JPS5821994B2 - Ultrasonic conversion method - Google Patents

Ultrasonic conversion method

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JPS5821994B2
JPS5821994B2 JP52152966A JP15296677A JPS5821994B2 JP S5821994 B2 JPS5821994 B2 JP S5821994B2 JP 52152966 A JP52152966 A JP 52152966A JP 15296677 A JP15296677 A JP 15296677A JP S5821994 B2 JPS5821994 B2 JP S5821994B2
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electrode
ultrasonic
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electrodes
conversion method
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JP52152966A
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JPS5485713A (en
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戸田耕司
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TDK Corp
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    • GPHYSICS
    • G10MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10KSOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/18Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound
    • G10K11/26Sound-focusing or directing, e.g. scanning
    • G10K11/34Sound-focusing or directing, e.g. scanning using electrical steering of transducer arrays, e.g. beam steering
    • G10K11/341Circuits therefor
    • G10K11/346Circuits therefor using phase variation

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の発生又は検出
のための方法及びトランスデユーサに関し、特に平行ビ
ーム超音波を発生又は検出する方法及びトランスデユー
サに関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a method and transducer for generating or detecting ultrasound waves used in an ultrasound device, and more particularly to a method and transducer for generating or detecting parallel beam ultrasound waves.

光学的には不透明な媒質でも、音響的に透明でありさえ
すれば、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。
Even if the medium is optically opaque, as long as it is acoustically transparent, it is possible to observe a transparent image using sound waves in the same way as using X-rays.

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。
Ultrasonic imaging of optically opaque objects can be applied to the fields of medical diagnosis, microscopy, nondestructive testing, observation of ocean floor patterns, and earthquake research.

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。
Conventional ultrasonic transducers that use an acoustic phase plate, an annular array, an acoustic lens, a photo-acoustic transducer, and the like have been proposed.

しかしながら超音波撮像に必要な音波の特性という点で
なお改善の余地があるのが実情である。
However, the reality is that there is still room for improvement in terms of the characteristics of the sound waves necessary for ultrasound imaging.

さらに、従来のトランスデユーサは励起された超音波ビ
ームを収束させることを前提としているが、収束しない
平行なビームでもビームを移動させることにより音響撮
像用として十分に利用することが出来る。
Further, although conventional transducers are based on the premise of converging an excited ultrasonic beam, even a parallel beam that does not converge can be sufficiently utilized for acoustic imaging by moving the beam.

従来のこの種の装置はバルク振動をする複数個のトラン
スデユーサ・エレメントの組合せにより平行ビームを放
射し、同時に信号処理技術によって電気信号が印加され
るトランスデユーサを移動させることにより音源からの
平行ビームをX軸方向に移動させている。
Conventional devices of this type emit a parallel beam using a combination of multiple transducer elements that vibrate in bulk, and at the same time, signal processing technology is used to move the transducer to which electrical signals are applied, thereby emitting sound from the sound source. The parallel beam is moved in the X-axis direction.

しかしながら従来のこの方式では、多数のエレメントか
らなるトランスデユーサを作成するに際して1枚の圧電
材料を機械的に切削分割する技術が用いられているので
、製作上の再現性に問題があり、かつ使用周波数の上限
が制限されていた。
However, in this conventional method, a technique is used to mechanically cut and divide a single piece of piezoelectric material to create a transducer consisting of a large number of elements, so there are problems with manufacturing reproducibility and The upper limit of frequencies used was restricted.

従って本発明は従来の技術の上記欠点を改善することを
目的とし、その特徴は、一方の表面にインターディジタ
ル電極を有する圧電性物質を該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、電極に印加又は、誘起する交流信号
と超音波との変換を行なう方法において、インターディ
ジクル電極の電極周期が一様であり、当該インターディ
ジタル電極に選択的に交流電気信号が印加され、かつ選
択される電極指を電極指の配列にそって順次移動される
ことにより、インターディジタル電極から所定の方向に
方射されかつ時間的に平移動する超音波ビームを発生さ
せるごとき超音波変換方法、及び同じ原理による超音波
検出方法にある。
Therefore, an object of the present invention is to improve the above-mentioned drawbacks of the prior art, and its characteristics are that a piezoelectric material having an interdigital electrode on one surface is installed so that the electrode is in contact with a liquid, and the interdigital electrode is , has a structure in which a plurality of sets of comb tooth-like electrodes having a plurality of parallel elongated electrode fingers are arranged, and the electrode fingers of each comb tooth-like electrode are arranged in an alternately overlapping manner, and the electrodes are applied or induced. In the method of converting an alternating current signal and an ultrasonic wave, the electrode period of the interdigital electrode is uniform, an alternating current electrical signal is selectively applied to the interdigital electrode, and a selected electrode finger is connected to the electrode finger. An ultrasonic conversion method in which an ultrasonic beam is emitted from an interdigital electrode in a predetermined direction and moves horizontally in time by sequentially moving along an array of interdigital electrodes, and an ultrasonic detection method based on the same principle. It is in.

