JP3614075B2 - 超音波プローブ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波を用いることで、診断、治療などを行う医療分野や、非破壊検査等を行う産業用分野で利用される超音波プローブ及びそれを用いた装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超音波プローブの一般的な構造を図２２に示す。図２２に示すように、電気パルスを超音波に、また超音波パルスを電気信号に変換するための圧電振動子１、効率よく短い波形の超音波を放射するための音響整合層２、圧電振動子１の背面で音響的なダンピング作用を行う背面負荷材３、超音波ビームをフォーカスさせるための音響レンズ４によって構成されている。なお、音響整合層２は複数あっても構わない。
【０００３】
圧電振動子１は、例えば圧電セラミクスからなる圧電体５の上下の表面のほぼ全面に、例えば、金のスパッタ膜で構成された電極６が施され、信号線７を介して、図示しない超音波診断装置や非破壊検査装置などの装置本体に接続される。
【０００４】
図２３に従来の圧電振動子の別の電極形状を示す。この場合は、信号線７を片面側から取り出せるように、一方の面の電極６を一部反対側の面まで折り返したものである。
【０００５】
さらに、診断、治療などの医療分野や、非破壊検査等の産業用分野で利用される超音波プローブは、できるだけ微細な病変や欠陥を発見するために、距離分解能及び方位分解能を高めることが必要とされる。ここで方位分解能を高めるためには、サイドローブの発生を抑制し、超音波プローブからの距離に関わらず、広い範囲で細い超音波ビームを形成することが不可欠である。
【０００６】
従来、方位分解能を高めるために例えば特開昭５７−５２２９９号公報に開示されたものがあり、図２４のごとく電極の形状を菊状あるいは糸巻き状にして、有効電極面積を変化させることによって、放射超音波レベルに重み付けを行い、その結果細い超音波ビームを放射するようにしている。
【０００７】
また、特開平２−１１１１９８号公報において開示されたものでは、図２５のごとく圧電体の一方の面に形成する電極を同心円状に複数に分割して、その分割電極下の圧電体の分極度合いを外側に向かうにつれて段階的に小さくすることによって、圧電体中央部が最大で周辺部に向かうにつれて徐々に小さくなる振幅分布を持たせることで重み付けし、サイドローブを低減しようとしている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、図２２に示した従来の超音波プローブに用いられている圧電振動子の音響放射面側表面の振動変位分布を測定してみると、図２６に示すように、全体が均一に振動しているわけではなく、圧電振動子の中央部分および端部における変位量が多いという結果が得られた。特に端部では、横方向の拡がり振動とのカップリングも考えられ、不要な超音波が放射されることによるサイドローブの発生等の超音波ビームへの悪影響が懸念される。また、超音波プローブの設計時には、圧電振動子は均一なピストン振動をしていると仮定しているため、設計通りの超音波ビーム特性が得られない。さらに、図２２に示した従来のような音響レンズによるフォーカシングの効果のみでは、方位分解能の大幅な向上は期待できない。
【０００９】
また、上記の特開昭５７−５２２９９号公報に記載されたものは、電極形状が複雑な曲線の組み合わせにより構成されているため、再現性等から実際の作製上好ましくない。
【００１０】
また、上記の特開平２−１１１１９８号公報に記載されたものは、電極形状は単純であるが、各電極下の圧電体ごとに分極度合いを変える必要があるため、各電極毎に異なる信号線を接続し、異なる印加電圧を加えるといった分極作業を行わなければならず、圧電体のサイズによって電極サイズ及び電極間隔が狭くなった場合など特に作業が困難であり、また圧電体の個体差なく同一な分極度合いの分布を再現することも困難であるという課題を有していた。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明は、分極方向に対向面を有する圧電振動子と、前記記対向面上に設けられた電極とを備える超音波プローブであって、前記圧電振動子の対向面上に設けた電極のうち少なくとも一つの面の電極は、前記圧電振動子の中央部に位置する面状電極と、前記面状電極を取り囲む少なくとも一つの帯状電極とを有し、前記面状電極と前記帯状電極が同一面内において電気的に接続され、前記対向面内で分極状態が一様である超音波プローブである。
【００１２】
また、分極方向に対向面を有する圧電振動子と、前記記対向面上に設けられた電極とを備える超音波プローブであって、前記圧電振動子の対向面上に設けた電極のうち少なくとも一つの面の電極は、少なくとも１つの帯状電極からなり、前記帯状電極は同一面内において電気的に接続され、前記対向面内で分極状態が一様である超音波プローブである。
【００１３】
これによって、単純な電極形状で、かつ同一素子内で分極度合いを変えることなく、その電極の間隔、面積、線幅を変えることによって、有効な電極密度を変化させて、圧電振動子の音響放射面の振動変位分布を制御し、そこから発生する超音波の音圧分布を制御することによって、所望の超音波ビームを形成することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の他の実施形態は、圧電振動子を有し、圧電振動子の表面に設けた電極のうち少なくとも一つの電極が、その電極が存在する圧電振動子表面の端部に存在しないことを特徴としたものである。圧電振動子の端部に電極が存在しないため、その部分の変位が抑えられ、不要な超音波の放射を防ぐという作用を有する。
【００１５】
また、電極の形状は、圧電振動子の表面形状と相似形であることを特徴としたものであり、上記他の実施形態と同様の作用を有する。
【００１６】
本発明の他の実施形態は、圧電振動子を有し、圧電振動子の表面のうち音響放射面側の表面の縁を面取りしたことを特徴としたものであり、圧電振動子の音響放射面端部のエッジが無くなり、不要な変位が抑えられ、同時に不要な超音波の放射を抑制する作用を有する。
【００１７】
本発明の実施形態は、分極方向に対向面を有する圧電振動子と、前記記対向面上に設けられた電極とを備える超音波プローブであって、前記圧電振動子の対向面上に設けた電極のうち少なくとも一つの面の電極は、前記圧電振動子の中央部に位置する面状電極と、前記面状電極を取り囲む少なくとも一つの帯状電極とを有し、前記面状電極と前記帯状電極が同一面内において電気的に接続され、前記対向面内で分極状態が一様であるものであり、単純な電極形状であり、また同一素子内で分極度合いを変えることなく、その電極の間隔、面積、線幅を変えることによって、圧電振動子の音響放射面の振動変位分布を制御し、そこから発生する超音波の音圧分布を制御することによって、所望の超音波ビームを形成する作用を有する。
【００１８】
好ましくは、面状電極と少なくとも一つの帯状電極との隣り合う電極間の間隔が、それぞれ異なる。
【００１９】
好ましくは、面状電極と少なくとも一つの帯状電極との隣り合う電極間の間隔が、圧電振動子の中央に近づくほど狭くなる。
【００２０】
好ましくは、面状電極と帯状電極とを電気的に接続する電極を有する。
【００２１】
好ましくは、面状電極と帯状電極とが存在する圧電振動子面と接する面上に、面状電極と帯状電極を電気的に接続する導電体を有する。
【００２２】
また、本実施形態は、分極方向に対向面を有する圧電振動子と、前記記対向面上に設けられた電極とを備える超音波プローブであって、前記圧電振動子の対向面上に設けた電極のうち少なくとも一つの面の電極は、少なくとも１つの帯状電極からなり、前記帯状電極は同一面内において電気的に接続され、前記対向面内で分極状態が一様でものであり、単純な電極形状であり、また同一素子内で分極度合いを変えることなく、その電極の間隔、面積、線幅を変えることによって、圧電振動子の音響放射面の振動変位分布を制御し、そこから発生する超音波の音圧分布を制御することによって、所望の超音波ビームを形成する作用を有する。
