JPH07265308A

JPH07265308A - 超音波探触子

Info

Publication number: JPH07265308A
Application number: JP8415694A
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: 1994-03-30
Filing date: 1994-03-30
Publication date: 1995-10-17

Abstract

(57)【要約】【目的】配線方法が容易で、小径でも感度が高く、画
像精度の良い超音波探触子を得る。【構成】ＰＺＴ系の圧電セラミックス３の両主平面に
電極１，２を形成する。外筒６の径方向中心部に、リー
ド線１２を設けた圧電素子５を配置し、外筒６内に背面
負荷材８を充填し、硬化させる。圧電素子５の厚み共振
方向と平行な面に音響整合層７を設けて音響放射面とす
る。音響放射面とは、超音波が観察対象物に向かって出
て行く面である。圧電素子５を厚み方向に共振させる
と、その長さ方向にも振動が発生し、この振動を利用
し、音響整合層７から超音波を放射する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、医療で用いる超音波内
視鏡等において利用される超音波探触子に係り、特にト
ランスデューサ部を改良した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
ようになっている。

【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
成されてる。前記超音波トランスデューサは、上記圧電
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。

【０００４】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近距離場の観察が可能
なミラー反射タイプは、圧電素子の形状は小さくなり、
配線が困難になるとともに、絶対的な感度を得ることが
困難になってきた。

【０００５】従来例としては、図５に示した特開平３−
１７３５４７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ある。具体的には、非導電
性のケース１７に取り付けた分極をしていない圧電セラ
ミックス３の一方の平面に導電性を有する背面負荷材１
８を充填し、これに電極としての役割を持たせ、他方の
平面に薄膜状の電極１９を非導電性のケース１７にまで
延長して形成した後、分極を行って圧電性を持たせ、必
要に応じて薄膜状の電極１９側に音響整合層７を設けた
超音波探触子がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来のような超音
波探触子では、音響放射面をプローブの長さ方向と水平
になる横置きのトランスデューサの構成の場合は、圧電
素子の面積を長さ方向に延ばすことが可能であり、良好
な感度が得られる。しかし、この横置きの構成では近距
離場の観察ができない。血管用等の小型化が要求され、
なおかつ、近距離場の観察のできる超音波探触子の場
合、トランスデューサを縦置きとしたミラータイプを採
用するが、従来の送受一体型のトランスデューサでは、
圧電素子面積が極端に小さくなり、細径化した場合に必
要な感度を得ることができなかった。

【０００７】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。このような超音波探
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。ま
た、細径化に伴い配線法も困難になり、超音波探触子の
製造は困難であった。

【０００８】本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてな
されたもので、請求項１に係る発明は、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、配線の方法が容易であり、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。請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明
の目的に加え、さらなる感度の向上を図った超音波探触
子を提供することを目的とする。請求項３に係る発明
は、請求項１または２に係る発明の目的に加え、低電圧
での駆動が可能な超音波探触子を提供することを目的と
する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１に係る発明は、少なくとも一つの音響整合
層もしくは音響レンズと、圧電素子と、背面負荷材と、
それらを保持するハウジングとを備えた超音波探触子に
おいて、前記圧電素子の厚み共振方向と平行な面に一つ
以上の音響整合層もしくは音響レンズを設けて、音響放
射面とした。請求項２に係る発明は、請求項１に記載の
超音波探触子において、圧電素子に設けた電極のうち、
一つの電極を、音響反射面側の圧電素子側面にまで延長
した。請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載
の超音波探触子において、圧電素子が積層体からなるこ
とを特徴とする。

【００１０】

【作用】請求項１〜３に係る発明では、圧電素子の電極
間に電圧パルスを印加し、圧電素子を厚み方向に共振さ
せた際、同時に発生する径方向の振動を利用して超音波
を生体に放射させるものである。なお、圧電素子には、
ポアソン比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。特に、請求項２に係る発明では、超音
波探触子の圧電素子に設けた電極のうち、一つの電極
を、音響放射面側の圧電素子側面部にまで延長した構成
の圧電素子を用い、側面電極ともう一方の極性の電極と
の間隔を調整することにより、更に感度を上げることを
可能とした。請求項３に係る発明の作用は、上述した作
用の他に、圧電素子に積層体を使用しているため、低電
圧での駆動が可能となる。

