JP2006058029A - 超音波映像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 水槽の水内で超音波探触子を高速に移動させるときであっても水の動きを可能な限り抑制し、試料台や試料自体の浮遊を抑え、高速走査に基づく高精度な測定を実現できる超音波映像装置を提供する。
【解決手段】 水槽１３内の水３８の中で対向する２つの超音波探触子１５，１６の間に試料３７を置き、試料を２つの超音波探触子でＸＹ方向に走査しながら試料の内部欠陥を映像化する超音波映像装置であり、試料の下側に位置する下側超音波探触子１６と当該超音波探触子を支持する下部アーム部材２１の各々は、走査移動時、水に衝突する面に鋭角角部を形成するような走査時の水抵抗を低減する水抵抗抑制形状を有するように構成されている。
【選択図】 図３

Description

本発明は超音波映像装置に関し、特に、高速走査で高精度な測定が可能であり簡易測定およびインライン測定に好適な超音波映像装置に関する。

超音波を用いた映像装置の測定方法には、１本の超音波探触子を用いた反射法と、２本の対向する超音波探触子を用いた透過法がある。

反射法の概念図を図６に示す。発信器１００から出たパルス信号Ｓ１０は超音波探触子１０１で超音波に変換され、水を媒質として試料１０３中に超音波（超音波ビームの形状パターン）１０２が入射される。試料１０３から反射された超音波による反射エコーを再び超音波探触子１０１で電気信号Ｓ１１に変換し受信器１０４で受信し、試料１０３の表面からの反射エコーによる信号Ｒ１あるいは試料１０３の中からの反射エコーによる信号Ｒ２をスキャナの位置情報を基に画像化する。

次に透過法の概念図を図７に示す。発信器１００から出たパルス信号Ｓ１０は超音波探触子１０１で超音波に変換され、水を媒質として試料１０３中に超音波１０２が入射される。試料１０３中を透過してきた超音波１０２による信号を下側の超音波探触子１０５で電気信号Ｓ１２に変換し、受信器１０４で受信して、試料１０３を透過した超音波による信号Ｔ１をスキャナの位置情報を基に画像化する。

次に本発明者らが先に提案した透過型超音波映像装置を説明する（特許文献１）。この透過型超音波映像装置は、簡単な構造で、高速でかつ高精度の走査を実現し、高さ調整のしやすい構成を実現している。具体的には、透過型超音波映像装置のスキャナ機構部の構成に関して、具体的に、上側超音波探触子のみを備える上部アーム部材と下側超音波探触子のみを備える下部アーム部材とをそれぞれ別個に設け、上部アーム部材はＸ，Ｙ，Ｚの各方向に自在に移動するようにし、他方、下部アーム部材はＺ方向に移動させず、Ｘ，Ｙの各方向のみに移動可能にしかつ上部アーム部材の移動と連動して上下位置関係において上側と下側の超音波探触子が一致するように構成するものである。この構成では、上部アーム部材が深さ方向（Ｚ方向）に移動しても、下部アーム部材の深さ位置すなわち下側超音波探触子の深さ位置は常に一定に保たれ、その結果、下側超音波探触子が試料や水槽等に接触するのを防止でき、簡単な構造で、高速で高精度の走査を行うことができる。
特開２００３−２１５１１３号公報

透過型超音波映像装置による測定は、一般的に、下側超音波探触子とこれを支持する下部アーム部材とが水没した状態で行われる。上下の超音波探触子で試料を走査する時、超音波探触子を水槽内でＸ軸の方向等に高速に移動させるとき、水槽内の水を掻き回すことになる。これによって、水が水槽から跳ね上がったり、気泡が発生したりする問題が生じる。特に問題となるのは、水槽下部に設置される試料台や測定対象となる試料が浮遊してしまったり、ずれたりしてしまい、正確な測定を行うことができなくなることである。

そこで、従来技術に基づく測定方法では、このような問題を回避するため、走査速度を低速にして対応している。しかしながら、インライン向けの超音波映像装置ではタクトタイムの短縮が必須の条件であり、トレイに配列された大量の試料を大面積走査で測定する場合に問題になる。

