JPH03155841A - 超音波撮像装置 - Google Patents

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】 【産業上の利用分野】

本発明は、電子走査方式の超音波診断装置並びに超音波
撮像装置に関し、特にその超音波探触子の即動回路手段
に関する。

【従来の技術】

従来、超音波探触子の電気音響変換部を構成する超音波
振動子を２次元に分割し、３次元の撮像を行う手法にお
いては、多数２次元配列したそれぞれの超音波振動子に
対して独立した電極を形成し配線する方法が取られてい
た。しかし、この方法は振動子数が増すにつれ各振動子
への配線数が増える等の実装時の問題がある。この問題
を解決するため、電歪材料平板の両主面に互いに交差す
る短冊状の電極配列を設けて超音波探触子の振動子とす
る方法が特開昭６２−８４６９７に開示されている。従
来、振動子材料として広く用いられている圧電材料は、
超音波受波による機械的変位により電圧を発生する性質
を利用して超音波探触子の電気音響変換部に用いられて
いる。これに対し、電歪材料はバイアス電界下でのみ機
械的変位により電圧の変動が生じる性質を有する。また
。 バイアス電界の強度により電気機械結合係数が大きく変
化するため、電歪材料はバイアス電界により電気音響変
換効率が制御できる圧電材料とみなすこともできる。こ
の電歪材料の平板の主面に第２図（ａ）のように、互い
に直交ないしある角度で交差する短冊状の電極配列Ａ、
Ｂを設けて振動子を梼成し、選択した電極Ａｉ、Ｂｊ間
にバイアス電圧を加えることにより、第２図（ｂ）の斜
線で影を付けた、電極の交差部分で挾まれた部分の電歪
材料が振動素子として選択される。特開昭６２−８４６
９７では、このような状態での、電極間の電圧変動とし
て超音波受信時の電気音響変換を行うことを応用するも
のである。 第３図（、）に示すように、電極配列Ａのうち、一つの
電極Ａｉにバイアス印加回路手段１２を接続し、残りの
電極は接地する。また、電極配列Ｂのうち、Ｂｊに超音
波パルスの送受信回路手段１１を接続する。この接続状
態にあるとき、交差型の電極配列に挾まれた電歪材料の
振動子は、電気的に見て第３図の３１から３４に示す４
種の部分に分類される。Ａｉ、Ｂｊの交差部分３１はバ
イアス印加回路１２と超音波送受信回路１１の両者に接
続されており、バイアス電界が印加されて圧電性が発現
し、かつ超音波送受信号の入出力が可能である。Ｂｊに
片面が接し、対面は接地された電極Ａになっている部分
３２ａ、３２ｂはバイアス電圧が印加されず、圧電性が
発現していない状態で超音波送受信信号が加えられるた
め、はとんど超音波送受信に関与しない。Ａｉに片面を
接し、対面は接続されていない電極配列Ｂの残りに゛な
っている３３ａ、３３ｂは、接続されていない電極配列
Ｂの残りにより、３４ａ〜３４ｄの片面に接続されてい
る。３４ａ〜３４ｄの対面は接地された電極配列Ａの接
地された部分であるので、３３ａと３４ａあるいは３４
ｂは直列接続され、３３ｂと３４ｃあるいは３４ｄも同
様である。このため、バイアス電圧印加回路１２による
バイアス電圧は、３３ａ、３４ａ、３４ｂの場合、３３
ａの容量と、３４ａと３４ｂの合成容量との逆比に分圧
される。従って、３３　ａ　、　３３　ｂ　、　３４　
ａ　〜３４ｄの全てにバイアス電界が加わり、分圧され
たバイアス電圧に対応した圧電性が誘起されるが、振動
子の厚み方向の電界だけを考えれば超音波送受信信号は
電極Ｂｊを片面に持つ３１，３２ａ。 ３２ｂだけに関係するので結果的に３１以外の部分は超
音波の送受信にほとんど関与しない。　しかし、この構
成において、振動子の電極配列Ａとバイアス印加回路１
