JPS60138457A - 送受分離形超音波探触子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、超音波を被測定物に送信し、その反射波を受
信することで、被測定物の構造あるいは物性を測定する
装置に用いられる探触子の構成に関する。

〔発明の背景〕

圧電体を用いた超音波の探触子には、従来チタン酸翼ジ
ルコン酸鉛などのセラミックスあるとは水晶などが用い
られており、超音波の送信と受信を共用するものが多か
った。超音波の送受信感度は、送信出力を決定する圧電
ｅ定数と受信感度を決定する圧電ｇ定数との積に比例す
るが、同一圧電体に於て、これらの定数を独立に増大さ
せることは困難であり、用いる圧電体によってその積の
値が決まっている。そのため、送受信感度を高める方法
には専ら圧電体と被測定物間に石英や、エポキシ系接着
剤とタングステンの混合物などからなる音響的整合層を
挿入する方法が広く用いられて来ている。しかしながら
、同一圧電体を用いる場合、圧電ｅ定数とｇ定数を任意
に選ぶことが出来ないため、送受信感度は大きな制約を
受けていた。従って、送信用と受信用圧電体を分離すオ
ｔばこのような制約を除ける他、送信用圧電体と受信」
圧電体の音場分布の相違を利用して、疑似信号源となる
サイドローブやグレーティングを減少させることも可能
になってくる。すなわち、送波用圧電体から目的とする
領域以外に超音波が放射されたとしても、受波用圧電体
がその領域に対し低感度であれば、送受波特性として、
その領域からの信号を検出しないことになる。勿論目的
とする領域に対しては送波及び受波とも効率よく超音波
を送受できるように設定するのである。こＪｚを達成す
るには、まず送信用と受信用圧電体を分＾１して設置す
る構成法が考えられるが（例えば特公昭５５　１５１１
２号公報参照）、この場合両者の位置ず九による影響を
考慮しなければならず、場合によっては装置が複雑化す
る他、探触子が大型化するなどの欠点を有している。さ
らにただ単に送信用圧電体と受信用圧電体を重ね合わせ
て一体構成することも考えられるが、同一周波数を送受
する場合、一方の圧電体に対し他方の圧電体が音響的に
悪影響を与えるという重大な欠点を有している。すなわ
ち、被測定物に接する側の圧電体はその裏側の圧電体か
らみて、音響的に悪影響を与えない厚みとインピーダン
スを有していなければならない。

しかし、このような構成法では逆に被測定物に接する側
の圧電体からみると、裏側の圧電体は、その内部に多重
反射が生じる程厚いものとなり。

その結果送受波形の著しい劣化は避けられないという欠
点を有するのである。この欠点は、超音波診断装置など
短パルスを送受する必要のある探触子には致命的なもの
となる。

〔発明の目的〕

本発明は−れらの点を鑑みてなされたもので、その目的
は送信用と受信用圧電体に異なる種類の圧電体を用い、
こわらの圧電体を積層して１／４波長モード励振したと
き最大感度が得られるように面圧電体の音響インピーダ
ンス、厚みさらに裏打ち材の音響インピーダンスを選ぶ
ことにより、前述の欠点を除去した探触子を提供するこ
とである。

〔発明の概要〕

本発明においては、送信用圧電体としては、例えばチタ
ン酸ジルコン酸鉛、チタン酸鉛などのセラミックスや、
セラミックス粉末と合成高分子との混合物からなる複合
物などが適する。受信用圧電体としては、上記送波用の
圧電体より音響インピーダンスの小さい圧電体、例えば
水晶やポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）−ポリフッ化
ビニルなどを熱エレクトレット化したもの、複合物など
を用いる。例えば、送波用圧電体にチタン酸ジルコン酸
鉛を用い、受波用圧電体にＰ　Ｖ　Ｉ）　Ｆを用いると
、 ｅ　Ｘ　ｇ　＝＝　７　Ｖ　Ｃ／　Ｎ　ｍとなる。

一方、送・受波用圧電体ともにチタン酸ジルコン酸鉛を
用いた場合には ｅ　Ｘ　ｇ　＝　０　、９１　Ｖ　Ｃ／　Ｎ　ｍとなる
。従って、前者の場合では、送受信感度として７，７倍
改善されていることになる。

〔発明の実施例〕

以下図面を参照しながら本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の一実施例の構成を示す図である。図に
おいて受波用圧電体１の背面にそれよりも音響インピー
ダンスの大きな送波用圧電体２を貼り、さらにその裏に
２よりも音響インピーダンスの大きなバッキング材３を
貼る。

なお、圧電体１と２の厚みは、送受信する超音波の周波
数に対して、１／４波長程度に選ぶ。また、面圧電体の
両面には電極４を蒸着、メッキあるいはスパッタリング
などでイ４けである。両電極の接着は、その間に電気的
絶縁層５を挿入して行う。

