JP2554468B2 - 超音波探触子及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の利用分野） 本発明は、医療、工業、水産業等の各種産業用の超音
波装置に超音波の送受波部として使用される超音波探触
子を利用分野とし、特に、超音波の発生源となる探触子
用の複合圧電板に関する。

（発明の背景） 一般に、超音波探触子は、例えば人体、金属、水中等
の被検出体に超音波を送出し、その反射波を受入して、
被検出体の疾患部、欠陥部、障害物等をを探索する超音
波装置の送受波部として広く利用されている。そして、
これらの超音波探触子には、用途、目的等に応じて超音
波を送受波する種々の形態があり、例えば遠近自在に探
索可能とした超音波探触子にあっては、超音波の送受波
方向に対して焦点距離を可変できるようにした可変焦点
型探触子がある。

（従来技術） 第５図（ａ）は、可変焦点型探触子の一般的な一例を
示す図で、特に超音波の発生及び受入源である探触子用
圧電板の図である。

即ち、この可変焦点型探触子は、素材をジルコン酸チ
タン酸鉛（以下、PZTとする。）として両主板面に電極3
0が形成された円板状圧電板31とこれを取り巻く複数の
円環状圧電板32（32a、32b、32c）とを同心円状に配列
して探触子用圧電板とし、第５図（ｂ）の断面図に示し
たように、円板状及び環状圧電板31、32に信号導出入用
リード線33をそれぞれ接続し、超音波送受波面側となる
一方の板面側に音響マッチング層34、他方の板面側にバ
ッキング材35を取着し前記超音波送受波面側を前面にし
て図示しないケースに封入している。そして、この超音
波探触子は、第６図に示したように、円板状及び環状圧
電板31、32が、例えば遅延線36a、36b、36c、36dを通し
て遅延量（位相）の異なる電気パルスを印加されてそれ
ぞれ独立した振動子として動作し、円板状及び環状圧電
板31、32から送受される超音波ビームが所定の位置にて
焦点ｆを結ぶように駆動される。そして、この可変焦点
型探触子にあっては、円板状及び環状圧電板31、32に印
加される電気パルスの遅延時間を所定の時間に設定する
ことにより、超音波ビームの焦点距離を自在に制御で
き、特に、被検出体の超音波送受波方向における任意の
場所を探索可能としている。

（従来技術の欠点） ところで、このような可変焦点型探触子の焦点距離を
可変し良好な音場特性を得て有効な位相制御を行うため
には、円板状及び環状圧電板31、32の相互間隔Ｄを被検
出体となる人体、金属、水等の媒質中の超音波の波長λ
よりも小さいことが望ましいとされている。例えば、水
中あるいは人体を媒質とした場合には超音波の音速が15
00m/secであるので、周波数が3MHzの波長λは0.5mm以下
となる。このため、円板状及び環状圧電板31、32の相互
間隔Ｄは0.5mm以下にすることが望ましいが、実際には
製造上の問題等で、この相互間隔Ｄは通常波長λの２〜
４倍程度に選定され、例えば円板状及び環状圧電板31、
32が点音源とならずに音場特性の先端にグレーティング
ロブ等を発生する原因となっていた。そして、この場合
にあっても、PZTや圧電セラミックス等の圧電体を径の
異なる複数の環状に形成し、相互間隔Ｄを一定にして同
一板面上に配列することは極めて困難であるので、円板
状及び環状圧電板31、32の焦点ｆが一致しなくなったり
し、前記グレーティングロブ等の発生と併せて音場特性
を劣化させ高品位の情報を得ることができない欠点があ
った。

又、一般に円板状及び環状圧電板31、32の厚みｔと幅
ｗとの比w/tを0.6以下にすることが、厚みに対する幅方
向の振動を抑制し、不要超音波の発生を防止するとされ
ている。しかし、前述の周波数を3MHzとした環状振動子
の厚みｔは略0.7mmとなるので、w/tは略１〜2.8となり
規定値の0.6以下を満足しなくなって不要超音波を発生
し、前述同様に音場特性を低下させていた。このため、
例えば第７図の断面図に示したように、円板状及び環状
圧電板31、32に周回する溝37を設けてw/tを規定の0.6以
下とした複数の分割圧電板38を形成し、この複数の分割
圧電板38から円板状及び環状圧電板31、32を構成するこ
とが考えられる。しかし、この場合には、前述した以上
に円板上及び環状圧電板31、32を分割することが困難に
なるので、実用上適さない製造上の問題があった。

