JPS6250040B2

JPS6250040B2 -

Info

Publication number: JPS6250040B2
Application number: JP55141852A
Authority: JP
Inventors: Emu Hanafui Amin
Original assignee: Yokogawa Hewlett Packard Ltd
Current assignee: Hewlett Packard Japan Inc
Priority date: 1979-10-11
Filing date: 1980-10-09
Publication date: 1987-10-22
Also published as: JPS5660200A; US4277711A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は電気音響変換器に関するものである。
この電気音響変換器は、被検体へ送信した音響波
パルスの反射波を基にして、被検体の映像を得る
ことができる装置に使用されるものである。上述
の電気音響変換器は音響波エネルギーを吸収する
効果を有した基板（base）の表面上へたんざく
状に形成された圧電性結晶の多数個の並列に配列
して構成される。この圧電性結晶の上面側（基板
に取り付けられている側と反対側）には薄い金属
で構成されたシールドが電気的に接続され、該シ
ールドはアース電位に接続される。また、それぞ
れの圧電性結晶の下面側には薄い金属で構成され
たストリツプの電極が設けられている。この金属
のストリツプと前記シールドとの間に駆動電圧パ
ルスを印加すると、圧電性結晶の厚み方向の寸法
が発振的に変化して周波数Ｆ_cの振動が生じる。
その結果、周波数Ｆ_cの音響波パルスが発生し、
この音響波パルスはシールドに接した被検体へ送
信される。次に被検体から反射してきた音響波パ
ルスが圧電性結晶へ到達すると、この反射音響波
パルスにより、圧電性結晶が送信時と同様に厚み
方向へ振動する。この時の振動の振幅は、反射音
響波パルスのエネルギーにより定まる。この振動
により個々の圧電性結晶から生じた電気信号は合
成され、映像信号に供される。一方頚動脈や幼児
の心臓の映像を得るには、非常に近距離点の映像
を得ることができる機能を有した装置が必要であ
る。頚動脈や幼児の心臓は体表面に極く近いとこ
ろに存するからである。しかしながら、従来の電
気音響変換器においては、所望の観測距離の機能
を得ることができない。これは以下の理由によ
る。電気音響変換器から音響波パルスを送信する
ために、圧電性結晶へ大きな振動を生じさせる
が、この振動の減衰がゆるやかであることに起因
する。すなわち、送信のための振動が十分に減衰
しないうちに、体表面近くからエコー音響波が圧
電性結晶へ戻つてきてしまうため、体表面近くか
らのエコー音響波を受信することができないので
ある。この点を改善した発明を、出願人は本出願
と同日に出願している。この同日出願の内容を簡
単に記すと、基板上へ複数の溝を設け、この溝に
よりレイリー波（rayleigh wave）の減衰を図つ
たものである。

しかし、上述の溝の効果にもかかわらず、圧電
性結晶の上面に設けられたシールドは、圧電性結
晶の発振により、振動する。この振動における波
は、ラム（Lamb wave）と呼ばれ、圧電性結晶
の振動周波数Ｆ_cと同じ周波数をもち、シールド
を伝搬しながら各圧電性結晶に厚みモードの振動
を生じさせる。このラム波による振動は、レイリ
ー波による振動程長く続くことはない。その理由
は、ラム波の周波数が高くまたシールドの端を伝
搬しているからである。しかしこのラム波は各圧
電性結晶の電極へ大きな振幅の振動を与え、近距
離から反射してくる音響波の受信を妨げる。本発
明は、このラム波の影響を弱めるためになされた
もので、金属のシールドの厚さをシールド内のラ
ム波の波長が圧電性結晶の中心間隔の２倍となる
様に定めたものである。このように構成すること
によりラム波の影響は全体としてはほぼゼロにな
る。すなわち、ある圧電性結晶により発生したラ
ム波は、そこから1/2波長だけ離れている隣接し
た圧電性結晶に到達したときには位相が180度遅
れているので、この隣接した圧電結晶により発生
するラム波と打消し合うからである。

