(57)【要約】【課題】  被検体の三次元形状等を、超音波振動を利用して空気中で非接触検出することができ、超音波の減衰率が高い被検体に対しても適用可能な超音波イメージング技術を提供する。【解決手段】  第１電極および第２電極を有する圧電振動子と、被検体とを接触させる工程；第１電極と第２電極との間に、バーカー系列からなる同期信号で両極性に変調された波形を有する一定時間長の駆動電圧を印加する工程；被検体表面の複数の測定位置において、変位速度の時間変化を光学的に測定する工程；測定された被検体表面の変位速度の時間変化と、駆動電圧の波形との相互相関に基づいて、駆動電圧の印加に対する被検体表面の振動の応答時間を、複数の測定位置のそれぞれについて決定する工程；及び、決定された応答時間に基づいて、被検体の表面形状または内部構造に関する情報を得る工程を有するイメージング方法。【選択図】図１
2015125066.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）第１の電極および第２の電極を有する圧電振動子と、被検体とを接触させる工程、
（ｂ）前記圧電振動子の前記第１の電極と前記第２の電極との間に、バーカー系列からなる同期信号で変調された一定時間長の駆動電圧を印加することにより、前記圧電振動子と前記被検体との接触部を通じて前記圧電振動子から前記被検体に超音波を伝播させる工程、
（ｃ）前記被検体表面の複数の測定位置において、変位速度の時間変化を光学的に測定する工程、
（ｄ）前記工程（ｃ）において測定された前記被検体表面の変位速度の時間変化と、前記駆動電圧の波形との相互相関に基づいて、前記駆動電圧の印加に対して前記被検体表面の振動が応答するまでに要した時間を、前記複数の測定位置のそれぞれについて決定する工程、及び、
（ｅ）前記工程（ｄ）において決定された時間に基づいて、前記被検体の表面形状または内部構造に関する情報を得る工程
を有し、
前記駆動電圧が、前記バーカー系列の符号の値が１の場合に対応する部分と−１の場合に対応する部分とで極性が逆になるように変調された波形を有する、イメージング方法。
【請求項２】
前記駆動電圧の時間長が、前記圧電振動子の基本共振周期未満である、請求項１に記載のイメージング方法。
【請求項３】
前記工程（ｂ）乃至（ｄ）を、前記測定位置を前記被検体表面上で走査しながら行う、請求項１又は２に記載のイメージング方法。
【請求項４】
前記工程（ｅ）が、
（ｅ−１）前記複数の測定位置のそれぞれについて、前記工程（ｄ）で決定された時間を前記複数の測定位置の各座標に対応付けることにより、画像を作成する工程
を有する、請求項１〜３のいずれかに記載のイメージング方法。
【請求項５】
前記工程（ｅ）が、さらに、
（ｅ−２）前記画像を処理することにより、前記被検体の表面または内部のクラックを検出する工程
を有する、請求項４に記載のイメージング方法。
【請求項６】
前記駆動電圧を前記圧電振動子に印加する電源の出力インピーダンスＺ０及び前記圧電振動子の制動容量Ｃ０の積からなる時定数τと、前記同期信号において前記バーカー系列の各符号に割り当てられる時間Ｔｐとの比τ／Ｔｐの値が０．１以下である、請求項１〜５のいずれかに記載のイメージング方法。
【請求項７】
第１の電極および第２の電極、ならびに、被検体を接触させるための接触面を有する、圧電振動子と、
前記圧電振動子の前記第１の電極と前記第２の電極との間に、バーカー系列からなる同期信号で変調された一定時間長の駆動電圧を印加する、駆動電圧供給手段と、
前記接触面に接触された被検体の表面の複数の測定位置において、変位速度の時間変化を光学的に測定する、変位速度測定手段と、
前記変位速度測定手段によって測定された被検体表面の変位速度の時間変化と、前記駆動電圧の波形との相互相関に基づいて、前記駆動電圧の印加に対して被検体表面の振動が応答するまでに要した時間を前記複数の測定位置のそれぞれについて決定する、応答時間決定手段と、