【００１１】

【実施例１】図１および図２を用いて、本実施例を説明
する。図１は本実施例で用いるトランスデューサ部２０
の断面構成を示した図で、それぞれ（ａ）が横断面図、
（ｂ）が縦断面図である。また、図２は図１のトランス
デューサ部２０をハウジング１４に載せた超音波探触子
２１の先端部の概略構成図である。

【００１２】（構成）まず、図１に示したトランスデュ
ーサ部２０の作製法に基づいて構成を説明する。共振周
波数２０ＭＨｚ（厚さ約１００μｍ）のＰＺＴ系圧電セ
ラミックス３の両主平面に電極１，２を付与したものを
精密裁断機により０．７×３．０ｍｍに切出し、リード
線１２を正負の電極１，２の同一片端に半田１１により
半田付けする。なお、矢印４は圧電素子５の極性を示し
たものである。

【００１３】外筒６はＳＵＳ製のパイプで外径φ１．０
ｍｍ、肉厚０．０５ｍｍ、長さ３．３ｍｍに裁断したも
ので、その一部（図１（ａ）で底面側）をハウジング１
４と接着しやすいように漬したものである。この外筒６
の片端を、図示しないセロハンテープのような接着剤の
付いたテープでとめ、ほぼ中央部にリード線１２の付い
た圧電素子５を図１のような方向で入れ、粘着テープで
固定する。そして、隙間の部分にアルミナをフィラーと
したゲル状のエポキシ樹脂を背面負荷材８として充填し
硬化させる。この際、圧電素子５の電極１，２はＳＵＳ
パイプ６に触れないようにする。

【００１４】硬化後、粘着テープを剥がし、テープの付
いていた音響放射面側を、研磨紙を用いて研磨し、音響
整合層材料のエポキシ樹脂を塗布し、硬化後研磨して１
／４λの厚さの音響整合層７に加工し、トランスデュー
サ部２０を作製する。なお、音響放射面とは、超音波が
観察対称物に向かって出て行く面のことで、音響整合層
７が付与される面がこの面となる。

【００１５】次いで、厚さ０．０８ｍｍ、幅０．７ｍｍ
のＳＵＳ板先端部を折り曲げて反射ミラー１６を形成し
たハウジング１４を、フレキシブルシャフト１５にレー
ザー溶接した後に、トランスデューサ部２０を接着固定
し、絶縁と補強を兼ねたエポキシ系の封止樹脂１３にて
トランスデューサ部２０とフレキシブルシャフト１５間
を封止し、超音波探触子２１を作製する。

【００１６】（作用）上述した構成の超音波探触子２１
は、電極１，２間に電圧パルスを印加し、圧電素子５を
厚み方向に共振させると、圧電素子５の長さ方向にも振
動が発生する。この振動を利用し、圧電素子５の長さ方
向の面に形成された音響整合層７から超音波が放射され
る。放射された超音波は、反射ミラー１６に反射して曲
げられ、図示していないシースといわれる樹脂製パイプ
を透過して、生体中に放射される。従来の厚み方向の振
動を利用し超音波を放射するタイプよりも、実際の変位
が大きいために大きな出力が得られる。厚み方向の振動
は、圧電素子５周囲に充填されたアルミナをフィラーと
するゲル状のエポキシ樹脂からなる背面負荷材８により
減衰し、不要な超音波は生体中に、放射されないように
なっている。

