JPH06148154A

JPH06148154A - 超音波探触子

Info

Publication number: JPH06148154A
Application number: JP5102907A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Yamamoto; 弘山本
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1992-09-21
Filing date: 1993-04-28
Publication date: 1994-05-27

Abstract

(57)【要約】【目的】高Ｓ／Ｎ比での超音波の受信を可能にするこ
とにより被検体の物性測定精度の向上を図る。【構成】音響レンズ２０の上端面２０ａにＰＺＴなど
電気機械結合係数の大きい圧電材料からなる送信用圧電
素子２２を設け、音響レンズ２０の下端にある凹部２０
ｂにＰＶＤＦなど電圧出力係数の大きい圧電材料からな
る受信用圧電素子２６を設けた。大出力の超音波を高感
度で受信することにより、受信信号のＳ／Ｎ比を向上さ
せることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波顕微鏡などにお
いて被検体の物性解析、探傷等に用いられる超音波探触
子に関する。

【０００２】

【従来の技術】図６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６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、Ｐ
ＺＴなどの圧電セラミックスあるいは圧電半導体からな
る平板状の圧電素子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はサファイヤなどからなる円筒状の音響レン
ズであり、この音響レンズ５の上端には平坦面５ａが形
成されて超音波振動子１が設けられ、またその下端には
凹部（集束部）５ｂが形成されている。

【０００３】図６に示す超音波探触子において、不図示
のリード線を介して上部電極３、下部電極４に電圧を供
給すると、圧電素子２が励振されてこの圧電素子２で超
音波が発生する。発生した超音波は音響レンズ５内を伝
播してその下端に設けられた凹部５ｂで集束され、超音
波伝播媒質（水）６を介して被検体７に向けて照射され
る。試料表面で反射、散乱を受けた超音波は、上述と逆
の経路をたどって圧電素子２に至り、この圧電素子２で
電気信号に変換されて受信される。

【０００４】圧電素子２で受信される反射超音波には、
音響レンズ５の中心近傍の被検体７表面から直接反射さ
れてくる直接反射波（図中にＡで示す）と、レーリー角
θ₁で被検体７表面に入射して同様にレーリー角θ₁で被
検体７表面から出射されるレーリー波（漏洩弾性表面
波、図中にＢで示す）とがあり、これら２つの波が干渉
したものが反射超音波信号として圧電素子２で受信され
る。

【０００５】図７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。探触子か
らの出力電圧Ｖはレーリー波と直接反射波とが干渉した
結果であり、Ｖ(ｚ)曲線は、図７に示すように被検体の
レーリー波速度に関連する一定の周期を持つ（図中にΔ
ｚ_Rで示す）。したがって、このＶ(ｚ)曲線を測定する
ことにより被検体のレーリー波速度を求めることができ
る。レーリー波速度Ｃ_Rは、超音波伝播媒体（水）６の
音速をＣ_w、超音波の周波数をｆとすると、次式で与え
られる。

【数１】

【０００６】一方、図８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８
において、８は図６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８ｂには、この凹部８ｂ
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６のものと同様に、Ｐ
ＶＤＦ（ポリ弗化ビニリデン）などの高分子圧電体から
なる圧電素子１０と、上部および下部電極１１、１２と
を備えている。超音波振動子９は、複数個（図示例では
３個）の分割振動子９ａ、９ｂ、９ｃに分割され、これ
ら分割振動子９ａ〜９ｃは、音響レンズ８の軸線Ｘを中
心として同心円状に配置されている。

【０００７】図８に示す超音波探触子において、最外周
の分割振動子９ａおよび最内周の分割振動子９ｃの圧電
素子１０ａ、１０ｃを励振して被検体７に向けて超音波
を照射し、かつ、これら分割振動子９ａ、９ｃの圧電素
子１０ａ、１０ｃによってレーリー波、直接反射波をそ
れぞれ受信すれば（図中にＡ、Ｂでそれぞれ示す）、図
６の探触子と同様にＶ(ｚ)曲線を得ることができ、(１)
式に基づいてレーリー波速度Ｃ_Rを求めることができ
る。

