JP2020153927A - 超音波ユニット及び超音波検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、容易に感度の高められる超音波ユニットの提供を課題とする。【解決手段】本発明の一態様に係る超音波ユニット１０は、基台１１と、基台１１の表面に載置される圧電シート１２と、圧電シート１２の厚さ方向の共振周波数を調整する周波数調整機構１３と備え、圧電シート１２が、圧電体１２ａと、圧電体１２ａの第一面に積層される第一電極１２ｂと、少なくともその一部が第一電極１２ｂと対向するように圧電体１２ａの第二面に積層される第二電極１２ｃとを有する。【選択図】図２

Description

本発明は、超音波ユニット及び超音波検査装置に関する。

食品パッケージのヒートシール等の検査には、超音波検査装置を用いることができる。超音波検査装置としては、超音波発信器と超音波センサとを備えるものが公知である（例えば特開２０１８−１４６４６４号公報参照）。

このような超音波検査装置にあっては、例えば超音波発信器から発せられる超音波を検査対象物に透過させ、透過した超音波の強度を超音波センサで測定する。検査対象物の内部にヒートシールを構成する部材の剥離による気泡や傷、異物の混入等の欠陥がある場合、透過する超音波の強さが変化する。このため、前記超音波検査装置を用いることで、非破壊で欠陥の存在を知ることができる。

この超音波検査装置で用いる超音波の周波数は、測定対象である検査対象物の構造や材料に応じて適宜設定される。前記超音波検査装置で精度よく検査を行うためには、この用いる超音波に対する超音波センサの感度が高いことが必要となる。超音波センサとして圧電シートを用いる場合、測定に用いる超音波の周波数に対して超音波センサ側の圧電シートの共振周波数を合致させると感度が最大となる。

ところが、いったん超音波センサ側の圧電シートの共振周波数を合致させても、前記圧電シートの共振周波数は、周囲の環境等に依存して変動し得るため、検査対象物に応じて設定された超音波の周波数とずれが生じ易い。ずれが生じると前記圧電シートによって高い感度で受信することが困難となる。

特開２０１８−１４６４６４号公報

前記実情に鑑みて、本発明は、容易に感度の高められる超音波ユニット及びこの超音波ユニットを用いた検出精度の高い超音波検査装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するためになされた本発明の一態様に係る超音波ユニットは、基台と、
前記基台の表面に載置される圧電シートと、前記圧電シートの厚さ方向の共振周波数を調整する周波数調整機構と備え、前記圧電シートが、圧電体と、前記圧電体の第一面に積層される第一電極と、少なくともその一部が前記第一電極と対向するように前記圧電体の第二面に積層される第二電極とを有する。

前記圧電体の主成分が高分子圧電材料であるとよい。

前記周波数調整機構が、前記圧電シートの温度を制御する温度制御部を有するとよい。

前記周波数調整機構が、前記圧電シートに加わる張力を制御する張力制御部を有するとよい。

前記課題を解決するためになされた本発明の一態様に係る超音波検査装置は、本発明の超音波ユニットを有する超音波受信器と、前記超音波受信器に対して超音波を発信可能な超音波発信器とを備える。

前記超音波発信器が、本発明の超音波ユニットを有するとよい。

前記超音波発信器の温度制御部及び前記超音波受信器の温度制御部が、前記超音波発信器の圧電シート及び前記超音波受信器の圧電シートの温度を独立して制御可能に構成されているとよい。

なお、本発明において、超音波ユニットの「第一面」とは、超音波を受信又は発信する面をいい、「第二面」とは、その反対の面をいう。

本発明の一態様に係る超音波ユニットは、圧電シートの厚さ方向の共振周波数を調整する周波数調整機構を備える。この超音波ユニットを超音波の発信側又は受信側に用いることで、発信側の超音波の周波数と受信側の共振周波数とが一致するように周波数調整することができるので、当該超音波ユニットを用いた超音波検査装置の感度を容易に高められる。

図１は、本発明の一実施形態に係る超音波測定装置を示す模式的斜視図である。 図２は、図１の超音波測定装置の超音波受信器が有する超音波ユニットを示す模式的斜視図である。 図３は、図２の超音波ユニットの模式的正面図である。 図４は、図２の超音波ユニットをＡ−Ａ線で切断した際の模式的端面図である。 図５は、図１の超音波測定装置の超音波発信器が有する超音波ユニットを示す模式的斜視図である。 図６は、図１とは異なる実施形態に係る超音波測定装置を示す模式的断面図である。 図７は、図２とは異なる実施形態に係る超音波ユニットを示す模式的正面図である。

