JPH05207593A - 超音波送波器 - Google Patents

超音波送波器

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JPH05207593A
JPH05207593A JP4014086A JP1408692A JPH05207593A JP H05207593 A JPH05207593 A JP H05207593A JP 4014086 A JP4014086 A JP 4014086A JP 1408692 A JP1408692 A JP 1408692A JP H05207593 A JPH05207593 A JP H05207593A
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JP
Japan
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piezoelectric element
wave
ultrasonic wave
ultrasonic
thickness
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JP4014086A
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English (en)
Inventor
Mamoru Izumi
守 泉
Shiro Saito
史郎 斉藤
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】超音波送波器において、大きな入力エネルギに
対する圧電素子の破壊を抑制でき、それによって大きな
音圧を有する衝撃波が放射できるようにする。 【構成】圧電素子1の超音波放射面の反対側の略全面に
反射板14を設ける。反射板は、圧電素子1と音響イン
ピーダンスを異にする材料で構成する。反射板14の厚
さは、その反射板14を伝播する超音波の波長の略1/
4の厚さに設定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、医療分野などで利用さ
れる超音波送波器に係り、特に結石破砕装置などの衝撃
波発生器に衝撃波源として、または癌の温熱治療装置
(ハイパーサーミヤ)や血栓溶解装置などに強力超音波
発生器として適用されるものにおいて、放射する超音波
の特性向上を図った超音波送波器に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、医療分野などにおいて、超音波を
利用した種々の治療装置が開発されている。
【0003】例えば結石破砕装置は、体外にセットされ
る超音波送波器から患部である局部領域の対象物に、超
音波を水などの伝播媒体を介して照射および集束させて
衝撃波を発生させ、腎石や胆石などを微細に砕いて自然
排出させることにより治療するものである。
【0004】また、ハイパーサーミヤや血栓溶解装置な
どは、同様に超音波送波器から対象物に強力超音波を照
射し、その対象物に対して加熱などの作用を行わせるも
のである。
【0005】従来、このような超音波送波器の振動子と
して圧電素子が用いられ、共振周波数が100KHz を越
えるような圧電素子では、両面に電極が設けられた圧電
セラミック素子の厚み縦振動モードが利用されている。
【0006】〔結石破砕装置などの衝撃波源に適用され
る超音波送波器の従来例〕圧電素子は円弧板状に形成さ
れ、凹面側を超音波の放射面とし、水などの超音波伝播
媒体を通しての焦点への集束効果と、伝播過程での非線
形現象とにより、大きな圧力を有する衝撃波を発生す
る。
【0007】図9は、このような衝撃波源としての超音
波送波器の従来例を示している。なお、実際には前記の
ように圧電素子などが円弧板状とされるが、図示説明を
簡明にするため、これらを平板状に表している。
【0008】図9に示すように、圧電素子1の両面に電
極2a,2bが設けられ、この各電極2a,2bに電源
から駆動電圧を供給するためのリード線3,4が接続さ
れている。
【0009】圧電素子1の超音波放射面(表面)側に
は、伝播媒体である水5との音響整合を取るために音響
整合層6が設けられている。圧電素子1の厚さは、放射
する超音波が圧電素子を伝播するときの波長λの略1/
2とされ、音響整合層6の厚さは同超音波が音響整合層
を伝播するときの波長λの略1/4とされている。音響
整合層6は音響インピーダンスを異にし、それぞれの略
λ/4厚の複数の層で構成されることが多い。
【0010】超音波放射側の電極2aは、音響整合層
6、水5および図示しない膜を介して人体に接すること
になるため、安全を考慮してアースリードとしてのリー
