JPH0965489A

JPH0965489A - 超音波探触子

Info

Publication number: JPH0965489A
Application number: JP7215949A
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: 1995-08-24
Filing date: 1995-08-24
Publication date: 1997-03-07

Abstract

(57)【要約】【課題】比較的簡単な電気回路で使用できるととも
に、音場を良好に整形して高分解能で至適観察距離が広
い超音波探触子を提供する。【解決手段】少なくとも音響整合層７、圧電素子５、
背面負荷材８から構成される超音波探触子において、前
記圧電素子５の自発分極の大きさがこの圧電素子５内で
位置により異なるようにし、前記音響整合層７若しくは
背面負荷材８のうち少なくとも一方の音響インピーダン
ス若しくは超音波の減衰率を部分的に変化させて、放射
される超音波の位相と音圧を制御して音場を良好に整形
し、高分解能で至適観察距離を広くするものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波探触子に関
し、より詳しくは、医療用等で用いる超音波内視鏡用等
に適用される超音波探触子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の超音波探触子としては、図２３に
示すように、背面負荷材５１に対して両面に一対の電極
を形成したＰＺＴで代表されるような圧電セラミックス
板からなる圧電素子５２を接着し、さらに圧電素子５２
に音響整合層５３及び音響レンズ５４を接着して構成し
たものが知られている（「医用超音波機器ハンドブッ
ク」コロナ社、ｐ１８６、昭和６０年４月２０日発
行）。

【０００３】この超音波探触子は、前記圧電素子５２に
図示しないパルサから百乃至数百ボルト程度の圧電パル
スを印加し、圧電素子５２の逆圧電効果により急速に変
形を起こさせ、この振動を音響整合層５３及び音響レン
ズ５４を通して効率よく被測定物の方へ超音波を放射さ
せる。

【０００４】放射された超音波パルスは、医療用途に関
しては体内の各組織の界面において、また、非破壊検査
用に関しては被測定物内部の欠陥等の非連続部から反射
された後に、再び音響レンズ５４及び音響整合層５３を
通り圧電素子５２に振動を加える。このような機械的振
動は圧電素子５２の圧電効果により電気的な信号に変換
され、図示しない観測装置によって画像化される。

【０００５】画像化された際の分解能を向上させるため
の方法としては、放射する超音波ビームを細くするため
に、前記音響レンズ５４や圧電素子５２の電極パターン
を工夫したり、圧電素子５２自体を凹面化する方法が多
々ある。また、電極を数分割し印加する駆動電圧に差を
持たせた、アニュラアレイによる音場整形が試みられて
いる。

【０００６】また本願出願人は、先に出願し、特開平４
−２５０７９９号公報により開示したように、前記背面
負荷材５１中の音響インピーダンスの分布が、中央部に
最小で辺縁に行くにつれて大きくなって圧電素子５２の
音響インピーダンスに近付くようにすることにより、超
音波振動子から発振される超音波ビームを、中心軸上が
強く、中心から離れるにつれて弱くなるシャープなビー
ムとする手法について提案した。

【０００７】また、近年光学の分野で、波の伝搬方向と
直交する方向の強度分布を第０次ベッセル（Ｂｅｓｓｅ
ｌ）関数に類似した分布とすることにより、波の中で回
折が生じず、長距離に亘って拡散しないビームを伝搬で
きることが報告された。さらに同様な手法を超音波の伝
搬についても適用しようとする試みがなされており、例
えば、円錐状凹面で同心円状に分割されたアニュラアレ
イ型で駆動時の印加電圧に重み付け駆動する手法を用い
ると、ハンケル（Ｈａｎｋｅｌ）関数型の有効な無回折
ビームを得られることが報告されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
分解能の向上方法ではそれぞれ一長一短があり、具体的
には、現在公知技術である音響レンズや凹型圧電素子を
使用した超音波探触子は、焦点近傍では超音波ビームが
絞られ分解能の高い画像を得ることが出来るが、焦点か
ら外れるに従い、ビーム幅は広くなり画像精度も悪くな
る。このため、実際に観察可能な至適観察距離は狭くな
ってしまうという課題があった。

