JP2754648B2 - Ultrasonic transducer and acoustic imaging device using the transducer - Google Patents

Ultrasonic transducer and acoustic imaging device using the transducer

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JP2754648B2
JP2754648B2 JP1004610A JP461089A JP2754648B2 JP 2754648 B2 JP2754648 B2 JP 2754648B2 JP 1004610 A JP1004610 A JP 1004610A JP 461089 A JP461089 A JP 461089A JP 2754648 B2 JP2754648 B2 JP 2754648B2
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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/溶融水晶構造をした超
音波トランスデューサとそれを用いた音響撮像装置に関
する。
The present invention relates to an ultrasonic transducer having a piezoelectric ceramic thin plate / fused quartz structure and an acoustic imaging apparatus using the same.

(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
ランスデューサである。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ューサが用いられて
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
スデューサ(以下、IDTと略す)が有効である。このタ
イプのトランスデュ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
面波用にすだれ状トランスデューサとして、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。
(Prior Art) In recent years, the importance of acoustic imaging has been increasing in various fields including medical diagnosis and destructive inspection. A transducer that controls the function of transmitting and receiving ultrasonic waves is the basis of realizing acoustic imaging. A thickness vibration transducer is generally used as a means for radiating a bulk wave into water. In this vibration mode, since the frequency is determined by the thickness of the piezoelectric body, there is a restriction in increasing the frequency. On the other hand, an elastic wave such as a Rayleigh wave or a Lamb wave becomes a so-called leaky wave that propagates while radiating a part of the energy as a bulk wave in the liquid when the liquid is loaded on the propagation medium. For such mode conversion from a leaky wave to a bulk wave, an interdigital transducer (hereinafter abbreviated as IDT) is effective. The use of this type of transducer has the advantage that it is possible to utilize the potentially advanced technology cultivated in the field of surface acoustic waves, and it is relatively easy to increase the frequency as compared with the use of the thickness vibration mode. From such a viewpoint, a basic study has been made on a substrate material in a single crystal or ceramic state as an interdigital transducer for a leaky surface wave, and the possibility of application to acoustic imaging, a sensor, and the like has been reported.

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、トランスデューサと
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を水と直接接
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。
In general, a leaky Rayleigh wave propagating on a substrate that is sufficiently thick compared to its wavelength has no velocity dispersion, and uses a single mode as a transducer. A leaky Lamb wave propagating through a thin substrate having a thickness equal to or less than the wavelength has a plurality of modes having velocity dispersion. In this case, since both surfaces of the substrate can be used, the IDT can be configured without directly contacting water, which is advantageous in application.

(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めの
高周波化の傾向もあり、漏洩ラム波トランスデューサを
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。
(Problems to be Solved by the Invention) However, in the field of acoustic imaging, there is a tendency to increase the frequency to improve the resolution, and when a leaky Lamb wave transducer is used for this purpose, the thickness of the substrate must be reduced. Therefore, problems including strength arise.

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構造の漏洩表面波トランスデュ
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。
The present invention has been made to solve this problem, and it is an object of the present invention to provide a leaky surface acoustic wave transducer having a piezoelectric ceramic thin plate and a fused quartz structure, which is to be applied to an acoustic imaging apparatus.

(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
ンスデューサと、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ューサと、 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る音響撮
像装置である。
Means for Solving the Problems In order to achieve the above object, the present invention provides a piezoelectric substrate, an input and receiving interdigital transducer arranged on the piezoelectric substrate, and an input and receiving interdigital transducer. A pulse is applied to a leaky surface acoustic wave transducer consisting of a composite structure consisting of a fused quartz that covers the interdigital transducer, and an input interdigital transducer that is in contact with the liquid and is arranged on the piezoelectric substrate and covered with the fused quartz. Excitation applies a surface acoustic wave to the piezoelectric substrate from the intersecting width of the electrode fingers of the interdigital transducer, modulates the surface acoustic wave, radiates it into the liquid as a bulk wave, and is reflected from the subject. The bulk wave propagated again through the liquid layer is converted to a delayed electric signal by a wave-receiving IDT arranged on a piezoelectric substrate and covered with molten quartz. An acoustic imaging apparatus comprising a transducer unit issuing Ri.

