(57)【要約】【課題】超音波画像の品質を維持しつつ、狭隘部に位置する観察対象を超音波で可視化することが容易にできる超音波観察装置等を提供する。【解決手段】送信用超音波単一センサ１０１Ａは、単一の圧電素子から構成され、パルス波に基づいて超音波を送信する。受信用超音波アレイセンサ１０１Ｂは、複数の圧電素子から構成され、超音波の反射波を受信する。パルサ部１０２Ａは、送信用超音波単一センサ１０１Ａにパルス波を供給する。レシーバ部１０２Ｂは、受信用超音波アレイセンサ１０１Ｂを構成する各圧電素子から供給される電気信号を受信する。増幅変換部１０２Ｄは、受信用超音波アレイセンサ１０１Ｂを構成する圧電素子毎の電気信号を増幅してデジタル信号に変換し、そのデジタル信号をシリアルに並べてシリアルデジタル信号を生成する。画像形成部１０３Ａは、シリアルデジタル信号に基づいて画像を形成する。【選択図】図３
2014235099.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一の圧電素子から構成され、パルス波に基づいて超音波を送信する送信用超音波単一センサと、
複数の圧電素子から構成され、前記超音波の反射波を受信する受信用超音波アレイセンサと、
前記送信用超音波単一センサに前記パルス波を供給するパルサ部と、
前記受信用超音波アレイセンサを構成する各圧電素子から供給される電気信号を受信するレシーバ部と、
前記レシーバ部によって受信された前記受信用超音波アレイセンサを構成する前記圧電素子毎の前記電気信号を増幅してデジタル信号に変換し、前記デジタル信号をシリアルに並べてシリアルデジタル信号を生成する増幅変換部と、
前記シリアルデジタル信号に基づいて画像を形成する画像形成部と、
を備えることを特徴とする超音波観察装置。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波観察装置であって、
前記送信用超音波単一センサの中心と前記受信用超音波アレイセンサの中心が一致するように前記送信用超音波単一センサ及び前記受信用超音波アレイセンサが配置される
ことを特徴とする超音波観察装置。
【請求項３】
請求項２に記載の超音波観察装置であって、
前記受信用超音波アレイセンサは、第１の圧電素子群及び第２の圧電素子群を備え、
前記送信用超音波単一センサは、前記第１の圧電素子群と前記第２の圧電素子群の間に配置される
ことを特徴とする超音波観察装置。
【請求項４】
請求項３に記載の超音波観察装置であって、
前記送信用超音波単一センサ及び受信用超音波アレイセンサは、鞍型面上に配置される
ことを特徴とする超音波観察装置。
【請求項５】
請求項３に記載の超音波観察装置であって、
前記受信用超音波アレイセンサは、第３の圧電素子群、第４の圧電素子群を備え、
前記送信用超音波単一センサは、前記第３の圧電素子群と前記第４の圧電素子群の間に配置される
ことを特徴とする超音波観察装置。
【請求項６】
請求項２に記載の超音波観察装置であって、
前記送信用超音波単一センサと前記受信用超音波アレイセンサは、直交するように配置された
ことを特徴とする超音波観察装置。
【請求項７】
単一の圧電素子から構成され、パルス波に基づいて超音波を送信する送信用超音波単一センサと、
複数の圧電素子から構成され、前記超音波の反射波を受信する受信用超音波アレイセンサと、
前記送信用超音波単一センサに前記パルス波を供給するパルサ部と、前記受信用超音波アレイセンサを構成する各圧電素子から供給される電気信号を受信するレシーバ部と、前記レシーバ部によって受信された前記受信用超音波アレイセンサを構成する前記圧電素子毎の前記電気信号を増幅してデジタル信号に変換し、前記デジタル信号をシリアルに並べてシリアルデジタル信号を生成する増幅変換部と、を有する送受信部と、
前記シリアルデジタル信号に基づいて画像を形成する画像形成部を有する処理部と、
前記画像を表示する表示部と、を備え、
前記超音波センサ、前記送受信部、前記表示部は第１の通信ネットワークに接続され、
前記処理部は、第２の通信ネットワークに接続され、
前記第１の通信ネットワークは、前記第２の通信ネットワークに接続される
ことを特徴とする超音波観察システム。
【請求項８】
送信用超音波単一センサにパルス波を供給する工程と、
単一の圧電素子から構成された送信用超音波単一センサを用いて、前記パルス波に基づいて超音波を送信する工程と、
複数の圧電素子から構成された受信用超音波アレイセンサを用いて、前記超音波の反射波を受信する工程と、
前記受信用超音波アレイセンサを構成する各圧電素子から供給される電気信号を受信する工程と、
前記受信用超音波アレイセンサを構成する前記圧電素子毎の前記電気信号を増幅してデジタル信号に変換し、前記デジタル信号をシリアルに並べてシリアルデジタル信号を生成する工程と、
前記シリアルデジタル信号に基づいて画像を形成する工程と、
を有することを特徴とする超音波観察方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は液体や固体中において超音波の反射波を利用した観察方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超音波観察技術は、例えば、水中の構造物等の調査、固体（鋼材など）中の非破壊検査などに適用されている。この技術は、超音波を観察対象に送信し、観察対象からの反射波に基づいて、観察対象の物理量の変化を可視化する技術の１つである。
