JPH03270599A

JPH03270599A - 超音波探触子

Info

Publication number: JPH03270599A
Application number: JP2071084A
Authority: JP
Inventors: Takayoshi Saito; 孝悦斉藤; Yasushi Koishihara; 靖小石原; Fumika Shinoda; 篠田　ふみか
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1990-03-20
Filing date: 1990-03-20
Publication date: 1991-12-02

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、ソナーや超音波診断装置等のセンサーに用い
られる超音波探触子に関する。

従来の技術水や生体を対象としたソナーや超音波診断装置等の超音
波探触子に用いる圧電体の材料として、最近では圧電セ
ラミックスに不均一な厚さを持たせて広い周波数帯域を
得る構成の検討が行なわれている。一方、圧電体に設け
る電極の形状または吸音材によりサイドロープレベルを
低減して超音波ビームパターンを改良することにより、
高分解能の超音波画像を得ようとする方法の検討も行な
われている。

このような超音波探触子の例として、特開昭６１−７８
９４９号公報に記載のものがある。これは、第７図（Ａ
）に示すように、複数の振動子１をアレイ状に配列して
超音波ビームを制御する超音波探触子であり、各振動子
１の電極２の面積を変化させたり、第７図（Ｂ）に示す
ように、振動子３の背面に設ける吸音材４の厚さを変え
て重みづけ（アポダイジング）を行なうことにより、不
要となるサイドロープレベルを低下するようにしたもの
である。

発明が解決しようとする課題しかしながら、このような従来の超音波探触子は、アレ
イ状に配列した各振動子に対し電極の形状を考慮して超
音波ビームパターンを構成することは、製造技術上にお
いて非常に困難であり、また吸音材の厚さを変えて振動
子に重みづけすることは、実際問題としては不可能であ
るという問題があった。

本発明は、このような従来の問題を解決するものであり
、圧電体が広い周波数帯域特性を有し、圧電体に超音波
振幅分布を持たせて圧電体自身で重みづけを可能にさせ
ることにより、サイドロープレベルを低下させて超音波
画像を高分解能化できる優れた超音波探触子を提供する
ことを目的とする。

課題を解決するための手段本発明は、前記目的を達成するために、両端面に電極を
有し、中央部で電気機械結合係数が最も高く、周辺部に
行くにしたがって電気機械結合係数が徐々に小さくなる
ように複数の圧電体素子を配列して有機高分子材料によ
り結合した複合圧電体を備えたものである。両端面の電
極は、一方の端面に一方向に向いたあるいは同心円状の
アレイ電極を設け、他方の端面に共通電極を設けること
ができる。

作用本発明は、前記構成により、複合圧電体自身で超音波ビ
ームの振幅の強さを調整して重みづけをすることができ
るため、サイドロープレベルを低減した超音波ビームパ
ターンを形成して分解能の高い超音波画像を得ることが
できる。

実施例以下、本発明の好ましい実施例について図面を参照して
説明する。

実施例１第１図は本発明の各実施例に用いられる複合圧電体の基
本構造を示す概略斜視図、第２図は第１図に示した複合
圧電体の断面図である。第１図および第２図において、
１１は複合圧電体であり、１２は複数の圧電体素子であ
り、周波数定数の興なる同じ長さおよび大きさの四角柱
の圧電体素子１２ａおよび１２ｂを直交方向に互いに交
互に並べたものである。１３はこれら圧電体素子１２ａ
および１２ｂの間に充填されてこれらを互いに結合する
有機高分子材料であり、例えばシリコーンゴム、エポキ
シ樹脂、ポリウレタン樹脂等が使用される。１４．１５
は圧電体素子１２のそれぞれの端面に設けられた電極で
あり、めっき、蒸着、焼き付は等の方法により設けられ
る。各圧電体素子１２ａおよび１２ｂは、その両端面を
揃えられてその両端面に電極１４．１５が設けられるこ
とにより一次元の繋がりを有する。有機高分子材料１３
は、各圧電体素子１２同士の間隙に充填されることによ
り、三次元の繋がりを有する。そしてこれら電極１４．
１５に電圧を印加することにより、複合圧電体１１が機
械振動して、厚さｔに対応した周波数の超音波を発生さ
せる。

