JP3279572B2

JP3279572B2 - 波動を用いた探査装置

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Publication number: JP3279572B2
Application number: JP52339896A
Authority: JP
Inventors: 由博道口; 正浩小池; 義則武捨; 良昭永島
Original assignee: 株式会社日立製作所
Priority date: 1995-02-03
Filing date: 1995-02-03
Publication date: 2002-04-30
Anticipated expiration: 2017-04-30
Also published as: WO1996024053A1

Description

【発明の詳細な説明】技術分野本発明は、波動の反射結果を利用した探査装置にかか
わるものである。

背景技術従来、波動として超音波を用いて材料内部や人体内部
の探査する検査方法として、超音波の送受信素子（圧電
素子）を並べたアレイを用いる方法があり、例えば、コ
ロナ社発行の（社）日本電子機械工業会編「医用超音波
機器ハンドブック」の129ページから138ページ、およ
び、143ページから152ページに原理，構成が述べられて
いる。

つまり、送信時では、各素子に与える送信のタイミン
グを制御し、また、受信時では、各素子の受信信号に適
切な遅延を与えた上で、多数の素子からの受信信号を加
算する。

これにより、探触子からの送受信方向や焦点位置を制
御できる。

この従来例でもわかるように、これまで信号の遅延要
素としてタップ付きの遅延線が用いられる。

遅延量の制御のためには、多数のタップのどの位置に
信号を入力するかを決定するスイッチが必要であり、遅
延量を精度よく制御するには膨大な数のスイッチが要求
され、装置が大型・複雑になる。

また、遅延線自体も体積が大きく、二次元平面状に送
受信素子を並べたアレイなど、多数の送受信素子に遅延
線を使用するとこの部分が大型化し、実用性が損なわれ
る。

スイッチ数の低減のため、CCD（Charge Coupled Devi
ce、電荷結合素子）を使う例が、特開昭53−115591号広
報なる公開特許に見られる。

よく知られているように、CCDは複数個の電荷記憶素
子が並んだ構成となっており、CCDに与えるクロック信
号によって端から順次電荷が転送される。

この公知例では、まず波形をCCDに取り込んだあと、
設定時間後、取り込みと同じクロックで呼び出す。

つまり、CCDを波形の記憶性に用い、記憶波形の読み
出し開始時間を変えて等価的に遅延の効果をもたせてい
る。

この方法は、波形を記憶・保持している間、CCDのク
ロックを停止する必要があり、この間の各電荷記憶素子
のリークにより、波形の歪が発生する問題点がある。

また、いずれの従来例でも、各超音波送受素子を使用
するか否かを制御する手法は考慮されていない。

このため、あらかじめ決められた超音波ビームのパタ
ーンのみしか用いることができず、検査対象に応じてビ
ームの特性を制御する適応性の高い超音波送受信装置と
できない問題点がある。

発明の開示本発明の目的は、波動を用いた探査装置の遅延制御部
分を小型にし、かつ、波形の歪を低減することが目的で
ある。

上記の目的は、複数の発信子から各発信子ごとに遅延
時間を異にして波動を発信する発信器と、前記波動の反
射波を受信して電気信号に変換する複数の受信子と、前
記各受信子からの各信号が入力される前記各受信子に対
応した複数のアナログシフトレジスタと、シフト速度指
令信号に基づいて前記各電荷転送素子内のデータのシフ
ト速度を変更する手段と、前記各電荷転送素子からの出
力を加算する加算器と、前記加算器からの出力に基づい
て前記反射波を可視化する表示器とを備えた波動を用い
た探査装置によって達成される。

複数の発信子から遅延時間を異にして波動エネルギー
を発信すると、各波動エネルギーに与えられた遅延時間
要素の組み合わせにより所望の方向に波動エネルギーの
主軸方向を向かわせることができる。

その主軸方向で波動エネルギーは探査対象により反射
して複数の反射波として各受信子へ各反射波の反射距離
に対応した時間遅れを伴って戻り、各反射波は各受信子
により電気信号に変換され、それら各電気信号は各受信
子に対応した各電荷転送素子に電荷のデータとして入力
される。

各電荷転送素子では、そのデータをシフト速度指令信
号に基づいて各電荷転送素子内で出力側へシフトしてい
き、そのシフト速度は途中でシフト速度指令信号に基づ
いて変更されて出力に至るまでシフト動作が停滞しない
ように制御された上、各電荷転送素子で各反射波の時間
遅れ要素を取り除いて時間軸を整合させて出力する。

