JPS5866843A - 超音波撮像方法 - 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】 本発明は超音波により物体内部の音響像を得る超音波撮
像方法に関する。

超音波を用いて物体内部の様子を観察するトラ４ビ ン１ユーサとしては、従来、厚み振動を利用するものが
知られている。これは、例えばジルコンチタン酸鉛系磁
器の如き圧電体を厚さ方向に分極軸を有する円板状とし
、その表裏両面に円形電極をもうけたものを用いる。こ
の圧電体板、を、被観測物体に対し、水或いはシリコン
オイル等の液状体を介して又は直接に結合し、圧電体板
の表裏電極間に電界を加え、これにより生ずる分極軸方
向の厚み振動で被観察物体内部に音波を伝搬させてその
反射波を受波することにより、物体内部の観察を行なう
。

この方法によれば非破壊で物体内部を観察することが可
能となるが、次のような欠点がある。

（１）被観測物体に音波を斜入射させるためには、圧電
体板を被観測物体の面に斜めに配置することが必要とな
る。即ち、観測物体内部への透過音波の割合は垂直入射
に比べて斜入射させる方が大となるので斜入射の方が有
利であるが、上記構成の圧電体板では厚さ方向（分極軸
方向）に厚み振動が励起されるので物体への斜入″射を
得るためには、圧電体板を被観測物体の面に対して斜め
に機械的に配置しなければならないという煩わしさがあ
る。

（２）被観測物体への音波伝搬方向の制御を物体面と圧
電体板とのなす角度により行なわねばならないので、圧
電体板の配置を機械的に変えなければならないという煩
わしさがある。

（３）被観測物体内の反射波により出力信号を得るため
には、入出力兼用の単一の圧電体板を用いるか、又は入
力用と出力用の２個の圧電体板を用いる必要があるが、
前者では入出力を分離するための方向性結合器が必要と
なり、また後者では圧電体板を２個、被観測物体に配置
しなければならないという煩わしさがある。

従って本発明は従来技術の上記欠点を改善することを目
的とし、この目的を達成するために、圧電基板と該基板
の一面に互いに離間してもうけられる入力及び出力用の
インターディジタル電極を有する超音波トランスデー−
サを液状体を介して被検体に結合し、前記人力用電極へ
の交流電気信号の印加により、前記被検体固有のバルク
波速度に等しいか若しくは速い速度の音波を励起させ、
前記液状体を介して前記被検体内部にバルク波を伝搬さ
せその反射波を受波することにより、前記被検体内部の
音響像を得るごとき超音波撮像方法を提供することにあ
る。更に望ましくは、前記超音波トランスデユーサに速
度分散性をもたせ、トランスデユーサの入力電極への交
流電気信号の周波数変化により被検体へのバルク波の伝
搬方向を制御するごとき超音波撮像方法を提供すること
にある。

以下図面と共に本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明に用いる超音波トランスデユーサの一例
、第２図は本発明の一実施例を示す。

超音波トランスデユーサ１は、圧電基板２とインターデ
ィジタル電極（旦、土）を有する。圧電基板２は該基板
における音波の波長λとはゾ等しいか若しくはそれ以丁
の厚さを有する。圧電基板２の一面にはインターディジ
タル電極旦とまがもうけられる。各電極は、第１図に示
すように、円弧状の１対のくしの歯状の電極（３ａと３
ｂ、４ａと４ｂ）をインターディジタルに組合せて構成
したもので、電極旦は入力用、電極Ａ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。

して被検体６と音響的に液体結合される。液状体として
は水、シリコンオイル、その他音響的な伝搬路として適
当なものを用いることができる。上記構成のトランスデ
ー−サ１はラム波を励起するので、第２図に示すように
電極のもうけられていない面を液状体５に接して配置し
てもよく、また電極面を液状体５に接して配置してもよ
い。しかし電極保護の点からすれば前者に利がある。

上記構成でトランスデユーサ１の入力電極旦に交流電気
信号を印加すれば、圧電基板にラム波が励起され、液状
体５との結合面で縦波音波Ｌ１に変換されて入射角θ、
で、液状体中を伝搬する。ここで、液状体内への入射角
θ、は次式の関係を滴定■ｗは液状体内の縦波速度、■
Ｌは圧電基板１のラム波速度 被検体６に到達した縦波Ｌ１は、被検体と液状体との境
界面でバルク波Ｌ２に変換されて入射角θ２で被検体内
部に伝搬する。バルク波Ｌ２の入射角θ、は次式の関係
を満足する。

