JP7136725B2 - 超音波検査装置 - Google Patents

Description

本発明は超音波検査装置に関し、例えば、被検査体の内部欠陥を検出する超音波検査に好適な超音波検査装置に関する。

被検査体の内部欠陥の検出は、例えば超音波の照射により、音響インピーダンスの違いによる超音波の反射特性及び透過特性を利用することで行うことができる。被検査体に対する超音波検査技術として、特許文献１に記載の技術が知られている。

特許文献１には、仮想球面の曲率と略同じ曲率の球面から成る超音波送受信面を夫々有する少なくとも二つの板状の振動子を備え、上記少なくとも二つの振動子の超音波送受信面は、互いに非接触な状態で上記仮想球面の大円上に離間配置され、一端の上記振動子における他端の上記振動子側のエッジは、上記大円の周方向に略垂直な方向に山と谷とが交互に形成された波目形状であることを特徴とする超音波プローブが記載されている。また、特許文献１には、超音波プローブと被検査体との間に空気を充填し、この状態で検査可能なことが記載されている。

特開２００６－３２２７８９号公報（特に請求項１、段落００４８参照）

ところで、本発明者らが検討したところ、上記特許文献１に記載の技術には、以下に示すように受信信号が弱くなるという課題が存在することがわかった。

図１０は、特許文献１に示される従来の超音波プローブ９００の断面図である。なお、説明の都合上、図１０は、特許文献１に記載の構造から一部変更している。超音波プローブ９００は、筐体９１０を備え、筐体９１０の内部に、バッキング９２０と、振動子９３０と、整合層９４０とを備える。振動子９３０には、リード線（図示しない）により、コネクタ９５０に接続される。コネクタ９５０はリード線９６０により電源装置（図示しない）に接続される。振動子面９３０ａ（送信面）を有する振動子９３０は、上記のように、球面により構成される。

振動子面９３０ａから放出された超音波ビームＵは、振動子面９３０ａの法線ベクトル方向に向かう。従って、振動子面９３０ａから放出された超音波ビームＵは、振動子面９３０ａを表面として含む球の中心（仮想中心。図示しない）に向かうように収束する。このため、振動子面９３０ａの中心点Ａ（開口から最も通り部分）から延びる線であって、超音波ビームＵの中心線Ｌ１近傍では、超音波ビームＵは、中心線Ｌ１に対する角度が比較的小さくなる方向に向かう。一方で、中心線Ｌ１からの距離が最も遠くなる振動子面９３０ａの端部９３０ｂでは、超音波ビームＵは、中心線Ｌ１に対する角度が最も大きくなる方向に向かう。

図１１は、従来の超音波プローブ９００において、振動子面９３０ａから放出された超音波ビームＵの進行方向を示す図である。振動子面９３０ａから放出された超音波ビームＵは、気相中を伝搬し、上記の仮想中心に向かう。しかし、超音波プローブ９００による検査対象である被検査体８００への入射により、超音波ビームＵは屈折する。具体的には、図１１に示すように、気相から入射角θ１で入射した超音波ビームＵは、気相と被検査体８００との界面で屈折し、被検査体８００内では屈折角θ２の方向で進む。なお、入射角θ１及び屈折角θ２は、いずれも被検査体８００表面の法線Ｌ２からの角度として定義する。法線Ｌ２は、上記図１０に示す振動子面９３０ａの中心点Ａから延びる場合には、中心線Ｌ１と一致する。

ここで、入射角θ１と屈折角θ２との間には下記の関係が成立する。

ｃ１は気相中での音速、ｃ２は被検査体８００内での音速である。

式（１）からわかることは、音速ｃ１とｃ２との変化が小さい界面の場合には、超音波ビームＵの方向はあまり変化しない。しかし、音速変化が大きな界面では超音波ビームＵの方向が大きく変化する。気相中の音速は、固体及び液体の音速よりも遅いので、気相と被検査体８００との界面では屈折角θ２が大きくなる。

入射角θ１を増やすと屈折角θ２も増大する。屈折角θ２が９０度に達する時の入射角θ１は、臨界角θ１ｃと定義される。入射角θ１が臨界角θ１ｃを超えると、超音波ビームＵは被検査体８００に入り込めなくなる。上記の定義により、臨界角θ１ｃは式（２）で求まる。

典型例として，アルミニウム製の被検査体８００（横波音速ｃ２＝３０００ｍ／ｓ）を空気中（音速ｃ１＝３４０ｍ／ｓ）に置いたときの臨界角θ１ｃを式（２）から求めると、臨界角θ１ｃは６．５度になる。

図１２は、従来の超音波プローブ９００において、振動子面９３０ａから放出され、被検査体８００に入射する超音波ビームＵを示す図である。図１２では、図示の簡略化のために、上記の図１０とは異なり振動子９３０のみが図示される。振動子面９３０ａの曲率半径（球の半径）をＲ１とする。振動子面９３０ａの中心点Ａから径方向に距離ｒだけ離れた位置を点Ｂとすると、点Ｂから放出された超音波ビームＵの入射角θ３は式（３）で求まる。

