JPH10243497A - 超音波探触子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 医療や探傷などの分野で用いられる超音波探
触子において、高感度で方位分解能が高く、安価な超音
波探触子を提供することを目的とする。 【解決手段】 圧電振動子１２の片側または両側に部分
的に超音波を透過／反射／吸収／減衰する前面層１６、
１７および背面層１９、２０を設けることにより、音響
レンズなどを用いることなく位相差を利用して所望の位
置に超音波を収束させることが可能となる。このため感
度低下なく方位分解能を向上することができ、また製作
上においては加工の困難な圧電振動子１２に複雑な加工
を必要としないため、歩留まり向上・コストダウンが可
能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波を利用した
計測の分野に用いられる音波集束型超音波探触子に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から医療、探傷などの計測の分野で
用いられる超音波探触子では、圧電振動子から放射され
た超音波の方位方向の分解能を向上させるため、所望の
位置で集束するよう構成されている。超音波を収束させ
る方法としては音響レンズを用いる方法が一般的であ
る。また別の方法として図１２に示す凹面型圧電振動子
を用いる方法、図１３に示す超音波の位相を利用した方
法がある。図１２に示す両側に駆動電極２を有する凹面
型圧電振動子１で超音波を集束させる方法についてはそ
の形状から明白であるので説明を省略し、ここでは図２
に示す超音波の位相を利用した方法について説明する。
これは、両側に電極を備えて超音波を送受信する圧電振
動子３と、その音波放射面側に設けられた音響整合層４
と、圧電振動子３の背面から出射される超音波を吸収減
衰させるダンピング層５からなり、圧電振動子３を所定
の範囲のみに設けて、焦束点Ｆで同位相の超音波を取り
出す方法である。超音波の共振波長をλとした時、集束
点Ｆを中心として半径がλ／２ずつ異なる円によって囲
まれる交互の部分に、超音波を放射する部分としない部
分を設定することにより、所望の位置で超音波を集束さ
せることができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
音響レンズを用いた集束方法では、音響レンズ部分での
超音波の減衰により感度が低下するという問題を有して
いる。また凹面振動子を用いた集束方法や従来の位相差
を利用した集束方法では、加工の困難なセラミクス圧電
振動子を高精度に所望の形状に加工する必要があり、歩
留まり・コスト面に問題を有している。

【０００４】

【課題を解決するための手段】このような問題点を解決
するため、本発明では、圧電振動子面の規定の範囲のみ
に音響整合層またはダンピング層を持つ超音波探触子、
または性質の異なる２種の材料を用いた分布型の前面層
と背面層を持つ超音波探触子を提供するものである。

【０００５】本発明の超音波探触子によれば、超音波を
所望の位置に収束させることができ、感度を低下させる
ことなく方位分解能を向上させることができるものであ
り、高感度で高分解能な計測を可能とするものである。
また加工の容易な音響整合層材料やダンピング層、また
は前面層や背面層のみを加工すればよいため、歩留まり
向上・コストダウンを実現できるものである。

【０００６】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、圧電振動子から放射される超音波が圧電振動子の前
方の一点に同相で到達するように構成された音波集束型
超音波探触子において、圧電振動子の音波放射面側に、

【数３】 を満足する範囲のみに音響整合層が形成されていること
を特徴とする超音波探触子である。ただしｒは圧電振動
子面の中心からの距離、λは圧電振動子の共振波長、ｙ
は圧電振動子面から超音波集束点までの距離を示す。本
発明によれば、超音波を所望の位置に収束させ、感度低
下なく方位方向の分解能を向上させるという作用を有す
るものである。また製造上においては、歩留まり向上・
コストダウンを可能にするという作用を有するものであ
る。

【０００７】請求項２に記載の発明は、圧電振動子から
放射される超音波が圧電振動子の前方の一点に同相で到
達するように構成された音波集束型超音波探触子におい
て、圧電振動子の音波放射面側に（数３）を満足する範
囲と、

