JP2012251842A - 超音波計測装置および超音波計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 被検体の表面が湾曲や多数の凹凸を有する場合であっても、被検体の表面に対して垂直に超音波ビームを入射させることができる超音波計測装置を提供する。
【解決手段】 被検体３を計測する超音波計測装置１００は、超音波ビーム１０を発信し、反射超音波ビームを受信する探触子１と、探触子１から発信された超音波ビーム１０を被検体３へ向けて偏向し、且つ被検体３からの反射超音波ビームを探触子１へ向けて偏向する偏向装置３０と、探触子１および偏向装置３０を一体に走査する駆動装置とを有し、偏向装置３０は、超音波ビーム１０を偏向する偏向角度が可変である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、被検体を計測する超音波計測装置および超音波計測方法に関する。

従来、被検体を計測する超音波計測装置において、被検体を高精度で計測するために、探触子から送信される超音波ビームの中心軸線に対して被検体の表面が垂直になるように被検体を配置する必要がある。
このため、特許文献１は、探触子の走査平面に対する被検体の表面の三次元的傾きを計測し、その計測結果にしたがって、被検体の表面が走査平面と平行になるように被検体の傾きを調整することを開示している。
しかし、特許文献１において、被検体の表面が平坦面でない場合には、探触子の走査平面に対する被検体の表面の三次元的傾きを正確に計測できないことがある。

一方、特許文献２は、探触子の焦点位置を被検体の表面から一定深さ位置に維持するために、被検体の表面形状を模したダミー被検体の表面形状に倣って探触子を上下動させることを開示している。
しかし、特許文献２において、探触子は上下動させられるのみであるので、探触子から送信される超音波ビームを、被検体の湾曲表面に対して垂直に入射させることができない。したがって、探触子は、被検体の湾曲表面により反射される超音波ビームを適切に受信することができず、被検体を高精度で計測することが困難である。

特開平４−３２３５５４号公報 特開平６−２４２０８７号公報

そこで、本発明は、被検体の表面が湾曲や多数の凹凸を有する場合であっても、被検体の表面に対して垂直に超音波ビームを入射させることができる超音波計測装置および超音波計測方法を提供することを目的とする。

前述した課題を解決する為に本発明では次のような超音波計測装置とした。
すなわち、被検体を計測する超音波計測装置は、超音波ビームを発信し、反射超音波ビームを受信する探触子と、前記探触子から発信された前記超音波ビームを前記被検体へ向けて偏向し、且つ前記被検体からの反射超音波ビームを前記探触子へ向けて偏向する偏向装置と、前記探触子および前記偏向装置を一体に走査する駆動装置とを有し、前記偏向装置は、前記超音波ビームを偏向する偏向角度が可変であることを特徴とする。
また、前述した課題を解決する為に本発明では次のような超音波計測方法とした。
すなわち、被検体を計測する超音波計測方法は、探触子から超音波ビームを発信する工程と、前記探触子から発信された前記超音波ビームを偏向装置により偏向して前記被検体へ向け、前記被検体からの反射超音波ビームを前記偏向装置により偏向して前記探触子へ向ける工程と、前記偏向装置の偏向角度を変更する工程と、前記探触子および前記偏向装置を一体に走査する工程とを有することを特徴とする。

本発明によれば、偏向装置により超音波ビームを偏向することができるので、被検体の表面に対して垂直に超音波ビームを入射させることができる。

実施例１による超音波計測装置を示す図である。 従来の超音波ビームの送信および受信の状態を示す図である。 実施例１による反射板の斜視図である。 実施例１による反射板を使用した超音波ビームの送信および受信の状態を示す図である。 反射超音波ビームの強度を説明するための図である。 内部に欠陥を有する被検体の表面の計測を示す図である。 探触子と反射板とをユニットとしてＸ方向およびＹ方向に走査するためのフローチャートである。 内部に欠陥を有する被検体の内部の計測を示す図である。 実施例２による反射部材を示す図である。 実施例２による超音波計測装置を示す図である。 実施例３による反射部材を示す図である。 実施例３による超音波計測装置を示す図である。

以下、本発明を、好ましい実施形態に基づき図面を参照しながら説明する。ただし、以下の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

（実施例１）
図１は、本発明の実施例１による超音波計測装置１００を示す図である。超音波計測装置１００は、超音波ビーム１０を送信および受信する探触子（超音波センサ）１と、探触子１を走査する走査装置２０と、探触子１から送信された超音波ビーム１０を偏向し走査する偏向装置３０とを有する。また、超音波計測装置１００は、槽１６と、槽１６の中で被検体３を支持する支持体１８とを有する。被検体３は、湾曲や凹凸の多い複雑な形状の表面を有するものであってもよい。
槽１６は、探触子１から送信された超音波ビーム１０を伝える水などの媒質９を収容している。探触子１は、媒質９に浸漬されている。本実施例において、探触子１は、略水平方向へ超音波ビーム１０を送信するように配置されている。

