JPH071920Y2 - 超音波トランスデューサ - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本考案は、非破壊検査、医用診断、超音波顕微鏡などに
使用する、圧電体を用いた超音波トランスデューサの改
良に関する。

［従来の技術］ 水中にある物体の検出あるいは生体を検査する医用診断
に使用される超音波トランスデューサにおいては、分解
能を高めるために発生する超音波はその波長ができるだ
け短く波形の鋭いことが望まれる。超音波トランスデュ
ーサに用いる圧電体の代表的なものの一つに高分子圧電
膜がある。従来の高分子圧電膜を使うトランスデューサ
の基本的構造は、特開昭53−25390号公報や実開昭58−1
7000号公報に示されている如く、圧電体の厚さを超音波
の波長のほぼ1/4とし、圧電体の背面側に厚さ1/4波長の
中間層（反射板）と厚さは任意だが超音波吸収能の高い
背面支持体を配し、圧電体の前面側（超音波を放射する
動作面側）には、1/4波長厚さの音響インピーダンス整
合層を接合するものであるが、この構造は、次のような
欠点を有する。

（１）高分子圧電膜を使用するものは、セラミックス圧
電体を使うものに比べて、超音波を１点に収束させる収
束型に製作しやすく音波の収束性能もよいので、ほとん
ど収束型トランスデューサとされるが、周波数が高くな
ると1/4波長厚さの中間層として機能する電極の厚さ調
整やこの電極へのリード線のハンダ付けに手間がかか
る。周波数が高くなると波長が短くなって分解能は向上
するが、中間層電極の面粗さが問題となり、電極加工面
の仕上り精度を上げる必要がある他、中間層電極へのリ
ード線ハンダ付け点が振動面欠点になり易い。

（２）中間層電極の厚さliと音響インピーダンスとの関
係は良く知られている通り、中間層電極の材料として音
響インピーダンスが背面支持体と圧電体のそれよりも十
分大きい材料を選べば、 li＝λ（2n＋１）/4、（λ：波長） のとき、圧電体の背面負荷インピーダンスは非常に高く
なり、背面に放射された音波はほとんど全て反射されて
前面に出る。かつまた、圧電体前面のλ/4厚さの音響イ
ンピーダンス整合層でもほとんど反射なしに透過するよ
うにできるので、このような構成のトランスデューサは
特に電気音響変換効率が高く、超音波出力波形も比較的
波長が短く帯域巾も広い。しかし中間層電極の厚みによ
って共振周波数がずれる選択性があるために、設定され
た中間層電極の厚みによって帯域巾は制約せられ、‐6d
B帯域巾は高々70％にとどまる。

上記タイプの超音波トランスデューサの欠点を補うもの
として、 「Polymer Preprints,Japan,Vol35,No.8,2726頁、坂
口、小山ら“広帯域高分子超音波送受波子におけるバッ
キング効果”」には、圧電体の背面側電極として金属ブ
ロックを使い、前述のような波長選択性を無くして広帯
域化できる構造が示されている。

この構造においては、ノイズを抑えるために、圧電体背
面側の金属ブロック電極の圧電体とは反対側の端面から
の超音波の反射を極力無くすることが重要である。その
ため、第２図（ａ）に示すように、圧電体２の動作面側
に電極３、背面側に金属ブロック電極1aを設け、ブロッ
ク電極1aの端面5a背後に無反射吸音層４を設ける方法、
又は第２図（ｂ）に示すように、ブロック電極1bの終端
面5bをたとえばθ＝45°の楔形に形成する方法、あるい
は第２図（ｃ）に示すように、ブロック電極1cを十分に
長くして終端面5cからの反射波が圧電体２に到達する時
間を遅らせ検査等における支障を回避する方法、が採ら
れている。

「考案が解決しようとする課題」 しかしなら、第２図（ａ）ないし（ｃ）に示した方法に
は、次のような問題がある。

（１）超音波トランスデューサにおいては非常に微弱な
レベルの反射が問題になるが、第２図（ａ）の無反射吸
収層４では、無反射にするための材料の音響インピーダ
ンス調整が難しい。

（２）高分子圧電膜を使用する場合、ブロック電極と圧
電体２は、比較的周波数が低い場合は接着されるが、両
者間に空気をかみ込ませず、かつ接着剤を薄くする必要
があるため、加圧力下で接着剤を硬化させるようにして
いる。しかし第２図（ｂ）に示したようにブロック電極
1bの終端面5bを45°に切る方法では、加圧接着の際に最
終面5bを介して加えられる加圧力がブロック電極1bと圧
電体２との位置ズレを招く方向にも作用してしまうの
で、両者間に相互ズレが生じ易い。ズレが生じると振動
面不良になる。ズレ防止のためには適当な治具を使う必
要があるが、とくに収束型トランスデューサのように圧
電体動作面が凹面に加工される場合には、治具構造が複
雑にあり、かつ圧電体とブロック電極との位置決めも難
しい。

（３）超音波トランスデューサの超音波放射、検出部と
しては、極力小型であることが望ましい場合が多く、小
型化のためにはブロック電極の超音波放射方向寸法（第
２図における上下方向寸法）を小さくする必要がある。
圧電体については、周波数が高く圧電体を薄くする必要
がある場合スパッタリングやスピンコートなどによりブ
ロック電極上に薄層の圧電体層を付加する手法が知られ
ているが、そのような場合にあっても、圧電体自身は薄
く形成できても、第２図（ｂ）に示したようにブロック
電極1bの終端面5bを45°に切る方法ではそのテーパ面だ
けでも相当な長さを要するので、結局トランスデューサ
全体として長くなってしまう。また、第２図（ｃ）に示
した構造においては、たとえば水中に在る物体など検査
する場合等では金属ブロック電極1cにおける音速が水中
のそれよりも３〜４倍大きいため、端面5cからの反射波
の影響を除去するにはブロック電極1cに相当な長さを要
することになる。さらに、スパッタリングなどの方法で
圧電体を加工する数＋MHz以上の高周波を対象とする場
合には、圧電体を薄く形成するとともに通常振動面を相
当小さく形成するが、ブロック電極の寸法が長いと設計
上の制約になる。

本考案の目的は、上記のような従来構造における問題点
に着目し、加工し易く容易に小型化できる、広帯域特性
の超音波トランスデューサを提供することにある。

［課題を解決するための手段］ この目的に沿う本考案の超音波トランスデューサは、圧
電体と、外部に向けて超音波を放射可能な圧電体の動作
面側に設けられた膜状の電極と、圧電体の背面側に設け
られたブロック状の電極と、を備えた超音波トランスデ
ューサにおいて、前記ブロック状の電極の圧電体とは反
対側の終端面を、すり鉢状の凹部に形成したものから成
る。

［作用］ このような超音波トランスデューサにおいては、ブロッ
ク電極の終端面がすり鉢状の凹部に形成されるので、圧
電体からブロック電極中を伝幡してきた超音波は、該端
面を透過するもの以外は凹部を形成しているテーパ状の
反射面で、圧電体方向に対して側方へと反射される。こ
のような作用は、前述の第２図（ｂ）に示した楔形終端
面でも得られるが、本考案構造ではすり鉢形状の反射面
であるので、全側方に向けて略均等に反射されることに
なる。その結果、再び圧電体へと到達する反射液は、上
記楔形終端面の場合に比べ極めて少なくなり、S/N比が
極めて高くなる。

また、ブロック電極と圧電体を加圧接着する場合、加圧
力をすり鉢状凹部を介して付与でき、すり鉢状であるか
ら加圧力の側方への力の成分のうち異なる方向の成分が
互に相殺し合うので位置ズレの力は作用しないことにな
り、簡単な治具でよいとともに接着の容易化、圧電体と
の位置決めの高精度化が達成される。

さらに上述の如く終端面からの反射波を大きく低減でき
るとともに、終端面のすり鉢状凹部形成のための電極長
さは、楔形終端面の場合に比べ大幅に短くできるので、
ブロック電極全長を短くでき、その分トランスデューサ
が小型化される。

「実施例」 以下に、本考案の望ましい実施例を、図面を参照して説
明する。

第１図は、本考案の一実施例に係る超音波トランスデュ
ーサを示しており、とくに水浸型トランスデューサの構
造を示している。第１図において、21は、高分子圧電膜
からなる圧電体を示している。図における圧電体21の下
面側は、外部に向けて超音波を放射可能であるとともに
外部から超音波を検知可能な動作面であり、該面上に
は、メタライジング加工層からなる動作面側電極22が設
けられている。動作面側電極22の外側には耐水性材料か
らなる保護膜23が被覆されている。本実施例は収束型ト
ランスデューサを示しており、圧電体21の動作面は凹面
（球面）に形成されている。

圧電体21の背面側、つまり動作面と反対側には、ブロッ
ク状電極24が設けられている。ブロック状電極24は、圧
電体21に対し背面の音響負荷となる電極であって本実施
例では真ちゅうで構成されている。ブロック状電極24の
圧電体21とは反対側の終端面25は、円錐形に陥没したす
り鉢状の凹部に形成されており、断面でみて左右対象形
状に形成されている。すり鉢形状角度αは、α≦90°で
あることが好ましい。

26はヘッドカバーを示しており、ヘッドカバー26は本ト
ランスデューサのシグナルグランドの役目を果し、トラ
ンスデューサの略全体を包んでいる。ヘッドカバー26
は、動作面側電極22の周縁とハンダ付け又は導電接着に
より電気的に接続されている。ヘッドケース27は、ブロ
ック状電極24とヘッドカバー26とを絶縁しており、ヘッ
ドカバー26内にヘッドケース27を介してブロック状電極
24が嵌合されることにより、装置の音軸を正確に規制し
ている。

ブロック状電極24の終端面25側には、同軸コネクタ28の
中心コンタクト29から延びるリード線30が接続されてい
る。同軸コネクタ28の本体は、ヘッドカバー26と電気的
に接続されている。同軸コネクタ28には、高周波のパル
ス状電圧を発生する高周波電源回路31が接続されてお
り、該高周波電圧によって圧電体21が超音波を発生すべ
く伸縮される。

トランスデューサの外周は、樹脂製ケース32、33で囲ま
れているが、これらケース金属製であってもよい。

なお、上記構成において、ブロック状電極24の材質とし
ては、真ちゅうの他アルミニウム、銅、ステンレス等の
金属であってもよく、さらに樹脂であってもよい。樹脂
製の場合は表面にメッキ、蒸着、スパッタリングなどの
メタライジング加工を施し、電極としての機能をもたせ
た同軸コネクタ28との電気接続を可能とする。また、動
作面側電極22は、銅、アルミニウム、金、ニッケル等を
メタライジング加工し、更に保護膜23で被覆するが、金
などの耐水性材料の場合には保護膜を設けずに実用化で
きる。また、動作面側電極は、保護膜の圧電体側の面に
メタライジング加工によって設けることもできる。

このように構成された超音波トランスデューサの作用に
ついて説明する。

高周波電源回路31により高周波パルスが電極22、24間の
圧電体21に加えられ、このパルス電界で圧電体21は厚さ
方向に伸縮し、高周波超音波を発生する。超音波は圧電
体21の動作面側と背面側の両方に出力されるが、背面側
はほとんどブロック状電極24で反射して一部分がブロッ
ク状電極24内へ侵入する。動作面側へ出射した超音波
は、検査対象物中での音響インピーダンスの不連続点で
一部が反射して戻り再び圧電体21で検出せられて電気信
号に変換され、探傷、診断等の情報として同軸コネクタ
28から出力される。背面側ブロック状電極内部へ侵入し
た超音波は、すり鉢状の終端面25を通る過程で減衰して
消滅するか、消えずに終端面25で反射する。しかし終端
面25がすり鉢状に形成されており、しかも断面形状にて
どの断面でみても左右対象になるように形成されている
ので、反射波は、均等に径方向外側（側方）に向けられ
る。したがって、第２図（ｂ）に示した楔形終端面での
反射に比べ、再び圧電体21にまで到達する反射波は極め
て小に抑えられる。その結果、たとえ反射波が再び圧電
体21で検出されたとしても、極めて微弱なものとなるか
ら、探傷、診断の障害になるノイズとはならない。さら
に反射波の一部は時間的に遅れて戻るから、この面でも
障害とならない。

