射角と前記整合層の前記中心とを利用して形成される複数の三角形を構成し、前記三角形の一点を前記整合層の前記放射面上の一点に決定する曲面点決定ステップと、
前記第１屈折角を連続的に変更させながら前記１屈折角決定ステップ乃至前記曲面点決定ステップを繰り返し実行して、前記点の軌跡から第１波励起形状を決定する第１波励起形状決定ステップと、
前記波成分選択ステップにおいて選択されなかった波成分を第２波成分として選択して、前記第１屈折角決定ステップ乃至前記第１励起形状決定ステップと同様のステップを実行して第２波励起形状を決定する第２波励起形状決定ステップと、
空気から前記測定対象物への前記第１・第２波成分の入射角依存性から前記第１・第２励起曲面形状を組み合せて前記整合層の前記放射面の最終的な形状を決定する放射面決定ステップと、を含むことを特徴とする形状決定方法。

また、本発明の別の態様として、以上のような方法よってその形状が決定された整合層を備えた空気超音波センサーが提供される。

本発明によって作られた超音波センサーによれば、放射面が上記形状を成すよう決定された整合層を有するため、測定対象物内の一点において縦波モード及び横波モードの超音波を効率よく発生・透過させることができる。従って、空気超音波センサーでの空間分解能を高めるとともに、検出可能な透過波信号強度とＳＮ比とを向上させることができるようになる。

従来センサー及びと本発明のセンサーの超音波伝播経路とを示した図である。 空気と測定対象物との界面での超音波の屈折及びモード変換（入射角依存性）を示した図である。 本発明の実施例１に係る整合層（音響レンズ型）の放射面形状の決定方法の概略を示した図である。 本発明の形状決定方法の各ステップを示したフローチャートである。 本発明の実施例１に係る整合層（音響レンズ型）の放射面形状の決定方法の詳細を示した図である。 本発明の実施例２に係る整合層（湾曲振動子型）の放射面形状の決定方法の概略を示した図である。 本発明の実施例２に係る整合層（湾曲振動子型）の放射面形状の決定方法の詳細を示した図である。 整合層の厚みが超音波の波形や透過強度に与える影響を示した図である。 実証試験用の試験片を示した図である。 実証試験用の試験片を組み込む超音波測定装置の概略を示した図である。 実証試験の試験結果（透過強度）を示した図である。 音響レンズ型の整合層を備えた比較例と本発明（実施例１）との性能を比較した結果を示した図である。 湾曲振動子型の整合層を備えた比較例と本発明（実施例２）との性能を比較した結果を示した図である。

以下、本発明を図面に示す実施の形態に基づき説明するが、本発明は、下記の具体的な実施形態に何等限定されるものではない。

図１（ｂ）に、本発明の空気超音波センサー１における超音波伝播経路の考え方を示す。図１（ａ）に示す従来センサー１００の場合と異なり、本発明のセンサー１は、図１（ｂ）に示すように、整合層１１の放射面１３上の任意の点から測定対象物２に入射した超音波が一つの点２１に集束する。この集束点２１において励起した透過波のエネルギーは飛躍的に増大するため、信号強度やＳＮ比が向上し、高精度な測定が可能になる。

このような本発明のセンサー１を実現するには、測定対象物２内のある一点を集束点２１とし、整合層１１から空気を介して入射する透過波がこの集束点２１に向かうように、屈折の法則（スネルの法則）に基づいて放射面１３の形状を逆算的に決定すれば良いことに本発明者らは想到した。

次に、空気と測定対象物２との界面での超音波の屈折及びモード変換（入射角依存性）について説明する。図２（ａ）は、空気と測定対象物２（図示の例では鋼）との界面での超音波の反射及び透過の挙動を示した図である。超音波がある媒質（空気）から異なる媒質（鋼）に入射すると、界面での固有音響インピーダンスの相違により入射波の一部が反射し、残りが鋼内部に屈折して透過する。ここで、鋼等の弾性体を媒質とする媒質内の透過波には、縦波成分と横波成分との両方が存在する。なお、空気中を伝播する入射波は、空気密度の振動が伝播するもの（疎密波）であり、縦波成分のみである。

図２（ａ）に示すように、異種材料界面に超音波が角度θ_ａｉで斜入射する場合の縦波成分及び横波成分のエネルギー透過率Ｔ_ｌとＴ_ｔとは、それぞれ次式（１）、（２）で表される。

なお、上記式中のρ_ａ及びＣ_ａｌは空気の密度および音速であり、ρ_ｓ、Ｃ_ｓｌ及びＣ_ｓｔは測定対象物（鋼）の密度，縦波成分の音速及び横波成分の音速であり、θ_ｓｌｒ及びθ_ｓｔｒは縦波成分の屈折角及び横波成分の屈折角である。

次に、本発明のセンサー１に設けられた整合層１１は凹形状の放射面１３を有するため、入射角θ_ａｉが０°から所定の角度まで変化する。図２（ｂ）は、空気から鋼へのエネルギー透過率の入射角依存性を示したものである。図２（ｂ）に示すように、縦波成分のエネルギー透過率Ｔ_ｌは、入射角θ_ａｉが０°〜約３．３°の範囲で支配的であり、θ_ａｉが上記範囲の上限（第１臨界角とも呼ぶ。）を超えると完全に消失する。一方、横波成分のエネルギー透過率Ｔ_ｔは、θ_ａｉが約１°〜約３．３°の範囲で所定の大きさを有し、第１臨界角では一旦消失するものの、第１臨界角を越えてから次の臨界角（第２臨界角とも呼ぶ。）の約３．３°〜約６°までは著しく大きな値を有し、支配的となる。

従って、所定の範囲にある入射角θ_ａｉを有する入射波では、横波成分のエネルギー透過率Ｔ_ｔを積極的に活用することで超音波センサー１の性能を向上できると考えられる。具体的には、以下の実施例に示すように、入射角θ_ａｉが比較的小さな範囲では透過率が支配的な縦波成分に着目してこれをある一点２１に集束するように整合層１１の放射面１３の形状を決定し、入射角θ_ａｉが比較的大きな範囲では透過率が支配的な横波成分に着目してこれを上記集束点２１と同一の点に集束するように整合層１１の放射面１３の形状を決定すれば良い。

図３に、本発明の実施例１に係る整合層１１（音響レンズ型）の放射面形状１３の決定方法の概略を示す。なお、図３では、説明の便宜上、振動子１２及び整合層１１はその中心点Ｏを通る中心線（又は中心面）から左半分のみが示されている。本発明の決定方法では、この放射面１３を、第１波（例えば、縦波）励起形状１３ａと第２波（例えば、横波）励起形状１３ｂとの二つの形状部分に分け、それぞれの形状について放射面形状１３の決定を行う。ここで、第１波（縦波）励起形状１３ａは図示のように中心線から半径方向ｒの所定の位置まで延びた領域であり、第２波（横波）励起形状１３ｂはこの第１励起形状１３ａから半径方向ｒ外側にさらに延びた領域である。なお、測定対象物２にて第１波２２が透過する部分Ａを拡大した図を図３（ｂ）に示し、測定対象物２にて第２波２３が透過する部分Ｂを拡大した図を図３（ｃ）に示している。

なお、整合層１１は、放射面３の凹形状が奥行方向に同一になったトンネル形状をなすものと、放射面３の凹形状が中心点Ｏを中心にして半径方向ｒに線対称となる同心円状をなすものとがある。

次に、図４を参照しながら、本発明の整合層１１の形状１３を決定する方法のフローについて説明する。最初のステップとして、使用する測定対象物２の材料物性値（図３の例では鋼であり、鋼２内の縦波及び横波の音速Ｃ_ｓｌ，Ｃ_ｓｔは既知）と、測定対象物２内の集束点２１の位置（図３中、距離Ｈ）と、測定対象物２から整合層１１の放射面中心（基点）Ｏまでの測定距離（図３中、距離Ｌ）とを決定する（ステップＳ１）。なお、ステップＳ１を本明細書では「予備決定ステップ」とも呼ぶ。

ここで、集束点２１は測定対象物２内であれば特に限定されない（図３に示す例では、集束点２１は中心線上であり、測定対象物２の厚さ方向に中央に定めている）。また、測定距離Ｌについても特に限定されないが、現実的には、Ｌ＝５ｍｍ〜２０ｍの範囲から選択される。

次に、測定対象物２内において集束点２１まで伝播する第１波成分２２を縦波又は横波のいずれかから選択する（ステップＳ２）。なお、ステップＳ２を本明細書では「波成分選択ステップ」とも呼ぶ。図３に示す例では縦波を選択しているので、以下の説明はこれに対応した記載となる。図３に示すように測定対象物２が鋼であり、第１波成分２２が縦波である場合、後述のスネルの法則の計算に用いる音速はＣ_ｓｌ＝５９００ｍ／ｓである。

この波成分選択ステップＳ２で選択された第１波成分２２が集束点２１に向かう伝播角を任意に決定する（ステップＳ３）。なお、伝播角は屈折角θ_ｓｒ（以下、第１屈折角と呼ぶ）に等しい。よって、ステップＳ３を本明細書では「第１屈折角決定ステップ」とも呼ぶ。なお、第１屈折角θ_ｓｒのうち、縦波成分による第１屈折角をθ_ｓｌｒと、横波成分による第１屈折角をθ_ｓｔｒと呼ぶことにする。

次に、第１波成分２２の有する音速Ｃ_ｓｌと上記任意に決定された第１屈折角θ_ｓｌｒとから、測定対象物２表面上の入射角θ_ａｉ（第１入射角とも呼ぶ。）と入射位置ｘ１とを決定する（ステップＳ４）。なお、ステップＳ４を本明細書では「第１入射角決定ステップ」とも呼ぶ。この第１入射角θ_ａｉは、次式（３）のスネルの法則により導出可能である。

次に整合層１１の幾何学的形状に着目する。整合層１１内を伝播する入射角θ_ｅｉ（第２入射角とも呼ぶ）と空気中へ出射する屈折角θ_ａｒとを、上記ステップＳ４にて決定された第１入射角θ_ａｉとともに形成される三角関係とスネルの法則とを利用して決定する（ステップＳ５）。なお、ステップＳ５を本明細書では「第２入射角決定ステップ」とも呼ぶ。

この第２入射角決定ステップＳ５を、図５（ａ）を参照しながら詳細に説明する。本実施例１のように音響レンズ型の整合層１１の使用を前提とする場合、整合層１１から空気を介して測定対象物２へと伝播する超音波が形成する経路は図５（ｂ）中のＡに示すような第１三角形を構成する。つまり、未知変数である第２入射角θ_ｅｉ及び第２屈折角θ_ａｒと、上記ステップＳ４によって既知である第１入射角θ_ａｉとは、次式（４）の関係が得られる。同様に、整合層１１においてもスネルの法則が成り立つため、次式（５）の関係が得られる。

このように、２つの未知変数θ_ｅｉ，θ_ａｒに対して２つの数式（４），（５）が成立するため、これらの解を導き出すことができる。

次に、以上のように決定された第１入射角θ_ａｉと入射位置ｘ１と第２入射角θ_ｅｉと整合層１１の基点Ｏとを利用して形成される複数の三角形（第２・第３三角形）を構成し、これらの三角形の一点１４を整合層１１の放射面１３上の一点１４（つまり、超音波出射点）に決定する（ステップＳ６）。なお、ステップＳ６を本明細書では曲面点決定ステップとも呼ぶ。

この曲面点決定ステップＳ６を、図５（ｃ）を参照しながら詳細に説明する。整合層１１の基点Ｏと超音波出射点１４とは図５（ｃ）に示す直角三角形Ｂを構成する。この三角形Ｂの各辺の距離ｘ，ｙは未知変数であり、内角θは上記第２入射角である（θ＝θ_ｅｉ）ため既知である。一方、超音波出射点１４と測定対象物２表面上の入射点２４とを利用して図５（ｄ）に示す直角三角形Ｃが構成される。これらの三角形Ｂ，Ｃから次式（６）、（７）に示す三角関係が得られる。

このように、２つの未知変数ｘ，ｙに対して２つの数式（６）、（７）が成立するため、これらの解を導出することができる。つまり、任意に定めた第１屈折角θ_ｓｒ（縦波成分ではθ_ｓｌｒ、横波成分ではθ_ｓｔｒ）に設定して、固定した集束点２１から逆算的に放射面１３形状の一点１４を割り出したことになる。

次に、上記任意で定めた第１屈折角θ_ｓｒを連続的に変更して上記ステップＳ３〜Ｓ６を実行して上記曲面１３上の点１４を繰り返し求める（ステップＳ７）。そうすると、上記ステップＳ６とＳ７とで求められた曲面１３上の点１４を結んで第１波成分２２を励起するための第１励起曲面形状１３が形成される。なお、ステップＳ７を本明細書では「第１波励起形状決定ステップ」とも呼ぶ。

次に、上記ステップＳ２で選択していなかった波（図示の例では横波）を第２波成分２３として選択して、上記ステップＳ３〜Ｓ７を実行して上記第２波成分２３を励起するための第２励起曲面形状１３ｂを形成する（ステップＳ８）。なお、ステップＳ８を本明細書では「第２波励起形状決定ステップ」とも呼ぶ。また、図３に示すように測定対象物２が鋼であり、第２波成分２３が横波である場合、このステップＳ８において用いられる音速はＣ_ｓｔ＝３２００ｍ／ｓである。

以上のステップＳ１〜Ｓ８を実行すると、第１励起曲面形状１３ａと第２励起曲面形状１３ｂとを、それぞれ、放射面１３の半径方向ｒに亘って描画することができる。しかしながら、第１・第２波成分２２，２３のそれぞれが同一の集束点２１に対して最も効率的に励起されるように、第１・第２励起曲面形状１３ａ，１３ｂの各領域を区画する必要がある。つまり、空気から測定対象物２への超音波の入射角依存性から第１・第２励起曲面形状１３ａ，１３ｂを組み合せて整合層１１の放射面１３の最終的な形状を決定する（ステップＳ９）。なお、ステップＳ９を本明細書では「放射面決定ステップ」とも呼ぶ。

このように、上記導出フローＳ１〜Ｓ９は、集束点２１に伝播する透過波成分が第１波成分２２（縦波）又は第２波成分２３（横波）のいずれかであるとして、いずれの透過波成分もある一点２１に集束するように決定し、いずれの波成分２２，２３も最も効果的に励起されるように集束点２１から逆算的に整合層１１の放射面１３の曲面形状を決定するものである。これにより、測定対象物２内の集束点２１にて励起される超音波の信号強度とＳＮ比との向上に最適な整合層１１の放射面１３における曲面形状１３ａ，１３ｂを定めることが可能となる。

なお、ステップＳ３において任意に定める第１屈折角θ_ｓｒは、０°から所定の角度（例えば、６°）まで微小な角度Δθ_ｓｒ（例えば、０．１°）ずつ変化させながら、その都度、上記ステップＳ１〜Ｓ９を行い、僅かな領域ずつ整合層１１の放射面１３の第１・第２励起形状１３ａ，１３ｂを求めていくことになる。従って、本発明によって決定された放射面１３の曲率半径は一定ではなく、連続的に変化していくことになる。

なお、ステップＳ９において、第１・第２波成分２２，２３のそれぞれが同一の集束点２１に対して最も効率的に励起されるように、第１・第２励起曲面形状１３ａ，１３ｂの各領域を区画するには、図２（ｂ）で示した透過率の入射角依存性を利用すれば良い。例えば、図２（ｂ）に示すように、横波は入射角θ_ａｉが第１臨界角度から第２臨界角度までの範囲（θ_ａｉ＝３．３°〜６．０°）で最も効果的に励起される。一方、縦波は入射角θ_ａｉが第１臨界角未満である場合に効果的に励起される。従って、これらの入射角θ_ａｉの範囲とスネルの法則とに基づいて第１・第２波成分の屈折角を画定し、ひいては第１・第２波励起形状１３ａ，１３ｂを決定し、組み合わせれば良い。

なお、図２（ｂ）に示すように、横波（第２波成分）の方が縦波成分（第１波成分）より高い透過率を出力するため、屈折角θ_ａｉ＝３．３°〜６．０°とこれに対応する入射角θ_ａｉの範囲では第２波成分２３から優先的に形状を画定するようにすることが好ましい。このように第２波成分（横波成分）２３から曲面形状１３ｂを決定した場合、残った第１波励起形状１３ａに対応する入射角θ_ａｉはθ_ａｉ＝０°〜２．３５°となる。従って、第２波励起形状１３ｂの半径方向ｒの最も内側位置での計算上の最小入射角はθ_ａｉ＝３．３°であり、それと界面をなす第１波励起形状１３ａの半径方向ｒの最も外側位置での計算上の最大入射角はθ_ａｉ＝２．３５°である。これは測定対象物２内の縦波と横波との物性値が異なるため、この界面においてのみ入射角θ_ａｉのギャップが生ずるからである。

図６に、本発明の実施例２に係る整合層（湾曲振動子型）１１の放射面形状１３の決定方法の概略を示す。ここで、図６に示すように、整合層１１は放射面１３のみならず反対の面１５でも同様に湾曲している。図６の振動子１２（以下、湾曲振動子とも呼ぶ）は、整合層１１の形状に合わせて湾曲した形状をなす振動子である。

この湾曲振動子１２の特徴・利点は、実施例１の平坦な振動子１２に比べて空気中に伝播されるときの超音波のエネルギーが大きいことである。つまり、上述のように整合層１１の湾曲形状に合わせて振動子１２も湾曲していることで、整合層１１中での超音波の損失を軽減でき、効率よく超音波が振動子１２から整合層１１へ、整合層１１から空気へと励起されるからである。言い換えれば、湾曲振動子１２を用いることで、振動子１２の共振による縦波が振動子１２から整合層１１に励起される。この縦波は、媒質に関係なく入射角が０度（つまり垂直入射）のときにエネルギー透過率が最も良いため、伝播される縦波が振動子１２から整合層１１、整合層１１から空気へ垂直入射するように振動子１２自体も湾曲している方が好ましい。

なお、この実施例２においても、実施例１で説明した決定手法と同様な手法で整合層１１の放射面１３形状を決定するが、以下の点が異なる。

先ず、図７（ａ）に示すように、整合層１１から空気中へ出射する超音波は、実施例１の場合と異なり、整合層１１／空気界面では屈折せず、整合層１１内を伝播する角度のまま測定対象物２の表面上に入射位置２４まで進む。従って、図４に示したステップＳ６において求めるべき第２入射角θ_ｅｉは、既知の第１入射角θ_ａｉと等しくなる（θ_ｅｉ＝θ_ａｉ）。なお、図７（ｂ）及び（ｃ）に示す図形（三角関係）は実施例１の図５（ｃ）及び（ｄ）と略同様であり、その詳細な説明は省略する。

次の異なる点として、実施例２においては放射面形状１３を決定する（ステップＳ１〜Ｓ９）のに加え、振動子１２に接触する整合層１１の接触面形状１５についても決定する（ステップＳ１０、図示せず）。なお、ステップＳ１０を本明細書では「接触面形状決定ステップ」とも呼ぶ。具体的には、整合層１１の厚みｔ_ｅを所望の厚さに設定し、上記基点Ｏから測定対象物２までの測定距離Ｌに厚みｔ_ｅを単純に加えて、放射面形状１３の導出方法（ステップＳ１〜Ｓ９）と同様のステップを実行して接触面形状１５を求めればよい。

ここで、図８（ａ）に示すように、整合層１１の厚みｔ_ｅは、適用する超音波の波長をλとすると、λ／４，λ／２，又はλに設定することが好ましい。ｔ_ｅ＝λ／４の場合は、多重反射によるリンギング（パルスの尾引き）を無くすことができるからである。つまり、厚みｔ_ｅ＝λ／４に設定すると、図８（ａ）及び（ｂ）に示すように、振動子１２から整合層１１に入射して進行する超音波（図中、符号Ａで表示）と整合層１１内で反射して進行する多数の反射波（図中、符号Ｂで一反射波を表示）との位相差がλ／２となり、これらの超音波が部分的に適切に干渉・相殺し合い、最終的な波形（図中、符号Ｃで表示）が適切な波形として取得・測定することができるからである。

一方、ｔ_ｅ＝λ／２又はその整数倍（例えば、λ）の場合は、整合層１１における超音波の透過率Ｔが最大になるからである。つまり、図８（ｃ）に示すように、振動子１２から、整合層１１を介して空気に超音波が伝播する際の透過率Ｔは次式のように表される。

ここで、ωは超音波の各周波数、ρ_１，Ｃ_１，及びｋ_１は振動子１２の密度、音速、及び波数であり、ρ_２，Ｃ_２，及びｋ_２とは整合層１１の密度、音速、及び波数であり、ρ_３，Ｃ_３，及びｋ_３とは空気の密度、音速、及び波数である。なお、各媒体の波数ｋ_１〜ｋ_３は、各周波数ωを対応する音速Ｃ_１〜Ｃ_３で除した値である。

整合層１１を伝播する超音波の透過率Ｔは上記式（８）に示すことができ、また、上記式（９）の関係式が成立することになる。これらの関係式（８），（９）から、整合層１１の厚みｔ_ｅがｔ_ｅ＝（ｎλ）／２（ここで、ｎは整数）に設定したときに透過率Ｔは極大になるからである。また、整合層１１の厚みｔ_ｅが２λより大きくすることは、センサー１の小型化の要求の面から好ましくない。

（実証試験）
以上説明した本発明の方法により実際に空気超音波センサー１を作製し、測定対象物２（試験片）に対して非接触測定を行った。測定対象物２として、図９（ａ）の側面図に示すように、縦１６ｍｍ、横１６ｍｍ、厚さ１．２ｍｍの高張力鋼板（High-Tensile Steel）２ａ，２ｂを二枚張り合わせた構造材を用意した。ここで、図９（ｂ）の正面図に示すように、一方の高張力鋼板２ｂには、ある表面から高さ０．４ｍｍだけ隆起した中実円筒状を成す凸部が４つ形成されており、それぞれの直径φは１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍである。従って、二枚の鋼板２ａ，２ｂを貼り合わると、一方の鋼板面上に形成された４つの凸部の端面が他方の鋼板２ａ面に接触するため、鋼板２ａ，２ｂ間は０．４ｍｍだけ離間することになる。このように用意された試験片２は、スポット溶接された二枚の鋼板を模擬することが可能である。

この試験片２を図１０に示すような超音波測定装置３０にセットして超音波測定を行った。ここで、試験片２はステージコントローラー３１によって駆動されるスキャニングステージ３２に載置される。試験片２の両側には送信センサー３３と受信センサー３４とが向き合った構成となっている。これらのセンサー３３，３４の間にはプリアンプ３５とバースト波パルサー・レシーバー３６とが接続される。なお、ステージコントローラー３１とパルサー・レシーバー３６とはさらにパーソナルコンピュータ３７に接続されている。なお、本実証実験用のパルサー・レシーバー３６としてジャパンプローブ株式会社製ＪＰＲ−１０Ｂを用い、送信波の波数は５とし、周波数は０．２６ＭＨｚとした。受信信号の雑音を低減するために６４回の加算平均を施した。なお、比較例として市販のセンサー（ジャパンプローブ株式会社製、エアプローブ０．４Ｋ２０Ｎ Ｒ５０）を用いて同様の実験を行った。

図１１に本発明のセンサー１と市販センサーとを比較した実験結果を示す。ここで、図１１（ａ）は、比較例（市販センサー）を用いた場合のｘ−ｙ平面の透過強度（ｍＶ）を示し、図１１（ｂ）は図１１（ａ）中のＸ−Ｘ’線上での透過強度を示す。一方、図１１（ｃ）は、本発明のセンサー１を用いた場合のｘ−ｙ平面の透過強度（ｍＶ）を示し、図１１（ｄ）は図１１（ｃ）中のＸ−Ｘ’線上での透過強度を示す。

図１１の結果から明らかなように、市販センサーでは直径φが極めて小さい１ｍｍや２ｍｍの試験片２上の隆起部を十分に測定できていないのに対し、本発明のセンサー１では、このような極めて小さな直径φの隆起部も捉えることができている。定量的には、透過強度を約２倍に高めて測定対象物２を検出していることがわかる。図１１の結果を言い換えれば、（１）本発明のセンサー１を使用した場合の方が透過強度が大きいこと、（２）本発明のセンサー１を使用した場合の方が透過強度のピークとバックグラウンドとの比が大きいこと（この比はＳＮ比と相関がある）の二点が実証されたといえる。

また、同一集束点における縦波と横波との励起が織りなす本発明の相乗効果（本明細書では合成波の相乗効果とも呼ぶ）を検討するために、放射面が同一の曲率を有した市販センサーと、縦波だけを一集束点に励起する縦波励起センサーと、本発明の合成波を一集束点２１に励起する合成波励起センサー１と、を作製・用意して上述の測定と同様な超音波測定を行った。なお、整合層１１として音響レンズ型と湾曲振動子型とを用意した。

図１２（ａ）と（ｂ）は、各センサー（音響レンズ型の整合層を有する場合）により得られた透過波の信号強度とＳＮ比とを比較したグラフである。図１２に示すように、本発明の実施例1に係る合成波励起センサー１は、比較例の市販センサーや縦波励起センサーに比べて、高い信号強度とＳＮ比が得られている。特に、ＳＮ比は市販センサーでのＳＮ比の約２倍近くまで向上していることがわかる（図１２（ｂ）を参照）。

図１３（ａ）と（ｂ）は、各センサー（湾曲振動子型の整合層を有する場合）により得られた信号強度とＳＮ比とを比較したグラフである。図１３に示すように、本発明の実施例２に係る合成波励起センサー１についても、通常の湾曲振動子型整合層を有した市販センサーに比べ、高い信号強度とＳＮ比が得られている。なお、図１２と図１３とを参照しながら、整合層１１の種類が異なる本発明のセンサー１同士を比較すると、どちらも得られる信号強度について大差はないが、ＳＮ比については、実施例２（湾曲振動子型）の方が実施例１（音響レンズ型）に比べ、約５倍と著しく大きな値が得られることがわかる。従って、ＳＮ比の増強に着目した場合は、本発明の整合層１１を湾曲振動子型に選択することが好ましい。

工学・工業の諸分野において材料の寸法・形状等を非接触で高精度にモニタリングしたいとう要望が数多くある。本発明の空気超音波センサーは、このような要望に応えるものであり、産業上の利用可能性が非常に高い。

本発明によって設計される超音波センサーは、測定対象物の素材、測定距離、及び焦点位置等を予め定めるものであるが、例えば、自動車や家電品等の部品のスポット溶接等の品質確認検査においては、同一の部品が何度も自動化して流れてくるため、測定対象物、測定距離、焦点を同一にして毎回、非接触検査を行う必要がある。従って、このような用途に本発明の超音波センサーは大変好都合である。

１ 空気超音波センサー
２ 測定対象物（明細書中では鋼）
１１ 整合層
１２ 振動子
１３ 放射面
１３ａ，１３ｂ 放射面の第１・第２波励起形状
１４ 放射面に決定される点（曲面点）
１５ 接触面
２１ 集束点
２２ 第１波成分
２３ 第２波成分
２４ 入射位置
Ｈ 焦点２１まで距離
Ｌ 測定距離
Ｏ 放射面の中心
ｘ１ 中心Ｏを通る中心線の入射距離
Ｔ 超音波のエネルギー透過率
Ｔ_ｌ，Ｔ_ｔ 縦波のエネルギー透過率，横波のエネルギー透過率
θ_ａｉ 第１入射角
θ_ｓｒ 透過波の第１屈折角
θ_ｓtｒ，θ_ｓtｒ 透過波の第１屈折角（縦波成分，横波成分）
θ_ｅｉ 第２入射角（整合層／空気界面での入射角）
θ_ａｒ 第２屈折角（整合層／空気界面での屈折角）
Ｓ１ 予備決定ステップ
Ｓ２ 波成分選択ステップ
Ｓ３ 第１屈折角決定ステップ
Ｓ４ 第１入射角決定ステップ
Ｓ５ 第２入射角決定ステップ
Ｓ６ 曲面点決定ステップ
Ｓ７ 第１波励起形状決定ステップ
Ｓ８ 第２波励起形状決定ステップ
Ｓ９ 放射面決定ステップ
Ｓ１０ 接触面形状決定ステップ

Claims (11)

1. 整合層の最適な形状を決定するための空気超音波センサーの形状決定方法であって、
   使用する測定対象物の材料と、前記測定対象物内の集束点の位置と、前記測定対象物から前記整合層の放射面中心までの測定距離と、を予め決定する予備決定ステップと、
   前記測定対象物内において前記集束点まで伝播する第１波成分を超音波の縦波又は横波のいずれかから選択する波成分選択ステップと、
   前記第１波成分が前記集束点に向かう第１屈折角を任意に決定する第１屈折角決定ステップと、
   前記第１波成分の有する音速と前記第１屈折角とから、前記測定対象物表面上の第１入射角と入射位置とを決定する第１入射角決定ステップと、
   前記整合層内を伝播する第２入射角を少なくとも前記第１入射角を利用して決定する第２入射角決定ステップと、
   前記第１入射角と前記入射位置と前記第２入射角と前記整合層の前記中心とを利用して形成される複数の三角形を構成し、前記三角形の一点を前記整合層の前記放射面上の一点に決定する曲面点決定ステップと、
   前記第１屈折角を連続的に変更させながら前記１屈折角決定ステップ乃至前記曲面点決定ステップを繰り返し実行して、前記点の軌跡から第１波励起形状を決定する第１波励起形状決定ステップと、
   前記波成分選択ステップにおいて選択されなかった波成分を第２波成分として選択して、前記第１屈折角決定ステップ乃至前記第１励起形状決定ステップと同様のステップを実行して第２波励起形状を決定する第２波励起形状決定ステップと、
   空気から前記測定対象物への前記第１・第２波成分の入射角依存性から前記第１・第２励起曲面形状を組み合せて前記整合層の前記放射面の最終的な形状を決定する放射面決定ステップと、を含むことを特徴とする形状決定方法。
2. 前記第１入射角決定ステップは、前記空気と前記測定対象物との間に成立するスネルの法則を利用することを特徴とする請求項１に記載の形状決定方法。
3. 前記放射面決定ステップは、前記入射角依存性において前記横波が最も効果的に励起されるように前記第１・第２励起曲面形状を組み合せることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の形状決定方法。
4. 前記整合層が音響レンズ型整合層であり、
   前記第２入射角決定ステップは、前記整合層と前記空気とのとの間に成立するスネルの法則を利用するとともに、前記第１入射角と前記第２入射角と前記第２入射角に対応する第２屈折角との間に成立する関係式を利用することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の形状決定方法。
5. 前記整合層が湾曲振動子型整合層であり、
   前記第２入射角決定ステップでは、前記第２入射角が前記第１入射角と等しいことを利用することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の形状決定方法。
6. 前記整合層の厚みを設定し、前記測定距離に該厚みを加えて、前記放射面形状を導出する前記形状決定方法と同様のステップを実行して接触面形状を決定する接触面形状決定ステップをさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の形状決定方法。
7. 前記厚みが、適用する前記超音波の波長の１／４倍，１／２倍，又は１倍の長さに設定されていることを特徴とする請求項６に記載の形状決定方法。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の形状決定方法よって作られた前記整合層を備えた空気超音波センサー。
9. 前記整合層は前記放射面の前記中心を基点とした凹部をなし、かつ、
   前記凹部の曲率半径が連続的に変化することを特徴とする請求項８に記載の空気超音波センサー。
10. 前記凹部の断面形状が、奥行方向に同一となるトンネル形状であることを特徴とする請求項９に記載の空気超音波センサー。
11. 前記凹部の断面形状が、前記中心を通る中心線について半径方向に線対象となる形状であることを特徴とする請求項９に記載の空気超音波センサー。