JP2017146180A

JP2017146180A - 超音波検査装置の超音波プローブ駆動回路

Info

Publication number: JP2017146180A
Application number: JP2016027683A
Authority: JP
Inventors: 智文鎌田; Tomofumi Kamata; 定和大森; Sadakazu Omori; 正和松岡; Masakazu Matsuoka
Original assignee: Japan System Eng Kk; JAPAN SYSTEM ENGINEERING KK
Current assignee: Japan System Eng Kk; JAPAN SYSTEM ENGINEERING KK
Priority date: 2016-02-17
Filing date: 2016-02-17
Publication date: 2017-08-24

Abstract

【課題】大幅に低い電圧の印加で超音波プローブを発振駆動可能とすることで、プローブにかかる電圧、流れる電流容量が増えて、発熱やその寿命を減らすという欠点を解消する超音波検査装置の超音波プローブ駆動回路を提供する。
【解決手段】タイミングパルスを供給するＦＥＴ（電界効果トランジスタ）ドライブ回路３１を介してＦＥＴをＯＮ・ＯＦＦ制御することにより、出力電源に基づく負パルスを生成し、これを圧電素子に印加し、圧電素子を発振駆動する。ＦＥＴ２１によるため、低電圧での駆動が可能となり、発熱なども抑えることができる。
【選択図】図２

Description

この発明は超音波検査装置の超音波プローブ駆動回路、詳しくは従来に比較して大幅に低い電圧で駆動発振することができる超音波検査装置の超音波プローブ駆動回路に関する。

超音波によって試料を検査する場合、検査対象物に送信波というエネルギーの高い超音波を入射させる必要がある。そして、送信波より得られた受信波に基づいてその検査を行う。
一般に、超音波プローブ（探触子）をドライブするためには、図３に示すように、電源電圧（数十Ｖから２００Ｖ）による急峻な立下りパルスをこの超音波プローブに印加する必要がある。
そのため、従来は、高速バイポーラトランジスタを用いて超音波プローブをドライブしていた。例えば特許文献１に記載の超音波プローブ駆動回路である。これは負荷の有無により超音波プローブの駆動ポイントを変動させ、エネルギー損失を少なくすることを目的としている。
ところが、バイポーラトランジスタの場合、使用上、以下の問題が生じていた。第１に、高耐圧・高速のものは品種が少なく、入手が困難である。第２に、十分な波高値のパルスを作るには、ベース電流をかなり流すことが必要である。例えば、５０Ｖの波高値で５０Ωの探触子をドライブする場合は、通常のバイポーラトランジスタのｈＦＥ（直流電流増幅率）は３０程度であるから、３３ｍＡのベース電流が必要となる。回路制約上これはかなり困難である。実際、電源電圧に対する波高値が５０％程度と低くなる。
一方、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）では、高耐圧・高速のものが比較的入手が容易である。また、定常的には入力電流は不要で、電圧のみあれば良いので、容易にＦＥＴを飽和させることが可能となり、電源電圧に対する波高値を高くすることができる（７０％程度）。
ところが，ＦＥＴには入力容量があり、瞬間的には充電電流を流す必要がありました。これがＦＥＴを採用しない理由でした。

特開２００１−１４９８６４号公報

しかしながら、このような従来の超音波検査装置にあっては、以下の不都合があった。
すなわち、超音波振動子（超音波プローブ、超音波探触子）の駆動回路としてバイポーラトランジスタを用いた構成であったため、このトランジスタに駆動電流を流すことで結果として高電圧での駆動を行っていたという問題が生じていた。

そこで、発明者は鋭意研究の結果、モータドライバ用のＦＥＴドライバに着目し、５０ｋＨｚ程度の繰り返し周波数（ＰＲＦ）で駆動する場合、入力電流はほとんど不要となり、同じ電源電圧の場合、バイポーラトランジタに比べて、効率よく、波高値を高くすることが可能となることを知見し、この発明を完成させた。

すなわち、この発明は、従来不可能であった大幅に低い電圧の印加で超音波プローブを発振駆動可能とした超音波検査装置の超音波プローブ駆動回路を提供することを目的としている。

請求項１に記載の発明は、超音波プローブの圧電素子に負のパルス状電圧を印加することにより、圧電素子を振動させる超音波検査装置の超音波プローブの駆動回路であって、ＦＥＴドライブ回路により供給されるタイミングパルスに基づいてＦＥＴをＯＮ・ＯＦＦ制御することにより、上記負のパルス状電圧を上記圧電素子に印加する超音波検査装置の超音波プローブの駆動回路である。

請求項１に記載の発明によれば、超音波検査装置の超音波プローブにはＦＥＴのゲートに印加される制御電源の電圧を一定とするとともに、この印加をＯＮ・ＯＦＦ制御することにより、超音波プローブの圧電素子に対して急峻な立下りパルスを印加し、超音波プローブの圧電素子を発振駆動する。

請求項２に記載の発明は、上記超音波プローブの固有の周波数帯域は、５〜７５ＭＨｚである請求項１に記載の超音波検査装置の超音波プローブ駆動回路である。

請求項２に記載の発明によれば、この周波数帯域のプローブにあっては、パルスに急峻な立下り特性を持たせることが有効であり、制御電源の印加によりＦＥＴを容易に飽和させることができ、電源電圧に対する波高値を高くすることができる。その結果、従来のバイポーラトランジスタを使用した場合よりも低い電源電圧の印加によって超音波プローブの圧電素子を発振駆動することができる。

請求項１，２に記載の発明にあっては、超音波プローブを駆動する駆動回路にあって、ＦＥＴを用いて発振駆動することにより、低電圧での駆動が可能となった。すなわち、従来装置では、プローブにかかる電圧、流れる電流容量が増えて、発熱やその寿命を減らすという欠点を、この発明にあっては解消することができる。

