JPH06281634A - 超音波探触子 - Google Patents
超音波探触子Info
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- JPH06281634A JPH06281634A JP5070126A JP7012693A JPH06281634A JP H06281634 A JPH06281634 A JP H06281634A JP 5070126 A JP5070126 A JP 5070126A JP 7012693 A JP7012693 A JP 7012693A JP H06281634 A JPH06281634 A JP H06281634A
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- piezoelectric transducer
- piezoelectric
- ultrasonic probe
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 超音波探触子に関し、複数の弾性的性質を高
精度で短時間のうちに求めることができる、より高い感
度の超音波探触子の提供を目的とする。 【構成】 音響レンズの対物側端面に設けられた凹面レ
ンズ上に直接、３個の互いに独立した円形及び同心円環
状圧電トランスデューサを形成して成る円錐状集束型超
音波探触子において、中央の円形状圧電トランスデュー
サ（第１の圧電トランスデューサ）と該第１の圧電トラ
ンスデューサに隣接する同心円環状圧電トランスデュー
サ（第２の圧電トランスデューサ）が同一曲率半径ｒ1
を有する凹面レンズ領域上に形成され、前記第２の圧電
トランスデューサに隣接する同心円環状圧電トランスデ
ューサ（第３の圧電トランスデューサ）が前記ｒ1より
小さい曲率半径ｒ2を有する凹面レンズ領域上に形成し
た。
精度で短時間のうちに求めることができる、より高い感
度の超音波探触子の提供を目的とする。 【構成】 音響レンズの対物側端面に設けられた凹面レ
ンズ上に直接、３個の互いに独立した円形及び同心円環
状圧電トランスデューサを形成して成る円錐状集束型超
音波探触子において、中央の円形状圧電トランスデュー
サ（第１の圧電トランスデューサ）と該第１の圧電トラ
ンスデューサに隣接する同心円環状圧電トランスデュー
サ（第２の圧電トランスデューサ）が同一曲率半径ｒ1
を有する凹面レンズ領域上に形成され、前記第２の圧電
トランスデューサに隣接する同心円環状圧電トランスデ
ューサ（第３の圧電トランスデューサ）が前記ｒ1より
小さい曲率半径ｒ2を有する凹面レンズ領域上に形成し
た。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は超音波顕微鏡で用いられ
る超音波探触子に係り、特に複数の弾性的性質を同時に
測定できる円錐状集束型超音波探触子に関する。
る超音波探触子に係り、特に複数の弾性的性質を同時に
測定できる円錐状集束型超音波探触子に関する。
【０００２】
【従来の技術】超音波顕微鏡は、超音波ビームを細く絞
って被検体（固体）に照射することによって、物質のミ
クロな部分の形状や弾性的性質を測定する装置である。
超音波顕微鏡でもっとも重要なデバイスが超音波探触子
である。超音波探触子は、電気的入力を超音波に変換
し、被検体表面或は内部にビームを集束して照射し、被
検体で一部散乱、吸収された後、反射されてきた超音波
ビームを検出し、再び電気信号に変換して出力する機能
を有する。これら機能は、超音波探触子の構成要素であ
る音響レンズと圧電トランスデューサによって行われ
る。即ち、圧電トランスデューサによって電気／超音波
変換と超音波信号検出を行い、音響レンズがビーム集束
を行う。
って被検体（固体）に照射することによって、物質のミ
クロな部分の形状や弾性的性質を測定する装置である。
超音波顕微鏡でもっとも重要なデバイスが超音波探触子
である。超音波探触子は、電気的入力を超音波に変換
し、被検体表面或は内部にビームを集束して照射し、被
検体で一部散乱、吸収された後、反射されてきた超音波
ビームを検出し、再び電気信号に変換して出力する機能
を有する。これら機能は、超音波探触子の構成要素であ
る音響レンズと圧電トランスデューサによって行われ
る。即ち、圧電トランスデューサによって電気／超音波
変換と超音波信号検出を行い、音響レンズがビーム集束
を行う。
【０００３】圧電トランスデューサは、圧電体とその上
下を挟む電極から成り、圧電体にはＺｎ０、ＰＺＴ、Ｐ
ＶＤＦなどが用いられる。上下電極はＣｒ−Ａｕなどの
金属薄膜で構成される。一方音響レンズは、石英、サフ
ァイア、Ｓｉなどの単結晶で構成され、対物側端面には
超音波ビームを集束するための凹面レンズが設けられて
いる。
下を挟む電極から成り、圧電体にはＺｎ０、ＰＺＴ、Ｐ
ＶＤＦなどが用いられる。上下電極はＣｒ−Ａｕなどの
金属薄膜で構成される。一方音響レンズは、石英、サフ
ァイア、Ｓｉなどの単結晶で構成され、対物側端面には
超音波ビームを集束するための凹面レンズが設けられて
いる。
【０００４】圧電トランスデューサは、音響レンズの対
電源側端面に密着配置されることが多いが、複数の弾性
的性質を高感度測定する場合、互いに独立した複数個の
薄膜圧電トランスデューサを音響レンズの対物側凹面レ
ンズ上に直接形成する技術が知られている。図５は、従
来用いられていた円錐状集束用三圧電トランスデューサ
型高感度超音波探触子の構造を示す。この探触子は、音
響レンズ２０の対物側凹面レンズ（曲率半径ｒ）上の中
