JP2015099971A

JP2015099971A - 超音波プローブ素子

Info

Publication number: JP2015099971A
Application number: JP2013237949A
Authority: JP
Inventors: 信宏森山; Nobuhiro Moriyama; 啓太郎鈴木; Keitaro Suzuki
Original assignee: ERUMEKKU DENSHI KOGYO KK; Kureha Corp
Current assignee: ERUMEKKU DENSHI KOGYO KK; Kureha Corp
Priority date: 2013-11-18
Filing date: 2013-11-18
Publication date: 2015-05-28
Anticipated expiration: 2033-11-18
Also published as: JP6224426B2

Abstract

【課題】検査対象物の外形に沿って変形可能な、圧電振動素子を用いた超音波プローブ素子を提供する。【解決手段】本発明の超音波プローブ素子１は、電圧印加により超音波を発振する可撓性圧電材料からなる圧電性フィルムＦ２、圧電性フィルムＦ２の第１の面に設けられたシグナル電極Ｆ１、圧電性フィルムＦ２の第２の面に設けられ、圧電性フィルムＦ２に超音波を発振させるためのグランド電極Ｆ３を有する圧電振動素子４と、圧電振動素子４のグランド電極Ｆ３側を覆う可撓性のカバーフィルムＦ４と、圧電振動素子４のシグナル電極Ｆ１側に接着され弾性的に屈曲可能な可撓性基台２と、可撓性基台２を挟んで圧電振動素子４と対向して配置された支持ケース３とを備え、カバーフィルムＦ４を検査対象物に当てて支持ケース３を検査対象物に押し付けた時に、圧電振動素子４が検査対象物の表面形状に沿って変形するように構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は超音波プローブ素子に関する。詳しくは、曲面形状を有する検査対象物を超音波で非破壊検査するための高分子圧電素子を用いた超音波プローブ素子に関する。

従来は、超音波探査装置として圧電振動素子をアレイ状に配列したアレイ圧電振動素子が知られており、精度の良い超音波探傷や管厚測定を可能にしている。圧電振動素子には主としてセラミック圧電体が使用されていた。このため、検査対象物の表面が曲面形状を有する場合には、曲面に合わせて配列したアレイ圧電振動素子を製作する必要があり、直径の異なる複数種類の鋼管を探査するには、鋼管の直径毎に対応する曲率のアレイ圧電振動素子に交換して探査する必要があった。

これに対し、変形可能な高分子圧電材料からなるアレイ圧電振動素子を弾性的に屈曲可能な基板に搭載し、複数のリニアアクチュエーターでこれを検査対象物である鋼管の表面形状に沿うように変形させて配置することで曲面形状を有する検査対象物への適用を可能とし、鋼管の直径に拘らず使用可能な超音波プローブ素子が提案されている。（例えば特許文献１参照）

特開２０１０−５０７９６号公報（段落００２０〜００３７、図１〜図７）

しかしながら、上記高分子圧電材料からなるアレイ圧電振動素子を用いた超音波プローブ素子は、複数のリニアアクチュエーターを用いて鋼管の表面形状に沿うように変形させて配置しなければならず、配置とそれに伴うアレイ圧電振動素子の表面形状の調整に時間を要していた。

本発明は、圧電振動素子の表面形状の調整が容易にでき、検査対象物の外形に沿って変形可能な、圧電振動素子を用いた超音波プローブ素子を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様に係る超音波プローブ素子１は、例えば図１に示すように、電圧印加により超音波を発振する可撓性圧電材料からなる圧電性フィルムＦ２と、圧電性フィルムＦ２の第１の面に設けられたシグナル電極Ｆ１と、圧電性フィルムＦ２の第１の面とは反対側にある第２の面に設けられたグランド電極Ｆ３であって、シグナル電極Ｆ１との間に電圧を印加して圧電性フィルムＦ２に超音波を発振させるためのグランド電極Ｆ３とを有する圧電振動素子４と、圧電振動素子４のグランド電極Ｆ３側を覆う可撓性のカバーフィルムＦ４と、圧電振動素子４のシグナル電極Ｆ１側に接着面２ｑで接着され、外力により弾性的に屈曲可能な帯状の可撓性基台２と、可撓性基台２を挟んで圧電振動素子４と対向して配置され、可撓性基台２の長手方向の両端部８を固定面９に固定した支持ケース３であって、手持ち可能に形成された支持ケース３とを備え、可撓性基台２は接着面２ｑと支持ケース３の固定面９とを結ぶ側面を有し、カバーフィルムＦ４を検査対象物に当てて支持ケース３を検査対象物に押し付けた時に、圧電振動素子４が検査対象物の表面形状に沿って変形するように構成されている。

