JPH09292458A - 超音波送波器 - Google Patents
超音波送波器Info
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- JPH09292458A JPH09292458A JP8109268A JP10926896A JPH09292458A JP H09292458 A JPH09292458 A JP H09292458A JP 8109268 A JP8109268 A JP 8109268A JP 10926896 A JP10926896 A JP 10926896A JP H09292458 A JPH09292458 A JP H09292458A
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- signal
- ultrasonic
- ultrasonic wave
- piezoelectric
- wave transmitter
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- Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 キャビテーションの発生限界と、送波器発生
限界を緩和させて、かつ、広いビーム幅を実現できる超
音波送波器を提供する。 【解決手段】 直線上に配列された複数の圧電振動子１
ａ〜１ｃと、送信電気信号を発生させる信号発生器５
と、送信電気信号の位相を調整する位相制御部４と、複
数の送信電気信号を加算するための信号加算器３ａ〜３
ｃと、送信電気信号を増幅するパワーアンプ２ａ〜２ｃ
から構成され、整相方位の異なる複数のビームを形成す
る電気信号を合成し、この合成信号を前記圧電振動子に
供給して、単純な直線アレイにおいて送波ビーム幅の拡
大・縮小等、ビームパターンを自由に制御する。
限界を緩和させて、かつ、広いビーム幅を実現できる超
音波送波器を提供する。 【解決手段】 直線上に配列された複数の圧電振動子１
ａ〜１ｃと、送信電気信号を発生させる信号発生器５
と、送信電気信号の位相を調整する位相制御部４と、複
数の送信電気信号を加算するための信号加算器３ａ〜３
ｃと、送信電気信号を増幅するパワーアンプ２ａ〜２ｃ
から構成され、整相方位の異なる複数のビームを形成す
る電気信号を合成し、この合成信号を前記圧電振動子に
供給して、単純な直線アレイにおいて送波ビーム幅の拡
大・縮小等、ビームパターンを自由に制御する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、音響媒質中に超音
波を送波する超音波送波器に係り、特にキャビテーショ
ンの発生限界を緩和させるとともに、−３ｄＢ幅であら
わされるビーム幅を任意に変化させることのできる超音
波送波器に関する。
波を送波する超音波送波器に係り、特にキャビテーショ
ンの発生限界を緩和させるとともに、−３ｄＢ幅であら
わされるビーム幅を任意に変化させることのできる超音
波送波器に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般的に、超音波ソナーや超音波診断装
置等のように、目標物の形状、方向、距離等の情報を取
得する装置は、目標物の大きさや必要とする分解能等に
基づいてビーム幅を決定している。具体的には、一度に
広範囲に超音波を送波したり、目標物が大きく高分解能
を必要としない場合にはビーム幅を広く設定し、逆に目
標物が小さく高分解能を必要とする場合にはビーム幅を
狭く設定している。このようにビーム幅を制御する方法
として、例えば特開昭６２−２７７５７４号公報に示さ
れる「超音波センサ」がある。これは、図９に示すよう
に複数の超音波振動子１が同一平面上に配列された送受
波手段１０の超音波振動子１の内の任意の振動子を選択
して送受波する振動子選択手段１５および送波信号を発
生させるとともに受波信号を信号処理する信号処理手段
２０を設け、一送受波周期に動作する超音波振動子の組
合せが複数組形成されるように振動子選択手段を形成
し、各組の送受波動作を異なったタイミングで行うとと
もに各組の受波信号出力を論理演算した合成受波信号を
出力するように信号処理手段を形成したビーム幅制御方
法であり、選択する超音波振動子１の個数および位置を
制御することによって種々の指向性をもつビームパター
ンを実現している。
置等のように、目標物の形状、方向、距離等の情報を取
得する装置は、目標物の大きさや必要とする分解能等に
基づいてビーム幅を決定している。具体的には、一度に
広範囲に超音波を送波したり、目標物が大きく高分解能
