JPH07274291A - 超音波探触子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 特に製作を容易として、高周波化及び高帯域
化に適した超音波探触子及びその製造方法を提供する 【構成】 第１に、圧電素子に振動制動材を付加して形
成された超音波探触子において、前記振動制動材を金属
の溶着により接合して合成振動体を形成し、該合成振動
体の送受波特性を双峰特性とするとともに、該双峰特性
の山谷の差を６ｄＢ以内とし、第２に、前記振動抑制材
の音響インピーダンスＺ_Bは、（Ｚ₀・Ｚ_M）^1/2＜Ｚ_B＜
Ｚ₀を満足し、第３に、前記合成振動体には超音波の共
振周波数に対して約λ／４となる調整膜を付加し、第４
に、一枚の圧電板に振動制動材としての金属を溶着して
合成振動体を形成し、該合成振動体を個々に切断分離し
て形成した構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は超音波探触子を利用分野
とし、特に高周波化に適して広帯域を得られる超音波探
触子の構造及びその製造方法に関する。

【０００２】

【発明の背景】超音波探触子は、医用等の超音波診断装
置に超音波の送受波部として有用されている。このよう
なものの中には、圧電素子１個のもの（シングル型とす
る）や、例えば圧電素子を矩形状としてその幅方向に並
べ、電子的にセクタあるいはリニア駆動される配列型の
ものがある。そして、いずれのものでも、近年では、超
音波の放射方向に対する距離分解能を高めて、しかも情
報量を増大し、診断精度を向上する超音波の高周波化
（例えば３０ＭＨｚ以上）が望まれている。

【０００３】

【従来技術】第７図は従来例を説明するシングル型の超
音波探触子の断面図である。超音波探触子は、ＰＺＴ
（ジルコン酸チタン酸鉛）等の圧電素子１を超音波Ｕの
発生源として構成される。圧電素子１は両主面に図示し
ない電極を有し、後面をバッキング材２上に固着され
る。そして、超音波の送受波面となる前面に一層以上の
音響整合層３を設けてなる。通常では、一枚の圧電板を
バッキング材上に固着して音響整合層を形成する。そし
て、音響整合層上から複数個に切断分割し、それぞれを
基台４上に固着してシングル型の超音波探触子を製作す
る。バッキング材２は、通常、金属粉末等を混入したゴ
ム系樹脂からなり、圧電素子１の後面から放射される超
音波を吸収して、前面から放射される超音波へ干渉しな
いようにする。音響整合層３はガラスあるいはセラミッ
ク等の貼着後に、樹脂をコーティングした２層構造とす
る。そして、圧電素子１と被検出体（生体）５の音響イ
ンピーダンス（密度と超音波の伝搬速度の積）Ｚ₀、Ｚ_M
の差による超音波の伝搬損失を防止する。通常では、音
響整合層３の厚みは各層ともに超音波の波長のλ／４あ
るいはその整数倍とし、その音響インピーダンスは、序
々に被検出体に近づくようにする。そして、バッキング
材２及び音響整合層３はいずれも圧電素子１の共振特性
をを抑圧して、その帯域を広げる制動作用を有する。例
えば、第８図の送受波利得特性に示したように、頂点を
やや平坦とした単峰特性とする。但し、図中のｆ₀は中
心周波数、ｆ_wは６ｄＢ減衰域での帯域幅である。

【０００４】

【従来技術の問題点】しかしながら、上記構成の超音波
探触子では、超音波周波数が高周波化するほど、圧電板
の厚みは小さくなる。したがって、その取扱を困難と
し、作業中に破損等を引き起こす。特に、バッキング材
２は、上述のようにゴム系の樹脂が用いられる。このた
め、圧電板をバッキング材に固着して音響整合層を設け
る際、あるいは、マルチソウにより複数個に切断分割す
る際には、外力によるゴム系樹脂の弾性等により、圧電
板にたわみ等を生じてヒビ、欠け、割れ等の破損を招く
ことになる。そして、このような場合には、特性の劣化
を招き、製品として採用できず、生産性を悪化させる。
また、製品後においても、生体へ押圧して診断する際に
は、外力によって同様に圧電素子１にたわみを生じ、破
損するおそれもあってその品質を損なう問題もあった。

