JP7489345B2 - 超音波検査装置 - Google Patents

Description

本開示は、超音波検査装置に関する。

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（特に要約書）

特許文献１に記載の超音波検査装置では、被検査体中の欠陥部が微小な場合に検出しにくいという課題があった。この課題は、特に、検出しようとする欠陥部のサイズが、超音波ビームの大きさ（ビーム径）よりも、小さい場合に特に顕著になる。
本開示が解決しようとする課題は、欠陥部の検出性能、例えば最小検出可能サイズに優れた超音波検査装置の提供である。

本開示の超音波検査装置は、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、前記被検査体に関して前記送信プローブの反対側に設置された、超音波ビームを受信する偏心配置受信プローブとを備え、前記送信プローブの送信音軸と前記偏心配置受信プローブの受信音軸との偏心距離がゼロよりも大きくなるように前記偏心配置受信プローブが配置され、前記偏心配置受信プローブは、複数の単位入射部を備える入射部を備え、前記単位入射部は、法線を複数有する表面形状を有する。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、例えば最小検出可能サイズに優れた超音波検査装置を提供できる。

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。 送信プローブの構造を示す断面模式図である。 偏心配置受信プローブからの受信波形であり、被検査体Ｅの健全部Ｎでの受信波形を示す図である。 偏心配置受信プローブからの受信波形であり、被検査体Ｅの欠陥部Ｄでの受信波形を示す図である。 信号強度データのプロットの例を示す図である。 第１実施形態における超音波ビームの伝搬経路であって、健全部に超音波ビームが入射した場合を示す図である。 第１実施形態における超音波ビームの伝搬経路であって、欠陥部に超音波ビームが入射した場合を示す図である。 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、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。 従来の超音波検査方法での信号強度データのプロットを示す図である。 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。 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、散乱波を受信する様子を示す図である。 偏心配置受信プローブの構造を説明する図であり、側方から視た図である。 図１０Ａの上面図である。 図１０Ａに示す偏心配置受信プローブの表面を拡大して示す図である。 単位入射部への入射角と、入射した散乱波の、受信音軸に対する角度がゼロになるときの中心角との関係を示すグラフである。 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。 第１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２実施形態に係る超音波検査装置の走査計測装置の構成を示す図である。 第２実施形態による効果が生じる理由を説明する図である。 入射部を備えない偏心配置受信プローブを備える超音波検査装置を示す図である。 偏心配置受信プローブの角度と信号強度との関係を測定した図である。 第３実施形態の偏心配置受信プローブの構造を説明する図であり、側方から視た図である。 図２０Ａに示す偏心配置受信プローブの表面を拡大して示す図である。 第４実施形態の偏心配置受信プローブの構造を説明する図であり、側方から視た図である。 第５実施形態の偏心配置受信プローブの構造を説明する図であり、側方から視た図である。 第６実施形態の偏心配置受信プローブの構造を説明する図であり、側方から視た図である。 第７実施形態の偏心配置受信プローブの構造を説明する図であり、側方から視た図である。 第８実施形態の偏心配置受信プローブの構造を説明する図であり、側方から視た図である。 図２５Ａの上面図である。 第９実施形態の偏心配置受信プローブの構造を説明する上面図である。 第１０実施形態の超音波検査装置の構成を示す図である。 第１０実施形態の超音波検査装置の機能ブロック図である。 第１１実施形態の超音波検査装置の構成を示す図である。 第１２実施形態の超音波検査装置の構成を示す図である。 第１２実施形態の超音波検査装置の機能ブロック図である。 第１３実施形態における偏心配置受信プローブの配置を示す図であり、単位プローブを傾斜して配置した図である

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。

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（図３）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（図２９）、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、偏心配置受信プローブ１２０とを有する。偏心配置受信プローブ１２０の具体的な構造は、図１０Ａ等を参照して後記する。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。偏心配置受信プローブ１２０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を受信する受信プローブ１２１である。偏心配置受信プローブ１２０は、送信プローブ１１０の送信音軸ＡＸ１とは異なる位置に受信音軸ＡＸ２を有する。送信音軸ＡＸ１と受信音軸ＡＸ２との距離が偏心距離Ｌである。偏心配置受信プローブ１２０は、受信プローブ走査部１０４を介して筐体１０１に設置される。

なお、本明細書においては、超音波ビームＵを受信する受信プローブ１２１のうち、偏心距離Ｌがゼロよりも大きい位置に配置されたものを偏心配置受信プローブ１２０と定義し、偏心距離Ｌがゼロの位置に配置されたものを同軸配置受信プローブ１４０（図２Ａ等）と定義する。言い換えると、受信プローブ１２１は、偏心配置受信プローブ１２０と同軸配置受信プローブ１４０とを包括する用語であり、偏心距離Ｌによらず、超音波を受信するプローブを表す名称である。

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。図１に示す通り、送信音軸ＡＸ１と、受信音軸ＡＸ２とが、偏心距離Ｌだけずれるよう、送信プローブ１１０及び偏心配置受信プローブ１２０が設置される。なお、送信音軸ＡＸ１、受信音軸ＡＸ２、偏心距離Ｌの具体的内容については後記する。

受信プローブ走査部１０４が移動することにより、偏心配置受信プローブ１２０は試料台１０２をｘ軸及びｙ軸方向に走査する。送信プローブ１１０と偏心配置受信プローブ１２０とは、被検査体Ｅをはさんでｘ軸方向、又は、ｙ軸方向に対して偏心距離Ｌを保ちながら走査する（太両矢印）。

なお、走査計測装置１では、いずれも詳細は後記するが、偏心距離Ｌは以下のように設定されている。即ち、偏心距離Ｌが、超音波ビームＵの、被検査体Ｅの欠陥部Ｄでの散乱により生じる散乱波Ｕ１（図６Ｂ）を受信可能な距離に設定されている。又は、被検査体Ｅの欠陥部Ｄへの入射時の偏心配置受信プローブ１２０での受信信号強度が被検査体Ｅの健全部Ｎへの入射時の受信信号強度よりも大きくなるように、偏心距離Ｌが設定されている。又は、偏心距離Ｌが、被検査体Ｅの健全部Ｎへの照射時にノイズ以外の受信信号が検出されない距離に設定されている。

走査計測装置１は、送信音軸ＡＸ１と受信音軸ＡＸ２との偏心距離Ｌがゼロよりも大きくなるように、送信プローブ１１０又は偏心配置受信プローブ１２０の少なくとも一方の位置を調整する偏心距離調整部１０５を備える。偏心距離調整部１０５は、筐体１０１に設置されている受信プローブ走査部１０４に備えられる。そして、偏心距離調整部１０５には偏心配置受信プローブ１２０が備えられる。偏心距離調整部１０５により、受信プローブ走査部１０４の位置から独立して偏心配置受信プローブ１２０を移動でき、受信音軸ＡＸ２と送信音軸ＡＸ１とのずれが偏心距離Ｌになるように設定できる。なお、偏心距離調整部１０５は送信プローブ走査部１０３側に設けてもよい。即ち、受信音軸ＡＸ２と送信音軸ＡＸ１とのずれが偏心距離Ｌになるように設定できれば良いのであるから、偏心距離調整部１０５を受信プローブ１２１側に設けても、送信プローブ１１０側に設けてもよい。

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及び偏心配置受信プローブ１２０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及び偏心配置受信プローブ１２０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（図３）を放出し、偏心配置受信プローブ１２０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と偏心配置受信プローブ１２０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と偏心配置受信プローブ１２０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、及び偏心配置受信プローブ１２０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（図２９）でもよい）が介在する。このため、送信プローブ１１０及び偏心配置受信プローブ１２０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及び偏心配置受信プローブ１２０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、偏心配置受信プローブ１２０は、非収束型のプローブである。非収束型の偏心配置受信プローブ１２０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。偏心配置受信プローブ１２０の収束性については、後で詳しく述べる。

第１実施形態では、送信プローブ１１０に対して、図１のｘ軸方向に偏心距離Ｌだけ偏心配置受信プローブ１２０がずらされて配置されているが、図１のｙ軸方向にずらされた状態で偏心配置受信プローブ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）に偏心配置受信プローブ１２０が配置されてもよい。

図２Ａ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２Ｂ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。

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２Ｂ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２Ｂ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、偏心配置受信プローブ１２０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、偏心配置受信プローブ１２０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。ただし、詳細は後記するが、偏心配置受信プローブ１２０の探触子面は、マクロ的な形状として平面状を有するが、ミクロ的な形状として例えば微小な突起（単位入射部１３３１）を表面に多数有する。従って、受信音軸ＡＸ２は、当該微小な突起（単位入射部１３３１）を備えないことにより当該突起を備えず表面（探触子面）を平滑にした場合の、表面から延びる法線である。

