JPH045290B2

JPH045290B2 -

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Publication number: JPH045290B2
Application number: JP56121361A
Authority: JP
Priority date: 1981-08-04
Filing date: 1981-08-04
Publication date: 1992-01-31
Also published as: JPS5822978A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は超音波により物体の表面若しくは内部
を観察する超音波装置に関する。

超音波による撮像は医療診断、非破壊検査域は
超音波による物体内部の観察装置などの分野で最
近大きな注目を集めている。このような目的の装
置に用いられる超音波の発生及び受波の手段とし
ては従来、音響位相板を用いるもの、環状アレイ
を用いるもの、音響レンズを用いるものなど種々
のものがあるが、特に液体中の超音波の放射及び
受波用としては所謂すだれ状トランスデユーサに
よるものが優れた特性を有している。

すだれ状トランスデユーサは圧電表面に１対の
くしの歯状電極をインターデジタルに組合せた電
極を設けて構成したもので、電極面を液体に接し
た状態で、該電極に交流信号を印加することによ
り液体中に超音波を放射し、或は液体中の伝搬音
波を受波して電気信号に変換する。

ここで、IDT（すだれ状トランスデユーサ）か
らの水中超音波の励振を、簡単な波源モデルと
ASPW（Ａngular Ｓpectrum of Ｐlane Ｗ
aves）法を用い、考察してみる。

簡単にするために、IDTの一周期をδ関数状の
線波源と考える。第３図のように座標軸をとり、
Ｎ対の正規形IDTを、ｘ軸上のx_o（ｎ＝１〜Ｎ、
x_o+1−x_o＝ｄ）に配置された線波源列とする。以
後、ｚ方向には均一な現象を扱う、各線波源から
は、基板表面に沿つて漏れ表面波が励振され、そ
のスカラー成分の振幅を次式で表わす。

u_po（ｘ）＝Ｕ（ｘ−x_o）・exp｛−jk_xs（ｘ−x_o）｝ (1) ここで、Ｕ（ｘ）は、単位段階関数、k_xsは表面
波の波数で、V_sを表面波速度とするとk_xs＝ω／
V_sで与えられる。表面波は、ｘ軸の正負両方向
へ放射されるが、簡単にするため、正方向のみと
した。水中には、式(1)に従つて、縦波が放射され
る。水中の（ｘ、ｙ）点における振幅ｕ（ｘ、ｙ）
は、u_po（ｘ）のフーリエ変換A_o（k_x）を用い、ｎ
＝１〜Ｎの波源の寄与を足し合わせた求められ
る。すなわち、ｕ（ｘ、ｙ）_N 〓ⁿ⁼¹ ∫^∞ _-∞A_o（k_x）・exp｛−ｊ（k_xｘ＋k_yｙ）｝dk_x (2) A_o（ｋ）＝1/2π・［πδ（k_x−k_xs）＋１／ｊ（k_x−k_xs）］・exp（jk_xx_o） (3) ただし、 k_x ²＋ky²＝k_p ²、 k_p＝ω／V_L (4) V_Lは水中での縦波速度である。

式(2)におけるｕは、スカラー量で、界面の境界
条件を考慮すれば、粒子速度のｙ成分、又は音圧
などと考えるのが適当である。しかしIDTが励起
する諸量の関係が不明のため、ここでは境界条件
を正確に扱わず、式(1)のスカリー量がそのまま水
中に伝わるとした。

式(3)を式(2)に代入し計算すれば、式(5)が得られ
る。

ｕ（ｘ、ｙ）∫^∞ _-∞A_s（k_s）A_r（k_x）exp ｛−ｊ（k_xｘ＋k_yｙ）｝ (5) A_s（k_x・1/2・δ（k_s−k_xs）＋１／j2π（k_x−k_xs） (6) A_r（k_x）＝exp｛ｊ・k_xｄ／２・（Ｎ−１）｝・sin（k_xｄ／２・Ｎ）／sin（k_xｄ／２） (7) である。式(5)は、ｕ（ｘ、ｙ）がk_xスペクトル
A_s・A_rを振幅とする種々の平面波の合成で表わ
されることを示している。A_s（k_x）は、一個の線
波源より、段階的に励振された表面波によるスペ
クトルであり、k_xsで線スペクトルを持ち、それ
以外のk_xでも、１／（k_x−k_xs）の大きさを持つ
ている。A_r（k_x）は、Ｎ個の波源を等間隔で配列
した効果を表す因子であり、k_x＝2mπ／ｄ（ｍは
整数）で極大となる。なお、ｄはインターデイジ
タル電極の電極周期である。すなわち、ｕ（ｘ、
ｙ）にはk_xがk_xs、および2mπ／ｄに等しい平面
波の寄与が大きい。今、k_xsと2mπ／ｄが十分離
れていれば、IDTから二種のk_xの方向に超音波ビ
ームが放射される。

二種の超音波ビームの放射角は、式(4)の波数軌
跡とｘ方向の波数整合より求められる。波数軌跡
は、第４図のように、半径ω／V_Lを半円である。
k_x＝k_xs、k_x＝2π／ｄの点から垂線を下ろし、軌
跡と交わつた方向に超音波ビームが放射され、音
波ビームが放射される。その方向を、第４図のよ
うにθ_d、θ_sとすれば、次のようになる（θ_d＝90°−
θ₁、θ_s＝90°−θ₂）。なお、ｆは圧電体上のインタ
ーデイジタル電極に与えられる交流信号のキヤリ
ア周波数である。

θ_d＝cos^-1（ω／V_s／ω／V_L）＝cos^-1（V_L／V_s） (8) θ_s＝cos^-1（2π／ｄ／ω／V_L）＝cos^-1（V_L／ｆ・ｄ） (9) 式(8)、(9)にV_L＝1500ｍ／ｓ、V_s＝2350ｍ／ｓ、
及び正規形IDTのｄの値87μｍを代入し、その周
波数依存性をプロツトしたのが、第５図の実線で
ある。式(8)、(9)は、規制された二種の放射角によ
く対応していることがわかる。

以上のように、すだれ状にトランスデユーサの
液体中への超音波ビームの放射及び受波方向θ
（θは圧電体表面への法線とのなす角度）は２方
向があり、次式の関係を満足する。

θ₁＝sin^-1V_L／V_s (10) θ₂＝sin^-1V_L／fd （11） (10)式及び（11）式から明らかなように、θ₁は周
波数に関係なく一定で、θ₂は周波数と共に変化す
る。そしてV_s＝fdでθ₁＝θ₂となるが、それ以外で
は２つの超音波ビームの放射方向が存在する。

本発明はこのような２方向に放射される超音波
ビームを利用することによつて物体の状態を観察
するうえで有効な手段を提供することを目的とす
る。

この目的を達成するための本発明の特徴は、一
面にインターデイジタル電極を有する板状圧電体
の、該インターデイジタル電極を有する面を液体
に接して配置し、前記電極へｆ≠V_s／ｄ（ｆは励
振周波数、V_sは圧電体上の表面波速度、ｄはイ
ンターデイジタル電極の電極周期）の交流信号の
印加で液体中の２方向に超音波ビームを発生さ
せ、当該２方向のうち一方向の超音波ビームを観
察物体の表面に、他方向の超音波ビームを観察物
体の内部にそれぞれ集束させ、観察物体の表面か
ら反射してくる第１の反射波、及び観察物体の内
部から反射してくる第２の反射波を共に前記イン
ターデイジタル電極で受波し、前記第１の反射波
を基準として前記第１と第２の反射波の位相差を
検出することにより、前記位相差に基づき前記観
察物体の内部の弾性的性質の変化分としての前記
観察物体の音響像を得るごとき超音波装置にあ
る。

