JPH08289397A

JPH08289397A - 超音波探触子用の圧電素子

Info

Publication number: JPH08289397A
Application number: JP7089289A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiro Wakabayashi; 勝裕若林; Yukihiko Sawada; 之彦沢田; Akiko Mizunuma; 明子水沼
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1995-04-14
Filing date: 1995-04-14
Publication date: 1996-11-01

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、ベッセル関数を基に部分的に分極
強度を弱めた圧電素子を使用することで、音場を整形し
ラインフォーカス化を図り、比較的簡単な電気回路を使
用できる高分解能な超音波探触子用の圧電素子を提供す
る【構成】本発明は、超音波探触子用の圧電素子５にお
いて、分極済みの圧電素子５に対するベッセル関数に対
応した部分的な消極により、位置によって自発分極の大
きさに差を持たせたことを特徴とするものである。

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
波内視鏡用等に於いて利用される超音波探触子用の圧電
素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波探触子の一般的な構造は、背面負
荷材へ両面に一対の電極を形成したＰＺＴで代表される
ような圧電セラミックス板からなる圧電素子を接着し、
更に音響整合層及び音響レンズを接着して作製される
（医用超音波機器ハンドブック、コロナ社、Ｐ１８６
等）。

【０００３】この超音波探触子は、前記圧電素子にパル
サから百〜数百ボルト程度の電圧パルスを印加し、圧電
素子の逆圧電効果により急速に変形を起こさせ、この振
動を音響整合層及び音響レンズを通し効率よく被測定物
へ超音波を放射させる。放射された超音波パルスは、医
療用途に関しては体内の各組織の界面において、また非
破壊検査用に関しては被測定物内部の欠陥等の非連続部
から反射された後に、再び音響レンズ及び音響整合層を
通り圧電素子に振動を与える。このような圧電素子の圧
電効果により電気的な信号に変換され、観測装置によっ
て画像化される。

【０００４】そして、画像化した際の分解能を向上させ
るための方法としては、放射する超音波ビームを細くす
るために、前記音響レンズや圧電素子の電極パターンを
工夫したり、圧電素子自体を凹面化する方法が多々あ
る。また、電極を数分割し印加する駆動電圧に差を持た
せた、アニュラアレイによる音場整形が試みられてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
分解能の向上対策ではそれぞれ一長一短がある。具体的
には、現在公知技術である音響レンズや凹型圧電素子を
使用した超音波探触子は、焦点近傍では超音波ビームが
絞られ分解能の高い画像を得ることができるが、焦点か
ら外れるに従い超音波ビーム幅は広くなり画像精度も悪
くなる。このため、実際に観察可能な至適観察距離は狭
くなってしまうという欠点がある。

【０００６】また、アニュラアレイタイプの超音波探触
子を使用すると、パルサを複数系統用意するか、駆動回
路を工夫する等してリング状の各電極にかかる位相を制
御することで、超音波ビームの集束点をダイナミックに
変化させることができることが知られている。しかしこ
の方法では、圧電素子に複数のリード線を結線する必要
が生じる。この場合、複数のリード線間でノイズが入ら
ないようにするには、シールドを確実にする必要があり
医療用等で使用する超音波探触子には細径化という点で
不向きである。また、前記の様に位相を制御するための
複雑な電気回路が必要で観測装置のコストが大幅に上が
ってしまうという欠点がある。

【０００７】更に、アニュラアレイタイプの別な使用法
として、凹型振動子の場合は、送信時には全ての部分を
同時に駆動させて超音波を送信し、受信時は観測距離に
応じて受信する部分の面積を増やして分解能を上げると
いう方法がある。しかし、この方法も前記場合と同様
で、配線が複雑になり製造が困難になると共に、加算回
路をはじめとする電気回路が複雑になり、コスト的にも
高くなると共に信頼性の面も低くなるという欠点があ
る。

