JP3240484B2 - 超音波トランスデューサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ケースに振動子を設
け、振動子の放射面側及び背面側にそれぞれマッチング
層及びバッキング層を配置し、振動子及びマッチング層
に凹凸曲面を設けて音波を集束させる構成の超音波トラ
ンスデューサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】超音波トランスデューサは医療診断用や
非破壊検査用などに利用されている。超音波トランスデ
ューサの基本構成を簡単に説明する。超音波トランスデ
ューサはケースを有し、ケースに振動子が配置され、振
動子の両側にバッキング層及びマッチング層が設けられ
ている。

【０００３】振動子は電気信号と超音波を変換する素子
であり、通常は送受信兼用で用いられる。振動子の両面
には電極が形成され、電極はリード線及びケーブルを経
由して装置本体と電気的に接続される。振動子の背面側
にはバッキング層（背面制動層）が形成され、反対側す
なわち放射面側にはマッチング層（整合層）が形成され
る。

【０００４】振動子、マッチング層が平板状の場合、マ
ッチング層には超音波を集束させるために音響レンズが
取り付けられる場合もある。

【０００５】また、前述したように振動子とマッチング
層を湾曲させて凹凸曲面を設けることによって音波を集
束させる構成にすることもできる。振動子の材料として
は、一般にセラミック圧電材料（圧電体）が用いられる
が、ＰＶＤＦのような高分子圧電材料（圧電体）あるい
は両者を複合した複合圧電材料（圧電体）も用いられて
いる。

【０００６】後者の集束型超音波トランスデューサの場
合、振動子の凹凸曲面の曲率半径は次のように定められ
ていた。すなわち、まず目的の集束距離を狙って振動子
の凹面側の曲率半径を決める。次に、超音波トランスデ
ューサの中心周波数及び集束点からの距離を考慮して凸
面側の曲率半径を決定するのである。このようにして振
動子の曲率半径を決定すると、凹面側の曲率半径と凸面
側の曲率半径の大小関係は一般に振動子の厚み分だけ凸
側の曲率半径が大きくなるので、（凸面側の曲率半径）
＞（凹面側の曲率半径）となる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前述したよう
な曲率半径の決め方では、振動子単体の共振特性がシャ
ープになり過ぎて、超音波トランスデューサとしての特
性に不都合が生じていた。すなわち、感度は向上するが
狭帯域となり、分解能の向上に限界が生じていたのであ
る。

【０００８】本発明は、上記の問題点を解消し、高感度
でかつ高分解能（広帯域）の超音波トランスデューサを
提供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、ケースに振動
子を設け、振動子の放射面側及び背面側にそれぞれマッ
チング層及びバッキング層を配置し、振動子及びマッチ
ング層に凹凸曲面を設けて音波を集束させる構成の超音
波トランスデューサにおいて、振動子の凸面側の曲率半
径を凹面側の曲率半径よりも１５％以下の範囲で小さく
設定したことを特徴とする超音波トランスデューサを要
旨としている。

【００１０】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。図１は本発明の超音波トランスデューサ１０を概
念的に示す断面図である。

【００１１】超音波トランスデューサ１０は、円筒状の
ケース１を有し、その先端部に振動子２が配置されてい
る。振動子２は湾曲していて、その放射面側は凹面の曲
面になり、背面側は凸面の曲面になっている。

【００１２】振動子２の放射面側にはマッチング層５が
配置されている。マッチング層も全体的に湾曲してい
て、その湾曲面は振動子放射面側の凹面に対応してい
る。マッチング層の外周部は肉厚になっていて、ケーシ
ング先端部に水密に接合されている。

【００１３】振動子２の背面側にはバッキング層が配置
されている。振動子２の放射面側と背面側には、放射面
側電極３と背面側電極４が形成されていて、背面側の一
部分には放射面側電極から導かれた回し込み電極３ａが
配置してある。回し込み電極３ａ及び背面側電極４には
ケーブルからのグランド側リード線９と信号側リード線
８が接続されている。

【００１４】振動子２の凹面側の曲率半径は^SR４０ｍ
ｍ、凸面側の曲率半径は^SR３６ｍｍとなっている。すな
わち、凸面側の曲率半径が凹面側の曲率半径より１０％
だけ小さくなるように設定されている。

