(57)【要約】【課題】遅延材（８）と、該遅延材（８）上に据え付けられた複数のトランスデューサ素子（６）を有するトランスデューサアレイ（４）とを含む、被加工物（４４）の検査に使用される超音波プローブ（２）を提供すること。【解決手段】トランスデューサアレイ（４）の複数のトランスデューサ素子（６）は、遅延材（８）の湾曲した外表面上に据え付けられる。トランスデューサ素子アレイ内のトランスデューサ素子（６）が、遅延材（８）の曲率半径（１４）の中心から等距離にあるので、トランスデューサ素子（６）の２つもしくはそれ以上によって同時に発生される音波は、原点（１６）とも呼ばれる半径の中心に同時に到着する。アレイ（４）内のトランスデューサによって受け取られる、指標点を通過する反射音は、遅延材（８）の幾何学構造に起因した時間遅延の影響を受けない。【選択図】図１
2007078692.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物（４４）を検査するプローブであって、
それぞれが超音波周波数で音波を生成し、かつ超音波周波数で音波を受け取ることが可能な複数のトランスデューサ素子（６）を含むトランスデューサアレイ（４）と、
固体材料を含む遅延材（８）とを含んでおり、前記遅延材（８）の一部分が、湾曲した外表面を備えた球状ウェッジの形状をしており、前記湾曲した外表面上の各点が、原点から一定の半径だけ離れており、
前記複数のトランスデューサ素子（６）のうちの複数の素子（６）によって同時に発生された音波が単一の指標点にほぼ同時に到着するように、前記複数のトランスデューサ素子（６）が前記遅延材（８）の前記湾曲した外表面上に据え付けられており、前記単一の指標点が前記原点（１６）に関係付けられており、
前記単一の指標点が、前記指標点が前記原点（１６）に対応する、前記遅延材（８）と前記被加工物（４４）とによって形成される境界面上の位置と、前記指標点が前記原点（１６）から計算可能な距離にある、前記被加工物（４４）内を延びる位置とから成る位置群から選択される、予め選択された点であるプローブ。
【請求項２】
前記トランスデューサ素子（６）に、前記遅延材（８）の前記湾曲した外表面の曲率半径と合致するような曲率半径を有する凹面が含まれる、請求項１記載のプローブ。
【請求項３】
前記遅延材（８）の前記湾曲した外表面が凸状であり、前記トランスデューサ素子（６）の前記凹面が前記遅延材（８）の凸面に合致する、請求項２記載のプローブ。
【請求項４】
前記遅延材（８）が予め選択された半径を有する半球である、請求項１記載のプローブ。
【請求項５】
前記複数のトランスデューサ素子（６）が前記遅延材（８）の前記湾曲した外表面上に予め選択されたパターンで配置される、請求項１記載のプローブ。
【請求項６】
前記予め選択されたパターンが、前記遅延材（８）と前記被加工物（４４）との前記境界面において前記音波の入射角度に変化をもたらすように選択される、請求項５記載のプローブ。
【請求項７】
前記球状ウェッジの前記湾曲した外表面が、前記複数のトランスデューサ素子のうちの前記複数の素子（６）のサイズおよび前記音波の周波数に対する制限なしに前記音波の前記入射角度の変化を可能にする、請求項６記載のプローブ。
【請求項８】
前記遅延材（８）が、湾曲した外表面をもつ円筒形の部分を有する、請求項１記載のプローブ。
【請求項９】
前記円筒形の部分に予め選択された第１の長さの軸が含まれており、前記湾曲した外表面上の各点が、前記軸上の点から前記軸に垂直な予め選択された一定の半径だけ離れている、請求項８記載のプローブ。
【請求項１０】
前記円筒形の部分が、前記軸の各点に沿って前記半径を前記軸の周りに予め選択された０〜１８０°の角度で回転させることによって、回転体として形成される、請求項９記載のプローブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トランスデューサアレイの形態をした超音波プローブに関し、具体的には、該トランスデューサアレイ内の複数のトランスデューサがプローブ本体の原点から等距離にあり、その結果、該アレイ内の２つもしくはそれ以上のトランスデューサによって同時に発生された音波が同時に該原点に到着するような幾何学形状を備えたプローブ本体を有する超音波プローブに関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波プローブは、工業用途で被加工物の検査に使用される。かかる検査は、プローブを被加工物と密接に接触させる、ただし、グリセリンや油などの接触媒質を使用して、または被加工物とトランスデューサとの間に水のカラムが置かれる非接触もしくは水没方法によって該プローブを被加工物に結合させる、接触方法によって実施されている。
