WO1991015090A1 - Ultrasonic probe - Google Patents

Description

明 細 書

発明 の名称

超音波探触子

技術分野

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 。

背景技術

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 ブ レ ベ ルを低減 して超音波 ビー ム ノ、。 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 6 1 — 7 6 9 4 9 号公報 に記載の も のがあ る。 こ れは、 複数の振動子を 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 動子の電極の面積を変化さ せた り 、 振動子の背面に設け る 吸音 材の厚 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 ブ レ ベ ルを低下す る よ う に し た も の であ る 。

第 1 図 （A) に示す よ う に、 複数の振動子 7 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 0面積を変化 さ せた り 、 第 1 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 一 ブ レ ベ ルを低下す る よ う に した も のであ る 。

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 1 に対 し 電極 2 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。 発明 の開示

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 ィ ド π — ブ 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 。

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、 複数の圧電体素子を配列 して有機高分子材料.に よ り 結合す る と と も に、 各圧電体素子の有機高分子材料に対す る体積比率 を変え る こ と に よ つ て電気機械結合係数に分布およ び変化を持 たせた複合圧電体を備えた も の であ り 、 ま た両端面に電極を有 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 。

図面の簡単な説明

第 1 図 （A) は従来の超音波探触子を振幅分布 と と も に示す概 略斜視図、 第 1 図 （B) は そ の概略断面図、 第 2 図は本発明 の各 実施例 に お け る超音波探触子の複合圧電体の基本構造を示す概 略斜視図、 第 3 図は同複合圧電体の断面図、 第 4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 5 図 は第 4 図に示す超音波探触子の断面図、 第 6 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 7 図は第 6 図に示す超 音波探触子の断面図、 第 8図は電気機械結合係数と圧電セ ラ ミ ッ ク ス の体積比率 と の関係を示す グ ラ フ 、 第 9 図は本発明の第 3 の実施例を示す複合圧電体の断面図であ る 。

発明 を実施す る た め の最良の形態

実施例 1

第 2 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 3図は第 1 図に示 し た複合圧電体の断 面図で あ る 。 第 2図およ び第 3 図に おいて、 1 1 は複合圧電体 で あ り 、 1 2 は四角柱の複数の圧電体素子であ り 、 P Z T系， P b T i 0₃系等の圧電 セ ラ ミ ッ ク ス が使用 さ れ る 。 1 3 は こ れ ら圧電体素子 1 2 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 ， ヱ ポ キ シ樹脂， ポ リ ウ レ タ ン樹脂等が使用 さ れる 。 1 4， 1 5 は圧電体素子 1 2 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 け等の方法に よ り 設け ら れ る 。 各圧電体素子 1 2 は、 そ の 両端面を揃え ら れて そ の両端面に電極 1 4， 1 5 が設 け ら れる こ と に よ り 一次元の繫が り を有す る 。 有機高分子材料 1 3 は、 各圧電体素子 1 2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 1 4， 1 5 に電圧を印加す る こ と に よ り 、 複合圧電体 1 1 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。

各圧電体素子 1 2 は、 第 3 図に示す よ う に、 そ れぞれの間隔 P が一定に な る よ う に配列さ れて い る も の の、 有機高分子材料 1 3 に対す る体積比率が異な っ て い る。 例え ば、 こ こ で は 3種 類の領域 A， B , C ご と に変化 させ、 中央部 Aで最 も体積比率が 大 き く 、 周辺部 B， C に行 く に し た が っ て徐 々 に小さ く な る よ う に設定さ れてお り 、 こ れに よ り 電気機械結合係数に分布およ び変化を持たせ る よ う に して い る。

