特開 2024-27495 超音波検査装置

(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】P2024027495

(43)【公開日】2024-03-01

(54)【発明の名称】超音波検査装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 29/24 20060101AFI20240222BHJP

   G01N 29/32 20060101ALI20240222BHJP

   G01N 29/07 20060101ALI20240222BHJP

【ＦＩ】

G01N29/24

G01N29/32

G01N29/07

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022130336

(22)【出願日】2022-08-18

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】304021288

【氏名又は名称】国立大学法人長岡技術科学大学

(74)【代理人】

【識別番号】110000028

【氏名又は名称】弁理士法人明成国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】小山 友宏

(72)【発明者】

【氏名】井原 郁夫

(72)【発明者】

【氏名】和田 眞治

【テーマコード（参考）】

2G047

【Ｆターム（参考）】

2G047AA06

2G047BA03

2G047BC02

2G047BC19

2G047CA01

2G047CB01

2G047CB02

2G047GB29

2G047GG30

(57)【要約】

【課題】横波超音波を利用しつつ、高温の検査対象を検査可能な検査装置を提供する。
【解決手段】超音波検査装置は、縦波超音波の発信と受信とを行う縦波超音波センサと、多面体形状を有する金属製の超音波変換部であって、検査対象に対面して配置される出力面、前記縦波超音波センサが配置される入力面、前記出力面の面方向に対して予め定められた角度で傾斜する変換面であって、前記入力面から入力された縦波超音波を横波超音波に変換して前記出力面に向かって反射させる変換面を有する超音波変換部と、を備える。前記超音波変換部の熱伝導率は、前記検査対象の熱伝導率よりも低い。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

超音波検査装置であって、
縦波超音波の発信と受信とを行う縦波超音波センサと、
多面体形状を有する金属製の超音波変換部であって、
検査対象に対面して配置される出力面と、
前記縦波超音波センサが配置される入力面と、
前記出力面の面方向に対して予め定められた角度で傾斜する変換面であって、前記入力面から入力された縦波超音波を横波超音波に変換して前記出力面に向かって反射させる変換面と、を有する超音波変換部と、を備え、
前記超音波変換部の熱伝導率は、前記検査対象の熱伝導率よりも低い、
超音波検査装置。

【請求項2】

請求項１に記載の超音波検査装置であって、
前記超音波変換部は、
物体の密度と音速との乗算により得られる物性値を音響インピーダンスとしたとき、前記検査対象の音響インピーダンスと、前記超音波変換部の音響インピーダンスとの比率が、０．５±１０％、または２．０±１０％である、
超音波検査装置。

【請求項3】

請求項１に記載の超音波検査装置であって、
さらに、前記超音波変換部の熱膨張係数は、前記検査対象の熱膨張係数よりも小さい、
超音波検査装置。

【請求項4】

請求項１に記載の超音波検査装置であって、
前記超音波変換部は、Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ合金製である、
超音波検査装置。

【請求項5】

請求項１に記載の超音波検査装置であって、
前記検査対象は、成形品を形成するための内部空間を有する金型と、前記内部空間に流入される成形材料とを含む、
超音波検査装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、超音波検査装置に関する。

【背景技術】

【0002】

横波超音波が溶湯の未凝固部分を透過しないことを利用して、溶融金属の凝固の状態を検出する検査装置が知られている（例えば、特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開昭６３－０１９５５１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

横波超音波を発信する超音波センサは、縦波超音波を発信する超音波センサに比べて耐熱性が低いことがある。そのため、横波超音波を利用しつつ、高温の検査対象を検査可能な検査装置が望まれている。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本開示は、以下の形態として実現することが可能である。

【0006】

（１）本開示の一形態によれば、超音波検査装置が提供される。この超音波検査装置は、縦波超音波の発信と受信とを行う縦波超音波センサと、多面体形状を有する金属製の超音波変換部であって、検査対象に対面して配置される出力面、前記縦波超音波センサが配置される入力面、前記出力面の面方向に対して予め定められた角度で傾斜する変換面であって、前記入力面から入力された縦波超音波を横波超音波に変換して前記出力面に向かって反射させる変換面を有する超音波変換部と、を備える。前記超音波変換部の熱伝導率は、前記検査対象の熱伝導率よりも低い。
この形態の本実施形態の超音波検査装置によれば、超音波変換部の熱伝導率を検査対象の熱伝導率よりも低くすることにより、検査対象から超音波変換部を介した伝熱を抑制または防止することができる。したがって、横波超音波を利用しつつ、高温の検査対象を検査可能な検査装置を得ることができる。
（２）上記形態の超音波検査装置であって、前記超音波変換部は、物体の密度と音速との乗算により得られる物性値を音響インピーダンスとしたとき、前記検査対象の音響インピーダンスと、前記超音波変換部の音響インピーダンスとの比率が、０．５±１０％、または２．０±１０％であってよい。
この形態の超音波検査装置によれば、検査対象と超音波変換部との界面での横波超音波の透過と反射とのバランスを良好にして、超音波検査装置による反射波の検出精度を高くすることができる。
（３）上記形態の超音波検査装置であって、さらに、前記超音波変換部の熱膨張係数は、前記検査対象の熱膨張係数よりも小さくてもよい。
この形態の超音波検査装置によれば、検査対象からの伝熱による超音波変換部の変形を抑制または防止することができる。
（４）上記形態の超音波検査装置であって、前記超音波変換部は、Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ合金製であってよい。
この形態の超音波検査装置によれば、公知の材料を用いた簡易な方法により超音波変換部を得ることができる。
（５）上記形態の超音波検査装置であって、前記検査対象は、成形品を形成するための内部空間を有する金型と、前記内部空間に流入される成形材料とを含んでよい。
この形態の超音波検査装置によれば、成形機など用いられる金型内の成形材料に関する情報を取得することできる超音波検査装置を得ることできる。
本開示は、超音波検査装置以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、超音波検査方法、成形品の製造方法、成形機、超音波検査装置や成形機の制御方法、その制御方法を実現するコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した一時的でない記録媒体等の形態で実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】超音波検査システムの構成を示す説明図。

【図2】超音波変換部の概略構成を示す説明図。

【図3】超音波変換部の作製に参照した物性値の例を示す説明図。

【図4】超音波検査装置により得られた第一の実験結果を示す説明図。

【図5】超音波検査装置により得られた第二の実験結果を示す説明図。

【発明を実施するための形態】

【0008】

Ａ．第１実施形態：
図１は、超音波検査システム１００の構成を示す説明図である。超音波検査システム１００は、本開示の第１実施形態としての超音波検査装置８０と、制御装置９０とを備えている。超音波検査システム１００は、例えばダイカストマシンなどの成形機に備えられる金型５０に超音波検査装置８０を装着して用いられる。「成形機」とは、成形材料５４を金型５０の内部に射出して凝固させることにより、成形品を製造する装置である。「成形材料」とは、例えば、液状または固液共存状態である凝固前の金属材料である。凝固前の金属材料は、「溶湯」とも呼ばれる。金属材料には、例えば、アルミニウムやアルミニウム合金、亜鉛合金やマグネシウム合金、銅合金などの種々の材料が含まれる。本実施形態では、金属材料としてアルミニウムを使用し、溶湯の温度は約７００℃である。なお、成形機は、ダイカストマシンのほかに、例えば、樹脂材料を成形材料とする射出成形機などの種々の成形機が含まれ得る。

【0009】

金型５０は、例えば、合金工具鋼を用いて形成することができる。本実施形態では、金型５０は、ＳＫＤ６１（日本工業規格JIS G 4404：2015 合金工具鋼鋼材）を用いて形成されている。金型５０は、超音波検査システム１００の超音波検査装置８０を装着するための外壁Ｅ１と、内部空間ＣＶを規定する内壁Ｅ２とを備えている。金型５０の内壁Ｅ２には、離型剤５２が塗布されている。金型５０は、図示しない型締装置により開閉可能である。型締装置の型締めによって閉じられた金型５０内には、成形品と略同一形状の内部空間ＣＶが形成される。内部空間ＣＶは、キャビティとも呼ばれる。金型５０の内部空間ＣＶには、図示しない射出装置によって凝固前の金属材料が射出され充填される。内部空間ＣＶに充填された凝固前の成形材料５４は、金型５０に熱を奪われること等によって冷却され、凝固する。この結果、成形品が形成される。

【0010】

本実施形態では、検査対象には、金型５０と、金型５０の内部空間ＣＶに存在する成形材料５４と、金型５０の内部空間ＣＶに存在する離型剤５２とが含まれる。超音波検査装置８０は、例えば、金型と成形材料に用いられる例には限定されず、例えば、シリンダブロックの内部のオイルの状態や燃料の状態、これらの温度等の情報など、任意の構造体と当該構造体の内部の状態に関する情報を取得するために用いられてもよい。

【0011】

超音波検査装置８０は、接着層８１と、超音波変換部８２と、縦波超音波センサ８４と、高速ＡＤ変換器８６とを備えている。接着層８１は、金型５０と、超音波検査装置８０とを接着させる。接着層８１としては、銀ペーストや金属薄膜を適用することができる。金型５０は、接着層８１に代えて、またはそれとともに、ボルト等によって超音波検査装置８０に固定されてもよい。超音波変換部８２と、超音波検査装置８０との間には、超音波変換部８２と縦波超音波センサ８４の接触面での超音波透過性を向上させるための接触媒質が塗布されてもよい。接触媒質としては、例えば、銀ペーストあるいは金などの金属薄膜を適用することができ、超音波変換部８２と縦波超音波センサ８４の接触面の温度が充分に低い場合には、水やグリセリン等を適用することができる。

【0012】

縦波超音波センサ８４は、圧電素子を利用した探触子であり、縦波超音波を発信および受信する。「縦波超音波」とは、伝播方向と同じ方向に媒体が振動する超音波であり、「横波超音波」とは、伝播方向と垂直方向に媒体が振動する超音波である。縦波超音波センサ８４は、金型５０などの高温の検査対象の検査に用いる観点から、耐熱性が高いことが好ましい。本実施形態では、縦波超音波センサ８４の耐熱温度は、５００℃程度であり、溶湯の温度よりも低い。なお、横波超音波を発信するための横波超音波センサは、例えば、１２０℃程度であり、一般的には縦波超音波センサの耐熱温度よりも低い。

【0013】

超音波変換部８２は、後述するように、多面体形状を有する金属製の構造体である。超音波変換部８２には縦波超音波センサ８４が取り付けられる。超音波変換部８２は、縦波超音波センサ８４から発信された縦波超音波を横波超音波に変換し、変換した横波超音波を検査対象に出力する。また、超音波変換部８２は、縦波超音波センサ８４が検査対象に直接的に取り付けられることを回避し、縦波超音波センサ８４が検査対象から直接的に伝熱されることを抑制または防止している。

【0014】

超音波変換部８２は、入力面Ｓ１と、出力面Ｓ２と、変換面Ｓ３との３つの面を備えている。入力面Ｓ１は、縦波超音波センサ８４が取り付けられる面であり、縦波超音波センサ８４から縦波超音波が入力される。縦波超音波センサ８４が高温環境に曝されることを抑制する観点から、縦波超音波センサ８４は、成形材料５４や金型５０から離間した位置に取り付けられることが好ましい。

【0015】

出力面Ｓ２は、金型５０に対面して配置される面である。「金型５０に対面して配置される」とは、金型５０に接触した状態で対面している状態と、例えば接着層８１などの媒体を介して金型５０に接触した状態で対面している状態とを含む。変換面Ｓ３は、入力面Ｓ１から入力された縦波超音波を横波超音波に変換して出力面Ｓ２に向かって反射させる。入力面Ｓ１と、出力面Ｓ２と、変換面Ｓ３との３つの面は、各機能を有することを前提に、平面に限らず曲面とされてもよい。ただし、物体間の界面において超音波を円滑に伝播させる観点から平面であることが好ましい。

【0016】

図１に矢印ＬＷ１で示すように、縦波超音波センサ８４から入力面Ｓ１を介して超音波変換部８２に発信された縦波超音波は、変換面Ｓ３に向かって伝播する。矢印ＳＷ１で示すように、縦波超音波は、変換面Ｓ３で反射すると、横波超音波に変換され、出力面Ｓ２に向かって伝播する。出力面Ｓ２に向かって伝播した横波超音波の一部は、外壁Ｅ１で反射されて、変換面Ｓ３に向かって伝播する。矢印ＬＷ２で示すように、外壁Ｅ１で反射した横波超音波は、変換面Ｓ３で反射して縦波超音波に変換され、縦波超音波センサ８４によって受信される。矢印ＳＷ２で示すように、外壁Ｅ１で反射せず金型５０に入力された横波超音波は、内壁Ｅ２、離型剤５２、あるいは成形材料５４によって反射される。内壁Ｅ２等によって反射された横波超音波は、金型５０を伝播して超音波変換部８２に入力され、変換面Ｓ３に向かって伝播する。矢印ＬＷ２で示すように、変換面Ｓ３で反射された横波超音波は、縦波超音波に変換されて、縦波超音波センサ８４によって受信される。このように、超音波検査装置８０は、超音波変換部８２を介して縦波超音波を横波超音波に変換することができ、縦波超音波センサ８４を用いて横波超音波を利用した検査を実行することができる。

【0017】

高速ＡＤ変換器８６には、縦波超音波センサ８４から出力された縦波超音波の波形に対応するアナログ電圧信号が入力される。高速ＡＤ変換器８６は、入力されたアナログ電圧信号をデジタル信号へと変換し、制御装置９０に出力する。高速ＡＤ変換器８６は、縦波超音波センサ８４、あるいは制御装置９０に備えられてもよい。

【0018】

制御装置９０は、論理演算を実行するマイクロプロセッサと、ＲＯＭ、ＲＡＭ等のメモリとを備えるマイクロコンピュータである。マイクロプロセッサは、メモリに予め格納されるプログラムを実行することにより、本実施形態で提供される各部の機能を実行することができる。本実施形態では、マイクロプロセッサがメモリに格納されたプログラムを実行することによって、伝播時間演算部９２および情報取得部９４として機能する。制御装置９０は、さらに、金型５０などのダイカストマシンの各部の動作を制御してもよい。伝播時間演算部９２および情報取得部９４などの各部の機能の一部又は全部は、ハードウェア回路で実現されてもよい。伝播時間演算部９２および情報取得部９４は、高速ＡＤ変換器８６に備えられてもよい。

【0019】

伝播時間演算部９２は、縦波超音波センサ８４が縦波超音波を発信してから反射波としての縦波超音波を検出するまでの伝播時間を算出する。情報取得部９４は、伝播時間演算部９２により取得される超音波の伝播時間を用いて、検査対象に関する情報を取得する。情報取得部９４は、例えば、超音波の伝播時間と、検査対象の熱伝導率などを含む検査対象に関する物性値とを用いて、理論式に基づき検査対象の温度分布を取得する。温度分布を算出するための理論式としては、例えば、特開２００８－７０３４０号公報に公開されている理論式を用いることができる。情報取得部９４は、理論式に代えて、超音波の伝播時間と、検査対象の温度との関係を示すデータテーブルを用いてもよい。情報取得部９４が取得する情報は、検査対象の温度分布には限定されず、検査対象の内部の材料の凝固の進行状況、金型５０の内壁Ｅ２に接触する物体の有無、および金型５０内でのライデンフロスト現象の発生の有無などが含まれてもよい。ライデンフロスト現象とは、液滴が、その飽和温度以上の固体面上で蒸発する現象を意味する。

【0020】

図２および図３を用いて、超音波変換部８２の作製方法について説明する。図２は、超音波変換部８２の概略構成を示す説明図である。図２の例では、超音波変換部８２は、出力面Ｓ２と、変換面Ｓ３との間の角度θが設定された直角三角形の上面ＳＴおよび底面ＳＢを有する略三角柱の外観形状を有している。超音波変換部８２は、例えば金型を利用した金属材料の成形、金属材料の切削等により形成することができる。本実施形態では、幅ＷＤを５０．０ミリメートル、奥行きＬＧを４７．４ミリメートル、高さＨＴを２４．０ミリメートルで設定した。ただし、各辺の寸法は、これに限らず、任意に設定されてもよい。なお、入力面Ｓ１と、出力面Ｓ２と、変換面Ｓ３とは、互いに接続されていなくてもよい。超音波変換部８２の形状は、三角柱に限らず、入力面Ｓ１と、出力面Ｓ２と、変換面Ｓ３との３つの面を備える任意の多面体形状を有していてよい。

【0021】

入力面Ｓ１の一部の領域ＳＡには、縦波超音波センサ８４が取り付けられる。縦波超音波センサ８４による縦波超音波の伝播方向は、入力面Ｓ１の面方向に対して垂直になるように設定されている。

【0022】

図２に示す角度θは、入力面Ｓ１と変換面Ｓ３とによって規定される。角度θは、入力された縦波超音波を横波超音波に変換することができ、かつ、変換された横波超音波の伝播方向がＳ３の面方向に対して垂直になるように設定されている。本実施形態では、以下の式（１）によって算出した。

