JP2001276067A

JP2001276067A - 超音波探触子、その製造方法および超音波診断装置

Info

Publication number: JP2001276067A
Application number: JP2000159179A
Authority: JP
Inventors: Yohachi Yamashita; 洋八山下; Kazuhiro Henmi; 和弘逸見; Shiro Saito; 史郎斉藤; Satoshi Tezuka; 智手塚; Shinichi Hashimoto; 新一橋本; Takashi Kobayashi; 剛史小林
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2000-03-31
Filing date: 2000-03-31
Publication date: 2001-10-09

Abstract

(57)【要約】【課題】２次元アレイ振動子を製造歩留まり良く作製
出来、かつ送信した超音波とは異なる波長のエコーを効
率よく受信できる超音波探触子の提供を目的とする。【解決手段】圧電体としてリラクサ・チタン系単結晶
材料を用いた送信用素子１１ａを駆動回路１１と接続
し、圧電体としてＰＺＴ系セラミックス材料を用いた受
信用素子を検出器１４と接続する。ＰＺＴ系セラミック
ス材料を用いた受信用素子１１ｂは、リラクサ・チタン
系単結晶を用いた送信用素子１１ａよりも共振周波数が
高いために、送信用素子のエコーの２次高調波を感度良
く受信することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波探触子、超
音波診断装置および超音波探触子の製造方法に係り、特
に、ティシュー・ハーモニック・イメイジング（Tissue
Harmonic Imaging：以下ＴＨＩと称する）などのハ
ーモニック・イメージングに好適な超音波探触子、これ
を用いた超音波診断装置および、超音波探触子の製造方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】医用超音波診断装置や非破壊検査機器の
分野において、超音波送受信材料としてＰＺＴ（ジルコ
ン−チタン酸鉛）系圧電セラミクスやリラクサ-チタン
酸鉛系圧電単結晶材料が用いられている。これらを短冊
状の振動子にして個々の振動子を送受信に用いると、解
像度や感度の著しい向上が可能である。これらの装置で
は、対象物の内部状態を画像化するための送信・受信デ
バイスとして超音波探触子が用いられている。

【０００３】従来、これらの超音波探触子には、ＰＺＴ
圧電セラミック材料を用いた１次元アレイプローブが主
として用いられてきた。一次元アレイプローブは、短冊
状振動子を複数個配列したアレイ型が多用されている。
そして各素子に印加する電圧パルスのタイミングを制御
することにより超音波ビームの集束、走査等が行われ
る。

【０００４】しかしながら最近ではさらなる超音波プロ
ーブの解像度の向上のために棒状の振動子を２次元に配
置した２次元アレイプローブの研究がなされている。小
型ではあるが棒状の振動子を用いることによりその振動
モードは棒の縦振動であるｋ ₃₃を使用することが出来
る。このｋ₃₃はＰＺＴ系のセラミクスでは６０〜８０
％、リラクサ−チタン系単結晶材料では８０〜９４％で
あり、高感度化が期待できる。

【０００５】一方、現在超音波診断装置においては、微
弱血流を捉えるためにＴＨＩ技術が用いられるようにな
ってきた。

【０００６】ＴＨＩ技術においては、送信された超音波
（エコー）の２次高調波を受信・検出する。そのためＴ
ＨＩ技術を採用した従来の超音波探触子には、圧電素子
の共振周波数（動作周波数帯域の中心周波数）を送信ま
たは受信の何れかに合わせるか、あるいはその中庸をと
るようなことをせざるを得ず、したがって圧電素子の周
波数特性を十分に生かすことが出来なくなっている。そ
の結果、駆動回路から送信される駆動電圧を必要以上に
高くする必要が生じたり、あるいは受信感度が低下する
といった問題に繋がっている。

【０００７】また、例えば特開平１１−３４７９７号公
報には、超音波の送信と受信とを異なる圧電素子で行う
技術が開示されている。この技術は受信素子が単層の圧
電素子であるのに対し、送信素子を積層構造にして圧電
体層を薄くすることで送信する超音波の強度を向上させ
るものであるが、同一材料の圧電体を用いた同厚の圧電
素子は、その動作周波数帯域内での中心周波数は実質的
に変わらない。そのため、特開平１１−３４７９７号公
報に記載の技術をＴＨＩに採用してもその受信感度を大
きく向上させることはできなかった。