電気機械結合係数 k _t と 、 圧電体素子で あ る 圧電体セ ラ ミ ッ ク ス およ び有機高分子材料の体積比率 V と の関係は、 第 8 図に 示さ れてい る 。 但 し、 こ こ では圧電セ ラ ミ ッ ク ス と し て P Z T 5 を用 い、 有機高分子材料と して エ ポ キ シ樹脂を用 いた場合の値 が示さ れて い る。 第 8 図に おいて、 例えば圧電セ ラ ミ ッ ク ス の 体積比率 Vを 1 0， 2 0， 3 0 %と変化させる と、 電気機械結合 係数 k _tは順に 5 0 ， 6 0 ， 6 4 % と 変化す る 。 し た が っ て、 こ の例を第 3 図に示 し た複合圧電体 1 1 の部分 A， B , C の そ れ ぞれの圧電体素子の体積比率に当てはめ、 それぞれ 3 0， 2 0 , 1 0 %と する と、 複合圧電体 1 1 の電気機械結合係数は、 中央部 Aで最 も高い 6 4 %、 周辺部 B， C にかけて徐々 に 6 0 , 5 0 % と い う よ う に低 く 分布す る よ う に な る。 電気機械結合係数を こ の よ う に分布 させ る と 、 複合圧電体 1 1 か ら発生す る超音波の 振幅に重みづけをする こ と ができ る。 すなわち、 複合圧電体 1 1 の部分 Aか ら 発生す る 超音波の音圧を高 く し、 部分 B , じ か ら 発生す る超音波の音圧を順次低減させて、 一枚の複合圧電体 1 1 自身において振幅の重みづけ （ ア ポ ダイ ジ ン グ） をす る こ と が で き 、 こ れ に よ り 複合圧電体 1 1 か ら 発生 さ せ る 超音波 ビ ー ム パ タ ー ン の サ イ ド ロ ー ブ レ べ ノレを低減す る こ と がで き 、 高分解 能の超音波画像を得 る こ と がで き る よ う に な る 。

第 4 図お よ び第 5 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 4 図お よ び第 5 図 に お い て、 2 1 は前記 し た基本構造 と 同様な 構成を有す る 複合圧電体、 2 2 は一次元の繋が り を有 し て直線 状 に配列 さ れ、 体積比率を変え る こ と に よ り 電気機械結合係数 を変え た 四角 柱の複数の圧電体素子、 2 3 は各圧電体素子 2 2 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、 2 4 は 各圧電体素子 2 2 の一方の端面に め っ き ， 蒸着， 焼 き 付 け等の 方法 に よ り 設 け ら れた複数列 に配列 さ れた ア レ イ 電極、 2 5 は 各圧電体素子 2 2 の他方の端面 に設 け ら れた共通電極で あ る 。 2 6 は共通電極 2 5 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、 2 7 は音饗整合層 2 6 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 2 7 は必要 に応 じ て設 け ら れ る 。 2 8 は ア レ イ 電極 2 4 側 に 設 け ら れて超音波を吸収す る と と も に複合圧電体 2 1 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 2 1 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 2 1 に設 け ら れた複数 個 の ア レ イ -電極 2 4 a , 2 4 b , 2 4 c , … 2 4 η 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 ィ ス プ レ イ 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 2 1 を ア レ イ 電極 2 4 の配列方向 に対 して直 角 を なす方向 に切断 し たの が第 5 図に示す断面図であ り 、 こ の 方向に体積比率の異な る圧電体素子 2 2 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 く な る よ う に体積比率の 最 も 高い圧電体素子 2 2 a を配列 し、 周辺部 B， C 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 れ体積比率を順に小さ く した圧電体素子 2 2 b ， 2 2 c を配列 す る 。

例え ば、 第 8 図で説明 し た圧電セ ラ ミ ッ ク ス の P Z T 5 と 有 機高分子材料の エ ポ キ シ樹脂を使用 し、 圧電体素子 2 2 の体積 比率を 3 種類に し た場合、 第 4 図の部分 A， B , C の圧電体素子 2 2 の体積比率をそ れぞれ順に 3 0 ， 2 0 ， 1 0 % と す る と 、 各部分 A, B， C の電気機械結合係数は、 順に 6 4， 6 0 , 5 0 % と な 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 2 2 a 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 2 4 の配列方向に対 し て直角 な方向に振幅の重みづけ （ ァ ポ ダイ ジ ン グ） を行な う こ と がで き 、 サ イ ド ロ ー ブ レ べ ソレを小 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、 各圧電体素子の体積比率を 3 種類に し た場合 につ いて説明 し たが、 そ の他に 2 種類ま た は 4 種類以上の体積比率か ら な る よ う に構成 し て も 同様な効果が得 ら れ る 。

ま た本実施例 1 に お い て は、 電極がア レ イ 電極 2 4 に よ り 複 数個に配列さ れた ァ レイ 型超音波探触子の例と して説明 したが、 ァ レ イ 電極 2 4 だけでな く 複合圧電体 2 1 も ァ レ イ 電極 2 4 a ,

2 4 b , 2 4 c , … 2 4 η 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 6 図およ び第 7 図を 参照 し て説明す る 。 第 6 図およ び第 7 図に おい て、 3 1 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 、 3 2 は 一次元の繋が り を有 し て体積比率を変え る こ と に よ り 電気機械 結合係数を変え、 同 じ体積比率 ご と に グルー プ分け し 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 る 。 3 3 は各圧 電体素子 3 2 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 る 。 3 4 は グルー プ分け さ れた各圧電体素子 3 2 ご と に一方の端面に同心円状に め っ き ， 蒸着， 焼き 付け等の方法に よ り 設 け ら れた ア レ イ 電極で あ る。 3 5 は各圧電体素子 3 2 の 他方の端面に設け ら れた共通電極で あ る 。 3 6 は共通電極 3 5 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、

