JPS5821993B2 - 超音波変換方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は超音波装置に用いられる超音波変換方法に関し
、特に収束した超音波の発生又は検出の為の方法に関す
る。

光学的には不透明な媒質でも、音響的に透明でありさい
ずれば、Ｘ線による透視と同様に音波による透視像の観
測が可能である。

光学的不透明体の超音波による撮像は医療診断、顕微鏡
、非破壊検査、海底の模様の観測、地震研究の分野への
応用が可能である。

従来の超音波トランスデユーサとしては、音響位相板を
用いるもの、環状アレイを用いるもの、音響レンズを用
いるもの、光−音響トランスデユーサを用いるもの、な
どが提案されている。

しかしながら超音波撮像に必要な音波の収束という点で
なお改善の余地があるのが実情である。

以上の点を改善するために本出願人等は先に特願昭５２
−３１５０７その他により収束性の優れた超音波ビーム
を発生する超音波トランスデユーサを提案した。

このトランスデユーサは圧電性物質の表面にもうけられ
液体に接するインターディジタル電極（すだれ状電極と
呼ばれることもある）に交流信号を印加することにより
超音波ビームを発生させるものである。

上記従来のトランスデユーサは収束超音波を発生させる
ことは出来るが、収束された超音波は直線上に収束する
。

つまり１次元の収束である。

従って本発明の目的は従来の超音波トランスデユーサを
更に改善して点上に収束する超音波つまり二次元の面内
で１点に収束をする超音波を発生する方法を提供するこ
とにある。

この目的を達成するための本発明の特徴は、一方の表面
に、電氏指の長手方向に配列される複数のインターディ
ジタル電極を有する圧電性物質を、電極が液体に接する
ごとく設置し、該インターディジタル電極は複数の平行
な細長電極指を有するくしの歯状電極を複数組具備し各
くしの歯状電極の電極指が交互にオーバーラツプして配
置される構造を有し、前記電極指の間隔は前記液体中に
放射される超音波ビームを電極指と直交する方向に収束
させるごとく決定され、各インターディジタル電極に同
一周波数で、位相が電極指の長手方向に収束するごとく
定められる電気信号を印加又は検出することにより、電
気エネルギと超音波エネルギとの間での変換を行なうご
とき超音波変換方法にある。

以下図面により実施例を説明する。

第１図は本発明による収束超音波トランスデユーサの構
造例で、容器１の中に液体２がもうけられ、該液体の中
に、表面にすだれ状電極４を有する圧電性物質３がもう
けられる。

液体としては、水、エーテル、アセトン、グリセリンな
どが可能である。

電極４は第２図Ａにしめすごとく、＜シの歯状の電極を
交互にインターディジタルに配置し、端子ａ及びｂに交
流信号を印加する単相電極、及び第２図Ｂにしめすごと
く、インターディジタルに構成される電極を３本目毎に
接続し、端子ａ。

ｂ及びＣから３相交流信号を印加する３相電極、又は同
様にｎ（ｎは４以上の自然数）木目毎の電極を相互に接
続してｎ相交流信号を印加する多相電極が可能である。

単相電極の場合は超音波ビームが２本発生するのに対し
、３相電極の場合は単一の超音波ビームが得られる。

電極の材料としては例えびＣｒとＡｕを組合せたのが耐
水性が強く良好である。

圧電性物質としてはＬｉＮｂＯ３、水晶、Ｂｉ１２Ｇｅ
Ｏ２０，ＰＺＴ系磁器（例えば東京電気化学工業■製９
１Ａ材）などが可能である。

次に電極の間隔について第３図により説明する。

周波数ｆの音波のある液体中での波長λｆと、ビームの
最大出力の方向（角度θ）との関係は次式により定まり
、この式は本発明者による実験結果とよく一致する。

ｓｉｎθ＝λｆ／ｄ ・（１） ここでｄは電極周期である。

従って第３図において、各電極から発生する音波が点Ｐ
に収束するためには（つまり各点で発生する音波が点Ｐ
を通りかつ同相となる条件） ７乳＝ Ｒｎ−Ｌ２＝ ｋｌ ｎλｆＬ＋に２ｎ”λ２
ｆ・（２）が成立する必要がある。

