(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波振動子（１）と接するカップリング液で音響レンズ（５）を画成するとともに供試体（２）に接触してその供試体への超音波の入射とその供試体からの反射波の受け入れとを行うディレイ材（３）を具えるディレイ材付き接触型超音波センサにおいて、
前記超音波振動子から発生した超音波の、前記ディレイ材と前記供試体との間の境界および前記ディレイ材と前記カップリング液との間の境界からの逐次に帰着する複数の縦波反射波（ＬＷ１，ＬＷ２，ＬＷ４，ＬＷ３）の後に、またはそれら複数の縦波反射波のうち最後のもの（ＬＷ３）と同時に、前記超音波の、前記ディレイ材と前記供試体との間の境界からの横波反射波（ＴＷ）が帰着するとともに、前記複数の縦波反射波のうちその横波反射波（ＴＷ）の帰着の一つ前または同時の縦波反射波（ＬＷ３）とさらに一つ前の縦波反射波（ＬＷ４）との間に、前記超音波の、前記供試体の表面から所定測定範囲内の深さの境界からの縦波反射波（ＬＷ５）が帰着する寸法に、前記音響レンズの高さ（Ｓ）および前記ディレイ材の高さ（Ｈ）が設定されており、
前記超音波振動子（１）と前記音響レンズ（５）とその超音波振動子に対し中心軸線同士が角度を持つ前記ディレイ材（３）とを保持するホルダ（６）と、
前記ホルダ（６）を所定軸線（TA）周りに回動させるホルダ回動機構（７）と、を具え、
前記所定軸線に対し傾斜した向きに超音波ビーム（SB）を放射することを特徴とする、ディレイ材付き接触型超音波センサ。
【請求項２】
超音波振動子（１）と接するカップリング液で音響レンズ（５）を画成するとともに供試体（２）に接触してその供試体への超音波の入射とその供試体からの反射波の受け入れとを行うディレイ材（３）を具えるディレイ材付き接触型超音波センサにおいて、
前記超音波振動子から発生した超音波の、前記ディレイ材と前記供試体との間の境界および前記ディレイ材と前記カップリング液との間の境界からの逐次に帰着する複数の縦波反射波（ＬＷ４，ＬＷ３）の間に、前記超音波の、前記ディレイ材と前記供試体との間の境界からの横波反射波（ＴＷ）が帰着するとともに、前記複数の縦波反射波のうちその横波反射波（ＴＷ）の帰着の一つ前の縦波反射波（ＬＷ４）とその横波反射波（ＴＷ）との間に、前記超音波の、前記供試体の表面から所定測定範囲内の深さの境界からの縦波反射波（ＬＷ５）が帰着する寸法に、前記音響レンズの高さ（Ｓ）および前記ディレイ材の高さ（Ｈ）が設定されており、
前記超音波振動子（１）と前記音響レンズ（５）とその超音波振動子に対し中心軸線同士が角度を持つ前記ディレイ材（３）とを保持するホルダ（６）と、
前記ホルダ（６）を所定軸線（TA）周りに回動させるホルダ回動機構（７）と、を具え、
前記所定軸線に対し傾斜した向きに超音波ビーム（SB）を放射することを特徴とする、ディレイ材付き接触型超音波センサ。
【請求項３】
前記超音波振動子の振動面上の所定発生位置から発生した超音波が前記供試体内の所定焦点位置で反射して戻る帰着位置と、前記振動面の中心点に関し前記発生位置と対称の位置との間の距離を、前記所定発生位置を前記振動面の中心点から外周端まで移動させながら求めて積算した値が最小となる形状に、前記音響レンズの回転体形状（Ｒ）が設定されていることを特徴とする、請求項１または２記載のディレイ材付き接触型超音波センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、超音波によって供試体の特定層の厚さや傷等を測定する超音波センサに関し、特には、超音波振動子と接するカップリング液で音響レンズを画成するとともに供試体に接触して供試体への超音波の入射と供試体からの反射波の受け入れとを行うディレイ材を具えるディレイ材付き接触型超音波センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超音波は、伝播する媒体の密度によって伝播速度（音速）が異なり、密度の異なる媒体同士の境界で反射する性質を持つ。