特許 6706057 液中可視化装置及び方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6706057

(24)【登録日】2020年5月19日

(45)【発行日】2020年6月3日

(54)【発明の名称】液中可視化装置及び方法

(51)【国際特許分類】

   G01S 15/89 20060101AFI20200525BHJP

   G01S 7/521 20060101ALI20200525BHJP

   H04R 17/00 20060101ALI20200525BHJP

【ＦＩ】

   G01S15/89 B

   G01S7/521 Z

   H04R17/00 330Z

【請求項の数】9

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2015-245127(P2015-245127)

(22)【出願日】2015年12月16日

(65)【公開番号】特開2017-110999(P2017-110999A)

(43)【公開日】2017年6月22日

【審査請求日】2018年11月13日

(73)【特許権者】

【識別番号】507250427

【氏名又は名称】日立ＧＥニュークリア・エナジー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001829

【氏名又は名称】特許業務法人開知国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】河野 尚幸

【審査官】 山下 雅人

(56)【参考文献】

【文献】 特表２０１０−５２６４６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１０−５２５８６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−０４７０８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１２−５２９９６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００８／０６８９３２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許第０５３０５７３１（ＵＳ，Ａ）

【文献】 韓国公開特許第１０−２０１５−００３９６４６（ＫＲ，Ａ）

【文献】 米国特許第０４８６２２７８（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｓ ７／５２− ７／６４

Ｇ０１Ｓ １５／００−１５／９６

Ｈ０４Ｒ １／３４

Ｇ０１Ｎ ２９／２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

内部に満たす媒質によって、反射機能又は屈折機能からなるレンズ機能の有効化と無効化を切り替える媒質可変レンズと、
前記媒質可変レンズの内部に満たす媒質を入れ替える媒質入替装置と、
前記媒質可変レンズを介して液体中へ超音波ビームを送信するとともに、前記媒質可変レンズを介して前記液体中の物体からの反射波を受信する超音波センサと、
前記超音波センサで受信した反射波の情報に基づいて画像を生成する画像生成部と、
前記画像生成部で生成した画像を表示する表示部とを備え、
前記媒質可変レンズの内部に満たす媒質によって前記媒質可変レンズのレンズ機能を無効化した場合に、超音波ビームの指向角が維持されることにより、前記画像生成部が詳細視画像を生成し、前記媒質可変レンズの内部に満たす媒質によって前記媒質可変レンズのレンズ機能を有効化した場合に、超音波ビームの指向角が拡大されることにより、前記画像生成部が粗視画像を生成することを特徴とする液中可視化装置。

【請求項2】

請求項１に記載の液中可視化装置において、
前記媒質可変レンズの内部に第１の媒質を満たして前記媒質可変レンズのレンズ機能を無効化した場合に、前記画像生成部が詳細視画像を生成し、前記媒質可変レンズの内部に第２の媒質を満たして前記媒質可変レンズの反射機能を有効化して超音波ビームの指向角が拡大した場合に、前記画像生成部が粗視画像を生成することを特徴とする液中可視化装置。

【請求項3】

請求項２に記載の液中可視化装置において、
前記超音波センサは、一方向に配列された複数の圧電素子を有し、前記圧電素子の配列方向に超音波ビームを電子走査し、
前記媒質可変レンズは、部分円筒形状又は円筒形状の容器で構成され、前記容器の内部に媒質を満たしており、
前記圧電素子の配列方向と前記容器の円筒軸が平行となるように、かつ、前記超音波センサから前記媒質可変レンズへ送信する超音波ビームの軸線が前記容器の円筒軸と交わらないように配置されたことを特徴とする液中可視化装置。

【請求項4】

請求項２又は３に記載の液中可視化装置において、
前記媒質可変レンズは、前記液体より比重が軽い前記第２の媒質を予め満たしており、
前記媒質入替装置は、前記媒質可変レンズの内外を遮断する遮断弁で構成され、前記遮断弁を開くことにより、前記媒質可変レンズの内部から前記第２の媒質を流出させるとともに、前記媒質可変レンズの内部に前記第１の媒質として前記液体を流入させることを特徴とする液中可視化装置。

【請求項5】

請求項１に記載の液中可視化装置において、
前記媒質可変レンズは、外壁及び内壁を有する二重構造の容器で構成され、前記外壁と前記内壁の間に満たす媒質によって外側レンズのレンズ機能を、前記内壁の内側に満たす媒質によって内側レンズのレンズ機能を得ており、
前記媒質入替装置は、前記外壁と前記内壁の間に満たす媒質を入れ替えるとともに、前記内壁の内側に満たす媒質を入れ替えており、
前記外壁と前記内壁の間及び前記内壁の内側に第１の媒質を満たして前記外側レンズ及び前記内側レンズのレンズ機能を無効化した場合に、前記画像生成部が詳細視画像を生成し、前記外壁と前記内壁の間に前記第１の媒質を満たして前記外側レンズのレンズ機能を無効化するとともに前記内壁の内側に第２の媒質を満たして前記内側レンズの反射機能を有効化して超音波ビームの指向角が第１の角度となるように拡大した場合に、前記画像生成部が第１の粗視画像を生成し、前記外壁と前記内壁の間及び前記内壁の内側に前記第２の媒質を満たして前記外側レンズの反射機能を有効化して超音波ビームの指向角が前記第１の角度より小さい第２の角度となるように拡大した場合に、前記画像生成部が第２の粗視画像を生成することを特徴とする液中可視化装置。