【００２３】
好ましくは、複数の帯状電極の電極間隔が異なる。
【００２４】
好ましくは、帯状電極の電極間隔が、圧電振動子の中央に近づくほど狭くなる。
【００２５】
好ましくは、帯状電極を電気的に接続する電極を有する。
【００２６】
好ましくは、帯状電極が存在する圧電振動子面と接する面上に、帯状電極を電気的に接続する導電体を有する。
【００２７】
好ましくは、帯状電極の線幅が異なる。
【００２８】
また、上記本実施形態の超音波プローブを有することを特徴とする超音波診断装置であり、所望の超音波ビームを形成可能な超音波プローブを有することで、診断における信頼性の高めることができるという作用を有する。
【００２９】
また、上記本実施形態の超音波プローブを有することを特徴とする非破壊検査装置であり、所望の超音波ビームを形成可能な超音波プローブを有することで、検査における信頼性の高めることができるという作用を有する。
【００３０】
本発明の他の実施形態は、圧電振動子の一面上に複数の電極を形成する第一工程と、前記第一工程とは別に前記圧電振動子と接続される接続体において前記圧電振動子と接する面上に前記複数の電極を電気的に接続するべく配置される導電体を形成する第二工程と、前記圧電振動子の複数の電極を有する面と前記接続体の導電体を有する面とを接続して前記複数の電極を電気的に接続する第三工程と、を有する超音波プローブの製造方法であり、各電極ごとに個別に信号線を取り出す必要がないだけでなく、複数の電極を接続する導電体を、圧電振動子とは別の接続体上に形成しておくため、圧電振動子上に複数の電極を形成する複雑な作業が軽減されるという作用を有する。
【００３１】
好ましい他の実施形態は、接続体が背面負荷材である。
【００３２】
以下、本発明の実施の形態について、図１から図２１を用いて説明する。
【００３３】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１の超音波プローブに使用する圧電振動子の断面図および斜視図である。また、図２は本発明の実施の形態１の超音波プローブに使用する圧電振動子の電極間に電圧を加えて振動させた場合の表面変位量分布を表わすグラフである。なお、図２のグラフは変位の変化がわかりやすいように変位を強調して示している。
【００３４】
図１において圧電振動子１は圧電体５と電極６から構成されており、圧電体５は、電気パルスを超音波に、また超音波パルスを電気信号に変換する作用をもつもので、例えば圧電セラミクスによって構成されている。電極６は、圧電体５に電気パルスを供給するため及び圧電体５で発生する電気信号を授受するために、例えば金のスパッタ膜や銀の焼き付けなどによって構成されている。そして、図１において上面に位置する電極６は、故意に圧電体５の上面の端部を覆わないようにしている。
【００３５】
この構成にすることで、圧電振動子１は圧電体５の端部の振動が極力抑えられ、図２に示すように圧電体中央部が若干変位量が多いがほぼ全体に均等な振動変位分布が得られる。したがって、この圧電振動子を用いて作成した超音波プローブは、設計に即した良好な超音波ビーム特性を実現することができる。
【００３６】
なお、以上の説明では、圧電体５の上面の電極について説明したが、下面の電極を圧電体５の下面端部を覆わないようにしても同様に実施可能である。また、上下両面の電極について同時に圧電体５の上下面端部を覆わないようにしてもよい。
【００３７】
また、以上の説明では、平板の圧電体５で構成される圧電振動子１の場合について説明したが、図３の断面図に示すような凹面状の圧電体５で構成される圧電振動子１の場合でも同様に実施可能である。この場合も図３では圧電体５の上面の電極について図示したが、下面の電極を圧電体５の下面端部を覆わないようにしても、あるいは上下両面の電極について同時に実施してもよい。
【００３８】
さらに、以上の説明では、円板の圧電体の場合について説明したが、その他の形であっても、同様の効果が得られる。
【００３９】
また、図４は、例えばアレイ型の超音波診断装置用プローブ等に用いられている短冊形状の圧電振動子の場合に、圧電体５の上面の長手方向の両端部を覆わないように電極６を施したものである。このような縦横比が大きく異なる形状の場合は、長手方向の伸び振動による不要振動の影響が短手方向のそれよりも大きい。従って、この構成にすることで、より影響の大きい圧電体５の長手方向の両端部に現れる不要な振動を選択的に抑制し、良好な超音波ビーム特性を実現することができる。なお、図４では圧電体５の上面の電極について図示したが、下面の電極を圧電体５の長手方向の両端部を覆わないようにしても、あるいは上下両面の電極について長手方向の両端部を覆わないようにしてもよい。さらに、同様な効果は、図５に示すような長手方向の片側端面を上下の電極で互い違いに覆わないようにすることによっても得られる。また、短手方向の端部についても同様に覆わない構成を取ればさらに良い。
【００４０】
（実施の形態２）
図６は本発明の実施の形態２の超音波プローブに使用する圧電振動子の断面図および斜視図である。図６において圧電振動子１は圧電体５と電極６から構成されており、圧電体５は、電気パルスを超音波に、また超音波パルスを電気信号に変換する作用をもつもので、例えば圧電セラミクスによって構成されている。電極６は、圧電体５に電気パルスを供給するため及び圧電体５で発生する電気信号を授受するために、例えば金のスパッタ膜や銀の焼き付けなどによって構成されている。そして、圧電振動子１は、音響放射面である上面の縁に面取りを施している。
【００４１】
この構成にすることで、（実施の形態１）と同様に圧電振動子１は圧電体５の端部の振動が極力抑えられ、図２に示したグラフと同様に圧電体中央部が若干変位量が多いがほぼ全体に均等な振動変位分布が得られる。したがって、この圧電振動子１を用いて作成した超音波プローブは、設計に即した良好な超音波ビーム特性を実現することができる。
【００４２】
また、以上の説明では、平板の圧電体５で構成される圧電振動子１の場合について説明したが、図７に示すように凹面状の圧電体５で構成される圧電振動子１の場合でも同様に実施可能である。
【００４３】
さらに、以上の説明では、円板の圧電体の場合について説明したが、その他の形であっても、同様の効果が得られる。
【００４４】
また、図８は、例えばアレイ型の超音波診断装置用プローブ等に用いられている短冊形状の圧電振動子の場合に、圧電体５の音響放射面側上面の長手方向の両端部の縁を面取りしたものである。このような縦横比が大きく異なる形状の場合は、長手方向の伸び振動による不要振動の影響が短手方向のそれよりも大きい。従って、この構成にすることで、より影響の大きい圧電体５の長手方向の両端部に現れる不要な振動を選択的に抑制し、良好な超音波ビーム特性を実現することができる。また、短手方向の端部の縁についても同様に面取りすればさらに良い。
【００４５】
（実施の形態３）
図９は本発明の実施の形態３の超音波プローブに使用する圧電振動子の両電極面を示す概略図である。図９において圧電振動子１は圧電体５と電極６から構成されており、圧電体５は、電気パルスを超音波に、また超音波パルスを電気信号に変換する作用をもつもので、例えば圧電セラミクスによって構成されている。電極６は、圧電体５に電気パルスを供給するため及び圧電体５で発生する電気信号を授受するために、例えば銀の焼き付けなどによって構成されている。
【００４６】
図９では、直径８mm、厚さ300μmの円板の圧電体５の片側表面に対して、中央に圧電体５と相似形である同心円で直径 0.6mmの面状電極6aを施し、さらに同心円状に６本の帯状電極6bを施し、正の電極としている。すべての帯状電極6bの幅は 0.1mmと一定であり、各帯状電極6bの内径をそれぞれ 1.0mm、 1.6mm、 2.4mm、 3.2mm、 4.4mm、 5.8mmと圧電体５の中央から外側へ向けて、徐々に帯状電極6bの間隔が広くなっていくようにしている。これらの面状電極6aと帯状電極6bは、電極形状のパターンを施したマスクを用いて、銀ペーストをスクリーン印刷してから焼き付けることによって作成したものである。
