JP7189101B2 - 超音波センサ、形状推定方法、膜剥離検査方法及び超音波検査システム - Google Patents

Description

本発明は、超音波センサ、形状推定方法、膜剥離検査方法及び超音波検査システムに関する。

特許文献１には、超音波を送信する送信振動子と、送信振動子から送信された超音波が検査対象の内部領域に存在する欠陥で反射することにより生成される反射超音波を受信する受信振動子と、超音波を送信する送信部及び送信部から送信された超音波が検査対象の表面領域に存在する欠陥で反射することにより生成される反射超音波を受信する受信部を含む送受信振動子と、送信振動子、受信振動子及び送受信振動子を保持するくさびと、を備えた超音波センサが開示されている。

特開２０１８－１１６０４９号公報

超音波センサは、金属等の母材に膜が被覆された検査対象において、膜が母材から剥離しているか否かを検査するために用いられることがある。しかしながら、特許文献１に記載の超音波センサでは、断面が台形状の膜に対しては、超音波の受信感度が低くなってしまうおそれがある。その結果、膜の形状を推定することができず、膜の剥離の有無を精度よく検査することができないおそれがある。

本発明は、検査対象の断面が台形状の場合において、超音波の受信感度を向上することを目的とする。

本発明の一態様である超音波センサは、検査対象に超音波を送信する３つ以上の送信素子と、送信素子から送信された超音波の反射波を受信する１つ以上の受信素子と、送信素子及び受信素子を保持する保持面並びに検査対象に当接する当接面を有するシューと、を備え、シューは、受信素子に近い送信素子から遠い送信素子にかけて、送信素子を保持する保持面の当接面に対する角度であるシュー角が大きくなるように多角形状に形成される。

本発明によれば、検査対象の断面が台形状の場合において、超音波の受信感度を向上することができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る超音波検査システムの構成を示すブロック図である。 図２は、検査対象上に配置された超音波センサの構成を示す図である。 図３は、超音波センサのシューの形状について説明する図である。 図４は、反射波の波形データの模式図である。 図５Ａは、膜の断面が矩形状の場合のみを想定した第１実施形態の比較例に係る超音波センサを示す図である。 図５Ｂは、図５Ａの超音波センサの送信素子から断面が台形状の膜内に送信される超音波の主音軸と受信素子の位置関係を示す図である。 図６は、本発明の第１実施形態に係る超音波センサの送信素子から膜内に送信される超音波の主音軸と受信素子の位置関係を示す図である。 図７は、第１実施形態の別の比較例として、複数の送信素子を保持する保持面のシュー角が全て同じであるシューを備える超音波センサを示す図である。 図８は、膜の形状の推定方法について説明する図である。 図９は、多重反射波の伝搬経路を示す図である。 図１０は、本発明の第１実施形態に係る制御装置により実行される膜剥離検査プログラムによる処理の一例を示すフローチャートである。 図１１は、本発明の第１実施形態の変形例に係る制御装置により実行される膜剥離検査プログラムによる処理の一例を示すフローチャートである。 図１２は、本発明の第２実施形態に係る超音波センサの構成を示す図である。 図１３Ａは、膜の表面の傾斜角がθｔ１である場合の送信素子から受信素子に到達する超音波の主音軸を示す図である。 図１３Ｂは、膜の表面の傾斜角がθｔ２である場合の送信素子から受信素子に到達する超音波の主音軸を示す図である。 図１３Ｃは、膜の表面の傾斜角がθｔ３である場合の送信素子から受信素子に到達する超音波の主音軸を示す図である。

＜第１実施形態＞
図面を参照して、本発明の第１実施形態に係る超音波検査システム１について説明する。図１は超音波検査システム１の構成を示すブロック図であり、図２は検査対象１２０上に配置された超音波センサ１１０の構成を示す図である。

図１に示すように、超音波検査システム１は、超音波センサ１１０、超音波センサ１１０に接続されるＵＴ装置１００、ＵＴ装置１００に接続される表示装置３及び制御装置１５０、並びに、制御装置１５０に接続される入力装置４及び報知装置５を備える。

制御装置１５０及びＵＴ装置１００は、動作回路としてのＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）、その他の周辺回路を備えたマイクロコンピュータで構成される。制御装置１５０及びＵＴ装置１００は、複数のマイクロコンピュータで構成することも可能である。また、制御装置１５０及びＵＴ装置１００を個別に設けることに代えて、制御装置１５０及びＵＴ装置１００の機能を併せ持つ単一の装置を設けるようにしてもよい。なお、動作回路としては、ＣＰＵに代えてまたはＣＰＵとともに、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＡＳＩＣ（application specific integrated circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などを用いることができる。

入力装置４は、例えば、マウス、キーボード、タッチパネルなどであり、超音波検査を行う検査員等により操作され、操作に応じた入力信号を制御装置１５０に出力する。表示装置３は、例えば、液晶パネル等から構成され、ＵＴ装置１００からの表示制御信号に基づき、所定の表示画像を表示画面に表示させる。報知装置５は、後述する超音波による膜剥離検査の検査結果を検査員に対して報知する装置であり、制御装置１５０からの報知制御信号に基づき、所定の情報を報知する。報知装置５は、例えば、検査結果を表す表示画像を表示する液晶パネル等の表示装置、検査結果を表す音声を出力するスピーカ等の音声出力装置、検査結果を表す情報を紙媒体に印刷する印刷装置等である。

超音波センサ１１０は、検査対象１２０の表面に耐熱性接着剤（接触媒質）を介して当接される。

図２に示すように、超音波センサ１１０は、検査対象１２０に超音波を送信する３つ以上の送信用超音波素子である送信素子１１１（本実施形態では３つの送信素子１１１）と、送信素子１１１から送信された超音波の反射波を受信する１つ以上の受信用超音波素子である受信素子１１２（本実施形態では１つの受信素子１１２）と、送信素子１１１及び受信素子１１２を保持する保持面１３１，１３２並びに検査対象１２０に当接する当接面（底面）１３９を有するシュー１３０と、を備える。

本実施形態では、３つの送信素子１１１のうち、最も受信素子１１２からの距離が近い送信素子１１１を第１送信素子１１１ａとし、最も受信素子１１２からの距離が遠い送信素子１１１を第３送信素子１１１ｃとし、第１送信素子１１１ａよりも受信素子１１２からの距離が遠く、第３送信素子１１１ｃよりも受信素子１１２からの距離が近い送信素子１１１を第２送信素子１１１ｂとする。

送信素子１１１及び受信素子１１２には、ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ_３）とチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ_３）との固溶体（ＰＺＴ）を含むＰＺＴ系圧電セラミックス、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）結晶（ＬＮ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の圧電素子が用いられる。送信素子１１１及び受信素子１１２は、例えば円板状に形成される。

検査対象１２０は、例えば、配管のフランジであり、炭素鋼、ステンレス鋼等の金属により形成される母材１２１と、母材１２１に被覆される樹脂製の膜１２２と、を有する。シュー１３０は、アクリル、ポリスチレン等により形成される。

図３は、超音波センサ１１０のシュー１３０の形状について説明する図である。シュー１３０は、検査対象１２０の膜１２２の表面に当接される平面状の当接面（底面）１３９と、第１送信素子１１１ａを保持する保持面１３１ａと、第２送信素子１１１ｂを保持する保持面１３１ｂと、第３送信素子１１１ｃを保持する保持面１３１ｃと、受信素子１１２を保持する保持面１３２と、を有する。

シュー１３０は、受信素子１１２に近い送信素子１１１から遠い送信素子１１１にかけて送信素子１１１を保持する保持面１３１の当接面１３９に対する角度であるシュー角θｐが大きくなるように多角形状に形成される。本実施形態では、第１送信素子１１１ａを保持する保持面１３１ａのシュー角をθｐ（１）、第２送信素子１１１ｂを保持する保持面１３１ｂのシュー角をθｐ（２）、第３送信素子１１１ｃを保持する保持面１３１ｃのシュー角をθｐ（３）としたとき、各シュー角θｐの大小関係は、θｐ（１）＜θｐ（２）＜θｐ（３）となる。

図１に示すように、ＵＴ装置１００は、各送信素子１１１に接続される複数のパルサ１０３と、受信素子１１２に接続されるレシーバ１０４と、信号処理部１０２と、記憶部１０１と、を有している。信号処理部１０２は、プログラムに従って処理を実行するプロセッサ等で構成され、記憶部１０１は、ハードディスクやメモリ等で構成されている。