3 7 は ァ レ イ 電極 3 4 側に設 け ら れて超音波を吸収す る と と も に複合圧電林 3 1 を保持す る た め の背面負荷材で あ る 。

ア レ イ 電極 3 4 は、 同心円状に複数個配列さ れた電極 3 4 a , 11 1 67

- - 8 - 3 4 b , 3 4 c , … 3 4 n か ら な り 、 こ れ ら各電極 3 4 に ほ ぼ 対応 し て、 体積比率を変え る こ と に よ り 電気機械結合係数を変 え た圧電体素子 3 2 a， 3 2 b , 3 2 c , … 3 2 n がグ ルー プ 分け し て配列 さ れて い る。 すなわ ち、 電極 3 4 a に対応す る 中 央部 A に電気機械結合係数の値が最 も高 く な る よ う に体積比率 が最 も高い圧電体素子 3 2 a 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 ぞれ体積比率を順に小さ く し た圧電体素子 3 2 b , 3 2 c , … 3 2 n が配列 さ れる 。

例え ば、 前記実施例 1 と 同様に、 第 8 図で説明 し た圧電セ ラ ミ ッ ク ス の P Z T 5 と有機高分子材料のヱ ポ キ シ樹脂を使用 し、 圧電体素子 3 2 の体積比率を 3 種類に し た場合は、 第 7 図の部 分 A の圧電体素子 3 2 a の体積比率を 3 0 % と し、 そ の周辺部 にかけて順に 2 0， 1 0 % と す る と 、 各部分の電気機械結合係 数は、 中央部 Aか ら順に 6 4 , 6 0， 5 0 % と な る 。

こ の よ う に構成さ れた超音波探触子は、 いわ ゆ る ァ ニ ユ ラ 一 ア レ イ 型超音波探触子であ り 、 複合圧電体 3 1 の各ア レ イ 電極 3 4 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 も振幅に重みづ けをす る こ と がで き 、 サイ ド ロ 一 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、 複合圧電体 3 1 に設け た ァ レ ィ 電極 3 4 に対応 し て体積比率の異な る圧電体素子 3 2 を配列 し た 構成 を 示 し た が、 各圧電体素子 3 2 の 体積比率 ご と の グ ル ー プ は 、 必ず し も 各 ア レ イ 電極 3 4 の そ れ ぞ れ 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、 各圧電体素子の体積比率を設定す れ ば良 い。

ま た 、 前記各実施例 に お い て は、 体積比率の異 な る 圧電体素 子 と し て P Z T系， P b T i 0₃系 の 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 ポ ー ラ ス な 圧 電 セ ラ ミ ッ ク ス 、 3 成分系 の圧電セ ラ ミ ッ ク ス 、 ま た は L i N b 0₃, L i T a 0₃等の 単結晶 ま た は こ れ ら 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 。

実施例 3

第 9 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で あ る 。

第 9 図 に お い て、 1 1 は複合圧電体で あ り 、 1 2 は複数の圧 電体素子で あ り 、 周波数定数の異な る 同 じ 長 さ お よ び大 き さ の 四角 柱の圧電体素子 1 2 a お よ び 1 2 b を直交方向 に互 い に交 互 に並べた も の で あ る 。 1 3 は こ れ ら 圧電体素子 1 2 a お よ び 1 2 b 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 ， ェ ポ キ シ樹脂， ポ リ ウ レ タ ン樹脂等が使用 さ れ る 。 1 4 , 1 5 は圧電体素子 1 2 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 け等 の方法に よ り 設け ら れ る 。 各圧電体素子 1 2 a およ び 1 2 b は、 そ の両端面-を揃え ら れて そ の両端面 に電極 1 4， 1 5 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 1 3 は、 各圧電体素子 1 2 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 1 4 , 1 5 に電圧を 印加す る こ と に よ り 、 複合圧電体 1 1 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 一 3 型 と 呼ばれ、 例え ば文献 ( P roc. I E E E , 1 9 8 5， U ltorasonics S ymp. p643 - p647) 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 1.1 は、 各圧電体素子 1 2 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 1 2 a およ び 1 2 b 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 つ て い て も良 く 、 そ の配列 も規則的で な く と も良い。

