JPH0759767A - 超音波探触子とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 分割電極を設けることなく、自発分極を有し
た圧電素子を作製する。 【構成】 中心部から外周部に向かって自発分極が徐々
に変化するように圧電セラミックス１５に段階的に電圧
を印加して、分極処理し、その後、圧電セラミックス１
５の両面に全面電極２，３を付着させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波エコーを利用す
る超音波探触子と、その製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波探触子は非破壊検査装置の他、医
療用の超音波診断装置として急速に利用が高まってい
る。例えば超音波内視鏡等の探触子は、超音波トランス
デューサから高周波の音響振動を生体中に放射し、反射
して戻ってきた超音波を超音波トランスデューサで受信
し、わずかな界面特性の違いによって異なる情報を処理
することにより、生体内部の断面像を得るものである。
超音波探触子のトランスデューサ部は、音響整合層、圧
電素子、背面負荷材が順に積層されることにより構成さ
れている。この超音波探触子はその表面に形成された電
極から圧電素子に高周波の電圧パルスを印加し、圧電素
子を共振させて急速に変形を起こし、この圧電素子が超
音波エコーを送受して組織の状態を得、これを画像処理
して観察するものである。このような超音波探触子の圧
電素子は、一般的には、一対の対向する電極を付与した
後、分極工程を経て作製される。

【０００３】図２１ないし図２３は特開平２−１１１１
９８号公報に記載された従来の超音波探触子に使用され
る圧電素子を示す。この圧電素子は圧電セラミックス１
００の両面に電極を形成するが、一方の面の電極は図２
２に示すように全面電極１１０となっており、他方の面
の電極は図２３に示すように同心状に複数に分割した分
割電極１２０となっている。このような構造の圧電素子
は分割電極１２０直下の圧電セラミックス１００の自発
分極の強さが図２１の矢印で示すように中心部から外周
部に向かって段階的に小さくなっており、これによりメ
インローブ近傍のサイドローブを小さくすることができ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来技術
では、圧電素子の電極を同心状に複数に分割することが
必要なため、高電圧を印加する分極時に隣の電極にリー
クしないように、にじみ等がなく精度良く分割電極を作
製しなければならない。そのため、製造が面倒であると
共に、電極間が広くなるため特性のでない超音波探触子
となる問題があった。また、従来の超音波探触子の圧電
素子は分割電極を有するため、瞬時に高い電圧パルスが
繰り返し印加されることによって、電極境界部に応力が
作用して歪が蓄積される。このため圧電セラミックスの
疲労破壊を生じて超音波探触子の寿命が短かくなるとい
う問題もあった。

【０００５】本発明は上記事情を考慮してなされたもの
であり、分割電極を用いることなくその分極を行うこと
ができ、しかも電圧の印加によっても圧電セラミックス
の破壊のない圧電素子を用いた超音波探触子と、その製
造方法を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段および作用】本発明の超音
波探触子は、背面負荷材、両面に全面電極を設けた圧電
素子および音響整合層が順に積層された積層体と、この
積層体が取り付けられるハウジングとを備え、前記圧電
素子は中心部から外周部に向かって自発分極が徐々に変
化していることを特徴とする。

【０００７】このような構成において、圧電素子は自発
分極が径方向に変化しており、分割電極とすることなく
全面電極として電極を形成することができる。このため
分割電極に起因した製造の困難性、圧電セラミックスの
経時的な破壊を防止することができる。この場合、圧電
素子の分極強度を外周部に向かって大きくすることもで
き、これによりレンズ効果を有した超音波探触子とする
ことができる。

【０００８】また本発明の超音波探触子の製造方法は、
中心部から外周部に向かって自発分極が徐々に変化する
ように圧電セラミックスに段階的に電圧を印加した後、
圧電セラミックスの両面に全面電極を付着させて圧電素
子を作製する工程と、この圧電素子の両側に背面負荷材
および音響整合層を積層し、この積層体をハウジングに
取り付ける工程とを備えていることを特徴とする。