【０００３】
例えば、水中（河川や海などの）で調査を行う場合、船や遊泳移動機構などに観察装置を取り付けて調査を行う。また、非破壊検査では、作業者が観察装置を保持して検査を行ったり、自動走査機構に観察装置を取り付けて検査を行ったりする場合もある。
【０００４】
以上のいずれの場合においても、観察装置を観察対象箇所に運搬する手段（作業者または自動装置（遊泳移動機構、自動走査機構など））が必要である。このため、観察対象が狭隘であり、観察装置の体積が大きい場合には、観察作業が制限される場合がある。
【０００５】
そこで、観察装置を小型化することが要求される。これに関して、極力小型且つ高感度の超音波検査装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１２７８７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に開示されるようなフェーズドアレイ型の超音波検査装置を用いて、狭隘部の遠隔観察をする場合、２つの方法が考えられる。第一の方法は、アレイ探触子のみを観察対象部位の近傍に接近させる方法である。この場合、アレイ探触子と送受信部を結ぶ多芯同軸ケーブルを長距離に延長する必要がある。
【０００８】
ここで、ケーブル長による信号減衰を少なくするためには、径が太く、重量の重いタイプの多芯同軸ケーブルを使用しなければならない。そうすると、観察装置の移動手段（作業者や走査機構）へ負担が大きくなる。
【０００９】
逆に、ケーブルの軽量化を優先すると、細線化が必要となる。そうすると、信号の減衰が大きくなるため、超音波受信波の良好な信号ノイズ比（ＳＮ比）を確保する妨げになる。
【００１０】
第二の方法は、アレイ探触子と送受信部の両方を観察対象近傍に接近させる方法である。送受信部を狭隘部の観察対象に近づけるためには、送受信部の小型化が必要となる。一般に、送受信部は送受信の他、遅延制御などの複雑な処理を実施するための電気回路を必要とするため小型化には限界がある。また、回路で扱うことができるアレイ探触子の圧電素子の素子数を減らすことにより小型化することはできるが、超音波画像の分解能が下がるなどのトレードオフが発生する。
【００１１】
このように、従来、超音波画像の品質を維持しつつ、狭隘部に位置する観察対象を超音波で可視化することが困難であるという問題があった。
【００１２】
本発明の目的は、超音波画像の品質を維持しつつ、狭隘部に位置する観察対象を超音波で可視化することが容易にできる超音波観察装置、超音波観察装置システム及び超音波観察方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明は、パルス波を生成するパルサ部と、単一の圧電素子から構成され、前記パルス波に基づいて超音波を送信する送信用超音波単一センサと、複数の圧電素子から構成され、前記超音波の反射波を受信する受信用超音波アレイセンサと、前記受信用超音波アレイセンサを構成する各圧電素子から供給される電気信号を受信するレシーバ部と、前記レシーバ部によって受信された前記受信用超音波アレイセンサを構成する前記圧電素子毎の前記電気信号を増幅してデジタル信号に変換し、前記デジタル信号をシリアルに並べてシリアルデジタル信号を生成する増幅変換部と、前記シリアルデジタル信号に基づいて画像を形成する画像形成部と、を備えるようにしたものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、超音波画像の品質を維持しつつ、狭隘部に位置する観察対象を超音波で可視化することが容易にできる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】発明の第１の実施形態である超音波観察装置を用いた超音波観察システムの構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態である超音波観察装置に用いられる水中移動機構の拡大図である。
【図３】本発明の第１の実施形態である超音波観察装置のブロック図である。
【図４】本発明の第１の実施形態である超音波観察装置に用いられる超音波センサの構成図である。
【図５Ａ】第１の比較例としての超音波センサの斜視図である。
【図５Ｂ】第１の比較例としての超音波センサの側面図である。
【図６】本発明の第１の実施形態である超音波観察装置の構成要素のうち、超音波の送信と受信に係わる部分の一例を説明するための図である。
【図７】本発明の第１の実施形態である超音波観察装置の動作を示すフローチャートである。
【図８】第１の変形例に係る超音波センサの構成を説明する。
【図９】第２の変形例に係る超音波センサの構成図である。
【図１０】第３の変形例に係る超音波センサの構成を説明する。
【図１１】第２の比較例としての超音波センサの構成図である。
【図１２】本発明の第２の実施形態である超音波観察装置を用いた超音波観察システムの構成図（模式図）である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（第１の実施形態）  
以下、図１〜図７を用いて、本発明の第１の実施形態である超音波観察装置１０を用いた超音波観察システム１００の構成及び動作を説明する。本実施形態では、一例として、超音波観察装置１０は、原子炉内の配管を超音波で観察する。適用対象の一例である原子力発電プラントの炉内検査では、検査対象となる炉内構造物の周囲は水中環境となっている。