ド線3を介してアースに接続され、もう一方の電極2b
は電源リードとしてのリード線4を介して電源に接続さ
れ、駆動電圧が印加される。
【0011】圧電素子1の超音波放射面と反対側の面
(裏面)は、ケース7で周辺部のみが支持され、その面
の大部分は空気8に接することにより、超音波が後方に
伝わらないようになっている。
【0012】しかして、電極2bに印加した駆動電圧の
極性が、図9に矢印Aで示す分極電界方向と一致すると
き、すなわち信号用のリード線4を介して正電圧パルス
が印加されたとき、圧電素子1が厚さ方向に伸び、素子
表面から音響整合層6に密波が放射されると同時に、素
子表面から裏面側に向かう粗波が発生する。
【0013】また、圧電素子1の分極方向Aと印加電圧
の極性が逆相の時は、圧電素子1が縮んで素子表面から
粗波が放射される。
【0014】さらに、圧電素子1の厚さで決まる共振周
波数成分を含むパルス電圧で駆動すると、圧電素子1は
共振し、表面変位が共振周期で徐々に大きくなり、その
後やがて減衰する。この場合の変位最大点は圧電素子1
の共振特性によって異なるが、一般に駆動パルスよりも
遅れる。この共振特性を利用する場合には、駆動パルス
の周波数を圧電素子1の共振周波数と一致させることが
有効的である。
【0015】図10には共振を利用した駆動パルスの電
圧波形と、それによって放射する超音波波形の一例を示
している。図10の(a)に示すサイン半波の駆動パル
スによって図9の送波器を駆動すると、図10の(b)
のような超音波が放射される。すなわち、音響整合層6
の表面から上に向かう波形で表した密波aと、下に向か
う波形で表した粗波bとが放射される。
【0016】第1波目の粗波b1は、共振で生ずる圧電
素子1の表面の粗波と、同素子裏面から伝播してきた粗
波と、音響整合層6に放射された密波が音響整合層6の
表面で反射して位相が反転して粗波となり素子表面で反
射して放射される粗波とが重なり合うため、振幅が大き
くなる。以後も同様に振動が合成され、図10の(b)
のような粗密波が放射される。
【0017】図11に他の例として、サイン1波の駆動
パルスで駆動した場合を示す。(a)は駆動パルスの波
形、(b)は放射される超音波の波形をそれぞれ示す。
【0018】最初の正電圧による超音波放射は図10と
同様であるが、負電圧パルスの駆動力(圧電素子1は縮
む)が加わり、第1波目の粗波b1の振幅はさらに大き
くなり、後に続く共振波の振幅も大きくなる。
【0019】圧電素子1は、分極電界方向Aに対して逆
方向に大きい電圧が印加されると、分極が反転して特性
が劣化することがあるため、大きな負電圧を印加するこ
とは望ましくない。したがって、図11の駆動波形は、
バイアスを加えることによって負電圧が低減するよう変
化される場合もある。
【0020】また、図10および図11の駆動パルスの
位相を180度反転した波形で駆動すると、放射される
超音波波形も180度反転したものとなる。すなわち、
図10および図11の超音波波形の密波と粗波とを入換
えたものとなる。
【0021】図12の(a)は、図11に示す駆動パル
スの位相を反転したパルス駆動の波形を示している。図
示のように、この方が第1波目の密波a1の振幅が大き
く現れる。
【0022】また、図12の(b)は、(a)に示す超
音波が衝撃波に変化する状況例を示している。すなわ
ち、結石破砕装置の場合、超音波送波器から放射された
音圧の大きな超音波は、伝播媒体である水の非線形現象
により、伝播中の波面が立上り衝撃波に変化する。この
場合、(b)に示すように、衝撃波cとして残るのは
(a)の超音波波形の第1波の密波a1であり、後にそ
れ以上の振幅を有する密波が存在しても、焦点域の衝撃
波としては残らない。
【0023】ところで、超音波送波器は、駆動系を含め
たシステムとして最大出力が大きいことが望ましく、特
に大きな焦点音圧の必要な結石破砕装置ではその要求が
高い。
【0024】圧電素子から放射される超音波の出力は、
その圧電素子の材質、音響整合層の材質、層数などの送
波器としての構造などによって異なるが、駆動電圧の大
きさにも依存する。すなわち、超音波出力は駆動電圧の
大きさで制御できる。
【0025】しかし、駆動電源によっては圧電素子の耐
電圧から駆動電圧が制限される場合がある。圧電セラミ
ック素子の引張り強度は一般に300kgf/cm2 程度で、
放射音圧を大きくする駆動条件によっては素子内部の引
張り強度がこの値を越え、素子内部にクラックが発生
し、破壊に至る場合がある。
【0026】図12の例で説明すると、前記のように
(a)に示す最初の密波a1以外の波は、(b)に示す
焦点域の衝撃波cとして残らないので、全波形が拡大す
るような駆動をした場合には、むしろ第2波以降によっ
て圧電素子の内部の応力が過大となって破壊の虞れが高
