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JPH0642758B2 - Ultrasonic probe - Google Patents

Ultrasonic probe

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Publication number
JPH0642758B2
JPH0642758B2 JP16161783A JP16161783A JPH0642758B2 JP H0642758 B2 JPH0642758 B2 JP H0642758B2 JP 16161783 A JP16161783 A JP 16161783A JP 16161783 A JP16161783 A JP 16161783A JP H0642758 B2 JPH0642758 B2 JP H0642758B2
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JP
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Grant
Patent type
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JP16161783A
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JPS6053399A (en )
Inventor
武志 井上
雅也 太田
貞行 高橋
Original Assignee
日本電気株式会社
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    • GPHYSICS
    • G10MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10KSOUND-PRODUCING DEVICES; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/02Mechanical acoustic impedances; Impedance matching, e.g. by horns; Acoustic resonators

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電気音響変換手段として圧電セラミックを用いた超音波診断装置用探触子に関するものである。 Description of the Invention The present invention relates to probe for an ultrasonic diagnostic apparatus using the piezoelectric ceramic as electro-acoustic conversion unit probe.

超音波診断装置に用いられる超音波探触子には距離方向の感度及び分解能を向上させるために広帯域でかつ低損失,低リップルであることが要求されている。 Broadband and low loss for the ultrasonic probe used in the ultrasonic diagnostic apparatus to improve the sensitivity and resolution of the distance direction, it is required that a low ripple.

一般に電気音響変換手段として圧電セラミックス材料から形成された振動子本体を有する超音波探触子においては、高い電気音響変換効率を有しているが、人体及び水などの媒質との音響整合性が悪く、そのため周波数帯幅を広げることが難しいという欠点がある。 In general, an ultrasonic probe having a vibrator body formed of a piezoelectric ceramic material as the electro-acoustic conversion unit, but has a high electro-acoustic conversion efficiency and acoustic matching with the medium, such as a human body and water worse, there is a drawback that it is difficult to expand the order frequency band width. また、ポリフッ化ビニリデンなどの高分子圧電材から形成された振動子本体を有する超音波探触子では人体及び水などの媒質と良好な音響整合が得られ、周波数帯域幅を広く設定することができるが、その反面電気音響変換効率、特に送信時における電気音響変換効率が低いという欠点があることは周知の通りである。 Further, the ultrasonic probe having a vibrator body that is formed from a polymeric piezoelectric material such as polyvinylidene fluoride obtained medium and good acoustic matching such as a human body and water, is possible to set a wide frequency bandwidth possible, on the other hand electro-acoustic conversion efficiency, be electro-acoustic conversion efficiency there is a disadvantage that particularly low at the time of transmission are well known in the art. このため、従来、圧電セラミックを電気音響変換材料として用い、音響インピーダンス整合層を有する超音波探触子が提案されている。 Therefore, conventionally, a piezoelectric ceramic as electroacoustic conversion material, the ultrasonic probe has been proposed having an acoustic impedance matching layer.

圧電セラミックに一つの整合層が形成された探触子においては比較域幅40%程度が得られており、また二重の整合層が形成された探触子においては比帯域幅約70% 40% comparison window width in probe one matching layer is formed on the piezoelectric ceramic has been obtained, also in the probe double matching layer is formed is a fractional bandwidth of about 70%
が得られている。 It is obtained.

しかしながら、更に診断装置の性能の向上を図る場合には、従来の探触子の性能では不都合であり更にいっそうの広帯域特性が探触子に要求されている。 However, it has been required further when improving the performance of the diagnostic device is disadvantageous in the performance of a conventional probe further more wideband characteristics probe.

本発明は上記要求に応えるべく、低損失,低リップルの特性を有し、かつ従来の2重整合層が形成された探触子よりはるかに広い帯域特性を実現する超音波探触子を提供することを目的とする。 The present invention is to meet the above requirements, low loss, has the characteristics of a low ripple, and provide an ultrasonic probe which realizes a much wider band characteristics than the probe traditional double matching layer is formed an object of the present invention is to.

すなわち本発明は3重の整合層を有し電気音響変換材料として圧電セラミックスを用いた超音波探触子において、圧電セラミック振動子上に形成された第1整合層の特性音響インピーダンス密度をz 1 ,この第1整合層上に形成された第2整合層の特性音響インピーダンス密度を That is, the present invention is in the ultrasonic probe using a piezoelectric ceramics as an electro-acoustic conversion material has a triple matching layer, z 1 a characteristic acoustic impedance density of the first matching layer which is formed on a piezoelectric ceramic resonator the characteristic acoustic impedance density of the second matching layer formed on the first matching layer
z 2 ,さらに第2整合層上に形成された第3整合層の特性音響インピーダンス密度をz 3としたとき、 12.6×10 6 (Kg/s・m 2 )z 1 18.1×10 6 (Kg/s・m 2 ) 3.8×10 6 (Kg/s・m 2 )z 2 6.0×10 6 (Kg/s・m 2 ) 1.7×10 6 (Kg/s・m 2 )z 3 2.4×10 6 (Kg/s・m 2 ) なる関係を満足し、また前記第1整合層,第2整合層, z 2, further third when the characteristic acoustic impedance density matching layer was z 3 formed on the second matching layer, 12.6 × 10 6 (Kg / s · m 2) z 1 18.1 × 10 6 (Kg / s · m 2) 3.8 × 10 6 (Kg / s · m 2) z 2 6.0 × 10 6 (Kg / s · m 2) 1.7 × 10 6 (Kg / s · m 2) z 3 2.4 × 10 6 ( kg / s · m 2) made to satisfy the relationship, also the first matching layer, the second matching layer,
第3整合層の縦波の音速をそれぞれv 1 ,v 2 ,v 3 ,前記圧電セラミック振動子自身の機械的共振周波数(電気的反共振周波数)を0としたとき、第1整合層の厚さt 1 V 1 a longitudinal wave sonic speed of the third matching layer, respectively, v 2, v 3, when the piezoelectric ceramic vibrator own mechanical resonance frequency (electrical anti-resonance frequency) and 0, the thickness of the first matching layer It is t 1,
第2整合層の厚さt 2及び第3整合層の厚さt 3 The thickness t 3 of the thickness t 2 and the third matching layer of the second matching layer ただし λ i =v i0 (i=1,2,3) にしたことを特徴とする超音波探触子である。 Provided that the ultrasonic probe is characterized in that the λ i = v i / 0 ( i = 1,2,3).

次に本発明について説明する。 Next will be described the present invention. 第1図は本発明の超音波探触子の断面概略図である。 FIG. 1 is a sectional schematic view of an ultrasonic probe of the present invention. 第1図において10は圧電セラミックであり超音波の伝般方向に分極(図中の矢印で示す。)されており、14,15は電極である。 10 is polarized in Den般 direction of the ultrasound has a piezoelectric ceramic (. Shown by the arrow in the figure) in FIG. 1, 14 and 15 are electrodes. 一般に圧電セラミックは特性音響インピーダンス密度z 0が30×10 6 Generally piezoceramic characteristic acoustic impedance density z 0 is 30 × 10 6
〜38×10 6 Kg/s・m 2程度であり、水のそれに比して2 To 38 a × 10 6 Kg / s · m 2 approximately, 2 relative to that of water
0倍以上ある。 There is 0 or more times. 11,12,13はそれぞれ第1,第2,第3 Each 11, 12, 13 first, second, third
音響整合層であり媒質16に近い音響整合層ほど特性音響インピーダンス密度が小さくなるように並べられる。 More acoustic matching layer characteristic acoustic impedance density close to and medium 16 an acoustic matching layer is arranged to be smaller. ここで特性音響インピーダンス密度とは音速と密度の積で表わされる。 Here, the characteristic acoustic impedance density is expressed by the product of the sound speed and density.

また第1図においてサフィックス0は圧電セラミック1 The suffix in Figure 1 0 is a piezoelectric ceramic 1
は整合層1、2は整合層2、3は整合層3を示し、kは電気機械結合係数、▲ε s 33 ▼は誘電率、Z 0 (=z The matching layer 2 are aligned layers 2 and 3 show the alignment layer 3, k is the electromechanical coupling coefficient, ▲ ε s 33 ▼ dielectric constant, Z 0 (= z
0 S),Z 1 (=z 1 S),Z 2 (=z 2 S),Z 3 (=z 3 S)は特性音響インピーダンス、t 0 ,t 1 ,t 2 ,t 3は層厚、v 0 0 S), Z 1 (= z 1 S), Z 2 (= z 2 S), Z 3 (= z 3 S) characteristic acoustic impedance, t 0, t 1, t 2, t 3 is the layer thickness, v 0,
v 1 ,v 2 ,v 3は音速、Z Lは負荷音響インピーダンスをそれぞれ示している。 v 1, v 2, v 3 is the acoustic velocity, Z L represents the load acoustic impedance, respectively. (Sは断面積) 3重整合層を有する超音波探触子は広帯域特性の可能性を有するがその反面整合層の最適化が完全に行なわれなければ通過帯域内に大きなリップルを生ずるばかりか挿入損失の増大を招くことになる。 Not only (S is the cross-sectional area) produce a large ripple in triplicate probe ultrasound having a matching layer probe has a potential for broad-band characteristics in optimization pass unless completely made band of the other hand the matching layer It leads to an increase in insertion loss.

