JPH04255199A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は超音波検査装置などに利
用される超音波プローブに係り、特に２つの周波数帯域
を持つ超音波プローブに関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波プローブは圧電体素子を主体とし
て構成され、超音波の送受信を行うものであり、超音波
検査装置に用いられる。超音波検査装置は、超音波プロ
ーブから超音波を対象物に向けて照射し、音響インピー
ダンスの異なる界面からの反射波を受信して、対象物の
内部状態を示す画像を取得する装置である。このような
超音波検査装置としては、人体内部を検査するための医
用診断装置や、金属溶接内部の探傷を目的としたもの装
置などが実用化されている。

【０００３】医用診断装置においては、人体の断層像（
Ｂモード像）を取得するＢモードに加え、心臓、肝臓、
頸動脈などを対象にドップラ効果を利用して血流の速度
を２次元でカラー表示するカラーフローマッピング（Ｃ
ＦＭ）法の開発により、診断能は飛躍的に上がってきて
いる。ＣＦＭ法は近年、子宮や腎臓、膵臓など、人体の
あらゆる臓器および器官に適用されるようになってきて
おり、今後はさらに冠血流までも観察すべく各病院、施
設で研究がなされている。

【０００４】Ｂモードにおいては小さな病変や空隙が深
部まで見えるように、高分解能の画像を高感度に得るこ
とが要求されている。一方、ＣＦＭ像などを得るドプラ
モードにおいては、直径数ミクロンといつた小さな血球
からのエコー信号を用いることから、Ｂモードに比べて
得られる信号レベルは小さいため、高感度化が特に要求
されている。そこで多くの場合、ドプラモードにおける
レファレンス周波数は超音波プローブの持つ周波数帯域
の中で、中心周波数よりも低い周波数に設定されている
。この理由は低周波ほど生体内での超音波の減衰が少な
いため、超音波減衰によるＳ／Ｎ低下の影響をドプラ像
が受けにくいからである。

【０００５】一つの超音波プローブで２種類の周波数成
分の超音波を送受信できれば、高周波成分で高分解能の
Ｂモード像、低周波成分で高感度のドプラ像をそれぞれ
得ることが可能となる。これを実現するため、一つのプ
ローブ内に共振周波数の異なる２種類の振動子を設置し
たデュプレクス型超音波プローブがいくつかのメーカー
から製造販売されている。しかし、この種の超音波プロ
ーブは共振周波数の異なる振動子を用いているため、Ｂ
モード像、ドプラ像それぞれの場合で超音波の送受波面
が異なる。従って、Ｂモードおよびドプラモードの両モ
ードにおいて同一部位を観察することはできず、より良
い診断を行う上では好ましくない。

【０００６】一方、積層型圧電体素子を用いることによ
り、一つの圧電体素子で２つの異なる周波数帯域を持つ
超音波を送受信する二周波超音波プローブが提案されて
いる（例えば特開昭６０−４１３９９号公報参照）。こ
のような二周波超音波プローブと、その駆動パルス幅や
受信系のフィルタ特性との組み合わせにより、送受の超
音波の周波数帯域を２つに分離することが可能となる。 このような二周波超音波プローブによれば、分離された
２つの周波数帯域のうち、高周波側でＢモード信号、低
周波側でドプラ信号をそれぞれ得ることができ、両モー
ドで同一部位を観察することが可能となる。

【０００７】しかしながら、従来の二周波超音波プロー
ブでは一つの圧電体素子の持つ電気−機械変換効率を２
つの周波数帯域で二分して使用しているため、通常の単
一周波数特性を有する超音波プローブに比較して高周波
側の周波数帯域が狭められ、エコー信号の尾引き（波連
長）が長くなる。その結果、高周波成分で高分解能のＢ
モード像を得ようとしているにもかかわらず、分解能が
期待されるほどは良くならないため、改善の余地が残さ
れているのが実状である。

