JP2020187104A - 超音波高速スキャン装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の一実施例に係る超音波高速スキャン装置は、被検体が収納される本体と、前記本体に一方向に直線移動されるように装着されるマウンティングプレートと、前記マウンティングプレートに装着され、プローブを前記マウンティングプレートの運動方向と直交する方向に直線移動させる駆動ユニットと、を備え、前記駆動ユニットは、前記マウンティングプレートに対して固定されるモータと、前記モータに連結され、前記マウンティングプレートに対して回転運動する回転体と、前記回転体に連結ロッドで連結されてマウントプレートに対して直線移動される移動ロッドと、前記移動ロッドに固定されるプローブと、を含むことができる。
【選択図】図2
Description
しかし、先行技術文献1で提案した超音波探傷装置では、探傷プローブがボールネジとベルト駆動機構によりX、Y、Z軸に移動されるが、このようなボールネジとベルト駆動機構は、その構造的特性上、探傷プローブの移動を高速化するのに限界があり、このような限界により、従来の超音波探傷装置では、被検体を高速スキャンすることができないという問題がある。
本発明の他の目的は、回転運動を直線運動に変換する過程で発生するプローブの振動を最小化させて、より正確なスキャンが行われるようにする超音波高速スキャン装置を提供することにある。
本発明のまた他の目的は、移動ロッドに設けられるプローブの配置構造を変えて移動ロッドの移動距離を最小化し、迅速なスキャンが行われるようにする超音波高速スキャン装置を提供することにある。
前記回転体は、バー形状の回転ロッドで備えられ、前記回転ロッドは、その一側部に前記連結ロッドが連結され、他側部には、カウンタバランスが結合されている。
前記カウンタバランスが結合される前記回転ロッドに長孔が備えられ、前記カウンタバランスを前記回転ロッドの長さ方向に位置調整できるようにする。
前記回転ロッドに結合される前記カウンタバランスの位置(下記のb)の調整は、次の式によって決められ、
cmr=Bb
ここで、cは補正係数、mは、前記移動ロッド及び前記移動ロッドと共に直線運動する部品(エンコーダ、プローブ、およびこれらを固定するための各種のプレート)を合わせた質量、rは、前記回転ロッドの回転中心点から前記連結ロッドが連結される連結孔の中心点までの距離、Bは、カウンタバランスの質量、bは、前記回転ロッドの回転中心点から前記カウンタバランスの質量中心点までの距離となる。
前記プローブは前記移動ロッドの前記被検体側の端に2つ以上設けられ、前記複数のプローブが移動ロッドの移動方向と平行または直交する方向に所定の間隔離隔されて一列配置されている。
前記支持部材の前記移動ロッドが並進運動する移動方向の両側の端部は流線型となっている。
前記プローブを前記移動ロッドに固定する固定治具と、前記プローブの下部に設けられ、前記移動ロッドが並進運動する移動方向の両側の端部が流線型の支持部材と、をさらに備える。
前記回転体は、円板状の回転板で備えられ、前記回転板の外周縁部には、連結ロッドが偏心の状態で連結されている。
また、モータの回転運動を、プローブの直線運動に変換する過程で発生する振動をカウンタバランスにより減衰させて、プローブの振動を最小化して、より正確なスキャンを行うことができ、これによりスキャニングの速度を増大させることができる。
なお、移動ロッドに多数のプローブを平行または直交する方向に並列配置することにより、移動ロッドの移動距離を減らしてスキャニングの速度を増大することができる。
本発明で使用される用語は、本発明の機能を考慮して定義された用語として、これは、使用者、または運用者の意図または慣例によって変わることができるので、このような用語の定義は、本発明の技術的事項に合致する意味と概念として解釈されるべきである。
なお、本発明の実施例は、本発明の権利範囲を限定せず、本発明の請求の範囲に記載された構成要素の例示的な事項に過ぎず、本発明の明細書の全体にわたる技術思想に含まれ、請求の範囲の構成要素で均等物として置換可能な構成要素を含む実施例である。また、本発明の一つの実施例で使用されている要素の技術は、他の実施例でも同様に適用可能である。
また、下記の実施例での選択的な用語は、1つの構成要素を他の構成要素と区別するために使用されるものであり、構成要素が下記の用語によって制限されるものではない。
一方、本発明を説明するにおいて、本発明の要旨を不明瞭にする危険性のある公知技術の詳細な説明は省略する。