以下図面により実施例を説明する。

第１図は本発明による超音波装置の一実施例、
第２図は電極構造の具体例を示す。図中の参照番
号１は板状圧電体で、その厚さは表面波が励起さ
れる厚さ、具体的には表面波の波長の数倍、望ま
しくは５倍以上のものとする。圧電体１の一面に
は、第２図のごときインターデイジタル電極２，
３がもうけられる。各電極は円弧状の１対のくし
の歯状電極２ａと２ｂ，３ａと３ｂをインターデ
イジタルに組合わせて構成したもので、一方の電
極２は入力用、他方の電極３は出力用として機能
する。電極構成が円弧状であるので、超音波ビー
ムの集束点は円弧の中心を通る垂直線上に来るこ
とは明らかである。

上記構成のトランスデユーサは電極２，３を液
体４に接して配置される。この状態で入力電極２
に中心周波数f₁（中心周波数ではV_s＝fdを満足し
超音波ビームの放射方向は単一となる）以外の周
波数f₂の交流信号を印加すれば、第１図に示すよ
うにθ₁とθ₂方向に超音波ビームが放射される。図
中の破線の伝播路は前記(10)式を示し、実線が前記
（11）式を示す。従つて交流信号のキヤリア周波
数をf₁にすれば破線に従う単一方向にビームが放
射されることは明らかである。

各方向（θ₁、θ₂）の超音波ビームは点P₁と点P₂
で各々集束する。

点P₁とP₂に超音波ビームを集束させている状
態で、観測物体５を第１図に示すように配置すれ
ば放射方向θ₁の超音波ビームは物体５の表面（点
P₁）で反射波を生ずる。一方、放射方向θ₂のビー
ムは屈折して物体内部に入り点P₂で集束し、反
射波を生ずる。なおその他の点からの反射波も存
在するわけであるが本実施例では点P₂からの反
射波のみに着目するものとする。

これらの反射波は第６図ｂに示すような出力電
極３で受波され電気信号として取り出される。こ
の際出力電極３で受波される反射波は、θ₁とθ₂の
２方向のズレからの行路差が存在するために遅延
時間差が生ずる。つまり第４図に示すように、そ
れぞれ第１図に示したP₁点とP₂点で反射した角
度方向θ₁とθ₂の２つの反射波はインターデイジタ
ル電極３で受波され、この２つの反射波による遅
延出力信号には時間的な伝搬時間差が存在する。
インターデイジタル電極３から出力される信号を
オシロスコープ等でモニタすると、この２つの反
射波の時間的な伝播時間差の存在がよくわかる。

そこで、インターデイジタル電極３から出力さ
れる信号を増幅させてオシロスコープ等にモニタ
させ、それぞれ２つの反射信号を表示させるよう
にし、第６図ｃに示すように各信号に合わせてゲ
ート動作をするような例えばサンプルアンドホー
ルド回路をインターデイジタル電極３の出力端に
接続する。よつて、上記時間的な伝搬時間差をも
つ２つの反射波はこのような例えばサンプルアン
ドホールド回路を介して各々区別された形で取り
出すことができる。

従つて、物体５内部の状態を、一方の反射波を
基準として他方のビームの位相を測定することに
より、２方向の各ビーム反射波間の位相差を利用
して弾性的性質の変化分として取り出すことが可
能となる。即ち伝搬音波は固体内部のクラツクや
組成成分の差異によつて音響インピーダンスの変
化の影響を受け、従つてθ₁とθ₂方向の各反射波間
の位相差にもこれに対応する変化が生ずる。従つ
て電極３の出力信号で物体５の音響像を得ること
が可能であり、例えば当該出力信号をCRT表示
するように構成すれば肉眼で物体内部を観察する
ことができる。

本実施例では、第１図から明らかなように、ト
ランスデユーサからの超音波ビームが観察物体に
斜入射するので、垂直入射より物体内部に音波の
透過し得る割合が極めて大となる。従つて観察物
体の表面だけでなく内部の状況を知るのにも好都
合である。また、入出力を別個の電極で行なうの
で、入出力信号を分離するための方向性結合器を
必要とせず、しかもトランスデユーサが平面構造
であるので電極設計の自由度も大きい。

また、本実施例では表面波励起用のトランスデ
ユーサを用いているが、ラム波を用いることもも
とより可能である。ラム波の場合には圧電体の厚
さをほぼλ（λは圧電体上の音波の波長）以下に
すればよく、前述の表面波速度V_sをラム波速度
に代えれば(10)式及び（11）式が同様に成立する。
この構成はインターデイジタル電極を液体に接す
ることなく使用できる利点があるが、高周波化に
難点があり従つて比較的低い周波数域での非破壊
検査に適している。

なお、本実施例の構成ではインターデイジタル
電極が液体に直接接して振動するのでその機械的
及び化学的保護が必要であるが、これは例えばホ
トレジスト膜等で電極面に保護膜を作ることによ
り容易になすことができる。また、単体の圧電体
の使用に代えてZnOなどの圧電薄膜と非圧電基板
との組合せを用いる場合には、インターデイジタ
ル電極を薄膜と基板との間にもうけることが可能
であり、従つて別途保護手段を構ずる必要がない
という利点がある。

以上述べた本発明の有効性を確めるため、
TDK製の圧電磁器91A材（長さ20mm、幅20mm、
厚さ５mm）の厚さと垂直な面上に円弧状のインタ
ーデイジタル電極をもうけてトランスデユーサを
構成した。ここで分極軸は厚さと平行な方向で、
電極周期は210μｍ、電極対数は５、２組の円弧
状インターデイジタル電極の離間距離は10mm、開
口長は70°である。この場合θ₁は45°、表面波速度
V_Rは2146ｍ／secで、これは温度25℃での水中の
音速1497ｍ／secを(10)式に代入した値と一致する。
観察物体としては表面付近に穴をもうけたアクリ
ル板を用い、実際の観察時ではこの観察物体を３
次元に走査する。上記仕様のもとでトランスデユ
ーサとアクリル板を第１図のように水中に配置
し、キヤリア周波数を変化させた。その結果、ア
クリル板の内部の穴の存在に対応する出力信号の
変化を観察することができた。

以上説明したように本発明によれば、２方向に
放射される超音波ビームを利用することによつ
て、光学的に不透明な物体の内部状態を観察する
ことができ、非破壊検査等に好適な超音波装置を
提供することができる。なお、本発明では、周波
数を変化させることにより、θ₁を一定としながら
θ₂を調節し、第１図の点P₂を移動させることがで
きるので、単に物体内部の一点の観察のみでな
く、物体内部を広い範囲にわたつて観察すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による超音波装置の一実施例を
示す図、第２図はインターデイジタル電極の具体
例を示す図、第３図は線波源からの漏れ表面波−
水中超音波励極モデルを示す図、第４図は固液界
面における波数整合を示す図、第５図は水中超音
波放射角の周波数依存性を示す図、第６図は本発
明による超音波装置における送受波用のインター
デイジタル電極で変換された送受信号波形とゲー
ト回路を介した２つの信号波形を示す図である。１……圧電体、２，３……インターデイジタル
電極、４……液体、５……観察物体。

Claims

【特許請求の範囲】

１一面にインターデイジタル電極を有する板状
圧電体の、該インターデイジタル電極を有する面
を液体に接して配置し、前記電極へｆ≠V_s／ｄ
（ｆは励振周波数、V_sは圧電体上の表面波速度、
ｄはインターデイジタル電極の電極周期）の交流
信号の印加で液体中の２方向に超音波ビームを発
生させ、当該２方向のうち一方向の超音波ビーム
を観察物体表面に、他方向の超音波ビームを観察
物体の内部にそれぞれ集束させ、観察物体の表面
から反射してくる第１の反射波、及び観察物体の
内部から反射してくる第２の反射波を共に前記イ
ンターデイジタル電極で受波し、前記第１の反射
波を基準として前記第１と第２の反射波の位相差
を検出することにより、前記位相差に基づき前記
観察物体の内部の弾性的性質の変化分としての前
記観察物体の音響像を得ることを特徴とする超音
波装置。