(57)【要約】【課題】近距離における方位分解能を向上するためには音響レンズが必要になり装置が大規模になる。また、焦点距離の変更も困難である。そこで、本発明により、音響レンズを全く使用することなく、近距離における任意の位置に焦点を設定可能とし、簡単な装置構成により方位分解能の高い超音波計測が可能とする。【解決手段】一次元配列振動子を、ＦＭ信号により駆動し、ＦＭ信号の形状を制御することにより、形成される凹面収束波面の照射  方位と焦点距離を電子的に制御する。【選択図】図４
2015033473.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共通電極を有する配列素子に駆動信号を印加することにより超音波信号を送波し、該駆動信号の周波数を各送波毎に変化させることにより超音波照射方位を変更する構成において、該駆動信号を構成する隣接波形の周期が変化するように構成することを特徴とする超音波送波装置。
【請求項２】
第１項記載の共通電極を有する配列素子が分極反転型配列送波器であることを特徴とする超音波送波装置。
【請求項３】
第１項記載の共通電極を有する配列素子が、複数の部分口径により実現される構成である事を特徴とする超音波送受波装置。
【請求項４】
第１項記載の駆動信号が線形ＦＭ波であり、該ＦＭ波の初期周波数が照射方位に対応し、周波数上昇率が焦点距離に対応するように構成されることを特徴とする超音波送波装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空間分解能の高い超音波送波方式に関する。
【背景技術】
【０００２】
空間の三次元情報を、超音波により映像化する構成は、種々知られている。それらにおいて、最も有効な方法の一例として、分極軸を反転した分極反転型配列送波器（特許文献１参照）に一定周波数の信号を印加し、その信号周波数を変化させることにより照射方向を変化させることにより、三次元空間を超音波信号により掃引照射し、対象物からの反射信号を受信する事により三次元空間の情報を収集する構成（特許文献２参照）がある。
【０００３】
しかし、主ビーム幅を狭くするため、配列素子数を増加し、配列全長を長くすると、近距離音場距離（D2/λ、D：口径、λ：波長）が急速に伸び、近距離音場内においては解像度が口径程度となることから、方位分解能が低下する。
【０００４】
そこで、通常はこの対策のために、円筒型音響レンズを使用し、観測対象距離近傍の方位分解能を改善することとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭４７−２６１６０号公報
【特許文献２】特公昭５１−４４７７３号公報
【特許文献３】特開平５−２８１２１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来構成においては、近距離音場内において低下する解像度を改善するために、音響レンズを使用することから、装置が大規模となり、焦点距離の変更も困難となる課題を有する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
そこで本発明は、配列送波器の各振動子を、ＦＭ信号により共通駆動することにより、送波音響ビームを電子的に収束し、収束点までの距離である焦点距離も電子的に変更可能とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、音響レンズを使用することなく、近距離音場内の任意の位置における解像度を改善する利点を有す。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
超音波装置において、分極反転型の配列送波器を、ＦＭ信号により共通駆動する構成とすることにより、最良の形態が実現される。
【実施例１】
【００１０】
方位ごとに周波数の異なる超音波を送出する送波器の最も簡便な構成法は、特許文献１に示された、図１に示すように圧電素子１の分極軸２を交互に反転して配列し、その両面にグランド電極３とホット電極４からなる共通電極を形成した分極反転型配列送波器である。
