JPH0448039B2 - - Google Patents
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- JPH0448039B2 JPH0448039B2 JP59040485A JP4048584A JPH0448039B2 JP H0448039 B2 JPH0448039 B2 JP H0448039B2 JP 59040485 A JP59040485 A JP 59040485A JP 4048584 A JP4048584 A JP 4048584A JP H0448039 B2 JPH0448039 B2 JP H0448039B2
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- G—PHYSICS
- G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
- G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
- G10K11/02—Mechanical acoustic impedances; Impedance matching, e.g. by horns; Acoustic resonators
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Multimedia (AREA)
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
- Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
発明の背景
Ａ 技術分野
本発明は超音波診断装置などに用いられる超音
波探触子に係り、とくに、圧電体の超音波出力面
に３層構造の音響整合層を装備した超音波探触子
に関する。 Ｂ 先行技術とその問題点 超音波の透過・反射特性を利用した例えば超音
波診断装置は、生体を解剖することなくその断層
像は実時間で観察することができる装置としてそ
の経済性・無侵襲性から近年、医療分野において
広く利用されている。この超音波診断装置は、所
謂パルスエコー法を用いており、被検体に超音波
パルスを発射し、この超音波パルスが被検体内部
の音響インピーダンスの不連続点で反射したエコ
ーを検出し、その到達時刻及びエコーの強さから
Ｂモードによる生体の二次元像を表示するもので
ある。 この超音波診断装置において、超音波の伝播方
向の分解能である時間分解能（距離分解能）は、
細部の正確な断層像を得る上で伝播方向と直角方
向の方位分解能と共に重要な因子の１つである
が、超音波探触子から生体へ送信する超音波パル
スのパルス幅が短い程、また、エコー受信時の超
音波探触子の応答性が速い程時間分解能は向上す
る。一つのトランスジユーサ（電気−音響変換素
子）で送受信を兼用する探触子ではインパルス応
答の改善で時間分解能の向上を図ることができ
る。 従来、探触子のインパルス応答を改善する方法
として行なわれているものの一つに、第１図に示
す如く、トランスジユーサ１０の主面１２，１４
の内、超音波を送信する負荷（生体）１６とは反
対側の背面１４にトランスジユーサ１０の音響イ
ンピーダンスに近い背面負荷材（バツキング材）
１８を密着し、背面へ放射する超音波を吸収させ
る方法がある。この方法は、トランスジユーサ１
０の背面反射を超音波の送受信に有効利用するこ
とができず、ために探触子全体の感度が低下して
しまう欠点があつた。 インパルス応答を改善する他の方法は、第２図
の如くトランスジユーサ１０と負荷１６の間に厚
さλ／４（λは材料中における超音波の波長）の
音響整合層２０を形成するものである。この方法
は、一般にトランスジユーサとして利用されてい
るジルコンチタン酸鉛系のセラミツク圧電体（所
謂PZT）の音響インピーダンスが約30×106（Kg／
m2・ｓ）程度なのに対し、生体皮膚のそれは約
1.5〜1.6×106（Kg／m2・ｓ）と大きく離れており、
両者を直接密着させたときトランスジユーサ１０
の主面１２と生体表面２２との間で、超音波が何
度も反射し、結果として生体へ送信される超音波
が損失されて探触子の感度低下、応答性の劣化を
招くので、音響整合層を形成して前記多重反射を
緩和せんとするものである。音響整合層を１層又
は２層（第３図参照）にして感度・応答性を改良
したものは既に実用化が図られている。一方、３
層構造については (1) 「Multilayer Impedance Matching
Schemes for Broadbanding of Water
Loaded Piezoelectic Transducers and High
Ｑ Electric Resonators」（J.H.GOLL＆B.A.
Auld，IEEE TRANSACTION ON SONICS
AND ULTRASONICS 1975 vol.SU−22.No.
１ pp.52〜53） (2) 「The Design of Broad−Band Fluid−
Loaded Ultrasonic Transducers」（J.H.
GOLL、IEEE TRANSACTION ON
SONICS AND ULTRASONICS 1979.vol.
