JPH04211599A - 超音波プローブおよびその製造方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波検査装置などに
利用される超音波プローブ（探触子）に係わり、特に積
層圧電素子により構成される超音波プローブに関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波プローブは、圧電素子を主体とし
て構成され、超音波を対象物に向けて照射し、その対象
物における音響インピーダンスの異なる界面からの反射
波を受信することにより、対象物の内部状態を表わす画
像を映像化するために用いられる。このような超音波プ
ローブが採用された超音波画像装置には、例えば、人体
内部を検査する為の医療用診断装置および金属溶接内部
の探傷を目的とする検査装置などがあげられる。

【０００３】医療用診断装置においては、人体の断層像
（Ｂモード像）の撮像表示に加え、心臓，肝臓，頸動脈
などを対象にドップラー効果を利用して血流の速度を２
次元でカラー表示することが可能な『カラー・フローマ
ッピング（ＣＦＭ）法』の開発により、その診断機能は
飛躍的に向上した。近年このＣＦＭ法は、子宮や腎臓，
膵臓など、人体のあらゆる臓器，器官の診断の為に用い
られ、今後においては、冠血流の動きまでも観察できる
ような診断装置の研究が各病院，その他施設により行わ
れている。

【０００４】Ｂモード像の場合は、身体的変化による小
さな病変や空隙が明瞭に深部まで観ることのできる高分
解能の画像が高感度に得られることが要求されている。 一方、ＣＦＭ像などを得ることができるドップラーモー
ドの場合は、直径が数μｍ程度の微小な血球からの反射
エコーを用いる故に、前述のＢモードの場合に比べて得
られる信号のレベルは小さいので、さらに高感度化が要
求される。そこで一般的には、ドップラーモードにおけ
るレファレンス周波数は、超音波プローブが元来もつ周
波数帯域の内で、その中心周波数よりも低い周波数に設
定されている。この理由は、生体の超音波減衰によるＳ
／Ｎ（比）の低下の影響を抑えるために減衰の少ない低
周波成分を用いている故である。よって、もし仮に１つ
の超音波プローブによって２種類の周波数成分をもつ超
音波が両方共に送受信できるとするならば、高周波成分
においては高分解能のＢモード像を、低周波成分におい
ては高感度のドップラー像を得ることが可能となる。こ
のような装置を実現するために、１つの超音波プローブ
・ヘッド内に共振周波数の異なる２種類の振動子が設置
された『デュプレクス型超音波プローブ』が各メーカー
より製造販売されている。しかし、この種の超音波プロ
ーブは異なる複数の振動子が用いられている故に、超音
波の送受信面が異なり、同一の断層像を観察することが
できないという不具合があった。

【０００５】そこで、特開昭６０−４１３９９号公報に
開示されている構成の積層圧電素子を用いることにより
、１つの振動子により２種類の周波数帯域の超音波を送
受信させる方法が提案された。すなわち、超音波プロー
ブ・ヘッドと駆動パルス幅およびフィルタとの組合わせ
によって２種類の周波数帯域を分離することが可能とな
り、その結果、２つの周波数成分のうち、高周波成分に
よりＢモード信号が、低周波成分によりドップラー信号
が、それぞれ独立に獲得することが可能になった。しか
し、このような構成の超音波プローブにおいても、１枚
の圧電素子のもつ電気機械変換効率がほぼ等分に分割さ
れているため、高周波側の周波数帯域が狭くなり、エコ
ー信号の尾引き（波連長）が長くなる。この結果として
、上記の高周波成分により高分解能のＢモード像を獲得
しようとしているにもかかわらず、その分解能は期待さ
れる程には改善されない。さらに、周波数帯域が狭くな
ると低域成分も減少する傾向がある故に、そのＳ／Ｎ（
比）が低下してペネトレーション不足が起る。この原因
は、生体深部からのエコー信号の周波数成分が、送信さ
れた超音波の中心周波数よりも低い成分を主体としてい
る故である。良好なＢモード像を得る為に要求される比
帯域は４０％以上であるが、例えば、単層構成圧電素子
を用いた場合、−６ｄＢの比帯域幅は、１層マッチング
によれば中心周波数の４０〜５０％であり，２層マッチ
ングによれば中心周波数の６０〜７０％である。これに
対し、前記の構成の積層圧電素子を用いた場合は、１層
マッチングによれば２５％、２層マッチングによれば３
５％となる。よって、積層圧電素子を用れば、単層構成
圧電素子を用いた場合に比べて約１／２の比帯域のみし
か得られないという結果となり、構造上においても更に
改善の余地が残されてい

