JPH07136164A

JPH07136164A - 超音波探触子

Info

Publication number: JPH07136164A
Application number: JP30729793A
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: 1993-11-12
Filing date: 1993-11-12
Publication date: 1995-05-30

Abstract

(57)【要約】【目的】感度が高く、画像精度の良い超音波探触子を
提供する。【構成】板状の圧電セラミックス６の主平面の表裏に
第一、第二の一対の電極３、５を設け、圧電セラミック
ス６の側面に第三の電極４を設けて超音波トランスデュ
ーサ１の圧電素子２を形成する。圧電素子２は、第一の
電極３と第二の電極５間で厚み方向に分極するととも
に、第一、第二の電極３、５と第三の電極４との間で径
方向に分極する。第一の電極３は第二の電極５と第三の
電極４の共通ＧＮＤ電極とし、第二の電極５は送信用プ
ラス電極、第三の電極４は受信用プラス電極とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、医療用等で用いる超音
波内視鏡用等において利用される超音波探触子に係り、
詳細には超音波トランスデューサの圧電素子に特徴を有
する超音波探触子に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、超音波探触子は非破壊検査装置の
他、医療用の超音波診断装置として急速な需要の伸びを
みせている。超音波内視鏡等の探触子は、超音波トラン
スデューサから高周波の音響振動を生体中に放射し、反
射して戻ってきた超音波を超音波トランスデューサで受
信し、わずかな界面特性の違いによって異なる情報を処
理することで、生体内部の断面像を得ることができる。

【０００３】超音波トランスデューサの振動子は大別す
ると、圧電素子、音響整合層および背面負荷材から構成
されている。前記超音波トランスデューサは、圧電素子
表面に形成された電極を使用して圧電素子に高周波の電
圧パルスを印加し、圧電素子を共振させて急速に変形を
起こし、超音波パルスを発生させるものである。ところ
が、血管用超音波探触子のように高周波化、小型化が必
要なものでは、圧電素子の形状は小さくなり、絶対的な
感度を得ることが非常に困難になってきた。

【０００４】従来、特開昭５８−６２５５４号公報のよ
うな送受一体型のトランスデューサを用いた超音波探触
子が知られている。この超音波探触子は、図１４〜図１
６に示すように、共振周波数が異なる（厚みｔ₁、
ｔ₂）２個以上の圧電素子４１ａ、４１ｂが設けられて
いる。圧電素子４１ａ、４１ｂには、主平面の表と裏に
電極４２ａ、４２ｂと電極４３ａ、４３ｂがそれぞれ形
成され、圧電素子４１ａ、４１ｂは厚み方向に分極され
ている。圧電素子４１ａ、４１ｂの表面には、それぞれ
共振周波数に対応する音響整合層４４ａ、４４ｂが設け
られ、この音響整合層４４ａ、４４ｂの上には、それぞ
れの超音波を一点に収束させる音響レンズ４５を設けら
れている。また、圧電素子４３ａ、４３ｂの裏面には、
背面負荷材４６が接合されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】特開昭５８−６２５５
４号公報のような構成のトランスデューサでは、形状に
制限がない場合は、近距離場から遠距離場まで、ある程
度良好な感度が得られる。しかし、小型化が要求され、
なおかつ近距離場の観察のできるミラータイプを採用し
た送受一体型のトランスデューサ等では、従来のトラン
スデューサでは、必要な感度を得ることができない。一
般的に、感度は圧電素子の面積の二乗に比例して低下す
ると言われている。したがって、従来例の超音波探触子
においては、圧電素子の面積を超音波探触子の径に合わ
せて小さくしていくと、Ｓ／Ｎ比が小さくなり、鮮明な
画像が得られなくなるという不具合があった。

