JP3280677B2

JP3280677B2 - 超音波プローブおよびその製造方法

Info

Publication number: JP3280677B2
Application number: JP05097291A
Authority: JP
Inventors: 史郎斉藤; 守泉; 修次鈴木; 新一橋本
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-03-17
Filing date: 1991-03-15
Publication date: 2002-05-13
Anticipated expiration: 2017-05-13
Also published as: JPH04211599A

Description

【発明の詳細な説明】【産業上の利用分野】

【０００１】本発明は、超音波検査装置などに利用され
る超音波プローブ（探触子）に係わり、特に積層圧電素
子により構成される超音波プローブに関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波プローブは、圧電素子を主体とし
て構成され、超音波を対象物に向けて照射し、その対象
物における音響インピーダンスの異なる界面からの反射
波を受信することにより、対象物の内部状態を表わす画
像を映像化するために用いられる。このような超音波プ
ローブが採用された超音波画像装置には、例えば、人体
内部を検査する為の医療用診断装置および金属溶接内部
の探傷を目的とする検査装置などがあげられる。

【０００３】医療用診断装置においては、人体の断層像
（Ｂモード像）の撮像表示に加え、心臓，肝臓，頸動脈
などを対象にドップラー効果を利用して血流の速度を２
次元でカラー表示することが可能な『カラー・フローマ
ッピング（ＣＦＭ）法』の開発により、その診断機能は
飛躍的に向上した。近年このＣＦＭ法は、子宮や腎臓，
膵臓など、人体のあらゆる臓器，器官の診断の為に用い
られ、今後においては、冠血流の動きまでも観察できる
ような診断装置の研究が各病院，その他施設により行わ
れている。

【０００４】Ｂモード像の場合は、身体的変化による小
さな病変や空隙が明瞭に深部まで観ることのできる高分
解能の画像が高感度に得られることが要求されている。
一方、ＣＦＭ像などを得ることができるドップラーモー
ドの場合は、直径が数μｍ程度の微小な血球からの反射
エコーを用いる故に、前述のＢモードの場合に比べて得
られる信号のレベルは小さいので、さらに高感度化が要
求される。そこで一般的には、ドップラーモードにおけ
るレファレンス周波数は、超音波プローブが元来もつ周
波数帯域の内で、その中心周波数よりも低い周波数に設
定されている。この理由は、生体の超音波減衰によるＳ
／Ｎ（比）の低下の影響を抑えるために減衰の少ない低
周波成分を用いている故である。よって、もし仮に１つ
の超音波プローブによって２種類の周波数成分をもつ超
音波が両方共に送受信できるとするならば、高周波成分
においては高分解能のＢモード像を、低周波成分におい
ては高感度のドップラー像を得ることが可能となる。こ
のような装置を実現するために、１つの超音波プローブ
・ヘッド内に共振周波数の異なる２種類の振動子が設置
された『デュプレクス型超音波プローブ』が各メーカー
より製造販売されている。しかし、この種の超音波プロ
ーブは異なる複数の振動子が用いられている故に、超音
波の送受信面が異なり、同一の断層像を観察することが
できないという不具合があった。

