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技術 超音波探触子とその製造方法

出願人 パナソニック株式会社
発明者 佐藤利春永原英知山口恵作橋本雅彦
出願日 1999年1月26日 (21年11ヶ月経過) 出願番号 1999-016775
公開日 2000年8月4日 (20年5ヶ月経過) 公開番号 2000-217196
状態 特許登録済
技術分野 超音波による材料の調査、分析 超音波診断装置 超音波診断装置 超音波変換器
主要キーワード 印刷行程 各積層構造 チャンネル素子 複合振動子 送信感度 圧電素子材料 厚みモード 接地方式
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図面 (7)

課題

超音波診断装置等に使用される超音波探触子において、送受信分離型高感度アレイ型探触子を簡単な構成で実現することを目的とする。

解決手段

超音波を送受信する圧電振動子7を圧電体積層構造である送信用圧電素子2と単層受信用圧電素子3の積層構造として、送受信時において、送信用圧電素子2に設けられた送信用接地電極9と受信用圧電素子3に設けられた受信用接地電極10を切り替えスイッチを用いて切り替えることにより、電子回路信号線の増加させることなく送受信分離モードで動作する高感度アレイ型超音波探触子を実現することができる。

概要

背景

従来、医療用超音波診断装置非破壊検査装置に用いられる超音波探触子においては、効率的な超音波の送受信を行うために、圧電セラミック圧電縦効果が一般的に利用される。この場合、圧電振動子振動モードとしては、シングル型探触子ではktモード、アレイ型探触子ではk33あるはk33’モードがよく使用される。一般的に圧電セラミック振動子では、ktモードの電気機械結合係数は50%程度、k33、k33’モードの電気機械結合係数は70%程度と、例えば圧電横効果を利用した場合と比較すると高効率である。

従来の超音波探触子において、k33モードを利用し、感度向上を図る技術として、特開昭63−252140号に記載されたものが知られている。これは、図5に示すごとく、幅Wと厚みTの比であるW/Tが1より小さい柱状の圧電素子19を例えばエポキシ樹脂のような有機化合物20で固めた複合振動子超音波送受信素子として使用し、各柱状セラミックをk33モードで縦振動を行なわせることによって感度向上を図ったものである。

また、アレイ型探触子においてもk33、あるいはk33’モードを良好に発生させるためには、W/T<0.6以下という条件が必要であり、チャンネルピッチがこの条件を満たさない場合には、1チャンネルを数個素子に分割する等の処理が行われている。

さらに、感度向上を目的として超音波送受信素子である圧電セラミックを積層化し、見かけ上のインピーダンスを低下させ駆動回路との電気的な整合条件を良好にし、素子にかかる電界強度を大きくして大きな歪を発生させ送信感度を向上させることが行われている。

しかしながら、積層構造では送信感度が積層数に応じて増大するものの、受信感度は積層数に反比例するため、全体の送受信感度の向上のためには、例えば特開平7ー194517号に記載されたような構成が知られている。これは、図6に示すごとく、例えば圧電セラミックからなる板状の圧電素子21の積層体からなる圧電振動子の超音波送受信面と側面にそれぞれ電極を設け、圧電素子の分極方向22を部分的に厚み方向と、径方向に分割した構成を取っている。上記の構成により、送信は超音波送受信面に設けた電極に電圧印加し、圧電素子に厚み縦振動励起することによって行われ、受信は被検体からの反射超音波による力学的作用により励振される屈曲振動を利用し径方向の分極を利用して受信電圧を取り出すことができる。

概要

超音波診断装置等に使用される超音波探触子において、送受信分離型高感度アレイ型探触子を簡単な構成で実現することを目的とする。

超音波を送受信する圧電振動子7を圧電体の積層構造である送信用圧電素子2と単層受信用圧電素子3の積層構造として、送受信時において、送信用圧電素子2に設けられた送信用接地電極9と受信用圧電素子3に設けられた受信用接地電極10を切り替えスイッチを用いて切り替えることにより、電子回路信号線の増加させることなく送受信分離モードで動作する高感度アレイ型超音波探触子を実現することができる。

