JP2758199B2 - 超音波探触子 - Google Patents
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Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
- B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
- B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
- B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
- B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
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- B06B1/064—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements on one surface with multiple active layers
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- Engineering & Computer Science (AREA)
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- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
- Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) 本発明は超音波検査装置などに使用される超音波探触
子に係り、特に積層圧電素子により構成された超音波探
触子に関する。
子に係り、特に積層圧電素子により構成された超音波探
触子に関する。
(従来の技術) 超音波探触子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、音響インピーダンスの異な
る界面からの反射波を受信して対象物の内部状態を示す
画像を取得するために用いられる。このような超音波探
触子を用いた超音波診断装置の具体例には、例えば人体
内部を検査する医用診断装置や、金属溶接内部の探傷を
目的としたものなどがある。
波を対象物に向けて照射し、音響インピーダンスの異な
る界面からの反射波を受信して対象物の内部状態を示す
画像を取得するために用いられる。このような超音波探
触子を用いた超音波診断装置の具体例には、例えば人体
内部を検査する医用診断装置や、金属溶接内部の探傷を
目的としたものなどがある。
超音波診断装置では小さな病変や空隙が明瞭に見える
ように、高分解能の画像を高感度に得ることが要求され
る。高分解能化について超音波探触子に要求される事項
としては、振動子の素子数を増やす多素子化と、共振周
波数を高くする高周波化がある。
ように、高分解能の画像を高感度に得ることが要求され
る。高分解能化について超音波探触子に要求される事項
としては、振動子の素子数を増やす多素子化と、共振周
波数を高くする高周波化がある。
超音波探触子を多素子化すると、振動子の配列方向に
平行な方向の方位分解能が向上するが、一素子当たりの
超音波放射面積が小さくなり、各素子のインピーダンス
が大きくなる。特に、複数個の短冊状振動子を配列し、
各素子の駆動信号に与える遅延時間により扇形の断層面
を形成する電子セクタ走査用探触子は、同じ構成で長方
形の断層面を得るリニア走査用探触子に比較して、一素
子当たりの超音波放射面積は1/2〜1/5であるため、イン
ピーダンスの増大はより顕著である。この結果、探触子
と装置とを接続する同軸ケーブルの静電容量分による電
圧損失がリニア走査用探触子に比べて大きくなるという
問題が生じる。
平行な方向の方位分解能が向上するが、一素子当たりの
超音波放射面積が小さくなり、各素子のインピーダンス
が大きくなる。特に、複数個の短冊状振動子を配列し、
各素子の駆動信号に与える遅延時間により扇形の断層面
を形成する電子セクタ走査用探触子は、同じ構成で長方
形の断層面を得るリニア走査用探触子に比較して、一素