を必要としない場合にはビーム幅を広く設定し、逆に目
標物が小さく高分解能を必要とする場合にはビーム幅を
狭く設定している。このようにビーム幅を制御する方法
として、例えば特開昭６２−２７７５７４号公報に示さ
れる「超音波センサ」がある。これは、図９に示すよう
に複数の超音波振動子１が同一平面上に配列された送受
波手段１０の超音波振動子１の内の任意の振動子を選択
して送受波する振動子選択手段１５および送波信号を発
生させるとともに受波信号を信号処理する信号処理手段
２０を設け、一送受波周期に動作する超音波振動子の組
合せが複数組形成されるように振動子選択手段を形成
し、各組の送受波動作を異なったタイミングで行うとと
もに各組の受波信号出力を論理演算した合成受波信号を
出力するように信号処理手段を形成したビーム幅制御方
法であり、選択する超音波振動子１の個数および位置を
制御することによって種々の指向性をもつビームパター
ンを実現している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上記特開昭６２−２７
７５７４号公報に記載された超音波送受波器は、動作さ
せる圧電振動子１の個数および位置を選択変更すること
によって、種々の指向性を制御することができる。例え
ば、周波数を変えずにビーム幅を広げようとした場合に
は、選択動作させる圧電振動子１の選択範囲を小さく、
すなわち、アレイ長を短くすればよい。しかしながら、
周波数が数十ｋＨｚ以上にもなると、アレイ長を短くす
るにしても構造上限界があり、特に送波器として使用す
る場合には、キャビテーションの発生や圧電振動子の機
械的強度の限界等によって、要求される放射パワーを得
ることが困難になり、また放射面積が小さくなることか
ら音響実負荷が小さくなって電気音響変換効率が低下す
るという問題がある。
７５７４号公報に記載された超音波送受波器は、動作さ
せる圧電振動子１の個数および位置を選択変更すること
によって、種々の指向性を制御することができる。例え
ば、周波数を変えずにビーム幅を広げようとした場合に
は、選択動作させる圧電振動子１の選択範囲を小さく、
すなわち、アレイ長を短くすればよい。しかしながら、
周波数が数十ｋＨｚ以上にもなると、アレイ長を短くす
るにしても構造上限界があり、特に送波器として使用す
る場合には、キャビテーションの発生や圧電振動子の機
械的強度の限界等によって、要求される放射パワーを得
ることが困難になり、また放射面積が小さくなることか
ら音響実負荷が小さくなって電気音響変換効率が低下す
るという問題がある。
【０００４】一方、圧電振動子を円弧状に配置した円弧
アレイの場合、ビーム幅は円弧アレイの開口角とほぼ等
しくなるので、ビーム幅の拡大もしくは縮小等の制御は
しやすいが、低周波域で使用し、かつビーム幅を広くし
ようとする場合には、圧電振動子の配列ピッチ（λ／２
ピッチ）が大きくなり、超音波送波器の大型化や重量増
等の問題が発生する。
アレイの場合、ビーム幅は円弧アレイの開口角とほぼ等
しくなるので、ビーム幅の拡大もしくは縮小等の制御は
しやすいが、低周波域で使用し、かつビーム幅を広くし
ようとする場合には、圧電振動子の配列ピッチ（λ／２
ピッチ）が大きくなり、超音波送波器の大型化や重量増
等の問題が発生する。
【０００５】さらに、圧電振動子を直線上に配列した長
さＬのリニアアレイの場合、ビーム幅θ（−３ｄＢ）
は、θ（−３ｄＢ）≒５０．６（λ／Ｌ）の式で与えら
れる。したがって、同一のアレイ長さの場合は駆動周波
数を下げることによってビーム幅を広げることができ、
同一の駆動周波数の場合はアレイ長さを短くすればビー
ム幅を広げることができる。しかし、ビーム幅θが１０
０°以下で、駆動周波数が数十ＫＨｚ以上になると、ア
レイ長さを短くするにしても構造上限度があり、特に送
波器の場合には、音圧放射レベルの大きさによっては、
キャビテーションの発生や圧電素子の機械的強度限界に
起因して、所望の放射パワーを得ることが困難になり、
また、放射面積が小さくなることから音響実負荷が小さ
くなって、電気音響変換効率が低下する問題がある。
さＬのリニアアレイの場合、ビーム幅θ（−３ｄＢ）
は、θ（−３ｄＢ）≒５０．６（λ／Ｌ）の式で与えら
れる。したがって、同一のアレイ長さの場合は駆動周波
数を下げることによってビーム幅を広げることができ、
同一の駆動周波数の場合はアレイ長さを短くすればビー
ム幅を広げることができる。しかし、ビーム幅θが１０
０°以下で、駆動周波数が数十ＫＨｚ以上になると、ア
レイ長さを短くするにしても構造上限度があり、特に送
波器の場合には、音圧放射レベルの大きさによっては、