［第１実施形態］
以下、適宜図面を参照しつつ、本発明の第１実施形態の超音波測定装置及び超音波ユニットを詳説する。

図１に示す超音波検査装置１は、超音波受信器２と、超音波発信器３とを備える。当該超音波検査装置１は、超音波受信器２と超音波発信器３との間に検査対象物Ｔを挟み込んで検査を行う透過型の検査装置である。

〔超音波受信器〕
超音波受信器２は、後述する超音波発信器３の発する超音波Ｓを受信可能に配置される。具体的には、図１に示すように、Ｘ方向に垂直な断面でみて、円弧状に形成されている超音波発信器３の発信面から発信された超音波Ｓは、この円弧の中心に向かってその幅が絞られるように進み、円弧の中心付近で収束する。そして、この円弧の中心付近に検査対象物Ｔが位置している。なお、発信される超音波ＳはＸ方向に幅を有するので、立体視でみると検査対象物Ｔ付近で超音波Ｓはライン状に収束している。検査対象物Ｔを透過した超音波Ｓは、Ｘ方向に垂直な断面でみて、再び円弧状に広がっていく。そして、超音波Ｓは、発信面での広がりと同程度まで広がった位置で超音波受信器２により受信される。従って、超音波受信器２は、超音波発信器３と幅方向が平行となるように、かつ幅方向に広がった超音波Ｓが、後述する圧電シート１２の第二電極１２ｃと対向する第一電極１２ｂの領域（以下、「測定領域Ｒ」ともいう）で受信できるように配設されている。

超音波受信器２は、超音波発信器３の発する超音波Ｓを受信可能に構成されている第１超音波ユニット１０を有する。

当該第１超音波ユニット１０は、図２乃至図４に示すように、基台１１と、基台１１の表面に載置される圧電シート１２と、圧電シート１２の厚さ方向の共振周波数を調整する周波数調整機構１３とを備える。また、当該第１超音波ユニット１０は、接着剤層１４を備える。

＜基台＞
基台１１は、圧電シート１２を保持する土台である。

基台１１の形状は特に限定されないが、図２に示すように、中央部が窪んだアーチ状の表面を有する直方体状であることが好ましい。換言すれば、基台１１の表面は、部分円筒の内面の形状を呈することが好ましい。このように基台１１の表面をアーチ状とし、後述する圧電シート１２を基台１１の表面に沿って載置すること、つまり、圧電シート１２がアーチ状に保持されていることで、圧電シート１２が曲面に沿って撓む。この撓みにより検査対象物Ｔで収束するように発せられた超音波Ｓが再び広がったところでの受信面積を広められるため、当該超音波検査装置１の感度を高めることができる。なお、基台１１の表面の曲率は、圧電シート１２上のいずれの位置においても超音波Ｓが圧電シート１２に対して鉛直方向から当たるように決定される。ここで、アーチ状の基台１１の表面に対して鉛直方向とは、超音波Ｓを受ける位置における接面に対する法線方向をいい、法線方向から±１０°以下の角度範囲を含むものとする。

また、基台１１の表面は平面とすることもできる。基台１１の表面が平面である場合には、圧電シート１２の表面も平面とできる。このように本実施形態にあっては、基台１１の表面形状に沿って圧電シート１２の形状が定められる。

基台１１の材質としては、金属等の導電性を有するものを用いることもできるが、絶縁性を有するものが好ましく、例えばポリカーボネート、ポリプロピレン（ＰＰ）等を挙げることができる。

基台１１の大きさは、当該超音波検査装置１の検査対象物Ｔの大きさや測定方法に応じて適宜決定される。

＜圧電シート＞
圧電シート１２は、図２乃至図４に示すように、圧電体１２ａと、第一電極１２ｂと、第二電極１２ｃとを有する。

圧電シート１２は、図２に示すように、基台１１表面と同形で同等の大きさを有する矩形状であり、基台１１表面に沿って載置される。シート状である圧電シート１２は、可撓性を有することが好ましく、これにより基台１１の表面が曲面である場合であっても、この曲面に沿って圧電シート１２を容易に載置することができる。このとき、基台１１の表面が図２に示すような曲面である場合であれば、圧電シート１２は、一方向に撓んだアーチ状となる。

（圧電体）
圧電体１２ａの主成分としては、高分子圧電材料であることが好ましく、特に可撓性を有する高分子圧電材料であることが好ましい。圧電体１２ａの主成分を高分子圧電材料とすることで、超音波受信器２の感度を高めることができるとともに、共振周波数の調整の制御性を高められる。

