JPH08229036A - 音響パワー送出装置及び電歪変換素子の感度制御方法 - Google Patents

音響パワー送出装置及び電歪変換素子の感度制御方法

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JPH08229036A
JPH08229036A JP7302071A JP30207195A JPH08229036A JP H08229036 A JPH08229036 A JP H08229036A JP 7302071 A JP7302071 A JP 7302071A JP 30207195 A JP30207195 A JP 30207195A JP H08229036 A JPH08229036 A JP H08229036A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 変換素子の感度を制御するための装置及び方
法を提供する。 【解決手段】 音響パワー送出装置は、（ａ）伝送回路
（１７）と、（ｂ）該伝送回路によって駆動される電歪
型変換素子（１５）と、（ｃ）該変換素子によって出力
される音響パワーの量を調整するための手段から構成さ
れる。また、電歪変換素子の感度制御方法は、伝送回路
及びバイアス電圧源を含み、（ａ）変換素子によって発
生する音響パワーを表した動作パラメータについて、電
歪変換素子のモニタを行うステップと、（ｂ）モニタ・
ステップに応答して、フィードバック補償を施すステッ
プと、から構成されることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、フィードバック補
償を利用して、電歪変換器の感度を制御するための音響
パワー送出装置及び電歪変換素子の感度制御方法に関す
る。
【０００２】
【技術背景】医用診断分野において、変換器は、一般
に、超音波イメージング・システムに用いられるアレイ
をなすように構成される。例えば、図１には、パルスの
ような電気的刺激を変換器アレイ１０１に加えることに
よって、変換器が超音波１０３を送り出すことになる、
超音波イメージング・システム１００が示されている。
超音波は、人体に送り込まれ、最終的には、少なくとも
一部が、体内の物体、例えば、心臓１１５によって反射
される。反射波（「エコー」）は、変換器アレイ１０１
によって受波され、エコーを表す電流１０４が発生す
る。次に、信号処理によって、振幅及び位相といった、
信号の各種特性が分析され、サイズ、場所、及び、速度
といった、物体に関する情報が求められる。例えば、
「Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ Ａｐ
ｐａｒａｔｕｓ」と題する米国特許第５，０６０，６５
１号を参照されたい。
【０００３】さらに詳述すると、図１には、送信器１０
７、プリアンプ１０９、ビーム形成器１０６、及びデジ
タル走査変換器１１１のそれぞれを制御するためのマイ
クロプロセッサ１０８が示されている。変換器アレイ１
０１からのエコー信号１０４は、プリアンプ１０９に送
られ、さらに、ビーム形成器１０６、信号プロセッサ１
０５、Ａ／Ｄ変換器１１０、及び、デジタル走査変換器
１１１に直列に送られる。エコー信号のｚ成分は、ポス
ト・プロセッサ１１２に送られ、その結果得られるｚ強
度が、ＣＲＴスクリーン１１４に表示される。ｘ−ｙ成
分は、ｘ−ｙラスタ１１３を介して送られ、ＣＲＴスク
リーン１１４に表示される。任意の数の異なる送信及び
イメージング処理システムを用いることが可能である。
【０００４】音響イメージング変換器は、一般に、ジル
コン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）セラミックのような圧電材
料から製造される。該変換器は、特性範囲を改良するた
め、圧電セラミックとポリマを組み合わせた「複合材
料」から製造することも可能である。
【０００５】音響イメージング変換器は、直流バイアス
電圧を印加することによって、しっかりと分極させるこ
とが可能な電歪材料からも製造されている。ニオブ酸鉛
マグネシウム−チタン酸鉛（ＰＭＮ−ＰＴ）が、電歪セ
ラミックの一例である。
【０００６】圧電変換素子及び電歪変換素子は、両方と
も、パルス／エコー応答感度によって特性を明らかにす
ることができる。「感度」とは、一般に、所与の入力に
関して、いかに効率よくエネルギが伝送（出力）される
かということである。「パルス／エコー応答」とは、電
気エネルギを音響エネルギに変換し、放出された音響エ
ネルギを変換して、電気エネルギに戻す、変換器の能力
のことであり、従って、伝送効率と受信効率の両方が結
合される。それは、入力としての電気パルス刺激、及
び、出力としての音響エネルギによって定義される。
