JPH0690498A - 超音波トランスデューサ - Google Patents
超音波トランスデューサInfo
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Landscapes
- Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 体内又は水中で長時間使用可能な超音波トラ
ンスデューサを提供する。 【構成】 ケースに振動子、マッチング層、バッキング
層を配置し、振動子にケーブルの一端を接続した構成の
超音波トランスデューサにおいて、音響インピーダンス
が１．３〜１．７×１０6 kg/m2 ・sec の防水性コーテ
ィング材で超音波トランスデューサの表面全体をコーテ
ィングしたことを特徴とする超音波トランスデューサ。
ンスデューサを提供する。 【構成】 ケースに振動子、マッチング層、バッキング
層を配置し、振動子にケーブルの一端を接続した構成の
超音波トランスデューサにおいて、音響インピーダンス
が１．３〜１．７×１０6 kg/m2 ・sec の防水性コーテ
ィング材で超音波トランスデューサの表面全体をコーテ
ィングしたことを特徴とする超音波トランスデューサ。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、ケースに振動子、マ
ッチング層、バッキング層を配置し、振動子にケーブル
の一端を接続した構成の超音波トランスデューサに関す
るものである。
ッチング層、バッキング層を配置し、振動子にケーブル
の一端を接続した構成の超音波トランスデューサに関す
るものである。
【０００２】
【従来の技術】超音波トランスデューサは、医療用診断
装置や非破壊検査用金属探傷装置などの探触子として用
いられる。超音波トランスデューサは超音波プローブ、
超音波プローブヘッド、超音波探触子などと呼ばれるこ
ともある。
装置や非破壊検査用金属探傷装置などの探触子として用
いられる。超音波トランスデューサは超音波プローブ、
超音波プローブヘッド、超音波探触子などと呼ばれるこ
ともある。
【０００３】超音波トランスデューサは、その形態によ
って分類するとシングルプローブ、アレイプローブに分
けることができる。アレイプローブはさらにリニアアレ
イ、アニュテアレイ、２次元アレイに細分することがで
きる。また、主に医療分野に使われる特殊なものとし
て、シングルプローブを機械的に走査させるメカニカル
プローブ（通常メカセクプローブと呼ばれる）や、内視
鏡などに組み込んで体腔内に挿入可能なカテーテル用プ
ローブがあるが、これらは現在製品化される段階にあ
る。
って分類するとシングルプローブ、アレイプローブに分
けることができる。アレイプローブはさらにリニアアレ
イ、アニュテアレイ、２次元アレイに細分することがで
きる。また、主に医療分野に使われる特殊なものとし
て、シングルプローブを機械的に走査させるメカニカル
プローブ（通常メカセクプローブと呼ばれる）や、内視
鏡などに組み込んで体腔内に挿入可能なカテーテル用プ
ローブがあるが、これらは現在製品化される段階にあ
る。
【０００４】超音波トランスデューサは、装置本体から
送られてくる電気パルスを超音波パルスに変換して被検
体に向けて放射し、被検体から反射してくる超音波パル
スを検出して電気信号に変換する構成になっている。
送られてくる電気パルスを超音波パルスに変換して被検
体に向けて放射し、被検体から反射してくる超音波パル
スを検出して電気信号に変換する構成になっている。
【０００５】超音波トランスデューサの基本構成を簡単
に説明する。超音波トランスデューサはケースを有し、
ケースに振動子、バッキング材、マッチング層などが設
けられる。振動子は電気信号を超音波に、又は超音波を
電気信号に変換する素子であり、通常は送受信兼用で用
いられる。振動子の両面には電極が形成されており、電
極はリード線及びケーブルを経由して装置本体に接続さ
れている。振動子の背面にはバッキング材（背面制動
材）が接合され、反対側の放射面には音響マッチング層
（整合層）が配置される。音響マッチング層には超音波