子当たりの超音波放射面積は1/2〜1/5であるため、イン
ピーダンスの増大はより顕著である。この結果、探触子
と装置とを接続する同軸ケーブルの静電容量分による電
圧損失がリニア走査用探触子に比べて大きくなるという
問題が生じる。
超音波探触子の高周波化については、例えば近年では
表在性組織や術中の組織を高分解能の画像として観測し
たいという要求が強く、それに適した周波数は15〜30MH
zとなる。超音波探触子は一般に圧電体の厚み縦振動を
用いていることから、高周波化のためには圧電体の厚さ
を薄くする必要がある。この点は特開昭61−69298号公
報などに記載されている積層圧電素子を用いた場合、さ
らに厳しくなる。すなわち、この公知例の積層圧電素子
は各層の圧電体層が電気的に並列接続されているため、
積層圧電素子の全厚(積層された複数の圧電体層の合計
の厚さ)が半波長となるような周波数の共振が生じる。
従って、この場合は積層圧電素子の全厚を薄くしなけれ
ばならない。
表在性組織や術中の組織を高分解能の画像として観測し
たいという要求が強く、それに適した周波数は15〜30MH
zとなる。超音波探触子は一般に圧電体の厚み縦振動を
用いていることから、高周波化のためには圧電体の厚さ
を薄くする必要がある。この点は特開昭61−69298号公
報などに記載されている積層圧電素子を用いた場合、さ
らに厳しくなる。すなわち、この公知例の積層圧電素子
は各層の圧電体層が電気的に並列接続されているため、
積層圧電素子の全厚(積層された複数の圧電体層の合計
の厚さ)が半波長となるような周波数の共振が生じる。
従って、この場合は積層圧電素子の全厚を薄くしなけれ
ばならない。
圧電体には大きく分けて、圧電セラミックと高分子圧
電体とがある。圧電セラミックの場合、その厚さは100
μm以下となる。このように厚さが薄くなると、焼結時
にPZT系セラミックのような鉛を含むものでは焼成雰囲
気中に飛散する鉛の影響が大きくなり、セラミックの特
性が劣化したり、反りが顕著となると同時に加工性も劣
化してくる。また、多くの場合は銀などの焼き付け電極
を用いるが、その電極ペーストには銀とセラミックを密
着させるためガラスフリットが用いられている。このた
めセラミックの厚さが薄くなると、セラミック中に浸透
するガラスフリットの割合が増え、特性劣化を招いてし
まう。
電体とがある。圧電セラミックの場合、その厚さは100
μm以下となる。このように厚さが薄くなると、焼結時
にPZT系セラミックのような鉛を含むものでは焼成雰囲
気中に飛散する鉛の影響が大きくなり、セラミックの特
性が劣化したり、反りが顕著となると同時に加工性も劣
化してくる。また、多くの場合は銀などの焼き付け電極
を用いるが、その電極ペーストには銀とセラミックを密
着させるためガラスフリットが用いられている。このた
めセラミックの厚さが薄くなると、セラミック中に浸透
するガラスフリットの割合が増え、特性劣化を招いてし
まう。
高分子圧電体は圧電セラミックに比べ軟らかいため、
破損などの心配はないが、電気機械結合係数が0.2〜0.3
と小さい、誘電率がセラミックに比べ2桁以上小さい、
ガラス転移点が100℃前後と低いなどの欠点があり、ア
レイ用探触子にはほとんど用いられていない。。
破損などの心配はないが、電気機械結合係数が0.2〜0.3
と小さい、誘電率がセラミックに比べ2桁以上小さい、
ガラス転移点が100℃前後と低いなどの欠点があり、ア
レイ用探触子にはほとんど用いられていない。。
一方、高感度に画像を得るために超音波探触子に要求
される性能としては、主として以下の三点が挙げられ
る。
される性能としては、主として以下の三点が挙げられ
る。
圧電体の電気機械結合係数を増大させる、 音響的整合を図る、 電気的整合を図る。
これらのうちの方法については、現存する圧電セラ
ミック材料においてk′33の最も大きな値は0.7程度で
あり、多大な努力が払われているにもかかわらず、1955
年にclevite社で開発されたPZTに代表されるチタン酸ジ
ルコン酸鉛系セラミックを上回る材料は開発されていな
い。
ミック材料においてk′33の最も大きな値は0.7程度で
あり、多大な努力が払われているにもかかわらず、1955
年にclevite社で開発されたPZTに代表されるチタン酸ジ
ルコン酸鉛系セラミックを上回る材料は開発されていな
い。