【０００９】また、アニュラアレイタイプの超音波探触
子を使用すると、パルサを数系統用意するか、回路を工
夫する等して、リング状の各電極に印加する電圧の位相
を制御することで、超音波ビームの集束点をダイナミッ
クに変化させることができることが知られている。しか
し、この方法では、圧電素子に複数のリード線を結線す
る必要が生じる。そして、複数のリード線間でノイズが
入らないようにするには、シールドを確実にする必要が
あり、医療用等で使用する超音波探触子に要請される細
径化という点で不向きである。また、前記の様に位相を
制御するための複雑な電気回路が必要で観測装置のコス
トが大幅に上がってしまうという課題がある。

【００１０】さらに、アニュラアレイタイプの別な使用
法として、凹型振動子の場合は、送信時には全ての部分
を同時に駆動させて超音波を送信し、受信時は観測距離
に応じて受信する部分の面積を増やして分解能を上げる
という方法がある。しかし、この方法も前記場合と同様
で、配線が複雑になり製造が困難になるとともに、加算
回路をはじめとする電気回路が複雑になり、コスト的に
も高くなるとともに、信頼性も低くなるという課題があ
った。

【００１１】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
であり、比較的簡単な電気回路で使用できるとともに、
音場を良好に整形して高分解能で至適観察距離が広い超
音波探触子を提供するものである。

【００１２】また、本発明は、比較的簡単な電気回路で
使用できるとともに、音場を良好に整形して高分解能で
至適観察距離が広く、しかも超音波ビームのラインフォ
ーカス化を図ることができる超音波探触子を提供するも
のである。

【００１３】さらに、本発明は、非常に簡単な電気系で
圧電素子を駆動でき、小型、細径化に適した超音波探触
子を提供するものである。

【００１４】さらに、本発明は、比較的簡単な電気回路
で使用できるとともに、音場を良好に整形してサイドロ
ーブを小さくすることができる超音波探触子を提供する
ものである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
少なくとも音響整合層、圧電素子、背面負荷材から構成
される超音波探触子において、前記圧電素子は、自発分
極の大きさがこの圧電素子内で位置により異なるように
形成され、前記音響整合層若しくは背面負荷材のうち少
なくとも一方の音響インピーダンス若しくは超音波の減
衰率を部分的に変化させたことを特徴とするものであ
る。

【００１６】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明における前記圧電素子の自発分極の状態及び音響整合
層若しくは背面負荷材のうち少なくとも一方の音響イン
ピーダンス若しくは超音波の減衰率を部分的に変化さ
せ、ベッセル関数又はこれに類する形状の音圧分布を持
つ超音波ビームを放射することを特徴とするものであ
る。

【００１７】請求項３記載の発明は、自発分極の大きさ
が位置により異なるように形成された前記圧電素子に、
正負一対の導線を用いたケーブルにより駆動信号を伝達
するようにしたことを特徴とするものである。

【００１８】請求項４記載の発明は、少なくとも音響整
合層、圧電素子、背面負荷材から構成される超音波探触
子において、前記圧電素子は、自発分極の大きさがこの
圧電素子内で位置により異なるように形成され、前記背
面負荷材の音響インピーダンスの減衰率を部分的に変化
させて、ガウス関数様の形状の音圧分布を持つ超音波ビ
ームを放射することを特徴とするものである。

【００１９】請求項１の発明によれば、超音波探触子に
おける圧電素子自体の分極強度を位置により変化させる
ことにより分極の重み付けを行うとともに、音響整合層
若しくは背面負荷材のうち少なくとも一方の音響インピ
ーダンス若しくは超音波の減衰率を部分的に変化させる
構造としたので、比較的簡単な電気回路で駆動できると
ともに、この超音波探触子から放射される超音波の位相
と音圧を制御して音場を良好に整形し、高分解能で至適
観察距離が広い超音波画像を得ることができる。

【００２０】請求項２記載の発明によれば、前記請求項
１の作用に加えて、音響整合層表面から放射する超音波
ビームを疑似的なベッセルビーム又はこれに類するビー
ムとし、これらのビームは非回折波であり、超音波探触
子から放射された超音波ビームもほとんど拡がることな
く伝搬していくことになり、比較的簡単な電気回路で駆
動できるとともに、音場を良好に整形して高分解能で至
適観察距離が広く、しかも超音波ビームのラインフォー
カス化を図ることができる。

【００２１】請求項３記載の発明によれば、上述した超
音波探触子における圧電素子に対し、正負一対の導線を
用いたケーブルにより駆動信号を伝達し、超音波の音圧
及び位相を制御するものであるから、非常に簡単な電気
系で駆動し音場整形可能となり、超音波探触子の小型、
細径化を図れる。

