JPS5857707B2 - チヨウオンパタンシヨクシ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は超音波を利用した非破壊検査装置、超音波診断
装置などに使用される探触子に関し、特に従来からの欠
点である１損失の多さ、２帯域巾の狭さを同時に解決す
る手法を提供する。

第１図に典型的な従来例型探触子の構成を示す。

図において１は圧電板、２は電極、３は１／４波長板な
どのマツチング板、４は一般にダンパーと呼ばれている
裏面負荷、５はリード線である。

圧電板１０例としてはＰＺＴなとの圧電セラミック、水
晶、ＬｉＮｂＯ３などの圧電結晶があげられる。

マツチング層３とダンパー４の代表としてはエポキシな
どの樹脂にタングステン粉末を適量混合させたものが一
般的である。

つぎに第２図にもとずいて従来型探触子の使用例を説明
する。

図において２１は第１図に示した探触子、２２は人体な
どの被検物体、２３は高周波パルス発振源、２４は高周
波受信器、２５は信号表示器である。

高周波パルス発振源２３より発生された高周波パルス２
６は探触子２１によって超音波に変換され、超音波パル
ス２Ｔとなって被検体２２中を進行し、被検部２８に当
って反射パルス２９を生じる。

この反射パルス２９は再び探触子２１によって高周波パ
ルスとなって、これが高周波受信機２４によって検出の
上適当な信号処理をうけたあと信号表示器２５によって
表示され、被検体内部の各種情報探索に供用される。

なお探触子２１は被検体２２との接触をよくするため両
者の間に油などの油滑性の物質２１１を介在させる。

第１図、第２図で述べた従来方式の探触子を使用した非
破壊検査装置の欠点をつぎに述べる。

第１の欠点は従来型探触子の損失の多さである。

この損失の大きい原因は概略二つの原因によるものであ
る。

第一は第１図において、圧を板１によって発生した音波
が被検体方向へ向う他ダンパー１４方向にかなり向う点
である。

すなわち、ダンパー４によって発生した音波のかなりの
量が消費されてしまう点である。

第二の原因は圧電板１の電気的マツチング条件が悪い点
である。

すなわち高周波信号がうまく圧電板１に吸収されないと
いう点である。

第２の欠点は従来型探触子の高周波応答特性の悪さ、換
言すれば探触子２１の周波数帯域中の狭さである。

この原因は圧電板１の電気的マツチング条件の悪いこと
とダンパー４およびマツチング層３の特性の悪さに基く
ものである。

第１の欠点を除去するためにはダンパ一層４の響インピ
ーダンスを低くするかあるいはこれをとり除けばよいが
、こうすることによって探触子の周波数特性が悪くなり
、第２の欠点がますます増大する。

第１の欠点を具体的に示すために１つの例をとりあげる
。

第３図は圧電板の結合係数が０．５、音響インピーダン
スか３０．３ Ｘ １０５ｃｇｓ。

×波長マツチング層の音響インピーダンスが被検体（水
）と圧電板のそれの幾何平均である場合の探触子のトラ
ンスジューサ利得を周波数の関数とし、で計算したもの
である。

探触子と電気系とのマツチングを良くするための並列に
インダクタンスと抵抗を接続している。

この例では、探触子の利得は一７ｂＢ程度は必ずあり、
これを良くすることと周波数特性を良くすることとは同
時に達成できないことが示されている。

これは一例であるが他の一般的な場合についても計算し
て見ると同じことが言える。

すなわち従来型の探触子においてはかなりの入力かダン
パ一層に消費され、損失が大きい。

以上は計算に基く理想的な場合であるが、現実には、上
記の場合に加えさらにいろいろな問題が発生する。

中でも大きな問題はマツチング層３、ダンパー４の材質
である。

従来から用いられていルタンパ一層、マツチング層はい
ずれも合成樹脂にタングステン粉末を梶入させ固化させ
たものであり、合成樹脂の固化に時間を要する関係上タ
ングステン粉末の混入が一様にならず、その結果として
、でき上り材料に不均一性を生ずる。

