JPS61193600A - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は超音波診断装置に係り、特にそのセンサ一部に
好適な複合圧電材料を用いた超音波探触子に関する。

〔発明の背景〕

生体の内部撮像に用いる超音波探触子では電気材料結合
係数が高く、音響インピーダンスが低い圧電材料を用い
ることが望しい。ところが、従来のポリフッ化ビニリデ
ン（ＰＶＤＦ）を代表とする有機圧電材料は電気機械結
合係数が低いという欠点があり、ジルコン・チタン酸鉛
（ＰＺＴ）やチタン酸鉛（ＰＴＯ）などを代表とする無
機圧電材料は音響インピーダンスが高いという欠点があ
ツタ。ＰＶＤＦやＰＺＴ（もしくはＰＴＯ）を用いた探
触子構成は、それぞれの圧電材料の特性に応じた構成が
ある（たとえば、ＰＶＤＦについては日本超音波医学会
講演論文集、３７、Ｐ２Ｓ５）。

しかし、ＰＶＤＦを用いた探触子は感度が低いという欠
点があり、ＰＺＴ（もしくはＰＴＯ）を用いた探触子は
パルスが長くなるという欠点がある。

最近、電子通信学会技術研究報告ＵＳ８３−３０に示さ
れたように、ＰＺＴなどの柱状圧電体を有機物中に多数
理め込んだ構成の複合圧電材料が開発され、その形式の
複合圧電材料で、電気機械結合係数が高＜　（ＰＺＴ以
上）、音響インピーダンスカ低い（ＰＶＤＦ並）圧電材
料を構成することが可能であるということがねかった。

さらに、この形式の複合圧電材料は柱状電体の体積分率
を変化させるなどすれば、従来の有機圧電材料から無機
圧電材料までの特性に近い圧電材料を実現することがで
きる。したがって、この形式の複合圧電材料を用いて、
ＰＶＤＦの特性を生かした探伝子構成とすれば、ＰＶＤ
Ｆを用いた探触子より高感度の探触子となり、ＰＺＴの
特性を生かした探触子構成とすれば、ＰＺＴを用いた探
触子より性能の優れた探触子となることが期待できる。

しかしながら、この複合圧電材料は、これまでの均一な
圧電材料とは異なり、柱状の圧電体が分布した不均一な
圧電材料となっている。したがって、この複合圧電材料
を用いてそれぞれの構成の高性能探触子を実現するため
には、複合圧電材料のその特殊性に応じた探触子構成を
配慮しなければならない。

本発明はこれらの点に鑑みてなされるもので、柱状圧電
体が多数有機物中に埋め込まれた形式の複合圧電材料を
用いた高性能探触子を実現する。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、柱状圧電体が有機物中に多数理め込ま
れた形式の複合圧電材料を用いた効果的な探触子構成を
明らかにし、高性能探触子を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明で対象としている複合圧電材料の構成を第１図に
示す。ＰＺＴなどの柱状圧電体１０１が有機物１０２に
多数理め込まれている。この加工は芝しく、従来では例
えばマテリアルズ・イン・エンジニアリング（Ｍａｔｅ
ｒｉａｌｓ　ｉｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）誌第１２
巻１９８０．第９９頁に示されるような有機物として硬
いエポキシを用いて小型の複合圧電材料しかなかった。

最近、新しい加工方法が考案され、大型複合圧電材料を
実現することができるようになった。さらに、有機物と
してエポキシばかりでなく、シリコンゴム、ポリウレタ
ンなども用いることができ、軟らかい有機物を用いフレ
キシブルな複合圧電材料も作ることが可能となっている
。この複合圧電材料は、圧電体の体積分率を変えること
により、種々の特性のものが得られる。たとえば、音響
インピーダンスについては、ＰＶＤＦ並のものからＰＺ
Ｔ程度までを自由に作ることが可能である。電気機械結
合係数は高いので、各種圧電材料に応じてすでに開発さ
れている構成の探触子を実現すれば、従来の圧電材料に
よるものよりも高感度となる。

