JP3367841B2

JP3367841B2 - 超音波センサ

Info

Publication number: JP3367841B2
Application number: JP27929696A
Authority: JP
Inventors: 房太郎釣
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1996-03-06
Filing date: 1996-10-22
Publication date: 2003-01-20
Anticipated expiration: 2016-10-22
Also published as: JPH09298795A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は濁った液体や液体ナ
トリウム等の液体の中を映像化するための超音波映像化
装置（ナトリウム透視装置）等に適用される音響レンズ
を備えた超音波センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のこのような映像化装置に用いられ
るマルチ超音波センサの一例について図１０により説明
する。図において、（ａ）はその断面図、（ｂ）はその
Ｅ−Ｅ矢視図であり、６２はなめらかな平板（金属箔
等）で構成されたマルチ超音波センサの保護板、３は保
護板６２に支持された複数の超音波振動子、４は補強
桁、５は補強板であり、これら４，５で超音波振動子３
を複数個所で補強し、強度を持たせるものである。６は
各超音波振動子からの同軸ケーブル、９はそのアース線
であり、７はこれら同軸ケーブル６、アース線９を接続
する多芯のコネクタである。これらはケース８に収納さ
れ、下面を（ｂ）図に示すように保護板６２で保護し、
マルチ超音波センサを構成している。

【０００３】上記の様に構成および製作されたマルチ超
音波センサにおいては、超音波振動子３と保護板６２で
１個の超音波センサを構成することができ、マルチ超音
波センサの超音波ビームの指向性は、この個々の超音波
センサの指向性で決定されることになる。

【０００４】上記の従来のマルチ超音波センサは、この
指向性を拡げるくふうが少く、図１１に示すように超音
波振動子３の振動子直径の幅１０からの自然な拡がりの
指向性１１で限定される（図５に示す指向特性の２１参
照）ことになり、この範囲内の外来超音波１２は受信す
るが、これより広い外来の超音波１３は受信できなかっ
た。

【０００５】また従来の他の例として、超音波センサに
は超音波レンズを用いる場合があり、このレンズは図１
２に示すように半球形状の音響レンズ３１を取付け、こ
のレンズで超音波振動子３で発生した超音波を３２で示
すように球面の表面で屈曲させて拡げる。この半球形状
の音響レンズで超音波ビームは拡がるが、反面、レンズ
の厚みが必要となり、マルチ超音波センサの様な小型の
ものには適用できなかった。

【０００６】図１３は上記に説明の半球形状の音響レン
ズを用いた従来のマルチ超音波センサの例で、送信用に
半球形状の音響レンズを用いる例を示し、（ａ）は断面
図、（ｂ）はＦ−Ｆ矢視図である。図１３において、３
１は従来の半球形状の音響レンズ、７２はなめらかな平
板で構成されたマルチ超音波センサの受信用振動子３の
保護板である（金属箔等）。３４は音響レンズ３１に超
音波を伝播する出力用の超音波振動子である。７０は送
信用トランスデューサであり、音響レンズ３１と超音波
振動子３４とで構成される。４及び５はマルチ超音波セ
ンサの補強桁および補強板であり、マルチ超音波センサ
に強度を持たせるものである。６は同軸ケーブル、９は
そのアース側の線であり、７は多心のコネクタ、８はマ
ルチ超音波センサのケースである。

【０００７】上記の様に構成および製作、配置されたマ
ルチ超音波センサにおいては、中心に設置されている送
信用トランスデューサ７０により超音波を放出し、映像
化したいターゲットからの反射波が送信用トランスデュ
ーサ７０の周囲に配置されている受信用超音波振動子３
に入力できる様になっている。

【０００８】従来の送信用トランスデューサ７０に用い
られている拡散用の音響レンズ３１は、球形をしている
ものであり、図１４に示す様に超音波振動子３４から放
出された超音波ビームは、１１２で示す超音波振動子の
中ほどの位置のビームおよび１１３で示す超音波振動子
中心付近のビームが示す様に音響レンズ３１の中心付近
に集まって超音波の密度が濃くなっている。

