JPH08149591A

JPH08149591A - 音響レンズ

Info

Publication number: JPH08149591A
Application number: JP6059993A
Authority: JP
Inventors: Tadahiro Nomura; 忠宏野村; Tatsuya Akama; 辰也赤間; Takeshi Kusakari; 岳草刈
Original assignee: Tokimec Inc
Current assignee: Tokimec Inc
Priority date: 1994-03-04
Filing date: 1994-03-04
Publication date: 1996-06-07

Abstract

(57)【要約】【目的】超音波の収束度を向上させる。【構成】音響レンズ１０は、音響レンズ１０が固設さ
れた超音波振動子１２と共に振動子体１４を構成してい
る。音響レンズ１０の球状の凹面１６からは、超音波振
動子１２で発生した超音波が放出される。凹面１６に
は、音響インピーダンス整合層１８が被着されている。
音響レンズ１０は、ファインセラミックスを主成分とし
ている。ファインセラミックスとしては、例えば、酸化
アルミニウム（音速9620[m/s] 程度）系，窒化ケイ素
（音速11780[m/s]程度）系，炭化ケイ素（音速10360[m/
s]程度）系等がある。これらのファインセラミックスを
主成分とする音響レンズ１０は、収束度の高い性能を有
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波映像装置、超音
波探傷装置等に使用される液浸型超音波探触子等の構成
部品である音響レンズに関する。

【０００２】

【従来の技術】液浸型超音波探触子は、超音波振動子
と、この超音波振動子の超音波放出面に固設された音響
レンズとから概略構成される。音響レンズは、一般に水
等の液体に浸された状態で使用され、凹面から超音波を
放出することにより、超音波ビームを一点に集中させて
分解能を向上させるものである。超音波ビームは幅が狭
い（収束度が高い）ほど高分解能となる。そのため、音
響レンズでは、凹面の曲率半径を小さくすることによ
り、焦点距離を短くしている。従来、音響レンズには、
製作の容易さからエポキシ樹脂などの注型用樹脂が使用
されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、音響レ
ンズは、曲率半径をあまり小さくすると、以下に説明す
るように球面収差が大きくなることにより、逆に収束度
が低下する。しかも、曲率半径を小さくすると、製作も
困難となる。そのため、曲率半径を小さくすることはも
はや限界に達しており、従来の音響レンズでは収束度の
向上を図ることは困難であった。

【０００４】次に、曲率半径を小さくすると球面収差が
大きくなることについて説明する。

【０００５】図９は、平面波Ｗが音響レンズ５０から液
体５２中に進行する状態を示す説明図である。

【０００６】この図において、θ，βは凹面５０１にお
ける法線５０ａと平面波Ｗとのなす角を示し、θは音響
レンズ５０内、βは液体５２内での角度である。ここ
で、音響レンズ５０内での平面波Ｗの速度をｖ₁、液体
５２内での平面波Ｗの速度をｖ₂とする。このとき、音
響レンズ５０の液体５２に対する屈折率ｎは次式で与え
られる。

【０００７】ｖ₁／ｖ₂＝ sinθ／ sinβ＝ｎ・・・・・

【０００８】θが小さいとき、すなわち軸線５０ｂに近
い平面波Ｗにおいては、

【０００９】ｎ＝θ／β ・・・・・

【００１０】となる。また、焦点距離ｆは、凹面５０１
の曲率半径をＲとすると、図９及び式から、

【００１１】ｆ≒Ｒ sinθ／ tan（θ−β）≒Ｒθ／（θ−β）＝Ｒ／（１−１／ｎ）＝ｎＲ／（ｎ−１）・・・・・

【００１２】となる。式から、焦点距離ｆを短くする
には、曲率半径Ｒを小さくすればよいことがわかる。

【００１３】図１０は、図９の音響レンズ５０に比べて
Ｒを小さくした音響レンズ６０を用いた場合における、
平面波Ｗが音響レンズ６０から液体５２中に進行する状
態を示す説明図である。図９と同一部分は同一符号を付
す。

