JPS6240920B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は周波数が十数MHz以上の超高周波帯
超音波の集束に用いられる凹面圧電膜トランスジ
ユーサに関する。

従来から超音波を液体中の一部分に集束させて
強力な超音波音場を発生させるとか、あるいは超
音波診断装置や超音波顕微鏡の分解能を向上させ
るために凹面振動子を集束用トランスジユーサに
用いていた。しかし超高周波帯超音波は、液体や
生体中を伝搬するときに伝搬減衰が極めて大きい
ので、従来は凹面振動子の音響放射面から焦点付
近までの距離をできるだけ短かくする必要があ
り、したがつて凹面振動子の音響放射面の開口面
積を大きくできず、単位放射面積当りの音響放射
パワーに限界があるので、焦点近傍に集中する音
響パワーをあまり大きくとれないという欠点があ
つた。また、送波用と受波用の凹面振動子を設け
たい場合には、両振動子間の間隔が狭くなり、振
動子の作成にあたつてあるいは電気信号のシール
デイングにあたつて困難であるという欠点があつ
た。

以下、図面により本発明の詳細を説明する。

まず、本発明のすぐれた点を第１図によつて説
明する。第１図ａは従来の凹面圧電形トランスジ
ユーサの断面図、同図ｂは本発明の断面図で凹面
振動子となる圧電膜が球殻の一部分をなす場合に
ついて示すものである。すなわち、同図ａで示す
ように従来は音響放射面１から超音波が音場媒質
となる液体に直接放射され、焦点２に超音波が集
束されるが、１から２までに至る距離３は超音波
の吸収の大きい超高周波帯では長くとることがで
きない。音響放射面が焦点に張る立体角をωと
し、焦点から音響放射面までの距離をｒとする
と、音響放射面積Ｓはωr²の関係がある。音場媒
質として水を例にとると、たとえば500MHzの超
音波では１mm当り50dBの伝搬減衰があるので、
10dB以下の減衰量に押えるためにはｒすなわち
距離３としては0.2mm以下となり、したがつて音
響放射面積は非常に小さいものとなる。ところが
第１図ｂに示す本発明では音響放射面４と焦点５
の間に超音波の伝搬減衰の小さな固体媒質６が介
在している。固定媒質中の超音波の伝搬減衰は液
体中のそれに比してはるかに小さく、たとえば
500MHzの超音波に対しても１mm当り溶融水晶で
0.5dB以下、またサフアイアで0.1dB以下であり
殆ど無視できるほど小さい。したがつて４から５
に至る距離７はかなり長くとることができるの
で、同一立体角について従来のものと比較すると
音響放射面積Ｓを大巾に大きくすることが可能で
ある。本構成では固体媒質から液体媒質８へ超音
波が入射するときの境界面９での超音波の反射が
あるが、これは境界面９の曲面を音響放射面４の
曲面とが同心になる球面に設計して、４と９の間
に超音波の定在波を立たせてトランスジユーサの
能率を上げるのに利用できる。なお、反射損失が
ある程度許容できる場合には必ずしも境界面９を
曲面にする必要はない。たとえば溶融水晶と水の
平面境界面に対しては反射損失は周波数に関係な
く高々数dB以下であり、超高周波帯超音波では
むしろ水中の伝搬減衰の方が問題となる。また1/
４波長膜による反射減少法もある。

第２図は具体的実施例として200MHz超音波の
集束用トランスジユーサの断面図である。よく磨
かれた半径５mmの溶融水晶の球を中心から１mmず
れた点を通る平面で切断、研磨したものを基体１
０とし、その曲面上に作成された凹面振動子１１
により凹面超音波トランスジユーサを構成してい
る。凹面圧電膜１２はスパツタ法で作成される酸
化亜鉛膜で、まず基体の球面部分を洗浄し、薄く
クロム・金の内部電極１３を蒸着したあと直流二
極スパツタ法により酸化亜鉛膜を球面の中心部分
に約16μｍ折出させたものである。この場合音響
放射面積は酸化亜鉛膜の表面に形成される表面電
極の寸法で決まるが、ここでは半径2.2mmの円形
アルミニウム膜を蒸着し表面電極１４としてい
る。内部電極１３および表面電極１４にリード線
を取付けて酸化亜鉛膜に200MHzの高周波電界を
印加すれば基体の平面部分１５に接している音場
媒質内に集束超音波が得られる。水を音場媒質と
し、基体の平面部分１５の中心から約１mmの位置
にターゲツトとして小球を置いて、小球を前後左
右に移動させながらパルスエコー法により実験を
行つた結果、本発明による凹面トランスジユーサ
は優れたビームの集束特性を有するものであるこ
とが確かめられている。