本発明の目的は、上記の問題に鑑み、水槽の水内で超音波探触子を高速に移動させるときであっても水の動きを可能な限り抑制し、試料台や試料自体の浮遊を抑え、高速走査に基づく高精度な測定を実現できる超音波映像装置を提供することにある。

本発明に係る超音波映像装置は上記目的を達成するために次のように構成される。

第１の超音波映像装置（請求項１に対応）は、水槽内の水の中で対向する２つの超音波探触子の間に試料を置き、試料を２つの超音波探触子でＸＹ方向に走査しながら試料の内部欠陥を映像化する超音波映像装置であり、試料の下側に位置する超音波探触子と当該超音波探触子を支持する支持部材の各々は走査時の水抵抗を低減する水抵抗抑制形状を有するように構成されている。

上記の構成では、下側超音波探触子とその支持部材を水の抵抗を受けにくいという作用を生じる形状（または形態）を有するように形成したたため、下側超音波探触子とその支持部材を水槽内の水中で移動させるとき、高速で移動させたとしても、走査時の攪拌が緩和され、結果として、試料台や試料の浮遊やずれを防止することが可能となる。

第２の超音波映像装置（請求項２に対応）は、上記の構成において、好ましくは、上記水抵抗抑制形状は、走査方向と水の深さ方向とで形成される平面での断面にて菱形形状であることで特徴づけられる。

第３の超音波映像装置（請求項３に対応）は、上記の構成において、好ましくは、上記水抵抗抑制形状は、走査方向と前記水の深さ方向とで形成される平面での断面にて逆三角形形状であることで特徴づけられる。

第４の超音波映像装置（請求項４に対応）は、上記の構成において、好ましくは、上記水抵抗抑制形状は、走査方向に向かって形成される中空形状であることで特徴づけられる。

第５の超音波映像装置（請求項５に対応）は、上記の構成において、好ましくは、上記水抵抗抑制形状は、走査方向に形成される流線型形状であることで特徴づけられる。

本発明によれば、透過型超音波映像装置による測定で、下側超音波探触子とその支持部材の各々に水抵抗抑制形状を設けるようにしたため、走査時に水槽中の水が掻き回されて試料台や試料に浮遊および位置ずれが起きるのを防ぐことができる。これによって高速走査が可能になり、測定時間を短縮化できる。さらに水抵抗抑制形状によって、走査時に下側超音波探触子を支持する支持部材のアーム部分において水から受ける抵抗が軽減されるため、支持部材の推進力や剛性が向上し、さらに高精度および高速走査を可能にする。

以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。

図１と図２に従って本発明に係る超音波映像装置の全体的構成を説明する。図１は超音波映像装置の正面図であり、図２はＹ軸ステージから上側の部分の側面図である。

超音波映像装置は、図に示すごとく、走査動作を可能するスキャナ部１１と台座１２と水槽１３と試料台１４と上側超音波探触子１５と下側超音波探触子１６とモータＭ１，Ｍ２等とを備えている。超音波映像装置は、さらに、図７で示した前述の発信器１００と受信器１０４と図示しないコンピュータ等によって構成された制御装置と映像表示部を備えている。図１において、これらの要素の図示は省略されている。

スキャナ部１１は、上下の位置関係にて対向する上側超音波探触子１５と下側超音波探触子１６を、当該位置関係を保ったままで、Ｘ軸とＹ軸の各方向に自在に移動させるものである。またスキャナ部１１によるＺ軸方向の移動に関しては、上側超音波探触子１６のみを移動させる。スキャナ部１１は、上部アーム部材１７とＸ軸スキャナ１８とＺ軸スキャナ１９とＹ軸スキャナ２０と下部アーム部材２１を備えている。上部アーム部材１７は、下方先端部２２に上側超音波探触子１５を固定し、上部に上部アーム支持部材２３を有し、上部アーム支持部材２３より下方の部分２４にピン固定部２５を有している。上記Ｙ軸スキャナ２０は、台座１２の上に設けられ、Ｙ軸方向への走査移動を可能にする駆動機構である。Ｚ軸スキャナ１９はＹ軸スキャナ２０の移動部上に設けられ、Ｚ軸方向の移動動作を可能する駆動機構である。Ｘスキャナ１８はＺ軸スキャナ１９の移動部に取り付けられ、Ｘ軸方向の走査移動を可能にする駆動機構である。