探触子１は、回転軸４を介してＺ軸部材６により支持されている。Ｚ軸部材６は、上下方向（Ｚ方向）に延在している。回転軸４は、Ｚ方向に垂直なＹ方向（紙面に垂直な方向）に延在している。探触子１は、回転軸４を中心にして上下方向に回転することができる。なお、Ｚ方向の軸線を中心に探触子１を回転できるように構成してもよい。
探触子１は、探触子回転駆動装置（不図示）により回転軸４を中心にしてＺ軸部材６に対して回転させられる。探触子回転駆動装置（不図示）は、制御装置１３に電気的に接続され、制御装置１３により制御される。制御装置１３は、被検体３の表面形状に従って探触子１の初期角度調整を行う。初期角度調整において、制御装置１３は、探触子１を探触子回転駆動装置（不図示）により回転軸４を中心に回転させ、被検体３の表面形状に従った角度（初期角度）で探触子１を固定する。探触子回転駆動装置（不図示）は、探触子１の角度位置を表す探触子角度情報を制御装置１３へ出力する。

偏向装置３０は、探触子１からの超音波ビーム１０を偏向して被検体３へ向け、また、被検体３からの反射超音波ビームを偏向して探触子１へ向ける。偏向装置３０は、超音波ビーム１０を偏向する偏向角度が可変である。
偏向装置３０は、超音波ビーム１０を反射する板状の反射部材（以下、反射板という。）２を有する。反射板２は、回転軸５を介して固定部材８により支持されている。固定部材８は、Ｚ軸部材６に固定されている。回転軸５は、Ｚ方向に垂直なＹ方向（紙面に垂直な方向）に延在している。反射板２は、回転軸５を中心にして図１の矢印で示す方向に回転することができる。
反射板２は、反射板回転駆動装置（不図示）により回転軸５を中心にして固定部材８に対して回転させられる。反射板回転駆動装置（不図示）は、制御装置１３に電気的に接続され、制御装置１３により制御される。
制御装置１３は、反射板２を反射板回転駆動装置（不図示）により回転軸５を中心に回転させ、探触子１からの超音波ビーム１０を偏向する。回転する反射板２により反射された超音波ビーム１０は、照射範囲１１内で偏向走査される。反射板回転駆動装置（不図示）は、反射板２の角度位置を表す反射板角度情報を制御装置１３へ出力する。

Ｚ軸部材６は、Ｚ方向駆動装置（不図示）により探触子１および反射板２をＺ方向へ移動可能に構成されている。Ｚ方向駆動装置（不図示）は、制御装置１３に電気的に接続され、制御装置１３により制御される。Ｚ方向駆動装置（不図示）は、Ｚ方向における探触子１の位置を表すＺ位置情報を制御装置１３へ出力する。
Ｚ軸部材６は、Ｘ軸部材７により支持されている。Ｘ軸部材７は、Ｚ方向およびＹ方向に垂直な水平方向（Ｘ方向）に延在している。Ｘ方向駆動装置（不図示）は、Ｚ軸部材６をＸ軸部材７に沿ってＸ方向へ移動させる。Ｚ軸部材６のＸ方向への移動により、探触子１および反射板２は、Ｘ方向へ移動させられる。Ｘ方向駆動装置（不図示）は、制御装置１３に電気的に接続され、制御装置１３により制御される。Ｘ方向駆動装置（不図示）は、Ｘ方向における探触子１の位置を表すＸ位置情報を制御装置１３へ出力する。
Ｘ軸部材７は、Ｙ方向駆動装置（不図示）によりＹ方向へ移動可能に構成されている。Ｘ軸部材７のＹ方向への移動により、探触子１および反射板２は、Ｙ方向へ移動させられる。Ｙ方向駆動装置（不図示）は、制御装置１３に電気的に接続され、制御装置１３により制御される。Ｙ方向駆動装置（不図示）は、Ｙ方向における探触子１の位置を表すＹ位置情報を制御装置１３へ出力する。

探触子１は、パルサーレシーバ１２に電気的に接続されている。パルサーレシーバ１２は、制御装置１３に電気的に接続されている。制御装置１３は、パルサーレシーバ１２を介して探触子１の超音波ビーム１０の送信および受信を制御する。パルサーレシーバ１２のパルサー部は、探触子１から超音波ビーム１０を発信するための駆動信号を探触子１へ送信する。パルサーレシーバ１２のレシーバ部は、被検体３で反射した反射超音波ビームを受信した探触子１からの超音波受信信号を探触子１から受信する。