【０００９】上記構成における圧電セラミックスへの段
階的な電圧印加により、中心部から外周部に向かって自
発分極が徐々に変化した圧電素子を作製することができ
る。

【００１０】

【実施例１】図１および図２は本発明の実施例１の超音
波探触子に使用される圧電素子１を示す。この圧電素子
１は円盤状の圧電セラミックス１５の両面に全面電極
２，３が形成されることにより構成される。圧電セラミ
ックス１５は全面電極２，３の形成以前に分極処理がな
されており、これにより自発分極が中心部から外周部に
向かって徐々に変化している。本実施例においては図１
の矢印で示すように、中心部の分極が最も強く、周辺部
に向かって徐々に弱くなっている。

【００１１】図３ないし図６はこの圧電セラミックス１
５の分極処理工程を示す。圧電セラミックス１５はチタ
ン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系のセラミックス材料を成
形、焼成した後、研削加工して、直径２５ｍｍ、厚さ
０．５ｍｍの円盤形成とし、＃３０００のラップ仕上げ
を行って作製する。このＰＺＴ系材料は、Ｖ１＝０．７
ｋＶ／ｍｍの直流電圧の印加により、結合係数Ｋｔ＝３
０％が得られ、同様にＶ２＝１．６ｋＶ／ｍｍでは、結
合係数Ｋｔ＝４５％、そして、Ｖ３＝３．５ｋＶ／ｍｍ
の直流電圧の印加で、結合係数Ｋｔ＝６２％という分極
特性を有する。

【００１２】まず、図３に示すように電極形成前の圧電
セラミックス１５の両面に導電ゴムからなる略同径の一
対の電極１６，１６を密着させて挟み込み、直流電源１
７からＶ１＝０．７ｋＶ／ｍｍの直流電圧を印加して第
１段の分極を行う。次いで、図４に示すように径を小さ
くした導電ゴムからなる電極１６により圧電セラミック
ス１５の外周部を除く部分を挟み、Ｖ＝１．６ｋＶ／ｍ
ｍの直流電圧を印加して、第２段の分極を行う。そし
て、図５に示すように、さらに径を小さくした導電ゴム
からなる電極１６で圧電セラミックス１５の内周部分を
挟み、Ｖ３＝３．５ｋｖ／ｍｍの直流電圧を印加して第
３段の分極を行う。この分極処理により圧電セラミック
ス１５は中心部から外周部に向かって分極が徐々に小さ
くなる。この分極処理の後、圧電セラミックス１５をス
パッタリングして図６に示すように、ニッケル等からな
る全面電極２，３を両面に設けて圧電素子１とする。図
６において、矢印４は分極の強さをベクトルで表わすも
のである。

【００１３】図７はかかる圧電素子１を用いて構成され
る超音波探触子１８を示す。圧電素子１の一方の電極と
同軸ケーブル１３のプラスリード線９とを接続すると共
に、ＧＮＤ電極となる他方の電極と導電性金属からなる
ハウジング８とをワイヤ１１で結線する。また、同軸ケ
ーブル１３のＧＮＤリード線１０をハウジング８に結線
する。この状態で圧電素子を背面負荷材７に積層してハ
ウジング８内に封入し、音響整合層５ａ，５ｂを積層
し、接着する。この音響整合層５ａ，５ｂとしてはマシ
ナブルセラミックスとエポキシ樹脂を１／４λの厚みに
調整して用いることができる。

【００１４】このような構成の超音波探触子１８は、圧
電素子１の外周部に向かうのに従って圧電特性を弱くし
てあるため、外周部に向かうのに従って振幅が連続的に
小さくなる。このためにメインローブに対するサイドロ
ーブの割合の少ない超音波探触子１８とすることができ
る。従って本実施例では圧電素子１の分極方法を変える
だけでメインローブに対するサイドローブの割合の少な
い超音波探触子１８を容易に得ることができ、従来の組
立方法と同様にして作製できる。すなわち、角度方向の
分解能を向上させ、画像精度を向上させた超音波探触子
１８を容易に作製できる。また、圧電素子１が分割電極
を有しないため、効率的で、疲労破壊が発生しにくい信
頼性が高い超音波探触子となる。なお、本実施例では圧
電セラミックスの分極は３段階で行ったが、２段階以上
であれば同様の効果が得られる。

