JPS6053399A - 超音波探触子 - Google Patents

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】 本発明は電気音響変換手段として圧電セラミックを用い
た超音波診断装置用探触子に関するものである。

超音波診断装置に用いられる超音波探触子には距離方向
の感度及び分解能を向上させるために広帯域でかつ低損
失、低り、プルであることが要求されている。

一般に電気音響変換手段として圧電セラミックス材料か
ら形成された振動子本体を有する超音波探触子において
は、高い電気音響変換効率を有しているが、人体及び水
などの媒質との音響整合性が悪く、そのため周波数帯幅
を広げることが難かしいという欠点がある。また、ボリ
フ、化ビニリデンなどの高分子圧電材から形成された振
動子本体を有する超音波探触子では人体及び水などの媒
質と良好な前書整合が得られ、周波数帯域幅を広く設定
することができるが、その反面゛電気音響変換効率、特
に送信時における電気音響変換効率が低いという欠点が
あることは周知の通シである。

このため、従来、圧電セラミックを電気音響変換材料と
して用い、音響インピーダンス整合層を有する超音波探
触子が提案されている。

圧電セラミックに一つの整合層が形成された探触子にお
いては比帯域幅４０−程度が得られており、また二重の
整合層が形成された探触子においては比帯域幅約７０チ
が得られている。

しかしながら、更に診断装置の性能の向上を図る場合に
は、従来の探触子の性能では不都合であシ更にいっそう
の広帯域特性が探触子に要求されている。

本発明は上記要求に応えるべく、低損失、低リップルの
特性を有し、かつ従来の２重整合層が形成された探触子
よυはるかに広い帯域特性を実現する超音波探触子を提
供することを目的とする。

すなわち本発明は３重の整合層を有し電気音部゛変換材
料として圧電セラミックスを用いた超音波探触子におい
て、圧電セラミック振動子上に形成された第１整合層の
特性音響インピーダンス密度を２＋　、この第１整合層
上に形成された第２整合層の特性前書インピーダンス密
度をＩｈ　＋さらに第２整合層上に形成された第３整合
層の特性音響インピーダンス密度’ｔｅｌｓとしたとき
、１２．６　Ｘ　ｔ　Ｏ’　（Ｋｑ／ｓ　−ｍ’）≦）
Ｓ≦１８．Ｉ　Ｘ　１０’（Ｋｆ／ｓ　・ｎｉ’）３．
８　Ｘ　１０’　ＣＦ−ｒ／ａ・７Ｆ／）≦ｈ≦６．０
　Ｘ　１０’　（Ｋｇ／ｓ・ｎｌ）１．７　Ｘ　１０’
　（Ｋｒ／ｓ　−ｎｌ）≦、）３く　２．４Ｘ１０’　
（Ｋｇ／ｓ　−ｒ＋？）なる関係を満足し、また前記第
１整合層、第２整合層、第３整合層の縦波の音速をそれ
ぞれ９１　＋　１１　。

ｖ、前記圧電セラミック振動子自身の機械的共振周波数
（電気的反共振周波数）ｔｆｏとしたとき、第１整合層
の厚さｔｌ、第２整合層の厚さｔ、及び第３整合層の厚
さｔ３を にしたことを特徴とする超音波探計子である。

次に本発明について説明する。第１図は本発明の超音波
探触子の断面槍略図である。第１図において１０は圧電
セラミックであシ超音波の伝般方向−に分極（図中の矢
印で示す、、）されておｆｉ、１４゜１５は電極である
。一般に圧電セラミ、りは特性音響インピーダンス密度
２゜が３０Ｘ１０’〜３８Ｘ１０’Ｋｆ／８・−程度で
あり、水のそれに比して２０倍以上おる。１１．１２．
１３はそれぞれ第ｉ、ｘｚ、第３音響整合層であシ媒質
１６に近い音響整合層はど特性音響インピーダンス密度
が小さくなるように並べられる。ここで特性音響インピ
ーダンス密度とは音速と密度の積で表わされる。

