(57)【要約】  超音波トランスデューサ(1)が開示されている。トランスデューサはウェアキャップ(2)と能動要素(18)とを備える。ウェアキャップは、帯状部(15)を画定するように配置される少なくとも1つのスロットを含む。帯状部は能動要素と振動を伝達するように配置される。超音波トランスデューサは剛体ブロック(21)を含み得る。能動要素はウェアキャップと剛体ブロックとの間に介在されてもよく、剛体ブロックは、能動要素のための裏当て質量体を提供するように構成され得る。任意選択で、剛体ブロックは、面取りされた縁(25、27)を含み得る。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウェアキャップと、
能動要素と、
を備え、
前記ウェアキャップは、帯状部を画定するように配置される少なくとも２つのスロットを含み、前記帯状部は前記能動要素と振動を伝達するように配置される、超音波トランスデューサ。
【請求項２】
前記ウェアキャップは、少なくとも２つのスロットを含み、前記少なくとも２つのスロットは、第１のスロットおよび第２のスロットを含み、前記第１のスロットおよび第２のスロットは、前記第１のスロットと前記第２のスロットとの間に帯状部を画定するように配置される、請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項３】
前記帯状部の外方を向く表面が第１のスロットと第２のスロットの間で平坦である、請求項１または２に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項４】
前記帯状部の外方を向く表面の一部分が外方に突出する、請求項１または２に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項５】
前記帯状部の前記外方を向く表面は、ナイフのような刃または鋭利な突起を提供するために外方に延びる、請求項４に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項６】
前記帯状部は、前記能動要素の分極の軸の４５°内の方向において延びる、請求項１から５のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項７】
剛体ブロックをさらに備え、
前記能動要素は前記ウェアキャップと前記剛体ブロックとの間に介在され、前記剛体ブロックは、前記能動要素のための裏当て質量体を提供するように構成される、請求項１から６のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項８】
前記剛体ブロックは、上面と、下面と、側面と、を有する、請求項７に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項９】
隣接する側面同士の間の縁が面取りされる、請求項７または８に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１０】
各々の側面と下面との間の縁が面取りされる、請求項７、８、または９に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１１】
面取りの幅が縁に沿って変化する、請求項７から１０のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１２】
前記面取りは先細りする、請求項１１に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１３】
前記ウェアキャップはセラミックを含む、請求項１から１２のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１４】
ウェアキャップと、
能動要素と、
剛体ブロックと、
を備え、
前記剛体ブロックは、上面と、下面と、側面と、を有すると共に、隣接する側面同士の間の縁が面取りされる、および／または、各々の側面と前記下面との間の縁が面取りされる、超音波トランスデューサ。
【請求項１５】
面取りの幅が前記縁に沿って変化する、請求項１４に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１６】
