JPH02261437A

JPH02261437A - 超音波探触子

Info

Publication number: JPH02261437A
Application number: JP1083704A
Authority: JP
Inventors: Shiro Saito; 斉藤　史郎; Mamoru Izumi; 守泉; Shuji Suzuki; 修次鈴木; Shinichi Hashimoto; 新一橋本
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-03-31
Filing date: 1989-03-31
Publication date: 1990-10-24
Anticipated expiration: 2013-05-28
Also published as: DE4010294A1; US5115809A; DE4010294C2; JP2758199B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は超音波検査装置などに使用される超音波探触子
に係り、特に積層圧電素子により構成された超音波探触
子に関する。

（従来の技術）超音波探触子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、音響インピーダンスの異なる
界面からの反射波を受信して対象物の内部状態を示す画
像を取得するために用いられる。このような超音波探触
子を用いた超音波診断装置の具体例には、例えば人体内
部を検査する医用診断装置や、金属溶接内部の探傷を目
的としたものなどがある。

超音波診断装置では小さな病変や空隙が明瞭に見えるよ
うに、高分解能の画像を高感度に得ることが要求される
。高分解能化について超音波探触子に要求される事項と
しては、振動子の素子数を増やす多素子化と、共振周波
数を高くする高周波化がある。

超音波探触子を多素子化すると、振動子の配列方向に平
行な方向の方位分解能が向上するが、−素子力たりの超
音波放射面積が小さくなり、各素子のインピーダンスが
大きくなる。特に、複数個の短ＩＩＩ状振動子を配列し
、各素子の駆動信号に与える遅延時間により扇形の断層
面を形成する電子セクタ走査用探触子は、同じ構成で長
方形の断層面を得るリニア走査用探触子に比較して、−
素子当たりの超音波放射面積は１／２〜１１５であるた
め、インピーダンスの増大はより顕著である。

この結果、探触子と装置とを接続する同軸ケーブルの静
電容量分による電圧損失がリニア走査用探触子に比べて
大きくなるという問題が生じる。

超音波探触子の高周波化については、例えば近年では表
在性組織や術中の組織を高分解能の画像として観測した
いという要求が強く、それに適した周波数は１５〜３０
ＭＨｚとなる。超音波探触子は一般に圧電体の厚み縦振
動を用いていることから、高周波化のためには圧電体の
厚さを薄くする必要がある。この点は特開昭６１−６９
２９８号公報などに記載されている積層圧電素子を用い
た場合、さらに厳しくなる。すなわち、この公知例の積
層圧電素子は各層の圧電体層が電気的に並列接続されて
いるため、積層圧電素子の全厚（積層された複数の圧電
体層の合計の厚さ）が半波長となるような周波数の共振
が生じる。従って、この場合は積層圧電素子の全厚を薄
くしなければならない。

圧電体には大きく分けて、圧電セラミックと高分子圧電
体とがある。圧電セラミックの場合、その厚さは１００
μｍ以下となる。このように厚さが薄くなると、焼結時
にＰＺＴ系セラミックのような鉛を含むものでは焼成雰
囲気中に飛散する鉛の影響が大きくなり、セラミックの
特性が劣化したり、反りが顕著となると同時に加工性も
劣化してくる。また、多くの場合は銀などの焼き付は電
極を用いるが、その電極ペーストには銀とセラミックを
密着させるためガラスフリットが用いられている。この
ためセラミックの厚さが薄くなると、セラミック中に浸
透するガラスフリットの割合が増え、特性劣化を招いて
しまう。

高分子圧電体は圧電セラミックに比べ軟らかいため、破
損などの心配はないが、電気機械結合係数が０．２〜０
．３と小さい、誘電率がセラミックに比べ２桁以上小さ
い、ガラス転移点が１００℃前後と低いなどの欠点があ
り、アレイ用探触子にはほとんど用いられていない。。

一方、高感度に画像を得るため、に超音波探触子に要求
される性能としては、主として以下の三点が挙げられる
。

■圧電体の電気機械結合係数を増大させる、■音響的整
合を図る、 ■電気的整合を図る。

これらのうち■の方法については、現存する圧電セラミ
ック材料においてに′。の最も大きな値は０．７ｒｉｉ
度であり、多大な努力が払われているにもかかわらず、
１９５５年にｅｌｅｖｌｔｅ社で開発されたＰＺＴに代
表されるチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックを上回る材
料は開発されていない。

■の方法については、圧電体と生体の音響インピーダン
スが大きく異なるため、音響マツチング層を形成する方
法が用いられている。音響マツチング層の層数は単層以
外に２ＮＩＩや３層の場合もあるが、現在使用されてい
るもの以上の改善は音響マツチング層のみでは困難であ
る。