超音波センサ１１０の送信素子１１１は、ＵＴ装置１００のパルサ１０３からの駆動信号（電気信号）によって厚さ方向に振動して、シュー１３０及び検査対象１２０に超音波を送信する。図２に示すように、受信素子１１２は、送信素子１１１から膜１２２内に送信され、膜１２２の底面（母材１２１との境界面、あるいは剥離面）１２９で反射された反射波、及び、膜１２２の底面１２９から母材１２１内に伝搬し、母材１２１の底面で反射された反射波を受信する。受信素子１１２は、受信した反射波を波形信号（電気信号）に変換して、図１に示す制御装置１５０のレシーバ１０４へ出力する。

制御装置１５０の信号処理部１０２は、レシーバ１０４を介して得られた波形信号に対し、所定の処理（アナログ信号からデジタル信号への変換処理等）を実行する。これにより、信号処理部１０２は、図４に示すように、反射波の波形データを取得する。図４は、反射波の波形データの模式図であり、横軸が時間を表し、縦軸が信号強度（エコー高さ）を表す。信号処理部１０２は、取得した反射波の波形データを記憶部１０１へ出力して記憶させると共に、表示装置３へ出力して表示装置３の表示画面に表示させる。また、信号処理部１０２は、取得した反射波の波形データを制御装置１５０にも出力する。制御装置１５０は取得した反射波の波形データを記憶部１５９に記憶させる。

ところで、母材１２１がその製造過程で反るなどして母材１２１の表面が水平面に対して傾いた状態で、樹脂材が母材１２１の表面に塗布されると、樹脂材の膜厚は一定とはならず、図２に示すように、断面が台形状の膜１２２が形成されることがある。

図５Ａは、本実施形態の比較例に係る超音波センサ９１０Ａを示す図である。超音波センサ９１０Ａは、母材１２１と膜９２２の境界面と、膜９２２の表面（外表面）とが平行である場合、すなわち膜９２２の断面が矩形状である場合において、膜９２２の剥離を検査するために用いられる。図５Ａに示すように、超音波センサ９１０Ａは、単一の送信素子１１１と単一の受信素子１１２とを有する。超音波センサ９１０Ａでは、膜９２２の断面が矩形状である場合には、膜９２２の底面で反射した反射波を受信素子１１２において受信することができる。このため、反射波の波形データに基づいて膜９２２の剥離の有無を検査することができる。

しかしながら、図５Ｂに示すように、膜１２２の断面が台形状である場合には、超音波センサ９１０Ａの送信素子１１１から膜１２２内に送信され、膜１２２の底面で反射した超音波の主音軸９８０が受信素子１１２を指向していない。つまり、主音軸９８０上に受信素子１１２が配置されていない。このため、上記超音波センサ９１０Ａでは、膜１２２の底面で反射した反射波を受信素子１１２において受信することができないおそれがある。また、このような超音波センサ９１０Ａでは、仮に受信素子１１２が超音波の反射波を受信することができたとしても、受信感度が低いため、膜１２２の形状を精度よく推定することができない。その結果、膜１２２の剥離の有無を精度よく検査することができない。

これに対して、第１実施形態に係る超音波センサ１１０は、図６に示すように、膜１２２の断面が台形状である場合に、各送信素子１１１（１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ）から送信され膜１２２の底面１２９において反射する超音波の主音軸１８０（１８０ａ，１８０ｂ，１８０ｃ）上に受信素子１１２が位置するように、シュー１３０の形状が定められている。なお、超音波は、ある程度の広がりをもって特定の方向へ伝搬する。主音軸とは、最も強い強度で超音波が伝搬する方向を表す軸のことであり、主音線ともいう。

図７は、本実施形態の別の比較例として、複数の送信素子１１１を保持する保持面９３１のシュー角が全て同じであるシュー９３０を備える超音波センサ９１０Ｂを示す図である。この超音波センサ９１０Ｂでは、所定の送信素子１１１（例えば、第２送信素子１１１ｂ）から送信された超音波の主音軸９８０ｂは、受信素子１１２上に位置している。このため、受信素子１１２では、第２送信素子１１１ｂから送信された超音波の反射波を高感度で検出することができる。しかしながら、第１送信素子１１１ａと第３送信素子１１１ｃから送信された超音波の主音軸９８０ａ，９８０ｃは、受信素子１１２を指向していない。つまり、第１送信素子１１１ａ及び第３送信素子１１１ｃから送信される超音波の主音軸９８０ａ，９８０ｃ上に受信素子１１２が位置していない。このため、第１送信素子１１１ａ及び第３送信素子１１１ｃから送信された超音波の反射波に対する受信素子１１２の感度は、第２送信素子１１１ｂから送信された超音波の反射波に対する受信素子１１２の感度に比べて低くなる。

これに対して、本実施形態では、図６に示すように、３つの送信素子１１１を保持する保持面１３１ごとに、シュー角が調整されている。シュー１３０は、断面が台形状の検査対象１２０の膜１２２に当接面１３９が当接した状態で、少なくとも３つの送信素子１１１（本実施形態では、第１送信素子１１１ａ、第２送信素子１１１ｂ、第３送信素子１１１ｃ）から送信される超音波が１つの受信素子１１２によって受信されるように形成されている。

具体的には、第１送信素子１１１ａの保持面１３１ａは、図７に示す比較例に比べてシュー角を小さくすることで第１送信素子１１１ａから送信される超音波の主音線を受信素子１１２に到達させるように構成されている。また、第３送信素子１１１ｃの保持面１３１ｃは、図７に示す比較例に比べてシュー角を大きくすることで第３送信素子１１１ｃから送信される超音波の主音線を受信素子１１２に到達させるように構成されている。このように、本実施形態では、受信素子１１２に近い送信素子１１１から遠い送信素子１１１にかけて、送信素子１１１を保持する保持面１３１のシュー角を徐々に大きくしていくことにより、受信素子１１２での受信強度を向上することができる。なお、シュー角を調整することにより、超音波の主音軸１８０の位置を調整することができるので、シュー１３０は、主音軸調整ジグとしての機能を有する。

各送信素子１１１を保持するシュー１３０の保持面１３１のシュー角の調整範囲について説明する。第１送信素子１１１ａを保持する保持面１３１ａのシュー角をθｐ（１）、第１送信素子１１１ａから送信される超音波の膜１２２の底面１２９に対する入射角をφｐ（１）とし、第２送信素子１１１ｂを保持する保持面１３１ｂのシュー角をθｐ（２）、第２送信素子１１１ｂから送信される超音波の膜１２２の底面１２９に対する入射角をφｐ（２）とし、第３送信素子１１１ｃを保持する保持面１３１ｃのシュー角をθｐ（３）、第３送信素子１１１ｃから送信される超音波の膜１２２の底面１２９に対する入射角をφｐ（３）とし、受信素子１１２を保持する保持面１３２のシュー角をθｒとしたとき、次の第１条件を満たすとともに第２条件を満たすように、シュー１３０が形成されていることが好ましい。

第１条件は、以下のとおりである。
φｐ（１）＋９０°－送信素子の半値角≦θｐ（１）≦φｐ（１）＋９０°＋送信素子の半値角
φｐ（２）＋９０°－送信素子の半値角≦θｐ（２）≦φｐ（２）＋９０°＋送信素子の半値角
φｐ（３）＋９０°－送信素子の半値角≦θｐ（３）≦φｐ（３）＋９０°＋送信素子の半値角
なお、本実施形態では、各送信素子１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃの半値角は同じである。

第２条件は、以下のとおりである。
Ｍｉｎ（φｐ（１），φｐ（２），φｐ（３））＜θｒ＜Ｍａｘ（φｐ（１），φｐ（２），φｐ（３））
ここで、Ｍｉｎ（φｐ（１），φｐ（２），φｐ（３））は、入射角φｐ（１），φｐ（２），φｐ（３）のうちの最小値であり、Ｍａｘ（φｐ（１），φｐ（２），φｐ（３））は、入射角φｐ（１），φｐ（２），φｐ（３）のうちの最大値である。

これにより、超音波センサ１１０における送受信強度を高めることができるので、膜１２２の形状の推定が容易となる。

次に、本実施形態に係る超音波センサ１１０を用いて母材１２１に被覆された膜１２２の断面の形状を推定する方法、及びこの形状推定方法により推定された結果を用いて母材１２１に対する膜１２２の剥離の有無を検査する方法について説明する。超音波検査システム１による膜剥離検査方法の工程の概要は、以下のとおりである。