【数４】 を満足する範囲とで、異なる材料から構成されている前
面層を持つことを特徴とする超音波探触子であり、超音
波を所望の位置に収束させ、感度低下なく方位方向の分
解能を向上させるという作用を有するものである。また
製造上においては、歩留まり向上・コストダウンを可能
にするという作用を有するものである。

【０００８】請求項３または４に記載の発明は、請求項
２に記載の発明の前面層の材料を限定したものであり、
本発明の所期の性能が得られるという作用を有する。

【０００９】請求項５に記載の発明は、圧電振動子から
放射される超音波が圧電振動子の前方の一点に同相で到
達するように構成された音波集束型超音波探触子におい
て、圧電振動子の背面側に（数４）を満足する範囲のみ
にダンピング層が形成されていることを特徴とする超音
波探触子であり、超音波を所望の位置に収束させ、感度
低下なく方位方向の分解能を向上させるという作用を有
するものである。また製造上においては、歩留まり向上
・コストダウンを可能にするという作用を有するもので
ある。

【００１０】請求項６に記載の発明は、圧電振動子から
放射される超音波が圧電振動子の前方の一点に同相で到
達するように構成された音波集束型超音波探触子におい
て、圧電振動子の背面側に（数３）を満足する範囲と
（数４）を満足する範囲で異なる材料から形成されてい
る背面層を持つことを特徴とする超音波探触子であり、
超音波を所望の位置に収束させ、感度低下なく方位方向
の分解能を向上させるという作用を有するものである。
また製造上においては、歩留まり向上・コストダウンを
可能にするという作用を有するものである。

【００１１】請求項７または８に記載の発明は、請求項
６に記載の発明の背面層の材料を限定したものであり、
本発明の所期の性能が得られるという作用を有する。

【００１２】請求項９に記載の発明は圧電振動子と、請
求項１記載の音響整合層または請求項２記載の前面層
と、請求項４記載のダンピング層または請求項５記載の
背面層を組み合わせて構成されたことを特徴とする超音
波探触子であり、超音波を所望の位置に収束させ、感度
低下なく方位方向の分解能を向上させるという作用を有
するものである。また製造上においては、歩留まり向上
・コストダウンを可能にするという作用を有するもので
ある。

【００１３】以下、本発明の実施の形態について、図１
から図１１を用いて説明する。 （実施の形態１）図１は本発明の実施の形態１における
超音波探触子の概略断面図である。図１において、１１
は圧電振動子１２の駆動用電極であり、１２は超音波を
送受信する圧電振動子であり、１３は圧電振動子１２の
音波放射面側にあるパターンで設けられた音響整合層で
ある。また図２は本実施の形態における超音波探触子を
リング状に形成した場合を音波放射面側から見た図であ
り、図３はアレイ状に形成した場合を同じく音波放射側
から見た図である。

【００１４】以上のように構成された超音波探触子の製
造方法の一例を説明する。超音波探触子の製造に当たっ
ては、まず初めに各部分の寸法を決定する。測定対象の
大きさや所望の分解能から超音波の波長λを設定する。
この波長λに共振波長を持つよう圧電振動子１２の厚み
を波長の約１／２に設定する。音響整合層１３は、圧電
振動子１２と超音波を伝播させる媒体（例えば空気や
水）の音響インピーダンスの幾何平均に近い値の材料を
選択し、その厚みは波長λの約１／４に設定する。次に
圧電振動子１２の音響整合層１３を設ける範囲を設定す
る。音響整合層１３を設ける範囲は、圧電振動子１２の
中心Ｏからの距離ｒが波長λと集束点距離ｙで規定され
る（数３）を満足する範囲である。

【００１５】例えば波長λが０．３ｍｍ（超音波周波数
が５ＭＨｚ、伝播媒体が水）で、集束点距離ｙが３０ｍ
ｍの場合に、音響整合層１３を設ける範囲は、 ０＜ｒ＜３．００ｍｍ、４．２５ｍｍ＜ｒ＜５．２２ｍ
ｍ、６．０３ｍｍ＜ｒ＜６．７５ｍｍ …… となる。これは集束点Ｆを中心として半径がλ／２ずつ
異なる円によって囲まれる交互の部分を、音響整合層１
３を設ける範囲と設けない範囲に設定することを意味し
ている。次に設定した厚みに従って圧電振動子１２と音
響整合層１３のシートを作成する。圧電振動子１２は、
円形やアレイなどの所望の形状に整形し、圧電振動子１
２の両面には駆動用電極１１を印刷・スパッタ等によっ
て形成する。音響整合層１３は、（数３）を満足する範
囲のみに存在するよう整形し、接着等により圧電振動子
１２に接合して超音波探触子を製作する。