しかしながら、対象とする複合圧電材料は第１回かられ
かる様に不均一であり、探触子を構成する場合この不均
一性に起因する次のような問題がある。

（１）複合圧電材料の背面の基板に対して、定められた
方向に柱状圧電体が配列されなければならない、ＰＺＴ
などは、その形状（たとえば凹面の平−素子）によって
探触子の音波送受波面の形状がすでに決まっている。ま
たＰＶＤＦはフレキシブルであるので、背面の基板によ
って探触子の送受波面の形状が決まるが、均一の圧電体
であるからこの形式の複合圧電材料はど難しくはない。

（２）音波送受波面が、同一振動に近い振動となる構成
としなければならない。

本発明では、複合圧電材料を用いた探触子における以上
の問題点および解決方法を見い出し特許化するものであ
る。この形式の複合圧電材料を用いた探触子では、昭和
５２年電気四学会連合大会、１１３、Ｐ３−１２９で示
されているＰＶＤＦを用いた探触子構成、あるいは、Ｐ
ＺＴなどを用いたすでに公知の探触子構成のほかに、複
合圧電材料の背面基板を所定形状とし、その背面基板の
硬度を複合圧電材料の有機物より硬くシ、さらにその背
面基板の硬度よりも、前面付加層の硬度を小さくした構
成により上記の問題を解決するものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の詳細な説明する。なお、ここでは簡単の
ため、単一素子探触子について述べるが、対象とする複
合圧電材料探触子は、多重リング探触子、アレーなどの
多素子探触子にも関連することは言うまでもない。

対象とする探触子構成を第２図に示す。

第２図（Ａ）、（Ｂ）はすでに日本超音波医学会講論集
、３７、Ｐ２Ｓ５などに示されているＰＶＤＦを代表と
する有機圧電材料を用いた探触子で、圧電体２０１の両
面に電極２０２，２０３があり、２０１の背面には２０
１より音響インピーダンスの大きな基板２０４があり、
さらに前面には付加層２０５がある。さらに、第２図（
Ｂ）においては、２０４．２０５の厚みは、駆動周波数
に対して、インピーダンスの小さな第２の基板２０６が
設けられている。後方からの反射をなくすために音波吸
収体２０７が設けられることもある。この形式の探触子
では、駆動周波数に対して、２０１の厚る。

第２図（Ｃ）はＰＺＴなどを用いた探触子で良く知られ
ている構成で、圧電体２０８の両面に電極２０９．２１
０があり、背面に音波吸収体を兼ねた基板２１１、前面
に付加層２１２が形成されている。通常、駆動周波数に
対して２０８の厚みはている。なお、２０４，２１１、
あるいは２０５゜２１２が導電性のものであれば、２０
２，２０９あるいは２０３，２１０の代りにこれらを用
いることも可能である。

複合圧電材料の密度ρは、柱状圧電体の密度をρ１、有
機物の密度をρ２とし、柱状圧電体の体積分率をｖｌで
表わすと、 ρ＝Ｖ工ρｔ＋（ｔ−ｖｉ）ρ２となる。複合圧電材料
の音速Ｃは、厚み振動の共振周波数をｆｒ、厚みをｔと
するとＣ＝２ｆｒｔで表わす。音響インピーダンスＺは
、前述の密度と音速を用い。

Ｚ＝ρｃ＝２（ｖ１ｐｔ＋（１ｖｔ）ｐｚ）ｆｒｔで表
わされる。

複合圧電材料の特性例を第３図に示す。第３図は柱状圧
電体の体積分率に対する複合圧電材料の電気機械結合係
数と音響インピーダンスを示している。なお、柱状圧電
体としてＰＺＴ（密度７．４ｘｌｏ３ｋｇ／ｍ）、有機
物としてポリウレタン（密度１．７７Ｘ１０’ｋｇ／耐
）を用い、柱状圧電体の幅Ｗと高さの比ｗ／ｌ＝０．５
とした。電気機械結合係数ｋｔは圧電材料の電気エネル
ギーと機械エネルギーの変換効率を表わし、複合圧電材
料のが高いほど高感度な圧電材料となる。また、生体の
音響インピーダンスは１．５Ｘ１０”ｋｇ／ＭＳ程度で
ある。したがって、探触子用圧電材料は電気機械結合係
数が高くかつ音響インピーダンスが生体に近いことが望
しい。第３図においては、ＰＺＴの体積分率が０．１〜
０．４の複合体重材料が非常に優れている。なお電子通
信学会技術研究報告ＵＳ８３−３０にも複合圧電材料の
特性が記されているが、本特許で示すほど明確にされて
いない。

