JP2972061B2 - 超音波探触子の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、入力された電気信号を
超音波に変換して送信するとともに、受信した超音波を
電気信号に変換して出力する超音波探触子の製造方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】 被検体、特に人体内に超音波を送信
し、人体内の組織で反射されて戻ってきた超音波を受信
して受信信号を得、この受信信号に基づく人体内の画像
を表示することにより人体の内臓等の疾患の診断を容易
ならしめる超音波診断装置が従来より用いられており、
この超音波診断装置では電気信号を超音波に変換して被
検体内に送信するとともに被検体内で反射された超音波
を受信して電気信号に変換するトランスデューサとして
超音波探触子が用いられている。

【０００３】図６は、超音波探触子の一例を模式的に表
わした斜視図、図７はその超音波探触子と接続される回
路を表わしたブロック図である。図６の横方向（走査方
向，ｘ方向）に、例えば圧電セラミックス（ＰＺＴ）か
らなる多数の圧電振動子１が短冊状に並び、その前面側
には互いに電気的に接続された共通の前面電極１ａが形
成され、接地されている。また各圧電振動子１の背面側
にはそれぞれ互いに独立した背面電極１ｂが形成されて
おり、各背面電極１ｂのそれぞれには各リード線２が接
続されている。また各圧電振動子１の前面側には、各圧
電振動子１のそれぞれに対応したエポキシ樹脂等からな
る整合層３が形成されており、さらにその前面側には、
走査方向（ｘ方向）とは直角の短軸方方向（ｙ方向）に
ついてこの超音波探触子から送信された超音波を収束さ
せるための、シリコーンゴム等からなる音響レンズ４が
取り付けられている。また圧電振動子１の背面側には、
超音波の波形継続時間を短縮し、かつ背面側に発信され
た超音波を吸収する目的で、バッキング５が背面電極１
ｂを挟んで圧電振動子１に結合されている。

【０００４】以上のように構成された超音波探触子を用
いて人体等の被検体（図示せず）内に超音波を送信する
には、図７に示す送信回路６から各圧電振動子１に向け
て各パルス信号が送信され、これにより各圧電振動子１
から超音波のバースト波が送信される。ここで、各圧電
振動子１から送信された超音波が被検体内の所定の深さ
で焦点を結ぶように送信回路６から送信される各パルス
信号の送信タイミングが制御されている。

【０００５】また、この超音波探触子から送信され被検
体内で反射された超音波は、各圧電振動子１で受信され
て各受信信号に変換される。この各受信信号は、各アン
プ７で適切に増幅された後、遅延加算回路８に入力さ
れ、この遅延加算回路８において、被検体内の、固定し
たもしくは順次変更された深さ位置に焦点が結ばれるよ
うに遅延加算が行われる。

【０００６】この遅延加算回路８で遅延加算の行われた
受信信号は、図示しない信号処理回路に入力され、この
受信信号に基づいて超音波による被検体内の画像を表わ
す画像信号が生成され、この画像信号に基づいて例えば
ＣＲＴディスプレイ装置等に画像が表示される。図８
は、配列された圧電振動子から放射される超音波の音圧
分布（ａ）、その放射音圧分布の場合における超音波ビ
ーム断面の音圧プロファイル（ｂ）、およびその放射音
圧分布の場合における、被検体内の深さ方向に対する短
軸方向のビーム幅（ｃ）を示した図である。

【０００７】図８（ａ）に示すように、短軸方向に関し
圧電振動子の中央部も端部も均一な放射音圧の超音波を
送波した場合、被検体内の超音波ビームには、図８
（ｂ）に示すように大きなサイドローブが発生し、その
ため図８（ｃ）に示すように音響レンズ（図６参照）の
焦点近傍しか超音波ビームを細かく絞ることができず、
全体としてかなり広がったビーム径となる。

【０００８】図９は、短軸方向の放射音圧分布が異なる
ことを除き、図８と同様な図である。図９（ａ）に示す
ように、短軸方向に関し、圧電振動子の中央部の放射音
圧を上げ、端部の放射音圧分布を下げると、図９（ｂ）
に示すようにサイドローブが低減され、これにより図９
（ｃ）に示すように短軸方向のビーム径を全体として細
く絞ることができ、高解像度の断層像を得ることができ
る。

