JPH03268600A - 超音波プローブ - Google Patents

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】 ［発明の目的コ （産業上の利用分野） 本発明は、超音波診断装置や超音波探傷機などに用いら
れる超音波プローブに係り、特に２つの周波数帯域で使
用可能な超音波プローブに関する。

（従来の技術） 近年、超音波診断装置の普及は目ざましく、使用する超
音波プローブの種類を含めて多種多様にわたるものが開
発されている。その一つとして断層像と同時に血流の状
況をカラー表示する超音波診断装置があり、これは循環
器系や腹部の診断で盛んに使われている。このような装
置に用いられる超音波プローブに望まれる性能としては
、血流像に対しては駆動周波数が低く、Ｓ／Ｎが高いこ
と、断層像に対しては駆動周波数を高くして高分解能特
性を有することが挙げられる。

これらの要求を実現するために、超音波プロ−ブの周波
数帯域を広くすることが行われている。その一つとして
２つの周波数帯域で使用可能な超音波プローブが提案さ
れている。これは例えば特開昭６０−４１３３９号公報
に記載されているように、圧電セラミックの超音波送受
波面と反対側の面上に音響インピーダンスが圧電セラミ
ックのそれと実質的に等しい板材を接合して構成された
積層構造の振動子を用いた超音波プローブである。通常
の厚み縦振動モードの振動子では、その厚さに対する基
本共振周波数と３次、５次、・・・の奇数次の共振周波
数が励起される。上記の積層構造の振動子では、積層体
の全厚に対して基本共振周波数と奇数次の共振周波数以
外に、偶数次の共振周波数も励起できる。

そこで、例えば基本共振周波数と２次の共振周波数を利
用して２つの周波数帯域を有する超音波プローブ（以下
、二層液プローブという）を構成し、基本共振の周波数
帯域でドツプラによる血流情報、２次共振の周波数帯域
で断層像をそれぞれ得るようにすることができる。

上述した圧電セラミック板と板材の積層構造からなる二
層液プローブにより得られる２つの周波数帯域は、中心
周波数がほぼ２倍の関係にある。これは断層像と血流像
の両方を観察する超音波診断装置においては、理想的な
関係である。

しかしながら、この二層液プローブは高周波側の周波数
帯域幅が通常の振動子からなる同一周波数帯の超音波プ
ローブの周波数帯域幅に比較して狭い。このため、パル
スエコー波形のリンギングか長くなって波数が多くなる
結果、高周波側の周波数帯域を用いて得られる断層像の
距離分解能が低くなってしまう。また、高周波側の周波
数帯域幅が狭いためｑこ、パルスエコー波形に含まれる
低周波成分が少ない。従って、被検体内での減衰が小さ
い低周波分によって観察できる深部の像が十分に観察で
きない。

（発明が解決しようとする課胎） 上述したように、従来の積層構造による二層液プローブ
は、断層像を得るのに用いられる高周波側の周波数帯域
幅が、通常の振動子からなる同一周波数帯の超音波プロ
ーブに比較して狭いため、パルスエコー波形のリンギン
グが長＜なって波数が多くなり、断層像の距離分解能か
低くなるという問題と、パルスエコー波形に含まれる低
周波成分が少ないことにより被検体内の深部像を十分に
観察できないという問題かあった。

本発明は、二層液プローブにおける高周波側の周波数帯
域幅を広げることができる超音波プローブを提供するこ
とを目的とする。

［発明の構成コ （課題を解決するための手段） 本発明の超音波プローブは、両面に電極が形成され、一
方の面が超音波送受波面となる圧電セラミック板の超音
波送受波面と反対側の面に、音響インピーダンスが圧電
セラミック板のそれと実質的に等しい板材を部分的に接
合するか、あるいは音響インピーダンスが圧電セラミッ
ク板のそれと実質的に等しく、かつ厚さか不均一の板材
を接合した構造の振動子を用いて構成される。

（作用） このように構成される超音波プローブでは、板材が接合
された積層構造の領域と、板材か接合されていないかま
たは厚さの薄い領域が別々の振動子として働く。前者を
第１の振動子とし、後者を第２の振動子とすると、第１
の振動子では従来の積層構造の振動子と同様に２つの周
波数帯域で利用できるが、高周波側の周波数帯域幅が狭
い。第２の振動子は積層構造でない通常の振動子と同様
に、広帯域特性を有する。

このため、第１の振動子の高周波側の狭帯域特性を第１
の振動子により補う形となり、全体として高周波側の周
波数帯域幅が広い二層液プローブが実現されることにな
る。

（実施例） 以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の超音波プローブに用いられる振動子の
断面図である。

