JPH07159386A - 超音波アレイプローブおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 超音波アレイプローブにおいて、台座とバッ
キング材の高さ寸法を小さくし、かつバッキング材によ
る超音波振動子の振動吸収を良好にする。 【構成】 超音波アレイプローブの製造時において、台
座を第１の台座２２、第２の台座２４を重合せ、台座２
２とプリント基板３と固着し、ワックス２５を介して台
座２４を載置し、台座２２，２４内に溶融混合体２３′
を充填する。その後に、遠心分離工程で高密度層２３Ａ
と低密度層２３Ｂに分離させ、除去工程でワックス２５
を溶解させてから、台座２４と低密度層２３Ｂを除去す
る。そして、バッキング材２３は金属粉末が高密度に分
散した高密度層２３Ａのみとなり、振動吸収を確実に行
うと共に、高さ寸法を台座２２のみとして小さくでき
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、複数の素子部をアレイ
状に配列した超音波アレイプローブおよびその製造方法
に関し、特にバッキング材の高さ寸法を小さくすること
によって小型化を図るようにした超音波アレイプローブ
およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、超音波アレイプローブは、複数
の素子部がアレイ状に配列される超音波振動子と、一側
面に位置して該超音波振動子の各素子部両端が接続され
た基板と、該基板の他側面に位置して設けられ、前記超
音波振動子を囲むように矩形状に形成してなる台座と、
該台座内に充填され、硬化性樹脂に金属粉末を混合して
硬化させたバッキング材とから構成され、超音波振動子
の各素子部に高周波を入力することにより、素子部を振
動させ、被探査物に超音波を発信し、該被探査物からの
反射波を分析する。これにより、被探査物の表面の欠陥
または内部の亀裂等を探査するものである。

【０００３】ここで、図１０ないし図１８に従来技術の
超音波アレイプローブを示す。

【０００４】図中、１は従来技術による超音波アレイプ
ローブを示し、該超音波アレイプローブ１は後述する超
音波振動子２，プリント基板３，台座４およびバッキン
グ材５とから大略構成されている。

【０００５】２は超音波振動子を示し、該超音波振動子
２はプリント基板３の一側面に設けられ、図１２に示す
ように、板状に形成されたＰＺＴ等の圧電体からなる薄
板状に形成され、２点鎖線で示す位置で切断されること
によって素子部２Ａ，２Ａ，…に分離される。

【０００６】３はプリント基板を示し、該プリント基板
３は可撓性を有し、図１２に示すように中央部に位置し
た長方形状の貫通穴３Ａと、該貫通穴３Ａからそれぞれ
対向する方向に伸長する複数の配線パターン３Ｂ，３
Ｂ，…と、該各配線パターン３Ｂの貫通穴３Ａ側の一側
面に形成されたハンダ部３Ｃ，３Ｃと、前記各配線パタ
ーン３Ｂの貫通穴３Ａの反対側に形成され、複数の引出
線（図示せず）がそれぞれ接続されるスルホール部３
Ｄ，３Ｄ，…とから構成されている。

【０００７】４はプリント基板３の他側面に設けられた
台座を示し、該台座４は前記超音波振動子２を囲むよう
にセラミック材によって、高さ寸法ＨA を有する矩形状
に形成され、内周側は後述する溶融混合体５′が充填さ
れる充填部４Ａとなっている。なお、充填部４Ａの底部
にはプリント基板３の貫通穴３Ａを介して超音波振動子
２が覗くようになっている。

【０００８】５は台座４内の充填部４Ａ内に充填された
バッキング材を示し、該バッキング材５はエポキシ樹脂
と金属粉末（タングステン粉末）との混合物とからなる
溶融混合体５′を硬化させることによって形成されてい
る。また、バッキング材５を硬化させる前の溶融混合体
５′を遠心分離させることにより、該溶融混合体５′は
金属粉末が高密度に分散した高密度層５Ａと金属粉末が
低密度に分散した低密度層５Ｂとに分離される。