SU−26.No.６ pp.385〜393） (3) 特開昭52−61987号公報など、数々の報告が
なされているものの、未だ１層又は２層構造の
特性を上回る最適な構成を有する３層音響整合
層の提案はなく、実用化がまたれているといつ
た現状である。 これとは別に、第４図に示す如き、トランスジ
ユーサ１０の音響インピーダンスから生体表面２
２の音響インピーダンスまで連続的に変化する媒
介層２４をトランスジユーサ１０の生体１６の間
に設ける提案がなされているが（特開昭54−
21082号公報）、実際上適切な材料の選択，製造が
極めて困難であるという不都合があつた。 発明の目的 したがつて本発明は、感度をそれ程損失するこ
となく、１層又は２層タイプの音響整合層より優
れた応答性を発揮することが可能で最適な３層音
響整合層構造を持つ超音波探触子を提供すること
を目的とする。 本発明によれば、この目的は次のような超音波
探触子によつて達成される。すなわち、この超音
波探触子は、圧電体としてジルコンチタン酸鉛系
のセラミツク圧電材を用いるとともに、音響整合
層として音響インピーダンスが７〜11×106Kg／
m2・ｓである第１の整合材、2.0〜4.0×106Kg／
m2・ｓである第２の整合材、1.6〜2.0×106Kg／
m2・ｓである第３の整合材を順次積層した３層構
造体である。 発明の具体的説明 次に、添付図面を参照して本発明の超音波探触
子につき詳細に説明する。 本発明は、超音波探触子を構成している各媒質
中を伝播する圧力波を理論解析し、受信波形を直
接求めて探触子の感度・応答性を算出することに
より最適な整合層を見い出したもので、第５図乃
至第１１図にその解析原理を示す。まず、第５図
は、トランスジユーサ１０の厚さをλ／２（λは
圧電材中での波長）、トランスジユーサ１０と負
荷１６との間に厚さλ′／４（λ′は整合層内での波
長）の音響整合層２０を設け、背面側に背面負荷
材１８を密着した構成を持つ超音波探触子３０に
おいて、トランスジユーサ１０両面の電極２４，
２６に、第７図に示す単パルス電圧Vioを掛けた
場合の圧力波の時間的変化を図式化して示す説明
図である。図中、縦軸は時間経過を表わす。トラ
ンスジユーサ１０の両面からは４つの圧力波A1
〜A4が放出されるが単パルス電圧Vioが印加され
た時刻ｔ＝０に発生する圧力波（A1）0〜（A1）4
のそれぞれの振幅は次式で示される。 （A1）0＝−hC・Vio・ZB／（ZB＋ZT） （A2）0＝hC・Vio・ZT／（ZB＋ZT） （A3）0＝hC・Vio・ZT／（ZT＋ZM） （A4）0＝−hC・Vio・ZM／（ZT＋ZM） 但し、ｈはトランスジユーサ１０の厚さ方向の
圧電係数、Ｃは静電容量、ZB，ZT，ZM（＝Z1）は
各々背面負荷材１８、トランスジユーサ１０、整
合層２０の音響インピーダンスである。この４つ
の波が、各媒質の境界で、反射透過を繰返しなが
ら負荷１６中に、圧力波AFを放出すなわち送信
する。 ここで、トランスジユーサ１０は厚み振動によ
つて共振周波数でピストン運動を行なつているも
のとし、また、背面負荷材１８の裏面からのエコ
ーは背面負荷材１８に吸収されて殆んど無視で
き、更に、トランスジユーサ１０、整合層２０内
での減衰、電極２４，２６及び各媒質間の接着層
の厚さによる影響も殆んどないものとして扱う。 各媒質の境界において互いに干渉し合う圧力波
のピークが一致するので、A2〜A4及び負荷１６
へ送信される圧力波AFは、次の漸化式で一般化
して表わすことができる。 （A2）o＝RTB・（A3）o-1 （A3）o＝RTM・（A2）o-1 ＋TTM・RMF・（A4）o-1 （A4）o＝TMT・（A2）o-1 ＋RMT・RMF・（A4）o-1 （AF）o′＝TFM・（A4）o ここで、添字ｎは、圧力波の発生時刻がto＝
ｎ・t1であることを意味し、n′はtoよりt1／２だ
け遅れていることを表わす。t1は音波がトランス
ジユーサ１０を片道伝搬する時間である。 また、RTB，RTM，RMF，TTM，TMT，TFMは媒質
境界での反射および透過係数で次式で与えられ
る。 RTB＝（ZB−ZT）／（ZT＋ZB） ，RTM＝ZM−ZT）／（ZT＋ZT） RMF＝（ZF−ZM）／（ZM＋ZF） TTM＝2ZT／（ZT＋ZM） ，TMT＝2ZM／（ZM＋ZT） TFM＝2ZF／（ZF＋ZM） 一方、送信波AFを同一の探触子３０で受信し
たとき、圧力波A1〜A4の時間的変化は、前述と
同様にして第６図に示す如くになり、（AF）o
″（添字n″はtoよりt1／２だけ前の時刻を意味す
る、即ち、n″＝n′−１）が探触子に入射した場
合、toの時点でトランスジユーサ１０に向かつて
作用する力は主面１４側では（A2）o−（A3）o-1、
１２側では（A3）o−（A2）o-1であるから、toの時
点で発生する受信電圧は、トランスジユーサ１０