この振動子は両面に電極１１．１２がそれぞれ形成され
た圧電セラミック板１０と、この圧電セラミック板１０
の図中下側の面（超音波送受波面と反対側の面、以下、
裏面という）上の一部、この例では中央部に接合された
板材１３とからなる。圧電セラミック板１０は、例えば
ＰＺＴ系の圧電セラミック材料からなり、短冊状に形成
されている。電極１１．１２は、例えばＡｇを焼き付け
ることにより形成される。板材１３は、音響インピーダ
ンスが圧電セラミ・ツク板１０と実質的に等しい材料か
らなり、典型的には圧電セラミック板１０と同一材料が
用いられる。

圧電セラミック板１０の厚さをｔｌとし、板材１３の厚
さをｔ２とすると、ｔ、は従来の単一周波プローブと同
様にｔ、−λ／２（λ：基本共振周波数での超音波波長
）に選ばれる。また先に挙げた特開昭６０−４１３３９
号公報にも記載されているように、効率を考えるとｔｌ
−１２にすることが好ましい。すなわち、板材１３の厚
さは圧電セラミック板１０の厚さと実質的に等しいこと
が望ましい。

また、この振動子は動作的には、圧電セラミック板１０
に板材１３が接合された積層構造の領域である第１の振
動子２１と、板材１０が接合されていない圧電セラミッ
クのみからなる領域である第２の振動子２２からなる。

第２図は第１図の振動子を用いて構成された電子走査用
アレイ型超音波プローブの構成を示したものであり、板
材１３の裏面および圧電セラミック板１０の板材１３か
接合されていない部分の裏面は、例えばフェライトゴム
からなるバッキング材１４に接合されている。また、振
動子の超音波送受波面側には、λ／４の厚さの例えばエ
ポキシ系樹脂からなる音響マツチング層１５が被覆され
ている。

第３図に種々の超音波プローブの周波数特性の実測結果
を示す。第３図（ａ）は本発明の一実施例に基づく第２
図の超音波プローブの周波数特性である。第３図（ｂ）
は従来の三周波プローブ、すなわち圧電セラミック板１
０の裏面全域に板材が接合された第２の振動子のみから
なる振動子を用いた超音波プローブの周波数特性である
。超音波プローブの構成条件、すなわち／くッキング材
や音響マツチング層の構成材料などにより特性が変化す
るが、この図は音響マ・ソチング層を１層としたときの
標準的な特性である。

また、第３図（ｃ）は従来の通常の単一周波数プローブ
、すなわち圧電セラミックのみからなる振動子を用いた
超音波プローブの周波数特性であり、振動子の厚さを第
１図の振動子における圧電セラミック板１０と同じにし
、プローブ構成条件も同じにした場合の特性である。

第３図（ｂ）に示す従来の三周波プローブの周波数特性
において、高周波側の２次共振による周波数帯域の比帯
域（−６ｄＢの帯域幅と中心周波数との比）は約２５％
であり、第３図（ｅ）に示す通常の単一周波数プローブ
の周波数特性における比帯域（約５０％）に比べてかな
り小さい。

これに対し、第１図の構成において第１の振動子２１の
面積比、すなわち圧電セラミック板１０に対する板材１
Ｂの面積比が５０％の場合、第３図（ｂ）の場合と同し
プローブ構成条件で、高周波側の２次共振による周波数
帯域の比帯域は約４０％と増大した。但し、基本共振に
よる低周波側の周波数帯域のレベルは低下した。

一般に、高周波側の周波数帯域幅と低周波側のレベルは
相反する関係にあるが、圧電セラミック板１０に対する
板材１３の面積比（振動子全体に対する第１の振動子２
１の面積比）により両者の関係を制御できる。従って、
プローブの使用目的により、高周波側の帯域幅を重視し
たり、低周波側のレベルを重視したりする設計ができる
ことになる。この面積比は２０〜８０％程度の範囲内に
選ぶことが望ましい。

本発明の超音波プローブは帯域幅たけに注目すると、第
３図（ｃ）に示す従来の単一周波プロ−ブに比べて劣る
が、その中心周波数の約半分の周波数領域にも超音波を
送受できる特性を有し、従来にない機能の付加された三
周波プローブが実現できるという利点がある。

また、本発明による超音波プローブの周波数特性は低周
波側のレベルと高周波側の帯域幅をある程度調整できる
ため、従来の三周波プローブの課題であった高周波側の
帯域幅の狭さを改善できる。従って、この超音波プロー
ブを超音波診断装置に用いた場合、高分解能の断層像（
主としてＢモード像）と同時に、高感度の血流ドツプラ
像が得られる。

なお、第３図の周波数特性における上述した各帯域にお
ける比帯域の値は、音響マツチング層を一層とした時の
代表例であり、音響マツチング層を多層構造とすること
により、それぞれの構成の振動子においてそれぞれの割
合で帯域幅が広がることはいうまでもない。