【０００９】ここで、前記バッキング材５は、超音波振
動子２からの振動を効率良く吸収するために、該バッキ
ング材５の音響インピーダンス（音速×密度）を超音波
振動子２の音響インピーダンスに近づける必要がある。
また、超音波振動子２はセラミック材料で形成されてい
るから、該超音波振動子２の音響インピーダンスの値は
非常に高くなり、バッキング材５の音響インピーダンス
をこの値に近づけるためには、金属粉末を高密度した高
密度層５Ａが必要となる。そして、この高密度層５Ａに
よって超音波振動子２から発生する超音波による振動を
吸収するようになっている。

【００１０】次に、従来技術による超音波アレイプロー
ブ１の製造方法について、図１２ないし図１８に基づい
て説明する。なお、バッキング材５においては、上述し
た如く、硬化する前の状態を溶融混合体５′として記載
する。

【００１１】まず、図１２に示すように、プリント基板
３のハンダ部３Ｃ，３Ｃにハンダ６，６を介して超音波
振動子２を接続する。一方、その裏面には台座４を配置
しておく。

【００１２】次に、図１３および図１４のように、図１
２中の超音波アレイプローブ１を反転させ、台座４の充
填部４Ａが上側に開口するようにし、該台座４を接着手
段等で固着する。

【００１３】次に、図１５の溶融混合体５′の充填工程
においては、台座４と超音波振動子２によって形成され
た充填部４Ａ内に溶融混合体５′を流し込む。

【００１４】そして、この溶融混合体５′が溶融し軟ら
かいうちに、図１７，図１８に示す遠心分離機１１の保
持器１４内に装着し、遠心分離機１１によって遠心分離
工程を行う。

【００１５】ここで、遠心分離機１１およびその保持器
１４を図１７および図１８に基づいて説明する。

【００１６】図１７において、１１は遠心分離機を示
し、該遠心分離機１１は矢示方向に３２００rpm の回転
を発生する回転軸１２と、該回転軸１２の先端に支持さ
れ、両端がジョイント部１３Ａ，１３Ａとなった支持腕
１３と、該支持腕１３の各ジョイント部１３Ａに回動可
能に軸支されたボックス状の保持器１４，１４とから大
略構成される。

【００１７】また、前記保持器１４は図１８に示すよう
に、開口部を有するボックス状の保持器本体１５と、該
保持器本体１５の長さ方向に突出され、前記支持腕１３
のジョイント部１３Ａに軸支される支持軸１６，１６
と、前記保持器本体１５の底部に設けられ、超音波振動
子２が当接するセラミック製のマット１７とからなり、
当該保持器１４内には超音波アレイプローブ１の超音波
振動子２がマット１７に当たるようにして装着される。

【００１８】なお、遠心分離機１１では、回転軸１２に
例えば３２００rpm の回転を与えることにより、超音波
アレイプローブ１には２３００Ｇの加速度を加えること
ができ、これにより溶融混合体５′を高密度層５Ａと低
密度層５Ｂとに分離することができる。

【００１９】このように、図１５の遠心分離工程におい
ては、超音波アレイプローブ１を遠心分離機１１に懸け
ることによって、図１６のように、プリント基板３側に
向けて金属粉末が高密度に分散した高密度層５Ａを形成
でき、溶融混合体５′を高密度層５Ａと低密度層５Ｂに
分離し、硬化させることによりバッキング材５を形成す
る。これにより、超音波アレイプローブ１を製造する。

【００２０】この超音波アレイプローブ１の超音波振動
子２を素子部２Ａ，２Ａ，…に切断し、ケース，凹状レ
ンズ（いずれも図示せず）に組み付けてアレイ型センサ
を製造する。

【００２１】ここで、前述のように製造されたアレイ型
センサの測定動作について説明する。

【００２２】まず、アレイ型センサは外部の探査装置本
体（図示せず）に接続され、該探査装置本体からの高周
波を、超音波振動子２のうち例えば５列分の素子部２Ａ
に一方から他方に移動するようにプリント基板３を介し
て順次入力する。これによって、高周波の入力部分に該
当した素子部２Ａは周波数に対応した振動を発生し、被
探査物に超音波を発信する。そして、該被探査物からの
反射波を超音波振動子２の素子部２Ａで受信し、その情
報を探査装置本体に伝達する。該探査装置本体では、こ
の受信波を解析することにより、表面の欠陥または内部
の亀裂等を探査することができる。

【００２３】このように、アレイ型センサは素子部２Ａ
の配列方向への移動は、電気的な移動によって制御さ
れ、素子部２Ａの配列方向に直交する方向への移動は、
アレイ型センサを機械的に移動させることによって制御
している。この結果、通常の素子部を１個備えたアレイ
型センサのセンシング時間に比べて、そのセンシング時
間を大幅に短縮できるという効果を奏する。

【００２４】さらに、バッキング材５によって超音波振
動子２から発生する振動を確実に吸収でき、ノイズの少
ない情報を探査装置本体に出力でき、正確な探査を行う
ことができるようになっている。

【００２５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来技術では、遠心分離工程によってバッキング材５を金
属粉末が高密度となる高密度層５Ａと、金属粉末が低密
度となる低密度層５Ｂとに分かれ、高密度層５Ａの音響
インピーダンスを高め、もって超音波振動子２からの振
動を効率よく吸収するようにしている。また、バッキン
グ材５の上側には低密度層５Ｂが形成されているため
に、該バッキング材５の低密度層５Ｂの分だけ厚さが厚
くなり、大型化してしまうという問題がある。

【００２６】また、アレイ型センサの小型化が要求され
ているために、超音波アレイプローブ１においても小型
化の必要性があるものの、バッキング材５を保持する台
座４が大きな高さ寸法ＨA を有しているために、小型化
するには限界がある。

【００２７】さらに、小型化を図るために、バッキング
材５の低密度層５Ｂの部分を台座４と共に切削して高さ
寸法を低くすることも考えられる。しかし、台座４の高
さ寸法ＨA は超音波アレイプローブ１からアレイ型セン
サに組上げるときの基準となるため、平行度，平面度は
共に１０μｍ程度の精度加工が必要となり、バッキング
材５として成形した後には、切削作業を容易に行うこと
ができないという問題がある。

【００２８】一方、該超音波振動子２を基準にして台座
４を切削加工することは、セラミック材で形成されてい
る超音波振動子２に過剰な振動等が加わり、該超音波振
動子２が破損し易くなるという危険性がある。

【００２９】本発明は上述した従来技術の問題に鑑みな
されたもので、本発明はバッキング材で超音波振動子か
らの振動を吸収すると共に、小型化を図ることができる
超音波アレイプローブおよびその製造方法を提供するこ
とを目的としている。

【００３０】

【課題を解決するための手段】第１の発明による超音波
アレイプローブは、複数の素子部がアレイ状に配列され
る超音波振動子と、一側面に位置して該超音波振動子の
各素子部両端が接続された基板と、該基板の他側面に位
置して設けられ、前記超音波振動子を囲むように矩形状
に形成してなる台座と、該台座内に充填され、硬化性樹
脂に金属粉末を混合して硬化させたバッキング材とから
構成する。

【００３１】そして、上述した課題を解決するために本
発明が採用する構成の特徴は、前記バッキング材を金属
粉末が高密度となった高密度層と金属粉末が低密度とな
った低密度層によって形成し、前記低密度層を除去する
ことによって前記台座およびバッキング材の高さ寸法を
低く形成したことにある。

【００３２】また、第２の発明による超音波アレイプロ
ーブの製造方法は、超音波振動子を囲むように矩形状に
形成され、該超音波振動子側に位置して基板に設けられ
た第１の台座と該第１の台座に重なり合う第２の台座と
を重合わせる重合せ工程と、重合わせた該各台座内に硬
化性樹脂と金属粉末とからなる溶融混合体を充填する充
填工程と、前記各台座内に充填した溶融混合体の金属粉
末と硬化性樹脂とを遠心分離させ、該溶融混合体中の金
属粉末を基板側に向けて高密度化する遠心分離工程と、
溶融混合体を硬化させた後に前記第２の台座を取除き、
該第２の台座内に位置した低密度なバッキング材を取除
く除去工程とからなる。

【００３３】さらに、前記第２の台座の表面には、離型
剤を塗布することが望ましい。

【００３４】

【作用】上記構成により、バッキング材を金属粉末が高
密度となった高密度層のみとすることができ、不要な部
分となる低密度層を除去して高さ寸法を低くすると共
に、超音波振動子から発生する振動をバッキング材で吸
収できる。

【００３５】また、台座を第１，第２の台座によって形
成することにより、第２の台座を除去するときに、該第
２の台座内のバッキング材を除去することができ、バッ
キング材を金属粉末が高密度化された高密度層のみにす
ることができる。

【００３６】さらに、離型剤によって、除去工程におけ
る第２の台座除去を容易に行うことができる。

【００３７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１ないし図９に基
づき説明する。なお、実施例では前述した従来技術と同
一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略する
ものとする。

【００３８】図中、２１は本実施例による超音波アレイ
プローブを示し、該超音波アレイプローブ２１は従来技
術による超音波アレイプローブ１とほぼ同様に形成さ
れ、超音波振動子２，プリント基板３，後述する第１の
台座２２およびバッキング材２３とから大略構成されて
いる。

【００３９】２２は第１の台座を示し、該第１の台座２
２はプリント基板３を介して超音波振動子２の他側面に
接着手段等によって固着して設けられ，該超音波振動子
２を囲むようにセラミック材により矩形状にかつ高さ寸
法ＨB （２ＨB ≒ＨA ）を有して形成されている。な
お、内周側が後述する溶融混合体２３′が充填される充
填部２２Ａとなっている。

【００４０】２３は第１の台座２２の充填部２２Ａ内に
充填されたバッキング材を示し、該バッキング材２３は
エポキシ樹脂と金属粉末（タングステン粉末）との混合
物とからなる溶融混合体２３′を硬化させることによっ
て形成され、後述する遠心分離工程によって、プリント
基板３側に向けて金属粉末が高密度に分散した高密度層
２３Ａが形成されている。なお、前記バッキング材２３
の硬化する前の状態を溶融混合体２３′としている。

【００４１】２４は第１の台座２２に重合せられる第２
の台座を示し、該第２の台座２４は図３に示すように、
超音波アレイプローブ２１の製造工程中に使用されるも
ので、該第２の台座２４は前記第１の台座２２と同様
に、前記超音波振動子２を囲むようにセラミック材によ
って矩形状にかつ高さ寸法ＨB （２ＨB ≒ＨA ）を有し
て形成されている。なお、内周側が溶融混合体２３′が
充填される充填部２４Ａとなっている。

【００４２】２５は離型剤としてのワックスを示し、該
ワックス２５は図５ないし図７に示すように、第２の台
座２４の第１の台座２２，バッキング材２３と接触する
部分に塗布され、熱を加えることによって溶解するよう
になっている。

【００４３】次に、本実施例による超音波アレイプロー
ブ２１の製造方法について図３ないし図９に基づいて説
明する。なお、バッキング材２３においては、硬化する
前の状態を溶融混合体２３′として記載するものとす
る。

【００４４】まず、図３に示すように、プリント基板３
のハンダ部３Ｃ，３Ｃにハンダ６，６を介して超音波振
動子２を接続する。一方、その裏面には第１の台座２
２，第２の台座２４を配置しておく。なお、第２の台座
２４においては、第１の台座２２と当接する部分および
バッキング材２３と接触する部分にはワックス２５が表
面に塗布されている。

【００４５】次に、図４および図５の重合せ工程では、
図１中の超音波アレイプローブ２１を反転させて台座２
２，２４の充填部２２Ａ，２４Ａが上側に開口するよう
に設置し、第１の台座２２は接着剤を用いて固着し、そ
の上に第２の台座２４を載置する。

【００４６】さらに、図６における充填工程において
は、台座２２，２４と超音波振動子２によって形成され
た充填部２２Ａ，２４Ａ内に溶融混合体２３′を流し込
む。

【００４７】そして、この溶融混合体２３′が軟らかい
うちに、従来技術で述べた図１７に示す遠心分離機１１
に装着して遠心分離工程を行う。

【００４８】これにより、図７に示すように、超音波ア
レイプローブ２１は溶融混合体２３′を金属粉末が高密
度に分散した高密度層２３Ａと金属粉末が低密度に分散
した低密度層２３Ｂとに分離し、しかる後に樹脂を硬化
させてバッキング材２３とする。このとき、該バッキン
グ材２３は第１の台座２２内に位置する部分が高密度層
２３Ａとなり、第２の台座２４内に位置する部分が低密
度層２３Ｂとなるようにほぼ分離されている。

【００４９】さらに、図８および図９による除去工程に
おいては、まず溶融混合体２３′が硬化してバッキング
材２３となった後に、第２の台座２４に熱を加えてワッ
クス２５を溶かし、第２の台座２４を取り除く。その後
に、ハンドグラインダ等によってバッキング材２３のう
ち第１の台座２２から突出している部分、即ち低密度層
２３Ｂを削り取ることにより、本実施例の超音波アレイ
プローブ２１を製造することができる。

【００５０】このように製造される本実施例による超音
波アレイプローブ２１においても、アレイ型センサとし
て組み立てた後の測定動作については従来技術と殆ど差
異はない。

【００５１】かくして、本実施例による超音波アレイプ
ローブ２１においては、バッキング材２３の金属粉末密
度の低い低密度層２３Ｂを除去し、高密度層２３Ａのみ
とすることにより、バッキング材２３の音響インピーダ
ンスを超音波振動子２の音響インピーダンスに近づける
ことができ、該超音波振動子２から発生する振動を確実
に吸収することができる。この結果、超音波振動子２か
らの信号にノイズが乗るのを確実に除去し、正確な検出
を行うことができる。

【００５２】また、バッキング材２３の高さを第１の台
座の高さ寸法ＨB にほぼ等しい寸法にすることができ、
超音波アレイプローブ２１の高さを従来技術の半分まで
低くすることができ、小型化を図ることができる。

【００５３】さらに、切削するのはバッキング材２３の
低密度となる低密度層２３Ｂのみであるから、加工精度
は必要なく、第２の台座２４を取り除くことによって、
台座の高さ寸法ＨB を調整しているから、台座自体の切
削作業を行う必要がなくなる。この結果、加工精度や超
音波振動子２の破損等の問題はなくなり、上述した製造
方法によって、簡単に小型化が図れる超音波アレイプロ
ーブ２１を製造することができる。

【００５４】なお、前記実施例では、第１の台座２２お
よび第２の台座２４を同一の高さ寸法ＨB としたが、本
発明はこれに限らす、台座２２，２４の高さ寸法が異な
ってもよく、第１の台座２２は、高密度層２３Ａによっ
て超音波振動子２の振動を確実に吸収できる高さ寸法と
すればよい。

【００５５】

【発明の効果】以上詳述した如く、第１の発明によれ
ば、台座内に充填されたバッキング材を金属粉末が低密
度に分散した低密度層を除去して高密度層のみによって
形成し、前記台座およびバッキング材の高さ寸法を小さ
くすることにより、バッキング材における超音波振動子
の振動吸収を確実に行うことができると共に、台座の高
さ寸法を小さくでき、超音波アレイプローブの小型化を
図ることができる。

【００５６】また、第２の発明による超音波アレイプロ
ーブの製造方法によれば、台座を第１，第２の台座にし
て、溶融混合体を充填する充填工程および遠心分離工程
の後の除去工程において、第２の台座と該台座内に位置
した低密度層を除去するようにしたから、第１の台座内
には金属粉末が高密度に分散した高密度層が残ることに
なり、バッキング材による超音波振動子の振動吸収を確
実に行うと共に、台座およびバッキング材の高さ寸法を
小さくでき、超音波アレイプローブの小型化を図ること
ができる。