キャビテーションの発生や圧電素子の機械的強度限界に
起因して、所望の放射パワーを得ることが困難になり、
また、放射面積が小さくなることから音響実負荷が小さ
くなって、電気音響変換効率が低下する問題がある。
【０００６】上記のような従来技術の問題点を解決する
ために、本発明は、キャビテーションの発生限界を緩和
させるとともに、圧電素子の機械的強度限界から生じる
送波器発生限界を緩和させて、かつ、広いビーム幅を実
現できる超音波送波器を提供することにある。
ために、本発明は、キャビテーションの発生限界を緩和
させるとともに、圧電素子の機械的強度限界から生じる
送波器発生限界を緩和させて、かつ、広いビーム幅を実
現できる超音波送波器を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上述した本発明の目的を
達成するために、複数の圧電振動子を同一直線上に配列
し、各圧電振動子に位相および振幅の異なる複数の電気
信号を加算した合成電気信号を供給することによって、
任意のビーム幅を実現する。さらに、本発明に係る超音
波送波器は、超音波送波器に使用する圧電振動子を、音
響中心軸上の圧電振動子を中心として同一直線上に複数
個配列し、整相方位の異なる複数の超音波ビームを形成
する位相および振幅のことなる複数の電気信号を全て加
算した合成電気信号を、前記各圧電振動子に供給するよ
う構成される。例えば、前記圧電振動子をｎ個配列した
場合には、整相方位０°の超音波ビームを形成するため
の電気信号群をＢとし、整相方位θの超音波ビームを形
成するための電気信号群をＡとし、整相方位−θの超音
波ビームを形成するための電気信号群をＣとした場合
に、前記各圧電振動子に入力される電気信号を全て加算
した合成電気信号（Ａｍ＋Ｂｍ＋Ｃｍ，ｍ：圧電振動子
番号）を、前記各圧電振動子に供給することによって、
３種類の超音波ビームが合成されたようなビーム幅の広
い超音波送波器を実現することができる。ここで、送信
回路には位相制御された複数の電気信号を加算するため
の信号加算器を備える。
達成するために、複数の圧電振動子を同一直線上に配列
し、各圧電振動子に位相および振幅の異なる複数の電気
信号を加算した合成電気信号を供給することによって、
任意のビーム幅を実現する。さらに、本発明に係る超音
波送波器は、超音波送波器に使用する圧電振動子を、音
響中心軸上の圧電振動子を中心として同一直線上に複数
個配列し、整相方位の異なる複数の超音波ビームを形成
する位相および振幅のことなる複数の電気信号を全て加
算した合成電気信号を、前記各圧電振動子に供給するよ
う構成される。例えば、前記圧電振動子をｎ個配列した
場合には、整相方位０°の超音波ビームを形成するため
の電気信号群をＢとし、整相方位θの超音波ビームを形
成するための電気信号群をＡとし、整相方位−θの超音
波ビームを形成するための電気信号群をＣとした場合
に、前記各圧電振動子に入力される電気信号を全て加算
した合成電気信号（Ａｍ＋Ｂｍ＋Ｃｍ，ｍ：圧電振動子
番号）を、前記各圧電振動子に供給することによって、
３種類の超音波ビームが合成されたようなビーム幅の広
い超音波送波器を実現することができる。ここで、送信
回路には位相制御された複数の電気信号を加算するため
の信号加算器を備える。
【０００８】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る超音波送波器
の実施の形態を図面を用いて説明する。まず、本発明に
よる多重信号を用いたビーム合成法について、超音波送
波器のビーム合成法の原理を示す図１を用いて説明す
る。直線上に配列された例えば３個の圧電振動子１ａ〜
１ｃは、それぞれ、整相方位φの超音波ビームＡ，整相
方位０°の超音波ビームＢ，整相方位−φの超音波ビー
ムＣを形成し、これらの超音波ビームが合成されてビー
ム幅の広い超音波ビームＤが得られる。すなわち、整相
方位φの超音波ビームＡを形成する信号群Ａは、音響中
心軸上の圧電振動子１ｂを中心に、信号の位相をそれぞ
れφづつ異ならせたＡａ，Ａｂ，Ａｃの信号から構成さ
れる。整相方位０°の超音波ビームＢを形成する信号群
Ｂは、信号の位相が揃ったＢａ，Ｂｂ，Ｂｃの信号から
構成される。整相方位−φの超音波ビームＣは、音響中
心軸上の圧電振動子１ｂを中心に、信号の位相をそれぞ
れ−φづつ異ならせたＣａ，Ｃｂ，Ｃｃの信号から構成
される。圧電振動子１ａには信号Ａａ，信号Ｂａ，信号
Ｃａが加算された合成信号が、圧電振動子１ｂには信号
Ａｂ，信号Ｂｂ，信号Ｃｂが加算された合成信号が、圧
電振動子１ｃには信号Ａｃ，信号Ｂｃ，信号Ｃｃが加算
された合成信号が、それぞれ供給される。