のピストン運動を考慮して、 Vo＝Ｋ〔o 〓k=1 ｛（A2）k−（A3）k-1｝＋o 〓 〓k=1 ｛（A3）k−（A2）k-1｝〕＝Ｋ｛（A2）o＋（A3）o
｝ 但しＫは比例定数 となる。（A2）o、（A3）oは、次の漸化式で与えら
れる。 （A2）o＝RTB・（A3）o-1 （A3）o＝RTM・（A2）o-1＋TTM・RMF ・（A4）o-1＋TMF・TTM・（AF）o″ （A4）o＝TMF・（A2）o-1＋RMT・RMF ・（A4）o-1＋TMF・RMT・（AF）o″ 以上の計算を行なえば、単パルス電圧Vioに対
する受信波形を求めることができる。 同様の考えのもとに、第８図，第９図に、トラ
ンスジユーサ１０と負荷１６との間に、厚さλ1／
４及びλ2／４（λ1，λ2は各々整合層内の波長）で
音響インピーダンスがZ1，Z2の第１整合層３２及
び第２整合層３４を形成した整合層が２層構造の
探触子４０に対する送信時及び受信時の圧力波形
の時間変化を示す。前述と同様にして、送信時の
A2〜A5，AFの圧力波は次の漸化式で表わされ
る。 （A2）o＝RTB・（A3）o-1 （A3）o＝RT1・（A2）o-1＋R12・TT1 ・（A4）o-1＋T12・TT1・（A5）o-1 （A4）o＝T1T・（A2）o-1＋R12・R1T ・（A4）o-1＋T12・R1T・（A5）o-1 （A5）o＝T21・R2F・（A4）o-1 ＋R21・R2F（A5）o-1 （AF）o＝T21・TF2・（A4）o-1 ＋R21・TF2・（A5）o-1 また受信時の（A2）o，（A3）oは、次式で与えら
れる。 （A2）o＝RTB・（A3）o-1 （A3）o＝RT1・（A2）o-1＋R12・TT1 ・（A4）o-1＋T12・TT1・（A5）o-1 （A4）o＝T1T・（A2）o-1＋R12・R1T ・（A4）o-1＋T12・R1T・（A5）o-1 （A5）o＝T21・R2F・（A4）o-1＋R21・ R2F・（A5）o-1＋T2F・（AF）o 更に、第１０図，第１１図は、トランスジユー
サ１０と負荷１６との間に、厚さλ1／４，λ2／
４，λ3／４（λ1，λ2，λ3は各々整合層内の波長）
で音響インピーダンスがZ1，Z2，Z3の三層構造の
第１乃至第３音響整合層４２，４４，４６を形成
した探触子５０に対する送信時及び受信時の圧力
波形の時間変化を示すもので、前述と同様にして
送信時のA2〜A6，AFの圧力波は （A2）o＝RTB・（A3）o-1 （A3）o＝RT1・（A2）o-1＋R12・TT1 ・（A4）o-1＋T12・TT1・（A5）o-1 （A4）o＝T1T・（A2）o-1＋R12・R1T ・（A4）o-1＋T12・R1T・（A5）o-1 （A5）o＝T21・R23・（A4）o-1＋R21・R23 ・（A5）o-1＋R3F・T23・（A6）o-1 （A6）o＝T21・T32・（A4）o-1＋R21・T32・ （A5）o-1＋R3F・R32・（A6）o-1 （AF）o′＝TF3・（A6）o また、受信時についても以下の漸化式で与えら
れる。 （A2）o〜（A4）4は送信時と同じ、 （A5）o＝T21・R23・（A4）o-1 ＋R21・R23・（A5）o-1 ＋R3F・T23・（A6）o-1 ＋T3F・T23・（AF）o″ （A6）o＝T21・T32・（A4）o-1 ＋R21・T32（A5）o-1 ＋R3F・R32・（A6）o-1 ＋T3F・R32・（AF）o″ 但し、n″＝n′−１ 以上の解析法に基づき、背面負荷１８が空気
（ZB≒０）でトランスジユーサ１０及び負荷１６
の音響インピーダンスを各々ZT＝30，ZF＝1.5×
106Kg／m2・ｓとした場合の各１層乃至３層構造
の探触子３０，４０，５０について、受信波形を
求め、最大パルス高から相対感度Ｓ、時間軸上に
おける最大パルス周りの分散から応答性Ｄを算出
した。その結果を第１２図乃至第１６図に示す。
なお、２層構造の探触子４０を例として解析して
得た受信波形は、実際の探触子を製作し、実測し
て得た波形と概ね一致する結果となり、本発明原
理の妥当なことがわかる。これを第１７図乃至第
２０図に示す。これらの図において図Ａは実測波
形を示し、同Ｂは解析波形を示す。 第１２図，第１３図は、整合層が１層の探触子
３０に関するもので整合層２０の音響インピーダ
ンスZ1が種々に変化させてある。これによれば、
Z1＝４×106Kg／m2・ｓ付近で感度・応答性とも
に最高レベルとなつている。第１４図は、２層タ
イプの探触子４０の特性で、第１層の音響整合層
３２の音響インピーダンスZ1パラメータとし、各
Z1の値毎に第２層のZ2を種々に変化させた様子を
示す。図から応答性の改善は、Z1を６〜７，Z2を
2.0〜2.2×106Kg／m2・ｓ程度にするのが最適であ
り、この場合、相対感度は最適組合せ（Z1＝５〜
６，Z2＝1.7〜1.9×106Kg／m2・ｓ）に比べて１％