例えば、曲率半径Ｒ１が２０ｍｍで、半径が１０ｍｍの振動子９３０を考える。この場合、ｒ＝１０ｍｍから放出した超音波ビームＵの入射角θ３は、式（３）から３０度である。このため、入射角θ３は、臨界角θ１ｃ＝６．５度を超えてしまう。

また、入射角θ３が臨界角θ１ｃに達する振動子面９３０ａの中心点Ａからの距離をｒｃとすると、以下の関係式が成り立つ。

一例として、曲率半径Ｒ＝２０ｍｍ、振動子９３０の半径が１０ｍｍの振動子９３０を用いて、アルミニウムの被検査体８００（横波音速ｃ２が３０００ｍ／ｓ）を空気中（音速３４０ ｍ／ｓ）に置いた場合を考える。この場合、ｒｃ＝２．３ｍｍと計算される。このため、振動子面９３０ａが半径１０ｍｍであっても、ｒ＞ｒｃ＝２．３ｍｍの領域から放出した超音波ビームＵは、臨界角θ１ｃを超えるため被検査体８００に入り込めない。言い換えると、被検査体８００に入射して受信信号に寄与し得るビームは５％に過ぎない。このため、従来の超音波検査装置では、受信信号が弱くなり、被検査体８００の検査精度に課題がある。

本発明が解決しようとする課題は、検査精度を高めた超音波検査装置を提供することである。

本発明に係る超音波検査装置は、気体を介した被検査体への超音波ビームの入射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、前記超音波ビームを放出する振動子面を有する振動子を備え、前記超音波ビームの中心線近傍から前記振動子面の法線ベクトル方向に延びる直線が、前記超音波ビームの前記中心線を含む交差平面に対し第１交差点において交差するとともに、前記振動子面の端部から前記振動子面の法線ベクトル方向に延びる直線が、前記交差平面に対し第２交差点において交差し、前記振動子面と前記中心線との交点である中心点から、前記超音波ビームの放出点から前記振動子面の法線ベクトル方向に延びる直線と前記交差平面との交差点迄の距離を、放出された前記超音波ビームの収束距離と定義したとき、前記振動子面は、前記中心点から前記第２交差点までの距離である前記収束距離としての第２収束距離が、前記中心点から前記第１交差点までの距離である前記収束距離としての第１収束距離よりも長くなるような凹面形状に構成されたことを特徴とする、超音波検査装置に関する。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。

本発明によれば、検査精度を高め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模式図である。 超音波検査装置のブロック図である。 送信プローブの構造を示す断面図である 送信プローブの振動子面形状を説明する図である。 楕円率を変えたときに、振動子面全体に対する有効振動子領域の大きさ、即ち有効振動子領域比の変化を示すグラフである。 振動子面の形状をさらに具体的に説明する図である。 第２実施形態の振動子の断面形状を示す図である。 第３実施形態の超音波検査装置を示す図である。 第４実施形態の超音波検査装置を示す図である。 従来の超音波プローブの断面図である。 従来の超音波プローブにおいて、振動子面から放出された超音波ビームの進行方向を示す図である。 従来の超音波プローブにおいて、振動子面から放出され、被検査体に入射する超音波を示す図である

以下、図面を参照しながら本発明を実施するための形態（本実施形態）を説明する。ただし、本発明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、本発明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。図示の内容は、図示の都合上、本発明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１０の模式図である。超音波検査装置１０は、気体を介した被検査体８００への超音波ビームＵの入射により被検査体８００の検査を行うものである。図１には、紙面左右方向としてｘ軸、紙面直行方向としてｙ軸、紙面上下方向としてｚ軸を含む直交三軸の座標系を示している。

超音波検査装置１０は、筐体１４に固定されたスキャナ台１１を備え、スキャナ台１１には被検査体８００が載置される。被検査体８００は、空気等の気体よりも音速が速い材料で構成されたものであれば任意である。被検査体８００は例えば固体材料であり、より具体的には例えば金属部材（例えば金属管等）である。

超音波検査装置１０は、振動子３０（後記する）を備える送信プローブ１００と、被検査体８００を介して送信プローブ１００とは反対側に配置されるとともに、送信プローブ１００から放出された超音波ビームＵを受信する受信プローブ２００と、を備える。具体的には、超音波検査装置１０は、筐体１４を介してスキャナ台１１に接続されたプローブ設置部１２に、送信プローブ１００を備える。プローブ設置部１２がｘ軸及びｙ軸方向に移動することにより、送信プローブ１００はスキャナ台１１をｘ軸及びｙ軸方向に走査する。