２の接続手段をも含め、超音波送受信回路１１の側から
見たバイアス電圧印加回路１２のインピーダンス、特に
電極Ａｉの接続点から先のバイアス電圧印加回路１２の
インピーダンスは、十分に小さいことが必要になる。超
音波送信を行う場合、１１により出力された送信パルス
は電極交差部分３１を流れ、振動子を励振するが、バイ
アス印加回路１２の接続手段をも含めたインピーダンス
が高い場合には、送信パルスは３３．３４にも流れる。 上述したように、バイアス電圧は３３．３４にも容量の
逆比で印加され。 圧電性が発現しているのでこれらの部分も同時に励振し
てしまう。このことにより、重臣選択部分を選択的に励
振することが困難になる。

【発明が解決しようとする課題１ 上記従来技術は、交差型の電極配列を備えた電歪材料振
動子を電気音響変換部に用いた超音波探触子の動作原理
あるいは探触子の基本的構成についてのみ開示されてお
り、交差型の電極を備えた電歪振動子で選択的に開動す
る際に考慮すべき。 回路的に見た振動子の特殊性が考慮されておらず、交差
部分だけ独立性高く超音波送受信を行うことが困難であ
り、実用的な空間分解能を有する撮像が可能な超音波診
断装置あるいは超音波撮像装置は実現出来なかった。 本発明の目的は交差型の電極配列を備えた電歪材料振動
子を電気音響変換部に用いた超音波探触子の選択性を高
める回路手段を提供することにある。 本発明の他の目的は、上記回路手段を提供することによ
り実用的診断装置あるいは撮像装置を提供することにあ
る。 ［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために本発明においては、超音波送
受信回路側からみた、バイアス電圧印加回路のインピー
ダンスを下げる回路手段をバイアス電圧印加回路に接続
される振動子上の電極とバイアス電圧印加回路との間に
設けたものである。 また、その実際的手法として、バイアス電圧の印加回路
と電極との接続点と接地との間に容量性リアクタンスを
有する回路部品あるいは回路手段を設けたものである。 【作用１ バイアス電圧印加回路と選択された電極の接続点の間に
十分インピーダンスの低い回路を設けることにより励振
パルス信号は電極交差部分を流れて振動子を励振した後
、ただちにバイアス電圧印加回路側に流れる。これによ
り、選択した電極の交差部分のみが励振される。 （実施例］ 次に本発明の詳細な説明する。 第２図（ａ）に示すように、ｆｉ！歪磁器組成物（例え
ばＰｂ（Ｍｇ工ｚＪｂｚｚ３）０１　　ｐｂ’ｒｉｏ、
系固溶体セラミクスなどの緩和型強誘電体において、強
誘電体への相転移温度が比較的室温の付近にある組成物
など）の矩形板あるいは、その矩形板を縦横に多数に分
割して間を樹脂などで充填した複合材料を厚み方向の共
振周波数が放射あるいは受波する超音波の周波数に相当
するように加工して電歪振動子２１とする。この矩形板
の各主面にそれぞれ複数の短冊状に分割された電極配列
Ａ、Ｂを形成する。電極は例えば銀の焼き付けや銅、ニ
ッケルなどの無電解鍍金により形成しても良い。 両主面に形成された電極配列Ａ、Ｂは、互いの面上の電
極分割方向が直交するように形成されている。このよう
な振動子において、第１図（ａ）のように、電極配列Ａ
の各電極とバイアス電圧切換回路１３との接続点と接地
点の間に低インピーダンス回路１４を接続する。バイア
ス電圧切換回路１３は、バイアス電圧印加回路１２ある
いは接地に電極配列Ａのそれぞれの電極を接続する。第
１図（ａ）では、電極Ａｉがバイアス電圧印加回路１２
に接続され、そのほかは接地されている状態にあるとす
ると、超音波送受信回路１１により発生した送信パルス
は、切換走査回路１５により選択された電極Ｂｊに加え
