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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024169168
(43)【公開日】2024-12-05
(54)【発明の名称】超音波検査装置および超音波検査方法
(51)【国際特許分類】
G01N 29/24 20060101AFI20241128BHJP
【ＦＩ】
G01N29/24
【審査請求】未請求
【請求項の数】9
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023086411
(22)【出願日】2023-05-25
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り ・研究集会名 第４３回超音波エレクトロニクスの基礎と応用に関するシンポジウム 開催場所 同志社大学 今出川校地 室町キャンパス 寒梅館 クローバーホールおよび会議室Ａ 開催日 令和４年１１月９日 ・ウェブサイトのアドレス ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｕｓｅ－ｊｐ．ｏｒｇ／ＵＳＥ２０２２／ 掲載日 令和４年１１月７日 ・研究集会名 第３０回超音波による非破壊評価シンポジウム 開催場所 東京都立産業技術研究センター 青海本部 東京イノベーションハブ 開催日 令和５年１月２４日 ・刊行物名 「第３０回超音波による非破壊評価シンポジウム 講演論文集」 発行日 令和５年１月２４日 ・刊行物名 「Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ６２，ＳＪ１００５（２０２３）」 発行日 令和５年２月６日
(71)【出願人】
【識別番号】504176911
【氏名又は名称】国立大学法人大阪大学
(74)【代理人】
【識別番号】110000338
【氏名又は名称】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ
(72)【発明者】
【氏名】林 高弘
(72)【発明者】
【氏名】福地 高明
(72)【発明者】
【氏名】森 直樹
【テーマコード（参考）】
2G047
【Ｆターム（参考）】
2G047AA05
2G047BA03
2G047BC07
2G047CA01
2G047EA10
2G047GB02
2G047GB24
2G047GF18
2G047GH06
(57)【要約】
【課題】超音波検査の精度を向上できる超音波検査を提供する。
【解決手段】超音波検査装置（１００）は、配列した複数の超音波振動子（１２）と、前記複数の超音波振動子に対応して配置され、互いに離間して配列した、超音波を案内する複数の薄板（２）と、を備える。
【選択図】図１
【解決手段】超音波検査装置（１００）は、配列した複数の超音波振動子（１２）と、前記複数の超音波振動子に対応して配置され、互いに離間して配列した、超音波を案内する複数の薄板（２）と、を備える。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
配列した複数の超音波振動子と、
前記複数の超音波振動子に対応して配置され、互いに離間して配列した、超音波を案内する複数のガイドバッファと、を備える超音波検査装置。
前記複数の超音波振動子に対応して配置され、互いに離間して配列した、超音波を案内する複数のガイドバッファと、を備える超音波検査装置。
【請求項2】
ＰＡＵＴ、ＰＷＩ、またはＦＭＣ／ＴＦＭにより検査対象物の深さｂまでの領域の欠陥を検査する超音波検査装置であって、
前記複数の超音波振動子が出力する送信波の時間幅をΔｔとし、前記複数のガイドバッファにおける前記送信波の伝搬速度の最大値および最小値をそれぞれｃｍａｘおよびｃｍｉｎとするとき、前記複数のガイドバッファの前記複数の超音波振動子から延びる方向に沿った長さＬは、以下の式（１）で特定されるＬ１より大きい、請求項１に記載の超音波検査装置。
ｂ＝ｃ（２Ｌ１／ｃｍｉｎ－Ｌ１／ｃｍａｘ－Δｔ／２） （１）
前記複数の超音波振動子が出力する送信波の時間幅をΔｔとし、前記複数のガイドバッファにおける前記送信波の伝搬速度の最大値および最小値をそれぞれｃｍａｘおよびｃｍｉｎとするとき、前記複数のガイドバッファの前記複数の超音波振動子から延びる方向に沿った長さＬは、以下の式（１）で特定されるＬ１より大きい、請求項１に記載の超音波検査装置。
ｂ＝ｃ（２Ｌ１／ｃｍｉｎ－Ｌ１／ｃｍａｘ－Δｔ／２） （１）
【請求項3】
ＰＡＵＴ、ＰＷＩ、またはＦＭＣ／ＴＦＭにより検査対象物の深さａより深い領域の欠陥を検査する超音波検査装置であって、
前記複数の超音波振動子が出力する送信波の時間幅をΔｔとし、前記複数のガイドバッファにおける前記送信波の伝搬速度の最大値および最小値をそれぞれｃｍａｘおよびｃｍｉｎとするとき、前記複数のガイドバッファの前記複数の超音波振動子から延びる方向に沿った長さＬは、以下の式（２）で特定されるＬ２より小さい、請求項１または２に記載の超音波検査装置。
ａ＝ｃ（Ｌ２／ｃｍｉｎ－Ｌ２／ｃｍａｘ＋Δｔ／２） （２）