【０００５】そこで、特開昭６０−４１３９９号公報に
開示されている構成の積層圧電素子を用いることによ
り、１つの振動子により２種類の周波数帯域の超音波を
送受信させる方法が提案された。すなわち、超音波プロ
ーブ・ヘッドと駆動パルス幅およびフィルタとの組合わ
せによって２種類の周波数帯域を分離することが可能と
なり、その結果、２つの周波数成分のうち、高周波成分
によりＢモード信号が、低周波成分によりドップラー信
号が、それぞれ独立に獲得することが可能になった。し
かし、このような構成の超音波プローブにおいても、１
枚の圧電素子のもつ電気機械変換効率がほぼ等分に分割
されているため、高周波側の周波数帯域が狭くなり、エ
コー信号の尾引き（波連長）が長くなる。この結果とし
て、上記の高周波成分により高分解能のＢモード像を獲
得しようとしているにもかかわらず、その分解能は期待
される程には改善されない。さらに、周波数帯域が狭く
なると低域成分も減少する傾向がある故に、そのＳ／Ｎ
（比）が低下してペネトレーション不足が起る。この原
因は、生体深部からのエコー信号の周波数成分が、送信
された超音波の中心周波数よりも低い成分を主体として
いる故である。良好なＢモード像を得る為に要求される
比帯域は４０％以上であるが、例えば、単層構成圧電素
子を用いた場合、−６ｄＢの比帯域幅は、１層マッチン
グによれば中心周波数の４０〜５０％であり，２層マッ
チングによれば中心周波数の６０〜７０％である。これ
に対し、前記の構成の積層圧電素子を用いた場合は、１
層マッチングによれば２５％、２層マッチングによれば
３５％となる。よって、積層圧電素子を用れば、単層構
成圧電素子を用いた場合に比べて約１／２の比帯域のみ
しか得られないという結果となり、構造上においても更
に改善の余地が残されていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、１つ
の超音波プローブにおいて２種類の周波数帯域の反射波
を共に獲得しようとした場合、共振周波数の異なる複数
の振動子を用いても同一部位が観察できないという問題
があった。この問題を解決するために提案された特開昭
６０−４１３９９号公報に開示されている単層構成圧電
素子とほぼ同厚の圧電素子を積層した構成の積層圧電素
子を採用すると、高周波成分の比帯域が狭くなるという
問題があった。

【０００７】そこで本発明の目的は、上述の問題点を解
決すべく、同一面において２種類の超音波が送受信可能
で、且つ高周波成分の帯域が十分に広い特性を有するプ
ローブ・ヘッドを有する超音波プローブを提供すること
にある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決し目的を
達成するために、次のような手段を講じた。

【０００９】超音波プローブ・ヘッドにおいて、互いに
隣接する圧電体の分極方向が逆向きになるように複数の
圧電体を積層し、これらの圧電体の厚さ方向の両端面に
それぞれ電極を被着形成し、さらに超音波放射面と反対
側の端面、すなわち、プローブ・ヘッド基盤であるバッ
キング材に隣接する圧電体層の厚さを他の圧電体層の厚
さよりも薄く形成された積層圧電素子を用いて本発明に
係る超音波プローブを構成する。

【００１０】

【作用】本発明における積層圧電素子は、複数の積層の
一方の端面が最も薄い圧電体層で形成され、隣接する層
の分極方向が互いに逆方向になるようなｎ層，例えば２
層が、電気的に直列接続される構成を採ることにより、
厚さの同じ圧電体が積層された積層圧電素子の場合に発
生する最低次の共振周波数ｆ０のみならず、その１／ｎ
倍（本実施例の場合、１／２倍）の周波数における共振
をも生ずることを利用した積層圧電素子が得られる。ま
た、このように超音波プローブのヘッド部分の超音波放
射面に対する反対側に、相対的に薄い層と厚い層とを積
層形成することにより、超音波の送信を行ない、その対
象物からの２種類の周波数帯域の反射波（エコー信号）
を共に高感度に受信し獲得することが可能となる。ま
た、その高域，低域の周波数成分は共に高分解能に獲得
することができる。

【００１１】本発明における超音波プローブを構成する
積層圧電素子は、３層以上の積層構成であっても実施可
能であるが、以下に簡単のため２層構成の場合の作用に
ついて説明する。すなわち、厚さの異なる２層の圧電素
子の厚さの比Ｒ（＝背面側圧電体厚／放射面側圧電体
厚、０＜Ｒ＜１）を変えることにより、励振される２種
類の共振レベルを調整することが可能となる。したがっ
て、使用目的に応じてこの厚さの比Ｒを変えることによ
り、広範な用途に対応できる。

【００１２】例えば具体的には、体表面から心臓を観察
するというような比較的深部の検査対象の場合において
は、その厚さの比Ｒを小さく設定することにより、周波
数帯域の低周波部，すなわちｆ０／２の周波数の共振エ
ネルギーが増大するので、ドップラーモードにおいて
は、高感度化が実現される。一方、この上記の例に対
し、頸動脈や経食道心エコーなど比較的浅部を検査対象
とする場合においては、その厚さの比Ｒを大きく設定す
ることにより、周波数帯域の高周波部，すなわちｆ０の
共振エネルギーが増大するので、高周波側が広帯域化さ
れた超音波プローブが実現され、よって、Ｂモードにお
いても高分解能なＢモード像が得られる。

