JPH0746693A - 超音波トランスデューサおよびその製造法 - Google Patents

超音波トランスデューサおよびその製造法

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JPH0746693A
JPH0746693A JP20889993A JP20889993A JPH0746693A JP H0746693 A JPH0746693 A JP H0746693A JP 20889993 A JP20889993 A JP 20889993A JP 20889993 A JP20889993 A JP 20889993A JP H0746693 A JPH0746693 A JP H0746693A
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JP
Japan
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piezoelectric element
ultrasonic transducer
piezoelectric
thin
piezoelectric vibrator
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Withdrawn
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JP20889993A
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English (en)
Inventor
Yukihiko Sawada
之彦 沢田
Katsuhiro Wakabayashi
勝裕 若林
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Olympus Corp
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Olympus Optical Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 高出力化・小型化に適した超音波トランスデ
ューサを容易に実現する。 【構成】 超音波トランスデューサ5は、薄層状圧電素
子1と、これを挟持した2つの共振体2a,2bから成
る。一方の共振体2aの表面に音響整合層3を形成し、
その表面を音響放射面6とした。他方の共振体2bの表
面に背面負荷材4を形成した。2つの共振体2a,2b
はその平面形状が薄層状圧電素子1よりも大きく形成さ
れている。両共振体2a,2bの端面は薄層状圧電素子
1に接合されるとともに、薄層状圧電素子1の外周で硬
化時の線収縮率が大きい接合樹脂7により接合されてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、医療用または非破壊検
査用超音波診断装置に用いられる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】従来、超音波トランスデューサの構造
は、「医用超音波機器ハンドブック」,コロナ社,p1
86等に示されるように、ダンピング層の上に絶縁層を
介して両面に電極を形成したPZT圧電セラミックス薄
片を接着し、更に音響整合層を接着していた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、現在要
求が高まっている、膵管・循環器等の診断が可能な医療
用超音波内視鏡や、細管の非破壊検査を行う工業用超音
波診断装置を実現する場合、その外径が1〜数mm程度
と細くなるため、これに実装される超音波トランスデュ
ーサも同時に小型化する必要がある。この場合、超音波
トランスデューサの感度はその音響放射面の面積の自乗
に比例するため、感度が非常に小さくなる。
【0004】また、超音波トランスデューサに駆動電圧
を印加し、また超音波トランスデューサが受信した信号
を観測装置に伝送する信号伝送系の電気的インピーダン
スが一致した場合に、これらからなる系全体の感度が最
大となる。しかし上述の様に外径が細くなった場合は圧
電素子の電気的インピーダンスが、一般に50Ω程度で
ある信号伝送系のそれの数倍の大きさとなる。この現象
は、特にPT系の圧電セラミックスおよび高分子系の圧
電材料において顕著に生じる。
【0005】このため両者の接続部におけるロスが生
じ、さらに感度を低下させる原因となっている。またこ
の現象は、より大面積の超音波トランスデューサにおい
ても、逆に超音波トランスデューサの電気的インピーダ
ンスが小となることから、伝達のロスの原因となる。
【0006】因って、本発明は前記従来技術における欠
点に鑑みて開発されたもので、高出力化に適した超音波
トランスデューサおよびその製造法の提供を目的とす
る。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、圧電振動子
と、該圧電振動子の一方の面に形成された音響整合層
と、前記圧電振動子の他方の面に形成された背面負荷材
とを基本構成要素とする超音波トランスデューサにおい
て、前記圧電振動子を、薄層状の圧電素子と、該圧電素
子を圧着力を持って挟持し、且つ該圧電素子へ一体に固
着された2つの共振体とからなる厚さ方向超音波共振器
として構成したものである。
【0008】また、圧電振動子と、該圧電振動子の一方
の面に形成された音響整合層と、前記圧電振動子の他方
の面に形成された背面負荷材とを基本構成要素とする超