このような探触子の動作を、受波と送波に分けて簡単に
説明する。受波に於ては、圧電体２の音響インピーダン
スＺ　は圧電体１の音響インピーダンスＺ　よりも大き
いため、圧電体１は波長が厚みの１／４程度の超音波周
波数ｆ　に対し最大感度を有する。すなわち、圧電体１
からみて圧電体２は振動の節となるため、通常の１／２
波長モードとは異なり、丁度１／４波長の定在波が生じ
やすくなるためである。この場合圧電体２は同じ周波数
ｆ　に於て１／４波長の厚みとなるため、音響的整合層
として働く。従って、受波用圧電体１の背面に放射され
た超音波はほとんどバンキング材３に透過し、そこで吸
収されるために多重反射を生じない。それ故、圧電体１
を受波に用いた場合、周波数ｆ　に於て良ｉｆなパルス
特性を示す。

一方、送波に於てはバンキング材の音響インピーダンス
Ｚ　はＺ　よりも大きいため、圧電体１と同様の理由に
より、波長が厚みの１／４程度の超音波周波数ｆ　に対
し最大出力を放射することになる。この場合、圧電体２
の前面にある圧電体１は、周波数ｆ　に於て１／４波長
の音響的整合層どして働くため、超音波を被測定物に効
率よく伝播する。それ故、圧電体２を送波に用いた場合
、周波数ｆ　に於て良好なパルス特性を有するとともに
、効率よく出力を被測定物に向けて放射させることかで
きる。以上の説明より、送受ともにｆ　近傍の周波数に
於て良好な特性を示すことが明らかである。

第１図の構成において、圧電体１と２の組合せとしては
、チタン酸ジルコン酸鉛と水晶、チタン酸ジルコン酸鉛
とポリフッ化ビニリデン、チタン酸ジルコン酸鉛と複合
物などが好適である。ただし、チタン酸ジルコン酸鉛を
チタン酸鉛と置換しても同じである。さらに、複合物と
ポリフッ化ビニリデン、複合物と複合物なども好適であ
る。

第２図は本発明の他の実施例の構成を示す図である。受
信用圧電体１と送信用圧電体２を貼り合わせ、その背面
に、圧電体２の音響インピーダンス２　よりも大きな音
響インピーダンスＺ　を有し、厚みが１／４波長の音響
的整合層６を貼り、さらに音響インピーダンスＺ′のバ
ンキング７を裏打ちしたものである。第１図に示す構成
例に於ては、バッキング３は送信用圧電体２よりも高い
音響インピーダンスＺ　を有し、かつ大きな減衰率を有
するものでなければならない。しかし、第２図の構成に
於ては、整合Ｎ６からバッキングを見たインピーダンス
はＺ＝Ｚ２　／Ｚ’　となるｍ、Ｒ ため、Ｚ　どして全屈のように減衰は小さいが大きなイ
ンピーダンスを有するものを選べばバンキング７は比較
的小さなインピーダンスのものでよい。例えば、整合層
６として銅板を選ぶとＺ　−４６，８ＸＩＯＧｋに−ｍ
　”Ｓ−１となるため、バッキング７にはタングステン
粉末とエポキシ樹脂の混合物などのようにインピーダン
スは小さいが損失の大きな材イ′１を使うことができ、
ｚ′＝５Ｘ１０６ｋｇｍ　”　Ｓ　’として、ｚ　、　
＝−１３８Ｘ］０６ｋＨｒｎ−”Ｓ−１となる。従って
、圧電体２に対して十分に音響インピーダンスの大きな
バッキングと見なせるわけである。

第３図及び第４図は、それぞれ受信感度及び送信出力の
周波数依存性を示す図であり、両図において、実線は送
信用圧電体にチタン酸ジルコン酸鉛を、受信用圧電体に
ポリフッ化ビニリデンを、音響的整合層６に銅板を、さ
らにバッキング７にフェライト粉末入りゴムを用いた場
合を表わす。

また破線は、従来用いられるように圧電体２として周波
数ｆ　に対し１／２波長モード励振するような厚みを選
んだ場合を示す。この特性曲線から明らかなように、本
発明の探触子の場合では、周波数ｆ　において高感度で
かつ２倍以上の広帯域特性が実現されていることがわか
る。

第５図は、本発明の他の実施例の構成を示す図であり送
信用圧電体１は上部電極８．下部電極９を有し、受信用
圧電体２は上部電極１０と下部型（厨１１を有する。こ
こで、電極９と電極１０をアース電極に選べば、両者を
電気的に絶縁する必要が全くないため、接着［１２の厚
みを、極めて容易に音響的に悪影響を与えない程十分に
薄いものとすることができ、接着層による感度低下や波
形劣化を抑えることができる。さらに接着剤として導電
性接着剤を用いることもできるため、電極９゜１０から
のリード線の引出しが容易になる。

このような接続法の他に、電極８と電極１０をアース電
極に選ぶこともできる。この場合電極９と電極１０を電
気的に絶縁する必要が生じるが、電極９は受信機に接続
される電極であるため、耐電圧性に対する制約がなく、
接着層１２の厚みを両電極が接しない程度に十分に薄く
できる。しかもこの場合、電極８はアース電極であるか
ら、探触子を被測定体に接触させたときに、被測定体か
ら雑音を拾うこともなくなる。

以上２例以外の電極接続法では、電極］０は送信機の出
力側に接続されるため、電極１０には通常数１０〜数百
Ｖの寡電圧パルスが印加され、接着層１２の耐電圧性が
問題となる。例えば、接着層１２の厚みを数Ｍ　Ｉ−１
ｚ　；ＩＩＦの超音波に対し十分に無視できる１０μｉ
ｎ、印加電圧を１００Ｖとするとその電界強度は１００
ＫＶ／ｃｍにも達するため、通常の接着剤では絶縁破壊
が生じる。従って、送信用圧電体に高電圧パルスを印加
するような用途には、送波用圧電体のアース電極側が、
受波用圧電体に接するように電極を選ぶことが必要とな
ってくる。

第６図は本発明の他の実施例の構成を示す図である。

本実施例は、第１図と同じ構成であるが短冊状にして用
いる場合を示している。

第７図は、本発明の他の実施例の構成を示す図であり、
第６図に示す短冊状素子をアレー状に並べたものである
。このようなアレー状素子は、超音波診断装置用の探触
子として用いる場合、リニア状又はセクタ状に超音波を
送受信するのに用いられる。

第８図は本発明の他の実施例の構成を示す図である。

受信用圧電体１３の背面に送信用圧電体１４を貼り、さ
らにバッキング材１５をそなえた構造となっている。

圧電体１２としては、ポリフッ化ビニリデンなどの軟ら
かい圧電体を用いると、短冊状に切断しなくても、電極
の形状を圧電体１４に対応させて分離するだけで、切断
したのと同様の効果を得ることも可能である。

第９図は本発明の他の実施例の構成を示す図である。そ
の構成は第８図と同様であるが、短軸方向に超音波を集
束させるために凹面状にしたものである。なお、このよ
うに凹面状にすれば、第７図に示す場合でも同様に集束
できることは明らかである。

さらに本発明の他の実施例の構成を第１０−図に示す。

本実施例は、受波用圧電体として、そのポーリング方向
を互いに逆向きにして復数個積層した場合を示している
。即ち、以上の実施例では、受信用圧電体は一枚の振動
子で構成した場合を示したが、第１０図に示す実施例で
は、互いに逆向きにポーリング（図の矢印はポーリング
の向きを示している）した圧電体１６．１７からなる圧
電体を用い、外側の電極１８．１９をアースするのであ
る。面圧電体の電極２０．２１は共通電極となるため、
接着層２２は、極めて薄いものを用いることができる。

電極２０．２１は受信機２３に接続される。送信用圧電
体２４の上部電極２５はアースに接続されるため、接続
層２６は電気的に絶縁する必要がなく、極めて薄いもの
とすることができる。下部電極２７は送信機２８に接続
されている。２９は、バッキングである。かかる構成と
した場合、圧電体１６．１７は音響的にも電気的にも１
枚の圧電体とみなすことができ、しかも、被測定物に接
する電極１８もアースに接続されるため、外部雑音の影
響を受けず、さらに受波時に表面電極と被測定物とで形
成する浮遊容量による感度劣化も避けることができるな
どの優オした特性を有する。

なお、受信用圧電体としては、第１０図に示す以外に、
圧電体１６と１７の組合せを基本単位とし、これ奢複数
個用いても全く同様なことは勿論である。

また、振動子形状としては、第７図、第８図及び第９図
に示すような場合にも、第１０図に示す構成が適用でき
るのは勿論である。

以上第５図から第１０図までの実施では第１図の構成を
用いていたが、第２図の構成を用いても全く同様である
ことは明らかであろう。

更に本発明ではここに述べた月料や振動子素子の形状に
限定されないのは勿論である。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、送受波の位置ずれがなく
、しかも同一圧電体を送受信に用いるのに比べて送受信
感度が高く、さらに広帯域特性の超音波探触子を得るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１，２図は本発明の一実施例の構成を示す図、第３，
４図は本発明の実施例の感度と送信出力の周波数特性を
示す図、第５図〜第１０図は本発明の実施例の構成を示
す図である。 第　１　図 猶　Ｚ　図 肩　づ　図 １５１ イア５ρ 第　５　図 第　７　図 第ｑ図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　送波用圧電体と、この圧電体の音響イノピーダン
   スよりも小さい音響インピーダンスを有する上記圧電体
   に貼付された受波用圧電体とからなり、上記面圧電体は
   その厚みが送受信する音波の−波長程度であると共に上
   記送波用圧電体にこの圧電体よりも音響インピーダンス
   の大きな物体を裏打ちすることを特徴とする送受分離形
   超音波探触子。 ２、　上記送波用圧電体のアース電極側が上記受波用圧
   電体に接することを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の探触子。 ３、　上記受波用圧電体がポーリングの方向を互いに逆
   向きにして積層した圧電体であることを特徴とする特許
   請求の範囲第２項記載の探触子。