【０００８】また、中間の分割振動子９ｂおよび最内周
の分割振動子９ｃの圧電素子１０ｂ、１０ｃを励振して
被検体７に向けて超音波を照射すると、上述の直接反射
波と、縦波の臨界角θ₂で被検体７表面に入射して同様
に縦波の臨界角θ₂で被検体７表面から出射される擬似
縦波（図中にＣで示す）とを圧電素子１０ｂ、１０ｃに
より受信することができる。したがって、圧電素子１０
ｂ、１０ｃを用いてＶ(ｚ)曲線と類似の曲線を得ること
ができ、その周期をΔｚ_Lとすれば、次式に基づいて擬
似縦波Ｃ_Lの速度を求めることができる。

【数２】

【０００９】なお、これらレーリー波の速度Ｃ_Rと擬似
縦波の速度Ｃ_Lとの間には、次のような関係式が成立す
る。

【数３】

【数４】ただし、Ｅは被検体７のヤング率、ρは被検体７の密
度、νは被検体７のポアソン比である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】図６に示す超音波探触
子の圧電素子２に用いられている圧電セラミックス、圧
電半導体は、この圧電素子２に印加された電圧に対する
超音波の出力の割合を表す電気機械結合係数ｋ₃₃が大き
く（図９にその数値を示す）、大出力の超音波を発生す
ることができるが、比較的硬くてもろいため、音響レン
ズ５の凹部５ｂに合わせた形状に形成することが困難で
あり、図６に示すように音響レンズ５の上端にある平坦
面５ａに形成されることが多い。

【００１１】しかしながら、図６に示す従来の超音波探
触子にあっては、圧電素子２と被検体７との間での超音
波の送受信の行程中に音響レンズ５の往復行程が含まれ
るため、この音響レンズ５内を超音波が伝播する際の減
衰を無視することができない。特に、超音波が高周波に
なればなるほど音響レンズ５内での減衰が大きくなるた
め、高周波を用いた超音波探触子における受信超音波の
Ｓ／Ｎ比を十分に確保できなかった。

【００１２】一方、図８に示す超音波探触子の圧電素子
１０に用いられている高分子圧電体は可撓性に富むた
め、図８に示すように音響レンズ８の下端に形成された
凹部８ｂに沿って設けることができ、音響レンズ５内の
伝播行程を省略できて超音波の減衰を抑制することがで
きる。加えて、高分子圧電体は超音波の受信感度を表す
電圧出力係数ｇ₃₃が大きく（図９にその数値を示す）、
高感度の超音波探触子を実現することができる。

【００１３】しかしながら、図８に示す従来の超音波探
触子にあっては、圧電素子１０を構成する高分子圧電体
の電気機械結合係数ｋ₃₃が小さく（ＰＺＴとＰＶＤＦと
を比較すると約１／５程度）、大出力の超音波を発生す
ることができないため、この圧電素子１０で受信される
超音波の強度が弱くてそのＳ／Ｎ比を十分に確保できな
かった。

【００１４】本発明の目的は、高Ｓ／Ｎ比での超音波の
受信を可能にすることにより被検体の物性測定精度の向
上を図り得る超音波探触子を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】一実施例を示す図１およ
び図３に対応付けて説明すると、請求項１の発明は、超
音波顕微鏡などにおいて被検体の物性解析等に用いられ
る超音波探触子に適用され、そして、上述の目的は、送
信用圧電素子２２と、前記送信用圧電素子２２で発生し
た超音波を集束して被検体３１に向けて照射する音響レ
ンズ２０と、前記音響レンズ２０のレンズ凹面部２０ｂ
に設けられ、前記被検体３１からの反射超音波を直接受
信する受信用圧電素子２６とを設けることにより達成さ
れる。請求項２の発明は、請求項１に記載の超音波探触
子において、前記送信用圧電素子２２を電気機械結合係
数を重視した材質で形成し、前記受信用圧電素子２６を
電圧出力係数を重視した材質で形成したようなものであ
る。また、請求項３の発明は、請求項２に記載の超音波
探触子において、前記受信用圧電素子２６を複数個の分
割圧電素子２６ａ〜２６ｃに分割し、前記複数個の分割
圧電素子２６ａ〜２６ｃのそれぞれを、前記被検体３１
の表面で反射された直接反射波Ａ、前記被検体３１の表
面を伝播するレーリー波Ｂ、および前記被検体３１の表
面を伝播する擬似縦波Ｃのうちいずれか１つ受信可能と
なるように構成したものである。さらに、請求項４の発
明は、請求項３に記載の超音波探触子において、前記受
信用圧電素子を少なくとも３個の分割圧電素子２６ａ〜
２６ｃに分割し、前記複数個の分割素子２６ａ〜２６ｃ
のそれぞれを、前記被検体３１の表面で反射された直接
反射波が受信可能な素子群２６ｃ、前記被検体３１の表
面を伝播するレーリー波が受信可能な素子群２６ａ、お
よび前記被検体の表面を伝播する擬似縦波２６ｂが受信
可能な素子群のいずれかの群に分類し、少なくとも前記
レーリー波が受信可能な素子群に属する前記分割素子２
６ａの曲率と前記擬似縦波が受信可能な素子群に属する
前記分割素子２６ｂの曲率とが異なるように前記レンズ
凹面部２０ｂを形成したものである。

【００１６】

【作用】−請求項１− 送信用圧電素子２２で発生した超音波は、音響レンズ２
０内を伝播して被検体３１に向けて送信されるが、被検
体３１からの反射超音波は、音響レンズ２０を介さずに
受信用圧電素子２６により直接受信される。したがっ
て、被検体３１との超音波送受信において超音波が音響
レンズ２０内を伝播するのは送信時の片道のみとなる。 −請求項２− 電気機械結合係数を重視した材質で形成された送信用圧
電素子２２は大出力の超音波を送信し、電圧出力係数を
重視した材質で形成された受信用圧電素子２６は高い受
信感度で反射超音波を受信する。 −請求項４− レーリー波が受信可能な素子群に属する分割素子２６ａ
の曲率と擬似縦波が受信可能な素子群に属する分割素子
２６ｂの曲率とが異なるようにレンズ凹面部２０ｂを形
成したので、これら分割素子２６ａ、２６ｂにより受信
されるレーリー波、擬似縦波の焦点距離がそれぞれ違っ
た値になる。

【００１７】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。

【００１８】

【実施例】−第１実施例− 図１は、本発明による超音波探触子の第１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
は送信用超音波振動子２１が設けられている。この送信
用超音波振動子２１は、円板状の送信用圧電素子２２
と、この圧電素子２２を上下から挾む金属膜からなる円
板状の上部、下部電極２３、２４とを備える。圧電素子
２２を構成する材質としては、ＺｎＯ薄膜、ＰＺＴ等の
圧電セラミックス、圧電半導体といった電気機械結合係
数ｋ₃₃が大きいものが選択される（図９参照）。また、
各電極２３、２４および圧電素子２２の中心は、音響レ
ンズ２０の軸線Ｘと一致されている。

【００１９】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の軸線Ｘ上の一点を中心とする
球表面に形成されている。音響レンズ２０の凹部２０ｂ
の下面には受信用超音波振動子２５が設けられている。
この受信用超音波振動子２５は複数個（図示例では３
個）の分割振動子２５ａ、２５ｂ、２５ｃに分割され、
これら分割振動子２５ａ〜２５ｃは、図２に示すよう
に、底面からみて音響レンズ２０の軸線Ｘを中心として
同心円状に配置されている。

【００２０】各分割振動子２５ａ〜２５ｃは、受信用圧
電素子２６ａ〜２６ｃと、この圧電素子２６ａ〜２６ｃ
を上下から挾む金属膜からなる上部、下部電極２７ａ〜
２７ｃ、２８ａ〜２８ｃとを備える（以下、受信用圧電
素子、上部、下部電極について一般的説明をおこなうと
きは符号２６〜２８を代表として用いる）。圧電素子２
６を構成する材質としては、ＰＶＤＦ（ポリ弗化ビニリ
デン）等の高分子圧電体といった電圧出力係数ｇ₃₃が大
きいものが選択される（図９参照）。

【００２１】最外周に位置する分割振動子２５ａは、被
検体３１からレーリー角θ₁で出射した超音波（図中に
Ｂで示す）を受信できるように、その位置が調整されて
いる。同様に、中間に位置する分割振動子２５ｂは縦波
の臨界角θ₂で被検体３１から出射する超音波（図中に
Ｃで示す）を受信できるように、最内周に位置する分割
振動子２５ｃは被検体３１からの直接反射波（図中にＡ
で示す）を受信できるように、その位置が調整されてい
る。

【００２２】以上のような構成の超音波探触子を用いて
被検体３１のレーリー波速度Ｃ_Rを測定するには、ま
ず、超音波伝播媒質（水）３０を介して被検体３１の上
方に超音波探触子を位置させ、この状態で、不図示のＲ
Ｆパルス発生手段を用いて、不図示のリード線から上
部、下部電極２３、２４を介して圧電素子２２にＲＦ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、その一部は上部、下部電極２７、２８およ
び圧電素子２６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集束する。

【００２３】集束された超音波の一部は被検体３１の表
面で反射して直接反射波（図中にＡで示す）となり、最
内周の分割振動子２５ｃにより受信される。分割振動子
２５ｃの圧電素子２６ｃは、直接反射波に比例する受信
電圧信号を発生し、この受信電圧は上部・下部電極２７
ｃ、２８ｃから不図示のリード線を介して外部に取り出
される。一方、集束された超音波の他の一部はレーリー
波として被検体３１の表面を伝播してから再度被検体３
１から出射し（図中にＢで示す）、最外周の分割振動子
２５ａにより受信される。分割振動子２５ａの圧電素子
２６ａは、レーリー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２７ａ、２８ａから
不図示のリード線を介して外部に取り出される。

【００２４】超音波探触子から取り出された２つの受信
電圧は不図示の受信部によりその合成電圧のピーク値が
検出され、このピーク値は探触子と被検体３１との間の
距離とともに不図示の記憶手段内に格納される。そし
て、探触子と被検体３１との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７に
示すようなＶ(ｚ)曲線が得られる。この後は、Ｖ(ｚ)曲
線の周期Δｚ_Rを求め、この周期Δｚ_Rおよび超音波伝播
媒質（水）３０の音速Ｃ_wを(１)式に代入すればレーリ
ー波の速度Ｃ_Rを求めることができる。

【００２５】一方、擬似縦波の速度Ｃ_Lを測定するに
は、上述と同様の行程により超音波を送信し、中間およ
び最内周の分割振動子２５ｂ、２５ｃにより擬似縦波
（図中にＣで示す）および直接反射波（図中にＡで示
す）を受信し、その合成電圧のピーク値を探触子−被検
体３１間の距離とともに不図示の記憶手段内に格納す
る。そして、探触子−被検体３１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
７に示すようなＶ(ｚ)曲線に類似の曲線が得られる。こ
の後は、Ｖ(ｚ)曲線の周期Δｚ_Lを求め、この周期Δｚ_L
および超音波伝播媒質（水）３０の音速Ｃ_wを(１)式に
代入すれば擬似縦波の速度Ｃ_Lを求めることができる。
最後に、レーリー波の速度Ｃ_Rおよび擬似縦波の速度Ｃ_L
を(２)、(３)式に代入すれば、被検体３１のヤング率Ｅ
およびポアソン比νを求めることができる。

【００２６】したがって、本実施例では、音響レンズ２
０の上端面２０ａに設けられた送信用圧電素子２２で超
音波を発生し、音響レンズ２０の下端凹部２０ｂに設け
られた受信用圧電素子２６で反射超音波を受信している
ので、被検体３１との間の超音波送受信行程において超
音波が音響レンズ２０内を伝播する行程を片道のみとす
ることができ、受信超音波の減衰を抑制することがで
き、Ｓ／Ｎ比の高い超音波受信を実現することができ
る。

【００２７】特に、本実施例では、送信用圧電素子２２
を電気機械結合係数ｋ₃₃の大きい材質で構成し、受信用
圧電素子２６を電圧出力係数ｇ₃₃の大きい材質で構成し
ているので、送信超音波の大出力化を図りうるとともに
高感度な超音波受信を実現でき、受信超音波のＳ／Ｎ比
をさらに飛躍的に向上させることができる。これによ
り、被検体３１のレーリー波の速度Ｃ_Rおよび擬似縦波
の速度Ｃ_Lの測定精度、ひいては被検体３１のヤング率
Ｅおよびポアソン比νの測定精度を向上させることが可
能となる。

【００２８】加えて、本実施例では、受信用圧電素子２
６を分割し、各分割圧電素子２６ａ〜２６ｃによりレー
リー波、擬似縦波および直接反射波を別個に受信してい
るので、各レーリー波等の受信の際に他の擬似縦波等の
干渉、影響を受けることがなく、被検体３１のレーリー
波の速度Ｃ_Rといった被検体３１の物性値の測定精度を
さらに向上させることができる。特に、擬似縦波はレー
リー波や直接反射波に比較して強度が小さいため、上述
の大出力送信、受信感度向上に加えて分割受信すること
により従来なし得なかった高Ｓ／Ｎ比での受信が可能と
なる。 −第２実施例− 図３は、本発明による超音波探触子の第２実施例を示す
断面図である。なお、以下の説明において、上述の第１
実施例と同様の構成要素については同一の符号を付し、
主に相違点のみを説明することで全体の説明を簡略化す
る。本実施例の特徴は、音響レンズ４０の下端部（先端
部）に形成された凹部４０ｂの形状にある。すなわち、
凹部４０ｂは、軸線Ｘを中心とする円形領域に形成され
た凹曲面４１ａと、この凹曲面４１ａの外周に形成され
た凹曲面４１ｂとを備え、これら２つの凹曲面４１ａ、
４１ｂはその曲率が異なるように形成されている。本実
施例では、凹曲面４１ａの曲率が凹曲面４１ｂの曲率よ
り小さく（曲率半径では大きく）なるように設定されて
いる。したがって、図３に示すように、凹曲面４１ａに
より定まる音響レンズ４０の焦点距離Ｆ_Lは、凹曲面４
１ｂにより定まる音響レンズ４０の焦点距離Ｆ_Rよりも
長くなる。また、直接反射波および擬似縦波測定用の分
割振動子２５ｂ、２５ｃは、上述の凹曲面４１ａ上に形
成され、レーリー波測定用の分割振動子２５ａは凹曲面
４１ｂ上に形成されている。なお、本実施例では、図４
に示すように、中心の分割振動子２５ｃを除く他の２つ
の分割振動子２５ａ、２５ｂはさらに周方向に分割され
ており、分割された周方向分割振動子４２ａ、４２ｂは
独立して超音波の送受信が可能にされている。これによ
り、被検体３１の表面に沿った異なる方向における音速
測定ができ、音速の異方性が測定可能となる。

【００２９】本実施例の超音波探触子においても、最外
周に位置する分割振動子２５ａは、被検体３１からレー
リー角θ₁で出射した超音波を受信できるように、その
位置が調整されている。同様に、中間に位置する分割振
動子２５ｂは縦波の臨界角θ2で被検体３１から出射す
る超音波を受信できるように、最内周に位置する分割振
動子２５ｃは被検体３１からの直接反射波を受信できる
ように、その位置が調整されている。また、音響レンズ
４０の上端面４０ａに送信用超音波振動子２１が設けら
れている点、送信用超音波振動子２１の圧電素子２２を
構成する材質に電気機械結合係数ｋ₃₃の大きいものが選
択されている一方、受信用超音波振動子２５の圧電素子
２６を構成する材質に電圧出力係数ｇ₃₃の大きいものが
選択されている、など他の構成については上述の第１実
施例と共通するため、その説明を省略する。

【００３０】以上のような構成の超音波探触子を用いて
被検体３１のレーリー波速度Ｃ_Rを測定するには、ま
ず、被検体３１の上方に超音波探触子を位置させた状態
で、不図示のＲＦパルス発生手段を用いて圧電素子２２
にＲＦパルス状の電圧を印加し、この圧電素子２２を励
振して超音波を放射させる。放射された超音波は音響レ
ンズ４０内を伝播してその下端（先端）に形成された凹
部（集束部）４０ｂに至り、その一部は上部、下部電極
２７、２８および圧電素子２６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集束する。本実施
例では、凹部４０ｂに形成された凹曲面４１ａと凹曲面
４１ｂとの曲率が異なっているため、分割振動子２５ａ
付近を通過した超音波は焦点距離Ｆ_Rの位置に、分割振
動子２５ｂ、２５ｃ付近を通過した超音波は焦点距離Ｆ
_Lの位置に集束する。

【００３１】集束された超音波の一部は被検体３１の表
面で反射して直接反射波となり、最内周の分割振動子２
５ｃにより受信される。一方、集束された超音波の他の
一部はレーリー波として被検体３１の表面を伝播してか
ら再度被検体３１から出射し、最外周の分割振動子２５
ａにより受信される。超音波探触子の２つの分割振動子
２５ａ、２５ｃから取り出された２つの受信電圧は不図
示の受信部によりその合成電圧のピーク値が検出され、
このピーク値は探触子と被検体３１との間の距離ととも
に不図示の記憶手段内に格納される。そして、探触子と
被検体３１との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５(ａ)に示すよう
なＶ(ｚ)曲線が得られる。この後は、Ｖ(ｚ)曲線の周期
Δｚ_Rを求め、この周期Δｚ_Rおよび超音波伝播媒質
（水）３０の音速Ｃ_wを(１)式に代入すればレーリー波
の速度Ｃ_Rを求めることができる。

【００３２】一方、擬似縦波の速度Ｃ_Lを測定するに
は、上述と同様の行程により超音波を送信し、中間およ
び最内周の分割振動子２５ｂ、２５ｃにより擬似縦波お
よび直接反射波を受信し、その合成電圧のピーク値を探
触子−被検体３１間の距離とともに不図示の記憶手段内
に格納する。そして、探触子−被検体３１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５(ｂ)に示すようなＶ(ｚ)曲線に類似の曲線が
得られる。この後は、Ｖ(ｚ)曲線の周期Δｚ_Lを求め、
この周期Δｚ_Lおよび超音波伝播媒質（水）３０の音速
Ｃ_wを(１)式に代入すれば擬似縦波の速度Ｃ_Lを求めるこ
とができる。最後に、レーリー波の速度Ｃ_Rおよび擬似
縦波の速度Ｃ_Lを(２)、(３)式に代入すれば、被検体３
１のヤング率Ｅおよびポアソン比νを求めることができ
る。

【００３３】したがって、本実施例も、音響レンズ４０
の上端面４０ａに設けられた送信用圧電素子２２で超音
波を発生し、音響レンズ４０の下端凹部４０ｂに設けら
れた受信用圧電素子２６で反射超音波を受信しているの
で、上述の第１実施例と同様に受信超音波の減衰を抑制
することができ、Ｓ／Ｎ比の高い超音波受信を実現する
ことができる。また、送信用圧電素子２２を電気機械結
合係数ｋ₃₃の大きい材質で構成し、受信用圧電素子２６
を電圧出力係数ｇ₃₃の大きい材質で構成しているので、
送信超音波の大出力化および高感度な超音波受信を実現
でき、受信超音波のＳ／Ｎ比をさらに飛躍的に向上でき
る。さらに、各分割圧電素子２６ａ〜２６ｃによりレー
リー波、擬似縦波および直接反射波を別個に受信してい
るので、各レーリー波等の受信の際に他の擬似縦波等の
干渉、影響を受けることがなく、被検体３１のレーリー
波の速度Ｃ_Rといった被検体３１の物性値の測定精度を
さらに向上できる。

【００３４】加えて、本実施例によれば、擬似縦波測定
用の分割振動子２５ｂの焦点距離ＦLをレーリー波測定
用の分割振動子２５ａの焦点距離Ｆ_Rより長くしている
ため、被検体３１の物性値の測定精度をさらに向上でき
る。すなわち、擬似縦波は縦波に近い性質を有し、横波
に近い性質を有するレーリー波と比較してその音速が速
い傾向がある（Ｃ_R＜Ｃ_L）。音速が速ければ速いほど

【数１】あるいは

【数２】より、Ｖ(ｚ)曲線の周期は長くなる。図５(ａ)
はレーリー波のＶ(ｚ)曲線、同図(ｂ)は擬似縦波のＶ
(ｚ)曲線の一例であり、横軸の縮尺を考えると周期Δｚ
_LはΔｚ_Rの５倍程度長い。したがって、分割振動子２５
ａ、２５ｂの焦点距離が等しい場合、同じデフォーカス
量だけ測定すると擬似縦波のほうが周期Δｚ_Lの数が小
さくなる。逆にいえば、レーリー波と擬似縦波とで同じ
数の周期Δｚ_R、Δｚ_Lを得るためには、擬似縦波測定時
にレーリー波の約５倍のデフォーカス量を確保しなけれ
ばならない。

【００３５】しかしながら、焦点距離はレーリー波、擬
似縦波の臨界角θ₁、θ₂および音響レンズの寸法等によ
りその最適値があり、焦点距離を長くして十分なデフォ
ーカス量を得ることは必ずしも容易でない。したがっ
て、上述の第１実施例のようにレンズ凹部２０ｂの曲率
が一様である場合、レーリー波、擬似縦波のそれぞれに
ついて納得のゆく数の周期Δｚ_R、Δｚ_Lを得てさらに音
速の測定精度を向上させることは困難であった。そこ
で、本実施例では、擬似縦波測定時に焦点距離Ｆ_Lを長
くして十分なデフォーカス量を確保することにより、周
期Δｚ_Lの数を多くして音速Ｃ_Lの測定精度をさらに向上
させている。焦点距離Ｆ_RおよびＦ_Lの長さは、上述の観
点に鑑みて、周期Δｚ_RおよびΔｚ_Lがほぼ同数（例えば
４周期）測定可能なように定められる。

【００３６】なお、本発明の超音波探触子は、その細部
が上述の各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、第１実施例、第２実施例では受信用超
音波振動子２５を分割したが、これを一体に用いること
も可能である。また、各実施例ではレーリー波と擬似縦
波とを個々に測定していたが、同じデフォーカス量で分
割振動子２５ａ、２５ｂを切り換えればこれらレーリー
波および擬似縦波を同時に測定することができる。さら
に、上述の第２実施例において分割振動子２５ｃに対応
する部分の凹曲面を他の凹曲面４１ａ、４１ｂと異なる
曲率、好ましくは曲率０にすることも可能である。

【００３７】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、請求項１の
発明によれば、送信用圧電素子で発生した超音波を音響
レンズで集束して被検体に向けて照射し、この被検体か
らの反射超音波を受信用圧電素子により直接受信してい
るので、被検体との間の超音波送受信行程において超音
波が音響レンズ内を伝播する行程を片道のみとすること
ができる。これにより、受信超音波の減衰を抑制するこ
とができ、Ｓ／Ｎ比の高い超音波受信を実現することが
できる。請求項２の発明によれば、電気機械結合係数を
重視した材質で送信用圧電素子を形成し、電圧出力係数
を重視した材質で受信用圧電素子を形成しているので、
送信超音波の大出力化を図りうるとともに高感度な超音
波受信を実現でき、受信超音波のＳ／Ｎ比をさらに飛躍
的に向上させることができる。これにより、被検体の物
性測定精度を向上させることが可能となる。請求項３の
発明によれば、受信用圧電素子を分割し、各分割圧電素
子によりレーリー波、擬似縦波および直接反射波を別個
に受信しているので、各レーリー波等の受信の際に他の
擬似縦波等の干渉、影響を受けることがなく、被検体の
物性測定精度をさらに向上させることができる。請求項
４の発明によれば、少なくともレーリー波が受信可能な
素子群に属する分割素子の曲率と擬似縦波が受信可能な
素子群に属する分割素子の曲率とが異なるようにレンズ
凹面部を形成したので、各分割素子の焦点距離を異なら
せてそれぞれの波に応じた十分なデフォーカス量を確保
でき、被検体の物性値の測定精度をさらに向上させるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例である超音波探触子を示す
断面図である。

【図２】第１実施例の超音波探触子の底面図である。

【図３】本発明の第２実施例である超音波探触子を示す
断面図である。

【図４】第２実施例の超音波探触子の底面図である。

【図５】Ｖ(ｚ)曲線の一例を示す図である。

【図６】従来の超音波探触子の一例を示す断面図であ
る。

【図７】Ｖ(ｚ)曲線の他の例を示す図である。

【図８】従来の超音波探触子の他の例を示す断面図であ
る。

【図９】圧電素子を構成する材質の物性値を示す図であ
る。

【符号の説明】

Ｆ_R、Ｆ_L 焦点距離２０、４０音響レンズ２０ａ、４０ａ上端面２０ｂ、４０ｂ凹部２１送信用超音波振動子２２送信用圧電素子２５受信用超音波振動子２６送信用圧電素子３０超音波伝播媒質３１被検体４１ａ、４１ｂ凹曲面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】送信用圧電素子と、前記送信用圧電素子で発生した超音波を集束して被検体
に向けて照射する音響レンズと、前記音響レンズのレンズ凹面部に設けられ、前記被検体
からの反射超音波を直接受信する受信用圧電素子とを備
えたことを特徴とする超音波探触子。
【請求項２】請求項１に記載の超音波探触子におい
て、前記送信用圧電素子は電気機械結合係数を重視した材質
で形成され、前記受信用圧電素子は電圧出力係数を重視した材質で形
成されていることを特徴とする超音波探触子。
【請求項３】請求項２に記載の超音波探触子におい
て、前記受信用圧電素子は複数個の分割圧電素子に分割さ
れ、前記複数個の分割圧電素子のそれぞれは、前記被検体の
表面で反射された直接反射波、前記被検体の表面を伝播
するレーリー波、および前記被検体の表面を伝播する擬
似縦波のうちいずれか１つが受信可能に構成されている
ことを特徴とする超音波探触子。
【請求項４】請求項３に記載の超音波探触子におい
て、前記受信用圧電素子は少なくとも３個の分割圧電素子に
分割され、前記複数個の分割素子のそれぞれは、前記被検体の表面
で反射された直接反射波が受信可能な素子群、前記被検
体の表面を伝播するレーリー波が受信可能な素子群、お
よび前記被検体の表面を伝播する擬似縦波が受信可能な
素子群のいずれかの群に分類され、少なくとも前記レーリー波が受信可能な素子群に属する
前記分割素子の曲率と前記擬似縦波が受信可能な素子群
に属する前記分割素子の曲率とが異なるように前記レン
ズ凹面部が形成されていることを特徴とする超音波探触
子。