JPH04142458A - フィルタを備えた超音波探触子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、超音波測定装置の超音波探触子、特に超音波
の減衰が大きい媒質中や被検体の探傷に好適な超音波探
触子に関する。

〔従来の技術〕

従来の超音波探触子は、電極にはさまれた圧電素子と、
圧電素子から放射された音波を所定焦点ニ集束させる音
響レンズ及びこれらを収納するケースから成る。この様
な探触子は、各種材料１機械部品、電子部品等の欠陥を
高い分解能で検出する超音波測定装置に供される。

この種の超音波測定装置としては、Ｘ、Ｙ、Ｚ座標内で
水等の媒質中に浸した被検体又は探触子を走査するＸＹ
Ｚ走査装置を備えていて、部品等の被検体の内部状態の
変化をＣスキャンし、被検体からの反射波のエコー強さ
をエコー受信信号の高ささして検出し、それに対応する
Ｃスコープ像を得て、得た画像を観測し又はデータ処理
して所定の検査を行う。

この場合、部品の形状とか、内部欠陥等を測定する場合
には、その測定分解能が高いほど精度がよいことになる
。

〔発明が解決しようとする課題］ 高い分解能を実現するには、扱う超音波の周波数は高い
程よい。しかし、分解能を高めるべく周波数を大にする
と、減衰の問題が発生する。かかる分解能と減衰との関
係は、超音波の本質に係わるものである。

メイソン（Ｍ　Ａ　Ｓ　ＯＮ）の理論によれば、ＭＨ２
帯の超音波の場合、材料（水を含む）のもつ減衰定数α
は周波数の２乗に比例する。ここで、音波放射面での音
圧をＰＯ＋放射面からＸなる距離での音圧をＰ、とじた
とき、 Ｐ、＝ｐｏ６−ｄＸ　　　　　・・・・・・・・　（１
）となる。即ち、音圧は距離を変数として指数関数で減
少すると共に、その減衰の時定数（即ち減衰定数）αが
周波数の２乗に比例して小さくなり、これにより更に激
しく減衰することになる。

超音波走査法の１つである焦点集束形でＣモードの走査
を行う場合、分解能を上げるため焦点をより絞り込むた
めには、高い周波数の超音波が必要とされる０周波数が
低いと波長が長くなり、焦点の絞り込みができないから
である。然るに、焦点集束のために高周波の超音波を使
用すると、！１１式で示したように激しい減衰が生じ、
得られる受信波は低周波成分の占める割合が大となり、
したがって分解能は低下せざるを得ない。周波数が高く
なればなる程、このような悪循環は大となり、期待した
分解能が得られない。

本発明の目的は、媒質や被検体中の超音波の高周波成分
が減衰しても、その高周波成分を抽出増幅して分解能の
向上をはかる、超音波探触子を提供しようとするもので
ある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、超音波の放射及び受波を行うと共に、放射時
にはパルス発振器からのパルス出力を受けて広帯域の周
波数帯の超音波を放射する圧電素子と；該圧電素子と結
合し超音波の伝搬体となる音響レンズと；受波時に該音
響レンズと圧電素子とを介して受波された反射信号を入
力とし、前記広帯域、の周波数帯の中心周波数近傍を通
過帯域とするフィルタと；該フィルタ出力を増幅するア
ンプと；より成る（請求項１）。

更に本発明は、パルス発振器からパルス出力を入力する
入力部と；該入力部と結合する第１．第２のリード線と
；該第１のリード線が接続されてなる上部電極と；第２
のリード線が接続されてなる下部電極と；前記上部、下
部電極間に挟持された圧電素子と、前記下部電極に接合
した音響レンズと、前記下部電極に接続された第３のリ
ード線と；上記上部電極に接続された第４のリード線と
、上記パルス入力による圧電素子の放射広帯域超音波の
中心周波数近傍を通過帯域とするＳＡＷフィルタと；該
ＳＡＷフィルタに接続されたアンプと；該アンプの出力
信号を取り出す出力部と；より成ると共に、該ＳＡＷフ
ィルタは、表面に圧電膜を形成してなる基板と、該圧電
基板上に設けられ、上記第３．第４のリード線が接続さ
れてなる、弾性表面波送波用の第１の電極部と；該圧電
基板上に該第１の電極部に対向して設けられ、第５．第
６のリード線が接続されてなる、弾性表面波受波用の第
２の電極部と；上記第５．６のリード線を上記アンプの
入力側に導く手段と；より成る　（請求項２）。

