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| タイトル： | 特許公報(B2)_超音波探触子および超音波検査装置 |
| 出願番号： | 1999327987 |
| 年次： | 2005 |
| IPC分類： | 7,H04R1/34,G01N29/24,G01N29/28,H04R17/00 |
特許情報キャッシュ
杉ノ内 剛彦 橋本 雅彦 JP 3608453 特許公報(B2) 20041022 1999327987 19991118 超音波探触子および超音波検査装置 松下電器産業株式会社 000005821 岩橋 文雄 100097445 坂口 智康 100103355 内藤 浩樹 100109667 杉ノ内 剛彦 橋本 雅彦 20050112 7 H04R1/34 G01N29/24 G01N29/28 H04R17/00 JP H04R1/34 330A G01N29/24 G01N29/28 H04R17/00 330J 7 H04R 1/34 330 G01N 29/24 G01N 29/28 H04R 17/00 330 特開平１１−０５６８３４（ＪＰ，Ａ） 特開平０６−１０５８４２（ＪＰ，Ａ） 特開昭５７−０１４３３４（ＪＰ，Ａ） 10 2001145195 20010525 11 20021225 松澤 福三郎 【０００１】【発明の属する技術分野】本発明は超音波を利用した計測の分野に用いられる超音波探触子およびそれを利用した超音波検査装置に関するものである。【０００２】【従来の技術】従来、水や油をきらう被検体の場合や音速の遅い音響媒質を用いて分解能を向上させようとした場合、不活性の音響媒質が使用されているが、純水に比べると一般的に減衰が大きく、超音波振動子を被検体に近づける必要があった。【０００３】図８を用いて特開昭６３−３６１７２号公報に示された従来の方法について説明する。【０００４】プローブ８０１をテーパ状の超音波カプラ８０２に装着する。超音波カプラ８０２内には音響レンズ８０３が具備しており、音響レンズ８０３の上面８０３aがプローブ８０１と同じ曲率をもち、音響レンズ８０３の下面８０３ｂがプローブ８０１の曲率よりも小さい曲率を持つことにより、プローブ８０１の焦点を近距離に移動させることを実現している。そして音響レンズ８０３の前面には音響媒質８０４があり、シリコーンゴム膜８０５を通して超音波８０６を送信している。【０００５】また、音響レンズを具備した超音波振動子では音響媒質によって焦点距離が決まってしまうが、特開平５―６６２１９号公報では薄板の引っ張り、圧縮を変化させることで凹面部分の曲率を変化させて焦点の可変を実現している。【０００６】【発明が解決しようとする課題】しかしながら、高周波で計測を行う場合、図８に示す従来の方法ではシリコーンゴム膜８０５による減衰の影響を無視できなくなる。また、薄板の引っ張り、圧縮を変化させることで凹面部分の曲率を変化させて焦点の可変を実現する場合、被検体の凹部内を計測しようとすると、その凹部内にはいれるように小さな超音波振動子が要求され、超音波振動子の製造が困難である。【０００７】本発明はこのような問題点を解決するもので、被検体の音響媒質による影響をなくし、かつ音響媒質層を表面張力によって音響レンズの役割をもたせ、感度の高い超音波の送受信を実現できる超音波振動子および超音波検査装置を提供する事を目的とするものである。【０００８】【課題を解決するための手段】本発明は、超音波を送信あるいは受信する超音波振動子を有し、音響媒質内に配置した被検体に対して、音響媒質を介して超音波を伝搬可能な超音波探触子であって、前記超音波探触子は筒状構造を有し、前記筒状構造の中には前記音響媒質と異なる媒体を有し、被検体が存在する音響媒質と筒状構造の中の媒体とは溶解せず、前記筒状構造の中の媒体が表面張力によってレンズ構造を有する。【０００９】【発明の実施の形態】本発明の一実施形態は、超音波を送信あるいは受信する超音波振動子と、前記超音波振動子から送信された超音波あるいは被検体により反射された超音波を伝搬させる音響媒質を少なくとも１種類以上具備し、前記超音波振動子が、前記少なくとも１種類の音響媒質を含む少なくとも２種類以上の音響媒質を介して前記被検体と超音波の送受信を行うことを特徴とする超音波探触子であり、被検体に応じた音響媒質と、感度を考慮した音響媒質を組み合わせることにより、被検体による音響媒質の制約を考慮しながら感度のよい超音波の送受信を可能にする作用を有する。