以下図面を用いて本発明を詳細に説明する。

第１図は、本発明に係る電気音響変換器の平面
図である。２は薄い金属で構成されたシールド、
X₁〜X₅は圧電性結晶のアレイ（array）である。

第１Ａ図は、本発明に係る電気音響変換器を表
わし、第１図の立面図に相当する。各圧電性結晶
X₁〜X₅の上面はシールド２と電気的に接続さ
れ、下面は、それぞれ、金属ストリツプ（metal
strip）S₁〜S₅と電気的に接続される。この金属
ストリツプS₁〜S₅は、導電板の基板５の上にコー
テイングされた絶縁層４に付着されている。圧電
性結晶X₁〜X₅の音響的効果は、基板５の上に設
けられた場合と等価である。基板５の効果は、絶
縁層４、金属ストリツプS₁〜S₅及び圧電性結晶
X₁〜X₅と音響インピーダンス整合を得ることが
でき、また圧電性結晶X₁〜X₅から発振される音
響波エネルギーを吸収できることである。圧電性
結晶は、厚さｈ、幅ｗ、長さのたんざく形に形
成され、この個々の圧電性結晶X₁〜X₅は、第１
図に示す如く、互に少しの間隔をあけて長さ方向
へ並列に配列される。なお、第１図〜第１Ｃ図で
示した電気音響変換器の構成は、圧電性結晶の個
数を５個として表示したが、この個数に限定する
ものではなく、実際の電気音響変換器は、もつと
多数個の圧電性結晶により構成される。またわか
り易く説明するために、圧電性結晶の大きさは実
寸よりも拡大して示した。例えば電気音響変換器
の一構成例を示すと、１個の圧電性結晶の大きさ
は、長さ＝１cm、厚さｈ＝0.05cm、幅ｗ＝0.02
cm、圧電性結晶の配列間隔は、圧電性結晶の縦の
中心線同士で0.03cm、の如くである。リード線L₁
〜L₅はそれぞれ金属ストリツプS₁〜S₅へ接続され
ており、このリード線L₁〜L₅は導電性の外装６
の中へ配置される。なお、この外装６は、例えば
シールド２や基板５に接続され、アース電位とな
る。

リード線L₁〜L₅を介して圧電性結晶へ印加さ
れた駆動パルスにより厚みモードの振動による音
響波パルスが発生する。この音響波パルスは、ア
ース電位であるシールド２が患者の体へ接触する
ように電気音響変換器の操作を行なうことによ
り、患者の体内へ送信される。なお広く知られて
いることであるが、各圧電性結晶X₁〜X₅へ加え
る駆動電圧パルスの印加時間を制御することによ
り、各圧電性結晶X₁〜X₅から送信される音響波
パルスの方向を任意にとることができる。

駆動電圧パルスには種々の波形が用いられてい
るが、圧電性結晶の厚みモードの共振周波数Ｆ_c
の１又はサイクルに相当する電圧パルスを用いる
のが一般的である。発振の垂直成分は、基板５に
伝達し、吸収される。圧電性結晶の帯域幅及び励
起パルス（excitation pulse）を含む周波数のた
めに、圧電性結晶は他の振動モードを有してい
る。圧電性結晶の幅ｗによつて決定される幅モー
ド（width mode）の発振は、高い周波数Ｆ_wであ
る。この幅モードの振動は、基板５の表面に沿つ
て水平に伝搬する。フイルタを設けたり、またバ
ツキング（backing）材で吸収することによりこ
の幅モードの振動は問題とならない。一方圧電性
結晶の長さ方向の振動は、基板５の表面にレイリ
ー波を生じさせる。このレイリー波により、各圧
電性結晶には厚みモードの振動が誘起される。

第１Ｂ図は本発明に係る電気音響変換器の一構
成例を表わし、第１図の立面図に相当する。
S_1-2、S_2-3、S_3-4、S_4-5は基板５に形成された溝
を表わし、これらの溝は、第１Ｂ図に示す如く、
各圧電性結晶X₁〜X₅の間のスペースに設けられ
る。圧電性結晶は第１Ａ図と同様に基板５の上に
設けられる。

第１Ｃ図は本発明に係る電気音響変換器の一構
成例を表わし、第１図の立面図に相当する。なお
第１Ｂ図、第１Ｃ図は前記した同日出願の明細書
に添付した図面においても記載されているもので
ある。第１Ｃ図において、金属ストリツプS₁〜S₅
は圧電性結晶X₁とX₁′、X₂とX₂′、X₃とX₃′、X₄と
X₄′、X₅とX₅′の間に設けられている。シールド２
と基板５はどちらもアース電位に接続される。ま
た第１Ｃ図においては絶縁層４を必要とせず圧電
性結晶は直接基板５へ設けられる。