それゆえ、供試体と超音波振動子との間に空気層があるとその空気層と供試体との境界で超音波が反射してしまって供試体内部に超音波を入射させられないことから、従来、供試体に接触して供試体への超音波の入射と供試体からの反射波の受け入れとを行うディレイ材を具えたディレイ材付き接触型超音波センサが知られており、かかる超音波センサでは通常、そのディレイ材と超音波振動子との間にカップリング液が満たされるとともに、超音波振動子に向くディレイ材の端面に凹曲面が形成され、その凹曲面がそれと超音波振動子と接するカップリング液で音響レンズを画成し、その音響レンズが、超音波振動子から発生する超音波を所定の焦点に収束させる。
【０００３】
しかしながら、従来の通常のディレイ材付き接触型超音波センサでは超音波の焦点がディレイ材内に設定されていたため、ディレイ材内で超音波の乱反射が発生することから、それによる遅れ反射波を検出しないように不感時間を設定して使用しており、これがため薄い供試体には使用できないという問題があった。そこで本願出願人は、先に特開平８−２４７７５１号にて、超音波の焦点がディレイ材の外側すなわち供試体内に位置するようにディレイ材の高さを設定することで上記の問題を解決したディレイ材付き接触型超音波センサを開示した。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来のディレイ材付き接触型超音波センサについて本願発明者が研究したところ、ディレイ材付き接触型超音波センサでは、超音波の伝播経路上にディレイ材と供試体との間の境界に加えてセンサ内部のディレイ材とカップリング液との間の境界もあるため、それらの境界での反射波も検出されるので信号／ノイズ（Ｓ／Ｎ）比が悪いという不都合があるということが判明した。そしてこのことは、例えばエンジンのシリンダヘッド等の鋳物部品の表面に強化のために形成したリメルト強化層（再溶融により結晶粒を緻密化した層）とその奥の通常の結晶粒部分との境界等の、供試体内の境界からの散乱波を反射波として検出する場合、従来検出していた供試体底面からの反射波よりも弱いため特に問題となり、センサ出力をより増幅しなければ検出することができず、一方増幅度を高めるとノイズも大きくなって散乱波の検出を妨げてしまうという不都合があった。そこでこれにつき本願発明者がさらに研究を進めた結果、音響レンズの回転体形状の設定および、ディレイ材とカップリング液の高さの設定を改善すれば、弱い散乱波でも明確に検出し得るという点に想到した。
【０００５】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
この発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、請求項１記載のこの発明のディレイ材付き接触型超音波センサは、超音波振動子と接するカップリング液で音響レンズを画成するとともに供試体に接触してその供試体への超音波の入射とその供試体からの反射波の受け入れとを行うディレイ材を具えるディレイ材付き接触型超音波センサにおいて、前記超音波振動子から発生した超音波の、前記ディレイ材と前記供試体との間の境界および前記ディレイ材と前記カップリング液との間の境界からの逐次に帰着する複数の縦波反射波の後に、またはそれら複数の縦波反射波のうち最後のものと同時に、前記超音波の、前記ディレイ材と前記供試体との間の境界からの横波反射波が帰着するとともに、前記複数の縦波反射波のうちその横波反射波の帰着の一つ前または同時の縦波反射波とさらに一つ前の縦波反射波との間に、前記超音波の、前記供試体の表面から所定測定範囲内の深さの境界からの縦波反射波が帰着する寸法に、前記音響レンズの高さおよび前記ディレイ材の高さが設定されていることを特徴とするものである。
