計測自動制御学会東北支部大会 第 230 回研究集会 (2006.7.21)
資料番号 230-6

二層型圧電振動子を用いた複数次高調波超音波の同時計測システム
A Simultaneous Measurement System for Multi-Order Harmonic Ultrasonics
Using the Double-Layered Piezoelectric Transducer○福田誠*，西平守正*，今野和彦*○Makoto FUKUDA*, Morimasa NISHIHIRA* and Kazuhiko IMANO**秋田大学 工学資源学部*Faculty of Engineering and Resource Science,Akita University
キーワード: 二層型圧電振動子(double-layered piezoelectric transducer)，
高調波超音波パルス(harmonic ultrasonic pulse waves)，パルスインバージョン(pulse-inversion)，実時間(real-time)，反射法(pulse-echo)
連絡先: 〒010-8502 秋田県秋田市手形学園町 1-1
秋田大学 工学資源学部 電気電子工学科 今野研究室
福田 誠, Tel: 018-889-2494, Fax: 018-837-0406, E-mail: d9505006@wm.akita-u.ac.jp____________________________________
方法 10)とパルスインバージョンを用いる方法 10-13)

1. はじめにある音圧以上の超音波を送波したとき，音響媒がある．フィルタ法はリアルタイム処理できる点

質中を伝搬する過程において非線形効果によっに特徴があるが，特定次数の高調波のみを抽出すて高調波が発生することが知られている．近年でるための最適帯域幅の設計が難しい．一方，パル1-3)や非破壊試験へスインバージョン法は，互いに逆位相となる 2 つなどさまざまな研究が行われている．特の超音波パルスを交互に送波し，それぞれに対応に高調波を用いた超音波イメージング法は基本する受波波形を加算することで，奇数次成分を打波に比べて，高い方位分解能が得られる，ノイズち消し，偶数次高調波成分を強調できる．この方の少ない画像が得られるという点で注目されて法は比較的動きの遅い腹部領域などを対象としいる 9, 10)．しかし，音響媒質を伝搬中に生じた高たイメージングに適用されている 10, 11)．

は，高調波の特性に関する検討の応用4-8)

調波は基本波に比べて非常に小さく，高調波を高高調波検出のために工夫されたトランスデュ感度で検出する方法が必要になる．その方法としーサはこれまでにいくつか考案されている．基本ては，超音波受波後に信号処理する方法と高調波波と2 次高調波の両方の共振周波数を兼ね備えた受波用のトランスデューサを用いる方法に大別

トランスデューサとしては，熱処理を施すことにされる．信号処理法に関しては，高調波成分だけより作製した分極反転層を有する LiNbO3 板があを取り出すようなバンドパスフィルタを用いる

る 14)．また，基本波送波用と高調波受波用にそれぞれの振動子を用いる方法も検討されており，重ねて配置したトランスデューサ 15)や同軸上に配置したトランスデューサ 16)が考案されている．また，2 次高調波といったような特定の次数の高調(a) 並列接続

波に制限されない受波用広帯域トランスデューサを用いて，複数次の高調波を検出する方法も提(b) 直列接続

図 1 二層型圧電振動子の電気的接続方法

案されている 15)．

(矢印は分極方向)

これらに対して我々は，2 次高調波のための新提案している 17)．本報告ではこの二層型圧電振動

10-1子を用いた 2 次高調波抽出システムを改良した，複数次高調波をリアルタイムに検出するシステ
ムについて提案する．

9010-2010-3Admittance

10-410Phase [deg]100Admittance [S]

たな送受波デバイスとして二層型圧電振動子を-90

Phase-512. 原理

23Frequency [MHz]4(a) 並列接続

本報告で言う二層型圧電振動子とは，同一特性

100

用例としては，短いパルスの送波もある 18)．以下に，二層型圧電振動子の特徴について説明する．
二層型圧電振動子は図1 に示すように並列もし
くは直列に電気的に接続できる．貼り合わせる前の圧電振動子単体での共振周波数を f0 とすると，二層型圧電振動子の共振周波数は並列接続する
ことで半分の f0/2 となり，直列接続では f0 のまま
19)変わらないという特徴がある ．貼り合わせる前

9010-110-2

010-3
Admittance
Phase

10-4

Phase [deg]

貼り合わせたものを指す．二層型圧電振動子の応

Admittance [S]の圧電振動子を 2 枚，互いに逆分極となるように-90-510123Frequency [MHz]4(b) 直列接続
図 2 二層型圧電振動子の周波数‑アドミタンス特性の単体での共振周波数が2 MHz の圧電振動子を2枚用いて二層型圧電振動子を構成した例を図2 にMHz)を並列接続で送波し，音響媒質を伝搬中に示す．同図では並列または直列接続した場合の二発生した偶数次高調波，特に主成分である 2 次高層型圧電振動子の周波数-アドミタンス特性を示調波(2 MHz)に対しては，直列接続で感度良く受しており，二層型圧電振動子の共振周波数は並列波できることが期待できる．