また第１図においてサフィックス０は圧電セラミ、り１
は整合層１，２は整合層２．３は整合層３を示し、には
電気機械結合係数、ε−３は誘電率、Ｚｏ（＝）ｏｓ）
　＋　Ｚｔ（＝、ｈ８）　ｒ　Ｚｔ（−、）ｔｓ）　。

Ｚ、（＝）３Ｓ）は特性青畳インピーダンス、ｔ６＊ｔ
１＊１２．１ｓは層厚、ｖＯｒ　’Ｉ、ｌ　７！　１　
Ｖ３は音速、ｚＬは負荷音響インピーダンスをそれぞれ
示している。

（Ｓは断面積） ３重整合層を有する超音波探触子は広帯域特性の可能性
を有するがその反面整合ノーの最適化が完全に行なわれ
なければ通過帯域内に大きなリップルを生ずるばかシか
挿入損失の増大を招くことになる。

従って３重整合層にしたためにかえって総合的な探触子
の性能が劣化し、全く実用に供しない探触子ができてし
まう可能性が極めて大きくなるわけである。

本発明は３重整合層を有する超音波探触子を４重モード
振動子であることに着目し、多重モードフィルタの合成
理論を適用して整合層の最適化を達成し、広帯域で低リ
ップルかつ低損失といった高性能の探触子を供給しよう
とするものである。

次に本発明の原理について説明する。第１図に示した３
重整合層を有する超音波探触子の等価回路は圧電セラミ
ック部分にＭａｓｏｎの等価回路を用いて第２図のよう
に表わされる。第２図においてｃｏは制動容量、φは電
気機械変成比であり、各値の間には φ２−ωｎ　Ｃｏｚ　ｏ　ｋ”　／π　（ω。＝２πｆ
、）　（２）θ、−ωｔ１／ｖｌ（ｉ−０，１，２，３
）（３）なる関係がある。

ここで圧電セラミック部分は２分の１波長振動子として
動作し、また特性インピーダンス密度に関し）ｏ　＞　
ｈ　＞　２ｔ　＞　；ｊｓに設定されている。

このとき負荷側から探触子をみた機械入力インピーダン
ス特性から本探触子は互いに近接する４つの共振モード
全もつことがわかる。

第３図に圧電セラミックの片端面の振動速度ｖ６で規準
化したこの４つの共振モードを示す。＄３図から奇数次
（１次及び３次）共振モードと偶数次（２次及び４次）
共振モードとは互いに位相が１８０°異なることがわか
る。（尚、第３図においてｖｌは探触子内の振動速度で
ある。）即ち、３重整合層を有する探触子を４重モード
バンドパスフィルタとみなし、多重モードフィルタの設
計理論を適用することができる。設計方針として制動容
量Ｃ６は外部から直列にインダクタンスを付加すること
によシその影響を極小にすることを考え、第２図の等価
回路において１：φの右側部分について検討する。

第２図の等価回路の１：φの右側部分は、＠利腕のイン
ピーダンスがｚａ、格子腕のインピーダンスがｚｂであ
る。Ｊａｎｍａｒ＋ｒＢ型回路と周波数特性を有する１
：ｎの変成器に等価変換することができ、偶数次共振モ
ードはｚ８に、奇数次共振モードはｚｂに所有される。

このときｚａとｚｂが異符号であれば通過域となるわけ
であるからｚａ、ｚｂを考察することによシ探か子の設
計が可能である。負荷側から見た影像インピーダンス２
゜、は ｚ、２＝５Ｋ　（４） で与えられ＊　ＺＯｆが虚数となるとき阻止域、実数と
なるとき通過域となり、３重整合層を有する探触子の場
合一般に第４図に示すように９１′、９２′。

