JPH0898299A - 超音波探触子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 広い範囲に亘って細い超音波ビームを形成
し、高い方位分解能を得る。 【構成】 バッキング材１ｂの電気抵抗はバッキング材
１ａの電気抵抗よりも大きくする。これにより圧電素子
３の中央部におけるバッキング材１の電気抵抗値が圧電
素子３の周辺部におけるバッキング層１の電気抵抗値に
比べて小さくなる。したがって、圧電素子３の中央部に
おける放射超音波振幅が圧電素子３の周辺部における放
射超音波振幅に比べて大きくなり、なめらかな重み付け
ができるようになる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、消化管、血管等適用分
野を問わず、医療目的の超音波診断用プローブにおい
て、高い方位分解能を実現するために、超音波放射レベ
ルを重み付けできる超音波探触子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】医療用に限らず診断及び検査用超音波プ
ローブにおいては、できるだけ微細な病変、欠陥を発見
するために、距離分解能及び方位分解能を高めることが
必要とされる。このような要求を満足させるために近
年、振動子の振動時に振動を自由に行わせるとともに非
振動時には振動の自由振動を抑え、かつ、振動子から伝
播する送信レベルの超音波を効率よく吸収減衰させるバ
ッキング材を用いた超音波探触子が、例えば特公平4-46
515 号公報で提案されている。ここで方位分解能を高め
るためには、超音波探触子からの距離に関わらず、広い
範囲において細い超音波ビームを形成することが不可欠
である。

【０００３】従来、方位分解能を高めるために例えば特
開昭57-52299号公報では、電極の形状を菊型にし、電圧
素子の中央部分で有効電極面積を変化させることによっ
て放射超音波レベルに重み付けを行い、その結果、細い
超音波ビームを放射するようにしている。すなわち、電
圧素子の中央部における超音波の放射電圧を、周辺部に
おける超音波の放射電圧に比べて高くなるようにするこ
とで、超音波伝播方向の広い範囲でビーム形状を細くす
ることが提案されている。

【０００４】また、特開平3-46900 号公報では、電圧素
子の裏面に電気的抵抗層を形成することによって、電圧
素子の中央部の駆動レベルが電圧素子の周辺部の駆動レ
ベルに比べて大きくなるように振動重み付けをすること
により超音波ビームを細くすることを提案されている。

【０００５】

【課題を解決するための課題】昨今、より分解能の高い
超音波画像を形成することが要求され、このために探触
子周波数はより高周波に移行する傾向にある。高周波に
移行するに従って超音波伝播経路における減衰が大きく
なり、十分な探触子感度が必要となる。上記特開昭57-5
2299公報に記載されたように有効電極面積を小さくする
と、探触子の駆動電圧の重み付けが可能になったとして
も、感度が大幅に低下するという不都合がある。さら
に、有効電極面積を小さくすると、電極に信号リード線
を結線する時のハンダ付け作業がより困難になる。

【０００６】また、上記特開平3-46900 号公報に記載さ
れたように、圧電素子の裏面に電気的抵抗層を形成する
場合、電気的抵抗層とバッキング材の境界面の反射エコ
ーが放射信号波形に重畳され、パルス幅が長くなるとい
う問題がある。パルス幅が長くなると距離分解能が低下
し、超音波探触子の高周波化に対応した距離分解能の向
上の目的に相反する。

【０００７】本発明の目的は、感度や距離分解能を低下
させることなく、リード線結線作業が容易で、広い範囲
に亘って細い超音波ビームを形成し、高い方位分解能を
得ることができる超音波探触子を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による超音波探触
子は、圧電素子と、この圧電素子の一方の面に設けられ
た電極と、前記圧電素子の他方の面に設けられた導電性
のバッキング層とを具え、前記電極及びバッキング層を
介して前記圧電素子に電気信号を印加する超音波探触子
において、前記バッキング層を、前記圧電素子の中央部
における前記バッキング層の電気抵抗値が前記圧電素子
の周辺部における前記バッキング層の電気抵抗値に比べ
て小さくなるように分布させて形成したことを特徴とす
るものである。