【０００８】このような問題は２次元アレイプローブの
場合、前述のように素子サイズが小さくなり１素子あた
りの送受信能力が低下するため更に深刻となる。

【０００９】一方、従来２次元アレイプローブのような
超音波探触子は、例えば特開平７−１７０６００号公報
に開示されるように、一枚の圧電素子を２次元アレイ状
に分割している。

【００１０】このような手法で作成した場合、分割時に
電極剥がれなどによるわずかな不良素子の発生により、
多くの良品素子を含んだ超音波探触子が不良品となる。
そのため超音波探触子の歩留まりが向上しない。

【００１１】また、前述の特開平１１−３４７９７号公
報に示されるように、各素子を作成後配列し直す方法も
あるが、素子間隔を狭くし、かつ各素子を均等に配列す
るには精密な作業を必要としていた。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、ＴＨ
Ｉ技術を用いる従来の超音波診断装置においては、駆動
回路から送信される駆動電圧を必要以上に高くする必要
が生じたり、あるいは受信感度が低下するといった問題
があった。

【００１３】また、２次元アレイの作成においては、精
密な作業を必要とするためにその製造性を向上させるこ
とができなかった。

【００１４】本発明はこのような問題に鑑みて為された
ものであり、ＴＨＩ技術に対応し、低電力、高感度な超
音波診断装置、あるいはこのＴＨＩ技術を用いた超音波
診断装置に好適な超音波探触子、さらにはこの超音波探
触子の簡便な製造方法を提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明の２次元アレイ超
音波探触子は、第１の動作周波数帯域内で超音波を発
信する第１の振動子と、前記発信された超音波の被検体
からの反射波を受信し第２の動作周波数帯域を持つ第２
の振動子とを２次元面に配列され、前記第１の振動子の
前記動作周波数帯域の中心周波数に対して、前記第２の
振動子の前記動作周波数帯域の中心周波数が高いことを
特徴とする。

【００１６】また、前記第１および第２の振動子は、電
極に挟持された圧電体からなる外形寸法が略同一な圧電
素子であり、かつ異なる圧電材料からなる圧電体を使用
することができる。

【００１７】また、前記第１および第２の振動子は、電
極に挟持された圧電体からなる外形寸法が略同一な第１
及び第２の圧電素子からなり、前記第１の圧電素子の電
極は前記２次元面に平行な面または前記２次元面に垂直
な面のいずれかに形成し、前記第２の圧電素子の電極は
前記第１の圧電素子の電極に直交する前記２次元面に垂
直な面または前記２次元面に平行な面のいずれかに形成
したものを使用することができる。

【００１８】すなわち、探触子の超音波送信用振動子
と、超音波受信用振動子とで、共振周波数のことなる振
動子を使用することで、送信した超音波とことなる周波
数の超音波を高感度に検出することを可能にした。

【００１９】一般にＴＨＩ技術においては、受信する超
音波は、エコーの２次高調波であることから、受信用振
動子の共振周波数は、送信用振動子よりもより高周波側
に共振周波数を有することが好ましく、具体的には１．
５〜３倍程度、さらには略２倍程度高周波側に共振周波
数を有する振動子を使用することが好ましい。

【００２０】本発明の超音波探触子の製造方法は、基体
表面に、複数の平行な切込み部を有するバッキング材を
形成する工程と、複数の圧電素子を作成する工程と、複
数のシート状配線基板を準備し、それぞれの前記シート
状配線基板上に前記圧電素子を１次元的に配列させると
共に、前記シート状配線基板及び前記圧電素子を接合す
る工程と、１次元的に配列した前記圧電素子が接合され
た前記シート状配線基板を、前記バッキング材表面に形
成された複数の切込み部に挿入し、前記圧電素子を２次
元的に配列させる工程とを有することを特徴とする。

【００２１】このように、あらかじめ作成された各振動
子を配列してアレイを作成するため、良品の振動子のみ
を配列させることが可能になり、探触子の製造歩留まり
を向上させることができる。

【００２２】また、一枚の振動子をアレイ状に分断した
場合、所定の切断幅が必要なため振動子の配列ピッチを
狭くできないが、作成された振動子を配列することで、
配列ピッチを所望の値に小さくすることができる。これ
は、２次元アレイプローブのように、各振動子面積が小
さい場合に特に有効である。