【０００８】さらに、Ｂモード像を得るための高周波側
の周波数帯域が狭くなると、低域成分も減少するため、
Ｓ／Ｎが低下し、ペネトレーション不足となる。これは
生体深部からのエコー信号の周波数成分は、送信超音波
の中心周波数よりも低い成分が主となっているからであ
る。

【０００９】一般に、良好なＢモード像を得るのに必要
とされる超音波プローブの比帯域は４０％以上である。 単層構成の圧電体素子を用いた超音波プローブにおいて
は、−６ｄＢの比帯域は音響マッチング層を１層だけ設
けた１層マッチングでは４０〜５０％、２層マッチング
では６０〜７０％であり、その要求を満たしている。こ
れに対し、上述した積層型圧電体素子を用いた二周波超
音波プローブにおいては、１層マッチングで２５％、２
層マッチングで３５％と、約１／２の比帯域しか得られ
ていない。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の技術では一つの超音波プローブで２つの周波数帯域を
得るために共振周波数の異なる圧電体素子を用いると、
各周波数帯域で同一部位を観察することができず、また
一つの積層型圧電体素子を２つの周波数帯域で動作させ
るものでは、高周波側の比帯域が狭く、良好なＢモード
像が得られないという問題があった。

【００１１】本発明の目的は、同一の圧電体素子を用い
て２つの周波数帯域で超音波の送受信を行うことができ
、しかも高周波側の周波数帯域が広い超音波プローブを
提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の課題を解
決するため、厚さ方向の両端面に電極を有する複数の短
冊状圧電体素子を幅方向（厚さ方向に直角な方向）に配
列してなる超音波プローブにおいて、短冊状圧電体素子
の幅方向の共振周波数を厚さ方向の共振周波数より低く
したことを特徴とする。本発明に係る超音波プローブは
、短冊状圧電体素子の幅をｗ、厚さをｔとしたとき、２
ｔ≦ｗ≦５ｔの関係を満足することが好ましい。

【００１３】本発明においては、短冊状圧電体素子の厚
さ方向に垂直な面内で、幅方向に垂直な方向（スライス
方向）に、少なくとも１個の切れ込みを入れてもよい。 この切れ込みの深さをｄ（ｄ＜ｔ）とし、切れ込みを挟
んだ部分の圧電体素子の幅をｓとした時、幅ｓは０＜ｓ
／ｄ＜０．６の条件を満たすことが望ましい。また、こ
の切れ込みに樹脂を充填してもよい。充填する樹脂は硬
度６０（ＪＩＳ　　Ａ規格）以下の比較的軟らかい樹脂
が好ましく、シリコーン系、エポキシ系、ウレタン系な
どの材料から選択できる。

【００１４】

【作用】一般的に、短冊状圧電体素子の幅方向の共振周
波数は、厚さ方向の共振周波数より遥かに高くなってお
り、使用周波数帯域外に設定されるのが普通であるが、
本発明においては逆に幅方向の共振周波数厚さ方向の共
振周波数より低く設定され、超音波プローブの使用周波
数帯域内の低周波側に配置される。

【００１５】従って、同一の圧電体素子を用いて２つの
周波数帯域で超音波の送受信を行うことが可能となり、
例えば高周波側をＢモード用、低周波側をドプラモード
用としてそれぞれ用いることができる。ここで、２つの
周波数帯域では振動姿態が異なるため、同じ圧電体素子
の電気−機械変換効率が二分されることにはならないの
で、高周波側の周波数帯域が大きく狭められることはな
く、従って高分解能のＢモード信号が得られる。

【００１６】また、短冊状圧電体素子の幅ｗ、厚さｔを
２ｔ≦ｗ≦５ｔの関係を満足するように設定することで
、幅方向と厚さ方向の共振が分離されるとともに、両者
の共振周波数が上記の関係に設定され、同時に幅方向の
高次共振が不要振動となることが防止される。

