JPH0965477A

JPH0965477A - 超音波トランスデューサ

Info

Publication number: JPH0965477A
Application number: JP21594695A
Authority: JP
Inventors: Yukihiko Sawada; 之彦沢田; Katsuhiro Wakabayashi; 勝裕若林; Hideo Adachi; 日出夫安達; Tadashi Abe; 匡志阿部; Masayoshi Omura; 正由大村
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1995-08-24
Filing date: 1995-08-24
Publication date: 1997-03-07

Abstract

(57)【要約】【課題】至近距離の観測に適するとともに、より遠距
離の観測への適用が可能な超音波トランスデューサを得
る。【解決手段】超音波トランスデューサ１０は、圧電素
子１と音響整合層１１と背面負荷材７とから構成されて
いる。導波部材５は、反射部材１３と中間層２２と伝達
部材１２とから構成されている。反射部材１３はその一
端がシリコーンゴムからなる封止部材１７を介してトラ
ンスデューサ１０の外周部へ固定されるとともに、その
他端にはミラーブロック１８が一体に固定され、全体と
して超音波プローブ先端部２０を構成している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、医療用または非破
壊検査用の超音波診断装置に用いられる超音波トランス
デューサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、メカニカル駆動方式の超音波プロ
ーブとしては、例えば日本超音波医学会講演論文集（１
９９１年１１月、ｐ７９３）に記載されるものがある。
上記超音波プローブは、図９に示すように、超音波プロ
ーブ先端部９１へ超音波トランスデューサ９２と、超音
波トランスデューサ９２から発信された超音波パルス列
により構成される超音波ビームの進行方向を変更する音
響ミラー９３とを両者の保持部材である円筒状のハウジ
ング９４に実装して構成されている。

【０００３】上記構成の装置は、超音波発振器（図示省
略）からパルス電圧を超音波トランスデューサ９２に印
加すると、超音波トランスデューサ９２から超音波パル
スが発信され、音響ミラー９３で反射された後に超音波
プローブ先端部９１より外部に出力される。観測対象に
よって反射されてきた超音波パルスは音響ミラー９３に
よりその向きを変えられ、超音波トランスデューサ９２
に入射する。

【０００４】一般に、この構成の目的は超音波トランス
デューサ９２と音響ミラー９３との間に超音波パルス伝
達区間を設けることにより、超音波ビームと観測対象と
の間に時間間隔をおくことである。この時間間隔によ
り、超音波プローブ先端部９１直近において反射された
超音波パルスを、超音波トランスデューサ９２に印加さ
れた発信パルスが観測装置に及ぼす影響が無くなった後
で受信することが可能となり、至近距離の観測が可能と
なる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来技術においては以下のような欠点があった。すなわ
ち、超音波プローブの断面積によりトランスデューサの
外形が規制されてしまう。また、トランスデューサとミ
ラーとの間の伝達区間で超音波ビームが発散してしまう
ため、送受信の双方ともミラーでは全ビームを反射する
ことができない。以上の原因により、超音波プローブ全
体としてのゲインが低下してしまう。このため、前記従
来技術の超音波プローブでは至近距離しか観測を行うこ
とができず、その適用範囲が非常に限られてしまう。

【０００６】請求項１〜４の課題は、至近距離の観測に
適するとともに、より遠距離の観測が可能な超音波トラ
ンスデューサを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、圧電
素子と、該圧電素子の一方の面に形成された音響整合層
と、該圧電素子の他方の面に形成された背面負荷材とを
基本構成要素とする超音波トランスデューサにおいて、
前記トランスデューサに導波部材を一体的に形成したこ
とを特徴とする超音波トランスデューサである。

【０００８】請求項２の発明は、前記導波部材は２ｋｇ
／ｍ²ｓ以下の低音響インピーダンス且つ低減衰の材料
からなる超音波伝達部材の周囲に１０ｋｇ／ｍ²ｓ以上
の高音響インピーダンスの材質からなる部材を設けると
ともに、該高音響インピーダンス部材の内外両面の少な
くとも一方に３〜８ｋｇ／ｍ²ｓの音響インピーダンス
を持った部材を設けたことを特徴とする請求項１記載の
超音波トランスデューサである。

