JPH07194517A

JPH07194517A - 超音波探触子

Info

Publication number: JPH07194517A
Application number: JP5352548A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiro Wakabayashi; 勝裕若林; Yukihiko Sawada; 之彦沢田
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1993-12-31
Filing date: 1993-12-31
Publication date: 1995-08-01

Abstract

(57)【要約】【目的】圧電素子の小型化による絶対的な感度低下を
トランスデューサの構造変更で改善し、小径でも感度が
高く、低電圧のパルスで駆動することのできる、画像精
度の良い超音波探触子を提供する。【構成】板状圧電セラミックスの積層体からなる圧電
素子と、音響整合層もしくは音響レンズと、背面負荷材
とからなる超音波探触子において、圧電素子に少なくと
も３つ以上の電極１〜３を設け、超音波の送信時には電
極１，２間にパルス電圧を印加して厚み振動させ、受信
時にはエコー波による屈曲振動を電極１，３間で検出す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、医療用に用いる超音波
内視鏡等において使用される超音波探触子に関し、より
詳細には、超音波探触子の圧電素子の構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、超音波探触子は非破壊検査の他、
医療用の超音波診断装置として急速な需要の伸びをみせ
ている。超音波内視鏡の探触子は、超音波トランスデュ
ーサから高周波の音響振動を生体内に放射し、反射して
戻ってきた超音波を超音波トランスデューサで受信し、
わずかな界面特性の違いによって異なる情報を処理する
ことで、生体内部の断面像を得ている。

【０００３】超音波トランスデューサの振動子は大別す
ると、圧電素子，音響整合層，および背面負荷材から構
成されている。超音波トランスデューサは、圧電素子表
面に形成された電極を介して圧電素子に高周波パルス電
圧を印加し、圧電素子を共振させて急激な変形を起こ
し、超音波パルスを発生される。

【０００４】ところが、血管用超音波探触子のように高
周波化、小型化が必要なものでは、圧電素子の形状が小
さくなるため、絶対的な感度を得ることが非常に困難に
なってきた。

【０００５】従来、この種の超音波探触子としては、例
えば特開昭５８−６２５５４号公報に開示されたような
送受一体型のトランスデューサを用いた超音波探触子が
知られている。これは、図１１に示す如く、主平面の表
裏に電極２６ａ〜ｄが形成され厚み方向に分極された、
共振周波数が異なる（厚みｔ１，ｔ２）２個以上の圧電
素子４ａ，４ｂ表面に、それぞれ共振周波数に対応する
音響整合層１０ａ，１０ｂを設け、この音響整合層の上
にそれぞれの超音波を一点に集束させる音響レンズ１５
を設け、背面負荷材８と接合したものである。この超音
波探触子によれば、２つの周波数を用いているので、近
距離場から遠距離場まで良好な感度が得ることができ
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述の従来
の装置では、形状に制約がない場合には、近距離場から
遠距離場まである程度良好な感度が得られるのだが、小
型化の要請から圧電素子の面積に制限がある場合には、
充分な感度を得ることができないという問題点があっ
た。感度は圧電素子の面積の二乗に比例して変化すると
言われているから、このような探触子において、圧電素
子の面積を超音波探触子の径に合わせて小さくしていく
と、Ｓ／Ｎ比が悪くなり、鮮明な画像が得られなくなる
のである。

【０００７】また、近距離場の観察のできるミラータイ
プの送受一体型の超音波探触子にあっても、従来のトラ
ンスデューサの構成で作製すると、さらに圧電素子の面
積は小さくなり、必要な感度を得ることができなかっ
た。

【０００８】本発明は上記問題点に鑑みてなされたもの
で、圧電素子の小型化による絶対的な感度低下をトラン
スデューサの構造変更で改善し、小径でも感度が高く、
低電圧のパルスで駆動することのできる、画像精度の良
い超音波探触子を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の超音波探触子では、板状圧電セラミックスの
積層体からなる圧電素子と、音響整合層もしくは音響レ
ンズと、背面負荷材とからなる超音波探触子において、
前記圧電素子が少なくとも３つ以上の電極を有するとと
もに、超音波の送信及び受信時で少なくとも一方は異な
った電極を使用し、送受信で異なるモードの振動を利用
することを特徴としている。

【００１０】この場合、前記板状圧電セラミックスの主
平面に形成された第１の電極と第２の電極との間は厚み
方向に分極し、第３の電極とこれと対をなす他の電極と
の間は径方向に分極するのが好ましい。

