JPS5999900A - 超音波探触子 - 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】

〔発明の技術分野〕 本発明は超音波診断装置、超音波診断装置等に用いられ
る超音波探触子に関する。 〔発明の技術的背景とその問題点〕 超音波探触子は、圧電素子により超音波を発生し、その
反射波により対象物内部の状態を検査するものであり、
人体内部の診断、金属溶接内部の探傷等各種の用途に用
いられている。 従来は、圧電素子から放射される超音波ビームを音響レ
ンズ等の手段を用いて集束させて分解能を高めている（
集束ビーム方式）。しかしながらこのような集束ビーム
方式では確かに集束点の近傍では高分解能が得られるが
、集束域を離れるにつれ分解能が低下してしまう欠点が
あった。 この欠点を解消するため、開口合成方式により駆動され
る超音波探触子が研究さ才ｔている。この開口合成方式
は、多数の観測点からビーム幅θの大きいファンビーム
を放射し、この多数の観測点からの対象物の情報を合成
して対象物の画像を形成する方法である。この開口合成
方式によれば分解能は距離に依存しなくなり、超音波ビ
ームのビ−ム幅で決定され、ビーム幅が大きい程分解能
が向上する。このビーム幅はほぼ圧電素子の振動面の開
口幅に反比例するので開口幅は小さい程良く、得られる
分解能はほぼ圧電素子の振動面の開口幅と同程度となる
。 しかしながら従来の超音波探触子では使用される圧電素
子の大きさに限界があり、圧電素子の幅が５朋以下とな
るとその製造は非常に困難なものであった。 すなわち複数の圧電素子を用いるアレイタイプの超音波
探触子では、１個の圧電体を切断することにより得られ
、その間隔は数百μｍ程度とすることが可能であるので
、各々の圧電体の形状を矩形状とすると一方の辺は数百
μｍ程度まで小さくすることが可能である。しかしなが
ら圧電体の電極へのリード接゛続のため１〜２朋程度の
幅が必要であるため、もう一方の辺の長さは短がくする
ことに限界があり、このため圧電素子自体の大きさには
製造上の限界があった。従って圧電素子の開口幅を小さ
くし、超音波ビームのビーム幅を大きくすることは非常
に困難なことであった。 〔発明の目的〕 本発明は以にの点を考慮してなされたものであり、ビー
ム幅の大きい超音波ビームを得ることのできる超音波探
触子を得ることを目的とする。 〔発明の概要〕 本発明は圧“Ｌｕ体の両面にそれぞれ設けられた第１０
屯極と第２の電極が、この圧電体を介して部分的に対向
部分を有するように配置された圧電素子を用いた超音波
探触子である。 本発明における電極の対向とは、圧礪体分極方向上での
対向である。上記の構成の圧電素子においては、実質的
にこの対向部分の圧電体のみが振動するので、圧電素子
の振動面の開１」幅はほぼ対向部分の幅となる。従っ℃
、従来と同様の大きさの圧電素子を用いて開口幅の小さ
い圧電素子を得ることができる。この開口幅の小さい圧
電素子を用いること（二よりビーム幅の大きい超音波ビ
ームを放射することができる。 従って前述のように開口合成方式で本発明の超音波探触
子を駆動すれば超音波ビーノ・のビーム幅が大きいので
、分解能が開口幅と同程度となり高分解能を得ることが
できる。 本発明の他の実施例では圧電体の両面にそれぞれ設けら
れた第１の電極と第２電極が、この圧電体を介して部分
的に対向部分を有するように配置された圧電素子を用い
、前記圧電素子の超音波を放射する側の面に、接地され
た導電層が絶縁層を介して設けられた超音波探触子が構
成される。この実施例でＣよ前述のようなど−）・幅の
大きい超音波ビームを得ることができることに加え、さ