程度しか低下していない。第１５図，１６図の×
印で示したデータは、上記２層タイプの探触子４
０の特性から、各Z1の値毎に最適となるZ2の組合
せを見出し、相対感度ＳとＤをプロツトしたもの
で、グラフの数字はZ2の値を×106Kg／m2・ｓで
表わしている。第１５図，第１６図中の黒丸印で
示したデータは、３層タイプの探触子５０の特性
を示すもので、各Z1の値毎に最適となるZ2，Z3の
組合せを見出し、ＳとＤをプロツトしたもので、
グラフ中の数字の上段は、Z2の値、下段はZ3の値
を×106Kg／m2・ｓで表わしている。この結果、
前記２層タイプより更に応答性の改善がなされて
いる範囲は、概略次の範囲のものである。 第１整合層Z1：６〜12（×106Kg／m2・ｓ） 第２整合層Z2：２〜４ 第３整合層Z3：1.6〜2.0 この範囲での応答性は、約1.7〜２の値であり、
感度の最適組合せからの低下は数％以下である。
解析受信波形例を第２１図，第２２図に示す。 第２３図，第２４図は、トランスジユーサ１０
の音響インピーダンスZTを20×106及び40×106
（Kg／m2・ｓ）とした場合の各探触子３０，４０，
５０の特性を前述と同様に算出したもので各々、
２層タイプより改善された応答性を示す３層タイ
プの範囲は次の通りである。
波探触子に係り、とくに、圧電体の超音波出力面
に３層構造の音響整合層を装備した超音波探触子
に関する。 Ｂ 先行技術とその問題点 超音波の透過・反射特性を利用した例えば超音
波診断装置は、生体を解剖することなくその断層
像は実時間で観察することができる装置としてそ
の経済性・無侵襲性から近年、医療分野において
広く利用されている。この超音波診断装置は、所
謂パルスエコー法を用いており、被検体に超音波
パルスを発射し、この超音波パルスが被検体内部
の音響インピーダンスの不連続点で反射したエコ
ーを検出し、その到達時刻及びエコーの強さから
Ｂモードによる生体の二次元像を表示するもので
ある。 この超音波診断装置において、超音波の伝播方
向の分解能である時間分解能（距離分解能）は、
細部の正確な断層像を得る上で伝播方向と直角方
向の方位分解能と共に重要な因子の１つである
が、超音波探触子から生体へ送信する超音波パル
スのパルス幅が短い程、また、エコー受信時の超
音波探触子の応答性が速い程時間分解能は向上す
る。一つのトランスジユーサ（電気−音響変換素
子）で送受信を兼用する探触子ではインパルス応
答の改善で時間分解能の向上を図ることができ
る。 従来、探触子のインパルス応答を改善する方法
として行なわれているものの一つに、第１図に示
す如く、トランスジユーサ１０の主面１２，１４
の内、超音波を送信する負荷（生体）１６とは反
対側の背面１４にトランスジユーサ１０の音響イ
ンピーダンスに近い背面負荷材（バツキング材）
１８を密着し、背面へ放射する超音波を吸収させ
る方法がある。この方法は、トランスジユーサ１
０の背面反射を超音波の送受信に有効利用するこ
とができず、ために探触子全体の感度が低下して
しまう欠点があつた。 インパルス応答を改善する他の方法は、第２図
の如くトランスジユーサ１０と負荷１６の間に厚
さλ／４（λは材料中における超音波の波長）の
音響整合層２０を形成するものである。この方法
は、一般にトランスジユーサとして利用されてい
るジルコンチタン酸鉛系のセラミツク圧電体（所
謂PZT）の音響インピーダンスが約30×106（Kg／
m2・ｓ）程度なのに対し、生体皮膚のそれは約
1.5〜1.6×106（Kg／m2・ｓ）と大きく離れており、
両者を直接密着させたときトランスジユーサ１０
の主面１２と生体表面２２との間で、超音波が何
度も反射し、結果として生体へ送信される超音波
が損失されて探触子の感度低下、応答性の劣化を
招くので、音響整合層を形成して前記多重反射を
緩和せんとするものである。音響整合層を１層又
は２層（第３図参照）にして感度・応答性を改良
したものは既に実用化が図られている。一方、３
層構造については (1) 「Multilayer Impedance Matching
Schemes for Broadbanding of Water
Loaded Piezoelectic Transducers and High
Ｑ Electric Resonators」（J.H.GOLL＆B.A.
Auld，IEEE TRANSACTION ON SONICS
AND ULTRASONICS 1975 vol.SU−22.No.
１ pp.52〜53） (2) 「The Design of Broad−Band Fluid−
Loaded Ultrasonic Transducers」（J.H.
GOLL、IEEE TRANSACTION ON
SONICS AND ULTRASONICS 1979.vol.
