特許 7264770 超音波検査システム及び超音波検査方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-04-17

(45)【発行日】2023-04-25

(54)【発明の名称】超音波検査システム及び超音波検査方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 29/265 20060101AFI20230418BHJP

   G01N 29/40 20060101ALI20230418BHJP

   G01N 29/48 20060101ALI20230418BHJP

【ＦＩ】

G01N29/265

G01N29/40

G01N29/48

【請求項の数】 26

(21)【出願番号】P 2019155807

(22)【出願日】2019-08-28

(65)【公開番号】P2021032810

(43)【公開日】2021-03-01

【審査請求日】2021-11-16

(73)【特許権者】

【識別番号】000233044

【氏名又は名称】株式会社日立パワーソリューションズ

(74)【代理人】

【識別番号】110001807

【氏名又は名称】弁理士法人磯野国際特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 睦三

【審査官】村田 顕一郎

(56)【参考文献】

【文献】特開２００９－０９７９４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／０２１６１５８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１２－０１３３４７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２９／００－２９／５２

Ｇ０１Ｂ １７／００－１７／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

気体を介して被検査体へ超音波ビームを入射することにより前記被検査体の検査を行う超音波検査システムであって、
前記超音波ビームを放出する送信プローブを備え、
前記被検査体に関して前記送信プローブの反対側に設置された受信プローブを備え、
ｘ軸及びｙ軸によって形成されるｘｙ平面が前記被検査体の底面に対して略水平となっている状態で、前記送信プローブと前記受信プローブはｘ軸方向又はｙ軸方向に走査を行い、
前記ｘ軸と前記ｙ軸によって形成される前記ｘｙ平面に対して送信音軸が垂直となるように前記送信プローブが配置され、
前記送信プローブの前記送信音軸と前記受信プローブの受信音軸との偏心距離をゼロよりも大きな距離に調整する距離調整部
を備え、
前記送信プローブと前記受信プローブとは、前記偏心距離を保ちながら走査する
ことを特徴とする超音波検査システム。

【請求項2】

請求項１に記載の超音波検査システムであって、
前記距離調整部は、
前記受信プローブで検出される受信信号強度が、前記被検査体の健全部における信号強度よりも、欠陥部における信号強度の方が大きくなるように前記偏心距離を設定する
ことを特徴とする超音波検査システム。

【請求項3】

請求項１に記載の超音波検査システムであって、
前記距離調整部は、
前記被検査体の健全部では有意の受信信号が出ないように前記偏心距離を設定する
ことを特徴とする超音波検査システム。

【請求項4】

請求項１に記載の超音波検査システムであって、
前記受信プローブの焦点距離は、前記送信プローブの焦点距離よりも長い
ことを特徴とする超音波検査システム。

【請求項5】

請求項１に記載の超音波検査システムであって、
前記受信プローブのビーム入射面積は、前記送信プローブのビーム入射面積よりも大きい
ことを特徴とする超音波検査システム。

【請求項6】

請求項１に記載の超音波検査システムであって、
前記送信プローブの送信音軸と前記受信プローブの受信音軸とがなす角が、ゼロよりも大きく、かつ、９０°未満となるよう前記送信プローブ及び前記受信プローブの少なくとも一方を調整して設定する設置角度調整部
を備えることを特徴とする超音波検査システム。

【請求項7】

請求項１に記載の超音波検査システムであって、
前記受信プローブが、複数の前記受信プローブで構成される
ことを特徴とする超音波検査システム。

【請求項8】

請求項７に記載の超音波検査システムであって、
複数の前記受信プローブそれぞれの出力が信号処理部を経由して入力され、複数の前記受信プローブのうち、どの前記受信プローブで欠陥部からの散乱波を検知したかを判定する欠陥情報判定部
を備えることを特徴とする超音波検査システム。

【請求項9】

請求項７に記載の超音波検査システムであって、
複数の前記受信プローブは、前記送信プローブの音軸を中心として放射状に配置される
ことを特徴とする超音波検査システム。

【請求項10】

請求項７に記載の超音波検査システムであって、
複数の前記受信プローブは、前記送信プローブの音軸に関して、両側に配置される
ことを特徴とする超音波検査システム。

【請求項11】

請求項１に記載の超音波検査システムであって、
前記受信プローブの振動子の形状は、前記偏心距離の方向の特性長さが、それに直交する方向の特性長さよりも長い
ことを特徴とする超音波検査システム。

【請求項12】

超音波検査部と、前記超音波検査部を制御する制御部と、を有し、気体を介して被検査体へ超音波ビームを入射することにより前記被検査体の検査を行う超音波検査システムにおいて、
前記超音波検査部は、
超音波ビームを放出する送信プローブと、
前記被検査体に関して前記送信プローブの反対側に設置される受信プローブと、
を備え、
ｘ軸及びｙ軸によって形成されるｘｙ平面が前記被検査体の底面に対して略水平となっている状態で、前記送信プローブと前記受信プローブはｘ軸方向又はｙ軸方向に走査を行い、
前記ｘ軸と前記ｙ軸によって形成される前記ｘｙ平面に対して送信音軸が垂直となるように前記送信プローブが配置され、
前記送信プローブの前記送信音軸と、前記受信プローブの受信音軸との偏心距離をゼロよりも大きな距離に調整する距離調整部と、
を備え、
前記制御部は、
前記送信プローブから超音波ビームを放出する超音波ビーム放出ステップと、
前記受信プローブにおいて、前記被検査体の欠陥部で散乱した散乱波を受信する散乱波受信ステップと、
受信した散乱波の信号を基に、信号強度データを生成する波形解析ステップと、
を実行し、
前記送信プローブと前記受信プローブとは、前記偏心距離を保ちながら走査する
ことを特徴とする超音波検査方法。

【請求項13】

請求項１２に記載の超音波検査方法であって、
前記波形解析ステップで生成された前記信号強度データが、予め設定されている閾値以上か否かを判定することで、前記欠陥部の有無を判定する欠陥部判定ステップ
を実行することを特徴とする超音波検査方法。

【請求項14】

気体を介して被検査体へ超音波ビームを入射することにより前記被検査体の検査を行う超音波検査システムであって、
前記超音波ビームを放出する送信プローブを備え、
前記被検査体に関して前記送信プローブの反対側に設置された受信プローブを備え、
前記送信プローブの送信音軸と前記受信プローブの受信音軸との偏心距離をゼロよりも大きな距離に調整する距離調整部を備え、
前記受信プローブの焦点距離は、前記送信プローブの焦点距離よりも長い
ことを特徴とする超音波検査システム。

【請求項15】

請求項１４に記載の超音波検査システムであって、
前記距離調整部は、
前記受信プローブで検出される受信信号強度が、前記被検査体の健全部における信号強度よりも、欠陥部における信号強度の方が大きくなるように前記偏心距離を設定する
ことを特徴とする超音波検査システム。

【請求項16】

請求項１４に記載の超音波検査システムであって、
前記距離調整部は、
前記被検査体の健全部では有意の受信信号が出ないように前記偏心距離を設定する
ことを特徴とする超音波検査システム。

【請求項17】

請求項１４に記載の超音波検査システムであって、
前記受信プローブは、非収束型プローブである
ことを特徴とする超音波検査システム。

【請求項18】

請求項１４に記載の超音波検査システムであって、
前記送信プローブの送信音軸と前記受信プローブの受信音軸とがなす角が、ゼロよりも大きく、かつ、９０°未満となるよう前記送信プローブ及び前記受信プローブの少なくとも一方を調整して設定する設置角度調整部
を備えることを特徴とする超音波検査システム。

【請求項19】

請求項１４に記載の超音波検査システムであって、
前記受信プローブが、複数の前記受信プローブで構成される
ことを特徴とする超音波検査システム。

【請求項20】

気体を介して被検査体へ超音波ビームを入射することにより前記被検査体の検査を行う超音波検査システムであって、
前記超音波ビームを放出する送信プローブを備え、
前記被検査体に関して前記送信プローブの反対側に設置された受信プローブを備え、
前記送信プローブの送信音軸と前記受信プローブの受信音軸との偏心距離をゼロよりも大きな距離に調整する距離調整部
を備え、
前記受信プローブのビーム入射面積は、前記送信プローブのビーム入射面積よりも大きい
ことを特徴とする超音波検査システム。