【００１０】好ましくは、少なくとも２種類以上の音響媒質は、少なくとも隣りあう音響媒質間で溶解せず、層状構造をなすことを特徴とするものであり、音響媒質が音響整合層の役割をはたすことを可能にする作用を有する。【００１１】好ましくは、超音波振動子から最も離れた音響媒質に被検体が設置されることを特徴とするものであり、超音波の集束行程の大半を減衰の少ない音響媒質層で行うことにより、感度のよい超音波の送受信を可能にする作用を有する。【００１２】好ましくは、少なくとも２種類以上の音響媒質は、いずれも液体であることを特徴とするものである。【００１３】好ましくは、被検体が存在する音響媒質が、不活性液体であることを特徴とするものであり、被検体に影響を与えずに超音波の送受信を可能にする作用を有する。【００１４】本発明の他の実施形態は、被検体を音響媒質内に配置し、超音波探触子を用いて超音波を音響媒質内に伝搬させて前記被検体を超音波検査する超音波検査装置であって、前記超音波探触子は筒状構造を有し、前記筒状構造の中には前記音響媒質と異なる媒体を有していることを特徴とする超音波検査装置であり、被検体に応じた音響媒質と、感度を考慮した音響媒質を組み合わせることにより、被検体による音響媒質の制約を考慮しながら感度のよい超音波の送受信を可能にする作用を有する。【００１５】好ましくは、超音波探触子は、音響レンズを具備することを特徴とするものであり、減衰の少ない音響媒質層内で超音波の集束を可能にする作用を有する。【００１６】好ましくは、被検体が存在する音響媒質が、不活性液体であることを特徴とするものあり、被検体に影響を与えずに超音波の送受信を可能にする作用を有する。【００１７】好ましくは、超音波探触子は、筒状構造の中の媒体に圧力変化を与える手段を具備することを特徴とするものであり、音響媒質を使ってレンズを構成し、その曲率を可変にする作用を有する。【００１８】好ましくは、被検体が存在する音響媒質と筒状構造の中の媒体とは溶解せず、前記筒状構造の中の媒体が表面張力によってレンズ構造を有することを特徴とするものあり、超音波を集束させる場合に音響媒質間に音響レンズを新たに用いる必要がないため、感度のよい超音波の送受信を可能にする作用を有する。【００１９】好ましくは、超音波探触子は、音響レンズを具備することを特徴とするものであり、減衰の少ない音響媒質層内で確実に超音波の集束を可能にする作用を有する。【００２０】好ましくは、被検体が存在する音響媒質が、不活性液体であることを特徴とするものであり、被検体に影響を与えずに超音波の送受信を可能にする作用を有する。【００２１】好ましくは、超音波探触子は、筒状構造の中の媒体に圧力変化を与える手段を具備することを特徴とするものであり、音響媒質を使ってレンズを構成し、その曲率を可変にする作用を有する。【００２２】好ましくは、筒状構造の中の媒体を用いて、表面張力によってできたレンズ構造と音響レンズとの距離を可変にすることができるものであり、被検体に入射する超音波の入射角度を可変にできる作用を有する。【００２３】以下、本発明の実施の形態について、図１から図７を用いて説明する。【００２４】（実施の形態１）図１は本発明の実施の形態１における超音波検査装置の概略図である。図１において、１０１は超音波振動子であり、圧電素子と純水に対する音響整合層とから成る。圧電素子としてはチタン酸鉛系、高周波ではＬｉＮｂＯ3 などが使用される。１０２は筒状構造としての筒状のホルダ、１０３は音響媒質としての純水、１０４は音響媒質としての不活性液体で、例えばスリーエム社製の商品名「フロリナート」がある。１０５は被検体である。超音波振動子１０１と筒状ホルダ１０２は固定されている。【００２５】超音波検査手順として、まず被検体１０５を、不活性液体１０４をいれた水槽１０６中に沈める。次に超音波振動子１０１と筒状のホルダ１０２が接続されたものを不活性液体１０４につかるように被検体１０５の上にくるように固定する。筒状のホルダ１０２の中に純水１０３を流し込み、超音波計測を行う。純水１０３の比重が約１．０g/cc、不活性液体１０４をここではスリーエム社製の「フロリナート」（ＦＣ−７７）とすると比重が約１．７８g/ccであり、両者は溶け合わないため、混ざることなく不活性液体１０４の上に純水１０３がうわずみとして存在することになる。