各電荷転送素子からの出力信号は加算器で加算されて
表示器に可視可表示される作用が得られる。

この作用により、各電荷転送素子内で波形の電荷デー
タの時間軸が整合して出力される迄各電荷転送素子内で
のシフト動作が停滞しないから各電荷転送素子内で波形
の電荷データを記憶保持する間に波形の電荷データのリ
ークによる歪がなく、且つ電荷転送素子を採用するので
遅延線とタップとスイッチを多用するものに比べて小型
の探査装置が提供出来るという効果が得られる。

図面の簡単な説明第１図は本発明の第１実施例による超音波探傷装置の
基本構成を示すブロック図，第２図は第１図の制御装置
２の詳細構成を示すブロック図，第３図は第１図の送受
信回路３の詳細構成を示すブロック図，第４図は本発明
の実施例における各超音波反射経路ごとの遅延量の解説
図、第５図は本発明の実施例に採用されたCCDの動作説
明図、第６図は第３図のクロック制御回路310の詳細構
成を示すブロック図、第７図は本発明の第２実施例にお
ける各超音波反射経路ごとの遅延量の解説図、第８図は
本発明の第３実施例における各超音波反射経路ごとの遅
延量の解説図、第９図は本発明による第４実施例による
第１図の送受信回路３部分の詳細構成を示すブロック
図、第10図は本発明の第５実施例による装置の全体ブロ
ック図、第11図は第２図のマイクロコンピュータ201の
制御データ設定過程での処理フロー図，第12図は第２図
のマイクロコンピュータ201の検査過程での処理フロー
図である。

発明を実施するための最良の形態本発明の第１実施例は、超音波送受信素子を直線状に
並べた、いわゆる１次元アレイ探触子の例であり、その
概略構成を第１図に示す。

第１図で、１は超音波像の表示装置であり、２は送受
信の制御装置である。

3i（ｉ＝1,…,M）は、ひとつひとつの超音波送受信素
子ごとに設けられた送受信回路である。

制御装置２の詳細構成を第２図に、送受信回路３（以
下の説明では、とくに断らない限り添字を省略）の詳細
構成を第３図に示す。

第２図において、201はマイクロコンピュータ、202は
データメモリ、203はセレクタである。

204はトリガ発生器であり、端子271を介して表示装置
１から信号を受け取る。

205はクロック発生器、206は加算器である。

第３図において、35iが送受信素子であり、この圧電
素子で超音波を放射，検出する。

302はゲート回路、303はカウンタ回路、304はパルス
発生器、305は送受信の切り換え器である。

送信時、304で発生した電気的なパルス信号は、送受
切り換え器305を通って送受信素子35iに達し、超音波パ
ルスとなって放射される。

受信時では、35iに達した反射超音波は電気信号にな
り、305を通って増幅器306に至る。

307は電荷転送素子（例えばCCD、Chage Coupled Devi
ce、電荷結合素子）であり、ふたつのカウンタ308と309
によって制御されるクロック制御回路310で、その受信
遅延量を変える。

遅延を受けた信号は、スイッチ回路311をとおって制
御装置２に導かれる。

また、312はメモリ素子であり、カウンタ303,309の計
数データと、ゲート302,スイッチ回路311をオン／オフ
するかのデータを記憶する。

313は、メモリ素子312にデータを転送するか否かを設
定するゲート回路である。

以下、307の電荷転送素子をCCDとして説明する。

ここで、表示装置1,制御装置2,送受信回路３の相互の
結線状態を述べるが、信号線のみを述べ、電源供給線な
どは省略する。

表示装置１からは、制御装置２に向け後述の制御情報
を送り（第２図端子271）、２から反射信号を１に送っ
て表示する（第２図端子272）。

表示装置１は、公知の装置を使用できる。

表示装置１から制御装置２に送られる制御情報は、設
定する超音波の焦点位置の範囲と設定間隔，各送受信素
子35iの空間位置，超音波伝播媒質の音速、などである
が、おれらについては、後で詳しく述べる。

制御装置２と送受信回路３との結線は２種類ある。

一種類は制御装置２から各送受信回路ごとに結線され
るものであり、もう一種類は送受信回路全体に共通な結
線である。

前者は、セレクタ203から各送受信回路に281から28M
までの端子を介して信号転送するものと、各送受信回路
から逆に291から29Mの端子を介して加算器206に結線さ
れるものである。