らにＳ／Ｎが向上するという効果を得ることができる。 すなわち、圧゛電素子の超音波を放射する側の面に、接
地された導電層を設けることにより、圧電体表面がシー
ルドされるので、外界からのノイズによる影やηが低減
され、Ｓ／Ｎが良好となる。このようなノイズは圧電体
の超音波を放射する側の面のうち正極により被覆されて
いない面から生じやすいので、この部分にのみ導電層を
設けても良いが、超音波放射特性に悪影響を与える可能
性があるので、圧電素子の超音波を放射する側の面の全
面に設ける方が好ましい。 また上記の探触子において、第１の電極及び第２の電極
のうち、前記導電層と圧電体を介して対向する電極を、
導電層と同電位とすることにより不要振動を防止するこ
とができる。何故ならば導電層と圧電体を介して対向す
る電極と導電層との電位が異なると、導電層とこの電極
間の電位差により電圧体に電圧が印加され、第１の電極
と第２の電極との対向部分以外の部分も振動してしまう
恐れが生じ、この振動は不要な振Ｈｊｉｌノであり、超
音波探触子から放射される超音波ビームが乱れてしまう
からである。 〔発明の効果〕 以上説明したように本発明の超音波探触子を用いればと
一ノ、幅の大きい超音波ビームを得ることができ、さら
に接地された導電層を設けることによりＳ／Ｈの良好な
超音波探触子を得ることができる。 〔発明の実施例〕 以下本発明の詳細な説明する。 第１図にこの実施例の部分切欠斜視図を示す。 この実施例はアレイタイプの超音波探触子である３、複
数の圧電素子（１）がバッキング材（２）上に固定さ才
ζ圧電素子（１）の超音波放射面は１響マツチング層（
３）にて覆われている。この圧電素子（１）を第２図に
示す。第２図は第１図中Ａ　−Ａ’にて切断したときの
圧電素子（１）の断面図である。第１のべ極（１ｂ）、
第２の電極（］Ｃ）は、圧電体（１ａ）の中央付近で対
向部分（Ｉ））を形成するように、圧電体（１ａ）の両
面にそれぞれ設けられる。 このような対向部分（Ｄ）の形成は、例えば全面に電極
を形成し圧電体（１ａ）全体を分極後、エツチング等の
方法により所望の形状の第１の電極（１ｂ）、第２の電
極（１ｃ）を形成しても良いし、分極前から所望の形状
の第１の電極（１ｂ）第２の電極（１ｃ）を形成し、そ
の後分極処理を行なっても良い。しかしながら圧電体（
１ａ）を部分的に分極することになる後者の方法では、
圧電体（１ａ）に内部歪が生ずるので実用上は前者の方
が好ましい。 例えば超音波診断装置では体内の患部の早期発見等の目
的から、ｌ　ｑ：ｒａｍ２ｒ、ｍ程度の分解能すなわら
ビーム１；・Ｉ゛４θ→・１３°程度が要求されている
。使用周波’孜３．５　Ｍ−Ｉ（ｚ、伝播媒体を水とす
ると開口幅は２　ｆＩｒｎｕ度どする必要があるが、圧
電菓子自体を２１ｍ程度どするのは製造−Ｌ非常に困難
であり、アレイタイプの場合特に困難となる。しかしな
がら第２図に示すような構造をとることに）、衰り、対
向部分の幅ｄを２ｙＩＩ１１程度以下に設計することは
容易に可能であり、上記の要求を満足した圧１１ｉ素子
を筒中に得ることができる。また振動面は対向部分より
多少法がりをもつので、要求される幅の半分程度、例え
ば１菰以下が好ましい。第３図に開「１幅とビーム幅の
相関関係を示す。曲線、Ｉは対向部分の幅ｄが開Ｌ］幅
と等しいと仮定した場合のビーノ・幅θの理論値であり
、曲線すは対向部分の１；１畠ｄにおけるビーム幅θの
実験値である。第３図かられかるように、実験値の方が
理論値よりビーム幅θが小さくなっていることがわかる
。従って先に説明したように、要求される対向部分ｄは
理論値より小さく設定するのが好ましい。 このような構成により容易に圧電素子の開口幅を小さく