【００１５】

【実施例２】図８ないし図１１は本発明の実施例２の超
音波探触子における圧電素子の分極処理を示し、実施例
１と同一の要素は同一の符号を付して対応させてある。
本実施例では、まず、図８に示すように、導電ゴムから
なる一対の電極１６を圧電セラミックス１５に密着させ
て第１段の分極を行う。次に図９に示すように、リング
状に形成された一対の電極１６で圧電セラミックス１５
の中央部を除く部分を挟んで第２段の分極を行う。そし
て、図１０に示すように、リング状の電極１６で圧電セ
ラミックス１５の外周部分を挟んで第３段の分極を行
う。これらの分極は第１段から第３段となるのに従っ
て、分極電圧を徐々に大きくすることにより行う。これ
により中心部から外周部に向かうに従って分極が強くな
った圧電セラミックスを作製できる。この分極の後、図
１１に示すように、圧電セラミックス１５の両面に銀を
蒸着させて、全面電極２，３を形成する。同図における
矢印４は分極の強さを示すベクトルである。

【００１６】図１２はこの圧電素子１の一方の面に背面
負荷材７を接合し、他方の面に音響整合層５を接合した
超音波探触子を示す。ここで、背面負荷材７としてはタ
ングステンフィラーが混入したエポキシ樹脂を使用で
き、音響整合層５としては１／４λの厚さのエポキシ樹
脂を使用できる。

【００１７】上記構成の本実施例の超音波探触子はパル
スを印加した瞬間に図１３に示すように圧電素子１の外
周部は中心部と比較して変形が大きいところから、放射
される超音波ビーム１４は僅かであるが集束させること
ができる。図１４および図１５は圧電素子全面を均一に
分極した圧電素子を使用した超音波探触子と、本実施例
の超音波探触子の超音波ビームの距離に対する強度（距
離と感度の関係）をハイドロホンを使用して測定した特
性図を示す。本実施例の超音波探触子は近距離場では図
１４に示すように感度は若干劣るが、超音波ビームが発
散せず集束傾向となっているため遠距離場でも同様な感
度が得られるメリットがある。

【００１８】このような本実施例の超音波探触子におい
ては、製造が難しい音響レンズの形成や圧電素子の球面
加工をしなくても、超音波ビームの発散を防ぎ角度方向
の分解能を非常に高くすることができる。また、音響整
合層５はどの部分でも透過効率の高い１／４λとできる
ため、超音波送受時の境界面での反射が少なく、全面均
一に分極した従来の圧電素子の超音波探触子の感度と、
近距離場で遜色なく、遠距離場に関しては従来より高感
度となる。

【００１９】なお、分極時に用いる電極は、分極する範
囲を変えるだけなので、どちらか片方だけをリング状と
すれば、他方圧電セラミックスの全体と接触する形状で
もほぼ同等に分極することができ。

【００２０】

【実施例３】図１６は本発明の実施例３の超音波探触子
における圧電素子１の分極を示す。この実施例の電極１
６における一方の電極は導電ゴムの成形体１６ａと、こ
の成形体１６ａにおける圧電セラミックス１５との対向
面に成形体と同一面となるように嵌め込まれた略かまぼ
こ形状のシリコンゴム等の絶縁体１９とからなってい
る。この電極１６を用いて圧電セラミックス１５を分極
処理する場合においては、絶縁体１９の厚さに応じて圧
電セラミックス１５に印加される電圧が小さくなる。こ
のため分極処理後の圧電セラミックス１５は図１７の矢
印４で示すように自発分極が幅方向にのみ変化する。

【００２１】この分極した圧電セラミックス１５に対し
て蒸着により銀の廻り込み電極２２を消極しない１２０
℃で付着させて、図１８に示す圧電素子１を作製する。
そしてこの方法で作製した圧電素子を用いて厚さ約２０
０μｍ、共振周波数が１２ＭＨｚの超音波探触子を作製
する。

【００２２】具体的には、音響整合層５として１／４λ
厚さのエポキシ樹脂と短絡防止のための絶縁樹脂層２０
を付与したタングステンフィラー混入のエポキシ樹脂に
より作製した背面負荷材７とを嫌気性接着剤２１によっ
て圧電素子１の両面に接着する。これにより、図１９に
示すトランスデューサを作製する。これを、破線で示し
たような長さ方向に、精密裁断機を使用して裁断し超音
波探触子用のトランスデューサを作製する。