具体例として、説明の簡略化のため、探触子面が平面状である非収束型の受信プローブ１２１の場合を挙げ、偏心距離Ｌについて説明する。平面状の場合、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２Ｂ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１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、ゼロよりも大きな距離となるよう、偏心距離調整部１０５（図１）によって送信プローブ１１０及び偏心配置受信プローブ１２０が調整される。これにより、送信プローブ１１０から放出され、欠陥部Ｄ（図１）の周囲を透過した超音波ビームＵ（図３）を減らし、受信プローブ１２１での欠陥部Ｄに由来する信号変化を検出し易くできる。

ただし、第１実施形態では、好ましい例として、上記のように、偏心配置受信プローブ１２０は、欠陥部Ｄでの超音波ビームＵの散乱により生じた散乱波Ｕ１（図６Ｂ）を受信する。欠陥部Ｄの存在により散乱波Ｕ１が生成するため、散乱波Ｕ１の検出により、欠陥部Ｄの検出精度を更に向上できる。以下の例では、説明の簡略化のために、散乱波Ｕ１を受信可能な位置に設置された偏心配置受信プローブ１２０を例に挙げて、第１実施形態を説明する。

図２Ａ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を示している。図２Ａ及び図２Ｂ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２Ａ及び図２Ｂ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１４０である。また、実線で示す受信プローブ１２１はゼロよりも大きな偏心距離Ｌの位置に配置されている偏心配置受信プローブ１２０である。送信音軸ＡＸ１が水平面（図１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２Ｂ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を示す図である。図２Ｂでも図２Ａ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２Ｂ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２Ｂの実線矢印で示すように折れ曲がる（屈折する）。この場合、破線で示した同軸配置受信プローブ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、偏心配置受信プローブ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１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２Ａ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。この点については後記する。

図３は、送信プローブ１１０の構造を示す断面模式図である。図３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、圧電変換素子１１１（例えば振動子）と、整合層１１３とを備える。圧電変換素子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を備えない場合は圧電変換素子１１１の表面と定義する。即ち、探触子面１１４は、超音波ビームＵを放出する面である。

図４Ａは、偏心配置受信プローブ１２０からの受信波形であり、被検査体Ｅの健全部Ｎでの受信波形を示す図である。図４Ｂは、偏心配置受信プローブ１２０からの受信波形であり、被検査体Ｅの欠陥部Ｄでの受信波形を示す図である。図４Ｂは、被検査体Ｅ内に設けられた幅２ｍｍ幅の空洞（欠陥部Ｄ）のｘｙ座標位置に送信プローブ１１０を配置したときの受信信号を示す。なお、図４Ａ及び図４Ｂにおいて、時間はバースト波が送信プローブ１１０に印加されてからの経過時間を示し、被検査体Ｅとして厚さ２ｍｍのステンレス板を用いた。送信プローブ１１０には周波数８００ＫＨｚのバースト波を印加した。より具体的には、１０波の正弦波で構成されるバースト波を一定周期で被検査体Ｅに印加した。

図４Ａでは、有意な信号は観測されていないが、図４Ｂでは、バースト波が送信プローブ１１０に印加されてから９０マイクロ秒後に有意な信号が観測されている。この有意な信号が観測されるまでの９０マイクロ秒の遅れは、超音波ビームＵの放出から偏心配置受信プローブ１２０への散乱波Ｕ１の到達までに時間がかかるためである。具体的には、空中の音速が３４０（ｍ／ｓ）であるのに対し、被検査体Ｅを構成するステンレス中では６０００（ｍ／ｓ）程度であるため、９０マイクロ秒の遅れが発生する。

図５は、信号強度データのプロットの例を示す図である。この例では、幅２ｍｍの欠陥部Ｄに対し、送信プローブ１１０と偏心配置受信プローブ１２０とをｘ軸方向に走査し、ｘ軸位置での受信信号（図４Ｂに示す受信信号）から抽出した信号強度データ（走査位置毎の信号振幅）をプロットしている。第１実施形態では、信号強度データの抽出は、図４Ｂに示す受信信号のＰｅａｋ Ｔｏ Ｐｅａｋ値、即ち、適切な時間領域での最大値と最小値との差の抽出により行った。信号強度データの抽出方法の他の例として、図４Ｂに示す受信信号が、短時間フーリエ変換などの信号処理により周波数成分に変換され、適切な周波数成分の強度が抽出されてもよい。さらには、信号強度データとして、適切な参照波を基準として、相関関数が計算されてもよい。このようにして信号強度データが、送信プローブ１１０の各走査位置に対応して取得される。

図５に示した信号強度データのプロットにおいて、２ｍｍ幅の空洞（欠陥部Ｄ）は、図５の符号Ｄ１に対応する。被検査体Ｅの健全部Ｎ（符号Ｄ１以外の部分）ではノイズレベルの信号であるのに対し、内部に欠陥部Ｄがある位置（符号Ｄ１）では、受信信号が有意に大きくなっていることがわかる。

そこで、偏心距離調整部１０５は、欠陥部Ｄへの入射時の偏心配置受信プローブ１２０での受信信号強度が健全部Ｎへの入射時の受信信号強度よりも大きくなるように、偏心距離Ｌを調整することが好ましい。このようにすることで、受信信号強度に基づいて、欠陥部Ｄを検出できる。このような偏心距離Ｌは、例えば、散乱波Ｕ１（図６Ｂ）を受信可能な位置に配置した偏心配置受信プローブ１２０の受信音軸ＡＸ２と送信プローブ１１０の送信音軸ＡＸ１との距離である。偏心距離調整部１０５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。

また、偏心距離調整部１０５は、偏心距離Ｌを、健全部Ｎへの照射時にノイズ以外の受信信号が検出されない距離に調整することが好ましい。即ち、偏心距離調整部１０５は、被検査体Ｅの健全部Ｎでは有意の受信信号が出ないように偏心距離Ｌを設定することが好ましい。このようにすることで、ＳＮ比（Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ比、信号雑音比）を増大させ、ノイズ以外の受信信号が検出された場所を欠陥部Ｄと判断でき、欠陥部Ｄを検出できる。

偏心距離Ｌは、例えば、被検査体Ｅと同じ材料で構成され、かつ、内部に欠陥部Ｄを有する標準試料を使用して決定できる。そして、標準試料の欠陥部Ｄへの超音波ビームＵの照射し、超音波ビームＵ又は散乱波Ｕ１を受信可能な位置に基づき、偏心距離Ｌを決定できる。

送信プローブ１１０をｘ軸方向のみの１次元で走査した場合は、表示装置３には図５に示す信号強度データのグラフが表示される。送信プローブ１１０の走査方向がｘ軸方向及びｙ軸方向の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の位置が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。

図６Ａは、第１実施形態における超音波ビームＵの伝搬経路であって、健全部Ｎに超音波ビームＵが入射した場合を示す図である。図６Ｂは、第１実施形態における超音波ビームＵの伝搬経路であって、欠陥部Ｄに超音波ビームＵが入射した場合を示す図である。

図６Ａ及び図６Ｂに示されるように、送信プローブ１１０から放出された超音波ビームＵは被検査体Ｅに入射する。図６Ａに示すように、健全部Ｎに超音波ビームＵが入射した場合、超音波ビームＵは送信音軸ＡＸ１に向かって収束するように通過する。そのため、偏心距離Ｌを保って配置されている偏心配置受信プローブ１２０では受信信号が観測されない。これに対し、図６Ｂ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で超音波ビームＵが散乱され、その散乱波Ｕ１が偏心設置された偏心配置受信プローブ１２０で受信される。そのため、有意な受信信号が観測される。

このように、被検査体Ｅにおける欠陥部Ｄにより散乱された散乱波Ｕ１が偏心配置受信プローブ１２０で観測される。そのため、健全部Ｎでの受信信号よりも欠陥部Ｄでの受信信号の方が大きくなる。即ち、信号が大きな位置に欠陥部Ｄがあると判定される。従って、偏心距離調整部１０５は、偏心距離Ｌを、照射された超音波ビームＵの、被検査体Ｅの欠陥部Ｄでの散乱により生じる散乱波Ｕ１を受信可能な距離に調整することが好ましい。このようにすることで、欠陥部Ｄに特有の散乱波Ｕ１を検出でき、欠陥部Ｄの検出精度を向上できる。

偏心距離Ｌは、送信プローブ１１０から放出された超音波ビームＵを受信せず、散乱波Ｕ１のみを選択的に受信できる長さになることが好ましい。これにより、ＳＮ比を増大させて、欠陥部Ｄの検出性能、特に検出感度を向上できる。ここで、「検出感度が高い」とは、従来法よりも小さな欠陥部Ｄを検出可能ということである。即ち、検出可能な欠陥部Ｄのサイズの下限が従来法よりも小さいことである。

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７Ａ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７Ｂ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としての同軸配置受信プローブ１４０が配置される。

