JPH07108038B2 - 超音波探触子 - Google Patents
超音波探触子Info
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- JPH07108038B2 JPH07108038B2 JP59190916A JP19091684A JPH07108038B2 JP H07108038 B2 JPH07108038 B2 JP H07108038B2 JP 59190916 A JP59190916 A JP 59190916A JP 19091684 A JP19091684 A JP 19091684A JP H07108038 B2 JPH07108038 B2 JP H07108038B2
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Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
- B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
- B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
- B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
- B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
- B06B1/0607—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements
- B06B1/0622—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements on one surface
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating 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
- G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
- G01N29/24—Probes
- G01N29/2437—Piezoelectric probes
- G01N29/245—Ceramic probes, e.g. lead zirconate titanate [PZT] probes
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Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は医用超音波診断装置等において使用され、超音
波の送受波を行なう超音波探触子に関するものである。
波の送受波を行なう超音波探触子に関するものである。
（従来技術） 一般に超音波探触子の圧電変換子材料はジルコン・チタ
ン酸鉛系の圧電材料が用いられている。これらの材料で
は縦波変換子として使用する場合に横効果の結合係数k
31が0.2〜0.3と大きく、このため不要振動が発生しやす
く、良好な特性を得ることが難かしかった。特に超音波
診断装置等で使用されるアレイ形探触子では、横効果に
よる不要振動を避けるため、第６図に示すように矩形板
状振動子61の板厚Ｔに対する幅寸法Ｗの比W/Tを0.6以下
にする必要があり、探触子の高周波化を行う場合、振動
子の幅が小さくなり製造が困難になるという問題があっ
た。第６図に基づき一般の超音波探触子の構成について
説明すると61は電気機械エネルギー変換を行なうジルコ
ン・チタン酸鉛系の圧電セラミックスでできた矩形板状
変換子である。62,63は音響整合層であり、圧電セラミ
ックスと音響インピーダンスの大幅に異なる被検体（人
体，水，あるいは鉄鋼）の音響インピーダンス整合をと
るために設けられたものであり、探触子の広帯域，低損
失化に寄与するものである。整合層の音響インピーダン
スは、通常、圧電セラミックスと被検体の音響インピー
ダンスの中間の値に設定される。全体の構成は所定の間
隔をおいて配置される複数の矩形板状振動子61の上に音
響整合層62,63が形成された構成である。
ン酸鉛系の圧電材料が用いられている。これらの材料で
は縦波変換子として使用する場合に横効果の結合係数k