後者の共通結線は、いずれも制御装置２から送受信回
路に転送される信号線であり、273から276の４ケの端子
が使われる。

273はカウンタの計数値などのデータ線の端子、274は
受信の動作開始タイミングの転送線の端子、275はトリ
ガ線の端子、276はクロック転送線の端子である。

端子273から276を介して、４本の信号線は31から3Mま
でのＭケの送受信回路の各々に連結されている。

以上、第１図から第３図までを用いて、構成と結線状
態を説明した。

次に、本発明の動作について詳しく説明する。

説明は送信時と受信時に分け、第１図から第３図のほ
か、第４図の遅延量の説明図を用いる。

第４図に示すように、351から35Mまでの超音波送受信
素子をｘ軸上に配置した場合を考える。

351から35Mの位置は、X1からXMとする。

ｘ軸に垂直にｙ軸を取る。

送信時、座標Ｆ（XF,YF）に対して超音波ビームを集
束させることを考える。

集束のためには、各超音波送信素子からの放射波面が
焦点位置Ｆ（XF,YF）で一致する必要がある。

各超音波送受信素子と焦点Ｆの距離は、式（１）で求
まる。

各超音波受信素子から焦点Ｆまでの距離がいちばん大
きいもの（第４図の例では35M）を基準にすると、焦点
Ｆを中心とする円C1上から発生させた超音波がＦに同時
に到達すればＦで焦点を結ぶ。

この例では、円弧C1の半径は、LMであるから、35iで
は、35MよりΔLi分の距離の超音波伝搬時間だけ送信タ
イミングを遅らせる必要がある。

ΔLiは、式（２）で求まる。

ΔLi＝LM−Li ……式（２）この遅延時間ΔTiは、 ΔTi＝ΔLi/V ……式（３）である（Ｖは超音波の伝搬速度）。

遅延量ΔTiの基準となる信号はトリガ発生器204から
の信号である。

このため、本実施例では超音波送受信素子35Mの遅延
量は０であり、ほかの超音波送受信素子は35Mに比べて
式（３）で示される遅延が設定される。

一方、送信と逆の伝搬を考えると、受信時においても
Ｆから発生した超音波を同じ時刻に各超音波受信素子で
検出するから、送信と同様に35iではΔTiなる遅延を必
要とする。

第４図における円弧C2は、受信時焦点Ｆからの超音波
が最も早く検出される素子を基準としたものであり、こ
れに関しては後で述べる。

ここまで、送受信の各送受信素子の必要遅延量につい
て説明した。

以下、実際の動作について述べる。

一例として、Ｆ（XF,YF）に超音波ビームを絞って観
測する場合を考える。

クロック発生器205は、１周期がＤのクロック信号を
発生している。

データメモリ202には、送信時の遅延量のデータがク
ロックのカウント数として記憶されている。

つまり、各超音波送受信素子351から35Mまでの必要遅
延量ΔTi（ｉ＝1,…,M）をＤで割ったカウント数である
式（４）のKi、 Ki＝ΔTi/D ……式（４）が格納されている。

また、202には受信時の遅延量のデータも格納されて
いるが、この具体的な値は後述の受信部制御のところで
詳しくのべる。

さらに、202には送信遅延量と受信遅延量に対応する
カウント数のほか、該当する超音波送受信素子を送信に
使うか否か、受信に使うか否かのデータも格納されてい
る。

この格納データを、各送受信回路ごとに設けたメモリ
素子312に転送する。

この転送は、マイクロコンピュータ201の制御によ
る。

マイクロコンピュータ201は、セレクタ203を制御し、
203からの出力線のうち特定のものに出力する。

もし、203が端子28iを選んだとすると、28iと端子38i
を通って、ゲート回路313をオンにできる。

この結果、メモリ素子312へデータが転送可能とな
る。

マイクロコンピュータ201は、先にのべたデータメモ
リ202のデータを、端子273を介して各送受信回路に共通
な信号線におくり、各送受信回路のうちゲート313が導
通のもののみメモリ素子312にデータが送られる。

先述のように、312のデータは送信時の遅延量に対応
したカウント数Kiと、後述する受信時の遅延量から求ま
るカウント数、及び、ｉ番目の超音波送受信素子を送信
に使うか否か、受信に使うか否かの制御データである。