図７Ａ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を通過して同軸配置受信プローブ１４０に到達する。従って、受信信号が大きくなる。一方、図７Ｂ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７Ａ及び図７Ｂ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。一方、第１実施形態のように、欠陥部Ｄでの散乱波Ｕ１を検出する検査方法を「散乱法」と呼ぶことにする。

図８は、従来の超音波検査方法での信号強度データのプロットを示す図である。この図は、発明者らが、図７Ａ及び図７Ｂに示す阻止法による超音波検査方法、即ち、送信音軸ＡＸ１と受信音軸ＡＸ２を一致させた配置で、上記の図５で用いられた被検査体Ｅと同じ欠陥部Ｄを有する被検査体Ｅを検査した信号強度グラフである。図８において、符号Ｄ１の部分が欠陥部Ｄに相当する部分である。

図８では、欠陥部Ｄの中心位置（位置が０ｍｍ）で信号の減少が認められるが、その減少量は小さい。これは、超音波ビームＵの大きさよりも小さな欠陥部Ｄでは、その周囲を透過する超音波ビームＵが多いことに起因すると考えられる。このため、送信音軸ＡＸ１と受信音軸ＡＸ２とを一致させた阻止法では、欠陥部Ｄに由来する信号変化を検出し難く、検出感度が低い。

これに対し、送信音軸ＡＸ１と受信音軸ＡＸ２とをずらすことで、偏心配置受信プローブ１２０が受信する信号強度のうち、超音波ビームＵの大きさよりも小さな欠陥部Ｄの周囲を透過する超音波ビームＵの信号を小さくできる。これにより、欠陥部Ｄに起因する信号強度の減少量を相対的に大きくし、欠陥部Ｄの検出性能、特に検出感度を向上できる。中でも、上記の図５に示すように、第１実施形態に好適な散乱法による構成によれば、阻止法による図８の結果と比べると、欠陥部Ｄの位置を明確に検出できることがわかる。つまり、比較例である図８に示す受信結果と、図５に示す第１実施形態による手法の受信結果とを比較すると、図５に示す第１実施形態による手法の方が、高いＳＮ比が得られる。

このように、第１実施形態の散乱法が高いＳＮ比を得られる理由について、図９Ａ及び図９Ｂを参照して説明する。

図９Ａ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。図９Ｂ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、散乱波Ｕ１を受信する様子を示す図である。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９Ａ及び図９Ｂ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９Ａ及び図９Ｂ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９Ａ及び図９Ｂ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。ここで、受信プローブ１２１は、図９Ａでは同軸配置受信プローブ１４０であり、図９Ｂでは偏心配置受信プローブ１２０を意味する。

超音波ビームＵは、収束させて入射させても欠陥部Ｄ近傍ではある有限の幅を持つ。これを、欠陥部Ｄの位置でのビーム幅ＢＷとする。ちなみに、図９Ａ及び図９Ｂでは、欠陥部Ｄの位置でのビーム幅ＢＷが欠陥部Ｄの大きさよりも広い場合を示している。

図９Ａ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を示す図である。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２０％の場合、受信信号は概ね２０％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９Ａ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２０％減少するにとどまる（図８参照）。

図９Ｂは、第１実施形態の好適な手法の場合、即ち散乱法の場合を示す図である。散乱法では、欠陥部Ｄに超音波ビームＵが当たらない場合、超音波ビームＵは偏心配置受信プローブ１２０に入射しないので、受信信号はゼロである。そして、図９Ｂに示すように、超音波ビームＵの一部が欠陥部Ｄに当たった場合でも、散乱波Ｕ１が偏心配置受信プローブ１２０で観測されるので、阻止法と比べて欠陥部Ｄの検出が容易である。つまり、欠陥部Ｄが存在しなければ受信信号はゼロとなり、微小でも欠陥部Ｄが存在すれば受信信号は非ゼロとなる。そのため、ＳＮ比を高くすることが可能になる（図５参照）。

このように、第１実施形態による手法（散乱法）によれば、ビーム幅ＢＷよりも小さな欠陥部Ｄを、高感度で検出できる。ここで、「高感度で検出できる」とは、従来法より小さな欠陥部Ｄを検出可能ということである。即ち、検出可能な欠陥部Ｄのサイズの下限が従来法よりも小さい。

また、図９Ａで示すように、阻止法では、健全部Ｎに対応する受信信号量を基準として、そこからの減少量で欠陥部Ｄが判定される。従って、健全部Ｎでの受信信号が一定値とすることが好ましい。しかしながら、流体Ｆの中でも特に気体Ｇ中を伝搬する超音波では、液体Ｗ（図２９）中を伝搬する超音波と比較して、受信プローブ１２１に到達する強度が極めて小さい。そのため、受信信号は高い増幅率（ゲイン）で増幅することが好ましい。このため、ゲインを一定に保つには高精度な信号増幅回路が好ましい。一方、第１実施形態による散乱法では、図５に示すように、健全部Ｎでは信号が、ほぼゼロであり、欠陥部Ｄで信号が観測されるので、信号増幅回路のゲイン安定性への要求を小さくできる。ただし、上記の図５では、オフセット値だけ信号強度の値が底上げされている。

また、第１実施形態では、ポジ画像が得られる。即ち、散乱法では健全部Ｎには信号が発生しないか発生しても小さく、欠陥部Ｄでは信号が新たに発生するか信号が大きくなる。つまり、欠陥部Ｄのポジ画像が得られる。これに対して、阻止法では、健全部Ｎで信号が大きく、欠陥部Ｄで信号が減少する。つまり、欠陥部Ｄのネガ画像が得られる。

図１０Ａは、偏心配置受信プローブ１２０の構造を説明する図であり、側方から視た図である。偏心配置受信プローブ１２０は、散乱波Ｕ１の受信面（探触子面）である表面側から、音響レンズ部１３０と、整合層１３１と、圧電変換素子１３２とを備える。散乱波Ｕ１（図６Ｂ）は、音響レンズ部１３０に入射する。なお、音響レンズ部１３０と整合層１３１とを同一の部材で構成することで、これらが一体に区別できないように構成してもよい。即ち、圧電変換素子１３２に、整合層１３１の機能も有する音響レンズ部１３０を接触させてもよい。このようにしても、本開示による効果が奏される。

圧電変換素子１３２は、超音波を電気信号に変換する素子であり、例えば振動子、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ－Ｅｌｅｃｔｒｏ－Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）型の素子等により構成できる。振動子の例として、セラミクス等の材料で構成された圧電振動子が挙げられ、圧電効果（ピエゾ効果）により超音波が電気信号に変換される。ＭＥＭＳ型の圧電変換素子の例として、静電容量圧電変換素子（ＣＭＵＴ、Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ｍｉｃｒｏ－ｍａｃｈｉｎｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）が挙げられる。静電容量圧電変換素子は、微小薄膜を備えた静電容量素子であり、超音波により微小薄膜が振動する際の電気容量の変化量を計測することで、超音波強度を計測できる。

上記のように、偏心配置受信プローブ１２０が散乱波Ｕ１（図６Ｂ）を検出することで、微小な欠陥部Ｄを検出できる。検出時、受信した散乱波Ｕ１に起因する受信信号強度が大きいほど、検出精度が高い。受信信号強度は、散乱波Ｕ１の入射方向が、圧電変換素子１３２の法線方向（受信音軸ＡＸ２の方向）に近いほど、高くなる。そこで、偏心配置受信プローブ１２０は表面に入射部１３３を備え、入射部１３３により、散乱波Ｕ１を圧電変換素子１３２の法線方向に沿って入射できる。ここでいう法線方向に沿ってとは、法線方向（受信音軸ＡＸ２と同方向）でもよいし、本開示による効果を著しく損なわない程度に法線方向（受信音軸ＡＸ２）に対して傾斜を有した入射でもよい。具体的には例えば、受信音軸ＡＸ２に対する角度（後記する角度φ（図１１））として、例えば０°以上３°以下である。

入射部１３３は、表面に複数の単位入射部１３３１を備える。単位入射部１３３１は法線を複数有する表面形状を有する。ここでいう法線は、例えば所定方向に延在し、具体的には単位入射部１３３１の局所的な表面における法線ＮＬ（図１１）をいい、例えば図１０Ａにおいて表面位置によって延在方向が変化する直線である。例えば、図示の例では、単位入射部１３３１は、断面視で曲線の表面形状を有する。従って、表面から延びる法線の延在方向は、表面の位置によって変化する。所定方向に延在する法線ＮＬを複数有することで、詳細は図１１を参照して後記するが、様々な入射角γ（図１１）で単位入射部１３３１に入射した散乱波Ｕ１を、圧電変換素子１３２の法線方向に沿って圧電変換素子１３２に入射できる。これにより、受信信号強度を強くできる。

単位入射部１３３１の表面形状は、受信音軸ＡＸ２を含む断面視（例えば図１０Ａ）で、曲線を含む。曲線を含むことで、法線ＮＬの数を多くでき、受信信号強度を強くできる入射角γの範囲を広くできる。