【０００６】た。

【発明が解決しようとする課題】上述したように、１つ
の超音波プローブにおいて２種類の周波数帯域の反射波
を共に獲得しようとした場合、共振周波数の異なる複数
の振動子を用いても同一部位が観察できないという問題
があった。この問題を解決するために提案された特開昭
６０−４１３９９号公報に開示されている単層構成圧電
素子とほぼ同厚の圧電素子を積層した構成の積層圧電素
子を採用すると、高周波成分の比帯域が狭くなるという
問題があった。

【０００７】そこで本発明の目的は、上述の問題点を解
決すべく、同一面において２種類の超音波が送受信可能
で、且つ高周波成分の帯域が十分に広い特性を有するプ
ローブ・ヘッドを有する超音波プローブを提供すること
にある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決し目的を
達成するために、次のような手段を講じた。

【０００９】超音波プローブ・ヘッドにおいて、互いに
隣接する圧電体の分極方向が逆向きになるように複数の
圧電体を積層し、これらの圧電体の厚さ方向の両端面に
それぞれ電極を被着形成し、さらに超音波放射面と反対
側の端面、すなわち、プローブ・ヘッド基盤であるバッ
キング材に隣接する圧電体層の厚さを他の圧電体層の厚
さよりも薄く形成された積層圧電素子を用いて本発明に
係る超音波プローブを構成する。

【００１０】

【作用】本発明における積層圧電素子は、複数の積層の
一方の端面が最も薄い圧電体層で形成され、隣接する層
の分極方向が互いに逆方向になるようなｎ層，例えば２
層が、電気的に直列接続される構成を採ることにより、
厚さの同じ圧電体が積層された積層圧電素子の場合に発
生する最低次の共振周波数ｆ０　のみならず、その１／
ｎ倍（本実施例の場合、１／２倍）の周波数における共
振をも生ずることを利用した積層圧電素子が得られる。 また、このように超音波プローブのヘッド部分の超音波
放射面に対する反対側に、相対的に薄い層と厚い層とを
積層形成することにより、超音波の送信を行ない、その
対象物からの２種類の周波数帯域の反射波（エコー信号
）を共に高感度に受信し獲得することが可能となる。ま
た、その高域，低域の周波数成分は共に高分解能に獲得
することができる。

【００１１】本発明における超音波プローブを構成する
積層圧電素子は、３層以上の積層構成であっても実施可
能であるが、以下に簡単のため２層構成の場合の作用に
ついて説明する。すなわち、厚さの異なる２層の圧電素
子の厚さの比Ｒ（＝背面側圧電体厚／放射面側圧電体厚
、０＜Ｒ＜１）を変えることにより、励振される２種類
の共振レベルを調整することが可能となる。したがって
、使用目的に応じてこの厚さの比Ｒを変えることにより
、広範な用途に対応できる。

【００１２】例えば具体的には、体表面から心臓を観察
するというような比較的深部の検査対象の場合において
は、その厚さの比Ｒを小さく設定することにより、周波
数帯域の低周波部，すなわちｆ０　／２の周波数の共振
エネルギーが増大するので、ドップラーモードにおいて
は、高感度化が実現される。

【００１３】一方、この上記の例に対し、頸動脈や経食
道心エコーなど比較的浅部を検査対象とする場合におい
ては、その厚さの比Ｒを大きく設定することにより、周
波数帯域の高周波部，すなわちｆ０　の共振エネルギー
が増大するので、高周波側が広帯域化された超音波プロ
ーブが実現され、よって、Ｂモードにおいても高分解能
なＢモード像が得られる。

【００１４】

【実施例】

（第１実施例）

【００１５】図１は、本発明の一実施例に係る超音波プ
ローブ・ヘッドの構成を示す斜視図である。積層圧電素
子１は複数の（本実施例の場合は２枚の）圧電素子がそ
れら２枚の積層の境界面とする内部電極を挟んで積層構
成されている。この積層圧電素子１の上部の超音波放射
面側には、複数の音響マッチング層２〜４が積層されて
いる。これら３層から成るマッチング層２〜４は、高周
波側でマッチングがとれるように、それぞれの層２〜４
の厚さが設定されている。その理由は、この周波側にお
いてＢモード用信号を獲得するために、広帯域化を図る
故である。