もし、ｉ番目の送受信素子を送信に使う場合、ゲート
302はオン状態になり、また、受信に使う場合、スイッ
チ回路311が導通状態になる。

このため、ｉ番目の超音波送受信素子を、送信のみ、
または、受信のみの片方に使用できるほか、送受信の両
方にも使うよう制御できる。

送信時の遅延量制御では、メモリ素子312に格納され
た遅延量Kiがカウンタ303にロードされ、端子276を介し
たクロック信号によって順次Kiから減数される。

係数値が０になると、パルス発生機304に出力し、こ
のタイミングでパルス信号が304で発生する。

このパルス信号は公知の送受切り換え器305を通って
超音波送受信素子35iに導かれ、超音波信号となって放
射される。

この放射のタイミングは、基準となる送受信素子（第
４図の例では35M）の放射時刻からΔTiだけ遅れてい
る。

ほかの超音波送受信素子も各素子ごと遅延されてお
り、焦点Ｆの位置に超音波が集束することになる。

次に受信時の遅延制御について述べる。

超音波送受信素子35iで検出した反射波形は、送受切
り換え器305を通って増幅器306で増幅後、電荷転送素
子、例えばCCD307に至る。

送信時の遅延制御では、カウンタ303での遅延後、最
終的にパルス発生をさせることができた。

これに対して、受信時では検出した波形そのものを歪
させることなく遅延させる必要があり、送信時の遅延手
法をそのまま使えない。

このため、CCD307とふたつのカウンタ308,309、およ
び、クロック制御回路310で構成される遅延回路を考案
した。

CCD307は、第５図に示すように１からＮまでのＮケの
素子が並んでいる構造である。

良く知られているように、CCDにはクロック信号が必
要であり、このクロックによって一番端（第５図では
１）から入力された信号が順次転送されて反対側（第５
図ではＮ）側から出力される。

このクロックの１周期を、送信側と同じＤとするとCC
Dを通り抜けるには、NDなる時間を必要とする。

ここで、CCDの動作開始時刻から最初のｎケを１周期
Ｄのクロックで、（ｎ＋１）から（Ｎ−１）までの（Ｎ
−ｎ−１）ケをpD（ｐ＞１）なる周期のクロックで、さ
らに最後の１ケをＤのクロックで動作させる。

このように制御されたクロックを用いることにより、
CCDを通り抜ける時間Tiは、 Ti＝nD＋ｐ（Ｎ−ｎ−１）Ｄ＋Ｄ ……式（５）＝DNp−Ｄ（ｎ＋１）（ｐ−１） ……式（６）となる（ただし、ｐ＞１）。

CCDすべてを、周期Ｄなるクロックで動作させた場合
のCCD通過時間と、上記クロック制御を行った場合の通
過時間Tiとの差は、 Ti−ND＝Ｄ（Ｎ−ｎ−１）（ｐ−１） ……式（７）である。

ここで、クロック周波数、つまり、クロックの周期Ｄ
と、CCDの長さＮ、クロック周期の変更割合（分周率）
ｐが、設定されているとすれば、ｎを変えることによっ
て受信の遅延量を制御できることが式（７）からわか
る。

反射波の検出時刻がもっとも遅い超音波送受信素子を
基準に取ると（第４図では35M）、35iの必要遅延量は式
（７）から ΔTi＝Ti−ND ……式（８）である。

よって、N,D,pが設定されていれば、必要遅延量ΔTi
を得るためには、周期Ｄのクロックを用いるCCDの長さ
ｎを、ｎ＝Ｎ−１−ΔTi/D（ｐ−１） ……式（９）とすることになる。

このｎの値が、メモリ素子312を介してカウンタ309に
転送される。

カウンタ308には、常に一定のデータ（Ｎ−１）が与
えられている。

ふたつのカウンタ308,309には、端子276を介して周期
Ｄのクロックが供給されており、端子274を介して与え
られる受信の動作開始タイミング信号によって前記の転
送データから減数が開始される。

カウンタ309が転送データｎから減数されて０になる
と、タイミング信号がクロック制御回路310に送られ
る。

同様に、カウンタ308ではデータ（Ｎ−１）から減数
されて０になるとタイミング信号が310に送られる。

クロック制御回路310の構成を第６図に示す。

第６図において、3101はメモリ素子、3102はセレク
タ、3103は分周回路、3104はゲートである。

分周回路3103は、端子276から、周期Ｄなるクロック
を受け、周期Ｄをｐ倍する。

例えば、ｐ＝２ではフリップフロップ素子を使用で
き、また、その他の分周回路も公知のものを使用でき
る。

メモリ素子3101は、カウンタ309の出力でセットさ
れ、カウンタ308の出力でリセットされる。

セレクタ3102は、メモリ3101の状態で、周期Ｄ、また
は、pDのクロックのいずれかを選ぶ。

メモリ3101がリセット状態であれば周期Ｄなるクロッ
ク信号をセレクタ3102は出力し、セット状態なら分周さ
れたpDなるクロックを出す。

このようにして、ＮケあるCCDのうち、ｎケを周期Ｄ
のクロックで、次の（Ｎ−ｎ−１）ケをpDなるクロック
で、さらに最後の１ケをＤで転送することができ、所望
の遅延量ΔTiを得ることができる。

