JPH04273698A - 超音波探触子 - Google Patents

超音波探触子

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Publication number
JPH04273698A
JPH04273698A JP3034710A JP3471091A JPH04273698A JP H04273698 A JPH04273698 A JP H04273698A JP 3034710 A JP3034710 A JP 3034710A JP 3471091 A JP3471091 A JP 3471091A JP H04273698 A JPH04273698 A JP H04273698A
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JP
Japan
Prior art keywords
piezoelectric
layer
piezoelectric ceramic
composite
ultrasonic wave
Prior art date
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Pending
Application number
JP3034710A
Other languages
English (en)
Inventor
Shinichi Hashimoto
新一 橋本
Mamoru Izumi
守 泉
Shiro Saito
斉藤 史郎
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP3034710A priority Critical patent/JPH04273698A/ja
Publication of JPH04273698A publication Critical patent/JPH04273698A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/24Probes
    • G01N29/2437Piezoelectric probes
    • G01N29/245Ceramic probes, e.g. lead zirconate titanate [PZT] probes

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)

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】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、超音波検査装置など
に利用される超音波探触子に係り、特に超音波の送受を
行う圧電振動子に関する。
【0002】
【従来の技術】超音波探触子は圧電振動子を主体として
構成され、超音波の送受を行うものであり、人体内部を
検査するための医用診断装置や、金属溶接内部の探傷を
目的とした超音波探傷装置などの超音波検査装置に用い
られる。
【0003】超音波探触子の圧電振動子には、PZTや
チタン酸鉛系などの圧電セラミック材料が主に用いられ
ているが、最近では圧電セラミックと樹脂からなる複合
圧電体も用いられ始めている。この複合圧電体は、通常
の圧電セラミック材料と同等以上の電気機械結合係数を
有しながら、振動子の音響インピーダンスを下げること
ができるため、圧電セラミック材料と比較して周波数帯
域が広く、パルス幅の狭い良好な超音波パルスを発生で
きるという特長がある。
【0004】反面、複合圧電体はその構造から通常の圧
電セラミック材料と比較して静電容量が小さく、電気的
インピーダンスが大きいため、超音波探触子と超音波検
査装置本体とを接続する同軸ケーブルの静電容量分など
による受信系での電圧損失が増大し、感度が低下すると
いう欠点がある。この傾向は、複合圧電体の特徴を引き
出すべく音響インピーダンスを小さくするほど顕著とな
る。
【0005】複合圧電体の静電容量を通常の圧電セラミ
ック材料のそれに近付けようとする場合、圧電体に占め
る樹脂材料部の割合を小さくすればよい。その場合、具
体的には複合圧電体における圧電セラミック材料部の間
の樹脂材料部の幅を狭くするか、樹脂材料部の間隔を広
くとることになるため、圧電セラミック材料部の幅が広
くなり、不要な共振が増えてしまうとともに、製造も困
難となってくる。
【0006】また、電子フォーカスを行うアレイ型超音
波探触子においては、高分解能化のために多素子化の傾
向にあり、それに伴い圧電振動子の一素子当たりの超音
波送受波面積は減少し、各素子の電気的インピーダンス
は大きくなる。このため、複合圧電体を用いた場合、電
圧損失の増大はより顕著となる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、超音
波探触子の広帯域化、高分解化のために圧電振動子に複
合圧電体を用いる場合、通常の圧電セラミック材料を用
いた場合に比較して静電容量が小さくなり電気的インピ
ーダンスが増大するため、受信系での電圧損失が増大し
、感度が低下するいう問題があった。本発明は、複合圧
電体を用いながら、感度を低下させることなく、広帯域
化および高分解能化を達成できる超音波探触子を提供す
ることを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は上記の課題を解
決するため、圧電セラミック材料と樹脂材料とからなる
複合圧電体層を含む圧電振動子を有し、該圧電振動子の
一方の面を超音波送受波面とする超音波探触子において
、圧電振動子の超音波送受波面側の音響インピーダンス
を超音波送受波面と反対側(バッキング材側)のそれよ
り小さくしたことを特徴とする。
【0009】このような超音波探触子は、例えば圧電振
動子を音響インピーダンスの小さい複合圧電体層と、音
響インピーダンスの大きい圧電セラミック層との積層構
造として、複合圧電体層を超音波送受波面側、圧電セラ
ミック層をバッキング材側にそれぞれ配置することによ
って実現される。さらに他の方法として、圧電振動子に
用いられる複合圧電体層に占める樹脂材料部の割合を厚
さ方向において変化させ、樹脂材料部の割合を超音波送
受波面側で多くし、バッキング材側で少なくするように
してもよい。
【0010】
【作用】本発明における圧電振動子は、超音波送受波面
側の音響インピーダンスが小さいため、全体として送波
される超音波の特性は複合圧電体のそれに近く、広帯域
でパルス幅の狭い超音波が得られる。
【0011】また、本発明における圧電振動子は、バッ
キング材側に音響インピーダンスの大きい圧電セラミッ
ク層または圧電セラミック材料部の割合が多い複合圧電
体層を配置できるため、その静電容量は圧電セラミック
材料部と樹脂材料部の割合が厚さ方向で均一な通常の複
合圧電体層単層に比較して大きく、圧電セラミック層の
みからなる圧電振動子の静電容量に比較してさほど小さ
くはならない。このため、圧電振動子の電気的インピー
ダンスも、通常の圧電セラミック層単層の場合と同等と
なる。
【0012】従って、本発明の超音波探触子は通常の圧
電セラミック単層の圧電振動子と同等の感度を確保しつ
つ、より広帯域でパルス幅の狭い超音波パルスの発生が
可能となる。
【0013】
【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。図1は本発明の一実施例に係る超音波探触子の概
略構成を示す斜視図であり、図2は図1のA−A線に沿
う断面図である。
【0014】図1および図2に示す超音波探触子は、バ
ッキング材11上に電極層12を介して圧電セラミック
層13を設け、その上に複合圧電体層14、電極層15
および音響マッチング層18を積層して構成された積層
圧電振動子の構造を有する。圧電セラミック層13は、
圧電セラミック材料のみからなる。複合圧電体層14は
圧電セラミック材料部16と樹脂材料部17からなり、
この例では1−3型複合圧電体層により構成されている
【0015】すなわち、本実施例における超音波探触子
の圧電振動子は、超音波送受波面側(音響マッチング層
18側)が複合圧電体層14からなり、その音響インピ
ーダンスは超音波送受波面と反対側(バッキング材11
側)に位置する圧電セラミック層13の音響インピーダ
ンスより小さくなっている。
【0016】このような超音波探触子は、例えば次のよ
うな工程で作製される。まず、PZT系の圧電セラミッ
ク層単層からなる圧電振動子を用意し、その厚さ方向の
一部を所定の深さまで2次元にダイヤモンドブレードで
ダイシングする。このダイシングにより形成された溝内
に、エポキシ系の樹脂を充填し硬化させる。次に、表面
を平坦化した後、スパッタ等の方法で電極層を形成し、
さらに音響マッチング層を形成することで、図1および
図2のような超音波探触子が得られる。この場合、圧電
セラミック層13と複合圧電体層14中の圧電セラミッ
ク材料部16とは、一つの圧電セラミック材料により一
体に形成されることになる。
【0017】なお、この実施例では多数の圧電振動子を
リニアに配列したアレイ型超音波探触子を示しており、
各振動子の間は溝19で分離され、これらの溝19内に
樹脂が充填されている。
【0018】電極層12,15は、超音波探触子の外部
に引き出されたケーブルを介して図示しない超音波検査
装置本体に接続される。この超音波検査装置本体内の送
信回路から、電極層12,15を介して圧電セラミック
層13と複合圧電体層14に直列に駆動電圧が印加され
る。
【0019】この場合、電極層12,15と圧電セラミ
ック層13および複合圧電体層14からなる圧電振動子
の厚さ方向の静電容量C0 は、圧電セラミック層13
の静電容量C1 と複合圧電体層14の静電容量C2 
との直列合成容量であり、次式で表わされる。       C0 =C1 ・C2 /(C1 +C2
 )                    (1)   一般に、静電容量Cは       C=ε・s/t            
                         
 (2)               ε:比誘電率s:誘電体
層の面積 t:誘電体層の厚さ
【0020】であるから、複合圧電体層14の厚さが適
当な値であれば、複合圧電体層14の誘電率を極端に小
さくしない限り、積層圧電振動子全体の静電容量は圧電
セラミック単層の場合に比較して、極端に小さくなるこ
とはない。これにより複合圧電体層14を用いたことに
よる電気的インピーダンスの増大が抑えられ、受信系で
の電圧損失による感度の低下が防止される。
【0021】また、複合圧電体層14の厚さを圧電振動
子全体の厚さに対して3分の1程度以上にした場合、音
響マッチング層18側から見た見掛け上の音響インピー
ダンスは、複合圧電体層14のそれに近付く。このため
、複合圧電体層14を用いたことによる広帯域化が可能
となる。
【0022】図3は、本発明の他の実施例に係る超音波
探触子の断面図である。この実施例では、複合圧電体層
14が多層構造とされている。すなわち、複合圧電体層
14は図の例では3層構造からなり、音響マッチング層
18側に近い層ほど樹脂材料部17の割合が多くなって
いる。従って、複合圧電体層14は音響マッチング層1
8側ほど音響インピーダンスが小さい。このような構造
の超音波探触子は、圧電振動子をダイシングするダイヤ
モンドブレードの厚さと切断深さを変えることで容易に
作製できる。
【0023】この実施例によっても、先の実施例と同様
に圧電振動子全体の静電容量は、通常の複合圧電体層単
層で構成された圧電振動子に比較して大きくなるので、
電気的インピーダンスの増大を抑えて感度の低下を防止
でき、また圧電セラミック層単層の場合に比較して広帯
域化を図ることができる。
【0024】図4は、本発明のさらに別の実施例に係る
超音波探触子の断面図である。この実施例では図3の実
施例と異なり、複合圧電体層14における樹脂材料部1
7の割合を厚さ方向に連続的に変化させて、その音響イ
ンピーダンスを音響マッチング層18側ほど小さくして
いる。このような複合圧電体層14は、圧電セラミック
材料部16に形成する溝の形状を楔形とすることで実現
できる。このような形状の溝を形成するには、圧電振動
子のダイシングに用いるダイヤモンドブレードの形状を
楔型とすればよい。この実施例によっても、図3の実施
例と同様の効果が得られることはいうまでもない。
【0025】
【発明の効果】本発明による超音波探触子では、圧電セ
ラミック材料と樹脂材料とからなる複合圧電体層を含む
圧電振動子の超音波送受波面側の音響インピーダンスを
超音波送受波面と反対側であるバッキング材側の音響イ
ンピーダンスより小さくしたことにより、全体として送
波される超音波の特性を複合圧電体のそれに近くして、
広帯域でパルス幅の狭い超音波を送信することが可能で
ある。
【0026】また、バッキング材側に音響インピーダン
スの大きい圧電セラミック層または圧電セラミック材料
部の割合が多い複合圧電体層を配置することにより、圧
電振動子の静電容量を圧電セラミック材料部と樹脂材料
部の割合が厚さ方向で均一な通常の複合圧電体層単層に
比較して大きくし、圧電セラミック層のみからなる圧電
振動子の静電容量に近い値にできるので、圧電振動子の
電気的インピーダンスも通常の圧電セラミック層単層の
場合と同等となる。従って、通常の複合圧電体層単層の
振動子に比べ受信系での電圧損失が小さく、しかも通常
の圧電セラミック単層の圧電振動子と同等のパルスエコ
ー感度が得られる。
【0027】すなわち、本発明によれば感度は通常の圧
電セラミック単層の圧電振動子を用いたものと同程度の
値を維持しつつ、より広帯域でパルス幅の狭い超音波パ
ルスを送信することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】  本発明の一実施例に係る超音波探触子の斜
視図
【図2】  図1の超音波探触子のA−A線に沿う断面
【図3】  本発明の他の実施例に係る超音波探触子
の断面図
【図4】  本発明のさらに別の実施例に係る超音波探
触子の断面図。
【符号の説明】
11…バッキング材                
    12…電極層13…圧電セラミック層    
            14…複合圧電体層 15…電極層                   
       16…圧電セラミック材料部 17…樹脂材料部                 
     18…音響マッチング層

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  圧電セラミック材料と樹脂材料とから
    なる複合圧電体層を含む圧電振動子を有し、該圧電振動
    子の一方の面を超音波送受波面とする超音波探触子にお
    いて、前記圧電振動子は、前記超音波送受波面側の音響
    インピーダンスが超音波送受波面と反対側のそれより小
    さいことを特徴とする超音波探触子。
JP3034710A 1991-02-28 1991-02-28 超音波探触子 Pending JPH04273698A (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP3034710A JPH04273698A (ja) 1991-02-28 1991-02-28 超音波探触子

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JP3034710A JPH04273698A (ja) 1991-02-28 1991-02-28 超音波探触子

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JPH04273698A true JPH04273698A (ja) 1992-09-29

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ID=12421906

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JP3034710A Pending JPH04273698A (ja) 1991-02-28 1991-02-28 超音波探触子

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JP (1) JPH04273698A (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103388378A (zh) * 2013-07-31 2013-11-13 上海交通大学 基于压电陶瓷晶体的智能钢筋及其制作方法
WO2019234969A1 (ja) * 2018-06-08 2019-12-12 株式会社日立製作所 音響整合デバイスおよびそれを用いた音響プローブシステム

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103388378A (zh) * 2013-07-31 2013-11-13 上海交通大学 基于压电陶瓷晶体的智能钢筋及其制作方法
CN103388378B (zh) * 2013-07-31 2016-03-02 上海交通大学 基于压电陶瓷晶体的智能钢筋及其制作方法
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