こ の複合圧電体を第 1 の実施例で説明 し た第 4図， 第 5 図に 示す超音波探触子に用 い る 。 第 4図， 第 5 図に こ の複合圧電体 2 1 を ァ レ イ 電極 2 4 の配列方向 に対 して直角 を なす方向 に電 気機械結合係数の異な る圧電体素子 2 2 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 2 2 a を配 列 し、 周辺部 B， C 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 2 2 b ， 2 2 c 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 2 a , 2 2 b , 2 2 c は、 例えば中央部 Aの圧電体素子 2 2 a と し て は東北金属社の P Z T系の圧電セ ラ ミ ッ ク ス N — 2 1 (電気機械 結合係数 k 3 3 = 0. 7 3 )、 そ の外側部分 B の圧電体素子 2 2 b と しては、 同 じ く 東北金属社の P Z T系の圧電セ ラ ミ ッ ク ス N — 8 (電気機械結合係数 k 3 3 = 0. 6 7 )、 最外側部 C の圧電体素子 2 2 c と し て は、 東芝セ ラ ミ ッ ク ス社の P b T i 0₃系 の 圧 電 セ ラ ミ ッ ク ス C 一 2 4 (電気機械結合係数 k 3 3 = 0. 5 4 ) を 用 い、 各圧電体素子 2 2 a ， 2 2 b , 2 2 c の間隙に シ リ コ ー ン ゴ ム ， エ ポ キ シ樹脂， ボ リ ウ レ タ ン樹脂等の有機高分子材料 2 3 を充填 し て複合圧電体 2 1 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 2 2 a 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 2 4 の配列方向 に対 し て直角 な方向 に振幅の重みづ け （ ァ ポ ダイ ジ ン グ） を行な う こ と がで き 、 サ イ ド ロ ー ブ 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異な る 3 種類の圧電体素子 2 2 a ， 2 2 b , 2 2 c と し て圧電セ ラ ミ ツ 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 L i N b 0₃， L i T a O s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 3 に お い て は、 電極がア レ イ 電極 2 4 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、 ァ レ イ 電極 2 4 だ け で な く 複合圧電体 2 1 も ア レ イ 電極 2 4 a ,

2 4 b , 2 4 c , … 2 4 η 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 4

次に、 本発明の第 2 の実施例につ いて説明す る 。

実施例 3 に用 いた複合圧電体 3 1 を第 6 図， 第 7 図に示す ァ ニ ュ ラ ー ァ レ イ 型超音波探触子に用 い る 。

複合圧電体 3 1 は 3 2 は一次元の繫が 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 、 3 3 は各圧電体素子 3 2 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 、

3 4 は グ ルー プ分け さ れた各圧電体素子 3 2 ご と に一方の端面 に同心円状に め っ き ， 蒸着， 焼き付け等の方法に よ り 設け ら れ た ア レ イ 電極であ り 、 3 5 は各圧電体素子 3 2 の他方の端面に 設け ら れた共通電極であ る。 3 6 は共通電極 3 5 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、 3 7.は ァ レ ィ 電極 3 4 側に設け ら れて超音波を吸収す る と と も に複合圧電 体 3 1 を保持す る た め の背面負荷材であ る 。 各圧電体素子 3 2 と し て は、 Ρ Ζ Τ系， P b T i 0₃系等の圧電 セ ラ ミ ッ ク ス が 用 い ら れて い る 。

ァ レイ 電極 3 4 は、 同心円状に複数個配列された電極 3 4 a , 3 4 b , 3 4 c , … 3 4 n か ら な り 、 こ れ ら各電極 3 4 に ほ ぼ 対応して、 電気機械結合係数の異なる圧電体素子 3 2 a , 3 2 b， 3 2 c , … 3 2 n がグルー プ分け し て配列 さ れて い る 。 す なわ ち、 電極 3 4 a 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 3 2 a 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 3 2 b ， 3 2 c , … 3 2 n 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 ァ ニ ユ ラ 一 ア レ イ 型超音波探触子であ り 、 複合圧電体 3 1 の各ア レ イ 電極 3 4 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 つ 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 に重みづけ 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 4 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 L i N b 0 ₃， L i T a O s等 の単結晶ま た は ポ ー ラ ス な圧電セ ラ ミ 'ソ 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 4 に お い て は、 複合圧電体 3 1 に設けた ァ レ ィ 電極 3· 4 に対応 して電気機械結合係数の異な る圧電体素子 3 2 を配列 し た構成を示 し たが、 各圧電体素子 3 2 の電気機械結合 係数は各ア レ イ 電極 3 4 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。