【請求項21】

気体を介して被検査体へ超音波ビームを入射することにより前記被検査体の検査を行う超音波検査システムであって、
前記超音波ビームを放出する送信プローブを備え、
前記被検査体に関して前記送信プローブの反対側に設置された受信プローブを備え、
前記送信プローブの送信音軸と前記受信プローブの受信音軸との偏心距離をゼロよりも大きな距離に調整する距離調整部
を備え、
前記受信プローブが、複数の前記受信プローブで構成され、
複数の前記受信プローブそれぞれの出力が信号処理部を経由して入力され、複数の前記受信プローブのうち、どの前記受信プローブで欠陥部からの散乱波を検知したかを判定する欠陥情報判定部
を備えることを特徴とする超音波検査システム。

【請求項22】

気体を介して被検査体へ超音波ビームを入射することにより前記被検査体の検査を行う超音波検査システムであって、
前記超音波ビームを放出する送信プローブを備え、
前記被検査体に関して前記送信プローブの反対側に設置された受信プローブを備え、
前記送信プローブの送信音軸と前記受信プローブの受信音軸との偏心距離をゼロよりも大きな距離に調整する距離調整部
を備え、
前記受信プローブが、複数の前記受信プローブで構成され、
複数の前記受信プローブは、前記送信プローブの音軸を中心として放射状に配置される
ことを特徴とする超音波検査システム。

【請求項23】

気体を介して被検査体へ超音波ビームを入射することにより前記被検査体の検査を行う超音波検査システムであって、
前記超音波ビームを放出する送信プローブを備え、
前記被検査体に関して前記送信プローブの反対側に設置された受信プローブを備え、
前記送信プローブの送信音軸と前記受信プローブの受信音軸との偏心距離をゼロよりも大きな距離に調整する距離調整部
を備え、
前記受信プローブが、複数の前記受信プローブで構成され、
複数の前記受信プローブは、前記送信プローブの音軸に関して、両側に配置される
ことを特徴とする超音波検査システム。

【請求項24】

気体を介して被検査体へ超音波ビームを入射することにより前記被検査体の検査を行う超音波検査システムであって、
前記超音波ビームを放出する送信プローブを備え、
前記被検査体に関して前記送信プローブの反対側に設置された受信プローブを備え、
前記送信プローブの送信音軸と前記受信プローブの受信音軸との偏心距離をゼロよりも大きな距離に調整する距離調整部
を備え、
前記受信プローブの振動子の形状は、前記偏心距離の方向の特性長さが、それに直交する方向の特性長さよりも長い
ことを特徴とする超音波検査システム。

【請求項25】

超音波検査部と、前記超音波検査部を制御する制御部と、を有し、気体を介して被検査体へ超音波ビームを入射することにより前記被検査体の検査を行う超音波検査システムにおいて、
前記超音波検査部は、
超音波ビームを放出する送信プローブと、
前記被検査体に関して前記送信プローブの反対側に設置される受信プローブと、
を備え、
前記送信プローブの送信音軸と、前記受信プローブの受信音軸との距離をゼロよりも大きな距離に調整する距離調整部と、
を備え、
前記受信プローブの焦点距離は、前記送信プローブの焦点距離よりも長く設定されており、
前記制御部は、
前記送信プローブから超音波ビームを放出する超音波ビーム放出ステップと、
前記受信プローブにおいて、前記被検査体の欠陥部で散乱した散乱波を受信する散乱波受信ステップと、
受信した散乱波の信号を基に、信号強度データを生成する波形解析ステップと、
を実行することを特徴とする超音波検査方法。

【請求項26】

超音波検査部と、前記超音波検査部を制御する制御部と、を有し、気体を介して被検査体へ超音波ビームを入射することにより前記被検査体の検査を行う超音波検査システムにおいて、
前記超音波検査部は、
超音波ビームを放出する送信プローブと、
前記被検査体に関して前記送信プローブの反対側に設置される受信プローブと、
を備え、
前記送信プローブの送信音軸と、前記受信プローブの受信音軸との距離をゼロよりも大きな距離に調整する距離調整部と、
を備え、
前記制御部は、
前記送信プローブから超音波ビームを放出する超音波ビーム放出ステップと、
前記受信プローブにおいて、前記被検査体の欠陥部で散乱した散乱波を受信する散乱波受信ステップと、
受信した散乱波の信号を基に、信号強度データを生成する波形解析ステップと、
前記波形解析ステップで生成された前記信号強度データが、予め設定されている閾値以上か否かを判定することで、前記欠陥部の有無を判定する欠陥部判定ステップと、
を実行することを特徴とする超音波検査方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、超音波で欠陥部を探索する超音波検査システム及び超音波検査方法の技術に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば超音波ビームの照射により、音響インピーダンスの違いによる超音波の反射特性を利用することで、被検査体の内部に存在する欠陥部を検出できる。

【0003】

また、超音波の透過特性を用いて被検査体の内部に存在する欠陥部を検出することもできる。例えば、被検査体の内部に空気等音響インピーダンスが小さな欠陥部（空洞等）がある場合、被検査体の内部で音響インピーダンスのギャップが生じるため、超音波ビームの透過量が小さくなる。したがって、超音波ビームの透過量を計測することで、被検査体内部の欠陥部を検出することができる。

【0004】

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、「被検体の表面に平行な平面方向に超音波探触子を走査させながら前記超音波探触子から前記被検体に向けて超音波を送出し、前記被検体から戻ってくる反射エコー波を前記超音波探触子で受信し、前記反射エコー波に係る信号をデジタル波形データに変換し、前記デジタル波形データを演算処理手段に送り、当該演算処理手段で演算処理を行って前記被検体の内部欠陥を検査する超音波検査装置において、前記演算処理手段は、前記被検体から戻ってくる前記反射エコー波が複数であってかつ相互に干渉するとき、干渉した複数の前記反射エコー波に係る受信波形の周波数領域での波形特性で生じる変化部位を抽出する抽出手段と、抽出された前記変化部位に基づき前記内部欠陥に係る画像を作成する画像作成手段と、を備え、前記抽出手段は、前記受信波形に係るデータをフーリエ変換処理してパワースペクトルを算出する変換処理手段と、前記フーリエ変換処理により算出されたパワースペクトル上でパワースペクトル値が低下している少なくとも１つのディップ周波数を計算する演算手段と、前記ディップ周波数に対して帯域を設定する帯域設定手段と、を備え、作成された前記画像に基づいて前記内部欠陥を検査することを特徴とする」超音波検査装置及び超音波検査方法が開示されている（請求項１参照）。

【0005】

特許文献１に記載の手法は水浸法と呼ばれ、被検査体を水中に浸す必要がある。水浸法を用いる理由は、超音波ビームの減衰をできるだけ防ぐためである。

【0006】

しかしながら、水浸法では、水への接触を嫌う被検査体の検査を行うことができない等、被検査体に大きな制約が発生する。このため、被検査体を空気中に設置した状態で、送信プローブ及び受信プローブを被検査体に対して非接触で配置して検査する方法が求められている。

【0007】

一方、空気を経由して超音波ビームが非検査体に入射すると、受信信号が極めて微弱になるという課題がある。例えば、特許文献２には、「連続する所定個数の負の矩形波からなる矩形波バースト信号（ａ）を被検体（１１）に空気（４６）を介して対向配設された送信超音波探触子（１２）に印加する。被検体に空気を介して対向配設され受信超音波探触子（１３）で被検体を伝搬した超音波を透過波信号（ｂ）に変換する。この透過波信号の信号レベルに基づき被検体の欠陥の有無を判定する。また、送信超音波探触子及び受信超音波探触子は、振動子（４２）及び当該振動子の超音波の送受信側に取付られた前面板（４５）の音響インピーダンスを、被検体に当接して使用する接触型超音波探触子に比較して低く設定している」空中超音波探傷システムが開示されている（要約参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【文献】特許第５０７５８５０号明細書