【００１６】この様に一体に積層化された積層圧電素子
１を含む積層部材は、短冊状に切断するための３０μｍ
厚ブレードが取り付けられたダイシングマシンを使用し
、マッチング層２〜４も含めて図示の如く短冊状に切断
され、ヘッド基盤としてのバッキング材６上に所定の間
隔に配列される。その最上部には、凸面を上に向けた音
響レンズ５が重ねられて被着形成されることにより、一
体型のプローブ・ヘッドが形成される。

【００１７】前記の積層圧電素子１に隣接するその上下
部材である音響マッチング層２およびバッキング材６と
の間には、上記積層圧電素子１の電極面がそれぞれ外部
電極として被着形成されている。

【００１８】これらの外部電極に対し、超音波プローブ
のヘッドへの配線部材としては、一方の外部電極にはア
ース用共通電極線７が、他方の外部電極には信号用フレ
キシブルプリント板８の信号線がハンダ付け等によりそ
れぞれ接続されている。このフレキシブルプリント板８
上に形成された複数の信号線パターンの間隔（ピッチ）
は、前記の短冊状積層が配列された所定の間隔に合うよ
うに０．１５ｍｍに設定されている。図２は、図１に示
すＡ−Ａ´線に沿った断面を拡大して示す本実施例の２
層構成の積層圧電素子の拡大縦断面図である。

【００１９】積層圧電素子１は、この図に示す如く２つ
の圧電体層１１および，圧電体層１２が、それらの分極
方向１３，１４が互いに逆方向を向くように積層されて
いる。また、積層方向の積層圧電素子の両端面，すなわ
ち圧電体層１１の上面側および圧電体層１２の下面側に
は、それぞれ外部電極１５，１６が被着形成されている
。これらの圧電体層１１，１２は、圧電セラミックによ
って形成されている。また、実際においては、圧電体層
１１と圧電体層１２との間には、これらの層を分極させ
る為の内部電極１７が形成されている。

【００２０】具体的には例えば、圧電体層１１，１２が
比誘電率２０００のＰＺＴ系セラミックにより形成され
、圧電体層１１の厚さを２６０μｍとし，圧電体層１２
の厚さを１８０μｍと設定する。すなわち、この場合の
厚さ比Ｒは約０．　７となる。つまり、超音波放射面側
の音響レンズ５から遠く、基盤としてのバッキング材６
に隣接する方の圧電体層１２の厚さは他の圧電体層１１
よりも薄く形成されている。

【００２１】また、この積層圧電素子は３０μｍ厚ブレ
ードを用いたダイシングマシンによって、マッチング層
２〜４と共に積層方向に切断される。その間隔は０．　
１５ｍｍに設定され、図示の如く短冊状に配列される。

【００２２】図３は、『パルスエコー法』によって測定
された水中内設置の反射板からのエコー波形の周波数ス
ペクトラムを示すグラフである。このグラフの周波数ス
ペクトラム曲線からわかるように、高周波側の山の中心
周波数が約７．７６ＭＨｚであり，その時の比帯域が中
心周波数の４３．　２％である。この値は良好なＢモー
ド像を得るのに十分な範囲の値であると言える。また、
低周波側の山の中心周波数は約３．　５１ＭＨｚである
ことがわかる。

【００２３】図４に示す周波数スペクトラムのグラフは
、前述の第１実施例に対する変形例の測定結果を表わし
ている。すなわち、この変形例は、圧電体層１１の厚さ
が２４０μｍ、圧電体層１２の厚さが２００μｍと設定
され、厚さ比Ｒは約０．　８となる積層圧電素子から構
成された超音波プローブを実施した場合において、その
他の条件が第１実施例と同一な場合に得られたこの超音
波プローブの周波数スペクトラムは、グラフが示す如く
、高周波側の中心周波数が７．　５１ＭＨｚを示し、そ
の時の比帯域が４５．　４％と算出される。

【００２４】以上、この変形例は、前述の第１実施例よ
りも更に広帯域化された周波数特性を有する積層圧電素
子から構成された超音波プローブであることが明らかで
ある。よって、それら実施例の示すそれぞれの特性によ
り、例えば第１実施例の超音波プローブを経食道からの
心臓の診断等に採用し、この変形例の超音波プローブを
体表からの心臓の診断等に使用するというように診断す
る対象物によって使いわけることが可能である。 （第２実施例）