【００４７】
圧電体５の逆側の面には、銀の焼き付けによる全面電極6cを施し、負の電極としている。分極処理を行う際には、例えば面状電極6aと帯状電極6b全体を覆う大きさの金属板などを用いて、面状電極6aと帯状電極6bを電気的に短絡させた状態にして、逆側の全面電極6cとの間に直流電圧をかけることによって行う。
【００４８】
また、面状電極6aおよび帯状電極6bごとに異なる駆動信号を入力する必要がないために、実際に超音波プローブとして用いる場合には、図１０に示すように背面負荷材の上に、例えば金属のスパッタや薄い金属箔などを用いて、線幅数百μm 程度のライン状の導電体８を形成しておき、その上に面状電極6a及び帯状電極6bを施した面を接着することで、オーミック接合による信号線の取り出しが実現でき、各電極ごとに個別に信号線を取り出す煩わしさはない。そしてさらに、面状電極や帯状電極の複数の電極を接続する導電体を、圧電体とは別の背面負荷材上に形成しておくため、圧電体上に複数の電極を形成するという複雑な作業が集中するのを軽減することができる。
【００４９】
図１１は本発明の実施の形態３の超音波プローブに使用する圧電振動子の電極間に電圧を加えて振動させた場合の表面変位量分布を表わすグラフである。中央に面状電極6aを配置し、その外側に帯状電極6bを圧電体５の周辺部にいくほど電極間隔が広くなるように配置したことによって、分極度合いを変えずに、またすべての電極に同時に等しい電圧をかけて駆動した場合であっても、電極密度の大きい中央部分ほど変位量の大きな変位分布が得られる。したがって、この圧電振動子１を用いて作成した超音波プローブは、サイドローブを抑制した良好な超音波ビーム特性を実現することができる。
【００５０】
なお、以上の説明では、面状電極および帯状電極を正極とし、全面電極を負極としているが、逆でもかまわない。ただし、理想的には広い全面電極を負極としたほうがより良い。
【００５１】
なお、以上の説明では、圧電体の片側に面状電極と帯状電極を施した場合について説明したが、両面に施してもよい。また、帯状電極はリング状に繋がっている場合について説明したが、繋がっていなくてもよい。
【００５２】
また、電極の線幅や直径などのサイズや電極の間隔、帯状電極の本数は、ここで説明した値及び本数に限ったものではなく、所望の特性が得られるように、適宜変更可能である。
【００５３】
さらに、以上の説明では、円板の圧電体の場合について説明したが、その他の形であっても、同様の効果が得られる。
【００５４】
また、以上の説明では、図１０に示すように背面負荷材と圧電体の面状電極および帯状電極を施した面とが接した場合について説明したが、音響放射面側でもよく、その場合は、例えば音響整合層に信号線を一括で取り出せるような同様の構成を有すれば良い。さらに、図１２に示すように、片側の電極を折り返して、圧電体の片側表面から、正と負の２本の信号線を取り出せるような電極構成であっても、本発明の効果は変わらない。
【００５５】
また、以上の説明では、平板の圧電体で構成される場合について説明したが、凹面の圧電体で構成される場合でも同様に実施可能である。
【００５６】
（実施の形態４）
図１３は本発明の実施の形態４の超音波プローブに使用する圧電振動子の両電極面を示す概略図である。図１３において圧電振動子１は圧電体５と電極６から構成されており、圧電体５は、電気パルスを超音波に、また超音波パルスを電気信号に変換する作用をもつもので、例えば圧電セラミクスによって構成されている。電極６は、圧電体５に電気パルスを供給するため及び圧電体５で発生する電気信号を授受するために、例えば銀の焼き付けなどによって構成されている。
【００５７】
図１３では、（実施の形態３）で示した電極構成に加えて、中央の面状電極6aと周囲の帯状電極6bを電気的に接続するための線幅 0.1mmの共通電極6dを設けている。共通電極6dの端は、リード線と接合しやすいように故意に広がった形状とした。この構成によって、（実施の形態３）とまったく同様の効果が得られると同時に、信号線の取り出しが非常に簡単に行うことができる。
【００５８】
なお、以上の説明では、面状電極および帯状電極を正極とし、全面電極を負極としているが、逆でもかまわない。ただし、理想的には広い全面電極を負極としたほうがより良い。
【００５９】
また、以上の説明では、圧電体の片側に面状電極と帯状電極を施した場合について説明したが、両面に施してもよい。
【００６０】
また、電極の線幅や直径などのサイズや電極の間隔、帯状電極の本数は、ここで説明した値及び本数に限ったものではなく、所望の特性が得られるように、適宜変更可能である。
【００６１】
また、帯状電極はリング状に繋がった場合について説明したが、部分的に切れて繋がっていなくてもよい。
【００６２】
さらに、以上の説明では、円板の圧電体の場合について説明したが、その他の形であっても、同様の効果が得られる。
【００６３】
さらに、図１４に示すように、片側の電極を折り返して、圧電体の片側表面から、正と負の２本の信号線を取り出せるような電極構成であっても、本発明の効果は変わらない。
【００６４】
また、以上の説明では、平板の圧電体で構成される場合について説明したが、凹面の圧電体で構成される場合でも同様に実施可能である。
【００６５】
なお、（実施の形態３）及び（実施の形態４）の説明では、中央部に面状電極を配置した構成について説明したが、図１５に示すようにすべてを帯状電極としても、本発明の効果は変わらず、本発明を逸脱するものではない。
【００６６】
（実施の形態５）
図１６は本発明の実施の形態５の超音波プローブに使用する圧電振動子の両電極面を示した概略図である。図１７は本発明の実施の形態５の超音波プローブに使用する別の圧電振動子の両電極面を示した概略図である。図１６および図１７において圧電振動子１は圧電体５と電極６から構成されており、圧電体５は、電気パルスを超音波に、また超音波パルスを電気信号に変換する作用をもつもので、例えば圧電セラミクスによって構成されている。電極６は、圧電体５に電気パルスを供給するため及び圧電体５で発生する電気信号を授受するために、例えば銀の焼き付けなどによって構成されている。
【００６７】
図１６では、直径 8.5mm、厚さ300μmの円板の圧電体５の片側表面に対して、中央に圧電体５と相似形である同心円で直径 1.7mmの面状電極6aを施し、さらに圧電体５と相似形である同心円状に５本の帯状電極6bを施している。帯状電極6bは、最も内側の電極の内径を 1.9mmとして、外側にいくにしたがって 1.2mmずつ大きくし、線幅は、最も内側の電極から順に 0.5mm、 0.4mm、 0.3mm、 0.2mm、0.1mm と外側にいくにつれて徐々に細くなっている。これらの面状電極6aと帯状電極6bは、電極形状のパターンを施したマスクを用いて、銀ペーストをスクリーン印刷してから焼き付けることによって作成したものである。圧電体５の逆側の面には、銀の焼き付けによる全面電極6cを施している。分極処理を行う際には、例えば面状電極6aと帯状電極6b全体を覆う大きさの金属板などを用いて、面状電極6aと帯状電極6bを電気的に短絡させた状態にして、逆側の全面電極6cとの間に直流電圧をかけることによって行う。
【００６８】
また、面状電極6aおよび帯状電極6bごとに異なる駆動信号を入力する必要もないために、実際に超音波プローブとして用いる場合には、図１０に示すように背面負荷材の上に、例えば金属のスパッタや薄い金属箔などを用いて、線幅数百μm 程度の導電性を有するラインを形成しておき、その上に面状電極6a及び帯状電極6bを施した面を接着することで、オーミック接合による信号線の取り出しが実現でき、各電極ごとに個別に信号線を取り出す煩わしさはない。そしてさらに、面状電極や帯状電極の複数の電極を接続する導電体を、圧電体とは別の背面負荷材上に形成しておくため、圧電体上に複数の電極を形成するという複雑な作業が集中するのを軽減することができる。