ここでγ。はｎ番目の電極とＱ点との距離、Ｒｎはｎ番
目の電極とＰ点との距離、ｋｌとに２は定数である。

（ｋ１＋に２）の値は単相電極に対して（１，、）、３
相電極に対１ して（Ｔ、Ｔ）である。

電極の間隔は（１）式及び（２）式をコンピュータによ
り計算することにより求められる。

次に各圧電性物質と液体との組合せに対するビーム放射
角度θの実験結果を次表に示す。

上表から、θの値を小さくするには、音波の速度の遅い
液体と表面波伝送速度が早い圧電体とを組合せれば良い
ことがわかる。

又、以上の説明から音波の収束状況が音波の周波数によ
って変化することは明らかで、その実験結果を第４図及
び第５図にしめず（なお圧電体は９１Ａ材、液体は水で
ある）。

第４図は、各周波数で指向特性を観測し、指向特性曲線
から音波ビームの形状を求めた結果で、横軸は音波から
の距離、たて軸はビームの幅をしめす。

第４図から各周波数に対する焦点距離を求めると第５図
のとと、 １ くなる。

又トランスデユーサの電極パターンを百に縮尺して特性
を調べたところ、中心周波数５ＭＨｚで焦点距離１６Ｃ
ｒｒＬ１ ビーム幅３．８框を示しハス周波数の変化に
対する焦点距離も同様に変化した。

従って本発明によるトランスデユーサは相似関係を満足
することがわかる。

以上の構造により超音波ビームをひとつの方向（Ｘ方向
）に収束させることが出来る。

次にビームのＸ方向への収束について説明する。

第６図は本発明による超音波トランスデユーサの構造例
で、圧電性物質３の上に複数のすだれ状電極４ａ 、４
ｂ ｔ ４ｃ ｆ・・・・・・４１がもうけられ、これ
らのすだれ状電極により電極群１０が構成される。

各すだれ状電極の電極周期に関しては、先に第３図及び
第２式で説明した条件が成立するものとする。

又各すだれ状電極４ａ、４ｂ、４ｃ、・・・・・・は図
示のごとく電極指の長手方向に配列されるものとする。

なお第６図の各すだれ状電極は実際には第１図のごとく
液体に接して用いられるが、図示の簡単のため第６図で
は液体を省略する。

第６図の構成において、電極構成が先に第３図及び第２
式により説明した関係を満足するので、この関係により
超音波ビームはＸ方向に収束し、すだれ状電極の数に対
応した数のＸ方向収束ビームが得られる。

一方、ｙ軸方向の特性に関しては複数のすだれ状電極４
ａ ＋ ４ ｂ ＊ ４ Ｃｔ・・・・・・はちょう
ど光学なおける回折格子と同様の機能をはたす。

従って各すだれ状電極に印加する電気信号を同一周波数
で位相差のある信号（φ１．φ２．φ３゜φ４・・・・
・・）とすることにより発生する超音波の位相がすだれ
状電極毎に異って全体としてＸ軸に平行な線の上にビー
ムを収束させることが出来る（ｙ軸方向の収束）。

結果として、Ｘ軸方向の収束とｙ軸方向の収束とを組合
せることにより点Ｆに収束する二次元の収束超音波を得
ることが出来る。

いま、ｙ軸方向のｎ番目のすだれ状電極のｙ軸方向の位
置をｙ。

、信号の角周波数をωい基準値からの位相ずれΔφ（ｙ
、）の信号を印加されたときに放射される音波のトラン
スデユーサの前方（ｙ、ｚ）に位置する線に到達したと
きの音波の位相をφｎ（Ｙ ｔ Ｚ ）とするとφｎ（
’ｉ’ ｔ Ｚ）は液・体中での音速をυい時間をｔと
して次式であられされる。

ここで次式が成立すると各すだれ状電極からの超音波ビ
ームは全て同相となり、従って同相の線の；上に収束す
る。

なお２は電極からの焦点方向の距離である。

ω。

（÷−ニジ）十Δφ（ｙｏ）＝２ｍπ・・・（３）ｙ
ｙ ０ｗ ２ｚυ７ ただしｍは整数、又各すだれ状電極の間の距離を、７１
？とするとｙ ｎ ”” ｎ １３となる。

′従って上式を満足する位相の電気信号を第６図
の各すだれ状電極に印加することにより一本の線の上に
収束する超音波ビームを得ることができる。

位相差をもった電気信号はタップを有する表面波遅延線
によって得ることが出来、あるいは公知の回路技術を組
合せて得ることが出来る。

ｙ軸方向の収束の実験例として、圧電性物質に東京電気
化学工業■製圧電磁器９１Ａ材を使用し、電極周期４２
８μｍの等間隔のすだれ状電極（インターディジタル電
極）を１０個用いて、周波数５、０ ＭＨｚで上記式を
満足する位相の信号を印加したところ、トランスデユー
サからの距離が２０ｃｒｒＬの位置にある平面内に１本
の線状のビームを得ることが出来た。

