JP2009300233A - 超音波トランスデューサ - Google Patents

Abstract

【課題】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。
【解決手段】被検体（１２）に超音波（Ｓ５）を送波する機能及びその反射波（Ｓ５’）を受波して電気信号（Ｓ３）に変換して出力する機能を有する発振体（２４）と、発振体（２４）が超音波（Ｓ５）を送波するための駆動パルス（Ｓ２）を生成するパルサー基板（５１）と、発振体（２４）が出力した電気信号（Ｓ３）を増幅するレシーバ基板（５２）とを備え、パルサー基板（５１）とレシーバ基板（５２）とが互いに対向近接するように配置された超音波トランスデューサ（１）において、パルサー基板（５１）とレシーバ基板（５２）との間に電磁波を遮蔽するための電磁波遮蔽部材（５３ａ）を介在させたことを特徴とする。
【選択図】 図１

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送波源及び被検体からの反射波の受波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送波し、その直後に、被検体からの超音波の反射波を受波し、そのエコー信号の波形に基づいて、被検体内部の傷や剥離等の欠陥を非破壊で検出する装置である。超音波探傷装置には、一般に超音波トランスデューサが組み込まれている。

図７は従来の超音波トランスデューサ５０の構成概略を示す分解斜視図、図８は従来の超音波トランスデューサ５０を組み込んだ超音波探傷装置１００を示す構成概略図である。なお、図７，８において、後述する本発明の実施形態の構成要素と同一の構成要素には、同一の符号を付してある。

図７に示すように、従来の超音波トランスデューサ５０は、トランスデューサ本体２と信号送受部３ａとを備える。トランスデューサ本体２は、その先端に発振体２４を備える。信号送受部３ａは、ハウジング４及び送受信回路基板５を備える。送受信回路基板５は、パルサー基板５１とレシーバ基板５２とを備える。これら２枚の基板５１，５２は、ハウジング４の小型化を図るために、ハウジング４内において互いに対向近接するように設けられる。

超音波トランスデューサ５０は、図８に示す超音波探傷装置１００に組み込まれて使用される。超音波探傷装置１００は、図８に示すように、水Ｗが充水された水槽１１、水槽１１中で被検体１２を保持する保持部１６、被検体１２に対する超音波の送波源及び被検体１２からの反射波の受波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、及び適当な比較処理部を有する判定装置（コンピュータ）１５を備える。

超音波探傷装置１００の動作について説明する。トランスデューサ本体２における発振体２４は、パルサー基板５１で生成された駆動パルスにより、１０ＭＨｚ〜２００ＭＨｚ程度の高周波成分を有する超音波Ｓ５を送波する。この超音波Ｓ５は水Ｗを介して被検体１２に向かう。送波された超音波Ｓ５は被検体１２で反射し、その反射波Ｓ５’がトランスデューサ本体２における発振体２４で受波される。発振体２４は、受波で得た振動を電気信号（以下、エコー信号と記す）に変換する。このエコー信号は、レシーバ基板５２に取り込まれて増幅される。判定装置１５は、増幅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。上記送受波及び判定処理は、走査部１３が超音波トランスデューサ５０を水平及び垂直方向に駆動しながら行うことで、被検体１２の全体に亘って探傷する（例えば特許文献１，２参照）。

実開平６−８０１６９号公報 特許４０４７３６６号公報

上述の超音波トランスデューサ５０において、パルサー基板５１からトランスデューサ本体２に送られる駆動パルスは、例えば電圧が１００Ｖ以上で且つパルス幅が８ｎｓ以下の強い信号である。これに対して、発振体２４からレシーバ基板５２に取り込まれるエコー信号は、数ｍＶ程度の微弱電圧である。パルサー基板５１とレシーバ基板５２とは、互いに対向近接するように設けられるため、レシーバ基板５２に取り込まれるエコー信号に、パルサー基板５１から出力された駆動パルスに起因する電磁ノイズが重畳することがある。その結果、レシーバ基板５２が安定して動作せず、検査精度が劣ってしまうという問題があった。

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、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。

上記目的は、下記の本発明により達成される。なお「特許請求の範囲」及びこの「課題を解決するための手段」の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。

請求項１の発明は、被検体（１２）に超音波（Ｓ５）を送波する機能及びその反射波（Ｓ５’）を受波して電気信号（Ｓ３）に変換して出力する機能を有する発振体（２４）と、発振体（２４）が超音波（Ｓ５）を送波するための駆動パルス（Ｓ２）を生成するパルサー基板（５１）と、発振体（２４）が出力した電気信号（Ｓ３）を増幅するレシーバ基板（５２）とを備え、パルサー基板（５１）とレシーバ基板（５２）とが互いに対向近接するように配置された超音波トランスデューサ（１）において、パルサー基板（５１）とレシーバ基板（５２）との間に電磁波を遮蔽するための電磁波遮蔽部材（５３ａ）を介在させたことを特徴とする。

