JPH02185239A - 超音波トランスデューサ及び該トランスデューサを用いた音響撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は圧電セラミック薄板／）容融水晶構造をした超
音波トランスデユーサとそれを用いた音響撮像装置に関
する。

（従来の技術） 最近、医療診断、被破壊検査をはじめ多方面において音
響撮像の重要性が増している。音響撮像を実現する上で
の根幹をなしているのは超音波の送受波機能を司るトラ
ンスデユーサである。水中にバルク波を放射する手段と
して、一般に厚み振動トランスデユーサが用いられてい
る。この振動形態では周波数が圧電体の厚さで決まるた
めに高周波化には制約がある。一方、レイリー波やラム
波などの弾性波はその伝搬媒体に液体が負荷されると、
液中にバルク波としてエネルギーの一部を放射しながら
伝搬するいわゆる漏洩波となる。このような漏洩波から
バルク波へのモード変換のために、すだれ状トランスデ
ユーサ（以下、ＩＤＴと略す）が有効である。このタイ
プのトランスデユーサの使用は弾性表面波の分野で培わ
れた潜在的に高い技術を利用できることとともに、厚み
振動モードを使用するよりも比較的高周波化が容易とい
った利点を有している。このような観点から、漏洩表面
波用すだれ状トランスデユーサとして、単結晶やセラミ
ックス状態の基板材料について基礎的検討がなされ、音
響撮像やセンサ等への応用の可能性も報告されている。

一般に、波長と比べて十分に厚い基板上を伝搬する漏洩
レイリー波には速度分散がなく、トランスデユーサとし
ては単一のモードを使用している。厚さが波長と同程度
あるいはそれ以下の薄い基板を伝搬する漏洩ラム波には
、速度分散を有する複数個のモードが存在する。この場
合、基板の両面が使用できるため、ＩＤＴを水と直接液
することなく構成することが可能で、応用上の利点があ
る。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、音響撮像の分野では分解能向上のための
高周波化の傾向もあり、漏洩ラム波トランスデユーサを
この目的に使用する場合には基板の厚さを薄くせざるを
得ず、強度を含めてそのための問題が発生する。

本発明はこの問題点を解決するためのもので、圧電セラ
ミック薄板と溶融水晶との複合構造の漏洩表面波トラン
スデユーサであって、音響撮像装置への応用を試みるこ
とを目的とする。

（課題を解決するための手段） 本発明は上記目的を達成するために、圧電基板と、該圧
電基板上に配列した入力用及び受波用のすだれ状トラン
スデユーサと、該入力用及び受波用のすだれ状トランス
デユーサを覆う溶融水晶とからなる複合構造からなる漏
洩表面波用トランスデユーサと、 液体と接触し、かつ圧電基板上に配列されて溶融水晶で
覆われた大力用のすだれ状トランスデユーサにパルスを
印加してすだれ状トランスデユーサの電極指の交差幅の
部分から圧電基板上に漏洩表面波を励振し、該漏洩表面
波をモード変換し、バルク波として液中に放射するとと
もに、被検体から反射されて再び液体の層を伝搬した前
記バルク波を、圧電基板上に配列されて溶融水晶で覆わ
れた受波用のすだれ状トランスデユーサで遅延電気信号
として取り出すトランスデユーサ部とからなる音響撮像
装置である。

（作用） 以上のような構成を有する本発明によれば、先ず圧電基
板上に配列されて溶融水晶で覆われた人力用のすだれ状
ｌ・ランスデューサにパルスを印加する。すると、すだ
れ状トランスデユーサの電極指の交差幅の部分から圧電
基板上に漏洩表面波が励振され、さらに漏洩表面波はモ
ード変換され、バルク波として液中に放射される。そし
て、被検体から反射されて再び液体の層を伝搬した前記
バルク波を、圧電基板上に配列されて溶融水晶で覆われ
た受波用のすだれ状トランスデユーサで遅延電気信号と
して取り出す。その際、被検体を相対的に走査すること
により、トランスデユーサ部から得られた遅延電気信号
に基づいて前記被検体の音響像が得られる。

