JP2000115894A

JP2000115894A - 超音波探触子

Info

Publication number: JP2000115894A
Application number: JP30326798A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Fujiwara; 光浩藤原; Tamotsu Kurosawa; 保黒澤
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 1998-10-09
Filing date: 1998-10-09
Publication date: 2000-04-21

Abstract

(57)【要約】【目的】音響整合層の厚みを如何にして制御するかが解
決課題であり、音響整合層の厚み精度を高めて送受波特
性に優れ、作業性を良好とした超音波探触子を提供す
る。【構成】圧電素子上に音響整合層を設けてなる超音波探
触子において、前記音響整合層を圧電体から形成した構
成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は音響整合層を有する
超音波探触子を利用分野とし、特に音響整合層の材料に
関する。

【０００２】

【従来の技術】（発明の背景）超音波探触子は、例えば
医用の超音波診断装置に、超音波の送受波部として有用
されている。このようなものでは、一般に、圧電素子と
被検出体（生体等）との音響インピーダンスが異なるた
め、音響整合層を設けて、超音波の送受波効率を高めて
いる。

【０００３】（従来技術の一例）第５図はこの種の一従
来例を説明する超音波探触子の図である。超音波探触子
は、超音波の発生源である圧電素子１上に音響整合層２
を設けてなる。圧電素子１は例えばＰＺＴ（ジルコン酸
チタン酸鉛）からなり、両主面に電極３（ａｂ）を有す
る。音響整合層２は二層構造とし、一層目２ａをガラ
ス、二層目２ｂをエポキシ樹脂とする。通常では、一層
目２ａのガラスは、予め厚みを制御されて接着剤（未図
示）により貼着される。また、二層目２ｂのエポキシ樹
脂は一層目上に塗布して硬化後に研磨される（所謂コー
ティング）。そして、各音響整合層２（ａｂ）の厚みは
超音波周波数の波長λに対し、λ／４（まれにはｎλ／
４、但しｎは奇数）に設定される。

【０００４】このようなものでの、各音響インピーダン
スは次になる。すなわち、圧電素子１（ＰＺＴ）は約３
０×１０６、音響整合層２の一層目２ａは１３×１０６、
同二層目２ｂは３×１０６、生体は１．５×１０６Ｋ
ｇ／ｍ２・ｓとなる。したがって、圧電素子１から生体
４に至る間、音響インピーダンスが順次に小さくなるの
で、各界面での反射等を防止して伝搬損失を低減でき
る。なお、図中の矢印Ｐは超音波である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】（従来技術の問題点）
しかしながら、上記構成の超音波探触子では、次の問題
があった。すなわち、前述のように音響整合層２は二層
として、それぞれλ／４の厚みに設定しなければならな
い。しかし、一層目２ａはガラスの貼着とし、ガラスは
例えばマイクロメータによる機械的な測定によって、そ
の厚みを管理される。

【０００６】しかし、超音波周波数が高くなるほど、圧
電素子１の厚みは小さくなって、一層目２ａ（ガラス）
の厚みも小さくなる。したがって、ガラスの厚みが小さ
くなるほど、機械的な測定誤差の影響が大きくなり、厚
みの精度が低下する。なお、二層目２ｂは、樹脂のコー
ティングなので、研磨が容易でその厚みを十分に制御で
きる。

【０００７】例えば超音波周波数を４．５ＭＨｚとする
と一層目２ａ（ガラス）の厚みは約３００μとなる。こ
れに対し、マイクロメータ等での測定誤差（公差）は被
測定物の厚みに関係なく、最大でも約±１μである。し
たがって、この場合の最大誤差は１／３００（３３３３
ｐｐｍ）となる。また、超音波周波数を４．５ＭＨｚか
ら７．５ＭＨｚとすると、一層目の厚みは１８０μとな
る。したがって、４．５ＭＨｚの場合の最大誤差１／３
００から、７．５ＭＨｚの場合には約１／１８０（５５
５５ｐｐｍ）にまで拡大してしまう。

【０００８】このようなことから、一層目２ａ（ガラ
ス）の貼着後に、ガラスを研削して制御することが考え
られるが、この場合には手間を要してその作業を困難と
し、生産性に欠ける問題があった。なお、一層目２ａ
（ガラス）がλ／４から大きく外れると、二層目２ｂの
厚みを制御しても十分な送受波特性を得ることができな
いことになる。

【０００９】（発明の目的）本発明は、音響整合層の厚
みを如何にして制御するかが解決課題であり、音響整合
層の厚み精度を高めて送受波特性に優れ、作業性を良好
とした超音波探触子を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、厚みによって
振動周波数が決定される水晶振動子等の圧電体に着目
し、音響整合層に圧電体を適用したことを基本的な解決
手段とする。

【００１１】

【作用】本発明では、音響整合層を圧電体としたので、
その厚みを機械的ではなくいわば電気的な振動周波数に
て制御できる。したがって、音響整合層２の厚みをｐｐ
ｍ（１／１００万）オーダで管理できる。以下、本発明
の一実施例を説明する。