31が0.2〜0.3と大きく、このため不要振動が発生しやす
く、良好な特性を得ることが難かしかった。特に超音波
診断装置等で使用されるアレイ形探触子では、横効果に
よる不要振動を避けるため、第６図に示すように矩形板
状振動子61の板厚Ｔに対する幅寸法Ｗの比W/Tを0.6以下
にする必要があり、探触子の高周波化を行う場合、振動
子の幅が小さくなり製造が困難になるという問題があっ
た。第６図に基づき一般の超音波探触子の構成について
説明すると61は電気機械エネルギー変換を行なうジルコ
ン・チタン酸鉛系の圧電セラミックスでできた矩形板状
変換子である。62,63は音響整合層であり、圧電セラミ
ックスと音響インピーダンスの大幅に異なる被検体（人
体，水，あるいは鉄鋼）の音響インピーダンス整合をと
るために設けられたものであり、探触子の広帯域，低損
失化に寄与するものである。整合層の音響インピーダン
スは、通常、圧電セラミックスと被検体の音響インピー
ダンスの中間の値に設定される。全体の構成は所定の間
隔をおいて配置される複数の矩形板状振動子61の上に音
響整合層62,63が形成された構成である。
一方、本多，山下，内田による「チタン酸鉛系圧電セラ
ミック材を用いた超音波探触子」（電子通信学会技術報
告US81−20（1981年））あるいは竹内，中谷，定村によ
る「PbTiO3系セラミックスの高周波超音波探触子への応
用」（電子通信学会技術報告US84−７（1984年））にお
いてPbTiO3系圧電セラミック材料を用いた探触子が従来
のジルコン・チタン酸鉛を用いたものより優れているこ
とが述べられている。即ち、PbTiO3系圧電セラミックス
材料では横効果の結合係数が著しく小さいことにより、
不要振動が激減し、この材料を超音波探触子に応用した
場合、横効果による振動エネルギーは相当弱く実際に利
用する厚みたて振動に殆んど影響を与えることのない理
想に近い送受波特性が期待できるとしている。PbTiO3系
圧電セラミックスは、W/Tが0.6以下では勿論のこと、と
くにW/Tが1.2〜2.0においてもスプリアスの出ない良好
な厚みたて振動特性が得られ、矩形板状振動子を用いた
アレイ形探触子の高周波化をはかる場合極めて有利なも
のとなっている。
ミック材を用いた超音波探触子」（電子通信学会技術報
告US81−20（1981年））あるいは竹内，中谷，定村によ
る「PbTiO3系セラミックスの高周波超音波探触子への応
用」（電子通信学会技術報告US84−７（1984年））にお
いてPbTiO3系圧電セラミック材料を用いた探触子が従来
のジルコン・チタン酸鉛を用いたものより優れているこ
とが述べられている。即ち、PbTiO3系圧電セラミックス
材料では横効果の結合係数が著しく小さいことにより、
不要振動が激減し、この材料を超音波探触子に応用した
場合、横効果による振動エネルギーは相当弱く実際に利
用する厚みたて振動に殆んど影響を与えることのない理
想に近い送受波特性が期待できるとしている。PbTiO3系
圧電セラミックスは、W/Tが0.6以下では勿論のこと、と
くにW/Tが1.2〜2.0においてもスプリアスの出ない良好
な厚みたて振動特性が得られ、矩形板状振動子を用いた
アレイ形探触子の高周波化をはかる場合極めて有利なも
のとなっている。
（従来技術の問題点） 前記の如くPbTiO3系圧電セラミックスは電気機械結合係
数の異方性が大きく、実際に利用する厚みたて結合係数
ktが0.50以上で横効果の結合係数k31が0.05以下のもの
が得られ、超音波探触子の材料として極めて優れた材料
であるとされているが、しかし誘電率 が200程度しかなく、ジルコン・チタン酸鉛系の圧電セ
ラミックス約10分の１にすぎない。とくに電子走査方式
のアレイ形探触子では電極面積が小さくなり、PbTiO3系
圧電セラミックスを用いた場合 が小さいため探触子のインピーダンスはジルコン・チタ
ン酸鉛系圧電セラミックスを用いた探触子と比べて10倍
程度大きくなる。超音波探触子は通常、ケーブルを介し
て診断装置本体と結合されるために、PbTiO3系圧電セラ
ミックスのように誘電率の小さな材料であれば、第１に
ケーブルの容量の影響をうけてS/N比が劣化するという
欠点がある。第２にPbTiO3系圧電セラミックスでは誘電
率が小さいことにより圧電ｄ定数も小さいわけであるか
ら、駆動電圧を高くしなければ十分な振動振幅が得られ
ないという欠点がある。即ち、PbTiO3系圧電セラミック