本発明に係る超音波高速スキャン装置は、モータの回転運動を超音波トランスデューサが含まれたプローブ(probe)の端の直線運動に変換させることにより、回転運動を生成する駆動モータによってプローブを高速で直線移動させて、被検体を高速スキャンするようにする。
特に、本体10内の被検体が収納される部分には、超音波スキャンの媒質、例えば水が供給され、被検体は、超音波媒質である水の中に浸った状態となっている。前記本体10の上部、すなわち被検体から離隔された上部には、後述されるマウンティングプレート20を支持する一方、マウンティングプレート20の移動を案内するための支持フレーム11が設置されている。支持フレーム11は、図1に示したように、一対の本体10の上部に所定の間隔離隔して一方向(例えばY軸方向)に沿って平行に設置されている。
このとき、マウントプレート20は、X軸方向に沿って本体10の被検体が配置されている部分に向かって下方向(例えばZ軸方向)に垂直な一面、すなわち前面部を持つことができる。マウンティングプレート20の前面部には駆動ユニット100、200が設けられ、駆動ユニット100、200のプローブがマウンティングプレート20に沿ってX方向に直線移動しながら下部に配置されている被検体をスキャンするようになる。前記駆動ユニット100、200は、下記の各実施例別に分けて詳細に説明する。
図2〜図7には、本発明の一実施例に係る超音波高速スキャン装置の駆動ユニットが示されている。
このとき、マウントプレート20の前面部にはベースプレート110が結合固定され、モータ120がベースプレート110に固定されるように設置され、回転体170が、モータ120の回転軸に締結されてベースプレート110に対して回転運動するようになる。また、移動ロッド150がベースプレート110に直線移動されるように設置されている。この場合に、駆動ユニット100が、別途のベースプレート110に設置されるようにすることにより、駆動ユニット100の設置の自由度が大きくなり、作業性が向上することができる。
このとき、移動ロッド150は、ベースプレート110の一軸(例えば、X軸)に沿って両方向に直線運動するように、X軸方向に拘束されるように設けられている。このため、マウンティングプレート20またはベースプレート110にリニアガイド130が固定設置され、移動ロッド150がリニアガイド130に結合されてリニアガイド130に沿って直線移動するように設けられている。
一方、回転体は、回転部材としてバー形状の回転ロッド170になることができる。連結ロッド160は、バー形状を有することができ、本発明はこれに限定せず、様々な形状の連結部材でもよい。移動ロッド150は、バー形状を有することができ、本発明はこれに限定せず、様々な形状の移動部材でもよい。
一方、ベースプレート110は、マウンティングプレート20と同じ長方形のプレートとして、マウンティングプレート20の前面部に一定の間隔離隔されたまま平行に固定設置されている。前記ベースプレート110は、その後面部に備えられている多数の結合軸111がマウンティングプレート20の前面部に結合されて固定されている。
一方、上述のようにベースプレート110の結合孔113と案内孔112に備えられているリニアガイドは、リニアガイドレール130と、スライダ140と、を含んでいる。リニアガイドレール130は、結合孔113と案内孔112を貫通するように備えられており、スライダ140は、リニアガイドレール130に結合されてリニアガイドレール130の長さ方向に沿って直線移動される。このとき、スライダ140は、リニアガイドレール130より外側にさらに突出するように備えることによって、ベースプレート110の結合孔113側へは進入できずに結合孔113より大きな内径を有する案内孔112でのみ移動されるので、移動ロッド150の行程を案内孔112内に制限することになる。
一方、ベースプレート110の後面部に備えられているモータ120は、正回転及び逆回転駆動が可能なステップモータとして備えられており、移動ロッド150の移動量を精密に制御して調節するようになる。ただし、本発明の一実施例に係る超音波高速スキャン装置では、連結ロッド160によって回転体170の一方向の回転を移動ロッド150の並進運動に変換することにより、モータ120の一方向駆動によって簡単に移動ロッド150の並進運動を実現することができる。したがって、簡単な制御及び高速並進運動の実現が可能になることによって、超高速超音波スキャンが可能になる。