【００６９】
図１７は、図１６と同一の面状電極6aと帯状電極6bに加えて、これら複数の電極を電気的に接続するための共通電極6dを設けている。共通電極6dは面状電極6aと帯状電極6bによる圧電体の振動振幅の重み付け効果を妨げないように 0.1mmと細い線幅にしており、その端は、リード線と接合しやすいように故意に広げた形状としている。この構成によって、重み付けの効果を損なうことなく信号線の取り出しをより簡単に行うことができるのである。
【００７０】
図１６および図１７に示した本発明の実施の形態５の超音波プローブに使用する圧電振動子のように、中央に面状電極6aを配置し、その外側に帯状電極6bを圧電体５の周辺部にいくほど電極の線幅が狭くなるように配置したことによって、分極度合いを変えずに、またすべての電極に同時に等しい電圧をかけて駆動した場合であっても、電極密度の大きい中央部分ほど変位量の大きな変位分布が得られる。したがって、この構成の圧電振動子を用いて作成した超音波プローブは、サイドローブを抑制した良好な超音波ビーム特性を実現することができるのである。
【００７１】
なお、以上の説明では、面状電極および帯状電極を正極とし、全面電極を負極としているが、逆でもかまわない。ただし、理想的には広い全面電極を負極としたほうがより良い。
【００７２】
また、以上の説明では、圧電体の片側に面状電極と帯状電極を施した場合について説明したが、両面に施してもよい。
【００７３】
また、電極の線幅や直径などのサイズや電極の間隔、帯状電極の本数は、ここで説明した値及び本数に限ったものではなく、所望の特性が得られるように、適宜変更可能である。
【００７４】
また、帯状電極はリング状に繋がった場合について説明したが、部分的に切れて繋がっていなくてもよい。
【００７５】
さらに、以上の説明では、円板の圧電体の場合について説明したが、その他の形であっても、同様の効果が得られる。
【００７６】
さらに、図１８に示すように、片側の電極を折り返して、圧電体の片側表面から、正と負の２本の信号線を取り出せるような電極構成であっても、本発明の効果は変わらない。
【００７７】
また、以上の説明では、平板の圧電体で構成される場合について説明したが、凹面の圧電体で構成される場合でも同様に実施可能である。
【００７８】
なお、以上の説明では、中央部に面状電極を配置した構成について説明したが、図１９のようにすべてを帯状電極としても、本発明の効果は変わらず、本発明を逸脱するものではない。
【００７９】
（実施の形態６）
図２０及び図２１は本発明の実施の形態６の超音波診断装置及び非破壊検査装置を示す概念図である。これらの装置は、上記（実施の形態１）から（実施の形態５）でその例を示した超音波プローブを有するものであり、上記実施の形態で示した超音波プローブの長所を活かした精度の高い超音波診断や非破壊検査を行うことができる。
【００８０】
なお、図２０及び図２１では、超音波プローブと各装置本体とは、有線で接続されているが、無線による遠隔操作であってもかまわない。
【００８１】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、同一素子内で分極度合いを変えることなく、その電極の間隔、面積、線幅を変えることによって、圧電振動子の音響放射面の振動変位分布を制御し、そこから発生する超音波の音圧分布を制御することによって、所望の超音波ビームを形成でき、診断や治療、非破壊検査などに適した良好な超音波ビーム特性を実現した超音波プローブを提供することができるとともに、それを活かした信頼性の高い超音波診断装置や非破壊検査装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の超音波プローブに使用する圧電振動子の断面図および斜視図
【図２】本発明の実施の形態１の超音波プローブに使用する圧電振動子の電極間に電圧を加えて振動させた場合の表面変位量分布を表す特性図
【図３】本発明の実施の形態１の超音波プローブに使用する圧電振動子の別の一例を示す断面図
【図４】本発明の実施の形態１の超音波プローブに使用する圧電振動子の別の一例を示す斜視図
【図５】本発明の実施の形態1の超音波プローブに使用する圧電振動子の別の一例を示す斜視図
【図６】本発明の実施の形態２の超音波プローブに使用する圧電振動子の断面図および斜視図
【図７】本発明の実施の形態２の超音波プローブに使用する圧電振動子の別の一例を示す断面図
【図８】本発明の実施の形態２の超音波プローブに使用する圧電振動子の別の一例を示す斜視図
【図９】本発明の実施の形態３の超音波プローブに使用する圧電振動子の両電極面の概略図
【図１０】本発明の実施の形態３の超音波プローブの信号線の取り出し方の一例を示す概略図
【図１１】本発明の実施の形態３の超音波プローブに使用する圧電振動子の電極間に電圧を加えて振動させた場合の表面変位量分布を表す特性図
【図１２】本発明の実施の形態３の超音波プローブに使用する圧電振動子の別の一例を示す平面図および断面図
【図１３】本発明の実施の形態４の超音波プローブに使用する圧電振動子の両電極面を示す概略図
【図１４】本発明の実施の形態４の超音波プローブに使用する圧電振動子の別の一例を示す平面図および断面図
【図１５】本発明の実施の形態３および実施の形態４の超音波プローブに使用する圧電振動子の別の一例を示す電極面の概略図
【図１６】本発明の実施の形態５の超音波プローブに使用する圧電振動子の両電極面を示す概略図
【図１７】本発明の実施の形態５の超音波プローブに使用する圧電振動子の別の一例の両電極面を示す概略図
【図１８】本発明の実施の形態５の超音波プローブに使用する圧電振動子のさらに別の一例を示す平面図および断面図
【図１９】本発明の実施の形態５の超音波プローブに使用する圧電振動子のさらに別の一例を示す平面図
【図２０】本発明の実施の形態６の超音波診断装置を示す概念図
【図２１】本発明の実施の形態６の非破壊検査装置を示す概念図
【図２２】従来の超音波プローブの一般的な構造を示した概略図
【図２３】従来の超音波プローブの圧電振動子の電極形状の変形例を示す概略図および断面図
【図２４】従来の超音波プローブの圧電振動子を示す平面図
【図２５】従来の超音波プローブの圧電振動子の平面および断面図
【図２６】従来の超音波プローブに用いられている圧電振動子の音響放射面側表面の振動変位分布を示した特性図
【符号の説明】
１ 圧電振動子
２ 音響整合層
３ 背面負荷材
４ 音響レンズ
５ 圧電体
６ 電極
７ 信号線
８ 導電体
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波を用いることで、診断、治療などを行う医療分野や、非破壊検査等を行う産業用分野で利用される超音波プローブ及びそれを用いた装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超音波プローブの一般的な構造を図２２に示す。図２２に示すように、電気パルスを超音波に、また超音波パルスを電気信号に変換するための圧電振動子１、効率よく短い波形の超音波を放射するための音響整合層２、圧電振動子１の背面で音響的なダンピング作用を行う背面負荷材３、超音波ビームをフォーカスさせるための音響レンズ４によって構成されている。なお、音響整合層２は複数あっても構わない。
【０００３】
圧電振動子１は、例えば圧電セラミクスからなる圧電体５の上下の表面のほぼ全面に、例えば、金のスパッタ膜で構成された電極６が施され、信号線７を介して、図示しない超音波診断装置や非破壊検査装置などの装置本体に接続される。
【０００４】
図２３に従来の圧電振動子の別の電極形状を示す。この場合は、信号線７を片面側から取り出せるように、一方の面の電極６を一部反対側の面まで折り返したものである。