■については様々の手法が用いられている。超音波診断
装置の場合、近年では前述のように高分解能化のため超
音波探触子の素子数が増える傾向にある。この結果、−
素子当たりの超音波放射面積が小さくなり、インピーダ
ンスが増大することにより、前述したように同軸ケーブ
ルでのＤ１ｊＸ１容量分による電圧損失が増大するとい
う問題が生じる。

また、電子セクタ走査用探触子は生体の断層像であるＢ
モード像に加え、血流による超音波のドツプラシフトを
利用して血流速を表示するドツプラモードにも多用され
ている。ドツプラモードではＢモードに比べて感度余裕
が少なく、高感度化の必要がある。さらに、近年はリア
ルタイムで二次元の血流の拡がりをマツピングし、血流
の速度や反射パワーの強さをカラー表示するカラーマツ
ピング法が普及し、診断能、診断応用分野の拡大がなさ
れている。

しかしながら、冠血流、早期ガン細胞による血流の変化
など微弱な血流を観測することは、上述した電子セクタ
走査用探触子固有の特性から困難である。このような問
題を打破するため、探触子ト同１１１１ケーブル間にエ
ミッタフォロワ回路を挿入し、ケーブルの静電容量分に
よる損失を低減させた探触子が実用化されているが、上
述した微弱血流を観ハ１することは未だ難しい。

一方、装置側に目を向けたとき、探触子の駆動電圧を増
大させることにより感度は向上する。しかし、圧電体に
投入される電気ノくワーも増えて誘電損などによる発熱
が生じ、探触子の特性劣化を起こしたり、人体に火傷な
どのダメージを与えるおそれがあるため、駆動電圧の増
大には限度があり、十分な感度向上を期待することはで
きない。

（発明が解決しようとする課題）上述したように、超音波探触子の高分解能化のために圧
電体厚を薄くして高周波化する従来の技術では、圧電セ
ラミックを用いた場合、その厚さを非常に薄くしなけれ
ばならないため、製造面及び特性面で問題がある。高分
子圧電体は電気機械結合係数が小さいなどの面から実用
的でない。

また、特にドプラモードで多用されている電子セクタ走
査用探触子においては、圧電体材料の選定や、音響マツ
チング層を設けることによる高感度化はあまり期待でき
ない。エミッタフォロワ回路を探触子と同軸ケーブルと
の間に挿入することにより、ケーブルの静電容量分によ
る電圧損失を・低減させた探触子においても、感度不足
が指摘されている。さらに、駆動電圧を上げて感度を向
上させる方法は、圧電体での発熱の問題により限度があ
る。

本発明の目的は、製造上及び特性上の問題を伴なうこと
なく容易に高周波化を達成できる超音波探触子を提供す
ることにある。

また、本発明の他の目的は高周波化とともに、高感度化
を達成できる超音波探触子を提供することにある。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）本発明に係る超音波探触子は、複数の圧電体層を分極方
向が隣接するもの同士互いに逆となるように積層し、積
層方向の両端面に電極を被着形成してなる積層圧電素子
を用いて構成される。

また、この超音波探触子を超音波診断装置に適用する場
合、積層圧電素子の電極と同軸ケーブルとの間にインピ
ーダンス変換器を挿入することが望ましい。

（作　用）本発明における積層圧電素子は、複数の圧電体層が隣接
するもの同士で分極方向が互いに逆となるように積層さ
れ、電気的には直列接続されていることにより、基本共
振周波数は単層圧電素子または各圧電体層を電気的に並
列接続した従来の積層圧電素子のように全体の厚さには
依存せず、個々の圧電体層の厚さで定まる値となる。

従って、圧電体層の積層数をｎとすれば、この積層圧電
素子は単層構成の場合の０倍の厚さで、単層構成のもの
と同じ共振周波数となる。これにより圧電素子全体の厚
さをあまり薄（することなく、すなわち製造上及び特性
上での問題を伴なわずに高周波化が達成される。

また、このように複数の圧電体層を電気的に直列に接続
した積層圧電素子はインピーダンスが増大するが、この
点に関しては超音波探触子と同軸ケーブルとの間にイン
ピーダンス変換器を挿入してインピーダンスを下げるこ
とにより、同軸ケーブル°の静電容量による感度低下の
原因となる電圧損失が低減される。

しかも、本発明における積層圧電素子の一端面から放射
される超音波、とくに２波目以降に放射される超音波は
、積層圧電素子の他端面から伝搬してきた波や、両端面
で反射した波の合成波となるが、圧電体層の全厚が単層
構成の場合より厚いことにより、単層構成の場合より端
面での超音波反射回数が少なくなり、それだけ振幅が増
大する。

