特開 2023-57212 超音波トランスデューサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023057212

(43)【公開日】2023-04-21

(54)【発明の名称】超音波トランスデューサ

(51)【国際特許分類】

   H04R 1/32 20060101AFI20230414BHJP

【ＦＩ】

H04R1/32 330

【審査請求】未請求

【請求項の数】2

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021166585

(22)【出願日】2021-10-11

(71)【出願人】

【識別番号】000004547

【氏名又は名称】日本特殊陶業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000497

【氏名又は名称】弁理士法人グランダム特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 諭

(72)【発明者】

【氏名】有住 卓朗

(72)【発明者】

【氏名】笠島 崇

(72)【発明者】

【氏名】高木 優

【テーマコード（参考）】

5D019

【Ｆターム（参考）】

5D019AA02

5D019BB02

5D019BB09

5D019BB25

5D019FF04

(57)【要約】

【課題】ビーム幅を確実に狭くすることが可能な超音波トランスデューサを提供する。
【解決手段】対向する一方主面１１及び他方主面１２に電極１４が設けられた圧電素子１０を備える超音波トランスデューサＴであって、前記電極１４の外縁１４Ａは、前記一方主面１１及び他方主面１２の外縁１２Ａよりも内側に位置し、前記電極１４の外縁１４Ａと前記一方主面１１及び他方主面１２の外縁１２Ａとの間の最短の長さ寸法をＬとし、駆動周波数での前記圧電素子１０の内部の波長をλとしたとき、前記長さ寸法Ｌと前記波長λとは、０＜Ｌ＜０．５０λを満たす。
【選択図】図６

【特許請求の範囲】

【請求項1】

対向する一方主面及び他方主面に電極が設けられた圧電素子を備える超音波トランスデューサであって、
前記電極の外縁は、前記一方主面及び他方主面の外縁よりも内側に位置し、
前記電極の外縁と前記一方主面及び他方主面の外縁との間の最短の長さ寸法をＬとし、
駆動周波数での前記圧電素子の内部の波長をλとしたとき、
前記長さ寸法Ｌと前記波長λとは、０＜Ｌ＜０．５０λを満たす超音波トランスデューサ。

【請求項2】

前記長さ寸法Ｌと前記波長λとは、０．０５λ＜Ｌを満たす請求項１に記載の超音波トランスデューサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、超音波トランスデューサに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、超音波診断装置に接続される超音波トランスデューサが知られている。下記特許文献１には、圧電素子の表面の電極が、圧電素子の表面の端部に存在しないように形成された超音波トランスデューサが記載されている。これによって、圧電素子の端部の不要な振動を抑制でき、超音波トランスデューサのビーム幅を狭くできる。超音波トランスデューサのビーム幅を狭くすることによって、映像化の解像度を改善したり、焦点領域での音圧や音の強さを増大したりできるという効果を得られる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００１－２６８６９４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、上記のような構成の超音波トランスデューサは、圧電素子の表面において電極が存在しない面積を大きくしすぎると、ビーム幅を狭くできない場合があった。

【0005】

本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、ビーム幅を確実に狭くすることが可能な超音波トランスデューサ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】

【0006】

本発明の超音波トランスデューサは、対向する一方主面及び他方主面に電極が設けられた圧電素子を備える超音波トランスデューサであって、前記電極の外縁は、前記一方主面及び他方主面の外縁よりも内側に位置し、前記電極の外縁と前記一方主面及び他方主面の外縁との間の最短の長さ寸法をＬとし、駆動周波数での前記圧電素子の内部の波長をλとしたとき、前記長さ寸法Ｌと前記波長λとは、０＜Ｌ＜０．５０λを満たすものである。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、ビーム幅を確実に狭くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本実施例における超音波トランスデューサを示す断面図