第２図は本発明の動作を示す図である。第２図
においてグラフ１２は、第１Ａ図において示した
電気音響変換器における厚みモード発振の減衰特
性を示すものであり、グラフ１４は、第１Ｂ図
及び第１Ｃで示した電気音響変換器における厚み
モード発振の減衰特性を示すものである。このグ
ラフ１２と１４は、ラム波とレイリー波の双方の
影響を含んでいる。グラフ１２′と１４′は、本発
明によりシールド２の厚さを選択して、第１Ａ
図、第１Ｂ図、第１Ｃ図の電気音響変換器へ用い
た場合における厚みモード発振の減衰特性を示す
ものである第２図から明らかな如く、本発明によ
る減衰の比率は、−100dBまでの前記減衰特性の
うちの一部分についてのみ、影響を及ぼしてい
る。その理由は、ラム波の周波数Ｆ_Lがレイリー
波の周波数Ｆ_Rより高いため、基板５を伝搬する
レイリー波の速さよりシールド２を伝搬するラム
波の方が速いからである。しかし、全減衰特性に
対するラム波の影響が小さいとはいつても、実用
においては著しい効果がある。すなわち、ラム波
の影響を軽減することにより、完全な反射のレベ
ルから20〜30dB低いエネルギーレベルであると
ころの弱い反射音響波を受信できるようになるか
らである。ここで述べているのは、シールド２に
おけるすべての点において、それと垂直な方向へ
そろつて上下動する非対称ラム波に関するもの
で、シールドの厚みの中心の両側の点が互いに反
対方向に上下動する対称ラム波について述べてい
るのではない。

第３図は、縦軸に金属箔を伝搬する音響波の位
相速度をとり、横軸に波の周波数と金属箔の厚み
との積をとつた時の関係を示す図である。更に詳
述すすると、第３図におけるグラフ１６と１８
は、それぞれシールド２の厚さ（ミル）とラム波
周波数（ＭHz）の積の関数として、理論的に得ら
れたラム波の速さのグラフと、実験的に得られた
グラフとを示したものである。グラフ２０は、１
波長より厚いシールドを伝搬するレイリー波の速
さを表わしたものである。シールドの厚さとラム
波周波数の積が増加するにつれ、ラム波の速さは
増加し、レイリー波の速さと同じになるまで増加
する。望ましい位相速度Ｃは、シールド２を伝搬
する周波数Ｆ_cのラム波の波長λ_cが、圧電性結晶
X₁〜X₅の中心と中心との間の距離、すなわち第
１Ｂ図に示すｄの２倍に等しい場合である。

すなわち(1)式が成り立つ。

ｄ＝λ_c／２ …(1) また(2)式の関係がある。

Ｃ＝λ_c・Ｆ_c …(2) (1)式と(2)式から(3)式が成り立つ。

Ｃ＝2d・Ｆ_c …(3) 位相速度Ｃが決まると、第３図によりシールド
の厚さｔとシールド２を伝搬する周波数Ｆ_cの積
の値が定まる。この周波数Ｆ_cは知ることができ
るので、シールドの厚さｔは、求めることができ
る。例えば算出の１例を以下に示す。前記した電
気音響変換器の寸法によると位相速度Ｃは1.45×
10⁵cm／secとなる。第３図よりこの値に対応する
周波数と厚さの積は、2.3から2.6であるが、これ
を近似的に2.5とする。周波数が2.5MHzであると
すればシールドの厚さは2.5／2.5＝１ミル
（0.0254mm）となる。

このように本発明によれば、シールドの厚さを
選択することにより、ラム波の影響を除去するこ
とができ、その結果近距離の映像も明確に写し出
すことができ、極めて大きな効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る電気音響変換器の平面
図、第１Ａ図、第１Ｂ図、第１Ｃ図は本発明に係
る電気音響変換器の立面図、第２図は本発明の動
作を示す図、第３図は音響波の位相速度と、周波
数と金属箔の厚みの積との関係を示す図である。２……シールド、X₁〜X₅……圧電性結晶、４
……絶縁層、５……基板、S₁〜S₅……金属ストリ
ツプ、L₁〜L₅……リード線。

Claims

【特許請求の範囲】１基板と、所定の中心間隔で前記基板上に設けられた複数
の圧電性結晶と、前記圧電性結晶の各々に設けられた電極手段
と、前記圧電性結晶の上面に電気的に接触する様に
設けられたシールドとを備え、前記シールドの厚さをシールド内のラム波の波
長が前記中心間隔の２倍となる様に定めた電気音
響変換器。