一方、カウンタバランス180が存在しない場合に、超音波スキャン装置によって、プローブのスキャニング速度を高めるために、モータの回転速度を高めた場合、移動ロッド150が震えて、正確なスキャニングができなくて、それ以上のスキャン速度を高めることができないようになる。特に、移動ロッド150の運動方向が逆に変わる地点で、その震えが非常に大きくなる問題が発生した。これに対して、本発明の一実施例に係る超音波高速スキャン装置では、カウンタバランス180を使用することによって、モータの回転速度を高めた場合でも、移動ロッド150の震え現象が顕著に減って、プローブ154による被検体のスキャニング速度を著しく増加させることができた。
このとき、連結孔172は、回転ロッド170の一側の端部に単一の孔で形成されており、長孔173は、回転ロッド170の他側の端部に回転ロッド170の長さ方向に長く穿孔された複数の孔で形成されている。これは、モータ120によって回転ロッド170が高速回転するときに、カウンタバランス180が回転ロッド170に1つの長孔で結合されていれば、カウンタバランス180に作用する慣性力によって、カウンタバランス180が回転ロッド170上で回転されて、重心が乱れることができるので、カウンタバランス180は、回転ロッド170に複数の長孔173で結合固定されている。これは、回転ロッド170の高速回転の時に、カウンタバランス180の回転を防止することができる。
また、カウンタバランス180は、図3及び図5に示されたように、回転ロッド170の一側の端部、すなわち長孔173側の端部が結合される結合溝181が段差になるように形成され、前記結合溝181と回転ロッド170は、形状を合わせることによって、相対回転が不可能に結合し、これによって、回転ロッド170の高速回転の時、カウンタバランス180の回転を防止することができる。前記結合溝181の底面には、回転ロッド170の長孔173と一致する複数の締結孔182が形成され、前記締結孔182は、長孔173上で、その位置が調節された状態で締結手段により結合固定されている。
このとき、移動ロッド150の運動による一次不均衡力は、移動ロッド150の運動による等価質量mに対して回転ロッド170上の原点Oを基準に反対側の半径bの位置にあるカウンタバランス180の質量Bによってバランシングされる。この場合に、カウンタバランス180による均衡力は一定の大きさB*ω^2*bを有し、回転ロッド170の回転の角度に応じて方向が変わる。
一方、等価質量mによる不均衡力は、一次力による不均衡力と二次力による不均衡力が存在することができるが、二次力による不均衡力は、一次力による不均衡力に比べて、その大きさが小さくて無視して計算した。また、一次力の不均衡力は回転ロッド170の回転の角度に応じて、その方向は一定であるが、その大きさが変わり、均衡力は大きさは一定であるが、その方向が変わる点を考慮して近似化し、補正係数cを導入して、式1のように簡略化してカウンタバランス180の位置を決めることができる。したがって、比較的簡単な計算式によってカウンタバランス180の位置を決めることができるので、容易にシステムの震え現象を改善することができる。
[式1]
cmr=Bb
ここで、cは補正係数として0.5であり、mは移動ロッド150及び移動ロッド150と共に直線運動する部品(エンコーダ152、トランスデューサ154、およびこれらを固定するための各種プレート)を合わせた質量であり、rは回転ロッド170の回転中心孔171から連結ロッド160が連結される連結孔172の中心点までの距離であり、Bはカウンタバランス180の質量であり、bは回転ロッド170の回転中心孔171からカウンタバランス180の質量中心cまでの距離である(図5参照)。
したがって、mの質量値に応じてカウンタバランス180の質量B、または回転ロッド170の回転中心孔171からカウンタバランス180の質量中心点cまでの距離bを調整して、回転ロッド170の両側に作用する力(慣性力)を相殺させて振動を減衰させることで、プローブの振動を最小化することができる。
一方、図11を参照して、式1で数学的な計算によって補正係数cの値を計算することができる。等価質量mに対して繰り返し運動によってx方向に力を加えると、等価質量mによる不均衡力(unbalanced force)は、x方向m*ω^2*r*cosθになれる。また、クランクピンCを基準に半径bの質量Bを有するカウンタバランスによる力がx方向の成分B*ω^2*b*cosθとy方向の成分B*^2*b*sinθを発生する。mr=Bbメカニズムでは、θが0°または180°で均衡を維持することができる。しかし、θが0°または180°以外の領域では、x方向へは均衡を維持するが、y方向へはB*ω^2*b*sinθだけ機構の振動を起こすことになる。
