JPH08292179A - 炉内検査用超音波トランスデューサおよび炉内検査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 超音波による画像を用いた炉内の目視検査を
迅速且つ正確に行うことができる炉内検査用超音波トラ
ンスデューサおよび炉内検査装置を提供する。 【構成】 炉内に超音波の送信または受信を行う金属板
１０１と、表面および裏面にニッケル層を含む電極層１
０３，１０４が形成された圧電素子１０２と、ニッケル
層を含む金属層で表面が覆われたチタン酸アルミニウム
系セラミックによって形成されたバッキング材１０５と
を備えた炉内検査用超音波トランスデューサにおいて、
金属板１０１と圧電素子１０２の表面との境界面および
この圧電素子１０２の裏面とバッキング材１０５との境
界面を、導電性接合材１１２で接合する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば高速増殖炉の原
子炉容器内の目視検査などに使用する炉内検査装置およ
び炉内検査用超音波トランスデューサに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】高速増殖炉の原子炉容器内は、液体金属
ナトリウムで満たされている。したがって、原子炉容器
の内部を光学系で可視化して目視検査することは、非常
に困難である。このため、従来より、超音波を用いた画
像化によって、原子炉内を目視検査するための炉内検査
装置が検討されている。

【０００３】ここで、原子炉容器内の液体金属ナトリウ
ムの温度は、原子炉の運転中は５５０℃程度まで上昇す
るが、定期検査時などの運転休止中は２００±２０℃程
度まで降温される。したがって、超音波を用いて原子炉
内を画像化するような炉内検査装置に使用される超音波
トランスデューサは、耐久温度が２２０℃以上であるこ
とが要求され、且つ、液体金属ナトリウムの侵入を防止
するためのシーリングが施されていることが要求され
る。

【０００４】ここで、超音波を用いた画像化を行う方法
としては、例えば、開口合成法を用いたものがある。こ
の開口合成法は、比較的遠距離の領域での画像化が可能
であるという長所を有している。これは、超音波トラン
スデューサが比較的広角の超音波ビームを走査発信する
とともに、反射した超音波を他の超音波トランスデュー
サで受信し、この反射超音波のデータを用いて計算機で
画像を合成するものである。すなわち、発信用の超音波
トランスデューサから角度を変えて順次発信された超音
波信号が物体で反射して受信用の超音波トランスデュー
サに受信されるまでの経路長を計測し、この経路が同一
となる幾何学的形状である楕円体を三次元メモリ上に多
数重ねて加算することにより、炉内の画像を統計的に浮
かび上がらせることができる。

【０００５】開口合成法における分解能は、方位分解能
と距離分解能とで与えられる。

【０００６】方位分解能は、振動子から放射される超音
波の指向角θに依存する。例えば、平板振動子が正方形
の場合は、この平板振動子の幅をｄとし、また、伝搬す
る媒体中における超音波の波長をλとすると、平板振動
子がピストン運動により超音波を送信する時の指向角θ
は、ｓｉｎθ＝λ／ｄで与えられる。

【０００７】一方、距離分解能は、送受信する超音波パ
ルスの時間軸における長さに依存する。したがって、距
離分解能を高めるためには、周波数を高くし、振動子を
ダンピングさせて超音波のパルス長を短くする必要があ
る。ここで、振動子をダンピングするためには、振動子
の裏面に適切なバッキング材を設ける必要がある。

【０００８】図３０は、従来の超音波トランスデューサ
の構成例を示す図であり、（ａ）は正面断面図、（ｂ）
は平面図である。同図において、平板振動子としての前
面板３００１は、金属等で形成されている。また、圧電
素子３００２の上面および下面には、電極３００３，３
００４が形成されている。そして、電極３００３は、前
面板３００１と接合されており、また、電極３００４
は、バッキング材３００５と接合されている。このバッ
キング材３００５は、例えばチタン酸アルミニウム系の
セラミック等で形成され、所望の音響インピーダンスお
よび減衰計数を有するものが使用される。

【０００９】電極３００３は、グランド用信号線３００
６を介して、ＭＩケーブル３００８のシールド線（図示
せず）に接続されている。また、電極３００４は、信号
線３００７を介してＭＩケーブル３００８の信号線３０
０９に接続されている。

【００１０】筐体３０１０は、ステンレス等の金属また
はセラミック等の耐ナトリウム材で形成されており、前
面板３００１の裏面側に配設された各部３００２〜３０
０７を密閉する。このため、この筐体３０１０と前面板
３００１との接合面および筐体３０１０とＭＩケーブル
３００８の外皮とは、溶接されている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図３０
に示したような従来の超音波トランスデューサには、以
下のような欠点があった。

【００１２】図３０に示したような従来の超音波トラン
スデューサには、電極３００３，３００４と信号線３０
０６，３００７との接続を、半田付けや溶接などで行っ
ていた。このため、この接続部分が凸部を形成してしま
い、電極３００３と前面板３００１との接合面や、電極
３００４とバッキング材３００５との接合面の接合性が
悪化する原因となっていた。

【００１３】これに対して、電極３００３と前面板３０
０１との接合性の問題については、信号線３００６を電
極３００３に直接接続するのではなく、この信号線３０
０６を前面板３００１に接続することにより、解決する
ことができる。すなわち、信号線３００６を前面板３０
０１に接続することにより、電極３００３と前面板３０
０１との良好な接合性を確保しつつ、信号線３００６と
電極３００３との電気的接続を得ることができる。

【００１４】しかし、電極３００４とバッキング材３０
０５との接合性の問題については、信号線３００７をバ
ッキング材３００５に接続することによっては解決する
ことはできない。なぜなら、一般には、良好な音響イン
ピーダンスおよび減衰係数を得るためには、バッキング
材３００５としてチタン酸アルミニウム系のセラミック
等の絶縁体が使用されており、したがって、電極３００
４と信号線３００７とをバッキング材３００５を介して
電気的に接続することはできないからである。ここで、
圧電素子３００２の直径が大きい場合には、図３１に示
したように、電極３００４の外周部近傍に信号線３００
７を接続することとし、且つ、接続部３２０１を避けて
圧電素子３００２とバッキング材３００５との接合を行
うことにより、この圧電素子３００２とバッキング材３
００５との接合性を良好なものにすることができる。し
かし、圧電素子３００２の直径が小さい場合（例えば５
ｍｍ以下）には、接続部３２０１を避けて接合を行う
と、圧電素子３００２とバッキング材３００５との接合
面積が小さくなってしまい、バッキング材３００５の特
性が悪化してしまう。このため、小型で優れた特性の超
音波トランスデューサを作製することは、非常に困難で
あった。

【００１５】また、前面板３００１と圧電素子３００２
とは、両部材３００１，３００２を音響的に接合するこ
とができ且つ耐熱性が高くなるような方法で接合する必
要がある。このため、従来は、前面板３００１に圧電素
子３００２を機械的に押し付けて圧着する方法や、圧電
素子３００２を前面板３００１にロウ付けする方法が使
用されていた。しかし、圧着法は、接合面の機械的精度
を高くする必要があるためにコストが高くなること、特
性のばらつきが大きいこと等の欠点があった。また、ロ
ウ付け法には、５００℃を越える熱処理が必要となるた
めに、前面板３００１および圧電素子３００２の形成材
料が熱膨脹率の近い材料に限定されてしまうという欠点
があった。

【００１６】加えて、開口合成法を用いた炉内検査装置
では、炉内の画像を統計的に浮かび上がらせるために膨
大な量の演算処理を行う必要があり、このため、処理時
間が長くなるという欠点があった。例えば、通常のワー
クステーションを用いた炉内検査装置の場合には、１枚
の３次元画像を合成するために、数時間程度の処理時間
が必要となる。

【００１７】さらに、従来の炉内検査装置では、発信用
の超音波トランスデューサが発信した超音波信号の強度
が、受信用の超音波トランスデューサに達するまでの間
に低下してしまうという欠点があった。これは、超音波
トランスデューサの前面板３００１と液体金属ナトリウ
ムとの濡れ性が悪いことや、超音波トランスデューサの
シーリングに使用される筐体３０１０の音響インピーダ
ンスが高いために超音波の透過効率が低下すること等に
起因するものである。このため、従来の炉内検査装置で
は、受信する超音波信号のＳ／Ｎ比を改善するために、
超音波の発信・受信を多数回繰り返して受信した超音波
信号の平均化処理を行ったり、発信用の超音波信号とし
てＭ系列信号灯の非周期性の信号を使用して発信用超音
波信号と受信用超音波信号との相互相関処理を行ったり
する必要があった。そして、このことも、炉内検査装置
が要する処理時間が長くなる原因となっていた。