請求項２の発明は、レシーバ基板（５２）におけるパルサー基板（５１）との対向面に電磁波遮蔽部材（５３ａ）を設ける。

請求項３の発明は、レシーバ基板（５２）におけるパルサー基板（５１）との非対向面に電磁波遮蔽部材（５３ｂ）を設ける。

請求項４の発明では、パルサー基板（５１）とレシーバ基板（５２）とは、それぞれ整合回路基板（９）を介して発信体（２４）に電気的に接続されている。

本発明の超音波トランスデューサ（１）によると、発振体（２４）とパルサー基板（５１）とレシーバ基板（５２）とを備える。パルサー基板（５１）とレシーバ基板（５２）とは、装置の小型化を図るため、互いに対向近接するように配置される。この構成を前提として、パルサー基板（５１）とレシーバ基板（５２）との間に電磁波を遮蔽するための電磁波遮蔽部材（５３ａ）を介在させてある。電磁波遮蔽部材（５３ａ）は、パルサー基板（５１）から出力した駆動パルス（Ｓ２）に起因する電磁ノイズがパルサー基板（５１）の外部へ漏れるのを防止すると同時に、パルサー基板（５１）から出力した駆動パルス（Ｓ２）に起因する電磁ノイズがレシーバ基板（５２）に取り込まれることを防止する。また、レシーバ基板（５２）におけるパルサー基板（５１）との非対向面に電磁波遮蔽部材（５３ｂ）を設けてある。電磁波遮蔽部材（５３ｂ）は、パルサー基板（５１）から出力した駆動パルス（Ｓ２）に起因する電磁ノイズがレシーバ基板（５２）に取り込まれることを防止する。つまり、発振体（２４）から出力されレシーバ基板（５２）に取り込まれる電気信号（Ｓ３）に、パルサー基板（５１）から出力した駆動パルス（Ｓ２）に起因する電磁ノイズが重畳することが防止される。これにより、Ｓ／Ｎ比を向上させることができ、優れた検査精度で欠陥検査を達成することができるようになる。

また、パルサー基板（５１）とレシーバ基板（５２）とは、それぞれ整合回路基板（９）を介して発信体（２４）に電気的に接続されているため、トランスデューサ本体（２）をゲイン特性の異なるものに付け替えた場合でも、容易に適合できると共に、伝送経路の反射を減らし、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。

本発明によると、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が提供される。

図１は本発明に係る超音波トランスデューサ１の構成概略を示す分解斜視図、図２は本発明に係る超音波トランスデューサ１の正面一部断面図、図３は整合回路基板９の構成概略図である。

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に駆動電力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近接するように設けられ、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。対向間距離は８ｍｍ〜１２ｍｍ程度とされる。対向近接させることで、ハウジング４を小型化することができる。

パルサー基板５１は、次述の駆動パルス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、発振体２４が超音波Ｓ５を送波するためのエネルギーを発振体２４に与える電気信号である。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６参照）。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を送波する。発振体２４から送波する超音波Ｓ５のもつ周波数成分は発振体２４の厚み等に基づいて設計される。

パルサー基板５１は、図２に示すように、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を取り込むための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、整合回路基板９及びコネクタ５６を介してなされる。

整合回路基板９は、例えばアッテネータ回路であり、図３に示すように、受信信号（トランスデューサ本体２からの出力信号）を、所望する減衰量にするためにアッテネータの選択を行う２つのスイッチ９１，９２、受信信号のスルー（０ｄＢ）を行うアッテネータ９３、受信信号の１０ｄＢ減衰を行うアッテネータ９４、受信信号の２０ｄＢ減衰を行うアッテネータ９５、及び選択されたアッテネータによって減衰した受信信号の接続を行うスイッチ９６，９７からなる。すなわち、このアッテネータ回路はスルー（０ｄＢ）、１０ｄＢ，２０ｄＢの３種類の減衰量を持つアッテネータ９３，９４，９５を備えている。各スイッチ９１，９２，９６，９７は、制御部１４１（図５参照）から送られる切替信号Ｓ６によって適宜に切替制御される。

レシーバ基板５２は、トランスデューサ本体２における発振体２４からのエコー信号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とレシーバ基板５２とは、コネクタ５８（図１参照）により互いに着脱自在に電気的に接続される。

レシーバ基板５２の表側面及び裏側面には、それぞれ電磁波遮蔽部材５３ａ，５３ｂが設けられる。電磁波遮蔽部材５３ａ，５３ｂは、金属製の基礎材料を、高い表面伝導性を持つ別の金属層で被覆することにより形成される。そして、電磁波遮蔽部材５３ａ，５３ｂ自体がパルサー基板５１及びレシーバ基板５２のシグナルグランドとなっている