【０００８】そして、図１２乃至図１４に示した特開平
２−１１１１９８号公報に開示された超音波トランスジ
ューサのように圧電セラミックス２１の表面及び裏面
に、表面電極２７及び分割電極２８ａ、２８ｂ、２８ｃ
を設けたものがある。これは、分極強度の分布として中
心の分割電極１８ａに大きな自発分極を持たせ、外周の
分割電極１８ｃにいくほど自発分極を弱くして圧電素子
３０を構成したものである。この圧電素子３０を使用し
た超音波探触子も知られているが、これはサイドローブ
低減を主たる目的とするもので、超音波を集束させる効
果は無く、至適観察距離も短い。

【０００９】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
であり、請求項１記載の発明の目的は、ベッセル関数を
基に部分的に分極強度を弱めた圧電素子を使用すること
で、音場を整形しラインフォーカス化を図り、比較的簡
単な電気回路を使用できる高分解能な超音波探触子用の
圧電素子を提供することである。

【００１０】また、請求項２、３記載の発明の目的は、
２次のベッセル関数を基に分極強度を重み付けすること
で、音場を整形しラインフォーカス化を図り、高分解能
な超音波探触子用の圧電素子を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
超音波探触子用の圧電素子において、分極済みの圧電素
子に対するベッセル関数に対応した部分的な消極によ
り、位置によって自発分極の大きさに差を持たせたこと
を特徴とするものである。

【００１２】請求項２記載の発明は、前記圧電素子にお
ける自発分極の大きさの差は、２次以上の偶数次のベッ
セル関数を基に決定したことを特徴とするものである。

【００１３】請求項３記載の発明は、請求項２記載の圧
電素子において、中心部に穴を有する形状としたことを
特徴とするものである。

【００１４】

【作用】請求項１記載の発明の作用は以下の通りであ
る。即ち、超音波探触子用の圧電素子の分極強度を部分
的に加熱して消極させベッセル関数的に分極強度の重み
付けを行う。この圧電素子を使用した超音波探触子によ
れば、疑似的なベッセルビームを観察物へ放射すること
が可能である。ベッセルビームは非回折波であり、超音
波探触子から放射された超音波ビームも殆ど拡がること
無く伝搬していく。

【００１５】請求項２記載の発明の作用は以下の通りで
ある。即ち、超音波探触子用の圧電素子の分極強度を、
部分的な消極若しくは部分的に分極することで変化さ
せ、中心に音圧の必要ない２次のベッセル関数的に分極
強度に重み付けを行う。この圧電素子を使用した超音波
探触子によれば、疑似的なベッセルビームを観察物へ放
射することが可能である。ベッセルビームは非回折波で
あり、超音波探触子から放射された超音波ビームも殆ど
拡がること無く伝搬していく。

【００１６】請求項３記載の発明によれば、請求項２記
載の圧電素子において、中心部に穴を有する形状とした
ので、請求項２記載の発明の作用に加え、一般的に知ら
れているリング状圧電素子が持つ焦点深度が深いという
長所のみを引出し、従来問題とされていたサイドローブ
が大きいという欠点を除去できる。

【００１７】

【実施例】以下に、本発明の実施例を詳細に説明する。

【００１８】［第１実施例］（構成）図１乃至図４、図５を参照して本実施例を説明
する。図１は本実施例で作製した圧電素子５の断面とベ
ッセル関数との対応を表した図、図２は本実施例で作製
した圧電素子５を用いた超音波探触子であるトランスデ
ューサ１６の断面と放射される超音波の強度分布との関
係を示す図である。図３、図４は、圧電素子５の消極方
法を概略的に示す斜視図である。また、図５は作製した
圧電素子５を用いたトランスデューサ１６の断面図であ
る。

【００１９】以下に本実施例の超音波探触子用の圧電素
子５とその製造方法について説明する。まず、圧電セラ
ミックス１としてＰＺＴ系の材料で直径１０ｍｍ、厚さ
１６０μｍのラッピングした素体を用意し、これに銀ペ
ーストで両面に電極ペースト（Ａｇ／Ｐｄ）を印刷、焼
付けする。焼付け後、一般的な方法でこの圧電素子５を
分極し、一様に分極された圧電素子５を得る。