SU−26.No.６ pp.385〜393） (3) 特開昭52−61987号公報など、数々の報告が
なされているものの、未だ１層又は２層構造の
特性を上回る最適な構成を有する３層音響整合
層の提案はなく、実用化がまたれているといつ
た現状である。 これとは別に、第４図に示す如き、トランスジ
ユーサ１０の音響インピーダンスから生体表面２
２の音響インピーダンスまで連続的に変化する媒
介層２４をトランスジユーサ１０の生体１６の間
に設ける提案がなされているが（特開昭54−
21082号公報）、実際上適切な材料の選択，製造が
極めて困難であるという不都合があつた。 発明の目的 したがつて本発明は、感度をそれ程損失するこ
となく、１層又は２層タイプの音響整合層より優
れた応答性を発揮することが可能で最適な３層音
響整合層構造を持つ超音波探触子を提供すること
を目的とする。 本発明によれば、この目的は次のような超音波
探触子によつて達成される。すなわち、この超音
波探触子は、圧電体としてジルコンチタン酸鉛系
のセラミツク圧電材を用いるとともに、音響整合
層として音響インピーダンスが７〜11×106Kg／
m2・ｓである第１の整合材、2.0〜4.0×106Kg／
m2・ｓである第２の整合材、1.6〜2.0×106Kg／
m2・ｓである第３の整合材を順次積層した３層構
造体である。 発明の具体的説明 次に、添付図面を参照して本発明の超音波探触
子につき詳細に説明する。 本発明は、超音波探触子を構成している各媒質
中を伝播する圧力波を理論解析し、受信波形を直
接求めて探触子の感度・応答性を算出することに
より最適な整合層を見い出したもので、第５図乃
至第１１図にその解析原理を示す。まず、第５図
は、トランスジユーサ１０の厚さをλ／２（λは
圧電材中での波長）、トランスジユーサ１０と負
荷１６との間に厚さλ′／４（λ′は整合層内での波
長）の音響整合層２０を設け、背面側に背面負荷
材１８を密着した構成を持つ超音波探触子３０に
おいて、トランスジユーサ１０両面の電極２４，
２６に、第７図に示す単パルス電圧Vioを掛けた
場合の圧力波の時間的変化を図式化して示す説明
図である。図中、縦軸は時間経過を表わす。トラ
ンスジユーサ１０の両面からは４つの圧力波A1
〜A4が放出されるが単パルス電圧Vioが印加され
た時刻ｔ＝０に発生する圧力波（A1）0〜（A1）4
のそれぞれの振幅は次式で示される。 （A1）0＝−hC・Vio・ZB／（ZB＋ZT） （A2）0＝hC・Vio・ZT／（ZB＋ZT） （A3）0＝hC・Vio・ZT／（ZT＋ZM） （A4）0＝−hC・Vio・ZM／（ZT＋ZM） 但し、ｈはトランスジユーサ１０の厚さ方向の
圧電係数、Ｃは静電容量、ZB，ZT，ZM（＝Z1）は
各々背面負荷材１８、トランスジユーサ１０、整
合層２０の音響インピーダンスである。この４つ
の波が、各媒質の境界で、反射透過を繰返しなが
ら負荷１６中に、圧力波AFを放出すなわち送信
する。 ここで、トランスジユーサ１０は厚み振動によ
つて共振周波数でピストン運動を行なつているも
のとし、また、背面負荷材１８の裏面からのエコ
ーは背面負荷材１８に吸収されて殆んど無視で
き、更に、トランスジユーサ１０、整合層２０内
での減衰、電極２４，２６及び各媒質間の接着層
の厚さによる影響も殆んどないものとして扱う。 各媒質の境界において互いに干渉し合う圧力波
のピークが一致するので、A2〜A4及び負荷１６
へ送信される圧力波AFは、次の漸化式で一般化
して表わすことができる。 （A2）o＝RTB・（A3）o-1 （A3）o＝RTM・（A2）o-1 ＋TTM・RMF・（A4）o-1 （A4）o＝TMT・（A2）o-1 ＋RMT・RMF・（A4）o-1 （AF）o′＝TFM・（A4）o ここで、添字ｎは、圧力波の発生時刻がto＝
ｎ・t1であることを意味し、n′はtoよりt1／２だ
け遅れていることを表わす。t1は音波がトランス
ジユーサ１０を片道伝搬する時間である。 また、RTB，RTM，RMF，TTM，TMT，TFMは媒質
境界での反射および透過係数で次式で与えられ
る。 RTB＝（ZB−ZT）／（ZT＋ZB） ，RTM＝ZM−ZT）／（ZT＋ZT） RMF＝（ZF−ZM）／（ZM＋ZF） TTM＝2ZT／（ZT＋ZM） ，TMT＝2ZM／（ZM＋ZT） TFM＝2ZF／（ZF＋ZM） 一方、送信波AFを同一の探触子３０で受信し
たとき、圧力波A1〜A4の時間的変化は、前述と
同様にして第６図に示す如くになり、（AF）o
″（添字n″はtoよりt1／２だけ前の時刻を意味す
る、即ち、n″＝n′−１）が探触子に入射した場
合、toの時点でトランスジユーサ１０に向かつて
作用する力は主面１４側では（A2）o−（A3）o-1、
１２側では（A3）o−（A2）o-1であるから、toの時
点で発生する受信電圧は、トランスジユーサ１０
のピストン運動を考慮して、 Vo＝Ｋ〔o 〓k=1 ｛（A2）k−（A3）k-1｝＋o 〓 〓k=1 ｛（A3）k−（A2）k-1｝〕＝Ｋ｛（A2）o＋（A3）o
｝ 但しＫは比例定数 となる。（A2）o、（A3）oは、次の漸化式で与えら
れる。 （A2）o＝RTB・（A3）o-1 （A3）o＝RTM・（A2）o-1＋TTM・RMF ・（A4）o-1＋TMF・TTM・（AF）o″ （A4）o＝TMF・（A2）o-1＋RMT・RMF ・（A4）o-1＋TMF・RMT・（AF）o″ 以上の計算を行なえば、単パルス電圧Vioに対