まる。すなわち、圧電素子の内部に発生する応力は、送
波器表面から放射される音圧振幅に比例するため、
(a)のような波形では2番目の密波発生時に最大とな
り、素子破壊に至り易い。
【0027】なお、焦点での衝撃波音圧を大きくする一
つの手段として、圧電素子の面積を大きくすることが挙
げられる。しかし、この場合は衝撃波源の体積が大きく
なり、重量も増加する難点がある。
【0028】衝撃波源は、その位置を制御固定するマニ
ピュレータ手段などを考慮すると小形軽量なものが望ま
れ、むしろ圧電素子から放射される超音波の単位面積当
りの放射音圧を向上することが課題であるといえる。
【0029】〔ハイパーサーミヤや血栓溶解装置などの
強力超音波照射源に適用される超音波送波器の従来例〕
この場合の強力超音波照射源としての超音波送波器も、
従来構成としては衝撃波源として適用される前記の場合
と略同様で、図9に示すものと殆ど変わらないから、構
成の説明は省略する。
【0030】強力超音波照射源として適用する場合に
は、圧電素子から放射される超音波を連続的に対象物に
作用させるので、第1波だけでなく第2波以降の粗密波
も大きい音圧を保持できるようにすることが望まれる。
【0031】このような音圧を大きくする要望に対し、
圧電素子を単一の板状材料で構成した図9に示す従来例
では、駆動電圧が制限された電源で駆動する場合に圧電
素子1に十分高い電圧が印加できず、素子の能力を十分
に活用できない。また、圧電素子に高い電圧を印加して
十分な能力で駆動しようとした場合には、圧電素子1の
内部に発生する引張り応力により、その圧電素子1が破
壊する問題がある。
【0032】圧電素子1の共振周波数は素子の厚さに反
比例する。圧電材料によって異なるが、500kHz 程度
の共振周波数とするには、その厚さは4mm程度となる。
【0033】駆動電圧波形は通常500kHz のパルス波
であるが、500kHz で十分にスイッチングできる耐電
圧の高いパワー素子で構成したパルス駆動電源の出力電
圧限界が4kVとすると、圧電素子1に印加される電界
は、1kV/mmとなる。
【0034】圧電素子1の振動歪は印加電界に比例する
が、高電界での飽和、高電界での絶縁破壊、高電界での
内部応力による破壊などの限界電界が存在する。これら
の値は材料による依存性が大きい。なお、出願人による
既産の圧電セラミック素子(商品表示 T−96材)
は、直流駆動において2kV/mmの電界まで、電界に対す
る歪が飽和したり、絶縁破壊することはない。
【0035】結石破砕におけるパルス駆動においても、
電界に対して直流と同じと仮定すると、圧電素子に対す
る駆動電界には十分余裕があることになる。
【0036】そこで、圧電素子の放射出力強度向上策と
して、まず図13に示すように、積層した圧電素子につ
いて検討した。
【0037】厚さ2mmの圧電素子1を分極方向Aを対向
させるように積層し、接合面にはリード引出しのために
金属薄板からなる導電部材9を挾んで、エポキシ系接着
剤で接着した。
【0038】積層した圧電素子1の露出している両側の
電極2cは、接続線10で共通短絡させるとともに、リ
ード線3を介してアース接続し、また中央部の導電部材
9はリード線4を介して電源に接続し、駆動電圧を印加
するようにした。このような構成の圧電素子を、図9と
同様にケースに保持させ、超音波放射面および反対の面
を従来と略同様に構成した。
【0039】このような構成の場合は、圧電素子1を単
一材料で構成した図9の従来構成と比較して、共振周波
数は略同一だが、端子間に印加される電圧が同一の場
合、圧電素子1に形成される電界は略2倍となった。
【0040】そして、駆動パルスを例えばサイン1波で
駆動した場合、この2層構成のものでは、1層構成に比
して音圧が略2倍となった。
【0041】しかしながら、この2層構成の圧電素子で
は、駆動電圧が2.5kVを越えると、素子内部に発生す
る引張応力によって接着界面が剥れ、送波器として機能
しなくなった。
【0042】なお、従来構成においてはパルス電源の電
圧限界で、4kV以上の電圧は印加できないが、駆動パル
スの波数を増すことでも放射超音波の音圧を大きくする
ことができる。音圧波形で最大音圧となる位置は遅れる
が、従来構成の圧電素子にサイン2波のパルスを印加す
ることで最大音圧は1波駆動と比べ約2倍になった。し
かしながら、サイン2波の電圧を4kVにして繰返し印加
していると放射音圧は徐々に低下した。圧電素子を破壊
して調べると、素子を厚さ方向に略2分する位置にクラ
ックが生じており、素子内部に発生した引張応力で破断
したものであった。
【0043】なお、従来ではピンなどの接触子を振動さ
せ、結石などを直接接触によって破砕する治療装置も知
られており、その振動源としてランジュバン振動子があ
る。
