JP2013509777A - 三次元超音波イメージングのための二次元仮想配列型探触子 - Google Patents

Abstract

本発明に係る三次元超音波イメージングのための二次元仮想配列型探触子は、超音波トランスデューサーと、複数個の導波管が二次元配列された超音波放射面と、前記超音波トランスデューサーから放射される超音波を、その内部で不規則に（ｃｈａｏｔｉｃ）反射させるための１／８球（ｓｐｈｅｒｅ）状の溝部を含む金属材質の探触子胴体と、被検査体と接触するように前記超音波放射面の上側に配置され、前記探触子から放射された超音波は前記被検査体側に通過させ、前記被検査体から反射された超音波を検知して信号を出力する圧電シート部材（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｈｅｅｔ）と、前記複数個の導波管が順次に超音波を発振させるように、前記超音波トランスデューサーを制御する制御部とを含むことを特徴とする。

Description

本発明は、超音波映像診断及び非破壊検査において使用される超音波探触子の開発に関し、より詳細には、リアルタイム三次元超音波イメージング用の二次元仮想配列型探触子に関する。

一般に多く使用される二次元配列型探触子は、多くは数千個の圧電素子で構成されるが、超音波の送受信が可能な超音波トランスデューサーを一定の間隔で固定配置してアレイ（ａｒｒａｙ）を形成し、パルスエコー法を使って被検査体内の欠陥を探知する。

近年商用化されている超音波非破壊装置の一例として、６０×６０のアレイ探触子が例として挙げられるが、この場合、計３６００の超音波トランスデューサーを必要とし、３６００の個別チャネルを用いて、これらをそれぞれ制御して三次元立体影像を得ることができるようになる。しかし、このような構成によると、各チャネルごとに超音波トランスデューサーを設けなければならないため、システム構成に多額の費用がかかるという問題点がある。

このような問題点を解決すべく、多くの研究が進められているが、Ｇ.Ｍｏｎｔａｌｄｏなどの論文（Ｇ.Ｍｏｎｔａｌｄｏ, Ｄ.Ｐａｌａｃｉｏ, Ｍ.Ｔａｎｔｅｒ, Ｍ.Ｆｉｎｋ, ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ. Ｕｌｔｒａｓｏｎ., Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔ., Ｆｒｅｑ. Ｃｏｎｔｒ. ５２（２００５）１４８９−１４９７）は、従来に比べてトランスデューサーの数を減らすことができ、類似する効果を得ることのできる超音波非破壊装置の構成方法を例示している。

しかし、同論文に示されている方式も比較的複数個のトランスデューサーを使用しており、従来の時間反転法の特性上、超音波ビームが焦点に収束した後、急激に広がるという問題点がある。すなわち、トランスデューサーから発せられる超音波は平行に被検査体に伝達されず、焦点に収束した後すぐに広がるという性質をもつため、このような音響ビームではパルスエコー法の非破壊検査を行うのに様々な困難性があるという問題がある。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、数千個の圧電素子からなる従来の二次元配列型探触子と違って、不規則な内部反射を生じさせられるように構造の改善された三次元超音波イメージングのための二次元仮想配列型探触子を提供することにある。

上記のような目的を達成するための三次元超音波イメージングのための二次元仮想配列型探触子は、超音波トランスデューサーと、複数個の導波管が二次元配列された超音波放射面、及び前記超音波トランスデューサーから放射される超音波を、その内部で不規則に（ｃｈａｏｔｉｃ）反射させるための１／８球（ｓｐｈｅｒｅ）状の溝部を含む金属材質の探触子胴体と、被検査体と接触するように前記超音波放射面の上側に配置され、前記探触子から放射された超音波は前記被検査体側に通過させ、前記被検査体から反射された超音波を検知して信号を出力する圧電シート部材（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｈｅｅｔ）と、前記複数個の導波管が順次に超音波を発振させるように、前記超音波トランスデューサーを制御する制御部と、を含むことを特徴とする。

前記探触子胴体は、アルミニウム材質であってよい。

前記複数個の導波管は、前記探触子胴体の一側面を加工し、各々の導波管が同一の断面積及び高さを有し、横、縦等間隔で配置されてよい。

前記溝部の半径は、前記探触子胴体の高さの３０〜４０％の大きさであってよい。

前記超音波トランスデューサーは、前記探触子胴体の前記超音波放射面を除くいずれの面にも設置可能であってよい。

以上説明したように本発明によれば、一つの超音波トランスデューサーだけで、複数個の超音波トランスデューサーを用いた非破壊検査装置に類似した性能の検査装備を提供することができ、非破壊検査訴追の単価を下げることができる。

本発明に係る非破壊検査装置の探触子の構成を示す図である。 図１の分解斜視図である。 導波管の端部から受信された時間反転前の信号グラフである。 図３の信号を時間反転した信号グラフである。 ソフトウェアを用いて、超音波トランスデューサーを通じて生じる時間軸上に収束したパルス信号を示すグラフである。 ソフトウェアを用いて、超音波トランスデューサーを通じて生じる時間軸上に収束したパルス信号を示すグラフである。 パルスエコー信号を検出して距離に換算した例を示すグラフである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１及び図２に示すように、本発明に係る三次元超音波イメージングのための二次元仮想配列型探触子は、超音波トランスデューサー１００と、探触子胴体２００と、圧電シート部材３００と、制御部４００と、を含む。

超音波トランスデューサー１００は、信号発生部に該当するものあって、不図示の信号発生器及びパワーアンプを用いて、５ＭＨｚに相当するパルス信号を受け取って超音波信号は発生させる。このとき、発生するパルス信号の振幅は超音波が発生する導波管の位置に応じて可変し、それは実験的に求められる。

探触子胴体２００は、図示のように、正方形の断面をもつ六面体状に設けられる。前記探触子胴体２００の一側面には複数個の導波管２１０が形成され、前記超音波トランスデューサー１００から伝達された超音波を乱反射させるための溝部２２０を含む。

本発明の一実施形態によると、前記導波管２１０は１０×１０の配列で計１００のチャネル２１０−１〜２１０−１００）を形成するように構成されるが、それに限られるものではなく、２０×２０の配列で計４００チャネルを形成してもよく、６０×６０の配列で計３６００チャネルを構成するなど、ユーザの必要に応じて多様な配列で構成することができる。なお、前記導波管２１０は、超音波信号を送出するスキャンラインを形成する。

前記導波管２１０は、前記探触子胴体２００の一面を旋盤のような工作機械などを用いて、各々の導波管２１０が同一の断面積（Ａ）及び高さ（ｈ）を有するように形成され、この導波管２１０の上側面２０１に被検査体を位置させる。

前記溝部２２０は、１／８球状になるように形成されるが、前記探触子胴体２００の高さをＨとすると、球の半径（ｒ）は前記高さ（Ｈ）の２０〜３０％程度の値を有することが望ましい。

なお、前記溝部２２０は、図１及び図２に示すように、前記探触子胴体２００の少なくとも３面にかけて形成されるのが望ましく、このような構成によって、前記超音波トランスデューサー１００から発せられた超音波は前記探触子胴体２００の内部で不規則な（ｃｈａｏｔｉｃ）動きを有するようになり、ユーザの選択した複数個の導波管２１０のうちいずれか一つのみを通じて超音波信号が送出されることができる。

圧電シート部材３００は、前記探触子胴体２００の導波管２１０の形成面に取り付けられ、その上に被検査体が載せられる。前記圧電シート部材３００は、前記導波管２１０から送出される超音波信号は透過し、前記被検査体から反射される反響信号は検知する。

制御部４００は、前記超音波トランスデューサー１００と圧電シート部材３００とが連結され、前記超音波トランスデューサー１００を駆動／制御するためのＲＦアンプ、信号発生器と、前記複数個の導波管２１０ごとに形成された超音波スキャンライン別の反響信号情報を、前記圧電シート部材３００を介して収集して分析する信号処理機などで構成される。前記制御部４００の動作は、以下の動作説明においてより詳細に説明する。

以下、本発明に係る三次元超音波イメージングのための二次元仮想配列型探触子の動作について説明する。

まず、ユーザは前記制御部４００に設けられたＲＦアンプ及び信号発生器を用いて、およそ５ＭＨｚ帯域の周波数を可変し、図３のように、いずれか一つの導波管２１０−１の端部を励振（ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ）する。そして、図３の信号を時間反転し、図４のような信号を作る。このような方法で作られた信号は、信号発生器及びパワーアンプに供給し、前記超音波トランスデューサー１００から超音波を発生させることができる。このとき、当該導波管２１０−１から発せられる音響ビーム信号は、図５及び図６のように、時間軸上において収束したパルス形態を有するため、進行方向への解像度を確保することができる。このような方法で各々の導波管２１０−１〜２１０−ｎごとに、超音波を発生させてスキャニングチャネルを形成することができる。

このような動作ができるのは、上記の１／８球状の溝部２２０が探触子胴体２００に形成されているためである。すなわち、前記超音波トランスデューサー１００から発せられた超音波は、前記溝部２２０の形状により、前記探触子胴体２００の内部で不規則な動きを有するようになる。従って、制御部４００を介して超音波トランスデューサー１００から発せられる超音波の波形を時間反転の原理を用いて適切に調節すると、前記探触子胴体２００の一面に形成された、複数個の導波管２１０のうちいずれか一つのみを通じて、前記超音波トランスデューサー１００で形成された超音波を伝達することができる。従って、各々の導波管２１０−１〜２１０−ｎを励振できる適切な波形を、実験を通じて求めることができれば、この波形値を用いて、個別のスキャニングチャネルを形成することができる。

上記のように、導波管２１０ごとに波形が決定されると、前記制御部４００は一定の周期ごとに波形を変更しつつ、前記導波管２１０の上側に配置される被検査体をチャネルごとにスキャニングすることができる。

一方、前記導波管２１０と被検査体との間には圧電シート部材３００が配置され、前記導波管２１０から発せられる超音波信号は透過し、前記被検査体で反響される超音波信号は検出する。

このように入手した信号は、ＰＣ上のソフトウェアを用いて処理することができるが、図７に示すように、各々のパルス間の飛行時間（ｔｉｍｅ ｏｆ ｆｌｉｇｈｔ、Δｔ）に音速を掛け算して距離に換算すると、被検査材質の厚さ又は欠陥の位置などのような情報を得ることができる。

例えば、第１チャネルに該当する第１導波管２１０−１を通じて超音波が発生した場合、第１チャネルが活性化している間に反響信号に検知された信号は第１チャネルの反響信号として確認し、第２チャネルに該当する第２導波管２１０−２を通じて超音波が発生した場合、第２チャネルが活性化している間に反響信号に検知された信号は第２チャネルの反響信号として確認する。同様の方法によりすべてのチャネルのスキャニング信号を検出することが可能となるため、被検査体の三次元診断映像を獲得することができる。

以上のような本発明によると、各々の導波管ごとに個別のスキャニングチャネルを構成することができるため、従来の単一超音波トランスデューサーを使う探触子のような超音波フォーカシング過程を必要としない。なお、複数個の超音波トランスデューサーを使用するアレイタイプの探触子に比べて格段と安く装置を構成することができる。

１００ 超音波トランスデューサー
２００ 探触子胴体
２１０ 導波管
２２０ 溝部
３００ 圧電シート部材
４００ 制御部

Claims (6)

1. 超音波トランスデューサーと、
   複数個の導波管が二次元配列された超音波放射面、及び前記超音波トランスデューサーから放射される超音波を、その内部で不規則に（ｃｈａｏｔｉｃ）反射させるための１／８球（ｓｐｈｅｒｅ）状の溝部を含む金属材質の探触子胴体と、
   被検査体と接触するように前記超音波放射面の上側に配置され、前記探触子から放射された超音波は前記被検査体側に通過させ、前記被検査体から反射された超音波を検知して信号を出力する圧電シート部材（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｈｅｅｔ）と、
   前記複数個の導波管が順次に超音波を発振させるように、前記超音波トランスデューサーを制御する制御部と、
   を含むことを特徴とする三次元超音波イメージングのための二次元仮想配列型探触子。
2. 前記探触子胴体は、
   アルミニウム材質であることを特徴とする請求項１に記載の三次元超音波イメージングのための二次元仮想配列型探触子。
3. 前記複数個の導波管は、
   前記探触子胴体の一側面を加工し、各々の探触子が同一の断面積及び高さを有することを特徴とする請求項１に記載の三次元超音波イメージングのための二次元仮想配列型探触子。
4. 前記複数個の導波管は、
   横、縦等間隔で配置されることを特徴とする請求項１に記載の三次元超音波イメージングのための二次元仮想配列型探触子。
5. 前記溝部の半径は、前記探触子胴体の高さの３０〜４０％の大きさであることを特徴とする請求項１に記載の三次元超音波イメージングのための二次元仮想配列型探触子。
6. 前記超音波トランスデューサーは、
   前記探触子胴体の前記超音波放射面を除くいずれの面にも設置可能であることを特徴とする請求項１に記載の三次元超音波イメージングのための二次元仮想配列型探触子。

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