超音波イメージングセンサの現状と問題点について検討した結果にもとづき、コンパクトな3次元イメージングを実現するために研究を行った。

　(1)円周アレイトランスデューサを提案する。それは微小素子を円周上に配列した2次元トランスデューサで、その構成、原理を示す。

　(2)シミュレーションにより円周アレイトランスデューサは、従来から研究されているマトリックス状アレイと比べて、実用的にはほぼ同等の指向特性を備えていること、角度を変えたときの走査特性の均一性はむしろ優れていることを明らかにする。

　(3)実験とシミュレーションにより、焦点が中心軸に近い場合には超音波ビームは良好に形成されることを示す。焦点が中心軸からずれるに従って焦点化の特性が悪くなるが、これは各素子の幅に原因することを明らかにすると共に、要求する偏向角に対して必要な素子の大きさをシミュレーションにより求められることを示す。

　(4)試作した中心周波数2.5MHz、開口半径12mm、素子数32の円周アレイト型ランスデューサを用いた実験により、3次元イメージングの基礎となる2次元イメージングが可能であることを示す。

　(5)円周アレイの幾何学的特長を生かした走査方法と走査回路を提案する。

　(6)エコー源の3次元位置とエコーの強さをカラーTVモニタに表示するために、位置をモニタ面上のX,Yおよび色相に、エコー強さを明度に対応させた新しい表示法を提案する。

　(7)時間軸波形をカラー画像に変換するための装置を示す。

　(8)試作したトランスデューサと送受信回路を用いた実験で、データを取得し、提案した方法による表示結果を示すことにより、リアルタイム3次元イメージング装置を実現することが可能であることを述べる。

　本研究での高度化のための技術的ポイントは、

　(1)少ない素子数、良好な指向性の2次元(円周)アレイセンサ

　(2)センサの幾何学的構造を生かした単純な回路での超音波ビームの電子的2次元走査法

　(3)取得した3.5次元データ(反射点の3次元位置およびエコー強さ)の表示法

　にある。これらの統合により、比較的小さい実用的な規模のシステムで、物理的情報を保持したままでの3次元リアルタイムイメージングシステムを達成できる見込みを得た。

　ラム波を用いた探傷における現状と問題点について調べ、ラム波のモードにより欠陥特性が異なるために欠陥評価が正しくできないという問題点を解決するための一段階としての研究を行った。

　(1)板中に存在し得るモードの位相速度に合わせて板の表面を駆動するリニアアレイ型トランスデューサを用いたラム波の発生法を提案する。

　(2)リニアアレイ型トランスデューサの各素子を素子間隔/位相速度で与えられる時間づつずらせて駆動することにより、その位相速度を持ったラム波を駆動できることを示す。

　(3)送受信器を試作し、いろいろなモードのラム波を電子的に、高速に変更できることを実験により確認する。

　(4)ラム波の発生検出条件を順次変えて得たエコーを2次元パターンとして表示する方法を提案する。

　(5)模擬欠陥を設けた鋼板を用いた実験により、各モードでの特性がパターンとして把握できることを示す。

　本研究でのポイントは、

　(1)リニアアレイセンサを用いたラム波の発生と検出法

　(2)発生および検出するラム波のモードの電子的制御

　(3)複数モードによるエコーを同時に示す2次元パターン表示法

　である。これらにより、各種モードでの欠陥からのエコーを高速で取得し、パターンとして表示されるので、板内の同一欠陥に対する各種モードのラム波の挙動、モード変換も含めて、同時に観察できるようになる。この手法により、欠陥の種類とラム波との関連の研究が促進され、ラム波による欠陥評価の高度化が達成できると考えている。

　境界近傍に存在する物体の検出における従来法での問題点、すなわち、分解能を上げるためにパルス幅を狭くするとS/Nが劣化することや、超音波トランスデューサと境界との距離が正確に分からないと物体からのエコーのみを抽出できないという問題点を解決するために、新しいセンシング方式の研究を行った。