【００１８】併せて、従来の炉内検査装置では、検査装
置に設けられた位置検出器に指示計等の計器が接続され
ており、これらの計器を使用者が直接確認することによ
って検査装置の操作を行っていた。このため、液体金属
ナトリウム中での超音波トランスデューサの位置や方向
と炉内の機器との相対関係の把握や、炉内検査装置が生
成した画像と検査対象との位置関係の把握が困難で、作
用効率が悪いという欠点もあった。

【００１９】本発明は、このような従来技術の欠点に鑑
みてなされたものであり、超音波による画像を用いた炉
内の目視検査を迅速且つ正確に行うことができる炉内検
査用超音波トランスデューサおよび炉内検査装置を提供
することを目的とする。

【００２０】

【課題を解決するための手段】

（１）第１の発明に係る炉内検査用トランスデューサ
は、炉内に超音波の送信または受信を行う金属板と、表
面および裏面にニッケル層を含む電極層が形成された圧
電素子と、ニッケル層を含む金属層で表面が覆われたチ
タン酸アルミニウム系セラミックによって形成されたバ
ッキング材とを備えた炉内検査用超音波トランスデュー
サにおいて、前記金属板と前記圧電素子の表面との境界
面およびこの圧電素子の裏面と前記バッキング材との境
界面を導電性接合材で接合したことを特徴とする。 （２）第２の発明に係る炉内検査装置は、超音波トラン
スデューサ素子がマトリクス状に配設されてなる炉内検
査用超音波トランスデューサと、前記超音波トランスデ
ューサ素子に超音波を発信させるための発信信号を出力
する信号発信器と、前記超音波トランスデューサ素子が
反射超音波を受信したときに出力するアナログ信号をデ
ジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、前記超音波トラ
ンスデューサ素子に超音波を発信させるときは前記信号
発信器が出力した前記発信信号を当該超音波トランスデ
ューサ素子に供給し、前記超音波トランスデューサ素子
が反射超音波を受信したときは当該超音波トランスデュ
ーサ素子が出力したアナログ信号を前記Ａ／Ｄ変換器に
供給する信号切り換え回路と、前記Ａ／Ｄ変換器が出力
した前記デジタル信号に基づいて、炉内の画像情報を生
成する演算処理器と、この演算処理器から入力した前記
画像情報を用いた画像表示を行う表示器とを備えた炉内
検査装置において、前記Ａ／Ｄ変換器が出力した前記デ
ジタル信号を一時的に格納した後で前記演算処理器に入
力させるためのメモリをさらに備えたことを特徴とす
る。 （３）第３の発明に係る炉内検査装置は、Ｍ系列信号を
発生させるＭ系列信号発生手段と、正弦波信号を発生さ
せる正弦波信号発生手段と、前記Ｍ系列信号発生手段か
ら入力した前記Ｍ系列信号と前記正弦波信号発生手段か
ら入力した前記正弦波信号とを重畳した後に変調するこ
とにより発信信号を発生させる変調手段とを有する信号
発信器と、この信号発信器から入力した前記発信信号に
基づいて超音波を出力する超音波発信用トランスデュー
サと、検査対象物で反射した前記超音波を受信して電気
信号に変換する受信用超音波トランスデューサと、この
受信用超音波トランスデューサから入力された前記電気
信号を検波して出力する検波器と、この検波器から入力
された信号と前記Ｍ系列信号発生手段から入力された前
記Ｍ系列信号との時間相関処理を行う相関処理器と、を
備えたことを特徴とする。 （４）第４の発明に係る炉内検査装置は、検査対象物に
対する超音波の発信およびこの検査対象物で反射した前
記超音波の受信を行う超音波トランスデューサと、この
超音波トランスデューサから入力した信号を用いて画像
信号を生成する画像化手段と、前記超音波トランスデュ
ーサの位置および向きを駆動制御するための駆動制御手
段と、事前に用意された炉内の三次元仮想空間画像に対
応する画像信号のうち、超音波トランスデューサによる
検出領域に相当する画像信号を、この超音波トランスデ
ューサで実際に検出された画像信号に置き換えることに
よって、三次元仮想空間画像用の画像情報を生成するマ
ンマシン手段と、このマンマシン手段から入力された前
記画像信号を用いて三次元仮想空間画像を表示する表示
手段と、を備えたことを特徴とする。

【００２１】

【作用】 （１）第１の発明によれば、金属板と圧電素子の表面と
の境界面および圧電素子の裏面とバッキング材との境界
面を導電性接合材で接合したので、圧電素子の表裏両面
にそれぞれ形成された電極層と信号線との接続を、音響
特性に影響のない部分で行うことができる。 （２）第２の発明によれば、Ａ／Ｄ変換器が出力したデ
ジタル信号を一時的に格納した後で演算処理器に入力さ
せるためのメモリを備えているので、マトリクス状に配
設された超音波トランスデューサ素子のそれぞれで超音
波の受信を同時に行って処理することが可能となり、し
たがって、高速処理を実現することができる。 （３）第３の発明によれば、信号発生器がＭ系列信号と
正弦波信号とを重畳した後に変調することによって発信
信号を発生させることとし、且つ、相関処理器が検波器
から入力された信号とＭ系列信号との時間相関処理を行
うこととしたので、検査対象物までの距離に対応する送
れ時間にピークを持つパルス波を得ることができる。 （４）第４の発明によれば、検査対象を三次元仮想空間
画像で表示することができるので、オペレータによる検
査箇所の目視観察や正常状態との比較を容易且つ正確に
行うことができる。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の実施例について、図面を用い
て説明する。

【００２３】（実施例１）実施例１として、本発明に係
る炉内検査用超音波トランスデューサの一実施例につい
て、高速増殖炉が運転休止中のときに液体金属ナトリウ
ム（最高温度を２２０℃とする）で浸された原子炉容器
内を目視観察するための炉内検査用超音波トランスデュ
ーサについて説明する。

【００２４】図１は、本実施例に係る超音波トランスデ
ューサの構成例を示す図であり、（ａ）は正面断面図、
（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

【００２５】同図において、平板振動子としての前面板
１０１は、厚さ０．１ｍｍのステンレス板（ＳＵＳ３０
４）が使用され、後述する圧電素子１０２との接合を行
う面には、無電界メッキ等によってニッケルメッキが施
されている（図示せず）。但し、後述する圧電素子１０
２との接合の際に熱膨脹係数の差が問題となるような場
合は、熱膨脹係数の低い材料、例えばインバー材やアル
ミナ等のセラミック材を使用してもよい。ここで、イン
バー材を使用するのであれば、圧電素子１０２の電極１
０３と半田接合する際に（後述）、直接半田付けするこ
とが可能なので、表面にニッケルメッキを施す必要はな
い。

【００２６】なお、この前面板１０１には、ニッケルメ
ッキに代えて、チタン層、ニッケル層および金層をスパ
ッタリングによって順次積層させてなる被膜を形成する
こととしてもよい。ここで、金層を設けることとしたの
は、ニッケル層の酸化を防止して、前面板１０１と電極
１０３とを半田接合する際に半田付けを容易にするため
であるが、半田のフラックスを適当に決定することや加
熱時の雰囲気を適当に制御することにより、この金層を
不要にすることも可能である。

【００２７】圧電素子１０２としては、キュリー点が３
６０℃のチタン酸鉛系の圧電セラミックで形成された、
直径３ｍｍ、共振周波数５ＭＨｚのものを使用した。そ
して、この圧電素子１０２の上面および下面には、それ
ぞれ、厚さ５０ｎｍのチタン層、厚さ５００ｎｍのニッ
ケル層および厚さ２００ｎｍの金層をスパッタリングに
よって順次積層することにより、電極１０３，１０４を
形成した。なお、このようにして形成した電極電極１０
３，１０４に代えて、無電界メッキによって形成したニ
ッケル電極を用いてもよい。

【００２８】バッキング材１０５としては、チタン酸ア
ルミニウム系のセラミック材を直径３ｍｍ、高さ５ｍｍ
の円柱状に加工して、チタン層、ニッケル層および金層
をスパッタリングによって順次積層させてなる被膜を全
表面に形成したものを使用した。なお、被膜としては、
無電界メッキによって形成したニッケル膜を用いてもよ
い。