本実施例の性能を調べるために、表−１に示す条件にて
試験した結果、中心周波数30MHzでも良好に作動でき、
‐6dB帯域巾が100％の広帯域特性が得られた。なお、表
−１において、VDFはフッ化ビニリデンを、TrFEは三フ
ッ化エチレンを、PETはポリエチレンテレフタレート
を、それぞれ表す。

また、第２図（ｂ）で示した楔形端面を有するブロック
状電極の場合と、第１図に示した本実施例の場合と比較
した。試験においては、圧電体の前面に出力された超音
波を水中に置いた真ちゅう板で反射させ再び圧電体で検
出して測った信号（Ｓ）と、ブロック状電極へ侵入後戻
って再び圧電体で検出されたノイズ（Ｎ）との比（S/N
比）を比較した。その結果表−２に示すように、すり鉢
状終端にすることにより背面側からの反射が大幅に減少
し、極めて高性能なトランスデューサが得られた。

次に本実施例装置の加工性についてであるが、先に実施
例として示した如き30MHz前後を対象とするものでは、
ブッロク状電極24、圧電体21、保護膜23を加圧しながら
装着して作る。第２図（ｂ）に示した楔形ブロック電極
の接着組立てに際しては、楔形形状と組合う押し型を含
んで治具を使うか、加圧力が中心軸ズレを作るように作
用するため、押し型とブロック電極相互の中心軸ズレを
起し易い。軸ズレを規正するために、高精度に加工した
接着組立て治具を使う必要があった。それに比較してす
り鉢状ブロック状電極24では、中心軸ズレを起す力が作
用せず、しかもその凹部断面形状が左右対象形のため、
中心軸ズレはまったく発生せず、簡単な治具で組立てが
可能となった。

上記実施例は、高分子圧電膜を使う場合について説明し
たが、高分子物質と無機圧電材料を混合して作る複合圧
電材料を使う場合にも同様に本考案を適用できる。ま
た、単素子型トランスデューサの場合の他、横一列に素
子を配列するタイプおよび縦横に配列するタイプにも適
用できる。さらに、ブロック状電極24のすり鉢状終端は
円錐状に成型したが、曲面ですり鉢形状に成型した場合
にも略同等の効果が得られる。

［考案の効果］ 以上詳述したように、本考案の超音波トランスデューサ
によるときは、ブロック状電極の終端面をすり鉢状に形
成し、反射波がほとんど圧電体に到達しないようにした
ので、反射波に起因するノイズを極めて小さく抑えるこ
とができ、分解能を高めることができるとともに広帯域
特性のトランスデューサを得ることができる。

また、ブロック状電極と圧電体とを加圧接着する場合
に、加圧力が互の中心軸をずらす方向に作用しないの
で、治具を簡略化して加工、組立を容易化できるととも
に、仕上げ精度の向上をはかることができる。

さらに第２図（ｂ）に示した楔形端面をもつブロック状
電極に比べ、終端面を形成するための電極部分の長さを
短縮できるので、電極全長の短縮が可能となり、トラン
スデューサを小型化することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の一実施例に係る超音波トランスデュー
サの縦断面図、 第２図（ａ）ないし（ｃ）は従来の超音波トランスデュ
ーサの要部縦断面図、 である。 21……圧電体 22……動作面側電極 23……保護膜 24……ブロック状電極 25……終端面 28……同軸コネクタ 30……リード線

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】圧電体と、外部に向けて超音波を放射可能
   な圧電体の動作面側に設けられた膜状の電極と、圧電体
   の背面側に設けられたブロック状の電極と、を備えた超
   音波トランスデューサにおいて、前記ブロック状の電極
   の圧電体とは反対側の終端面を、すり鉢状の凹部に形成
   したことを特徴とする超音波トランスデューサ。