前記高分子圧電材料としては、例えばポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、フッ化ビニリデン−３フッ化エチレン共重合体（Ｐ（ＶＤＦ／ＴｒＦＥ））、シアン化ビニリデン−酢酸ビニル共重合体（Ｐ（ＶＤＣＮ／ＶＡｃ））等を挙げることができる。また、これらの高分子圧電材料を多孔性フィルムとすることによって、より可撓性が大きく、圧電定数の大きい圧電シート１２を形成することができる。

また、圧電体１２ａとして、圧電特性を有しない例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等に多数の扁平な気孔を形成し、コロナ放電等によって扁平な気孔の対向面を分極して帯電させることによって圧電特性を付与したものを使用することもできる。

圧電体１２ａの平均厚さの下限としては、１０μｍが好ましく、５０μｍがより好ましい。一方、圧電体１２ａの平均厚さの上限としては、５００μｍが好ましく、２００μｍがより好ましい。圧電体１２ａの平均厚さが前記下限未満であると、圧電シート１２の強度が不十分となるおそれがある。逆に、圧電体１２ａの平均厚さが前記上限を超えると、圧電シート１２の変形能が小さくなり、検出感度が不十分となるおそれがある。なお、「平均厚さ」とは、圧電体１２ａの任意の１０点で測定した厚さの平均値を指す。以下、長さに関する「平均」とは、同様の測定によるものとする。

（第一電極）
第一電極１２ｂは、圧電体１２ａの第一面に積層される電極である。第一電極１２ｂは、後述する第二電極１２ｃと合わせて、圧電体１２ａの第一面及び第二面間の電位差を検出するために用いられる。

第一電極１２ｂは帯状であり、圧電シート１２の幅方向（部分円筒の周方向で、図２のＹ方向）に沿って配設される。第一電極１２ｂの配設数は１とすることもできるが、複数とすることもできる。図２では５つの第一電極１２ｂが配設されている。また、図２に示すように、圧電シート１２がアーチ状に保持され、かつ複数の第一電極１２ｂを有する場合、複数の第一電極１２ｂは、平面視で圧電シート１２がアーチ状に撓む方向と垂直方向（図１のＸ方向）にアレイ状に配設されているとよい。このように複数の第一電極１２ｂを配設することで、平面視で第一電極１２ｂと対向する第二電極１２ｃの領域が複数に分割して形成される。この平面視で第一電極１２ｂと対向する第二電極１２ｃの領域は、それぞれ独立して超音波Ｓの強度を測定できる領域であり、実効的に圧電シート１２を複数の圧電素子として機能させる。従って、前記領域を複数設けることで、当該超音波ユニット１０を同時に複数個所の検査を行うことができるアレイ状のセンサとすることができる。

複数の第一電極１２ｂを配設する場合、第一電極１２ｂの平均幅及び平均間隔は必要とされる感度や測定精度等に応じて適宜決定されるが、第一電極１２ｂの平均幅としては、０．３ｍｍ以上５ｍｍ以下とでき、平均間隔としては０．１ｍｍ以上３ｍｍ以下とできる。また、第一電極１２ｂの平均ピッチとしては、０．５ｍｍ以上８ｍｍ以下とできる。

第一電極１２ｂの材質としては、導電性を有するものであればよく、アルミニウム、銅、ニッケル等の金属や、カーボンなどを挙げることができる。

第一電極１２ｂの平均厚さとしては、特に限定されず、積層方法や第一電極１２ｂの材質にもよるが、０．１μｍ以上３０μｍ以下とすることができる。第一電極１２ｂの平均厚さが前記下限未満であると、第一電極１２ｂの強度が不十分となるおそれがある。逆に、第一電極１２ｂの平均厚さが前記上限を超えると、圧電体１２ａへの振動の伝達を阻害するおそれがある。

第一電極１２ｂの圧電体１２ａへの積層方法としては、特に限定されず、金属の蒸着、カーボン導電インクの印刷、銀ペーストの塗布乾燥等が挙げられる。

（第二電極）
第二電極１２ｃは、少なくともその一部が第一電極１２ｂと対向するように圧電体１２ａの第二面に積層される電極である。

第二電極１２ｃは帯状であり、圧電シート１２の長さ方向（部分円筒の内面の軸方向で、図２のＸ方向）に沿って配設される。つまり、第一電極１２ｂと第二電極１２ｃとは互いに直交するように配設されている。

第二電極１２ｃの配設数や形状は、第一電極１２ｂと対向できる限り特に限定されないが、例えば、図２に示すように、第二電極１２ｃの配設数は１であり、圧電シート１２の幅方向（部分円筒の周方向で、図２のＹ方向）の端部には配設されていない構成とすることができる。