(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入力用のすだれ
状ト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ュ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、トランスデュ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。
(Operation) According to the present invention having the above-described configuration, first, a pulse is applied to an input interdigital transducer arranged on a piezoelectric substrate and covered with molten quartz. Then, a leaky surface wave is excited on the piezoelectric substrate from the portion of the intersecting width of the electrode fingers of the interdigital transducer, and the leaky surface wave is mode-converted and radiated into the liquid as a bulk wave. Then, the bulk wave reflected from the subject and propagated through the liquid layer again is extracted as a delayed electric signal by a wave-receiving IDT arranged on a piezoelectric substrate and covered with a fused quartz. At this time, by relatively scanning the subject, an acoustic image of the subject is obtained based on the delayed electric signal obtained from the transducer section.

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。
Therefore, according to the present invention, it is possible to provide an acoustic imaging apparatus that can be expected to be applied in the field of nondestructive inspection and enables beam steering with a very simple mechanism.

(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
なトランスデューサの設計、この漏洩表面波トランスデ
ュ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。
(Example) In the following, the behavior of a leaky surface wave propagating at a solid-liquid interface and the analysis results of the operation characteristics of the IDT are shown, and a specific transducer design and reflection C mode using this leaky surface wave transducer are shown. The configuration of the acoustic imaging apparatus and the acoustic imaging results will be described.

また、漏洩表面波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。
Also, when designing a leaky surface wave IDT, it is necessary to clarify the excited surface wave velocity and conditions for efficiently emitting bulk waves into water. Then, water /
The propagation characteristics of leaky surface waves and the operation characteristics of an IDT in a piezoelectric ceramic / fused quartz structure will be described based on numerical calculations.

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IDTの
電極周期長、U1,U3は漏洩表面波のx1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
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x1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。
FIG. 1 is a configuration diagram showing an acoustic imaging apparatus of the present invention.
FIG. 2 shows the distribution of the displacement of the underwater bulk wave radiation and the leaky surface wave by the IDT. The k in Fig. 2 leaky surface wave wave number, d is the piezoelectric ceramic substrate thickness, 2p the IDT electrode period length, U 1, U 3 is a x 1 and x 3 the direction of displacement of a leaky surface wave . Incidentally, the polarization axis of the piezoelectric substrate in the thickness direction (x 3 direction). The application of the rf pulse electric signal to the IDT excites a leaky surface wave with a wavelength of 2p, but its displacement is more concentrated in the piezoelectric thin plate than in the fused quartz. This wave while traveling along the substrate in the x 1 direction, is mode converted wave number matching conditions, is emitted in an oblique direction with longitudinal waves form in the water.

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く波動
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、v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。
To analyze the propagation characteristics in this layered structure, Farnell's method was extended to the following points. First, since the leaky wave is a wave that attenuates while emitting a part of energy into water, the surface wave velocity v is treated in the form of a complex number. Here, the wave number in the propagation direction is proportional to 1 / v, and the imaginary component of v is related to the attenuation constant of the leaky surface wave. Secondly, the continuity of displacement, stress and electric flux density at the solid-liquid interface was also considered. The thickness of the fused quartz is treated as semi-infinite. Under these conditions, the velocity v that satisfies the electrical and mechanical boundary conditions at the two interfaces was obtained by a numerical substitution method. Piezoelectric substrate is piezoelectric ceramic NEPEC
-6 (made by Tohoku Metal).