央に、円形の第１の圧電トランスデューサ２１を形成
し、これに隣接して独立した円環状の第２の圧電トラン
スデューサ２２を形成し、更にその外側に独立した円環
状の第３の圧電トランスデューサ２３を形成して成る。
各圧電トランスデューサ２１、２２、２３は、それぞれ
上部電極（符号ａを付加したもの）／圧電体（符号ｂを
付加したもの）／下部電極（符号ｃを付加したもの）の
順に凹面レンズ上に薄膜を多重形成して得られる。
電源側端面に密着配置されることが多いが、複数の弾性
的性質を高感度測定する場合、互いに独立した複数個の
薄膜圧電トランスデューサを音響レンズの対物側凹面レ
ンズ上に直接形成する技術が知られている。図５は、従
来用いられていた円錐状集束用三圧電トランスデューサ
型高感度超音波探触子の構造を示す。この探触子は、音
響レンズ２０の対物側凹面レンズ（曲率半径ｒ）上の中
央に、円形の第１の圧電トランスデューサ２１を形成
し、これに隣接して独立した円環状の第２の圧電トラン
スデューサ２２を形成し、更にその外側に独立した円環
状の第３の圧電トランスデューサ２３を形成して成る。
各圧電トランスデューサ２１、２２、２３は、それぞれ
上部電極（符号ａを付加したもの）／圧電体（符号ｂを
付加したもの）／下部電極（符号ｃを付加したもの）の
順に凹面レンズ上に薄膜を多重形成して得られる。
【０００５】この複合圧電トランスデューサを備えた超
音波探触子は、被検体の複数の弾性的性質、例えば、ヤ
ング率とポアソン比を一度の測定で得る目的で超音波顕
微鏡に用いられる。被検体はＺ軸に垂直に保持される
が、各圧電トランスデューサからの超音波はＺ軸に対し
てそれぞれ異なる入射角、検出角を示す。即ち、各圧電
トランスデューサで検出される波の性質が、それぞれ異
なる。
音波探触子は、被検体の複数の弾性的性質、例えば、ヤ
ング率とポアソン比を一度の測定で得る目的で超音波顕
微鏡に用いられる。被検体はＺ軸に垂直に保持される
が、各圧電トランスデューサからの超音波はＺ軸に対し
てそれぞれ異なる入射角、検出角を示す。即ち、各圧電
トランスデューサで検出される波の性質が、それぞれ異
なる。
【０００６】第１の圧電トランスデューサ２１は、Ｚ軸
方向の超音波、即ち被検体からの直接反射波を検出す
る。又、第２の圧電トランスデューサ２２は、漏洩擬似
縦波反射波（ＬＳＳＣＷ）を検出し、第３の圧電トラン
スデューサ２３は、漏洩レーリー波反射波（ＬＳＡＷ）
検出用である。この超音波探触子を用いて計測を行い、
被検体のヤング率Ｅ、ポアソン比σを求めるには、次の
ような手順による。
方向の超音波、即ち被検体からの直接反射波を検出す
る。又、第２の圧電トランスデューサ２２は、漏洩擬似
縦波反射波（ＬＳＳＣＷ）を検出し、第３の圧電トラン
スデューサ２３は、漏洩レーリー波反射波（ＬＳＡＷ）
検出用である。この超音波探触子を用いて計測を行い、
被検体のヤング率Ｅ、ポアソン比σを求めるには、次の
ような手順による。
【０００７】先ず、ＬＳＳＣＷの計測を行う。即ち、第
１の圧電トランスデューサ２１と第２の圧電トランスデ
ューサ２２とを励振し、第１の圧電トランスデューサか
らは平面波を放射させ、第２の圧電トランスデューサ２
２を用いて被検体に斜め方向から縦波平面波を入射せし
める。この時、被検体と凹面レンズ間には、カプラ（図
示せず）として純水が介在している。入射縦波平面波は
被検体表面でモード変換により、擬似縦波の弾性波を励
振する。この弾性波は水中にエネルギーを放射しながら
被検体表面近傍を伝搬する漏洩擬似縦波（ＬＳＳＣＷ）
である。（−）Ｘの位置にある第２の圧電トランスデュ
ーサ２２から放射されて、Ｘ方向に進行した弾性波は、
（＋）Ｘの位置で入射角と同じ反射角度で水中へ漏洩し
た成分が、反射波ＬＳＳＣＷとして第２の下部電極２２
ａに入射する。この成分は、第２の圧電体２２ｂで電気
信号に変換され、第２の上部電極２２ｃを経て受信器に
至る。
１の圧電トランスデューサ２１と第２の圧電トランスデ
ューサ２２とを励振し、第１の圧電トランスデューサか
らは平面波を放射させ、第２の圧電トランスデューサ２
２を用いて被検体に斜め方向から縦波平面波を入射せし
める。この時、被検体と凹面レンズ間には、カプラ（図
示せず）として純水が介在している。入射縦波平面波は
被検体表面でモード変換により、擬似縦波の弾性波を励
振する。この弾性波は水中にエネルギーを放射しながら
被検体表面近傍を伝搬する漏洩擬似縦波（ＬＳＳＣＷ）
である。（−）Ｘの位置にある第２の圧電トランスデュ
ーサ２２から放射されて、Ｘ方向に進行した弾性波は、
（＋）Ｘの位置で入射角と同じ反射角度で水中へ漏洩し
た成分が、反射波ＬＳＳＣＷとして第２の下部電極２２
ａに入射する。この成分は、第２の圧電体２２ｂで電気
信号に変換され、第２の上部電極２２ｃを経て受信器に
至る。
【０００８】一方、第１の圧電トランスデューサ２１か
ら放射された平面波は、被検体に垂直入射し、焦点位置
で一部反射されてそのまま垂直反射波となり、円形の第
１の下部電極２１ａに入射し、第１の圧電体２１ｂで電
気信号に変換され第１の上部電極２１ｃを経て受信器に
至る。
ら放射された平面波は、被検体に垂直入射し、焦点位置
で一部反射されてそのまま垂直反射波となり、円形の第
１の下部電極２１ａに入射し、第１の圧電体２１ｂで電
気信号に変換され第１の上部電極２１ｃを経て受信器に
至る。
【０００９】この二つの反射超音波による電気信号は、
伝搬経路の違いから位相を異にして干渉を生ずる。その
結果、凹面レンズの焦点距離をＺ方向に移動させると、
これら二つの波の経路長の差が変化し、出力信号ＶにΔ