【０００９】図９に示すような、圧電振動子から分布を
もった音圧の超音波を放射するための技術の１つとし
て、圧電振動子の分極強度に分布をもたせることが提案
されている（特公平１−２４４７９号公報参照）。図１
０は、圧電振動子の分極強度分布と放射される超音波の
音圧分布との関係をあらわした図である。

【００１０】図１０（ａ）に示すように走査方向に長尺
の板状の圧電振動子を用意し、この圧電振動子を、短軸
方向に階段状に分極強度分布をもつように分極する。圧
電振動子を短軸方向に階段状に分極強度をもつように分
極するには、例えば以下に示すような手法が用いられ
る。図１１は、圧電振動子を短軸方向に階段状に分極強
度をもつように分極する手法を示した模式図である。

【００１１】一般に圧電振動子の分極処理は、数十〜数
百℃の温度雰囲気中で、振動子板の、対向する２つの主
面（前面と背面）に配された良導体電極に数百Ｖ／ｍｍ
の電界を数分〜数時間印加することにより行われる。圧
電振動子の分極状態は、これらの分極条件、すなわち分
極電界，分極温度，分極時間で制御することができ、こ
れらの分極条件の値を大きくとることにより圧電振動子
の分極状態は未飽和分極から飽和分極に向けて大きくな
る。

【００１２】そこで、図１１に示すように圧電振動子の
長手方向（超音波探触子として構成したときの走査方向
（ｘ方向）；図６参照）に延びるストライプ状の複数の
良導体電極を１方の主面（例えば背面）に形成し、もう
１方の主面（例えば前面）には全体として１枚の良導体
電極を形成する。その後、先ず、図１１（ａ）に示すよ
うに、中央の電極に所定の電圧Ｖ１を印加するとともに
他の電極をアースに短絡し、図示しないオイルバスに浸
して飽和分極状態となるまで分極処理を行う。ここで電
圧を印加する電極以外の電極をアースに短絡しておくの
は、圧電振動子の電圧を印加した部分の分極処理の際に
その周囲の部分まで一緒に分極されてしまうのを防ぐた
めである。次に、図１１（ｂ）に示すように、中央の電
極と両端の電極をアースに短絡すると共に残りの２つの
電極に所定の電圧Ｖ２を印加し、所定の未飽和分極状態
となるまで分極を行う。その後、図１１（ｃ）に示すよ
うに、中央の３つの電極をアースに短絡し、両端の電極
に所定の電圧Ｖ３を印加して、図１１（ｂ）のときより
も弱く分極する。こうすることにより、階段状の分極強
度分布を有する圧電振動子が形成される。

【００１３】このようにして、圧電振動子をその短軸方
向に階段状に分極強度分布をもつように分極すると、そ
の分極強度分布に応じた分布をもつ電気−機械結合係数
が得られる。ここで、電気−機械結合係数ｋは、その圧
電振動子に入力した電気エネルギーとその電気エネルギ
ーの印加によって圧電振動子が振動する機械エネルギー
との比率の平方根、即ち、 ｋ＝（出力する機械エネルギー／入力した電気エネルギ
ー）^1/2 …（１） で定義される。上記のように分極された圧電振動子を図
１０（ｂ）に示すように多数に分割し、これを超音波探
触子に備え、超音波を放射する。すると、電気−機械結
合係数にほぼ比例した音圧の超音波が放射される。した
がって所望の放射音圧分布を得るためには、それに比例
した所望の電気−機械結合係数分布を得ればよく、電気
−機械結合係数は分極強度に依存するため、圧電振動子
の分極強度を調整することにより所望の放射音圧分布、
すなわちその圧電振動子から放射される超音波の所望の
振幅重み付けが得られることとなる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上記方法では、分極処
理中に発生する応力により、圧電振動子が割れることが
ある。以下に、図１２，図１３を参照して、圧電振動子
が割れる原因の詳細を示す。図１２，図１３は圧電振動
子に生ずる歪みを示した図である。

