JP5552658B2

JP5552658B2 - 超音波プローブ

Info

Publication number: JP5552658B2
Application number: JP2010200244A
Authority: JP
Inventors: 昭浅田; 環浦; ソーントン・ブレア; 克己大平; 修高橋
Original assignee: University of Tokyo NUC
Current assignee: University of Tokyo NUC
Priority date: 2010-09-07
Filing date: 2010-09-07
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2030-09-07
Also published as: JP2012060324A

Description

本発明は、超音波プローブに関する。

従来より、コバルトリッチクラスト（海底に露出する固結岩石を覆うＭｎ及びＦｅ酸化物を主とする黒色の被覆物）は、潜水船を使った観測やボーリング採取による調査により我国の近海に存在することは知られていた。しかし、コバルトリッチクラストは厚さ数センチメートルの薄い層状で分布しているため、海上の船舶からの音響計測では層の厚さの計測ができず、資源量を推定するためにはボーリング採取以外に方法がなかった。

しかしながら、ボーリング採取では莫大な時間を要するため、資源として期待されてはいるものの、資源量を推定するための分布状況や分布形態などについての十分な調査がなされていないのが現状である。

一方、超音波を利用する非接触型の厚さ測定が知られている（非特許文献１）。この厚さ測定は、高周波超音波信号を測定対象に送信し、その表面で反射した信号と、測定対象の裏面で反射した信号との時間差を解析することにより、測定対象の厚さを得るものである。

特開２０１０−１０３７７１号公報

吉住夏樹、松本さゆり他、"超音波による港湾鋼構造物の非接触板厚計測"、電子情報通信学会技術研究報告、社団法人電子情報通信学会p.7-12,2008, 11,20

しかしながら、従来の非接触型の厚さ測定方法では、高周波の超音波を送信し、かつ高周波成分を受信するものであるため、コバルトリッチクラストなどの減衰が大きい測定対象では、測定対象の裏面で反射した信号を検出することができず適用することができない。

一方、低周波の超音波で送信すると、減衰が大きい測定対象であっても超音波を浸透させることができるが、指向性が悪くなり、正確な厚さ測定が困難となる。また、指向性を良くするために超音波をフォーカスするとサイドローブが広がり、正確な測定をすることができないという課題がある。

サイドローブを低減する技術としては、菊型電極を使用するものがあるが（特許文献１参照）、送信素子領域を菊型形状に形成しなければならないため製造が難しく、電気的に焦点距離を可変することができないという課題がある。

また、フォーカスしすぎると、コバルトリッチクラストの凹凸によって裏面からの反射波が得られず厚さ測定を行なうことができなくなる。

さらに、コバルトリッチクラストが存在する海底が凹凸であることを考慮すると、超音波プローブを機械的に変動させて凹凸に合わせて小刻みに移動するのは、海底中では困難であるため、最適な条件で測定を行なうために、適度な電気的フォーカシングをできる必要がある。

したがって、コバルトリッチクラストのような被測定対象の測定に最適となるように、ビームを絞ることができ、製造が容易で電気的フォーカシングを行なうことができる超音波プローブが望まれている。

実施形態によれば、アニューラ状に配置され、複数の送信チャネルを形成し、第１の共振周波数を有する複数の送信用振動子と、十字状に配置され、受信チャネルを形成し、前記第１の共振周波数よりも低い第２の共振周波数を有する複数の受信用振動子とを具備し、前記十字状に配置された複数の受信用振動子の中心は、前記アニューラ状に配置された送信用振動子の径方向の中心に配置される超音波プローブ、である。

円錐状の形状の超音波プローブの送受信部を頂点側から見た上面図である。本実施の形態の送信用振動子領域及び受信用振動子領域の部分拡大図である。本実施の形態の送信用振動子領域及び受信用振動子領域の側面図である。本実施の形態の送信用振動子領域及び受信用振動子領域の上部電極の配置を説明するための図である。本実施の形態の送受信部が水中測定用のケースに収納されている状態を説明するための図である。超音波プローブの送受信部の円錐状の形状のカーブを示したものである。超音波プローブの送受信部の円錐状の形状のカーブの座標を示す図である。本実施の形態の超音波プローブの電気配線を説明するための図である。（ａ）は、焦点距離を５００ｍｍにする場合のパルス印加タイミングを説明するための図、（ｂ）は焦点距離を５００ｍｍにする場合のパルス印加タイミングを説明するための図である。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。

本実施の形態の超音波プローブの送受信部は、凹型の円錐状の形状であって、その形状に沿ってアニューラ（環状）に配置された複数の送信用振動子を有する。

図１は、円錐状の形状の超音波プローブの送受信部１を頂点側から見た上面図である。同図に示すように、送受信部１は、円錐状の形状の超音波プローブの送受信部１の中心からの径方向の距離でチャネルＣｈ１〜Ｃｈ５に分けられている。各チャネルＣｈ１〜Ｃｈ５の面積は均等である。同図においては、Ｃｈ１が円錐状の形状の頂点付近のチャネルであり、Ｃｈ５が円錐状の形状の底面付近のチャネルである。