【００１１】また、前記第３の電極部には、負荷質量を
付与するとよい。

【００１２】

【作用】上記構成からなる本発明の超音波探触子では、
送信時においては積層体の第１，第２の電極間にパルス
電圧を印加し、圧電素子の厚み方向の振動を利用する。
そして受信時においては、第３の電極とこれと対をなす
他の電極（前記第１もしくは第２の電極の一方を用いて
も良いし、別に設けた第４の電極を用いても良い。）と
を利用して、横方向の屈曲振動を電気信号に変換する。
ここで圧電素子に積層体を用いたことから低電圧で駆動
可能となる。また、厚み方向および径方向の電気機械結
合係数（Ｋt ，Ｋ33）の大きな材料を使用することで高
感度の超音波探触子が得られる。また、第３の電極部に
負荷質量を付与すると、受信時の屈曲振動が大きくなっ
て、感度が一層向上する。

【００１３】以下、添付図面を参照して本発明に係る超
音波探触子の実施例を説明する。なお、図面の説明にお
いて同一の要素には同一符号を付し、重複する説明を省
略する。

【００１４】

【実施例１】まず、本発明による実施例１の超音波探触
子をその製作工程の順に従って説明する。

【００１５】図１〜２に示す如く、板状の圧電セラミッ
クス４の主平面に、第１，第２の一対の電極１，２を形
成し、主平面に電極が形成されていない側面部には第３
の電極３を形成して、圧電素子６を作製する。なお、本
実施例では第１の電極１をＧＮＤ側電極として共用し、
第３の電極３は第１の電極と対をなして使用する。この
圧電素子６は、主平面の表裏に設けた一対の電極１，２
の間では矢印５ａの如く厚み方向に分極されているが、
第３の電極３と第１の電極との間は矢印５ｂの如く径方
向に分極されている。

【００１６】本実施例の圧電素子６は、電気機械品質係
数Ｑm が１５００と高く、厚み方向および径方向の電気
機械結合係数（Ｋt ，Ｋ33）の大きなハード系ＰＺＴを
使用して作製した。なお、分極は効率の良いものを得る
ために、ブロック状の圧電素子を作製し、側面電極を含
んだ一対の銀の焼付電極を形成し、はじめに径方向の分
極を行った後、ラップ研磨し所定の周波数の厚みに加工
して、キューリ点Ｔcより低い温度域で、蒸着法により
主平面に銀の電極１，２を形成し、厚み方向の分極を行
った。この試作した圧電素子６の大きさは、幅Ｗ＝０．
６mm，長さＬ＝１．５mm，厚さｔ＝０．１mm（共振周波
数２０ＭＨｚ）である。また、径方向振動用の電極１，
３間ａ＝０．３mmである。

【００１７】次に、このように作製した圧電素子６を２
枚用意して、図３に示す如く、主平面の分極方向が逆に
なりＧＮＤ側の電極１が表面になるように、エポキシ系
接着剤２３で接着し、図４に示すような圧電積層体２４
を得る。

【００１８】次に、この圧電積層体２４を用いて、図５
に示すような超音波トランスデューサ部を作製する。

【００１９】まず、エポキシ樹脂による音響整合層１０
を圧電積層体２４の上面に１／４λの厚さで形成する。
このとき、後で結線が可能なように電極１の一部は除い
ておく。次に、エポキシ樹脂にタングステンのフィラー
を混ぜた凸型の背面負荷材８を作製する。背面負荷材８
の底面には、絶縁層９としてエポキシ樹脂層を形成して
おく。そして、この絶縁層９付きの背面負荷材８と、前
述の音響整合層１０付きの圧電積層体２４とを嫌気性の
接着剤（図示せず）により加圧接着する。このとき、背
面負荷材８と圧電積層体２４との位置関係は、接着端部
のＰ点が第３の電極３から０．２mmとなるように接着し
た。次に、第３の電極３と背面負荷材８との間にシリコ
ン樹脂７ａを充填した。この積層体の音響整合層１０に
音響レンズ１５を接着積層し、硬化後、精密切断機で所
望の幅に裁断する。

【００２０】トランスデューサの３つの電極１〜３にそ
れぞれリード線１２ａ〜ｄを半田１１ａ〜ｄにて結線
し、補強と絶縁を兼ねたエポキシ系の封止樹脂１３で主
平面側の露出していた電極部を保護し、第３の電極３周
辺部はシリコン樹脂７ｂにて封止し、トランスデューサ
２１を得る。

【００２１】以上のように作製されたトランスデューサ
２１を、あらかじめフレキシブルシャフト１９をロウ付
けしておいたハウジング１８に接着し、補強のために封
止樹脂１３で固め、図６のような超音波探触子２０を得
る。

【００２２】このように構成された実施例の超音波探触
子２０の使用に際しては、送信時には、主平面の表裏に
設けた電極１，２間に高周波のパルス電圧を印加し、圧
電素子６を厚み方向に共振させて超音波パルスを発生さ
せ、音響整合層１０，音響レンズ１５を介して超音波を
放射する。