スではこのような欠点があるため探触子実用化の障害と
なっていた。さらにまた、実際の超音波探触子は3.5MH
z,7.5MHz等のある一定の決まった中心周波数が要求され
るが、従来の変換子では表面に電極があるため周波数調
整ができないという欠点がある。
数の異方性が大きく、実際に利用する厚みたて結合係数
ktが0.50以上で横効果の結合係数k31が0.05以下のもの
が得られ、超音波探触子の材料として極めて優れた材料
であるとされているが、しかし誘電率 が200程度しかなく、ジルコン・チタン酸鉛系の圧電セ
ラミックス約10分の１にすぎない。とくに電子走査方式
のアレイ形探触子では電極面積が小さくなり、PbTiO3系
圧電セラミックスを用いた場合 が小さいため探触子のインピーダンスはジルコン・チタ
ン酸鉛系圧電セラミックスを用いた探触子と比べて10倍
程度大きくなる。超音波探触子は通常、ケーブルを介し
て診断装置本体と結合されるために、PbTiO3系圧電セラ
ミックスのように誘電率の小さな材料であれば、第１に
ケーブルの容量の影響をうけてS/N比が劣化するという
欠点がある。第２にPbTiO3系圧電セラミックスでは誘電
率が小さいことにより圧電ｄ定数も小さいわけであるか
ら、駆動電圧を高くしなければ十分な振動振幅が得られ
ないという欠点がある。即ち、PbTiO3系圧電セラミック
スではこのような欠点があるため探触子実用化の障害と
なっていた。さらにまた、実際の超音波探触子は3.5MH
z,7.5MHz等のある一定の決まった中心周波数が要求され
るが、従来の変換子では表面に電極があるため周波数調
整ができないという欠点がある。
（発明の目的） 本発明はPbTiO3系圧電セラミックスの有する上記諸欠点
を解消し、インピーダンスが小さく、スプリアス特性に
優れ、また実効的な電気機械結合係数が大きく、さらに
周波数調整が容易に可能な超音波探触子を得ることを目
的とするものである。
を解消し、インピーダンスが小さく、スプリアス特性に
優れ、また実効的な電気機械結合係数が大きく、さらに
周波数調整が容易に可能な超音波探触子を得ることを目
的とするものである。
（発明の構成） 上記目的を達成するために、本発明は、PbTiO3系圧電セ
ラミックス板の内部に複数の平面状内部電極が等間隔で
形成されており、前記複数の平面状内部電極は前記PbTi
O3系圧電セラミックス板の２側面で、前記２側面に形成
された外部電極と一層おきに接続されている積層型構造
であって、前記複数の平面状内部電極にはさまれた前記
PbTiO3系圧電セラミックス板は積層方向に交互に逆向き
に分極されている構造を有し、積層方向の両端面に圧電
的に不活性なセラミック層を設けた圧電変換子と、前記
圧電変換子の積層方向に垂直な一方の面に形成された音
響整合層とを備えたものである。
ラミックス板の内部に複数の平面状内部電極が等間隔で
形成されており、前記複数の平面状内部電極は前記PbTi
O3系圧電セラミックス板の２側面で、前記２側面に形成
された外部電極と一層おきに接続されている積層型構造
であって、前記複数の平面状内部電極にはさまれた前記
PbTiO3系圧電セラミックス板は積層方向に交互に逆向き
に分極されている構造を有し、積層方向の両端面に圧電
的に不活性なセラミック層を設けた圧電変換子と、前記
圧電変換子の積層方向に垂直な一方の面に形成された音
響整合層とを備えたものである。
（構成の詳細な説明） 本発明のPbTiO3系圧電セラミックスを用いた超音波探触
子は、上記の如くセラミックス内部に電極を有する構成
とすることにより従来技術の諸問題を解決している。以
下、図面に従って説明する。
子は、上記の如くセラミックス内部に電極を有する構成
とすることにより従来技術の諸問題を解決している。以
下、図面に従って説明する。
第２図は本発明の探触子に用いるPbTiO3系圧電セラミッ
ク変換子のグリーンシートの状態における積層構造の一
例を示したもので、以下変換子の構造及び製造方法の例
について詳述する。第２図において20は有機バインダと
PbTiO3系セラミックス粉末からなるグリーンシートであ
り、また21は導電ペーストで、焼成後内部電極となるも
のである。このようなグリーンシートを図のように積層
し、圧着してグリーンシート積層体とする。この場合、
電極21は一層おきに電気端子を並列に取り出すことがで
きるように、導電ペーストが塗布されていないギャップ