■８は被検体中のバルク波速度 被検体内部を伝搬するバルク波Ｌ２は、内部に存在する
傷等の弾性的不連続部６ａで反射され、（２）式と（１
１式を満足しながら、バルク波Ｌ２−縦波音波Ｌ１−ラ
ム波に変換されてトランスデユーサ１の出力電極ユに到
り電気信号に変換されて出力される。弾性的不連続部６
ａがない場合にはバルク波Ｌ２は被検体６の下面で反射
され出力電極ユに到達する。従って弾性的不連続部の有
無によって伝搬路長に差が生じ異なる遅延出力が得られ
るので、被検体内部の音響像を得ることが可能となる。

より具体的には例えばサンプル・ホールド回路を用いて
、ある固有の遅延位置に着目し、反射波の出力レベルの
変化を観測すれば、物体内部を音響的に観察することが
できる。

（２）式で示した被検体中でのバルク波の伝搬方向θ２
は、（１）式と（２）式とから次のようになる。

従ってθ２はバルク波の速度とラム波の速度で求められ
ることがわかる。これと同時に（３）式から、被検体内
部にバルク波を送り込むためには■■、≧ＶＢの条件を
満足しなければならないことがわかる。

バルク波の速度は被検体固有のものであって、被検体の
種類によって夫々相違する。ラム波がバルク波より速度
が小であれば、被検体内部に音波は透過せずその表面で
反射されてしまうので、内部を観測することは不可能と
なる。

また、（３）式からラム波速度■Ｌを変えてやればバル
ク波の伝搬方向θ２の変わることがわかる。前述したラ
ム波用トランスデユーサ１は、人力電極に印加される交
流信号の周波数によってラム波速度が変化する所謂速度
分散性があるので、バルク波の伝搬方向θ２の電気的制
御が可能となり、従来例のような機械的設定の煩わしさ
を解消することができる。

実験例：　円板状のＴＤＫ製圧電研器９１Ａ材（厚さ０
．２ｍｍ、直径１３ｍｍ、分極軸は厚さ方向）の−面に
電極対数１．５の円弧状のインターディジタル電極をも
うけ（第１図参照）、入力電極と出力電極の離間距離を
７．０ｍｍ、開口長を７０．電極周期を３５０ＩＸｎと
してトランスデユーサを構成した。

このトランスデユーサのラム波速度は、周波数４．００
　ＭＨｚで３５００ｍ／ｓ、４．１４ＭＨｚでは３２０
０ｍ　／　ｓであり、（１１式の関係下で液体中への音
波ビームθ１を変化させることができた。被検体として
は第３図に示すＡｔ板を用い、上記トランスデユーサと
被検体とを第２図に示すように液体結合し、ラム波によ
り被検体内部にバルク波を透過させ、その反射波を出力
電極で受波し、サンプル・ホールド回路を用いて反射出
力信号の出力レベルの状態の変化を観測した結果、第３
図に対応する所望の結果を得ることができた。

以上説明した実施例においてはラム波による被検体内部
の撮像を説明したが、レイリー波によることももとより
可能である。しかしながら、レイリー波は、（ａ）電極
面を液状体に接しなければならないのでそのための電極
保護を考慮しなければならず、また（ｂ）速度分散性を
本来的には有していないのでこれを与えなければならな
い。

第４図は上記要求を満足するレイリー波用トランスデユ
ーサの一例で、ガラス或いはサファイヤ等の非圧電基板
１０と該基板の一面にもうけられるインターディジタル
電極（旦、４）及び圧電薄膜１１を有する。非圧電基板
１０は半無限弾性体としての条件を満足する厚さ、具体
的には表面波の波長λの数倍、望ましくは５倍以上の厚
さを有する。非圧電基板１０の表面にインターディジタ
ル電極（３，４）がもうけられる。該電極の構成は第１
図と同様である。圧電薄膜１１は電極（且。

ｉ）を覆うように基板の表面にもうけられる。圧電薄膜
としては例えばＺｎＯ或いはｋｔＮ等を用いることがで
きる。圧電薄膜の厚さは目的に応じて選択決定されるが
、速度分散性は薄膜の比較的薄い状態で顕著に現われる
。この構成によれば、電極が圧電薄膜で覆われるので、
速度分散性と同時に電極保護も兼ねることができる。ま
た、圧電体薄膜の厚さによっては該薄膜の上に厚さ５０
００Ａ〜１μ程度の金属薄膜（例えば金、アルミニウム
など）をもうけることが速度分散性をもたせる一Ｌで有
効となる。