【０００９】これを音響レンズ３１の外に出た超音波ビ
ームの超音波強度で表すと、図１５に１２２で示す超音
波強度となり、音響レンズ３１の中心部の真下が最も強
い超音波となる音響レンズである。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところが前述の図１０
に示す従来の技術においては、図１１に示した様に飛来
して来る超音波信号のうち、超音波振動子３単体の指向
性１１内の外来超音波信号１２は受信できるが、超音波
振動子の指向性１１外の外来超音波信号１３は受信でき
なかったため、マルチ超音波センサで映像化に必要な充
分な開口幅が得られない問題点があった。

【００１１】また、図１３に示す従来の技術において
は、送信トランスデューサ７０に用いられている拡散用
の音響レンズ３１は、球形をしているものであり、図１
４に示す様に、超音波振動子３４から出力された超音波
ビームは中心に集まるようになる。即ち、１１２の超音
波振動子の中ほどの位置のビームおよび１１３の超音波
振動子中心付近のビームが示す様に音響レンズ３１の中
心付近に集まることになる。これらの超音波ビームを音
響レンズ３１の外に出た超音波ビームの超音波強度で表
すと、図１５に示す様になり、音響レンズ３１の中心の
真下の位置が最も強くなる。

【００１２】この音響レンズ３１で構成されている送信
トランスデューサ７０の直下にあるターゲットに超音波
が最も強く放射され、したがってターゲットからの反射
もこの直下の位置が強く反射されることになり、送信ト
ランスデューサ７０の周辺へは、小量の拡散となる。こ
のため、超音波ビームを拡散して画像化に必要な開口幅
を広げることができなかった。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、このような課
題を解決するために次の（１）乃至（５）の手段を提供
する。

【００１４】（１）超音波振動子とその下面の保護板と
を有してなる超音波センサにおいて、前記保護板の超音
波受信面に同心円状の複数の溝を付加し、同溝はそれぞ
れランダムな傾斜面を有していることを特徴とする超音
波センサ。

【００１５】（２）上記の（１）において、前記超音波
センサは複数個からなり、前記保護板にはそれぞれ各超
音波センサに対応して複数の同心円状の溝を設け、超音
波映像化装置に用いることを特徴とする超音波センサ。

【００１６】（３）超音波を出力する超音波振動子及び
その出力側に配置された超音波音響レンズからなる超音
波送信用トランスデューサと、超音波を受信する複数の
超音波振動子とを備えた超音波センサにおいて、前記音
響レンズは、その底面が前記出力用の超音波振動子の出
力側に在るように配置された円錐形状をなすことを特徴
とする超音波センサ。

【００１７】（４）上記（３）において、前記超音波を
受信する複数の超音波振動子には、その下面に保護板を
有し、超音波映像化装置に用いることを特徴とする超音
波センサ。

【００１８】（５）上記（４）において、前記保護板の
各超音波振動子に対応する超音波受信面に同心円状の溝
を付加し、同溝はそれぞれランダムな傾斜面を有し、超
音波映像化装置に用いることを特徴とする超音波セン
サ。

【００１９】本発明の超音波センサは上記の手段によ
り、その（１）においては、保護板は、例えば、金属箔
やプラスチックスからなり、この下面にランダムな傾斜
面を持った同心円状の溝を設けているので、この複数の
溝で飛来してくる外来超音波信号を受信するが、複数の
溝はそれぞれランダムな傾きにより指向性が異り、超音
波振動子のみの場合の狭い指向性の範囲外からの指向性
を有する超音波も、これらのランダムな傾きの溝のうち
で、この外来の指向性に合った傾きの溝で受信すること
ができるようになる。従って、広範囲な超音波の受信が
可能となる。

【００２０】（２）においては、超音波振動子を複数個
設け、これらに対応してそれぞれ保護板に同心円状の複
数の溝を設けて、濁った液体、液体ナトリウム等の液体
中を映像化する超音波映像化装置に用いることができる
ので、飛来してくる超音波を広い範囲で受信することが
でき、マルチ超音波センサとして映像化に必要な開口幅
が十分に得られ、超音波映像化装置で得られる映像画が
大幅に改善される。