部分22が残されている。次に前記グリーンシート積層体
を焼成する。然る後、第３図に示すように焼成されたPb
TiO3系圧電セラミック積層体のyz面に平行な２側面に焼
付あるいは蒸着，メッキ等の方法で電極を施す。この場
合は、内部電極が４層の構造となっているが、それ以外
の３層,5層,6層等の構造であっても良い。第３図におい
て30はPbTiO3系圧電セラミックス、31は内部電極、32,3
2′は焼成後側面に設けられた外部電極、また33,33′は
表面セラミック層である。外部電極32,32′間に直流高
電界を加えて分極を行なうことにより内部電極にはさま
れたPbTiO3系セラミックスの各層を分極し、圧電性を付
与する。このとき各層間に十分な電圧が加わり、かつ分
極時にセラミックスに割れが入らないように層厚d1,d2,
d3をギャップt1,t2より小さく設定することが望まし
い。また矢印は第３図において分極方向を示す。本変換
子の周波数調整は表面のセラミック層33,33′を研磨し
て厚みを減ずることにより容易に行うことができる。ア
レイ形探触子に用いられる矩形板状変換子は第３図のxz
面に平行にｙ方向に向かって切断することにより容易に
得ることができる。
ク変換子のグリーンシートの状態における積層構造の一
例を示したもので、以下変換子の構造及び製造方法の例
について詳述する。第２図において20は有機バインダと
PbTiO3系セラミックス粉末からなるグリーンシートであ
り、また21は導電ペーストで、焼成後内部電極となるも
のである。このようなグリーンシートを図のように積層
し、圧着してグリーンシート積層体とする。この場合、
電極21は一層おきに電気端子を並列に取り出すことがで
きるように、導電ペーストが塗布されていないギャップ
部分22が残されている。次に前記グリーンシート積層体
を焼成する。然る後、第３図に示すように焼成されたPb
TiO3系圧電セラミック積層体のyz面に平行な２側面に焼
付あるいは蒸着，メッキ等の方法で電極を施す。この場
合は、内部電極が４層の構造となっているが、それ以外
の３層,5層,6層等の構造であっても良い。第３図におい
て30はPbTiO3系圧電セラミックス、31は内部電極、32,3
2′は焼成後側面に設けられた外部電極、また33,33′は
表面セラミック層である。外部電極32,32′間に直流高
電界を加えて分極を行なうことにより内部電極にはさま
れたPbTiO3系セラミックスの各層を分極し、圧電性を付
与する。このとき各層間に十分な電圧が加わり、かつ分
極時にセラミックスに割れが入らないように層厚d1,d2,
d3をギャップt1,t2より小さく設定することが望まし
い。また矢印は第３図において分極方向を示す。本変換
子の周波数調整は表面のセラミック層33,33′を研磨し
て厚みを減ずることにより容易に行うことができる。ア
レイ形探触子に用いられる矩形板状変換子は第３図のxz
面に平行にｙ方向に向かって切断することにより容易に
得ることができる。
第３図に示すような本発明に従った変換子は以下のよう
な従来にない長所を有する。
な従来にない長所を有する。
まず第１に本発明の圧電変換子は、内部電極をもたない
表面だけに電極が設けられた変換子の厚みたてモードの
結合係数ktに比べて、実効的な電気機械結合係数keffを
最大１割程度まで大きくすることができる。これは表面
に設けられた磁器層の質量効果によるものである。電気
機械結合係数keffの２乗は電気的入力エネルギーに対し
て出力される機械振動エネルギーの比で定義され、これ
は別の表現として次式で表わされる。
表面だけに電極が設けられた変換子の厚みたてモードの
結合係数ktに比べて、実効的な電気機械結合係数keffを
最大１割程度まで大きくすることができる。これは表面
に設けられた磁器層の質量効果によるものである。電気
機械結合係数keffの２乗は電気的入力エネルギーに対し
て出力される機械振動エネルギーの比で定義され、これ
は別の表現として次式で表わされる。
ただし fr;共振周波数 fa;反共振周波数 従って本発明に従った変換子は一定の共振周波数に対し
て共振反共振周波数差fa−frを大きくすることができ、
広帯域でパルス応答特性に優れた超音波探触子に用いた
場合特に有効となる。
て共振反共振周波数差fa−frを大きくすることができ、
広帯域でパルス応答特性に優れた超音波探触子に用いた
場合特に有効となる。
第２に、本発明に従った圧電変換子が複数の内部電極を