【０００９】請求項３の発明は、前記導波部材は２ｋｇ
／ｍ²ｓ以下の低音響インピーダンス且つ低減衰の材料
からなる部材の周囲に３〜８ｋｇ／ｍ²ｓの音響インピ
ーダンスの材質からなる部材を設けたことを特徴とする
請求項１記載の超音波トランスデューサである。

【００１０】請求項４の発明は、前記導波部材はミラー
やレンズ等からなる音響光学系を一体化するとともに、
該音響光学系の外形に導波部材の開口部形状を一致させ
たことを特徴とする請求項１記載の超音波トランスデュ
ーサである。

【００１１】請求項１においては、超音波トランスデュ
ーサから発信された超音波が導波部材によって効果的に
伝達される。

【００１２】請求項２においては、中間部材によって余
剰超音波の透過性が向上する。

【００１３】請求項３においては、導波部材の音響イン
ピーダンスを下げることにより余剰超音波の透過性が向
上する。

【００１４】請求項４においては、音響光学系を高精度
で一体化することにより、発信される超音波ビームが成
形される。

【００１５】

【発明の実施の形態】

（発明の実施の形態１）図１および図２は本発明の実施
の形態を示し、図１は斜視図、図２は横断面図である。
超音波トランスデューサ１０は、ＰＺＴ圧電セラミック
スの圧電体４の両面に表面電極２および裏面電極３が形
成された圧電素子１と、圧電素子１の一方の面へ一体的
に形成されてその表面が音響放射面１９の音響整合層１
１と、圧電素子１の他方の面へ一体的に形成された背面
負荷材７とから構成されている。前記表面電極２および
裏面電極３は、それぞれリード線１４，１５と電気的に
接続されており、これらのリード線１４，１５を経由し
てパルサ（図示省略）および観測装置（図示省略）と接
続されている。

【００１６】導波部材５は、その断面積が圧電素子１の
面積以上で音響インピーダンスが４６ｋｇ／ｍ²ｓ程度
であるステンレス製の円筒状をした反射部材１３と、そ
の内面にコーティングされて音響インピーダンスが４ｋ
ｇ／ｍ²ｓ程度であるエポキシ樹脂からなる中間層２２
と、筒状である反射部材１３および中間層２２の内部に
充填された音響インピーダンスが１．５ｋｇ／ｍ²ｓ程
度であるカンテンからなる伝達部材１２とから構成され
ている。反射部材１３はその一端がシリコーンゴムから
なる封止部材１７を介してトランスデューサ１０の外周
部へ固定されるとともに、その他端には端面に斜面をも
つステンレス製の円柱状部材であるミラーブロック１８
が一体に固定され、全体として超音波プローブ先端部２
０を構成している。

【００１７】ここで、反射部材１３のミラーブロック１
８が固定された端部には開口部２１が設けられており、
該開口部２１の形状はミラーブロック１８の斜面と一致
している。また、伝達部材１２は音響放射面１９，ミラ
ーブロック１８および反射部材１３の内壁に隙間無く完
全に密着している。

【００１８】超音波トランスデューサ１０は回転機構・
直動機構等の駆動部材（図示省略）上に実装されてい
る。また、超音波トランスデューサ１０の外周はポリエ
チレン製チューブからなる保護シース（図示省略）に覆
われるとともに、該保護シースの内壁と超音波トランス
デューサ１０の外周との間には超音波媒体（図示省略）
が充填されている。

【００１９】以上の構成からなる装置は、まずパルサか
らリード線１４，１５を経由して電極２，３にパルス電
圧を印加し、圧電素子１を加振する。圧電素子１の振動
は超音波パルスとなって発信される。この時、背面負荷
材７が形成された面はその負荷により振動が抑制される
ため、発信された超音波パルスは音響整合層１１を経て
音響放射面１９から伝達部材１２にのみ伝達される。