【００１１】
この電極３，４間にバースト波駆動信号５を印加すると、その信号周波数に応じて異なる方向θ（θは超音波の放射面、即ち振動子アレー面の法線方向と超音波の放射方向とのなす角度）に超音波ビーム６を放射できるものである。
【００１２】
ここで、電極３，４間にバースト波駆動信号５を印加すると、図２a) b)の円弧に示す波面が形成される。
【００１３】
ここで、分極軸が交互に反転しているため、同時刻の隣接する波面の位相が反転している（実線と破線で位相が１８０度異なることを示す）。
【００１４】
このように、波面の位相が反転しているため、法線方向では放射音波が相殺され、超音波ビームの放射は超音波の放射面の法線方向に対し傾斜した方向６のみになされることとなる。
【００１５】
図２において、周波数が高い場合には波長が短い事から、図２a)に示すように正面近傍方向へ、一方、周波数が低い場合には波長が長い事から、図２b)に示すように、より傾斜した方向へ波面が形成される。
【００１６】
この放射角度θは、振動子ピッチｄと駆動周波数ｆ、その波長λとして、数１で与えられる。
【００１７】
（数１）
θ＝ｓｉｎ-1（λ／（２ｄ）） 
【００１８】
また、この時の遠距離音場指向特性Ｒ（θ）は、数２で与えられる。
【００１９】
（数２）
Ｒ（θ）＝ｓｉｎ（０．５ｎ（φ−γ））／ｓｉｎ（０．５（φ−γ））
φ＝π、γ＝２πｄｓｉｎ（θ）／λ 
【００２０】
本構成は、これらの関係を利用して超音波ビームを走査するものであり、１本の信号線で周波数掃引することにより超音波ビームをセクタ走査できる。
【００２１】
以下に、この分極反転型配列送波器をＦＭ信号により駆動することによる電子収束の概要を説明する。
【００２２】
分極反転型配列送波器を、一定周波数の正弦波により駆動すると、図２と同様に図３a)に示す平面波を送出する。
【００２３】
ここで、分極反転型配列送波器を、波長（あるいは周波数）が時間とともに変化する信号により駆動すると、図３b)に示すように、形成される波面が湾曲し、凹面形状の波面を送出可能となる。
【００２４】
このように形成される凹面形状の波面の、焦点形成動作と駆動波形との関係を図４により解析する。
【００２５】
εを配列素子の間隔とし、第1素子からの方位がθであり、距離がＲである点をＰとすると、第ｎ素子から点Ｐまでの距離Ｄｎは数３となる
【００２６】
（数３）
Dn=[(Rcosθ)2+{Rsinθ+(n-1)ε}2]1/2
=[R2+{(n-1)ε}2+2R(n-1)εsinθ]1/2
=R[1+{(n-1)ε/R}2+2(n-1)εsinθ/R]1/2
【００２７】
以下に、駆動信号波長と照射方位θおよび、焦点距離Ｒとの関係を数式により説明する
【００２８】
ここで、分極反転型配列振動子に印加する、時間とともに波長が変化する駆動波形の、ｍ番目の半波長値をλh mとする。
【００２９】
この半波長値λh mが、数４の関係を満たすとすると、各素子からの音波は、点Ｐを中心とする半径Ｒの円周LR上にて全て同位相となる。
【００３０】
（数４）
N-1
Dn-Σ  λh m=R・・・・（一定）
m=N-n+1
【００３１】
従って、この円周LR上に形成される凹面形状をした波面は、媒体中を伝搬し、点Ｐに収束することとなる。
【００３２】
ここで、Nは配列素子の総数である。
【００３３】
この関係から半波長値λh mは数５として与えられる。
【００３４】
（数５）
N-1
Σλh m=Dn-R・・・・(n:1,---,N)      
m=N-n+1
【００３５】
ここで、nをn+1とすることにより数６となる。
【００３６】
（数６）
N-1
Σλh m=Dn+1-R・・・・(n:0,---,N-1)   
m=N-n
【００３７】
この両者の差を求めることにより、半波長値λh mは数７となる。
【００３８】
（数７）
λh N-n=Dn+1-Dn・・・・(n:1,---,N-1)   
【００３９】
ここで、k=N-nとして表すことにより数８となる。
【００４０】
（数８）
λh ｋ= DN-k+1- DN-k 