【００１５】一般に圧電振動子の分極処理は、前述した
ように、未分極状態の圧電振動子を、数十〜数百℃の温
度雰囲気中に置き、圧電振動子板の二つの主面に配され
た良電導体電極に数百Ｖの電界を数分〜数時間印加する
ことにより行われる。この分極処理中に圧電振動子の厚
さが変化し、未分極状態（図１２（ａ））の厚みに対
し、分極中には電気歪みが発生し（図１２（ｂ））、分
極が終わり電界を取り去ると残留歪み（図１２（ｃ））
が残る。このため、図１３に示すように、一方の電極に
電圧を印加すると共に他の電極はアースに短絡して分極
を行うと、分極を行っている圧電振動子部分とアースに
短絡された圧電振動子部分に厚みの差（電気歪み△ｔ
０）が発生し、２つの圧電振動子部分の境界部に応力が
発生する。電気歪み△ｔ０の大きさは分極強度に依存す
るため、圧電振動子に与える分極強度によっては圧電振
動子が割れてしまうことがある。図１１に示す分極処理
の場合、未分極状態の圧電振動子の端部をアースに短絡
状態にし、中央部に分極が飽和状態になる電極を印加す
る図１１（ａ）の場合に、圧電振動子が割れる頻度が高
くなっている。

【００１６】本発明は、上記問題点を解決し、超音波探
触子を製造するための一工程である圧電振動子の分極工
程において、分極時に圧電振動子が割れてしまうことを
防止することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の超音波探触子の製造方法は、所定方向に分極強度分
布を有する圧電振動子を備えた超音波探触子を製造する
超音波探触子の製造方法において、圧電振動子素体の対
向する２つの主面のうちの一方の主面に上記所定方向に
交わる方向に延びる、互いに分割された複数の第１の電
極を付すと共に、上記２つの主面のうちの他方の主面に
第２の電極を付した後に、上記複数の第１の電極のうち
の一部の第１の電極と第２の電極との間に電圧を印加し
て圧電振動子素体の電圧が印加された部分を分極する分
極工程を、上記一部の第１の電極を順次変更して繰り返
すことにより、圧電振動子素体を分極するにあたり、圧
電振動子素体の、最高の分極強度を与える最高分極部分
を分極する前に、圧電振動子素体の、最高分極部分に隣
接する隣接部分の分極を行うことを特徴とするものであ
る。

【００１８】ここで、上記分極工程のそれぞれにおい
て、複数の第１の電極のうちの一部の第１の電極と第２
の電極との間に電圧を印加すると共に複数の第１の電極
のうちの上記一部の第１の電極を除く第１の電極を第２
の電極と短絡した状態で、圧電振動子素体の電圧が印加
された部分を分極することが好ましい。

【００１９】

【作用】図１は本発明の原理説明図である。上記圧電振
動子の割れを防止するため、本発明では、例えば飽和状
態まで分極する圧電振動子部分を分極する前に、その部
分の周囲にある未飽和状態まで分極する圧電振動子部分
を先に分極し（図１（ｂ））、残留歪み△ｔ２１（図１
（ｃ）参照）を形成した後、飽和状態まで分極する圧電
振動子部分の分極（図１（ｃ））を行っている。この方
法で分極すると、先に分極した部分の残留歪みｔ２１の
ため、飽和状態まで分極するときに発生する電気歪みが
緩和され（電気歪み△ｔ１０＞電気歪み△ｔ１０’）、
分極時の圧電振動子の割れが防止される。

【００２０】以上の分極方法により、圧電振動子が割れ
ることなく、先に示した振幅重み付を実現する圧電振動
子を製作することができる。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。図
２〜図５は、圧電振動子の分極工程の一実施例を示した
図である。図３は、分極前の圧電振動子の一方の面にス
トライプ電極（電極１〜５）を取り付けた状態を示して
いる。先ず最初に、この圧電振動子の、印加する分極電
圧の一番小さい電極１，５について分極を行う（図
３）。この時、電極２，３，４はアースに短絡してお
く。本分極中は、電極１，５が取りつけてある圧電振動
子部分に、電極歪み△ｔ３０が発生し、分極終了後残留
歪み△ｔ３１（図４参照）が残る。

【００２２】次に、印加する分極電圧の２番目に小さい
電極２，４について分極を行う（図４）。この時、電極
１，３，５はアースに短絡しておく。本分極中、電極
１，２及び電極４，５間の圧電振動子部分に残留歪み△
ｔ３１によって緩和された電気歪み△ｔ２０’が発生
し、また電極２，３および電極３，４間の圧電振動子部
分に残留歪み△ｔ３１によって緩和された電気歪み△ｔ
２０が発生する。電気歪み△ｔ２０および△ｔ２０’は
充分小さく、圧電振動子が割れることはない。本分極終
了後は電極２，４が取り付けてある圧電振動子部分に残
留歪み△ｔ２１が残る（図５参照）。