できるので、ビーム幅の大きい超音波ビームな放射でき
る超音波探触子を得る。 開口合成方式ではこのような開口幅（１が小さく放射さ
れる超す波ビームのビーム幅の大きい圧′准素子を走査
して探傷等をｒｊなう。第４図に杖式的に被検体（イ）
中表１ｆｌ−＋下Ｚの距削のＡ点の検出を示す。 超音波ビーノ、　ｊｌＡｊψとして、Ａ点の情報は同図
中走査距離ｄ′の間の各点で得られる。開口合成力式で
はこれらの情報を合成処理することによ一′″）てｄの
大きさと同程１艷の分解能を得るものである。 開口幅ｄの圧電素子のビーム幅ψ：ψ〜λ／ｄ（ただし
λは超音波の周波数） 合成された開［Ｊｄ’ｉ二よるビーム幅θ：θ〜λ／ｄ
′と近似さＡシ

【）。また Ａ’−７，、＋□１＝ ２ の関係より、ψ／２が小さいと ｄ’＝２Ｚ□Ｉ゛シ′〜Ｚψ と近似される。分解能ΔＸは、θが一搬に小さいため、 △Ｘ＝Ｚ−―θ〜Ｚθ と近（１）される。よって 。Ｘ−Ｚθ〜λ／６・、７．〜翌〜土〜８ψＺ　λ／（
１ となり、はぼ開口幅と同稈度の分解能をう４〕ことがで
きろ。 前述したような構成の超音波探触子で対向部分の幅（１
をｌ　ｒａｍとし、開口合成方式にて駆動したところ、
被検体中の深さに関係なく１〜１５問程度の分解能を得
ろことができた３、このように本発明（−おいてｌｉ、
被検体中の深さに関係なく広範囲（二七いて旨分解能を
有する６、従って、本発明を例えば超音波探傷装置を用
いれば探傷の信頼性が向上する。また・田音波診断装置
に用いれば、広範囲に１つたって高分解能を有するので
、例えば乳ガン等の早期発見等が可能となる。 また、この超音波探触子は例えば、第１図Ａ−Ａ′方向
を開口合成方式による信号処理とし、複数の圧電素子の
並び方向は集束ビーム方式を用いてもかまわない。 次に本発明の他の実施例を説明する。第４図（ａ）。 （Ｃ）は圧電素子の断面図、第４図（ｂ）は圧電素子の
平面図である。第４図に示したものは圧電素子（１）の
第１の電極（ｔｂ）と第２の電極（ＩＣ）の圧電体（１
ａ）を介する対向部分（Ｄ）の形成のしかたを変えたも
のであり、他の構成は第１図と同様とする。 第４図（ａ）は各々の成極（ｌｂ）　、　（ｌｃ）をま
わしこみ、電極の取出しを容易にしたものである。第４
図（ｂ）は各々の電極（１１）Ｌ（ＩＣ）を交差させる
ことにより対向部分（■））を形成したものである。こ
のような構成をとることにより対向部分ＣＤ）の９１Ｇ
ｉの制御が容易となる。丁なわち第２図に示すような（
、４成では、対向部分（ｉ））、は各々の電極Ｃｔｂ）
（ｉｃ）の竜なり具合によつ−Ｃ沃まるが、第４図（ｂ
）の場合は各々の電極（ｌｂ）、（ｉｃ）の幅により決
まり、重なり具合には関係なく決まるからである。第４
図（ｃ）は第１電極（１ｂ）は圧電体（１ａ）の一方の
表面全面に、第２の電極（１ｃ）を他の表面に部分的に
設けたものである。このような構成にすることにより、
対向部分（Ｄ）の幅は、負′３２の電極（１ｃ）の幅の
みにより決まるので、より対向部分（書の幅の制御が容
易となる。 また以上の実施例ではアレイタイプの超音波振動子とし
たが、１個の圧電素子からなるシングルタイプの超音波
探触子を機械的に走査すること（二より、実質的にアレ
イタイプと同様の効果な拐る。 次に心電層を設けた本発明の他の実施例を説明する。 ！５５図は圧電素子及び音にマツチング層の…ｆ而面ネ
；である。 この実施例における圧電素子（１’＋は第２図に、工ク
シた圧電素子と同様の渦電をとる。良熱マツチング層は
絶縁層（３ａ）−導電層（３ｂ　）−保マ・□２膜（３
Ｃ）がｌｌｌ［”１吹精層されてなり、圧電素子（１）
上に保護膜（３Ｃ）が静夕）層となるように配ｈ′され
る。 導電層（３ｈ）　！ま、例えば導五ペーストの塗４コ、