【００２２】請求項４記載の発明によれば、音響整合層
表面からガウス関数様の形状の音圧分布を持つ超音波ビ
ームを放射することができ、比較的簡単な電気回路で使
用できるとともに、音場を良好に整形してサイドローブ
を小さくすることが可能となる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を説明
する。

【００２４】［実施の形態１］図１乃至図７を参照して
実施の形態１の超音波探触子について説明する。図１は
本実施の形態１における分割電極３を備えた圧電素子５
の断面とベッセル関数からなる音圧分布を示す説明図で
あり、図２は圧電素子５の分極の方向と強度４及び超音
波の強度分布を示す説明図である。また、図３、４は、
各々圧電素子５と背面負荷材８との接合方法を示す断面
図であり、図５は別な圧電素子５Ａの断面及びベッセル
関数からなる音圧分布を示す説明図であり、図６は超音
波探触子のトランスデューサ部の断面図であり、図７は
図６の構成の試作品により音場整形された実際の超音波
の強度分布を示す特性図である。

【００２５】次に、本実施の形態１の超音波探触子の構
造及びその製造方法について説明する。

【００２６】まず、圧電素子５を構成する圧電セラミッ
クス１として、ＰＺＴ系の材料で直径１０ｍｍ、厚さ１
６０μｍのラッピングした素体を用意し、この素体に銀
ペーストで一面には全面に亘って、また、他面には多重
リング状の電極を印刷、焼付けし、全面電極２及び分割
電極３を形成する。

【００２７】この多重リング状の分割電極３は、図１に
示すように、０次のベッセル関数を基にパターン化され
たもので、具体的にはＸ−Ｙ座標系のＹ＝０近傍に電極
がないような構成になっている。

【００２８】前記多重リング状に分割した分割電極３を
備えた圧電素子５を、下記のような条件にて分極した。
即ち、ベッセル関数の分割電極３に相当する部分の平均
値を計算し、分極の割合を決定する。

【００２９】そして、この計算値と等しくなるような圧
電定数ｄ33となるように、各分割電極３により分極電圧
を変えて分極していく。分極は、８０℃のシリコンバス
中で実施し、予め材料毎に求めておいた圧電定数ｄ33と
分極電圧を基に分極した。尚、これも事前に実験して確
認済の結合係数Ｋ33と圧電定数ｄ33との関係から、容易
に測定可能な結合係数Ｋ33から分極の状態を確認した。
尚、ベッセル関数が負の値を持つ領域は分極方向を図１
に示すように反転して分極を行った。

【００３０】このようにして得られた圧電素子５の分割
電極３を導電性樹脂にてすべて結線した後、タングステ
ンをフィラーとしたエポキシ樹脂製の円筒体で、同心円
状に溝部１８を設けた図３に示すような背面負荷材２３
を用意し、エポキシ樹脂系の接着剤１７を用いて圧電素
子５を接着する。このとき、溝部１８にエポキシ樹脂の
接着剤１７が充填されるように接着固定し、図４に示す
ような圧電素子５と背面負荷材８との接合体を作製し
た。つまり、前記背面負荷材８は、タングステンをフィ
ラーとしたエポキシ樹脂製の音響インピーダンスの高い
高音響インピーダンス部分２３と、エポキシ樹脂系の接
着剤１７からなる音響インピーダンスの低音響インピー
ダンス部２２から構成される。

【００３１】次いで、前記圧電素子５及び背面負荷材８
を、図４に示すように、絶縁筒１３を介してＳＵＳ製の
ハウジング１２内に固定し、一面側の全面電極２とハウ
ジング１２とを導電性樹脂６を使用して接続する。この
後、一面側の全面電極２の表面にエポキシ樹脂からなる
厚さ６０μｍの音響整合層７を形成する。そして、リン
グ状に分割した分割電極３の一箇所とハウジング１２内
に同軸ケーブル１１の芯線９、周線１０をそれぞれ半田
１４により結線し、さらに、封止樹脂１６により封止し
て図６に示すような超音波探触子のトランデューサ部１
６を作製した。

【００３２】上述した圧電セラミックス１を用いること
により、図１に示すような分極方向と強度を備えた圧電
素子５となる。具体的には、分割分極３の中心付近の自
発分極４は大きく、外周に向かうにつれ分割分極３間の
自発分極４の強さは小さくなっていく。

