(57)【要約】【課題】本発明は超音波出力の分布を精度よく測定できる超音波出力測定装置を提供することを目的とする。【解決手段】基盤に超音波を受信する水晶振動子を複数個配列させたことを特徴とする超音波出力測定装置を用いることにより、超音波出力の分布を精度よく測定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象である超音波の出力を測定する装置であり、超音波を受信する手段が複数個の水晶振動子であることを特徴とする超音波出力測定装置。
【請求項２】
複数個の該水晶振動子が一つの平面である基盤に保持され、該基盤は、測定対象の超音波が照射される超音波照射面に対して平行に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の超音波出力測定装置。
【請求項３】
該水晶振動子を保持する基盤を備え、該水晶振動子が、超音波照射面と超音波照射面の垂直方向の三次元からなる三次元パターンで配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の超音波出力測定装置。
【請求項４】
複数個の該水晶振動子が、一つの平面である該基盤に保持され、該基盤は、測定対象の超音波が照射される超音波照射面に対して、斜めに配置されていることを特徴とする請求項３に記載の超音波出力測定装置。
【請求項５】
複数の該基盤を備え、少なくとも一つの平面である該基盤が、測定対象の超音波が照射される超音波照射面に対して平行に配置されていることを特徴とする、請求項３に記載の超音波出力測定装置。
【請求項６】
複数個の該基盤が、超音波照射面の垂直方向に対して、螺旋階段状で配置されていることを特徴とする、請求項５に記載の超音波出力測定装置。
【請求項７】
該基盤に接続し、かつ超音波照射面の垂直方向を回転軸として該基盤を回転させる回転機構を備えた、請求項４〜６のいずれかに記載の超音波出力測定装置。
【請求項８】
２つの該基盤を備え、一方の平面である該基盤が測定対象の超音波が照射される超音波照射面に対して平行に配置され、該基盤を底面として、もう一方の該基盤が筒状に形成されていることを特徴とする、請求項３に記載の超音波出力測定装置。
【請求項９】
該水晶振動子が、該基盤に規則的に配列されていることを特徴とする、請求項２〜８のいずれかに記載の超音波出力測定装置。
【請求項１０】
圧力測定範囲及び／又は感度が異なる二種類以上の該水晶振動子を、該基盤の超音波受信面の単位面積あたりに同数かつ交互に配列されていることを特徴とする、請求項２〜９に記載の超音波出力測定装置。
【請求項１１】
該基盤の超音波受信面を底面及び／又は側面とする測定室を設けた、請求項２〜１０のいずれかに記載の超音波出力測定装置。
【請求項１２】
該測定室の内部に水が保有されていることを特徴とする、請求項１１に記載の超音波出力測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水晶振動子をセンサとして備えた超音波出力測定装置に関し、特に、水晶振動子をセンサとして備えた超音波出力測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
機器から照射される超音波の出力状態を測定することは、超音波装置の性能を把握し、装置特性を調整する上で欠かすことのできない重要な技術である。超音波を測定する方法で一般的に良く知られて用いられているのは、天秤法やハイドロフォンを用いた測定法である。
【０００３】
天秤法による測定は、超音波出力強度を重量変化として測定する方法である。本法は比較的簡便に超音波出力を測定できるメリットがあるが、測定する超音波は空間平均された形でしか把握できないというデメリットがあった。従って、超音波トランスデューサから照射された超音波の照射面内での圧力分布を測定することができない。さらに重量変化による測定であるため、数ｍｇ以上に感度を上げることが困難であり、超音波出力が低いほど精度が悪くなる問題があった。
【０００４】
一方で、ハイドロフォンによる測定は、非常に高感度であり、照射面に複数のハイドロフォンを配置、または照射面内を二次元に走査させることで面内の圧力分布を測定することが可能である。しかしながら、ハイドロフォンは非常に高価であるために照射面に複数個配置するには、莫大な費用が必要となる。またハイドロフォンを走査させて測定する場合は、測定密度を上げると測定時間が長くなる問題がある。例えば、２５ｍｍ四方を１ｍｍの間隔で測定する場合、約２時間もの測定時間が必要である。さらに高周波帯域の超音波は空気中を伝播しにくいため、水中での測定が一般的になり、ハイドロフォンを水中で長時間使用することは、ハイドロフォンの劣化促進につながる。
【０００５】
上述の理由から、超音波トランスデューサの性能評価は、ハイドロフォン測定は設計開発段階または抜き取り検査で行われ、全数検査を実施する場合は、天秤法による簡易測定が行われているのが現状であり、天秤法では、高品質で信頼性の高いトランスデューサの提供は困難であった。
【０００６】
精度の高い計測が、容易かつ短時間で実施できれば、これまでコスト的に不可能であった全数検査が、精度高く実施可能となり、また、定期検査も可能となるため、高品質で信頼性の高いトランスデューサが提供できる。
【０００７】
特開２００６−２９８２３号公報では、水晶式圧力センサについて述べられている。これは水晶振動子を用いた圧力センサであり、特にセンサとしての高精度化に関する提案である。本発明の課題である超音波の出力特性の簡便な測定を解決するものではない。
【０００８】
特開平８−９４４２９号公報では、簡易に超音波の二次元分布を測定するための気泡を封入するシートが提案されているが、この方法ではシート内部の気泡が一定に拡散していないと精度良い分布の測定ができず、また、均一に気泡を拡散できたとして超音波が照射された場所が特定できても、超音波強度の定量評価には不充分である。
【０００９】
特開平８−１０５８６９号公報では、超音波の二次元分布を評価する標準試料が提案されているが、この方法は試料の欠損部から反射信号を得ることで、トランスデューサの性能を測る方法である。そのため、超音波強度を定量的に測定するものではない。更にハイドロフォン法と同じく二次元走査を行う必要があり、測定時間が長くなる。
【００１０】
特開２００６−１２２７６２号公報では、強力超音波を照射して、非照射物から放射される赤外線エネルギーから音場を非接触で測定する手法が提案されているが、強力な超音波を照射できない設計の超音波トランスデューサについては評価することが不可能である。
【００１１】
【特許文献１】特開２００６−２９８２３号公報
【特許文献２】特開平８−９４４２９号公報
【特許文献３】特開平８−１０５８６９号公報
【特許文献４】特開２００６−１２２７６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、高品質で信頼性の高いトランスデューサの提供、またトランスデューサ劣化傾向のより正確な把握を可能とするため、二次元又は三次元の超音波の分布を精度よく測定できる超音波出力測定装置又は超音波出力測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
すなわち、本発明は、以下である。
（１）測定対象である超音波の出力を測定する装置であり、超音波を受信する手段が複数個の水晶振動子であることを特徴とする超音波出力測定装置。
（２）複数個の該水晶振動子が一つの平面である基盤に保持され、該基盤は、測定対象の超音波が照射される超音波照射面に対して平行に配置されていることを特徴とする、（１）に記載の超音波出力測定装置。
（３）該水晶振動子を保持する基盤を備え、該水晶振動子が、超音波照射面と超音波照射面の垂直方向の三次元からなる三次元パターンで配置されていることを特徴とする、（１）に記載の超音波出力測定装置。
（４）複数個の該水晶振動子が、一つの平面である該基盤に保持され、該基盤は、測定対象の超音波が照射される超音波照射面に対して、斜めに配置されていることを特徴とする（３）に記載の超音波出力測定装置。
（５）複数の該基盤を備え、少なくとも一つの平面である該基盤が、測定対象の超音波が照射される超音波照射面に対して平行に配置されていることを特徴とする、（３）に記載の超音波出力測定装置。
（６）複数個の該基盤が、超音波照射面の垂直方向に対して、螺旋階段状で配置されていることを特徴とする、（５）に記載の超音波出力測定装置。
（７）該基盤に接続し、かつ超音波照射面の垂直方向を回転軸として該基盤を回転させる回転機構を備えた、（４）〜（６）のいずれかに記載の超音波出力測定装置。
（８）２つの該基盤を備え、一方の平面である該基盤が測定対象の超音波が照射される超音波照射面に対して平行に配置され、該基盤を底面として、もう一方の該基盤が筒状に形成されていることを特徴とする、（３）に記載の超音波出力測定装置。
（９）該水晶振動子が、該基盤に規則的に配列されていることを特徴とする、（２）〜（８）のいずれかに記載の超音波出力測定装置。
（１０）圧力測定範囲及び／又は感度が異なる二種類以上の該水晶振動子を、該基盤の超音波受信面の単位面積あたりに同数かつ交互に配列されていることを特徴とする、（２）〜（９）に記載の超音波出力測定装置。
（１１）該基盤の超音波受信面を底面及び／又は側面とする測定室を設けた、（２）〜（１０）のいずれかに記載の超音波出力測定装置。
（１２）該測定室の内部に水が保有されていることを特徴とする、（１１）に記載の超音波出力測定装置。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の実現によって、超音波照射面内の超音波強度を、精度良く、効率的に、かつ簡便に測定することが可能となる。これにより、製造後等のトランスデューサ品質をより精度よく揃えることが可能となり、高品質で信頼性の高いトランスデューサの提供が実現できる。また使用過程のトランスデューサの劣化傾向についても、より正確な把握が可能となるため、より良い品質の製品提供、並びに最適な使用が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明における超音波出力装置の超音波出力測定面は、複数個の水晶振動子を基盤に設けることで構成される。水晶振動子を複数個設けることによって、測定対象のトランスデューサの各水晶振動子に対応する箇所ごとに超音波出力強度の度合いが測定できる。
【００１６】
一般的に水晶振動子は、水晶板の両面に交流電圧を印加することで規則正しく振動する素子として知られている。この振動を利用して、電子回路での発振子などに用いられることが多く、時計、無線通信、コンピュータなど、現代のエレクトロニクスには欠かせない部品となっている。一方で水晶振動子の特性を利用して、電極に加わった質量を検出する事も知られている。具体的にはその質量に応じて振動数が変化し、ｎｇのオーダーの質量変化を検知できる技術であり、バイオセンシングなどで使われている。その他、気体の圧力を測定することも可能である。本発明では、超音波出力を測定するセンサとして、水晶振動子を用いることにより、超音波出力をｎｇオーダーで測定することができ、高精度に測定することが可能となる。なお、水晶振動子の代わりに、超音波出力を測定できる圧電素子、例えば圧電セラミックスや圧電高分子材料を本発明の形態に使用して、超音波出力を測定することも可能である。
【００１７】
以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて説明する。なお、本発明は図示の実施例に限定されるものではない。
図１は、本発明による超音波出力測定装置の二次元配列パターンについて、測定面から見た一例である。超音波出力測定装置１には直径２ｍｍ（本発明はこの数値に限定されない。）のセンシング部分を持つ水晶振動子センサ２を二次元に一定間隔で基盤３に配列している。この水晶振動子センサ２が超音波を受信する。水晶振動子センサを配列する基盤面積の大きさ、水晶振動子センサの配列密度、又は水晶振動子センサの大きさは、測定する超音波又は評価するトランスデューサの特性によって任意に選んでよい。基盤面積が広いほど、広い面積に照射する超音波の出力が測定できる。水晶振動子センサの配列密度が高いほど、より精密に超音波トランスデューサの性能や劣化を評価できる。また配列密度を上げるためには、水晶振動子センサを小さくする必要がある。本実施例では水晶振動子センサ２の中心間隔を３ｍｍとし、全体で１５ｍｍ四方に配列した。その他にも、２〜３ｍｍ四方、３０ｍｍ四方、１５ｃｍ四方、３０ｃｍ四方など、測定時の便宜を考慮して、水晶振動子の配列を設計すればよい。水晶振動子センサの基盤に対する角度を等しく配列させることにより、特定の方向から伝播する超音波を均等に検出する構造としている。水晶振動子センサの数は、複数であって、測定対象のトランスデューサによって、適当な数を配置させれば良い。例えば３個以上が挙げられる。
【００１８】
水晶振動子センサの配列例としては、基盤上に規則的に配列させる方法、例えば図１に示すように、同一平面の基盤に二次元パターンとして縦横に規則正しく配列させる方法がある。二次元配列パターンとは、超音波照射面に対して平行な一平面に水晶振動子センサを複数個配列した形態である。本発明における超音波照射面とは、測定対象であるトランスデューサが発信する超音波が照射する面をいい、トランスデューサの超音波発信面と平行な面、あるいは超音波発信方向と垂直な面をいう。二次元配列パターンとしては、正方形の配列例として、図１に示すように、基盤３の超音波受信面に直交する縦横同数の複数の直線を想定し、その交点に、水晶振動子センサ２を配置させるパターンが挙げられる。その他に、長方形や斜交座標パターン、円形、扇形の配列例などが挙げられる。長方形の配列例は、正方形の基盤と同様に、基盤の超音波受信面に、複数の水晶振動子センサを、直交する縦横異なる数の複数の直線を想定し、その交点に配置させるパターンが挙げられる（図２（ａ））。斜交座標パターンとしては、基盤の超音波受信面に、複数の水晶振動子センサを、非直角で交わる縦横複数の直線を想定し、その交点に配置させるパターンが挙げられる（図２（ｂ））。円形の配列例としては、基盤の中心から同心円上に複数の水晶振動子を等間隔に配置させるパターンが挙げられる（図２（ｃ））。扇形の配列例としては、円形の配列パターンから扇形に切り取った配列例が挙げられる（図２（ｄ））。すなわち、扇形の２つの半径が交わる点を中心とする円弧上に複数の水晶振動子を等間隔に配置させるパターンである。後述の基盤を走査する場合は、正方形や長方形の配列では縦横の走査、扇形では頂点部を中心に回転走査するのが、特定平面における超音波強度分布を測定するのには効率的である。
【００１９】
図３は、図１の超音波出力測定装置を横から見た図である。それぞれの水晶振動子センサ２には交流電圧を印加する発振回路４が接続されており、水晶振動子センサ２に交流電圧が印加される。超音波は気体中だけでなく、水中で利用される場合も多い。そのため、水中での超音波測定を考慮し、図３の超音波出力測定装置１では、水晶振動子センサ２、基盤３、及び発振回路４を、水晶振動子センサ２の超音波受信面は剥き出しにして、カバー５で覆っている。カバー５は内部に水が浸入しないように防水加工されていることが好ましい。発振回路４の駆動電源は、電源供給ケーブル６を通して供給される。また、水晶振動子センサ２の振動は信号ケーブル７を通して伝達され、検出手段８と接続することができる。但し、信号ケーブル７は配列する水晶振動子センサ２の振動周波数を得るため、配列する水晶振動子センサ２と同数の信号線を有したケーブルを用いる必要がある。
【００２０】
基盤３は、水晶振動子センサ２を固定し、各測定面の土台となる。基盤３は、金属、非金属を問わず、水晶振動子センサ２を固定できる材料であれば良い。基盤の変形によって、水晶振動子センサ２の配列位置が変更すると正確な測定が妨げられる可能性があるため、基盤には変形しにくい材質や加工を施すことが好ましい。また、基盤は、後述する多様な形態を実現するために、加工が容易な材料が好ましく、例としてプラスティックやアルミなどが挙げられる。さらに、基盤３の超音波受信面を、超音波を吸収する素材、例えばゴムやスポンジなどで構成すれば、超音波の不要な反射を防ぐことができる。
【００２１】
内部の発振回路４は電子回路で容易に構築できる。発振回路４は水晶振動子センサ２の共振周波数の交流電圧を印加する回路であればよい。そのため、すべて同じ共振周波数の水晶振動子センサ２を用いる場合は、発振回路４は１つ用いればよい（図４）。図４の実施形態のように、発振回路４を１つにすれば電子回路の構造が簡易化できる。
【００２２】
しかしながら、水晶振動子センサ２の共振周波数が異なる複数種類の水晶振動子センサ２を用いる場合は、少なくとも使用する共振周波数の種類と同数の発振回路４が必要となる。水晶振動子センサ２には検出できる圧力範囲又は感度があり、共振周波数やセンサの加工方法などに影響される。圧力範囲は圧力の強さの範囲であり、感度は圧力の測定オーダー（測定の精細さ）を示す。検出できる圧力範囲又は感度が異なる複数種類の水晶振動子センサ２を設けることにより様々な超音波出力範囲、つまり圧力範囲又は感度に対応可能となる。例として図１１に２種類の水晶振動子センサ２，２３を用いた形態を示す。水晶振動子センサ２の他に、圧力に対する受信特性の異なる水晶振動子センサ２３を用いることで、測定できる超音波出力範囲又は感度を広くすることを可能としている。このとき、基盤３に対する水晶振動子センサの配置は、図１１に示すように２種類の水晶振動子センサが、基盤３上の単位面積あたりに同数かつ同様の配置で交互に組み込まれることが好ましい。この形態により、２種類の水晶振動子センサのいずれかで圧力分布を測定した場合でも、同様の超音波強度分布特性を得ることができる。更に、受信感度の異なる２種類の水晶振動子センサを用いることにより、１種類のセンサを用いるよりも高感度に広い範囲の圧力を測定することが可能である。
【００２３】
カバー５は金属、非金属を問わず、内部の発振回路４への浸水を防ぐ機構が好ましい。金属を用いる場合は、軽く、加工が容易なアルミに水中測定に耐える防錆コーティング処理を行うことが好ましい。非金属を用いる場合は、ゴムやプラスティック等の加工が容易なものが好ましい。電源供給ケーブル６や信号ケーブル７等のケーブル類が回路部分から外へ出る部分は浸水の可能性が高くなるため、二重防水機構やＯリングなどを用いた浸水を防ぐシーリングが必要である。電源供給ケーブル６は外部電源を利用することができる他、充電可能な内部電源（図示せず）を用いる場合は充電池を用いることもできる。信号ケーブル７はオシロスコープや周波数カウンタ等の測定機器に接続する他、マイコンと周辺電子回路を用いて製作することができる検出手段８に接続する。信号ケーブル７を通してオシロスコープ、周波数カウンタ、又は検出手段８によって周波数解析を行うことで周波数変化を検出することができ、それぞれの水晶振動子センサ２が受信した超音波による圧力を検出することができる。
【００２４】
水晶振動子を発振させた状態の超音波測定装置１の測定面に対して、超音波トランスデューサから超音波を照射することで、超音波出力を測定することができる。図５に信号ケーブル７を通して水晶振動子センサ２から得た信号例を示す。この信号は配列された水晶振動子センサ２の一つから得た信号である。信号の時間幅９から周波数を算出することができる。この周波数は、水晶振動子センサ２の共振周波数である。この時間幅９は、超音波の圧力が水晶振動子に加わることで変化する。時間幅の変化により、算出される周波数も変化する。周波数の比較、もしくは単位時間の波数をカウントすることにより水晶振動子に加わった圧力の大きさを算出することができる。
【００２５】
図１、図３及び図４に示した超音波測定装置は一度に複数点の圧力変化を測定する方法であり、配列した水晶振動子センサ２から、一度に複数個の、図５に示す時間幅９を得ることができる。この時間幅９は超音波を受信することにより、受信後時間幅２２になる。このとき時間幅の変化量を直接検出する、もしくは周波数情報や波数情報に変換処置を行って検出することで、それぞれの水晶振動子センサ２が検出した受信超音波の強度を測定することができる。この情報から強度分布が得られ、またそれぞれの測定値を元に、時間平均またはそのピークや、空間平均またはそのピークを求めることができる。超音波機器の出力の表示形態には、超音波の強度分布の他に、時間平均またはそのピークと空間平均またはそのピークを組み合わせた表示形式があり、超音波の分布と強度を得ることで、上記平均もしくはピークから示されるパターンすべての形式（つまり空間ピークと時間ピーク、空間ピークと時間平均、空間平均と時間ピーク、空間平均と時間平均の４パターン）で測定結果を表示することが可能となる。
【００２６】
超音波の測定面積が基盤３の面積より小さければ、一度に強度とその分布を測定することができる。測定面積が基盤面積より大きい場合は、超音波測定装置１を手動で平行移動又は回転させる他に、超音波測定装置１にモータ等による平行移動機構や回転機構（共に図示せず）を接続し、平行に走査、もしくは回転することで測定が可能となる。この場合も、一定面積を同時に測定できるため、従来のハイドロフォンを用いるよりも、短時間での測定が可能となる。照射された超音波の伝搬距離による分布の変化を把握するためには、トランスデューサと超音波測定装置１の基盤３との距離を変化させれば良い。
【００２７】
二次元パターン以外の配列方法として、三次元パターンがある。三次元パターンとは、超音波照射面と超音波照射面の垂直方向からなる三次元のパターン、具体的には、超音波照射面に対して平行な一平面のみでなく、垂直な奥行き方向の距離（つまり超音波の伝搬距離）が異なる位置にも水晶振動子センサを配列した形態である。水晶振動子を三次元パターンに配列させるには、測定対象の超音波照射方向に対して、一つあるいは複数の基盤を適当な位置に配置させる方法が挙げられる。水晶振動子の基盤上の配置方法は、上述の二次元パターン配列で説明したように、複数の水晶振動子を規則的に配列させる方法、例えば正方形、長方形、斜交座標パターン、円形、扇形等の配列例が好ましい。
【００２８】
図９及び図１０に一例として螺旋階段状に水晶振動子センサを配列した形態を示す。この形態では、中心軸２８に接続された回転機構（図示せず）により、回転させ、回転の都度、超音波を測定することによって、伝搬距離に応じた超音波出力（奥行き方向の特性）を効率的に測定することができる。また、この形態を用いる場合、基盤の面積を小さくし、段数を増やすことにより、一度により多くの距離条件での超音波強度分布を得ることができる。また、各段の距離を調節することにより、意図する超音波伝搬距離における超音波の強度分布を選択的、効率的に検出することができる。
【００２９】
この他にも図１に示した二次元パターン配列を用いて三次元パターンの特性を持たせることもできる。実現する一つの手法として、超音波測定装置１を垂直方向（超音波の伝搬距離が変化する方向）へ手動または平行移動機構を付属させ、超音波の伝搬距離を変化させることで実現することができる。その他には、超音波照射方向に対して垂直ではなく、斜めに傾けて回転軸２８に接続し、回転軸２８を回転機構で回転させて測定を行うことで実現できる（図１５及び図１６）。このとき、水晶振動子センサ２の向きを超音波が照射される方向に調整することで、測定する超音波出力を効率的に測定することができる。この形態では、水晶振動子センサ２の配列を基盤３を斜面とする高さ方向（超音波の伝搬距離が変化する方向）での間隔を狭くする、もしくは、基盤３の傾ける角度を急に（つまり回転軸２８に対して平行に近づける）することで、より正確な測定が可能となる。この他に長方形や円形、扇形などでも、傾けて配置や回転機構による回転、または平行移動機構による平行移動を用いることにより、二次元パターンを利用して三次元パターンの特性を持たせることが可能である（図示せず）。
【００３０】
図６に検出機能内蔵型超音波測定装置１０を示す。本形態例では水晶振動子の周波数を検出する検出手段８、検出した周波数を記録する記録手段１１、検出した周波数を表示する表示部１２、及び検出手段８、記録手段１１、表示部１２を制御するコントローラ１３を内蔵することにより、測定者は電源供給ケーブル６を用いて電力を装置に供給するだけで測定が可能となる。記録手段１１は半導体メモリを使うことで構築できる。測定した結果は信号ケーブル７を接続することで任意に取り出すことが可能である。また、信号ケーブル７の代わりにフラッシュメモリ等の外部に取り外し可能なメディアを用いることもできる（図示せず）。表示部は検出結果を示し、ＬＣＤを用いることで数値的な表示以外に、簡単な分布図を示すこともできる。また、記録手段１１に予め対象トランスデューサの超音波の強度分布や平均値、またはピーク値等を記録させ、コントローラ１３に、受信した超音波の信号を記録手段１１に記録された信号と判別を行うプログラムを内蔵することにより、装置の内部で一定範囲、例えば１０％の誤差範囲内に該当するか否かで、トランスデューサの特性を判別することも可能である。
【００３１】
図７にワイヤレス通信型超音波測定装置１５を示す。ワイヤレス通信端子１４を用いることにより、ケーブル無しによるデータ取得も実現できる。但し、検出手段８にもワイヤレス通信端子１４を接続する必要がある。図７では電源供給ケーブル６を用いているが、内蔵電源を用いた形態であれば、充電時のみに電源供給ケーブル６を用いたり、完全にワイヤレスにしたりすることもできる（図示せず）。
【００３２】
図１２に筒状に水晶振動子センサ２を配列した形態を示す。この形態では基盤３以外の側面基盤２４にも水晶振動子センサ２を設置している。これにより、側面でも超音波出力を検出することができる。超音波は１００ｋＨｚ以上の周波数を用いると指向性を有し、５００ｋＨｚ以上になると直進する。図１３に超音波が照射されたときのメインローブ２６とサイドローブ２７の可視化イメージを示す。超音波トランスデューサの正面に出る最も強い部分はメインローブと呼ばれ、一般的に使われている領域である。また、メインローブの外側にはサイドローブを呼ばれる出力の弱い超音波がある。サイドローブは超音波探傷装置や医療用画像診断装置ではノイズ成分として処理されている。医療用超音波治療器ではメインローブを治療に用いている。つまり、サイドローブの出現が少ないトランスデューサを用いることで精度の高い計測や効率的な治療が可能となるため、トランスデューサにおけるこの特性を正確に把握することが重要である。また、図１４のような基盤３と側面基盤２４に水晶振動子センサ２を配置させた筒を扇型に切り出した形態にセンサを配列し、測定時は回転軸２８を中心に回転機構を用いて回転させることにより、図１２の形態と同じ測定を行うことができる。この形態を用いた場合は、水晶振動子センサ２が少ない数で実現可能となる。
【００３３】
図８に示す測定室一体型超音波測定装置１６を用いることで、トランスデューサ使用現場にて、製品の状態を調べることが可能である。本実施例で示す測定室一体型超音波測定装置１６は、超音波を受信する水晶振動子センサ２、水晶振動子センサ２を配列している基盤３、発振回路４、検出回路８、記録手段１１、表示部１２、電源供給手段１７、コントローラ１３、これらを覆うカバー５、測定室１８、超音波吸収体１９、トランスデューサ固定手段２０、及び超音波伝播物質２１で構成される。測定室一体型超音波測定装置１６は、測定対象のトランスデューサをトランスデューサ固定手段２１に固定し、トランスデューサから照射された超音波を水晶振動子センサ２で受信する。受信した信号は検出回路８で検出し、記録手段１１に記録される。その結果は表示部１２に示される。また、記録手段１１に予め対象トランスデューサの超音波の強度分布や平均値、またはピーク値等を記録させ、コントローラ１３に記録された信号との判別を行うプログラムを内蔵することにより、装置の内部で、受信した超音波の信号と記録した信号との差が一定範囲、例えば１０％の誤差範囲内に該当するか否かで、トランスデューサの特性を判別することも可能である。
【００３４】
測定室一体型超音波測定装置１６で、カバー５は空気中を伝搬する超音波の使用に限定する場合、防水加工は必要なく、使用者が内部の電子回路への接触を防止するためのカバーとして、ゴムやプラスティックなどで覆っても良い。基盤３は金属、非金属を問わず、水晶振動子センサ２を固定できる材料であれば良い。前述と同様、基盤３は加工が容易なプラスティックやアルミが好ましい。発振回路４、検出回路８、コントローラ１３はマイコン及び周辺回路で構成することができる。記録手段１１は半導体メモリを用いることで容易に実現できる。表示部はＬＣＤ等を用いることで数値的、あるいは視覚的に測定結果を表示できる。電源供給手段１７はバッテリーを用いることで実現できる。充電可能な材料を用いれば、低コスト化を図ることができる。その他、外部電源を用いる形態も挙げられる（図示せず）。測定室１８は、測定室の外部の条件により、測定室の内部で測定する超音波に影響を及ぼさないよう、トランスデューサを接続する箇所以外は密閉することが好ましい。測定室１８の材質は、金属を用いる場合は、軽くて、加工が比較的容易なアルミ、ステンレス等を用いることが好ましい。非金属を用いる場合は、プラスティック等を用いてもよい。超音波吸収体１９は超音波の測定時に、側面で反射された信号を水晶振動子が受信しないように、側面に照射された超音波を吸収するために測定室１８の側面に設置されている。超音波吸収体１９は超音波を吸収しやすいゴムやスポンジ等を用いるのが好ましい。また、前述のサイドローブを測定する場合には、超音波吸収体１９の代わりに測定室１８の側面を、水晶振動子センサ２を配列した側面基盤２４で構成しても良い。トランスデューサ固定手段２０は測定室１８の上面に設けられ、測定対象であるトランスデューサを固定する。トランスデューサが固定される箇所以外はトランスデューサ固定手段２０により、密閉された状態が作られる。このため、トランスデューサ固定手段２０は測定対象の大きさによって対応可能なように取替え、もしくは大きさが可変できることが好ましい。取り替えるのであれば、軽くて加工が容易な素材を用いることが好ましく、アルミ、ステンレス、プラスティック等が挙げられる。固定の大きさを変えるのであれば伸縮可能なゴム、もしくはスライド機構等が挙げられる。スライド機構を採用する場合は、前述の軽くて加工が容易な素材を用いることが好ましい。また、測定室１８の内部に存在する超音波伝播物質２１は水中用の超音波を測定する場合には水を、より好ましくは脱気水を用い、空気用超音波の測定をする場合は空気を伝播物質とするので、そのまま空気中で用いればよい。
【００３５】
トランスデューサの故障が発生した場合、トランスデューサの性能を確認するためにメーカなどに送り、性能確認作業を依頼する必要がある。それにはコストが掛かる他、流通などの時間がかかる。本発明による測定室一体型超音波測定装置を用いることにより、使用現場等の、従来であれば性能確認試験が実行できない場所でも性能確認が容易に可能となり、時間の大幅な短縮が可能となる。また、トランスデューサの故障は外観からは予想できないことが多く、トランスデューサを使用して初めて異常に気づく場合がある。そのため、異常を検出する機能がついていない装置を用いてトランスデューサを使用している場合は、使用中のトランスデューサの異常に気がつかない場合がある。本装置の測定時間は非常に短時間であることから、トランスデューサ使用毎に測定を行うことも容易であり、常にトランスデューサの性能を確認した上での装置使用に貢献することができるため、信頼度の高い試験、治療を提供することが可能となる。
【００３６】
本発明の測定装置又は測定方法は、トランスデューサから照射される超音波の特性、すなわち、超音波の照射面積、伝搬距離による変化、広がり、強度分布等を簡便に精度良く測定することができる。この装置又は方法を使用することにより、高品質で信頼性の高いトランスデューサが提供できるので、工業検査用のトランスデューサについては、より信頼性の高いデータを取得が可能となり、医療用トランスデューサについては、より最適な治療や診断、更には安全性の高い治療や診断が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】超音波測定装置の測定面の正面図である。
【図２】測定面の水晶振動子の２次元パターン配列の他の形態を示した正面図である。
【図３】図１の超音波測定装置の側面図である。
【図４】１つの発振回路を用いた超音波測定装置の側面図である。
【図５】水晶振動子センサより得られる信号例である。
【図６】検出機能を内蔵した超音波測定装置の概略図である。
【図７】ワイヤレス通信端子を備えた超音波測定装置である。
【図８】測定室一体型の超音波測定装置である。
【図９】超音波測定装置の異なる形態の測定面の正面図である。
【図１０】図９の超音波測定装置の異なる形態の測定面の斜め上方から見た側面図である。
【図１１】異なる特性の水晶振動子センサを用いた超音波測定装置の測定面の正面図である。
【図１２】超音波測定装置の別の異なる形態の測定面の斜め上方から見た側面図である。
【図１３】超音波トランスデューサから照射される超音波のイメージ図である。
【図１４】超音波測定装置の更に異なる形態の測定面の斜め上方から見た側面図である。
【図１５】超音波測定装置のまた更に異なる形態の測定面の概略図である。
【図１６】図１５の超音波測定装置のまた更に異なる形態の測定面の側面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１．    超音波測定装置
２．    水晶振動子センサ
３．    基盤
４．    発振回路
５．    カバー
６．    電源供給ケーブル
７．    信号ケーブル
８．    検出手段
９．    時間幅
１０．  検出機能内蔵型超音波測定装置
１１．  記録手段
１２．  表示部
１３．  コントローラ
１４．  ワイヤレス通信端子
１５．  ワイヤレス通信型超音波測定装置
１６．  測定室一体型超音波測定装置
１７．  電源供給手段
１８．  測定室
１９．  超音波吸収体
２０．  トランスデューサ固定手段
２１．  超音波伝播物質
２２．  受信後時間幅
２３．  受信特性の異なる水晶振動子センサ
２４．  側面基盤
２５．  超音波トランスデューサ
２６．  メインローブ
２７．  サイドローブ
２８．  回転軸
【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１１】
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【図１２】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１０】
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【図１３】
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