音波トランスデューサの製造方法において、前記圧電振
動子を、薄層状の圧電素子の両面へその平面形状が該圧
電素子よりも大きく形成された共振体を接合するととも
に、該圧電素子の外周で硬化時の線収縮率が大である接
着剤により前記両共振体を相互に接合することにより形
成する製造法である。
【0009】
【作用】本発明では、厚み方向共振器により、メカニカ
ルQが増加して高出力となる。また、共振体の形状にテ
ーパーを付けることにより、音響放射面の大きさを一定
としたまま、圧電素子の形状設定の自由度を高めること
ができる。これにより圧電素子の電気的インピーダンス
を信号伝送系とそろえることが可能になり、信号の伝達
ロスがなくなる。
【0010】
【実施例1】図1〜図3は本実施例を示し、図1は縦断
面図、図2および図3はグラフである。超音波トランス
デューサ5は、PZTからなる圧電体薄層の表面に電極
が形成された薄層状圧電素子1と、該薄層状圧電素子1
を挟持したアルミナセラミックスからなる2つの共振体
2a,2bとからなる圧電振動子を基本構成要素とし、
一方の共振体2aの表面に音響整合層3を形成してその
表面を音響放射面6とするとともに、他方の共振体2b
の表面に背面負荷材4を形成した構造とした。
【0011】2つの共振体2a,2bは、その平面形状
が前記薄層状圧電素子1よりも大きく形成されている。
両共振体2a,2bは、その端面において該薄層状圧電
素子1と低粘性型のエポキシ系接着剤によって接合され
るとともに、該薄層状圧電素子1の外周で硬化時の線収
縮率が大きいエポキシ系接着剤からなる接合樹脂7によ
り相互に接合されている。
【0012】本発明では、接合樹脂7の硬化時の線収縮
により、共振体2a,2bは相互に圧着されている。こ
れにより、該共振体2a,2bによって、薄層状圧電素
子1は圧着力を印加されつつ保持された形となる。従っ
て、該共振体2a,2bと該薄層状圧電素子1とが一体
となった超音波共振器として動作する。
【0013】本実施例によれば、薄層状圧電素子1に圧
着力が印加されているため、超音波トランスデューサ5
全体のQmが増大し、高出力の超音波トランスデューサ
となる。この形式の超音波トランスデューサの駆動に
は、一般に使用される図2の様な駆動波形の他に、図3
に示した様な正弦曲線の片側のみの波形を使用すること
もできる。この場合、共振作用が強まるため、より高出
力となる。
【0014】尚、本実施例においては、圧電素子として
PZT系の圧電セラミックスを使用した場合について示
したが、PT系等の他のペロブスカイト型圧電セラミッ
クス,高分子圧電体および結晶系圧電材等の使用も可能
である。また、圧電素子を中空とすることで、圧電素子
の内外周において両共振体を同時に接合することも可能
である。さらに、低粘性であり、かつ硬化時の線収縮率
が大である接着剤を用いることにより、圧電素子と共振
体の接合および共振体相互間の接合を同時に行うことも
可能であることは言うまでもない。
【0015】同様に、本実施例では共振体の材質をアル
ミナセラミックスとしたが、この他にも例えば、ジルコ
ニア系セラミックス・マシナブルセラミックス・リン青
銅等の銅合金等やステンレス等の金属等で超音波の減衰
が少ない弾性体材料が使用可能である。また、接合樹脂
および圧電素子の接着剤をエポキシ系接着剤としたが、
嫌気性接着剤や、ウレタン系・アクリル系・フェノール
系等の樹脂も使用可能である。
【0016】
【実施例2】図4〜図6は本実施例を示し、図4は斜視
図、図5は縦断面図、図6は側面図である。基本的な構
成は前記実施例1と同様であり、差異について述べる。
この事由により、前記実施例1と同一の部材には、図中
に同一の番号を付記した。
【0017】本実施例は、音響放射面6側の共振体2a
にこれと一体な断面積縮小型ホーン8を形成し、該断面
積縮小型ホーン8の端面に音響整合層3を形成し、音響
放射面6を設けた超音波トランスデューサ5とした。ま
た図6には、該超音波トランスデューサ5に振動絶縁部
材12を介して音響ミラー11を付加した場合について
示した。
【0018】本実施例では、断面積縮小型ホーン8によ
り、薄層状圧電素子1へ駆動信号を印加することで生じ
た超音波パルスが、その振幅を増幅されつつ音響整合層
3に伝達されて音響放射面6から放射される。
【0019】また図6に示したミラー使用の例について
は、該音響放射面6から放射された超音波パルスは、音
響ミラー11によりその経路を変更されたのち外部に放
射される。この時、共振体2aの振動は振動絶縁部材1
2によりミラー11には伝搬しない。
【0020】本実施例によれば、音響放射面を任意の大
きさに縮小できる。この場合、超音波パルスは、放射面
積は縮小されるものの変位が増大するため、全体として
ロスは生じない。このため、図6に示した外径Wが規制
されている場合、音響放射面を該外径W以内に収めた条
件化で圧電素子の面積を最大にすることができる。
【0021】また、上述の通り圧電素子と音響放射面の
面積を、個別に任意に設定することができる。このた
め、音響放射面の形状を、超音波トランスデューサを搭
載する製品の使用に合わせたままで、圧電素子の共振周
波数における電気的インピーダンスを信号伝送系と同一
にすることができる。従って、信号伝送に関するロスを
なくすことができる。これらにより、超音波トランスデ
ューサの出力・総合感度および設計の自由度を増大させ
ることができる。
【0022】尚、本実施例においては、超音波トランス
デューサの全体の形状を円柱状とした場合について示し
たが、角柱等についてもまったく同様に適用できること
は明白であろう。
【0023】