前記複数の超音波振動子が出力する送信波の時間幅をΔｔとし、前記複数のガイドバッファにおける前記送信波の伝搬速度の最大値および最小値をそれぞれｃｍａｘおよびｃｍｉｎとするとき、前記複数のガイドバッファの前記複数の超音波振動子から延びる方向に沿った長さＬは、以下の式（２）で特定されるＬ２より小さい、請求項１または２に記載の超音波検査装置。
ａ＝ｃ（Ｌ２／ｃｍｉｎ－Ｌ２／ｃｍａｘ＋Δｔ／２） （２）
【請求項4】
ＦＭＣ／ＴＦＭにより検査対象物の欠陥を検査する超音波検査装置であって、
送信波を出力する超音波振動子が受信する超音波の波形をＴＦＭの処理に含めない、請求項１に記載の超音波検査装置。
送信波を出力する超音波振動子が受信する超音波の波形をＴＦＭの処理に含めない、請求項１に記載の超音波検査装置。
【請求項5】
前記複数の超音波振動子は、２次元に配列しており、
前記複数のガイドバッファは、前記複数の超音波振動子に対応して２次元に配列している、請求項１に記載の超音波検査装置。
前記複数のガイドバッファは、前記複数の超音波振動子に対応して２次元に配列している、請求項１に記載の超音波検査装置。
【請求項6】
前記複数のガイドバッファは、前記複数の超音波振動子より幅広であり、前記複数の超音波振動子に対応しない箇所で互いに接続されている、請求項１に記載の超音波検査装置。
【請求項7】
超音波検査装置による超音波検査方法であって、
前記超音波検査装置は、
配列した複数の超音波振動子と、
前記複数の超音波振動子に対応して配置され、互いに離間して配列した、超音波を案内する複数のガイドバッファと、を備え、
前記複数のガイドバッファのそれぞれを介して検査対象物に送信波を送信する送信ステップと、
前記検査対象物からの反射波を前記複数のガイドバッファのそれぞれを介して受信する受信ステップと、を含む超音波検査方法。
前記超音波検査装置は、
配列した複数の超音波振動子と、
前記複数の超音波振動子に対応して配置され、互いに離間して配列した、超音波を案内する複数のガイドバッファと、を備え、
前記複数のガイドバッファのそれぞれを介して検査対象物に送信波を送信する送信ステップと、
前記検査対象物からの反射波を前記複数のガイドバッファのそれぞれを介して受信する受信ステップと、を含む超音波検査方法。
【請求項8】
前記複数の超音波振動子が出力する送信波の時間幅をΔｔとし、前記複数のガイドバッファにおける前記送信波の伝搬速度の最大値および最小値をそれぞれｃｍａｘおよびｃｍｉｎとするとき、前記複数のガイドバッファの前記複数の超音波振動子から延びる方向に沿った長さＬが、以下の式（１）で特定されるＬ１より大きい超音波検査装置を用いて、ＰＡＵＴ、ＰＷＩ、またはＦＭＣ／ＴＦＭにより前記検査対象物の深さｂまでの領域の欠陥を検査する、請求項７に記載の超音波検査方法。
ｂ＝ｃ（２Ｌ１／ｃｍｉｎ－Ｌ１／ｃｍａｘ－Δｔ／２） （１）
ｂ＝ｃ（２Ｌ１／ｃｍｉｎ－Ｌ１／ｃｍａｘ－Δｔ／２） （１）
【請求項9】
前記複数の超音波振動子が出力する送信波の時間幅をΔｔとし、前記複数のガイドバッファにおける前記送信波の伝搬速度の最大値および最小値をそれぞれｃｍａｘおよびｃｍｉｎとするとき、前記複数のガイドバッファの前記複数の超音波振動子から延びる方向に沿った長さＬが、以下の式（２）で特定されるＬ２より小さい超音波検査装置を用いて、ＰＡＵＴ、ＰＷＩ、またはＦＭＣ／ＴＦＭにより前記検査対象物の深さａより深い領域の欠陥を検査する、請求項７または８に記載の超音波検査方法。
ａ＝ｃ（Ｌ２／ｃｍｉｎ－Ｌ２／ｃｍａｘ＋Δｔ／２） （２）
ａ＝ｃ（Ｌ２／ｃｍｉｎ－Ｌ２／ｃｍａｘ＋Δｔ／２） （２）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、超音波検査装置および超音波検査方法に関する。
【背景技術】
【0002】
振動を伝搬する波である超音波を用いて、検査対象物の内部を非破壊で検査する超音波検査方法が広く知られている。超音波検査方法は、配管検査、溶接部検査、および減肉測定など様々な場面で用いられている。
【0003】
超音波検査を行う場面として、超音波振動子の耐熱温度よりも高温の物体を検査する場面が考えられる。例えば、数百度以上の高温で連続的に稼働している火力・原子力発電所または製鉄所の大型プラントを、安全性の確保および生産効率の向上のため、運転を止めることなく検査する場面が考えられる。この場合、高温の検査対象物から超音波振動子への熱の伝達を低減することが課題となる。非特許文献１および非特許文献２では、バッファロッドを超音波振動子と高温物体との間に介在させることにより、高温の検査対象物から超音波振動子への熱の伝達を低減している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0004】
【非特許文献1】Dikky Burhan, Ikuo Ihara, Yoshihisa Seda,“In Situ Observations of Solidification and Melting of Aluminum Alloy Using Ultrasonic Waveguide Sensor” MATERIALS TRANSACTIONS, 2005年 46巻 9号 p.2107-2113
【非特許文献2】Tomonori Ihara, Nobuyoshi Tsuzuki, Hiroshige Kikura,“Development of the ultrasonic buffer rod for the molten glass measurement” Progress in Nuclear Energy, Volume 82 July 2015, Pages 176-183