【００２９】電極１０３は、高温半田によって、前面板
１０１と接合されている。同様に、電極１０４も、高温
半田によって、バッキング材１０５と接合されている。

【００３０】また、ＭＩケーブル１０７のシールド線
（図示せず）は、グランド用信号線１０６によって、前
面板１０１の被膜に接続されている。これにより、この
シールド線１０８と電極１０３との電気的接続が行われ
ている。

【００３１】一方、ＭＩケーブル１０７の信号線１０９
は、接続部１０８で、バッキング材１０５の被膜に直接
接続されている。これにより、この信号線１０９と電極
１０４との電気的接続が行われている。

【００３２】筐体１１０としては、円筒状のステンレス
ケースが使用されている。また、この筐体１１０は、ス
テンレス製の蓋１１１を有している。筐体１１０と蓋１
１１との接合部、蓋１１１とＭＩケーブル１０７との接
合部および筐体１１０と前面板１０１との接合部はそれ
ぞれ溶接で接合されており、これによって、前面板１０
１、蓋１１１および筐体１１０で囲まれた空間が密閉さ
れている。

【００３３】次に、図１に示したような超音波トランス
デューサを組み立てる手順について、説明する。

【００３４】まず、前面板１０１の表面のニッケルメッ
キ（またはチタン層、ニッケル層、および金層からなる
膜）上および圧電素子１０２の電極１０３上に、スクリ
ーン印刷により、融点が３００℃前後の鉛を主成分とす
る高温半田を印刷する。

【００３５】次に、前面板１０１、圧電素子１０２、バ
ッキング材１０５の順に積層する。このとき、前面板１
０１と圧電素子１０２との接合面および圧電素子１０２
とバッキング材１０５との接合面に、それぞれ、導電性
接合材１１２としての、融点が３００℃前後の高温半田
を挟み込む。なお、圧電素子１０２の電極１０３，１０
４としてニッケルを使用する場合には、フラックス入り
の半田を用いる。

【００３６】そして、これらの各部材１０１，１１２，
１０２，１１２，１０５を、ホットプレート或いは電気
炉等で加熱し、導電性接合材１１２を溶融させる。これ
により、前面板１０１、圧電素子１０２およびバッキン
グ材１０５が接合される。

【００３７】続いて、圧電素子１０２を分極条件にした
がって分極した後、前面板１０１を筐体１１０に密閉溶
接する。このとき、圧電素子１０２との接合面に影響を
与えないようにするためには、レーザ溶接やイオンビー
ム溶接を使用することが望ましい。

【００３８】その後、筐体１１０の上側の開口部から、
シールド線と前面板１０１の被膜との接続、および、信
号線１０９とバッキング材１０５の被膜との接続を、半
田付けによって行う。ここで、信号線１０９とバッキン
グ材１０５の被膜との接続位置は、超音波トランスデュ
ーサの音響特性の劣化を防止するためには、バッキング
材１０５の上面とすることが望ましい。また、半田付け
に代えて、レーザ溶接等を使用してもよい。

【００３９】最後に、筐体１１０と蓋１１１との溶接お
よび蓋１１１とＭＩケーブル１０７との溶接を行う。

【００４０】このようにして作製した超音波トランスデ
ューサについて、パルスエコー特性を調べたところ、ダ
ンピングされた短パルス特性を示し、また、２２０℃で
長時間放置しても特性の変動は認められなかった。

【００４１】このように、本実施例に係る超音波トラン
スデューサによれば、信号線１０９を電極１０４に直接
接続するのではなく、バッキング材１０５の被膜に接続
することによって電極１０４との電気的接続を得る構成
としたので、バッキング材１０５を電極１０４の前面と
接合させることが可能となる。したがって、優れた音響
特性を得ることが可能となる。

【００４２】また、圧電素子１０２とバッキング材１０
５との間には、これらの各部材１０２，１０５の表面被
膜および導電性接合材１１２が介在することとなるが、
これらは非常に薄く形成することが可能であるので、音
響特性を劣化させることはない。

【００４３】さらに、前面板１０１、圧電素子１０２お
よびバッキング材１０５の各接合面にニッケル薄膜（ニ
ッケルメッキ層またはニッケルスパッタ層）を設けたの
で、各接合面の半田に対する濡れ性を向上することがで
き、半田による接合が可能となる。そして、このように
して半田接合を可能にしたことにより、前面板１０１、
圧電素子１０２およびバッキング材１０５の熱膨脹係数
の差による応力を小さくすることができるので、音響特
性を劣化させることなく強固な機械的結合を得ることが
できる。

【００４４】なお、本実施例では、圧電素子１０２をチ
タン酸鉛系セラミックで形成した場合を例にとって説明
したが、キュリー点が高いニオブ酸鉛系セラミックや、
ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムなどの単結晶を
用いてもよい。

【００４５】また、この圧電素子１０２としては、チタ
ン酸ジルコン酸鉛系セラミックを用いることも可能であ
る。チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックは、温度による
特性の変動が激しいが、キュリー点以下の温度では超音
波センサとして機能するので、キュリー点が２２０℃以
上のものを使用すれば、優れた結合係数Ｋｔを得ること
も可能である。さらには、チタン酸ジルコン酸鉛系セラ
ミックには比誘電率が大きいものもあり、このため、超
音波トランスデューサの電気インピーダンスを小さくし
て、送受信回路とのインピーダンス整合を向上させた
り、超音波トランスデューサと送受信回路との間のＭＩ
ケーブル１０７の影響を小さくしたりすることができ
る。

【００４６】加えて、本実施例では、導電性接合材１１
２として、融点が３００℃前後の高温半田を使用した
が、これに代えて、融点がさらに高いロウ材とニオブ酸
リチウムとを用いることにより、５５０℃以上の温度で
使用できる超音波トランスデューサを作製することが可
能となる。そして、このような超音波トランスデューサ
によれば、高速増殖炉が運転中のときに原子炉容器内を
目視観察することも可能となる。

【００４７】図２は、本実施例に係る超音波トランスデ
ューサの変形例を示す図であり、（ａ）は全体の構造を
示す正面断面図、（ｂ）は前面板の形状を示す平面図、
（ｃ）は前面板の形状を示す正面断面図である。なお、
同図において、図１と同じ符号を付した構成部は、それ
ぞれ図１と同じものを示している。

【００４８】図２に示した超音波トランスデューサで
は、振動子２０１として、図１に示した前面板１０１に
代えて、肉厚の円筒部２０２を備えたものを使用してい
る（同図（ｂ）および（ｃ）参照）。この振動子２０１
は、例えば、ステンレス（ＳＵＳ３０４等）を切削加工
することによって作製することができる。ここでは、振
動面２０３の厚さは薄い方が望ましいので０．１ｍｍと
し、また、円筒部２０２は厚み、高さともに大きい方が
望ましいので厚さ１ｍｍ、高さ３ｍｍとした。

【００４９】図３は、図２に示した振動子２０１の作製
方法の一例を説明するための断面工程図である。まず、
円筒部２０２と振動面２０３とを別々に作製し、図３
（ａ）に示したように、溶接により一体化する。このと
き、図３（ｂ）に示したように、振動面２０３に反りが
生じる場合があるが、このような場合には、図３（ｃ）
に示したように、プレス成型等で振動面２０３を平坦化
すればよい。このような方法によれば、円筒部が厚く且
つ振動面の厚さ精度が高い振動子２０１を、容易に作製
することできる。

【００５０】このようにして作製した振動子２０１を用
いて超音波トランスデューサを組み立てる方法は、図１
の場合とほぼ同様であり、まず、振動面２０３上に圧電
素子１０２およびバッキング材１０５を接合し、次に、
シールド線１０８と振動子２０１の被膜との接続および
信号線１０９とバッキング材１０５の被膜との接続を行
い、さらに、円筒部２０２と筐体２０４との溶接を行
う。

【００５１】このような構成の超音波トランスデューサ
によれば、振動面２０３を直接溶接するのではなく、円
筒部２０２を溶接することによって、振動子２０１を筐
体２０４に接合することができる。したがって、溶接後
の残留応力によって振動面２０３が反るという不都合を
なくすことができ、これにより、超音波トランスデュー
サの超音波センサとしての信頼性を向上させることがで
きる。