産業上の利用可能性

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 、 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 す る と と も に、 各圧電体素子の有機高分子材料に対す る 体積比 率を変え る こ と に よ っ て電気機械結合係数に分布およ び変化を 持たせた複合圧電体を備えて い る の で、 一枚の複合圧電体に お いて電気機械結合係数の値を部分的に異な らせる こ と ができ る。 ま た複合圧電体自身に振幅が中央部で高 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 る。

ま た両端面に電極を有 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 つ た振幅分布を持たせ る こ と がで き る ので、 サ イ ド ロ ー ブ レ ベ ル を低減 した超音波 ビ ー ムパ タ ー ンを形成す る こ と がで き 、 よ り 高分解能の超音波画像を得る こ と がで き る 。

Claims

請 求 の 範 囲

両端面に電極を有 し、 複数の圧電体素子を配列 し て有機 高分子材料に よ り 結合す る複合圧電体 と 、 前記複合圧電体 に超音波振幅の分布を も たせた こ と を特徵 と す る 超音波探 触子。

複合圧電体が圧電体素子の有機高分子に対す る体積比率 を変え る こ と に よ つ て電気機械結合係数に分布およ び変化 を も たせた こ と を特徵 と す る請求の範囲第 1 項記載の超音 波探触子。

複合圧電体が、 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 、 各圧電体素子の体積比率を設定 し た こ と を 特徴 と す る請求の範囲第 1 項記載の超音波探触子。

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 を特徵 と す る 請求の範囲第 3 項記載の超音波探触子。

各圧電体素子が圧電セ ラ ミ ッ ク ス で あ る こ と を特徵 と す る 請求の範囲第 4 項記載の超音波探触子。

複合圧電体が電気機械結合係数の異な る 2 種類以上の圧 電体素子を配列 して有機高分子で結合 し た こ と を特徴 と す る請求の範囲第 1 項記載の超音波探触子。

複合圧電体が両面に電極を有 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 係数が狳々 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 こ と を特徵 と す る 請求の 範囲第 1 項記載の超音波探触子。

各圧電体素子が一次元の繋が り を有 し、 有機高分子材料 が三次元の繫が り を有す る こ と を特徵 と す る 請求の範囲第 7 項記載の超音波探触子。

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 結合す る と と も に、 そ の中央部で電気機械結合係数が 最 も高 く 、 そ の周辺部に行 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、 前記各圧電体素子の前記有 機高分子材料に対す る体積比率を設定 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 ァ レ イ 電極をそ の並 ベた方向 に設け、 他方の端面に共通電極を設 けた こ と を特 徵 と す る 超音波探触子。

各圧電体素子が一次元の繁が り を有 し、 有機高分子材料 が三次元の繁が り を有す る こ と を特徵 と す る請求の範囲第 9 項記載の超音波探触子。

各圧電体素子が圧電セ ラ ミ ッ ク ス で あ る こ と を特徵 と す る請求の範囲第 1 0 項記載の超音波探触子。

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 結合す る と と も に 、 そ の中央部で電気機械結合係数 が最 も高 く 、 そ の周辺部に行 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、 前記各圧電体素子の前記 有機高分子材料に対す る 体積比率を グ ルー プ分け し て設定 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 ほ ぼ対応 し て複数の ァ レ • ィ 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。

13 . 各圧電体素子が一次元の繋が り を有 し、 有機高分子材料 が三次元の繁が り を有す る こ と を特徵 と す る 請求の範囲第

5 1 2 項記載の超音波探触子。

14 . 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 る請求の範囲第 1 3 項記載の超音波探触子。

15 . 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0 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 ァ 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 を特徵 と す る超音波探触子。

5 16 . 各圧電体素子が一次元の繋が り を有 し、 有機高分子材料 が三次元の繁が り を有す る こ と を特徵 と す る 請求の範囲第

1 5 項記載の超音波探触子。

17 . 各圧電体素子が圧電セ ラ ミ ッ ク ス であ る こ と を特徵 と す る請求の範囲第 1 6 項記載の超音波探触子。

0 18 . 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 を特徵 と す る請求の範囲第 1 5 項か ら第 1 6 項の いずれ か に記載の超音波探触子。

19 . 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.つ て電気機械結合係数が徐々 に小さ く な る よ う に、5 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 を特徵 と す る超音波探触子。

20 . 各圧电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 を特徵 と す る請求の範囲第 1 9 項記載の超音波探触子。

21 各圧電体素子が圧電セ ッ ク ス であ る こ と を特徵 と す る請求の範囲第 2 0 項記載の超音波探触子。

22 . 各圧 体素子の周波数定数が 2種類以上異な っ て い る こ と を特徵 と す る請求の範囲第 1 9 項か ら第 2 1 項の いずれ かに記載の超音波探触子