このような複数の圧電体素子を有機高分子材料で一体に
結合した複合圧・電体は、いわゆる１−３型と呼ばれ、
例えば文献（Ｐｒｏｃ、ＩＥＥＥ、１９８５　、　Ｕｌ
ｔｏｒａｓｏｎｉｃｓ　Ｓｙｍｐ、　ｐ６４３−ｐ６４
７　）において公知であるが、従来のものは各圧電体素
子が同じ周波数定数を有するのに対し、本実施例におけ
る複合圧電体１１は、各圧電体素子１２が異なる周波数
定数を有しており、さらに周波数定数の異なる各圧電体
素子１２ａおよび１２ｂが二次元平面において互いに交
互に配列されているので、周波数帯域がより広くなり、
より短いパルスを得て、より高分解能の超音波画像を得
ることができる。なお、周波数定数は２種類以上異なっ
ていても良く、その配列も規則的でなくとも良い。

第３図および第４図は、このような構造の複合圧電体を
用いた本発明による超音波探触子の第１の実施例を示し
ている。第３図および第４図において、２１は前記した
基本構造と同様な構成を有する複合圧電体、２２は一次
元の繋がりを有して直線状に配列された電気機械結合係
数の異なる四角柱の複数の圧電体素子、２３は各圧電体
素子２２の間隙に充填された三次元の繋がりを有するシ
リコーンゴム、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂等の有
機高分子材料、２４は各圧電体素子２２の一方の端面に
めっき、蒸着、焼き付は等の方法により設けられた複数
列に配列されたアレイ電極、２５は、各圧電体素子２２
の他方の端面に設けられた共通電極である。２６は共通
電極２５側に設けられて超音波を効率良く伝搬させるた
めの音響整合層、２７は音響整合層２６側に設けられた
超音波ビームを集束するための音響レンズである。

この音響レンズ２７は必要に応じて設けられる。

２８はアレイ電極２４側に設けられて超音波を吸収する
とともに複合圧電体２１を保持するための背面負荷材で
ある。

このような複合圧電体２１の構成は、いわゆるアレイ配
列型超音波探触子に用いられているものと同様であり、
その動作方法も同様である。すなわち、複合圧電体２１
に設けられた複数個のアレイ電極２４ａ、２４ｂ、２４
ｃ、＝２４ｎをある群だけ時間差を付けて電圧を印加し
、発生した超音波をある距離に収束させてこれを１チヤ
ンネルずつ走査させ、それぞれ生体内から反射してきた
超音波を受信し、これを画像処理してデイスプレィ上に
リアルタイムに表示して診断するものである。

この複合圧電体２１をアレイ電極２４の配列方向に対し
て直角をなす方向に切断したのが第４図に示す断面図で
あり、この方向に電気機械結合係数の異なる圧電体素子
２２を配列する。すなわち、中央部Ａに電気機械結合係
数の最も高い圧電体素子２２ａを配列し、周辺部ＢＳＣ
に行くにしたがって電気機械結合係数が徐々に小さくな
るように、それぞれ圧電体素子２２ｂ、２２ｃを配列す
る。

これら電気機械結合係数の異なる３種類の圧電体素子２
２ａ、２２ｂ、２２ｃは、例えば中央部Ａの圧電体素子
２２ａとしては東北金属社のＰＺＴ系の圧電セラミック
スＮ−２１（電気機械結合係数に３３＝０．７３）、そ
の外側部分Ｂの圧電体素子２２ｂとしては、同じく東北
金属社のＰＺＴ系の圧電セラミックスＮ−８（電気機械
結合係数に３３＝０．６７）、最外側部Ｃの圧電体素子
２２ｃとしては、東芝セラミックス社のＰｂＴｉＱｍ系
の圧電セラミックスＣ−２４（電気機械結合係数に３３
＝０．５４）を用い、各圧電体素子２２ａ、２２ｂ、２
２ｃの間隙にシリコーンゴム、エポキシ樹脂、ポリウレ
タン樹脂等の有機高分子材料２３を充填して複合圧電体
２１を構成する。