以下図面により詳細ζこ説明する。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)
4を有する圧電性物質3がもうけられる。
The details will be explained below with reference to the drawings. FIG. 1 shows an example of the structure of a focused ultrasound transducer according to the present invention, in which a liquid 2 is provided in a container 1, and interdigital electrodes (sometimes called interdigital electrodes) are disposed on the surface of the liquid.
A piezoelectric material 3 having 4 is produced.

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。
Possible liquids include water, ether, acetone, glycerin, etc.

電極4は第2図Aにしめすごとく、くしの歯状の電極を
交互にインターディジタルに配置し、端子C及びai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ai、bi及びci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
)本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。
The electrode 4 consists of a single-phase electrode, which has comb-shaped electrodes arranged in an interdigital manner alternately, as shown in FIG. A three-phase electrode that connects every third digitally configured electrode and applies a three-phase AC signal from terminals ai, bi, and ci, or similarly connects every nth electrode (n is a natural number of 4 or more) to each other. A multi-phase electrode is possible, which is connected to the N-phase AC signal to apply an n-phase AC signal.

単相電極の場合は超音波ビームが両方向に2本(第1図
の実線及び点線)発生するのに対し、3相電極の場合は
単一方向の1本の超音波ビームが得られる。
In the case of a single-phase electrode, two ultrasonic beams are generated in both directions (solid line and dotted line in FIG. 1), whereas in the case of a three-phase electrode, one ultrasonic beam in a single direction is obtained.

電極の材料としては例えばCrとAuを組合せたのが耐
水性が強く良好で、電極は写真蝕刻法により圧電板の上
に形成されるか又は写真蝕刻法により形成されたマスク
を介して蒸着によってもうけられる。
As for the material of the electrode, for example, a combination of Cr and Au has good water resistance and strong water resistance.The electrode is formed on the piezoelectric plate by photolithography, or by vapor deposition through a mask formed by photolithography. You can make money.

圧電性物質としてはL1Nb03、水晶、B i12
G e 02 。
Piezoelectric materials include L1Nb03, crystal, and B i12.
G e 02 .

。PZT系磁器(例えば東京電気化学工業株製91A材
)などが可能である。
. Possible materials include PZT-based porcelain (for example, 91A material manufactured by Tokyo Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.).

電極の周期dと超音波ビームの最大出力の方向θとの関
係はsinθ=λf/dにより定まる(λfは超音波f
の音波の液体中での波長である)。
The relationship between the period d of the electrode and the direction θ of the maximum output of the ultrasonic beam is determined by sin θ = λf/d (λf is the ultrasonic wave f
is the wavelength of a sound wave in a liquid).

この式から電極周期dを一様とすれば、すだれ状電極か
らは角度θの方向の平行な超音波ビームが得られること
がわかる。
From this equation, it can be seen that if the electrode period d is made uniform, a parallel ultrasonic beam in the direction of the angle θ can be obtained from the interdigital electrode.

又周波数を変化させることにより、放射方向θが変化す
ることがわかる。
It can also be seen that by changing the frequency, the radiation direction θ changes.

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。
Next, the experimental results of the beam radiation angle θ for each combination of piezoelectric material and liquid are shown in the following table.

この表からθの値を小さくするには、音波の速度の遅い
液体と表面波伝播速度が早い圧電体とを組合せれば良い
ことがわかる。
From this table, it can be seen that in order to reduce the value of θ, it is sufficient to combine a liquid with a low acoustic wave velocity and a piezoelectric body with a high surface wave propagation velocity.

第3図Aは第2図Aの単相電極の場合における電極への
交流信号の印加の時間関係を示し、X軸方向に配列(電
極指の配列の方向)される電極a1 、 a2 t a
3 t・・・には、第3図Aにしめすごとく、順次選択
的に交流信号が印加される。
FIG. 3A shows the time relationship of application of an AC signal to the electrode in the case of the single-phase electrode of FIG.
As shown in FIG. 3A, alternating current signals are sequentially and selectively applied to 3t....

従って電極から発生する超音波ビームはX軸方向に時間
的に移動する。
Therefore, the ultrasonic beam generated from the electrode temporally moves in the X-axis direction.

このような交流信号を印加する為の回路としては、例え
ばタップ付遅延線の各タップを電極a1. a2 +
a3 t・・・に対応させることが可能である。
As a circuit for applying such an alternating current signal, for example, each tap of a tapped delay line is connected to electrode a1. a2 +
It is possible to correspond to a3 t...

第3図Bは第2図Bの3相電極に印加する電圧を示す。FIG. 3B shows the voltages applied to the three-phase electrodes of FIG. 2B.

3本目毎に配置される電極ai、b!、ciには相互に
120°の位相差を有する同一周波数の交流信号が第3
図Bに示すごとく順次印加され、時間的にある瞬間には
図に斜線で示すごとく、唯3本の電極のみに交流電圧が
印加される。
Electrodes ai, b placed every third electrode! , ci have the same frequency AC signals with a phase difference of 120° from each other.
The AC voltage is applied sequentially as shown in Figure B, and at a certain moment in time, the AC voltage is applied to only three electrodes as shown by diagonal lines in the figure.