の実施の形態を図面を用いて説明する。まず、本発明に
よる多重信号を用いたビーム合成法について、超音波送
波器のビーム合成法の原理を示す図１を用いて説明す
る。直線上に配列された例えば３個の圧電振動子１ａ〜
１ｃは、それぞれ、整相方位φの超音波ビームＡ，整相
方位０°の超音波ビームＢ，整相方位−φの超音波ビー
ムＣを形成し、これらの超音波ビームが合成されてビー
ム幅の広い超音波ビームＤが得られる。すなわち、整相
方位φの超音波ビームＡを形成する信号群Ａは、音響中
心軸上の圧電振動子１ｂを中心に、信号の位相をそれぞ
れφづつ異ならせたＡａ，Ａｂ，Ａｃの信号から構成さ
れる。整相方位０°の超音波ビームＢを形成する信号群
Ｂは、信号の位相が揃ったＢａ，Ｂｂ，Ｂｃの信号から
構成される。整相方位−φの超音波ビームＣは、音響中
心軸上の圧電振動子１ｂを中心に、信号の位相をそれぞ
れ−φづつ異ならせたＣａ，Ｃｂ，Ｃｃの信号から構成
される。圧電振動子１ａには信号Ａａ，信号Ｂａ，信号
Ｃａが加算された合成信号が、圧電振動子１ｂには信号
Ａｂ，信号Ｂｂ，信号Ｃｂが加算された合成信号が、圧
電振動子１ｃには信号Ａｃ，信号Ｂｃ，信号Ｃｃが加算
された合成信号が、それぞれ供給される。
【０００９】この原理は、次のように計算式を用いて表
現することができる。圧電振動子番号をａ＝１，２，
３，・・・，ｍとし、各圧電振動子の信号番号をｂ＝
１，２，３，・・・，ｎとし、音響信号の放射方向をθ
とし、整相方位をφ（ａ，ｂ）、アレイ中心を原点とし
たときの原点からの距離をｘ、周波数ｋ（＝２π／
λ）、各信号のシェーディング係数をＡｓ（ａ，ｂ）、
そして圧電振動子の指向特性をＡｄ（θ）とすると、全
圧電振動子の音圧振幅の和のデシベル値Ｐは、下記式
（１）により表される。
現することができる。圧電振動子番号をａ＝１，２，
３，・・・，ｍとし、各圧電振動子の信号番号をｂ＝
１，２，３，・・・，ｎとし、音響信号の放射方向をθ
とし、整相方位をφ（ａ，ｂ）、アレイ中心を原点とし
たときの原点からの距離をｘ、周波数ｋ（＝２π／
λ）、各信号のシェーディング係数をＡｓ（ａ，ｂ）、
そして圧電振動子の指向特性をＡｄ（θ）とすると、全
圧電振動子の音圧振幅の和のデシベル値Ｐは、下記式
（１）により表される。
【００１０】
【数１】 上記、式（１）を用いて計算した、幅λ／２の圧電振動
子３個を配列ピッチλ／２に配列して直線アレイに構成
した超音波送波器の整相方位０°，３５°，８０°にお
けるビームパターン計算結果を図２〜図４に実線で、上
記整相方位の超音波ビームを形成する電気信号を全て加
算した場合のビームパターン計算結果を図５に実線で示
す。なお、本計算に使用した計算条件を、図１０の図表
に示す。図１０の番号３整相方向および番号４シェーデ
ィング係数の欄において、ａ欄は素子番号を表してお
り、１は図１の圧電振動子１ｂを、２は図１の圧電振動
子１ａを、３は図１の圧電振動子１ｃをそれぞれ示して
いる。ｂ欄は、整相方向の角度を示しており、１は整相
方向０°の、２は整相方向３５°の、３は整相方向８０
°の、４は整相方向−３５°の、５は整相方向−８０°
の場合を表している。図１０の番号４シェーディング係
数の欄において、ａ欄は上と同じ素子番号を表し、ｂ欄
はそれぞれのシェーディング係数を示している。また、
図２〜図５に示したグラフ上の破線は、下記式（２）を
用いて計算した圧電振動子幅λ／２のビームパターンで
ある。
子３個を配列ピッチλ／２に配列して直線アレイに構成
した超音波送波器の整相方位０°，３５°，８０°にお
けるビームパターン計算結果を図２〜図４に実線で、上
記整相方位の超音波ビームを形成する電気信号を全て加
算した場合のビームパターン計算結果を図５に実線で示
す。なお、本計算に使用した計算条件を、図１０の図表
に示す。図１０の番号３整相方向および番号４シェーデ
ィング係数の欄において、ａ欄は素子番号を表してお
り、１は図１の圧電振動子１ｂを、２は図１の圧電振動
子１ａを、３は図１の圧電振動子１ｃをそれぞれ示して
いる。ｂ欄は、整相方向の角度を示しており、１は整相
方向０°の、２は整相方向３５°の、３は整相方向８０
°の、４は整相方向−３５°の、５は整相方向−８０°
の場合を表している。図１０の番号４シェーディング係
数の欄において、ａ欄は上と同じ素子番号を表し、ｂ欄
はそれぞれのシェーディング係数を示している。また、
図２〜図５に示したグラフ上の破線は、下記式（２）を
用いて計算した圧電振動子幅λ／２のビームパターンで
ある。
【００１１】
【数２】 図５から分かるように、圧電振動子幅λ／２のビームパ
ターンは左右３５°で約３ｄＢ低下しており、ビーム幅
は約７０°であるのに対し、信号を加算した場合のビー