【請求項6】

請求項５に記載の液中可視化装置において、
前記超音波センサは、一方向に配列された複数の圧電素子を有し、前記圧電素子の配列方向に超音波ビームを電子走査し、
前記媒質可変レンズは、同心二重部分円筒構造又は同心二重円筒構造の容器で構成されており、
前記圧電素子の配列方向と前記容器の円筒軸が平行となるように、かつ、前記超音波センサから前記媒質可変レンズへ送信する超音波ビームの軸線が前記容器の円筒軸と交わらないように配置されたことを特徴とする液中可視化装置。

【請求項7】

請求項１に記載の液中可視化装置において、
前記媒質可変レンズは、外壁及び内壁を有する二重構造の容器で構成され、前記外壁と前記内壁の間に満たす媒質によって外側レンズのレンズ機能を、前記内壁の内側に満たす媒質によって内側レンズのレンズ機能を得ており、
前記媒質入替装置は、前記外壁と前記内壁の間に満たす媒質を入れ替えるとともに、前記内壁の内側に満たす媒質を入れ替えており、
前記外壁と前記内壁の間及び前記内壁の内側に第１の媒質を満たして前記外側レンズ及び前記内側レンズのレンズ機能を無効化した場合に、前記画像生成部が詳細視画像を生成し、前記外壁と前記内壁の間に前記第１の媒質を満たして前記外側レンズのレンズ機能を無効化するとともに前記内壁の内側に第２の媒質を満たして前記内側レンズの反射機能を有効化して超音波ビームの指向角が第１の角度となるように拡大した場合に、前記画像生成部が第１の粗視画像を生成し、前記外壁と前記内壁の間に第３の媒質を満たして前記外側レンズの屈折機能を有効化するとともに前記内壁の内側に前記第２の媒質を満たして前記内側レンズの反射機能を有効化して超音波ビームの指向角が前記第１の角度より小さい第２の角度となるように拡大した場合に、前記画像生成部が第２の粗視画像を生成することを特徴とする液中可視化装置。

【請求項8】

請求項７に記載の液中可視化装置において、
前記超音波センサは、一方向に配列された複数の圧電素子を有し、前記圧電素子の配列方向に超音波ビームを電子走査し、
前記媒質可変レンズは、偏心二重円筒構造の容器で構成されており、
前記圧電素子の配列方向と前記外壁の円筒軸及び前記内壁の円筒軸が平行となるように、かつ、前記超音波センサから前記媒質可変レンズへ送信する超音波ビームの軸線が前記外壁の円筒軸と交わって前記内壁の円筒軸と交わらないように配置されたことを特徴とする液中可視化装置。

【請求項9】

媒質可変レンズを介して超音波センサから液体中へ超音波ビームを送信し、前記媒質可変レンズを介して前記液体中の物体からの反射波を前記超音波センサで受信し、前記超音波センサで受信した反射波の情報に基づいて画像を生成し、生成した画像を表示する液中可視化方法であって、
前記媒質可変レンズの内部に満たす媒質によって、前記媒質可変レンズの反射機能又は屈折機能からなるレンズ機能を無効化した場合に、超音波ビームの指向角が維持されることにより、詳細視画像を生成して表示し、前記媒質可変レンズの内部に満たす媒質によって前記媒質可変レンズのレンズ機能を有効化した場合に、超音波ビームの指向角が拡大されることにより、粗視画像を生成して表示することを特徴とする液中可視化方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、液体中の物体を可視化する液中可視化装置及び方法に関する。

【背景技術】

【0002】

河川や海洋などの水中、あるいは、タンクやプールなどの構造物の内部に満たされた液体中には、自然物又は人工物が存在し、その位置や形状を観測したい場合がある。しかし、液体に濁りがある場合は、光学カメラなどによって液体中の物体を観察することが困難である。また、液体の濁りの程度が少なくても、遠距離の観測を行いたい場合がある。このような場合において、光と比べて透過性が高い超音波を用いた可視化技術が適用される。

【0003】

この超音波可視化技術においては、超音波センサから液体中へ超音波ビームを送信し、液体中の物体からの反射波を超音波センサで受信し、超音波センサで受信した反射波の情報（詳細には、反射波の強度や伝搬時間）に基づいて画像を生成し、生成した画像を表示する（例えば特許文献１参照）。特許文献１では、超音波センサからペンシル状の超音波ビームを送信するようになっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００８−２６８１９２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

例えば超音波センサからペンシル状の超音波ビームを送信した場合（言い換えれば、ビームの指向角が比較的小さい場合）は、詳細視画像を生成して表示する（詳細視機能）。この機能により、液体中の物体の位置や形状を細かく観測することが可能である。一方、例えば超音波センサから拡散レンズを介してファン状の超音波ビームを送信した場合（言い換えれば、ビームの指向角が比較的大きい場合）は、粗視画像を生成して表示する（粗視機能）。この機能により、液体中の物体の位置や形状を大まかに観測することが可能である。したがって、両方の機能を兼ね備えれば、状況に応じて使い分けることが可能である。