筒状のホルダ１０２の材質は吸音性の高いものが望ましい。超音波振動子１０１によって送受信を行い、受信した信号から純水１０３と不活性液体１０４の境界面での信号を削除して信号解析処理を行う。これによって超音波の送受信経路の大半が純水中となるので、超音波振動子１０１を被検体１０５に近づけることなく、減衰を大幅に改善できる。【００２６】（実施の形態２）図２は本発明の実施の形態２における超音波振動子である。図２において、２０１は圧電素子、２０２は圧電素子と純水１０３との音響インピーダンスの整合をとるための音響整合層で、複数層の場合もある。圧電素子２０１と音響整合層２０２の材料は（実施の形態１）と同じである。２０３はダンピング層で、圧電素子２０１からの超音波を吸収しやすい材料を選択し、例えばフェライトゴムがある。その厚みはダンピング層２０３中へ伝搬した超音波が上面で反射して再び圧電素子２０１に戻ってくる強度が十分に小さくなるように設定する。２０４は筒状構造としての筒状のホルダで底面に所定の開口面をもち、吸音材でかつ濡れ性のよい材料が望ましい。【００２７】２０５は筒状構造の中の音響媒質に圧力をかけることができる装置としてのピストンで、筒状のホルダ２０４に純水１０３を供給した後、ピストン２０５を上に引くことにより陰圧をかけることができる。なお、陰圧に引くポンプを用いても同様の効果が得られる。２０６は接触角９０度以上の撥水性材料で、フッソ系樹脂などがある。２０７はピストン２０５によって陰圧をかけることによってできた純水１０３のメニスカス面である。濡れ性のよい筒状のホルダ２０４と、撥水性のよい２０６によってメニスカスができやすいような構造になっている。【００２８】図３は超音波検査手順についての概略図である。まず図３（ａ）のように筒状のホルダ２０４の底面を密封するための平板３０１でふさぐ。次に上部開口３０２より純水１０３を充填させる。次にピストン２０５で上部開口３０２をふさぎ、底面を密封するためのフタ３０１をはずす。図３（ｂ）のようにピストン２０５を少しさげて凸状メニスカス面３０３を発生させる。そのまま図３（ｃ）のように被検体１０５が不活性液体１０４の中に沈んでいる水槽１０６に浸す。その状態のまま、図３（ｄ）のようにピストン２０５をによって所定の陰圧をかけることによって凹状のメニスカス面２０７を形成させる。これによって純水１０３と不活性液体１０４の境界面に気泡がたまることがない。【００２９】陰圧の値によって凹状のメニスカス２０４の形状が変化するので、被検体１０５との位置関係と計測内容で凹状のメニスカス２０７の形状を決定する。計測内容とは、被検体１０５の表面に表面波をたたせたい場合、入射角度は被検体１０５の物性値と不活性液体１０４の物性値から決まってくる。不活性液体１０４の減衰を考えてなるべく焦点距離は短いほうがよい。【００３０】図４は凹状のメニスカス２０７を仮に球状の曲面であると仮定し、凹状のメニスカス２０７の曲率半径をＲ[mm]、純水１０３の音速をＶ１[m/sec] 、不活性液体１０４の音速をＶ２[m/sec] とした時の焦点距離Ｆ[mm]について説明した図である。図４において４０１は凹状のメニスカス面２０７にメニスカス曲面の法線方向に対して角度Θ１で入射する入射超音波、４０２は凹状メニスカス面２０７によって屈折角Θ２で屈折した屈折超音波である。【００３１】スネルの法則よりsinΘ１／sinΘ２＝Ｖ１／Ｖ２ （１）が成り立ち、（１）式よりＦ＝Ｒ／（１−Ｖ２／Ｖ１） （２）となる。【００３２】凹状のメニスカス２０７の曲率半径を１[mm]、純水２０３の音速を１５００[m/sec] 、不活性液体１０４をスリーエム社製の「フロリナート」（ＦＣ−７７）とすると音速は５８０[m/sec] となる。すると焦点距離をＦ[mm]は（２）式よりＦ＝１．６３[mm]と計算される。しかし、実際には形成されるメニスカスによる凹面は球面ではないので、メニスカスの形状と焦点距離との関係は前もって調べておく必要がある。メニスカスは陰圧により形成されるが、形状については筒状のホルダ２０４の底面の口径と材質（濡れ性）によって決まる。最大で口径と同じ曲率のメニスカスをえることができる。これによって純水の曲率可変の音響レンズをつくり、超音波を不活性液体中に集束させることができる。【００３３】（実施の形態３）図５は本発明の実施の形態３における超音波振動子である。