JP3057669B2

JP3057669B2 - 超音波トランスデューサ

Info

Publication number: JP3057669B2
Application number: JP4038435A
Authority: JP
Inventors: 幸夫佐藤; 安弘坂本; 雄三木本
Original assignee: 東芝セラミックス株式会社
Priority date: 1991-08-01
Filing date: 1992-01-30
Publication date: 2000-07-04
Anticipated expiration: 2015-07-04
Also published as: JPH0591594A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、放射面側電極と背面
側電極を有する振動子をケースに設け、前記振動子の放
射面側に音響整合層（マッチング層ともいう）を設け、
前記振動子の背面側に音響吸収層（バッキング層ともい
う）を設け、前記放射面側電極及び前記背面側電極から
の電気信号をケーブルに伝達する構成の超音波トランス
デューサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】超音波トランスデューサは、医療用診断
装置や非破壊検査用金属探傷装置等の探触子として用い
られ、超音波プローブ、超音波プローブヘッド、超音波
探触子などと呼ばれることもある。

【０００３】超音波トランスデューサを形態的に分類す
るとシングルプローブ、アレイプローブに分けることが
でき、アレイプローブはさらにリニアアレイ、アニュラ
アレイ、２次元アレイ等に細分できる。また、主に医用
分野に使われる特殊なものとして、シングルプローブを
機械的に走査させるメカニカルプローブ（通常メカセク
プローブと呼ばれる）や内視鏡等に組込んで体腔内に挿
入されるカテーテル用プローブがあるが、これらは現在
製品化されつつある段階にある。

【０００４】超音波トランスデューサの動作を簡単に述
べると、装置本体から送られてくる電気パルスを超音波
パルスに変換して被検体に向けて放射し、被検体から反
射してくる超音波パルスを検出して電気信号に変換する
のである。

【０００５】超音波トランスデューサの基本構成を説明
する。超音波トランスデューサはケースを有し、ケース
に振動子、バッキング層、マッチング層、ケーブル（通
常シールドケーブルが用いられるため、ここでは信号線
とグランド線とで構成された物をケーブルと呼ぶ）が設
けられている。振動子は電気信号と超音波を変換する素
子であり、通常は送受信兼用で用いられる。振動子の両
面には電極が形成され、電極はリード線やケーブルを経
由して装置本体と電気的に接続される。振動子の背面に
はバッキング層（背面制動層）が形成され、反対側の放
射面にはマッチング層（整合層）が形成される。マッチ
ング層には超音波を集束させるために音響レンズが取付
けられる場合もある。振動子材料としては一般にセラミ
ック圧電材料（体）が用いられるが、ＰＶＤＦのような
高分子圧電材料（体）あるいは両者を結合させた複合圧
電材料（体）も用いられている。

【０００６】さて、振動子両側の電極はそれぞれ信号
線、グランド線（両者を総称してリード線と呼ぶ）に接
続される。背面側電極は一方のリード線に対向し同者に
近接しているので最短経路をリード線で接続可能であ
る。しかし、反対側の放射面側の電極と他方のリード線
の間には振動子が位置しており、リード線で直接的に接
続することができない。このため従来は、放射面側電極
にまわし込み電極を接続し、まわし込み電極を背面側ま
で引き出してそこにリード線を接続していた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、まわし込み電
極の形成にはかなりの手間がかかり、製造コストが高く
なってしまう。また、品質の面でも背面側から２本のリ
ード線（信号線およびグランド線）をとり出す都合上、
超音波トランスデューサの小型化及び諸特性（指向性、
感度等）の向上に限界があり、また高周波用のトランス
デューサを作製し難いという問題がある。また、耐電圧
性及び信頼性向上の点から、まわし込み電極による絶縁
距離の短さが障害になっている。さらに、まわし込み電
極を用いることによって背面側電極の有効面積が減少し
てしまう等の不都合も生じている。本発明は、このよう
な従来技術の問題点を解消して、小径、小型化可能であ
りかつ高品質の超音波トランスデューサを提供すること
を目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本件第１発明は、放射面
側電極と背面側電極を有する振動子をケースに設け、前
記振動子の放射面側に音響整合層を設け、前記ケース内
で前記振動子の背面側のほぼ全体に音響吸収層を設け、
前記放射面側電極及び前記背面側電極からの電気信号を
ケーブルに伝達する構成の超音波トランスデューサにお
いて、前記ケース（１０）は中空形状であり、このケー
ス（１０）の頂部には前記振動子（１１）保持用の凹所
（２１）が設けてあり、前記振動子（１１）の外周寸法
が前記凹所（２１）の内周寸法と同一になっていて、前
記凹所（２１）で前記振動子（１１）が固定された構造
であり、かつ、前記ケース（１０）の頂部の凹部（２
１）の外側の位置から前記ケース（１０）の底部まで前
記ケース（１０）の内部に伝導部材（２０）を設け、前
記放射面側電極（１２）は前記ケース（１０）の頂部の
凹部（２１）の外側の位置で前記伝導部材（２０）の一
端に接続され、前記伝導部材（２０）の他端はリード線
（１８）を介して前記ケーブル（１６）に接続され、前
記放射面側電極（１２）からの電気信号を前記伝導部材
（２０）を経由して前記ケーブル（１６）に伝達するこ
とを特徴とする超音波トランスデューサを要旨としてい
る。