【０００６】
かかる超音波センサにあっては、超音波振動子から発生した超音波の、ディレイ材と供試体との間の境界およびディレイ材とカップリング液との間の境界からの逐次に帰着する複数の縦波反射波のうち、ディレイ材と供試体との間の境界からの、縦波よりも伝播速度が遅い横波反射波の帰着の一つ前または同時の縦波反射波と、それよりさらに一つ前の縦波反射波との間に、上記超音波の、供試体の表面から所定測定範囲内の深さの境界からの縦波反射波が帰着するように、音響レンズおよびディレイ材の高さが設定されているので、供試体の表面から所定測定範囲内の深さの境界からの縦波反射波が、ディレイ材と供試体との間の境界およびディレイ材とカップリング液との間の境界からの逐次に帰着する縦波反射波にも、またディレイ材と供試体との間の境界からの横波反射波にも重ならずに検出される。
【０００７】
従ってこの超音波センサによれば、供試体の表面から所定測定範囲内の深さの境界からの弱い散乱波でも明確に検出し得て、Ｓ／Ｎ比の良い、精度の高い検出を行うことができる。
【０００８】
一方、請求項２記載のこの発明のディレイ材付き接触型超音波センサは、超音波振動子と接するカップリング液で音響レンズを画成するとともに供試体に接触してその供試体への超音波の入射とその供試体からの反射波の受け入れとを行うディレイ材を具えるディレイ材付き接触型超音波センサにおいて、前記超音波振動子から発生した超音波の、前記ディレイ材と前記供試体との間の境界および前記ディレイ材と前記カップリング液との間の境界からの逐次に帰着する複数の縦波反射波の間に、前記超音波の、前記ディレイ材と前記供試体との間の境界からの横波反射波が帰着するとともに、前記複数の縦波反射波のうちその横波反射波の帰着の一つ前の縦波反射波とその横波反射波との間に、前記超音波の、前記供試体の表面から所定測定範囲内の深さの境界からの縦波反射波が帰着する寸法に、前記音響レンズの高さおよび前記ディレイ材の高さが設定されていることを特徴とするものである。
【０００９】
かかる超音波センサにあっては、超音波振動子から発生した超音波の、ディレイ材と供試体との間の境界およびディレイ材とカップリング液との間の境界からの逐次に帰着する複数の縦波反射波の間に帰着する、ディレイ材と供試体との間の境界からの、縦波よりも伝播速度が遅い横波反射波と、前記複数の縦波反射波のうち、その横波反射波の帰着の一つ前の縦波反射波との間に、上記超音波の、供試体の表面から所定測定範囲内の深さの境界からの縦波反射波が帰着するように、音響レンズおよびディレイ材の高さが設定されているので、供試体の表面から所定測定範囲内の深さの境界からの縦波反射波が、ディレイ材と供試体との間の境界およびディレイ材とカップリング液との間の境界からの逐次に帰着する縦波反射波にも、またディレイ材と供試体との間の境界からの横波反射波にも重ならずに検出される。
【００１０】
従ってこの超音波センサによれば、供試体の表面から所定測定範囲内の深さの境界からの弱い散乱波でも明確に検出し得て、Ｓ／Ｎ比の良い、精度の高い検出を行うことができる。
【００１１】
そして請求項１または２記載のこの発明のディレイ材付き接触型超音波センサは、さらに、前記超音波振動子と前記音響レンズとその超音波振動子に対し中心軸線同士が角度を持つ前記ディレイ材とを保持するホルダと、前記ホルダを所定軸線周りに回動させるホルダ回動機構と、を具え、前記所定軸線に対し傾斜した向きに超音波ビームを放射することを特徴とするものである。
【００１２】
ディレイ材付き接触型超音波センサでは、音響レンズは超音波振動子とディレイ材とで画成されることから、一般に、その超音波振動子とディレイ材との配置誤差によりそれらの中心軸線同士が一致せず僅かに角度を持ち、それゆえディレイ材の中心軸線に対し僅かに傾斜した向きに超音波が放射される。この点に鑑みてこの発明の超音波センサにあっては、超音波振動子と音響レンズとディレイ材とを保持するホルダを、ホルダ回動機構が所定軸線周りに回動させる。