ムパターンは左右それぞれ約６０°で３ｄＢ低下してお
り、ビーム幅は約１２０°となり、ビーム幅が約５０°
広くなったことが判かる。
ターンは左右３５°で約３ｄＢ低下しており、ビーム幅
は約７０°であるのに対し、信号を加算した場合のビー
ムパターンは左右それぞれ約６０°で３ｄＢ低下してお
り、ビーム幅は約１２０°となり、ビーム幅が約５０°
広くなったことが判かる。
【００１２】
【実施例】図６に本発明に係る超音波送波器の実施の形
態の全体構成図を示す。この実施例の超音波送波器は、
３個の圧電振動子１ａ，１ｂ，１ｃと、送信電気信号を
増幅するパワーアンプ２ａ，２ｂ，２ｃと、複数の送信
電気信号を加算する信号加算器３ａ，３ｂ，３ｃと、送
信電気信号の位相遅延量を制御するとともに位相制御さ
れた送信電気信号を所定の圧電振動子へ分配する位相制
御部４と、所定の周波数の信号を発生する信号発生器５
とから構成される。それぞれ、材質および形状が等しく
λ／２の幅を有して構成された圧電振動子１ａ〜１ｃ
は、音響中心軸上の圧電振動子１ｂを中心に、同一直線
上に等間隔に配列される。
態の全体構成図を示す。この実施例の超音波送波器は、
３個の圧電振動子１ａ，１ｂ，１ｃと、送信電気信号を
増幅するパワーアンプ２ａ，２ｂ，２ｃと、複数の送信
電気信号を加算する信号加算器３ａ，３ｂ，３ｃと、送
信電気信号の位相遅延量を制御するとともに位相制御さ
れた送信電気信号を所定の圧電振動子へ分配する位相制
御部４と、所定の周波数の信号を発生する信号発生器５
とから構成される。それぞれ、材質および形状が等しく
λ／２の幅を有して構成された圧電振動子１ａ〜１ｃ
は、音響中心軸上の圧電振動子１ｂを中心に、同一直線
上に等間隔に配列される。
【００１３】図７に、本実施の形態による圧電振動子の
配列構造の一例を示す。図７に示すように、圧電振動子
１は、λ／２の幅を有した圧電振動子素子１ａ〜１ｃが
剛体からなるバッキング部材１２の上に直線状にλ／２
ピッチで配列され、その両端には、圧電振動子素子の側
面からの放射を全反射させる剛体のバッフル１１が配置
されている。圧電振動子素子１ａ〜１ｃは、それぞれ上
面と下面に電極が構成された柱状の形状を有しており、
各電極から信号線９ａ〜９ｃがそれぞれ引き出されてい
る。この実施例の超音波送波器に使用される圧電振動子
は、数Ｈｚ〜数ＭＨｚの超音波を送受波するものであ
り、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）やポリ弗化ビリニ
デン（ＰＶＤＦ）等の圧電材料が用いられる。
配列構造の一例を示す。図７に示すように、圧電振動子
１は、λ／２の幅を有した圧電振動子素子１ａ〜１ｃが
剛体からなるバッキング部材１２の上に直線状にλ／２
ピッチで配列され、その両端には、圧電振動子素子の側
面からの放射を全反射させる剛体のバッフル１１が配置
されている。圧電振動子素子１ａ〜１ｃは、それぞれ上
面と下面に電極が構成された柱状の形状を有しており、
各電極から信号線９ａ〜９ｃがそれぞれ引き出されてい
る。この実施例の超音波送波器に使用される圧電振動子
は、数Ｈｚ〜数ＭＨｚの超音波を送受波するものであ
り、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）やポリ弗化ビリニ
デン（ＰＶＤＦ）等の圧電材料が用いられる。
【００１４】圧電振動子１ａ〜１ｃは、信号線９ａ〜９
ｃおよびパワーアンプ２ａ〜２ｃを介して信号加算器３
ａ〜３ｃへ接続される。信号発生器５で発生された数Ｈ
ｚ〜数ＭＨｚの送信電気信号は、位相制御部４で時間遅
延されて位相が調整された複数の送信電気信号とされ、
所定の圧電振動子へ分配する信号伝送ケーブル６ａ〜６
ｃ，７ａ〜７ｃ，８ａ〜８ｃを介して、前記信号加算器
３ａ〜３ｃに供給され、信号加算器３ａ〜３ｃで加算さ
れて合成電気信号とされた後、パワーアンプ２ａ〜２ｃ
で増幅されてそれぞれの圧電振動子１ａ〜１ｃへ供給さ
れる。
ｃおよびパワーアンプ２ａ〜２ｃを介して信号加算器３
ａ〜３ｃへ接続される。信号発生器５で発生された数Ｈ
ｚ〜数ＭＨｚの送信電気信号は、位相制御部４で時間遅
延されて位相が調整された複数の送信電気信号とされ、
所定の圧電振動子へ分配する信号伝送ケーブル６ａ〜６
ｃ，７ａ〜７ｃ，８ａ〜８ｃを介して、前記信号加算器
３ａ〜３ｃに供給され、信号加算器３ａ〜３ｃで加算さ
れて合成電気信号とされた後、パワーアンプ２ａ〜２ｃ
で増幅されてそれぞれの圧電振動子１ａ〜１ｃへ供給さ
れる。
【００１５】次に、このように接続された超音波送波器
の動作原理を説明する。まず、信号発生器５で、周波数
変調（ＦＭ）またはパルスコード変調（ＰＣＭ）に変調
