JP4672879B2

JP4672879B2 - 振動計測方法及び超音波顕微鏡システム

Info

Publication number: JP4672879B2
Application number: JP2001037600A
Authority: JP
Inventors: 康裕尾名
Original assignee: Aloka Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-02-14
Filing date: 2001-02-14
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2021-02-14
Also published as: JP2002243711A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は振動計測方法及び超音波顕微鏡システムに関し、特に振動体に対して超音波を送受波して当該振動体の振動を計測する方法及びシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術及びその課題】
生体に超音波を送受波して超音波診断を行う場合には超音波探触子が利用される。超音波探触子には超音波振動子が設けられ、かかる超音波振動子によって超音波の送受波がなされる。よって、超音波振動子の性能は超音波画像の画質を左右するものである。超音波振動子は、一般に、圧電体、その表面に接合された１又は複数の整合層、圧電体の裏面に接合されたバッキング層、などによって構成され、圧電体には信号電極やグランド電極などが設けられる。
【０００３】
従来において、超音波振動子（あるいは圧電体単体）の性能の評価を行う場合、超音波振動子を水槽内に固定し、その超音波振動子を励振させ、その超音波振動子からの超音波を水槽内に望んで設けられたハイドロフォンなどの受波器によって検出していた。そして、受波器からの受信信号の波形を解析することにより超音波振動子の振動状態が評価されていた。
【０００４】
上記の従来方法において、超音波振動子を中心として受波器を揺動させ、各揺動位置において超音波を観測すれば、音圧分布としての指向特性を得ることができる。あるいは、超音波振動子に対して受波器を並行移動させ、各移動位置において超音波を観測すれば表面音圧分布を得ることができる。しかしながら、そのような手法では単に音圧しか計測することはできず、超音波振動子において実際に生じている振動波形を微細に捉えることはできない。
【０００５】
つまり、計測の分解能は受波器の直径や指向性に依存するが、現状において利用されている受波器は細径タイプのものであっても、例えば０．５〜０．１５ｍｍ程度の直径を有し、計測の分解能として０．５〜０．２ｍｍ程度までしか得られない。
【０００６】
近年、超音波振動子としてのアレイ振動子における素子ピッチは非常に小さくなってきており、素子の幅は例えば０．５〜０．１５ｍｍ程度になってきている。そのような微細振動体に対しては最早従来方法によっては音圧分布を計測することは困難である。
【０００７】
計測対象としては、上記のような医療用の超音波振動子の他、非破壊検査用の超音波振動子、その他の振動物質などがあげられるが、いずれにしても上記同様の問題を指摘できる。
【０００８】
なお、レーザー光を利用して振動体の振動を計測する手法もあるが、水槽中における振動体を計測対象とする場合、水中におけるレーザー光の屈折や散乱などの影響が問題となり、また、計測装置の規模及びコストが大きくなるという問題がある。更に、レーザー光を利用する場合、例えば、圧電体に整合層及びバッキング層などが積層された組立体に対して、圧電体表面の振動を計測することは物理的に不可能であるという問題がある。
【０００９】
本発明は、上記従来の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、超音波を利用して振動体の振動を分解能良く計測することにある。
【００１０】
本発明の他の目的は、振動体の振動分布を計測できるようにすることにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、振動体を励振する工程と、前記振動体に対して超音波を送受波する工程と、前記超音波の送受波により得られた受信信号から位相を検出する工程と、前記検出された位相から前記振動体の振動変位を演算する工程と、を含むことを特徴とする。
