JPS6031436B2 - アレイ型超音波送受信素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は複数の単位超音波発信素子が配列された、いわ
ゆるアレイ型超音波送受信素子に関するもので特に高分
子圧電性フィルムの伸縮圧電性を利用したアレイ型超音
波送受信素子に関するものである。

超音波診断、超音波探傷などの超音波映像装置の超音波
送受信素子としては、ＰＺＴなどの無機圧電体のほか、
ボリフツ化ビニリデンなどの高分子圧電体も使用される
。

高分子圧電体の長所としては、ヤング率が低く、振動の
減衰が大きいため、ＰＺＴなどの無機圧電体に比してパ
ルス発信の場合のノイズが少ないこと、音響インピーダ
ンスが４・さく水に近いため、水中や人体との界面で送
受信される音響の損失が、無機圧電体に比して少ないこ
となどがある。しかし、一方高分子圧電体は電気インピ
ーダンスが極めて高いため、ＰＺｒ発振器と同一出力を
得るためには、超音波発信に用いる高周波電源の電圧を
極めて高くせねばならないという欠点がある。しかし一
般に使用される超音波診断装置では、超音波障害予防の
ために人体表面に達する超音波出力が比較的低く制限さ
れており、また前述した水や人体との界面における送受
信損失が少ないことなどの理由によって、出力不足はか
なり補償される。従って、比較的広い発信面を有する場
合は、高分子圧電体の発信器を使用してもあまり問題は
ない。一方複数の細長い発振素子をアレイ状に配列し、
この配列された単位素子を片側から教本（例えば５本）
まとめて第１の発信を行ない、次いで片側に１本ずらし
た同数（５本）の素子を用いて第２の発信を行なう。

このように１本づつの素子をずらしながら、全部の素子
を５本づつまとめて走査を行ない、発信面の中心を少し
づつずらして超音波画像を走査する方法がある。このよ
うなアレイ型の送受信素子では、各瞬間の発信に用いら
れる数本づつの狭い素子端面の面積の合計は、通常その
アレイ型素子の全送受波面積の数十分の１、またはそれ
以下となるので、各単位電極よりの超音波出力がよほど
高くないと明瞭な超音波画像は得難い。しかも従釆の超
音波発振に用し、る圧電素子は、所定波長の超音波と共
振する厚みを持った圧電体シートの両面に電極を設けた
ものであって、素子の厚みも必然的に定まり、素子の電
気インピーダンスも定められる。従って氏電素子よりの
超音波出力を高くするためには、圧電素子に印加する高
周波パルスの電圧を高くする必要がある。しかし高周波
電圧が例えば１０００Ｖ付近の高圧となると、高周波発
振回路の部品も適当なものはなく、若し得られるとして
も特注の高価なものとなり、また高電圧に伴う危険や電
波障害の問題もあり、実用的ではない。本発明者は高分
子圧電性シートに中の狭い圧電作動部を設ければ、その
圧電性シートはその厚みにより定まる厚み圧電の共振周
波数以外に、圧電作動部の中方向に伸縮圧電による共振
周波数をも有することを見出した。

そしてこの伸縮圧電を利用した超音波送受信器に係る発
明を既に昭和５８王１月２８日付の特磯昭５６−１１２
７７号で特許出願中である。本発明は上記発明をさらに
発展させたものであって、このような圧電作動部の中方
向に伸縮共振する圧電体シートを使用して構成したアレ
イ型超音波送受信素子に係るものである。以下図面によ
り本発明を実施例に基いて詳細を述べる。

まず第１の実施例について説明すると、第１図に於て、
１は全体若しくは局部的に成極されて圧電性を有する高
分子シートで、例えば矢印Ａの方向に一軸延伸配向され
たポリフッ化ビニリデンのシートである。このシートー
の上部側緑２に近接した位置には、側緑２とほぼ平行な
中の狭い電極３および３′が表裏両面に設けられており
、少なくともこの電極３，３′の付された狭い線状部分
は圧電性を有している。電極３，３′間に適当な波長の
高周波パルス電界が印加されると、シート１のこの狭い
部分４はその中方向（第１図の上下方向）に伸縮振動す
る。即ちこの部分４は圧電作動部を構成している。この
ような狭い圧電作動部４を有するシートーはスべ−サー
５を介して多枚数積層され、このようにしてアレイ型素
子６が形成されている。上記中の狭い圧電作動部４は、
高分子シート１の少なくともこの部分が成極されている
こと、および高分子シート１の少なくともこの部分の両
側の表面に電極３，３′が形成されていること、の２つ
の条件を必要とする。