上記Ｘ軸スキャナ１８は、上部アーム部材１７がＸ軸方向に直線的に自在に移動するように上部アーム支持部材２３が連結される第１のガイド部（例えば２本のレール）２６を有するＸ軸スキャナ前面部２７と、Ｘ軸スキャナ前面部２７とは反対側にＸ軸スキャナ支持部材２８を有している。

上記Ｚ軸スキャナ１９は、Ｘ軸スキャナ１８の全体がＺ軸方向に直線的に自在に移動するようにＸ軸スキャナ支持部材２８が関係づけられる第２のガイド部（例えば２本のレール部材）２９を有するＺ軸ステージ３０を備えている。

Ｙ軸スキャナ２０は、その前面に、Ｘ軸スキャナ前面部２７に設けた第１のガイド部２６と平行になるように設けられたリニアガイドである第３のガイド部３１を備え、Ｙ軸方向に直線的に自在に移動するようにＹ軸ステージ３２を備えている。Ｙ軸ステージ３２上にＺ軸スキャナ１９が固定されている。またＹ軸ステージ３２は、台座１２に設けられたガイド部（例えば２本のレール部材）３３の上を移動する。

下部アーム部材２１は、下方先端部２１ａに下側超音波探触子１６が固定され、上部に下部アーム支持部材３４とピン係合部３５を有している。下部アーム支持部材３４は、第３のガイド部３１と、例えばスライド関係のごとく、Ｘ軸方向に直線的に自在に移動するように関係づけられている。上記ピン係合部３５は、下部アーム支持部材３４および下部アーム部材２１において例えば上下方向に貫通された孔部として形成されている。

上部アーム部材１７のピン固定部２５には、下方向に向かって延設されたピン３６が固定されている。このピン３６は、ピン係合部３５の孔部に挿入された状態に保持されている。上部アーム部材１７と下部アーム部材２１は、上側超音波探触子１５と下側超音波探触子１６が上下位置にて対向した位置になるように、ピン３６によって関係づけられている。ピン３６は、Ｘ軸方向の移動に関してピン固定部２５とピン係合部３５を連結する連結部材となる。またこの連結部材であるピン３６はピン係合部３５から自由に取り外すことができる。

台座１２は、スキャナ部１１を載せるための支持台となるものである。また台座１２は水槽１３をその内側空間に設置するようになっている。モータＭ１，Ｍ２は、ステッピングモータ等であり、コンピュータ等で駆動制御され、ボールねじ送り機構等に連結され、Ｙ軸スキャナ２０、Ｚ軸スキャナ１９での移動部分を移動させる。また、Ｘ軸スキャナ１８の移動部分は、図示しないリニアモータによって移動する。

水槽１３は、試料３７を載置する試料台１４が入れられるようになっており、超音波を伝播するための媒質である水３８を入れるためのものである。試料台１４は、アクリルプレート等からなり、超音波を容易に透過させる材質からできている。また試料台１４には、通常、試料３７を固定するための治具（不図示）が取り付けられている。

上側超音波探触子１５は、圧電膜トランスデューサ等から成り、送波用駆動電気信号を与えられて超音波を発する。反射法においては、超音波を発すると共に、反射してくる超音波を電気信号に変換する働きもする。下側超音波探触子１６は、上側超音波探触子１５と同様に圧電膜トランスデューサ等から成り、透過してきた超音波を受信し、電気信号として出力する。

発信器と受信器とコンピュータ等による制御装置と映像表示部は、従来の装置と同様の装置を用いる。

次に、本実施形態による超音波映像装置を用いた透過法での測定方法について説明する。まず、測定用の試料３７を水槽１３内の水３８中のアクリルプレート１４の上に図示しない治具により固定する。次に、コンピュータによりステッピングモータＭ１，Ｍ２およびリニアモータを駆動するか、あるいは、手動により、Ｘ軸スキャナ１８とＹ軸スキャナ２０とＺ軸スキャナ１９を動作させてその移動部を移動し、試料３７の上側の位置に上側超音波探触子１５を位置させ、試料３７の下側の位置に下側超音波探触子１６が位置するようにセットする。

