JPH03151948A

JPH03151948A - 超音波探触子

Info

Publication number: JPH03151948A
Application number: JP1291119A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Yagami; 弘之矢上; Tadashi Fujii; 正藤井
Original assignee: Terumo Corp
Current assignee: Terumo Corp
Priority date: 1989-11-10
Filing date: 1989-11-10
Publication date: 1991-06-28
Anticipated expiration: 2014-07-12
Also published as: JP2919508B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は超音波探触子、とくに複数の周波数の超音波を
送受波可能な広帯域超音波探触子に関する。

Ｆ従来の技術」超音波診断は、現在その簡便性、安全性および経済性の
高い画像診断法として広く普及し、検査の対象も、はぼ
生体の全域にわたってきている。

しかし、とくに生体の検査では、検査の対象により異な
る周波数を使用しなければならない、従来の超音波探触
子では一般に、使用する周波数が超音波探触子に固有で
あったため、検査の対象別に超音波探触子が多品種必要
であった０例えば生体の浅い部分の検査には、高い周波
数（５〜１０ＭＨｚ）の探触子を選択し、深い部分の検
査には、低い周波数（３，５〜５ＭＨｚ）の探触子を選
択するというように、超音波探触子を検査の対象によっ
て使い分ける不便さが伴っていた。したがって、１本の
探触子で低い周波数から高い周波数まで送受信できる広
帯域のものが強く望まれている状況にある。

現在までにも複数の周波数を送受信できる超音波探触子
がいくつか発明されている。それらには、たとえば特開
昭５８〜７３８８１号公報、特開昭６３−１７２８００
号公報、特開昭［１３−１７３９５４号公報、特開昭６
３−１７５７６１号公報等に記載のように、共振周波数
の異なる圧電振動子を積層するタイプや、特開昭８３−
２５５０４４号公報に開示されているように音響整合層
を工夫しているタイプ、あるいは特開昭６２−６８００
０号公報に記載のように共振周波数の異なる圧電振動子
を交互に配列するタイプ等がある。

［発明が解決しようとする課題］しかし、これらのいずれの方式も、構造が複雑で製造が
困難であったり、あるいは周波数の応答する帯域が狭い
というような欠点を有している。

例えば積層タイプは、周波数の異なる数だけ圧電振動子
を積層する必要があり、製造上複雑であり、また経済性
も悪い、さらに特性についても、共振周波数の異なる圧
電振動子が超音波の送受信方向に積層された構造である
ので、互いに圧′准振動子が送受信の際に超音波伝播に
対して妨害を与えるように作用して、良好な結果は得ら
れ難い。

また、音響整合層を工夫したタイプも、圧電振動子の帯
域以上の広帯域化は望めず、特性的に満足なものは得ら
れ難い。

さらに、共振周波数の異なる圧電振動子を交互に配列し
たタイプは、アレイ型の超音波探触子として使用できる
が、１つの周波数の振動子の配列密度が低い、そのため
、アレイ型探触子として最も毛要な、配列密度が高く、
できる限りグレーティングローブが抑圧された指向性の
高い送受信の超音波音場を形成するという原理、原則に
矛盾し、特性の劣化をもたらす。

また、これらの方式とは別の方式として特開昭５８−２
２０４０号公報では、圧電振動子の厚さを走査方向に対
して直角方向に連続的に変化させて、共振周波数がこの
方向に連続的に可変となるアレイ型の探触子が提案され
ている。しかし、この方式も、このような圧電振動子を
製造する際の困難さが大きく、実用化が難しい。

本発明は、このような状況に鑑み、製造上の困難さが比
較的少なく、周波数帯域の幅が広く、特性も良好であり
、広い用途に適用できる広帯域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］本発明によれば、前面および背面を有する圧電材料層と
、圧電材料層の背面側に設けられた背面材ネ１層とを有
する超音波探触子において、背面材料層は、音響インピ
ーダンスが圧電材料層の音響インピーダンスより大きく
、厚さが一様でない。