【００１３】

【実施例】（第１実施例）図１は、本発明の一実施例に係る超音波プローブ・ヘッ
ドの構成を示す斜視図である。積層圧電素子１は複数の
（本実施例の場合は２枚の）圧電素子がそれら２枚の積
層の境界面とする内部電極を挟んで積層構成されてい
る。この積層圧電素子１の上部の超音波放射面側には、
複数の音響マッチング層２〜４が積層されている。これ
ら３層から成るマッチング層２〜４は、高周波側でマッ
チングがとれるように、それぞれの層２〜４の厚さが設
定されている。その理由は、この周波側においてＢモー
ド用信号を獲得するために、広帯域化を図る故である。

【００１４】この様に一体に積層化された積層圧電素子
１を含む積層部材は、短冊状に切断するための３０μｍ
厚ブレードが取り付けられたダイシングマシンを使用
し、マッチング層２〜４も含めて図示の如く短冊状に切
断され、ヘッド基盤としてのバッキング材６上に所定の
間隔に配列される。その最上部には、凸面を上に向けた
音響レンズ５が重ねられて被着形成されることにより、
一体型のプローブ・ヘッドが形成される。

【００１５】前記の積層圧電素子１に隣接するその上下
部材である音響マッチング層２およびバッキング材６と
の間には、上記積層圧電素子１の電極面がそれぞれ外部
電極として被着形成されている。

【００１６】これらの外部電極に対し、超音波プローブ
のヘッドへの配線部材としては、一方の外部電極にはア
ース用共通電極線７が、他方の外部電極には信号用フレ
キシブルプリント板８の信号線がハンダ付け等によりそ
れぞれ接続されている。このフレキシブルプリント板８
上に形成された複数の信号線パターンの間隔（ピッチ）
は、前記の短冊状積層が配列された所定の間隔に合うよ
うに０．１５ｍｍに設定されている。図２は、図１に示
すＡ−Ａ´線に沿った断面を拡大して示す本実施例の２
層構成の積層圧電素子の拡大縦断面図である。

【００１７】積層圧電素子１は、この図に示す如く２つ
の圧電体層１１および，圧電体層１２が、それらの分極
方向１３，１４が互いに逆方向を向くように積層されて
いる。また、積層方向の積層圧電素子の両端面，すなわ
ち圧電体層１１の上面側および圧電体層１２の下面側に
は、それぞれ外部電極１５，１６が被着形成されてい
る。これらの圧電体層１１，１２は、圧電セラミックに
よって形成されている。また、実際においては、圧電体
層１１と圧電体層１２との間には、これらの層を分極さ
せる為の内部電極１７が形成されている。

【００１８】具体的には例えば、圧電体層１１，１２が
比誘電率２０００のＰＺＴ系セラミックにより形成さ
れ、圧電体層１１の厚さを２６０μｍとし，圧電体層１
２の厚さを１８０μｍと設定する。すなわち、この場合
の厚さ比Ｒは約０．７となる。つまり、超音波放射面側
の音響レンズ５から遠く、基盤としてのバッキング材６
に隣接する方の圧電体層１２の厚さは他の圧電体層１１
よりも薄く形成されている。

【００１９】また、この積層圧電素子は３０μｍ厚ブレ
ードを用いたダイシングマシンによってマッチング層２
〜４と共に積層方向に切断される。その間隔は０．１５
ｍｍに設定され、図示の如く短冊状に配列される。図３
は、『パルスエコー法』によって測定された水中内設置
の反射板からのエコー波形の周波数スペクトラムを示す
グラフである。このグラフの周波数スペクトラム曲線か
らわかるように、高周波側の山の中心周波数が約７．７
６ＭＨｚであり，その時の比帯域が中心周波数の４３．
２％である。この値は良好なＢモード像を得るのに十分
な範囲の値であると言える。また、低周波側の山の中心
周波数は約３．５１ＭＨｚであることがわかる。図４に
示す周波数スペクトラムのグラフは、前述の第１実施例
に対する変形例の測定結果を表わしている。すなわち、
この変形例は、圧電体層１１の厚さが２４０μｍ、圧電
体層１２の厚さが２００μｍと設定され、厚さ比Ｒは約
０．８となる積層圧電素子から構成された超音波プロー
ブを実施した場合において、その他の条件が第１実施例
と同一な場合に得られたこの超音波プローブの周波数ス
ペクトラムは、グラフが示す如く、高周波側の中心周波
数が７．５１ＭＨｚを示し、その時の比帯域が４５．４
％と算出される。