【文献】特開２００８－１２８９６５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

ところで、発明者らが検討したところ、特許文献２に記載の技術には、微小な欠陥部を検出しにくいという課題が存在することがわかった。

【0010】

このような背景に鑑みて本発明がなされたのであり、本発明は、欠陥部の検出精度を向上させることを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

前記した課題を解決するため、本発明は、気体を介して被検査体へ超音波ビームを入射することにより前記被検査体の検査を行う超音波検査システムであって、前記超音波ビームを放出する送信プローブを備え、前記被検査体に関して前記送信プローブの反対側に設置された受信プローブを備え、ｘ軸及びｙ軸によって形成されるｘｙ平面が前記被検査体の底面に対して略水平となっている状態で、前記送信プローブと前記受信プローブはｘ軸方向又はｙ軸方向に走査を行い、前記ｘ軸と前記ｙ軸によって形成される前記ｘｙ平面に対して送信音軸が垂直となるように前記送信プローブが配置され、前記送信プローブの前記送信音軸と前記受信プローブの受信音軸との偏心距離をゼロよりも大きな距離に調整する距離調整部を備え、前記送信プローブと前記受信プローブとは、前記偏心距離を保ちながら走査することを特徴とする。
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。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、欠陥部の検出精度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】第１実施形態の超音波検査システムの構成を示す図である。

【図2A】送信音軸、受信音軸、偏心距離の説明をする図（その１）である。

【図2B】送信音軸、受信音軸、偏心距離の説明をする図（その２）である。

【図3】制御装置の機能ブロック図である。

【図4】送信プローブの構造を示す断面模式図である。

【図5A】受信プローブからの受信波形を示す図（その１）である。

【図5B】受信プローブからの受信波形を示す図（その２）である。

【図6】信号強度データのプロットの例を示す図である。

【図7A】本実施形態における超音波ビームの伝搬経路を模式的に示した図（その１）である。

【図7B】本実施形態における超音波ビームの伝搬経路を模式的に示した図（その２）である。

【図8A】これまでの超音波検査法での超音波ビームの伝搬経路を模式的に示した図（その１）である。

【図8B】これまでの超音波検査法での超音波ビームの伝搬経路を模式的に示した図（その２）である。

【図9】これまでの超音波検査法での信号強度データのプロットを示す図である。

【図10A】被検査体内での欠陥部と超音波ビームとの相互作用を模式的に示した図（その１）である。

【図10B】被検査体内での欠陥部と超音波ビームとの相互作用を模式的に示した図（その２）である。

【図11】第２実施形態に係る超音波検査装置における送信プローブと、受信プローブの関係を示す図である。

【図12】送信プローブにおけるビーム入射面積及び受信プローブにおけるビーム入射面積の関係を模式的に示す図である。

【図13】第３実施形態に係る受信プローブの例を示す図である。

【図14】第４実施形態に係る超音波検査装置の構成を示す図である。

【図15】第４実施形態による効果が生じる理由を説明する模式図である。

【図16】第５実施形態に係る超音波検査装置の構成を示す模式図である。

【図17】第５実施形態に係る超音波検査装置の機能ブロック図である。

【図18】第６実施形態における受信プローブの配置を示す図である。

【図19】第７実施形態における受信プローブの配置を示す図（その１）である。

【図20】第７実施形態における受信プローブの配置を示す図（その２）である。

【図21】超音波検査装置による処理手順を示すフローチャートである。

【図22】制御装置のハードウェア構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、図面を参照しながら本発明を実施するための形態（実施形態と称する）を説明する。ただし、本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。

【0015】

［第１実施形態］
（超音波検査装置１）
図１は、第１実施形態の超音波検査システムＺの構成を示す図である。
図１に示すように、超音波検査システムＺは、超音波検査装置１、表示装置３が接続されている制御装置２を有する。図１において、超音波検査装置１は、断面模式図で示している。
超音波検査装置１は、気体を介した被検査体Ｅへの超音波ビームＵの入射により被検査体Ｅの検査を行うものである。つまり、筐体１０１の内部は空洞となっている。図１には、紙面直交方向としてｘ軸、紙面左右方向としてｙ軸、紙面上下方向としてｚ軸を含む直交３軸の座標系を示している。

【0016】

超音波検査装置１は、筐体１０１に固定された試料台１０２を備え、試料台１０２には被検査体Ｅが載置される。被検査体Ｅは、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Ｅは例えば固体材料であり、より具体には例えば金属、ガラス、樹脂材料、あるいはＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック、Carbon-Fiber Reinforced Plastics）等の複合材料等である。また、図１の例において、被検査体Ｅは内部に欠陥部Ｄを有している。欠陥部Ｄは、空洞等である。被検査体Ｅにおいて、欠陥部Ｄ以外の部分を健全部Ｎと称する。

【0017】

超音波検査装置１は、探触子Ｐ（図４参照）を備える送信プローブ１１０と、受信プローブ１２０とを有する。受信プローブ１２０は、被検査体Ｅに関して送信プローブ１１０とは反対側に配置され、送信プローブ１１０から放出された超音波ビームＵを受信する。具体的には、超音波検査装置１は、送信プローブ走査部１０３を介して筐体１０１に設置されている送信プローブ１１０を備える。

【0018】

ここで、「送信プローブ１１０の反対側」とは、被検査体Ｅにより区切られる２つの空間のうち、送信プローブ１１０が位置する空間と反対側（ｚ軸方向において反対側）の空間という意味であり、ｘ、ｙ座標が同一の反対側（つまり、ｘｙ平面に関して面対称の位置）という意味ではない。図１に示す通り、送信音軸ＡＸ１と、受信音軸ＡＸ２とが、偏心距離Ｌだけずれるよう、送信プローブ１１０及び受信プローブ１２０が設置される。なお、送信音軸ＡＸ１、受信音軸ＡＸ２、偏心距離Ｌについては後記する。

【0019】

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

【0020】

筐体１０１に設置されている受信プローブ走査部１０４には、偏心距離調整部１０５が備えられている。そして、偏心距離調整部１０５には受信プローブ１２０が備えられている。偏心距離調整部１０５により、受信音軸ＡＸ２と、送信音軸ＡＸ１とのずれが偏心距離Ｌになるように設定する。
本実施形態では、偏心距離調整部１０５を受信プローブ走査部１０４側に設けたが、偏心距離調整部１０５を送信プローブ走査部１０３側に設けてもよい。

【0021】

また、超音波検査装置１には、制御装置２が接続されている。制御装置２は、送信プローブ走査部１０３及び受信プローブ走査部１０４に指示することで、送信プローブ１１０及び受信プローブ１２０の移動（走査）を制御する。送信プローブ走査部１０３及び受信プローブ走査部１０４がｘ軸及びｙ軸方向に同期して移動することにより、送信プローブ１１０及び受信プローブ１２０は被検査体Ｅをｘ軸及びｙ軸方向に走査する。さらに、制御装置２は、送信プローブ１１０から超音波ビームＵを発射し、受信プローブ１２０から取得した信号に基づいて波形解析を行う。

【0022】

なお、本実施形態では、被検査体Ｅが試料台１０２を介して筐体１０１に固定された状態、つまり、被検査体Ｅは筐体１０１に対し固定された状態で、送信プローブ１１０と受信プローブ１２０とを走査する例を示している。これとは逆に、送信プローブ１１０と受信プローブ１２０とが筐体１０１に対して固定され、被検査体Ｅが移動することで、走査が行われる構成としてもよい。

【0023】

送信プローブ１１０と被検査体Ｅとの間、及び受信プローブ１２０と被検査体Ｅ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１は、送信プローブ１１０及び受信プローブ１２０のいずれも被検査体Ｅに接触しない、非接触型の超音波検査装置１である。

【0024】

送信プローブ１１０は、収束型の送信プローブ１１０である。一方で、受信プローブ１２０は、収束性が送信プローブ１１０よりも緩いプローブを用いる。本実施形態では、受信プローブ１２０には探触子面が平面である非収束型のプローブを用いている。このような、非収束型の受信プローブ１２０を用いることで、幅広い範囲について欠陥部Ｄの情報を収集することができる。

