(57)【要約】  本発明は、複合多重周波数超音波位相配列映像化装置に関し、被検体に位相配列超音波信号を送信し、被検体から反射される超音波信号を受信し、共振周波数が高い第１圧電素子、および前記第１圧電素子よりも共振周波数が低い第２圧電素子をそれぞれ少なくとも１つ以上ずつ含むトランスデューサと、前記トランスデューサに動作信号を印加し、前記第１圧電素子および第２圧電素子の動作を制御する制御部と、前記制御部から印加された動作信号と、前記トランスデューサが受信した超音波信号を、位相配列映像のための遅延−和（Ｄｅｌａｙ−Ｓｕｍ）により計算し、位相配列映像として出力するポータブル映像化部と、を含むことを特徴とする。【選択図】図２
2021505900.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体に位相配列超音波信号を送信し、被検体から反射される超音波信号を受信し、共振周波数が高い第１圧電素子、および前記第１圧電素子よりも共振周波数が低い第２圧電素子をそれぞれ少なくとも１つ以上ずつ含むトランスデューサと、
前記トランスデューサに動作信号を印加し、前記第１圧電素子および第２圧電素子の動作を制御する制御部と、
前記制御部から印加された動作信号と、前記トランスデューサが受信した超音波信号を、位相配列映像のための遅延−和（Ｄｅｌａｙ−Ｓｕｍ）により計算し、位相配列映像として出力するポータブル映像化部と、を含む、複合多重周波数超音波位相配列映像化装置。
【請求項２】
前記第１圧電素子および前記第２圧電素子は、複数個が所定のパターンで配列されることを特徴とする、請求項１に記載の複合多重周波数超音波位相配列映像化装置。
【請求項３】
前記第１圧電素子および前記第２圧電素子は、互いに交差配列されることを特徴とする、請求項２に記載の複合多重周波数超音波位相配列映像化装置。
【請求項４】
前記第１圧電素子の共振周波数が、前記第２圧電素子の共振周波数の正の整数倍であることを特徴とする、請求項１に記載の複合多重周波数超音波位相配列映像化装置。
【請求項５】
前記制御部は、前記トランスデューサに動作信号を印加し、前記第１圧電素子または前記第２圧電素子のうち１つのみを用いて超音波信号を送信および受信するように制御することを特徴とする、請求項１に記載の複合多重周波数超音波位相配列映像化装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記トランスデューサに動作信号を印加し、前記第１圧電素子または第２圧電素子のうち１つが超音波信号を送信し、超音波信号を送信していない他の圧電素子が、反射される超音波信号を受信するように制御することを特徴とする、請求項１に記載の複合多重周波数超音波位相配列映像化装置。
【請求項７】
前記ポータブル映像化部は、前記第１圧電素子が超音波信号を送信し、前記第２圧電素子が超音波信号を受信した場合、高調波位相配列映像を出力することを特徴とする、請求項６に記載の複合多重周波数超音波位相配列映像化装置。
【請求項８】
前記ポータブル映像化部は、前記第２圧電素子が超音波信号を送信し、前記第１圧電素子が超音波信号を受信した場合、低調波位相配列映像を出力することを特徴とする、請求項６に記載の複合多重周波数超音波位相配列映像化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、線形と非線形の複合多重周波数超音波位相配列映像化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
非破壊検査とは、製造分野における工作物の製品完全性や表面状態を工作物の変形や破損なしに検査する方法である。非破壊検査の方式としては、浸透探傷法、磁気探傷法、音響放射法、音響衝撃法、放射線透過法、渦流探傷法、熱探傷法、およびホログラフィ技術などが挙げられ、超音波検査法も非破壊検査方法の１つである。
【０００３】
超音波検査法とは、被検体の内部に超音波を送信した後、被検体の内部から反射される超音波を受信し、それを映像化することで、被検体の内部を検査する方式である。初期には、通常、人体の内部を切開なしに検査するために用いられていたが、同一の方式により工作物も被検体として検査可能であるため、近年、工業分野で工作物の内部に欠陥が存在するか否か、および欠陥が存在する場合、欠陥の種類が何であるかを判断するために広く用いられている。
【０００４】
超音波検査法では、超音波を送受信するトランスデューサ（Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）という装置が必須に用いられるが、トランスデューサは、超音波の送受信のために圧電素子を含む。トランスデューサに含まれる圧電素子の配列形態に応じて、トランスデューサは、線形配列方式（Ｌｉｎｅａｒ  ａｒｒａｙ  ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）、曲線形配列方式（Ｃｕｒｖｉｌｉｎｅａｒ  ａｒｒａｙ  ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）、環状配列探触子方式（Ａｎｎｕｌａｒ  ａｒｒａｙ  ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）、およびマトリックス配列方式（Ｍａｔｒｉｘ  ａｒｒａｙ  ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）などの種類に分けられ、位相差配列方式のトランスデューサ（Ｐｈａｓｅｄ  ａｒｒａｙ  ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）は、これらを全て含む概念である。
【０００５】
上記の種々のトランスデューサは、それぞれの圧電素子に多様な遅延時間を制御し、位相差を有する超音波信号をトランスデューサが送信するようにすることで、測定しようとする位置に合わせて超音波信号の集中点を変更するなどの制御が可能である。そのため、映像化を含む様々な分野で用いられている。
【０００６】