有しており、しかもそれらの内部電極が一層おきに並列
に取り出されているという構造上、従来の圧電セラミッ
ク単板でできた変換子に比べて遥かに小さなインピーダ
ンスが実現できるわけである。いま、説明を簡単にする
ため一例として等間隔に電極が設けられた積層変換子に
ついて具体的に説明する。（ｎ＋１）層の内部電極を有
する変換子であれば、単純な計算により電極が並列に接
続されることにより実効的な面積はほとんどｎ倍近くま
でになり、また電極間隔が板厚のｎ分の１以下となるわ
けであるから単板に比べてn2倍程度の自由容量が得られ
る。このような積層構造により実効的な電気機械結合係
数keffが損なわれることが全くないわけであるから、
（ｎ＋１）層の内部電極を有する変換子のインピーダン
スは圧電単板に比べて約n2分の１に激減するわけであ
る。また、これはとりもなおさず、PbTiO3系圧電セラミ
ックスの誘電率を としたとき、等電極間隔で積層した変換子の実効的な誘
電率 （変換子の両主面にのみ電極があるものとして換算した
誘電極）は４層の電極では ５層の電極では ６層の電極では （ｎ＋１）層の電極では とほぼ（電極層数−１）の２乗に比例して大きくなる。
有しており、しかもそれらの内部電極が一層おきに並列
に取り出されているという構造上、従来の圧電セラミッ
ク単板でできた変換子に比べて遥かに小さなインピーダ
ンスが実現できるわけである。いま、説明を簡単にする
ため一例として等間隔に電極が設けられた積層変換子に
ついて具体的に説明する。（ｎ＋１）層の内部電極を有
する変換子であれば、単純な計算により電極が並列に接
続されることにより実効的な面積はほとんどｎ倍近くま
でになり、また電極間隔が板厚のｎ分の１以下となるわ
けであるから単板に比べてn2倍程度の自由容量が得られ
る。このような積層構造により実効的な電気機械結合係
数keffが損なわれることが全くないわけであるから、
（ｎ＋１）層の内部電極を有する変換子のインピーダン
スは圧電単板に比べて約n2分の１に激減するわけであ
る。また、これはとりもなおさず、PbTiO3系圧電セラミ
ックスの誘電率を としたとき、等電極間隔で積層した変換子の実効的な誘
電率 （変換子の両主面にのみ電極があるものとして換算した
誘電極）は４層の電極では ５層の電極では ６層の電極では （ｎ＋１）層の電極では とほぼ（電極層数−１）の２乗に比例して大きくなる。
以上、電極が等間隔に積層された変換子について述べた
が、電極が不等間隔に積層された変換子は、同一の電極
層数であれば等間隔に積層された変換子より実効的な誘
電率 が若干大きくなる。また変換子の厚みの中央部分ほど内
部電極間が狭い変換子は、電極が等間隔に積層された変
換子より大きなkeffを得ることができる。しかしなが
ら、このタイプの変換子では、電極が等間隔に積層され
た変換子に比べて、大きな電圧を加えて大振幅励振を行
うような要求がある場合、若干不利となる。
が、電極が不等間隔に積層された変換子は、同一の電極
層数であれば等間隔に積層された変換子より実効的な誘
電率 が若干大きくなる。また変換子の厚みの中央部分ほど内
部電極間が狭い変換子は、電極が等間隔に積層された変
換子より大きなkeffを得ることができる。しかしなが
ら、このタイプの変換子では、電極が等間隔に積層され
た変換子に比べて、大きな電圧を加えて大振幅励振を行
うような要求がある場合、若干不利となる。
従って、本発明における圧電変換子は従来のジルコン・
チタン酸鉛系圧電セラミックスでできた変換子と比べて
同等以上の実効的な誘電率が得られ、換言すると同等以
下の小さなインピーダンスを得ることができる。次に本
発明に用いる変換子は表面の磁器層を研磨することによ
り周波数調整が可能である。さらにPbTiO3系圧電セラミ
ックスを使用しているため、本質的に不要振動が少なく
良好な厚みたて共振応答が得られるという長所を有す
る。
チタン酸鉛系圧電セラミックスでできた変換子と比べて
同等以上の実効的な誘電率が得られ、換言すると同等以
下の小さなインピーダンスを得ることができる。次に本
発明に用いる変換子は表面の磁器層を研磨することによ
り周波数調整が可能である。さらにPbTiO3系圧電セラミ
ックスを使用しているため、本質的に不要振動が少なく
良好な厚みたて共振応答が得られるという長所を有す
る。
（実施例） 本発明に基づく超音波探触子の一実施例として第１図
（ア），（イ）に示す三重整合層を有する中心周波数3.