【００１３】
従ってこの発明の超音波センサによれば、その回動軸線が供試体表面と交差する向きに超音波センサを配置することで、その回動軸線と交差する供試体上の点の周囲を環状に超音波で走査することができ、これによりその回動軸線を中心とした一定範囲内の境界の深さ変化を検出することができる。
【００１４】
また、請求項３記載のこの発明のディレイ材付き接触型超音波センサは、請求項１または２記載のディレイ材付き接触型超音波センサにおいて、前記超音波振動子の振動面上の所定発生位置から発生した超音波が前記供試体内の所定焦点位置で反射して戻る帰着位置と、前記振動面の中心点に関し前記発生位置と対称の位置との間の距離を、前記所定発生位置を前記振動面の中心点から外周端まで移動させながら求めて積算した値が最小となる形状に前記音響レンズの回転体形状が設定されていることを特徴とするものである。
【００１５】
一般に、超音波振動子では、超音波の発生位置と帰着位置とが振動面の中心に対し点対称になっていると反射波を最も効率良く検出し得るとされており、上述した従来の超音波センサでは振動面の一方の外周端から発生した超音波が供試体内の焦点位置で反射して反対側の外周端に帰着するように音響レンズの球面の半径が設定されていたが、かかる設定では振動面全体について反射波を効率良く検出することはできなかった。これに対し上記本願発明の超音波センサによれば、超音波振動子の振動面全体として超音波の発生位置と帰着位置との対称性の誤差が最も少ない形状に音響レンズの回転体形状が設定されているので、焦点位置からの反射波を最も効率良く振動面で検出することができる。
【００１６】
従ってこの超音波センサによれば、供試体内の焦点位置付近の境界からの散乱波を、センサ出力の増幅度をさほど高めなくても明確に検出し得て、供試体内の境界につき、Ｓ／Ｎ比の良い、精度の高い検出を行うことができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明の実施の形態を実施例によって、図面に基づき詳細に説明する。ここに、図１は、この発明のディレイ材付き接触型超音波センサの一実施例を示す構成図であり、この実施例の超音波センサは、円盤状の通常の超音波振動子１と、先端面（図では下端面）で供試体２の表面に接触する倒立裁頭円錐状の通常のディレイ材３と、それら超音波振動子１とディレイ材３との間に介挿されてそれら超音波振動子１とディレイ材３との間隔を設定するスペーサ４と、それら超音波振動子１とディレイ材３との間の空間に満たされてそれら超音波振動子１とディレイ材３とに接するカップリング液で形成された音響レンズ５と、を具えており、ここにおけるディレイ材３はその凹球面状の後端面（図では上端面）3aにより、音響レンズ５の曲率半径Ｒの凸球面を画成している。
【００１８】
かかる実施例の超音波センサにあっては、図１中に矢印Ａで示すように、超音波振動子１の振動面1aの例えば点P1から発生した超音波は、音響レンズ５で屈折してディレイ材３を通り、さらに供試体２の表面から供試体２内に入って、供試体２の表面から深さFPの位置にある、例えば鋳造部品のリメルト強化層とその奥の通常の結晶粒部分との境界等の境界2aで散乱波として反射し、再びディレイ材３を通った後、音響レンズ５で屈折して振動面1aの例えば点P2に帰着し、超音波振動子１で検出される。
【００１９】