の方法については、圧電体と生体の音響インピーダ
ンスが大きく異なるため、音響マッチング層を形成する
方法が用いられている。音響マッチング層の層数は単層
以外に2層や3層の場合もあるが、現在使用されている
もの以上の改善は音響マッチング層のみでは困難であ
る。
ンスが大きく異なるため、音響マッチング層を形成する
方法が用いられている。音響マッチング層の層数は単層
以外に2層や3層の場合もあるが、現在使用されている
もの以上の改善は音響マッチング層のみでは困難であ
る。
については様々の手法が用いられている。超音波診
断装置の場合、近年では前述のように高分解能化のため
超音波探触子の素子数が増える傾向にある。この結果、
一素子当たりの超音波放射面積が小さくなり、インピー
ダンスが増大することにより、前述したように同軸ケー
ブルでの静電容量分による電圧損失が増大するという問
題が生じる。
断装置の場合、近年では前述のように高分解能化のため
超音波探触子の素子数が増える傾向にある。この結果、
一素子当たりの超音波放射面積が小さくなり、インピー
ダンスが増大することにより、前述したように同軸ケー
ブルでの静電容量分による電圧損失が増大するという問
題が生じる。
また、電子セクタ走査用探触子は生体の断層像である
Bモード像に加え、血流による超音波のドップラシフト
を利用して血流速を表示するドップラモードにも多用さ
れている。ドップラモードではBモードに比べて感度余
裕が少なく、高感度化の必要がある。さらに、近年はリ
アルタイムで二次元の血流の拡がりをマッピングし、血
流の速度や反射パワーの強さをカラー表示するカラーマ
ッピング法が普及し、診断能、診断応用分野の拡大がな
されている。
Bモード像に加え、血流による超音波のドップラシフト
を利用して血流速を表示するドップラモードにも多用さ
れている。ドップラモードではBモードに比べて感度余
裕が少なく、高感度化の必要がある。さらに、近年はリ
アルタイムで二次元の血流の拡がりをマッピングし、血
流の速度や反射パワーの強さをカラー表示するカラーマ
ッピング法が普及し、診断能、診断応用分野の拡大がな
されている。
しかしながら、冠血流、早期ガン細胞による血流の変
化など微弱な血流を観測することは、上述した電子セク
タ走査用探触子固有の特性から困難である。このような
問題を打破するため、探触子と同軸ケーブル間にエミッ
タフォロワ回路を挿入し、ケーブルの静電容量分による
損失を低減させた探触子が実用化されているが、上述し
た微弱血流を観測することは未だ難しい。
化など微弱な血流を観測することは、上述した電子セク
タ走査用探触子固有の特性から困難である。このような
問題を打破するため、探触子と同軸ケーブル間にエミッ
タフォロワ回路を挿入し、ケーブルの静電容量分による
損失を低減させた探触子が実用化されているが、上述し
た微弱血流を観測することは未だ難しい。
一方、装置側に目を向けたとき、探触子の駆動電圧を
増大させることにより感度は向上する。しかし、圧電体
に投入される電気パワーも増えて誘電損などによる発熱
が生じ、探触子の特性劣化を起こしたり、人体に火傷な
どのダメージを与えるおそれがあるため、駆動電圧の増
大には限度があり、十分な感度向上を期待することはで
きない。
増大させることにより感度は向上する。しかし、圧電体
に投入される電気パワーも増えて誘電損などによる発熱
が生じ、探触子の特性劣化を起こしたり、人体に火傷な
どのダメージを与えるおそれがあるため、駆動電圧の増
大には限度があり、十分な感度向上を期待することはで
きない。
(発明が解決しようとする課題) 上述したように、超音波探触子の高分解能化のために
圧電体厚を薄くして高周波化する従来の技術では、圧電
セラミックを用いた場合、その厚さを非常に薄くしなけ
ればならないため、製造面及び特性面で問題がある。高
分子圧電体は電気機械結合係数が小さいなどの面から実
用的でない。
圧電体厚を薄くして高周波化する従来の技術では、圧電
セラミックを用いた場合、その厚さを非常に薄くしなけ
ればならないため、製造面及び特性面で問題がある。高
分子圧電体は電気機械結合係数が小さいなどの面から実
用的でない。
また、特にドプラモードで多用されている電子セクタ
走査用探触子においては、圧電体材料の選定や、音響マ
ッチング層を設けることによる高感度化はあまり期待で