【００１２】
上記構成によれば、振動体を励振させて振動体を振動させ、その振動状態にある振動体に対して超音波を送受波して受信信号を取得し、その受信信号の位相を検出して、その位相から振動変位が演算される。位相を検出しているので、観測用超音波の波長よりも計測分解能を高めることができる。
【００１３】
望ましくは、前記演算された振動変位に基づいて前記振動体の振動波形を再現する工程を含む。同じ計測点について時間的に連なる複数の振動変位は振動の大きさの時間推移に相当するため、そのような時間的に連なる複数の振動変位から振動波形を再現するものである。この場合、振動面に対して多数の計測点を設定すれば振動分布を解析することもできる。
【００１４】
望ましくは、前記振動体は超音波振動を生じる振動部材とそれに接合された第１部材とからなり、前記第１部材の振動変位が演算される。望ましくは、前記振動体は超音波振動を生じる振動部材であり、前記振動部材の振動変位が演算される。望ましくは、前記振動体は振動部材からの振動が伝達される第２部材であり、前記第２部材の振動変位が演算される。
【００１５】
上記構成において、振動部材は例えば圧電体などであり、第１部材は例えば圧電体に接合された整合層（あるいはバッキング層）などである。振動部材それ自体の振動を計測することも可能であり、また、振動部材からの振動が伝達される部材の振動を計測することも可能である。上記の第２部材は例えば振動源からの振動が伝達されるガラスファイバなどであってもよく、その端面の振動を計測するようにしてもよい。
【００１６】
（２）また、上記目的を達成するために、本発明は、振動体を所定の励振周期で間欠的に励振する励振部と、前記各励振周期ごとにそれぞれ異なる計測タイミングで前記振動体の計測点に対して超音波を送受波し、各送受波ごとに受信信号を出力する送受波器と、前記各送受波ごとの受信信号から位相を検出する位相検出手段と、前記各送受波ごとに検出された位相から前記振動体の振動変位を演算する変位演算手段と、前記各送受波ごとに演算された変位に基づいて前記振動体の振動波形を再現する波形再現手段と、を含むことを特徴とする。
【００１７】
上記構成によれば、振動体において繰り返し同様の振動状態を生じさせ、各励振周期において互いに異なる計測タイミングで振動変位を計測し、それらの振動変位を時間軸上に並べることによって、振動変位の時間変化すなわち振動波形を再現することができる。この構成によれば、１回の送受波で振動変位の連続的な変化を計測する場合に必要である極めて高速な計測回路を要することなく、それと同様の計測結果を得ることができる。
【００１８】
望ましくは、前記計測点を走査する走査手段を含み、前記波形再現手段は前記計測点の各走査位置ごとに前記振動波形を再現する。この構成によれば、振動体の表面上において計測点を移動走査し、各位置において振動を計測することにより、振動体の表面における振動分布などを解析することが可能となる。
【００１９】
望ましくは、前記送受波される超音波を前記計測点に集束させる手段を含む。そのような集束手段としては、音響レンズ、音響ホーンような機械的な手段の他、アレイ振動子を利用した電子的なフォーカスなどをあげることができる。もちろん、機械的な手段と電子的な手段とを組み合わせて利用するようにしてもよい。
【００２０】
望ましくは、前記振動体は音響媒体内に設けられ、前記送受波器の少なくとも送受波面が前記音響媒体内に望んで設置される。音響媒体は例えば水、油などであるが、液体以外のものを利用するようにしてもよい。音響媒体は望ましくは液体槽などに収容され、あるいはバルーンのような柔軟な容器に収容され、当該容器を振動体と送受波器との間に介在させるようにしてもよい。
【００２１】
望ましくは、前記音響媒体の物理的性状を計測するセンサを含み、前記センサの出力を参照しつつ前記振動体の振動変位が演算される。上記の物理的性状は、例えば温度、圧力などの超音波伝搬特性に影響を与えるものである。例えば、音響媒体の温度が変化するとその音響媒体中における超音波の音速が変化し、このため変位演算の精度が問題となるので音響媒体の温度から実音速を推定し、その音速を利用して精度良く変位を演算するようにしてもよい。