られ、対面の電極Ａｉとの交差部分を励振する。このの
ち、送信パルスはＡｉに接続された低インピーダンス回
路１４を主として流れる。低インピーダンス回路１４を
設けなかった場合には、送信パルスはバイアス電圧切換
回路１３およびバイアス電圧印加回路１２を経て流れる
経路と、斜線で示した部分の振動子を経てｉ！！極Ａｉ
、Ｂｊの何れも電極に持たない部分の振動子を経て流れ
る経路の二つに分かれる。 後者の経路に送信パルスが流れてその部分の振動子が励
振されないないようにするしこは、低インピーダンス回
路１４のインピーダンスは、後者の経路のインピーダン
スよりも十分に低くなければならない。また、バイアス
電圧を印加する目的のため、低インピーダンス回路１４
は直流に対してだけは高いインピーダンスでなければな
らない。 このような条件を満たすために、最も簡略化された低イ
ンピーダンス回路として、第１図（ｂ）に示すように、
十分な大きさの容量性の回路素子を接続する方法が考え
られる。この場合に最低必要な容量の大きさは、次のよ
うにして求まる。 電極配列Ａ、Ｂの分割本数をＮａ、　Ｎｂ、そのうち切
換走査回路１５およびバイアス電圧切換回路１３により
同時に選択される電極配列Ａ、Ｈの本数をそれぞれＵａ
、Ｕｂとする。例えば、第１図の場合ではＮａ、Ｎｂは
５、Ｕａ、Ｕｂは１である。 振動子全体の容量をＣｏとするとき、電極配列Ａから同
時に選択した電極を片面の電極とする振動子部分のうち
、電極配列Ｂから同時に選択した電橋を対面の電極とし
ない部分の容量ｃｂはＣｂ＝＝（１−Ｕａ／Ｎａ）（Ｕ
ｂ／Ｎｂ）Ｃ。 となる。また、電極配列Ａ、Ｈのいずれからもも選択さ
れない電極を両面に持つ振動子部分の容量Ｃｘは Ｃｘ＝（１−Ｕａ／Ｎａ）（１−Ｕｂ／Ｎｂ）Ｃ。 で表される。二九らの直列合成容４ｉｃａはＣａ＝（１
−Ｕａ／Ｎａ）（１−Ｕｂ／Ｎｂ）（Ｕｂ／Ｎｂ）Ｃ。 となる。従って、実用的には低インピーダンス回路１４
はＣａのインピーダンスの１０分の１以下程度にする必
要がある。また、この低インピーダンス回路１４を第１
図（ｂ）のように容量性の回路部品で実現するには、容
量の大きさはＣａの１０倍程度が必要となる。また、容
量性回路部品の接続点は、振動子のｆＩＩＷｌ、にでき
るだけ近いほうが望ましいので、超音波探触子内に設け
れば、より望ましい。 Ｐｂ（Ｍｇ工／１Ｎｂｚｚ３）Ｏｚ　　ＰｂＴｉＯ３系
固溶体セラミクスの電歪材料を短軸の幅が２０ａｍ、長
さが８０ｍｍ、厚さ０．５３ｍｍの矩形板に加工し、両
面に交差型電極配列Ａ、ＢをＮａが５本、Ｎｂが１２８
本となるように設けた。またＵａは１本、Ｕｂは１６本
となるようにバイアス電圧切！ＭＡ回路１３．超音波送
受信回路側の切換走査回路１５を設けた。電歪材料矩形
板の容量Ｃｏは、０．４８　μＦであったので、Ｃａは
０゜０６７２μＦと算出した。 振動子を背面制動材上に接着し、容量が約０゜６８μＦ
のコンデンサを電極配列Ａの各電極の近傍にできるだけ
配線が短かくなるように設け、バイアス電圧切換回路１
３、超音波送受信回路側の切換走査回路１５を配線した
。振動子表面にエポキシ樹脂からなる厚さ０．１ｍａ＋
の保護膜を設け、振動子の音波放射面以外は全てシリコ
ン樹脂でモールドした。このものを水中に沈め、振動子
面からの１ｍｍの一定距離で超音波パルスの放射強度を
受波面の直径が約１ｍ思のハイドロホンで測定した。 この探触子と同様の探触子で、容量が約０．６８μＦの
コンデンサを設けていないものを作り、同様の測定を比
較した。 ハイドロホンによる受波信号波形において、電圧の最大
振幅を超音波の放射強度の測定値とした。 また、送信パルスのピークの電圧振幅は１００ｖであっ
た。バイアス電圧切換回路１３により、電極配列Ａのう