本発明によれば、背面材料層は、背面方向の厚さが圧電
材料層の周縁部より中央部に近づくに従って薄く形成さ
れている。

本発明によればまた、探触子は、圧電材料層の前面に設
けられた音響整合層を有し、音響整合層は、前面方向の
厚さが圧電材料層の周縁部より中央部に近づくに従って
薄く形成されている。

［作　用］本発明による超音波探触子では、背面材料層は、音響イ
ンピーダンスが圧電材料層のそれより大きく、厚さが、
たとえば圧電材ｉＩ４層の中央部に近づくに従い薄くな
る形状をとっている。これにより、入／２共振モードか
ら入ハ共振モードまでの共振周波数を連続的にカバーす
る広帯域動作が実現でき、検査対象の全深度にわたって
分解能およびＳ／Ｎ比の高い超音波断層像を得られる。

［実施例］本発明の理解を容易にするため、実施例の説明に先立っ
て従来の超音波探触子を説明する。第９図〜第１２Ａ図
は従来の円柱型の探触子の横断面図である。図示のこれ
らの探触子はそれぞれ、矢印ｌＯＯで示す、たとえば生
体などの負荷の側から順に、音”ｆｆ！！！！合層６０
．６７．６８、圧電材７０．７５．および背面材９０．
９３が配設されている。圧電材７０．７５の両主面には
電極７１．７２が設けられている。第１０図、第１１図
および第１２Ａ図に示す構造では、圧電材７５．７０の
背面に音響反射板８０．８５．８７が設けられている。

第９図に示す探触子は圧電材７０の電極７１．７２の両
側にそれぞれ音響整合層６０、背面材９０を植層したも
ので、音響整合層６０から負荷の方向１００へ超音波を
送波し、これよりエコーを受波する。

背面材９０の音響インピーダンス２９０が圧電材７０の
音響インピーダンス２７０より小さいとき、すなわち２
７０）２９０の関係があるとき、圧電材７０の厚さを超
音波の波長λについて入／２に選ぶと、共振周波数ｆで
共振し、帯域幅はｆ±Δｒとなる。負荷１００の音響イ
ンピーダンスを２１００とすると、音響整合層６０は、
音響インピーダンスＺ６０がＺ７０）Ｚ６０〉Ｚｌｏｏ
の範囲に選ばれ、その厚さが通常共振波長の１／４波長
に選ばれる。この探触子をλ／２共振の探触子と称する
。

第１θ図に示す探触子は、圧電材７５の厚さが第９図の
圧電材７０の１７２であり、本来は入／４共振の振動子
である。しかし、その後部に音響反射板８０と背面材９
３を設け、各部８０．８７の音響インピーダンスを２８
０）２７５に設定することにより、第９図の探触子と同
等の共振周波数ｆで共振させることができる。この入／
４共振方式は、入／２共振方式に比べて半分の厚さの圧
電材で後者と同じ周波数を送受信できるので、高分子系
の圧電材のように製造上、あまり厚い圧電材が形成でき
ない場合によく利用される。セラミック系の圧電材のよ
うにあまり薄い圧電材に製造できない材料の場合には、
入／２共振方式の方が有利であり、よく使用される。

第１１図に示す探触子は、第１０図のそれと同一に構成
されるが、圧電材７０の厚さが第９図の探触子と同じで
あり、つまり第１θ図の圧電材７５の２倍である。また
、入／２共振の振動子であるが、音響反射板８０を２８
０）Ｚ７５に選ぶことにより、共振周波数は、第１θ図
の探触子の共振周波数ｆの１７２の周波数となる。

これらの例のように振動子に反射板を設けることにより
、共振周波数を１／２にすることができる。第１２Ａ図
および第１２８図に示す探触子は、この原理に基き本願
と同じ出願人による特許出願、特願平１−１８００４８
で提案された超音波探触子である。径ＯＡの円形圧電材
７０の背面に径ＤＢの環状帯Ｂを同心に設けてドーナツ
型の反射板８７を形成し、これと圧電材７０の一部の後
面に背面材９７が設けられている。圧電材７０と反射板
８７の音響インピーダンスは２７０（２８７に選択され
ている。圧電材７０は。