を集束させるために音響レンズが取り付けられる場合も
ある。振動子材料としては、一般にセラミック圧電材料
（圧電体）が用いられるが、ＰＶＤＦのような高分子圧
電材料（圧電体）あるいは両者を複合した複合圧電材料
（圧電体）も用いられる。
に説明する。超音波トランスデューサはケースを有し、
ケースに振動子、バッキング材、マッチング層などが設
けられる。振動子は電気信号を超音波に、又は超音波を
電気信号に変換する素子であり、通常は送受信兼用で用
いられる。振動子の両面には電極が形成されており、電
極はリード線及びケーブルを経由して装置本体に接続さ
れている。振動子の背面にはバッキング材（背面制動
材）が接合され、反対側の放射面には音響マッチング層
（整合層）が配置される。音響マッチング層には超音波
を集束させるために音響レンズが取り付けられる場合も
ある。振動子材料としては、一般にセラミック圧電材料
（圧電体）が用いられるが、ＰＶＤＦのような高分子圧
電材料（圧電体）あるいは両者を複合した複合圧電材料
（圧電体）も用いられる。
【０００６】近年、超音波トランスデューサを生体内や
水中で使用するケースが増えてきている。しかし、従来
の超音波トランスデューサは、特に防水性を重視して設
計されることはなかった。ただ、日常的な防水のため
に、防水性コーティング材を音響整合層の表面に形成
し、その後でコーティング材を波長／４の厚みに加工す
る場合があった。
水中で使用するケースが増えてきている。しかし、従来
の超音波トランスデューサは、特に防水性を重視して設
計されることはなかった。ただ、日常的な防水のため
に、防水性コーティング材を音響整合層の表面に形成
し、その後でコーティング材を波長／４の厚みに加工す
る場合があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかし、防水を施して
いない従来の超音波トランスデューサを水中または生体
内で長時間使用した場合には、各部材の境界面や音響整
合層表面から次第に水が内部に侵入し、様々な問題が生
じていた。すなわち、音響整合層がはがれたり、膨潤に
よって特性が劣化したり、電極間で電気的リークが起き
る等の不都合が生じていたのである。
いない従来の超音波トランスデューサを水中または生体
内で長時間使用した場合には、各部材の境界面や音響整
合層表面から次第に水が内部に侵入し、様々な問題が生
じていた。すなわち、音響整合層がはがれたり、膨潤に
よって特性が劣化したり、電極間で電気的リークが起き
る等の不都合が生じていたのである。
【０００８】一方、前述のように防水性コーティング材
を音響整合層の表面に形成した従来の超音波トランスデ
ューサの場合には、コーティング層を形成した後でコー
ティング層の厚さを波長／４の厚さに調整しなければな
らず、時間と手間を必要としコスト高になっていた。ま
た、音響整合層と他の部材の境界から水が侵入すること
があり、防水効果は充分ではなかった。
を音響整合層の表面に形成した従来の超音波トランスデ
ューサの場合には、コーティング層を形成した後でコー
ティング層の厚さを波長／４の厚さに調整しなければな
らず、時間と手間を必要としコスト高になっていた。ま
た、音響整合層と他の部材の境界から水が侵入すること
があり、防水効果は充分ではなかった。
【０００９】これらの問題は、超音波トランスデューサ
が小形化・高周波化され、水中や生体内での使用頻度が
高まるに従って大きな問題となり、防水性を重視した超
音波トランスデューサの提供が強く望まれていた。
が小形化・高周波化され、水中や生体内での使用頻度が
高まるに従って大きな問題となり、防水性を重視した超
音波トランスデューサの提供が強く望まれていた。
【００１０】本発明は、このような従来技術の問題点を
解消し、水中で利用しても長寿命を有し、信頼性の高い
高性能の超音波トランスデューサを提供することを目的
としている。
解消し、水中で利用しても長寿命を有し、信頼性の高い
高性能の超音波トランスデューサを提供することを目的
としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明は、ケースに振動