【０００５】
さらに、診断、治療などの医療分野や、非破壊検査等の産業用分野で利用される超音波プローブは、できるだけ微細な病変や欠陥を発見するために、距離分解能及び方位分解能を高めることが必要とされる。ここで方位分解能を高めるためには、サイドローブの発生を抑制し、超音波プローブからの距離に関わらず、広い範囲で細い超音波ビームを形成することが不可欠である。
【０００６】
従来、方位分解能を高めるために例えば特開昭５７−５２２９９号公報に開示されたものがあり、図２４のごとく電極の形状を菊状あるいは糸巻き状にして、有効電極面積を変化させることによって、放射超音波レベルに重み付けを行い、その結果細い超音波ビームを放射するようにしている。
【０００７】
また、特開平２−１１１１９８号公報において開示されたものでは、図２５のごとく圧電体の一方の面に形成する電極を同心円状に複数に分割して、その分割電極下の圧電体の分極度合いを外側に向かうにつれて段階的に小さくすることによって、圧電体中央部が最大で周辺部に向かうにつれて徐々に小さくなる振幅分布を持たせることで重み付けし、サイドローブを低減しようとしている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、図２２に示した従来の超音波プローブに用いられている圧電振動子の音響放射面側表面の振動変位分布を測定してみると、図２６に示すように、全体が均一に振動しているわけではなく、圧電振動子の中央部分および端部における変位量が多いという結果が得られた。特に端部では、横方向の拡がり振動とのカップリングも考えられ、不要な超音波が放射されることによるサイドローブの発生等の超音波ビームへの悪影響が懸念される。また、超音波プローブの設計時には、圧電振動子は均一なピストン振動をしていると仮定しているため、設計通りの超音波ビーム特性が得られない。さらに、図２２に示した従来のような音響レンズによるフォーカシングの効果のみでは、方位分解能の大幅な向上は期待できない。
【０００９】
また、上記の特開昭５７−５２２９９号公報に記載されたものは、電極形状が複雑な曲線の組み合わせにより構成されているため、再現性等から実際の作製上好ましくない。
【００１０】
また、上記の特開平２−１１１１９８号公報に記載されたものは、電極形状は単純であるが、各電極下の圧電体ごとに分極度合いを変える必要があるため、各電極毎に異なる信号線を接続し、異なる印加電圧を加えるといった分極作業を行わなければならず、圧電体のサイズによって電極サイズ及び電極間隔が狭くなった場合など特に作業が困難であり、また圧電体の個体差なく同一な分極度合いの分布を再現することも困難であるという課題を有していた。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明は、分極方向に対向面を有する圧電振動子と、前記記対向面上に設けられた電極とを備える超音波プローブであって、前記圧電振動子の対向面上に設けた電極のうち少なくとも一つの面の電極は、前記圧電振動子の中央部に位置する面状電極と、前記面状電極を取り囲む少なくとも一つの帯状電極とを有し、前記面状電極と前記帯状電極が同一面内において電気的に接続され、前記対向面内で分極状態が一様である超音波プローブである。
【００１２】
また、分極方向に対向面を有する圧電振動子と、前記記対向面上に設けられた電極とを備える超音波プローブであって、前記圧電振動子の対向面上に設けた電極のうち少なくとも一つの面の電極は、少なくとも１つの帯状電極からなり、前記帯状電極は同一面内において電気的に接続され、前記対向面内で分極状態が一様である超音波プローブである。
【００１３】
これによって、単純な電極形状で、かつ同一素子内で分極度合いを変えることなく、その電極の間隔、面積、線幅を変えることによって、有効な電極密度を変化させて、圧電振動子の音響放射面の振動変位分布を制御し、そこから発生する超音波の音圧分布を制御することによって、所望の超音波ビームを形成することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の他の実施形態は、圧電振動子を有し、圧電振動子の表面に設けた電極のうち少なくとも一つの電極が、その電極が存在する圧電振動子表面の端部に存在しないことを特徴としたものである。圧電振動子の端部に電極が存在しないため、その部分の変位が抑えられ、不要な超音波の放射を防ぐという作用を有する。
【００１５】
また、電極の形状は、圧電振動子の表面形状と相似形であることを特徴としたものであり、上記他の実施形態と同様の作用を有する。
【００１６】
本発明の他の実施形態は、圧電振動子を有し、圧電振動子の表面のうち音響放射面側の表面の縁を面取りしたことを特徴としたものであり、圧電振動子の音響放射面端部のエッジが無くなり、不要な変位が抑えられ、同時に不要な超音波の放射を抑制する作用を有する。
【００１７】
本発明の実施形態は、分極方向に対向面を有する圧電振動子と、前記記対向面上に設けられた電極とを備える超音波プローブであって、前記圧電振動子の対向面上に設けた電極のうち少なくとも一つの面の電極は、前記圧電振動子の中央部に位置する面状電極と、前記面状電極を取り囲む少なくとも一つの帯状電極とを有し、前記面状電極と前記帯状電極が同一面内において電気的に接続され、前記対向面内で分極状態が一様であるものであり、単純な電極形状であり、また同一素子内で分極度合いを変えることなく、その電極の間隔、面積、線幅を変えることによって、圧電振動子の音響放射面の振動変位分布を制御し、そこから発生する超音波の音圧分布を制御することによって、所望の超音波ビームを形成する作用を有する。
【００１８】
好ましくは、面状電極と少なくとも一つの帯状電極との隣り合う電極間の間隔が、それぞれ異なる。
【００１９】
好ましくは、面状電極と少なくとも一つの帯状電極との隣り合う電極間の間隔が、圧電振動子の中央に近づくほど狭くなる。
【００２０】
好ましくは、面状電極と帯状電極とを電気的に接続する電極を有する。
【００２１】
好ましくは、面状電極と帯状電極とが存在する圧電振動子面と接する面上に、面状電極と帯状電極を電気的に接続する導電体を有する。
【００２２】
また、本実施形態は、分極方向に対向面を有する圧電振動子と、前記記対向面上に設けられた電極とを備える超音波プローブであって、前記圧電振動子の対向面上に設けた電極のうち少なくとも一つの面の電極は、少なくとも１つの帯状電極からなり、前記帯状電極は同一面内において電気的に接続され、前記対向面内で分極状態が一様でものであり、単純な電極形状であり、また同一素子内で分極度合いを変えることなく、その電極の間隔、面積、線幅を変えることによって、圧電振動子の音響放射面の振動変位分布を制御し、そこから発生する超音波の音圧分布を制御することによって、所望の超音波ビームを形成する作用を有する。
【００２３】
好ましくは、複数の帯状電極の電極間隔が異なる。
【００２４】
好ましくは、帯状電極の電極間隔が、圧電振動子の中央に近づくほど狭くなる。
【００２５】
好ましくは、帯状電極を電気的に接続する電極を有する。
【００２６】
好ましくは、帯状電極が存在する圧電振動子面と接する面上に、帯状電極を電気的に接続する導電体を有する。
【００２７】
好ましくは、帯状電極の線幅が異なる。
【００２８】
また、上記本実施形態の超音波プローブを有することを特徴とする超音波診断装置であり、所望の超音波ビームを形成可能な超音波プローブを有することで、診断における信頼性の高めることができるという作用を有する。
【００２９】
また、上記本実施形態の超音波プローブを有することを特徴とする非破壊検査装置であり、所望の超音波ビームを形成可能な超音波プローブを有することで、検査における信頼性の高めることができるという作用を有する。
【００３０】
