KR100373416B1 - 초음파 검사 장치 및 초음파 프로브 - Google Patents

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Abstract

물 등의 초음파 매체 W를 통하여 피검사체 S의 표면에 초음파를 이차원 주사하는 초음파 프로브(1)를 구비한 초음파 조작부(10)와, 당해 초음파 조작부의 구동부(20)와, 당해 구동부를 통하여 상기 초음파 조작부를 제어하고 피검사체인 모재 표면에 형성된 피막의 결함 검사를 실행하는 연산 처리부(30)로 초음파 검사 장치를 구성한다. 초음파 프로브(1)로부터 피검사체 S에 누설 탄성 표면파를 여시기키는 경사각 입사파의 송신을 송신하고, 피검사체 S로부터의 누설파를 초음파 프로브(1)에 의해 수신한다. 밀착성이 양호한 경우에는 누설파의 수신 레벨은 작아지고, 밀착성이 불량한 경우에는 누설파의 수신 레벨이 커진다. 연산 처리부(30)는 누설파의 수신 레벨로부터 모재에 대한 용사피막의 밀착도를 평가한다.

Description

초음파 검사 장치 및 초음파 프로브{ULTRASONIC INSPECTION DEVICE AND ULTRASONIC PROBE}
본 발명은 금속 재료의 비파괴 검사의 사용되는 초음파 검사 장치, 예를 들면, 특히 피검사체 표층의 건전성(健全性)의 평가에 바람직한 초음파 검사 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 피검사체의 비파괴 검사에 사용되는 초음파 프로브에 관한 것이며, 특히 피검사체의 열화도 평가, 피검사체 표층의 건전성 평가 및 피검사체에 생긴 결함의 방향성 검출에 바람직한 초음파 프로브에 관한 것이다.
종래부터, 예를 들면 일본국 특개평(特開平)4-238265호 공보에 기재되어 있는 바와 같이, 초음파를 사용하여 금속 재료의 표면에 형성된 용사피막의 밀착성을 파괴하지 않고 평가하는 기술이 공지되어 있다.
일반적으로 2개의 재료의 계면부의 밀착성을 평가함에 있어서는 집속(集束)형 초음파 프로브를 피검사체에 대향시켜 배치하고, 상기 초음파 프로브로부터 송신되는 초음파의 초점을 2개의 재료의 계면에 맞추어 계면으로부터의 에코 강도를 검출한다는 방법이 취해지고 있다. 그러나, 피검사체가 모재의 표면에 형성된 용사피막인 경우에는 용사피막이 0.1∼0.3mm 정도의 얇은 막이기 때문에, 용사피막측으로부터 초음파를 피검사체에 송신한 경우, 용사피막의 표면으로부터의 에코와 계면으로부터의 에코를 분리하는 것이 사실상 불가능하며, 모재에 대한 용사피막의 밀착성을 평가할 수 없다. 예를 들면, 모재의 표면에 형성된 두께 0.1mm의 WC계 용사피막에 대해 고찰하면, 당해 용사피막은 고주파 감쇠가 크고, 또한 표면에 수㎛∼수십㎛ 정도의 요철(凹凸)이 있기 때문에, 주파수가 5∼20MHz인 초음파(주기로 하여 200∼50ns)밖에 검사에 적용할 수 없다. 한편, 상기 용사피막의 종파 음속은 약 4200m/s로서, 피막 표면으로부터의 에코와 계면으로부터의 에코의 시간차는 47.6ns에 지나지 않기 때문에, 양 에코를 분리할 수 없음을 알 수 있다.
그래서, 상기 공지예에 기재된 용사피막 평가 방법에 있어서는 도 1에 나타낸 바와 같이, 모재 S1의 표면에 용사피막 S2가 형성된 피검사체 S와 집속형 초음파 프로브(101)를 수중(도면 중의 부호 W는 초음파 매질로서의 물을 나타냄)에서 대향시켜 배치하고, 초음파 프로브(101)의 초점을 모재 S1의 저면에 맞추어 용사피막 S2측으로부터 초음파(101)를 피검사체 S에 송신하고, 저면 에코의 강도로부터 모재 S1에 대한 용사피막 S2의 밀착도를 판정하도록 하고 있다. 상기 방법에 의하면, 계면부의 밀착성이 불량한 경우에는 계면부에 있어서의 초음파의 반사량이 많아져 모재 저면으로부터의 에코가 저하되고, 계면부의 밀착성이 양호한 경우에는 모재 S1을 통과하는 초음파가 증가하여 모재 저면으로부터의 에코가 증가되기 때문에, 계면의 밀착성을 판정할 수 있다. 또, 초음파 프로브(101)를 피검사체 S의 표면을 따라 이차원 주사하고, 적당한 주사 피치에서 저면 에코 레벨을 편입하고, C 스코프 화상화함으로써, 용사피막 S2의 밀착성 분포를 얻을 수 있다.
그러나, 상기 공지예에 기재된 용사피막 평가 방법에서는 용사피막 S2측으로부터 초음파(201)를 피검사체 S에 송신하여 모재 S1의 저면 에코 레벨을 검출하기 때문에, 도 2 (A)에 나타낸 바와 같이, 모재 S1의 두께 h가 커질수록 용사피막 S2의 표면에 있어서의 초음파 빔의 조사 직경 d가 커져, 결함의 검출능이 저하된다.
또, 상기 공지예에 기재된 용사피막 평가 방법에서는 상기와 동일한 이유로부터, 초음파 프로브(101)를 피검사체 S의 표면을 따라 이차원 주사한 경우에, 도 2 (B)에 나타낸 바와 같이, 초음파 빔의 조사 범위가 피검사체 S의 단부 e로부터 벗어나는 비교적 큰 영역에 대해 결함 검사 불능 영역을 발생시킨다. 피검사체 S의 단부 e는 용사피막 S2의 결함이 생기기 쉬운 개소이며, 검사 개소로서 특히 중요하기 때문에, 상기와 같은 큰 결함 검사 불능 영역을 갖는 것은 결함 검사의 신뢰성을 높이는 데에 특히 문제이다.
또한, 상기 공지예에 기재된 용사피막 평가 방법은 모재 S1의 저면 에코 레벨로부터 모재 S1과 용사피막 S2의 밀착성을 간접적으로 평가하는 방법이지만, 모재 S1의 저면 에코에는 용사피막 S2의 밀착성을 나타내는 정보 외에, 모재 S1의 내부나저면의 상태를 나타내는 각종 정보, 예를 들면 저면의 요철이나 저면에 부착된 녹 등의 정보에 모재 내부의 결함 정보 등이 포함되어 있기 때문에, 그들의 정보와 용사피막 S2의 밀착성에 관한 정보를 분리할 수 없어 용사피막의 평가를 정확하게 행할 수 없다는 문제도 있다.
덧붙여, 상기 공지예에 기재된 용사피막 평가 방법은 상기와 동일한 이유로부터 모재 S1이 니켈기의 초합금과 같은 초음파의 감쇠가 큰 재료로 이루어지는 경우에는 충분하고 완전한 저면 에코를 얻을 수 없어 실용상 충분한 용사피막의 결함 검사를 행할 수 없다.
그리고, 여기서는 용사피막의 결함 검사를 예로 들어 설명하였으나, 피검사체의 표층에 있어서의 균열의 유무나 피검사체 표층의 응력 분포, 파괴 인성(靭性)값, 열 취화(脆化)와 입계(粒界) 부식의 검출이라는 피검사체 표층에 관한 다른 건전성을 평가하는 경우에도, 동일한 문제가 있다.
또, 예를 들면 일본국 특개평(特開平)10-318995호 공보에 기재되어 있는 바와 같이, 초음파 모드의 하나인 누설 탄성 표면파의 음속 변화로부터 피검사체의 응력 분포나 파괴 인성값과 열 취화나 입계 부식이라는 피검사체의 열화도(이하, 본 명세서에 있어서는, 이들을 총칭하여 「피검사체의 열화도 등」이라 함)를 파괴하지 않고 평가하는 기술도 공지되어 있다.
도 3 (A) 및 도 3 (B)는 종래부터 상기 종류의 비파괴 검사에 적용되고 있는 초음파 프로브의 일례를 나타낸 요부 단면도 및 평면도로서, 이들의 도면으로부터명백한 바와 같이, 초음파 프로브(101)는 평면 형상이 원형으로 형성된 단일형의 진동자(102)와 당해 진동자(102)로부터 송신된 초음파를 수속(收束)시켜 피검사체 S에 입사시키는 오목 렌즈형의 음향 렌즈(103)를 구비한 구성으로 되어 있다. 진동자(102)의 주위에는 통상, 필요 이상의 진동의 발생을 억제하기 위해, 댐퍼(damper) 부재(101a)가 설치되어 있다. 진동자(102)는 표리 양면에 전극이 형성된 압전 박막으로 구성된다. 한편, 음향 렌즈(103)는 알루미늄 등의 초음파 전파 속도가 큰 물질에 의해 구성되고, 진동자(102)의 설정면(103a)이 평면형으로 형성되고, 이와 대향하는 렌즈 곡률면(103b)이 구면형(球面刑)으로 형성되어 있다. 상기 진동자(102)는 접착 등의 수단에 의해 음향 렌즈(103)의 진동자 설정면(103a)에 고정된다.
피검사체의 열화도 등의 평가 시에, 초음파 프로브(101)는 3차원 방향으로 이동하는 기계식 스캐너(도시 생략)에 고정되고, 수중에서 피검사체 S와 대향시켜 배치된다. 그 높이 위치는 도 3 (A)에 나타낸 바와 같이, 피검사체 S의 표면보다도 약간 아래쪽에 음향 렌즈(103)의 초점 P가 오도록 조정된다. 도면 중의 부호 △Z는 피검사체 S의 표면으로부터 초점 P까지의 초점 이탈량을 나타내고 있다. 이 상태에서, 도시하지 않은 제어부로부터 진동자(102)의 전극에 구동 전압을 공급하면, 진동자(102)가 구동되고, 당해 진동자(102)로부터 송신된 초음파가 음향 렌즈(103) 및 물을 통과하여 피검사체 S에 입사한다. 또, 피검사체 S로부터의 반사파 및 누설파는 물 및 음향 렌즈(103)를 통과하여 진동자(102)에서 수신된다.
진동자(102)로부터 송신된 초음파 중, 경사각 경로 A→B→C를 통과하여 피검사체 S의 표면에 레일리(Rayleibh) 임계각 θL로 입사한 경사각 입사파(入射波)는 누설 탄성 표면파로 변환되어 피검사체 S의 표면을 따라 진행된다. 상기 누설 탄성 표면파로는 입사점 C로부터 피검사체 S의 표면을 전파하는 동안에 레일리 임계각 θL로 누설되고, 피검사체 표면의 D점에서 누설한 누설파는 경로 D→E→F를 통과하여 진동자(102)에서 수신된다. 한편, 진동자(102)로부터 송신된 초음파 중, 수직 경로 G→H→I를 통과하여 피검사체 S의 표면에 입사한 수직 입사파는 피검사체 S에 의해 반사되고, 그 반사파(수직 반사파)가 수직 경로 I→H→G를 통과하여 진동자(102)에서 수신된다.
진동자(102)에 의한 누설파와 수직 반사파의 수신 타이밍에는 진동자(102)로부터 경사각 입사파 및 수직 입사파가 송신되면서부터 누설파 및 수직 반사파가 진동자(102)에 수신될 때까지의 각 파의 행정차에 따른 시간차가 있고, 상기 시간차 △t와, 초음파 프로브(101)와 피검사체 S 사이에 개재되는 초음파 매질인 수중을 전파하는 초음파의 음속 VW와, 음향 렌즈(103)의 초점 이탈량 △Z로부터 다음 식에 의해 누설 탄성 표면파의 음속 VL을 산출할 수 있고, 당해 누설 탄성 표면파의 음속 VL의 변화로부터 피검사체 S의 열화도 등을 평가할 수 있다.
… 식(1)
도 4에 진동자(102)에 의해 수신된 누설파의 에코 파형 L과 수직 반사파의 에코 파형 V를 나타낸다. 상기 시간차 △t는 상기 누설파의 에코 파형 L과 수직반사파의 에코 파형 V의 피크 사이의 시간차를 계측함으로써 구해진다. 또, 수중을 전달하는 초음파의 음속 VW도 측정에 의해 구할 수 있다. 또한 음향 렌즈(103)의 초점 이탈량 △Z는 피검사체 S의 표면의 위치와 초음파 프로브(101)의 설정 위치와 음향 렌즈(103)의 초점 거리로부터 구할 수 있다.
그리고, 누설 탄성 표면파의 음속 VL을 구하는 방법으로서는 전술한 방법 외에, 진동자(102)로부터의 입사파를 파열(burst)파로 하여 누설파와 수직 반사파를 적극적으로 간섭시키고, 그 간섭파의 변화 곡선(V (z) 곡선)의 경사(dip) 주기로부터 구하는 방법도 있으나, 본 발명과는 직접 관계되지 않으므로 설명을 생략한다.
그런데, 상기의 (1) 식으로부터 누설 탄성 표면파의 음속 VL을 구하고, 피검사체 S의 열화도 등을 평가하기 위해서는 진동자(102)의 수신 신호로부터 누설파의 에코 파형 L과 수직 반사파의 에코 파형 V를 명확하게 분리할 수 있고, 그 시간차 △t를 계측할 수 있는 것이 전제가 된다. 일반적으로 음향 렌즈(103)의 초점 이탈량 △Z를 크게 하면, 누설 탄성 표면파의 전파 거리가 길어져 경로 A→B→C→D→E→F와 경로 G→H→I→H→G의 행정차가 커지고, 도 4에 나타낸 바와 같이 시간 축 상에서 누설파의 에코 파형 L과 수직 반사파의 에코 파형 V가 분리되어 시간차 △t의 측정이 가능해지나, 본원 발명자들의 연구에 의하면, 모재의 표면에 예를 들면 용사피막 등의 누설 탄성 표면파가 감쇠되기 쉬운 피막이 행해진 피검사체에 대해서는 음향 렌즈(103)의 초점 이탈량 △Z를 다양하게 변경해도 누설파의 에코 파형 L과 수직 반사파의 에코 파형 V를 명확하게 분리할 수 없어 시간차 △t를 구할 수없음이 판명되었다. 즉, 본원 발명자들은 모재의 표면에 두께 0.1mm의 WC계 용사 재료로 이루어지는 용사피막이 행해진 피검사체에 대해 실험을 행한 바, 음향 렌즈(103)의 초점 이탈량 △Z를 크게 하면 누설 탄성 표면파의 감쇠가 커져 누설파의 에코 파형 L을 검출하는 것이 어려워지고, 반대로 음향 렌즈(103)의 초점 이탈량 △Z를 작게 하면 수직 반사파의 에코 파형 V에 누설파의 에코 파형 L이 매몰되어 양자를 명확하게 분리할 수 없어 시간차 △t를 구할 수 없었다.
이에 대해 이론적인 해석을 첨가하면, 상기의 피검사체에 목 두께(도 3 (A)의 GH 사이)가 5mm의 알루미늄제(음속=6400m/s) 음향 렌즈로부터 초점 이탈량 △Z를 0.2mm로 하여 10MHz의 초음파 펄스를 송신한 경우, WC계 용사피막을 전파하는 누설 탄성 표면파의 음속 VL은 약 2300m/s(표면을 연마한 같은 종류의 용사피막을 사용하여 미리 계측한 값)이며, 레일리 임계각은 약 41도이므로, 도 3 (A)에 나타낸 경로 G→H→I→H→G를 전파하는 수직 입사파 및 수직 반사파의 전파 시간이 10.05㎲이다. 이에 대하여, 도 3 (A)에 나타낸 경로 A→B→C→D→E→F를 전파하는 경사각 입사파, 누설 탄성 표면파 및 누설파의 전파 시간은 10.1㎲이다. 양자의 차는 50ns이며, 사용 주파수의 주기(100ns)의 절반밖에 되지 않으므로, 만약 미약한 누설파가 수신되고 있어도 시간차 △t를 구할 수 없다.
또, 상기의 (1) 식으로부터 누설 탄성 표면파의 음속 VL을 구하고, 피검사체 S의 열화도 등을 평가하기 위해서는 초음파 프로브(101)와 피검사체 S 사이에 게재되는 수중을 전파하는 초음파의 음속 VW를 특정지을 필요가 있다. 그러나 주지한바와 같이 수중을 전파하는 초음파의 음속 VW는 수온에 따라 변화되고, 통상 사용하는 범위에서는 1℃의 차로 수m/s도 변화된다. 그래서, (1) 식에 의해 누설 탄성 표면파의 음속 VL을 양호한 정밀도로 구하기 위해서는 시험마다 수온을 측정할 필요가 있다. 그러므로, 종래의 초음파 검사 장치에 있어서는 수온을 측정하기 위한 온도 센서가 필요하며 구조가 복잡해지는 동시에, 누설 탄성 표면파의 음속 VL을 측정할 때마다 수온을 측정하여 수온의 음속을 구한다는 번잡한 절차를 거치지 않으면 안되게 된다. 그 결과, 누설 탄성 표면파의 음속 VL의 측정, 나아가 피검사체의 열화도 등의 검사를 효율적으로 행하는 것이 어려워진다.
그리고, 여기서는 피검사체의 응력 분포나 파괴 인성값에 열 취화나 입계 부식이라는 재료의 열화도를 예로 들어 설명하였으나, 피검사체 표면에 있어서의 균열의 유무나 피검사체 표면에 형성된 피막의 박리의 유무 등, 피검사체 표면의 건전성을 평가하는 경우에도, 동일한 문제가 있다.
또, 여기서는 상기 (1) 식에서 나타낸 바와 같이, 피검사체의 표층을 전파하는 누설 탄성 표면파의 음속 변화로부터 피검사체의 열화도 등을 평가하는 기술을 예로 들어 설명하였으나, 누설 탄성 표면파를 이용한 초음파 검사 방법은 이 외에, 피검사체로부터 누설되는 누설파의 레벨 변화로부터 균열의 유무나 피막 박리의 유무라는 피검사체 표층의 건전성을 평가하는 방법으로서도 적용할 수 있다.
즉, 누설 탄성 표면파는 피검사체의 표면으로부터 1파장 정도, 피검사체의 내부에 침투되지만, 모재에 대한 피막의 밀착성이 양호한 경우에는 피검사체의 내부에 침투한 누설 탄성 표면파의 모재로의 침투량이 커지기 때문에, 진동자에 의해 수신되는 누설파의 레벨이 낮아진다. 이에 대하여, 모재에 대한 피막의 밀착성이 불량한 경우에는 모재와 피막 사이에 박리에 의한 공기층이 생기고, 당해 공기층과 피막의 계면에서 누설 탄성 표면파가 반사되기 때문에 누설 탄성 표면파의 모재로의 침투량이 작아지고, 상대적으로 진동자에 의해 수신되는 누설파의 레벨이 커지게 된다. 따라서, 초음파 프로브에 있어서의 누설파의 수신 레벨로부터 연산 처리부에서 모재에 대한 피막의 밀착성의 양부를 판정할 수 있다.
한편, 피검사체의 표층에 균열 등의 결함이 존재하면, 피검사체의 표층에 있어서의 누설 탄성 표면파의 전파가 균열 등에 의해 방해되기 때문에, 진동자에 의해 수신되는 누설파의 레벨이 낮아진다. 이에 대하여, 피검사체의 표층에 균열 등의 결함이 존재하지 않는 경우에는 피검사체의 표층에 있어서의 누설 탄성 표면파의 전파가 균열 등에 의해 방해되지 않기 때문에, 진동자에 의해 수신되는 누설파의 레벨이 높아진다. 따라서, 이 경우에도 초음파 프로브에 있어서의 누설파의 수신 레벨로부터 연산 처리부에서 피검사체 표층에 있어서의 균열의 유무를 판정할 수 있다.
피검사체 표층의 건전성을 평가하기 위해서는 반드시 누설파와 수직 반사파의 양쪽을 검출할 수 있는 초음파 프로브를 사용할 필요는 없으나, 최소한 누설파의 에코 파형을 명확하게 검출할 수 있는 초음파 프로브를 사용할 필요가 있다.
또, 상기 일본국 특개평(特開平)10-318995호 공보에 기재된 기술에 의하면, 피검사체의 표층을 전파하는 누설 탄성 표면파의 음속 변화로부터 피검사체의 열화도 등을 평가할 뿐 아니라, 피검사체로부터 누출되는 누출파의 레벨 변화로부터 균열의 유무나 피막 박리의 유무라는 피검사체 표층의 건전성을 평가하는 방법으로서도 적용할 수 있다.
한편, 피검사체에 생긴 결함의 방향성을 검출하는 기술로서는 예를 들면 일본국 특개평(特開平)11-51911호 공보에 기재되어 있는 바와 같이, 라인 포커스형 초음파 송수신기를 사용하여, 압연 금속판의 내부에 발생한 압연 방향으로 연장되는 비금속 개재물을 검출하는 기술이 공지되어 있다. 상기 공보에 기재된 기술에 의하면, 압연 금속판 내에 존재하는 비금속 개재물과 같이 방향성을 갖는 결함을 고정밀도로 검출할 수 있으나, 피검사체의 열화도 평가나 피검사체 표층부의 건전성 평가에 대해서는 행할 수 없어, 피검사체의 초음파 검사를 효율화할 수 없다. 또, 상기 공지예에 관한 초음파 탐상(探傷) 장치는 라인 포커스형 초음파 송수신기를 사용하므로, 장치가 대형화 및 복잡화된다는 문제도 있다.
