JP5421766B2 - 超音波アレイセンサおよび超音波測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波測定装置および超音波測定方法に係わり、特に、超音波振動素子（超音波送受信単位素子）を２次元配列したアレイ型の超音波センサ（超音波アレイセンサ）と超音波測定方法に関する。

近年、超音波振動素子を複数個配列した超音波アレイセンサを用いて、超音波を被検体中の任意の方向と深さに集束させることにより、高速かつ高ＳＮ比の探傷を可能とする超音波測定装置および超音波測定方法の技術開発が盛んに行われている。また、この超音波測定技術を、狭隘部における薄板材への非破壊検査に適用することが試みられている。

狭隘部における非破壊検査は、例えば、図６に示すような二重管構造６００の狭隘部６０１における超音波による非破壊検査においては、内管６００ａと外管６００ｂとの間の狭隘部６０１に超音波アレイセンサ７００を挿入する必要がある。
したがって、超音波の送受信を行う超音波アレイセンサ７００の外形のうち、特に、センサ厚の薄型化が重要となる。

超音波アレイセンサ７００の基本構成としては、図７に示すように、超音波を送受信する圧電素子７０１と、圧電素子７０１の超音波放射側に設けられた音響整合層７０２と、圧電素子７０１の電極形成側に設けられたバッキング７０３と、から構成される。
ここで、超音波アレイセンサ７００に用いる圧電素子７０１の材料としては、単結晶やコンポジット材などが知られている。
このうち、コンポジット材のような圧電素子７０１の表面に独立した電極７０４を形成し、この独立した各電極７０４に対して電気信号の送受信をすることでアレイ化を行う材料を用いる場合においては、図８に示すように、独立した電極７０４への直接的なはんだ付けやその他の電極接触方式などによって圧電素子７０１の表面および裏面の少なくとも一方の適用面７０５（この例では裏面）に対し法線方向に電気信号を送受信するための配線ケーブル７０６を引き出し、配線ケーブル７０６ごとバッキング７０３を形成して超音波アレイセンサ７００を作製するという方式が用いられている（非特許文献１、特許文献１）。

また、非特許文献２には、超音波振動素子を一列に配列した（即ち、独立した電極７０４を一列に配列した）リニアアレイセンサについて、圧電素子７０１の適用面７０５上にある独立した電極７０４に、適用面７０５に対してほぼ水平方向に配線を施すことによって薄型化したものが開示されている。
しかし、このような水平に配線を施すことによる超音波アレイセンサの薄型化はリニアアレイセンサのような各超音波振動素子（独立した電極７０４）への配線が比較的容易なセンサ構造を持つものでしか薄型化が行われていない。

また、特許文献２、特許文献３には、バッキング中に水平に配線を形成する超音波プローブおよび超音波探触子が記載されている。

特開平３−２０７２００号公報 特開２００６−１７４９４０号公報 特開２００２−１４２２９４号公報

超音波便覧 超音波便覧編集委員会編 :P.430 (1999) Development of the In-vessel Piping Inspection System ：H. Adachi,et.al.: 6th International Conference on NDE in Relation to Structural Integrity for Nuclear and Pressurised Components (2007/8)

ところで、超音波アレイセンサを用いて被検査体中の欠陥のサイジングを行う場合、欠陥端部によって反射される超音波の反射信号を検出することにより行う。しかし、欠陥端部によって反射される超音波の反射信号は、欠陥開口部によって反射される超音波の反射信号と比べて微弱であり、検出が困難であるという課題がある。
また、一般的に、１次元的に超音波振動素子を配列したリニアアレイセンサによる線集束した超音波を用いる場合よりも、２次元的に超音波振動素子を配列したマトリクスアレイセンサ（２Ｄアレイセンサ）による点集束した超音波を用いる場合の方が、欠陥端部からの反射信号が強くなり、高ＳＮ比で検出できることが知られている。
したがって、狭隘部に挿入可能で、かつ高ＳＮ比で検査可能な超音波アレイセンサを作成するには、超音波振動素子を２次元的に配列した２Ｄアレイセンサの薄型化が重要となる。
ところが、２Ｄアレイセンサはリニアアレイセンサと比べて、圧電素子への結線に使用する配線の本数が増加することに加え、２次元的に配列した超音波振動素子のうち、特に、超音波振動素子同士に囲まれた２Ｄアレイセンサの中心部に位置する超音波振動素子への配線を圧電素子の適用面に対して法線方向に配線しなければならず、２Ｄアレイセンサの薄型化が困難であった。