前記応答時間決定手段によって決定された時間に基づいて、被検体の表面形状または内部構造に関する情報を得る、画像処理手段とを有し、
前記駆動電圧供給手段が、前記バーカー系列の符号の値が１の場合に対応する部分と−１の場合に対応する部分とで極性が逆になるように変調された波形の駆動電圧を供給する、イメージング装置。
【請求項８】
前記駆動電圧の時間長が、前記圧電振動子の基本共振周期未満である、請求項７に記載のイメージング装置。
【請求項９】
前記画像処理手段が、前記複数の測定位置のそれぞれについて、前記応答時間決定手段により決定された時間を前記複数の測定位置の各座標に対応付けることにより、画像を作成する、請求項７又は８に記載のイメージング装置。
【請求項１０】
前記画像処理手段が、前記作成した画像を処理することにより、被検体の表面または内部のクラックを検出する、請求項９に記載のイメージング装置。
【請求項１１】
前記駆動電圧供給手段の出力インピーダンスＺ０及び前記圧電振動子の制動容量Ｃ０の積からなる時定数τと、前記同期信号において前記バーカー系列の各符号に割り当てられる時間Ｔｐとの比τ／Ｔｐの値が０．１以下である、請求項７〜１０のいずれかに記載のイメージング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波振動を利用する非接触イメージング技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の超音波を用いたイメージングは、超音波を水中に伝搬させ、被検体からの反射波を受波することで行われている。このため従来の超音波イメージングは、細かな配線を有する電子機器や電子デバイスなどに適用することが難しい。配線の腐食の可能性等を考慮すると、非破壊検査は空気中で行うことが望ましいといえる。
【０００３】
被検体の三次元形状等を、超音波振動を利用して空気中で非接触検出することができるイメージング技術として、特許文献１には、（１）上面が被検体載置面である、第１電極と第２電極とを有するプレート状またはブロック状の圧電振動子に被検体を載置し、（２）圧電振動子の第１電極と第２電極との間にパルス電圧またはステップ電圧を加え、（３）被検体載置面に載置した被検体からの最初の振動速度応答（直接波）を光学的に検出し、（４）パルス電圧またはステップ電圧に相似する最初の振動速度応答（直接波）の大きさ（音圧）から被検体の表面形状または内部構造にかかる情報を抽出するイメージング方法が開示されている。
【０００４】
特許文献１に記載の技術は、（イ）圧電振動子の基本共振周期より短いパルス電圧で圧電振動子を駆動（パルス駆動）した場合に、入力波形に近い出力波形が得られる等の知見（非特許文献１）、（ロ）圧電振動子をパルス駆動した場合、当該圧電振動子の超音波放射面からは駆動パルスに相似の平面波（直接波）が発生するという知見、及び、（ハ）平面波の伝搬路上に被検体を配置することにより、被検体表面において検出される直接波の音圧に基づいてイメージングが可能であるとの知見に基づいて完成されたものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−１２２８６０号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】日本音響学会誌、５３巻１１号、ｐｐ．８５７−８６３（１９９７）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載のイメージング技術を、超音波の減衰率が高い被検体に適用した場合には、被検体表面において検出される振動速度のＳ／Ｎ比が低いためにピーク値（音圧）の決定に支障を来し、そのためイメージングの精度を高めることが難しい、あるいはイメージングそのものが困難であるという問題があった。かかる問題は、直接波の振動速度のピーク値（音圧）の代わりに直接波の立ち上がり時刻を検出する方法によっても、解決することが困難であった。