【００１６】以上のように構成された超音波探触子の動
作について図面を参照しながら説明する。図４は本実施
の形態における超音波探触子の動作を示す模式図であ
る。圧電振動子１２の音波放射面側には、（数３）を満
たす範囲のみに音響整合層１３が設けられており、両面
の駆動用電極１１は信号線１４を介して送受信部１５に
接続されている。送受信部１５から駆動信号を受けた圧
電振動子１２は、電界強度に応じた変形をして超音波Ｕ
Ｓを発生する。圧電振動子１２で発生した超音波ＵＳ
は、図４に示すように、音響整合層１３を設けた範囲で
は、音響インピーダンス整合により効率よく外部へ放射
される。音響整合層１３を設けていない範囲では、音響
インピーダンスの不整合により外部へほとんど放射され
ない。このため、圧電振動子１２の全面を同位相で駆動
した場合には、音響整合層１３を設けた範囲からのみ超
音波が放射されて、集束点Ｆで同位相となり強め合うこ
とになる。したがって、本実施の形態による超音波探触
子は、図１３のような複数の圧電振動子を同位相で駆動
した場合と同様の効果を得ることができるものである。

【００１７】以上のように、本実施の形態１によれば、
音響レンズを用いずに超音波の集束効果を得ることがで
き、高感度と高い方位分解能を実現することができる。
また製作上においては、圧電板に複雑な加工する必要が
ないため、歩留まり向上・コストダウンが可能となるも
のである。

【００１８】（実施の形態２）図５は本発明の実施の形
態２における超音波探触子の概略断面図である。図５に
おいて、１１は圧電振動子１２の駆動用電極であり、１
２は超音波を送受信する圧電振動子である。１６は圧電
振動子１２の音波放射面側の前面層のうち（数３）を満
足する範囲を構成している前面透過層であり、１７は
（数４）を満足する範囲を構成している前面非透過層で
ある。

【００１９】以上のように構成された超音波探触子の製
造方法の一例を説明する。各部分の寸法の規定方法は実
施の形態１と同じであるので説明を省略する。圧電振動
子１２の音波放射面側の（数３）を満たす範囲には、圧
電振動子１２からの超音波を透過して外部へ放射する前
面透過層１６が設けられている。前面透過層１６を構成
する材料としては、伝播媒体が水である場合には例えば
エポキシ系樹脂がある。また（数４）を満たす範囲に
は、圧電振動子１２からの超音波を反射するか内部で減
衰させて外部へ放射しない前面非透過層１７が設けられ
ている。前面非透過層１７を構成する材料としては、例
えば密度の低い中空球体を多く含むエポキシ樹脂があ
る。前面透過層１６および前面非透過層１７は、圧電振
動子１２のあらかじめ規定された範囲に構成されるよう
に整形されている必要がある。

【００２０】図６は圧電振動子１２がリング状に形成さ
れている場合の前面透過層１６と前面非透過層１７を一
体化した前面層を示し、図７は圧電振動子１２がアレイ
状に形成されている場合の前面層を示す図である。あら
かじめ図６および図７のような前面層を作成しておき、
これを圧電振動子１２に接着等により接合することによ
り超音波探触子を製作する。

【００２１】以上のように製作された超音波探触子の動
作方法は、基本的に実施の形態１の場合と同様である。
実施の形態１で音響整合層１３を設けなかった範囲に、
密度の低い中空球体を含むエポキシ樹脂のような、圧電
振動子と音響インピーダンスが大きく異なる材料を用い
ることにより、実施の形態１と同じ効果が得られる。