された送信電気信号を発生させる。この送信電気信号
は、位相制御部４に送られ、複数の超音波ビームを形成
するのに必要な数の送信電気信号として生成され、複数
の整相方位にビームを形成するために、送信電気信号の
位相遅延が行われ、位相調整された送信電気信号がそれ
ぞれ所定の信号加算器３ａ〜３ｃへと分配される。
の動作原理を説明する。まず、信号発生器５で、周波数
変調（ＦＭ）またはパルスコード変調（ＰＣＭ）に変調
された送信電気信号を発生させる。この送信電気信号
は、位相制御部４に送られ、複数の超音波ビームを形成
するのに必要な数の送信電気信号として生成され、複数
の整相方位にビームを形成するために、送信電気信号の
位相遅延が行われ、位相調整された送信電気信号がそれ
ぞれ所定の信号加算器３ａ〜３ｃへと分配される。
【００１６】図６の実線で示される信号伝送ケーブル６
ａ〜６ｃを通る信号は、超音波ビームＡを形成するため
に位相制御部４において図１に示した信号群Ａのように
整相方位θに位相調整されており、信号伝送ケーブル６
ａには信号Ａａが、伝送ケーブル６ｂには信号Ａｂが、
伝送ケーブル６ｃには信号Ａｃがそれぞれ送られる。点
線で示される信号伝送ケーブル７ａ〜７ｃを通る信号
は、超音波ビームＢを形成するために図１に示した信号
群Ｂのように整相方位０°に位相調整されており、信号
伝送ケーブル７ａには信号Ｂａが、伝送ケーブル７ｂに
は信号Ｂｂが、伝送ケーブル７ｃには信号Ｂｃがそれぞ
れ送られる。１点鎖線で示される信号伝送ケーブル８ａ
〜８ｃを通る信号は超音波ビームＣを形成するために図
１に示した信号群Ｃのように整相方位−θに位相調整さ
れており、信号伝送ケーブル８ａには信号Ｃａが、伝送
ケーブル８ｂには信号Ｃｂが、伝送ケーブル８ｃには信
号Ｃｃがそれぞれ送られる。そして、信号加算器３ａ〜
３ｃにおいて位相調整された各送信電気信号が１つに加
算され、加算された送信電気信号はパワーアンプ２ａ〜
２ｃで増幅され、圧電振動子１ａ〜１ｃにはそれぞれ信
号加算された電気信号が供給される。
ａ〜６ｃを通る信号は、超音波ビームＡを形成するため
に位相制御部４において図１に示した信号群Ａのように
整相方位θに位相調整されており、信号伝送ケーブル６
ａには信号Ａａが、伝送ケーブル６ｂには信号Ａｂが、
伝送ケーブル６ｃには信号Ａｃがそれぞれ送られる。点
線で示される信号伝送ケーブル７ａ〜７ｃを通る信号
は、超音波ビームＢを形成するために図１に示した信号
群Ｂのように整相方位０°に位相調整されており、信号
伝送ケーブル７ａには信号Ｂａが、伝送ケーブル７ｂに
は信号Ｂｂが、伝送ケーブル７ｃには信号Ｂｃがそれぞ
れ送られる。１点鎖線で示される信号伝送ケーブル８ａ
〜８ｃを通る信号は超音波ビームＣを形成するために図
１に示した信号群Ｃのように整相方位−θに位相調整さ
れており、信号伝送ケーブル８ａには信号Ｃａが、伝送
ケーブル８ｂには信号Ｃｂが、伝送ケーブル８ｃには信
号Ｃｃがそれぞれ送られる。そして、信号加算器３ａ〜
３ｃにおいて位相調整された各送信電気信号が１つに加
算され、加算された送信電気信号はパワーアンプ２ａ〜
２ｃで増幅され、圧電振動子１ａ〜１ｃにはそれぞれ信
号加算された電気信号が供給される。
【００１７】図６および図７によって構成される超音波
送波器は、アレイ長を長くしてもビーム幅を広くするこ
とが可能であり、アレイ長を長くすることによってエネ
ルギー密度を下げることができるのでキャビテーション
の発生限界を抑制することができ、所望の放射パワーを
得ることが容易となる。ここで、合成された超音波ビー
ムのビーム幅は、合成される前の超音波ビームの数が同
じである場合には、アレイを構成する圧電振動子数に依
存し、圧電振動子数が少なければ広く、圧電振動子数が
多ければ狭くなる。また、合成された超音波ビームのビ
ーム幅は、圧電振動子数が同じである場合には、合成さ
れる超音波ビームの数に依存し、合成される超音波ビー
ム数が少なければ狭く、逆に多ければ広くなる。しかし
ながら、いずれの場合も単に超音波ビームを合成するだ
けでは、リップルの発生（ビームパターンの乱れ）等の
問題が生じることから、特に合成する超音波ビームの整
相方位等について十分検討する必要がある。本実施例に
よれば、圧電振動子の数を少なくするとともに合成され
る超音波ビームの数を多くすることによって、円弧アレ
イで形成されるビーム幅の広い超音波ビームを直線アレ
イでも簡単に形成することができ、かつアレイを構成す
る圧電振動子数を円弧アレイに比べかなり軽減すること
ができるので、円弧アレイの超音波送波器に比べ、装置
全体の小型，軽量化を図ることができる。
送波器は、アレイ長を長くしてもビーム幅を広くするこ
