JP3880218B2 - 超音波探触子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、積層振動子を一次元方向に配列したアレイ形超音波探触子の構造に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来のアレイ形探触子の構成は、バッキング材上に圧電セラミクス等からなる振動子がアレイ状にが配置され、さらに振動子の上方に被検体や音響レンズとの音響インンピーダンスの整合を行う整合層が配置されている。振動子には、一層または積層構造のものがあり、いずれの構造のものでも従来より、振動子を挟み対向し合う電極は各層毎に振動子素子の長さ方向に同じ幅で素子の端から端まで電極が取り付けられていた。この電極にパルス電圧を加えると振動子が厚み振動をして超音波が生じるが、この超音波の音圧レベルの分布は振動子の端から端まで一様な矩形波となっていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この様な音圧分布を有した振動子から放射される超音波ビームは、主ビームからかなり離れた方向にもサイドローブが発生していることが知られている。（図３参照）このサイドローブはノイズとして主ビームから得られた信号のＳ／Ｎを劣化させることが問題となっている。本発明の目的は、サイドローブの発生を低く抑えることができる積層振動子、ひいては良好な画像が得られる超音波探触子を提供することにある。
【０００４】
上記目的を達成するために、本発明の超音波探触子は、複数の電極と、複数の振動子とを交互に積層してなる積層構造の振動子素子がアレイ状に配設されており、前記複数の電極は、積層される層数が前記振動子素子の長軸方向において異なるように形成され、積層方向の両端の各電極は、前記振動子素子の長軸方向の長さが、他の各電極より長く形成されていることを特徴とする。
或いは、一対の外部電極の間に複数の内部電極と複数の振動子とを交互に積層してなる積層構造の振動子素子がアレイ状に配設されており、前記一対の外部電極と前記複数の内部電極とは、積層される層数が前記振動子素子の長軸方向において異なるように形成されており、前記一対の外部電極の各々は、前記複数の内部電極と交互に接続されていると共に、前記振動子素子の長軸方向の長さが前記複数の内部電極の各々より長く形成されていることを特徴とする。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態を図に基いて説明する。図１は本発明によるアレイ形振動子を構成する積層数５層でなる積層振動子素子の斜視図を示し、図２は図１の超音波探触子の短軸方向（つまり、積層振動子素子の長軸方向。以下、超音波探触子の長軸方向と短軸方向を基準にする）の超音波出射音圧レベルの分布の概念を示すグラフで、図３は図１の積層振動子素子の図中短軸方向の超音波出射方向の指向特性を示すグラフである。図１において、符号１はＰＺＴ（ジルコンチタン酸鉛系磁器を略してＰＺＴと記す。以下これに従う）でなる圧電効果を持つ振動子３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄはＰＺＴでなるグリーンシートに予め所定の電極面積で印刷して積層した後、焼成して形成される内部電極層２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄは銀の焼き付けで形成接続される外部電極層を示す。
【０００６】
５層の積層振動子の最上段にある内部電極層３ｃと最下段にある内部電極層３ｄの面積は振動子の長さ方向に対して幅は一様で長さの略５／７まで印刷してあり、上から二段目にある内部電極層３ｂと下から二段目にある内部電極層３ａの面積は振動子の長さ方向に対して幅は一様で長さの略６／７まで印刷してある。さらに内部電極層３ａ，３ｃは図中左側面にある外部電極層２ｃと底面にある外部電極層２ａに銀の焼き付けで電気的に接続され、さらに内部電極層３ｂ，３ｄは図中右側面にある外部電極層２ｄと上面にある外部電極層２ｂに銀の焼き付けで電気的に接続される。
【０００７】