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。また、トランスデューサ本体２側のコネクタ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’が形成される。

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４に示す超音波探傷装置１０に組み込まれて使用される。図４は本発明に係る超音波トランスデューサ１を組み込んだ超音波探傷装置１０の構成概要図、図５は本発明に係る超音波トランスデューサ１を組み込んだ超音波探傷装置１０の機能ブロック図、図６は本発明に係る超音波トランスデューサ１におけるトリガー信号Ｓ１と駆動パルスＳ２とエコー信号Ｓ３の出力タイミングを示すタイムチャートである。

図４，５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、制御部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における制御部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を送波する。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４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を介してレシーバ基板５２に取り込まれる。レシーバ基板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。

本発明の超音波トランスデューサ１によると、発振体２４とパルサー基板５１とレシーバ基板５２とを備える。パルサー基板５１とレシーバ基板５２とは、ハウジング４の小型化を図るため、互いに対向近接するように配置される。この構成を前提として、パルサー基板５１とレシーバ基板５２との間に電磁波を遮蔽するための電磁波遮蔽部材５３ａを介在させてある。電磁波遮蔽部材５３ａは、パルサー基板５１から出力した駆動パルスＳ２に起因する電磁ノイズがパルサー基板５１の外部へ漏れるのを防止すると同時に、パルサー基板５１から出力した駆動パルスＳ２に起因する電磁ノイズがレシーバ基板５２に取り込まれることを防止する。また、レシーバ基板５２におけるパルサー基板５１との非対向面に電磁波遮蔽部材５３ｂを設けてある。電磁波遮蔽部材５３ｂは、パルサー基板５１から出力した駆動パルスＳ２に起因する電磁ノイズがレシーバ基板５２に取り込まれることを防止する。つまり、発振体２４から出力されレシーバ基板５２に取り込まれるエコー信号Ｓ３に、パルサー基板５１から出力した駆動パルスＳ２に起因する電磁ノイズが重畳することが防止される。これにより、Ｓ／Ｎ比を向上させることができ、優れた検査精度で欠陥検査を達成することができるようになる。

また、送受信回路基板５におけるパルサー基板５１とトランスデューサ本体２とは、コネクタ５６により着脱自在に接続されている。トランスデューサ本体２が故障した場合は、トランスデューサ本体２を離脱させることで、新たなトランスデューサ本体２に容易に付け替えることができ、メンテナンス性に優れる。更に、送受信回路基板５とトランスデューサ本体２とは、整合回路基板９を介して接続されているため、ゲイン特性の異なる様々なトランスデューサ本体２に付け替えた場合でも、切替信号Ｓ６に応じたゲインを選択することで適切に対応することができる。また、伝送経路の反射を減らし、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。

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。 本発明に係る超音波トランスデューサの正面一部断面図である。 整合回路基板の構成概略図である。 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。 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。 従来の超音波探傷装置の一例を示す構成概略図である。 従来の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。

符号の説明

１ 超音波トランスデューサ
９ 整合回路基板
１２ 被検体
２４ 発振体
５１ パルサー基板
５２ レシーバ基板
５３ａ 電磁波遮蔽部材
５３ｂ 電磁波遮蔽部材
Ｓ２ 駆動パルス
Ｓ３ エコー信号（電気信号）
Ｓ５ 超音波
Ｓ５’ 反射波

Claims (4)

1. 被検体（１２）に超音波（Ｓ５）を送波する機能及びその反射波（Ｓ５’）を受波して電気信号（Ｓ３）に変換して出力する機能を有する発振体（２４）と、発振体（２４）が超音波（Ｓ５）を送波するための駆動パルス（Ｓ２）を生成するパルサー基板（５１）と、発振体（２４）が出力した電気信号（Ｓ３）を増幅するレシーバ基板（５２）とを備え、パルサー基板（５１）とレシーバ基板（５２）とが互いに対向近接するように配置された超音波トランスデューサ（１）において、
   パルサー基板（５１）とレシーバ基板（５２）との間に電磁波を遮蔽するための電磁波遮蔽部材（５３ａ）を介在させたことを特徴とする超音波トランスデューサ。
2. レシーバ基板（５２）におけるパルサー基板（５１）との対向面に電磁波遮蔽部材（５３ａ）を設けた請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
3. レシーバ基板（５２）におけるパルサー基板（５１）との非対向面に電磁波遮蔽部材（５３ｂ）を設けた請求項２に記載の超音波トランスデューサ。
4. パルサー基板（５１）とレシーバ基板（５２）とは、それぞれ整合回路基板（９）を介して発信体（２４）に電気的に接続されている請求項１から請求項３のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。

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