従って3重整合層にしたためにかえって総合的な探触子の性能が劣化し、全く実用に供しない探触子ができてしまう可能性が極めて大きくなるわけである。 Thus rather deteriorates performance of the overall probe to the triple matching layer is not possible to construct probe not subjected at all to the practice becomes extremely large.

本発明は3重整合層を有する超音波探触子を4重モード振動子であることに着目し、多重モードフィルタの合成理論を適用して整合層の最適化を達成し、広帯域で低リップルかつ低損失といった高性能の探触子を供給しようとするものである。 The present invention focuses on the fact a quadruple mode transducer an ultrasound probe having a triple alignment layer, by applying the synthesis theory of the multimode filter to achieve optimization of the matching layer, low ripple in a broadband and it is intended to supply a high-performance probe and low loss.

次に本発明の原理について説明する。 Next will be described the principles of the present invention. 第1図に示した3 3 shown in Figure 1
重整合層を有する超音波探触子の等価回路は圧電セラミック部分にMasonの等価回路を用いて第2図のように表わされる。 Equivalent circuit of the ultrasonic probe having the heavy matching layer can be expressed as the second view using the equivalent circuit of Mason piezoelectric ceramic portion. 第2図においてC 0は制動容量,φは電気機械変成比であり、各値の間には C 0 is the damping capacity in a second view, phi is the electromechanical transformation ratio, between each value φ 2 =ω 0 C 0 Z 0 K 2 /π (ω 0 =2π 0 ) (2) θ i =ωt i /v i (i=0,1,2,3) (3) なる関係がある。 φ 2 = ω 0 C 0 Z 0 K 2 / π (ω 0 = 2π 0) (2) θ i = ωt i / v i (i = 0,1,2,3) (3) becomes associated.

ここで圧電セラミック部分は2分の1波長振動子として動作し、また特性インピーダンス密度に関しz 0 >z 1 >z 2 Here piezoceramic portion operates as a wavelength vibrator 2 minutes and z 0 relates the characteristic impedance density> z 1> z 2
>z 3に設定されている。 It is set to> z 3.

このとき負荷側から探触子をみた機械入力インピーダンス特性から本探触子は互いに近接する4つの共振モードをもつことがわかる。 In this case the probe from mechanical input impedance characteristics viewed probe from the load side seen to have four resonance modes close to each other.

第3図に圧電セラミックの片端面の振動速度v cで基準化したこの4つの共振モードを示す。 Figure 3 shows the the four resonant modes were normalized vibration velocity v c of the one end surface of the piezoelectric ceramic. 第3図から奇数次(1次及び3次)共振モードと偶数次(2次及び4次) Odd from Figure 3 (primary and tertiary) resonant mode and even order (second and fourth order)
共振モードとは互いに位相が180°異なることがわかる。 Mutually phase with the resonant mode is found to differ 180 °. (尚、第3図においてv xは探触子内の振動速度である。)即ち、3重整合層を有する探触子を4重モードバンドパスフィルタとみなし、多重モードフィルタの設計理論を適用することができる。 (Note that v x in FIG. 3 is a vibration speed of the probe.) That is, regarded probe having a triple matching layer and quadruple-mode band pass filter, apply the design theory of the multimode filter can do. 設計方針として制動容量 Braking capacity as a design policy
C 0は外部から直列にインダクタンスを付加することによりその影響を極小にすることを考え、第2図の等価回路において1:φの右側部分について検討する。 C 0 is considered to be a minimum the influence by the addition of inductance from the outside in series, 1 in the equivalent circuit of FIG. 2: Consider right part of phi.

第2図の等価回路の1:φの右側部分は、直列腕のインピーダンスがZ a ,格子腕のインピーダンスがZ bである。 1 of the equivalent circuit of FIG. 2: right part of φ, the impedance of the series arm is Z a, the impedance of the lattice arm is Z b.
Jaumann型回路と周波数特性を有する1:nの変成器に等価変換することができ、偶数次共振モードはZ aに、奇数次共振モードはZ bに所有される。 1 having Jaumann type circuit and the frequency characteristic: can be equivalently converted into n of the transformer, even-order resonance mode is Z a, the odd-order resonance mode is owned by Z b.

このときZ aとZ bが異符号であれば通過域となるわけであるからZ a ,Z bを考察することにより探触子の設計が可能である。 It is possible to probe design by this time Z a and Z b is a consideration of the opposite sign is because not the passband if Z a, Z b. 負荷側から見た影像インピーダンスZ 02 Image impedance Z 02 as seen from the load side で与えられ、Z 02が虚数となるとき阻止域,実数となるとき通過域となり、3重整合層を有する探触子の場合一般に第4図に示すように41′,42′,43′,44′, Given, stopband when Z 02 is imaginary, becomes passband when a real number, 41 as shown in FIG. 4 in the general case of a probe having a triple matching layer ', 42', 43 ', 44 ',
5′で示した5つの阻止域と41,42,43,44,45,46で示した6つの通過域が表われる。 Five stopband indicated by 5 'and six passband indicated by 41 to 46 is appearing.

このうち阻止域43′は探触子の中心周波数c付近に表われるがこの阻止域の周波数帯域幅は他阻止域に比べてかなり狭い。 Among stopband 43 'appearing in the vicinity of the center frequency c of the probe the frequency bandwidth of the stop band is considerably narrower than the other stopband.

主として探触子の通過域のリップルに極めて大きな影響を与える阻止域は42′,44′であり、両端の阻止域4 Mainly very stopband a significant effect on the ripple in the passband of the probe 42 ', 44' are, stopband across 4
1′,45′はそれほど大きな影響を与えない。 1 ', 45' does not have a significant impact so.

尚第4図において実線は実数値,点線は虚数値を示す。 Note the solid line in FIG. 4 real values, the dotted line indicates the imaginary value.

従って阻止域42′,43′,44′を極小にして、かつ中心周波数c付近でZ 02が負荷インピーダンスZ Lに一致するように整合層を設計すれば良い。 Therefore stopband 42 ', 43', and 44 'to the minimum, and Z 02 in the vicinity of the center frequency c may be designed matching layer to match the load impedance Z L.

次にこの原理に基づき、計算及び実験を行って本発明の有効性について検証する。 Then, based on this principle, performing calculations and experiments to verify the effectiveness of the present invention.

音響インピーダンス密度z 0が36.40×10 6 (Kg/s・ Acoustic impedance density z 0 is 36.40 × 10 6 (Kg / s ·
m 2 ),結合係数kが0.536,比誘電率▲ε s 33 ▼/εが23 m 2), the coupling coefficient k is 0.536, the relative dielectric constant ▲ ε s 33 ▼ / ε 23
0の圧電セラミック振動子を用いて、この振動子の上に整合層を3層形成した。 Using a piezoelectric ceramic vibrator 0, and the alignment layer was formed three layers on top of the vibrator. 第1図に示した構造の探触子について特性インピーダンス密度z 1 ,z 2 ,z 3及び整合層の厚みをパラメータとして設計を行った。 The thickness of the characteristic impedance density z 1, z 2, z 3 and the matching layer was designed as a parameter for the probe structure shown in Figure 1.

尚ここでは、簡単のため整合層の厚さは3層ともに同一波長として計算を行なった。 Note Here, the thickness of the easy for matching layer was subjected to calculation as the same wavelength in both three layers.

本設計による探触子の代表例として z 1 =16.2×10 6 (Kg/s・m 2 ) z 2 =4.8×10 6 (Kg/s・m 2 ) z 3 =2.0×10 6 (Kg/s・m 2 ) また整合層の厚さについて Z Representative examples of probe according to the design 1 = 16.2 × 10 6 (Kg / s · m 2) z 2 = 4.8 × 10 6 (Kg / s · m 2) z 3 = 2.0 × 10 6 (Kg / the thickness of the s · m 2) the matching layer とした場合について計算例を示す。 The case of the showing a calculation example.

通過域におけるZ 02の周波数特性を第5図に示す。 The frequency characteristic of Z 02 in the pass band shown in FIG. 5.

ここで周波数は圧電セラミック振動子の電気的な反共振周波数0で規準化されている。 Here frequency is normalized with electrical anti-resonance frequency 0 of piezoelectric ceramic oscillator.

また図中の実線はZ 02が実数値,点線は虚数値をとることを示している。 The solid line in the figure Z 02 is a real value, a dotted line indicates that the take imaginary values.

図から明らかなように第4図に示した阻止域43′が完全に消滅し、同時に阻止域42′,44′もかなり小さくなっており、さらにZ 02は中心周波数付近で連続的に実数値をとりかつかなり広い範囲にわたって水のインピーダンスに近い値を示すことがわかる。 Stopband 43 'was disappeared completely, simultaneously stopband 42' shown in FIG. 4 as apparent from FIG, 44 'it is also much smaller, continuously real valued more Z 02 in the vicinity of the center frequency it can be seen that a value close to the impedance of the water over the taking and fairly broad range. 従って本設計による探触子は通過帯域内で極めてフラットな損失特性が実現でき、かつ人体との整合性に優れた探触子が実現できることを示唆している。 Therefore ultrasonic probe according to the design suggests that a very flat loss characteristic can be realized, and excellent probe the integrity of the human body can be realized in the pass band.

次に実施例に従って本発明の詳細について説明する。 Details of the present invention according to the following examples. 直径1.76cm,厚さ1.0mmの前記と同一材料定数を有し、厚み方向に分極され主面が鏡面研磨された円板状圧電セラミック振動子を作製した。 Diameter 1.76 cm, has the same material constants thickness 1.0 mm, the main surface is polarized in the thickness direction to prepare a disc-shaped piezoelectric ceramic resonator that is mirror-polished. この振動子の主面にそれぞれ厚さ3000ÅのC r -A u電極膜を形成した。 Each main surface of the vibrator to form a C r -A u electrode film having a thickness of 3000 Å.

この円板状振動子の片面全面に音響インピーダンス密度及び板厚が前記設計例の値とそれぞれ等しい値を有する光学ガラスでできた第1整合層,エポキシ系樹脂でできた第2整合層及び、ウレタン系樹脂でできた第3整合層を接着して、超音波探触子を試作した。 First matching layer made of optical glass on one entire surface of acoustic impedance density and thickness has a value and each equal the design example of the disk-shaped vibrator, the second matching layer made of epoxy resin and, by bonding a third matching layer made of urethane resin, it was fabricated the ultrasonic probe.

この探触子を用いて直列にチューニングコイルを付加し水中に超音波を放射し、水深5cmにあるアルミブロック反射板からの反射波を受信することにより往復の挿入損失を測定した。 Emits ultrasonic waves in water by adding a tuned coil in series with the probe was measured round-trip insertion loss by receiving the reflected wave from the aluminum block reflector in the depth 5 cm. 試作した探触子の往復挿入損失特性を第6図に実線で示す。 A reciprocating insertion loss characteristics of the prototype probe indicated by the solid line in Figure 6.

挿入損失2.6dB,6dB比帯域幅91%,また0.7dB以下の低リップル特性が得られていることがわかる。 Insertion loss 2.6 dB, 6 dB fractional bandwidth of 91%, also seen that the following low ripple characteristics 0.7dB is obtained. 第6図の点線で示した特性は計算値であり、実測値と計算値の間のずれは主として超音波ビームの広がりによるもの及び探触子の弾性損失によるものと考えられるが、ほとんど良好な一致が認められる。 The characteristic shown by a dotted line in FIG. 6 is a calculated value, the deviation between the measured value and the calculated value, but is primarily attributed to the loss of elasticity and of the probe due to the spread of the ultrasonic beam, almost good match is found.

このような広帯域低リップルかつ低損失の特性は従来の超音波探触子では全く実現不可能な特性であり本発明の超音波探触子は極めて優れた性能を具備していることが理解される。 Characteristics of such a wide-band low ripple and low loss ultrasonic probe of a conventional ultrasonic probe be entirely impractical characteristics present invention will be understood that comprises a very good performance that.

また製造ばらつき及び材料定数のばらつきのために各整合層の厚さ及び特性音響インピーダンス密度がばらついたものになり、探触子を設計するうえで各整合層の厚さ及び特性音響インピーダンス密度の実用上十分な性能が得られる最適な範囲を見い出すことが重要である。 Also becomes what thickness and characteristic acoustic impedance density of each of the matching layer for the variations in the manufacturing variation and material constants varies, practical thickness and characteristic acoustic impedance density of each of the matching layer in designing the probe it is important to find the optimum range on sufficient performance can be obtained.

そこで前記実施例の値を中心に各整合層の厚さ及び特性インピーダンス密度をパラメータにして、これらパラメータと通過帯域特性の関係を実験と理論の両面から求め、従来構造では実現が非常に困難な帯域内リップルが3dB以下という実用上十分な性能が得られる最適な範囲を見いだした。 Where it thickness and characteristic impedance density of each matching layer around the value of the examples on the parameter, determined from both related experiments and theory of these parameters and pass band characteristic, the structure achieved is very difficult in the conventional band ripple has been found the optimum range of practically sufficient performance of 3dB or less is obtained.

その結果、実用上十分な範囲として 12.6×10 6 Kg/s・m 2 z 1 18.1×10 6 Kg/s・m 2 3.8×10 6 Kg/s・m 2 z 2 6.0×10 6 Kg/s・m 2 1.7×10 6 Kg/s・m 2 z 3 2.4×10 6 Kg/s・m 2また圧電セラミック振動子の電気的反共振周波数を0 As a result, practically sufficient range as 12.6 × 10 6 Kg / s · m 2 z 1 18.1 × 10 6 Kg / s · m 2 3.8 × 10 6 Kg / s · m 2 z 2 6.0 × 10 6 Kg / s · m 2 1.7 × 10 6 Kg / s · m 2 z 3 2.4 × 10 6 Kg / s · m 2 the 0 electrical anti-resonance frequency of the piezoelectric ceramic oscillator
としたとき各整合層の厚みについて The thickness of each of the matching layers when the (ただし λ i =v i0 (i=1,2,3))を得た。 (Where λ i = v i / 0 ( i = 1,2,3)) was obtained. 尚、 still,
前記範囲に入る特性インピーダンス密度を有する材料として整合層1に関して各種ガラス、整合層2に関してエポキシ系樹脂,ナイロン樹脂,フェノール系樹脂等があり整合層1に関してポリイミド系樹脂,ウレタン系樹脂,ポリサルホン系樹脂,ナイロン系樹脂等があり、これらはすべて容易に入手しうる材料である。 Various glass respect matching layer 1 as a material having a characteristic impedance density entering the range, epoxy resin with respect to the matching layer 2, a nylon resin, phenol has resin matching layer 1 polyimide resin regard, urethane resins, polysulfone resins , there is a nylon resin or the like, which are materials in which all readily available.

このような高性能を有する探触子を実現するためには、 To achieve the probe having such a high performance,
各整合層の厚み及び特性音響インピーダンス密度を前述の範囲に限定することが必要である。 The thickness and characteristic acoustic impedance density of each matching layers it is necessary to limit to the above range.

この範囲から逸脱すると挿入損失や損失変動が大きくなり実用上好ましくないわけである。 Is practically not undesirable as departing from the scope insertion loss and loss variation is large.

次に前記範囲を例証する具体例について述べる。 It will now be described a specific example to illustrate the range. 第1整合層を高密度高弾性率の光学ガラス(z 1 =17.6×10 6 〜1 High density and high elastic modulus of the optical glass of the first matching layer (z 1 = 17.6 × 10 6 ~1
8.1×10 6 Kg/s・m 2 ),第2整合層をポリフェニレンサルファイド樹脂(z 2 =5.4×10 6 〜6.0×10 6 Kg/s・ 8.1 × 10 6 Kg / s · m 2), the second matching layer polyphenylene sulfide resin (z 2 = 5.4 × 10 6 ~6.0 × 10 6 Kg / s ·
m 2 ),第3整合層をポリカーボネート樹脂(z 3 =2.2×1 m 2), third matching layer of a polycarbonate resin (z 3 = 2.2 × 1
0 6 〜2.4×10 6 Kg/s・m 2 )を用いて各整合層の厚さの範囲を前記範囲に設定して探触子を試作した。 The range of the thickness of each of the matching layer with 0 6 ~2.4 × 10 6 Kg / s · m 2) was a prototype transducer is set to the range.

さらに他の実施例として、第1整合層を低密度光学ガラス(z 1 =12.6×10 6 〜13.2×10 6 Kg/s・m 2 ),第2整合層をエポキシ系樹脂(z 2 =3.8×10 6 〜4.1×10 6 Kg/s・ In yet another embodiment, the first matching layer low-density optical glass (z 1 = 12.6 × 10 6 ~13.2 × 10 6 Kg / s · m 2), an epoxy resin and the second matching layer (z 2 = 3.8 × 10 6 ~4.1 × 10 6 Kg / s ·
m 2 ),第3整合層をポリサルホン系樹脂(z 3 =1.7×10 6 m 2), third matching layer polysulfone resin (z 3 = 1.7 × 10 6
〜1.9×10 6 Kg/s・m 2 )を用いて、各整合層の厚さの範囲を前記範囲に設定して探触子を試作し往復挿入損失特性を測定した。 1.9 using a × 10 6 Kg / s · m 2), the thickness range of each of the matching layer was measured reciprocating insertion loss characteristic a prototype set to probe the range. それらの結果の一例を第7図に示す。 An example of the results shown in Figure 7. 1
点鎖線は整合層が高密度高弾性率の光学ガラス/ポリフェニレンサルファイド/ポリカーボネートからなる前者の探触子の特性、2点鎖線は整合層が低密度光学ガラス/エポキシ/ポリサルフォンからなる後者の探触子の一特性例であり、ともに実用上十分な低リップル特性が得られている。 Point chain line the former probe characteristics matching layer is made of optical glass / polyphenylene sulfide / polycarbonate high-density and high elastic modulus, two-dot chain line latter feeler which matching layer is made of low-density optical glass / epoxy / polysulfone is one characteristic example of a child, are both practically sufficient low ripple characteristics. 尚、整合層の特性音響インピーダンスを第5図に示した探触子に用いられている整合層のそれに近ずけてやるほど高性能の探触子が得られることは言うまでもない。 Incidentally, high-performance probe as'll only not a close to that of the matching layer used the characteristic acoustic impedance of the matching layer to probe shown in FIG. 5 goes without saying obtained.

また図には示されていないが、本発明の範囲を超える特性音響インピーダンス密度及び厚さを有する整合層を用いた探触子では、いずれも通過域内の損失変動が大きく実用に供しないことが判った。 Also not shown, but probe using a matching layer having a characteristic acoustic impedance density and thickness beyond the scope of the present invention, be any passband loss variation is not subjected to large practical understood.

以上円板状の超音波探触子を実施例にとって述べてきたが、本発明は他の超音波探触子に関してもそのまま適用できることは言うまでもない。 Although the disk-shaped ultrasonic probe have been described for example, the present invention is of course directly applicable for the other ultrasonic probe.

以上述べた如く、本発明に従えば、容易に入手しうる材料を用いて高性能超音波探触子を実現することができ工業的価値も甚大である。 Above mentioned as, according to the present invention, industrial value can be realized a high-performance ultrasonic probe using readily available materials are also enormous.

【図面の簡単な説明】 BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

第1図は3層の整合層を有する超音波探触子の概略断面図を示し、10は圧電セラミック、11,12,13は整合層、 Figure 1 shows a schematic cross-sectional view of an ultrasonic probe having a matching layer of three layers, 10 piezoceramic, 11, 12 and 13 matching layer,
14,15は電極、16は負荷媒質、矢印は分極方向、kは電気機械結合係数、▲ε s 33 ▼は誘電率、Z 0 ,Z 1 ,Z 2 ,Z 3 14, 15 electrode, 16 is a load medium, arrows polarization direction, k is the electromechanical coupling coefficient, ▲ ε s 33 ▼ dielectric constant, Z 0, Z 1, Z 2, Z 3
は特性音響インピーダンス、Z Lは負荷インピーダンス、 Characteristic acoustic impedance, Z L is the load impedance,
t 0 ,t 1 ,t 2 ,t 3は厚さ、v 0 ,v 1 ,v 2 ,v 3は音速。 t 0, t 1, t 2 , t 3 is the thickness, v 0, v 1, v 2, v 3 is the speed of sound. 第2図は3層の整合層を有する超音波探触子の等価回路図を示し、C 0は制動容量、φは電気機械変成比。 Figure 2 shows an equivalent circuit diagram of an ultrasonic probe having a matching layer of three layers, C 0 is the damping capacity, phi electromechanical transformation ratio. 第3図は3層の整合層を有する超音波探触子の各共振における振動モードを示す図、v cは圧電セラミック片端面の振動速度、v xは探触子各部分の振動速度。 Figure 3 shows a vibration mode in the resonance of the ultrasonic probe having a matching layer of three layers Fig, v c is the vibration velocity of the piezoelectric ceramic one end face, v x is the vibration velocity of the probe each portion. 第4図は3層の整合層を有する超音波探触子の一般的な影像インピーダンス特性図、Z 02は負荷側から探触子をみた影像インピーダンス、 cは探触子の中心周波数、4 Figure 4 is an ultrasound probe common image impedance characteristic diagram of having a matching layer of three layers, image impedance viewed the Z 02 are ultrasonic probe from the load side, c is the center frequency of the probe, 4
1,42,43,44,45,46は通過域、41′,42′,43′,4 1,42,43,44,45,46 the passband 41 ', 42', 43 ', 4
4′,45′は阻止域。 4 ', 45' is the stop band. 第5図は本発明に従った探触子の影像インピーダンス特性図。 Figure 5 is image impedance characteristic diagram of the probe according to the present invention. 第6図は本発明に従った探触子の代表的な往復挿入損失特性図。 Figure 6 is a typical reciprocating insertion loss characteristic view of a probe in accordance with the present invention. 第7図は同じく本発明に従った探触子の往復挿入損失特性図。 Figure 7 is also a reciprocating insertion loss characteristic view of a probe in accordance with the present invention.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 太田 雅也 東京都新宿区大久保1丁目12番1 三栄測 器株式会社内 (56)参考文献 特開 昭52−31788(JP,A) 実開 昭57−170708(JP,U) 実開 昭56−83194(JP,U) ────────────────────────────────────────────────── ─── of the front page continued (72) inventor Masaya Ota, Shinjuku-ku, Tokyo Okubo 1-chome 12 No. 1 Sanei measuring vessel Co., Ltd. (56) reference Patent Sho 52-31788 (JP, a) JitsuHiraku Akira 57 -170708 (JP, U) JitsuHiraku Akira 56-83194 (JP, U)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】 [The claims]
  1. 【請求項1】3重の整合層を有し電気音響変換材料として圧電セラミックスを用いた超音波探触子において、圧電セラミック振動子上に形成された第1整合層の特性音響インピーダンス密度をz 1 ,この第1整合層上に形成された第2整合層の特性音響インピーダンス密度をz 2 ,さらに第2整合層上に形成された第3整合層の特性音響インピーダンス密度をz 3としたとき、 12.6×10 6 (Kg/s・m 2 )z 1 18.1×10 6 (Kg/s・m 2 ) 3.8×10 6 (Kg/s・m 2 )z 2 6.0×10 6 (Kg/s・m 2 ) 1.7×10 6 (Kg/s・m 2 )z 3 2.4×10 6 (Kg/s・m 2 ) なる関係を満足し、また前記第1整合層,第2整合層, 1. A ultrasonic probe using a piezoelectric ceramics as an electro-acoustic conversion material has a triple matching layer, the characteristic acoustic impedance density of the first matching layer which is formed on a piezoelectric ceramic oscillator z 1, when z 2 the characteristic acoustic impedance density of the second matching layer formed on the first matching layer, the further characteristic acoustic impedance density of the third matching layer formed on the second matching layer has a z 3 , 12.6 × 10 6 (Kg / s · m 2) z 1 18.1 × 10 6 (Kg / s · m 2) 3.8 × 10 6 (Kg / s · m 2) z 2 6.0 × 10 6 (Kg / s · m 2) 1.7 × 10 6 ( Kg / s · m 2) z 3 2.4 × 10 6 (Kg / s · m 2) made to satisfy the relationship, also the first matching layer, the second matching layer,
    第3整合層の縦波の音速をそれぞれv 1 ,v 2 ,v 3 ,前記圧電セラミック振動子自身の機械的共振周波数(電気的反共振周波数)を0としたとき、第1整合層の厚さt 1 V 1 a longitudinal wave sonic speed of the third matching layer, respectively, v 2, v 3, when the piezoelectric ceramic vibrator own mechanical resonance frequency (electrical anti-resonance frequency) and 0, the thickness of the first matching layer It is t 1,
    第2整合層の厚さt 2及び第3整合層の厚さt 3 The thickness t 3 of the thickness t 2 and the third matching layer of the second matching layer ただし λ i =v i0 (i=1,2,3) にしたことを特徴とする超音波探触子。 However λ i = v i / 0 ultrasonic probe is characterized in that the (i = 1,2,3).
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