Ｚの周期を有するいわゆるＶ（Ｚ）曲線が得られる。
伝搬経路の違いから位相を異にして干渉を生ずる。その
結果、凹面レンズの焦点距離をＺ方向に移動させると、
これら二つの波の経路長の差が変化し、出力信号ＶにΔ
Ｚの周期を有するいわゆるＶ（Ｚ）曲線が得られる。
【００１０】水中の音速をｖw、被検体における擬似縦
波音速をｖs、超音波の被検体への入射角をθcとすれ
ば、
波音速をｖs、超音波の被検体への入射角をθcとすれ
ば、
【数１】 となる。この時、超音波の周波数をｆとすれば、
【数２】 で与えられる。ｖw及びｆは既知であり、データからΔ
Ｚが得られるので、（数１）と（数２）よりθc、ｖsが
計算できる。
Ｚが得られるので、（数１）と（数２）よりθc、ｖsが
計算できる。
【００１１】次に、ＬＳＡＷの計測を行う。切替器を操
作して第１の圧電トランスデューサ２１と第３の圧電ト
ランスデューサ２３とを励振し、圧電トランスデューサ
２１及び２３から平面波を発生させる。第３の圧電トラ
ンスデューサ２３からの波は、前記した第２の圧電トラ
ンスデューサ２２よりも大きな入射角度で被検体に入射
し、漏洩モードの表面波を誘起する。弾性表面波は、レ
ーリー波とみなしうる。そして、（＋）Ｘの対応位置で
反射波ＬＳＡＷが第３の圧電トランスデューサ２３によ
って検出され、電気信号に変換される。
作して第１の圧電トランスデューサ２１と第３の圧電ト
ランスデューサ２３とを励振し、圧電トランスデューサ
２１及び２３から平面波を発生させる。第３の圧電トラ
ンスデューサ２３からの波は、前記した第２の圧電トラ
ンスデューサ２２よりも大きな入射角度で被検体に入射
し、漏洩モードの表面波を誘起する。弾性表面波は、レ
ーリー波とみなしうる。そして、（＋）Ｘの対応位置で
反射波ＬＳＡＷが第３の圧電トランスデューサ２３によ
って検出され、電気信号に変換される。
【００１２】一方、第１の圧電トランスデューサ２１に
よる垂直入射波放射とその直接反射波と、第３の圧電ト
ランスデューサ２３によるＬＳＡＷとの位相差に基づい
て出力電圧Ｖは、Ｚ軸方向に周期的に変化する。Ｖ
（Ｚ）曲線からΔＺを読み取り、（数１）、（数２）に
より被検体におけるレーリー波音速ｖLを求めることが
できる。被検体がほぼ等方性固体とみなしうる場合に
は、被検体内部で得られた上記ｖsは
よる垂直入射波放射とその直接反射波と、第３の圧電ト
ランスデューサ２３によるＬＳＡＷとの位相差に基づい
て出力電圧Ｖは、Ｚ軸方向に周期的に変化する。Ｖ
（Ｚ）曲線からΔＺを読み取り、（数１）、（数２）に
より被検体におけるレーリー波音速ｖLを求めることが
できる。被検体がほぼ等方性固体とみなしうる場合に
は、被検体内部で得られた上記ｖsは
【数３】 と表しうる。ここに、Ｅはヤング率（Ｎ／ｍ2）、σは
ポアソン比ρは被検体密度（ｋｇ／ｍ3）である。又、
レーリー波ｖLは
ポアソン比ρは被検体密度（ｋｇ／ｍ3）である。又、
レーリー波ｖLは
【数４】 と表しうる。（数３）、（数４）からヤング率Ｅとポア
ソン比σを求めることができる。
ソン比σを求めることができる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】前記した従来技術によ
れば、複数の弾性的性質、例えばヤング率とポアソン比
が１ケの超音波探触子を用いて１度の測定で求める事が
できる。しかし、各圧電トランスデューサが同じ焦点距
離を有しているので、性質の異なる波の励振、検出を充
分高感度、高精度で行うことができない。即ち、第２の
圧電トランスデューサを用いる擬似縦波は周期ΔＺが長
く、第３の圧電トランスデューサを用いる表面弾性波
（レーリー波）は周期ΔＺが短いため、同じ焦点距離で
は、擬似縦波のΔＺが十分にとれない。
れば、複数の弾性的性質、例えばヤング率とポアソン比
が１ケの超音波探触子を用いて１度の測定で求める事が
できる。しかし、各圧電トランスデューサが同じ焦点距
離を有しているので、性質の異なる波の励振、検出を充
分高感度、高精度で行うことができない。即ち、第２の
圧電トランスデューサを用いる擬似縦波は周期ΔＺが長
く、第３の圧電トランスデューサを用いる表面弾性波
（レーリー波）は周期ΔＺが短いため、同じ焦点距離で
は、擬似縦波のΔＺが十分にとれない。
【００１４】更に、従来の超音波探触子の場合、被検体
の異方性を検出するために種々の角度からの測定を行う
と、その都度被検体をＺ軸のまわりに回転させ、角度を
決定する位置決めの必要があった。この結果、測定時間
が長くなり、また測定精度が低下するという問題があ
る。本発明の目的は、複数の弾性的性質を高精度で短時
間のうちに求めることができるより高い感度の超音波探
触子を提供することである。
の異方性を検出するために種々の角度からの測定を行う
と、その都度被検体をＺ軸のまわりに回転させ、角度を
決定する位置決めの必要があった。この結果、測定時間
が長くなり、また測定精度が低下するという問題があ
る。本発明の目的は、複数の弾性的性質を高精度で短時
間のうちに求めることができるより高い感度の超音波探
触子を提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明の超音波探触子
は、音響レンズの対物側端面に音響レンズの対物側端面
に設けられた凹面レンズ上に直接、３個の互いに独立し
た円形及び同心円環状圧電トランスデューサを形成して
成る円錐状集束型超音波探触子において、中央の円形状
の第１の圧電トランスデューサに隣接する同心円環状の
第２の圧電トランスデューサがＬＳＳＣＷ計測用の曲率
半径ｒ1を有する凹面レンズ領域上に形成され、前記第
