JPH05273183A

JPH05273183A - 超音波探触子

Info

Publication number: JPH05273183A
Application number: JP4071704A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Fujishima; 一雄藤島
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1992-03-27
Filing date: 1992-03-27
Publication date: 1993-10-22

Abstract

(57)【要約】【目的】１つの探触子で精度の高い弾性表面波速度の
測定および分解能の高い超音波画像の測定の双方を可能
にする。【構成】上端面２０ａが平面に形成され、下端には超
音波を集束して媒質４０へと放射する集束部２０ｂが形
成された音響レンズ２０と、この音響レンズ２０の上端
面２０ａに設けられた第１の圧電素子２２とを備えた超
音波探触子において、音響レンズ２０の集束部２０ｂ
に、この音響レンズ２０と媒質４０との中間の音響イン
ピーダンスを有する音響整合層を兼ねる第２の圧電素子
３２を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば超音波顕微鏡等
に用いられる超音波探触子に関する。

【０００２】

【従来の技術およびその課題】図２は、超音波顕微鏡に
用いられる従来の超音波探触子の一例を示す断面図であ
る。図２に示す超音波探触子は、PROCEEDINGS OF THE I
EEE, Vol.67, No.8 (1979), pp.1092〜1114に開示され
たものであり（以下、「音響レンズ方式」と称する）、
この図において１は超音波振動子であり、この超音波振
動子１は、平板状の圧電素子２と、この圧電素子２の上
下面にそれぞれ形成された上部電極３および下部電極４
とを備えている。５は超音波振動子１の下面に設けられ
た音響レンズであり、この音響レンズ５の下端には凹部
（集束部）５ａが形成されている。なお、６、７はそれ
ぞれ上部リード線および下部リード線である。

【０００３】音響レンズ方式の超音波探触子は、超音波
により高分解能の顕微鏡画像を得るのみならず、被検体
の物性計測にも用いることができる。これは、被検体と
超音波探触子との間の距離を変化させると超音波探触子
から得られる出力が周期的に変化することを利用するも
のである。図３は、被検体と音響レンズ５との間の距離
Ｚを横軸に、超音波探触子からの出力電圧Ｖを縦軸にと
ったときのこれら距離および出力電圧の関係を表す曲線
（Ｖ(ｚ)曲線と呼ばれる）を示す図である。図３に示す
ように、Ｖ(ｚ)曲線は被検体の弾性表面波速度に関連す
る一定の周期を持つ（図３中にΔｚで示す）ため、この
Ｖ(ｚ)曲線を測定することにより被検体の弾性表面波速
度を求めることができる。

【０００４】しかしながら、この音響レンズ方式の超音
波探触子にあっては、音響レンズ５の凹部５ａの界面に
おける屈折により超音波を集束しているので、光学レン
ズと同様に球面収差とは無縁でいられない。従って、音
響レンズ５を音速の遅い材質で形成した場合、この球面
収差が無視できずに集束点（焦点）において超音波が一
点に集束せず、顕微鏡画像を測定した際の分解能が低下
するという問題があった。また、音響レンズ５の凹部５
ａの上端（図２中にＡ点で示す）と超音波振動子１との
間で超音波が多重反射し、この多重反射波と被検体から
の反射波とが干渉して顕微鏡画像に影響を与えるおそれ
がある、という問題もあった。

【０００５】一方、図４は、超音波顕微鏡に用いられる
従来の超音波探触子の他の例を示す断面図である。図４
に示す超音波探触子は電子情報通信学会技術研究報告Vo
l.88,No.180 (1988), pp.25〜30に開示されたものであ
り（以下、「凹面トランスデューサ方式」と称する）、
この図において、８は図２に示すものと同様の音響レン
ズであり、その下端に形成された凹部８ａには、この凹
部８ａに沿った形状に形成された超音波振動子９が設け
られている。この超音波振動子９は、図２のものと同様
に圧電素子１０、上部および下部電極１１、１２を備え
ている。なお、１３、１４はそれぞれ上部リード線およ
び下部リード線である。

【０００６】凹面トランスデューサ方式の超音波探触子
は、上述の音響レンズ方式の超音波探触子で問題となっ
た球面収差や音響レンズ内面での多重反射が生じるおそ
れがなく、加えて音響レンズ内での超音波の減衰もない
ため、分解能に優れかつＳ／Ｎ比の良好な超音波画像を
得ることができる。

【０００７】しかしながら、この凹面トランスデューサ
方式の超音波探触子によりＶ(ｚ)曲線を測定すると、被
検体の弾性表面波に関連する成分に加えて超音波探触子
そのものの応答特性に関連する成分が重畳し、被検体の
弾性表面波速度の測定精度が低下するおそれがある、と
いう問題があった。図５は凹面トランスデューサ方式の
超音波探触子を用いて測定したＶ(ｚ)曲線を示す図であ
り、図３と比較するとＺ＝０近傍において細かい周期を
有する成分が重畳していることが理解できる。

【０００８】以上述べたように、音響レンズ方式の超音
波探触子はＶ(ｚ)曲線を用いた被検体の弾性表面波速度
の測定に優れ、凹面トランスデューサ方式の超音波探触
子は超音波画像の測定に優れた探触子であるが、いずれ
の超音波探触子も弾性表面波速度の測定および超音波画
像の測定の双方を精度良く行うことはできない。従っ
て、弾性表面波速度の測定および超音波画像の測定の双
方を行うためには、音響レンズ方式および凹面トランス
デューサ方式の２種類の超音波探触子を用意し、その測
定に応じて超音波探触子を交換する必要があり、手間が
かかるとともに非経済的であるという問題点があった。

【０００９】本発明の目的は、１つの探触子で精度の高
い弾性表面波速度の測定および分解能の高い超音波画像
の測定の双方が可能な超音波探触子を提供することにあ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】一実施例を示す図１に対
応付けて説明すると、本発明は、上端面２０ａが平面に
形成され、下端には超音波を集束して媒質４０へと放射
する集束部２０ｂが形成された音響レンズ２０と、この
音響レンズ２０の前記上端面２０ａに設けられた第１の
圧電素子２２とを備えた超音波探触子に適用される。そ
して、上述の目的は、前記音響レンズ２０の集束部２０
ｂに、この音響レンズ２０と前記媒質４０との中間の音
響インピーダンスを有する音響整合層を兼ねる第２の圧
電素子３２を設けることにより達成される。

【００１１】

【作用】第１の圧電素子２２を励振すると、この圧電素
子２２から放射される超音波は音響レンズ２０内を伝播
し、その下端に形成された集束部２０ｂにより集束され
て媒質４０へと放射される。この際、超音波は音響レン
ズ２０の集束部２０ｂに設けられた第２の圧電素子３２
内を通過するが、この圧電素子３２は、音響レンズ２０
と媒質４０との中間の音響インピーダンスを有する音響
整合層を兼ねており、圧電素子３２の存在により超音波
が効率良く媒質４０へと放射される。一方、第２の圧電
素子３２を励振すると、この圧電素子３２自体が音響レ
ンズ２０の集束部２０ｂに設けられているので、圧電素
子３２で発生した超音波は集束して媒質４０へと放射さ
れる。

【００１２】なお、本発明の構成を説明する上記課題を
解決するための手段と作用の項では、本発明を分かり易
くするために実施例の図を用いたが、これにより本発明
が実施例に限定されるものではない。

【００１３】

【実施例】以下、図面を参照して、本発明の実施例につ
いて詳細に説明する。図１は本発明による超音波探触子
の一実施例を示す断面図である。この図において、２０
はサファイヤ等で形成され、上端面２０ａが平面に形成
された円柱状の音響レンズであり、この音響レンズ２０
の上端面２０ａには金属蒸着膜からなる円板状の下部電
極２１が形成されている。下部電極２１の上面には、Ｚ
ｎＯ薄膜等のセラミック系、結晶系の圧電材料からなる
円板状の圧電素子２２および金属蒸着膜からなる円板状
の上部電極２３が順次形成されている。下部電極２１は
音響レンズ上端面２０ａの全体にわたって形成されてお
り、図１に示すように、圧電素子２２は下部電極２１の
上面の一部に、上部電極２３はさらに圧電素子２２の上
面の一部に形成されている。従って、下部リード線２４
および上部リード線２５により各電極２１、２３間に電
圧が印加されると、圧電素子２２のうち上部電極２３の
下方に相当する領域の圧電素子が励振されて超音波を放
射し、超音波振動子２６として作用する。また、各電極
２１、２３および圧電素子２２の中心は、音響レンズ２
０の軸心Ｘと一致されている。

【００１４】音響レンズ２０の下端部（先端部）には凹
部２０ｂが形成されており、この凹部２０ｂの表面（下
面）は、音響レンズ２０の軸心Ｘ上の一点を中心とする
半径Ｒの球表面に形成されている。凹部２０ｂの下面に
は、金属蒸着膜からなる上部電極３３およびＰＶＤＦ
（ポリ弗化ビニリデン）膜等の高分子系圧電材料からな
る圧電素子３２が順次形成されている。さらに、音響レ
ンズ２０の下部には、この圧電素子３２の下面を覆うよ
うに金属蒸着膜からなる下部電極３１が形成されてい
る。従って、上部リード線３５および下部リード線３４
により各電極３１、３３間に電圧が印加されると、圧電
素子３２のうち上部電極３３の下方に相当する領域の圧
電素子が励振されて超音波を放射し、超音波振動子３６
として作用する。

【００１５】各圧電素子２２、３２は、これら圧電素子
２２、３２を励振して発生させる超音波の周波数に応じ
てその膜厚が設定されている。また、音響レンズ２０の
凹部２０ｂに設けられた圧電素子３２は、圧電素子２２
から超音波が放射する際にこの圧電素子３２自体が音響
レンズ２０下端に設けられた音響整合層として作用する
ように、その音響インピーダンスおよび膜厚が選択され
ている。

【００１６】本実施例では、圧電素子２２の膜厚は超音
波の周波数および圧電素子２２の音速から導きだされる
超音波の波長の１／２に等しく、圧電素子３２の膜厚は
超音波の周波数および圧電素子３２の音速から導き出さ
れる超音波の波長の１／４に等しく設定されている。ま
た、音響レンズ２０、音響レンズ２０下方にある超音波
伝播媒質（カプラ）、および、圧電素子３２の音響イン
ピーダンスをそれぞれＺ₁、Ｚ₂およびＺ₃とすれば、上
部・下部電極を無視した場合の理想的な音響整合層の条
件は

【数１】Ｚ₃＝（Ｚ₁×Ｚ₂）^1/2 であり、この条件に可能な限り近い音響インピーダンス
を有する材質で圧電素子３２が形成されている。

【００１７】一例として、圧電素子２２をＺｎＯで、音
響レンズ２０をサファイヤで、圧電素子３２をＰＶＤＦ
（音速＝2200[m/s]、密度＝1.83[g/cm³]）、上部・下部
電極３１、３３をＡｌ（膜厚＝0.01[mm]）で形成した場
合のエネルギー透過率と圧電素子３２の膜厚との関係を
図６に示す。図６にみるように、圧電素子３２が存在し
ない（膜厚＝０）場合のエネルギー透過率は0.126であ
るが、１／４波長の膜厚の圧電素子３２が存在する場合
のエネルギー透過率は0.638にまで向上している。ま
た、圧電素子２２を100[MHz]で励振した場合の圧電素子
３２の膜厚は、

【数２】となる。一方、圧電素子３２を励振した場合にはλ／４
共振となるので、5.5[μｍ]のＰＶＤＦ圧電素子３２の
共振周波数は100[MHz]となる。

【００１８】以上のような構成の超音波探触子を用いて
被検体のＶ(ｚ)曲線を測定するには、まず、水などのカ
プラ（超音波伝播媒質）４０を介して被検体４１の上方
に超音波探触子を位置させ、この状態で、不図示のパル
ス発生手段を用いて、上部・下部リード線２５、２４か
ら上部・下部電極２３、２１を介して圧電素子２２にパ
ルス状の電圧を印加する。圧電素子２２は印加電圧によ
り励振され、このパルスに応じた周波数を有する超音波
を放射する。放射された超音波は音響レンズ２０内を伝
播してその下端（先端）に形成された凹部（集束部）２
０ｂに至り、上部・下部電極３３、３１および圧電素子
３２を通過した後、スネルの法則で定まる屈折角をもっ
て屈折して図１に示す焦点距離ｆの一点に集束する。

【００１９】集束された超音波の一部は被検体４１の表
面で反射するとともに、他の一部は弾性表面波として被
検体４１の表面を伝播してから再度被検体４１から出射
し、これら反射波および弾性表面波は上述と逆の経路を
辿って伝播し、反射波と弾性表面波との干渉波が圧電素
子２２に到達する。圧電素子２２は干渉波に比例する受
信電圧信号を発生し、この受信電圧は上部・下部電極２
３、２１から上部・下部リード線２５、２４を介して外
部に取り出される。超音波探触子から取り出された受信
電圧は不図示の受信部によりそのピーク値が検出され、
このピーク値は探触子−被検体間の距離とともに不図示
の記憶手段内に格納される。そして、探触子−被検体間
の距離を変化させつつ各距離において受信電圧のピーク
値を測定すれば、図３に示すようなＶ(ｚ)曲線が得られ
る。

【００２０】一方、この超音波探触子を用いて被検体４
１の顕微鏡画像を測定するには、まず、上述のＶ(ｚ)曲
線測定の場合と同様にカプラ４０を介して被検体４１の
上方に探触子を配置し、この状態で、不図示のパルス発
生手段を用いて、上部・下部リード線３５、３４から上
部・下部電極３３、３１を介して圧電素子３２にパルス
状の電圧を印加する。圧電素子３２は印加電圧により励
振され、このパルスに応じた周波数を有する超音波を放
射する。放射された超音波は、図１に示すように、音響
レンズ２０の凹部２０ｂの曲率半径Ｒに等しい焦点距離
の一点に集束する。

【００２１】集束された超音波は被検体４１の表面で反
射され、この反射波は上述と逆の経路を辿って伝播して
圧電素子３２に到達する。圧電素子３２は反射波に比例
する電圧信号を発生し、この電圧信号は上部・下部電極
３３、３１から上部・下部リード線３５、３４を介して
外部に取り出される。超音波探触子からの出力電圧は不
図示の受信部によりそのピーク値が検出され、このピー
ク値は不図示の記憶手段内に格納される。そして、探触
子を被検体４１の表面に平行な平面（図１において紙面
に直交する方向に延在する平面）上を走査しつつ各位置
において出力電圧のピーク値を測定すれば、被検体の顕
微鏡画像が得られる。

【００２２】従って、本実施例によれば、励振する圧電
素子２２、３２を測定目的に応じて選択することにより
Ｖ(ｚ)曲線測定および顕微鏡画像測定の双方を実行する
ことができ、１つの超音波探触子を用いて精度の高いＶ
(ｚ)曲線および分解能に優れＳ／Ｎ比の良好な顕微鏡画
像の双方を得ることができる。よって、Ｖ(ｚ)曲線測定
および顕微鏡画像測定の双方を実行する際の探触子交換
の手間を省け、しかも１つの探触子でＶ(ｚ)曲線測定お
よび顕微鏡画像測定の双方を実現できて経済的である。

【００２３】特に、本実施例では、圧電素子２２から超
音波が放射される際に、圧電素子３２自体が音響レンズ
２０下端に設けられた音響整合層として作用するので、
超音波を音響レンズ２０から効率良く放射することがで
きる、という優れた効果を奏する。

【００２４】なお、本発明の超音波探触子は、その細部
が上述の一実施例に限定されず、種々の変形が可能であ
る。一例として、一実施例では音響レンズの凹部に設け
られる圧電素子をＰＶＤＦ等の高分子系圧電材料により
形成していたが、音響整合層として作用し得る音響イン
ピーダンスを有する圧電材料であれば周知のものが使用
可能である。また、他の圧電素子、電極、あるいは音響
レンズの材質も任意であり、周知のものが使用可能であ
る。

【００２５】

【発明の効果】以上詳細に説明したように本発明によれ
ば、Ｖ(ｚ)測定用の第１の圧電素子および顕微鏡画像測
定用の第２の圧電素子をそれぞれ音響レンズの上下に設
けたので、これら第１、第２の圧電素子を個々に励振す
ればＶ(ｚ)曲線測定および顕微鏡画像測定のそれぞれを
実行することができ、１つの超音波探触子から精度の高
いＶ(ｚ)曲線および分解能に優れＳ／Ｎ比の良好な顕微
鏡画像の双方を得ることができる。よって、Ｖ(ｚ)曲線
測定および顕微鏡画像測定の双方を実行する際の探触子
交換の手間を省け、しかも１つの探触子でＶ(ｚ)曲線測
定および顕微鏡画像測定の双方を実現できて経済的であ
る。特に本発明では、第２の圧電素子が、第１の圧電素
子が励振されて音響レンズから媒質に向けて超音波が放
射される際の音響整合層を兼ねているで、超音波を音響
レンズから効率良く放射することができる、という優れ
た効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である超音波探触子を示す断
面図である。

【図２】従来の音響レンズ方式の超音波探触子の一例を
示す断面図である。

【図３】音響レンズ方式の超音波探触子で得られたＶ
(ｚ)曲線の一例を示す図である。

【図４】従来の凹面トランスデューサ方式の超音波探触
子の一例を示す断面図である。

【図５】凹面トランスデューサ方式の超音波探触子で得
られたＶ(ｚ)曲線の一例を示す図である。

【図６】圧電素子の膜厚とエネルギー透過率との関係の
一例を示す図である。

【符号の説明】

２０音響レンズ２０ａ上端面２０ｂ凹部２１、３１下部電極２２、３２圧電素子２３、３３上部電極２４、３４下部リード線２５、３５上部リード線２６、３６超音波振動子４０カプラ４１被検体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】上端面が平面に形成され、下端には超音
波を集束して媒質へと放射する集束部が形成された音響
レンズと、この音響レンズの前記上端面に設けられた第
１の圧電素子とを備えた超音波探触子において、前記音響レンズの集束部には、この音響レンズと前記媒
質との中間の音響インピーダンスを有する音響整合層を
兼ねる第２の圧電素子が設けられていることを特徴とす
る超音波探触子。