前記面取りは先細りする、請求項１５に記載の超音波トランスデューサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波トランスデューサに関し、詳細には、排他的ではないが、誘導超音波を使用して管を検査するときの使用のための超音波トランスデューサに関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波が、構造体内における欠陥および傷を特定するために、菅などの構造体を検査するために使用できる。超音波検査装置の例は、特許文献１、特許文献２、および特許文献３において見出すことができる。
【０００３】
特許文献１は、管などの細長い部材を検査するための装置を記載している。装置は、管の外壁に締め付けられる斜めに離間されたトランスデューサ(または「励振器」)の環体を含む。各々のトランスデューサは、圧電要素と、圧電要素に接着により接合された金属ブロックと、ウェアプレートを提供するために圧電要素の面に固定された薄い面板シムとを備える。
【０００４】
特許文献４は、ウェアプレートと、ウェアプレートの後方に配置される圧電要素と、圧電要素の後方に配置され、裏当て質量体を圧電要素に提供するように構成される剛体ブロックとを備える改良された超音波トランスデューサを記載している。ウェアプレートは、圧電要素と、剛体ブロックの少なくとも前方部分の側面とにわたって延びるキャップを提供するように、圧電要素にわたって後方へと延びる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第９６／１２９５１号
【特許文献２】国際公開第２００７／１２５３０８号
【特許文献３】欧州特許出願公開第１３９４５３８号明細書
【特許文献４】国際公開第２０１１／１３１９５４号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第1の態様によれば、超音波トランスデューサが提供される。トランスデューサはウェアキャップ（wear cap）と能動要素(圧電要素など)とを備える。ウェアキャップは、帯状部を画定するように配置される少なくとも1つのスロットを含み、帯状部は能動要素と振動を伝達するように構成される。
【０００７】
したがって、ウェアキャップは、所与の力に向けてさらに変位され、そのため、所与の入力信号についてより大きな励振と、所与の受信についてより大きな出力信号とをもたらし得る。
【０００８】
ウェアキャップは、帯状部が片持ち梁のようにされるように、単一の「U」字形とされたスロットを含んでもよい。
【０００９】
ウェアキャップは、第1のスロットおよび第2のスロットを含み第1のスロットと第2のスロットとの間に帯状部を画定するように配置される少なくとも2つのスロットを含んでもよい。好ましくは、ウェアキャップは2つのスロットを含む。
【００１０】
帯状部の外方を向く表面がスロット同士の間で平坦であってもよい。代替で、帯状部の外方を向く表面の一部分が外方に突出してもよい。例えば、帯状部の外方を向く表面は、尖っていない突起を提供するために、または、ナイフのような刃もしくは鋭利な突起を提供するために、外方に延びてもよい。
【００１１】
帯状部は、好ましくは能動要素の分極の軸の45°内の方向において延びる。例えば、帯状部は、能動要素の分極の軸と平行または実質的に平行に延び得る。
【００１２】
超音波トランスデューサは剛体ブロックをさらに備えてもよく、能動要素はウェアキャップと剛体ブロックとの間に介在され、剛体ブロックは、能動要素のための裏当て質量体を提供するように構成される。
【００１３】
剛体ブロックは、上面と、下面と、側面とを有する。隣接する側面同士の間の縁が面取りされてもよい。剛体ブロックは、側面同士の間に面取りされた縁を有してもよい。各々の側面と下面との間の縁が面取りされてもよい。剛体ブロックは、各々のそれぞれの側面と下面との間に面取りされた縁を有してもよい。面取りの幅が縁に沿って変化してもよい。例えば、面取りは先細りしてもよい。面取りは、一端から他端へと縁に沿ってより狭くなってもよい。
【００１４】
本発明の第2の態様によれば、超音波トランスデューサが提供される。トランスデューサは、ウェアキャップと、圧電要素と、剛体ブロックとを備える。剛体ブロックは、上面と、下面と、側面とを有する。隣接する側面同士の間の縁が面取りされる、および/または、各々の側面と下面との間の縁が面取りされる。
【００１５】
したがって、面取りは、共振モードを引き起こすことをより難しくするのを助けることができる。
【００１６】
面取りの幅が縁に沿って変化してもよい。例えば、面取りは先細りしてもよい。
【００１７】
ここで、本発明の特定の実施形態が、例を用い、添付の図面を参照して記載される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】超音波トランスデューサ組立体の分解斜視図である。
【図２】図1に示された超音波トランスデューサ組立体の一部切断された斜視図である。
【図３】図1に示された超音波トランスデューサ組立体の斜視図である。
【図４】線A-A'に沿って切り取られた、図1に示された超音波トランスデューサの断面図である。
【図５】二重スリットを有するウェアプレートの上方からの斜視図である。
【図６】二重スリットを有するウェアプレートの下方からの斜視図である。
【図７】面取りされた縁を有し、前部と後部との間に均一な断面積を概して有する裏当て質量体の斜視図である。
【図８】面取りされた縁を有し、前部と後部との間に縮小する断面積を概して有する裏当て質量体の斜視図である。
【図９】二重スリットのないウェアプレートの比較の例についてのコンピュータモデルの図である。
【図１０】二重スリットを有するウェアプレートのコンピュータモデルの図である。
【図１１】低減した接触面積の領域を有する別のウェアキャップの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図1〜図7を参照すると、超音波トランスデューサ組立体1(ここでは、単に「超音波トランスデューサ」と称される)が示されている。
【００２０】
超音波トランスデューサ1は、検査される物体または構造体(図示せず)と使用中に接触されるように押し付けられる前面3(または「外方を向く表面」)と、後面4(図4)とを有するウェアキャップ2(「ウェアプレート」、「面板」、または「接触ヘッド」と称されてもよい)を備える。ウェアキャップ2は、二酸化ジルコニウム(Zi02)、もしくは酸化アルミニウム(Al2O3)、または他の適切な材料など、セラミックから作られる。
【００２１】
ウェアキャップ2の前面3は、中心線5を有し、第1の端7と第2の端8との間で延びると共に第1の側9と第2の側10とを有する中央の平坦な表面部分6を備え、第1の側の傾斜面部分11と第2の側の傾斜面部分12とを有する切頂の三角柱の形を概して有する。
【００２２】
ウェアキャップ2は、平坦表面6の第1の側9および第2の側10に沿って延び、端7、8の手前で途切れる第1の切込み13および第2の切込み14(または、「スロット」)を備える。スロット13、14は、レーザー加工などの適切な機械加工によって形成され得る。スロット13、14は、ウェアキャップ2を貫通しており、つまり、前面3と後面4との間で貫通している。スロット13、14は、端7、8の間に架けられ、より大きな移動の自由が許容されており、つまり、スロット13、14は、励振が通過するウェアキャップ2の一部分の柔軟性(または「コンプライアンス性」)を増加させる帯状部15(明確性を助けるために影付きで示されている)を画定する。別の言い方をすれば、ウェアキャップ2は、所与の加えられた力に対してさらに変位され得る。したがって、帯状部15は、能動層の極性と同じ方向において概して延びる。
【００２３】
超音波トランスデューサ1は、ウェアキャップ2の最も近くにある接地電極17と、せん断分極圧電層の形態での能動層18と、信号電極19とを備えるトランスデューサ積層体16を備える。能動層18は電極17、19の間に挟まれている。第2のトランスデューサ積層体が、例えば、本明細書において参照により組み込まれている国際公開第2011/131954(A2)号において記載されているように含まれてもよい。
【００２４】
電気絶縁層20が、非共鳴裏当て質量体を提供する剛体ブロック21からトランスデューサ積層体16を分離する。剛体ブロック21は、大きな質量を提供するように、鋼鉄または他の高密度材料から好ましくは作られる。材料は、小さい熱膨張係数、または、ウェアプレート（wear plate）2に合致される熱膨張係数を有するように選択され得る。
【００２５】
図7も参照すると、剛体ブロック21(本明細書では、「第1の剛体ブロック」または「均一な面取りを伴う剛体ブロック」と称される)は、ブロック21の上部23の周りに窪んだ縁22を備え、それによって、メサ24を形成する。剛体ブロック21は、面取りされた側縁25、つまり、隣接する側面26同士の間に面取りされた縁を備える。ブロック21は、面取りされた下縁27、つまり、隣接する側面26と下面28との間の面取りされた縁を備える。後でさらに詳細に説明されているように、これは裏当て質量体21の共鳴周波数を変えるのを助けることができる。
【００２６】
図8も参照すると、別の剛体ブロック21'(本明細書では、「第2の剛体ブロック」または「先細りの面取りを伴う剛体ブロック」と称される)が示されている。第2の剛体ブロック21'は、図7に示された第1の剛体ブロック21の代わりに使用できる。
【００２７】
第2の剛体ブロック21'は、面取りされた側縁25'および/または面取りされた下縁27'の幅がブロック21'の上部23'と下部28'との間で変わることを除いて、第1の剛体ブロック21と同様である。具体的には、側部の面取りの幅は、ブロック21'の下部28'に向かってより小さくなる。
【００２８】
小形の同軸ケーブル29が信号電極20への電気接続を提供する。ケーブル29は、剛体ブロック21の側部25のうちの1つの中間を下へ延びる半円形の窪み30に位置する。
【００２９】
ウェアキャップ2は、トランスデューサ積層体16、絶縁板20、および剛体ブロック21の上部が位置する空間または窪み31を提供するように成形されている。ウェアキャップ2は機械加工または型成形され得る。
【００３０】
ウェアキャップ2は、1mm以上または2mm以上の材料の厚さtを有し得る。図4に示しているように、厚さtは、試験中に構造体と接触する位置(または領域)の後である(図示せず)。この例では、厚さtは、ウェアキャップ2の中間における厚さに対応している。
【００３１】
先に記載した例では、ウェアキャップ2は、帯状部15の幅および長さにわたって(つまり、x軸およびy軸に沿って)平坦な輪郭を有し、帯状部15は、幅および長さにわたって均一な厚さを有する。しかしながら、ウェアキャップ2は他の輪郭を有し得る。
【００３２】
図11も参照すると、縮小した接触の領域の輪郭を有するウェアキャップ2'が示されており、例えば、帯状部15'は切頂の三角柱の形を有する。例えば、スロット13'、14'の間の幅wはwである場合、ウェアキャップ2'の接触部分の幅は幅α.wを有し、ここで、α<1であり、例えば0.5である。国際公開第2011/131954(A2)号に記載されているものなど、ナイフのような刃(図示せず)を有するウェアキャップが使用されてもよい。接触の縮小した領域では、ウェアキャップ2は、より厚く作られてもよく、そのため、試験中の高温の構造体および能動要素からの熱伝達を低減するのを助けることができる。
【００３３】
具体的には図4を参照すると、空間31(図4)の残りの部分は、例えばエポキシ接着剤またはポッティングコンパウンドといった柔軟な充填剤(図示せず)で満たされる。
【００３４】
なおも図1〜図6を参照すると、トランスデューサ1は、本明細書において参照により組み込まれている国際公開第96/12951(A)号および国際公開第2007/125308(A2)号に記載されているように管を検査するための装置または方法で使用され得る。
【００３５】
切込みの効果
切込みの効果は、有限要素静的解析を用いてシミュレーションされ得る。
【００３６】
図9および図10を参照すると、切込みのないウェアキャップ91と、切込み102、103のあるウェアキャップ101が、この場合では1Nの所与の力を、能動要素と通常接触している領域にわたってキャップの後面に加えることについてシミュレートされている。キャップの下面(つまり、周縁)は、キャップが裏当て質量体との固定された接触にあることを現すために固定されている。
【００３７】
図9は、切込みを有していないウェアキャップ91の変位のコンピュータシミュレーションを示している。
【００３８】
図10は、第1および第2の切込み102、103を伴うウェアキャップ101の変位のコンピュータシミュレーションを示している。
【００３９】
切込みを有するウェアキャップの中央部(例えば、中央部104)は、より大きい変位を作り出すことができる。ウェアキャップの後面に作用する同じ加えられた力について、切込みを有するウェアキャップは、切込みのない同じウェアキャップの最大で4倍まで変位される可能性がある。結果として、本明細書に記載されているような切込みを使用することで、受信される信号の信号対ノイズを向上させるのを助けることができる。
【００４０】
面取りの効果
トランスデューサは、第1の物体共鳴周波数未満の周波数で動作する。これは、裏当て質量体の最も長い寸法、つまり、相対する縁同士の間の対角の距離に通常は依存する。面取りを導入することで、この距離は短くされ、それによって、裏当て質量体の重量を大幅に小さくすることなく物体共鳴周波数を大きくさせることになる。共鳴を(強く)引き起こすために、能動要素による励振が、共鳴のモード形をある程度まで一致させる。
【００４１】
例えば図8に示しているように、非対称形を有する裏当て質量体を作り出すように面取りを変化させることで、モード形の不一致のため、共振モードを引き起こすことをより困難にさせるのを助けることができる。
【００４２】
したがって、トランスデューサが共鳴周波数の近くで使用される場合、これらの共鳴が、たとえあったとしても引き起こされる可能性がより低くなる。
【００４３】
変形
様々な変形が先に記載した実施形態に行われ得ることは、理解されるものである。このような変形は、超音波トランスデューサおよびその構成部品の設計、製造、および使用においてすでに知られており、本明細書においてすでに記載した特徴の代替または追加で使用され得る均等物および他の特徴を伴ってもよい。一実施形態の特徴は、別の実施形態の特徴によって置き換えまたは補完されてもよい。
【００４４】
スロットは、真っ直ぐである必要はない、または、同じ経路を通る必要もない。例えば、各々のスロットは不規則な形とされてもよい。
【００４５】
片持ち梁のようにされたスロットをそれぞれ画定するように「U」字形を有する1つのスロットがあってもよい。2つの片持ち梁のようにされたスロットを画定するように「H」字形を有する1つのスロットがあってもよい。
【００４６】
例えば2つ以上の隣接する帯状部を画定する3つ以上のスロットがあってもよい。
【００４７】
スロットは、例えば接着剤(エポキシなど)またはポッティングコンパウンドといった充填剤(または「封入剤」)で満たされてもよい。
【００４８】
ウェアプレートは、保護の膜もしくは層で被覆されてもよく、または、プラスチック材料から形成されたカバーを有してもよい。
【００４９】
トランスデューサは、超音波周波数の外で動作可能であってもよい。例えば、トランスデューサは、例えば5〜6kHzの低さといった、20kHz未満で動作してもよい。トランスデューサは最大で100kHz以上まで動作してもよい。
【００５０】
剛体ブロックは省略されてもよい。代わりに、トランスデューサは、検査される物体または構造体(図示せず)にトランスデューサを付勢する金属バンド(図示せず)によって保持され得る。
【００５１】
請求項が本出願において特徴の特定の組み合わせへと策定されているが、本発明の開示の範囲は、本明細書において開示されている任意の新規の特徴または特徴の任意の新規の組み合わせを、任意の請求項において現在請求されているのと同じ発明に関するかどうかに拘わらず、または、本発明と同じ技術的問題のいずれかもしくは全部を軽減するかどうかに拘わらず、明示的、もしくは暗黙的、またはそれらの任意の一般化のいずれかで含むことは、理解されるものである。本出願者は、本明細書により、新たな請求項が、本出願または本出願から導出される任意のさらなる出願の遂行の間、このような特徴および/またはこのような特徴の組み合わせに策定され得ることを通知しておく。
【符号の説明】
【００５２】
1  超音波トランスデューサ組立体
2  ウェアキャップ、ウェアプレート
2、2'  ウェアキャップ
3  前面、外方を向く表面
4  後面
5  中心線
6  中央の平坦な表面部分
7  第1の端
8  第2の端
9  第1の側
10  第2の側
11  第1の側の傾斜面部分
12  第2の側の傾斜面部分
13  第1の切込み、スロット
13'  スロット
14  第2の切込み、スロット
14'  スロット
15、15'  帯状部
16  トランスデューサ積層体
17  接地電極
18  能動層
19  信号電極
20  電気絶縁層、信号電極、絶縁板
21  第1の剛体ブロック、均一な面取りを伴う剛体ブロック、裏当て質量体
21'  第2の剛体ブロック、先細りの面取りを伴う剛体ブロック
22  窪んだ縁
23、23'  上部
24  メサ
25、25'  面取りされた側縁
26  側面
27、27'  面取りされた下縁
28  下面
28'  下部
29  同軸ケーブル
30  窪み
31  空間、窪み
91、101  ウェアキャップ
102、103  切込み
104  中央部
t  厚さ
w、α.w  幅
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2021502762.tif 000012
【図１１】
2021502762.tif 000013
【国際調査報告】
2021502762.tif 000014
2021502762.tif 000015
2021502762.tif 000016
2021502762.tif 000017
2021502762.tif 000018