２の圧電トランスデューサに隣接する同心円環状の第３
の圧電トランスデューサが前記ｒ1より小さいＬＳＡＷ
計測用の曲率半径ｒ2を有する凹面レンズ領域上に形成
されていることを特徴とする（請求項１）。更に本発明
の超音波探触子は、音響レンズの対物側端面に設けられ
た凹面レンズ上に直接、３個の互いに独立した円形及び
同心円環状圧電トランスデューサを形成して成る円錐状
集束型超音波探触子において、中央の円形状の第１の圧
電トランスデューサに隣接する同心円環状の第２の圧電
トランスデューサがＬＳＳＣＷ計測用の曲率半径ｒ1を
有する凹面レンズ領域上に形成され、前記第２の圧電ト
ランスデューサに隣接する同心円環状の第３の圧電トラ
ンスデューサが前記ｒ1より小さいＬＳＡＷ計測用の曲
率半径ｒ2を有する凹面レンズ領域上に形成されている
と共に、前記第２及び第３の圧電トランスデューサが、
前記同心円環の中心から伸びる放射状分割線によって、
それぞれ複数個の互いに独立した扇状圧電トランスデュ
ーサに、更に分割されて成ることを特徴とする（請求項
２）。更に本発明の超音波探触子は、前記扇状圧電トラ
ンスデューサのうち前記第１の圧電トランスデューサを
挟んで対向する位置にある、ＬＳＡＷ計測時には第２の
圧電トランスデューサの対向する扇状圧電トランスデュ
ーサのうちの一方を送信用、他方を受信用とし、ＬＳＳ
ＣＷ計測時には第３の圧電トランスデューサの対向する
扇状圧電トランスデューサのうちの一方を送信用、他方
を受信用として、切替器により切替えることを特徴とす
る（請求項３）。
は、音響レンズの対物側端面に音響レンズの対物側端面
に設けられた凹面レンズ上に直接、３個の互いに独立し
た円形及び同心円環状圧電トランスデューサを形成して
成る円錐状集束型超音波探触子において、中央の円形状
の第１の圧電トランスデューサに隣接する同心円環状の
第２の圧電トランスデューサがＬＳＳＣＷ計測用の曲率
半径ｒ1を有する凹面レンズ領域上に形成され、前記第
２の圧電トランスデューサに隣接する同心円環状の第３
の圧電トランスデューサが前記ｒ1より小さいＬＳＡＷ
計測用の曲率半径ｒ2を有する凹面レンズ領域上に形成
されていることを特徴とする（請求項１）。更に本発明
の超音波探触子は、音響レンズの対物側端面に設けられ
た凹面レンズ上に直接、３個の互いに独立した円形及び
同心円環状圧電トランスデューサを形成して成る円錐状
集束型超音波探触子において、中央の円形状の第１の圧
電トランスデューサに隣接する同心円環状の第２の圧電
トランスデューサがＬＳＳＣＷ計測用の曲率半径ｒ1を
有する凹面レンズ領域上に形成され、前記第２の圧電ト
ランスデューサに隣接する同心円環状の第３の圧電トラ
ンスデューサが前記ｒ1より小さいＬＳＡＷ計測用の曲
率半径ｒ2を有する凹面レンズ領域上に形成されている
と共に、前記第２及び第３の圧電トランスデューサが、
前記同心円環の中心から伸びる放射状分割線によって、
それぞれ複数個の互いに独立した扇状圧電トランスデュ
ーサに、更に分割されて成ることを特徴とする（請求項
２）。更に本発明の超音波探触子は、前記扇状圧電トラ
ンスデューサのうち前記第１の圧電トランスデューサを
挟んで対向する位置にある、ＬＳＡＷ計測時には第２の
圧電トランスデューサの対向する扇状圧電トランスデュ
ーサのうちの一方を送信用、他方を受信用とし、ＬＳＳ
ＣＷ計測時には第３の圧電トランスデューサの対向する
扇状圧電トランスデューサのうちの一方を送信用、他方
を受信用として、切替器により切替えることを特徴とす
る（請求項３）。
【００１６】
【作用】漏洩擬似縦波を発生させその反射波ＬＳＳＣＷ
を検出する第２の圧電トランスデューサは、周期ΔＺが
長くなるので焦点深度を深く（曲率半径ｒ1を大きく）
とる。一方に、漏洩レーリー波を発生させその反射波Ｌ
ＳＡＷを検出する第３の圧電トランスデューサは、周期
ΔＺが短くなるので、焦点深度を浅く（曲率半径ｒ2を
小さく）とることによって、Ｚ軸方向への焦点深度調整
をあまり必要とせずに前記した二つの波の測定を行うこ
とができる。
を検出する第２の圧電トランスデューサは、周期ΔＺが
長くなるので焦点深度を深く（曲率半径ｒ1を大きく）
とる。一方に、漏洩レーリー波を発生させその反射波Ｌ
ＳＡＷを検出する第３の圧電トランスデューサは、周期
ΔＺが短くなるので、焦点深度を浅く（曲率半径ｒ2を
小さく）とることによって、Ｚ軸方向への焦点深度調整
をあまり必要とせずに前記した二つの波の測定を行うこ
とができる。
【００１７】本来、円錐状集束型凹面レンズを用いた超
音波探触子は、等方性媒体の測定に適していることはよ
く知られている。。従って、このレンズで異方性測定を
行うには、超音波を放射、検出する角度を変化させなが
ら、焦点位置を調整するという作業が必要であった。
音波探触子は、等方性媒体の測定に適していることはよ
く知られている。。従って、このレンズで異方性測定を
行うには、超音波を放射、検出する角度を変化させなが
ら、焦点位置を調整するという作業が必要であった。
【００１８】しかし、本発明の第２、第３圧電トランス
デューサの扇状分割の採用と、第１の圧電トランスデュ
ーサを挟んで対向する位置の一対の分割電極を送信受信
用に分けて使用することにより、Ｚ軸のまわりの異方性
測定を、切替器による電極対の選択のみで容易に行いう
る。
デューサの扇状分割の採用と、第１の圧電トランスデュ
ーサを挟んで対向する位置の一対の分割電極を送信受信
用に分けて使用することにより、Ｚ軸のまわりの異方性
測定を、切替器による電極対の選択のみで容易に行いう
る。
【００１９】
【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて、より詳し
く説明する。図１及び図２は、一実施例による超音波探
触子の構造を示す図である。図１は、被検体に対する各
圧電トランスデューサの焦点深度を示す横断面図であ
り、図２は図１の圧電トランスデューサの配置パターン
を示す底面図である。図において、７は被検体６表面へ
垂直入射波を放射、反射波を検出するための第１の圧電
トランスデューサ、８は被検体６に漏洩擬似縦波を励振
し、その反射波を検出するための第２の圧電トランスデ
ューサ、９は被検体６表面に漏洩弾性波を励振し、その
反射波を検出するための第３の圧電トランスデューサで
ある。第１、第２の圧電トランスデューサ７、８は曲率
半径ｒ1の音響レンズ４の対物側に設けられた凹面レン
ズ上にｒ1の曲率をもって配設されている。一方、第３
の圧電トランスデューサ９は、曲率半径ｒ2の凹面レン
ズ上にｒ2の曲率をもって配設されている。ここに、ｒ1
＞ｒ2である。各凹面レンズ（従って各圧電トランスデ
ューサ）の焦点距離は、図示したようにそれぞれＦL、
ＦRとなっている（ＦL＞ＦR）。
く説明する。図１及び図２は、一実施例による超音波探
触子の構造を示す図である。図１は、被検体に対する各
圧電トランスデューサの焦点深度を示す横断面図であ
り、図２は図１の圧電トランスデューサの配置パターン
を示す底面図である。図において、７は被検体６表面へ
垂直入射波を放射、反射波を検出するための第１の圧電
トランスデューサ、８は被検体６に漏洩擬似縦波を励振
し、その反射波を検出するための第２の圧電トランスデ
ューサ、９は被検体６表面に漏洩弾性波を励振し、その
反射波を検出するための第３の圧電トランスデューサで
ある。第１、第２の圧電トランスデューサ７、８は曲率
半径ｒ1の音響レンズ４の対物側に設けられた凹面レン
ズ上にｒ1の曲率をもって配設されている。一方、第３
の圧電トランスデューサ９は、曲率半径ｒ2の凹面レン
ズ上にｒ2の曲率をもって配設されている。ここに、ｒ1
＞ｒ2である。各凹面レンズ（従って各圧電トランスデ
ューサ）の焦点距離は、図示したようにそれぞれＦL、
ＦRとなっている（ＦL＞ＦR）。
【００２０】音響レンズ４と被検体６との間には、超音
波の空気中での急激な減衰を避けるために、純水より成
るカプラー５を設ける。
波の空気中での急激な減衰を避けるために、純水より成
るカプラー５を設ける。
【００２１】超音波の反射波検出は、図１の各圧電トラ
ンスデューサ上部電極１ａ、１ｂ、１ｃと下部電極３
ａ、３ｂ、３ｃをそれぞれ切替器（図示せず）を介して
電気回路に接続し、圧電体２ａ、２ｂ、２ｃを機能させ
ることで行う。図２は、図１の圧電トランスデューサ配
置を下方から見た底面図である。第１の圧電トランスデ
ューサ７が円形状に中央に配置され、第２、第３の圧電
トランスデューサ８、９がその周囲に同心円環状に配置
されており、図１の超音波探触子が円錐集束用であるこ
とを示している。
ンスデューサ上部電極１ａ、１ｂ、１ｃと下部電極３
ａ、３ｂ、３ｃをそれぞれ切替器（図示せず）を介して
電気回路に接続し、圧電体２ａ、２ｂ、２ｃを機能させ
ることで行う。図２は、図１の圧電トランスデューサ配
置を下方から見た底面図である。第１の圧電トランスデ
ューサ７が円形状に中央に配置され、第２、第３の圧電
トランスデューサ８、９がその周囲に同心円環状に配置
されており、図１の超音波探触子が円錐集束用であるこ
とを示している。
【００２２】この超音波探触子を用いて被検体６のヤン
グ率Ｅ、ポアソン比σを求めるには、先ず探触子と被検
体６の距離を、第３の圧電トランスデューサ９の焦点距
離ＦRが被検体６表面に来るように、図１の位置にセッ
トする。
グ率Ｅ、ポアソン比σを求めるには、先ず探触子と被検
体６の距離を、第３の圧電トランスデューサ９の焦点距
離ＦRが被検体６表面に来るように、図１の位置にセッ
トする。
【００２３】この位置（Ｚ＝０）で切替器（図示せず）
を操作して第１、第３の圧電トランスデューサ９を励振
する。ここで第３の圧電トランスデューサ９上の部電極
１ｃにパルス電圧が印加され、超音波ビームを発生し、
第１の圧電トランスデューサ７の上部電極１ａにパルス
電圧が印加され、垂直平面波が発生する。ここで、漏洩
レーリー波を励振する第３の圧電トランスデューサ９の
焦点が被検体６表面にあるため、きわめて効率的に表面
弾性波（レーリー波）が誘起される。そして、第１の圧
電トランスデューサ７は直接反射波が検出され、第３の
圧電トランスデューサ９はＬＳＡＷを検出され、垂直反
射波と漏洩レーリー波反射波ＬＳＡＷの位相差で変調さ
れた出力電圧Ｖ1（０）が得られる。以下、ＺをＺ1，Ｚ
2，…と次々に（＋）Ｚ方向に移動し、同様にしてその
都度、出力電圧Ｖ1（Ｚ1），Ｖ1（Ｚ2），…を得る。か
くして、Ｚをパラメータとする関数Ｖ1（Ｚ）が得られ
る。
を操作して第１、第３の圧電トランスデューサ９を励振
する。ここで第３の圧電トランスデューサ９上の部電極
１ｃにパルス電圧が印加され、超音波ビームを発生し、
第１の圧電トランスデューサ７の上部電極１ａにパルス
電圧が印加され、垂直平面波が発生する。ここで、漏洩
レーリー波を励振する第３の圧電トランスデューサ９の
焦点が被検体６表面にあるため、きわめて効率的に表面
弾性波（レーリー波）が誘起される。そして、第１の圧
電トランスデューサ７は直接反射波が検出され、第３の
圧電トランスデューサ９はＬＳＡＷを検出され、垂直反
射波と漏洩レーリー波反射波ＬＳＡＷの位相差で変調さ
れた出力電圧Ｖ1（０）が得られる。以下、ＺをＺ1，Ｚ
2，…と次々に（＋）Ｚ方向に移動し、同様にしてその
都度、出力電圧Ｖ1（Ｚ1），Ｖ1（Ｚ2），…を得る。か
くして、Ｚをパラメータとする関数Ｖ1（Ｚ）が得られ
る。
【００２４】次に、再び初期位置（Ｚ＝０）とし、更に
切替器を操作して第１及び第２の圧電トランスデューサ
７、８間を励振する。第２の圧電トランスデューサ８か
ら励振される超音波は、ＦL位置での漏洩モード擬似縦
波である。この波は（＋）Ｘ方向に進行し、入射角と同
じ反射角をもって反射された成分が（ＬＳＳＣＷ）が再
び第２の圧電トランスデューサ８で検出され信号電圧に
変換される。この操作によって経路長の違いに基づく位
相差によって変調された出力電圧Ｖ2（０）が得られ
る。以下、ＺをＺ1，Ｚ2，…と次々に移動し、同様にし
てその都度、出力電圧Ｖ2（Ｚ1），Ｖ2（Ｚ2），…を得
る。かくして、Ｚをパラメータとする関数Ｖ2（Ｚ）が
得られる。
切替器を操作して第１及び第２の圧電トランスデューサ
７、８間を励振する。第２の圧電トランスデューサ８か
ら励振される超音波は、ＦL位置での漏洩モード擬似縦
波である。この波は（＋）Ｘ方向に進行し、入射角と同
じ反射角をもって反射された成分が（ＬＳＳＣＷ）が再
び第２の圧電トランスデューサ８で検出され信号電圧に
変換される。この操作によって経路長の違いに基づく位
相差によって変調された出力電圧Ｖ2（０）が得られ
る。以下、ＺをＺ1，Ｚ2，…と次々に移動し、同様にし
てその都度、出力電圧Ｖ2（Ｚ1），Ｖ2（Ｚ2），…を得
る。かくして、Ｚをパラメータとする関数Ｖ2（Ｚ）が
得られる。
【００２５】かくして得られたＶ1（Ｚ）、Ｖ2（Ｚ）
は、それぞれＬＳＡＷ用、ＬＳＳＣＷ用のＶ（Ｚ）曲線
である。それぞれの曲線から周期ΔＺを読み取り、（数
１）〜（数４）を用いて計算すれば、この被検体６のヤ
ング率Ｅ、ポアソン比σが精度よく、且つ短時間のうち
に求めることができる。
は、それぞれＬＳＡＷ用、ＬＳＳＣＷ用のＶ（Ｚ）曲線
である。それぞれの曲線から周期ΔＺを読み取り、（数
１）〜（数４）を用いて計算すれば、この被検体６のヤ
ング率Ｅ、ポアソン比σが精度よく、且つ短時間のうち
に求めることができる。
【００２６】図３は、本発明の別の実施例による超音波
探触子の圧電トランスデューサ構造を示す。図３は、図
１に横断面図を示した前実施例の超音波探触子と同じ横
断面図をもつと考えてよい。前実施例と異なるのは、第
２及び第３の圧電トランスデューサ８、９が、図示した
ように第１の圧電トランスデューサ７の中心を通る分割
線によって、等分（２２．５度）に扇状に分割されてい
る点である。１６分割された第２、第３の各圧電トラン
スデューサは、それぞれ電気的に独立しており、各扇状
トランスデューサ（３２ケ）がそれぞれ独立した上部、
下部電極を有し、これらがそれぞれ切替器に並列結線さ
れている。図３では音響レンズの凹面レンズ内に配置さ
れた圧電トランスデューサの底面図が示されており、３
ｂ−１〜３ｂ−１６は第２の圧電トランスデューサの扇
状下部電極を、又３ｃ−１〜３ｃ−１６は第３の圧電ト
ランスデューサの扇状下部電極をそれぞれ示す。
探触子の圧電トランスデューサ構造を示す。図３は、図
１に横断面図を示した前実施例の超音波探触子と同じ横
断面図をもつと考えてよい。前実施例と異なるのは、第
２及び第３の圧電トランスデューサ８、９が、図示した
ように第１の圧電トランスデューサ７の中心を通る分割
線によって、等分（２２．５度）に扇状に分割されてい
る点である。１６分割された第２、第３の各圧電トラン
スデューサは、それぞれ電気的に独立しており、各扇状
トランスデューサ（３２ケ）がそれぞれ独立した上部、
下部電極を有し、これらがそれぞれ切替器に並列結線さ
れている。図３では音響レンズの凹面レンズ内に配置さ
れた圧電トランスデューサの底面図が示されており、３
ｂ−１〜３ｂ−１６は第２の圧電トランスデューサの扇
状下部電極を、又３ｃ−１〜３ｃ−１６は第３の圧電ト
ランスデューサの扇状下部電極をそれぞれ示す。
【００２７】図３の圧電トランスデューサより成る超音
波探触子は、被検体の異方性を測定するのに有用であ
る。この超音波探触子を用いて、被検体の音速異方性の
計測例について述べる。
波探触子は、被検体の異方性を測定するのに有用であ
る。この超音波探触子を用いて、被検体の音速異方性の
計測例について述べる。
【００２８】最初に、超音波探触子を図１に示した位置
（Ｚ＝０）に設置し、切替器（図示せず）を介して３ｃ
−１６をパルス電圧送信回路に、又３ｃ−８を受信回路
に接続する。図示してないが、各上部電極もその送受信
を実現するように接続する。この位置で２ｃ−１６で超
音波ビームを発生させ、３ｃ−１６からカプラー５中に
円錐状集束ビームを放射する。この結果漏洩モードのレ
ーリー波が被検体表面に励振される。この波は被検体表
面を進行してその反射波（ＬＳＡＷ）が３ｃ−８に入射
し、２ｃ−８で出力電圧に変換され１ｃ−８を介して受
信器に入力される。別に関数発生器（図示せず）を回路
に接続しておき、その出力（参照波出力）とＬＳＡＷの
電気信号入力とを干渉させて変調出力Ｖ（０）を得る。
（Ｚ＝０）に設置し、切替器（図示せず）を介して３ｃ
−１６をパルス電圧送信回路に、又３ｃ−８を受信回路
に接続する。図示してないが、各上部電極もその送受信
を実現するように接続する。この位置で２ｃ−１６で超
音波ビームを発生させ、３ｃ−１６からカプラー５中に
円錐状集束ビームを放射する。この結果漏洩モードのレ
ーリー波が被検体表面に励振される。この波は被検体表
面を進行してその反射波（ＬＳＡＷ）が３ｃ−８に入射
し、２ｃ−８で出力電圧に変換され１ｃ−８を介して受
信器に入力される。別に関数発生器（図示せず）を回路
に接続しておき、その出力（参照波出力）とＬＳＡＷの
電気信号入力とを干渉させて変調出力Ｖ（０）を得る。
【００２９】次に、超音波探触子をＺ軸方向に平行移動
させて、上記測定を繰り返すと、３ｃ−８／３ｃ−１６
方向のＶ（Ｚ）曲線が得られ、ΔＺから（数１）、（数
２）を用いて表面波音速ｖLが計算できる。次に図３で
３ｃ−１／３ｃ−９の組の電極を選択し、それぞれを切
替器によって送信側、受信回路に接続する。上と同様に
してＶ（０）を求め、Ｚ方向に平行移動しながらＶ
（Ｚ）曲線を得、これよりこの方向でのｖLを計算す
る。
させて、上記測定を繰り返すと、３ｃ−８／３ｃ−１６
方向のＶ（Ｚ）曲線が得られ、ΔＺから（数１）、（数
２）を用いて表面波音速ｖLが計算できる。次に図３で
３ｃ−１／３ｃ−９の組の電極を選択し、それぞれを切
替器によって送信側、受信回路に接続する。上と同様に
してＶ（０）を求め、Ｚ方向に平行移動しながらＶ
（Ｚ）曲線を得、これよりこの方向でのｖLを計算す
る。
【００３０】以下、同様にして２２．５度毎のｖLを求
め、これをプロットしたのが、図４である。図４から、
被検体に異方性がみられ、Ｚ軸まわりに音速のばらつき
が生じていることがわかる。以上では述べなかったが、
図３の分割された第２の圧電トランスデューサ（下部電
極３ｂ−１〜３ｂ−１６）を用いて上記同様の測定を行
えば、ＬＳＳＣＷについての異方性、即ちｖｓについて
のデータが得られることになる。
め、これをプロットしたのが、図４である。図４から、
被検体に異方性がみられ、Ｚ軸まわりに音速のばらつき
が生じていることがわかる。以上では述べなかったが、
図３の分割された第２の圧電トランスデューサ（下部電
極３ｂ−１〜３ｂ−１６）を用いて上記同様の測定を行
えば、ＬＳＳＣＷについての異方性、即ちｖｓについて
のデータが得られることになる。
【００３１】以上述べた実施例では、音響レンズ材質と
して石英、サファィア、Ｓｉなどが、又圧電体材料とし
てＺｎ０、ＰＺＴ、ＰＶＤＦなどが、更に電極材料とし
てＣｒ、Ａｕなど従来から用いられてきた材料をそのま
ま用いて超音波探触子を形成することができる。
して石英、サファィア、Ｓｉなどが、又圧電体材料とし
てＺｎ０、ＰＺＴ、ＰＶＤＦなどが、更に電極材料とし
てＣｒ、Ａｕなど従来から用いられてきた材料をそのま
ま用いて超音波探触子を形成することができる。
【００３２】図１に示したような音響レンズ４の凹面レ
ンズ加工は、選択エッチングや機械的研磨などにより行
うことができる。又、圧電トランスデューサの形成は、
周知の多層薄膜形成技術、例えばスパッタリングやＣＶ
Ｄ、真空蒸着法などを用いて行うことができる。圧電ト
ランスデューサの分割は、一体形成後に選択エッチング
を施すか、或は選択的薄膜形成によって行うことができ
る。
ンズ加工は、選択エッチングや機械的研磨などにより行
うことができる。又、圧電トランスデューサの形成は、
周知の多層薄膜形成技術、例えばスパッタリングやＣＶ
Ｄ、真空蒸着法などを用いて行うことができる。圧電ト
ランスデューサの分割は、一体形成後に選択エッチング
を施すか、或は選択的薄膜形成によって行うことができ
る。
【００３３】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、精
度よくレーリー波（表面弾性波）と擬似縦波を励振して
観測することができ、異なる弾性的性質（ヤング率、ポ
アソン比、音速など）の計測を行うことが可能である。
又、本発明によれば、被検体を回転することなくＺ軸の
まわりの異方性を精度よく観測することができる。
度よくレーリー波（表面弾性波）と擬似縦波を励振して
観測することができ、異なる弾性的性質（ヤング率、ポ
アソン比、音速など）の計測を行うことが可能である。
又、本発明によれば、被検体を回転することなくＺ軸の
まわりの異方性を精度よく観測することができる。
【図１】実施例による超音波探触子の構造を示す横断面
図である。
図である。
【図２】前図で示した圧電トランスデューサの構造を示
す底面図である。
す底面図である。
【図３】別の一実施例による圧電トランスデューサの構
造を示す底面図である。
造を示す底面図である。
【図４】図３に示す圧電トランスデューサを備えた超音
波探触子による被検体のレーリー波音速ｖLのＺ軸のま
わりの異方性を示すデータである。
波探触子による被検体のレーリー波音速ｖLのＺ軸のま
わりの異方性を示すデータである。
【図５】従来例による超音波探触子の構造を示す図であ
る。図５（Ａ）は横断面図、図５（Ｂ）は底面図を示
す。
る。図５（Ａ）は横断面図、図５（Ｂ）は底面図を示
す。
１ａ、１ｂ、１ｃ 上部電極 ２ａ、２ｂ、２ｃ 圧電体 ３ａ、３２ｂ、３ｃ 下部電極 ４ 音響レンズ ５ カプラー（純水） ６ 被検体 ７ 第１の圧電トランスデューサ ８ 第２の圧電トランスデューサ ９ 第３の圧電トランスデューサ ３ａ 第１の圧電トランスデューサの下部電極 ３ｂ 第２の圧電トランスデューサの下部電極 ３ｃ 第３の圧電トランスデューサの下部電極 ３ｂ−１〜３ｂ−１６ 第２の圧電トランスデューサの
扇状下部電極 ３ｃ−１〜３ｃ−１６ 第３の圧電トランスデューサの
扇状下部電極 ２０ 音響レンズ ２１ 第１の圧電トランスデューサ ２１ａ 第１の下部電極 ２１ｂ 第１の圧電体 ２１ｃ 第１の上部電極 ２２ 第２の圧電トランスデューサ ２２ａ 第２の下部電極 ２２ｂ 第２の圧電体 ２２ｃ 第２の上部電極 ２３ 第３の圧電トランスデューサ ２３ａ 第３の下部電極 ２３ｂ 第３の圧電体 ２３ｃ 第３の上部電極 ｒ1、ｒ2 凹面レンズ曲率半径 ＦR 第３の圧電トランスデューサ焦点距離 ＦL 第１、第２の圧電トランスデューサ焦点距離
扇状下部電極 ３ｃ−１〜３ｃ−１６ 第３の圧電トランスデューサの
扇状下部電極 ２０ 音響レンズ ２１ 第１の圧電トランスデューサ ２１ａ 第１の下部電極 ２１ｂ 第１の圧電体 ２１ｃ 第１の上部電極 ２２ 第２の圧電トランスデューサ ２２ａ 第２の下部電極 ２２ｂ 第２の圧電体 ２２ｃ 第２の上部電極 ２３ 第３の圧電トランスデューサ ２３ａ 第３の下部電極 ２３ｂ 第３の圧電体 ２３ｃ 第３の上部電極 ｒ1、ｒ2 凹面レンズ曲率半径 ＦR 第３の圧電トランスデューサ焦点距離 ＦL 第１、第２の圧電トランスデューサ焦点距離
Claims (3)
- 【請求項１】 音響レンズの対物側端面に設けられた凹
面レンズ上に直接、３個の互いに独立した円形及び同心
円環状圧電トランスデューサを形成して成る円錐状集束
型超音波探触子において、 中央の円形状の第１の圧電トランスデューサに隣接する
同心円環状の第２の圧電トランスデューサがＬＳＳＣＷ
計測用の曲率半径ｒ1を有する凹面レンズ領域上に形成
され、前記第２の圧電トランスデューサに隣接する同心
円環状の第３の圧電トランスデューサが前記ｒ1より小
さいＬＳＡＷ計測用の曲率半径ｒ2を有する凹面レンズ
領域上に形成されていることを特徴とする超音波探触
子。 - 【請求項２】 音響レンズの対物側端面に設けられた凹
面レンズ上に直接、３個の互いに独立した円形及び同心
円環状圧電トランスデューサを形成して成る円錐状集束
型超音波探触子において、 中央の円形状の第１の圧電トランスデューサに隣接する
同心円環状の第２の圧電トランスデューサがＬＳＳＣＷ
計測用の曲率半径ｒ1を有する凹面レンズ領域上に形成
され、前記第２の圧電トランスデューサに隣接する同心
円環状の第３の圧電トランスデューサが前記ｒ1より小
さいＬＳＡＷ計測用の曲率半径ｒ2を有する凹面レンズ
領域上に形成されていると共に、 前記第２及び第３の圧電トランスデューサが、前記同心
円環の中心から伸びる放射状分割線によって、それぞれ
複数個の互いに独立した扇状圧電トランスデューサに、
更に分割されて成る請求項１記載の超音波探触子。 - 【請求項３】 前記扇状圧電トランスデューサのうち前
記第１の圧電トランスデューサを挟んで対向する位置に
ある、ＬＳＡＷ計測時には第２の圧電トランスデューサ
の対向する扇状圧電トランスデューサのうちの一方を送
信用、他方を受信用とし、ＬＳＳＣＷ計測時には第３の
圧電トランスデューサの対向する扇状圧電トランスデュ
ーサのうちの一方を送信用、他方を受信用として、切替
えることを特徴とする請求項２記載の超音波探触子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5070126A JPH06281634A (ja) | 1993-03-29 | 1993-03-29 | 超音波探触子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5070126A JPH06281634A (ja) | 1993-03-29 | 1993-03-29 | 超音波探触子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06281634A true JPH06281634A (ja) | 1994-10-07 |
Family
ID=13422552
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5070126A Pending JPH06281634A (ja) | 1993-03-29 | 1993-03-29 | 超音波探触子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06281634A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10014936C1 (de) * | 2000-03-20 | 2001-10-25 | Mannesmann Ag | US-Prüfkopfvorrichtung |
| CN107889537A (zh) * | 2015-06-01 | 2018-04-06 | 通用电气(Ge)贝克休斯有限责任公司 | 用于声学透镜的基本人造单元 |
| WO2020095930A1 (ja) * | 2018-11-06 | 2020-05-14 | ヤマハ株式会社 | 超音波センサ及び超音波センサの製造方法 |
-
1993
- 1993-03-29 JP JP5070126A patent/JPH06281634A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10014936C1 (de) * | 2000-03-20 | 2001-10-25 | Mannesmann Ag | US-Prüfkopfvorrichtung |
| CN107889537A (zh) * | 2015-06-01 | 2018-04-06 | 通用电气(Ge)贝克休斯有限责任公司 | 用于声学透镜的基本人造单元 |
| WO2020095930A1 (ja) * | 2018-11-06 | 2020-05-14 | ヤマハ株式会社 | 超音波センサ及び超音波センサの製造方法 |
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