【００２５】本実施例では、図５（ａ）および図５（ｂ
）に示した構成の積層圧電体を用いる。すなわち、本実
施例は、圧電体の分極方向（図中、細矢印）と、駆動パ
ルスによって生じる電界方向（図中、太矢印）との関係
において、電界と，　圧電体の抗電界の比が大きい方の
圧電体層の分極方向と電界方向とを同じ向きに設定して
、脱分極が生じることを防止するという改良である。

【００２６】駆動パルスには正極性，負極性，バースト
波などがあり、この内のバースト波は正負ともに絶対値
が同じである。しかし一般的には、波数が多い場合がほ
とんどであり、超音波探触子の発熱や音響パワーの規制
から大きな電圧を印加することは少ないために脱分極は
生じ難い。

【００２７】 図５（ａ）の圧電体層１および圧電体層２は、電気的に
直列に接続された構成であるため、これら２つの圧電体
層に同じ圧電材料を採用する場合は、電界方向８と電界
方向９は各層とも同じ方向を指向するので、あえて向き
を変える必要がなく本実施例の要旨に関しては適用外の
構成であるかに思える。しかし、誘電率の異なる圧電材
料で作られた２つの圧電体層の場合には、生ずる電界の
大きさが異なるので本実施例のような改良が有効である
。ここで、圧電体層１の誘電率と厚さを、それぞれε１
　，ｔ１　と定義すると、その静電容量は以下のように
表わせる。

【００２８】

【数１】 従って、インピーダンスをＺ１　とすると、分圧Ｖ１　
は次式のように表わせる。

【００２９】

【数２】 よって、電界Ｅ１　は、次式のように表わせる。

【００３０】

【数３】 以上により、電界Ｅ１　　と、抗電界Ｅｃ１　　との比
は、次式で表わされる。

【００３１】

【数４】 また、圧電体層２も同様に次式で表わされる。

【００３２】

【数５】

【００３３】以上の結果より、脱分極が発生しやすいの
は、誘電率と抗電界との積が小さい値を示す圧電体層の
場合である。よって、そのような場合には分極方向と電
界方向を同じ方向を指向するように変えてやればよい。 次に、図５（ｂ）に示された２つの圧電体層の各層は電
気的に並列に接続されている故にその各層にかかる電圧
は等しい。

【００３４】従って、用いられる圧電材料にかかわらず
薄い形状の圧電体の方の電界がより大きくなる。よって
、そのような場合にはその厚さと抗電界との積が小さい
圧電体層の分極方向と電界方向とを同じ方向を指向する
ように変えてやればよい。 （第３実施例）

【００３５】図６で表わされた低周波部の中心周波数と
圧電体厚の関係を表わすグラフにおいて、前図５（ａ）
の圧電体層１と圧電体層２のそれぞれの厚さをｔ１　，
ｔ２とすると、その厚さの比ｒ（＝　　ｔ２　／ｔ１）
を変えることにより、低周波成分と高周波成分のスペク
トラムのピークの相対値を変えることができる。

【００３６】生体の超音波減衰が少なくてすむように低
周波成分をドプラ信号用に使用することに決め、一方、
高分解能信号が得られるように波長の短い高周波成分を
Ｂモード信号用に使用することに決める。この結果とし
て図６に示すような圧電体の厚さ比ｒを変えた時のスペ
クトラムのレベルとエコーレベルを表わすグラフが作成
される。縦軸にとられた低周波成分のスペクトラムレベ
ルがドプラ感度を表わしている。また、高周波成分のス
ペクトラムレベルはＢモード感度を表わしている。また
、丸印は低周波部のスペクトルのレベルに関する実測値
を示し、三角印はエコーレベルに関する実測値を示して
いる。

【００３７】本実施例は、超音波探触子を設計する際に
診断部位に応じてドプラ感度とＢモード感度のどちらに
重きを置くかによって、圧電体の厚さ比ｒを適宜調整す
るすことが可能であることを示している。例えば、（１
）経胸的に心臓を診断する際などの体表から深い領域が
診断の対象の場合は、ペネトレーションが必要になるの
でＢモード感度の方を高く設定する。また、（２）下肢
などの診断の際のようにＢモード像よりもドプラ感度が
必要とされる場合は、ドプラ感度の方を高く設定する。

【００３８】本実施例では、厚さ比ｒを変えながら低周
波部のスペクトラムのピーク値と、ＨＰＦ（Ｈｉｇｈ　
Ｐａｓｓ　Ｆｉｌｔｅｒ）を接続し低周波部を除去した
ときのエコーの波高値とを測定した。この結果をもとに
して「最小２乗法」により下式のような厚さ比ｒを変数
とする２次関数近似を得た。 　　（低周波部スペクトラムのピーク）＝　　ａ　　＋
　９．５９　ｒ　−　２２．１　ｒ２　　　　［ｄＢ］
　　（ＨＰＦ接続後のエコー波高値）＝　　ｂ　　＋　
２３．８　ｒ　−　１０．９　ｒ２　　　　　　［ｄＢ
］ 上式のａ，ｂは定数であり、測定回路や周波数などで決
定される。

【００３９】図６は厚さ比ｒを変えたときの実測値と２
次関数の近似式を示したグラフである。なお、この図に
おいて上式の定数はａ＝１．７３，ｂ＝−１２．９　で
あり、上式は実際に測定された範囲の　　０．５　≦ｒ
≦１．０　　　で成り立つ。

【００４０】低周波部のスペクトラムのレベルのピーク
値と，　エコー波高値の相対関係を基に、Ｂモード感度
とドプラ感度の下限値を　０．５≦ｒ≦１．０　の内の
最大値に対し、これまでの使用経験などから各々を−３
ｄＢ、−６ｄＢに決めると、それぞれエコー感度は厚さ
比ｒがｒ＜０．６，ドプラ感度は　　ｒ＞０．８　の場
合には所定の診断使用条件を満たさなくなることが分か
った。従って、好適実施例としての２つの圧電体層の厚
さ比ｒの許容範囲としては、０．６　＜ｒ＜０．８　程
度が実用上の超音波探触子設計のためには好ましい範囲
であると言える。故に、上記の範囲を満足する厚さの比
を有するような構成の２層圧電体を実施するとよい。 （第４実施例） 超音波探触子の中心周波数は、駆動パルス幅，フィルタ
などの信号処理回路の特性から、初期の設定値に対し±
５％以内に維持する必要がある。

【００４１】本発明の２層圧電体が用いられた超音波探
触子について、パルスエコー測定を行ない、その周波数
スペクトラム特性を求めた結果によれば、図７（ｂ）の
ような２層圧電体は、図７（ａ）のような単層圧電体と
同じ圧電材料を用いているにも拘らず、等しい厚さに構
成された場合には、その中心周波数は単層圧電体の中心
周波数より高くなる傾向が発見された。

【００４２】すなわち、図８のグラフにおいて、横軸に
低周波部の中心周波数ｆ（単位：ＭＨｚ）を変数として
とり、縦軸には厚さｔ０　の単層構成の圧電体と同じ圧
電材料からなる本発明の２層構成の圧電体を用いたとき
の厚さｔをとる。この測定結果から求められた本グラフ
からも分かるように、単層構成の圧電体の厚さｔ０　は
次式で表わされる。ｔ０　　　＝　１．４５　×　１０
３　　／ｆ　　　　［μｍ］ 一方、本発明の主なる構成である２層構成の積層圧電体
の厚さｔは、実測値を基に決められた次の近似式で表わ
されることが分かった。 ｔ　　　　＝　１．６８　×　１０３　　／ｆ　　　　
［μｍ］したがって上の２つの式により、ｔ＝１．１６
ｔ０　という関係が導き出された。

【００４３】すなわち、図７（ａ）および図７（ｂ）の
ように比較対象のために示された圧電体のように、従来
の単層構成の圧電体と同等な中心周波数を獲得するため
には、本発明のような２層圧電体の厚さｔを、単層圧電
体の厚さｔ０　よりも約１６％厚く設定することにより
、設計通りの中心周波数が得られる。 （第５実施例） 本実施例は、本発明である２周波数を同時に駆動可能な
振動子としての積層圧電素子を用いた超音波プローブの
製造方法について説明する。

【００４４】図９（ａ）および図９（ｂ）にはこの製造
方法により完成される本発明の２種類の振動子の構成を
表わす断面図が示されている。また、圧電セラミック層
１，２の分極方向が矢印で示されている。このような２
層構成の振動子の製造方法は、図１０（ａ）〜図１０（
ｃ）に従って次の順序で行なわれる。

【００４５】（１）…　　ドクターブレード法により所
定の厚さに成形されたグリーンシートの片面に所定の形
状の内部電極３を印刷し、厚さの異なるもう一方のグリ
ーンシートを積層して圧電セラミック１，２と内部電極
３を同時に焼成する。 （２）…　　その後、外部電極４，５を所定パターンに
印刷して焼き付け、分極処理を行って振動子として形成
する。

【００４６】（２−１）…　　図９（ａ）の振動子を得
るには、図１０（ａ）に示すように電極を構成する。両
面の外部電極４，５は回し込み電極６により接続し、内
部電極３は回し込み電極７により電圧印加部分を設け、
内部電極と外部電極との間に直流電界を印加して分極す
る。 （２−２）…その後、図１０（ａ）の点線の位置で切断
すれば良い。

【００４７】この方法は２層の圧電セラミックが同時に
分極できる利点があるが、各層の圧電セラミック１，２
の厚さが異なるため各層の分極電界が異なり、分極の程
度が違ってしまう。２層の厚さ比が小さければ余り問題
ないが、比が大きくなると薄い層で分極電圧が制限され
厚い層の分極電界が十分な値とならず、分極状態が不十
分になる場合がある。 （２−３）…　　その様な場合は、図１０（ｂ）のよう
に両面の外部電極を独立にして各層ごとに最適電界で分
極し、点線位置で切断すれば良い。

【００４８】（３）…　　第９図（ｂ）の積層振動子構
成を得るには、第１０図（ｃ）のように電極を形成し、
両面の外部電極４，５間に電界を印加し電極する。その
後両面の外部電極を共通に接続すれば良い。この接続に
は、圧電材料のキュリー温度以上の熱が加えられないた
めに、焼付け電極を形成することは困難であるが、導電
性接着剤などを用いれば良い。 （４）…　　また、プローブ製造に際し振動子の電極に
リードとしてＦＰＣを半田付けするが、この時点で両面
の電極を接続するようにしても良い。 （第６実施例）

【００４９】本実施例は図１１（ａ）に示されるような
縦断面構造の積層圧電体である。すなわち、積層された
各々の圧電体の音響インピーダンスを変化させることに
より最適な積層圧電体を構成する。詳しくは、音響整合
層側の圧電体層の音響インピーダンスをバッキング材側
より小さく設定した超音波プローブである。本実施例の
積層圧電体は、積層された各々の圧電体の厚さの比を変
えること、およびそれぞれの音響インピーダンスの比を
変えることにより、高周波数領域および低周波数領域の
比帯域と感度レベルとを適宜に調整することが可能であ
る。

【００５０】２層構造の場合の複合圧電体層の断面の一
例を示す図１１（ｂ）において、振動子１は、音響イン
ピーダンスの大きな圧電セラミック層２と音響インピー
ダンスの小さな複合圧電体層３により構成され、この複
合圧電体層は音響整合層４側に電極を介して積層されて
いる。また、この複合圧電体層３は図１１（ｂ）に示さ
れるような図１１（ａ）のＢ−Ｂ’線に沿った水平断面
を有している。すなわち、例えば碁盤の目状の隣接しな
い升目の各々に等間隔に配置された柱状の複数の圧電体
材１０と、これらの間を埋める如くに注入され固まった
エポキシ系等の樹脂材２０とから一体に構成されている
。

【００５１】図１２（ａ）および図１２（ｂ）には、複
合圧電体層の音響インピーダンスが１７．７　Ｍｒａｙ
ｌｓ　で一定で、厚さの比を振動子全体の厚さの０．５
９及び０．４１に設定した複合圧電体の水中パルスエコ
ーの周波数スペクトラムが示されている。

【００５２】また図１３（ａ）および図１３（ｂ）には
、複合圧電体の厚さの比が０．５　に固定され、音響イ
ンピーダンスがそれぞれ２１．３　Ｍｒａｙｌｓ，　１
１．４　Ｍｒａｙｌｓに設定された場合の、水中パルス
エコーの周波数スペクトラムが示されている。

【００５３】各々のグラフ曲線を比較すると、次のこと
が分かる。すなわち、図１２（ｂ）においては低周波数
領域の感度レベルは確かに高くなっているが、高周波数
領域の−６ｄＢ比帯域は３０％程度となる。図１２（ａ
）では、高周波数領域の−６ｄＢ比帯域は４９％程度と
なっている。図１３（ａ）では、高周波数領域の−６ｄ
Ｂ比帯域は４３％程度となっているのに対し、図１３（
ｂ）では３７％程度と狭くなるが、低周波数領域の感度
レベルは高くなると共にその比帯域も広くなる。

【００５４】以上に述べたように本実施例によれば、積
層する圧電体の厚みの比ばかりでなく、その音響インピ
ーダンスを変えることによっても高周波数領域および低
周波数領域の比帯域とその感度レベルを変えることが可
能である。よって、構造的または製造方法的に積層の厚
みの制御が難しいような場合においても、２つ以上の周
波数領域を持つ超音波プローブの特性をより適宜に調整
することが容易である。

【００５５】なお、上述した実施例およびその変形例に
おいては、特に２層構成の積層圧電素子の場合を例示し
たが、本発明はそれらの諸例に限定されるものではなく
、本要旨を逸脱しない範囲で更なる種々の変形実施も可
能である。例えば、圧電体層として３層以上の積層圧電
素子を用いても良い。

【００５６】

【発明の効果】本発明によれば、次のような作用効果を
奏する超音波プローブを提供することが可能となる。す
なわち、２つの圧電体層を積層し、両端面に電極を被着
形成して隣接する２つの圧電体層を電気的に直列接続し
、超音波放射面から遠い側の圧電体層を薄く形成した積
層圧電素子を備える超音波プローブを構成することによ
り、異なる複数の例えば、２種類の周波数を送受信する
ことが可能となり、更にその各層の圧電体厚比を変える
ことにより使用目的に応じて高周波領域の比帯域を適宜
調整して、診断する対象物により使い分けることが可能
になる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の第１実施例に係る超音波プローブヘッ
ド全体の構成を示す斜視図。 【図２】同第１実施例における積層圧電素子の構成を表
わす拡大縦断面図。 【図３】同第１実施例によって得られるエコー波形を表
わすグラフ。 【図４】同第１実施例の変形例に係る超音波プローブよ
って得られるエコー波形を表わすグラフ。 【図５】本発明の第２実施例に係る超音波プローブの積
層圧電素子を表わす構成図。 【図６】本発明の第３実施例に係る超音波プローブの圧
電体の厚さを変えた時のスペクトラムレベルとエコーレ
ベルを表わすグラフ。 【図７】本発明の第４実施例に係る超音波プローブの積
層圧電素子と従来の単層圧電素子の厚さを表わす構成図
。 【図８】同第４実施例に係る超音波プローブの圧電素子
の厚さと発生する中心周波数との関係を表わすグラフ。 【図９】本発明の第５実施例としての超音波プローブの
積層圧電素子を表わす構成図。 【図１０】同第５実施例としての超音波プローブの積層
圧電素子の製造方法に関する製造手順を説明する説明図
。 【図１１】本発明の第６実施例に係る超音波プローブの
縦断面図および横断面図。 【図１２】同第６実施例に係る超音波プローブよって得
られるエコー波形を表わすグラフ。 【図１３】同第６実施例に係る超音波プローブよって得
られるエコー波形を表わすグラフ。　　　　【符号の説
明】 １…積層圧電素子、２，３，４…音響マッチング層、５
…音響レンズ、６…バッキング材、７…アース用共通電
極線、８…信号用フレキシブルプリント板の信号線、１
１，１２…圧電体層、１３，１４…分極方向、１５，１
６…外部電極、１７…内部電極。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　隣接する層の分極方向が逆向きになる
   ように厚さ方向に積層された第１圧電体層および第２圧
   電体層を有し前記２つの圧電体層の厚さ方向の端面また
   は側面に電極が被着形成されて一体に形成されて成る積
   層圧電素子と、前記積層圧電素子の上部には音響の整合
   を図るための１層以上の音響マッチング層と，　前記音
   響マッチング層を介して超音波を放射するための音響レ
   ンズとが積層され、前記積層圧電素子の下部にはバッキ
   ング材としてのヘッド基盤が配設されて、全体として一
   体構造に構成された超音波プローブ・ヘッドを具備し、
   前記ヘッド基盤に近く隣接する第２圧電体層の厚さが、
   前記音響マッチング層に近い第１圧電体層に比べて薄く
   形成されて成ることを特徴とする超音波プローブ。
2. 【請求項２】　　前記積層圧電素子において、脱分極が
   生じることを防止するために、前記２つの圧電体層の各
   層が電気的に直列に接続されている場合には、前記２つ
   の各々の圧電体層の圧電体の抗電界と，　発生する電界