【００５２】図４は、本実施例に係る超音波トランスデ
ューサの他の変形例を示す図であり、（ａ）は全体の構
造を示す正面断面図、（ｂ）は前面板の形状を示す平面
図、（ｃ）は前面板の形状を示す正面断面図である。な
お、同図において、図１と同じ符号を付した構成部は、
それぞれ図１と同じものを示している。

【００５３】図４に示した超音波トランスデューサで
は、振動子４０１として、図１に示した前面板１０１に
代えて、ステンレス等で形成したカップ状の金属薄板４
０１を使用している。このような形状は、例えば、絞り
加工によって、得ることができる。このような形状の前
面板４０１を使用することによっても、筐体１１０と前
面板４０１とを溶接した後の残留応力の影響を低減させ
ることができ、したがって、超音波トランスデューサの
超音波センサとしての信頼性を向上させることができ
る。

【００５４】また、前面板の形状としては、図５に示し
たようなものを採用してもよい。図５において、（ａ）
は全体の構造を示す正面断面図、（ｂ）は前面板の形状
を示す平面図、（ｃ）は前面板の形状を示す正面断面図
である。このような形状を採用することにより、筐体１
１０と前面板５０１とを溶接した後の残留応力の影響を
よりいっそう低減させることができ、超音波トランスデ
ューサの超音波センサとしての信頼性を向上させること
ができる。

【００５５】（実施例２）実施例２として、マトリクス
アレイ型の超音波トランスデューサを用いた炉内検査装
置について説明する。

【００５６】まず、本実施例に係る炉内検査装置で使用
するマトリクスアレイ型超音波トランスデューサについ
て説明する。

【００５７】図６は、かかるマトリクスアレイ型超音波
トランスデューサの構成例を示す図であり、（ａ）は正
面断面図、（ｂ）は支持板６０１の平面図である。

【００５８】同図において、支持板６０１としては、ス
テンレスケース板が使用されている。そして、この支持
板６０１には、超音波トランスデューサ素子６０４を配
設するため貫通穴６０２が、マトリクス状に、１０個×
１０個形成されている。また、支持板６０１の下面に
は、貫通穴６０２ごとに、前面板６０２と同じ形状のザ
グリが形成されている。

【００５９】前面板６０３としては、実施例１の場合と
同様、ステンレス板等が使用され、圧電素子１０２との
接合を行う面には、無電界メッキ等によるニッケルメッ
キ等が施されている（図示せず）。

【００６０】超音波トランスデューサ素子６０４は、そ
れぞれ、圧電素子とバッキング材とによって構成されて
いる。ここで、圧電素子およびバッキング材の形成材料
や表面被膜は、実施例１の場合と同様である。また、圧
電素子の上下両面に電極が形成されている点も、実施例
１と同様である。

【００６１】圧電素子、バッキング材および前面板６０
３は、実施例１と同様、相互に高温半田によって接合さ
れている。また、支持板６０１と前面板６０３とは、溶
接によって密封接合されている。

【００６２】超音波トランスデューサ素子６０４には、
それぞれ、高温用耐放射線同軸ケーブル６０５が接続さ
れている。高温用耐放射線同軸ケーブル６０５のシール
ド線（図示せず）は、グランド用信号線６０６によっ
て、支持板６０１に接続されている。これにより、この
シールド線と前面板６０３側の電極（図示せず）との電
気的接続が行われている。一方、高温用耐放射線同軸ケ
ーブル６０５の信号線６０７は、バッキング材の被膜
（図示せず）に直接接続されている。これにより、この
信号線６０７とバッキング材側の電極（図示せず）との
電気的接続が行われている。

【００６３】支持板６０１の裏面は、筐体６０８で密封
溶接されている。この筐体６０８は、保護パイプ６０９
を備えており、この保護パイプ６０９から超音波トラン
スデューサ内に高温用耐放射線同軸ケーブル６０５が導
入されている。

【００６４】このように、１０個×１０個の超音波トラ
ンスデューサ素子６０４を備えたマトリクスアレイ型超
音波トランスデューサを用いることにより、１個の超音
波トランスデューサ素子から超音波を放射し、このとき
の反射超音波信号をすべての超音波トランスデューサ素
子で受信することができるので、１００か所の観測点の
データを同時に得ることができる。したがって、原子炉
容器内の目視観察に要する処理時間を短縮することが可
能となる。

【００６５】図７は、本実施例で使用するマトリクスア
レイ型超音波トランスデューサの変形例を示す図であ
り、（ａ）は正面断面図、（ｂ）は（ａ）の一部（符号
Ａで示す領域）を拡大した図、（ｃ）は支持板７０１の
平面図である。

【００６６】図７に示した超音波トランスデューサで
は、図２に示した振動子２０１と同様の構成の振動子７
０２を使用している。ここで、この振動子７０２は、溶
接点７０４で、支持板７０１に密閉溶接されている。

【００６７】図７に示した超音波トランスデューサを組
み立てる際には、まず、振動子７０２を支持板７０１に
密閉溶接し、次に、振動子７０２の振動面７０３上に圧
電素子１０２およびバッキング材１０５を接合し、続い
て、高温用耐放射線同軸ケーブル６０５のシールド線６
０６と支持板７０１との接続および信号線６０７とバッ
キング材１０５の被膜との接続を行い、最後に、支持板
７０１と筐体６０８との密閉溶接を行う。

【００６８】ここで、図７に示した超音波トランスデュ
ーサでは、原子炉容器内の液体金属ナトリウムに対する
濡れ性を向上させるために、振動子７０２の先端部を支
持板７０１から突出させることとしたが、かかる濡れ性
が問題とならない場合は突出させなくてもよい。

【００６９】このような構成の超音波トランスデューサ
によれば、振動面７０３を直接溶接するのではなく、円
筒部７０４を溶接することによって、振動子７０２を筐
体６０８に接合することができる。したがって、溶接後
の残留応力によって振動面７０３が反るという不都合を
なくすことができ、これにより、超音波トランスデュー
サの超音波センサとしての信頼性を向上させることがで
きる。

【００７０】図８は、本実施例で使用するマトリクスア
レイ型超音波トランスデューサのさらなる変形例を説明
するための図であり、かかる超音波トランスデューサの
一部を拡大した正面断面図である。

【００７１】図８に示した超音波トランスデューサで
は、図７に示したものと同様、各超音波トランスデュー
サ素子８０２の振動子８０３が円筒部８０４と振動面８
０５を有しているが、この円筒部８０４の外周が段差を
有している点で図７の場合と異なる。また、支持板８０
１の貫通穴８０６の形状も、円筒部８０４の段差に対応
させて、一定の段差が設けられている。さらに、支持板
８０１の上面には、貫通穴８０６の開口部に沿って凸部
８０７が設けられており、この凸部８０７の上端と円筒
部８０４の上端とが一致するように、円筒部８０４およ
び凸部８０７の寸法が設定されている。

【００７２】図８に示した超音波トランスデューサを組
み立てる際には、振動子８０３を貫通穴８０６に嵌め込
み、段差で位置あわせを行う。そして、この振動子８０
３と支持板８０１とを、溶接点８０８で密閉溶接する。

【００７３】このような構成によれば、振動子８０３と
支持板８０１との溶接部（溶接点８０８）を切削するこ
とによって、超音波トランスデューサ素子を取り外すこ
とができる。この取り外しは、切削により凸部８０７が
なくなるまでは、何回でも行うことができる。

【００７４】マトリクスアレイ型の超音波トランスデュ
ーサでは、超音波トランスデューサ素子の数が多いほ
ど、一部の素子のみが故障する可能性が高くなる。この
とき、一部の素子が故障しても、原子炉容器内の液体金
属ナトリウムを目視観察することは可能であるものの、
分解能が低下する。これに対して、図８に示したような
超音波トランスデューサでは、超音波トランスデューサ
素子が故障した時に、故障した素子のみを取り換えるこ
とができるので、素子の故障による分解能の低下を防止
することができる。

【００７５】次に、本実施例に係る炉内検査装置で使用
する信号処理システムについて説明する。

【００７６】図９は、かかる信号処理システムの一構成
例を示す概念図である。

【００７７】同図において、信号発振器９０１は、高圧
電気パルス信号を発信する。

【００７８】また、信号切換器９０２は、信号発振器９
０１から入力した高圧電気パルス信号を超音波トランス
デューサ９０３に送るか、或いは、超音波トランスデュ
ーサ９０３から入力したアナログ信号データをメモリ内
蔵Ａ／Ｄ変換器９０４に送るかの切換を行う。