【図2】シミュレーションのモデルを説明する図

【図3】第１モデルのシミュレーションの結果を示す表

【図4】第２モデルのシミュレーションの結果を示す表

【図5】第３モデルのシミュレーションの結果を示す表

【図6】第１モデル、第２モデル及び第３モデルのビーム幅の算出結果を重ねて示すグラフ

【図7】第１モデルの音圧の解析結果を示すグラフ

【図8】第２モデルの音圧の解析結果を示すグラフ

【図9】第３モデルの音圧の解析結果を示すグラフ

【発明を実施するための形態】

【0009】

本発明の好ましい形態を以下に示す。

【0010】

本発明の超音波トランスデューサにおいて、前記長さ寸法Ｌと前記波長λとは、０．０５λ＜Ｌを満たすものとしてもよい。このような構成によれば、高い音圧を得ることができる。

【0011】

＜実施例＞
以下、本発明を具体化した一実施例について、図１～図９を参照しつつ詳細に説明する。
（超音波トランスデューサＴの構成）
まず、本実施例における超音波トランスデューサＴの構成を説明する。超音波トランスデューサＴは、医療用または産業用の超音波装置に用いられる。超音波トランスデューサＴは、使い捨て品（ディスポーザブル品）とすることもできる。超音波トランスデューサＴは、超音波を送受信する。超音波トランスデューサＴは、図１に示すように、圧電素子１０及び音響伝達部材２０を備えている。

【0012】

超音波トランスデューサＴは、図示しない制御ユニットと電気的に接続される。制御ユニットは、制御回路及び／またはコネクタを有している。コネクタは、外部機器と接続可能である。コネクタの端子は、制御回路に電気的に接続する。コネクタの端子を介して、制御回路から図示しない外部機器へ電気信号が出力され、外部機器から制御回路へ電気信号が入力される。以下、各構成部材において、制御ユニットが接続される側（図１の上側）を上側、その反対側（図１の下側）を下側として説明する。

【0013】

圧電素子１０は、略円形の板状をなしている(図２参照）。圧電素子１０の一方主面１１及び他方主面１２は平行である。圧電素子１０は、圧電体１３及び電極１４を有している。圧電体１３は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等からなる。電極１４は、圧電素子１０の対向する一方主面１１及び他方主面１２に配置されている。電極１４は、金又は銀、銅、錫等の蒸着、メッキ、スパッタリング、焼付け等によって形成されている。一方主面１１及び他方主面１２のうち一方の電極１４は、アース電極であり、他方の電極１４は、出力電極である。電極１４は、それぞれ図示しない電気接続部材によって制御回路と電気的に接続される。圧電素子１０は、電気信号を制御回路に送信し、制御回路からの電気信号を受信する。

【0014】

電極１４の外縁１４Ａは、一方主面１１及び他方主面１２の外縁１１Ａ，１２Ａと相似な平面視円形状である（図２参照）。電極１４の外縁１４Ａは、一方主面１１及び他方主面１２の外縁１１Ａ，１２Ａよりも内側に位置する。圧電素子１０の外周部１５は、電極１４が設けられていない部分である。圧電素子１０の外周部１５は、電極１４の外縁１４Ａと一方主面１１及び他方主面１２の外縁１１Ａ，１２Ａとの間の部分である。圧電素子１０の外周部１５は、圧電素子１０の全周に連続している。

【0015】

図２に示すように、電極１４の外縁１４Ａと一方主面１１及び他方主面１２の外縁１１Ａ，１２Ａとの間の最短の長さ寸法をＬとし、駆動周波数での圧電素子１０の内部の波長をλとしたとき、長さ寸法Ｌと波長λとは、０＜Ｌ＜０．５０λを満たす。長さ寸法Ｌは、一方主面１１及び他方主面１２と平行な方向の寸法である。この構成によれば、ビーム幅を確実に狭くすることができる。ビーム幅が狭いとは、一方主面１１及び他方主面１２の全域に電極１４がある場合のビーム幅と比較して狭い、という意味である。また、長さ寸法Ｌと波長λとは、０．０５λ＜Ｌを満たすことが望ましい。この構成によれば、高い音圧を得ることができる。高い音圧とは、一方主面１１及び他方主面１２の全域に電極１４がある場合の音圧と比較して高い、という意味である。この効果は、後述するシミュレーションによって、実証する。本実施例は、長さ寸法Ｌ＝０（電極１４が一方主面１１及び他方主面１２の全域にある）を含まない。