【０００５】

【発明の目的】本発明は、上記事情に鑑み、特に製作を
容易として、高周波化及び高帯域化に適した超音波探触
子及びその製造方法を提供することを目的とする。

【０００６】

【着目点】本発明は、ゴム系のバッキング材に代え、金
属であれば圧電板にはたわみ等による破損を生じない
点、及び特公平３−８１３５９号に記載の技術すなわち
音響整合層の音響インピーダンスＺ₁は圧電素子及び被
検出体のそれＺ₀、Ｚ_Mに対して、Ｚ₁＞（Ｚ₀・Ｚ_M）^1/2
「（１）式」とする」とすれば、送受波特性が双方特性
となるとともにその山谷の差はＺ₁に制御されるとの
点、双峰特性の山谷の差が大きくなると中心周波数に対
する帯域は広がる点に着目し、本発明では、振動制動材
を金属の溶着により圧電素子に接合して合成振動体を形
成し、該合成振動体の送受波特性を双峰特性とするとと
もに、該双峰特性の山谷の差を６ｄＢ以内としたことを
基本的な解決手段とし、より具体的には、振動抑制材の
音響インピーダンスＺ_Bは、（Ｚ₀・Ｚ_M）^1/2＜Ｚ_B＜Ｚ₀
を満足するようにし、さらには合成振動体には圧電素子
の共振周波数に対して約λ／４となる調整膜を付加した
ことを解決手段とする。また、その製造方法としては、
一枚の圧電板に振動制動材としての金属を溶着して合成
振動体を形成した後、個々に切断分離して形成したこと
を解決手段とする。以下、本発明の一実施例をその作用
とともに説明する。

【０００７】

【実施例】第１図は本発明の一実施例を説明する超音波
探触子の断面図である。なお、前従来例図と同一部分に
は同番号を付与して説明する。超音波探触子は、振動制
動材６を半田とし、圧電素子１の一方の主面に接合した
合成振動体７から構成される。具体的には、クリーム半
田を圧電板上に塗布してその厚みがλ／４となるように
溶融して固化させる。そして、振動制動材６側を図示し
ないガラス上に固着し、圧電板上から複数個に切断分割
する。そして、ガラスを分離した後、振動制動材６及び
圧電素子１の送受波面側の電極にリード線（未図示）を
接続し、振動制動材６側を基台４上に固着して形成され
る。

【０００８】第２図は、本実施例による概略の送受波利
得特性図である。但し、曲線（イ、ロ）は本実施例、同
（ハ）は従来例である。また、送受波面側に音響整合層
を設けることなく、圧電素子１側を被検出体５に直接当
接させた場合で、超音波の中心周波数は３０ＭＨｚであ
る。図から明らかなように、送受波利得特性は、従来の
単峰特性に対し、上述のように双峰特性とる。そして、
双方特性の山谷の差にはバラツキがあり、山谷の差が実
用上の６ｄＢを越えないもの「曲線（イ）」、あるいは
これを越えるもの「同図（ロ）」があった。そして、い
ずれの場合でも超音波の中心周波数（概ね圧電素子の共
振周波数）ｆ₀に対する帯域ｆ_w1、ｆ_w2は、従来のｆ_w3
より広がり、山谷の差が大きくなるほどその同帯域は大
きくなる結果となった。また、これらの例では、ほとん
どが、尖頭値（ｆ₁時）における送受波利得は、従来例
と比較して遜色なく、実用上の感度を得た。

