JPS5844343A - 音波探触子 - Google Patents

音波探触子

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JPS5844343A
JPS5844343A JP57139930A JP13993082A JPS5844343A JP S5844343 A JPS5844343 A JP S5844343A JP 57139930 A JP57139930 A JP 57139930A JP 13993082 A JP13993082 A JP 13993082A JP S5844343 A JPS5844343 A JP S5844343A
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JP
Japan
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lens
aperture
sound
probe
sound pressure
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JP57139930A
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JPS615098B2 (ja
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Hiroshi Kanda
浩 神田
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/221Arrangements for directing or focusing the acoustical waves

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)

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】 本発明は高周波音波エネルギーな用いる装置の音波探触
子、特に音波顕微鏡に用いて好適な音波探触子に関する
0 近年、1GHzに及ぶ高周波音波の発生、検出が可能と
なったために水中での青波長として約1ミクロンが得ら
れ、従って音波エネルギーを用いた顕微鏡が実現される
様になった。
即ち1着るしく狭い音波ビームを作成し、これ全試料に
あて、試料による反射、散乱、透過減衰といったじよう
乱音波エネルギーを検出して試料の弾性的性質を反映し
た情報な得るのである。集束音波ビームで試料面を2次
元に走査し、この走査と同期して上記じよう乱エネルギ
ーなプラウy管に表示すれば音波顕微鏡像が得られるの
である。
かかる装置では如何にして細い超音波ビームを作成する
かが、分解能といったこのIm装置に必須の基本特性や
決定する。凧1図を参照して従来例について、サファイ
ア等の円柱状の結晶20は一端面は光学研−された平面
で他端面には凹面状の穴25が形成されている。圧電薄
膜15に信号源10よりRF電気信号を印加し、結晶2
0内に平面波のRF音波を放射する。この平面音波は凹
面穴25に形成される結晶−媒質(主として水)30の
界面で構成された正の音響レンズにより。
その断点焦点下に集束される。周知の様に焦点距離と開
口の比、即ちレンズのFナンバが充分に小さいと波長程
度の著るしく狭い超音波ビームな作成する事が出′来る
。このビームの照射により生起された試料にからのじよ
う乱超音波エネルギーの受渡には、上記結晶20と圧電
体15を用いてもよいしく反射モード)、又は第1図と
同様の結晶と圧電体を共焦点に対向配置させてもよい(
a過モード)0 曲率半径Rの凹面音響レンズ40において、レンズ材の
音速及び媒質の音速なそれぞれC1,0□と、前面焦点
距離Fは F=□       (1) 1−0□10□ 又、背面焦点距離F′は F’−R(01イo、)    (2)層変換する事で
求められる。光学のレンズ理論によると、良好な集束効
果を得るためには背面焦点面の音圧分布として、一様撮
巾で一様位相の平面波か、又はガウス分布状の振巾1位
相分布の平面波?用いる事が要求される。(他の振巾分
布でも集束効果は得ら5れるがレンズの収差の関係で多
数枚の複合レンズを必要とし工業上得策ではない)。
1!1図に示した圧電薄膜を駆動した場合、レンズ内の
背面焦点面に生ずる音圧分布け、音波間の干渉によって
複雑な変化を示すから、圧電薄膜の開口径2ρ。、薄膜
からレンズの背面焦点1での距離2 j、レンズの開口
径2afどう選択するかがレンズ設計の要となる。
第2図はこれ等の値な用いて、圧電薄膜からレンズ内に
どの様な音圧分布の音波が放射されているか5模式的に
示したものである。図中右側の曲線は軸上音圧分布な、
右側の曲線は方位分布をそれぞれρ。′/λ(λは使用
音波長な示す)で規格化した距離1に対して示している