きない。エミッタフォロワ回路を探触子と同軸ケーブル
との間に挿入することにより、ケーブルの静電容量分に
よる電圧損失を低減させた探触子においても、感度不足
が指摘されている。さらに、駆動電圧を上げて感度を向
上させる方法は、圧電体での発熱の問題により限度があ
る。
走査用探触子においては、圧電体材料の選定や、音響マ
ッチング層を設けることによる高感度化はあまり期待で
きない。エミッタフォロワ回路を探触子と同軸ケーブル
との間に挿入することにより、ケーブルの静電容量分に
よる電圧損失を低減させた探触子においても、感度不足
が指摘されている。さらに、駆動電圧を上げて感度を向
上させる方法は、圧電体での発熱の問題により限度があ
る。
本発明の目的は、製造上及び特性上の問題を伴なうこ
となく容易に高周波化を達成できる超音波探触子を提供
することにある。
となく容易に高周波化を達成できる超音波探触子を提供
することにある。
また、本発明の他の目的は高周波化とともに、高感度
化を達成できる超音波探触子を提供することにある。
化を達成できる超音波探触子を提供することにある。
[発明の構成] (課題を解決するための手段) 本発明に係る超音波探触子は、複数の圧電体層を分極
方向が隣接するもの同士互いに逆となるように積層しか
電気的に直列接続してなる積層圧電素子を用いて構成さ
れる。
方向が隣接するもの同士互いに逆となるように積層しか
電気的に直列接続してなる積層圧電素子を用いて構成さ
れる。
また、この超音波探触子を超音波診断装置に適用する
場合、積層圧電素子の電極と同軸ケーブルとの間にイン
ピーダンス変換器を挿入することが望ましい。
場合、積層圧電素子の電極と同軸ケーブルとの間にイン
ピーダンス変換器を挿入することが望ましい。
(作 用) 本発明における積層圧電素子は、複数の圧電体層が隣
接するもの同士で分極方向が互いに逆となるように積層
され、電気的には直列接続されていることにより、基本
共振周波数は単層圧電素子または各圧電体層を電気的に
並列接続した従来の積層圧電素子のように全体の厚さに
は依存せず、個々の圧電体層の厚さで定まる値となる。
接するもの同士で分極方向が互いに逆となるように積層
され、電気的には直列接続されていることにより、基本
共振周波数は単層圧電素子または各圧電体層を電気的に
並列接続した従来の積層圧電素子のように全体の厚さに
は依存せず、個々の圧電体層の厚さで定まる値となる。
従って、圧電体層の積層数をnとすれば、この積層圧
電素子は単層構成の場合のn倍の厚さで、単層構成のも
のと同じ共振周波数となる。これにより圧電素子全体の
厚さをあまり薄くすることなく、すなわち製造上及び特
性上での問題を伴なわずに高周波化が達成される。
電素子は単層構成の場合のn倍の厚さで、単層構成のも
のと同じ共振周波数となる。これにより圧電素子全体の
厚さをあまり薄くすることなく、すなわち製造上及び特
性上での問題を伴なわずに高周波化が達成される。
また、このように複数の圧電体層を電気的に直列に接
続した積層圧電素子はインピーダンスが増大するが、こ
の点に関しては超音波探触子と同軸ケーブルとの間にイ
ンピーダンス変換器を挿入してインピーダンスを下げる
ことにより、同軸ケーブルの静電容量による感度低下の
原因となる電圧損失が低減される。
続した積層圧電素子はインピーダンスが増大するが、こ
の点に関しては超音波探触子と同軸ケーブルとの間にイ
ンピーダンス変換器を挿入してインピーダンスを下げる
ことにより、同軸ケーブルの静電容量による感度低下の
原因となる電圧損失が低減される。
しかも、本発明における積層圧電素子の一端面から放
射される超音波、とくに2波目以降に放射される超音波
は、積層圧電素子の他端面から伝搬してきた波や、両端
面で反射した波の合成波となるが、圧電体層の全厚が単
層構成の場合より厚いことにより、単層構成の場合より
端面での超音波反射回数が少なくなり、それだけ振幅が
増大する。超音波の受信時においても、本発明における
積層圧電素子によると、特に2波目以降での発生電圧が
増大する。これらにより高感度化が達成される。
射される超音波、とくに2波目以降に放射される超音波
は、積層圧電素子の他端面から伝搬してきた波や、両端
面で反射した波の合成波となるが、圧電体層の全厚が単
層構成の場合より厚いことにより、単層構成の場合より
端面での超音波反射回数が少なくなり、それだけ振幅が