接続では 1 MHz，直列接続では 2 MHz となるこ

これを実現する方法として、送波時および受波とが確認できる．このような二層型圧電振動子の時に二層型圧電振動子の電気的接続を並列また特徴に注目して超音波の送受波を考えると，高調は直列接続となるように，図 3 に示すような接続波の発生に十分な大振幅の基本波(ここでは 1方法が考えられる．しかし，並列接続と直列接続を同時に行うと，同図における電極 A の並列接続

Electrode ASW側がアースとなり，直列接続側において受波信号を取り出すことができないという問題が生じる．
この問題を解決する方法として，電極 A の並列接続側にスイッチ(SW)を設ける方法を提案した 17)．

voutvin
図 3 反射法におけるSW を ON とした場合，電極 A はアースと共通になるため，並列接続(1 MHz 基本波の送受波およ

二層型圧電振動子の電気的接続

び奇数次高調波の受波)となる．一方，SW を OFFとした場合，電極 A はアースから切り離され，直列接続(偶数次高調波の受波)となる．このように，基本波を送波するときには SW を ON とし，奇数次高調波を受波するときは SW を ON のままとし

20 µs

20 µs
0.5 ms
1.0 ms

偶数次高調波を受波するときには SW を OFF とするように制御することで，それぞれの周波数に

図 4 パルスインバージョンのための駆動波形

対して感度のよい接続方法で超音波の送受波が可能となる．

40 mm)を作製した．方位分解能向上のために凹面このようなスイッチ制御された二層型圧電振型振動子を用いた．この二層型圧電振動子を用い動子で受波される受波波形は，2 次高調波を主とた高調波抽出システムを図 5 に示す．送波信号をする偶数次高調波に対する感度が高いものの，基任意波形発振器で発振し，高周波数電力増幅器に本波が支配的な波形となる．パルスインバージョ

よって音響媒質中で非線形効果を生じるだけのン 10-13)は互いに逆位相となる基本波パルスを交互電力に増幅した後，インピーダンス整合回路を介に送波し，それらの受波波形を足し合わせることして二層型圧電振動子へ印加する．このとき 1で基本波を打ち消す方法である．例えば図 4 に示

MHz の超音波パルスを送波するために，二層型圧すような送波信号で二層型圧電振動子を駆動し，電振動子の電気的接続が並列接続となるように超音波を送波したとする．その受波信号に対してスイッチ(SW)を ON にする．超音波パルス(10.5 ms を 1 周期としてオシロスコープのアベレーMHz)が水中を伝搬し，二層型圧電振動子から焦ジング機能を用いると，互いに逆位相で受波され点距離の 40 mm 離れた位置にある標準反射体でる基本波成分がキャンセルされ，同位相で発生す反射される．反射波が二層型圧電振動子に到達する偶数次高調波成分のみがリアルタイムでオシる前にスイッチを OFF することで，二層型圧電ロスコープに表示することができる．

振動子の電気的接続を直列接続に切り換え，超音波が水中を伝搬する間に非線形効果により発生

3. 高調波観測実験

した偶数次高調波を感度よく受波する．受波され3.1 実験方法た信号からオシロスコープのアベレージング機

共振周波数 2 MHz の，凹面型圧電振動子を互い能を用いて，偶数次高調波を抽出して表示する．に逆分極となるように導電性ペーストを用いてまた，奇数次高調波は，スイッチを切り換えず貼り合わせて，凹面二層型圧電振動子(焦点距離ON のままで送受波する．超音波受波波形の数値

Waveform
Generator

PC

GPIB

High-Frequency
AmplifierOscilloscope
1ch 2chMatching
CircuitEven Harmonics
AirSW

Fundamental andOdd Harmonics

DLPT

Water

Object (Ball)x-y stage

図 5 測定システム

データは GPIB を介して PC に取り込まれる．
さらに，本システムの応用例として，標準反射体を 3 mm 直径の鉄球に置き換え，イメージングを行う．

数次高調波に関して感度良く検出が行えると考えられる．
これに対し受波時に直列接続に切り換え，さらにパルスインバージョンのためのアベレージングを行ったところ，受波波形(同図(c))のスペクト

3.2 結果図5 に示した実験システムを用いて超音波を送受波したときの受波波形とそのスペクトルを図 6ル(同図(d))から，基本波成分を-40 dB 減少できた．
よって，偶数次高調波に関して感度良く検出が行えることが確認できる．に示す．二層型圧電振動子を送受波とも並列接続

図 7 には本手法による基本波〜4 次高調波を用した場合，2 次高調波(2 MHz)に対する感度が低い

いた鉄球のイメージング結果をそれぞれ示す．こために，2 次高調波成分は基本波成分に比べて約れらの結果は同時に検出し描かれたものである．

50dB 小さいことが受波波形(同図(a))のスペクト

文献[9]等で言われているように，高次高調波になル(同図(b))からわかる．よって，基本波および奇るに従って実際の対象物に近い直径のイメージ

20
Relative Amplitude [dB]

Amplitude [V]5010 µs-5-20
Second harmonic-40-60-80

Time12345Frequency f [MHz](a) 並列接続で送受波した場合の受波波形(b) (a)のスペクトル20
Relative Amplitude [dB]

5Amplitude [V]Fundamental

0010 µs-50-20

Second harmonic
Fundamental-40-60-80Time

12345Frequency f [MHz](c) 並列接続で送波し直列接続で受波した(d) (c)のスペクトル場合の受波波形図 6 実験結果ング結果が得られた．同時にイメージングが行え以上の結果，本システムは複数次高調波の検出たことから，本システムを文献[16]にみられるよに効果的であることを示すことができた．今後は，うな高調波イメージング結果を重ね合わせて，画本システムによって得られた画像に関して詳細像を検討するといった応用にも用いることがでな検討を行う予定である．

きると考えられる．
参考文献

4. おわりに
本報告では，二層型圧電振動子を用いた複数次(1) 鎌倉友男: “非線形音響学の基礎”, 愛智出版
(1996).

高調波の同時検出システムについて検討した．二(2) T. Kamakura: Jpn. J. Appl. Phys. 43 (2004) 2808.

層型圧電振動子の電気的接続を送波時，受波時に(3) S. Saito and T. Kawagishi: Jpn. J. Appl. Phys.,

おいて切り換えることで，感度良く各々の高調波をリアルタイムで検出することができた．最後に，Vol.43, No.5B, pp.3231-3236 (2004).
(4) J. Okada, T. Ito, K. Kawashima and N. Nishimura:

本システムの利用例として鉄球のイメージング

Jpn. J. Appl. Phys., Vol.40, No.5B, pp.3579-3582を行った．その結果，複数次高調波を用いたイメ(2001).

ージング結果が同時に描けた．

(a) 基本波(b) 2 次高調波(c) 3 次高調波(d) 4 次高調波

図 7 本システムを用いたイメージング結果(5) K. Yamanaka, T. Mihara and T. Tsuji: Jpn. J. Appl.
Phys., Vol.43, No.5B, pp.3082-3087 (2004).
(6) Y. Ohara and K. Kawashima: Jpn. J. Appl. Phys.,Vol.43, No.5B, pp.3119-3120 (2004).
(7) R. Murayama and K. Yamaguchi: Jpn. J. Appl.

No.2, pp.372-382 (1999).
(13) F. C. Simm: J. Med. Ultrason., Vol.26, No.4,pp.285 (1999).
(14) K. Nakamura, K. Fukazawa, K. Yamada and S.
Saito: IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq.

Phys., Vol.44, No.6B, pp.4385-4388 (2005).

Control, Vol.50, No.11, pp1558-1562 (2003).

(8) R. Sasaki, T. Ogata, Y. Ohara, T. Mihara and K.

(15) H. Adachi, K. Wakabayashi, M. Nishio, H.

Yamanaka: Jpn. J. Appl. Phys., Vol.44, No.6B,

Mizuno and T. Kamakura: Jpn. J. Appl. Phys.,pp.4389-4393 (2005).

Vol.42, No.1, pp.305-310 (2003).

(9) 伊東正安，望月剛: “超音波診断装置”, コロナ社, pp.179 (2002).
(10) 川岸哲也，神山直久: 日本音響学会誌, 59 巻, 9号, pp.552-556 (2003).

(16) I. Akiyama, A. Ohya and S. Saito: Jpn. J. Appl.
Phys., Vol.44, No.6B, pp.4631-4636 (2005).
(17) M. Fukuda, M. Nishihira and K. Imano: Jpn. J.
Appl. Phys., Vol.45, No.5B, pp.4556-4559 (2006).

(11) P. N. Burns, D. H. Simpson and M. A. Averkiou:(18) M. Fukuda, M. Nishihira and K. Imano: Jpn. J.

Ultrasound Med. Biol., Vol.26, pp.S19-S22

Appl. Phys., Vol.43, No.5B, pp.3131-3133 (2004).

(2000).
(12) D. H. Simpson, C. T. Chin and P. N. Burns: IEEE
Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, Vol.46,(19) 山田博章，
尾上守夫: 非破壊検査, 第20 巻, 第11 号, pp.605-608 (1971).