【００１７】
最初に、図１を用いて、本発明の第１の実施形態である超音波観察装置１０を用いた超音波観察システム１００の全体構成を説明する。図１は、本発明の第１の実施形態である超音波観察装置１０を用いた超音波観察システム１００の構成図である。なお、以下では、同一部分に同一符号を付する。
【００１８】
超音波観察システム１００は、主として、超音波観察装置１０から構成される。超音波観察装置１０は、超音波センサ１０１、小型超音波送受信部１０２、処理部１０３、外部表示部１０４、移動機構制御装置１０５（中継部１０５）を備える。超音波観察装置１０の構成の詳細は、図３を用いて、後述する。
【００１９】
原子炉には、超音波観察装置１０の観察対象として、圧力容器５０１、シュラウド５０２、炉内構造物５０８などがある。炉内構造物５０８の代表として、圧力容器５０１の底部を貫通する制御棒駆動機構ハウジング配管（ＣＲＤＨ）や、制御棒駆動機構スタブ配管、炉内計装ハウジング配管（ＩＣＭＨ）、シュラウドサポートなどがある。
【００２０】
例えば、ＣＲＤＨやＩＣＭＨは、半径７ｍ程度の圧力容器５０１の中で、約１００以上の数の配管が密集して分布することにより構成される。そのため、これらの観察対象は狭隘環境（狭隘部）にある。
【００２１】
超音波センサ１０１と小型超音波送受信部１０２は、水中移動機構５０９に搭載される。処理部１０３、外部表示部１０４、及び移動機構制御装置１０５は、例えば、気中環境のエリアであるオペレーティングフロア５０３に設置する。
【００２２】
超音波センサ１０１と小型超音波送受信部１０２を搭載した水中移動機構５０９は、作業台車５０４を利用して、複合ケーブル５０６Ａにより原子炉内の水中環境に吊り下げられている。なお、複合ケーブル５０６Ａは、例えば、移動機構制御用のケーブル５０６、超音波観察装置用のケーブル５０７、高強度の樹脂製等の紐などで構成される。
【００２３】
複合ケーブル５０６Ａは、例えば、異なる芯線のケーブルであるケーブル５０６、ケーブル５０７から構成される。複合ケーブル５０６Ａの構成要素である、ケーブル５０６及びケーブル５０７は、同一の光ファイバを用いて、信号をシリアルに通信してもよい。
【００２４】
次に、図２を用いて、本発明の第１の実施形態である超音波観察装置１０に用いられる水中移動機構５０９の構成を説明する。図２は、本発明の第１の実施形態である超音波観察装置１０に用いられる水中移動機構５０９の拡大図である。
【００２５】
水中移動機構５０９は、超音波センサ１０１、小型超音波送受信部１０２、光学カメラ５０９Ａ、水中移動用推進機構５０９Ｂを備える。
【００２６】
超音波センサ１０１は、図２に示すように、水中移動機構５０９の光学カメラ５０９Ａが観察する方向Ｄ１と平行な方向Ｄ２（例えば、水中移動機構５０９の前方）を超音波によって観察するように水中移動機構５０９に設置される。
【００２７】
超音波カメラ１０１と小型超音波送受信部１０２は、装置の小型化のために、例えば、一体に構成される。小型超音波送受信部１０２は、移動機構制御装置１０５と接続される。
【００２８】
移動機構制御装置１０５は、自装置の記憶部に受信デジタルデータをバッファし、自装置の通信部により、処理部１０３と通信する。なお、移動機構制御装置１０５の代わりに、パソコンを用いてもよい。
【００２９】
次に、図３を用いて、本発明の第１の実施形態である超音波観察装置１０の構成を説明する。図３は、本発明の第１の実施形態である超音波観察装置１０のブロック図である。
【００３０】
超音波観察装置１０は、超音波センサ１０１、小型超音波送受信部１０２、処理部１０３、外部表示部１０４、中継部としての移動機構制御装置１０５を備える。なお、中継部としての移動機構制御装置１０５を設けずに、小型超音波送受信部１０２と処理部１０３とが直接通信を行ってもよい。
【００３１】
送受信一体型の超音波センサ１０１は、送信用超音波単一センサ１０１Ａ、受信用超音波アレイセンサ１０１Ｂを備える。送信用超音波単一センサ１０１Ａは、単一の圧電素子から構成される。受信用超音波アレイセンサ１０１Ｂは、微小な圧電素子をアレイ状に規則的に配置した素子群で構成される。
【００３２】
ここで、送信用超音波単一センサ１０１Ａを構成する単一の圧電素子は、印加される電圧に基づいて、単一の波形の超音波を発生するものである。なお、複数の圧電素子を並列に接続し、同じ電圧を印加してもよい。
【００３３】
送信用超音波単一センサ１０１Ａは、パルサ部１０２Ａから伝送される高電圧電気信号（例えば１００Ｖの高電圧パルス波）に応じて変位を生じ、超音波を発生する。また、受信用超音波アレイセンサ１０１Ｂは、受信した微弱な超音波により生じた変位を電気信号に変換し、レシーバ部１０２Ｂに伝送する。
【００３４】
小型超音波送受信部１０２は、パルサ部１０２Ａ、レシーバ部１０２Ｂ、増幅変換部１０２Ｄ、電源１０２Ｃ、通信部１０２Ｅを備える。
【００３５】
パルサ部１０２Ａは、送信用超音波単一センサ１０１Ａと接続される。レシーバ部１０２Ｂは、受信用超音波アレイセンサ１０１Ｂと接続される。増幅変換部１０２Ｄは、受信した電気信号の増幅とアナログデジタル変換（Ａ／Ｄ変換）をする。
【００３６】
通信部１０２Ｅは、パルサ部１０２Ａから供給される超音波発生のための高電圧パルス波の発生のタイミングをコントロールするためのトリガ信号（矩形パルス波など）の通信や、増幅変換部１０２で変換された受信波のデジタル信号の通信を行う。電源１０２Ｃは、これらの構成要素に電源を供給する。
【００３７】
処理部１０３は、画像形成部１０３Ａ、記憶部１０３Ｂ、通信部１０３Ｃを備える。画像形成部１０３Ａは、受信波のデジタル信号から超音波画像を構成する。画像形成部１０３Ａは、構成した超音波画像を記憶部１０３Ｂに記憶する。
【００３８】
通信部１０３Ｃは、中継部１０５を介して小型超音波送受信部１０２の通信部１０２Ｅと通信を行う。また、通信部１０３Ｃは、画像形成部１０３Ａで構成された超音波画像を、外部表示部１０４に送信する。
【００３９】
外部表示部１０４は、表示部１０４Ａ、ユーザーインターフェース１０４Ｂ（入力部）、通信部１０４Ｃを備える。外部表示部１０４は、受信波の画像データを表示部１０４Ａに表示する。ユーザは、ユーザーインターフェース１０４Ｂ（入力部）を用いて、超音波観察装置１０を操作する。
【００４０】
通信部１０４Ｃは、処理部１０３の通信部１０３Ｃから送信される画像データを受信する。また、通信部１０４Ｃは、ユーザーインターフェース１０４Ｂによって、ユーザから入力される制御指令（例えば、超音波の発信や、受信波の記録などの操作指示）を通信する。
【００４１】
なお、制御指令（制御信号）は、外部表示部１０４のユーザーインターフェース１０４Ｂから入力され、処理部１０３及び中継部１０５を経由して、小型超音波送受信部１０２に伝送される。このとき、通信部（１０２Ｅ、１０５Ａ、１０３Ｃ、１０４Ｃ）による通信は、有線あるいは無線によって行われる。
【００４２】
処理部１０３は、中継部１０５を経由して、外部表示部１０４と通信を行ってもよい。
【００４３】
中継部１０５は、通信部１０５Ａ、記憶部１０５Ｂを備える。中継部１０５は、記憶部１０５Ｂに受信デジタルデータをバッファし、通信部１０５Ａにより、処理部１０３等と通信する。
【００４４】
中継部１０５としては、例えば、ハブ等の機能を持つ無線中継器や、超音波観測装置と併用する他の機器の制御装置などを利用してもよい。また、中継部１０５と小型超音波送受信部１０２、中継部１０５と処理部１０３の間の通信は、有線あるいは無線によって行われる。
【００４５】
次に、図４を用いて、本発明の第１の実施形態である超音波観察装置１０に用いられる超音波センサ１０１の構成を説明する。図４は、本発明の第１の実施形態である超音波観察装置１０に用いられる超音波センサ１０１の構成図である。
【００４６】
送受信一体型超音波センサ１０１は、送信用の単一素子の送信センサ１０１Ａと、２つの圧電素子群に分割された受信用のアレイセンサ１０１Ｂ１及び１０１Ｂ２から構成される。なお、図中のＸ軸は受信用アレイセンサを構成する圧電素子群の配列方向、Ｙ軸は前記圧電素子が配置される面内において、Ｘ軸と直交する方向、Ｚ軸は素子（送信及び受信）の法線方向である。座標軸の方向は図４以降において同様に定義されているものとする。
【００４７】
送信センサ１０１Ａによって形成される送信音場７０２Ａは、送信センサ１０１から拡散するように形成される。拡散のためには、素子の寸法Ｄを小さくして指向角θと呼ばれるビームの広がりを大きくする（指向角θ∝λ／Ｄ、ここでλは超音波の波長）方法や、音響レンズにより拡散する方法などがある。
【００４８】
なお、図４の例では、Ｘ軸方向の寸法Ｄを小さくして、ビームの広がりを大きくしているが、Ｙ軸方向の寸法を小さくして、ビームの広がりを大きくしてもよい。
【００４９】
また、受信センサ１０１Ｂ（１０１Ｂ１〜１０１Ｂ２）による受信音場７０１Ｃは、アレイ配列方向（Ｘ軸）に広がるように形成される。超音波画像化が可能な範囲は、送信音場７０２Ａと受信音場７０１Ｃの重なった領域７０４となる。
【００５０】
したがって、画像化可能な範囲を広くするには、送受信音場の交差する領域７０４を広くするとよい。そのため、たとえば、送信センサ１０１Ａと、受信センサ１０１Ｂ（１０１Ｂ１〜１０１Ｂ２）のＸＹ平面での中心位置７０３を一致させるように配置するとよい。
【００５１】
（第１の比較例）
次に、図５Ａ〜図５Ｂを用いて、第１の比較例としての超音波センサ１０１Ｐの構成を説明する。図５Ａは、第１の比較例としての超音波センサ１０１Ｐの斜視図である。図５Ｂは、第１の比較例としての超音波センサ１０１Ｐの側面図である。
【００５２】
図５Ａに示すように、送受信一体型の超音波センサ１０１Ｐでは、送信センサ８０１と受信センサ８０２は上下（Ｙ軸方向）に並べて配置される。
【００５３】
図５Ｂに示すように、送信センサ８０１は受信用アレイセンサ８０２に対して、Ｘ軸を回転中心軸として、少し回転した位置に配置されている。送信センサ８０１の素子８０１Ａで形成される送信音場と、受信アレイセンサ８０２の素子群８０２Ａで形成される受信音場は、図５Ｂに示すように、送受信音場交差領域９０１の範囲で交差し、この範囲が画像化可能な範囲となる。
【００５４】
図５Ａに示すように、送信センサ８０１と受信センサ８０２の中心位置がずれている場合には、画像化可能な範囲が、図５Ｂに示すように、Ｚ軸方向の交差範囲９０１に限定され、広範囲での画像化が妨げられる。
【００５５】
次に、図６を用いて、本発明の第１の実施形態である超音波観察装置１０の動作を説明する。図６は、本発明の第１の実施形態である超音波観察装置１０の構成要素のうち、超音波の送信と受信に係わる部分の一例を説明するための図である。なお、図６において、送信用超音波単一センサ１０１Ａと、受信用超音波アレイセンサ１０１Ｂを離れた位置に図示しているが、これは説明のための模式図である。実際には、例えば図４に示すように、これらは一体として構成されている。
【００５６】
外部表示装置１０４のユーザーインターフェース１０４Ｂによりユーザから超音波送信の制御が指示されると、制御信号が処理部１０３を経由して、超音波送受信部１０２に送信される。
【００５７】
トリガ信号１４０１（送信トリガ）としての制御信号は、小型超音波送受信部１０２のパルサ部１０２Ａ内の高電圧発生部１４０２に入力される。高電圧発生部１４０２は、トリガ信号に同期して、高電圧パルス１４０３を発生させる。高電圧パルス１４０３は、送信用超音波単一センサ１０１Ａに伝送される。
【００５８】
送信用超音波単一センサ１０１Ａは、パルサ部１０２Ａから伝送される高電圧パルス１４０３に応じて変位を生じ、超音波を発生する。超音波は、観察対象に向けて拡散される。
【００５９】
受信用超音波アレイセンサ１０１Ｂは、観察対象によって反射された超音波により生じた変位を電気信号１４０４に変換する。詳細には、受信用超音波アレイセンサ１０１Ｂを構成するそれぞれの圧電素子（チャンネル）は、それぞれの変位に応じた電気信号１４０４を生成する。これにより、１つのチャンネルに１つの電気信号１４０４が対応するという状態になる。
【００６０】
多チャンネル対応の増幅変換部１０２Ｄは、各チャンネルの受信信号（電気信号）をチャンネルごとのデジタル信号に変換する。増幅変換部１０２Ｄは、チャンネルごとのデジタル信号をチャンネルの配列の順にシリアルに並べ、これをシリアルデジタル信号１４０６として、処理部１０３に送信する。
【００６１】
次に、図７を用いて、本発明の第１の実施形態である超音波観察装置１０の動作を説明する。図７は、本発明の第１の実施形態である超音波観察装置１０の動作を示すフローチャートである。なお、フローチャートは、主として、超音波を送信する処理、超音波を受信する処理、超音波を画像化する処理から構成される。
【００６２】
外部表示装置１０４のユーザーインターフェース１０４Ｂによりユーザから超音波送信の制御が指示されると、ユーザーインターフェース１０４Ｂは、制御信号を、処理部１０３を経由して小型超音波送受信部１０２に送信する。
【００６３】
トリガ信号１４０１（送信トリガ）としての制御信号は、小型超音波送受信部１０２のパルサ部１０２Ａ内の高電圧発生部１４０２に入力される。
【００６４】
送信用超音波単一センサ１０１Ａは、トリガ信号に同期して、観察対象に向けて拡散する超音波を送信する（ステップＳ１５０１）。受信用超音波アレイセンサ１０１Ｂは、観察対象からの反射波を電気信号に変換し、この電気信号をレシーバ部１０２Ｂに伝送する。
【００６５】
レシーバ部１０２Ｂは、観察対象からの反射波の電気信号を受信用超音波アレイセンサ１０１Ｂから受信する（ステップＳ１５０２）。レシーバ部１０２Ｂは、受信用超音波アレイセンサ１から受信した反射波のアナログ電気信号を増幅変換部１０２Ｄに供給する。増幅変換部１０２Ｄは、アナログ電気信号であった受信信号を、受信用超音波アレイセンサ１０１Ｂを構成する各圧電素子（チャンネル）ごとのデジタル信号に変換（増幅）する（ステップＳ１５０３）。増幅変換部１０２Ｄは、各チャンネルのデジタル信号を、シリアルに接続して、シリアルデジタル信号１４０６として処理部１０２に転送する（ステップＳ１５０４）。
【００６６】
なお、Ｓ１５０１からＳ１５０４の処理ステップ群（Ｓ１５１４）は、主として小型超音波送受信部１０２で実行される。
【００６７】
処理部１０３（画像処理部）の通信部１０３Ｃは、増幅変換部１０２Ｄから転送されたシリアルデジタル信号を受信する（ステップＳ１５０５）。画像形成部１０３Ａは、受信したシリアルデジタル信号を各チャンネルの信号に分割する（ステップＳ１５０６）。
【００６８】
画像形成部１０３Ａは、Ｊ番目のチャンネル（Ｊ番目の受信アレイセンサの圧電素子）について、受信信号のＬ番目のデータの順序（Ｌ）を、観察対象近傍の媒質の音速Ｖとサンプリング間隔（Δｔ）から、往復伝搬時間に相当する受信時間ＬΔｔに変換する（ステップＳ１５０７）。
【００６９】
したがって、デジタルデータ点列はI（Ｌ）という強度を持っているが、この変換により、ある受信時間ＬΔｔについての強度Ｉ（ＬΔｔ）を持つデジタルデータ点列とみなすことができる。
【００７０】
超音波画像は、一般に２次元に画素が配列された画素値をもったデジタルデータのマップとして構成されている。全画素数をＭ×Ｎ個とし、画像内の２次元座標（ｍ、ｎ）に相当する画素の値をp（ｍ、ｎ）と表すとする。例えば、ある画像を作成するには、Ｍ×Ｎ個の画素のひとつ一つの画素値を逐次決めていくことが必要となる。
【００７１】
ある画素値ｐ（ｍ、ｎ）をｍ＝１〜Ｍ、ｎ＝１〜Ｎで順次繰り返して画素値を求める方法は以下の通りである。画像形成部１０３Ａは、ある画素位置（ｍ、ｎ）について、Ｌ番目のチャンネルのデータに対して、送信センサの中心位置と画素（ｍ、ｎ）までの距離と、画素（ｍ、ｎ）から受信素子（チャンネル）の距離の和であるｒ（ｍ、ｎ；Ｌ）を計算する（ステップＳ１５０８）。
【００７２】
画像形成部１０３Ａは、画素位置（ｍ、ｎ）の画素値ｐ（ｍ、ｎ）について、以下に示す式（１）で求められるＫ番目のデジタルデータの強度I（ＫΔｔ）及びＩ（（Ｋ＋１）Δｔ）を用いて、以下に示す式（２）のように内挿することで、画素値ｐを求める（ステップＳ１５０９）。なお、内挿は、式（２）のような線形補間に限定されず、多項式などを用いた補間処理でもよい。
【００７３】
【数１】
2014235099.tif 000003
【００７４】
【数２】
2014235099.tif 000004
【００７５】
画像形成部１０３Ａは、この処理を画素位置（ｍ、ｎ）について繰り返し計算を行うことで、Ｍ×Ｎ個の画素から構成される全ての画素の値のマップを作成し、画像を構成する。この画像はＬ番目のチャンネルに対する画像となる。画像形成部１０３Ａは、この画像を記憶部１０３Ｂにストアする（ステップＳ１５１０）。
【００７６】
なお、画素位置（ｍ、ｎ）に関する画素値計算は、原理的にどの画素位置から計算しても、他の画素位置の画素値に影響を与えない。このことから、画像形成部１０３Ａの演算素子において並列計算処理をすることが容易なアルゴリズムであるため、画像化処理を高速化することができる。
【００７７】
画像形成部１０３Ａは、Ｌ番目チャンネルに対する処理を繰り返すことで、受信超音波アレイセンサを構成するすべてのチャンネルに対する画像を構成することができる。
【００７８】
画像形成部１０３Ａは、画素位置（ｍ、ｎ）について、この画像を以下の式（３）のように加算することで、受信画像の画素値ｐ（ｍ、ｎ）を計算する。なお、式（３）のΣ_Lは、チャンネルＬに関する加算を意味する。
【００７９】
【数３】
2014235099.tif 000005
【００８０】
なお、受信チャンネルに関する画像計算も、他のチャンネルによる画像と独立に計算することが可能である。そのため、各チャンネルによる画像構成についても、並列計算処理をすることが容易であり、画像化処理を高速化することができる。
【００８１】
画像形成部１０３Ａは、式（３）に基づいて加算合成した画像データを記憶部１０３Ｂに記憶する（ステップＳ１５１１）。全チャンネルによる画像を加算した画像が、受信信号による超音波画像となる。画像形成部１０３Ａは、通信部１０３Ｃを用いて、ステップＳ１５０１における送信トリガに対する、この得られた超音波画像を外部表示部１０４Ａに送信する（ステップＳ１５１２）。外部表示部１０４は、処理部１０３から送信された超音波画像データを超音波画像として表示部１０４Ａに表示する（ステップＳ１５１３）。
【００８２】
超音波画像が表示されたあと、ある一定の繰り返し周波数が設定されている場合、画像形成部１０３Ａは、さらに超音波送信用の送信トリガを生成し、この送信トリガを小型超音波送受信部１０２へ送信する。これにより、小型超音波送受信部１０２に超音波送信の指令が伝えられる。
【００８３】
なお、Ｓ１５０５からＳ１５１２の処理ステップ群は、処理部１０３にて実行される。
【００８４】
以上説明したように、本実施形態では、小型超音波送受信部１０２は、複雑な遅延制御や合成処理を行わない。その代り、小型超音波送受信部１０２は、受信波をデジタル変換した信号をシリアルに処理部１０３へ送信する。そのため、送受信部を小型化することができる。圧電素子の素子数を減らす必要はないため、超音波画像の品質を維持することもできる。
【００８５】
また、単一の圧電素子から構成される送信用超音波単一センサ１０１Ａが、超音波を送信する。そのため、送信系の回路を簡素化することができ、装置を小型化することができる。
【００８６】
送受信部の小型化により、狭隘部に位置する観察対象を超音波で可視化することが容易にできる。
【００８７】
さらに、処理部１０３は、並列処理が容易なアルゴリズムを用いて、デジタル信号を処理する。そのため、処理能力の高い処理部１０３を送受信部１０２と離れた遠隔に設置して、高速な画像化を行うこともできる。この場合、超音波画像を通信で外部表示部１０４に転送することにより、ユーザは高速に表示される画像を確認することが可能となる。
【００８８】
（第１の変形例）  
次に、図８を用いて、第１の変形例に係る超音波センサ１０１の構成を説明する。図８は、第１の変形例に係る超音波センサ１０１の構成図である。
【００８９】
水中での検査では、超音波センサ１０１を観察対象に密着させる必要はないため、超音波センサ１０１の表面形状に曲率を持たせることができる。
【００９０】
超音波センサ１０１は、受信用超音波アレイセンサ１０１Ｂを構成する圧電素子群（１０１Ｂ１及び１０１Ｂ２）が配列される方向と平行な方向（Ｘ軸）に凸面形状を有する。また、超音波センサ１０１は、素子の法線方向（Ｚ軸）とＸ軸に直交する、受信用超音波アレイセンサ１３０３を構成する圧電素子群（１０１Ｂ１及び１０１Ｂ２）の各素子の長手方向（Ｙ軸方向）に凹面を設ける。
【００９１】
すなわち、図８の例では、送信用超音波単一センサ１０１Ａ及び受信用超音波アレイセンサ１０１Ｂ（１０１Ｂ１及び１０１Ｂ２）は、鞍型面ＴＳ上に配置される。
【００９２】
これにより、送信用超音波単一センサ１０１Ａによる送信音場１３０２Ａは、Ｙ軸方向に集束し、Ｘ軸方向に拡散する。受信音場１３０３Ｃについても、画像処理で集束効果の得られない圧電素子の長手方向（Ｙ軸方向）に集束効果を得ることができる。このため、送受信音場の交差範囲を効率よく形成することが可能となり、画像のＳＮ比を向上することが可能となる。
【００９３】
なお、受信音場のＸ軸方向に凸面が形成されており、通常であれば受信音場が発散する。しかし、アレイ構造となっているために、画像形成の信号処理の際に集束効果を得ることができ、受信音場における拡散効果を相殺することができる。
【００９４】
（第２の変形例）  
次に、図９を用いて、第２の変形例に係る超音波センサ１０１の構成を説明する。図９は、第２の変形例に係る超音波センサ１０１の構成図である。
【００９５】
図９に示す送受信一体型の超音波センサ１０１では、送信センサ１０１Ａと受信センサ１０１Ｂは十字型に交差（直交）させるように配置される。
【００９６】
受信用アレイセンサ１０１Ｂによる受信音場１１０１Ａは、Ｘ軸方向に広く分布する。一方、送信用超音波単一センサ１０１Ａの音場は、１１０２Ａのように、Ｘ軸方向に広がった分布を持つため、画像化が可能な領域は１１０３のような領域となる。
【００９７】
（第３の変形例）  
次に、図１０を用いて、第３の変形例に係る超音波センサ１０１の構成を説明する。図１０は、第３の変形例に係る超音波センサ１０１の構成図である。
【００９８】
図９のような構成でも画像化は可能であるが、送信音場１１０２Ａのうち、送受信音場交差領域１１０３に使用されている領域が狭く、効率が悪く、ＳＮ比が低くなることが懸念される。
【００９９】
このような場合の改善例として、例えば、図１０に示すように、Ｘ軸方向だけでなく、Ｙ軸方向にも圧電素子群を配列する。図１０に示す超音波センサ１０１は、図４に示す超音波センサ１０１を拡張（変形）したものである。
【０１００】
受信用アレイセンサ１０１Ｂの一部として圧電素子群１０１Ｂ３及び１０１Ｂ４をＹ軸方向の上下に追設することで、送信用超音波単一センサ１０１Ａの音場７０２が形成する音場１２０１が広い場合でも、受信用アレイセンサ１０１Ｂの音場をＸＹ面内に広げることが可能となり、超音波画像化範囲を拡張することができる。
【０１０１】
（第２の比較例）
次に、図１１を用いて、第２の比較例としての超音波センサ１０１Ｑの構成を説明する。図１１は、第２の比較例としての超音波センサ１０１Ｑの構成図である。
【０１０２】
受信用アレイセンサ１００１は、受信音場１００１Ａを形成する。送信用アレイセンサ１００２は、送信音場１００２Ａを形成する。送信センサも受信センサもアレイで構成されているため、フェーズドアレイ方式の遅延制御による超音波送信または受信方向の電子走査を行うことが必要であり、送受信部を小型化することができない。また、送信音場１００２Ａと受信音場１００１Ａが交差する領域１００３も狭い。
【０１０３】
（第２の実施形態）  
次に、図１２を用いて、本発明の第２の実施形態である超音波観察装置１０を用いた超音波観察システム１００の構成を説明する。図１２は、本発明の第２の実施形態である超音波観察装置１０を用いた超音波観察システム１００の構成図（模式図）である。
【０１０４】
以下では、適用対象の一例として、プラントなどの検査を行う場合を説明する。建屋１６０１内には、配管１６０２など検査対象が密集している狭隘部がある。狭隘部は、作業者１６０３の作業性を妨げる可能性がある。以下で説明するように、本実施形態によれば、小型の観察装置により作業性向上を図ることができる。
【０１０５】
図１２に示すように、作業者１６０３は、配管などの検査対象１６０２に接触する超音波センサ１０１と、小型超音波送受信部１０２を携帯する。
【０１０６】
小型超音波送受信部１０２の通信部１０２Ｅは、検査対象を有するプラント建屋１６０１の通信中継器１６０１Ａと通信を行う。なお、通信中継器１６０１Ａは、有線１６０１Ｂ（通信ケーブル）で通信ネットワークＮと接続されているが、無線で接続されていてもよい。また、中継器１６０１Ａは無線で通信部１０２Ｅと接続されているが、有線１６０１Ｂで接続されていてもよい。通信中継器１６０１Ａに接続される機器は同一の通信ネットワークに属する。
【０１０７】
小型超音波送受信部１０２は、中継器１６０１Ａを経て、外部オフィス１６０４に設置する処理部１０３と、通信により接続されている。なお、処理部１０３は、通信部１０３Ｃを用いて、外部オフィス１６０４に設置された通信中継器１６０４Ａと通信を行う。なお、通信中継器１６０４Ａは、有線１６０４Ｂで通信ネットワークＮと接続されているが、無線で接続されていてもよい。また、中継器１６０４Ａは無線で通信部１０３Ｃと接続されているが、有線１６０４Ｂで接続されていてもよい。なお、通信中継器１６０４Ａに接続される機器は同一の通信ネットワークに属する。
【０１０８】
処理部１０３は、小型超音波送受信部１０２から送信される受信波の信号に基づいて超音波画像を構築する。処理部１０３は、構築した超音波画像を、通信部１０３Ｃを用いて、外部オフィス１６０４の中継器１６０４Ａ、通信ネットワークＮ、及びプラント内の中継器１６０１Ａを経由して、外部表示部１０４の通信部１０４Ｃに送信する。
【０１０９】
外部表示器１０４は、表示部１０４Ａに超音波画像を表示するとともに、ユーザである作業者１６０３が装置を制御するためのユーザーインターフェース１０４Ｂを表示部１０４Ａに表示する。
【０１１０】
プラント内の狭隘部について観察作業を行う作業者１６０３は、小型超音波送受信部１０２のみ携帯すればよい。外部表示部１０４は、無線通信等で接続されているため、作業性を妨げない自由な位置に配置することができる。
【０１１１】