次に、最初に上側の超音波探触子１５で反射法で測定し、試料３７中の欠陥に超音波探触子１５の焦点を合わせ、上側の超音波探触子１５の高さを決める。その状態で受信器１０４への配線を下側超音波探触子１６に接続し、透過法につなぎ替える。その後、発信器１００と受信器１０４を作動させ、発信器１００から電気信号を発信させ、超音波探触子１５から超音波を水中に導入し、試料３７に超音波を照射し、試料３７を透過した超音波を下側超音波探触子１６により検出し電気信号に変換し、受信器１０４により受信する。この受信した信号を輝度の強弱あるいは、色の変化等に変換してディスプレイ等に表示する。このディスプレイ上の表示に基づいて、焦点や測定範囲を定めるために、上側超音波探触子の位置を微調整する。下側の超音波探触子１６は、受信用に非集束型の探触子を使用し、試料３７との距離も一定の距離とした状態にする。この状態で透過法の測定を行うことができる。

この微調整により適当な透過信号が得られるようになったら、Ｘ軸スキャナ、Ｙ軸スキャナをステッピングモータにより移動することにより走査し、測定することによりディスプレイ上に輝度変化あるいは色変化として表示する。また、受信器からの信号をコンピュータに取り込んでデータを記憶すると同時にディスプレイ上に表示するようにしてもよい。

上側の超音波探触子１５のみを用いた反射法による測定の際には、ピン３６とピン係合部３５との係合関係を解除し、上部アーム部材１７と下部アーム部材２１の連結関係を解消し、また上側超音波探触子１５からの電気信号を受信器１０４により受信するようにして測定を行うことができる。

次に、上記超音波映像装置における特徴部を図３を参照して説明する。図３は、超音波映像装置を正面から見た図１において下側超音波探触子１６（仮想線）と下部アーム部材２１の水平部分の断面図を示している。図３は第１実施形態を示す。

図３において、水槽１３内の水３８の中で試料台１４上に載置され固定された試料３７が示される。この試料３７に対して、その下側に下側超音波探触子１６とこれを支持する下部アーム部材２１の水平部（前述の下方先端部２１ａを有する部分）が位置する。図３において、Ｘ軸の方向を向いた矢印４１，４２は走査方向を示している。

上記の下部アーム部材２１は、図示した断面形状で明らかなように、水３８の中に水没するその水平部および垂直部（図２に示す）の断面形状に関して、走査方向に向かう辺の部分が鋭角の角度を形成するよう全体として菱形断面を有するように形成されている。下部アーム部材２１は、例えばステンレス等の材料で作られている。従って、下部アーム部材２１は研削等によってかかる断面形状を有するように作られる。鋭角角部の形状は、水抵抗（または造波抵抗）を低減する水抵抗抑制形状部分としての機能を有している。下部アーム部材２１をかかる形状を有するように作るため、下部アーム部材２１が走査方向４１または４２に移動するとき、水に衝突する面がテーパー面（鋭角角部）となっており、鋭角角部を形成する平面に沿って矢印４３のごとき水の流れが生じ、水が散乱したり撹乱するのを抑制することができる。

なお、想像線で示された下側超音波探触子１６についても、走査移動の際に、水３８に衝突する面に、下部アーム部材２１と同様な鋭角角部を設けるようにする。図３において、正方形で描かれた下側超音波探触子１６は、その一辺の長さは実際には４ｍｍ程度である。下側超音波探触子１６に鋭角角部を形成する場合には、鋭角角部形状を有するカバー部材を付することにより行う。

また実際には、下側超音波探触子１６には電気信号を送る電気ケーブルが接続されている。このような電気ケーブルにおいても、走査移動時に水３８と衝突する面の部分にはカバー部材を付設して、鋭角角部が形成されるように構成することが好ましい。

次に、図４を参照して他の水抵抗抑制形状の例（第２実施形態）を説明する。図４は、図３と同様な図であり、超音波映像装置を正面から見た図１において下側超音波探触子１６（仮想線）と下部アーム部材２１の水平部分の断面図を示している。図４において、図３で説明した要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付している。