【０００９】

【作用】本発明による超音波探触子では、バッキング層
を、圧電素子の中央部におけるバッキング層の電気抵抗
値が圧電素子の周辺部におけるバッキング層の電気抵抗
値に比べて小さくなるように分布させて形成しているの
で、電極及びバッキング層を介して圧電素子に電気信号
が印加されると、圧電素子の中央部に発生する電界の強
さが圧電素子の周辺部に発生する電界の強さに比べて大
きくなるように分布する。したがって、圧電素子の中央
部における放射超音波振幅が圧電素子の周辺部における
放射超音波振幅に比べて大きくなり、超音波探触子の放
射面が形成される圧電素子において感度に影響を与える
ことなくなめらかな重みづけができるので、広い範囲に
おいて細い超音波ビームを形成し、高い方位分解能を得
ることができる。

【００１０】さらに、バッキング層に電気抵抗の分布を
持たせているので、電気抵抗の分布を持たせている層の
後面エコーが信号波形に重畳されることがなく、このた
めに信号パルスの幅を狭くでき、距離分解能が低下しな
い。したがって、高周波化に応じて圧電素子を薄くして
も、界面反射がなく良好な距離分解能が得られる。

【００１１】また、本発明による超音波探触子のような
構成では、圧電素子又はバッキング層の背面の数カ所に
導線の接続すなわち半田付けを行う必要がなくなるた
め、工程上のバラツキが抑えられ、製品間の超音波特性
が安定した超音波探触子を製造できる。

【００１２】

【実施例】本発明による超音波探触子の実施例を図面を
参照して詳細に説明する。図１は、本発明による超音波
探触子の第１実施例の断面図である。本例では、医療用
超音波内視鏡に使用される超音波探触子ユニットに本発
明による超音波探触子を適用している。この超音波探触
子は、バッキング材１ａ及び１ｂから成る導電性のバッ
キング層１と、このバッキング層１を包囲する絶縁層２
と、この絶縁層２の凹部に嵌め込まれて接着された圧電
素子３と、この圧電素子３の超音波放射面側に形成され
た金属膜電極４と、放射される超音波を収束させるため
にこの超音波放射面側に接着して形成された音響レンズ
５と、絶縁層２の外側に嵌め込まれた金属のハウジング
６と、バッキング材１ａに先端のみが剥き出しになった
端部が埋設された信号ケーブル７と、圧電素子３の周辺
部及びハウジング６に半田接合され、信号ケーブル７の
シールド線８に導通するグランド側導線９とを具える。
本例では、圧電素子３の超音波放射面の反対面上には金
属膜が形成されずに直接バッキング層１が形成されてい
る。

【００１３】バッキング材１ａの材質を導電性エポキシ
樹脂とタングステン粉末との混合物とし、バッキング材
１ｂの材質を非導電性エポキシ樹脂、タングステン粉末
及び酸化タングステン粉末の混合物とする。各粉末の粒
径は粉末ごとにほぼ均一であるのが好ましい。この場
合、酸化タングステン粉末の原料となるタングステン粉
末の粒径を、バッキング材１ｂに混合されるタングステ
ン粉末の粒径よりも小さくする必要がある。その理由
は、酸化タングステン粉末の原料となるタングステン粉
末は酸化により密度が変化するため、粒径を抑えること
によりバッキング材１ｂを形成したときの密集度を高
め、密度を維持する必要があるからである。

【００１４】本例では、バッキング材１ａと１ｂとの間
の界面１０を円錐面とする。図２は、バッキング材１ａ
と１ｂとの間の界面１０を形成する方法を説明する図で
ある。バッキング材１ｂを絶縁層２に適量にポッティン
グした後、円錐面１１を有するバッキング成形型１２を
このバッキング材１ｂに押圧することにより界面１０を
均一な形状でばらつきなく形成することができる。

【００１５】本例の動作を説明する。このような構成に
するとバッキング材１ａは良導電性となり、それに対し
てバッキング材１ｂは導電性であるが電気抵抗がバッキ
ング材１ａに比べて大きくなる。したがって圧電素子３
の中央部におけるバッキング層１の電気抵抗値が圧電素
子３の周辺部におけるバッキング層１の電気抵抗値に比
べて小さくなる。