そこで、本発明は、点集束効果が期待できる薄型の超音波アレイセンサおよび超音波アレイセンサを用いた超音波測定方法を提供することを課題とする。

本発明は、このような課題を解決するために、請求項１に係る超音波アレイセンサは、超音波放射側あるいは背面側にあたる圧電素子の表面および裏面の少なくとも一方の面に、アレイ状に形成した複数の独立電極を２次元的に配列し、前記独立電極の間隙に、前記独立電極への配線用電極を、前記面上となるよう形成し、前記面上にアレイ状に形成されてなる複数の独立電極のうち、電極に囲まれた独立電極への配線を、前記配線用電極から前記面に沿って施し、前記圧電素子の前記面に水平な第一の方向に並ぶ５つの前記独立電極のうち、２番目と４番目の独立電極を前記圧電素子の前記面上に形成する前記配線用電極によって短絡し、１番目と３番目と５番目の独立電極を前記圧電素子の前記面上に形成する前記配線用電極によって短絡しないという電極パターンを形成し、前記電極パターンを、前記第一の方向と直交する前記圧電素子の前記面に水平な第二の方向に複数にわたり形成し、前記２番目と４番目の独立電極を短絡する配線用電極および前記３番目の独立電極への配線用電極は、前記第一の方向の同一直線上に配線される部位と、前記配線用電極が交差しないように前記第二の方向に変位して配線される部位と、を有し、アレイ状に形成されてなる複数の超音波送受信単位素子として構成されることを特徴とする。

本発明によれば、点集束効果が期待できる薄型の超音波アレイセンサおよび超音波アレイセンサを用いた超音波測定方法を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る超音波アレイセンサの圧電素子に形成される電極図である。 本発明の第２実施形態に係る超音波アレイセンサの圧電素子に形成される電極図である。 本発明の第２実施形態に係る超音波アレイセンサの超音波の送受信方向を説明する概略模式図である。 本発明の第２実施形態に係る超音波アレイセンサの探傷方法を示すフロチャートである。 遅延時間と短絡した素子情報を反映した遅延時間テーブルである。 超音波アレイセンサを用いた二重管構造の狭隘部における超音波による非破壊検査を説明する模式図である。 超音波アレイセンサの基本構成を説明する断面図である。 従来の超音波アレイセンサの配線方法ノ一例を説明する模式図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下「実施形態」という）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。

≪第１実施形態≫
図１は、本発明の第１実施形態に係る超音波アレイセンサの圧電素子に形成される電極図である。
図１に示す電極１００（図中、黒塗りの部分）は、超音波アレイセンサ７００（図７参照）の圧電素子７０１（図７参照）の裏面７０１ａ（バッキング７０３と接する面）に形成される。なお、圧電素子７０１の超音波放射面（音響整合層７０２と接する面）は、共通電極（図示せず）が設けられているものとして以下説明する。この例では、裏面７０１ａが「表面および裏面の少なくとも一方の面」に相当する。

図１に示すように、この第１実施形態では、圧電素子７０１の裏面７０１ａの上には、５列×５行の２５個の独立した電極（以下、「独立電極」という）１０１が形成される。ここで、１つの独立電極１０１は、１つの超音波振動素子に対応する。
また、独立電極１０１と隣接する独立電極１０１との間の領域１０４（点線枠内の白抜き部分）を利用して、各独立電極１０１へ配線するための配線用電極１０２が圧電素子７０１の裏面７０１ａの上に形成される。配線用電極１０２の一端は、独立電極１０１と接続されるように形成される。また、配線用電極１０２の他端は、超音波振動素子の集合により形成される超音波を発振する主要部分１０３（点線枠内）の外側に至るまで形成される。そして、配線用電極１０２の他端には、配線ケーブル７０６（図８参照）を接続するための配線取出電極１０５が形成される。