増大する。超音波の受信時においても、本発明における
積層圧電素子によると、特に2波目以降での発生電圧が
増大する。これらにより高感度化が達成される。
(実施例) 以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
第1図は本発明の一実施例に係る超音波探触子の概略
構成を示したもので、積層圧電素子1の超音波放射面側
に音響マッチング層2及び音響レンズ3が形成され、背
面側にバッキング材4が形成されている。
構成を示したもので、積層圧電素子1の超音波放射面側
に音響マッチング層2及び音響レンズ3が形成され、背
面側にバッキング材4が形成されている。
積層圧電素子1は例えば第2図に示すように、2つの
圧電体層11,12をその分極方向13,14が互いに逆となるよ
うに積層し、その積層方向両端面、すなわち圧電体層11
の上面側及び圧電体層12の下面側にそれぞれ電極15,16
を被着形成したものである。圧電体層11,12は圧電セラ
ミックにより形成される。また、実際には圧電体層11,1
2の間にこれらを分極させる際に用いる電極17が形成さ
れている。なお、圧電体層11,12のそれぞれの厚さは100
μm以下が望ましい。
圧電体層11,12をその分極方向13,14が互いに逆となるよ
うに積層し、その積層方向両端面、すなわち圧電体層11
の上面側及び圧電体層12の下面側にそれぞれ電極15,16
を被着形成したものである。圧電体層11,12は圧電セラ
ミックにより形成される。また、実際には圧電体層11,1
2の間にこれらを分極させる際に用いる電極17が形成さ
れている。なお、圧電体層11,12のそれぞれの厚さは100
μm以下が望ましい。
このように構成された超音波探触子では、圧電体層1
1,12の個々の厚さをt0とした時、合計の厚さは2t0とな
り、積層圧電素子1の基本共振周波数f0はf0=v/2t0と
なる。一方、厚さがt0の単層圧電体の基本共振周波数
も、やはりv/2t0となる。これは積層された圧電体層11,
12の分極方向が互いに逆であり、しかも圧電体層11,12
が電気的に直列接続されているため、二層を合わせた厚
さ2t0が半波長となる共振は存在せず、個々の厚さt0が
半波長となる共振が現れるためである。すなわち、この
積層圧電素子1は単層圧電素子の2倍の厚さでありなが
ら、共振周波数は単層圧電素子のそれと同じになる。
1,12の個々の厚さをt0とした時、合計の厚さは2t0とな
り、積層圧電素子1の基本共振周波数f0はf0=v/2t0と
なる。一方、厚さがt0の単層圧電体の基本共振周波数
も、やはりv/2t0となる。これは積層された圧電体層11,
12の分極方向が互いに逆であり、しかも圧電体層11,12
が電気的に直列接続されているため、二層を合わせた厚
さ2t0が半波長となる共振は存在せず、個々の厚さt0が
半波長となる共振が現れるためである。すなわち、この
積層圧電素子1は単層圧電素子の2倍の厚さでありなが
ら、共振周波数は単層圧電素子のそれと同じになる。
従って、単層圧電素子に比較して、積層圧電素子1の
全体の厚さを大きくできるため、焼結時や電極15,16を
形成する時の特性劣化が少なく、また加工性が向上し、
破損のおそれも少なくなる。
全体の厚さを大きくできるため、焼結時や電極15,16を
形成する時の特性劣化が少なく、また加工性が向上し、
破損のおそれも少なくなる。
具体例として、圧電体層11,12を比誘電率2000のPZT系
セラミックにより形成し、個々の厚さは75μmとした。
これを短冊状に切断して複数の配列された振動子とし、
k′33を測定したところ、64%であった。第1図の超音
波探触子の作製に際しては積層圧電素子1の超音波放射
面側に所定の厚さの音響マッチング層2を形成した。次
に、リード取出し用のフレキシブルプリント板とアース
板(図示せず)を半田付けし、バッキング材4に接着し
た。その後、ダイシングマシンで短冊状に切断した。切
断には15μm厚のブレードを用い、切断ピッチを60μm
とした。短冊状振動子の数は64個であり、パルスエコー
特性を測定したところ全素子動作し、−6dBダウンでの
中心周波数は19.8MHzとなった。
セラミックにより形成し、個々の厚さは75μmとした。
これを短冊状に切断して複数の配列された振動子とし、
k′33を測定したところ、64%であった。第1図の超音