なお上記構成において、電極（３，ｉ）を圧電薄膜上に
もうけ°Ｃも速度分散性を与えることができるが、電極
が露出することになるのでフォトレジスト等により保護
することが必要である。

以上は非圧電基板を用いたものであるが１表面波が励起
される厚さの圧電基板、具体的には基板−ヒの表面波の
波長λの５倍以上の厚さを有する圧電基板に、前述と同
様に電極をもうけ、この電極をカバーするように圧電基
板に誘電体薄膜（厚さ１μ以丁）を積層しても、前述の
要求を満足するトランスデユーサを得ることができる。

以上のごとき構成のトランスデユーサは、電極面を液状
体に接して第２図のように被検体に対してはゾ並行に配
置される。被検体内部にバルク波を送り込むための要件
及び（１）弐〜（３）式は、同様にレイリー波について
も適用することができ、この場合ラム波速度はレイリー
波速度におきかえられる。

第５図及び第６図はインターディジタル電極の別の具体
例である。

第５図は４個の円弧状の電極（２０−１，２０−２゜２
０−３．２０−４　）を用いるもので、４個の円弧状電
極は図示のごとくはソリング状に配置されて互いに対向
する電極の組、例えば２０−１と２０−３を入力用、２
０−２と２０−４を出力用として機能させるものである
。なお２１ａと２１ｂはグラウンドである。使用に際し
ては、入力電極２０−１と２０−３の端子ｉｎを電気的
に同相に、また出力電極２０−２と２０−３の端子ｏｕ
ｔ　％同相として用いると、音波ビームに良好な集束性
が得られる。

先の実施例及び第５図で述べた電極構成によれば音波ビ
ームは点集束することになるが、ある種の応用分野にと
っては線状の集束を必要とする場合がある。第６図はこ
のような場合のインターディ・ジタル電極の構成で、１
対のくしの歯状電極をインターグイジタルに組合せたも
ので、音波は線状に集束する。本発明では以上いずれの
電極をも用いることができる。

以上説明したように本発明によれば、インターディジタ
ル電極を有する超音波トランスデユーサを利用して撮像
を行なうので、被検体への片波の斜入射を容易になすこ
とができ、従って物体内部の状況を知るのに好適であり
、また被検体内のバルク波伝搬方向を電気的に制御する
ことができる、。

更に単一の基板に入力と出力電極とを個別にもう、けた
トランスデー−サを用いるので、被検体に対する配置も
容易であり、しかも入出力を分離するための方向性結合
器を用いる必要もない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施に用いる超音波トランスデユーサ
の一例、第２図は本発明の一実施例、第３図は実験に用
いる被検体、第４図は本発明の実施に用いる超音波トラ
ンスデユーサの別の具体例、第５図と第６図はインター
ディジタル電極の夫々別の具体例を示す。 １；超音波トランスデユーサ ２；圧電基板 ３．４：インターディジタル電極 ５；液状体 ６；被検体 特許出願人 東京電気化学工業株式会社 戸口１耕司 特許出願代理人 弁理士　　山　本　恵　− 毛１１ １ 毛２図 尾３図 尾４　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１１圧電基板と該基板の一面に互いに離間してもうけ
   られる入力及び出力用のインターディジタル電極を有す
   る超音波トランスデユーサを液状体を介して被検体に結
   合し、前記入力用電極への交流電気信号の印加に゛より
   、前記被検体固有のバルク波速度に等しいか若しくは速
   い速度の音波を励起させ、前記液状体を介して前記被検
   体内部にバルク波を伝搬させその反射波を受波すること
   により、前記被検体内部の音響像を得ることを特徴とす
   る超音波撮像方法。 （２）前記超音波トランスデユーサの圧電基板をは望λ
   （λは該基板における音波の波長）以下の厚さとし、電
   極のもうけられていない面を液状体に接するごとき特許
   請求の範囲第１項の超音波撮像方法。 （３）前記超音波トランスデユーサの圧電基板を薄膜状
   とし、半無限弾性体としての条件を満足する厚さの非圧
   電基板の一面にインターディジタル電極を介して積層し
   、当該圧電薄膜を液状体に接するごとき特許請求の範囲
   第１項の超音波撮像方法。 （４）　　ＫｒＪ記超音波トランスデー−サの人力用電
   極への交流電気信号の周波数変化により、被検体へのバ
   ルク波の伝搬方向を制御するごとき特許請求の範囲第２
   項又は第３項の超音波撮像方法。