長距離集束能力と短パルス放射能力を合わせ持つ新しい高分解能超音波プローブの開発

1998 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 10555110
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 山田 顕 東北大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (80134021)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 中村 僖良 東北大学, 大学院・工学研究科, 教授 (00005365)
• Keywords: 超音波トランスデューサ / 複合圧電材料 / 広帯域 / ベッセルビーム / 無回折ビーム / 高分解能 / コニカル / 傾斜機能材料

Research Abstract

1.圧電定数が傾斜した圧電板の厚み振動の解析と等価回路表示
厚さ方向に圧電定数が直線的に分布している圧電板について厚み振動の解析を行い、その等価回路表示を求めた。得られた等価回路は一様な圧電板について求められているものと形の上では同じであるが、その回路定数が周波数依存性を持つことが明らかになった。 厚み振動共振子の電気端子アドミタンス特性の解析では、一様な圧電板では励振されない偶数次の高調波のレスポンスも現れるなど、興味深い結果が得られた。
2.圧電定数の分布と周波数特性の理論的検討
前述の等価回路により、傾斜化圧電板を用いたトランスデューサの伝達関数やインパルス応答を求めた。 その結果、傾斜化圧電板を用いれば励振音波波形がより単一パルスに近いものとなり、トランスデューサの広帯域化が図れることが理論的に明らかになった。
3.圧電体と高分子の複合構造をもつトランスデューサ材の設計と製作
可とう性と高い電気機械結合係数を持つ1-3型の複合圧電材料について、圧電体の占める割合が厚さ方向に変化する構造を検討し、その電気機械結合係数や圧電定数、固有音響インピーダンスの変化を理論的に調べた。これを基に、テーパー付きブレードを装着したダイシング・ソーを用いて圧電セラミクスの充填率が77%から23%まで変化する構造の傾斜型複合圧電材料を製作した。
4.広帯域超音波トランスデューサの試作と周波数特性の
設計・製作した圧電材料を用い、セラミクス充填率の高い面を放射面とし、裏面にパッキング材を設けた構造のトランスデューサを試作した。これを用いて水中での放射音波の時間波形に観測とその周波数特性の評価を行ったところ、従来のものに比べて短パルス発生能力が向上し、より広帯域な特性となることが明らかになった。

Research Products

• [Publications] 山田 顕: "V溝構造により励振電界を傾斜させた広帯域超音波トランスデューサ" 日本音響学会講演論文集. 947-948 (1998)
• [Publications] 山田 顕: "圧電定数が直線的に変化した圧電板における厚み振動の等価回路表示" 電子情報通信学会技術研究報告. US98-25. 7-12 (1998)
• [Publications] 坂村純一: "V溝構造を持つ圧電機能傾斜型トランスデューサの有限要素法解析" 日本音響学会講演論文集. 1047-1048 (1998)
• [Publications] 山田 顕: "圧電定数を直線的に変化させた圧電板の厚み振動の解析と等価回路表示" 日本音響学会講演論文集. 1225-1226 (1998)
• [Publications] Ken Yamada: "Broadband Ultrasound Transducers Using Effectively Graded Materials" Proc.1998 IEEE Ultrasonics Symposium. (未定). (1998)
• [Publications] Ken Yamada: "Broadband Ultrasound Transducers Using Piezoelectrically Graded Materials" 5^<th> Int.Symp.on Functionally Graded Materials. (未定). (1998)