本発明は種々変形して実施が可能である。第４図〜第７
図に、本発明の他の実施例における振動子の構成を示す
。

第１図の実施例では、圧電セラミック板１０の中央′に
板材１３を接合したが、第４図の実施例では、圧電セラ
ミック板１０の長手方向の両側に板材１３を接合してい
る。このようにしても同様の効果が得られる。なお、板
材を圧電セラミック板の長手方向の片側に寄った位置に
接合してもよいが、音響レンズ（図示せず）等による超
音波ビームの集束を考慮すると、第１図および第４図の
ように圧電セラミック板１０の長手方向に対して対称形
状の板材１３を設けることが望ましい。すなわち、板材
１３を長手方向に対して対称的に設けると、振動子の特
性が超音波ビームに対して対称的になるために、ビーム
の集束が容易となる。

第１図および第４図の実施例では、振動子を圧電セラミ
ック板１０に板材１３が接合された第１の振動子の部分
と、板材１３がない圧電セラミック板１０のみからなる
第２の振動子の部分により構成したが、第５図および第
６図の実施例では板材１３を圧電セラミック板１０の裏
面全域に接合し、その厚さを不均一にしている。

すなわち、第５図では板材１３の圧電セラミック板１０
の長手方向中央部では均一な厚さとし、両側部分の厚さ
を外側に向かうにつれて徐々に薄くしている。また、第
６図では逆に板材１３の圧電セラミック板１０の長手方
向両側では均一な厚さとし、中央部分の厚さを内側に向
かうにつれて徐々に薄（している。

これら第５図および第６図の実施例によっても、板材１
３の厚さの薄い領域が第１図および第４図の実施例にお
ける板材１３のない領域（第２の振動子）と同様のの作
用を果たすことにより、第１図およ、び第４図の実施例
と同様の効果を得ることができる。なお、第５図および
第６図では圧電セラミック板１０のみで構成される領域
が無いが、そのような領域を新たに設けてもよい。また
、第５図および第６図では板材１３の厚さを直線的に変
化させたが、曲線的に変化させてもよく、厚さの厚い領
域と薄い領域を交互に設けてもよい。

第７図の実施例は、第１の振動子２１と第２の振動子２
２とを分離して同一平面上に配置した例である。この場
合、各振動子の電極１１゜１２は並列に接続され、同位
相で駆動される。

この実施例によっても、以上説明した実施例と同様の効
果が得られる。

本発明において、板材１３としては音響インピーダンス
が実質的に圧電セラミック板］０と同じものであれば、
圧電セラミック板１０と異なる材質のものを用いること
ができる。音響インピーダンスは媒質の密度とその媒質
中の音速との積であるから、音響インピーダンスが同じ
でも密度および音速が異なる材料が存在する。

前述した１、−１２の条件は圧電セラミック板１０と板
材１３が同一材料の場合であり、音響インピーダンスが
同じでも材料が異なれば両材料中の超音波波長が異なる
ことになるので、前述したｔＩ＋　　ｔ２はそれぞれの
材料中の超音波波長を基準にして考えた値にする必要が
ある。

すなわち、圧電セラミック板１０中および板材１３中の
基本共振周波数における超音波波長をそれぞれλ３．λ
２とした時、ｔｌ−λ１／２゜ｔ２−λ２／２とすれば
よい。

［発明の効果］ 本発明によれば、高周波側の周波数帯域幅は狭いが三周
波で使用できる積層構造の振動子と、広帯域の周波数特
性を持つ通常の単一周波の振動子とを合成することによ
り、従来の三周波プローブに比較して高周波側の周波数
帯域幅が広い三周波プローブを提供することができる。

従って、本発明の超音波プローブを用いることにより、
高分解能の断層像と同時にＳ／Ｎの高いドツプラ信号の
取得が可能な超音波診断装置を実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る超音波プローブにおける振動子の
一実施例を示す断面図、第２図は第１図の振動子を用い
て構成した電子走査用アレイ型超音波プローブの構成を
示す一部切欠した斜視図、第３図は本発明による振動子
と従来の振動子の周波数特性を比較して示す図、第４図
乃至第７図は本発明の超音波プローブにおける振動子の
他の実施例を示す断面図である。 １０・・・圧電セラミック板 １１．１２・・・電極 １３・・板材 １４・・・バッキング材 １５・・・音響マツチング層 ２１・・・第１の振動子 ２２・・・第２の振動子

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）両面に電極が形成され、一方の面が超音波送受波
   面となる圧電セラミック板と、この圧電セラミック板の
   前記超音波送受波面と反対側の面の一部に接合され、音
   響インピーダンスが前記圧電セラミック板のそれと実質
   的に等しい板材とを具備することを特徴とする超音波プ
   ローブ。
2. （２）両面に電極が形成され、一方の面が超音波送受波
   面となる圧電セラミック板と、この圧電セラミック板の
   前記超音波送受波面と反対側の面に接合され、音響イン
   ピーダンスが前記圧電セラミック板のそれと実質的に等
   しく、厚さが不均一の板材とを具備することを特徴とす
   る超音波プローブ。