【0006】

しかし、構造物の内部が狭い空間である場合、特に、構造物の内部に満たされた液体中に物体が存在して狭い空間である場合は、液体中で移動させるプローブの大きさに制約が生じる。そのため、例えば詳細視用の超音波センサと粗視用の超音波センサ及び拡散レンズをプローブに搭載できず、詳細視機能と粗視機能を兼ね備えることが困難である。

【0007】

本発明の目的は、プローブの大型化を抑制しつつ、詳細視機能と粗視機能を兼ね備えることができる液中可視化装置及び方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記目的を達成するために、本発明は、内部に満たす媒質によって、反射機能又は屈折機能からなるレンズ機能の有効化と無効化を切り替える媒質可変レンズと、前記媒質可変レンズの内部に満たす媒質を入れ替える媒質入替装置と、前記媒質可変レンズを介して液体中へ超音波ビームを送信するとともに、前記媒質可変レンズを介して前記液体中の物体からの反射波を受信する超音波センサと、前記超音波センサで受信した反射波の情報に基づいて画像を生成する画像生成部と、前記画像生成部で生成した画像を表示する表示部とを備え、前記媒質可変レンズの内部に満たす媒質によって前記媒質可変レンズのレンズ機能を無効化した場合に、超音波ビームの指向角が維持されることにより、前記画像生成部が詳細視画像を生成し、前記媒質可変レンズの内部に満たす媒質によって前記媒質可変レンズのレンズ機能を有効化した場合に、超音波ビームの指向角が拡大されることにより、前記画像生成部が粗視画像を生成する。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、媒質可変レンズを用いることにより、プローブの大型化を抑制しつつ、粗視機能と詳細視機能を兼ね備えることができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の第１の実施形態における液中可視化装置の構成を表すブロック図である。

【図2】本発明の第１の実施形態におけるプローブの移動形態の具体例を表す斜視図である。

【図3】本発明の第１の実施形態における超音波センサと媒質可変レンズの構造を表すとともに動作を説明するためのＸＺ平面図である。

【図4】本発明の第１の実施形態における超音波センサの構造を表す斜視図である。

【図5】本発明の第１の実施形態における媒質可変レンズの構造を表す斜視図及びＸＺ断面図である。

【図6】本発明の第１の実施形態における動作手順の一例を表すフローチャートである。

【図7】本発明の第１の実施形態における粗視モードの実施例を説明するためのＸＺ平面図である。

【図8】図７の粗視モードの実施例で得られた波形データを表す図である。

【図9】本発明の第１の実施形態における粗視画像の一例を表す図である。

【図10】本発明の第１の実施形態における詳細視モードの実施例を説明するためのＸＺ平面図である。

【図11】本発明の第１の実施形態における詳細視画像の一例を表す図である。

【図12】本発明の第１の実施形態における詳細視モードの他の実施例を説明するためのＸＺ平面図である。

【図13】本発明の第１の実施形態における詳細視画像の他の例を表す図である。

【図14】本発明の一変形例における媒質入替装置の構造を表すＸＺ平面図である。

【図15】本発明の第２の実施形態における超音波センサと媒質可変レンズの構造を表すとともに動作を説明するためのＸＺ平面図である。

【図16】本発明の第３の実施形態における超音波センサと媒質可変レンズの構造を表すとともに動作を説明するためのＸＺ平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

本発明の第１の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。

【0012】

図１は、本実施形態における液中可視化装置の構成を表すブロック図である。図２（ａ）及び図２（ｂ）は、本実施形態におけるプローブの移動形態の具体例を表す斜視図である。図３（ａ）及び図３（ｂ）は、本実施形態における超音波センサと媒質可変レンズの構造を表すとともに動作を説明するためのＸＺ平面図であり、図３（ａ）が媒質可変レンズのレンズ機能を無効化した状態、図３（ｂ）が媒質可変レンズの反射機能を有効化した状態を示す。図４は、本実施形態における超音波センサの構造を表す斜視図である。図５（ａ）及び図５（ｂ）は、本実施形態における媒質可変レンズの構造を表す斜視図及びＸＺ断面図である。

【0013】

本実施形態の液中可視化装置は、超音波センサ１１及び媒質可変レンズ１２を有するプローブ１０と、媒質可変レンズ１２にチューブ２１，２２を介し接続された媒質入替装置２０と、超音波センサ１１に配線接続された送受信装置３０と、媒質入替装置２０及び送受信装置３０に配線接続された計算機４０とを備えている。送受信装置３０は、パルサ３１、レシーバ３２、波形合成部３３、遅延制御部３４、及びメモリ３５を備えている。計算機４０は、コントローラ４１及び表示部４２を備えている。

【0014】

プローブ１０は、例えば図２（ａ）で示すように多間接型のアーム５１の先端に取り付けられるか、あるいは、例えば図２（ｂ）で示すように遠隔操作ビークル５２に搭載されて、構造物３００の内部に満たされた液体Ｗ（本実施形態では水）の中を移動する。そして、例えば液体Ｗの中にはブロック３０１Ａ，３０１Ｂや配管３０２Ａ，３０２Ｂが存在しており、それらの位置や形状を観測するようになっている。なお、媒質入替装置２０、送受信装置３０、及び計算機４０は、地上に設置されている。