5MHzのリニアアレイ医用超音波探触子について述べる。
第１図（ア）は該探触子の側面図、第１図（イ）は該探
触子の断面図である。本実施例では、圧電変換子10はPb
TiO3系圧電セラミックスの内部に電極31が４層埋め込ま
れた積層構造となっている。またセラミックスはPb0.85
Ca0.15Ti0.95（Mn1/3Sb2/3）0.05O3なる組成を用い、製
造は前述のグリーンシートを用いる方法で行なった。分
極は外部電極32,32′間に直流高電界を印加することで
行われた。分極直後の変換子では全板厚に対して表面の
セラミック層33及び33′の厚さが約40％程度あったが、
33,33′を研磨することにより共振周波数3.5MHzを得
た。このときの表面のセラミック層33及び33′の厚さは
全板厚の23％である。本変換子のkeffは0.553であり、P
bTiO3系圧電セラミックスの単板の電気機械結合係数kt
より８％大きい。また実効的な比誘電率 は1790とPbTiO3系圧電セラミックスの単板の約９倍の値
である。第１図において、11,12,13は音響整合層、44は
バッキングである。音響整合層は共振波長の約４分の１
に調整した。11は音響インピーダンス1.92×106Kg/m2・
secのウレタン樹脂、12はエポキシ樹脂に石英ガラス微
粉末を適量配合したもので音響インピーダンス4.12×10
6Kg/m2・sec、13は音響インピーダンス14.2×106Kg/m2
・secの光学ガラスである。作製した１個の圧電変換子
の形状は0.6mm×0.3mm×13mmである。この変換子を所定
の間隔をおいて配列し、長さが約10〜13cmのリニアアレ
イ状に構成し、探触子とした。
（ア），（イ）に示す三重整合層を有する中心周波数3.
5MHzのリニアアレイ医用超音波探触子について述べる。
第１図（ア）は該探触子の側面図、第１図（イ）は該探
触子の断面図である。本実施例では、圧電変換子10はPb
TiO3系圧電セラミックスの内部に電極31が４層埋め込ま
れた積層構造となっている。またセラミックスはPb0.85
Ca0.15Ti0.95（Mn1/3Sb2/3）0.05O3なる組成を用い、製
造は前述のグリーンシートを用いる方法で行なった。分
極は外部電極32,32′間に直流高電界を印加することで
行われた。分極直後の変換子では全板厚に対して表面の
セラミック層33及び33′の厚さが約40％程度あったが、
33,33′を研磨することにより共振周波数3.5MHzを得
た。このときの表面のセラミック層33及び33′の厚さは
全板厚の23％である。本変換子のkeffは0.553であり、P
bTiO3系圧電セラミックスの単板の電気機械結合係数kt
より８％大きい。また実効的な比誘電率 は1790とPbTiO3系圧電セラミックスの単板の約９倍の値
である。第１図において、11,12,13は音響整合層、44は
バッキングである。音響整合層は共振波長の約４分の１
に調整した。11は音響インピーダンス1.92×106Kg/m2・
secのウレタン樹脂、12はエポキシ樹脂に石英ガラス微
粉末を適量配合したもので音響インピーダンス4.12×10
6Kg/m2・sec、13は音響インピーダンス14.2×106Kg/m2
・secの光学ガラスである。作製した１個の圧電変換子
の形状は0.6mm×0.3mm×13mmである。この変換子を所定
の間隔をおいて配列し、長さが約10〜13cmのリニアアレ
イ状に構成し、探触子とした。
次にこの探触子を用いて、水中3cmに置かれたAl反射板
に向かって戻ってくる超音波を同じ探触子で受波したと
きの周波数特性（round trip insertion loss特性）を
第４図に実線で示す。また、圧電変換子の部分にジルコ
ン・チタン酸鉛系圧電セラミック単板型圧電変換子を用
いたときの探触子の周波数特性を第４図の点線で示す。
通過域特性は両者とも同等の特性を示しているが、帯域
外においてジルコン・チタン酸鉛系圧電セラミックスを
用いた探触子では横効果のスプリアスのため大きなリッ
プルが認められる。さらに両探触子の分解能を試験する
ために生体と同等の超音波減衰特性（0.7dB/cm/MHz）並
びに音響インピーダンスを有するゲル状物質中に所定間
隔に埋め込まれた直径0.3mmのナイロン線がどの程度ま
で分解されて見えるかを評価した。従来の圧電セラミッ
クス単板を用いた探触子では深さ12cmのところでせいぜ