従って高分子シートーの圧電作動部４の部分のみを成極
するとともに、この部分のみに電極３，３′を形成する
場合の他、次のようにしてもよい。高分子シート１の全
体を成極するとともに、圧電作動部４の部分のみに電極
３，３′を形成する。あるいは高分子シート１の圧電作
動部４の部分のみを成極して、シートーの全面に電極３
，３′を形成する。なお高分子シート１の圧電作動部４
以外の部分は圧電非作動部となるが、本発明においてこ
の非作動部は必ずしも必要ではなく、高分子シート１を
圧電作動部４のみから成る中の狭い短冊状の形状にして
もよい。この場合には、圧電作動部４の下面すなわち高
分子シート１の下側縁側の端面が超高波の反射面となる
。スべ−サー５は一般にはプラスチック、ゴム、木材、
金属など任意の材質のシート層であってよく、必要なら
ば中間に接着剤層を介してシート１と接合される。別の
構成としては、例えばシート１を四角いケース中に並置
し、その間にゴム若しくはプラスチックなどの接着剤層
を流し込んで作成することも可能であり、この場合は接
着剤層がそのままスベーサーとなる。積層は接着剤を使
用した結合のほか、シート１とスベーサーシート５を熱
または高周波接着などにより直接接合することもできる
。また接着剤を用いず、シート１とスベーサーシート５
との積層体の両側から、要すれば２枚の押し板を用いて
、ボルト締めその他任意の手段で圧電性シート１とスベ
ーサー５とが圧薮されるように保持するようにしてもよ
い。第１図のアレイ型素子６の圧電性シート１において
は、シート１の厚みは圧電作動部４の伸縮圧電による共
振周波数とは無関係に定められるので、圧電性シート１
の厚みを薄くすることにより、圧電作動部の電気インピ
ーダンスを低下させて圧電出力を高めることが可能にな
る。

このようなアレイ型素子６を用いて、走査によって超音
波画像を形成する場合には、それぞれが一枚の高分子シ
ートーから構成される単位素子７」〜７ｎを第２図に示
すように、それぞれのスイッチを介して電源に接続する
。そして素子７，〜７５をまず発振させ、次に素子７２
〜７６を発振させる。このように単位素子７を小さなグ
ループにして発振させ、このグループの組合せを少しず
つずらして走査間隔をつめるようにする。この場合の走
査線８の位置は、同時に発振した単位素子７，〜７５の
中心にあるために、超音波パルスは単位素子７の間隔と
同じ間隔ｄとなる。第２図では５個ずつの単位素子を１
組として移動させたが、第３図のように７，〜７６の６
個の単位素子を１組とすればその走査線の中心は８，′
となって、単位素子７，〜７５の走査線の中心８，より
芸だけずれる。そこで、単位素子７・〜７６の次に単位
素子７２〜７６の５個、更にその次に単位素子７２〜７
７ の６個という様に発振させれば、走査線８の間隔は
芸となるので、密接した走査間隔を得ることが可能とな
る。次に本発明の第２の実施例について述べる。

上言己第１の実施例において、圧電性シート１の厚みが
より薄くなれば、当然シートーの断面積も４・さくなり
、この単位素子７の出力も低下する。従ってこのような
場合には、単位素子の積層間隔を狭くし、また１度に発
振する素子の数を増す必要がある。ところがこのように
すると、単位素子数の増加により電子回路が複雑になる
。そこで第２の実施例においては、第４図に示すように
各単位素子７を数枚づっの薄い圧電性シート１で構成し
たものである。このような構成によって単位素子７の断
面積も増大し、また各素子７を構成する圧電性シート１
は薄いので高出力のものが得られる。即ち第４図の各単
位素子７はそれぞれｌａ，ｌｂ，ｌｃの３枚の圧霞性シ
ートより構成されており、また各シートｌａ，ｌｂ，ｌ
ｃの圧電作動部４ａ，４ｂ，４ｃには夫々表裏に一対ず
つの電極３ａ，３を、３ｂ，３ｂ′、３ｃ，３ｃ′、が
付されている。尚この場合３ａ′と３ｂ′、３ｂと３ｃ
が同一極性を有するよう各圧電シートの圧電作動部４ａ
，４ｂ，４ｃの樋性が定められる。次に上言己第２の実
施例の変形例を第５図につき説明する。