=R[1+{(N-k)ε/R}2+2(N-k)εsinθ/R]1/2
-R[1+{(N-k-1)ε/R}2+2(N-k-1)εsinθ/R]1/2・・・・(k:1,---,N-1)
【００４１】
ここで、比較的焦点距離が長い、遠距離における収束の場合につき、λh ｋの具体的を説明する。
【００４２】
ここで、比較的焦点距離が長いとして、マクローリン展開の第1項のみに着目すると、Dnは数９となる。
【００４３】
（数９）
Dn≒R+{(n-1)ε}2/(2R)+(n-1)εsinθ   
【００４４】
従って、n+1に関しては数１０となる。
【００４５】
（数１０）
Dn+1≒R+(nε)2/(2R)+nεsinθ  
【００４６】
これら両者の差から、半波長値λh mは数１１となる。
【００４７】
（数１１）
λh N-n=Dn+1-Dn≒(2n-1)ε2/(2R)+εsinθ・・・(n:1,---,N-1)   
【００４８】
ここで、N-nをkと表記すると、N-n=kから半波長値λh mは数１２となる。
【００４９】
（数１２）
λh k=DN-k+1-DN-k≒{2(N-k)-1}ε2/(2R)+εsinθ  
=(N-1/2)ε2/R+εsinθ-kε2/R・・・・・・(k:1,---,N-1)  
【００５０】
この関係から、比較的遠距離に収束させる場合においては、駆動信号の半波長値λh kは、kの値に従い、順次一定量（ε2/R）だけ短縮する波形となる。
【実施例２】
【００５１】
比較的遠距離に収束させる場合においては、θ方向における距離Ｒの点に収束させるための、駆動信号の半波長値λh
mは、数１２により与えられ、ｋに従い順次一定量（ε2/R）だけ短縮する波形となる。
【００５２】
このように、駆動信号の半波長値λh kが、kの値に従い、順次一定量（ε2/R）だけ短縮する波形は、周波数が直線的に上昇する波形である線形ＦＭ波の特性に類似することから、駆動信号を線形ＦＭ波とする構成が想定される。
【００５３】
以下に、線形ＦＭ波の形状と、形成されるビームの照射角θ及び、焦点距離Ｒとの関係を解析する。
【００５４】
初期角周波数ω0、位相角ψ(t)、角周波数ω(t)とし、周波数上昇率２αなる線形ＦＭ波y(t)を数１３とする。
【００５５】
（数１３）
y(t)=sinψ(t)                
dψ(t)/dt=ω(t)=2πf(t)
ω(t)=ω0+2αt              
【００５６】
この関係から、位相角ψ(t)は数１４となる。
【００５７】
（数１４）
t
ψ(t)=∫ω(t)ｄｔ=ω0t+αt2 
0
【００５８】
ここで、第ｎ回目に半波長となる時刻thnにおいて、位相角ψ(t)はnπとなることから、半波長となる時刻thnは数１４から数１５の関係となる。
【００５９】
（数１５）
ω0thn+αthn2=nπ            
【００６０】
この、2次方程式の根を求めることにより半波長となる時刻thnは数１６と求まる。
【００６１】
（数１６）
thn={(ω02+4αnπ)1/2-ω0}/(2α)={ω0(1+4αnπ/ω02)1/2-ω0}/(2α)      
【００６２】
この関係を、マクローリン展開することにより、半波長となる時刻thnは数１７となる。
【００６３】
（数１７）
thn  =[ω0{1+2αnπ/ω02-2(αnπ/ω02)2+---}-ω0]/(2α)
={2αnπ/ω0-2(αnπ)2/ω03+---}/(2α)
=nπ/ω0-α(nπ)2/ω03+---                         
【００６４】
ここで、αが比較的小さいとして、αの高次項を省略すると、半波長となる時刻thnは数１８となる。
【００６５】
（数１８）
thn≒nπ/ω0-α(nπ)2/ω03
【００６６】
この関係を、n+1に関して表すと数１９となる。
【００６７】
（数１９）
thn+1≒(n+1)π/ω0-α(n+1)2π2/ω03
【００６８】
数１８と数１９の差により、線形ＦＭ波y(t)の半周期τhnは、数２０となる。
【００６９】
（数２０）