【００２３】また、一次元的に配列させた振動子をシー
ト状配線基板に接合し、このシート状配線基板を、切込
み部を有するバッキング材に挿入することで、振動子の
配列作業を簡略化できる。

【００２４】本発明の超音波診断装置は、被検体に超音
波を発信し第１の動作周波数帯域を有する第１の振動子
と、前記発信された超音波の被検体からの反射波を受信
し第２の動作周波数帯域を持つ第２の振動子とが２次元
面に配列され、前記第１の振動子の前記動作周波数帯域
の中心周波数に対して、前記第２の振動子の前記動作周
波数帯域の中心周波数が高い２次元アレイ超音波探触子
と、前記第１の振動子に接続され当該第１の振動子を所
定の周波数の信号で駆動する駆動回路と、前記第２の振
動子に接続され当該第２の振動子から得られる出力信号
を検出し、前記所定の周波数の信号の２次高調波を取り
出す検出回路とを具備することを特徴とする。

【００２５】

【発明の実施の形態】本発明について、図面を用いてよ
り詳細に説明する。

【００２６】図１は、本発明の超音波診断装置の一例を
示す概略図である。

【００２７】超音波診断装置１０は、複数の振動子（動
作周波数帯域の中心周波数が相互に異なる圧電素子１１
ａ、１１ｂ）が配列された超音波探触子１２、この超音
波探触子に駆動信号を送る駆動回路１３、および超音波
探触子から送られてくる信号を検出する検出器１４およ
び検出結果を表示する表示装置１５から形成されてい
る。

【００２８】駆動回路１２から振動子１１ａの振動周波
数帯域の中心周波数の駆動信号が送信されることで、超
音波探触子１２から被検体へ向けて超音波を発信する。
この被検体からの反射波を、振動周波数帯域の中心周波
数が駆動信号の周波数よりも高い振動子１１ｂによって
受信する。受信信号は、検出器１４によって信号処理し
反射波の２次高調波を検出し、その結果を表示装置１５
に表示する。

【００２９】図２は、超音波探触子１２の一例を示す斜
視図である。

【００３０】図示するように、超音波探触子１２は、ス
キャン方向に配列した一次元圧電素子群１２ａ、１２
ｂ、スライス方向に複数個並べて２次元アレイを構成し
ている。スキャン方向に一次元的に配列された各圧電素
子群は、発信用振動子を同一スキャン列において選択的
に駆動して超音波を収束させつつスキャンし、被検体か
ら戻る反射波のうち２次高調波を受信する振動子によ
り、被検体の所定の深さの状態を検出する。さらにスキ
ャン方向に一次元的に配列した各圧電素子群の超音波の
収束距離を少しずつずらすことで、被探触物の２次元ア
レイに対する垂直な面の断面を探触することが可能とな
る。

【００３１】また、図１で説明したように、超音波探触
子１２は、駆動回路に接続される圧電素子１１ａと、検
出器に接続される圧電素子１１ｂとが混在している。圧
電素子１１ａに形成される電極のうちの１つは駆動回路
に接続し、他方の電極は接地されており、駆動回路から
の駆動信号によって、圧電素子１１ａから超音波が送信
される。一方圧電素子１１ｂに形成される電極のうちの
１つは検出器に接続し、他方は設置されており、圧電素
子１１ｂで受信された超音波は電気信号に変換して検出
器に送られる。

【００３２】また、各圧電素子の超音波送受信面には、
音響整合層２２が形成されている。音響整合層２２は、
圧電素子と被探触物との間で超音波が効率的に伝達する
ように設けている。

【００３３】さらに、圧電素子の超音波発信面に対向す
る面に、バッキング材（図示せず）を配置し、このバッ
キング材に圧電素子２２を接着することが好ましい。バ
ッキング材としては、超音波の減衰させる材質のものが
使用され、超音波送受信面と反対側の面から放出される
超音波を減衰させ、圧電素子に不要な振動が生じさせな
い機能がある。

【００３４】図３は、圧電素子１１ａ，１１ｂの一例を
示す斜視図である。

【００３５】圧電素子は、圧電体３１とこの圧電体３１
に電界を印加するように形成された少なくとも一対の電
極３２、３３とからなる。前述したように一対の電極の
うち、一方の電極３２は駆動回路あるいは検出器に接続
され、他方の電極３３は接地されている。