（工程１）
シュー角θｐの異なる３つ以上の送信素子１１１から送信される超音波が、膜１２２と母材１２１の境界面で１回のみ反射した伝搬経路についての方程式に、当該伝搬経路の実測値を代入することにより作成される３つ以上の連立方程式に基づいて、膜１２２の形状を表す未知数（台形の短辺、長辺、幅）を演算する。これにより、膜１２２の形状が推定される。

（工程２）
工程１で推定した膜１２２の形状に基づいて、母材１２１から膜１２２が剥離している（膜１２２の底面１２９と母材１２１の表面との間に空気層がある）と仮定して、膜内１２２の多重反射波の伝搬経路長を推定する。

（工程３）
工程２で推定された多重反射波の伝搬経路長（推定値）と、母材１２１から膜１２２が剥離していると仮定して、反射波の波形データから得られる反射波の伝搬経路長（実測値）とを比較する。伝搬経路長の推定値と実測値とが一致した場合、仮定どおり、母材１２１から膜１２２が剥離していると判定する。伝搬経路長の推定値と実測値とが一致しない場合、実測値は、母材１２１に入射し、母材１２１の底面で反射した底面反射波の伝搬経路長であるため、母材１２１から膜１２２は剥離していない健全な状態であると判定する。

以上が超音波検査システム１による膜剥離検査方法の工程の概要であり、以下、超音波検査システム１による膜剥離検査方法の具体例について詳しく説明する。

図１に示すように、制御装置１５０は、３つ以上（本実施形態では３つ）の送信素子１１１のそれぞれから送信され受信素子１１２で受信される超音波の波形データに基づいて、超音波の伝搬経路長を測定する経路長測定部１５１と、測定された３つ以上（本実施形態では３つ）の伝搬経路長Ｌ（１），Ｌ（２），Ｌ（３）に基づいて、断面が台形で表される検査対象１２０における膜１２２の形状を推定する形状推定部１５２と、各種情報を記憶する記憶部１５９と、を有する。なお、経路長測定部１５１で測定される超音波の伝搬経路長のことをエコー実測値とも記す。

経路長測定部１５１は、記憶部１５９に記憶されている超音波の波形データから得られる反射エコー（図４参照）の伝搬時間（送受信の時間差）に基づき、送信素子１１１から送信される超音波の伝搬経路の長さである伝搬経路長を測定する。

膜１２２の形状の推定には、第１送信素子１１１ａから膜１２２内に送信され、膜１２２の底面１２９において１回だけ鏡面反射してから受信素子１１２に受信される超音波の伝搬経路長Ｌ（１）と、第２送信素子１１１ｂから膜１２２内に送信され、膜１２２の底面１２９において１回だけ鏡面反射してから受信素子１１２に受信される超音波の伝搬経路長Ｌ（２）と、第３送信素子１１１ｃから膜１２２内に送信され、膜１２２の底面１２９において１回だけ鏡面反射してから受信素子１１２に受信される超音波の伝搬経路長Ｌ（３）を用いる。

経路長測定部１５１は、図４に示す波形データにおいて、時点ｔ１における反射エコーを膜１２２の底面１２９において１回だけ反射してから受信素子１１２に受信される超音波（１回反射波）として、当該反射エコー（超音波）の伝搬時間（受信時点ｔ１－送信時点ｔ０）に基づいて、その伝搬経路長Ｌ（１），Ｌ（２），Ｌ（３）を測定する。

図８を参照して、膜１２２の形状の推定方法について詳しく説明する。膜１２２の形状の推定は、図８に示すように所定の断面内において行う。本実施形態では、超音波センサ１１０による膜剥離検査の対象となる膜１２２の形状として、図中、点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４で囲まれる台形の断面形状を推定する。

説明の便宜上、図８に示す断面内において、シュー１３０の当接面（底面）１３９に平行な軸をｘ軸、ｘ軸に垂直な軸をｙ軸とし、膜１２２の底面１２９に平行な軸をｘ´軸、ｘ´軸に垂直な軸をｙ´軸として説明する。なお、図８では、後述する第ｎ送信素子１１１に対応する距離であることを表す記号（ｎ）については図示を省略している。また、シュー１３０の材料には、当該材料内の音速が膜１２２内の音速と略同一となるような材料が選定された場合を想定し、シュー１３０の当接面１３９に入射する超音波の入射角と、シュー１３０から膜１２２内へ伝搬する超音波の屈折角（出射角）と、が略同一である場合を例に説明する。

点Ｐ１は、膜１２２の表面１２８に配置されるシュー１３０の当接面１３９の一端（図示左端）であり、以下、第１基準点Ｐ１と記す。点Ｐ２は、膜１２２の表面１２８に配置されるシュー１３０の当接面１３９の他端（図示右端）であり、以下、第２基準点Ｐ２と記す。

点Ｐ３は、膜１２２の底面１２９と、第２基準点Ｐ２から膜１２２の底面１２９に下した垂線との交点である。点Ｐ４は、膜１２２の底面１２９と、第１基準点Ｐ１から膜１２２の底面１２９に下した垂線との交点である。

図中の各記号は、それぞれ以下のとおりである。なお、（ｎ）は、第ｎ送信素子１１１（ｎ＝１，２，３）に対応する距離であることを表す記号である。
ｗｐ（ｎ）：第１基準点Ｐ１から第ｎ送信素子１１１までのｘ軸方向の距離
ｗｒ：第１基準点Ｐ１から受信素子１１２までのｘ軸方向の距離
ｈｐ（ｎ）：第１基準点Ｐ１から第ｎ送信素子１１１までのｙ軸方向の距離
ｈｒ：第１基準点Ｐ１から受信素子１１２までのｙ軸方向の距離
ｗｐ（ｎ）´：第１基準点Ｐ１から第ｎ送信素子１１１までのｘ´軸方向の距離
ｗｒ´：第１基準点Ｐ１から受信素子１１２までのｘ´軸方向の距離
ｈｐ（ｎ）´：第１基準点Ｐ１から第ｎ送信素子１１１までのｙ´軸方向の距離
ｈｒ´：第１基準点Ｐ１から受信素子１１２までのｙ´軸方向の距離
φｐ（ｎ）：第ｎ送信素子１１１から送信される超音波の膜１２２の底面１２９に対する入射角（母材１２１に対する入射角）
ｈ１：基準点Ｐ１～Ｐ４を頂点とする台形の平行の２本の対辺のうちの短い方の辺である短辺（第１基準点Ｐ１から第４基準点Ｐ４までのｙ´軸方向の距離）
ｈ２：基準点Ｐ１～Ｐ４を頂点とする台形の平行な２本の対辺のうちの長い方の辺である長辺（第２基準点Ｐ２から第３基準点Ｐ３までのｙ´軸方向の距離）
ｗ：基準点Ｐ１～Ｐ４を頂点とする台形の幅（第１基準点Ｐ１から第２基準点Ｐ２までのｘ´軸方向の距離）
θｔ：膜１２２の表面１２８の底面１２９に対する傾斜角（ｘ軸とｘ´軸とのなす角、すなわちｙ軸とｙ´軸とのなす角）

距離ｗｐ（ｎ），ｗｒ，ｈｐ（ｎ），ｈｒは、シュー端からの距離を表す既知の幾何学情報であり、予め記憶部１５９に記憶されている。

検査対象１２０の膜１２２上に配置された超音波センサ１１０の第ｎ送信素子１１１（ｎ＝１，２，３）から送信され、膜１２２の底面１２９において１回だけ鏡面反射してから受信素子１１２に到達する超音波の伝搬経路長Ｌ（ｎ）は、第ｎ送信素子１１１から膜１２２の底面１２９までの超音波の伝搬経路長をＬａ（ｎ）とし、膜１２２の底面１２９から受信素子１１２までの超音波の伝搬経路長をＬｂ（ｎ）としたとき、式（１）で表される。
Ｌ（ｎ）＝Ｌａ（ｎ）＋Ｌｂ（ｎ） ・・・（１）

伝搬経路長Ｌａ（ｎ）は式（２）で表され、伝搬経路長Ｌｂ（ｎ）は式（３）で表される。
Ｌａ（ｎ）＝（ｈｐ（ｎ）´＋ｈ１）／ｃｏｓφｐ（ｎ） ・・・（２）
Ｌｂ（ｎ）＝（ｈｒ´＋ｈ１）／ｃｏｓφｐ（ｎ） ・・・（３）

