JPS60260848A - 超音波探触子及びその製造方法 - Google Patents

超音波探触子及びその製造方法

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JPS60260848A
JPS60260848A JP59115573A JP11557384A JPS60260848A JP S60260848 A JPS60260848 A JP S60260848A JP 59115573 A JP59115573 A JP 59115573A JP 11557384 A JP11557384 A JP 11557384A JP S60260848 A JPS60260848 A JP S60260848A
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JP
Japan
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width
piezoelectric
piezoelectric vibrating
ultrasonic probe
elements
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JP59115573A
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English (en)
Inventor
Tadashi Kojima
正 小島
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Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Original Assignee
Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
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Publication date
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06BMETHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0607Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements
    • B06B1/0622Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements on one surface
    • 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

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電子走査方式による超音波診断装置や探傷装置
の超音波送受波源として使用される超音波探触子に関す
る。
今般、電子走査方式の超音波診断装置は医療機器の先端
技術として高い評価を受けるとと、もにその需要も高ま
る一方で、これに追随してこの超音波診断装置の超音波
送受波源である超音波探触子・も又日進月歩の技術改良
が行われている。この超音波探触子を使用した電子走査
による超音波診断方法はすでに知られている通りである
が大略すると次の通りである。即ち、幅方向に複数個配
列された厚み方向に振動する矩形状の圧電振動片を備え
た超音波探触子の圧電振動片に順次電気信号パルスを印
加し、これにより発生する超音波信号を例えば人体等の
被検体に送出し、この被検体からの反射による超音波信
号を順次前記圧電振動片にて電気信号パルスに変換して
ブラウン管等に表示させ、この電気信号パルスの遅延時
間や波形を分析することにより、被検体の異常箇所やそ
の度合を瞬時にして適確に診断する方法である。従って
この超音波信号を発生する圧電振動片に印加される周波
数成分を多く含んだ電気信号パルスが先鋭であればある
程この電気信号パルスに応答する超音波探触子の周波数
特性は広い範囲にわたって平坦な特性を有することが必
要である。
第1図は、この種の超音波診断装置に使用されるいわゆ
る配列型の超音波探触子を示す図であり、第1図(a)
はこの超音波探触子を構成する圧電振動子の斜視図、第
1図(b)・(c)はそれぞれこの配列型探触子の平面
図及び断面図である。Jは電極2がその両面に施された
例えばジルコン酸チタン酸ナマリ(以下PzTという)
の圧電材からなる圧電振動片であり、8はこの圧電振動
片】を複数個所定間隔をもって配列するダンパーである
。ところで、この配列型探触子から被検体※こ超音波信
号を送出する場合、圧電振動片1と被検体との音響イン
ピーダンスは異なるので、この差異による超音波信号の
整合損失を少なくするために、第2図に示すように音響
整合層4が配列型探触子の超音波信号送出側に設けられ
ている。この音響整合層4の厚みtと音響インピーダン
スz1とは、圧電振動片1の発振周波数と、この圧電振
動片1と被検体5との音響インピーダンスとが決まると