【００２０】この圧電素子５を、図示しない回転機構の
付いた治具に吸着固定し、図３に示すように回転させな
がらＹＡＧ（ＹｔｔｒｉｕｍＡｌｕｍｉｎｕｍＧａ
ｒｎｅｔＬａｓｅｒ）のレーザ光１７をレンズ１８を
用いて部分的に照射し昇温することで部分的に消極させ
る。レーザ光１７の強度及び集光率、雰囲気の温度等を
調節し、受光部の温度管理を行い消極の状態を変化さ
せ、図２の下欄に示すトランスデューサ１６における圧
電素子５のように分極状態に差（多数の点の密度差で示
す）を持たせる。即ち、図２において、圧電素子５は色
が濃い部分ほど分極強度が強く消極されていないことを
表し、色が白い部分は完全に消極され圧電性を失った領
域であることを示している。

【００２１】本実施例では、雰囲気の調節として、約０
℃の窒素ガスを圧電素子５に吹き付けながら行い、レー
ザ光１７の照射領域近傍以外の部分が昇温しないように
した。また、本実施例の分極強度（ｄ33）の分布は、図
１に示すように、０次のベッセル関数を基にパターン化
されたもので、具体的には分極方向の極性が変わらない
ようにできる位置まで０次のベッセル関数のＹ軸をずら
して分極強度を決定した。

【００２２】このようにして得られた圧電素子５を、図
５に示すように、絶縁筒１３により包囲しつつＳＵＳ製
のハウジング１２内に、表面側（音響放射面側）が接地
（ＧＮＤ）となるように接着固定する。そして、表面側
の全面電極２ａからハウジング１２へは導電性樹脂６を
使用して結線する。その後、表面側の全面電極２ａの表
面に音響整合層７として厚さ６０μｍのエポキシ樹脂層
を形成する。次いで、圧電素子５の裏面電極２ｂ、ハウ
ジング１２に、各々同軸ケーブル１１の芯線９、周線１
０をそれぞれ半田１４を用いて結線する。そして、エポ
キシとタングステンを混合した背面負荷材８を、裏面電
極２ｂ側に注型し硬化させ、図５に示すような超音波探
触子のトランスデューサ１６を作製する。

【００２３】（作用）上記構成のようなレーザ光１７を
用いて部分的に消極して作製した圧電セラミックス１の
断面構造により、図１及び図２の断面に示すような分極
強さの分布を持った圧電素子５を得ることができる。具
体的には、図１に示す圧電素子５の断面に付した矢印４
は、破線部分間の分極強度を示したもので、中心付近の
自発分極は大きく、外周に向かうに従い電極間の自発分
極の強さは小さくなっていく。本実施例の場合、分極方
向は同一であるため、図２に示すように、同じ圧電素子
５の分極強度を濃淡を用いて表すことも可能である。図
２に示す圧電素子５では色の濃い部分が大きな分極強度
を有していることを示している。

【００２４】この様な圧電素子５に電圧を印加すると、
分極強度の大きい部分は変形量が多くなる。本実施例の
ように、ベッセル関数に基づいて分極強度に差を持たせ
た圧電素子５を用いて、図５に示すなトランスデューサ
１６を作製して、図示しないパルサーにより電圧パルス
を前記圧電素子５に印加すると、音響整合層７の近傍で
は放射される超音波ビームの強度分布がベッセル関数に
近似したものとなる。

【００２５】図６は、本実施例で作製した超音波探触子
の近傍の音圧分布をハイドロフォンで測定した場合のハ
イドロフォンの出力電圧と分極強度（矢印４で示す）と
の関係を示している。