音響レンズ部１３０は、表面側に、例えば音響レンズ部１３０と一体になるように、入射部１３３を備える。これにより、入射部１３３に入射した散乱波Ｕ１の大きな減衰を抑制して圧電変換素子１３２に伝達できる。ただし、入射部１３３は、音響レンズ１３０とは別部材として構成されてもよい。

音響レンズ部１３０は、流体Ｆ（例えば空気等の気体Ｇ）中の音速よりも大きな材料により構成される。これにより、式（１）及び式（２）等に基づき、散乱波Ｕ１を、圧電変換素子１３２の法線方向に沿って圧電変換素子１３２に入射できる。

圧電変換素子１３２には、対応する探触子面に、少なくとも２つの単位入射部１３３１が配置される。ここでいう対応する探触子面は、図示の例では、音響レンズ部１３０の上表面である。これにより、それぞれの単位入射部１３３１に入射した散乱波Ｕ１について、圧電変換素子１３２に好適角度で入射できる。このため、偏心配置受信プローブ１２０の受信面の広い範囲にわたって受信許容角度を拡大でき、受信面積が広く、かつ、受信許容角度が大きい受信プローブ１２１を実現できる。そして、本開示の超音波検査装置Ｚでは、偏心配置受信プローブ１２０の受信面における散乱波Ｕ１の入射位置は、欠陥部Ｄの深さ、形状等により異なる。このため、受信面積が広く、かつ、受信許容角度が大きい受信プローブ１２１の使用により、受信信号の受信効率を高めることでき、検出性能を向上できる。

なお、受信プローブ１２１が複数個の圧電変換素子１３２を備え、それぞれの圧電変換素子が、その対応する探触子面に、少なくとも２つの単位入射部１３３１が配置された構成でもよい。この場合でも、本開示の効果が得られることは明らかである。

図１０Ｂは、図１０Ａの上面図である。単位入射部１３３１は、仮想的な円柱である仮想円柱１３４２の側面形状の一部を表面に有する。図示の例では、単位入射部１３３１は、真円柱である仮想円柱１３４２の側面形状のうち、中心軸を含むように半分（円の直径の１／２）に切断した真円柱（半真円柱）の側面形状を例えば凸状に備える。ただし、半分である必要は無く、半分よりも多い量（例えば当該円の直径の２／３の高さを有する単位入射部１３３１）、又は、半分よりも少ない量（例えば当該円の直径の１／３の高さを有する単位入射部１３３１）等でもよい。なお、ここでいう真円は、厳密な真円である必要は無く、通常の測定方法により測定された直径が円周方向で等しい円であればよい。

なお、図１０Ａにおいて、二点鎖線で示した仮想円柱１３４２は、仮想的な円柱であり、入射部１３３の表面から出た部分（図１０Ａで実線で表示）が実体を持つ。仮想円柱１３４２のうち、図１０Ａで入射部１３３の内部に二点鎖線で示した線は、説明のための仮想的な線であり、実体はない。即ち、図１０Ａに示した入射部１３３の形状は、複数個の単位入射部１３３１である凸形状を備えた形状を表している。
仮想円柱１３４２，１３４３の意味については、図２０Ａ、図２３、図２４等についても同様である。

円柱の側面形状の一部を表面に有することで、例えば図１０Ａにおける紙面に垂直な方向に幅を有した散乱波Ｕ１が入射した場合にも散乱波Ｕ１を受信できる。

図示の例では、単位入射部１３３１は、水平面で、送信音軸ＡＸ１（図１）と受信音軸ＡＸ２（図１０Ａ）とを接続する仮想的な線分の方向（散乱波Ｕ１の伝達方向。紙面左右方向）に、連続的に複数配置される。また、単位入射部１３３１は、水平面内で、当該線分に垂直な方向（紙面上下方向）である一方向から他方向に延在する。

図１１は、図１０Ａに示す偏心配置受信プローブ１２０の表面を拡大して示す図である。図１１は、散乱波Ｕ１が入射角γで入射部１３３に入射した場合を示す。ここでいう入射角γの基準となる直線は、圧電変換素子１３２の法線方向である受信音軸ＡＸ２である。図示の例において、受信音軸ＡＸ２と法線ＮＬとは表面位置Ｐ１において交差する。表面位置Ｐ１での法線ＮＬに対する散乱波Ｕ１の入射角は角度α１である。受信音軸ＡＸ２と法線ＮＬとの為す角度は入射角γと角度α１との和である。表面位置Ｐ１に至った散乱波Ｕ１は、法線ＮＬに対し角度α３を有して屈折して入射する。また、散乱波Ｕ１が入射する単位入射部１３３１の表面位置Ｐ１は、半円柱により構成される単位入射部１３３１における受信音軸ＡＸ２と同方向の直線（一点鎖線）に対する中心角ωで定義する。

角度α１と角度α３とは、スネルの法則により、下記式（１）を満たす。

式（１）において、音速ｃ１は流体Ｆ中での音速であり、音速ｃ３は単位入射部１３３１中での音速である。第１実施形態では、流体Ｆは空気であり、単位入射部１３３１を含む音響レンズ部１３０はシリコーンゴム樹脂であるため、音速ｃ１は３４０ｍ／ｓであり、音速ｃ３は１０００ｍ／ｓである。従って、音速ｃ３は音速ｃ１より大きくなり、角度α３は角度α１よりも大きくなる。

ここで、単位入射部１３３１内での散乱波Ｕ１の角度φは、受信音軸ＡＸ２を基準とすると、中心角ωから角度α３を減じた角度である。入射角γと角度φとは、下記式（２）を満たす。

図１２は、何れも図１１に示すように、単位入射部１３３１（図１１）への入射角γと、入射した散乱波Ｕ１の、受信音軸ＡＸ２に対する角度φがゼロになるときの中心角ωとの関係を示すグラフである。角度φがゼロ、即ち、散乱波Ｕ１は圧電変換素子１３２（図１０Ａ）の法線方向に入射するとき、信号強度が最大となる。そこで、図１２に示すように、入射角γが０～２０°のいずれであっても、角度φがゼロになる中心角ωが存在する。この結果から、ビーム幅を有して入射する散乱波Ｕ１のうち、角度φがゼロになる中心角ωの位置で入射した散乱波Ｕ１は、受信音軸ＡＸ２と同方向に進行し、例えば板状又は箔状の圧電変換素子１３２に対して垂直に入射する。これにより、信号強度が最大となり、検出感度を向上できる。

このように、偏心配置受信プローブ１２０の表面に入射部１３３を備えることで、偏心配置受信プローブ１２０の受信面の幅広い位置において、幅広い入射角γで入射した散乱波Ｕ１を検出できるこれにより、偏心配置受信プローブ１２０の設置角度のマージンを拡大でき、散乱波Ｕ１に起因する超音波信号の検出感度を向上できる。

図１１からわかるように、単位入射部１３３１として仮想円柱１３４２の一部の形状を用いる場合、局所的な法線ＮＬの方向は、中心角ωと等しい。従って、図１２からわかるように、所定方向の法線ＮＬの方向の範囲として、０～１０°にすれば、対応する入射角γの範囲が受信角度範囲になり、０～７°が受信角度範囲になる。さらに、所定方向の法線ＮＬの方向の範囲として、０～１５°以上の範囲にすれば、受信角度範囲は０～１０°に拡がる。また、所定方向の法線ＮＬの方向の範囲として、０～３０°以上の範囲にすれば、受信角度範囲は０～２０°に拡がる。

このように、式（２）を用いることで、所望の受信角度範囲を満たすような単位入射部の法線方向の範囲を知ることが出来る。そして、それを基にして単位入射部１３３１の適正な形状を設計することが出来る。

また、図１２に示した中心角ωと入射角γとの関係は、単位入射部１３３１の材料（音速）により変わることに注意が必要である。式（２）を用いることにより、単位入射部１３３１の音速ｃ３に応じて、中心角ωと入射角γとの関係を知ることが出来る。

図１３は、制御装置２の機能ブロック図である。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とを備える。

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。

受信系統２２０は、偏心配置受信プローブ１２０から出力される受信信号を検出する系統である。偏心配置受信プローブ１２０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、波形解析部２２１に入力される。波形解析部２２１は、受信信号から信号強度データ（図５）を生成する。生成された信号強度データはデータ処理部２０１に送られる。

データ処理部２０１は、被検査体Ｅの欠陥部Ｄに関する情報を画像化したり、欠陥部Ｄの存在の有無を検出したりするといった、取得した情報を所望の形態に処理する。なお、データ処理部２０１で生成された画像及び情報は表示装置３に表示される。