【０００８】
被検体表面において検出される振動速度のＳ／Ｎ比を高めるためには、圧電素子から発生させる振動の強度を高めることが考えられる。しかしながら圧電素子はセラミックであることから、その変形の程度には限界がある。また電気的な絶縁破壊の問題があるため、駆動パルスの電圧を高めることにも限界がある。
【０００９】
上記の事情に鑑み、本発明は、被検体の三次元形状等を、超音波振動を利用して空気中で非接触検出することができるイメージング技術であって、超音波の減衰率が高い被検体に対しても適用可能なイメージング技術を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の態様は、
（ａ）第１の電極および第２の電極を有する圧電振動子と、被検体とを接触させる工程、
（ｂ）圧電振動子の第１の電極と第２の電極との間に、バーカー系列からなる同期信号で変調された一定時間長の駆動電圧を印加することにより、圧電振動子と被検体との接触部を通じて圧電振動子から被検体に超音波を伝播させる工程、
（ｃ）被検体表面の複数の測定位置において、変位速度の時間変化を光学的に測定する工程、
（ｄ）工程（ｃ）において測定された被検体表面の変位速度の時間変化と、駆動電圧の波形との相互相関に基づいて、駆動電圧の印加に対して被検体表面の振動が応答するまでに要した時間を、複数の測定位置のそれぞれについて決定する工程、及び、
（ｅ）工程（ｄ）において決定された時間に基づいて、被検体の表面形状または内部構造に関する情報を得る工程を有し、
駆動電圧が、バーカー系列の符号の値が１の場合に対応する部分と−１の場合に対応する部分とで極性が逆になるように変調された波形を有する、イメージング方法である。
【００１１】
本発明の第２の態様は、
第１の電極および第２の電極、ならびに、被検体を接触させるための接触面を有する、圧電振動子と、
圧電振動子の第１の電極と第２の電極との間に、バーカー系列からなる同期信号で変調された一定時間長の駆動電圧を印加する、駆動電圧供給手段と、
接触面に接触された被検体の表面の複数の測定位置において、変位速度の時間変化を光学的に測定する、変位速度測定手段と、
変位速度測定手段によって測定された被検体表面の変位速度の時間変化と、駆動電圧の波形との相互相関に基づいて、駆動電圧の印加に対して被検体表面の振動が応答するまでに要した時間を複数の測定位置のそれぞれについて決定する、応答時間決定手段と、
応答時間決定手段によって決定された時間に基づいて、被検体の表面形状または内部構造に関する情報を得る、画像処理手段とを有し、
駆動電圧供給手段が、バーカー系列の符号の値が１の場合に対応する部分と−１の場合に対応する部分とで極性が逆になるように変調された波形の駆動電圧を供給する、イメージング装置である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のイメージング方法およびイメージング装置によれば、被検体の表面形状やクラック等を空気中で非接触イメージングするにあたり、バーカー系列からなる同期信号でバイポーラーに変調された波形を有する駆動電圧で圧電振動子を駆動し、被検体表面で測定される変位速度の波形と駆動電圧の波形との相互相関に基づいて応答時間を決定する。そのため、被検体の超音波減衰率が高い故に測定される変位速度波形のＳ／Ｎ比が低い場合であっても、良好な時間分解能で応答時間を決定することが可能であり、したがってイメージングのＳ／Ｎ比を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明のイメージング装置の一の実施形態を説明する図である。
【図２】バーカー系列による変調及び波形発生装置が発生させる波形を説明する図である。（Ａ）７符号長のバーカー系列からなる同期信号を示す図である。（Ｂ）バーカー系列の符号長分の時間幅を有する極性一定の電圧パルスを示す図である。（Ｃ）（Ｂ）の電圧パルスを、（Ａ）のバーカー系列の符号の値が１の場合に対応する部分と−１の場合に対応する部分とで極性が逆になるように変調した波形を示す図である。