　(1)物体の検出と形状判別のために、チャープ状の超音波を照射する方式を提案する。これは、従来の送受信点からの距離計測の概念ではなく、物体の近傍に基準面をとった新しい概念によるものである。

　(2)提案した方法を実際に応用する際に生じる課題について検討する。

　(1)チャープ波のパラメータの設定基準を明らかにする。

　(a)各反射面からの反射波が互いに干渉しあって有効な情報が得られることから、チャープ波の時間長さの条件を明らかにする。

　(b)周波数掃引範囲が大きいほど小さな距離差を検出できることを示す。

　(c)時間測定の誤差が、距離測定に及ぼす影響を調べ、チャープ波の時間長さは長い方が、誤差が小さいことを示す。

　(2)チャープ波が作る音場を調べ、物体への照射条件を検討する。

　(a)インパルス応答法を用いて音場を計算する方法を示す。

　(b)音場の各点での時間波形をパターンとして分かり易くする表示方法を提案する。

　(c)上記計算法および表示法を、特性が良く知られている正弦波パルスに適用し、提案した表示法が有効であることを示す。

　(d)チャープ波について計算、表示し、その音場特性を考察する。その結果、チャープ波の最大周波数を用いて計算した理論指向性関数でのメインローブ内に物体が含まれるように、超音波を照射しなければならないことを明らかにする。

　(3)提案した方法の応用例により、その有効性を示す。

　(1)表面直下欠陥の検出への応用

　(a)人工的に作成した模擬欠陥を設けた鋼材により実験的に評価する。

　(b)T＝10s,f₁＝3.6MHz,f₂＝10MHzのチャープ波を用いて、表面から1mmの位置にある欠陥を検出できることを示す。

　(c)受信波の包絡線周波数より欠陥の深さ測定が可能であることを示す。

　(d)受信波の包絡線の変調率より欠陥の大きさを求めることができることを示す。

　(2)テーブル上に置かれた部品の検出と形状判別への応用

　円柱より構成され平面図が同じ形状の物体に、T＝5ms、f₁＝35kHz、f₂＝100kHzのチャープ波を照射し、包絡線形状が物体形状により著しく変化し、物体の検出および形状判別の可能性があることを示す。

　(4)上で提案したチャープ超音波による物体の検出および形状判別法の理論的検討を行う。

　(1)複雑な形状の物体であっても超音波反射体としては有限個の関数列で表せることが明らかにし、これに基づいて反射物体モデルを作成する。

　(2)物体の形状を判別するのに、トランスデューサからの距離情報は必要なく、物体の反射面エコーが分離でき、それらの距離関係がわかれば良いことを指摘する。

　(3)送信波のエネルギーのみを検出して複数の反射面エコーを分離できるのは、幅の狭い正弦波パルスと線形周波数変調波であることを示す。

　(4)複雑な物体に対してチャープ波を照射したときのエコーについて検討し、2乗検波後の波形は反射点間の距離に対応した周波数スペクトルを持つことを明らかにする。

　(5)提案した方法の特徴をまとめ、本方式の応用展開の方向付けをする。

　本研究での高度化のための技術的ポイントは、

　(1)複数の反射面を持つ対象へのチャープ波の照射

　(2)チャープ波の包絡線の抽出、フーリェ変換

　(3)スペクトルから物体形状の判別

　であり、これらの統合により、S/Nが良い、高速サンプリングを必要としない、エコーを取り出すために高精度の時間ゲートを必要としないという利点を有したシステムが実現できる。極めて良好なS/Nで、複雑な処理をすることなく、安価なシステムが得られる。また、高速サンプリングを必要としないことから超音波周波数を上げることができ、高分解能化が可能となる。

　以上、超音波センシングの3つの事例において、物理特性を活用したセンサの構成、センサの構造と特性を生かした信号処理、およびマンマシンインタフェースの工夫によって、高度化、すなわち、単位時間当たりの情報量の増大および低コスト化を達成することができた。