本発明の他の実施形態は、圧電振動子の一面上に複数の電極を形成する第一工程と、前記第一工程とは別に前記圧電振動子と接続される接続体において前記圧電振動子と接する面上に前記複数の電極を電気的に接続するべく配置される導電体を形成する第二工程と、前記圧電振動子の複数の電極を有する面と前記接続体の導電体を有する面とを接続して前記複数の電極を電気的に接続する第三工程と、を有する超音波プローブの製造方法であり、各電極ごとに個別に信号線を取り出す必要がないだけでなく、複数の電極を接続する導電体を、圧電振動子とは別の接続体上に形成しておくため、圧電振動子上に複数の電極を形成する複雑な作業が軽減されるという作用を有する。
【００３１】
好ましい他の実施形態は、接続体が背面負荷材である。
【００３２】
以下、本発明の実施の形態について、図１から図２１を用いて説明する。
【００３３】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１の超音波プローブに使用する圧電振動子の断面図および斜視図である。また、図２は本発明の実施の形態１の超音波プローブに使用する圧電振動子の電極間に電圧を加えて振動させた場合の表面変位量分布を表わすグラフである。なお、図２のグラフは変位の変化がわかりやすいように変位を強調して示している。
【００３４】
図１において圧電振動子１は圧電体５と電極６から構成されており、圧電体５は、電気パルスを超音波に、また超音波パルスを電気信号に変換する作用をもつもので、例えば圧電セラミクスによって構成されている。電極６は、圧電体５に電気パルスを供給するため及び圧電体５で発生する電気信号を授受するために、例えば金のスパッタ膜や銀の焼き付けなどによって構成されている。そして、図１において上面に位置する電極６は、故意に圧電体５の上面の端部を覆わないようにしている。
【００３５】
この構成にすることで、圧電振動子１は圧電体５の端部の振動が極力抑えられ、図２に示すように圧電体中央部が若干変位量が多いがほぼ全体に均等な振動変位分布が得られる。したがって、この圧電振動子を用いて作成した超音波プローブは、設計に即した良好な超音波ビーム特性を実現することができる。
【００３６】
なお、以上の説明では、圧電体５の上面の電極について説明したが、下面の電極を圧電体５の下面端部を覆わないようにしても同様に実施可能である。また、上下両面の電極について同時に圧電体５の上下面端部を覆わないようにしてもよい。
【００３７】
また、以上の説明では、平板の圧電体５で構成される圧電振動子１の場合について説明したが、図３の断面図に示すような凹面状の圧電体５で構成される圧電振動子１の場合でも同様に実施可能である。この場合も図３では圧電体５の上面の電極について図示したが、下面の電極を圧電体５の下面端部を覆わないようにしても、あるいは上下両面の電極について同時に実施してもよい。
【００３８】
さらに、以上の説明では、円板の圧電体の場合について説明したが、その他の形であっても、同様の効果が得られる。
【００３９】
また、図４は、例えばアレイ型の超音波診断装置用プローブ等に用いられている短冊形状の圧電振動子の場合に、圧電体５の上面の長手方向の両端部を覆わないように電極６を施したものである。このような縦横比が大きく異なる形状の場合は、長手方向の伸び振動による不要振動の影響が短手方向のそれよりも大きい。従って、この構成にすることで、より影響の大きい圧電体５の長手方向の両端部に現れる不要な振動を選択的に抑制し、良好な超音波ビーム特性を実現することができる。なお、図４では圧電体５の上面の電極について図示したが、下面の電極を圧電体５の長手方向の両端部を覆わないようにしても、あるいは上下両面の電極について長手方向の両端部を覆わないようにしてもよい。さらに、同様な効果は、図５に示すような長手方向の片側端面を上下の電極で互い違いに覆わないようにすることによっても得られる。また、短手方向の端部についても同様に覆わない構成を取ればさらに良い。
【００４０】
（実施の形態２）
図６は本発明の実施の形態２の超音波プローブに使用する圧電振動子の断面図および斜視図である。図６において圧電振動子１は圧電体５と電極６から構成されており、圧電体５は、電気パルスを超音波に、また超音波パルスを電気信号に変換する作用をもつもので、例えば圧電セラミクスによって構成されている。電極６は、圧電体５に電気パルスを供給するため及び圧電体５で発生する電気信号を授受するために、例えば金のスパッタ膜や銀の焼き付けなどによって構成されている。そして、圧電振動子１は、音響放射面である上面の縁に面取りを施している。
【００４１】
この構成にすることで、（実施の形態１）と同様に圧電振動子１は圧電体５の端部の振動が極力抑えられ、図２に示したグラフと同様に圧電体中央部が若干変位量が多いがほぼ全体に均等な振動変位分布が得られる。したがって、この圧電振動子１を用いて作成した超音波プローブは、設計に即した良好な超音波ビーム特性を実現することができる。
【００４２】
また、以上の説明では、平板の圧電体５で構成される圧電振動子１の場合について説明したが、図７に示すように凹面状の圧電体５で構成される圧電振動子１の場合でも同様に実施可能である。
【００４３】
さらに、以上の説明では、円板の圧電体の場合について説明したが、その他の形であっても、同様の効果が得られる。
【００４４】
また、図８は、例えばアレイ型の超音波診断装置用プローブ等に用いられている短冊形状の圧電振動子の場合に、圧電体５の音響放射面側上面の長手方向の両端部の縁を面取りしたものである。このような縦横比が大きく異なる形状の場合は、長手方向の伸び振動による不要振動の影響が短手方向のそれよりも大きい。従って、この構成にすることで、より影響の大きい圧電体５の長手方向の両端部に現れる不要な振動を選択的に抑制し、良好な超音波ビーム特性を実現することができる。また、短手方向の端部の縁についても同様に面取りすればさらに良い。
【００４５】
（実施の形態３）
図９は本発明の実施の形態３の超音波プローブに使用する圧電振動子の両電極面を示す概略図である。図９において圧電振動子１は圧電体５と電極６から構成されており、圧電体５は、電気パルスを超音波に、また超音波パルスを電気信号に変換する作用をもつもので、例えば圧電セラミクスによって構成されている。電極６は、圧電体５に電気パルスを供給するため及び圧電体５で発生する電気信号を授受するために、例えば銀の焼き付けなどによって構成されている。
【００４６】
図９では、直径８mm、厚さ300μmの円板の圧電体５の片側表面に対して、中央に圧電体５と相似形である同心円で直径 0.6mmの面状電極6aを施し、さらに同心円状に６本の帯状電極6bを施し、正の電極としている。すべての帯状電極6bの幅は 0.1mmと一定であり、各帯状電極6bの内径をそれぞれ 1.0mm、 1.6mm、 2.4mm、 3.2mm、 4.4mm、 5.8mmと圧電体５の中央から外側へ向けて、徐々に帯状電極6bの間隔が広くなっていくようにしている。これらの面状電極6aと帯状電極6bは、電極形状のパターンを施したマスクを用いて、銀ペーストをスクリーン印刷してから焼き付けることによって作成したものである。
【００４７】
圧電体５の逆側の面には、銀の焼き付けによる全面電極6cを施し、負の電極としている。分極処理を行う際には、例えば面状電極6aと帯状電極6b全体を覆う大きさの金属板などを用いて、面状電極6aと帯状電極6bを電気的に短絡させた状態にして、逆側の全面電極6cとの間に直流電圧をかけることによって行う。
【００４８】
また、面状電極6aおよび帯状電極6bごとに異なる駆動信号を入力する必要がないために、実際に超音波プローブとして用いる場合には、図１０に示すように背面負荷材の上に、例えば金属のスパッタや薄い金属箔などを用いて、線幅数百μm 程度のライン状の導電体８を形成しておき、その上に面状電極6a及び帯状電極6bを施した面を接着することで、オーミック接合による信号線の取り出しが実現でき、各電極ごとに個別に信号線を取り出す煩わしさはない。そしてさらに、面状電極や帯状電極の複数の電極を接続する導電体を、圧電体とは別の背面負荷材上に形成しておくため、圧電体上に複数の電極を形成するという複雑な作業が集中するのを軽減することができる。