【００２０】伝達された超音波パルスは伝達部材１２中
を伝達されてミラーブロック１８の音響反射面６に到達
する。この時、超音波パルスのうち、音響放射面１９の
中央付近から発信されたエネルギー成分８は直接に音響
反射面６へ到達し、ここで反射されてその向きを変え、
超音波プローブ先端部２０の外部に伝送される。

【００２１】一方、超音波パルスのうち、音響放射面１
９の辺縁部から発信されたエネルギー成分９は外側に拡
散してゆき、伝達部材１２とその周囲に密着して設けら
れた中間層２２との界面に入射する。この時、伝達部材
１２と中間層２２との間の音響インピーダンスの差異お
よび中間層２２内壁への超音波パルスのエネルギー成分
９の入射角が浅いことにより、入射した超音波パルスの
エネルギー成分９の殆どは全反射されながら伝達部材１
２内を伝達される状態となる。伝達された超音波パルス
のエネルギー成分９は、最終的には中央付近から発信さ
れたエネルギー成分８と同様に音響反射面６に到達し、
反射されてその向きを変え、超音波プローブ先端部２０
の外部に伝送される。

【００２２】また、中間層２２に入射した超音波のう
ち、一部は反射せずに反射部材１３まで到達する。この
超音波の更に一部は中間層２２と反射部材１３との界面
において反射されて伝達部材１２に戻る。他の部分は、
反射部材１３内に入射して一部は疎密波のまま、その他
の一部は反射部材１３上で表面波に変換されるなどした
後、外部に放射される。

【００２３】超音波プローブ先端部２０を駆動機構（図
示省略）により駆動することによって、発信された超音
波パルス列からなる超音波ビームを任意の経路に沿って
走査する。観測対象から反射された超音波パルスは、前
記エネルギー成分８，９と同様な経路を戻り、導波部材
５を経て圧電素子１に伝達され、圧電素子１を振動させ
る。圧電素子１の振動によって発生した電圧はリード線
１４，１５を経由して観測装置に伝達される。

【００２４】本発明の実施の形態によれば、トランスデ
ューサから発信された超音波パルスのエネルギーを効率
的に外部へ送信することができると同時に、超音波プロ
ーブに入射したエネルギーをトランスデューサによって
効率的に受信することができるため、送受信感度が向上
する。また、超音波ビームが外部へ伝送されるまでの間
に、空気の泡・異物等の介在する危険性のある部分が無
いため、常に高信頼性の観測を行うことができる。

【００２５】さらに、強反射体である反射部材と伝達部
材との間に中間層を設けたことにより、反射部材内部に
おける超音波の乱反射が抑制され、超音波ノイズが減少
する。同時に、反射部材の開口部の形状をミラーブロッ
クの斜面と同一にしたことにより、導波路内での反射や
拡散でミラーブロック外部に拡がった超音波についても
観測用超音波として発信することができる。

【００２６】尚、本発明の実施の形態では圧電材として
ＰＺＴを使用する場合について示したが、本発明はこれ
に限定するものではなく、ＰＴ，ＰＬＺＴ等の圧電セラ
ミックスや、ＬｉＮｂＯ₃等の圧電性結晶が使用可能で
ある。また、伝達部材の材質についても同様にカンテン
に限定されるものではない。特に、伝達部材を水・生理
食塩水・超音波ゼリー・超音波ゲル等の超音波伝達媒体
とし、構成において述べた超音波媒体と同一の材質とす
ることにより、事実上伝達媒体を省略することも可能で
ある。

【００２７】同様に、反射部材の材質についても、チタ
ン・ニッケル・銅合金等の他の金属材料や、アルミナ・
マシナブルセラミックス・ジルコニア等のセラミックス
材料も使用可能である。その形状についても、本発明の
実施の形態のような円筒状の他に、断面を楕円・四角形
等の多角形にすること、テーパーを付けること、断面形
状を変化させること等が可能である。