なお、第二電極１２ｃの材質、平均厚さ及び積層方法は、第一電極１２ｂと同様とできる。

＜周波数調整機構＞
周波数調整機構１３は、圧電シート１２の温度を制御する温度制御部を有する。前記温度制御部としては、例えば図２乃至図４に示すように、シート状のヒーター１３ａを用いることができる。

温度制御部としてシート状のヒーター１３ａを用いる場合、例えばヒーター１３ａは、図３及び図４に示すように、基台１１と圧電シート１２の第二電極１２ｃとの間に配設されることが好ましい。このヒーター１３ａとしては、例えば公知の電熱線が埋め込まれたシート等を用いることができる。ヒーター１３ａは、第二電極１２ｃと接触又は接合されていてもよいし、第二電極１２ｃとの間に空間を有していてもよい。なお、第二電極１２ｃがヒーター１３ａと接触又は接合すると、圧電シート１２の共振周波数が変化する。当該超音波検査装置１ではこのような場合であっても、ヒーター１３ａが第二電極１２ｃと接触又は接合をしていない状態で、圧電シート１２の予め電極等の厚さを調整して、共振周波数を設定してよい。当該超音波検査装置１では、このように共振周波数を設定しても、その共振周波数からヒーター１３ａによって変化させることができる。

ヒーター１３ａは、図３及び図４に示すように、平面視で圧電シート１２の第一電極１２ｂ及び第二電極１２ｃが重なり合う位置、つまり超音波Ｓの測定領域Ｒが包含されるように配置されることが好ましい。この場合、ヒーター１３ａの大きさは、測定領域Ｒを包含するために必要な大きさとされ、例えばその平均長さが第一電極１２ｂの平均長さと実質的に等しく、その平均幅が第二電極１２ｃの平均幅と実質的に等しい大きさとできる。なお、「実質的に等しい」とは、等しい場合に加え、その差が比較対象の大きさに対し５％以下である場合を含む概念である。

また、ヒーター１３ａの配設位置は、圧電シート１２の温度を制御できる限り、基台１１と圧電シート１２の第二電極１２ｃとの間に限定されない。例えばヒーター１３ａを基台１１の裏面（基台１１の表面とは反対の面側）に配設することもできるし、ヒーター１３ａを基台１１及び圧電シート１２とは別体として圧電シート１２との間に空間を有するように基台１１に配設し、赤外線加熱等により圧電シート１２を加熱する構成とすることもできる。また、ヒーター１３ａとしては、電熱線からなるヒーターに限定されず、電球を用いたヒーターであってもよい。なお、ヒーター１３ａは、超音波発信器３を加熱しないように配設されることが好ましい。さらに、温度制御部が冷却を必要とする場合には、ペルチェ素子を用いることができる。

ヒーター１３ａの制御は、電熱式のヒーターであれば、ヒーター１３ａへ供給する電流の大きさを調整することで行うこともできるが、周波数調整機構１３が、測定部及び制御部（不図示）を有し、測定部で測定した結果に基づいて、制御部がヒーター１３ａの制御を行うように構成することもできる。

前記測定部としては、圧電シート１２の温度を測定する温度計を挙げることができる。制御部は、測定部により測定された温度に基づき、予め定められた所望の温度となるようにヒーター１３ａを制御することができる。あるいは、前記測定部として、圧電シート１２が受信する超音波Ｓの大きさを用いることもできる。ヒーター１３ａにより圧電シート１２の温度が変化すると、圧電シート１２の共振周波数が変化する。これにより、同じ周波数の超音波Ｓであっても圧電シート１２が受信する感度が変化し、圧電シート１２が受信する超音波Ｓの大きさが変わる。従って、前記制御部が、圧電シート１２が受信する超音波Ｓの大きさが最大となるようにヒーター１３ａを制御してもよい。

＜接着剤層＞
接着剤層１４は、圧電シート１２と基台１１とを固定する。また、接着剤層１４は、ヒーター１３ａを基台１１に固定する。

接着剤層１４の配設位置は、圧電シート１２が基台１１に固定できる限り、限定されるものではないが、例えば図２乃至図４に示すように、接着剤層１４は、第二電極１２ｃの外側で圧電体１２ａと基台１１とを固定するように配設することができる。

接着剤層１４に用いる接着剤は、特に限定されず、公知の接着剤を用いることができる。また、接着剤層１４の平面視での面積（固定領域の合計面積）は、圧電シート１２の固定強度が確保できる範囲であれば、特に限定されない。

〔超音波発信器〕
超音波発信器３は、超音波受信器２に対して超音波Ｓを発信可能である。超音波発信器３は、発信する超音波Ｓを検査対象物Ｔの位置でライン状に収束するように構成されている。