とが可能であり、アレイ長を長くすることによってエネ
ルギー密度を下げることができるのでキャビテーション
の発生限界を抑制することができ、所望の放射パワーを
得ることが容易となる。ここで、合成された超音波ビー
ムのビーム幅は、合成される前の超音波ビームの数が同
じである場合には、アレイを構成する圧電振動子数に依
存し、圧電振動子数が少なければ広く、圧電振動子数が
多ければ狭くなる。また、合成された超音波ビームのビ
ーム幅は、圧電振動子数が同じである場合には、合成さ
れる超音波ビームの数に依存し、合成される超音波ビー
ム数が少なければ狭く、逆に多ければ広くなる。しかし
ながら、いずれの場合も単に超音波ビームを合成するだ
けでは、リップルの発生（ビームパターンの乱れ）等の
問題が生じることから、特に合成する超音波ビームの整
相方位等について十分検討する必要がある。本実施例に
よれば、圧電振動子の数を少なくするとともに合成され
る超音波ビームの数を多くすることによって、円弧アレ
イで形成されるビーム幅の広い超音波ビームを直線アレ
イでも簡単に形成することができ、かつアレイを構成す
る圧電振動子数を円弧アレイに比べかなり軽減すること
ができるので、円弧アレイの超音波送波器に比べ、装置
全体の小型，軽量化を図ることができる。
【００１８】図８に、本発明の他の実施例に係る超音波
送波器の全体構成図を示す。圧電振動子１ａ〜１ｃから
信号加算器３ａ〜３ｃまでの接続は上記実施例と同じで
あるが、送信電気信号の位相を制御するための位相制御
部４を位相制御部４ａ〜４ｃに分割して圧電振動子数と
同数だけ設ける点で先の実施例と異なる。このように接
続された超音波送波器の動作原理は、上記動作原理とほ
ぼ同じであるが、信号発生器５から直接送信電気信号を
分配しているので、位相制御部４は、位相調整された送
信電気信号を、所定の信号加算器４ａ〜４ｃへ分配する
機能を持っていない。
送波器の全体構成図を示す。圧電振動子１ａ〜１ｃから
信号加算器３ａ〜３ｃまでの接続は上記実施例と同じで
あるが、送信電気信号の位相を制御するための位相制御
部４を位相制御部４ａ〜４ｃに分割して圧電振動子数と
同数だけ設ける点で先の実施例と異なる。このように接
続された超音波送波器の動作原理は、上記動作原理とほ
ぼ同じであるが、信号発生器５から直接送信電気信号を
分配しているので、位相制御部４は、位相調整された送
信電気信号を、所定の信号加算器４ａ〜４ｃへ分配する
機能を持っていない。
【００１９】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の超音波送
波器によれば、整相方位の異なる複数のビームを形成す
る電気信号を信号加算器において合成し、この合成信号
を圧電振動子に供給することで、単純な直線アレイにお
いて、送波ビームパターンのビーム幅を自由に制御する
ことができる。また広いビーム幅をアレイ長を長くして
も実現できるのでキャビテーションの発生限界を抑制す
ることができ、所望の放射パワーを容易に得ることがで
きる。
波器によれば、整相方位の異なる複数のビームを形成す
る電気信号を信号加算器において合成し、この合成信号
を圧電振動子に供給することで、単純な直線アレイにお
いて、送波ビームパターンのビーム幅を自由に制御する
ことができる。また広いビーム幅をアレイ長を長くして
も実現できるのでキャビテーションの発生限界を抑制す
ることができ、所望の放射パワーを容易に得ることがで
きる。
【図１】本発明にかかる超音波送波器のビーム合成原
理。
理。
【図２】計算によって得た整相方位０°のビームパター
ン。
ン。
【図３】計算によって得た整相方位３０°のビームパタ
ーン。
ーン。
【図４】計算によって得た整相方位８０°のビームパタ
ーン。
ーン。
【図５】図２〜図４の整相方位の異なる信号を全て加算
した場合のビームパターン。
した場合のビームパターン。
【図６】本発明にかかる超音波送波器の全体構成図。
【図７】本発明に用いる超音波送波器の構造図。
【図８】本発明にかかる超音波送波器の他の実施例の全
体構成図。
体構成図。
【図９】従来構造による超音波送受波器の構成図。
【図１０】計算条件を示す図表。
１ａ〜１ｃ 圧電振動子 ２ａ〜２ｃ パワーアンプ ３ａ〜３ｃ 信号加算器 ４ａ〜４ｃ 位相制御部 ５ 信号発生器 ６ａ〜８ｃ 信号伝送ケーブル ９ａ〜９ｃ 信号線
Claims (5)
- 【請求項１】 電気信号源と、該電気信号が駆動信号と
して入力される複数の圧電振動子とからなり、該圧電振
動子が電気−音響変換して超音波を発生させる超音波送
波器において、それぞれの圧電振動子に電気信号を供給
する送信回路を有し、前記圧電振動子を、材質および形