目的

本発明は、上記従来技術の課題を解決するもので、特に超音波の送信時と受信時における動作を分離したアレイ型超音波探触子において信号線の増加を最小限にとどめ、高感度な超音波探触子を提供することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
1件

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請求項1

板状の圧電セラミックを積層した構造の圧電振動子複数個備え、上記の圧電振動子を少なくとも1次元的に配置した多チャンネルアレイ型音波探触子において、各チャンネルを構成する圧電振動子の端面および内部に少なくとも3つの電極が構成され、送信と受信で少なくとも1つの異なる電極を接地側電極として利用することを特徴とする超音波探触子。

請求項2

板状の圧電セラミックを積層した構造の圧電振動子を複数個備え、上記の圧電振動子を少なくとも1次元的に配置した多チャンネル型アレイ型超音波探触子において、圧電振動子は2種類以上の圧電セラミックを積層した構造であることを特徴とする請求項1記載の超音波探触子。

請求項3

板状の圧電セラミックを積層した構造の圧電振動子とバルク状の圧電振動子を積層した複合圧電振動子を複数個備え、上記の複合圧電振動子を少なくとも1次元的に配置した多チャンネル型アレイ型超音波探触子において、上記複合圧電振動子の端面および内部に少なくとも3つの異なる電極が構成され、送信と受信で少なくとも1つの異なる電極を接地側電極として利用することを特徴とする超音波探触子。

請求項4

板状の圧電セラミックを積層した構造の圧電振動子とバルク状の圧電振動子を積層した複合圧電振動子を複数個備え、上記の複合圧電振動子を少なくとも1次元的に配置した多チャンネル型アレイ型超音波探触子において、複合圧電振動子は2種類以上の圧電セラミックを積層した構造であることを特徴とする請求項3記載の超音波探触子。

請求項5

送信時の接地側電極と受信時の接地側電極とを切り替える切り替えスイッチを有することを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の超音波探触子。

請求項6

板状の圧電セラミックを積層した構造の圧電振動子を複数個備え、上記の圧電振動子を少なくとも1次元的に配置した多チャンネル型アレイ型超音波探触子において、電極を形成せずに板状の圧電セラミックを積層した部分を有することを特徴とする超音波探触子。

請求項7

請求項1から6のいずれかに記載の超音波探触子を有することを特徴とする医療用超音波診断装置

請求項8

請求項1から6のいずれかに記載の超音波探触子を有することを特徴とする非破壊検査装置

請求項9

圧電振動子の端面および内部に少なくとも3つの電極が構成されるように板状の圧電セラミックを積層して前記圧電振動子を形成する工程と、前記圧電振動子の内部に形成した電極と導通をとるように前記圧電振動子の端面および側面に外部電極を形成する工程と、前記圧電振動子に分極処理を行う工程と、前記圧電振動子の音波放射側の端面および対向する端面にそれぞれ整合層およびバッキング材接合する工程と、あらかじめ設定された数のチャンネル素子が構成されるように前記整合層から前記バッキング材に達する切断溝を形成する工程とを有することを特徴とする超音波探触子の製造方法。

請求項10

外部電極は、超音波の送受信信号入出力する信号用電極と、送信時に接地する送信用接地電極と、受信時に接地する受信用接地電極とであることを特徴とする請求項9記載の超音波探触子の製造方法。

技術分野

0001

本発明は医用診断非破壊検査等に使用されるアレイ型音波探触子とその製造方法、及び、上記アレイ型超音波探触子を用いた医療用超音波診断装置および非破壊検査装置に関する。