【００１４】この図から焦点距離ｆ（θ）は、

【００１５】ｆ（θ）＝Ｒ sinθ／ tan（θ−β）＋Ｒ（１− cosθ）・・・・・

【００１６】となる。すなわち、焦点距離ｆ（θ）は、
θの値によって異なった値となる。これが球面収差であ
る。すなわち、音響レンズは、曲率半径が小さいと、球
面収差によって平面波の収束度が低下する。

【００１７】

【発明の目的】そこで、本発明は、収束度の向上を可能
とした、音響レンズを提供することを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明者は、かかる音響
レンズの収束度の向上について研究を重ねた結果、焦点
距離ｆを短くするには、式において、曲率半径Ｒを小
さくしなくても、屈折率ｎを大きくすればよいことに着
目した。そして、屈折率ｎを大きくするために、超音波
の伝搬速度ｖ₁の大きい材料で音響レンズを作成すれば
よいことを見い出した。

【００１９】すなわち、本発明に係る音響レンズは、フ
ァインセラミックスを主成分とすることを特徴とするも
のである。このファインセラミックスには、酸化アルミ
ニウム，窒化ケイ素，炭化ケイ素，ジルコニア，窒化ホ
ウ素，サイアロン等及びこれらの混合物が含まれる。ま
た、これらのファインセラミックスには、例えばホット
プレス法等により緻密な焼結体を得るため、硼素系，ア
ルミニウム系，ベリリウム系等の添加剤が含まれていて
もよい。

【００２０】ここで、ファインセラミックスとは、「高
度に精選された原料を用い、精密に制御された化学組成
を持ち、よく制御された製造技術により製造・加工さ
れ、よく設計された構造と優れた特性を持ったセラミッ
クス」をいうと一般に定義されている。酸化アルミニウ
ム系とは、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃等）を主成分
とするという意味である。同様に、窒化ケイ素系とは、
窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄等）を主成分とするという意味
である。炭化ケイ素系とは、炭化ケイ素（ＳｉＣ等）を
主成分とするという意味である。

【００２１】また、前記音響レンズの超音波放出面に
は、音響インピーダンス整合層を被着させてもよい。こ
の音響インピーダンス整合層は、エポキシ樹脂，ウレタ
ン樹脂，ポリイミド樹脂，不飽和ポリエステル樹脂等の
熱硬化性樹脂又はこれらの混合物としてもよい。ここ
で、エポキシ系樹脂とは、エポキシ樹脂を主成分とする
という意味である。同様に、ウレタン系樹脂とは、ウレ
タン樹脂を主成分とするという意味である。ポリイミド
系樹脂とは、ポリイミド樹脂を主成分とするという意味
である。不飽和ポリエステル系樹脂とは、不飽和ポリエ
ステル樹脂を主成分とするという意味である。

【００２２】

【作用】従来の音響レンズの材料であるエポキシ樹脂の
内部の音速は、2500[m/s] 程度（水に対する屈折率ｎは
1.67）である。これに対し、本発明に係る音響レンズの
材料であるでファインセラミックスの内部の音速は、非
常に大きく、10000[m/s]程度（水に対する屈折率ｎは6.
67）である。図７及び図８は、これらの従来の音響レン
ズ及び本発明の音響レンズについて、式に基づき計
算した結果を示している。図７及び図８において、Ｒ，
ｎ，ｆ，θ，β，ｆ（θ）については、式で説明し
た通りである。また、Ｂ＝Ｒ sinθ，ｆ’＝Ｒ sinθ／
tan（θ−β），Ａｂ＝Ｒ（１− cosθ）である。した
がって、式よりｆ（θ）＝ｆ’＋Ａｂである。図７で
は、曲率半径Ｒが23[mm]の従来の音響レンズと曲率半径
Ｒが50[mm]の本発明の音響レンズとは、ほぼ等しい焦点
距離ｆとなることを示している。しかし、従来の音響レ
ンズではｆ（θ）がθの値によって大きく変化するのに
対して、本発明の音響レンズではｆ（θ）がθの値にか
かわらずほぼ一定である。図８は、焦点距離20[mm]とす
るために必要な音響レンズの曲率半径とｆ（θ）のθに
よる変化とを、従来の音響レンズと本発明の音響レンズ
とについて比較した結果を示している。すなわち、図７
及び図８の計算結果は前述のように同じ焦点距離ならば
曲率半径が小さいほど球面収差が大きくなることを示し
ており、本発明に係る音響レンズの収束度が高いことは
明らかである。