【００２６】ハイドロフォンでは、正圧、負圧の出力に
差が無いため、絶対値の値となるが、実際の放射音圧と
理論値が非常に近似しているという結果が得られた。
尚、本実施例では、圧電素子５を図示しない回転機構の
付いた治具に吸着固定し、回転させながら全面電極２ａ
にＹＡＧのレーザ光１７をレンズ１８を介して部分的に
照射し昇温することで消極させたが、電極材料は反射光
が多く、効率が悪くなる。そのため、図４に示すよう
に、電極表面の昇温したい部分をあらかじめ着色（黒線
の楕円で示す）しておくと、容易に昇温範囲を限定でき
るとともに、効率も向上する。

【００２７】また、本実施例では雰囲気の調節として、
約０℃の窒素ガスを圧電素子５に吹き付けながらレーザ
光１７の照射を行ったが、その他の気体により冷却して
も同様な効果が得られることはいうもでもない。また、
レーザ光１７が透過しても危険ではないシリコーンオイ
ルの様な液体中で実行してもレーザ光１７の照射領域近
傍以外の領域が昇温しないという効果が得られる。

【００２８】そして、電極材料によっては、レーザ光１
７による加熱時に電極材料自体が蒸発してしまうことが
あるが、この場合には導電性樹脂を用いて結線するか、
スパッタリング、蒸着等の方法で結線するとよい。ま
た、結線温度が低く圧電性に問題のない範囲であれば、
導通さえ得られれば半田や熱圧着等、他の手法を用いて
も同様な動作をする。

【００２９】また、本実施例では、０次のベッセル関数
で、中心を除く＋側の山が片側２個、−側の谷が２個の
場合を示したが、中心を除く＋側の山が片側１個、−側
の谷が１個以上であれば非回折ビームを実現でき、本実
施例と同様な効果が得られる。

【００３０】さらに、本実施例では前記音響整合層７は
エポキシ樹脂の一層構造であるが、例えばアルミナ等を
フィラーとして混入させたエポキシ樹脂と、別のエポキ
シ樹脂との２層構造の音響整合層７やマシナブルセラミ
ックスとフィラーの入ったエポキシ樹脂及びポリエチレ
ンの積層等の３層構造の音響整合層７を持つものでも同
様な効果が得られる。

【００３１】（効果）ベッセルビームは非回折ビームと
して知られているが、本実施例によるトランスデューサ
１６の音場を測定し、半値幅を測定してみると、半値幅
の狭い領域が非常に長く、従来には見られない至適観察
距離（焦点深度）の長い超音波探触子を作製することが
可能となる。これにより、同軸ケーブルが１本でパルサ
ーが１系統の超音波探触子を構成でき、電気回路及びト
ランスデューサ１６の構成が簡易で安価な、高分解能の
超音波探触子を提供できる。

【００３２】［第２実施例］（構成）次に、図７、図９を参照して第２実施例を説明
する。図７は本実施例に使用した電極構成を説明するた
めの圧電素子５Ａの上面及び断面を示し、図７は圧電素
子５Ａの断面とベッセル関数と分極強度の分布との関係
を示すものである。本実施例の基本的な構成は前記第１
実施例と同様であり、同一な構成部分には同一符号を付
すとともに、相違点についてのみ詳述する。

【００３３】本実施例では、図７に示すような中心部に
電極がない電極パターンを利用して分極を行い、一つの
圧電素子５Ａで自発分極に差を持たせトランスデューサ
化した。具体的には、前記第１実施例とは異なり、２次
のベッセル関数を基に分極強度を決定した。図８は、使
用した２次のベッセル関数と圧電素子５Ａの断面の分極
強度と分極方向（矢印４で示す）を示すもので、２次の
ベッセル関数に併せて分割電極３を設け、トランスデュ
ーサ化した際の放射音圧が前記２次のベッセル関数に一
致するように、分極電圧を変えて分極強度の部分的に異
なった圧電素子５Ａを作製した。