解析装置１４は、制御装置１３に電気的に接続されている。解析装置１４は、超音波受信信号の処理および画像化をおこなう。解析装置１４は、制御装置１３から得られる超音波受信信号、角度情報（偏向角度情報）、および走査位置情報から、被検体の表面の画像情報および被検体の内部の欠陥や異物の画像情報を生成する。角度情報は、探触子角度情報および反射板角度情報（偏向角度情報）を含む。走査位置情報は、探触子１のＸ位置情報、Ｙ位置情報、およびＺ位置情報を含む。なお、走査位置情報は、探触子１の位置ではなく、反射板２の位置を表す位置情報であってもよい。

表示部１５は、解析装置１４に電気的に接続されている。表示部１５は、解析装置１４の画像情報から、被検体の表面の画像および被検体の内部の欠陥や異物の画像を表示する。

以下に、超音波計測方法について説明する。
通例の水浸式超音波計測装置において、被検体の表面形状に従って被検体を計測するために多関節ロボットを用いることは困難である。そこで、探触子１のＸ方向（主走査方向）のラインスキャンを一回おこなうごとに探触子１をＹ方向（副操作方向）へ移動させて、複数回の主走査方向のラインスキャンをおこない、複数回の主走査方向のラインスキャンの走査結果を合成処理して、二次元の面状の計測結果を得ている。

図２は、従来の超音波ビーム１０の送信および受信の状態を示す図である。
超音波ビーム１０は、音響インピーダンスの異なる境界で反射および透過をする。従って、一般に、被検体の表面が、平坦であり且つ超音波ビームの入射方向に対して垂直であることが、被検体を高精度に計測するための必要条件となる。
図２（ａ）は、超音波ビーム１０の入射方向に対して垂直な平坦な表面３３ａを有する被検体３３に対する超音波ビーム１０の送信および受信の状態を示す図である。被検体３３の表面３３ａは、平坦であり且つ超音波ビーム１０の入射方向に対して垂直であるので、探触子１が受信する反射超音波ビームの強度は、最大になる。

被検体の表面に垂直な方向に対して超音波ビームの入射方向が傾いていると、探触子が受信する反射超音波ビームの強度が低下する。さらに、被検体の内部で超音波ビームの屈折が発生するために、反射超音波ビームを受信することが困難となる場合がある。
図２（ｂ）は、超音波ビーム１０の入射方向に垂直な方向に対して傾斜した平坦な表面４３ａを有する被検体４３に対する超音波ビーム１０の送信および受信の状態を示す図である。被検体４３の表面４３ａは、平坦であるが傾斜しているので、探触子１が受信する反射超音波ビームの強度は、低下する。

探触子１のラインスキャンの範囲内で、被検体が湾曲を有する場合、被検体が凹凸を有する揚合、または被検体の凹凸が角度をもった形状の場合は、超音波ビーム１０を被検体の表面に垂直に入射できない。そのため、被検体の表面および内部の状態を正確に計測することが困難となる。
図２（ｃ）は、湾曲を有する表面５３ａを有する被検体５３に対する超音波ビーム１０の送信および受信の状態を示す図である。湾曲を有する表面５３ａの部分５３ａ１は、超音波ビーム１０の入射方向に対して垂直であるので、探触子１が受信する反射超音波ビームの強度は、最大になる。しかし、湾曲を有する表面５３ａの部分５３ａ２は、超音波ビーム１０の入射方向に垂直な方向に対して傾斜しているので、探触子１が受信する反射超音波ビームの強度は、低下する。

図２（ｄ）は、凹凸を有する表面６３ａを有する被検体６３に対する超音波ビーム１０の送信および受信の状態を示す図である。凹凸を有する表面６３ａの部分６３ａ１は、超音波ビーム１０の入射方向に対して垂直な平坦な表面であるので、探触子１が受信する反射超音波ビームの強度は、最大になる。しかし、凹凸を有する表面６３ａの部分６３ａ２は、超音波ビーム１０の入射方向に垂直な方向に対して傾斜しているので、探触子１が受信する反射超音波ビームの強度は、低下する。

そこで、本実施例による超音波計測装置１００は、探触子１から送信された超音波ビーム１０を偏向し走査する偏向装置３０を有する。偏向装置３０は、回転する反射板２を有する。反射板２は、探触子１から送信された超音波ビーム１０を反射する。反射板２を回転させることにより、広範囲に多方向から超音波ビーム１０を被検体３へ送信できる。

図３は、実施例１による反射板２の斜視図である。図４は、本実施例による反射板２を使用した超音波ビーム１０の送信および受信の状態を示す図である。図４（ａ）は、平坦な表面３３ａを有する被検体３３に対する超音波ビーム１０の送信および受信の状態を示す図である。図４（ｂ）は、湾曲を有する表面５３ａを有する被検体５３に対する超音波ビーム１０の送信および受信の状態を示す図である。