【００１７】さらに、短冊状圧電体素子に上記のような
切れ込みを入れると、切れ込みが入った深さｄまでの部
分は幅方向の共振周波数が厚さ方向のそれより高くなっ
て、実質的に厚さ方向の共振のみ超音波プローブの使用
周波数帯域内に入る振動姿態となり、切れ込みが入らな
い深さ（ｔ−ｄ）の部分は幅方向と厚さ方向の両方の共
振が使用周波数帯域内に入る構成となる。これにより、
超音波プローブ全体としての特性は、切れ込みが入った
部分と入らない部分の特性が合成された特性となるので
、切れ込みの深さにより幅方向の共振レベルが変化する
。切れ込みに充填される樹脂は、幅方向の音響的結合を
小さくして、分解能の低下を抑制する作用をなす。

【００１８】

【実施例】図１は、本発明の一実施例に係る超音波プロ
ーブの概略構成を示す斜視図である。この超音波プロー
ブは、厚さ方向の両端面に電極をそれぞれ有し、幅方向
に沿って配列された複数の短冊状圧電体素子１を主体と
して構成される。圧電体素子１の超音波放射面（超音波
送受波面）側には音響マッチング層２，３が形成され、
また背面側には圧電体素子１の支持と超音波の吸収のた
めのバッキング材４が配置されている。音響マッチング
層２，３とバッキング材４については公知であり、本発
明の主旨に直接関係がないため、その詳細な説明は省略
する。

【００１９】短冊状圧電体素子１は、例えば一つの厚さ
ｔが１００μｍ、幅ｗが４５０μｍである。従って、ｗ
／ｔの比は４．５となる。このように圧電体素子１を構
成することにより、圧電体素子１の幅方向の共振周波数
は厚さ方向の共振周波数より低くなる。

【００２０】図２は、この超音波プローブを用いてパル
スエコー法により水中に設置した反射板からのエコーを
観測したときのエコー信号の周波数スペクトラムを示し
ている。同図に示されるように、周波数スペクトラムは
双峰特性となり、高周波側のみならず、圧電体素子の厚
さ方向の共振のみを利用する従来の超音波プローブでは
存在しなかった低周波側にも、スペクトラムが生じてい
る。高周波側のスペクトラムは従来の超音波プローブと
同様に、圧電体素子１の厚さ方向の共振によるものであ
るが、低周波側のスペクトラムは幅方向の共振によって
生じたものである。

【００２１】ここで、低周波側の中心周波数は３．５５
ＭＨｚ、また高周波側の中心周波数は１２．７１ＭＨｚ
であり、高周波側の−６ｄＢの比帯域は８０％と、従来
の積層型圧電体素子による二周波超音波プローブのそれ
に比較して格段に広くなっている。このように低周波側
に共振によって高周波側の比帯域が狭まらない理由は、
低周波側の共振が幅方向の共振によるものであり、高周
波側のそれと振動姿態が異なるためである。

【００２２】なお、上述した実施例においては、短冊状
圧電体素子１の厚さｔ、幅ｗをｔ＝１００μｍ、ｗ＝４
５０μｍとしたが、要は２ｔ≦ｗ≦５ｔの関係を満足す
ればよい。例えば、ｔ，ｗの関係が２ｔ＞ｗ＞０．６ｔ
では幅方向と厚さ方向の共振が分離できず、またｗ＞５
ｔでは幅方向の高次共振が厚さ方向の共振で得られる帯
域よりも低周波側に現れて不要振動となり、さらにｗ≦
０．６ｔでは幅方向の共振周波数が厚さ方向のそれより
高くなってしまい、所望の二周波特性が得られなくなる
からである。

【００２３】図３は、本発明の他の実施例に係る超音波
プローブの概略構成を示す斜視図であり、短冊状圧電体
素子１に厚さ方向に垂直な面内で、幅方向に垂直な方向
（これをスライス方向という）に、切れ込み５を入れた
点が先の実施例と異なっている。具体的には例えば圧電
体素子１の幅ｓは８００μｍ、厚さｔは３００μｍであ
り、切れ込み５の深さｄは厚さ方向のほぼ中間、つまり
１５０μｍとなっている。切れ込み５は、１５μｍ厚の
ブレードを用い、これを送りピッチ１００μｍで移動さ
せて形成した。この場合、ｓ／ｄ＝０．５７となり、０
．６より小さくなる。短冊状圧電体素子１の切れ込み５
が形成されていない部分の厚さｔはｔ＝１５０μｍ、圧
電体素子１の幅ｗはｗ＝４５０μｍであり、先の実施例
と同様に２ｔ≦ｗ≦５ｔという関係を満足している。

【００２４】また、先の実施例と同様に、圧電体素子１
の超音波放射面側には音響マッチング層２，３が形成さ
れ、背面側にはバッキング材４が形成されている。さら
に、切れ込み５には硬度６０以下の樹脂６として、例え
ば硬度２５のシリコーン樹脂が充填されており、この樹
脂６によって切れ込み５の両側の圧電体素子間の音響的
な結合が防止されている。

【００２５】図４は、この超音波プローブを用いてパル
スエコー法により水中に設置した反射板からのエコーを
観測したときのエコー信号の周波数スペクトラムを示し
たものである。図２と同様に、この場合も低周波側と高
周波側にスペクトラムを有する双峰特性となり、低周波
側の中心周波数は２．００ＭＨｚ、高周波側の中心周波
数は５．７６ＭＨｚ、−６ｄＢの比帯域は６４．０％と
なった。

【００２６】また、この場合においては低周波側と高周
波側のスペクトラムレベルの相対値は、先の実施例に比
べて低周波側が低くなった。この理由は圧電体素子１の
厚さ方向において、切れ込み５が形成された領域は厚さ
方向の共振のみが使用周波数帯域内に入るため、切れ込
み５の深さに応じて幅方向の共振レベルが低下すること
による。なお、上記の実施例ではｓ／ｄ＝０．５７とし
たが、ｓ／ｄ≦０．６であれば同様の効果が得られる。

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、幅方向の共振と厚さ方
向の共振によるスペクトラムの双峰特性を持ち、しかも
高周波側の比帯域が−６ｄＢで５０％以上と十分に大き
い超音波プローブを提供することができる。従って、こ
の超音波プローブの周波数帯域の低周波側をドプラモー
ド用、高周波側をＢモード用として使用することによっ
て、低周波側で高感度のドプラ信号、高周波側で高分解
能のＢモード信号がそれぞれ得られる。

【００２８】また、この超音波プローブでは同一の圧電
体素子で２つの周波数帯域が得られるため、生体内部等
の同一部位についてＣＦＭ像とＢモード像など異なる種
類の画像を観察することができ、診断上極めて効果的で
ある。

【００２９】さらに、本発明では短冊状圧電体素子に厚
さ方向に切れ込みを入れることで、低周波側と高周波側
の周波数スペクトラムのピークを相対的に変えることも
可能であり、使用目的に応じた超音波プローブの設計が
容易となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る超音波プローブの概略
構成を示す斜視図

【図２】同実施例の超音波プローブを用いてパルスエコ
ー法により測定したエコー信号の周波数スペクトラムを
示す図

【図３】本発明の他の実施例に係る超音波プローブの概
略構成を示す斜視図

【図４】同実施例の超音波プローブを用いてパルスエコ
ー法により測定したエコー信号の周波数スペクトラムを
示す図。

【符号の説明】

１…短冊状圧電体素子 ２，３…音響マッチング層 ４…バッキング材 ５…切れ込み ６…樹脂

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】厚さ方向の両端面に電極を有する複数の短
   冊状圧電体素子を幅方向に配列してなる超音波プローブ
   において、前記短冊状圧電体素子の幅方向の共振周波数
   を厚さ方向の共振周波数より低くしたことを特徴とする
   超音波プローブ。