ところで、上記音響レンズ５の曲率半径Ｒは、従来のディレイ材付き接触型超音波センサでは、振動面1aの一方の外周端から発生した超音波が供試体２内に設定した所定焦点位置で反射して振動面1aの反対側の（振動面1aの中心点Ｏに関し点対称の）外周端に帰着するように設定されていた（逆にいえば、振動面1aの外周端を規準に焦点位置が決められていた）が、かかる設定では、図１に示すように振動面1aの外周端よりも内側の位置で発生した超音波は、焦点位置で反射すると振動面1aの中心点Ｏに関し点対称の位置に帰着しないため、測定したい境界付近に焦点位置がくるように曲率半径Ｒを設定しても振動面1a全体について反射波を効率良く検出することはできなかった。
【００２０】
そこで上記実施例の超音波センサでは、上記音響レンズ５の曲率半径Ｒは、以下の如くして、超音波振動子１の振動面1a全体として超音波の発生位置と帰着位置との対称性の誤差が最も少ない形状に設定されている。すなわち、この実施例では音響レンズ５の供試体側の表面は曲率半径Ｒの球面であるので、図２に模式的に示すように、ｙ軸を中心軸線とした超音波振動子１の半径をｒ、ある超音波発生点の半径をｒ０、音響レンズ５の球面の中心点のｙ座標を−Ｒとするとともに、超音波の、音響レンズ５の球面への入射角をθ１、その球面からの出射角をθ２、供試体内への入射角をθ３とし、さらに、音響レンズ５の高さをＳ、ディレイ材３の高さをＨ、供試体２内の焦点位置の深さをFP、超音波の縦波の、音響レンズ５内の音速をＶLC、ディレイ材３内の音速をＶLD、供試体２内の音速をＶLM、Ｃを係数とすると、超音波の経路がｙ軸に関して対称となる際には、以下の〔数１〕の関係式が成り立つ。但し（２）、（３）式はスネルの法則による。
【００２１】
【数１】
0004046926.tif 000002
【００２２】
上記の関係式では、高さＳ，Ｈ、音速ＶLC，ＶLD，ＶLM、そして半径ｒは基本的に定数である。従って、所望の焦点位置深さFPを設定すれば、曲率半径Ｒに対して対称性が成立する半径ｒ０が定まり、そこから係数Ｃが定まることになる。ここで、超音波発生点の半径ｒａを上記ｒ０から変化させると、音響レンズ５が球面であるゆえ、深さFPの境界で反射した反射波は振動面1a上の、ｙ軸に関してその超音波発生点と対称の点には戻らず、その対称点からずれて位置する。この位置ずれ量を、超音波発生点の位置をｒａ＝０からｒａ＝ｒまで変化させながら求めていって、位置ずれ量の積分値（積算値）を求め、かかる積分値を、曲率半径Ｒひいては対称性が成立する半径ｒ０を変化させながら調べて、その積分値が最小となる場合すなわち振動面1a全体について最も位置ずれ量が少なくなる場合の対称性が成立する半径ｒ０を求め、その半径ｒ０から、係数Ｃの最適値を求める。
【００２３】
この係数Ｃの最適値は、焦点位置の深さFPによって異なるが、超音波センサでの通常の測定深さの範囲では0.65≦Ｃ≦0.85となり、このＣの値の範囲から逆算して求めた音響レンズ曲率半径Ｒは、音響レンズ５（カップリング液）内の音速ＶLC＝1516m/sec 、ディレイ材３（合成樹脂）内の音速ＶLD＝2330m/sec 、供試体２（アルミニウム合金鋳造物のリメルト強化層）内の音速ＶLM＝6544m/sec の場合に、図３〜図７の如くになる。ここに、図３〜図５は、測定可能範囲の最大深さに焦点位置の深さFPを合わせた場合であり、また図６，図７は、測定可能範囲の１／２の深さに焦点位置の深さFPを合わせた場合である。
【００２４】
図８は、対称性が成立する半径ｒ０を変化させた場合の位置ずれ量の積算値の変化と、超音波の第１反射波の強度との関係を例示するものであり、図示のように、反射波強度は、積算値が最小のときに最大となっている。また図９（ａ）および（ｂ）は、従来の超音波センサおよび上記実施例の超音波センサでそれぞれ検出した供試体表面からの反射波WSと供試体内の境界からの散乱波WBとを示すものであり、図示のように上記実施例の超音波センサでは散乱波WBがはっきりと検出されている。
【００２５】
従って、上述の如くして音響レンズ５の球面の曲率半径Ｒが設定されたこの実施例の超音波センサによれば、焦点位置からの反射波を最も効率良く振動面1aで検出し得ることから、供試体２内の焦点位置付近の境界2aからの散乱波を、センサ出力の増幅度をさほど高めなくても明確に検出することができるので、供試体２内の境界2aの深さについて、Ｓ／Ｎ比の良い、精度の高い検出を行うことができる。