【００３４】そして、分極後にアニール処理を行い分割
された状態の各分割電極３を導電性樹脂で結線して、超
音波探触子用の圧電素子５Ａとした。上記のようにして
作製した圧電素子５Ａを用い、前記第１実施例と同様な
方法でトランスデューサ１６を作製した。

【００３５】（作用）上記構成のような方法で作製した
圧電素子５Ａの断面の自発分極の方向と強度は図８の矢
印４として示したような状態となる。本実施例では、第
１実施例と異なり分極方向は部分的に反転しており、中
心部には電極が無く、分極されていない状態である。本
実施例の圧電素子５Ａを用いて図５に示すようなトラン
スデューサ１６を構成し、圧電素子５Ａに電圧パルスを
印加すると、圧電素子５Ａは瞬時に変形し、音響整合層
７の表面から放射される超音波は、２次のベッセル関数
に近似する。このような超音波探触子も前記第１実施例
と同様に非回折ビームを放射する。

【００３６】（効果）前記第１実施例と同様にベッセル
ビームを放射することができるため、本実施例品の音場
を測定すると半値幅の狭い領域が非常に長く、従来には
見られない至適観察距離（焦点深度）の長い超音波探触
子を作製することが可能となる。また、前記第１実施例
同様に、電気回路及びトランスデューサ１６の構成が簡
易で作製が容易となり、安価な高分解能の超音波探触子
を作製できる。

【００３７】更に、本実施例では２次のベッセル関数を
そのまま利用したが、バイアスをかけ全ての分極方向が
同一になるように各部分毎に分極することも可能であ
り、この場合には、前記第１実施例と同様に、部分的な
加熱により一つの圧電素子５内で分極強度に差を持たせ
ることができる。

【００３８】［第３実施例］（構成）図９、図１０を参照して第３実施例を説明す
る。図９は本実施例に使用した電極構成を説明するため
の圧電素子５Ｂの断面とベッセル関数と分極強度（矢印
４で示す）の分布を示すものである。本実施例の基本的
な構成は前記第１実施例と同様であり、同一な構成部分
には同一符号を付すとともに、相違点についてのみ述べ
る。

【００３９】本実施例では、図９に示すように、中心に
穴１９を設けたリング状の圧電素子５Ｂを使用する。こ
の圧電素子５Ｂに２次のベッセル関数に対応した分割電
極３を設け、前記第２実施例同様分極電圧と極性方向を
変化させ、トランスデューサ１６にした際音響放射面で
ある音響整合層７から目標の２次のベッセル関数的な音
圧が得られるように調整して分極する。なお、ベッセル
関数のＹ軸の値がゼロの近傍は、分割電極３が無い状態
となる。

【００４０】このようにして作製した圧電素子５Ｂを用
い、前記第１実施例とほぼ同様な方法でトランスデュー
サ１６を作製した。尚、本実施例では、圧電素子５Ｂの
中央の穴１９には音響整合層７と同材質材料を充填し硬
化させた。

【００４１】（作用）上記構成のような方法で作製した
圧電素子５Ｂの断面の自発分極の方向と強度は図１０の
矢印４として示したような状態である。分極方向は同一
でなく、また、中心部には穴１９が開いた状態となって
いる。この圧電素子５Ｂに電圧パルスを印加すると瞬時
に変形し、トランスデューサ１６における音響整合層７
の表面から放射される超音波は、図１１に示すように、
２次のベッセル関数に近似し、このトランスデューサ１
６も前記第１実施例と同様に非回折ビームを放射する。

【００４２】尚、前記第１、第２実施例と異なること
は、中央部に穴１９が開いたリング状の圧電素子５Ｂを
用いた点である。一般的に知られているように、リング
型の圧電素子５Ｂを使用して作製したトランスデューサ
１６は、ビーム幅が狭い範囲が長く、焦点深度の大きな
ものとなる。

【００４３】（効果）前記実施例と同様にベッセルビー
ムを放射することができるため、本実施例品の音場を測
定すると半値幅の狭い領域が非常に長く、従来には見ら
れない至適観察距離（焦点深度）の長い超音波探触子を
作製することが可能となる。また、前記実施例の圧電素
子５と比較しリング型の圧電素子５Ｂを使用すること
で、その特性として一般的に知られているように、放射
するビーム幅が狭い超音波探触子を作製できる。また、
一般的に知られているリング状圧電素子が持つ焦点深度
が深いという長所のみを引出し、従来問題とされていた
サイドローブが大きいという欠点のみ除去したものが作
製できる

【００４４】また、前記実施例と同様に、電気回路及び
トランスデューサ１６の構成が簡易で作製が容易とな
り、安価な高分解能の超音波探触子を作製できる。尚、
本実施例では、同極性の部分を一つのリング状の電極と
したが電極を更に細分化しても同様な効果が得られる。

【００４５】また、本実施例では、２次のベッセル関数
として中心から一方が山２個、谷２個のものを使用した
が、２次のベッセル関数として中心から一方が山１個、
谷１個以上であれば同様な効果が得られ、図８に示すよ
うな山２個、谷１個という山と谷の数が一致しない圧電
素子５を利用しても同様な効果が得られる。

【００４６】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、音場を整
形しラインフォーカス化を図り、比較的簡単な電気回路
を使用できる高分解能な超音波探触子用の圧電素子を提
供することができる。

【００４７】請求項２記載の発明によれば、焦点深度が
深く高分解能な超音波探触子を作製することができる超
音波探触子用の圧電素子を提供することができる。

【００４８】請求項３記載の発明によれば、上記請求項
２の効果に加え、一般的に知られているリング状圧電素
子が持つ焦点深度が深いという長所のみを引出し、従来
問題とされていたサイドローブが大きいという欠点のみ
除去した超音波探触子を作製することができる超音波探
触子用の圧電素子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の圧電素子と０次のベッセ
ル関数との関係を示す図である。

【図２】本発明の第１実施例のトランスデューサと超音
波ビームの強度分布との関係を示す図である。

【図３】本発明の第１実施例の圧電素子に対する消極状
態を示す説明図である。

【図４】本発明の第１実施例の圧電素子に対する消極状
態の他例を示す説明図である。

【図５】本発明の第１実施例の圧電素子を用いたトラン
スデューサの断面図である。

【図６】本発明の第１実施例の圧電素子の分極状態とハ
イドロフォンの出力電圧との関係を示す図である。

【図７】本発明の第２実施例の圧電素子の構造を示す説
明図である。

【図８】本発明の第２実施例の圧電素子と２次のベッセ
ル関数との関係を示す図である。

【図９】本発明の第３実施例の圧電素子と２次のベッセ
ル関数との関係を示す図である。

【図１０】本発明の第３実施例の圧電素子と別の２次の
ベッセル関数との関係を示す図である。

【図１１】本発明の第３実施例の圧電素子を用いたトラ
ンスデューサと超音波ビームの強度分布との関係を示す
図である。

【図１２】従来の圧電素子の底面図である。

【図１３】従来の圧電素子の分極状態を示す側面図であ
る。

【図１４】従来の圧電素子の平面図である。

【符号の説明】

１圧電セラミックス３分割電極５圧電素子５Ａ圧電素子５Ｂ圧電素子７音響整合層１１ハウジング１６トランスデューサ１７レーザ光１８レンズ１９穴

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超音波探触子用の圧電素子において、分
極済みの圧電素子に対するベッセル関数に対応した部分
的な消極により、位置によって自発分極の大きさに差を
持たせたことを特徴とする超音波探触子用の圧電素子。
【請求項２】前記圧電素子における自発分極の大きさ
の差は、２次以上の偶数次のベッセル関数を基に決定し
たことを特徴とする請求項１記載の超音波探触子用の圧
電素子。
【請求項３】前記圧電素子は、中心部に穴を有する形
状であることを特徴とする請求項２記載の超音波探触子
用の圧電素子。