【００３３】このような圧電素子５に電圧を印加する
と、分極強度の大きい部分は変形量も多くなり、また、
分極方向と印加する電圧の極性により変形の方向が決定
される。

【００３４】また、背面負荷材内８において音響インピ
ーダンスの分布が不均一であるため、発振される超音波
の出力分布は、音響インピーダンスが圧電素子５の音響
インピーダンスに近い部分については、両者の音響イン
ピーダンスが異なる部分よりも減衰が大きくなる。

【００３５】以上二つの作用の結果として、分極強度の
分布及び音響インピーダンスの分布に応じた強度分布を
持った超音波ビームが発振されることになる。

【００３６】本実施の形態１のように、ベッセル関数に
基づいて分割電極３の配置を決定し、分極強度に差を持
たせた圧電素子５を用いて、図６に示すようなトランス
デューサ部１６を作製して、図示しないパルサーより電
圧パルスを圧電素子５に印加すると、音響整合層７近傍
では放射される超音波の音圧の分布はベッセル関数に近
似したもの（以下ベッセルビームと略す）となる。

【００３７】尚、本実施の形態１では導電性樹脂を用い
て分割電極３の多重リング間を結線しているが、この結
線を行う際の温度条件は圧電素子５の分極が消極しない
温度範囲であればよく、導通さえ得られれば半田や熱圧
着等、他の手法を用いても同様に結線することができ
る。

【００３８】また、本実施の形態１では０次のベッセル
関数で、中心を除く＋側の山が片側１個、−側の谷が片
側１個のものを示したが、中心を除く＋側の山が片側１
個、−側の谷が片側１個の以上であれば非回折ビームを
発振でき、本実施の形態１と同様な効果が得られる。図
５に示す圧電素子５Ａは、同じく０次のベッセル関数よ
り求めた中心を除く＋側の山が片側２個、−側の谷が片
側２個の例である。

【００３９】尚、図６に示したトランスデューサ部１６
の圧電素子５に、図示しないパルサーにより電圧パルス
を印加し、音響整合層７の近傍（距離約１mm）の超音波
の音圧の絶対値の分布をハイドロフォンで測定した結果
を図７に示す。

【００４０】図７は、ベッセル関数（ＪＯ）と、ベッセ
ル関数形の音圧分布をハイドロフォンで測定した場合の
その理論的な出力電圧（ＪＯａｖｅｒａｇｅ）及び実
際の放射音圧のＹ軸及びＺ軸方向の測定結果とを、横軸
に位置Ｘ、縦軸に音圧をとった直交する２軸で表したも
のであり、実際のＹ軸及びＺ軸方向の放射音圧が理論的
な出力電圧（ＪＯａｖｅｒａｇｅ）に非常に近似して
いることが判る。

【００４１】尚、本実施の形態１では、前記音響整合層
７はエポキシ樹脂の一層構造であるが、例えばアルミナ
等をフィラーとして混入させたエポキシ樹脂とエポキシ
樹脂との２層構造の音響整合層や、マシナブルセラミッ
クスとフィラーの入ったエポキシ樹脂、そしてポリエチ
レンというような３層構造の音響整合層を持つものでも
当然ながら同様な結果が得られる。

【００４２】ベッセルビームは非回折ビームとして知ら
れているが、本実施の形態１によるトランスデューサ部
１６の音場を測定し、ビーム幅（半値全幅）を測定して
みると、ビーム幅の狭い領域が非常に長く、従来には見
られない至適観測距離（焦点深度）の長い超音波探触子
を作製することが可能となる。このため、駆動用の同軸
ケーブル１１が１本でパルサーが１系統でよく、電気回
路及びトランスデューサ部１６の構成が簡易で安価な高
分解能の超音波振動子を提供できる。

【００４３】また、本実施の形態１では、リング状の分
割電極３を付与後分極したが、導電ゴム等を用いて分極
を施し、その後スパッタや蒸着といった分極が消極しな
い温度範囲で成膜できる方法で全面に電極を形成する方
法や、全面を均一に分極後レーザー光等を部分的に当て
ることで部分的に消極してもリング状の分割電極３の場
合と同様な効果を得ることができる。

【００４４】さらに、背面負荷材８の音響インピーダン
スの制御を併用することにより、音圧の低い領域の制御
が可能となり、所望の音圧分布を有する超音波探触子を
作製し易くなる。