【０００７】電歪変換器のパルス／エコー応答感度は、
比誘電率Ｋ及び結合係数ｋｔのような、各種材料特性に
よって決まる。これらの特性は、動作温度、直流バイア
ス電圧、及び、動作周波数の非線形関数である。例え
ば、日立リミテッドの中央研究所のタケウチ他による
「Ｒｅｌａｘｏｒ Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｔｒ
ａｎｓｄｕｃｅｒｓ」（１９９１年）を参照のこと。さ
らに、これらの特性は、開始材料及び／または処理条件
に固有の分散のために変動する可能性がある。感度自体
が、そのうちのいくつかは、制御が困難な、さまざまな
理由から変動する可能性がある。
【０００８】Ｆｅｄｅｒａｌ Ｄｒｕｇ Ａｄｍｉｎｉ
ｓｔｒａｔｉｏｎ（ＦＤＡ）によって、人体に送り込む
ことができる音響エネルギの量が規制されている。変換
器の感度が変動する場合、過剰な量のエネルギが送り込
まれる可能性がある。さらに、その入力／出力関係を大
幅に変動させるシステムは、市場において質的に劣るも
のとみなされる場合が多い。
【０００９】これまで、先行技術では、音響圧電変換器
を開制御ループによって駆動してきた。従って、先行技
術によるシステムは、変換器を電気的に刺激するが、感
度をモニタして、感度の変動を検出することはなかっ
た。
【００１０】
【発明の目的】要するに、本発明の目的は、変換素子の
感度を制御するための装置及び方法を提供することにあ
る。
【００１１】
【発明の概要】本発明は、電歪変換器の感度を制御する
ための装置及び方法を目指している。すなわち、製造
後、各変換素子の所定の特性がテストされ、ＥＰＲＯＭ
における焼付け（バーニング）のようにして、記憶媒体
に記録される。次に、所定のモデル関係と共に、記憶デ
ータを利用して、使用時における変換器の所定の動作パ
ラメータがモニタされ、変換器の感度をほぼ一定に保つ
ため、フィードバック補償が施される。
【００１２】さらに明確に言えば、ＥＰＲＯＭデータ
は、所定の動作温度における感度対バイアス電圧の測定
データから構成することができる。従って、使用時、変
換素子は、所望の、一貫した音響出力レベルを得るた
め、伝送レベルとバイアス・レベルのいずれか、または
両方を調整する、システムの制御を受けることになる。
【００１３】実施例の１つでは、さらに、温度フィード
バック補償が付加的に提供され、温度センサが変換素子
に隣接して配置される。ある温度範囲における、素子の
材料クラスの感度対バイアスのモデル関係が規定され
る。従って、特定の変換素子、モデル関係、及び、温度
センサからの温度信号に関するＥＰＲＯＭデータに基づ
いて、所望の音響出力を得るため、システム制御装置に
よって、伝送レベル及び／またはバイアス電圧が調整さ
れる。
【００１４】もう１つの実施例によれば、温度センサの
代わりに、圧力センサが用いられる。装置及び方法は、
ほぼ同じであるが、この場合、モデル関係によって規定
されるのは、変換器アセンブリの感度対圧力センサの出
力レベルである。ＥＰＲＯＭデータ、モデル関係、及
び、圧力センサ出力レベルに基づいて、所望の音響出力
を得るため、システム制御装置によって、伝送レベル及
び／またはバイアスが調整される。
【００１５】さらにもう１つの実施例の場合、性能指数
フィードバック補償が施される。ＥＰＲＯＭによって、
アレイの感度対バイアス電圧が規定される。モデルは、
変換素子の材料のクラスに関して、感度と誘電率（Ｋ）
及び結合係数（ｋｔ）を関連づける。ＥＰＲＯＭ、モデ
ル関係、及び、Ｋ及びｋｔ値に基づいて、所望の音響出
力を得るため、システム制御装置によって、伝送レベル
及び／またはバイアスが調整される。測定値は、同じア
レイにおける動作（機能）素子と基準素子のいずれか任
意のほうから得ることが可能である。
【００１６】もう１つの代替実施例の場合、フィードバ
ック補償は、変換素子に対する入力電力に基づくもので
ある。モデル関係は、所望の音響出力を得るため、変換
素子に入力される電力を規定する。入力電流及び電圧の
測定に基づいて、所望の音響出力を得るため、システム
制御装置によって、伝送レベル及び／またはバイアス電
圧が調整される。
【００１７】変換素子の容量、誘電率、及び、結合係数
を測定し、決定するためのさまざまな装置及び方法につ
いて、解説が行われる。
【００１８】本発明の以上の及びその他の利点について
は、以下の詳細な説明及び図面においてより詳細に示さ
れることになる。
【００１９】
【実施例】図２及び図４に示す先行技術によるシステム
の場合、圧電変換素子を製作して、テストし、ＥＰＲＯ
Ｍに焼き付けることによって、所定のデータが記録され
る。ＥＰＲＯＭデータは、この特定の変換素子の感度を
表すことができる。
【００２０】使用時、圧電素子５は、伝送／受信回路７
を含む音響イメージング・システムに組み込まれる。素