この発明の一実施例に係る超音波検査装置の概略構成を示す図である。この発明の一実施例に係る超音波検査装置の超音波プローブ駆動回路を示す図である。従来の超音波検査プローブに印加されるパルスの波高値を説明する図である。

以下、この発明の実施例について図面を参照して具体的に説明する。

図１において、超音波検査装置は、水槽１１内に保持された被検査物１２に対して超音波プローブ１３，１４を水平面内で直交するＸＹ方向に移動させることにより、被検査物１２に内在された欠陥などを検査する。すなわち、超音波プローブ１３，１４から所定周波数の超音波を発振させ、被検査物１２に放射するとともに、該被検査物１２からの反射波を受信することで、例えば画像表示し、被検査物１２に内在する欠陥の有無などを判別するものである。
図１において、水槽１１の上方に超音波プローブ１３，１４が水平面内で移動可能に配設され、それぞれがモータによりＸ軸方向、Ｙ軸方向に水平面内で移動して、水槽内底面に載置された被検査物１２の全面についてスキャン可能とされている。
なお、これらのＸＹ方向への移動制御、および、超音波プローブから発振されて被検査物から反射された反射波の受信制御についてはいずれも公知の技術であるため、詳細な説明は省略する。

次に、図２を参照してこの発明に係る超音波プローブの駆動回路について説明する。
この場合の超音波プローブ（探触子）１３としては、Ｃスキャンによる精密画像判定専用機として用いられるものであり、例えば５〜７５ＭＨｚであって、これを発振駆動させる出力電源は例えば２０〜５０Ｖとする。この周波数帯域の超音波プローブでは実験によりパルスに可能な限り急峻な立下り特性を持たせることが有効である。そして、その制御回路は小型化のためできるだけ単純で、低損失（発熱防止）のものが必要である。このため、ＦＥＴのゲート電圧を固定し、ＦＥＴドライバ回路を使用し、ＦＥＴの入力容量の影響を排除し、高速動作（急峻な立下り）と、低損失とを実現している。
出力電源のプローブ１３への印加をＦＥＴ２１にてＯＮ・ＯＦＦ制御する構成である。
このＦＥＴ２１のゲートにはＦＥＴドライブ回路３１の出力が供給される構成である。ＦＥＴ２１のソースは出力電源に接続されるとともに、そのドレインは接地されている。このＦＥＴ２１はプローブ１３のドライブ用であって、ノーマリ−ＯＦＦタイプである。
ＦＥＴドライブ回路３１は、ＣＭＯＳ素子を含みＦＥＴ２２はノーマリ−ＯＦＦ、ＦＥＴ２３はノーマリ−ＯＮとされ、ＦＥＴ２２のソース端子に制御電源（固定電圧１２ｖ）が印加されている。ＦＥＴ２３のドレインは接地されている。これらのＦＥＴ２２，２３の各ゲートに対して入力トリガー（タイミングパルス）がＬレベル（０Ｖ）からＨレベル（２Ｖ以上）に変化すると、ＦＥＴ２２がＯＮ、ＦＥＴ２３がＯＦＦとなり、この結果、制御電源がＦＥＴ２１のゲートに印加されることとなる。ＦＥＴ２１はゲートに制御電源が印加されると、ＯＮとなる。このとき、端子は出力電源の低電圧（例えば５０Ｖ）に保持されており、このＦＥＴ２１のＯＮにより電圧降下が起きる。この結果、プローブ１３の圧電素子には負のパルスが印加される。
このゲートに制御電源が直接印加されることにより、ゲート容量は急速にチャージされ、通常より急速にＦＥＴ２１はＯＮとなる。このようにＦＥＴ２１を用いることにより、急峻な立下りパルスを実現することができ、低電圧での発振が可能となっている。

以上の構成に係る超音波プローブの駆動回路にあっては、ＦＥＴ２２がＯＦＦ、ＦＥＴ２３がＯＮ、ＦＥＴ２１がＯＮの状態にあって、入力トリガー（タイミングパルス）がＬＯＷレベルからＨＩＧＨレベルに変化すると、ＦＥＴ２２がＯＮ，ＦＥＴ２３がＯＦＦとなる。この結果、ＦＥＴ２１のゲートに制御電源（１２Ｖ）が印加され、ＦＥＴ２１がＯＮとなる。ＦＥＴ２１のＯＮにより端子３０は接地レベルから電圧降下が起こり、超音波プローブ１３に対して負のパルスが出力され、プローブ１３は発振駆動されることとなる。なお、ダイオード３１は順方向、ダイオード３２は逆方向接続されている。
なお、ＰＣにての制御、反射波の受信については超音波ユニットにより制御されることは従来と同等である。

この発明の超音波検査装置の超音波プローブ駆動回路は、超音波プローブを低電圧で駆動する技術として有用である。

１１水槽、
１２被検査物、
１３，１４超音波プローブ、
２１ＦＥＴ、
３１ＦＥＴドライブ回路。

Claims

超音波プローブの圧電素子に負のパルス状電圧を印加することにより、圧電素子を振動させる超音波検査装置の超音波プローブの駆動回路であって、
ＦＥＴドライブ回路により供給されるタイミングパルスに基づいてＦＥＴをＯＮ・ＯＦＦ制御することにより、上記負のパルス状電圧を上記圧電素子に印加する超音波検査装置の超音波プローブの駆動回路。
上記超音波プローブの固有の周波数帯域は、５〜７５ＭＨｚである請求項１に記載の超音波検査装置の超音波プローブ駆動回路。