JP2001183445A - 超音波送受信装置 - Google Patents

超音波送受信装置

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JP2001183445A
JP2001183445A JP36623699A JP36623699A JP2001183445A JP 2001183445 A JP2001183445 A JP 2001183445A JP 36623699 A JP36623699 A JP 36623699A JP 36623699 A JP36623699 A JP 36623699A JP 2001183445 A JP2001183445 A JP 2001183445A
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JP
Japan
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circuit
ultrasonic
transmitting
piezoelectric
transmission
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JP36623699A
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English (en)
Inventor
Yutaka Masuzawa
裕 鱒沢
Shinichiro Umemura
晋一郎 梅村
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】複数帯域の信号処理が互いに独立性高く、電気
系と音響系の変換効率のよい超音波送受信を行う。 【解決手段】多層の圧電体104、105を有する振動
子の各層に、受信器101 受信器102のように並置
させた送受信系を接続する。 【効果】個々の圧電体層に応じた送信、受信が可能であ
り、全体として高い変換効率を達成できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は複数周波数の超音波
エネルギーを被検体あるいは空間内に媒質中に送受信し
て内部の情報を得る装置にかかわり、特に多層の超音波
ソーナー装置、魚群探知機、超音波診断装置の送受信回
路にかかわる。
【0002】
【従来の技術】従来、圧電体が多層の超音波振動子の送
受信方法と接続に関しては、アイ・イー・イー・イー
トランザクションズ オン アルトラソニックス、フェ
ロエレクトリクス、アンド フリーケンシー コントロ
ール 40巻、第2号(1993年)第131頁から第
139頁において論じられているように、各圧電体の層
に対して異なる駆動電圧源を接続する方法が論じられて
いる。前記論文が開示するように、複数の圧電体層に異
なる駆動回路である送信回路を接続することにより、異
なる周波数の超音波を同時に送信することができる。ま
た、超音波の受信においても複数の周波数での受信入力
を個別に設けることができる。圧電体を多層とした超音
波振動子を送受波器あるいは探触子として用いることに
より、広い周波数での帯域を得ることができ、一度の超
音波送受信で得られる信号の情報量を大きく改善するこ
とができる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、上記
振動子の圧電体層ごとに個別に周波数帯域を割り当てて
駆動する送受信回路が複数存在する場合の回路構成につ
いて、前記送信回路が備えるべき必要要件が考慮されて
いなかった。
【0004】本発明の第一の目的は、上記各圧電体を用
いた送受信回路において、簡便な構成で効率良く全体と
して広帯域な超音波信号を発生させる手段を提供するこ
とにある。
【0005】本発明の第二の目的は、電力用高電圧スイ
ッチング素子などを用いて上記各圧電体を駆動する送波
回路において、精度良く圧電体層に応じた超音波信号を
発生させる手段を提供することにある。
【0006】本発明の第三の目的は、ディジタル信号処
理を用いて受信信号処理を行うための受信回路におい
て、精度良く圧電体層に応じた超音波信号を処理する手
段を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明では、上記第一の
目的を達成するために、上記各圧電体をに対して独立な
送受信回路を設けることにより、回路構成を簡素化す
る。これにより、各素子に対する送受信回路の特性を独
立して設計することができ、広帯域な超音波信号を発生
させる手段を提供することができる。
【0008】上記第二の目的を達成するため、各送波回
路に通過域が互いに排他的な周波数帯域制限回路を含ま
せることにより、電力用高電圧スイッチング素子などが
発生する矩形パルス状の波形が有する高調波成分を濾波
した電圧波形をもって上記各圧電体が駆動するされる。
このことにより各圧電体で発生する超音波信号の周波数
成分の高調波成分が、他の圧電体の送波回路が有する周
波数帯域と重畳することがなくなり、電気音響変換の送
受信チャネルとして独立に扱うことが可能となる。
【0009】上記第三の目的を達成するため、ディジタ
ル信号処理を用いて受信信号処理を行うための受信回路
において、受信回路における電子的信号処理を圧電体の
電圧信号がディジタル変換器により変換されるまで独立
に処理するものである。これにより、各圧電体毎に設け
る可変利得増幅回路などの制御条件を独立にすることが