これが原因となって実験的には探触子の損失はさらに増
大することとなっていた。

第２の欠点である周波数帯域中であるかこれは上述の第
１の欠点とも関連しており、ここでも適当で均質なマツ
チング層とダンパーが必要とされる。

これに加えて圧電体自身の材料定数が問題となる。

とくに重要なのは電気機械結合係数の大きいことと、誘
電率の値である。

誘電率としては、その圧電体使って構成される探触子の
義気インピーダンス値か、探触子、駆動用電源インピー
ダンス値に近い値を与えるような大きさ、具体的にはξ
ａが１００〜５０００間の値に入るものであることが望
ましい。

しかしながら、従来から存在する圧電セラミックや圧電
結晶材料では誘電率が上述の条件を満足するものがなか
った。

本発明は以上のような欠点を解消したもので、以下図面
とともに詳細に説明する。

第４図は本発明に基づく探触子の一実施例の構成を示す
。

図において、４４は探触子全体を示し、圧電４１．電極
４２およびマツチング層４７から成っている。

４３は電極４２に接続されたリード線で、探触子４４か
らの電気信号をマツチング回路４５に供給する。

４６は受信回路である。圧電板４１としては、厚み縦振
動の結合係数の値が少くとも４０％以上ある大きいもの
で、かつ誘電率ε３３の値が１００〜５００程度の圧電
セラミックが望ましい。

このような圧電セラミックとしては、たとえばＰｂＯと
ＴｌＯ２を主成分とし、これに微量のＭｎＯ２とＬａ２
Ｏ３を添加した圧電セラミックあるいはＰｂ（Ｍ１ｙ３
ＮｂＫ）ｏ３とＰｂＴｉＯ２とＰｂＺｒＯ３を主成分と
し、これに微量のＣｒ２ｏ３ 又はＣｏＯを添加した
圧電セラミックなどがある。

電極４２は圧電板４１の画面上ｌこＡＰ 、 Ａｕ 。

Ａｔ、Ｎｉ 、Ｃｒ 、Ｃｕなどの金属層を形成してつ
くられる。

マツチング層４７は第１ないし第３のマツチング層４８
〜５０から成る３層構造をしている。

第１のマツチング層４８としては、５ＦＳ−１゜Ｓ Ｆ
Ｇ−１板のような特殊重フリントガラス、重フリント
ガラス、テルライトガラスのような鉛ガラスが、第２の
マツチング層４９としてはＡ８□ｓ３ガラスやＣｅ５２
ガラスのようなＳを含むカルゴゲンガラスが、第３のマ
ツチング層５０としてはポリカーボネイト、アクリル、
ポリスチレンなどのような音響インピーダンスが２〜３
の高分子物質が利用される。

圧電板および第１ないし第３のマツチング層の材料はい
ずれも平板状に平行研磨し、圧電板４１は厚み縦振動の
に波長共振構造をもたせた上で、板の両面に電極材料、
たとえばＡｕを蒸着によってつける。

第１、第２、第３のマツチング層の厚さはそれぞれを圧
電板４１より発生する音波のそれぞれの層中におけるイ
波長で規格化した値ＴＮ１゜ＴＮ２１ ”Ｎｓで記述す
ることにして、それぞれ０．５ＴＮ１，０．５ＴＮ２，
０．５ＴＮ３まで研磨の上、上記圧電板に音響的接着さ
せる。

いま、第１のマツチング層４８としてＳＦＳ−１ガラス
、第２のマツチング層としてＡｓ ２ Ｓ ３ガラス第
３のマツチング層としてポリカーボネイトを使用し、共
振周波数を２ＭＨｚに選ぶ場合には、それぞれの厚さは
次のようになる。

圧電セラミック ：０．９７つ ５ＦＳ−１ガラス 二〇、４１ｍｍ ＡＳ ２ Ｓ ３ガラス 二 〇、３３關ポリカーボ
ネイト：ｏ、２５ｍｍ 上述した構成の本発明による探触子では、圧電板４１で
発生した音波は、従来型探触子のようにダンパ一層で消
費されることなくすべてマツチング層４７を通じて被検
体の方へ進行することになり、従来型探触子でみられた
トランスジューサ利得の減少（少くとも一７ｄＢ以下）
か回避されることになり、結果的に探触子の感度か大巾
に向上する。

マツチング層４７としては従来の探触子に見られるよう
な合成樹脂と金属粉の混合体が使用されていないため、
材料の不均一がなく、探触子の特性は常に一定したもの
が製造可能となる。

さらにマツチング層４７が三属であるため、マツチング
層材料、層厚に自由度ができて理想的なマツチング条件
が実現しやすくなり結果的に広帯域で高感度の探触子が
製作できる。

上述の効果をさらに具体的に説明するために、従来型探
触子のトランスジューサ利得の周波数変化（第３図）を
本発明に基く探触子のトランスジューサ利得の周波数変
化と比較する。

第５図は上述の具体的実施例に基いて製作した探触子の
トランスジューサ利得対周波数関係を示す理論および実
験データである。

この図において、第４図のマツチング回路４５および、
駆動回路４６に相当するものとしてはそれぞれ０．７１
／Ｑ）。

ｃｏのインピーダンス値をもった直列コイル、０．４１
／ｌ。

Ｃｏの内部抵抗を持った電源が使われた場合についての
ものを想定している。

ここでω。＝２πｆｏ、ｆｏ、Ｃ８はそれぞれ圧電板４
１の反共振周波数とクランプ容量の値である。

第５図で示されているように本発明に基く探触子ではＴ
Ｇの値は０．５〜１．３ｆｏにかけて３ｄＢ以下であり
、非常に高い。

これは従来型のものを比較すると本発明に基く探触子が
非常に高感度であり、しかも広帯域であってより忠実な
信号再生能力をもっていることを示すものである。

第５図は本発明の一実施例における特性でありマツチン
グ層４７のそれぞれの厚さもそね、ぞれ０．５ＴＮ１，
０．５ＴＮ２，０．５ＴＮ３の場合であった。

実験と計算によるとこれらの値は０．４〜０．６ＴＮ１
１０４〜０．６ ＴＮ２．０．３〜０．７ ’１’Ｎ３
でもほぼ゛同様な探触子としての特性が得られることが
わかった。

またマツチング層材料としては下記の材料が適している
ことがわかった。

第一層：テルライトガラス、特殊重フリントガラス、重
フリントガラス 第二層：０ｅＳ２ガラス、Ａｓ ２ Ｓ ｓガラス第三
層二ポリカーボネイト、アクリル、ポリスチレン また圧電板としては、−成分基、二、三成分系セラミッ
クのうちとくに厚み縦振動に対する結合係数の値が４０
％以上、誘電率ξＳの値か１００〜５００をもつものが
適していることがわかった。

以上のように本発明に基く探触子は従来構造によるダン
パーでの損失を無くシ、マツチング層による理想的マツ
チングを実現したため、高感度、広帯域の特性を比較的
簡単な構成で生み出すことができるようになって。

本発明は人体の検診用に使用される超音波診断装置、産
業用材料の検査に使用される超音波非破壊検査装置用と
して極めて有用なものとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の超音波探触子の構成を示す一部断面側面
図、第２図は超音波探触子を使用した診断装置の実施例
を示す構成図、第３図は従来の超音波探触子の利得の周
波数特性図、第４図は本発明による超音波探触子の実施
例を示す構成図、第５図は本発明による超音波探触子の
利得の周波数特性図である。 １．４１・・・・・・圧電板、２，４２・・・・・・電
極、３゜４７・・・・・・マツチング層、４・・・・・
・裏面負荷、５，４３・・・・・・リード線、２１．４
４・・・・・・探触子、２２・・・・・・被検物体、２
３・・・・・・高周波パルス発振源、２４・・・・・・
受信器、２５・・・・・・信号表示器、２８・・・・・
・被検部、４５・・・・・・マツチング回路、４６・・
・・・・受信回路、４８・・・・・・第１のマツチング
層、４９・・・・・・第２のマツチング層、５０・・・
・・・第３のマツチング層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 圧電板の一方の面に電極金属層を介して３層構造の
   マツチング層を形成したことを特徴とする超音波探触子
   。 ２ 第１のマツチング層が鉛ガラス、第２のマツチング
   層が硫黄を含むカルコゲンガラス、第３のマツチング層
   が音響インピーダンスが２〜３の高分子物質で構成され
   、圧電板の電極金属層上にこの順序で形成したことを特
   徴とする特許請求範囲第１項記載の超音波探触子。