図４において、この水平抵抗抑制形状の例では、下部アーム部材２１は、図示した断面形状で明らかなように、特に水中の水平部の断面を、走査方向に向かう辺の部分が鋭角の角度を形成し、かつアーム上面が平らになりかつアーム下面が三角形状のテーパー面を作るように全体として逆三角形状の断面を有するごとく形成されている。この形状によれば、下部アーム部材２１が走査方向４１または４２に移動するとき、下部アーム部材２１が押しのける上方への水流がなくなり、鋭角角部を形成する平面に沿って矢印４４のごとき水の流れが生じ、水が散乱したり撹乱するのを抑制することができる。この構成によれば、図３に基づいて説明した上記の作用効果に加えて、さらに上方への水流が生じないので、上方に近接して位置する試料台１４や試料３７への影響をさらに軽減することができる。その他の構成、作用等については図３で説明した例と同じである。

次に、図５を参照して他の水抵抗抑制形状の例（第３実施形態）を説明する。図５は、図３と同様な図であり、超音波映像装置を正面から見た図１において下側超音波探触子１６（仮想線）と下部アーム部材２１の水平部分の断面図を示している。図５において、図３で説明した要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付している。

図５において、この水平抵抗抑制形状の例では、下部アーム部材２１は、図示した断面形状で明らかなように、特に水平部でＸ軸方向と平行な方向すなわち走査方向に中空の孔４５を設けている。この孔４５を設けることにより、走査移動時に、下部アーム部材２１の後方に形成される渦巻き抵抗（図５中、参照のために示した４６）を軽減することができる。この水抵抗抑制形状によれば、下部アーム部材２１が走査方向４１または４２に移動するとき、下部アーム部材２１の孔４５を通って矢印４７のごとき水流が形成され、水が散乱したり撹乱するのを抑制することができ、加えて渦巻き抵抗を軽減することができる。この渦巻き抵抗は、下部アーム部材２１の走査方向と逆向きに引っ張る力が働く。従って、渦巻き抵抗を除去することにより、水流の乱れを軽減するだけではなく、走査時の下側アーム部材２１に加わる負荷を緩和することができる。この構成によれば、図３に基づいて説明した上記の作用効果に加えて、さらに渦巻き抵抗を除去し下側アーム部材への負荷を軽減することができる。その他の構成、作用等については図３で説明した例と同じである。

以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、また数値および各構成の組成（材質）については例示にすぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。例えば、水抵抗抑制形状として流線型形状等を利用することもできるのは勿論である。

本発明は、高速測定が可能であり、短いタクトタイムが要求されるインライン向けの試料測定に利用される。

本発明に係る超音波映像装置の全体的構成を示す正面図である。 本発明に係る超音波映像装置のＹ軸ステージよりも上側部分の側面図である。 本発明に係る超音波映像装置の特徴部の第１実施形態を示す要部正面図である。 本発明に係る超音波映像装置の特徴部の第２実施形態を示す要部正面図である。 本発明に係る超音波映像装置の特徴部の第３実施形態を示す要部正面図である。 反射型超音波映像装置の概念を示す要部構成図である。 透過型超音波映像装置の概念を示す要部構成図である。

符号の説明

１１ スキャナ部
１３ 台座
１４ 試料台
１５ 上側超音波探触子
１６ 下側超音波探触子
１７ 上部アーム部材
１８ Ｘ軸スキャナ
１９ Ｚ軸スキャナ
２０ Ｙ軸スキャナ
２１ 下部アーム部材

Claims (5)

1. 水槽内の水の中で対向する２つの超音波探触子の間に試料を置き、前記試料を前記２つの超音波探触子でＸＹ方向に走査しながら前記試料の内部欠陥を映像化する超音波映像装置において、
   前記試料の下側に位置する前記超音波探触子と当該超音波探触子を支持する支持部材の各々は走査時の水抵抗を低減する水抵抗抑制形状を有することを特徴とする超音波映像装置。
2. 前記水抵抗抑制形状は、走査方向と前記水の深さ方向とで形成される平面での断面にて菱形形状であることを特徴とする請求項１記載の超音波映像装置。
3. 前記水抵抗抑制形状は、走査方向と前記水の深さ方向とで形成される平面での断面にて逆三角形形状であることを特徴とする請求項１記載の超音波映像装置。
4. 前記水抵抗抑制形状は、走査方向に向かって形成される中空形状であることを特徴とする請求項１記載の超音波映像装置。
5. 前記水抵抗抑制形状は、走査方向に形成される流線型形状であることを特徴とする請求項１記載の超音波映像装置。
   

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