する受信波形を求めることができる。 同様の考えのもとに、第８図，第９図に、トラ
ンスジユーサ１０と負荷１６との間に、厚さλ1／
４及びλ2／４（λ1，λ2は各々整合層内の波長）で
音響インピーダンスがZ1，Z2の第１整合層３２及
び第２整合層３４を形成した整合層が２層構造の
探触子４０に対する送信時及び受信時の圧力波形
の時間変化を示す。前述と同様にして、送信時の
A2〜A5，AFの圧力波は次の漸化式で表わされ
る。 （A2）o＝RTB・（A3）o-1 （A3）o＝RT1・（A2）o-1＋R12・TT1 ・（A4）o-1＋T12・TT1・（A5）o-1 （A4）o＝T1T・（A2）o-1＋R12・R1T ・（A4）o-1＋T12・R1T・（A5）o-1 （A5）o＝T21・R2F・（A4）o-1 ＋R21・R2F（A5）o-1 （AF）o＝T21・TF2・（A4）o-1 ＋R21・TF2・（A5）o-1 また受信時の（A2）o，（A3）oは、次式で与えら
れる。 （A2）o＝RTB・（A3）o-1 （A3）o＝RT1・（A2）o-1＋R12・TT1 ・（A4）o-1＋T12・TT1・（A5）o-1 （A4）o＝T1T・（A2）o-1＋R12・R1T ・（A4）o-1＋T12・R1T・（A5）o-1 （A5）o＝T21・R2F・（A4）o-1＋R21・ R2F・（A5）o-1＋T2F・（AF）o 更に、第１０図，第１１図は、トランスジユー
サ１０と負荷１６との間に、厚さλ1／４，λ2／
４，λ3／４（λ1，λ2，λ3は各々整合層内の波長）
で音響インピーダンスがZ1，Z2，Z3の三層構造の
第１乃至第３音響整合層４２，４４，４６を形成
した探触子５０に対する送信時及び受信時の圧力
波形の時間変化を示すもので、前述と同様にして
送信時のA2〜A6，AFの圧力波は （A2）o＝RTB・（A3）o-1 （A3）o＝RT1・（A2）o-1＋R12・TT1 ・（A4）o-1＋T12・TT1・（A5）o-1 （A4）o＝T1T・（A2）o-1＋R12・R1T ・（A4）o-1＋T12・R1T・（A5）o-1 （A5）o＝T21・R23・（A4）o-1＋R21・R23 ・（A5）o-1＋R3F・T23・（A6）o-1 （A6）o＝T21・T32・（A4）o-1＋R21・T32・ （A5）o-1＋R3F・R32・（A6）o-1 （AF）o′＝TF3・（A6）o また、受信時についても以下の漸化式で与えら
れる。 （A2）o〜（A4）4は送信時と同じ、 （A5）o＝T21・R23・（A4）o-1 ＋R21・R23・（A5）o-1 ＋R3F・T23・（A6）o-1 ＋T3F・T23・（AF）o″ （A6）o＝T21・T32・（A4）o-1 ＋R21・T32（A5）o-1 ＋R3F・R32・（A6）o-1 ＋T3F・R32・（AF）o″ 但し、n″＝n′−１ 以上の解析法に基づき、背面負荷１８が空気
（ZB≒０）でトランスジユーサ１０及び負荷１６
の音響インピーダンスを各々ZT＝30，ZF＝1.5×
106Kg／m2・ｓとした場合の各１層乃至３層構造
の探触子３０，４０，５０について、受信波形を
求め、最大パルス高から相対感度Ｓ、時間軸上に
おける最大パルス周りの分散から応答性Ｄを算出
した。その結果を第１２図乃至第１６図に示す。
なお、２層構造の探触子４０を例として解析して
得た受信波形は、実際の探触子を製作し、実測し
て得た波形と概ね一致する結果となり、本発明原
理の妥当なことがわかる。これを第１７図乃至第
２０図に示す。これらの図において図Ａは実測波
形を示し、同Ｂは解析波形を示す。 第１２図，第１３図は、整合層が１層の探触子
３０に関するもので整合層２０の音響インピーダ
ンスZ1が種々に変化させてある。これによれば、
Z1＝４×106Kg／m2・ｓ付近で感度・応答性とも
に最高レベルとなつている。第１４図は、２層タ
イプの探触子４０の特性で、第１層の音響整合層
３２の音響インピーダンスZ1パラメータとし、各
Z1の値毎に第２層のZ2を種々に変化させた様子を
示す。図から応答性の改善は、Z1を６〜７，Z2を
2.0〜2.2×106Kg／m2・ｓ程度にするのが最適であ
り、この場合、相対感度は最適組合せ（Z1＝５〜
６，Z2＝1.7〜1.9×106Kg／m2・ｓ）に比べて１％
程度しか低下していない。第１５図，１６図の×
印で示したデータは、上記２層タイプの探触子４
０の特性から、各Z1の値毎に最適となるZ2の組合
せを見出し、相対感度ＳとＤをプロツトしたもの
で、グラフの数字はZ2の値を×106Kg／m2・ｓで
表わしている。第１５図，第１６図中の黒丸印で
示したデータは、３層タイプの探触子５０の特性
を示すもので、各Z1の値毎に最適となるZ2，Z3の
組合せを見出し、ＳとＤをプロツトしたもので、
グラフ中の数字の上段は、Z2の値、下段はZ3の値
を×106Kg／m2・ｓで表わしている。この結果、
前記２層タイプより更に応答性の改善がなされて
いる範囲は、概略次の範囲のものである。 第１整合層Z1：６〜12（×106Kg／m2・ｓ） 第２整合層Z2：２〜４ 第３整合層Z3：1.6〜2.0 この範囲での応答性は、約1.7〜２の値であり、
感度の最適組合せからの低下は数％以下である。