例えば、Ｃｈ１は、円錐の中心から径方向に３４．８３８ｍｍ、Ｃｈ２は、３４．８３８ｍｍ〜４９．８３８ｍｍ、Ｃｈ３は、４９．８３８ｍｍ〜６１．０８８ｍｍ、Ｃｈ４は、６１．０８８ｍｍ〜７１．０８８ｍｍ、Ｃｈ５は７１．０８８ｍｍ〜７９．８３８ｍｍに分けられている。

受信振動子領域３は、円錐状の形状の超音波プローブの送受信部１の頂点を中心に、その形状に沿って十字形状に配置される。これにより、送信用振動子領域は、４つの送信用振動子領域２ａ〜２ｄに分けられる。

図２は、送信用振動子領域２ｄ及び受信用振動子領域３の部分拡大図である。同図に示すように、送信用振動子領域２ｄ（他の領域２ａ〜２ｃも同様）には、送信用振動子１１がアニューラ状に周方向に所定間隔を存して配置される。また、アニューラ状に配置された送信用振動子１１の径方向に所定の間隔を存して、他のアニューラ状に配置された送信用振動子１１が配置される。同図において、２１は電極の切れ目を示しており、後述する上部電極が形成されていない領域を示し、これにより、複数の送信チャネルが形成される。

受信用振動子１３は、円錐状の形状の超音波プローブの送受信部１の径方向及び径方向と直交する方向に所定の間隔を存して配置されている。複数の受信用振動子１３は、全体として十字状に配置され、受信チャネルを形成し、全体として十字状に配置された複数の受信用振動子の中心は、アニューラ状に配置された送信用振動子１１の径方向の略中心に配置される。

図３は、送信用振動子領域及び受信用振動子領域の側面図である。

同図において、送信用振動子１１は、直方体形状（例えば、高さ１．４ｍｍ）のＰＺＴなどの振動子であり、送信用振動子１１間には絶縁材である樹脂１２が埋め込まれコンポジット振動子を形成している。

送信用振動子１１は、例えば、共振周波数１ＭＨｚ（−３ｄＢ帯域９５０ｋＨｚ〜１０５０ｋＨｚ）を有し、円錐状の形状の超音波プローブの送受信部１に沿った形状に加工できる硬度を有する。送信用振動子１１と受信用振動子１２との間にも樹脂１２が埋め込まれている。

受信用振動子１３は、直方体形状（例えば、高さ１４ｍｍ）のＰＺＴなどの振動子であり、受信用振動子１３間には、絶縁材である樹脂１４が埋め込まれコンポジット振動子を形成している。

受信用振動子１３は、例えば、共振周波数１００ｋＨｚ（−３ｄＢ帯域７５ｋＨｚ〜１２５ｋＨｚ）を有し、円錐状の形状の超音波プローブの送受信部１に沿った形状に加工できる硬度を有する。

送信用振動子１１及び樹脂１２の上部には上部電極１５が形成され、受信用振動子１３及び樹脂１４の上部には、上部電極１７が形成されている。また、送信用振動子１１、受信用振動子１３及び樹脂１２、１４の下部には共通接地電極１６が形成されている。さらに、受信用振動子１３の共振周波数の５／４波長の厚さを有するエポキシ樹脂からなる整合層（保護層）６１が共通接地電極１６の下に形成されている。

図４は、送信用振動子領域及び受信用振動子領域の上部電極の配置を説明するための図である。なお、同図においては、円錐状の形状の超音波プローブの送受信部１の送信用振動子領域２ａのみを示している。

同図に示すように、チャネルＣｈ１〜Ｃｈ５の境界は、上部電極１５が形成されている領域と、上部電極１５が形成されていない領域２１により形成される。本実施の形態では、Ｃｈ１〜Ｃｈ５の各チャネルの面積は同じである。

なお、図４における円錐状の形状の径方向の中心からの距離の意義については後述するが、これら距離は各チャネルの面積が等しくなるように選択される。

図５は、本実施の形態の送受信部が水中測定用のケースに収納されている場合を説明するための図である。

同図において、底面に開口部を有し、アクリルからなる円筒形状の樹脂ケース５１がＯリングを介して円筒形状の金属ケース５３に固定されている。金属ケース５３の上部には、耐圧ケーブルコネクタ５４を装着することができ、この耐圧ケーブルコネクタ５４を通して配線５５ａが送信用振動子１１の上部電極１５及び受信用振動子の上部電極１７に接続され、配線５５ｂが共通接地電極１６に接続される。

本実施の形態の円錐状の形状の超音波プローブの送受信部１は、その頂点を樹脂ケース５１及び金属ケース５３の内部側に向けて配置され、樹脂ケース５１の底面側の開口部に取り付けられる。この取り付けは、共通接地電極１６及び整合層６１を樹脂ケース５１に接着剤で固定することにより行なわれるが、固定する方法は問わない。