又、特に、上述した製造上の問題を解決するために、
例えば第８図（ａ）の平面図、同図（ｂ）の断面図に示
したように、一枚の圧電板39に円板状電極40と複数の環
状電極41（41a、41b、41c）とを同心円状に形成して、
円板状及び環状電極40、41の設けられた圧電板部分をそ
れぞれ一つの独立した円板状及び環状圧電板とみなし、
円板状及び環状圧電板を前述したように、位相制御して
可変焦点型探触子としたものがある。しかし、この場合
には、円板状及び環状圧電板が同一素材の圧電材にて連
結されているため、円板状及び環状圧電板が相互に干渉
して音場特性を極度に劣化させ、特に高品位の情報を必
要とする超音波装置には実用上供し得ない欠点があっ
た。

（発明の目的） 本発明は、製作が容易で、振動子を任意の形状に配列
でき、音場特性が良好な超音波探触子及びその製造方法
を提供することを目的とする。

（発明の特徴） 本発明の第１の発明は、複数個の微小圧電片を板面方
向に充填材にて連結して複合圧電板を形成し、該複合圧
電板の両主板面に超音波発生用の駆動電極を形成したこ
とを特徴とする。

本発明の第２の発明は、一枚の圧電板を基台に固着し
て複数個の微小圧電片に分割し、各微小圧電片間の溝に
充填材を設けて各微小圧電片を板面方向に連結して複合
圧電板を形成し、その後、該複合圧電板に超音波発生用
の駆動電極を形成したことを特徴とする。

（第１発明の実施例） 第１図は、本発明の第１の発明の一実施例を説明する
超音波探触子の図である。尚、第１図（ａ）は音響マッ
チング層及びバッキングを除く平面図、同図（ｂ）は同
図（ａ）のA-A′断面図、同図（ｃ）は同図（ａ）の点
線枠イで示す一部拡大平面図である。

即ち、この超音波探触子は、一辺を略0.15mmとして、
幅ｗと厚みｔとの比を0.6以下とした例えばPZTからなる
微小圧電片１（以下圧電片１とする。）をバッキング材
２の平坦面上に所定の間隔D1で行列的に二次元状に並べ
ている。尚、間隔D1は圧電片１の幅ｗとギャップｄとの
和ｗ＋ｄとし、この間隔D1は使用する超音波の波長λよ
り小さい。そして、各圧電片１のギャップとなる各溝３
には、音響インピーダンスをこの圧電片１より充分小さ
な値としたエポキシあるいはシリコン樹脂等の充填材３
が埋設され、各圧電片１を連結して圧電片１の集合によ
るシート状の複合圧電板４を形成している。この複合圧
電板４のバッキング材側の一方の主板面には、複数の圧
電片１を励振して超音波を発生させる＋側の駆動電極と
して、板面中央に直径を略3mmとした円形状電極５及び
これを取り巻き順次直径が大となりその幅が小となっ
て、前記円形状電極５と面積が等しい複数の環状電極６
（6a、6b、6c）が、例えば印刷焼付けにより形成されて
いる。そして、他方の主板面側には、前記＋側電極と対
をなし−側のアース電位となる駆動電極として全面電極
７が同様に印刷焼付けにより形成され、更に、この全面
電極７上にはエポキシ樹脂等の音響マッチング層８が媒
質との整合条件を満すインピーダンス値に選定されて均
一な厚みで例えばコーティングにより施されている。
尚、円形状及び環状電極５、６の間隔D2は使用する超音
波の波長λより小さく設定されている。そして、円形状
電極５、各環状電極６及び全面電極７からは図示しない
送受回路側と接続する信号導出入用のリード線がそれぞ
れバッキング材２内を通して外部に導出されている。

そして、この超音波探触子は、前述した第２図にて説
明したように、異なる時間の遅延量に設定された遅延線
を通した電気パルスにより、円板状及び各環状電極５、
６部の複合圧電板部分（以下、環状複合振動子とす
る。）の複数の圧電片１が励振駆動されて超音波を被検
出体に送出し、前記遅延量で定まる所定の位置で焦点を
結んでその位置における情報を反射波として受入し、こ
の反射波を電気的な情報パルスに変換する。尚、この情
報パルスは図示しない超音波装置の本体にて解読並びに
表示が行われ、被検出体内における疾患、欠陥部等の状
況を的確に知らしめる。

