JP3662836B2

JP3662836B2 - 超音波探触子及び超音波診断装置

Info

Publication number: JP3662836B2
Application number: JP2000327032A
Authority: JP
Inventors: 徹渡辺; 剛己麻生; 盛之石川
Original assignee: Aloka Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-06-16
Filing date: 2000-10-26
Publication date: 2005-06-22
Anticipated expiration: 2020-10-26
Also published as: JP2002065669A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波探触子及び超音波診断装置に関し、特に、超音波探触子における電極形状の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子セクタ走査方式などが適用される一般的な超音波探触子はアレイ振動子を有する。アレイ振動子は、複数の振動素子（圧電素子）と、その上下面に設けられる一対の電極と、によって構成される。ここで、一方の電極はシグナル電極であり、素子ごとに分離（スライス）される。他方の電極はグランド電極であり、それについては一般に素子ごとの電気的な分離はされない。
【０００３】
上記アレイ振動子に対して電子セクタ走査が適用される場合、各素子への送信信号に対する遅延制御及び各素子からの受信信号に対する整相加算制御が実行される。
【０００４】
ここで、近距離の分解能を高めるため、診断深さが近距離に設定される場合には開口（送受波開口）が小さく設定される。すなわち、遠距離の計測についてはアレイ振動子を構成するすべての素子を利用して送受波が行われ、近距離の計測の場合にはアレイ振動子を構成する全素子の中で一部の素子を利用して送受波が行われる。
【０００５】
上記の開口制御は、アレイ方向について行われるものであるが、そのアレイ方向と直交する方向（エレベーション方向）についても、開口制御（あるいは重み付け制御）を行うのが望ましい。
【０００６】
そこで、従来においては、上下双方又は一方の電極に対して両側辺部に無電極部（事実上の切取部）を形成し、その部分では電界の形成を行わないことで、エレベーション方向の開口可変を行っていた。すなわち、近距離計測の場合、アレイ方向については電子的な素子選択によって開口が制限され、エレベーション方向についてはその素子選択に伴う電極幅の事実上の制限により開口が制限されていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例では、上面側の電極及び下面側の電極の双方又は一方がアレイ方向中心線に対して対称の形状を有し、つまり個々の電極の両側辺部がともに切り取られているため、その部位では電極の引き出しが困難になるという問題がある。すなわち、当該部位では電極部の側辺が振動子内部に位置することになるので当該電極に対してリード線などを接続するのが困難であり、また幅広のリードを引き出すと、その部分の電極作用を無視できないという問題がある。このため従来においては製造コストを増大させる要因となっていた。
【０００８】
また、エレベーション方向について中央部から両端部にかけて音圧レベルを低下させる重み付けを行うために、従来においては、上面側及び下面側の両方について、各振動素子に対応する電極要素の両端をそれぞれ先細にすることも行われていたが、先細端の頂点にリード線を接続するのが困難であるという問題があった。
【０００９】
本発明は、上記従来の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、エレベーション方向に開口制御を行える超音波探触子の製造を容易にすることにある。
【００１０】
本発明の他の目的は、信号線の接続を容易に行えるようにすることにある。
【００１１】
本発明の他の目的は、エレベーション方向について開口制御を行うとともに、当該エレベーション方向について重み付けを行うことにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、複数の圧電素子からなる圧電素子アレイと、前記圧電素子アレイの上面に設けられる第１電極と、前記圧電素子アレイの下面に設けられる第２電極と、を含み、前記第１電極は、アレイ方向に沿った２つの側辺部の内で一方の側辺部が部分的に切り取られた第１電極形状を有し、前記第２電極は、アレイ方向に沿った２つの側辺部の内で他方の側辺部が部分的に切り取られた第２電極形状を有する。
【００１３】