【００４５】また、背面負荷材８の音響インピーダンス
を部分的に変化させるためのこの背面負荷材８の形状と
しては、実施の形態１では図３に示す同心円状でかつ断
面が中心から周辺に至るに従い階段状に浅くなるものを
用いる他、図８に示す背面負荷材８の中心部に貫通穴２
４ａを穿設し、周辺に至るに従い断面が階段状に浅くな
る同心円状の溝２４ｂを形成したもの、図９に示す背面
負荷材８の中心部から周辺部に亘る同心円状でかつ断面
が鋸歯状の溝２４ｂを形成したもの採用することもでき
る。

【００４６】また圧電素子５の形状についても、実施の
形態１のような円板に代表される平板の他、円錐状又は
球状の殻の一部、又はこれらを組み合わせたもの等を使
用可能である。そして、一軸のみ音場を整形する場合
は、長方形等の振動子にも応用が可能で、各種アレイタ
イプへ適用することができる。

【００４７】上述した背面負荷材８の各種材料のうち、
マトリックスとしては、エポキシ系、フェノール系等の
熱硬化性樹脂や、ＡＢＳ（アクリルニトリルブタジエン
スチレン）、ポリエチレン、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタ
クリレート）等の熱可塑性樹脂、シリコーンゴム、ブチ
ルゴム等のゴムが使用可能である。

【００４８】また，フィラーとしてはタングステンの
他、ステンレス、銀、銅等の金属やその酸化物、アルミ
ナ、ジルコニア等のセラミックス粉体、Ｂａ−フェライ
ト、サマリウムコバルト（ＳｍＣｏ5 、Ｓｍ２Ｃｏ17）
等の磁性体粒子又は磁性体でコートした前記無機物粒子
等が使用可能である。

【００４９】さらに、実施の形態１におていは、背面負
荷材８の低音響インピーダンス部２２をフィラーが少な
い部分として記述したが、フィラーを皆無とすること
や、ガラス中空バルーン、シリコーンゴム粒子等の音響
インピーダンスがマトリックス部よりも更に低い部材を
分散させて音響インピーダンスを下げること等も可能で
ある。また、前記２種以上の粉体を混合して用いること
も可能である。

【００５０】尚、ベッセル関数を基にした電極パターン
及び分極強度とし、そして音響整合層７、背面負荷材８
に重み付けを施すと、１系統のパルサでも非回折ビーム
の音場整形でき、焦点深度が長く、高分解能な超音波探
触子を容易に作製することができるようになる。

【００５１】［実施の形態２］次に、実施の形態２につ
いて、図１０乃至図１３を参照して説明する。図１０乃
至図１３は、本実施の形態２における音響整合層２０、
２１の製造方法を示すものである。尚、本実施の形態２
の基本的な構成は前記実施の形態１と同様であり、同一
な構成部分には同一番号を付すとともに、相違点につい
てのみ述べる。

【００５２】本実施の形態２では、前記実施の形態１と
同様に図１に示したような分極方向が部分的に異なり、
分極強度に重み付けをした圧電素子５を使用する。そし
て、前記実施の形態１では、音響インピーダンスの異な
る背面負荷材８を組み合わせて使用したが、本実施の形
態２では、超音波の減衰率の異なる音響整合層２０、２
１を組み合わせて使用した超音波探触子用のトランスデ
ューサ部を作製した。

【００５３】具体的には、分極強度と分極方向に差をも
たせた圧電素子５を作製し、この圧電素子５の外径に合
わせたシリコン製の円筒状の型１９内に前記圧電素子５
を固定し、圧電素子５の上に超音波の減衰率の大きなア
ルミナフィラー入りの光硬化樹脂２６ａを約５０μｍの
厚さになるように入れ、所望の位置に光源２５からの光
を当て同心円状の硬化層を形成する。硬化層が硬化した
後さらに超音波の減衰率の大きなアルミナフィラー入り
の光硬化樹脂２６ａを約５０μｍの厚さになるように入
れ、再び硬化させる。この工程を所望の厚さになるまで
繰り返し、図１１に示すような同心円状の光硬化樹脂２
６ａからなる音響整合層２１を圧電素子５の上に付加す
る。

【００５４】次に、図１２に示すように超音波の減衰率
の小さなフィラーを含まない光硬化樹脂２６ｂを音響整
合層２１間の溝に流し込み、光源２５からの光を当て硬
化させ、音響整合層２０を作製する。このようにして、
２種類の音響整合層２０、２１を備えた図１３に示す圧
電素子５を作製する。

