JPS586461A - 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、広い広帯域特性が得られる超音波探触子の改
良に関する。

超音波による音響媒質（物体）の測定技術は、金属探傷
や医療診断等の分野で盛んに利用されている。

このような超音波測定技術では、超音波探触子かも超音
波パルスを発射し、音響媒質からの反射パルスの受信に
よるパルスエコー法が広く用いられている。

パルスエコー法では、一般に１／４波長音響整合方弐に
よりて広帯域化を図るものである。

即ち、第１図の従来の超音波探触子断面図に示す様に、
ダンパー材１上に設けられる圧電振動子２と、超音波を
放射しようとする音響媒質４との間Ｋ、１／４波長の音
響整合層３を介在させるものである。音響整合層３は圧
電振動子２に取付けられ且つその厚みは前述の如く音響
兼合層中の超音波の波長の１／４に定められる。

しかし、この方法では、圧電振動子２の音響インピーダ
ンス（ｚｏ）と音響媒質４の音響インピーダンス（ＺＭ
）の値によって、１．／４波長音響整合層５の音響イン
ピーダンス（Ｚｏｏ）の選択範囲が限られてしまい、こ
のため一層の整合層で得られる帯域幅に制限があり広帯
域が得られない。

このため、更に広帯域が必要な場合には、音響整合層を
２層、３層等と多層の整合層を必要とし、製造を難しく
するものであった。

更に、金属探傷の場合の様に、音響媒質４の音響インピ
ーダンス（ＺＭ）が、圧電振動子２の音響インピーダン
ス（Ｚｏ　）よシも大きい場合、即ちｚＭ＞ｚｏの場合
、１／４波長音響整合理論に従えば、音響整合層３の音
響インピーダンス（Ｚ　ｏｌ）は次の関係を持つ。

即ち、圧電振動子２と音響整合層３との間のインピーダ
ンスの関係は、Ｚ、、＞Ｚｏであり、又音響整合層３と
音響媒質４との間のインピーダンスの関係は、ｚＭ＞ｚ
ｏ、とするものである。

このようなインピーダンス関係にあることから、圧電振
動子２側から見た２つの境界面における反射率ｒ１＋γ
２Ｌいずれも負になってしまう。

即ち、ｒ＋＝（Ｚｏ−Ｚｏ、）／（Ｚｏ＋Ｚｏ＋）であ
るが、Ｚｏ＜Ｚｏ＋であるので、γ、〈０となる。

又、ｒ２＝（ｚｏ、−２ｍ）／（ｚｏ、＋ｚｒｒｌ）で
あるが２゜、〈ｚｍであるので、ｒ２〈０となる。

一般に、反射率が正である方が好ましく、反射率が負で
あると位相反転等が生じ悪影響をもたらす。

このため、金属探傷等の音響媒質４の音響インピーダン
スが圧電振動子２の音響インピーダンスよシ大きい場合
には、１／４波長整合理論を導入しても広帯域化が図れ
ないという問題があった。

本発明の目的は、容易に広帯域化が可能で、しかも簡単
な構成で達成しうる超音波探触子の提供にある。

本発明の他の目的は、金属探傷勢において広帯域化を可
能とする超音波探触子の提供にある。

本発明の別の目的は、広帯域特性の形状を簡単な構成で
種々変化しうる超音波探触子の提供にある。

以下、本発明を図面に従い詳細に説明する。

第２図は本発明の一実施例断面図を示し、第３図は本発
明による送受波利得対周波数特性図である。

図中、１はダンパー、２は圧電セラミックス、例えばＰ
ＺＴ等、からなる圧電振動子でダンパー１上に接着等に
より取付けられる。４は測定されるべき音響媒質で、６
は音響整合層で、本発明では１／６波長以下の厚みｄを
有する。５は充填層で、圧電振動子２及び音響整合層６
より音響インピーダンスが低く構成されており、広帯域
特性の変化のために設けられる。、７は水、油、グリセ
リン等の音響カップリング材である。

以下、本発明の作用効果について説明する。

例えば、音響媒質４が水、圧電振動子２がＰｚＴの場合
には各々の音響インピーダンスはほぼ次の如く々る。

Ｚ（１＝３Ａ５Ｘ１０’に９層ｍ’ｓ ＺＭ＝　ｔｓ　ｘ　１ｏ’ｋｐ／ｍ’ｓこの時、１／４
波長の音響整合層３を一層とし、音響インピーダンス２
０１が４Ｘ１０’ゆ／ｗ？８乃至５×１０　’　ｋｆｉ
／？８よりも大となると、探触子にかかる送信電圧Ｖｉ
と受信時探触子の開放出力電圧ｖ０との間）送受波利得
、即ち２０　ｔｏｇ　（Ｖｏ／Ｖｔ　）　（ｄＢ）、は
周波数に対し、第３図の記号ａの如く双峰特性を呈する
。更に音響インピーダンスｚ０１が大となると、双峰特
性の山と谷の差は更に大きくなる。

この山と谷の比を許容される一定の値に決めれば、帯域
が一意的に定まる。

即ち、従来の１／４波長整合理論では、広帯域化に限界
があることを示している。

一方、本発明の如く、音響整合層６の厚みｄを１／４波
長よシも小さくしていくと、第３図の記号す、Ｃの如く
山と谷の差が小さくなるとともに、帯域も広がることが
わかった。

即ち、以下の様な構造の探触子で、音響整合層６の厚み
ｄを種々変化せしめて実験を行った。

圧電振動子２　：　ＰＺＴ　（ｚｏ中ｓＡ５　ｘ　１０
’ｙ、／ｍ’ｓ　）音響整合層６：鋼（Ｚ　０１−４”
　４５　Ｘ　１０　’　ｋｇ／ｍ’　Ｓ　）厚み２０μ
ｍ ダンパー１：音響インピーダンス関係 中１０Ｘ１０６ゆ／ｄＢ 尚、充填層５は設けず、音響整合層６はエポキシ樹脂で
圧電振動子２に接着した。

係る構造探触子を音響媒質４としての鋼に対し約３０μ
ｍのマシーン油の音響カップリング材７を介し接触させ
、超音波を放射した。この時音響整合層６の厚みｄを■
１／４波長（従来の構成）、■１／６波長、■１／１０
波長とした時の送受波利得を各々測定した。

その結果第３図に示すように、１／４波長の場合は曲＠
　ａ　ｓ　　１　／　６波長の場合には曲＠ｂ、１／１
０波長の場合には曲線Ｃが得られた。

即ち、１／６波長の場合（曲＃ｂ）は１／４波長の場合
（曲線（Ｌ）に比し、山谷の差が半分近く減少し、且つ
帯域は倍となっていることかわかる。

又、１／１０波長の場合（曲線Ｃ）は山谷の差が殆んど
なく、シかも帯域も曲線ａの２．５倍と広がっているこ
とがわかる。

これは、音響媒質４を水、人体等に変えても同様の特性
を示すことを確認した。

このことから、少なくとも青畳整合層６の淳みｄを１／
６波長以下とすると山谷差の少ない広帯域特性が得られ
ることが理解されよう。

更に、前述の実験例の如く、音響媒質４が金属の如く、
圧電振動子２の音響インピーダンスより大きくても、充
分前書整合が保たれることもわかった。

又、第２図の如く圧電振動子２と音響整合層６との間に
充填層５を設ける。充填層５の音響インピーダンスを圧
電振動子２と音響整合層６のそれよりも小さくする。

この充填層５によって前述の広帯域特性の形状を変化せ
しめることが可能で、要求に合わせて所望の特性を与え
ることが可能である。

以上説明した様に、本発明によれば、音響整合層６の厚
みを１／６波長以下にすることにより、山谷の差が少な
く且つ帯域の広い特性が容易に得られ、探触子の広帯域
化が図れるとともに、係る探触子を容易に製造出来ると
いう工業上極めて有用な効果を奏する。

しかも、低音響インピーダンスの充填層を圧電振動子と
音響整合層間に設けることにより、特性を種々に変更し
うるため探触子の設計が容易となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の超音波探触子断面図、第２図は本発明の
一実施例断面図、第５図は本発明による特性説明図であ
る１、 図中の記号は以下を示す。 １・・・ダンパー材　　　　２・・・圧電振動子３．６
・・・音響整合層　　　４・・・音響媒質５・・・充填
層　　　　　　　７・・・音響カップリング材特許出願
人　　日本電波工業株式会社 代理人　　弁理士　辻　　　　實 外２名 第１ゾ　　　　　　第２図 ＄３図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ダンパー上に設けられる圧電振動子と、該圧電振
   動子の音響媒質側に投砂られる１／６波長以下の厚みの
   音響整合板とを備えることを特徴とする超音波探触子。
2. （２）ダンパー上に設けられる圧電振動子と、誼圧電振
   動子の音響媒質側に設けられる１／６波長以下の厚みの
   音響整合板と、該圧電振動子と該整合板間に設けられる
   該振動子及び整合板よりも音響インピーダンスの小さい
   層とを備えることを特徴とする超音波探触子。