【０００６】本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて
開発されたもので、圧電素子の小型化による絶対的な感
度低下をトランスデューサの構造変更で改善し、小径で
も感度が高く、画像精度の良い超音波探触子を提供する
ことを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに、本発明は、少なくとも一つ以上の音響整合層もし
くは音響レンズと、圧電素子と、背面負荷材とから構成
される超音波探触子において、前記圧電素子を、送受信
で異なったモードで振動するように構成した。そして、
前記圧電素子は、少なくとも電極を３ケ以上設けて板状
に形成し、前記圧電セラミックスの主平面に形成した第
一、第二の一対の電極間で厚み方向に分極するととも
に、第一または第二の電極もしくは前記主平面に設けた
第四の電極と前記圧電セラミックスの側面部に形成した
第三の電極との間で径方向に分極して構成した。また、
前記超音波探触子において、上記圧電素子の機械的品質
係数Ｑｍは３００以上とした。さらに、前記超音波探触
子において、受信時に使用する電極間の距離が、送信時
に使用する電極間の距離よりも長い構成とした。そし
て、前記超音波探触子において、第三の電極部に、負荷
質量を付与して構成した。

【０００８】

【作用】上記構成によれば、超音波の送信および受信時
で、少なくとも一方は異なった電極を使用し、送受信で
異なったモードの振動を利用することができる。そし
て、送信時には第一、第二の電極間に電圧パルスを印加
し、圧電素子の厚み方向の振動を使用し、受信時には、
第三の電極と第一または第二の電極を利用し横方向の屈
曲振動を電気的な信号に変換する。また、圧電素子に、
電気機械品質係数Ｑｍが高く、厚み方向および径方向の
電気機械結合係数（Ｋｔ、Ｋ₃₁）の大きな材料を使用す
ると、高感度の超音波探触子が得られる。さらに、受信
時に使用する電極間の距離を送信時に使用する電極間の
距離よりも長い構成とすると、受信用電極間で発生する
電圧が高電圧となり、解像度の高い画像が得られる。ま
た、負荷質量を第三の電極部に付与すると、受信時の屈
曲振動が大きくなり、感度が向上する。

【０００９】

【実施例１】図１〜図５を用いて、本実施例の超音波探
触子を説明する。図１本実施例の超音波探触子の超音波
トランスデューサを示す側面図、図２は圧電素子を示す
平面図、図３は圧電素子の製作工程を示す側面図、図４
は本実施例１の超音波探触子に用いた超音波トランスデ
ューサにリード線を接続した状態を示す側面図、図５は
上記超音波トランスデューサを実装した本実施例の超音
波探触子の先端部を示す側面図である。

【００１０】図１において、１は超音波トランスデュー
サで、この超音波トランスデューサ１は、圧電素子２と
音響整合層９と背面負荷材１０とから構成されている。
圧電素子２には、第一の電極３と第二の電極５および第
三の電極４が設けられており、第一の電極３は第二の電
極５と第三の電極４の共通ＧＮＤ電極となっており、第
二の電極５は送信用プラス電極、第三の電極４は受信用
プラス電極となっている。音響整合層９は、第一の電極
３側に配設されている。背面負荷材１０は第二の電極５
側に配設され、背面負荷材６の底部には絶縁層７が形成
されている。

【００１１】上記圧電素子２は、図２および図３（ｄ）
に示すように、板状の圧電セラミックス６の主平面の表
裏に第一、第二の一対の電極３、５を形成し、図のよう
に主平面に電極が形成されていない側面部分に第三の電
極４を形成して作製されている。

【００１２】具体的には、分極効率の良いものを得るた
めに、図３（ａ）のようなブロック状の圧電セラミック
ス６を作製し、圧電セラミックス６の側面に設けた一対
の銀焼付け電極４、２３を形成して、矢印７で示した分
極方向（径方向）の分極を行った。その後、圧電セラミ
ックス６を裁断・ラップ研磨して所定の周波数の厚みに
加工し、図３（ｂ）に示すように、圧電セラミックス６
の側面に電極４（第二の電極４）を配設した形状に作製
した。次に、キューリ点Ｔｃより低い温度域で、蒸着法
により図３（ｃ）のように圧電セラミックス６の主平面
に銀電極１、３を形成し、電極１、３間で矢印８で示す
厚み方向の分極を行った。これにより、圧電セラミック
６に第一、第二、第三の電極３、５、４を設け、かつ径
方向および厚さ方向に分極した構成の圧電素子２を、図
２および図３（ｄ）に示すように作製した。