図２において、上記構成でなる積層振動子の外部電極層２ａ，２ｂに、外部から電界を印加した場合の短軸方向の音圧分布について説明する。外部電極層２ｂ，２ｄにプラスの電圧，外部電極層２ａ，２ｃにマイナスの電圧を印加したとすると、外部電極層２ｂと内部電極層３ｃに挟まれた範囲の振動子１と、外部電極層２ａと内部電極層３ｄに挟まれた範囲の振動子１と、内部電極層３ｃと内部電極層３ｂに挟まれた範囲の振動子１と、内部電極層３ｂと内部電極層３ａに挟まれた範囲の振動子１と内部電極層３ａと内部電極層３ｄに挟まれた範囲の振動子１とがそれぞれ電極間で一様分布で振動し、同様に音圧レベルも一様に分布する。
【０００８】
以上の積層振動子全体の音圧分布は各々の音圧分布を重ね合せたものとなり、図２に示すように中央部は平坦な一様分布で、端部へ行くにしたがって音圧は階段状に低減されていくのでサイドローブの発生は低減される。
【０００９】
図３において、このことにより、振動子の音響放射面の音圧分布は中央部ほど高く、周辺部になるに従って段階的に低くなり、従来技術の一様な高さの矩形分布に比較して振動子の生じる超音波ビームのパターンに比べて、サイドローブの音圧を低減することができる。以上は送波の場合であったが、エコー信号を受波する場合のビームパターンも全く同様の原理でサイドローブが低減されて、目標方向以外の不用な応答が低減しＳＮ比を向上させることができる。
【００１０】
本実施例においては、振動子の圧電体材料としてＰＺＴを用いているが、同様な圧電効果をもつ材料，チタン酸鉛など一般的な圧電セラミックス，亜鉛ニオブ酸鉛等の圧電単結晶，ポリ弗化ビニリデン等の有機圧電材料などの積層体を用いてもよい。また積層の手段として、グリーンシート状態のＰＺＴを積層して焼成する方法を用いているが、材料に応じては整合層９，積層振動子７，バッキング材８の各層毎に個別に作成しておき後にエポキシ係接着剤等で接着積層したり、半田やその他の金属を用いて電極層との合金を形成することで積層してもよい。さらに電極の材質も同様であって導電性を持ち、積層体を形成するに十分な機械的強度を持つ材料であればよい、例えば、パラジウム，金，銀，銅，ニッケル，半田等やそれらの合金でもよい。
【００１１】
また積層数は５層で説明したが、振動子の短軸方向の中央部で音圧が高く、周辺部になるにしたがって音圧が低くなるように内部電極層を形成すれば、同様な効果がもたらされる。例えば、積層数を少なく３〜４層にする。または、５層を越える積層数でも良い。
【００１２】
次に、本発明の積層振動子を用いたリニアアレイ形探触子の例について説明する。図４は本発明の積層振動子を用いたリニアアレイ形探触子の斜視図を示し、先の図と同じものに同じ符号を付し、その他符号７は図１で示した積層振動子，８は積層振動子７の後面に配備され、機械的なダンピングを行い、周波数帯域を広くしている構造を有しているバッキング材，９は被検体とセラミック振動子との間の音響インピーダンスの整合を行う整合層，１０は短軸方向への超音波の収束を行なう音響レンズ，１１は積層振動子７とバッキング材８，積層振動子７と整合層９を接着する接着層，１２は各々の積層振動子７に電界を印加するための交流電力が流れるフレキシブル基板，１３は交流電流を供給するための同軸ケーブルを示す。
【００１３】
図４において、整合層９，積層振動子７，バッンキング材８は予め、各々一枚の板として一体に作成しておき、接着層１１で各々を接着固定し一体に形成しておき、図中短軸方向にダイシングすることで分離形成される。上記構成でなる積層振動子に、外部から電界を印加したときに、前記図２で説明のごとく積層振動子７の短軸方向の中央部ほど機械的に変位する層数が多くなり、また周辺部に行くに従って変位する層の数が段階的に少なくなる。このことにより、積層振動子の音響放射面の音圧分布は中央部ほど高く、周辺部になるに従って階段状に下降し、従来技術の傾斜がついていない（矩形分布）振動子の生じる超音波ビームのパターンに比べてサイドローブの音圧を低減することができる。以上は超音波を送波する場合であったが、エコー信号を受波する場合のビームパターンも全く同様の原理でサイドローブが低減されて、目標方向以外の不用な応答が低減しＳＮ比を向上させることができる。本発明による積層振動子を採用することで、短軸方向のサイドローブを低減でき良好なＳＮ比を得ることができる。本実施例ではリニアアレイ形の超音波探触子の例を示したが、アレイ方向に曲率をもった、コンベックス形の探触子でもダイシング後に適当な曲げを加えることで、同様に作成可能である。