【実施例3】図7および図8は本実施例を示し、図7は
斜視図、図8は縦断面図である。基本的な構成は、前記
実施例1と同様であり、差異について述べる。この自由
により、前記実施例1と同一の部材には、図中に同一に
番号を付記した。
【0024】本実施例は、音響放射面6側の共振体2a
にこれと一体な断面積拡大型ホーン9を形成し、該断面
積拡大型ホーン9の端面に音響整合層3を形成し、音響
放射面6を設けた超音波トランスデューサ5とした。
【0025】本実施例では、断面積拡大型ホーン9によ
り、薄層状圧電素子1へ駆動信号を印加することで生じ
た超音波パルズが、その振動面の面積を拡大されつつ音
響整合層3に伝達されて音響放射面6から放射される。
【0026】本実施例によれば、音響放射面6を任意の
大きさに拡大できる。この場合、超音波パルスは、変位
は縮小されるものの放射面積が増大するため、全体とし
てロスは生じない。音響放射面の面積が大であれば、面
状の音源となるため、超音波トランスデューサから発振
される超音波ビームが発散し難くなる。このため、特に
超音波ビームと直交する方向の分解能が向上する。
【0027】また、上述の通り圧電素子と音響放射面と
の面積を、個別に任意に設定することができる。このた
め、音響放射面の形状を、超音波トランスデューサを搭
載する製品の使用に合わせたままで、圧電素子の共振周
波数における電気的インピーダンスを信号伝送系と同一
にすることができる。このため、信号伝送に関するロス
をなくすことができる。これらにより、超音波トランス
デューサの出力・総合感度および分解能を増大させるこ
とができる。
【0028】
【実施例4】図9は本実施例を示す縦断面図である。基
本的な構成は前記実施例3と同様であり、差異について
述べる。この事由により、前記実施例3と同一の部材に
は、図中に同一の番号を付記した。
【0029】本実施例は、音響放射面6側の共振体2a
にこれと一体な断面積拡大型ホーン9を形成し、該断面
積拡大型ホーン9の端面に凹面10を形成するととも
に、該凹面10上に音響整合層3を形成し、音響放射面
6を設けた超音波トランスデューサ5とした。
【0030】本実施例では、凹面より発振される超音波
ビームは集束されつつ音響放射面6から放射される。
【0031】本実施例によれば、観測対象内を操作する
超音波ビームが細くなるため、超音波ビームと直交する
方向の分解能が向上する。
【0032】尚、本実施例においては、前記実施例3で
示した構造の超音波トランスデューサに適用した場合に
ついてのみ述べたが、前記各実施例についても適用可能
であることは言うまでもない。
【0033】
【発明の効果】以上説明した様に、本発明に係る超音波
トランスデューサおよびその製造法によれば、高出力化
・小型化に適した超音波トランスデューサを容易に実現
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1を示す縦断面図である。
【図2】実施例1を示すグラフである。
【図3】実施例1を示すグラフである。
【図4】実施例2を示す斜視図である。
【図5】実施例2を示す縦断面図である。
【図6】実施例2を示す側面図である。
【図7】実施例3を示す斜視図である。
【図8】実施例3を示す縦断面図である。
【図9】実施例4を示す縦断面図である。
【符号の説明】
1 薄層状圧電素子 2 共振体 3 音響整合層 4 背面負荷材 5 超音波トランスデューサ 6 音響放射面 7 接合樹脂 8 断面積縮小型ホーン 9 断面積拡大型ホーン 10 凹面 11 ミラー 12 音響絶縁部材

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 圧電振動子と、該圧電振動子の一方の面
    に形成された音響整合層と、前記圧電振動子の他方の面
    に形成された背面負荷材とを基本構成要素とする超音波
    トランスデューサにおいて、前記圧電振動子を、薄層状
    の圧電素子と、該圧電素子を圧着力を持って挟持し、且
    つ該圧電素子へ一体に固着された2つの共振体とからな
    る厚さ方向超音波共振器として構成したことを特徴とす
    る超音波トランスデューサ。
  2. 【請求項2】 圧電振動子と、該圧電振動子の一方の面
    に形成された音響整合層と、前記圧電振動子の他方の面
    に形成された背面負荷材とを基本構成要素とする超音波
    トランスデューサの製造方法において、前記圧電振動子
    を、薄層状の圧電素子の両面へその平面形状が該圧電素
    子よりも大きく形成された共振体を接合するとともに、
    該圧電素子の外周で硬化時の線収縮率が大である接着剤
    により前記両共振体を相互に接合することにより形成し
    たことを特徴とする超音波トランスデューサ製造法。
JP20889993A 1993-07-30 1993-07-30 超音波トランスデューサおよびその製造法 Withdrawn JPH0746693A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009533991A (ja) * 2006-04-19 2009-09-17 コモンウェルス サイエンティフィック アンド インダストリアル リサーチ オーガニゼイション 超音波トランスデューサシステム
JP2023076155A (ja) * 2021-11-22 2023-06-01 株式会社日立製作所 金属音響整合層及びトランスデューサ

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