領域Ａでは周波数２ｆで、また領域Ｂでは周波数ｆで共
振する。

超音波の性質として周波数が高いほど、振動子の開口が
小さくても指向性が鋭くなる傾向がある。超音波の直進
からのずれの角度、すなわち発散角を０とすると、開口
りと周波数ｆの間には０〜ｆ・Ｄの関係がある。すなわ
ち、周波数を２倍にすれば開口りは半分でも同じ指向性
、すなわち同じ発散角度０が得られる。したがって、第
１２Ａ図の探触子の最も好ましい実施例は、ＤＢ＝２０
ＤＡとなるように反射板８７を設計することである。し
かし、この固有周波数２ｆ、ｆから離れた帯域では、送
受波の効率が低い特性を呈す゛る。

さて、本発明の実施例を図面を参照して具体的に説明す
る。まず、第１Ａ図、第１Ｂ図および第２図により本発
明の探触子の原理を説明する。

第１Ａ図および第１８図で、実施例の超音波振動子は全
体として円板形の圧電材ｌＯを有する。圧電材１０の一
方の主面には電極１１が設けられ、これは音響整合層２
０と接している。他方の主面には電極１２が設けられ、
これには背面材３０が配設されている。背面材３０は、
本実施例では音響反射板５０を有している。圧電材ｌＯ
は、両電極１１および１２の間に印加される電気信号に
応じた超音波を発生し、またこれに受波された超音波に
応じた電気信号を発生する電気音響変換材料である。

音響反射板５０は、圧電材ｌＯ側の面が平坦な面をなし
、その超音波送受波方向Ｔ−Ｒに関して背面側の厚さが
均一でなく、円形の周縁部から中心部に近づくに従って
薄くなるように変化している。すでに述べたように、反
射板５０がなく背面材３０が圧電材１０に直接音響的に
接続されている場合には、圧電材１０は入１２共振モー
ドとなる。しかし１反射板５０がこのように設けられて
いると、圧電材ｌＯは入／４共振モードとなる０反射板
５０の厚さを連続的に変化させると圧電材１０の共振周
波数が対応して変化することが、本願の発明者他が発表
した文献、Ｋ、　Ｙａｍａｇｕｃｈｉ　ｅｔ　ａｌ　”
Ｎｅｗ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ＴｉｍｅＤｏｍａｉｎ　
　Ａｎａｌｙｓｉｓ　　ｏｆ　　ｔｈｅ　　Ｐｅｒｆｏ
ｒｍａｎｃｅ　　ｏｆ　　Ｍｕｌｔｉ−１ａ７ｅｒｅｄ
　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ”　
ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ。

ｏｎ　Ｕｌｔｒａ、　Ｆｅｒｒｏ、　ａｎｄ　Ｆｒｅｑ
、　Ｃａｎｔ、　Ｖｏ１．υＦＦＧ−３３、Ｎｏ、Ｅｉ
　（Ｎｏｖ、　１９８Ｂ）において、詳細なシミュレー
ションにより確認されている。

本発明ではこの文献による方法に基づいて探触イを構成
する。第２図にその探触子の特性を示す０反射板５０の
厚さを０〜０．４Ｋｂまで変化させると圧電材１０の共
振周波数はｆａｘｆｏ／２まで変化することが理解でき
る。Ｋｂは反射板５Ｇの中の周波数ｆｏの波長であり、
反射板５０と圧電材ｌＯの音響インピーダンスの比２５
０／２１０が４に等しい場合である。なお、音響整合層
２０の音響インピーダンスおよび厚さは、感度を最大に
するように選定しである。この場合、感度は１掲の文献
の定義による。

第１Ａ図および＠２図の解析結果に基づいた超音波探触
子の例を第３図に示す０図中、第１Ａ図と同番号のもの
は同様の要素を示す、また、反射板５０の断面の形状と
材質を第４図に示す、この例では、中心の周波数ｆｏが
？、５ＭＨｚであり、反射材５０には銅（Ｃｕ）の板（
Ｖｂ□５０００ｍ／ｓ、　Ｚｂ−４５ｘ１０６ｋｇ／ｍ
２ｇ）を用い、Ｚｔ／Ｚｂ−４において径方向にｆｏ　
（中心部）〜ｆｏ／２　（端部）までの断面形状が示さ
れている。これからｂかるように、反射板５０の厚さを
周辺部より中心部に近づくに従って薄くしたことにより
、共振周波数が厚さに対応して７．５〜３．７５ＭＨｚ
で可変となっている。