更に本発明での上記フィルタは、中心周波数近傍に代っ
て、中心周波数より高い帯域を通過帯域とさせた（請求
項３）。

〔作　用〕

本発明によれば、広帯域の周波数帯の中心周波数近傍を
通過帯域とするフィルタを設けて、高周波成分を通過で
きるようにする。これにより、実質上、分解能を向上で
きる（請求項１，２．３）。

更に本発明によれば、ＳＡＷフィルタを設けて、所定の
高周波成分を通過できるようにする（請求項２）。

〔実施例〕

第１図は本発明の超音波探触子の実施例図である。この
探触子は、以下の構成より成る。

ｌ・・・圧電素子であり、超音波の送波用及び受波用に
使われる。圧電素子１の上部に上部電極ＬＡ、下部に下
部電極ＩＢが設けられている。

２・・・音響レンズであり、下部型ｉ１Ｂを介して圧電
素子１に結合している。結合の仕方には、接着等がある
。

３・・・ＳＡＷフィルタである。ＳＡＷとは、弾性表面
波の意味である。フィルタ３は、平板状で表面に圧電膜
を形成してなる基板４と、この基板４上に互いに対向し
て設置された第１．第２電極部３Ａ、３Ｂとより成る。

第１電極部３Ａは第３第４のり一部ｌｌＩＣと１１０と
を介して得た反射信号を表面弾性波に変換する電極であ
り、第２電極部３Ｂは第１電極部３Ａから基板４を介し
て送波されてきた表面弾性波を受波しこれを電気信号に
変換する電極である。変換して得られる電気信号は、第
５．第６のリード線ＬＩＥ、　ＩＩＦを介して出力され
る。

５・・・収納ケースである。

５Ａ・・・上蓋であり、これには、入力部９と出力部１
０とが設けられて、外部接続用に供している。

入力部９は、パルス発振器（図示せず）からのパルス９
ａを入力する端子であり、第１．第２のリード線１１Ａ
　、　ＩＩＢを介して圧電素子１を挟持する上部電極１
八と下部電極ＩＢに接続されている。

出力部１０は、検出反射信号１０ａを外部（例えば受信
器）に送出するための出力端子である。上蓋５Ａがケー
ス５の一部であるか否かは問わない。

６・・・アンプである。このアンプ６は、第２電極部３
Ｂに接続された第５．第６のリード線１１Ｅ１１Ｆを入
力端子とするものであり、第２電極部３Ｂからの電気信
号を入力し、これを増巾し、出力部１０へ出力する。ア
ンプ６を設けた理由は、反射信号、特にＳＡＷフィルタ
３を通過してきた反射信号のレベルが低いため、これを
増巾するためである。

７・・・背面吸音材であり、圧電素子１及び音響レンズ
２からの超音波の背面への放射を吸収する。

ＳＡＷフィルタ３は、パルス９ａの中心周波数近傍を通
過させるフィルタである。ここで、パルス９ａの中心周
波数とはパルス９ａを周波数スペクトルに表示した場合
に、その中心となる周波数（第３図中ｆ、）のことであ
る。その中心とは周波数スペクトルが最大となる点でも
ある。中心周波数に対して、下方又は上方へ連続的又は
不連続的な周波数で周波数スペクトルは表現できる。こ
のＳＡＷフィルタ３は、中心周波数近傍の事例以外に、
中心周波数以上の近傍のみを通過させるように設定させ
てもよい。

以上の構成による動作を説明する。

パルス発振器（図示せず）は、パルス９ａを発生し、入
力部９−リード線１１Ａ、　ＩＩＢ＝上部電極ＩＡ、下
部電極ＩＢを経て圧電素子１に入力し、圧電素子１は、
そのパルス９ａの周波数スペクトルに応じた広帯域超音
波を放射する。この時の中心となる周波数が前記中心周
波数（第３図中ｒｅ）である。

