JPS6169299A - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は医用超音波診断装置等において使用され、超音
波の送°受波を行なう超音波探触子に関するものである
。

（従来技術） 一般に超音波探触子の圧電変換子材料はジルコン・チタ
ン酸鉛系の圧電材料が用いられている。

これらの材料では縦波変換子として使用する場合に横効
果の結合係数に３１が０．２〜０．３と大きく、このた
め不要振動が発生しやすく、良好な特性を得ることが難
かしかった。特に超音波診断装置等で使用されるプレイ
形探触子では、横効果による不要撮動を避けるため、第
６図に示すように矩形板状撮動子６１の板厚Ｔに対する
幅寸法Ｗの比Ｗ／Ｔを０．６以下にする必要があ夛、探
触子の高周波化を行う場合、振動子の幅が小さくなり製
造が困難になるという問題があっ念。第６図に末１′一
般の超音波探触子の構成について説明すると６１は電気
機械エネルギー変換を行なうジルコン・チタン酸鉛系の
圧電セラミックスでできた矩形板状変換子である。６２
．６３は音響整合層であり、圧電セラミックスと音響イ
ンピーダンスの大幅に異なる被検体（人体、水、あるい
は鉄＠）の音響インピーダンス整合をとるために設けら
れたものであシ、探か子の広帯域、低損失化に寄与する
ものである。

整合層の音響インピーダンスは、通常、圧電セラミック
スと被検体の音響インピーダンスの中間の値に設定され
る。全体のＩ（ｑ成は所定の間隔をおいて配置される複
数の矩形板状振動子６１の上に音響整合層６２．６３が
形成された構成である。

一方、本多、山下、内田による「チタン酸鉛系圧電セラ
ミック材を用いた超音波探触子」（電子通信学会技術研
究報告ＵＳ８１−２０（１９８１年））あるいは竹内、
中谷、定村によるｒ　ＰｂＴｉＯｓ系セラミックスの高
周波超音波探触子への応用Ｊ（を子通信学会技術研究報
告ＵＳ８４−７（１９８４年））においてＰｂＴｉＯｓ
系圧電セラミック材料を用いた探触子が従来のジルコン
・チタン酸鉛を用いたものよシ優れていることが述べら
れている。即ち、ｐｂ’ｒｔｏｓ系圧電セラミックス材
料では横効果の結合係数が著しく小さいことによシ、不
要振動が激減し、この材料を超音波探触子に応用した場
合、横効果による振動エネルギーは相当弱く実際に利用
する厚みたて振動に殆んど影響を与えることのない理想
に近い送受波特性が期待できるとしている。ＰｂＴｉ０
．系圧電セラミックスは、Ｗ／Ｔが０．６以下では勿論
のこととくにＷ／Ｔが１．２〜２．０においてもスプリ
アスの出ない良好な厚みたて振動特性が得られ、矩形板
状振動子音用いたアレイ形探触子の高周波化をはかる場
合極めて有利なものとなっている。

（従来技術の問題点） 前記の如＜　ＰｂＴｉＯｓ系圧電セラミックスは電気機
械結合係数の異方性が大きく、実際に利用する厚みたて
結合係数に、がα５０以上で横効果の結合係数Ｋｍｌが
０．０５以下のものが得られ、超音波探触子の材料とし
て極めて優れた材料であるとされているが、しかし誘電
率ε＝／ε。が２００程度しかなく、ジルコン・チタン
酸鉛系圧電セラミックス約１０分の１にすぎない。とく
に電子走査方式のアレイ形探触子では電極面積が小さく
なシ、ＰｂＴｉ０．系圧電セラミックスを用いた場合ε
１．／ε０が小さいため探触子のインピーダンスはジル
コン・チタン酸鉛系圧電セラミックスを用いた探触子と
比べて１０倍程度大きくなる。超音波探触子は通常、ケ
ーブルを介して診断装置本体と結合されるために、　Ｐ
ｂＴｉ０．系圧電セラミックスのように誘電率の小さな
材料であれば、第１にケーブルの容量の影響金うけてＳ
／Ｎ比が劣化するという欠点がある。第２にｐｂ’ｒｔ
ｏ、系圧電セラミックスでは誘′を率が小さいことによ
シ圧電ｄ定数も小さいわけであるから、駆動電圧を高く
しなければ十分な振動振幅が得られないという欠点があ
る。即ち、ＰｂＴｉＯ３系圧゛電セ糸玉ックスではこの
ような欠点があるため探触子実用化の障害となっていた
。