【００２６】
なお、上記実施例では音響レンズ５が球面を有していたが、音響レンズ５が回転楕円面を有している場合も同様にして、対称点からの位置ずれ量の積算値が最小となる場合を求めることで、焦点位置からの反射波を最も効率良く振動面で検出し得るような、回転楕円面の長径や短径等の形状パラメータを求めることができる。
【００２７】
図10は、上記実施例の超音波センサでの超音波の伝播状況を模式的に示す説明図であり、説明の便宜上音響レンズ５の表面は平坦に描かれている。また超音波の経路のうち実線は縦波、破線は横波を示している。図示のように、超音波振動子１の振動面1a上の例えば点P1で発生した超音波は、音響レンズ５とディレイ材３との境界上の点R1で反射すると縦波反射波LW１として振動面1a上の点P2に帰着し、その縦波反射波LW１はその後、音響レンズ５の両面すなわち振動面1a上の点とディレイ材３上の点R2, R3とで反射を繰り返して縦波反射波LW２，LW３として振動面1a上の点P3, P4に逐次帰着する。また上記超音波は、ディレイ材３と供試体２の表面との境界上の点R4で反射すると縦波反射波LW４として点P2に帰着し、さらに供試体２内の必要測定深さ範囲Ｄ内に位置する境界2a上の点R5で反射すると縦波反射波LW５として縦波反射波LW４の後に点P2に帰着する。さらに上記超音波は、ディレイ材３と供試体２の表面との境界上の点R4で反射する際に入射角が大きいことから横波反射波TWにもなり、その横波反射波TWも振動面1a上の点P5に帰着する。
【００２８】
ところで、従来のディレイ材付き接触型超音波センサでは、かかる縦波反射波LW１〜LW５および横波反射波TWの帰着のタイミングを調整していなかったことから、検出すべき境界2aの深さに対応してその境界2aからの縦波反射波LW５が帰着するタイミング付近で他の反射波も帰着してしまい、検出すべき縦波反射波LW５が他の反射波と区別がつきづらかったり他の反射波と重なってしまったりしてその縦波反射波LW５を明確に検出するのが困難であった。
【００２９】
そこでこの実施例の超音波センサでは、以下の二種類の方法の何れかにより音響レンズ５の高さＳとディレイ材３の高さＨとを設定することで、上記の問題を解決している。先ず、第１の方法は、図11に示すように、音響レンズ５内で反射を繰り返している縦波反射波（縦波繰り返し反射波）のうちＮ＋１番目の縦波反射波、すなわち図示例では３番目の縦波反射波LW３の後またはそれと同時に横波反射波TWが帰着するようにして、その横波反射波TWの一つ前または同時の縦波反射波である上記Ｎ＋１番目の縦波繰り返し反射波LW３の帰着と、その前の、供試体２の表面からの縦波反射波LW４の帰着との間の時間を、所望の測定深さ範囲を測定するための測定エリアSAとし、その測定エリアSA内に供試体２内の必要測定深さ範囲Ｄ内に位置する境界2aからの縦波反射波LW５が帰着するようにしたものである。
【００３０】
このように必要測定深さ範囲Ｄとの関係で測定エリアSAを設定するには、以下の〔数２〕の関係式から音響レンズ５の高さＳとディレイ材３の高さＨとを求める。ここでは、音響レンズ５内の縦波超音波の音速をＶLC、ディレイ材３内の縦波超音波の音速をＶLD、ディレイ材３内の横波超音波の音速をＶSD、供試体２内の縦波超音波の音速をＶLMとし、また図11に示すように、供試体２の表面からの縦波反射波LW４と縦波繰り返し反射波との時間差Ａを、それらが重ならないように縦波繰り返し反射波の減衰時間を考慮して決めてある。
【００３１】
【数２】
0004046926.tif 000003
【００３２】