スキャンコントローラ２０４は、図１に示す送信プローブ走査部１０３及び受信プローブ走査部１０４を駆動制御する。送信プローブ走査部１０３及び受信プローブ走査部１０４の駆動制御は、駆動部２０２を通じて行われる。また、スキャンコントローラ２０４は、位置計測部２０３を介して、送信プローブ１１０及び偏心配置受信プローブ１２０の位置情報（ｘ軸方向及びｙ軸方向の各走査位置。ｘｙ座標）を計測する。

データ処理部２０１は、スキャンコントローラ２０４から受け取る送信プローブ１１０及び偏心配置受信プローブ１２０の位置情報を基にして、それぞれの位置での信号強度データをプロットして画像化し、表示装置３に表示する。上記のように、欠陥部Ｄで取得した信号強度データは、健全部Ｎの信号強度データよりも大きい。従って、送信プローブ１１０の走査位置に対して信号強度データをプロットすると、どこに欠陥部Ｄがあるかを示す画像が取得できる。表示装置３は、この画像を表示する。

図１４は、制御装置２のハードウェア構成を示す図である。制御装置２は、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等のメモリ２５１、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）２５２、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）等の記憶装置２５３、ＮＩＣ（Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｃａｒｄ）等の通信装置２５４、Ｉ／Ｆ（Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）２５５等を備えて構成されている。

制御装置２は、記憶装置２５３に格納されている所定の制御プログラムがメモリ２５１にロードされ、ＣＰＵ２５２によって実行される。これにより、図３のデータ処理部２０１、位置計測部２０３、スキャンコントローラ２０４、データ処理部２０１等が具現化する。

図１５は、第１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、適宜、図１及び図１０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）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（図１０）の指令により、送信プローブ１１０（図１）から超音波ビームＵ（図６Ｂ）を放出するステップＳ１０１が行われる。続いて、偏心配置受信プローブ１２０（図１）において超音波ビームＵ（この例では散乱波Ｕ１）を受信するステップＳ１０２が行われる。

その後、偏心配置受信プローブ１２０が受信した超音波ビームＵ（この例では散乱波Ｕ１）の信号（例えば波形信号）を基に、信号の振幅等の信号強度情報を抽出するステップＳ１０３が行われる。

波形解析部２２１（図１０）の出力信号はデータ処理部２０１（図１０）に入力される。ステップＳ１０４においては、スキャンコントローラ２０４（図１０）から送られる、走査位置情報（座標位置）を参照して、走査位置の信号強度が画像化され、欠陥画像が生成される。ステップＳ１０４は、データ処理部２０１により行われる。

データ処理部２０１（図１０）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（図１０）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（図１０）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及び偏心配置受信プローブ１２０を移動させ（ステップＳ１１２）、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の検出性能を向上できる。例えば検出可能な欠陥サイズを小さくすることができる。

図１６は、第２実施形態に係る超音波検査装置Ｚの走査計測装置１の構成を示す図である。第２実施形態では、走査計測装置１は、偏心配置受信プローブ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１６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）と偏心配置受信プローブ１２０を構成する圧電変換素子１３２（図１０Ａ）の表面から延びる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をゼロよりも大きな値に設定する。即ち、偏心配置受信プローブ１２０が傾斜配置される。具体的には、偏心配置受信プローブ１２０は、０°＜角度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、偏心配置受信プローブ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、偏心配置受信プローブ１２０の音響レンズ部１３０（図１０Ａ）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）と、交点Ｃ２の位置をｘｙ平面に投影した座標位置（ｘ５，ｙ５）との距離を偏心距離Ｌと定義する。

図１７は、第２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１７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、偏心配置受信プローブ１２０の圧電変換素子１３２（図１０Ａ）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、偏心配置受信プローブ１２０を傾斜配置することで受信信号強度を増大できる。

図１８は、入射部１３３（図１１）を備えない偏心配置受信プローブ１５０を備える超音波検査装置を示す図である。第２実施形態において、以下の記述では、複数の単位入射部１３３１（図１１）を備えた入射部１３３（図１１）について、そのような入射部１３３（図１１）を備えない偏心配置受信プローブ１５０を用いた場合と比較しながら述べる。偏心配置受信プローブ１５０の受信面は平坦である。偏心配置受信プローブ１２０（図１７）と、偏心配置受信プローブ１５０とは、入射部１３３の有無以外は同じ構成を有する。

偏心配置受信プローブ１５０では、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１８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。この場合においても、上記の図１１等を参照して説明した作用機構により、受信信号を増大できる。

図１９は、偏心配置受信プローブ１２０の角度θと信号強度との関係を測定した図である。この測定では、偏心配置受信プローブ１５０（図１８）が使用されている。この測定条件では、偏心配置受信プローブ１５０を設置した角度θを８°にすると信号強度が最大になり、そのときの強度は角度θが０°のときの信号強度の約９倍である。従って、信号強度を最大にする観点では、図示の例では角度θは８°であることが好ましい。しかし、図示の例では、角度θが０°（即ち傾けない）を超え１７°以下であれば、傾けない場合の信号強度よりも大きな信号強度が得られ、検出精度を向上できる。なお、角度θが０°以下及び１７°を超える場合でも、信号が検出されるため、散乱波Ｕ１を検出できる。

一方で、角度θが最適な角度である８°から例えば±２°ずれると、信号強度が１／２～１／３にまで大幅に低下する。これは、角度β２（図１８）が角度θ（図１８）と一致する８°のときに最大信号強度を示すが、角度β２が角度θからずれることで信号強度が低下することを示す。

散乱波Ｕ１の方向は、上記のようにある程度の広がりを有するため、角度α２も広がりを有する。このため、被検査体Ｅから出射する散乱波Ｕ１の角度β２も広がりを有する。一方で、偏心配置受信プローブ１５０の受信面の法線である受信音軸ＡＸ２からずれた角度で入射する散乱波Ｕ１は、偏心配置受信プローブ１２０の指向性により、受信感度が低下する。このため、散乱波Ｕ１の一部の成分の受信が困難になる。

しかし、本開示の超音波検査装置Ｚでは、複数の単位入射部１３３１を備える入射部１３３を備えるため、上記の図１０Ａ、図１０Ｂ、図１１等を参照して説明したように、偏心配置受信プローブ１２０の受信許容角度が拡大される。このため、散乱波Ｕ１の受信漏れを抑制でき、欠陥部Ｄに起因する信号の検出精度を向上できる。

受信許容角度について更に詳述する。受信プローブ１２１は、上記のように、圧電変換素子１３２（図１０Ａ）の表面の法線方向（上記のマクロ的な探触子面の法線方向と同義）の超音波ビームＵを最も感度良く受信出来る。感度が良いとは、強度が同じ超音波ビームＵが入力された際に、より高い信号電圧が得られることである。受信プローブ１２１に入射する超音波ビームＵの入射角は上記のように入射角γである。入射角γは、圧電変換素子１３２の表面の法線である受信音軸ＡＸ２を基準にする。即ち、法線方向に超音波ビームＵが入射する場合、入射角γは０°である。

圧電変換素子１３２の幅が長さａ（例えば図１０Ａに示す断面視での横幅）の受信プローブ１２１の場合、信号強度が１／２に低下する入射角γ（－６ｄＢ）は下記式（３）で示される。式（３）は、入射部１３３を備えない受信プローブ１２１、即ち、偏心配置受信プローブ１５０のような、受信面が平坦な受信プローブ１２１の場合に成り立つ式である。

λは超音波ビームＵの波長、ｆは超音波ビームＵの周波数、ｃは音速である。式（３）によれば、受信プローブ１２１では、長さａの値が大きいほど指向性が高くなり、超音波ビームＵの波長λの値が小さいほど指向性が高くなることがわかる。

上記のように、超音波ビームＵである散乱波Ｕ１の経路は、欠陥部Ｄの深さ位置等により変わる。そこで、圧電変換素子１３２の長さａは大きいことが好ましく、これにより、幅広の圧電変換素子１３２（図１０Ａ）での散乱波Ｕ１の受信漏れを抑制できる。一方で、幅広になる結果、散乱波Ｕ１を受信する偏心配置受信プローブ１５０は指向性が高くなる。

更に、媒質中での音速ｃを比較すると、水中音速（１４００ｍ／ｓ）に比べて空気中の音速（３４０ｍ／ｓ）は遅いため、空気中で超音波ビームＵを受信する場合には、さらに指向性が高くなる。また、流体Ｆとして気体Ｇを用いる場合には、偏心配置受信プローブ１５０の角度θによる受信感度変化はさらに顕著になる。従って、散乱波Ｕ１を受信する偏心配置受信プローブ１５０では、角度θの設定により受信感度が変化する。

特に、偏心配置受信プローブ１５０の指向性が高い場合、角度θが最適な角度からずれると受信信号強度が低下するので、高精度の設置角度調整部１０６（図１６）を使用することが好ましい。
ここまで、偏心配置受信プローブ１５０を用いた場合をまじえて述べた。