【０００９】 すなわち、本実施例で
は、半田の溶融により圧電素子１に接合したので、その
固着強度がきわめて大きい。したがって、圧電素子１と
半田とが一体化され、見かけ上、一つの合成振動体７と
して動作する。そして、振動制動材（半田）の音響イン
ピーダンスＺ_B（２４×１０⁶Ｋｇ／ｍ²・ｓｅｃ）が、
前述の（１）式で示される値（Ｚ₀・Ｚ_M）^1/2よりも大
きいので、送受波利得特性は上述のように双峰特性とな
る。なお、基本的には、合成振動体７、圧電素子１自体
及び振動制動材６は、その厚み（３λ／４、λ／２、λ
／４）等に応じた固有の共振周波数ｆ₁、ｆ₀、ｆ₂（但
し、ｆ₁＜ｆ₀＜ｆ₂）を有する。そして、振動制動材６
の音響インピーダンスＺ_Mに比例した質量により、圧電
素子１自体の共振「第３図（ａ）」が抑圧される結果、
その両側に合成振動体７及び振動制動材６による固有の
共振が顕在化する「同図（ｂ）」。したがって、送受波
利得特性は、双方特性になる「同図（ｃ）」と推察され
る。また、合成振動体７の音響インピーダンスＺ_Xは、
見かけ上、圧電素子Ｚ₀（３４×Ｋｇ／ｍ²・ｓｅｃ）と
振動制動材Ｚ_B（Ｚ_B＜Ｚ₀）の中間の値となって、少な
くとも圧電素子自体のそれよりは小さくなる。そして、
被検出体５の音響インピーダンスＺ_M（１．５×Ｋｇ／
ｍ²・ｓｅｃ）に近ずく。その結果、不整合度を小さく
して、音響整合層を用いなくとも伝搬損失を少なくす
る。したがって、実用上の感度を得ることができる。

【００１０】このような構成であれば、振動制動材２を
半田として、これを圧電板に溶着して合成振動体とした
ので、圧電素子自体の場合よりもその強度を高めて、取
扱を容易にする。特に、マルチソウにより複数個に切断
分割する際には、圧電板にたわみ等を生ずることなく、
ヒビ、欠け、割れ等の破損を防止する。したがって、そ
の製作を容易にする。そして、この例では、前面の音響
整合層をも不要とするので作業工程を省略できる。ま
た、製品後の使用時においてもその破損のおそれをなく
し、品質を良好に維持する。そして、振動制動材６の音
響インピーダンスＺ_Bが（Ｚ₀・Ｚ_M）^1/2よりも大きくし
かも圧電素子１（Ｚ₀）よりも小さな値としたので、音
響整合層を不要として実用上の感度を得るとともに、山
谷の差が６ｄ以下の双峰特性のものを選択することによ
り従来よりも高帯域化を計ることができる。したがっ
て、高周化及び高帯域化に適した超音波探触子の製作を
容易にする。