【００２２】
望ましくは、前記計測タイミングの刻みを可変設定することにより再現分解能を変更する手段を含む。計測タイミングの刻みは振動波形を再現する場合における波形点の時間間隔に相当する。よって、振動体の振動周波数や要求される計測精度などに応じて、計測タイミングの刻みを可変設定するのが望ましい。
【００２３】
（３）ここで、変位演算について説明する。送受波される計測用の超音波の周波数をω₀とし、その計測用の超音波の送波時の位相（あるいは基準位相）をθ₀とし、測定された位相をθ_iとし、音響媒体中の音速をｖ（Ｔ）とすると、振動体の変位ｕ（ｘ，ｙ，ｔ_i）は、一般に、以下の計算式によって演算される。
【００２４】
【数１】
ｕ（ｘ，ｙ，ｔ_i）＝ｖ（Ｔ）・（θ_i−θ₀）／（２・ω₀）・・（１）
上記計算式において、Ｔは音響媒体の温度であり、（ｘ，ｙ）は振動体の表面における計測点の座標であり、ｔ_iは各励振周期において超音波を送波した計測タイミング（後述のＴ_pn（但しｎ＝１，２，３，・・・））である。なお、上記の式においては媒体の音速は温度にのみ依存すると仮定した。計測タイミングを少しずつシフトさせて複数の変位を計測すれば、変位の時間変化として振動波形を再現できる。振動体の表面上に複数の計測点をマトリックス状に設定して上記同様に振動波形を求めれば、振動体の表面における二次元の振動分布を解析することもできる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２６】
図１には、本発明に係る振動計測方法が適用される超音波顕微鏡システムの好適な実施形態が示されており、図１はシステムの全体構成を示す概念図である。
【００２７】
図１に示す超音波顕微鏡システムは、例えば図２に示すように、検査対象としての振動体１０の表面に１又は複数の計測点を設定し、各計測点ごとにそこで生じている振動の波形を再現する機能をもっている。図２においては振動体１０の表面上に計測点Ａ〜計測点Ｅが設定され、それぞれの計測点ごとに振動波形が再現されている。この超音波顕微鏡システムに関して図１を用いて詳述する。
【００２８】
図１において、本実施形態においては、振動体１０は超音波探触子内に設けられるアレイ振動子であり、このアレイ振動子は複数の短冊状の振動素子からなる圧電体アレイ１２と、その圧電体アレイ１２の上面に接合された１又は複数の整合層１４と、によって構成されている。もちろん、圧電体アレイ１２の下面側にバッキング層などが設けられる場合においても本発明を適用可能である。上記をより詳しく説明すると、図１の実施形態では、露出した整合層１４の上面が振動計測の対象とされているが、後に図４で示すように圧電体自体を振動計測の対象としてもよく、また振動計測の対象は他の部材であってもよい。すなわち、振動を生じる部材自身及び振動が伝達される部材のいずれも計測対象とすることができる。
【００２９】
振動体１０は、図１に示されるように、水槽１６内に位置決めされており、その水槽１６内には音響媒体としての水１８が収容され、その中央部に振動体１０が設けられている。
【００３０】
図示されるように、本実施形態においては、振動体１０の下部が柱２０によって支持固定されているが、もちろん振動体１０の位置決め保持手段としては各種のものを利用可能である。いずれにしても、振動体１０の振動を妨げないように当該振動体１０を保持するのが望ましい。
【００３１】
圧電体アレイ１２の上面及び下面には電極層が形成されており、各電極層には信号線を介して振動体励振部３０が接続されている。上面及び下面の２つの電極層の間に高電圧を印加することにより、振動体１０それ自身に振動を生じさせることができる。
【００３２】
温度センサ２８は、音響媒体としての水１８の温度を検出するものであり、このような水１８の温度検出により、後に説明するように水中の実音速を推定することが可能となる。
【００３３】
送受波器２２は、例えば超音波探触子などの超音波を送受波するユニットとして構成され、その送受波器２２の先端部内には単振動子あるいはアレイ振動子としての超音波振動子が内蔵されている。その超音波振動子の送受波面側には音響レンズが設けられ、このような音響レンズの作用により超音波が収束されて超音波ビーム２４が形成される。この超音波ビーム２４はいわゆるペンシルビームの形態をなしている。もちろん、例えばアレイ振動子に対する電子的なフォーカシング制御により電子的に超音波ビームを集束形成するようにしてもよく、あるいはそのような電子的な手段と機械的な手段とを組み合わせるようにしてもよい。
【００３４】
いずれにしても、計測の分解能を高めるためには、できる限り振動体１０の計測対象となる表面（図１の実施形態では整合層１４の上面）上において超音波ビーム２４の焦点が設定されるようにするのが望ましい。
【００３５】
３軸ステージ２６は、送受波器２２を三次元方向に自在に搬送する機構であり、垂直方向に送受波器２２を運動させることにより計測点に焦点距離を合わせることが可能である。また、送受波器２２をＸ方向及びＹ方向に水平に移動させることにより計測点をスキャンすることなどが可能である。例えば、後に図２に示すように、このような計測点の切り換えあるいは移動走査を利用して、圧電体アレイ１２を構成する各振動素子ごとに振動波形の計測を行うようにしてもよい。
【００３６】
送信部３２は切換器３４を介して送受波器２２に対して送信信号を供給する。その送信信号は例えば５０ＭＨｚ〜１ＧＨｚの範囲内におけるいずれかの周波数を有しているが、もちろん本発明はそのような周波数には限定されない。振動計測の分解能を高めるためにはできる限り高い周波数を利用することが望ましいが、周波数を高めると回路構成上のコストが高まるため、要求される分解能や計測精度などに応じて超音波の周波数を選択するようにするのが望ましい。本実施形態においては、後に説明するように、計測制御部４２によって送受波する超音波の周波数を可変設定することができる。
【００３７】
切換器３４は、送受波器２２に対して、送信時においては送信部３２を接続し、受信時においてはアンプ３６を含む受信信号処理回路を接続する回路である。
【００３８】
受信信号はアンプ３６によって増幅された後、そのままのＲＦ信号の状態で位相検出器３８に入力される。この位相検出器３８は、受信信号の位相を検出する公知の回路であり、このような位相検出によって単に受信信号のエンベロープによって振動計測を行う場合よりも計測分解能を高めることが可能となる。このように検出された位相の情報は、メモリ４６上に格納される。具体的には、後に説明するように、励振周期内における計測タイミングの情報と関連付けて各位相の情報が格納される。位相の検出に当たってはドプラシフト情報の検出を行う方式を利用するようにしてもよく、それ以外にも公知の各種の手法を利用できる。
【００３９】
計測制御部４２は、本システム全体の動作制御を実行しており、具体的には、上述した振動体励振部３０に対して図３に示す基準クロック（ａ）を出力し、また、送信部３２に対して図３に示す送信タイミング信号（ｃ）を出力している。また、計測制御部４２は、計測点を設定するために３軸ステージ２６に対して座標情報を出力しており、さらに位相検出器３８に対して位相を検出するための基準位相の情報などを出力している。加えて、この計測制御部４２は、図示されていない入力装置などから入力されたユーザーの指令に基づいて送信部３２が生成する送信信号の周波数の設定も行っている。
【００４０】
演算部４８は、本実施形態において変位を演算する機能と振動波形を再現する機能とを有している。具体的には、演算部４８はメモリ４６に格納された位相の情報から変位を演算している。その場合、例えば上述した（１）式などが実行される。また、演算部４８は時間軸上において求められた複数の変位を連結することにより振動波形を再現する演算を行っている。このように再現された振動波形が図３において（ｅ）で示されている。表示部５２にはそのような再現された振動波形が表示され、あるいは必要に応じて振動体１０の表面上における振動分布などが波形表示あるいは数値表示される。温度テーブル５０には、水槽１６内における水１８の温度と水中の音速との関係が格納されており、演算部４８は温度計測部４０が温度センサ２８の出力信号に基づいて出力する温度情報に基づいて温度テーブル５０にしたがって超音波の音速を特定し、その音速に基づいて上述した（１）式などの演算を実行する。
【００４１】