超音波の受信時においても、本発明における積層圧１０
素子によると、特に２波目以降での発生電圧が増大する
。これらにより高感度化、が達成される。

（実施例）以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の一実施例に係る超音波探触子の概略構
成を示したもので、積層圧電素子１の超音波放射面側に
音響マツチング層２及び音響レンズ３が形成され、背面
側にバッキング材４が形成されている。

積層圧電素子１は例えば第２図に示すように、２つの圧
電体層１１．１２をその分極方向１３゜１４が互いに逆
となるように積層し、その積層方向両端面、すなわち圧
電体層１１の上面側及び圧電体層１２の下面側にそれぞ
れ電極１５．１６を被着形成したものである。圧電体層
１１．１２は圧電セラミックにより形成される。また、
実際には圧電体層１１．１２の間にこれらを分極させる
際に用いる電極１７が形成されている。なお、圧電体層
１１．１２のそれぞれの厚さは１００μｍ以下が望まし
い。

このように構成された超音波探触子では、圧電体層１１
．１２の個々の厚さをｔ。とじた時、合計の厚さは２ｔ
ｏとなり、積層圧電素子１の基本共振周波数ｆ０はｆ。

−ｖ　／　２　ｔ　ｏとなる。一方、厚さがｔｏの単層
圧電体の基本共振周波数も、やはりｖ　／　２　ｔ　ｏ
となる。これは積層された圧電体層１１．１２の分極方
向が互いに逆であり、しかも圧電体層１１．１２が電気
的に直列接続されているため、二層を合わせた厚さ２ｔ
ｏが半波長となる共振は存在せず、個々の厚さｔ。が半
波長となる共振が現れるためである。すなわち、この積
層圧電素子１は単層圧電素子の２倍の厚さでありながら
、共振周波数は単層圧電素子のそれと同じになる。

従って、単層圧電素子に比較して、積層圧電素子１の全
体の厚さを大きくできるため、焼結時や電極１５．１６
を形成する時の特性劣化が少なく、また加工性が向上し
、破損のおそれも少なくなる。

具体例として、圧電体層１１．１２を比誘電率２０００
のＰＺＴ系セラミックにより形成し、個々の厚さは７５
μｍとした。これを短冊状に切断して複数の配列された
振動子とし、ｋ’３１を測定したところ、６４％であっ
た。第１図の超音波探触子の作製に際しては積層圧電素
子１の超音波放射面側に所定の厚さの音響マツチング層
２を形成した。次に、リード取出し用のフレキシブルプ
リント板とアース板（図示せず）を半田付けし、バッキ
ング材４に接着した。その後、ダイシングマシンで短冊
状に切断した。切断には１５μｍ厚のブレードを用い、
切断ピッチを６０μｍとした。短冊状振動子の数は６４
個であり、パルスエコー特性を測定したところ全素子動
作し、−６ｄＢダウンでの中心周波数は１９．８ＭＨｚ
となった。

一方、比較例として７５μｍ厚の単層圧電素子を用いて
超音波探触子を作製した。この単層圧電素子のに′３．
を測定したところ５６％であり、本発明の上記実施例の
ものに比べ９％小さくなった。

また、この単層圧電素子は反りが目立ち、フレキシブル
プリント板とアース板との半田付けの際、約１０％が破
ＪＪｉｌ　した。さらに、バッキング材４への接着時に
も８％が破損し、製造歩留りの低下が顕著に見られた。

また、本発明の実施例と比較例についてパルスエコー法
によりエコー波形を比較観測したところ、後者のものは
約−３ｄＢと低感度となった。

第３図は本発明の他の実施例を示したもので、超音波探
触子本体２１は第１図および第２図に示したものと同様
の構成であり、この超音波探触子本体２１における電極
１５と同軸ケーブル２３の一端との間に、インピーダン
ス変換器２２が挿入されている。即ち、インピーダンス
変換器２２は例えばバイポーラトランジスタによるエミ
ッタフォロワ回路を用いて構成され、その入力端は電極
１５に接続され、出力端は同軸ケーブル２３の一端に接
続されている。同軸ケーブル２３の他端は、超音波診断
装置２４の入力端（受信部）に接続されている。なお、
実際には超音波探触子本体２１が多数の振動子により構
成されているため、インピーダンス変換器２２および同
軸ケーブル２３も振動子の数と同数設けられる。