【００５７】さらに、前記第２の台座の表面には、離型
剤を塗布することにより、前記除去工程における第２の
台座除去を容易に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例による超音波アレイプローブの斜視図
である。

【図２】図１中の矢示II−II方向からみた縦断面図であ
る。

【図３】実施例による超音波アレイプローブの構成部品
を示す分解斜視図である。

【図４】バッキング材を充填する前の状態を示す斜視図
である。

【図５】図４中の矢示Ｖ−Ｖ方向からみた縦断面図であ
る。

【図６】超音波アレイプローブの台座内にバッキング材
を流し込む充填工程を示す縦断面図である。

【図７】遠心分離工程によってバッキング材が遠心分離
された状態を示す縦断面図である。

【図８】遠心分離工程に続く第２の台座を取除いた状態
を示す縦断面図である。

【図９】除去工程によって形成された超音波アレイプロ
ーブを示す縦断面図である。

【図１０】従来技術による超音波アレイプローブの斜視
図である。

【図１１】図１０中の矢示XI−XI方向からみた縦断面図
である。

【図１２】超音波アレイプローブの構成部品を示す分解
斜視図である。

【図１３】バッキング材を充填する前の状態を示す斜視
図である。

【図１４】図１３中の矢示XIV −XIV 方向からみた縦断
面図である。

【図１５】超音波アレイプローブの台座内にバッキング
材を流し込む充填工程を示す縦断面図である。

【図１６】遠心分離工程によってバッキング材が遠心分
離された状態を示す縦断面図である。

【図１７】遠心分離工程に用いられる遠心分離機を示す
斜視図である。

【図１８】超音波アレイプローブを遠心分離機の保持器
内に装着した状態を示す斜視図である。

【符号の説明】

２ 超音波振動子 ２Ａ 素子部 ３ プリント基板（基板） ３Ａ 貫通穴 １１ 遠心分離機 １４ 保持器 ２１ 超音波アレイプローブ ２２ 第１の台座 ２３ バッキング材 ２３′ 溶融混合体 ２３Ａ 高密度層 ２３Ｂ 低密度層 ２４ 第２の台座 ２５ ワックス（離型剤）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の素子部がアレイ状に配列される超
   音波振動子と、一側面に位置して該超音波振動子の各素
   子部両端が接続された基板と、該基板の他側面に位置し
   て設けられ、前記超音波振動子を囲むように矩形状に形
   成してなる台座と、該台座内に充填され、硬化性樹脂に
   金属粉末を混合して硬化させたバッキング材とからなる
   超音波アレイプローブにおいて、前記バッキング材を金
   属粉末が高密度となった高密度層と金属粉末が低密度と
   なった低密度層によって形成し、前記低密度層を除去す
   ることによって前記台座およびバッキング材の高さ寸法
   を低く形成したことを特徴とする超音波アレイプロー
   ブ。
2. 【請求項２】 超音波振動子を囲むように矩形状に形成
   され、該超音波振動子側に位置して基板に設けられた第
   １の台座と該第１の台座に重なり合う第２の台座とを重
   合わせる重合せ工程と、重合わせた該各台座内に硬化性
   樹脂と金属粉末とからなる溶融混合体を充填する充填工
   程と、前記各台座内に充填した溶融混合体の金属粉末と
   硬化性樹脂とを遠心分離させ、該溶融混合体中の金属粉
   末を基板側に向けて高密度化する遠心分離工程と、溶融
   混合体を硬化させた後に前記第２の台座を取除き、該第
   ２の台座内に位置した低密度なバッキング材を取除く除
   去工程とからなる超音波アレイプローブの製造方法。
3. 【請求項３】 前記第２の台座の表面には、離型剤を塗
   布してなる請求項２記載の超音波アレイプローブの製造
   方法。