従って、この実施例の超音波探触子によれば、次の実
施例効果を生ずる。即ち、 （イ）、複合圧電板４の主板面に円板状及び環状電極
５、６が形成されているので、円板状及び環状複合振動
子の相互間隔D2を一定にして容易に配列することができ
る。

ロ）、円板状及び環状複合圧電板が、厚みｔに対する幅
ｗの比w/tが略0.6以下の複数の圧電片１からなるので、
円板状及び環状複合振動子の特に幅方向の振動を抑制
し、不要超音波の発生を防止する。

ハ）、充填材３の音響インピーダンスが圧電片１より充
分小さいので、圧電片間の相互干渉を防止する。

ニ）、圧電片１の相互間隔D1を超音波の波長λ以下とし
各圧電片１を点音源としているので、円板状及び環状複
合振動子は単一圧電板と同等の特性を有する。又、円板
状及び環状複合振動子の相互間隔D2も超音波の波長λ以
下としているので、音場特性を損なうことがない。

ホ）、円板状及び環状電極５、６の面積を一定にしたの
で、円板状及び環状複合振動子の入出力インピーダンス
を一定にでき、送受波回路側との整合を取り易い。

等の実施例効果を生ずる。

尚、本実施例では、複合圧電板の一方の主板面にアー
ス電位となる全面電極７を設けたが、一方の主板面に形
成した円板状及び環状電極５、６に対向する電極として
もよい。

（第１発明の他の実施例） 以下、本発明の超音波探触子に係わる他の実施例を図
により説明する。尚、他の実施例の説明にあっては、バ
ッキング材、音響整合層は前記実施例と略同用であるの
で、その部分の図及び説明は省略する。

他の実施例（１） 第２図は本発明の他の実施例を示す超音波探触子の図
で、同図（ａ）は音響整合層を除く平面図、同図（ｂ）
は同図（ａ）のB-B′断面図、同図（ｃ）は同図（ａ）
の点線枠（ロ）で示す部分の一部拡大図である。

即ち、この超音波探触子は、複数の圧電片１を充填材
３にて板面方向に連結した複合圧電板４を四角形とし、
一方の主板面に複数列の＋側の列状電極10を形成し、他
方の主板面に前記＋側の列状電極10と直交して交叉し、
アース電位となる−側の列状電極11を形成して、＋側並
びに−側の列状電極10、11からそれぞれ信号導出入用の
リード線９を外部に導出したものである。尚、この複合
圧電板４にあっても、前述同様、圧電片１の相互間隔及
び列状電極10、11部分の圧電体部分を独立して動作する
振動子とした列状振動子相互間隔を超音波波長λ以下と
し、各列状電極10、11の面積を等しくしている。そし
て、この超音波探触子は、＋側と−側との列状電極10、
11が交叉する部分の圧電体部分が独立した交叉振動子と
なり、＋側と−側と駆動電極を選択することにより所定
の交叉振動子が動作され、被検出体の任意の部分の超音
波探索をおこなう。勿論、各列状電極10、11に遅延パル
スを印加して、交差振動子あるいは所定の交叉振動子の
グループを順次動作させ、被検出体の各部を連続的に探
索できることはいうまでもない。

従って、この実施例にあっても、前記実施例と同様
に、 イ）、複数個の圧電片１を充填材３にて結合した複合圧
電板４としているので、列状電極10、11を形成して列状
振動子の間隔D2を一定にして配列できる。

ロ）、各列状振動子は、w/tが0.6以下の複数の圧電片１
からなるので、幅方向の振動を抑圧できる。

ハ）、充填材３の音響インピーダンスが圧電片１より充
分小さいので、圧電片間の相互干渉を防止する。

ニ）、圧電片１及び列状振動子の相互間隔D1、D2をそれ
ぞれ超音波の波長λ以下としているので、単一圧電板と
同等の特性を有し、音状特性の乱れを防止する。

ホ）、各列状電極10、11の面積を等しくしたので、列状
振動子の入出力インピーダンスを一定にでき送受波回路
側との整合をとり易い。

等の実施例効果を得ることができる。

他の実施例（２） 第３図は本発明の更に他の実施例を示す超音波探触子
の図である。尚、第３図（ａ）は超音波探触子の平面
図、同図（ｂ）は同図（ａ）のC-C′断面図、同図
（ｃ）は同図（ａ）の点線枠（ハ）で示す一部拡大図で
ある。