【００１３】この圧電素子２は、電気機械品質係数Ｑｍ
が１５００と高く、厚み方向および径方向の電気機械結
合係数（Ｋｔ、Ｋ₃₁）の大きなハード径ＰＺＴを使用し
て作製した。なお、この試作した圧電素子２は、サイズ
が幅Ｗ＝０．６ｍｍ、長さＬ＝１．５ｍｍ、厚さｔ＝
０．１ｍｍ（共振周波数２０ＭＨｚ）とし、径方向振動
用の電極間ａ＝０．３ｍｍとした。

【００１４】上記圧電素子２を用いて、図１に示す超音
波トランスデューサ１を以下の方法で作製した。まず、
音響整合層９を圧電素子２の第一の電極３（ＧＮＤ）側
に設けた。この音響整合層９は、あとで電極３の結線が
可能なように第三の電極４と反対方向の電極３の一部を
除いて、エポキシ樹脂により厚み振動の（１／４）λの
厚さで形成した。

【００１５】一方、エポキシ樹脂にタングステンのフィ
ラーを混ぜた凸型の背面負荷材１０作製し、その底部
（凸部と反対側）にエポキシ樹脂層からなる絶縁層１１
をあらかじめ形成しておき、上記音響整合層９の形成に
次いで、この絶縁層１１付きの背面負荷材１０を、先に
形成した音響整合層９付きの圧電素子２における第二の
電極５側に、背面負荷材１０の凸部上面と圧電素子２と
を図示していない嫌気性の接着剤を用いて加圧接着し
た。この際、背面負荷材１０と圧電素子２の位置関係
は、接着端部であるＰ点が圧電素子２における第三の電
極４と０．２ｍｍの間隔を有する位置で接着した。さら
に、あとで第二の電極５の結線が可能なように、第三の
電極４と反対方向の電極５の一部が露出するように背面
負荷材１０を配設した。その後、第三の電極４と背面負
荷材１０の間に、シリコーン樹脂１２を充填して図３に
示すトランスデューサ１を作製した。

【００１６】次に、このトランスデューサ１の三つの電
極３、４、５に、それぞれリード線１３ａ、１３ｂ、１
３ｃを半田１４ａ、１４ｂ、１４ｃにて結線し、補強と
絶縁を兼ねたエポキシ系の封止樹脂１５で主平面の露出
していた電極３、５部を保護し、第三の電極４部はシリ
コーン樹脂１６にて封止し、図４に示すように作製し
た。

【００１７】そして、フレキシブルシャフト１９をロウ
付けし、金属パイプを加工したハウジング１８に、図４
のトランスデューサ１を接着剤で固定し、補強のため、
シリコーン樹脂１７で固め、図６に示す超音波探触子２
０を作製した。

【００１８】上述した構成の超音波探触子２０は、送信
時は圧電セラミックス６の主平面の表裏に設けた第一の
電極３と第二の電極５間に高周波の電圧パルスを印加
し、圧電素子２を厚み方向に共振させて超音波パルスを
発生させ、音響整合層９を経て超音波を被検体（例えば
生体内）に放射する。

【００１９】一方、被検体にあたりはね返ってきたエコ
ーは、圧電素子２に圧力を加え変形させる。この際、ト
ランスデューサ１は、図１のＰ点を支点として屈曲の共
振を起こし、受信用の信号電極である第三の電極４と、
送受信で共通のＧＮＤ電極である第一の電極３との間
に、電圧が発生する。この発生した電圧を受信用の信号
として、図示しない画像処理装置に取り込み、被検体を
画像化するというものである。

【００２０】また、圧電素子２における受信用電極３、
４間の屈曲振動を大きくし、高い電圧を得るために、第
三の電極４近傍の補強および絶縁用の封止材には、柔軟
性のあるシリコーン樹脂を使用している。なお、圧電素
子２には、厚み方向と径方向の電気機械結合係数（Ｋ
ｔ、Ｋ₃₁）が大きく、機械的品質係数Ｑｍの材質が大き
い材料が適している。その中で、機械的品質係数Ｑｍが
３００以下であると、受信電圧が低下するため効果が望
めない。