同様に、超音波検査装置１０は、筐体１４を介してスキャナ台１１に接続されたプローブ設置部１３に、受信プローブ２００を備える。プローブ設置部１３が移動することにより、受信プローブ２００はスキャナ台１１をｘ軸及びｙ軸方向に走査する。送信プローブ１００と受信プローブ２００とは、被検査体８００をはさんでｘ座標及びｙ座標を同一に保ちながら走査する。

送信プローブ１００と被検査体８００との間、及び受信プローブ２００と被検査体８００との間には空気等の気体である気相が介在する。言い換えると、超音波検査装置１０は、送信プローブ１００及び受信プローブ２００のいずれも被検査体８００に接触しない、非接触型の超音波検査装置である。

送信プローブ１００は、詳細は後記するが、収束型の送信プローブである。一方で、受信プローブ２００は、例えば球面側の振動子面（図示しない）を有する収束型の受信プローブであってもよく、例えば平面で構成される非収束型の受信プローブであってもよい。

図２は、超音波検査装置１０のブロック図である。超音波検査装置１０に備えられる制御装置１５０は、超音波検査装置１０の駆動を制御するものである。制御装置１５０は、送信系統１５１と、受信系統１５２と、データ処理部１５３と、スキャンコントローラ１５４と、駆動部１５５と、位置計測部１５６とを備える。

送信系統１５１は、送信プローブ１００への印加電圧を生成する系統である。送信系統１５１は、波形発生器１５１ａ及び出力アンプ１５１ｂを備える。波形発生器１５１ａでバースト波信号が発生され、これが出力アンプ１５１ｂで増幅される。出力アンプ１５１ｂから出力された電圧は送信プローブ１００に印加される。

受信系統１５２は，受信プローブ２００から出力される受信信号を検出する系統である。受信プローブ２００から出力された信号は、信号アンプ１５２ｂに入力されて増幅される。増幅された信号は、波形解析部１５２ａに入力される。波形解析部１５２ａでは、受信信号から内部欠陥に関する情報が抽出され、抽出された情報はデータ処理部１５３に送られる。

データ処理部１５３は、被検査体８００の内部欠陥に関する情報を画像化するなど、取得した情報を所望の形態で処理する。本実施例においては、データ処理部１５３は、内部欠陥位置の画像化を行う。

スキャンコントローラ１５４は、上記のプローブ設置部１２，１３を駆動制御する。プローブ設置部１２，１３の駆動制御は、駆動部１５５を通じて行われる。また、スキャンコントローラ１５４は、位置計測部１５６を介して、送信プローブ１００及び受信プローブ２００の位置情報を計測する。

制御装置１５０では、データ処理部１５３は、スキャンコントローラ１５４から受け取る送信プローブ１００及び受信プローブ２００の位置情報を基にして、内部欠陥に関する情報をディスプレイ（図示しない）に表示する。ここでいう内部欠陥に関する情報は、例えば、内部欠陥位置及び大きさであり、これらを画像化したものである。

制御装置１５０は、いずれも図示はしないが、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、Ｉ／Ｆ（インターフェイス）等を備えて構成される。そして、制御装置１５０は、ＲＯＭに格納されている所定の制御プログラムがＣＰＵによって実行されることにより具現化される。

図３は、送信プローブ１００の構造を示す断面図である。図３は、図示の簡略化のために、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、振動子面３０ａの全域に亘り、振動子面３０ａの法線ベクトル方向に多数の超音波ビームが放出される。

送信プローブ１００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８００中の微小な内部欠陥を検出できる。送信プローブ１００は、筐体１５を備え、筐体１５の内部に、バッキング２０と、振動子３０と、整合層４０とを備える。振動子３０には、リード線（図示しない）により、コネクタ５０に接続される。コネクタ５０はリード線６０により電源装置（図示しない）に接続される。

振動子３０は、超音波ビームＵを放出する振動子面３０ａ（送信面）を有する。振動子面３０ａは、二点鎖線で示す従来の球面の振動子９３０とは異なり、中央が凹む凹面形状（上に凸の面形状）であり、かつ、非球面の振動子面３０ａを有する。これにより、被検査体８００に入る超音波ビームＵを増やし、超音波検査装置１０による検出精度を向上できる。

振動子面３０ａは、中心点Ａから離れるほど（後記する端部３０ｂに近づくほど）、収束距離（後記する）が長くなるように構成される。このような振動子面３０ａは、例えば、中心線Ｌ１の垂直方向に長軸を有する回転楕円体の表面（断面視で楕円面）である。

なお、振動子面３０ａは、図示のような回転楕円体の表面に限られず、詳細は後記するが、超音波ビームＵの放出位置が振動子面３０ａの外側になるほど、振動子面法線ベクトル（超音波ビームＵの放出ベクトル方向）の収束距離が長くなる形状であればよい。具体的には例えば、図３に示す振動子面３０ａと振動子面９３０ａとの間に形成されるような面であってもよい。