【0044】このランジュバン振動子は、例えば図14
に示すように、接合した一対の圧電素子1を金属板1
0,11でサンドイッチ状に挾持し、例えば一方の金属
板10に設けたねじ棒12に、他方の金属板11の外側
からナット13で締結固定する構成とされ、圧電素子1
および金属板10,11に亘る振動子全体の長さlで決
まる共振周波数で駆動するもので、圧電素子単体の共振
周波数よりも低い周波数(数十kHz )の振動源として利
用される。
【0045】このランジュバン振動子の場合は、圧電素
子1が両側面の金属板10,11で締結により保護され
るので、大きな入力エネルギに対しても、素子の破壊を
防止することができる。
【0046】したがって、ランジュバン振動子をハイパ
ーサーミヤや血栓溶解装置などの強力超音波照射源とし
て応用することも考えられるが、ランジュバン振動子は
機械振動を目的として高々数十kHz の超音波振動源とし
て適するものであり、本発明の対象となる数百kHz の強
力超音波振動源には適さない。
【0047】
【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来で
は強力な衝撃波を発生させるための超音波送波器、また
は強力超音波を作用させるための超音波送波器の要望に
対し、圧電素子の大きな入力エネルギによる破壊を招く
ことなどが原因となって、その機能性向上が図りにくい
という問題があった。
【0048】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
もので、一の目的は、大きな入力エネルギに対する圧電
素子の破壊を抑制でき、それによって大きな音圧を有す
る衝撃波が放射できる超音波送波器を提供することにあ
り、他の目的は、大きな入力エネルギに対する圧電素子
の破壊を抑制でき、それによって強力超音波を発生する
ことができる超音波送波器を提供することにある。
【0049】
【課題を解決するための手段および作用】例えば図12
(a)の超音波が(b)の衝撃波に変化する状況をみる
と、上記のように、衝撃波cとして残るのは(a)の超
音波波形の第1波目の密波a1であり、第2波目以降の
密波a2,a3…は衝撃波の発生に寄与せず、素子内部
の応力増大の原因となるだけである。
【0050】したがって、素子破壊を防ぎつつ衝撃波音
圧を向上させるには、第1波目の密波のみを大きく放射
し、第2波目以降の音圧振幅を抑えることが望ましい。
すなわち、圧電素子に印加する駆動電界を大きくして、
放射する超音波の振幅を大きくし、第1波目の密波の振
幅を大きくしたうえで、第2波目以降の密波の振幅の制
限が可能であれば、優れた衝撃波発生用超音波送波器が
実現できると考えられる。
【0051】図12の超音波波形では、素子の破壊を決
定する振動は第2波目の密波a2となり、その振幅は第
1波目の密波に比して極めて大きい。したがって、第2
波目以降の振幅を小さくできれば、素子破壊により制限
される印加電界を増加して、第1波の密波の振幅のみを
大きくすることができる。
【0052】従来の圧電素子では、超音波放射面(表
面)の反対側の面(裏面)で単に振動を空気等に放出さ
せていただけである。発明者の検討によると、この裏面
への振動を反射させ、表面側で第2波以降の波と干渉す
るような超音波を生じさせることが可能であれば、前記
の要請に沿うことができるものと考えられる。
【0053】請求項1の発明は、このような点に着目し
たもので、両面に電極を有する圧電素子を備え、この圧
電素子に電圧を印加して超音波を発生させ、その超音波
を媒体を介して対象物に伝播させるとともに集束させて
衝撃波を発生させる超音波送波器において、前記圧電素
子の超音波放射面の反対側の略全面に、その圧電素子と
音響インピーダンスを異にする材料で構成された反射板
を設け、前記反射板の厚さをその反射板を伝播する超音
波の波長の略1/4の厚さに設定したことを特徴とす
る。
【0054】このような構成の請求項1の発明によれ
ば、以下の作用が可能となる。
【0055】すなわち、圧電素子に電圧を印加すること
により、圧電素子の表面から最初に粗波が放射されるも
のとした場合、圧電素子の裏面からも粗波が反射板側に
向かって放射される。
【0056】この粗波は一旦、反射板に入射されて裏面
側に達し、そこで反射される。音響インピーダンスが大
きい領域(反射板)から小さい領域(空気)で反射され
るとき、音波の位相が180度反転されて密波として反
射される。
【0057】この密波は反射板および圧電素子を経て、
その圧電素子の表面から放射されるが、放射に要する時
間は、反射板内を往復する時間(2×λ/4)と圧電素
子内を通過する時間(λ/2)との和(λ)となり、ち
ょうど第1波から1波長分だけ遅れて素子表面から放射
される。