【００２１】上述した構成の超音波探触子２０では、受
信時に電極３、４間で発生する電圧は、厚み方向の電極
３、５間よりも、距離があるため高電圧となる。そのた
め、小型のトランスデューサでも、Ｓ／Ｎ比が向上し、
図示しない画像処理装置により画像化した場合、解像度
の高い画像を得ることができる。

【００２２】本実施例では、電極３、４間を上述したよ
うにａ＝０．３ｍｍ（図２参照）としたが、ａ＝０．２
ｍｍ以上であれば同様な効果が得られる。また、電極
３、４、５とリード線１３ａ、１３ｂ、１３ｃとの接続
には半田１１を用いているが、ワイヤーボンダーや導電
性樹脂を使用しても、当然のことながら同様な効果が得
られる。さらに、電極の付与方法は、蒸着の他のスパッ
タでもよく、電極付与後に分極工程を実施する場合は、
焼付や、メッキによる電極の形成でもよく、電極材質と
しては、銀の他、金、銅およびこれらを含む合金等導電
性のあるものであれば同様な効果が得られる。

【００２３】

【実施例２】図５は、本発明の実施例２における超音波
探触子のトランスデューサ部の構成を示した側面図であ
る。本実施例の基本的な構成は前記実施例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。

【００２４】本実施例では、前述した図１、２のような
厚み共振周波数１２ＭＨｚ、厚さｔ＝２００μｍの圧電
素子２の受信用プラス電極４部に、銅製の金属ブロック
２１を図示しない導電性接着剤を使用して接着固定して
構成されている。さらに、この金属ブロック２１を接着
した圧電素子の送信用電極３、５上部には音響レンズ２
２が形成されている。また、金属ブロック２１と受信用
信号電極４付近には音響整合層１０が形成されている。

【００２５】本実施例では、金属ブロック２１、音響レ
ンズ２２、音響整合層９を設けた後、前記実施例１と同
様に絶縁層１１の付いた背面負荷材１０を圧電素子２に
接着し、金属ブロック２１を覆うようにシリコーン樹脂
１６により封止を行って、トランスデューサ部を作製し
た。

【００２６】そして、上記トランスデューサ部を前記実
施例１と同様、図５に示すようにフレキシブルシャフト
１９の付いたハウジング１８に実装し、３本のリード線
１３ａ、１３ｂ、１３ｃをそれぞれ結線する。この際、
受信用信号電極４とリード線１３ｂとの結線は、リード
線１３ｂと金属ブロック２１とを半田付けして行い、本
実施例の超音波探触子を構成した。

【００２７】上述した構成の超音波探触子は、金属ブロ
ック２１が受信用信号電極４に接着されているため、エ
コー波の圧力を受け、点Ｐを支点として屈曲振動を起こ
す際、金属ブロック２１が負荷質量として働き、大きな
振動が発生する。また、受信用信号電極４は面積が小さ
いが、本実施例のトランスデューサでは、金属ブロック
２１を介して導通を取ることができる。さらに、送信時
には音響レンズ２２を通して超音波を発信するために、
超音波ビームは集束し、方位分解能は向上する。

【００２８】本実施例によれば、負荷質量として金属ブ
ロック２１を圧電素子２の受信用電極４部に付与してト
ランスデューサを構成したため、エコー波による圧力が
同じであっても、大きな振幅が得られ、出力される電圧
も大きくなり、高い感度の超音波探触子が得られる。ま
た、送信時には音響レンズ２２を通して、超音波を発信
し、受信時には最も効率的な厚みの音響整合層９を通し
て、超音波を受けるため、感度を落とすことなく、方位
分解能を向上させることができる。そして、受信用信号
電極４と金属ブロック２１は導電性接着剤で接合されて
いるため、リード線１３ｂの結線は、金属ブロック２１
に行えばよく、容易に結線ができるとともに、信頼性も
向上する。