このとき、配線用電極１０２および配線取出電極１０５として利用する電極材料の直下に位置する圧電素子７０１は、例えば圧電素子７０１がコンポジット素子であるならば、コンポジット素子を構成する微細な圧電柱群と樹脂部分のうち、電圧の印加により振動することのない樹脂部分となるように調整するとよい。即ち、配線用電極１０２が形成される（引き出される）独立電極１０１と隣接する独立電極１０１との間の領域１０４と、超音波を発振する主要部分１０３以外の部分と、が樹脂部分となるよう調整するとよい。
なお、これらの独立電極１０１、配線用電極１０２、配線取出電極１０５は、圧電素子７０１にスパッタリング法等により蒸着して形成することができる。

このように、圧電素子７０１の裏面７０１ａの上にある、各独立した配線取出電極１０５にはんだ付けを行うことによって、圧電素子７０１の裏面７０１ａ（バッキング７０３と接する面）に対しほぼ水平に配線ケーブル７０６を施すことが可能となる。これにより、薄型の２Ｄアレイセンサが製作可能となる。
また、これにより、超音波を発振する主要部分１０３の中心付近、即ち、他の独立電極１０１に囲まれた独立電極１０１に対する配線が容易となる。
加えて、電極１００により、配線ケーブル７０６および配線用電極１０２は、バッキング７０３（図７参照）の内部を通らないため、超音波アレイセンサの薄型化が可能となる。

なお、本発明の第１実施形態に係る超音波アレイセンサの電極１００は、配線ケーブル７０６を圧電素子７０１の電極面に対して法線方向に配線をするものではない。そのため、圧電素子７０１の超音波放射面（表面，音響整合層７０２と接する面）に共通電極を配置し、バッキング７０３と接する面（裏面７０１ａ）に電極１００を配置した例について説明したが、これに限られるものではなく、超音波放射面(表面)に電極１００を配置しバッキング７０３と接する面（裏面７０１ａ）に共通電極（図示せず）を配置する構成としてもよく、超音波放射面(表面)およびバッキング７０３と接する面（裏面７０１ａ）の双方に電極１００を配置してもよい。

≪第２実施形態≫
図２は、本発明の第２実施形態に係る超音波アレイセンサの圧電素子に形成される電極図である。
図２に示す電極２００は、超音波アレイセンサ７００（図７参照）の圧電素子７０１（図７参照）の裏面７０１ａ（バッキング７０３と接する面）に形成される。なお、圧電素子７０１の超音波放射面（音響整合層７０２と接する面）は、共通電極（図示せず）が設けられているものとして以下説明する。

図２に示すように、この第２実施形態では、圧電素子７０１の裏面７０１ａの上には、５列×Ｎ行（Ｎは整数）の５Ｎ個の独立電極２０１が形成される。ここで、１つの独立電極２０１は、１つの超音波振動素子に対応する。
また、独立電極２０１と隣接する独立電極２０１との間の領域２０４（点線枠内の白抜き部分）を利用して、各独立電極２０１へ配線するための配線用電極２０２が圧電素子７０１の裏面７０１ａの上に形成される。配線用電極２０２の一端は、独立電極２０１と接続されるように形成される。また、配線用電極２０２の他端は、超音波振動素子の集合により形成される超音波を発振する主要部分２０３（点線枠内）の外側に至るまで形成される。そして、配線用電極２０２の他端には、配線ケーブル７０６（図８参照）を接続するための配線取出電極２０５が形成される。