漏洩表面波の速度分散曲線の数値計算結果が、波数k
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=0〜1.0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/NEPEC−
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,360μm,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。
The numerical calculation result of the velocity dispersion curve of the leaky surface wave is the wave number k
This is shown in FIG. 3 in the form of a function of the product of the thickness and the thickness d of the piezoelectric substrate. The numbers in the figure correspond to the mode orders. Opening and short-circuiting indicate that the surface of the piezoelectric ceramic is electrically open or short-circuited, and specifically corresponds to whether or not there is a metal deposition film. As kd increases, leaky surface waves appear in the order of 0th, 1st, 2nd and 3rd modes. The 0th-order mode decreases relatively rapidly in the range of kd = 0 to 1.0, and when kd becomes sufficiently large, water / NEPEC-
Asymptotic to the speed for the six structures. The circles in FIG. 3 indicate the experimental results for verifying the validity of the numerical calculation results. The thickness of the substrate is 220μm, 360μm, 480μm, 640μm,
This is an experimental result in an element configuration in which two pairs of IDTs each having a logarithm of 10 are provided, and is obtained from the product of the electrode period length of the IDT and the center frequency. It can be seen that the theoretical value and the experimental value agree relatively well.

第4図は漏洩表面波が1/eに減衰する距離Lを波長λ
で規格化し、kdの関数の形で表わしたものである。L/λ
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/λ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。
FIG. 4 shows that the distance L at which the leaky surface wave attenuates to 1 / e is the wavelength λ.
And is expressed in the form of a kd function. L / λ
Is smaller, the mode conversion from leaky surface waves to underwater bulk waves is performed over a short distance, and a wavefront conforming to the shape of the IDT is formed in the water. Is desirably small. The value of L / λ in the zero-order mode is smaller than that in the higher-order mode, and is substantially constant regardless of the value of kd. On the other hand, in the case of the higher-order mode, it can be said that the characteristic is that the value of L / λ is large and the dependence on kd is large.

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k2は、一般に知られている次
式から求めた。
Electromechanical coupling coefficient k 2 from the electrical energy to the IDT represents the conversion efficiency of the leaky surface wave is determined from the following equation commonly known.

k2=2|vo−vs|vo …(1) ここで、vo,vs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viの比から次の
ように定義される。
k 2 = 2 | v o −v s | v o (1) Here, v o and v s are surface wave velocities in an electrically open state and a short-circuit state. The mode conversion efficiency C for the surface wave power is converted into water bulk waves while the surface wave is one wavelength propagates is defined from the ratio of the real component of the velocity v r and imaginary components v i as follows.

C=1−exp(4πvi/vr) …(2) 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。
C = 1-exp (4πv i / v r) ... (2) FIG. 5 is a diagram showing a kd-dependent calculation result of the mode conversion efficiency. It can be seen that the zero-order mode has a mode conversion efficiency that is three times or more that of the other modes.

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ューサとして
の総合的な実効変換効率ηは、k2とCの積から求められ
る。第6図および第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種類のトランスデュー
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大きくない。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=0〜1.0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。
The total effective conversion efficiency η as a transducer in which the electric energy applied to the IDT is converted into surface waves and further converted into underwater bulk waves is obtained from the product of k 2 and C. 6 and 7 are diagrams showing calculation results of effective conversion efficiencies for two types of transducers in a case where there is no counter electrode at the interface with water and a case where there is a counter electrode.
Although the zero-order mode has a large mode conversion efficiency, the effective conversion efficiency is not so large. This is because the difference between the speed in the electrically open state and the speed in the short-circuit state is small, as is clear from FIG. 3 and equation (1).
This is because a large electromechanical coupling coefficient cannot be obtained. Further, the value of kd that takes the peak value of the 0th-order mode differs depending on the presence or absence of the counter electrode. When kd is used in the range of 0 to 1.0, it can be said that the provision of the counter electrode is more advantageous.

第8図は電極周期長が480μmのトランスデューサに
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程水中に
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8.3MHz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。
FIG. 8 is a diagram showing the measurement results of the band-pass characteristics of the insertion loss between the input and output electrodes when the water is loaded and when it is not, with respect to the transducer having an electrode cycle length of 480 μm. This result corresponds to the case of kd = 3.8 in FIG. The greater the difference in insertion loss at each frequency, the greater the energy radiated into water. Observing the input and output waveforms at frequencies of 6.2MHz and 8.3MHz, which have large effective conversion efficiencies, show that in air, the signal output after propagating on the substrate becomes very small due to contact with water, By arranging the plate at an appropriate position, a large reflected signal is received, and it is confirmed that the submerged bulk wave is efficiently radiated. These results correspond well to the calculation results in FIG. 7, and it is understood that the results of the numerical analysis are appropriate.

第1図は音響撮像装置を構成するための漏洩表面波ト
ランスデューサと、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、トランスデュ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θwは、漏洩表面波速度vと水中バルク波速度v
wから次式によって与えられる。
FIG. 1 shows a leaky surface acoustic wave transducer for constituting an acoustic imaging apparatus and a propagation path of an ultrasonic wave. When an RF pulse is applied to the input arc-shaped IDT, a leaky surface wave is excited on the piezoelectric ceramic substrate from the portion of the intersection width of the IDT electrode finger. Here, the transducer part is in contact with water, but the excited surface wave is immediately mode-converted,
Emitted into water as bulk waves. In this case, the radiation angle θ w into the water is determined by the leakage surface wave velocity v and the underwater bulk wave velocity v
From w is given by:

θw=sin-1(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、受波用の円弧状IDTにおいて遅延電気信号として取
り出すことができる。
θ w = sin -1 (v w / v) (3) This bulk wave is reflected at the elastic discontinuity on the surface or inside of the subject, propagates through the water layer again, and It can be extracted as a delayed electric signal in the arc-shaped IDT.

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、トランスデューサとしての動作を安定なものといる
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。
The IDT here is provided between the piezoelectric ceramic and the fused quartz. This is to protect the electrode fingers of the IDT from water, stabilize the operation as a transducer, and to bring out characteristics that are superior to those provided at the interface with water in terms of effective conversion efficiency. . Note that, by making the IDT into an arc shape, it is possible to focus the ultrasonic beam in the liquid despite the flat device configuration.

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kd
=3.2の条件を満足するように、電極周期長を240μmと
した。撮像システム用としてのトランスデューサには、
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波用IDTとして機能させ、サー
キュレーターを必要としないトランスデューサ構成とっ
ている。音響撮像用に作製した具体的なトランスデュー
サの諸元が表1に示されている。
The design of the electrode period length of the IDT is based on the above numerical calculation results. That is, in order to draw out the characteristics of the layered structure as a leaky surface wave, the selection conditions were to operate in a plurality of modes, to have relatively large speed dispersion, and to obtain conversion efficiency at which signal processing could be performed. Specifically kd
= 3.2 to satisfy the condition of = 3.2. Transducers for imaging systems include:
Focusing the bulk wave beam in water and increasing the spatial resolution is necessary to obtain a clear acoustic image,
The IDT has an arc shape, and the IDT is divided into four parts. Two sets of the IDTs function as the transmitting IDTs, and the transducers do not require a circulator. Table 1 shows the specifications of a specific transducer manufactured for acoustic imaging.

音響撮像用に作成した漏洩表面波トランスデューサの諸
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。このトランスデューサは
中心周波数が9.60MHz,12.7MHz,16.2MHzの0,1,2つぎの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。
Specifications of Leaky Surface Wave Transducer Created for Acoustic Imaging Table 1 Fig. 9 shows the measurement results of the frequency dependence of the radiation angle of bulk waves into water. This result corresponds well with the value calculated from the velocity dispersion curve in FIG. This transducer has a center frequency of 9.60MHz, 12.7MHz, 16.2MHz,
It can operate in two modes, and can operate within a certain range near the center frequency of each mode. Within the frequency band corresponding to each mode, the emission angle of the bulk wave changes little by little in a form corresponding to the change in velocity along the dispersion curve with the deviation from the center frequency,
This can be used as a fine-tuning function. The operation mode is switched by changing the frequency greatly. This means that the emission angle of the bulk wave is changed relatively largely, and can be treated as a sparse adjustment function.

第10図本実施例の音響撮像装置を示すブロック図であ
る。受波用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ビットのデジタル信号
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
幅を狭くすることによって、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。
FIG. 10 is a block diagram showing an acoustic imaging apparatus of the present embodiment. The reflected delay signal from the sample obtained by the receiving IDT is
The signal is extracted in the form of a DC signal corresponding to a change in amplitude by signal processing. After being captured by a computer (CPU) as a 12-bit digital signal by an A / D converter, the data is processed and output to a CRT or printer (PRN). In the gate circuit section, an analog switch driven by the gate signal removes unnecessary signals included in the received signal and extracts only the desired reflected signal, but by reducing the gate width, the resolution in the depth direction is reduced. Can be improved. When the stage is mechanically scanned two-dimensionally in the X and Y directions by a computer-controlled stepping motor under the above procedure, a C-mode acoustic image is obtained.

次に、本実施例の実験結果を説明する。 Next, experimental results of the present embodiment will be described.

撮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。トランスデュ
ーサと試料の間の距離を5mmに設定して、トランスデュ
ーサの動作周波数を12.0MHz,13.0MHz,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モード像を鳥瞰図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。
A 4 mm thick Pyrex glass 7740 (borosilicate glass) manufactured by Corning Co., Ltd. was prepared as a sample for an imaging experiment. Heat was applied to one side of the glass with a gas burner to cause spot-like distortion. FIGS. 11 (a), (b), and (c) show the imaging results when the distance between the transducer and the sample is set to 5 mm and the operating frequency of the transducer is changed to 12.0 MHz, 13.0 MHz, and 14.0 MHz. This is a bird's-eye view of the reflection C-mode image.
Here, one scale in the figure corresponds to 1 mm.

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
12.0MHz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、トランスデュ
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。
It is clear that the reflection point of the beam is on the opposite side of the surface to which heat has been applied, and that some distortion has reached the back surface. Each acoustic image has a subtle difference, and it can be inferred that the focal position changes in the depth direction. These three acoustic images correspond to the results in the first mode, but the operating frequency is
When the frequency changes from 12.0 MHz to 14.0 MHz, the position of the focal point moves closer to the surface of the sample. Specifically, it means that the focal point in water changes by about 800 μm. This is considered to lead to a change in the position of the reflection point of about 500 μm in the Pyrex glass sample. A significant feature of this method is that by changing the driving frequency in this way, an acoustic image in which the position of the reflection point is delicately controlled can be obtained without changing the distance between the transducer and the sample.

第12図はトランスデュ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
デューサを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10mm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
きいが周辺部ほ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。
Fig. 12 shows the imaging results when the transducer is operated at the center frequency of each of the 0th, 1st and 2nd modes with the separation distance between the transducer and the sample, that is, the thickness of the water layer fixed at 7.5 mm. It is. In this case, the focal point of the zero-order mode is set so as to be located almost on the surface of the sample. 1
The focal point of the next mode is estimated to be about 1.5 mm from the surface of the Pyrex glass, and the secondary mode is estimated to be around 3.5 mm. FIG. 12 (a) is an acoustic image in the 0th mode near the surface heated by the burner. A large circular distortion exists in a range of about 10 mm in diameter, and the intensity of the reflected signal is large at the center portion, but the degree of the distortion is smaller at the peripheral portion. This indicates that the elastic state is different between the heated central portion and the peripheral portion. FIG. 12 (b) is an acoustic image in the first and second modes corresponding to the state near the center of the sample, and FIG. 12 (c) is the state near the opposite surface of the sample. It can be seen that the degree of distortion decreases as the depth increases. By changing the operation mode by changing the frequency greatly, while keeping the water layer at a constant value,
It is clear that a wide range of acoustic images from the front surface to the back surface of the sample can be obtained.

(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
ランスデューサの固・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、液中超音波のトラン
スデュ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、周波数の変化にしよっ
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。
(Effects of the Invention) As described above, according to the present invention, the operation characteristics at the solid-liquid interface of a transducer having a layered structure in which an IDT is arranged between a fused quartz and a piezoelectric ceramic thin plate are clarified by numerical analysis. In addition to experimentally clarifying the validity of the results, the leakage surface wave velocity, the electromechanical coupling coefficient, the mode conversion rate, and the effective conversion efficiency were calculated by multiplying the product of the wave number of the leakage surface wave and the thickness of the piezoelectric ceramic plate. In the form of a function. A leaky surface wave in this structure has a plurality of modes with velocity dispersion, and there are conditions suitable for a submerged ultrasonic transducer, and it is possible to operate in multiple modes and multiple frequencies. The focal point can be moved in the depth direction by increasing or finely controlling the angle of emission of the bulk wave into the water due to the change.

これらの解析結果をもとにして、具体的な音響撮像用
トランスデューサを設計、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ューサは
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ュ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。
Based on these analysis results, a specific acoustic imaging transducer was designed and manufactured, and an acoustic imaging apparatus based on the pulse reflection method was constructed. The manufactured transducer has a sparse adjustment function by switching the use mode and a fine adjustment function by frequency change in the same mode. As described above, the transducer according to the present invention can perform beam steering with a very simple mechanism.

また、高周波化による圧電基板の薄板化にともなう機
械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ュ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。
In addition, the disadvantage that the mechanical strength is weakened due to the thinning of the piezoelectric substrate due to the increase in frequency can be compensated for by adopting the composite structure. As described above, the acoustic imaging apparatus using the leaky surface wave transducer of the present invention can be expected to be applied in the field of nondestructive inspection.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本発明の一実施例を示す構成図、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ューサの
実効変換効率の解析結果を示す図、第7図は対向電極を
有するトランスデュ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。
FIG. 1 is a block diagram showing one embodiment of the present invention, and FIG.
Figure 3 shows the distribution of underwater bulk wave radiation and the displacement of leaky surface waves due to turbulence, Figure 3 shows the velocity dispersion curve of leaky surface waves with respect to kd, and Figure 4 shows the relationship between 1 / e attenuation distance and kd. FIG. 5, FIG. 5 shows a calculation result of the kd dependency of the mode conversion efficiency, FIG. 6 shows an analysis result of an effective conversion efficiency of a transducer having no counter electrode, and FIG. 7 has a counter electrode. FIG. 8 is a diagram showing an analysis result of an effective conversion efficiency of the transducer, FIG. 8 is a diagram showing a frequency characteristic of insertion loss between input and output electrodes, FIG. 9 is a diagram showing a radiation angle-frequency characteristic of an underwater bulk wave, and FIG. Is a block diagram showing the acoustic imaging apparatus of this embodiment, and FIGS. 11 and 12 are diagrams showing the imaging results in this embodiment.

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項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。
1. A composite structure in which a non-piezoelectric body and a piezoelectric substrate on which input and receiving interdigital transducers are arranged are fitted so as to cover the input and receiving interdigital transducers. A pulse is applied to the input interdigital transducer to excite a leaky surface wave from the portion of the intersecting width of the electrode fingers of the interdigital transducer onto the piezoelectric substrate, and the mode of the leaky surface wave is converted into a bulk wave. An ultrasonic transducer that emits in liquid.
【請求項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。
2. A method of applying a pulse to an input interdigital transducer, which is in contact with a liquid and is arranged on a piezoelectric substrate and covered with a fused quartz, to apply a pulse to the interdigital transducer from the intersection width of the electrode fingers of the interdigital transducer. Exciting the leaky surface wave above, mode-converting the leaky surface wave, radiating into the liquid as a bulk wave, and reflecting the bulk wave reflected from the subject and propagating again through the liquid layer, onto the piezoelectric substrate A transducer section arranged and taken out as a delayed electric signal by a wave-shaped interdigital transducer covered with a fused quartz, and relatively scanning the subject, and applying the delayed electric signal obtained from the transducer section to the delayed electric signal. An acoustic imaging apparatus for acquiring an acoustic image of the subject based on the acquired acoustic image.
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