【０００３】
プローブは、遅延材と、該遅延材上に据え付けられた少なくとも１つのトランスデューサとから構成される。その少なくとも１つのトランスデューサは、通常、電気信号によって励起されて機械的振動を生成する、または機械的振動によって励起されて電気信号を生成する圧電材料である。トランスデューサは、電気信号を使用して該トランスデューサを励起できるように、また該トランスデューサによって受け取られた機械的振動を解析できるように、信号発生器および信号解析器に接続される。トランスデューサは、トランスデューサアレイとして配置された複数のトランスデューサ結晶を含む。関連ソフトウェアおよびアルゴリズムを含め、電気信号を発生する装置および信号解析機器を含めた信号処理機器は、非常に複雑になる可能性がある。トランスデューサまたはトランスデューサアレイがそれに取り付けられる遅延材は、被加工物と圧電材料との中間にある。該遅延材は、通常、ディスクまたはウェッジ（ｗｅｄｇｅ）の形態をしており、トランスデューサによって発生されるまたは受け取られる音は、該遅延材を通り抜けなければならない。
【０００４】
遅延材の形状の理由から、トランスデューサもしくはアレイ内の複数のトランスデューサによって発生されるまたは受け取られる音は、遅延材中の一様ではない量の材料を通り抜け、その結果信号のタイミング遅延を生じさせる。この時間遅延は、解析で説明できるが、解析速度を遅くし、かつエラーの可能性を増大させる、複雑さの原因となる。
【０００５】
被検物における音波の集束を改善するために、様々な手法が使用されてきた。医用超音波検査のための一手法が、米国特許第５，０２７，８２０号（’８２０号特許）で述べられている。この手法は、円筒の母線上に位置決めされたフェーズドアレイを用いる。より具体的には、該フェーズドアレイは、凸面上に位置決めされており、ビームを、この凸面から離れる方向Ｄに、該凸面から離れた焦点Ｆｊへと集束させる。’８２０号特許の図２から明らかなように、該トランスデューサアレイは、焦点から等距離にはない。その結果、集束を電子的に達成することができるが、機械的には達成することができない。
【０００６】
米国特許第５，１４８，８１０号（’８１０号特許）は、ほぼ直線状のトランスデューサアレイから球状の波面を発生することについて開示している。遅延材については開示されていないが、トランスデューサは、アレイ主要部上に据え付けられる。’８１０号特許に開示のような配置では、図５に示されているように、発生する球状の波面がトランスデューサアレイを２分する中心線から等距離にあるが、該中心線に沿って発生するどの焦点も各トランスデューサアレイから等距離にはなく、その結果、遅延材には時間遅延がつきものとなる。
【特許文献１】米国特許第５，０２７，８２０号公報
【特許文献２】米国特許第５，１４８，８１０号公報
【特許文献３】米国特許第６，６７６，６０２Ｂ１号公報
【特許文献４】米国特許出願公開第２００２／００１３５２９Ａ１号明細書
【特許文献５】米国特許第６，４９７，６６３Ｂ２号公報
【特許文献６】米国特許第６，４９４，８３８Ｂ２号公報
【特許文献７】米国特許第６，３７５，６１７Ｂ１号公報
【特許文献８】米国特許出願公開第２００２／００４５８２４Ａ１号明細書
【特許文献９】米国特許第５，４８５，８４３号公報
【特許文献１０】米国特許第５，３９６，８９０号公報
【特許文献１１】米国特許第５，１５９，９３１号公報
【特許文献１２】米国特許第５，０３８，７８７号公報
【特許文献１３】米国特許第４，４０９，９８２号公報
【特許文献１４】特開２００１−３０５１１５号公報
【特許文献１５】特開平０２−２３７５５４号公報
【特許文献１６】特開昭５８−０３９９４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記従来技術の課題を解決することを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
当該技術分野に欠けているのは、１点に集束される波を発生するトランスデューサと遅延材との組み合わせを用いる超音波プローブであって、該焦点がトランスデューサもしくはトランスデューサアレイ内の各トランスデューサの幾何学中心から等距離にある超音波プローブである。かかる焦点は、遅延材内にあってもよく、または遅延材の外側の検査すべき被加工物内にあってもよい。しかし、アレイ内の複数のトランスデューサから焦点に到達する音波は、いずれもほぼ同時に到着し、それによって測定の潜在的エラーがなくなり、あるいは時間遅延に起因した測定に対する補正をなくすことができる。反対に、被加工物から反射されて焦点に到着する音は、アレイ内の各トランスデューサに同時に到達することになる。したがって、裏面や欠陥などからのエコーを、より容易に決定することができる。