圧電素子１により励起された超音波は、伝搬体である音
響レンズ２を通り、その先端凹部２Ａを経て媒体（例え
ば水）を介して被検材（図示せず）に送波される。

被検材よりの反射波は、音響レンズ２を介して圧電素子
ｌへと流入し、反射信号に変換される。

この反射信号は、リード線１１Ｃ，１１０を介してＳＡ
Ｗフィルタ３の第１電極部３Ａに入力し、第１電極部３
Ａは、この反射信号を表面弾性波に変換する。第１電極
部３Ａより放出される表面弾性波は、圧電が形成それた
基Ｆｉ４の表面を伝播し、第２電極部３Ｂへと送られる
。

第２電極部３Ｂは、入射した表面弾性波を電気信号へと
変換し、これをリード線１１Ｅ、　ＩＩＦを介してアン
プ６へ入力する。アンプ６は、所定の増巾を行い、出力
部１０より、反射信号として受信器（図示せず）を経て
ＣＰＵ等の処理部（図示せず）に出力する。

以上の動作で、ＳＡＷフィルタ３は、中心周波数の近傍
、又は中心周波数以上の所定の高周波域の周波数を通過
させる。すなわち、被検体や媒体を通過することで減衰
した高周波成分はフィルタ３によって抽出できるため、
分解能を実質上、向上できる効果がある。

尚、ＳＡＷフィルタ３は、受波系統に設けているが、こ
れには理由がある。送波では、高帯域を維持するためフ
ィルタを設けることはさけるべきであるのに対し、受波
では高周波成分が減衰があるため、高周波強調しなけれ
ばならず、それ故に、受波にフィルタを設けることが必
要なのである。

フィルタ３を設ける場所は、圧電素子１の受波出力側に
設けることが好ましい。できるだけ原信号に近い側だか
らである。

第２図は、ＳＡＷフィルタ３の第１電極３Ａの構成図を
示す。第１電極３Ａは、２つの電極（パターン）３０と
３１とより成る。電極３０と３１との横幅は同一大きさ
ｄに設定し、且つこの２つの電極３０と３１とが電極部
３Ｂと対向する方向に対し直角に並置される部分の間隔
も大きさｄに設定する。

ＳＡＷフィルタ３の通過中心周波数は、前記電極の幅ｄ
及び電極間の幅ｄによって決まる。圧電基板の表面波の
音速をＣ（ｍ／５ｅｃ）、通過させたい中心周波数をｆ
ｏとしたとき、電極幅及び電極間の幅ｄは一波長分とな
る。即ち、 ｄ　＝　ｃ　／　ｆ　、　　　　　　　　　　・・・・
・・・・　（２）となる。例えば、基板４０表面に形成
された圧電膜の材料として、（１２８°Ｙ　　Ｘ）　　
Ｌ　ｉ　Ｎ　ｂ　０３にオブ酸リチウム）を用いた場合
、その表面波速度ｃ　＝４０００　（ｍ／５ｅｃ）、周
波数ｆ　ｏ　＝１００（Ｍ）Ｉｚ）としたときは、ｄ＝
４（μ―）であればよい。即ち、ｄの設定の仕方によっ
て、通過する中心周波数を決定できる。

第３図は、本実施例による周波数スペクトル例を示す。

第３図（イ）は、音響レンズ２から放出される送波超音
波の周波数スペクトル（実線）、第３図（ロ）は音響レ
ンズ２へ入射する受渡（反射波）の周波数スペクトル、
第３図（ハ）はＳＡＷフィルタの出力の周波数スペクト
ルを示す図である。

第３図（イ）は、実線に示すように、中心周波数ｆ０の
広帯域の超音波であることがわかる。第３図（ロ）では
高周波成分の減衰により中心周波数がｆｌ。となり受波
の中心周波は低周波へずれていることがわかる。第３図
（イ）の点線は、第３図（ロ）の受渡スペクトルであり
、比較しやすい図とした。