第７図は本発明による超音波トランスデユーサの別の構
造例で、単一の圧電性の基板３の上に、第６図に示す電
極群１０が１０ａ、１０ｂのときく複数個もうけられる
。

電極群１０ａはすだれ状電極４ ａ ＋ ４ ｂ ＋・
・・・・・を有し、別の電極群１０ｂはすだれ状電極４
ａ’ ＋ ４ ｂ’ 、・・・・・・を有する。

各電極群における電極周期ｄ及びすだれ状電極のｙ軸方
向の位置は相互に異なるものとする。

各電極群の超音波ビームの収束位置は印加周波数及び電
極群の構造に依存するので、第７図の構造のトランスジ
ューサを用いて電気信号を切換使用することにより焦点
距離の可変な収束超音波を得ることが出来る。

もちろん３個以上の電極群を単一の圧電性物質の上にも
うけることも可能である。

以上詳しく説明したごとく、圧電性物質の上に適当な間
隔で配置されたすだれ状電極を、電極指の長手方向に複
数個もうけたトランスデユーサを電極が液体に接するご
とく配置して各電極に同一周波数で位相の異なる交流信
号を印加することにより、点状に収束する超音波ビーム
が得られる。

なお電極表面をシリコンラバーのごとき保護膜で覆うこ
とにより電極の劣化から保護することが出来る。

なお上記実施例では主に超音波の発生を例に説明したが
、本発明によるトランスデユーサは超音波を検出して電
気エネルギに変換することも可能である。

このとき焦点から発生する超音波に対して強い電気信号
が発生する。

本発明の応用は、単に撮像用に限定されるものではなく
、音波ビームを収束させる必要のある用途に一般に適用
可能であり、例えば、ビームを液体と空気の境界面に収
束させて、液体の霧化を行なわせることが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による超音波トランスデユーサの構造例
、第２図Ａ及びＢは電極４の構造例、第３図は本発明の
動作説明図、第４図と第５図は実験結果の１例を示す図
、第６図は本発明による超音波トランスデユーサの別の
構造例、第７図は本発明による超音波トランスデユーサ
の更に別の構造例である。 １：容器、２；液体、３；圧電性物質、４゜４ａ、４ｂ
、４ａ’、４ｂ’：すだれ状電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 一方の表面に、電極指の長手方向に配列される複数
   のインターディジタル電極を有する圧電性物質を、電極
   が液体に接するごとく設置し、該インターディジタル電
   極は複数の平行な細長電極指を有するくしの歯状電極を
   複数組具備し各くしの歯状電極の電極指が交互にオーバ
   ーラツプして配置される構造を有し、前記電極指の間隔
   は前記液体中に放射される超音波ビームを電極指と直交
   する方向に収束させるごとく決定され、各インターディ
   ジタル電極に同一周波数で、位相が電極指の長手方向に
   収束するごとく定められる電気信号を印加又は検出する
   ことにより、電気エネルギと超音波エネルギとの間での
   変換を行なうことを特徴とする超音波変換方法。 ２ 前記各インターディジタル電極の電極構造が、γｈ
   −に１ｎλｆ Ｌ ＋ ｋ ２ ｎ ”λ）（γ。 はｎ番目の電極と焦点との間の水平距離λｆは液体中の
   周波数ｆの音波の波長、Ｌは電極と焦点との間の垂直距
   離、ｋｌとに２は定数）を満足するごとく定められ、各
   インターディジタル電極に印加又は検出される電気信号
   の位相が次式：％式％） ここでｍは整数、ω０は電気信号の角周波数、υ７は液
   体中での音速、’／Ｈはｎ番目のすだれ状電極の基準点
   からの距離、Δφ（ｙ、 ）はｎ番目のすだれ状電極に
   印加（又は誘起）される電気信号の位相、（ｙ、Ｘ）は
   座標、を満足するごとき特許請求の範囲第１項記載の超
   音波変換方法。 ３ 特許請求の範囲第１項における液体が水、エーテル
   、アセトン又はグリセリンである超音波変換方法。 ４ 電極周期とインターディジタル電極の配列の間隔と
   が相互に異なる複数の電極群が単一の圧電性物質の表面
   にもうけられ、電極群の中のひとつを選択的に用いるこ
   とにより超音波ビームの特性を切替えるごとき特許請求
   の範囲第１項記載の超音波変換方法。