上記構成によれば、第１電極の一方の側辺部には無電極の切取部が形成され、第２電極の他方の側辺部には無電極の切取部が形成され、上下に切取部が形成されていない部分は音響的に見て有効領域として機能し、一方、上下いずれかが無電極となった部分は音響的な作用が無効又は低減されたものとなる。よって、アレイ方向に沿って、エレベーション方向の送受波開口の大きさを可変しつつも、第１電極及び第２電極の少なくとも一方辺は側端部まで存在しているため、信号線の取り出しを容易に行える。
【００１４】
（２）また、上記目的を達成するために、本発明は、複数の圧電素子からなる圧電素子アレイと、前記圧電素子アレイの上面に設けられる第１電極と、前記圧電素子アレイの下面に設けられる第２電極と、を含み、前記第１電極は、アレイ方向に沿った２つの側辺部の内で一方の側辺部のみがアレイ方向中央を基準として対称に部分的に切り取られた第１電極形状を有し、前記第２電極は、アレイ方向に沿った２つの側辺部の内で他方の側辺部のみがアレイ方向中央を基準として対称に部分的に切り取られた第２電極形状を有し、前記第１電極形状及び前記第２電極形状は反転対称関係にあることを特徴とする。
【００１５】
望ましくは、前記第１電極及び前記第２電極のそれぞれの切り取り幅はアレイ方向中央が最も大きくそこから両端部にかけて徐々に小さく設定される。望ましくは、前記第１電極はグランド電極であり、その周縁のいずれかの箇所から電極引き出しが行われ、前記第２電極はシグナル電極であり、その一方の側辺部の側から電極引き出しが行われる。その場合、望ましくは、第１電極の他方の側辺部の側から電極引き出しが行われる。ここで、グランド電極としての第１電極はカッティングされずにベタ電極として利用され、シグナル電極としての第２電極は素子ごとにカッティングされるのが望ましい。
【００１６】
（３）また、上記目的を達成するために、本発明は、上記の超音波探触子が接続される超音波診断装置であって、診断距離に対応した送受波開口の可変制御と共に超音波ビームの電子セクタ走査を実行する走査制御部を有することを特徴とする。
【００１７】
上記構成によれば、診断深さ又はフォーカス深さに応じて、アレイ方向及びエレベーション方向の両方向について開口可変制御を行える。その場合においても信号線の取り出しは容易である。
【００１８】
（４）上記目的を達成するために、本発明は、複数の圧電素子からなる圧電素子アレイと、前記圧電素子アレイの上面に設けられ、各圧電素子ごとの第１電極要素からなる第１電極と、前記圧電素子アレイの下面に設けられ、各圧電素子ごとの第２電極要素からなる第２電極と、を含み、前記各第１電極要素は、アレイ方向と直交するエレベーション方向の一方端が先細で、エレベーション方向の他方端が幅広になった第１電極要素形状を有し、前記各第２電極要素は、前記エレベーション方向の他方端が先細で、エレベーション方向の一方端が幅広になった第２電極要素形状を有する。
【００１９】
上記構成によれば、各圧電素子ごとにエレベーション方向に沿って重み付けを行えるとともに、第１電極要素については一方端が先細に形成され且つ他方端が幅広のままにされており、第２電極要素については他方端が先細に形成され且つ一方端が幅広のままにされているため、それらの幅広端を利用して信号線の接続を簡便に行える。
【００２０】
望ましくは、前記第１電極及び前記第２電極の一方はグランド電極であり、それを構成する複数の電極要素が相互連結され、前記第１電極及び前記第２電極の他方はシグナル電極であり、それを構成する複数の電極要素が相互分離される。
【００２１】
グランド電極は、各圧電素子について共通電極となるため、電極要素を電気的に分離することは一般に不要であり、一方、シグナル電極については、各圧電素子ごとに個別的に機能させる必要があるため、電極要素相互の電気的な分離が必要である。
【００２２】
望ましくは、前記第１電極は、アレイ方向に沿った２つの側辺部の内で一方の側辺部が部分的に切り取られた全体形状を有し、前記第２電極は、アレイ方向に沿った２つの側辺部の内で他方の側辺部が部分的に切り取られた全体形状を有する。
【００２３】
この構成によれば、エレベーション方向について開口制御と重み付けの双方を行うことができ、しかも、信号線の接続を簡便に行えるという利点がある。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２５】
図１には、本発明に係るアレイ振動子の好適な実施形態が斜視図として示されている。
【００２６】
このアレイ振動子は、圧電素子アレイ１０とその上面及び下面に形成された上面電極１４及び下面電極１６と、で構成されるものである。ちなみに、このアレイ振動子には整合層やバッキング材などが接合されるが、それに関しては後に図２を用いて説明する。
【００２７】