【００２３】一方、被検体に当たって返ってきたエコー
波は、圧電素子６に圧力を加えて変形させるので、これ
により、トランスデューサ２１は図５のＰ点を支点とし
て屈曲共振を起こし、第３の電極である受信用の信号電
極３と第１の電極であり送受信共通のＧＮＤ電極１との
間に電圧が発生する。この電圧を受信信号として、画像
処理装置（図示せず）に取り込んで画像化するのであ
る。なお、受信用電極１，３間の屈曲振動を大きくし、
高い電圧を得るために、第３の電極３近傍の補強および
絶縁用の封止材は、柔軟性のあるシリコン樹脂を用い
た。

【００２４】上述の構成の超音波探触子２０によれば、
圧電素子を積層したので、入力パルスが低電圧でも良好
な送信が可能となる。また、受信時に電極１，３間で発
生する電圧は、厚み方向の電極１，２間よりも距離があ
るため、高い電圧となる。そのため、小型のトランスデ
ューサでもＳ／Ｎ比が向上し、画像処理装置により画像
化したときに解像度の高い画像を得ることができる。

【００２５】なお、本実施例では、音響整合層１０と音
響レンズ１５との２層構造のものを示したが、少なくと
も音響整合層もしくは音響レンズが１つ以上あれば同様
な効果が得られる。また、本実施例では、電極１，３間
をａ＝０．３mmとしたが、これ以上でも適当なモードの
振動が得られれば同様な効果が得られる。さらに、電極
の付与方法は、蒸着の他、スパッタでも良く、電極付与
後に分極工程を行う場合には焼き付けやメッキにより電
極を形成しても良い。また、電極の材質としては、銀の
ほか、金、銅およびこれらを含む合金など導電性のある
ものであれば同様な効果が得られる。また、結線には半
田１１を用いているが、ワイヤーボンダーや導電性樹脂
を使用しても同様な効果が得られる。そして、圧電積層
体は圧電素子の接着により作製したが、グリーンシート
に内部電極を印刷して焼成作製してもよい。

【００２６】

【実施例２】次に、本発明の実施例２を説明する。図７
は本実施例のトランスデューサ部を示す側面図である。
図示の通りこの実施例では、前述の図４のような、厚み
共振周波数１２ＭＨｚ、厚さｔ＝２００μｍとなる圧電
素子６を２枚積層した構成の積層体を、グリーンシート
に内部電極１７を印刷し、加熱積層したのち焼成し、内
部電極１７からの結線を容易にするための外部電極１６
および受信用信号電極３を焼付けて作製した。この圧電
積層体の受信用プラス電極３に銅製の金属ブロック１４
を導電性接着剤で接着し、トランスデューサ部２１を作
製した。

【００２７】そして、この金属ブロック１４を接着した
圧電積層体の送信用電極１，２上部には音響レンズ１５
を形成し、金属ブロック１４と受信用信号電極３付近に
は、音響整合層１０を形成しておき、実施例１と同様に
絶縁層９のついた背面負荷材８を接着し、封止は金属ブ
ロック１４を覆うように行い、トランスデューサ部２１
を作製した。

【００２８】このトランスデューサ部２１を、実施例１
同様、フレキシブルシャフト１９のついたハウジング１
８に実装し、４本のリード線１２ａ〜ｄをそれぞれ結線
する。この際、受信用信号電極３とリード線１２ｅとの
結線は金属ブロック１４に半田付けにて行った。

【００２９】本実施例では、受信用信号電極３に金属ブ
ロック１４が接着されている。この金属ブロック１４
は、エコー波の圧力を受け、点Ｐを支点として屈曲振動
を起こす際、負荷質量として働き、大きな振動を発生さ
せる。また、受信用信号電極３は面積が小さいが、本実
施例のトランスデューサでは金属ブロック１４を介して
導通を取ることができる。さらに、送信時には音響レン
ズ１５を介して超音波を発信するために、超音波ビーム
が集束して方位分解能が向上する。

【００３０】本実施例によれば、負荷質量として金属ブ
ロック１４を圧電積層体の受信用電極３部に付与してい
るため、エコー波による圧力が同じであっても大きな振
幅が得られ、出力される電圧も大きくなり、高い感度の
超音波探触子が得られる。また、送信時には音響レンズ
１５を介して超音波を発信し、受信時には最も効率的な
厚さの音響整合層１０を通して超音波を受けるため、感
度を落とすことなく、方位分解能を向上させることがで
きる。そして、受信用信号電極３と金属ブロック１４は
導電性接着剤で接合させているため、リード線１２ｅの
結線は金属ブロック１４に行えばよく、容易に結線でき
るとともに信頼性も向上する。また外部電極１６を設け
たことで送信用信号電極への結線も容易になる。