【０００９】本件第２発明は、放射面側電極と背面側電
極を有する振動子をケースに設け、前記振動子の放射面
側に音響整合層を設け、前記ケース内で前記振動子の背
面側のほぼ全体に音響吸収層を設け、前記放射面側電極
及び前記背面側電極からの電気信号をケーブルに伝達す
る構成の超音波トランスデューサにおいて、前記ケース
（１１０）は中空形状であり、このケース（１１０）の
頂部には前記振動子（１１１）保持用の凹所（１２１）
が設けてあり、前記振動子（１１１）の外周寸法が前記
凹所（１２１）の内周寸法と同一になっていて、前記凹
所（１２１）で前記振動子（１１１）が固定された構造
であり、かつ、前記ケース（１１０）の全体が導電性の
金属で形成されており、前記放射面側電極（１１２）は
前記ケース（１１０）の頂部の凹部（１２１）の外側の
位置で前記伝導部材（１１０）の頂部に接続され、前記
ケース（１１０）の底部近くでリード線（１８）を介し
て前記ケース（１１０）が前記ケーブル（１６）に接続
され、前記放射面側電極（１１２）からの電気信号を前
記ケース（１１０）を経由して前記ケーブル（１１６）
に伝達することを特徴とする超音波トランスデューサを
要旨としている。

【００１０】

【発明の効果】本願の第１発明では、放射側電極とケー
ブルを接続するために、まわし込み電極を形成する必要
がない。従って、振動子の背面側から１本のリード線の
みを取出すだけなので、小径、高周波用の超音波トラン
スデューサの製作が可能となる。また、同形状のものに
おいて、まわし込み電極を形成した場合よりも絶縁距離
が長くなり耐電圧性、信頼性を向上できる。さらに、同
形状のものにおいてまわし込み電極を形成した場合より
も背面側の電極径（有効面積）を大きくすることが可能
になり、感度特性を向上できる。また、まわし込み電極
を形成する手間を省けるのでコストダウンを計れる。ま
た、伝導部材をケースの内部に前記ケース（１０）の頂
部の凹部（２１）の外側の位置から前記ケース（１０）
の底部まで設け、前記放射面側電極（１２）は前記ケー
ス（１０）の頂部の凹部（２１）の外側の位置で前記伝
導部材（２０）の一端に接続され、前記伝導部材（２
０）の他端はリード線（１８）を介して前記ケーブル
（１６）に接続され、放射面側電極からの電気信号を伝
導部材を介してケーブルに伝達するので、消スペース化
が計れ、小型化可能になる。また、絶縁距離が長くな
り、耐電圧性、信頼性が向上する。また、背面側電極の
有効面積を大きくすることが可能になり、感度を向上で
きる。さらに、ケーブルと放射面側電極との接続作業が
容易になるので、製造コストを下げることができる。