【００７９】超音波トランスデューサ９０３は、信号切
換器９０２から入力した高圧電気パルス信号を超音波ト
ランスデューサ素子Ｔ(1,1) に印加して、この超音波ト
ランスデューサ素子Ｔ(1,1) から超音波エコー信号を発
信させる。また、すべての超音波トランスデューサ素子
Ｔ(1,1) 〜Ｔ(10,10) は、反射した超音波エコー信号受
信し、アナログ信号データに変換して信号切換器９０２
に分配・送信する。

【００８０】メモリ内蔵Ａ／Ｄ変換器９０４は、信号切
換器９０２から入力したアナログ信号データを、Ａ／Ｄ
変換回路９０４ａでデジタル信号データに変換した後、
高速メモリ９０４ｂにシリーズに格納する。

【００８１】並列ＣＰＵ回路９０６は、高速メモリ９０
４ｂに格納されたデジタル信号データを、高速バス９０
５を介して取り込み、このデジタル信号データを処理し
て目視用の画像信号を生成する。そして、生成した画像
信号を、表示装置９０７に送信する。

【００８２】表示装置９０７は、並列ＣＰＵ回路９０６
から入力された画像信号を用いて、三次元画像信号を表
示する。

【００８３】次に、図９に示した信号処理システムの動
作について説明する。

【００８４】まず、信号発振器９０１が高圧電気パルス
信号を発信すると、この高圧電気パルス信号は信号切換
器９０２によって超音波トランスデューサ９０３に送ら
れ、超音波トランスデューサ素子Ｔ(1,1) に印加され
る。これにより、この超音波トランスデューサ素子Ｔ
(1,1) が、超音波エコー信号を発信させる。そして、原
子炉内の液体金属ナトリウム中の対象物で反射した超音
波エコー信号を各超音波トランスデューサ素子Ｔ(1,1)
〜Ｔ(10,10) で受信し、アナログ信号データに変換し
て、信号切換器９０２に送信する。

【００８５】信号切換器９０２は、信号の送信方向を切
り換える。そして、この信号切換器９０２によって、超
音波トランスデューサ９０３から入力されたアナログ信
号データが、複数のメモリ内蔵Ａ／Ｄ変換器９０４に分
配される。分配の方法は、超音波トランスデューサ素子
Ｔの個数とメモリ内蔵Ａ／Ｄ変換器９０４の個数との大
小関係によって異なるが、超音波トランスデューサ素子
Ｔの個数がメモリ内蔵Ａ／Ｄ変換器９０４の個数よりも
多い場合は、例えば、アナログ信号データを信号切換器
９０２からメモリ内蔵Ａ／Ｄ変換器９０４に複数回に分
けて送信することとすればよい。メモリ内蔵Ａ／Ｄ変換
器９０４は、受信したアナログ信号データを、Ａ／Ｄ変
換回路９０４ａでデジタル信号データに変換した後、高
速メモリ９０４ｂに順次に格納する。ここで、信号切換
器９０２はすべての超音波トランスデューサ素子Ｔの信
号を転送する必要はなく、生成する画像のパターンに応
じて選択的に信号転送を行うこととしてもよい。

【００８６】その後、高速メモリ９０４ｂに格納された
信号データが、高速バス９０５を介して、並列ＣＰＵ回
路９０６に取り込まれる。そして、並列ＣＰＵ回路９０
６は、かかる信号データに開口合成処理等を施して目視
用の画像信号を生成し、生成した画像信号を表示装置９
０７に送信する。表示装置９０７は、この画像信号を用
いて三次元画像信号を表示する。

【００８７】図１０は、本実施例に係る信号処理システ
ムの変形例を示す概念図である。同図において、図９と
同じ符号を付した構成部は、それぞれ、図９の場合と同
じものを示している。

【００８８】図１０に示した信号処理システムは、高速
バス９０５を用いずに、高速メモリ９０４ｂから並列Ｃ
ＰＵ回路９０６に直接デジタル信号データを送信してい
る点で、図９のシステムと異なる。すなわち、並列ＣＰ
Ｕ回路９０６内の各ＣＰＵ９０６ａにはデジタル信号デ
ータが直接入力される。そして、各ＣＰＵ９０６ａが信
号データを用いて開口合成処理を行った後、これらの処
理結果が画像加算回路９０６ｂで加算することにより、
画像信号が生成される。

【００８９】なお、図１０に示したシステムは、メモリ
内蔵Ａ／Ｄ変換器９０４の個数が少なく、画像化する領
域の面積が比較的小さい場合に適している。

【００９０】次に、図９および図１０に示した信号処理
システムにおける開口合成処理について、図１１を用い
て説明する。本実施例における信号処理システムでは、
並列ＣＰＵ回路９０６内の各演算素子９０６ｂでの並列
処理を可能とすることにより、処理の高速化を図ってい
る。

【００９１】図１１は、画像化する三次元領域１１０１
を画素１１０２に分割した状態を示している。これらの
画素１１０２は、Ｘ，Ｙ，Ｚの各軸の座標で表される。

【００９２】このシステムには、画素の総数と同数の記
憶素子（図示せず）と、Ｚ軸方向の画素数Ｎと同数の演
算素子９０６ｂが設けられている。また、この並列ＣＰ
Ｕ回路９０６内には、超音波トランスデューサの超音波
発信用トランスデューサ素子１１０２から出力された超
音波が超音波受信用トランスデューサ素子１１０３に達
するまで到達時間を記憶する記憶部（図示せず）も設け
られている。ここで、この到達時間は、超音波発信用ト
ランスデューサ素子１１０２から出力された超音波が超
音波受信用トランスデューサ素子１１０３に達するまで
の経路Ｌ₁ ，Ｌ₂ の経路長と超音波の進行速度によって
決定される。

【００９３】画像化を行う際には、まず、マトリクス型
超音波トランスデューサにより、最初のＹ−Ｚ平面（ｘ
＝０で与えられる）に対して、各画素についての超音波
の反射強度を検出する。このとき、Ｙ軸方向の画素列ご
とに、１個の演算素子９０６ｂが、演算処理を行う。こ
れにより、Ｎ個の演算素子９０６ｂによる並列処理が可
能となる。この演算処理では、まず、超音波受信用トラ
ンスデューサ素子１１０３が受信した超音波の到達時間
から、その超音波が検出を行う画素に対応するものであ
るか否かを判断する。そして、この画素に対応する記憶
素子に、受信した当該超音波の強度に応じた数値を加算
する。

【００９４】このようにして最初のＹ−Ｚ平面について
の処理が終了すると、次に第２のＹ−Ｚ平面（ｘ＝１で
与えられる）について同様の処理を行い、以下同様にし
て各Ｙ−Ｚ平面についての処理を順次行う。

【００９５】このように、本実施例では、１つのＹ−Ｚ
平面内の各画素の処理を同時に行うことができるので、
従来の方法で１つの平面の処理に要する時間と同等の時
間で三次元空間の処理を行うことができ、したがって処
理の高速化が可能となる。なお、ここではＹ−Ｚ平面ご
とに処理を行ったが、Ｘ−Ｙ平面やＺ−Ｘ平面ごとに処
理を行うこととしてもよいことはもちろんである。

【００９６】図１２は、本実施例に係る信号処理システ
ムの第２の変形例を示す概念図である。同図において
も、図９と同じ符号を付した構成部は、それぞれ、図９
の場合と同じものを示している。また、各メモリ内蔵Ａ
／Ｄ変換器９０４内に、ＣＰＵ９０４ｃを備えている。

【００９７】図１２に示した信号処理システムは、Ｓ／
Ｎ比を改善を図っている点で、図９或いは図１０に示し
たシステムと異なる。

【００９８】図１２に示した信号処理システムにおい
て、信号発振器９０１は、Ｍ系列信号（信号値「０」と
「１」とをランダムに発生させてなる信号）に一定周期
の正弦波を重畳した連続信号を出力する。この連続信号
は、信号切換器９０２によって超音波トランスデューサ
９０３に送られ、超音波トランスデューサ素子Ｔ(1,1)
に印加される。これにより、この超音波トランスデュー
サ素子Ｔ(1,1) が、超音波エコー信号を発信させる。そ
して、原子炉内の液体金属ナトリウム中の対象物で反射
した超音波エコー信号を各超音波トランスデューサ素子
Ｔ(1,1) 〜Ｔ(10,10) で同時に受信し、アナログ信号デ
ータに変換して、信号切換器９０２に送信する。そし
て、信号切換器９０２が、アナログ信号データを、各メ
モリ内蔵Ａ／Ｄ変換器９０４に分配する。分配の方法
は、図９に示したシステムの場合と同様である。

【００９９】メモリ内蔵Ａ／Ｄ変換器９０４は、受信し
たアナログ信号データを、Ａ／Ｄ変換回路９０４ａでデ
ジタル信号データに変換する。続いて、ＣＰＵ９０６ｃ
が、このデジタル信号データに対し、比較データとして
のＭ系列信号を用いた相関処理を施す。相関処理後のデ
ータは、高速メモリ９０４ｂに、順次格納される。

【０１００】その後、高速メモリ９０４ｂに格納された
信号データが、高速バス９０５を介して、並列ＣＰＵ回
路９０６に取り込まれる。そして、並列ＣＰＵ回路９０
６は、かかる信号データに開口合成処理等を施して目視
用の画像信号を生成し、生成した画像信号を表示装置９
０７に送信する。表示装置９０７は、この画像信号を用
いて三次元画像信号を表示する。

【０１０１】このように、図１２に示したシステムで
は、Ｍ系列信号を用いた相関処理を行うことにより、良
好なＳ／Ｎ比を有するパルス波を得ることができた。ま
た、このようなＳ／Ｎ比改善処理は、複数のメモリ内蔵
Ａ／Ｄ変換器９０４内の各ＣＰＵ９０６ｃで並列に実行
されるため、高速で実現することが可能である。

【０１０２】次に、Ｍ系列信号を用いた相関処理の原理
について、より詳細に説明する。図１３は、かかる原理
を説明するための概念図である。

【０１０３】同図において、Ｍ系列信号発生器１３０１
は、例えば図１４に示したようなＭ系列信号を出力す
る。また、正弦波信号発生器１３０２は、例えば図１５
に示したような正弦波信号を出力する。振幅変調器１３
０３は、Ｍ系列信号発生器１３０１から入力されたＭ系
列信号と正弦波信号発生器１３０２から入力された正弦
波信号とを重畳した後に振幅変調する。これにより、図
１６に示したような信号を得ることができる。この信号
は、超音波発信用トランスデューサ素子１３０４に印加
される。そして、この信号に応じて、超音波発信用トラ
ンスデューサ素子１３０４が、超音波を出力する。出力
された超音波は、上述のように、原子炉容器内の目視観
察対象物１３０５で反射して、超音波受信用トランスデ
ューサ素子１３０６に受信される。

【０１０４】超音波受信用トランスデューサ素子１３０
６は、受信した超音波をアナログの電気信号に変換して
出力する。このアナログ信号の波形の一例を図１７に示
す。このアナログ信号は、検波器１３０７によって検波
される。これにより、検波器１３０７からは、図１８に
示したような波形の信号が出力される。この信号は、相
関処理器１３０８に送られて、Ｍ系列信号発生器１３０
１から出力されたＭ系列信号（図１４参照）との相関が
とられる。この結果、図１９に示したように、目視観察
対象物１３０５までの距離に対応する送れ時間（０．２
５ミリ秒）にピークを持つパルス波を得ることができ
る。

【０１０５】なお、ここでは、Ｍ系列信号および正弦波
信号として図１４および図１５に示したようなものを使
用した場合を例にとって説明したが、他の波形のＭ系列
信号や他の周波数の正弦波信号等を使用してもよいこと
はもちろんである。

【０１０６】次に、Ｍ系列信号を用いた相関処理を行う
信号処理システムの他の例について説明する。

【０１０７】図２０は、かかる信号処理システムの原理
を説明するための概念図である。

【０１０８】同図において、Ｍ系列信号発生器２００１
ａ，２００１ｂはそれぞれ互いに相関のないＭ系列信号
を出力し、また、正弦波信号発生器２００２ａ，２００
２ｂはそれぞれ正弦波信号を出力する。そして、振幅変
調器２００３ａはＭ系列信号発生器２００１ａから入力
されたＭ系列信号と正弦波信号発生器２００２ａから入
力された正弦波信号とを重畳した後に変調し、同様に、
振幅変調器２００３ｂはＭ系列信号発生器２００１ｂか
ら入力されたＭ系列信号と正弦波信号発生器２００２ｂ
から入力された正弦波信号とを重畳した後に変調する。
これらの変調信号は超音波発信用トランスデューサ素子
２００４ａ，２００４ｂにそれぞれ印加され、これによ
り、超音波発信用トランスデューサ素子２００４ａ，２
００４ｂが超音波を出力する。出力された超音波は、そ
れぞれ、原子炉容器内の目視観察対象物２００５ａ，２
００５ｂで反射して、超音波受信用トランスデューサ素
子２００６に受信される。

【０１０９】超音波受信用トランスデューサ素子２００
６は、受信した超音波をアナログの電気信号に変換して
出力する。そして、このアナログ信号は、検波器２００
７によって検波されたのち、相関処理器２００８に送ら
れて、Ｍ系列信号発生器２００１ａ，２００１ｂから出
力されたＭ系列信号との相関がとられる。この結果、超
音波発信用トランスデューサ素子２００４ａから目視観
察対象物２００５ａまでの距離に対応するピークと、超
音波発信用トランスデューサ素子２００４ｂから目視観
察対象物２００５ｂまでの距離に対応するピークとを持
つパルス波を得ることができる。

【０１１０】このような信号処理システムによれば、複
数の超音波発信用トランスデューサ素子から超音波を同
時に出力することができるので、処理時間を大幅に短縮
することができる。

【０１１１】なお、図２０では、超音波発信用トランス
デューサ素子を２個使用する場合を例にとって説明した
が、３個以上であってもよいことはもちろんである。

【０１１２】図２１は、変調器として位相変調器を使用
した信号処理システムを説明するための概念図である。

【０１１３】同図において、Ｍ系列信号発生器２１０１
は、例えば図２２に示したようなＭ系列信号を出力す
る。また、正弦波信号発生器２１０２は、例えば図２３
に示したような正弦波信号を出力する。そして、位相変
調器２１０３は、Ｍ系列信号発生器２１０１から入力さ
れたＭ系列信号と正弦波信号発生器２１０２から入力さ
れた正弦波信号とを乗算した後で位相変調する。これに
より、図２４に示したような信号を得ることができる。
この信号は、超音波発信用トランスデューサ素子２１０
４に印加される。そして、この信号に応じて、超音波発
信用トランスデューサ素子２１０４が、超音波を出力す
る。出力された超音波は、上述のように、原子炉容器内
の目視観察対象物２１０５で反射して、超音波受信用ト
ランスデューサ素子２１０６に受信される。

【０１１４】超音波受信用トランスデューサ素子２１０
６は、受信した超音波を電気信号に変換して出力する。
これにより、図２５に示したような波形のアナログ信号
が得られる。このアナログ信号を相関処理器２１０７で
相関処理することにより、図２６に示したような、目視
観察対象物２１０５までの距離に対応する送れ時間
（０．２５ミリ秒）にピークを持つパルス波を得ること
ができる。

【０１１５】このように、変調器として位相変調器を使
用した場合にも、振幅変調器を使用した場合と同様、Ｍ
系列信号を用いた相関処理を行うことができる。また、
複数の超音波発信用トランスデューサ素子から同時に出
力した超音波を１個の超音波受信用トランスデューサ素
子で処理するようにシステムを構成することができるこ
とも、振幅変調器を使用した場合と同様である。

【０１１６】本実施例に係る炉内検査装置で原子炉内を
目視観察する場合には、三次元仮想空間画像を用いるこ
とが可能である。以下、このためのマンマシンシステム
の一構成例について、図２７〜図２９を用いて説明す
る。

【０１１７】ここで、図２７はマンマシンシステムの全
体構成を概略的に示す概念図、図２８はこのシステムで
生成された画像を示す概念図、図２９は操作用コンソー
ルの操作パネルの画像を概念的に示す斜視図である。

【０１１８】図において、原子炉容器２７０１内の構造
物２７０２および検査装置２７０６（マトリックスアレ
イ型超音波トランスデューサ２７０４および検査装置駆
動部２７０５を備えている）は、液体金属ナトリウム２
７０３に浸されている。マトリックスアレイ型超音波ト
ランスデューサ２７０４は、検査装置駆動部２７０５に
よって位置および方向を変更することができ、これによ
って、画像化領域２７２０の変更が行われる。

【０１１９】マトリックスアレイ型超音波トランスデュ
ーサ２７０４の位置および方向を変更する際には、ま
ず、三次元位置検出器２７１３がオペレータ２７１１の
頭の位置および向きを検出すると、この検出内容を示す
データがＶＲ(virtual reality) マンマシン装置２７０
９に送られる。そして、ＶＲマンマシン装置２７０９
が、駆動制御装置２７０７に、検査装置駆動部２７０５
の駆動を制御させることにおり、超音波トランスデュー
サ２７０４の位置および方向が変更される。これによ
り、オペレータの動きに同期させてマトリックスアレイ
型超音波トランスデューサ２７０４の位置および方向を
変更することができる。このとき、オペレータ２７１１
は、三次元位置検出器２７１３と併せて操作用コンソー
ル２７１０も用いて、駆動制御装置２７０７を操作する
ことができる。

【０１２０】また、超音波トランスデューサ２７０４に
よって得られた信号データは超音波画像化システム２７
０８に送られて、画像信号が生成される。そして、この
画像信号は、ＶＲマンマシン装置２７０９に送られて、
三次元仮想空間画像の画像情報が生成される。ここで、
この画像情報は、事前に用意された原子炉内の三次元仮
想空間画像に対応する画像信号のうち、画像化領域２７
２０に相当する画像信号を、超音波トランスデューサ２
７０４で得られた画像信号に置き換えることによって、
生成される。このようにして生成された画像情報は、ア
イフォン２７１２に送信される。そして、このアイフォ
ン２７１２に三次元仮想空間画像が表示されることによ
り、オペレータ２７１１が原子炉容器内を目視観察する
ことができる。

【０１２１】なお、このとき、操作用コンソール２７１
０の操作にあたっては、アイフォン２７１２によって表
示される三次元仮想空間画像内に、図２９に示したよう
な操作用コンソールの操作パネルの画像を合成して表示
することも可能である。図２９に示したように、この合
成画像としては、例えば、オン状態のＰＢ画像２９０１
とオフ状態のＰＢ画像２９０２とが表示される。これに
より、オペレータ２７１１は、原子炉容器内で直接操作
を行っているような臨場感を伴って目視観察を行うこと
が可能となる。

【０１２２】また、このようなシステムにおいては、炉
内構造物２７０２と検査装置２７０６との干渉を防止す
ることも可能である。この場合には、図２８に示したよ
うに、三次元仮想空間に表された炉内構造物２７０２の
表面から一定距離内の空間に干渉防止検出領域２８０１
を設定する。そして、この干渉防止検出領域２８０１と
検査装置２７０６との干渉状態を事前に検出して、この
検出結果を駆動制御装置２７０７に送信する。さらに、
ＶＲマンマシン装置２７０９が、操作端末２７１３，２
７１０に反力を与えることによって、干渉が生じるよう
な方向に検査装置２７０６を移動させるような操作をオ
ペレータ２７１１が行えないようにする。また、当該方
向に検査装置２７０６を移動させると干渉が生じること
アイフォン２７１２に表示することにより、オペレータ
２７１１に対して警告を行うこととしてもよい。さらに
は、干渉が生じるおそれがある場合には、駆動制御装置
２７０７の制御により、検査装置２７０６の移動を強制
的に停止したり、または、干渉防止検出領域２８０１か
ら強制的に回避させることとしてもよい。

【０１２３】以上説明したように、本実施例の炉内検査
装置によれば、マトリクスアレイ型の超音波トランスデ
ューサを使用したこと、および、これによって得られた
信号をメモリ内蔵Ａ／Ｄ変換器９０４内の高速メモリ９
０４ｂに格納することにより、高速処理が可能となる。

【０１２４】さらに、並列ＣＰＵ回路９０６を用いて並
列処理を行うこととしたことによっても、高速処理を可
能としている。

【０１２５】加えて、メモリ内蔵Ａ／Ｄ変換器９０４内
にＣＰＵ９０４ｃを設けたことにより、高速でＳ／Ｎ比
改善処理を施すことも可能となる。

【０１２６】また、図２７に示したようなマンマシンシ
ステムを使用することにより、検査対象を三次元仮想空
間画像で表示することができるので、オペレータによる
検査箇所の目視観察や正常状態との比較を容易且つ正確
に行うことができる。

【０１２７】さらには、炉内構造物２７０２と検査装置
２７０６との干渉を防止することができるので、炉内検
査装置の信頼性を向上させることができる。

【０１２８】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、超音波による画像を用いた原子炉内の目視検査
を、迅速且つ正確に行うことができる炉内検査装置およ
び炉内検査装置用超音波トランスデューサを提供するこ
とが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１に係る超音波トランスデューサの構成
例を示す図であり、（ａ）は正面断面図、（ｂ）は
（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

【図２】実施例１に係る超音波トランスデューサの変形
例を示す図であり、（ａ）は全体の構造を示す正面断面
図、（ｂ）は前面板の形状を示す平面図、（ｃ）は前面
板の形状を示す正面断面図である。

【図３】（ａ）〜（ｃ）ともに、図２に示した振動子の
作製方法の一例を説明するための断面工程図である。

【図４】実施例１に係る超音波トランスデューサの他の
変形例を示す図であり、（ａ）は全体の構造を示す正面
断面図、（ｂ）は前面板の形状を示す平面図、（ｃ）は
前面板の形状を示す正面断面図である。

【図５】実施例１に係る超音波トランスデューサの前面
板の形状の変形例を示す図であり、（ａ）は全体の構造
を示す正面断面図、（ｂ）は前面板の形状を示す平面
図、（ｃ）は前面板の形状を示す正面断面図である。

【図６】実施例２に係るマトリクスアレイ型超音波トラ
ンスデューサの構成例を示す図であり、（ａ）は正面断
面図、（ｂ）は支持板６０１の平面図である。

【図７】実施例２で使用するマトリクスアレイ型超音波
トランスデューサの変形例を示す図であり、（ａ）は正
面断面図、（ｂ）は（ａ）の一部を拡大した図、（ｃ）
は支持板７０１の平面図である。

【図８】実施例２で使用するマトリクスアレイ型超音波
トランスデューサのさらなる変形例を説明するための拡
大正面断面図である。

【図９】実施例２に係る炉内検査装置で使用する信号処
理システムの一構成例を示す概念図である。

【図１０】実施例２に係る炉内検査装置で使用する信号
処理システムの変形例を示す概念図である。

【図１１】図９および図１０に示した信号処理システム
における開口合成処理を説明するための概念図である。

【図１２】実施例２に係る炉内検査装置で使用する信号
処理システムのさらなる変形例を示す概念図である。

【図１３】実施例２に係る炉内検査装置における、Ｍ系
列信号を用いた相関処理の原理を説明するための概念図
である。

【図１４】図１３に示したＭ系列信号発生器の出力波形
の一例を示す図である。

【図１５】図１３に示した正弦波信号発生器の波形の一
例を示す図である。

【図１６】図１３に示した振幅変調器の出力波形の一例
を示す図である。

【図１７】図１３に示した超音波受信用トランスデュー
サ素子の出力波形の一例を示す図である。

【図１８】図１３に示した検波器の出力波形の一例を示
す図である。

【図１９】図１３に示した相関処理器の出力波形の一例
を示す図である。

【図２０】Ｍ系列信号を用いた相関処理を行う信号処理
システムの他の例について説明するための概念図であ
る。

【図２１】変調器として位相変調器を使用した信号処理
システムを説明するための概念図である。

【図２２】図２１に示したＭ系列信号発生器の出力波形
の一例を示す図である。

【図２３】図２１に示した正弦波信号発生器の出力波形
の一例を示す図である。

【図２４】図２１に示した位相変調器の出力波形の一例
を示す図である。

【図２５】図２１に示した超音波受信用トランスデュー
サ素子の出力波形の一例を示す図である。

【図２６】図２１に示した相関処理器の出力波形の一例
を示す図である。

【図２７】実施例２に係るマンマシンシステムの全体構
成を概略的に示す概念図である。

【図２８】図２７に示したマンマシンシステムで生成さ
れた画像を示す概念図である。

【図２９】図２７に示したマンマシンシステムの操作用
コンソールの操作パネルの画像を概念的に示す斜視図で
ある。

【図３０】従来の超音波トランスデューサの構成例を示
す図であり、（ａ）は正面断面図、（ｂ）は平面図であ
る。

【図３１】従来の超音波トランスデューサの他の構成例
を示す図であり、（ａ）は正面断面図、（ｂ）は（ａ）
のＡ−Ａ断面図である。

【符号の説明】

１０１ 前面板 １０２ 圧電素子 １０３，１０４ 電極 １０５ バッキング材 １０６ グランド用信号線 １０７ ＭＩケーブル １０８ シールド線 １０９ 信号線 １１０ 筐体 １１１ 蓋 １１２ 導電性接合材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加 藤 克 己 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１ 株式会 社東芝研究開発センター内 (72)発明者 松日楽 信 人 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１ 株式会 社東芝研究開発センター内 (72)発明者 鈴 木 健 彦 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１ 株式会 社東芝研究開発センター内 (72)発明者 塩 山 勉 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１ 株式会 社東芝研究開発センター内 (72)発明者 長 井 敏 神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者 小 舞 正 文 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地 株 式会社東芝横浜事業所内