解析受信波形例を第２１図，第２２図に示す。 第２３図，第２４図は、トランスジユーサ１０
の音響インピーダンスZTを20×106及び40×106
（Kg／m2・ｓ）とした場合の各探触子３０，４０，
５０の特性を前述と同様に算出したもので各々、
２層タイプより改善された応答性を示す３層タイ
プの範囲は次の通りである。
【表】
従つて、トランスジユーサ１０に用いる圧電材
が例えばPZTでZT＝20〜40×106Kg／m2・ｓとす
るとき、２層タイプより改良される３層タイプの
構成範囲は、 第１整合層 ５〜15（×106Kg／m2・ｓ） 第２整合層 1.9〜4.4（×106Kg／m2・ｓ） 第３整合層 1.6〜2.0（×106Kg／m2・ｓ） となる。 次表は、ZT＝33.7×106Kg／m2・ｓのトランス
ジユーサ１０を用いて、従来報告されている３層
タイプの探触子と本発明原理に基づいて最適化し
た探触子との特性を比較したもので、応答性が格
段に改善されていることが示されている。第２５
図、第２６図に示す従来法の３層タイプに対する
解析受信波形と、第２７図に示す本発明に基づく
３層タイプの解析受信波形を較べても受信波形の
後引き部分が殆んど消えているがわかる。
が例えばPZTでZT＝20〜40×106Kg／m2・ｓとす
るとき、２層タイプより改良される３層タイプの
構成範囲は、 第１整合層 ５〜15（×106Kg／m2・ｓ） 第２整合層 1.9〜4.4（×106Kg／m2・ｓ） 第３整合層 1.6〜2.0（×106Kg／m2・ｓ） となる。 次表は、ZT＝33.7×106Kg／m2・ｓのトランス
ジユーサ１０を用いて、従来報告されている３層
タイプの探触子と本発明原理に基づいて最適化し
た探触子との特性を比較したもので、応答性が格
段に改善されていることが示されている。第２５
図、第２６図に示す従来法の３層タイプに対する
解析受信波形と、第２７図に示す本発明に基づく
３層タイプの解析受信波形を較べても受信波形の
後引き部分が殆んど消えているがわかる。
【表】
本発明による３層構造の探触子を実現するため
には、上記各整合層の音響インピーダンスの範囲
より例えば次の材料を使用すればよい。 第１整合層：GeSe，As2S3ガラス、エポキシ
樹脂とＷ粉の混合物、熱可塑性高
分子又は熱可塑性高分子とゴム状
弾性高分子からなる高分子物質と
無機粉末からなる混合物、等 第２整合層：ポリスチレン，ポリエチレン，ポ
リエステル，ABSポリカーボネ
ート，アクリル，エポキシ樹脂、
等 第３整合層：シリコーン・ゴム，ネオプレン・
ゴム、等 発明の具体的作用効果 以上のように本発明の超音波探触子によれば、
トランスジユーサと負荷との間に３層構造の音響
整合層を形成し、各整合層の音響インピーダンス
を最適化したことで、１，２層タイプの音響整合
層を有する探触子に比べ感度をそれ程損失するこ
となく、応答性の改善を図ることができる。従つ
て、より広帯域の超音波信号を送受信できるので
時間分解能が改善され装置の性能が向上する。
には、上記各整合層の音響インピーダンスの範囲
より例えば次の材料を使用すればよい。 第１整合層：GeSe，As2S3ガラス、エポキシ
樹脂とＷ粉の混合物、熱可塑性高
分子又は熱可塑性高分子とゴム状
弾性高分子からなる高分子物質と
無機粉末からなる混合物、等 第２整合層：ポリスチレン，ポリエチレン，ポ
リエステル，ABSポリカーボネ
ート，アクリル，エポキシ樹脂、
等 第３整合層：シリコーン・ゴム，ネオプレン・
ゴム、等 発明の具体的作用効果 以上のように本発明の超音波探触子によれば、
トランスジユーサと負荷との間に３層構造の音響
整合層を形成し、各整合層の音響インピーダンス
を最適化したことで、１，２層タイプの音響整合
層を有する探触子に比べ感度をそれ程損失するこ
となく、応答性の改善を図ることができる。従つ
て、より広帯域の超音波信号を送受信できるので
時間分解能が改善され装置の性能が向上する。
第１図乃至第４図は各々従来型の探触子を示す
概略図、第５図、第６図は１層タイプの探触子の
送受信時における圧力波の伝播の様子を示す説明
図、第７図は、トランスジユーサの両端に印加す
る信号波を示す図、第８図、第９図は２層タイプ
の探触子の送受信時における圧力波の伝播の様子
を示す説明図、第１０図、第１１図は３層タイプ
の探触子の送受信時における圧力波の伝播の様子
を示す説明図、第１２図、第１３図は各々１層タ
イプの探触子の感度及び応答性を示す線図、第１
４図は２層タイプの探触子の感度及び応答性特性
を示す線図、第１５図、第１６図は各々本発明に
係る３層タイプの探触子の感度及び応答性特性を
２層タイプと比較して示す線図、第１７図乃至第
２０図は２層タイプの探触子について解析して得
た受信波形と実測波形を比較して示す線図、第２
１図、第２２図は本発明に係る最適化した３層タ
イプの探触子について解析して得た受信波形を示
す線図、第２３図及び第２４図は、トランスジユ
ーサの音響インピーダンスを変えた場合における
３層タイプの探触子の感度及び応答性特性を示す
線図、第２５図、第２６図は従来の３層タイプの
探触子につき解析して得た受信波形を示す線図、
第２７図は本発明の３層タイプの探触子について
解析して得た受信波形を示す線図である。 主要部分の符号の説明、１０…圧電体としての
トランスジユーサ、２４，２６…電極、４２…第