以上説明したように、本実施形態によれば、超音波画像の品質を維持しつつ、狭隘部に位置する観察対象を超音波で可視化することが容易にできる。また、気中部での作業者が介在する観察においても、狭隘部での観察と高速な画像表示を実現することができる。
【０１１２】
上記第１及び第２の実施形態による作用効果の一例は以下の通りである。小型超音波送受信部１０２では、従来技術のような複雑な遅延制御を行うことなく、受信信号をデジタル信号に変換して、外部に設置される処理系にデジタル信号を送信するのみである。デジタル信号は、処理系にて画像化され、再び、画像データが通信され、外部に設置される外部表示部１０４に表示される。このように、受信波形に遅延合成や加算合成といった処理を行わず、デジタル信号にした生データのみを扱う送受信部としたことで、装置構成を小さくすることが可能となり、狭隘部への搬入及び観察が可能となる。
【０１１３】
さらに、受信波形をアナログデジタル変換（Ａ／Ｄ変換）した信号は、外部に設置した処理系（処理部１０３）で画像合成される。この処理系は、通信を通じて小型超音波送受信部１０２と接続されている。そのため、処理系は、高速な画像合成に必要とされる可能性のある、大規模なメモリや高精度の演算素子を持つことができる。また、外部装置として構成されるシステムのため、処理系がたとえ大きな体積となったとしても、観察対象に近接する小型超音波送受信部や超音波センサの体積には影響がなく、狭隘部での作業性は妨げられない。
【０１１４】
また、同様に、外部表示部１０４に超音波画像データが表示される。外部表示部１０４も、外部装置として構成されるシステムであるため、表示部１０４Ａが広い表示エリアをもつモニタ等であったとして、狭隘部の作業性は妨げられない。
【０１１５】
本発明は、上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明したすべての構成を備えるものに限定されるものではない。ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【０１１６】
例えば、上記第２の実施形態において、通信中継器１６０１Ａに接続される機器が属する通信ネットワークは、通信ネットワークＮを介さないで、直接、通信中継器１６０４Ａに接続される機器が属する通信ネットワークに接続されるようにしてもよい。
【符号の説明】
【０１１７】
１０…超音波観察装置
１００…超音波観察システム
１０１…超音波センサ
１０１Ａ…送信用超音波単一センサ
１０１Ｂ…受信用超音波アレイセンサ
１０２…小型超音波送受信部
１０２Ａ…パルサ部
１０２Ｂ…レシーバ部
１０２Ｃ…電源
１０２Ｄ…増幅変換部
１０２Ｅ…通信部
１０３…処理部
１０３Ａ…画像形成部
１０３Ｂ…記憶部
１０３Ｃ…通信部
１０４…外部表示部
１０４Ａ…表示部
１０４Ｂ…ユーザーインターフェース（入力部）
１０４Ｃ…通信部
１０５…中継部
１０５Ａ…通信部
１０５Ｂ…記憶部
５０１…原子炉圧力容器
５０２…シュラウド
５０３…オペレーティングフロア
５０４…作業台車
５０６…移動機構制御用ケーブル
５０６Ａ…複合ケーブル
５０７…超音波観察装置用ケーブル
５０８…炉内構造物
５０９…水中移動機構
５０９Ａ…光学カメラ
５０９Ｂ…水中移動用推進機構
７０１Ｃ…受信用センサによって形成可能な受信音場
７０２Ａ…送信用センサによって形成可能な送信音場
７０３…センサ中心位置
７０４…送受信音場が交差する領域（画像化可能範囲）
８０１…送信用超音波単一センサ
８０１Ａ…送信用圧電素子
８０２…受信用超音波アレイセンサ
８０２Ａ…受信用圧電素子
９０１…送受信音場の交差領域
１００１…受信用アレイセンサ
１００１Ａ…受信用アレイセンサの形成する受信音場
１００１Ｂ…受信センサの遅延合成処理によるビーム走査方向
１００２…送信用アレイセンサ
１００２Ａ…送信用アレイセンサの形成する送信音場
１００２Ｂ…送信センサの遅延合成処理によるビーム走査方向
１００３…送受信音場の交差領域
１１０１Ａ…受信用アレイセンサの形成する受信音場
１１０２Ａ…送信用単一センサの形成する送信音場
１１０３…送受信音場の交差領域（画像化可能範囲）
１４０１…トリガ信号
１４０２…高電圧パルス発生部
１４０３…高電圧パルス
１４０４…電気信号
１４０６…シリアルデジタル信号
１６０１…建屋（作業現場）
１６０１Ａ…通信中継器（無線中継器）
１６０１Ｂ…通信ケーブル
１６０２…配管（検査対象）
１６０３…作業者
１６０４…外部オフィス（遠隔オフィス）
１６０４Ａ…通信中継器（無線中継器）
１６０４Ｂ…通信ケーブル
【図１】
2014235099.tif 000006
【図２】
2014235099.tif 000007
【図３】
2014235099.tif 000008
【図４】
2014235099.tif 000009
【図５Ａ】
2014235099.tif 000010
【図５Ｂ】
2014235099.tif 000011
【図６】
2014235099.tif 000012
【図７】
2014235099.tif 000013
【図８】
2014235099.tif 000014
【図９】
2014235099.tif 000015
【図１０】
2014235099.tif 000016
【図１１】
2014235099.tif 000017
【図１２】
2014235099.tif 000018