【００４９】
図１１は本発明の実施の形態３の超音波プローブに使用する圧電振動子の電極間に電圧を加えて振動させた場合の表面変位量分布を表わすグラフである。中央に面状電極6aを配置し、その外側に帯状電極6bを圧電体５の周辺部にいくほど電極間隔が広くなるように配置したことによって、分極度合いを変えずに、またすべての電極に同時に等しい電圧をかけて駆動した場合であっても、電極密度の大きい中央部分ほど変位量の大きな変位分布が得られる。したがって、この圧電振動子１を用いて作成した超音波プローブは、サイドローブを抑制した良好な超音波ビーム特性を実現することができる。
【００５０】
なお、以上の説明では、面状電極および帯状電極を正極とし、全面電極を負極としているが、逆でもかまわない。ただし、理想的には広い全面電極を負極としたほうがより良い。
【００５１】
なお、以上の説明では、圧電体の片側に面状電極と帯状電極を施した場合について説明したが、両面に施してもよい。また、帯状電極はリング状に繋がっている場合について説明したが、繋がっていなくてもよい。
【００５２】
また、電極の線幅や直径などのサイズや電極の間隔、帯状電極の本数は、ここで説明した値及び本数に限ったものではなく、所望の特性が得られるように、適宜変更可能である。
【００５３】
さらに、以上の説明では、円板の圧電体の場合について説明したが、その他の形であっても、同様の効果が得られる。
【００５４】
また、以上の説明では、図１０に示すように背面負荷材と圧電体の面状電極および帯状電極を施した面とが接した場合について説明したが、音響放射面側でもよく、その場合は、例えば音響整合層に信号線を一括で取り出せるような同様の構成を有すれば良い。さらに、図１２に示すように、片側の電極を折り返して、圧電体の片側表面から、正と負の２本の信号線を取り出せるような電極構成であっても、本発明の効果は変わらない。
【００５５】
また、以上の説明では、平板の圧電体で構成される場合について説明したが、凹面の圧電体で構成される場合でも同様に実施可能である。
【００５６】
（実施の形態４）
図１３は本発明の実施の形態４の超音波プローブに使用する圧電振動子の両電極面を示す概略図である。図１３において圧電振動子１は圧電体５と電極６から構成されており、圧電体５は、電気パルスを超音波に、また超音波パルスを電気信号に変換する作用をもつもので、例えば圧電セラミクスによって構成されている。電極６は、圧電体５に電気パルスを供給するため及び圧電体５で発生する電気信号を授受するために、例えば銀の焼き付けなどによって構成されている。
【００５７】
図１３では、（実施の形態３）で示した電極構成に加えて、中央の面状電極6aと周囲の帯状電極6bを電気的に接続するための線幅 0.1mmの共通電極6dを設けている。共通電極6dの端は、リード線と接合しやすいように故意に広がった形状とした。この構成によって、（実施の形態３）とまったく同様の効果が得られると同時に、信号線の取り出しが非常に簡単に行うことができる。
【００５８】
なお、以上の説明では、面状電極および帯状電極を正極とし、全面電極を負極としているが、逆でもかまわない。ただし、理想的には広い全面電極を負極としたほうがより良い。
【００５９】
また、以上の説明では、圧電体の片側に面状電極と帯状電極を施した場合について説明したが、両面に施してもよい。
【００６０】
また、電極の線幅や直径などのサイズや電極の間隔、帯状電極の本数は、ここで説明した値及び本数に限ったものではなく、所望の特性が得られるように、適宜変更可能である。
【００６１】
また、帯状電極はリング状に繋がった場合について説明したが、部分的に切れて繋がっていなくてもよい。
【００６２】
さらに、以上の説明では、円板の圧電体の場合について説明したが、その他の形であっても、同様の効果が得られる。
【００６３】
さらに、図１４に示すように、片側の電極を折り返して、圧電体の片側表面から、正と負の２本の信号線を取り出せるような電極構成であっても、本発明の効果は変わらない。
【００６４】
また、以上の説明では、平板の圧電体で構成される場合について説明したが、凹面の圧電体で構成される場合でも同様に実施可能である。
【００６５】
なお、（実施の形態３）及び（実施の形態４）の説明では、中央部に面状電極を配置した構成について説明したが、図１５に示すようにすべてを帯状電極としても、本発明の効果は変わらず、本発明を逸脱するものではない。
【００６６】
（実施の形態５）
図１６は本発明の実施の形態５の超音波プローブに使用する圧電振動子の両電極面を示した概略図である。図１７は本発明の実施の形態５の超音波プローブに使用する別の圧電振動子の両電極面を示した概略図である。図１６および図１７において圧電振動子１は圧電体５と電極６から構成されており、圧電体５は、電気パルスを超音波に、また超音波パルスを電気信号に変換する作用をもつもので、例えば圧電セラミクスによって構成されている。電極６は、圧電体５に電気パルスを供給するため及び圧電体５で発生する電気信号を授受するために、例えば銀の焼き付けなどによって構成されている。
【００６７】
図１６では、直径 8.5mm、厚さ300μmの円板の圧電体５の片側表面に対して、中央に圧電体５と相似形である同心円で直径 1.7mmの面状電極6aを施し、さらに圧電体５と相似形である同心円状に５本の帯状電極6bを施している。帯状電極6bは、最も内側の電極の内径を 1.9mmとして、外側にいくにしたがって 1.2mmずつ大きくし、線幅は、最も内側の電極から順に 0.5mm、 0.4mm、 0.3mm、 0.2mm、0.1mm と外側にいくにつれて徐々に細くなっている。これらの面状電極6aと帯状電極6bは、電極形状のパターンを施したマスクを用いて、銀ペーストをスクリーン印刷してから焼き付けることによって作成したものである。圧電体５の逆側の面には、銀の焼き付けによる全面電極6cを施している。分極処理を行う際には、例えば面状電極6aと帯状電極6b全体を覆う大きさの金属板などを用いて、面状電極6aと帯状電極6bを電気的に短絡させた状態にして、逆側の全面電極6cとの間に直流電圧をかけることによって行う。
【００６８】
また、面状電極6aおよび帯状電極6bごとに異なる駆動信号を入力する必要もないために、実際に超音波プローブとして用いる場合には、図１０に示すように背面負荷材の上に、例えば金属のスパッタや薄い金属箔などを用いて、線幅数百μm 程度の導電性を有するラインを形成しておき、その上に面状電極6a及び帯状電極6bを施した面を接着することで、オーミック接合による信号線の取り出しが実現でき、各電極ごとに個別に信号線を取り出す煩わしさはない。そしてさらに、面状電極や帯状電極の複数の電極を接続する導電体を、圧電体とは別の背面負荷材上に形成しておくため、圧電体上に複数の電極を形成するという複雑な作業が集中するのを軽減することができる。
【００６９】
図１７は、図１６と同一の面状電極6aと帯状電極6bに加えて、これら複数の電極を電気的に接続するための共通電極6dを設けている。共通電極6dは面状電極6aと帯状電極6bによる圧電体の振動振幅の重み付け効果を妨げないように 0.1mmと細い線幅にしており、その端は、リード線と接合しやすいように故意に広げた形状としている。この構成によって、重み付けの効果を損なうことなく信号線の取り出しをより簡単に行うことができるのである。
【００７０】
図１６および図１７に示した本発明の実施の形態５の超音波プローブに使用する圧電振動子のように、中央に面状電極6aを配置し、その外側に帯状電極6bを圧電体５の周辺部にいくほど電極の線幅が狭くなるように配置したことによって、分極度合いを変えずに、またすべての電極に同時に等しい電圧をかけて駆動した場合であっても、電極密度の大きい中央部分ほど変位量の大きな変位分布が得られる。したがって、この構成の圧電振動子を用いて作成した超音波プローブは、サイドローブを抑制した良好な超音波ビーム特性を実現することができるのである。