ここで、図２に示すように、本発明の第２実施形態に係る超音波アレイセンサの電極２００は、各行について、列方向に形成された５つの独立電極２０１のうち一対の独立電極２０１ａ，２０１ａを配線用電極２０２ａにより短絡し、配線取出電極２０５ａに接続されている。なお、図２では、２番目の独立電極２０１ａと４番目の独立電極２０１ａとを配線用電極２０２ａで短絡した場合を示している。
また、本発明の第２実施形態に係る超音波アレイセンサの電極２００は、列方向の短絡した一対の独立電極２０１ａ，２０１ａを有する電極パターン２０６を行方向に行数と同じＮ個形成したものである。
このように、本発明の第２実施形態に係る超音波アレイセンサの電極２００は、超音波振動素子が５Ｎ個（Ｎは整数）形成されるのに対し、配線取出電極２０５が４Ｎ個（Ｎは整数）形成される。

＜超音波の送受信方向＞
図３は、本発明の第２実施形態に係る超音波アレイセンサの超音波の送受信方向を説明する概略模式図である。なお、超音波アレイセンサについては電極２００のみを図示し、他の構成は図示せず省略する。
電極２００を備える本発明の第２実施形態に係る超音波アレイセンサは、被検体３０３に対して、行方向および深さ方向について任意に超音波の焦点３０２を結ぶことが可能となる。なお、焦点３０２の列方向については、独立電極２０１同士を短絡した独立電極２０１ａ，２０１ａ同士が焦点３０２から等距離となる位置に設定される。焦点３０２から対称となる位置にある独立電極２０１ａには、同一の遅延時間が設定されるため、短絡していても超音波を集束させることができる。
これにより、例えば、図３に示すような、焦点３０２の位置を行方向および深さ方向について扇形に変えながら音響測定を行うセクタスキャンによる扇形の超音波ビーム３０１として知られる超音波の送受信方式が可能となる。また、超音波振動素子が２次元的に配置されているために点集束効果が望め、Ｎ個の超音波振動素子を１次元的に配列したリニアアレイセンサ（図８参照）を用いた非破壊検査を行うよりも、高ＳＮ比での検査が可能となる。

＜探傷方法＞
次に、図２に示す電極２００を備える本発明の第２実施形態に係る超音波アレイセンサを用いた超音波測定装置で探傷を行う超音波測定方法について説明する。
図４は、本発明の第２実施形態に係る超音波アレイセンサの探傷方法を示すフロチャートである。
図５は、遅延時間と短絡した素子情報を反映した遅延時間テーブルである。

ステップＳ４０１において、検査者は、超音波アレイセンサに関する初期設定として、短絡した独立電極２０１ａに対応する超音波振動素子についても仮想的に独立した超音波振動素子とみなして、超音波アレイセンサを構成する超音波振動素子の素子情報や音速等、必要な情報を超音波測定装置（図示せず）に入力する。なお、図２に示す電極２００を備える超音波アレイセンサにおいては、超音波振動素子数は５Ｎ個（Ｎは整数）であり、配線取出電極２０５は４Ｎ個（Ｎは整数）である。

次に、ステップＳ４０２において、この超音波アレイセンサに対して、遅延時間や画像表示の際の基準となるセンサ中心位置を設定する。一般的には、超音波アレイセンサの超音波を発振する主要部分２０３（図２参照）の中心をセンサ中心位置として設定する。

次に、ステップＳ４０３において、焦点Ｆ（ｉ）（３０２（図３参照））ごとに、使用する超音波アレイセンサの超音波振動素子（使用素子選択パターン）および各超音波振動素子に対する遅延時間を計算し、設定する。
なお、遅延時間の作成方法については、さまざまな文献に記載されており、たとえば、「医用超音波機器ハンドブック」（日本電子機械工業会編 コロナ社 1997）に記載されている。