背景技術

0002

従来、医療用超音波診断装置や非破壊検査装置に用いられる超音波探触子においては、効率的な超音波の送受信を行うために、圧電セラミック圧電縦効果が一般的に利用される。この場合、圧電振動子振動モードとしては、シングル型探触子ではktモード、アレイ型探触子ではk33あるはk33’モードがよく使用される。一般的に圧電セラミック振動子では、ktモードの電気機械結合係数は50%程度、k33、k33’モードの電気機械結合係数は70%程度と、例えば圧電横効果を利用した場合と比較すると高効率である。

0003

従来の超音波探触子において、k33モードを利用し、感度向上を図る技術として、特開昭63−252140号に記載されたものが知られている。これは、図5に示すごとく、幅Wと厚みTの比であるW/Tが1より小さい柱状の圧電素子19を例えばエポキシ樹脂のような有機化合物20で固めた複合振動子超音波送受信素子として使用し、各柱状セラミックをk33モードで縦振動を行なわせることによって感度向上を図ったものである。

0004

また、アレイ型探触子においてもk33、あるいはk33’モードを良好に発生させるためには、W/T<0.6以下という条件が必要であり、チャンネルピッチがこの条件を満たさない場合には、1チャンネルを数個素子に分割する等の処理が行われている。

0005

さらに、感度向上を目的として超音波送受信素子である圧電セラミックを積層化し、見かけ上のインピーダンスを低下させ駆動回路との電気的な整合条件を良好にし、素子にかかる電界強度を大きくして大きな歪を発生させ送信感度を向上させることが行われている。

0006

しかしながら、積層構造では送信感度が積層数に応じて増大するものの、受信感度は積層数に反比例するため、全体の送受信感度の向上のためには、例えば特開平7ー194517号に記載されたような構成が知られている。これは、図6に示すごとく、例えば圧電セラミックからなる板状の圧電素子21の積層体からなる圧電振動子の超音波送受信面と側面にそれぞれ電極を設け、圧電素子の分極方向22を部分的に厚み方向と、径方向に分割した構成を取っている。上記の構成により、送信は超音波送受信面に設けた電極に電圧印加し、圧電素子に厚み縦振動励起することによって行われ、受信は被検体からの反射超音波による力学的作用により励振される屈曲振動を利用し径方向の分極を利用して受信電圧を取り出すことができる。

発明が解決しようとする課題

0007

この特開昭63−252140号に記載される複合振動子は、圧電セラミックをダイサ等の切断機によって切断することにより、柱状構造を構成したのち、切断溝をエポキシ樹脂等の有機材料で埋めることにより製造される。また、アレイ型探触子においても同様に各チャンネルの分割はダイサ等の切断機で行われる。

0008

しかしながら、超音波探触子の送受信周波数は、圧電セラミックの厚みに依存するため、高周波になるほど、それらの柱状構造あるいはチャンネルピッチの寸法が小さくなる。したがってダイサ等の切断機による機械加工行程が増加するとともに、セラミックの機械的強度が低下し、破損や加工時の熱や歪等による特性劣化が無視できなくなり、振動子あるいは探触子製造の歩留りの低下や性能劣化を誘発しやすくなるという問題点を含んでいた。また、所望する周波数に対応する圧電振動子を製作するためには両端面の研削および研磨が不可欠であり、製造コスト引き上げ要因となっている。

0009

また、特開平7−194517号に記載された構成では、受信時に屈曲振動モードを利用しているため、k33あるいはk33’モードを利用したものに比べて変換効率が低く、また構造上厚み方向の分極と径方向の分極部が音波放射面と同じ方向で分割されているため、圧電振動子の表面全面を超音波放射面として利用することができず感度が低下することが考えられる。さらにアレイ型超音波探触子に展開する場合には、信号線の増加によるコストの上昇が問題となる。

0010

本発明は、上記従来技術の課題を解決するもので、特に超音波の送信時と受信時における動作を分離したアレイ型超音波探触子において信号線の増加を最小限にとどめ、高感度な超音波探触子を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0011

この課題を解決するために、本発明における超音波探触子は、各チャンネルを構成する板状の圧電セラミックを積層した構造の圧電振動子、あるいは板状の圧電セラミックを積層した構造の圧電振動子とバルク状の圧電振動子を積層した複合圧電振動子の端面および内部に少なくとも3つの電極が構成され、送信と受信において少なくとも1つの異なる電極を接地側電極として切換えて利用する構成とした。これにより、送受信分離型でありながら信号線の増加を最小限に抑えた高感度超音波探触子が得られる。

発明を実施するための最良の形態

0012

本発明の請求項1に記載の発明は、板状の圧電セラミックを積層した構造の圧電振動子を複数個備え、上記の圧電振動子を1次元あるいは2次元的に配置した多チャンネル型アレイ型超音波探触子において、各チャンネルを構成する圧電振動子の端面および内部に少なくとも3つの電極が構成され、かつ上記積層構造内部の電極パターンの配置が送受信により異なるように構成した超音波探触子としたものであり、送信時と受信時で少なくとも1つの異る電極を接地側電極として利用するように構成したものであり、接地側電極をアレイ型探触子を構成する各チャンネルにおいて共通にすることにより、各チャンネル素子に個別に切り替えスイッチを設けなくても送受信分離型探触子を実現することができ、信号線の増加を押さえてかつ高感度な探触子を得るという作用を有する。

0013

請求項2に記載の発明は、請求項1の超音波探触子において、圧電振動子を2種類以上の圧電セラミックを積層した構造としたものであり、送受信において特性の異なる圧電セラミックを使用することにより、さらに高感度な探触子を得るという作用を有する。

0014

請求項3に記載の発明は、板状の圧電セラミックを積層した構造の圧電振動子とバルク状の圧電振動子を積層した複合圧電振動子を複数個備え、上記の複合圧電振動子を少なくとも1次元的に配置した多チャンネル型アレイ型超音波探触子において、上記複合圧電振動子の端面および内部に少なくとも3つの電極が構成され、送受信において少なくとも1つの異る電極を接地側電極として利用する構成としたことにより、各チャンネル素子に個別に切り替えスイッチを設けなくても送受信分離型探触子を実現することができ、信号線の増加を押さえてかつ高感度探触子を得るという作用を有する。

0015

請求項4に記載の発明は、請求項3の超音波探触子において、圧電振動子を2種類以上の圧電セラミックを積層した構造としたものであり、送受信において特性の異なる圧電セラミックを使用することにより、さらに高感度な探触子を得るという作用を有する。

0016

請求項5に記載の発明は、請求項1から4のいずれかに記載の超音波探触子において、送信時の接地側電極と受信時の接地側電極とを切り替える切り替えスイッチを有することを特徴とするものであり、各チャンネル素子に個別に切り替えスイッチを設けなくても送受信時接地電極を1つの切り替えスイッチで切り替える送受信分離型探触子を実現することができ、信号線の増加を押さえてかつ高感度探触子を得るという作用を有する。

0017

請求項6に記載の発明は、板状の圧電セラミックを積層した構造の圧電振動子を複数個備え、上記の圧電振動子を少なくとも1次元的に配置した多チャンネル型アレイ型超音波探触子において、電極を形成せずに板状の圧電セラミックを積層した部分を有する構成としたことにより、バルク状の圧電振動子を別途積層することなく、同一積層工程内電極間厚みの異なる圧電セラミック層を有する圧電振動子を作成することにより、コストを抑え、個体差の少ない高感度な超音波探触子を得るという作用を有する。

0018

請求項7または8に記載の発明は、請求項1から6のいずれかに記載の超音波探触子を有することを特徴とする医療用超音波診断装置または非破壊検査装置であり、請求項1から6のそれぞれの特徴を活かした高感度な探触子を有する医療用超音波診断装置または非破壊検査装置を得るという作用を有する。

0019

請求項9に記載の発明は、圧電振動子の端面および内部に少なくとも3つの電極が構成されるように板状の圧電セラミックを積層して前記圧電振動子を形成する工程と、前記圧電振動子の内部に形成した電極と導通をとるように前記圧電振動子の端面および側面に外部電極を形成する工程と、前記圧電振動子に分極処理を行う工程と、前記圧電振動子の音波放射側の端面および対向する端面にそれぞれ整合層およびバッキング材接合する工程と、あらかじめ設定された数のチャンネル素子が構成されるように前記整合層から前記バッキング材に達する切断溝を形成する工程とを有することを特徴とする超音波探触子の製造方法であり、それぞれの切断溝の形成の際に圧電振動子と電極とをまとめて切断することでチャンネルを簡単に形成できるとともに、接地側電極をアレイ型探触子を構成する各チャンネルにおいて共通にすることにより、各チャンネル素子に個別に切り替えスイッチを設けなくても送受信分離型探触子を実現することができ、簡単な製造方法で、信号線の増加を押さえてかつ高感度な探触子を得るという作用を有する。

0020

請求項10に記載の発明は、請求項9の超音波探触子の製造方法において、外部電極が、超音波の送受信信号入出力する信号用電極と、送信時に接地する送信用接地電極と、受信時に接地する受信用接地電極とであることを特徴とする製造方法であり、送信時と受信時とで異なる接地側電極を、アレイ型探触子を構成する各チャンネルにおいてそれぞれ共通に構成することにより、各チャンネル素子に個別に切り替えスイッチを設けなくても送受信分離型探触子を実現することができ、簡単な製造方法で、信号線の増加を押さえてかつ高感度な探触子を得るという作用を有する。

0021

以下、本発明の実施の形態について、図1から図4を用いて説明する。

0022

(実施の形態)図1は、本発明の実施の形態におけるアレイ型超音波探触子の斜視図である。また、図2は本実施の形態のアレイ型超音波探触子を構成する圧電振動子の短軸方向の断面図である。図1において、1は超音波探触子、2は送信用圧電素子、3は受信用圧電素子、4は外部電極、5はバッキング材、6は切断溝、7は圧電振動子である。また図2において8は信号用電極、9は送信用接地電極、10は受信用接地電極、11は分極方向を示している。また図3は本発明の実施の形態における超音波探触子の製造工程を示す図である。

0023

以下に図1から図3を用いて本発明の実施の形態における超音波探触子の製造方法の一例を説明する。最初に圧電振動子7を製作する。図2に示すごとく圧電振動子7は送信用振動子2と受信用圧電素子3を積層した構造になっている。送信用圧電素子2は、さらに薄い圧電薄板電極層サンドイッチ構造をなす。このような構造は例えば圧電セラミックグリーンシート白金ペースト等によって電極を印刷形成したものを焼成前に積層して一体で焼結することによって作成することが出来る。グリーンシートは厚みを100μm以下にすることが容易で、かつ電極の有無により各層の厚みを任意に設定できる。受信用圧電素子3は、送信用圧電素子2と同様にグリーンシートを積層して製作することが可能である。その場合には、電極層の印刷行程なしでグリーンシートのみを積層することで受信圧電素子3の部分を形成することができる。上記の製作行程では、送信用圧電素子2と受信用圧電素子3をグリーンシート状態で形成して焼結することで圧電振動子7を一体で製作することができる。

0024

この場合に、圧電素子材料の送受信感度特性や駆動あるいは受信回路入出力インピーダンス等を考慮して各積層構造の厚みや材料を選択して圧電振動子7を製作することができる。したがって、送信圧電素子1と受信圧電素子2は異なる材料であってもかまわない。また、送信圧電素子2のみをグリーンシートの積層工法によって焼成製作し、受信圧電素子3はバルクで焼結したものから研磨等によって所定の厚みに加工したものを使用し、接着した構造でもよい。

0025

上記のごとく圧電振動子7を製作したのち、図3に示すように圧電振動子7の内部電極と導通をとるための外部電極4を銀ペースト焼き付け銀等を使用して圧電振動子の音波放射面とその反対の端面および側面に形成し、図2に示される信号用電極8、送信用接地電極9、受信用接地電極10を形成する。その後図2のような分極方向11に分極処理を行い、圧電振動子7のアレイ型探触子の素子を形成するための図示していない複数の信号線を信号用電極8と接続した後、第1整合層12、第2整合層13ならびにバッキング材5を接着等の工法を用いて接合する。その後各チャンネル素子を分離するためにダイサ等を使用して第2整合層13からバッキング材5に達する切断溝6を形成することによって超音波探触子1を形成する。

0026

図1あるいは図3に図示してはいないが、音響レンズを第2整合層13に接合する場合も考えられる。またここでは整合層は2層構造であるが、被検体によってより多層にする場合、あるいは1層か整合層のない場合もある。

0027

本発明の実施の形態における超音波探触子の動作を図4を参照して説明する。図4において14は切り替えスイッチ、15は信号線、16は送信用接地線、17は受信用接地線、18は超音波を示しており、(a)は送信時における配線、(b)は受信時における配線を示している。図4に示されるように、送信時には切り替えスイッチ14は送信用接地線16を介して電極9と接続される。信号線15からは高電圧パルスあるいはバースト等の信号が送信用圧電素子2に供給される。パルスエコーモードの場合には、送信用圧電素子2に印加された駆動パルスにより、圧電振動子7は全体の厚みモード共振振動を励起され被検体にむけてパルス状の超音波18を送信する。受信時には、切り替えスイッチ14は受信用接地線17を介して受信用接地電極10と接続される。被検体から反射してきた超音波18は、送信用圧電素子2を通過して受信用圧電素子3に達し電気信号に変換された後信号線15を介して本体の受信回路に伝えられる。

0028

接地側電極は、信号線とは異なりアレイを構成する素子に共通に設けることができるため切り替えスイッチを各素子ごとに設ける必要はなく、したがって探触子の内部に複雑な電子回路を設ける必要はない。また信号線の増加も最小限にとどめることができる。なお、図4においては切り替えスイッチは1つであるが、ノイズ対策等で接地を複数に分ける必要がある場合等については数個使用しても構わない。

0029

以上のように本発明の実施の形態によれば、信号線や付加する電子回路の増加を最小限にとどめながら、送受信分離型の高感度超音波探触子を実現することができる。

0030

さらに、上記に示した超音波探触子を使用することによって、コストを抑えて高感度な医療用超音波診断装置あるいは非破壊検査装置を実現することができる。

発明の効果

0031

以上のように本発明によれば、板状の圧電セラミックを積層した構造の圧電振動子を複数個備え、上記の圧電振動子を少なくとも1次元に配置した多チャンネル型アレイ型超音波探触子において、上記の各チャンネルを構成する圧電素子の端面および内部に少なくとも3つの電極が構成され、送受信で少なくとも1つの異なる電極を接地側電極として利用することにより、信号線や付加する電子回路の増加を最小限にとどめながら、送受信分離型の高感度超音波探触子を実現することができる。

図面の簡単な説明

0032

図1本発明の実施の形態による超音波探触子の斜視図
図2本発明の実施の形態による超音波探触子における圧電振動子の短軸方向の断面図
図3本発明の実施の形態による超音波探触子の製造行程を示す概略図
図4本発明の実施の形態による超音波探触子の送受信における接地方式を示す概略図
図5従来の超音波探触子の斜視図
図6従来の超音波探触子の断面図

--

0033

1 超音波探触子
2送信用圧電素子
3受信用圧電素子
4外部電極
5バッキング材
6切断溝
7圧電振動子
8信号用電極
9送信用接地電極
10受信用接地電極
11分極方向
12 第1整合層
13 第2整合層
14切り替えスイッチ
15信号線
16 送信用接地線
17 受信用接地線
18 超音波
19 圧電振動子
20有機化合物
21圧電素子
22 分極方向

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