かかる受波した超音波に対して、中心周波数ｆ０を通過
させるＳＡＷフィルタ３を通すと、第３図（ハ）となる
。本来の中心周波数ｆ０をピークとする信号となり、こ
れをアンプにより増巾することで所定の高周波成分子０
に支配される高分解能の反射信号となる。

以上の実施例によれば、ＳＡＷフィル、夕を使用して、
中心周波数近傍又はそれ以上の周波数を通過させるよう
にしたが故に、分解能を実質上向上できる。

尚、ＳＡＷフィルタに代ってＣＲフィルタ等を用いても
よい。更に、フィルタの特性は、第３図（ハ）では狭帯
域としたが、中心周波数以上の高周波を通過させる高帯
域形としてもよい。また、圧電素子による超音波の発生
が共振を利用している例が多く、この場合には、中心周
波数とはその共振周波数そのものである。

また、上記実施例では、上、下電極ＩＡ、ＩＢと圧電素
子１を音響レンズ２の上部平端面に設けたが、これ等は
、音響レンズ２の天端凹部２Ａの面に設けてもよい。

更に、第１図では、圧電素子とＳＡＷフィルタとアンプ
とを一平面上に配列させる例としたが、これに限るもの
ではない。更に通過周波数の異なるＳＡＷ素子を複数設
け、スイッチによってその切替えを行なうようにすれば
、１つの探触子で物性の違う複数の被検材を測定するこ
ともできる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、媒体中や被検体中で高周波数成分が減
衰した場合、元の中心周波数近傍の信号を通過させるよ
うにしたが故に、分解能の劣化を防止でき実質的に分解
能を向上できる（請求項１〜３）。

更に、ＳＡＷフィルタを探触子に組込むことによりコン
パクトに精度よい探触子が得られ分解能の向上を達成で
きる（請求項２）。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の探触子の実施例図、第２図はＳＡＷフ
ィルタの電極構成図、第３図（イ）、（ロ）（ハ）は超
音波周波数スペクトルを示す図である。 １・・・圧電素子、２・・・音響レンズ、３・・・ＳＡ
Ｗ’フィルタ、３Ａ、３Ｂ・・・第１．第２の電極部、
４・・・基板。 特許出願人　　　日立建機株式会社 代理人　弁理士　　　高　崎　　芳　紘第 図 第 図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）超音波の放射及び受波を行うと共に、放射時には
   パルス発振器からのパルス出力を受けて広帯域の周波数
   帯の超音波を放射する圧電素子と；該圧電素子と結合し
   超音波の伝搬体となる音響レンズと；受波時に該音響レ
   ンズと圧電素子とを介して受波された反射信号を入力と
   し、前記広帯域の周波数帯の中心周波数近傍を通過帯域
   とするフィルタと；該フィルタ出力を増幅するアンプと
   ；より成るフィルタを備えた超音波探触子。
2. （２）パルス発振器からのパルス出力を入力する入力部
   と；該入力部と結合する第１、第２のリード線と；該第
   １のリード線が接続されてなる上記電極と；上記第２の
   リード線が接続されてなる下部電極と；上記上部、下部
   電極間に挟持された圧電素子と、前記下部電極に接合さ
   れた音響レンズと、前記下電極に接続された第３のリー
   ド線と；上記上部電極に接続された第４のリード線と、
   上記パルス入力による圧電素子の放射広帯域超音波の中
   心周波数近傍を通過帯域とするＳＡＷフィルタと；該Ｓ
   ＡＷフィルタに接続されたアンプと；該アンプの出力信
   号を取り出す出力部と；より成ると共に、該ＳＡＷフィ
   ルタは、 表面圧電膜を形成してなる基板と、該基板上に設けられ
   、上記第３、第４のリード線が接続されてなる、弾性表
   面波送波用の第１の電極部と；該基板上に該第１の電極
   部に対向して設けられ、第５、第６のリード線が接続さ
   れてなる、弾性表面波受波用の第２の電極部と；上記第
   ５、６のリード線を上記アンプの入力側に導く手段と；
   より成る、フィルタを備えた超音波探触子。
3. （３）上記フィルタは、中心周波数近傍に代って、中心
   周波数より高い帯域を通過帯域とさせた請求項１又は２
   のフィルタを備えた超音波探触子。