即ち、この超音波探触子は、複数の圧電片１を充填材
３により集合した複合圧電板４に超音波発生用の電極を
形成し、この複合圧電板４を一次元方向に列状にして配
列される複数個に分割して複合分割圧電板12（以下、分
割複合板12とする。）を形成し、各複合圧電板12に遅延
パルスを印加して順次駆動し、リニアー、セクター型と
して使用される配列型探触子としたものである。なお、
この実施例にても、分割複合板12は、圧電片１及び分割
複合板12の相互間隔をを超音波波長λ以下とし、各分割
複合板12の面積を等しくしている。

従って、この実施例にあっては、 イ）、圧電片１の相互間隔D1をそれぞれ超音波の波長λ
以下としているので、単一圧電板と同等の特性を有し、
音場特性の乱れを防止する。

ロ）、各分割複合板12は、w/tが0.6以下の複数の圧電片
１からなるので、幅方向の振動を抑圧して不要超音波の
発生を防止する。

ハ）、音響インピーダンスが圧電片１より充分小さい充
填材３にて連結しているので、圧電片間の相互干渉を防
止する。

ニ）、分割複合板12を駆動する電極の面積を等しくした
ので、各複合圧電板12の入出力インピーダンスを一定に
でき送受波回路側との整合をとり易い。

等の実施例効果を生ずる。

（他の事項） 尚、上記の各実施例にあっては、複合圧電板４が形成
される圧電片１を、大きさが等しい四角形のPZTからな
る微小片としたが、例えば圧電片１を圧電セラミックス
として円形状としてもよく、又、圧電片１の大きさは一
定でなくそれぞれ異ならせて超音波の周波数帯域を広げ
てもよい。又、上記実施例にあっては、複合圧電板４に
円形状及び環状電極５、６、列状電極10、11等を形成し
た超音波探触子について説明したが、本発明はこれらの
超音波探触子に限定されることなく、各種用途に応じた
超音波探触子に適用され、本発明の趣旨を逸脱しない範
囲内で適宜自在に利用することができる。

（第２発明の実施例） 以下、本発明の第２の発明に係わる超音波探触子の製
造方法について、第４図を参照して説明する。

尚、この実施例にあっては、第１の発明の第１実施例
に対応する超音波探触子の製造方法として説明する。

工程１ 先ず、第４図に示したように、厚みをｔとしたPZTか
らなる一枚の正方形状の圧電板を、圧電片１の相互間隔
Ｄが0.15mm以下の充分小さい細の目状に切断分割する。
尚、各々の切断された圧電片が離散しないように、予
め、圧電板の底面を基台14上に例えば熱に溶解するよう
な接着剤やニカワ等で固着して切断する。但し、第４図
（ａ）は平面図、同図（ｂ）は断面図、同図（ｃ）
（ｄ）は同図（ａ）（ｂ）の一部拡大図である。

工程２ 次に、この切断によって生じた各圧電片間のギャップ
となる溝15にこの圧電板より充分小さな音響インピーダ
ンス値のエポキシあるいはシリコン樹脂等の充填材３を
埋設して各圧電片１を板面方向に連結し、複数個の小さ
な圧電片１の集合によるシート状の複合圧電板４を形成
する「第４図（ｅ）（ｆ）の一部拡大図及び断面
図）」。

工程３ 次に、充填材３が硬化して複数の圧電片１が連結され
た頃合を見計らって、複合圧電板４の接着剤が施された
底面を熱溶解して複合圧電板４を基台14から取外す。そ
して、複合圧電板４の両主板面を洗浄して所定の厚みに
研磨する「第４図（ｇ）（ｈ）の一部拡大平面図及び断
面図」。

工程４ 次に、複合圧電板４の一方の主板面の中央に、円形状
電極５、更にこの円形状電極５を取り巻く外周に、順次
直径が大きく幅が小さくなって前記円形状電極の面積と
等しい円環状電極６（6a、6b、6c）を印刷焼付けにより
形成する。そして、他方の主板面には、その全面にアー
ス電位となる全面電極７を前記同様印刷焼付けにより形
成する。尚、円形状電極５、複数の環状電極６、全面電
極７には信号導出入用のリード線９がその端部から導出
される「第４図（ｉ）（ｊ）の一部拡大平面図及び断面
図」。

