計測自動制御学会東北支部 第 266 回研究集会(2011.07.20)
資料番号 266-7

物体表面振動速度を用いたイメージングに関する一検討
A study on imaging method using vibration
velocity on the object surface○吉田 翔*， 今野 和彦*○ Syo Yoshida*， Kazuhiko Imano**秋田大学 大学院工学資源学研究科*Graduate School of Engineering and Resource Science，Akita University
キーワード：圧電振動子(Piezoelectric transducer) ，イメージング(Imaging)
振動速度(Vibration velocity)，単極性パルス(Unipolar pulse)，レーザドップラ振動計(Laser doppler vibrometer )連絡先：〒010-8502 秋田市手形学園町 1-1 秋田大学 大学院工学資源学研究科 電気電子工学専攻
今野 和彦，Tel：(018)889-2490，Fax：(018)837-0406，E-mail：imano@ipc.akita-u.ac.jp

振動速度波形が得られることが知られてお1. はじめに
一般に超音波を用いたイメージングは，り，これを利用したインパルス超音波音場

超音波を水などの音場媒質中に伝搬させ対やイメージングに関する研究が報告されて象物からの反射波を受波する方法で行われいる1,2,3)．これらの報告では，圧電振動子をることが多い．そのため，例えば水浸法にステップ電圧で駆動した場合，圧電振動子

よって超音波イメージングを行うような場の音響放射面，放射面のエッジ部分および合，対象物の劣化や浸食および短絡の恐れ背面から超音波が発生することが述べられがある電子デバイスなどに用いることがでている．このとき音響放射面からは同位相きず対象物が制限されてしまう．このよう同振幅の平面波が発生し，その振動速度はな対象物をイメージングするには，空気中音響放射面で一定になる．過去にこの同位でイメージングを行うことが望ましいと考

相同振幅の平面波を用いたイメージング手えられる．

法の提案が行われた4)．そこで本研究では新本研究の目的はレーザドップラ振動計でたに単極性パルス駆動を用いる方法につい圧電振動子の音響放射面と放射面に接着して検討する．

た試料の振動速度を測定し，その差を用いてイメージングを行う空中イメージング手

2. 圧電振動子表面の振動速度測定法の提案である．現在，圧電振動子をその2.1 単極性パルス駆動5)周期より十分短い時間幅のパルス電圧で定単極性パルス駆動の原理を Fig.1 に示す．

電圧駆動した場合，駆動電圧波形に相似なFig.1(a)のような傾きがあるパルス電圧を1圧電振動子に印加すると，圧電振動子表面の振動変位は Fig.1(b)のように印加電圧にVelocity相似な波形になる．すると圧電振動子表面の振動速度波形は振動変位波形を微分したものなので，Fig.1(c)のような単極性パルスtime波形になる． しかし，実際はリンギングの影響で単極性パルスにならない．そこでリンギングの抑制が必要になる．Fig.2(a)のよ(c) 振動速度波形

うにパルス電圧の立ち上がり時間をτ とす

Fig.1

単極性パルス駆動原理

ると，振動速度波形のパルス幅はτとなり，その周波数成分は Fig.2(b)のように 1/τで 0になる．また，リンギングは Fig.2(c)のように圧電振動子の共振周波数 f に周波数成分をもつ．したがってτ を共振周期(1/f)に近づ

Voltage

けることで，リンギングの成分を打ち消し抑制できる．

timeτ(a) パルスの立ち上がり時間

Amplitude

Voltage1/τtime

Frequency(b) 振動速度の周波数成分

Amplitude

Displacement(a) 印加電圧波形

time

共振周波数 fFrequency(c) リンギングの周波数成分(b) 振動変位波形

Fig.2 パルスの傾きとリンギング2

2.2 使用する振動子本研究で使用する圧電振動子は直径 4060mm，厚さ 2.2 mm の円柱状の PZT 材(M6)40

Input Voltage [V]である．直径の寸法が大きい理由は，試料を接着するためである．
2.3 測定システム

200-20

本研究で用いる測定システムを Fig.3 に-5示す．発振器から繰り返し周期 50 Hz，パルス幅 10 μs の方形波パルスを発振し，バ0510Propagation Time [μs]15(a) 印加電圧波形

イポーラ増幅器により 50 V に増幅して圧電振動子に印加する．印加電圧波形はVelocity [mm/s]4Fig.4(a)であり，τ が共振周期(1 μs)に近づくようパルスの傾きを調整している．また，このときの圧電振動子表面の振動速度波形20-2をレーザドップラ振動計で測定し，オシロ-4スコープで観測する．この出力波形は-5GP-IB を介して PC に取り込まれる．

0510Propagation Time [μs]15(b) 振動速度波形

2.4 測定結果
振動速度波形を Fig.4(b)に示す．また比較

4Velocity [mm/s]のため Fig.4(c)にτ が共振周期よりも短い場合の振動速度波形，Fig.4(d)にτ が共振周期よりも長い場合の振動速度波形を示す．
Fig.4(c)および(d)に比べ Fig.4(b)はリンギン

20-2-4グが抑制できていることが確認できる．本-5

研究では Fig.4(b)のリンギングを抑制した単極性パルスを用いる．

0510Propagation Time [μs]15(c) τ が共振周期よりも短い場合

4Velocity [mm/s]

PCGP-IBTrigger
Function Generator

Oscilloscope

Bipolar Amplifier

20-2

Reflect Mirror-4

Laser Doppler
Vibrometer-50510Propagation Time [μs]15Transducer(d) τ が共振周期よりも長い場合

XY stageFig.4 圧電振動子表面の振動速度測定

Fig.3 測定システム

33 振動速度差を利用したイメージング

今後は他の材料でも本手法が有用である

3.1 圧電振動子表面の振動速度分布かどうかを検討したいと考えている．また，異なる厚さの材料に関する検討も行う予定

圧電振動子の音響放射面の中心を含む端である．

から端までの振動速度分布を Fig.5 に示す．
この結果から，圧電振動子表面の振動速度分布がほぼ一定であることが確認できる．
したがって，イメージングが可能であると考えられる．

5Velocity [mm/s]

3.2 イメージング対象
イメージング対象は，U.S の文字（空洞）があるアルミニウム板を用いる．Fig.6 に試料の各寸法を示す．対象はサリチル酸フェ4321ニルで接着する．測定範囲は文字部分を中0心とした 8 mm の正方形の範囲とし，測定-20-10010Distance [mm]20間隔は 0.2 mm とする．
Fig.5 圧電振動子表面の振動速度分布

3.3 イメージング結果
Fig.7 に振動速度波形例を示す．アルミニ
ウム板の振動速度振幅が圧電振動子表面の1.5 mm 1 mm振動速度振幅よりも大きいことが確認でき

3 mm

る．Fig.8 にイメージング結果を示す．Fig.8
1.5 mm

10 mm

から U.S の文字（空洞）をイメージングできていることが確認できる．したがって，

3 mm

3 mm

0.6 mmφ

3 mm

圧電振動子を単極性パルス駆動し，その振動速度差をレーザドップラ振動計で測定し1 mmてイメージングを行う本手法が，空中イメ10 mmージング方法として有用である可能性が示
Fig.6

せたと考えられる．

イメージング試料の寸法

4. まとめ
4Velocity [mm/s]

本研究では，単極性パルス駆動を用いた空中イメージング手法を検討した．リンギングを抑制する単極性パルス駆動を行い，音響放射面とイメージング対象の振動速度20-2差をレーザドップラ振動計で測定してイメ-4ージングを行った結果，本手法が空中イメ-5:振動子:アルミニウム板

0Propagation Time [μs]ージング方法として有用である可能性を示
Fig.7

すことができた．

4

振動速度差

5

y方向 [mm]4.196420.908[mm/s]00246
x方向 [mm]Fig.8

8

イメージング結果≪参考文献≫
1)佐藤雅弘，吉田泰夫：“基本共振周期よりかなり短いパルス電圧で駆動された圧電振動子の過渡応答”，日本音響学会誌，第56 巻，11 号，pp.857-863(1997)
2) K. Imano，Y. Yoshida，D. Okuyama：“Amethod of observing the sound field intransient radiation from a piston source”，J.
Acoust.

Soc.

Jpn.

Vol.(E)12.

No.5 ，

pp.233-235(1991)
3) K. Imano，Y. Yoshida，D. Okuyama：“Observation of the sound field in transientradiation from a concave piston source using
time-transition pattern”，J. Acoust. Soc. Jpn.
Vol.(E)12. No.5，pp.237-239(1991)
4) 佐藤

博仁:“振動速度検出による超音波イメージングに関する研究”，平成 22
年度

秋田大学院

博士前期課程工学資源学研究科

電気電子工学専攻

情報通信工学講座

知能修士学位論文，pp.1-65) Kouji Takasaki，Kazuhiko Imano，Hiroshi
Inoue:“Generation of Monopole Ultrasonic
Pulse from a Circular Source and It’s
On-axis Pressure Characteristics”，Jpn. Appl.
Phys. Vol. 37，pp.3049-3050(1998)

5