【００２１】（３）においては、送信トランスデューサ
に用いられる円錐形状の音響レンズは、音響レンズの材
質および液体の種類により音速の違いによる屈折が起こ
って図８に示すような超音波ビームの状態となる。図に
おいて、１０１は超音波振動子の端から発生した代表的
な超音波、１０２は同じく超音波振動子の中間位置から
発生した代表的な超音波、１０３は同じく中心近くから
発生した代表的な超音波を示す。

【００２２】ここで、音響レンズの音速をＣ₁、液体の
音速をＣ₂とし、θ₁を入射角、θ ₂を屈折角とすれ
ば、θ₂＝ sin^-1〔（Ｃ₂／Ｃ₁）・ sinθ₁〕で表さ
れる角度で超音波が放出されることになる。

【００２３】円錐形状の音響レンズは球面形状のレンズ
よりも上記の式での屈折角θ₂を小さくすることがで
き、超音波ビームをより拡散することができる。また、
円錐形状のレンズではレンズの直下に放出される超音波
を少なくできる（図９参照）。これにより、送信トラン
スデューサの周辺へ超音波を広範囲に放射することがで
き、画像化に必要な開口幅を広げることが可能となる。

【００２４】（４）においては、上記（３）の超音波セ
ンサの複数の受信用超音波振動子の下面に保護板を設
け、又、（５）においては、（３）の超音波センサの保
護板下面にランダムな傾斜面を有する同心円状の溝を付
加したので、超音波センサを用いた超音波映像化装置に
おいて開口幅を十分に得るようにし、その効果を一層高
めることができる。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面に基いて具体的に説明する。図１は本発明の実施
の一第１形態に係る超音波センサを示し、（ａ）はその
断面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ矢視図である。

【００２６】図において、符号３乃至９は図１０に示す
従来のものと同じ部材であり、これらについては再度説
明するが、１は本発明の特徴となるランダムな傾きと深
さを持った溝を同心円状に加工した音響レンズであり、
飛来する外来超音波を広範囲に受信するものである。２
はマルチ超音波センサの保護板である金属箔等（プラス
チック等でも可）で、その下面には（ｂ）図に示すよう
に音響レンズ１が複数個加工されている。

【００２７】図２は上記に説明の音響レンズの構造を示
し、（ａ）はその側面図、（ｂ）はそのＢ−Ｂ矢視図で
ある。この図に示すように保護板２の下面にはそれぞれ
ランダムな傾きと深さを有する複数の溝１４が同心円状
に加工され、音響レンズを構成している。

【００２８】図３は図２（ａ）におけるＣ部を拡大して
示したもので、上記に説明の音響レンズ１の溝を拡大し
て図示した断面図である。図示のように音響レンズ１の
表面にはランダムな傾きを持った溝１４が形成されてお
り、それぞれ、異る谷部１５、山部１６を有し、斜面１
７が異る複数の溝を有している。

【００２９】図１に戻り、３は超音波振動子で複数個配
列し、超音波を受信する素子である。４および５はマル
チ超音波センサの補強桁および補強板であり、マルチ超
音波センサに強度を持たせるものである。６，９は、同
軸ケーブルおよびそのアース側の線であり、７は、これ
らを接続する多心コネクタである。これらはすべてケー
ス８に収納され、マルチ超音波センサを構成している。

【００３０】上記の様に構成されたマルチ超音波センサ
においては、１個の超音波振動子３と、保護板２と、保
護板２に同心円状に加工された１個の音響レンズ１と
で、１個の超音波センサを構成することができ、マルチ
超音波センサの超音波ビームの指向性は、この個々の超
音波センサの指向性で決定されることになる。