【００２８】また、中間部材の材質についても、本発明
の実施の形態のエポキシ樹脂に限定されるものではな
く、反射部材と伝達部材とのそれぞれの音響インピーダ
ンスの中間の音響インピーダンスを持つものであれば使
用可能である。例えば、シリコーン系樹脂・フェノール
系樹脂・ユリア樹脂・ポリイミド等の熱硬化性樹脂、ポ
リイミド・ポリアミド・ＰＢＴ・ポリエチレン等の熱可
塑性樹脂、ＧＦＲＰ・ＣＦＲＰ等の繊維強化樹脂等が使
用可能である。その形状についても、伝達部材に外接
し、反射部材に内接すれば良く、例えば外周は円筒で内
周は角筒などとすることも可能である。

【００２９】さらに、ミラーブロックの斜面の角度につ
いても４５°に限定されるものではなく、超音波ビーム
の走査方向によって任意の角度に設定可能である。ま
た、斜面を省略し、導波部材による伝達効果のみを利用
する構成とすることも容易に行えることは勿論である。

【００３０】（発明の実施の形態２）図３は本発明の実
施の形態を示す横断面図である。本発明の実施の形態
は、前記発明の実施の形態１における反射部材１３の外
周面に中間層を設けて構成した点が異なり、他の構成は
同一な構成部分から成るもので、同一構成部分には同一
番号を付してその説明を省略する。

【００３１】本発明の実施の形態の導波部材５は、その
断面積が圧電素子１の面積以上であるステンレス製の円
筒状の反射部材１３と、反射部材１３の内外面にコーテ
ィングされたエポキシ樹脂からなる中間層２２ａ，２２
ｂと、中間層２２ａ内部に充填されたカンテンからなる
伝達部材１２とから構成されている。

【００３２】上記構成の装置は、内面側の中間層２２ａ
に入射した超音波のうち、一部は反射せずに反射部材１
３にまで到達する。この超音波の更に一部は、内面側の
中間層２２ａと反射部材１３との界面において反射され
て伝達部材１２に戻り、他の部分は反射部材１３内に入
射して外面側の中間層２２ｂを経て外部に放射される。
この時、外面側の中間層２２ｂは反射部材１３とその周
囲の超音波媒体（図示省略）との間の音響整合を果たす
ため、反射部材１３に入射した超音波の外部への放射が
より効率的に行われる。

【００３３】本発明の実施の形態によれば、前記発明の
実施の形態１と同様な効果が得られる。さらに、外面側
の中間層により、反射部材からその周囲の超音波媒体へ
の超音波の放射が効果的に行われるため、反射部材から
伝達部材に戻る超音波を減少させることができる。これ
により、導波部材内の多重反射ノイズを更に減少させる
ことができる。

【００３４】（発明の実施の形態３）図４は本発明の実
施の形態を示す横断面図である。本発明の実施の形態
は、前記発明の実施の形態１における反射部材１３を廃
止し、代わりに円筒状の半透過部材２３で構成した点が
異なり、他の構成は同一な構成部分から成るもので、同
一構成部分には同一番号を付してその説明を省略する。

【００３５】本発明の実施の形態の導波部材５は、その
断面積が圧電素子１の面積以上であるエポキシ樹脂から
なる円筒状の半透過部材２３と、半透過部材２３の内部
に充填されたカンテンからなる伝達部材１２とから構成
されている。

【００３６】上記構成の装置は、半透過部材２３に入射
した超音波パルス成分９の殆どは、反射されながら伝達
部材１２内を伝達される。半透過部材２３に入射した超
音波のうち、一部は半透過部材２３を経て外部に放射さ
れる。この時、半透過部材２３はその周囲の超音波媒体
（図示省略）との間の音響インピーダンスの差異が小さ
いため、半透過部材２３に入射した超音波の外部への放
射がより効率的に行われる。