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
複数の超音波振動子を配列したフェイズドアレイ探触子を用いたフェイズドアレイ超音波探傷試験（Phased Array Ultrasonic test：ＰＡＵＴ）が知られている。ＰＡＵＴでは、フェイズドアレイ探触子に時間的に制御された電気信号を送信し、超音波を検査対象物内の所定の位置（焦点位置）に集束させ、そのエコー波形を受信する。そして、超音波の焦点位置を移動させることにより、検査対象物の内部を超音波により走査する。これにより、高分解能の超音波検査が可能である。
【0006】
ここで、高温の物体に対してＰＡＵＴを行う場合、高温の検査対象物から超音波振動子への熱の伝達を低減するために、上記バッファロッドをフェイズドアレイ探触子と検査対象物との間に介在させる構成が考えられる。しかしながら、上記バッファロッドをフェイズドアレイ探触子と検査対象物との間に介在させると、超音波の焦点位置が近距離音場限界を超え、超音波を集束できない可能性がある。すなわち、上述の構成では、検査対象物の内部を精度よく検査できないといった問題がある。
【0007】
本発明の一態様は、上記の問題点を鑑みてなされたものであり、超音波検査の精度を向上できる超音波検査装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記の課題を解決するために、本発明の態様１に係る超音波検査装置は、配列した複数の超音波振動子と、前記複数の超音波振動子に対応して配置され、互いに離間して配列した、超音波を案内する複数のガイドバッファと、を備える。
【0009】
本発明の態様２に係る超音波検査装置は、上記態様１において、ＰＡＵＴ、ＰＷＩ、またはＦＭＣ／ＴＦＭにより検査対象物の深さｂまでの領域の欠陥を検査する超音波検査装置であって、前記複数の超音波振動子が出力する送信波の時間幅をΔｔとし、前記複数のガイドバッファにおける前記送信波の伝搬速度の最大値および最小値をそれぞれｃｍａｘおよびｃｍｉｎとするとき、前記複数のガイドバッファの前記複数の超音波振動子から延びる方向に沿った長さＬは、以下の式（１）で特定されるＬ１より大きくてもよい。
ｂ＝ｃ（２Ｌ１／ｃｍｉｎ－Ｌ１／ｃｍａｘ－Δｔ／２） （１）
ｂ＝ｃ（２Ｌ１／ｃｍｉｎ－Ｌ１／ｃｍａｘ－Δｔ／２） （１）
【0010】
本発明の態様３に係る超音波検査装置は、上記態様１または２において、ＰＡＵＴ、ＰＷＩ、またはＦＭＣ／ＴＦＭにより検査対象物の深さａより深い領域の欠陥を検査する超音波検査装置であって、前記複数の超音波振動子が出力する送信波の時間幅をΔｔとし、前記複数のガイドバッファにおける前記送信波の伝搬速度の最大値および最小値をそれぞれｃｍａｘおよびｃｍｉｎとするとき、前記複数のガイドバッファの前記複数の超音波振動子から延びる方向に沿った長さＬは、以下の式（２）で特定されるＬ２より小さくてもよい。
ａ＝ｃ（Ｌ２／ｃｍｉｎ－Ｌ２／ｃｍａｘ＋Δｔ／２） （２）
ａ＝ｃ（Ｌ２／ｃｍｉｎ－Ｌ２／ｃｍａｘ＋Δｔ／２） （２）
【0011】
本発明の態様４に係る超音波検査装置は、上記態様１において、ＦＭＣ／ＴＦＭにより検査対象物の欠陥を検査する超音波検査装置であって、送信波を出力する超音波振動子が受信する超音波の波形をＴＦＭの処理に含めない。
【0012】
本発明の態様５に係る超音波検査装置では、上記態様１から４において、前記複数の超音波振動子は、２次元に配列しており、前記複数のガイドバッファは、前記複数の超音波振動子に対応して２次元に配列していてもよい。
【0013】
本発明の態様６に係る超音波検査装置では、上記態様１から５において、前記複数のガイドバッファは、前記複数の超音波振動子より幅広であり、前記複数の超音波振動子に対応しない箇所で互いに接続されていてもよい。
【0014】
上記の課題を解決するために、本発明の態様７に係る超音波検査方法は、超音波検査装置による超音波検査方法であって、前記超音波検査装置は、配列した複数の超音波振動子と、前記複数の超音波振動子に対応して配置され、互いに離間して配列した、超音波を案内する複数のガイドバッファと、を備え、前記複数のガイドバッファのそれぞれを介して前記検査対象物に送信波を送信する送信ステップと、前記検査対象物からの反射波を前記複数のガイドバッファのそれぞれを介して受信する受信ステップと、を含む。
【0015】
本発明の態様８に係る超音波検査方法では、上記態様７において、前記複数の超音波振動子が出力する送信波の時間幅をΔｔとし、前記複数のガイドバッファにおける前記送信波の伝搬速度の最大値および最小値をそれぞれｃｍａｘおよびｃｍｉｎとするとき、前記複数のガイドバッファの前記複数の超音波振動子から延びる方向に沿った長さＬが、以下の式（１）で特定されるＬ１より大きい超音波検査装置を用いて、ＰＡＵＴ、ＰＷＩ、またはＦＭＣ／ＴＦＭにより前記検査対象物の深さｂまでの領域の欠陥を検査してもよい。
ｂ＝ｃ（２Ｌ１／ｃｍｉｎ－Ｌ１／ｃｍａｘ－Δｔ／２） （１）
ｂ＝ｃ（２Ｌ１／ｃｍｉｎ－Ｌ１／ｃｍａｘ－Δｔ／２） （１）
【0016】