【００１２】

【実施例】第１図は本発明による超音波探触子を説明す
る図である。なお、前従来例図と同一部分には同番号を
付与してその説明は簡略する。超音波探触子は、前述同
様に、両主面に電極３（ａｂ）を有するＰＺＴとした圧
電素子１上に、二層構造とした音響整合層２を設けてな
る。そして、この実施例での音響整合層２は一層目２ａ
を水晶板として、二層目２ｂを前述同様のコーティング
によるエポキシ樹脂とする。一層目２ａとしての水晶板
は、結晶軸（ＸＹＺ）に対して板面がＸ軸方向に垂直方
向とした所謂Ｘカットとする（第２図）。

【００１３】このようなものでは、音響整合層２の一層
目とした水晶板は、その音響インピーダンスを前述した
ガラスと同様の約１５×１０６Kｇ／ｍ２・ｓとなる。
そして、圧電素子１と同様に、両主面間に印加される交
番電圧に応答して機械的に共振する、固有の振動周波数
を持つ。Ｘカットとした場合の厚みｔによる振動周波数
ｆは下式（１）によって、決定される。但しｋは圧電定
数で圧電材及び振動モードによれ決定され、この場合は
２８７０になる。ｆ（MHz）＝ｋ（MHz・μ）／ｔ（μ）・・・（１）

【００１４】第３図は、上記（１）式で示される、厚み
に対する水晶板４の周波数特性図である。この図から明
らかな通り、理論的には厚みｔが１０００μ（１ｍｍ）
で、振動周波数ｆは２．８７ＭＨｚ、１００μで２８．
７ＭＨｚ、１０μで２８７ＭＨｚとなる。一方、振動周
波数は、現実的には、例えば金属板上に水晶板を載せ、
その表面に電極棒をおいて、発振法等による計測器によ
り測定される。この場合、周波数測定精度は、概ね１０
０ｐｐｍ以内となる。これに対し、マイクロメータ等で
水晶板の厚みを測定した場合には、前述のようによくて
も１μの精度である。

【００１５】すなわち、水晶板の振動周波数を測定した
場合には、厚みに拘わらず、その周波数精度は常に１０
０ｐｐｍ以内となる。しかし、精度１μのマイクロメー
タで測定した場合には、厚みによって測定精度（誤差）
は異なる。すなわち、下表（１）に示したように、厚み
が小さくなるほど、その精度は低下し、誤差は大きくな
る。

【００１６】表（１）から明らかなように、音響整合層
としての水晶板の厚みが概ね1000μ（１ｍｍ）以内であ
れば、マイクロメータにより厚みを直接に測定するより
も、厚みに応答する振動周波数を測定した方が、その精
度は格段に高くなる。ちなみに、測定精度は１桁以上に
なる。

【００１７】このようなことから、本実施例では、音響
整合層２の一層目２ａを水晶板とするので、その厚みを
超音波周波数のλ／４に高精度に制御できる。したがっ
て、超音波の十分な送受波特性を得ることができる。ま
た、貼着後における制御を不要とするので、作業性を向
上して生産性を高めることができる。

【００１８】ちなみに、第４図は本実施例による超音波
の送受波特性である。この図から明らかなように、最大
感度からの６ｄＢ減衰域での帯域幅は３．６６ＭＨｚと
なり、帯域特性も良好で良好な送受波特性を得ることが
できた。但し、超音波の中心周波数ｆ0は、約４．５Ｍ
Ｈｚである。

【００１９】

【他の事項】上記実施例では、音響整合層２の一層目２
ａとしてＸカットの水晶板を適用したが、これに限らず
音響インピーダンスがほぼガラスと同等なので、例えば
ＡＴ、ＢＴカット等の水晶板を適用できる。また、水晶
板に限らず、他の圧電体であっても音響インピーダンス
が超音波の発生源である圧電素子１よりも小さければ、
基本的には音響整合層としての機能を有するので、適用
できる。

【００２０】また、音響整合層２は二層構造としたが、
水晶板とした一層目２ａのみであったとしてもよい。ま
た、二層目２ｂは樹脂のコーティングとしたが、貼着で
あってもよい。この場合、二層目２ａも同様に圧電体と
して一層目２ａよりも音響インピーダンスを小さくすれ
ばよい。

【００２１】要するに、本発明では、音響整合層２とし
て圧電体を適用したので、その厚みを振動周波数にて制
御できて機械的な測定に対して厚みの精度を著しく高め
ることができることを趣旨としており、このような趣旨
に基づくものは本発明の技術的範囲に属する。

【００２２】

【発明の効果】本発明は、厚みによって振動周波数が決
定される圧電体を音響整合層に適用したので、音響整合
層の厚み精度を高めて送受波特性に優れ、作業性を良好
とした超音波探触子を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を説明する超音波探触子の断
面図である。

【図２】本発明の一実施例を説明する水晶板の切断方位
を示す図である。

【図３】本発明の一実施例を説明する厚みと周波数との
関係図てある。

【図４】本発明の一実施例による超音波の送受波特性図
である。

【図５】従来例を説明する超音波探触子の図である。

【符号の説明】

１圧電素子、２音響整合層、３電極、４生体．

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電素子上に音響整合層を設けてなる超音
波探触子において、前記音響整合層を圧電体から形成し
たことを特徴とする超音波探触子。