子５に関するＥＰＲＯＭデータ９は、伝送／受信回路７
に接続され、素子５から所望の音響出力６を得ようとし
て、伝送レベルを調整するシステム制御装置８に供給さ
れる。しかし、この開ループ・システムでは、前述の理
由から必要な制御が得られない。
【００２１】これに対し、図３及び図５には、本発明の
方法及び装置の実施例の１つが示されている。すなわ
ち、電歪変換素子１５を製作して、テストし、テストに
よって測定されたデータは、例えば、ＥＰＲＯＭ１９に
焼き付けるといったやり方で、記憶媒体に記録される。
図５に示すように、電歪素子１５は、動作回路に組み込
まれ、音響出力１６を発生する。変換素子１５は、伝送
／受信回路１７に接続され、該回路は、さらに、システ
ム制御装置１８に制御される。変換素子１５は、バイア
ス電圧源１１にも接続されている。
【００２２】ＥＰＲＯＭ１９において得られるデータ
は、指定の動作温度における素子感度対バイアス電圧か
ら構成される。ＥＰＲＯＭデータを受信するシステム制
御装置１８は、所望の、一貫した音響出力レベル１６を
得るため、回路１７からの伝送レベル及びバイアス源１
１によって設定されるバイアス・レベルの両方または一
方を調整する。
【００２３】図６には、ＥＰＲＯＭデータ及び図５のシ
ステム制御装置によって施される「静的補償」以外に、
温度フィードバック補償を施すための本発明のもう１つ
の実施例が示されている。図６には、比較を容易にする
ため、動作回路が、図５のレイアウトと同様に配置され
ており、同様の素子には、「１０」を加算して、同様の
参照番号が付与されている。
【００２４】すなわち、温度センサ２３が、動作または
機能素子２５に隣接して配置されている。明細書全体を
通じて理解しておくべきは、変換「素子」は、単一の変
換器または変換器アレイを表しているということであ
る。ＥＰＲＯＭデータ２９は、特定の素子２５につい
て、動作温度における測定される感度対バイアスを規定
する。モデル関係２２は、ある温度範囲にわたる、変換
器の材料クラスの感度対バイアスを規定する。材料クラ
スには、例えば、変換素子２５の製造に用いられる材料
ＰＭＮ−ＰＴが考えられる。ＥＰＲＯＭデータ２９及び
モデル関係２２は、両方とも、システム制御装置２８に
供給され、該制御装置は、温度センサ２３の出力（すな
わち、変換素子２５の実際の動作温度）も受信する。該
システム制御装置は、次に、変換素子２５から所望の音
響出力を得るため、伝送／受信回路２７及び／またはバ
イアス源２１を調整する。こうして、実際の動作温度を
測定することによって、実際の動作温度が想定された温
度を逸脱すると、ある動作温度を想定したＥＰＲＯＭデ
ータを補正することが可能になる。
【００２５】図７には、さらに、図６と同様のもう１つ
の実施例が示されているが、図７の場合には、図６の温
度センサ２３が、圧力センサ３３に置き換えられてい
る。やはり、図７の動作回路は、比較を容易にするた
め、図６と同様にレイアウトされており、対応する素子
には、「１０」を加えて、同様の参照番号が付与されて
いる。
【００２６】図７には、圧力センサ３３は、電歪素子３
５の出力音圧を測定し、これをシステム制御装置３８に
供給する。やはり、ＥＰＲＯＭデータ３９は、動作温度
における感度対バイアスを規定する。モデル関係３２
は、変換器アセンブリ（例えば、裏当て材料及び整合層
を含む）の感度対圧力センサの出力レベルを規定する。
ＥＰＲＯＭデータ、モデル関係、及び、圧力センサの出
力を受信するシステム制御装置３８は、次に、素子３５
から所望の音響出力を得るため、伝送／受信回路３７及
び／またはバイアス源３１を調整する。圧力センサ３３
の優れた精度を考えれば、素子３５によって出力される
実際の音圧を測定するこのシステムは、パルス・エコー
感度を制御するための極めて正確な方法である。
【００２７】図８には、性能指数フィードバック補償が
施され、独立した基準素子から測定値が得られる、さら
にもう１つの実施例が示されている。やはり、図８のレ
イアウトは、参照を容易にするため、先行回路と同様で
あり、対応する素子には、「１０」を加えた同様の参照
番号が付与されている。
【００２８】すなわち、図８には、動作または機能素子
である第１の電歪変換素子４５と、基準素子の働きをす
る、おそらくは、同じアレイからの第２の電歪変換素子
４３が示されている。この場合、その測定値が、ＥＰＲ
ＯＭデータ４９及びモデル関係４２と共に、システム制
御装置４８に供給される、基準素子の誘電率Ｋ及び結合
係数ｋｔを測定するための装置４４が設けられている。
ＥＰＲＯＭデータは、動作温度におけるアレイの全ての
素子に関する感度対バイアス電圧（アレイに関して一定
と想定される）から構成される。モデル４２は、素子４
５、４３に用いられるクラスの電歪材料に関して、感度