図中、点Ａ、点Ｂ、点Ｃを頂点とする三角形ＡＢＣのＸ´軸に平行な底辺ＡＣの長さをΔｗｐとすると、入射角φｐ（ｎ）は、式（４）により表される。なお、点Ａは膜１２２の底面１２９における超音波の反射点であり、点Ｂは第ｎ送信素子１１１の位置であり、点Ｃは第ｎ送信素子１１１から膜１２２の底面１２９に下した垂線と膜１２２の底面１２９との交点である。
φｐ（ｎ）＝ｔａｎ^－１（Δｗｐ／（ｈｐ（ｎ）´＋ｈ１）） ・・・（４）

図中、点Ａ、点Ｄ、点Ｅを頂点とする三角形ＡＤＥと、三角形ＡＢＣは相似形状である。このため、長さΔｗｐは、式（５）により表される。なお、点Ｄは受信素子１１２の位置であり、点Ｅは受信素子１１２から膜１２２の底面１２９に下した垂線と膜１２２の底面１２９との交点である。
Δｗｐ＝（（ｈｐ（ｎ）´＋ｈ１）×（ｗｒ´－ｗｐ（ｎ）´））／（ｈｐ（ｎ）´＋２×ｈ１＋ｈｒ´） ・・・（５）

距離ｈｐ（ｎ）´は式（６）で表され、距離ｗｐ（ｎ）´は式（７）で表される。
ｈｐ（ｎ）´＝ｈｐ（ｎ）ｃｏｓθｔ＋ｗｐ（ｎ）ｓｉｎθｔ ・・・（６）
ｗｐ（ｎ）´＝ｗｐ（ｎ）ｃｏｓθｔ－ｈｐ（ｎ）ｓｉｎθｔ ・・・（７）

距離ｈｒ´は式（８）で表され、距離ｗｒ´は式（９）で表される。
ｈｒ´＝ｈｒｃｏｓθｔ＋ｗｒｓｉｎθｔ ・・・（８）
ｗｒ´＝ｗｒｃｏｓθｔ－ｈｒｓｉｎθｔ ・・・（９）

また、θｔは、式（１０）で表される。
θｔ＝ｔａｎ^－１（ｈ２－ｈ１）／ｗ ・・・（１０）

第ｎ送信素子１１１から膜１２２内に送信され、膜１２２の底面１２９で１回だけ鏡面反射し、受信素子１１２に到達する超音波の伝搬経路長Ｌ（ｎ）は、経路長測定部１５１により測定される。経路長測定部１５１は、第１送信素子１１１ａからの超音波の伝搬経路長Ｌ（１）、第２送信素子１１１ｂからの超音波の伝搬経路長Ｌ（２）、及び、第３送信素子１１１ｃからの超音波の伝搬経路長Ｌ（３）を測定し、記憶部１５９に記憶させる。

形状推定部１５２は、記憶部１５９に記憶されている伝搬経路長Ｌ（１），Ｌ（２），Ｌ（３）のエコー実測値と、上述の式（１）～（１０）に基づいて、３つの連立方程式を作成し、連立方程式を解くことにより、膜１２２の形状を表す未知数である台形状の膜１２２の短辺ｈ１、長辺ｈ２及び幅ｗを演算し、記憶部１５９に記憶させる。このように、形状推定部１５２は、経路長測定部１５１で測定された３つの伝搬経路長Ｌ（１），Ｌ（２），Ｌ（３）のエコー実測値と、上述の式（１）～（１０）に基づいて、台形で表される膜１２２の形状を推定することができる。

次に、推定した膜１２２の形状データに基づいて、膜１２２の底面１２９で複数回反射される多重反射波の伝搬経路長ΣＬ_ｉを推定する方法について説明する。伝搬経路長ΣＬｉの推定は、制御装置１５０により行われる。図１に示すように、制御装置１５０は、推定された膜１２２の形状に基づいて、送信素子１１１から膜１２２内に送信され膜１２２の底面１２９と表面１２８において鏡面反射する多重反射波の伝搬経路長を推定する経路長推定部１５３を有する。

図９は、送信素子１１１から送信された超音波が膜１２２の底面１２９で反射された後、膜１２２の表面１２８で反射され、再び膜１２２の底面１２９で反射された後、受信素子１１２に到達する超音波の多重反射波の伝搬経路を示す図である。

多重反射波の伝搬経路長ΣＬｉは、送信素子１１１から送信される超音波の１回目の反射点における母材１２１への入射角φ_１を変数として、各反射点を順次計算していき、受信素子１１２に到達したときにおける入射角φ_１を求める。このように複数回の反射後に受信素子１１２で受信される超音波の入射角φ_１の条件は、式（１１），（１２）を満たす。φ_１が求まると伝搬経路が決まるため、伝搬経路長ΣＬ_ｋも決定される。
φ_ｋ＝φ_ｋ－１+ξ（ｍｏｄ（ｋ－１））×２×θｔ （１１）
ΣＬ_ｋ×ｓｉｎ（φ_ｋ）＝ｗｒ´－ｗｐ（ｎ）´ （１２）

ここで、ｍは、膜１２２内での反射回数＋１であり、本実施形態ではｍ＝４である。Ｌ_１は、送信素子１１１から１回目の反射点までの距離であり、Ｌ_ｍは、（ｍ－１）回目の反射点（すなわち最後の反射点）から受信素子１１２までの距離である。Ｌ_ｋ（ｋ＝２から（ｍ－１）までの整数）は、膜１２２の底面１２９での反射点と膜１２２の表面１２８での反射点との間の距離である。φ_ｋは、ｋが奇数の場合にはｋ回目の反射点における超音波の入射角であり、ｋが偶数の場合には（ｋ－１）回目の反射点における超音波の反射角である。ξ（ｘ）は、括弧内の変数ｘが０のときには１となり、変数ｘが０でないときには０となる、２値関数である。ｍｏｄ（ｘ）は、括弧内の変数ｘを２で割ったときの剰余である。Σはｋ＝１からｍまでの値を積算する積算記号である。

図１に示す経路長測定部１５１は、送信素子１１１から膜１２２内に送信され受信素子１１２で受信される超音波の波形データに基づいて、膜１２２の底面１２９と表面１２８において反射する多重反射波の伝搬経路長を測定する。多重反射波の伝搬経路長は、図４に示す反射波の波形データのうち、膜１２２の底面１２９で１回だけ反射する１回反射波の反射エコー（時点ｔ１）の次以降の反射エコーに基づき決定する。

超音波センサ１１０では、母材１２１から膜１２２が剥離してない健全な状態では、母材１２１に超音波が入射し母材１２１の底面で反射する反射波（底面反射波）が検出される。超音波センサ１１０では、母材１２１から膜１２２が剥離している場合、母材１２１の底面で反射する反射波（底面反射波）は検出されない。本実施形態では、経路長測定部１５１は、母材１２１から膜１２２が剥離していることを仮定して測定を行う。つまり、経路長測定部１５１は、図４に示す波形データにおける時点ｔ２における反射エコーを膜１２２の底面１２９で２回反射した多重反射波の反射エコーと仮定して、その反射エコーの伝搬時間に基づいて伝搬経路長Ｌｃを測定する。

図１に示すように、制御装置１５０は、経路長推定部１５３で推定された多重反射波の伝搬経路長ΣＬ_ｋと、多重反射波として測定された超音波（反射エコー）の伝搬経路長Ｌｃとを比較することにより、母材１２１に対する膜１２２の剥離の有無を検査する比較検査部１５４を有する。なお、本実施形態では、多重反射波の伝搬経路長の実測値と推定値の比較は、複数の送信素子１１１のうちのいずれか一つから送信される多重反射波に対して行われる。

制御装置１５０としては、上述の各種演算が実行可能なプログラムがインストールされたＰＣ（パーソナルコンピュータ）を用いることができる。制御装置１５０の記憶部１５９には、上述の各種演算が実行可能なプログラムが格納されている。すなわち、制御装置１５０の記憶部１５９は、本実施形態の機能を実現するプログラムを読み取り可能な記憶媒体である。なお、ＰＣの形態は、デスクトップ型、ノート型、タブレット型等、種々の形態を採用することができる。