【００２９】本実施例および前記実施例１では、図２、
図３に示すような三個の平面電極３、４、５を付与した
圧電素子２を用いたが、図７（ａ）の斜視図、図７
（ｂ）の断面図で示すような円盤状の圧電セラミックス
６ａを用い、この圧電セラミックス６ａの表裏の主平面
中央部に送信用電極３ａ、５ａを設け、かつ側面部に受
信用信号電極４ａを設けて構成した圧電素子２ａを使用
しても同様な効果が得られる。

【００３０】また、図８（ａ）の斜視図、図８（ｂ）の
断面図で示すように、図７の圧電素子２ａの中央部に穴
２４をあけて、配線を容易なように構成した圧電素子２
ｂを用いても同様な効果が得られる。

【００３１】さらに、図９の斜視図に示すように、送信
時に使用する電極３ｃ、５ｃを圧電セラミックス６ｃ側
面まで廻し込んで構成し、配線を容易にした圧電素子２
ｃでも同様な効果が得られる。また、図９の共通ＧＮＤ
電極３ｃを分割して、図１０のように送信用ＧＮＤ電極
２５と第四の電極となる受信用ＧＮＤ電極２６に分けて
構成した圧電素子２ｄにあっても同様な効果が得られ
る。

【００３２】

【実施例３】図１１は本実施例の超音波探触子の超音波
トランスデューサを示す斜視図、図１２は本実施例の超
音波探触子に用いた圧電素子を示し、図１２（ａ）は平
面図、図１２（ｂ）は斜視図、図１３は超音波トランス
デューサを実装した本実施例の超音波探触子の先端部を
示す斜視図である。

【００３３】本実施例の基本的な構成は前記実施例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。本実施例に用いる圧電
素子２ｄは、図１２に示すように、円盤状の圧電セラミ
ックス６ｄにおける表裏の主平面中央部に送受信用の共
通ＧＮＤ電極（第一の電極）３ｄと送信用電極（第二の
電極）５ｄを形成し、リード線との結線が容易なよう
に、電極３ｄ、５ｄの結線部を４５度ずらし、圧電セラ
ミックス６ｄの側面部にそれぞれ延長配置して構成され
ている。一方、受信用の信号電極（第三の電極）４ｄ
は、圧電セラミックス６ｄの側面部に形成され、その両
端部が上記電極１ｄ、３ｄの結線部からそれぞれ４５度
ずれた位置となるように、圧電セラミックス６ｄの側面
部のほぼ半周に配設されている。

【００３４】そして、この圧電素子６ｄの送受信用信号
電極３ｄ側に、アルミナフィラー入りのエポキシ樹脂に
より（１／４）λの厚さに形成した音響整合層９を付与
し、この音響整合層９の上に、エポキシ系の樹脂により
音響レンズ２２を形成する。次に、それぞれの電極３
ｄ、４ｄ、５ｄの結線部とリード線１３ａ、１３ｂ、１
３ｃとを図１１に示すように半田１４ａ、１４ｂ、１４
ｃにより結線する。そして、圧電素子２ｄよりも径が小
さい背面負荷材（図示省略）の中心と圧電セラミックス
６ｄの中心とを合わせて、背面負荷材を送信用信号電極
３ｄ側に接着接合する。

【００３５】次に、電極３ｄ、４ｄ、５ｄの絶縁と結線
部の補強のため、シリコーン樹脂１６で背面負荷材周囲
をリード線１３ａ、１３ｂ、１３ｃごと封止し、圧電素
子２ｄの周囲もコートして、図１１に示すトランスデュ
ーサ２９を作製する。

【００３６】そして、このトランスデューサ２８を、フ
レキシブルシャフト１９およびＳＵＳ製反射ミラー２９
の付いたハウジング１８に、縦置きで接着剤により固定
し、図１３に示す超音波探触子３０を作製した。