図４に示すように、探触子１から送信された超音波ビーム１０は、回転軸５を中心に回転する反射板２により反射される。図４（ａ）の（ｉ）、図４（ｂ）の（ｉ）および（ｉｉ）に示すように、反射板２により反射された超音波ビーム１０が被検体３３および５３の表面に垂直に入射するときに、探触子１が受信する反射超音波ビームの強度は、最大になる。しかし、図４（ａ）の（ｉｉ）および図４（ｂ）の（ｉｉｉ）に示すように、反射板２により反射された超音波ビーム１０が被検体３３および５３の表面に垂直な方向に対して傾斜する方向から入射すると、探触子１が受信する反射超音波ビームの強度は、低下する。

反射板２は、回転軸４を中心に探触子１を回転させる回転速度より速い回転速度で回転軸５を中心に回転させることができる。従って、回転する反射板２は、探触子１を回転させるよりも高速で広角範囲に超音波ビーム１０を照射することができる。
このように広角範囲で被検体に入射された超音波ビーム１０は、被検体の表面に入射する角度に応じて、反射角および屈折角が変化する。従って、探触子１が受信する反射超音波ビームの情報処理は、非常に困難となる。
そこで、被検体の表面を計測する場合と被検体の内部を計測する場合とで、反射超音波ビームの情報処理の方法を変更する。

図５は、反射超音波ビームの強度を説明するための図である。
図５（ａ）は、被検体３３の平坦な表面３３ａに垂直に入射する超音波ビーム１０を示す図である。被検体３３は、内部に欠陥４０を有する。図５（ｂ）は、超音波ビーム１０が被検体３３の平坦な表面３３ａに垂直に入射したときの反射超音波ビームの強度を示す図である。時間ｔ１のピークＰ１は、被検体３３の表面３３ａにより反射した反射超音波ビームの強度を表している。時間ｔ２のピークＰ２は、被検体３３の内部の欠陥４０により反射した反射超音波ビームの強度を表している。
被検体３３の表面３３ａから反射した超音波ビームは、探触子１が受信した受信信号の第一番目のピークＰ１かつピーク発生時間ｔ１が最も早い。内部欠陥４０からの反射超音波ビームのピークＰ２は、表面３３ａから反射した超音波ビームのピークＰ１の後の時間ｔ２に発生する。
図５（ｃ）は、被検体３３の平坦な表面３３ａに垂直な方向に対して斜めに入射する超音波ビーム１０を示す図である。図５（ｄ）は、超音波ビーム１０が被検体３３の平坦な表面３３ａに斜めに入射したときの反射超音波ビームの強度を示す図である。図５（ｄ）において、反射超音波ビームの強度は大きく低下し、ほとんど検出できない。

以下に、被検体７３の表面を計測する場合の反射超音波ビームの情報処理の方法を説明する。
図６は、内部に欠陥４１を有する被検体７３の表面の計測を示す図である。被検体７３は、水を収納した槽１６内の支持体１８により支持されている。
被検体７３は、傾斜表面７３ａおよび７３ｂ、および凹部７３ｃを有する。凹部７３ｃは、傾斜表面７３ｃ１および７３ｃ２を有する。凹部７３ｃの傾斜表面７３ｃ１および７３ｃ２は、被検体７３の傾斜表面７３ａおよび７３ｂと異なる角度で傾斜している。また、被検体７３は、内部に欠陥４１を有する。欠陥４１は、凹部７３ｃの直下にある。

図６（ａ）は、位置Ａにおける被検体７３の表面の計測を示す図である。位置Ａにおいて、偏向装置３０は、反射板２を回転（揺動）させることにより、探触子１から送信された超音波ビーム１０を、照射範囲１１（図１）内で偏向し走査する。
図６（ｂ）は、位置Ａにおいて探触子１が受信した反射超音波ビームの強度を示す図である。媒質伝播時間ｔＡにおいて、反射超音波ビーム強度の最大ピークＰＡが得られる。偏向装置３０の回転（揺動）する反射板２により偏向された超音波ビーム１０が被検体７３の傾斜表面７３ａに垂直に入射したときに、反射超音波ビームの強度が最大になり、最大ピークＰＡが現れる。したがって、媒質伝播時間ｔＡは、探触子１から超音波ビーム１０が送信されたときから、被検体７３の傾斜表面７３ａにより反射された反射超音波ビームを探触子１が受信するときまでの時間を表している。

パルサーレシーバ１２は、最大ピークＰＡを有する反射超音波ビームに関する情報を抽出する。すなわち、パルサーレシーバ１２は、探触子１により受信された反射超音波ビームのうち最大強度（感度）の反射超音波ビーム（受信言号の第一番目のピークかつピーク発生時間が最も早い）のみを分離し抽出する。最大ピークＰＡにおける反射板２の反射板角度情報（偏向角度情報）、探触子１の走査位置情報（Ｘ位置情報、Ｙ位置情報、Ｚ位置情報）、媒質伝播時間ｔＡから被検体７３の傾斜表面７３ａの位置を得ることができる。よって、被検体７３の表面の形状を正確に計測することができる。