本発明の態様９に係る超音波検査方法では、上記態様７または８において、前記複数の超音波振動子が出力する送信波の時間幅をΔｔとし、前記複数のガイドバッファにおける前記送信波の伝搬速度の最大値および最小値をそれぞれｃｍａｘおよびｃｍｉｎとするとき、前記複数のガイドバッファの前記複数の超音波振動子から延びる方向に沿った長さＬが、以下の式（２）で特定されるＬ２より小さい超音波検査装置を用いて、ＰＡＵＴ、ＰＷＩ、またはＦＭＣ／ＴＦＭにより前記検査対象物の深さａより深い領域の欠陥を検査してもよい。
ａ＝ｃ（Ｌ２／ｃｍｉｎ－Ｌ２／ｃｍａｘ＋Δｔ／２） （２）
ａ＝ｃ（Ｌ２／ｃｍｉｎ－Ｌ２／ｃｍａｘ＋Δｔ／２） （２）
【発明の効果】
【0017】
本発明の一態様によれば、超音波検査の精度を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】一実施形態に係る超音波検査装置を示す斜視図である。
【図2】検査対象物を検査している上記超音波検査装置を示す図である。
【図4】ラム波の分散曲線を示す図である。
【図5】上記超音波検査装置の薄板を伝搬するラム波の分散の様子を示す図である。
【図6】上記超音波検査装置の薄板と検査対象物の欠陥との位置関係を示す図である。
【図7】ＰＡＵＴでの界面からの反射波と欠陥からの反射波との時間関係を示す図である。
【図8】ＰＡＵＴでの上記超音波検査装置による検査可能範囲を示す図である。
【図9】ＰＷＩでの検査対象物中を伝搬する超音波を示す図である。
【図10】ＰＷＩでの界面からの反射波と欠陥からの反射波との時間関係を示す図である。
【図11】ＰＷＩでの上記超音波検査装置による検査可能範囲を示す図である。
【図12】他の実施形態に係る超音波検査装置を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【0019】
〔実施形態１〕
（超音波検査装置の概略構成）
図１は、実施形態１に係る超音波検査装置１００を示す斜視図である。図２は、検査対象物ＯＢを検査している超音波検査装置１００を示す図である。図３は、図２の枠Ａで囲まれた部分の拡大図である。図１～図３に示すように、超音波検査装置１００は、フェイズドアレイ探触子１と、複数の薄板２（複数のガイドバッファ）と、配線３と、信号処理装置（不図示）とを備える。超音波検査装置１００は、検査対象物ＯＢに対してフェイズドアレイ超音波探傷試験（Phased Array Ultrasonic test：ＰＡＵＴ）を行う装置である。
（超音波検査装置の概略構成）
図１は、実施形態１に係る超音波検査装置１００を示す斜視図である。図２は、検査対象物ＯＢを検査している超音波検査装置１００を示す図である。図３は、図２の枠Ａで囲まれた部分の拡大図である。図１～図３に示すように、超音波検査装置１００は、フェイズドアレイ探触子１と、複数の薄板２（複数のガイドバッファ）と、配線３と、信号処理装置（不図示）とを備える。超音波検査装置１００は、検査対象物ＯＢに対してフェイズドアレイ超音波探傷試験（Phased Array Ultrasonic test：ＰＡＵＴ）を行う装置である。
【0020】
フェイズドアレイ探触子１は、筐体１１と、複数の超音波振動子１２とを備える。フェイズドアレイ探触子１は、検査対象物ＯＢの所定の位置（焦点位置）に超音波を集束させ、その反射波を受信する。フェイズドアレイ探触子１は、検査対象物ＯＢの表面に沿って移動することにより、検査対象物ＯＢの内部を走査する。フェイズドアレイ探触子１は、例えば、検査対象物ＯＢの亀裂ＣＲおよび溶接部ＷＬにおける欠陥などの有無を検査する。
【0021】
複数の超音波振動子１２は、筐体１１の一側面において配列されている。具体的には、複数の超音波振動子１２は、所定の方向（図１のＹ方向）に沿って、等間隔をあけて配列されている。複数の超音波振動子１２はそれぞれ、同一構成を有し、筐体１１の一側面において短冊状に形成されている。複数の超音波振動子１２はそれぞれ、配線３を介して信号処理装置に電気的に接続される。
【0022】
複数の超音波振動子１２は、信号処理装置からの電気信号に基づき超音波を検査対象物ＯＢに出力する超音波出力子である。また、複数の超音波振動子１２は、検査対象物ＯＢに出力された超音波（送信波）が検査対象物ＯＢ内の欠陥などで反射された反射波を受信する超音波受信器としても機能する。複数の超音波振動子１２は、例えば圧電素子である。
【0023】
複数の薄板２は、複数の超音波振動子１２に対応して配置され、互いに離間して配列される。すなわち、複数の薄板２は、複数の超音波振動子１２と同様に、所定の方向（図１～図３のＹ方向）に沿って、等間隔をあけて配列される。複数の薄板２は、筐体１１の一側面に対して鉛直方向（図１～図３のＺ方向）に延伸する直方形状の部材である。複数の薄板２はそれぞれ、一端面２ａにおいて対応する超音波振動子１２に接続される。また、複数の薄板２は、超音波検査の際に、他端面２ｂにおいて検査対象物ＯＢの表面に当接する。すなわち、複数の薄板２は、超音波検査の際に、フェイズドアレイ探触子１と検査対象物ＯＢとの間に介在される。
【0024】
複数の薄板２は、検査対象物ＯＢからフェイズドアレイ探触子１への熱の伝達を低減する緩衝材である。複数の薄板２は、空冷または水冷により冷却される。複数の薄板２は、少なくとも一端面２ａ付近において超音波振動子の耐熱温度（６０℃程度）より低くなるように冷却されるとよい。例えば、複数の薄板２の隙間に冷却風（図２の符号Ｂ参照）または冷却水を導いて、複数の薄板２を冷却してもよい。