また、振動子３０は、中心線Ｌ１の方向視で円形である。ただし、振動子３０の当該方向視における形状は円形に限られず、例えば矩形、楕円形等であってもよい。

バッキング２０は、印加電圧を停止した後に、振動子３０の機械振動を減衰させるものである。
振動子３０は、電気を機械的振動に変換する圧電素子で構成される。圧電素子は、例えばＰＺＴである。振動子３０は、柱状に分割した圧電素子を２次元的に配置して、その隙間を樹脂で埋めた構造を有する例えばコンポジット型の振動子でもよい。本実施例では、振動子３０はコンポジット型の振動子である。

整合層４０は、振動子３０の機械的振動を送信プローブ１００の外部に効率的に伝達するものであり、例えば全域に亘って同じ厚さで構成される。振動子３０の材料、及び送信プローブ１００外部の材料の音響インピーダンスを考慮して、整合層４０の音響インピーダンスが調整される。特に、気相に超音波を取り出す空中超音波の場合、気体の音響インピーダンスは固体及び液体よりも小さいため、整合層４０の材料として音響インピーダンスが小さな材料を用いことが好ましい。なお、整合層４０は、通常、超音波ビームＵの放出方向に影響せず、超音波ビームＵの放出方向は、上記のように振動子面３０ａの法線ベクトル方向である。

図４は、送信プローブ１００の振動子面３０ａ形状を説明する図である。上記のように振動子面３０ａは回転楕円体表面に限定されないが、一例として、上記図３の振動子面３０ａが回転楕円体表面で構成された場合を図４に例示する。振動子面３０ａを構成する回転楕円体の楕円の長軸長さを２ａ、短軸長さを２ｂとする。また、図４には、比較例として、焦点距離Ｒをｂと等しくした従来の球形の振動子面９３０ａも併記する。

超音波ビームＵは、振動子面３０ａ，９３０ａの法線ベクトルの方向に、振動子面３０ａ，９３０ａから放出される。楕円の法線ベクトルの方向と楕円の微分との関係式を用いると、中心点Ａからの距離ｒだけ離れた点Ｂ１から放出されるビームが被検査体８００に入射する入射角θ１は、式（５）で関係付けられる。

入射角θ１が、全反射を生じる閾値となる臨界角θ１ｃになるときの放出位置ｒｃは、式（６）で求まる。

ｎは、回転楕円体の長軸長さを短軸長さで除して得られる楕円率であり、以下の式（７）を満たす数である。なお、上記のように、ｂ＝Ｒである。

振動子面３０ａ，９３０ａのうち、超音波ビームＵの入射角θ１が臨界角θ１ｃ未満になる領域を「有効振動子領域」と定義する。本実施形態のような回転楕円体面の場合、中心点Ａからの距離ｒがｒｃ未満となる振動子面３０ａの領域が、有効振動子領域になる。有効振動子領域の外側では、被検査体８００との界面で全反射が起こるために、超音波ビームＵは被検査体８００に入り込むことができない。この結果、受信プローブ３００での受信信号強度が低下し、検査精度が低下する。

図５は、楕円率ｎを変えたときに、振動子面３０ａ，９３０ａ全体に対する有効振動子領域の大きさ、即ち有効振動子領域比の変化を示すグラフである。グラフ中、黒丸は楕円率１．５、黒三角は楕円率２、黒四角は楕円率２．５のプロットである。また、白抜きの丸は楕円率１（即ち半径ａ＝ｂの円）のプロットであり、球面である従来の振動子面９３０ａを示すプロットである。このグラフは、振動子３０，９３０の直径を２０ｍｍにして解析したものである。グラフ横軸は曲率半径Ｒであり、回転楕円面である振動子面３０ａでは、短軸長さｂをＲと等しくしている（即ちＲ＝ｂ）。

曲率半径Ｒが３０ｍｍの場合を考える。振動子９３０のように、球面の振動子面９３０ａの場合（白抜きの丸）、有効振動子領域比は１１％しかない。即ち、振動子面９３０ａのうち、１１％しか受信信号に寄与しない。これが、従来技術では空中超音波の受信信号が、収束型の送信プローブを用いた際に特に減少する理由である。これに対して、非球面（例えば楕円面）の振動子面３０ａの場合、楕円率ｎが１．５（黒丸）の場合で６０％に改善し、楕円率ｎが２（黒三角）及び２．５（黒四角）の場合には、１００％に達する。即ち、受信信号が増大することがわかる。従って、有効振動子領域比を向上させる観点からは、楕円率は大きいことが好ましいことがわかる。

ただし、楕円率が大きくなりすぎると、振動子面３０ａから放出した超音波ビームＵが収束するまでの距離が長くなる。このため、被検査体８００の内部で超音波ビームＵが十分に収束せず、微細な内部欠陥を検出できない可能性がある。そこで、振動子面３０ａが回転楕円体の表面である場合に、楕円率は１．５以上２．５以下であることが好ましい。

図６は、振動子面３０ａの形状をさらに具体的に説明する図である。振動子面３０ａは、上記のように、例えば回転楕円体の表面により構成される。ここで、振動子面３０ａについて、端部３０ｂ同士（点ＤＤ間の距離）をＬ６とする。また、振動子面３０ａのうち、最も奥まった部分の点Ａから、最も外側の点Ｄまでの中心線Ｌ１方向の長さをＬ７とする。そして、振動子面３０ａは、中心線Ｌ１方向の長さＬ７が、中心線Ｌ１に垂直な方向の長さよりも短くなっている。振動子面３０ａをこのように構成することで、振動子面３０ａの例えば曲面を緩やかにできる。これにより、振動子面３０ａの位置によって被検査体８００への入射角が極端に変化することを抑制できる。

振動子面３０ａから放出された超音波ビームＵは、上記のように振動子面３０ａの法線ベクトル方向に向かう。例えば、振動子面３０ａの中心点Ａから端部３０ｂの点Ｄまでの中心線Ｌ１の垂直方向長さをＬ２とすると、中心点Ａから距離Ｌ３の位置にある点Ｃからは、振動子面３０ａの法線ベクトルを示す振動子面法線ベクトルＶ１の方向に超音波ビームＵが放出する。なお、Ｌ３は例えばＬ２の０．１倍であり、点Ｃは中心点Ａの近傍と定義できる。また、振動子面３０ａの端部３０ｂの点Ｄからは、振動子面法線ベクトルＶ２の方向に超音波ビームＵが放出する。なお、振動子面３０ａでは、振動子面３０ａの法線ベクトル方向は、超音波ビームＵの放出方向を示す超音波ビームＵの放出ベクトル方向と一致する。

点Ｃ及び点Ｄから放出した超音波ビームＵは、振動子面３０ａの中心線Ｌ１を含む平面である交差平面Ｆ１と交差する。従って、点Ｃ及び点Ｄのそれぞれから振動子面３０ａの法線ベクトル方向に延びる直線が、交差平面Ｆ１と交差する。図示の例では、交差平面Ｆ１は、紙面垂直な方向に延在するが、交差平面Ｆ１は、超音波ビームＵの放出ベクトルを含まなければどの向きにとってもよい。振動子面法線ベクトルＶ１，Ｖ２の延長線（図中の破線）は超音波ビームＵの経路である。

ここで、振動子面法線ベクトルＶ１，Ｖ２の延長線と交差平面Ｆ１とが交差する点をビーム交差点という。そうすると、超音波ビームＵの中心線Ｌ１近傍である点Ｃから振動子面法線ベクトルＶ１方向に延びる直線が、超音波ビームＵの中心線Ｌ１を含む交差平面Ｆ１に対し点Ｅ（第１交差点）において交差する。また、振動子面３０ａの端部３０ｂである点Ｄから振動子面法線ベクトルＶ２方向に延びる直線が、交差平面Ｆ１に対し点Ｆ（第２交差点）において交差する。

また、上記のように、振動子面３０ａの法線ベクトル方向は、超音波ビームＵの放出方向を示す超音波ビームＵの放出ベクトル方向と一致する。そのため、超音波ビームＵの中心線Ｌ１近傍である点Ｃから超音波ビームＵの放出ベクトル方向に放出された超音波ビームＵは、超音波ビームＵの中心線Ｌ１を含む交差平面Ｆ１に対し点Ｅ（第１交差点）において交差する。また、振動子面３０ａの端部３０ｂである点Ｄから超音波ビームＵの放出ベクトル方向に放出された超音波ビームＵは、交差平面Ｆ１に対し点Ｆ（第２交差点）において交差する。

ビーム交差点（点Ｅ、Ｆ）と振動子面３０ａの中心点Ａとの距離を収束距離と定義する。そうすると、点Ｃから放出された超音波ビームＵの収束距離は点ＡＥ間の距離Ｌ４である。また、点Ｄから放出された超音波ビームＵの収束距離は点ＡＦ間の距離Ｌ５である。

ここで、従来の形状である球面の振動子面９３０ａの場合、超音波ビームＵの収束距離は、振動子面９３０ａのどの位置から放出されたときであっても、球の半径と等しい。従って、超音波ビームＵの収束距離は、放出位置によらず一定である。これに対して、本実施形態の振動子面３０ａは、振動子面３０ａと中心線Ｌ１との交点である中心点Ａから点Ｆ（第２交差点）までの距離Ｌ５（第２距離）が、中心点Ａから点Ｅ（第１交差点）までの距離Ｌ４（第１距離）よりも長くなるような凹面形状に構成される。

また、上記のように、振動子面３０ａの法線ベクトル方向は、超音波ビームＵの放出方向を示す超音波ビームＵの放出ベクトル方向と一致する。そのため、本実施形態の振動子面３０ａは、振動子面３０ａと中心線Ｌ１との交点である中心点Ａから点Ｆ（第２交差点）までの距離Ｌ５（第２距離）が、中心点Ａから点Ｅ（第１交差点）までの距離Ｌ４（第１距離）よりも長くなるような凹面形状に構成される。

このように、振動子面３０ａを凹形状に構成し、かつ、振動子面３０ａの中心近傍から放出された振動子面法線ベクトルＶ１の収束距離と比べて、振動子面３０ａの端部３０ｂの点Ｄからの振動子面法線ベクトルＶ２の収束距離を長くすることで、従来の球状振動子面９３０ａと比べ、被検査体８００への入射角θ１を小さくできる。これにより、被検査体８００の臨界角θ１ｃ未満の振動子領域を増加でき、有効振動子領域比（図５参照）を大きくできる。この結果、受信信号を大きくでき、超音波検査の検査精度を高めることができる。

また、超音波ビームＵの放出位置が振動子面３０ａの外側になるほど、振動子面法線ベクトルの収束距離が長くなる形状にすることで、従来の球状の振動子面９３０ａと比べ、被検査体８００への入射角を小さくできる。これにより、臨界角θ１ｃ以下の振動子領域を増加でき、有効振動子領域比（図５参照）を大きくできる。この結果、受信信号を大きくでき、超音波検査の検査精度を高めることができる。

距離Ｌ４及び距離Ｌ５の相対的な大きさは特に制限されない。例えば、距離Ｌ５（第２距離）は、距離Ｌ４（第１距離）の１．５倍以上５倍以下の長さにすることができる。

また、振動子面３０ａは、上記の図３等に示したように、外側に向かって中心線Ｌ１方向に膨らむような傾斜を有する。従って、振動子面３０ａは、振動子面３０ａと超音波ビームＵの中心線Ｌ１との交点である中心点Ａから端部３０ｂに向かって、中心線Ｌ１に対する交差角が小さくなるように構成される。ここでいう交差角は、振動子面３０ａの法線ベクトル方向に延びる直線と被検査体８００の表面との交差角である。

例えば、図示の例では、超音波ビームＵ中心線Ｌ１の近傍である点Ｃで振動子面３０ａの法線ベクトルＶ１方向に延びる直線が、点Ｅにおいて、中心線Ｌ１に対して交差角θ４（第１交差角）で被検査体８００（図６では図示しない）の表面と交差する。なお、交差角θ４は、被検査体８００への入射角でもある。また、振動子面３０ａの端部３０ｂの点Ｄで振動子面３０ａの法線ベクトルＶ２方向に延びる直線が、点Ｆにおいて、中心線Ｌ１に対して交差角θ５（第２交差角）で被検査体８００の表面と交差する。なお、交差角θ５は、被検査体８００への入射角でもある。このとき、交差角θ５は交差角θ４よりも小さく、交差角θ４、θ５はいずれも被検査体８００の臨界角未満である。

従って、振動子面３０ａは、交差角θ４（第１交差角）及び交差角θ５（第２交差角）が被検査体８００の臨界角未満になるような凹面形状に構成される。これにより、被検査体８００に入る超音波ビームＵを増やすことができ、超音波検査装置１０による検出精度を向上できる。また、交差角θ４を交差角θ５よりも小さくすることで、超音波ビームＵが入りにくくなる端部３０ｂの側においても被検査体８００に入る超音波ビームＵを増やすことができる。これにより、超音波検査装置１０による検出精度を向上できる。

なお、被検査体８００の臨界角は、被検査体８００の材質等によって異なる。そこで、特に端部３０ｂ（図６参照）の形状は、被検査体８００の材質等によって求められる臨界角に基づき、変更することが好ましい。

図７は、第２実施形態の振動子３０１の断面形状を示す図である。振動子３０１は、上記送信プローブ１００の振動子３０（図３等参照）に代えて、送信プローブ１００に備えられることができる。

上記の振動子３０は、凹形状の曲面のみで構成されていた。しかし、図７に示す振動子３０１の振動子面３０１ａは、凹面形状である点は同じであるが、曲面と平面とを組み合わせることで構成されている。具体的には、振動子３０１は、例えば球面により構成される曲面３０２ａを有する曲面部３０２と、曲面部３０２から外側に向かって延びる平面３０３ａを有する平面部３０３とを備える。曲面部３０２は、曲面部３０２の端部から法線ベクトル方向に延びる直線の、中心線Ｌ１に対する交差角が被検査体８００での臨界角未満となるように構成される。平面部３０３は、曲面部３０２での当該交差角と同じ大きさの交差角（即ち臨界角未満）になるように構成される。

そして、振動子３０１においても、上記振動子３０と同様に、例えば、振動子面３０１ａの中心線Ｌ１近傍から放出された振動子面法線ベクトルの収束距離と比べて、振動子面３０１ａの端部３０１ｂからの振動子面法線ベクトルの収束距離が長くなっている。このようにすることで、被検査体８００に入る超音波ビームＵを増やすことができる。これにより、超音波検査の検査精度を高めることができる。

なお、上記の例では、曲面のみで構成された振動子３０（図３等）、及び、曲面及び平面で構成された振動子３０１を例示したが、例えば、振動子を平面のみで構成するようにしてもよい。また、例えば、上記の例では、いずれも中心線Ｌ１を回転対称軸とする回転対称体を例示したが、例えば図３及び図７での紙面において、左半分及び右半分で形状を変える等、軸対称になっていなくてもよい。

図８は、第３実施形態の超音波検査装置１０Ａを示す図である。上記の図１～図７では、送信プローブ１００に備えられる振動子３０について説明した。第３実施形態の超音波検査装置１０Ａは、上記受信プローブ２００に代えて、以下で説明する収束型の受信プローブ２０１を備える。受信プローブ２０１は、超音波ビームＵを受信する受信振動子面２３１ａを有する収束型の受信振動子（図示しない）を備える。

なお、図８では、受信振動子で受信する超音波ビームＵの受信中心線Ｌ８及び受信中心線Ｌ８を含む受信交差平面Ｌ８のほか、上記の中心線Ｌ１及び中心線Ｌ１を図示している。受信中心線Ｌ８は、受信振動子面２３１ａの中心点Ｈを通り、図示の例では、中心線Ｌ１と一致する。

超音波検査装置１０Ａに備えられる受信振動子は、上記の超音波検査装置１０に備えられる振動子３０と同様の構成を有する。具体的には、超音波検査装置１０Ａでは、受信する超音波ビームＵの受信中心線Ｌ８近傍の点Ｊから受信振動子面２３１ａの法線ベクトル方向に延びる直線が、超音波ビームＵの受信中心線Ｌ８を含む受信交差平面Ｆ８に対し点Ｋ（第３交差点）において交差する。また、超音波検査装置１０Ａでは、受信振動子面の端部の点Ｉから受信振動子面２３１ａの法線ベクトル方向に延びる直線が、受信交差平面Ｆ８に対し点Ｍ（第４交差点）において交差する。そして、受信振動子面２３１ａは、受信振動子面２３１ａと受信中心線Ｌ８との交点である中心点Ｈから点Ｍ（第４交差点）までの距離（第４距離）が、中心点Ｈから点Ｋ（第３交差点）までの距離（第３距離）よりも長くなるような凹面形状に構成される。

このような受信プローブ２０１を備える超音波検査装置１０Ａによれば、被検査体８００から気相中に出る超音波ビームＵについても、全反射による制限を緩和でき、効率よく受信できる。これにより、超音波検査の検査精度を高めることができる。

図９は、第４実施形態の超音波検査装置１０Ｂを示す図である。超音波検査装置１０Ｂに備えられる受信プローブ２０２は、非収束型の受信プローブである。従って、図示はしないが、受信プローブ２０２は、超音波ビームＵを受信する受信振動子面を有する非収束型の受信振動子を備える。

非収束型の受信プローブ２０２を用いることで、送信プローブ１００に対する受信プローブ２００の位置合わせ精度を緩和できる。これにより、送信プローブ１００に対する受信プローブ２００の位置合わせを容易にでき、かつ、受信信号低下を抑制できる。特に、この場合においても、送信プローブ１００が収束型の送信プローブであるため、被検査体８００の内部欠陥を画像化する際の解像度を確保できる。

１０ 超音波検査装置
１００ 送信プローブ
１０Ａ 超音波検査装置
１０Ｂ 超音波検査装置
１１ スキャナ台
１２ プローブ設置台
１３ プローブ設置台
１４ 筐体
１５ 筐体
１５０ 制御装置
１５１ 送信系統
１５１ａ 波形発生器
１５１ｂ 出力アンプ
１５２ 受信系統
１５２ａ 波形解析部
１５２ｂ 信号アンプ
１５３ データ処理部
１５４ スキャンコントローラ
１５５ 駆動部
１５６ 位置計測部
２０ バッキング
２００ 受信プローブ
２０１ 受信プローブ
２０２ 受信プローブ
２３１ａ 受信振動子面
３０ 振動子
３００ 受信プローブ
３０１ 振動子
３０１ａ 振動子面
３０１ｂ 端部
３０２ 曲面部
３０２ａ 曲面
３０３ 平面部
３０３ａ 平面
３０ａ 振動子面
３０ｂ 端部
４０ 整合層
５０ コネクタ
６０ リード線
８００ 被検査体
９００ 超音波プローブ
９１０ 筐体
９２０ バッキング
９３０ 振動子
９３０ａ 振動子面
９３０ｂ 端部
９４０ 整合層
９５０ コネクタ
９６０ リード線
Ｅ 点（ビーム交差点、第１交差点）
Ｆ 点（ビーム交差点、第２交差点）
Ｌ１ 中心線
Ｌ４ 距離（第１距離）
Ｌ５ 距離（第２距離）
Ｕ 超音波ビーム
Ｖ１ 振動子面法線ベクトル、超音波ビームの放出ベクトル
Ｖ２ 振動子面法線ベクトル、超音波ビームの放出ベクトル
θ１ｃ 臨界角
θ４ 交差角（第１交差角）
θ５ 交差角（第２交差角）