１音響整合層、４４…第２音響整合層、４６…第
３音響整合層。
概略図、第５図、第６図は１層タイプの探触子の
送受信時における圧力波の伝播の様子を示す説明
図、第７図は、トランスジユーサの両端に印加す
る信号波を示す図、第８図、第９図は２層タイプ
の探触子の送受信時における圧力波の伝播の様子
を示す説明図、第１０図、第１１図は３層タイプ
の探触子の送受信時における圧力波の伝播の様子
を示す説明図、第１２図、第１３図は各々１層タ
イプの探触子の感度及び応答性を示す線図、第１
４図は２層タイプの探触子の感度及び応答性特性
を示す線図、第１５図、第１６図は各々本発明に
係る３層タイプの探触子の感度及び応答性特性を
２層タイプと比較して示す線図、第１７図乃至第
２０図は２層タイプの探触子について解析して得
た受信波形と実測波形を比較して示す線図、第２
１図、第２２図は本発明に係る最適化した３層タ
イプの探触子について解析して得た受信波形を示
す線図、第２３図及び第２４図は、トランスジユ
ーサの音響インピーダンスを変えた場合における
３層タイプの探触子の感度及び応答性特性を示す
線図、第２５図、第２６図は従来の３層タイプの
探触子につき解析して得た受信波形を示す線図、
第２７図は本発明の３層タイプの探触子について
解析して得た受信波形を示す線図である。 主要部分の符号の説明、１０…圧電体としての
トランスジユーサ、２４，２６…電極、４２…第
１音響整合層、４４…第２音響整合層、４６…第
３音響整合層。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 圧電体の両面に形成された１対の電極と、該
１対の電極の一方の電極上に設けられた音響整合
層とを有する超音波探触子において、 前記圧電体は、ジルコンチタン酸鉛系のセラミ
ツク圧電体であり、 前記音響整合層は、音響インピーダンスが７〜
11X106Kg／m2・ｓである第１の整合材、2.0〜
4.0X106Kg／m2・ｓである第２の整合材、1.6〜
2.0X106Kg／m2・ｓである第３の整合材を順次積
層した３層構造体であることを特徴とする超音波
探触子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4048584A JPS60185499A (ja) | 1984-03-05 | 1984-03-05 | 超音波探触子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4048584A JPS60185499A (ja) | 1984-03-05 | 1984-03-05 | 超音波探触子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60185499A JPS60185499A (ja) | 1985-09-20 |
| JPH0448039B2 true JPH0448039B2 (ja) | 1992-08-05 |
Family
ID=12581895
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4048584A Granted JPS60185499A (ja) | 1984-03-05 | 1984-03-05 | 超音波探触子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS60185499A (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61194999A (ja) * | 1985-02-23 | 1986-08-29 | Terumo Corp | 超音波探触子 |
| JPS62258597A (ja) * | 1986-04-25 | 1987-11-11 | Yokogawa Medical Syst Ltd | 超音波トランスデユ−サ |
| JP5331483B2 (ja) | 2006-11-08 | 2013-10-30 | パナソニック株式会社 | 超音波探触子 |
| JP5681662B2 (ja) * | 2012-04-12 | 2015-03-11 | 日立アロカメディカル株式会社 | 超音波探触子 |
| JP6186957B2 (ja) | 2013-07-04 | 2017-08-30 | コニカミノルタ株式会社 | 超音波探触子及び超音波画像診断装置 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5857707B2 (ja) * | 1975-11-17 | 1983-12-21 | 松下電器産業株式会社 | チヨウオンパタンシヨクシ |
| JPS5811000A (ja) * | 1981-07-13 | 1983-01-21 | Toshiba Corp | 圧電素子 |
-
1984
- 1984-03-05 JP JP4048584A patent/JPS60185499A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS60185499A (ja) | 1985-09-20 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |