JPS6193951A - 超音波探触子及びその製造方法 - 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ｓｉ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
なわれている。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
ｍ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づ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１３月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（ａｌ
はこの超音波探触子を構成する圧電撮動子の斜視図、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。１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撮動片であり、３はこの圧電振
動片１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に超音波信
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
整合損失を少なくづるために、第２図に示すように音響
整合Ｐ４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
′電撮動片１の発振周波数は通常３　ＭＨ２〜５ＨＨ２
なのでこの音響整合層４の厚みｔは千つ０．１〜０．５
１となり、又、音響整合ＦＪ４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ＺＯ１ｚｍはＺｏ−３４
ｘ１０６Ｋｒ／　ｙｄｓ　、　Ｚｍ−１５ｘ１０６Ｎｇ
／むｔ−ｓるので、約４２ｘ１０６Ｋｇ／　１ＴＬｓ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６ｄＢ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９の困難が多
い。

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、電気信号パルスに応答して
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／ｌと、長さ１と厚みｔ
、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３８Ｈ２で、音Ｎ幅が１．
５訳の圧Ｎ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３Ｍ１ｌＺの条件から圧電振動片
の厚みｔは約０．５＃ｌとなるので　／ｌは３以上とな
り、前記Ｗ／　≦０．６の条件を満足しなくな葛。

を− このためこのような場合には、１．５ｍ幅の圧電振動片
の代わりに、前記条件　／１≦０．６を満足する０、３
　ｔｍ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　ｍ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３ＭＨｚ、音源幅１．５　ｍ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両回路である。

本発明は以上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Ｎ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づる各エ
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　／ｌと縦振動モードの周波
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　／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（すればＰＺＴの縦振ｆ７１１
ニ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３ｗ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に駆動するこ
とよりなる圧Ｎ撮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縮合波信号の送゛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
子を示す椙成図であり、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（ｂｌは断面図
である。６ａ、６ｂ、６ｃは第１の圧電撮動体を構成す
るそれぞれの幅がＷｌ、Ｗ２Ｗ３（但しｙｙｌ＞ｗ−２
＞ｗ３）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−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エレメント６ａ、６ｂ、
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、　ｆｒ２ｆｒ３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６ａ１６ｂ、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ＷＩＷ２Ｗ３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−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￥Ｊ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幅あるいは切断ピッチをＢＷとし
て６４回の切断を行なう。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、
ｕａｎを切断するために、圧電撮動板７の最左端から第
１のエレメント１１ａ１．１１ａ２．１ｌａｎの幅Ｗ１
だけずらして再び切断幅ＢＷで６４回の切断を行なう。

以下第７図（Ｃ）　（ｄ）　（ｅ）に示すように、前２
と同様各ブロックの第２、第３、第４、第５−第ｎ＋７
）エレメントｌｌｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ−１１ｎ
を所定の幅Ｗ２．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回の切断を行なう。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回行なっ
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開のギャップＧは省略しである。従
ってこのような切所作ヱをした後、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
工を行な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ＡＪ体を？！２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Ｉｆｆ整合整合
層明するための図、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８Ｗ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　／ｌと
縦振１ｈモードの周波数定数Ｆｔとの関係を示す図であ
る。第５図（ａ）（ｂｌ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（
１１）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訃−ダンパーＬ９−−Ｉ
Ｎ整合層、　　５−被検体、　６ａ、６ｂ、６Ｃ，７ａ
、７ｂ、　７ｃｍ−ブロックエレメント、１ｏ−電圧撮
動板、　１１ａ、１１ｂｉｌｃ、Ｎｄ、１ｌｅ−ブロッ
クエレメント。 Ｍｌし］。し）（Ｃ，） 菫４ｍ　　　　　　　　　　１′ 芋６０ ご　　　　　　　　　　−ＯＪ 〕　　　　　　　　　０ 区

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。