【図３】（Ａ）実験例１で作成した波形データを示すグラフである。（Ｂ）（Ａ）の波形データの自己相関係数を示すグラフである。
【図４】（Ａ）実験例１でファンクションジェネレータに出力させた波形を示すグラフである。（Ｂ）（Ａ）の波形を増幅して圧電振動子を駆動したとき、圧電振動子の表面で測定された変位速度の時間変化を示すグラフである。
【図５】実験例１において厚さ１．３ｍｍのアルミニウム板の表面で測定された変位速度の時間変化と駆動電圧の波形との相互相関を示すグラフである。
【図６】実験例２において厚さ２ｍｍの発泡シリコンゴムシートの表面で測定された変位速度の時間変化を示すグラフである。
【図７】図６の変位速度の時間変化と駆動電圧の波形との相互相関を示すグラフである。
【図８】発泡シリコンゴムシートを切り取って作製した被検体を本発明のイメージング方法及び装置によってイメージングした結果を示す画像である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の上記した作用および利得は、以下に説明する発明を実施するための形態から明らかにされる。以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。図では、符号を一部省略することがある。なお、以下に示す形態は本発明の例示であり、本発明がこれらの形態に限定されるものではない。また、特に断らない限り、数値範囲について「Ａ〜Ｂ」という表記は「Ａ以上Ｂ以下」を意味するものとする。かかる表記において数値Ｂのみに単位を付した場合には、当該単位が数値Ａにも適用されるものとする。
【００１５】
図１は、本発明のイメージング装置およびイメージング方法の一の実施形態を説明する図である。図１に示すようにイメージング装置１０は、圧電振動子１０１と、駆動電圧供給手段１０２と、変位速度測定手段１０３と、走査手段１０４と、応答時間決定手段１０５と、画像処理手段１０６と、制御装置１０７とを有する。以下、各要素について説明する。
【００１６】
圧電振動子１０１は、第１電極Ｅ１及び第２電極Ｅ２に平板状の圧電セラミックスが挟持された構造を有しており、被検体を接触させるための接触面である載置面１０１Ｓを有している。被検体２は載置面１０１Ｓ上に載置される。圧電振動子１０１は、第１電極Ｅ１及び第２電極Ｅ２の間に駆動電圧を印加されることにより、第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２との間の距離が伸縮する方向の変形を生じ、載置面１０１Ｓを面の法線方向に変位させる。これにより、圧電振動子１０１と被検体２との接触部を通じて圧電振動子１０１から被検体２へ超音波が伝播する。
【００１７】
駆動電圧供給手段１０２は、圧電振動子１０１の第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２との間に、バーカー系列からなる同期信号で変調された一定時間長の駆動電圧であって、当該バーカー系列の符号の値が１の場合に対応する部分と０の場合に対応する部分とで極性が逆になるように変調された波形の駆動電圧を印加する。駆動電圧供給手段１０２は、波形発生装置１０２１と、該波形発生装置１０２１から入力される波形を増幅するバイポーラー増幅器１０２２とを有している。バイポーラー増幅器１０２２は、駆動信号線１０２２ａ及び１０２２ｂを介して圧電振動子１０１の第１電極Ｅ１及び第２電極Ｅ２に接続されている。
【００１８】
波形発生装置１０２１は、バーカー系列からなる同期信号で変調された一定時間長の波形を発生させる装置である。バーカー系列（Ｂａｒｋｅｒ系列）は、長さＮの有限長系列であって、同期点以外での自己相関係数の絶対値の最大が１／Ｎとなる２値（＋１又は−１）の系列である。本発明においてはいずれのバーカー系列も採用可能であるが、応答時間を決定する際の時間分解能を高める観点からは５符号長以上のバーカー系列が好ましい。また、駆動電圧の波形に相似する直接波の後に少し遅れて載置面１０１Ｓに現れる、主として圧電振動子１０１の端部に由来する不要振動（エッジ波）の影響による相互相関の低下を抑制しやすい観点からは、１１符号長以下のバーカー系列が好ましい。
図２は、バーカー系列による変調及び波形発生装置１０２１が発生させる波形を説明する図である。図２には、例として符号長Ｎ＝７のバーカー系列を用いる場合を示している。図２（Ａ）は、７符号長のバーカー系列からなる同期信号を示す図である。図２（Ａ）の同期信号においては、バーカー系列の各符号に割り当てられる時間Ｔｐが一定である。図２（Ｂ）は、バーカー系列の符号長分の時間幅（＝７Ｔｐ）を有する極性一定の電圧パルスを示す図である。従来はこのように極性が一定のパルス電圧で圧電振動子を駆動していた。図２（Ｃ）は、図２（Ｂ）の電圧パルスを、図２（Ａ）のバーカー系列の符号の値が１の場合に対応する部分と−１の場合に対応する部分とで極性が逆になるように変調した波形を示す図である。図２（Ｃ）の波形について自己相関係数をとると、ずれ時刻０に鋭いピークが現れる。
波形発生装置１０２１としては、公知の任意波形発生装置（ファンクションジェネレータ）等を用いることができる。
波形発生装置１０２１は、発生させた波形をバイポーラー増幅器１０２２及び波形観測装置１０５１（後述）に入力する。
【００１９】
バイポーラー増幅器１０２２は、従来圧電振動子の駆動に用いられてきた増幅器とは異なり、出力の電圧極性を自在に操作することが可能な増幅器である。そのため図２（Ｃ）に示すように入力電圧の極性が反転する波形であっても、そのまま増幅して圧電振動子１０１の駆動に供することができる。
【００２０】
圧電振動子１０１の制動容量Ｃ０と駆動電圧供給手段１０２の出力インピーダンスＺ０とにより時定数τ＝Ｚ０Ｃ０が定まる。バーカー系列の１符号あたりに割り当てる時間Ｔｐに対して時定数τが大きすぎる場合には、駆動電圧の変化に対する圧電振動子１０１の変形の応答が鈍くなるので、載置面１０１Ｓの変位が駆動電圧の波形に追随し切れず、そのため被検体２表面で測定された変位速度と駆動電圧波形との相互相関のピーク値が低下するおそれがある。具体的には比τ／Ｔｐの値が０．３以下であることが好ましく、０．１以下であることがより好ましい。すなわち例えばＴｐが１μｓである場合には、τは０．３μｓ以下であることが好ましく、０．１μｓ以下であることがより好ましい。
【００２１】
また駆動電圧の時間長、すなわち、バーカー系列の符号長Ｎと、バーカー系列の１符号あたりに割り当てる時間Ｔｐとの積Ｎ×Ｔｐは、圧電振動子の基本共振周期未満であることが好ましい。駆動電圧の時間長Ｎ×Ｔｐは、駆動電圧の波形に相似する直接波の終末側と、主として圧電振動子１０１の端部に由来するエッジ波等の不要振動の開始側とが過度に重複を有しない範囲で適宜決定することができ、例えば７μｓ以下、好ましくは５μｓ以下等とすることができる。
【００２２】
圧電振動子１０１を構成する圧電セラミックスとしては、例えばチタン酸鉛やジルコン酸鉛等の、公知の圧電セラミックスを使用可能である。なお時定数τを小さくする観点からは、圧電振動子１０１の制動容量Ｃ０が小さくなる、誘電率の比較的小さい圧電セラミックス（例えばチタン酸鉛等。）を好ましく採用できる。
【００２３】
同じく時定数τを小さくする観点から、駆動電圧供給手段１０２の出力インピーダンスＺ０は低いことが好ましい。具体的には、駆動電圧供給手段１０２の出力インピーダンス（バイポーラー増幅器１０２２の出力インピーダンス）Ｚ０は、５Ω以下であることが好ましく、１Ω以下であることがより好ましい。本発明において好ましく採用可能なバイポーラー増幅器で商業的に入手可能なものとしては、例えばエヌエフ回路設計ブロック社製ＨＳＡ４１０１（出力インピーダンス：１．５Ω）等を挙げることができる。
【００２４】
変位速度測定手段１０３は、レーザードップラー振動計によって構成されており、被検体２表面の測定位置における変位速度の時間変化を光学的に測定する。変位速度測定手段１０３としては、商業的に入手可能な公知のレーザードップラー振動計を用いることができる。変位速度測定手段１０３から出射されたレーザーは反射鏡ＭＲＲに反射されて被検体２表面の測定位置に入射し、被検体２からの反射光が再び反射鏡ＭＲＲに反射されて変位速度測定手段１０３のセンサ部に入射する。変位速度測定手段１０３は、測定された変位速度の時間変化を波形観測装置１０５１（後述）に入力する。
【００２５】
走査手段１０４は、Ｘ−Ｙ移動ステージ１０４１と、Ｘ−Ｙ走査機構１０４２とを有する。走査手段１０４により、変位速度測定手段１０３からのレーザービームを、被検体載置面１０１Ｓ（Ｘ−Ｙ平面）上でＸ−Ｙ走査することができる。これにより被検体２表面の測定位置を走査し、被検体２表面上の複数の測定位置において変位速度の時間変化を測定することができる。
【００２６】
応答時間決定手段１０５は、変位速度測定手段１０３によって測定された被検体２表面の変位速度の時間変化と、駆動電圧の波形との相互相関に基づいて、駆動電圧の印加に対して被検体２表面の振動が応答するまでに要した時間（応答時間）を決定する。応答時間決定手段１０５は、波形観測装置１０５１と、相互相関解析手段１０５２とを有している。
【００２７】
波形観測装置１０５１は、波形発生装置１０２１から入力される電圧波形を第１の波形として、また、変位速度測定手段１０３から入力される変位速度の時間変化を第２の波形として、同一の時間軸で記録する。波形観測装置１０５１は、第１の波形及び第２の波形の情報を相互相関解析手段１０５２に送信する。波形観測装置１０５１としては、公知のオシロスコープ等を適宜用いることができる。第１の波形と第２の波形とを同一の時間軸で記録するにあたっては、例えば、波形発生装置１０２１が圧電振動子駆動のための電圧波形とは別にトリガーパルスを波形観測装置１０５１に送信し、波形観測装置１０５１が該トリガーパルスの受信時刻を共通の初期時刻として第１の波形及び第２の波形の記録を同時に開始する等の態様を採用することができる。
【００２８】
相互相関解析手段１０５２は、波形観測装置１０５１から送信された第１の波形ｆ（ｔ）（波形発生装置１０２１で発生させた電圧波形、ｔは時刻）と第２の波形ｇ（ｔ）（変位速度測定手段１０３で測定された変位速度の時間変化）との相互相関を表す畳み込み積分：
（ｆ＊ｇ）（Δｔ）＝∫ｆ（ｔ）ｇ（Δｔ−ｔ）ｄｔ
の絶対値を最大にするずれ時間Δｔを決定する。このずれ時間Δｔが、当該第２の波形が得られた被検体２表面の測定位置において駆動電圧の印加に対して被検体２表面の振動が応答するまでに要した時間（応答時間）である。本発明においてはバーカー系列からなる同期信号を用いて両極性に変調した駆動電圧パルスで圧電振動子１０１を駆動しているため、駆動電圧波形と変位速度の時間変化との相互相関に基づいて応答時間Δｔを精度よく決定することができる。相互相関解析手段１０５２は例えば、畳み込み積分及び最適化計算の数値計算アルゴリズムが実装された電子計算機によって構成することができる。相互相関解析手段１０５２は、決定した応答時間Δｔを画像処理手段１０６に送信する。
【００２９】
画像処理手段１０６は、応答時間決定手段１０５（相互相関解析手段１０５２）から送信された複数の応答時間Δｔの情報を、それぞれについて制御装置１０７（後述）から提供された測定位置の座標情報に対応付けることにより、画像を作成する。応答時間Δｔの大小は、その測定位置における被検体の厚みや被検体中の音速を反映しているので、このように対応付けを行うことにより、被検体の表面形状や内部の構造に関する情報が得られる。画像の作成にあたっては、例えば応答時間Δｔの大小を色の色相、明度、もしくは彩度、又はこれらの組み合わせに対応させることができる。画像処理手段１０６は、画像処理アルゴリズムが実装された電子計算機によって構成することができ、また相互相関解析手段１０５２とともに一の電子計算機で構成してもよい。
【００３０】
なお画像処理手段１０６は、得られた画像にさらなる画像処理を施すことにより、被検体２の表面または内部のクラックを検出してもよい。本発明のイメージング技術において、クラックの存在は、応答時間Δｔが周囲と異なる部分として検出される。クラックを検出するための画像処理としては、エッジ検出等を例示できる。
【００３１】
制御装置１０７は、イメージング装置１０の他の構成要素を統括制御する要素である。制御装置１０７は、駆動電圧供給手段１０２、変位速度測定手段１０３、走査手段１０４、及び応答時間決定手段１０５の同期をとり、画像処理手段１０６を管理し、測定位置の情報を走査装置１０４及び画像処理手段１０６に送信する。制御装置１０７は、画像処理手段１０６とともに一の電子計算機で構成してもよい。
【実施例】
【００３２】
以下、実施例に基づき、本発明についてさらに詳述する。ただし本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００３３】
＜実験例１＞
本発明のイメージング装置を用いて、厚さ１．３ｍｍのアルミニウム板からなる被検体表面の１点について応答時間を決定した実験例である。
【００３４】
（装置構成）
図１のイメージング装置１０において、圧電振動子１０１として直径４０ｍｍ、厚さ２ｍｍの円板状のチタン酸鉛を圧電セラミックスとする圧電振動子（制動容量：８００ｐＦ、基本共振周波数：２６ｋＨｚ）を用い；波形発生装置１０２１としてファンクションジェネレータ（アジレント・テクノロジー株式会社製３３２５０Ａ）を用い；バイポーラー増幅器１０２２として株式会社エヌエフ回路設計ブロック製ＨＳＡ４１０１（出力インピーダンス：１．５Ω）を用い；変位速度測定手段１０３としてレーザードップラー振動計（センサユニット：グラフテック株式会社製ＡＴ００２３、復調ユニット：グラフテック株式会社製ＡＴ３７００）を用い；走査手段１０４としてＸ−Ｙステージ（シグマ光機株式会社製ＳＧＳＰ２６−１００（ＸＹ））を用い；波形観測装置１０５１としてオシロスコープ（アジレント・テクノロジー株式会社製ＤＳＯ７０１２Ｂ）を用い；相互相関解析手段１０５２、画像処理手段１０６、及び制御装置１０７を一台のパーソナルコンピュータで兼用した構成のイメージング装置を用意した。バイポーラー増幅器の出力インピーダンスと圧電振動子の制動容量により定まる時定数τは０．１μｓであった。
【００３５】
（波形データの作成）
バーカー系列として符号長Ｎ＝７のバーカー系列を採用し、１符号あたりにＴｐ＝１μｓを割り当て、図３（Ａ）に示す波形データを作成した。上記時定数τとの比τ／Ｔｐは０．１である。この波形データについて、１ｎｓずつずらしながら元のデータと相互相関をとると、バーカー系列の性質通り、図３（Ｂ）に示すように同期点でのみ鋭いピークを示した。
【００３６】
（駆動電圧の発生）
ファンクションジェネレータで図３（Ａ）の波形を発生させた。ファンクションジェネレータの出力電圧を図４（Ａ）に示す。なお図４（Ａ）の波形は図３（Ａ）の波形と極性が反転しているが、単に電気的接続の便宜によるものであり、実質的な差異はない。この波形をバイポーラー増幅器で振幅±４０Ｖまで増幅して圧電振動子に印加し、振動子表面の変位速度をレーザードップラー振動計で測定して、測定値をオシロスコープに取り込み、その時間変化を記録した。その結果を図４（Ｂ）に示す。時刻０〜７μｓの間に、駆動電圧の波形と相似な変位速度パターンが現れていることが読み取れる。変位速度パターンとバーカー系列の符号との対応関係をグラフ中に示している。なお図４（Ｂ）において時刻１０μｓ以降に現れている波形は、主として圧電振動子の端部に由来する振動（エッジ波）である。
【００３７】
（アルミニウム板の測定）
圧電振動子の載置面に厚さ１．３ｍｍのアルミニウム板を載置し、図４（Ａ）の波形を上記同様にバイポーラー増幅器を介して圧電振動子に印加して、アルミニウム板表面の変位速度の時間変化と駆動電圧波形との相互相関を計算した。なお相互相関をとるにあたっては、オシロスコープのサンプリング周波数が１０ｎｓであったため、１ｎｓ毎にデータ補間を施してから相互相関の計算に供した。結果を図５に示す。相互相関は、ずれ時間が０．２２μｓのときに鋭いピークを示した。駆動電圧の印加に圧電振動子自体の表面の変位が応答するまでの時間はナノ秒のオーダであるので、アルミニウム板と圧電振動子との接触面（載置面）からアルミニウム板の反対側の表面に振動が伝播するまでの時間は０．２２μｓである。アルミニウム板の厚さ１．３ｍｍからアルミニウム中の音速を算出すると６１１０ｍ／ｓとなり、他の方法による測定値と良好な一致を示している。この結果から、本発明によれば、駆動電圧（パルス列）の時間幅Ｎ×Ｔｐが７μｓと長くても、時間分解能の高い、高精度の測定ができることが示された。
【００３８】
＜実験例２＞
本発明が超音波の減衰率が高い被検体に対しても適用可能であることを実証するため、アルミニウム板に代えて厚さ２ｍｍの発泡シリコンゴムシートを被検体とした以外は、実験例１と同様に測定を行った。この発泡シリコンゴムシートのように泡を含む材料は、超音波が泡によって散乱されるため、超音波の減衰率が極めて高くなる。測定された被検体表面の変位速度の時間変化の波形を図６に示す。図６の波形はＳ／Ｎ比が極めて低いため、ピーク値やピークの立ち上がりを検出する方法によっては何らの情報も得ることができない。しかしこの波形と駆動電圧波形との相互相関をとると図７のようになり、ずれ時間２．１μｓに、被検体表面に対応する明瞭な相関係数ピークが観察された。シートの厚み２ｍｍからシリコンゴム中の音速を算出すると約９５０ｍ／ｓとなり、公知の測定値と良好な一致を示している。この結果から、本発明によれば、超音波の減衰が大きい被検体に対しても、時間分解能の高い、高精度の測定が可能であることが示された。
【００３９】
＜実施例１＞
実験例２と同様の発泡シリコンゴムシート（縦２０ｍｍ×横２０ｍｍ×厚さ２ｍｍ）から、「Ｕ．Ｓ」の文字をナイフで切り取って、被検体を作製した。この被検体に対して、上記実験例１同様の装置を用いて、本発明のイメージング方法により、被検体表面の測定位置をＸ−Ｙ走査しながらイメージングを行った。なおＸ−Ｙ走査は縦２０ｍｍ×横２０ｍｍの領域において縦１００点×横１００点の測定位置を等間隔で確保するように行った。得られたイメージング画像を図８に示す。図８の画像においては応答時間Δｔが短いほど色が濃くなるように色を割り当てている。
【００４０】
図８から読み取れるように、Ｓ／Ｎ比が１未満の被検体であっても、本発明によれば明瞭なイメージングが可能であった。この結果から、本発明のイメージング技術は、超音波の減衰が大きい被検体に対しても適用可能であることが示された。
【符号の説明】
【００４１】
１０  イメージング装置
１０１  圧電振動子
Ｅ１  第１電極
Ｅ２  第２電極
１０１Ｓ  載置面
１０２  駆動電圧供給手段
１０２１  波形発生装置
１０２２  バイポーラー増幅器
１０２２ａ、１０２２ｂ  駆動信号線
１０３  変位速度測定手段（レーザードップラー振動計）
１０４  走査手段
１０４１  Ｘ−Ｙ移動ステージ
１０４２  Ｘ−Ｙ走査機構
１０５  応答時間決定手段
１０５１  波形観測装置
１０５２  相互相関解析手段
１０６  画像処理手段
１０７  制御装置
２  被検体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図４】
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【図８】
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