媒質内で、探触子１と偏向装置３０とを一体にＸ方向（主走査方向）へ所定距離だけ移動させる。所定距離は、例えば、０．１ミリメートルである。上記と同様にして被検体７３の表面の計測をおこなう。このようにして、Ｘ方向への所定距離の移動と計測とを繰り返す。

図６（ｃ）は、位置Ｂにおける被検体７３の表面の計測を示す図である。位置Ｂにおいて、偏向装置３０は、反射板２を回転（揺動）させることにより、探触子１から送信された超音波ビーム１０を、照射範囲１１（図１）内で偏向し走査する。
図６（ｄ）は、位置Ｂにおいて探触子１が受信した反射超音波ビームの強度を示す図である。媒質伝播時間ｔＢにおいて、反射超音波ビーム強度の最大ピークＰＢが得られる。偏向装置３０の回転（揺動）する反射板２により偏向された超音波ビーム１０が被検体７３の凹部７３ｃの傾斜表面７３ｃ１に垂直に入射したときに、反射超音波ビームの強度が最大になり、最大ピークＰＢが現れる。したがって、媒質伝播時間ｔＢは、探触子１から超音波ビーム１０が送信されたときから、被検体７３の傾斜表面７３ｃ１により反射された反射超音波ビームを探触子１が受信するときまでの時間を表している。

パルサーレシーバ１２は、最大ピークＰＢを有する反射超音波ビームに関する情報を抽出する。最大ピークＰＢにおける反射板２の反射板角度情報（偏向角度情報）、探触子１の走査位置情報（Ｘ位置情報、Ｙ位置情報、Ｚ位置情報）、媒質伝播時間ｔＢから被検体７３の傾斜表面７３ｃ１の位置を得ることができる。よって、被検体７３の表面の形状を正確に計測することができる。

さらに、探触子１と偏向装置３０とを一体にＸ方向（主走査方向）へ所定距離だけ移動させ、上記と同様に計測をおこなう。Ｘ方向（主走査方向）の一ラインスキャンが終了した後に、探触子１と偏向装置３０とを一体にＹ方向（副操作方向）へ所定距離だけ移動させる。所定距離は、例えば、０．１ミリメートルである。
このように、ラインスキャンが終了するたびに、探触子１と偏向装置３０とを一体に副走査方向へ所定距離だけ移動させ、複数回の主走査方向のラインスキャンをおこなう。解析装置１４は、主走査方向の複数回のラインスキャンの走査結果を合成処理して、被検体７３の表面の計測結果を得る。図６（ｅ）は、被検体７３の表面の画像化結果を示す図である。

このように、探触子１と反射板２とをユニットとして、Ｘ方向およびＹ方向に走査することにより、被検体７３の全体の表面形状を計測することができる。解析装置１４は、被検体７３の表面形状のデータを記憶する。解析装置１４は、反射板２の反射板角度情報（偏向角度情報）、探触子１の走査位置情報（Ｘ位置情報、Ｙ位置情報、Ｚ位置情報）、および媒質伝播時間から、被検体７３の表面の形状を画像化する。被検体７３の表面の画像は、表示部１５により表示される。

なお、被検体７３の表面の角度によっては、反射板２の角度を変化させても探触子１が反射超音波ビームを受信できない場合がある。そのような場合には、被検体７３を水平方向に１８０度だけ回転させて被検体７３の計測をする。あるいは、探触子回転駆動装置（不図示）により回転軸４を中心に探触子１を回転させて被検体７３の計測をする。

図７は、探触子１と反射板２とをユニットとしてＸ方向およびＹ方向に走査するためのフローチャートである。
水を収納した槽１６内の支持体１８に、被検体７３を固定する（ステップＳ１）。制御装置１３は、Ｚ方向駆動装置（不図示）によりＺ軸部材６をＺ方向へ移動して探触子１のＺ方向位置を設定する（ステップＳ２）。制御装置１３は、Ｘ方向およびＹ方向の走査範囲、探触子１の受信感度、被検体７３の計測対象範囲などの条件を設定する（ステップＳ３）。

制御装置１３は、Ｘ方向駆動装置（不図示）により媒質内で探触子１と反射板２を一体的にＸ方向へ所定距離移動させる（ステップＳ４）。制御装置１３は、反射板２を回転させながら探触子１により超音波ビーム１０の送信及び受信をおこなう（ステップＳ５）。解析装置４１は、探触子１が受信した反射超音波ビームのうち、最大強度かつピーク発生時間が最も早い反射超音波ビームを分離し抽出する（ステップＳ６）。解析装置は、抽出したビームから被検体７３の表面位置の情報を算出する。制御装置１３は、Ｘ方向のラインスキャンが終了したか否かを判断する（ステップＳ７）。