圧電素子アレイ１０は、それ全体として例えば１０ｍｍ×１０ｍｍの大きさを有しており、その厚みは例えば０．３ｍｍである。上面電極１４及び下面電極１６は例えば５μｍの厚さを有している。
【００２８】
圧電素子アレイ１０は例えばＰＺＴなどの材料で構成され、図示されるように複数の圧電素子１０ａに分割されている。各圧電素子１０ａに対応して上面電極１４及び下面電極１６の両方又は一方が圧電素子ごとに切断される。例えば、下面電極１６がシグナル電極として機能し、上面電極１４がグランド電極として機能する場合、下面電極１６が各圧電素子ごとに分割される。また、上面電極は図示のようにベタ電極として利用される。
【００２９】
このようなアレイ振動子に対しては例えば電子セクタ走査が適用される。すなわち、送受信開口内の圧電素子群の全体又は一部を利用して送信ビーム及び受信ビームが形成される。図１には、送受信開口が１０２〜１０６で示されており、ここで送受信開口１０２は遠距離診断用の開口であり、送受信開口１０４は中距離診断用の開口であり、送受信開口１０６は近距離診断用の開口である。このように、診断距離あるいはフォーカス点の深さに応じてアレイ方向（Ｘ方向）の送受信開口の大きさを適宜調整することにより分解能を高められるという利点がある。これ自体は公知の技術である。
【００３０】
本実施形態においては、図１に示されるように、上面電極１４におけるエレベーション方向（Ｙ方向）の２つの側辺部の内で一方の側辺部が部分的に切り取られており、すなわち切取部１４Ａが形成されている。この切取部１４Ａは無電極部であって、その部分は上面電極として機能しない。切取部１４Ａにおいては圧電素子アレイ１０が露出しているが、その部分に非導電性の接着剤などを流し込んでもよい。切取部１４Ａが形成されている一方の側辺部とは反対側の側辺部には無電極部は形成されておらず、側辺が外部に露出している。
【００３１】
下面電極１６のエレベーション方向における２つの側辺部の内で他方の側辺部（上記切取部１４Ａが形成されている側辺部とは反対側の側辺部）には切取部１６Ａが形成されており、その切取部１６Ａは切取部１４Ａと同様に無電極部を構成している。その切取部１６Ａの部分においては圧電素子アレイ１０が外部に露出しているが、もちろん、そこに非導電性接着剤などを流し込んでもよい。
【００３２】
このように上面電極１４及び下面電極１６にはそれぞれＸ方向に沿った中心線に対して非対称の形状をもった切取部１４Ａ，１６Ａが形成されている。ここで、切取部１４Ａ及び１６Ａは互いに同じ半月状の形態を有しており、換言すれば、上面電極１４及び下面電極１６は反転対称の関係にある。
【００３３】
上面電極１４及び下面電極１６において、Ｘ方向の中心を通る中心線１００から両端部にかけてＹ方向の電極幅が徐々に拡大されている。そして、圧電素子アレイ１０において実質的に機能するのは電界が印加される部分であることを考慮すると、上面電極１４と下面電極１６との間に挟まれた部分が有効な振動領域として機能し、換言すれば、切取部１４Ａ及び切取部１６Ａの部分は有効な振動領域としては機能しない。すなわち、図１において、Ｙ方向についてみた場合、符号１０８は部分機能領域として認識でき、同様に符号１１０及び符号１１２で示す部分は全部機能領域として認識できる。
【００３４】
上面電極１４及び下面電極１６が上記のような形態を有するため、Ｘ方向の送受信開口が狭められると、それに追従して、Ｙ方向の送受信開口の幅も狭められることになる。この結果、Ｘ方向及びＹ方向の両方向にわたって開口調整を実現し、従来よりもより分解能を向上することが可能である。しかも、本実施形態においては、上面電極１４の一方の側辺部のみに切取部１４Ａが形成されており、また下面電極１６の他方の側辺部にのみ切取部１６Ａが形成されているため、それらとは反対側の各側辺が外部に露出し、その側辺を利用してリード接続などを極めて容易に行えるという利点がある。これに関して以下に図２を用いて説明する。
【００３５】
図２（Ａ）には本実施形態に係るアレイ振動子を含む超音波探触子の要部構成が示されている。また、（Ｂ）には従来例の超音波探触子の要部構成が示されている。
【００３６】
（Ａ）においてアレイ振動子の上面側には整合層２０が設けられ、更にその上面側には音響レンズ２２が設けられる。アレイ振動子の下面側にはバッキング層２４が設けられる。このような構成において、上面電極１４に対してはその外部に露出した一方の側辺を利用して信号線３２の接続を行うことができ、また下面電極１６に関してはその他方側の側辺を利用して信号線３０の接続を行うことができる。
【００３７】
一方、（Ｂ）に示す従来例においては、上面電極１４’及び下面電極１６’におけるそれぞれの両側辺部に切取部が形成されており、このため信号線３０，３２の接続をアレイ振動子内部において行わなければならないという問題が生じる。これに対し、（Ａ）に示した本実施形態によれば、そのような信号線の接続を簡便に行えるのである。