ここにおいて、本願の超音波プローブ素子１は典型的には円筒状の鋼管内部の欠陥を検査するために使用される。したがって、検査対象物は典型的には円筒状の鋼管であるが、楕円筒状でも矩形筒状でも良く、圧電性フィルム（ピエゾ素子）Ｆ２を含む圧電振動素子４、カバーフィルムＦ４と保護フィルムＦ５（無くても良い）及び可撓性基台２が可撓性であるために、任意の表面形状に適用可能である。また、鋼管に限られず他の金属管や土管でも良い。また、可撓性基台２として、典型的には繊維強化プラスチック（ＦＲＰ：Ｆｉｂｅｒ＝繊維、Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ＝強化された、Ｐｌａｓｔｉｃｓ＝プラスチック）からなるＦＲＰ基台を使用できるが、可撓性があり、弾性的に屈曲可能であり、荷重のかからない無負荷状態では圧電振動素子４が接着された接着面２ｑと支持ケース３に固定される面が平行になり、支持ケース３を検査対象物に押し付けた時に、圧電振動素子４が検査対象物の表面形状に沿って変形し、押し付けを止めた時に元の形状に戻るものであれば何でも良い。ここで、弾性的に屈曲可能とは外力の大きさに応じて屈曲し、外力を除去した時に元の形状に戻ることをいう。また、可撓性基台２及び圧電振動素子４の屈曲は、典型的には鋼管の外周に沿って円弧状に屈曲するものであるが、これに限られず検査対象物の外形に応じて任意の形状に屈曲しても良い。また、ＦＲＰ製基台２は典型的には帯状に形成され、支持ケース３は帯状の可撓性基台２の長手方向の両端部８を固定面９に固定する。端部８は必ずしも端に限られず、端に近い部分であっても良い。端に近い部分とは少なくとも圧電振動素子４の外側で、この部分を固定すればＦＲＰ製基台２に対して圧電振動素子４が揺るがない部分をいう。また、少なくとも両端部８が固定されれば、固定面９に接する他の部分は固定されてもされなくても良い。また、支持ケース３の固定面９は可撓性基台２を固定するための平坦な面をいう。また、第２のフィルムは圧電振動素子４の一方の電極を覆い、可撓性を有すれば、単数の層で構成されても良く、複数の層で構成されても良い。例えばカバーフィルムＦ４のみで構成されても、カバーフィルムＦ４と保護フィルムＦ５の２層で構成されても良い。また、可撓性基台２の側面とは、帯状の可撓性基台２の長手方向の両端部８における側面をいう。

このように構成すると、外力により弾性的に屈曲可能な基板を使用するので、検査対象物の外形に沿って変形可能な、圧電振動素子４を用いた超音波プローブ素子を提供できる。また、これにより、一つの超音波プローブ素子で、曲率半径の異なる複数種類の鋼管の検査等に適用可能である。

本発明の第２の態様に係る超音波プローブ素子は、例えば図１に示すように、第１の態様において、前記圧電振動素子の共振周波数が１〜１０００ＭＨｚの範囲にある。
このように構成すると、第１のフィルムの膜厚及びカバーフィルムの膜厚に応じて共振周波数を調整可能である。なお、超音波探査には、共振周波数１〜２００ＭＨｚが好ましく、５〜１００ＭＨｚが高分子ピエゾフィルムとして製造しやすく好適である。

本発明の第３の態様に係る超音波プローブ素子１は、例えば図１に示すように、第１又は第２の態様において、前記第１のフィルムがフッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体又はポリフッ化ビニリデンを含んで形成される。
このように構成すると、外力により検査対象物の外形に応じて弾性的に屈曲可能な可撓性基台２を実現するのに好適である。

