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JPS6258466B2 - - Google Patents
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JPS6258466B2 - - Google Patents

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Publication number
JPS6258466B2
JPS6258466B2 JP56006396A JP639681A JPS6258466B2 JP S6258466 B2 JPS6258466 B2 JP S6258466B2 JP 56006396 A JP56006396 A JP 56006396A JP 639681 A JP639681 A JP 639681A JP S6258466 B2 JPS6258466 B2 JP S6258466B2
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JP
Japan
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transformer
probe
capacitance
ferrite core
inductance
Prior art date
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Application number
JP56006396A
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JPS57120859A (en
Inventor
Etsuji Yamamoto
Kageyoshi Katakura
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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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
    • G01N29/04Analysing solids

Landscapes

  • 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)
  • Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は超音波探触子と撮像装置本体とを接続
するシールド線の悪影響を除去するインピーダン
ス変換回路を有する探触子に関する。
従来まで、機械走査形医療超音波診断装置ある
いは探傷装置の探触子に用いられている圧電体
は、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)が主であり、
その誘電率も数百以上で面積も数cm2あるため、静
電容量はシールド線に比べ十分に大きくなり、シ
ールド線の影響はほとんど無視することができ
た。しかしながら、高周波数化に伴ないPZT以外
の圧電体、例えばリチウムニオベイト(LiNb)
や酸化亜鉛(ZnO)など誘電率が低く、面積も小
さな圧電体が用いられるに及びシールド線の影響
が無視し得なくなつた。
圧電体としてLiNbを用いた場合について説明
する。この圧電体の比誘電率は30程度であり、直
径10mm、厚み0.1mm程度の単一エレメント(振動
子)からなる探触子を構成した時、静電容量は
200PF程度になる。一方、探触子と撮像装置本体
とを接続するシールド線としては通常100〜
200PF/m程度のものが用いられており、これ以
上に容量を下げることは線径の増大を招き好まし
くない。シールド線は5〜10m程度になるため、
シールド線全体の静電容量は500〜2000PFにも達
し、圧電体自身の容量より大きくなつてしまう。
このような容量が圧電体に並列に挿入されると、
超音波の受波に於て大きな感度劣化を生じる。第
1図は圧電体の受波時の等価回路を表わし、入射
超音波の大きさに比例する定電流源1、静電容量
dの制動容量2、モーシヨナル・アドミツタン
ス(大きさYm)3からなる。通常、圧電体は十
分に制動された状態で用いられるので、アドミツ
タンス3はωCdに比べ十分に大きいと考えられ
以後無視するものとする。ただし、ωは圧電体の
共振角周波数とする。この圧電体に静電容量Cs
のシールド線4が並列に挿入された場合を考え
る。この等価回路を第2図に示す。第1図と同様
に超音波が入射すると、定電流Isが生じ、圧電
体の端子間電圧V2は、 V2=I/ω(C+C) となる。この電圧はシールド線4がない場合に比
べCd/(Cd+Cs)に減少している。例えば、
d=200PF、Cs=700PFとすると、シールド線
4が挿入されたときはそれがない場合の22%にま
で減少することがわかる。ところで、従来までは
シールド線4の影響を軽減させるために、第3図
に示すようにインダクタンスLのコイル5を挿入