波探触子の作製に際しては積層圧電素子1の超音波放射
面側に所定の厚さの音響マッチング層2を形成した。次
に、リード取出し用のフレキシブルプリント板とアース
板(図示せず)を半田付けし、バッキング材4に接着し
た。その後、ダイシングマシンで短冊状に切断した。切
断には15μm厚のブレードを用い、切断ピッチを60μm
とした。短冊状振動子の数は64個であり、パルスエコー
特性を測定したところ全素子動作し、−6dBダウンでの
中心周波数は19.8MHzとなった。
一方、比較例として75μm厚の単層圧電素子を用いて
超音波探触子を作製した。この単層圧電素子のk′33を
測定したところ56%であり、本発明の上記実施例のもの
に比べ9%小さくなった。また、この単層圧電素子は反
りが目立ち、フレキシブルプリント板とアース板との半
田付けの際、約10%が破損した。さらに、バッキング材
4への接着時にも8%が破損し、製造歩留りの低下が顕
著に見られた。
超音波探触子を作製した。この単層圧電素子のk′33を
測定したところ56%であり、本発明の上記実施例のもの
に比べ9%小さくなった。また、この単層圧電素子は反
りが目立ち、フレキシブルプリント板とアース板との半
田付けの際、約10%が破損した。さらに、バッキング材
4への接着時にも8%が破損し、製造歩留りの低下が顕
著に見られた。
また、本発明の実施例と比較例についてパルスエコー
法によりエコー波形を比較観測したところ、後者のもの
は約−3dBと低感度となった。
法によりエコー波形を比較観測したところ、後者のもの
は約−3dBと低感度となった。
第3図は本発明の他の実施例を示したもので、超音波
探触子本体21は第1図および第2図に示したものと同様
の構成であり、この超音波探触子本体21における電極15
と同軸ケーブル23の一端との間に、インピーダンス変換
器22が挿入されている。即ち、インピーダンス変換器22
は例えばバイポーラトラジスタによるエミッタフォロワ
回路を用いて構成され、その入力端は電極15に接続さ
れ、出力端は同軸ケーブル23の一端に接続されている。
同軸ケーブル23の他端は、超音波診断装置24の入力端
(受信部)に接続されている。なお、実際には超音波探
触子本体21が多数の振動子により構成されているため、
インピーダンス変換器22および同軸ケーブル23も振動子
の数と同数設けられる。
探触子本体21は第1図および第2図に示したものと同様
の構成であり、この超音波探触子本体21における電極15
と同軸ケーブル23の一端との間に、インピーダンス変換
器22が挿入されている。即ち、インピーダンス変換器22
は例えばバイポーラトラジスタによるエミッタフォロワ
回路を用いて構成され、その入力端は電極15に接続さ
れ、出力端は同軸ケーブル23の一端に接続されている。
同軸ケーブル23の他端は、超音波診断装置24の入力端
(受信部)に接続されている。なお、実際には超音波探
触子本体21が多数の振動子により構成されているため、
インピーダンス変換器22および同軸ケーブル23も振動子
の数と同数設けられる。
超音波探触子本体21においては第1図及び第2図に示
したように、圧電体層11,12が電気的に直列に接続され
ているため、積層圧電素子1の電極15,16間の静電容量
が減少してインピーダンスが増大する。このため超音波
探触子21を同軸ケーブル23に直接接続すると、同軸ケー
ブル23の静電容量による電圧損失が増大するが、超音波
探触子21と同軸ケーブル23との間にインピーダンス変換
器22を挿入して、超音波探触子としてのインピーダンス
を下げることにより、このような電圧損失を低減させる
ことができる。
したように、圧電体層11,12が電気的に直列に接続され
ているため、積層圧電素子1の電極15,16間の静電容量
が減少してインピーダンスが増大する。このため超音波
探触子21を同軸ケーブル23に直接接続すると、同軸ケー
ブル23の静電容量による電圧損失が増大するが、超音波
探触子21と同軸ケーブル23との間にインピーダンス変換
器22を挿入して、超音波探触子としてのインピーダンス
を下げることにより、このような電圧損失を低減させる
ことができる。
この実施例によれば、超音波探触子本体21において、
積層圧電素子1の圧電体層11,12への投入パワーを単層
構成の場合と同一、すなわち発熱量を同じにするため
