JP3707962B2 - 超音波検査装置 - Google Patents
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Description
【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検査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、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、被検体の応力分布や破壊靭性値、それに熱脆化や粒界腐蝕といった材料の劣化度を非破壊で評価する技術が知られている。
【０００３】
図１３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おり、振動子１０２の周囲には、通常、必要以上の振動の発生を抑制するため、ダンパ材１０１ａが設けられる。振動子１０２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１０２の設定面１０３ａが平面状に形成され、これと対向するレンズ曲率面１０３ｂが球面状に形成されている。前記振動子１０２は、接着等の手段によって音響レンズ１０３の振動子設定面１０３ａに固定される。
【０００４】
被検体の劣化度等の評価に際し、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１３（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１０３を通って振動子１０２に受信される。
【０００５】
振動子１０２から送信された超音波のうち、斜角経路Ａ→Ｂ→Ｃを通って被検体Ｓの表面にレーリー臨界角θL 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θL 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）が垂直経路Ｉ→Ｈ→Ｇを通って振動子２に受信される。
【０００６】
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１０１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ＶW 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ＶL を算出することができ、当該漏洩弾性表面波の音速ＶL 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。
【０００７】
【数１】
【０００８】
図１４に、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を示す。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ＶW も、測定により求めることができる。さらに、音響レンズ１０３のデフォーカス量ΔＺは、被検体Ｓの表面の位置と、超音波プローブ１０１の設定位置と、音響レンズ１０３の焦点距離とから求めることができる。
【０００９】
なお、漏洩弾性表面波の音速ＶL を求める方法としては、上述の方法のほかに、振動子１０２からの入射波をバースト波として漏洩波と垂直反射波とを積極的に干渉させ、その干渉波の変化曲線（Ｖ（ｚ）曲線）のディップ周期から求める方法もあるが、本発明とは直接的に関係しないので、説明を省略する。
【００１０】
【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ＶL 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１４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、母材の表面に例えば溶射皮膜などの漏洩弾性表面波が減衰しやすい被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系溶射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。
【００１１】
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１３（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１０ＭＨｚ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ＶL 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１３（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１３（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。
【００１２】
また、前出の（１）式から漏洩弾性表面波の音速ＶL を求め、被検体Ｓの劣化度等を評価するためには、超音波プローブ１０１と被検体Ｓとの間に介在される水中を伝搬する超音波の音速ＶW を特定する必要があるが、周知のように水中を伝搬する超音波の音速ＶW は水温によって変化し、通常用いる範囲では１℃の差で数ｍ／ｓも変化するので、（１）式により漏洩弾性表面波の音速ＶL を精度良く求めるためには、試験毎に水温を測定する必要がある。このため、従来の超音波検査装置にあっては、水温を測定するための温度センサが必要で構造が複雑化すると共に、漏洩弾性表面波の音速ＶL を測定する毎に水温を測定して水の音速を求めるといった煩雑な手順を経なくてはならないので、漏洩弾性表面波の音速ＶL の測定、ひいては被検体の劣化度等の検査を効率的に行うことが難しいという不都合がある。
【００１３】
なお、前記においては、被検体の応力分布や破壊靭性値それに熱脆化や粒界腐蝕といった材料の劣化度を例にとって説明したが、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など、被検体表面の健全性を評価する場合にも、同様の不都合がある。
【００１４】
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、その課題は、水温を測定することなく漏洩弾性表面波の音速を高精度に算出することができる超音波検査装置を提供すること、さらには、漏洩弾性表面波の減衰が大きい被検体についても水温を測定することなく漏洩弾性表面波の音速を高精度に算出することができる超音波検査装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記の課題を達成するため、超音波プローブ及び当該超音波プローブを被検体に対して移送する機械式スキャナを有する超音波走査部と、当該超音波走査部の駆動部と、当該駆動部を介して前記超音波走査部を制御し、所望の超音波検査を実行する演算処理部とを備えた超音波検査装置において、前記超音波プローブの焦点を前記被検体の第１の深さ位置に設定して超音波を送信したときの斜角入射波及び漏洩弾性表面波並びに漏洩波の伝搬時間と前記超音波プローブの焦点を前記被検体の第２の深さ位置に設定して超音波を送信したときの斜角入射波及び漏洩弾性表面波並びに漏洩波の伝搬時間との差分、及び前記超音波プローブの焦点を前記被検体の第１の深さ位置に設定して超音波を送信したときの垂直入射波及び垂直反射波の伝搬時間と前記超音波プローブの焦点を前記被検体の第２の深さ位置に設定して超音波を送信したときの垂直入射波及び垂直反射波の伝搬時間との差分を元に、前記演算処理部にて漏洩弾性表面波の音速を算出するという構成にした。
【００１６】