【００１７】一方、被検体に当たりはね返ってきたエコ
ー波は、圧電素子５に圧力を加え変形させる。この変形
により、圧電素子５の電極１，２間には電圧が発生し、
リード線１２を通して図示しない画像処理装置に取り込
み画像化するというものである。この際、高感度の画像
を得るには、圧電素子５の長さが厚さに比較して十分に
長いことが必要である。また、圧電素子５の縦方向の電
気機械結合係数（Ｋｔ）およびポアソン比が大きいこと
が高感度の超音波探触子２１を製造する上で必要であ
る。具体的には、本製法により作製した外径φ１ｍｍの
超音波探触子の利得（Ｔｏｔａｌｇａｉｎ）は、外径
φ１ｍｍで圧電素子５の厚さ方向に超音波を放射する従
来タイプの利得よりも２〜５ｄｂ向上した。

【００１８】（効果）上述した構成の本実施例の超音波
探触子２１では、近距離場の観察可能なミラータイプ等
で、細径化が要求された場合でも、送信出力を大幅に上
げることが可能である。そのため、断面積の小さなトラ
ンスデューサでも、Ｓ／Ｎ比が向上し、図示しない画像
処理装置に画像化した場合、解像度の高い画像を得るこ
とができる。また、一般的な厚み方向へ超音波を放射す
るタイプと比較し、圧電素子５の形状は非常に大きく結
線方法が非常に容易である。なお、外筒６にはＳＵＳ製
のパイプを使用したが、導電性が無く、シース内に封入
する音響媒体に耐食性のある樹脂性パイプを使用すれ
ば、圧電素子５の電極部１，２と外筒６の接触を気にす
ることなく、容易に製造が可能となる。さらに、本実施
例では、圧電素子５に単板を用いたが、圧電素子の積層
体を用いた場合は、低電圧で駆動できるという効果が得
られる。

【００１９】

【実施例２】図３は本実施例における、超音波探触子先
端のトランスデューサ部２０の構成を示した縦断面図で
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符号を付すとともに、
以下に相違点についてのみ説明する。

【００２０】（構成）本実施例では、前記実施例の図
１，２と同様に、厚み共振周波数２０ＭＨｚ（厚さ約１
００μｍ）のＰＺＴ系の圧電素子５を精密裁断機のより
０．７×３．０ｍｍに切出し、リード線１２を正負の電
極１，２の同一片端に半田１１により半田付けした。実
施例１と基本的な違いは、圧電素子の電極構成と音響整
合層に有り、本実施例では、ＧＮＤ側電極１を音響放射
面側の圧電素子５側面部にまで延長した構成である。な
お、ＧＮＤ側電極１とプラス側電極２との間隔は０．１
ｍｍと圧電素子５の厚みと同じ間隔とした。このリード
線１２の付いた圧電素子５を用い、前記実施例１と同様
にして、背面負荷材８を充填し、軸方向に積層した音響
整合層７，９，１０を付与してトランスデューサ部２０
を作製した。音響整合層７，９，１０は、第一層がマシ
ナブルセラミックス（７）、第二層がアルミナフィラー
入りのエポキシ樹脂（９）、そして第三層がシリコン樹
脂（１０）からなるもので、それぞれ１／４λの値に成
るように加工し、あらかじめ接着積層したものを使用し
た。この音響整合層７，９，１０を、エポキシ等の接着
剤で加圧接着し、トランスデューサ部２０を作製した。
そして、このトランスデューサ部２０を実施例１と同様
に、反射ミラー１６を付与したハウジング１４に搭載し
て、超音波探触子２１を作製した。

【００２１】（作用）上述した構成の超音波探触子２１
は、前記実施例１と同様に、圧電素子５の電極１，２間
に電圧パルスを印加し、圧電素子５を厚み方向に共振さ
せると、圧電素子５の長さ方向にも振動が発生する。こ
の振動を利用し、圧電素子５の長さ方向の面に形成され
た、音響整合層１０から超音波が放射される。一方、被
検体に当たりはね返ってきたエコー波は、圧電素子５に
圧力を加え変形される。この際、ＧＮＤ側電極１とプラ
ス側電極２との間には大きな応力がかかり、この電極間
には大きな電圧が発生し、リード線１２を通して図示し
ない画像処理装置に取り込み画像化される。なお、実施
例１の超音波探触子２１と利得（ＴｏｔａｌＧａｉ
ｎ）を比較すると、１〜２ｄＢ向上する。