図１７に戻って、偏心配置受信プローブ１２０は、複数の単位入射部１３３１を備える入射部１３３を備える。このため、設置角度調整部１０６により調整される角度θの精度がさほど高くなく、偏心配置受信プローブ１２０への入射角γが所望角度からずれることがあっても、例えば図１０Ａ、図１０Ｂ、図１１等を参照して説明したように、受信信号強度を向上できる。これにより、欠陥部Ｄの検出精度を向上できる。

偏心配置受信プローブ１２０が入射部１３３を備えることで、受信許容角度が拡大するが、偏心配置受信プローブ１２０の角度θを角度β２（図１７）と概ね一致するように設置すると、入射角γの狭い範囲でも音波を受信できる。このため、偏心配置受信プローブ１２０の受信許容角度の拡大幅が小さくても、効率的に受信できる。このため、偏心配置受信プローブ１２０を用いた場合でも、角度θを適切に設定することで、効率的に受信可能になるという効果がある。

特に、複数の単位入射部１３３１を備えることにより、偏心配置受信プローブ１２０の受信許容角度が拡がっているため、角度θの調整マージンが拡がり、調整が容易になるという効果もある。

図１６に戻って、走査計測装置１では、設置角度調整部１０６が設けられており、設置角度調整部１０６によって偏心配置受信プローブ１２０が設置されている。設置角度調整部１０６により、偏心配置受信プローブ１２０の受信プローブ設置角度を調整することが可能である。被検査体Ｅの材料、厚み等により散乱波Ｕ１の経路は多少変化するので、偏心配置受信プローブ１２０の設置角度の最適値も変化する。従って、設置角度調整部１０６で受信プローブ設置角度が調整可能とすることにより、被検査体Ｅの材料、厚み等に応じて偏心配置受信プローブ１２０の設置角度を適切に調整できる。

また、第２実施形態では、偏心配置受信プローブ１２０が水平面に対して傾いた状態で配置されているが、送信プローブ１１０も傾いた状態で配置されてもよい。あるいは、送信プローブ１１０が水平面に対して傾いた状態で配置され、偏心配置受信プローブ１２０の探触子面が水平面（ｘｙ平面）に対して並行となるよう配置されてもよい。いずれの場合も、上記図２Ｂに示すように、送信音軸ＡＸ１と、受信音軸ＡＸ２とは、ずらした状態で配置される。

図２０Ａは、第３実施形態の偏心配置受信プローブ１２０の構造を説明する図であり、側方から視た図である。第３実施形態の偏心配置受信プローブ１２０は、第１実施形態の入射部１３３（図１０Ａ）に代えて入射部１３４を備えること以外は、第１実施形態と同様である。また、入射部１３４は、単位入射部１３３１（図１０Ａ）に代えて単位入射部１３４１を備えること以外は、第１実施形態と同様である。

単位入射部１３４１は、単位入射部１３３１と同様に、仮想的な円柱である仮想円柱１３４２の側面形状の一部を表面に有する。ただし、単位入射部１３３１は、真円柱である仮想円柱１３４２の側面形状のうち、中心軸を含むように半分に切断した真円柱（半真円柱）の表面形状を例えば凹状に備える。このような形状であっても、単位入射部１３４１に、所定方向に延在する法線ＮＬ（図２０Ｂ）を複数生じさせることができる。

図２０Ｂは、図２０Ａに示す偏心配置受信プローブの表面を拡大して示す図である。上記の図１１と同様に考えると、図示の例において、受信音軸ＡＸ２と法線ＮＬとは表面位置Ｐ２において交差し、これらの為す角度は入射角γと角度α１との和である。表面位置Ｐ２に至った散乱波Ｕ１は、法線ＮＬに対し角度α３を有して屈折して入射する。そして、図２０Ｂに示す例においても上記式（１）成立する。従って、角度φがゼロになるように散乱波Ｕ１が圧電変換素子１３２（図２０Ａ）に入射するときの入射角と中心角ωとの関係として、上記の図１２に示したグラフが成立する。

このように、偏心配置受信プローブ１２０の表面に入射部１３４を備えることで、偏心配置受信プローブ１２０の受信面の幅広い位置において、幅広い入射角γで入射した散乱波Ｕ１を検出できる。これにより、偏心配置受信プローブ１２０の設置角度のマージンを拡大でき、散乱波Ｕ１に起因する超音波信号の検出感度を向上できる。

図２１は、第４実施形態の偏心配置受信プローブ１２０の構造を説明する図であり、側方から視た図である。第４実施形態の偏心配置受信プローブ１２０に備えられる入射部１３５は、単位入射部１３３１（図１０Ａ）に代えて単位入射部１３５１を備えること以外は、第１実施形態の入射部１３３（図１０Ａ）と同様である。

単位入射部１３５１は、少なくとも送信プローブ１１０の配置側に、法線ＮＬ（図１１）を複数有する表面形状を有する。従って、単位入射部１３５１は、仮想円柱１３４２（図１０Ａ）の側面形状の一部を表面に有する単位入射部１３３１（図１０Ａ）のうち、送信プローブ１１０（図１）の配置側とは反対側（図示の例では左側）の少なくとも一部を切り欠いた形状を表面に有する。図示の例では、真半円柱のうちの左側半分が切り欠かれることで、送信プローブ１１０の配置側とは反対側（図示の例では左側）の全てが切り欠かれる。

このような入射部１３５によれば、送信プローブ１１０の配置側である右斜め方向のほか、更には垂直方向から入射した散乱波Ｕ１を効率的に検出できる。なお、散乱波Ｕ１が右斜め方向から入射するか左斜め方向から入射するかは、予め予想できる。例えば、図１７に示すように、受信音軸ＡＸ２が送信音軸ＡＸ１の左側になるように偏心配置受信プローブ１２０を配置した場合、散乱波Ｕ１は右斜め方向から入射する。換言すると、角度β２は正又はゼロである。これは、角度β２が正のときは右斜め方向からの入射に対応し、角度β２がゼロのときは垂直方向からの入射に対応する。

図２２は、第５実施形態の偏心配置受信プローブ１２０の構造を説明する図であり、側方から視た図である。第５実施形態の偏心配置受信プローブ１２０に備えられる入射部１３６は、単位入射部１３４１（図２０Ａ）に代えて単位入射部１３６１を備えること以外は、第３実施形態の入射部１３４（図２０Ａ）と同様である。

単位入射部１３６１は、少なくとも送信プローブ１１０の配置側に、法線ＮＬ（図２０Ｂ）を複数有する表面形状を有する。従って、単位入射部１３６１は、仮想円柱１３４２（図２０Ａ）の側面形状の一部を表面に有する単位入射部１３４１のうち、送信プローブ１１０８（図１）の配置側（図示の例では右側）の少なくとも一部を切り欠いた形状を表面に有する。図示の例では、真半円柱のうちの右側半分が切り欠かれることで、送信プローブ１１０の配置側（図示の例では右側）の全てが切り欠かれる。

このような入射部１３６によれば、送信プローブ１１０の配置側である右斜め方向のほか、更には垂直方向から入射した散乱波Ｕ１を効率的に検出できる。

図２３は、第６実施形態の偏心配置受信プローブ１２０の構造を説明する図であり、側方から視た図である。第６実施形態の偏心配置受信プローブ１２０に備えられる入射部１３７は、単位入射部１３３１（図１０Ａ）に代えて単位入射部１３７１を備えること以外は、第１実施形態の入射部１３３（図１０Ａ）と同様である。

単位入射部１３７１は、仮想的な円柱である仮想円柱１３４３の側面形状の一部を表面に有する。仮想円柱１３４３は、真円柱である仮想円柱１３４２（図１０Ｃ）とは異なり、楕円柱である。図示の例では、単位入射部１３７１は、楕円柱である仮想円柱１３４３の側面形状のうち、中心軸及び長径を含むように半分に切断した楕円円柱（半楕円柱）の表面形状を例えば凸状に備える。ただし、半分である必要は無く、半分よりも多い量（例えば楕円の短径又は長径の２／３の高さを有する単位入射部１３７１）、又は、半分よりも少ない量（例えば楕円の短径又は長径の１／３の高さを有する単位入射部１３７１）等でもよい。

楕円柱の側面形状の一部を表面に有することで、例えば図２３における紙面に垂直な方向に幅を有した散乱波Ｕ１が入射した場合にも散乱波Ｕ１を受信できる。

図２４は、第７実施形態の偏心配置受信プローブ１２０の構造を説明する図であり、側方から視た図である。第７実施形態の入射部１３８は、単位入射部１３４１（図２０Ａ）に代えて単位入射部１３８１を備えること以外は、第３実施形態の入射部１３４（図２０Ａ）と同様である。

