JP3777071B2 - 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、金属材料の非破壊検査に適用される超音波検査装置に係り、特に、被検体表層の健全性を評価するに好適な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４−２３８２６５号公報等に記載されているように、超音波を用いて金属材料の表面に形成された溶射皮膜の密着性を非破壊で評価する技術が知られている。
【０００３】
一般に、２つの材料の界面部の密着性を評価するについては、集束型の超音波プローブを被検体と対向に配置して、当該超音波プローブから送信される超音波の焦点を２つの材料の界面に合致し、界面からのエコー強度を検出するという方法がとられる。しかしながら、被検体が母材の表面に形成された溶射皮膜である場合には、溶射皮膜が０．１〜０．３ｍｍ程度の薄い膜であるため、溶射皮膜側から超音波を被検体に送信した場合、溶射皮膜の表面からのエコーと界面からのエコーとを分離することが事実上不可能であり、母材に対する溶射皮膜の密着性を評価することができない。例えば、母材の表面に形成された厚さ０．１ｍｍのＷＣ系溶射皮膜について考察すると、当該溶射皮膜は高周波減衰が大きく、かつ表面に数μｍ〜数十μｍ程度の凹凸があるために周波数が５〜２０ＭＨｚの超音波（周期にして２００〜５０ｎｓ）しか検査に適用できないところ、当該溶射皮膜の縦波音速は約４２００ｍ／ｓであって、皮膜表面からのエコーと界面からのエコーの時間差は４７．６ｎｓに過ぎないので、両エコーを分離できないことがわかる。
【０００４】
そこで、前記公知例に記載の溶射被膜評価方法においては、図１４に示すように、母材１０１の表面に溶射被膜１０２が形成された被検体１００と集束型の超音波プローブ２００とを水中（図中の符号Ｗは、超音波媒質としての水を示す。）において対向に配置し、超音波プローブ２００の焦点を母材１０１の底面に合致して溶射被膜１０２側から超音波２０１を被検体１００に送信し、底面エコーの強度から母材１０１に対する溶射被膜１０２の密着度を判定する。この方法によると、界面部の密着性が悪い場合には界面部における超音波の反射量が多くなって母材底面からのエコーが低下し、界面部の密着性が良好である場合には母材１０１を通過する超音波が増加して母材底面からのエコーが増加するので、界面の密着性を判定することができる。また、超音波プローブ２００を被検体１００の表面に沿って二次元走査し、適当な走査ピッチで底面エコーレベルを取り込み、Ｃスコープ画像化することにより、溶射被膜１０２の密着性分布を得ることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
然るに、前記公知例に記載の溶射被膜評価方法は、溶射被膜１０２側から超音波２０１を被検体１００に送信して、母材１０１の底面エコーレベルを検出するので、図１５（ａ）に示すように、母材１０１の厚みｈが大きくなるほど溶射被膜１０２の表面における超音波ビームの照射径ｄが大きくなって、欠陥の検出能が低下する。
【０００６】
また、前記公知例に記載の溶射被膜評価方法は、上記と同様の理由から、超音波プローブ２００を被検体１００の表面に沿って二次元操作した場合に、図１５（ｂ）に示すように、超音波ビームの照射範囲が被検体１００の端部ｅから外れる比較的大きな領域について欠陥検査不能領域を生じる。被検体１００の端部ｅは、溶射被膜１０２の欠陥が生じやすい箇所であり、検査箇所として特に重要であるので、このような大きな欠陥検査不能領域を有することは、欠陥検査の信頼性を高める上で特に問題である。
【０００７】
さらに、前記公知例に記載の溶射皮膜評価方法は、母材１０１の底面エコーレベルから母材１０１と溶射皮膜１０２との密着性を間接的に評価する方法であるところ、母材１０１の底面エコーには、溶射皮膜１０２の密着性を表す情報のほかに、母材１０１の内部や底面の状態を示す各種の情報、例えば底面の凹凸や底面に付着した錆等の情報それに母材内部の欠陥情報等が含まれているので、それらの情報と溶射皮膜１０２の密着性に関する情報とを分離することができず、溶射皮膜の評価を正確に行うことができないという問題もある。
【０００８】
加えて、前記公知例に記載の溶射皮膜評価方法は、上記と同様の理由から、母材１０１がニッケル基の超合金のように超音波の減衰が大きな材料からなる場合には、十分な、又は完全な底面エコーが得られず、実用上十分な溶射皮膜の欠陥検査を行うことができない。
【０００９】
なお、前記においては、溶射皮膜の欠陥検査を例にとって説明したが、被検体の表層におけるクラックの有無や、被検体表層の応力分布、破壊靭性値、熱脆化又は粒界腐蝕の検出といった、被検体表層に関する他の健全性を評価する場合にも、同様の不都合がある。
【００１０】
本発明は、かかる従来技術の不備を解消するためになされたものであって、その目的は、母材の厚みや底面状態さらには素材の種類等によらず、しかも被検体の端部まで高い精度で被検体表層の健全性を評価可能な超音波検査装置を提供することにある。
【００１１】
【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、水などの超音波媒体を介して被検体の表面に超音波を走査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、被検体表層の欠陥検査を実行する演算処理部とを備えた超音波検査装置であって、前記超音波走査部に前記被検体への漏洩弾性表面波を励起させる斜角入射波の送信と前記被検体からの漏洩波の受信とを行う超音波プローブを備え、当該超音波プローブによる前記漏洩波の受信レベルから前記被検体表層の健全性を前記演算処理部にて評価するものにおいて、前記超音波プローブとして、振動子と、前記被検体への垂直入射波及び斜角入射波の伝搬経路並びに前記被検体からの垂直反射波及び漏洩波の伝搬経路を有し、前記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前記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が異なる音響レンズとを備えたものを用いるという構成にした。
【００１２】
図６に示すように、超音波プローブ１から送信された超音波のうち、斜角経路Ａ→Ｂ→Ｃを通って溶射皮膜Ｓ2 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、溶射皮膜Ｓ2 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から溶射皮膜Ｓ2 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２に受信される。なお、漏洩弾性表面波は、被検体Ｓの表面（本例の場合には、溶射皮膜Ｓ2 の表面）から１波長程度、被検体Ｓの内部に浸透するとされている。
【００１３】
母材Ｓ1 に対する溶射皮膜Ｓ2 の密着性が良好である場合には、被検体Ｓの内部に浸透した漏洩弾性表面波の母材Ｓ1 への浸透量が大きくなるため、振動子２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Ｓ1 に対する溶射皮膜Ｓ2 の密着性が悪い場合には、母材Ｓ1 と溶射皮膜Ｓ2 との間に剥離により空気層が生じ、当該空気層と溶射皮膜Ｓ2 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Ｓ1 への浸透量が小さくなり、相対的に振動子２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１における漏洩波の受信レベルより演算処理部にて母材Ｓ1 に対する溶射皮膜Ｓ2 の密着性の良否を判定することができる。
【００１４】
一方、溶射皮膜等の被膜を有しない被検体において、被検体Ｓの表層にクラック等の欠陥が存在する場合には、被検体Ｓ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２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Ｓ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Ｓ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２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１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Ｓの健全性を判定することができる。
【００１５】
前記超音波プローブとしては、被検体への漏洩弾性表面波を励起させる斜角入射波の送信と、被検体からの漏洩波の受信とを行えるものであれば良く、図６、図９、図１０、図１２、図１３に示す如きものが考えられる。
【００１６】
【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走査部の一部断面した斜視図である。
【００１７】
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、適当な走査ピッチで取り込まれた漏洩波の受信レベルをＣスコープ画像化して溶射皮膜Ｓ2 の密着性分布やクラックの有無といった被検体表層の健全性を求める演算処理部３０と、超音波検査結果であるＣスコープ画像を表示する表示部４０とから主に構成されている。
【００１８】
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、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。
【００１９】
超音波プローブ１としては、被検体Ｓへの漏洩弾性表面波を励起させる斜角入射波の送信と被検体Ｓからの漏洩波の受信とが可能で、振動子にて漏洩波のエコー波形のみが可能なものか、振動子にて検出される漏洩波のエコー波形と垂直反射波のエコー波形が時間軸上で分離できる構成のものが用いられる。超音波プローブ１の具体的な構成については、後に詳細に説明する。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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、図１乃至図４を参照して説明する。ここに、図３は超音波プローブ１のＺ方向への位置決め方法を示す説明図であり、図４は超音波検査方法の手順を示すフローチャートである。
【００２３】
まず、図４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。
【００２４】
次いで、図４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方向に移動することにより、図３に１点鎖線で示すように、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。即ち、図３に実線で示すように、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、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。
【００２５】
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Ｓ2 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。
【００２６】
次いで、図４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。
【００２７】
最後に、図４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。
【００２８】
図５に、前記実施形態例に係る装置にて得られた漏洩波のＣスコープ画像を示す。図５（ａ）は、溶射皮膜Ｓ2 の形成前に母材Ｓ1 に当然施されるべき前処理としてのブラスト処理を中央部にのみ施さないで溶射皮膜Ｓ2 が形成された被検体より得られた漏洩波のＣスコープ画像であり、図５（ｂ）は、母材Ｓ1 の表面に正常に溶射皮膜Ｓ2 が形成され、溶射皮膜Ｓ2 の形成後に曲げ応力が負荷された被検体より得られた漏洩波のＣスコープ画像である。
【００２９】
図５（ａ）の例では、ブラスト処理が施されなかった母材Ｓ1 の中央部における漏洩波のエコーレベルが周囲の正常部分に比べて明らかに高くなっており、前記実施形態例に係る装置にて溶射皮膜Ｓ2 の剥離若しくは密着不足を鮮明に映像化できることが判る。また、図５（ｂ）の例では、母材Ｓ1 の中央部に漏洩波のエコーレベルが周囲の正常部分に比べて明らかに低い縞状のエコー像が現れており、肉眼では観察できない微小（幅２〜５μｍ）なクラックも鮮明に映像化できることが判る。また、いずれの場合にも、被検体Ｓの端部ｅ（図３参照）まで欠陥検査を実行することができた。
【００３０】
なお、超音波プローブ１として、被検体Ｓへの漏洩弾性表面波を励起させる斜角入射波の送信と被検体Ｓからの漏洩波の受信とが可能ではあるが、振動子にて検出される漏洩波のエコー波形と垂直反射波のエコー波形が時間軸上で分離できないものを用いて同様の検査を行った場合には、正常部分と欠陥部のエコーレベルのレベル差が小さく、欠陥を検出することが困難であった。
【００３１】
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実施形態例を、図６乃至図１６に基づいて説明する。
【００３２】
〈超音波プローブの第１例〉
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６及び図７に基づいて説明する。図６は本例に係る超音波プローブの要部断面図及び平面図であり、図７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である。
【００３３】
図６（ａ），（ｂ）から明らかなように、本例の超音波プローブ１Ａは、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に入射する凹レンズ型の音響レンズ３とを備えた構成になっており、音響レンズ３の中央部には、振動子２が設定される平面部３ａからレンズ曲率面３ｂまで貫通する透孔４が開設されている。振動子２は、上下面にそれぞれ上部電極２Ｕと下部電極２Ｌ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構成され、振動子対向面が平面状に、レンズ曲率面が球面状に形成されている。
【００３４】
なお、前記超音波プローブ１Ａの上部電極２Ｕ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２Ｌ側には、振動子２の保護板が取り付けられることもある。
【００３５】
また、透孔４の直径は、経路Ｇ→Ｈ→Ｉで示される垂直入射波、及び経路Ｉ→Ｈ→Ｇで示される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、経路Ａ→Ｂ→Ｃで示される斜角入射波及び経路Ｄ→Ｅ→Ｆで示される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。
【００３６】
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６（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→（Ｈ）→Ｉ及びＩ→（Ｈ）→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→（Ｈ）→Ｉ→（Ｈ）→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７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からそのレベル（振幅）を求めることができ、この値から母材Ｓ1 に対する溶射皮膜Ｓ2 の密着性の良否やクラックの有無等を判定することができる。
【００３７】
一例として、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（図６（ａ）のＧＨ間）が５ｍｍのアルミニウム製（音速＝６４００ｍ／ｓ）の音響レンズとを用い、デフォーカス量ΔＺを０．２ｍｍ、使用周波数を１０ＭＨｚ、ＷＣ系溶射皮膜を伝搬する漏洩弾性表面波の音速を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）、レーリー臨界角を４１度として垂直反射波のエコー波形Ｖと漏洩波のエコー波形Ｌの時間差を求めると、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→（Ｈ）→Ｉ→（Ｈ）→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、両エコー波形を時間軸上で明確に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。
【００３８】
これに対して、図８に示すように、透孔４を有しない音響レンズ１０３を備えた超音波プローブ１０１を用いた場合には、振動子２の斜角経路Ａ→Ｂ→Ｃ及びＤ→Ｅ→Ｆと被検体Ｓとの間にも、また振動子１０２の垂直経路Ｇ→（Ｈ）→Ｉ及びＩ→（Ｈ）→Ｇと被検体Ｓとの間にも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と超音波の伝搬速度が低い水とが介在するので、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と経路Ｇ→（Ｈ）→Ｉ→（Ｈ）→Ｇを通る垂直入射波及び垂直反射波の伝搬時間とがほぼ同じになって、垂直反射波のエコー波形Ｖに漏洩波のエコー波形Ｌが埋没して両エコー波形を分離できず、漏洩波のエコーレベルを求めることができない。なお、図８において、符号１０３ａは音響レンズ１０３の振動子対向面、符号１０３ｂは音響レンズ１０３のレンズ曲率面を示している。
【００３９】
即ち、実施形態品と同一の条件下で、両エコー波形の伝搬時間の差を求めると、図８（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８（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、垂直反射波のエコー波形Ｖに漏洩波のエコー波形Ｌが埋没してしまい、漏洩波のエコーレベルを求めることができない。
【００４０】
〈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９に基づいて説明する。
【００４１】
第２例の超音波プローブ１Ｂは、図９に示すように、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。
【００４２】
この超音波プローブ１を用いた場合にも、第１例に係る超音波プローブと同様に、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。その他、図９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。
【００４３】
〈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１０に基づいて説明する。
【００４４】
第３例の超音波プローブ１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１０（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１０（ｂ）は音響レンズ３の平面部（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１０（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。
【００４５】
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。
【００４６】