超音波発信器３は、超音波Ｓを発信可能に構成されている第２超音波ユニット２０を有する。

当該第２超音波ユニット２０は、図５に示すように、基台２１と、基台２１の表面に載置される圧電シート２２と、圧電シート２２の厚さ方向の共振周波数を調整する周波数調整機構２３とを備える。また、当該第２超音波ユニット２０は、接着剤層２４を備える。

＜基台＞
基台２１は、圧電シート２２を保持する土台である。基台２１は、第１超音波ユニット１０の基台１１と同様に構成できるので、詳細説明を省略する。

＜圧電シート＞
圧電シート２２は、圧電体２２ａと、圧電体２２ａの第一面に積層される第一電極２２ｂと、少なくともその一部が第一電極２２ｂと対向するように圧電体２２ａの第二面に積層される第二電極２２ｃとを有する。

第一電極２２ｂの配設数が１である点以外、圧電体２２ａ、第一電極２２ｂ及び第二電極２２ｃは、第１超音波ユニット１０の圧電体１２ａ、第一電極１２ｂ及び第二電極１２ｃと、それぞれ同様に構成できるので、詳細説明を省略する。

当該第２超音波ユニット２０にあっては、第一電極２２ｂ及び第二電極２２ｃの間、つまり圧電体１２ａの厚さ方向の電圧を変化させることで、超音波Ｓを発信させることができる。超音波Ｓを発信する面は、第二電極２２ｃと対向する第一電極２２ｂの第一面であり、超音波Ｓはこの第一面に垂直に発信される。第一電極２２ｂの第一面は基台２１の表面に沿ってアーチ状に撓んでおり、この撓みを適切にとることにより、発信される超音波Ｓを検査対象物Ｔの位置でライン状に収束させることができる。

＜周波数調整機構＞
周波数調整機構２３は、圧電シート２２の温度を制御する温度制御部を有する。前記温度制御部としては、例えば図５に示すように、シート状のヒーターを用いることができる。前記温度制御部は、第１超音波ユニット１０の温度制御部と同様に構成できるので、その他の詳細説明を省略する。

なお、第２超音波ユニット２０では、所望の周波数を有する超音波Ｓを発信するように温度制御が行われる。前記所望の周波数は、検査対象物Ｔの透過性や欠陥の発見し易さに応じて、適宜決定される。前記温度制御は、第２超音波ユニット２０が発信する超音波Ｓの周波数Ｓを直接測定して行ってもよいが、検査対象物Ｔを透過させた超音波Ｓの大きさを測定して、その数値が最大となるように行ってもよい。また、これらに限定されず、他の制御方法を採用してもよい。

超音波発信器３の温度制御部及び超音波受信器２の温度制御部は、超音波発信器３の圧電シート２２及び超音波受信器２の圧電シート１２の温度を独立して制御可能に構成されている。

＜接着剤層＞
接着剤層２４は、圧電シート２２と基台２１とを固定する。接着剤層２４は、第１超音波ユニット１０の接着剤層１４と同様に構成できるので、詳細説明を省略する。

〔超音波検査装置の周波数調整方法〕
当該超音波検査装置１は、超音波発信器３の発信する超音波Ｓの周波数を調整する工程（発信周波数調整工程）と、超音波受信器２の共振周波数を調整する工程（共振周波数調整工程）とを備える周波数調整方法により感度を高めることができる。

前記発信周波数調整工程では、第２超音波ユニット２０の温度制御部により圧電シート２２の温度を調整することで、第２超音波ユニット２０から発信する超音波Ｓの周波数を調整する。

前記共振周波数調整工程では、第１超音波ユニット１０の温度制御部により圧電シート１２の温度を調整することで、前記発信周波数調整工程で調整された超音波Ｓの周波数が共振周波数となるように、超音波受信器２の共振周波数を調整する。

なお、当該超音波検査装置１が測定対象とする検査対象物Ｔによっては、複数の欠陥の種類があり、１つの周波数ではこれらの欠陥を発見できない場合がある。このような場合、複数の周波数を用いて検査を行うことが好ましい。当該超音波検査装置１にあっては、このように複数の周波数を用いて検査を行う必要がある場合、前記発信周波数調整工程及び前記共振周波数調整工程を、それぞれの周波数に応じて行うことで、感度の高い検査を実現することができる。

＜利点＞
当該超音波検査装置１は、超音波受信器２が当該第１超音波ユニット１０を有し、超音波発信器３が当該第２超音波ユニット２０を有する。この当該第１超音波ユニット１０及び当該第２超音波ユニット２０は、圧電シートの厚さ方向の共振周波数を調整する周波数調整機構を備えるので、発信側の超音波の周波数と受信側の共振周波数とが一致するように周波数調整することができる。従って、当該超音波検査装置１の感度を容易に高められる。