また、ステップＳ４０４において、短絡した独立電極２０１ａの情報を設定する。
ここで、前述したステップＳ４０１において仮想的に独立した二つの超音波振動素子とみなされた超音波振動素子、即ち、短絡した独立電極２０１ａに対応する超音波振動素子は、図３に示した扇形の超音波ビーム３０１によるセクタスキャンのようなスキャン方法では、与える遅延時間が同じである。
このステップＳ４０４の短絡した独立電極２０１ａの情報とステップＳ４０３の遅延時間とを組み合わせ反映したテーブルを図５として示す。
ここで、テーブル５００には、実際に使用する素子番号（ｃｈ）の独立電極２０１ａに対応する超音波振動素子については（正の遅延時間：Ｐｉｋ，Ｒｉｋ）が設定され、仮想的に独立した二つの超音波振動素子とみなした超音波振動素子の一方の素子番号（ｃｈ）については、遅延時間−１として表示した。
例えば、素子番号２ｃｈの独立電極２０１と素子番号４ｃｈの独立電極２０１とが短絡する場合、素子番号２ｃｈには遅延時間として（−１，−１）が設定され、素子番号４ｃｈには遅延時間として（Ｔ_i4，Ｒ_i4）（ｉは焦点Ｆ（ｉ）を示す番号）が設定される。

ステップＳ４０５において、超音波測定装置は、焦点Ｆ（ｉ）に対して、上記のように設定された使用する超音波振動素子や遅延時間に基づいて（図５参照）、超音波の送信・受信を行い、ステップＳ４０６において、焦点Ｆ（ｉ）に対するデータ（反射データ）を収録する。

ステップＳ４０７において、収録すべき全ての焦点Ｆ（ｉ）についてデータ収録を終了したかどうかの判別を行う。全ての焦点Ｆ（ｉ）について収録が終了していない場合には（ステップＳ４０７でＮｏ）、ｉ＝ｉ＋１として、ステップＳ４０５に戻り、次の収録する焦点Ｆ（ｉ＋１）について、再び超音波の送信・受信行い（ステップＳ４０５）、反射データを収録する（ステップＳ４０６）ことを全測定領域での反射データの収録が終了するまで順次繰り返す。

ステップＳ４０７において、全測定領域での反射データの収録が終了したと判定された場合は（ステップＳ４０７でＹｅｓ）、超音波測定装置は画素と画素値のマップを作成し（ステップＳ４０８）、超音波測定装置の表示部（図示せず）に画像を表示する（ステップＳ４０９）。

＜効果＞
電極２００を備える本発明の第２実施形態に係る超音波アレイセンサは、電極１００を備える本発明の第１実施形態に係る超音波アレイセンサと同様に、圧電素子７０１の裏面７０１ａの上にある、各独立した配線取出電極２０５、２０５ａにはんだ付けを行うことによって、圧電素子７０１の裏面７０１ａ（バッキング７０３と接する面）に対しほぼ水平に配線ケーブル７０６を施すことが可能となる。これにより、薄型の２Ｄアレイセンサが製作可能となる。
また、これにより、超音波を発振する主要部分２０３の中心付近、即ち、他の独立電極２０１に囲まれた独立電極２０１に対する配線が容易となる。
加えて、電極２００により、配線ケーブル７０６および配線用電極２０２、２０２ａは、バッキング７０３（図７参照）の内部を通らないため、超音波アレイセンサの薄型化が可能となる。

また、比較例としてＮ個の超音波振動素子を１次元的に配列したリニアアレイセンサ（図８参照）と、電極２００を備える本発明の第２実施形態に係る超音波アレイセンサと、を比較する。
比較例に係るリニアアレイセンサと、本発明の第２実施形態に係る超音波アレイセンサとは、超音波振動素子の行方向に遅延時間を与えることにより、超音波の送受信方向を行方向に走査できる点で共通する。
加えて、本発明の第２実施形態に係る超音波アレイセンサは、列方向の超音波振動素子にも遅延時間を与えることができる。なお、短絡した独立電極２０１ａに対応する超音波振動素子に与える遅延時間は、同じ遅延時間を与えればよいので、独立電極２０１ａ同士を短絡させていても点集束させることができる。
即ち、本発明の第２実施形態に係る超音波アレイセンサは、行方向に走査方向を設定可能であり、加えて、行方向および列方向に集束、即ち、点集束した超音波を送受信することができる。これにより、高ＳＮ比の検査が可能な超音波アレイセンサおよび超音波測定方法（探傷方法）を提供することができる。