ここで、第６図のゲート回路3104と、端子274におけ
る受信の動作開始タイミング信号、及び、端子275での
トリガ信号の関係について説明を加える。

ゲート3104は、セレクタ3102からのクロック信号を、
307のCCDに加えるか否かのゲート動作を行う。

この動作は、275からのトリガ信号でゲートは遮断状
態になり、274からの受信の動作開始タイミング信号で
導通状態になる。

つまり、クロック制御回路310からクロック信号がCCD
307に送られるのは、端子274からの受信の動作開始タイ
ミング信号が310に入力されてからである。

受信の動作開始タイミング信号は、第２図のマイクロ
コンピュータ201より出力される。

この出力タイミングについて説明する。

第４図において、焦点Ｆからもっとも距離が大きい超
音波送受信素子（第４図では35M）を遅延の基準に選ん
だ。

送信時ではトリガからの遅延量を35Mでは０とし、そ
の他の送受信素子に適切な遅延を与えた。

受信時では、CCDに反射データを取り込む開始タイミ
ングが必要であり、その値は式（10）で示される。

ΔＳ＝（LM＋Ls−ａ）/V ……式（10） ΔＳはトリガからの時間であり、Lsは焦点Ｆからもっ
とも近い超音波送受信素子までの距離である。

また、ａは焦点からどれくらい近い位置から反射波形
を採取するかを決める値である。

焦点位置と各超音波送受信素子の位置が決まると、L
M,Lsが決まる。

超音波の伝搬速度Ｖは既知であり、ａをあらかじめ設
定すると式（10）は計算できる。

ここまで、おもに送受信の遅延量制御に関して詳しく
説明した。

受信時、遅延をうけた反射信号は、CCD307から出力さ
れる。

この時、スイッチ回路311が導通になっていれば、遅
延した反射信号は端子39iを通って加算器206に導かれ
る。

加算器206は、各受信回路のスイッチ回路が導通のも
のの遅延反射波を加え合わせる働きをする。

この結果、加算器206の出力は焦点Ｆからの反射波、
つまり、Ｆに観測位置を設定した反射信号となる。

焦点Ｆ（XF,YF）の位置を変える、例えば、YFを一定
にしてXFを変えると一定深さで焦点を走査したことにな
り、これを表示装置１で表示することで、一定深さの反
射像を表示することが可能となる。

また、XF,YFの両方とも変えれば、ｘ軸,y軸断面での
超音波反射像を得ることができる。

これらは、いずれも焦点、つまり、超音波ビームを絞
った状態での観測結果であるから、極めて解像度の高い
映像を得ることが可能となる。

以上に述べた動作を、マイクロコンピュータ201の処
理フローとしてまとめたものが第11図，第12図である。

マイクロコンピュータ201の動作は、制御情報の受信
と各素子の送受信制御データの計算・データメモリへの
格納と、データメモリから素子の制御データを読み込み
ながら検査する動作に大別される。

前者は、超音波の送受信に先だつものでありこれを第
11図に示す。

後者は、送受信を繰り返しながら検査を行う動作であ
り、フローを第12図に示する。

最初に、第11図のフローを説明する。

表示装置１からマイクロコンピュータ201に送られる
制御情報は、基本的には、式（１）から式（10）までの
演算に必要なパラメータである。

具体的には、焦点位置Ｆ（XF,YF）の設定範囲と、設
定間隔，超音波送受信素子の位置とどの素子を送信や受
信に使うかの情報，超音波の伝播速度V,クロック間隔D,
CCDの素子数N,焦点からどれくらい近い位置から反射波
を採取するかを決める値ａ、である。

この動作が、第11図の401にあたる。

式（５）から式（９）にあるクロックの１周期を何倍
にするかの係数ｐは、本実施例ではハードウェアによっ
てあらかじめ決められている。

制御情報が表示装置１からマイクロコンピュータ201
に転送されると、各送受信素子に対し周期Ｄのクロック
を使うCCDの長さｎを計算する。

まず、第11図の402で、最初の計算すべき焦点位置を
設定し、式（10）のトリガからの時間ΔＳを計算してデ
ータメモリ202に記憶する（第11図の403）。

次に、404で計算する送受信素子を設定する。

404で設定された素子が送信に使われるか否かを判定
し、送信に使われる場合、式（１）から（４）でカウン
ト数Kiを算出して一時メモリに格納する（406）。

その素子が送信に使われなければ、406での計算はス
キップされる。

407はその素子を受信に使うかの判定処理である。

受信に使う場合、408で式（１）から（３）を用いて
ΔTiを計算した後、式（９）によりｎを求め、メモリに
一時格納される。

407でその素子が受信に使われないと判断された場
合、408の計算処理は省略される。

409では、素子を送信，受信に使うか否かのオン／オ
フ信号と、先にメモリに一時格納したKi,nの値をデータ
メモリに転送する。

計算すべき素子が全部終わったかを410で判定し、終
わっていなければ、次の素子に移り（411）、405からの
処理を繰り返す。

410で全素子の計算が終了していれば、焦点の設定範
囲をすべて終えたかを判定し（412）、終えていなけれ
ば、次の焦点位置を設定して（413）、403からの処理を
継続する。