【0016】

圧電素子１０の波長λは、圧電素子１０の径方向（分極方向に対して直交する方向）の波長である。分極方向は、本実施例では上下方向である。圧電素子１０の波長λは、駆動周波数及び音圧によって決まる。

【0017】

駆動周波数は、本実施例では２ＭＨｚである。駆動周波数は、２ＭＨｚに限らず、他の周波数とすることができる。駆動周波数は、１０ＭＨｚ以下の他の周波数であってもよく、１ＭＨｚ以上５ＭＨｚ以下の周波数であってもよい。

【0018】

音速は、圧電素子１０の内部を伝わる音の速さである。音速は、圧電素子１０の径方向の音速が好ましいけれども、圧電素子１０の分極方向の音速で代替してもよい。音速は、圧電素子１０の物性値（密度、圧電定数、コンプライアンスなど）によって算出してもよいし、圧電素子１０の物性値を用いたシミュレーションによって算出してもよい。

【0019】

音響伝達部材２０は、図１に示すように、圧電素子１０の下面側に配置される。音響伝達部材２０は、音響整合層２１及び音響レンズ２２を有している。音響整合層２１と音響レンズ２２とは、接着剤２３によって接合されている。音響整合層２１及び音響レンズ２２は、上方から見ると、円形状である。音響整合層２１及び音響レンズ２２は、同軸の位置関係で積層される。

【0020】

音響整合層２１は、圧電素子１０の音響インピーダンスと、音響レンズ２２の音響インピーダンスとの中間の大きさの音響インピーダンスを有する。圧電素子１０と音響レンズ２２との間に音響整合層２１が介在することによって、超音波が音響レンズ２２へ効率良く伝播される。音響整合層２１と圧電素子１０とは、接着剤２３によって接合される。

【0021】

音響レンズ２２は、音響整合層２１の下側に設けられている。音響レンズ２２は、超音波を集束する。音響レンズ２２は、シリコーンゴムやウレタンゴム、プラスチックなどの樹脂材料で形成されている。音響レンズ２２は、有底のケース２４の底壁２５を構成する。

【0022】

ケース２４は、底壁２５と周壁２６とを有している。ケース２４の内部には、圧電素子１０及び音響整合層２１が収容される。ケース２４の周壁２６は、底壁２５の外縁から上方に垂直に立っている。周壁２６は、底壁２５の全周に連続している。周壁２６は、円筒形状をなしている。

【0023】

（超音波トランスデューサＴの製造方法）
次に、超音波トランスデューサＴの製造方法の一例を説明する。超音波トランスデューサＴは、圧電素子１０を製造し、圧電素子１０と音響伝達部材２０とを接着する工程を経る。圧電素子１０の製造は、まず、予め準備した圧電材料（本実施例ではＰＺＴ）の粉末をプレス成型し、焼成する。焼成後に、圧電体１３の表裏両面を研磨加工して所望の厚さ寸法にする。圧電素子１０の厚さ寸法をばらつきなく均一にすることによって、超音波トランスデューサＴの特性のバラツキを抑制できる。

【0024】

次に、圧電体１３の表裏両面に電極１４を形成する。圧電体１３の表裏両面に導電性ペーストを印刷し、焼結することによって電極１４を形成する。その後、圧電素子１０に高い電圧を加えて、分極処理を行う。これによって、圧電素子１０が製造される。その後、圧電素子１０と音響整合部材とを接着する。