【００３６】圧電体３１は、ＰＺＴ系圧電セラミックス
や、リラクサ・チタン酸鉛系圧電単結晶材料など、既知
の圧電材料を使用することができる。ＰＺＴ系圧電セラ
ミックスとしては、例えばＰＺＴにマグネシウムニオブ
酸鉛（ＰＭＮ）やニッケルニオブ酸鉛（ＰＮＮ）などを
５〜５０ｍｏｌ％程度固溶させた３成分系の材料などを
用いることができる。リラクサ・チタン酸鉛系圧電単結
晶材料としては、Ｐｂ（Ｂ１Ｂ２）_1-xＴｉ_xＯ₃（Ｂ１
はＺｎ，Ｍｇ，Ｎｉ，Ｉｎ，Ｓｃ，ＹｂおよびＬｕから
選ばれる少なくとも１種、Ｂ２はＮｂおよびＴａから選
ばれる少なくとも１種、ｘは０〜０．５５）で示される
化合物の単結晶あるいはこの単結晶の鉛の一部をＢａ，
Ｓｒ，Ｃａ，Ｌａの少なくとも１つで置換した化合物の
単結晶、より具体的にはＰｂ{（Ｚｎ_1/3Ｎｂ_2/3）_0．91
Ｔｉ_0．09}Ｏ₃（以下ＰＺＮＴ９１／９と呼ぶ）などが
使用できる。

【００３７】ＴＨＩ用に用いる際には、受信用素子の動
作周波数帯域の中心周波数に対し、送信用素子の共振周
波数の２倍程度に近づけることが好ましいことから、送
信用の圧電素子に用いる圧電体として、一般的に周波数
定数の少ないリラクサ・チタン酸鉛系圧電単結晶を、受
信用素子の圧電体としてＰＺＴ系圧電セラミックスを使
用する組合わせにすることが好ましい。

【００３８】また、圧電素子の膜厚を制御することで、
共振周波数の制御を行うことも可能であるが、製造面を
考慮すると送信、受信を行う両圧電素子の厚さを同じ値
にすることが好ましく、具体的には、圧電体の厚さを２
００〜６００μｍ程度にすればよい。

【００３９】また、前記電極３２，３３は、Ａｕ，Ａ
ｇ，Ｐｄ，Ｓｎなどを主体とした電極材料を形成する。

【００４０】電極の形成に際しては、まず、ＴｉやＣｒ
などの下地金属をスパッタ方により０．０２〜１．０μ
ｍの厚みに形成した後、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｓｎを主体
とする金属及びそれらの合金からなる金属材料、さらに
は必要に応じ一部絶縁材料をスパッタ法、その他の適当
な方法で１〜１０μｍの厚みに形成する。これらの電極
形成はスパッタ法以外でも微粉末の金属粉末と低融点ガ
ラスを混合した導電ペーストをスクリーン印刷やディッ
ピング法、溶射法で形成することもできる。

【００４１】さらに、圧電体３１の両面に形成した電極
３２，３３間に、所定の電圧を供給し、圧電体を分極す
ることで圧電素子が得られる。

【００４２】圧電素子の変形例を図４に示す。

【００４３】図４に示された積層圧電素子は、第１電極
４２、第２電極４３とが順次積層されており、各電極間
に圧電体４１層が形成されている。そして、各第１電極
４２、各第２電極４３は、それぞれ圧電素子の側部で接
続されている。

【００４４】この第１電極４２と、第２電極４３との間
に所定の電圧を印加し、図に矢印で示したように、隣合
う圧電体４１を逆向きに分極することで電圧素子を作成
することができる。

【００４５】このようにして得られる圧電素子の共振周
波数領域の中心周波数は、圧電体４１のトータルの膜厚
で決まるため、図３に示す単層の圧電体を用いた圧電素
子と比べた時に、両者を同じ材料で、同じサイズの圧電
素子を作成した場合には実施的膜厚ｔは同じであり、中
心周波数は実質的に同程度となる。

【００４６】図４に示す積層圧電素子のメリットは、各
電極間の距離が小さくなるために、圧電素子を駆動させ
る電圧を小さくできることにあり、ＴＨＩ用超音波診断
装置に使用する場合には、送信用の圧電素子として特に
有効である。