この場合、クランクピンCを基準に半径bの質量Bを有するカウンタバランスによって振動が最小となる条件で、等価質量mが繰り返して運動するようになる。したがって、システム全体の振動を最小化することができ、それに応じて、超音波スキャン速度を増加させて、超高速超音波スキャンが可能になる。
一方、移動ロッド150は、リニアガイドレール130に備えられているスライダ140の外側面に結合固定され、このように具備される移動ロッド150は、リニアガイドレール130と垂直に直交する方向に設置されている。また、移動ロッド150の上部と下端部には、エンコーダ152とプローブ154がそれぞれ結合固定され、移動ロッド150の下端部には、プローブ154が連結されて、トランスデューサを介して本体10に収納された被検体を超音波スキャンするようになる。
一方、通常の超音波スキャン装置では、プローブ154が並進する両端の位置で動きが反転される。つまり、プローブ154が両端に到達すると、一方向の運動を停止して、反対方向に新たな運動を始めることになる。特に、超音波スキャン装置では、被検体上のプローブ154の端が超音波媒質、例えば水中に沈めた状態で運動することになる。この場合には、プローブ154が並進する両端の位置で激しい水跳ね現象が発生することができる。
一方、プローブ154は、移動ロッド150の被検体側の端に2つ以上設けることができる。この場合、複数のプローブ154が同時に被検体の他の領域をスキャンすることにより、一つの被検体に対して移動ロッド150を動かす範囲または回数を減らし、高速スキャニングが可能になる。図2及び図3には、プローブ154が2つ設けられている実施例が示されており、図6及び図7には、プローブ154が3つ設けられている実施例が示されている。この場合、2つ以上のプローブ154のそれぞれを介して入力されたイメージが合成されて、全体のイメージを得るようになる。このとき、イメージの処理によって同じ部分が重なる部分を認識して、一部で入力されるイメージに対して当該の部分を削除して合成する必要がある。
一方、2つまたはそれ以上のプローブ154を一定の間隔離隔するように配置することができる。この場合、2つ以上のプローブ154を介して入力される映像を処理するときに、比較的簡単なアルゴリズムにより合成して、全体のイメージを得ることができるようになる。
一方、プローブ154は、移動ロッド150の下端部に設けられる別途の固定治具153により固定されている。特に、この場合に、2つ以上のプローブ154が設けらている場合、プローブ154の相対位置を一定に固定することができるようになる。
すなわち、図6に示したように、固定治具153−1が移動ロッド150の移動方向と平行な方向に設けられている場合には、固定治具153−1に一列に並列配置される多数のプローブ154−1がX軸方向に配列されることにより、移動ロッド150の移動距離が短くなるので、それぞれのプローブ154−1を介して被検体を高速で超音波スキャンすることができるようになる。
また、図7に示したように、固定治具153−2が移動ロッド150の移動方向と直交する方向に設けられている場合には、多数のプローブ154−2がY軸方向に備えられることにより、マウンティングプレート20の移動距離が短くなるので、それぞれのプローブ154−2を介して被検体を高速で超音波スキャンすることができるようになる。
このとき、支持部材155−1、155−2は、移動ロッド150が並進運動する移動方向の両側の端部が流線型になっている。この場合、本体10の水中で支持部材155−1、155−2の移動の時、円滑な移動を誘導するだけでなく、水跳ね現象を最小化することができる。
一方、本発明の一実施例に係る超音波高速スキャン装置は、次のように動作することができる。
まず、本体10の内部に超音波スキャンしようとする被検体を収納した状態で、駆動ユニット100のモータ120が作動されれば、モータ120に連結された回転ロッド170が回転する。
このように回転ロッド170が回転すれば、図4に示したように、回転ロッド170に連結された連結ロッド160の一側の端部が回転ロッド170と共に回転運動し、移動ロッド150に連結されて拘束された連結ロッド160の他側の端部は、直線往復運動をするようになる。