【0025】

本実施形態では、送信プローブ１１０に対して、図１のｙ軸方向に偏心距離Ｌだけ受信プローブ１２０がずらされて配置されているが、図１のｘ軸方向にずらされた状態で受信プローブ１２０が配置されてもよい。あるいは、ｘ軸方向にＬ１、ｙ軸方向にＬ２（すなわち、送信プローブ１１０のｘｙ平面での位置を原点とすると、（Ｌ１，Ｌ２）の位置）に受信プローブ１２０が配置されてもよい。

【0026】

（偏心距離Ｌの定義）
図２Ａ及び図２Ｂは、送信音軸ＡＸ１、受信音軸ＡＸ２、偏心距離Ｌの説明をする図である。
音軸とは、超音波ビームＵの中心軸と定義される。ここで、送信音軸ＡＸ１は、送信プローブ１１０が放出する超音波ビームＵの伝搬経路の音軸と定義される。言い換えると、送信音軸ＡＸ１は、送信プローブ１１０が放出する超音波ビームＵの伝搬経路の中心軸である。
また、受信音軸ＡＸ２は、受信プローブ１２０が超音波ビームＵを放出すると想定した場合の仮想超音波ビームの伝搬経路の音軸と定義される。言い換えると、受信音軸ＡＸ２は、受信プローブ１２０が超音波ビームＵを放出すると想定した場合の仮想超音波ビームの中心軸である。
さらに、送信音軸ＡＸ１は、図２Ｂに示すように、被検査体Ｅの界面による屈折を含めることとする。つまり、図２Ｂに示すように、送信プローブ１１０から放出された超音波ビームＵが、被検査体Ｅの界面で屈折する場合は、その超音波ビームＵの伝搬経路の中心（音軸）が送信音軸ＡＸ１となる。

【0027】

偏心距離Ｌとは、送信音軸ＡＸ１と、受信音軸ＡＸ２とのずれの距離で定義される。従って、図２Ｂに示すように、送信プローブ１１０から放出された超音波ビームＵが屈折する場合、偏心距離Ｌは、屈折している送信音軸ＡＸ１と、受信音軸ＡＸ２とのずれの距離で定義される。本実施形態の超音波検査システムＺは、このように定義される偏心距離Ｌが、ゼロより大きな距離となるよう、偏心距離調整部１０５によって送信プローブ１１０及び受信プローブ１２０が調整される。

【0028】

図２Ａは、送信プローブ１１０を被検査体Ｅの表面における法線方向に配置した場合を示す図である。
ここで、図２Ａ及び図２Ｂにおいて、送信音軸ＡＸ１を実線の矢印で示している。また、受信音軸ＡＸ２を一点鎖線の矢印で示している。なお、図２Ａ及び図２Ｂにおいて、破線で示す受信プローブ１２０Ａの位置が、偏心距離Ｌがゼロの位置である。また、実線で示す受信プローブ１２０は偏心距離Ｌの位置に配置されている受信プローブ１２０である。
図２Ａに示す例のように、送信音軸ＡＸ１が水平面（図１のｘｙ平面）に対して垂直になるよう、送信プローブ１１０が設置される場合、超音波ビームＵの伝搬経路は屈折しない。つまり、送信音軸ＡＸ１は屈折しない。

【0029】

図２Ｂは、送信プローブ１１０を被検査体Ｅの表面における法線方向から角度αだけ傾けて配置した場合を示す図である。
図２Ｂでも図２Ａと同様、送信音軸ＡＸ１を実線の矢印で示し、受信音軸ＡＸ２を一点鎖線の矢印で示している。図２Ｂに示す例の場合、前記したように、被検査体Ｅと空気との界面で、超音波ビームＵの伝搬経路が屈折する。そのため、送信音軸ＡＸ１は、図２Ｂの実線矢印で示すように折れ曲がる（屈折する）。この場合、破線で示した受信プローブ１２０Ａの位置は、送信音軸ＡＸ１上に位置するため偏心距離Ｌがゼロの位置である。そして、前記したように、実線で示す受信プローブ１２０の位置が、偏心距離Ｌとなる受信プローブ１２０の位置である。

【0030】

なお、図１に示す例では、送信プローブ１１０を被検査体Ｅの表面における法線方向に設置しているので、偏心距離Ｌは、図２Ａに示すようなものとなる。

【0031】

偏心距離Ｌは、被検査体Ｅの健全部Ｎでの受信信号よりも、欠陥部Ｄでの信号強度の方が大きくなるような位置に設定する。この点については後記する。

【0032】

（制御装置２）
図３は、制御装置２の機能ブロック図である。
超音波検査装置１に備えられる制御装置２は、超音波検査装置１の駆動を制御するものである。制御装置２は、送信系統２１０と、受信系統２２０と、データ処理部２０１と、スキャンコントローラ２０４と、駆動部２０２と、位置計測部２０３とを備える。

【0033】

送信系統２１０は、送信プローブ１１０への印加電圧を生成する系統である。送信系統２１０は、波形発生器２１１及び出力アンプ２１２を備える。波形発生器２１１でバースト波信号が発生する。そして、発生したバースト波信号は出力アンプ２１２で増幅される。出力アンプ２１２から出力された電圧は送信プローブ１１０に印加される。

【0034】

受信系統２２０は、受信プローブ１２０から出力される受信信号を検出する系統である。受信プローブ１２０から出力された信号は、信号アンプ２２２に入力されて増幅される。増幅された信号は、波形解析部２２１に入力される。
波形解析部２２１は、受信信号から後記する信号強度データ（図６参照）を生成する。生成された信号強度データはデータ処理部２０１に送られる。

【0035】

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

【0036】

スキャンコントローラ２０４は、図１に示す送信プローブ走査部１０３及び受信プローブ１０４を駆動制御する。送信プローブ走査部１０３及び受信プローブ１０４の駆動制御は、駆動部２０２を通じて行われる。また、スキャンコントローラ２０４は、位置計測部２０３を介して、送信プローブ１１０及び受信プローブ１２０の位置情報を計測する。

【0037】

ここで、データ処理部２０１は、スキャンコントローラ２０４から受け取る送信プローブ１１０及び受信プローブ１２０の位置情報を基にして、それぞれの位置での信号強度データをプロットして画像化し、表示装置３に表示する。
後記するように、本実施形態では、欠陥部Ｄで取得した信号強度データは、健全部の信号強度データよりも大きい。したがって、送信プローブ１１０の(ｘ，ｙ)走査位置に対して信号強度データをプロットすると、(ｘ，ｙ)位置のどこに欠陥があるかを示す画像が取得できる。この欠陥位置を示す画像を表示装置３が表示する。

【0038】

（送信プローブ１１０の構造）
図４は、送信プローブ１１０の構造を示す断面模式図である。
図４では、簡略化のために、放出される超音波ビームＵの外郭のみを図示しているが、実際には、探触子面１１４の全域にわたり、探触子面１１４の法線ベクトル方向に多数の超音波ビームＵが放出される。

【0039】

送信プローブ１１０は、超音波ビームＵを収束するように構成される。これにより、被検査体Ｅ中の微小な欠陥部Ｄを高精度に検出できる。微小な欠陥部Ｄを検出できる理由は後記する。送信プローブ１１０は、送信プローブ筐体１１５を備え、送信プローブ筐体１１５の内部に探触子Ｐを備える。探触子Ｐは、バッキング１１２と、振動子１１１と、整合層１１３とを備える。探触子Ｐは、リード線１１８により、コネクタ１１６に接続されている。さらに、コネクタ１１６はリード線１１７により電源装置（図示しない）及び制御装置２に接続される。

【0040】

（受信波形）
図５Ａ及び図５Ｂは、受信プローブ１２０からの受信波形を示す図である。図５Ａは被検査体Ｅの健全部Ｎ、すなわち欠陥部Ｄが無い部分での受信波形を示す図である。図５Ｂは被検査体Ｅ内に設けられた幅２ｍｍ幅の空洞（欠陥部Ｄ）のｘｙ座標位置に送信プローブ１１０を配置した時の受信信号である。なお、図５Ａ及び図５Ｂにおいて、時間はバースト波が送信プローブ１１０に印加されてからの経過時間を示している。