単位入射部１３８１は、仮想的な円柱である仮想円柱１３４３の側面形状の一部を表面に有する。仮想円柱１３４３は、真円柱である仮想円柱１３４２（図２０Ａ）とは異なり、楕円柱である。図示の例では、単位入射部１３８１は、楕円柱である仮想円柱１３４３の側面形状のうち、中心軸及び長径を含むように半分に切断した楕円柱（半楕円柱）の表面形状を例えば凹状に備える。

楕円柱の側面形状の一部を表面に有することで、例えば図２４における紙面に垂直な方向に幅を有した散乱波Ｕ１が入射した場合にも散乱波Ｕ１を受信できる。

図２５Ａは、第８実施形態の偏心配置受信プローブ１２０の構造を説明する図であり、側方から視た図である。第８実施形態の偏心配置受信プローブ１２０に備えられる入射部１３９は、単位入射部１３３１（図１０Ａ）に代えて単位入射部１３９１を備えること以外は、第１実施形態の入射部１３３（図１０Ａ）と同様である。単位入射部１３９１の表面形状は、受信音軸ＡＸ２を含む断面視で、曲線を含む。

図２５Ｂは、図２５Ａの上面図である。単位入射部１３９１は、仮想球１３４４（図２５Ａ）の表面形状の一部を表面に有する。図示の例では、単位入射部１３９１は、仮想球１３４４の側面形状のうち、球の中心を含むように半分に切断した真円球（半真円球）の表面形状を例えば凸状に備える。ただし、半分である必要は無く、半分よりも多い量（例えば円の直径の２／３の高さを有する単位入射部１３９１）、又は、半分よりも少ない量（例えば円の直径の１／３の高さを有する単位入射部１３９１）等でもよい。なお、ここでいう真球は、厳密な真球である必要は無く、通常の測定方法により測定された直径が全範囲で等しい球をいう。また、単位入射部１３９１は、凸状に代えて凹状でもよいし、真円球の一部に代えて楕円球（楕円体）の一部でもよい。

単位入射部１３９１は、散乱波Ｕ１の伝達方向（紙面左右方向）に複数配置される。また、単位入射部１３９１は、散乱波Ｕ１の伝達方向に直交する方向のうちの水平方向（紙面上下方向）にも、複数配置される。単位入射部１３９１は、格子を構成する各交点上に配置される。

入射部１３９によれば、偏心配置受信プローブ１２０の許容受信角度を拡大でき、散乱波Ｕ１の受信漏れを抑制できる。

図２６は、第９実施形態の偏心配置受信プローブ１２０の構造を説明する上面図である。第９実施形態の偏心配置受信プローブ１２０に備えられる入射部１４１は、第８実施形態の単位入射部１３９１（図２５Ｂ）を複数備える。ただし、単位入射部１３９１の配置形態が、第８実施形態とは異なる。

入射部１４１は、互い違いに配置することで千鳥状に配置した複数の単位入射部１３９１を備える。これにより、偏心配置受信プローブ１２０の受信面のうち単位入射部１３９１が占める割合を増大でき、受信感度を向上できる。

図２７は、第１０実施形態の超音波検査装置Ｚの構成を示す図である。第１０実施形態では、走査計測装置１は、偏心配置受信プローブ１２０に加えて、同軸配置受信プローブ１４０を備える。ここで、同軸配置受信プローブ１４０は、偏心距離Ｌがゼロになる位置に配置した受信プローブ１２１である。即ち、同軸配置受信プローブ１４０の受信音軸ＡＸ２は、送信プローブ１１０の送信音軸ＡＸ１と同一である。第１０実施形態では、小さな欠陥部Ｄから大きな欠陥部Ｄまで、幅広いサイズの欠陥部Ｄを検出できる。

上記のように、偏心配置受信プローブ１２０で散乱波Ｕ１を検出する計測方法により、微小な欠陥部Ｄを検出し易くできる。一方、大きな欠陥部Ｄは従来法である阻止法でも検出できる。そこで、第１０実施形態では、偏心配置受信プローブ１２０と同軸配置受信プローブ１４０との併用により、阻止法での欠陥部Ｄの検出も行われる。具体的には、超音波ビームＵの形状及びサイズよりも大きな欠陥部Ｄは同軸配置受信プローブ１４０でも検出できる。第１０実施形態では，２つの計測方法で得た信号を用いることで、小さな欠陥部Ｄも大きな欠陥部Ｄも検出し易くできる。

図２８は、第１０実施形態の超音波検査装置Ｚの機能ブロック図である。偏心配置受信プローブ１２０の出力信号は、受信系統２２０ａに入力され、信号アンプ２２２で増幅後、波形解析部２２４で信号の振幅情報（信号強度情報）が抽出される。信号強度情報は、データ処理部２０１に入力される。

同軸配置受信プローブ１４０の出力信号は、受信系統２２０ｂに入力され、信号アンプ２２３で増幅後、波形解析部２２１で信号の振幅情報（信号強度情報）が抽出される。同軸配置受信プローブ１４０の受信音軸ＡＸ２は、送信プローブ１１０の送信音軸ＡＸ１に一致するように設置されているので、欠陥部Ｄにおいて超音波ビームＵの透過量が遮断されるため、同軸配置受信プローブ１４０の受信信号の振幅は、欠陥部Ｄにおいて減少する。これは、従来技術である「阻止法」での欠陥検出方法である。同軸配置受信プローブ１４０が接続された受信系統２２０ｂの波形解析部２２１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は、受信系統２２０ａから入力された信号と受信系統２２０ｂから入力された信号とを適切に組み合わせることで、欠陥画像を生成する。生成した欠陥画像は表示装置３に表示される。

受信系統２２０ａ，２２０ｂのそれぞれから出力された２つの信号の組み合わせ方法の一例を説明する。ある走査位置において、偏心配置受信プローブ１２０で受信した信号が増加するか、又は、同軸配置受信プローブ１４０からの信号が減少するか、の少なくとも何れか一方の条件を満たすとき、その走査位置に欠陥があると考えることができる。

図２９は、第１１実施形態の超音波検査装置Ｚの構成を示す図である。第１１実施形態では、流体Ｆとして例えば水等の液体Ｗを使用したこと以外は、第１実施形態と同様である。本開示の超音波検査装置Ｚでは、流体Ｆは上記のように気体Ｇ（図１）でもよく、第１１実施形態のように液体Ｗでもよい。ただし、以下の理由により、本開示により奏される効果として、流体Ｆとして空気等の気体Ｇを用いた場合に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中では超音波の音速が小さい（音波の伝搬が遅い）。上記のように、音速が遅いほど受信プローブ１２１の指向性は高まり、受信許容角度は狭くなる。そのため、上記のような偏心配置受信プローブ１２０を使用することで、受信許容角度を高めることの効果がより大きい。

第１１実施形態の超音波検査装置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。

第１１実施形態で使用される偏心配置受信プローブ１２０では、音響レンズ部１３０（図１０Ａ）は、流体Ｆである例えば水中の音速よりも大きな材料により構成され、具体的は例えばポリスチレンにより構成される。ポリスチレン中の音速ｃ２は２３５０ｍ／ｓであり、水中の音速ｃ１は１４９０ｍ／ｓなので、音響レンズ部１３０（図１０Ａ）は、水中の音速よりも大きな材料で構成される。

図３０は、第１２実施形態の超音波検査装置Ｚの構成を示す図である。第１０実施形態では、偏心配置受信プローブ１２０は、複数の単位プローブ１２０ａ（単位的な偏心配置受信プローブ）を含む。図示の例では、単位プローブ１２０ａは３つである。単位プローブ１２０ａは、偏心距離Ｌ（送信音軸ＡＸ１からの距離）が異なる位置にそれぞれ配置される。単位プローブ１２０ａは、名称が異なること以外は偏心配置受信プローブ１２０と同じ構成及び機能を有し、いずれも図示しないが、所定方向に延在する法線を複数有する表面形状を有する単位入射部を複数備える入射部を表面に備える。

欠陥部Ｄの深さ、形状、傾き等により、散乱波Ｕ１の経路が多少変化する。例えば、散乱するときの散乱角（送信音軸ＡＸ１に対する散乱波Ｕ１の為す角度）は通常は同程度である。このため、欠陥部Ｄが深いほど散乱波Ｕ１は送信音軸ＡＸ１から近い場所に到達し、欠陥部Ｄが浅いほど散乱波Ｕ１は送信音軸ＡＸ１から遠い場所に到達する。そこで、複数の単位プローブ１２０ａを用いて、どの位置の単位プローブ１２０ａで受信したかという情報を用いることにより、欠陥部Ｄに関する情報（欠陥部Ｄの深さ等）を得ることができる。