【００２２】（効果）上述した構成の超音波探触子２１
では、近距離場の観察可能なミラータイプ等で、細径化
が要求された場合でも、送信出力を大幅に上げることが
可能である。また、一方の電極１を音響放射面側の圧電
素子５側面部にまで延長し、受信効率を向上するため、
断面積の小さなトランスデューサでも、Ｓ／Ｎ比はさら
に向上し、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。また、一般
的な厚み方向へ超音波を放射するタイプと比較し、圧電
素子５の形状は非常に大きく結線方法が非常に容易であ
る。本実施例では、外筒６を設けたが、背面負荷剤８の
性能が十分で、外部に超音波が溺れない構成である場合
には、外筒６が無くても同様な効果は得られる。

【００２３】

【実施例３】（構成）図４（ａ）は本実施例の超音波探触子に用いた
トランスデューサ部２０の横断面図、図４（ｂ）は縦断
面図である。

【００２４】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符号を付すととも
に、以下に相違点についてのみ説明する。本実施例で
は、図４のように２枚の圧電素子５使用し、超音波探触
子のトランスデューサ部２０を作製したものである。具
体的には、本実施例で用いた圧電素子５は、ＰＭＮ系の
材料で、厚み共振周波数２０ＭＨｚ、（厚さ約１００μ
ｍ）の圧電素子５を精密裁断機により０．４５×３．０
０ｍｍに切出し、リード線１２を正負の電極１，２の同
一片端に半田１１により半田付けする。圧電素子５の配
置は、図４のようにＧＮＤ側電極１を外筒６に向け、プ
ラス電極２が向い合うようにする。そして、背面負荷材
８を完全に充填する前に、ＳＵＳ製の外筒６に半田付け
により半田１１ｃを用い、圧電素子５のＧＮＤ電極１を
リード線１２ｃで結線し、その後、外筒６を介してリー
ド線１２を半田１１ｃにより結線する。一方、圧電素子
５のプラス側電極２の導通は、２本を１本のリード線１
２ｂと結線して導通を通る構成である。このリード線の
付いた２枚の圧電素子５を用い、前記実施例１と同様に
して、外筒６，音響整合層７および背面負荷材８を付与
し、トランスデューサ部２０を作製した。このトランス
デューサ部２０を実施例１と同様に、反射ミラー１６を
付与したハウジング１４に搭載して、超音波探触子を作
製した。

【００２５】（作用）上述した構成の超音波探触子は、
前記実施例１，２と同様に、２枚の圧電素子５の電極
１，２間に電圧パルスを印加し、圧電素子５を厚み方向
に共振させると、圧電素子５の長さ方向にも振動が発生
する。送受信の動作原理は、前記実施例１，２と同様で
あるが、音響放射面の圧電素子５表面積を増やすこと
で、出力される超音波の音圧は増加する。２枚の圧電素
子は、背面負荷材８を介在させるために、相互の干渉は
無くパルス幅自体には変化が無い。

【００２６】（効果）極近距離場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。本実施例では、圧電素子５を２枚とし平
行に配置した構成としたが、２枚以上とし干渉が起こら
ないような配置であれば位置関係に関係なく、断面積が
増えれば同様な効果が得られる。また、反射ミラー１６
中央部に超音波ビームの集束点がくるように、音響レン
ズを設けたり、背面負荷材８に固定する際に圧電素子５
自体を傾けた状態にすることで感度の向上を図ることが
できる。さらに、圧電素子５の側面電極は、圧電素子５
を背面負荷材８により固定した後、研磨や裁断により、
外筒６と垂直度を出した後、蒸着等によりＳＵＳ製外筒
６と導通を取る形として、圧電素子５のＧＮＤ側電極１
側の半田１１による半田付けを無くし、配線法を容易に
した構成のものでも同様な効果が得られる。そして、音
響整合層７に導電性のある材料を使用した場合には、結
線２枚の圧電素子５のうち一方のＧＮＤ側電極１と結線
するだけでよく、半田付けする箇所を減らすことができ
る。導電性のある樹脂としては、エポキシ樹脂に銀や銅
をはじめとする導電物質のフィラーを混合したものがあ
る。なお、フィラーとしては、ウィスカー状のものが簡
単に高い導電性が得られ、特に、ウィスカー状の銀をフ
ィラーとした場合は良好な結果が得られた。なお、圧電
素子５は、本実施例で用いたＰＭＮ系のものの他、ＰＺ
Ｔ系のセラミックスや、ＰＴ系の圧電・電歪材料からな
る圧電セラミックスがよく、そして圧電素子は実施例に
示すような単板に限らず、積層体を使用しても同様な効
果が得られる。