τhn=thn+1-thn=π/ω0-α(n+1)2π2/ω03+αn2π2/ω03
=π/ω0-2αnπ2/ω03-απ2/ω03
=(π/ω0)(1-απ/ω02)-2αnπ2/ω03
【００７０】
従って。線形ＦＭ波y(t)の半波長λLhnは、音速をcとして数２１となる。
【００７１】
（数２１）
λLhn=cτhn=(cπ/ω0)(1-απ/ω02)-2cαnπ2/ω03
【００７２】
一方、θ方向における、距離Ｒの点に収束させるための駆動信号の半波長値λh
mは数１２であり、これを再度示すと数２２となる。
【００７３】
（数２２）
λh k=(N-1/2)ε2/R+εsinθ-kε2/R
【００７４】
これら、数２１と数２２を比較することにより、第一の関係として数２３が得られる。
【００７５】
（数２３）
2cαπ2/ω03 =ε2/R                  
【００７６】
また、同様に、第２の関係として数２４が得られる。
【００７７】
（数２４）
(cπ/ω0)(1-απ/ω02)=(N-1/2)ε2/R+εsinθ
cπ/ω0-cαπ2/ω03=(N-1/2)ε2/R+εsinθ             
【００７８】
これら、数２３と数４から、αを消去すると数２５となる。
【００７９】
（数２５）
cπ/ω0-ε2/(2R))=(N-1/2)ε2/R+εsinθ
cπ/(εω0)-ε/(2R))=(N-1/2)ε/R+sinθ
cπ/(εω0)=ε/(2R))+(N-1/2)ε/R+sinθ
cπ/(εω0)=Nε/R+sinθ
cπ/ω0=Nε2/R+εsinθ
ω0=cπ/(Nε2/R +εsinθ)・・・・・・・・[rad/s]
【００８０】
この数２５により、線形ＦＭ波の初期角周波数ω0と、照射方位θおよび焦点距離Ｒとの関係が定まる。
【００８１】
数２５において、c：音速、N：配列素子総数、ε：配列素子間隔は既知である。
【００８２】
この関係を、線形ＦＭ波の初期周波数ｆ0に対して表示すると、f0=ω0/(2π)から、数２６となる。
【００８３】
（数２６）
f0=ω0/(2π)=c/{Nε2/(2R)+(ε/2)sinθ}・・・[s-1]    
【００８４】
また、線形ＦＭ波の初期波長λ0に対して表示すると、λ0=c/f0から、数２７となる。
【００８５】
（数２７）
λ0=c/f0= Nε2/(2R)+(ε/2)sinθ・・・[m]             
【００８６】
一方、周波数上昇率αは数２３により与えられていて、これを再度示すと数２８である。
【００８７】
（数２８）
α=ω03ε2/(2cRπ2)・・・・[rad/s2]  
【００８８】
このように、数２５および数２８は、既知の変数（c,N,ε）、目的とする照射方向θおよび焦点距離Ｒと、線形ＦＭ波の初期角周波数ω0および周波数上昇率αとの関係を明示的に与える。
【００８９】
従って、希望する照射方向θと焦点距離Ｒを実現する、線形ＦＭ波の初期角周波数ω0と周波数上昇率（の半分）αを決定することができる。
【００９０】
また、照射方向θと焦点距離Ｒの選択は自由であることから、線形ＦＭ波の条件ω0（あるいはｆ０）とαとを変化させることにより、焦点距離Ｒおよび、照射方向θとを自由に変化させることが可能となる。
【実施例３】
【００９１】
口径全体の空間分解能を実現するためには、全素子からの信号が寄与する必要があり、図４の動作原理から、図５に示すように素子総数程度（位相反転のため半分）の波数（図５では５周期）を有する長い駆動信号７が必要となり、波面形成方向８へ送出される超音波信号長が長くなる。
【００９２】
図５に示す例においては、駆動信号の時間長Ｔに対して、波面形成方向へ送出される超音波信号長が２Ｔとなり、距離分解能が低下する。
【００９３】
このため、距離方向の分解能が低下することから特許文献３による部分口径送波方式が使用される。
【００９４】
図６に示す部分口径送波方式の構成例においては、送波器を分割（図６は３分割）し、部分口径９，１０，１１とし、時間差Ｔ‘（=nｓT0/２）を有する短い駆動信号１２，１３，１４により送波を行うことにより、超音波ビーム１５の方向に短い超音波信号を送波し、高い距離分解能を実現する。ここで、部分口径内の素子数をｎｓ、信号周期をT0とする。
【００９５】
この構成例によると、短い超音波信号(時間長=２T’)を送波することから、高い距離分解能が実現される。
【００９６】
部分口径送波方式において、駆動信号にＦＭ波を使用する部分口径ＦＭ波駆動凹面収束構成につき図7により説明する。
【００９７】
図７に示す部分口径ＦＭ波駆動凹面収束構成例においても、送受波器を分割（図７は３分割）し、部分口径９，１０，１１とし（部分口径内素子数：ｎ）、部分口径内素子数の半分の波数（n/2）を有する部分ＦＭ駆動信号１６，１７，１８（時間長≒T”）により送波を行う。
【００９８】
このようなＦＭ駆動信号の使用により、超音波ビーム１９は凹面収束し、近距離における方位分解能が向上する。
【００９９】
また、この構成例によると、短い超音波信号(時間長≒２T”)を送波することから、高い距離分解能も同時に実現される。
【産業上の利用可能性】
【０１００】
本発明によると、音響レンズを全く使用することなく、近距離における任意の位置に焦点を設定可能であり、簡単な装置構成により方位分解能の高い超音波計測が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】本発明装置における分極反転型配列送波器の構成を示した説明図である。
【図２】方位ごとに周波数の異なる超音波を送出する原理を示した説明図である。
【図３】周波数が変化する波形により凹面収束波面を形成する原理説明図である。
【図４】送波器と焦点との位置関係を示す説明図である。
【図５】超音波信号長が長くなる理由を示した説明図である。
【図６】送受波器を分割する公知例構成を示した説明図である。
【図７】周波数が変化する波形と部分口径により凹面収束波面を形成する説明図である。
【符号の説明】
【０１０２】
１  圧電素子
２  分極軸
３  グランド電極
４  ホット電極
５  駆動信号
６  超音波ビーム
７  長い駆動信号
８  波面形成方向
９、１０、１１  部分口径
１２、１３、１４  短い駆動信号
１５  超音波ビーム
１６，１７、１８  ＦＭ駆動信号
１９  超音波ビーム
【図１】
2015033473.tif 000003
【図２】
2015033473.tif 000004
【図３】
2015033473.tif 000005
【図４】
2015033473.tif 000006
【図５】
2015033473.tif 000007
【図６】
2015033473.tif 000008
【図７】
2015033473.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成26年7月12日(2014.7.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
この半波長値λh mが、数４の関係を満たすとすると、各素子からの音波は、点Ｐを中心とする半径Ｒの円周LR上にて全て同位相となる。この関係を満足する駆動波形の具体例を、s(t)として数４に例示する。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】
（数４）
N-1
Dn-Σ  λh m=R・・・・（一定）
m=N-n+1
s(t)=sin[ｋ0{XT-((R-ct)2-YT2)1/2)}]
c:音速
k0=π/ε
XT=Rsinθ+(N-1)ε
YT=Rcosθ
0<t<(R-YT)/c
【手続補正書】
【提出日】平成26年7月13日(2014.7.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】
（数４）
N-1
Dn-Σ  λh m=R・・・・（一定）
m=N-n+1
s(t)=sin[ｋ0{XT-((R0-ct)2-YT2)1/2)}]
k0=π/ε
XT=Rsinθ+(N-1)ε
YT=Rcosθ
R0=(XT2+YT2)1/2
0<t<(R0-R)/c