【００１６】信号ケーブル８の端部の先端から圧電素子
３にバッキング層１及び金属膜電極４を介して駆動信号
を印加すると、バッキング層１と金属膜電極４との間で
電界が発生し、圧電素子３が駆動される。この際、圧電
素子３の周辺部では、バッキング材１ｂ中を駆動信号が
伝達し、バッキング材１ｂ及び金属膜電極４によって電
界が発生する。バッキング材１ｂの電気抵抗はバッキン
グ材１ａの電気抵抗に比べて大きいので、電気信号のレ
ベルダウンはバッギング材１ｂを伝達する場合の方がバ
ッキング材１ａの場合に比べて大きくなる。圧電素子３
の周辺部ではバッキング材１ｂの抵抗で分圧された低い
電圧が印加され、したがって駆動信号のレベルは、圧電
素子３の周辺部の方が圧電素子３の中央部に比べて小さ
くなる。この結果、超音波放射面から放出される超音波
の放射レベルは圧電素子３の中央部に比べて周辺部が低
くなるという重み付けができ、広い範囲において細い超
音波ビームを形成し、高い方位分解能を得ることができ
る。

【００１７】本例では、バッキング材１ｂに酸化タング
ステン粉末が混合されているが、この酸化タングステン
粉末はタングステン粉末と同様に高密度材料であり、粒
径を適切に設定しているのでバッキング材１ａと１ｂと
の間の音響インピーダンスの差は使用上問題にならない
レベルに抑制することができる。また、界面１０を円錐
面としているので、バッキング材１ａと１ｂとの間で音
波の反射が発生しても反射波は圧電素子３に入射されず
に絶縁層２に入射される。絶縁層２に入射された音波の
一部が反射されて圧電素子３に入射されるが、この反射
波のレベルは十分小さいので画像診断上の問題となるレ
ベルではない。

【００１８】本例によれば、圧電素子３の中央部におけ
る放射超音波振幅が圧電素子３の周辺部における放射超
音波振幅に比べて大きくなり、超音波探触子の放射面が
形成される圧電素子において感度に影響を与えることな
くなめらかな重みづけができるので、広い範囲において
細い超音波ビームを形成し、高い方位分解能を得ること
ができる。さらに、バッキング層に電気抵抗の分布を持
たせているので、電気抵抗の分布を持たせている層の後
面エコーが信号波形に重畳されることがなく、このため
に信号パルスの幅を狭くでき、距離分解能が低下しな
い。したがって、高周波化に応じて圧電素子を薄くして
も、界面反射がなく良好な距離分解能が得られる。

【００１９】本例では、界面１０を円錐面としたが、所
望する電気抵抗値の分布に応じて図３及び４に示すよう
な形状の界面１０とすることもできる。これらのような
界面１０を形成する場合にも、界面の形状に応じた成形
型を用いて界面を形成する。

【００２０】また本例では金属の酸化物で非導電化した
金属粉の代表例として酸化タングステン粉末を使用した
が、酸化白金などの他の重金属酸化物を使用することも
できる。

【００２１】図５は本発明による超音波探触子の第１実
施例の変形例であり、図６はこの変形例で用いられる圧
電素子である。本例では、圧電素子３の超音波放射面の
反対面上に同心円のパターンで環状の金属膜電極４ａを
形成するとともに、信号ケーブルから導出され、先端か
らバッキング層１及び金属膜電極４，４ａを介して圧電
素子１に電圧を印加するマッチングコイル１３をバッキ
ング層１に埋め込む。他の構成及び動作は第１実施例と
同様である。

【００２２】図６のように超音波放射面と反対側の面に
あえて同心円状の電極パターンを設けることにより、バ
ッキング層１形成時に発生するおそれのある超音波探触
子の径方向の電気抵抗のばらつきを補正する効果があ
る。この径方向のばらつきにより超音波ビームの歪みや
音軸のずれのような現象を引き起こすために、同心円状
電極によって圧電素子中心から等距離の点の電位を等し
くすることによって良好な超音波特性を持つ超音波探触
子が実現できる。

【００２３】図７は本発明による超音波探触子の第２実
施例の断面図であり、図８は本発明による超音波探触子
の第２実施例の製造工程の説明図である。本例でも、医
療用超音波内視鏡に使用される超音波探触子ユニットに
本発明による超音波探触子を適用している。本例ではバ
ッキング層１４の材質を非導電性エポキシ樹脂と数種類
の粒径に略分類されるタングステン粉末との混合物とす
る。バッキング層１４は、圧電素子３の周辺部が粒径の
大きい粒子１４ａから形成され、圧電素子３の中央部が
粒径の小さい粒子１４ｂから形成されている。したがっ
て、圧電素子３の中央部におけるバッキング層１４の電
気伝導度が圧電素子３の周辺部におけるバッキング層１
４の電気伝導度に比べて小さくなる。

【００２４】バッキング層１４の形成方法を図８を参照
して説明する。非導電性エポキシ樹脂と数種類の粒径に
略分類されるタングステン粉末との混合物を絶縁層２内
にポッティングした後、非導電性エポキシ樹脂が硬化す
る前に超音波探触子の中心軸線１５を中心にして超音波
探触子を回転させる。超音波探触子を回転させると遠心
分離作用により粒径の大きい粒子１４ａが圧電素子３の
周辺部に集まり、それに対して粒径の小さい粒子１４ｂ
が圧電素子３の中央部に集まるように混合物の粒子が分
離される。その後超音波探触子を加熱してエポキシ樹脂
を硬化させる。なお、超音波探触子を回転させる際に周
囲の気圧を下げて脱泡を行うと、分離速度が速くなると
ともにバッキング層１４の形成時間を短縮することがで
きる。他の構成は第１実施例と同様である。

【００２５】本例の動作を説明する。このような構成に
するとバッキング層１４の中央部は粒径の小さい粒子１
４ａの濃度が高くなり、それに対してバッキング層１４
の周辺部は粒径の大きい粒子１４ｂの濃度が高くなると
ともに、粒子間距離が長いため、圧電素子３の中央部に
おけるバッキング層１の電気抵抗値が圧電素子３の周辺
部におけるバッキング層１の電気抵抗値に比べて小さく
なる。他の動作は第１実施例と同様である。

【００２６】本発明による超音波探触子の第２実施例に
よれば、第１実施例の効果の他に、バッキング層の材料
として１種類の材質のみを用いているので複数の材質を
用いる場合に比べてエポキシ樹脂の硬化時間を短縮する
ことができる。また、第１実施例のようにバッキング層
に界面が存在しないため不所望な音波の反射が発生せ
ず、したがって高い距離分解能を実現するには好適であ
る。

【００２７】図９は本発明による超音波探触子の第１実
施例の変形例である。本例では図６に示す圧電素子を使
用するとともに、信号ケーブルから導出され、先端から
バッキング層１及び金属膜電極４，４ａを介して圧電素
子１に駆動電圧を印加するマッチングコイル１３をバッ
キング層１に埋め込む。他の構成及び動作は第２実施例
と同様である。

【００２８】図９のように超音波放射面と反対側の面に
あえて同心円状の電極パターンを設けることにより、バ
ッキング層１形成時に発生するおそれのある超音波探触
子の径方向の電気抵抗のばらつきを補正する効果があ
る。この径方向のばらつきにより超音波ビームの歪みや
音軸のずれのような現象を引き起こすために、同心円状
電極によって圧電素子中心から等距離の点の電位を等し
くすることによって良好な超音波特性を持つ超音波探触
子が実現できる。

【００２９】図１０は本発明による超音波探触子の第３
実施例の製造工程の説明図である。本例ではバッキング
層１６を、導電性粒子のタングステン粉末と、予め正に
帯電させた非導電性粒子の酸化タングステン粉末と、非
導電性エポキシ樹脂との混合物とする。

【００３０】本例の超音波探触子の製造工程を説明す
る。先ず、上記混合物を絶縁層２内にポッテングする。
この絶縁層２内を、強力な負電圧が印加された電極１８
に近づける。正に帯電された酸化タングステン粉末は電
極１８側に引き寄せられて超音波探触子１７の周辺部に
移動する。それに対してタングステン粉末には力が作用
しないが、酸化タングステン粉末が超音波探触子１７の
周辺部に引き寄せられた反作用により超音波探触子１７
の中央部に集まる。このような分離が行われた後、超音
波探触子１７を加熱してエポキシ樹脂の硬化を行うこと
によりバッキング層１６を形成する。このようにして超
音波探触子１７の中心部にタングステン粉末が集まり、
超音波探触子１７の周辺部に酸化タングステン粉末が集
まるので、超音波探触子１７の中央部におけるバッキン
グ層１６の電気抵抗値が超音波探触子１７の周辺部にお
けるバッキング層１６の電気抵抗値に比べて小さくな
る。他の構成及び動作は第２実施例と同様である。