【０００９】
本発明は、被加工物の検査に使用される超音波プローブである。該プローブは、被加工物に結合できる幾何学構造を有する少なくとも１つの表面をもつので、製造品である被加工物を検査するのに特に有用である。該プローブは、複数のトランスデューサ素子を有するトランスデューサアレイを含む。トランスデューサ素子は、予め選択されたある範囲の周波数にわたって音を発生でき、かつ予め選択されたある範囲の周波数にわたって受け取った音を解析できる超音波デバイスに接続される。トランスデューサ素子は、公知の技術によって超音波デバイスに接続されていて、該超音波デバイスによって励起されると各素子が超音波周波数で音波を生成することができる。トランスデューサ素子は、また、音を受け取ってその音を超音波デバイスへと伝えており、該超音波デバイスでその音を適切に解析かつ表示することができる。
【００１０】
プローブには、また、遅延材も含まれる。遅延材は、ほとんどまたは全く減衰なしに音波を伝達できることを特徴とするマトリックスを有する固体材料である。遅延材の一部分は、湾曲した外表面を備えた球状ウェッジの幾何学形状を特徴とする。この湾曲した外表面は、半径の観点から定義され、湾曲した外表面上の各点が中心または原点から一定距離だけ離れており、湾曲した外表面上の各点の距離は、外表面のカーブの半径である。
【００１１】
トランスデューサアレイの複数のトランスデューサ素子は、遅延材の湾曲した外表面上に据え付けられる。トランスデューサ素子アレイ内の各素子が、湾曲した外表面の曲率半径の中心から等距離にあるので、トランスデューサ素子の２つもしくはそれ以上によって同時に発生される音波は、原点とも呼ばれる半径の中心に同時に到着する。一定半径の湾曲物体は単一の中心しかもち得ないので、いずれの遅延材でも、単一の原点が存在する。
【００１２】
原点には指標点が関係付けられる。指標点は、遅延材と被加工物とによって形成される境界面上の位置から成る位置群から選択される、予め選択された任意の点にすることができる。また、指標点を被加工物内の予め選択された任意の点にすることもできる。この状況では、指標点は、被加工物内の原点から予め選択された計算可能な距離にある。
【００１３】
指標点が遅延材と被加工物とによって形成される境界面上に位置するときには、該指標点は、原点に対応する。この状況では、遅延材を移動させることによって位置群を選択することができ、原点には、素子を同時に発射（ｆｉｒｉｎｇ）させることによって到着する。
【００１４】
指標点が被加工物内に位置するときには、該指標点は、原点から予め選択された距離にある。指標点には、より複雑な方法によって到着する。アレイ内の予め選択されたトランスデューサ素子を予め選択された時間遅延で順次発射させることによって、指標点が被加工物へと移動する。素子を発射させることによってパターンが形成され、次に該パターンが被加工物内の指標点に集まる音波を発生する。指標点は、原点から予め選択された距離にあり、この距離は、アレイ内の予め選択されたトランスデューサ素子の場所、発射シーケンス、および時間遅延に基づいて原点を計算する数学的アルゴリズムによって決定することができる。これらの各素子を慎重に制御することによって、遅延材を移動させることなく、指標点を被加工物内で順次移動させることが可能である。
【００１５】
指標点が原点に対応するか、または指標点が原点から予め定められた距離のところで被加工物内に位置するかに関わらず、指標点が原点に対応する、または原点から予め選択された距離のところに位置するので、被加工物内の欠陥の場所をより容易に決定することができる。いずれのトランスデューサアレイから指標点までの距離も同一であり、したがって指標点からいずれの素子への時間遅延も同一であることが明らかなはずである。被加工物内の欠陥から指標点への反射は、いずれも指標点から欠陥までの距離に左右される。これで、欠陥の位置の計算が単純になる。また、アレイの各素子によって受け取られる反射をマッピングすることによって、欠陥のサイズを決定かつマッピングすることができ、その受容度を決定することができる。
【００１６】