工程５ 次に、前記信号導出入用のリード線９を通して、全面
電極７側をアース電位となる−側、円形状及び環状電極
５、６側を＋側として、分極処理を施す。

工程６ 最後に、前述した第１図に示したように、複合圧電板
４の全面電極７側が形成された一方の主板面側に媒質と
の整合条件を満すインピーダンス値に選定された音響マ
ッチング層８を均一な厚みで例えばコーティングによ形
成し、他方の主板面側にバッキング材２を形成する。
尚、円板状及び環状電極５、６、全面電極７と接続した
信号導出入用のリード線はそれぞれバッキング材内を通
して外部に導出される。

従って、この実施例による超音波探触子の製造方法に
よれば、 イ）、一枚の圧電板を基台14に固着して複数個の圧電片
１に切断分割して複合圧電板４を形成したので、複数の
圧電片を同一板面内にして均一に配置できる。

ロ）、複合圧電板４の主板面に円板状及び円環状電極
５、６を形成して超音波探触子を形成したので、円板状
及び環状複合振動子を所定の間隔にして確実に配列でき
る。

ハ）、複合圧電板に円板状及び円環状電極５、６を形成
した後、複合圧電板４の円板状及び環状電極部分の各圧
電片に分極処理を施したので、円板状及び環状電極部分
以外の圧電片１は分極されず、円板状及び環状振動子の
独立性を増長できる。

等の実施例効果を生ずる。

尚、この実施例にあっては、第１の発明の第１実施例
に対応する超音波探触子の製造方法として説明したが、
第１の発明の他の実施例に対応した超音波探触子の製造
方法にも適用できることはいうまでもなく、例えば板面
を曲面状にしたりしてその他種々の形態の超音波探触子
の製造方法に適用できる。

（発明の効果） 本発明は、複数の微小圧電片間の溝に充填材を設けた
複合圧電板上に、超音波発生用の駆動電極を設けた後、
駆動電極部分のみを分極して形成したので、製作が容易
で、振動子を任意の形状に配列できて音場特性が良好な
超音波探触子を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１発明の１実施例を説明する超音波
探触子の図で、同図（ａ）は同平面図、同図（ｂ）は同
断面図、同図（ｃ）は同図（ａ）の点線枠イで示す一部
拡大図である。第２図は第１発明の他の実施例を示す超
音波探触子の図で、同図（ａ）は同平面図、同図（ｂ）
は同断面図、同図（ｃ）は同図（ａ）の点線枠ロで示す
一部拡大図である。第３図は第１発明の他の実施例を示
す超音波探触子の図で、同図（ａ）は同平面図、同図
（ｂ）は同断面図、同図（ｃ）は同図（ａ）の点線枠ロ
で示す一部拡大図である。 第４図（ａ）〜（ｊ）は本発明の第２の発明の一実施例
である超音波探触子の製造方法を説明する各工程におけ
る超音波探触子の図である。 第５図（ａ）は従来の可変焦点型探触子の図、同図
（ｂ）は同断面図図、第６図は前記第５図の可変焦点型
探触子の駆動方法を説明する図、第７図は従来の可変焦
点型探触子の他の例を示す断面図、第８図（ａ）は従来
の可変焦点型探触子の更に他の例を示す平面図、同図
（ｂ）は同断面図である。 １……圧電片、３……充填材、４……複合圧電板、５…
…円形状電極、６……環状電極、７……全面電極、10、
11……列状電極、12……分割複合板、14……基台、15…
…溝、16……接着剤。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数個の微小圧電片を板面方向に充填材に
   て連結して複合圧電板とし、該複合圧電板の少なくとも
   一方の主板面に超音波発生用の同心円上とした円形状及
   び環状電極を形成した超音波探触子において、前記円形
   状及び環状電極の形成された部分のみが分極されるとと
   もに、該円形状及び環状電極の各面積を等しく設定した
   ことを特徴とする超音波探触子。
2. 【請求項２】一枚の圧電板を基台上に固着して複数個の
   微小圧電片に分割して、各微小圧電片間の溝に充填材を
   設けて複合圧電板を形成し、該複合圧電板の少なくとも
   一方の主板面に同心円上として各面積が等しい円形状及
   び環状電極を設けた後、前記円形状及び環状電極部分の
   みを分極したことを特徴とする超音波探触子の製造方
   法。