【００３７】本発明の実施の形態によれば、前記発明の
実施の形態１と同様な効果が得られる。さらに、半透過
部材からその周囲の超音波媒体（図示省略）への超音波
の放射が行われるため、該半透過部材から伝達部材に戻
る超音波を減少させることができる。これにより、単純
な構造で導波部材内の多重反射ノイズを更に減少させる
ことができる。

【００３８】（発明の実施の形態４）図５および図６は
本発明の実施の形態を示し、図５は斜視図、図６は横断
面図である。本発明の実施の形態は、前記発明の実施の
形態１における導波部材５を角筒に形成するとともに導
波部材５の開口部２１に音響レンズ１６を設けて構成し
た点が異なり、他の構成は同一な構成部分から成るもの
で、同一構成部分には同一番号を付してその説明を省略
する。

【００３９】本発明の実施の形態では、導波部材５をそ
の断面が４角形の角筒として形成するとともに、その開
口部２１にシリコーンゴムからなる凸球面形状の音響レ
ンズ１６を固定した。導波部材５の端面には音響反射面
６が一体に形成されている。ここで、伝達部材１２は、
前記発明の実施の形態１で示した各部材の他に音響レン
ズ１６とも密着している。

【００４０】上記構成の装置は、伝達部材１２により伝
達された超音波ビームが音響反射面６で反射され、音響
レンズ１６を通過した後に超音波プローブ先端部２０の
外部に伝送される。この時、超音波ビームは音響レンズ
１６により集束された集束ビームとなる。

【００４１】本発明の実施の形態によれば、超音波ビー
ムを集束することができるため、より細いビームを得る
ことが出来る。このため、ビームの進行方向と直交する
方向の解像度が高い観測画像を得ることができる。

【００４２】尚、本発明の実施の形態においては音響レ
ンズをシリコーンゴムからなる凸球面形状としたが、本
発明は材質および形状ともこれに限定するものではな
い。例えば、形状としては、球面の他に、放物面に代表
される非球面や円筒面などが可能である。また、材質と
しては、ポリエチレンやエポキシ樹脂等が可能である。
ここで、レンズ材質の音速が超音波媒体以上である時は
凹面とする必要があり、逆の場合は凸面とする必要があ
る。また、外側を平面として内側を曲面とすること、両
面とも曲面とすること等も可能である。

【００４３】さらに、レンズにより反射部材の内部であ
る伝達部材を外部から隔離・保護できるので、伝達部材
の材質選定の自由度が高まる。例えば、超音波プローブ
先端部を覆う前述の超音波媒体とは異なる材質の液体を
使用することが可能になる。

【００４４】（発明の実施の形態５）図７は本発明の実
施の形態を示す横断面図である。本発明の実施の形態
は、前記発明の実施の形態１における導波部材５先端部
の内部にシリコーンゴムからなる凸球面音響レンズ１６
を固定して構成した点が異なり、他の構成は同一な構成
部分から成るもので、同一構成部分には同一番号を付
し、構成の説明を省略する。

【００４５】本発明の実施の形態では、超音波パルスが
音響レンズ１６により集束された後、音響反射面６に到
達して集束された集束ビームとして外部に伝送される。

【００４６】本発明の実施の形態によれば、前記発明の
実施の形態２に示した構造と比較して以下の利点があ
る。すなわち、音響レンズの外形を伝達部材の断面形状
と同一にすることができる。このため、伝達部材の形状
を任意に設定することができ、設計上可能な最大の大き
さのトランスデューサを使用することができるため、高
ゲイン化が可能となる。

【００４７】（発明の実施の形態６）図８は本発明の実
施の形態を示す横断面図である。本発明の実施の形態
は、前記発明の実施の形態１におけるミラーブロック１
８に形成された音響反射面６を凹球面に形成した点が異
なり、他の構成は同一な構成部分から成るもので、同一
構成部分には同一番号を付し、構成の説明を省略する。

【００４８】本発明の実施の形態では、伝達部材１２に
より伝達された超音波ビームが音響反射面６で反射され
た後、超音波プローブ先端部２０の外部に発信される。
この時、超音波ビームはレンズにより集束された集束ビ
ームと同様な集束ビームとなる。