することが行なわれている。この場合コイル5の
Q値をQlとすると出力電圧V3は、QlV2となりコ
イル5がない場合に比べQl倍に上昇する。しか
しながら、Qlの大きさはコイルの構造及び使用
周波数帯域で決まるため無制限に大きくすること
はできない。さらに、Qlの増大とともに帯域が
狭くなり波形の劣化を招くので通常は2〜3程度
になつている。従つて、シールド線がある場合、
並列に挿入したコイルだけではシールド線の静電
容量による減少分を打消すだけであり、それ以上
の出力電圧を得ることは困難であつた。
本発明はこの点を鑑みてなされたもので、その
目的はシールド線と探触子との間にインピーダン
ス変換器を設け、シールド線の悪影響を除去した
ばかりではなく、さらに高感度な探触子を達成し
た点にある。以下図面を用いて本発明を説明す
る。
インピーダンス変換器は、第4図に示すように
変圧器6と、2次側に挿入されたインダクタンス
sを有するコイル7とからなる。いま変圧器の
昇圧比をn、1次側及び2次側インダクタンスを
それぞれL1,L2とし、L2>Lsとする。変圧器は
送波時には圧電体に印加される電圧をn倍し、受
波時には圧電体に発生する電圧を1/n倍するた
め、送受波を考えたときには昇圧効果はない。し
かし、そのインピーダンス変換効果を考えると感
度向上が生じる。すなわち、受波時に於て変圧器
6を2次側から見たときのインピーダンスZ2は、
1次側の負荷を1/n2倍したものとなるためZ2
1/n・1/ωCとなる。ただし、ωは対象として
いる角 周波数、Csはシールド線の静電容量である。従
つて、受波時の等価回路は第5図のようになり、
シールド線の容量は1/nsの容量8として圧電体 に並列に挿入されることになる。nは2〜3程度
を容易に達成できるのでCsは数分の1〜10分の
1程度に減少する。それ故、Cdに比べてCsを見
かけ上十分に小さくできるため、その影響は極め
て小さくなる。以上の理由によりシールド線の影
響を小さくできることが分つたが、ここで2次側
にコイル7を挿入することにより発生電圧がQ倍
になるので、シールド線がない場合よりも感度が
向上する。さらに、L2≫Lsとすることにより2
次側の並列共振条件がLsだけを選択することで
達成できるようになるため、変圧器に対する自由
度が増す。すなわち、L2と制動容量2を、L1
シールド線4を並列させるようにL1,L2を選ぶ
と昇圧比nは√2 1となり、nを自由に選ぶ
ことができなくなる。これは場合によつてはイン
ピーダンス変換器の有効性を失なわしめるもので
あり、L2>Lsとすることにより変圧器の設計に
対する自由度が飛躍的に増大する。
以下本発明の実施例について詳細に説明する。
第6図は探触子を駆動する電圧と反射波電圧と
の関係を、従来のように並列にインダクタンスを
挿入しただけの場合9と、第4図に示す本発明の
場合10さらに、シールド線だけの場合11につ
いて示したものである。圧電体としては厚み100
μm、直径10mmのLiNbを用いており、その静電
容量は200PFである。また変圧器としては厚み2
mm、内径5mm、外径10mmの環状フエライトをコア
とし、1次側に11ターン、2次側に40ターン巻い
てある。そのインダクタンスはそれぞれ2.8μ
H、37μHである。2次側には圧電体に並列に数
μHのコイルを挿入し共振させている。
シールド線として110PF/mのものを7m用
い、その善静電容量は770PFとなつている。
第6図からも明らかなように、シールド線の容
量が圧電体の制動容量の4倍近くにあるにもかか
わらず、本発明のインピーダンス変換器を有する
探触子の感度は、インダクタンスだけあるいは何
も挿入しない場合に比べて10dB以上向上するこ
とが分かる。
第7図は、本発明において変圧器の1次側イン
ダクタンスを変化させた場合の感度を示す図であ
る。1次側インダクタンスとシールド線とがほぼ
共振する点に於て最大感度になることが分かる。
なお、変圧器の2次側のリード線による静電容
量も感度劣化を招くので、変圧器は探触子に内蔵
するか、あるいは探触子の近傍に設置する必要が
ある。
特に、探触子に内蔵した場合、外部雑音に対す
る変圧器のシールドが容易になり好適である。
第8図は変圧器を内蔵した探触子の断面を示す
が、シールド線に続くコネクター11は変圧器1
2に接続され、その2次側は圧電体13に接続さ
れる。2次側には並列にインダクタンス14が接
続される。15はシールド・ケース16はバツキ
ング材である。
以上説明したように、圧電体の静電容量に対し
シールド線の容量が無視し得ないような場合で
も、本発明により10dB程度の感度向上を達成す
ることができる。なお、本発明はここに示した圧
電体や撮像方式に限定されることなく、圧電体の
静電容量に比べシールド線のそれが無視し得ない
場合に対し適用できることは勿論である。
さらに、本発明において、上記インピーダンス
変換器としてフエライトコアを有する変圧器を用
いた場合について述べる。
超音波の送受を行なう探触子は、高分解能化の
要求によりますます高周波数化しつつある。これ
に伴ない、探触子に用いられる圧電体も小型化
し、その容量も小さくなる傾向にある。このた
め、装置本体と探触子とを接続するシールド線の
容量が問題となり、その解決策として、変圧器に
よるインピーダンス変換器の利用が考えられる。
この場合でも変換器から探触子へのシールド線を
短かくするため、変換器はできるだけ圧電体の近
くに設置することが望ましく、場合によつては探
触子に内蔵する必要がある。従つて、変圧器にも
小型のものが要求されることになる。
探触子の使用周波数としては、2〜10MHzが
現在のところ主に用いられており、変圧器には小
型化、低損失化の点からフエライトコア、中でも
環状コアを有するものが好適である。
しかしながら、フエライトコアは磁歪を有する
ため、小型化に伴ない磁歪振動数も高くなり、探
触子の動作に悪影響を及ぼすことを見出した。
例えば、内径di、外径de、音速vの環状フエ
ライトコアを考えると、その基本振動数f0は次式
で表わされる。
f0=2v/π(di+de) この環状フエライトの円周方向にパルス磁場を
印加すると磁歪により円周方向に伸縮し、フエラ
イトコアに巻かれたコイルのインダクタンスが変
化する。通常、超音波探触子は非常に幅の狭いパ
ルス電圧で駆動されるため、その周波数成分は広
い周波数領域に渡つて分布しており、フエライト
コアも当然ながら励振されることになる。その結
果、探触子にパルスを印加した直後から、フエラ
イトコアの振動に対応してコイルのインダクタン
スも変化し、これが擬偽信号を発生することにな
る。
i=5mm、de=9mm、v=5000m/sのフエ
ライトコアの場合、基本振動数f0は230KHzとな
るが、この振動以外にも、高調波成分が発生し、
数MHzまでの領域に渡つて、振動が観測され
た。すなわち、これらの振動数近傍に於てインダ
クタンスの大きな変化が認められた。探触子から
の信号を増幅するレシーバの帯域は、パルス信号
を取り扱うために一般に広くなつており、中心周
波数に対し30〜40%位あるのが普通である。この
ため、フエライトコアの振動に基づく擬偽信号を
真の信号と区別して除去することは難かしく、正
常に探触子を動作させることができないという問
題が生じていた。
かかる問題を除去するため、本発明は、フエラ
イトコアの磁歪振動を抑圧することを特徴とす
る。
第9図は探触子を駆動する電圧波形17と、そ
れに続く磁歪振動に基づく擬偽信号波形18と、
真の信号波形19とを示したものである。フエラ
イトコアの磁歪振動を抑圧しないと、真の信号が
減衰した状況では第9図のように真の信号よりも
大きな擬偽信号が発生する。第10図はフエライ
トコアを巻き線も含めてエポキシ樹脂系接着剤
(ALTECO 30)で固めた場合であるが、磁歪振
動が十分に抑圧されており、ほとんど無視できる
ことが分かる。
磁歪振動を抑圧するには、フエライトコアを固
い枠で囲むことも考えられるが、変圧器が大型化
したり、巻き線内にフエライトコア以外の物質が
挿入されることになるためQ値の低下を招くの
で、好ましい方法とは言えない。これに対し、樹
脂系接着剤を用いると、電気的絶縁性が増すのは
勿論であるが、線間にも十分に浸透し、フエライ
トの不要振動を簡単に抑えることができる。
以上説明したように、本発明によれば、インピ
ーダンス変換を行なうための変圧器を小型化する
ことができ、探触子に内蔵することも容易に可能
である。
【図面の簡単な説明】
第1図は受波時の圧電体の等価回路を、第2、
第3図は従来の構成法を、第4図は本発明の構成
法を、第5図はその等価回路を示す図であり、第
6図は反射波電圧特性を示す図、第7図は送受信
感度特性を示す図、第8図は探触子の構成を示す
断面図、第9図はフエライコアの磁歪を抑圧しな
い場合に擬偽信号の発生する様子を示す図であ
り、第10図は磁歪を抑圧することでSN比が改
善される様子を示す図である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 超音波撮像装置から探触子へ到るシールド線
    と上記探触子との接続部において、2次巻き線数
    が1次巻き線数よりも大きな変圧器と、この変圧
    器の2次側に挿入され、上記探触子の圧電体の静
    電容量とほぼ並列共振するインダクタンスとから
    なるインピーダンス変換回路を有することを特徴
    とする超音波探触子。 2 上記変圧器の1次側インダクタンスが、上記
    変圧器の1次側に接続されたシールド線の静電容
    量とほぼ並列共振するように選んだことを特徴と
    する特許請求の範囲第1項記載の超音波探触子。 3 上記変圧器として、磁歪振動を抑圧したフエ
    ライトコアを用いることを特徴とする特許請求の
    範囲第1項記載の超音波探触子。 4 上記フエライトコアとして、環状コアを用い
    ることを特徴とする特許請求の範囲第3項記載の
    超音波探触子。 5 上記フエライトコアとして、樹脂系接着剤で
    固めたコアを用いることを特徴とする特許請求の
    範囲第1項記載の超音波探触子。
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