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、前出の図７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１１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。
【００４７】
本例の超音波プローブは、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。
【００４８】
〈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１２（ａ），（ｂ）に基づいて説明する。図１２（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。
【００４９】
第４例の超音波プローブ１Ｄは、図１２（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１２（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。
【００５０】
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。
【００５１】
〈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１３に基づいて説明する。図１３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。
【００５２】
第５例の超音波プローブ１Ｅは、図１３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１２（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。
【００５３】
本例の超音波プローブ１Ｅ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。
【００６６】
なお、前記実施形態例においては、溶射皮膜の超音波検査を例にとって説明したが、その他、被検体の表層におけるクラックの有無や、被検体表層の応力分布、破壊靭性値、熱脆化又は粒界腐蝕の検出といった他の被検体表層の健全性評価についても同様の方法で実行することができる。
【００６７】
【発明の効果】
本発明の超音波検査装置は、超音波走査部に被検体への漏洩弾性表面波を励起させる斜角入射波の送信と被検体からの漏洩波の受信とを行う超音波プローブを備え、当該超音波プローブによる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ので、被検体の厚みや被検体の底面状態それに被検体の内部状態等によらず、しかも被検体の端部まで、高い精度で被検体表層の健全性を評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る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】 超音波プローブ１のＺ方向への位置決め方法を示す説明図である。
【図４】 本発明に係る超音波検査方法の手順を示すフローチャートである。
【図５】 本発明に係る超音波検査装置で得られる漏洩波のＣ画像データである。
【図６】 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７】 第１実施形態例に係る超音波プローブに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。
【図８】 比較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１０】 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１１】 第３実施形態例に係る超音波プローブに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。
【図１２】 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１３】 第５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である。
【図１４】 従来より知られている溶射被膜の超音波検査方法を示す説明図である。
【図１５】 従来技術の不備を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 超音波プローブ
１Ａ 第１実施形態例に係る超音波プローブ
１Ｂ 第２実施形態例に係る超音波プローブ
１Ｃ 第３実施形態例に係る超音波プローブ
１Ｄ 第４実施形態例に係る超音波プローブ
１Ｅ 第５実施形態例に係る超音波プローブ
２ 振動子
３ 音響レンズ
３ａ 平面部（振動子設定面）
３ｂ レンズ曲率面
４ 透孔
５ くぼみ
６ 充填剤
１０ 超音波走査部
１１ 水槽
１２ 機械式スキャナ
１３ Ｙ軸ガイド
１４ Ｙ軸スライダ
１５ Ｘ軸ガイド
１６ Ｘ軸スライダ
１７ Ｚ軸ガイド
１８ Ｚ軸スライダ
２０ 駆動部
２１ パルサー／レシーバー
２２ Ａ／Ｄ変換器
２３ モータドライバ
３０ 演算処理部
３１ ＣＰＵ
３２ 入力手段
３３ トリガー
３４ モータコントローラ
３５ 第１のメモリ
３６ タイマー
３７ 第２のメモリ
４０ 表示部
Ｓ 被検体
Ｓ１ 母材
Ｓ２ 溶射被膜
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属材料の非破壊検査に適用される超音波検査装置に係り、特に、被検体表層の健全性を評価するに好適な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４−２３８２６５号公報等に記載されているように、超音波を用いて金属材料の表面に形成された溶射皮膜の密着性を非破壊で評価する技術が知られている。
【０００３】
一般に、２つの材料の界面部の密着性を評価するについては、集束型の超音波プローブを被検体と対向に配置して、当該超音波プローブから送信される超音波の焦点を２つの材料の界面に合致し、界面からのエコー強度を検出するという方法がとられる。しかしながら、被検体が母材の表面に形成された溶射皮膜である場合には、溶射皮膜が０．１〜０．３ｍｍ程度の薄い膜であるため、溶射皮膜側から超音波を被検体に送信した場合、溶射皮膜の表面からのエコーと界面からのエコーとを分離することが事実上不可能であり、母材に対する溶射皮膜の密着性を評価することができない。例えば、母材の表面に形成された厚さ０．１ｍｍのＷＣ系溶射皮膜について考察すると、当該溶射皮膜は高周波減衰が大きく、かつ表面に数μｍ〜数十μｍ程度の凹凸があるために周波数が５〜２０ＭＨｚの超音波（周期にして２００〜５０ｎｓ）しか検査に適用できないところ、当該溶射皮膜の縦波音速は約４２００ｍ／ｓであって、皮膜表面からのエコーと界面からのエコーの時間差は４７．６ｎｓに過ぎないので、両エコーを分離できないことがわかる。