【００５５】このような音響整合層２０、２１を備えた
圧電素子５をハウジング内に固定し、結線した後エポキ
シ樹脂にタングステンを入れた背面負荷材を流し込み前
記実施の形態１と同様なトランスデューサ部を作製し
た。

【００５６】上述のようにして作製した超音波探触子の
トランスデューサ部によれば、前記圧電素子５により実
施の形態１の場合と同様な機能を発揮させることができ
るが、これに加え、音響整合層２０、２１による超音波
の減衰率の大小により、トランスデューサ部から放射す
る超音波を制御することが可能となる。即ち、音響整合
層２０、２１による減衰率の大きな部分と小さな部分と
の音速を揃えると、放射される超音波は位相ずれがなく
ベッセル関数のように長い距離を非回折ビームとして直
進する。

【００５７】圧電素子５のみの単独の制御では、圧電定
数ｄ33の小さな部分は細かい調整が必要であったが圧電
素子５の特性を測定後、音響整合層２０、２１により減
衰率を場所により変化させることで、トランスデューサ
部から放射される音場をより厳密に整形することが可能
となる。

【００５８】実施の形態２によれば、前記実施の形態１
と同様にベッセルビームを放射することができるため、
トランスデューサ部の音場を測定するとビーム幅の狭い
領域が非常に長く、従来には見られない至適観察距離
（焦点深度）の長い超音波探触子を作製することが可能
となる。

【００５９】また、圧電素子５の分極状態により音響整
合層２０、２１の分布を変化させることで、容易に所望
のベッセルビームが正確に出せるようになる。このた
め、前記実施の形態１と同様に、電気回路及びトランス
デューサ部の構成が簡易で作製容易となり、安価な高分
解能の超音波探触子を提供できる。

【００６０】［実施の形態３］図１４乃至図２１を参照
して実施の形態３を説明する。図１４は本実施の形態３
に使用した電極構成及び分極状態を説明するための圧電
素子の断面並びに利用した２次のベッセル関数を示す説
明図である。図１５乃至図１７は背面負荷材の製造方法
を示す工程図、図１８乃至図２１は音響整合層２０、２
１の製造方法を示す工程図である。

【００６１】本実施の形態３の基本的な構成は前記実施
の形態１と同様であり、同一な構成部分には同一番号を
付すとともに、相違点についてのみ述べる。

【００６２】本実施の形態３では、図１４に示したよう
な２次のベッセル関数を基に圧電素子５の分割電極３の
位置を決定し、分極強度を決定した。

【００６３】具体的には、前記実施の形態１と同様に、
放射される超音波ビームが目標のビームに近似するよう
に分割電極３を細分化した。

【００６４】一方、背面負荷材８は、音響インピーダン
スの大きな高音響インピーダンス部２３と、音響インピ
ーダンスの小さな低音響インピーダンス部２２とを図１
５、図１６に示すように組み合わせ接着したものを作製
し、図１７に示すように硬化後スライスして、音響イン
ピーダンスに大小の分布を持たせた。

【００６５】次に、圧電素子５を型１９に取り付け、前
記実施の形態２と同様に超音波の減衰率の大きな光硬化
樹脂２６ａと超音波の減衰率の小さな光硬化樹脂２６ｂ
とを交互に滴下硬化させ、図１８乃至図２０に示すよう
に、超音波の減衰率の大きい音響整合層２０及び超音波
の減衰率の小さい音響整合層２１を圧電素子５上に半円
状を呈するように積層して、音響整合層２０及び音響整
合層２１の積層構造からなる音響整合層７が付いた圧電
素子５を得る。そして、前述した方法により形成した背
面負荷材８と接着しハウジングに収め、超音波探触子の
トランスデューサ部を作製した。

【００６６】本実施の形態３の超音波探触子のトランス
デューサ部によれば、圧電素子５に分極強度の重み付け
が行われていることと、背面負荷材８の音響インピーダ
ンスに位置による大小の分布があること、そして、音響
整合層７の超音波の減衰率にも大小の分布があることか
ら、放射される超音波ビームを所望の状態に制御でき
る。

【００６７】本実施の形態３のトランスデューサ部に電
圧パルスを印加すると、音響整合層７の表面から放射さ
れる超音波ビームは２次のベッセル関数に近似する。つ
まり、この超音波探触子も前記実施の形態と同様に非回
折ビームを放射することになる。