前記構成の超音波検査装置において、前記第１の深さ位置は前記被検体の表面とすることができ、前記第２の深さ位置は前記超音波プローブから送信される超音波によって前記被検体に漏洩弾性表面波が発生する位置とすることができる。
【００１７】
図１１に示すように音響レンズ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ｔL0と、図３に示すように音響レンズ３の焦点位置を被検体Ｓの表面から内側に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ｔL1との時間差ΔｔL 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θL 、水の音速をＶW 、漏洩弾性表面波の音速をＶL としたとき、
【００１８】
【数２】
【００１９】
で表され、スネルの法則からＶW＝ＶLｓｉｎθLであることを利用して（２）式からθL を消去すると、下記の（３）式が得られる。
【００２０】
【数３】
【００２１】
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ｔV0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ｔV1との時間差ΔｔV は、下記の（４）式で表される。
【００２２】
【数４】
【００２３】
この（４）式から、水の音速ＶW は、下記の（５）式で求められる。
【００２４】
【数５】
【００２５】
ここで、（５）式を（３）式に代入すれば、水の音速ＶW を変数に含まない漏洩弾性表面波の音速ＶL を求める下記の（６）式を得ることができる。
【００２６】
【数６】
【００２７】
したがって、超音波プローブの焦点を被検体Ｓの表面に合致して測定した斜角入射波及び漏洩弾性表面波並びに漏洩波の伝搬時間と超音波プローブの焦点を被検体の内部に設定して測定した斜角入射波及び漏洩弾性表面波並びに漏洩波の伝搬時間との差分ΔｔL 、超音波プローブの焦点を被検体Ｓの表面に合致して測定した垂直入射波及び垂直反射波の伝搬時間と超音波プローブの焦点を被検体の内部に設定して測定した垂直入射波及び垂直反射波の伝搬時間との差分ΔｔV 及び音響レンズ３のデフォーカス量をΔＺとから漏洩弾性表面波の音速を算出することができ、超音波検査装置の構成の簡略化と演算の効率化を図ることができる。
【００２８】
なお、超音波プローブとしては、前出の図１３に示すように、垂直入射波及び垂直反射波の伝搬経路（Ｇ→Ｈ及びＨ→Ｇ）における超音波の伝搬速度と斜角入射波及び漏洩波の伝搬経路（Ａ→Ｂ及びＥ→Ｆ）における超音波の伝搬速度とが同じである均質な音響レンズ１０３を備えたものを用いることもできるし、例えば図３に示すように、垂直入射波及び垂直反射波の伝搬経路（Ｇ→Ｉ及びＩ→Ｇ）における超音波の伝搬速度と斜角入射波及び漏洩波の伝搬経路（Ａ→Ｂ及びＥ→Ｆ）における超音波の伝搬速度とが異なる音響レンズ３を備えたものを用いることもできる。
【００２９】
図１３の超音波プローブは、漏洩弾性表面波の減衰が小さく、垂直反射波のエコー波形Ｖと漏洩波のエコー波形Ｌとが時間軸上で分離できて、（６）式における時間差ΔｔL 及びΔｔV の算出が可能な被検体の検査に適用される。これに対して、図３に例示する超音波プローブは、この種の被検体のみならず、例えば溶射皮膜が形成された被検体のように、漏洩弾性表面波の減衰が大きいために、図１０の超音波プローブでは垂直反射波のエコー波形Ｖと漏洩波のエコー波形Ｌとが時間軸上で分離できず、したがって（６）式における時間差ΔｔL 及びΔｔV を算出することができない被検体の検査にも適用することができる。
【００３０】
なお、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手段としては、
（ａ）音響レンズの垂直入射波及び垂直反射波の伝搬経路に、振動子の設定面からそれと対向するレンズ曲率面まで貫通する透孔を開設する、
（ｂ）音響レンズのレンズ曲率面にくぼみを形成する、
（ｃ）音響レンズに開設された透孔内、若しくは音響レンズの振動子設定面又はレンズ曲率面に形成されたくぼみ内に、当該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素材からなる充填物を充填する、
（ｄ）音響レンズに開設された透孔内、若しくは音響レンズの振動子設定面又はレンズ曲率面に形成されたくぼみ内に、当該音響レンズを構成する素材よりも超音波の伝搬速度が速い素材からなる充填物を充填する、
といった手段がある。
【００３１】
なお、前記（ｃ）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、前記（ｄ）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。
【００３２】
音響レンズ及び振動子の形状については何ら制限があるものではなく、曲率面が球面状に形成された凹レンズに平面形状が円形に形成された単一型の振動子を備えることもできるし、シリンドリカルレンズに単一型又はアレイ型の振動子を備えることもできる。
【００３３】
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、漏洩弾性表面波の減衰が大きいためにデフォーカス量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、各エコーの伝搬時間を求めることが可能になる。したがって、前出の（６）式を用いて漏洩弾性表面波の音速ＶL が簡便に求められる。よって、このことから、母材の表面に溶射皮膜などの漏洩弾性表面波を減衰しやすい被膜が施された被検体についても、その応力分布や破壊靭性値それに熱脆化や粒界腐蝕といった材料の劣化度、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の健全性を非破壊で評価することができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
まず、本発明に係る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。
【００３５】
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１０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靭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。
【００３６】
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１３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〜Ｍ３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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。ＣＰＵ３１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。
【００４０】
以下、本発明の超音波検査装置に備えられる超音波プローブの構成について説明する。
【００４１】
〈超音波プローブの第１例〉
まず、本発明の超音波検査装置に備えられる超音波プローブの第１例を、図３及び図４に基づいて説明する。図３（ａ），（ｂ）は本発明の超音波検査装置に備えられる超音波プローブの第１例を示す要部断面図及び平面図、図４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である。
【００４２】
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、従来例に係る超音波プローブ１０１と基本的構成は同じであり、平面形状が円形に形成された単一型の振動子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に入射する円筒型の音響レンズ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２の設定面３ａからレンズ曲率面３ｂまで貫通する透孔４を開設したことを特徴とする。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。その他については、従来例に係る超音波プローブ１０１と同じであるので、重複を避けるために説明を省略する。
【００４３】
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６４００ｍ／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４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、前出の（６）式から漏洩弾性表面波の音速ＶL 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の応力分布や破壊靭性値それに熱脆化や粒界腐蝕といった材料の劣化度、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。
【００４４】
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ＶL を２３００ｍ／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１０μｓ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。
【００４５】
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。
【００４６】
〈超音波プローブの第２例〉
次に、本発明の超音波検査装置に備えられる超音波プローブの第２例を、図５に基づいて説明する。図５は第２例に係る超音波プローブの要部断面図である。
【００４７】
第２例の超音波プローブ１Ｂは、音響レンズ３の中央部（垂直入射波及び垂直反射波の伝搬経路）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。
【００４８】
この超音波プローブ１Ｂを用いた場合にも、第１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の分離が可能になる。また、本例の音響レンズ３は、振動子設定面３ａが閉じているので、振動子２の設定を容易かつ確実に行うことができるという効果もある。
【００４９】
〈超音波プローブの第３例〉
次に、本発明の超音波検査装置に備えられる超音波プローブの第３例を、図６に基づいて説明する。図６は第３例に係る超音波プローブの要部断面図である。
【００５０】
第３例の超音波プローブ１Ｃは、音響レンズ３の中央部に単に透孔４を開設するかくぼみ５を形成する構成に代えて、開設された透孔４内又は形成されたくぼみ５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。図６（ａ）は音響レンズ３の中央部に開設された透孔４内に充填物６を充填した場合、図６（ｂ）は音響レンズ３の振動子設定面３ａに形成されたくぼみ５内に充填物６を充填した場合、図６（ｃ）は音響レンズ３のレンズ曲率面３ｂに形成されたくぼみ５内に充填物６を充填した場合を示している。
【００５１】
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＝２０００〜２５００ｍ／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又は形成されたくぼみ５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又は形成されたくぼみ５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。
【００５２】
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４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１４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。
【００５３】
本例の超音波プローブ１Ｃ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の分離が可能になると共に、音響レンズ３の振動子設定面が閉じた形になるので、振動子２の設定を容易かつ確実に行うことができる。
【００５４】
〈超音波プローブの第４例〉
次に、本発明の超音波検査装置に備えられる超音波プローブの第４例を、図７（ａ），（ｂ）に基づいて説明する。図７（ａ），（ｂ）は第４例に係る超音波プローブの平面方向から見た要部斜視図及び底面方向から見た要部斜視図である。
【００５５】
第４例の超音波プローブ１Ｄは、図７（ａ）に示すように、音響レンズ３としてシリンドリカルレンズを用いると共に、振動子２として複数個の振動子２ａ〜２ｎが隣接して一方向に配列されたアレイ型の振動子を備えたことを特徴とする。このシリンドリカルレンズの底面の垂直入射波及び垂直反射波の伝搬経路には、図７（ｂ）に示すように、透孔４が開設されている。なお、シリンドリカルレンズの底面に透孔４を開設する構成に代えてくぼみを形成することも可能であり、さらには、開設された透孔又は形成されたくぼみ内に、斜角入射波及び漏洩波の伝搬経路とは超音波の伝搬速度が異なる充填物を充填することも勿論可能である。
【００５６】
本例の超音波プローブ１Ｄは、音響レンズ３としてシリンドリカルレンズを用いると共に、振動子２としてアレイ型の振動子を備えたので、被検体Ｓの表面を面状にトレースすることができ、円筒形の音響レンズに平面形状が円形の単一型の振動子を備えた場合に比べて、被検体Ｓの検査効率を高めることができる。
【００５７】
〈超音波プローブの第５例〉
次に、本発明の超音波検査装置に備えられる超音波プローブの第５例を、図８に基づいて説明する。図８は第５例に係る超音波プローブの平面方向から見た要部斜視図である。
【００５８】
第５例の超音波プローブ１Ｅは、図８に示すように、音響レンズ３としてシリンドリカルレンズを用いると共に、振動子２として単一型の振動子を備えたことを特徴とする。このシリンドリカルレンズの底面の垂直入射波及び垂直反射波の伝搬経路には、図７（ｂ）に示したと同様に、透孔４が開設される。勿論、シリンドリカルレンズの底面に透孔４を開設する構成に代えてくぼみを形成することも、開設された透孔又は形成されたくぼみ内に、斜角入射波及び漏洩波の伝搬経路とは超音波の伝搬速度が異なる充填物を充填することも可能である。
【００５９】
本例の超音波プローブ１Ｄは、音響レンズ３としてシリンドリカルレンズを用いると共に、振動子２として単一型の振動子を備えたので、被検体Ｓの表面に超音波ビームを線状に照射することができるので、円筒形の音響レンズに平面形状が円形の単一型の振動子を備えた場合に比べて、被検体Ｓの検査効率を高めることができる。
【００６０】
〈超音波プローブの第６例〉
次に、本発明の超音波検査装置に備えられる超音波プローブの第６例を、図９に基づいて説明する。図９は第６例に係る超音波プローブの要部断面図である。
【００６１】
第６例の超音波プローブ１Ｆは、従来例に掲げた超音波プローブ１０１と同一構成であって、音響レンズ３として、垂直入射波及び垂直反射波の伝搬経路に透孔やくぼみ、それに充填物が設けられておらず、全体が均質に構成されていることを特徴とする。
【００６２】
本例の超音波プローブ１Ｆを用いた場合には、垂直反射波のエコー波形Ｖと漏洩波のエコー波形Ｌとを分離できないが、漏洩弾性表面波の減衰が小さい被検体については、水温の測定を行うことなく、所望の超音波検査を実行することができる。
【００６３】
〈超音波プローブの第７例〉
次に、本発明の超音波検査装置に備えられる超音波プローブの第７例を、図１０に基づいて説明する。図１０は第７例に係る超音波プローブの要部断面図である。
【００６４】
第７例の超音波プローブ１Ｇは、音響レンズを備えず、プローブ本体１ａに形成された凹面１ｂに平面形状が円形に形成された振動子２を設定したことを特徴とする。
【００６５】
本例の超音波プローブ１を用いた場合にも、第５例に係る超音波プローブ１Ｆを用いた場合と同様に、垂直反射波のエコー波形Ｖと漏洩波のエコー波形Ｌとを分離できないが、漏洩弾性表面波の減衰が小さい被検体については、水温の測定を行うことなく、所望の超音波検査を実行することができる。
【００６６】
以下、本発明に係る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１１及び図１２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ＶL を算出できるようにしたことを特徴とする。図１１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１２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１２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。
【００６７】
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１１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。
【００６８】
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ｔL0と、経路Ｇ→Ｉ→Ｇを通る超音波の伝搬時間ｔV0を計測する。また、Ｚ軸スライダ１８の出力値Ｚ0 の読み込みを行う。
【００６９】
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。
【００７０】
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ｔL1と、経路Ｇ→Ｉ→Ｇを通る超音波の伝搬時間ｔV1を計測する。また、Ｚ軸スライダ１８の出力値Ｚ1 の読み込みを行う。
【００７１】
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ｔL0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ｔL1との時間差ΔｔL（＝ｔL0−ｔL1）、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ｔV0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ｔV1との時間差ΔｔV（＝ｔV0−ｔV1）及び手順Ｓ２で計測されたＺ軸スライダ１８の出力値Ｚ0 と手順Ｓ５で計測されたＺ軸スライダ１８の出力値Ｚ1 の差、即ち音響レンズ３のデフォーカス量ΔＺ（＝Ｚ0−Ｚ1）を算出する。
【００７２】
最後に、これらの算出値から、前出の（６）式を用いて漏洩弾性表面波の音速ＶL を求める。
【００７３】
（６）式は水の音速ＶW を変数に含まないので、この式に基づけば、水の音速ＶW を測定することなく漏洩弾性表面波の音速ＶL 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。
【００７４】
なお、図１２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。
【００７５】
【発明の効果】
本発明の超音波検査装置は、超音波プローブの焦点を被検体の表面に合致して測定した斜角入射波及び漏洩弾性表面波並びに漏洩波の伝搬時間と超音波プローブの焦点を被検体の内部に設定して測定した斜角入射波及び漏洩弾性表面波並びに漏洩波の伝搬時間との差分と、超音波プローブの焦点を被検体の表面に合致して測定した垂直入射波及び垂直反射波の伝搬時間と超音波プローブの焦点を被検体の内部に設定して測定した垂直入射波及び垂直反射波の伝搬時間との差分を元にして漏洩弾性表面波の音速を算出するので、検査ごとに水温を測定する必要がなく温度センサを省略できることから、超音波検査装置の構成の簡略化と演算の効率化と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】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。
【図５】第２実施形態例に係る超音波プローブの要部断面図である。
【図６】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。
【図７】第４実施形態例に係る超音波プローブの平面方向から見た要部斜視図及び底面方向から見た要部斜視図である。
【図８】第５実施形態例に係る超音波プローブの要部斜視図である。
【図９】第６実施形態例に係る超音波プローブの要部断面図である。
【図１０】第７実施形態例に係る超音波プローブの要部断面図である。
【図１１】音響レンズの焦点を被検体の表面に合致した場合の説明図である。
【図１２】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】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１４】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
１Ａ 実施の第１例に係る超音波プローブ
１Ｂ 実施の第２例に係る超音波プローブ
１Ｃ 実施の第３例に係る超音波プローブ
１Ｄ 実施の第４例に係る超音波プローブ
１Ｅ 実施の第５例に係る超音波プローブ
１Ｆ 実施の第６例に係る超音波プローブ
１Ｇ 実施の第７例に係る超音波プローブ
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
５ くぼみ
６ 充填物
【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検査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、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、被検体の応力分布や破壊靭性値、それに熱脆化や粒界腐蝕といった材料の劣化度を非破壊で評価する技術が知られている。
【０００３】
図１３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おり、振動子１０２の周囲には、通常、必要以上の振動の発生を抑制するため、ダンパ材１０１ａが設けられる。振動子１０２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１０２の設定面１０３ａが平面状に形成され、これと対向するレンズ曲率面１０３ｂが球面状に形成されている。前記振動子１０２は、接着等の手段によって音響レンズ１０３の振動子設定面１０３ａに固定される。
【０００４】
被検体の劣化度等の評価に際し、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１３（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１０３を通って振動子１０２に受信される。
【０００５】
振動子１０２から送信された超音波のうち、斜角経路Ａ→Ｂ→Ｃを通って被検体Ｓの表面にレーリー臨界角θL 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θL 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）が垂直経路Ｉ→Ｈ→Ｇを通って振動子２に受信される。
【０００６】
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１０１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ＶW 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ＶL を算出することができ、当該漏洩弾性表面波の音速ＶL 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。
【０００７】
【数１】
図１４に、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を示す。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ＶW も、測定により求めることができる。さらに、音響レンズ１０３のデフォーカス量ΔＺは、被検体Ｓの表面の位置と、超音波プローブ１０１の設定位置と、音響レンズ１０３の焦点距離とから求めることができる。
【０００９】
なお、漏洩弾性表面波の音速ＶL を求める方法としては、上述の方法のほかに、振動子１０２からの入射波をバースト波として漏洩波と垂直反射波とを積極的に干渉させ、その干渉波の変化曲線（Ｖ（ｚ）曲線）のディップ周期から求める方法もあるが、本発明とは直接的に関係しないので、説明を省略する。
【００１０】
【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ＶL 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１４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、母材の表面に例えば溶射皮膜などの漏洩弾性表面波が減衰しやすい被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系溶射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。
【００１１】
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１３（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１０ＭＨｚ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ＶL 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１３（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１３（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。
【００１２】
また、前出の（１）式から漏洩弾性表面波の音速ＶL を求め、被検体Ｓの劣化度等を評価するためには、超音波プローブ１０１と被検体Ｓとの間に介在される水中を伝搬する超音波の音速ＶW を特定する必要があるが、周知のように水中を伝搬する超音波の音速ＶW は水温によって変化し、通常用いる範囲では１℃の差で数ｍ／ｓも変化するので、（１）式により漏洩弾性表面波の音速ＶL を精度良く求めるためには、試験毎に水温を測定する必要がある。このため、従来の超音波検査装置にあっては、水温を測定するための温度センサが必要で構造が複雑化すると共に、漏洩弾性表面波の音速ＶL を測定する毎に水温を測定して水の音速を求めるといった煩雑な手順を経なくてはならないので、漏洩弾性表面波の音速ＶL の測定、ひいては被検体の劣化度等の検査を効率的に行うことが難しいという不都合がある。
【００１３】
なお、前記においては、被検体の応力分布や破壊靭性値それに熱脆化や粒界腐蝕といった材料の劣化度を例にとって説明したが、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など、被検体表面の健全性を評価する場合にも、同様の不都合がある。
【００１４】
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、その課題は、水温を測定することなく漏洩弾性表面波の音速を高精度に算出することができる超音波検査装置を提供すること、さらには、漏洩弾性表面波の減衰が大きい被検体についても水温を測定することなく漏洩弾性表面波の音速を高精度に算出することができる超音波検査装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記の課題を達成するため、超音波プローブ及び当該超音波プローブを被検体に対して移送する機械式スキャナを有する超音波走査部と、当該超音波走査部の駆動部と、当該駆動部を介して前記超音波走査部を制御し、所望の超音波検査を実行する演算処理部とを備えた超音波検査装置において、前記超音波プローブの焦点を前記被検体の第１の深さ位置に設定して超音波を送信したときの斜角入射波及び漏洩弾性表面波並びに漏洩波の伝搬時間と前記超音波プローブの焦点を前記被検体の第２の深さ位置に設定して超音波を送信したときの斜角入射波及び漏洩弾性表面波並びに漏洩波の伝搬時間との差分、及び前記超音波プローブの焦点を前記被検体の第１の深さ位置に設定して超音波を送信したときの垂直入射波及び垂直反射波の伝搬時間と前記超音波プローブの焦点を前記被検体の第２の深さ位置に設定して超音波を送信したときの垂直入射波及び垂直反射波の伝搬時間との差分を元に、前記演算処理部にて漏洩弾性表面波の音速を算出するという構成にした。
【００１６】
前記構成の超音波検査装置において、前記第１の深さ位置は前記被検体の表面とすることができ、前記第２の深さ位置は前記超音波プローブから送信される超音波によって前記被検体に漏洩弾性表面波が発生する位置とすることができる。
【００１７】
図１１に示すように音響レンズ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ｔL0と、図３に示すように音響レンズ３の焦点位置を被検体Ｓの表面から内側に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ｔL1との時間差ΔｔL 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θL 、水の音速をＶW 、漏洩弾性表面波の音速をＶL としたとき、
【００１８】
【数２】
で表され、スネルの法則からＶW＝ＶLｓｉｎθLであることを利用して（２）式からθL を消去すると、下記の（３）式が得られる。
【００２０】
【数３】
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ｔV0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ｔV1との時間差ΔｔV は、下記の（４）式で表される。
【００２２】
【数４】
この（４）式から、水の音速ＶW は、下記の（５）式で求められる。
【００２４】
【数５】
ここで、（５）式を（３）式に代入すれば、水の音速ＶW を変数に含まない漏洩弾性表面波の音速ＶL を求める下記の（６）式を得ることができる。
【００２６】
【数６】
したがって、超音波プローブの焦点を被検体Ｓの表面に合致して測定した斜角入射波及び漏洩弾性表面波並びに漏洩波の伝搬時間と超音波プローブの焦点を被検体の内部に設定して測定した斜角入射波及び漏洩弾性表面波並びに漏洩波の伝搬時間との差分ΔｔL 、超音波プローブの焦点を被検体Ｓの表面に合致して測定した垂直入射波及び垂直反射波の伝搬時間と超音波プローブの焦点を被検体の内部に設定して測定した垂直入射波及び垂直反射波の伝搬時間との差分ΔｔV 及び音響レンズ３のデフォーカス量をΔＺとから漏洩弾性表面波の音速を算出することができ、超音波検査装置の構成の簡略化と演算の効率化を図ることができる。
【００２８】
なお、超音波プローブとしては、前出の図１３に示すように、垂直入射波及び垂直反射波の伝搬経路（Ｇ→Ｈ及びＨ→Ｇ）における超音波の伝搬速度と斜角入射波及び漏洩波の伝搬経路（Ａ→Ｂ及びＥ→Ｆ）における超音波の伝搬速度とが同じである均質な音響レンズ１０３を備えたものを用いることもできるし、例えば図３に示すように、垂直入射波及び垂直反射波の伝搬経路（Ｇ→Ｉ及びＩ→Ｇ）における超音波の伝搬速度と斜角入射波及び漏洩波の伝搬経路（Ａ→Ｂ及びＥ→Ｆ）における超音波の伝搬速度とが異なる音響レンズ３を備えたものを用いることもできる。
【００２９】
図１３の超音波プローブは、漏洩弾性表面波の減衰が小さく、垂直反射波のエコー波形Ｖと漏洩波のエコー波形Ｌとが時間軸上で分離できて、（６）式における時間差ΔｔL 及びΔｔV の算出が可能な被検体の検査に適用される。これに対して、図３に例示する超音波プローブは、この種の被検体のみならず、例えば溶射皮膜が形成された被検体のように、漏洩弾性表面波の減衰が大きいために、図１０の超音波プローブでは垂直反射波のエコー波形Ｖと漏洩波のエコー波形Ｌとが時間軸上で分離できず、したがって（６）式における時間差ΔｔL 及びΔｔV を算出することができない被検体の検査にも適用することができる。
【００３０】
なお、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手段としては、
（ａ）音響レンズの垂直入射波及び垂直反射波の伝搬経路に、振動子の設定面からそれと対向するレンズ曲率面まで貫通する透孔を開設する、
（ｂ）音響レンズのレンズ曲率面にくぼみを形成する、
（ｃ）音響レンズに開設された透孔内、若しくは音響レンズの振動子設定面又はレンズ曲率面に形成されたくぼみ内に、当該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素材からなる充填物を充填する、
（ｄ）音響レンズに開設された透孔内、若しくは音響レンズの振動子設定面又はレンズ曲率面に形成されたくぼみ内に、当該音響レンズを構成する素材よりも超音波の伝搬速度が速い素材からなる充填物を充填する、
といった手段がある。
【００３１】
なお、前記（ｃ）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、前記（ｄ）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。
【００３２】
音響レンズ及び振動子の形状については何ら制限があるものではなく、曲率面が球面状に形成された凹レンズに平面形状が円形に形成された単一型の振動子を備えることもできるし、シリンドリカルレンズに単一型又はアレイ型の振動子を備えることもできる。
【００３３】
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、漏洩弾性表面波の減衰が大きいためにデフォーカス量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、各エコーの伝搬時間を求めることが可能になる。したがって、前出の（６）式を用いて漏洩弾性表面波の音速ＶL が簡便に求められる。よって、このことから、母材の表面に溶射皮膜などの漏洩弾性表面波を減衰しやすい被膜が施された被検体についても、その応力分布や破壊靭性値それに熱脆化や粒界腐蝕といった材料の劣化度、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の健全性を非破壊で評価することができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
まず、本発明に係る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。
【００３５】
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１０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靭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。
【００３６】
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１３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〜Ｍ３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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。ＣＰＵ３１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。
【００４０】
以下、本発明の超音波検査装置に備えられる超音波プローブの構成について説明する。
【００４１】
〈超音波プローブの第１例〉
まず、本発明の超音波検査装置に備えられる超音波プローブの第１例を、図３及び図４に基づいて説明する。図３（ａ），（ｂ）は本発明の超音波検査装置に備えられる超音波プローブの第１例を示す要部断面図及び平面図、図４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である。
【００４２】
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、従来例に係る超音波プローブ１０１と基本的構成は同じであり、平面形状が円形に形成された単一型の振動子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に入射する円筒型の音響レンズ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２の設定面３ａからレンズ曲率面３ｂまで貫通する透孔４を開設したことを特徴とする。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。その他については、従来例に係る超音波プローブ１０１と同じであるので、重複を避けるために説明を省略する。
【００４３】
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６４００ｍ／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４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、前出の（６）式から漏洩弾性表面波の音速ＶL 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の応力分布や破壊靭性値それに熱脆化や粒界腐蝕といった材料の劣化度、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。
【００４４】
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ＶL を２３００ｍ／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１０μｓ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。
【００４５】
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。
【００４６】
〈超音波プローブの第２例〉
次に、本発明の超音波検査装置に備えられる超音波プローブの第２例を、図５に基づいて説明する。図５は第２例に係る超音波プローブの要部断面図である。
【００４７】
第２例の超音波プローブ１Ｂは、音響レンズ３の中央部（垂直入射波及び垂直反射波の伝搬経路）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。
【００４８】
この超音波プローブ１Ｂを用いた場合にも、第１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の分離が可能になる。また、本例の音響レンズ３は、振動子設定面３ａが閉じているので、振動子２の設定を容易かつ確実に行うことができるという効果もある。
【００４９】
〈超音波プローブの第３例〉
次に、本発明の超音波検査装置に備えられる超音波プローブの第３例を、図６に基づいて説明する。図６は第３例に係る超音波プローブの要部断面図である。
【００５０】
第３例の超音波プローブ１Ｃは、音響レンズ３の中央部に単に透孔４を開設するかくぼみ５を形成する構成に代えて、開設された透孔４内又は形成されたくぼみ５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。図６（ａ）は音響レンズ３の中央部に開設された透孔４内に充填物６を充填した場合、図６（ｂ）は音響レンズ３の振動子設定面３ａに形成されたくぼみ５内に充填物６を充填した場合、図６（ｃ）は音響レンズ３のレンズ曲率面３ｂに形成されたくぼみ５内に充填物６を充填した場合を示している。
【００５１】
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＝２０００〜２５００ｍ／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又は形成されたくぼみ５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又は形成されたくぼみ５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。
【００５２】
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４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１４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。
【００５３】
本例の超音波プローブ１Ｃ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の分離が可能になると共に、音響レンズ３の振動子設定面が閉じた形になるので、振動子２の設定を容易かつ確実に行うことができる。
【００５４】
〈超音波プローブの第４例〉
次に、本発明の超音波検査装置に備えられる超音波プローブの第４例を、図７（ａ），（ｂ）に基づいて説明する。図７（ａ），（ｂ）は第４例に係る超音波プローブの平面方向から見た要部斜視図及び底面方向から見た要部斜視図である。
【００５５】
第４例の超音波プローブ１Ｄは、図７（ａ）に示すように、音響レンズ３としてシリンドリカルレンズを用いると共に、振動子２として複数個の振動子２ａ〜２ｎが隣接して一方向に配列されたアレイ型の振動子を備えたことを特徴とする。このシリンドリカルレンズの底面の垂直入射波及び垂直反射波の伝搬経路には、図７（ｂ）に示すように、透孔４が開設されている。なお、シリンドリカルレンズの底面に透孔４を開設する構成に代えてくぼみを形成することも可能であり、さらには、開設された透孔又は形成されたくぼみ内に、斜角入射波及び漏洩波の伝搬経路とは超音波の伝搬速度が異なる充填物を充填することも勿論可能である。
【００５６】
本例の超音波プローブ１Ｄは、音響レンズ３としてシリンドリカルレンズを用いると共に、振動子２としてアレイ型の振動子を備えたので、被検体Ｓの表面を面状にトレースすることができ、円筒形の音響レンズに平面形状が円形の単一型の振動子を備えた場合に比べて、被検体Ｓの検査効率を高めることができる。
【００５７】
〈超音波プローブの第５例〉
次に、本発明の超音波検査装置に備えられる超音波プローブの第５例を、図８に基づいて説明する。図８は第５例に係る超音波プローブの平面方向から見た要部斜視図である。
【００５８】
第５例の超音波プローブ１Ｅは、図８に示すように、音響レンズ３としてシリンドリカルレンズを用いると共に、振動子２として単一型の振動子を備えたことを特徴とする。このシリンドリカルレンズの底面の垂直入射波及び垂直反射波の伝搬経路には、図７（ｂ）に示したと同様に、透孔４が開設される。勿論、シリンドリカルレンズの底面に透孔４を開設する構成に代えてくぼみを形成することも、開設された透孔又は形成されたくぼみ内に、斜角入射波及び漏洩波の伝搬経路とは超音波の伝搬速度が異なる充填物を充填することも可能である。
【００５９】
本例の超音波プローブ１Ｄは、音響レンズ３としてシリンドリカルレンズを用いると共に、振動子２として単一型の振動子を備えたので、被検体Ｓの表面に超音波ビームを線状に照射することができるので、円筒形の音響レンズに平面形状が円形の単一型の振動子を備えた場合に比べて、被検体Ｓの検査効率を高めることができる。
【００６０】
〈超音波プローブの第６例〉
次に、本発明の超音波検査装置に備えられる超音波プローブの第６例を、図９に基づいて説明する。図９は第６例に係る超音波プローブの要部断面図である。
【００６１】
第６例の超音波プローブ１Ｆは、従来例に掲げた超音波プローブ１０１と同一構成であって、音響レンズ３として、垂直入射波及び垂直反射波の伝搬経路に透孔やくぼみ、それに充填物が設けられておらず、全体が均質に構成されていることを特徴とする。
【００６２】
本例の超音波プローブ１Ｆを用いた場合には、垂直反射波のエコー波形Ｖと漏洩波のエコー波形Ｌとを分離できないが、漏洩弾性表面波の減衰が小さい被検体については、水温の測定を行うことなく、所望の超音波検査を実行することができる。
【００６３】
〈超音波プローブの第７例〉
次に、本発明の超音波検査装置に備えられる超音波プローブの第７例を、図１０に基づいて説明する。図１０は第７例に係る超音波プローブの要部断面図である。
【００６４】
第７例の超音波プローブ１Ｇは、音響レンズを備えず、プローブ本体１ａに形成された凹面１ｂに平面形状が円形に形成された振動子２を設定したことを特徴とする。
【００６５】
本例の超音波プローブ１を用いた場合にも、第５例に係る超音波プローブ１Ｆを用いた場合と同様に、垂直反射波のエコー波形Ｖと漏洩波のエコー波形Ｌとを分離できないが、漏洩弾性表面波の減衰が小さい被検体については、水温の測定を行うことなく、所望の超音波検査を実行することができる。
【００６６】
以下、本発明に係る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１１及び図１２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ＶL を算出できるようにしたことを特徴とする。図１１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１２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１２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。
【００６７】
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１１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。
【００６８】
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ｔL0と、経路Ｇ→Ｉ→Ｇを通る超音波の伝搬時間ｔV0を計測する。また、Ｚ軸スライダ１８の出力値Ｚ0 の読み込みを行う。
【００６９】
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。
【００７０】
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ｔL1と、経路Ｇ→Ｉ→Ｇを通る超音波の伝搬時間ｔV1を計測する。また、Ｚ軸スライダ１８の出力値Ｚ1 の読み込みを行う。
【００７１】
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ｔL0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ｔL1との時間差ΔｔL（＝ｔL0−ｔL1）、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ｔV0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ｔV1との時間差ΔｔV（＝ｔV0−ｔV1）及び手順Ｓ２で計測されたＺ軸スライダ１８の出力値Ｚ0 と手順Ｓ５で計測されたＺ軸スライダ１８の出力値Ｚ1 の差、即ち音響レンズ３のデフォーカス量ΔＺ（＝Ｚ0−Ｚ1）を算出する。
【００７２】
最後に、これらの算出値から、前出の（６）式を用いて漏洩弾性表面波の音速ＶL を求める。
【００７３】
（６）式は水の音速ＶW を変数に含まないので、この式に基づけば、水の音速ＶW を測定することなく漏洩弾性表面波の音速ＶL 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。
【００７４】
なお、図１２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。
【００７５】
【発明の効果】
本発明の超音波検査装置は、超音波プローブの焦点を被検体の表面に合致して測定した斜角入射波及び漏洩弾性表面波並びに漏洩波の伝搬時間と超音波プローブの焦点を被検体の内部に設定して測定した斜角入射波及び漏洩弾性表面波並びに漏洩波の伝搬時間との差分と、超音波プローブの焦点を被検体の表面に合致して測定した垂直入射波及び垂直反射波の伝搬時間と超音波プローブの焦点を被検体の内部に設定して測定した垂直入射波及び垂直反射波の伝搬時間との差分を元にして漏洩弾性表面波の音速を算出するので、検査ごとに水温を測定する必要がなく温度センサを省略できることから、超音波検査装置の構成の簡略化と演算の効率化と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】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。
【図５】第２実施形態例に係る超音波プローブの要部断面図である。
【図６】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。
【図７】第４実施形態例に係る超音波プローブの平面方向から見た要部斜視図及び底面方向から見た要部斜視図である。
【図８】第５実施形態例に係る超音波プローブの要部斜視図である。
【図９】第６実施形態例に係る超音波プローブの要部断面図である。
【図１０】第７実施形態例に係る超音波プローブの要部断面図である。
【図１１】音響レンズの焦点を被検体の表面に合致した場合の説明図である。
【図１２】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】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１４】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
１Ａ 実施の第１例に係る超音波プローブ
１Ｂ 実施の第２例に係る超音波プローブ
１Ｃ 実施の第３例に係る超音波プローブ
１Ｄ 実施の第４例に係る超音波プローブ
１Ｅ 実施の第５例に係る超音波プローブ
１Ｆ 実施の第６例に係る超音波プローブ
１Ｇ 実施の第７例に係る超音波プローブ
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
５ くぼみ
６ 充填物
Claims (8)
- 超音波プローブ及び当該超音波プローブを被検体に対して移送する機械式スキャナを有する超音波走査部と、当該超音波走査部の駆動部と、当該駆動部を介して前記超音波走査部を制御し、所望の超音波検査を実行する演算処理部とを備えた超音波検査装置において、前記超音波プローブの焦点を前記被検体の第１の深さ位置に設定して超音波を送信したときの斜角入射波及び漏洩弾性表面波並びに漏洩波の伝搬時間と前記超音波プローブの焦点を前記被検体の第２の深さ位置に設定して超音波を送信したときの斜角入射波及び漏洩弾性表面波並びに漏洩波の伝搬時間との差分、及び前記超音波プローブの焦点を前記被検体の第１の深さ位置に設定して超音波を送信したときの垂直入射波及び垂直反射波の伝搬時間と前記超音波プローブの焦点を前記被検体の第２の深さ位置に設定して超音波を送信したときの垂直入射波及び垂直反射波の伝搬時間との差分を元に、前記演算処理部にて漏洩弾性表面波の音速を算出することを特徴とする超音波検査装置。
- 請求項１に記載の超音波検査装置において、前記第１の深さ位置が前記被検体の表面であり、前記第２の深さ位置が前記超音波プローブから送信される超音波によって前記被検体に漏洩弾性表面波が発生する位置であることを特徴とする超音波検査装置。
- 請求項１に記載の超音波検査装置において、前記超音波プローブとして、振動子と当該振動子から送信された超音波を収束して被検体に入射する音響レンズとを有し、前記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が、前記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異なるように構成されたものを用いたことを特徴とする超音波検査装置。
- 請求項３に記載の超音波検査装置において、前記音響レンズとして、垂直入射波及び垂直反射波の伝搬経路に振動子設定面からこれと対向するレンズ曲率面まで貫通する透孔を開設するか、前記レンズ曲率面の垂直入射波及び垂直反射波の伝搬経路にくぼみを形成したものを用いたことを特徴とする超音波検査装置。
- 請求項３に記載の超音波検査装置において、前記音響レンズとして、垂直入射波及び垂直反射波の伝搬経路に振動子設定面からこれと対向するレンズ曲率面まで貫通する透孔を開設するか、前記振動子設定面又はレンズ曲率面の垂直入射波及び垂直反射波の伝搬経路にくぼみを形成し、これら透孔内又はくぼみ内に当該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ものを用いたことを特徴とする超音波検査装置。
- 請求項３乃至５のいずれかに記載の超音波検査装置において、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検査装置。
- 請求項３乃至５のいずれかに記載の超音波検査装置において、前記音響レンズとしてシリンドリカルレンズを用いたことを特徴とする超音波検査装置。
- 請求項１に記載の超音波検査装置において、前記超音波プローブとして、振動子設定面が球面状に形成された超音波プローブを用いたことを特徴とする超音波検査装置。
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