【００１５】超音波トランスデューサは５ＭＨｚ用であ
り、振動子の基準となる厚みも５ＭＨｚ用に合せて設定
されている。

【００１６】図２には、図１に示した超音波トランスデ
ューサにおけるスペクトラム特性が示してある。

【００１７】図３には、従来の超音波トランスデューサ
におけるスペクトラム特性が示してある。この従来例に
おいては振動子の凹面側の曲率半径が４０ｍｍ、凸面側
の曲率半径が４０．４ｍｍであり、それ以外の構成は図
１の超音波トランスデューサと同一である。図２と図３
をくらべると、本実施例の方が従来例よりも帯域が広が
っていることが判る。

【００１８】表１には、実施例と従来例について一定条
件の下で感度及び比帯域を比較した結果が示してある。
本実施例においては感度の低下がなく、従来例にくらべ
て広帯域化が計れることが判る。

【００１９】

【表１】 図４には、振動子の凸面側の曲率半径を変化させたとき
の感度特性及び帯域特性の推移が示してある。図３で横
軸の範囲Ａにおいて、すなわち凸面側の曲率半径が凹面
側の曲率半径よりも１５％以下だけ小さい範囲におい
て、良好な感度特性及び帯域特性が得られることが判
る。ここで凸面側と凹面側の曲率半径が等しい０％のも
のは本発明の範囲外である。

【００２０】次に、凸面側の曲率半径を凹面側の曲率半
径よりも０〜２５％だけ小さく設定した振動子を準備
し、振動子単体に駆動電圧を長時間印加して、振動子の
破壊発生（絶縁、疲労など）の程度を調べた。その結果
を表２に示す。なお、曲率半径の変化率が０％のものは
比較例である。

【００２１】

【表２】 凸面側の曲率半径が凹面側よりも１５％以下だけ小さい
範囲において、破壊の発生程度が従来品と同等のレベル
であることが判る。なお、従来例としては凸面側の曲率
半径が凹面側の曲率半径よりも２．５％だけ大きい振動
子を用いた。

【００２２】

【発明の効果】本発明の超音波トランスデューサは、振
動子の凸面側の曲率半径を凹面側の曲率半径よりも０〜
１５％だけ小さく設定しているため、超音波トランスデ
ューサとして評価した場合、広帯域化が実現でき、また
感度の低下も抑制できる。

【００２３】また、一般に、振動子凸面及び凹面の曲率
半径の決め方によっては、一定電圧を印加したときに半
径方向の各位置で印加電界が変化して過大入力となる部
分も発生するが、上記の範囲に曲率半径を限定すること
によって過大入力による振動子の絶縁破壊、疲労破壊な
どは防止できる。

【００２４】なお、本発明は前述の実施例に限定されな
い。例えば凸面側の曲率半径を基準にして凹面側の曲率
半径を決定しても同様の効果が得られる。すなわち、振
動子の凹面側の曲率半径を凸面側の曲率半径よりも１５
％以下の範囲で大きく設定してもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による超音波トランスデューサの実施例
を概念的に示す断面図。

【図２】図１に示した超音波トランスデューサのスペク
トラム特性を示す図。

【図３】従来の超音波トランスデューサのスペクトラム
特性を示す図。

【図４】超音波トランスデューサにおいて凹凸面の曲率
半径を変化させた場合の感度、比帯域特性を示す図。

【符号の説明】

１ ケース ２ 振動子 ３ 放射側電極 ３ａ 回し込み電極 ４ 背面側電極 ５ マッチング層 ６ バッキング層 ７ ケーブル ８ 信号側リード線 ９ グランド側リード線 １０ 超音波トランスデューサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 新野 博明 千葉県東金市小沼田字戌開1573−８ 東 芝セラミックス株式会社東金工場内 (56)参考文献 実開 昭56−60377（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H04R 17/00 330 A61B 8/00 G01N 29/24

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ケースに振動子を設け、振動子の放射面
   側及び背面側にそれぞれマッチング層及びバッキング層
   を配置し、振動子及びマッチング層に凹凸曲面を設けて
   音波を集束させる構成の超音波トランスデューサにおい
   て、振動子の凸面側の曲率半径を凹面側の曲率半径より
   も１５％以下の範囲で小さく設定したことを特徴とする
   超音波トランスデューサ。