【００１４】
【発明の効果】
積層振動子の中央部ほど電解の形成される積層数を多くする手段を採用することで、積層振動子から放射される超音波の振動子面上の音圧分布は短軸方向の振動子の中央部ほど高く、周囲にしたがって階段状に低くしているので、超音波ビームのサイドローブが低減し、良好なＳＮ比を得る効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による積層振動子素子の斜視図。
【図２】図１の積層振動子素子の長さ方向を横軸とする超音波出射方向の音圧レベルの分布の概念を示すグラフ。
【図３】図１の振動子素子の長さ方向を横軸とする超音波出射方向の指向特性を示すグラフ。
【図４】本発明の積層振動子を用いたリニアアレイ形探触子の斜視図。
【符号の説明】
１ 振動子
２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ 外部電極層
３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ 内部電極層
７ 積層振動子
８ バッキング材
９ 整合層
１０ 音響レンズ
１１ 接着層
１２ フレキシブル基板
【発明の属する技術分野】
本発明は、積層振動子を一次元方向に配列したアレイ形超音波探触子の構造に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来のアレイ形探触子の構成は、バッキング材上に圧電セラミクス等からなる振動子がアレイ状にが配置され、さらに振動子の上方に被検体や音響レンズとの音響インンピーダンスの整合を行う整合層が配置されている。振動子には、一層または積層構造のものがあり、いずれの構造のものでも従来より、振動子を挟み対向し合う電極は各層毎に振動子素子の長さ方向に同じ幅で素子の端から端まで電極が取り付けられていた。この電極にパルス電圧を加えると振動子が厚み振動をして超音波が生じるが、この超音波の音圧レベルの分布は振動子の端から端まで一様な矩形波となっていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この様な音圧分布を有した振動子から放射される超音波ビームは、主ビームからかなり離れた方向にもサイドローブが発生していることが知られている。（図３参照）このサイドローブはノイズとして主ビームから得られた信号のＳ／Ｎを劣化させることが問題となっている。本発明の目的は、サイドローブの発生を低く抑えることができる積層振動子、ひいては良好な画像が得られる超音波探触子を提供することにある。
【０００４】
上記目的を達成するために、本発明の超音波探触子は、複数の電極と、複数の振動子とを交互に積層してなる積層構造の振動子素子がアレイ状に配設されており、前記複数の電極は、積層される層数が前記振動子素子の長軸方向において異なるように形成され、積層方向の両端の各電極は、前記振動子素子の長軸方向の長さが、他の各電極より長く形成されていることを特徴とする。
或いは、一対の外部電極の間に複数の内部電極と複数の振動子とを交互に積層してなる積層構造の振動子素子がアレイ状に配設されており、前記一対の外部電極と前記複数の内部電極とは、積層される層数が前記振動子素子の長軸方向において異なるように形成されており、前記一対の外部電極の各々は、前記複数の内部電極と交互に接続されていると共に、前記振動子素子の長軸方向の長さが前記複数の内部電極の各々より長く形成されていることを特徴とする。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態を図に基いて説明する。図１は本発明によるアレイ形振動子を構成する積層数５層でなる積層振動子素子の斜視図を示し、図２は図１の超音波探触子の短軸方向（つまり、積層振動子素子の長軸方向。