設定焦点位置がすべて終了していれば、これで、デー
タメモリへの書き込みを終える。

以上が、検査に先立つデータの設定過程であり、この
あと、焦点を動かした検査動作になる。

この検査動作の内容を第12図のフローを用いて説明す
る。

検査がスタートすると、最初の焦点位置が設定され
（451）、その位置に対応した各素子の制御データがデ
ータメモリから各送受信回路に送信される（452）。

より具体的に説明すると、ｉ番目の送受信回路ではセ
レクタ203でｉを選び、その出力で送受信回路内のゲー
ト313を導通状態にして、端子273を介してデータを送
る。

次に、表示装置１に設定された焦点位置を出力するが
（453）、あらかじめ焦点設定順序などがわかってお
り、表示装置１側にデータがあれば転送の必要はないこ
とは、明かである。

この段階で、端子275を介して送信トリガ信号を送り
（454）、すでに計算してあるΔＳなる時間待つ（45
6）。

このΔＳの間に、各送受信回路は与えられた遅延量に
従って送信動作を行うが、その詳細はすでに説明した。

発振トリガからΔＳ経過後、端子274を介して各送受
信回路に受信動作開始信号を送信し（457）、受信動作
を開始させる。

必要に応じて、端子271を介して発振トリガ，受信動
作開始信号が表示装置１に送られる。

以上の動作の結果、端子29iから設定された遅延を受
けた反射信号が出力され、206で加算され、端子272を介
して表示装置１に送られる。

この動作を、あらかじめ設定したすべての焦点位置で
行い（458,459）、検査を終了する。

以上、本発明の第１の実施例について詳細に説明し
た。

この実施例では、メモリ202に格納したデータによ
り、送受信の遅延量や送受信の使用，不使用を決めた。

もちろん、超音波送受信素子で送信に使わないものは
送信の遅延データが不要であり、受信に使用しない素子
では受信のデータが必要ない。

送受信の遅延データや送受信素子の使用データは、あ
らかじめ計算してメモリに入れて置く方法のほか、表示
装置１から転送する方法、マイクロコンピュータ201で
計算しながら制御する方法などがあり、変形した実施例
としてあげられる。

また、CCDのクロック周期を変えて受信時の遅延量を
制御する本実施例の手法を、送信側に適用する事も可能
である。

この時、送信の基準となるのは、もっとも早くCCDを
通過したものであることは言うまでもない。

更に、本発明の構成要素で、３の送受信回路のうちの
35iの超音波送受信素子を除く部分と、２の制御装置と
はすべて集積回路で製作可能である。

また、各送受信回路はすべて同じ構成となっている。

このため、各超音波送受信素子ごとに35iを除く送受
信回路３の部分を集積回路で作成し、35iに電気的に結
線させる。

制御装置２も集積回路で作り、送受信回路３と制御装
置２を一体構造とした構成も本実施例の変形としてあげ
られる。

次に、本発明の第２実施例について説明する。

第１実施例では、１次元状の超音波送受信素子を線状
に並べた。

本実施例は１次元超音波送受信素子を曲率を持った配
置にすることに特徴があるが、第１図から第３図と第６
図で示した構成は同じで、第２図の201のマイクロコン
ピュータから第３図の312のメモリに転送されるデータ
が異なる。

第７図に示すように、351から35MまでのＭケの超音波
送受信素子は１次元で曲率のある任意の位置に設置され
ており、相互の間隔も異なる。

各超音波送受信素子の位置は、（Xi,Yi）である（た
だし、ｉ＝1,2,…,M）。

第１の実施例と同じく、焦点Ｆ（XF,YF）に超音波ビ
ームを集束させる場合を考える。

焦点Ｆと送受信素子35iとの距離は、式（11）で示さ
れる。

焦点Ｆからもっとも離れた送受信素子を35jとし、Ｆ
との距離をLjとする。

Ljは第７図の円C1の半径であるから、送受信素子35i
では、35MよりΔLi分の距離の超音波伝搬時間だけ送信
タイミングを遅らせる必要がある。

この遅延時間ΔTiは、 ΔTi＝（Lj−Li）/V ……式（12）であり、（Ｖは超音波の伝搬速度）、このときの遅延量
に対応するカウント数は式（４）と同じである。