【００３１】

【実施例３】次に、本発明の実施例３を説明する。本実
施例では、図８に示すような４層構造の圧電積層体２４
を使用する。この圧電積層体２４は、グリーンシート法
により作製したシートを４枚積層したもので、各層の電
極構成は図１〜２と同様である。本実施例では、積層体
内部電極１７の側面部に一層おきにガラス質の絶縁材２
５を被着し、その後外部電極１６ａ，ｃとして銀電極を
焼き付ける。この後、受信用プラス電極３を付与し、分
極処理を施して圧電積層体２４を得る。

【００３２】次に、図９に示す如く、圧電積層体２４の
一方に音響整合層１０としてエポキシ系の樹脂を厚さ１
／４λとなるように印刷形成し、樹脂の硬化前に送信用
電極上部に型を押し当ててレンズ１５を形成する。次
に、背面負荷材８を嫌気性接着剤（例えば、ロックタイ
ト社製ＬＩ−５０４）で接着する。そして、２つの外部
電極１６ａ，ｃと受信用プラス電極３を半田１１により
リード線１２ａ，ｂ，ｃに結線し、電極部の絶縁と結線
部の補強のためシリコン樹脂７で背面負荷材周囲をリー
ド線ごと封止し、トランスデューサ部２１を作製する。

【００３３】このトランスデューサ部２１を、フレキシ
ブルシャフト１９およびＳＵＳ製反射ミラー２２のつい
たハウジング１８に絶縁性の接着剤で縦置きに固定し、
図１０に示すような超音波探触子２０を得る。

【００３４】本実施例の超音波探触子２０では、送信時
は多層化されているので低電圧で駆動し、受信時には背
面負荷材とシリコン樹脂７の境界部を支点として屈曲の
振動が起こり、電極間隔があるので高い信号電圧が得ら
れる。この振動から変換した電圧を画像処理装置に取り
込み画像化する。

【００３５】本実施例によれば、極近距離場の観察でき
るミラータイプの細径超音波探触子においても、感度の
良好なものを得ることができる。また、圧電積層体を使
用するので低電圧駆動となり、人体に使用する際の安全
性も向上する。なお、蒸着による外部電極の形成の際
は、圧電積層体側面部だけでなく背面負荷材にまで延長
すると、後の結線が容易となる。

【００３６】なお、上記各実施例では２枚もしくは４枚
の圧電積層体を使用したが、２枚以上の積層体であれば
同様な効果が得られる。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように本発明の超音波探触
子によれば、小型化による絶対的な感度低下をトランス
デューサの構造変更で改善し、小径でも感度が高く、積
層体を用いるため低電圧のパルスで駆動できる、画像精
度の良い超音波探触子を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の超音波探触子に使用する圧電素子を
示す側面図である。

【図２】実施例１の超音波探触子に使用する圧電素子を
示す上面図である。

【図３】圧電素子を積層して圧電積層体を作製する様子
を説明する図である。

【図４】実施例１の超音波探触子に使用する圧電積層体
を示す側面図である。

【図５】実施例１の超音波探触子に使用する超音波トラ
ンスデューサを示す側面図である。

【図６】本発明の実施例１による超音波探触子の先端部
を示す側面図である。

【図７】実施例２の超音波探触子に使用する超音波トラ
ンスデューサを示す側面図である。

【図８】実施例３の超音波探触子に使用する圧電積層体
を示す側面図である。

【図９】実施例３の超音波探触子に使用する超音波トラ
ンスデューサを示す側面図である。

【図１０】本発明の実施例３による超音波探触子の先端
部を示す側面図である。

【図１１】従来の超音波探触子を説明する正面図および
左右側面図である。

【符号の説明】

１第１の電極２第２の電極３第３の電極４圧電セラミックス５分極方向６圧電素子７樹脂８背面負荷材９絶縁層１０音響整合層１１半田１２リード線１３封止樹脂１４金属ブロック１５音響レンズ１６外部電極１７内部電極１８ハウジング１９フレキシブルシャフト２０超音波探触子２１トランスデューサ２２反射ミラー２３接着剤２４圧電積層体２５絶縁体２６表面電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】板状圧電セラミックスの積層体からなる
圧電素子と、音響整合層もしくは音響レンズと、背面負
荷材とからなる超音波探触子において、前記圧電素子が
少なくとも３つ以上の電極を有するとともに、超音波の
送信及び受信時で少なくとも一方は異なった電極を使用
し、送受信で異なるモードの振動を利用することを特徴
とする超音波探触子。
【請求項２】請求項１記載の超音波探触子において、
前記板状圧電セラミックスの主平面に形成された第１の
電極と第２の電極との間は厚み方向に分極され、第３の
電極とこれと対をなす他の電極との間は径方向に分極さ
れていることを特徴とする超音波探触子。
【請求項３】請求項１又は２いずれか記載の超音波探
触子において、前記第３の電極部に負荷質量を付与した
ことを特徴とする超音波探触子。