でき、精度良く圧電体層に応じた超音波信号を処理する
手段を提供することができる。
【0010】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を示
す。図1は、本発明の送受信回超と音波振動子の接続関
係を示すものである。図1における超音波振動子は9層
からなり、それらは圧電体104および105、電極層
106、107、108、109、音響整合層110、
11、112からなる。また、媒質113は超音波振動
子が超音波エネルギーを放射、獲得する被検体や空間で
ある。電極層106〜109にはリード線115に代表
される結線よって回路部分と電気的に接続される。
【0011】送信回路100は第一の圧電体104に接
続線A,Bによって接続される第一送信回路101およ
び、第二の圧電体105に接続線C,Dによって接続さ
れる第二送信回路102からなる。受信回路103は接
続線E、B、F、Dによって、圧電体104、105の
各々に対し別系統で接続される。なお、第一送信回路1
01および第二送信回路102のブロックには、それぞ
れ送信信号と受信信号を分離するめの後述するクリッピ
ングダイオードを用いた回路部分が含まれており、した
がって受信回路103への接続にこれら回路部分から引
き出した接続線E、Fを用いる。
【0012】本発明の圧電体層とは、図1における10
4、106、107が形成するような単一の圧電物質層
を一対の電極層が挟む構造に限定されるものでなく、複
数の圧電物質層を複数の電極層が櫛形状に交互に挟みこ
む構造でもよく、その必要要件は圧電物質層と電極層の
積層構造から電気的な一対の接続点が取り出せることに
ある。また、前記一対の接続点をもつ圧電体層が複数あ
る場合において一方を接地点接続とするなど共通の接続
とするものでもよい。たとえば、図1における電極層1
07と109を短絡した構成や、整合層111が存在せ
ず電極層107と108を同一とし、CとDの接続を逆
転した構成などでもよい。
【0013】図2は図1における送波回路100の構成
例を示すものである。
【0014】送信回路101は中心周波数f1を持つ帯
域信号b1を送波し、送信回路102は中心周波数f2
を持つ帯域信号b2を送波するよう交際されている。ま
た、f1>f2、b1はすべてb2より高い周波数側に
設定される。
【0015】パルス波形生成回路G1が出力する信号
は、デューティ比50%の矩形波を所定長さ連続させた
バースト波やデューティ比を次第に変化させた周波数
(位相)変調波などであり、それぞれ周波数スペクトル
は帯域b1にその電力の大部分が存在する。同様にパル
ス波形生成回路G2も、前記バースト波や周波数(位
相)変調波などであり、それぞれ周波数スペクトルは帯
域b2にその電力の大部分が存在する。
【0016】パルス波形生成回路G1の周波数スペクト
ルは帯域b1外にも拡散しており、一部は帯域b2内に
も広がっている。同様にパルス波形生成回路G2の周波
数スペクトルも帯域b2外にも拡散しており、一部は帯
域b1内にも広がっている。
【0017】送信回路101内の電子スイッチSW1、
SW2は、電力用高耐圧MOSFETやIGBTなどで
実現される。SW1、SW2はパルス波形生成回路G1
の出力信号を入力とするドライバ回路Dr1、Dr2に
より、互いに相補的に開閉される。高電圧源HV1から
の電圧はSW1、SW2の開閉により高電圧振幅のイン
パルスパルスに変換されるが、コンデンサC1,C2,
C3、インダクタL1が形成する高域濾波器HPFによ
り帯域b1内の周波数成分だけがAに出力される。
【0018】同様に送信回路102でも電子スイッチS
W3、SW4はパルス波形生成回路G2の出力信号を入
力とするドライバ回路Dr3、Dr4により、互いに相
補的に開閉され、高電圧源HV2からの電圧はSW3、
SW4の開閉により高電圧振幅のインパルスパルスに変
換されるが、コンデンサC4,C5,C6、インダクタ
L2が形成する低域濾波器LPFにより帯域b2内の周
波数成分だけがCに出力される。
【0019】SW2、SW4が短絡する間、クリッピン
グダイオードD1、D2、D3、D4によりEとBの間
およびFとDの間には、高電圧が生じない。
【0020】超音波を受信する場合には、パルス波形生
成回路G1は出力を停止し、SW1は開放し、SW2は
短絡する。図1の圧電体104が発生する受信電圧はA
より入力されHPF、SW2を通過する。微弱な受信電
圧はD1、D2のバイアス電圧より低いため実効的にD
1、D2は等価的に微小な容量分となり受信電圧がEに
現れる。同様にパルス波形生成回路G2が出力を停止す
る場合には、SW3は開放し、SW4は短絡する。図1
の圧電体105が発生する受信電圧はCより入力されL
PF、SW4を通過する。微弱な受信電圧はD3、D4
のバイアス電圧より低いため実効的にD3、D4も等価
的に微小な容量分となり受信電圧がFに現れる。なお、
D1、D2、D3、D4の代わりにFETやトランジス
タを用いた図示しない制御手段による電子スイッチで回
路を構成してもよい。
【0021】図3は送信回路101、102の他の構成
例を示すものである。
【0022】図2におけるHPFはL3とR1に置き換
えられている。圧電体104の静電容量をCL1とする
と f1・L3=1/(f1・CL1) なる関係に近い値でL3を決定し、帯域b1の中心付近
で共振するように構成してある。これにより共振に基づ
く周波数帯域制限を実現している。同様に図2のLPF
に相当する回路はL4とR2に置き換えられており。圧
電体105の静電容量をCL2とすると f2・L4=1/(f2・CL2) なる関係に近い値でL4を決定し、帯域b2の中心付近
で共振するように構成してある。
【0023】図4は図1における受信回路の構成例を示
したものである。Eより入力された受信信号は前置増幅
器401で増幅された後、可変利得増幅器402により
利得制御されて帯域通過濾波器403を通過し、アナロ
グ−ディジタル変換器404の入力となる。アナログ−
ディジタル変換器404のディジタル信号出力は制御回
路405の入力となり、図示しない後続の信号処理回路
の入力となる。同様に、Fより入力された受信信号は前
置増幅器411で増幅された後、可変利得増幅器412
により利得制御されて低域通過濾波器413を通過し、
アナログ−ディジタル変換器414の入力となる。アナ
ログ−ディジタル変換器404のディジタル信号出力は
制御回路405の入力となり、図示しない後続の信号処
理回路の入力となる。
【0024】E,Fより入力される信号の帯域b1、b
2は通常異なる信号のダイナミックレンジを持つことが
多く、前置増幅器401、411の入力インピーダンス
整合条件などは、著しく異なることが通常であるので、
個別の信号処理とした方が有利となる。また、可変利得
増幅器402、412の扱う信号ダイナミックレンジも
反射信号の周波数応答が周波数毎に著しく異なることか
ら、個別に設ける方が有利となる。帯域通過濾波器40
3、低域通過濾波器413も後段のアナログ−ディジタ
ル変換器404、414に対するノイズ低減及びアンチ
エイリアシングフィルタとしての位置づけから異なった
設計にするのが通常となる。また、アナログ−ディジタ
ル変換器404、414の振幅量子化雑音を十分に抑圧
するためにもそれらは別々にそなえる事が望ましく、ア
ナログ−ディジタル変換器404、414の出力までは
回路構成要素を並列することが望ましい。ディジタル信
号に変換されて後は容易に集積化を図ることができるた
め、処理手段を並置する必要がなくなる。これらの事情
から、受信回路103においてアナログ−ディジタル変
換器404、414はその全段の処理がどのようなもの
であれ並置した構成が適正な信号処理を実現する条件と
なり、受信回路にアナログ−ディジタル変換器を含む場
合にはそれらは周波数帯域ごと、すなわち圧電素層ごと
に設けることが用件となる。
【0025】
【発明の効果】本発明により、積層した圧電体層を備え
る超音波送受信装置において複数帯域の信号処理が互い
に独立性高く電気系と音響系の変換効率のよい装置を構
成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例の全体の接続を示すブロック図
である。
【図2】上記実施例の送信回路の構成を示す回路図であ
る。
【図3】送信回路の他の例を示す回路図である。
【図4】上記実施例の受信回路の構成を示すブロック図
である。
【符号の説明】
104,105…圧電体、106〜109…電極層、1
10〜112…音響整合層、113…媒質, 115…リ
ード線、100…送信回路、A、B、C,D,E,F…
接続線、103…受信回路、 G1、G2…パルス波形
生成回路、SW1、SW2…電子スイッチ、Dr1、D
r2、Dr3、Dr4…ドライバ回路、HV1、HV2
…高電圧源、C1〜C6…コンデンサ、 L1〜L4…
インダクタ、 HPF…高域濾波器、LPF…低域濾波
器、D1〜D4…クリッピングダイオード、401、4
11…前置増幅器、402、412…可変利得増幅器、
403、413…帯域通過濾波器、404、414…ア
ナログ−ディジタル変換器、405、415…制御回
路。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5D019 AA09 AA21 BB18 BB29 EE06 GG11 5J083 AA02 AB01 AB17 AC29 BA04 BA09 BA20 BB03 BE53 BE60 CA01 CB01 CB13 CB30 CC01 CC03

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】複数の圧電体層を積層した超音波振動子
    と、前期超音波振動子に接続される送受信回路とを少な
    くとも備える超音波送受信装置において、前記圧電体層
    の各々に独立した送波回路および受波回路を設けたこと
    を特徴とする超音波送受信装置。
  2. 【請求項2】請求項1において、上記複数の送波回路は
    周波数帯域制限回路を含み、前記周波数帯域制限回路の
    各々の通過域は互いに排他的であることをことを特徴と
    する超音波送受信装置。
  3. 【請求項3】請求項1において、上記受波回路はアナロ
    グ−ディジタル変換器を含み、前記変換器は上記圧電体
    層に一対一対応して設けられたことを特徴とする超音波
    送受信装置。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011003990A (ja) * 2009-06-16 2011-01-06 Denso Corp 送受信装置およびこれを用いた超音波センサ

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011003990A (ja) * 2009-06-16 2011-01-06 Denso Corp 送受信装置およびこれを用いた超音波センサ

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