【００４７】他の利点としては、圧電素子の容量を大き
くできることである。例えば、２次元アレイプローブを
作成した場合、各圧電素子の超音波送受信面の面積は、
０．１ｍｍ²以下の極小さなものになるため、各素子の
電気容量が小さくなり、通常駆動信号として用いられる
２〜５ＭＨｚの動作周波数範囲ではインピーダンスが大
きくなりすぎ接続ケーブルなどとのインピーダンスマッ
チングが取れなくなる恐れがあるが、図４に示す圧電素
子においては、電極を積層することで、電極間の各圧電
体の厚みを小さくし、素子としての電気容量を大きくす
るため、接続ケーブルとのインピーダンスマッチングが
取れ、シグナルノイズ比を大きくできる。

【００４８】次に、積層圧電素子の製造方法の一例を図
５を用いて説明する（図５ａ，ｂ，ｄ，ｅ，ｆ，ｇにお
いて、上図は上面から平面図、下図は側部から見た平面
図）。

【００４９】例えば、図５ａに示すような厚みが５０〜
１００μｍ、直径が２０〜３０ｍｍ程度のＰＺＴセラミ
ックス板、またはリラクサ・チタン酸鉛系単結晶板から
なる圧電体５１を複数枚準備し（ここでは円盤状の
板）、図５ｂに示すように圧電体５１の両面に電極５２
を形成する。

【００５０】電極５２の形成に際しては、まず、Ｔｉや
Ｃｒなどの下地金属をスパッタ法により０．０２〜１．
０μｍの厚みに形成した後、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｓｎを
主体とする金属及びそれらの合金からなる金属材料、さ
らには必要に応じ一部絶縁材料をスパッタ法、その他の
適当な方法で１〜１０μｍの厚みに形成する。これらの
電極形成はスパッタ法以外でも微粉末の金属粉末と低融
点ガラスを混合した導電ペーストをスクリーン印刷やデ
ィッピング法、溶射法で形成することもできる。

【００５１】図５ｃに示すように、電極５２が形成され
た圧電体５１を、各電極が接触するように基板５３積層
し、上部に適当な重し５４を載せ、３００〜８００℃の
温度で１０分程度加熱する。この熱処理温度は電極材料
により異なる。例えば８０Ａｕ／２０Ｓｎや９５Ｓｎ／
５Ａｇではわずかに３００℃程度でもその接合を行うこ
とが出来る。しかし、７０Ｐｄ／３０Ａｇでは８００℃
程度の温度でないと充分な接合強度を得ることは出来な
い。

【００５２】このようにして得られた、図５ｄに示すよ
うな積層体を０．２〜０．５ｍｍ程度の幅で切断し、複
数個の、図５ｅに示すような短冊状の積層体を得る。

【００５３】さらに、短冊状の積層体の側面に、図５ｆ
に示すように、絶縁性のガラス材料５５で電極５２を一
層おきに被覆し、引続き図５ｇに示すようにガラス材料
５５の上から積層体の側面に外部電極５６を形成する。

【００５４】なお、図５ｇにおいては、２層目、４層目
の電極５２にガラス材料５５を被覆し、１、３、５層目
の電極を接続した側面を示しているが、対向する面にお
いては、１層目、３層目、５層目にガラス材料５５を被
覆し、２，４層目の電極を電気的に接続している。

【００５５】図５ｇに示す積層体の一対の対向電極５６
に、０．１〜２ｋＶ／ｍｍの電圧（電界）を印加したま
ま、２００℃から２０℃まで冷却し、圧電体５１の分極
を行うことで、圧電特性を持たせた。

【００５６】さらに、図５ｈに示すように、０．２〜
０．５ｍｍの幅で積層体を切断し、図５ｉに示す圧電素
子を作成する（図５ｈには圧電素子側面を示す平面図を
併記した）。

【００５７】以下に、より具体的に、超音波探触子の作
成方法を説明する。

【００５８】（１）送信用素子の作成圧電体として、ＰＺＮＴ９１／９固溶系単結晶を用い、
この単結晶の（００１）板を２０ｍｍ×２０ｍｍに切り
出し、厚みを１００μｍに研磨した。この単結晶板の対
向面にＡｕ／Ｐｔにガラスペーストを加えた導電ペース
トを塗布し、６５０℃で焼き付け電極を形成した。この
電極が形成された圧電体を５枚積層し、さらに７００℃
で１０分間加熱圧着した。

【００５９】得られた積層体を幅０．２５ｍｍに切断
し、一方の切断面の１、３及び５層目の電極表面と、他
方の切断面の２、４及び６層目の電極表面低融点ガラス
を５５０℃で形成し絶縁被覆した。その後、各切断面に
外部電極をスパッタリングにより形成した。