分局の蒸１１、金顆箔の接着等の方法により設けること
ができる。この導電層（３Ｉ））は圧電素子の超音波送
受の妨げとならないように、波長の大きさにｉｌして十
分薄いことが好ましく、ｉＱ　ｔｔｍ　程度のオーダが
好適である。 保護膜（３ｃ）は、導＠ＩＭ（３ｂ）の保護を目的とし
て設けられたもので、耐水性、耐油性、電気的絶縁性等
に優れた高分子膜例えば絶縁ワニス、ポリイミド、ポリ
エステル等が用いられる。この保護膜（３ｃ）も超音波
送受の妨げとならないように、波長に対して十分に薄い
ことが好ましい。導電層（３ｂ）が耐水性、耐油性等を
考慮する必要がない場合は保護膜（：（ｃ）を特に設け
る必要はないが、通常超音波探触ｆ−は水、油等を介し
て被検体に超音波を放射するので、一般には保護膜（３
ｃ）を設ける方が好ましい。 このような導電層（３ｂ）、保護膜（３ｃ）は、銀箔等
の導電層を有するポリエステル、ポリイミド等のフレキ
シブルプリント板を用いれば、両者同時に設けることが
できるので、製造上非常に有効である。また絶縁層（３
ａ）を複数層で形成する場合は、絶縁層間に導電層（３
ｂ）を設ければ、別に保Ｆ（）膜を設ける８背はない。 一般に音響マツチング層（３）は超音波λの１／４とす
るが、従来は絶縁層のみが音響マツチング層として設け
られていたのでこの絶縁層の厚さをλ／４としていた。 この実施例においては、導電層（３ｂ）。 保護膜（３ｃ）を設けているので、絶縁ｉ３　（：”、
、　ａ）　−心電層（３ｂ　）−保護膜（３ｃ）全体で
λ／４の厚さとなるように絶Ｉｐ１．Ｉｉ’１（３ａ）
の厚さをｍｌ整するのが好ましい。 前述のイ４成の超音波探触子で、導電層」、τ」、び保
護膜としてＣ：ｕ１８μｎＬ　、ポリイミド２５μ７ｎ
のフレキシブルプリント板（接る“Ｉ＝ｊを加え７０μ
ｍ　１−）（ｊを用い、圧Ｉｈ素了の電極対回部うＪを
１誠どし、ｔＦ、ｊ［］］合成方式にて駆動した。この
ような４（”Ｉ７成をと４）超音波探触子を用いること
により、被検イ４；中の汀さに関係なく１〜１．５ｍｍ
程度の分蔚龍２ハ得られ、かつ外部から（リノイズの侵
入がなく　Ｌ＜ｏ　ｄＢ以上りタイ太ミンクレンジかｊ
ＪられＳ／Ｎの良好なものであった。 次（二導電；７」を設けた本発明のイ１）（の実施例を
第７図、第８図に）」＼す。 第７図にボ】−実話例は電極（ｌｂ）　、（ｌｃ）及び
等電層、（３ｂ）の接地の組み合わせを変えた他は、第
６図に示した実施例と同様の構成をとるものであり、第
７図は第６図と同様の断面図である。 この実施例では、導電層（３ｂ）及びバッキング材（２
）側の電極（１０を接地し、電極（１ｂ）に電圧を印加
する構成をとる６、 従来は、先に述べたノイズ対策ばかりでなく超音波探触
子から外部への電流の病洩による感電等の電気的影響を
防止するため、圧′−累子（１）の電極のうち超音波放
射面側の電７’）’ｒ、　（１ｂ　）を接地し、バッキ
ング材（２）側の電］・１（ｌｃ）ｉニー電圧印加して
いた。電磁的シールドを目的とする桿、ｄ層（３）））
も弔３図中に示すように接地するわけであるが、この場
合圧電素Ｊ−（１）　Ｑ）ｌ！ｔ＋行波を放射する面の
うち′電極（１１１）で覆われでいない部分には、棉電
ｊ−バ３ｂ）と電極（１シ）間の電圧がかかり、不要な
振動の生ずる場合がある。 しかしながら本願のように導′心層（３ｂ）を設けたこ
とにより、この導電層（３ｂ）により外部・＼の′シ気
的影響を防止することができるので、特（二圧電素子（
１）の超音波放射面側の電極（１ｂ）を接地する必要が
ない。従って第７図に示すように電極（ＩＣ）を接地し
、超音波探触子を駆動することができる。このような構