なお、Ｎ＝１とすると、Ｓが大きくなり過ぎ、またＮ＝４以上とするとＨが大きくなり過ぎるため、Ｎは２または３が好ましく、図11の例のようにＮ＝２とするのが最も妥当である。図12は、上記の方法で求めた必要測定深さ範囲Ｄと高さ寸法ＨおよびＳとの関係を示すものである。
【００３３】
図13（ａ）および（ｂ）は、従来の超音波センサおよび上記実施例の超音波センサでそれぞれ検出した縦波繰り返し反射波RW１（１番目），RW２（２番目）・・と供試体表面からの縦波反射波LWと供試体表面からの横波反射波TWとを示しており、また図14（ａ）および（ｂ）は、図13（ａ）および（ｂ）を時間軸を拡大して示すものであり、図示のように、従来の超音波センサでは測定エリアSA内にかなりのノイズが入り込んでいるが、上記実施例の超音波センサでは測定エリアSAにノイズがほとんど存在しない。
【００３４】
第２の方法は、図15に示すように、音響レンズ５内で反射を繰り返している縦波反射波（縦波繰り返し反射波）のうちＮ＋１番目の縦波反射波、すなわち図示例では３番目の縦波反射波LW３の直前に横波反射波TWが帰着するようにして、その横波反射波TWの帰着と、その一つ前の縦波反射波である供試体２の表面からの縦波反射波LW４の帰着との間の時間を、所望の測定深さ範囲を測定するための測定エリアSAとし、その測定エリアSA内に供試体２内の必要測定深さ範囲Ｄ内に位置する境界2aからの縦波反射波LW５が帰着するようにしたものである。
【００３５】
このように必要測定深さ範囲Ｄとの関係で測定エリアSAを設定するには、以下の〔数３〕の関係式から音響レンズ５の高さＳとディレイ材３の高さＨとを求める。ここで、音速ＶLC，ＶLD，ＶSD，ＶLMは先の方法におけると同一である。
【００３６】
【数３】
0004046926.tif 000004
【００３７】
なお、この場合もＮ＝１とすると、Ｓが大きくなり過ぎ、またＮ＝４以上とするとＨが大きくなり過ぎるため、Ｎは２または３が好ましく、図15の例のようにＮ＝２とするのが最も妥当である。
【００３８】
上記第２の方法で音響レンズ５の高さＳとディレイ材３の高さＨとを求めた場合でも、先の第１の方法の場合と同様、上記実施例の超音波センサで測定エリアSAからノイズをなくすことができる。
【００３９】
図16（ａ）および（ｂ）は、上記実施例のディレイ材付き接触型超音波センサの応用例を模式的に示す説明図であり、ここでは上記実施例の超音波センサが、超音波振動子１と音響レンズ５とディレイ材３とを保持するホルダ６を具えるとともに、そのホルダ６を、ディレイ材３の中心軸線と実質上一致する所定軸線TA周りに回動させる、モータ駆動のホルダ回動機構７を具えている。
【００４０】
上記実施例のディレイ材付き接触型超音波センサでは、音響レンズ５は超音波振動子１とディレイ材３とで画成されることから、その超音波振動子１とディレイ材３との配置誤差によりそれらの中心軸線同士が一致せず僅かに角度を持ち、それゆえ、図16（ａ）に示すように、ディレイ材３の中心軸線ひいては上記回動軸線TAに対し僅かに傾斜した向きに超音波ビームSBが放射される。
【００４１】
従って上記応用例の超音波センサによれば、図16（ｂ）に示すように、その回動軸線TAが供試体２表面と実質上直交する向きに超音波センサを配置してホルダ回動機構７でホルダ６を回動させることで、その回動軸線TAと交差する供試体２上の点の周囲を環状に超音波ビームSBで走査することができ、これによりその回動軸線TAを中心とした一定範囲内の境界2aの深さ変化ひいてはその範囲内の例えばリメルト強化層の最小厚さを検出することができる。
【００４２】
以上、図示例に基づき説明したが、この発明は上述の例に限定されるものでなく、例えば、供試体やディレイ材の材質等を所要に応じて変更することもでき、また超音波センサの使用目的も境界の検出のみならず探傷等にも用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明のディレイ材付き接触型超音波センサの一実施例を模式的に示す構成図である。