図３１は、第１２実施形態の超音波検査装置Ｚの機能ブロック図である。複数個の単位プローブ１２０ａは、それぞれに対応する受信系統２２０ｃ，２２０ｄ，２２０ｅに接続される。それぞれの受信系統２２０ｃ，２２０ｄ，２２０ｅの構成は、図１３に示す受信系統２２０の構成と同様である。即ち、受信系統２２０ｃ，２２０ｄ，２２０ｅは、何れも図３１では不図示であるが図１３に示すように、信号アンプ２２２と、波形解析部２２１とを備える。それぞれの単位プローブ１２０ａからの信号は、信号アンプ２２２で増幅されて、波形解析部２２１に入力される。波形解析部２２１は、受信信号（散乱波Ｕ１）の振幅を出力する。これら、受信系統２２０ｃ，２２０ｄ，２２０ｅそれぞれからの出力は、欠陥情報判定部２０５に入力される。

欠陥情報判定部２０５は、制御装置２に備えられ、複数の単位プローブ１２０ａのうち、照射された超音波ビームＵの、被検査体Ｅの欠陥部Ｄでの散乱により生じる散乱波Ｕ１を受信した単位プローブ１２０ａの受信信号に基づいて、被検査体Ｅでの欠陥部Ｄに関する情報（欠陥部Ｄの深さ等）を判定する。具体的には、欠陥情報判定部２０５は、受信系統２２０ｃ，２２０ｄ，２２０ｅそれぞれにおける波形解析部２２１（図１３）からの振幅情報に基づいて、散乱波Ｕ１を観測するために最適な受信系統２２０を判断する。第１０実施形態では、欠陥情報判定部２０５は、振幅が最大の受信系統２２０を選択する。そして、その選択された受信系統２２０の受信信号をデータ処理部２０１に出力する。

欠陥情報判定部２０５は、受信系統２２０ｃ，２２０ｄ，２２０ｅそれぞれにおける波形解析結果を基に、欠陥部Ｄに関する情報を判定する。受信信号に基づくとは、どの単位プローブ１２０ａで、どの程度の受信信号（散乱波Ｕ１）が検知されたかである。このようにすることで、欠陥部Ｄの位置情報の精度を向上できる。

欠陥情報判定部２０５の出力は、データ処理部２０１に入力される。データ処理部２０１は、プローブを走査するスキャンコントローラ２０４からの走査位置情報と合わせることにより、走査位置に対応する欠陥情報を画像化し，表示装置３に表示される。

なお、欠陥情報判定部２０５はデータ処理部２０１の一部として設けてもよい。

図３２は、第１３実施形態における偏心配置受信プローブ１２０の配置を示す図であり、第１２実施形態では鉛直方向に配置した単位プローブ１２０ａを傾斜して配置した図である。複数の単位プローブ１２０ａが送信音軸ＡＸ１に対して対称に配置されている。従って、偏心距離Ｌが同じ位置に、少なくとも２つの単位プローブ１２０ａが配置される。図示の例では、送信音軸ＡＸ１を含む平面視で送信音軸ＡＸ１の両側に、３個ずつ単位プローブ１２０ａが対称に配置される。そして、３つの異なる偏心距離Ｌのそれぞれの位置に、２個ずつ単位プローブ１２０ａが配置される。なお、単位プローブ１２０ａは、上記の第２実施形態（図１６）と同様に、傾斜して配置される。

設置角度調整部（不図示）を備える単位プローブ１２０ａ（偏心配置受信プローブ１２０）を傾斜して配置する効果を述べる。図１７を用いて説明すると、散乱波Ｕ１の角度β２が、例えば８°を中心として±５°の広がりがある場合を考える。この場合、単位プローブ１２０ａの角度θを８°にすればよい。上記のように、単位プローブ１２０ａでは受信許容角度が広がっているため，角度β＝８°を中心に広がった散乱波Ｕ１を効率よく受信できる。また、受信許容角度が拡がるため、単位プローブ１２０ａの角度θのマージンが拡がり、角度θの設定を容易に実行できる。

なお、第１３実施形態及び上記第１２実施形態において、更に、走査計測装置１は、更に同軸配置受信プローブ１４０（図２７）を備えてもよい。同軸配置受信プローブ１４０を更に備えることで、欠陥部Ｄが大きなものでも小さなものでも効率的に検出し易くできる。

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。本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、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１４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。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。

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 圧電変換素子
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
１１７，１１８ リード線
１１９ 送受信プローブ
１２０ 偏心配置受信プローブ
１２０ａ 単位プローブ
１２１ 受信プローブ
１３０ 音響レンズ部
１３１ 整合層
１３２ 圧電変換素子
１３３，１３４，１３５，１３６，１３７，１３８，１３９，１４１ 入射部
１３３１，１３４１，１３５１，１３６１，１３７１，１３８１，１３９１ 単位入射部
１３４２，１３４３ 仮想円柱
１３４４ 仮想球
１４０ 同軸配置受信プローブ
１５０ 偏心配置受信プローブ
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
２０５ 欠陥情報判定部
２１０ 送信系統
２１１ 波形発生器
２１２ 信号アンプ
２２０，２２０ａ，２２０ｂ，２２０ｃ，２２０ｄ，２２０ｅ 受信系統
２２１，２２４ 波形解析部
２２２，２２３ 信号アンプ
２２５ 画像合成部
２３１ 位相抽出部
２３２ 位相変化量算出部
２３５ スイッチ
２５１ メモリ
２５２ ＣＰＵ
２５３ 記憶装置
２５４ 通信装置
２５５ Ｉ／Ｆ
３ 表示装置
ＡＸ１ 送信音軸
ＡＸ２ 受信音軸
Ｄ 欠陥部
Ｅ 被検査体
Ｆ 流体
Ｇ 気体
Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４，Ｇ５ グラフ
Ｌ 偏心距離
Ｎ 健全部
ＮＬ 法線
Ｓ１０１，Ｓ１０２，Ｓ１０３，Ｓ１０４，Ｓ１０５ ステップ
Ｕ 超音波ビーム
Ｕ１ 散乱波
Ｕ２ 超音波ビーム
Ｕ３ 直達波
Ｚ 超音波検査装置

Claims (15)

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、前記被検査体に関して前記送信プローブの反対側に設置された、超音波ビームを受信する偏心配置受信プローブとを備え、
   前記送信プローブの送信音軸と前記偏心配置受信プローブの受信音軸との偏心距離がゼロよりも大きくなるように前記偏心配置受信プローブが配置され、
   前記偏心配置受信プローブは、複数の単位入射部を備える入射部を備え、
   前記単位入射部は、法線を複数有する表面形状を有する
   超音波検査装置。
2. 前記偏心距離が、前記超音波ビームの、前記被検査体の欠陥部での散乱により生じる散乱波を受信可能な距離に設定された
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波検査装置。
3. 前記被検査体の欠陥部への入射時の前記偏心配置受信プローブでの受信信号強度が前記被検査体の健全部への入射時の前記受信信号強度よりも大きくなるように、前記偏心距離が設定された
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波検査装置。
4. 前記偏心距離が、前記被検査体の健全部への照射時にノイズ以外の受信信号が検出されない距離に設定された
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波検査装置。
5. 前記送信プローブ又は前記偏心配置受信プローブの少なくとも一方の位置を調整する偏心距離調整部を備える
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波検査装置。
6. 前記流体は気体である
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波検査装置。
7. 前記偏心配置受信プローブは、圧電変換素子を備え、
   前記圧電変換素子には、対応する探触子面に少なくとも２つの前記単位入射部が配置される
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波検査装置。
8. 前記偏心配置受信プローブは、前記入射部を備える音響レンズ部を備える
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波検査装置。
9. 前記音響レンズ部は、前記流体中の音速よりも大きな材料により構成される
   ことを特徴とする請求項８に記載の超音波検査装置。
10. 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、超音波ビームを受信する偏心配置受信プローブとを備え、
    前記送信プローブの送信音軸と前記偏心配置受信プローブの受信音軸との偏心距離がゼロよりも大きくなるように前記偏心配置受信プローブが配置され、
    前記偏心配置受信プローブは、複数の単位入射部を備える入射部を備え、
    前記単位入射部は、法線を複数有する表面形状を有し、
    前記単位入射部の表面形状は、前記受信音軸を含む断面視で、曲線を含む
    ことを特徴とする超音波検査装置。
11. 前記単位入射部は、円柱の側面形状の一部を表面に有する
    ことを特徴とする請求項１０に記載の超音波検査装置。
12. 前記単位入射部は、球の表面形状の一部を表面に有する
    ことを特徴とする請求項１０に記載の超音波検査装置。
13. 前記単位入射部は、少なくとも前記送信プローブの配置側に前記表面形状を有する
    ことを特徴とする請求項１１又は１２に記載の超音波検査装置。
14. 前記走査計測装置は、前記送信音軸と前記受信音軸との為す角度θが０°＜θ＜９０°を満たすように、前記偏心配置受信プローブの傾きを調整する設置角度調整部を備える
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波検査装置。
15. 前記偏心配置受信プローブは、複数の単位プローブを含む
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波検査装置。

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