【００３７】上述した構成の超音波探触子３０は、圧電
素子側面部の三つの電極３ｄ、４ｄ、５ｄから導通を取
ることができる。送受信の動作原理は、前記実施例と同
様で、送信時には主平面に設けた電極３ｄ、５ｄ間に電
圧パルスを印加し、厚み方向の共振で超音波を発生させ
る。そして、受信時には、背面負荷材とシリコーン樹脂
１６の境界部を支点として屈曲の振動が起こる。この振
動を電極３ｄ、４ｄに発生する電圧に変換し、画像処理
装置を通して画像化する。

【００３８】本実施例によれば、極近距離の観察できる
ミラータイプの細径超音波探触子においても、感度の良
好なものが作製できる。なお、本実施例では、音響整合
層９と音響レンズ２２の２層構造のものを示したが、少
なくとも音響整合層と音響レンズのいずれか１つ以上あ
れば同様な効果が得られる。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る超音
波探触子によれば、超音波の送信および受信時で、少な
くとも一方は異なった電極を使用し、送受信で異なった
モードも振動を利用することで、小型化しても感度の高
い超音波探触子を作製することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の超音波探触子に用いた超音
波トランスデューサを示す側面図である。

【図２】本発明の実施例１における圧電素子を示す平面
図である。

【図３】本発明の実施例１における圧電素子の製作工程
を示す側面図である。

【図４】本発明の実施例１の超音波探触子に用いた超音
波トランスデューサにリード線を接続した状態を示す側
面図である。

【図５】超音波トランスデューサを実装した本発明の実
施例１の超音波探触子の先端部を示す側面図である。

【図６】本発明の実施例２の超音波探触子におけるトラ
ンスデューサを示す側面図である。

【図７】本発明の実施例１、２における圧電素子の変形
例を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は中央縦断面図であ
る。

【図８】本発明の実施例１、２における圧電素子の変形
例を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は中央縦断面図であ
る。

【図９】本発明の実施例１、２における圧電素子の変形
例を示す斜視図である。

【図１０】本発明の実施例１、２における圧電素子の変
形例を示す斜視図である。

【図１１】本発明の実施例３の超音波探触子における超
音波トランスデューサを示す斜視図である。

【図１２】本発明の実施例３における圧電素子を示し、
（ａ）は平面図、（ｂ）は斜視図である。

【図１３】超音波トランスデューサを実装した本発明の
実施例３の超音波探触子の先端部を示す斜視図である。

【図１４】従来技術の超音波探触子を示す正面図であ
る。

【図１５】従来技術の超音波探触子を示す左側面図であ
る。

【図１６】従来技術の超音波探触子を示す右側面図であ
る。

【符号の説明】

１２９超音波トランスデューサ２圧電素子３第一の電極４第三の電極５第二の電極６圧電セラミックス９音響整合層１０背面負荷材２０３０超音波探触子２１金属ブロック２２音響レンズ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも一つ以上の音響整合層もしく
は音響レンズと、圧電素子と、背面負荷材とから構成さ
れる超音波探触子において、前記圧電素子を、送受信で
異なったモードで振動するように構成したことを特徴と
する超音波探触子。
【請求項２】請求項１記載の超音波探触子において、
圧電素子は、圧電セラミックスに少なくとも電極を３ケ
以上設けて板状に形成され、前記圧電セラミックスの主
平面に形成した第一、第二の一対の電極間で厚み方向に
分極されるとともに、第一または第二の電極もしくは前
記主平面に設けた第四の電極と前記圧電セラミックスの
側面部に形成した第三の電極との間で径方向に分極され
ていることを特徴とする超音波探触子。
【請求項３】請求項１、２記載の超音波探触子におい
て、該圧電素子の機械的品質係数Ｑｍが３００以上であ
ることを特徴とする超音波探触子。
【請求項４】請求項１、２、３記載の超音波探触子に
おいて、受信時に使用する電極間の距離が、送信時に使
用する電極間の距離よりも長いことを特徴とする超音波
探触子。
【請求項５】請求項１、２、３、４記載の超音波探触
子において、第三の電極部に、負荷質量を付与したこと
を特徴とする超音波探触子。