に、駆動電圧を にすると、電界は となる。その結果、積層圧電素子1の一端面(例えば圧
電体層1の表面)から放射される最初の伸びもしくは縮
みにより生じる超音波の音圧は、単層構成の場合に比べ と小さくなる。
積層圧電素子1の圧電体層11,12への投入パワーを単層
構成の場合と同一、すなわち発熱量を同じにするため
に、駆動電圧を にすると、電界は となる。その結果、積層圧電素子1の一端面(例えば圧
電体層1の表面)から放射される最初の伸びもしくは縮
みにより生じる超音波の音圧は、単層構成の場合に比べ と小さくなる。
しかしながら、2波目以降に放射される超音波は、積
層圧電素子1の他端面(例えば圧電体層12の裏面)から
伝搬してきた波や、これらが積層圧電素子1の両端面で
反射した波の合成波となる。第2図に示した二層構成の
積層圧電素子の場合、圧電体層の全厚が単層構成の2倍
となるため、特に3〜波目は単層構成に比べて、端面で
の超音波反射回数が少ない分だけ超音波の振幅が大きく
なる。
層圧電素子1の他端面(例えば圧電体層12の裏面)から
伝搬してきた波や、これらが積層圧電素子1の両端面で
反射した波の合成波となる。第2図に示した二層構成の
積層圧電素子の場合、圧電体層の全厚が単層構成の2倍
となるため、特に3〜波目は単層構成に比べて、端面で
の超音波反射回数が少ない分だけ超音波の振幅が大きく
なる。
また、受信時に関しては同じ音圧の超音波を受信した
場合、第2図に示した2層構成の積層圧電素子による
と、電界は1/2倍となるが、厚さが2倍のため1波目の
受信超音波により発生する電圧は層数によらず一定とな
る。2波目以降に関しては、積層圧電素子の方が発生電
圧は大きくなる。
場合、第2図に示した2層構成の積層圧電素子による
と、電界は1/2倍となるが、厚さが2倍のため1波目の
受信超音波により発生する電圧は層数によらず一定とな
る。2波目以降に関しては、積層圧電素子の方が発生電
圧は大きくなる。
このように送信時の超音波音圧が増大し、また受信時
の発生電圧も増大したことにより、送受総合で感度が大
きく向上し、受信側で検出される被検体からのエコー信
号レベルが高くなる。
の発生電圧も増大したことにより、送受総合で感度が大
きく向上し、受信側で検出される被検体からのエコー信
号レベルが高くなる。
具体例として、超音波探触子21に第1図及び第2図で
説明した2層構成の積層圧電素子1を用い、各圧電体層
11,12の厚さを約400μmとした。先の実施例で説明した
ように、超音波探触子21の作製にはダイシングマシンを
使用したが、ブレードには50μm厚のものを使用し、25
0μmピッチで切断して振動子を64素子を形成した。
説明した2層構成の積層圧電素子1を用い、各圧電体層
11,12の厚さを約400μmとした。先の実施例で説明した
ように、超音波探触子21の作製にはダイシングマシンを
使用したが、ブレードには50μm厚のものを使用し、25
0μmピッチで切断して振動子を64素子を形成した。
一方、比較例として厚さ400μmの単層圧電素子を用
いて超音波探触子を作製した。
いて超音波探触子を作製した。
これら実施例及び比較例について、圧電素子での発熱
が同一の条件下でパルスエコー特性を測定したところ、
本発明の実施例による場合の方が約3dBエコーの波高値
が高くなった。
が同一の条件下でパルスエコー特性を測定したところ、
本発明の実施例による場合の方が約3dBエコーの波高値
が高くなった。
なお、以上の実施例では2層構成の積層圧電素子を示
したが、3層以上の積層圧電素子を用いてもよい。
したが、3層以上の積層圧電素子を用いてもよい。
[発明の効果] 本発明によれば、複数の圧電体層を積層し、両端面に
電極を被着形成して電気的に直列接続した積層圧電素子
を用いて超音波探触子を構成することにより、製造歩留
まりの低下を伴なわずに基本共振周波数を15〜30MHz程
度まで高くすることができる。また、電極と同軸ケーブ
ルとの間にエミッタフォロワ回路等によるインピーダン
ス変換器を挿入して超音波探触子のインピーダンスを下
げることにより、高感度化を達成することができる。
電極を被着形成して電気的に直列接続した積層圧電素子
を用いて超音波探触子を構成することにより、製造歩留
まりの低下を伴なわずに基本共振周波数を15〜30MHz程
度まで高くすることができる。また、電極と同軸ケーブ