子、マッチング層、バッキング層を配置し、振動子にケ
ーブルの一端を接続した構成の超音波トランスデューサ
において、音響インピーダンスが１．３〜１．７×１０
6 kg/m2 ・sec の防水性コーティング材で超音波トラン
スデューサの表面全体をコーティングしたことを特徴と
する超音波トランスデューサを要旨としている。
子、マッチング層、バッキング層を配置し、振動子にケ
ーブルの一端を接続した構成の超音波トランスデューサ
において、音響インピーダンスが１．３〜１．７×１０
6 kg/m2 ・sec の防水性コーティング材で超音波トラン
スデューサの表面全体をコーティングしたことを特徴と
する超音波トランスデューサを要旨としている。
【００１２】
【作用】超音波トランスデューサの表面全体を防水性コ
ーティング材によってコーティングしているため、音響
整合層表面及び音響整合層とケースの境界面から水が直
接侵入することはない。従って、超音波トランスデュー
サの寿命及び信頼性は大幅に向上する。
ーティング材によってコーティングしているため、音響
整合層表面及び音響整合層とケースの境界面から水が直
接侵入することはない。従って、超音波トランスデュー
サの寿命及び信頼性は大幅に向上する。
【００１３】また、コーティング材の音響インピーダン
スが１．３〜１．７×１０6 kg/m2・sec であって、水
の音響インピーダンスの１．５×１０6 kg/m2 ・sec に
近い値であるため、実質的にコーティング層と水の境界
面は無視することが可能になり、コーティング層を形成
した後でその厚さを調整する必要はない。
スが１．３〜１．７×１０6 kg/m2・sec であって、水
の音響インピーダンスの１．５×１０6 kg/m2 ・sec に
近い値であるため、実質的にコーティング層と水の境界
面は無視することが可能になり、コーティング層を形成
した後でその厚さを調整する必要はない。
【００１４】
【実施例】以下、図面を参照して本発明の好適な実施例
を説明する。図１は、本発明による超音波トランスデュ
ーサ１０を概念的に示す断面図である。
を説明する。図１は、本発明による超音波トランスデュ
ーサ１０を概念的に示す断面図である。
【００１５】超音波トランスデューサ１０はケース１
１、振動子１２、マッチング層１５、バッキング層１
６、ケーブル１７で構成されている。ケース１１は、全
体的に円筒形状をしているが、多角柱形状に形成するこ
ともできる。ケース１１の頂部には振動子を保持するた
めの凸所１１ａが設けてあり、そこに振動子１２が固定
されている。ケース１１の寸法は例えば外径１２ｍｍ、
内径９ｍｍ、長さ１０ｍｍに設定でき、凸所１１ａは直
径１０ｍｍ、深さ０．２ｍｍに形成できる。
１、振動子１２、マッチング層１５、バッキング層１
６、ケーブル１７で構成されている。ケース１１は、全
体的に円筒形状をしているが、多角柱形状に形成するこ
ともできる。ケース１１の頂部には振動子を保持するた
めの凸所１１ａが設けてあり、そこに振動子１２が固定
されている。ケース１１の寸法は例えば外径１２ｍｍ、
内径９ｍｍ、長さ１０ｍｍに設定でき、凸所１１ａは直
径１０ｍｍ、深さ０．２ｍｍに形成できる。
【００１６】振動子１２は圧電材料、例えば比誘電率ε
／ε0 ＝２０００、結合係数Ｋt ＝５０％のＰＺＴ系圧
電材料で形成する。また、この振動子１２は５ＭＨｚ用
であり、寸法形状は外径１０ｍｍ、厚さ０．４ｍｍであ
る。
／ε0 ＝２０００、結合係数Ｋt ＝５０％のＰＺＴ系圧
電材料で形成する。また、この振動子１２は５ＭＨｚ用
であり、寸法形状は外径１０ｍｍ、厚さ０．４ｍｍであ
る。
【００１７】振動子１２の音波放射面側及び背面側には
それぞれ電極１３，１４が形成され、さらに放射面側か
ら背面側にかけては回し込み電極１３ａが形成されてい
る。電極１３，１４，１３ａは振動子２に銀ペーストを
塗布して焼き付けたもので、厚さは例えば１０μｍに設
定してある。また放射面側電極の外径は１０ｍｍ、背面
側電極の外径は８ｍｍに設定してあるが、背面側電極の
一部は切り欠かれそこに回し込み電極１３ａが形成され
ている。また、振動子１２は、超音波放射面側がグラン
ド側になるように分極処理されている。