【００４９】本発明の実施の形態によれば、前記発明の
実施の形態２および発明の実施の形態５に示した構造と
比較して以下の利点がある。すなわち、超音波ビームの
集束をミラー反射のみによって行うため、音響レンズと
伝達部材および音響レンズとの間における音響インピー
ダンス不整合による伝達ロスが無くなり、さらに高感度
化できる。

【００５０】尚、本発明の実施の形態に示したミラーと
前記発明の実施の形態２および発明の実施の形態５に示
したレンズとを組み合わせることも可能である。この場
合、前記のロスが生じるが、ゲインは前記発明の実施の
形態２および発明の実施の形態５と同一のレベルを確保
できる。

【００５１】

【発明の効果】請求項１の発明は、至近距離の観測に適
するとともに、より遠距離の観測への適用が可能とな
り、さらにトランスデューサから発信された超音波が効
果的に伝達される構造の超音波トランスデューサを提供
できる。

【００５２】請求項２の発明は、至近距離の観測に適す
るとともに、より遠距離の観測への適用が可能となり、
さらに超音波ノイズが少ない構造の超音波トランスデュ
ーサを提供できる。

【００５３】請求項３の発明は、至近距離の観測に適す
るとともに、より遠距離の観測への適用が可能となり、
さらに超音波ノイズが少なく且つ単純な構造の超音波ト
ランスデューサを提供できる。

【００５４】請求項４の発明は、至近距離の観測に適す
るとともに、より遠距離の観測への適用が可能となり、
さらに高解像度な超音波トランスデューサを提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】発明の実施の形態１を示す斜視図である。

【図２】発明の実施の形態１を示す横断面図である。

【図３】発明の実施の形態２を示す横断面図である。

【図４】発明の実施の形態３を示す横断面図である。

【図５】発明の実施の形態４を示す斜視図である。

【図６】発明の実施の形態４を示す横断面図である。

【図７】発明の実施の形態５を示す横断面図である。

【図８】発明の実施の形態６を示す横断面図である。

【図９】従来例を示す斜視図である。

【符号の説明】１圧電素子２表面電極３裏面電極４圧電体５導波部材６音響反射面７背面負荷材１０超音波トランスデューサ１１音響整合層１２伝達部材１３反射部材１４，１５リード線１６音響レンズ１７封止部材１８ミラーブロック１９音響放射面２０超音波プローブ先端部２１開口部２２中間層２３半透過部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者阿部匡志東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号オリンパス光学工業株式会社内 (72)発明者大村正由東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号オリンパス光学工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電素子と、該圧電素子の一方の面に形
成された音響整合層と、該圧電素子の他方の面に形成さ
れた背面負荷材とを基本構成要素とする超音波トランス
デューサにおいて、トランスデューサに導波部材を一体
的に形成したことを特徴とする超音波トランスデュー
サ。
【請求項２】前記導波部材は、２ｋｇ／ｍ²ｓ以下の
低音響インピーダンス且つ低減衰の材料からなる超音波
伝達部材の周囲に１０ｋｇ／ｍ²ｓ以上の高音響インピ
ーダンスの材質からなる部材を設けるとともに、該高音
響インピーダンス部材の内外両面の少なくとも一方に３
〜８ｋｇ／ｍ²ｓの音響インピーダンスを持った部材を
設けたことを特徴とする請求項１記載の超音波トランス
デューサ。
【請求項３】前記導波部材は、２ｋｇ／ｍ²ｓ以下の
低音響インピーダンス且つ低減衰の材料からなる部材の
周囲に３〜８ｋｇ／ｍ²ｓの音響インピーダンスの材質
からなる部材を設けたことを特徴とする請求項１記載の
超音波トランスデューサ。
【請求項４】前記導波部材は、ミラーやレンズ等から
なる音響光学系を一体化するとともに、該音響光学系の
外形に導波部材の開口部形状を一致させたことを特徴と
する請求項１記載の超音波トランスデューサ。