第３図の探触子の感度を最大にする例を第５図に示す、
音響整合層２５を第６図に示すような断面形状にし、材
質を樹脂（Ｖ層−２５００■／ｓ。

２層−３ｘ１０８ｋｇ／■２ｓ）に選択することで最大
感度が得られる。換言すれば、この例では、音響整合層
の荊面方向の厚さが圧電材ｌＯの周縁部から中央部に近
づくに従って薄く形成されている。

第７図は本発明をアレイ型探触子に適用した実施例を示
す、超音波ビームの走査方向Ｓ−５に配列された複数の
圧電材ｌＯの両面に、音響整合層２ｏと反射板５０が図
示のように設けられている０反射板５０は、第３図の実
施例と同様な凹面形状を有することにより、各圧電材ｌ
Ｏを入／２〜入／４の共振モードで振動させ、これによ
って深度の深い探索ができる。超音波ビームは、矢印Ｒ
−↑の方向に送受波される。第８図は、第７図に示すア
レイ型探触子の反射板５０が各圧電材１０に対応して分
割されている。これにより、反射板５０の製造が容易で
あり、所望の大きさの７レイ型探触子を構成することが
できる。

このように本発明の実施例では１反射板の厚さがその全
体にわたって異なることにより、振動子の固有共振周波
数に制限されずに共振モードが入／２〜入／４まで連続
的に可変な超音波探触子が提供され、これを容易に製造
することができる。なお本発明は、リニアｅアレイプロ
ーブ、セクタ・プローブ、フンペックスΦプローブ等の
他の方式の超音波探触子にも効果的に適用可能である。

［発明の効果］本発明によれば、振動子の背面材または反射材の厚さを
均一でなくすることにより、共振モード入／２〜入／４
までの広帯域な超音波の送受波を可能とする超音波探触
子が実現でき１診断の対象とする被検体の全深度にわた
って高い分解能およびＳ／Ｎ比で超音波断層像を得るこ
とができる。また、その製造上の困難さが比較的少なく
、広い用途に適用される。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図は本発明に係る超音波探触子の実施例を示す断
面図、第１８図は、第１Ａ図に示す実施例の探触子を右方より
見た側面図、第２図は同実施例の周波数特性の例を示す図、第３図は本発明による探触子の具体的な構成例を示す断
面図、第４図は、第３図に示す探触子の反射板の特性図第５図は他の具体例を示す断面図。第６図は第５図に示す探触子の音響整合板の特性図、第７図および第８図は本発明のさらに他の実施例による
アレイ型探触子の外観を示す斜視図。第９図ないし第１２Ａ図は従来の各種の探触子の例を示
す断面図、第１２８図は、第１２Ａ図に示す従来例の探触子を右方
より見た側面図である。主要部分の符号の説明１１．１２．　、電　極１０、、、圧電材２０．２５．　、音響整合層３０、、、背面材５０、、、反射板第図第図５．０ ○　　１゜径応町５．０　（ｍｍ）第７図丁第図第１２Ａ図第図第０図第１図第１２８図

Claims

【特許請求の範囲】

１．前面および背面を有する圧電体材料層と、該圧電材
料層の背面側に設けられた背面材料層とを有する超音波
探触子において、前記背面材料層は、音響インピーダンスが前記圧電材料
層の音響インピーダンスより大きく、厚さが一様でない
ことを特徴とする超音波探触子。
２．請求項１に記載の超音波探触子において、前記背面
材料層は、背面方向の厚さが前記圧電材料層の周縁部よ
り中央部に近づくに従って薄く形成されていることを特
徴とする超音波探触子。
３．請求項１に記載の超音波探触子において、該探触子
は、前記圧電材料層の前面側に設けられた音響整合層を
有し、該音響整合層は、前面方向の厚さが前記圧電材料層の周
縁部より中央部に近づくに従って薄く形成されているこ
とを特徴とする超音波探触子。