ＵＴ装置１００は、制御装置１５０、各送信素子１１１及び受信素子１１２に接続されている。入力装置４が操作され、制御装置１５０から検査開始指令がＵＴ装置１００に入力されると、ＵＴ装置１００は各パルサ１０３を制御する。これにより、送信素子１１１は、パルサ１０３から短時間（一定時間）出力される電圧信号によって励振されることで超音波を送信する。

図１０は、本発明の第１実施形態に係る制御装置１５０により実行される膜剥離検査プログラムによる処理の一例を示すフローチャートである。図１０に示すように、ステップＳ１００において、入力装置４によって検査を開始する操作がなされると、制御装置１５０は、ＵＴ装置１００に検査開始指令を出力し、ステップＳ１０１へ進む。ＵＴ装置１００は、複数の送信素子１１１を１つずつ制御し、各送信素子１１１から送信され、受信素子１１２で受信される超音波の波形データを取得し、制御装置１５０に出力する。

ステップＳ１０１において、制御装置１５０は、ＵＴ装置１００から入力される反射波の波形データに基づき、超音波の伝搬経路長を測定する。制御装置１５０は、膜１２２の底面１２９で１回だけ反射した１回反射波の伝搬経路長Ｌ（ｎ）及び膜１２２の底面１２９で２回だけ反射した多重反射波の伝搬経路長Ｌｃを測定し、記憶部１５９に記憶させる。超音波の伝搬経路長の測定処理が完了すると、ステップＳ１０６へ進む。

ステップＳ１０６において、制御装置１５０は、膜１２２の形状の推定を行う。具体的には、制御装置１５０は、ステップＳ１０１で測定された伝搬経路長Ｌ（１），Ｌ（２），Ｌ（３）と上述の式（１）～（１０）とに基づいて、膜１２２の断面における台形の短辺ｈ１、長辺ｈ２及び幅ｗを演算し、記憶部１５９に記憶させる。また、ステップＳ１０６において、制御装置１５０は、後述するステップＳ１１１の演算に用いるθｔ，ｗｒ（ｎ）´，ｗｐ（ｎ）´の演算も行い、記憶部１５９に記憶させる。

なお、報知装置５が、膜１２２の形状を表すデータ（例えば、ｈ１，ｈ２，ｗ，θｔ）を報知するようにしてもよい。例えば、報知装置５が表示装置で構成される場合、表示装置は、表示画面に膜１２２の形状を表す表示画像を表示させる。これにより、検査員は、台形で表される膜１２２の形状、膜１２２の厚みの分布を確認することができる。膜１２２の形状の推定処理、すなわちｈ１，ｈ２，ｗの演算処理が完了すると、ステップＳ１１１へ進む。

ステップＳ１１１において、制御装置１５０は、多重反射波である膜１２２の底面１２９において２回だけ反射した反射波の伝搬経路長ΣＬ_ｋを推定する。具体的には、ステップＳ１０６で演算されたθｔ，ｗｒ´，ｗｐ（ｎ）´を用いて、式（１１），（１２）において入射角φ_１を変数として順次計算することにより、多重反射波の伝搬経路を決定し、その伝搬経路長ΣＬ_ｋを演算する。多重反射波の伝搬経路長ΣＬ_ｋの推定処理が完了すると、ステップＳ１１６へ進む。

ステップＳ１１６において、制御装置１５０は、ステップＳ１０１で得られた伝搬経路長の実測値Ｌｃと、ステップＳ１１１で得られた伝搬経路長の推定値ΣＬ_ｋと、を比較し、一致しているか否かを判定する。伝搬経路長の実測値と推定値とが一致しているか否かの判定は、実測値と推定値の差が予め定められた閾値より小さいか否かにより行う。すなわち、実測値と推定値の差が閾値未満である場合には実測値と推定値とが一致していると判定し、実測値と推定値の差が閾値以上である場合には実測値と推定値とが一致していないと判定する。伝搬経路長の実測値と推定値とが一致していると判定されると、ステップＳ１２１へ進み、伝搬経路長の実測値と推定値とが一致していないと判定されると、ステップＳ１２６へ進む。

ステップＳ１２１において、制御装置１５０は、剥離有りと判定し、報知装置５を制御して、報知装置５により、検査対象１２０において膜１２２の剥離が有ることを表す情報を報知する。ステップＳ１２６において、制御装置１５０は、剥離無し（すなわち健全な状態である）と判定し、報知装置５を制御して、報知装置５により、検査対象１２０において膜１２２の剥離が無いこと（すなわち健全な状態であること）を表す情報を報知する。

このように、本実施形態に係る膜剥離検査方法は、制御装置１５０が、３つ以上の送信素子１１１のそれぞれから膜１２２内に送信され膜１２２の底面１２９で反射され受信素子１１２で受信される超音波の波形データに基づいて、超音波の伝搬経路長を測定し（ステップＳ１０１）、１回反射波の伝搬経路長として測定された３つ以上の伝搬経路長Ｌ（１），Ｌ（２），Ｌ（３）に基づいて、断面が台形で表される膜１２２の形状を推定し（ステップＳ１０６）、推定された膜１２２の形状に基づいて、送信素子１１１から膜１２２内に送信され膜１２２の底面１２９と表面１２８において反射する多重反射波の伝搬経路長を推定し（ステップＳ１１１）、推定された多重反射波の伝搬経路長と、多重反射波の伝搬経路長として測定された伝搬経路長Ｌｃとを比較することにより、母材１２１に対する膜１２２の剥離の有無を検査する（ステップＳ１１６，Ｓ１２１，Ｓ１２６）。

このような第１実施形態によれば、次の作用効果を奏する。

（１）超音波センサ１１０は、検査対象１２０に超音波を送信する３つ以上の送信素子１１１と、送信素子１１１から送信された超音波の反射波を受信する１つ以上の受信素子１１２と、送信素子１１１及び受信素子１１２を保持する保持面１３１，１３２並びに検査対象に当接する当接面１３９を有するシュー１３０と、を備える。シュー１３０は、受信素子１１２に近い送信素子１１１から遠い送信素子１１１にかけて、送信素子１１１を保持する保持面１３１の当接面１３９に対する角度であるシュー角θｐが大きくなるように多角形状に形成される。シュー１３０は、断面が台形状の検査対象１２０の膜１２２に当接面１３９が当接した状態で、少なくとも３つの送信素子１１１（本実施形態では、第１送信素子１１１ａ、第２送信素子１１１ｂ、第３送信素子１１１ｃ）から送信される超音波が１つの受信素子１１２によって受信されるように形成されている。

これにより、検査対象１２０の断面が台形状の場合において、超音波の受信感度を向上することができる。したがって、３つ以上の送信素子１１１のそれぞれから送信され受信素子１１２で受信される超音波の波形データに基づいて、超音波の伝搬経路長を測定し、測定された３つ以上の伝搬経路長Ｌ（１），Ｌ（２），Ｌ（３）に基づいて、断面が台形で表される検査対象１２０の膜１２２の形状を精度よく推定することができる。

（２）３つ以上の送信素子１１１には、第１送信素子１１１ａと、第１送信素子１１１ａよりも受信素子１１２からの距離が遠い第２送信素子１１１ｂと、第２送信素子１１１ｂよりも受信素子１１２からの距離が遠い第３送信素子１１１ｃと、が含まれる。第１送信素子１１１ａを保持する保持面１３１ａのシュー角をθｐ（１）、第１送信素子１１１ａから送信される超音波の入射角をφｐ（１）とし、第２送信素子１１１ｂを保持する保持面１３１ｂのシュー角をθｐ（２）、第２送信素子１１１ｂから送信される超音波の入射角をφｐ（２）とし、第３送信素子１１１ｃを保持する保持面１３１のシュー角をθｐ（３）、第３送信素子１１１ｃから送信される超音波の入射角をφｐ（３）とし、受信素子１１２を保持する保持面１３２のシュー角をθｒとしたとき、シュー１３０は、以下の第１条件及び第２条件を満たすように形成されている。

（第１条件）
φｐ（１）＋９０°－送信素子の半値角≦θｐ（１）≦φｐ（１）＋９０°＋送信素子の半値角
φｐ（２）＋９０°－送信素子の半値角≦θｐ（２）≦φｐ（２）＋９０°＋送信素子の半値角
φｐ（３）＋９０°－送信素子の半値角≦θｐ（３）≦φｐ（３）＋９０°＋送信素子の半値角

（第２条件）
Ｍｉｎ（φｐ（１），φｐ（２），φｐ（３））＜θｒ＜Ｍａｘ（φｐ（１），φｐ（２），φｐ（３））

これにより、超音波センサ１１０における送受信強度を高めることができるので、膜１２２の形状の推定が容易となる。

（３）検査対象１２０における母材１２１に対する膜１２２の剥離の有無を検査する方法では、３つ以上の送信素子１１１のそれぞれから送信され受信素子１１２で受信される超音波の波形データに基づいて、超音波の伝搬経路長を測定し、１回反射波の伝搬経路長として測定された３つ以上の伝搬経路長Ｌ（１），Ｌ（２），Ｌ（３）に基づいて、断面が台形で表される膜１２２の形状を推定し、推定された膜１２２の形状に基づいて、送信素子１１１から膜１２２内に送信され膜１２２の底面１２９と表面１２８において反射する多重反射波の伝搬経路長ΣＬ_ｉを推定し、推定された多重反射波の伝搬経路長ΣＬ_ｉと、多重反射波の伝搬経路長として測定された伝搬経路長Ｌｃとを比較することにより、母材１２１に対する膜１２２の剥離の有無を検査するようにした。これにより、断面が台形で表される膜１２２の剥離の検査を精度よく行うことができる。

（４）超音波センサ１１０は、送信素子１１１を少なくとも３つ、受信素子１１２を少なくとも１つ備えることで、上述した検査対象１２０の形状の推定と、膜１２２の剥離の検査を精度よく行うことができる。つまり、送信素子１１１及び受信素子１１２の数の増加を抑えることにより、超音波センサ１１０のコストの低減を図ることができるとともに、測定結果のデータ処理量を抑え、膜１２２の剥離の有無の検査を実行する超音波検査システム１の負荷の低減を図ることができる。

＜第１実施形態の変形例＞
上記実施形態では、ステップＳ１２１において、制御装置１５０は、剥離有りと判定する例について説明したが、本発明はこれに限定されない。図１１に示すように、多重反射波の伝搬経路長の推定値（ΣＬ_ｋ）とエコー実測値（Ｌｃ）とが一回一致しただけでは、剥離有りと判定しないようにしてもよい。

母材１２１から膜１２２が剥離していない健全な状態において、膜１２２から母材１２１に入射し、母材１２１の底面で反射した底面反射波の伝搬経路長と、膜１２２の底面１２９と表面１２８で反射した多重反射波の伝搬経路長とが一致する、あるいは両者の差が小さいことがある。そこで、本変形例では、超音波センサ１１０の位置を変えた状態で膜１２２の剥離検査を行い、少なくとも２回、伝搬経路長の推定値（ΣＬ_ｋ）とエコー実測値（Ｌｃ）とが一致したと判定された場合に、剥離有りと判定する。以下、図１１に示すフローチャートを参照して詳しく説明する。

本変形例では、ステップＳ１１６において、多重反射波の伝搬経路長の推定値（ΣＬ_ｋ）とエコー実測値（Ｌｃ）とが一致していると判定された場合、ステップＳ１２１ｖへ進む。

ステップＳ１２１ｖにおいて、制御装置１５０は、ステップＳ１１６において比較したエコー実測値（Ｌｃ）は、多重反射波の伝搬経路長の可能性があると判定し、待機状態となる。

その後、検査員が超音波センサ１１０を断面が台形状の膜１２２の短辺側あるいは長辺側に向かって移動させ、入力装置４によって検査を開始する操作を再び行う。ステップＳ１３０～Ｓ１４６までの処理は、ステップＳ１００～Ｓ１１６までの処理と同様であるので説明を省略する。

ステップＳ１４６において、多重反射波の伝搬経路長の推定値（ΣＬ_ｋ）とエコー実測値（Ｌｃ）とが一致していると判定された場合、ステップＳ１５１へ進む。ステップＳ１４６において、多重反射波の伝搬経路長の推定値（ΣＬ_ｋ）とエコー実測値（Ｌｃ）とが一致していないと判定された場合、ステップＳ１２６へ進む。ステップＳ１５１において、制御装置１５０は、剥離有りと判定し、報知装置５を制御して、報知装置５により、検査対象１２０において膜１２２の剥離が有ることを表す情報を報知する。

このように、本変形例では、制御装置１５０は、膜１２２上における所定の位置に超音波センサ１１０が配置されている状態で、推定された多重反射波の伝搬経路長（ΣＬ_ｋ）と、測定された伝搬経路長（Ｌｃ）とを比較する第１の比較を行う（ステップＳ１１６）。さらに、制御装置１５０は、膜１２２上における上記所定の位置とは異なる位置に超音波センサ１１０が配置されている状態で、推定された多重反射波の伝搬経路長（ΣＬ_ｋ）と、測定された伝搬経路長（Ｌｃ）とを比較する第２の比較を行う（ステップＳ１４６）。そして、制御装置１５０は、第１の比較の結果と第２の比較の結果に基づいて、母材１２１に対する膜１２２の剥離の有無を検査する。具体的には、第１の比較の結果及び第２の比較の結果のそれぞれにおいて、伝搬経路長の推定値（ΣＬ_ｋ）とエコー実測値（Ｌｃ）とが一致したと判定された場合には、剥離有りと判定し、第１の比較の結果及び第２の比較の結果のうち少なくともいずれかにおいて、伝搬経路長の推定値（ΣＬ_ｋ）とエコー実測値（Ｌｃ）とが一致していないと判定された場合には、剥離無しと判定する。

このような変形例によれば、上記実施形態と同様の効果に加え、１回目の膜剥離検査において、母材１２１から膜１２２が剥離していない健全な状態において、膜１２２から母材１２１に入射し、母材１２１の底面で反射した底面反射波の伝搬経路長と、推定した膜内多重反射波の伝搬経路長とが一致する、あるいは両者の差が小さいことに起因して、誤判定がなされることを防止できる。つまり、本変形例によれば、膜剥離検査をより精度よく行うことができる。

＜第２実施形態＞
図１２及び図１３Ａ～図１３Ｃを参照して、本発明の第２実施形態に係る超音波センサ２１０の構成及び母材１２１に被覆される膜２２２の形状推定方法について説明する。図１２は、本発明の第２実施形態に係る超音波センサ２１０の構成を示す図である。図１３Ａは、膜２２２の表面２２８の傾斜角がθｔ１である場合の送信素子１１１から受信素子１１２に到達する超音波の主音軸を示す図である。図１３Ｂは、膜２２２の表面２２８の傾斜角がθｔ２である場合の送信素子１１１から受信素子１１２に到達する超音波の主音軸を示す図である。図１３Ｃは、膜２２２の表面２２８の傾斜角がθｔ３である場合の送信素子１１１から受信素子１１２に到達する超音波の主音軸を示す図である。なお、各傾斜角の大小関係は、θｔ１＜θｔ２＜θｔ３である。

第２実施形態に係る超音波センサ２１０は、受信素子１１２を複数有している。具体的には、超音波センサ２１０は、複数の送信素子１１１と、複数の受信素子１１２とを備える。なお、図では、複数の送信素子１１１のうち代表して３つの送信素子１１１を図示しているが、４つ以上の送信素子１１１が設けられている。

受信素子１１２に近い送信素子１１１から遠い送信素子１１１にかけて送信素子１１１に連続番号ｉ（ｉは自然数）を付す。また、送信素子１１１に近い受信素子１１２から遠い受信素子１１２にかけて受信素子１１２に連続番号ｊ（ｊは自然数）を付す。

図中の各記号は、それぞれ以下のとおりである。なお、（ｉ）はｉ番目の送信素子１１１に対応する距離であることを表す記号であり、（ｊ）はｊ番目の受信素子１１２に対応する距離であることを表す記号である。
ｗｐ（ｉ）：第１基準点Ｐ１からｉ番目の送信素子１１１までのｘ軸方向の距離
ｗｒ（ｊ）：第１基準点Ｐ１からｊ番目の受信素子１１２までのｘ軸方向の距離
ｈｐ（ｉ）：第１基準点Ｐ１からｉ番目の送信素子１１１までのｙ軸方向の距離
ｈｒ（ｊ）：第１基準点Ｐ１からｊ番目の受信素子１１２までのｙ軸方向の距離
ｗｐ（ｉ）´：第１基準点Ｐ１からｉ番目の送信素子１１１までのｘ´軸方向の距離
ｗｒ（ｊ）´：第１基準点Ｐ１からｊ番目の受信素子１１２までのｘ´軸方向の距離
ｈｐ（ｉ）´：第１基準点Ｐ１からｉ番目の送信素子１１１までのｙ´軸方向の距離
ｈｒ（ｊ）´：第１基準点Ｐ１からｊ番目の受信素子１１２までのｙ´軸方向の距離
φｐ（ｉ，ｊ）：ｉ番目の送信素子１１１から送信され、膜１２２の底面１２９において１回だけ反射し、ｊ番目の受信素子１１２で受信される超音波の膜２２２の底面１２９に対する入射角