【００７１】
なお、以上の説明では、面状電極および帯状電極を正極とし、全面電極を負極としているが、逆でもかまわない。ただし、理想的には広い全面電極を負極としたほうがより良い。
【００７２】
また、以上の説明では、圧電体の片側に面状電極と帯状電極を施した場合について説明したが、両面に施してもよい。
【００７３】
また、電極の線幅や直径などのサイズや電極の間隔、帯状電極の本数は、ここで説明した値及び本数に限ったものではなく、所望の特性が得られるように、適宜変更可能である。
【００７４】
また、帯状電極はリング状に繋がった場合について説明したが、部分的に切れて繋がっていなくてもよい。
【００７５】
さらに、以上の説明では、円板の圧電体の場合について説明したが、その他の形であっても、同様の効果が得られる。
【００７６】
さらに、図１８に示すように、片側の電極を折り返して、圧電体の片側表面から、正と負の２本の信号線を取り出せるような電極構成であっても、本発明の効果は変わらない。
【００７７】
また、以上の説明では、平板の圧電体で構成される場合について説明したが、凹面の圧電体で構成される場合でも同様に実施可能である。
【００７８】
なお、以上の説明では、中央部に面状電極を配置した構成について説明したが、図１９のようにすべてを帯状電極としても、本発明の効果は変わらず、本発明を逸脱するものではない。
【００７９】
（実施の形態６）
図２０及び図２１は本発明の実施の形態６の超音波診断装置及び非破壊検査装置を示す概念図である。これらの装置は、上記（実施の形態１）から（実施の形態５）でその例を示した超音波プローブを有するものであり、上記実施の形態で示した超音波プローブの長所を活かした精度の高い超音波診断や非破壊検査を行うことができる。
【００８０】
なお、図２０及び図２１では、超音波プローブと各装置本体とは、有線で接続されているが、無線による遠隔操作であってもかまわない。
【００８１】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、同一素子内で分極度合いを変えることなく、その電極の間隔、面積、線幅を変えることによって、圧電振動子の音響放射面の振動変位分布を制御し、そこから発生する超音波の音圧分布を制御することによって、所望の超音波ビームを形成でき、診断や治療、非破壊検査などに適した良好な超音波ビーム特性を実現した超音波プローブを提供することができるとともに、それを活かした信頼性の高い超音波診断装置や非破壊検査装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の超音波プローブに使用する圧電振動子の断面図および斜視図
【図２】本発明の実施の形態１の超音波プローブに使用する圧電振動子の電極間に電圧を加えて振動させた場合の表面変位量分布を表す特性図
【図３】本発明の実施の形態１の超音波プローブに使用する圧電振動子の別の一例を示す断面図
【図４】本発明の実施の形態１の超音波プローブに使用する圧電振動子の別の一例を示す斜視図
【図５】本発明の実施の形態1の超音波プローブに使用する圧電振動子の別の一例を示す斜視図
【図６】本発明の実施の形態２の超音波プローブに使用する圧電振動子の断面図および斜視図
【図７】本発明の実施の形態２の超音波プローブに使用する圧電振動子の別の一例を示す断面図
【図８】本発明の実施の形態２の超音波プローブに使用する圧電振動子の別の一例を示す斜視図
【図９】本発明の実施の形態３の超音波プローブに使用する圧電振動子の両電極面の概略図
【図１０】本発明の実施の形態３の超音波プローブの信号線の取り出し方の一例を示す概略図
【図１１】本発明の実施の形態３の超音波プローブに使用する圧電振動子の電極間に電圧を加えて振動させた場合の表面変位量分布を表す特性図
【図１２】本発明の実施の形態３の超音波プローブに使用する圧電振動子の別の一例を示す平面図および断面図
【図１３】本発明の実施の形態４の超音波プローブに使用する圧電振動子の両電極面を示す概略図
【図１４】本発明の実施の形態４の超音波プローブに使用する圧電振動子の別の一例を示す平面図および断面図
【図１５】本発明の実施の形態３および実施の形態４の超音波プローブに使用する圧電振動子の別の一例を示す電極面の概略図
【図１６】本発明の実施の形態５の超音波プローブに使用する圧電振動子の両電極面を示す概略図
【図１７】本発明の実施の形態５の超音波プローブに使用する圧電振動子の別の一例の両電極面を示す概略図
【図１８】本発明の実施の形態５の超音波プローブに使用する圧電振動子のさらに別の一例を示す平面図および断面図
【図１９】本発明の実施の形態５の超音波プローブに使用する圧電振動子のさらに別の一例を示す平面図
【図２０】本発明の実施の形態６の超音波診断装置を示す概念図
【図２１】本発明の実施の形態６の非破壊検査装置を示す概念図
【図２２】従来の超音波プローブの一般的な構造を示した概略図
【図２３】従来の超音波プローブの圧電振動子の電極形状の変形例を示す概略図および断面図
【図２４】従来の超音波プローブの圧電振動子を示す平面図
【図２５】従来の超音波プローブの圧電振動子の平面および断面図
【図２６】従来の超音波プローブに用いられている圧電振動子の音響放射面側表面の振動変位分布を示した特性図
【符号の説明】
１ 圧電振動子
２ 音響整合層
３ 背面負荷材
４ 音響レンズ
５ 圧電体
６ 電極
７ 信号線
８ 導電体
Claims (11)
- 分極方向に対向面を有する圧電振動子と、前記記対向面上に設けられた電極とを備える超音波プローブであって、前記圧電振動子の対向面上に設けた電極のうち少なくとも一つの面の電極は、前記圧電振動子の中央部に位置する面状電極と、前記面状電極を取り囲む少なくとも一つの帯状電極とを有し、前記面状電極と前記帯状電極が同一面内において電気的に接続され、前記対向面内で分極状態が一様であることを特徴とする超音波プローブ。
- 面状電極と少なくとも一つの帯状電極との隣り合う電極間の間隔が、それぞれ異なることを特徴とする請求項１記載の超音波プローブ。
- 面状電極と少なくとも一つの帯状電極との隣り合う電極間の間隔が、圧電振動子の中央に近づくほど狭くなることを特徴とする請求項２記載の超音波プローブ。
- 面状電極と帯状電極とが存在する圧電振動子面と接する面上に、面状電極と帯状電極とを電気的に接続する導電体を有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の超音波プローブ。
- 分極方向に対向面を有する圧電振動子と、前記記対向面上に設けられた電極とを備える超音波プローブであって、前記圧電振動子の対向面上に設けた電極のうち少なくとも一つの面の電極は、少なくとも１つの帯状電極からなり、前記帯状電極は同一面内において電気的に接続され、前記対向面内で分極状態が一様であることを特徴とする超音波プローブ。
- 帯状電極の電極間隔が、それぞれ異なることを特徴とする請求項５記載の超音波プローブ。
- 帯状電極の電極間隔が、圧電振動子の中央に近づくほど狭くなることを特徴とする請求項５又は６記載の超音波プローブ。
- 帯状電極が存在する圧電振動子面と接する面上に、帯状電極を電気的に接続する導電体を有することを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載の超音波プローブ。
- 帯状電極の幅がそれぞれ異なることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の超音波プローブ。
- 請求項１から９のいずれかに記載の超音波プローブを有することを特徴とする超音波診断装置。
- 請求項１から９のいずれかに記載の超音波プローブを有することを特徴とする非破壊検査装置。
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