また、当該超音波検査装置１は、超音波発信器３の圧電シート２２及び超音波受信器２の圧電シート１２の温度を独立して制御可能である。従って、発信側の超音波Ｓの周波数を検査対象物Ｔに最適な周波数に調整することと、受信側の共振周波数を調整することとを独立して行えるので、当該超音波検査装置１の感度をさらに向上させることができる。

また、当該超音波検査装置１は、圧電シート１２の温度制御により周波数を調整する。温度制御は逐次行うことができるので、例えば周囲の環境変化等により共振周波数にずれが生じても速やかに対応し易い。このため、周波数調整を温度制御で行うことで、さらに容易に当該超音波検査装置１の感度を高められる。

［第２実施形態］
以下、適宜図面を参照しつつ、本発明の第２実施形態の超音波測定装置及び超音波ユニットを詳説する。

図６に示す超音波検査装置４は、超音波受信器５と、超音波発信器６とを備える。また、当該超音波検査装置４は、ケーシング７を備える。当該超音波検査装置４は、超音波受信器５と超音波発信器６との間に検査対象物Ｔを挟み込んで検査を行う透過型の検査装置である。

〔超音波受信器〕
超音波受信器５は、後述する超音波発信器６の発する超音波Ｓを受信可能に配設される。超音波発信器６が発する超音波Ｓは、後述するように検査対象物Ｔの位置でライン状に収束する。その後、超音波Ｓは検査対象物Ｔを透過し、超音波発信器６の幅方向（図４のＹ方向）に広がっていく。従って、超音波受信器５は、超音波発信器６と幅方向が平行となるように、かつ幅方向に広がった超音波Ｓが測定領域Ｒで受信できるように配設されている。

超音波受信器５は、超音波発信器６の発する超音波Ｓを受信可能に構成されている第１超音波ユニット１５を有する。

当該第１超音波ユニット１５は、図６に示すように、基台１１と、基台１１の表面に載置される圧電シート１２と、圧電シート１２の厚さ方向の共振周波数を調整する周波数調整機構１６とを備える。また、当該第１超音波ユニット１５は、接着剤層１４を備える。

基台１１、圧電シート１２及び接着剤層１４については、第１実施形態の第１超音波ユニット１０の各要素と同様であるので、詳細説明を省略する。なお、当該第１超音波ユニット１５では、基台１１と圧電シート１２の第二電極１２ｃとの間には温度制御部が配設されていない。このため、圧電シート１２の第二電極１２ｃの圧電体１２ａとは反対の面が基台１１の表面に接していてもよい。

＜周波数調整機構＞
周波数調整機構１６は、圧電シート１２の温度を制御する温度制御部を有する。前記温度制御部としては、図６に示すように、ケーシング７の内側に配設されたヒーター１６ａを用いることができる。ヒーター１６ａは、ケーシング７の内側の温度を制御できる限り、その配設位置は特に限定されないが、例えば図６ではヒーター１６ａは、ケーシング７の内側の対向する一対の側面に１つずつ配設されている。

当該第１超音波ユニット１５の周波数調整機構１６は、後述する第２超音波ユニット２５の周波数調整機構１６を兼ねる。

ヒーター１６ａの制御は、第１実施形態の第１超音波ユニット１０のヒーター１３ａと同様に制御することができるので、詳細説明を省略する。

〔超音波発信器〕
超音波発信器６は、超音波受信器２に対して超音波Ｓを発信可能である。超音波発信器６は、発信する超音波Ｓを検査対象物Ｔの位置でライン状に収束するように構成されている。

超音波発信器６は、超音波Ｓを発信可能に構成されている第２超音波ユニット２５を有する。

当該第２超音波ユニット２５は、図６に示すように、基台２１と、基台２１の表面に載置される圧電シート２２と、圧電シート２２の厚さ方向の共振周波数を調整する周波数調整機構１６とを備える。また、当該第２超音波ユニット２５は、接着剤層２４を備える。

基台２１、圧電シート２２及び接着剤層２４については、第１実施形態の第２超音波ユニット２０の各要素と同様であるので、詳細説明を省略する。なお、当該第２超音波ユニット２５では、基台２１と圧電シート２２の第二電極２２ｃとの間には温度制御部が配設されていない。このため、圧電シート２２の第二電極２２ｃの圧電体２２ａとは反対の面は、基台２１の表面に接さないように配置することもできるが、接するように配置することもできる。