と誘電率及び結合係数を関連づける。システム制御装置
は、次に、所望の音響出力４６を得るため、伝送／受信
回路４７及び／またはバイアス源４１を調整する。誘電
率及び結合係数を測定するための装置については、図１
１〜図１２に関連して後述する。
【００２９】１９７９年のＵｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ Ｓ
ｙｍｐｏｓｉｕｍ，ＩＥＥＥ（１９７９）、ページ４０
７−４１１におけるＪ．Ｃａｌｌｅｒａｍｅ他による
「Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒｓ Ａｎｄ Ｒｅｃｅｉｖｅ
ｒｓ Ｆｏｒ ＭｅｄｉｃａｌＵｌｔｒａｓｏｎｉｃ
ｓ」には、モデル４２に用いることが可能な性能指数の
解説がある。例えば、Ｃａｌｌｅｒａｍｅの論文には、
それぞれ、送信器と受信器の応答に関する測度を示す２
つのパラメータ、ＴＰ及びＲＰが解説されている。下記
において定義するパラメータＴＰは、厳密には、変換器
の応答周波数よりかなり低い周波数においてしか有効で
はないが、変換器が広帯域モードで動作する場合には、
共振周波数付近における伝送効率の良好な表示となる。
【００３０】
【数１】ＴＰ＝｛ｋｔ／（１−ｋｔ ２）｝×√（εＳ
３３／ｃＤ ３３） ここで、ｋｔは、厚さモードの結合定数であり、εＳ
３３は、一定の歪みにおける誘電率であり、ｃ
Ｄ ３３は、剛性定数である。
【００３１】共振周波数をかなり離れると有効な、相対
受信器感度の良好な評価は、下記に示す開回路受信器感
度パラメータＲＰによって定義される。
【００３２】
【数２】ＲＰ＝ｋｔ×ｔ／√（ｃＤ ３３×εＳ ３３） ここで、ｔは変換器の厚さである。
【００３３】図９は、誘電率及び結合係数の測定が、基
準素子とは対照的に、機能素子に関して実施される点を
除けば、図８と同様である。図示のように、機能素子５
５のＫ及びｋｔを測定するために、装置５４が設けられ
ている。システム制御装置５８は、ＥＰＲＯＭデータ５
９、モデル関係５２、及び、Ｋ及びｋｔの測定値を受信
する。システム制御装置は、素子５５から所望の音響出
力５６を得るため、伝送／受信回路５７及び／またはバ
イアス源５１の出力を調整する。
【００３４】図１０は、入力電力フィードバック補償を
可能にするための最終実施例を示している。やはり、動
作回路は、参照を容易にするため、先行回路と同様にレ
イアウトされており、対応する参照番号には、「１０」
を加えて同様の番号が付与されている。
【００３５】図１０の場合、素子６５に対する入力電力
を決定するため、電流センサ６３及び電圧センサ６４
が、機能素子６５と並列に設けられている。電流センサ
６３及び電圧センサ６４の出力は、ＥＰＲＯＭデータ６
９及びモデル関係６２と共に、システム制御装置６８に
供給される。ＥＰＲＯＭデータは、やはり、動作温度に
おけるこの素子に関する感度対バイアス電圧である。モ
デル６２は、機能素子への入力電力の、該素子の音響出
力に対する関係を規定する。システム制御装置は、所望
の音響出力６６を得るため、伝送／受信回路６７の伝送
レベル及び／またはバイアス源６１のバイアス・レベル
を調整する。入力電力を求めるための装置に関するより
詳細な説明については、図１３に関連して後述する。
【００３６】〔動作中に変換器の容量を測定してＫ及び
ｋｔを求める〕変換器のパルス／エコー応答は、電気機
械結合定数ｋｔ及び比誘電率Ｋに依存する。この情報
は、変換器の幾何学形状及び容量から求めることが可能
である。例えば、穏当なところで、変換器を並列プレー
ト・コンデンサとしてモデル化することが可能な場合、
比誘電率Ｋは、下記の式によって求めることが可能であ
る。
【００３７】
【数３】 Ｋ＝Ｃｄ／ε０Ａ （１） ここで、Ｃは容量であり、ｄは変換器の電極間の厚さで
あり、Ａは電極に面した面積であり、ε０は、自由空間
の絶対誘電率である（８．８５４×１０−１２ファラッ
ド／メートル）。
【００３８】さらに、電気機械結合定数ｋｔは、下記の
式によって求めることができる。
【００３９】
【数４】 ＫＳ＝ＫＴ（１−ｋｔ ２） （２） ここで、ＫＳは変換器の動作周波数を超える周波数、す
なわち「クランプ容量」周波数において測定される比誘
電率であり、ＫＴは動作周波数未満の周波数、すなわち
「非クランプ容量」周波数において測定される比誘電率
である。
【００４０】これら２つの周波数は、変換器の共振周波
数から十分に離れているので、共振による測定容量に対
する影響は生じない。従って、クランプ容量周波数と非
クランプ容量周波数の両方において、動作中の変換素子
の容量を測定することによって、電気機械結合定数ｋｔ
を求めることが可能である。Ｋ及びｋｔ自体は、イメー
ジング・システムの制御システムによって利用可能であ
る、すなわち、該制御システムに送り返すことが可能で