【００６８】本実施の形態３の超音波探触子のトランス
デューサ部によれば、前記実施の形態１と同様にベッセ
ルビームを放射することができるため、トランスデュー
サ部の音場を測定するとビーム幅の狭い領域が非常に長
く、従来には見られない至適観察距離（焦点深度）の長
い超音波探触子を作製することが可能となる。

【００６９】また、既述した場合と同様に、背面負荷材
８の音響インピーダンスに分布を持たせ、そして、音響
整合層７の超音波の減衰率に分布を持たせることから、
細かく放射される超音波ビームを制御することが容易に
出来る。さらに、前記実施の形態１、２と同様に、電気
回路及びトランスデューサ部の構成が簡易で作製容易と
なり、安価な高分解能の超音波探触子を提供できる。

【００７０】［実施の形態４］次に、図２２を参照して
実施の形態４を説明する。図２２は、本実施の形態４に
使用したトランスデューサ部３０の断面図で、分極状態
を説明するため圧電素子５の分極強度を図化し、背面負
荷材８の音響インピーダンスの違いを図化し、放射され
る超音波ビームの強度分布とともに表したものである。

【００７１】本実施の形態４の基本的な構成は前記実施
の形態１と同様であり、同一な構成部分には同一番号を
付すとともに、相違点についてのみ述べる。

【００７２】本実施の形態４の圧電素子５は、電極付与
前に導電ゴムを電極として用いて、圧電素子５の位置に
より分極電圧を変化させ分極を施し、その後スパッタリ
ングや蒸着といった消極しない温度範囲で成膜できる方
法により、圧電素子５の全面に電極を付与する方法で作
製したものである。具体的には、中心部の分極強度を最
も大きくし、周囲にいくほど分極強度をガウス関数的に
弱めた圧電素子５を作製した。

【００７３】また、背面負荷材８は前記実施の形態２と
同様に円筒状のものを用い、組み合わせて接合したもの
をスライスして形成した。具体的には、中心部の音響イ
ンピーダンスが小さく、外周にいくほど音響インピーダ
ンスが大きくなるようにして作製した。

【００７４】尚、本実施の形態４で使用した背面負荷材
８は、中心部をエポキシ樹脂にタングステンフィラーを
混ぜ音響インピーダンスが２．５Ｋｇ／ｍ2 ｓとしたも
ので、外周部に行くほどタングステンの量を増やし最外
周部では２０Ｋｇ／ｍ2 ｓの背面負荷材８を作製し使用
した。そして、この圧電素子５と背面負荷材８とを、前
記実施の形態２で示したような方法で図２２に示すよう
な積層体構造のトランスデューサ部３０を作製した。

【００７５】前記のような方法で作製したトランスデュ
ーサ部３０は、圧電素子５が分極強度の重み付けが行わ
れていることと、背面負荷材８の音響インピーダンスに
位置による分布があることから、放射される超音波ビー
ムを制御することが可能となる。また、本実施の形態４
のトランスデューサ部３０に電圧パルスを印加した場
あ、音響整合層７の表面から放射される超音波ビームの
強度分布として、図２２に示したガウス関数に近似した
分布が得られる。

【００７６】本実施の形態４のトランスデューサ部３０
によれば、ガウス関数様超音波ビームを放射することが
できるため、このトランスデューサ部３０の音場を測定
するとサイドローブが小さい超音波探触子を得ることが
可能である。

【００７７】また、従来例のように、圧電素子５の分極
強度を変更することだけでは、精度を上げることが難し
かった小さな超音波放射領域でも、背面負荷材８との組
み合わせにより音場の制御が容易となる。

【００７８】さらに、前記実施の形態１と同様に、電気
回路及びトランスデューサ部３０の構成が簡易で作製容
易となり、安価な高分解能の超音波探触子を提供でき
る。

【００７９】本実施の形態４では、音響整合層７の音響
インピーダンス若しくは超音波の減衰率には分布を持た
せなかったが、前記実施の形態１で示した様にして、音
響インピーダンスや超音波の減衰率に差を持たせた圧電
素子５の組み合わせでも同様な効果が得られる。

【００８０】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、比較的簡
単な電気回路で駆動できるとともに、この超音波探触子
から放射される超音波の位相と音圧を制御して音場を良
好に整形し、高分解能で至適観察距離が広い超音波画像
を得ることができる超音波探触子を提供することができ
る。