超音波プローブの送受信部１、樹脂ケース５１、Ｏリング５２、金属ケース５３及び耐圧ケーブルコネクタ５４を有するケース内は密閉され、フロリナート５６が充填される。このような構造を採用することにより、外部の水圧により、フロリナート５６が膨張、収縮し、外部水圧とのバランスをとることができる。

図６及び図７は、超音波プローブの送受信部１の円錐状の形状を説明するための図である。

図６は、超音波プローブの送受信部１の円錐状の形状のカーブを示したものであり、図７は図６に示したカーブの座標を示す図である。図７に示した座標は、半径７０ｍｍの円の弦を用い、その弦の中点からの距離を水平方向の距離とした場合に、当該水平方向の距離を底面とする円錐の高さを示すものであり、超音波プローブの送受信部１の円錐状の形状のカーブの座標を示す図である。

超音波プローブの送受信部１の円錐状の形状は、図６に示したような形状のカーブを３６０度回転させた場合にできる円錐状の形状であり、当該形状の表面に沿って、下から順に樹脂整合層６１、共通接地電極１６、送信用振動子１１及び受信用振動子１３（振動子間の樹脂）１２、１４及び上部電極１５、１７が形成される。

図８は、本実施の形態の超音波プローブの電気配線を説明するための図である。

パルサー７１は、各チャネルＣｈ１〜Ｃｈ５の送信用振動子１１の上部電極１５に接続され、各チャネルの上部電極１５に時間差で電圧を印加することにより、超音波プローブの焦点距離を調整するものである。

例えば、図９（ａ）は、Ｃｈ１を基準として、Ｃｈ２に０．４４μｓ、Ｃｈ３は０．７４μｓ、Ｃｈ４は１．０３μｓ、Ｃｈ５は１．３３μｓだけ時間を遅らせてパルスを印加することにより焦点距離を５００ｍｍにする場合を示している。図９（ｂ）は、Ｃｈ１を基準として、Ｃｈ２に０．０６μｓ、Ｃｈ３は０．１９μｓ、Ｃｈ４は０．３３μｓ、Ｃｈ５は０．４７μｓだけ時間を早くパルスを印加することにより焦点距離を１０００ｍｍにする場合を示している。

レシーバ７２は、受信用振動子１３の上部電極１７と、共通接地電極１６とに接続されており、Ｃｈ１〜Ｃｈ５から送信されたパルスの反射信号を受信する。レシーバ７２にて受信された送信信号よりも低周波の反射信号は、コンピュータ（図示せず）により信号解析処理されることにより、対象測定物の厚さが測定されることになるが、信号解析処理自体は本発明の観点からは離れるのでここでは詳述しない。

従って、本実施の形態によれば、従来の非接触型の厚さ測定方法に比して、高周波の超音波を送信し、低周波の反射波を受信することにより、コバルトリッチクラストなどの減衰が大きい測定対象であっても超音波を浸透させることができ、減衰が大きい測定対象であっても厚さ測定を行なうことができる。

また、送信用振動子をアニューラ状に形成し、受信用振動子を十字形状に形成することにより、サイドローブを抑えることができる。さらに、このような形状を採用することにより、サイドローブを低減する技術として知られている菊型形状電極に比して、その製造がより簡単になり製造が容易になる。

さらに、本実施の形態によれば、アニューラ状に配置された送信用振動子を円錐状の形状の中心から径方向の距離に応じて複数の送信チャネルに分け、焦点距離を変えることができるので、凹凸のある海底などに存在するコバルトリッチクラストなどの鉱物資源の探索に適しており、サイドローブの低減及び焦点距離を変えることができることにより正確な厚さ測定を行なうことができる。

１１…送信用振動子、１２、１４…樹脂、１３…受信用振動子、１５、１７…上部電極、１６…共通接地電極、６１…整合層。

Claims

アニューラ状に配置され、複数の送信チャネルを形成し、第１の共振周波数を有する複数の送信用振動子と、
十字状に配置され、受信チャネルを形成し、前記第１の共振周波数よりも低い第２の共振周波数を有する複数の受信用振動子とを具備し、
前記十字状に配置された複数の受信用振動子の中心は、前記アニューラ状に配置された送信用振動子の径方向の中心に配置される超音波プローブ。
前記複数の送信用振動子間、前記複数の受信用振動子間及び前記送信用振動子と前記受信用振動子との間には樹脂が埋め込まれていることを特徴とする請求項１記載の超音波プローブ。
前記複数の送信用振動子及び前記複数の受信用振動子の上部には電極が形成され、下部には共通接地電極が形成されていることを特徴とする請求項１記載の超音波プローブ。
前記共通接地電極の下部には樹脂整合層が形成されていることを特徴とする請求項３記載の超音波プローブ。
前記複数の送信用振動子及び受信用振動子は直方体形状であり、前記複数の送信用振動子の高さは、前記複数の受信用振動子の高さよりも低いことを特徴とする請求項１記載の超音波プローブ。
前記第１の共振周波数は１［ＭＨｚ］であり、前記第２の共振周波数は１００［ｋＨｚ］である請求項１記載の超音波プローブ。