図５（ａ）において、５０１は音響レンズで、材料としてはポリスチレンが減衰が少ないので適している。圧電素子２０１と音響整合層２０２とダンピング層２０３と音響レンズ５０１は一体となっている。圧電素子２０１と音響整合層２０２とダンピング層２０３についての説明は実施の形態２と同じであるので省略する。圧電素子２０１と音響整合層２０２とダンピング層２０３と音響レンズ５０１が一体となっているものは、筒状のホルダ２０４の中で位置が自由に設定できる構造となっている。【００３４】圧電素子２０１によって発生した超音波は音響整合層２０２をとおり、音響レンズ５０１によって圧電素子２０１において発生した超音波はある角度で屈折する。そして音響媒質としての純水１０３によって形成された凹状メニスカス面２０７に到達し、再度屈折される。凹状メニスカス面２０７の形成方法は実施の形態２で述べたものと同じであるので省略する。さらに超音波検査手順は実施の形態２で述べたものと同じであるので省略する。【００３５】図５（ｂ）においては、一体となっている圧電素子２０１と音響整合層２０２とダンピング層２０３と音響レンズ５０１を図５（ａ）よりも下方に設定することにより図５（ａ）と比較して凹状のメニスカス２０７に入射する超音波の領域が広くなっている。これによって被検体１０５に入射される超音波の入射角度が大きくなる。【００３６】これについて図６を用いて説明する。図６は凹状メニスカス面２０７を仮に球状の曲面であると仮定し、凹状メニスカス面２０７の曲率半径をＲ[mm]、純水１０３の音速をＶ１[m/sec] 、不活性液体１０４の音速をＶ２[m/sec] 、焦点距離をＦ[mm]とした時の被検体１０５への入射角度について説明した図である。図６（ａ）において６０１は凹状メニスカス面２０７に入射角Θinで入射する入射超音波、６０２は凹状メニスカス面２０７によって屈折角Θ２’で屈折した屈折超音波である。図６（ｂ）において６０３は、一体となっている圧電素子２０１と音響整合層２０２とダンピング層２０３と音響レンズ５０１を図５（ａ）よりも下方に設定したとき（図５（ｂ）の場合）の凹状メニスカス面２０７に入射角Θinで入射する入射超音波、６０４は凹状メニスカス面２０７によって屈折角Θ２”で屈折した屈折超音波である。【００３７】図６（ａ）において、スネルの法則よりsin（Θ１−Θin）／sinΘ２’＝Ｖ１／Ｖ２ （３）が成り立つ。Θ１は中心線方向と超音波の入射位置の、メニスカス曲面の法線方向とのなす角度である。凹状メニスカス面２０７に入射角Θinで入射する超音波６０１がメニスカス曲面の中心線から最も離れた位置であるとすると、被検体１０５への入射角度をΘとおくと、Θ＝Θ１−Θ２’ （４）が成り立つ。【００３８】次に、一体となっている圧電素子２０１と音響整合層２０２とダンピング層２０３と音響レンズ５０１を図５（ａ）よりも下方に設定すると、図６（ｂ）においてスネルの法則よりsin（Θ１’−Θin）／sinΘ２”＝Ｖ１／Ｖ２ （５）が成り立つ。Θ１’は中心線方向と超音波の入射位置の、メニスカス曲面の法線方向とのなす角度である。凹状のメニスカス２０７に入射角Θinで入射する超音波６０３がメニスカス曲面の中心線から最も離れた位置であるとすると、被検体１０５への入射角度をΘ’とおくと、Θ’＝Θ１’−Θ２” （６）となる。Θ１とΘ１’の差とスネルの法則によって導き出されるΘ２’とΘ２”との差は異なるので、（４）式と（６）式から被検体１０５への入射角度が変化したことがわかる。【００３９】これによって、一体となっている圧電素子２０１と音響整合層２０２とダンピング層２０３と音響レンズ５０１と、凹状メニスカス面２０７との距離を変化させることで、被検体１０５への入射角度を可変することができる。【００４０】（実施の形態４）図７は本発明の実施の形態４における超音波振動子である。図７において、７０１は凹状の被検体である。７０２は、下がとがった形状をして開口している筒状のホルダである。それ以外についての各部は実施の形態２および３の場合と同じであるので説明を省略する。【００４１】ここで被検体７０１は金属製で、音響媒体として水が使用できない。被検体７０１の凹内を高周波超音波で計測する場合、不活性液体１０４中での減衰をなるべく減らすために超音波信号の不活性液体１０４中の通過距離をなるべく短くしたい。さらに不活性液体１０４中の減衰を考慮して、超音波のパワーを大きくするために、圧電素子２０１のサイズは大きくしたい。