【００１１】本願の第２発明では、前記放射面側電極
（１１２）は前記ケース（１１０）の頂部の凹部（１２
１）の外側の位置で前記伝導部材（１１０）の頂部に接
続され、前記ケース（１１０）の底部近くでリード線
（１８）を介して前記ケース（１１０）が前記ケーブル
（１６）に接続され、放射面側電極からの電気信号をケ
ースを経由してケーブルに伝達する構成になっているの
で、消スペース化が計れ、小型化可能になる。また、絶
縁距離が長くなり、耐電圧性、信頼性が向上する。ま
た、背面側電極の有効面積を大きくすることが可能にな
り、感度を向上できる。さらに、ケーブルと放射面側電
極との接続作業が容易になるので、製造コストを下げる
ことができる。さらに、第２発明では振動子外形に相似
した電極を形成できるので、感度特性とともに指向特性
の向上も期待できる。また、本願の第１及び第２発明に
おいては、前記振動子の外周寸法が前記凹所の内周寸法
と同一になっていて、前記凹所で振動子が固定されてい
るので、振動子の厚さ方向以外の方向（とくに厚さ方向
と直角の方向）の振動を抑制しやすく、同方向の振動を
極力低減することができ、結果、感度特性を向上させる
ことができる。

【００１２】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の好適な実施例
を説明する。図１は本発明による超音波トランスデュー
サ２を装着したメカニカルセクタスキャナ１を示す斜視
図である。図２は本発明による超音波トランスデューサ
２を概念的に示した断面図である。

【００１３】メカニカルセクタスキャナ１は、先端部に
トランスデューサ２と駆動部を設けトランスデューサを
メカ的にスウィングさせる方式であり、トランスデュー
サ２が先端部にそのまま装着されるのではなく、先端部
（概念的には外ケース）に駆動部とともに収納されて用
いる。

【００１４】ケース１０の頂部には振動子１１が固定さ
れている。振動子１１は圧電材料、例えば比誘電率ε／
ε_oが２０００、結合係数Ｋ_tが５０％のＰＺＴ系圧電材
料で形成する。またこの振動子１１は５ＭＨｚ用であ
り、寸法形状は外径２０ｍｍ、厚さ０．４ｍｍである。

【００１５】振動子１１の音波放射面側及び背面側には
それぞれ電極１２，１３が形成されている。電極１２，
１３は振動子１１の両面に銀ペーストを塗布して焼付け
たもので、厚さは例えば１０μｍに設定してある。ま
た、放射面側電極の外径は２０ｍｍ、背面側電極の外径
は１７ｍｍに設定してある。

【００１６】振動子１１の放射面側には音響整合層１４
（マッチング層）が設けてある。音響整合層１４は例え
ばフィラー材入りエポキシ樹脂で構成し、外径は２２ｍ
ｍ、厚さは０．２ｍｍに設定してある。

【００１７】振動子の背面側には音響吸収層１５（バッ
キング層）が設けてある。音響吸収層１５の材料は例え
ばフィラー材入り軟質エポキシ樹脂とする。

【００１８】図３に示すようにケース１０は全体的に円
筒形状をしていて、外径は２２ｍｍ、内径は１９ｍｍに
設定してある。ケース１０の頂部には振動子保持用の凹
所２１が設けてある。凹所２１の径は２０ｍｍ、深さは
０．３ｍｍである。ケース１０の側壁内には伝導部材と
しての直径０．５ｍｍのワイヤ２０が埋め込まれてい
る。ワイヤ２０はケース１０の中心軸から１０．５ｍｍ
の位置に配置されている。ケース１０の底部にはリード
線設置用の溝２２が設けてある。溝２２は、ケース１０
の内径部から外周に向って伸びていてほぼ断面矩形状で
あり、半径方向長さが２．３ｍｍ、高さが１ｍｍ、円周
方向幅が０．５ｍｍに設定してある。ワイヤ２０の頂部
側の端部はケース１０の頂部側の端面と面いちにあっ
て、底背部側の端部は溝２２の頂部面と面いちにある。

【００１９】再び図２を参照すると、ケース１０の背部
にはケーブル１６が設置してあり、ケーブル１６の先端
部は音響吸収層１５内に位置している。ケーブル１６は
シールド機能を有するものを用い、信号側のリード線１
７は背面側電極に接続されている。一方、グランド側の
リード線は溝２２を通ってワイヤ２０の背部側の端部に
接続されている。ワイヤ２０の頂部側の端部と放射面側
電極は導電性接着剤１９、例えば銀粒子入り接着剤によ
って接続されている。また、ワイヤ２０の底背部側の端
部とリード線１８も同様に導電性接着剤１９を用いて接
続されている。