それぞれ電極１３，１４が形成され、さらに放射面側か
ら背面側にかけては回し込み電極１３ａが形成されてい
る。電極１３，１４，１３ａは振動子２に銀ペーストを
塗布して焼き付けたもので、厚さは例えば１０μｍに設
定してある。また放射面側電極の外径は１０ｍｍ、背面
側電極の外径は８ｍｍに設定してあるが、背面側電極の
一部は切り欠かれそこに回し込み電極１３ａが形成され
ている。また、振動子１２は、超音波放射面側がグラン
ド側になるように分極処理されている。
【００１８】振動子１２の放射面側には、音響整合層１
５が配置されている。音響整合層１５は、例えばフィラ
ー材入りエポキシ樹脂で構成され、外径は１２ｍｍ、厚
さは０．２ｍｍに設定されている。振動子１２の背面側
にはフィラー材入り軟質エポキシ樹脂で構成されたバッ
キング層１６が形成されている。また、電極１４及び回
し込み電極１３ａにはケーブル１７からのリード線１
８，１９が接続されている。
５が配置されている。音響整合層１５は、例えばフィラ
ー材入りエポキシ樹脂で構成され、外径は１２ｍｍ、厚
さは０．２ｍｍに設定されている。振動子１２の背面側
にはフィラー材入り軟質エポキシ樹脂で構成されたバッ
キング層１６が形成されている。また、電極１４及び回
し込み電極１３ａにはケーブル１７からのリード線１
８，１９が接続されている。
【００１９】超音波トランスデューサ１０の外表面は、
フッ素ポリマー系の防湿コーティング材２０で被覆され
ている。コーティング材２０の音響インピーダンスは
１．５×１０6 kg/m2 ・sec 、絶縁破壊電圧は１００Ｋ
Ｖ／ｍｍである。コーティング材２０の厚さは、超音波
トランスデューサの電気的安全性を考慮して０．１ｍｍ
程度に設定してある。音響特性的にはコーティング材２
０の厚さは特に制限されない。従って、コーティング材
２０の被覆工程は非常に簡単である。すなわち、超音波
プローブをコーティング材の溶液に浸して取りだした
後、自然乾燥して硬化させるだけで良い。
フッ素ポリマー系の防湿コーティング材２０で被覆され
ている。コーティング材２０の音響インピーダンスは
１．５×１０6 kg/m2 ・sec 、絶縁破壊電圧は１００Ｋ
Ｖ／ｍｍである。コーティング材２０の厚さは、超音波
トランスデューサの電気的安全性を考慮して０．１ｍｍ
程度に設定してある。音響特性的にはコーティング材２
０の厚さは特に制限されない。従って、コーティング材
２０の被覆工程は非常に簡単である。すなわち、超音波
プローブをコーティング材の溶液に浸して取りだした
後、自然乾燥して硬化させるだけで良い。
【００２０】図１に示した超音波トランスデューサと従
来の超音波トランスデューサを用いて環境性能試験を行
った。試験では、超音波トランスデューサを温水中に長
時間放置して、感度の劣化並びに故障の発生状況を調べ
た。
来の超音波トランスデューサを用いて環境性能試験を行
った。試験では、超音波トランスデューサを温水中に長
時間放置して、感度の劣化並びに故障の発生状況を調べ
た。
【００２１】感度劣化の様子を図２に示す。図２から明
らかなように、従来例では１００時間をすぎると感度が
大幅に低下したのに対し、実施例では１０，０００時間
経過後でも感度の劣化は小さかった。
らかなように、従来例では１００時間をすぎると感度が
大幅に低下したのに対し、実施例では１０，０００時間
経過後でも感度の劣化は小さかった。
【００２２】また、故障に関しては、１００００時間経
過後の電極リード又はマッチング層の剥がれによる故障
発生件数を調べた。その結果、従来品では１０個のサン
プルのうち４個に故障が発生していたが、本発明の実施
例では１０個のサンプルのうち故障は見られなかった。
過後の電極リード又はマッチング層の剥がれによる故障
発生件数を調べた。その結果、従来品では１０個のサン
プルのうち４個に故障が発生していたが、本発明の実施
例では１０個のサンプルのうち故障は見られなかった。
【００２３】次に、コーティング層の音響インピーダン
スと特性劣化の関係を調べた。すなわち、音響整合層表
面に形成するコーティング層の音響インピーダンスを変
化させ、超音波トランスデューサの感度変化率を測定し