【００２０】以上、この変形例は、前述の第１実施例よ
りも更に広帯域化された周波数特性を有する積層圧電素
子から構成された超音波プローブであることが明らかで
ある。よって、それら実施例の示すそれぞれの特性によ
り、例えば第１実施例の超音波プローブを経食道からの
心臓の診断等に採用し、この変形例の超音波プローブを
体表からの心臓の診断等に使用するというように診断す
る対象物によって使いわけることが可能である。

【００２１】（第２実施例）本実施例では、図５（ａ）および図５（ｂ）に示した構
成の積層圧電体を用いる。すなわち、本実施例は、圧電
体の分極方向（図中、細矢印）と、駆動パルスによって
生じる電界方向（図中、太矢印）との関係において、電
界と，圧電体の抗電界の比が大きい方の圧電体層の分極
方向と電界方向とを同じ向きに設定して、脱分極が生じ
ることを防止するという改良である。

【００２２】駆動パルスには正極性、負極性、バースト
波などがあり、この内のバースト波は正負ともに絶対値
が同じである。しかし一般的には、波数が多い場合がほ
とんどであり、超音波探触子の発熱や音響パワーの規制
から大きな電圧を印加することは少ないために脱分極は
生じ難い。図５（ａ）の圧電体層１１および圧電体層１
２は、電気的に直列に接続された構成であるため、これ
ら２つの圧電体層に同じ圧電材料を採用する場合は、電
界方向は各層とも同じ方向を指向するので、あえて向き
を変える必要がなく本実施例の要旨に関しては適用外の
構成であるかに思える。しかし、誘電率の異なる圧電材
料で作られた２つの圧電体層の場合には、生ずる電界の
大きさが異なるので本実施例のような改良が有効であ
る。ここで、圧電体層１１の誘電率と厚さを、それぞれ
ε１、ｔ１と定義すると、その静電容量は以下のように
表せる。

【００２３】

【数１】従って、インピーダンスをＺ１とすると、分圧Ｖ１は次
式のように表わせる。

【００２４】

【数２】よって、電界Ｅ１は、次式のように表わせる。

【００２５】

【数３】以上により、電界Ｅ１と、抗電界Ｅｃ１との比は、次
式で表わされる。

【００２６】

【数４】また、圧電体層２も同様に次式で表わされる。

【００２７】

【数５】

【００２８】以上の結果より、脱分極が発生しやすいの
は、誘電率と抗電界との積が小さい値を示す圧電体層の
場合である。よって、そのような場合には分極方向と電
界方向を同じ方向を指向するように変えてやればよい。
次に、図５（ｂ）に示された２つの圧電体層の各層は電
気的に並列に接続されている故にその各層にかかる電圧
は等しい。従って、用いられる圧電材料にかかわらず薄
い形状の圧電体の方の電界がより大きくなる。よって、
そのような場合にはその厚さと抗電界との積が小さい圧
電体層の分極方向と電界方向とを同じ方向を指向するよ
うに変えてやればよい。