【００６０】この外部電極を形成した積層体を０．２５
ｍｍ間隔で切断し、０．２５ｍｍ×０．２５ｍｍ、厚さ
０．５ｍｍの圧電素子を作成した。

【００６１】さらに、１８０℃で外部電極間に０．３ｋ
Ｖ／ｍｍ（約３０Ｖ）の電圧を印加して圧電体を分極
し、その特性を評価したところ、その電気容量は２５０
ｐＦであり、動作周波数領域の中心周波数は約２．０Ｍ
Ｈｚ、結合係数ｋ₃₃は８０％であった。

【００６２】各素子の特性を評価し、良品のみ用意し
た。

【００６３】（２）受信素子の作成受信用素子の圧電体はＰＺＴセラミックを用いた。

【００６４】作製は通常のグリーンシート積層方法であ
る。まず、厚みが２０〜１００μｍのＰＺＴ系材料のグ
リーンシートをシート成型機を用いて作製する。グリー
ンシート上面にＰｔ，Ｐｄ，Ａｇなどを主体とする電極
ペーストを用いて所定のパターンを印刷する。これらの
シートを正確に位置決めし、積層を行う。この後に個別
の素子に切断し、脱脂、焼成、送信側素子と同様に外部
電極つけを行い、個別の素子を完成させる。素子の大き
さは０．２５ｍｍ×０．２５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍであ
る。

【００６５】この圧電素子の外部電極間に、８０℃で
２ｋＶ／ｍｍの電圧を印加し圧電体を分極した。

【００６６】この積層圧電素子の静電容量は２００ｐ
Ｆ、共振周波数は約３．０ＭＨｚであり、結合係数ｋ₃₃
は６５％であった。

【００６７】送信用素子と同様にして受信用の圧電素子
を作成し、各素子の特性を評価し、良品のみ２０００個
用意した。

【００６８】なお、本実施の形態では、圧電素子の共振
周波数を異ならせる方法として、圧電体に用いる材料を
異ならせる方法を採用したが、圧電体の膜厚に差を設け
る、あるいは超音波送受信面と圧電体の分極方向を異な
らせる方法を採用しても良く、さらには受信素子に２周
波素子等を用いても良い。

【００６９】ただし、超音波送受信面が平面状になるよ
うに圧電素子を配列させることを考慮すると、圧電素子
の厚みは略均一にすることが好ましい。

【００７０】また、異なる圧電体を使用する方法として
は、超音波送信用素子の共振周波数よりも、超音波受信
用素子の動作周波数領域の中心周波数が高くなるよう
に、より好ましくは１．５〜２倍程度大きくなるような
圧電体を使用することが望ましい。

【００７１】超音波送受信面と圧電体の分極方向との関
係を異ならせる方法とは、例えば、送信用素子は、分極
方向を超音波送受信面の面方向と同方向配置し、受信用
素子は、分極方向を超音波送受信面に対して垂直となる
ように配置するなど、いわゆる２種の圧電素子のうちの
一方の圧電素子をｋ₃₃の振動モードで発生する超音波
を、他方の圧電素子をｋ₃₁の振動モードで発生する超音
波を、超音波送受信面から放出できる向きに配置するこ
とである。

【００７２】２周波素子を用いる方法では、送信素子に
は図３、図４に示すような単層や積層圧電素子を使用
し、受信素子には図９の（ａ）、（ｂ）に示すような断
面構造を有する２周波素子を使用する。

【００７３】図９は、２周波素子の一例を示す図であ
る。例えば（ａ）に示すように、分極された圧電体９１
と、圧電特性を持たない非分極材料９２とを有し、圧電
体９１の両面に第１の電極９３および第２の電極９４を
形成した圧電素子であり、また（ｂ）は第１の電極９
５、第１の圧電体９６、第２の電極９７、第２の圧電体
９８および第３の電極９９を積層し、前記第１の圧電体
９６と第２の圧電体９８とを逆方向に分極した圧電素子
である。

