JP2023054642A - 超音波検査装置及び超音波検査方法 - Google Patents

超音波検査装置及び超音波検査方法 Download PDF

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Abstract

【課題】欠陥部の検出性能、例えば検出可能な欠陥サイズが小さく、微小な欠陥でも検出可能にする超音波検査装置を提供する。【解決手段】超音波検査装置Ｚは、被検査体Ｅへの超音波ビームＵの走査及び計測を行う走査計測装置１と、走査計測装置１の駆動を制御する制御装置２とを備え、走査計測装置１は、超音波ビームＵを放出する送信プローブ１１０と、超音波ビームＵを受信する受信プローブ１２１とを備え、制御装置２は信号処理部２５０を備え、信号処理部２５０は、受信プローブ１２１の受信信号のうちの少なくとも最大強度周波数成分を低減するフィルタ部２４０を備え、フィルタ部２４０は、前記最大強度周波数成分を含む基本波帯のうちの前記最大強度周波数成分以外の裾野成分を検出する。【選択図】図６

Description

本開示は、超音波検査装置及び超音波検査方法に関する。
超音波ビームを用いた被検査体の欠陥部の検査方法が知られている。例えば、被検査体の内部に空気等の音響インピーダンスが小さな欠陥部（空洞等）がある場合、被検査体の内部で音響インピーダンスのギャップが生じるため、超音波ビームの透過量が小さくなる。従って、超音波ビームの透過量を計測することで、被検査体内部の欠陥部を検出できる。
超音波検査装置について特許文献１に記載の技術が知られている。特許文献１に記載の超音波検査装置では、連続する所定個数の負の矩形波からなる矩形波バースト信号を被検体に空気を介して対向配設された送信超音波探触子に印加する。被検体に空気を介して対向配設され受信超音波探触子で被検体を伝搬した超音波を透過波信号に変換する。この透過波信号の信号レベルに基づき被検体の欠陥の有無を判定する。また、送信超音波探触子及び受信超音波探触子は、振動子及び当該振動子の超音波の送受信側に取付られた前面板の音響インピーダンスを、被検体に当接して使用する接触型超音波探触子に比較して低く設定している。
特開２００８－１２８９６５号公報
特許文献１に記載の超音波検査装置では、被検査体中の微小な欠陥を検出することが困難であるという課題がある。特に、検出しようとする欠陥のサイズが、超音波ビームよりも小さい場合に、欠陥の検出が困難になる。
本開示が解決しようとする課題は、欠陥部の検出性能、例えば検出可能な欠陥サイズが小さく、微小な欠陥でも検出可能にする超音波検査装置及び超音波検査方法の提供である。
本開示に係る超音波検査装置は、流体を介して被検査体に超音波ビームを入射することにより前記被検査体の検査を行う超音波検査装置であって、前記被検査体への前記超音波ビームの走査及び計測を行う走査計測装置と、前記走査計測装置の駆動を制御する制御装置とを備え、前記走査計測装置は、前記超音波ビームを放出する送信プローブと、前記超音波ビームを受信する受信プローブとを備え、前記制御装置は信号処理部を備え、前記信号処理部は、前記受信プローブの受信信号のうちの少なくとも最大強度周波数成分を低減するフィルタ部を備え、前記フィルタ部は、前記最大強度周波数成分を含む基本波帯のうちの前記最大強度周波数成分以外の裾野成分を検出する。その他の解決手段は発明を実施するための形態において後記する。
本開示によれば、欠陥部の検出性能、例えば検出可能な欠陥サイズが小さく、微小な欠陥でも検出可能にする超音波検査装置及び超音波検査方法を提供できる。
第１実施形態の超音波検査装置の構成を示す図である。 送信プローブの構造を示す断面模式図である。 従来の超音波検査方法での超音波ビームの伝搬経路を示す図であり、健全部への入射時を示す図である。 従来の超音波検査方法での超音波ビームの伝搬経路を示す図であり、欠陥部への入射時を示す図である。 被検査体内での欠陥部と超音波ビームとの相互作用を示す図であり、直達する超音波ビームを受信する様子を示す図である。 欠陥部と相互作用した超音波ビームである散乱波を模式的に示した図である 制御装置の機能ブロック図である。 受信信号の周波数成分の分布（周波数スペクトル）を模式的に示した図である。 欠陥部をまたがるように送信プローブ及び受信プローブを走査したときの信号強度情報の位置による変化を示したものである。 フィルタ部を備えた制御装置により、信号強度情報を測定した結果である。 送信プローブに印加するバースト波の電圧波形である。 図９に示す条件での受信信号の周波数成分分布を示したものである。 受信信号の周波数成分分布（周波数スペクトル）の実測データを、健全部と欠陥部とで比較した図である。 帯域遮断フィルタでのゲイン（利得）の周波数特性を示す。 帯域遮断フィルタで処理した後の信号の周波数特性を模式的に示した図である。 低域通過フィルタでのゲイン（利得）の周波数特性を示す。 低域通過フィルタで処理した後の信号の周波数特性を模式的に示した図である。 高域通過フィルタでのゲイン（利得）の周波数特性を示す。 高域通過フィルタで処理した後の信号の周波数特性を模式的に示した図である。 デジタル方式のフィルタ部を示すブロック図である。 別の実施形態に係るフィルタ部を示すブロック図である。 送信プローブの焦点距離と受信プローブの焦点距離を等しくした場合の超音波ビームの伝播経路を模式的に示した図である。 送信プローブの焦点距離よりも、受信プローブの焦点距離を長くした場合の超音波ビームの伝播経路を模式的に示した図である。 送信プローブにおけるビーム入射面積及び受信プローブにおけるビーム入射面積の関係を説明する図である。 第２実施形態での超音波検査装置の構成を示す図である。 送信音軸、受信音軸及び偏心距離を説明する図であり、送信音軸及び受信音軸が鉛直方向に延びる場合である。 送信音軸、受信音軸及び偏心距離を説明する図であり、送信音軸及び受信音軸が傾斜して延びる場合である。 第３実施形態での超音波検査装置の構成を示す図である。 第３実施形態による効果が生じる理由を説明する図である。 第４実施形態での超音波検査装置の構成を示す図である。 第５実施形態での超音波検査装置における制御装置の機能ブロック図である。 第６実施形態での超音波検査装置における制御装置の機能ブロック図である。 制御装置のハードウェア構成を示す図である。 上記各実施形態の超音波検査方法を示すフローチャートである。
以下、図面を参照しながら本開示を実施するための形態（実施形態と称する）を説明する。ただし、本開示は以下の実施形態に限られず、例えば異なる実施形態同士を組み合わせたり、本開示の効果を著しく損なわない範囲で任意に変形したりできる。また、同じ部材については同じ符号を付すものとし、重複する説明は省略する。更に、同じ機能を有するものは同じ名称を付すものとする。図示の内容は、あくまで模式的なものであり、図示の都合上、本開示の効果を著しく損なわない範囲で実際の構成から変更することがある。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の超音波検査装置Ｚの構成を示す図である。図１では、走査計測装置１は、断面模式図で示している。図１には、紙面左右方向としてのｘ軸、紙面直交方向としてのｙ軸、紙面上下方向としてのｚ軸を含む直交３軸の座標系が示される。
超音波検査装置Ｚは、流体Ｆを介して被検査体Ｅに超音波ビームＵ（後記する）を入射することで被検査体Ｅの検査を行うものである。流体Ｆは例えば水等の液体Ｗ（後記する）、空気等の気体Ｇであり、被検査体Ｅは流体Ｆ中に存在する。第１実施形態では、流体Ｆとして空気（気体Ｇの一例）が使用される。従って、走査計測装置１の筐体１０１の内部は空気で満たされた空洞となっている。図１に示すように、超音波検査装置Ｚは、走査計測装置１と、制御装置２と、表示装置３とを備える。表示装置３は制御装置２に接続される。
走査計測装置１は、被検査体Ｅへの超音波ビームＵの走査及び計測を行うものであり、筐体１０１に固定された試料台１０２を備え、試料台１０２には被検査体Ｅが載置される。被検査体Ｅは、任意の材料で構成されている。被検査体Ｅは例えば固体材料であり、より具体には例えば金属、ガラス、樹脂材料、あるいはＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック、Ｃａｒｂｏｎ－Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）等の複合材料等である。また、図１の例において、被検査体Ｅは内部に欠陥部Ｄを有している。欠陥部Ｄは、空洞等である。欠陥部Ｄの例は、空洞、本来あるべき材料と異なる異物材等である。被検査体Ｅにおいて、欠陥部Ｄ以外の部分を健全部Ｎと称する。
欠陥部Ｄと健全部Ｎとは、構成する材料が異なるため、両者の間では音響インピーダンスが異なり、超音波ビームＵの伝搬特性が変化する。超音波検査装置Ｚは、この変化を観測して、欠陥部Ｄを検出する。
走査計測装置１は、超音波ビームＵを放出する送信プローブ１１０と、受信プローブ１２１とを有する。送信プローブ１１０は、送信プローブ走査部１０３を介して筐体１０１に設置され、超音波ビームＵを放出する。受信プローブ１２１は、被検査体Ｅに関して送信プローブ１１０の反対側に設置されて超音波ビームＵを受信し、送信プローブ１１０と同軸に配置された（後記する偏心距離Ｌがゼロ）の受信プローブ１４０（同軸配置受信プローブ）である。従って、第１実施形態では、送信プローブ１１０の送信音軸ＡＸ１（音軸）と受信プローブ１４０の受信音軸ＡＸ２（音軸）との間の偏心距離Ｌ（距離）がゼロである。これにより、送信プローブ１１０及び受信プローブ１４０を容易に設置できる。
ここで、「送信プローブ１１０の反対側」とは、被検査体Ｅにより区切られる２つの空間のうち、送信プローブ１１０が位置する空間と反対側（ｚ軸方向において反対側）の空間という意味であり、ｘ、ｙ座標が同一の反対側（つまり、ｘｙ平面に関して面対称の位置）という意味ではない。
ここで、送信プローブ１１０と受信プローブ１２１の位置関係について述べる。送信プローブ１１０の送信音軸ＡＸ１と受信プローブ１２１の受信音軸ＡＸ２との距離を偏心距離Ｌと定義する。第１実施形態では、上記のように、偏心距離Ｌがゼロに設定される。即ち、送信音軸ＡＸ１と受信音軸ＡＸ２とが同軸上になるような受信プローブ１２１が配置される。これを同軸配置と呼ぶ。なお、本開示では、偏心距離Ｌは０に限定されるものではない。
本開示では、受信プローブ１２１の配置位置として、送信音軸ＡＸ１と受信音軸ＡＸ２とを同軸に配置したものを同軸配置と呼び、２つの音軸（送信音軸ＡＸ１及び受信音軸ＡＸ２）をずらしたもの（即ち、偏心させた配置）を偏心配置と呼ぶ。本開示は、受信プローブ１２１を同軸配置にした場合と、偏心配置にした場合とのいずれの場合でも効果を奏する。従って、本開示は、受信プローブ１２１の配置として、同軸配置及び偏心配置のいずれも含む。
本明細書において、特に、受信配置位置を指定する場合には、同軸配置された受信プローブ１２１を受信プローブ１４０（同軸配置受信プローブ）と記し、偏心配置された受信プローブ１２１を、受信プローブ１２０（偏心配置受信プローブ）と記すことにする。
受信プローブ１２１と記した場合は、同軸配置か偏心配置かは特段に指定しない。
音軸とは、超音波ビームＵの中心軸と定義される。ここで、送信音軸ＡＸ１は、送信プローブ１１０が放出する超音波ビームＵの伝搬経路の音軸と定義される。言い換えると、送信音軸ＡＸ１は、送信プローブ１１０が放出する超音波ビームＵの伝搬経路の中心軸である。送信音軸ＡＸ１は、後記する図２０Ｂに示すように、被検査体Ｅの界面による屈折を含めることとする。つまり、同図に示すように、送信プローブ１１０から放出された超音波ビームＵが、被検査体Ｅの界面で屈折する場合は、その超音波ビームＵの伝搬経路の中心（音軸）が送信音軸ＡＸ１となる。
また、受信音軸ＡＸ２は、受信プローブ１２１が超音波ビームＵを放出すると想定した場合の仮想超音波ビームの伝搬経路の音軸と定義される。言い換えると、受信音軸ＡＸ２は、受信プローブ１２１が超音波ビームＵを放出すると想定した場合の仮想超音波ビームの中心軸である。
具体例として、探触子面が平面状である非収束型の受信プローブの場合を述べる。この場合、受信音軸ＡＸ２の方向は探触子面の法線方向であり、探触子面の中心点を通る軸が受信音軸ＡＸ２になる。探触子面が長方形の場合は、その中心点は長方形の対角線の交点と定義する。
走査計測装置１には、制御装置２が接続されている。制御装置２は、走査計測装置１の駆動を制御するものであり、送信プローブ走査部１０３及び受信プローブ走査部１０４に指示することで、送信プローブ１１０及び受信プローブ１２１の移動（走査）を制御する。送信プローブ走査部１０３及び受信プローブ走査部１０４がｘ軸及びｙ軸方向に同期して移動することにより、送信プローブ１１０及び受信プローブ１２１は被検査体Ｅをｘ軸及びｙ軸方向に走査する。更に、制御装置２は、送信プローブ１１０から超音波ビームＵを放出し、受信プローブ１２１から取得した信号に基づいて波形解析を行う。
なお、第１実施形態では、被検査体Ｅが試料台１０２を介して筐体１０１に固定された状態、つまり、被検査体Ｅは筐体１０１に対し固定された状態で、送信プローブ１１０と受信プローブ１２１とを走査する例が示される。これとは逆に、送信プローブ１１０と受信プローブ１２１とが筐体１０１に対して固定され、被検査体Ｅが移動することで、走査が行われる構成としてもよい。
送信プローブ１１０と被検査体Ｅとの間、及び受信プローブ１２１と被検査体Ｅとの間には、図示の例では気体Ｇ（流体Ｆの一例。液体Ｗ（後記する）でもよい）が介在する。このため、送信プローブ１１０及び受信プローブ１２１を被検査体Ｅに非接触で検査できるため、ｘｙ面内方向の相対位置をスムーズかつ高速に変えることが可能である。即ち、送信プローブ１１０及び受信プローブ１２１と被検査体Ｅとの間に流体Ｆを介在させることにより、スムーズな走査が可能になる。
送信プローブ１１０は、収束型の送信プローブ１１０である。一方で、受信プローブ１２１は、収束性が送信プローブ１１０よりも緩いプローブを用いる。本実施形態では、受信プローブ１２１には探触子面が平面である非収束型のプローブが使用される。このような、非収束型の受信プローブ１２１を用いることで、幅広い範囲について欠陥部Ｄの情報を収集することができる。
図２は、送信プローブ１１０の構造を示す断面模式図である。図２では、簡略化のために、放出される超音波ビームＵの外郭のみを図示しているが、実際には、探触子面１１４の全域にわたり、探触子面１１４の法線ベクトル方向に多数の超音波ビームＵが放出される。
送信プローブ１１０は、超音波ビームＵを収束するように構成される。これにより、被検査体Ｅ中の微小な欠陥部Ｄを高精度に検出できる。微小な欠陥部Ｄを検出できる理由は後記する。送信プローブ１１０は、送信プローブ筐体１１５を備え、送信プローブ筐体１１５の内部に、バッキング１１２と、振動子１１１と、整合層１１３とを備える。振動子１１１には電極（図示せず）が取り付けられており、電極はリード線１１８により、コネクタ１１６に接続されている。さらに、コネクタ１１６はリード線１１７により電源装置（図示しない）及び制御装置２に接続される。
本明細書において、送信プローブ１１０又は受信プローブ１２１の探触子面１１４とは、整合層１１３を備える場合は整合層１１３の表面と定義し、整合層１１３を備えない場合は振動子１１１の表面と定義する。即ち、探触子面１１４は、送信プローブ１１０の場合は、超音波ビームＵを放出する面であり、受信プローブ１２１の場合は、超音波ビームＵを受信する面である。
ここで、比較例として、従来の超音波検査の手法を説明する。
図３Ａは、従来の超音波検査方法での超音波ビームＵの伝搬経路を示す図であり、健全部Ｎへの入射時を示す図である。図３Ｂは、従来の超音波検査方法での超音波ビームＵの伝搬経路を示す図であり、欠陥部Ｄへの入射時を示す図である。従来の超音波検査方法では、例えば特許文献１に記載されているように、送信音軸ＡＸ１と受信音軸ＡＸ２とが一致するように、送信プローブ１１０及び受信プローブ１２１としての受信プローブ１４０が配置される。
図３Ａに示すように、被検査体Ｅの健全部Ｎに超音波ビームＵが入射された場合、超音波ビームＵが被検査体Ｅを通過して受信プローブ１４０に到達する。従って、受信信号が大きくなる。一方、図３Ｂに示すように、欠陥部Ｄに超音波ビームＵが入射された場合、欠陥部Ｄにより超音波ビームＵの透過が阻止されるために受信信号が減少する。このように受信信号の減少により欠陥部Ｄを検出する。これは、特許文献１に示されている通りである。
ここで、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、欠陥部Ｄにおいて超音波ビームＵの透過が阻止されることによって受信信号が減少し、欠陥部Ｄを検出する方法を、ここででは「阻止法」と呼ぶことにする。
従来技術の問題点は、欠陥サイズがビームサイズよりも小さくなると検出が困難になることである。この点を、図４Ａを参照して説明する。
図４は、被検査体Ｅ内での欠陥部Ｄと超音波ビームＵとの相互作用を示す図であり、直達する超音波ビームＵ（以下、「直達波Ｕ３」という）を受信する様子を示す図である。直達波Ｕ３については後記する。ここでは、欠陥部Ｄの大きさが超音波ビームＵの幅（以下、ビーム幅ＢＷと称する）よりも小さい場合を考察する。ここでのビーム幅ＢＷとは、欠陥部Ｄに到達した時の超音波ビームＵの幅である。
また、図４は、欠陥部Ｄ近傍の微小領域での超音波ビームＵの形状を模式的に示しているので超音波ビームＵを平行に描いてあるが、実際には収束させた超音波ビームＵである。さらに、図４での受信プローブ１２１の位置は、わかりやすく説明するために概念的な位置を記入したものであり、受信プローブ１２１の位置と形状は正確にスケールされていない。即ち、欠陥部Ｄと超音波ビームＵとの形状の拡大スケールで考えると、図４に示す位置よりも、図面上下方向で離れた位置に受信プローブ１２１は位置する。
図４では、送信音軸ＡＸ１と受信音軸ＡＸ２とを一致させた阻止法の場合が示される。欠陥部Ｄがビーム幅ＢＷよりも小さい場合、一部の超音波ビームＵは阻止されるので受信信号は減少するが、ゼロにはならない。例えば、欠陥部Ｄの断面積がビーム幅ＢＷで規定されるビーム断面積の５％の場合、受信信号は概ね５％の減少に止まるので、欠陥部Ｄの検出が困難である。つまり、図４に示すような場合、欠陥部Ｄが存在する箇所では、受信信号が５％減少するにとどまる。このように、欠陥部Ｄがビーム幅ＢＷよりも小さい場合、欠陥部Ｄと相互作用することなく、素通りするビームが多くなるので、欠陥の検出が困難になる。
図５は、欠陥部Ｄと相互作用した超音波ビームＵである散乱波Ｕ１を模式的に示した図である。本明細書では、欠陥部Ｄと相互作用した超音波ビームＵを散乱波Ｕ１と呼ぶ。従って、本明細書での「散乱波Ｕ１」とは、欠陥部Ｄと相互作用した超音波を指す。散乱波Ｕ１には、図５のように方向を変える波もある。また、散乱波Ｕ１には、欠陥部Ｄとの相互作用により波の位相又は周波数の少なくとも一方が変化するが、進行方向は変わらない波もある。欠陥部Ｄと相互作用することなく、通過する超音波を直達波Ｕ３と呼ぶ。直達波Ｕ３と区別して、散乱波Ｕ１のみを検出できれば、小さな欠陥部Ｄを検出し易くできる。本開示では、周波数の違いに着目することで、散乱波Ｕ１が効率的に検出される。
図６は、制御装置２の機能ブロック図である。制御装置２は、走査計測装置１の駆動を制御するものである。制御装置２は、送信系統２１０と、受信系統２２０と、データ処理部２０１と、スキャンコントローラ２０４と、駆動部２０２と、位置計測部２０３と、信号処理部２５０とを備える。受信系統２２０とデータ処理部２０１とを合わせて、信号処理部２５０と呼ぶ。信号処理部２５０は、受信プローブ１２１からの信号を増幅処理、フィルタ処理等により、有意な情報を抽出する信号処理を行う。
送信系統２１０は、送信プローブ１１０への印加電圧を生成する系統である。送信系統２１０は、波形発生器２１１及び信号アンプ２１２を備える。波形発生器２１１でバースト波信号が発生する。そして、発生したバースト波信号は信号アンプ２１２で増幅される。信号アンプ２１２から出力された電圧は送信プローブ１１０に印加される。
信号処理部２５０は、受信系統２２０を備える。受信系統２２０は、受信プローブ１２１から出力される受信信号を検出する系統である。受信プローブ１２１から出力された信号は、信号アンプ２２２に入力されて増幅される。増幅された信号は、フィルタ部２４０（遮断フィルタ）に入力される。フィルタ部２４０は、入力信号の特定の周波数範囲の成分を低減する（遮断する）。フィルタ部２４０については後述する。フィルタ部２４０からの出力信号は、データ処理部２０１に入力される。
データ処理部２０１では、フィルタ部２４０から入力された信号から、信号強度データを生成する。信号強度データの生成方法として、本実施例ではピーク間信号量(Peak-to-Peak signal)を用いた。これは信号のうち最大値と最小値との差である。信号強度データの生成方法には、この他、フーリエ変換をして特定周波数範囲の周波数成分の強度を用いてもよい。
データ処理部２０１は、スキャンコントローラ２０４から走査位置の情報も受け取る。このようにして、現在の２次元走査位置（ｘ、ｙ）における信号強度データの値が得られる。信号強度データの値を走査位置に対してプロットすると、欠陥部Ｄの位置又は形状の少なくとも一方に対応した画像（欠陥画像）が得られる。この欠陥画像は表示装置３に出力される。
（フィルタ部２４０）
本明細書においてフィルタ部２４０とは、所定の周波数範囲の信号成分の強度を低減させる信号処理を行う制御部と定義する。また、フィルタ処理は、所定の周波数範囲の信号成分の強度を低減させる信号処理と定義する。受信信号をフーリエ変換等で周波数成分毎の成分強度に分解した際、成分強度が最大になる周波数を最大成分周波数と呼ぶ。最大強度周波数成分は最大成分周波数における周波数成分である。本明細書のフィルタ部２４０は、最大強度周波数成分を含む基本波帯、即ち、最大成分周波数を含む周波数範囲の信号成分の強度を低減する。なお、周波数成分毎の成分強度の分布を周波数スペクトルと呼ぶ。
図７は、受信信号の周波数成分の分布（周波数スペクトル）を模式的に示した図である。図７を用いて、フィルタ部２４０をさらに具体的に説明する。同図において、横軸が周波数、縦軸は成分強度を示す。縦軸は、対数スケールで示してあり、幅広い強度範囲を模式的に示している。
成分強度が最大になる最大成分周波数をｆｍとする。最大成分周波数ｆｍは、送信プローブ１１０から送信したバースト波の基本周波数ｆ０にほぼ等しい。信号の周波数成分は、最大成分周波数ｆｍの前後に広がりを持ち、これを基本波帯Ｗ１と呼ぶ。
最大成分周波数ｆｍのＮ倍の周波数（Ｎ×ｆｍ）の成分は、高調波である。最大成分周波数ｆｍの１／Ｎ倍の周波数（ｆｍ／Ｎ）の成分は、分調波である。ここで、Ｎは、Ｎ≧２の整数である。高調波、分調波もそれぞれ広がりをもつ。本明細書では、高調波、分調波が周波数的な広がりを持つことを特に強調する場合に、それぞれ高調波帯、分調波帯と呼ぶ。従って、単に「高調波」と記した場合も、周波数的な広がりを持つ。高調波帯、分調波帯は、非線形現象で発生するものであり、被検査体Ｅに入力した超音波ビームＵの音圧が極めて強い場合に発生する。
第１実施形態のように、送信プローブ１１０と被検査体Ｅとの間に気体Ｇを介した場合には、被検査体Ｅの内部に音圧が強い超音波ビームＵを入れることは、一般的には困難なため、高調波帯又は分調波帯の少なくとも一方は観測されないことが多い。第１実施形態での条件でも、高調波帯及び分調波帯は検出限界以下であった。
図７に示すように、基本波帯Ｗ１は周波数的に広がりを持つ。基本波帯Ｗ１のうち、最大成分周波数ｆｍの成分以外の周波数成分を「裾野成分Ｗ３」と呼ぶことにする。裾野成分Ｗ３には、基本波のサイドローブも含まれる。
第１実施形態では、フィルタ部２４０は、最大成分周波数ｆｍを含む遮断周波数範囲の成分強度を低減する。即ち、フィルタ部２４０は、受信プローブ１２１の受信信号のうちの少なくとも最大強度周波数成分（最大成分周波数ｆｍに対応する成分）を低減する。そして、フィルタ部２４０は、最大強度周波数成分を含む基本波帯Ｗ１のうちの最大強度周波数成分以外の裾野成分Ｗ３を検出する。フィルタ部２４０により、遮断周波数範囲の成分強度が低減するので、フィルタ部２４０を通過した後の信号では、基本波帯Ｗ１のうち裾野成分Ｗ３が占める割合が増加する。このようにすることで、後記のように、欠陥部Ｄの検出性能を向上できる。
図８Ａは、欠陥部Ｄをまたがるように送信プローブ１１０及び受信プローブ１２１を走査したときの信号強度情報の位置による変化を示したものである。図８Ａでは、上記図６の構成からフィルタ部２４０を除いた構成で測定した結果である。健全部Ｎでの信号強度はｖ０である。一方で、欠陥部Ｄに対応する位置（ｘ＝０）で、信号強度がΔｖだけ低下しており、欠陥部Ｄを検出できている。しかし、信号強度の変化率（Δｖ／ｖ０）は小さい。ここで信号強度の変化率とは、欠陥部Ｄでの信号変化量Δｖを健全部Ｎでの信号強度ｖ０で割った値と定義する。
図８Ｂは、フィルタ部２４０を備えた制御装置２（図６）により、信号強度情報を測定した結果である。欠陥部Ｄの場所での信号強度の変化率（Δｖ／ｖ０）が大きくなり、欠陥部Ｄの検出性が改善したことがわかる。
図８Ａ及び図８Ｂの実験結果を取得した実験条件を説明する。
図９は、送信プローブ１１０に印加するバースト波の電圧波形である。横軸は時間、縦軸は電圧である。基本周波数ｆ０が０．８２ＭＨｚの正弦波を１０波印加した。この１０波を波束と呼ぶ。なお、基本周波数ｆ０の逆数を基本周期Ｔ０と呼ぶ。基本周期Ｔ０は、同図に示した通り、１波束を構成する波の周期である。波束は繰り返し周期Ｔｒ＝５ｍｓで印加した。
図１０は、図９に示す条件での受信信号の周波数成分分布を示したものである。同図は、横軸が周波数で、縦軸がそれぞれの周波数での成分強度の実測データをプロットしている。これは、フィルタ部２４０で処理していない信号の周波数成分分布である。成分強度が最大になる０．８２ＭＨｚが最大成分周波数ｆｍである。基本波帯Ｗ１は、０．７４ＭＨｚから０．８８ＭＨｚに拡がっており、このうち最大成分周波数ｆｍを除いた成分が裾野成分Ｗ３である。本実施例では、最大成分周波数ｆｍは、送信プローブ１１０が送信する超音波の基本周波数ｆ０と等しくなっている。このように、多くの場合、最大成分周波数ｆｍは送信する超音波の基本周波数ｆ０に概ね等しくなる。
フィルタ部２４０（図６）は、上記のように、最大成分周波数ｆｍを除く。具体的には、図示の例では、フィルタ部２４０（図６）は０．７８ＭＨｚ以下の裾野成分Ｗ３を透過させ、０．８２ＭＨｚを含む、０．７８ＭＨｚを超える波を遮断した。このようなフィルタ部２４０を用いると、上記図８Ｂのように、欠陥部Ｄでの信号強度の変化率が増大し、欠陥の検出性が大幅に改善することがわかる。
図１１は、受信信号の周波数成分分布（周波数スペクトル）の実測データを、健全部Ｎ（実線）と欠陥部Ｄ（破線）とで比較した図である。フィルタ部２４０により欠陥部Ｄの検出性が改善するメカニズムは以下の通りである。最大成分周波数ｆｍ＝０．８２ＭＨｚでは、健全部Ｎと欠陥部Ｄとで成分強度（信号の大きさ）の違いは小さい。一方、最大成分周波数ｆｍ以外である裾野成分Ｗ３、特に低域帯については、健全部Ｎと欠陥部Ｄとの差が大きくなっている。
このように、受信信号の周波数成分を調べ、最大成分周波数ｆｍよりも、裾野成分Ｗ３の方が健全部Ｎと欠陥部Ｄとの差が大きい、ことを発明者らは見出した。この知見に基づき、健全部Ｎと欠陥部Ｄとの差が小さい最大成分周波数ｆｍの周波数成分を低減するようなフィルタ部２４０を用いることにより、欠陥部Ｄの検出性を改善できることを見出した。
このように、本開示は受信信号の周波数成分分布において、最大成分周波数ｆｍでの信号成分よりも、基本波帯Ｗ１の裾野成分Ｗ３の方が欠陥部Ｄでの信号変化率が大きいという、発明者らが見出した新しい知見に基づくものである。最大成分周波数ｆｍの成分は、受信信号の中で大きな割合を占めるが、欠陥部Ｄでの信号変化率が小さいので、この成分を低減することで、その結果、裾野成分Ｗ３が占める割合が増大する。このようにすることで、フィルタ部２４０で処理後の信号は、欠陥部Ｄでの信号変化率が増大するために、欠陥部Ｄの検出性を改善できる。そして、図８Ａ及び図８Ｂに示した実測データを比較しても、フィルタ部２４０による欠陥部Ｄの検出性が改善する効果は明らかである。
本開示の効果を奏するためのフィルタ部２４０の周波数特性の代表的な例を以下に示す。フィルタ部２４０は、帯域遮断フィルタ、低域通過フィルタ、又は、高域通過フィルタの少なくとも１つを含むことが好ましい。これらの少なくとも１つを含むことで、最大成分周波数ｆｍを含む周波数範囲の成分を低減できる。中でも、低域通過フィルタ、又は、高域通過フィルタの少なくとも１つを含むことで、高域又は低域の一方のみが遮断されるため、遮断のためのプログラムを簡便にできる。また、フィルタ部２４０を電子回路で実装する場合は、遮断のための回路構成を簡便にできる。
図１２Ａは、帯域遮断フィルタでのゲイン（利得）の周波数特性を示す。帯域遮断フィルタは、最大成分周波数ｆｍ（最大強度周波数成分）を含む基本波帯Ｗ１（図１２Ｂ）のうち、最大成分周波数ｆｍを含む周波数範囲Ｗ２（図１２Ｂ）の成分を低減する。低減率ｘは、透過領域でのゲインＧ０と遮断領域でのゲインＧ１との比Ｇ１／Ｇ０である。第１実施形態では、低減率ｘを－２０ｄＢ（１／１０）～－４０ｄＢ（１／１００）にした。
図１２Ｂは、帯域遮断フィルタで処理した後の信号の周波数特性を模式的に示した図である。実線及び点線で示される波形が基本波帯Ｗ１である。点線は処理前の信号成分であり、点線の部分に示す周波数範囲Ｗ２の成分が帯域遮断フィルタで低減される。この結果、実線で示した、基本波帯Ｗ１の裾野成分Ｗ３を検出できる。
図１３Ａは、低域通過フィルタでのゲイン（利得）の周波数特性を示す。遮断周波数を最大成分周波数ｆｍよりも小さな周波数に設定することで、最大成分周波数ｆｍでの信号成分を低減できる。第１実施形態では、遮断周波数を０．７８ＭＨｚとした。即ち、最大成分周波数ｆｍよりも４０ｋＨｚ小さな周波数に設定した。遮断部での低減率は－４０ｄＢ程度にした。
図１３Ｂは、低域通過フィルタで処理した後の信号の周波数特性を模式的に示した図である。点線及び実線の意味は、図１２Ｂと同じである。低域通過フィルタを用いると、裾野成分Ｗ３のうち、実線で示すように、最大成分周波数ｆｍよりも小さな周波数成分を検出できる。
図１４Ａは、高域通過フィルタでのゲイン（利得）の周波数特性を示す。遮断周波数を最大成分周波数ｆｍよりも大きな周波数に設定することで、最大成分周波数ｆｍでの信号成分を低減できる。
図１４Ｂは、高域通過フィルタで処理した後の信号の周波数特性を模式的に示した図である。点線及び実線の意味は、図１２Ｂと同じである。高域通過フィルタを用いると、裾野成分Ｗ３のうち、実線で示すように、最大成分周波数ｆｍよりも大きな周波数成分を検出できる。
（フィルタ部２４０の実装方法）
フィルタ部２４０の実装方法の代表的な構成例を以下に述べる。フィルタ部２４０の実装方法は、アナログ方式及びデジタル方式に大別される。
アナログ方式は、アナログ回路により所望の周波数範囲の信号成分を低減するものである。フィルタ部２４０の周波数特性としては、帯域遮断フィルタ（図１２Ａ及び図１２Ｂ）、低域通過フィルタ（図１３Ａ及び図１３Ｂ）、高域通過フィルタ（図１４Ａ及び図１４Ｂ）が代表的な例である。このような周波数特性を持つアナログ回路の実現方式は種々の既知のものが知られている。
図１５は、デジタル方式のフィルタ部２４０を示すブロック図である。フィルタ部２４０は、周波数成分変換部２４１と、周波数選択部２４２と、周波数成分逆変換部２４３とを備える。周波数成分変換部２４１は、信号アンプ２２２から入力される受信プローブ１２１の受信信号を周波数成分に変換するものである。周波数選択部２４２は、最大成分周波数ｆｍ（最大強度周波数成分）を含む周波数帯の除去により上記裾野成分Ｗ３を選択するものである。周波数成分逆変換部２４３は、必要な周波数成分のみを、時間領域信号に戻すものである。これらのうち、特に、周波数成分変換部２４１及び周波数選択部２４２を備えることで、デジタル方式のフィルタ部２４０を構成できる。
このようなデジタル方式のフィルタ部２４０によっても、最大成分周波数ｆｍを含む周波数範囲の成分を低減できる。周波数成分変換部２４１で行う処理は、時間領域の信号波形を周波数成分に変換する処理であり、典型的にはフーリエ変換を用いる。周波数成分逆変換部２４３で行う処理は、周波数成分（周波数スペクトル）から時間領域の信号波形に変換する処理であり、典型的にはフーリエ逆変換を用いる。
図１６は、別の実施形態に係るフィルタ部２４０を示すブロック図である。フィルタ部２４０は、信号処理部２５０の中に設けられている。フィルタ部２４０は、周波数成分変換部２４１及び周波数選択部２４２を備える。周波数選択部２４２の出力は、データ処理部２０１内の信号強度算出部２３１に入力される。信号強度算出部２３１は、周波数成分の情報に基づいて信号強度を算出する。
上記図１１の周波数スペクトルに示したように、基本波帯Ｗ１の裾野成分Ｗ３が欠陥部Ｄに敏感に変化する理由は以下のように考えられる。
欠陥部Ｄと相互作用しない直達波Ｕ３は、波の伝播方向、位相、周波数等が変化しない。従って、最大成分周波数ｆｍの信号成分は、直達波Ｕ３が占める割合が多い。そのため、欠陥部Ｄと健全部Ｎとの変化が小さい。
上記図５に示したように、欠陥部Ｄと相互作用する散乱波Ｕ１は、伝播方向を変える成分もあり、また、伝播方向は変わらないが位相又は周波数の少なくとも一方が変化する成分もある。従って、最大周波数ｆｍからずれた成分である基本波帯Ｗ１の裾野成分Ｗ３には、欠陥部Ｄと相互作用した超音波ビームＵである散乱波Ｕ１の成分が占める割合が増える。このため、欠陥部Ｄと健全部Ｎとの変化が大きくなる。このようにして、最大成分周波数ｆｍの成分を低減して、かつ基本波帯Ｗ１の裾野成分Ｗ３を検出することで、欠陥部Ｄの検出性能を向上できる。
（受信プローブの焦点距離）
受信プローブ１２１の焦点距離Ｒ２は、送信プローブ１１０の焦点距離Ｒ１よりも長くするとさらに好ましい。このようにすると、後述の通り、散乱波Ｕ１の成分をより多く検出できるようになるためである。前述の通り、散乱波Ｕ１は、欠陥部Ｄと相互作用した超音波ビームＵであるから、散乱波Ｕ１の成分の割合が増えるほど、欠陥部Ｄを検出し易くできる。
受信プローブ１２１の焦点距離を長くすると散乱波の成分を多く検出できる理由を図１７Ａ及び図１７Ｂを用いて述べる。
図１７Ａは、送信プローブ１１０の焦点距離Ｒ１と受信プローブ１２１の焦点距離Ｒ２を等しくした場合の超音波ビームＵの伝播経路を模式的に示した図である。コーンＣ３は、図１７Ｂにおいて説明する。図１７Ａに示す例では、送信プローブ１１０から送信された超音波ビームＵの収束点と、受信プローブ１２１から仮想的に放出される仮想ビームの収束点が同じである。従って、欠陥部Ｄにおいて伝播方向が変化しない超音波ビームＵを効率的に受信できる。一方、欠陥部Ｄで伝播方向が変化した超音波ビームＵは、検出が困難になる。
図１７Ｂは、送信プローブ１１０の焦点距離Ｒ１よりも、受信プローブ１２１の焦点距離Ｒ２を長くした場合の超音波ビームＵの伝播経路を模式的に示した図である。受信プローブ１２１から仮想的に放出される仮想ビームのコーン（形状）Ｃ３の範囲内の超音波ビームＵを受信プローブ１２１は検出可能である。そのため、欠陥部Ｄで伝播方向が少し変化した散乱波Ｕ１であっても、コーンＣ３の範囲に入っていれば検出できる。このように、受信プローブ１２１の焦点距離Ｒ２を送信プローブ１１０の焦点距離Ｒ１よりも長くすることにより、検出可能な散乱波Ｕ１を増加できる。前述の通り、散乱波Ｕ１は欠陥部Ｄと相互作用した波であるから、これにより欠陥部Ｄの検出性能をさらに向上できる。
収束性の大小関係は、被検査体Ｅの表面におけるビーム入射面積Ｔ１、Ｔ２の大小関係でも定義される。ビーム入射面積Ｔ１、Ｔ２について説明する。
図１８は、送信プローブ１１０におけるビーム入射面積Ｔ１及び受信プローブ１２１におけるビーム入射面積Ｔ２の関係を説明する図である。送信プローブ１１０の被検査体Ｅでのビーム入射面積Ｔ１は、送信プローブ１１０から放出された超音波ビームＵの被検査体Ｅ表面での交差面積である。また、受信プローブ１２１のビーム入射面積Ｔ２は、受信プローブ１２１から超音波ビームＵが放出された場合を想定した仮想的な超音波ビームＵ２と被検査体Ｅ表面での交差面積である。
なお、図１８において、超音波ビームＵの経路は、被検査体Ｅがない場合における経路を示したものである。被検査体Ｅがある場合は、被検査体Ｅ表面で超音波ビームＵが屈折するため、超音波ビームＵは破線で示した経路とは異なる経路を伝搬する。ここで、図１８に示すように、受信プローブ１２１の被検査体Ｅでのビーム入射面積Ｔ２は、送信プローブ１１０の被検査体Ｅでのビーム入射面積Ｔ１よりも大きい。このようにすることで、受信プローブ１２１の収束性を、送信プローブ１１０の収束性よりも緩くできる。
さらに、受信プローブ１２１の焦点距離Ｒ２は、送信プローブ１１０の焦点距離Ｒ１よりも長い。このようにしても、受信プローブ１２１の収束性を、送信プローブ１１０の収束性よりも緩くできる。このとき、被検査体Ｅから送信プローブ１１０及び受信プローブ１２１までの距離は例えば何れも同じであるが、同じでなくてもよい。
このように、本実施形態では、受信プローブ１２１の収束性を送信プローブ１１０の収束性よりも緩くしている。即ち、受信プローブ１２１の焦点距離Ｒ２は、送信プローブ１１０の焦点距離Ｒ１よりも長く設定されている。この結果、受信プローブ１２１のビーム入射面積Ｔ２が広くなるため、広い範囲の散乱波Ｕ１を検出できる。これにより、散乱波Ｕ１の伝搬経路が多少変化しても、受信プローブ１２１で散乱波Ｕ１を検出可能になる。その結果、広い範囲の欠陥部Ｄを検出できる。
また、受信プローブ１２１の焦点Ｐ１は、送信プローブ１１０の焦点Ｐ２よりも、送信プローブ１１０の側（図示の例では上方）に存在する。このように焦点Ｐ１，Ｐ２をずらすことで、受信プローブ１２１で散乱波Ｕ１を受信し易くでき、散乱波Ｕ１を検出し易くできる。
なお、送信プローブ１１０の焦点距離Ｒ１よりも受信プローブ１２１の焦点距離Ｒ２を長くする構成として、受信プローブ１２１として、非収束型のプローブ（不図示）が用いられてもよい。非収束型のプローブでは焦点距離Ｒ２が無限大なので、送信プローブ１１０の焦点距離Ｒ１よりも長くなる。即ち、非収束型の受信プローブ１２１でも、受信プローブ１２１の収束性は送信プローブ１１０の収束性よりも緩くなる。
（第２実施形態）
図１９は、第２実施形態での超音波検査装置Ｚの構成を示す図である。第２実施形態では、送信プローブ１１０の送信音軸ＡＸ１と受信プローブ１２１の受信音軸ＡＸ２とがずらして配置される。即ち、第２実施形態での受信プローブ１２１は、送信プローブ１１０の送信音軸ＡＸ１とは異なる位置に配置された受信音軸ＡＸ２を有する受信プローブ１２０（偏心配置受信プローブ）である。従って、送信プローブ１１０の送信音軸ＡＸ１（音軸）と受信プローブ１２０の受信音軸ＡＸ（音軸）との間の偏心距離Ｌ（距離）がゼロより大きい。
このような配置にすることで、散乱波Ｕ１のうち空間的な方向が変わった波を検出できる。フィルタ部２４０（図６）による周波数的な散乱波Ｕ１の抽出原理と、偏心配置による空間的な散乱波Ｕ１の抽出原理とを組み合わせることで、欠陥部Ｄの検出性をさらに向上できる。
第２実施形態では、送信プローブ１１０に対して、図１９のｘ軸方向に偏心距離Ｌだけ受信プローブ１２０がずらされて配置されているが、図１９のｙ軸方向にずらされた状態で受信プローブ１２０が配置されてもよい。又は、ｘ軸方向にＬ１、ｙ軸方向にＬ２（即ち、送信プローブ１１０のｘｙ平面での位置を原点とすると、（Ｌ１、Ｌ２）の位置）に受信プローブ１２０が配置されてもよい。
図２０Ａは、送信音軸ＡＸ１、受信音軸ＡＸ２及び偏心距離Ｌを説明する図であり、送信音軸ＡＸ１及び受信音軸ＡＸ２が鉛直方向に延びる場合である。図２０Ｂは、送信音軸ＡＸ１、受信音軸ＡＸ２及び偏心距離Ｌを説明する図であり、送信音軸ＡＸ１及び受信音軸ＡＸ２が傾斜して延びる場合である。図２０Ａ及び図２０Ｂには、参考として、破線で受信プローブ１４０（同軸配置受信プローブ）も図示される。
音軸とは、超音波ビームＵの中心軸と定義される。ここで、送信音軸ＡＸ１は、送信プローブ１１０が放出する超音波ビームＵの伝搬経路の音軸と定義される。言い換えると、送信音軸ＡＸ１は、送信プローブ１１０が放出する超音波ビームＵの伝搬経路の中心軸である。送信音軸ＡＸ１は、図２０Ｂに示すように、被検査体Ｅの界面による屈折を含めることとする。つまり、図２０Ｂに示すように、送信プローブ１１０から放出された超音波ビームＵが、被検査体Ｅの界面で屈折する場合は、その超音波ビームＵの伝搬経路の中心（音軸）が送信音軸ＡＸ１となる。
また、受信音軸ＡＸ２は、受信プローブ１２１が超音波ビームＵを放出すると想定した場合の仮想超音波ビームの伝搬経路の音軸と定義される。言い換えると、受信音軸ＡＸ２は、受信プローブ１２１が超音波ビームＵを放出すると想定した場合の仮想超音波ビームの中心軸である。
具体例として、探触子面が平面状である非収束型の受信プローブ（不図示）の場合を述べる。この場合、受信音軸ＡＸ２の方向は探触子面の法線方向であり、探触子面の中心点を通る軸が受信音軸ＡＸ２になる。探触子面が長方形の場合は、その中心点は長方形の対角線の交点と定義する。
受信音軸ＡＸ２の方向が探触子面の法線方向である理由は、その受信プローブ１２１から放射する仮想的な超音波ビームＵが探触子面の法線方向に出射するからである。超音波ビームＵを受信する場合も、探触子面の法線方向で入射する超音波ビームＵを感度よく受信できる。
偏心距離Ｌとは、送信音軸ＡＸ１と、受信音軸ＡＸ２とのずれの距離で定義される。従って、図２０Ｂに示すように、送信プローブ１１０から放出された超音波ビームＵが屈折する場合、偏心距離Ｌは、屈折している送信音軸ＡＸ１と、受信音軸ＡＸ２とのずれの距離で定義される。第２実施形態の超音波検査装置Ｚは、このように定義される偏心距離Ｌが、ゼロより大きな距離となるよう、偏心距離調整部１０５（図１９）によって送信プローブ１１０及び受信プローブ１２０が調整される。
図２０Ａでは、送信プローブ１１０を被検査体Ｅの表面における法線方向に配置した場合が示される。図２０Ａ及び図２０Ｂにおいて、送信音軸ＡＸ１を実線の矢印で示している。また、受信音軸ＡＸ２を一点鎖線の矢印で示している。なお、図２０Ａ及び図２０Ｂにおいて、破線で示す受信プローブ１２１の位置が偏心距離Ｌがゼロの位置であり、送信音軸ＡＸ１と受信音軸ＡＸ２とが一致する受信プローブ１２１は同軸配置受信プローブとしての受信プローブ１４０である。また、実線で示す受信プローブ１２１はゼロより大きな偏心距離Ｌの位置に配置されている受信プローブ１２０（偏心配置受信プローブ）である。送信音軸ＡＸ１が水平面（図１９のｘｙ平面）に対して垂直になるように送信プローブ１１０が設置される場合、超音波ビームＵの伝搬経路は屈折しない。つまり、送信音軸ＡＸ１は屈折しない。
図２０Ｂでは、送信プローブ１１０を被検査体Ｅの表面における法線方向から角度αだけ傾けて配置した場合が示される。図２０Ｂでも図２０Ａと同様、送信音軸ＡＸ１を実線の矢印で示し、受信音軸ＡＸ２を一点鎖線の矢印で示している。図２０Ｂに示す例の場合、前記したように、被検査体Ｅと流体Ｆとの界面で、超音波ビームＵの伝搬経路が屈折角βで屈折する。そのため、送信音軸ＡＸ１は、図２０Ｂの実線矢印で示すように折れ曲がる（屈折する）。この場合、破線で示した受信プローブ１４０の位置は、送信音軸ＡＸ１上に位置するため偏心距離Ｌがゼロの位置である。そして、前記したように、超音波ビームＵが屈折する場合であっても、受信プローブ１２０は、送信音軸ＡＸ１と受信音軸ＡＸ２との距離がＬになるように、配置される。なお、図１９に示す例では、送信プローブ１１０を被検査体Ｅの表面における法線方向に設置しているので、偏心距離Ｌは、図２０Ａに示すようなものとなる。
偏心距離Ｌは、被検査体Ｅの健全部Ｎでの受信信号よりも、欠陥部Ｄでの信号強度の方が大きくなるような位置に設定するとさらに好ましい。
（第３実施形態）
図２１は、第３実施形態での超音波検査装置の構成を示す図である。第３実施形態では、走査計測装置１は、受信プローブ１２０の傾きを調整する設置角度調整部１０６を備える。これにより、受信信号の強度を増大でき、信号のＳＮ比（Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ比、信号雑音比）を大きくできる。設置角度調整部１０６は、例えば、いずれも図示しないが、アクチュエータ、モータ等により構成される。
ここで、送信音軸ＡＸ１と受信音軸ＡＸ２とが為す角度θを受信プローブ設置角度と定義する。図２１の場合、送信プローブ１１０は鉛直方向に設置されているので送信音軸ＡＸ１は鉛直方向であるため、受信プローブ設置角度である角度θは、送信音軸ＡＸ１（即ち鉛直方向）と受信プローブ１２０の探触子面の法線との為す角度である。そして、設置角度調整部１０６により、角度θを送信音軸ＡＸ１が存在する側に傾け、角度θをゼロより大きな値に設定する。即ち、受信プローブ１２０が傾斜配置される。具体的には、受信プローブ１２０は、０°＜θ＜９０°を満たすように傾斜配置され、角度θは例えば１０°であるがこれに限られない。
また、受信プローブ１２０を傾斜配置する場合の偏心距離Ｌは以下のように定義される。受信音軸ＡＸ２と、受信プローブ１２０の探触子面との交点Ｃ２を定義する。また、送信音軸ＡＸ１と、送信プローブ１１０の探触子面との交点Ｃ１を定義する。交点Ｃ１の位置をｘｙ平面に投影した座標位置（ｘ４、ｙ４）（図示せず）と、交点Ｃ２の位置をｘｙ平面に投影した座標位置（ｘ５、ｙ５）（図示せず）との距離を偏心距離Ｌと定義する。
このように受信プローブ１２０を傾斜配置して、本発明者が実際に欠陥部Ｄの検出を行ったところ、受信信号の信号強度がθ＝０の場合と比較して３倍に増加した。
図２２は、第３実施形態による効果が生じる理由を説明する図である。散乱波Ｕ１は送信音軸ＡＸ１から外れた方向に伝搬する。従って、図２２に示すように、散乱波Ｕ１は被検査体Ｅの外側に到達した際、被検査体Ｅ表面の法線ベクトルとは非ゼロの角度α２をもって被検査体Ｅと外部との界面に入射する。そして、被検査体Ｅの表面から出る散乱波Ｕ１の角度は被検査体Ｅ表面の法線方向に対して非ゼロの出射角である角度β２を有する。散乱波Ｕ１は、受信プローブ１２０の探触子面の法線ベクトルを散乱波Ｕ１の進行方向と一致させたときに、最も効率よく受信できる。つまり、受信プローブ１２０を傾斜配置することで受信信号強度を増大できる。
なお、被検査体Ｅから出射する超音波ビームＵの角度β２と、送信音軸ＡＸ１と受信音軸ＡＸ２との為す角度θとが一致すると、最も受信効果が高くなる。しかしながら、角度β２と角度θとが完全に一致しない場合であっても、受信信号増大の効果が得られるので、図２２に示しているように、角度β２と角度θとが完全に一致しなくてもよい。
（第４実施形態）
図２３は、第４実施形態の超音波検査装置Ｚの構成を示す図である。第４実施形態では、流体Ｆは液体Ｗであり、図示の例では水である。超音波検査装置Ｚは、流体Ｆである液体Ｗを介して被検査体Ｅに超音波ビームＵを入射することで被検査体Ｅの検査を行うものである。被検査体Ｅは、液体Ｗの液面Ｌ０の下に配置され、液体Ｗに浸かっている。
なお、流体Ｆは上記のように気体Ｇ（図１）でもよく、本実施形態のように液体Ｗ（図２３）でもよい。ただし、流体Ｆとして空気等の気体Ｇを用いた場合、以下の理由により、さらに好ましい効果を与える。
液体Ｗ中と比較して、気体Ｇ中では超音波の減衰量が大きい。超音波の気体Ｇ中での減衰量は周波数の２乗に比例することが知られている。このため、気体Ｇ中で超音波を伝搬させるには１ＭＨｚ程度が上限となる。液体Ｗ中の場合は、５ＭＨｚ～数１０ＭＨｚの超音波でも伝搬するので、気体Ｇ中で使用可能な周波数は、液体Ｗ中のそれより小さいことになる。
一般に、超音波ビームＵの周波数が低くなると、超音波ビームＵの収束が困難になる。そのため、気体Ｇ中を伝搬させる１ＭＨｚの超音波ビームＵは、液体Ｗ中の超音波ビームＵと比べて収束可能なビーム径が大きくなる。一方、上記図４に示したように、従来法である阻止モードでは、ビームサイズよりも小さな欠陥部Ｄを検出することが困難である。しかし、本開示によれば、上記図５に示したように、散乱波成分の割合を増やして検出するため、ビームサイズよりも小さな欠陥部Ｄを検出することが可能である。
流体Ｆとして気体Ｇを用いた場合、超音波ビームＵのビームサイズを小さくすることがより困難であるため、本開示の効果を一層大きな効果を得ることになる。このように、本開示は、流体Ｆとして気体Ｇを用いた場合に、より好ましい効果を得ることができる。
（第５実施形態）
図２４は、第５実施形態での超音波検査装置Ｚにおける制御装置２の機能ブロック図である。第５実施形態では、フィルタ部２４０で使用されるフィルタが、被検査体Ｅの検査前に、欠陥部Ｄの位置が既知の試料（不図示）に対して超音波ビームＵを照射することにより決定される。そして、被検査体Ｅの検査は、検査前に決定されたフィルタを使用して行われる。
フィルタ部２４０は、検出部２４４及び決定部２４５を備える。検出部２４４は、周波数と信号強度（成分強度）との関係において、基本波帯Ｗ１のうちの異なる複数の裾野成分Ｗ３を検出するものである。ここでいう関係は、例えば図１１に示した関係であり、欠陥部Ｄの位置が既知の試料（不図示）での健全部Ｎ及び欠陥部Ｄに超音波ビームＵを照射することで得られたものである。決定部２４５は、検出した複数の裾野成分Ｗ３同士の比較により、どの裾野成分Ｗ３を使用するかを決定するものである。フィルタ部２４０をこのように構成することで、欠陥部Ｄに起因する信号変化を識別し易い裾野成分Ｗ３を使用でき、欠陥部Ｄの検出精度を向上できる。
検出部２４４は、例えば、異なる裾野成分Ｗ３を検出可能なフィルタを備える。ここでいうフィルタは、例えば、上記の帯域遮断フィルタ（図１２Ａ）、低域通過フィルタ（図１２Ｂ）、高域通過フィルタ（図１２Ｃ）のうちの少なくとも２つである。例えば、検出部２４４がこれら３つのフィルタを備える場合、検出部２４４は、例えば図１１に示す関係において、３つのフィルタを用いて、図１２Ｂに示す裾野成分Ｗ３、図１３Ｂに示す裾野成分Ｗ３、及び、図１４Ｂに示す裾野成分Ｗ３を検出する。そして、決定部２４５は、検出した３つの裾野成分Ｗ３同士の比較により、例えば健全部Ｎと欠陥部Ｄとの差分が最も大きくなる裾野成分Ｗ３の選択等により、どの裾野成分Ｗ３を使用するかを決定する。フィルタ部２４０は、決定した裾野成分Ｗ３を使用して、被検査体Ｅの検査を行うことで、欠陥部Ｄの検出精度を向上できる。
（第６実施形態）
図２５は、第６実施形態での超音波検査装置Ｚにおける制御装置２の機能ブロック図である。第６実施形態では、被検査体Ｅの検査前、欠陥部Ｄの位置が既知の試料（不図示）に対して超音波ビームＵを照射することにより得られたデータを使用者に提示し、使用者が、どの裾野成分Ｗ３を使用するか、即ち、どのフィルタを使用するのかを決定する。
制御装置２は、表示部２２３及び受付部２２４を備える。表示部２２３及び受付部２２４は、図示の例ではデータ処理部２０１に備えられる。表示部２２３は、周波数と信号強度（成分強度）との関係を表示装置３に表示させるものである。ここでいう関係は、例えば図１１に示す関係であり、欠陥部Ｄの位置が既知の試料（不図示）での健全部Ｎ及び欠陥部Ｄに超音波ビームＵを照射することで得られたものである。受付部２２４は、周波数と信号強度との関係に基づいて使用者によって入力され、検出すべき裾野成分Ｗ３を表す情報を受け付けるものである。入力は、例えばキーボード、マウス、タッチパネル等である入力装置４を通じて行われる。そして、フィルタ部２４０は、受付部２２４が受け付けた情報に基づいて、当該情報に対応する裾野成分Ｗ３を検出する。
制御装置２をこのように構成することで、使用者の主観に基づいて検出すべき裾野成分Ｗ３を判断できる。これにより、使用者の経験に基づき判断ができるため、検査実体に即した検査を実行できる。
図２６は、制御装置２のハードウェア構成を示す図である。前記した各構成、機能、ブロック図を構成する各部等は、それらの一部又はすべてを、例えば集積回路で設計すること等によりハードウェアで実現してもよい。また、図２６に示すように、前記した各構成、機能等は、ＣＰＵ２５２等のプロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。制御装置２は、例えば、メモリ２５１、ＣＰＵ２５２、記憶装置２５３（ＳＳＤ，ＨＤＤ等）、通信装置２５４及びＩ／Ｆ２５５を備える。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、ＨＤＤに格納すること以外に、メモリ、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）等の記録装置、又は、ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）カード、ＳＤ（Ｓｅｃｕｒｅ Ｄｉｇｉｔａｌ）カード、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）等の記録媒体に格納することができる。
図２７は、上記各実施形態の超音波検査方法を示すフローチャートである。第１実施形態の超音波検査方法は上記の超音波検査装置Ｚにより実行でき、一例として適宜、図１及び図６を参照して説明する。第１実施形態の超音波検査方法は、気体Ｇ（図１。流体Ｆの一例）を介して被検査体Ｅ（図１）に超音波ビームＵを入射することにより被検査体Ｅの検査を行うものである。なお、この超音波検査方法を流体Ｆとして気体Ｇを用いた実施形態について説明するが、この超音波検査方法は、流体Ｆとして液体Ｗ（図２３）を用いた実施形態についても有効であることはいうまでもない。
まず、制御装置２の指令により、送信プローブ１１０が、送信プローブ１１０から超音波ビームＵを放出する放出ステップＳ１０１を行う。続いて、受信プローブ１２１が、超音波ビームＵを受信する受信ステップＳ１０２を行う。
その後、フィルタ部２４０は、受信プローブ１２１が受信した超音波ビームＵの信号（例えば波形信号）を基に、特定の周波数範囲、具体的には、最大成分周波数ｆｍを含む周波数範囲の成分（最大強度周波数成分）を低減するフィルタ処理ステップＳ１０３を行う。そして、データ処理部２０１は、フィルタ処理を行った信号から、基本波帯Ｗ１の裾野成分Ｗ３を検出して信号強度データを生成する信号強度算出ステップＳ１０４を行う。信号強度データの生成方法として、本実施例ではピーク間信号量(Peak-to-Peak signal)が使用される。これは信号のうち最大値と最小値との差である。
この次に、形状表示ステップＳ１０５が行われる。送信プローブ１１０及び受信プローブ１２１の走査位置情報は、位置計測部２０３からスキャンコントローラ２０４に送信される。データ処理部２０１は、スキャンコントローラ２０４から取得した送信プローブ１１０の走査位置情報に対して、それぞれの走査位置での信号強度データをプロットする。このようにして、信号強度データが画像化される。これが形状表示ステップＳ１０５である。
なお、図８Ｂは走査位置情報が１次元（１方向）の場合であり、走査位置情報がｘ、ｙの２次元の場合については、信号強度データをプロットすることで、欠陥部Ｄが２次元画像として示され、それが表示装置３に表示される。
データ処理部２０１は、走査が完了したか否かを判定する（ステップＳ１１１）。走査が完了している場合（Ｙｅｓ）、制御装置２は処理を終了する。走査が完了していない場合（Ｎｏ）、データ処理部２０１は駆動部２０２に指令を出力することによって、次の走査位置まで送信プローブ１１０及び受信プローブ１２１を移動させ（ステップＳ１１２）、放出ステップＳ１０１へ処理を戻す。
以上の超音波検査装置Ｚ及び超音波検査方法によれば、欠陥部Ｄの検出性能、例えば微小欠陥を検出する性能を向上できる。
以上の各実施形態では、欠陥部Ｄは空洞である例を記載しているが、欠陥部Ｄとして被検査体Ｅの材質とは異なる材質が混入している異物であってもよい。この場合も、異なる材料が接する界面で音響インピーダンスの差（Ｇａｐ）があるため、散乱波Ｕ１が発生するので、上記各実施形態の構成が有効である。上記各実施形態に係る超音波検査装置Ｚは、超音波欠陥映像装置を前提としているが、非接触インライン内部欠陥検査装置に適用されてもよい。
本開示は前記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施形態は本開示を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明したすべての構成を有するものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
また、各実施形態において、制御線及び情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしもすべての制御線及び情報線を示しているとは限らない。実際には、ほとんどすべての構成が相互に接続されていると考えてよい。
１ 走査計測装置
１０１ 筐体
１０２ 試料台
１０３ 送信プローブ走査部
１０４ 受信プローブ走査部
１０５ 偏心距離調整部
１０６ 設置角度調整部
１１０ 送信プローブ
１１１ 振動子
１１２ バッキング
１１３ 整合層
１１４ 探触子面
１１５ 送信プローブ筐体
１１６ コネクタ
１１７ リード線
１１８ リード線
１２０ 受信プローブ
１２１ 受信プローブ
１４０ 受信プローブ
２ 制御装置
２０１ データ処理部
２０２ 駆動部
２０３ 位置計測部
２０４ スキャンコントローラ
２１０ 送信系統
２１１ 波形発生器
２１２ 信号アンプ
２２０ 受信系統
２２２ 信号アンプ
２２３ 表示部
２２４ 受付部
２３１ 信号強度算出部
２４０ フィルタ部
２４１ 周波数成分変換部
２４２ 周波数選択部
２４３ 周波数成分逆変換部
２４４ 検出部
２４５ 決定部
２５０ 信号処理部
２５１ メモリ
２５２ ＣＰＵ
２５３ 記憶装置
２５４ 通信装置
２５５ Ｉ／Ｆ
３ 表示装置
４ 入力装置
ＡＸ１ 送信音軸
ＡＸ２ 受信音軸
ＢＷ ビーム幅
Ｃ１ 交点
Ｃ２ 交点
Ｃ３ コーン
Ｄ 欠陥部
Ｅ 被検査体
Ｆ 流体
Ｇ 気体
Ｇ０ ゲイン
Ｇ１ ゲイン
Ｌ 偏心距離
Ｌ０ 液面
Ｎ 健全部
Ｐ１ 焦点
Ｐ２ 焦点
Ｒ１ 焦点距離
Ｒ２ 焦点距離
Ｓ１０１ 放出ステップ
Ｓ１０２ 受信ステップ
Ｓ１０３ フィルタ処理ステップ
Ｓ１０４ 信号強度算出ステップ
Ｓ１０５ 形状表示ステップ
Ｓ１１１ ステップ
Ｓ１１２ ステップ
Ｔ０ 基本周期
Ｔ１ ビーム入射面積
Ｔ２ ビーム入射面積
Ｕ 超音波ビーム
Ｕ１ 散乱波
Ｕ２ 超音波ビーム
Ｕ３ 直達波
Ｗ 液体
Ｗ１ 基本波帯
Ｗ２ 周波数範囲
Ｗ３ 裾野成分
Ｚ 超音波検査装置
α 角度
α２ 角度
β 屈折角
β２ 角度
Δｖ 変化量
θ 角度

Claims (14)

  1. 流体を介して被検査体に超音波ビームを入射することにより前記被検査体の検査を行う超音波検査装置であって、
    前記被検査体への前記超音波ビームの走査及び計測を行う走査計測装置と、前記走査計測装置の駆動を制御する制御装置とを備え、
    前記走査計測装置は、
    前記超音波ビームを放出する送信プローブと、前記超音波ビームを受信する受信プローブとを備え、
    前記制御装置は信号処理部を備え、
    前記信号処理部は、前記受信プローブの受信信号のうちの少なくとも最大強度周波数成分を低減するフィルタ部を備え、
    前記フィルタ部は、前記最大強度周波数成分を含む基本波帯のうちの前記最大強度周波数成分以外の裾野成分を検出する超音波検査装置。
  2. 前記受信プローブの焦点距離は、前記送信プローブの焦点距離よりも長いことを特徴とする請求項１に記載の超音波検査装置。
  3. 前記受信プローブのビーム入射面積は、前記送信プローブのビーム入射面積よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の超音波検査装置。
  4. 前記流体は気体であることを特徴とする請求項１に記載の超音波検査装置。
  5. 前記フィルタ部は、帯域遮断フィルタを含むことを特徴とする請求項１に記載の超音波検査装置。
  6. 前記フィルタ部は、低域通過フィルタを含むことを特徴とする請求項１に記載の超音波検査装置。
  7. 前記フィルタ部は、高域通過フィルタを含むことを特徴とする請求項１に記載の超音波検査装置。
  8. 前記フィルタ部は、
    前記受信プローブの受信信号を周波数成分に変換する周波数成分変換部と、
    前記最大強度周波数成分を含む周波数帯の除去により前記裾野成分を選択する周波数選択部と、
    を備えることを特徴とする請求項１に記載の超音波検査装置。
  9. 前記フィルタ部は、
    欠陥部の位置が既知の試料での健全部及び欠陥部に前記超音波ビームを照射することで得られた、周波数と信号強度との関係において、前記基本波帯のうちの異なる複数の前記裾野成分を検出する検出部と、
    検出した複数の前記裾野成分同士の比較により、どの前記裾野成分を使用するかを決定する決定部とを備えることを特徴とする請求項１に記載の超音波検査装置。
  10. 前記制御装置は、
    欠陥部の位置が既知の試料での健全部及び欠陥部に前記超音波ビームを照射することで得られた、周波数と信号強度との関係を表示装置に表示させる表示部と、
    前記関係に基づいて使用者によって入力され、検出すべき前記裾野成分を表す情報を受け付ける受付部とを備え、
    前記フィルタ部は、前記受付部が受け付けた前記情報に基づいて、前記裾野成分を検出することを特徴とする請求項１に記載の超音波検査装置。
  11. 前記送信プローブの音軸と前記受信プローブの音軸との間の距離がゼロより大きいことを特徴とする請求項１に記載の超音波検査装置。
  12. 前記送信プローブの音軸と前記受信プローブの音軸との間の距離がゼロであることを特徴とする請求項１に記載の超音波検査装置。
  13. 流体を介して被検査体に超音波ビームを入射することにより前記被検査体の検査を行う超音波検査方法であって、
    送信プローブから超音波ビームを放出する放出ステップと、
    前記超音波ビームを受信する受信ステップと、
    前記受信ステップで受信した前記超音波ビームの信号の最大強度周波数成分を低減するフィルタ処理ステップと、
    前記超音波ビームの信号の基本波帯の裾野成分を検出する信号強度算出ステップとを含む
    ことを特徴とする超音波検査方法。
  14. 前記流体は気体であることを特徴とする請求項１３に記載の超音波検査方法。
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