ＰＶＤＦ、ＰＺＴの電気機械結合係数はそれぞれ０．２
，０．５で、音響インピーダンスはそれぞれ４．２Ｘ１
０”ｋｇ／ｍｓ、３５Ｘ１０　’ｋｇ／ｒｎ’ｓである
。第３図より、ＰＺＴの体積分率が０．１５のとき音響
インピーダンスはＰＶＤＦとほぼ同等で電気機械結合係
数は０．７程度となり、ＰＺＴの体積分率が０．９以上
であれば、音響インピーダンスはＰＺＴに近くなり電気
機械結合係数は０．６程度となる。このような複合圧電
材料を用いて、第２図の探触子を構返したところ、従来
の電圧材料によるものよりも高感度となった。

探触子は高感度、短パルスであること力１望しり為。

対象としている複合圧電材料は第１図のように不均一な
ため、所定の方向に柱状圧電体が配列され、かつ、音波
送受面が同一振動に近くなる構成としなければならない
。

以下、第１．２図を用いて説明する。

これらを満足する探触子構成としては、まず平面あるい
は凹面、凸面などの所定形状で、かつ、複合圧電材料の
有材物１０２より硬い背面基板２０４あるいは２１１に
、はとんど加圧することなく充分な接着力を有する接着
剤で接着することが必要となる。なぜなら、２０４，２
１１が１０２より軟らかいと、接着後、１０２の応力に
より２０４，２１１が変形し、柱状圧電体１０１の方向
がそろわなくなり、また、音波送受信特番こ１０２の変
位が２０４，２１１に作用し、送受波面が同一振動から
かけ離れた振動をするようになるからである。柱状圧電
体１０１は、充分硬くかつ接着時の加圧も少ないので、
はとんど変形せず、したがって２０４，２１１を変形さ
せることばないが、たとえば凹面接触子を作ったとすれ
ば、１０２中には複合圧電材料の脊面側に縮みの応力、
前面側には伸びの応力が生じ、２０４，２１１に作用す
る。

次に、付加層２０５，２１２が形成されるが、２０５．
２１２はそれぞれ２０４，２１１より軟らかくなければ
ならない。第４図は第２図（Ｃ）の構成について実験し
た例で、１０２の硬度は７０で、（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ
）、（Ｄ）は、２１１の硬度がそれぞれ７５，８８，９
５，９５で、２１１の硬度がそれぞれ９５，９５，９５
，６０の場合で、平板反射体からの反射波形である。硬
度測定はＪＩＳＡ規格にもとづき、大針後１０秒の値を
用いている。これかられかるように、２１１の硬度に対
し、２１２の硬度が低い場合の波形が非常に良く、他は
良くない、なお、２１２を形成する前の反射波形と比較
したところ、２１２により波形が改善されたのは（Ｄ）
の場合のみであった。このことは、２１２なしの場合は
２１２として水と同じ材質のものを用いたと等価である
ので、２１２の硬度が２１１より硬い場合より、２１２
の硬度が２１１より軟らかい場合の方が望ましいことを
示す例である。なお、第４図の実験では、２１２の音響
インピーダンスは、水と複合圧電材料の昔同様な結果と
なった。また付加層として一層の場合しか示さなかった
が、多層にすることも考えられる。その場合にも、２０
４，２１１などの背面基板より軟らかい付加層を用いる
ことが望しい。

