JPS6341022B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、超音波を被測定物に送信し、その反
射波を受信することで、被測定物の構造あるいは
物性を測定する装置に用いられる探触子の構成に
関する。

〔発明の背景〕

圧電体を用いた超音波の探触子には、従来チタ
ン酸ジルコン酸鉛などのセラミツクスあるいは水
晶などが用いられており、超音波の送信と受信を
共用するものが多かつた。超音波の送受信感度
は、送信出力を決定する圧電ｅ定数と受信感度を
決定する圧電ｇ定数との積に比例するが、同一圧
電体に於て、これらの定数を独立に増大させるこ
とは困難であり、用いる圧電体によつてその積の
値が決まつている。そのため、送受信感度を高め
る方法には専ら圧電体と被測定物間に石英や、エ
ポキシ系接着剤とタングステンの混合物などから
なる音響的適整合層を挿入する方法が広く用いら
れて来ている。しかしながら、同一圧電体を用い
る場合、圧電ｅ定数とｇ定数を任意に選ぶことが
出来ないため、送受信感度は大きな制約を受けて
いた。従つて、送信用と受信用圧電体を分離すれ
ばこのような制約を除ける他、送信用圧電体と受
信用圧電体の音場分布の相違を利用して、疑似信
号源となるサイドローブやグレーテイングを減少
させることも可能になつてくる。すなわち、送波
用圧電体から目的とする領域以外に超音波が放射
されたとしても、受波用圧電体がその領域に対し
低感度であれば、送受波特性として、その領域か
らの信号を検出しないことになる。勿論目的とす
る領域に対しては送波及び受波とも効率よく超音
波を送受できるように設定するのである。これを
達成するには、まず送信用と受信用圧電体を分離
して設置する構成法が考えられるが（例えば特公
昭55−15112号公報参照）、この場合両者の位置ず
れによる影響を考慮しなければならず、場合によ
つては装置が複雑化する他、探触子が大型化する
などの欠点を有している。さらにただ単に送信用
圧電体と受信用圧電体を重ね合わせて一体構成す
ることも考えられるが、同一周波数を送受する場
合、一方の圧電体に対し他方の圧電体が音響的に
悪影響を与えるという重大な欠点を有している。
すなわち、被測定物に接する側の圧電体はその裏
側の圧電体からみて、音響的に悪影響を与えない
厚みとインピーダンスを有していなければならな
い。

しかし、このような構成法では逆に被測定物に
接する側の圧電体からみると、裏側の圧電体は、
その内部に多重反射が生じる程厚いものとなり、
その結果送受波形の著しい劣化は避けられないと
いう欠点を有するのである。この欠点は、超音波
診断装置など短パルスを送受する必要のある探触
子には致命的なものとなる。

〔発明の目的〕

本発明はこれらの点を鑑みてなされたもので、
その目的は送信用と受信用圧電体に異なる種類の
圧電体を用い、これらの圧電体を積層して1/4波
長モード励振したとき最大感度が得られるように
両圧電体の音響インピーダンス、厚みさらに裏打
ち材の音響インピーダンスを選ぶことにより、前
述の欠点を除去した探触子を提供することであ
る。

〔発明の概要〕

本発明においては、送信用圧電体としては、例
えばチタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸鉛などのセ
ラミツクスや、セラミツクス粉末と合成高分子と
の混合物からなる複合物などが適する。受信用圧
電体としては、上記送波用の圧電体より音響イン
ピーダンスの小さい圧電体、例えば水晶やポリフ
ツ化ビニリデン（PVDF）、ポリフツ化ビニルな
どを熱エレクトレツト化したもの、複合物などを
用いる。例えば、送波用圧電体にチタン酸ジルコ
ン酸鉛を用い、受波用圧電体にPVDFを用いる
と、 ｅ×ｇ＝7VC／Nm となる。

一方、送・受波用圧電体ともにチタン酸ジルコ
ン酸鉛を用いた場合には ｅ×ｇ＝0.91VC／Nm となる。従つて、前者の場合では、送受信感度と
して7.7倍改善されていることになる。

〔発明の実施例〕

以下図面を参照しながら本発明の実施例を説明
する。

第１図は本発明の一実施例の構成を示す図であ
る。図において受波用圧電体１の背面にそれより
も音響インピーダンスの大きな送波用圧電体２を
貼り、さらにその裏に２よりも音響インピーダン
スの大きなバツキング材３を貼る。

なお、圧電体１と２の厚みは、送受信する超音
波の周波数に対して、1/4波長程度に選ぶ。また、
両圧電体の両面には電極４を蒸着、メツキあるい
はスパツタリングなどで付けてある。両電極の接
着は、その間に電気的絶縁層５を挿入して行う。