ちなみに、図１に示す実施形態において、被測定物である圧電体アレイ１２を構成する各振動素子は例えば０．５ｍｍ×０．５ｍｍ×１１ｍｍの大きさを有し、その公称中心周波数は３．５ＭＨｚである。また図３（ａ）に示される基準クロックの周波数は１ｋＨｚである。振動体励振部３０は本実施形態において図３（ｂ）で示すタイミングで、励振パルスとして振幅約２０Ｖｐｐのバースト波を出力している。そのようなバースト波としては以下に説明する送受波器２２の音響特性における中心周波数に対応したものが用いられる。また、送受波器２２における音響的な特性について説明すると、その中心周波数は２２０ＭＨｚであり、超音波ビーム２４のフォーカス点の直径は１５μｍ以下であり、その超音波の波長も１０μｍ以下である。また送受波器２２から出力される超音波はバーストパルスであり、その波数は例えば１０波である。焦点距離に関しては例えば約２ｍｍであり、すなわち振動体１０に対して送受波器２２が極めて近接した状態において計測が実行される。なお、図３（ｂ）に示した励振パルスの時間幅は例えば２００ｍｓｅｃである。
【００４２】
次に、図１を参照しながら図３を用いて本実施形態に係る振動計測方法について詳述する。
【００４３】
計測制御部４２から振動体励振部３０に対して図３（ａ）で示す基準パルスが繰り返し出力される。振動体励振部３０は、各基準パルスから所定の時間差Ｔ_mをもって図３（ｂ）に示すように励振パルスを出力する。これにより、図３（ｂ）に示すように、振動体１０（つまり、圧電体アレイ１２及びその振動が伝達される整合層１４）が間欠的あるいは連続して振動状態におかれる。
【００４４】
一方、計測制御部４２は送信部３２に対して図３（ｃ）に示す送信タイミングパルスを出力しており、この場合においては、基準パルスの各周期ごとに異なるタイミングで送信タイミングパルスが出力されている。具体的には、図３においてＴ_p1〜Ｔ_pnのｎ個の基準パルスからの時相ずれをもって送信タイミングパルスが生成され、それにしたがって超音波の送受信が実行される。この状態が図３（ｄ）に示されている。
【００４５】
このように超音波の送受信を繰り返し行うと、メモリ４６には、各周期ごとに異なる送信タイミングにおける位相の情報が格納され、演算部４８はそれぞれの位相の情報ごとに変位を演算し、その変位を送信タイミングのずれ量の大きさにしたがって時間軸上に並べることにより、図３（ｅ）に示すような振動波形を再現できる。この場合においては、水の温度にしたがって水中の実音速が温度テーブル５０によって求められ、そのような実音速が上述した（１）式内に代入され、当該計算式を実行することにより変位が演算されている。
【００４６】
以上のような一連の振動計測工程が各計測点ごとに実行されると、具体的には振動体１０における所定面（整合層１４の上面）上に１次元又は２次元的に設定された複数の計測点ごとに実行されると、当該表面上における振動分布を得ることが可能となる。
【００４７】
上記の実施形態において、計測分解能を高めるためには、図３（ｃ）に示した送信タイミングパルスの種類すなわちタイミングの刻みを可変するようにすればよく、また超音波の周波数を可変設定するようにすればよい。さらに二次元的な振動分布の分解能を高めるためには計測点の設定密度を大にするようにすればよい。
【００４８】
以上のように、本実施形態によれば、実際に振動を生じている物質に対して他の部材が重合されている場合においても、その振動部分の振動解析を行うことが可能であり、具体的には、例えば圧電体に対して整合層や音響レンズあるいはバッキング層などが貼り付けられている場合においても圧電体の振動状態を観察することが可能となる。さらに、本実施形態においては振動体１０において同じような振動状態を繰り返し再現し、各振動状態において異なるタイミングで変位を計測することによって最終的に振動波形を再現することができ、極めて高速の振動解析演算を行うことなくそれと同等の解析結果を得ることができるという利点がある。
【００４９】
次に、図４及び図５を用いて他の実施形態について説明する。なお、図１に示した実施形態と同様の構成には同一符号を付し、その説明を省略する。
【００５０】