（発明の目的） 本発明はＰｂＴｉＯｓ系圧電セラミックスの有する上記
諸欠点を解消しインピーダンスが小さく、スプリアス特
性に優れ、また実効的な電気機械結合係数の大きな超音
波探触子を得ることを目的とするものである。

（発明の構成） すなわち本発明は２以上のｐｂ’ｒｔｏｓ系圧電セラミ
ック層と２以上の内部電極層とが交互に積層された積層
体であって、該積層体の積層方向に垂直な２面及び他の
２ＩｌｌｌＩ面に２つの外部電極が形成されておｐ、各
内部電極は一層おきに前記積層体の側面で一方の外部電
極と接続しており、２つの平面状電極にはさまれたＰｂ
Ｔｉ０．系圧電セラミック層は積層方向に文旦に逆向き
に分極されており、当該セラミックの厚さは積層方向の
表面に近い層がこれよシ内部の層に比べ厚い４Ｍ造を有
する圧電変換子と、該圧電変換子の積層方向に垂直な一
方の面に形成された音響整合層とを備えたことを特徴と
する超音波探触子である。

（構成の詳側な説明） 本発明のＰｂＴｉＯ３系圧電セラミックスを用いた超音
波探触子は、上記の如くセラミックス内部に電極を有す
る構成とすることにより従来技術の諸問題を解決してい
る。以下、図面に従って説明する。

第２図は本発明の探触子に用いるＰｂＴｉ０．系圧電セ
ラミック変換子のグリーンシートの状態における積層構
造の一例を示したもので、以下、変換子の構造及び製造
方法の例について詳述する。第２図において２０は有機
バインダとＰｂＴｉＯ３系セラミックス粉末からなるグ
リーンシートであり、また２１は導電ペーストで、焼成
後内部り１極となるものである。このようなグリーンシ
ートを図のように積層し、圧着してグリーンシート積層
体とする。

この場合電極２１は一層おきに電気端子を並列に取り出
すことができるように、４戒ペーストが塗布されていな
いギャップ部分２２が残されている。

次に前記グリーンシート積層体を焼成する。然る後第３
図に示すように焼成されたＰｂＴｉ０．系セラー・ミ・
り積層体の積層方向に垂直な２面及びｙ′面に平行な２
側面に焼付あるいは蒸着、メッキ等の方法で電極を施す
。この場合は５層の構造となっているが、それ以外の３
層あるいは４層、６層等の構造であっても良い。第３図
において３０はＰｂＴｉ０．系圧電セラミックス、３１
は内部電極。

３２．３２’は焼成後に設けられた電極である。外部通
極３２．３２’間に直流高電界を加えて分極を行ないＰ
ｂＴｉ０．系セラミックの各層を分極し、圧心性を付与
するわけであるが、このとき各層間に十分な電圧が加わ
シ、かつ分極時にセラミックスに割れが入らないように
層厚ｄｒｒｌ！、ｃヲギャップｔ。

ｔ′よシ小さく設定することが望ましい。また第３図に
おいて、矢印は分極方向を示す。アレイ形探触子に用い
られる圧電変換子は第３図のｘｚ面【平行にｙ方向に向
かって切断することＫより容易に得ることができる。

第３図に例示するように、本発明による変換子では圧電
セラミック層の厚さは積層方向の表面に近い層がこれよ
り内部の層〈比べ厚い。すなわち厚み方向の中心部４ど
密な間隔に電極が設けられている。この構造の変換子は
以下のような従来にない長所を有する。まず第１Ｋ本発
明における圧電変換子は実効的な電気機械結合係数ｋｅ
ｆｆを太きくさせることができるという点である。電気
機械結合係数Ｋ。ｆｆ０２乗は電気的入力エネルギーに
対する機械振動エネルギーの比で定義され、これは別の
表現として次式で表わされる。

念だし ｆｒ：共振周波数 ｆａ；反共撮周波数 従って、本発明における変換子は共振反共振周波数差ｆ
ａ−ｆｒｔ−大きくすることができる変換子であると言
える。

第２に本発明における変換子の電極間隔が等間隔でない
という構造上、電極が等間隔となるな、すなわち各圧電
セラミック層の等しい変換子よシもインピーダンスの小
さな変換子を得ることができるという点である。もちろ
ん内部電極のない通常の圧電セラミック単板型変換子に
比べて遥かに小さなインピーダンスが実現できる。等間
隔に電極が設けられた積層変換子について説明すると、
ｎ層構造の変換子であれば単純な計算により！極が並列
に接続されることによシ笑効的な面積はｎ倍近くまでな
り、さらに電極間隔が板厚のｎ分の１となるわけである
から、単板に比べてｎ倍近くの自由容量が得られる。こ
のような多層構造によりｋｅｆｆが損なわれることが全
くないわけであるから、ｎ層構造の等間隔電極を有する
変換子のインピーダンスの約ｎ２分の１に減少する。さ
らに、この変換子に比べて本発明の変換子は嘔らに大き
な自由容量とｋｅｆｆが得られる。また、これはとりも
なおすｆ　ＰｂＴ　ｉｏ　、系セラミックスの誘′心率
をε、。

としたとき１、等電極間隔で積層した変換子の実効的な
誘電率’に、７．（変換子の両主面にのみ′１極がある
ものとして換算しに誘電率）は、３層の場合では約９ξ
１５，４層では約１６６５５．５層では約２５ｅＳｍｅ
ｎ層では約ｎ６５．と積層数の２乗に比例するわけであ
るが、本発明に従う変換子ではこれよ簀Ｔ シε１．が大きくなる。

従って本発明に従った変換子は、従来のジルコン・チタ
ン酸鉛系圧電セラミックスでできた変換子と比べて３層
以上もあれば同等以上の実効的な比誘電率が得られ、換
言すると同等以下の小さなインピーダンスが得られるわ
けであるＣ、また本発明く従った変換子はＰｂＴｉ０３
系圧電セラミツクスを使用しているわけであるから本質
的に不要振動が少く良好な厚みたて共振応答が得られる
という長所を有する。

一方、本発明による変換子では、最も厚い圧電セラミッ
ク層の厚みｄｒｎ□は最も薄い圧電セラミック層の厚み
ｄ、の３倍以下とすることが望ましい。これはｋｅ、ｆ
を大きくするためＫ、変換子全体が均一に飽和分極まで
分極された方が良いからである。ＰｂＴｉ０１系圧電セ
ラミツクスは、ジルコン・チタン酸鉛系圧電セラミック
スに比べて分極電界の閾値が高く、少なくとも３　Ｋ’
／／　ｍｍ程度の′電界、・　　　　９６“１１６・４
−・・ゝ°“ｆｃＧ５１ｉ！Ｌ＊ｔｌＨｔ？・すべてを
飽和分極近くまで分極を行おうとすると電極間隔が最も
密な部分における電界強度が１０ＫＶ／　ｍｙを越える
可能性があシ絶縁破壊を招く恐れがあるからである。

（実施例） 本発明ｌＣ２く超音波探触子の一実施例として、第１図
（７）、（イ）に示す三重整合層を有する中心周波数３
．５　ＭＨｚのりニアアレイ医用超音波探触子について
述べる。第１図（７）は該探触子の側面図、第１図（イ
）は同断面図である９本英施例では、圧電変換子１０は
５層の積層構造となっておシ、Ｐｂ０．８５ψａｏＬＩ
ＳＴｌｏ、ｓｓ（Ｍｌ’ｋ”／３Ｓｂ２／３）、ｏ５Ｑ
、なる組成の圧電セラミックス内部に電極３１が埋め込
まれた構造となっている。製造は前述のグリーンシート
を用いる方法で行なった。分極は外部電極３２．３２’
間に直流高電界を印加することで行われた。本変換子は
厚み方向の中央部分はど密に−＋［１ｆｆｉが配されて
いるが、実効的゛ユ気機械結合係数Ｋｅｆｆが０．５４
６．実効的な比誘電率ε３３／ε。が５０３２と、等間
隔に電極が配された変換子に比べてｋｅｆ　ｆで７％、
ε１．／ε。

で２０％の増加がみられた。１１．１２．１３は音響整
合層、４４はバッキングである。音響整合層は共振波長
の約４分の１に調整した。１１は音響インピーダンス１
．９２　Ｘ　１０’　Ｋｑ　ｍ／ｓａ−のウレタン樹脂
。

１２はエポキシ樹脂に石英ガラス微粉末を適量配合した
もので音響インピーダンス４．１２　Ｘ　１０’　Ｋｐ
ｍ／ｓｅｅ、１３は音響インピーダンス１４．２ｘｌＯ
’Ｋｐｍ／（３）の光学ガラスである。作製した１個の
圧電変換子の形状は０．６層ｍＸ０．３ｒｖＸ　１３ｍ
ｍである。該変換子を所定の間隔ｔ−おいて配列し、長
さが約１０〜１３６ｎのりニアアレイ状に溝成し探触子
とした。

次に本発明に従う探触子を用いて、水中３ｃＩｎに置か
れたＭ反射板に向かって戻ってくる超音波を同じ探触子
で受波したときの周波数特性（ｒｏｕｎｄｔｒｉｐ　１
ｎｓｅｒｔｉｏｎ　１ｏｓｓ特性）ｔ−第４図に実線で
示す。圧電変換子の部分だけジルコン・チタン酸鉛系圧
電セラミックの単板製探触子を用いた従来の探触子の周
波数特性を第４図に点線で示す。通過域特性は両者とも
同等の特性を示しているが、帯域外において従来のジル
コン・チタン酸鉛系圧電セラミックスを用いた探触子で
は横効果のスプリアスのため大きなリップルが認められ
る。さらに両探触子の分解能を試験するため釦生体と同
等の超音波減衰特性（０，７ｄＢ／α／ＭＨｚ）並びに
音響インピーダンスを有するゲル状物質中に所定間隔に
埋め込まれた直径０．３ｆｌのナイロン線がどの程度ま
で分解されて見えるかを評画し友。従来の探触子では深
さ１２６ｎのところでせいぜい１．０　ｍｍ間隔に埋め
込まれたナイロン線が見えたにすぎないが、本発明に従
っ乏探触子では０．７闘間隔に埋め込まれたナイロン線
をはっき）分離して観ることができた。

本発明に従う他の実施列として、グリーンシート表面全
体にギャップ２２全残さずに導゛ｄペーストを塗夛、然
る後第２図と同様に、＠層し、圧着。

焼成を行な−いＰｂＴｉ０．系セラミック積層体を製造
する。さらに積層体側面に絶縁物５１を形成し外部電極
３２．３２’を設け、３２．３２’間に直流高電界を印
加し分極を行う。このようＫして第５図に示すように内
部℃砥が幅いっばいに広がった形状の圧電変換子を得る
ことができる。第５図に示した圧電変換子はギャップ２
２がないためにその分だけ第３図に示した変換子と比べ
て若千インピ−ダンスを低下させることができる。第５
図に示した圧填変換子を用いて第１図に示したような３
重整合層を有する探触子ｔ−製造したところ、第４図の
実線で示した特性と同等のものが得られ友。

このように内部電極が重なる長さは圧１変換子の長さと
同程度（少なくとも８０％以上）が望まし−０ （発明の効果） 以上述べた如く、本発明に従っ念探触子は、ＰｂＴｉＯ
ｓ系圧電セラミックス固有の特長である横効果によるス
プリアス撮動のエネルギーが極めて小さいと騒う長所を
保持しつつ、しかもこのセラミックスの誘を率が小さく
、このためケーブルの容量を受けやすいといった欠点を
消滅させることができ、更に実効的な電気機械結合係数
Ｋｅｆｆを大きくすることができると旨う優れた特長を
有す／１　　　　るものであシ、従来の探触子と比べて
分解能の優れた探神子を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（イ）、Ｈ）は本発明の一実施列を示す超音波探
触子の概略図。第２図は本発明の探触子に用いる圧電変
換子部分の積層構造の列を示す図、第３図は本発明にお
ける積層圧電変換子の一列を示す斜視図、第４図は超音
波探触子の周波数特性図、第５図は本発明の他の実施例
を示す図、第６図は従来の超音波探触子の概略図。 図にお込て１０は積層圧電変換子、１１．１２゜１３は
音響整合層、工４はバッキング、２０はグリーンシー）
、２１は導’！ペースト、２２はギャップ、３０はＰｂ
Ｔｉ０．系圧電セラミックス、３１は内部電極、３．２
．３２’は外部゛電極、５１は絶縁物、６１は矩形板状
変換子、６２．６３は音響整合層、矢印は分極の向きを
示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ２以上のＰｂＴｉＯ＿３系圧電セラミック層と２以上の
   内部電極層とが交互に積層された積層体であって、該積
   層体の積層方向に垂直な２面及び他の２側面に２つの外
   部電極が形成されており、各内部電極は一層おきに前記
   積層体の側面で一方の外部電極と接続しており、２つの
   平面状電極にはさまれたＰｂＴｉＯ＿３系圧電セラミッ
   ク層は積層方向に交互に逆向きに分極されており、当該
   セラミックの厚さは積層方向の表面に近い層がこれより
   内部の層に比べ厚い構造を有する圧電変換子と、該圧電
   変換子の積層方向に垂直な一方の面に形成された音響整
   合層とを備えたことを特徴とする超音波探触子。