   との比が大きい方の圧電体層の分極方向と電界方向とが
   同じ向きを指向するように積層構造が設定され、前記２
   つの圧電体層の各層が電気的に並列に接続されている場
   合には、前記２つの各々の圧電体層の厚さと前記抗電界
   との積が小さい方の圧電体層の分極方向と電界方向とが
   同じ方向を指向するように積層構造が設定されているこ
   とを特徴とする、請求項１に記載の超音波プローブ。
3. 【請求項３】　　前記積層圧電素子を構成する第１の圧
   電体層の厚さｔ１と，第２の圧電体層の厚さｔ２　との
   厚さの比ｒ（＝ｔ２　／ｔ１）を、発生する低周波成分
   と高周波成分のスペクトラムのピークの相対値を使用対
   象の診断部位に応じて必要とされるドプラ感度またはＢ
   モード感度の何れかを強調するかに従って、適宜調整す
   ることが可能であり、前記２つの圧電体層の厚さの比ｒ
   がｒ＜０．８　であることを特徴とする、請求項１に記
   載の超音波プローブ。
4. 【請求項４】　　前記積層圧電素子を構成する２つの圧
   電体層から成る２層構成の２層圧電体は、１つの圧電体
   層から成る単層構成の単層圧電体と同一な圧電材料を用
   いて形成され、前記積層圧電素子の２層圧電体により構
   成された超音波プローブの低周波部の中心周波数が前記
   単層圧電体により構成された超音波プローブと同等な中
   心周波数を獲得するためには、前記２層圧電体の厚さを
   前記単層圧電体の厚さよりも更に１６％厚く設定される
   ことにより可能であることを特徴とする、請求項１に記
   載の超音波プローブ。
5. 【請求項５】　　前記音響マッチング層側の第１圧電体
   層の音響インピーダンスを前記バッキング材側の第２圧
   電体層の音響インピーダンスより小さく設定し、前記第
   １圧電体層は、碁盤の目状の升目の中で互いに隣接しな
   い升目の位置に所定間隔に配置された積層方向を長手方
   向とする柱状の複数の圧電体材が整列して配設され、上
   記複数の圧電体材間の空間を埋める如くに充填され凝固
   した樹脂材により一体に構成された複合圧電体層を有す
   ことを特徴とする、請求項１に記載の超音波プローブ。
6. 【請求項６】　　隣接する層の分極方向が逆向きになる
   ように厚さ方向に積層された２つの圧電体層を有し、厚
   さ方向の前記圧電体層の各々の端面に被着形成されて成
   る外部電極と、前記２つの圧電体層に挟まれる如くに被
   着形成されて成る内部電極とから構成される２層構成の
   積層圧電素子の製造方法において、次の順序で行なわれ
   ることを特徴とする積層圧電素子を有する超音波プロー
   ブの製造方法。 （１）…　　「ドクターブレード法」により所定の厚さ
   に成形されたグリーンシートの片面に、上下の圧電体層
   に挟まれる所定形状の内部電極を印刷し、厚さの異なる
   もう一方のグリーンシートを積層して圧電セラミックと
   前記内部電極とを同時に焼成する。 （２）…　　前記外部電極を所定パターンに印刷し、前
   記２つの圧電体層の各々の端面に焼き付けを行なった後
   に、下記の手順により分極処理を行なう。 （２−１）…　　前記外部電極は前記２つの端面の外部
   電極を連結する第１の回込み電極として形成し、前記内
   部電極は前記外部電極の一部とこの内部電極を連結する
   第２の回込み電極として形成し、上記第１および第２の
   回込み電極に電圧印加部分を設けて相互接続し、その間
   に直流電界を印加することにより分極処理を行なう。 （２−２）…　　前記電圧印加部を含む２つの圧電体層
   の端部を積層方向に切断除去する。 （２−３）…　　特に、前記積層圧電素子を構成する２
   つの圧電体層の厚さ比が０．７　より小さい場合は、前
   記２つの外部電極を各層ごとに最適な電界で分極処理を
   行ない、その後、前記電圧印加部を含む２つの圧電体層
   の端部を積層方向に切断除去する。 （３）…　　積層振動子を得るために、前記端面に形成
   された２つの外部電極の間に直流電界を印加し分極処理
   を行なった後に、上記２つの外部電極を導電性接着剤を
   用いて共通に接続する。 （４）…　　前記積層振動子の電極に対してリードとし
   てＦＰＣを半田付けする。