ルとの間にエミッタフォロワ回路等によるインピーダン
ス変換器を挿入して超音波探触子のインピーダンスを下
げることにより、高感度化を達成することができる。
第1図は本発明の一実施例に係る超音波探触子の構成
図、第2図は同実施例における積層圧電素子の構成図、
第3図は本発明の他の実施例の構成を示す図である。 1……積層圧電素子、2……音響マッチング層、3……
音響レンズ、4……バッキング材、11,12……圧電体
層、13,14……分極方向、15,16……電極、21……超音波
探触子本体、22……インピーダンス変換器、23……同軸
ケーブル、24……超音波診断装置。
図、第2図は同実施例における積層圧電素子の構成図、
第3図は本発明の他の実施例の構成を示す図である。 1……積層圧電素子、2……音響マッチング層、3……
音響レンズ、4……バッキング材、11,12……圧電体
層、13,14……分極方向、15,16……電極、21……超音波
探触子本体、22……インピーダンス変換器、23……同軸
ケーブル、24……超音波診断装置。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 橋本 新一 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株式会社東芝総合研究所内 (56)参考文献 特開 昭57−193199(JP,A) 特開 昭60−137200(JP,A) 特開 昭61−220591(JP,A) 特開 昭63−84531(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) A61B 8/00 G01N 29/26 H04R 17/00
Claims (2)
- 【請求項1】複数の圧電体層を分極方向が隣接するもの
同士互いに逆となるように積層しかつ電気的に直列接続
してなる積層圧電素子を有することを特徴とする超音波
探触子。 - 【請求項2】複数の圧電体層を分極方向が隣接するもの
同士互いに逆となるように積層しかつ電気的に直列接続
してなる積層圧電素子と、 この積層圧電素子に入力端が接続されたインピーダンス
変換器と、 このインピーダンス変換器の出力端に一端が接続され、
他端が超音波診断装置の入力端に接続される同軸ケーブ
ルとを具備することを特徴とする超音波探触子。
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP1083704A JP2758199B2 (ja) | 1989-03-31 | 1989-03-31 | 超音波探触子 |
US07/500,945 US5115809A (en) | 1989-03-31 | 1990-03-29 | Ultrasonic probe |
DE4010294A DE4010294A1 (de) | 1989-03-31 | 1990-03-30 | Ultraschallsonde |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP1083704A JP2758199B2 (ja) | 1989-03-31 | 1989-03-31 | 超音波探触子 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH02261437A JPH02261437A (ja) | 1990-10-24 |
JP2758199B2 true JP2758199B2 (ja) | 1998-05-28 |
Family
ID=13809882
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP1083704A Expired - Fee Related JP2758199B2 (ja) | 1989-03-31 | 1989-03-31 | 超音波探触子 |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US5115809A (ja) |
JP (1) | JP2758199B2 (ja) |
DE (1) | DE4010294A1 (ja) |
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