【0023】

【数1】

【0024】

上記式（１）に用いる縦波音速および横波音速は、材料の個体差の影響を抑制するために、超音波変換部８２の加工前の材料による実測値を用いた。本実施形態では、超音波変換部８２の材料には、後述するように、Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ（ＪＩＳ ６０種）が用いられており、縦波音速の実測値は、６２７７．７ｍ／ｓであり、横波音速の実測値は、３１７５．５ｍ／ｓであった。角度θは、これら実測値および式（１）から導出された２６．８３２度で設定した。縦波音速および横波音速は、実測値に代えて、公知の物性値などの他の値を用いてもよい。

【0025】

図３は、超音波変換部８２の作製に参照した物性値の例を示す説明図である。図３に示す表には、金属材料の種類と、各金属材料の物性値とが示されている。各金属材料の物性値は、公知の値であり、本実施形態では、日本機械学会（編）『機械工学便覧 合本β．デザイン編』を参照した。なお、各物性値は、常温時の物性値を示すが、これに限らず、使用環境の温度を用いてもよい。図３には、技術の理解を容易にするために、以下の説明で着目する数値に下線を付してある。

【0026】

金属材料の種類において、左端には、比較用として、検査対象である金型５０の材料であるＳＫＤ６１が示されている。それよりも右側には、超音波変換部８２の候補として選定した金属材料の例が示されている。超音波変換部８２の材料の選定には、以下の条件を考慮した。
（１）検査対象から縦波超音波センサ８４への伝熱を抑制または防止できること。
（２）検査対象からの伝熱による超音波変換部８２の変形を抑制または防止できること。
（３）検査対象と超音波変換部８２との界面での横波超音波の透過と反射とのバランスが良い材料であること。

【0027】

上記（１）の条件を満たすためには、低い熱伝導率を有する材料であることが好ましい。本実施形態では、検査対象の材料（本実施形態において、ＳＫＤ６１）の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する材料を選定した。図３の例において、ＳＫＤ６１よりも熱伝導率が低い材料は、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）およびＴｉ－６Ａｌ－４Ｖである。「Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ」とは、α＋β型のチタン合金であり、質量分率でチタンにアルミニウムを６％、バナジウムを４％添加したチタン合金である。本開示では、Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖを、「６４チタン」とも呼ぶ。ただし、超音波変換部８２の熱伝導率は、検査対象の熱伝導率よりも低い場合のみには限定されず、例えば、検査対象から縦波超音波センサ８４への伝熱が抑制されることを前提に１００（Ｗ／ｍ・Ｋ）以下とされてもよい。また、超音波変換部８２の熱伝導率は、検査対象から縦波超音波センサ８４への伝熱を充分に抑制する観点から、５０（Ｗ／ｍ・Ｋ）以下とされることがより好ましい。超音波変換部８２の熱伝導率は、炭素鋼、クロム鋼、マンガン鋼などの一般的な金属の熱伝導率よりも低く設定されてもよい。

【0028】

上記（２）の条件を満たすためには、小さい熱膨張係数を有する材料であることが好ましい。本実施形態では、ＳＫＤ６１の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有する材料を選定した。図３の例では、ＳＫＤ６１よりも熱膨張係数が小さい材料は、６４チタンのみである。ただし、超音波変換部８２の変形による縦波超音波センサ８４の検出精度への影響が小さい場合などには、超音波変換部８２の熱膨張係数は、２０（ｘ１０^－６／Ｋ）以下とされてもよい。また、超音波変換部８２の熱膨張係数は、超音波変換部８２の変形による縦波超音波センサ８４の検出精度への影響をより小さくする観点から、１２（ｘ１０^－６／Ｋ）以下とされることがより好ましい。超音波変換部８２の熱膨張係数は、炭素鋼、クロム鋼、マンガン鋼などの一般的な金属の熱伝導率よりも低く設定されてもよい。

【0029】

上記（３）の条件を満たすためには、検査対象の材料（ＳＫＤ６１）の横波音響インピーダンスと、超音波変換部８２の材料の横波音響インピーダンスとに好適な差があることが好ましい。「音響インピーダンス」とは、物体の密度と音速との乗算により得られる物性値を意味する。検査対象と超音波変換部８２との横波音響インピーダンスの差が大きい場合には、検査対象の表面（図１の例において、外壁Ｅ１）で超音波が反射されやすくなり透過しにくくなり得る。横波音響インピーダンスの差が小さい場合には、検査対象へ透過されやすくなるが反射されにくくなり得る。本実施形態では、シミュレーションにより、横波音響インピーダンスの比率が０．５あるいは２．０程度である場合に、横波超音波の反射と透過との良好なバランスを得られることが実験的に得られている。横波音響インピーダンスの比率は、材料ごとの物性値のばらつきや測定誤差を許容するために、０．５±１０％、あるいは２．０±１０％で設定することができる。図３の例では、横波音響インピーダンスの比率が２．０±１０％に含まれる材料は、６４チタンのみである。以上のように、本実施形態では、超音波変換部８２には、上記（１）－（３）をすべて満たす材料として、６４チタンを選択した。

【0030】

図４および図５を用いて、作製した超音波変換部８２の特性について説明する。図４は、作製した超音波変換部８２を用いた超音波検査装置８０により得られた第一の実験結果を示す説明図である。図４の横軸は、縦波超音波が発信された時点からの経過時間（単位：マイクロ秒）を示し、縦軸は反射波（任意単位）を示している。図４に示す反射波Ｗ１は、金型５０と超音波変換部８２との界面、すなわち外壁Ｅ１で反射された超音波を示している（図１の例において、矢印ＳＷ１で示される超音波）。反射波Ｗ２は、金型５０に透過し、内壁Ｅ２で反射された超音波を示している（図１の例において、矢印ＳＷ２で示される超音波）。

【0031】

横波超音波の伝播時間や金型５０の温度分布など、情報取得部９４が検査対象に関する情報を取得するためには、反射波Ｗ１と反射波Ｗ２とが充分な振幅あるいは強度を有していることが好ましい。図４に示す検出結果によれば、反射波Ｗ１と反射波Ｗ２とが充分な振幅を有していることが理解できる。なお、反射波Ｗ３は、超音波変換部８２内を二往復したあとに金型５０に透過し、内壁Ｅ２で反射された超音波を示している。反射波Ｗ４は、超音波変換部８２内で横波超音波に変換された後に、金型５０内を二往復した超音波を示している。

【0032】

図５は、作製した超音波変換部８２を用いた超音波検査装置８０により得られた第二の実験結果を示す説明図である。横軸は時間軸であり、グラフの右側の縦軸は、縦波超音波の伝播時間と、横波超音波の伝播時間とを示している。なお、「横波超音波の伝播時間」とは、便宜上の表現であり、超音波変換部８２を用いた変換前後の超音波の伝播時間を意味する。グラフの左側の縦軸は、熱電対による外壁Ｅ１の表面温度を示している。本実験では、図１に示す金型５０および超音波検査システム１００を用いるとともに、縦波超音波センサ８４と同様の縦波超音波センサを比較用に用いて実験した。比較用の縦波超音波センサ８４は、超音波変換部８２を用いることなく金型５０の外壁Ｅ１上に直接的に取り付けた。本実験では、比較用の縦波超音波センサの故障を防止するために耐熱温度以下である約１５０℃の溶融金属を用いて行った。なお、本実施形態では、金型５０の表面温度を取得するための熱電対が外壁Ｅ１に配置されている。

【0033】

制御装置９０は、例えば１００秒などの所定の期間において、縦波超音波センサ８４および比較用の縦波超音波センサを制御して、定常的に縦波超音波を発信させる。縦波超音波センサ８４および比較用の縦波超音波センサは、内壁Ｅ２からの反射波を繰り返し検出し、制御装置９０は、各反射波の伝播時間を取得する。実験開始後の約３０秒後の時間Ｔ１では、溶融金属が金型５０の内部空間ＣＶに投入される。

【0034】

図５には、熱電対による外壁Ｅ１の表面温度の変化を示すグラフＧＴと、比較用の縦波超音波センサを用いて取得された縦波超音波の伝播時間の変化を示すグラフＧＬと、本実施形態の超音波検査装置８０を用いて取得される超音波の伝播時間を示すグラフＧＳとが示されている。グラフＧＬおよびグラフＧＳが示すように、各超音波の伝播時間は、溶融金属が投入された時間Ｔ１から上昇する。ここで、グラフＧＬで示される比較用の縦波超音波では、矢印Ｐ１で示すように、伝播時間が不連続な値を含む大きな変化（ノイズ）を有している。これに対して、グラフＧＳで示される本実施形態の超音波検査装置８０を用いて取得される超音波では、伝播時間に大きなノイズは発生せず安定して変化していることが分かる。これは、本実施形態の超音波検査装置８０を用いて取得される超音波が、高温の溶融金属が金型５０の内壁Ｅ２に接触することによる温度変化やライデンフロスト現象等による影響をあまり受けず、安定していることを示している。換言すれば、本実施形態の超音波検査装置８０を用いて取得される超音波が横波超音波と同程度の性能を有していることを示している。