９３′、９４′、９５′で示した５つの阻止域と４１．
４２゜４３．４４．４５．４６で示した６つの通過域が
表われる。

このうち阻止域９３′は探触子の中心周波数ｆｃ付近に
表われるがこの阻止域の周波数帯域幅は他阻止域に比べ
てかなシ狭い。

主として探触子の通過域のリップルに極めて大きな影響
を与える阻止域はψ２’、４４’であシ、両端の阻止域
９１′、９５′はそれほど大きな影ｑＩｉを与えない。

尚第４図において実線は実数値２点線は虚数値を示す。

従りて阻止域４２’　、　４３’　、　４４’を極小に
して、かつ中心周波数ｆｃ付近で２゜２が負荷インピー
ダンスｚ２に一致するように整合層を設計すれば良い。

次にこの原理に基づき、引算及び実験を行って本発明の
有効性について検証する。

音響インピーダンス密度、）。が３６．４０Ｘ　１０’
　（Ｋｇ／Ｂ−ｒｒ？）、結合係数ｋが０．５３６．比
訪電率ε；、／。

が２３０の圧電セラミック珈動子を用いて、この振動子
の上に整合層’ｒ３層形成した。第１図に示した構造の
探触子について特性インピーダンス密度２１１　ｒａｔ
　、ｉｓ及び整合層の厚み全パラメータとして設計を行
った。

尚ここでは、簡単のため整合層の厚さは３層ともに同一
波長として計算を行なった。

本設計による探触子の代表例として ）＋＝１６．２Ｘ１０’　（Ｋ９／８”ｍ’）、）！＝
　４．８Ｘ１０’　（Ｋｐ／ｓ−ｍ’）と−　２．０　
Ｘ　１０’　（Ｋｆ／ｓ　−＋ｎ’）また整合層の厚さ
について とした場合について計算例を示す。

通過域における２゜、の周波数特性を第５図に示す。

ここで周波数は圧電セラミック振動子の電気的な反共振
周波数ｆ。で規準化されている。

また図中の実線は２゜２が実数値１点線は虚数値をとる
ことをボしている。

図から明らかなように第４図に示した阻止域４３′が完
全に消滅し、同時に阻止域４２’　、　４４’もかなシ
小さくなっておシ、さらに２゜２は中心周波数付近で連
続的に実数値をとシかつかなシ広い範囲にわたって水の
インピーダンスに近い値を示すことがわかる。従って本
設計による探触子は通過帯域内で極めてフラットな損失
特性が実現でき、かつ人体との塾合性に優れた探触子が
実現できることを示唆している。

次に実施例に従って本発明の詳細について説明する。直
径１．７６ｃｒ＋＋、厚さ１．０Ｈの１２ｉ前記と同一
材料定数を崩し、厚み方向に分極され主面が鏡面研磨さ
れた円板状圧電セラミック振動子を作製した。

この振動子の主面にそれぞれ厚さ３０００ＡのＣｒ−Ａ
ｕ電極膜を形成した。

この円板状振動子の片面全面に前管インピーダンス密度
及び板厚が前記設計例の値とそれぞれ等しい値を有する
光学ガラスでできた第１躯合層、エポキシ系樹脂ででき
た第２製合層及び、ウレタン系樹脂でできたｍ３整合層
を接着して、超音波探触子を試作した。

この探触子を用いて直列にチューニングコイルを付加し
水中に超音波を放射し、水深５ｃｒｎにあるアルミブロ
ック反射板からの反射波を受信することによシ往復の挿
入損失を測定した。試作した探触子の往復挿入損失特性
を第６図に実線で示す。

挿入損失２．６ｄＢ　、　６　ｄＢ比帯域幅９１チ、ま
た０、７　ｄＢ以下の低リツプル特性が得られているこ
とがわかる。

第６図の点線で示した特性は計算値であシ、実測値と計
算値の間のずれは主として超音波ビームの広がりによる
もの及び探触子の弾性損失によるものと考えられるが、
はとんど良好な一致が認められる。

このような広帯域低リップルかつ低損失の特性は従来の
超音波探触子では全く実現不可能な特性であり本発明の
超音波探触子は極めて優れた性能全具備していることが
理解される。

また製造ばらつき及び材料定数のばらつきのために各整
合層の厚さ及び特性音響インピーダンス密度がばらつい
たものになり、探触子を設計するうえで各整合層の厚さ
及び特性音響インピーダンス密度の実用上十分な性能が
得られる最適な範囲を見い出すことが重要である。

そこで前記実施例の値を中心に各整合層の厚さ及び特性
インピーダンス密度をパラメータにして、これらパラメ
ータと通過帯域特性の関係を実験と理論の両面からめ、
従来構造では実現が非常に困難な帯域内リップルが３ｄ
Ｂ以下という実用上十分な性能が得られる最適な範囲を
見いだした。

その結果、実用上十分な範囲として １２．６８１０’Ｋｖ／ｓ−ｍ”＜２ｍ≦１８．ｌＸ１
０’　Ｋｑ／ｓ・ｎ？３．８　Ｘ　１０’　Ｋ９／ｓ　
”−≦１．＜　６．０Ｘ１０’Ｋｐ／ｓ・−１，７Ｘ１
０’Ｋｆ／ｓ−ｍ’＜２３＜　２．４Ｘ１０’Ｋｇ／ｓ
・靜また圧電セシミ、り振動子の電気的反共振周波数を
ｆ。とじたとき各整合層の厚みについて（ただし　λ＋
＝ｖ＋／ｆｏ　（１＝１．２，３））　を得た。

尚、前記範囲に入る特性インピーダンス密度を有する材
料として整合層１に関して各株ガラス、整合層２に関し
てエポキシ糸樹脂、ナイロン樹脂。

フェノール系樹脂等があり整合層１に関してポリイミド
系樹脂、ウレタン系樹脂、ポリサルポン系樹脂、ナイロ
ン系樹脂等があシ、これらはすべて容易に入手しうる材
料である。

このような高性能を有する探触子を実現するためには、
各整合層の厚み及び特性音響インピーダンス密度を前述
の範囲に限定することが必要である。

この範囲から逸脱すると挿入損失や損失変動が大きくな
り実用上好ましくないわけである。

次に前記範囲を例証する具体例について述べる。

第１整合層を高密度高弾性率の光学ガラス（２，＝１７
．６Ｘ１０’　〜１８．ｌＸ１０°Ｋｆ／８−Ｗ？）、
第２整合層ヲホニフエニレンサルファイ）’樹脂（＞ｔ
＝ｓ、４ｘ１０６〜６．ＯＸ　１０’　Ｋｇ／ｓ−扉）
、第３整合層をポリカーボネート樹脂（Ｊｓ＝２．２Ｘ
１０’〜２．４　Ｘ　１０’　Ｋ９／５−ｉ）’ｉｉ＝
用いて各整合層の厚さの範囲を前記範囲に設定して探触
子を試作した。

さらに他の実施例として、第１整合層を低密度光学ガラ
ス（Ｊ□＝　１２．６　Ｘ　１０’〜１３．２　Ｘ　１
０’　Ｋｇ／ｓ・ｆｆ／）、第２整合層をエポキシ系樹
脂（２２＝３．８Ｘ１０６〜４．Ｉ　Ｘ　１０’　Ｋｇ
／ｓ　−ｍ’　）　、第３整合層をポリサルホン系樹脂
（）ｓ＝　１．７　Ｘ　ｌ　□’〜１．９　Ｘ　１０’
〜／８嘩−）ｔ−用いて、各整合層の厚さの範囲を前記
範囲に設定して探触子を凶作し往復挿入損失特性を測定
した。それらの結果の一例を第７図に示す。１点鎖線は
整合層が高密度高弾性率の光学ガラス／ポリフェニレン
サルファイド／ポリカーボネートからなる前者の探触子
の特性、２点鎖線は整合層が低密度光学ガラス／エポキ
シ／ポリサル７オンからなる後者の探触子の一特性例で
あり、ともに実用上十分な低り、プル特性が得られてい
る。尚。

整合層の特性音響インピーダンスを第５図に示した探触
子に用いられている整合層のそれに近ずけてやるほど高
性能の探触子が得られることは言うまでもない。

また図例は示されていないが１本発明の範囲を超える特
性音響インピーダンス密度及び厚さを有する整合層を用
いた探触子では、いずれも通過域内の損失変動が大きく
実用に供しないことが判った。

以上円板状の超音波探触子を実施例にとって述べてきた
が１本発明は他の超音波探触子に関してもそのまま適用
できることは言うまでもない。

以上述べた如く、本発明に従えば、容易に入手しうる利
料を用いて高性能超音波探触子を実現することができ工
業的価値も甚大である、

【図面の簡単な説明】

第１図は３層の整合層を有する超音波探触子の概略断面
図を示し、１０は圧電セラミック、１１゜１２　、．１
３は整合層、１４．１５は電極、１６は負荷媒質。 矢印は分極方向、には電気機械結合係数、ε：、は誘電
率、　Ｚｎ　、　Ｚ（＊　Ｚｔ、ＺＢけ特性音響インピ
ーダンス、ｚＬは負荷インピーダンス、ｊｎ＋　ｔｌ＋
　ｔ、、　ｔ３ｉ’Ｊ。 厚さ、　’１６　＋　Ｖ＠　＋　ｖ２　＋　１３は音速
。 第２図は３層の整合層を有する超音波探触子の等価回路
図を示し、ｃｏは制動容量、φは電気機械変成比。 第３図は３層の整合層を有する超音波探触子の各共振に
おける振動モード金示す図、ｖ６は圧電セラミ、り片端
面の振動速度、ｖｘは探触予告部分の振動速度。 第４図は３層の整合層を有する超音波探触子の一般的な
影像インピーダンス特性図、Ｚｏｚｎ負荷側から探触子
をみた影像インピーダンス、ｆｃは探触子の中心周波数
、４１．４２．４３．４４．４５．４６は通過域、　４
１’　、　４２’　、　４３’、４４’　、　４５’は
阻止域。 第５図は本発明に従った探触子の影像インピーダンス特
性図。 第６図は本発明に従った探触子の代表的な往復挿入損失
特性図。 第７図は同じく本発明に従った探触子の往復挿入損失特
性図。 オ　１　図 第２図 ｃ。 第３図 ＋０　１＋　１２　１３ 第４図 周波数 第５図 周波数（ｆ／ｆ０） 第６図 ０．４　０．６　０．８　１．０　＋、２　１．４周波
数（ｆ／ｆ　）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ３重の整合層を有し電気音響変換材料として圧電セラミ
   ックスを用いた超音波探触子において。 圧電セラミ、り振動子上に形成された第１整合層の特性
   音響インピーダンス密度を７１　＋この第１整合層上に
   形成された第２整合層の特性音響インピーダンス密度を
   り、さらに第２整合層上に形成された第３整合層の特性
   音響インピーダンス密度を２３としたとき。 １２．６Ｘ１０’（Ｋ９／８・−）≦７．≦１８．ｌＸ
   １０’（Ｋｇ／８・−）３．８Ｘ１０’　（Ｋ９／１Ｋ
   ・ｍ’）≦ｈ≦　６．０Ｘ１０’（Ｋ９／８”ｍ’）１
   ．７Ｘ１０’　（Ｋｙ／ｓ　−ｍ’）＜、）ｓ＜　２．
   ４Ｘ　１０’　（ｌｙ／ｓ　−ｔｒ？）なる関係を満足
   し、また前記第１整合層、第２整合層、第３整合層の縦
   波の音速をそれぞれｖｌ　ｇ　７１１ｖ３．前記圧電セ
   ラミック振動子自身の機械的共振周波数（電気的反共振
   周波数）をｆｏとしたとき、第１整合層の厚さｔ、ｌ第
   ２整合層の厚さｔ、及び第３整合層の厚さｔ、を ただし　λｉ　＝ｖｌ／ｆｏ　（ｉ＝１＋　２　＋　３
   　）にしたことを特徴とする超音波探触子。