도 1은 종래부터 공지되어 있는 용사피막의 초음파 검사 방법을 나타낸 설명도.
도 2 (A) 및 도 2 (B)는 종래 기술의 미비함을 나타낸 설명도.
도 3 (A) 및 도 3 (B)는 종래부터 상기 종류의 비파괴 검사에 적용되고 있는 초음파 프로브의 일례를 나타낸 요부 단면도 및 평면도.
도 4는 진동자에 의해 수신된 누설파의 에코 파형과 수직 반사파의 에코 파형을 나타낸 도면.
도 5 (A) 및 도 5 (B)는 본 발명의 원리 및 제1 실시예에 관한 초음파 프로브의 제1예의 요부 단면도 및 평면도.
도 6은 제1 실시예에 관한 초음파 검사 장치의 구성을 나타낸 블록도.
도 7은 제 1 실시예에 관한 초음파 검사 장치에 있어서의 초음파 주사부의 구성을 나타낸 사시도.
도 8은 제1 실시예에 있어서의 초음파 프로브의 Z 방향으로의 위치 결정 방법을 나타낸 설명도.
도 9는 제1 실시예에 관한 초음파 검사 방법의 처리 순서를 나타낸 플로차트.
도 10 (A) 및 도 10 (B)는 제1 실시예에 관한 초음파 검사 장치에서 얻어지는 누설파의 C화상 데이터를 나타낸 도면.
도 11은 제1, 제2 제3 및 제4 실시예에 관한 초음파 프로브에 의해 수신되는 누설파 및 수직 반사파의 에코 파형을 나타낸 도면.
도 12 (A) 및 도 12 (B)는 제1 실시예의 비교예 및 제2 실시예의 제2예에 관한 초음파 프로브의 요부 단면도 및 평면도.
도 13은 제1 실시예에 관한 초음파 프로브의 제2예 및 제11 실시예에 관한 초음파 프로브의 요부 단면도.
도 14 (A), 도 14 (B) 및 14 (C)는 제1 실시예의 초음파 프로브의 제3예에 관한 초음파 프로브의 요부 단면도.
도 15 (A) 및 도 15 (B)는 제1 실시예에 관한 초음파 프로브의 제4예에 관한 초음파 프로브를 상면측으로부터 본 요부 사시도 및 저면측으로부터 본 요부 사시도.
도 16은 제1 실시예에 관한 초음파 프로브의 제5예에 관한 초음파 프로브를 상면측으로부터 본 요부 사시도.
도 17 (A) 및 도 17 (B)는 제1 실시예에 관한 초음파 프로브의 제6예의 요부 단면도 및 평면도.
도 18 (A) 및 도 18 (B)는 제1 실시예에 관한 초음파 프로브의 제7예의 요부 단면도 및 평면도.
도 19 (A) 및 도 19 (B)는 제1 실시예에 관한 초음파 프로브의 제8예의 요부 단면도 및 평면도.
도 20 (A) 및 도 20 (B)는 제1 실시예에 관한 초음파 프로브의 제9예의 요부 단면도 및 평면도.
도 21 (A) 및 도 21 (B)는 제2 실시예에 관한 초음파 프로브의 제1예의 요부 단면도 및 평면도.
도 22는 제2 실시예의 제2예에 관한 초음파 프로브의 요부 단면도.
도 23은 음향 렌즈의 초점을 피검사체의 표면에 합초시킨 경우의 상태를 나타낸 설명도.
도 24는 초음파 검사 장치의 처리 순서를 나타낸 플로차트.
도 25 (A) 및 도 25 (B)는 제3 실시예의 제1예에 관한 초음파 프로브의 요부 단면도 및 평면도.
도 26은 제3 실시예의 제2예에 관한 초음파 프로브의 요부 단면도.
도 27 (A), 도 27 (B) 및 도 27 (C)는 제3 실시예의 제3예에 관한 초음파 프로브의 요부 단면도.
도 28 (A) 및 도 28 (B)는 제3 실시예의 제4예에 관한 초음파 프로브의 상면측으로부터 본 사시도와 저면측으로부터 본 사시도.
도 29는 제3 실시예의 제5예에 관한 초음파 프로브의 평면측으로부터 본 사시도.
도 30은 제3 실시예의 제6예에 관한 초음파 프로브의 요부 단면도.
도 31 (A) 및 도 31 (B)는 제3 실시예의 제7예에 관한 초음파 프로브의 요부 단면도 및 평면도.
도 32는 제3 실시예의 제8예에 관한 초음파 프로브의 요부 단면도.
도 33은 제3 실시예의 제9예에 관한 초음파 프로브의 사시도.
도 34 (A) 및 도 34 (B)는 제3 실시예의 제10예에 관한 초음파 프로브의 요부 단면도 및 평면도.
도 35 (A) 및 도 35 (B)는 제3 실시예의 제11예에 관한 초음파 프로브의 요부 단면도 및 평면도.
도 36 (A) 및 도 36 (B)는 제4 실시예의 제1예에 관한 초음파 프로브의 요부 단면도 및 평면도.
도 37은 평면형 초음파 프로브와 음향 렌즈의 결합 방식의 다른 예를 나타낸 단면도.
도 38 (A) 및 도 38 (B)는 제4 실시예의 제1예에 있어서의 누설파의 C 스코프 화상예를 나타낸 도면.
도 39 (A) 및 도 39 (B)는 제4 실시예의 제2예에 관한 초음파 프로브의 요부 단면도 및 평면도.
도 40 (A) 및 도 40 (B)는 제4 실시예의 제3예에 관한 초음파 프로브의 요부 단면도 및 평면도.
도 41 (A) 및 도 41 (B)는 제4 실시예의 제4예에 관한 초음파 프로브의 요부 단면도 및 평면도.
도 42 (A) 및 도 42 (B)는 제4 실시예의 제5예에 관한 초음파 프로브의 요부 단면도 및 평면도.
도 43은 제4 실시예의 제6예에 관한 초음파 프로브의 평면도.
도 44 (A) 및 도 44 (B)는 제4 실시예의 제7예에 관한 초음파 프로브의 요부 단면도 및 평면도.
본 발명의 목적은 모재의 두께나 저면 상태, 나아가 소재의 종류 등에 의존하지 않고, 또한 피검사체의 단부까지 높은 정밀도로 피검사체 표층의 건전성을 평가할 수 있는 초음파 검사 장치를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 다른 목적은 수온을 측정하지 않고 누설 탄성 표면파의 음속을 고정밀도로 산출할 수 있는 초음파 검사 장치를 제공하는 것, 나아가 누설 탄성 표면파의 감쇠가 큰 피검사체에 대해서도 수온을 측정하지 않고 누설 탄성 표면파의 음속을 고정밀도로 산출할 수 있는 초음파 검사 장치를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 피검사체의 표층을 전파하는 누설 탄성 표면층을 이용하여 피검사체의 열화도 등이나 건전성을 평가하는 초음파 검사 방법에 적용 가능한 초음파 프로브를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 피검사체의 열화도 평가와 피검사체 표층부의 건전성 평가와 결함의 방향성을 검출할 수 있고, 초음파 검사의 고능률화와 고정밀도화를 도모할 수 있는 초음파 프로브를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 피검사체의 표층, 내부 또는 저면에 존재하는 결함의 방향성을 검출할 수 있는 소형이면서 간단한 구성의 초음파 프로브를 제공하는 데에 있다.
본 발명에 의하면, 초음파 주사부에 피검사체로의 누설 탄성 표면파를 여기(勵起)시키는 경사각 입사파의 송신과 피검사체로부터의 누설파의 수신을 행하는 초음파 프로브를 구비하고, 당해 초음파 프로브에 의한 누설파의 수신 레벨로부터 피검사체의 표층의 건전성을 평가하기 때문에, 피검사체의 두께나 저면 상태, 피검사체의 내부 상태 등에 의존하지 않고, 또한 피검사체의 단부까지 높은 정밀도로 피검사체 표층의 건전성을 평가할 수 있다.
또, 본 발명에 의하면, 초음파 프로브의 초점을 피검사체의 표면에 합치하여 측정한 경사각 입사파 및 누설 탄성 표면파 및 누설파의 전파 시간과 초음파 프로브의 초점을 피검사체의 내부에 설정하여 측정한 경사각 입사파 및 누설 탄성 표면파 및 누설파의 전파 시간의 차이과, 초음파 프로브의 초점을 피검사체의 표면에 합치하여 측정한 수직 입사파 및 수직 반사파의 전파 시간과 초음파 프로브의 초점을 피검사체의 내부에 설정하여 측정한 수직 입사파 및 수직 반사파의 전파 시간의 차이를 토대로 하여 누설 탄성 표면파의 음속을 산출하기 때문에, 검사마다 수온을 측정할 필요가 없어 온도 센서를 생략할 수 있으므로, 초음파 검사 장치의 구성의 간략화와 연산의 효율화를 도모할 수 있다.
또, 본 발명에 의하면, 진동자 설정면이 평면형으로 형성된 평면형 초음파 프로브와, 당해 평면형 초음파 프로브의 선단부에 장착되어 상기 진동자로부터 송신된 초음파를 집속하는 음향 렌즈를 구비한 집속형 초음파 프로브에 있어서, 상기 음향 렌즈로서 피검사체로의 수직 입사파 및 피검사체로부터의 수직 반사파의 전파 경로에 있어서의 초음파의 전파 속도와 피검사체로의 경사각 입사파 및 피검사체로부터의 누설파의 전파 경로에 있어서의 초음파의 전파 속도를 상이하게 한 것을 사용하였기 때문에, 초점 이탈량 △Z를 크게 할 수 없는 경우에도 진동자에 의한 수직 반사파의 수신 타이밍과 누설파의 수신 타이밍을 겹치지 않게 할 수 있고, 각 에코 파형의 수신 시간차 △t를 구할 수 있다. 따라서, 모재의 표면에 용사피막 등의 누설 탄성 표면파 L이 감쇠되기 쉬운 피막이 행해진 피검사체에 대해서도, 그 열화도 등을 파괴하지 않고 평가할 수 있는 동시에, 누설파의 수신 레벨을 정확하게 구할 수 있으므로, 피검사체 표층의 건전성도 파괴하지 않고 평가할 수 있다.
또, 본 발명에 의하면, 상기와 동일한 집속형 초음파 프로브에 있어서, 상기 음향 렌즈로서 피검사체로의 경사각 입사파 및 피검사체로부터의 누설파의 전파 경로를 가지고, 피검사체로의 수직 입사파 및 피검사체로부터의 수직 반사파의 전파 경로를 갖지 않는 것을 사용하였으므로, 누설파의 수신 레벨을 정확하게 구할 수있고, 피검사체 표층의 건전성을 평가할 수 있다.
또, 본 발명에 의하면, 음향 렌즈로서 렌즈 곡률면이 구면형으로 형성된 오목 렌즈를 사용하였으므로, 평면형 초음파 프로브로부터 출력된 초음파를 피검사체의 표층 부분에 스폿형으로 집중시킬 수 있고, 고정밀도의 검사를 행할 수 있다.
또, 본 발명에 의하면, 음향 렌즈로서 실린더형 렌즈를 사용하였으므로, 평면형 초음파 프로브로부터 출력된 초음파를 피검사체의 표층 부분에 라인형으로 집중시킬 수 있고, 고정밀도의 검사를 행할 수 있다.
또, 본 발명에 의하면, 음향 렌즈를 평면형 초음파 프로브의 선단부에 착탈 가능하게 장착하였으므로, 방식이 상이한 각종 평면형 초음파 프로브와 음향 렌즈를 조합하여 다양한 방식의 집속형 초음파 프로브를 얻을 수 있고, 적은 부품수로 다양한 초음파 검사를 실행할 수 있기 때문에, 초음파 검사의 총비용을 저감할 수 있다. 또, 평면형 초음파 프로브와 음향 렌즈를 착탈 가능하게 결합한 것이므로, 수중에 있어서의 집속형 초음파 프로브의 조립이 가능하며, 평면형 초음파 프로브와 음향 렌즈 사이에 기포가 개재되지 않아, 검사 결과의 신뢰성을 높일 수 있다. 또, 기포를 제거하기 위한 수고를 요하지 않으므로, 이 점으로부터도 검사 비용의 저감을 도모할 수 있다.
또, 본 발명에 의하면, 평면형 초음파 프로브와 음향 렌즈의 조합을 사용하는 구성을 대신하여, 진동자 설정면이 구면형으로 형성된 초음파 프로브를 사용하고, 당해 진동자 설정면에 설치된 진동자의 표면 중앙부에 당해 진동자보다도 소형의 초음파 차폐 부재를 구비하였으므로, 초음파 프로브의 구성의 간략화를 도모할수 있다.
또, 음향 렌즈에 있어서의 피검사체로의 경사각 입사파 및 피검사체로부터의 누설파의 전파 경로를 일부 차단하였으므로, 초음파 프로브로부터 피검사체에 입사되는 경사각 입사파 및 피검사체로부터 초음파 프로브에 입사되는 누설파에 방향성을 부여할 수 있고, 누설파의 검출 신호의 S/N을 향상시킬 수 있어 선형 또는 면형 결함의 검출 정밀도를 높일 수 있다.
또, 본 발명에 의하면, 상기와 동일의 집속형 초음파 프로브에 있어서, 상기 음향 렌즈로서 피검사체로의 경사각 입사파 및 피검사체로부터의 누설파의 전파 경로를 가지고, 피검사체로의 수직 입사파 및 피검사체로부터의 수직 반사파의 전파 경로를 갖지 않는 것을 사용하였으므로, 누설파의 수신 레벨을 정확하게 구할 수 있고, 피검사체 표층의 건전성을 평가할 수 있다.
본 발명은 물 등의 초음파 매체를 통하여 피검사체의 표면에 초음파를 이차원 주사하는 초음파 주사부와, 당해 초음파 주사부의 구동부와, 당해 구동부를 통하여 상기 초음파 주사부를 제어하고, 피검사체의 결함 검사를 실행하는 연산 처리부를 구비한 초음파 검사 장치에 있어서, 상기 초음파 주사부에 상기 피검사체로의 누설 탄성 표면파를 여기시키는 경사각 입사파의 송신과 상기 피검사체로부터의 누설파의 수신을 행하는 초음파 프로브를 구비하고, 당해 초음파 프로브에 의한 상기 누설파의 수신 레벨로부터 상기 피검사체의 표면의 건전성을 상기 연산 처리부에서 평가한다는 구성으로 하였다.
도 5 (A)에 나타낸 바와 같이, 초음파 프로브(P1)로부터 송신된 초음파 중,경사각 경로 A→B→C를 통과하여 용사피막 S2의 표면에 레일리 임계각 θL로 입사한 경사각 입사파는 누설 탄성 표면파로 변환되고, 용사피막 S2의 표면을 따라 진행된다. 상기 누설 탄성 표면파는 입사점 C로부터 용사피막 S2의 표면을 전파하는 사이에 레일리 임계각 θL로 누설되고, 피검사체 표면의 D점에서 누설된 누설파는 경로 D→E→F를 통과하여 진동자(2)에서 수신된다. 그리고, 누설 탄성 표면파는 피검사체 S의 표면(본 예의 경우에는 용사피막 S2의 표면)으로부터 1파장 정도, 피검사체 S의 내부에 침투하도록 되어 있다.
모재 S1에 대한 용사피막 S2의 밀착성이 양호한 경우에는 피검사체 S의 내부에 침투한 누설 탄성 표면파의 모재 S1으로의 침투량이 커지기 때문에, 진동자(2)에 의해 수신되는 누설파의 레벨이 낮아진다. 이에 대하여, 모재 S1에 대한 용사피막 S2의 밀착성이 불량한 경우에는 모재 S1과 용사피막 S2사이에 박리에 의해 공기층이 생기고, 당해 공기층과 용사피막 S2와의 계면에서 누설 탄성 표면파가 반사되기 때문에 누설 탄성 표면파의 모재 S1로의 침투량이 작아지고, 상대적으로 진동자(2)에 의해 수신되는 누설파의 레벨이 커진다. 따라서, 초음파 프로브(1)에 있어서의 누설파의 수신 레벨로부터 연산 처리부에서 모재 S1에 대한 용사피막 S2의 밀착성의 양부를 판정할 수 있다.
한편, 용사피막 등의 피막을 갖지 않는 피검사체에 있어서, 피검사체 S의 표층에 균열 등의 결함이 존재하는 경우에는 피검사체 S의 표층에 있어서의 누설 탄성 표면파의 전파가 균열 등에 의해 방해되기 때문에, 진동자(2)에 의해 수신되는 누설파의 레벨이 낮아진다. 이에 대하여, 피검사체 S의 표층에 균열 등의 결함이 존재하지 않는 경우에는 피검사체 S의 표층에 있어서의 누설 탄성 표면파의 전파가 균열 등에 의해 방해되지 않기 때문에, 진동자(2)에 의해 수신되는 누설파의 레벨이 높아진다. 따라서, 이 경우에도 초음파 프로브(P1)에 있어서의 누설파의 수신 레벨로부터 연산 처리부에서 피검사체 S의 건전성을 판정할 수 있다. 상기 초음파 프로브로서는 피검사체로의 누설 탄성 표면파를 여기시키는 경사각 입사파의 송신과 피검사체로부터의 누설파의 수신을 행할 수 있는 것이면 된다.
또, 본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해, 초음파 프로브 및 당해 초음파 프로브를 피검사체에 대하여 이송하는 기계식 스캐너를 가지는 초음파 주사부와 당해 초음파 주사부의 구동부와, 당해 구동부를 통하여 상기 초음파 주사부를 제어하고, 원하는 초음파 검사를 실행하는 연산 처리부를 구비한 초음파 검사 장치에 있어서, 상기 초음파 프로브의 초점을 상기 피검사체의 제1 깊이 위치에 설정하여 초음파를 송신했을 때의 경사각 입사파 및 누설 탄성 표면파 및 누설파의 전파 시간과 상기 초음파 프로브의 초점을 상기 피검사체의 제2 깊이 위치에 설정하여 초음파를 송신했을 때의 경사각 입사파 및 누설 탄성 표면파 및 누설파의 전파 시간의 차이, 및 상기 초음파 프로브의 초점을 상기 피검사체의 제1 깊이 위치에 설정하여 초음파를 송신했을 때의 수직 입사파 및 수직 반사파의 전파 시간과 상기 초음파프로브의 초점을 상기 피검사체의 제2 깊이 위치에 설정하여 초음파를 송신했을 때의 수직 입사파 및 수직 반사파의 전파 시간의 차이를 토대로, 상기 연산 처리부에서 누설 탄성 표면파의 음속을 산출한다는 구성으로 하였다.
상기 구성의 초음파 검사 장치에 있어서, 상기 제1 깊이 위치는 상기 피검사체의 표면으로 할 수 있고, 상기 제2 깊이 위치는 상기 초음파 프로브로부터 송신되는 초음파에 의해 상기 피검사체에 누설 탄성 표면파가 발생하는 위치로 할 수 있다.
예를 들면 후술하는 도 23에 나타낸 바와 같이 음향 렌즈(3)의 초점 위치를 피검사체 S의 표면에 합치시켰을 때에 경로 A→B→C→(D→)E→F를 통과하는 초음파의 전파 시간 tL0과 후술하는 도 21 (A)에 나타낸 바와 같이 음향 렌즈(3)의 초점 위치를 피검사체 S의 표면으로부터 내측으로 이동시켰을 때에 경로 A→B→C→D→E→F를 통과하는 초음파의 전파 시간 tL1의 시간차 △tL은 음향 렌즈(3)의 초점 이탈량을 △Z, 레일리 임계각을 θL, 물의 음속을 VW, 누설 탄성 표면파를 VL로 했을 때,
… 식(2)
로 표시되고, 스넬의 법칙으로부터 VW=VLsinθL인 것을 이용하여 (2) 식으로부터 θL을 소거하면, 하기의 (3) 식이 얻어진다.
… 식(3)
한편, 음향 렌즈(3)의 초점 위치를 피검사체 S의 표면에 합치시켰을 때에 경로 G→I→G를 통과하는 초음파의 전파 시간 tV0과 음향 렌즈(3)의 초점 위치를 피검사체 S의 표면으로부터 이동시켰을 때에 경로 G→I→G를 통과하는 초음파의 전파 시간 tV1의 시간차 △tV는 하기의 (4) 식으로 표시된다.
… 식(4)
상기 식 (4)로부터 물의 음속 VW는 하기의 (5) 식에서 구해진다.
… 식(5)
여기서, (5) 식을 (3) 식으로 대입하면, 물의 음속 VW를 변수로 포함하지 않는 누설 탄성 표면파의 음속 VL을 구하는 하기의 (6) 식을 얻을 수 있다.
…식 (6)
따라서, 초음파 프로브의 초점을 피사체 S의 표면에 합초시켜 측정한 경사각 입사파 및 누설 탄성 표면파 및 누설파의 전파 시간과 초음파 프로브의 초점을 피검사체의 내부에 설정하여 측정한 경사각 입사파 및 누설 탄성 표면파 및 누설파의 전파 시간의 차이 △tL, 초음파 프로브의 초점을 피검사체 S의 표면에 합초시켜 측정한 수직 입사파 및 수직 반사파의 전파 시간과의 차이 △tV및 음향 렌즈(3)의 초점 이탈량을 △Z로부터 누설 탄성 표면파의 음속을 산출할 수 있고, 초음파 검사 장치의 구성의 간략화와 연산의 효율화를 도모할 수 있다.
그리고, 초음파 프로브로서는 후술하는 도 12 (A)에 나타낸 바와 같이, 수직 입사파 및 수직 반사파의 전파 경로(G→H 및 H→G)에 있어서의 초음파의 전파 속도와 경사각 입사파 및 누설파의 전파 경로(A→B 및 E→F)에 있어서의 초음파의 전파 속도가 동일한 균질의 음향 렌즈(103)를 구비한 것을 사용할 수도 있고, 예를 들면 도 21 (A)에 나타낸 바와 같이, 수직 입사파 및 수직 반사파의 전파 경로(G→I 및 I→G)에 있어서의 초음파의 전파 속도와 경사각 입사파 및 누설파의 전파 경로(A→B 및 E→F)에 있어서의 초음파의 전파 속도가 상이한 음향 렌즈(3)를 구비한 것을 사용할 수도 있다.
도 12 (A)의 초음파 프로브는 누설 탄성 표면파의 감쇠가 작아, 수직 반사파의 에코 파형 V와 누설파의 에코 파형 L을 시간축 상에서 분리할 수 있고, (6) 식에 있어서의 시간차 △tL및 △tV의 산출이 가능한 피검사체의 검사에 적용된다. 이에 대하여, 도 21 (A)에 예시한 초음파 프로브는 상기 종류의 피검사체뿐 아니라, 예를 들면 용사피막이 형성된 피검사체와 같이, 누설 탄성 표면파의 감쇠가 크기 때문에, 후술하는 도 22의 초음파 프로브로는 수직 반사파의 에코 파형 V와 누설파의 에코 파형 L을 시간축 상에서 분리할 수 없고, 따라서 (6) 식에 있어서의 시간차 △tL및 △tV를 산출할 수 없는 피검사체의 검사에도 적용할 수 있다.
그리고, 음향 렌즈의 수직 입사파 및 수직 반사파의 전파 경로에 있어서의 초음파의 전파 속도와 음향 렌즈의 경사각 입사파 및 누설파의 전파 경로에 있어서의 초음파의 전파 속도를 상이하게 하는 수단으로서는,
(a) 음향 렌즈의 수직 입사파 및 수직 반사파의 전파 경로에 진동자의 설정면으로부터 그와 대향하는 렌즈 곡률면까지 관통하는 투과공을 개설한다.
(b) 음향 렌즈의 렌즈 곡률면에 홈을 형성한다.
(c) 음향 렌즈에 개설된 투과공 내, 또는 음향 렌즈의 진동자 설정면 또는 렌즈 곡률면에 형성된 홈 내에, 당해 음향 렌즈를 구성하는 소재보다도 초음파의 전파 속도가 느린 소재로 이루어지는 충전물을 충전한다.
(d) 음향 렌즈에 개설된 투과공 내, 또는 음향 렌즈의 진동자 설정면 또는 렌즈 곡률면에 형성된 홈 내에, 당해 음향 렌즈를 구성하는 소재보다도 초음파의 전파 속도가 빠른 소재로 이루어지는 충전물을 충전한다
라는 수단이 있다.
그리고, 상기 (c)의 구체예로서는 알루미늄으로 이루어지는 음향 렌즈의 투과공 내 또는 홈 내에 수지를 충전한 것을 들 수 있다. 또, 상기 (d)의 구체예로서는 수지로 이루어지는 음향 렌즈의 투과공 내 또는 홈 내에 알루미늄의 원통체를 압입하거나 알루미늄으로 이루어지는 심재의 주위에 수지를 아웃서트(outsert) 주형하여 음향 렌즈로 한 것을 들 수 있다.
음향 렌즈 및 진동자의 형상에 대해서는 어떠한 제한이 있는 것은 아니며, 곡률면이 구면형으로 형성된 오목 렌즈에 평면 형상이 원형으로 형성된 단일형의 진동자를 구비할 수도 있고, 실린더형 렌즈에 단일형 또는 어레이형의 진동자를 구비할 수도 있다.
음향 렌즈의 수직 입사파 및 수직 반사파의 전파 경로에 있어서의 초음파의전파 속도와 음향 렌즈의 경사각 입사파 및 누설파의 전파 경로에 있어서의 초음파의 전파 속도를 상이하게 하면, 누설 탄성 표면파의 감쇠가 크기 때문에 초점 이탈량 △Z를 크게 할 수 없는 경우에도 진동자에 의한 수직 반사파의 수신 타이밍과 누설파의 수신 타이밍을 다르게 할 수 있기 때문에, 수직 반사파의 에코 파형 V와 누설파의 에코 파형 L을 시간축 상에서 명확하게 분리할 수 있게 되고, 각 에코의 전파 시간을 구하는 것이 가능해진다. 따라서, 전술한 (6) 식을 사용하여 누설 탄성 표면파의 음속 VL을 간편하게 구할 수 있다. 따라서, 이러한 점으로부터 모재의 표면에 용사피막 등의 누설 탄성 표면파를 감쇠하기 쉬운 피막이 행해진 피검사체에 대해서도, 그 응력 분포나 파괴 인성값에 열 취화나 입계 부식이라는 재료의 열화도, 및 피검사체 표면에 있어서의 건전성을 파괴하지 않고 평가할 수 있다.
또, 본 발명은 진동자 설정면이 평면형으로 형성된 평면형 초음파 프로브와, 당해 평면형 초음파 프로브의 선단에 장착되어 상기 진동자로부터 송신된 초음파를 집속하는 음향 렌즈를 구비한 집속형 초음파 프로브에 있어서, 상기 음향 렌즈로서, 피검사체로의 수직 입사파 및 피검사체로부터의 수직 반사파의 전파 경로에 있어서의 초음파의 전파 속도와 피검사체로의 경사각 입사파 및 피검사체로부터의 누설파의 전파 경로에 있어서의 초음파의 전파 속도를 상이하게 한 것을 사용한다는 구성으로 하였다.
음향 렌즈의 수직 입사파 및 수직 반사파의 전파 경로에 있어서의 초음파의 전파 속도와 음향 렌즈의 경사각 입사파 및 누설파의 전파 경로에 있어서의 초음파의 전파 속도를 상이하게 하는 수단으로서는 전술한 (a) 내지 (d)의 수단이 있다.
음향 렌즈의 수직 입사파 및 수직 반사파의 전파 경로에 있어서의 초음파의 전파 속도와 음향 렌즈의 경사각 입사파 및 누설파의 전파 경로에 있어서의 초음파의 전파 속도를 상이하게 하면, 초점 이탈량 △Z를 크게 할 수 없는 경우에도, 진동자에 의한 수직 반사파의 수신 타이밍과 누설파의 수신 타이밍을 다르게 할 수 있기 때문에, 수직 반사파의 에코 파형 V와 누설파의 에코 파형 L을 시간축 상에서 명확하게 분리할 수 있게 되고, 각 에코 파형의 수신 시간차 △t를 구하는 것이 가능해진다. 따라서, 누설 탄성 표면파의 음속 VL을 구할 수 있으므로, 모재의 표면에 용사피막 등의 누설 탄성 표면파 L이 감쇠되기 쉬운 피막이 행해진 피검사체에 대해서도, 그 열화도 등을 파괴하지 않고 평가할 수 있다. 또, 수직 반사파의 에코 파형 V와 누설파의 에코 파형 L을 시간축 상에서 명확하게 분리할 수 있고, 누설파의 수신 레벨을 정확하게 구할 수 있으므로, 피검사체 표층의 건전성도 파괴하지 않고 평가할 수 있다.
또, 본 발명은 진동자 설정면이 평면형으로 형성된 평면형 초음파 프로브와, 당해 평면형 초음파 프로브의 선단에 장착되어 상기 진동자로부터 송신된 초음파를 집속하는 음향 렌즈를 구비한 집속형 초음파 프로브에 있어서, 상기 음향 렌즈로서, 피검사체로의 경사각 입사파 및 피검사체로부터의 누설파의 전파 경로를 가지고, 피검사체로의 수직 입사파 및 피검사체로부터의 수직 반사파의 전파 경로를 갖지 않는 것을 사용한다는 구성으로 하였다.
피검사체로의 수직 입사파 및 피검사체로부터의 수직 반사파의 전파 경로를 제외한 수단으로서는,
(e) 음향 렌즈로서, 진동자 대향면의 중앙부에 홈이 형성된 것을 사용하고, 상기 평면형 초음파 프로브의 진동자 설정면과 상기 홈에 의해 구성되는 공간 내에 공기를 봉입한다.
(f) 음향 렌즈의 진동자 대향면에, 상기 평면형 초음파 프로브에 구비되는 진동자보다도 소형의 초음파 차폐 부재를 설치한다
라는 수단이 있다.
상기와 같이, 피검사체로의 경사각 입사파 및 피검사체로부터의 누설파의 전파 경로를 가지고, 피검사체로의 수직 입사파 및 피검사체로부터의 수직 반사파의 전파 경로를 갖지 않는 음향 렌즈를 구비한 초음파 프로브를 사용하면, 수직 반사파의 에코 파형 V를 얻을 수 없어 시간차 △t를 구할 수 없으나, 누설파의 수신 레벨을 정확하게 구할 수 있기 때문에, 피검사체 표층의 건전성을 평가할 수 있다.
그리고, 음향 렌즈의 형상에 대해서는 어떠한 제한이 있는 것은 아니며, 곡률면이 구면형으로 형성된 오목 렌즈를 사용할 수도 있고, 실린더형 렌즈를 사용할 수도 있다.
오목 렌즈를 사용한 경우에는 피검사체에 초음파를 스폿형으로 입사할 수 있으므로, 고정밀도의 초음파 검사를 실행할 수 있다. 한편, 실린더형 렌즈를 사용한 경우에는 피검사체에 초음파를 라인형으로 입사할 수 있으므로, 고정밀도의 초음파 검사를 고능률로 실행할 수 있다.
그리고, 음향 렌즈는 평면형 초음파 프로브의 선단부에 일체 불가분하게 고착할 수도 있고, 평면형 초음파 프로브의 선단부에 착탈 가능하게 장착할 수도 있다.
음향 렌즈를 평면형 초음파 프로브의 선단에 착탈 가능하게 장착하면, 방식이 상이한 각종 평면형 초음파 프로브와 음향 렌즈를 조합하여, 다양한 방식의 집속형 초음파 프로브를 얻을 수 있기 때문에, 적은 부품수로 다양한 초음파 검사를 실행할 수 있고, 초음파 검사의 총비용을 저감할 수 있다. 또, 평면형 초음파 프로브와 음향 렌즈를 착탈 가능하게 결합한 것이므로, 수중에 있어서의 집속형 초음파 프로브의 조립이 가능하며, 평면형 초음파 프로브와 음향 렌즈 사이에 기포가 개재되지 않아, 검사 결과의 신뢰성을 높일 수 있다. 또, 기포를 제거하기 위한 수고를 요하지 않기 때문에, 이 점으로부터도 검사 비용의 저감을 도모할 수 있다.
또, 본 발명은 상기의 과제를 달성하기 위해, 평면형 초음파 프로브와 음향 렌즈의 조합을 사용하는 구성을 대신하여, 진동자 설정면이 구면형으로 형성된 초음파 프로브를 사용하고, 당해 진동자 설정면에 설치된 진동자의 표면 중앙부에 당해 진동자보다도 소형의 초음파 차폐 부재를 구비한다는 구성으로 하였다.
상기 초음파 프로브를 사용한 경우에도, 수직 반사파의 에코 파형 V를 얻을 수 없어 시간차 △t를 구할 수 없으나, 누설파의 수신 레벨을 정확하게 구할 수 있기 때문에, 피검사체 표층의 건전성을 평가할 수 있다.
또, 본 발명은 진동자 설정면이 평면형으로 형성된 평면형 초음파 프로브와, 당해 평면형 초음파 프로브의 선단에 장착되어 상기 진동자로부터 송신된 초음파를집속하는 음향 렌즈를 구비한 집속형 초음파 프로브에 있어서, 상기 음향 렌즈로서 피검사체로의 수직 입사파 및 피검사체로부터의 수직 반사파의 전파 경로에 있어서의 초음파의 전파 속도와 피검사체로의 경사각 입사파 및 피검사체로부터의 누설파의 전파 경로에 있어서의 초음파의 전파 속도가 상이하고, 또한 상기 피검사체로의 경사각 입사파 및 피검사체로부터의 누설파의 전파 경로가 일부 차단된 것을 사용한다는 구성으로 하였다.
음향 렌즈의 수직 입사파 및 수직 반사파의 전파 경로에 있어서의 초음파의 전파 속도와 음향 렌즈의 경사각 입사파 및 누설파의 전파 경로에 있어서의 초음파의 전파 속도를 상이하게 하고, 또한 피검사체로의 경사각 입사파 및 피검사체로부터의 누설파의 전파 경로를 일부 차단하는 수단으로서는,
(g) 음향 렌즈로서, 진동자 대향면의 중앙부에 렌즈 곡률면까지 관통하는 투과공이 개설되고, 또한 상기 렌즈 곡률면에 상기 투과공의 직경보다도 폭이 좁은 슬릿이 형성된 것을 사용한다.
(h) 음향 렌즈로서, 진동자 대향면의 중앙부에 렌즈 곡률면까지 관통하는 투과공이 개설되고, 또한 상기 렌즈 곡률면에 상기 투과공의 직경보다도 폭이 좁은 슬릿이 형성된 것을 사용하고, 상기 투과공 내 및 슬릿 내에 음향 렌즈를 구성하는 소재와는 초음파의 전파 속도가 상이한 소재로 이루어지는 충전물을 충전한다.
(i) 음향 렌즈로서, 렌즈 곡률면의 중앙부에 홈이 형성되고, 또한 당해 렌즈 곡률면에 당해 홈의 직경보다도 폭이 좁은 슬릿이 형성된 것을 사용한다.
(j) 음향 렌즈로서, 렌즈 곡률면의 중앙부에 홈이 형성되고, 또한 당해 렌즈곡률면에 당해 홈의 직경보다도 폭이 좁은 슬릿이 형성된 것을 사용하고, 상기 홈 내 및 슬릿 내에 음향 렌즈를 구성하는 소재와는 초음파의 전파 속도가 상이한 소재로 이루어지는 충전물을 충전한다
라는 수단이 있다.
그리고, 상기 (h), (i)에 있어서의 충전물로서는 음향 렌즈를 구성하는 소재보다도 초음파의 전파 속도가 느린 것을 사용할 수도 있고, 빠른 것을 사용할 수도 있다. 전자의 구체예로서는 알루미늄으로 이루어지는 음향 렌즈의 투과공 내 또는 홈 내에 수지를 충전한 것을 들 수 있다. 또, 후자의 구체예로서는 수지로 이루어지는 음향 렌즈의 투과공 내 또는 홈 내에 알루미늄의 원통체를 압입하지만, 알루미늄으로 이루어지는 심재의 주위에 수지를 아웃서트 주형하여 음향 렌즈로 한 것을 들 수 있다.
음향 렌즈의 수직 입사파 및 수직 반사파의 전파 경로에 있어서의 초음파의 전파 속도와 음향 렌즈의 경사각 입사파 및 누설파의 전파 경로에 있어서의 초음파의 전파 속도를 상이하게 하면, 모재의 표면에 용사피막 등의 누설 탄성 표면파 L이 감쇠도기 쉬운 피막이 행해진 피검사체에 대해서도, 그 열화도 등을 파괴하지 않고 평가할 수 있다는 것은 전술한 바와 같다. 또, 수직 반사파의 에코 파형 V와 누설파의 에코 파형 L을 시간축 상에서 명확하게 분리할 수 있고, 누설파의 수신 레벨을 정확하게 구할 수 있으므로, 피검사체 표층의 건전성도 파괴하지 않고 평가할 수 있는 것도 전술한 바와 같다.
한편, 피검사체로의 경사각 입사파 및 피검사체로부터의 누설파의 전파 경로를 일부 차단하면, 초음파 프로브로부터 피검사체에 입사되는 경사각 입사파 및 피검사체로부터의 초음파 프로브에 입사되는 누설파에 방향성을 부여할 수 있기 때문에, 누설파의 검출 신호의 S/N(신호 대 잡음비)을 향상시킬 수 있고, 선형 또는 면형 결함의 검출 정밀도를 높일 수 있다.
또, 본 발명은 진동자 설정면이 평면형으로 형성된 평면형 초음파 프로브와, 당해 평면형 초음파 프로브의 선단에 장착되어 상기 진동자로부터 송신된 초음파를 집속하는 음향 렌즈를 구비한 집속형 초음파 프로브에 있어서, 상기 음향 렌즈로서, 피검사체로의 경사각 입사파 및 피검사체로부터의 누설파의 전파 경로를 갖으나, 피검사체로의 수직 입사파 및 피검사체로부터의 수직 반사파의 전파 경로가 없고, 또한 상기 피검사체로의 경사각 입사파 및 피검사체로부터의 누설파의 전파 경로가 일부 절단된 것을 사용한다는 구성으로 하였다.
피검사체로의 수직 입사파 및 피검사체로부터의 수직 반사파의 전파 경로를 제외하고, 또한 피검사체로의 경사각 입사파 및 피검사체로부터의 누설파의 전파 경로를 일부 차단하는 수단으로서는,
(k) 음향 렌즈로서, 진동자 대향면의 중앙부에 홈이 형성되고, 또한 당해 진동자 대향면의 직경 방향으로 당해 홈의 직경보다도 폭이 좁은 슬릿이 형성된 것을 사용하고, 상기 홈 및 슬릿과 평면형 초음파 프로브에 의해 구성되는 공간 내에 초음파 차폐 부재를 봉입하거나 초음파 차폐체로서의 공기를 봉입한다.
(l) 음향 렌즈로서, 진동자 대향면에 상기 진동자의 중앙부와 직경 방향의 일부를 덮는 초음파 차폐 부재를 구비한다
라는 수단이 있다.
상기와 같이, 피검사체로의 경사각 입사파 및 피검사체로부터의 누설파의 전파 경로를 가지고, 피검사체로의 수직 입사파 및 피검사체로부터의 수직 반사파의 전파 경로를 갖지 않는 음향 렌즈를 구비한 초음파 프로브를 사용하면, 수직 반사파의 에코 파형 V를 얻을 수 없어 시간차 △t를 구할 수 없으나, 누설파의 수신 레벨을 정확하게 구할 수 있기 때문에, 피검사체 표층의 건전성을 평가할 수 있다. 또, 상기와 마찬가지로, 피검사체로의 경사각 입사파 및 피검사체로부터의 누설파의 전파 경로를 일부 차단하면, 초음파 프로브로부터 피검사체에 입사되는 경사각 입사파 및 피검사체로부터 초음파 프로브에 입사되는 누설파에 방향성을 부여할 수 있기 때문에, 누설파의 검출 신호의 S/N을 향상시킬 수 있고, 선형 또는 면형 결함의 검출 정밀도를 높일 수 있다.
그리고, 상기 각 구성의 음향 렌즈로서는 피검사체에 초음파를 스폿형으로 입사할 수 있고, 고정밀도의 초음파 검사를 행할 수 있으므로, 렌즈 곡률면이 구면형으로 형성된 오목 렌즈를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 진동자 설정면이 평면형으로 형성된 평면형으로 형성된 평면형 초음파 프로브와, 당해 평면형 초음파 프로브의 선단부에 장착된 음향 렌즈를 구비한 초음파 프로브에 있어서, 상기 음향 렌즈로서, 초음파의 전파 경로가 일부 차단된 것을 사용한다는 구성으로 하였다.
상기와 같이, 초음파의 전파 경로가 일부 차단된 음향 렌즈를 구비한 초음파 프로브를 사용하면, 초음파 프로브로부터 피검사체에 입사되는 초음파 및 피검사체로부터 초음파 프로브에 입사되는 초음파에 방향성을 부여할 수 있기 때문에, 에코 신호의 S/N을 향상시킬 수 있고, 선형 또는 면형 결함의 검출 정밀도를 높일 수 있다.
그리고, 초음파의 전파 경로를 일부 차단하는 수단으로서는 음향 렌즈의 초음파 수신면에 슬릿을 형성한다는 수단을 이용할 수 있다.
또, 음향 렌즈의 초음파 송수신면은 오목형의 렌즈 곡률면으로 할 수도 있고, 평면으로 형성할 수도 있다. 초음파 송수신면에 오목형의 렌즈 곡률면을 형성한 경우에는 진동자로부터 송신된 초음파를 스폿형으로 집속시킬 수 있기 때문에, 고정밀도의 초음파 검사를 행할 수 있다. 한편, 초음파 송수신면을 평면으로 형성한 경우에는 진동자로부터 송신된 초음파를 한번에 피검사체의 광범위에 입사할 수 있기 때문에, 고능률의 초음파 검사를 행할 수 있다.
상기 각 구성의 초음파 프로브에 있어서는 음향 렌즈를 평면형 초음파 프로브의 선단부에 일체 불가분하게 고착할 수도 있고, 평면형 초음파 프로브의 선단부에 착탈 가능하게 장착할 수도 있다. 음향 렌즈를 평면형 프로브에 착탈 가능하게 장착하는 경우에는 음향 렌즈와 평면형 초음파 프로브에 서로 맞물리는 나사를 끼워 넣어 두고, 이들을 나사 결합함으로써 착탈 가능하게 결합할 수도 있고, 음향 렌즈의 측면부에 형성된 나사 구멍에 비스를 결합하고, 당해 비스에 의해 평면형 초음파 프로브를 착탈 가능하게 고정할 수도 있다.
음향 렌즈를 평면형 초음파 프로브의 선단부에 착탈 가능하게 장착하면, 방식이 상이한 각종 평면형 프로브와 음향 렌즈를 조합하여 다양한 방식의 집속형 초음파 프로브를 얻을 수 있기 때문에, 적은 부품수로 다양한 초음파 검사를 실행할 수 있고, 초음파 검사의 총비용을 저감할 수 있다. 또, 평면형 초음파 프로브와 음향 렌즈를 착탈 가능하게 결합한 것이므로, 수중에 있어서의 집속형 초음파 프로브의 조립이 가능하며, 평면형 초음파 프로브와 음향 렌즈 사이에 기포가 개재되지 않아, 검사 결과의 신뢰성을 높일 수 있다. 또, 기포를 제거하기 위한 수고를 요하지 않기 때문에, 이 점으로부터도 검사 비용의 저감을 도모할 수 있다.
1.제1 실시예
1.1 전체 구성
먼저, 본 발명에 관한 초음파 검사 장치의 전체 구성을 도 6 및 도 7에 따라 설명한다. 도 6은 초음파 검사 장치의 구성을 나타낸 블록도, 도 7은 초음파 검사 장치에 있어서의 초음파 주사부의 일부 단면한 사시도이다.
이들 도면에 나타낸 바와 같이, 본 예의 초음파 검사 장치는 피검사체 S의 표면을 따라 이차원 주사하는 초음파 주사부(10)와, 당해 초음파 주사부(10)의 구동부(20)와, 당해 구동부(20)를 통하여 상기 초음파 주사부(10)를 제어하고 적당한 주사 피치에서 편입된 누설파의 수신 레벨을 C 스코프 화상화하여 용사피막 S2의 밀착성 분포나 균열의 유무라는 피검사체 표층의 건전성을 구하는 연산 처리부(30)와, 초음파 검사 결과인 C 스코프 화상을 표시하는 표시부(40)로 주로 구성되어 있다.
초음파 주사부(10)는 도 7에 나타낸 바와 같이, 초음파 프로브(1)와 당해 초음파 프로브(1) 및 피검사체 S를 수납하는 물 W가 저장된 수조(11)와 초음파 프로브(1)를 삼차원 방향으로 구동하는 기계식 스캐너(12)로 이루어진다. 기계식 스캐너(12)는 수조(11)의 서로 평행한 2변을 따라 Y-Y 방향으로 배치된 한 쌍의 Y축 가이드(15)와, 당해 Y축 가이드(13)에 의해 Y-Y 방향으로 안내되는 Y축 슬라이더(14)와, 당해 Y축 슬라이더(14)에 양단이 고정되고 X-X 방향으로 배치된 X축 가이드(15)와, 당해 X축 가이드(15)에 의해 X-X 방향으로 안내되는 X축 슬라이더(16)와, 당해 X축 슬라이더(16)에 수직으로 고정된 Z축 가이드(17)와, 상기 초음파 프로브(1)를 지지하고 상기 Z축 가이드(17)에 의해 Z-Z 방향으로 안내되는 Z축 슬라이더(18)를 가지고 있고, 상기 각 슬라이더(14, 16, 18)는 3개의 모터 M1∼M3에 의해 구동된다. 이들 각 모터에는 회전 인코더 등의 위치 신호 출력 장치가 구비되어 있고, 각 슬라이더(14, 16, 18)의 좌표 신호를 연산 처리부(30)에서 검출할 수 있도록 되어 있다.
초음파 프로브(1)로서는 피검사체 S로의 누설 탄성 표면파를 여기시키는 경사각 입사파의 송신과 피검사체 S로부터의 누설파의 수신이 가능하며, 진동자에 의해 누설파의 에코 파형만이 가능한 것, 또는 진동자에 의해 검출되는 누설파의 에코 파형과 수직 반사파의 에코 파형을 시간축 상에서 분리할 수 있는 구성의 것이 사용된다. 초음파 프로브(1)의 구체적인 구성에 대해서는 이후에 상세하게 설명한다.
구동부(20)에는 초음파 프로브(1)로부터의 초음파의 발신과 초음파 프로브(1)에 의한 초음파의 수신을 행하는 펄서/리시버(21)와, 당해펄서/리시버(21)의 수신 신호를 디지털 변환하는 A/D 변환기(22)와, 상기 기계식 스캐너(12)에 구비된 3개의 모터 M1∼M3을 구동하는 모터 드라이버(23)가 구비되어 있다.
또, 연산 처리부(30)에는 CPU(31)와 키보드나 마우스 등의 입력 수단(32)과 당해 입력 수단(32)으로부터의 지령에 의해 구동되는 트리거(33) 및 모터 콘트롤러(34)와, A/D 변환된 수신 신호를 모터 드라이버(23) 및 모터 콘트롤러(34)를 통하여 모터 M1∼M3으로부터 편입되는 좌표 신호와 함께 축적되는 제1 메모리(35)와, 트리거(33)로부터의 신호에 의해 기동되고 CPU(31)에 의한 신호 처리의 게이트를 설정하는 타이머(36)와, CPU(31)에 의한 신호 처리의 순서를 기억한 제2 메모리(37)가 구비되어 있다.
1.2 검사 방법
다음에, 상기한 바와 같이 구성된 초음파 검사 장치를 사용한 초음파 검사 방법의 일례를 도 6 내지 도 9를 참조하여 설명한다. 도 8은 초음파 프로브(1)의 Z 방향으로의 위치 결정 방법을 나타낸 설명도이며, 도 9는 초음파 검사 방법의 처리 순서를 나타낸 플로차트이다.
먼저, 도 9의 순서 S1에 있어서, 입력 수단(32)을 조작하고, 기계식 스캐너(12)에 구비된 모터 M1, M2를 구동하여 수조(11) 내에 설정된 피검사체 S에 대한 초음파 프로브(1)의 X-Y 방향의 위치 결정을 행한다. 이 때의 초음파 프로브(1)의 X-Y 좌표는 모터 드라이버(23) 및 모터 콘트롤러(34)를 통하여 제1 메모리(35)에, 편입되고 초음파 프로브(1)의 현재 위치가 특정지어진다.
이어서, 순서 S2로 이행하고, 입력 수단(32)을 조작하여 기계식 스캐너(12)에 구비된 모터 M3을 구동하고, 기계식 스캐너(12)의 Z축 슬라이더(18)에 장착된 초음파 프로브(1)를 Z 방향으로 이동함으로써, 도 8에 있어서 일점선으로 나타낸 바와 같이, 음향 렌즈(3)의 초점을 피검사체 S의 표면으로부터 원하는 초점 이탈량 △Z만큼 아래쪽으로 이동시킨다. 즉, 도 8에 있어서 실선으로 나타낸 바와 같이, 음향 렌즈(3)의 초점이 피검사체 S의 표면과 일치하면 누설파의 에코 레벨이 최대로 되기 때문에, 초음파 프로브(1)를 Z 방향으로 이동하면서 누설파의 에코 레벨을 연속적으로 검지함으로써, 음향 렌즈(3)의 초점을 피검사체 S의 표면에 일치시킬 수 있고, 그 위치로부터 소요의 초점 이탈량 △Z만큼 초음파 프로브(1)를 하강함으로써, 음향 렌즈(3)의 초점을 소정의 위치에 합초시킬 수 있다. 상기 조작은 연산 처리부(30)에 구비된 제2 메모리(37)에 기억된 프로그램에 따라 자동적으로 행하게 할 수 있다.
그리고, 초점 이탈량 △Z가 클수록 수직 반사파의 검출 타이밍과 누설파의 검출 타이밍이 어긋나 누설파 레벨의 검출이 용이해지나, 그 반면 용사피막 S2에 의한 누설 탄성 표면파의 감쇠가 커져 누설파 레벨이 저하되므로, 양자를 감안하여 막 두께가 0.1mm의 용사피막의 경우, 초점 이탈량 △Z를 0.2mm 정도로 하는 것이 바람직하다.
이어서, 순서 S3으로 이행하고, 입력 수단(32)을 조작하여 원하는 범위에서 초음파 프로브(1)를 X-Y 방향으로 이차원 주사하면서 원하는 주사 피치에서 누설파의 에코 상을 초음파 프로브(1)의 좌표 신호와 함께 연산 처리부(30)에 구비된 제1 메모리(35)에 편입한다. 상기 조작도 연산 처리부(30)에 구비된 제2 메모리(37)에 기억된 프로그램에 따라 자동적으로 행하게 할 수 있다.
마지막으로 순서 S4로 이행하고, 제1 메모리(35)에 축적된 데이터를 순차 CPU에 편입하여 C 스코프 화상화하고, 그 결과를 표시부(40)에 표시한다. 상기 조작도 연산 처리부(30)에 구비된 제2 메모리(37)에 기억된 프로그램에 따라 자동적으로 행하게 할 수 있다.
도 10 (A) 및 도 10 (B)에 본 실시예에 관한 장치에 의해 얻어진 누설파의 C 스코프 화상을 나타낸다. 도 10 (A)는 용사피막 S2의 형성 전에 모재 S1에 당연히 행해져야 하는 전(前)처리로서의 블라스트(blast) 처리를 중앙부에만 행하지 않고 용사피막 S2를 형성한 피검사체로부터 얻어진 누설파의 C 스코프 화상이며, 도 10 (B)는 모재 S1의 표면에 정상적으로 용사피막 S2가 형성되고, 용사피막 S2의 형성 후에 굽힘 응력이 가해진 피검사체로부터 얻어진 누설파의 C 스코프 화상이다.
도 10 (A)의 예에서는 블라스트 처리가 행해지지 않은 모재 S1의 중앙부에 있어서의 누설파의 에코 레벨이 주위의 정상 부분에 비해 명백하게 높아져 있고, 본 실시예에 관한 장치에 의해 용사피막 S2의 박리 또는 밀착 부족을 선명하게 영상화할 수 있음을 알 수 있다. 또, 도 10 (B)의 예에서는 모재 S1의 중앙부에 누설파의 에코 레벨이 주위의 정상 부분에 비해 명백하게 낮은 줄무늬형의 에코 상이 나타나 있고, 육안으로는 관찰할 수 없는 미소(폭 2∼5㎛)한 균열도 선명하게 영상화할 수 있음을 알 수 있다. 도, 어떠한 경우에도 피검사체 S의 단부 e(도 8 참조)까지 결함 검사를 실행할 수 있었다.
그리고, 초음파 프로브(1)로서 피검사체 S로의 누설 탄성 표면파를 여기시키는 경사각 입사파의 송신과 피검사체 S로부터의 누설파의 수신이 가능은 하지만, 진동자에 의해 검출되는 누설파의 에코 파형과 수직 반사파의 에코 파형을 시간축 상에서 분리할 수 없는 것을 사용하여 동일한 검사를 행한 경우에는 정상 부분과 결함 부분의 에코 레벨의 레벨 차가 작아 결함을 검출하는 것이 어려웠다.
1.3 초음파 프로브
다음에, 본 발명의 초음파 검사 장치에 구비되는 초음파 프로브의 실시예에 대해 설명한다.
1.3.1 초음파 프로브의 제1예
본 발명의 초음파 검사 장치에 구비되는 초음파 프로브의 제1예를 초음파 프로브의 요부 단면도 및 평면도인 도 5 (A) 및 5 (B)를 참조하여 설명한다.
도 5 (A) 및 5 (B)로부터 명백한 바와 같이, 본 예의 초음파 프로브(P1)는 평면 형상이 원형으로 설치된 단일형의 진동자(2)와 당해 진동자(2)로부터 송신된 초음파를 수속하여 피검사체 S에 입사하는 오목 렌즈형의 음향 렌즈(3)를 구비한 구성으로 되어 있고, 음향 렌즈(3)의 중앙부에는 진동자(2)의 발신·수신면이 장착되는 평면부(설정면)(3a)로부터 렌즈 곡률면(3b)까지 관통하는 투과공(4)이 개설되어 있다. 진동자(2)는 상하면에 각각 상부 전극(2U)과 하부 전극(2L)이 형성된 압전 박막으로 구성된다. 한편, 음향 렌즈(3)는 알루미늄 등의 초음파 전파 속도가 큰 물질로 구성되고, 진동자 대향면이 평면형으로 렌즈 곡률면이 구면형으로 형성되어 있다.
그리고, 상기 초음파 프로브(P1)의 상부 전극(2U)측에는 필요 이상의 진동의 발생을 억제하기 위한 댐퍼 부재가 장착되는 경우가 있고, 또 하부 전극(2L)측에는 진동자(2)의 보호판이 장착되는 경우도 있다. 또, 투과공(4)의 직경은 경로 G→H→I로 나타내어지는 수직 입사파, 및 경로 I→H→G로 나타내어지는 수직 반사파의 전파 범위 이상으로 설정하면 되지만, 잡음의 수신을 극력 억제하기 위해 경로 A→B→C로 나타내어지는 경사각 입사파 및 경로 D→E→F로 나타내어지는 누설파의 전파를 방해하지 않는 범위 내에서 가능한 한 크게 하는 편이 바람직하다.
상기한 바와 같이, 초음파 프로브는 피검사체 S의 평가 시에, 피검사체 S와 함께 수중에 배치된다. 따라서, 음향 렌즈(3)의 중앙부에 투과공(4)이 개설된 본 실시예의 초음파 프로브(1A)를 사용하면, 도 5 (A)에 나타낸 바와 같이, 진동자(2)의 경사각 경로 A→B→C 및 D→E→F와 피검사체 S의 사이에는 초음파의 전파 속도가 높은 알루미늄제의 음향 렌즈(3)(음속=약 6400m/s)와 초음파의 전파 속도가 낮은 물(19℃에서 약 1480m/s, 26℃에서 약 1500m/s)이 개재하는 데에 대하여, 진동자(2)의 수직 경로 G→(H)→I 및 I→(H)→G와 피검사체 S 사이에는 초음파의 전파 속도가 낮은 물만이 개재하게 되므로, 경로 A→B→C→D→E→F를 통과하는 경사각 입사파, 누설 탄성 표면파 및 누설파의 전파 시간보다도 경로 G→(H)→I →(H)→G를 통과하는 수직 입사파 및 수직 반사파의 전파 시간이 길어지고, 도 11의 진동자에 의해 수신되는 누설파 및 수직 반사파의 에코 파형에 나타낸 바와 같이, 수직 반사파의 에코 파형 V와 누설파의 에코 파형 L이 분리되고, 또한 누설파의 에코 파형 L이 표면 반사파의 에코 파형 V보다도 선행한 수신 신호가 얻어진다. 따라서, 누설파의 에코 파형 L로부터 그 레벨(진폭)을 구할 수 있고, 이 값으로부터 모재 S1에 대한 용사피막 S2의 밀착성의 양부나 균열의 유무 등을 판정할 수 있다.
일례로서 모재의 표면에 두께 0.1mm의 WC계 용사피막이 행해진 피검사체와 레즈의 두께(도 5 (A)의 GH 사이)가 5mm의 알루미늄제(음속=6400m/s)의 음향 렌즈를 사용하고, 초점 이탈량 △Z를 0.2mm, 사용 주파수를 10MHz, WC계 용사피막을 전파하는 누설 탄성 표면파의 음속을 2300m/s(표면을 연마한 같은 종류의 용사피막을 사용하여 미리 계측한 값), 레일리 임계각을 41도로 하여 수직 반사파의 에코 파형 V와 누설파의 에코 파형 L의 시간차를 구하면, 경로 A→B→C →D→E→F를 전파하는 초음파의 전파 시간이 약 10㎲인 데에 대하여, 경로 G→(H)→I →(H)→G를 전파하는 초음파의 전파 시간은 약 15㎲이며, 그 차가 5㎲(사용 주파수의 주기의 50배)로 되어, 양 에코 파형을 시간축 상에서 명확하게 분리할 수 있음을 알 수 있다. 그리고, 전례에 있어서는 사용 주파수를 10MHz로 하였으나, 5∼20MHz의 범위에서 변경한 경우에도 동일한 결과가 얻어진다.
이에 대하여, 도 12 (A) 및 12 (B)에 나타낸 바와 같이, 투과공(4)을 갖지 않는 음향 렌즈(103)를 구비한 초음파 프로브(101)를 사용한 경우에는 진동자(2)의 경사각 경로 A→B→C 및 D→E→F와 피검사체 S의 사이에도, 또 진동자(102)의 수직경로 G→(H)→I 및 I→(H)→G와 피검사체 S의 사이에도 초음파의 전파 속도가 높은 알루미늄제의 음향 렌즈(3)와 초음파의 전파 속도가 낮은 물이 개재되므로, 경로 A→B→C →D→E→F를 통과하는 경사각 입사파, 누설 탄성 표면파 및 누설파의 전파 시간과 경로 G→(H)→I→(H)→G를 통과하는 수직 입사파 및 수직 반사파의 전파 시간이 대략 동일해져, 수직 반사파의 에코 파형 V에 누설파의 에코 파형 L이 매몰되어 양 에코 파형을 분리할 수 없어 누설파의 에코 레벨을 구할 수 없다.
즉, 실시예와 동일한 조건하에서, 양 에코 파형의 전파 시간의 차를 구하면 도 12 (A)에 나타낸 경로 G→H→I→H→G를 전파하는 수직 입사파 및 수직 반사파의 전파 시간이 10.05㎲인 데에 대하여, 도 12 (A)에 나타낸 경로 A→B→C→D→E→F 경로를 전파하는 경사각 입사파, 누설 탄성 표면파 및 누설파의 전파 시간은 10.1㎲이며, 그 차가 50ns로 되어 사용 주파수의 주기(100ns)의 절반밖에 되지 않으므로, 만약 미약한 누설파가 수신되고 있어도 수직 반사파의 에코 파형 V에 누설파의 에코 파형 L이 매몰되어 버려, 누설파의 에코 레벨을 구할 수 없다.
1.3.2 초음파 프로브의 제2예
제2예의 초음파 프로브(P2)는 도 13에 나타낸 바와 같이, 음향 렌즈(3)의 중앙부(수직 입사파 및 수직 반사파의 전파 경로)에 투과공(4)을 개설하는 구성을 대신하여, 음향 렌즈(3)의 렌즈 곡률면(3b)의 중앙부에 홈(5)을 형성한 것을 특징으로 한다.
상기 초음파 프로브(1)를 사용한 경우에도, 제1예에 관한 초음파 프로브와 마찬가지로, 경로 A→B→C →D→E→F를 통과하는 초음파의 전파 시간보다도 경로 G→I→G를 전파하는 초음파의 전파 시간을 상대적으로 늦출 수 있기 때문에, 수직 반사파의 에코 파형 V와 누설파의 에코 파형 L의 분리가 가능해진다. 그 외, 도 13의 음향 렌즈(3)는 진동자 설정면(3a)이 닫혀 있기 때문에, 진동자(2)의 설정을 용이하고 확실하게 행할 수 있다는 효과도 있다.
1.3.3 초음파 프로브의 제3예
도 14 (A), 14(B) 및 14 (C)는 초음파 프로브의 제3예를 나타낸 요부 단면도이다. 본 제3예의 초음파 프로브(P3)는 음향 렌즈(3)의 중앙부에 단지 투과공(4)을 개설하거나 홈(5)을 형성하는 구성을 대신하여, 개설된 투과공(4) 내 또는 형성된 홈(5) 내에 음향 렌즈(3)를 구성하는 소재와는 초음파의 전파 속도가 상이한 소재로 이루어지는 충전물(6)을 충전한 것을 특징으로 한다. 도 14 (A)는 음향 렌즈(3)의 중앙부에 개설된 투과공(4) 내에 충전물(6)을 충전한 경우, 도 14 (B)는 음향 렌즈(3)의 평면부(진동자 설정면)(3a)에 형성된 홈(5) 내에 충전물(6)을 충전한 경우, 도 14 (C)는 음향 렌즈(3)의 렌즈 곡률면(3b)에 형성된 홈(5) 내에 충전물(6)을 충전한 경우를 나타내고 있다.
음향 렌즈(3)를 구성하는 소재와 충전물(6)은 초음파의 전파 속도의 차가 클수록 바람직하고, 음향 렌즈(3)가 알루미늄(음속=6400m/s)으로 구성되는 경우에는 충전물(6)로서는 아크릴 수지 등의 수지 재료(음속=2000∼2500m/s)가 바람직하고, 반대로 음향 렌즈(3)가 수지 재료로 구성되는 경우에는 충전물(6)로서는 알루미늄이 바람직하다. 충전물(6)로서 수지를 사용하는 경우에는 개설된 투과공(4) 또는 형성된 홈(5) 내에 충전물인 수지를 포팅(potting)함으로써 음향 렌즈(3)를 제조할수 있다. 또, 충전물(6)로서 고체를 사용하는 경우에는 개설된 투과공(4) 또는 형성된 홈(5) 내에 충전물인 고체를 압입하는 것에 의해서도 음향 렌즈(3)를 제조할 수 있다. 또한, 음향 렌즈(3)가 수지 재료로 구성되는 경우에는 알루미늄 등의 충전물(6)의 주위에 수지를 아웃서트 형성함으로써도 원하는 음향 렌즈(3)를 제조할 수 있다.
물론, 음향 렌즈(3)를 구성하는 소재보다도 초음파의 전파 속도가 낮은 충전물(6)을 충전한 경우에는 경로 A→B→C→D→E→F를 통과하는 초음파의 전파 시간보다도 경로 G→I→G를 전파하는 초음파의 전파 시간이 상대적으로 느려져 전술한 도 11에 나타낸 바와 같이 누설파의 에코 파형 L이 수직 반사파의 에코 파형 V보다 선행된 형으로 되고, 역으로 음향 렌즈(3)를 구성하는 소재보다도 초음파의 전파 속도가 높은 충전물(6)을 충전한 경우에는 경로 A→B→C→D→E→F를 통과하는 초음파의 전파 시간보다도 경로 G→I→G를 전파하는 초음파의 전파 시간이 상대적으로 빨라져 도 4에 나타낸 바와 같이 수직 반사파의 에코 파형 V가 누설파의 에코 파형 L보다 선행된 형으로 된다.
본 예의 초음파 프로브는 음향 렌즈(3)에 있어서의 수직 입사파 및 수직 반사파의 전파 경로 G→I 및 I→G와 경사각 입사파 및 누설파의 전파 경로 A→B→C 및 D→E→F를 음속이 상이한 소재로 구성하였으므로, 각 경로를 통과하는 초음파의 전파 시간의 차가 커져, 수직 반사파의 에코 파형 V와 누설파의 에코 파형 L의 분리가 가능해지는 동시에, 음향 렌즈(3)의 진동자 설정면이 닫힌 형으로 되기 때문에, 진동자(2)의 설정을 용이하고 확실하게 행할 수 있다.
1.3.4 초음파 프로브의 제4예
도 15 (A) 및 15 (B)는 제4예에 관한 초음파 프로브를 상면 방향으로부터 본 요부 사시도 및 저면 방향으로부터 본 요부 사시도이다.
제4예의 초음파 프로브(P4)는 도 15 (A)에 나타낸 바와 같이, 음향 렌즈(3)로서 실린더형 렌즈를 사용하는 동시에, 진동자(2)로서 복수개의 진동자(2a∼2n)가 인접하여 한 방향으로 배열된 어레이형의 진동자를 구비한 것을 특징으로 한다. 상기 실린더형 렌즈의 저면의 수직 입사파 및 수직 반사파의 전파 경로에는 도 15 (B)에 나타낸 바와 같이, 투과공(4)이 개설되어 있다. 그리고, 실린더형 렌즈의 저면에 투과공(4)을 개설하는 구성을 대신하여 홈을 형성하는 것도 가능하며, 또한, 개설된 투과공 또는 형성된 홈 내에, 경사각 입사파 및 누설파의 전파 경로와는 초음파의 전파 속도가 상이한 충전물을 충전하는 것도 물론 가능하다.
본 예의 초음파 프로브(P4)는 음향 렌즈(3)로서 실린더형 렌즈를 사용하는 동시에, 진동자(2)로서 어레이형의 진동자를 구비하였기 때문에, 피검사체 S의 표면을 면형으로 트레이스할 수 있고, 원통형의 음향 렌즈에 단일형의 진동자를 구비한 경우에 비해 피검사체 S의 검사 효율을 높일 수 있다.
1.3.5 초음파 프로브의 제5예
도 16은 제5예에 관한 초음파 프로브를 상면 방향으로부터 본 요부 사시도이다.
제5예의 초음파 프로브(P5)는 도 16에 나타낸 바와 같이, 음향 렌즈(3)로서 실린더형 렌즈를 사용하는 동시에, 진동자(2)로서 단일형의 진동자를 구비한 것을특징으로 한다. 상기 실린더형 렌즈의 저면의 수직 입사파 및 수직 반사파의 전파 경로에는 도 15 (B)에 나타낸 바와 같이, 투과공(4)이 개설된다. 물론, 실린더형 렌즈의 저면에 투과공(4)을 개설하는 구성을 대신하여 홈을 형성하는 것도, 개설된 투과공 또는 형성된 홈 내에 경사각 입사파 및 누설파의 전파 경로와는 초음파의 전파 속도가 상이한 충전물을 충전하는 것도 가능하다.
본 예의 초음파 프로브(P5)는 음향 렌즈(3)로서 실린더형 렌즈를 사용하는 동시에, 진동자(2)로서 단일형의 진동자를 구비하였기 때문에, 피검사체 S의 표면에 초음파 빔을 선형으로 조사할 수 있으므로, 원통형의 음향 렌즈에 단일형의 진동자를 구비한 경우에 비해 피검사체 S의 검사 효율을 높일 수 있다.
1.3.6 초음파 프로브의 제6예
제6예의 초음파 프로브(P6)는 도 17 (A) 및 17 (B)에 나타낸 바와 같이, 평면 형상이 원형으로 설치된 진동자(2)를 구비하는 구성을 대신하여, 평면 형상이 고리형으로 설치된 진동자(2)를 구비한 것을 특징으로 한다. 이 경우, 진동자(2)를 구성하는 압전 박막의 형상 자체를 고리형으로 형성할 수도 있고, 압전 박막을 원형으로 형성한 채, 당해 압전 박막의 표리 양면에 형성되는 전극의 최소한 한 쪽을 고리형으로 형성할 수도 있다. 진동자(2)의 내경 및 외경은 음향 렌즈(3)를 통하여 피검사체 S에 누설 탄성 표면파를 여기할 수 있는 경사각 입사파를 송신할 수 있고, 피검사체 S에 수직 입사파를 송신하지 않는 크기로 조정된다. 그 외에 대해서는 제1예에 관한 초음파 프로브(P1)와 동일하므로 설명은 생략한다.
본 예의 초음파 프로브를 사용하면, 제1∼제4예에 관한 초음파 프로브(P1,P2, P3, P4)를 사용한 경우와는 상이하게, 수직 반사파가 수신되지 않고 누설파만이 수신되기 때문에, 누설파 레벨의 검출이 보다 용이해진다.
1.3.7 초음파 프로브의 제7예
제7예의 초음파 프로브(P7)는 도 18 (A) 및 18 (B)에 나타낸 바와 같이, 평면 형상이 원형인 진동자(2)의 중앙부 전방에 이 보다도 소경의 초음파 차폐 부재(7)를 배치함으로써, 수직 입사파 및 수직 반사파의 전파를 제한하고, 경사각 입사파 및 누설파의 전파만을 가능하게 한 것을 특징으로 한다. 이 경우에도, 진동자(2)의 내경 및 외경은 음향 렌즈(3)를 통하여 피검사체 S에 누설 탄성 표면파를 여기할 수 있는 경사각 입사파를 송신할 수 있으며, 피검사체 S에 수직 입사파를 송신하지 않는 크기로 조정된다. 그 외에 대해서는 제6예에 관한 초음파 프로브(7)와 동일하므로 설명은 생략한다. 본 예의 초음파 프로브(P7)를 사용한 경우에도 제6예에 관한 초음파 프로브(P6)를 사용한 경우와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
1.3.8 초음파 프로브의 제8예
제8예의 초음파 프로브(P8)는 진동자(2)의 발신·수신면을 음향 렌즈(3)의 평면부(3a)에 장착하는 구성을 대신하여, 도 19 (A) 및 19 (B)에 나타낸 바와 같이, 댐퍼재 등으로 구성되는 프로브 본체 1×에 렌즈 곡률면에 상당하는 구면부(1a)를 형성하여 당해 구면부(1a)에 고리형의 진동자(2)의 배면측(발신 반발면)을 장착하고, 진동자(2)의 표면을 보호재(8)로 덮은 것을 특징으로 한다. 그 외에 대해서는 제6예에 관한 초음파 프로브(P6)와 동일하므로 설명은 생략한다.
본 예의 초음파 프로브(P8)는 제6예에 관한 초음파 프로브(P6)와 동일한 효과를 갖는 등, 음향 렌즈(3)를 생략할 수 있기 때문에, 초음파 프로브의 소형화와 저비용화를 도모할 수 있다.
1.3.9 초음파 프로브의 제9예
제9예의 초음파 프로브(P9)는 도 20 (A) 및 20 (B)에 나타낸 바와 같이, 댐퍼재 등으로 구성되는 프로브 본체 1×에 렌즈 곡률면에 상당하는 구면부(1a)를 형성하고, 당해 구면부(1a)에 평면 형상이 원형인 진동자(2)의 배면측을 장착하는 동시에, 그 중심부에 진동자(2)보다도 소경의 초음파 차폐 부재(7)를 설치하고, 이들 진동자(2) 및 초음파 차폐 부재(7)의 표면을 보호재(8)로 덮은 것을 특징으로 한다. 그 외에 대해서는 제6예에 관한 초음파 프로브(P6)와 동일하므로 설명은 생략한다.
본 예의 초음파 프로브(P9)도 제8예에 관한 초음파 프로브(P8)와 동일한 효과를 갖는다.
그리고, 본 실시예에 있어서는 용사피막의 초음파 검사를 예로 들어 설명하였으나, 그 외, 피검사체의 표층에 있어서의 균열의 유무나 피검사체 표층의 응력 분포, 파괴 인성값, 열 취화 또는 입계 부식의 검출이라는 다른 피검사체 표층의 건전성 평가에 대해서도 동일한 방법으로 실시할 수 있다.
2. 제2 실시예
2.1 전체 구성
본 제2 실시예의 전체적인 구성은 도 6 및 도 7에 따라 설명한 제1 실시예와동등하므로 설명은 생략한다. 그리고, 이하의 설명에 있어서는 제1 실시예와 동등한 각 부분에는 동일한 참조 부호를 부쳐 설명한다.
2.2 초음파 프로브
다음에, 본 제2 실시예에 관한 초음파 검사 장치에 구비되는 초음파 프로브의 구성에 대해 설명한다.
2.2.1 초음파 프로브의 제1예
도 21 (A) 및 21 (B)는 본 발명의 제2 실시예에 관한 초음파 검사 장치에 구비되는 초음파 프로브의 제1예를 나타낸 요부 단면도 및 평면도이다.
도 21 (A) 및 21 (B)로부터 명백한 바와 같이, 본 예의 초음파 프로브(P10)는 도 3 (A) 및 3 (B)에 나타낸 종래예에 관한 초음파 프로브(101)와 기본적 구성은 동일하며, 평면 형상이 원형으로 형성된 단일형의 진동자(2)와 당해 진동자(2)로부터 송신된 초음파를 수속하여 피검사체 S에 입사하는 원통형의 음향 렌즈(3)를 구비한 구성으로 되어 있다. 본 예의 초음파 프로브(P10)는 음향 렌즈(3)로서, 그 중앙부에 진동자(2)의 발신·수신면이 장착되는 평면부(3a)로부터 렌즈 곡률면(3b)까지 관통하는 투과공(4)이 개설된 것을 특징으로 한다. 투과공(4)의 직경은 수직 입사파 및 수직 반사파의 전파 범위 이상으로 설정하면 되지만, 잡음의 수신을 극력 억제하기 위해, 경사각 입사파 및 누설파의 전파를 방해하지 않는 범위 내에서 가능한 한 크게 하는 편이 바람직하다. 그 외에 대해서는 종래예에 관한 초음파 프로브(101)와 동등하게 구성되어 있다.
상기한 바와 같이, 초음파 프로브는 피검사체 S의 평가 시에, 피검사체 S와함께 수중에 배치된다. 따라서, 음향 렌즈(3)의 중앙부에 투과공(4)이 개설된 본 실시예의 초음파 프로브(P10)를 사용하면, 도 21 (A)에 나타낸 바와 같이, 진동자(2)의 경사각 경로 A→B→C 및 D→E→F와 피검사체 S의 사이에는 초음파의 전파 속도가 높은 알루미늄제의 음향 렌즈(3)(음속=약 6400m/s)와 초음파의 전파 속도가 낮은 물(19℃에서 약 1480m/s, 26℃에서 약 1500m/s)이 개재하는 데에 대하여, 진동자(2)의 수직 경로 G→I 및 I→G와 피검사체 S 사이에는 초음파의 전파 속도가 낮은 물만이 개재하게 되므로, 경로 A→B→C→D→E→F를 통과하는 경사각 입사파, 누설 탄성 표면파 및 누설파의 전파 시간보다도 경로 G→I →G를 통과하는 수직 입사파 및 수직 반사파의 전파 시간이 길어지고, 도 11에 나타낸 바와 같이, 수직 반사파의 에코 파형 V와 누설파의 에코 파형 L이 분리되고, 또한 누설파의 에코 파형 L이 표면 반사파의 에코 파형 V보다도 선행된 수신 신호가 얻어진다. 따라서, 누설파의 에코 파형 L과 표면 반사파의 에코 파형 V의 시간차 △t를 구할 수 있고, 전술한 (6) 식으로부터 누설 탄성 표면파의 음속 VL을 구할 수 있기 때문에, 당해 누설 탄성 표면파의 음속 변화로부터 예를 들면 피검사체 S의 응력 분포나 파괴 인성값과 열 취화나 입계 부식이라는 재료의 열화도, 및 피검사체 표면에 있어서의 균열의 유무나 피검사체 표면에 형성된 피막의 박리의 유무라는 피검사체 표면의 건전성을 파괴하지 않고 평가할 수 있다.
상기와 마찬가지로, 모재의 표면에 두께 0.1mm의 WC계 용사피막이 행해진 피검사체와 렌즈의 두께가 5mm인 알루미늄제 음향 렌즈를 사용하고, 초점 이탈량 △Z를 0.2mm, 사용 주파수를 10MHz, 누설 탄성 표면파의 음속 VL을 2300m/s, 레일리 임계각을 41도로 하여 수직파 V와 누설 탄성 표면파 L의 시간차 △t를 구하면, 경로 A→B→C →D→E→F를 전파하는 초음파의 전파 시간이 약 10㎲인 데에 대하여, 경로 G→I→G를 전파하는 초음파의 전파 시간은 약 15㎲이며, 그 차가 5㎲(사용 주파수의 주기의 50배)로 되어, 용사피막을 갖는 피검사체에 있어서도 양 파를 분리할 수 있음을 알 수 있다.
그리고, 전례에 있어서는 사용 주파수를 10MHz로 하였으나, 5∼20MHz의 범위에서 변경한 경우에도 동일한 결과가 얻어진다.
2.2.2 초음파 프로브의 제2예
제2 실시예에 관한 초음파 프로브의 제2예는 전술한 도 12 (A) 및 12 (B)에 나타낸 요부 단면도와 동등하게 구성되어 있다. 상기 초음파 프로브(101)는 종래예에 게재한 초음파 프로브와 동일 구성으로, 음향 렌즈(3)로서 수직 입사파 및 수직 반사파의 전파 경로에 투과공이나 홈, 그것에 충전물이 형성되어 있지 않고, 전체가 균질로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 예의 초음파 프로브(101)를 사용한 경우에는 수직 반사파의 에코 파형 V와 누설파의 에코 파형 L을 분리할 수 없으나, 누설 탄성 표면파의 감쇠가 작은 피검사체에 대해서는 수온의 측정을 행하지 않고, 원하는 초음파 검사를 실행할 수 있다.
2.2.3 초음파 프로브의 제3예
도 22는 제3예에 관한 초음파 프로브의 요부 단면도이다.
제3예의 초음파 프로브(P11)는 음향 렌즈를 설치하지 않고, 프로브 본체(1a)에 형성된 오목면(1b)에 평면 형상이 원형으로 형성된 진동자(2)의 배면측을 장착한 것을 특징으로 한다.
본 예의 초음파 프로브(P11)를 사용한 경우에도, 제2예에 관한 초음파 프로브(P10)를 사용한 경우와 마찬가지로, 수직 반사파의 에코 파형 V와 누설파의 에코 파형 L을 분리할 수 없으나, 누설 탄성 표면파의 감쇠가 작은 피검사체에 대해서는 수온의 측정을 행하지 않고, 원하는 초음파 검사를 실행할 수 있다.
2.3 검사 방법
본 실시예에 있어서의 검사 방법은 수온의 측정을 행하지 않고, 누설 탄성 표면파의 음속 VL을 산출할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다. 도 23은 음향 렌즈의 초점을 피검사체의 표면에 일치시킨 경우에 있어서의 초음파 프로브의 배치를 나타낸 설명도이며, 도 24는 초음파 검사 방법의 처리 순서를 나타낸 플로차트이다. 도 24에 나타낸 초음파 검사 방법의 처리 순서는 도 6에 나타낸 제2 메모리(7)에 기억된다.
먼저, 순서 S1에서, 기계식 스캐너(12)의 Z축 슬라이더(18)를 구동하여 초음파 프로브(P10)를 피검사체 S에 접근하는 방향 또는 피검사체 S로부터 멀어지는 방향으로 이동시키고, 도 23에 나타낸 바와 같이, 음향 렌즈(3)의 초점을 피검사체 S의 표면에 맞춘다. 음향 렌즈(3)의 초점이 피검사체 S의 표면에 맞춰지면, 누설파의 에코 레벨이 최대로 되기 때문에, 음향 렌즈(3)의 초점이 피검사체 S의 표면에 맞은 것을 알 수 있다.
순서 S2에서, 진동자(2)로부터 초음파를 송신하고, 도 21 (A)에 나타낸 경로 A→B→C→(D)→E→F를 통과하는 초음파의 전파 시간 tL0과 경로 G→I→G를 통과하는 초음파의 전파 시간 tV0을 계측한다. 또, Z축 슬라이더(18)의 출력값 Z0의 판독을 행한다.
다음에, 순서 S3, S4에서, 누설 탄성 표면파를 검출할 때까지 초음파 프로브(P10)를 피검사체 S에 접근시킨다. 초음파 프로브(P10)의 정지 위치는 반드시 누설 탄성 표면파의 에코 레벨이 최대로 되는 위치로 할 필요는 없고, 누설 탄성 표면파를 검출할 수 있는 범위 내에서 임의로 설정할 수 있다. 누설 탄성 표면파가 검출되었을 때, 초음파 프로브(P10)는 도 21 (A)에 나타낸 위치로 되고, 음향 렌즈(3)의 초점 위치는 피검사체 S의 표면으로부터 초점 이탈량 △Z만큼 내측으로 된다.
순서 S5에서, 진동자(2)로부터 초음파를 송신하고, 경로 A→B→C→D→E→F를 통과하는 초음파의 전파 시간 tL1과, 경로 G→I→G를 통과하는 초음파의 전파 시간 tV1을 계측한다. 또, Z축 슬라이더(18)의 출력값 Z1의 판독을 행한다.
이어서 순서 S6로 이행하고, 순서 S2에서 계측된 경로 A→B→C(D)→E→F를 통과하는 초음파의 전파 시간 tL0와 순서 S5에서 계측된 경로 A→B→C→D→E→F를통과하는 초음파의 전파 시간 tL1의 시간차 △tL(=tL0-tL1), 순서 S2에서 계측된 경로 G→I→G를 통과하는 초음파의 전파 시간 tV0와 순서 S5에서 계측된 경로 G→I→G를 통과하는 초음파의 전파 시간 tV1의 시간차 △tV(=tV0-tV1) 및 순서 S2에서 계측된 Z축 슬라이더(18)의 출력값 Z0와 순서 S5에서 계측된 Z축 슬라이더(18)의 출력값 Z1의 차, 즉 음향 렌즈(3)의 초점 이탈량 △Z(=Z0-Z1)를 산출한다.
마지막으로, 이들의 산출값으로부터 전술한 (6) 식을 사용하여 누설 탄성 표면파의 음속 VL을 구한다.
(6) 식은 물의 음속 VW를 변수로 포함하지 않기 때문에, 이 식에 따라 연산을 행하면 물의 음속 VW를 측정하지 않고 누설 탄성 표면파의 음속 VL을 산출할 수 있다. 그리고, 여기서는 설명을 생략하였으나, 상기 검사 방법을 실시할 때에는 기계식 스캐너(12)의 Y축 슬라이더(14) 및/또는 X축 슬라이더(16)를 적절하게 구동하여, 피검사체 S의 표면을 따라 초음파 프로브(1)를 주사하는 것은 물론이다.
그리고, 도 24의 초음파 검사 방법에 있어서는 순서 S1에서 음향 렌즈(3)의 초점을 피검사체 S의 표면에 맞추었으나, 상기 순서에 있어서 음향 렌즈(3)의 초점을 피검사체 S의 표면에 완전히 맞추지 않으면 소요의 초음파 검사를 실행할 수 없다는 것은 아니며, 음향 렌즈(3)의 초점을 피검사체 S의 표면보다도 약간 내측에 위치시킬 수도 있다. 상기 경우에는 순서 S3, S4에 있어서, 음향 렌즈(3)의 초점 위치가 순서 S1에서 설정된 음향 렌즈(3)의 초점 위치보다도 보다 피검사체 S의 내측으로 이동하게 된다.
3. 제3 실시예
3.1 전체 구성
전체 구성은 도 6 및 도 7을 참조하여 설명한 제1 실시예와 동등하므로, 중복되는 설명은 생략한다. 본 실시예에서는 연산 처리부(30)는 구동부(20)를 통하여 초음파 주사부(10)를 제어하고, 초음파의 수신 파형으로부터 피검사체의 응력 분포나 파괴 인성값과 열화도 등의 원하는 검사 결과를 연산에 의해 구할 수 있도록 되어 있다. 이하, 제1 실시예와 동등한 각 부분에는 동일한 참조 부호를 부쳐 설명한다.
전술한 바와 같이, 초음파 프로브는 피검사체 S의 평가 시에, 피검사체 S와 함께 수중에 배치된다. 따라서, 음향 렌즈(3)의 중앙부에 투과공(4)이 개설된 본 실시예의 초음파 프로브(P11)를 사용하면, 도 25 (A)에 나타낸 바와 같이, 진동자(2)의 경사각 경로 A→B→C 및 D→E→F와 피검사체 S의 사이에는 초음파의 전파 속도가 높은 알루미늄제의 음향 렌즈(3)(음속=약 6400m/s)와 초음파의 전파 속도가 낮은 물(19℃에서 약 1480m/s, 26℃에서 약 1500m/s)이 개재하는 데에 대하여, 진동자(2)의 수직 경로 G→I 및 I→G와 피검사체 S 사이에는 초음파의 전파 속도가 낮은 물만이 개재하게 되므로, 경로 A→B→C→D→E→F를 통과하는 경사각 입사파, 누설 탄성 표면파 및 누설파의 전파 시간보다도 경로 G→I→G를 통과하는 수직 입사파 및 수직 반사파의 전파 시간이 길어지게 된다. 이로써, 도 11에 나타낸 바와 같이, 수직 반사파의 에코 파형 V와 누설파의 에코 파형 L이 분리되고, 또한누설파의 에코 파형 L이 표면 반사파의 에코 파형 V보다도 선행된 수신 신호가 얻어진다. 따라서, 누설파의 에코 파형 L과 표면 반사파의 에코 파형 V의 시간차 △t를 구할 수 있고, 누설 탄성 표면파의 음속 VL을 구하는 것이 가능해진다. 그 결과, 당해 누설 탄성 표면파의 음속 변화로부터 예를 들면 피검사체 S의 응력 분포나 파괴 인성값과 열 취화나 입계 부식이라는 피검사체의 열화도, 및 피검사체 표면에 있어서의 균열의 유무나 피검사체 표면에 형성된 피감의 박리의 유무라는 피검사체 표면의 건전성을 파괴하지 않고 평가할 수 있다.
3.2 초음파 프로브
다음에, 제3 실시예에 있어서의 초음파 프로브에 대해 설명한다.
3.2.1 초음파 프로브의 제1예
도 25 (A) 및 25 (B)는 제3 실시예의 제1 예에 관한 초음파 프로브의 요부 단면도 및 평면도이다. 본 예의 초음파 프로브(P12)는 진동자(2)의 발신·수신면과 일면으로 형성된 단면(설정면)(7a)이 평면형으로 형성되고, 음향 렌즈(3)의 장착면(3a)과 맞닿도록 설정된 평면형 초음파 프로브(7)와, 상기 진동자 설정면(7a)에 장착된 평면 형상이 원형인 단일형 진동자(2)와, 당해 진동자(2)로부터 송신된 초음파를 수속시켜 피검사체 S에 입사시키는 오목형 음향 렌즈(3)를 구비한 구성으로 되어 있다. 본 예의 초음파 프로브(P12)는 음향 렌즈(3)로서, 그 중앙부에 진동자 대향면(3g)으로부터 렌즈 곡률면(3b)까지 관통하는 투과공(4)을 개설한 것을 특징으로 한다. 투과공(4)의 직경은 수직 입사파 및 수직 반사파의 전파 범위 이상으로 설정하면 되지만, 잡음의 수신을 극력 억제하기 위해, 경사각 입사파 및 누설파의 전파를 저해하지 않는 범위 내에서 가능한 한 크게 하는 편이 바람직하다. 진동자(2)는 표리 양면에 전극이 형성된 압전 박막으로 구성되고, 상기 진동자 설정면(7a)과 일면으로 되도록 접착 등의 수단에 의해 고정된다. 한편, 음향 렌즈(3)는 알루미늄 등의 초음파 전파 속도가 큰 물질로 구성되고, 진동자 대향면(3g)이 평면형으로 형성되고, 이와 대향하는 렌즈 곡률면(3b)이 구면형으로 형성되어 있다.
본 예에 있어서도 전술한 제2 실시예의 제1예와 마찬가지로, 초음파 프로브는 피검사체 S의 평가 시에, 피검사체 S와 함께 수중에 배치된다. 따라서, 음향 렌즈(3)의 중앙부에 투과공(4)이 개설된 본 실시예의 초음파 프로브(P12)를 사용하면, 도 25 (A)에 나타낸 바와 같이, 진동자(2)의 경사각 경로 A→B→C 및 D→E→F와 피검사체 S의 사이에는 초음파의 전파 속도가 높은 알루미늄제의 음향 렌즈(3)(음속=약 6400m/s)와 초음파의 전파 속도가 낮은 물(19℃에서 약 1480m/s, 26℃에서 약 1500m/s)이 개재하는 데에 대하여, 진동자(2)의 수직 경로 G→I 및 I→G와 피검사체 S 사이에는 초음파의 전파 속도가 낮은 물만이 개재하게 되므로, 경로 A→B→C→D→E→F를 통과하는 경사각 입사파, 누설 탄성 표면파 및 누설파의 전파 시간보다도 경로 G→I→G를 통과하는 수직 입사파 및 수직 반사파의 전파 시간이 길어지게 되고, 도 11에 나타낸 바와 같이, 수직 반사파의 에코 파형 V와 누설파의 에코 파형 L이 분리되고, 또한 누설파의 에코 파형 L이 표면 반사파의 에코 파형 V보다도 선행된 수신 신호가 얻어진다. 따라서, 누설파의 에코 파형 L과 표면 반사파의 에코 파형 V의 시간차 △t를 구할 수 있고, 누설 탄성 표면파의 음속 VL을 구할 수 있게 되므로, 당해 누설 탄성 표면파의 음속 변화로부터 예를 들면 피검사체 S의 응력 분포나 파괴 인성값과 열 취화나 입계 부식이라는 피검사체의 열화도, 및 피검사체 표면에 있어서의 균열의 유무나 피검사체 표면에 형성된 피감의 박리의 유무라는 피검사체 표면의 건전성을 파괴하지 않고 평가할 수 있다.
상기와 마찬가지로, 모재의 표면에 두께 0.1mm의 WC계 용사피막이 행해진 피검사체와 렌즈의 목 두께(투과공(4)을 개설하기 전의 GH 사이의 거리)가 5mm인 알루미늄제 음향 렌즈를 사용하고, 초점 이탈량 △Z를 0.2mm, 사용 주파수를 10MHz, 누설 탄성 표면파의 음속 VL을 2300m/s, 레일리 임계각을 41도로 하여 수직파 V와 누설 탄성 표면파 L의 시간차 △t를 구하면, 경로 A→B→C →D→E→F를 전파하는 초음파의 전파 시간이 약 10㎲인 데에 대하여, 경로 G→I→G를 전파하는 초음파의 전파 시간은 약 15㎲이며, 그 차가 5㎲(사용 주파수의 주기의 50배)로 되어, 용사피막을 갖는 피검사체에 있어서도 양 파를 분리할 수 있음을 알 수 있다.
그리고, 여기서는 사용 주파수를 10MHz로 하였으나, 5∼20MHz의 범위에서 변경한 경우에도 동일한 결과가 얻어진다.
3.2.2 초음파 프로브의 제2예
도 26은 제2예에 관한 초음파 프로브의 요부 단면도이다. 본 제2예에 관한 초음파 프로브(P13)는 평면형 초음파 프로브(7)에 진동자(2)를 배치하고, 음향 렌즈(3)의 중앙부(수직 입사파 및 수직 반사파의 전파 경로)에 투과공을 개설하는 구성을 대신하여, 음향 렌즈(3)의 렌즈 곡률면(3b)의 중앙부에 홈(5)을 형성한 것을 특징으로 한다. 홈(5)의 직경은 수직 입사파 및 수직 반사파의 전파 범위 이상이며, 잡음의 수신을 극력 억제하기 위해, 경사각 입사파 및 누설파의 전파를 저해하지 않는 범위에서 가능한 한 크게 형성된다.
상기 초음파 프로브(P13)를 사용한 경우에도, 제1예에 관한 초음파 프로브(P12)와 마찬가지로, 경로 A→B→C →D→E→F를 통과하는 초음파의 전파 시간보다도 경로 G→I→G를 전파하는 초음파의 전파 시간을 상대적으로 늦출 수 있기 때문에, 수직 반사파의 에코 파형 V와 누설파의 에코 파형 L의 분리가 가능하며, 피검사체의 열화도 등 및 피검사체 표층의 건전성의 평가를 행할 수 있다.
3.2.3 초음파 프로브의 제3예
도 27 (A), 27(B) 및 27 (C)는 제3예에 관한 초음파 프로브의 요부 단면도이다. 제3예에 관한 초음파 프로브(P14)는 초음파 프로브(7)에 진동자(2)를 배치하고, 음향 렌즈(3)의 중앙부에 단지 투과공(4)을 개설하거나 홈(5)을 형성하는 구성을 대신하여, 개설된 투과공(4) 내 또는 형성된 홈(5) 내에 음향 렌즈(3)를 구성하는 소재와는 초음파의 전파 속도가 상이한 소재로 이루어지는 충전물(6)을 충전한 것을 특징으로 한다. 도 27 (A)는 음향 렌즈(3)의 중앙부에 개설된 투과공(4) 내에 충전물(6)을 충전한 경우, 도 27 (B)는 음향 렌즈(3)의 진동자 대향면(3a)에 형성된 홈(5) 내에 충전물(6)을 충전한 경우, 도 27 (C)는 음향 렌즈(3)의 렌즈 곡률면(3b)에 형성된 홈(5) 내에 충전물(6)을 충전한 경우를 나타내고 있다. 그 외에 대해서는 제1예 및 제2예에 관한 초음파 프로브와 동등하게 구성되어 있다. 음향렌즈(3)를 구성하는 소재와 충전물(6)은 전술한 제1 실시예의 제3예와 동일하다.
본 예의 초음파 프로브(P14)는 음향 렌즈(3)에 있어서의 수직 입사파 및 수직 반사파의 전파 경로 G→I 및 I→G와 경사각 입사파 및 누설파의 전파 경로 A→B→C 및 D→E→F를 음속이 상이한 소재로 구성하였으므로, 각 경로를 통과하는 초음파의 전파 시간의 차가 커져, 수직 반사파의 에코 파형 V와 누설파의 에코 파형 L의 분리가 가능해져 피검사체의 열화도 및 피검사체 표층의 건전성의 평가를 행할 수 있다.
3.2.4 초음파 프로브의 제4예
도 28 (A) 및 28 (B)는 제4예에 관한 초음파 프로브를 상면 방향으로부터 본 요부 사시도 및 저면 방향으로부터 본 요부 사시도이다. 제4예에 관한 초음파 프로브(P15)는 도 28 (A)에 나타낸 바와 같이, 평면형 초음파 프로브(7)에 진동자(2)를 배치하고, 음향 렌즈(3)로서 실린더형 렌즈를 사용하는 동시에, 진동자(2)로서 복수개의 진동자(2a∼2n)가 인접하여 한 방향으로 배열된 어레이형의 진동자를 구비한 것을 특징으로 한다. 상기 실린더형 렌즈의 저면의 수직 입사파 및 수직 반사파의 전파 경로에는 도 28 (B)에 나타낸 바와 같이, 투과공(4)이 개설되어 있다. 투과공(4)의 크기는 수직 입사파 및 수직 반사파의 전파 범위 이상이며, 잡음의 수신을 극력 억제하기 위해, 경사각 입사파 및 누설파의 전파를 저해하지 않는 범위에서 가능한 한 크게 형성된다. 그리고, 실린더형 렌즈의 저면에 투과공(4)을 개설하는 구성을 대신하여 홈을 형성하는 것도 가능하며, 또한, 개설된 투과공 또는 형성된 홈 내에, 경사각 입사파 및 누설파의 전파 경로와는 초음파의 전파 속도가상이한 충전물을 충전하는 것도 물론 가능하다.
본 예의 초음파 프로브(P15)는 음향 렌즈(3)로서 실린더형 렌즈를 사용하는 동시에, 진동자(2)로서 어레이형의 진동자를 구비하였기 때문에, 피검사체 S의 표면을 면형으로 트레이스할 수 있고, 원통형의 음향 렌즈에 평면 형상이 원형인 단일형의 진동자를 구비한 경우에 비해 피검사체 S의 검사 효율을 높일 수 있다.
3.2.5 초음파 프로브의 제5예
도 29는 제5예에 관한 초음파 프로브를 상면 방향으로부터 본 요부 사시도이다. 제5예에 관한 초음파 프로브(P16)는 도 29에 나타낸 바와 같이, 평면형 초음파 프로브(7)에 진동자(2)를 배치하고, 음향 렌즈(3)로서 실린더형 렌즈를 사용하는 동시에, 진동자(2)로서 단일형의 진동자를 구비한 것을 특징으로 한다. 상기 실린더형 렌즈의 저면의 수직 입사파 및 수직 반사파의 전파 경로에는 도 28 (B)에 나타낸 바와 같이, 투과공(4)이 개설된다. 물론, 실린더형 렌즈의 저면에 투과공(4)을 개설하는 구성을 대신하여 홈을 형성하는 것도, 개설된 투과공 또는 형성된 홈 내에, 경사각 입사파 및 누설파의 전파 경로와는 초음파의 전파 속도가 상이한 충전물을 충전하는 것도 가능하다. 그 외에 대해서는 제4예에 관한 초음파 프로브와 동일하므로, 설명은 생략한다.
본 예의 초음파 프로브(P16)는 음향 렌즈(3)로서 실린더형 렌즈를 사용하는 동시에, 진동자(2)로서 단일형의 진동자를 구비하였기 때문에, 피검사체 S의 표면에 초음파 빔을 선형으로 조사할 수 있고, 원통형의 음향 렌즈에 평면 형상이 원형인 단일형의 진동자를 구비한 경우에 비해 피검사체 S의 검사 효율을 높일 수 있다.
3.2.6 초음파 프로브의 제6예
도 30은 제6예에 관한 초음파 프로브의 요부 단면도이다. 제6예에 관한 초음파 프로브(P17)는 도 30에 나타낸 바와 같이, 평면형 초음파 프로브(7)에 진동자(2)를 배치하고, 음향 렌즈(3)의 진동자 대향면(3g)의 중앙부(수직 입사파 및 수직 반사파의 전파 경로)에 홈(5)을 형성하고, 당해 홈(5)과 상기 평면형 초음파 프로브(7)에 구비된 진동자(2)의 표면에 의해 구성되는 공간 내에 초음파 차폐 부재(8)를 봉입하거나, 초음파 차폐체로서의 공기를 봉입한다는 구성으로 하였다. 홈(5)의 직경은 수직 입사파 및 수직 반사파의 전파 범위 이상이며, 잡음의 수신을 극력 억제하기 위해, 경사각 입사파 및 누설파의 전파를 저해하지 않는 범위에서 가능한 한 크게 형성된다.
상기 초음파 프로브(P17)를 사용한 경우는 피검사체 S로의 수직 입사파의 전파 및 피검사체 S로부터의 수직 반사파의 전파가 잡음 차폐 부재(8) 또는 초음파 차폐체로서의 공기에 의해 제한되기 때문에, 수직 반사파의 에코 파형 V를 얻을 수 없고, 따라서 시간차 △t를 구할 수 없으나, 경사각 입사파의 전파 경로와 누설파의 전파 경로가 형성되어 있기 때문에, 누설파의 수신 레벨을 검출할 수 있고, 상기 누설파의 수신 레벨로부터 피검사체 표층의 건전성을 평가할 수 있다.
3.2.7 초음파 프로브의 제7예
도 31 (A) 및 31 (B)는 제7예에 관한 초음파 프로브의 요부 단면도 및 요부 평면도이다. 제7예의 초음파 프로브(P18)는 도 31 (A) 및 31 (B)에 나타낸 바와같이, 음향 렌즈(3)에 투과공이나 홈을 형성하지 않고, 렌즈 곡률면(3b)의 중앙부(수직 입사파 및 수직 반사파의 전파 경로)에 상기 평면형 초음파 프로브(7)에 구비된 진동자(2)보다도 소경의 초음파 차폐 부재(8)를 배치한 것을 특징으로 한다. 초음파 차폐 부재(8)의 직경은 수직 입사파 및 수직 반사파의 전파 범위 이상이며, 잡음의 수신을 극력 억제하기 위해, 경사각 입사파 및 누설파의 전파를 저해하지 않는 범위에서 가능한 한 크게 형성된다.
상기 초음파 프로브(P18)를 사용한 경우도 피검사체 S로의 수직 입사파의 전파 및 피검사체 S로부터의 수직 반사파의 전파가 잡음 차폐 부재(8)에 의해 제한되지만, 경사각 입사파의 전파 경로와 누설파의 전파 경로가 형성되어 있기 때문에, 누설파의 수신 레벨을 검출할 수 있고, 상기 누설파의 수신 레벨로부터 피검사체 표층의 건전성을 평가할 수 있다.
그리고, 상기 제6예 및 제7예에 있어서는 진동자(2)로서 평면 형상이 원형으로 형성된 것을 사용하고, 그 대향면의 중앙부에 초음파 차폐 부재(8)를 배치하거나, 초음파 차폐체로서의 공기층을 형성한다는 구성으로 하였으나, 상기 구성을 대신하여 진동자(2)를 고리형으로 형성하고, 피검사체 S로의 수직 입사파의 전파 및 피검사체 S로부터의 수직 반사파의 전파를 제한하다는 구성으로 할 수도 있다.
3.2.8 초음파 프로브의 제8예
도 32는 제8예에 관한 초음파 프로브의 요부 단면도이다. 도 32로부터 명백한 바와 같이, 본 예의 초음파 프로브(P19)는 평면형 초음파 프로브(7)의 외주면에 수나사(7b)를 끼워 넣는 동시에, 음향 렌즈(3)의 상반부에 형성된 오목부(3c)의 내주면에 상기 수나사(7b)와 결합 가능한 암나사(3d)를 끼워 넣고, 이들 양 나사(7b, 7d)를 결합함으로써, 평면형 초음파 프로브(7)의 선단부에 음향 렌즈(3)를 착탈 가능하게 고정한 것을 특징으로 한다.
상기 오목부(3c)의 저면은 평면형으로 형성되어 있고, 평면형 초음파 프로브(7)의 선단부에 밀착될 수 있도록 되어 있다. 또, 당해 음향 렌즈(3)의 중앙부(수직 입사파 및 수직 반사파의 전파 경로)에는 오목부(3c)의 저면으로부터 렌즈 곡률면(3b)까지 관통하는 투과공(4)이 개설되어 있다.
본 예의 초음파 프로브(P19)는 제3 실시예의 제1예에 관한 초음파 프로브(P12)와 동일한 효과를 얻는 등, 평면형 초음파 프로브(7)의 선단부에 음향 렌즈를 착탈 가능하게 장착하는 구성으로 하였으므로, 방식이 상이한 각종 평면형 초음파 프로브(7)와 음향 렌즈(3)를 조합하여 다양한 방식의 집속형 초음파 프로브를 얻을 수 있고, 적은 부품수로 다양한 초음파 검사를 실행할 수 있는 것으므로, 초음파 검사의 총비용을 저감할 수 있다. 또, 평면형 초음파 프로브(7)와 음향 렌즈(3)를 착탈 가능하게 결합한 것이므로, 수중에 있어서의 집속형 초음파 프로브의 조립이 가능하며, 평면형 초음파 프로브(7)와 음향 렌즈(3) 사이에 기포가 개재되지 않기 때문에, 검사 결과의 신뢰성을 높일 수 있다. 덧붙여, 기포를 제거하기 위한 수고를 요하지 않으므로, 이 점으로부터도 검사 비용의 저감을 도모할 수 있다.
그리고, 본 예의 초음파 프로브(P19)에는 음향 렌즈(3)로서, 수직 입사파 및 수직 반사파의 전파 경로에 오목부(3c)의 저면으로부터 렌즈 곡률면(3b)까지 관통하는 투과공(4)을 개설한 것이 사용되고 있으나, 제2예에 관한 초음파 프로브(P13)와 마찬가지로, 투과공(4)을 대신하여 홈(5)이 형성된 것을 사용할 수도 있고, 제3예에 관한 초음파 프로브(P14)와 마찬가지로, 투과공(4) 내 또는 홈(5) 내에 충전물(6)이 충전된 것을 사용할 수도 있다. 또한, 제6예에 관한 초음파 프로브(P17) 또는 제7예에 관한 초음파 프로브(P18)와 마찬가지로, 소정의 부분에 초음파 차폐 부재(8)(공기를 포함)가 설치되어 있는 것을 사용할 수도 있다.
3.2.9 초음파 프로브의 제9예
도 33은 제9예에 관한 초음파 프로브의 요부 사시도이다. 도 33으로부터 명백한 바와 같이, 본 예의 초음파 프로브(P20)는 음향 렌즈(3)의 측면에 오목부(3c)까지 관통하는 나사 구멍(3e)을 개설하고, 당해 나사 구멍(3e)에 나사 결합된 비스(3f)에 의해, 오목면(3c) 내에 삽입된 평면형 초음파 프로브(7)의 선단부를 체결한 것을 특징으로 한다. 본 예의 초음파 프로브(11)도 제8예에 관한 초음파 프로브(P19)와 동일한 효과를 갖는다.
그리고, 상기 구성은 어레이형의 진동자를 구비한 평면형 초음파 프로브에 실린더형 렌즈형의 음향 렌즈를 장착하는 경우에만 적용할 수 있는 것은 아니며, 단일형의 진동자를 구비한 평면형 초음파 프로브에 실린더형 렌즈형의 음향 렌즈를 장착하는 경우에도 적용할 수 있는 것을 물론이다. 또, 제8예에 있어서는 평면형 초음파 프로브(7)의 외주면에 수나사(7b)를 끼워 넣는 동시에, 음향 렌즈(3)의 오목부(3c) 내주면에 암나사(3d)를 끼워 넣고, 이들 양 나사(7b, 7d)를 결합함으로써, 평면형 초음파 프로브(7)의 선단부에 음향 렌즈(3)를 착탈 가능하게 고정하였으나, 상기 구성을 대신하여, 평면형 초음파 프로브(7)의 외주면과 음향 렌즈(3)의 오목부 내주면을 평활면으로 하고, 음향 렌즈(3)의 오목부(3c)에 삽입된 평면형 초음파 프로브(7)의 선단 외주면을 음향 렌즈(3)의 외부로부터 관통시킨 비스에 의해 고정하도록 구성할 수도 있다.
3.2.10 초음파 프로브의 제10예
도 34 (A) 및 34 (B)는 제10예에 관한 초음파 프로브의 요부 단면도 및 평면도이다. 제10예에 관한 초음파 프로브(P21)는 도 34 (A) 및 34(B)에 나타낸 바와 같이, 평면형 초음파 프로브(7)의 선단부에 음향 렌즈(3)를 장착하는 구성을 대신하여, 프로브 본체에 형성된 구면형의 진동자(2)의 장착면(설정면)(7c)에 고리형의 진동자(2)의 배면측을 장착하고, 당해 진동자(2)의 표면을 보호재(9)로 덮은 것을 특징으로 한다.
본 예의 초음파 프로브(P21)는 제6예에 관한 초음파 프로브(P17) 및 제7예에 관한 초음파 프로브(P18)와 동일한 효과를 갖는 등, 음향 렌즈를 생략할 수 있기 때문에, 초음파 프로브의 소형화를 도모할 수 있다.
3.2.11 초음파 프로브의 제11예
도 35 (A) 및 35 (B)는 제11예에 관한 초음파 프로브의 요부 단면도 및 평면도이다. 제11예에 관한 초음파 프로브(P22)는 도 35 (A) 및 35 (B)에 나타낸 바와 같이, 프로브 본체에 형성된 구면형의 진동자(2)의 장착면(설정면)(7c)에 평면 형상이 원형인 진동자(2)의 배면측을 장착하는 동시에, 그 중심부에 그보다도 소경의 초음파 차폐 부재(8)를 설치하고, 이들 진동자(2) 및 초음파 차폐 부재(8)의 표면을 보호재(9)로 덮은 것을 특징으로 한다. 본 예의 초음파 프로브(P22)도 제10예에 관한 초음파 프로브(P21)와 동일한 효과를 갖는다.
3.3. 검사 방법
본 제3 실시예에 있어서도, 제2 실시예에 있어서 도 23 및 도 24를 참조하여 설명한 검사 방법은 동일하므로, 설명은 생략한다. 그리고, 도 24의 플로차트의 순서 S7에 있어서의 VL의 유도 방법은 전술한 식 (2) 내지 식 (6)을 제시하여 설명한 방법과 동일하다.
제3 실시예에 있어서, 전술한 검사 방법을 채용하면, 피검사체 S의 표면측으로부터 검사 부위인 피검사체 S의 표층 부분에 초음파 부분을 입사하기 때문에, 피검사체 S의 두께나 피검사체 S의 내부 상태와 피검사체 S의 저면의 상태에 관계없이 항상 고정세도의 결함 검사를 행할 수 있다. 또, 상기와 동일한 이유로부터 피검사체 S의 단부까지 초음파 검사가 가능하며, 신뢰성이 높은 결함 검사를 행할 수 있다.
4. 제4 실시예
4.1 전체 구성
전체 구성은 도 6 및 도 7을 참조하여 설명한 제1 실시예와 동등하므로, 중복되는 설명은 생략한다. 본 실시예에서는 연산 처리부(30)는 구동부(20)를 통하여 초음파 주사부(10)를 제어하고, 초음파의 수신 파형으로부터 피검사체의 응력 분포나 파괴 인성값과 열화도 등의 원하는 검사 결과를 연산에 의해 구할 수 있도록 되어 있다. 이하, 제1 실시예와 동등한 각 부에는 동일한 참조 부호를 부쳐 설명한다.
4.2 초음파 프로브
다음에, 제4 실시예에 있어서의 초음파 프로브에 대해 설명한다.
4.2.1 초음파 프로브의 제1예
도 36 (A) 및 36 (B)는 제1예에 관한 초음파 프로브의 요부 단면도 및 평면도이다. 도 37은 평면형 초음파 프로브에 대한 음향 렌즈의 장착 방식의 다른 예를 나타낸 단면도, 도 38 (A) 및 38 (B)는 제1예에 관한 초음파 프로브의 효과를 나타낸 누설파의 C 스코프 화상이다.
도 36 (A) 및 36 (B)로부터 명백한 바와 같이, 본 예의 초음파 프로브(P23)는 진동자(2)의 발신·수신면과 일면으로 형성된 단면(설정면)(7a)을 가지는 평면형 초음파 프로브(7)와, 상기 진동자 설정면(7a)에 장착된 평면 형상이 원형인 단일형 진동자(2)와, 당해 진동자(2)로부터 송신된 초음파를 수속시키고, 피검사체 S에 입사시키는 오목 렌즈형의 음향 렌즈(3)를 구비한 구성으로 되어 있다. 본 예의 초음파 프로브(P23)는 음향 렌즈(3)로서, 그 중앙부에 진동자 대향면(3g)으로부터 렌즈 곡률면(3b)까지 관통하는 투과공(4)을 개설하는 동시에, 당해 투과공(4)의 중심을 통과하여 음향 렌즈(3)의 직경 방향으로 연장되는 슬릿(4a)을 음향 렌즈(3)의 단면으로부터 진동자 대향면(3g)에 달하는 위치에 형성한 것을 특징으로 한다.
진동자(2)는 표리 양면에 전극이 형성된 압전 박막으로 구성되고, 상기 진동자 설정면(7a)에 접착 등의 수단에 의해 고정된다. 한편, 음향 렌즈(3)는 알루미늄 등의 초음파 전파 속도가 큰 물질로 오목 렌즈형으로 구성되고, 진동자 대향면(3g)이 평면형으로, 이와 대향하는 렌즈 곡률면(3b)이 구면형으로 형성되어 있다. 투과공(4)의 직경은 수직 입사파 및 수직 반사파의 전파 범위 이상으로 설정되면 되지만, 잡음의 수신을 극력 억제하기 위해, 경사각 입사파 및 누설파의 전파를 저해하지 않는 범위 내에서 가능한 한 크게 하는 편이 바람직하다. 또, 슬릿(4a)의 폭은 투과공(4)의 직경보다도 작은 범위에서 임의로 설정할 수 있으나, 너무 작게 하면, 초음파 프로브로부터 피검사체에 입사되는 경사각 입사파 및 피검사체로부터 초음파 프로브에 입사되는 누설파의 방향성이 소실되어 선형 또는 면형 결함의 검출 정밀도가 저하되고, 반대로 너무 크면, 초음파 프로브로부터 피검사체에 입사되는 경사각 입사파 및 피검사체로부터 초음파 프로브에 입사되는 누설파의 레벨이 저하되어 선형 또는 면형 결함의 검출 정밀도가 저하되므로, 이를 고려하여 선형 또는 면형 결함의 검출 정밀도가 가장 커지는 값으로 설정한다. 실험에 의하면, 음향 렌즈의 초점 거리가 5.7mm, 개구 직경이 8.5mm, 투과공(4)의 직경이 5mm인 경우, 슬릿(4a)의 폭을 1∼3mm 정도로 한 경우에 양호한 선형 또는 면형 결함의 검출 정밀도를 얻을 수 있었다. 그리고, 본 예의 초음파 프로브(1A)에 있어서는 음향 렌즈(3)에 형성된 투과공(4) 및 슬릿(4a)이 피검사체로의 수직 입사파 및 피검사체로부터의 수직 반사파의 전파 경로로 되고, 그 외의 부분이 피검사체로의 경사각 입사파 및 피검사체로의 누설파의 전파 경로로 된다. 또, 슬릿(4a)에 의해 피검사체로의 경사각 입사파 및 피검사체로부터의 누설파의 전파 경로가 일부 차단된다.
도 36 (A)에 나타낸 바와 같이, 평면형 초음파 프로브(7)의 외주면에는 수나사(7b)가 끼워 넣어지고, 음향 렌즈(3)의 상반부에 형성된 오목부(3c) 내주면에는 상기 수나사(7b)와 결합하는 암나사(3d)가 끼워져 있고, 이들 양 나사(7b, 3d)를 결합함으로써, 평면형 초음파 프로브(7)의 선단부에 음향 렌즈(3)가 착탈 가능하게 고정된다. 상기 오목부(3c)의 저면은 평면형으로 형성되어 있고, 평면형 초음파 프로브(7)의 선단부에 밀착될 수 있도록 되어 있다.
그리고, 상기 구성을 대신하여, 도 37에 나타낸 바와 같이, 음향 렌즈(3)의 측면에 오목부(3c)까지 관통하는 나사 구멍(3e)을 개설하고, 당해 나사 구멍(3e)에 나사 결합된 비스(3f)에 의해, 오목부(3c) 내에 삽입된 평면형 초음파 프로브(7)의 선단부를 체결한 초음파 프로브(P24)로 할 수도 있다.
상기한 바와 같이, 초음파 프로브(P23, P24)는 피검사체 S의 평가 시에, 피검사체 S와 함께 수중에 배치된다. 따라서, 음향 렌즈(3)의 중앙부에 투과공(4)이 개설된 본 실시예의 초음파 프로브(P23, P24)를 사용하면, 도 36 (A), 도 37 (A)에 나타낸 바와 같이, 진동자(2)의 경사각 경로 A→B→C 및 D→E→F와 피검사체 S의 사이에는 초음파의 전파 속도가 높은 알루미늄제의 음향 렌즈(3)(음속=약 6400m/s)와 초음파의 전파 속도가 낮은 물(19℃에서 약 1480m/s, 26℃에서 약 1500m/s)이 개재하는 데에 대하여, 진동자(2)의 수직 경로 G→I 및 I→G와 피검사체 S 사이에는 초음파의 전파 속도가 낮은 물만이 개재하게 되므로, 경로 A→B→C→D→E→F를 통과하는 경사각 입사파, 누설 탄성 표면파 및 누설파의 전파 시간보다도 경로 G→I→G를 통과하는 수직 입사파 및 수직 반사파의 전파 시간이 길어지고, 도 11에나타낸 바와 같이, 수직 반사파의 에코 파형 V와 누설파의 에코 파형 L이 분리되고, 또한 누설파의 에코 파형 L이 표면 반사파의 에코 파형 V보다도 선행된 수신 신호가 얻어진다. 따라서, 누설파의 에코 파형 L과 표면 반사파의 에코 파형 V의 시간차 △t를 구할 수 있고, 누설 탄성 표면파의 음속 VL을 구할 수 있기 때문에, 당해 누설 탄성 표면파의 음속 변화로부터 예를 들면 피검사체 S의 응력 분포나 파괴 인성값과 열 취화나 입계 부식이라는 피검사체의 열화도, 및 피검사체 표면에 있어서의 균열의 유무나 피검사체 표면에 형성된 피막의 박리의 유무하는 피검사체 표면의 건전성을 파괴하지 않고 평가할 수 있다.
이 점에 대해 보다 상세하게 설명하면, 상기와 마찬가지로 모재의 표면에 두께 0.1mm의 WC계 용사피막이 행해진 피검사체와 렌즈의 두께(투과공(4)을 개설하기 전의 GH 사이의 거리)가 5mm의 알루미늄제 음향 렌즈를 사용하고, 초점 이탈량 △Z를 0.2mm, 사용 주파수를 10MHz, 누설 탄성 표면파의 음속을 2300m/s, 레일리 임계각을 41도로 하여 수직 반사파의 에코 파형 V와 누설파의 에코 파형 L의 시간차 △t를 구하면, 경로 A→B→C→D→E→F를 전파하는 초음파의 전파 시간이 약 10㎲인 데에 대하여, 경로 G→I→G를 전파하는 초음파의 전파 시간은 약 15㎲이며, 그 차가 5㎲(사용 주파수의 주기의 50배)로 되어, 용사피막을 가지는 피검사체에 있어서도 양 파를 분리할 수 있음을 알 수 있다. 그리고, 전례에 있어서는 사용 주파수를 10MHz로 하였으나, 5∼20MHz의 범위에서 변경한 경우에도 동일한 결과가 얻어진다.
또, 본 실시예에 관한 초음파 프로브(P23, P24)는 음향 렌즈(3)의 직경 방향으로 슬릿(4a)을 형성하였기 때문에, 경사각 입사파의 전파 및 누설파의 전파는 슬릿 형성부 이외의 부분에서만 행해지고, 슬릿 형성부에 있어서는 경사각 입사파의 전파 및 누설파의 전파가 행해지지 않는다. 따라서, 초음파 프로브(P23, P24)로부터 피검사체 S에 입사되는 경사각 입사파 및 피검사체 S로부터 초음파 프로브(P23, P24)에 입사되는 누설파에 방향성이 부여되기 때문에, 누설파의 검출 신호의 S/N을 향상시킬 수 있고, 선형 결함 또는 면형 결함의 검출 정밀도를 높일 수 있다. 도 38 (A)에 본 실시예에 관한 초음파 프로브(1A)를 사용하고, 슬릿(4a)을 선형 결함과 평행하게 향하게 함으로써 검출된 누설파의 C 스코프 화상을 도 38 (B)에 투과공(4)만을 갖고, 슬릿(4a)을 갖지 않는 초음파 프로브를 사용하여 검출된 누설파의 C 스코프 화상을 나타낸다. 이들 도면으로부터 명백한 바와 같이, 본 실시예에 관한 초음파 프로브(P23, P24)를 사용한 경우에는 투과공(4)만을 갖고 슬릿(4a)을 구비하지 않는 초음파 프로브를 사용한 경우에 비해, 선현 결함이 보다 명료하게 검출된다.
또한, 본 실시예에 관한 초음파 프로브(P23, P24)는 평면형 초음파 프로브(7)의 선단부에 음향 렌즈(3)를 착탈 가능하게 장착하였기 때문에, 방식이 상이한 각종 평면형 초음파 프로브(7)와 음향 렌즈(3)를 조합하여 다양한 방식의 집속형 초음파 프로브를 얻을 수 있고, 적은 부품수로 다양한 초음파 검사를 행할 수 있으므로, 초음파 검사의 총비용을 저감할 수 있다. 또, 평면형 초음파 프로브(7)와 음향 렌즈(3)를 착탈 가능하게 결합한 것이므로, 수중에 있어서의 집속형 초음파 프로브의 조립이 가능하며, 평면형 초음파 프로브(7)와 음향 렌즈(3) 사이에 기포가 개재되는 일이 없기 때문에, 검사 결과의 신뢰성을 높일 수 있다. 덧붙여, 기포를 제거하기 위한 수고를 요하지 않기 때문에, 이 점으로부터도 검사 비용의 저감을 도모할 수 있다.
4.2.2 초음파 프로브의 제2예
도 39 (A) 및 39 (B)는 제2예에 관한 초음파 프로브(P25)의 요부 단면도 및 평면도이다. 제2예에 관한 초음파 프로브(P25)는 음향 렌즈(3)에 단지 투과공(4) 및 슬릿(4a)을 형성하는 구성을 대신하여, 형성된 투과공(4) 내 및 슬릿(4a) 내에 음향 렌즈(3)를 구성하는 소재와는 초음파의 전파 속도가 상이한 소재로 이루어지는 충전물(6)을 충전한 것을 특징으로 한다. 그 외의 각 부분에 대해서는 제1예에 관한 초음파 프로브(P23)와 동일하므로 설명은 생략한다.
음향 렌즈(3)를 구성하는 소재와 충전물(6)은 초음파의 전파 속도의 차가 클수록 바람직하고, 음향 렌즈(3)가 알루미늄(음속=6400m/s)으로 구성되는 경우에는 충전물(6)로서는 아크릴 수지 등의 수지 재료(음속=2000∼3000m/s)가 바람직하다. 반대로 음향 렌즈(3)가 수지 재료로 구성되는 경우에는 충전물(6)로서는 알루미늄이 바람직하다. 충전물(6)로서 수지를 사용하는 경우에는 개설된 투과공(4) 및 형성된 슬릿(4a) 내에 충전물인 수지를 포팅함으로써 음향 렌즈(3)를 제조할 수 있다. 또, 충전물(6)로서 고체를 사용하는 경우에는 개설된 투과공(4) 또는 형성된 슬릿(4a) 내에 충전물인 고체를 압입하는 것에 의해서도 음향 렌즈(3)를 제조할 수 있다. 또한, 음향 렌즈(3)가 수지 재료로 구성되는 경우에는 알루미늄 등의 충전물(6)의 주위에 수지를 아웃서트 형성하는 것에 의해서도 원하는 음향 렌즈(3)를 제조할 수 있다.
물론, 음향 렌즈(3)를 구성하는 소재보다도 초음파의 전파 속도가 낮은 충전물(6)을 충전한 경우에는 경로 A→B→C→D→E→F를 통과하는 초음파의 전파 시간보다도 경로 G→I→G를 전파하는 초음파의 전파 시간이 상대적으로 느려져, 도 11에 나타낸 바와 같이 누설파의 에코 파형 L이 수직 반사파의 에코 파형 V보다 선행된 형으로 되고, 역으로 음향 렌즈(3)를 구성하는 소재보다도 초음파의 전파 속도가 높은 충전물(6)을 충전한 경우에는 경로 A→B→C→D→E→F를 통과하는 초음파의 전파 시간보다도 경로 G→I→G를 전파하는 초음파의 전파 시간이 상대적으로 빨라져 도 4에 나타낸 바와 같이 수직 반사파의 에코 파형 V가 누설파의 에코 파형 L보다 선행된 형으로 된다.
본 예의 초음파 프로브(25)는 음향 렌즈(3)에 있어서의 수직 입사파 및 수직 반사파의 전파 경로 G→I 및 I→G와 경사각 입사파 및 누설파의 전파 경로 A→B→C 및 D→E→F를 음속이 상이한 소재로 구성하였으므로, 각 경로를 통과하는 초음파의 전파 시간의 차가 커져, 수직 반사파의 에코 파형 V와 누설파의 에코 파형 L의 분리가 가능해지고, 피검사체의 열화도 및 피검사체 표층의 건전성의 평가를 행할 수 있다. 또, 슬릿(4a)을 갖기 때문에, 선형 또는 면형의 결함의 검출을 고정밀도로 행할 수 있다.
4.2.3 초음파 프로브의 제3예
도 40 (A) 및 40 (B)는 제3예에 관한 초음파 프로브의 요부 단면도이다.제3예에 관한 초음파 프로브(P26)는 도 40 (A) 및 도 40 (B)에 나타낸 바와 같이 제1예와 같은 음향 렌즈(3)의 중앙부에 투과공(4)을 개설하는 구성을 대신하여, 음향 렌즈(3)의 렌즈 곡률면(3b)의 중앙부에 홈(5)을 형성한 것을 특징으로 한다. 홈(5)의 직경은 수직 입사파 및 수직 반사파의 전파 범위 이상이며, 잡음의 수신을 극력 억제하기 위해, 경사각 입사파 및 누설파를 저해하지 않는 범위 내에서 가능한 한 크게 형성된다. 그 외에 대해서는 제1예에 관한 초음파 프로브(P23)와 동일하게 형성되어 있다.
상기 초음파 프로브(P26)를 사용한 경우에도 제1예에 관한 초음파 프로브(P23)와 마찬가지로, 경로 A→B→C→D→E→F를 통과하는 초음파의 전파 시간보다도 경로 G→I→G를 전파하는 초음파의 전파 시간이 상대적으로 늦출 수 있기 때문에, 수직 반사파의 에코 파형 V와 누설파의 에코 파형 L의 분리가 가능하며, 피검사체의 열화도 및 피검사체 표층의 건전성의 평가를 행할 수 있다. 또, 슬릿(4a)을 갖기 때문에, 선형 또는 면형의 결함의 검출을 고정밀도로 행할 수 있다.
4.2.4 초음파 프로브의 제4예
도 41 (A) 및 41 (B)는 제4예에 관한 초음파 프로브(P27)의 요부 단면도 및 평면도이다. 제4예에 관한 초음파 프로브(P27)는 도 41 (A) 및 41 (B)에 나타낸 바와 같이 제3예와 같은 음향 렌즈(3)에 단지 홈(5) 및 슬릿(4a)을 형성한 구성을 대신하여, 형성된 홈(5) 내 및 슬릿(4a) 내에 음향 렌즈(3)를 구성하는 소재와는 초음파의 전파 속도가 상이한 소재로 이루어지는 충전물(6)을 충전한 것을 특징으로 한다. 그 외에 대해서는 제2예에 관한 초음파 프로브(P25)와 동일하므로 설명은 생략한다. 본 예의 초음파 프로브(P27)도 제2예에 관한 초음파 프로브(P25)와 동일한 효과를 갖는다.
4.2.5 초음파 프로브의 제5예
도 42 (A) 및 42 (B)는 제5예에 관한 초음파 프로브(P28)의 요부 단면도이다. 제5예에 관한 초음파 프로브(1E)는 도 42 (A) 및 42 (B)에 나타낸 바와 같이 음향 렌즈(3)의 진동자 대향면(3g)의 중앙부에 홈(5)을 형성하는 동시에, 당해 진동자 대향면(3g)의 직경 방향으로 당해 홈(5)의 직경보다도 폭이 좁은 슬릿(4a)을 형성하고, 이들 홈(5) 및 슬릿(4a)과 상기 평면형 초음파 프로브(7)에 구비된 진동자(2)의 표면에 의해 구성되는 공간 내에 초음파 차폐 부재(8)를 봉입하거나, 초음파 차폐체로서의 공기를 봉입한다는 구성으로 하였다. 그 외에 대해서는 제3예에 관한 초음파 프로브(P26)와 동일하므로, 설명은 생략한다.
상기 초음파 프로브(P28)를 사용한 경우는 피검사체 S로의 수직 입사파의 전파 및 피검사체 S로부터의 수직 반사파의 전파가 초음파 차폐 부재(8) 또는 초음파 차폐체로서의 공기에 의해 제한되기 때문에, 수직 반사파의 에코 파형 V를 얻을 수 없고, 따라서 시간차 △t를 구할 수 없으나, 경사각 입사파의 전파 경로와 누설파의 전파 경로가 형성되어 있기 때문에, 누설파의 수신 레벨을 검출할 수 있고, 상기 누설파의 수신 레벨로부터 피검사체 표층의 건전성을 평가할 수 있다. 또, 슬릿(4a)을 갖기 때문에, 선형 또는 면형의 결함의 검출을 고정밀도로 행할 수 있다.
4.2.6 초음파 프로브의 제6예
도 43은 제6예에 관한 초음파 프로브에 구비되는 음향 렌즈를 진동자 대향면으로부터 본 평면도이다. 제6예에 관한 초음파 프로브(P29)는 도 43으로부터 알 수 있는 바와 같이 음향 렌즈(3)에 투과공(4)이나 홈(5)을 형성하지 않고, 진동자 대향면(3a)에 그 중앙부와 직경 방향의 일부를 덮는 초음파 차폐 부재(8)를 배치한 것을 특징으로 한다. 진동자 대향면(3a)의 중앙부를 덮는 초음파 차폐 부재(8)의 원형부(8a)는 제1예에 관한 초음파 프로브(P23)에 있어서의 투과공(4)에 대응하는 것이며, 그 직경은 잡음의 수신을 극력 억제하기 위해, 경사각 입사파 및 누설파의 전파를 저해하지 않는 범위에서 가능한 한 크게 형성된다. 또, 진동자 대향면(3g)의 직경 방향을 덮는 초음파 차폐 부재(8)의 돌출부(8b)는 제1예에 관한 초음파 프로브(1A)에 있어서의 슬릿(4a)에 대응하는 것이며, 그 폭은 상기 원형부(8a)의 직경보다 작고, 또한 경사각 입사파 및 누설파의 방향성을 부여할 수 있는 크기로 형성된다. 그 외에 대해서는 제1예에 관한 초음파 프로브(P23)와 동일하므로, 설명은 생략한다.
본 예의 초음파 프로브(P29)를 사용한 경우에도, 피검사체 S로의 수직 입사파의 전파 및 피검사체 S로부터의 수직 반사파의 전파가 초음파 차폐 부재(8)에 의해 제한되지만, 경사각 입사파의 전파 경로와 누설파의 전파 경로가 형성되어 있기 때문에, 누설파의 수신 레벨을 검출할 수 있고, 상기 누설파의 수신 레벨로부터 피검사체 표층의 건전성을 평가할 수 있다. 또, 슬릿(4a)을 갖기 때문에, 선형 또는 면형의 결함의 검출을 고정밀도로 행할 수 있다.
4.2.6.1 검사 장치
본 제4 실시예에 있어서도, 제2 실시예에 있어서 도 23 및 도 24를 참조하여 설명한 검사 방법은 동일하므로, 설명은 생략한다. 그리고, 도 24의 플로차트의 순서 S7에 있어서의 VL의 유도 방법은 전술한 식 (2) 내지 식 (6)을 제시하여 설명한 방법과 동일하다. 본 실시예에서는, 피검사체 S의 표면측으로부터 검사 부위인 피검사체 S의 표층 부분에 초음파를 입사시키기 때문에, 피검사체 S의 두께나 피검사체 S의 내부 상태와 피검사체 S의 저면의 상태에 관계없이 항상 고정밀도의 결함 검사를 행할 수 있다. 또, 상기와 동일한 이유로부터 피검사체 S의 단부까지 초음파 검사가 가능하며, 신뢰성이 높은 결함 검사를 행할 수 있다.
4.2.7 초음파 프로브의 제7예
도 44 (A) 및 44 (B)는 제7예에 관한 초음파 프로브의 요부 단면도 및 평면도이다. 제7예에 관한 초음파 프로브(P30)는 도 44 (A) 및 44 (B)에 나타낸 바와 같이 음향 렌즈(3)에 투과공(4)을 형성하지 않고, 렌즈 곡률면(3b)의 곡율을 크게 하여 음향 렌즈(3)의 초점 거리를 크게 하고, 또한 음향 렌즈(3)의 중심을 통과하여 직경 방향으로 연장되는 슬릿(4a)을 음향 렌즈(3)의 단면으로부터 진동자 대향면(3g)까지 달하는 위치에 형성한 것을 특징으로 한다. 렌즈 곡률면(3b)의 곡율은 필요에 따라 임의의 값으로 설정할 수 있으나, 누설 탄성 표면파의 발생을 억제하여 피검사체 내부의 탐상을 고정밀도로 행할 수 있도록 하기 위해, 레일리 임계각 θL로 피검사체에 입사하는 경사각 입사파를 발생시키지 않는 값으로 조정하는 것이 특히 바람직하다. 그 외의 각 부분 등에 대해서는 제1예에 관한 초음파프로브(P23)와 동일하므로 설명은 생략한다.
본 예의 초음파 프로브(P30)는 도 46 (A)에 나타낸 바와 같이, 음향 렌즈(3)의 초점 f를 피검사체 S의 표층으로부터 소요의 깊이에 위치시킴으로써, 피검사체 내부 또는 피검사체 저면의 탐상을 행할 수 있다. 그리고, 피검사체 S가 압연 금속판이며, 탐상의 대상이 당해 압연 금속판 내에 존재하는 비금속 개재물인 경우에는 음향 렌즈(3)에 형성된 슬릿(4a)을 금속판의 압연 방향과 평행하게 향하게 하여 초음파 탐상을 행한다. 압연 금속판 내에 존재하는 비금속 개재물은 압연 방향으로 연장되는 선형 결함으로 되는 것이 공지되어 있으므로, 슬릿(4a)의 방향을 상기와 같이 조정함으로써, 고정밀도의 초음파 탐상이 가능해진다.
본 예의 초음파 프로브(P30)는 음향 렌즈(3)에 슬릿(4a)을 형성하였으므로, 선형 또는 면형의 결함의 검출을 고정밀도로 행할 수 있다. 또, 음향 렌즈(3)를 오목 렌즈형으로 형성하였으므로, 진동자(2)로부터 송신된 초음파를 스폿형으로 집속시킬 수 있고, 고정밀도의 탐상을 행할 수 있다. 또한, 렌즈 곡률면(3b)의 곡율 반경을 크게 하여 음향 렌즈(3)의 초점 거리를 크게 하였으므로, 피검사체 S의 표층뿐 아니라, 피검사체 S의 내부나 저면의 탐상도 행할 수 있다.
그리고, 상기 제7예에 있어서는 음향 렌즈(3)의 단면(초음파 송수신면)에 렌즈 곡률면(3b)을 형성하였으나, 상기 구성을 대신하여, 음향 렌즈(3)의 단면을 평면형으로 형성하고, 당해 평면형의 단면에 슬릿(4a)을 형성할 수도 있다.
상기 경우에는 초음파가 스폿형으로 집속되지 않고, 피검사체 S의 넓은 범위에 걸쳐 초음파가 한번에 조사되기 때문에, 피검사체 S의 검사 효율을 높일 수 있고, 거친 탐상을 고속으로 행하는 경우 등에 적합하다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 관한 초음파 검사 장치에 의하면, 모재의 두께나 저면 상태, 나아가 소재의 종류 등에 의존하지 않고, 피검사체의 단부까지 높은 정밀도로 피검사체 표층의 건전성을 평가할 수 있다. 또, 수온을 측정하지 않고 누설 탄성 표면파의 음속을 고정밀도로 산출할 수 있으며, 누설 탄성 표면파의 감쇠가 큰 피검사체에 대해서도 수온을 측정하지 않고 누설 탄성 표면파의 음속을 고정밀도로 산출할 수 있다.
본 발명의 초음파 프로브에 의하면, 피검사체의 표층을 전파하는 누설 탄성 표면층을 이용하여 피검사체의 열화도 등이나 건전성을 평가할 수 있고, 피검사체의 열화도 평가와 피검사체 표층부의 건전성 평가와 결함의 방향성을 검출할 수 있고, 초음파 검사의 고능률화와 고정밀도화를 도모할 수 있다.
또한, 본 발명의 초음파 프로브에 의하면, 소형의 간단한 구성이면서, 피검사체의 표층, 내부 또는 저면에 존재하는 결함의 방향성을 검출할 수 있다.

Claims (26)

  1. 초음파 매체를 통하여 피검사체의 표면에 초음파를 주사하는 초음파 주사부와, 상기 초음파 주사부의 구동부와, 상기 구동부를 통하여 상기 초음파 주사부를 제어하고, 피검사체 표층의 결함 검사를 실행하는 연산 처리부를 구비하는 초음파 검사 장치로서,
    진동자, 및 상기 피검사체로의 수직 입사파 및 경사각(斜角) 입사파(入射波)의 전파 경로 및 상기 피검사체로부터의 수직 반사파 및 누설파의 전파 경로를 가지고, 상기 수직 입사파 및 수직 반사파의 전파 경로에서의 초음파의 전파 속도와 상기 경사각 입사파 및 누설파의 전파 경로에서의 초음파의 전파 속도가 상이한 음향 렌즈
    를 구비하고 있는 초음파 프로브
    를 포함하고,
    상기 초음파 프로브는 상기 초음파 주사부에 상기 피검사체로의 누설 탄성 표면파를 여기(勵起)시키는 경사각 입사파의 송신과 상기 피검사체로부터의 누설파의 수신을 행하고,
    상기 연산 처리부는 초음파 프로브에 의한 상기 누설파의 수신 레벨의 높고 낮음에 기초하여 상기 피검사체 표층의 건전성(健全性)을 평가하는
    초음파 검사 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에서,
    상기 음향 렌즈가 상기 수직 입사파 및 수직 반사파의 전파 경로에 상기 진동자 설정면으로부터 이와 대향하는 렌즈 곡률면까지 관통하는 투과공을 구비하고 있는 초음파 검사 장치.
  4. 제3항에서,
    상기 투과공에 상기 경사각 입사파 및 누설파의 전파 경로를 구성하는 소재와는 초음파의 전파 속도가 상이한 소재로 이루어지는 충전물이 충전되어 있는 초음파 검사 장치.
  5. 제1항에서,
    상기 초음파 프로브가 상기 피검사체로의 경사각 입사파의 송신과 상기 피검사체로부터의 누설파의 수신이 가능하며, 상기 피검사체로의 수직 입사파의 송신과 상기 피검사체로부터의 수직 반사파의 수신이 불가능한 것으로 이루어지는 초음파 검사 장치.
  6. 제5항에서,
    상기 초음파 프로브는 평면 형상이 고리형으로 형성된 진동자를 구비하고 있는 초음파 검사 장치.
  7. 제5항에서,
    상기 초음파 프로브가 평면 형상이 원형으로 형성된 진동자와, 상기 진동자의 송수신면의 중앙부에 배치된 초음파 차폐 부재를 구비하고 있는 초음파 검사 장치.
  8. 초음파 프로브 및 상기 초음파 프로브를 피검사체에 대하여 이송하는 기계식 스캐너를 갖는 초음파 주사부와, 상기 초음파 주사부의 구동부와, 상기 구동부를 통하여 상기 초음파 주사부를 제어하고, 원하는 초음파 검사를 실행하는 연산 처리부를 구비하는 초음파 검사 장치로서,
    상기 초음파 프로브의 초점을 상기 피검사체의 제1 깊이 위치로 설정하여 초음파를 송신했을 때의 경사각 입사파 및 누설 탄성 표면파 및 누설파의 전파 시간과 상기 초음파 프로브의 초점을 상기 피검사체의 제2 깊이 위치로 설정하여 초음파를 송신했을 때의 경사각 입사파 및 누설 탄성 표면파 및 누설파의 전파 시간의 차이, 및 상기 초음파 프로브의 초점을 상기 피검사체의 제1 깊이 위치로 설정하여 초음파를 송신했을 때의 수직 입사파 및 수직 반사파의 전파 시간과 상기 초음파 프로브의 초점을 상기 피검사체의 제2 깊이 위치로 설정하여 초음파를 송신했을 때의 수직 입사파 및 수직 반사파의 전파 시간의 차이를 기초로 하여, 상기 연산 처리부에서 누설 탄성 표면파의 음속(音速)을 산출하는
    초음파 검사 장치.
  9. 제8항에서,
    상기 초음파 프로브가 진동자와, 상기 진동자로부터 송신된 초음파를 수속(收束)시켜 피검사체에 입사하는 음향 렌즈를 가지고,
    상기 음향 렌즈의 수직 입사파 및 수직 반사파의 전파 경로에서의 초음파의 전파 속도가 상기 음향 렌즈의 경사각 입사파 및 누설파의 전파 경로에서의 초음파의 전파 속도와 상이한
    초음파 검사 장치.
  10. 제9항에서,
    상기 음향 렌즈가 수직 입사파 및 수직 반사파의 전파 경로에 진동자 설정면에서부터 이와 대향하는 렌즈 곡률면까지 관통하는 투과공을 구비하고 있는 초음파 검사 장치.
  11. 제3항, 제5항 및 제10항 중 어느 한 항에서,
    상기 음향 렌즈가 상기 진동자 설정면이 평면형으로 형성되거나 렌즈 곡률면이 호형(弧形)의 면으로 형성된 실린더형 렌즈로 이루어지는 초음파 검사 장치.
  12. 제8항에서,
    상기 초음파 프로브의 진동자 설정면이 구면형(球面刑)으로 형성되어 있는 초음파 검사 장치.
  13. 진동자 설정면이 평면형으로 형성된 평면형 초음파 프로브와, 상기 평면형 초음파 프로브의 선단부에 장착되고, 상기 진동자로부터 송신된 초음파를 집속(集束)하는 음향 렌즈를 구비하는 집속형 초음파 프로브로서,
    상기 음향 렌즈는 피검사체로의 수직 입사파 및 피검사체로부터의 수직 반사파의 전파 경로에서의 초음파의 전파 속도와, 피검사체로의 경사각 입사파 및 피검사체로부터의 누설파의 전파 경로에서의 초음파의 전파 속도가 상이한
    초음파 프로브.
  14. 제13항에서,
    상기 음향 렌즈가 상기 수직 입사파 및 수직 반사파의 전파 경로에 진동자 대향면에서부터 이와 대향하는 렌즈 곡률면까지 관통하는 투과공을 구비하고 있는 초음파 프로브.
  15. 제14항에서,
    상기 투과공에 상기 음향 렌즈를 구성하는 소재와는 초음파의 전파 속도가 상이한 소재로 이루어지는 충전물이 충전되어 있는 초음파 프로브.
  16. 진동자 설정면이 평면형으로 형성된 평면형 초음파 프로브와, 상기 평면형 초음파 프로브의 선단부에 장착되고, 상기 진동자로부터 송신된 초음파를 집속하는 음향 렌즈를 구비하는 집속형 초음파 프로브로서,
    상기 음향 렌즈의 진동자 대향면의 중앙부에 상기 평면형 초음파 프로브에 구비되는 진동자보다 소형의 초음파 차폐 부재를 설치하고, 피검사체로의 경사각 입사파 및 피검사체로부터의 누설파의 전파는 가능하게 하고, 피검사체로의 수직 입사파 및 피검사체로부터의 수직 반사파의 전파는 불가능하게 하는
    초음파 프로브.
  17. 삭제
  18. 제13항 또는 제16항에서,
    상기 음향 렌즈가 실린더형 렌즈로 이루어지는 초음파 프로브.
  19. 제13항 또는 제16항에서,
    상기 음향 렌즈가 상기 평면형 초음파 프로브의 선단부에 착탈 가능하게 장착되어 있는 초음파 프로브.
  20. 진동자 설정면이 구면형으로 형성된 평면형 초음파 프로브와, 상기 평면형 초음파 프로브의 선단부에 장착되고, 상기 진동자에서 송신된 초음파를 집속하는 음향 렌즈를 구비한 집속형 초음파 프로브로서,
    상기 구면형의 진동자 설정면에 설치된 진동자의 표면 중앙부에 상기 진동자보다 소형의 초음파 차폐 부재
    를 포함하는 초음파 프로브.
  21. 진동자 설정면이 평면형으로 형성된 평면형 초음파 프로브와, 상기 평면형 초음파 프로브의 선단부에 장착되고, 상기 진동자로부터 송신된 초음파를 집속하는 음향 렌즈를 구비하는 집속형 초음파 프로브로서,
    피검사체로의 수직 입사파 및 피검사체로부터의 수직 반사파의 전파 경로에서의 초음파의 전파 경로와, 피검사체로의 경사각 입사파 및 피검사체로부터의 누설파의 전파 경로에서의 초음파의 전파 경로가 상이하도록 렌즈 곡률면이 형성된 음향 렌즈를 포함하고,
    상기 음향 렌즈의 진동자 대향면의 중앙부에 렌즈 곡률면까지 관통하는 투과공이 형성되고,
    상기 렌즈 곡률면에 상기 투과공의 직경보다 폭이 좁은 슬릿이 형성되며,
    상기 피검사체로의 경사각 입사파 및 피검사체로부터의 누설파의 전파 경로를 일부 차단하는
    초음파 프로브.
  22. 삭제
  23. 진동자 설정면이 평면형으로 형성된 평면형 초음파 프로브와, 상기 평면형 초음파 프로브의 선단부에 장착되고, 상기 진동자로부터 송신된 초음파를 집속하는 음향 렌즈를 구비하는 집속형 초음파 프로브로서,
    상기 음향 렌즈의 진동자 대향면의 중앙부에 홈을 형성하는 동시에, 상기 진동자 대향면의 지름 방향으로 상기 홈의 직경보다 폭이 좁은 슬릿을 형성하고, 이러한 홈 및 슬릿과 상기 평면형 초음파 프로브에 구비된 진동자의 표면에 의해 조성된 공간내에 초음파 차폐물이 투입되어, 피검사체로의 수직 입사파 및 피검사체로부터의 수직 반사파의 전파는 불가능하게 하는 동시에, 상기 피검사체로의 경사각 입사파 및 피검사체로부터의 누설파의 전파에 대해서는 일부 차단하는
    초음파 프로브.
  24. 진동자 설정면이 평면형으로 형성된 평면형 초음파 프로브와, 상기 평면형 초음파 프로브의 선단부에 장착된 음향 렌즈를 구비하는 초음파 프로브로서,
    상기 음향 렌즈의 초음파 송수신면에 슬릿이 형성되어, 초음파의 전파 경로가 일부 차단되는
    초음파 프로브.
  25. 삭제
  26. 제24항에서,
    상기 음향 렌즈의 초음파 송수신면이 오목형의 렌즈 곡률면에 형성되어 있는 초음파 프로브.
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