【００２９】（第３実施例）図６で表わされた低周波部
の中心周波数と圧電体厚の関係を表わすグラフにおい
て、前図５（ａ）の圧電体層１１と圧電体層１２のそれ
ぞれの厚さをｔ１、ｔ２とすると、その厚さの比ｒ（＝
ｔ２／ｔ１）を変えることにより、低周波成分と高周波
成分のスペクトラムのピークの相対値を変えることがで
きる。生体の超音波減衰が少なくてすむように低周波成
分をドプラ信号用に使用することに決め、一方、高分解
能信号が得られるように波長の短い高周波成分をＢモー
ド信号用に使用することに決める。この結果として図６
に示すような圧電体の厚さ比ｒを変えた時のスペクトラ
ムのレベルとエコーレベルを表わすグラフが作成され
る。縦軸にとられた低周波成分のスペクトラムレベルが
ドプラ感度を表わしている。また、高周波成分のスペク
トラムレベルはＢモード感度を表わしている。また、丸
印は低周波部のスペクトルのレベルに関する実測値を示
し、三角印はエコーレベルに関する実測値を示してい
る。本実施例は、超音波探触子を設計する際に診断部位
に応じてドプラ感度とＢモード感度のどちらに重きを置
くかによって、圧電体の厚さ比ｒを適宜調整することが
可能であることを示している。例えば、（１）経胸的に
心臓を診断する際などの体表から深い領域が診断の対象
の場合は、ペネトレーションが必要になるのでＢモード
感度の方を高く設定する。また、（２）下肢などの診断
の際のようにＢモード像よりもドプラ感度が必要とされ
る場合は、ドプラ感度の方を高く設定する。

【００３０】本実施例では、厚さ比ｒを変えながら低周
波部のスペクトラムのピーク値と、ＨＰＦ（Ｈｉｇｈ
ＰａｓｓＦｉｌｔｅｒ）を接続し低周波部を除去した
ときのエコーの波高値とを測定した。この結果をもとに
して「最小２乗法」により下式のような厚さ比ｒを変数
とする２次関数近似を得た。

【００３１】（低周波部スペクトラムのピーク）＝ａ＋９．５９ｒ −２２．１ｒ２［ｄＢ］

【００３２】（ＨＰＦ接続後のエコー波高値）＝ｂ＋２３．８ｒ −１０．９ｒ２［ｄＢ］上式のａ，ｂは定数であり、測定回路や周波数などで決
定される。

【００３３】図６は厚さ比ｒを変えたときの実測値と２
次関数の近似式を示したグラフである。なお、この図に
おいて上式の定数はａ＝１．７３，ｂ＝−１２．９であ
り、上式は実際に測定された範囲の０．５≦ｒ≦１．
０で成り立つ。

【００３４】低周波部のスペクトラムのレベルのピーク
値と，エコー波高値の相対関係を基に、Ｂモード感度と
ドプラ感度の下限値を０．５≦ｒ≦１．０の内の最大値
に対し、これまでの使用経験などから各々を−３ｄＢ、
−６ｄＢに決めると、それぞれエコー感度は厚さ比ｒが
ｒ＜０．６，ドプラ感度はｒ＞０．８の場合には所定の
診断使用条件を満たさなくなることが分かった。従っ
て、好適実施例としての２つの圧電体層の厚さ比ｒの許
容範囲としては、０．６＜ｒ＜０．８程度が実用上の超
音波探触子設計のためには好ましい範囲であると言え
る。故に、上記の範囲を満足する厚さの比を有するよう
な構成の２層圧電体を実施するとよい。

【００３５】（第４実施例）超音波探触子の中心周波数は、駆動パルス幅，フィルタ
などの信号処理回路の特性から、初期の設定値に対し±
５％以内に維持する必要がある。

【００３６】本発明の２層圧電体が用いられた超音波探
触子について、パルスエコー測定を行ない、その周波数
スペクトラム特性を求めた結果によれば、図７（ｂ）の
ような２層圧電体は、図７（ａ）のような単層圧電体と
同じ圧電材料を用いているにも拘らず、等しい厚さに構
成された場合には、その中心周波数は単層圧電体の中心
周波数より高くなる傾向が発見された。

【００３７】すなわち、図８のグラフにおいて、横軸に
低周波部の中心周波数ｆ（単位：ＭＨｚ）を変数として
とり、縦軸には厚さｔ０の単層構成の圧電体と同じ圧電
材料からなる本発明の２層構成の圧電体を用いたときの
厚さｔをとる。この測定結果から求められた本グラフか
らも分かるように、単層構成の圧電体の厚さｔ０は次式
で表わされる。ｔ０＝１．４５×１０３／ｆ［μ
ｍ］一方、本発明の主なる構成である２層構成の積層圧電体
の厚さｔは、実測値を基に決められた次の近似式で表わ
されることが分かった。ｔ＝１．６８×１０３／ｆ［μｍ］したがって上の２つの式により、ｔ＝１．１６ｔ０とい
う関係が導き出された。すなわち、図７（ａ）および図
７（ｂ）のように比較対象のために示された圧電体のよ
うに、従来の単層構成の圧電体と同等な中心周波数を獲
得するためには、本発明のような２層圧電体の厚さｔ
を、単層圧電体の厚さｔ０よりも約１６％厚く設定する
ことにより、設計通りの中心周波数が得られる。