【００２３】超音波は、ある媒質から音響インピーダン
スの異なる他の媒質へ進入するとき、両媒質の境界面に
おいて反射を生じる。すなわち、エネルギ損失を生じ
る。その対策として、境界面に音響インピーダンス整合
層を設けることにより、エネルギ損失を減少させること
が有効である。音響インピーダンス整合層の音響インピ
ーダンスが両媒質の音響インピーダンスの幾何平均であ
り、かつその厚さが波長の1/4 であるときに、エネルギ
損失が最小となる。すなわち、ファインセラミックスの
音響インピーダンスは40×10⁶[kg/m²s] 程度であり、水
の音響インピーダンスは 1.5×10⁶[kg/m²s] 程度であ
る。したがって、音響インピーダンス整合層の音響イン
ピーダンスは 7.8×10⁶[kg/m²s] 程度であることが望ま
しい。

【００２４】

【実施例】図１は本発明に係る音響レンズの一実施例を
示す断面図である。

【００２５】音響レンズ１０は、音響レンズ１０が固設
された超音波振動子１２と共に振動子体１４を構成して
いる。音響レンズ１０の球状の凹面１６からは、超音波
振動子１２で発生した超音波が放出される。凹面１６に
は、音響インピーダンス整合層１８が被着されている。

【００２６】音響レンズ１０は、ファインセラミックス
を主成分としている。ファインセラミックスとしては、
例えば、酸化アルミニウム（音速9620[m/s] 程度）系，
窒化ケイ素（音速11780[m/s]程度）系，炭化ケイ素（音
速10360[m/s]程度）系等がある。これらのファインセラ
ミックスを主成分とする音響レンズ１０は、前述の通り
収束度の高い性能を有する。

【００２７】図２に示す液浸型超音波探触子２０は、音
響レンズ１０と、音響レンズ１０が固設された超音波振
動子１２と、音響レンズ１０と超音波振動子１２との間
に介挿された整合層２２と、超音波振動子１２から発生
する背面方向への超音波を吸収する背板２４と、ケース
２６と、超音波振動子１２と図示しない同軸ケーブルと
を接続するためのコネクタ２８と、超音波振動子１２の
導線をケース２６内に固定する内部端子３０と、ケース
２６内を満たす充填材３２，３４とから構成されてい
る。

【００２８】図３及び図４は、図２に示す液浸型超音波
探触子において従来の音響レンズ又は本実施例の音響レ
ンズを用いて、ＩＣを探傷した結果を示す写真である。
図３及び図４共に、５[MHz] の探傷周波数で、Ｃスキャ
ン法により記録したものである。本実施例の音響レンズ
によれば、収束度が高いことから、ＩＣリードフレーム
を良好に分解記録し、ワイヤボンディングさえも認識で
きる程度である。したがって、５[MHz] の液浸型超音波
探触子で、20[MHz] 相当の分解能が得られ、周波数が低
いために大きいペネトレーション（浸透深度）が得られ
る。

【００２９】なお、図３及び図４の写真は、ニオブ酸鉛
から成る超音波振動子と株式会社トキメック製「超音波
映像探傷装置ＩＳ−１０Ｓ」とを用いて得たものであ
る。このとき、従来の音響レンズとしてエポキシ樹脂か
ら曲率半径20[mm]で形成されたものを用い、本発明の音
響レンズとして99.6％のアルミナセラミックスから曲率
半径15[mm]で形成されたものを用いた。