【図２】  上記実施例の超音波センサにおける超音波の伝播経路を示す説明図である。
【図３】  上記実施例の超音波センサにおける音響レンズの曲率半径を所定の測定可能範囲について焦点位置がその測定可能範囲の最大深さの場合で示す関係線図である。
【図４】  上記実施例の超音波センサにおける音響レンズの曲率半径を他の所定の測定可能範囲について焦点位置がその測定可能範囲の最大深さの場合で示す関係線図である。
【図５】  上記実施例の超音波センサにおける音響レンズの曲率半径を他の所定の測定可能範囲について焦点位置がその測定可能範囲の最大深さの場合で示す関係線図である。
【図６】  上記実施例の超音波センサにおける音響レンズの曲率半径を所定の測定可能範囲について焦点位置がその測定可能範囲の最大深さの１／２の場合で示す関係線図である。
【図７】  上記実施例の超音波センサにおける音響レンズの曲率半径を他の所定の測定可能範囲について焦点位置がその測定可能範囲の最大深さの１／２の場合で示す関係線図である。
【図８】  上記実施例の超音波センサにおける対称性が成立する超音波発射点半径と反射波強度との関係を示す関係線図である。
【図９】  （ａ）および（ｂ）は、従来の超音波センサおよび上記実施例の超音波センサでそれぞれ検出した供試体表面からの反射波と供試体内の境界からの散乱波とを示す特性図である。
【図１０】  上記実施例の超音波センサでの超音波の伝播状況を模式的に示す説明図である。
【図１１】  上記実施例の超音波センサでの音響レンズの高さとディレイ材の高さとを設定する第１の方法を示す説明図である。
【図１２】  上記第１の方法で設定した音響レンズの高さとディレイ材の高さとを必要測定深さ範囲との関係で示す関係線図である。
【図１３】  （ａ）および（ｂ）は、従来の超音波センサおよび上記実施例の超音波センサでそれぞれ検出した縦波繰り返し反射波と供試体表面からの縦波反射波と供試体表面からの横波反射波とを示しす説明図である。
【図１４】  （ａ）および（ｂ）は、図13（ａ）および（ｂ）をそれぞれ時間軸を拡大して示す説明図である。
【図１５】  上記実施例の超音波センサでの音響レンズの高さとディレイ材の高さとを設定する第２の方法を示す説明図である。
【図１６】  （ａ）および（ｂ）は、上記実施例のディレイ材付き接触型超音波センサの応用例を模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
１  超音波振動子
２  供試体
2a  境界
３  ディレイ材
４  スペーサ
５  音響レンズ
６  ホルダ
７  ホルダ回動機構
SB  超音波ビーム
Ｄ  必要測定深さ範囲
FP  焦点位置の深さ
Ｈ  ディレイ材の高さ
Ｒ  音響レンズの曲率半径
Ｓ  音響レンズの高さ
【図１】
0004046926.tif 000005
【図２】
0004046926.tif 000006
【図３】
0004046926.tif 000007
【図４】
0004046926.tif 000008
【図５】
0004046926.tif 000009
【図６】
0004046926.tif 000010
【図７】
0004046926.tif 000011
【図８】
0004046926.tif 000012
【図９】
0004046926.tif 000013
【図１０】
0004046926.tif 000014
【図１１】
0004046926.tif 000015
【図１２】
0004046926.tif 000016
【図１３】
0004046926.tif 000017
【図１４】
0004046926.tif 000018
【図１５】
0004046926.tif 000019
【図１６】
0004046926.tif 000020