【0041】

図５Ａ及び図５Ｂでは、被検査体Ｅとして厚さ２ｍｍのステンレス板を用いた。送信プローブ１１０には周波数８００ＫＨｚのバースト波を印加した。より具体的には、１０波の正弦波で構成されるバースト波を一定周期で被検査体Ｅに印加した。

【0042】

図５Ａでは、有意な信号は観測されていないが、図５Ｂでは、バースト波が送信プローブ１１０に印加されてから９０マイクロ秒後に有意な信号が観測されている。この有意な信号が観測されるまでの９０マイクロ秒の遅れは、受信プローブ１２０に散乱波Ｕ１が到達するのに要する時間である。具体的には、空中の音速が３４０（ｍ／ｓ）であるのに対し、ステンレス中では６０００（ｍ／ｓ）程度である。

【0043】

図６は、幅２ｍｍの欠陥部Ｄに対し、送信プローブ１１０と受信プローブ１２０とをｘ軸方向に走査し、ｘ軸位置での受信信号（図５Ｂに示す受信信号）から抽出した信号強度データをプロットしたものである。
本実施形態では、信号強度データの抽出方法は、図５Ｂに示す受信信号のＰｅａｋ Ｔｏ Ｐｅａｋ値、すなわち、適切な時間領域での最大値と最小値の差を抽出した。
信号強度データの抽出方法の他の例として、図５Ｂに示す受信信号が、短時間フーリエ変換などの信号処理により周波数成分に変換され、適切な周波数成分の強度が抽出されてもよい。さらには、信号強度データとして、適切な参照波を基準として、相関関数が計算されてもよい。
このようにして信号強度データが、送信プローブ１１０の各走査位置に対応して取得される。
図６に示した信号強度データのプロットにおいて、幅２ｍｍ幅の空洞は、図６の符号Ｄ１に対応する。
被検査体Ｅの健全部Ｎ（符号Ｄ１以外の部分）ではノイズレベルの信号であるのに対し、内部に欠陥部Ｄがある位置（符号Ｄ１）では、受信信号が有意に大きくなっていることがわかる。

【0044】

このように偏心距離調整部１０５は、受信プローブ１２０で検出される受信信号強度が、被検査体Ｅの健全部Ｎにおける信号強度よりも、欠陥部Ｄにおける信号強度の方が大きくなるように偏心距離Ｌを設定する。
偏心距離調整部１０５は、被検査体Ｅの健全部Ｎでは有意の受信信号が出ないように偏心距離Ｌを設定すると、さらに好ましい。

【0045】

送信プローブ１１０をｘ軸方向のみの１次元で走査した場合は、表示装置３には図６に示す信号強度データのグラフ（信号強度グラフＧ）が表示される。送信プローブ１１０の走査方向がｘ，ｙの２次元の場合については、信号強度データをプロットすることで、欠陥位置が２次元画像として示され、それが表示装置３に表示される。

【0046】

図７Ａ及び図７Ｂは、本実施形態における超音波ビームＵの伝搬経路を模式的に示した図である。図７Ａは、健全部Ｎに超音波ビームＵが入射した場合を示し、図７Ｂは、内部に空洞を有する欠陥部Ｄに超音波ビームＵが入射された場合を示す。
図７Ａ及び図７Ｂに示されるように、送信プローブ１１０から放出された超音波ビームＵは被検査体Ｅに入射する。図７Ａに示すように、健全部Ｎに超音波ビームＵが入射した場合、超音波ビームＵは送信音軸ＡＸ１の中心付近を通過する。そのため、偏心距離Ｌを保って配置されている受信プローブ１２０では受信信号が観測されない。これに対し、図７Ｂに示すように、欠陥部Ｄに超音波ビームＵが入射された場合、欠陥部Ｄで超音波ビームＵが散乱され、その散乱波Ｕ１が偏心設置された受信プローブ１２０で受信される。そのため、受信信号が観測される。

【0047】

このように、本実施形態に係る超音波検査装置１では、被検査体Ｅにおける欠陥部Ｄにより散乱された散乱波Ｕ１が受信プローブ１２０で観測される。そのため、健全部Ｎでの受信信号よりも欠陥部Ｄでの受信信号の方が大きくなることが特徴である。すなわち、信号が大きな位置に欠陥部Ｄがあると判定される。

【0048】

（比較例）
ここで、比較例として、これまで行われている超音波検査の手法を説明する。
図８Ａ及び図８Ｂは、これまでの超音波検査法での超音波ビームＵの伝搬経路を模式的に示した図である。図８Ａは、健全部Ｎに超音波ビームＵが入射した場合を示し、図８Ｂは、内部に空洞を有する欠陥部Ｄに超音波ビームＵが入射された場合を示す。
これまでの超音波検査法では、例えば特許文献２に記載されているように、送信音軸ＡＸ１と受信音軸ＡＸ２とが一致するように、送信プローブ１１０及び受信プローブ１２０が配置される。
図８Ａに示すように、被検査体Ｅの健全部Ｎに超音波ビームＵが入射された場合、超音波ビームＵが被検査体Ｅを通過して受信プローブ１２０に到達する。従って、受信信号が大きくなる。一方、図８Ｂに示すように、欠陥部Ｄに超音波ビームＵが入射された場合、欠陥部Ｄにより超音波ビームＵの透過が阻止されるために受信信号が減少する。このように受信信号の減少により欠陥部Ｄを検出する。これは、特許文献２に示されている通りである。

【0049】

ここで、図８Ａ及び図８Ｂに示すように、欠陥部Ｄにおいて超音波ビームＵの透過が阻止されることによって受信信号が減少し、欠陥部Ｄを検出する方法を、ここででは「阻止法」と呼ぶことにする。一方、本実施形態のように、欠陥部Ｄでの散乱波Ｕ１を検出する検査方法を「散乱法」と呼ぶことにする。

【0050】

図９は、発明者らが、図８Ａ及び図８Ｂに示す阻止法による超音波検査法、すなわち、送信音軸ＡＸ１と受信音軸ＡＸ２を一致させた配置で、図６で用いられた被検査体Ｅと同じ欠陥部Ｄを有する被検査体Ｅを検査した信号強度グラフを示す図である。図９において、符号Ｄ１の部分が欠陥部Ｄに相当する部分である。

【0051】

図９では、欠陥部Ｄの中心位置（図９の位置「０」）で信号の減少が認められるが、その減少量は小さい。これに対し、図６に示すように、本実施形態の散乱法による構成によれば、阻止法による図９の結果と比べると、欠陥部Ｄの位置を明確に検出できることがわかる。つまり、比較例である図９に示す受信結果と、図６に示す本実施形態による手法の受信結果とを比較すると、図６に示す本実施形態による手法の方が、高いＳＮ比を得ることができていることは明らかである。
このように、実施形態の散乱法が高いＳＮ比を得られる理由について、図１０Ａ及び図１０Ｂを参照して説明する。

【0052】

図１０Ａ及び図１０Ｂは、被検査体Ｅ内での欠陥部Ｄと超音波ビームＵとの相互作用を模式的に示した図である。
ここでは、欠陥部Ｄの大きさが超音波ビームＵの幅（以下、ビーム幅ＢＷと称する）よりも小さい場合を考察する。ここでのビーム幅ＢＷとは、欠陥部Ｄに到達した時の超音波ビームＵの幅である。
図１０Ａ及び図１０Ｂは、欠陥部Ｄ近傍の微小領域での超音波ビームＵの形状を模式的示しているので超音波ビームＵを平行に描いてあるが、実際には収束させた超音波ビームＵである。
また、図１０Ａ及び図１０Ｂでの受信プローブ１２０の位置は、わかりやすく説明するために概念的な位置を記入したものであり、受信プローブ１２０の位置と形状は正確にスケールされていない。すなわち、欠陥部Ｄと超音波ビームＵとの形状の拡大スケールで考えると、図１０Ａ及び図１０Ｂに示す位置よりも離れた位置に受信プローブ１２０は位置する。
超音波ビームＵは、収束させて入射させても欠陥部Ｄ近傍ではある有限の幅を持つ。これを、欠陥部Ｄの位置でのビーム幅ＢＷとする。
ちなみに、図１０Ａ及び図１０Ｂでは、欠陥部Ｄの位置でのビーム幅ＢＷが欠陥部Ｄの大きさよりも広い場合を示している。