このような探触子の動作を、受波と送波に分け
て簡単に説明する。受波に於ては、圧電体２の音
響インピーダンスZ₂は圧電体１の音響インピーダ
ンスZ₁よりも大きいため、圧電体１は波長が厚み
の1/4程度の超音波周波数f₀に対し最大感度を有
する。すなわち、圧電体１からみて圧電体２は振
動の節となるため、通常の1/2波長モードとは異
なり、丁度1/4波長の定在波が生じやすくなるた
めである。この場合圧電体２は同じ周波数f₀に於
て1/4波長の厚みとなるため、音響的整合層とし
て働く。従つて、受波用圧電体１の背面に放射さ
れた超音波はほとんどバツキング材３に透過し、
そこで吸収されるために多重反射を生じない。そ
れ故、圧電体１を受波に用いた場合、周波数f₀に
於て良好なパルス特性を示す。一方、送波に於て
はバツキング材の音響インピーダンスZ_BはZ₂より
も大きいため、圧電体１と同様の理由により、波
長が厚みの1/4程度の超音波周波数f₀に対し最大
出力を放射することになる。この場合、圧電体２
の前面にある圧電体１は、周波数f₀に於て1/4波
長の音響的整合層として働くため、超音波を被測
定物に効率よく伝播する。それ故、圧電体２を送
波に用いた場合、周波数f₀に於て良好なパルス特
性を有するとともに、効率よく出力を被測定物に
向けて放射させることができる。以上の説明よ
り、送受ともにf₀近傍の周波数に於て良好な特性
を示すことが明らかである。

第１図の構成において、圧電体１と２の組合せ
としては、チタン酸ジルコン酸鉛と水晶、チタン
酸ジルコン酸鉛とポリフツ化ビニリデン、チタン
酸ジルコン酸鉛と複合物などが好適である。ただ
し、チタン酸ジルコン酸鉛をチタン酸鉛と置換し
ても同じである。さらに、複合物とポリフツ化ビ
ニリデン、複合物と複合物なども好適である。

第２図は本発明の他の実施例の構成を示す図で
ある。受信用圧電体１と送信用圧電体２を貼り合
わせ、その背面に、圧電体２の音響インピーダン
スZ₂よりも大きな音響インピーダンスZ_nを有し、
厚みが1/4波長の音響的整合層６を貼り、さらに
音響インピーダンスZ′_Bのバツキング７を裏打ち
したものである。第１図に示す構成例に於ては、
バツキング３は送信用圧電体２よりも高い音響イ
ンピーダンスZ_Bを有し、かつ大きな減衰率を有す
るものでなければならない。しかし、第２図の構
成に於ては、整合層６からバツキングを見たイン
ピーダンスはＺ＝Z² _n／Z′_Bとなるため、Z_nとして
金属のように減衰は小さいが大きなインピーダン
スを有するものを選べばバツキング７は比較的小
さなインピーダンスのものでよい。例えば、整合
層６として鋼板を選ぶとZ_n＝46.8×10⁶Kg・
m^-2・S^-1となるため、バツキング７にはタング
ステン粉末とエポキシ樹脂の混合物などのように
インピーダンスは小さいが損失の大きな材料を使
うことができ、Z′_B＝５×10⁶Kgm^-2S^-1として、Z_i
＝438×10⁶Kgm^-2S^-1となる。従つて、圧電体２
に対して十分に音響インピーダンスの大きなバツ
キングと見なせるわけである。

第３図波び第４図は、それぞれ受信感度及び送
信出力の周波数依存性を示す図であり、両図にお
いて、実線は送信用圧電体にチタン酸ジルコン酸
鉛を、受信用圧電体にポリフツ化ビニリデンを、
音響的整合層６に銅板を、さらにバツキング７に
フエライト粉末入りゴムを用いた場合を表わす。
また破線は、従来用いられるように圧電体２とし
て周波数f₀に対し1/2波長モード励振するような
厚みを選んだ場合を示す。この特性曲線から明ら
かなように、本発明の探触子の場合では、周波数
f₀において高感度でかつ２倍以上の広帯域特性が
実現されていることがわかる。

第５図は、本発明の他の実施例の構成を示す図
であり送信用圧電体１は上部電極８、下部電極９
を有し、受信用圧電体２は上部電極１０と下部電
極１１を有する。ここで、電極９と電極１０をア
ース電極に選べば、両者を電気的に絶縁する必要
が全くないため、接着層１２の厚みを、極めて容
易に音響的に悪影響を与えない程十分に薄いもの
とすることができ、接着層による感度低下や波形
劣化を抑えることができる。さらに接着剤として
導電性接着剤を用いることもできるため、電極
９，１０からのリード線の引出しが容易になる。