【００３８】
ちなみに、上面電極１４及び下面電極１６は圧電素子アレイの元となる圧電板の両面に形成された薄金層であってもよく、また銅箔あるいはフレキシブル回路基板（ＦＰＣ）であってもよい。
【００３９】
上記の図１に示した実施形態においては、半月状の切取部１４Ａ，１６Ａが形成されていたが、そのような形状には限定されず、Ｘ方向の中央から両端部にかけて徐々に切取幅が少なくなるような形態であれば、各種のものを採用可能である。
【００４０】
図３には、本発明に係る超音波探触子の他の実施形態が示されており、図３はその要部構成を示す図である。
【００４１】
図１に示した実施形態と同様に、この図３に示す実施形態においても、圧電素子アレイ２８の上面側に上面電極３０が形成されており、圧電素子アレイ２８の下面側に下面電極３４が形成されている。圧電素子アレイ２８は、アレイ方向に沿って配列された複数の圧電素子４０によって構成されており、具体的には圧電板をカッティング（ダイシング）することによって複数の圧電素子４０が形成される。
【００４２】
上面電極３０は、グランド電極として機能するものであり、その上面電極３０は各圧電素子４０ごとに設けられた電極要素３２によって構成されている。図３に示されるように、各電極要素３２は相互に一体化されており、これによって上面電極３０全体としてベタ電極が構成されている。図４（Ａ）には、電極要素３２の形態が示されており、その電極要素３２の一方端３２Ａは先細に形成され、電極要素３２の他方端３２Ｂは幅広のままとされている。したがって、図３に示すように、上面電極３０における一方側の辺は、多数の三角形を連結させたようなギザギザの形態をもっており、その一方において上面電極３０の他方側の辺はベタ電極のままとされている。ちなみに、各電極要素３２に個別的に信号線を接続すれば個々の電極要素３２をそれぞれ物理的に分離することができる。
【００４３】
図３に示されているように、下面電極３４は各圧電素子４０ごとに設けられた複数の電極要素３６によって構成されている。それぞれの電極要素３６は、図４（Ｂ）に示すような形態を有しており、それぞれ相互に電気的に分離されている。電極要素３６の一方端３６Ｂは幅広のままとされており、電極要素３６の他方端３６Ａは先細の形態を有している。
【００４４】
すなわち、図３に示すように、上面電極３０については、図において下側に切取部４４が形成され、これによってギザギザの形態が構成されており、一方、下面電極３４においては、図において上方に切取部４６が形成されており、これによってギザギザの形態が構成されている。
【００４５】
図４（Ａ）及び（Ｂ）の各電極要素３２，３６を重合させると、上面側における先細の一方端３２Ａの下側には幅広状の一方端３６Ｂが対応し、幅広の他方端３２Ｂの下側には先細の一方端３６Ａが対応する。よって、この構成から理解されるように、いずれかの電極において先細形状が設けられているため、当該部位における音圧レベルを低下させることができ、すなわちエレベーション方向に沿って中央部から両端部にかけて徐々に音圧レベルを下げることが可能となる。その場合において、各電極要素３２，３６の少なくとも一方端が幅広に形成されているため、当該幅広側の端部に対して信号線５０，５２を接続することが容易となる。
【００４６】
以上のように、図３及び図４に示した実施形態によれば、図１に示した実施形態と同様に、上面電極３０及び下面電極３４にそれぞれ切取部４４，４６が設けられているため、そのような反転対称関係をもってエレベーション方向の重み付けを行えると共に、信号線の接続を簡便に行えるという利点がある。図３及び図４には、端部が三角形状に加工された電極要素が示されていたが、そのような形状には限定されず、重み付けが行える限りにおいて各種の形態を採用することが可能である。
【００４７】
図５には、さらに他の実施形態にかかる超音波探触子の要部構成が示されている。この図５に示す実施形態は、いわば図１に示した実施形態と図２に示した実施形態とを組み合わせたものに相当する。
【００４８】
すなわち、上面電極５４は、複数の電極要素５８によって構成されており、各電極要素５８は相互に連結され、その一方端５８Ａが先細に形成されている。また、その他方端は幅広のままとされている。ただし、その上面電極５４の一方側辺（図において上方）の中央部分が内側に全体として切り取られており、図１に示した無電極部が構成されている。そのような無電極部の稜線に従って各先細状の一方端５８Ａの頂点が並んでいる。
【００４９】