【００２３】最後に、電極３に分極が飽和状態に達する
電圧を印加して分極を行う（図４）。この時、電極１，
２，４，５はアースに短絡しておく。本分極では、残留
歪み△ｔ２１により、応力が緩和されて、電気歪み△ｔ
１０’が発生する。従来の分極方法では、電気歪み△ｔ
１０が発生して圧電振動子が割れてしまう場合もあった
が、電気歪み△ｔ１０’は電気歪み△ｔ１０に比べ小さ
く、圧電振動子が割れることはない。

【００２４】以上の分極方法により、圧電振動子が割れ
ることなく、先に示した振幅重み付を実現することので
きる圧電振動子を製作することができる。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の超音波探
触子の製造方法は、圧電振動子の、最高の分極強度を与
える部分を分極する前に、その部分に隣接する部分の分
極を行うようにしたため、圧電振動子の分極時の割れを
防止することができ、分極強度により振幅重み付けを実
現した超音波探触子を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の原理説明図である。

【図２】圧電振動子の分極工程を示した図である。

【図３】圧電振動子の分極工程を示した図である。

【図４】圧電振動子の分極工程を示した図である。

【図５】圧電振動子の分極工程を示した図である。

【図６】超音波探触子の一例を模式的に表わした斜視図
である。

【図７】超音波探触子と接続される回路を表わしたブロ
ック図である。

【図８】配列された圧電振動子から放射される超音波の
音圧分布（ａ）、超音波ビーム断面の音圧プロファイル
（ｂ）、および被検体内の深さ方向に対する短軸方向の
ビーム幅（ｃ）を示した図である。

【図９】短軸方向の放射音圧分布が異なることを除き、
図８と同様な図である。

【図１０】圧電振動子の分極強度分布と放射される超音
波の音圧分布との関係を表した図である。

【図１１】圧電振動子を短軸方向に階段状に分極強度を
もつように分極する手法を示した模式図である。

【図１２】圧電振動子に生じる歪みを示した図である。

【図１３】圧電振動子に生じる歪みを示した図である。

【符号の説明】

１ 圧電振動子 ２ リード線 ３ 整合層 ４ 音響レンズ ５ バッキング

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 原 靖 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内 (72)発明者 加藤 和昭 静岡県富士宮市山宮2320−11 株式会社 富士セラミックス内 (72)発明者 福島 利博 静岡県富士宮市山宮2320−11 株式会社 富士セラミックス内 (72)発明者 久保 佳信 静岡県富士宮市山宮2320−11 株式会社 富士セラミックス内 (56)参考文献 特開 昭62−237351（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H04R 17/00 332 A61B 8/00 G01B 17/00 G01N 29/24 502

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定方向に分極強度分布を有する圧電振
   動子を備えた超音波探触子を製造する超音波探触子の製
   造方法において、 圧電振動子素体の対向する２つの主面のうちの一方の主
   面に前記所定方向に交わる方向に延びる、互いに分割さ
   れた複数の第１の電極を付すと共に、前記２つの主面の
   うちの他方の主面に第２の電極を付した後に、 前記複数の第１の電極のうちの一部の第１の電極と前記
   第２の電極との間に電圧を印加して前記圧電振動子素体
   の電圧が印加された部分を分極する分極工程を、前記一
   部の第１の電極を順次変更して繰り返すことにより、前
   記圧電振動子素体を分極するにあたり、前記圧電振動子
   素体の、最高の分極強度を与える最高分極部分を分極す
   る前に、前記圧電振動子素体の、前記最高分極部分に隣
   接する隣接部分の分極を行うことを特徴とする超音波探
   触子の製造方法。
2. 【請求項２】 前記分極工程のそれぞれが、前記複数の
   第１の電極のうちの一部の第１の電極と前記第２の電極
   との間に電圧を印加すると共に前記複数の第１の電極の
   うちの前記一部の第１の電極を除く第１の電極を前記第
   ２の電極と短絡した状態で、前記圧電振動子素体の電圧
   が印加された部分を分極するものであることを特徴とす
   る請求項１記載の超音波探触子の製造方法。