本発明の第４の態様に係る超音波プローブ素子は、例えば図５に示すように、第１ないし第３のいずれかの態様において、複数の前記圧電振動素子が１つの前記可撓性基台上にアレイ状に配列されている。
ここにおいて、１つの可撓性基台２ａに複数の圧電振動素子４ａ〜４ｄが搭載された超音波プローブ素子１ａについては、可撓性圧電材料からなる圧電性フィルムＦ２ａ〜Ｆ２ｄについて、個々の圧電性フィルムＦ２ａ〜Ｆ２ｄに可撓性がなくても、複数の圧電性フィルムＦ２ａ〜Ｆ２ｄを配列した状態で全体的に可撓性があれば良い。
このように構成すると、検査対象物の複数位置の欠陥を同時に又は時間をずらして検査できる。

本発明によれば、圧電振動素子４の表面形状の調整が容易にでき、検査対象物の外形に沿って変形可能な、圧電振動素子４を用いた超音波プローブ素子を提供できる。また、これにより、一つの超音波プローブ素子で、曲率半径の異なる複数種類の鋼管の検査等に適用可能である。

実施例１における超音波プローブ素子の構成例を示す図である。実施例１における圧電振動素子の分解図である。実施例１における超音波プローブ素子の使用状態を説明するための図である。実施例１における超音波プローブ素子の信号処理を説明するための図である。実施例２における圧電振動素子の分解図である。実施例２における超音波プローブ素子の信号処理を説明するための図である。

以下に図面に基づき本発明の実施の形態について説明する。尚、各図において、互いに同一又は相当する部分には同一符号を付し、重複した説明は省略する。

実施例１では、支持ケース３に取り付けられた可撓性基台２に圧電振動素子４が１個搭載され、支持ケース３を検査対象物である鋼管の方向に押し付けることにより、可撓性基台２及び圧電振動素子４の表面側が鋼管の表面に沿って屈曲し、鋼管の曲率半径の如何に拘わらず、超音波により鋼管内部の欠陥を探査可能な例を説明する。

図１は実施例１の形態による超音波プローブ素子１の構成例を示す図である。図１（ａ）にその平面図を、図１（ｂ）にその側面図を示す。また、図２に圧電振動素子４の分解図を示す。
図１及び図２において、圧電振動素子４は、可撓性基台２側から、シグナル電極Ｆ１、圧電性フィルムとしてのピエゾ素子Ｆ２、グランド電極Ｆ３、及びカバーフィルムＦ４がこの順序で搭載・積層されて構成される。例えば、シグナル電極Ｆ１は圧電性フィルムＦ２の第１の面に、グランド電極Ｆ３はカバーフィルムＦ４の圧電性フィルムＦ２に隣接する面に、蒸着された金属薄膜が用いられる。シグナル電極Ｆ１とグランド電極Ｆ３は間に挟んだ圧電性フィルムＦ２に電圧を印加して超音波を発振させるため、かつ、検査対象物から反射された超音波を受信するために使用される。さらに、圧電振動素子４に、保護フィルムＦ５が積層される。これら各層の層間は蒸着等で積層される以外は接着剤で貼り合わせられる。また、可撓性基台２は接着面２ｑにおいて圧電振動素子４（シグナル電極Ｆ１側）に接着剤で接着される。接着剤は絶縁体で、例えば常温硬化性又は熱硬化性のエポキシ系樹脂、ポリエステル系樹脂、アクリル系粘着剤を使用できる。

支持ケース３に可撓性基台２としてＦＲＰ（ＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｌａｓｔｉｃｓ：繊維強化プラスチック）製基台２が取り付けられ、ＦＲＰ製基台２には、圧電振動素子４が搭載されている。シグナル電極Ｆ１の周囲にスペースを隔ててケーブル引き出し用電極Ｆ６が設けられ、カバーフィルムＦ４のピエゾ素子Ｆ２に密着する面にグランド電極Ｆ３が例えば金属蒸着膜により設けられ、ピエゾ素子Ｆ２から離れた部分でグランド電極Ｆ３がケーブル引き出し用電極Ｆ６に接続される。ケーブル引き出し用電極Ｆ６はグランド電極Ｆ３とケーブルとの電気的接続を容易にするためのものである。シグナル電極Ｆ１とケーブル引き出し用電極Ｆ６からそれぞれ引出ケーブル５が引き出され、支持ケース３内に導かれる。保護フィルムＦ５にはシグナル電極Ｆ１に対向する位置に、例えばシグナル電極Ｆ１の寸法よりやや大きい窓が設けられる。

