JP2008185478A - 超音波トランスデューサ - Google Patents

Abstract

【課題】被検体が小さな場合でも優れた検査精度で欠陥検査を達成できる超音波トランスデューサを提供する。
【解決手段】超音波トランスデューサ（１）であって、トランスデューサ本体（２）と送受信回路基板（５）と接続手段（５３ａ，５３ｂ）とを備える。トランスデューサ本体は、駆動パルスに応じた所定の超音波を発すると共に被検体（１２）からの反射波を受波してエコー信号として出力する発振体（２４）を有する。送受信回路基板は、駆動パルスを生成する機能及びエコー信号を増幅する機能を有すると共に、発振体に駆動パルスを出力する出力端子として、また発振体から出力されたエコー信号を入力する入力端子として機能する信号入出力端子（５１ａ，５１ｂ）を有する。接続手段は発振体と信号入出力端子とを電気的に接続し、その長さは１００／ｆｍａｘ〔ｃｍ〕以下とする。ｆｍａｘ〔ＭＨｚ〕は発振体から発する超音波の使用最大周波数である。
【選択図】 図２

Description

本発明は超音波トランスデューサに関する。より詳しくは、被検体に対する超音波の投射源及び被検体からの反射波の受信源となる装置に関する。

超音波探傷装置は、水中に浸された被検体に対し当該水を通して超音波を投射し、その反射波を受波し、そのエコー信号の波形に基づいて、被検体内部の剥離や傷等の欠陥を検出する装置である（例えば特許文献１参照）。

図１０は従来の超音波探傷装置の一例を示す構成概略図である。図１０に示すように、従来の超音波探傷装置１００は、水Ｗが充水された水槽１１、水槽１１中で浸水するように設けられた被検体１２、被検体１２に対する超音波の投射源及び被検体１２からの反射波の受信源となる超音波トランスデューサ５０、超音波トランスデューサ５０に駆動パルスを送信すると共に受信したエコー信号を増幅する送受波回路１６、超音波トランスデューサ５０と送受波回路１６とを電気的に接続する電気接続コード１７、超音波トランスデューサ５０を水平及び垂直方向に駆動可能な走査部１３、各構成部に電力を供給するための電源１４、及び送受波回路１６から出力されたエコー信号の波形に基づいて被検体１２の欠陥の有無を判定するように構成された判定装置１５を有する。

超音波トランスデューサ５０から投射される超音波は、１０ＭＨｚ〜２００ＭＨｚ程度の高周波成分を有する。また、反射波を受けて超音波トランスデューサ５０から出力される電気信号は、数ｍＶ程度の微弱電圧である。

実開平６−８０１６９号公報

従来、超音波トランスデューサ５０と送受波回路１６とを電気的に接続する電気接続コード１７の長さは、短くても数十ｃｍ、長い場合は数ｍに及んでいた。このように電気接続コード１７が長いと、送受波回路１６から超音波トランスデューサ５０に駆動パルスを送ったときに、駆動パルスが減衰し鈍ることがある。同様に、超音波トランスデューサ５０から送受波回路１６にエコー信号を送ったときに、エコー信号の高周波成分が減衰し鈍ることがある。その結果、検査精度が劣ってしまうという問題があった。近年においては、電子部品の小型化が進んでおり、被検体１２を電子部品とした場合は、極微少な欠陥も検出できることが重要な課題である。そのために、より分解能の高い高周波成分を鈍らせずに送受できることが必要である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、被検体が小さな場合でも優れた検査精度で欠陥検査を達成することができる超音波トランスデューサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の超音波トランスデューサは、被検体（１２）に対する超音波（Ｓ５）の投射源及び被検体（１２）からの反射波の受信源となる超音波トランスデューサ（１）であって、駆動パルス（Ｓ２）に応じた所定の超音波（Ｓ５）を発すると共に被検体（１２）からの反射波を受波してエコー信号（Ｓ３）として出力する発振体（２４）を有するトランスデューサ本体（２）と、駆動パルス（Ｓ２）を生成する機能及びエコー信号（Ｓ３）を増幅する機能を有すると共に、発振体（２４）に駆動パルス（Ｓ２）を出力する出力端子として、また発振体（２４）から出力されたエコー信号（Ｓ３）を入力する入力端子として機能する信号入出力端子（５１ａ，５１ｂ）を有する送受信回路基板（５）と、トランスデューサ本体（２）における発振体（２４）と送受信回路基板（５）における信号入出力端子（５１ａ，５１ｂ）との電気的な接続を行う接続手段（５３ａ，５３ｂ、５４ａ，５４ｂ）とを備え、発振体（２４）から発する超音波（Ｓ５）の使用最大周波数をｆｍａｘ〔ＭＨｚ〕として、接続手段（５３ａ，５３ｂ、５４ａ，５４ｂ）の長さを１００／ｆｍａｘ〔ｃｍ〕以下に構成したことを特徴とする。

また、請求項２に記載の超音波トランスデューサは、前記トランスデューサ本体（２）と前記送受信回路基板（５）とが一体となっている。請求項３に記載の超音波トランスデューサは、前記電気的な接続がハンダ（５３ａ，５３ｂ）によりなされている。請求項４に記載の超音波トランスデューサは、前記電気的な接続がリード線（５４ａ，５４ｂ）によりなされている。請求項５に記載の超音波トランスデューサは、前記電気的な接続が着脱自在なコネクタ（５５、５６）を介してなされている。

また、請求項６に記載の超音波トランスデューサは、水（Ｗ）中に浸された被検体（１２）に対し当該水（Ｗ）を通して超音波（Ｓ５）を投射し、その反射波を受波し、そのエコー信号（Ｓ３）の波形に基づいて、被検体（１２）内部の剥離や傷等の欠陥を検出する超音波探傷装置（１０）に組み込まれている。

本発明によると、トランスデューサ本体（２）における発振体（２４）と送受信回路基板（５）における信号入出力端子（５１ａ，５１ｂ）とは、接続手段（５３ａ，５３ｂ、５４ａ，５４ｂ）により電気的に接続されている。この接続手段（５３ａ，５３ｂ、５４ａ，５４ｂ）は、発振体（２４）から発する超音波（Ｓ５）の使用最大周波数をｆｍａｘ〔ＭＨｚ〕として、１００／ｆｍａｘ〔ｃｍ〕以下の長さになるように構成されている。

上述のように、接続手段（５３ａ，５３ｂ、５４ａ，５４ｂ）の上限長さを１００／ｆｍａｘ〔ｃｍ〕とした理由について説明する。接続手段（５３ａ，５３ｂ、５４ａ，５４ｂ）のインピーダンスは、超音波（Ｓ５）の使用周波数が高い程大きくなるので、信号が鈍らないようにするために、接続手段（５３ａ，５３ｂ、５４ａ，５４ｂ）は使用最大周波数に反比例した上限長さにしなければならない。１００／ｆｍａｘ〔ｃｍ〕が適切であると考えられるのは、後述する実施形態での周波数特性の実測データ（図６参照）に基づく。本発明を適用すると、使用最大周波数が例えば２００ＭＨｚのように比較的高い場合には、接続手段（５３ａ，５３ｂ、５４ａ，５４ｂ）の長さの上限値は、１００／２００＝０．５〔ｃｍ〕にする必要がある。反対に使用最大周波数が例えば５０ＭＨｚのように比較的低い場合には、接続手段（５３ａ，５３ｂ、５４ａ，５４ｂ）の長さの上限値は、１００／５０＝４〔ｃｍ〕でよいことになる。

本発明によると、接続手段（５３ａ，５３ｂ、５４ａ，５４ｂ）の長さが、使用最大周波数に応じて適切に決定された上限値以下とされているため、信号入出力端子（５１ａ，５１ｂ）からトランスデューサ本体（２）に駆動パルス（Ｓ２）を送ったときに、駆動パルス（Ｓ２）が減衰し鈍ることが極めて少ない。同様に、トランスデューサ本体（２）から信号入出力端子（５１ａ，５１ｂ）にエコー信号（Ｓ３）を送ったときに、エコー信号（Ｓ３）の高周波成分が減衰し鈍ることが極めて少ない。その結果、被検体（１２）が小さな場合でも優れた検査精度で欠陥検査を達成することができる。

なお、特許請求の範囲及び課題を解決するための手段の各欄において各構成要素に付した括弧書きの符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明に係る超音波トランスデューサによると、被検体が小さな場合でも優れた検査精度で欠陥検査を達成することができる。

図１は本発明に係る超音波トランスデューサの構成概略を示す分解斜視図、図２は本発明の第１形態の要部を示す正面一部断面図である。図１に示すように、本発明に係る超音波トランスデューサ１は、トランスデューサ本体２と信号送受部３とを備える。

トランスデューサ本体２は、図２に示すように、陽極２１、側壁部２２、絶縁部材２３、発振体２４及び陰極２５を備え、信号送受部３とは反対側に発振体２４が位置する状態で信号送受部３と一体化している。

陽極２１は、真鍮を材質とした円柱体からなる。側壁部２２は、ステンレス鋼を材質とし、陽極２１を内挿可能な径を有する略円筒体である。絶縁部材２３は、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）を材質とし、陽極２１の外周面と側壁部２２の内周面との空間を封止するように設けられる。発振体２４は、ポリビュリデンフロライド／トリフルオロエチレン（ＰＶＤＦ／ＴｒＦＥ）を材質とし、陽極２１の一端面に厚さ３μｍ〜６０μｍ程度となるように成膜されている。

陰極２５は金を材質とし、発振体２４の表面を被覆するように成膜されている。その厚さは０．１μｍ〜０．２μｍ程度である。絶縁部材２３の外周側面一帯には、銅箔２６が成膜され、この銅箔２６は陰極２５と導通している。銅箔２６と陽極２１との間に絶縁部材２３を介在させることにより、絶縁部材２３を誘電体としたコンデンサ体が形成される。なお、側壁部２２の内周面には、銅箔２６と側壁部２２とを絶縁させる絶縁性テープ２７が介在している。

信号送受部３は、図１に戻って、ハウジング４及び送受信回路基板５を備える。

ハウジング４は、有底略円筒状のステンレス鋼からなり、ハウジング本体４１とハウジングカバー４２とを備える。ハウジングカバー４２は、ハウジング本体４１にネジ４３により着脱自在に取り付けられる。ハウジング４におけるトランスデューサ本体２の取付側と反対側の端面には、送受信回路基板５に駆動電源を供給するための電源ケーブル６、及び送受信回路基板５からのＲＦ（リファレンス）信号Ｓ４を外部に取り出すためのコネクタ付ケーブル７が取り付けられる。

送受信回路基板５は、パルサー基板５１とレシーバー基板５２とからなる。これら２枚の基板５１，５２は、ハウジング４内において互いに対向するように、ブラケット等の取付部材によりハウジング本体４１に固定される。

パルサー基板５１は、駆動パルスＳ２を生成するように構成された回路基板である。駆動パルスＳ２は、トランスデューサ本体２において超音波Ｓ５を発するためのエネルギーを発振体２４に与える。パルサー基板５１の具体的な構成は、コンデンサに蓄積した電荷を、トリガー信号Ｓ１の付与タイミングで放電させることにより、駆動パルスＳ２を一定周期で出力するものとされる。この一定周期の値は、１００μｓ〜５ｍｓの範囲から選択された値である（図５参照）。そして発振体２４は、コンデンサの放電により生成された一定周期の駆動パルスＳ２によって超音波Ｓ５を発する。発振体２４から発する超音波Ｓ５のもつ周波数成分は発振体２４の厚み等によって設計される。

レシーバー基板５２は、トランスデューサ本体２における発振体２４が受信したエコー信号Ｓ３を増幅するように構成された回路基板である。具体的には、オペアンプ等の適当な増幅回路を備える。パルサー基板５１とレシーバー基板５２とは、コネクタ５８により互いに着脱自在に電気的に接続される。

図２に示すように、パルサー基板５１は信号入出力端子５１ａ，５１ｂを備える。信号入出力端子５１ａ，５１ｂは、トランスデューサ本体２に駆動パルスＳ２を出力する出力端子として、またトランスデューサ本体２から出力されたエコー信号Ｓ３を入力する入力端子として機能する。

パルサー基板５１における信号入出力端子５１ａとトランスデューサ本体２における陽極２１との電気的な接続、及びパルサー基板５１における信号入出力端子５１ｂと銅箔２６において陰極２５とは反対の側に位置する一部との電気的な接続は、それぞれ長さが数ｍｍ程度のハンダ５３ａ，５３ｂによって行われている（第１形態）。

超音波トランスデューサ１において、ハウジング４の内部は、送受信回路基板５を装着し且つ上記電気的な接続をした状態で、樹脂モールド８を形成することにより、送受信回路基板５や接続部分への浸水を完全に防ぐ防水構造とされている。樹脂モールド８の形成は、例えば、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、シリコン樹脂などの注入・充填により行う。特にシリコン樹脂は撥水性を有するため、防水手段として非常に有効である。なお、非透明のシリコン樹脂を用いることで、内部における送受信回路基板５の機密性を確保することもできる。

以上のように構成された超音波トランスデューサ１は、図３に示す超音波探傷装置１０に組み込まれて使用される。図３は本発明に係る超音波トランスデューサを組み込んだ超音波探傷装置の構成概要図、図４は本発明に係る超音波トランスデューサを組み込んだ超音波探傷装置の機能ブロック図、図５は本発明に係る超音波トランスデューサにおけるトリガー信号と駆動パルスとエコー信号の出力タイミングを示すタイムチャートである。

図３，４において、超音波探傷装置１０は、水Ｗが充水された水槽１１、水槽１１中で浸水するように設けられた被検体１２、本発明に係る超音波トランスデューサ１、超音波トランスデューサ１を水平及び垂直方向に駆動可能な走査部１３、トリガー信号Ｓ１を生成すると共に送受信回路基板５にＤＣ電源を供給する電源１４、及び超音波トランスデューサ１から出力されたＲＦ信号Ｓ４に基づいて被検体１２の欠陥の有無を判定するように構成された判定装置１５を有する。なお、電源１４において具体的には、トリガー生成部１４１がトリガー信号Ｓ１の生成を行い、ＤＣ電源部１４２がＤＣ電源の供給を行う。

次に、超音波探傷装置１０の動作について説明する。電源１４におけるトリガー生成部１４１はパルサー基板５１にトリガー信号Ｓ１を送信する。パルサー基板５１はトリガー信号Ｓ１で決められたタイミングで駆動パルスＳ２を生成して、トランスデューサ本体２に送信する。この駆動パルスＳ２により、発振体２４は、トランスデューサ本体２の電気的及び機械的な設計によって決められた周波数成分をもつ超音波Ｓ５を発する。超音波Ｓ５の周波数は例えば１０ＭＨｚ〜２００ＭＨｚ程度とされる。本実施形態では９０ＭＨｚを上限とした。勿論、２００ＭＨｚを超える構成とすることも可能である。発振体２４から出た超音波Ｓ５は、図３に示すように、水中を伝播し、時間ｔ１経過後に被検体１２の表面に到達する。そして、この超音波Ｓ５は被検体１２の表面で反射し、時間ｔ２経過後に発振体２４に戻り、発振体２４を振動させる。

発振体２４の振動は、電気信号に変換されエコー信号Ｓ３としてパルサー基板５１に取り込まれる。そして、コネクタ５８を介してレシーバー基板５２に取り込まれる。レシーバー基板５２では、組み込まれた増幅回路によりエコー信号Ｓ３を増幅しＲＦ信号Ｓ４として判定部１５に送る。判定部１５では、このＲＦ信号Ｓ４の波形に基づいて、被検体１２の欠陥の有無を判定する。欠陥の有無の判定は、例えば、判定部１５に予め記憶されたマスター信号と、レシーバー基板５２から送られたＲＦ信号Ｓ４との比較処理により行う。ここで、マスター信号とは、欠陥のない正常な被検体１２から得られたＲＦ信号のことである。走査部１３が超音波トランスデューサ１を水平方向に移動させながら、以上の動作を繰り返して行うことで、被検体１２全体に亘っての欠陥の有無を判定する。

本発明に係る超音波トランスデューサ１によると、パルサー基板５１における信号入出力端子５１ａとトランスデューサ本体２における陽極２１との電気的な接続、及びパルサー基板５１における信号入出力端子５１ｂと銅箔２６において陰極２５とは反対の側に位置する一部との電気的な接続は、それぞれハンダ５３ａ，５３ｂによって行われている。ハンダ５３ａ，５３ｂの長さは数ｍｍ程度である。この長さは、１００／ｆｍａｘ〔ｃｍ〕以下であることに基づいている。ここでｆｍａｘは、発振体２４から発する超音波Ｓ５の使用最大周波数〔ＭＨｚ〕であり、本実施形態では９０ＭＨｚである。従ってハンダ５３ａ，５３ｂの長さの上限値は１００／９０＝１．１〔ｃｍ〕となる。接続手段の長さが、使用最大周波数に応じて適切に決定された上限値以下とされているため、信号入出力端子５１ａ，５１ｂからトランスデューサ本体２に駆動パルスＳ２を送ったときに、駆動パルスＳ２が減衰し鈍ることが極めて少ない。同様に、トランスデューサ本体２から信号入出力端子５１ａ，５１ｂにエコー信号Ｓ３を送ったときに、エコー信号Ｓ３の高周波成分が減衰し鈍ることが極めて少ない。その結果、被検体１２が小さな場合でも優れた検査精度で欠陥検査を達成することができる。

本発明におけるこのような優れた効果を、図６に具体的に示す。図６は本発明に係る超音波トランスデューサを用いた場合と、従来の超音波トランスデューサ（図１０参照）を用いた場合とにおける周波数特性の比較を示すグラフである。図６において、実線Ｇ１は本発明に係る超音波トランスデューサ１を用いた場合の周波数特性を示し、破線Ｇ２は従来の超音波トランスデューサ５０を用いた場合の周波数特性を示す。実線Ｇ１は破線Ｇ２よりも９０ＭＨｚ以下の範囲でゲインが高く、本発明の優位性を表している。なお、従来の超音波トランスデューサ５０と送受波回路１６との電気的な接続に用いるリード線１７の長さは１ｍとした。

上述の実施形態では、パルサー基板５１における信号入出力端子５１ａとトランスデューサ本体２における陽極２１との電気的な接続、及びパルサー基板５１における信号入出力端子５１ｂと銅箔２６において陰極２５とは反対の側に位置する一部との電気的な接続は、それぞれハンダ５３ａ，５３ｂにより行ったが、ハンダ５３ａ，５３ｂに代えて、図７に示すように、それぞれ１．１〔ｃｍ〕以下のリード線５４ａ，５４ｂにより行ってもよい（第２の形態）。この場合にも、上述の実施形態とほぼ同様な効果が得られると期待できる。なお、電気的な接続手段は、ハンダ５３ａ，５３ｂやリード線５４ａ，５４ｂに代えて、熱圧着、導電性ペースト、スパッタリングなどによるものとしてもよい。

また、図８に示すように、ハンダ５３ａ，５３ｂの各中間に互いに着脱自在なコネクタ５５を介してもよい（第３の形態）。同様に図９に示すように、リード線５４ａ，５４ｂの各中間に互いに着脱自在なコネクタ５６を介してもよい（第４の形態）。この場合、トランスデューサ本体２側のコネクタ５５，５６の周りに、樹脂モールド８と分離可能な別個の樹脂モールド８’を形成することが好ましい。

その他、パルサー基板５１とレシーバー基板５２とは、ハウジング４の中で互いに対向する形で設けられているので、ハウジング４の小型化を図ることができる。更に、パルサー基板５１とレシーバー基板５２とは、コネクタ５８により着脱自在に接続されているため、第３の形態または第４の形態のように、コネクタ５５またはコネクタ５６を用いることで、パルサー基板５１とレシーバー基板５２とをそれぞれ単体で分離可能になり、各基板５１，５２への機能追加（特に開発段階時）がしやすいと共にメンテナンス性にも優れるようになる。

以上、本発明の実施の形態について説明を行ったが、上に開示した実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこの実施の形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、更に特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むことが意図される。

本発明に係る超音波トランスデューサの構成概略を示す分解斜視図である。 本発明の第１形態の要部を示す正面一部断面図である。 本発明に係る超音波トランスデューサを組み込んだ超音波探傷装置の構成概要図である。 本発明に係る超音波トランスデューサを組み込んだ超音波探傷装置の機能ブロック図である。 トリガー信号と駆動パルスとエコー信号の出力タイミングを示すタイムチャートである。 本発明に係る超音波トランスデューサを用いた場合と、従来の超音波トランスデューサを用いた場合とにおける周波数特性の比較を示すグラフである。 本発明の第２形態の要部を示す正面一部断面図である。 本発明の第３形態の要部を示す正面一部断面図である。 本発明の第４形態の要部を示す正面一部断面図である。 従来の超音波探傷装置の一例を示す構成概略図である。

符号の説明

１ 超音波トランスデューサ
２ トランスデューサ本体
５ 送受信回路基板
１０ 超音波探傷装置
１２ 被検体
２４ 発振体
５１ａ 信号入出力端子
５１ｂ 信号入出力端子
５３ａ ハンダ（接続手段）
５３ｂ ハンダ（接続手段）
５４ａ リード線（接続手段）
５４ｂ リード線（接続手段）
５５ コネクタ
５６ コネクタ
Ｓ２ 駆動パルス
Ｓ３ エコー信号
Ｓ５ 超音波
Ｗ 水

Claims (6)

1. 被検体（１２）に対する超音波（Ｓ５）の投射源及び被検体（１２）からの反射波の受信源となる超音波トランスデューサ（１）であって、
   駆動パルス（Ｓ２）に応じた超音波（Ｓ５）を発すると共に被検体（１２）からの反射波を受波してエコー信号（Ｓ３）として出力する発振体（２４）を有するトランスデューサ本体（２）と、
   駆動パルス（Ｓ２）を生成する機能及びエコー信号（Ｓ３）を増幅する機能を有すると共に、発振体（２４）に駆動パルス（Ｓ２）を出力する出力端子として、また発振体（２４）から出力されたエコー信号（Ｓ３）を入力する入力端子として機能する信号入出力端子（５１ａ，５１ｂ）を有する送受信回路基板（５）と、
   トランスデューサ本体（２）における発振体（２４）と送受信回路基板（５）における信号入出力端子（５１ａ，５１ｂ）との電気的な接続を行う接続手段（５３ａ，５３ｂ、５４ａ，５４ｂ）とを備え、
   発振体（２４）から発する超音波（Ｓ５）の使用最大周波数をｆｍａｘ〔ＭＨｚ〕として、接続手段（５３ａ，５３ｂ、５４ａ，５４ｂ）の長さを１００／ｆｍａｘ〔ｃｍ〕以下に構成したことを特徴とする超音波トランスデューサ。
2. 前記トランスデューサ本体（２）と前記送受信回路基板（５）とが一体となっている請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
3. 前記電気的な接続がハンダ（５３ａ，５３ｂ）によりなされた請求項１または請求項２に記載の超音波トランスデューサ。
4. 前記電気的な接続がリード線（５４ａ，５４ｂ）によりなされた請求項１または請求項２に記載の超音波トランスデューサ。
5. 前記電気的な接続が着脱自在なコネクタ（５５、５６）を介してなされた請求項１から請求項４のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
6. 水（Ｗ）中に浸された被検体（１２）に対し当該水（Ｗ）を通して超音波（Ｓ５）を投射し、その反射波を受波し、そのエコー信号（Ｓ３）の波形に基づいて、被検体（１２）内部の剥離や傷等の欠陥を検出する超音波探傷装置（１０）に組み込まれている請求項１から請求項５のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。

Images