本明細書で使用する用語「音波」は、周波数約０．２５ＭＨｚ〜約３５ＭＨｚのいずれかの波を指しており、用語「音」は、用語「超音波（ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ／ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ）」と交換可能に使用される。用語「トランスデューサ」は、音波を生成するまたは受け取ることが可能ないずれかのデバイスを意味する。トランスデューサには、電気インパルスを音波に変換し、また音波を電気インパルスに変換する圧電材料が含まれるが、圧電材料は、単に好ましいトランスデューサであるにすぎず、この用語は、そのような好ましい諸実施形態だけに限定されない。用語「トランスデューサ素子を発射させる」は、トランスデューサ素子に刺激を与えることによって該トランスデューサ素子を作動させ、該素子を短時間振動させ、それによって音波または超音波パルスを発生することを意味する。圧電素子は、電気パルスで刺激される。
【００１７】
本発明の他の利点は、計算をより速くより確実に実施できることである。さらに、プローブを移動させることなく、単に、ある体積の材料をスキャンするように予め決められたシーケンス／予め決められたタイミングパターンでアレイの予め選択された素子を発射させるプログラムを実施することによって、該体積の材料の超音波試験を実施することができる。プローブを被加工物の表面全体にわたって移動させる必要はなく、プローブを試験片の表面に沿って平面的にではなく単に単一次元に沿って直線的に移動させることによって、被加工物の完全なスキャンを達成することができる。
【００１８】
本発明の他の利点は、被加工物が複雑な形状のときに、該被加工物の精確なスキャンを達成できることである。そのような被加工物では、プローブとの相互作用に１つの表面しか適していないときに、精確なスキャンを達成することができる。実に、被加工物の構成によっては、表面の一部分しか適していないときに精確なスキャンを達成することができる。言うまでもなく、このような試験にはフィルタリング後方反射（ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ  ｂａｃｋ  ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｓ）や指標からの反射などの他の因子が関わってくるが、これで、これまで被加工物の形状が複雑であると不可能であった、超音波を使用する全体積試験が可能になる。
【００１９】
本発明の他の特徴および利点は、以下の好ましい実施形態のより詳細な説明を、本発明の原理を一例として示す添付図面と併せて読めば明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の超音波プローブは、一定半径の凸状外表面を有する遅延材を用いる。このプローブは、図１に描かれている。プローブ２には、複数のアレイ素子６１〜ｎを含むトランスデューサアレイ４が含まれており、ｎは、任意の整数にすることができる。アレイ素子６は、遅延材８の凸状外表面１０上に据え付けられる。遅延材は、当該技術分野で公知のいずれかの固体材料にすることができる。通常、遅延材は、プレキシガラス、ポリスチレン、または他のポリマー材料から構築される。トランスデューサアレイ４内の各トランスデューサアレイ素子６は、電気信号を供給する発生器１２に接続されており、当該技術分野で公知のように、該素子によって電気信号が予め選択された周波数の機械的音波に変換される。各トランスデューサアレイ素子６によって生成される音波は、素子６ｘの場所から原点とも呼ばれる半径１４の中心１６まで、ほぼ半径１４に沿って遅延材８内を伝達される。図１では、半径の中心、原点、および指標点は、すべて一致する。任意の点から遅延材８の凸状外表面１０に沿った原点１６までの距離が一定値ｒであるので、遅延材８上に据え付けられたアレイ素子６によって発生される予め選択された周波数の音波は、原点１６まで同一の距離ｒを進み、したがって、同時に発生された音波は、原点１６または指標点に同時に到着する。
【００２１】
図２は、先行技術のプローブ２０を描く。先行技術のプローブ２０には、複数のアレイ素子２４を含むトランスデューサアレイ２２が含まれる。複数のアレイ素子２４は、ウェッジ形の遅延材２８の面２６上に据え付けられる。トランスデューサアレイの各素子２４は、電気信号を供給する発生器に接続されており、当該技術分野で公知のように、各素子によって電気信号が予め選択された周波数の機械的音波に変換される。各トランスデューサアレイ素子２４によって生成された音波は、ウェッジ形の遅延材２８を通って、面２６とは反対側の第２の面３２へと伝達される。通常、第２の面は、被加工物（図２には示していない）と接触して置かれる。図２からわかるように、異なるアレイ素子２４によって生成された音波は、遅延材内で異なる距離を進む。例えば、素子２４１によって生成された音波がウェッジ形のプローブ本体２８内を進む距離は、素子２４ｎによって生成された音波がプローブ本体内を進む距離よりも短い。したがって、発生器３０によってトランスデューサアレイ２２で同時に発生された各音波は、それらがトランスデューサ本体内を異なる距離進むという事実によって、わずかに異なる時間で第２の面３２に到着する。音波が、被加工物内の欠陥の場所を特定し、かつ該欠陥を評価するために用いられるので、そのような欠陥の場所およびサイズを決定する計算は、距離のばらつきの理由から、かなり複雑になる。
【００２２】
諸図に描かれたトランスデューサアレイは、断面で示されているが、該アレイが３次元に延びることに留意すべきである。例えば、図２に描かれたトランスデューサアレイは、平面状であって直線状ではない。さらに、平面状アレイ内の各素子を、図に垂直な平面では単一の素子から構成することができ、その結果、アレイ内の複数の素子それぞれが断面となり、図に垂直な平面内の異なる場所で得られる断面が、同一素子の異なる場所での断面をもたらすことになる。別法として、図に垂直な平面内の異なる場所で得られる断面が異なる素子の断面をもたらすように、アレイを図に垂直な平面に延ばすこともできる。図１のトランスデューサアレイは、似ているが、断面が直線状ではなく曲線状であるので、わずかに複雑性が高い。
【００２３】
図３は、先行技術のトランスデューサによって発生された２つの音波を示す。この図は、断面で示されている。第１の指標点３４が、第２の面３２上に示されている。この指標点３４は、第２の面３２における、アレイ２２によって発生された第１の音波の中心点に対応しており、該第１の音波は、面２６に垂直である。簡単にするために、第１の音波の第１の指標点しか示していない。また、第２の音波３６も示されている。第２の指標点３８が、第２の面３２上に示されており、この指標点は、第２の面３２における第２の音波３６の中心点に対応する。第２の音波３６は、第２の面３２に垂直になるように発生される。第２の面３２上に第３の指標点４２を有する第３の音波４０が示されており、第３の指標点４２は、第２の面３２における第３の音波４０の中心点に対応する。様々な角度で伝播される音波は、予め定められた角度の波面を生み出すように予め選択されたシーケンスのわずかに異なる時点でトランスデューサアレイ２２の複数のアレイ素子２４を発射させることによって生成される。図３は、先行技術のトランスデューサによって発生される音波が角度変化とともに変化する指標点を有することを明確に示している。各指標点は、予め定められた角度における波の中心点を表す。アレイの各素子から第２の面３２上の点までの距離は、予め定められた角度に応じて変化する。被加工物を検査するには欠陥の場所およびサイズを決定する必要があり、また音波の飛行時間の精密な測定によって場所が決定されるので、予め定められた様々な角度で第２の面３２上の点からアレイ素子までの距離が異なることが、欠陥の場所およびサイズの計算を複雑にする。
【００２４】
さらに説明するために、図４は、先行技術のプローブ２０が、該プローブ２０を被加工物４４上の同じ場所に維持した状態で該被加工物を異なる４つの音波角度で調査またはインタロゲート（ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｅ）している様子を描く。音波は、異なる４つの角度で発生されており、該角度は、第２の面３２と被加工物４４の表面４６との境界面に対して、図４（ａ）から図４（ｄ）へとより鋭角になっている。４つの音波しか示していないが、音波の角度が９０度に近づくように、すなわち音波の角度が被加工物４４の表面４６に接近するように、トランスデューサアレイ２２の素子を一連のシーケンスで発射させて音波を連続的な角度範囲にわたって提供できることが理解されよう。音波４８が遅延材２８内を伝播する様子が示されている。また、第２の面３２と被加工物の表面４６との境界面における音波４８の反射５２も、図４（ａ〜ｄ）に示されている。また、被加工物４４内を伝播する屈折した音波５２も示されており、該音波は、発生された音波ビームの角度とともに変化する。音波が境界面で屈折することは公知であり、屈折率は、プローブと被加工物との組み合わせの既知の物理特性である。図３に明確に示されているように、図４に示したような先行技術のプローブにおける音波ビームの指標点は、角度変化とともに変化する。図４は、音波がプローブ内を進む距離が、アレイ内の素子の場所ならびに発生された音波の角度とともに変化しており、そのことが、反射音波に基づいて欠陥のサイズおよび場所の答えに到達する際の難しさの一因になるという、解決すべき先行技術のプローブの問題を示している。
【００２５】
先行技術について図２〜図４で詳細に説明したので、本発明によってもたらされる改善がより容易に理解されよう。図５には、図１のプローブ２を被加工物４４上の同じ場所に維持した状態で、該プローブ２が該被加工物を異なる４つの音波角度で調査またはインタロゲートしている様子が描かれている。音波は、異なる４つの角度で発生されており、該角度は、プローブ２の第２の面１８と被加工物４４の表面４６との境界面に対して、図５（ａ）から図５（ｄ）へとより鋭角になっている。図５（ａ〜ｄ）では、トランスデューサアレイ４の一部分を発射させることによって音波が発生される。各図５（ａ〜ｄ）では、発射したアレイの部分５４が実線で描かれており、破線は、非作動状態のままの残りのアレイを表す。アレイ４の一部分だけを発射させるための信号フィルタリング技術は、当該技術分野で公知である。各図５（ａ〜ｄ）から明らかなように、発射されるアレイ（４）の部分５４を変えることによって被加工物内のビームの角度が変化しても、発射されたアレイの部分から指標点１６まで音波ビームが進む距離は、同一である。図５では、指標点１６は、原点に対応しており、これはまた、遅延材の凸状外表面１０の半径の中心でもある。図５でプローブ本体８内を音波が進む距離は、プローブ本体の半径であり、一定である。簡単にするために、図５では、遅延材の第２の面１８が被加工物４４の表面４６と接触する場所に形成された境界面からの、発生した音波のプローブ本体内での反射を図示していないが、当該技術分野で公知のように、該反射は、存在する。図５（ａ）では、５６（ａ）は、被加工物へと伝達される縦波（ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ  ｗａｖｅ）および横波（ｓｈｅａｒ  ｗａｖｅ）を表す。図５（ｂ）および図５（ｃ）では、５６（ｂ）および５６（ｃ）が被加工物へと伝達される縦波を表し、５８（ｂ）および５８（ｃ）が被加工物へと伝達される横波を表す。図５（ｄ）では、縦波５６（ｄ）だけが被加工物内に存在しており、音波と被加工物の表面とによって作られる角度は、横波を被加工物へと伝達し得ないような角度である。明らかなように、プローブ表面に沿って作動されるアレイの部分５４が被加工物４４の表面４６に接近するにつれて、被加工物内の音波の角度は、該被加工物４４の表面４６に対してより鋭角になる。ただし、先行技術のプローブとは対照的に、アレイの作動シーケンスに関わらず、音波がプローブ本体内を進む距離は、一定である。
【００２６】
アレイ素子の構築は、様々なものにすることができる。本発明の利益は、遅延材の曲率半径と合致する曲率半径を有するように製造されたアレイ素子によって達成することができる。図１および図５から明らかなように、遅延材８が凸状の曲率半径を有するので、アレイ素子６がほぼ対応する凹状の曲率半径を有するように製造されることが好ましい。ただし、遅延材の曲率と精密に合致するアレイ素子にする必要はない。実際、本発明の利益は、近似によって達成することができる。多数のアレイ素子６が用いられており、各アレイ素子６が曲率半径に比べて小さいので、複数の扁平なアレイ素子が遅延材の曲率半径を厳密に近似するトランスデューサアレイを形成するように、複数の扁平なアレイ素子を遅延材に対して組み立てることができる。アレイを形成する素子はいずれの構成にすることもできるが、各アレイ素子が遅延材の曲率半径に比べて小さい寸法ｄｘを有する長方形であると仮定する。曲率半径をｒとすると、各長方形の中心は、遅延材の曲率中心から距離ｒにある。半径の中心から長方形の隅角部上の点までの最大距離は、０．７ｄｘであり、半径の中心からこの点までの追加距離は、やはり小さく、ｒ＊ｓｉｎ０．７ｄｘである。一例として、トランスデューサアレイ内の扁平な素子の縁部が長さ０．１インチで、遅延材の曲率半径が５インチである場合、半径の中心からの、素子の隅角部以外の追加距離は、約０．００６インチである。別の言い方をすれば、素子の中心は、半径の中心から５インチであり、素子の縁部は、５．００６インチである。この差は、遅延材およびトランスデューサ素子の製造公差よりもわずかに大きいにすぎない。言うまでもなく、遅延材の曲率半径が大きいほど、また素子が小さいほど、トランスデューサアレイ４が遅延材の曲率半径をより厳密に近似するようになり、また差が小さくなる。同様の分析を異なる幾何学構成の素子に適用できるが、長方形は、製造しやすく、かつ理解しやすい。したがって、アレイの素子もプローブ本体の輪郭に合致するように製造することができる。あるいは、アレイがアレイ半径に比べて小さい複数の素子から構成されるときには、本発明の好ましい実施形態の１つで想定されるように、該素子を扁平にする必要はない。