また、第２図（Ｃ）の構成で、複合圧電材料を用いた場
合の２１１の音響特性は、２１１の音響インピーダンス
が複合圧電材料の有機物の音響インピーダンスと複合圧
電材料の音響インピーダンスの中間の値をとり、かつ２
１１の減衰が送受信する超音波の周波数において１５ｄ
Ｂ／ａｍ以上であることが望しい、複合圧電材料は機械
的Ｑ値が低い（ＵＳ８３−３０）という特長があり、そ
の利点を生かし比較的音響インピーダンスの小さい２１
１を用い、高感度で短いパルス波形を有する探触子を実
現できる。第２項（Ｃ）で２１２がない場合の探触子構
成において、複合圧電材料と従来材料としてＰＴＯを用
いた場合の比較を第５図に示す。（Ａ）は、音響インピ
ーダンスおよびＱ値がそれぞれ７．４　Ｘ　１０８ｋｇ
／ポＳ、２４で。

２１１（７）音１１インピーダンＸを２．２Ｘ１０’ｋ
ｇ／　ｒｒｆ　ｓとした場合の平板反射体からの反射波
形で、（Ｂ）は、音響インピーダンスおよびＱ値がそれ
ぞれ３４Ｘ１０’ｋｇ／ｍｓ、１０００程度のＰＴＯに
、音響インピーダンスが１ｏｘｌｏ”ｋｇ／ｍｓの２１
１を用いた場合の反射波形である。これらの探触子は、
圧電振動子と２１１の音響インピーダンスの比をほぼ同
一としている。これかられかるように、複合圧電材料は
Ｑ値が小さいので、短かいパルスとなっている。また、
２１１の音波減衰が小さいと、２１１を大きくしなけれ
ばならない。１５ｄＢ／ｃｍ程度でよい。減衰がさらに
大きければ、２１１を薄くできるので、それだけ小型の
探触子を実現できるという利点がある。

以上、単一素子の探触子について述べたが、多重リング
探触子、アレーなどの多素子探触子凹面。

凸面、鞍型等各種形状探触子にも適用できることは言う
までもない。また、これまでは、第１図のような形式の
複合圧電材料について述べてきたが、第１図とは逆に、
板状の圧電材料に穴が形成され、その穴に有機物が入っ
た形式の複合圧電材料にも適用できる。

〔発明の効果〕

発明によれば、１１合圧電材料による高性能探触子が簡
単に得られ、その工学的価値は多大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は複合圧電材料の模式図、第２図は本発明の対象
とした探触子構成図、第３図は複合圧電材料の特性例、
第４図は複合圧電材料による探触子の特性例で背面基板
と付加層の関係を示す図。 第５図は複合圧電材料と従来材料による探触子の特性比
較。 １０１・・・柱状圧電体、１０２・・・有機物、２０１
゜２０８・・・圧電材料、２０４，２０６，２１１・・
・反面基板、２０７・・・音波吸収体。 代理人　弁理士　小　川　勝　男 第　７　凶 菊　、２図 （Ａ）　　　　　　　　（Ｂ）　　　　　　　ＣＣ）Ｐ
ＡＴ惨槓分奉 躬４図 一σ炉〜　　　　　　　　　　　　　→／１４＞羊左図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、厚み方向に分極した圧電セラミックからなる領域と
   、有機物からなる領域とが板面方向で交互に分散して存
   在する板状の複合圧電材料と、該複合圧電材料の背面に
   設けられた基板と、該複合圧電材料の前面に設けられた
   付加層とを有し、該基板の硬度を該複合圧電材料の有機
   物より硬くしたことを特徴とする超音波探触子。 ２、第１項記載の基板と付加層において、基板より軟ら
   かい付加層を用いたことを特徴とする超音波探触子。 ３、第１項記載の基板の音響インピーダンスを、該複合
   圧電材料の音響インピーダンスより大きくし、かつ、該
   付加層の音響インピーダンスを、水の音響インピーダン
   スと該複合圧電材料の音響インピーダンスの間にしたこ
   とを特徴とする超音波探触子。 ４、第１項記載の基板の音響インピーダンスを、該複合
   圧電材料の有機物の音響インピーダンスと該複合圧電材
   料の音響インピーダンスの間にし、該基板の音波減衰が
   使用超音波において１５０ｄＢ／ｃｍ以上で、該付加層
   の音響インピーダンスを、水の音響インピーダンスと該
   複合圧電材料の音響インピーダンスの間にしたことを特
   徴とする超音波探触子。