下面電極５６は上面電極５４と反転対称形態を有しており、すなわち各電極要素６０の他方端６０Ａが先細に形成されており、しかも下面電極５６の他方辺側がその中央部において切り取られており、無電極部が形成されている。その無電極部の稜線に沿って各電極要素６０の他方端６０Ａの頂点が並んでいる。ただし、下面電極５６においては各電極要素６０が電気的に分離されている。これは図３及び図４に示した実施形態と同様である。
【００５０】
この図５に示す実施形態によれば、図１に示した実施形態と同様に、エレベーション方向について送受信開口の大きさを調整することができ、すなわちアレイ方向における中央部分のみを用いて超音波の送受信を行う場合に、エレベーション方向の送受信開口の大きさを搾り込むことが可能である。さらに、そのような送受信開口の制御と共に、エレベーション方向における重み付け制御も行えるという利点があり、より実用性の高い超音波探触子を構成できるという利点がある。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、エレベーション方向に開口制御を行うことが可能であり、その場合において超音波探触子の製造を簡便化できる。また、信号線の接続を容易に行える。更に、エレベーション方向について開口制御と重み付けの両方を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るアレイ振動子の斜視図である。
【図２】本実施形態と従来例との比較を説明するための図である。
【図３】本発明に係る他の実施形態の要部構成を示す上面図である。
【図４】図３に示す実施形態における各電極要素の形態を示す図である。
【図５】本発明に係る更に他の実施形態の要部構成を示す上面図である。
【符号の説明】
１０圧電素子アレイ、１４上面電極、１６下面電極、２８圧電素子アレイ、３０上面電極、３２圧電素子アレイ、３４下面電極、５４上面電極、５６下面電極。

Claims

複数の圧電素子からなる圧電素子アレイと、
前記圧電素子アレイの上面に設けられる第１電極と、
前記圧電素子アレイの下面に設けられる第２電極と、
を含み、
前記第１電極は、アレイ方向に沿った２つの側辺部の内で一方の側辺部が部分的に切り取られた第１電極形状を有し、
前記第２電極は、アレイ方向に沿った２つの側辺部の内で他方の側辺部が部分的に切り取られた第２電極形状を有することを特徴とする超音波探触子。
複数の圧電素子からなる圧電素子アレイと、
前記圧電素子アレイの上面に設けられる第１電極と、
前記圧電素子アレイの下面に設けられる第２電極と、
を含み、
前記第１電極は、アレイ方向に沿った２つの側辺部の内で一方の側辺部のみがアレイ方向中央を基準として対称に部分的に切り取られた第１電極形状を有し、
前記第２電極は、アレイ方向に沿った２つの側辺部の内で他方の側辺部のみがアレイ方向中央を基準として対称に部分的に切り取られた第２電極形状を有し、
前記第１電極形状及び前記第２電極形状は反転対称関係にあることを特徴とする超音波探触子。
請求項１又は２記載の超音波探触子において、
前記第１電極及び前記第２電極のそれぞれの切り取り幅はアレイ方向中央が最も大きくそこから両端部にかけて徐々に小さく設定されたことを特徴とする超音波探触子。
請求項１又は２記載の超音波探触子において、
前記第１電極はグランド電極であり、その周縁のいずれかの箇所から電極引き出しが行われ、
前記第２電極はシグナル電極であり、その一方の側辺部の側から電極引き出しが行われることを特徴とする超音波探触子。
請求項１又は２記載の超音波探触子が接続される超音波診断装置であって、
診断距離に対応した送受波開口の可変制御と共に超音波ビームの電子セクタ走査を実行する走査制御部を有することを特徴とする超音波診断装置。
複数の圧電素子からなる圧電素子アレイと、
前記圧電素子アレイの上面に設けられ、各圧電素子ごとの第１電極要素からなる第１電極と、
前記圧電素子アレイの下面に設けられ、各圧電素子ごとの第２電極要素からなる第２電極と、
を含み、
前記各第１電極要素は、アレイ方向と直交するエレベーション方向の一方端が先細で、エレベーション方向の他方端が幅広となった第１電極要素形状を有し、
前記各第２電極要素は、前記エレベーション方向の他方端が先細で、エレベーション方向の一方端が幅広となった第２電極要素形状を有することを特徴とする超音波探触子。
請求項６記載の超音波探触子において、
前記第１電極及び前記第２電極の一方はグランド電極であり、それを構成する複数の電極要素が相互連結され、
前記第１電極及び前記第２電極の他方はシグナル電極であり、それを構成する複数の電極要素が相互分離されたことを特徴とする超音波探触子。
請求項６又は７記載の超音波探触子において、
前記第１電極は、アレイ方向に沿った２つの側辺部の内で一方の側辺部が部分的に切り取られた全体形状を有し、
前記第２電極は、アレイ方向に沿った２つの側辺部の内で他方の側辺部が部分的に切り取られた全体形状を有することを特徴とする超音波探触子。