ある。さらに、制御システムは、これに応じて、直流バ
イアス電圧を変動させることが可能である。直流バイア
ス電圧を変動させることによって、変換器の感度の分散
を補償することができる。例えば、感度が変動して、変
換器が伝送する音響エネルギの量が増大する場合、バイ
アス電圧を低下させることができる。すなわち、電歪変
換器が、２５０Ｖ ＤＣのバイアス電圧を必要とする場
合、直流バイアス回路は、±２５Ｖ ＤＣの電圧変動を
必要とする可能性がある。感度は、それほど急速に変動
しないので、バイアス電圧を変化させるための応答時間
は、約１／２秒で十分のはずである。
【００４１】図１１を参照すると、変換素子２２０ａ
は、こうした変換素子アレイ２０１からの１つの素子で
ある。この実施例の場合、変換素子２２０ａは、制御目
的専用である。アレイの他の素子、すなわち、イメージ
ングに用いられる素子自体は、制御測定に必要な検知動
作に影響することはない。同様に、専用の制御素子２２
０ａに加えられる信号が、イメージング素子に影響する
ことはない。代替案として、変換素子２２０ａをイメー
ジングに利用することも可能である。素子２２０ａの各
種特性の測定自体が、イメージングに実際に用いられる
素子に関する情報を提供することになる。素子２２０ａ
の特性測定は、イメージング・システムのスキャナが遊
休状態にある時、すなわち、素子アレイがイメージング
に用いられていない時に、実施されるのが望ましい。
【００４２】いわゆる「非クランプ容量」を測定するた
め、低周波電流源２５０は、変換素子２２０ａを後述の
測定装置に接続するケーブル２５１によって、既知の信
号、例えば、１０００Ｈｚの正弦波を伝送する。ノード
２５２において測定される、結果生じる電圧は、周波
数、すなわち、１０００Ｈｚと、負荷の全容量（「Ｃ
ｌｏａｄ」）によって決まる。Ｃｌｏａｄは、ケーブル
２５１及び変換素子２２０ａの容量である。ノード２５
２における電圧（「Ｖ」）は、下記の式によって、既知
の電流（「Ｉ」）及びＣｌｏａｄに関連づけられる。
【００４３】
【数５】 Ｖ＝Ｉ／（ｊωＣｌｏａｄ），ｊ＝（−１）１／２ （３） Ｃｌｏａｄ＝Ｃｃａｂｌｅ＋Ｃｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ （４）
【００４４】従って、Ｃｌｏａｄは、ノード２５２にお
ける測定電圧の絶対値を確認することによって求めるこ
とが可能である（電圧センサ２５４参照）。これによ
り、Ｃｌｏａｄが決まると、Ｃｃａｂｌｅは、あらかじ
め分かっているので、式（４）によって、Ｃ
ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒを解くことができる。
【００４５】変換器の感度が高速度で変動するとは考え
られないので、Ｃｔｒａｎｓｄｕｃｅｒは、あまり素早
く、また、あまり頻繁に行う必要はない。従って、比較
的低速の回路要素を利用することが可能である。例え
ば、ノード２５２において検知される電圧は、アナログ
・デジタル変換器によってデジタル化することが可能で
ある。デジタル化された電圧２５３は、イメージング・
システム内のマイクロプロセッサによって受信すること
が可能であり、これによって、式（３）及び（４）が解
けることになる。
【００４６】代替案として、素子に既知の直流電流を供
給し、素子が指定電圧レベル（「Ｖ」）に達するのに要
する時間（「ｔ」）を測定することによって、変換器２
２０の非クランプ容量を求めることが可能である。Ｃ
ｌｏａｄは、下記の関係式によって求めることが可能で
ある。
【００４７】
【数６】 Ｃｌｏａｄ＝Ｉ×ｔ／Ｖ （３′）
【００４８】これにより、式（４）を用いて、Ｃ
ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒを解くことが可能になる。
【００４９】非クランプ容量周波数におけるＣ
ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒが与えられると、並列プレート・
コンデンサに関する式（１）のような適合する容量式を
用いて、ＫＴを解くことができる。
【００５０】他に多くの単純な容量測定を設計すること
が可能である。これら２つは、当該技術を代表するもの
ということである。
【００５１】いわゆる変換器の「クランプ容量」は、か
なり高い周波数で測定されるので、素子が、加えられる
信号に応答して、大幅に動くことはない。こうした環境
において、素子は、機械的にクランプされているかのよ
うに動作し、非クランプ周波数における変換器の場合に
比べて、蓄積する電荷が大幅に減少する。共振周波数が
５．０ＭＨｚの変換器２２０ａの場合、１０ＭＨｚ以上
で行われる測定は、クランプ容量を求めるのに十分のは
ずである。しかし、こうした周波数では、変換器のイン
