JPH0765986B2 - アレイ型超音波探触子 - Google Patents

アレイ型超音波探触子

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JPH0765986B2
JPH0765986B2 JP61306526A JP30652686A JPH0765986B2 JP H0765986 B2 JPH0765986 B2 JP H0765986B2 JP 61306526 A JP61306526 A JP 61306526A JP 30652686 A JP30652686 A JP 30652686A JP H0765986 B2 JPH0765986 B2 JP H0765986B2
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JP
Japan
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acoustic impedance
electrode
tungsten
vibrator
ultrasonic probe
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JP61306526A
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修次 鈴木
史郎 斎藤
守 泉
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Toshiba Corp
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Toshiba Corp
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/24Probes
    • G01N29/2437Piezoelectric probes
    • G01N29/245Ceramic probes, e.g. lead zirconate titanate [PZT] probes

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
  • Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 (産業上の利用分野) この発明は、超音波診断や超音波探傷に用いる超音波探
触子に関する。
(従来の技術) 超音波診断や超音波探傷に使用される超音波探触子は圧
電振動子の背面にバンキング材、超音波の放射面にマッ
チング層を設けた構成となっている。超音波探触子の高
い距離分解能を目的として高い音響インピーダンスを有
するバッキング材が開発されてきた。圧電振動子に圧電
セラミックス材料を用いた場合、高い距離分解能を実現
するためには、その音響インピーダンスは、圧電セラミ
ックス材料の音響インピーダンス30〜35×106kg/m2・S
の約8割が望ましく即ち24〜28×106kg/m2・Sの高い音
響インピーダンスが要求される。この高い音響インピー
ダンスを有するバッキング材を再現するには、エポキシ
樹脂に金属粉末を混合した複合材料が有効であり、特に
タングステン粉末を用いたバッキング材はその高い混合
率で、20〜25×106kg/m2・Sの音響インピーダンスが得
られる。このタングステンとエポキシ樹脂の複合材料
(以下、タングステン・エポキシと略す)を圧電セラミ
ックス振動子の背面に接着しバッキング材として使用し
た場合、タングステン・エポキシは導電性が良好である
ために、圧電セラミックス振動子の裏面電極とバッキン
グ材が電気的に短絡し同電位となる。一般に1個の振動
子を用いた単一探触子では、振動子の裏面の電極に信号
を印加し、超音波放射面、即ち表面の電極をアースし、
電磁的にはシールド電極として使用するのが通常であ
る。故に、タングステン・エポキシの導電率が良く振動
子の裏面の電極と短絡しても何ら問題はなく、絶縁体で
ある必要はない。しかし、複数個の振動子を配列したア
レイ型超音波探触子において、同様な構成では、複数個
の振動子の裏面電極が全て短絡し、電気的に共通の駆動
電極となる。アレイ型探触子は、電子走査により、超音
波ビームの集束や偏向を特長としているものであり、そ
の電子走査は、各々のエレメントあるいはチャンネルに
印加する駆動パルスのタイミングを変化して行うため
に、各々のエレメントは、絶縁されていることが必要で
ある。しかし、このように、タングステン・エポキシを
バッキング材に用いた場合、複数個の振動子の裏面の電
極は、全て共通となり、電子走査は不可能となる。そこ
で従来、振動子の裏面の電極を全て共通アース電極とし
て用い、超音波放射面電極に駆動パルスを印加して、電
子走査を行う方法を採用していた。しかしこの場合、マ
ッチング層あるいは、保護板は、絶縁体に限定される。
更に、電磁的な影響を除外するために、マッチング層や
保護板の表面にシールド電極を設けなければならないな
どの問題点があった。更に、表面の駆動電極は、切断後
のバリの発生や、タングステン・エポキシの粉末により
短絡しやすいなどの欠点があった。
(発明が解決しようとする問題点) このようにアレイ型超音波探触子のバッキング材にタン
グステン・エポキシを用いた場合シールド電極をマッチ
ング層や保護板に設けなければならない。特に超音波探
傷においては、電極の耐摩耗性や保護板との大きな付着
強度が要求されるが、これらの要求を満足する十分な特
性が得られないなどの問題点があった。又、駆動電極
が、表面にあるため、エレメント間が電気的に短絡しや
すいなどの欠点があった。
本発明の目的は以上の問題点を解消し、バッキング材と
振動子間に絶縁体を設け、従来のように振動子の裏面の
電極を駆動電極、また、表面の電極を共通アース電極と
して使用し、良好な特性を有するアレイ型超音波探触子
を提供することである。
〔発明の構成〕
(問題を解決するための手段) この発明は、タングステン・エポキシと同等の音響イン
ピーダンスを有する絶縁体をタングステン・エポキシと
振動子との間に設けることにより、複数個の振動子を絶
縁し、従来と同様の電極構成で、アレイ探触子が実現で
きることが特徴である。即ち、タングステン・エポキシ
と振動子が絶縁されているために、振動子の裏面電極
を、パルス駆動電極として使用でき、また、超音波放射
面の表面電極を共通アース電極として使用できることが
あげられる。
(作用) この発明によれば、高い距離分解能を実現する為に開発
したタングステン・エポキシを有効に活用し、距離分解
能が向上するので高い精度の画像化が可能となる。又、
エレメント間の短絡事故も減少し、高い製造歩留りが得
られる。
(実施例) 以下、発明の実施例を図面に従って説明する。
第1図に、本発明のアレイ型超音波探触子の断面図を示
した。本探触子の構成は、タングステン・エポキシのバ
ッキング材1と電極3を設けた複数個の振動子2の間に
接続板4があり、振動子2の表面には、マッチング層又
は保護板5が取付けられた構成となっている。
次に、アレイ探触子の製造法を簡単に述べる。
先ずタングステン・エポキシのバッキング材1に絶縁板
4を接着した後、所定のエレメント数、あるいは、チャ
ンネル数に相当する。あらかじめ電極3を設け、分極済
の圧電セラミックス基板2を絶縁板4に接着する。次に
所定の間隔で切断し複数個のセラミック振動子2を得
る。この切断は絶縁板4を完全に切断する必要はなく、
その厚みの1/2〜1/3を残すのが望ましい。更に、マッチ
ング層あるいは保護板5をセラミック振動子に接着す
る。
構成は以上述べたように、従来のバッキング材と振動子
及びマッチング層の構成に、導電性のバッキング材が振
動子の裏面電極と短絡しないように振動子とバッキング
材の間に絶縁板を設けた構成となっている。この構成に
おける絶縁板の音響特性、特に音響インピーダンスは、
高い距離分解能を目的として、開発したタングステン・
エポキシを有効に活用する為に最適な値を有する材料を
選択しなければならない。その最適な音響インピーダン
スを選択するために、探触子の等価回路を用いて、超音
波探傷におけるパルス・エコーをシミュレーションし、
パルス・エコーの短い即ち、距離分解能が高い範囲を求
めた。
シミュレーションに用いた探触子の構成材料は圧電セラ
ミックス振動子には、音響インピーダンス35×106kg/m2
・Sを有するチタン酸鉛系の圧電セラミックス材料、バ
ッキング材には、音響インピーダンス23.5×106kg/m2
Sを有するタングステン・エポキシ、保護板には音響イ
ンピーダンス40×106kg/m2・Sを有する1/4波長の厚み
のアルミナ板を用いた。尚、圧電セラミック振動子の機
械的共振周波数f0(f0=V0/2・t0,V0圧電セラミックス
振動子の縦波音速、t0セラミックス振動子の厚み)を5M
Hzとした。また被検体は鉄鋼材料で音響インピーダンス
約45×106kg/m2・Sとした。
シミュレーションは、以上の圧電セラミックス振動子、
バッキング材保護板の材料定数を一定とし、絶縁板の音
響インピーダンスを5〜50×106kg/m2・Sと変化した場
合の直接接触法における超音波探傷のパルス・エコーを
計算した。
第2図は、そのシミュレーションの結果をグラフにまと
めたもので、横軸は、絶縁板の音響インピーダンスを示
し、縦軸はパルス幅として示した。このパルス幅は一般
にパルス・エコーの評価に使用されるものでパルス・エ
コーの最大値の1/10の値の時間幅を示した。但しこの絶
縁体の厚みは、1/4波長として計算を行った。
パルス幅は、第2図に示すように、絶縁板の音響インピ
ーダンスを5×106kg/m2・Sから20×106kg/m2・Sへと
増加するに従い短くなり、23〜27×106kg/m2・Sで、パ
ルス幅が約0.47μsと最短の値を示す。更に音響インピ
ーダンスを増加すると、パルス幅も増加する特性を示し
た。このように、絶縁板の音響インピーダンスを23〜27
×106kg/m2・Sの範囲に選択すれば、パルス幅が短く、
即ち、高い距離分解能が実現できるという結果が得られ
た。これらの条件、即ち、電気的な絶縁性が十分なこ
と、音響インピーダンスが23〜27×106kg/m2・Sである
こと、更に加工性が良好なことなどを基に材料を検討し
た結果、窒化アルミニウムを主成分としたセラミックス
(以下窒化アルミニウムと略す)が適していることがわ
かった。この窒化アルミニウムは、縦波音速が8480m/
S、密度が2.95×106kg/m2であり音響インピーダンスが2
5×106kg/m2・Sとなるので前述の最適な絶縁板の音響
インピーダンスを十分満足している。またこの窒化アル
ミニウムは、層状化合物となっているため切削性が良好
で、高精度な加工が可能である。更に窒化アルミニウム
の絶縁板の厚みは、音響インピーダンスが25×106kg/m2
・Sで、バッキング材の音響インピーダンス23.5×106k
g/m2・Sと非常に近いので1/4波長(0.53mm)にする必
要はなく、0.5〜1.0mmとしても、パルス幅は0.47〜0.5
μsと変化は小さく、良好な特性が実現できる。
〔発明の効果〕
以上述べたように本発明は絶縁板としてバッキング材と
振動子の間に窒化アルミニウムを設けたた為、有効にタ
ングステン・エポキシの高い音響インピーダンスを活用
でき、距離分解能の高いアレイ型超音波探触子が得られ
る。また、セラミック振動子の裏面電極をパルス駆動電
極として用い表面電極を共通アース電極、即ち、シール
ド電極として使用できるために電磁的なノイズが低減で
き高いSN比が得られる特長がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明のアレイ型探触子の断面図、第2図は
絶縁板の音響インピーダンスを変化した場合のパルス・
エコーのパルス幅の特性である。 1……バッキング材、2……振動子、5……マッチング
層。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−278298(JP,A) 特開 昭62−186849(JP,A) 実開 昭61−174909(JP,U)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】複数個の圧電セラミックス振動子とバッキ
    ング材及びマッチング層で構成されるアレイ型超音波探
    触子においてバイキング材と圧電セラミックス振動子の
    間に窒化アルミニウムを主成分とするセラミックスを設
    けたことを特徴とするアレイ型超音波探触子。
JP61306526A 1986-12-24 1986-12-24 アレイ型超音波探触子 Expired - Lifetime JPH0765986B2 (ja)

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JP61306526A JPH0765986B2 (ja) 1986-12-24 1986-12-24 アレイ型超音波探触子

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JPS63159750A JPS63159750A (ja) 1988-07-02
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