JPH0251148B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、非破壊検査や医療診断等に用いら
れる超音波探触子に関するものである。

従来のこの種超音波探触子は、例えば、第１図
に示すように、１ケの超音波振動子１を用い、超
音波振動子１の一方の音響放射面２上にバツキン
グ材３を設け、他方の音響放射面２上に一層ある
いは多層の音響インピーダンス変成層４を設けて
構成されている。５はリード線である。

この種の超音波探触子は、超音波振動子１をパ
ルス励振し、短パルス幅の超音波パルスを送受信
して被検材を検査する、いわゆる、短パルスを用
いたパルスエコー法による検査に用いられるばか
りでなく、雑音に強い利点を有する位相符号化パ
ルス圧縮方式を適用した検査にも用いられる。

第２図は、位相符号化パルス圧縮方式を適用し
た検査において、被検材へ送信すべき所要の送信
パルスの一例を示したものである。すなわち、第
２図に示すように所要送信パルスは、符号＋、−
からなる擬似不規則系列の＋、−に対応して搬送
波の位相を０、π変調波、いわゆる位相符号化さ
れた波形である。第２図では、擬似不規則系列と
して、長さ４のバーカ系列（＋、−、＋、＋）を用
い、バーカ系列一単位を正弦波の２周期に等しく
した場合を例示している。被検材内欠陥等からの
受信パルスは、上記の符号化に用いたものと同じ
擬似不規則系列を用いて復号され、すなわちパル
ス圧縮され、短パルスを用いた場合と同等の距離
分解能を得る。第３図は第２図の送信パルスを用
いて検査したとき、受信パルスを復号して得られ
る圧縮パルスを示している。

さて、従来のこの種の超音波探触子では、１ケ
の超音波振動子１を用いていたため、所要送信パ
ルスを得るには、超音波振動子１を第２図に示す
ような信号で励振する必要があり、このため特別
の符号器を必要とする欠点があつた。

また、受信パルスを復号するための復号器を必
要とする欠点があつた。

この発明は、複数個の超音波振動子１を遅延材
６をはさんで積重ね、各超音波振動子１に加わる
電界方向と分極方向とが不規則となるようにして
超音波探触子を構成することにより、上述した欠
点を除去したものであり、以下実施例を用いて詳
細に説明する。

第４図は、この発明に係る超音波探触子の一実
施例を示したものであり、４ケの超音波パルス１
を遅延材６をはさんで積重ねて構成している。図
中、黒矢印は超音波振動子１の分極方向を示して
いる。図に示すように、分極方向は、全ての超音
波振動子１ともに図中下側を向いている。各超音
波振動子１からのリード線５は、各超音波振動子
１の印加電界方向が第２図で用いた長さ４のバー
カ系列（＋、−、＋、＋）に対応するように結線し
ている。すなわち、図中、白矢印で上記電界方向
を示すが、この矢印の方向は、図中下から上側の
超音波振動子１に向かつて見ると、下側、上側、
下側、上側を向いている。下側に向かう電界方向
に符号＋を対応させ、上側に向かう電界方向に符
号−を対応させると、電界方向は、図中、下から
上側の超音波振動子１に向かつて、擬似不規則系
列である長さ４のバーカ系列（＋、−、＋、＋）に
対応してならんでいる。すなわち、電界方向と分
極方向とは、超音波振動子１ごとに、同一方向を
向いているものもあるし、逆方向を向いているも
のもあり、不規則になつている。遅延材６の厚さ
は、４ケの超音波振動子１を同時に励振したと
き、各超音波振動子１により励振される超音波パ
ルスの主要な振動部分が互いに重なり合い干渉し
合わないように選定する。３，４はそれぞれ従来
と同様のバツキング材、音響インピーダンス変成
層である。

さて、第４図に示す超音波探触子をパルス励振
あるいはトーンバースト波励振すれば、各超音波
振動子１に印加される電界方向は、被検材側から
バツキング材３側に向つて（＋、−、＋、＋）の極
性となるようにしており、かつ、遅延材６の厚さ
を各超音波振動子１より励振された超音波パルス
が互いに干渉し合わないように選定しているた
め、位相符号化された第２図に示したような所要
送信パルスを実現できる。これについて、以下も
う少し、詳しく説明する。