検査対象１２０の膜２２２上に配置された超音波センサ１１０のｉ番目の送信素子１１１から送信され、膜２２２の底面１２９において１回だけ鏡面反射してからｊ番目の受信素子１１２に到達する超音波の伝搬経路長Ｌ（ｉ，ｊ）は、以下の式（１３）～（２０）で表される。
Ｌ（ｉ，ｊ）＝（ｈｐ（ｉ）´＋ｈ１）／ｃｏｓφｐ（ｉ，ｊ）
＋（ｈｒ（ｊ）´＋ｈ１）／ｃｏｓφｐ（ｉ，ｊ） ・・・（１３）
φｐ（ｉ，ｊ）＝ｔａｎ^－１（Δｗｐ（ｉ，ｊ）／（ｈｐ（ｉ）´＋ｈ１））
・・・（１４）
Δｗｐ（ｉ，ｊ）＝（（ｈｐ（ｉ）´＋ｈ１）×（ｗｒ（ｊ）´－ｗｐ（ｉ）´））／（ｈｐ（ｉ）´＋２×ｈ１＋ｈｒ（ｊ）´） ・・・（１５）
ｈｐ（ｉ）´＝ｈｐ（ｉ）ｃｏｓθｔ＋ｗｐ（ｉ）ｓｉｎθｔ ・・・（１６）
ｗｐ（ｉ）´＝ｗｐ（ｉ）ｃｏｓθｔ－ｈｐ（ｉ）ｓｉｎθｔ ・・・（１７）
ｈｒ（ｊ）´＝ｈｒ（ｊ）ｃｏｓθｔ＋ｗｒ（ｊ）ｓｉｎθｔ ・・・（１８）
ｗｒ（ｊ）´＝ｗｒ（ｊ）ｃｏｓθｔ－ｈｒ（ｊ）ｓｉｎθｔ ・・・（１９）
θｔ＝ｔａｎ^－１（ｈ２－ｈ１）／ｗ ・・・（２０）

第２実施形態に係る制御装置１５０は、膜２２２の表面２２８の傾斜角θｔに応じて、４つ以上の送信素子１１１のうち、以下の選択条件を満たす範囲で、使用する送信素子１１１を３つ以上選択し、複数の受信素子１１２のうち、膜内反射波の到達点の送信波の半値角範囲内で、使用する受信素子１１２を選択する。
（選択条件）
θｐ（ｉ）－送信素子の半値角＜φｐ（ｉ，ｊ）＜θｐ（ｉ）＋送信素子の半値角
ここで、θｐ（ｉ）は、ｉ番目の送信素子１１１の保持面１３１のシュー角である。

制御装置１５０は、選択された３つ以上の送信素子１１１のそれぞれから送信され、選択されたｊ番目の受信素子１１２で受信される超音波の波形データに基づいて、上記第１実施形態と同様、超音波の伝搬経路長を測定し、１回反射波の伝搬経路長として測定された３つ以上の伝搬経路長と上述の式（１３）～（２０）に基づいて、断面が台形で表される検査対象の形状を推定する。なお、膜２２２の形状の推定方法及び膜２２２の剥離の有無の検査方法については、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。

このような第２実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を奏することができるとともに、膜２２２の表面の傾斜角θｔが上記第１実施形態と同程度の場合だけでなく、図１３Ｂ及び図１３Ｃに示すように膜２２２の表面２２８の傾斜角θｔが大きい場合であっても高い送受信強度で超音波を受信することができ、膜２２２の形状を推定することが可能である。つまり、本第２実施形態に係る超音波検査システム１によれば、傾斜角θｔが様々な膜２２２の形状を精度よく推定し、膜２２２の剥離の有無を精度よく検査することができる。

次のような変形例も本発明の範囲内であり、変形例に示す構成と上述の実施形態で説明した構成を組み合わせたり、上述の異なる実施形態で説明した構成同士を組み合わせたり、以下の異なる変形例で説明する構成同士を組み合わせることも可能である。

＜変形例１＞
上記実施形態では、検査員が、入力装置４によって検査開始操作を行うことにより、制御装置１５０が、伝搬経路長を測定し、膜１２２の形状の推定し、多重反射波の伝搬経路長を推定し、多重反射波の伝搬経路長の推定値と実測値とを比較することにより膜１２２，２２２の剥離の有無を検査する例について説明したが、本発明はこれに限定されない。上記工程の一部または全部を超音波センサ１１０とＵＴ装置１００と計算機等を用いて、検査員が行ってもよい。

＜変形例２＞
上記実施形態では、多重反射波の伝搬経路長の推定値と、波形データから得られる伝搬経路長の実測値との比較において、膜１２２の底面１２９で２回反射した反射波の推定値と実測値とを比較する例について説明したが、本発明はこれに限定されない。膜１２２の底面１２９で３回以上反射した反射波の推定値と実測値とを比較してもよい。また、膜１２２の底面１２９で２回反射した反射波の推定値と、反射波の波形データにおける所定値以上の強度を有する全てのエコーから得られる伝搬経路長の実測値とを比較して剥離の有無を判定するようにしてもよい。この場合、複数回比較判定が行われるが、１回でも推定値と実測値とが一致した場合には、膜１２２の剥離が有ると判定し、推定値と全ての実測値とが一致しない場合には、膜１２２の剥離が無いと判定する。

＜変形例３＞
上記実施形態では、母材１２１が金属により形成され、膜１２２が樹脂により形成される例について説明したが、本発明はこれに限らず、母材１２１及び膜１２２は種々の材料により形成することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

１・・・超音波検査システム、１１０，２１０・・・超音波センサ、１１１・・・送信素子、１１１ａ・・・第１送信素子、１１１ｂ・・・第２送信素子、１１１ｃ・・・第３送信素子、１１２・・・受信素子、１２０，２２０・・・検査対象、１２１・・・母材、１２２，２２２・・・膜、１２８，２２８・・・表面、１２９・・・底面、１３０・・・シュー、１３１，１３２・・・保持面、１３９・・・当接面、１５０・・・制御装置

Claims (11)

1. 検査対象に超音波を送信する３つ以上の送信素子と、
   前記送信素子から送信された超音波の反射波を受信する１つ以上の受信素子と、
   前記送信素子及び前記受信素子を保持する保持面並びに前記検査対象に当接する当接面を有するシューと、を備え、
   前記シューは、前記受信素子に近い送信素子から遠い送信素子にかけて、前記送信素子を保持する保持面の前記当接面に対する角度であるシュー角が大きくなるように多角形状に形成される、
   ことを特徴とする超音波センサ。
2. 請求項１に記載の超音波センサにおいて、
   前記シューは、断面が台形状の前記検査対象に前記当接面が当接した状態で、少なくとも３つの前記送信素子から送信される超音波が１つの受信素子によって受信されるように形成されている、
   ことを特徴とする超音波センサ。
3. 請求項１に記載の超音波センサにおいて、
   前記検査対象は、母材と、前記母材に被覆される膜とを有し、
   前記３つ以上の送信素子には、第１送信素子と、前記第１送信素子よりも前記受信素子からの距離が遠い第２送信素子と、前記第２送信素子よりも前記受信素子からの距離が遠い第３送信素子と、が含まれ、
   前記第１送信素子を保持する前記保持面のシュー角をθｐ（１）、前記第１送信素子から前記母材に向かって送信される超音波の進行方向と、前記母材と前記膜の境界面の法線方向との間の角度をφｐ（１）とし、
   前記第２送信素子を保持する前記保持面のシュー角をθｐ（２）、前記第２送信素子から前記母材に向かって送信される超音波の進行方向と、前記母材と前記膜の境界面の法線方向との間の角度をφｐ（２）とし、
   前記第３送信素子を保持する前記保持面のシュー角をθｐ（３）、前記第３送信素子から前記母材に向かって送信される超音波の進行方向と、前記母材と前記膜の境界面の法線方向との間の角度をφｐ（３）とし、
   前記受信素子を保持する前記保持面のシュー角をθｒとしたとき、
   前記シューは、
   φｐ（１）＋９０°－送信素子の半値角≦θｐ（１）≦φｐ（１）＋９０°＋送信素子の半値角
   φｐ（２）＋９０°－送信素子の半値角≦θｐ（２）≦φｐ（２）＋９０°＋送信素子の半値角
   φｐ（３）＋９０°－送信素子の半値角≦θｐ（３）≦φｐ（３）＋９０°＋送信素子の半値角
   Ｍｉｎ（φｐ（１），φｐ（２），φｐ（３））＜θｒ＜Ｍａｘ（φｐ（１），φｐ（２），φｐ（３））
   を満たすように形成されている、
   ことを特徴とする超音波センサ。
4. 超音波センサを用いて検査対象の形状を推定する方法であって、
   前記超音波センサは、前記検査対象に超音波を送信する３つ以上の送信素子と、前記送信素子から送信された超音波の反射波を受信する１つ以上の受信素子と、前記送信素子及び前記受信素子を保持する保持面並びに前記検査対象に当接する当接面を有するシューと、を備え、前記シューは、前記受信素子に近い送信素子から遠い送信素子にかけて、前記送信素子を保持する保持面の前記当接面に対する角度であるシュー角が大きくなるように多角形状に形成され、
   前記３つ以上の送信素子のそれぞれから送信され前記受信素子で受信される超音波の波形データに基づいて、超音波の伝搬経路長を測定し、
   前記測定された３つ以上の伝搬経路長に基づいて、断面が台形で表される前記検査対象の形状を推定する、
   ことを特徴とする形状推定方法。
5. 請求項４に記載の形状推定方法において、
   前記検査対象は、母材と、前記母材に被覆される膜とを有し、
   前記超音波センサは、前記受信素子を複数有し、
   前記受信素子に近い送信素子から遠い送信素子にかけて前記送信素子に連続番号ｉ（ｉは自然数）を付し、前記送信素子に近い受信素子から遠い受信素子にかけて前記受信素子に連続番号ｊ（ｊは自然数）を付した場合であって、ｉ番目の送信素子を保持する前記保持面のシュー角をθｐ（ｉ）とし、ｉ番目の送信素子から送信されｊ番目の受信素子で受信される超音波における前記ｉ番目の送信素子から前記母材に向かって送信される超音波の進行方向と、前記母材と前記膜の境界面の法線方向との間の角度をφｐ（ｉ，ｊ）としたとき、
   前記複数の送信素子のうち、
   θｐ（ｉ）－送信素子の半値角＜φｐ（ｉ，ｊ）＜θｐ（ｉ）＋送信素子の半値角
   を満たす送信素子を３つ以上選択し、
   前記選択された３つ以上の送信素子のそれぞれから送信され前記受信素子で受信される超音波の波形データに基づいて、超音波の伝搬経路長を測定し、
   前記測定された３つ以上の伝搬経路長に基づいて、断面が台形で表される前記検査対象の形状を推定する、
   ことを特徴とする形状推定方法。
6. 超音波センサを用いて検査対象の形状を推定し、その推定された結果を用いて前記検査対象における母材に対する膜の剥離の有無を検査する方法であって、
   前記超音波センサは、前記検査対象に超音波を送信する３つ以上の送信素子と、前記送信素子から送信された超音波の反射波を受信する１つ以上の受信素子と、前記送信素子及び前記受信素子を保持する保持面並びに前記検査対象に当接する当接面を有するシューと、を備え、前記シューは、前記受信素子に近い送信素子から遠い送信素子にかけて、前記送信素子を保持する保持面の前記当接面に対する角度であるシュー角が大きくなるように多角形状に形成され、
   前記３つ以上の送信素子のそれぞれから前記膜内に送信され前記受信素子で受信される超音波の波形データに基づいて、超音波の伝搬経路長を測定し、
   前記膜の底面で１回反射した１回反射波の伝搬経路長として測定された３つ以上の伝搬経路長に基づいて、断面が台形で表される前記膜の形状を推定し、
   前記推定された膜の形状に基づいて、前記送信素子から前記膜内に送信され前記膜の底面と表面において反射する多重反射波の伝搬経路長を推定し、
   前記推定された多重反射波の伝搬経路長と、多重反射波の伝搬経路長として測定された伝搬経路長とを比較することにより、前記母材に対する膜の剥離の有無を検査する、
   ことを特徴とする膜剥離検査方法。
7. 請求項６に記載の膜剥離検査方法において、
   前記膜上における所定の位置に前記超音波センサが配置されている状態で、前記推定された多重反射波の伝搬経路長と、前記測定された伝搬経路長とを比較する第１の比較を行い、
   前記膜上における前記所定の位置とは異なる位置に前記超音波センサが配置されている状態で、前記推定された多重反射波の伝搬経路長と、前記測定された伝搬経路長とを比較する第２の比較を行い、
   前記第１の比較の結果と前記第２の比較の結果に基づいて、前記母材に対する膜の剥離の有無を検査する、
   ことを特徴とする膜剥離検査方法。
8. 請求項１に記載の超音波センサと、
   前記３つ以上の送信素子のそれぞれから送信され前記受信素子で受信される超音波の波形データに基づいて、超音波の伝搬経路長を測定し、前記測定された３つ以上の伝搬経路長に基づいて、断面が台形で表される前記検査対象の形状を推定する制御装置と、を備える、
   ことを特徴とする超音波検査システム。
9. 請求項８に記載の超音波検査システムにおいて、
   前記検査対象は、母材と、前記母材に被覆される膜とを有し、
   前記超音波センサは、前記受信素子を複数有し、
   前記制御装置は、
   前記受信素子に近い送信素子から遠い送信素子にかけて前記送信素子に連続番号ｉ（ｉは自然数）を付し、前記送信素子に近い受信素子から遠い受信素子にかけて前記受信素子に連続番号ｊ（ｊは自然数）を付した場合であって、ｉ番目の送信素子を保持する前記保持面のシュー角をθｐ（ｉ）とし、ｉ番目の送信素子から送信されｊ番目の受信素子で受信される超音波における前記ｉ番目の送信素子から前記母材に向かって送信される超音波の進行方向と、前記母材と前記膜の境界面の法線方向との間の角度をφｐ（ｉ，ｊ）としたとき、
   前記複数の送信素子のうち、
   θｐ（ｉ）－送信素子の半値角＜φｐ（ｉ，ｊ）＜θｐ（ｉ）＋送信素子の半値角
   を満たす送信素子を３つ以上選択し、
   前記選択された３つ以上の送信素子のそれぞれから送信され前記受信素子で受信される超音波の波形データに基づいて、超音波の伝搬経路長を測定し、
   前記測定された３つ以上の伝搬経路長に基づいて、断面が台形で表される前記検査対象の形状を推定する、
   ことを特徴とする超音波検査システム。
10. 請求項８に記載の超音波検査システムにおいて、
    前記検査対象は、母材と、前記母材に被覆される膜とを有し
    前記制御装置は、
    前記３つ以上の送信素子のそれぞれから前記膜内に送信され前記受信素子で受信される超音波の波形データに基づいて、超音波の伝搬経路長を測定し、
    前記膜の底面で１回反射した１回反射波の伝搬経路長として測定された３つ以上の伝搬経路長に基づいて、断面が台形で表される前記膜の形状を推定し、
    前記推定された膜の形状に基づいて、前記送信素子から前記膜内に送信され前記膜の底面と表面において反射する多重反射波の伝搬経路長を推定し、
    前記推定された多重反射波の伝搬経路長と、多重反射波の伝搬経路長として測定された伝搬経路長とを比較することにより、前記母材に対する膜の剥離の有無を検査する、
    ことを特徴とする超音波検査システム。
11. 請求項１０に記載の超音波検査システムにおいて、
    前記制御装置は、
    前記膜上における所定の位置に前記超音波センサが配置されている状態で、前記推定された多重反射波の伝搬経路長と、前記測定された伝搬経路長とを比較する第１の比較を行い、
    前記膜上における前記所定の位置とは異なる位置に前記超音波センサが配置されている状態で、前記推定された多重反射波の伝搬経路長と、前記測定された伝搬経路長とを比較する第２の比較を行い、
    前記第１の比較の結果と前記第２の比較の結果に基づいて、前記母材に対する膜の剥離の有無を検査する、
    ことを特徴とする超音波検査システム。

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