【００３１】本例において上述した反応を促進するため
には導電性粒子であるタングステン粉末を予め負に帯電
すればよい。また、本例とは逆に非導電性粒子である酸
化タングステン粉末を予め負に、導電性粒子であるタン
グステン粉末を予め正にそれぞれ帯電し、電極１８に強
力な正電圧を印加することもできる。

【００３２】〔付記〕 １．請求項１記載の超音波探触子において、前記バッキ
ング層を、非導電性媒質と良導電性媒質との混合物で形
成したことを特徴とする超音波探触子。 ２．請求項１記載の超音波探触子において、前記バッキ
ング層を、略円錐形の境界面を有し、電気抵抗値の異な
る２層の導電性バッキング層で形成したことを特徴とす
る超音波探触子。 ３．請求項１記載の超音波探触子において、前記バッキ
ング層を、前記圧電素子の中央部における前記バッキン
グ層の導電性粒子の粒径が前記圧電素子の周辺部におけ
る前記バッキング層の導電性粒子の粒径に比べて小さく
なるように形成したことを特徴とする超音波探触子。

【００３３】

【発明の効果】上述したように本発明による超音波探触
子によれば、超音波探触子の放射面が形成される圧電素
子において感度に影響を与えることなくなめらかな重み
づけができるので、広い範囲において細かい超音波ビー
ムを形成し、高い方位分解能を得ることができる。

【００３４】さらに、電気抵抗の分布を持たせている層
の後面エコーが信号波形に重畳されることがなく、この
ために信号パルスの幅を狭くできるので、距離分解能が
低下しない。したがって、高周波化に応じて圧電素子を
薄くしても、界面反射がなく良好な距離分解能が得られ
る。

【００３５】また、圧電素子又はバッキング層の背面の
数カ所に導線の接続すなわち半田付けを行う必要がなく
なるため、工程上のバラツキが抑えられ、製品間の超音
波特性が安定した超音波探触子を製造できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による超音波探触子の第１実施例の断面
図である。

【図２】バッキング材間の界面を形成する方法を説明す
る図である。

【図３】本発明による超音波探触子の第１実施例の界面
の変形例の断面図である。

【図４】本発明による超音波探触子の第１実施例の界面
の他の変形例の断面図である。

【図５】本発明による超音波探触子の第１実施例の変形
例である。

【図６】図５の超音波探触子の圧電素子である。

【図７】本発明による超音波探触子の第２実施例の断面
図である。

【図８】本発明による超音波探触子の第２実施例の製造
工程の説明図である。

【図９】本発明による超音波探触子の第２実施例の変形
例である。

【図１０】本発明による超音波探触子の第３実施例の製
造工程の説明図である。

【符号の説明】

１，１４，１６ バッキング層 １ａ，１ｂ バッキング材 ２ 絶縁層 ３ 圧電素子 ４，４ａ 金属膜電極 ５ 音響レンズ ６ ハウジング ７ 信号ケーブル ８ シールド線 ９ グランド側導線 １０ 界面 １１ 円錐面 １２ バッキング成形型 １３ マッチングコイル １４ａ 粒径の小さい粒子 １４ｂ 粒径の大きい粒子 １５ 中心軸線 １７ 超音波探触子 １８ 電極

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電素子と、この圧電素子の一方の面に
   設けられた電極と、前記圧電素子の他方の面に設けられ
   た導電性のバッキング層とを具え、前記電極及びバッキ
   ング層を介して前記圧電素子に電気信号を印加する超音
   波探触子において、前記バッキング層を、前記圧電素子
   の中央部における前記バッキング層の電気抵抗値が前記
   圧電素子の周辺部における前記バッキング層の電気抵抗
   値に比べて小さくなるように分布させて形成したことを
   特徴とする超音波探触子。