【0015】

超音波センサ１１は、アレイ型であって、一方向に配列された複数の圧電素子１３を有している。各圧電素子１３は、送受信装置３０のパルサ３１からの駆動信号（パルス電圧）によって発振し、媒質可変レンズ１２を介して液体Ｗの中へ超音波を送信する。また、各圧電素子１３は、媒質可変レンズ１２を介して液体Ｗの中の物体からの反射波を受信し、波形信号に変換して送受信装置３０のレシーバ３２に出力する。そして、各圧電素子１３の超音波の送受信タイミングを変化させることにより、圧電素子１３の配列方向（Ｙ方向）に超音波ビーム１００の電子走査を行うようになっている。

【0016】

なお、本実施形態では、セクタ式電子走査（詳細には、ＸＹ面において、超音波ビーム１００の始点を固定しつつ、ビームの送受信方向を変更する走査）を行っているが、リニア式電子走査（詳細には、ＸＹ面において、超音波ビーム１００の送受信方向を固定しつつ、ビームの始点を変更する走査）を行ってもよい。

【0017】

送受信装置３０の遅延制御部３４は、計算機４０のコントローラ４１からの指令に応じて、パルサ３１及び波形合成部３３へ、超音波ビーム１００の送受信方向に対応する遅延パターンを順次出力するようになっている。

【0018】

パルサ３１は、遅延制御部３４からの遅延パターンに基づき、超音波センサ１１の各圧電素子１３へ駆動信号を出力するとともに、各駆動信号の出力タイミング（すなわち、各圧電素子１３の超音波の送信タイミング）を変化させる。これにより、超音波ビーム１００の送信方向を制御する。

【0019】

レシーバ３２は、超音波センサ１１の各圧電素子１３からの波形信号を入力する。波形合成部３３は、遅延制御部３４からの遅延パターンに基づき、各波形信号の入力タイミング（すなわち、各圧電素子１３の超音波の受信タイミング）を変化させて合成する。これにより、超音波ビームの受信方向を制御する。そして、合成信号に対し所定の処理（詳細には、アナログ信号からデジタル信号への変換処理等）を行って波形データを取得する。波形データは、反射波の強度と伝搬時間の組み合わせからなるデータである。

【0020】

遅延制御部３４は、波形合成部３３で取得した波形データを、ＸＹ面における超音波ビーム１００の送受信方向と関連付けて、メモリ３５に収録するとともに、計算機４０のコントローラ４１に出力する。

【0021】

コントローラ４１は、ＸＹ面における超音波ビーム１００の送受信方向と波形データに基づいて画像を生成する。詳細には、例えば、反射波の強度を、画素の色調で示すとともに、超音波ビーム１００の送受信方向と反射波の伝搬時間に基づいてマッピングしたセクタ画像を生成する。そして、生成した画像を表示部４２に表示させるようになっている。なお、上述したコントローラ４１の画像生成機能は、特許請求の範囲に記載の画像生成部を構成する。

【0022】

本実施形態の要部である媒質可変レンズ１２は、半円筒形状（言い換えれば、円筒軸Ｏを含む平面で円筒を切断した部分円筒形状）の容器で構成されている。この容器は、音響インピーダンスが液体Ｗとほぼ同じである合成樹脂で形成されている。本実施形態では、水の音響インピーダンス（音速１４８０m/s×密度１０００kg/m³程度）とほぼ同じ音響インピーダンスを有する、例えば架橋ポリスチレン等で形成されている。そして、プローブ１０を液体Ｗの中に投入した場合に容器の外側が液体Ｗで満たされることから、容器自体にレンズ機能が無く、容器の内部に満たす媒質によってレンズ機能を得るようになっている。

【0023】

なお、媒質可変レンズ１２は、圧電素子１３の配列方向（言い換えれば、超音波ビーム１００の走査方向）と円筒軸Ｏが平行となるように、かつ、超音波センサ１１から媒質可変レンズ１２へ送信する超音波ビーム１００の軸線Ｌが円筒軸Ｏと交わらないように配置されている。

【0024】

媒質入替装置２０は、媒質可変レンズ１２の内部に満たす媒質を入れ替えるためのものである。詳細には、例えば、チューブ２１を介して液体Ｗの音響インピーダンスとほぼ同じ音響インピーダンスを有する媒質Ｍａ（本実施形態では水）を送出・吸引する媒質送出・吸引機構２３（詳細には、例えばポンプ等）と、チューブ２２を介して液体Ｗの音響インピーダンスと著しく異なる（詳細には、桁数が異なる程度の）音響インピーダンスを有する媒質Ｍｂ（本実施形態では空気）を送出・吸引する媒質送出・吸引機構２４（詳細には、例えば圧縮機等）とを有している。

【0025】

そして、図３（ａ）で示すように、媒質可変レンズ１２の内部に媒質Ｍａを満たした場合は、容器と媒質Ｍａの音響インピーダンスがほぼ同じであるから、媒質可変レンズ１２のレンズ機能を無効化する。これにより、超音波センサ１１からの超音波ビーム１００を透過して直進させるとともに、レンズ透過後の超音波ビーム１００Ａの指向角φ_ａ（詳細には、超音波ビームの走査方向に直交するＸＺ面におけるビームの指向角）を維持する。なお、本実施形態では、超音波センサ１１に音響レンズ１４を取り付けることにより、超音波ビーム１００Ａの指向角φ_ａを調整している。