超音波探触子本体２１においては第１図及び第２図に示
したように、圧電体層１１．１２が電気的に直列に接続
されているため、積層圧電素子１の電極１５．１６間の
静電容量が減少してインピーダンスが増大する。このた
め超音波探触子２１を同軸ケーブル２３に直接接続する
と、同軸ケーブル２３の静電容量による電圧損失が増大
するが、超音波探触子２１と同軸ケーブル２３との間に
インピーダンス変換器２２を挿入して、超音波探触子と
してのインピーダンスを下げることにより、このような
電圧損失を低減させることができる。

この実施例によれば、超音波探触子本体２１において、
積層圧電素子ｌの圧電体層１１．１２への投入パワーを
単層構成の場合と同一、すなわち発熱量を同じにするた
めに、駆動電圧を５倍にすると、電界は１／Ｊ倍となる
。その結果、積層圧電素子１の一端面（例えば圧電体層
１１の表面）から放射される最初の伸びもしくは縮みに
より生じる超音波の音圧は、単層構成の場合に比べ１／
、／７倍と小さくなる。

しかしながら、２波目以降に放射される超音波は、積層
圧′Ｐ′ｔ１索子１の他端面（例えば圧電体層１２の裏
面）から伝搬してきた波や、これらが積層圧電素子１の
両端面で反射した波の合成波となる。第２図に示した二
層構成の積層圧電素子の場合、圧電体層の全厚が単層構
成の２倍となるため、特に３〜波目は単層構成に比べて
、端面での超音波反射同数が少ない分だけ超音波の振幅
が大きくなる。

また、受信時に関しては同じ音圧の超音波を受信した場
合、第２図に示した２層構成の積層圧電素子によると、
電界は１７２倍となるが、厚さが２倍のため１波目の受
信超音波により発生する電圧は暦数によらず一定となる
。２波目以降に関しては、積層圧電素子の方が発生電圧
は大きくなる。

このように送信時の超音波音圧が増大し、また受信時の
発生電圧も増大したことにより、送受総合で感度が大き
く向上し、受信側で検出される被検体からのエコー信号
レベルが高くなる。

具体例とじて、超音波探触子２１に第１図及び第２図で
説明した２層構成の積層圧電素子１を用い、各圧電体層
１１．１２の厚さを約４００μｍとした。先の実施例で
説明したように、超音波探触子２１の作製にはダイシン
グマインを使用したが、ブレードには５０μｍ厚のもの
を使用し、２５０μｍピッチで切断して振動子を６４素
子を形成した。

一方、比較例として厚さ４００μｍの単層圧電素子を用
いて超音波探触子を作製した。

これら実施例及び比較例について、圧電素子での発熱が
同一の条件下でパルスエコー特性を測定したところ、本
発明の実施例による場合の方が約３ｄＢエコーの波高値
が高くなった。

なお、以上の実施例では２層構成の積層圧電素子を示し
たが、３層以上の積層圧電素子を用いてもよい。

〔発明の効果〕

本発明によれば、複数の圧電体層を積層し、両端面に電
極をｍ前形成して電気的に直列接続した積層圧電素子を
用いて超音波探触子を構成することにより、製造歩留ま
りの低下を伴なわずに基本共振周波数を１５〜３０ＭＨ
ｚ程度まで高（することができる。また、電極と同軸ケ
ーブルとの間にエミッタフォロワロ路等によるインピー
ダンス変換器を挿入して超音波探触子のインピーダンス
を下げることにより、高感度化を達成することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る超音波探触子の構成図
、第２図は同実施例における積層圧電素子の構成図、第
３図は本発明の他の実施例の構成を示す図である。１・・・積層圧電素子、２・・・音響マツチング層、３
・・・音響レンズ、４・・・バッキング材、１１゜１２
・・・圧電体層、１３．１４・・・分極方向、１５゜１
６・・・電極、２１・・・超音波探触子本体、２２・・
・インピーダンス変換器、２３・・・同軸ケーブル、２
４・・・超音波診断装置。出願人代理人　弁理士　鈴江武彦

Claims

【特許請求の範囲】

（１）複数の圧電体層を分極方向が隣接するもの同士互
いに逆となるように積層し、積層方向の両端面に電極を
被着形成してなる積層圧電素子を有することを特徴とす
る超音波探触子。
（２）複数の圧電体層を分極方向が隣接するもの同士互
いに逆となるように積層し、積層方向の両端面に電極を
被着形成してなる積層圧電素子と、この積層圧電素子の
前記電極に入力端が接続されたインピーダンス変換器と
、このインピーダンス変換器の出力端に一端が接続され
、他端が超音波診断装置の入力端に接続される同軸ケー
ブルとを具備することを特徴とする超音波探触子。