【0025】

（シミュレーション）
次に、本実施例の効果を実証したシミュレーションについて説明する。シミュレーションは、超音波トランスデューサＴのモデルを作成し、規定した条件の電気信号をモデルに送り、超音波ビームの特性を評価した。

【0026】

モデルは、図２に示すように、円板状の圧電素子１０及び電極１４を有する。モデルの圧電素子１０の主成分は、チタン酸ジルコン酸鉛である。電極１４は、圧電素子１０の一方主面１１及び他方主面１２と同心の円形状である。一方主面１１の電極１４の直径と、他方主面１２の電極１４の直径とは同一である。モデルは、圧電素子１０の直径が異なる３つのモデル（第１モデル、第２モデル、及び第３モデル）を用いる。第１モデルの圧電素子１０の直径は、１８．５ｍｍである。第２モデルの圧電素子１０の直径は、１６．０ｍｍである。第３モデルの圧電素子１０の直径は、１３．０ｍｍである。圧電素子１０の径方向の音速は４２４０ｍ／ｓである。そして、圧電素子１０の波長λは２．１２ｍｍである。

【0027】

第１モデル、第２モデル及び第３モデルにおいて、一方主面１１及び他方主面１２の電極１４が存在しない面積を変化させて超音波ビームの特性を評価する。具体的には、電極１４の外縁１４Ａと、一方主面１１及び他方主面１２の外縁１１Ａ，１２Ａとの間の長さ寸法Ｌを０．０５ｍｍずつ変化させる。超音波ビームの特性は、超音波ビームの音圧を抽出し、超音波ビームのビーム幅を算出する。超音波ビームの音圧は、超音波ビーム内において音圧が最大となる点の値である。超音波ビームのビーム幅は、最大音圧から６ｄＢ（５０％）低下する位置を結んだ線の長さを抽出する。

【0028】

図３～図５には、各モデルのシミュレーション結果を示す。図３～図５の表には、長さ寸法Ｌ（ｍｍ）、Ｌのλ比率、電極１４の直径（ｍｍ）、ビーム幅（ｍｍ）、最大音圧（Ｐａ）を示す。図３～図５には、長さ寸法Ｌ（ｍｍ）が上から下に順に大きくなるように、シミュレーション結果を並べた。Ｌのλ比率は、長さ寸法Ｌと波長λとの比率（長さ寸法Ｌを波長λで除した値）である。図６には、第１モデル、第２モデル及び第３モデルのビーム幅の算出結果のグラフを重ねて示す。図７～図９には、各モデルの最大音圧の解析結果のグラフを示す。

【0029】

（１）第１モデルのシミュレーション結果
図６に示すように、第１モデルは、０＜Ｌ≦１．２５ｍｍ（０．５９λ）でビーム幅を狭くできる。この範囲のビーム幅は、３．４５ｍｍ以下である。第１モデルは、０．１５ｍｍ（０．０７λ）≦Ｌ≦１．０５ｍｍ（０．５０λ）で、さらにビーム幅を狭くできる。この範囲のビーム幅は、３．３５ｍｍ以下である。この範囲は、０＜Ｌ＜０．５０λを満たす。図３の表には、０＜Ｌ≦０．５０λのビーム幅に網掛けをして示す。第１モデルのビーム幅が最も狭いのは、０．４０ｍｍ（０．１９λ）≦Ｌ≦０．７５ｍｍ（０．３５λ）である。この範囲のビーム幅は３．２５ｍｍである。第１モデルにおいて、１．２５ｍｍ（０．５９λ）＜Ｌは、ビーム幅が広い。

【0030】

図３及び図７に示すように、第１モデルの超音波ビームの音圧は、０．４５ｍｍ（０．２１λ）≦Ｌ≦０．６０ｍｍ（０．２８λ）で非常に高い値（５０５００Ｐａ以上）となる。第１モデルの超音波ビームの音圧は、０．３０ｍｍ（０．１４λ）≦Ｌ≦０．７０ｍｍ（０．３３λ）で比較的高い値（５００００Ｐａ以上）となる。第１モデルの超音波ビームの音圧は、０．１０ｍｍ（０．０５λ）≦Ｌ≦０．９５ｍｍ（０．４５λ）で高い値（４８５００Ｐａ以上）となる。図３の表には、この範囲の音圧に網掛けをして示す。第１モデルの超音波ビームは、０．０５λ＜Ｌにおいて高い音圧を得ることができる。第１モデルの超音波ビームの音圧が最大値となるのは、Ｌ＝０．５０ｍｍ（０．２４λ）である。図３の表には、音圧の最大値を太枠で囲って示す。このときの超音波ビームの音圧は、５０６０４Ｐａである。第１モデルの超音波ビームの音圧は、０．９５ｍｍ（０．４５λ）＜Ｌで、Ｌが増すにつれて次第に下がる。

【0031】

（２）第２モデルのシミュレーション結果
図６に示すように、第２モデルは、０.０５ｍｍ（０．０２λ）≦Ｌ≦１．１０ｍｍ（０．５２λ）でビーム幅を狭くできる。この範囲のビーム幅は３．６５ｍｍ以下である。第２モデルは、０．２５ｍｍ（０．１２λ）≦Ｌ≦０．８０ｍｍ（０．３８λ）で、ビーム幅をさらに狭くできる。この範囲のビーム幅は３．５５ｍｍ以下である。この範囲は、０＜Ｌ＜０．５０λを満たす。図４の表には、０＜Ｌ≦０．５０λのビーム幅に網掛けをして示す。第２モデルのビーム幅が最小となるのは、Ｌ＝０．５０ｍｍ（０．２４λ）である。このときの第２モデルのビーム幅は、３．４５ｍｍである。第２モデルにおいて、１．１０ｍｍ（０．５２λ）＜Ｌは、ビーム幅が広い。

【0032】

図４及び図８に示すように、第２モデルの超音波ビームの音圧は、０．４５ｍｍ（０．２１λ）≦Ｌ≦０．５５ｍｍ（０．２６λ）で非常に高い値（４００００Ｐａ以上）となる。第２モデルの超音波ビームの音圧は、０．２０ｍｍ（０．０９λ）≦Ｌ≦０．８５ｍｍ（０．４０λ）で比較的高い値（３９０００Ｐａ以上）となる。第２モデルの超音波ビームの音圧は、０．１０ｍｍ（０．０５λ）≦Ｌ≦０．９５ｍｍ（０．４５λ）で高い値（３８６００Ｐａ以上）となる。図４の表には、この範囲の音圧に網掛けをして示す。第２モデルの超音波ビームは、０．０５λ＜Ｌにおいて高い音圧を得ることができる。第２モデルの超音波ビームの音圧が最大値となるのは、Ｌ＝０．５０ｍｍ（０．２４λ）である。図４の表には、音圧の最大値を太枠で囲って示す。このときの超音波ビームの音圧は、４００６４Ｐａである。第２モデルの超音波ビームの音圧は、０．９５ｍｍ（０．４５λ）＜ＬでＬが増すにつれて次第に下がる。

【0033】

（３）第３モデルのシミュレーション結果
図６に示すように、第３モデルは、０＜Ｌ≦１．３０（０．６１λ）でビーム幅を狭くできる。この範囲のビーム幅は３．７５ｍｍ以下である。第３モデルは、０．１５ｍｍ（０．０７λ）≦Ｌ≦１．１０ｍｍ（０．５２λ）で、ビーム幅をより狭くできる。この範囲のビーム幅は、３．５５ｍｍ以下である。第３モデルは、０．３０ｍｍ（０．１４λ）≦Ｌ≦０．９５ｍｍ（０．４５λ）で、ビーム幅をさらに狭くできる。この範囲のビーム幅は３．３５ｍｍである。この範囲は、０＜Ｌ＜０．５０λを満たす。図５の表には、０＜Ｌ≦０．５０λのビーム幅に網掛けをして示す。第３モデルにおいて、１．３０ｍｍ（０．６１）＜Ｌは、ビーム幅が広い。

【0034】

図５及び図９に示すように、第３モデルの超音波ビームの音圧は、０．４５ｍｍ（０．２１λ）≦Ｌ≦０．６５ｍｍ（０．３１λ）で非常に高い値（３２５００Ｐａ以上）となる。第３モデルの超音波ビームの音圧は、０．１５ｍｍ（０．０７λ）≦Ｌ≦１．００ｍｍ（０．４７λ）で比較的高い値（３０１００Ｐａ以上）となる。第３モデルの超音波ビームの音圧は、０．１０ｍｍ（０．０５λ）≦Ｌ≦１．０５ｍｍ（０．５０λ）で高い値（２９６００Ｐａ以上）となる。図５の表には、この範囲の音圧に網掛けをして示す。第３モデルの超音波ビームは、０．０５λ＜Ｌにおいて高い音圧を得ることができる。第３モデルの超音波ビームの音圧が最大値となるのは、Ｌ＝０．５５ｍｍ（０．２６λ）である。図５の表には、音圧の最大値を太枠で囲って示す。このときの超音波ビームの音圧は、３２７２２Ｐａである。第３モデルの超音波ビームの音圧は、１．０５ｍｍ（０．５０λ）＜ＬでＬが増すにつれて次第に下がる。

【0035】

（４）第１モデル、第２モデル及び第３モデルのシミュレーション結果の比較
図６に示すように、第１モデル、第２モデル及び第３モデルにおいて、長さ寸法Ｌと波長λとが０＜Ｌ＜０．５０λを満たす場合、０．５０λ≦Ｌと比較して、ビーム幅を狭くできる傾向がある。また、第１モデルのビーム幅は、第２モデル及び第３モデルのビーム幅と比べて狭い傾向がある。第２モデルのビーム幅は、第１モデル及び第３モデルのビーム幅と比べて広い傾向がある。

【0036】

図７～図９に示すように、第１モデル、第２モデル及び第３モデルの音圧は、０＜Ｌ＜０．５０λを満たす場合、０．５０λ≦Ｌと比較して、高い音圧を得られる傾向がある。また、第１モデル、第２モデル及び第３モデルの超音波ビームは、それぞれＬ＝０．５０ｍｍ（０．２４λ）の近傍で最も高い音圧を得ることができる。第１モデル、第２モデル及び第３モデルの超音波ビームの音圧を比較すると、第１モデルの音圧が最も高く、第３モデルの音圧が最も低い。つまり圧電素子１０の直径が大きいほど音圧は高い傾向がある。

【0037】

＜他の実施例＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施例に限定されるものではなく、例えば次のような実施例も本発明の技術的範囲に含まれる。
（１）上記実施例の超音波トランスデューサＴの圧電素子１０は、一方主面１１の外縁１１Ａ及び他方主面１２の外縁１２Ａに沿って面取りしていてもよい。
（２）上記実施例において圧電素子１０は、円板状である。これに限らず、圧電素子の形状は変更してもよい。
（３）上記実施例において圧電素子１０の主成分は、チタン酸ジルコン酸鉛である。これに限らず、圧電素子の主成分は、変更してもよい。
（４）上記実施例において圧電素子１０の波長λは２．１２ｍｍである。これに限らず、圧電素子の波長は、圧電素子の主成分や形状などから適宜算出したものを用いてよい。

【符号の説明】

【0038】

Ｌ…電極の外縁と一方主面及び他方主面の外縁との間の最短の長さ寸法
Ｔ…超音波トランスデューサ
λ…駆動周波数での圧電素子の内部の波長
１０…圧電素子
１１…一方主面
１１Ａ，１２Ａ…一方主面及び他方主面の外縁
１２…他方主面
１４…電極
１４Ａ…電極の外縁

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】