【００２２】以上のように、本実施の形態２によれば、
音響レンズを用いずに超音波の集束効果を得ることがで
き、感度向上と方位分解能を向上させることを可能とす
るものである。また製作上においては、圧電板に複雑な
加工する必要がないため、歩留まり向上・コストダウン
が可能となるものである。

【００２３】（実施の形態３）図８は本発明の実施の形
態３における超音波探触子の概略図である。図８におい
て、１１は圧電振動子１２の駆動用電極であり、１２は
超音波を送受信する圧電振動子である。１３は圧電振動
子１２の音波放射面側に一様に設けられた音響整合層で
ある。１８は圧電振動子１２の背面に（数４）を満足す
る範囲を構成している分布型のダンピング層である。

【００２４】以上のように構成された超音波探触子の製
造方法の一例を説明する。ダンピング層１８を設ける寸
法の規定方法は実施の形態１と同じであるので説明を省
略する。ダンピング層１８は、圧電振動子１２からの超
音波を吸収し易い材料を選択し、その厚みはダンピング
層１８の中へ伝播した超音波が底面で反射して再び圧電
振動子１２に戻ってくる強度が十分に小さくなるよう設
定する。一般には往復の伝達率が−６０ｄＢ以下となる
ようダンピング層１８の厚みを設定する。ダンピング層
１８を（数４）を満足する範囲のみに存在するよう整形
し、圧電振動子１２の設定範囲に接着等により接合して
超音波探触子を製作する。

【００２５】以上のように構成された超音波探触子の動
作について図面を参照しながら説明する。図９は本実施
の形態における超音波探触子の動作を示す模式図であ
る。圧電振動子１２の音波放射面側には音響整合層１３
が一様に設けられ、背面側には（数４）の範囲のみにダ
ンピング層１８が設けられている。図９に示すように、
ダンピング層１８を設けた範囲の圧電振動子１２で発生
した超音波ＵＳは、ダンピング層１８で減衰されるた
め、圧電振動子１２の前面への超音波放射強度は弱い。
一方ダンピング層１８を設けていない範囲で発生した超
音波ＵＳは、圧電振動子１２の背面で反射して前面から
放射されるため、超音波放射強度が強くなる。このた
め、圧電振動子全面を同位相で駆動した場合には、主に
ダンピング層１８を設けていない範囲から超音波が放射
されて集束点Ｆで同位相となり、強め合うことになる。

【００２６】以上のように、本実施の形態３によれば、
音響レンズを用いずに超音波の集束効果を得ることがで
き、感度向上と方位分解能を向上させることを可能とす
るものである。また製作上においては、圧電板に複雑な
加工する必要がないため、歩留まり向上・コストダウン
が可能となるものである。

【００２７】（実施の形態４）図１０は本発明の実施の
形態４における超音波探触子の概略図である。図１０に
おいて、１１は圧電振動子１２の駆動用電極であり、１
２は超音波を送受信する圧電振動子である。１３は圧電
振動子１２の音波放射面側に一様に設けられた音響整合
層である。１９は圧電振動子１２の背面層の（数３）を
満足する範囲を構成している背面反射層であり、２０は
圧電振動子１２の背面側の（数４）を満足する範囲を構
成している背面吸収層である。

【００２８】以上のように構成された超音波探触子の製
造方法の一例を説明する。各部分の寸法の規定方法は実
施の形態１と同じであるので説明を省略する。圧電振動
子１２の背面層の（数３）を満たす範囲には、圧電振動
子１２で発生した超音波を反射する材料から構成された
背面反射層１９が設けられている。背面反射層１９を構
成する材料として、例えば密度の低い中空球体を多く含
むエポキシ系樹脂がある。また（数４）を満たす範囲に
は、圧電振動子１２からの超音波を吸収して内部で減衰
させる材料から構成された背面吸収層２０が設けられて
いる。背面吸収層２０を構成する材料としては、例えば
フェライトゴムがある。背面反射層１９および背面吸収
層２０は、圧電振動子１２のあらかじめ規定された範囲
に構成されるように整形されている必要がある。圧電振
動子１２の背面に設ける背面反射層１９と背面吸収層２
０を一体化した背面層の形状は、図６および７に示した
ものと同じである。このような背面層を圧電振動子１２
に接着等により接合することにより超音波探触子を製作
する。

【００２９】以上のように製作された超音波探触子の動
作方法は基本的に実施の形態３の場合と同様である。実
施の形態３でダンピング層１８を設けていなかった範囲
に、密度の低い中空球体を含むエポキシ樹脂のような、
圧電振動子１２と音響インピーダンスが大きく異なる材
料を用いることにより、実施の形態３と同じ効果が得ら
れる。このため、圧電振動子全面を同位相で駆動した場
合には、背面反射層１９を設けた範囲から主に超音波が
放射され、焦点位置で同位相となり強め合うことにな
る。

【００３０】以上のように、本実施の形態４によれば、
音響レンズを用いずに超音波の集束効果を得ることがで
き、感度向上と方位分解能を向上させることを可能とす
るものである。また製作上においては、圧電板に複雑な
加工する必要がないため、歩留まり向上・コストダウン
が可能となるものである。

【００３１】（実施の形態５）図１１は本発明の実施の
形態５における超音波探触子の一例の概略図である。図
１１において、１１は圧電振動子１２の（数３）を満足
する範囲に設けられた駆動用電極であり、１２は超音波
を送受信する圧電振動子である。１６は圧電振動子１２
の音波放射面側の前面層のうち（数３）を満足する範囲
に設けられた前面透過層であり、１７は（数４）を満足
する範囲に設けられた前面非透過層である。また、１９
は圧電振動子１２の背面層の（数３）を満足する範囲に
設けられた背面反射層であり、２０は圧電振動子１２の
背面側の（数４）を満足する範囲に設けられた背面吸収
層である。このように構成された超音波探触子の製造方
法および動作方法は、実施の形態２および実施の形態４
で述べたものと同様であるので説明を省略する。

【００３２】以上のように、本実施の形態５によれば、
実施の形態２で述べた前面層と、実施の形態４で述べた
背面層と、（数３）を満足する範囲にのみ電極を設けた
圧電振動子を同一の超音波探触子に使用することによ
り、一層強い超音波の集束効果を得ることができ、感度
向上と方位分解能をさらに向上することを可能とするも
のである。

【００３３】なお、本実施の形態５は、実施の形態２で
述べた前面層と実施の形態４で述べた背面層との組み合
わせであるが、音響整合層として、圧電振動子１２と同
形状の音響整合層、または実施の形態１で述べた分布型
の音響整合層１３も適用可能である。さらにダンピング
層についても、ダンピング層を設けない場合は通常使用
されている圧電振動子と同形状のダンピング層、または
実施の形態３で述べた分布型のダンピング層１８も適用
可能である。さらに、音響整合層、ダンピング層、圧電
振動子の電極のタイプを任意に選択することにより、感
度と製造コストのトレードオフから設定される最適な超
音波探触子を提供することが可能となるものである。

【００３４】

【発明の効果】以上のように、本発明による超音波探触
子は、圧電振動子面の規定の範囲のみに音響整合層また
はダンピング層を形成したものであり、また性質の異な
る２種の材料を用いた分布型の前面層と背面層を形成し
たものであり、高感度で方位方向の分解能の高い、かつ
低コストで歩留りの高い超音波探触子を提供することが
可能であるという有利な効果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１における超音波探触子の
概略断面図

【図２】本発明の実施の形態１におけるリング状超音波
探触子の概略正面図

【図３】本発明の実施の形態１におけるアレイ状超音波
探触子の概略正面図

【図４】本発明の実施の形態１における超音波探触子の
動作を示す模式図

【図５】本発明の実施の形態２における超音波探触子の
概略断面図

【図６】本発明の実施の形態２におけるリング状超音波
探触子用音響整合層の斜視図

【図７】本発明の実施の形態２におけるアレイ状超音波
探触子用音響整合層の斜視図

【図８】本発明の実施の形態３における超音波探触子の
概略断面図

【図９】本発明の実施の形態３における超音波探触子の
動作を示す模式図

【図１０】本発明の実施の形態４における超音波探触子
の概略断面図

【図１１】本発明の実施の形態５における超音波探触子
の概略断面図

【図１２】従来の凹面型圧電振動子の概略断面図

【図１３】従来の圧電振動子分布型超音波探触子の概略
断面図

【符号の説明】

１１ 駆動用電極 １２ 圧電振動子 １３ 音響整合層 １４ 信号線 １５ 送受信部 １６ 前面透過層 １７ 前面非透過層 １８ ダンピング層 １９ 背面反射層 ２０ 背面吸収層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 足 立 明 久 神奈川県川崎市多摩区東三田３丁目10番１ 号 松下技研株式会社内 (72)発明者 東 奈緒子 神奈川県川崎市多摩区東三田３丁目10番１ 号 松下技研株式会社内 (72)発明者 山 口 恵 作 神奈川県川崎市多摩区東三田３丁目10番１ 号 松下技研株式会社内

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電振動子から放射される超音波が圧電
   振動子の前方の一点に同相で到達するように構成された
   音波集束型超音波探触子において、圧電振動子の音波放
   射面側に、 【数１】 を満足する範囲のみに音響整合層が形成されていること
   を特徴とする超音波探触子。ただしｒは圧電振動子面の
   中心からの距離、λは圧電振動子の共振波長、ｙは圧電
   振動子面から超音波集束点までの距離を示す。
2. 【請求項２】 圧電振動子から放射される超音波が圧電
   振動子の前方の一点に同相で到達するように構成された
   音波集束型超音波探触子において、圧電振動子の音波放
   射面側に（数１）を満足する範囲と、 【数２】 を満足する範囲とで、異なる材料から構成されている前
   面層を持つことを特徴とする超音波探触子。
3. 【請求項３】 請求項２記載の前面層の（数１）を満足
   する範囲は圧電振動子からの超音波を減衰なく透過して
   外部へ放射する材料で構成され、（数２）を満足する範
   囲は圧電振動子からの超音波を反射するか、内部へ透過
   した超音波は減衰し外部へ放射しない材料で構成された
   ことを特徴とする請求項２記載の超音波探触子。
4. 【請求項４】 超音波伝播媒体が水である場合に、請求
   項２記載の前面層の（数１）を満足する範囲がエポキシ
   系樹脂で構成され、（数２）を満足する範囲が中空球体
   を含むエポキシ系樹脂で構成されていることを特徴とす
   る請求項２記載の超音波探触子。
5. 【請求項５】 圧電振動子から放射される超音波が圧電
   振動子の前方の一点に同相で到達するように構成された
   音波集束型超音波探触子において、圧電振動子の背面側
   に（数２）を満足する範囲のみにダンピング層が形成さ
   れていることを特徴とする超音波探触子。
6. 【請求項６】 圧電振動子から放射される超音波が圧電
   振動子の前方の一点に同相で到達するように構成された
   音波集束型超音波探触子において、圧電振動子の背面側
   に（数１）を満足する範囲と（数２）を満足する範囲で
   異なる材料から形成されている背面層を持つことを特徴
   とする超音波探触子。
7. 【請求項７】 請求項６記載の背面層の（数１）を満足
   する範囲は圧電振動子からの超音波を反射し透過しない
   材料で構成され、（数２）を満足する範囲は超音波を内
   部へ透過し減衰する材料で構成されたことを特徴とする
   請求項６記載の超音波探触子。
8. 【請求項８】 請求項６記載の背面層の（数１）を満足
   する範囲は、中空球体を含むエポキシ系樹脂で構成さ
   れ、（数２）を満足する範囲はフェライトゴムで構成さ
   れたことを特徴とする請求項６記載の超音波探触子。
9. 【請求項９】 圧電振動子と、請求項１記載の音響整合
   層または請求項２記載の前面層と、請求項４記載のダン
   ピング層または請求項５記載の背面層を組み合わせて構
   成されたことを特徴とする超音波探触子。