【００７４】このような２周波素子では、図９（ｃ）に
示すように、周波数特性が送信素子の周波数ｆ１とその
２次高調波ｆ２（ｆ２＝ｆ１×２）の２つの帯域特性を
有するため、高調波成分のみならず、従来の基本波成分
の検出も効率的に行うことが可能であり、ＴＨＩ等のハ
ーモニックイメージ及び従来の基本は成分を利用した断
層画像もＳ／Ｎの良い画像を作成することが可能であ
る。（３）２次元アレイ超音波探触子の作成（１）、（２）で示すような、共振周波数の異なる送信
用、及び受信用の２種の圧電素子を配列して超音波探触
子を構成する。

【００７５】図６は、超音波探触子の製造方法の一例を
示す図である。

【００７６】回路配線６２が形成されたシート状配線基
板６３に前述の２種の圧電素子６１を１次元的に配列す
る。各圧電素子の超音波送受信面をシート状配線基板６
３の端部に位置合わせすることで、各圧電素子の超音波
送受信面を直線状に配列することが可能となる。

【００７７】なお、回路配線６２ａは、駆動回路に接続
されるものと、検出器に接続されるものとがあり、例え
ば積層圧電素子は駆動回路に接続される回路配線に、単
層素子は検出器に接続される回路配線に接続する。回路
配線６２ｂは接地されている。

【００７８】受信用素子の数が多すぎると受信回路規模
が増大し、システム規模の増大、価格の上昇等を招くこ
ととなり、少なすぎると受信感度の低下（受信信号のＳ
／Ｎ劣化）を招くこととなる。

【００７９】同様にして、圧電素子を１次元的に配列し
たシート状配線基板を複数個準備する。

【００８０】次に、圧電素子を２次元的に配列する手法
について説明する。

【００８１】図７は、圧電素子を搭載するバッキング材
の斜視図である。

【００８２】バッキング材７１は、たとえばセラミック
などの所定の基板７２表面に形成されている。このバッ
キング材７１は、ゴムなどの超音波吸収能の高い材料か
ら形成されている。このバッキング材７１に、等間隔
で、平行な切込み部７３を形成する。

【００８３】また、予め同形状に分割された短冊上のバ
ッキング材７１をセラミック基板７２表面に平行に接着
し、図７に示すようなバッキング材を作成しても良い。

【００８４】図８ａは、このバッキング材７１上に、圧
電素子６１を２次元的に配列した時の断面図、図８ｂ
は、斜視図である。

【００８５】バッキング材７１に形成された切込み部７
３に、前述した圧電素子６１を１次元的に配列させたシ
ート状配線基板６３を、圧電素子６１がバッキン部材と
接するまで差し込む。このようにすることで、１次元的
に配列された圧電素子を、等間隔、さらには超音波送受
信面が平面状になるようにして２次元的に配列すること
が可能になる。

【００８６】このような製造方法においては、切込み部
７３によってシート状基板６３を固定するため、前記切
込み部の深さは差し込むシート基板の長さ以上にするこ
とが必要となる。さらに、シート基板を全ての溝に挿入
後、基板７２を取り除くことでシート基板６３の信号線
端をバッキング材７１の底面に露出させる。また、圧電
素子６１とバッキング材７１とを接着剤などを用いて接
着することで、圧電素子６１あるいはシート状基板６３
と、バッキング材７１との固定化を図ることもできる。

【００８７】さらに、このようにして得られる２次元ア
レイの超音波送受信面に音響マッチング層を形成するこ
とで、超音波探触子が作成される。

【００８８】このようにして超音波探触子を作成するこ
とで、１次元的に配列した圧電素子アレイを簡便に二次
元平面に配列することが可能になる。また、圧電素子の
分割時に発生する不良素子を予め除去することが可能な
ため、超音波探触子の製造歩留まりを向上させることが
できる。

【００８９】また、得られた超音波探触子は、送信用圧
電素子から約２．０ＭＨｚの超音波が放出される。そし
て２次高調波、すなわち周波数４．０ＭＨｚを中心とす
るエコーを受信する受信用素子の動作周波数領域の中心
周波数が３．０ＭＨｚと高いため、２次高調波の受信感
度が向上するため、送信用圧電素子に印加する電圧を抑
制することが可能になる。

【００９０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の超音波探
触子および超音波診断装置によれば、超音波の受信感度
が高まるため、超音波送信のための駆動電圧を抑制する
ことができる。また、本発明の超音波探触子の製造方法
によれば、簡便な方法で圧電素子を二次元平面に配列す
ることが可能になる。または、超音波探触子の製造歩留
まりを向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の超音波診断装置の一例を示す概略
図。

