(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス反射法により行われる超音波テストに用いる、超音波パルスを形成するプローブであって、それぞれ電極（２８、３０、３４、３６）を有する送信側変換器（２６）と受信側変換器（３２）を装備し、送信側変換器（２６）と受信側変換器（３２）が同一材料で製作され、送信側変換器（２６）と受信側変換器（３２）は音の伝播方向に一方が他方の背後に配され、一方が他方の上部に重ねられ二次元的に接着され、
送信側変換器（２６）と受信側変換器（３２）相互間の接着剤層（４８）の厚さが、二つの変換器（２６、３２）が設計された波長よりも小さく、
送信側変換器（２６）と受信側変換器（３２）が同一の設計原理に従い製作され、二つの変換器の音場が同一であり、
送信側変換器（２６）を送信機電子部品に接続し、受信側変換器（３２）を受信機電子部品に接続し、接着剤層（４８）で結合した二つの直接隣接する電極（２８、３０、３４、３６）が等電位であることを特徴とするプローブ。
【請求項２】
請求項１に記載のプローブにおいて、送信側変換器（２６）
がその受信側変換器（３２）とは反対側の面で減衰器（２４）に接続されることを特徴とするプローブ。
【請求項３】
請求項１に記載のプローブにおいて、受信側変換器（３２）
がその送信側変換器（２６）に対向する面で予備位置決めした本体（３８）に接続されること、使用する予備位置決めした本体（３８）の厚さが１〜４ｍｍの範囲であることを特徴とするプローブ。
【請求項４】
請求項１に記載のプローブにおいて、接着剤層（４８）で結合した二つの直接隣接する電極（２８、３０、３４、３６）に集合電位が印加されていることを特徴とするプローブ。
【請求項５】
プローブ・ハウジングを備えた請求項１に記載のプローブにおいて、送信機電子部品と受信機電子部品が前記プローブのハウジング内に設けられることを特徴とするプローブ。
【請求項６】
請求項１に記載のプローブにおいて、送信側変換器（２６）が送信機電子部品の低インピーダンス出力部に接続されることと、受信側変換器（３２）が抵抗性の大きな受信機入力部に接続されることを特徴とするプローブ。
【請求項７】
請求項１に記載のプローブにおいて、変換器がＰＶＤＦ箔で製作されていることを特徴とするプローブ。
【請求項８】
請求項１に記載のプローブにおいて、接着剤層（４８）が導電材料で製作されていることを特徴とするプローブ。
【請求項９】
請求項１に記載のプローブにおいて、形成される前記超音波パルスが単極性のパルスであることを特徴とするプローブ。
【請求項１０】
前記請求項のうちのいずれか１項に記載のプローブを操作する方法であって、送信側変換器（２６）の励磁電位を形成するため、緩やかに増大する電位が前記送信側変換器に印加されることと、十分な電位に達すると、送信側変換器（２６）を短絡させることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、パルス反射法による超音波テストに用いるもので、特に期間の短い（ｓｈｏｒｔ）、できる限り単極性（ｕｎｉｐｏｌａｒ）超音波パルスの形成をし、送信側変換器（ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）と受信側変換器とを装着し、それぞれが電極を持つプローブに関する。
【０００２】
小さな欠陥の超音波検出はもとより、微細層のテストには高周波プローブが必要とされる。テストしようとする欠陥またはチェックする層の厚さが使用する超音波信号の波長に比べ小さくなると、非同質性はもはや超音波信号にとって障害とはなり得ない。本発明は小さな欠陥はもとより、微細層の検出に十分に高い周波数のプローブに関する。プローブは、通常、２０ＭＨｚ以上、一般には、１０〜１００ＭＨｚの範囲の周波数で１５０ＭＨｚと、それ以上の周波数にすることができる。
【０００３】