なお第2図Aでは3対の電極を1セクシヨンとする構成
を例示するが、電極を固定的なセクションとせずに信号
処理のタップとの接続端子を1:1で結びつければより
緻密なX軸方向へのビームのシフトが可能である。
Although Fig. 2A shows a configuration in which three pairs of electrodes constitute one section, if the electrodes are not made into fixed sections and the connection terminals with the signal processing taps are connected in a 1:1 ratio, a more precise X Axial beam shifting is possible.

本発明の実験例として東京電気化学工業株製の圧電磁器
91A材(基板表面に対して垂直方向分極、長さ70朋
、幅201Lm、厚さ6m11L)の表面に電極周期8
56μm1電極重なり幅IQmsのすだれ状電極をもう
け、液体として水を電極に接しさせ、高周波パルス電気
信号を印加することにより良好な平行音波ビームが放射
されることが観測された。
As an experimental example of the present invention, a piezoelectric ceramic 91A material manufactured by Tokyo Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd. (polarized perpendicular to the substrate surface, length 70 mm, width 201 Lm, thickness 6 m11 L) was coated with an electrode period of 8.
It was observed that a good collimated sound beam was emitted by providing interdigital electrodes with a width of 56 μm/electrode overlap IQms, bringing water as a liquid into contact with the electrodes, and applying a high-frequency pulse electric signal.

同時に、高周波パルスのキャリア周波数を変化させたと
ころ、トランスデユーサからの音波ビームの方向θは第
4図に示すごとく変化した。
At the same time, when the carrier frequency of the high-frequency pulse was changed, the direction θ of the acoustic beam from the transducer was changed as shown in FIG.

従って周波数を変化させることにより音波ビームの方向
を電気的に変化させることが出来る。
Therefore, by changing the frequency, the direction of the acoustic beam can be electrically changed.

以上実施例により詳しく説明したごとく、一様な周期の
すだれ状電極に、電極を順次切替えながら高周波信号を
印加することにより、ビームが平行移動をする超音波ビ
ームを発生させることが出来る。
As described in detail in the embodiments above, by applying a high frequency signal to interdigital electrodes having a uniform period while sequentially switching the electrodes, it is possible to generate an ultrasonic beam in which the beam moves in parallel.

なお上記実施例は主に超音波の発生について説明したが
、同じ構造により超音波を検出して対応する交流信号を
得ることもできる。
In addition, although the above embodiment mainly describes the generation of ultrasonic waves, the same structure can also be used to detect ultrasonic waves and obtain a corresponding alternating current signal.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明による超音波発生(検出)装置の構造例
、第2図A及び第2図Bはすだれ状電極の構成例、第3
図A及び第3図Bはすだれ状電極に印加する交流信号の
時間関係図、第4図はすだれ状電極に印加する周波数と
ビームの方向を示すグラフである。 1;容器、2;液体、3;圧電性物質、4;すだれ状電
極。
FIG. 1 is an example of the structure of an ultrasonic generation (detection) device according to the present invention, FIGS. 2A and 2B are examples of the structure of interdigital electrodes, and FIG.
Figures A and 3B are time relationship diagrams of alternating current signals applied to the interdigital electrodes, and Figure 4 is a graph showing the frequency and beam direction applied to the interdigital electrodes. 1; container; 2; liquid; 3; piezoelectric material; 4; interdigital electrode.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 一方の表面にインターディジタル電極を有する圧電
性物質を該電極が液体に接するごとく設置し、該インタ
ーディジクル電極は、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、
電極に印加又は誘起する交流信号と超音波との変換を行
なう方法において、インターディジタル電極の電極周期
が一様であり、当該インターディジクル電極に選択的に
交流電気信号が印加され、かつ選択される電極指を電極
指の配列にそって順次移動させることにより、インター
ディジタル電極から所定の方向に放射されかつ時間的に
平行移動する超音波ビームを発生させることを特徴とす
る超音波変換方法。 2 交流電気信号の周波数を変化させることにより超音
波ビームの放射方向を変化させる特許請求の範囲第1項
記載の超音波変換方法。
[Claims] 1. A piezoelectric material having an interdigital electrode on one surface is installed so that the electrode is in contact with a liquid, and the interdigital electrode has a comb-like shape having a plurality of parallel, elongated electrode fingers. It has a structure in which a plurality of electrodes are provided and the electrode fingers of the tooth-shaped electrodes of each comb are arranged in an alternately overlapping manner,
In the method of converting an alternating current signal applied or induced to an electrode into an ultrasonic wave, the electrode period of the interdigital electrode is uniform, the alternating current electric signal is selectively applied to the interdigital electrode, and the selected An ultrasonic conversion method characterized by generating an ultrasonic beam emitted from an interdigital electrode in a predetermined direction and moving in parallel in time by sequentially moving electrode fingers along an array of electrode fingers. 2. The ultrasonic conversion method according to claim 1, wherein the radiation direction of the ultrasonic beam is changed by changing the frequency of the AC electric signal.
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