成をとると、電極（ＩＣ）と導電層（３１））間には電
位差が生じないので、前述のような不要振動の生ず・、
δおそれはない。 また、第７肉に示した実施例のように接地方法を変えな
くても釣す述のよう）ケ不要］辰動を防止Ｉ−ることは
可能である。第８図に示す本発明の実施例は、圧電素子
（１）の超音波放射面の）ち電極（１１））にて被１ｍ
　サれティ／；ｆイｉ１ｊト接触Ｔ　６　ＦＩＮ２　籾
ｉ’：；　（：３；＋’　）　’ａ：：超Ｂ波の減衰の
大きい飼料とするものであ／、）。他の構成は第６図に
示１実施例と同様とし、第８図には９１３６図と同様の
断面図を示した。 このような構成の超音波探触子においＣは、不苅振動が
生じても超重波減衰の大きいイ」料からなる絶イ、り体
（３ａ’）に４り外部（二はこの不要な振！！ＩＩ（′
−よる超音波が放射されず、実質的に不要振動を防止し
たのと同様の効果を得る。 またＳ）電層（３ｈ　）は圧電素子（１）表面全面を）
：、Ｊう必要は必ずしもない。第９図に示す本発明の実
施例は、部分的に導電層（３ｂ）を設けたもので、他の
４１４成は第６図に示す実施例と同様とし、第９図には
第６図と同様の”断面図を示した。この実施例における
導′電層（３ｂ　）−は、圧電素子（１）の超音波を放
射する側の而のうち、電極（ｌｂ）にて被）ヒされＣい
ない部分のみを（！うよう（二構成されている。電極（
１ｂ）は圧電素子（１）の表ＩＵｉのシールドの役割も
果たすのＣ１この電極（ｌｂ）により被覆されていない
部分のみ尋’７Ｅ層（３ｂ）で彼）Ｊずれば、外ご１３
からの電磁的ノイズの侵入は１；υ［Ｌできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明契名波探１独子の実庚４ニー’ｌを示す
部分切欠７斜硯図、第２図は弔１図中Ａ　　Ａ’にて切
断した断＋Ｔｉｉ　１ぎ４、第３１°（１はビーム幅θ
一対向部分１１＋）、ｇ　ｄの関係をｉくす１１　．１
曲線図、へ３４図は超音波探触子による探ｊｊ：ｊｌの
左森式１ン４、完ｉＫ　５１’Ｊは本発明の池の実施例
を示す図で、ｂり同図（、）　、　（ｃ）は圧′ｉ４素
子の断面図、同図（ｂ）は圧′、１素子の平面図、第６
図乃至第９図は本発明の他の実施例を示す、ｈ′ｉ音波
探触子の断面図である。 代理人　弁理士　則　近　憲　伯（はが１名）第　　！
　　図 へ （ 第２図 第　　３　　図 □ ρＬ−−□二−−−−−土−−ｎ−一、、、−，−−−
−−−ｌ　　　　Ｚ　　　　３ 対岬駁ト幅ｄ（粗す 第４図 ム　　　ｂ ・ゝ　　　１ □ ゝ−寸−７、′　　　　Ｚ ＼、／　　　　’、　　　□ □ ′　―−ｄ謝」　＼　　　　゛ ７１　　　　　　　　　　　　’・ ＼ □ 第５図 第　　６　　図 第　　７　　図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧電体の両面にそれぞれ設けられた第１の電極と
   第２の電極が、この圧電体を介して部分的に対向部分を
   有するように設置された圧電素子を用いたことを特徴と
   する超音波探触子。
2. （２）圧電体の両面にそれぞれ設けられた第１の電極と
   第２の電極が、この圧電体を介して部分的に対向部分を
   有するように配置された圧′屯素子を用い、前記圧電素
   子の超音波を放射する側の面に、接地された導電層が絶
   縁層を介して設けられたことを特徴とする超音波探触子
   。
3. （３）前記第１の電極及び第２の電極のうち、前記導電
   層と圧電体を介して対向する電極が、導電層と同電位で
   あることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の超音
   波探触子。