【0053】

図１０Ａは阻止法の場合を示す図である。欠陥部Ｄがビーム幅ＢＷよりも小さい場合、一部の超音波ビームＵは阻止されるので受信信号は減少するが、ゼロにはならない。例えば、欠陥部Ｄの幅がビーム幅ＢＷの２０％の場合、受信信号は概ね２０％の減少に止まるので、欠陥部Ｄの検出が困難である。つまり、図１０Ａに示すような場合、欠陥部Ｄが存在する箇所では、受信信号が２０％減少するにとどまる（図９参照）。

【0054】

図１０Ｂは、本実施形態の手法の場合、すなわち散乱法の場合を示す図である。散乱法では、欠陥部Ｄに超音波ビームＵが当たらない場合、超音波ビームＵは受信プローブ１２０に入射しないので、受信信号はゼロである。そして、図１０Ｂに示すように、超音波ビームＵの一部が欠陥部Ｄに当たった場合でも、散乱波Ｕ１が受信プローブ１２０で観測されるので、阻止法と比べて欠陥部Ｄの検出が容易である。つまり、欠陥部Ｄが存在しなければ受信信号はゼロとなり、微小でも欠陥部Ｄが存在すれば受信信号は非ゼロとなる。そのため、ＳＮ比を高くすることが可能になる（図６参照）。
このように、本実施形態による手法（散乱法）によれば、ビーム幅ＢＷよりも小さな欠陥部Ｄを、高精度で検出することが可能になるという効果がある。

【0055】

また、図１０Ａで示すように、阻止法では、健全部Ｎに対応する受信信号量を基準として、そこからの減少量で欠陥部Ｄを判定する。従って、健全部Ｎでの受信信号が一定値であることが必要である。
しかしながら、特に空中超音波では、水浸法の検査装置と比較して、受信プローブ１２０に到達する超音波強度が極めて小さい。そのため、受信信号は高い増幅率（ゲイン）で増幅する必要がある。このため、ゲインを一定に保つには高精度な信号増幅回路が必要になる。

【0056】

一方、本実施形態による散乱法では、図６に示すように、健全部Ｎでは信号が、ほぼゼロであり、欠陥部Ｄで信号が観測されるので、信号増幅回路のゲイン安定性への要求を小さくすることができる。ただし、図６では、オフセット値だけ信号強度の値が底上げされている。

【0057】

また、本実施形態による手法の、もう一つの特徴は、ポジ画像が得られることである。すなわち、散乱法では健全部Ｎには信号が発生しない、もしくは信号が小さく、欠陥部Ｄで信号が発生する、もしくは信号が大きくなる。つまり、欠陥部Ｄのポジ画像が得られる。これに対して、阻止法では、阻止法では健全部Ｎで信号が大きく、欠陥部Ｄで信号が減少する。つまり、欠陥部Ｄのネガ画像が得られる。

【0058】

また、これまで用いられている（阻止法の）超音波検査装置の受信プローブ１２０の位置を偏心距離Ｌだけずらすだけで、本実施形態に係る超音波検査装置１を実現することができる。つまり、これまで使用していた超音波検査装置を利用することができるので、コストを軽減することができる。

【0059】

［第２実施形態］
図１１は、第２実施形態に係る超音波検査装置１における送信プローブ１１０と、受信プローブ１２０の関係を示す図である。
第２実施形態では、送信プローブ１１０と、受信プローブ１２０の収束性の関係について説明する。
図１１に示すように、本実施形態では、受信プローブ１２０の収束性を送信プローブ１１０の収束性よりも緩くしている。
被検査体Ｅの内部における欠陥部Ｄの深さや、欠陥部Ｄの形状、傾き等により散乱波Ｕ１の伝搬経路は多少変化する。そこで、散乱波Ｕ１の経路が変化しても受信プローブ１２０が散乱波Ｕ１を検出できるように、第２実施形態では受信プローブ１２０の収束性を緩くしている。ビーム入射面積Ｔ１，Ｔ２については後記する。

【0060】

ここで、第２実施形態において収束性の大小関係は、被検査体Ｅの表面におけるビーム入射面積Ｔ１，Ｔ２の大小関係で定義される。
図１２は、送信プローブ１１０におけるビーム入射面積Ｔ１及び受信プローブ１２０におけるビーム入射面積Ｔ２の関係を模式的に示す図である。
送信プローブ１１０のビーム入射面積Ｔ１とは、送信プローブ１１０から放出された超音波ビームＵの被検査体Ｅ表面での交差面積である。また、受信プローブ１２０のビーム入射面積Ｔ２は、受信プローブ１２０から超音波ビームＵが放出された場合を想定した仮想的な超音波ビームＵ２と被検査体Ｅ表面での交差面積である。

【0061】

なお、図１２において、超音波ビームＵの経路は、被検査体Ｅがない場合における経路を示したものである。被検査体Ｅがある場合は、被検査体Ｅ表面で超音波ビームＵが屈折するため、破線で示した経路とは異なる経路を伝搬する。
ここで、図１２に示すように、本実施形態では受信プローブ１２０のビーム入射面積Ｔ２は、送信プローブ１１０のビーム入射面積Ｔ１よりも大きい。

【0062】

このように、本実施形態においては受信プローブ１２０の収束性が送信プローブ１１０の収束性よりも緩くなっている。これは、図１２からわかるように、受信プローブ１２０の焦点距離Ｒ２が、送信プローブ１１０の焦点距離Ｒ１よりも長いことを意味している。
このように、第２実施形態では、受信プローブ１２０の収束性を送信プローブ１１０の収束性よりも緩くしている。すなわち、受信プローブ１２０の焦点距離Ｒ２は、送信プローブ１１０の焦点距離Ｒ１よりも長く設定されている。この結果、受信プローブ１２０のビーム入射面積Ｔ２が広くなるため、広い範囲の散乱波Ｕ１を検出することができる。これにより、散乱波Ｕ１の伝搬経路が多少変化しても、受信プローブ１２０で散乱波Ｕ１を検出可能になる。その結果、広い範囲の欠陥部Ｄを検出できるという効果を奏する。

【0063】

なお、受信プローブ１２０として、第１実施形態で用いているような非収束型のプローブが用いられてもよい。非収束型のプローブでは焦点距離Ｒ２が無限大なので、送信プローブ１１０の焦点距離Ｒ１よりも長くなる。すなわち、非収束型の受信プローブ１２０でも、受信プローブ１２０の収束性は送信プローブ１１０の収束性よりも緩くなる。

【0064】

［第３実施形態］
図１３は、第３実施形態に係る受信プローブ１２０の例を示す図である。
図１３は第３実施形態における超音波検査装置１を、送信プローブ１１０の位置と、受信プローブ１２０の位置とをｚ軸のマイナス側から見た平面図である。つまり、受信プローブ１２０側からみた図である。本実施形態の特徴は、受信プローブ１２０の振動子１１１の縦横比「ｂ／ａ」を１より大きくしたことにある。ここで、受信プローブ１２０の偏心距離Ｌの方向に沿った受信プローブ１２０の特性長さを「ｂ」、それに直交する方向の特性長さを「ａ」とする。
ここで特性長さとは、矩形振動子に対しては、矩形の辺の長さを意味し、楕円形の振動子に対しては、楕円の長軸と短軸を意味する。

【0065】

このように受信プローブ１２０の縦横比を設定すると、欠陥部Ｄの深さ位置が変化して散乱波Ｕ１の到達位置が変化しても、散乱波Ｕ１を受信プローブ１２０で検出することができるという効果がある。

【0066】

散乱波Ｕ１は、送信音軸ＡＸ１を中心として放射方向に散乱する。従って、図１３の位置に受信プローブ１２０が配置されている場合、受信プローブ１２０の長手方向（「ｂ」の方向）に散乱波Ｕ１が散乱する。換言すると、「ｂ」の方向は、散乱波Ｕ１が放射される方向である。従って、「ｂ」の値を大きくすることで、さまざまな欠陥部Ｄで散乱した散乱波Ｕ１を検出することができる。つまり、欠陥部Ｄの深さ位置が変化して散乱波Ｕ１の到達位置が変化しても、散乱波Ｕ１を受信プローブ１２０で検出することができる。

【0067】

なお、図１３では、受信プローブ１２０として直方体（矩形状）の受信プローブ１２０を図示したが、楕円形状にして、長軸・短軸比を同様に設定しても同様の効果が得られる。

【0068】

［第４実施形態］
次に、図１４と図１５とを参照して、本発明による第４実施形態に係る超音波検査装置１ａを述べる。
第４実施形態では、受信プローブ１２０を傾斜配置する点に特徴がある。これにより、受信信号の強度を増大させることができ、信号のＳＮ比（Signal to Noise比、信号雑音比）を高めることができる。

【0069】

図１４は、第４実施形態に係る超音波検査装置１ａの構成を示す図である。
ここで、受信音軸ＡＸ２と、送信音軸ＡＸ１とがなす角を受信プローブ設置角度と定義する。図１４の場合、送信プローブ１１０は鉛直方向に設置されているので、受信プローブ設置角度は、図１４に示すθ２となる。

【0070】

つまり、第４実施形態では、受信プローブ設置角度θ２を送信音軸ＡＸ１が存在する側に傾け、受信プローブ設置角度θ２をゼロより大きな値に設定することを特徴とする。すなわち、受信プローブ１２０が傾斜配置される。具体的には、本実施形態ではθ２＝１０°に設定する例を示すが、θ２は、この角度に限らない。ただし、θ２＜９０°の条件を満たす。
また、受信プローブ１２０を傾斜配置する場合の偏心距離Ｌは以下のように定義される。受信音軸ＡＸ２と、受信プローブ１２０との交点Ｃ２を定義する。また、送信音軸ＡＸ１と、送信プローブ１１０（探触子Ｐ）との交点Ｃ１を定義する。交点Ｃ１の位置をｘｙ平面に投影した座標位置（ｘ１，ｙ１）と、交点Ｃ２の位置をｘｙ平面に投影した座標位置（ｘ２，ｙ２）との距離を偏心距離Ｌと定義する。

【0071】

このように受信プローブ１２０を傾斜配置して、発明者らが、実際に欠陥部Ｄの検出を行ったところ、受信信号の信号強度が３倍に増加した。

【0072】

図１５は、第４実施形態による効果が生じる理由を説明する模式図である。
散乱波Ｕ１は送信音軸ＡＸ１から外れた方向に伝搬する。したがって、図１５に示すように、散乱波Ｕ１は被検査体Ｅの外側に到達した際、被検査体Ｅ表面の法線ベクトルとは非ゼロの角度α２をもって被検査体－外部界面に入射する。そして、被検査体Ｅの表面から出る散乱波Ｕ１の角度は被検査体Ｅ表面の法線方向に対して非ゼロの出射角β２を有する。受信プローブ１２０の探触子面の法線ベクトルを散乱波Ｕ１の進行方向と一致させた時に最も効率よく受信できる。つまり、受信プローブ１２０を傾斜配置することで受信信号強度が増大する効果を得ることができる。

【0073】

なお、図１５に示すような構造から、被検査体Ｅから出射する超音波ビームＵの角度β２と、受信音軸ＡＸ２と、受信プローブ１２０の探触子面の法線ベクトルとの角度θ２とが一致すると、最も受信効果が高くなる。しかしながら、β２とθ２が完全に一致しない場合であっても、受信信号増大の効果が得られるので、図１５に示しているように、β２とθ２が完全に一致しなくてもよい。

【0074】

（受信プローブ設置角度調整機構）
なお、図１４に示す超音波検査装置１ａでは、受信プローブ設置角度調整部１０６が設けられており、受信プローブ設置角度調整部１０６によって受信プローブ１２０が設置されている。受信プローブ設置角度調整部１０６により、受信プローブ１２０の受信プローブ設置角度θ２を調整することが可能である。被検査体Ｅの材料や、厚み等により散乱波Ｕ１の経路は多少変化するので、受信プローブ設置角度θ２の最適値も変化する。したがって、受信プローブ設置角度調整部１０６で受信プローブ設置角度θ２が調整可能とすることにより、被検査体Ｅの材料や、厚み等に応じて受信プローブ設置角度θ２を適切に調整することができる。

【0075】

ちなみに、第４実施形態では、受信プローブ１２０が水平面に対して傾いた状態で配置されているが、送信プローブ１１０も傾いた状態で配置されてもよい。あるいは、送信プローブ１１０が水平面に対して傾いた状態で配置され、受信プローブ１２０の探触子面が水平面（ｘｙ平面）に対して並行となるよう配置されてもよい。いずれの場合も、図２Ｂに示すように、送信音軸ＡＸ１と、受信音軸ＡＸ２とは、ずらした状態で配置される。

【0076】

［第５実施形態］
図１６は、第５実施形態に係る超音波検査装置１ｂの構成を示す模式図である。
第５実施形態では、複数個の受信プローブ１２０ａ～１２０ｃを用いることが特徴である。
図１６に示す例では、複数個（図１６の例では、３つ）の受信プローブ１２０ａ～１２０ｃが設置されている。
欠陥部Ｄの深さにより、散乱波Ｕ１の経路が多少変化するので、複数個の受信プローブ１２０ａ～１２０ｃを用いて、どの位置のプローブで受信したかの情報を用いることにより、欠陥部Ｄの深さに関する情報を得ることができる。
複数の受信プローブ１２０ａ～１２０ｃとしては、複数の感音素子を一つの筐体に収納したアレイプローブが用いられてもよい。この場合、図１６の受信プローブ１２０ａ～１２０ｃがそれぞれ感音素子に対応し、それらが一つの筐体の中に収納されている。
感音素子とは、超音波を電気信号に変換する素子である。感音素子としては、圧電素子の他に、静電容量感音素子(ＣＭＵＴ,Capacitive Micro-machined Ultrasonic Transducer)等が用いられてもよい。

【0077】

（機能ブロック図）
図１７は、第５実施形態に係る超音波検査装置１ｂの機能ブロック図である。
複数個の受信プローブ１２０ａ～１２０ｃは、それぞれに対応する受信系統２２０ａ～２２０ｃに接続される。それぞれの受信系統２２０ａ～２２０ｃの構成は、図３に示す受信系統２２０の構成と同様である。受信系統２２０ａ～２２０ｃそれぞれからの出力は、欠陥情報判定部２０５に入力される。欠陥情報判定部２０５は、受信系統２２０ａ～２２０ｃそれぞれにおける波形解析結果を基に、欠陥部Ｄに関する情報を判定する。欠陥部Ｄに関する情報とは、具体的には、受信プローブ１２０ａ～１２０ｃのうち、どの受信プローブ１２０で散乱波Ｕ１を検出したかが欠陥情報判定部２０５によって判定され、その判定に基づく、欠陥部Ｄの深さ等である。散乱波Ｕ１が観測された位置の情報とは、どの受信プローブ１２０ａ～１２０ｃで、どの程度の受信信号（散乱波Ｕ１）が検知されたかである。このようにすることで、欠陥部Ｄの位置情報の精度を向上させることができる。

【0078】

欠陥情報判定部２０５の出力は、データ処理部２０１に入力される。データ処理部２０１では、プローブを走査するスキャンコントローラ２０４からの位置情報と合わせることにより、欠陥部Ｄの情報を画像化して表示装置３に表示する。

【0079】

なお、図１７では、欠陥情報判定部２０５の出力をデータ処理部２０１に入力する構成を示したが、欠陥情報判定部２０５をデータ処理部２０１の中に設けてもよい。

【0080】

［第６実施形態］
次に、本発明における第６実施形態の超音波検査装置１について図１８を参照して説明する。
図１８は第６実施形態における、送信プローブ１１０の位置と受信プローブ１２０の位置とを、図１のｚ軸のマイナス側、つまり、受信プローブ１２０側から見た平面図である。
第６実施形態の特徴は、受信プローブ１２０をｘｙ平面方向に２次元的に配置していることに特徴がある。図１８の例では、受信プローブ１２０が、送信音軸ＡＸ１を中心として放射状に配置されている。

【0081】

散乱波Ｕ１の方向は、欠陥部Ｄの形状や傾斜方向等により多少変化する。そのため、図１７のように、２次元的に受信プローブ１２０を配置し、どの方向で散乱波Ｕ１を検出したかを記録することにより、欠陥部Ｄの形状や傾斜方向等の情報を、より精度高く得ることができる。

【0082】

［第７実施形態］
次に、図１９及び図２０を参照して、本発明の第７実施形態について説明する。
図１９では、図１５の構成において、受信プローブ１２０が送信音軸ＡＸ１に対して、対称に受信プローブ１２０が配置されている。
図２０では、図１の構成において、受信プローブ１２０が送信音軸ＡＸ１に対して、対称に受信プローブ１２０が配置されている。２つの受信プローブ１２０は、受信音軸ＡＸが送信音軸ＡＸ１から偏心距離Ｌの位置となるよう配置されている。
図１９や、図２０に示すように、送信プローブ１１０に対して、両側に受信プローブ１２０が配置されることで、広い範囲の散乱波Ｕ１を検知することができる。さらに、制御装置２は、両側それぞれの受信プローブ１２０で散乱波Ｕ１を検知したとき、実際に欠陥部Ｄを検知し、どちらか一方でのみ散乱波Ｕ１を検知した場合では、エラーと判定することができる。これにより、欠陥部Ｄの検知精度を向上させることができる。

【0083】

［フローチャート］
図２１は、超音波検査システムＺによる処理手順を示すフローチャートである。図２１では、第１実施形態における超音波検査システムＺの処理について説明する。
まず、制御装置２の指令により、送信プローブ１１０から超音波ビームＵが放出される（Ｓ１０１）。
続いて、受信プローブ１２０が欠陥部Ｄによる散乱波Ｕ１を受信する（Ｓ１０２）。
その後、受信プローブ１２０から取得した受信信号に基づいて波形解析部２２１が波形解析を行う（Ｓ１０３）。ここで、波形解析部２２１は、図５Ｂに示す受信信号から信号強度データを抽出（生成）する。

【0084】

信号強度データとしては、図５Ｂに示す受信信号のＰｅａｋ Ｔｏ Ｐｅａｋ値、すなわち、適切な時間領域での最大値と最小値の差が抽出されればよい。信号強度データの他の例は、図５Ｂに示す受信信号から、短時間フーリエ変換などの信号処理により周波数成分に変換し、適切な周波数成分の強度を抽出してもよい。さらには、信号強度データとして、適切な参照波を基準として、相関関数が抽出されてもよい。
このようにして信号強度データが、送信プローブ１１０の各走査位置に対応して取得される。

【0085】

送信プローブ１１０と受信プローブ１２０の走査位置情報は、位置計測部２０３からスキャンコントローラ２０４に送信される。
データ処理部２０１は、スキャンコントローラ２０４から取得した送信プローブ１１０の走査位置情報に対して、それぞれの走査位置での信号強度データをプロットする（信号強度グラフＧ）。このようにして、図６に示す信号強度データを視覚化する。図６は走査位置が１次元（１方向）の場合である。
走査位置情報がｘ，ｙの２次元の場合については、信号強度データをプロットすることで、欠陥位置が２次元画像として示され、それが表示装置３に表示される。

【0086】

また、データ処理部２０１は、生成した信号強度データの値が所定の閾値以上であるか否かを判定する（Ｓ１０４）。これにより、欠陥部Ｄが検出されたか否かが判定される。なお、ステップＳ１０４のような手法で欠陥部Ｄの有無を判定できるのは、図６に示すように、本実施形態による手法が、良好なＳＮ比を得ることができるためである。比較例の場合、図９に示すようにＳＮ比が低いため、ステップＳ１０４のような手法では、エラーが頻発してしまう。

【0087】

生成した信号強度データの値が所定の閾値以上である場合（Ｓ１０４→Ｙｅｓ）、データ処理部２０１は欠陥部Ｄが検知された旨をユーザに通知する（Ｓ１０５）。なお、ステップＳ１０５の処理は、すべての走査が終了した後でもよい。欠陥部Ｄが検知された旨の通知は、例えば、表示装置３に表示される。その後、データ処理部２０１は、ステップＳ１１１へ処理を進める。
ステップＳ１０４の結果、生成した信号強度グラフＧの値が所定の閾値未満である場合（Ｓ１０４→Ｎｏ）、データ処理部２０１は、走査が完了したか否かを判定する（Ｓ１１１）。
走査が完了している場合（Ｓ１１１→Ｙｅｓ）、制御装置２は処理を終了する。
走査が完了していない場合（Ｓ１１１→Ｎｏ）、データ処理部２０１は駆動部２０２に指令を出力することによって、次の走査位置まで送信プローブ１１０及び受信プローブ１２０を移動させ（Ｓ１１２）、ステップＳ１０１へ処理を戻す。

【0088】

［ハードウェア構成］
図２２は、制御装置２のハードウェア構成を示す図である。
制御装置２は、ＲＡＭ（Random Access Memory）等のメモリ２５１、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２５２、ＲＯＭ（Read Only Memory）や、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等の記憶装置２５３、ＮＩＣ（Network Interface Card）等の通信装置２５４、Ｉ／Ｆ（Interface）２５５等を備えて構成されている。

【0089】

そして、制御装置２は、記憶装置２５３に格納されている所定の制御プログラムがメモリ２５１にロードされ、ＣＰＵ２５２によって実行される。これにより、図３や、図１７の、データ処理部２０１、位置計測部２０３、スキャンコントローラ２０４、欠陥情報判定部２０５、波形解析部２２１等が具現化する。

【0090】

本実施形態では、欠陥部Ｄは空洞である例を記載しているが、欠陥部Ｄとして被検査体Ｅの材質とは異なる材質が混入している異物であってもよい。この場合も、異なる材料が接する界面で音響インピーダンスの差（Gap)があるため、散乱波Ｕ１が発生するので、本実施形態の構成が有効である。
本実施形態に係る超音波検査システムＺは、超音波欠陥映像装置を前提としているが、非接触インライン内部欠陥検査装置に適用されてもよい。

【0091】

本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明したすべての構成を有するものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

【0092】

また、前記した各構成、機能、各部２０１～２０５，２１１～２１２，２２１～２２２、記憶装置２５３等は、それらの一部又はすべてを、例えば集積回路で設計すること等によりハードウェアで実現してもよい。また、図２２に示すように、前記した各構成、機能等は、ＣＰＵ２５２等のプロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、ＨＤに格納すること以外に、メモリ２５１や、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記録装置、又は、ＩＣ（Integrated Circuit）カードや、ＳＤ（Secure Digital）カード、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）等の記録媒体に格納することができる。
また、各実施形態において、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしもすべての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には、ほとんどすべての構成が相互に接続されていると考えてよい。

【符号の説明】

【0093】

１，１ａ，１ｂ 超音波検査装置（超音波検査部）
２ 制御装置（制御部）
１０５ 偏心距離調整部（距離調整部）
１０６ 受信プローブ設置角度調整部（設置角度調整部）
１１０ 送信プローブ
１２０，１２０ａ～１２０ｃ 受信プローブ
２０５ 欠陥情報判定部
２２１ 波形解析部（信号処理部）
ＡＸ１ 送信音軸（第１の音軸）
ＡＸ２ 受信音軸（第２の音軸）
Ｄ 欠陥部
Ｅ 被検査体
Ｇ 信号強度グラフ（信号強度データ）
Ｎ 健全部
Ｒ１ 焦点距離（送信プローブ）
Ｒ２ 焦点距離（受信プローブ）
Ｔ１ ビーム入射面積（送信プローブ）
Ｔ２ ビーム入射面積（受信プローブ）
Ｕ 超音波ビーム
Ｕ１ 散乱波
Ｚ 超音波検査システム
Ｓ１０１ 超音波ビームの放出（超音波ビーム放出ステップ）
Ｓ１０２ 散乱波の受信（散乱波受信ステップ）
Ｓ１０３ 波形解析（波形解析ステップ）
Ｓ１０４ 閾値以上である否かを判定（欠陥部判定ステップ）

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図8A】

【図8B】

【図9】

【図10A】

【図10B】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】