【００２３】そして、このトランスデューサを金属パイ
プを加工して作製したハウジング８に実装し、図２０に
示す超音波探触子を作製する。詳しくは、まずハウジン
グ８をフレキシブルシャフト２５と銀ロウ２４を用いて
ロウ付けする。そしてシャフト２５に同軸ケーブル１３
を通し、グランド側のリード線９とハウジング８とを導
電ペースト２３を用いて結線すると共に、プラス側のリ
ード線１０を導電ペースト２３を用いて圧電素子１の電
極に直接に結線する。そして絶縁を確保するために、絶
縁性樹脂２６により封止する。

【００２４】上記構成の超音波探触子は、パルスを印加
した瞬間には、圧電素子１は長さ方向において、端部に
向かう程中心部と比較して変形が大きく、放射される超
音波ビーム１４を圧電素子の長さ方向に僅かであるが集
束させることができる。

【００２５】このような本実施例では、生産性を考慮し
て、一方向のみに自発分極の強さの差を有するが、この
場合でも超音波ビームの発散を防ぎ角度方向の分解能を
高くできる。また、音響整合層はどの部分でも透過効率
の高い１／４λとすることができるため、超音波送受時
の境界面での反射が少なく、全面均一に分極した従来の
圧電素子の超音波探触子の感度と、近距離場で遜色な
く、遠距離場に関しては従来より高感度とすることがで
きる。なお、カマボコ状の絶縁物質と導電物質の組合わ
せでなく、段階状に絶縁材と導電物質を組合わせたもの
でも、同様な効果を得ることができる。

【００２６】

【発明の効果】以上のとおり本発明においては、超音波
探触子の圧電素子として分割電極を有さずに、電極付与
前に分極操作を行うことにより同一素子内で自発分極の
大きさに差を生じさせたものを使用することによって、
電極境界部に集中的にかかっていた歪を分散させること
ができ、放電破壊、疲労破壊の発生率が低い超音波探触
子とすることができる。尚、以上は圧電素子について記
述してきたが、ＰＭＮ系材料等の電歪素子においても同
様に適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１における圧電素子の断面図。

【図２】図１の正面図。

【図３】圧電素子の分極処理を示す断面図。

【図４】圧電素子の分極処理を示す断面図。

【図５】圧電素子の分極処理を示す断面図。

【図６】圧電素子の断面図。

【図７】実施例１の超音波探触子の断面図。

【図８】本発明の実施例２における分極処理を示す断面
図。

【図９】本発明の実施例２における分極処理を示す断面
図。

【図１０】本発明の実施例２における分極処理を示す断
面図。

【図１１】実施例２の圧電素子の断面図。

【図１２】実施例２の超音波探触子の断面図。

【図１３】超音波探触子の作動の断面図。

【図１４】超音波探触子の超音波ビームの強度を示す特
性図。

【図１５】超音波探触子の超音波ビームの強度を示す特
性図。

【図１６】実施例３の分極処理の斜視図。

【図１７】実施例３の圧電素子の断面図。

【図１８】実施例３のトランスデューサの分解側面図。

【図１９】実施例３のトランスデューサの斜視図。

【図２０】実施例３の超音波探触子の断面図。

【図２１】従来の超音波探触子に使用する圧電素子の断
面図。

【図２２】図２１の左側面図。

【図２３】図２１の右側面図。

【符号の説明】

１ 圧電素子 ２，３ 全面電極 ５ａ，５ｂ 音響整合層 ７ 背面負荷材 ８ ハウジング

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 背面負荷材、両面に全面電極を設けた圧
   電素子および音響整合層が順に積層された積層体と、こ
   の積層体が取り付けられるハウジングとを備え、前記圧
   電素子は中心部から外周部に向かって自発分極が徐々に
   変化していることを特徴とする超音波探触子。
2. 【請求項２】 中心部から外周部に向かって自発分極が
   徐々に変化するように圧電セラミックスに段階的に電圧
   を印加した後、圧電セラミックスの両面に全面電極を付
   着させて圧電素子を作製する工程と、この圧電素子の両
   側に背面負荷材および音響整合層を積層し、この積層体
   をハウジングに取り付ける工程とを備えていることを特
   徴とする超音波探触子の製造方法。