【００８１】請求項２記載の発明によれば、前記請求項
１の効果に加えて、超音波ビームのラインフォーカス化
を図ることができる超音波探触子を提供することができ
る。

【００８２】請求項３記載の発明によれば、非常に簡単
な電気系で駆動し音場整形可能となり、小型、細径化を
図れる超音波探触子を提供することができる。

【００８３】請求項４記載の発明によれば、比較的簡単
な電気回路で使用できるとともに、音場を良好に整形し
てサイドローブを小さくすることが可能な超音波探触子
を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態１における分割電極を備えた圧電素
子の断面とベッセル関数からなる音圧分布を示す説明図
である。

【図２】圧電素子の分極の方向と強度及び超音波の強度
分布を示す説明図である。

【図３】圧電素子と背面負荷材との接合方法を示す断面
図である。

【図４】圧電素子を背面負荷材に接合した状態を示す断
面図である。

【図５】実施の形態１における別な圧電素子の断面及び
ベッセル関数からなる音圧分布を示す説明図である。

【図６】実施の形態１における超音波探触子のトランス
デューサ部の断面図である。

【図７】図６に示すトランスデューサ部の音場整形され
た実際の超音波の強度分布を示す特性図である。

【図８】実施の形態１における背面負荷材の他例を示す
断面図である。

【図９】実施の形態１における背面負荷材のさらに他例
を示す断面図である。

【図１０】実施の形態２における音響整合層の製造工程
を示す断面図である。

【図１１】実施の形態２における音響整合層の製造工程
を示す斜視図である。

【図１２】実施の形態２における音響整合層の製造工程
を示す断面図である。

【図１３】実施の形態２における圧電素子及び音響整合
層を示す断面図である。

【図１４】実施の形態３に使用した電極構成及び分極状
態を説明するための圧電素子の断面並びに利用した２次
のベッセル関数を示す説明図である。

【図１５】実施の形態３における背面負荷材の製造方法
を示す工程図である。

【図１６】実施の形態３における背面負荷材の製造方法
を示す工程図である。

【図１７】実施の形態３における背面負荷材の斜視図で
ある。

【図１８】実施の形態３における音響整合層の製造工程
を示す断面図である。

【図１９】実施の形態３における音響整合層の製造工程
を示す断面図である。

【図２０】実施の形態３における音響整合層の製造工程
を示す断面図である。

【図２１】実施の形態３における圧電素子及び音響整合
層を示す断面図である。

【図２２】実施の形態４におけるトランスデューサ部及
び超音波の強度分布を示す図式化した説明図である。

【図２３】従来の超音波探触子を示す正面図である。

【符号の説明】

１圧電セラミックス２全面電極３分割電極５圧電素子６導電性樹脂７音響整合層８背面負荷材９芯線１０周線１１同軸ケーブル１２ハウジング１３絶縁筒１６トランスデューサ部１８溝部１９型２０音響整合層２１音響整合層２２高音響インピーダンス部２３低音響インピーダンス部２５光源２６ａ光硬化樹脂２６ｂ光硬化樹脂３０トランスデューサ部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも音響整合層、圧電素子、背面
負荷材から構成される超音波探触子において、前記圧電素子は、自発分極の大きさがこの圧電素子内で
位置により異なるように形成され、前記音響整合層若し
くは背面負荷材のうち少なくとも一方の音響インピーダ
ンス若しくは超音波の減衰率を部分的に変化させたこと
を特徴とする超音波探触子。
【請求項２】前記圧電素子の自発分極の状態及び音響
整合層若しくは背面負荷材のうち少なくとも一方の音響
インピーダンス若しくは超音波の減衰率を部分的に変化
させ、ベッセル関数又はこれに類する形状の音圧分布を
持つ超音波ビームを放射することを特徴とする請求項１
記載の超音波探触子。
【請求項３】自発分極の大きさが位置により異なるよ
うに形成された前記圧電素子に、正負一対の導線を用い
たケーブルにより駆動信号を伝達することを特徴とする
請求項１又は２記載の超音波探触子。
【請求項４】少なくとも音響整合層、圧電素子、背面
負荷材から構成される超音波探触子において、前記圧電素子は、自発分極の大きさがこの圧電素子内で
位置により異なるように形成され、前記背面負荷材の音
響インピーダンスの減衰率を部分的に変化させて、ガウ
ス関数様の形状の音圧分布を持つ超音波ビームを放射す
ることを特徴とする超音波探触子。