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】炉内に超音波の送信または受信を行う金属
   板と、表面および裏面にニッケル層を含む電極層が形成
   された圧電素子と、ニッケル層を含む金属層で表面が覆
   われたチタン酸アルミニウム系セラミックによって形成
   されたバッキング材とを備えた炉内検査用超音波トラン
   スデューサにおいて、 前記金属板と前記圧電素子の表面との境界面およびこの
   圧電素子の裏面と前記バッキング材との境界面を導電性
   接合材で接合したことを特徴とする炉内検査用超音波ト
   ランスデューサ。
2. 【請求項２】前記バッキング材の表面に形成された導電
   性被膜と、この導電性被膜を介して前記圧電素子の前記
   裏面に接続された第１の信号線と、前記金属板を介して
   前記圧電素子の前記表面に接続された第２の信号線とを
   さらに備えたことを特徴とする請求項１記載の炉内検査
   用超音波トランスデューサ。
3. 【請求項３】前記金属板の外周が前記圧電素子の外周よ
   りも大きく、且つ、この金属板と筐体とを密閉固定する
   ことによって前記圧電素子および前記バッキング材が前
   記筐体内に密閉されたことを特徴とする請求項１記載の
   炉内検査用超音波トランスデューサ。
4. 【請求項４】超音波トランスデューサ素子がマトリクス
   状に配設されてなる炉内検査用超音波トランスデューサ
   と、前記超音波トランスデューサ素子に超音波を発信さ
   せるための発信信号を出力する信号発信器と、前記超音
   波トランスデューサ素子が反射超音波を受信したときに
   出力するアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ
   変換器と、前記超音波トランスデューサ素子に超音波を
   発信させるときは前記信号発信器が出力した前記発信信
   号を当該超音波トランスデューサ素子に供給し、前記超
   音波トランスデューサ素子が反射超音波を受信したとき
   は当該超音波トランスデューサ素子が出力したアナログ
   信号を前記Ａ／Ｄ変換器に供給する信号切り換え回路
   と、前記Ａ／Ｄ変換器が出力した前記デジタル信号に基
   づいて、炉内の画像情報を生成する演算処理器と、この
   演算処理器から入力した前記画像情報を用いた画像表示
   を行う表示器とを備えた炉内検査装置において、 前記Ａ／Ｄ変換器が出力した前記デジタル信号を一時的
   に格納した後で前記演算処理器に入力させるためのメモ
   リをさらに備えたことを特徴とする炉内検査装置。
5. 【請求項５】前記演算処理器が、前記Ａ／Ｄ変換器に１
   対１に接続された複数の演算回路と、これらの演算回路
   の演算結果を加算して前記表示器に送信する加算回路と
   を備えたことを特徴とする請求項４に記載の炉内検査装
   置。
6. 【請求項６】前記信号発信器が、Ｍ系列信号に正弦波信
   号を重畳させることによって前記発信信号を生成するよ
   うに構成され、且つ、前記Ａ／Ｄ変換器が、前記Ｍ系列
   信号発生手段から入力した前記Ｍ系列信号を用いた相関
   処理を行うＳ／Ｎ比改善処理用演算回路を備えたことを
   特徴とする請求項４又は５に記載の炉内検査装置。
7. 【請求項７】被検査領域となる空間を分割してなる画素
   ごとに設けられた記憶素子と、 発信用の前記超音波トランスデューサ素子によって発信
   た超音波が前記画素で反射して受信用の前記超音波トラ
   ンスデューサ素子に受信されるまでの遅れ時間を記憶す
   る遅れ時間記憶手段と、この遅れ時間記憶手段から入力
   された遅れ時間を用いて前記受信用の超音波トランスデ
   ューサ素子で受信された超音波と前記画素との対応を判
   断し、これによって得られた前記画素ごとの受信超音波
   強度を前記記憶素子の記憶データに加算する演算素子
   と、を備えたことを特徴とする請求項４〜６のいずれか
   に記載の炉内検査装置。
8. 【請求項８】Ｍ系列信号を発生させるＭ系列信号発生手
   段と、正弦波信号を発生させる正弦波信号発生手段と、
   前記Ｍ系列信号発生手段から入力した前記Ｍ系列信号と
   前記正弦波信号発生手段から入力した前記正弦波信号と
   を重畳した後に変調することにより発信信号を発生させ
   る変調手段とを有する信号発信器と、 この信号発信器から入力した前記発信信号に基づいて超
   音波を出力する超音波発信用トランスデューサと、 検査対象物で反射した前記超音波を受信して電気信号に
   変換する受信用超音波トランスデューサと、 この受信用超音波トランスデューサから入力された前記
   電気信号を検波して出力する検波器と、 この検波器から入力された信号と前記Ｍ系列信号発生手
   段から入力された前記Ｍ系列信号との時間相関処理を行
   う相関処理器と、 を備えたことを特徴とする炉内検査装置。
9. 【請求項９】前記信号発生器内の前記変調器が、振幅変
   調又は位相変調を行うことを特徴とする請求項８記載の
   炉内検査装置。
10. 【請求項１０】互いに相関のない前記Ｍ系列信号を用い
    た前記受信信号をそれぞれ発生させる複数個の前記信号
    発生器を有し、 前記相関処理器が、前記検波器から入力された信号につ
    いて、前記複数の信号発生器の前記Ｍ系列信号発生手段
    から入力した前記Ｍ系列信号のそれぞれを用いた前記時
    間相関処理を行うように構成されたことを特徴とする請
    求項８又は９に記載の炉内検査装置。
11. 【請求項１１】検査対象物に対する超音波の発信および
    この検査対象物で反射した前記超音波の受信を行う超音
    波トランスデューサと、 この超音波トランスデューサから入力した信号を用いて
    画像信号を生成する画像化手段と、 前記超音波トランスデューサの位置および向きを駆動制
    御するための駆動制御手段と、 事前に用意された炉内の三次元仮想空間画像に対応する
    画像信号のうち、超音波トランスデューサによる検出領
    域に相当する画像信号を、この超音波トランスデューサ
    で実際に検出された画像信号に置き換えることによっ
    て、三次元仮想空間画像用の画像情報を生成するマンマ
    シン手段と、 このマンマシン手段から入力された前記画像信号を用い
    て三次元仮想空間画像を表示する表示手段と、 を備えたことを特徴とする炉内検査装置。
12. 【請求項１２】オペレータが操作して駆動制御手段に前
    記超音波トランスデューサの位置および向きの駆動制御
    させるための操作手段と、 この操作手段による操作内容を前記三次元仮想空間画像
    と合成して表示させるために前記マンマシン手段内に設
    けられた画像情報合成手段と、 を備えたことを特徴とする請求項１１に記載の炉内検査
    装置。
13. 【請求項１３】被検査対象の表面から所定距離内の空間
    に前記超音波トランスデューサが近付いたが否かを判断
    する位置判断手段と、 この位置判断手段が、前記空間に前記超音波トランスデ
    ューサが近付いたときに前記駆動制御手段の駆動を制御
    または停止して前記被検査対象と前記超音波トランスデ
    ューサとの干渉を防止し、または、前記被検査対象と前
    記超音波トランスデューサとの干渉のおそれがあるとの
    警告をオペレータに対して発する、干渉防止手段と、 を備えたことを特徴とする請求項１１に記載の炉内検査
    装置。