【0025】
また、複数の薄板２はそれぞれ、対応する超音波振動子１２と検査対象物ＯＢとの間を伝送する超音波を案内する。仮に複数の超音波振動子１２と検査対象物ＯＢとの間に一塊のバッファロッドを設けた場合、超音波の焦点位置が近距離音場限界を超え、超音波を検査対象物ＯＢの所定の位置に集束できない（バッファロッド内で拡散する）可能性がある。一方、本実施形態では、複数の超音波振動子１２と検査対象物ＯＢとの間にそれぞれ薄板２を設けており、複数の薄板２の一端面２ａにそれぞれ与えた超音波は同じ速度で複数の薄板２の他端面２ｂまで伝搬される。そのため、近距離音場限界に起因する超音波の拡散の可能性を排除でき、超音波を検査対象物ＯＢの所定の位置に集束させることができる。それゆえ、超音波検査の精度を向上できる。
【0026】
複数の薄板２は、例えばステンレス等の金属から作られる。放熱性の観点から、複数の薄板２は、アルミニウムから作られることが好ましい。
【0027】
複数の薄板２は、複数の超音波振動子１２より幅広であり、複数の超音波振動子１２に対応しない箇所で互いに接続されていてもよい。詳細には、複数の薄板２はそれぞれ、Ｚ方向から見たときに、超音波振動子１２に覆われる（超音波振動子１２に対応する）対応部２ｃと、超音波振動子１２に覆われない（超音波振動子１２に対応しない）幅広部２ｄとを有する。幅広部２ｄは、複数の超音波振動子１２の長手方向（図１～図３のＸ方向）に沿った両端側に位置する。そして、複数の薄板２の隣接する幅広部２ｄの隙間に、隣接する幅広部２ｄ同士を接続する接続材４が設けられている。接続材４により、複数の薄板２同士を強固に固定できる。また、接続材４は、超音波が主に伝送される対応部２ｃではなく幅広部２ｄに設けることにより、複数の薄板２同士の超音波のクロストークを抑制できる。なお、複数の薄板２は、複数の超音波振動子１２の幅と略同じ幅を有していてもよい。また、複数の薄板２と複数の超音波振動子１２との間に、複数の薄板２が嵌り込むスリット付きの固定具が設けられてもよい。当該固定具により、複数の薄板２をフェイズドアレイ探触子１に強固に固定できる。
【0028】
接続材４は、超音波のクロストークを抑制できるものであればよい。例えば、接続材４は、紙または樹脂等が基盤の両面テープであればよい。または、接続材４は、コルクシートであってもよい。接続材４は、金属であってもよい。
【0029】
信号処理装置は、フェイズドアレイ探触子１に時間的に制御された電気信号を送信し、フェイズドアレイ探触子１から受信した電気信号に基づき検査対象物ＯＢの内部の画像を生成するための装置である。信号処理装置により、複数の薄板２のそれぞれを介して検査対象物ＯＢに送信波を送信する（送信ステップ）。また、信号処理装置により、検査対象物ＯＢからの反射波を複数の薄板２のそれぞれを介して受信する（受信ステップ）。
【0030】
以上の構成によれば、複数の薄板２をそれぞれ、対応する超音波振動子１２と検査対象物ＯＢとの間に介在させることができる。それゆえ、超音波検査装置１００は、高温の物体に対してＰＡＵＴを行う場合であっても、検査対象物ＯＢからフェイズドアレイ探触子１への熱の伝達を低減しつつ、超音波を検査対象物ＯＢの所定の位置に集束させることができる。したがって、高温の物体に対してＰＡＵＴを行う場合であっても、検査対象物ＯＢの内部を精度よく検査できる。
【0031】
なお、本実施形態では、超音波検査装置１００が行う超音波検査の一例として、上述のＰＡＵＴを説明した。しかしながら、超音波検査装置１００が行う超音波検査法としてはこれに限定されない。例えば、超音波検査装置１００は、平面波イメージング（ＰＷＩ）、またはＦＭＣ／ＴＦＭ（Full Matrix Capture and Total Focusing Method）等により超音波検査を行ってもよい。ＰＷＩでは、各超音波振動子１２から同時に超音波を射出することで、検査対象物ＯＢ中に平面波を伝搬させる。この平面入射波に対する欠陥からの反射波を各超音波振動子１２で個別に受信して、遅延アルゴリズムにより画像化を行う。ＦＭＣは、１つの超音波振動子１２から射出した超音波に対する欠陥からの反射波を全ての（Ｎ個の）超音波振動子１２で受信するという処理を全ての超音波振動子１２に対して繰り返し、Ｎ×Ｎ個の波形を収録する手法である。ＴＦＭは、当該Ｎ×Ｎ個の波形を使って、疑似的な超音波の集束および画像化を行う信号処理方法である。
【0032】
【0033】
図４は、ラム波の分散曲線を示す図である。ラム波とは、長尺の固体材料内を長手方向に伝搬するガイド波の中で、特に薄板（当該ガイド波の波長以下の厚みを有する固体材料）を伝搬する超音波のことである。分散曲線とは、ガイド波の伝搬速度（群速度ｃ）の周波数依存性を示すグラフである。ラム波は、この分散曲線に従って伝搬する。なお、図４は、薄板がステンレスから作られている場合のラム波の群速度分散曲線を示す。薄板が金属製である限り、ラム波の分散曲線は同様の挙動を示す。
【0034】
図４の符号４００１は、各モードのラム波の分散曲線を示すグラフである。図４の符号４００２は、低ｆｄ領域におけるＳ０モードのラム波の振動を示す模式図である。図４の符号４００３は、Ａ０モードのラム波の振動を示す模式図である。図４の符号４００１のグラフにおいて、縦軸はラム波の群速度ｃ［ｍｍ／μｓ］を、横軸はラム波の周波数ｆと超音波振動子の膜厚ｄ（Ｙ方向の寸法）との積ｆｄ［ＭＨｚ・ｍｍ］を表す。