い1.0mm間隔に埋め込まれたナイロン線が見えたにすぎ
ないが、本発明に従った探触子では0.7mm間隔に埋め込
まれたナイロン線をはっきり分離して観ることができ
た。
に向かって戻ってくる超音波を同じ探触子で受波したと
きの周波数特性（round trip insertion loss特性）を
第４図に実線で示す。また、圧電変換子の部分にジルコ
ン・チタン酸鉛系圧電セラミック単板型圧電変換子を用
いたときの探触子の周波数特性を第４図の点線で示す。
通過域特性は両者とも同等の特性を示しているが、帯域
外においてジルコン・チタン酸鉛系圧電セラミックスを
用いた探触子では横効果のスプリアスのため大きなリッ
プルが認められる。さらに両探触子の分解能を試験する
ために生体と同等の超音波減衰特性（0.7dB/cm/MHz）並
びに音響インピーダンスを有するゲル状物質中に所定間
隔に埋め込まれた直径0.3mmのナイロン線がどの程度ま
で分解されて見えるかを評価した。従来の圧電セラミッ
クス単板を用いた探触子では深さ12cmのところでせいぜ
い1.0mm間隔に埋め込まれたナイロン線が見えたにすぎ
ないが、本発明に従った探触子では0.7mm間隔に埋め込
まれたナイロン線をはっきり分離して観ることができ
た。
本発明に従う他の実施例として、グリーンシート表面全
体にギャップ22を残さずに導電ペーストを塗り、然る後
第２図と同様に積層し、圧着，焼成を行ないPbTiO3系セ
ラミック積層体を製造する。さらに積層体側面に絶縁物
51を形成し、外部電極32,32′を設け、32,32′間に直流
高電界を印加し分極を行う。このようにして第５図に示
すように内部電極が幅いっぱいに広がった形状の圧電変
換子を得ることができる。第５図に示した圧電変換子は
ギャップ22がないためにその分だけ第３図に示した変換
子と比べて若干インピーダンスを低下させることができ
る。第５図に示した圧電変換子を用いて第１図に示した
ような３重整合層を有する探触子を製造したところ、第
４図の実線で示した特性と同等のものが得られた。この
ように内部電極の重なる長さは圧電変換子の長さと同程
度（少なくとも80％以上）が望ましい。
体にギャップ22を残さずに導電ペーストを塗り、然る後
第２図と同様に積層し、圧着，焼成を行ないPbTiO3系セ
ラミック積層体を製造する。さらに積層体側面に絶縁物
51を形成し、外部電極32,32′を設け、32,32′間に直流
高電界を印加し分極を行う。このようにして第５図に示
すように内部電極が幅いっぱいに広がった形状の圧電変
換子を得ることができる。第５図に示した圧電変換子は
ギャップ22がないためにその分だけ第３図に示した変換
子と比べて若干インピーダンスを低下させることができ
る。第５図に示した圧電変換子を用いて第１図に示した
ような３重整合層を有する探触子を製造したところ、第
４図の実線で示した特性と同等のものが得られた。この
ように内部電極の重なる長さは圧電変換子の長さと同程
度（少なくとも80％以上）が望ましい。
（発明の効果） 以上述べた如く、本発明に従った探触子はPbTiO3系圧電
セラミックス固有の特長である横効果によるスプリアス
振動のエネルギーが極めて小さいという長所を保持しつ
つ、しかもこのセラミックスの誘電率が小さいために起
きるケーブルの容量の影響を受けやすいといった欠点を
消滅させることができる。更に実効的な電気機械結合係
数keffを大きくすることができ、また周波数調整も可能
であるという優れた特長を有するものであり、従来の探
触子と比べて分解能の優れた探触子を得ることができ
る。
セラミックス固有の特長である横効果によるスプリアス
振動のエネルギーが極めて小さいという長所を保持しつ
つ、しかもこのセラミックスの誘電率が小さいために起
きるケーブルの容量の影響を受けやすいといった欠点を
消滅させることができる。更に実効的な電気機械結合係
数keffを大きくすることができ、また周波数調整も可能
であるという優れた特長を有するものであり、従来の探
触子と比べて分解能の優れた探触子を得ることができ
る。
第１図（ア），（イ）は本発明の一実施例を示す超音波
探触子の概略図、第２図は本発明の探触子に用いる圧電
変換子部分の積層構造例を示す図。第３図は本発明にお
ける積層圧電変換子の一例を示す斜視図、第４図は超音
波探触子の周波数特性図、第５図は本発明の他の実施例
を示す図、第６図は従来の超音波探触子の一例を示す
図。 図において、10は積層圧電変換子、11,12,13は音響整合