【００２７】また、圧電素子を複数枚使用するこで、単
位面積当たりに圧電素子の音響放射面と割合が大きくな
る。そのため、大きな送信波を得ることが可能となり、
画像精度をさらに高めることができる。さらに、圧電素
子にＰＺＴ系、ＰＴ系またはＰＭＮ系の材料を使用する
ことで、音響放射方向に大きな変位が得られ、その際に
発生する超音波も大きなものとなり、送信出力が大きく
なることで高感度の超音波探触子となる。

【００２８】

【発明の効果】以上のように、本発明の超音波探触子に
よれば、以下のような効果が得られる。請求項１〜３に
係る発明の効果は、圧電素子の厚み共振方向とは異なっ
た方向の振動を使用することで、細径化の望まれるミラ
ータイプのような、音響放射方向の面積に制限のある超
音波探触子であっても感度を向上させることが可能とな
る。なお、本発明の超音波探触子に使用する圧電素子
は、ポアソン比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。また、一般的な厚み方向へ超音波
を放射するタイプと比較し、圧電素子の形状は非常に大
きく結線方法が非常に容易となる。請求項２に係る発明
の効果は、上記効果の他、一方の電極を音響放射面側の
圧電素子側面部にまで延長し、受信効率をさらに向上さ
せるため、断面積の小さなトランスデューサでも、Ｓ／
Ｎ比は向上し、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。請求項３に係る発
明の効果は、前述までの効果の他に、積層体の圧電素子
を使用することで、低駆動電圧化が達成できる。そのた
め、体内用超音波探触子等では、安全性を高めつつ画像
精度を維持することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の超音波探触子のトランスデューサ部
を示すもので、（ａ）が横断面図、（ｂ）が縦断面図で
ある。

【図２】同実施例１の超音波探触子の先端部を示す概略
構成図である。

【図３】実施例２の超音波探触子のトランスデューサ部
を示す縦断面図である。

【図４】実施例３の超音波探触子のトランスデューサ部
を示すもので、（ａ）が横断面図、（ｂ）が縦断面図で
ある。

【図５】従来の超音波トランスデューサを示すもので、
（ａ）が縦断面図、（ｂ）が斜視図である。

【符号の説明】

１ＧＮＤ側電極２プラス側電極３圧電セラミックス５圧電素子６外筒７，９，１０音響整合層８背面負荷材１１，１１ｃ半田１２，１２ｂ，１２ｃリード線１３封止樹脂１４ハウジング１５フレキシブルシャフト１６反射ミラー１８背面負荷材２０トランスデューサ部２１超音波探触子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも一つ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、それらを保持
するハウジングとを備えた超音波探触子において、前記
圧電素子の厚み共振方向と平行な面に一つ以上の音響整
合層もしくは音響レンズを設けて、音響放射面としたこ
とを特徴とする超音波探触子。
【請求項２】請求項１に記載の超音波探触子におい
て、圧電素子に設けた電極のうち、一つの電極を、音響
反射面側の圧電素子側面にまで延長したことを特徴とす
る超音波探触子。
【請求項３】請求項１または２に記載の超音波探触子
において、圧電素子が積層体からなることを特徴とする
超音波探触子。