そこで筒状のホルダ７０２の、底面の開口を、被検体７０１の凹状の形状を考慮して開口に発生させたい純水１０３のメニスカスをもとに設計する。次に音響レンズ５０１の曲率を圧電素子２０１の面積と筒状のホルダ７０２内の純水１０３を伝搬する超音波が筒状のホルダ７０２の尖った部分の内側面での反射が極力ないように（つまり、音響レンズ５０１の曲率はなるべく大きく）設計する。これによって不活性液体中にある被検体の凹部の計測も、大きな圧電素子を使って有効に計測できる。 以上のように本実施形態によれば、複数の音響媒質を介して被検体と超音波の送受信を行うことで、被検体による音響媒質の制約を考慮しながら感度よく送受信を行うことが可能となる。また、音響媒質を層状構造にして超音波の送受信経路の大半を減衰の少ない音響媒質層とし、被検体は不活性な音響媒質層におくことで、被検体の音響媒質による影響をなくし、かつ音響媒質層を表面張力によって音響レンズの役割をもたせ、感度の高い超音波の送受信を実現できる超音波振動子および超音波検査装置を提供できるという有利な効果を有するものである。【００４２】【発明の効果】以上のように本発明によれば、音響媒質層を表面張力によって音響レンズの役割をもたせ、感度の高い超音波の送受信を実現できる超音波振動子および超音波検査装置を提供できる。【図面の簡単な説明】【図１】本発明の実施の形態１による超音波検査装置の概略側面図【図２】本発明の実施の形態２による超音波検査装置の概略側面図【図３】本発明の実施の形態２による超音波検査装置の検査手順を示す概略側面図【図４】本発明の実施の形態２による超音波の屈折状況を示す概略特性図【図５】本発明の実施の形態３による超音波検査装置の概略側面図【図６】本発明の実施の形態３による超音波の屈折状況を示す概略特性図【図７】本発明の実施の形態４による超音波検査装置の概略側面図【図８】従来の超音波探触子の要部概略側面図【符号の説明】１０１ 超音波振動子１０２ 筒状のホルダ１０３ 純水１０４ 不活性液体１０５ 被検体１０６ 水槽２０１ 圧電素子２０２ 音響整合層２０３ ダンピング層２０４ 筒状のホルダ２０５ ピストン２０６ 撥水性材料２０７ 凹状メニスカス面３０１ 平板３０２ 上部開口３０３ 凸状メニスカス面４０１ 入射超音波４０２ 屈折超音波５０１ 音響レンズ６０１、６０３ 入射超音波６０２、６０４ 屈折超音波７０１ 凹状の被検体７０２ 筒状のホルダ 超音波を送信あるいは受信する超音波振動子を有し、音響媒質内に配置した被検体に対して、音響媒質を介して超音波を伝搬可能な超音波探触子であって、前記超音波探触子は筒状構造を有し、前記筒状構造の中には前記音響媒質と異なる媒体を有し、被検体が存在する音響媒質と筒状構造の中の媒体とは溶解せず、前記筒状構造の中の媒体が表面張力によってレンズ構造を有することを特徴とする超音波探触子。 筒状構造内に音響レンズを具備することを特徴とする請求項１記載の超音波探触子。 被検体が存在する音響媒質が、不活性液体であることを特徴とする請求項１または２記載の超音波探触子。 超音波探触子は、筒状構造の中の媒体に圧力変化を与える手段を具備することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の超音波探触子。 筒状構造の中の媒体を用いて、表面張力によってできたレンズ構造と音響レンズとの距離を可変にすることができる請求項２記載の超音波探触子。 被検体を音響媒質内に配置し、超音波探触子を用いて超音波を音響媒質内に伝搬させて前記被検体を超音波検査する超音波検査装置であって、前記超音波探触子は筒状構造を有し、前記筒状構造の中には前記音響媒質と異なる媒体を有し、被検体が存在する音響媒質と筒状構造の中の媒体とは溶解せず、前記筒状構造の中の媒体が表面張力によってレンズ構造を有することを特徴とする超音波検査装置。 超音波探触子は、音響レンズを具備することを特徴とする請求項６記載の超音波検査装置。 被検体が存在する音響媒質が、不活性液体であることを特徴とする請求項６または７記載の超音波検査装置。 超音波探触子は、筒状構造の中の媒体に圧力変化を与える手段を具備することを特徴とする請求項６から８のいずれかに記載の超音波検査装置。 筒状構造の中の媒体を用いて、表面張力によってできたレンズ構造と音響レンズとの距離を可変にすることができる請求項７記載の超音波検査装置。