た。なお、コーティング層の厚さは調整しなかった。結
果を図３に示した。感度の変化率はコーティング層を設
けない場合の感度を基準にしており、縦軸では変化率０
が基準になっている。図３を見ると、コーティング材の
音響インピーダンスが１．３〜１．７×１０6kg/m2 ・s
ec の範囲では、コーティング層を設けない場合と同等
の感度特性が得られることが判る。従って、コーティン
グ層の厚さを調整する必要はない。一方、この範囲外で
は感度特性が低下するため、コーティング層の厚さ調整
が必要となり手間がかかると共にコスト高になる。
スと特性劣化の関係を調べた。すなわち、音響整合層表
面に形成するコーティング層の音響インピーダンスを変
化させ、超音波トランスデューサの感度変化率を測定し
た。なお、コーティング層の厚さは調整しなかった。結
果を図３に示した。感度の変化率はコーティング層を設
けない場合の感度を基準にしており、縦軸では変化率０
が基準になっている。図３を見ると、コーティング材の
音響インピーダンスが１．３〜１．７×１０6kg/m2 ・s
ec の範囲では、コーティング層を設けない場合と同等
の感度特性が得られることが判る。従って、コーティン
グ層の厚さを調整する必要はない。一方、この範囲外で
は感度特性が低下するため、コーティング層の厚さ調整
が必要となり手間がかかると共にコスト高になる。
【００２４】このように本発明の超音波トランスデュー
サはシール性に優れ、温水中でも長寿命を有し、コーテ
ィング層の厚さ調整も不要であることが判明した。
サはシール性に優れ、温水中でも長寿命を有し、コーテ
ィング層の厚さ調整も不要であることが判明した。
【００２５】
【発明の効果】本発明の超音波トランスデューサは、超
音波トランスデューサの表面全体を防水性コーティング
材によってコーティングしているため、音響整合層表面
及び音響整合層とケースとの境界面から水が直接侵入す
ることはない。また、仮にケーブルの引き出し部付近か
ら水が侵入したとしても、超音波の送受信に最も重要な
部材である音響整合層や振動子周辺まではかなりの距離
があるので、これらの部材の周辺まで水が侵入する恐れ
はほとんどない。従って、超音波トランスデューサの寿
命及び信頼性は大幅に向上する。
音波トランスデューサの表面全体を防水性コーティング
材によってコーティングしているため、音響整合層表面
及び音響整合層とケースとの境界面から水が直接侵入す
ることはない。また、仮にケーブルの引き出し部付近か
ら水が侵入したとしても、超音波の送受信に最も重要な
部材である音響整合層や振動子周辺まではかなりの距離
があるので、これらの部材の周辺まで水が侵入する恐れ
はほとんどない。従って、超音波トランスデューサの寿
命及び信頼性は大幅に向上する。
【００２６】また、コーティング材の音響インピーダン
スが１．３〜１．７×１０6 kg/m2・sec であって、水
の音響インピーダンスの１．５×１０6 kg/m2 ・sec に
近い値であるため、実質的にコーティング層と水の境界
面は無視することが可能になり、コーティング層を形成
した後でその厚さを調整する必要はない。従って、低コ
ストで超音波トランスデューサを製造できる。
スが１．３〜１．７×１０6 kg/m2・sec であって、水
の音響インピーダンスの１．５×１０6 kg/m2 ・sec に
近い値であるため、実質的にコーティング層と水の境界
面は無視することが可能になり、コーティング層を形成
した後でその厚さを調整する必要はない。従って、低コ
ストで超音波トランスデューサを製造できる。
【００２７】なお、本発明は前述の実施例に限定されな
い。例えば水以外の液体中で使用できるように、コーテ
ィング材の音響インピーダンスをその液体の音響インピ
ーダンスに対応させて１．３〜１．７×１０6 kg/m2 ・
sec 以外の範囲に設定することもできる。また、ケーブ
ルの表面にもコーティング層を形成して良い。
い。例えば水以外の液体中で使用できるように、コーテ
ィング材の音響インピーダンスをその液体の音響インピ
ーダンスに対応させて１．３〜１．７×１０6 kg/m2 ・
sec 以外の範囲に設定することもできる。また、ケーブ