【００３８】（第５実施例）本実施例は、本発明である２周波数を同時に駆動可能な
振動子としての積層圧電素子を用いた超音波プローブの
製造方法について説明する。

【００３９】図９（ａ）および図９（ｂ）にはこの製造
方法により完成される本発明の２種類の振動子の構成を
表わす断面図が示されている。また、圧電セラミック層
１１、１２の分極方向が矢印で示されている。このよう
な２層構成の振動子の製造方法は、図１０（ａ）〜図１
０（ｃ）に従って次の順序で行なわれる。（１）…ドク
ターブレード法により所定の厚さに成形されたグリーン
シートの片面に所定の形状の内部電極１７を印刷し、厚
さの異なるもう一方のグリーンシートを積層して圧電セ
ラミック１１、１２と内部電極１７を同時に焼成する。
（２）… その後、外部電極１５、１６を所定パターン
に印刷して焼き付け、分極処理を行って振動子として形
成する。（２−１）… 図９（ａ）の振動子を得るに
は、図１０（ａ）に示すように電極を構成する。両面の
外部電極１５、１６は回し込み電極６０により接続し、
内部電極１７は回し込み電極７０により電圧印加部分を
設け、内部電極と外部電極との間に直流電界を印加して
分極する。（２−２）…その後、図１０（ａ）の点線の
位置で切断すれば良い。この方法は２層の圧電セラミッ
クが同時に分極できる利点があるが、各層の圧電セラミ
ック１１、１２の厚さが異なるため各層の分極電界が異
なり、分極の程度が違ってしまう。２層の厚さ比が小さ
ければ余り問題ないが、比が大きくなると薄い層で分極
電圧が制限され厚い層の分極電界が十分な値とならず、
分極状態が不十分になる場合がある。（２−３）… そ
の様な場合は、図１０（ｂ）のように両面の外部電極を
独立にして各層ごとに最適電界で分極し、点線位置で切
断すれば良い。（３）… 第９図（ｂ）の積層振動子構
成を得るには、第１０図（ｃ）のように電極を形成し、
両面の外部電極１５、１６間に電界を印加し分極する。
その後両面の外部電極を共通に接続すれば良い。この接
続には、圧電材料のキュリー温度以上の熱が加えられな
いために、焼付け電極を形成することは困難であるが、
導電性接着剤などを用いれば良い。（４）… また、プ
ローブ製造に際し振動子の電極にリードとしてＦＰＣを
半田付けするが、この時点で両面の電極を接続するよう
にしても良い。