Ｘ方向のラインスキャンが終了していないときは（ステップＳ７のＮＯ）、ステップＳ４へ戻り、探触子１と反射板２を次の走査位置までＸ方向へ所定距離だけ移動させる。次の走査位置において、最大強度かつピーク発生時間が最も早い反射超音波ビームを分離し抽出する。Ｘ方向のラインスキャンが終了したときは（ステップＳ７のＹＥＳ）、制御装置１３は、Ｙ方向駆動装置（不図示）により探触子１と反射板２をＹ方向へ所定距離移動させる（ステップＳ８）。制御装置１３は、Ｙ方向の走査が終了したか否かを判断する（ステップＳ９）。

Ｙ方向の走査が終了していないときは（ステップＳ９のＮＯ）、ステップＳ４へ戻り、次のＸ方向のラインスキャンをおこなう。Ｙ方向の走査が終了したときは（ステップＳ９のＹＥＳ）、全ての走査位置で、最大強度かつピーク発生時間が最も早い反射超音波ビームを抽出できたか否かを判断する（ステップＳ１０）

全ての走査位置で最大強度かつピーク発生時間が最も早い反射超音波ビームを抽出できなかったときは（ステップＳ１０のＮＯ）、被検体７３をすでに水平方向に１８０度回転させたか否かを判断する（ステップＳ１１）。まだ、被検体７３を水平方向に１８０度回転させていないときは（ステップＳ１１のＮＯ）、被検体７３を水平方向へ１８０度回転させる（ステップＳ１２）。ステップＳ２へ戻って、反転した被検体７３を走査する。

ステップＳ１０において、全ての走査位置で最大強度かつピーク発生時間が最も早い反射超音波ビームを抽出できたときは（ステップＳ１０のＹＥＳ）、走査を終了する（ステップＳ１３）。また、ステップＳ１１において、被検体７３をすでに水平方向に１８０度回転させたときも（ステップＳ１１のＹＥＳ）、走査を終了する（ステップＳ１３）。

解析装置１４は、被検体７３を水平方向に１８０度回転させて走査したか否かを判断する（ステップＳ１４）。被検体７３を水平方向に１８０度回転させて走査したときは（ステップＳ１４のＹＥＳ）、解析装置１４は、被検体７３を回転させる前の被検体の表面位置の情報と、被検体７３を回転させた後の被検体の表面位置の情報とを合成する（ステップＳ１５）。解析装置１４は、合成した情報に従って被検体７３の表面の画像を表示装置１５に表示する（ステップＳ１６）。

ステップＳ１４において、被検体７３を水平方向に１８０度回転させて走査していないと判断したときは（ステップＳ１４のＮＯ）、被検体の表面位置の情報に従って被検体７３の表面の画像を表示装置１５に表示する（ステップＳ１６）。

次に、被検体３の内部を計測する場合の反射超音波ビームの情報処理の方法を説明する。図８は、内部に欠陥４１を有する被検体７３の内部の計測を示す図である。

図８（ａ）は、位置Ｃにおける被検体７３の内部の計測を示す図である。図８（ｂ）は、位置Ｄにおける被検体７３の内部の計測を示す図である。位置Ｃおよび位置Ｄにおいて、偏向装置３０は、反射板２を回転（揺動）させることにより、探触子１から送信された超音波ビーム１０を、照射範囲１１（図１）内で偏向し走査する。

内部に欠陥４１（または異物）が存在する被検体７３を計測する場合、広角な照射範囲１１で入射される超音波ビーム１０は、被検体７３の内部を伝播し欠陥４１で反射する。この反射超音波ビームの強度は、欠陥４１の状態に依存するため、被検体７３の表面の計測の場合のように必ずしも傾斜面７３ｃ１または傾斜面７３ｃ２に対して垂直に入射した超音波ビーム１０により内部の状態を計測できるわけではない。欠陥４１からの反射超音波ビームは、表面の計測と同様に探触子１により受信される反射超音波ビーム（受信信号）の第一ピークにもなりえる。

被検体７３の内部へ伝播し被検体７３の内部で反射した反射超音波ビームに基づいて、超音波ビーム１０の入射方向と被検体７３の表面との角度を決めることができない。被検体７３の表面に垂直な方向に対して斜めに入射する超音波ビーム１０に関して、被検体７３の表面で反射する反射超音波ビームの強度よりも、被検体７３の内部で屈折した反射超音波ビームの強度が大きくなることが考えられる。そのため、被検体７３の表面で反射した反射超音波ビームのピークを探触子１が受信できないことが多い。従って、超音波ビーム１０がいつ媒質から被検体７３の内部へ透過したかを判断できない。そこで、先に計測しておいた被検体７３の表面形状、および反射超音波ビームのピーク発生時における反射板２の角度情報（偏向角度情報）および探触子１の走査位置情報に基づいて、内部屈折角および内部伝播時間を演算処理し、欠陥４１を画像化する。

解析装置１４は、探触子１により受信される反射超音波ビームが、内部の欠陥４１から反射した反射超音波ビームであるか否かを判断する。解析装置１４は、探触子１により受信される反射超音波ビームが、探触子１の位置に対して先に計測した表面からの反射超音波ビームであるか否かを判断する。探触子１により受信される反射超音波ビームが表面からの反射超音波ビームではない場合は、探触子１により受信される反射超音波ビームが内部の欠陥４１から反射した反射超音波ビームであると判断する。

画像化処理については、反射板２の反射板角度情報（偏向角度情報）、探触子１の走査位置情報（Ｘ位置情報、Ｙ位置情報、Ｚ位置情報）から、屈折角による内部伝播時間の変化を考慮し、媒質伝播時間を演算、補正し画像化する。図８（ｃ）は、被検体７３の内部の画像化結果を示す図である。

以上のように、本実施例によれば、複雑な形状の表面を有する被検体の内部を計測することができる。

（実施例２）
次に、図９および図１０を参照して、本発明による実施例２の超音波計測装置２００を説明する。実施例２の超音波計測装置２００は、反射部材２０２を除いて実施例１の超音波計測装置１００と同様である。実施例２において、実施例１と同様の構成には、同様の参照符号を付して説明を省略する。

図９は、実施例２による反射部材２０２を示す図である。図９（ａ）は、反射部材２０２の斜視図である。図９（ｂ）は、図９（ａ）の線IXＢ−IXＢに沿って取った断面図である。図９（ｃ）は、図９（ａ）の線IXＣ−IXＣに沿って取った断面図である。
反射部材２０２の反射表面２０２ａは、反射部材２０２の回転軸線２０２ｂに対して連続的に傾斜角度θが変化する。すなわち、反射部材２０２の反射表面２０２ａをつくる直線は、回転軸線２０２ｂの回りに回転方向に連続的に変化している。反射表面２０２ａには、角部（縁）がないとよい。

図９（ｂ）において、左側の反射表面２０２ａの傾斜角度θ１は、右側の反射表面２０２ａの傾斜角度θ２と異なっている。図９（ｃ）において、左側の反射表面２０２ａの傾斜角度θ３は、右側の反射表面２０２ａの傾斜角度θ４と異なっている。
なお、反射部材２０２は、回転軸線２０２ｂを含む平面に対して面対称であってもよい。また、反射表面２０２ａに一つまたは複数の縁部があってもよい。

反射部材２０２は、回転軸線２０２ｂに沿って軸穴２０２ｃが設けられている。軸穴２０２ｃに回転軸２０５（図１０）が嵌め込まれて固定されている。

図１０は、本発明の実施例２による超音波計測装置２００を示す図である。反射部材２０２は、反射板回転駆動装置（不図示）により回転軸２０５を中心にして固定部材８に対して回転させられる。
超音波計測装置２００は、探触子１および反射部材２０２を一体的にＸ方向およびＹ方向へ移動させる。偏向装置３０の反射部材２０２を回転させて、探触子１からの超音波ビーム１０を偏向し走査して、被検体７３の表面および内部を計測する。

解析装置１４は、探触子１の受信信号、反射部材２０２の回転角度情報（偏向角度情報）、および探触子１の走査位置情報（Ｘ位置情報、Ｙ位置情報、Ｚ位置情報）に基づいて、被検体７３の表面および内部を画像化して、表示部１５に画像を表示させる。

（実施例３）
次に、図１１および図１２を参照して、本発明による実施例３の超音波計測装置３００を説明する。実施例３の超音波計測装置３００は、反射部材３０２を除いて実施例１の超音波計測装置１００と同様である。実施例３において、実施例１と同様の構成には、同様の参照符号を付して説明を省略する。

図１１は、実施例３による反射部材３０２を示す図である。図１１（ａ）は、反射部材３０２の斜視図である。図１１（ｂ）は、図１１（ａ）の線ＸＩＢ−ＸＩＢに沿って取った断面図である。図１１（ｃ）は、図１１（ａ）の線ＸＩＣ−ＸＩＣに沿って取った断面図である。
反射部材３０２は、複数の反射表面３０２ａ（３０２ａ１〜３０２ａ１０）を有する多角形状をしている。複数の反射表面３０２ａは、反射部材３０２の回転軸線３０２ｂに対してそれぞれ異なる傾斜角度βを有する。実施例３において、反射表面３０２ａの数は、１０枚である。しかし、本発明は、これに限定されることはなく、反射表面３０２ａの数は、被検体に従って１０枚よりも多くしても良いし１０枚よりも少なくしても良い。