ちの中心の一本の電極Ａｓに一５０Ｖのバイアス電圧を
加え、他の４本は接地した。 さらに、送受信回路側の切換走査回路１５により電極配
列Ｂのうち、中心の１６本（以下Ｂｓとする）だけを超
音波送受信回路１１に接続した状態にした。電極Ａｓ、
Ｂｓの交差した振動子部分の中心で測定した超音波パル
スの強度に比較して、電極Ａｓを片面に持ち、かつ、対
面は電極Ａｓ以外の電極配列Ｂとなっている振動子部分
からの強度は。 ０．６８μＦの容量を設けていない探触子で一１２ｄＢ
であったが、容量を設けたものでは一３５ｄＢまで小さ
くなり９選択性が改善された。 また、電極Ｂｓを片面に持ち、対面は電極Ａｓ以外の電
極配列Ａとなっている振動子部分からの強度は、電極Ａ
ｓ、Ｂｓの交差した部分からの強度に比較して一３０ｄ
Ｂであり、探触子による差はほとんど無かった。その他
の振動子部分においては、中心の強度に対して容量を設
けていない探触子で一４０ｄＢであったが、容量を設け
たものでは一４３ｄＢになった。このような測定結果か
ら、超音波の送波において振動子の励振部分の選択性が
大きく改善されることが示された。 【発明の効果】 本発明によれば、交差型の電極を設けた電歪材料を振動
子とした超音波探触子による超音波送信において振動子
の選択性を改善することができ、この探触子を用いた超
音波診断装置あるいは撮像装置の空間分解能をより高め
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は交差型電極を備えた振動子と本発明の低インピ
ーダンス回路及び周辺回路との接続を表す図、第２図は
交差型の電極を備えた電歪振動子の見取図、第３図は交
差型のｉｔ極を備えた電歪振動子の駆動方法を説明する
見取図である。 符号の説明 Ａ・・・・・・超音波送受信回路側電極配列Ｂ・・・・
・・バイアス電圧印加側電極配列Ａｉ・・・・・・選択
した超音波送受信回路側電極Ｂｊ・・・・・・選択した
バイアス電圧印加側電極１・・・・・・超音波送受信回
路 ２・・・・・・バイアス電圧印加回路 ３・・・・・・バイアス電圧切換回路 ４・・・・・・低インピーダンス回路 ５・・・・・・切換走査回路 １・・・・・・電歪材料矩形板 １・・・・・・電極Ａｉ−Ｂｊ交差部分２ａ、３２ｂ・
・・・・・電極Ａｉ−電極配列Ｂ（非Ｂｊ）交差部分 ３３ｂ・・・・・・電極Ｂｊ−電極配列Ａ（非Ａ　ｉ　
）交差部分 ｄ・・・・・・電極配列Ａ（非Ａｉ）−電極配列Ｂ（非
Ｂｊ）交差部分 ３３ａ。 ３４ａ〜３４ 第 図 （ａ） （ｂ） （注） （ｂ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、バイアス電界により圧電性が誘起される電歪材料の
   平板の両主面に、互いに直交ないしある角度で交差する
   短冊状の電極配列Ａ、Ｂを設けたものを振動子に用いた
   超音波探触子と、電極配列Ａに接続されたバイアス電圧
   の印加回路と電極配列Ｂに接続された超音波送受信回路
   を備えた超音波撮像装置において、超音波送受信回路側
   から見たバイアス電圧印加回路のインピーダンスの大き
   さを減少させる回路手段を設けたことを特徴とする超音
   波撮像装置。 ２、前記インピーダンスを下げる回路手段は、前記バイ
   アス電圧の印加回路と前記電極配列Ａの各電極との接続
   点と接地との間に容量性リアクタンスを有する回路部品
   あるいは回路手段を設けることによりなる超音波撮像装
   置。 ３、請求項１および２のいずれかに記載の超音波撮像装
   置を用いたことを特徴とする医用超音波診断装置。 ４、請求項１および２のいずれかに記載の超音波撮像装
   置を用いたことを特徴とする超音波探傷装置。