支持ケース３は例えばアルミ、ＳＵＳ等の金属製、もしくはＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）等の樹脂製の直方体状のケースに、信号発生部（超音波発信回路を含む）３０、信号検出回路（超音波受信回路を含む）３２が内蔵され、圧電振動素子４のシグナル電極Ｆ１の電圧を印加及び検出できるように構成されている（図４参照）。圧電振動素子４から超音波が発振され、また、検査対象物である鋼管６の外面、内面及び内部の欠陥（傷、空泡等）で反射されて帰ってくる超音波を圧電振動素子４で受信できる。信号発生部３０及び信号検出回路３２は接続ケーブル７（図３参照）を経由して、図示しない駆動電源及び制御部３５に接続されている。支持ケース３は平坦な面にＦＲＰ製基台２を固定的に搭載する。すなわち、この平坦な面を含む部分を固定面９という。ＦＲＰ製基台２は典型的には帯状に形成され、支持ケース３は帯状の可撓性基台２の長手方向の両端部８を固定面９に固定する。両端部８は必ずしも端に限られず、端に近い部分を含めば良い。また、少なくとも両端部８が固定されれば、他の部分は固定されてもされなくても良い。また、支持ケース３は後述する可撓性基台２を挟んで後述する圧電振動素子４と対向して配置される。また、支持ケース３は手持ち可能に形成される。手持ち可能とは、例えば片手で持てても良く、片手の掌で掌握できても良く、指で摘まめても良い。

ＦＲＰ製基台２は、可撓性の繊維強化プラスチックから成る。繊維強化プラスチックは、軽量なプラスチック材料である母材（マトリックス）と、弾性率が高く強度の高いガラス繊維、炭素繊維、樹脂繊維等の繊維との複合材料で、軽量で強度の高いことを特徴とする。マトリックスとしては一般に不飽和ポリエステル等の熱硬化性樹脂が用いられる。本実施例では、可撓性が求められ、例えば、エポキシ系材料（ガラスエポキシ樹脂等）が用いられる。可撓性は、ＦＲＰ製基台が検査対象物表面に押圧された時に基台の表面が検査対象物の表面形状に沿って変形するような可撓性であることが求められる。可撓性基台２は外力により弾性的に屈曲可能である。すなわち、外力の大きさに応じて屈曲し、外力を除去した時に元の形状に戻る。また、可撓性基台２は帯状であり、長手方向の両端部８が固定面９に固定される。また、可撓性基台２は圧電振動素子４のグランド電極Ｆ３側又はシグナル電極Ｆ１側に接着される。前記基台は前述した機械的性質（弾性率、形状復帰性）を有する材料であれば熱硬化性樹脂を用いたＦＲＰ以外の材料を用いることも可能である。具体的にはエンジニアリングプラスチック（ＰＥＴ、ＰＰＳ、ＰＥＥＫなど）を用いた複合材等も使用できる。

ピエゾ素子Ｆ２は電圧印加により超音波を発振可能な高分子圧電材料からなるフィルムで、例えばフッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体、フッ化ビニリデン重合体を使用できる。フッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体は電気機械結合係数が高く、弾性常数が高いので好適である。また、カバーフィルムＦ４は例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリイミド、ポリイミドアミド、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエチレン（ＰＥ）など、弾性率がピエゾ素子Ｆ２とほぼ同等のものを使用できる。