ピーダンスに、容量成分だけでなく、抵抗成分も含まれ
ることになる。さらに、容量成分、すなわち、リアクタ
ンスは、比較的小さい、すなわち、約１０または２０オ
ーム程度である。従って、無線周波数測定技法が必要に
なる。
【００５２】図１２を参照すると、高周波電圧源２６０
が、方向性結合器２５８に既知の信号２６１を供給す
る。この信号は、しばしば、「入射信号」と呼ばれる。
結合器２５８は、入射信号と反射信号を分離する。入射
信号は、結合器２５８によって受信され、ケーブル２５
１で伝送される。入射信号が、素子２２０ｂによって部
分的に反射されると、反射信号（すなわち、エコー）
は、同じケーブル２５１から結合器２５８によって受信
される。結合器２５８、ケーブル２５１、電流源２６
０、及び、抵抗器Ｒｏの公称インピーダンスが、全て、
５０オームであれば、反射によって結合器２５８に戻さ
れる波形は、インピーダンスの異なる変換素子２２０ｂ
によるものである。（素子２０ｂは、やはり、専用変換
素子である。）従って、変換器のインピーダンス（「Ｚ
ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ」）は、下記の式によって求める
ことが可能である。
【００５３】
【数７】 Ｚｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ＝Ｚｃａｂｌｅ×（Ｖｉ＋Ｖｒ）／（Ｖｉ−Ｖｒ） （５）
【００５４】ここで、複素電圧であるＶｉは電圧センサ
によってノード２６２で測定される入射信号電圧であ
り、やはり複素電圧であるＶｒは変換器から反射する電
圧であり、結合器２５８から電圧センサ２５４ｂに供給
される。
【００５５】Ｚｔｒａｎｓｄｕｃｅｒが分かると、その
容量成分を求めることが可能になり、従って、ＫＳを解
くことが可能になる。ＫＴ及びＫＳが分かると、制御シ
ステムは、それに応じてバイアス電圧を変化させること
によって、変換器の感度を制御することが可能になる。
【００５６】バイアス電圧における実際のデルタ量は、
２５０Ｖ ＤＣのバイアス電圧に関して±２５Ｖ ＤＣ
ほどであると予測される。しかし、感度とバイアス電圧
との非線形関係が、電歪材料の間で変動するので、これ
らの数字は、実際に用いられる材料によって左右され
る。調整されたバイアス電圧は、アレイ２０１の全ての
変換器に印加することが可能である。
【００５７】代替案として、単一変換素子を利用するこ
とも可能である。この場合、当該技術の熟練者には、図
１１及び図１２の装置が、２つの素子ではなく、１つの
素子に接続される修正接続に対応するように、式（３）
〜（５）に修正を加える方法が明らかであろう。
【００５８】〔変換器の入力電力（Ｉ）測定〕図１３を
参照すると、変換器に対する入力電力を測定するための
特定の実施例が示されている。素子２２０ｃは、能動素
子である。すなわち、素子２２０ｃは、イメージング目
的に利用される。ライン２２６は、イメージング・シス
テムの標準的受信及び送信チャネルである。
【００５９】電流センサ２６５、例えば、変圧器は、ラ
イン２６６で信号を受信し、受信した信号をケーブル２
５１に送り出す。さらに、伝送される電流を表した信号
をライン２６８ａに送り出す。電圧センサ２５４ｃは、
素子２２０ｃが動作する電圧を検知し、それを表した信
号をライン２６８ｂに送り出す。乗算器２６８は、ライ
ン２６８ａ及び２６８ｂで信号を受信し、この２つを掛
け合わせる。電力は、電圧×電流に等しいので、乗算器
によって、素子２２０ｃに伝送される電力の瞬時値が求
められる。瞬時電力の表示信号は、ライン２６８ｃに送
り出され、低域フィルタ２６７によって受信される。低
域フィルタは、時間を基準にして、入力信号の平均化操
作を実施する。平均電力信号２６７ａは、次に、制御シ
ステムによって受信され、制御システムによる、素子２
２０ｃに伝送される電力のモニタが可能になる。素子２
２０ｃに伝送される電力は、感度を表すので、制御シス
テムは、これに応じて直流バイアス電圧を変動させるこ
とが可能になる。
【００６０】例えば、動作条件が変化して、素子２２０
ｃに伝送される電力が増大すると、制御システムは、伝
送される電力の増大を認識し、それに応じて、アレイ２
０１に調整レベルのバイアスをかけることによってその
補償を行う。
【００６１】この実施例によって、素子２２０ｃの実際
の動作周波数において測定を実施する利点が得られる。
望ましい実施例では、素子２２０ｃが、素子の中心周波
数、すなわち、共振周波数によって刺激されると、測定
を実施する。
【００６２】こうして、本発明のいくつかの実施例につ
いて解説してきたが、当該技術の熟練者には、さまざま
な修正及び改良が容易に思い浮かぶことであろう。例え
ば、別のユーザは、それが有効であると知れば、各変換
器毎の測定を行わず、データをＥＰＲＯＭに記憶するこ
とによって、生産コストを低下させるかもしれない。従
って、以上の説明は、例示だけのものであり、本発明
は、以下に説明する付属の実施態様を有することは明ら
かである。
【００６３】すなわち、本発明の音響パワーを人体に送
る音響パワー送出装置は、〔１〕（ａ）伝送回路（１
７）と、（ｂ）該伝送回路によって駆動される電歪型変
換素子（１５）と、（ｃ）該変換素子によって出力され
る音響パワーの量を調整するための手段から構成される
ことを特徴とし、〔２〕〜〔８〕に記載の実施態様を含
む。
【００６４】〔２〕前記伝送回路（１７）に、前記伝送
回路にバイアス電圧を印加するための電源（１１）と、
該バイアス電圧のレベルを調整するための調整手段（１
８）が含まれていることを特徴とする〔１〕に記載の装
置。
【００６５】〔３〕前記伝送回路（１７）が前記変換素
子（１５）を駆動する伝送電力を出力し、調整手段（１
８）が伝送電力のレベルを調整することを特徴とする
〔１〕に記載の装置。
【００６６】〔４〕前記変換素子（１５）の感度に関す
る測定データを記憶するための記憶媒体（１９）が含ま
れていること、及び、前記調整手段（１８）に、記憶デ
ータに応答して、前記変換素子によって出力される音響
パワーを調整するための手段が含まれていること、を特
徴とする〔１〕に記載の装置。
【００６７】〔５〕前記調整手段（１８）に、前記変換
素子（１５）の感度に関する測定データを記憶するため
の記憶手段（１９）と、該変換素子によって発生する音
響パワーを表した動作パラメータをモニタするための手
段（２３，３３，４４，５４，６３，６４）と、該モニ
タ手段の出力と前記変換素子によって発生する音響パワ
ーを関連づけるモデル（２２）と、前記モニタ手段の出
力，記憶データ，及びモデルに応答し、前記変換素子に
よって発生する音響パワー出力の量を調整する手段（２
１）と、が含まれることを特徴とする〔１〕に記載の装
置。
【００６８】〔６〕前記モニタ手段が、温度センサ（２
７）と、圧力センサ（３３）と、前記変換素子の誘電率
及び結合係数を測定するための手段（４４、５４）と、
変換素子に送られる入力電力を測定するための手段と、
のうちの１つ以上から構成されるグループから選択され
ることを特徴とする〔５〕に記載の装置。
【００６９】〔７〕変換器アレイの第１と第２の変換素
子（２２０ａ、２２０ｂ）が含まれていること、及び、
前記モニタ手段が、非クランプ周波数で第１の変換素子
（２２０ａ）を駆動するための電流源（２５０）と、第
１の変換素子の容量を表す第１の電圧を検知するための
第１の電圧センサ（２５４）と、クランプ容量周波数で
第２の変換素子（２２０ｂ）を駆動するための電圧源
（２６０）と、第２の変換素子に伝送される入射電圧を
検知するための第２の電圧センサ（２５４ａ）と、第２
の変換素子からの反射電圧を検知するための第３の電圧
センサ（２５４ｂ）と、第１、第２、及び、第３の電圧
に応答して、アレイの変換素子にバイアスをかけるため
のバイアス回路（２１）と、から構成されることを特徴
とする〔５〕に記載の装置。
【００７０】〔８〕前記変換素子が、アレイの一部であ
り、モニタ手段が、該変換素子に送られる電流を検知す
るための電流センサ（２６５）と、該変換素子が動作す
る電圧を検知するための電圧センサ（２５４ｃ）と、電
流を表す第１の入力を前記電流センサから受信し、電圧
を表す第２の入力を前記電圧センサから受信して、前記
第１の入力と第２の入力の積を表す出力を発生するため
の乗算器と、該乗算器の出力に応答して、アレイにバイ
アスをかけるためのバイアス回路（２１）と、から構成
されることを特徴とする〔５〕に記載の装置。
【００７１】また、本発明の電歪変換素子の感度制御方
法は、
〔９〕伝送回路及びバイアス電圧源を含む電歪変
換素子の感度制御方法において、（ａ）変換素子によっ
て発生する音響パワーを表した動作パラメータについ
て、電歪変換素子のモニタを行うステップと、（ｂ）モ
ニタ・ステップに応答して、フィードバック補償を施す
ステップと、から構成されることを特徴とし、〔１０〕
〜〔１２〕に記載の実施態様を含む。
【００７２】〔１０〕前記ステップ（ａ）に、容量を表
す第１の電圧を検知することによって、非クランプ容量
周波数における前記変換素子の容量を求めるステップが
含まれることを特徴とする
〔９〕に記載の制御方法。
【００７３】〔１１〕前記ステップ（ａ）に、前記変換
素子に送られる入射信号を表す第２の電圧を検知し、前
記変換素子によって反射される反射信号を表す第３の電
圧を検知することによって、クランプ容量周波数におけ
る変換素子の第２の容量を求めるステップが含まれるこ
とを特徴とする、
〔９〕及び〔１０〕の任意の１つに記
載の制御方法。
【００７４】〔１２〕前記ステップ（ａ）において、前
記変換素子に送られる電流を検知し、変換素子が動作す
る電圧を検知することによって、動作周波数において前
記変換素子に送られる電力がモニタされることを特徴と
する
〔９〕に記載の制御方法。
【００７５】
【発明の効果】変換素子の所定の特性がテストされ、Ｅ
ＰＲＯＭにおける焼付けのようにして、記憶媒体に記録
されるので、所定のモデル関係と共に、記憶データを利
用して、使用時における変換器の所定の動作パラメータ
をモニタし、該変換器の感度を制御できる。したがっ
て、高性能の音響パワー送出装置及び電歪変換素子の感
度制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】フェイズド・アレイを利用した、超音波イメー
ジング・システムのブロック図である。
【図２】圧電変換器に関するデータを作成し、テスト
し、ＥＰＲＯＭに記録するための先行技術による方法を
示すブロック図である。
【図３】電歪変換素子に関する所定のデータをテストし
て、記録し、この記録データと素子の所定の動作パラメ
ータのモニタを組み合わせて、感度に影響する可能性の
ある変動を補償するための本発明による方法を示すブロ
ック図である。
【図４】圧電変換素子の出力を調整するためのシステム
制御装置を備えた、先行技術の回路に関する略図であ
る。
【図５】バイアス電圧及び／または伝送レベルを変更す
ることによって、電歪変換素子の出力を調整するための
システム制御装置を備えた、本発明による回路の略図で
ある。
【図６】温度センサを利用して、フィードバック補償を
行う、本発明による回路の略図である。
【図７】圧力センサを利用して、フィードバック補償を
行う、本発明による回路の略図である。
【図８】誘電率及び結合係数を測定して、フィードバッ
ク補償を行う、本発明による回路の略図である。
【図９】図８の基準素子とは対照的に、動作（機能）素
子に関して測定が実施される、図８と同様の略図であ
る。
【図１０】電流及び電圧センサを利用して、入力電力を
求め、フィードバック補償を行う、本発明による回路の
略図である。
【図１１】動作中に、変換素子の容量を測定して、結合
係数を求める回路の略図である。
【図１２】変換素子のクランプ容量を測定する回路の略
図である。
【図１３】変換素子の出力パワーを測定する回路の略図
である。
【符号の説明】
１１，２１，３１，４１，５１，６１ バイアス電圧
源 １５，２５，３５，４３，４５，５５，６５ 電歪変
換素子 １６，２６，３６，４６，５６，６６ 音響出力 １７，２７，３７，４７，５７，６７ 伝送／受信回
路 １８，２８，３８，４８，５８，６８ システム制御
装置 １９，２９，３９，４９，５９，６９ ＥＰＲＯＭデ
ータ ２２，３２，４２，６２ モデル関係 ２３ 温度センサ ３３ 圧力センサ ４４，５４ 測定装置 ６３，２６５ 電流センサ ６４，２５４ 電圧センサ ２０１ 変換素子アレイ ２２０ａ，２２０ｂ 変換素子 ２５０ 低周波電流源 ２５１ ケーブル ２５２ ノード ２５３ デジタル化電圧 ２５８ 方向性結合器 ２６０ 高周波電圧源 ２６７ 低域フィルタ ２６７ａ 平均電力信号 ２６８ 乗算器 ２６８ａ，２６８ｂ ライン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ベンジャミン エム ハーリック アメリカ合衆国マサチューセッツ州 ボッ クスボラフ ウェイテロード 94 (72)発明者 デビッド エム プラター アメリカ合衆国マサチューセッツ州 メル ローズ メインストリート 213

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 （ａ）伝送回路（１７）と、 （ｂ）該伝送回路によって駆動される電歪型変換素子
    （１５）と、 （ｃ）該変換素子によって出力される音響パワーの量を
    調整するための手段から構成される音響パワーを人体に
    送るための音響パワー送出装置。
  2. 【請求項２】 伝送回路及びバイアス電圧源を含む電歪
    変換素子の感度制御方法において、 （ａ）変換素子によって発生する音響パワーを表した動
    作パラメータについて、電歪変換素子のモニタを行うス
    テップと、 （ｂ）モニタ・ステップに応答して、フィードバック補
    償を施すステップと、から構成される電歪変換素子の感
    度制御方法。
JP7302071A 1994-10-31 1995-10-26 音響パワー送出装置及び電歪変換素子の感度制御方法 Pending JPH08229036A (ja)

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US332287 1994-10-31
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