【0035】
低ｆｄ領域において、Ｓ０モードは、縦振動であり、その振動分布は断面中心軸に対し対称なモードとなっている。Ａ０モードは、伝搬方向に対し、垂直な方向の振動が支配的であり、その振動分布は断面中心軸に対し反対称なモードとなっている。それぞれＳモード、Ａモードには次数の大きなモード（Ａ１、Ｓ１、Ａ２、Ｓ２など）があるが、当該次数の大きなモードは、Ａ１カットオフ周波数を超えた高いｆｄ領域に存在し、多くのモードと重畳して存在する。そのため、波動伝搬が複雑になり、利用されることはあまり多くない。
【0036】
以下、薄板２の一端面２ａに縦波の超音波を入射した場合を考える。このとき、薄板２内には図４の符号４００２のようなＳ０モードのラム波が伝搬する。なお、Ａ０モードは、薄板２の一端面２ａに入射した振動と異なる方向に振動するモードなので、ほとんど励振されない。
【0037】
図５は、薄板２を伝搬するラム波の分散の様子を示す図である。図５の符号５００１は、薄板２の一端面２ａに与えられたラム波（入射波）の時間波形を示すグラフである。図５の符号５００２は、当該ラム波の周波数スペクトルを示すグラフである。図５の符号５００３は、薄板２の一端面２ａから距離Ｌだけ伝搬したラム波（伝搬波）の時間波形を示すグラフである。
【0038】
図５の符号５００１に示すように、入射波は、時間幅Δｔを有するパルス波である。図５の符号５００２に示すように、入射波の周波数スペクトルは、ピーク周波数ｆｐｅａｋおよび半値幅Δｆを有する。ここで、入射波は、低ｆｄ領域におけるＳ０モードのラム波であり、例えばｆｐｅａｋ×ｄ＝１［ＭＨｚ・ｍｍ］とする。このとき、図４の符号４００１に示すグラフに従って、入射波は、群速度の最大値ｃｍａｘと最小値ｃｍｉｎとを有することとなる。
【0039】
ラム波は、このように周波数によって音速が異なるため、図５の符号５００１に示すようなパルス波の波形は伝搬するにつれ、波形をくずして広がっていくことが知られている。例えば、図５の符号５００１に示すパルス波形がｔ＝０に入射されるとする。このとき、図５の符号５００３に示すように、伝搬波の時間波形の先頭は、ｔ＝Ｌ／ｃｍａｘであり、最後尾は、ｔ＝Ｌ／ｃｍｉｎ＋Δｔと見積もることができる。
【0040】
複数の超音波振動子による受信波形を用いた検査対象物ＯＢの内部の画像化手法は、種々の方法が開発されている。以下、３つの主な画像化手法（上述のＰＡＵＴ、ＰＷＩ、およびＦＭＣ／ＴＦＭ）を用いた場合における超音波検査装置１００のＲＯＩについて説明する。
１．ＰＡＵＴによる画像化の場合
１．ＰＡＵＴによる画像化の場合
【0041】
図６は、薄板２と検査対象物ＯＢの欠陥との位置関係を示す図である。図６に示すように、薄板２の超音波振動子１２から延びる方向（図１～図３のＺ方向）に沿った長さを薄板長さＬとする。また、検査対象物ＯＢの欠陥から最も近くの薄板（第１薄板２１）の他端面２ｂと検査対象物ＯＢの欠陥との距離を最短距離ａとする。また、検査対象物ＯＢの欠陥から最も遠くの薄板（第２薄板２２）の他端面２ｂと検査対象物ＯＢの欠陥との距離を最長距離ｂとする。また、検査対象物ＯＢ中を伝搬する波の音速をｃとする。検査対象物ＯＢ中を伝搬する波は、通常は縦波だが、横波も考えうる。
【0042】
超音波振動子１２において検出される反射波としては、検査対象物ＯＢの欠陥からの反射波（欠陥反射波Ｒｄ）に加えて、薄板２と検査対象物ＯＢとの界面からの反射波（界面反射波）が存在し得る。界面反射波は、薄板２内を１往復した反射波（第１界面反射波Ｒ１）と、薄板２内を２往復した反射波（第２界面反射波Ｒ２）とを含む。欠陥反射波Ｒｄを適切に検出するためには、このような界面反射波を欠陥反射波Ｒｄから分離させることが重要である。
【0043】
図７は、ＰＡＵＴでの界面反射波と欠陥反射波Ｒｄとの時間関係を示す図である。図７の符号７００１は、第１薄板２１に連結している超音波振動子１２において検出される欠陥反射波Ｒｄおよび界面反射波の時間波形を示すグラフである。図７の符号７００２は、第２薄板２２に連結している超音波振動子１２において検出される欠陥反射波Ｒｄおよび界面反射波の時間波形を示すグラフである。
【0044】
図７に示すように、界面反射波を欠陥反射波Ｒｄから分離させるためには、超音波振動子１２において、第１界面反射波Ｒ１、欠陥反射波Ｒｄ、第２界面反射波Ｒ２の順に検出されればよい。すなわち、第１薄板２１に対応する超音波振動子１２において欠陥反射波Ｒｄを適切に検出するために、以下の式（３）および式（４）が成り立てばよい。
２Ｌ／ｃｍｉｎ＋Δｔ＜２Ｌ／ｃｍａｘ＋２ａ／ｃ （３）
２Ｌ／ｃｍｉｎ＋２ａ／ｃ＋Δｔ＜４Ｌ／ｃｍａｘ （４）
また、第２薄板２２に対応する超音波振動子１２において欠陥反射波Ｒｄを適切に検出するために、以下の式（５）および式（６）が成り立てばよい。
２Ｌ／ｃｍｉｎ＋Δｔ＜２Ｌ／ｃｍａｘ＋２ｂ／ｃ （５）
２Ｌ／ｃｍｉｎ＋２ｂ／ｃ＋Δｔ＜４Ｌ／ｃｍａｘ （６）
上記式（３）～式（６）をまとめると、
ａ＞ｃ（Ｌ／ｃｍｉｎ－Ｌ／ｃｍａｘ＋Δｔ／２）（≡ａ０） （７）
ｂ＜ｃ（２Ｌ／ｃｍｉｎ－Ｌ／ｃｍａｘ－Δｔ／２）（≡ｂ０） （８）
が良好な、欠陥検出が可能な条件となる。
２Ｌ／ｃｍｉｎ＋Δｔ＜２Ｌ／ｃｍａｘ＋２ａ／ｃ （３）
２Ｌ／ｃｍｉｎ＋２ａ／ｃ＋Δｔ＜４Ｌ／ｃｍａｘ （４）
また、第２薄板２２に対応する超音波振動子１２において欠陥反射波Ｒｄを適切に検出するために、以下の式（５）および式（６）が成り立てばよい。
２Ｌ／ｃｍｉｎ＋Δｔ＜２Ｌ／ｃｍａｘ＋２ｂ／ｃ （５）
２Ｌ／ｃｍｉｎ＋２ｂ／ｃ＋Δｔ＜４Ｌ／ｃｍａｘ （６）
上記式（３）～式（６）をまとめると、
ａ＞ｃ（Ｌ／ｃｍｉｎ－Ｌ／ｃｍａｘ＋Δｔ／２）（≡ａ０） （７）
ｂ＜ｃ（２Ｌ／ｃｍｉｎ－Ｌ／ｃｍａｘ－Δｔ／２）（≡ｂ０） （８）
が良好な、欠陥検出が可能な条件となる。
【0045】
一般に欠陥までの最短距離ａ、最長距離ｂは分からないので、ここでは、画像化したい領域までの最短距離、最長距離と置き換えて考えることができる。すなわち、欠陥反射波Ｒｄが第１界面反射波Ｒ１と第２界面反射波Ｒ２との間に現れないといけないという上記条件式（式（７）および式（８））から、適切な薄板長さＬ、ｆｄ領域（ｃｍａｘとｃｍｉｎとの差）、および検査可能領域ＲＯＩ（最短距離ａ、最長距離ｂ）が決定される。
【0046】
図８は、ＰＡＵＴでの超音波検査装置１００による検査可能範囲ＲＯＩを示す図である。式（７）および式（８）を満たす検査可能領域ＲＯＩは、図８の領域Ｄとなる。すなわち、ＰＡＵＴでの検査可能領域ＲＯＩは、複数の薄板２と検査対象物ＯＢとの接触面のあらゆる位置からａ０より離れた位置であり、かつ複数の薄板２と検査対象物ＯＢとの接触面のあらゆる位置から最長距離ｂ０より近い範囲内の領域である。ＰＡＵＴでの検査可能領域ＲＯＩは、おおむね当該接触面から深さａ０以上、ｂ０未満の領域である。
【0047】
上記式（７）および式（８）から、ＰＡＵＴにおいて超音波検査装置１００が検査対象物ＯＢの所定の領域を検査するための、適切な薄板長さＬの条件が決定される。すなわち、ＰＡＵＴにおいて超音波検査装置１００が少なくとも検査対象物ＯＢの深さｂまでの領域の欠陥を検査する場合、薄板長さＬは、以下の式（９）で特定されるＬ１より大きければよい。
ｂ＝ｃ（２Ｌ１／ｃｍｉｎ－Ｌ１／ｃｍａｘ－Δｔ／２） （９）
また、ＰＡＵＴにおいて超音波検査装置１００が少なくとも検査対象物ＯＢの深さａよりも深い領域の欠陥を検査する場合、薄板長さＬは、以下の式（１０）で特定されるＬ２より小さければよい。
ａ＝ｃ（Ｌ２／ｃｍｉｎ－Ｌ２／ｃｍａｘ＋Δｔ／２） （１０）
２．ＰＷＩによる画像化の場合
ｂ＝ｃ（２Ｌ１／ｃｍｉｎ－Ｌ１／ｃｍａｘ－Δｔ／２） （９）
また、ＰＡＵＴにおいて超音波検査装置１００が少なくとも検査対象物ＯＢの深さａよりも深い領域の欠陥を検査する場合、薄板長さＬは、以下の式（１０）で特定されるＬ２より小さければよい。
ａ＝ｃ（Ｌ２／ｃｍｉｎ－Ｌ２／ｃｍａｘ＋Δｔ／２） （１０）
２．ＰＷＩによる画像化の場合
【0048】
図９は、ＰＷＩでの検査対象物ＯＢ中を伝搬する超音波を示す図である。図９に示すように、ＰＷＩでは、薄板２から検査対象物ＯＢに入射する入射波は、検査対象物ＯＢ内を平面波として伝搬し、欠陥からの散乱波を各超音波振動子１２で個別に受信する。検査可能領域ＲＯＩとなりうるのは、平面波が伝搬する複数の薄板２の他端面２ｂから垂直方向のみである。以下、検査対象物ＯＢの欠陥の深さをｄとする。
【0049】
第１薄板２１に連結している超音波振動子１２が受信する欠陥反射波Ｒｄは、第１薄板２１を距離Ｌだけ伝搬した後、検査対象物ＯＢ中を音速ｃで往復距離２ｄだけ伝搬し、再度、第１薄板２１を距離Ｌだけ伝搬する。第２薄板２２に連結している超音波振動子１２が受信する欠陥反射波Ｒｄは、第２薄板２２を距離Ｌだけ伝搬した後、検査対象物ＯＢ中の欠陥まで音速ｃで距離ｄだけ平面波として伝搬して散乱し、第２薄板２２までの距離ｂだけ伝搬し、再度、第２薄板２２を距離Ｌだけ伝搬して受信される。
【0050】
図１０は、ＰＷＩでの界面反射波と欠陥反射波Ｒｄとの時間関係を示す図である。図１０の符号１０００１は、第１薄板２１に連結している超音波振動子１２において検出される欠陥反射波Ｒｄおよび界面反射波の時間波形を示すグラフである。図１０の符号１０００２は、第２薄板２２に連結している超音波振動子１２において検出される欠陥反射波Ｒｄおよび界面反射波の時間波形を示すグラフである。
【0051】
ＰＡＵＴと同様に、図１０に示すように、界面反射波を欠陥反射波Ｒｄから分離させるためには、超音波振動子１２において、第１界面反射波Ｒ１、欠陥反射波Ｒｄ、第２界面反射波Ｒ２の順に検出されればよい。ＰＡＵＴと同様の計算により、欠陥検出が可能な以下の条件式（１１）および条件式（１２）が導出される。
ｄ＞ｃ（Ｌ／ｃｍｉｎ－Ｌ／ｃｍａｘ＋Δｔ／２）（≡ｄ０） （１１）
ｄ＋ｂ＜ｃ（４Ｌ／ｃｍｉｎ－２Ｌ／ｃｍａｘ－Δｔ） （１２）
ｄ＞ｃ（Ｌ／ｃｍｉｎ－Ｌ／ｃｍａｘ＋Δｔ／２）（≡ｄ０） （１１）
ｄ＋ｂ＜ｃ（４Ｌ／ｃｍｉｎ－２Ｌ／ｃｍａｘ－Δｔ） （１２）
【0052】
ｄ＜ｂであるので、式（１０）のｄをｂに置き換えた以下の式（１３）は、式（１２）の十分条件として成立している。
ｂ＜ｃ（２Ｌ／ｃｍｉｎ－Ｌ／ｃｍａｘ－Δｔ／２）（≡ｂ０） （１３）
すなわち、式（１３）としてｂの範囲を近似的に陽に示すことができる。
ｂ＜ｃ（２Ｌ／ｃｍｉｎ－Ｌ／ｃｍａｘ－Δｔ／２）（≡ｂ０） （１３）
すなわち、式（１３）としてｂの範囲を近似的に陽に示すことができる。
【0053】
図１１は、ＰＷＩでの超音波検査装置１００による検査可能範囲ＲＯＩを示す図である。式（１１）および式（１３）を満たす領域は、図１１の領域Ｄ２となる。したがって、式（１１）および式（１２）を満たす検査可能領域ＲＯＩは、図１１の領域Ｄ２より少しだけ広い範囲となる。すなわち、ＰＷＩでの検査可能領域ＲＯＩは、おおむね当該接触面から深さｄ０以上、ｂ０未満の領域を含む。
【0054】
なお、上記式（７）および式（１１）を比較すると、ａ０＝ｄ０であることが分かる。すなわち、ＰＡＵＴとＰＷＩとで、超音波検査装置１００が調査可能な接触面から深さは略等しい。したがって、ＰＷＩにおいて超音波検査装置１００が検査対象物ＯＢの所定の領域を検査するための、適切な薄板長さＬの条件は、近似的に、ＰＡＵＴと同様であるといえる。
３．ＦＭＣ／ＴＦＭによる画像化の場合
３．ＦＭＣ／ＴＦＭによる画像化の場合
【0055】
ＦＭＣ／ＴＦＭでは、１つの超音波振動子１２から射出した超音波の波形を全ての超音波振動子１２で受信する。これを超音波検査装置１００に適用した場合、超音波を射出した超音波振動子１２と接合している薄板のみにおいて界面反射波が発生しており、その他の薄板には界面反射波は発生しない。そのため、超音波を射出した超音波振動子１２のみにおいて欠陥反射波Ｒｄから界面反射波の分離を考えればよい。つまり、式（７）および式（８）を満たすことが必要十分条件である。したがって、ＦＭＣ／ＴＦＭにおいて超音波検査装置１００が検査対象物ＯＢの所定の領域を検査するための、適切な薄板長さＬの条件は、ＰＡＵＴと同様である。
【0056】
以上をまとめると、超音波検査装置１００がＰＡＵＴ、ＰＷＩ、またはＦＭＣ／ＴＦＭにより、少なくとも検査対象物ＯＢの深さｂまでの領域の欠陥を検査する場合、薄板長さＬは、上記式（９）で特定されるＬ１より大きければよい。また、ＰＡＵＴ、ＰＷＩ、およびＦＭＣ／ＴＦＭにおいて、超音波検査装置１００が少なくとも検査対象物ＯＢの深さａよりも深い領域の欠陥を検査する場合、薄板長さＬは、上記式（１０）で特定されるＬ２より小さければよい。
【0057】
ただし、ＦＭＣ／ＴＦＭにおいて、超音波を射出した超音波振動子１２において受信した超音波の波形を、ＴＦＭの処理に含めなくてもよい。これにより、界面反射波の影響をなくすことができる。すなわち、検査対象物の深さに応じて薄板長さＬを合わせる必要なく、超音波検査の精度を向上できる。また、超音波を射出した超音波振動子１２に隣接する超音波振動子１２でもクロストーク（隣接した超音波振動子１２間の波形の漏れ）により界面反射波を受信することがある。そのため、超音波を射出した超音波振動子１２に隣接する超音波振動子１２が受信する超音波の波形もＴＦＭの処理に含めないようにすることで、界面反射波の影響を受けない画像処理が可能となる。
【0058】
〔実施形態２〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
【0059】
図１２は、実施形態２に係る超音波検査装置１００Ａを示す斜視図である。超音波検査装置１００Ａは、フェイズドアレイ探触子１Ａが後述する複数の超音波振動子１２Ａを備える点で、超音波検査装置１００と相違する。また、超音波検査装置１００Ａは、複数の薄板２に代えて、複数の細棒２Ａ（複数のガイドバッファ）を備える点でも、超音波検査装置１００Ａと相違する。
【0060】
複数の超音波振動子１２Ａは、筐体１１の一側面において２次元に（図１２のＸＹ方向に）配列されている。具体的には、複数の超音波振動子１２Ａは、同一構成を有し、筐体１１の一側面において矩形状に形成されている。複数の超音波振動子１２Ａはそれぞれ、配線３を介して信号処理装置に電気的に接続される。なお、図１２において、配線３の図示を省略している。
【0061】
複数の細棒２Ａは、複数の超音波振動子１２Ａに対応して２次元に配列している。複数の細棒２Ａは、筐体１１の一側面に対して鉛直方向（図１２のＺ方向）に延伸する直方形状の部材である。複数の細棒２Ａはそれぞれ、一端面において対応する超音波振動子１２Ａに接続される。複数の細棒２Ａは、超音波検査の際に、他端面において検査対象物ＯＢの表面に当接する。すなわち、複数の細棒２Ａは、超音波検査の際に、フェイズドアレイ探触子１Ａと検査対象物ＯＢとの間に介在される。複数の細棒２Ａは、実施形態１における複数の薄板２と同様に、超音波を案内し、フェイズドアレイ探触子１への熱の伝達を低減するガイドバッファとしての機能を有する。
【0062】
複数の細棒２Ａと複数の超音波振動子１２Ａとの間に、複数の細棒２Ａが嵌り込む孔付きの固定具が設けられてもよい。当該固定具により、複数の細棒２Ａをフェイズドアレイ探触子１Ａに強固に固定できる。複数の細棒２Ａ同士を接着することにより、強固に固定してもよい。
【0063】
上記の構成によれば、複数の超音波振動子１２Ａを２次元に配列することにより、超音波検査の精度をさらに向上できる。
【0064】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【符号の説明】
【0065】
２ 複数の薄板（複数のガイドバッファ）
２Ａ 複数の細棒（複数のガイドバッファ）
２ｄ 幅広部
１２、１２Ａ 超音波振動子
１００、１００Ａ 超音波検査装置
２Ａ 複数の細棒（複数のガイドバッファ）
２ｄ 幅広部
１２、１２Ａ 超音波振動子
１００、１００Ａ 超音波検査装置
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】