つまり、焦点Ｆからもっとも離れた超音波送受信素子
を基準にとったうえで、各送受信素子の遅延量を決定す
る第１実施例の方法，構成がそのまま使える。

同様の議論は受信側でもできることは容易に考えられ
る。

第７図のＦにもっとも近い送受信素子とＦの距離Ls
（円C2の半径）を求め、これより式（10）に従った受信
の動作開始タイミングを決定する。

また、受信の遅延量ΔTiに対応するクロックの周期を
きりかえるCCD長さｎも式（９）から求まる。

このように、第２の実施例では第１の実施例のメモリ
312に与えるデータを変更する事により、任意の１次元
配置した超音波送受信素子の集束等が可能となる。

第２の実施例である超音波送受信素子の１次元配置を
２次元状に拡張したものが、第３の実施例である。

第８図に示すようにｘ軸,y軸,z軸からなる空間に焦点
Ｆ（XF,YF,ZF）と超音波送受信素子35i（ｉ＝1,2,…,
M）が配置されている。

送受信素子の位置は、（Xi,Yi,Zi）である。

さきの実施例と同様に、焦点Ｆと各超音波送受信素子
の間の距離は、次式で示される。

送受信素子35jが距離の最大値Ljを持つとすると、Ｆ
を中心とした半径Ljなる球面C3が形成される。

焦点Ｆから送受信素子35iを結ぶ直線を延ばすと、こ
の球面C3にぶつかるが、この位置を第８図ではQiとして
ある。

35iとQiの距離が、これまで述べた遅延量ΔLiであ
り、これより、遅延量ΔTiと計数値Kiが、各々、式
（３），（４）から求まる。

また、受信時においても、焦点Ｆにもっとも近い送受
信素子で式（10）に従った受信の動作開始タイミングを
決定し、式（９）によってクロックを切り替えるCCD長
さｎを決めることができる。

このように、２次元状態に配置された超音波送受信素
子でも送受信の遅延量が制御でき、これにより超音波の
集束観測位置を３次元的に変更できる。

この位置変更制御により、絞った超音波ビームで分解
能よく検査対象を検査できる。

この実施例の変形として、すべての送受信素子のデー
タを201なるマイクロコンピュータで転送するのではな
く、特定グループに分けて、各々にマイクロコンピュー
タを設ける方法もある。

これは、２次元状に超音波送受信素子を設けると、そ
の数が増大しデータ転送が時間的に間に合わなくなる場
合に使用される。

この場合でも、表示装置１、あるいは、マイクロコン
ピュータのひとつが中心となり、焦点Ｆとその位置にた
いする遅延量を計算してもよい。

もちろん、あらかじめ焦点Ｆの走査パターンを決めて
データを各グループのメモリに格納しておき、各グルー
プごとのマイクロコンピュータで読みだし、転送する方
法もある。

第４実施例では、各送受信回路3iを変えた例である。

第９図に示すように、本実施例では3iのなかで増幅器
306を増幅度制御型増幅器326に変え、さらにメモリ312
に増幅度制御データを与える点が特徴である。

よく知られているように、超音波送受信素子には指向
特性がある。

このため、素子の送受信方向によって送信および受信
の感度が異なる場合がある。

この感度の差異を、受信側の増幅度の制御によって補
正するのが本実施例である。

増幅度は、各超音波送受信素子の特性と、素子と焦点
の相対位置によって決定でき、メモリ312に転送され
る。

この実施例の変形として、304のパルス発生器の発生
出力を制御する方法や、パルス出力と増幅度の制御の併
用も考えられる。

この実施例により、送受信素子の指向性の影響を除去
し、焦点位置による検出感度の差を補正できる。

第５実施例は、人体や工業用構造物等の内部の映像化
に適用した実施例である。

第10図に示す表示装置1,制御装置2,送受信回路３は、
これまでの実施例と同じ構成である。

制御装置２と送受信回路３は、IC回路として構成し、
小型なものとしている。

３の送受信回路の超音波送受信面を、４の人体や構造
物などの検査対象の表面近傍に置き、水やグリセリンな
ど超音波カップラント５を介して、超音波を４の内部に
送信，反射波を受信する。