このように構成することにより、中央部Ａの圧電体素子
２２ａから発生する超音波の放射振幅は、電気機械結合
係数が高い分だけ高くなり、周辺部Ｂ、Ｃに行くにつれ
て超音波の放射振幅が電気機械結合係数に対応して小さ
くなる。このため、アレイ電極２４の配列方向に対して
直角な方向に振幅の重みづけ（アポダイジング）を行な
うことができ、サイドロープレベルを小さくして分解能
の高い超音波画像を得ることができる。

なお、本実施例１においては、電気機械結合係数の具な
る３種類の圧電体素子２２ａ、２２ｂ。

２２ｃとして圧電セラミックスを用いた場合について説
明したが、その他に圧電セラミックスとＬＩＮｂＯａ、
ＬｉＴａＯ３等の単結晶またはポーラスな圧電セラミッ
クス等を組み合わせた圧電体材料を用いても同様な効果
が得られる。また、電気機械結合係数は、３種類でなく
、２種類または４種類以上であっても良い。

また本実施例１においては、電極がアレイ電極２４によ
り複数個に配列されたアレイ型超音波探触子の例として
説明したが、アレイ電極２４だけでなく複合圧電体２１
もアレイ電極２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、・・・２４ｎと
同じ間隔に切断分割してアレイ状に配列させても同様な
効果が得られる。

実施例２次に、本発明の第２の実施例について第５図および第６
図を参照して説明する。第５図および第６図において、
３１は前記した基本構造と同様な構成を有する複合圧電
体であり、３２は一次元の繋がりを有して電気機械結合
係数の異なるごとにグループ分けされて同心円状に配列
された四角柱の複数の圧電体素子であり、３３は各圧電
体素子３２の間隙に充填された三次元の繋がりを有する
シリコーンゴム、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂等の
有機高分子材料であり、３４はグループ分けされた各圧
電体素子３２ごとに一方の端面に同心円状にめっき、蒸
着、焼き付は等の方法により設けられたアレイ電極であ
り、３５は各圧電体素子３２の他方の端面に設けられた
共通電極である。３６は共通電極３５側に設けられて超
音波を効率良く伝搬させるための音響整合層、３７はア
レイ電極３４側に設けられて超音波を吸収するとともに
複合電体３１を保持するための背面負荷材である。各圧
電体素子３２としては、ＰＺＴ系、ＰｂＴｉＯ３系等の
圧電セラミックスが用いられている。

アレイ電極３４は、同心円状に複数個配列された電極３
４ａ、３４ｂ、３４ｃ、　・−３４ｎからなり、これら
各電極３４にほぼ対応して、電気機械結合係数の興なる
圧電体素子３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、・・・３２ｎがグ
ループ分けして配列されている。すなわち、電極３４ａ
に対応する中央部Ａに電気機械結合係数の値が最も高い
圧電体素子３２ａが配置され、周辺部に行くにしたがっ
て電気機械結合係数の値が徐々に小さくなるように、そ
れぞれ圧電体素子３２ｂ、３２ｃ、・・・３２ｎが配列
されている。

このように構成された超音波探触子は、いわゆるアニユ
ラ−アレイ型超音波探触子であり、複合圧電体３１の各
アレイ電極３４に同じ電圧を印加すると、中央部Ａから
は超音波の放射振幅が最も大きく、周辺部に行くにした
がって超音波の放射振幅が徐々に小さくなった超音波振
幅分布を持たせることができる。したがって、半径方向
のどの方向においても振幅に重みっけをすることができ
、サイドローブレベルを小さくして高分解能の超音波画
像を得ることができる。

なお、本実施例２においては、電気機械結合係数の異な
る圧電体素子として圧電セラミックスを用いた場合につ
いて説明したが、その他に圧電セラミックスとＬｉＮｂ
Ｏ３、ＬｉＴａＯ３等の単結晶またはポーラスな圧電セ
ラミックス等を組み合わせた圧電体材料を用いても同様
な効果が得られる。

また、本実施例２においては、複合圧電体３１に設けた
アレイ電極３４に対応して電気機械結合係数の興なる圧
電体素子３２を配列した構成を示したが、各圧電体素子
３２の電気機械結合係数は各アレイ電極３４に対応しな
くても良く、要は中央部から周辺部にかけて電気機械結
合係数が徐々に小さくなるように、各圧電体素子を配列
すれば良い。