【０００４】
そこで、前記公知例に記載の溶射被膜評価方法においては、図１４に示すように、母材１０１の表面に溶射被膜１０２が形成された被検体１００と集束型の超音波プローブ２００とを水中（図中の符号Ｗは、超音波媒質としての水を示す。）において対向に配置し、超音波プローブ２００の焦点を母材１０１の底面に合致して溶射被膜１０２側から超音波２０１を被検体１００に送信し、底面エコーの強度から母材１０１に対する溶射被膜１０２の密着度を判定する。この方法によると、界面部の密着性が悪い場合には界面部における超音波の反射量が多くなって母材底面からのエコーが低下し、界面部の密着性が良好である場合には母材１０１を通過する超音波が増加して母材底面からのエコーが増加するので、界面の密着性を判定することができる。また、超音波プローブ２００を被検体１００の表面に沿って二次元走査し、適当な走査ピッチで底面エコーレベルを取り込み、Ｃスコープ画像化することにより、溶射被膜１０２の密着性分布を得ることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
然るに、前記公知例に記載の溶射被膜評価方法は、溶射被膜１０２側から超音波２０１を被検体１００に送信して、母材１０１の底面エコーレベルを検出するので、図１５（ａ）に示すように、母材１０１の厚みｈが大きくなるほど溶射被膜１０２の表面における超音波ビームの照射径ｄが大きくなって、欠陥の検出能が低下する。
【０００６】
また、前記公知例に記載の溶射被膜評価方法は、上記と同様の理由から、超音波プローブ２００を被検体１００の表面に沿って二次元操作した場合に、図１５（ｂ）に示すように、超音波ビームの照射範囲が被検体１００の端部ｅから外れる比較的大きな領域について欠陥検査不能領域を生じる。被検体１００の端部ｅは、溶射被膜１０２の欠陥が生じやすい箇所であり、検査箇所として特に重要であるので、このような大きな欠陥検査不能領域を有することは、欠陥検査の信頼性を高める上で特に問題である。
【０００７】
さらに、前記公知例に記載の溶射皮膜評価方法は、母材１０１の底面エコーレベルから母材１０１と溶射皮膜１０２との密着性を間接的に評価する方法であるところ、母材１０１の底面エコーには、溶射皮膜１０２の密着性を表す情報のほかに、母材１０１の内部や底面の状態を示す各種の情報、例えば底面の凹凸や底面に付着した錆等の情報それに母材内部の欠陥情報等が含まれているので、それらの情報と溶射皮膜１０２の密着性に関する情報とを分離することができず、溶射皮膜の評価を正確に行うことができないという問題もある。
【０００８】
加えて、前記公知例に記載の溶射皮膜評価方法は、上記と同様の理由から、母材１０１がニッケル基の超合金のように超音波の減衰が大きな材料からなる場合には、十分な、又は完全な底面エコーが得られず、実用上十分な溶射皮膜の欠陥検査を行うことができない。
【０００９】
なお、前記においては、溶射皮膜の欠陥検査を例にとって説明したが、被検体の表層におけるクラックの有無や、被検体表層の応力分布、破壊靭性値、熱脆化又は粒界腐蝕の検出といった、被検体表層に関する他の健全性を評価する場合にも、同様の不都合がある。
【００１０】
本発明は、かかる従来技術の不備を解消するためになされたものであって、その目的は、母材の厚みや底面状態さらには素材の種類等によらず、しかも被検体の端部まで高い精度で被検体表層の健全性を評価可能な超音波検査装置を提供することにある。
【００１１】
【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、水などの超音波媒体を介して被検体の表面に超音波を走査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、被検体表層の欠陥検査を実行する演算処理部とを備えた超音波検査装置であって、前記超音波走査部に前記被検体への漏洩弾性表面波を励起させる斜角入射波の送信と前記被検体からの漏洩波の受信とを行う超音波プローブを備え、当該超音波プローブによる前記漏洩波の受信レベルから前記被検体表層の健全性を前記演算処理部にて評価するものにおいて、前記超音波プローブとして、振動子と、前記被検体への垂直入射波及び斜角入射波の伝搬経路並びに前記被検体からの垂直反射波及び漏洩波の伝搬経路を有し、前記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前記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が異なる音響レンズとを備えたものを用いるという構成にした。
【００１２】
図６に示すように、超音波プローブ１から送信された超音波のうち、斜角経路Ａ→Ｂ→Ｃを通って溶射皮膜Ｓ2 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、溶射皮膜Ｓ2 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から溶射皮膜Ｓ2 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２に受信される。なお、漏洩弾性表面波は、被検体Ｓの表面（本例の場合には、溶射皮膜Ｓ2 の表面）から１波長程度、被検体Ｓの内部に浸透するとされている。
【００１３】
母材Ｓ1 に対する溶射皮膜Ｓ2 の密着性が良好である場合には、被検体Ｓの内部に浸透した漏洩弾性表面波の母材Ｓ1 への浸透量が大きくなるため、振動子２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Ｓ1 に対する溶射皮膜Ｓ2 の密着性が悪い場合には、母材Ｓ1 と溶射皮膜Ｓ2 との間に剥離により空気層が生じ、当該空気層と溶射皮膜Ｓ2 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Ｓ1 への浸透量が小さくなり、相対的に振動子２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１における漏洩波の受信レベルより演算処理部にて母材Ｓ1 に対する溶射皮膜Ｓ2 の密着性の良否を判定することができる。
【００１４】
一方、溶射皮膜等の被膜を有しない被検体において、被検体Ｓの表層にクラック等の欠陥が存在する場合には、被検体Ｓ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２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Ｓ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Ｓ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２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１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Ｓの健全性を判定することができる。
【００１５】
前記超音波プローブとしては、被検体への漏洩弾性表面波を励起させる斜角入射波の送信と、被検体からの漏洩波の受信とを行えるものであれば良く、図６、図９、図１０、図１２、図１３に示す如きものが考えられる。
【００１６】
【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走査部の一部断面した斜視図である。
【００１７】
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、適当な走査ピッチで取り込まれた漏洩波の受信レベルをＣスコープ画像化して溶射皮膜Ｓ2 の密着性分布やクラックの有無といった被検体表層の健全性を求める演算処理部３０と、超音波検査結果であるＣスコープ画像を表示する表示部４０とから主に構成されている。
【００１８】
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、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。
【００１９】
超音波プローブ１としては、被検体Ｓへの漏洩弾性表面波を励起させる斜角入射波の送信と被検体Ｓからの漏洩波の受信とが可能で、振動子にて漏洩波のエコー波形のみが可能なものか、振動子にて検出される漏洩波のエコー波形と垂直反射波のエコー波形が時間軸上で分離できる構成のものが用いられる。超音波プローブ１の具体的な構成については、後に詳細に説明する。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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、図１乃至図４を参照して説明する。ここに、図３は超音波プローブ１のＺ方向への位置決め方法を示す説明図であり、図４は超音波検査方法の手順を示すフローチャートである。
【００２３】
まず、図４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。
【００２４】
次いで、図４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方向に移動することにより、図３に１点鎖線で示すように、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。即ち、図３に実線で示すように、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、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。
【００２５】
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Ｓ2 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。
【００２６】
次いで、図４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。
【００２７】
最後に、図４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。
【００２８】
図５に、前記実施形態例に係る装置にて得られた漏洩波のＣスコープ画像を示す。図５（ａ）は、溶射皮膜Ｓ2 の形成前に母材Ｓ1 に当然施されるべき前処理としてのブラスト処理を中央部にのみ施さないで溶射皮膜Ｓ2 が形成された被検体より得られた漏洩波のＣスコープ画像であり、図５（ｂ）は、母材Ｓ1 の表面に正常に溶射皮膜Ｓ2 が形成され、溶射皮膜Ｓ2 の形成後に曲げ応力が負荷された被検体より得られた漏洩波のＣスコープ画像である。
【００２９】
図５（ａ）の例では、ブラスト処理が施されなかった母材Ｓ1 の中央部における漏洩波のエコーレベルが周囲の正常部分に比べて明らかに高くなっており、前記実施形態例に係る装置にて溶射皮膜Ｓ2 の剥離若しくは密着不足を鮮明に映像化できることが判る。また、図５（ｂ）の例では、母材Ｓ1 の中央部に漏洩波のエコーレベルが周囲の正常部分に比べて明らかに低い縞状のエコー像が現れており、肉眼では観察できない微小（幅２〜５μｍ）なクラックも鮮明に映像化できることが判る。また、いずれの場合にも、被検体Ｓの端部ｅ（図３参照）まで欠陥検査を実行することができた。
【００３０】
なお、超音波プローブ１として、被検体Ｓへの漏洩弾性表面波を励起させる斜角入射波の送信と被検体Ｓからの漏洩波の受信とが可能ではあるが、振動子にて検出される漏洩波のエコー波形と垂直反射波のエコー波形が時間軸上で分離できないものを用いて同様の検査を行った場合には、正常部分と欠陥部のエコーレベルのレベル差が小さく、欠陥を検出することが困難であった。
【００３１】
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実施形態例を、図６乃至図１６に基づいて説明する。
【００３２】
〈超音波プローブの第１例〉
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６及び図７に基づいて説明する。図６は本例に係る超音波プローブの要部断面図及び平面図であり、図７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である。
【００３３】
図６（ａ），（ｂ）から明らかなように、本例の超音波プローブ１Ａは、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に入射する凹レンズ型の音響レンズ３とを備えた構成になっており、音響レンズ３の中央部には、振動子２が設定される平面部３ａからレンズ曲率面３ｂまで貫通する透孔４が開設されている。振動子２は、上下面にそれぞれ上部電極２Ｕと下部電極２Ｌ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構成され、振動子対向面が平面状に、レンズ曲率面が球面状に形成されている。
【００３４】
なお、前記超音波プローブ１Ａの上部電極２Ｕ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２Ｌ側には、振動子２の保護板が取り付けられることもある。
【００３５】
また、透孔４の直径は、経路Ｇ→Ｈ→Ｉで示される垂直入射波、及び経路Ｉ→Ｈ→Ｇで示される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、経路Ａ→Ｂ→Ｃで示される斜角入射波及び経路Ｄ→Ｅ→Ｆで示される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。
【００３６】
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６（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→（Ｈ）→Ｉ及びＩ→（Ｈ）→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→（Ｈ）→Ｉ→（Ｈ）→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７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からそのレベル（振幅）を求めることができ、この値から母材Ｓ1 に対する溶射皮膜Ｓ2 の密着性の良否やクラックの有無等を判定することができる。
【００３７】
一例として、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（図６（ａ）のＧＨ間）が５ｍｍのアルミニウム製（音速＝６４００ｍ／ｓ）の音響レンズとを用い、デフォーカス量ΔＺを０．２ｍｍ、使用周波数を１０ＭＨｚ、ＷＣ系溶射皮膜を伝搬する漏洩弾性表面波の音速を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）、レーリー臨界角を４１度として垂直反射波のエコー波形Ｖと漏洩波のエコー波形Ｌの時間差を求めると、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→（Ｈ）→Ｉ→（Ｈ）→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、両エコー波形を時間軸上で明確に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。
【００３８】
これに対して、図８に示すように、透孔４を有しない音響レンズ１０３を備えた超音波プローブ１０１を用いた場合には、振動子２の斜角経路Ａ→Ｂ→Ｃ及びＤ→Ｅ→Ｆと被検体Ｓとの間にも、また振動子１０２の垂直経路Ｇ→（Ｈ）→Ｉ及びＩ→（Ｈ）→Ｇと被検体Ｓとの間にも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と超音波の伝搬速度が低い水とが介在するので、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と経路Ｇ→（Ｈ）→Ｉ→（Ｈ）→Ｇを通る垂直入射波及び垂直反射波の伝搬時間とがほぼ同じになって、垂直反射波のエコー波形Ｖに漏洩波のエコー波形Ｌが埋没して両エコー波形を分離できず、漏洩波のエコーレベルを求めることができない。なお、図８において、符号１０３ａは音響レンズ１０３の振動子対向面、符号１０３ｂは音響レンズ１０３のレンズ曲率面を示している。
【００３９】
即ち、実施形態品と同一の条件下で、両エコー波形の伝搬時間の差を求めると、図８（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８（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、垂直反射波のエコー波形Ｖに漏洩波のエコー波形Ｌが埋没してしまい、漏洩波のエコーレベルを求めることができない。
【００４０】
〈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９に基づいて説明する。
【００４１】
第２例の超音波プローブ１Ｂは、図９に示すように、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。
【００４２】
この超音波プローブ１を用いた場合にも、第１例に係る超音波プローブと同様に、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。その他、図９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。
【００４３】
〈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１０に基づいて説明する。
【００４４】
第３例の超音波プローブ１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１０（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１０（ｂ）は音響レンズ３の平面部（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１０（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。
【００４５】
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。
【００４６】
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、前出の図７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１１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。
【００４７】
本例の超音波プローブは、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。
【００４８】
〈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１２（ａ），（ｂ）に基づいて説明する。図１２（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。
【００４９】
第４例の超音波プローブ１Ｄは、図１２（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１２（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。
【００５０】
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。
【００５１】
〈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１３に基づいて説明する。図１３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。
【００５２】
第５例の超音波プローブ１Ｅは、図１３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１２（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。
【００５３】
本例の超音波プローブ１Ｅ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。
【００６６】
なお、前記実施形態例においては、溶射皮膜の超音波検査を例にとって説明したが、その他、被検体の表層におけるクラックの有無や、被検体表層の応力分布、破壊靭性値、熱脆化又は粒界腐蝕の検出といった他の被検体表層の健全性評価についても同様の方法で実行することができる。
【００６７】
【発明の効果】
本発明の超音波検査装置は、超音波走査部に被検体への漏洩弾性表面波を励起させる斜角入射波の送信と被検体からの漏洩波の受信とを行う超音波プローブを備え、当該超音波プローブによる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ので、被検体の厚みや被検体の底面状態それに被検体の内部状態等によらず、しかも被検体の端部まで、高い精度で被検体表層の健全性を評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る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】 超音波プローブ１のＺ方向への位置決め方法を示す説明図である。
【図４】 本発明に係る超音波検査方法の手順を示すフローチャートである。
【図５】 本発明に係る超音波検査装置で得られる漏洩波のＣ画像データである。
【図６】 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７】 第１実施形態例に係る超音波プローブに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。
【図８】 比較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１０】 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１１】 第３実施形態例に係る超音波プローブに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。
【図１２】 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１３】 第５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である。
【図１４】 従来より知られている溶射被膜の超音波検査方法を示す説明図である。
【図１５】 従来技術の不備を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 超音波プローブ
１Ａ 第１実施形態例に係る超音波プローブ
１Ｂ 第２実施形態例に係る超音波プローブ
１Ｃ 第３実施形態例に係る超音波プローブ
１Ｄ 第４実施形態例に係る超音波プローブ
１Ｅ 第５実施形態例に係る超音波プローブ
２ 振動子
３ 音響レンズ
３ａ 平面部（振動子設定面）
３ｂ レンズ曲率面
４ 透孔
５ くぼみ
６ 充填剤
１０ 超音波走査部
１１ 水槽
１２ 機械式スキャナ
１３ Ｙ軸ガイド
１４ Ｙ軸スライダ
１５ Ｘ軸ガイド
１６ Ｘ軸スライダ
１７ Ｚ軸ガイド
１８ Ｚ軸スライダ
２０ 駆動部
２１ パルサー／レシーバー
２２ Ａ／Ｄ変換器
２３ モータドライバ
３０ 演算処理部
３１ ＣＰＵ
３２ 入力手段
３３ トリガー
３４ モータコントローラ
３５ 第１のメモリ
３６ タイマー
３７ 第２のメモリ
４０ 表示部
Ｓ 被検体
Ｓ１ 母材
Ｓ２ 溶射被膜
Claims (5)
- 水などの超音波媒体を介して被検体の表面に超音波を走査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、被検体表層の欠陥検査を実行する演算処理部とを備えた超音波検査装置であって、前記超音波走査部に前記被検体への漏洩弾性表面波を励起させる斜角入射波の送信と前記被検体からの漏洩波の受信とを行う超音波プローブを備え、当該超音波プローブによる前記漏洩波の受信レベルから前記被検体表層の健全性を前記演算処理部にて評価するものにおいて、前記超音波プローブとして、振動子と、前記被検体への垂直入射波及び斜角入射波の伝搬経路並びに前記被検体からの垂直反射波及び漏洩波の伝搬経路を有し、前記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前記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が異なる音響レンズとを備え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１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、前記垂直入射波及び垂直反射波の伝搬経路に前記振動子の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前記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、前記垂直入射波及び垂直反射波の伝搬経路に前記振動子の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、前記振動子の設定面又はレンズ曲率面の前記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前記斜角入射波及び漏洩波の伝搬経路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、前記振動子の設定面が平面状に形成されかつ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、前記振動子の設定面が平面状に形成されかつレンズ曲率面が弧面状に形成された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プローブ。
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