図２に示す実施形態では、水槽１６内に圧電体アレイ５２が振動体として設けられている。この圧電体アレイ５２は１次元又は２次元配列された複数の圧電体によって構成され、例えば０．５×０．５×０．３５ｍｍの大きさを有し、必要に応じて、各圧電体ごとに振動分布の解析を行うこともできるし、圧電体アレイの全体にわたって振動分布の解析を行うこともできる。図４の実施形態では、圧電体アレイの上面に超音波ビーム２４が収束するように当該超音波ビーム２４が形成されている。図１の実施形態では、計測対象である振動体が振動を生成する振動源とその振動が伝達される部材とで構成され、後者の部材について実際に振動が計測されていたが、この図４に示す実施形態では、振動体が振動源によって構成され、それ自身の振動が計測される。
【００５１】
図５に示す実施形態では、振動源５４からの振動がそれに連結された１又は複数のガラスファイバ５６に伝達され、そのガラスファイバ５６の端面５６Ａの振動が計測される。振動源５４は例えば直径２ｍｍのＰＺＴ円盤（厚さ０．３５ｍｍ、公称中心周波数３．５ＭＨｚ）である。振動源５４で生成された振動がガラスファイバ５６の一方の端面に伝達され、そこからガラスファイバ５６を通った振動が他方の端面５６Ａに伝達され、そこで生じた振動分布が解析される。
【００５２】
以上の各図に示した構成例は一例であって、本発明は各種の変形及び応用が可能である。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、超音波を利用して振動体の振動を分解能よく計測することができる。また、本発明によれば、振動体の振動分布を計測することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る超音波顕微鏡システムの全体構成を示す概念図である。
【図２】振動体における各計測点での振動波形を示す概念図である。
【図３】各信号のタイミング関係を示すタイミングチャートである。
【図４】他の実施形態に係る超音波顕微鏡システムの全体構成を示す概念図である。
【図５】更に他の実施形態に係る超音波顕微鏡システムの全体構成を示す概念図である。
【符号の説明】
１０振動体、１６水槽、２０柱、２２送受波器、２４超音波ビーム、２６３軸ステージ、２８温度センサ、３０振動体励振部、３２送信部、３８位相検出器、４０温度計測部、４２計測制御部、４６メモリ、４８演算部、５０温度テーブル、５２表示部。

Claims

振動体を所定の励振周期で間欠的に励振する工程と、
前記各励振周期ごとにそれぞれ異なる計測タイミングで前記振動体の計測点に対して超音波を送受波し、各送受波ごとに受信信号を取得する工程と、
前記各送受波ごとの受信信号から位相を検出する工程と、
前記各送受波ごとに検出された位相から前記振動体の振動変位を演算する工程と、
前記各送受波ごとに演算された変位に基づいて前記振動体の振動波形を再現する工程と、
を含むことを特徴とする振動計測方法。
振動体を所定の励振周期で間欠的に励振する励振部と、
前記各励振周期ごとにそれぞれ異なる計測タイミングで前記振動体の計測点に対して超音波を送受波し、各送受波ごとに受信信号を出力する送受波器と、
前記各送受波ごとの受信信号から位相を検出する位相検出手段と、
前記各送受波ごとに検出された位相から前記振動体の振動変位を演算する変位演算手段と、
前記各送受波ごとに演算された変位に基づいて前記振動体の振動波形を再現する波形再現手段と、
を含むことを特徴とする超音波顕微鏡システム。
請求項２記載のシステムにおいて、
前記計測点を走査する走査手段を含み、
前記波形再現手段は前記計測点の各走査位置ごとに前記振動波形を再現することを特徴とする超音波顕微鏡システム。
請求項２記載のシステムにおいて、
前記送受波される超音波を前記計測点に集束させる手段を含むことを特徴とする超音波顕微鏡システム。
請求項２記載のシステムにおいて、
前記振動体は音響媒体内に設けられ、
前記送受波器の少なくとも送受波面が前記音響媒体内に望んで設置されたことを特徴とする超音波顕微鏡システム。
請求項５記載のシステムにおいて、
前記音響媒体の物理的性状を計測するセンサを含み、
前記センサの出力を参照しつつ前記振動体の振動変位が演算されることを特徴とする超音波顕微鏡システム。
請求項２記載のシステムにおいて、
前記計測タイミングの刻みを可変設定することにより再現分解能を変更する手段を含むことを特徴とする超音波顕微鏡システム。