自ずと決定される。例えば被検体5が人体の場合には圧
電振動片1の発振周波数は通常3MIIz〜5距なので
この音響整合層4の厚みtは約0.1〜O,’5 mm
となり、又、音響整合層4のインピーダンスz1は圧電
振゛動片1をPZTとし被検体5を人体とした場合、そ
れぞれの音響インピーダンスZO% ZmはZo = 
34 X106kp/ m’s、 Zm= 15 X 
106ky/ m’sであるので、約42×106にり
/ m’sとなる。そしてこのように選定された音響整
合層4を有する超音波探触子の周波数特性における比帯
域幅、即ち超音波探触子の6 dB帯域幅と中心周波数
との比は通常的40%となる。
従って、前述したような先鋭な電気パルス信号に応答し
た超音波信号をこの超音波探触子から送出させたい場合
には、この比帯域幅をより大きくする必要がある。この
ため従来この解決策として例えば音響整合層4を2層3
層の多層構造とすることにより、周波数出力特性の改善
を計った超音波探触子も提案されている。しかし、この
多層構造の超音波探触子は現実には製造上の困難が多1
ところで、第1図に示した超音波探触子から良好な超音
波信号を発生するためには、電気信号パルス向応答して
機械振動する圧電振動片1をできるだけ純粋な厚み方向
、例えば縦振動あるいは高さ振動モードで振動させ、幅
及び長さ方向の振動を極力避ける必要がある。このため
、この厚み方向モードのみの振動を励起させるためには
少くとも厚みtと幅Wとの比W/ と、長さ石と厚みt
、を 幅Wとの関係をそれぞれw/l≦0.6とし、を及びw
〉〉1としなければならない。従って、例えば被検体が
人体の場合の発振周波数が3 Mflzで、音源幅が1
.5咽の圧電振動片を配列した超音波探触子を製作しよ
うとすると、発振周波数3M1IZの条件がら圧電振動
片の厚みtは約0.51mとなるのでンは3以−ヒとな
り、前記W/ ≦0.6の条件を満足しなくなる。この
ためこのような場合には、1.5咽幅の圧電振動片の代
わりに、前記条件W/ ≦0.6を満足する0、3咽幅
の圧電振動片を一つのエレメントとして5ヶ並列に並べ
同時に励振させることにより、1.5咽幅とする圧電振
動片と同等の音源体となるようにし、これにより周波数
3此、音源幅1,5咽でも純粋な縦振動モードで振動す
るように製作されている。第3図はこの5つのエレメン
トを並列に並べその幅をブロック幅Bwとする一つの圧
電振動体を複数個配列して駆動させた゛場合の電気的な
等価回路である。
本発明は以トによりなされたものであり、尖鋭な電気信
号パルスに応答できる超音波探触子を提供することを目
的とし、その特徴とするところは圧電材の周波数定数が
その外形によって変化することに着目し、圧電振動体の
ブロック幅は一定にしてその圧電振動体を構成する各エ
レメントのエレメント幅を変えることにより、超音波探
触子の周波数帯域幅を広げた点にある。
以下図を参照して本発明を説明する。
第4図は第1図(a)に示した圧電振動片1、例えばP
ZTの幅Wと厚みtとの比w/lと縦振動モ−ドの周波
数定数Ftとの関係を示す図であり、横軸を幅Wと厚み
tとの比 /、とし縦軸を周波数定数としている。この
図から明らかなようにPZTの縦振動モードにおける周
波数定数は、PZTの幅Wと厚みtとの比W/lが0.
6よりも大きくなると周波数定数Ftは低下する。即ち
、このことはPZTの厚みを一定として、幅Wを広くす
ればPZTの縦振動モードの共振周波数は低下すること
を意味する。従ってこのことを前述した複数のエレメン
トからなる圧電振動体に適用すれば、圧電振動体のブロ
ック幅Bwは変えないで、前記エレメントの各自の共振
周波数を変え得ることができることとなる。これにより
、異なる共振周波数を有する複数のエレメントを電気的
に並列Qこ駆動することよりなる圧電振動体は尖鋭な電
気信号パルスに応答し広い周波数範囲にわたって超音波
信号の送受ができることとなる。
第5図はこのことを説明するための本発明の超音波探触
子を示す構成図であり、例えば3つのエレメントからな
る圧電振動体を複数個並列に並べた場合の図である。尚
、第5図(a)は平面図であり、第5図6)は断面図で
ある。6a・6b・6cは第1の圧電振動体を構成する
それぞれの幅がw 1 w2w3(但しw 1 > w
 2 > w 3 )で厚みがtの第一のブロックエレ
メントであり、7a・7b・7Cは第1の圧電振動体を
前記と同様に構成する第2のブロックエレメントであり
、8は音響整合層、9はダンパーである。従ってこの超
音波探触子の第一の圧電振動体の各ブロックニレメン)
6a6b・6cの共振周波数はその幅を異にしているの
でそれぞれfrl・fr2・fr3の共振周波数を有す
ることとなる。
第6図はこのブロックエレメント6a・6b・6cの周
波数、アドミッタンス特性図である。従って、この特性
図からも予想されるように、厚みtと幅w 1 w 2
 w 3との比によって共振周波数の異なる3つのエレ
メント6a・6b・6cを電気的に並列接続した第1の
圧電振動体のアドミッタンス特性が加え合わされること
となるので、広い周波数範囲にわたってかなり平坦化さ
れることとなる。このためこのように広い周波数範囲に
わたってアドミッタンス変化が少ない圧電振動体からな