【0035】

以上、説明したように、本実施形態の超音波検査装置８０は、検査対象に対面して配置される出力面Ｓ２と、縦波超音波センサ８４が配置される入力面Ｓ１と、出力面Ｓ２の面方向に対して予め定められた角度で傾斜することにより入力面Ｓ１から入力された縦波超音波を出力面Ｓ２に向かって反射させて横波超音波に変換する変換面Ｓ３とを有する超音波変換部８２を備えている。横波超音波センサよりも耐熱性が高い縦波超音波センサ８４を適用することができ、横波超音波を利用する検査装置の耐熱性を高くすることができる。縦波超音波センサ８４が検査対象との間に超音波変換部８２を介して配置されるので、超音波変換部８２を検査対象から離間させることができ、縦波超音波センサ８４に対する伝熱を抑制または防止することができる。本実施形態の超音波検査装置８０によれば、超音波変換部８２の熱伝導率を、検査対象の熱伝導率よりも低くすることにより、検査対象から超音波変換部８２を介した伝熱を抑制または防止することができる。

【0036】

本実施形態の超音波検査装置８０によれば、超音波変換部８２は、金型５０の音響インピーダンスと、超音波変換部８２の音響インピーダンスとの比率が２．０±１０％である。金型５０の材料（ＳＫＤ６１）の横波音響インピーダンスと、超音波変換部８２の材料の横波音響インピーダンスとに好適な差を設けることにより、金型５０と超音波変換部８２との界面での横波超音波の透過と反射とのバランスを良好にでき、超音波検査装置８０による反射波の検出精度を高くすることができる。

【0037】

本実施形態の超音波検査装置８０によれば、超音波変換部８２の熱膨張係数は、金型５０の熱膨張係数よりも小さくされている。したがって、金型５０からの伝熱による超音波変換部８２の変形を抑制または防止することができ、超音波検査装置８０による反射波の検出精度を高くすることができる。

【0038】

本実施形態の超音波検査装置８０によれば、超音波変換部８２は、Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ合金製である。公知の材料を用いた簡易な方法により超音波変換部８２を作製することができる。

【0039】

本実施形態の超音波検査装置８０によれば、検査対象は、成形品を形成するための内部空間ＣＶを有する金型５０と、内部空間ＣＶに流入される成形材料５４とを含む。したがって、ダイカストマシンや射出成形機などの成形機に用いられる金型５０内の成形材料５４に関する情報を取得することできる超音波検査装置８０を得ることできる。

【0040】

Ｂ．他の実施形態：
（Ｂ１）上記第１実施形態では、（１）熱伝導率、（２）熱膨張係数、（３）検査対象と超音波変換部８２との界面での横波超音波の透過と反射とのバランス、のすべての条件を満たす材料として６４チタンを超音波変換部８２の材料として選定する例を示した。これに対して、すべての条件を満たす材料には限らず、少なくとも（１）熱伝導率が検査対象などよりも低い材料であればよい。図３の例では、例えば、ＳＫＤ６１よりも熱伝導率が低いＳＵＳ３０４が選定されてもよい。また、上記（１）から（３）の条件に加えて、（４）超音波変換部８２における超音波の伝播特性が良好であることが考慮されてもよい。超音波の伝播特性が良好な材料としては、例えば、超音波の減衰率が引く材料を用いることができる。

【0041】

本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

【符号の説明】

【0042】

５０…金型、５２…離型剤、５４…成形材料、８０…超音波検査装置、８１…接着層、８２…超音波変換部、８４…縦波超音波センサ、８６…高速ＡＤ変換器、９０…制御装置、９２…伝播時間演算部、９４…情報取得部、１００…超音波検査システム、ＣＶ…内部空間、Ｅ１…外壁、Ｅ２…内壁、Ｓ１…入力面、Ｓ２…出力面、Ｓ３…変換面、ＳＢ…底面、ＳＴ…上面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】