状の等しい圧電振動子が、音響中心軸上の圧電振動子を
中心に同一直線上に複数個配列して構成し、 位相および振幅の異なる複数の電気信号を合成し、前記
配列された各圧電振動子に該合成信号を供給することを
特徴とした超音波送波器。 - 【請求項２】 送信回路を複数個備え、前記圧電振動子
が個々別々に送信できるようにした請求項１記載の超音
波送波器。 - 【請求項３】 送信回路が、電気信号の位相を制御する
とともに、位相制御された電気信号を前記圧電振動子に
分配する位相制御部を備える請求項１または請求項２記
載の超音波送波器。 - 【請求項４】 送信回路が、複数の電気信号を加算し前
記圧電振動子に供給するための信号加算器を備える請求
項１ないし請求項３のいずれか記載の超音波送波器。 - 【請求項５】 圧電振動子が柱状圧電振動子である請求
項１ないし請求項４のいずれか記載の超音波送波器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8109268A JPH09292458A (ja) | 1996-04-30 | 1996-04-30 | 超音波送波器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8109268A JPH09292458A (ja) | 1996-04-30 | 1996-04-30 | 超音波送波器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09292458A true JPH09292458A (ja) | 1997-11-11 |
Family
ID=14505870
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8109268A Pending JPH09292458A (ja) | 1996-04-30 | 1996-04-30 | 超音波送波器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09292458A (ja) |
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS54109535U (ja) * | 1978-01-18 | 1979-08-01 | ||
| JPS58155192U (ja) * | 1982-04-13 | 1983-10-17 | ソニー株式会社 | 拡声用スピ−カ装置 |
| JPS62120800A (ja) * | 1985-11-21 | 1987-06-02 | Tokyo Keiki Co Ltd | トランスジユ−サ |
| JPH01107983U (ja) * | 1988-01-14 | 1989-07-20 | ||
| JPH01107982U (ja) * | 1988-01-14 | 1989-07-20 | ||
| JPH06114056A (ja) * | 1992-10-07 | 1994-04-26 | Shimadzu Corp | 超音波診断装置 |
| JPH08628A (ja) * | 1994-04-21 | 1996-01-09 | Hitachi Medical Corp | 超音波断層装置 |
| JPH0838473A (ja) * | 1994-07-29 | 1996-02-13 | Hitachi Medical Corp | 超音波診断装置 |
| WO1996004589A1 (en) * | 1994-08-05 | 1996-02-15 | Acuson Corporation | Method and apparatus for transmit beamformer system |
-
1996
- 1996-04-30 JP JP8109268A patent/JPH09292458A/ja active Pending
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20040812 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20050105 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20050225 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20051004 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20060307 |