JP6179343B2

JP6179343B2 - 超音波プローブ

Info

Publication number: JP6179343B2
Application number: JP2013220612A
Authority: JP
Inventors: 平山　紀友; 紀友平山; 木代　雅巳; 雅巳木代
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2013-10-23
Filing date: 2013-10-23
Publication date: 2017-08-16
Anticipated expiration: 2033-10-23
Also published as: JP2015081868A

Description

この発明は、超音波信号のノイズ成分を低減することができる超音波プローブに関する。

超音波は、通常、１６０００Ｈｚ以上の音波をいい、超音波を送受信する超音波プローブを用いて非破壊、無害および略リアルタイムでその内部を調べることが可能なことから、欠陥の検査や疾患の診断等の様々な分野に応用されている。被検体内を超音波で走査し、被検体内から来た超音波の反射波（エコー）から生成した受信信号に基づいて当該被検体内の内部状態を画像化する超音波診断装置へも応用されている。

また、産業用途では、超音波プローブを用いて、配管外側から超音波を入射させて、配管内部の状態を把握する非破壊検査が可能なことから、超音波流量計や超音波厚さ計などに多く利用されている。なお、一般的な超音波プローブの構成は、例えば特許文献１に記載され、残液検知装置に適用している。

特開２０１２−２５１８３６号公報

従来の超音波プローブを用いて厚さ、水位、温度、流量などを精度よく計測しようとする場合、超音波探触子から出射した超音波のうち、信号成分となる信号成分だけを取り出し、配管内を伝播するノイズ成分である超音波の信号を低減する必要がある。しかし、この信号成分とノイズ成分とは同じ周波数であるため、ノイズ成分を電気的に取り除くことは容易ではない。

この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、超音波信号のノイズ成分を低減することができる超音波プローブを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明にかかる超音波プローブは、超音波を入出射する超音波振動子と、配管材質と音響インピーダンスが近く超音波の伝播密度を向上させる超音波伝播部と、前記超音波伝播部と前記超音波振動子とを接続させる整合層とを有した超音波探触子と、前記超音波伝播部の外周に設けた超音波減衰部と、を備えたことを特徴とする。

また、この発明にかかる超音波プローブは、上記の発明において、前記超音波伝播部は、前記整合層側の断面積が配管側に向けて断面積が小さくなるテーパ部を有することを特徴とする。

また、この発明にかかる超音波プローブは、上記の発明において、前記テーパ部は、円錐形状であることを特徴とする。

また、この発明にかかる超音波プローブは、上記の発明において、前記超音波減衰部の下端平面は、前記超音波伝播部の下端平面と同一平面を形成することを特徴とする。

また、この発明にかかる超音波プローブは、上記の発明において、前記超音波伝播部の周囲であって、配管外壁面上に超音波吸収体を設けたことを特徴とする。

また、この発明にかかる超音波プローブは、上記の発明において、前記超音波探触子と前記超音波減衰部とは一体構成されることを特徴とする。

また、この発明にかかる超音波プローブは、上記の発明において、前記超音波探触子と前記超音波減衰部とを覆うカバーを設けたことを特徴とする。

この発明によれば、音波を入出射する超音波振動子と、配管材質と音響インピーダンスが近く超音波伝播部が超音波の伝播密度を向上させて超音波の信号成分の透過性を向上するとともに、超音波伝播部の外周に設けた超音波減衰部によってノイズ成分を減衰させるようにしているので、所望の信号成分の密度を高めて出射しするとともに、ノイズ成分を低減するようにしているので、超音波信号のＳ／Ｎを高めることができ、超音波計測の精度を向上させることができる。

図１は、この発明の実施の形態である超音波プローブの構成を示す断面図である。図２は、テーパ部近傍の超音波の状態を説明する説明図である。図３は、配管まで透過した超音波の信号成分の伝播とノイズ成分の伝播とを説明する説明図である。図４は、この発明の実施の形態である超音波プローブの変形例の構成を示す断面図である。

以下、添付図面を参照してこの発明を実施するための形態について説明する。

図１は、この発明の実施の形態である超音波プローブの構成を示す断面図である。この超音波プローブ１０は、配管７の配管外壁に配置されている。図１に示すように、超音波プローブ１０は、配管外壁側から超音波伝播部４、整合層３、超音波振動子１が順次接続される。超音波伝播部４、整合層３、超音波振動子１は、超音波探触子１０ａを形成する。

超音波振動子１は、ＰＺＴなどの圧電材料で構成され、上下両面に電圧を印加して超音波を発生させるためのリード線２が接続されている。超音波振動子１は、両面にアルミなどを蒸着等で電極が構成されており、この電極とリード線２とを半田や金属ペーストなどで、電圧が印加されるようにそれぞれ接続される。

超音波伝播部４の配管外壁に垂直な方向の中間には、テーパ部１４が設けられている。このテーパ部１４は、整合層３側の断面積Ｓα（図２参照）が配管７側に向けて断面積が小さくなるように形成され、最終的に断面積Ｓβ（図２参照）となる。テーパ部１４は、好ましくは円錐形状である。なお、超音波振動子１及び整合層３は円盤状をなし、超音波伝播部４の横断面形状は円形であり、テーパ部１４の上部４ａ（図２参照）及び下部４ｂ（図２参照）は円筒状をなしている。

なお、超音波伝播部４は、超音波振動子１から発生した超音波を、配管７に伝えるためものであり、アクリル、ポリ塩化ビニルなどの樹脂材料あるいは、配管材質に近い金属などによって形成される。

超音波伝播部４と超音波振動子１との間には整合層３が配置される。この整合層３は、例えば、配管材料が樹脂で配管内部の液体流量や水位、水温を計測する場合、配管からの配管内の液体への超音波の透過率及び反射率が高いため、超音波伝播部４は樹脂材料を選択し、整合層３も樹脂材料が選択される。また、配管材料が金属で配管内部の液体流量や水位、水温を計測する場合、配管からの配管内の液体への超音波の透過率及び反射率は配管が樹脂材料に対して低いため、超音波伝播部４は金属材料を選択し、整合層３は超音波振動子１と超音波伝播部４の音響インピーダンスが中間となるような材料を選択する。

超音波減衰部５は、テーパ部１４及びテーパ部１４の下部の周囲を覆うとともに、超音波減衰部５の下端平面は、超音波伝播部４の下端平面と同一平面を形成して、配管外壁に密着する。超音波減衰部５は、超音波を減衰させる超音波吸収体で形成される。超音波探触子１０ａと超音波減衰部５とは一体構成される。

超音波減衰部５は、例えばタングステンゴムなどで形成され、伸縮性があり、音響インピーダンスが高く、内部に入射した超音波を減衰することができる材料で構成される。

カバー６は、超音波探触子１０ａと超音波減衰部５とをキャップ状に覆う。

つぎに、図２を参照して、配管７内が液体であって金属配管内部の液体温度を計測する場合におけるテーパ部１４近傍の超音波の状態について説明する。この計測の場合、超音波伝播部４は、樹脂材料であり、具体的にはＰＰＳである。また、整合層３はエポキシ樹脂板である。

超音波振動子１から出射した超音波は、整合層３と超音波伝播部４とを透過し、配管７に伝播される。超音波伝播部４には、上述したようにテーパ部１４が設けられる。テーパ部１４は、信号成分となる超音波の密度を高めるために円錐状の形状をしている部分である斜面１４ａにおいて、超音波信号Ｓは、反射する信号成分Ｓａと超音波減衰部５に屈折して入射するノイズ成分Ｓｂとに分かれる。なお、この超音波信号Ｓの伝播の状態は、音響インピーダンスによる透過率と反射角度とによって決定される。

超音波減衰部５に伝播したノイズ成分Ｓｂは、超音波減衰部５内で減衰していく。一方、反射した信号成分Ｓａは、配管７側に向かう。配管７まで透過した超音波は、図３に示すように液体へ透過する信号成分としての超音波と配管７の肉厚内を伝播するノイズ成分Ｓｃとに分離する。液体内へ伝播した超音波は、対応する反対側の配管内壁７ｂで反射し、超音波伝播部４を通過して超音波振動子１に到達する。

超音波の送信から受信までの伝播時間は、液体の音速が温度によって変わるため、液体温度により、音波の受信時間が異なる。この時間差の違いを検出して液体の温度が計測される。この時間差の検出性能が、温度の計測精度となるが、信号成分以外に、配管を伝播する超音波が受信信号に重畳するため計測精度が低下する。

金属配管内を伝播する超音波の音速は約６０００ｍ／ｓであり、液体の音速１５００ｍ／ｓに比較して、非常に速い。つまり、液体内部を透過する超音波が反射して受信するまでに、配管内を伝播する超音波は、配管内で多重反射して、超音波減衰部５の下部接触部分に数回通過する。すなわち、反射するたびに、配管７の肉厚内を伝播するノイズ成分Ｓｃは、超音波減衰部５の下面から超音波減衰部５に入射し、超音波減衰部５内で減衰される。

なお、超音波プローブ１０の配管７への設置は、カバー６の上部からの加圧によって行われる。この際、超音波伝播部４と配管外壁との接触面積が小さいほど、密着性が向上し、超音波の伝播強度が向上する。また、配管７の配管外壁は曲面であるため、不要に大きくても密着性は向上しない。この加圧の際、超音波伝播部４はテーパ部１４を有した円錐状の形状によって接圧を向上させ、超音波を配管側に確実に伝播させるようにしている。

また、図４に示すように超音波減衰部５は、配管外壁に接しなくてもよい。この図４に示した超音波減衰部１５は、少なくともテーパ部１４の周囲を包むように形成されていればよい。そして、この場合の超音波減衰部１５は、斜面１４ａで屈折するノイズ成分Ｓｂを減衰することができる。ここで、図４に示すように、配管７の肉厚内で多重反射するノイズ成分Ｓｃを減衰するために、超音波吸収体８を超音波伝播部４の周囲であって、配管外壁の表面上に設けることが好ましい。ノイズ成分Ｓｃは、配管外壁７ａを透過し、超音波吸収体８によって減衰される。

１超音波振動子
２リード線
３整合層
４超音波伝播部
４ａ上部
４ｂ下部
５超音波減衰部
６カバー
７配管
７ａ配管外壁
７ｂ配管内壁
８超音波吸収体
１０超音波プローブ
１０ａ超音波探触子
１４テーパ部
１４ａ斜面
１５超音波減衰部
Ｓａ信号成分
Ｓｂ，Ｓｃノイズ成分
Ｓα，Ｓβ 断面積

Claims

超音波を入出射する超音波振動子と、配管材質と音響インピーダンスが近く超音波の伝播密度を向上させる超音波伝播部と、前記超音波伝播部と前記超音波振動子とを接続させる整合層とを有した超音波探触子と、
前記超音波伝播部の外周に設けた超音波減衰部と、
を備え、
前記超音波伝播部は、前記整合層側の断面積が配管側に向けて断面積が小さくなるテーパ部を有し、前記テーパ部に接続される前記配管側下部を筒形状にしたことを特徴とする超音波プローブ。
前記テーパ部は、円錐形状であり、前記テーパ部に接続される前記配管側下部は円筒形状であることを特徴とする請求項１に記載の超音波プローブ。
前記超音波減衰部の下端平面は、前記超音波伝播部の下端平面と同一平面を形成することを特徴とする請求項１または２に記載の超音波プローブ。
前記超音波伝播部の周囲であって、配管外壁面上に超音波吸収体を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の超音波プローブ。
前記超音波探触子と前記超音波減衰部とは一体構成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の超音波プローブ。
前記超音波探触子と前記超音波減衰部とを覆うカバーを設けたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の超音波プローブ。