【００２７】
プローブは、図１および図４に断面で示されている。トランスデューサアレイ４は、遅延材の曲面に沿って延びており、該曲面は、一定の半径を有する。音波を発生する素子の遅延材に沿った位置に関わらず音波が遅延材内をほぼ同じ距離（前段落で論じた制限の影響を受ける）だけ進むように、この一定半径が必要である。プローブには、また、図１、図４、および図５の被加工物４４の表面４６など、被加工物の表面と該プローブを接触させる表面を含めなければならない。したがって、好ましい一実施形態では、遅延材８の表面の少なくとも１つが平らであり、被加工物の表面と接触する、トランスデューサアレイとは反対側の第２の面１８などの面を平らにすることが最も好ましい。また、製造を容易にするために、遅延材の曲率半径の中心が第２の面１８上に位置することも好ましい。
【００２８】
したがって、プローブで使用される遅延材８は、曲面上の点が原点から等距離にあるような曲面を遅延材の一部分が有する、いずれかの幾何学構成にすることができ、表面上の点から原点までの距離は、一定距離もしくは長さの半径である。遅延材の曲面は、凸面を形成する。トランスデューサアレイの素子の少なくとも一部は、原点から等距離で、遅延材の曲面上に据え付けられる。したがって、遅延材に好ましい幾何学構成には、予め選択された半径の半球、または、ウェッジの側部が球体の中心から外側に延び、トランスデューサアレイが球体の外表面上に据え付けられる、球状ウェッジが含まれる。言うまでもなく、遅延材を、円筒が径方向に垂直な軸に沿って切断された、半円筒など、円筒の何らかの部分にすることもできる。トランスデューサアレイは、円筒の外表面上に据え付けられる。実質的に軸に垂直な平面にある、外表面に沿って据え付けられた各アレイ素子は、軸に沿った点から等距離にあり、径方向アレイを形成する。この径方向アレイは、現行情報の原理に従って機能するように作製することができる。言うまでもなく、このような複数の径方向アレイ６２は、図６に示したように、平行な平面内に存在してアレイ６４を形成しており、該アレイを構成するこれらの径方向アレイ６２それぞれを、本発明に従って音波を発生するように予め定められたシーケンスで発射させることができる。半円筒は、軸の周りを１８０度延びるが、本発明は、図６に示したように、円筒の周りを１８０度未満延びる部分も企図している。このようにして、プローブ本体は、円筒の１０度ずつの弧（１０−ｄｅｇｒｅｅ  ａｒｃ）を含むことができ、この１０度ずつの弧に、アレイを形成するトランスデューサ素子が設けられる。アレイに沿った弧内の各素子が、軸に沿った点からほぼ等距離にあるので、弧に沿ったいずれの素子によって生成される音波の径方向距離も、一定である。
【００２９】
本発明の他の実施形態では、指標点は、前述した半径の中心点である原点と一致しない。この実施形態は、音波を被加工物の内部に集束させることを許容する。集束するためには、アレイの素子によって発生される音波が同時に指標点に到達しなければならないので、アレイの各素子によって発生された音が進む実効距離（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ  ｄｉｓｔａｎｃｅ）は、同一である。また同様に、反射された音がアレイの各素子へと戻るときに進む実効距離も、同一でなければならない。したがって、指標点が原点と一致しなくても、音が集束する場合、指標点を原点であるかのように扱うことができる。ビームが集束するときには、原点を通過する音は、必然的に、指標点に同時に到達することになる。したがって、計算の目的で、指標点を遅延材の半径と原点もしくは半径の中心から指標点までの距離との合計として決定することができる。反射された信号が指標点への行き帰りに同じ実効距離を進むので、このことは、反射された信号を評価する際の計算を非常に単純にする。音波が指標点とトランスデューサとの間を行き帰りする時間が一定であるので、反射された信号を評価する関連診断機器内のプログラムは、反射音波が指標点から欠陥まで進んで再び戻ってくるのに要する時間の差を計算することによって測定できる、指標点から欠陥までの距離だけを計算すればよい。先行技術のプローブでは、原点と同様に、トランスデューサ素子から原点までの距離が絶えず変化しているので、この計算の決定は、可能なときでも非常に困難となる。
【００３０】
図７は、この概念をさらに示す。図７では、トランスデューサ素子７０のあるセグメントが音波を発生する。図（ａ〜ｄ）では、トランスデューサの発射を変化させることによって指標点７２をどのように変更できるかを示すために、トランスデューサ素子７０の同一のセグメントが発射される。トランスデューサの発射は、いずれか利用可能な技術によって変化させることができる。また、図７では屈折波７４も示されている。図からわかるように、アレイ内のトランスデューサ素子の発射を変化させることによって、指標点、したがって音波の焦点を被加工物内で変化させることができる。
【００３１】
これまでの議論は、焦点を変化させることに関するが、トランスデューサアレイ全体にわたって発射させる素子を予め選択することによって、焦点における音波の角度も修正できることが明らかなはずである。したがって、本発明のプローブを移動させることなく、音波の角度を変化させることによって（発射させる素子のシーケンスを予め適切に選択することによって）被加工物をスキャンすることができ、また、音波の焦点を変化させることができる（予め選択されたシーケンシングで適切に素子を発射させることによって）。これは、前述のようにプローブの幾何学形状によって計算が単純になるという理由で計算結果を迅速に算出できるので、迅速に実施することができる。検査シーケンス（すなわち、素子のシーケンシングの事前選択、および事前選択されたシーケンスでの素子の発射）を予めプログラムできることが想定される。該プログラムは、被加工物全体をインタロゲートするために本発明のプローブを被加工物の表面に沿って単一方向に移動させながら実行することができる。試験を進めながら、インタロゲーションの結果を記憶し、もしくはスクリーン上で見ることができ、またはその両方を実施することができる。これは、被加工物の表面もしくは平面全体のスキャンを必要とする現行方法に優る、大きな改善である。
【００３２】
本発明を好ましい一実施形態に即して説明したが、本発明の範囲から逸脱することなく様々な変更を実施でき、また本発明の要素を同等物で代用できることが当業者には理解されよう。さらに、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況または材料を本発明の教示に適合させるために多くの修正を実施することもできる。したがって、本発明を実施するために企図される最良の形態として開示した特定の実施形態だけに本発明を制限しようとするものではなく、本発明には、添付の特許請求の範囲内に入るすべての実施形態を含めるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明のプローブの断面図である。
【図２】先行技術のプローブの断面図である。
【図３】先行技術のプローブ内を異なる２つの角度で伝播される音波の断面図である。
【図４】予め選択された４つの角度で被加工物にインタロゲートする、先行技術のプローブの断面図である。
【図５】予め選択された４つの角度で被加工物にインタロゲートする、本発明のプローブの断面図である。
【図６】本発明のプローブの円筒状部分の斜視図である。
【図７】被加工物内の様々な指標点でのインタロゲートを描く、本発明のプローブの断面図である。
【符号の説明】
【００３４】
２  プローブ
４  トランスデューサアレイ
６  複数のアレイ素子
８  遅延材
１０  凸状外表面
１２  発生器
１４  半径
１６  原点
１８  新規プローブの第２の面
２０  先行技術のプローブ
２２  トランスデューサアレイ
２４  複数のアレイ素子
２６  面
２８  ウェッジ形の遅延材
３０  発生器
３２  第２の面
３４  指標点
３６  第２の音波
３８  第２の指標点
４０  第３の音波
４２  第３の指標点
４４  被加工物
４６  被加工物の表面
４８  音波
５０  反射された音波
５２  屈折した音波
５４  トランスデューサのセグメント
５６  音波
５８  横波
６２  複数の径方向アレイ
６４  アレイ
７０  トランスデューサ素子のセグメント
７２  指標点
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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