【0058】したがって、この密波は第2波と同時に放
射されることになり、第2波の粗波に干渉し、その結
果、第2波目の粗波の振幅は減少することになる。
【0059】同様に、その後続けて反射板に入射されて
くる第1波目の密波は、反射板の裏面で位相反転されて
粗波となり、放射面側から放射されて第2波目の密波と
干渉し、その密波の振幅を減少することになる。
【0060】以後、第3波以降もこれらと同様の作用で
振幅が減少する。
【0061】よって、印加電圧を大きくすれば、第1波
のみが拡大されて大きい衝撃波が発生するとともに、第
2波以降は干渉によって振幅を減じられ、圧電素子内へ
の大きい応力の発生は抑制されるので、圧電素子が破壊
に至るまでの印加電界の範囲が従来に比べて大幅に拡大
でき、その結果第1波目の密波の振幅のみを大きくし
て、圧電素子の破壊を抑えつつ、より大きな音圧を得る
ことができるようになる。
【0062】一方、超音波を媒体を介して対象物に直接
的かつ連続的に作用させようする場合には、請求項1の
発明のように第2波目以降の振幅を減少させる必要はな
い。
【0063】しかし、請求項1の発明と異なるタイミン
グで超音波を反射させ、逆に波形を拡大できれば、さら
に有効的に超音波が利用できるものと考えられる。
【0064】その場合、第2波目以降の粗密波による圧
電素子の応力破壊を、機械的保持手段などで防止するよ
うにすれば、入力エネルギを一層有効的に利用すること
ができ、優れた超音波作用が期待できるものと考えられ
る。
【0065】請求項2の発明は、このような知見に基づ
き、両面に電極を有する圧電素子を備え、この圧電素子
に電圧を印加して超音波を発生させ、その超音波を媒体
を介して対象物に作用させる超音波送波器において、前
記圧電素子の超音波放射面およびその反対側の面を前記
圧電素子よりも音響インピーダンスが小さい材料からな
る剛体で加圧挾持し、前記圧電素子の超音波放射面側に
配置された剛体の厚さを、その剛体を伝播する超音波の
波長の1/4、また超音波放射面の反対側に配置された
剛体の厚さを、その剛体を伝播する超音波の波長の1/
2にそれぞれ設定したことを特徴とする。
【0066】請求項2の発明によると、請求項1の発明
に比して、反射板となる剛体の厚さがλ/4だけ大き
い。したがって、位相が反転した反射波が1λ+λ/2
だけ遅れて第2波以降で同相となって重合する。
【0067】よって、第2波以降で超音波の振幅を拡大
させることができるので、従来に比して強大な超音波作
用が行えるようになる。
【0068】また、金属板によって圧電素子を加圧支持
することにより、圧電素子内部に発生する引張り応力を
抑制することができるので、圧電素子が破壊に至るまで
の入力エネルギを大きくでき、それだけ出力エネルギを
大きくできる。
【0069】なお、剛体の材料としては、例えばチタ
ン、アルミニウム、およびそれら金属を含む合金等が好
適である。
【0070】また、圧電素子を積層構造として圧電素子
全体の厚さを共振周波数に設定し、電気的に並列接続す
ることができる。このような構成にすれば、素子に印加
される電界を積層数倍に増加でき放射音圧を大きくでき
る。
【0071】ただし、上述の積層圧電素子を接着剤で接
着した場合、引張り応力は素子中央部付近で最大値とな
り、接着層の強度が問題となる。
【0072】接着強度は材質や環境等の条件で異なる
が、比較的強度の強いエポキシ系接着剤で100〜20
0kgf/cm2 程度であり、圧電セラミック単体よりも弱
い。
【0073】しかし、本発明では圧電素子を剛体で加圧
挾持するので接合部の剥離を抑制することができる。
【0074】なお、積層圧電素子の両面に電極を設ける
場合、各圧電素子の接合面からリードを取出すために、
前記圧電素子から突出する部分を有する導電性材料を挾
むようにして積層すればよい。
【0075】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。
【0076】まず、結石破砕装置などの衝撃波源に適用
される超音波送波器の実施例を説明する。
【0077】図1に第1実施例の構成を示す。なお、従
来例と同一または対応する部材には同一符号を使用す
る。
【0078】圧電素子1の両面に電極2a,2bが設け
られ、この各電極2a,2bに電源から駆動電圧を供給
するためのリード線3,4が接続されている。
【0079】圧電素子1の超音波放射面(表面)側に
は、伝播媒体である水5との音響整合を取るために音響
整合層6が設けられている。圧電素子1の厚さは、放射
する超音波の波長λの略1/2とされ、音響整合層6の
厚さは超音波の波長λの略1/4とされている。
【0080】圧電素子1の超音波放射面の反対面の略全
面には、圧電素子1と音響インピーダンスが異なる材料
からなる反射板14が設けられている。この反射板14
の厚さは、その反射板14内を伝播する超音波の波長λ
の1/4の厚さとされている。
【0081】なお、反射板14はケース7で周辺部が支
持され、その裏面は空気10に接している。
【0082】超音波放射側の電極2aは、アースリード
としてのリード線3を介してアースに接続され、もう一
方の電極2bには、電源リードとしてのリード線4を介
して駆動電圧が印加される。
【0083】次に図2によって作用を説明する。
【0084】本実施例では駆動パルスは圧電素子の分極
方向に対して逆相で始まるサイン1波の波形とされ、圧
電素子1の表面から最初に粗波b1が放射される。この
とき、圧電素子1の裏面からも粗波が反射板14側に放
射され、この粗波は、一旦反射板14に入射されて裏面
側に達し、そこで反射される。音響インピーダンスの異
なる界面で超音波は反射されるが、音響インピーダンス
が大きい領域から小さい領域で反射される場合位相が1
80度反転する。逆に小さい領域から大きい領域で反射
される場合は位相は変わらない。
【0085】したがって、反射波は位相が180度反転
されて密波として反射される。この密波は反射板14お
よび圧電素子1を経て、その圧電素子1の表面から放射
されるが、反射板14内の往復分(2×λ/4)と、圧
電素子1内の通過分(λ/2)との加算時間、つまり1
波長分の時間を経るので、第1波から1波長分遅れて、
第2波と同時に放射される。
【0086】つまり、第2波の粗波b2に密波が干渉す
ることにより、この第2波の粗波b2の振幅は図2の如
く減少する。
【0087】同様に、その後続けて反射板14に入射さ
れる第1波目の密波は反斜板14の裏面で位相反転され
て粗波となり、放射面側から放射されて第2波の密波a
2に干渉する。したがって、第2波の密波a2も反射板
14を介しての粗波により振幅が減少する。
【0088】以後、第3波以降もこれらと同様の作用で
振幅が減少する。
【0089】したがって、印加電圧を大きくすれば、第
1波a1のみが拡大されて大きい衝撃波が発生するとと
もに、第2波以降は干渉されるので大きい応力が圧電素
子に発生することがなく、大きい衝撃波が発生できるよ
うになる。
【0090】図3に第2実施例を示す。
【0091】本実施例が第1実施例と異なる点は、例え
ば厚さ2mmの圧電素子を分極方向Aを対向させるように
して積層した点である。他の点は第1実施例と同様であ
る。
【0092】このような構成によれば、並列接続した圧
電素子1は従来構造に比して、共振周波数は略同じであ
るが、2端子間に印加される電圧が同じであれば、圧電
素子1に印加される電界は2倍となり、放射音圧は従来
構成に比して2倍となる。
【0093】そして、第1実施例と同様に、反射波の干
渉により、さらに大きい衝撃波が発生できる。
【0094】なお、2層構成の圧電素子1は2つの圧電
素子1の接合面に信号リードとしてのリード線4の引出
しのために、金属薄板や複数の金属ワイヤからなる導電
部材15を挾んで接着剤によって接着されている。
【0095】また、積層した圧電素子の表面電極2cは
互いに接続してアースリードとしてのリード線3に接続
されている。
【0096】図4に第3実施例を示す。
【0097】本実施例は前記第2実施例と略同様の構成
であるが、圧電素子1の接合構造が異なっている。
【0098】すなわち、圧電素子1の超音波放射面側に
金属板16が設けられ、この金属板16の裏面側に設け
たねじ棒17が圧電素子1を貫通して反射板14の裏面
側に突出し、このねじ棒17に螺合したナット18によ
って圧電素子1が加圧挾持されている。
【0099】このような構成によれば、圧電素子1の接
合構造が強固になり、剥離防止が確実となり、電界強度
を一層高めることが可能となる。
【0100】なお、本実施例において、金属板16は、
音響整合層6との組合せにより多層音響整合層を形成す
るように、音響インピーダンスが圧電素子1のそれより
も小さい材料で構成され、その厚さは金属板16を伝播
する超音波波長の略1/4とされている。
【0101】また、反射板14は金属などの導電材料に
よって構成され、この反射板14および金属板16は圧
電素子1の両側の電極2の導通部材としても兼用され、
これにより電気接続が容易に行えるようになっている。
【0102】以上の各実施例において、圧電素子1を平
板状に示したが、実用的には円弧板状など曲率を有する
構造にする必要がある。
【0103】その場合、反射板14が金属などの固体材
料からなるものであるときは、圧電素子の曲率に合せて
湾曲させたものを接着などすればよい。樹脂のように液
状態から固体化できる材料の場合は、圧電素子1の裏面
に所定厚さになるようにキャスティングすることも可能
である。積層構造の圧電素子1も同様に、それぞれの素
子材料を予め所定曲率に加工後接着すればよい。
【0104】次にハイパーサーミヤや血栓溶解装置など
の強力超音波照射源に適用される超音波送波器の実施例
を第4および第5実施例として説明する。
【0105】図5に第4実施例を示す。
【0106】本実施例では、圧電素子1の両面に電極2
が設けられ、その両外側に、圧電素子1の超音波放射面
およびその反対側の面が圧電素子1よりも音響インピー
ダンスが小さい材料からなる剛体、例えば金属板19,
20が配置されている。
【0107】金属板19,20としては、例えばチタン
やアルミニウム、またはそれらを主成分とする合金材料
が適用される。
【0108】圧電素子1の超音波放射面(表面)側に配
置された金属板19の厚さは、その金属板19を伝播す
る超音波の波長λの1/4に設定されている。
【0109】また、圧電素子1の超音波放射面の反対側
の面(裏面)に配置された金属板20の厚さは、その金
属板20を伝播する超音波の波長λの1/2に設定され
ている。
【0110】そして、圧電素子1の表面側の金属板19
に設けたねじ棒21が、圧電素子1を貫通して裏面側の
金属板20に螺合され、これにより圧電素子1が両面側
から加圧挾持されている。圧電素子1の裏面側に配置す
る電極2bと、金属板20およびねじ棒21との間は、
短絡防止のため絶縁層22を介して電気的に絶縁されて
いる。なお、金属板19,20の表面を絶縁コーティン
グ処理してもよい。
【0111】圧電素子1の表面側に設けた金属板19の
外側には、前記各実施例と同様に音響整合層6が設けら
れている。
【0112】なお、圧電素子1および金属板19,20
などのケース7への保持構造およびリード線3,4の接
続構造などは前記実施例と略同様である。
【0113】このような第4実施例の構成において、圧
電素子1に駆動電圧をかけた場合、圧電素子1の表裏面
から超音波としての粗密波が発生するが、本実施例では
裏面側の金属板20が、前記各実施例における反射板と
同様に機能し、粗密波の反射が行われる。
【0114】但し、本実施例の金属板20の厚さは、前
記各実施例の反射板よりもλ/4だけ大きい。このた
め、圧電素子1の裏面側から放射される粗密波が金属板
20を通過する時間は、λ/4+λ/4=λ/2、つま
り1/2波長だけ前記実施例よりも長くなる。
【0115】したがって、位相が反転した反射波は、素
子表面側から放射される超音波の1λ+λ/2だけ遅れ
るので、第2波以降で同相となって重合することにな
る。
【0116】この反射波の重合によって、第2波以降で
は放射される超音波の振幅を拡大させることができるの
で、従来に比して強大な超音波作用が行えるようにな
る。
【0117】また、金属板19,20によって圧電素子
を加圧支持することにより、圧電素子1の内部に発生す
る引張り応力を抑制できるので、圧電素子1が破壊に至
るまでの入力エネルギを大きくでき、それだけ音圧の拡
大が図れるようになる。
【0118】特に、金属板19,20の音響インピーダ
ンスと、その厚さとを特定することにより、ランジュバ
ン振動子のように共振周波数を低下することなく、入力
エネルギを大きくすることが可能となり、超音波送波器
として有効なものとなる。
【0119】図6に本実施例で得られた特性を金属板2
0の厚さを異ならせた比較例とともに示す。同図の(a
1)は金属板20の厚さを波長の1/2とした本実施例
の要部断面構造、(b1)はそのサイン1波駆動により
得られた超音波の波形を示す。同図の(a2)は金属板
20の厚さを波長の1/4とした比較例の要部断面構
造、(b2)はそれにより得られた超音波の波形を示
す。
【0120】本実施例による場合は、(b1)に示すよ
うに、超音波パルスが3波長程度まで乱れず放射される
のに対し、比較例の場合は(b2)に示すように、1波
長後に乱れが生じ、最大振幅が小さくなることが認めら
れた。
【0121】図7に第5実施例を示す。
【0122】本実施例も圧電素子1を両側から金属板1
9,20で加圧支持する構造であるが、前記第4実施例
と異なり、圧電素子1が積層構造とされている。
【0123】このような積層構成によると、低い駆動電
圧で放射超音波の音圧を拡大することが可能となるな
ど、前記同様の利点が得られる。
【0124】なお、圧電素子1の面積が大きくなる場合
は、金属板19,20の接合用ねじ棒22を複数設け、
複数の箇所で締付けるようにすればよい。
【0125】図8に第6実施例として、1波目の正音圧
を大きくし最大正音圧が小さくなるように駆動する別の
例を示す。図8(a),(b)は従来構造の衝撃波源に
図示するパルス電圧を印加したときにハイドロホンで受
信した放射超音波波形を右に示している。図8(c),
(d)は圧電素子を従来の1/2の厚さの素子を2枚張
り合せた2層構造としたものであるが、駆動電圧を印加
するのは超音波放射面側の素子だけである。このような
衝撃波源に従来と同様の波形と振幅を有するパルス電圧
を印加すると図示した超音波が放射された。この超音波
波形を従来例と比較すると、最初の正音圧(V1st )は
約1.5倍となったが、最大正音圧(Vmax )は従来よ
りも小さくなり、目的とする衝撃波源を実現できる。こ
の積層素子の電圧が印加されない部分は、電圧印加部分
の圧電体と同じ材料が望ましいが、音響インピーダンス
が同等な材料から同じ効果を得ることができる。
【0126】このような2層構造の素子は、超音波プロ
ーブでも用いられ、電圧の印加されない部分も含めた素
子全体の厚さで決まる共振周波数と通常は奇数倍の高調
波しか励起されないが、この場合は偶数倍の高調波も励
起される。そのため、2倍の高調波を利用し、2つの周
波数帯域を活用する等の提案がなされている。
【0127】衝撃波源では最初の正音圧を大きくする目
的に対して、駆動パルスの波形を素子の分極方向に対し
て逆極性となる電圧から始まり、素子の基本共振周波数
近傍の波長を有するサイン1波を主成分とする波形にし
たことで初めて達成できる。
【0128】
【発明の効果】請求項1の発明によれば、圧電素子の裏
面側に1/4波長厚の反射板を設けることにより、圧電
素子の破壊に至る駆動パルスの印加電界を増加でき、衝
撃波に変化する最初の密波の振幅のみを大きくすること
ができ、より大きな音圧を有する衝撃波を放射する超音
波送波器が提供できる。
【0129】請求項2の発明によれば、圧電素子を剛体
で挾み加圧支持することで圧電素子の破壊を抑え、その
剛体の材質と厚さを特定化することで放射超音波の周波
数を変動させることなく、より大きな電気入力エネルギ
を注入でき、出力音響エネルギの大きい超音波送波器が
実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例の構成を示す断面図。
【図2】前記第1実施例において放射される超音波の波
形を示す図。
【図3】本発明の第2実施例の構成を示す断面図。
【図4】本発明の第3実施例の構成を示す断面図。
【図5】本発明の第4実施例の構成を示す断面図。
【図6】(a1)は前記第4実施例の概略構成を示す
図、(b1)はそれにより発生する波形を示す図、(a
2)は比較構成を示す図、(b2)はそれにより発生す
る波形を示す図。
【図7】本発明の第5実施例の構成を示す断面図。
【図8】本発明の第6実施例を示し、(a)は圧電素子
が1層の場合の断面図、(b)はその波形を示す図、
(c)は圧電素子が2層の場合の断面図、(d)はその
波形を示す図。
【図9】従来構造を示す断面図。
【図10】従来例の作用を示し、(a)は半波の駆動パ
ルスを示す図、(b)はそれによる発生する波形を示す
図。
【図11】従来例の作用を示し、(a)は1波の駆動パ
ルスを示す図、(b)はそれによる発生する波形を示す
図。
【図12】衝撃波の発生状態を示し、(a)は衝撃波源
となる超音波の波形を示す図、(b)は衝撃波となった
場合の波形を示す図。
【図13】積層圧電素子の構成を示す断面図。
【図14】一般的なボルト締めランジュバン素子を示す
断面図。
【符号の説明】
1 圧電素子 2 電極 14 反射板 19,20 剛体(金属板)

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 両面に電極を有する圧電素子を備え、こ
    の圧電素子に電圧を印加して超音波を発生させ、その超
    音波を媒体を介して対象物に伝播させるとともに集束さ
    せて衝撃波を発生させる超音波送波器において、前記圧
    電素子の超音波放射面の反対側の略全面に、その圧電素
    子と音響インピーダンスを異にする材料で構成された反
    射板を設け、前記反射板の厚さをその反射板を伝播する
    超音波の波長の略1/4の厚さに設定したことを特徴と
    する超音波送波器。
  2. 【請求項2】 両面に電極を有する圧電素子を備え、こ
    の圧電素子に電圧を印加して超音波を発生させ、その超
    音波を媒体を介して対象物に作用させる超音波送波器に
    おいて、前記圧電素子の超音波放射面およびその反対側
    の面を前記圧電素子よりも音響インピーダンスが小さい
    材料からなる剛体で加圧挾持し、前記圧電素子の超音波
    放射面側に配置された剛体の厚さを、その剛体を伝播す
    る超音波の波長の略1/4、また超音波放射面の反対側
    に配置された剛体の厚さを、その剛体を伝播する超音波
    の波長の略1/2にそれぞれ設定したことを特徴とする
    超音波送波器。
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