層、14はバッキング、20はグリーンシート、21は導電ペ
ースト、22はギャップ、30はPbTiO3系圧電セラミック
ス、31は内部電極、32,32′は外部電極、33,33′は表面
磁器層、51は絶縁物、61は矩形板状変換子、62,63は音
響整合層、矢印は分極方向を示す。
探触子の概略図、第２図は本発明の探触子に用いる圧電
変換子部分の積層構造例を示す図。第３図は本発明にお
ける積層圧電変換子の一例を示す斜視図、第４図は超音
波探触子の周波数特性図、第５図は本発明の他の実施例
を示す図、第６図は従来の超音波探触子の一例を示す
図。 図において、10は積層圧電変換子、11,12,13は音響整合
層、14はバッキング、20はグリーンシート、21は導電ペ
ースト、22はギャップ、30はPbTiO3系圧電セラミック
ス、31は内部電極、32,32′は外部電極、33,33′は表面
磁器層、51は絶縁物、61は矩形板状変換子、62,63は音
響整合層、矢印は分極方向を示す。
Claims (1)
- 【請求項１】PbTiO3系圧電セラミックス板の内部に複数
の平面状内部電極が等間隔で形成されており、前記複数
の平面状内部電極は前記PbTiO3系圧電セラミックス板の
２側面で、前記２側面に形成された外部電極と一層おき
に接続されている積層型構造であって、前記複数の平面
状内部電極にはさまれた前記PbTiO3系圧電セラミックス
板は積層方向に交互に逆向きに分極されている構造を有
し、積層方向の両端面に圧電的に不活性なセラミック層
を設けた圧電変換子と、前記圧電変換子の積層方向に垂
直な一方の面に形成された音響整合層とを備えたことを
特徴とする超音波探触子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59190916A JPH07108038B2 (ja) | 1984-09-12 | 1984-09-12 | 超音波探触子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59190916A JPH07108038B2 (ja) | 1984-09-12 | 1984-09-12 | 超音波探触子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6169300A JPS6169300A (ja) | 1986-04-09 |
| JPH07108038B2 true JPH07108038B2 (ja) | 1995-11-15 |
Family
ID=16265835
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59190916A Expired - Lifetime JPH07108038B2 (ja) | 1984-09-12 | 1984-09-12 | 超音波探触子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07108038B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2758199B2 (ja) * | 1989-03-31 | 1998-05-28 | 株式会社東芝 | 超音波探触子 |
| JP2006247025A (ja) * | 2005-03-09 | 2006-09-21 | Fuji Photo Film Co Ltd | 体腔内診断用超音波プローブ |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS4879590A (ja) * | 1972-01-24 | 1973-10-25 | ||
| CH607336A5 (ja) * | 1975-09-22 | 1978-12-15 | Siemens Ag | |
| JPS5582899U (ja) * | 1978-12-01 | 1980-06-07 |
-
1984
- 1984-09-12 JP JP59190916A patent/JPH07108038B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6169300A (ja) | 1986-04-09 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |