2019 Fiscal Year Research-status Report
符号化開口超音波探触子を用いた軟質チューブ内の高精度ドップラ流量計測に関する研究
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19K04409
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| Research Institution | Wakayama University |
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Principal Investigator |
村田 頼信 和歌山大学, システム工学部, 教授 (50283958)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 超音波 / 流速計測 / パルスドップラ / 符号化開口 / 高分子圧電材料 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は，外径がφ10mm以下のプラスチック製チューブに対応可能な曲面開口を持つ7bit長M系列符号化探触子の開発を目的に研究を行った．具体的には，広帯域高分子圧電振動子から発する単パルス超音波の位相をM系列の符号列に合わせ，疑似M系列変調波の送信を実現した．これは，圧電膜から発生する超音波の位相は圧電膜の残留分極方向に依存するため，高分子圧電膜（PVDF膜）の残留分極方向を制御してM系列の符号順に積層し，かつそれぞれの圧電膜で発生した超音波が互いに重ならないように適切な厚みの遅延材を挟むことによってM系列パルス列信号を発生させるものである．また，チューブの管外から管内に向けて超音波の送信を可能にするために，振動子をチューブの外壁に沿った曲面形状とした．
今回，10MHzでの計測を想定し，圧電膜の厚みは約52μm，遅延材の厚みは約175μmとし，7bitのM系列の極性に応じた順序で圧電膜を積層した．なお，振動子はφ8mmのアクリルチューブの外壁に沿うよう曲面形状とし，開口はチューブの軸（流れ）方向に広い指向性を持たせるために短冊形状（3mm×7mm）とした．バッキング材には，振動子の曲率に応じた成形が容易なエポキシ樹脂を使用した．作製した探触子の性能は空間選択性を調べる事により評価した．探触子の音軸上に配置した点物体（φ0.5mm）からのエコーを取得し，これを規準として異なる送受信角で得られたエコーとの相互相関を計算することによって，送受信角による点広がり関数を求めた．結果として，開口面を曲面とした符号化開口においても空間選択性を確認した．一方で，探触子の製作における組立精度および更なる高性能化について検討が必要なことも明らかとなった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
これまでの研究で，高分子圧電材料の積層で符号化開口が実現出来ることは確認されていたが，曲面の積層型符号化開口探触子を如何に実現するか（作製工程の確立）が課題であった．今回，曲面形状とすることだけでなく，チューブの流れ方向を広指向角とするため開口を短冊形状としたため作製の難易度がさらに高くなり，それでも，いくつかプロトタイプを作製することができた．また，これらについて，実験による空間選択性の確認にまで至ることができた．
加えて，上の研究と平行して，符号化開口による管内流体中の気泡分布の可視化についても検討を始めた．これは，符号化開口は，従来の超音波撮像技術とはことなり，走査を必要とせずに断面撮像が可能な点に起因している．まずは，シミュレーションにより，符号化開口によってワンショットで管内の波動情報を瞬時に取得できることを確認し，管内の流体と一緒に流れる気泡の分布についても可視化可能であることを示した．
以上のことから，本研究は概ね順調に進展していると判断した．
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度の研究で得られた知見を元に，探触子の製作行程の見直しを行い，組み立て精度の向上をはかる．また，より広い範囲の計測を行うための指向性の制御や空間選択性の向上について検討を行う．一方，鋼管に比べ軟質なプラスチック製チューブは超音波の減衰も大きく，少しでも感度の向上が望まれる．そこで，信号伝送路のシールドを見直し，受信信号のSN比向上についても検討を行う．その後，プラスチック製チューブの管壁を介してパルスドップラ法により点物体の位置と速度が同時に計測可能なことを実証したいと考える．また，これらの研究と平行して，符号化開口による気泡分布の可視化についても引き続き研究を進め，最適な探触子の開発および撮像システムの構築をおこなって行きたいと考える．
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Research Products
(2 results)