一般に、単一の位相差配列方式のトランスデューサには、同一の１つの共振周波数を有する圧電素子が用いられているが、同一の共振周波数の圧電素子が用いられる場合、同一の分解能の映像のみを生成することができるため、被検体の内部に生じた欠陥の種類または大きさによって制限的な場合が多く、線形の位相配列映像から検出が不可能な場合が発生することがあった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであって、本発明に係る複合多重周波数超音波位相配列映像化装置の目的は、種々の共振周波数を有する圧電素子を用いて、多様な分解能の線形および非線形映像を生成し、被検体の内部に生じた種々の欠陥を測定可能とする複合多重周波数超音波位相配列映像化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記のような問題を解決するための本発明の様々な実施形態に係る複合多重周波数超音波位相配列映像化装置は、被検体に位相配列超音波信号を送信し、被検体から反射される超音波信号を受信し、共振周波数が高い第１圧電素子、および前記第１圧電素子よりも共振周波数が低い第２圧電素子をそれぞれ少なくとも１つ以上ずつ含むトランスデューサと、前記トランスデューサに動作信号を印加し、前記第１圧電素子および第２圧電素子の動作を制御する制御部と、前記制御部から印加された動作信号と、前記トランスデューサが受信した超音波信号を、位相配列映像のための遅延−和（Ｄｅｌａｙ−Ｓｕｍ）により計算し、位相配列映像として出力するポータブル映像化部と、を含む。
【０００９】
また、前記第１圧電素子および前記第２圧電素子は、複数個が所定のパターンで配列されることを特徴とする。
【００１０】
また、前記第１圧電素子および前記第２圧電素子は、互いに交差配列されることを特徴とする。
【００１１】
また、前記第１圧電素子の共振周波数が、前記第２圧電素子の共振周波数の正の整数倍であることを特徴とする。
【００１２】
また、前記制御部は、前記トランスデューサに動作信号を印加し、前記第１圧電素子または前記第２圧電素子のうち１つのみを用いて超音波信号を送信および受信するように制御することを特徴とする。
【００１３】
また、前記制御部は、前記トランスデューサに動作信号を印加し、前記第１圧電素子または第２圧電素子のうち１つが超音波信号を送信し、超音波信号を送信していない他の圧電素子が、反射される超音波信号を受信するように制御することを特徴とする。
【００１４】
また、前記ポータブル映像化部は、前記第１圧電素子が超音波信号を送信し、前記第２圧電素子が超音波信号を受信した場合、高調波位相配列映像を出力することを特徴とする。
【００１５】
また、前記ポータブル映像化部は、前記第２圧電素子が超音波信号を送信し、前記第１圧電素子が超音波信号を受信した場合、低調波位相配列映像を出力することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
上記のような本発明に係る複合多重周波数超音波位相配列映像化装置によると、互いに異なる共振周波数を有する第１圧電素子と第２圧電素子のうち１つのみを用いて超音波を送受信し、受信された超音波信号を用いて映像を生成するため、互いに異なる分解能を有する被検体の検査映像を出力可能であって、種々の欠陥を検査することができる効果がある。
【００１７】
また、本発明によると、共振周波数が高い第１圧電素子が超音波を送信し、被検体から反射された超音波を、共振周波数が低い第２圧電素子が受信し、受信された超音波信号を用いて被検体の非線形高調波検査映像を出力可能であるため、線形映像化技法により検出が不可能な種々の欠陥を検査することができる効果がある。
【００１８】
さらに、本発明によると、共振周波数が低い第２圧電素子が超音波を送信し、被検体から反射された超音波を、共振周波数が高い第１圧電素子が受信し、受信された超音波信号を用いて被検体の低調波検査映像を出力可能であるため、線形映像化技法により検出が不可能な種々の欠陥を検査することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１実施形態の概略図である。
【図２】発明の第１実施形態のトランスデューサの概略図である。
【図３】本発明の第１実施形態の第１動作モードの概略図である。
【図４】本発明の第１実施形態の第２動作モードの概略図である。
【図５】本発明の第１実施形態の第３動作モードの概略図である。
【図６】本発明の第１実施形態の第４動作モードの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、添付図面を参照して、本発明に係る複合多重周波数超音波位相配列映像化装置の好ましい実施形態について詳細に説明する。
【００２１】
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態を概略的に示した図である。
【００２２】
図１に示されたように、本発明の第１実施形態に係る複合多重周波数超音波位相配列映像化装置は、トランスデューサ１００と、制御部（不図示）と、ポータブル映像化部２００と、を含んでもよい。
【００２３】
図１に示されたトランスデューサ１００は、被検体に位相配列超音波信号を送信し、被検体から反射される超音波信号を受信する。すなわち、トランスデューサ１００は、被検体と隣接または接触する。図１において、トランスデューサ１００が直方体形状であるが、本発明はこれに限定されず、トランスデューサは、被検体対象によって多様な形状を有してよい。
【００２４】
図２は、トランスデューサ１００の内部を分解して示した図である。
【００２５】
図２に示されたように、トランスデューサ１００は、音響レンズ１１０と、前面整合層１２０と、振動子部１３０と、後面層１４０と、を含んでもよい。
【００２６】
図２に示された音響レンズ１１０、前面整合層１２０、および後面層１４０は、従来の位相配列型トランスデューサにも含まれる構成であり、それぞれの構成について簡略に説明した後、本発明の第１実施形態の特徴である振動子部１３０について詳細に説明する。
【００２７】
音響レンズ１１０は、音響レンズ１１０を透過する超音波の損失が最小になるようにするためのものであり、種々の材質で形成されてもよい。音響レンズ１１０は、被検体と接触または隣接する部分であって、軟性の材質で形成され、被検体の表面の屈曲に沿って変形されて被検体の多様な形状に対応することができる。
【００２８】
前面整合層１２０は、音響レンズ１１０と振動子部１３０との間に位置し、振動子部１３０と被検体との間の音響インピーダンスを整合することで、振動子部１３０で発生した超音波を被検体に伝達するか、被検体により反射されて戻る反射信号の損失を低減させる。すなわち、前面整合層１２０は、振動子部１３０と被検体との間の音響インピーダンスの急激な変化による映像歪みなどを解決する、一種の緩衝の役割をする。前面整合層１２０は、振動子部１３０に含まれる圧電素子のそれぞれに形成されてもよい。
【００２９】
後面層１４０は、振動子部１３０の外側に形成されており、振動子部１３０との音響インピーダンスの整合を容易にし、吸音特性を有するようにすることができる。
【００３０】
振動子部１３０は、実質的に超音波の送受信が行われる部分であって、様々な方式により超音波を送受信する振動子からなるが、本発明の一実施形態では、振動子部１３０に含まれる振動子が、図２に示されたように、第１圧電素子１３１と第２圧電素子１３２からなることができる。すなわち、本発明の第１実施形態では振動子と圧電素子が同一の意味で用いられるが、振動子の種類が圧電素子に限定されるわけではない。
【００３１】
第１圧電素子１３１と第２圧電素子１３２は、それぞれの共振周波数が互いに異なる。より具体的には、第１圧電素子１３１の共振周波数ｆ１が第２圧電素子１３２の共振周波数ｆ２より大きく、共振周波数ｆ１は、共振周波数ｆ２の正の整数倍であることができる。
【００３２】
図２に示されたように、第１圧電素子１３１と第２圧電素子１３２は、それぞれが互いに交差配列されているが、本発明はこれに限定されず、所定のパターンが繰り返されて第１圧電素子１３１と第２圧電素子１３２が配置されることができる。第１圧電素子１３１と第２圧電素子１３２が形成されるパターンの他の例として、２つの第１圧電素子１３１が連続して配置され、２つの第２圧電素子１３２が連続して配置されるパターンが繰り返されてもよい。
【００３３】
第１圧電素子１３１と第２圧電素子１３２との間には保護膜１３３が形成されており、繰り返し変形による剥離またはクラックを防止することができる。保護膜１３３は、ポリマー材質で形成されてもよく、前記後面層と一体型に形成されてもよい。
【００３４】
図２に示されたように、第１圧電素子１３１と第２圧電素子１３２には、それぞれワイヤ１３４が形成される。ワイヤ１３４は、制御部と動作信号および超音波信号を送受信するためのものであり、制御部と物理的に連結されることができる。
【００３５】
図２に示されたように、第１圧電素子１３１と第２圧電素子１３２は、それぞれの共振周波数が異なり、それぞれのサイズ（図面を基準として高さ）が異なってもよい。これに対応するために、後面層１４０は、圧電素子側に所定の突起が突出しており、それぞれの突起の間に第１圧電素子１３１が挿入され、突起の突出面と第２圧電素子１３２の一面が当接することができる。
【００３６】
制御部は、トランスデューサ１００に動作信号を印加し、第１圧電素子１３１と第２圧電素子１３２の動作を制御する。制御部がトランスデューサ１００に印加する動作信号は、第１圧電素子１３１または第２圧電素子１３２が超音波を被検体に送信するようにするものと、第１圧電素子１３１または第２圧電素子１３２が被検体から反射された超音波を受信するようにするものであってもよい。
【００３７】
制御部は、後述のポータブル映像化部２００の内部に設けられた埋め込みプリント回路基板（ＰＣＢ、Ｐｒｉｎｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ  Ｂｏａｒｄ）またはソフトウェアの形態で実現されてもよい。
【００３８】
ポータブル映像化部２００はトランスデューサ１００と連結され、制御部からトランスデューサ１００に印加された動作信号と、トランスデューサ１００が受信した超音波信号を受信し、位相配列映像のための遅延−和（Ｄｅｌａｙ−Ｓｕｍ）により計算して位相配列映像として出力する。そのために、ポータブル映像化部２００は、内部に位相配列映像の演算のための演算装置およびプログラムを含み、映像出力のために、ディスプレイが外面に形成されていてもよい。
【００３９】
以下、図面を参照して、制御部が印加する動作信号と、それによる第１圧電素子および第２圧電素子の動作によって変わる第１〜第４動作モードについて詳細に説明する。
【００４０】
図３から図６は、トランスデューサに含まれる第１圧電素子１３１および第２圧電素子１３２と、それぞれの圧電素子に連結される制御部を概略的に示した図である。図２では、第１圧電素子１３１と第２圧電素子１３２が互いに異なるサイズで示されているが、便宜上、図３から図６では、第１圧電素子１３１および第２圧電素子１３２が互いに同一のサイズで示されている。この際、第１圧電素子１３１は斜線、第２圧電素子１３２は垂直線で形成されたハッチングとそれぞれの符号で区分する。
【００４１】
［第１動作モードおよび第２動作モード］
図３に示された第１動作モードは、第１圧電素子１３１のみを用いて超音波を送信および受信し、線形超音波位相配列映像を生成することである。
【００４２】
上記の第１動作モードの動作のために、制御部３００は、第１圧電素子１３１に動作信号を印加して加振させ、第１圧電素子１３１は、超音波信号を被検体１０に送信する。この際、第１圧電素子１３１に印加される超音波信号は一定の位相差を有することができる。
【００４３】
第１圧電素子１３１から送信された超音波信号は、被検体１０の内部を透過した後、被検体の境界面（被検体の端部）から反射され、反射された超音波信号は、第１圧電素子１３１に受信される。制御部３００は、受信された超音波信号をポータブル映像化部２００に送信し、ポータブル映像化部２００は、受信した超音波信号と、制御部３００から第１圧電素子１３１に印加された動作信号を参照して、位相配列映像を生成および出力する。ポータブル映像化部２００で生成および出力される位相配列映像は、線形位相配列映像である。
【００４４】
図４に示された第２動作モードは、第１動作モードと同様に、第２圧電素子１３２のみを用いて超音波を送信および受信し、線形超音波位相配列映像を出力する方式である。
【００４５】
第１動作モードと第２動作モードでは、それぞれ異なる共振周波数を有する第１圧電素子１３１または第２圧電素子１３２のみを用いて線形超音波位相配列映像を生成することができる。第１圧電素子１３１の共振周波数が第２圧電素子１３２の共振周波数よりも高いため、第１圧電素子１３１を用いて生成された線形超音波位相配列映像は、第２圧電素子１３２を用いて生成された線形超音波位相配列映像に比べて軸方向の分解能（図３および図４を基準として垂直方向の分解能）が向上するが、伝播距離が減少するため、伝播される距離自体は短いという特性がある。
【００４６】
［第３動作モード］
図５に示された本発明の第３動作モードは、第１圧電素子１３１と第２圧電素子１３２の両方を用いて非線形超音波位相配列映像を生成する。
【００４７】
上記の第３動作モードの動作のために、制御部３００は、図５の（Ａ）に示されたように、第１圧電素子１３１に動作信号を印加して加振させ、第１圧電素子１３１は超音波信号を被検体１０に送信する。この際、第１圧電素子１３１に印加される超音波信号は、上記の第１および第２動作モードと同様に、一定の位相差を有することができるが、これに限定されない。
【００４８】
第１圧電素子１３１から送信された超音波信号は、被検体１０の内部を透過した後、被検体１０の境界面（被検体の端部）から反射される。制御部３００は、第２圧電素子１３２が、被検体１０の境界面から反射された超音波信号を受信するように動作信号を印加した後、ポータブル映像化部２００に送信する。第１圧電素子１３１の共振周波数ｆ１は、第２圧電素子１３２の共振周波数ｆ２のｎ倍であるため（ｎは正の整数）、第２圧電素子１３２が受信する超音波信号はｎ次高調波信号になる。
【００４９】
第２圧電素子１３２に受信された高調波信号はポータブル映像化部２００に送信され、ポータブル映像化部２００は、受信された超音波信号と、制御部３００から第１圧電素子１３１に印加された動作信号を参照して、非線形高調波位相配列映像を出力する。高調波位相配列映像は、一般の線形位相配列映像からは検出が不可能なクラックを探知することができる効果があり、具体的には、非線形高調波位相配列映像は、構造物の内部材料が外部の力または応力によって変形された場合、このような材料の微細な変化を検知することができる。
【００５０】
［第４動作モード］
図６に示された本発明の第４動作モードは、第１圧電素子１３１と第２圧電素子１３２の両方を用いて非線形超音波位相配列映像を生成する。
【００５１】
本発明の第４動作モードは、第３動作モードと反対に、非線形低調波位相配列映像を生成する動作モードである。そのために、第３動作モードと同様に、第１圧電素子１３１と第２圧電素子１３２の両方を用いるが、この際、第３動作モードと圧電素子を反対に用いる。
【００５２】
具体的に、図６に示されたように、制御部３００は、第２圧電素子１３２に動作信号を印加して超音波信号を被検体１０に送信し、第１圧電素子１３１に動作信号を印加し、反射されて再入射される超音波信号を受信する。第１圧電素子１３１の共振周波数ｆ１が、第２圧電素子１３２の共振周波数ｆ２のｎ倍であるため、第１圧電素子１３１が受信する超音波信号は、共振周波数ｆ１のｎ次低調波信号になる。ポータブル映像化部２００は、受信したｎ次低調波信号に基づいて非線形低調波位相配列映像を生成および出力することができる。低調波位相配列映像も低調波位相配列映像と同様に、一般的な線形位相配列映像からは検出が不可能なクラックを探知することができる効果がある。
【００５３】
具体的には、被検体の内部に欠陥が生じた際に、被検体材料の弾性により閉じられる閉じ欠陥の場合、線形映像では、閉じ欠陥を超音波が透過する場合が多いが、非線形低調波位相配列映像では、閉じ欠陥から超音波信号が反射され、閉じ欠陥を探知することができる。
【００５４】
上述の第１動作モードおよび第２動作モードでは、線形低調波位相配列映像を得ることができるため、それぞれの圧電素子から印加される超音波信号の強度は関係ない。したがって、第１動作モードおよび第２動作モードでは、超音波信号を送信する圧電素子は、順に加振されて超音波信号を送信するか、同時に加振される並列加振により超音波信号を送信することができる。圧電素子が同時に加振される場合、より強い超音波信号を発生させることができる。
【００５５】
第１動作モードおよび第２動作モードと異なって、第３動作モードおよび第４動作モードでは、非線形低調波位相配列映像を得るため、より強い超音波信号を発生させる必要がある。したがって、第３動作モードおよび第４動作モードでは、交差配列された第１および第２圧電素子のうち一種類の圧電素子を同時に加振する並列加振のみを用いて信号を得た後、所望の周波数を中心周波数とするバンドパスフィルタを通過させ、時間遅延および和方式により非線形低調波位相配列映像を得ることができる。第３動作モードと第４動作モードを用いる場合、本発明は、図面には示されていないがポータブル映像化部と、第１および第２圧電素子のうち被検体の境界面から反射される超音波信号を受信する圧電素子との間に設けられるバンドパスフィルタをさらに含んでもよい。
【００５６】
［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態に係る複合多重周波数超音波位相配列映像化装置について詳細に説明する。
【００５７】
本発明の第２実施形態に係る複合多重周波数超音波位相配列映像化装置は、振動子部に含まれる振動子、すなわち、圧電素子の構成のみが異なって、それ以外の構成は第１実施形態と同様である。したがって、本発明の第２実施形態では、振動子部に含まれる圧電素子を中心に説明し、以下で説明しない構成は、第１実施形態及び第２実施形態が同様であるとみなす。
【００５８】
本発明の第２実施形態において、振動子部は、それぞれの共振周波数が異なる第１〜第３圧電素子を含む。第１圧電素子の共振周波数をｆ１、第２圧電素子の共振周波数をｆ２、第３圧電素子の共振周波数をｆ３としたときに、ｆ１はｆ２の正の整数倍であり、ｆ３はｆ２の正の整数倍であってもよく、以下、ｆ１＝２ｆ２＝４ｆ２に設定する。
【００５９】
本発明の第２実施形態では、第１圧電素子、第２圧電素子、および第３圧電素子が順に繰り返して配置されるが、これは、第１圧電素子、第２圧電素子、および第３圧電素子のうち１つのみを用いて超音波信号を送信し、残りの圧電素子が、被検体から反射される超音波信号を受信することで、高調波信号と低調波信号をともに得るためである。
【００６０】
例えば、制御部が第２圧電素子に動作信号を入力して加振させる場合、第１圧電素子では低調波信号を、第３圧電素子では高調波信号を得て、それぞれ２次低調波映像および２次高調波映像を得ることができる。一方、第３圧電素子が超音波信号を送信し、第１および第２圧電素子が超音波信号を受信する場合、２次高調波信号と４次高調波信号を得ることができる効果がある。
【００６１】
本発明は、上記の実施形態に限定されず、適用範囲が多様であることはいうまでもなく、特許請求の範囲で請求する本発明の要旨を逸脱することなく様々な変形実施が可能であることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００６２】
１００  トランスデューサ
１１０  音響レンズ
１２０  前面整合層
１３０  振動子部
１３１  第１圧電素子
１３２  第２圧電素子
１３３  保護膜
１３４  ワイヤ
１４０  後面層
２００  ポータブル映像化部
３００  制御部
【図１】
2021505900.tif 000003
【図２】
2021505900.tif 000004
【図３】
2021505900.tif 000005
【図４】
2021505900.tif 000006
【図５】
2021505900.tif 000007
【図６】
2021505900.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】令和2年6月17日(2020.6.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、線形と非線形の複合多重周波数超音波位相配列映像化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
非破壊検査とは、製造分野における工作物の製品完全性や表面状態を工作物の変形や破損なしに検査する方法である。非破壊検査の方式としては、浸透探傷法、磁気探傷法、音響放射法、音響衝撃法、放射線透過法、渦流探傷法、熱探傷法、およびホログラフィ技術などが挙げられ、超音波検査法も非破壊検査方法の１つである。
【０００３】
超音波検査法とは、被検体の内部に超音波を送信した後、被検体の内部から反射される超音波を受信し、それを映像化することで、被検体の内部を検査する方式である。初期には、通常、人体の内部を切開なしに検査するために用いられていたが、同一の方式により工作物も被検体として検査可能であるため、近年、工業分野で工作物の内部に欠陥が存在するか否か、および欠陥が存在する場合、欠陥の種類が何であるかを判断するために広く用いられている。
【０００４】
超音波検査法では、超音波を送受信するトランスデューサ（Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）という装置が必須に用いられるが、トランスデューサは、超音波の送受信のために圧電素子を含む。トランスデューサに含まれる圧電素子の配列形態に応じて、トランスデューサは、線形配列方式（Ｌｉｎｅａｒ  ａｒｒａｙ  ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）、曲線形配列方式（Ｃｕｒｖｉｌｉｎｅａｒ  ａｒｒａｙ  ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）、環状配列探触子方式（Ａｎｎｕｌａｒ  ａｒｒａｙ  ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）、およびマトリックス配列方式（Ｍａｔｒｉｘ  ａｒｒａｙ  ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）などの種類に分けられ、位相差配列方式のトランスデューサ（Ｐｈａｓｅｄ  ａｒｒａｙ  ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）は、これらを全て含む概念である。
【０００５】
上記の種々のトランスデューサは、それぞれの圧電素子に多様な遅延時間を制御し、位相差を有する超音波信号をトランスデューサが送信するようにすることで、測定しようとする位置に合わせて超音波信号の集中点を変更するなどの制御が可能である。そのため、映像化を含む様々な分野で用いられている。
【０００６】
一般に、単一の位相差配列方式のトランスデューサには、同一の１つの共振周波数を有する圧電素子が用いられているが、同一の共振周波数の圧電素子が用いられる場合、同一の分解能の映像のみを生成することができるため、被検体の内部に生じた欠陥の種類または大きさによって制限的な場合が多く、線形の位相配列映像から検出が不可能な場合が発生することがあった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであって、本発明に係る複合多重周波数超音波位相配列映像化装置の目的は、種々の共振周波数を有する圧電素子を用いて、多様な分解能の線形および非線形映像を生成し、被検体の内部に生じた種々の欠陥を測定可能とする複合多重周波数超音波位相配列映像化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記のような問題を解決するための本発明の様々な実施形態に係る複合多重周波数超音波位相配列映像化装置は、被検体に位相配列超音波信号を送信し、被検体から反射される超音波信号を受信し、共振周波数が高い第１圧電素子、および前記第１圧電素子よりも共振周波数が低い第２圧電素子をそれぞれ少なくとも１つ以上ずつ含むトランスデューサと、前記トランスデューサに動作信号を印加し、前記第１圧電素子および第２圧電素子の動作を制御する制御部と、前記制御部から印加された動作信号と、前記トランスデューサが受信した超音波信号を、位相配列映像のための遅延−和（Ｄｅｌａｙ−Ｓｕｍ）により計算し、位相配列映像として出力するポータブル映像化部と、を含む。
【０００９】
また、前記第１圧電素子および前記第２圧電素子は、複数個が所定のパターンで配列されることを特徴とする。
【００１０】
また、前記第１圧電素子および前記第２圧電素子は、互いに交差配列されることを特徴とする。
【００１１】
また、前記第１圧電素子の共振周波数が、前記第２圧電素子の共振周波数の正の整数倍であることを特徴とする。
【００１２】
また、前記制御部は、前記トランスデューサに動作信号を印加し、前記第１圧電素子または前記第２圧電素子のうち１つのみを用いて超音波信号を送信および受信するように制御することを特徴とする。
【００１３】
また、前記制御部は、前記トランスデューサに動作信号を印加し、前記第１圧電素子または第２圧電素子のうち１つが超音波信号を送信し、超音波信号を送信していない他の圧電素子が、反射される超音波信号を受信するように制御することを特徴とする。
【００１４】
また、前記ポータブル映像化部は、前記第１圧電素子が超音波信号を送信し、前記第２圧電素子が超音波信号を受信した場合、高調波位相配列映像を出力することを特徴とする。
【００１５】
また、前記ポータブル映像化部は、前記第２圧電素子が超音波信号を送信し、前記第１圧電素子が超音波信号を受信した場合、低調波位相配列映像を出力することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
上記のような本発明に係る複合多重周波数超音波位相配列映像化装置によると、互いに異なる共振周波数を有する第１圧電素子と第２圧電素子のうち１つのみを用いて超音波を送受信し、受信された超音波信号を用いて映像を生成するため、互いに異なる分解能を有する被検体の検査映像を出力可能であって、種々の欠陥を検査することができる効果がある。
【００１７】
また、本発明によると、共振周波数が高い第１圧電素子が超音波を送信し、被検体から反射された超音波を、共振周波数が低い第２圧電素子が受信し、受信された超音波信号を用いて被検体の非線形低調波検査映像を出力可能であるため、線形映像化技法により検出が不可能な種々の欠陥を検査することができる効果がある。
【００１８】
さらに、本発明によると、共振周波数が低い第２圧電素子が超音波を送信し、被検体から反射された超音波を、共振周波数が高い第１圧電素子が受信し、受信された超音波信号を用いて被検体の高調波検査映像を出力可能であるため、線形映像化技法により検出が不可能な種々の欠陥を検査することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１実施形態の概略図である。
【図２】発明の第１実施形態のトランスデューサの概略図である。
【図３】本発明の第１実施形態の第１動作モードの概略図である。
【図４】本発明の第１実施形態の第２動作モードの概略図である。
【図５】本発明の第１実施形態の第３動作モードの概略図である。
【図６】本発明の第１実施形態の第４動作モードの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、添付図面を参照して、本発明に係る複合多重周波数超音波位相配列映像化装置の好ましい実施形態について詳細に説明する。
【００２１】
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態を概略的に示した図である。
【００２２】
図１に示されたように、本発明の第１実施形態に係る複合多重周波数超音波位相配列映像化装置は、トランスデューサ１００と、制御部（不図示）と、ポータブル映像化部２００と、を含んでもよい。
【００２３】
図１に示されたトランスデューサ１００は、被検体に位相配列超音波信号を送信し、被検体から反射される超音波信号を受信する。すなわち、トランスデューサ１００は、被検体と隣接または接触する。図１において、トランスデューサ１００が直方体形状であるが、本発明はこれに限定されず、トランスデューサは、被検体対象によって多様な形状を有してよい。
【００２４】
図２は、トランスデューサ１００の内部を分解して示した図である。
【００２５】
図２に示されたように、トランスデューサ１００は、音響レンズ１１０と、前面整合層１２０と、振動子部１３０と、後面層１４０と、を含んでもよい。
【００２６】
図２に示された音響レンズ１１０、前面整合層１２０、および後面層１４０は、従来の位相配列型トランスデューサにも含まれる構成であり、それぞれの構成について簡略に説明した後、本発明の第１実施形態の特徴である振動子部１３０について詳細に説明する。
【００２７】
音響レンズ１１０は、音響レンズ１１０を透過する超音波の損失が最小になるようにするためのものであり、種々の材質で形成されてもよい。音響レンズ１１０は、被検体と接触または隣接する部分であって、軟性の材質で形成され、被検体の表面の屈曲に沿って変形されて被検体の多様な形状に対応することができる。
【００２８】
前面整合層１２０は、音響レンズ１１０と振動子部１３０との間に位置し、振動子部１３０と被検体との間の音響インピーダンスを整合することで、振動子部１３０で発生した超音波を被検体に伝達するか、被検体により反射されて戻る反射信号の損失を低減させる。すなわち、前面整合層１２０は、振動子部１３０と被検体との間の音響インピーダンスの急激な変化による映像歪みなどを解決する、一種の緩衝の役割をする。前面整合層１２０は、振動子部１３０に含まれる圧電素子のそれぞれに形成されてもよい。
【００２９】
後面層１４０は、振動子部１３０の外側に形成されており、振動子部１３０との音響インピーダンスの整合を容易にし、吸音特性を有するようにすることができる。
【００３０】
振動子部１３０は、実質的に超音波の送受信が行われる部分であって、様々な方式により超音波を送受信する振動子からなるが、本発明の一実施形態では、振動子部１３０に含まれる振動子が、図２に示されたように、第１圧電素子１３１と第２圧電素子１３２からなることができる。すなわち、本発明の第１実施形態では振動子と圧電素子が同一の意味で用いられるが、振動子の種類が圧電素子に限定されるわけではない。
【００３１】
第１圧電素子１３１と第２圧電素子１３２は、それぞれの共振周波数が互いに異なる。より具体的には、第１圧電素子１３１の共振周波数ｆ１が第２圧電素子１３２の共振周波数ｆ２より大きく、共振周波数ｆ１は、共振周波数ｆ２の正の整数倍であることができる。
【００３２】
図２に示されたように、第１圧電素子１３１と第２圧電素子１３２は、それぞれが互いに交差配列されているが、本発明はこれに限定されず、所定のパターンが繰り返されて第１圧電素子１３１と第２圧電素子１３２が配置されることができる。第１圧電素子１３１と第２圧電素子１３２が形成されるパターンの他の例として、２つの第１圧電素子１３１が連続して配置され、２つの第２圧電素子１３２が連続して配置されるパターンが繰り返されてもよい。
【００３３】
第１圧電素子１３１と第２圧電素子１３２との間には保護膜１３３が形成されており、繰り返し変形による剥離またはクラックを防止することができる。保護膜１３３は、ポリマー材質で形成されてもよく、前記後面層と一体型に形成されてもよい。
【００３４】
図２に示されたように、第１圧電素子１３１と第２圧電素子１３２には、それぞれワイヤ１３４が形成される。ワイヤ１３４は、制御部と動作信号および超音波信号を送受信するためのものであり、制御部と物理的に連結されることができる。
【００３５】
図２に示されたように、第１圧電素子１３１と第２圧電素子１３２は、それぞれの共振周波数が異なり、それぞれのサイズ（図面を基準として高さ）が異なってもよい。これに対応するために、後面層１４０は、圧電素子側に所定の突起が突出しており、それぞれの突起の間に第１圧電素子１３１が挿入され、突起の突出面と第２圧電素子１３２の一面が当接することができる。
【００３６】
制御部は、トランスデューサ１００に動作信号を印加し、第１圧電素子１３１と第２圧電素子１３２の動作を制御する。制御部がトランスデューサ１００に印加する動作信号は、第１圧電素子１３１または第２圧電素子１３２が超音波を被検体に送信するようにするものと、第１圧電素子１３１または第２圧電素子１３２が被検体から反射された超音波を受信するようにするものであってもよい。
【００３７】
制御部は、後述のポータブル映像化部２００の内部に設けられた埋め込みプリント回路基板（ＰＣＢ、Ｐｒｉｎｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ  Ｂｏａｒｄ）またはソフトウェアの形態で実現されてもよい。
【００３８】
ポータブル映像化部２００はトランスデューサ１００と連結され、制御部からトランスデューサ１００に印加された動作信号と、トランスデューサ１００が受信した超音波信号を受信し、位相配列映像のための遅延−和（Ｄｅｌａｙ−Ｓｕｍ）により計算して位相配列映像として出力する。そのために、ポータブル映像化部２００は、内部に位相配列映像の演算のための演算装置およびプログラムを含み、映像出力のために、ディスプレイが外面に形成されていてもよい。
【００３９】
以下、図面を参照して、制御部が印加する動作信号と、それによる第１圧電素子および第２圧電素子の動作によって変わる第１〜第４動作モードについて詳細に説明する。
【００４０】
図３から図６は、トランスデューサに含まれる第１圧電素子１３１および第２圧電素子１３２と、それぞれの圧電素子に連結される制御部を概略的に示した図である。図２では、第１圧電素子１３１と第２圧電素子１３２が互いに異なるサイズで示されているが、便宜上、図３から図６では、第１圧電素子１３１および第２圧電素子１３２が互いに同一のサイズで示されている。
【００４１】
［第１動作モードおよび第２動作モード］
図３に示された第１動作モードは、第１圧電素子１３１のみを用いて超音波を送信および受信し、線形超音波位相配列映像を生成することである。
【００４２】
上記の第１動作モードの動作のために、制御部３００は、第１圧電素子１３１に動作信号を印加して加振させ、第１圧電素子１３１は、超音波信号を被検体１０に送信する。この際、第１圧電素子１３１に印加される超音波信号は一定の位相差を有することができる。
【００４３】
第１圧電素子１３１から送信された超音波信号は、被検体１０の内部を透過した後、被検体の境界面（被検体の端部）から反射され、反射された超音波信号は、第１圧電素子１３１に受信される。制御部３００は、受信された超音波信号をポータブル映像化部２００に送信し、ポータブル映像化部２００は、受信した超音波信号と、制御部３００から第１圧電素子１３１に印加された動作信号を参照して、位相配列映像を生成および出力する。ポータブル映像化部２００で生成および出力される位相配列映像は、線形位相配列映像である。
【００４４】
図４に示された第２動作モードは、第１動作モードと同様に、第２圧電素子１３２のみを用いて超音波を送信および受信し、線形超音波位相配列映像を出力する方式である。
【００４５】
第１動作モードと第２動作モードでは、それぞれ異なる共振周波数を有する第１圧電素子１３１または第２圧電素子１３２のみを用いて線形超音波位相配列映像を生成することができる。第１圧電素子１３１の共振周波数が第２圧電素子１３２の共振周波数よりも高いため、第１圧電素子１３１を用いて生成された線形超音波位相配列映像は、第２圧電素子１３２を用いて生成された線形超音波位相配列映像に比べて軸方向の分解能（図３および図４を基準として垂直方向の分解能）が向上するが、伝播距離が減少するため、伝播される距離自体は短いという特性がある。
【００４６】
［第３動作モード］
図５に示された本発明の第３動作モードは、第１圧電素子１３１と第２圧電素子１３２の両方を用いて非線形超音波位相配列映像を生成する。
【００４７】
上記の第３動作モードの動作のために、制御部３００は、図５の（Ａ）に示されたように、第１圧電素子１３１に動作信号を印加して加振させ、第１圧電素子１３１は超音波信号を被検体１０に送信する。この際、第１圧電素子１３１に印加される超音波信号は、上記の第１および第２動作モードと同様に、一定の位相差を有することができるが、これに限定されない。
【００４８】
第１圧電素子１３１から送信された超音波信号は、被検体１０の内部を透過した後、被検体１０の境界面（被検体の端部）から反射される。制御部３００は、第２圧電素子１３２が、被検体１０の境界面から反射された超音波信号を受信するように動作信号を印加した後、ポータブル映像化部２００に送信する。第１圧電素子１３１の共振周波数ｆ１は、第２圧電素子１３２の共振周波数ｆ２のｎ倍であるため（ｎは正の整数）、第２圧電素子１３２が受信する超音波信号はｎ次低調波信号になる。