したがって、上述のように回転ロッド170の回転運動を直線運動に変換させる連結ロッド160によって移動ロッド150は、リニアガイドレール130に沿って高速で直線往復移動するようになり、前記移動ロッド150の直線移動により、プローブ154は被検体上でX軸方向に直線移動しながら、被検体を超音波スキャンすることになる。
図8〜図10は、本発明の他の実施例に係る超音波高速スキャン装置の駆動ユニットを示している。
本発明の他の実施例に係る駆動ユニット200は、図8と図9に示したように、マウンティングプレート20の前面部に結合固定される第1ベースプレート210と、第1ベースプレート210の前面部に第1ベースプレート210と一定の間隔を維持したまま離隔して備えられている第2ベースプレート230と、第1ベースプレート210の後面部に結合固定され、モータ軸が第1及び第2ベースプレート210、230を貫通して前面部に突出するように備えられているモータ220と、モータ220のモータ軸に連結されて、ベースプレート210の前面部で回転する回転体、すなわち円板状の回転板240と、回転板240に第1及び第2連結ロッド250、260として連結されて、第2ベースプレート230の前面部で直線移動される移動ロッド290と、移動ロッド290に結合固定される一方、被検体を超音波スキャン(探傷)するプローブ293とを含んでいる。
回転板240は、正円からなる円板で備えられており、その前面の一側の外周縁部には、第1連結ロッド250との連結のための連結軸241が突出されるように備えられている。前記連結軸241は、ベアリングを媒介として、第1連結ロッド250と結合することにより、第1連結ロッド250と相対回転が可能な状態で連結されている。
第2連結ロッド260は、長方形のプレートで備えられており、その中心部には、第1連結ロッド250の連結軸251がベアリングを媒介として結合される連結孔261が備えられている。これにより、第2連結ロッド260は、第1連結ロッド250に相対回転可能な状態で連結されて、第1連結ロッド250の直線移動の時に、第1連結ロッド250と共にリニアガイドレール270に沿って直線移動される。このとき、第2連結ロッド260は、リニアガイドレール270に結合されたスライダ280を囲んだ状態で結合固定してスライダ280と共に一体に移動される。
したがって、上述のように、回転板240の直径に該当する行程を有する移動ロッド290は、直線往復移動距離が短くて、回転板240の高速回転の時にも前述した図2に示された実施例に比べて、相対的に振動が小さく発生するので、前述した実施例でのカウンタバランス180を備えていなくても、プローブの振動を最小化することができる。ただし、本実施例でも、カウンタバランスを使用して振動をさらに低減する実施例も可能である。
図12は、本発明の一実施例に係る超音波高速スキャン装置において図2の駆動ユニットを使用して被検体をスキャンした結果を示す。この時、図2の駆動ユニットを使用して被検体をスキャンした測定結果が表1に示されている。表1には、先行技術文献に記載された構成と同様の構成を有する従来の超音波スキャン装置(比較例)により、図12の場合と同じ被検体に対する測定結果を共に比較して示した。
一方、超音波スキャン装置は、印刷回路基板と建築資材などを含む様々な被検体の断面を非破壊的にスキャンすることができる。このとき、製品の生産性を考慮すると、そのスキャン速度は非常に重要な要素である。特に、実際の現場で印刷回路基板の回路の不良を検査するのに時間がかかりすぎて、全体のラインの生産性が大幅に低くなるという問題があった。
以上、本発明を具体的な実施例を通じて詳細に説明したが、これは本発明を具体的に説明するためのものであり、本発明はこれに限定されず、本発明の技術的思想内で当分野の通常の知識を有する者であれば、その変形や改良が可能であることは明らかである。本発明の簡単な変形または変更は、本発明の範囲に属するものとして、本発明の具体的な保護範囲は、添付された特許請求の範囲によって明確になる。
11 支持フレーム
20 マウンティングプレート
100、200 駆動ユニット
110 ベースプレート
111、211 結合軸
112 案内孔
113 結合孔
120 モータ
130、270 リニアガイドレール
140、280 スライダ
150、290 移動ロッド
151、172、261 連結孔
152、291 エンコーダ
153、292 固定治具
154、293 プローブ
160 連結ロッド
170、240 回転ロッド
171 回転中心孔
173 長孔