【００３０】音響インピーダンス整合層１８は、音響イ
ンピーダンスが５〜10×10⁶[kg/m²s] の範囲で、かつ厚
さｔ２が波長の1/4 〜1/1 の範囲で良好な結果が得られ
た。音響インピーダンス整合層１８の材料は、耐久性，
コスト等の観点から、エポキシ系樹脂，ウレタン系樹
脂，ポリイミド系樹脂等の熱硬化性注型材が望ましい。
これらの材料に、酸化アルミニウム，酸化ケイ素，銀，
四酸化三鉛，タングステン等の粉体を混合することによ
り、上記範囲の音響インピーダンスを有する音響インピ
ーダンス整合層１８が得られる。例えば、エポキシ系樹
脂：四酸化三鉛＝80：20、又はエポキシ系樹脂：酸化ア
ルミニウム＝75：25で、音響インピーダンス整合層１８
が得られる。

【００３１】図５及び図６は、ターゲットからの反射波
をオシロスコープで測定した結果を示す波形図である。
同一の超音波振動子１２及び音響レンズ１０に対して、
図５は音響インピーダンス整合層１８の無い場合、図６
は音響インピーダンス整合層１８の有る場合をそれぞれ
示している。反射波のピーク・ツー・ピーク値が、図５
では0.68[V] であるのに対して、図６では3.2[V]であ
る。このように、インピーダンス整合層１８が有る場合
は、無い場合に比べて約13[dB]利得が向上する。

【００３２】また、音響インピーダンス整合層１８の材
料としては、微小粉体入り注型材として市販されてい
る、例えばグレースジャパン株式会社製「STYCAST-2651
MM」（硬化材はキャタリスト＃９）を使用してもよい。

【００３３】

【発明の効果】本発明に係る音響レンズによれば、超音
波の伝搬速度の大きい材料であるファインセラミックス
を主成分とすることにより、屈折率を大きくできる。そ
の結果、曲率半径を小さくしなくても焦点距離を短くで
きることから、球面収差を小さくしたまま収束度を向上
できる。したがって、本発明に係る音響レンズを液浸型
超音波探触子等に用いることにより、高分解能の画像を
得ることができる。

【００３４】音響インピーダンス整合層を有する本発明
に係る音響レンズによれば、音響レンズと水等の境界面
におけるエネルギ損失を減少できる。したがって、本発
明に係る音響レンズを液浸型超音波探触子等に用いるこ
とにより、高利得の信号を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る音響レンズの一実施例を示す断面
図である。

【図２】図１の音響レンズを備えた液浸型超音波探触子
を示す断面図である。

【図３】従来の音響レンズを用いて、ＩＣを探傷した結
果を示す写真である。

【図４】図１の音響レンズを用いて、ＩＣを探傷した結
果を示す写真である。

【図５】図１の音響レンズの音響インピーダンス整合層
が無い場合における、ターゲットからの反射波をオシロ
スコープで測定した結果を示す波形図である。

【図６】図１の音響レンズの音響インピーダンス整合層
が有る場合における、ターゲットからの反射波をオシロ
スコープで測定した結果を示す波形図である。

【図７】従来の音響レンズ及び本発明の音響レンズにつ
いて、式に基づき計算した結果を示す表である。

【図８】従来の音響レンズ及び本発明の音響レンズにつ
いて、式に基づき計算した結果を示す表である。

【図９】曲率半径を小さくすると球面収差が大きくなる
ことを説明するための音波経路図である。

【図１０】曲率半径を小さくすると球面収差が大きくな
ることを説明するための音波経路図である。

【符号の説明】

１０音響レンズ１２超音波振動子１４振動子体２０液浸型超音波探触子１６凹面１８音響インピーダンス整合層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ファインセラミックスを主成分とするこ
とを特徴とする音響レンズ。
【請求項２】請求項１記載の音響レンズの超音波放出
面に音響インピーダンス整合層が被着されたことを特徴
とする音響レンズ。