JPH05503862A - 超音波センサ - 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】 発明の名称、超音波センサ 技術分野 超音波センサは、高周波超音波トランスデユーサ及びトランスデユーサ列の特性 決定に適用される。この特性決定は、出力＃１定と、出力の空間的分布を決定す るビーム輪郭（ｐｒａｔｔｌｅ）の測定と、出力の角分布を決定する放射パター ン測定の形式を取る。このような測定は、超音波機器のその他の必要なパラメー タの計算にも利用できる。これらの測定は、患者の安全を守るために総出力とビ ーム輪郭を正確に測定しなければならないので、医療用の超音波機器に関して特 に必要である。

背景技術 従来、超音波の感知は、通常、ポリ弗化ビニリデンの如きピエゾ電気活性素子の 使用に基づいていた。超音波の力が非常に大きいと、この物質は感度を失い或い は損壊することさえありえる。その上、これら活性素子の一般に人手できるサイ ズは、高収束トランスデユーサによって発生する非常に細い超音波ビームを解明 するには大き過ぎる。これらの理由で、通常の水中聴音器（ｈｙｄｒｏｐｈｏｎ ｓ）は、強力且つ強収束の医療用超音波の特性を明らかにするには十分に満足の いくものではない。

シングルモード光ファイバの使用に基づいた光フアイバ超音波センサは、これら の不利な点のいくつかを軽減するために提案されていた。これらの機器は、メガ ヘルツ領域の超音波がシングルモードファイバに垂直に入射すると、該ファイバ は異方性を帯び、その結果、該ファイバの出力端における偏光は、ファイバに沿 う超音波圧力によって変調され、超音波周波数が変化する、という原理で作動す る。シングルモードファイバに基づいたセンサの課踊は、相互作用かなされる領 域に入る光が円偏光であり、且つ最適バイアス位相も同時に維持されることを確 実にする手段が提供されなければならないことである。実際には、これは、前紀 ファイバへの外乱に起因する信号の減衰（ｆａｄｉｎｇ）を回避するために、フ ァイバの入力端と出力端の両方における光成分に対し大量のフィードバック制御 を要求する。この要求はシングルモードファイバに基づいた超音波センサの利用 を制限してきた。

さらに、従来技術は超音波の放射パターン（又は指向性）を測定する効果的方法 を提供していない。

発明の開示 本発明の目的は、上述の不利な点の１つ或いはそれ以上が、克服、または少なく とも改良された超音波センサを提供することである。

従って、本発明は、２つの直交する主軸、入力端及び出力端を有する偏光保持型 ファイバと、前記主軸の少くとも１つに、方向が一致する光ビームを前記ファイ バに投入する人力手段と、入射する超音波によって前記ファイバに誘起されるモ ード結合度を決定する出力手段とを包含する超音波センサから成る。

前記偏光保持型ファイバは、その中に２つの直交する、すなわち互いに直角に交 わる主軸か存在する異方性、すなわち複屈折性媒体である。これら２つの軸方向 に直線偏光した光波は、僅かに異なる屈折率のため、僅か異なる速度で伝播する 。これら２つの直線偏光は、容易には相互に結合（ｃｏｕｐｌｅ）　Ｌないので 、前記ファイバは２つの偏光を保持すると言われている。この２つの光波は、前 記ファイバの偏光モードと呼ばれている。シングルモードファイバは、該ファイ バに関連した優先的な軸がないので、この性質を持っていない。本発明において 使用される偏光保持型ファイバは、直線偏光を保持しさえすれば、どのような公 知の型のものでよい。適切な公知の偏光保持型ファイア・の例としては、「ボウ タイ（ｂ。

ｕ−ｔｉｅ）Ｊファイバ、パンダ（ＰＡＮＤ＾）ファイバ及び長円型被覆ファイ バがある。超音波の場に曝されるファイバの区間は、特定の用途によって、被覆 かないか或いは何れかの種類の物質か塗布されている。ファイバ全体の直径は、 超音波ビームの断面・形状（ｐｒｏｆｉｌｅ）測定で最高の空間的解像か得られ るよう、可及的に小さくすることが好ま【２い。

本発明は、偏光保持型ファイバに作用したとき、超音波がそのファイア・内にモ ード結合を誘起させることができるという原理によっている。光学的出力は、フ ァイバの主軸が超音波の伝搬方向と方向か一致していない場合、超音波が存在す る中で１つの偏光モードからもう１つの偏光モードへと伝達されうる。最大の出 力伝達は、ファイバの主軸か超音波の伝搬方向に対し４５度を成す場合に起こる 。