。圧電薄膜面からρ。′/λまでの距離は、いわゆる近
距離音場と呼ばれる領域で音波の干渉により複雑なパタ
ーンを示して―るが、ρX7λ以上の距離ではいわゆる
遠方音場となってガウス分布に似た分布&fLしている
事がわかる。ここにρ。′/λは1通常7レネル(Fr
esnel )焦点2呼ばれる。
従つて、従来は覇1に上記レンズ設計の要請から、レン
ズの背面焦点面に遠方音場の音圧分布を形成する様に、
ρ。、J、a  f設計していた。即ち1=ρ。′/λ
としてa=ρ。とする吃のである。
この場合には、第2図より背面焦点面にはガウス分布状
の音圧分布の音波が入射する事は明らかである。即ち、
第3図に示す如く、圧電薄膜からρ。/λの距離の点A
 (第2図に示される8点)における音圧分布で示され
る音波を口径2a(=2ρ。)のレンズに照射するので
ある。
また、従来用2の方法として音波間の干渉が生じない様
己レンズの背面焦点面と圧電薄膜間の距離な波長程度に
狭める設計がとられていた。
而して、第2の方法は周波数がMHz領域で多用されて
いるが、GHz領域では殆んど実用性がない。何故なら
、レンズ材料としてサファイア?用いた場合、IGHz
での音波は約11μmであり。
極めて薄いレンズ?作成せねばならないからである0 このため第1の方法が唯一実用化されている方法である
。しかしながら従来の$1の方法は以下の様な欠点を有
する。即ち。
第1に周波数を上げていくとフレネル焦点距離ρ。2/
λなる距、離はどんどん長くなりレンズ用結晶中での音
波減衰を招くと共に材料コストが上昇する。例えば、ρ
。=1mmのとき、上記サファイアレンズの場合、ρ。
2/λは約91mmと極めて長くなり、かつ5dB%の
減衰な伴なう。又、溶融石英レンズではρ。!/λ=1
66mm、54dBの減衰となる。
第2に、音波顕微曖の分解能tあげる為に周波数tあげ
゛る必要があるが、これは集束媒質(通常水)中の大き
な減J!を伴なう為、高分解能化には必然的に口径の小
さなレンズが必要となる。小さ’k O径Fipo 2
 /λを少することによって達成される。
しかしながら小さな口径に対しては、この口径と同径の
圧電薄膜を用意する必要がある。例えば1GHzでは1
00μm径のレンズが望ましいが。
100μm径の薄膜は作成や取扱も実際的でないばかり
でなく、高いインピーダンスレベルトナリRF電力供給
に際し、インピーダンス整合が極めて取りにくくなると
いう難点が生ずる。
以上述べた如〈従来の方法によれば、極めて長い結晶か
又は極めて小さな開?径と同じ大きさの圧電薄膜の作成
が要求さりるあで、高周波音波探触子の作成は非常に困
難であった。
かかる点に鑑み1本発明は、高周波用音波探触子であっ
ても、減衰の少ない探触子を提供せんとする。
本発明の他の目的は、レンズの口径よりも大きい口径な
有する圧電孝子を用いることにより、良好な分解能を呈
すす探触子を提供せんとするのである。
かかる目的な達成するために本発明は、音波伝播媒質と
して、°フレネル焦点距離の17N(Nは奇数)長さの
伝播媒質シ用いることな特徴とする。
即ち1本発明は1本発明者が、フレネル焦点内にもガウ
ス状分布な与える点があり、その点は。
7レネル焦点距離の1 /N (Ntl奇数)の所であ
るといつ音圧分布の解析結果に基づいてなされたもので
ある。
即ち9本発明者は1通常解析的には解けない近距離音場
に於ける音場分布を計算した結果、フレネル焦点距離内
にも、光学レンズ理論の要求するガウス状音圧分布が生
する事を見出した。この音圧分布を背面焦点面に有する
レンズも良好な集束特性;呈する事ts’認した。
第2図で説明すれば。ρ。′/λ以外にも例えばA。
点で示される様に主ビームに限らばガウス状分布の音圧
分布のある事に着目したのである。
即ち、第4図に示す如く1本発明では例えば圧電素子か
らρ。′/λの距離のA3点にお−て示されるような音
圧分布の音波な開口径2a0(=2ρ。/3)のレンズ
点の様な音圧分布の音波を開口径2a0(=2ρ。/3
)のレンズに照射するのである。
レンズの開口内に照射される音圧分布をとってみると従
来と全く′等価な集束特性な呈する事は明らかである。
何故なら、従来も、第3図に示す如く。
圧電素子からρ。!/λの距離A6点の様な音圧分布の
音波を開口2 al(= 2p、)に照射してiるので
あり、これは肩4図に示す音圧分布と同じだからである
O 人1点の様な点は、計算結果によると軸上音圧が極大に
なる点に対応している0即ち、半径−〇の円板上振動素
子の結晶内1なる距離の軸上音圧分布Iは I==sifl”(−H(4−J))  (3)で与え
られ、ピークの出る距離jnt;j(4) を満す値で。
で与えらゎ、。             (5)(5
)式でn=0のとき4゜=ρ。2/λ叩ちフレネル/3
λ=ρ。2/3λ即ちA3点を与えるわけである〇(5
)式で一般にρ。)λであるから、1n=ρ。2/(2
n+1 )λとなり1本発明の要請する点は。
フレネル焦点距離の奇数分の−の距離にある事がわかる
。更にA3点ではガウス状分布と見直し得る巾は、圧電
素子開口を用めて2ρ。/3と表わされる事も解析結果
により求めた。
以上要するに1本発明は、上述の解析結果?踏まえてフ
レネル焦点内にもガウス状分布を与える点があり、その
点は7レネル焦点距離の17N(N:奇数)の所であり
、さらに使用に適するガウス状分布の巾は圧電素子開口
のi/Nであるという事に基づいているのである。
第5図は本発明の一実施例の構成を示す図である0音波
伝般媒質としてサファイア・溶融石英等を用いた円柱状
結晶150の端面に圧電素子145を形成し、他端面に
凹面状レンズ155を作成した。かかる構成において圧
電素子145の開口径t2ρ。とすると、AM点(N=
3.5.7  )を利用する時はレンズ開口は2ρ。/
Nに選択し、又レンズの結晶150の長さは圧電素子1
450面からレンズの背面焦点mlまでの距離をρ。2
/λNになる様に切断するわけである。この様にすると
レンズ界面にはガウス状分布の音波が入射し良好な集束
ビームが得られる。本発明者はサファイア結晶tレンズ
に用いρ。=1mmで、レンズの長さ13mm、  レ
ンズ開口a=143μmの音波探触子k I GHz4
こおいて実現した。これはN=7に相当するのである。
さらにレンズ開口に入射するガウス状分布音圧以外の部
分はレイズ外の界面に入射し屈折された水中に放射され
ると、レンズ特性を乱してしまうことになるので9本実
施例では、レンズ開口部以外の結晶−媒体界面に吸音剤
160(エポキシ樹脂等のプラスティク又はビニールテ
ープ等)を付加して、副極大ビームが媒体(水)170
中に入射しない様にしている。また本実施例でく、レン
ズ開口部以外のレンズ結晶部分にテーナを設けて、副極
大ビームの媒体への入射を阻止すると共に、レンズ内の
多重反射?緩和している。
ここで本実施例に示すレンズ開口143μmのレンズ?
従来法で構成すると、圧電薄膜の開口として143μm
の大きさが要求され実用的な取り扱いは極めて困難とな
り、しかも薄膜のインピータンスレベルはIKΩとなる
。しかしながら本実施例では50Ω系同軸線との整合は
容易である。
以上述べた如く本発明によれば、電気系とのインピータ
ン不整合の良い取り扱い易い大いさの開口径の圧電薄膜
を用いて、その奇数分の1の太いさのレンズ開口を実現
することが出来、音波顕微鏡に於けるレンズ設計め困難
さを大きく軽減する事が出来る。
【図面の簡単な説明】
第1図は、従来の超音波探触子の概略構成とその動作な
説明するための図。 第2図は、音波ビームの音圧分布の様子を模式%式% 第3図は、従来の探触子に用いた音声分布な説明する図 第4図は1本発明の探触子に用いられる音声分布な示す
図。 第5図は1本発明の探触子の一実施例の構成な示す図 である。 81 目 り( 招 5図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、音波伝播媒質と、上記伝播媒質の端部に形成された
    圧電素子と、その他端部に形成されかつ所定焦点距離な
    有する音波レンズとからなる音波探触子において 上記音波伝播媒質が、フレネル焦点距離の奇数外の1の
    長さに構成されていることを特徴とする音波探触子。 2、上記圧電素子が、上記レンズの開口径よりも大きい
    開口径?有すること?特徴とする特許請求の範囲第1項
    記載の探触子。 3、上記レンズが、上記レンズの背面焦点面における音
    圧分布のうちの主ビームを通過せしめる大きさの開口径
    な有することを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の
    探触子 4、上記レンズが、所定集束媒体と接する界面にテーパ
    を有することな特命とする特許請求の範囲第1項の記或
    の探触子 5、 上記レンズが、所定焦束媒体と接する界面に吸音
    剤?有することな特徴とする特許請求の範囲第1項記載
    の探触子〇
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JPS615098B2 JPS615098B2 (ja) 1986-02-15

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS59198949A (ja) * 1983-04-26 1984-11-10 House Food Ind Co Ltd 油揚時間の調整方法
JPS62142268A (ja) * 1986-12-12 1987-06-25 Hitachi Ltd 音波探触子
JPS63237736A (ja) * 1987-03-24 1988-10-04 House Food Ind Co Ltd 果実チツプスの製造法
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