超音波探触子を、パルス励振しているので、４
つの超音波振動子１からはそれぞれパルス幅の短
い超音波パルスが発生する。各超音波振動子１か
ら発生されるこれら４つの超音波パルスの位相関
係について考えてみる。説明のため、図中、下か
ら上に向かつて超音波振動子１に通し番号をつ
け、第１、第２、第３、および、第４の超音波振
動子１と呼ぶことにする。さらに、説明のため、
第１、第２、第３、および、第４の超音波振動子
１から発生される超音波パルスにも通し番号をつ
け、それぞれ、第１、第２、第３、および、第４
の超音波パルスと呼ぶことにする。第１、第３、
および、第４の超音波振動子１では、分極方向と
電界方向とは、第４図に示すように、一致してい
る。したがつて、これらの３つの超音波振動子１
から発生される第１、第３、および、第４の超音
波パルスは同相となる。一方、第２の超音波振動
子１では、分極方向と電界方向とは、第４図に示
すように、逆になつている。したがつて、この第
２の超音波振動子１から発生される第２の超音波
パルスは、第１、第３、および、第４の超音波パ
ルスとは逆相となる。

このような位相関係をもつた４つの超音波パル
スが、４つの超音波振動子１から同時に発生され
被検材へ送信されるが、被検材内のある１点（観
測点）において超音波探触子全体としてどの様な
超音波パルスが送信されて来たか観測したとす
る。第１の超音波振動子１が被検材に最も近い距
離にあるので、第１の超音波振動子１から発生さ
れた第１の超音波パルスが最も早く観測点に到達
する。次に、第２、第３、第４の超音波振動子１
の順番に遅延材６を介して距離が遠くなつている
から、第２、第３、第４の超音波パルスの順番に
したがつて遅れて観測点に到達して来る。

いま、例えば、第１、第２、第３、および、第
４の超音波パルスの振動継続時間が、それぞれ、
２サイクルであるとする。さらに、上下方向に隣
り合う超音波振動子１の中心間距離を超音波が伝
搬するのに要する時間が、２サイクル分に相当す
る時間となるように遅延材６の厚さを設定したと
する。このとき、観測点に到達してくる超音波パ
ルスを全体としてみれば、第２図に示したように
なる。第２図において、初めの２サイクル分が第
１の超音波パルス、次の２サイクル分が第２の超
音波パルス、さらに次の２サイクル分が第３の超
音波パルス、最後の２サイクル分が第４の超音波
パルスにそれぞれ対応している。第２の超音波パ
ルスに対応する２サイクル分は、第１、第３、お
よび、第４の超音波パルスに対応する３つの２サ
イクル分と比べて位相が180度反転している。す
なわち、第４図に示した超音波探触子は、擬似不
規則系列である長さ４のバーカ系列の符号の並び
にしたがつて、第２図に示すような不規側に位相
変換された超音波信号を発生する効果・機能を有
している。

すなわち、この発明に係る超音波探触子では、
従来のように特別の符号器を必要とせず、位相符
号化された送信パルスを実現できる利点がある。

なお、第４図において、分極方向は４つの超音
波振動子１ともに図中上側を向いていても、この
発明の本質的な目的および効果は変わりはない。
超音波振動子１の分極方向が全て図中上側を向い
ている場合には、第２図に示す信号の位相が全体
として180度反転した信号が発生されることにな
る。しかし、超音波探触子では、全体としての
180度の位相の反転は問題としない場合が多いの
で、本質的には、この場合も上述と同じ目的・効
果をもつているものと考えて差支えない。

また、遅延材６の厚さは、上下方向に隣り合う
超音波振動子１の中心間距離を超音波が伝搬する
のに要する時間が、各超音波振動子１から発生さ
れる超音波パルスの振動継続時間に一致するよう
に選んでおく必要は必ずしもない。各超音波振動
子１から発生される超音波パルスの主要な振動部
分が互いに重なり合わないように選べば十分であ
る。

第５図は、この発明に係る超音波探触子の他の
実施例を示したものである。以下、第５図を用い
て受信パルスを、従来のように特別の復号器を用
いることなく、復号できることを説明する。以下
第４図の超音波探触子で送信し、第５図の超音波
探触子で受信するものとする。第５図に示す超音
波探触子は、第４図と同じ４枚の超音波振動子１
と遅延材６とを積重ねて構成している。遅延材６
の厚さは第４図の場合と同様に選定している。

３，４はそれぞれ第３図と同様のバツキング
材、音響インピーダンス変成層である。

しかし、第５図に示す超音波探触子では、第４
図と異なり、各超音波振動子１の電界方向が、第
４図で用いたバーカ系列（＋、−、＋、＋）の時間
順序を逆にした系列、すなわち、（＋、＋、−、＋）
に対応するように結線している。５はリード線で
ある。

すなわち、第５図において、黒い実線の矢印が
分極方向を示し、白い実線の矢印が電界方向を示
している。分極方向は、４つの超音波振動子１と
もに図中下側を向いている。以下この場合につい
て説明するが、分極方向は４つの超音波振動子１
ともに図中上側を向いていても、全体としての
180度の位相の反転を問題としない場合には、本
質的には、この場合も上述の場合と同じ目的・効
果をもつているもの考えて差支えない。

一方、電界方向は、第５図中、下から上側の超
音波振動子１に向かつて見ると、下側、下側、上
側、下側を向いている。下側に向かう電界方向は
符号＋を対応させ、上側に向かう電界方向に符号
−を対応させると、電界方向は、図中、下から上
側の超音波振動子１に向かつて、擬似不規則系列
である長さ４のバーカ系列（＋、＋、−、＋）に対
応して並んでいる。なお、このバーカ系列は、第
４図に係わつて用いたバーカ系列（＋、−、＋、＋）
の符号配列順序を逆転したものとなつている。

まず、第５図に示す超音波探触子に音響的パル
スを入射させたときの動作について考えてみる。
音響的パルスを入射させているので４つの超音波
振動子１からはそれぞれパルス幅の短い電気パル
スが受信される。各超音波振動子１から受信され
るこれら４つの電気パルスの位相関係について考
えてみる。説明のため、図中、下から上側に向か
つて超音波振動子１に通し番号をつけ、第１、第
２、第３、および、第４の超音波振動子１と呼ぶ
ことにする。さらに、説明のため、第１、第２、
第３、および、第４の超音波振動子１から受信さ
れる電気パルスにも通し番号をつけ、それぞれ、
第１、第２、第３、および、第４の電気パルスと
呼ぶことにする。第１、第２、および、第４の超
音波振動子１では、分極方向と電界方向とは、第
５図に示すように一致している。したがつて、こ
れらの３つの超音波振動子１から受信される第
１、第２、および、第４の電気パルスは同相とな
る。一方、第３の超音波振動子１では、分極方向
と電界方向とは、第５図に示すように逆になつて
いる。したがつて、この第３の超音波振動子から
受信される第３の電気パルスは、第１、第２、お
よび、第４の電気パルスとは逆相となる。

このような位相関係をもつた４つの電気パルス
が、４つの超音波振動子１からそれぞれ受信され
るが、超音波探触子全体としての受信信号はどう
なるのか考えてみる。第１の超音波振動子１が被
検材に最も近い距離にあるので、第１の超音波振
動子１による第１の電気パルスが最も早く受信さ
れる。次に、第２、第３、第４の超音波振動子１
の順番に遅延材６を介して距離が遠くなつている
から、第２、第３、第４の電気パルスに順番にし
たがつて遅れて受信される。これらを、時間遅れ
を考慮して時間軸上で加算したものが全体として
の受信信号となる。

いま、例えば、第１、第２、第３、および、第
４の電気パルスの振動継続時間が、それぞれ、２
サイクルであるとする。さらに、上下方向に隣り
合う超音波振動子１の中心間距離を超音波が伝搬
するのに要する時間が、２サイクル分に相当する
時間となるように遅延材６の厚さを設定したとす
る。このとき、全体として得られる受信信号を第
６図に示す。第６図において、初めの２サイクル
分が第１の電気パルス、次の２サイクル分が第２
の電気パルス、さらに次の２サイクル分が第３の
電気パルス、最後の２サイクル分が第４の電気パ
ルスにそれぞれ対応する。第３の電気パルスに対
応する２サイクル分は、第１、第２、および、第
４の電気パルスに対応する３つの２サイクル分と
比べて位相が180度反転している。なお、第６図
に示す信号は、第２図に示した信号の時間軸を逆
転して得られる信号と一致している。これは、第
５図に係わつて用いたバーカ系列（＋、＋、−、＋）
が、第４図に係わつて用いたバーカ系列（＋、−、
＋、＋）の符号配列順序を逆転したものとなつて
いることに対応している。

すなわち、第５図に示した超音波探触子は、音
響的パルスを入射させたとき擬似不規則系列であ
るバーカ系列の符号の並びにしたがつて、第６図
に示すような不規則に位相変調された電気信号を
受信する効果・機能を有している。

さて、第４図に示した超音波探触子を送信用と
して用い、第２図に示したような極性（＋、−、
＋、＋）の位相符号化パルスを送信し、第５図に
示す超音波探触子で受信した場合、受信パルスが
バツキング材３へ到達した時間では、第５図にお
ける超音波探触子は、各超音波振動子１の電界方
向をバツキング材３から被検材側へ向つて極性
（＋、−、＋、＋）となるように構成しているため、
各超音波振動子１の受信信号はすべて同相で重な
り合う。したがつて、受信信号レベルは最大とな
る。

上記時間以外では、各超音波振動子１の受信信
号の位相は不規則であるため、合成された受信信
号レベルは小さくなる。したがつて、第３図に示
すような従来と同じ圧縮パルスを得られる。すな
わち、この発明に係る超音波探触子では、従来の
ように復号器を必要とせず圧縮パルスを得られる
利点がある。

なお、以上は第４図、第５図に示す実施例の場
合について説明したが、この発明はこれに限らず
超音波振動子１の個数を多くし、他のバーカ系
列、またはＭ系列などの擬似不規則系列を用いて
同様に構成してもよい。また、各超音波振動子１
の電界方向は、各超音波振動子１の分極方向を利
用して不規側となるようにしてもよい。

例えば、電界方向を全て同一方向を向かせ分極
方向を不規則にすることによつても、第４図や第
５図に示した超音波探触子と同じ機能を有する超
音波探触子を実現できる。すなわち、電界方向と
分極方向とが、同一方向となつているか、逆方向
となつているか、この方向性を不規則になるよう
にすればよいので、第４図や第５図に示した超音
波探触子と同一の機能を有する超音波探触子の構
造は種々考えられる。

また、この発明は、被検材表面に対して斜めに
超音波を送受信する斜角形超音波探触子や、被検
材表面に沿つて超音波を送受信する表面波を用い
る超音波探触子に適用してもよい。

また、この発明に係る超音波探触子をアレイ形
超音波探触子の１素子として用いてもよい。

以上のように、この発明に係る超音波探触子で
は、複数個の超音波振動子１を遅延材６をはさん
で積重ね、各超音波振動子１の分極方向と電界方
向とが不規則となるようにして超音波探触子を構
成することにより、従来のように符号器および復
号器を必要とせず、位相符号化されたパルスを送
信でき、また受信パルスを復号できる利点があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の超音波探触子を示す図、第２
図は送信パルスを示す図、第３図は圧縮パルスを
示す図、第４図および第５図はこの発明の実施例
を説明するための図、第６図は第５図に示した実
施例の動作を説明するための図である。 図中、１は超音波振動子、２は音響放射面、３
はバツキング材、４は音響インピーダンス変成
層、５はリード線、６は遅延材である。なお、図
中、同一あるいは相当部分には同一符号を付して
示してある。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 複数個の超音波振動子を、その各超音波振動
   子の超音波パルスを所要時間遅延させる遅延材を
   はさんで積重ね、上記各超音波振動子に加わる電
   界方向と分極方向とが不規則となるようにして構
   成したことを特徴とする超音波探触子。 ２ 上記各超音波振動子において、電界方向と分
   極方向との向きが、同一方向である超音波振動子
   に符号＋を対応させ、逆方向である超音波振動子
   に符号−を対応させたとき、擬似不規則系列の符
   号の並びにしたがつて、複数個の上記超音波振動
   子を積み重ねたことを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の超音波探触子。 ３ 上記擬似不規則系列としてバーカ系列を用い
   たことを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の
   超音波探触子。 ４ 擬似不規則系列として、送信用超音波探触子
   の構成に用いた擬似不規則系列の符号の並びを逆
   転して得られる系列を用いたことを特徴とする特
   許請求の範囲第２項または第３項記載の超音波探
   触子。