以下、超音波探触子の長軸方向と短軸方向を基準にする）の超音波出射音圧レベルの分布の概念を示すグラフで、図３は図１の積層振動子素子の図中短軸方向の超音波出射方向の指向特性を示すグラフである。図１において、符号１はＰＺＴ（ジルコンチタン酸鉛系磁器を略してＰＺＴと記す。以下これに従う）でなる圧電効果を持つ振動子３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄはＰＺＴでなるグリーンシートに予め所定の電極面積で印刷して積層した後、焼成して形成される内部電極層２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄは銀の焼き付けで形成接続される外部電極層を示す。
【０００６】
５層の積層振動子の最上段にある内部電極層３ｃと最下段にある内部電極層３ｄの面積は振動子の長さ方向に対して幅は一様で長さの略５／７まで印刷してあり、上から二段目にある内部電極層３ｂと下から二段目にある内部電極層３ａの面積は振動子の長さ方向に対して幅は一様で長さの略６／７まで印刷してある。さらに内部電極層３ａ，３ｃは図中左側面にある外部電極層２ｃと底面にある外部電極層２ａに銀の焼き付けで電気的に接続され、さらに内部電極層３ｂ，３ｄは図中右側面にある外部電極層２ｄと上面にある外部電極層２ｂに銀の焼き付けで電気的に接続される。
【０００７】
図２において、上記構成でなる積層振動子の外部電極層２ａ，２ｂに、外部から電界を印加した場合の短軸方向の音圧分布について説明する。外部電極層２ｂ，２ｄにプラスの電圧，外部電極層２ａ，２ｃにマイナスの電圧を印加したとすると、外部電極層２ｂと内部電極層３ｃに挟まれた範囲の振動子１と、外部電極層２ａと内部電極層３ｄに挟まれた範囲の振動子１と、内部電極層３ｃと内部電極層３ｂに挟まれた範囲の振動子１と、内部電極層３ｂと内部電極層３ａに挟まれた範囲の振動子１と内部電極層３ａと内部電極層３ｄに挟まれた範囲の振動子１とがそれぞれ電極間で一様分布で振動し、同様に音圧レベルも一様に分布する。
【０００８】
以上の積層振動子全体の音圧分布は各々の音圧分布を重ね合せたものとなり、図２に示すように中央部は平坦な一様分布で、端部へ行くにしたがって音圧は階段状に低減されていくのでサイドローブの発生は低減される。
【０００９】
図３において、このことにより、振動子の音響放射面の音圧分布は中央部ほど高く、周辺部になるに従って段階的に低くなり、従来技術の一様な高さの矩形分布に比較して振動子の生じる超音波ビームのパターンに比べて、サイドローブの音圧を低減することができる。以上は送波の場合であったが、エコー信号を受波する場合のビームパターンも全く同様の原理でサイドローブが低減されて、目標方向以外の不用な応答が低減しＳＮ比を向上させることができる。
【００１０】
本実施例においては、振動子の圧電体材料としてＰＺＴを用いているが、同様な圧電効果をもつ材料，チタン酸鉛など一般的な圧電セラミックス，亜鉛ニオブ酸鉛等の圧電単結晶，ポリ弗化ビニリデン等の有機圧電材料などの積層体を用いてもよい。また積層の手段として、グリーンシート状態のＰＺＴを積層して焼成する方法を用いているが、材料に応じては整合層９，積層振動子７，バッキング材８の各層毎に個別に作成しておき後にエポキシ係接着剤等で接着積層したり、半田やその他の金属を用いて電極層との合金を形成することで積層してもよい。さらに電極の材質も同様であって導電性を持ち、積層体を形成するに十分な機械的強度を持つ材料であればよい、例えば、パラジウム，金，銀，銅，ニッケル，半田等やそれらの合金でもよい。
【００１１】
また積層数は５層で説明したが、振動子の短軸方向の中央部で音圧が高く、周辺部になるにしたがって音圧が低くなるように内部電極層を形成すれば、同様な効果がもたらされる。例えば、積層数を少なく３〜４層にする。または、５層を越える積層数でも良い。
【００１２】