180 カウンタバランス
181 結合溝
182 締結孔
210 第1ベースプレート
220 ステップモータ
230 第2ベースプレート
231 貫通孔
232 固定溝
161、241、251 連結軸
250 第1連結ロッド
260 第2連結ロッド
Claims (11)
- 被検体が収納される本体と、
前記本体に一方向に直線移動されるように装着されるマウンティングプレートと、
前記マウンティングプレートに装着され、プローブを前記マウンティングプレートの運動方向と直交する方向に直線移動させる駆動ユニットと、を備え、
前記駆動ユニットは、
前記マウンティングプレートに対して固定されるモータと、
前記モータに連結され、前記マウンティングプレートに対して回転運動する回転体と、前記回転体に連結ロッドで連結されてマウントプレートに対して直線移動される移動ロッドと、
前記移動ロッドに固定されるプローブと、を含むことを特徴とする超音波高速スキャン装置。 - 前記回転体は、バー形状の回転ロッドで備えられ、
前記回転ロッドは、その一側部に前記連結ロッドが連結され、他側部には、カウンタバランスが結合されることを特徴とする請求項1に記載の超音波高速スキャン装置。 - 前記カウンタバランスが結合される前記回転ロッドに長孔が備えられ、
前記カウンタバランスを前記回転ロッドの長さ方向に位置調整できるようにすることを特徴とする請求項2に記載の超音波高速スキャン装置。 - 前記回転ロッドに結合される前記カウンタバランスの位置(下記のb)の調整は、次の式によって決められ、
cmr=Bb
ここで、cは補正係数、
mは、前記移動ロッド及び前記移動ロッドと共に直線運動する部品(エンコーダ、プローブ、およびこれらを固定するための各種のプレート)を合わせた質量、
rは、前記回転ロッドの回転中心点から前記連結ロッドが連結される連結孔の中心点までの距離、
Bは、カウンタバランスの質量、
bは、前記回転ロッドの回転中心点から前記カウンタバランスの質量中心点までの距離になることを特徴とする請求項3に記載の超音波高速スキャン装置。 - 前記マウンティングプレートには、前記マウンティングプレートの移動方向と直交する方向にリニアガイドが設けられ、
前記移動ロッドが前記リニアガイドに結合されて前記リニアガイドに沿って直線移動されることを特徴とする請求項1に記載の超音波高速スキャン装置。 - 前記プローブが前記移動ロッドの前記被検体側の端に2つ以上設けられ、
複数の前記プローブが移動ロッドの移動方向と平行または直交する方向に所定の間隔離隔されて一列配置されることを特徴とする請求項1に記載の超音波高速スキャン装置。 - 前記プローブを前記移動ロッドに固定する固定治具と、
前記プローブの下部に設けられ、前記プローブを連結して支持する支持部材と、をさらに備えることを特徴とする請求項6に記載の超音波高速スキャン装置。 - 前記支持部材の前記移動ロッドが並進運動する移動方向の両側の端部が流線型であることを特徴とする請求項7に記載の超音波高速スキャン装置。
- 前記プローブを前記移動ロッドに固定する固定治具と、
前記プローブの下部に設けられ、前記移動ロッドが並進運動する移動方向の両側の端部が流線型である支持部材と、をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の超音波高速スキャン装置。 - 前記回転体は、円板状の回転板で備えられ、
前記回転板の外周縁部には、連結ロッドが偏心の状態で連結されることを特徴とする請求項1に記載の超音波高速スキャン装置。 - 被検体が収納される本体と、
前記本体に一方向に直線移動されるように装着されるマウンティングプレートと、
前記マウンティングプレートに装着され、プローブを前記マウンティングプレートの運動方向と直交する方向に直線移動させる駆動ユニットと、を備え、
前記駆動ユニットは、
前記マウンティングプレートに対して回転運動する回転部材と、
前記回転部材に連結部材を介して連結され、前記回転部材の回転運動に応じて前記マウンティングプレートに対して直線移動される移動部材と、
一端が前記回転部材の回転中心から離れた位置に連結され、他の一端が前記移動部材と連結され、前記回転部材の回転運動を前記移動部材に伝達する連結部材と、
前記回転部材の前記回転中心から離れて前記連結部材が連結された位置と反対の位置に結合されるカウンタバランスと、を含むことを特徴とする超音波高速スキャン装置。
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