【００４９】
第２圧電素子１３２に受信された低調波信号はポータブル映像化部２００に送信され、ポータブル映像化部２００は、受信された超音波信号と、制御部３００から第１圧電素子１３１に印加された動作信号を参照して、非線形低調波位相配列映像を出力する。低調波位相配列映像は、一般の線形位相配列映像からは検出が不可能なクラックを探知することができる効果があり、具体的には、被検体の内部に欠陥が生じた際に、被検体材料の弾性により閉じられる閉じ欠陥の場合、線形映像では、閉じ欠陥を超音波が透過する場合が多いが、非線形低調波位相配列映像では、閉じ欠陥から超音波信号が反射され、閉じ欠陥を探知することができる。
【００５０】
［第４動作モード］
図６に示された本発明の第４動作モードは、第１圧電素子１３１と第２圧電素子１３２の両方を用いて非線形超音波位相配列映像を生成する。
【００５１】
本発明の第４動作モードは、第３動作モードと反対に、非線形高調波位相配列映像を生成する動作モードである。そのために、第３動作モードと同様に、第１圧電素子１３１と第２圧電素子１３２の両方を用いるが、この際、第３動作モードと圧電素子を反対に用いる。
【００５２】
具体的に、図６に示されたように、制御部３００は、第２圧電素子１３２に動作信号を印加して超音波信号を被検体１０に送信し、第１圧電素子１３１に動作信号を印加し、反射されて再入射される超音波信号を受信する。第１圧電素子１３１の共振周波数ｆ１が、第２圧電素子１３２の共振周波数ｆ２のｎ倍であるため、第１圧電素子１３１が受信する超音波信号は、共振周波数ｆ１のｎ次高調波信号になる。ポータブル映像化部２００は、受信したｎ次高調波信号に基づいて非線形高調波位相配列映像を生成および出力することができる。高調波位相配列映像も低調波位相配列映像と同様に、一般的な線形位相配列映像からは検出が不可能なクラックを探知することができる効果がある。
【００５３】
具体的には、非線形高調波位相配列映像は、構造物の内部材料が外部の力または応力によって変形された場合、このような材料の微細な変化を検知することができる。
【００５４】
上述の第１動作モードおよび第２動作モードでは、線形低調波位相配列映像を得ることができるため、それぞれの圧電素子から印加される超音波信号の強度は関係ない。したがって、第１動作モードおよび第２動作モードでは、超音波信号を送信する圧電素子は、順に加振されて超音波信号を送信するか、同時に加振される並列加振により超音波信号を送信することができる。圧電素子が同時に加振される場合、より強い超音波信号を発生させることができる。
【００５５】
第１動作モードおよび第２動作モードと異なって、第３動作モードおよび第４動作モードでは、非線形低調波位相配列映像を得るためと非線形高調波の位相配列画像を得るために、より強い超音波信号を発生させる必要がある。したがって、第３動作モードおよび第４動作モードでは、交差配列された第１および第２圧電素子のうち一種類の圧電素子を同時に加振する並列加振のみを用いて信号を得た後、所望の周波数を中心周波数とするバンドパスフィルタを通過させ、時間遅延および和方式により非線形低調波位相配列映像と非線形高調波の位相配列画像を得ることができる。第３動作モードと第４動作モードを用いる場合、本発明は、図面には示されていないがポータブル映像化部と、第１および第２圧電素子のうち被検体の境界面から反射される超音波信号を受信する圧電素子との間に設けられるバンドパスフィルタをさらに含んでもよい。
【００５６】
［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態に係る複合多重周波数超音波位相配列映像化装置について詳細に説明する。
【００５７】
本発明の第２実施形態に係る複合多重周波数超音波位相配列映像化装置は、振動子部に含まれる振動子、すなわち、圧電素子の構成のみが異なって、それ以外の構成は第１実施形態と同様である。したがって、本発明の第２実施形態では、振動子部に含まれる圧電素子を中心に説明し、以下で説明しない構成は、第１実施形態及び第２実施形態が同様であるとみなす。
【００５８】
本発明の第２実施形態において、振動子部は、それぞれの共振周波数が異なる第１〜第３圧電素子を含む。第１圧電素子の共振周波数をｆ１、第２圧電素子の共振周波数をｆ２、第３圧電素子の共振周波数をｆ３としたときに、ｆ１はｆ２の正の整数倍であり、ｆ３はｆ２の正の整数倍であってもよく、以下、ｆ１＝２ｆ２＝４ｆ３に設定する。
【００５９】
本発明の第２実施形態では、第１圧電素子、第２圧電素子、および第３圧電素子が順に繰り返して配置されるが、これは、第１圧電素子、第２圧電素子、および第３圧電素子のうち１つのみを用いて超音波信号を送信し、残りの圧電素子が、被検体から反射される超音波信号を受信することで、高調波信号と低調波信号をともに得るためである。
【００６０】
例えば、制御部が第２圧電素子に動作信号を入力して加振させる場合、第１圧電素子では低調波信号を、第３圧電素子では高調波信号を得て、それぞれ２次低調波映像および２次高調波映像を得ることができる。一方、第３圧電素子が超音波信号を送信し、第１および第２圧電素子が超音波信号を受信する場合、２次高調波信号と４次高調波信号を得ることができる効果がある。
【００６１】
本発明は、上記の実施形態に限定されず、適用範囲が多様であることはいうまでもなく、特許請求の範囲で請求する本発明の要旨を逸脱することなく様々な変形実施が可能であることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００６２】
１００  トランスデューサ
１１０  音響レンズ
１２０  前面整合層
１３０  振動子部
１３１  第１圧電素子
１３２  第２圧電素子
１３３  保護膜
１３４  ワイヤ
１４０  後面層
２００  ポータブル映像化部
３００  制御部
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
2021505900.tif 000009
【国際調査報告】
2021505900.tif 000010
2021505900.tif 000011
2021505900.tif 000012
2021505900.tif 000013