【００１１】

【他の事項】上記実施例における実験では、双峰特性の
山谷の差が６ｄＢ以上のものもみられたが、このような
場合は、例えば第４図に示したように合成振動体７の前
面に超音波の中心周波数のλ／４となる樹脂等の調整膜
（所謂音響整合層）８を付加することにより、６ｄＢ以
下にすることができる。すなわち、合成振動体７によ送
受波利得特性が６ｄＢ以上の山谷の差があったとしても
「（第５図（ａ）」、調整膜８の伝搬特性は、同図
（ｂ）に示したように中心周波数ｆ₀を頂点（０ｄＢ）
とした単峰特性となる。したがって、結果的にはこれら
の両特性が合算されるため、双峰特性の山谷の差を減少
して６ｄＢ以内にできる。なお、調整膜８の伝搬特性は
圧電素子自体の共振周波数成分が主として伝搬されるた
め、中心周波数ｆ₀を頂点（０ｄＢ）とした単峰特性と
なる。また、圧電素子１側を超音波の送受波面として説
明したが、実験によれば、第６図に示したように振動制
動材側６を送受波面としても、ほぼ同様な結果を得た。
但し、この場合の方が送受波利得は実施例のものより若
干の向上が見られた。この理由は、音響インピーダンス
の小さい方が被検出体５側に位置したことによると考え
られる。このように、実施例では、振動制動材２を基台
４側に設けて説明したが、いずれであってもよく、要は
圧電素子１の共振が抑圧されて両側に共振周波数を有す
る合成振動体７として機能すればよい。また、いずれの
場合でも、超音波は基台４側へ放射されるが、高周波数
であるため、例えば基台あるいは基台上の接着剤等によ
り乱反射あるいは吸収されて、その影響は殆どない。ま
た、極端には基台あるいは接着剤はなくとも、背面側か
らの超音波空気中にて散乱吸収される。また、振動制動
材６は半田としてその溶融による接合としたが、例えば
Ａｌの熱圧着も含み、要は金属を熱により接合して合成
振動体とし、基本的にはその音響インピーダンスが（Ｚ
₀・Ｚ_M）^1/2＜Ｚ_B＜Ｚ₀の関係を満たしていればよい。
また、超音波探触子はシングル型としたが、リニアある
いはセクタ駆動される配列型その他の場合であっても同
様に製作できることはいうまでもない。そして、切断時
に固着したガラス等をそのまま基台４として使用しても
よい。

【００１２】

【発明の効果】本発明は、振動制動材を金属の溶着によ
り圧電素子に接合して合成振動体を形成し、該合成振動
体の送受波特性を双峰特性とするとともに、該双峰特性
の山谷の差を６ｄＢ以内としたので、特に製作を容易と
して、高周波化及び高帯域化に適した超音波探触子を提
供できる。

【図面の簡単な説明】

【第１図】本発明の一実施例を説明する超音波探触子の
断面図である。

【第２図】本発明の一実施例の作用効果を説明する送受
波利得特性図である。

【第３図】本発明の一実施例の作用を説明する図で、同
図（ａ）（ｂ）はいずれもアドミッタンス特性図、同図
（ｃ）は送受波利得特性図である。

【第４図】本発明の他の実施例を説明する超音波探触子
の断面図である。

【第５図】本発明の他の実施例の作用を説明する図で、
同図（ａ）は送受波利得特性図、同図（ｂ）は伝搬損失
特性図、同図（ｃ）は送受波利得特性図である。

【第６図】本発明の他の実施例を説明する超音波探触子
の断面図である。

【第７図】従来例を説明する超音波探触子の断面図であ
る。

【第８図】従来例を説明する送受波利得特性図である。

【符号の説明】

１ 圧電素子、２ バッキング材、３ 音響整合層、４
基台、５ 被検出体、６ 振動制動材、７ 合成振動
体、８ 調整膜．

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧電素子に振動制動材を付加して形成され
   た超音波探触子において、前記振動制動材を金属の溶着
   により接合して合成振動体を形成し、該合成振動体の送
   受波特性を双峰特性とするとともに、該双峰特性の山谷
   の差を６ｄＢ以内としたことを特徴とする超音波探触
   子。
2. 【請求項２】前記振動抑制材の音響インピーダンスＺ_B
   は、（Ｚ₀・Ｚ_M）^1/2＜Ｚ_B＜Ｚ₀を満足する第１項記載
   の超音波探触子（但し、Ｚ₀は圧電素子、Ｚ_Mは被検出体
   の音響インピーダンスで、Ｚ０＞Ｚ_M）。
3. 【請求項３】前記合成振動体には超音波の共振周波数に
   対して約λ／４となる調整膜を付加した第１項記載の超
   音波探触子。
4. 【請求項４】一枚の圧電板に振動制動材としての金属を
   溶着して合成振動体を形成し、該合成振動体を個々に切
   断分離して形成したことを特徴とする超音波探触子の製
   造方法。