ピエゾ素子Ｆ２はシグナル電極Ｆ１とグランド電極Ｆ３とで挟まれ、シグナル電極Ｆ１とグランド電極Ｆ３間にパルス電圧を印加することにより、ピエゾ素子Ｆ２及びカバーフィルムＦ４に超音波振動を励起し、超音波を発振させる。グランド電極Ｆ３とケーブル引き出し用電極Ｆ６とはピエゾ素子Ｆ２の外側の部分で密着させ、電気的に接続する。共振周波数ｆ_０はピエゾ素子Ｆ２の厚さおよびカバーフィルムＦ４の厚さにより調整可能であり、圧電体中の音速をｖ、共振器長（Ｆ２とＦ４の厚さの和）をｌ_０とすると、λ／４共振モード（λは波長）の場合は、ｆ_０＝ｖ／４ｌ_０と表される。例えば共振周波数ｆ_０＝1ＭＨｚを得るには、圧電体中の音速を２３００ｍ／ｓｅｃとして、共振器長ｌ_０は約５００μｍとなる。同様にｆ_０＝７．５ＭＨｚを得るにはｌ_０≒８０μｍであり、ｆ_０＝２００ＭＨｚではｌ_０≒１μｍとなる。超音波探査には、共振周波数ｆ_０＝１〜２００ＭＨｚ、共振器長ｌ_０＝約１〜５００μｍが好ましいが、共振周波数は上記のように必要に応じて変更可能であり、この範囲外とすることもできる。

シグナル電極Ｆ１とグランド電極Ｆ３には、可撓性の導電性プラスチックフィルムを使用できる。例えば、導電性のある担体を練り込んでシート状にしたプラスチックフィルム、ＩＴＯ（酸化インジュウムスズ）等の導電性薄膜を表面に形成したシート状プラスチックフィルムを使用できる。この場合には電極の厚み、材質が共振周波数ｆ_０に影響するため、適宜設計する。また、シグナル電極Ｆ１とグランド電極Ｆ３からそれぞれ引き出しケーブル５が引き出され、支持ケース３内の信号発生部３０及び信号検出回路３２に導かれている（図４参照）。シグナル電極Ｆ１とグランド電極Ｆ３の厚さは例えば１０ｎｍ〜１μｍとする。また、シグナル電極Ｆ１の寸法は例えば５ｍｍ×１０ｍｍである。

カバーフィルムＦ４はグランド電極Ｆ３を覆うことにより、圧電振動素子４を外傷・汚染から保護する機能も併せ持つ。可撓性があり、ピエゾ素子Ｆ２と音響インピーダンスの整合性が良く、超音波に対する透過性が良いプラスチック材料が好ましく、例えばピエゾ素子Ｆ２がフッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体の場合には、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等を使用できる。また、保護フィルムＦ５は、超音波が出入りする部分に５ｍｍ角の窓があるので、音響インピーダンスの整合性は求められないが、可撓性があり、外傷及び汚染に対する保護に強いプラスチック材料が好ましく、例えば、ポリエステル系プラスチック等を使用できる。

図３は超音波プローブ素子１の使用状態を説明するための図である。図３（ａ）は使用前の超音波プローブ素子１、図３（ｂ）は検査対象物である鋼管６に超音波プローブ素子１を接触させた時の図、図３（ｃ）は検査対象物である鋼管６に超音波プローブ素子１を支持ケース３を用いて押し付け、カバーフィルムＦ４を鋼管６に密着させたときの図である。ＦＲＰ製基台２及び圧電振動素子４は、不使用時には図３（ａ）のように、接触時には図３（ｂ）のように撓みがなく直線状になっているが、支持ケース３を例えば指で鋼管６の方向に押し付けた時には、図３（ｃ）のようにＦＲＰ製基台２及び圧電振動素子４の表面は鋼管６の表面に沿って撓み、カバーフィルムＦ４が鋼管６の表面に密着して、鋼管６表面の曲率と圧電振動素子４の表面の曲率がほぼ等しくなる（カバーフィルムＦ４の厚さに対応する分差があるが）。支持ケース３で押し付けることを止めると、ＦＲＰ製基台２及び圧電振動素子４の形状は元に戻る。また、可撓性基台２は接着面２ｑと支持ケース３の固定面９とを結ぶ側面を有し、側面は典型的には曲面を有する。

ピエゾ素子Ｆ２からの超音波は圧電振動素子４の表面に対して垂直方向の振動モードで発振され、垂直方向に出力され、カバーフィルムＦ４を介して鋼管６の探査面に垂直に入射し、鋼管６の内部の傷等の欠陥又は鋼管の管厚を探査する。超音波は傷が有れば傷により反射され、傷が無ければ鋼管６の裏面から反射される。反射された超音波はピエゾ素子Ｆ２に入射され、発生した電気信号はシグナル電極Ｆ１により検出される。傷までの距離は超音波の発振から反射波を検出するまでの時間から導かれる。鋼管６表面の一位置での検査が終了したら、超音波プローブ素子１を鋼管６表面の他の位置に移動して検査を行うことができる。このように位置を変えて順次測定を繰り返すことにより、鋼管６全体の欠陥又は管厚を検査できる。ＦＲＰ製基台２の長手方向の長さを長くとると、欠陥が少ない場合には、鋼管６全体の欠陥の有無を早く検査できる。

図４に本実施例による超音波プローブ素子１を超音波探査装置１０として使用する場合の装置構成例を示す。圧電振動素子４に信号発生部３０が電気的に接続されており、信号発生部３０では圧電振動素子４に対し信号（パルス電圧又はバースト波形状の電圧）を加えて超音波発振をさせることができる。例えばタイマＩＣを用いた超音波パルス発振器（５５５発振器）を使用できる。また、圧電振動素子４で受信した超音波信号が信号検出回路３２に出力され、信号検出回路３２で検出された信号は信号処理部３３に出力され、信号処理部３３において増幅部３３ａで増幅された後、Ａ／Ｄ変換部３３ｂでデジタル変換される。信号処理部３３には、表示部３４が接続されており、表示部３４では、信号処理部３３で得られた信号に基いて画像を表示することができる。圧電振動素子４で受信した信号が信号処理部３３で信号処理された後、制御部３５に出力される。制御部３５では、中央処理ユニットＣＰＵとこれを動作させるプログラムを主として構成され、受信した超音波信号に基いて、圧電振動素子４と検査対象物６の探査面６ａの距離を算出できる。信号処理部３３では超音波を送出してから反射して帰ってくるまでの時間を測定し、その時間から反射点までの距離を求める。

以上説明したように、本実施の形態によれば、検査対象物の外形に沿って変形可能な、圧電振動素子を用いた超音波プローブ素子を提供できる。なお、本実施の形態では主として鋼管の欠陥を探査する例を説明したが、鋼管の管厚を測定することも可能である。

実施例１では、可撓性基台２に圧電振動素子４が１個搭載される例を説明したが、実施例２では、可撓性基台２に圧電振動素子４ａ〜４ｄが複数個搭載される例を説明する。実施例１と異なる点を主として説明する。

図５に実施例２における超音波プローブ素子１ａの圧電振動素子４ａ〜４ｄの分解図を示す。シグナル電極Ｆ１ａ〜Ｆ１ｄ、フィルムとしてのピエゾ素子Ｆ２ａ〜Ｆ２ｄ、グランド電極Ｆ３ａ、カバーフィルムＦ４ａ、保護フィルムＦ５ａが可撓性基台としてのＦＲＰ製基台２ａに搭載され、その搭載順序は実施例１と同じである。シグナル電極Ｆ１ａ〜Ｆ１ｄ、ピエゾ素子Ｆ２ａ〜Ｆ２ｄ、グランド電極Ｆ３ａ及びカバーフィルムＦ４ａにより圧電振動素子４ａ〜４ｄが構成される。実施例１ではこれら各層は単数であったが、本実施例では、シグナル電極Ｆ１ａ〜Ｆ１ｄ及びピエゾ素子Ｆ２ａ〜Ｆ２ｄは４個ある。また、これに対応して保護フィルムＦ５ａの窓が４個ある。結果として、４個の圧電振動素子４ａ〜４ｄが１つのＦＲＰ製基台２ａ上に存在し、４個の圧電振動素子４ａ〜４ｄは別個に超音波を発振し、別個に超音波を受信できる。なお、１つの可撓性基台２ａに複数の圧電振動素子４ａ〜４ｄが搭載された超音波プローブ素子１ａについては、可撓性圧電材料からなる圧電性フィルムＦ２ａ〜Ｆ２ｄについて、個々の圧電性フィルムＦ２ａ〜Ｆ２ｄに可撓性がなくても、複数の圧電性フィルムＦ２ａ〜Ｆ２ｄを配列した状態で全体的に可撓性があれば良い。

略正方形の複数のシグナル電極Ｆ１ａ〜Ｆ１ｄが同一サイズで帯状のＦＲＰ製基台２ａ上に中央ラインに沿ってリニアアレイ状に等間隔に配置されている。シグナル電極の個数、寸法及び間隔は測定対象物に応じて任意に設計できるが、例えばシグナル電極数３、面積５ｍｍ角、厚さ０．０７〜０．１ｍｍ、電極間の間隔０．１〜０．５ｍｍである。各シグナル電極Ｆ１ａ〜Ｆ１ｄからの引出ケーブルは、グランド電極Ｆ３ａからの引出ケーブルと共に束ねられてＦＲＰ製基台２ａに沿って貼り付けられ、支持ケース３まで延びる。検査対象物である鋼管６に超音波プローブ素子１を、支持ケース３を例えば指で押し付け、カバーフィルムＦ４ａを鋼管６に密着させたときには、図３（ｃ）で示したと同様に、ＦＲＰ製基台２ａ及び圧電振動素子４ａ〜４ｄの表面は鋼管６の表面に沿って撓み、カバーフィルムＦ４ａが鋼管６に密着し、圧電振動素子４ａが検査対象物６の表面形状に沿って変形する。鋼管６表面の曲率と圧電振動素子４の表面の曲率がほぼ等しくなる（カバーフィルムＦ４の厚さに対応する分差があるが）。この場合、異なる４箇所から超音波が発振され、４箇所での鋼管２の探査面２ａに垂直に入射し、鋼管２の内部の傷等の欠陥の有無又は鋼管の管厚を探査できる。反射された超音波は圧電振動素子４ａ〜４ｄに入射され、シグナル電極Ｆ１ａ〜Ｆ１ｄにより検出される。各シグナル電極Ｆ１ａ〜Ｆ１ｄへの電圧印加は同時でも良く、時間をずらして行なっても良い。その他の構成は第１の実施の形態と同様であり、第１の実施の形態と同様に検査対象物の外形に沿って変形可能な、圧電振動素子を用いた超音波プローブ素子を提供できる。

図６に本実施例による超音波プローブ素子１を超音波探査装置１０ａとして使用する場合の装置構成例を示す。各圧電振動素子４ａ〜４ｄに、駆動素子選択部３１が電気的に接続されており、駆動素子選択部３１に、信号発生部３０で発生させた超音波発生用信号が入力される。駆動素子選択部３１は、スイッチング回路等により構成され、所望の圧電振動素子４ａ〜４ｄに対し信号（パルス電圧又はバースト波形状の電圧）を加えて超音波発振をさせることができる。また、圧電振動素子４ａ〜４ｄでは、受信した超音波信号が信号検出回路３２に出力され、信号検出回路３２には、駆動素子選択部３１からの出力信号が圧電振動素子４ａ〜４ｄからの発振信号と共に入力されている。これにより動作している圧電振動素子４ａ〜４ｄの確定及び出力同期がなされる。信号検出回路３２で検出された信号は信号処理部３３に出力され、信号処理部３３において増幅部３３ａで増幅された後、Ａ／Ｄ変換部３３ｂでデジタル変換される。この場合、異なる４箇所から超音波が発振され、４箇所での鋼管６の探査面６ａに垂直に入射し、鋼管２の内部の傷等の欠陥の有無又は鋼管の管厚を探査できる。各シグナル電極Ｆ１ａ〜Ｆ１ｄへの電圧印加は同時でも良く、時間をずらして行なっても良い。その他の構成は第１の実施の形態と同様であり、第１の実施の形態と同様に検査対象物の外形に沿って変形可能な、圧電振動素子を用いた超音波プローブ素子を提供できる。また、本実施例の超音波プローブ素子１ａを用いると鋼管６表面の１つの位置に置いて、複数位置の欠陥を同時に又は時間をずらして検査できる。鋼管６表面の一位置での検査が終了したら、超音波プローブ素子１を鋼管６表面の他の位置に移動して検査を行うことができる。このように位置を変えて順次測定を繰り返すことにより、鋼管６全体の欠陥又は管厚を検査できる。また、ＦＲＰ製基台２ａの長手方向において、シグナル電極Ｆ１ａ〜Ｆ１ｄの幅を小さくして、数を増やすと、検査の位置分解能を向上できる。アレイ数としては、特に限定されないが、例えば２５６個の素子を作成することは可能である。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、実施の形態に種々変更を加えられることは明白である。

例えば、実施例１では、グランド電極Ｆ３を０電位とし、シグナル電極Ｆ１にパルス電圧を印加する例を説明したが、シグナル電極Ｆ１とグランド電極Ｆ３に反対極性のパルス電圧を印加しても良い。また、以上の実施例では、支持ケース３の内部に信号発生部３０、信号検出回路３２が内蔵される例を説明したが、支持ケース３の内部を空にし、又は支持ケース３の内部に空間を形成せず、引き出しケーブル５を支持ケース３に入れずに別に設けた信号発生部３０、信号検出回路３２に導いても良い。また、支持ケース３の寸法は、片手で持てる大きさ、片手の掌で掌握できる大きさ、指で摘まめる大きさ等適宜変更できる。また、シグナル電極の個数、寸法、基台やフィルムの材料等は検査対象物に応じて適宜変更可能である。

本発明は、曲面形状を有する検査対象物を超音波で非破壊検査するために利用される。

１，１ａ超音波プローブ素子
２，２ａ支持ケース
２ｑ接着面
３，３ａＦＲＰ製基台（可撓性基台）
４，４ａ〜４ｄ圧電振動素子
５引き出しケーブル
６検査対象物、鋼管
７接続ケーブル
８可撓性基台の端部
９支持ケースの固定面
１０，１０ａ超音波探査装置
３０信号発生部
３１駆動素子選択部
３２信号検出回路
３３信号処理部
３３ａ増幅部
３３ｂＡ／Ｄ変換部
３４表示部
３５制御部
Ｆ１，Ｆ１ａ〜Ｆ１ｄシグナル電極
Ｆ２，Ｆ２ａ〜Ｆ２ｄピエゾ素子（圧電性フィルム）
Ｆ３，Ｆ３ａグランド電極
Ｆ４，Ｆ４ａカバーフィルム
Ｆ５，Ｆ５ａ保護フィルム
Ｆ６ケーブル引き出し用電極

Claims

電圧印加により超音波を発振する可撓性圧電材料からなる圧電性フィルムと、
前記圧電性フィルムの第１の面に設けられたシグナル電極と、
前記圧電性フィルムの前記第１の面とは反対側にある第２の面に設けられたグランド電極であって、前記シグナル電極との間に電圧を印加して前記圧電性フィルムに超音波を発振させるためのグランド電極とを有する圧電振動素子と；
前記圧電振動素子の前記グランド電極側を覆う可撓性のカバーフィルムと；
前記圧電振動素子の前記シグナル電極側に接着面で接着され、外力により弾性的に屈曲可能な帯状の可撓性基台と；
前記可撓性基台を挟んで前記圧電振動素子と対向して配置され、前記可撓性基台の長手方向の両端部を固定面に固定した支持ケースであって、手持ち可能に形成された支持ケースとを備え；
前記可撓性基台は前記接着面と前記支持ケースの前記固定面とを結ぶ側面を有し、前記カバーフィルムを前記検査対象物に当てて前記支持ケースを前記検査対象物に押し付けた時に、前記圧電振動素子が前記検査対象物の表面形状に沿って変形するように構成された；
超音波プローブ素子。
前記圧電振動素子の共振周波数が１〜１０００ＭＨｚの範囲にある；
請求項１に記載の超音波プローブ素子。
前記圧電性フィルムがフッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体又はポリフッ化ビニリデンを含んで形成される；
請求項１又は請求項２に記載の超音波プローブ素子。
複数の前記圧電振動素子が１つの前記可撓性基台上にアレイ状に配列されている請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の超音波プローブ素子。