【００２０】次に図５，６を参照して本発明の他の実施
例を説明する。図５は、本発明による超音波トランスデ
ューサを概念的に示した断面図である。超音波トランス
デューサは、振動子保持用の金属製ケース１１０（例え
ば黄銅製）を有している。ケース１１０は、全体的に円
筒形状をしているが、多角柱形状に形成することもでき
る。

【００２１】ケース１１０の頂部には、振動子１１１が
固定されている。振動子１１１は、圧電材料、例えば比
誘電率ε／ε_o＝２０００、結合係数Ｋ_t＝５０％のＰＺ
Ｔ系圧電材料を用いる。またこの振動子１１１は５ＭＨ
ｚ用であり、寸法形状は外径１０ｍｍ、厚さ０．４ｍｍ
である。振動子１１１の超音波放射面側及び背面側には
それぞれ電極１１２，１１３が形成されている。電極１
１２，１１３は振動子１１１の両面に銀ペーストを塗布
して焼き付けたもので、厚さは例えば１０μｍに設定し
てある。また放射面側電極１１２の直径は１０ｍｍ、背
面側電極１１３の直径は８ｍｍに設定してある。また、
振動子１１１は、超音波放射面がグランド側になるよう
に分極処理してある。

【００２２】振動子１１１の放射面側には、マッチング
層１１４が設けてある。マッチング層１１４は、例えば
フィラー材入りエポキシ樹脂で構成し、外径は１２ｍ
ｍ、厚さは０．２ｍｍに設定してある。振動子１１１の
背面側には、バッキング層１１５が設けてある。バッキ
ング層１１５の材料は、例えばフィラー材入り軟質エポ
キシ樹脂とする。

【００２３】図５に示すように、ケース１１０は円筒形
状をしていて、その寸法は例えば外径１２ｍｍ、内径９
ｍｍ、長さ１０ｍｍに設定できる。ケース１１０の頂部
には、振動子保持用凹所１２１が設けてある。凹所１２
１の直径は１０ｍｍ、深さは０．２ｍｍである。放射面
側電極１１２は、例えば銀粒子入り導電性接着剤によっ
てケース１１０と電気的に接続してある。また、グラン
ド側リード線１１８も同様に導電性接着剤によってケー
ス１１０と電気的に接続してある。つまり、超音波放射
面側電極１１２と、グランド側リード線１１８とがケー
ス１を電気的導通経路として接続されている。

【００２４】ケース１１０の背部にはケーブル１１６が
設置してありケーブル１１６の先端部はバッキング層１
１５内に位置している。ケーブル１１６はシールド機能
を有するものを用い、信号側のリード線１１７は、背面
側電極１１３に例えば銀粒子入り導電性接着剤によって
接続されている。このとき、バッキング層１１５のフィ
ラー材として導電性の材料（例えばタングステン粉）を
用いると、リード線間の絶縁抵抗の低下をもたらすた
め、ここでは、フィラー材として絶縁材料（例えばジル
コニア粉、アルミナ粉）を用いている。

【００２５】図６は本発明のさらに他の実施例に用いる
ケースを示す斜視図である。このケース２１０において
は、放射面側電極とケース２１０、グランド側リード線
とケース２１０各々の電気的接点部分２２１，２２２以
外の表面部分は、１０μｍの厚みでアルマイト処理が施
されている。電気的接点部分２２１は、例えば凹所２２
０の外周部分から外側に向かって０．３ｍｍ、幅１ｍｍ
にわたって形成されている。電気的接合部分２２２は、
ケース内側面に、図中において下から２ｍｍの位置から
１ｍｍ、幅１ｍｍの形状で形成されている。また、背面
側電極径は１０ｍｍである。その他の超音波プローブの
構造、構成は図５に示した実施例に準ずる。

【００２６】図５，６に示した実施例において、それぞ
れ４０ｍｍの距離が最大感度点となるように、マッチン
グ層に音響レンズを取り付けて水中での感度を測定し
た。その結果、図５の実施例では最大感度点での感度が
−４１．３ｄＢ、図６の実施例では−３９．２ｄＢであ
った。比較のために回込み電極方式の従来例においても
同様の実験を行ったところ−４２．５ｄＢの値が得られ
た。

【００２７】図６に示したケースを用いることによっ
て、超音波トランスデューサ自身が外部と完全に絶縁さ
れた状態になり、ノイズの低減、安全性の向上等の効果
が得られる。さらに、背面側電極を振動子の外形と同じ
直径で形成できるようになるため、背面側電極の有効面
積を最大にすることができ、さらに感度特性の向上が可
能となる。

【００２８】なお、本発明は前述の実施例に限定されな
い。例えば伝導部材はワイヤでなく、平板状のものを用
いてもよい。また、ケースの材質としてはＳＵＳ等を用
いてもよい。さらに、ケースの絶縁処理として絶縁材料
を焼き付けたりコーティングを行ってもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による超音波トランスデューサを装着し
たメカニカルスキャナを示す斜視図。

【図２】本発明による超音波トランスデューサを概念的
に示す断面図。

【図３】本発明の超音波トランスデューサにおけるケー
スを示す斜視図。

【図４】図３のＡ−Ａ線に沿った断面図。

【図５】本発明の他の実施例を概念的に示す断面図。

【図６】本発明のさらに他の実施例のケースを示す断面
図。

【符号の説明】

１メカニカルスキャナ２、１０２超音波トランスデューサ
部１０、１１０、２１０ケース１１、１１１振動子１２、１１２放射側電極１３、１１３背面側電極１４、１１４音響整合層１５、１１５音響吸収層１６、１１６ケーブル１７，１８、１１７、１１８リード線１９、１１９導電性接着剤２０ワイヤ２１、１２１凹所２２溝

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平３−143199（ＪＰ，Ａ) 実開昭64−30998（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H04R 17/00 330 H04R 1/44 330

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】放射面側電極と背面側電極を有する振動
子をケースに設け、前記振動子の放射面側に音響整合層
を設け、前記ケース内で前記振動子の背面側のほぼ全体
に音響吸収層を設け、前記放射面側電極及び前記背面側
電極からの電気信号をケーブルに伝達する構成の超音波
トランスデューサにおいて、前記ケース（１０）は中空
形状であり、このケース（１０）の頂部には前記振動子
（１１）保持用の凹所（２１）が設けてあり、前記振動
子（１１）の外周寸法が前記凹所（２１）の内周寸法と
同一になっていて、前記凹所（２１）で前記振動子（１
１）が固定された構造であり、かつ、前記ケース（１
０）の頂部の凹部（２１）の外側の位置から前記ケース
（１０）の底部まで前記ケース（１０）の内部に伝導部
材（２０）を設け、前記放射面側電極（１２）は前記ケ
ース（１０）の頂部の凹部（２１）の外側の位置で前記
伝導部材（２０）の一端に接続され、前記伝導部材（２
０）の他端はリード線（１８）を介して前記ケーブル
（１６）に接続され、前記放射面側電極（１２）からの
電気信号を前記伝導部材（２０）を経由して前記ケーブ
ル（１６）に伝達することを特徴とする超音波トランス
デューサ。
【請求項２】放射面側電極と背面側電極を有する振動
子をケースに設け、前記振動子の放射面側に音響整合層
を設け、前記ケース内で前記振動子の背面側のほぼ全体
に音響吸収層を設け、前記放射面側電極及び前記背面側
電極からの電気信号をケーブルに伝達する構成の超音波
トランスデューサにおいて、前記ケース（１１０）は中
空形状であり、このケース（１１０）の頂部には前記振
動子（１１１）保持用の凹所（１２１）が設けてあり、
前記振動子（１１１）の外周寸法が前記凹所（１２１）
の内周寸法と同一になっていて、前記凹所（１２１）で
前記振動子（１１１）が固定された構造であり、かつ、
前記ケース（１１０）の全体が導電性の金属で形成され
ており、前記放射面側電極（１１２）は前記ケース（１
１０）の頂部の凹部（１２１）の外側の位置で前記伝導
部材（１１０）の頂部に接続され、前記ケース（１１
０）の底部近くでリード線（１８）を介して前記ケース
（１１０）が前記ケーブル（１６）に接続され、前記放
射面側電極（１１２）からの電気信号を前記ケース（１
１０）を経由して前記ケーブル（１１６）に伝達するこ
とを特徴とする超音波トランスデューサ。