【００３１】図４はこのような１個の超音波振動子３と
音響レンズ１の指向性の説明図であり、上記の様に構成
された個々の超音波センサのビームの拡がり２５は図示
のように超音波振動子３単体のビーム拡がり１１よりも
大きくなる。従って、拡がり１１と２５との間で飛来し
て来る超音波１３を広い範囲に受信することができる。

【００３２】図５は音響レンズの指向特性の図で、２１
が超音波振動子３単体の指向特性を、２２が本発明の実
施の第１形態における同心円状の音響レンズを付加した
指向特性である。図示のように本発明の実施の第１形態
における超音波センサは、超音波振動子３単体の指向性
２１よりも同心円状の音響レンズを付加した指向性２２
のように受信範囲を広くでき、濁った液体や液体ナトリ
ウム等の液体中を映像化する超音波映像化装置に必要な
開口幅が十分に得られる。

【００３３】上記に説明の実施の第１形態における超音
波振動子３、保護板２、音響レンズ１からなるマルチ超
音波センサは、前述のように、濁った液体や液体ナトリ
ウムの超音波映像化装置（ナトリウム透視装置）に適用
されるものであるが、これに限らず、不透明液体中の物
体の映像化や、超音波診断装置（エコー）にも広く適用
できるものである。

【００３４】図６は本発明の実施の第２形態に係る超音
波センサの構成を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は
（ａ）におけるＤ−Ｄ矢視図である。図７は図６におけ
る音響レンズを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図
である。これら図において、３は複数の超音波振動子で
保護板５２に支持されている。この保護板５２はなめら
かな平板で構成されている（金属箔、プラスチック
等）。４は補強桁、５は補強板、６は同軸ケーブルで９
はそのアース線であり、７はこれら同軸ケーブル６とア
ース線９を接続する多芯のコネクタ、８は全体を収納し
ているケースである。これら３乃至９で示す構成は従来
のものと同じ機能のものである。

【００３５】５１は円錐形状をした音響レンズであり、
２４の送信用の超音波振動子とで６０の送信用トランス
デューサを構成し、超音波を放出するものである。な
お、この音響レンズの形状は円錐形状をした音響レンズ
５１の稜線にふくらみを持たせて曲線になっても放出す
る超音波ビームの方向を変えることができ、同じ効果が
ある。

【００３６】上記の様に構成および製作された実施の第
２形態におけるマルチ超音波センサにおいては、中心に
設置されている送信用トランスデューサ６０により超音
波を放出し、映像化したいターゲットに反射させて送信
用トランスデューサ６０の周囲に多数設置されている受
信用超音波振動子３に超音波を入力できる様になってい
る。

【００３７】上記のように実施の第２形態においては、
マルチ超音波センサの送信用トランスデューサ６０とし
て円錐形状をした音響レンズ５１を設けて、音響レンズ
５１の中心直下部に送信用超音波振動子２４からの超音
波ビームが集まらない様にし、送信用トランスデューサ
６０の周辺位置に拡散放出させることができる。これに
より、超音波ビームが有効に周辺に拡散させることがで
きることになる。

【００３８】図９はこの実施の第２形態での超音波強度
の分布図であり、１２２の点線が従来の分布、１２１の
実線が本実施の第２形態の分布を示し、本発明では中心
部では低く、周辺部では強くなるのがわかる。

【００３９】

【発明の効果】以上、具体的に説明したように、本発明
は、超音波センサの保護板にランダムな傾斜面を有する
複数の溝を同心円状に設けた構成、この構成において、
超音波振動子を複数個設け、保護板にもこれら振動子に
対応して複数の同心円状溝を設け、超音波映像化装置と
して用いる構成、又、出力側の超音波振動子に円錐形状
の音響レンズを用いる構成、更にこの構成において、受
信用超音波振動子の下面に保護板を設け、あるいはその
各受信用超音波振動子の下面保護板にランダムな傾斜面
を有する複数の同心円状の溝を設けた構成を特徴として
いるので、次のような効果を奏する。

【００４０】（１）飛来して来る超音波を、従来の超音
波センサと比べて、広い範囲で受信できる超音波センサ
が実現できる。

【００４１】（２）マルチ超音波センサで映像化に必要
な開口幅が十分に得られ、超音波映像化が大幅に改善さ
れる。

【００４２】（３）マルチ超音波センサの送信用トラン
スデューサの音響レンズを円錐形状で構成することによ
って、超音波ビームを音響レンズの中心位置の直下に集
めることにならず、周辺位置に拡散放出させることがで
きる。これによってマルチ超音波センサでの映像化に必
要な開口幅が十分に得られ、超音波映像画が大幅に改善
されることになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の第１形態に係る超音波センサの
全体構造を示し、（ａ）はその断面図、（ｂ）は（ａ）
におけるＡ−Ａ矢視図である。

【図２】本発明の実施の第１形態に係る超音波センサの
音響レンズの詳細な構造図で、（ａ）はその側面図、
（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ矢視図である。

【図３】図２（ａ）におけるＣ部の拡大した詳細な断面
図である。

【図４】本発明の実施の第１形態に係る超音波センサの
音響レンズ指向性の説明図である。

【図５】本発明の実施の第１形態に係る超音波センサの
音響レンズの指向特性図である。

【図６】本発明の実施の第２形態に係る超音波センサの
全体構造を示し、（ａ）はその断面図、（ｂ）は（ａ）
におけるＤ−Ｄ矢視図である。

【図７】図６に示す超音波センサにおける音響レンズを
示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。

【図８】本発明の実施の第２形態に係る超音波センサの
音響レンズの作用を説明する図である。

【図９】本発明の実施の第２形態に係る超音波センサの
超音波強度の分布図である。

【図１０】従来の超音波センサの全体構造を示し、
（ａ）はその断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＥ−Ｅ矢
視図である。

【図１１】従来の音響レンズを用いない超音波センサ指
向性の説明図である。

【図１２】従来の球状超音波レンズ付超音波センサの説
明図である。

【図１３】従来の送信用音響レンズを用いたマルチ超音
波センサの構造を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は
（ａ）におけるＦ−Ｆ矢視図である。

【図１４】従来の送信用音響レンズのビームの説明図で
ある。

【図１５】従来の音響レンズを用いた場合の超音波強度
の分布図である。

【符号の説明】

１，５１音響レンズ２，５２保護板３，２４超音波振動子４補強桁５補強板６同軸ケーブル７コネクタ８ケース９アース線１１超音波振動子単体の指向性１２，１３外来超音波１４溝１５谷部１６山部１７斜面２２音響レンズ付加時の指向特性２５同心円状音響レンズ付加時の超音波ビー
ム拡がり６０送信用トランスデューサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H04R 1/44 330 G01N 29/24 H04R 1/34 330 H04R 1/40 330

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】超音波振動子とその下面の保護板とを有
してなる超音波センサにおいて、前記保護板の超音波受
信面に同心円状の複数の溝を付加し、同溝はそれぞれラ
ンダムな傾斜面を有していることを特徴とする超音波セ
ンサ。
【請求項２】前記超音波センサは複数個からなり、前
記保護板にはそれぞれ各超音波センサに対応して複数の
同心円状の溝を設け、超音波映像化装置に用いることを
特徴とする請求項１記載の超音波センサ。
【請求項３】超音波を出力する超音波振動子及びその
出力側に配置された超音波音響レンズからなる超音波送
信用トランスデューサと、超音波を受信する複数の超音
波振動子とを備えた超音波センサにおいて、前記音響レ
ンズは、その底面が前記出力用の超音波振動子の出力側
に在るように配置された円錐形状をなすことを特徴とす
る超音波センサ。
【請求項４】前記超音波を受信する複数の超音波振動
子には、その下面に保護板を有し、超音波映像化装置に
用いることを特徴とする請求項３記載の超音波センサ。
【請求項５】前記保護板の各超音波振動子に対応する
超音波受信面に同心円状の溝を付加し、同溝はそれぞれ
ランダムな傾斜面を有し、超音波映像化装置に用いるこ
とを特徴とする請求項４記載の超音波センサ。