第３図は同一基体の球面表面に２個の凹面振動
子を設け、一方を送波用に他方を受波用に用いる
ようにした実施例の断面図である。この例では放
射面は同形の楕円形としている。１６，１７，１
８，１９および２０はそれぞれ基体、圧電膜、楕
円形の表面電極、内部電極および同軸コネクター
の中心導体へ接続するリード線である。電気的信
号が送信と受信間で相互に漏洩しないようにシー
ルド板によつて２つの独立したキヤビテイに仕切
つてある。この実施例は生体などの皮膚の表面付
近の組織の音響的性質を測定するために用いら
れ、トランスジユーサの底面２１は平面とし、油
などを介して滑めらかに皮膚表面を走査できるよ
うになつている。

第４図は円柱の一部分を切りとつた曲面を有す
る基体の曲面上の一部分に圧電膜の凹面振動子を
作成し基体と一体として用いる凹面圧電膜トラン
スジユーサの実施例でで、基体２２はは半径５mm
の溶融石英の円柱棒を中心軸に平行で１mmだけ離
れた平面で切断、研磨したものである。圧電膜と
しては酸化亜鉛膜を基体の曲面上にスパツタ法で
作成してある。この場合は、５個の凹面トランス
ジユーサ２３，２４，２５，２６および２７を基
体曲面上に作成した実施例で、それぞれ
50MHz、75MHz、100MHz、150MHz、および
300MHzで能率よく動作するように膜厚および電
極面積を設計してある。

以上、本発明は超音波の伝搬減衰の小さな基体
の表面の一部分に所望の焦点距離を有する曲面を
形成しておき、その曲面の表面上に圧電膜を折出
させて凹面振動子となし、凹面振動子から発生す
る超音波ビームが基体中を伝搬し焦点に至るわず
か手前で基体から液体中に出射して、液体中に焦
点を結ぶようにしたもので、超高周波超音波の液
体中における極めて大きな超音波減衰の影響を最
少限にとどめるようにした凹面圧電膜トランスジ
ユーサである。本発明によれば焦点距離をかなり
大きくとれるので凹面振動子の音響放射面積を自
由に決定できるし、さらに電極の分割など形状を
変化させて電源との整合を計るのも容易となる。
また丈夫で磨かれた基体底面がトランスジユーサ
の一部分をなすのでトランスジユーサの走査など
にあたつて取扱いが極めて便利である。

【図面の簡単な説明】

第１図は圧電膜による凹面振動子が球殻の一部
分に相当する場合について本発明と従来のものと
の比較を示すもので、同図ａは従来の凹面圧電膜
トランスジユーサの断面図、同図ｂは本発明の断
面図、第２図は200MHz超音波用の具体的な実施
例の断面図、第３図は１つの基体の曲面上に２個
の凹面振動子を作成した実施例の断面図、第４図
は基体の円柱曲面上に作成した凹面圧電膜トラン
スジユーサの斜視図。 １，４……音響放射面、２，５……焦点、３，
７……焦点距離、６……固体媒質、８……液体媒
質、９……境界面、１０，１６，２２……基体、
１１……凹面振動子、１２，１７……圧電膜、１
３，１９……内部電極、１４……表面電極、１５
……基体の平面部分、１８……楕円形の表面電
極、２０……リード線、２１……トランスジユー
サの底面、２３，２４，２５，２６，２７……そ
れぞれ動作周波数の異る凹面振動子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 超音波の伝搬減衰の小さい材質からなり、そ
   の表面の一部分が球または円柱の部分表面のよう
   な凸曲面を有する基体の該凸曲面上の一部分に、
   圧電膜からなる凹面振動子を配設一体化してな
   り、該凸曲面に対向する面が超音波放射面とな
   り、該超音波放射面を超音波ビームの焦点または
   その手前に位置させてなることを特徴とする超高
   周波帯超音波用凹面圧電膜トランスジユーサ。 ２ 圧電膜が酸化亜鉛からなる特許請求の範囲第
   １項記載の超高周波帯超音波用凹面圧電膜トラン
   スジユーサ。 ３ 基体の凸曲面上に複数個の圧電膜凹面振動子
   を配設一体化してなる特許請求の範囲第１項記載
   の超高周波帯超音波用凹面圧電膜トランスジユー
   サ。