したがって、本発明によれば非破壊検査の分野での応用
が期待できるとともにきわめて簡単な機構でビームステ
アリングが可能となる音響撮像装置を提供できる。

（実施例） 以下、固体・液体界面を伝搬する漏洩表面波の挙動と、
ＩＤＴの動作特性の解析結果を示すとともに、具体的な
トランスデユーサの設計、この漏洩表面波トランスデユ
ーサを使用した反射Ｃモードによる音響撮像装置の構成
及び音響撮像結果について述べる。

また、漏洩表面波用ＩＤＴを設計する場合、励振される
表面波速度や水中に効率よくバルク波を放射できるため
の条件が、明らかにされている必要がある。そこで、水
／圧電セラミック／溶融水晶構造における漏洩表面波の
伝搬特性とＩＤＴの動作特性について数値計算に基づい
て説明する。

第１図は本発明の音響撮像装置を示す構成図である。第
２図はＩＤＴによる水中バルク波の放射と漏洩表面波の
変位の分布状況を示している。第２図中のｋは漏洩表面
波の波数、ｄは圧電セラミック基板の厚さ、２ｐはＩＤ
Ｔの電極周期長、Ｕ、、Ｕ３は漏洩表面波のＸｌおよび
ｘ３方向の変位である。なお、圧電基板の分極軸は厚さ
方向（ｘ３方向）にある。ＩＤＴへのｒｆパルス電気信
号の印加によって、波長２ｐの漏洩表面波が励振される
が、その変位は溶融水晶中よりも圧電薄板中に集中して
いる。この波動は基板に沿ってＸ、方向に進行しながら
、波数整合条件下でモード変換されて、水中に縦波の形
で斜め方向に放射される。

この層状構造での伝搬特性の解析にはＦａｒｎｅｌｌの
手法を次の点において拡張して行った。第１に、漏洩波
が水中にエネルギーの一部を放射しながら減衰してい（
波動であることから、表面波速度Ｖを複素数の形で扱っ
ている。ここで、伝搬方向の波数は１　／　ｖに比例し
、■の虚数成分は漏洩表面波の減衰定数に関係している
。第２に固体・液体界面においても変位、応力および電
束密度の連続性を考慮した。また、溶融水晶の厚さは半
無限として扱っている。このような条件のもとに、二つ
の界面において電気的、機械的境界条件を満足する速度
Ｖを、数値代入法により求めた。圧電基板は圧電セラミ
ックＮＥＰＥＣ−６（東北金属製）である。

漏洩表面波の速度分散曲線の数値計算結果が、波数にと
圧電基板の厚さｄとの積の関数の形で第３図に示されて
いる。図中の数字はモード次数に対応している。また、
開放、短絡は圧電セラミックの表面が電気的に開放ある
いは短絡状態を示すものであり、具体的には、金属蒸着
膜があるかないかに対応している。ｋｄの増加とともに
、漏洩表面波が逐次０次、１次、２次、３次モードの順
で現れている。０次モードはｋｄ＝ｏ〜１．０の範囲で
比較的急激に減少し、ｋｄが十分に大きくなると水／Ｎ
ＥＰＥＣ−６構造の場合の速度に漸近する。第３図中の
○印は、数値計算結果の妥当性を検証するための実験結
果を示している。基板の厚さが２２０μｍ　、　３６０
μｍ　、　４８０μｍ　、　６４０μｍで、それぞれの
対数が１０の送受２組のＩＤＴを設けた素子構成での実
験結果であり、ＩＤＴの電極周期長と中心周波数との積
から求められている。理論値と実験値とが比較的よく一
致していることがわかる。

第４図は漏洩表面波が１　／　ｅに減衰する距離りを波
長先で規格化し、ｋｄの関数の形で表わしたものである
。Ｌ／んが小さい方が、漏洩表面波から水中バルク波へ
のモード変換が短距離で行われ、ＩＤＴの形に即した波
面が水中に形成されることから、水中へのバルク波の放
射にはこの値が小さいことが望ましい。０次モードのＬ
／λの値が高次モードに比べて小さく、ｋｄの値にかか
わらずほぼ一定である。一方、高次モードの場合にはＬ
／んの値が大きく、しかもｋｄへの依存性が大きいこと
が特徴といえる。

ＩＤＴへの電気エネルギーから漏洩表面波への変換効率
を表わす電気機械結合係数に２は、一般に知られている
次式から求めた。

ｋ２＝２１　Ｖ、−Ｖｇ　　ｌ　／ｖ。　　−・−（１
）ここで、ＶＯ，Ｖ、は電気的に開放状態、および短絡
状態での表面波速度である。また表面波が１波長伝搬す
る間に表面波パワーが水中バルク波に変換されるモード
変換効率Ｃは、速度の実数成分Ｖｒと虚数成分■１の比
から次のように定義される。

Ｃ＝１−ｅｘｐ　　（４ｘｖ＋　／ｖｒ　）　　＝１２
）第５図はモード変換効率のｋｄ依存性の計算結果を示
す図である。０次モードは他のモードの３倍以上の大き
なモード変換効率を有することがわかる。

ＩＤＴに加えた電気エネルギーが表面波に変換され、さ
らに水中バルク波に変換されるトランスデユーサとして
の総合的な実効変換効率ｎは、ｋ２とＣの積から求めら
れる。第６図及び第７図は、水との界面に対向電極がな
い場合と対向電極がある場合の２種類のトランスデユー
サについての実効変換効率の計算結果を示す図である。

０次モードは大きなモード変換効率を有するものの、実
効変換効率はそれほど太き（ない。このことは、第３図
および式（１）からも明らかなように、電気的に開放状
態での速度と短絡状態での速度の差が小さいことから、
大きな電気機械結合係数が得られないためである。また
、０次モードのピーク値をとるｋｄの値が対向電極の有
無によって異なっている。ｋｄ＝ｏ〜１゜０の範囲で用
いる場合には、対向電極を設けた方が有利であるといえ
る。

第８図は電極周期長が４８０μｍのトランスデユーサに
ついて、水を負荷した場合とそうでない場合での入出力
電極間の挿入損失の帯域通過特性の測定結果を示す図で
ある。この結果は第３図におけるｋｄ＝３．８の場合に
相当している。各周波数での挿入損失の差が大きい捏水
中に放射されるエネルギーが大きいことを意味している
。実効変換効率の大きい周波数６．２ＭＨｚと８．３Ｍ
Ｈｚでの入出力波形を観測してみると、空気中では基板
上を伝搬して出力される信号が水との接触によって非常
に小さくなること、また反射板を適当な位置に配置する
ことによって大きな反射信号が受信されて効率よく液中
バルク波が放射されていることが確認される。これらの
結果は第７図の計算結果ともよく対応しており、数値解
析の結果が妥当であることがわかる。

第１図は音響撮像装置を構成するための漏洩表面波トラ
ンスデユーサと、超音波の伝搬経路を示している。入力
用の円弧状ＩＤＴにＲＦパルスを印加するとＩＤＴ電極
指の交差幅の部分から圧電セラミック基板上に漏洩表面
波が励振される。ここで、トランスデユーサ部は水と接
触しているが、励起された表面波は直ちにモード変換さ
れ、バルク波として水中に放射される。この場合の水中
への放射角度θ７は、漏洩表面波速度Ｖと水中バルク波
速度Ｖｗから次式によって与えられる。

θ、＝ｓｉｎ−’　　（ｖｗ／ｖ）　　　　　＝・（３
）このバルク波は被検体の表面あるいは内部の弾性的な
不連続部分において反射され、再び水の層を伝搬した後
、受渡用の円弧状ＩＤＴにおいて遅延電気信号として取
り出すことができる。

ここでのＩＤＴは圧電セラミックと溶融水晶との間に設
けられている。このことは、ＩＤＴの電極指を水から保
護し、トランスデユーサとしての動作を安定なものとす
るとともに、実効変換効率の面においても水との界面に
設ける場合よりも優れた特性を引き出すためである。な
お、ＩＤＴを円弧状にすることによって、平板状のデバ
イス構成にもかかわらず、液中に超音波ビームの集束が
可能となっている。

ＩＤＴの電極周期長の設計は前述の数値計算結果に基づ
いている。すなわち、層状構造における漏洩表面波とし
ての特徴を引き出すために、複数のモードでの動作、比
較的速度分散が大きいこと、信号処理可能な程度の変換
効率が得られることを選定の条件とした。具体的にはｋ
ｄ＝３．２の条件を満足するように、電極周期長を２４
０μｍとした。撮像システム用としてのトランスデユー
サには、水中にバルク波ビームを集束させ、空間分解能
を上げることが、鮮明な音響像を得る上で必要とされ、
このためＩＤＴの形状を円弧状とし、またＩＤＴを４分
割してそのうちの２組を送波用残りを受渡用ＩＤＴとし
て機能させ、サーキュレータ−を必要としないトランス
デユーサ構成をとっている。音響撮像用に作製した具体
的なトランスデユーサの諸元が表１に示されている。

（以下余白） 音響撮像用に作成した漏洩表面波トランスデユーサの諸
元 表１ 第９図は水中へのバルク波の放射角の周波数依存性の測
定結果である。この結果は第３図の速度分散曲線からの
計算値とよく対応している。このトランスデユーサは中
心周波数が９．６０ＭＨｚ　、　１２．７〜Ｉｔ（ｚ　
、　１６．２ＭＨｚの０．１．２次の３つのモードで動
作が可能であり、しかも各モードの中心周波数の近傍の
ある範囲内で動作が可能である。各モードに対応する周
波数帯域内においては、中心周波数からのずれとともに
分散曲線に沿って速度が変化することに対応する形で、
バルク波の放射角度が少しずつ変化し、このことを微調
整的な機能として用いることが可能である。また、周波
数を大きく変えることによって動作モードが切り換わる
が、このことはバルク波放射角度を比較的大きく変える
こ゛とであり、疎調整の機能として扱うことができる。

第１Ｏ図は本実施例の音響撮像装置を示すブロック図で
ある。受渡用ＩＤＴで得られる試料からの反射遅延信号
は、信号処理によって振幅変化に対応した直流信号の形
で取り出される。Ａ／Ｄコンバータで１２ビツトのデジ
タル信号としてコンピュータ（ＣＰＵ）に取り込んだ後
にデータ処理をし、ＣＲＴあるいはプリンタ（ＰＲＮ）
に出力される。ゲート回路の部分では、ゲート信号によ
って駆動するアナログスイッチにより、受信信号に含ま
れる不要信号を除去し、所望の反射信号のみを取り出し
ているが、ゲート幅を狭（することによって、深さ方向
の分解能を改善することができる。以上の手順の下で、
コンピュータ制御によるステッピングモータにより、ス
テージをＸ、Ｙ方向へ２次元的に機械走査すると、Ｃモ
ード音響像が得られる。

次に、本実施例の実験結果を説明する。

１最像実験のための試料として、厚さ４ｍｍのコーニン
グ社製パイレックスガラス７７４０　（硼硅酸ガラス）
を準備した。このガラスの片面にガスバーナーで熱を加
えることによって、スポット状の歪を生じさせた。トラ
ンスデユーサと試料の間の距離を５ｍｍに設定して、ト
ランスデユーサの動作周波数を１２．０ＭＨｚ　、　１
３．０ＭＨｚ　、　１４．０ＭＨｚと変化させた場合の
撮像結果が第１１図（ａ）　、　（ｂ）　、　（ｃ）で
あり、反射Ｃモード像を鳥口敗因的に描いたものである
。ここで、図中の１目盛りは１ｍｍに相当している。

ビームの反射点は熱を加えた面とは反対側にあり、裏面
にも若干の歪が到達していることが明らかである。それ
ぞれの音響像には微妙な違いがあり、焦点位置が深さ方
向に変化していることが推察できる。これら３つの音響
像は１次モードでの結果に対応するが、動作周波数が１
２．０ＭＨｚから１４．０ＭＨｚまで変化すると焦点の
位置は試料の表面に近い方に移動する。具体的には、水
中における焦点が約８００μｍ程度変化することを意味
する。

このことはパイレックスガラス試料中では約５００μｍ
程度の反射点の位置の変化につながるものと考えられる
。このように駆動周波数を変化させることによって、ト
ランスデユーサと試料との距離を変えることなく、反射
点の位置を微妙に制御した音響像が得られることは本方
式の大きな特徴である。

第１２図はトランスデユーサと試料との離間距離、すな
わち水の層の厚さを７．５ｍｍに固定した状態で、トラ
ンスデユーサを０．１．２次の各モードの中心周波数で
動作させた場合の撮像結果である。この場合、０次モー
ドの焦点が試料のほぼ表面に位置するように設定されて
いる。１次モードの焦点についてはパイレックスガラス
の表面から１．５ｍｍ程度、２次モードについては３．
５ｍｍ付近と推定される。第１２図（ａ）はバーナーで
熱した表面付近の０次モードによる音響像である。直径
１０＋＋＋ｍ程度の範囲に大きな円状の歪が存在し、反
射信号の強度は、中心部では大きいが周辺部はど歪の程
度が小さくなっている。このことは熱を加えた中心部と
周辺部とで、弾性的な状態が異なっていることを示して
いる。第１２図（ｂ）は試料の中央付近、第１２図（ｃ
）は試料の反対面に近い部分の状態に対応する１次モー
ド、２次モードによる音響像である。深さ方向に進むに
したがって歪の程度が減少していることがわかる。周波
数を大きく変えて動作モードを変換することにより、水
の層を一定値に保持した状態で、試料の表面から裏面付
近までの広範囲にわたる音響像が得られることが明らか
である。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば、溶融水晶と圧電
セラミック薄板との間にＩＤＴを配置する層状構造のト
ランスデユーサの固・液界面での動作特性を数値解析に
よって明らかにするとともに、実験的に結果の妥当性を
明確にしたことにより、漏洩表面波速度、電気機械結合
係数、モード変換率、実効変換効率を、漏洩表面波の波
数と圧電セラミック板の厚さの積の関数の形で表わすこ
とができた。この構造における漏洩表面波には速度分散
を有する複数個のモードが存在し、液中超音波用のトラ
ンスデユーサに適した条件が存在し、多モード、多周波
数での動作が可能であることから、周波数の変化によっ
て水中へのバルク波の放射角度を大きく、あるいは微細
に制御することにより、焦点の位置を深さ方向に移動で
きる。

これらの解析結果をもとにして、具体的な音響撮像用ト
ランスデユーサを設計、製作し、パルス反射法による音
響撮像装置を構成した。作製したトランスデユーサは使
用モードの切り換えによる疎調整機能と、同じモードで
の周波数変化による微調整機能を有する。このように、
本発明におけるトランスデユーサはきわめて簡単な機構
でビームステアリングが可能である。

また、高周波化による圧電基板の薄板化にともなう磯城
的強度の弱体化という問題点も複合構造をとることによ
ってその欠点も補うことができる。以上のように、この
発明の漏洩表面波用トランスデユーサを用いた音響撮像
装置は非破壊検査の分野での応用が期待できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成図、第２図はＩＤ
Ｔによる水中バルク波の放射と漏洩表面波の変位の分布
を示す図、第３図はｋｄに対する漏洩表面波の速度分散
曲線を示す図、第４図は１／ｅ減衰距離とｋｄとの関係
を示す図、第５図はモード変換効率のｋｄ依存性の計算
結果を示す図、第６図は対向電極を有しないトランスデ
ユーサの実効変換効率の解析結果を示す図、第７図は対
向電極を有するトランスデユーサの実効変換効率の解析
結果を示す図、第８図は入出力電極間の挿入損失の周波
数特性を示す図、第９図は水中バルク波の放射角度−周
波数特性を示す図、第１０図は本実施例の音響撮像装置
を示すブロック図、第１１図及び第１２図は本実施例に
おける撮像結果を示す図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）非圧電体と、入力用及び受波用のすだれ状トラン
   スデューサが配列された圧電基板とを、該入力用及び受
   波用のすだれ状トランスデューサを覆うように嵌合した
   複合構造であり、 前記入力用のすだれ状トランスデューサにパルスを印加
   してすだれ状トランスデューサの電極指の交差幅の部分
   から圧電基板上に漏洩表面波を励振し、該漏洩表面波を
   モード変換し、バルク波として液中に放射することを特
   徴とする超音波トランスデューサ。
2. （２）液体と接触し、かつ圧電基板上に配列されて溶融
   水晶で覆われた入力用のすだれ状トランスデューサにパ
   ルスを印加してすだれ状トランスデューサの電極指の交
   差幅の部分から圧電基板上に漏洩表面波を励振し、該漏
   洩表面波をモード変換し、バルク波として液中に放射す
   るとともに、被検体から反射されて再び液体の層を伝搬
   した前記バルク波を、圧電基板上に配列されて溶融水晶
   で覆われた受波用のすだれ状トランスデューサで遅延電
   気信号として取り出すトランスデューサ部とからなり、 前記被検体を相対的に走査し、該トランスデューサ部か
   ら得られた前記遅延電気信号に基づいて前記被検体の音
   響像を得ることを特徴とする音響撮像装置。