このようなファイバの方向性で、超音波により誘起される複屈折は無視てきるも のである。超音波は、ファイバに対し斜めに入射することができる。結合された 偏光モードの光学的周波数は、超音波の入射角φが次の条件を満たす場合に、超 音波周波数に等しい量たけシフトされる；　［Ｗ、Ｐ、　Ｒ１５ｋ、　Ｇ、Ｓ、 　Ｈｎｏ、　Ｉｌ、Ｊ、　Ｓｈａｗ及びＲ，Ｃ，ＹｏｕｎｇｑｕｉｓＬ共著、Ｉ ＥＥＥ超音波シンポジウム議事録にューヨーク、電気電子学会）、ｐ３１８〜３ ２７．１９８４年］式中、ファイバのうなり（ｂｅａｔ）長さＬｂは、ファイバ の複屈折に対し反比例し、偏光保持型ファイバの１つの特徴的パラメータであり 、υ　はファイバをとり囲む媒体内の超音波の音響速度であり、ｆ　は超音波周 波数である。この等式は、ファイバのうなり長さに等しい周期をもつ移動性ひず みが、超音波によってファイバに沿ってセットアツプされるという位相整合条件 を示している。本発明は、超音波圧力に関連づけして、光学出力伝達量を測定す るべくこの周波数シフト現象を利用する。

一実施！！様においては、主軸の１つと方向が一致した単一のビームが投入され 、出力端から現われる主軸のうちの１つとそれぞれ方向が一致した２つのビーム 間のヘテロダイン干渉からモート結合度か決定される。

もう１つの実施態様においては、主軸の各々とそれぞれ方向が一致した光ビーム が投入され、出力端から現われる主軸とそれぞれ方向が一致したビームのいずれ か一方におけるヘテロダイン干渉からモード結合度が決定される。

主軸の一方と方向が一致した単一ビームが投入される場合、出力ビームは、好ま しくは、ファイバの主軸との関係においてその主軸か回転移動させられている状 態て、直線偏光子の中に通される。この直線偏光子を通過するビームは、モード 結合によりファイバのもう１つの主軸と方向か一致した状態で伝搬する周波数シ フトされたビームと当初投入されたビームの間のヘテロダイン干渉の結果である 超音波周波数での一つの信号を含んでいる。

ファイバの主軸の各々とそれぞれ方向か一致した光ビームか投入される場合、出 力ビームは、好ましくは、その主軸かファイバの主軸のいずれかに対してほぼ平 行である状態で直線偏光子の中に通される。偏光子の中を通過するビームは、当 初投入されたビームとファイア１内を伝搬するもう１つのビームから結合された 周波数シフトを受けたビームとの間のヘテロダイン干渉の結果である超音波周波 数での１つの信号を含んでいる。

本発明による超音波センサの重要な利点は、ヘテロダイン干渉の結果として得ら れる信号の振幅がファイバの環境的外乱に対し感応しないという点にある。した かって、信号フェーディングに対する補償は必要とされない。

また、入射する超音波に対するファイバの角度を変化させることにより、本発明 に基くセンサは超音波調和と指向性の測定を分離できるようにする。その上、小 さい寸法である光フアイバセンサは、測定すべき超音波の場を著しく混乱させる ことがなく、そして、センサの空間的解像度はファイバ全体の直径によって左右 されることから、先行技術に基づく水中聴音器で可能なものよりもはるかに優れ た解像度が達成できる。

さらに、本発明に基くセンサは、従来の水中聴音器におけるような電気信号にて はなく光信号に基くものであることから、非常に大きな電磁気妨害に耐えられる ものであることも明白である。このことは、高出力高周波超音波検出において特 に重要である。

最後に、センサーか比較的小型でかつ幾何学的に柔軟なものであることから、本 発明は、野外利用のための携帯用超音波検出器のの基本を提供している。

図面の簡単な説明 本発明のいくつかの実施態様を次に、例証としてだけであるが、添付図面を参照 して説明する。なお図中、 図１は、本発明の一寅施態様に関する超音波センサの概略的プロ・ツク図てあり 。

図２は、図１に示されている配列に対する変形例の概略的ブロック図である。

本発明を実施するための態様 図１に示されている如き、一実施態様の超音波センサは、レーザ光源１と、この レーザからの出力を円偏光ビームとして供給する１／４波長板２とを含んで（す る。レーザー光源は、直線偏光出力を提供するガス・レーザー又はレーザー・ダ イオードカ呵能である。１／４波長板２からの出力は、周知タイプの偏光保持型 ファイバ４の入力端３に進む。ファイｔ＜４は、符号６で模式的に示す被入射測 定超音波に曝される実質上直線の感知部５を包含している。感知部５は、７て明 示する適当な公知手段に架設され、ファイア（が超音波の伝搬方向に対し４５度 を成すようにする。最大モード結合は、超音波入射角φが等式１を満たすときｊ こ達成される。好ましくは、感知部５は、測定すべき超音波ビームの全部を受け るの１こ十分な長さをもつ。

ファイバ４の出力端８からの光は、その主軸がファイアくの主軸の１つと方向力 （一致した状態の直線偏光子９へと進み、伝達されたビームの強度は光検出器１ ０て検出される。光検出器１０は、適当な型のもの、例えば、電子増幅４又Ｃよ 光電増倍管が接続されたＰＩＮフォトダイオードかアノ（ランシエ・フォトダイ オードが可能である。

光検出器１０からの出力信号は、ディスプレイユニ・ット１２のための適切な駆 動信号を交互に発生する信号処理器１１に進む。ディスプレイユニットｌよ、例 えばオシロスコープ、スペクトル分析器、コンピュータ又は簡単なメータであっ てよい。

超音波センサの動作は次の通りである。レーザ１からの直線偏光出力ビームは、 円偏光ビームをつくるため１／４波長板２を通り、ファイ／＜４の入力端３に進 む。

このように、ファイバ４の主軸の各々に方向がそれぞれ一致した光ビームは、フ ァイバ内に投入される。ビームが感知部５を通過するにつれて、入射超音波は、 １つの偏光されたモードから音響周波数に等しい量だけの光学周波数のシフトを 伴ってもう１つの偏光モードへと移送される幾分かの光学出力が生起する。光検 出器１０により生成された超音波周波数での強度信号の時変的又は交流の成分は 、直線偏光子と方向が一致した軸内に投入されたビームとファイ／＜に投入され たその他のビームからの結合されたビームのヘテロダイン干渉の結果である。直 流成分は、光の強度によってのみ左右される。出力ビームは直線偏光Ｆ９を４過 し、方向が一致した主軸からのビームは光検出器１０に進む。

したがって、光検出器１０により生成された強度信号の交流成分と同し信号の定 レベル又は直流成分との比率は、光の強度変動とは独立したファイバに沿っての 超音波圧力の尺度を提供する。この比率はプロセッサ１１により計算され、適切 な公知の方法で測定値を表示するべくディスプレイ１２のための駆動信号か生成 される。

一変形実施態様（図示せず）においては、ファイバ４の偏光軸の一方と方向が一 致した単一のビームが投入される。これは、１／４波長板２とファイバ４の入力 端３の間で直線偏光子を置くことによって達成できる。偏光子の偏光軸はファイ バ４の偏光軸の一方又は他方と一致させる。出力端において、直線偏光子９は、 偏光軸がファイバ４の主軸との関係において４５度だけ回転できる形で配置され ている。この配置では、入射超音波６によって誘起されたモード結合は、ファイ バのもう１つの主軸と一致した状態での周波数変位したビームの伝搬を引き起こ す。直線偏光子９はファイバ４の主軸との関係において回転移動させられること から、偏光子の出力は、それぞれ主軸の各々と一致した光ビームの成分の和を含 む。すなわち成分は干渉する。したがって、超音波周波数での光検出器１０から の信号の交流成分は、ここでも投入モードと結合モードの間の干渉の結果である 。

この変形態様の超音波検出器の動作は、他の点において、上述のものと同一であ る。

図２は、図１に示されている配置の変更例を示している。該当する場合、同し構 成要素を１別するために同一の参照番号を用いた。この変更例によると、ファイ バ４の出力端８からの光は、その主軸かファイバ４の主軸に対し４５度たけ回転 移動した状態て配置されている偏光ビームスプリッタ１３に進む。生成された２ つの光ビームは、直交偏光のものであり、各々ファイバの主軸とそれぞれ一致し た成分光ビームの相を含んでいる。すなわち、各々の分割したビームは、ファイ バを通って伝搬したビームの間のモード結合度の尺度を各々提供するような形で 偏光保持型ファイバからのビームの各々の１成分を含んでいる。各ビームの強度 は光検出器１４及び１５により検出される。光検出器１４及び］５からの信号は 、光検出器１０からの信号との関係において前述のように独立して処理される。

処理された信号は、信号のうちの１つを逆転させた後、処理器１１により積極的 に加算され、改善された感度の測定値を与える。上述の実施態様の場合と同様に 、ディスプレイユニット１２のための適切な駆動信号が信号処理器１］によって 供給される。

上述の配置は、両方共、液体媒質内のメガヘルツ範囲又は気体媒質内のサブメガ ヘルツ範囲において、超音波を検出するための汎用水中聴音器を提供する。一定 の与えられた周波数での超音波信号を検出するために、角度φは位相整合条件を 打ち立てるようになっている。これは、入射信号との関係においてファイバを回 転させることによって達成され、又、代替的には、感知部は曲線の形で形成され る。これらの代替案は両方共有意な角度範囲にわたる広範囲の信号周波数の測定 を可能にするものであるか、センサの物理的動きか全く必要でないことから後者 の方が好ましい。

ファイバの小直径に起因して、本発明によるセンサは、高い解像度で超音波信号 のビームプロフィールを巧みに測定することができる。すなわち、超音波圧力の 空間的分布である。この利用分野に用いられる場合、感知部は、超音波ビームを 横切って側方に走査され、結果として得られる出力信号は、例えば、トモグラフ ィツク計算などによって適切に処理される。

超音波ビームの放射パターン（又は指向性）を決定するためには、感知部はφを 変化させるべく回転させられる。サンプリングされたφ値の各々において、相応 する出力値が、位相整合条件を満たす超音波信号を表わす。

φの関数としてのセンサ出力が１次元の放射パターンを与えることが理解される であろう。２次元パターンを得るためには、側方に間隔どりされた複数の一次元 測定値かとられる。

さらに、感知部をとり巻く媒質の音響速度は、等式（１）のその他の変数が定ま っている場合、測定可能である。こうして、センサは、音響速度に関係ずけされ る組成を有する成る唖の流体製品の品質管理においても使用可能である。

例えば、十分定まった方向に沿って手用な超音波を生成するような非集束トラン スジューサが一般に用いられる。このとき、センサは、位相整合条件を打ち立て ることができ、これから等式（１）に基づいてき響速度ＩＪ、を計算することか できる。この速度は、与えられた周波数〔８においてピーク信号を与える角度φ を測定することによって、又はその代りに、一定の角度φてビーク信号を与える ｆ　の値を決定することによって、計算できる。Ｌｂの値はファイノ・の特徴て あす、容易に正確に得られる。

センサの必要条件が超音波信号の不在又は存在の表示を与えることであるような 利用分野においては、ファイバコーティングの厚みはさほど重要でなく、それに 続く信号処理は非常に単純である。

要約書 ２つの直交する直線主軸と、真直ぐな感光部（５）とを有する偏光保持型ファイ バ（４）を含む超音波センサ。レーザ源（１）が１／４波長板（２）を通してビ ームを進め、ファイバの入力端（３）に対して円偏光ビームを供給する。ファイ バク４）の出力端（８）から現われるビームは直線偏光子（９）に進み、ビーム の強度は光検出器り１０）によって検出される。その後、信号処理器（１１）が 、入射超音波によりファイバ（４）内で誘起されたモード結合を表わすディスプ レイユニット（１２）用の適切な駆動信号を生成する。

国際調査報告 電ｎ１ｅｒｎｌｌｔｌｅｎａｌＡＤＩａＮ６ｎＨ６，ＰＣＴ／Ａｌ１９１７【買 ）口己＝−ＡＮＮＥズＴＯＭ　６８αＴＣｔａＬ　５ＥＡＦＯ（ＲＥＰＣ１’ｔ Ｔ　ＧＪｎマ■］墜１ＴＩＧａＬ　ＡＰＰＬＩＣＡＴＴｏｌ　１Ｊ）、ＰＣＴ　 八υ　ｌ　Ｏ００

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. １．２つの直交した主軸、入力端及び出力端を有する偏光保持型ファイバと、前 記主軸の少なくとも１つと一致した光ビームを前記ファイバ内に投入する入力手 段と、及び入射する超音波によって前記ファイバ内に誘起されるモード結合度を 決定するための出力手段とを含む超音波センサ。
2. ２．前記出力手段が、当初投入されたビームとファイバ内の周波数シフトされた ビーム間のヘテロダイン干渉の結果である超音波周波数での信号からモード結合 度を決定する請求項１記載の超音波センサ。
3. ３．前記ヘテロダイン干渉が、直線偏光子によって誘起される請求項２記載の超 音波センサ。
4. ４．前記直線偏光子の主軸が、前記ファイバの主軸のいずれかに対し実質的に平 行である請求項３記載の超音波センサ。
5. ５．前記入力手段が、前記ファイバの各主軸とそれぞれ方向が一致した光ビーム を投入する請求項４記載の超音波センサ。
6. ６．前記直線偏光子の主軸が、前記ファイバの主軸との関係において回転移動さ れる請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の超音波センサ。
7. ７．前記入力手段が、前記ファイバの唯一の主軸と方向が一致した光ビームを投 入する請求項６記載の超音波センサ。
8. ８．前記入力手段が、レーザ源を含む請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載 の超音波センサ。
9. ９．円偏光ビームを提供するための前記レーザの出力を通す１／４波長板が含ま れている請求項８記載の超音波センサ。
10. １０．前記ファイバの短い長さが感知部である請求項１乃至請求項９項のいずれ か１項記載の超音波センサ。
11. １１．前記感知部が、一定範囲の超音波周波数の検出を可能にするため複数の位 相整合条件を個々に選択的に打ち立てることができるようにするべく予め定めら れた曲線の形で形成されている請求項１０記載の超音波センサ。