＜周波数調整機構＞
周波数調整機構１６は、圧電シート２２の温度を制御する温度制御部を有する。上述のように、この周波数調整機構１６は、当該第１超音波ユニット１５の周波数調整機構と同一のものである。

〔ケーシング〕
ケーシング７は、当該第１超音波ユニット１５の圧電シート１２と、当該第２超音波ユニット２５の圧電シート２２とを、その内部に包含するように超音波受信器５と、超音波発信器６とを覆う。ケーシング７の内側には上述のようにヒーター１６ａが配設されており、このヒーター１６ａによりケーシング７の内部空間を温めることができるように構成されている。そして、このケーシング７の内部空間の温度制御により、当該第１超音波ユニット１５の圧電シート１２と、当該第２超音波ユニット２５の圧電シート２２との温度を制御することができる。

ケーシング７の材質としては、耐熱性があり、超音波Ｓを乱反射し難いものが選択される。具体的には、ケーシング７の材質としては、樹脂や木材などを用いることができる。

〔超音波検査装置の周波数調整方法〕
当該超音波検査装置４は、超音波発信器６の発信する超音波Ｓの周波数及び超音波受信器５の共振周波数を同時に調整する工程（調整工程）を備える周波数調整方法により感度を高めることができる。

前記調整工程では、第１超音波ユニット１５及び第２超音波ユニット２５の温度調整部を兼ねるヒーター１６ａによりケーシング７の内部空間の温度を制御する。

ケーシング７の内部空間の温度を変化させると、第２超音波ユニット２５から発信する超音波Ｓの周波数及び超音波受信器２の共振周波数が変化する。両者の温度依存性は異なるので、この温度を変化させることで、超音波受信器２の感度は変化する。この感度が最大となる温度が、第２超音波ユニット２５から発信する超音波Ｓの周波数と超音波受信器２とが共振する周波数とみなすことができる。従って、前記調整工程では、超音波受信器２の感度が最大となるように前記温度を制御するとよい。

なお、検査対象物Ｔに応じて測定に適した周波数が存在する場合は、前記調整工程で調整する周波数の範囲は、測定に適した周波数から大きく逸脱することがないように、超音波Ｓの周波数が一定の範囲内を保つような制御を加えることが好ましい。

＜利点＞
当該超音波検査装置４は、既存の装置をヒーター１６ａを備えるケーシング７で覆うことで構成できるので、実現が容易である。

［第３実施形態］
以下、適宜図面を参照しつつ、本発明の第３実施形態の超音波ユニットを詳説する。

〔超音波ユニット〕
図７に示す超音波ユニット１７は、基台１１と、基台１１の表面に載置される圧電シート１２と、圧電シート１２の厚さ方向の共振周波数を調整する周波数調整機構１８とを備える。当該超音波ユニット１７は、図１の超音波検査装置１の第１超音波ユニット１０に代えて用いることができる。

＜基台＞
基台１１は、圧電シート１２を保持する土台である。基台１１は、図１の超音波検査装置１の第１超音波ユニット１０の基台１１と同様に構成できる。なお、図７では、当該超音波ユニット１７の基台１１の表面が平面である場合を示している。

＜圧電シート＞
圧電シート１２は、圧電体１２ａと、圧電体１２ａの第一面に積層される第一電極１２ｂと、少なくともその一部が第一電極１２ｂと対向するように圧電体１２ａの第二面に積層される第二電極１２ｃとを有する。

圧電シート１２は、図１の超音波検査装置１の第１超音波ユニット１０の圧電シート１２と同様に構成できるので、同一符号を付して、詳細説明を省略する。

＜周波数調整機構＞
周波数調整機構１８は、圧電シート１２に加わる張力を制御する張力制御部を有する。前記張力制御部としては、圧電シート１２に加える張力を制御できる限り、その構成は特に限定されない。例えば図７に示すように、前記張力制御部は、圧電シート１２の長さ方向に延び、第二電極１２ｃの両外側で圧電シート１２の側辺を支持する一対の支持部１８ａとできる。この一対の支持部１８ａは、その間隔が変更できるように構成されている。図７では、一方の支持部１８ａが、一対の支持部１８ａの間隔を変更できるようスライド可能に構成されている。また、この一方の支持部１８ａは、例えばネジ留めにより基台１１に固定可能に構成される。つまり、図７に示す張力制御部では、前記一方の支持部１８ａを、一対の支持部１８ａが離間する方向にスライドさせ、基台１１に固定することで、圧電シート１２に加わる張力を増大させることができる。逆に、前記一方の支持部１８ａを、一対の支持部１８ａが接近する方向にスライドさせ、基台１１に固定すると、圧電シート１２に加わる張力が減少する。