【図２】超音波探触子１２の一例を示す斜視図。

【図３】圧電素子の一例を示す斜視図。

【図４】圧電素子の変形例を示す斜視図。

【図５】本発明に係る積層圧電素子の製造方法の一例
を説明するための図。

【図６】本発明の超音波探触子の製造方法の一例を示
す図。

【図７】圧電素子を搭載するバッキング材の斜視図。

【図８】ａはバッキング材上に圧電素子６１を２次元
的に配列した時の断面図、ｂはその斜視図。

【図９】２周波振動子を示す図。

【符号の説明】

１０……超音波診断装置１１……圧電素子１２……超音波探触子１３……駆動回路１４……検出器１５……表示装置３２、３３、４２、４３……電極３１、４１……圧電体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０４Ｒ 17/10 ３３０Ｈ０４Ｎ 5/31 // Ｈ０４Ｎ 7/18 (72)発明者斉藤史郎神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者手塚智栃木県大田原市下石上1385番の１株式会社東芝那須工場内 (72)発明者橋本新一栃木県大田原市下石上1385番の１株式会社東芝那須工場内 (72)発明者小林剛史神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内Ｆターム(参考） 4C301 AA03 EE06 EE18 GB10 GB33 GB36 GB39 HH55 5C024 AX09 BX00 CX03 CY47 5C054 CA08 EJ05 HA12 5D019 AA08 BB02 BB19 FF04 5J083 AB17 AE08 CA01 CA13 CA24 CB03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の動作周波数帯域内で超音波を発信す
る第１の振動子と、前記発信された超音波の被検体から
の反射波を受信し第２の動作周波数帯域を持つ第２の振
動子とを２次元面に配列され、前記第１の振動子の前記
動作周波数帯域の中心周波数に対して、前記第２の振動
子の前記動作周波数帯域の中心周波数が高いことを特徴
とする２次元アレイ超音波探触子。
【請求項２】前記第１および第２の振動子は、電極に挟
持された圧電体からなる外形寸法が略同一な圧電素子で
あり、かつ異なる材料からなる圧電体を具備することを
特徴とする請求項１記載の２次元アレイ超音波探触子。
【請求項３】前記第１の圧電素子はリラクサ・チタン酸
鉛系圧電単結晶からなる圧電体を有し、前記第２の圧電
素子はＰＺＴ系圧電セラミックスからなる圧電体を有す
ることを特徴とする請求項１記載の２次元アレイ超音波
探触子。
【請求項４】前記第１および第２の振動子は、電極に挟
持された圧電体からなる外形寸法が略同一な第１及び第
２の圧電素子からなり、前記第１の圧電素子の電極は前
記２次元面に平行な面または前記２次元面に垂直な面の
いずれかに形成され、前記第２の圧電素子の電極は前記
第１の圧電素子の電極に直交する前記２次元面に垂直な
面または前記２次元面に平行な面のいずれかに形成され
ていることを特徴とする請求項１記載の２次元アレイ超
音波探触子。
【請求項５】基体表面に、複数の平行な切込み部を有す
るバッキング材を形成する工程と、複数の圧電素子を作成する工程と、複数のシート状配線基板を準備し、それぞれの前記シー
ト状配線基板上に前記圧電素子を１次元的に配列させる
と共に、前記シート状配線基板及び前記圧電素子を接合
する工程と、１次元的に配列した前記圧電素子が接合された前記シー
ト状配線基板を、前記バッキング材表面に形成された複
数の切込み部に挿入し、前記圧電素子を２次元的に配列
させる工程とを有することを特徴とする超音波探触子の
製造方法。
【請求項６】被検体に超音波を発信し第１の動作周波数
帯域を有する第１の振動子と、前記発信された超音波の
被検体からの反射波を受信し第２の動作周波数帯域を持
つ第２の振動子とが２次元面に配列され、前記第１の振
動子の前記動作周波数帯域の中心周波数に対して、前記
第２の振動子の前記動作周波数帯域の中心周波数が高い
２次元アレイ超音波探触子と、前記第１の振動子に接続され当該第１の振動子を所定の
周波数の信号で駆動する駆動回路と、前記第２の振動子に接続され当該第２の振動子から得ら
れる出力信号を検出し、前記所定の周波数の信号の２次
高調波を取り出す検出回路とを具備することを特徴とす
る超音波診断装置。