図１１（ｂ）において、反射表面３０２ａ１の傾斜角度β１は、反射表面３０２ａ６の傾斜角度β２と異なっている。図１１（ｃ）において、反射表面３０２ａ１０の傾斜角度β３は、反射表面３０２ａ５の傾斜角度β４と異なっている。
なお、反射部材３０２は、回転軸線３０２ｂを含む平面に対して面対称であってもよい。

反射部材３０２は、回転軸線３０２ｂに沿って軸穴３０２ｃが設けられている。軸穴３０２ｃに回転軸３０５（図１２）が嵌め込まれて固定されている。

図１２は、本発明の実施例３による超音波計測装置３００を示す図である。反射部材３０２は、反射板回転駆動装置（不図示）により回転軸３０５を中心にして固定部材８に対して回転させられる。
超音波計測装置３００は、探触子１および反射部材３０２を一体的にＸ方向およびＹ方向へ移動させる。偏向装置３０の反射部材３０２を回転させて、探触子１からの超音波ビーム１０を偏向し走査して、被検体７３の表面および内部を計測する。

解析装置１４は、探触子１の受信信号、反射部材３０２の回転角度情報（偏向角度情報）、および探触子１の走査位置情報（Ｘ位置情報、Ｙ位置情報、Ｚ位置情報）に基づいて、被検体７３の表面および内部を画像化して、表示部１５に画像を表示させる。

上記した本実施例によれば、探触子（超音波ビーム発信源）から発信された超音波ビームを偏向装置により偏向させることができるので、被検体が複雑な形状（曲面や凹凸が多い形状）を有していても、被検体の表面に対して垂直に超音波ビームを入射させることができる。よって、超音波計測の精度を向上させることができる。
また、偏向装置を高速で回転させることにより所定の照射範囲内を高速で走査すること画できる。よって、迅速に超音波計測をおこなうことができる。
また、偏向装置により超音波ビームを偏向し走査することにより、反射超音波ビームの強度が最も強い信号を分離抽出し画像化することで、複雑な形状の被検体の表面形状を精度良く計測することができる。このようにして得られた表面形状に基づいて、被検体の内部を精度良く計測することができる。

本発明は、以上の実施形態に限定されるものではなく、その特徴事項から逸脱することなく、他のいろいろな形態で実施することができる。そのため、前述の実施の形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には、何ら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、すべて本発明の範囲内のものである。

１ 探触子
３、７３ 被検体
１０ 超音波ビーム
３０ 偏向装置
１００、２００、３００ 超音波計測装置

Claims (6)

1. 被検体を計測する超音波計測装置であって、
   超音波ビームを発信し、反射超音波ビームを受信する探触子と、
   前記探触子から発信された前記超音波ビームを前記被検体へ向けて偏向し、且つ前記被検体からの反射超音波ビームを前記探触子へ向けて偏向する偏向装置と、
   前記探触子および前記偏向装置を一体に走査する駆動装置と、
   を有し、
   前記偏向装置は、前記超音波ビームを偏向する偏向角度が可変であることを特徴とする超音波計測装置。
2. 前記超音波計測装置は、前記反射超音波ビームを受信した前記探触子からの受信信号、前記偏向装置の前記偏向角度、および前記探触子または前記偏向装置の走査位置情報に基づいて、前記被検体の表面及び内部の画像情報を生成する解析装置を有することを特徴とする請求項１に記載の超音波計測装置。
3. 前記偏向装置は、回転または揺動する反射板、回転軸線に対する反射表面の傾斜角度が回転方向に連続的に変化する反射部材、または、回転軸線に対する複数の反射表面の傾斜角度がそれぞれ異なる多角形状の反射部材を有することを特徴とする請求項１または２に記載の超音波計測装置。
4. 被検体を計測する超音波計測方法であって、
   探触子から超音波ビームを発信する工程と、
   前記探触子から発信された前記超音波ビームを偏向装置により偏向して前記被検体へ向け、前記被検体からの反射超音波ビームを前記偏向装置により偏向して前記探触子へ向ける工程と、
   前記偏向装置の偏向角度を変更する工程と、
   前記探触子および前記偏向装置を一体に走査する工程と、
   を有することを特徴とする超音波計測方法。
5. 前記反射超音波ビームを受信した前記探触子からの受信信号、前記偏向装置の前記偏向角度、および前記探触子または前記偏向装置の走査位置情報に基づいて、前記被検体の表面及び内部の画像情報を生成する工程を有することを特徴とする請求項４に記載の超音波計測方法。
6. 前記偏向装置は、回転または揺動する反射板、回転軸線に対する反射表面の傾斜角度が回転方向に連続的に変化する反射部材、または、回転軸線に対する複数の反射表面の傾斜角度がそれぞれ異なる多角形状の反射部材を使用して、前記超音波ビームを偏向することを特徴とする請求項４または５に記載の超音波計測方法。

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