【００４０】（第６実施例）本実施例は図１１（ａ）に
示されるような縦断面構造の積層圧電体である。すなわ
ち、積層された各々の圧電体の音響インピーダンスを変
化させることにより最適な積層圧電体を構成する。詳し
くは、音響整合層側の圧電体層の音響インピーダンスを
バッキング材側より小さく設定した超音波プローブであ
る。本実施例の積層圧電体は、積層された各々の圧電体
の厚さの比を変えること、およびそれぞれの音響インピ
ーダンスの比を変えることにより、高周波数領域および
低周波数領域の比帯域と感度レベルとを適宜に調整する
ことが可能である。２層構造の場合の複合圧電体層の断
面の一例を示す図１１（ｂ）において、振動子１は音響
インピーダンスの大きな圧電セラミック層１２と音響イ
ンピーダンスの小さな複合圧電体層１１により構成さ
れ、この複合圧電体層は音響整合層４側に電極を介して
積層されている。また、この複合圧電体層１１は図１１
（ｂ）に示されるような図１１（ａ）のＢ−Ｂ´線に沿
った水平断面を有している。すなわち、例えば碁盤の目
状の隣接しない升目の各々に等間隔に配置された柱状の
複数の圧電体材１０と、これらの間を埋める如くに注入
され固まったエポキシ系等の樹脂材２０とから一体に構
成されている。図１２（ａ）および図１２（ｂ）には、
複合圧電体層の音響インピーダンスが１７．７Ｍｒａｙ
ｌｓで一定で、厚さの比を振動子全体の厚さの０．５９
及び０．４１に設定した複合圧電体の水中パルスエコー
の周波数スペクトラムが示されている。また図１３
（ａ）および図１３（ｂ）には、複合圧電体の厚さの比
が０．５に固定され、音響インピーダンスがそれぞれ２
１．３Ｍｒａｙｌｓ、１１．４Ｍｒａｙｌｓに設定され
た場合の、水中パルスエコーの周波数スペクトラムが示
されている。各々のグラフ曲線を比較すると、次のこと
が分かる。すなわち、図１２（ｂ）においては低周波数
領域の感度レベルは確かに高くなっているが、高周波数
領域の−６ｄＢ比帯域は３０％程度となる。図１２
（ａ）では、高周波数領域の−６ｄＢ比帯域は４９％程
度となっている。図１３（ａ）では、高周波数領域の−
６ｄＢ比帯域は４３％程度となっているのに対し、図１
３（ｂ）では３７％程度と狭くなるが、低周波数領域の
感度レベルは高くなると共にその比帯域も広くなる。以
上に述べたように本実施例によれば、積層する圧電体の
厚みの比ばかりでなく、その音響インピーダンスを変え
ることによっても高周波数領域および低周波数領域の比
帯域とその感度レベルを変えることが可能である。よっ
て、構造的または製造方法的に積層の厚みの制御が難し
いような場合においても、２つ以上の周波数領域を持つ
超音波プローブの特性をより適宜に調整することが容易
である。なお、上述した実施例およびその変形例におい
ては、特に２層構成の積層圧電素子の場合を例示した
が、本発明はそれらの諸例に限定されるものではなく、
本要旨を逸脱しない範囲で更なる種々の変形実施も可能
である。例えば、圧電体層として３層以上の積層圧電素
子を用いても良い。

【００４１】

【発明の効果】本発明によれば、次のような作用効果を
奏する超音波プローブを提供することが可能となる。す
なわち、２つの圧電体層を積層し、両端面に電極を被着
形成して隣接する２つの圧電体層を電気的に直列接続
し、超音波放射面から遠い側の圧電体層を薄く形成した
積層圧電素子を備える超音波プローブを構成することに
より、異なる複数の例えば、２種類の周波数を送受信す
ることが可能となり、更にその各層の圧電体厚比を変え
ることにより使用目的に応じて高周波領域の比帯域を適
宜調整して、診断する対象物により使い分けることが可
能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る超音波プローブヘッ
ド全体の構成を示す斜視図。