送受信の制御方法は、第１から第４までの実施例で詳
しく述べてある。

検査対象４の内部に超音波を集束させ、その焦点位置
を変えて反射波の強度分布を表示させると、人体内部の
器官や病巣を精度よく識別できる。

また、構造物内部の欠陥も検出可能である。

本発明では、超音波ビームの特性をきわめて柔軟に制
御できる。

つまり、上記のような焦点位置を変えて映像化する方
法のほか、構造物に斜めに超音波ビームを当てる斜角探
傷にも本発明を適用できる。

また、斜角探傷に使う超音波送受信素子を適切に切り
替えることにより、ある検査点を種々の方向から観測す
ることが可能となり、構造物内部の状況を詳しく把握で
きる。

第６実施例は、水中や不透明液体中での物体映像化に
本発明を適用した例である。

その構成は、先の実施例と同じであるので図では示し
ていない。

送受信回路３を液体中に置き、超音波を送信し反射波
を検出して物体を映像化する。

送受信の制御は、これまでの実施例で記載した方法を
用いる。

本実施例は、例えば視界の著しく悪い水中や、液体金
属中の可視化に効果を上げるものである。

以上、本発明を実施例によって詳細に説明した。

本発明では、CCDなどの電荷転送素子を受信信号の遅
延に用いるため、CCDに与えるクロックを制御すること
に特徴がある。

また、各超音波送受信素子を、送受信の両方に使用，
送信のみに使用，受信のみに使用，不使用のいずれにも
制御できる。

これらの制御データは、各送受信回路ごとにメモリに
格納される。

これらの制御により、ビームの焦点位置やビーム方向
などフレキシブルにビーム特性を変えることができ、し
かも小型なビーム特性可変型超音波送受信装置を提供で
き、工学的な効果が大きい。

本発明の各実施例で共通していることは、CCDなどの
電荷転送素子を受信信号の遅延に用いるため、CCDに与
えるクロックを制御することに特徴があり、また、各超
音波送受信素子を、送受信の両方に使用，送信のみに使
用，受信のみに使用，不使用のいずれにも制御できて、
これらの制御データは、各送受信回路ごとにメモリに格
納される。

これらの制御により、ビームの焦点位置やビーム方向
など、フレキシブルにビーム特性を変えることができ、
しかも小型化が可能なので、ビーム特性が可変な小型超
音波送受信装置を提供でき、工学的な効果が大きい。

フロントページの続き (56)参考文献特開昭62−22631（ＪＰ，Ａ) 特開昭54−113357（ＪＰ，Ａ) 実開平１−87277（ＪＰ，Ｕ) 特公昭61−16031（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 29/00 - 29/28 A61B 8/00 - 8/15 G01S 7/00 - 7/54

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】複数個の超音波送受信素子に与える送信タ
イミングと、反射波の遅延量を制御して超音波の送受信
特性を変える超音波送受信装置において、各超音波送受
信素子ごとに設けた送信または受信の信号処理部に、電
荷転送素子と、該電荷転送素子に与えるクロック信号を
切り替えるクロック制御装置と、送受信の遅延量から求
まる数値データと各超音波送受信素子を送信、または、
受信に使うか否かの制御データを記憶する記憶素子と、
前記電荷転送素子に与えるクロックの切り換えタイミン
グを前記遅延量から求まる数値データから決定するカウ
ンタ素子と、前記制御データに基づいてオン，オフされ
るゲートまたはスイッチング素子と、前記遅延量から求
まる数値データと前記制御データの設定と前記記憶素子
への転送動作を行う制御装置と、遅延された複数の受信
信号を加え合わせる加算器と、前記加算器からの出力に
基づいて前記反射波を可視化する表示器とを備え、複数
の周期の異なるクロック信号で電荷転送素子の信号転送
遅延量を制御することにより選択された各超音波送受信
素子の送信タイミング、または、受信の遅延量を決定
し、超音波受信波形を得ることを特徴とする超音波を波
動として用いた探査装置。
【請求項２】請求項１の超音波送受信装置において、超
音波の送信から電荷転送素子の動作を開始させる時間を
求めて動作開始信号を発生する演算器を備え、該動作開
始信号の発生タイミングを、超音波送受信素子の位置と
制御する超音波ビーム特性と超音波の速度から設定する
ことを特徴とする超音波を波動として用いた探査装置。
【請求項３】請求項１または請求項２の超音波送受信装
置において、各超音波送受信素子ごとに、送信信号振幅
の制御器、または、受信信号の増幅度を制御できる可変
増幅器と、送信振幅、または、増幅度の設定データを記
憶する記憶素子を備え、超音波ビームの特性をもとに、
送信振幅，受信増幅度を求めて記憶素子に格納した格納
データにより送信振幅、または、増幅度を制御すること
を特徴とする超音波を波動として用いた探査装置。
【請求項４】請求項１または請求項２または請求項３の
超音波送受信装置において、１次元状または多次元状の
湾曲面に沿って複数の超音波送受信素子を配置したこと
を特徴とする超音波を波動として用いた探査装置。
【請求項５】請求項１から請求項４までのいずれか一項
の超音波送受信装置において、送信のタイミングと受信
の遅延量は、各送受信素子の配置位置と、超音波伝搬媒
質の超音波伝搬速度と、超音波送受信特性とから求める
演算装置を備えたことを特徴とする超音波を波動として
用いた探査装置。
【請求項６】請求項１から請求項５までのいずれか一項
の超音波送受信装置において、集積回路で製作した送受
信信号処理部と制御部を備え、前記送受信処理部と超音
波送受信素子とを電気的に結線し、集積回路化した制御
装置とともに一体構造としたことを特徴とする超音波を
波動として用いた探査装置。