発明の効果以上の説明から明らかなように、本発明は、両端面に電
極を有し、中央部で電気機械結合係数が最も高く、周辺
部に行くにしたがって電気機械結合係数が徐々に小さく
なるように複数の圧電体素子を配列して有機高分子材料
により結合した複合圧電体を備えているので、超音波の
放射振幅が中央部で高く、周辺部に行くにしたがって徐
々に小さくなった振幅分布を持たせることができ、サイ
ドローブレベルを低減した超音波ビームにより高分解能
の超音波画像を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の各実施例における複合圧電体の基本構
造を示す概略斜視図、第２図は同複合圧電体の断面図、
第３図は本発明の第１の実施例を示す超音波探触子の概
略斜視図、第４図は第３図に示す超音波探触子の断面図
、第５図は本発明の第２の実施例を示す超音波探触子の
概略平面図、第６図は第５図に示す超音波探触子の断面
図、第７図は従来の超音波探触子の一例を振幅分布とと
もに示す概略斜視図（Ａ）と概略断面図（Ｂ）である。１１．２１．３１・・・複合圧電体、１２．２２゜３２
・・・圧電体素子、１３．２３．３３・・・有機高分子
材料、１４．１５・・・電極、２４．３４・・・アレイ
電極、２５．３５・・・共通電極、２６．３６・・・音
響整合層、２７・・・音響レンズ、２８．３７・・・背
面負荷材。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）両端面に電極を有し、中央部で電気機械結合係数
が最も高く、周辺部に行くにしたがって電気機械結合係
数が徐々に小さくなるように複数の圧電体素子を配列し
て有機高分子材料により結合した複合圧電体を備えたこ
とを特徴とする超音波探触子。
（２）各圧電体素子が一次元の繋がりを有し、有機高分
子材料が三次元の繋がりを有することを特徴とする請求
項（１）記載の超音波探触子。
（３）各圧電体素子が圧電セラミックスであることを特
徴とする請求項（２）記載の超音波探触子。
（４）各圧電体素子の周波数定数が２種類以上異なって
いることを特徴とする請求項（１）から（３）のいずれ
かに記載の超音波探触子。
（５）中央部で電気機械結合係数が最も高く、周辺部に
行くにしたがって電気機械結合係数が徐々に小さくなる
ように複数の圧電体素子を直線状に配列して有機高分子
材料により結合した複合圧電体を備え、前記複合圧電体
をその圧電体素子の配列方向に直角な方向に並べてその
一方の端面に複数のアレイ電極をその並べた方向に設け
、他方の端面に共通電極を設けたことを特徴とする超音
波探触子。
（６）各圧電体素子が一次元の繋がりを有し、有機高分
子材料が三次元の繋がりを有することを特徴とする請求
項（５）記載の超音波探触子。
（７）各圧電体素子が圧電セラミックスであることを特
徴とする請求項（６）記載の超音波探触子。
（８）各圧電体素子の周波数定数が２種類以上異なって
いることを特徴とする請求項（５）から（７）のいずれ
かに記載の超音波探触子。
（９）中央部で電気機械結合係数が最も高く、周辺部に
行くにしたがって電気機械結合係数が徐々に小さくなる
ようにグループ分けした複数の圧電体素子を同心円状に
配列して有機高分子材料により結合した複合圧電体を備
え、前記複合圧電体の一方の端面に前記グループ分けし
た圧電体素子に対応して複数のアレイ電極を同心円状に
設け、他方の端面に共通電極を設けたことを特徴とする
超音波探触子。
（１０）各圧電体素子が一次元の繋がりを有し、有機高
分子材料が三次元の繋がりを有することを特徴とする請
求項（９）記載の超音波探触子。
（１１）各圧電体素子が圧電セラミックスであることを
特徴とする請求項（１０）記載の超音波探触子。
（１２）各圧電体素子の周波数定数が２種類以上異なっ
ていることを特徴とする請求項（９）から（１１）のい
ずれかに記載の超音波探触子。