【図２】同第１実施例における積層圧電素子の構成を表
わす拡大縦断面図。

【図３】同第１実施例によって得られるエコー波形を表
わすグラフ。

【図４】同第１実施例の変形例に係る超音波プローブよ
って得られるエコー波形を表わすグラフ。

【図５】本発明の第２実施例に係る超音波プローブの積
層圧電素子を表わす構成図。

【図６】本発明の第３実施例に係る超音波プローブの圧
電体の厚さを変えた時のスペクトラムレベルとエコーレ
ベルを表わすグラフ。

【図７】本発明の第４実施例に係る超音波プローブの積
層圧電素子と従来の単層圧電素子の厚さを表わす構成
図。

【図８】同第４実施例に係る超音波プローブの圧電素子
の厚さと発生する中心周波数との関係を表わすグラフ。

【図９】本発明の第５実施例としての超音波プローブの
積層圧電素子を表わす構成図。

【図１０】同第５実施例としての超音波プローブの積層
圧電素子の製造方法に関する製造手順を説明する説明
図。

【図１１】本発明の第６実施例に係る超音波プローブの
縦断面図および横断面図。

【図１２】同第６実施例に係る超音波プローブよって得
られるエコー波形を表わすグラフ。

【図１３】同第６実施例に係る超音波プローブよって得
られるエコー波形を表わすグラフ。

【符号の説明】

１…積層圧電素子、２，３，４…音響マッチング層、５
…音響レンズ、６…バッキング材、７…アース用共通電
極線、８…信号用フレキシブルプリント板の信号線、１
１，１２…圧電体層、１３，１４…分極方向、１５，１
６…外部電極、１７…内部電極。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＨ０４Ｒ 17/00 ３３２Ｈ０４Ｒ 17/00 ３３２Ｂ (72)発明者鈴木修次神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝総合研究所内 (72)発明者橋本新一神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝総合研究所内 (56)参考文献特開昭55−151893（ＪＰ，Ａ) 特開平２−261437（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−69298（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】隣接する層の分極方向が逆向きになるよ
うに厚さ方向に積層された第１圧電体層および第２圧電
体層を有し、前記積層された２つの圧電体層の厚さ方向
の両面に電極が形成された積層圧電素子と、前記積層圧
電素子の第１圧電体層の上部には音響マッチング層と、
音響レンズとが順次積層され、前記積層圧電素子の第２
圧電体層の下部にはバッキング材としての基盤が配設さ
れた超音波プローブであって、前記第２圧電体層の厚さ
が、前記第１圧電体層に比べて薄く形成されて成ること
を特徴とする超音波プローブ。
【請求項２】前記２つの圧電体層の各々の圧電体の誘
電率と抗電界との積を比較してその積が小さい値を示す
圧電体層の分極方向と駆動パルスの電界方向とを同じ向
きとすることを特徴とする、請求項１に記載の超音波プ
ローブ。
【請求項３】前記積層圧電素子を構成する第１の圧電
体層の厚さｔ１と第２の圧電体層の厚さｔ２との厚さの
比ｒ（＝ｔ２／ｔ１）はｒ＜０．８であることを特徴と
する、請求項１に記載の超音波プローブ。
【請求項４】前記積層圧電素子の厚さは、１つの圧電
体層から成る単層構成の単層圧電体の厚さよりも１６％
厚く設定され、低周波側の中心周波数が前記単層圧電体
により構成された超音波プローブと同等な中心周波数と
なることを特徴とする、請求項１に記載の超音波プロー
ブ。
【請求項５】前記第１圧電体層の音響インピーダンス
は前記第２圧電体層の音響インピーダンスより小さく、
前記第１圧電体層は、碁盤の目状の升目の中で互いに隣
接しない升目の位置に所定間隔に配置された積層方向を
長手方向とする柱状の複数の圧電体材と、上記複数の圧
電体材間の空間を埋める樹脂材により構成されることを
特徴とする、請求項１に記載の超音波プローブ。
【請求項６】隣接する層の分極方向が逆向きになるよ
うに厚さ方向に積層された２つの圧電体層と、前記圧電
体層の厚さ方向の両面に形成されて成る外部電極と、前
記２つの圧電体層の間に形成されて成る内部電極とから
構成される２層構成の積層圧電素子を有し、以下の手順
を有する超音波プローブの製造方法。（１）…ドクターブレード法により所定の厚さに成形さ
れたグリーンシートの片面に所定形状の内部電極を印刷
し、厚さの異なるもう一方のグリーンシートを前記印刷
された内部電極に積層して焼成する。（２）…前記焼成された２つの圧電体層の両面に外部電
極を所定パターンに印刷し焼き付けを行った後に、下記
の手順により分極処理を行なう。（２−１）…前記外部電極を接続する第１の回り込み電
極を形成し、前記内部電極に電圧を印加する第２の回り
込み電極を形成し、前記外部電極と前記内部電極との間
に直流電界を印加することにより分極処理を行なう。（２−２）…前記積層圧電素子を構成する２つの圧電体
層の厚さ比が０．７以上の場合は、前記第１、２の回り
込み電極を切断除去する。（２−３）…前記積層圧電素子を構成する２つの圧電体
層の厚さ比が０．７より小さい場合は、前記２つの外部
電極を各層ごとに最適な電界で分極処理を行ない、その
後、前記第１、２の回り込み電極を切断除去する。