Claims (11)

1. 気体を介した被検査体への超音波ビームの入射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、
   前記超音波ビームを放出する振動子面を有する振動子を備え、
   前記超音波ビームの中心線近傍から前記振動子面の法線ベクトル方向に延びる直線が、前記超音波ビームの前記中心線を含む交差平面に対し第１交差点において交差するとともに、前記振動子面の端部から前記振動子面の法線ベクトル方向に延びる直線が、前記交差平面に対し第２交差点において交差し、
   前記振動子面と前記中心線との交点である中心点から、前記超音波ビームの放出点から前記振動子面の法線ベクトル方向に延びる直線と前記交差平面との交差点迄の距離を、放出された前記超音波ビームの収束距離と定義したとき、前記振動子面は、前記中心点から前記第２交差点までの距離である前記収束距離としての第２収束距離が、前記中心点から前記第１交差点までの距離である前記収束距離としての第１収束距離よりも長くなるような凹面形状に構成された
   ことを特徴とする、超音波検査装置。
2. 気体を介した被検査体への超音波ビームの入射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、
   前記超音波ビームを放出する振動子面を有する振動子を備え、
   前記超音波ビームの中心線近傍から前記超音波ビームの放出ベクトル方向に放出された前記超音波ビームは、前記超音波ビームの前記中心線を含む交差平面に対し第１交差点において交差するとともに、前記振動子面の端部から前記超音波ビームの放出ベクトル方向に放出された前記超音波ビームは、前記交差平面に対し第２交差点において交差し、
   前記振動子面と前記中心線との交点である中心点から、前記振動子面から放出される前記超音波ビームと前記交差平面との交差点迄の距離を、放出された前記超音波ビームの収束距離と定義したとき、前記振動子面は、前記中心点から前記第２交差点までの距離である前記収束距離としての第２収束距離が、前記中心点から前記第１交差点までの距離である前記収束距離としての第１収束距離よりも長くなるような凹面形状に構成された
   ことを特徴とする、超音波検査装置。
3. 前記第２収束距離は、前記第１収束距離の１．５倍以上５倍以下の長さである
   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。
4. 前記振動子面は、前記中心点から前記振動子面の端部に近づくほど、前記収束距離が長くなるように構成された
   ことを特徴とする、請求項１～３の何れか１項に記載の超音波検査装置。
5. 前記振動子面は非球面である
   ことを特徴とする、請求項１～４の何れか１項に記載の超音波検査装置。
6. 前記振動子面は、前記中心線方向の長さが、前記中心線に垂直な方向の長さよりも短くなっている
   ことを特徴とする、請求項１～５の何れか１項に記載の超音波検査装置。
7. 前記振動子面は回転楕円体の表面である
   ことを特徴とする、請求項１～６の何れか１項に記載の超音波検査装置。
8. 前記回転楕円体の長軸長さを短軸長さで除して得られる楕円率は、１．５以上２．５以下である
   ことを特徴とする、請求項７に記載の超音波検査装置。
9. 前記超音波検査装置は、
   前記振動子を備える送信プローブと、
   前記被検査体を介して前記送信プローブとは反対側に配置されるとともに、前記送信プローブから放出された前記超音波ビームを受信する受信プローブと、を備える
   ことを特徴とする、請求項１～８の何れか１項に記載の超音波検査装置。
10. 前記受信プローブは、前記超音波ビームを受信する受信振動子面を有する収束型の受信振動子を備え、
    受信する前記超音波ビームの受信中心線近傍から前記受信振動子面の法線ベクトル方向に延びる直線が、前記超音波ビームの前記受信中心線を含む受信交差平面に対し第３交差点において交差するとともに、前記受信振動子面の端部から前記受信振動子面の法線ベクトル方向に延びる直線が、前記受信交差平面に対し第４交差点において交差し、
    前記受信振動子面は、前記受信振動子面と前記受信中心線との交点である中心点から前記第４交差点までの第４距離が、前記中心点から前記第３交差点までの第３距離よりも長くなるような凹面形状に構成された
    ことを特徴とする、請求項９に記載の超音波検査装置。
11. 前記受信プローブは、前記超音波ビームを受信する受信振動子面を有する非収束型の受信振動子を備える
    ことを特徴とする、請求項９に記載の超音波検査装置。

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