このような接続法の他に、電極８と電極１０を
アース電極に選ぶこともできる。この場合電極９
と電極１０を電気的に絶縁する必要が生じるが、
電極９は受信機に接続される電極であるため、耐
電圧性に対する制約がなく、接着層１２の厚みを
両電極が接しない程度に十分に薄くできる。しか
もこの場合、電極８はアース電極であるから、探
触子を被測定体に接触させたときに、被測定体か
ら雑音を拾うこともなくなる。

以上２例以外の電極接続法では、電極１０は送
信機の出力側に接続されるため、電極１０には通
常数10〜数百Ｖの高電圧パルスが印加され、接着
層１２の耐電圧性が問題となる。例えば、接着層
１２の厚みを数ＭHz帯の超音波に対し十分に無視
できる10μｍ、印加電圧を100Vとするとその電界
強度は100KV／cmにも達するため、通常の接着
剤では絶縁破壊が生じる。従つて、送信用圧電体
に高電圧パルスを印加するような用途には、送波
用圧電体のアース電極側が、受波用圧電体に接す
るように電極を選ぶことが必要となつてくる。

第６図は本発明の他の実施例の構成を示す図で
ある。

本実施例は、第１図と同じ構成であるが短冊状
にして用いる場合を示している。

第７図は、本発明の他の実施例の構成を示す図
であり、第６図に示す短冊状素子をアレー状に並
べたものである。このようなアレー状素子は、超
音波診断装置用の探触子として用いる場合、リニ
ア状又はセクタ状に超音波を送受信するのに用い
られる。

第８図は本発明の他の実施例の構成を示す図で
ある。

受信用圧電体１３の背面に送信用圧電体１４を
貼り、さらにバツキング材１５をそなえた構造と
なつている。

圧電体１２としては、ポリフツ化ビニリデンな
どの軟らかい圧電体を用いると、短冊状に切断し
なくても、電極の形状を圧電体１４に対応させて
分離するだけで、切断したのと同様の効果を得る
ことも可能である。

第９図は本発明の他の実施例の構成を示す図で
ある。その構成は第８図と同様であるが、短軸方
向に超音波を集束させるために凹面状にしたもの
である。なお、このように凹面状にすれば、第７
図に示す場合でも同様に集束できることは明らか
である。

さらに本発明の他の実施例の構成を第１０図に
示す。

本実施例は、受波用圧電体として、そのポーリ
ング方向を互いに逆向きにして複数個積層した場
合を示している。即ち、以上の実施例では、受信
用圧電体は一枚の振動子で構成した場合を示した
が、第１０図に示す実施例では、互いに逆向きに
ポーリング（図の矢印はポーリングの向きを示し
ている）した圧電体１６，１７からなる圧電体を
用い、外側の電極１８，１９をアースするのであ
る。両圧電体の電極２０，２１は共通電極となる
ため、接着層２２は、極めて薄いものを用いるこ
とができる。電極２０，２１は受信機２３に接続
される。送信用圧電体２４の上部電極２５はアー
スに接続されるため、接続層２６は電気的に絶縁
する必要がなく、極めて薄いものとすることがで
きる。下部電極２７は送信機２８に接続されてい
る。２９は、バツキングである。かかる構成とし
た場合、圧電体１６，１７は音響的にも電気的に
も１枚の圧電体とみなすことができ、しかも、被
測定物に接する電極１８もアースに接続されるた
め、外部雑音の影響を受けず、さらに受波時に表
面電極と被測定物とで形成する浮遊容量による感
度劣化も避けることができるなどの優れた特性を
有する。

なお、受信用圧電体としては、第１０図に示す
以外に、圧電体１６と１７の組合せを基本単位と
し、これを複数個用いても全く同様なことは勿論
である。

また、振動子形状としては、第７図、第８図及
び第９図に示すような場合にも、第１０図に示す
構成が適用できるのは勿論である。

以上第５図から第１０図までの実施では第１図
の構成を用いていたが、第２図の構成を用いても
全く同様であることは明らかであろう。

更に本発明ではここに述べた材料や振動子素子
の形状に限定されないのは勿論である。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、送受波の位置ず
れがなく、しかも同一圧電体を送受信に用いるの
に比べて送受信感度が高く、さらにパルス特性の
良い超音波探触子を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１，２図は本発明の一実施例の構成を示す
図、第３，４図は本発明の実施例の感度と送信出
力の周波数特性を示す図、第５図〜第１０図は本
発明の実施例の構成を示す図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 送波用圧電体と、この圧電体の音響インピー
   ダンスよりも小さい音響インピーダンスを有する
   上記圧電体に貼付された受波用圧電体とからな
   り、上記両圧電体はその厚みが送受信する音波の
   １／４波長程度であると共に上記送波用圧電体にこ
   の圧電体よりも音響インピーダンスの大きな物体
   を裏打ちすることを特徴とする送受分離形超音波
   探触子。 ２ 上記受波用圧電体がポーリングの方向を互い
   に逆向きにして積層した圧電体であることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の探触子。