上述の如く第１図および第４図に示す素子ｂにおいては
、各圧電作動部４は各スベーサー５の上部に突出してい
る。これに対して本変形例では第５図のようにスベーサ
ー５の中に圧電作動部４が埋込まれている。この場合に
おけるスベーサー５は、例えば軟質ゴムやウレタン発泡
体などのヤング率の低いものを使用するか、或し、は圧
電作動部４より上の部分は圧電性シート１とスベーサー
５との後着を行なわないで、圧電作動部が比較的自由に
振動するようにすればよい。次に本発明の第３の実施例
を第６図につき説明すると、この実施例では、第６図に
示すようにアレイの単位素子を構成するシート１が放射
状に配列されている。

すなわちシート１間のスベーサー５の中を高さ方向に次
第に細くなるようにしている。従って被撮像部位でビー
ム間隔が細く絞られることにより分解能を向上し得ると
いう効果を発揮する。本発明の第４の実施例を示す第７
図の素子においては、圧電性シート１とスベーサ−５と
が同０円筒状に積層されている。

このような素子をつくる場合には、第８図に示すように
シートーの上側緑に間欠的に圧電作動部４を設ける。そ
してこのようなシートーを円筒状に複数層に積層すれば
よい。なお第７図に示す素子は１つの圧電性シート層１
の周面を円周方向に分割して複数の圧電作動部４を設け
るようにしているが、勿論１周を１つの圧電作動部４と
してもよい。第９図は上記実施例の変形例を示すもので
あって圧電性シート１とスベーサーシート５とを重ねて
コイル状に巻いたものであるが、圧電性シートーの圧電
作動部４は１周毎に切れ目７が設けられ、別々に作動し
得るようになっている。

このように圧電性シートーとスベーサー５とを重ね巻き
する代りに、圧電性シートーのみをコイル状に巻き、例
えば１層置きに圧電作動部４を設けるようにすることも
できる。尚、圧電性シート１の１層は必ずしも１枚とは
限らず、２枚またはそれ以上のシート１を重ね巻さした
ものでもよい。以上に述べたように本発明によると、高
分子シ−トに細長く設けられた圧電作動部の伸縮圧電性
を利用するものであるから、シートの厚みを伸縮圧電の
共振の周波数とは無関係に定めることができる。

よってシートの厚みを薄くして圧電作動部の電気インピ
ーダンスを低下させることにより、圧電出力を高めるこ
とが可能となる。また本発明におけるアレイは高分子シ
ート層を配列して成るものであって、その鞍列の形態も
各種のものに変更できるために、広い用途範囲に利用可
能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例に係るアレイ型素子の外
観斜視図、第２図はこのアレイ型素子を電子走査方式に
用いた場合のスイッチとの接続を示す接続図、第３図は
同方式に用いた場合の別の接続図、第４図は本発明の第
２の実施例のアレイ型素子を示す側面図、第５図は第２
の実施例の変形例を示す外観斜視図、第６図は本発明の
第３の実施例のアレイ型素子の側面図、第７図は本発明
の第４の実施例のアレイ型素子の平面図、第８図はこの
素子を構成するシートの展開平面図、第９図は第４の実
施例の変形例を示す平面図である。 なお図面に用いた符号において、１・・・・・・高分子
シート、４・・・・・・圧電作動部、６・・・・・・ア
レイ型素子である。第１図第２図 第３図 第４図 第５図 第６図 第７図 第８図 第９図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ １乃至複数層の高分子圧電性シート層によつてアレ
   イを構成し、前記高分子圧電性シート層に設けた細長い
   圧電作動部の巾方向の伸縮圧電性を利用するようにした
   アレイ型超音波送受信素子。 ２ 複数層の高分子圧電性シート層から成り、これらが
   夫々スペーサー層を介して積層されたことを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載のアレイ型超音波送受信素子
   。 ３ 各高分子圧電性シート層が複数の高分子圧電性フイ
   ルムが積層された層から構成されていることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載のアレイ型超音波送受信素
   子。 ４ 各高分子圧電性シート層およびこれらの間に介装さ
   れた各スペーサー層が円筒状であり、前記各スペーサー
   層の外周および内周に接して高分子圧電性シート層が同
   心円状に積層されていることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項または第２項記載のアレイ型超音波送受信素子
   。 ５ 前記高分子圧電性シート層と前記スペーサー層がコ
   イル状に重ね巻きされることにより積層されたことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載のアレイ型超音波送
   受信素子。 ６ 前記各高分子圧電性シート層を構成する高分子圧電
   性フイルムは夫々その上部端縁付近に、該端縁に沿つた
   １本、若しくは複数本に長さ方向に分割された細長い圧
   電作動部を有することを特徴とする特許請求の範囲第１
   項乃至第４項のいずれかに記載されたアレイ型超音波送
   受信素子。