次に、本発明の積層振動子を用いたリニアアレイ形探触子の例について説明する。図４は本発明の積層振動子を用いたリニアアレイ形探触子の斜視図を示し、先の図と同じものに同じ符号を付し、その他符号７は図１で示した積層振動子，８は積層振動子７の後面に配備され、機械的なダンピングを行い、周波数帯域を広くしている構造を有しているバッキング材，９は被検体とセラミック振動子との間の音響インピーダンスの整合を行う整合層，１０は短軸方向への超音波の収束を行なう音響レンズ，１１は積層振動子７とバッキング材８，積層振動子７と整合層９を接着する接着層，１２は各々の積層振動子７に電界を印加するための交流電力が流れるフレキシブル基板，１３は交流電流を供給するための同軸ケーブルを示す。
【００１３】
図４において、整合層９，積層振動子７，バッンキング材８は予め、各々一枚の板として一体に作成しておき、接着層１１で各々を接着固定し一体に形成しておき、図中短軸方向にダイシングすることで分離形成される。上記構成でなる積層振動子に、外部から電界を印加したときに、前記図２で説明のごとく積層振動子７の短軸方向の中央部ほど機械的に変位する層数が多くなり、また周辺部に行くに従って変位する層の数が段階的に少なくなる。このことにより、積層振動子の音響放射面の音圧分布は中央部ほど高く、周辺部になるに従って階段状に下降し、従来技術の傾斜がついていない（矩形分布）振動子の生じる超音波ビームのパターンに比べてサイドローブの音圧を低減することができる。以上は超音波を送波する場合であったが、エコー信号を受波する場合のビームパターンも全く同様の原理でサイドローブが低減されて、目標方向以外の不用な応答が低減しＳＮ比を向上させることができる。本発明による積層振動子を採用することで、短軸方向のサイドローブを低減でき良好なＳＮ比を得ることができる。本実施例ではリニアアレイ形の超音波探触子の例を示したが、アレイ方向に曲率をもった、コンベックス形の探触子でもダイシング後に適当な曲げを加えることで、同様に作成可能である。
【００１４】
【発明の効果】
積層振動子の中央部ほど電解の形成される積層数を多くする手段を採用することで、積層振動子から放射される超音波の振動子面上の音圧分布は短軸方向の振動子の中央部ほど高く、周囲にしたがって階段状に低くしているので、超音波ビームのサイドローブが低減し、良好なＳＮ比を得る効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による積層振動子素子の斜視図。
【図２】図１の積層振動子素子の長さ方向を横軸とする超音波出射方向の音圧レベルの分布の概念を示すグラフ。
【図３】図１の振動子素子の長さ方向を横軸とする超音波出射方向の指向特性を示すグラフ。
【図４】本発明の積層振動子を用いたリニアアレイ形探触子の斜視図。
【符号の説明】
１ 振動子
２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ 外部電極層
３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ 内部電極層
７ 積層振動子
８ バッキング材
９ 整合層
１０ 音響レンズ
１１ 接着層
１２ フレキシブル基板
Claims (3)
- 複数の電極と、複数の振動子とを交互に積層してなる積層構造の振動子素子をアレイ状に配設した超音波探触子において、
前記複数の電極は、積層される層数が前記振動子素子の長軸方向において異なるように形成され、
積層方向の両端の各電極は、前記振動子素子の長軸方向の長さが、他の各電極より長く形成されていることを特徴とする超音波探触子。 - 一対の外部電極の間に複数の内部電極と複数の振動子とを交互に積層してなる積層構造の振動子素子をアレイ状に配設した超音波探触子において、
前記一対の外部電極と前記複数の内部電極とは、積層される層数が前記振動子素子の長軸方向において異なるように形成されており、
前記一対の外部電極の各々は、前記複数の内部電極と交互に接続されていると共に、前記振動子素子の長軸方向の長さが前記複数の内部電極の各々より長く形成されてい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、
前記複数の電極が積層される層数は、前記振動子素子の長軸方向の中央部が端部よりも多いことを特徴とする超音波探触子。
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