ルの表面にもコーティング層を形成して良い。
【図１】本発明による超音波トランスデューサの実施例
を概念的に示す断面図。
を概念的に示す断面図。
【図２】本発明の他の実施例を概念的に示す断面図。
【図３】本発明の実施例と従来例に関する環境性能試験
の結果を示すグラフ。
の結果を示すグラフ。
１０ 超音波トランスデューサ １１ ケース １２ 振動子 １３ 放射側電極 １３ａ 回し込み電極 １４ 背面側電極 １５ マッチング層 １６ バッキング層 １７ ケーブル １８ 信号側リード線 １９ グランド側リード線 ２０ コーティング層 ◆
Claims (1)
- 【請求項１】 ケースに振動子、マッチング層、バッキ
ング層を配置し、振動子にケーブルの一端を接続した構
成の超音波トランスデューサにおいて、音響インピーダ
ンスが１．３〜１．７×１０6 kg/m2 ・sec の防水性コ
ーティング材で超音波トランスデューサの表面全体をコ
ーティングしたことを特徴とする超音波トランスデュー
サ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26408292A JPH0690498A (ja) | 1992-09-08 | 1992-09-08 | 超音波トランスデューサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26408292A JPH0690498A (ja) | 1992-09-08 | 1992-09-08 | 超音波トランスデューサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0690498A true JPH0690498A (ja) | 1994-03-29 |
Family
ID=17398271
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP26408292A Pending JPH0690498A (ja) | 1992-09-08 | 1992-09-08 | 超音波トランスデューサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0690498A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006157771A (ja) * | 2004-12-01 | 2006-06-15 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 超音波振動子およびそれを用いた流体の流れ計測装置 |
| JP2010508003A (ja) * | 2007-12-04 | 2010-03-11 | ビ−エイイ− システムズ パブリック リミテッド カンパニ− | ソナー・バッフル及びバッキングに関する改良 |
| CN114401684A (zh) * | 2019-09-16 | 2022-04-26 | 香港理工大学 | 用于骨折愈合的骨刺激器和骨刺激系统 |
-
1992
- 1992-09-08 JP JP26408292A patent/JPH0690498A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006157771A (ja) * | 2004-12-01 | 2006-06-15 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 超音波振動子およびそれを用いた流体の流れ計測装置 |
| JP2010508003A (ja) * | 2007-12-04 | 2010-03-11 | ビ−エイイ− システムズ パブリック リミテッド カンパニ− | ソナー・バッフル及びバッキングに関する改良 |
| CN114401684A (zh) * | 2019-09-16 | 2022-04-26 | 香港理工大学 | 用于骨折愈合的骨刺激器和骨刺激系统 |
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