【0026】

一方、図３（ｂ）で示すように、媒質可変レンズ１２の内部に媒質Ｍｂを満たした場合は、容器と媒質Ｍｂの音響インピーダンスが著しく異なるから、媒質可変レンズ１２の反射機能を有効化する。これにより、超音波センサ１１からの超音波ビーム１００を媒質Ｍｂの外周面の曲率（言い換えれば、容器の内周面の曲率）に応じて反射して進行方向を変えるとともに、レンズ反射後の超音波ビーム１００Ｂの指向角φ_ｂを拡大する（φ_ｂ＞φ_ａ）。

【0027】

次に、本実施形態の動作及び作用効果について説明する。図６は、本実施形態における動作手順の一例を表すフローチャートである。

【0028】

まず、構造物３００の内部に満たされた液体Ｗの中にプローブ１０を投入して観測位置に配置する。それに前後して、ステップＳ２０１では、媒質可変レンズ１２の内部に媒質Ｍｂを満たして、媒質可変レンズ１２の反射機能を有効化する（粗視モード）。

【0029】

そして、ステップＳ２０２に進み、例えば図７で示すように、プローブ１０の周辺にどのような物体があるかを大まかに観測する。すなわち、超音波センサ１１からの超音波ビームが媒質可変レンズ１２で反射して進行方向を変え、レンズ反射後の超音波ビーム１００Ｂが構造物３００の底面３０３に向かって送信される。そして、例えば構造物３００の底面３０３及びブロック３０１Ａ，３０１Ｂからの反射波が媒質可変レンズ１２を介して超音波センサ１１で受信される。

【0030】

このとき、上述したように超音波ビーム１００Ｂの指向角φ_ｂが拡大しているため、反射波の伝搬時間にそれぞれ対応して反射波の強度が積算される範囲も拡大している。そして、ＸＹ面における、ある超音波ビームの送受信方向γ（後述の図９参照）において、例えば図８で示すような波形データを取得する。具体的に説明すると、伝搬時間ｔ１未満では、底面３０３からの反射波を受信して、その強度が比較的弱い値（ｂ１〜ｂ２の間の値）となる。伝搬時間時間ｔ１〜ｔ２の範囲では、ブロック３０１Ａからの反射波を受信して、その強度が比較的強い値（ｂ２〜ｂ３の間の値）となる。伝搬時間時間ｔ２〜ｔ３の範囲では、反射波を受信しないため、その強度がほぼゼロとなる。伝搬時間ｔ３以上では、底面３０３からの反射波を受信して、その強度が比較的弱い値（ｂ１〜ｂ２の間の値）となる。

【0031】

その後、計算機４０のコントローラ４１は、ＸＹ面における超音波ビームの送受信方向と波形データに基づいて、例えば図９で示すような粗視画像を生成し、生成した粗視画像を表示部４２に表示させる。図９の粗視画像には、反射波の強度がｂ２以上である領域６１Ａと、反射波の強度がｂ１未満である領域６２Ａが表われており、ブロック３０１Ａの位置や形状を大まかに観測することができる。また、反射波の強度がｂ２以上である領域６１Ｂと、反射波の強度がｂ１未満である領域６２Ｂが表われており、ブロック３０１Ｂの位置や形状を大まかに観測することができる。

【0032】

そして、ステップＳ２０３に進み、媒質送出・吸引機構２４により、媒質可変レンズ１２の内部から媒質Ｍｂを吸引するとともに、媒質送出・吸引機構２３により、媒質可変レンズ１２の内部へ媒質Ｍａを送り出す。これにより、媒質可変レンズ１２の内部に媒質Ｍａを満たして、媒質可変レンズ１２のレンズ機能を無効化する（詳細視モード）。

【0033】

そして、ステップＳ２０４に進み、例えば図１０で示すように、ブロック３０１Ａ，３０１Ｂを細かに観測する。すなわち、超音波センサ１１からの超音波ビームが媒質可変レンズ１２を透過して直進し、レンズ透過後の超音波ビーム１００Ａがブロック３０１Ａ又は３０１Ｂの側面に向かって送信される。そして、ブロック３０１Ａ又は３０１Ｂの側面からの反射波が媒質可変レンズ１２を介して超音波センサ１１で受信される。このとき、上述したように超音波ビーム１００Ａの指向角φ_ａが小さいため、反射波の伝搬時間にそれぞれ対応して反射波の強度が積算される範囲も小さい。

【0034】

その後、計算機４０のコントローラ４１は、ＸＹ面における超音波ビームの送受信方向と波形データに基づいて、例えば図１１で示すような詳細視画像を生成し、生成した詳細視画像を表示部４２に表示させる。図１１の詳細視画像には、反射波の強度がｂ２以上である反射領域６３Ａが表われており、ブロック３０１Ａの位置や形状を細かに観測することができる。また、反射波の強度がｂ２以上である領域６３Ｂが表われており、ブロック３０１Ｂの位置や形状を細かにすることができる。

【0035】

そして、全ての計画範囲の観測が完了していなければ、ステップＳ２０５の判定が満たされず、上述のステップＳ２０１又はステップＳ２０４に移行する。ステップ２０１に移行した場合は、媒質送出・吸引機構２３により、媒質可変レンズ１２の内部から媒質Ｍａを吸引するとともに、媒質送出・吸引機構２４により、媒質可変レンズ１２の内部へ媒質Ｍｂを送り出す。

【0036】

ステップ２０４に移行した場合は、例えば図１２で示すように、配管３０２Ａ，３０２Ｂを細かに観測する。すなわち、超音波センサ１１からの超音波ビームが媒質可変レンズ１２を透過して直進し、レンズ透過後の超音波ビーム１００Ａが配管３０２Ａ又は３０２Ｂの側面に向かって送信される。そして、配管３０２Ａ又は３０２Ｂの側面からの反射波が媒質可変レンズ１２を介して超音波センサ１１で受信される。

【0037】

その後、計算機４０のコントローラ４１は、ＸＹ面における超音波ビームの送受信方向と波形データに基づいて、例えば図１３で示すような詳細視画像を生成し、生成した詳細視画像を表示部４２に表示させる。図１３の詳細視画像には、反射波の強度がｂ２以上である反射領域６４Ａが表われており、配管３０２Ａの位置や形状を細かに観測することができる。また、反射波の強度がｂ２以上である領域６４Ｂが表われており、配管３０２Ｂの位置や形状を細かに観測することができる。

【0038】

以上のように本実施形態においては、媒質可変レンズ１２を用いることにより、詳細視機能と粗視機能を兼ね備えることができる。また、例えば詳細視用の超音波センサと粗視用の超音波センサ及び拡散レンズを搭載する場合と比べ、プローブの大型化を抑制することができる。

【0039】

なお、第１の実施形態においては、ブロック３０１Ａ，３０１Ｂの粗視画像→ブロック３０１Ａ，３０１Ｂの詳細視画像→配管３０２Ａ，３０２Ｂの詳細視画像の順序で取得する場合を例にとって説明したが、これに限られず、本発明の趣旨及び技術思想を逸脱しない範囲内で変形が可能である。例えば、配管３０２Ａ，３０２Ｂの詳細視画像→ブロック３０１Ａ，３０１Ｂの粗視画像→ブロック３０１Ａ，３０１Ｂの詳細視画像の順序で取得してもよい。

【0040】

また、第１の実施形態において、媒質入替装置２０は、地上に設置され、媒質可変レンズ１２に比較的長いチューブ２１，２２を介し接続された媒質送出・吸引機構２３，２４（詳細には、ポンプや圧縮機等）で構成された場合を例にとって説明したが、これに限られず、本発明の趣旨及び技術思想を逸脱しない範囲内で変形が可能である。例えば図１４で示す変形例のように、媒質入替装置２０Ａは、媒質可変レンズ１２に比較的短いチューブ２５Ａ，２５Ｂを介し接続された遮断弁２６Ａ，２６Ｂで構成されてもよい。このような変形例においては、媒質可変レンズ１２の内部に液体Ｗより比重が軽い媒質Ｍｂを予め満たして、粗視モードとする。そして、遮断弁２６Ａ，２６Ｂを開くことにより、媒質可変レンズ１２の内部から媒質Ｍｂを流出させるとともに、媒質可変レンズ１２の内部に媒質Ｍａとして液体Ｗを流入させる。これにより、粗視モードから詳細視モードに切替える。したがって、本変形例では、粗視モードから詳細視モードへの１度の切替えしかできないものの、媒質入替装置の構成を簡素化することができる。

【0041】

また、第１の実施形態において、媒質可変レンズ１２は、半円筒形状（言い換えれば、円筒軸Ｏを含む平面で円筒を切断した部分円筒形状）の容器で構成された場合を例にとって説明したが、これに限られず、本発明の趣旨及び技術思想を逸脱しない範囲内で変形が可能である。例えば、半円筒形状以外の他の部分円筒形状（言い換えれば、円筒軸Ｏに平行な平面で円筒を切断した部分円筒形状）の容器で構成されてもよいし、円筒形状の容器で構成されてもよい。これらの場合も、上記同様の効果を得ることができる。

【0042】

本発明の第２の実施形態を、図１５により説明する。なお、本実施形態において、第１の実施形態と同等の部分は同一の符号を付し、適宜、説明を省略する。

【0043】

図１５（ａ）、図１５（ｂ）、及び図１５（ｃ）は、本実施形態における超音波センサと媒質可変レンズの構造を表すとともに動作を説明するためのＸＺ平面図であり、図１５（ａ）が外側レンズ及び内側レンズのレンズ機能を無効化した状態、図１５（ｂ）が外側レンズのレンズ機能を無効化し内側レンズの反射機能を有効化した状態、図１５（ｃ）が外側レンズの反射機能を有効化した状態を示す。

【0044】

本実施形態の媒質可変レンズ１２Ａは、同心二重半円筒構造の容器で構成されている。詳細には、半円筒形状の外壁７１Ａと半円筒形状の内壁７２Ａを有し、それらの円筒軸Ｏ_１，Ｏ_２が同軸になっている。これら外壁７１Ａ及び内壁７２Ａは、音響インピーダンスが液体Ｗとほぼ同じである合成樹脂で形成されている。すなわち、外壁７１Ａ及び内壁７２Ａ自体にレンズ機能が無く、外壁７１Ａと内壁７２Ａの間に満たす媒質によって外側レンズのレンズ機能を、内壁７２Ａの内側に満たす媒質によって内側レンズのレンズ機能を得るようになっている。

【0045】

なお、媒質可変レンズ１２Ａは、圧電素子１３の配列方向（言い換えれば、超音波ビームの走査方向）と円筒軸Ｏ_１，Ｏ_２が平行となるように、かつ、超音波センサ１１から媒質可変レンズ１２Ａへ送信する超音波ビームの軸線Ｌが円筒軸Ｏ_１，Ｏ_２と交わらないように配置されている。

【0046】

媒質入替装置２０は、外壁７１Ａと内壁７２Ａの間に満たす媒質を入れ替えるとともに、内壁７２Ａの内側に満たす媒質を入れ替えるようになっている。詳細には、例えば、外壁７１Ａと内壁７２Ａの間にチューブ２１Ａを介して接続され、かつ内壁７２Ａの内側にチューブ２１Ｂを介して接続され、媒質Ｍａを送出・吸引する媒質送出・吸引機構２３を有している。また、外壁７１Ａと内壁７２Ａの間にチューブ２２Ａを介して接続され、かつ内壁７２Ａの内側にチューブ２２Ｂを介して接続され、媒質Ｍｂを送出・吸引する媒質送出・吸引機構２４を有している。

【0047】

そして、図１５（ａ）で示すように、外壁７１Ａと内壁７２Ａの間及び内壁７２Ａの内側に媒質Ｍａを満たした場合は、外壁７１Ａ及び内壁７２Ａと媒質Ｍａの音響インピーダンスがほぼ同じであるから、外側レンズ及び内側レンズのレンズ機能を無効化する（詳細視モード）。これにより、超音波センサ１１からの超音波ビームを透過して直進させるとともに、レンズ透過後の超音波ビーム１００Ａの指向角φ_ａを維持する。したがって、計算機４０のコントローラ４１は、粗視画像を生成し、生成した粗視画像を表示部４２に表示させる。

【0048】

一方、図１５（ｂ）で示すように、外壁７１Ａと内壁７２Ａの間に媒質Ｍａを満たし、内壁７２Ａの内側に媒質Ｍｂを満たした場合は、外側レンズのレンズ機能を無効化し、内側レンズの反射機能を有効化する。これにより、超音波センサ１１からの超音波ビームを媒質Ｍｂの外周面の曲率（言い換えれば、内壁７２Ａの内周面の曲率）に応じて反射して進行方向を変えるとともに、レンズ反射後の超音波ビーム１００Ｃの指向角φ_ｃを拡大する（φ_ｃ＞φ_ａ）。したがって、計算機４０のコントローラ４１は、第１の粗視画像を生成し、生成した第１の粗視画像を表示部４２に表示させる。

【0049】

また、図１５（ｃ）で示すように、外壁７１Ａと内壁７２Ａの間及び内壁７２Ａの内側に媒質Ｍｂを満たした場合は、外側レンズの反射機能を有効化する。これにより、超音波センサ１１からの超音波ビームを媒質Ｍｂの外周面の曲率（言い換えれば、外壁７１Ａの内周面の曲率）に応じて反射して進行方向を変えるとともに、レンズ反射後の超音波ビーム１００Ｄの指向角φ_ｄを拡大する（φ_ｃ＞φ_ｄ＞φ_ａ）。したがって、計算機４０のコントローラ４１は、第２の粗視画像を生成し、生成した第２の粗視画像を表示部４２に表示させる。

【0050】

以上のように構成された本実施形態においても、第１の実施形態と同様、媒質可変レンズを用いることにより、プローブの大型化を抑制しつつ、粗視機能と詳細視機能を兼ね備えることができる。また、２段階の粗視機能を備えることができる。

【0051】

なお、第２の実施形態において、媒質可変レンズ１２Ａは、半円筒形状の外壁７１Ａと内壁７２Ａを有する二重構造（同心二重半円筒構造）の容器で構成された場合を例にとって説明したが、これに限られず、本発明の趣旨及び技術思想を逸脱しない範囲内で変形が可能である。例えば、半円筒形状以外の他の部分円筒形状の外壁と内壁を有する二重構造（同心二重部分円筒構造）の容器で構成されてもよいし、円筒形状の外壁と内壁を有する二重構造（同心二重円筒構造）の容器で構成されてもよい。これらの場合も、上記同様の効果を得ることができる。

【0052】

本発明の第３の実施形態を、図１６により説明する。なお、本実施形態において、第１及び第２の実施形態と同等の部分は同一の符号を付し、適宜、説明を省略する。

【0053】

図１６（ａ）、図１６（ｂ）、及び図１６（ｃ）は、本実施形態における超音波センサと媒質可変レンズの構造を表すとともに動作を説明するためのＸＺ平面図であり、図１６（ａ）が外側レンズ及び内側レンズのレンズ機能を無効化した状態、図１６（ｂ）が外側レンズのレンズ機能を無効化し内側レンズの反射機能を有効化した状態、図１６（ｃ）が外側レンズの屈折機能を有効化し内側レンズの反射機能を有効化した状態を示す。

【0054】

本実施形態の媒質可変レンズ１２Ｂは、偏心二重円筒構造の容器で構成されている。詳細には、円筒形状の外壁７１Ｂと円筒形状の内壁７２Ｂを有し、それらの円筒軸Ｏ_１，Ｏ_２が偏心している。これら外壁７１Ｂ及び内壁７２Ｂは、音響インピーダンスが液体Ｗとほぼ同じである合成樹脂で形成されている。すなわち、外壁７１Ｂ及び内壁７２Ｂ自体にレンズ機能が無く、外壁７１Ｂと内壁７２Ｂの間に満たす媒質によって外側レンズのレンズ機能を、内壁７２Ｂの内側に満たす媒質によって内側レンズのレンズ機能を得るようになっている。

【0055】

なお、媒質可変レンズ１２Ｂは、圧電素子１３の配列方向（言い換えれば、超音波ビームの走査方向）と円筒軸Ｏ_１，Ｏ_２が平行となるように、かつ、超音波センサ１１から媒質可変レンズ１２へ送信する超音波ビームの軸線Ｌが外壁７１Ｂの円筒軸Ｏ_１と交わって内壁７２Ｂの円筒軸Ｏ_２と交わらないように配置されている。

【0056】

媒質入替装置２０は、外壁７１Ｂと内壁７２Ｂの間に満たす媒質を入れ替えるとともに、内壁７２Ｂの内側に満たす媒質を入れ替えるようになっている。詳細には、例えば、外壁７１Ｂと内壁７２Ｂの間にチューブ２１Ａを介して接続され、かつ内壁７２Ｂの内側にチューブ２１Ｂを介して接続され、媒質Ｍａを送出・吸引する媒質送出・吸引機構２３を有している。また、内壁７２Ｂの内側にチューブ２２を介して接続され、媒質Ｍｂを送出・吸引する媒質送出・吸引機構２４を有している。また、外壁７１Ｂと内壁７２Ｂの間にチューブ２７を介して接続され、液体Ｗの音響インピーダンスと少し異なる（詳細には、桁数が同じものの、上位二桁の数字が異なる程度の）音響インピーダンスを有する媒質Ｍｃ（本実施形態では、例えばトリエチレングリコール等）を送出・吸引する媒質送出・吸引機構（詳細には、ポンプ等）を有している。

【0057】

そして、図１６（ａ）で示すように、外壁７１Ｂと内壁７２Ｂの間及び内壁７２Ｂの内側に媒質Ｍａを満たした場合は、外壁７１Ｂ及び内壁７２Ｂと媒質Ｍａの音響インピーダンスがほぼ同じであるから、外側レンズ及び内側レンズのレンズ機能を無効化する（詳細視モード）。これにより、超音波センサ１１からの超音波ビームを透過して直進させるとともに、レンズ透過後の超音波ビーム１００Ａの指向角φ_ａを維持する。したがって、計算機４０のコントローラ４１は、粗視画像を生成し、生成した粗視画像を表示部４２に表示させる。

【0058】

一方、図１６（ｂ）で示すように、外壁７１Ｂと内壁７２Ｂの間に媒質Ｍａを満たし、内壁７２Ｂの内側に媒質Ｍｂを満たした場合は、外側レンズのレンズ機能を無効化し、内側レンズの反射機能を有効化する。これにより、超音波センサ１１からの超音波ビームを媒質Ｍｂの外周面の曲率（言い換えれば、内壁７２Ｂの内周面の曲率）に応じて反射して進行方向を変えるとともに、レンズ反射後の超音波ビーム１００Ｅの指向角φ_ｅを拡大する（φ_ｅ＞φ_ａ）。したがって、計算機４０のコントローラ４１は、第１の粗視画像を生成し、生成した第１の粗視画像を表示部４２に表示させる。

【0059】

また、図１６（ｃ）で示すように、外壁７１Ｂと内壁７２Ｂの間に媒質Ｍｃを満たし、内壁７２Ｂの内側に媒質Ｍｂを満たした場合は、外側レンズの屈折機能を有効化し、内側レンズの反射機能を有効化する。これにより、超音波センサ１１からの超音波ビームを媒質Ｍｃの外周面の曲率（言い換えれば、外壁７１Ｂの内周面の曲率）に応じて屈折し、その後、媒質Ｍｂの外周面の曲率（言い換えれば、内壁７２Ｂの内周面の曲率）に応じて反射して進行方向を変えるとともに、レンズ反射後の超音波ビーム１００Ｆの指向角φ_ｆを拡大する（φ_ｅ＞φ_ｆ＞φ_ａ）。したがって、計算機４０のコントローラ４１は、第２の粗視画像を生成し、生成した第２の粗視画像を表示部４２に表示させる。

【0060】

以上のように構成された本実施形態においても、第１の実施形態と同様、媒質可変レンズを用いることにより、プローブの大型化を抑制しつつ、粗視機能と詳細視機能を兼ね備えることができる。また、第２の実施形態と同様、２段階の粗視機能を備えることができる。

【0061】

なお、第１〜第３の実施形態においては、複数の圧電素子１３を有するアレイ型の超音波センサ１１を備えた場合（すなわち、圧電素子１３の配列方向に超音波ビームを電子走査する場合）を例にとって説明したが、これに限られず、本発明の趣旨及び技術思想を逸脱しない範囲内で変形が可能である。例えば、１つだけの圧電素子１３を有する超音波センサと、この超音波センサを回動又は平行移動させる駆動機構とを備えてもよい。すなわち、圧電素子１３の配列方向に超音波ビームを機械的に走査してもよい。

【符号の説明】

【0062】

１１ 超音波センサ
１２，１２Ａ，１２Ｂ 媒質可変レンズ
１３ 圧電素子
２０，２０Ａ 媒質入替装置
２６Ａ，２６Ｂ 遮断弁
４１ コントローラ（画像生成部）
４２ 表示部
７１Ａ，７１Ｂ 外壁
７２Ａ，７２Ｂ 内壁

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】