なお、図７では一方の支持部１８ａのみがスライドできる構成であるが、両方の支持部１８ａがスライドできる構成であってもよい。

圧電シート１２に加わる張力により、圧電シート１２の厚さ方向の共振周波数が変化するので、当該超音波ユニット１７では、この張力制御部により周波数調整機構１８が、圧電シート１２の厚さ方向の共振周波数を調整するように機能する。

＜利点＞
当該超音波ユニット１７は、例えば温度制御といった特別な制御系を必要としないので、安価かつ簡便に実現することができる。

［その他の実施形態］
前記実施形態は、本発明の構成を限定するものではない。従って、前記実施形態は、本明細書の記載及び技術常識に基づいて前記実施形態各部の構成要素の省略、置換又は追加が可能であり、それらは全て本発明の範囲に属するものと解釈されるべきである。

前記第１実施形態及び第２実施形態では、超音波発信器及び超音波受信器の双方に本発明の超音波ユニットを用いる場合を説明したが、超音波受信器のみに本発明の超音波ユニットを用いる場合も本発明の意図するところである。この場合、超音波発信器には公知のセラミック圧電体等を用いることができる。

前記第３実施形態では、周波数調整機構が張力制御部を有する超音波ユニットを超音波受信器に用いる場合を説明したが、この超音波ユニットは、超音波発信器に用いることもできる。

また、周波数調整機構は、温度制御部及び張力制御部の双方を有してもよい。

前記実施形態では、圧電シートの形状が矩形状である場合を説明したが、圧電シートの形状は矩形状に限定されるものではない。圧電シートの形状は、円形状、楕円形状、多角形状、星型状、切れ込みが入った形状等とすることもできる。

また、前期実施形態では、圧電シートが基台表面と同形で同等の大きさを有する場合を説明したが、圧電シートと基台表面との形状は異なってもよいし、その大きさが異なるものであってもよい。

前記実施形態では、超音波検査装置として透過型の検査装置を説明したが、当該超音波検査装置は透過型の検査装置に限定されるものではない。本発明の超音波検査装置が例えば反射型の検査装置であっても、同様の効果を奏する。

本発明に係る超音波ユニットは、容易に感度を高められる。従って、この超音波ユニットを用いた超音波検査装置は、検出精度が高い。

１、４ 超音波検査装置
２、５ 超音波受信器
３、６ 超音波発信器
７ ケーシング
１０、１５ 第１超音波ユニット
１１ 基台
１２ 圧電シート
１２ａ 圧電体
１２ｂ 第一電極
１２ｃ 第二電極
１３、１６ 周波数調整機構
１３ａ、１６ａ ヒーター
１４ 接着剤層
１７ 超音波ユニット
１８ 周波数調整機構
１８ａ 支持部
２０、２５ 第２超音波ユニット
２１ 基台
２２ 圧電シート
２２ａ 圧電体
２２ｂ 第一電極
２２ｃ 第二電極
２３ 周波数調整機構
２４ 接着剤層
Ｒ 測定領域
Ｓ 超音波
Ｔ 検査対象物

Claims (7)

1. 基台と、
   前記基台の表面に載置される圧電シートと、
   前記圧電シートの厚さ方向の共振周波数を調整する周波数調整機構と
   を備え、
   前記圧電シートが、
   圧電体と、
   前記圧電体の第一面に積層される第一電極と、
   少なくともその一部が前記第一電極と対向するように前記圧電体の第二面に積層される第二電極と
   を有する超音波ユニット。
2. 前記圧電体の主成分が高分子圧電材料である請求項１に記載の超音波ユニット。
3. 前記周波数調整機構が、前記圧電シートの温度を制御する温度制御部を有する請求項１又は請求項２に記載の超音波ユニット。
4. 前記周波数調整機構が、前記圧電シートに加わる張力を制御する張力制御部を有する請求項１又は請求項２の超音波ユニット。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の超音波ユニットを有する超音波受信器と、
   前記超音波受信器に対して超音波を発信可能な超音波発信器と
   を備える超音波検査装置。
6. 前記超音波発信器が、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の超音波ユニットを有する請求項５に記載の超音波検査装置。
7. 前記超音波発信器の超音波ユニット及び前記超音波受信器の超音波ユニットが、共に請求項３に記載の超音波ユニットであり、
   前記超音波発信器の温度制御部及び前記超音波受信器の温度制御部が、前記超音波発信器の圧電シート及び前記超音波受信器の圧電シートの温度を独立して制御可能に構成されている請求項６に記載の超音波検査装置。
   

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