(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する面に電極を有する板状の圧電セラミックからなる送信用圧電素子及び受信用圧電素子とを積層した構造の圧電振動子を備え、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、前記圧電振動子は、上記送信用圧電素子の一方の電極を送信用接地電極、上記受信用圧電素子の一方の電極を受信用接地電極とし、上記送信用圧電素子と受信用圧電素子との他方の電極を共通の信号用電極として接続するとともに、上記送信用接地電極と上記受信用接地電極とを送信時と受信時に切り換えてアース線と接続可能とする切り換えスイッチ備えた超音波探触子。
【請求項２】
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】
圧電振動子は、板状の圧電セラミックを積層した送信用圧電素子と、バルク状の受信用圧電素子とを積層した構造であることを特徴とする請求項１又は２記載の超音波探触子。
【請求項４】
請求項１から３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５】
請求項１から３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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は医用診断や非破壊検査等に使用されるアレイ型超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。
【０００２】
【従来の技術】
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、圧電セラミックの圧電縦効果が一般的に利用される。この場合、圧電振動子の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を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、チャンネルのピッチがこの条件を満たさない場合には、１チャンネルを数個の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を印加し、圧電素子に厚み縦振動を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。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
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の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、製造コストを引き上げる要因となっている。
【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。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
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、対向する面に電極を有する板状の圧電セラミックからなる送信用圧電素子及び受信用圧電素子とを積層した構造の圧電振動子を備え、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、前記圧電振動子は、上記送信用圧電素子の一方の電極を送信用接地電極、上記受信用圧電素子の一方の電極を受信用接地電極とし、上記送信用圧電素子と受信用圧電素子との他方の電極を共通の信号用電極として接続するとともに、上記送信用接地電極と上記受信用接地電極とを送信時と受信時に切り換えてアース線と接続可能とする切り換えスイッチ備えた超音波探触子が得られる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施形態は、対向する面に電極を有する板状の圧電セラミックからなる送信用圧電素子及び受信用圧電素子とを積層した構造の圧電振動子を備え、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、前記圧電振動子は、上記送信用圧電素子の一方の電極を送信用接地電極、上記受信用圧電素子の一方の電極を受信用接地電極とし、上記送信用圧電素子と受信用圧電素子との他方の電極を共通の信号用電極として接続するとともに、上記送信用接地電極と上記受信用接地電極とを送信時と受信時に切り換えてアース線と接続可能とする切り換えスイッチ備えた超音波探触子としたものであり、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】
好ましい実施形態は、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】
好ましい実施形態は、圧電振動子は、板状の圧電セラミックを積層した送信用圧電素子と、バルク状の受信用圧電素子とを積層した構造であり、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】
他の実施形態として、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、同一積層工程内で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。
【００１６】
本実施形態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を提供するものである。
【００１７】
本実施形態の特徴を活かした高感度な探触子を有する非破壊検査装置を提供するものである。
【００１８】
本実施形態は、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を接合する工程と、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。
【００１９】
好ましくは上記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を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。
【００２０】
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。
【００２１】
（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。
【００２２】
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と電極層の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に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の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を銀ペーストや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の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。
【００３１】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、対向する面に電極を有する板状の圧電セラミックからなる送信用圧電素子及び受信用圧電素子とを積層した構造の圧電振動子を備え、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、前記圧電振動子は、上記送信用圧電素子の一方の電極を送信用接地電極、上記受信用圧電素子の一方の電極を受信用接地電極とし、上記送信用圧電素子と受信用圧電素子との他方の電極を共通の信号用電極として接続するとともに、上記送信用接地電極と上記受信用接地電極とを送信時と受信時に切り換えてアース線と接続可能とする切り換えスイッチ備えることにより、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】
【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
【符号の説明】
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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