なお、本発明の第２実施形態に係る超音波アレイセンサの電極２００は、配線ケーブル７０６を圧電素子７０１の電極面に対して法線方向に配線をするものではない。そのため、圧電素子７０１の超音波放射面（表面，音響整合層７０２と接する面）に共通電極を配置し、バッキング７０３と接する面（裏面７０１ａ）に電極２００を配置した例について説明したが、これに限られるものではなく、超音波放射面(表面)に電極２００を配置しバッキング７０３と接する面（裏面７０１ａに共通電極（図示せず）を配置する構成としてもよく、超音波放射面(表面)およびバッキング７０３と接する面（裏面７０１ａ）の双方に電極２００を配置してもよい。

以上のように、電極１００を備える本発明の第１実施形態に係る超音波アレイセンサおよび電極２００を備える本発明の第２実施形態に係る超音波アレイセンサによれば、点集束効果が期待できる薄型の超音波アレイセンサおよび超音波アレイセンサを用いた超音波測定方法を提供することができ、これにより、狭隘部、特に二重管構造の隙間（狭隘部）に挿入し、高ＳＮ比の検査が可能となる超音波アレイセンサおよび超音波測定方法（探傷方法）を提供することができる。

１００ 電極
１０１ 独立電極
１０２ 配線用電極
１０３ 超音波を発振する主要部分
１０４ 領域
１０５ 配線取出電極
２００ 電極
２０１ 独立電極
２０１ａ 独立電極
２０２ 配線用電極
２０２ａ 配線用電極
２０２ 配線用電極
２０３ 超音波を発振する主要部分
２０４ 領域（間隔）
２０５ 配線取出電極
２０５ａ 配線取出電極
２０６ 電極パターン
７００ 超音波アレイセンサ
７０１ 圧電素子
７０１ａ 裏面（面）
７０２ 音響整合層
７０３ バッキング
７０６ 配線ケーブル（配線）

Claims (3)

1. 超音波放射側あるいは背面側にあたる圧電素子の表面および裏面の少なくとも一方の面に、アレイ状に形成した複数の独立電極を２次元的に配列し、
   前記独立電極の間隙に、前記独立電極への配線用電極を、前記面上となるよう形成し、
   前記面上にアレイ状に形成されてなる複数の独立電極のうち、電極に囲まれた独立電極への配線を、前記配線用電極から前記面に沿って施し、
   前記圧電素子の前記面に水平な第一の方向に並ぶ５つの前記独立電極のうち、２番目と４番目の独立電極を前記圧電素子の前記面上に形成する前記配線用電極によって短絡し、１番目と３番目と５番目の独立電極を前記圧電素子の前記面上に形成する前記配線用電極によって短絡しないという電極パターンを形成し、
   前記電極パターンを、前記第一の方向と直交する前記圧電素子の前記面に水平な第二の方向に複数にわたり形成し、
   前記２番目と４番目の独立電極を短絡する配線用電極および前記３番目の独立電極への配線用電極は、前記第一の方向の同一直線上に配線される部位と、前記配線用電極が交差しないように前記第二の方向に変位して配線される部位と、を有し、
   アレイ状に形成されてなる複数の超音波送受信単位素子として構成される
   ことを特徴とする超音波アレイセンサ。
2. 前記圧電素子は、電圧の印加により振動する圧電柱群と、電圧の印加により振動することのない樹脂部分と、からなるコンポジット素子であり、
   前記独立電極は、前記圧電柱群の領域に配置され、
   前記配線用電極は、前記樹脂部分の領域に配置される
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波アレイセンサ。
3. 請求項１または請求項２に記載の超音波アレイセンサを用いた超音波測定方法であって、
   前記第二の方向に超音波の送受信を行うことを特徴とする超音波測定方法。

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