る超音波探触子は前述したように尖鋭な電気信号パルス
に応答しやすくなる。
ちなみに、本発明者が幅の異なる5つのエレメントを電
気的に並列駆動した圧電振動体からなる超音波探触子の
周波数特性を測定したところ、その比帯域幅は整合層が
一層のみで約60%にも達した。これは音響整合層を一
層とした場合の値であるので、超音波探触子を製作する
うえで、製造上の困難もなく製造コストも低減でき経済
的にも極めて効果が大きい。
次に本発明の超音波探触子の製造方法を第7図により説
明する。
先ず、第1図等で示した図示しないダンパー上に所定の
厚み幅方向に長い圧電振動板10を接着剤等により取着
する。次に第7図(a)に示すように圧電振動板10の
最左端より所定のブロック幅BWで圧電振動子板10の
右端まで切断する。例えば64ブロツクで構成される超
音波探触子では切断ピッチをBWとして64回の切断を
行う。次に第7図(b)に示すように各ブロックの第1
のエレメント11a1・11a2・1lanを切断する
ために、圧電振動板7の最左端から第1のエレメントl
1al・11a2・1lanの幅W1だけずらして再び
切断幅BWで64回の切断を行う。以下第7図(C) 
(d) (e)に示すように、前記と同様各10ツクの
第2・第3・第4・第5・・・第nのエレメントllb
 ・llc ・11d 11e・”llnを所定の幅W
2・W3・W4・W5となるように順次その幅分ずらし
て切断幅BWで64回の切断を行う。この第7図は、1
ブロツク5エレメントで構成される圧電振動体を複数個
配列する配列型の超音波探触子を製造する場合の図で、
この場合は上述の切断作業を5回行っている。尚、この
第7図では第5図に示した切断によって生ずるエレメン
ト間のギャップGは省略しである。従ってこのような切
断作業をした後、通常の配列型探触子の製造方法と同様
にリード線加工や整合層の取り付は加工を行えば幅の異
なり共振周波数が異なる複数のエレメントを有する圧電
振動体を複数個並列に並べた超音波探触子を、いとも簡
単に製造することができる。
尚、本発明の超音波探触子を説明するにあたっては圧電
振動片をその幅方向に配列した一次元的な配列方向の場
合についてのみ説明したが、本発明はこれに限定される
ものでなく、例えば、圧電定数が圧電振動片の長さによ
っても変わることを利用し、長さ方向に配列した場合や
、又、幅方向と長さ方向とのいずれの方向にも配列した
二次元的配列をした超音波探触子にも適用されることは
言うまでもない。
以上説明したように本発明は、圧電振動体のブロック幅
は一定にしてその圧電振動体を構成する各エレメントの
エレメント幅を変えることにより、この圧電振動体の周
波数帯域幅を広げたので、尖鋭な電気信号パルスに応答
できる超音波探触子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)は超音波探触子を構成する圧電振動片の斜
視図、第1図(b) (c)は配列型探触子のそれぞれ
平面図・断面図、第2図は超音波探触子の音響整合層を
説明するための図、第3図は5つのエレメントを並列に
並べその幅をブロック幅BWとする圧電振動体を複数個
配列して駆動させた場合の超音波探触子の電気的な等価
回路図、第4図はPZTの幅Wと厚みtとの比 /、と
縦振動モードの周波数定数Ftとの関係を示す図である
。第5図(、)(L+)は本発明の超音波探触子を説明
するための図であり、第5図(a)は断面図、第5図(
b)は平面図、第6図は本発明の超音波探触子のアドミ
ッタンス特性図である。 第7図は本発明の超音波探触子の製造方法を示す図であ
る。 1・・・圧電振動片、2・・・電極、3・、8・・・ダ
ンパー、4・9・・・音響整合層、5・・・被検体、 
6a・6b・6C・7a・7b・7c・・・ブロックエ
レメント、10・・・圧電振動板、11 a ・11 
b ・It c −11d ・11 e−ブロックエレ
メント。 第1図La) 第1図(1)) 第1図((J 第2図 第3図 第4図 005 1.0 1.5 X/′A→ 第5図(a) 第5図(b) 第6図 −Fr3fr2fr1f→ (a (C

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)幅あるいは長さの異なる圧電振動片を複数個配列
    して、その複数個の圧電振動片を電気的に並列に駆動し
    てなることを特徴とする超音波探触子。
  2. (2)幅あるいは長さの異なる圧電振動片が複数個配列
    され、複数個の圧電振動片が電気的に並列に駆動される
    圧電振動体を複数個配列したことを特徴とする超音波探
    触子。
  3. (3)基台となるダンパー上に幅あるいは長さ方向に長
    い圧電振動板を取着して、所定の圧電振動体幅あるいは
    長さとなるブロック幅BWで切断し、その後前記圧電振
    動体が幅あるいは長さの異なる圧電振動片から構成され
    るように順次所定間隔ずらして圧電振動板の幅あるいは
    長さ方向に前記ブロック幅で切断したことを特徴とする
    超音波探触子の製造方法。
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