Ｊ．Ｂｕｃｈｌｅｒ、Ｍ．ＰｌａｔｔｅとＨ．Ｓｃｈｍｉｄｔによるもので、Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ（超音波学）、１９８７年、第２５巻、３月版、Ｓ１１１２〜１１１４に記載の論文「高周波と広帯域超音波パルス反射操作用電子回路」には薄いＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン  ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅｆｌｕｏｒｉｄｅ）箔で製作したトランシーバ・変換器を備えたプローブが開示されている。前記箔は送信電位に達するまで送信機電子部品によってゆっくり充電され、次いで、できる限り高速で放電される。その放電はトランジスタ・スイッチによって前記論文において実施される適切なスイッチを介し変換器を短絡させることで実行される。放電時間は１５０Ｖの電位ジャンプに対応する１０ｎｓとして表され、箔として設計される変換器の容量は３００ｐＦである。形成される超音波パルスは必ず単極性で、期間が非常に短く、パルス幅はほぼ５０ｎｓである。
【０００４】
当該技術によるプローブの不利な点は超音波パルスの送出後、そのパルスが受信されるようになるまで待ち時間が極めて長いことである。観察されるべきアイドル時間の長さは実際のテスト上必ずしも許容し得るものではない。プローブは原理上、十分な時間にわたり予備位置決めした本体と共に機能し、観察されべきアイドル時間（ｉｄｅｌ  ｔｉｍｅ）の不利な点を避けることができるが、これには目下論じている高周波パルスの場合、予備的に位置決めした本体（ｐｒｅ―ｌｏｃａｔｅｄ  ｂｏｄｙ）中の音波は相当減衰されるという不利な点がある。この不利な点は避ける必要がある。
【０００５】
パルス反射法に従い機能する超音波試験装置には、通常、上記論文から知られるようにトランシーバ・変換器を備えたプローブが設けられる。原則として、個別の変換器を持つプローブ、即ち、送信側変換器と受信側変換器が装備されるプローブも周知である。例としてＪ．ＫｒａｕｔｋｒａｅｍｅｒとＷ．Ｋｒａｕｔｋｒａｅｍｅｒによるもので、Ｓｐｒｉｎｇｅｒが刊行した第６版ＤＥ−Ｂｏｏｋに記載され、「Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｔｅｓｔｉｎｇ  Ｗｉｔｈ  Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ（超音波による材料の試験）」なる標題の論文を参考にする。当該技術による二つの変換器を備えたプローブにあって、変換器は音の伝播方向に並列配置される。従って、送信側変換器と受信側変換器間を超音波が通過する経路はＶ字形である。しかし、測定は層の境界面に垂直に行うべきであるため、これは層のテストに有害である。
【０００６】
本発明の原点はそこにある。本発明の目的は、特に高周波域で使用でき、上述した技術によるプローブの利点をできる限り変えずに維持しながらアイドル時間〔ｉｄｌｅ  ｔｉｍｅ〕の短縮を許容し、予備位置決めした本体（ｐｒｅ―ｌｏｃａｔｅｄ  ｂｏｄｙ）をより短く設計し得るようにするプローブを提供することである。
【０００７】
上記タイプのプローブでスタートすると、本発明の目的を達成するには同一材料で製作した送信側変換器と受信側変換器を設け、送信側変換器と受信側変換器を音の伝播する方向に一方を他方の背後に配し、平面内で特に一方を他方の上に重ねて接着することが必要となる。
【０００８】
このプローブは実際には周知のものとして超音波パルスを送出し、受信する個別の変換器を装備して提供される。しかし、ここでは一方の変換器は他の変換器の背後に配される。かくして、二つの変換器のうち一方が他方の後部に直接配され、製作材料を同じくしているため、本発明によるプローブは必ず一つの変換器を装備したプローブと同様に機能する。
【０００９】
送信側変換器と受信側変換器を音の伝播方向に一方を他方の背後に配列すると、二つの変換器間に反射が発生する。本発明によれば、この反射は二つの変換器を平面内で接続し、特に一方を他方の上部に重ねて接着することで避けられる。特に、二つの変換器間の間隙はできる限り小さくしている事実に注目する。同じ材料で製作した二つの変換器を使用することで境界面に反射は発生しない。
【００１０】
従って、本発明は変換器が一つのプローブの設計にできる限り類似する二つの変換器の間隙設計を提唱する。二つの変換器は電気的に相互を分離してはいるが、そのために送信パルスにより受信機電子部品（ｒｅｃｅｉｖｅｒ  ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）に生じる可能性のある干渉が大幅に排除される。従って、アイドル時間が大幅に抑制され、もはや事実上問題に関連するものではない。これまで、超音波パルスの送出直後、受信位置に切り替えができるため、採用すべき予備運動行程（ｐｒｅ―ｔｒａｖｅｌ）を短縮することができる。予備運動行程は変換器の保護にもなるため、予備運動行程を完全に省いた構成は必ずしも望ましくはない。
【００１１】
特に好適な実施形態にあって、送信側変換器と受信側変換器相互間の接着剤層の厚さはできる限り小さくする。事実上反射が生じないよう接着剤層の厚さは小さくすべきである。接着剤層に好ましく使用される材料は変換器の製作に用いる材料と同じ音響特性にできる限り近似する材料である。
【００１２】
同一の設計原理で製作した送信側変換器と受信側変換器を備えることが特に好ましいと証明された。特に、これら二つの変換器の音場（ｓｏｕｎｄ  ｆｉｅｌｄｓ）はできる限り同一にすべきである。このようにして変換器が一つのプローブにできる限り近似させられる。
【００１３】
送信側変換器をその受信側変換器とは反対側の面で減衰器に接続することが有利であることが証明された。当該技術にあってこのような減衰器は周知であるが、本発明にとって送信側変換器を減衰器に接続することは有利である。かくして、期間のできる限り短いパルスが得られる。
【００１４】
予備位置決めした本体を受信側変換器に接続することも同様に有利であることも証明された。この構成にあって受信側変換器は放射線が直接内部を透過し（ｄｉｒｅｃｔｌｙ  ｐｅｎｅｔｒａｔｅｄ  ｂｙ  ｒａｄｉａｔｉｏｎ）、従って、受信側変換器はその電極に電気的な信号を形成するが、この動作は極めて短く、事実上測定に影響することはない。
【００１５】
二つの変換器の隣接電極の電位を一様にする、特にこの電極電位を集合電位（ｍａｓ  ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）に纏めることが特に好ましいと証明された。このようにして、二つの隣り合う電極相互間の電気的分離上の問題はない。
【００１６】
送信側電極と受信側電極をできる限りそれぞれの変換器の近くに配する、特にこれらの電極を同一ハウジング内に収容することも有利である。従って、寄生キャパシタンスと寄生インダクタンスによる干渉が大幅に排除される。
【００１７】
特に好適な実施形態にあって、送信側電極は低インピーダンスに帰着するが、受信側電極の入力部は抵抗性が大きい。低インピーダンスの送信側出力部は期間をできる限り短くすべき望ましい電位降下を許容する。抵抗性の大きな送信側入力部のために受信機箔の充電はできる限り少なくする。
【００１８】
本発明の他の利点および特性は添付の特許請求の範囲と、例示に過ぎず、本発明の範囲を制限するものではない二つの実施形態についての以下の説明から明らかになり、それにより前記実施形態が図面に関し一層詳しく説明される。
【００１９】
単なる簡略指示で、プローブ・ハウジング２０には減衰器２４と、上部電極２８と下部電極３０を持つ送信側変換器２６と、予備位置決めした本体３８に加え上部電極３４と下部電極３６を持つ受信側変換器３２とが超音波の伝播方向２２（矢印方向）に一方が他方の背後に配されている。これらの部品は総て円形または円筒形で、軸４０に対し等分割した構成で収容されている。
【００２０】
減衰器２４は二つ同一の変換器２６、３２とできる限り同じ特性の電波インピーダンスの材料で製作する。実際上、減衰器は注型樹脂（ｃａｓｔ  ｒｅｓｉｎ）で製作し、送信側変換器２６上に直接、即ち上部電極２８上に流し込む。軸方向に減衰器は約１０ｍｍの長さがある。
【００２１】
送信側変換器２６と受信側変換器３２に用いた変換器は構造が同一である。商業的に調達ができる仕上げ済みＰＶＤＦ箔を基準に、電極２８、３０、３４、３６はそれぞれ陰極蒸着法（ｃａｔｈｏｄｉｃ  ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）に従い貼付され、次いで、電極は接触させる。対応する接合線４２、４４、４６を図１に示す。減衰器２４上には三つの半田付けターミナルが配される。接合線４２〜４６はそれらに到る。
【００２２】
二つの変換器２６、３２は接着剤層４８で一体に接続する。前記層は送信側変換器２６の下部電極３０と受信側変換器３２の上部電極３４との間に位置する。その層はできる限り薄くする。それは導電材料で製作することができる。その厚さは二つの変換器２６、３２が設計された波長より相当小さくなるように選択する。
【００２３】
敏感な箔を保護するため、ポリスチレン製の予備位置決めした本体３８が前面側に配される。試験をした総ての材料のうち、ポリスチレンは例えば１００ＭＨｚ程度の高周波までの電磁波損失が最小である。そのポリスチレン（ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ）にはＰＶＤＦとの良好なインピーダンス整合がある。アクリル・ガラスで製作の予備位置決めした本体も実現の可能性があり、その電磁波損失は僅かに大きい。
【００２４】
送信側変換器２６と受信側変換器３２を構成する二枚の箔の配置は最大感度が達成されるよう選択する。後部箔を送信側変換器２６として使用することによってこの箔は一層薄くすることができる。従って、望ましからざる反射を後部側で最小にすることができる。異なる材料との接合は正確に行わねばならず、特にエアロックは避けなければならない。周波数範囲にあっては、例えば、接着剤層のような一層薄い接合層でも目立つようになる。
【００２５】
図２に実際のプローブの他の実施形態を示す。この場合、変換器２６、３２は予備形成した箔で製作はされず、ここでは陰極蒸着法に従いＰＶＤＦ材を貼付して得られる。陰極蒸着法によるこの貼付は二つの変換器２６、３２に共同して与えられる極く薄い接地電極３０、３４に対しても行われる。極薄の金箔または適切な素材の箔が使用される。その箔はＰＶＤＦを用い同じ方法で両面に蒸着させる。次いで、上部電極２８と下部電極３６をそれぞれ貼付する。再度、減衰器２４を上部電極２８上に流し込む。固体材料で製作した予備位置決めした本体３８は今回は設けない。代わって、水の予備運動行程路（ａ  ｗａｔｅｒ  ｐｒｅ―ｔｒａｖｅｌ）５０を採用する。図２には、プローブを介しテストをしなければならないものとして薄層５２が記載され、それはサポート５４上にセットされている。
【００２６】
送信側変換器２６は送信機電子部品（図４）によってゆっくり充電され、送信トリガ・パルス（ＳＡＰ）によって突然放電される。箔の容量Ｃを知ると、充電時間の時定数は抵抗器Ｒ１から調整ができる。緩やかな充電は充電時に音響信号の放出防止ができるようになる。
【００２７】
送信側変換器２６の放電はトランジスタＶ２から行われる。ここで用いたトランジスタはＶＭＯＳトランジスタである。このトランジスタはトランジスタＶ１のアバランシ効果（ａｖａｌａｎｃｈｅ  ｅｆｆｅｃｔ）を利用しトリガされる。送信機電子部品はプローブ・ハウジング２０の内部に設備される。
【００２８】
図３に記載の受信機電子部品はプローブに内蔵もされる。給電線はできる限り短くし、２ｃｍ以内で、好適には、これよりもさｓらに短くなるよう留意する。受信機電子部品にはＣｏｍｌｉｎｅａｒ社の四重増幅に合わせて調整した演算増幅器Ｏｐ１、タイプＣＬＣ４４９が利用される。その増幅器は受信箔に負荷（Ｌｏａｄ）を与えないよう、受信機の抵抗性の大きなターミナルを構成する。こうして、信号の疑似形成が避けられる。増幅度は抵抗器Ｒ６、Ｒ７によって決定する。最後に、演算増幅器は出力信号を用いた信号の送信に使用する以下の５０Ω同軸ケーブルのための信号母線送出回路である。
【００２９】
理想的ではない二つの変換器２６、３２の共通面上に広がりをもつ質量の条件により、受信側変換器３２には送信信号の電気的な外乱（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ）が発生する。逆並列接続ダイオードＤ３、Ｄ４はこの外乱の制限を目的とする。同時に、これらダイオードは演算増幅器が飽和範囲に入ることを防止する。
【００３０】
送信機電子部品と受信機電子部品はサイズの最小化のためＳＭＤ技術で実現された。従って、総ての電子部品は１５ｍｍ×３２ｍｍサイズのプリント基板上への装着に適合する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  プローブの分解側面図である。
【図２】  修正実施形態におけるプローブの側面図である。
【図３】  受信機電子部品の電子接続線図である。
【図４】  送信機電子部品の電子接続線図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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