JPH0965488A

JPH0965488A - 超音波トランスデューサ

Info

Publication number: JPH0965488A
Application number: JP21594895A
Authority: JP
Inventors: Yukihiko Sawada; 之彦沢田; Katsuhiro Wakabayashi; 勝裕若林; Akiko Mizunuma; 明子水沼
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】小型化、低コスト化が図れる高解像度で至適
観察範囲が広い超音波トランスデューサを提供する。【解決手段】音響整合層３と圧電素子２と背面制動材
１とを一体化してなる超音波トランスデューサ１０にお
いて、前記音響整合層３は、音響インピーダンスの絶対
値が前記圧電素子２と超音波媒体とに関して整合がとれ
ている整合部分４と、音響インピーダンスの絶対値が前
記圧電素子２と超音波媒体に関して整合がとれていない
不整合部分５との一体構成とし、整合部分４及び不整合
部分５により発振される超音波の強度分布を適切に制御
して至適観察範囲の広い音場を形成するものである。

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、又は、非
破壊検査用超音波診断装置に用いられ超音波トランスデ
ューサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の超音波トランスデューサの構造と
して、図９に示すように、背面制動材５１の上に絶縁層
を介して両面に電極を形成したＰＺＴ圧電セラミックス
板からなる圧電素子５２を接着し、更に音響整合層５３
及び音響レンズ５４を接着したものが知られている
（「医用超音波機器ハンドブック」コロナ社、Ｐ１８
６、昭和６０年４月２０日発行）。

【０００３】このような超音波トランスデューサを駆動
するためには、前記圧電素子５２にパルサ（図示せず）
から百乃至数百ボルト程度の電圧の駆動パルスを印加す
ることで前記圧電素子５２を逆圧電効果により急速に変
形させ、これにより励起された超音波パルスを音響整合
層５３及び音響レンズ５４を経て発振させることにより
行われる。

【０００４】また、発振させた超音波パルスは、医療用
途に関しては体内の各組織の界面において、非破壊検査
用に関しては被測定物内部の傷等の非連続部から反射さ
れた後に、前記音響レンズ５３及び音響整合層５４を経
て圧電素子５２に再入射し、この圧電素子５２を振動さ
せる。この圧電素子５２の機械的振動は圧電作用により
電気信号に変換され、観測装置（図示せず）によって画
像化される。

【０００５】上述したようにして発振した超音波パルス
は、前記音響レンズ５４により集束されて細いビームに
整形され、走査方向の高い分解能を得ることができる。

【０００６】また、近年光学の分野で、波の伝搬方向と
直交する方向の強度分布を第０次ベッセル（Ｂｅｓｓｅ
ｌ）関数に類似した分布とすることにより、波の中で回
折が生じず、長距離に亙って拡散しないビームを伝搬で
きることが報告されている。

【０００７】また同様な手法を超音波の伝搬についても
適用しようとする試みがなされており、例えば、「Utra
sonic Nondiffracting Transducer for Medical Imagin
g 」，by JIAN-YU and JAMES F. GREENLEAF, IEEE Tans
actions on Ultrasonice, Ferroelectrics, and Freque
ncy Control Vol.37,No.5,Spt. 1990, P418-447 に示さ
れたように、同心円状に多数に分割されたアレイ型トラ
ンスデューサを重み付け駆動する手法を用いると、ベッ
セル関数型の有効な無回折ビームを得られることが報告
されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】前記の様に、超音波振
動子から発振される超音波ビームをシャープにし、解像
力及びＳ／Ｎ比が高い良好な観測画像を得るために、超
音波振動子に音響レンズを接合することが行われてい
る。しかしこの方法では、超音波ビームは１点に集束す
るのみであるため、超音波ビームの幅が狭い部分の長さ
である焦点深度で定義される高解像度の観測範囲である
至適観察範囲は狭い。

【０００９】また、音響レンズにより集束される以前の
近距離音場はサイドローブが大きく、他方集束された部
分以降は超音波ビームが拡散してしまい、ともに解像度
が低下することとなる。

【００１０】また、本願出願人が先に出願し、特開平４
−２５０７９９号公報により開示した背面制動材中の音
響インピーダンスの分布が、中央部が小さくなるように
し、辺縁に行くに連れて大きくなって圧電素子の音響イ
ンピーダンスに近付くような構造とした超音波トランス
デューサによれば、前記のうち特に近距離音場について
は大幅に改良されるものの、遠距離音場に関しては既述
した場合と同様に超音波ビームが拡散してしまい、解像
度が低下する傾向は否めなかった。

【００１１】これらに対し、上述した無回折超音波ビー
ムを用いる方法によれば、前記の拡散が生じないため、
至適観測範囲を広くすることができる。しかし、上述し
たように同心円状に多数に分割されたアレイ型トランス
デューサを用い、個々のトランスデューサを重み付け駆
動する必要があるため、トランスデューサの構造及び駆
動回路、駆動方法が非常に複雑になってしまう。このた
め、トランスデューサの小型化が非常に困難であると同
時に、トランスデューサ及び駆動回路のコストが非常に
高くなってしまい、工業的な採算性が乏しくなるという
課題がある。

【００１２】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
であり、小型化、低コスト化が図れる高解像度で至適観
察範囲が広い超音波トランスデューサを提供するもので
ある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
音響整合層と圧電素子と背面制動材とを一体化してなる
超音波トランスデューサにおいて、前記音響整合層は、
音響インピーダンスの絶対値が前記圧電素子と超音波媒
体とに関して整合がとれている整合部分と、音響インピ
ーダンスの絶対値が前記圧電素子と超音波媒体に関して
整合がとれていない不整合部分との一体構成からなるこ
とを特徴とするものである。

【００１４】請求項２記載の発明は、音響整合層と圧電
素子と背面制動材とを一体化してなる超音波トランスデ
ューサにおいて、前記音響整合層が、該音響整合層内に
おける超音波の減衰が小さい部分と、減衰が大きい部分
との一体構成からなることを特徴とするものである。

【００１５】請求項３記載の発明は、音響整合層と圧電
素子と背面制動材とを一体化してなる超音波トランスデ
ューサにおいて、前記音響整合層の厚さが、前記超音波
トランスデューサの発振周波数の中心周波数Ｆｒに関し
て音響的に不均一に形成され、発振される超音波に位相
が反転した成分が混在していることを特徴とするもので
ある。

【００１６】請求項４記載の発明は、請求項３記載の超
音波トランスデューサにおける前記音響整合層を、超音
波の音速が異なる複数種の材質から構成し、この音響整
合層内に音速が高い領域と低い領域とを形成するととも
に、両領域の音速の差異が、超音波媒体の音速の偶数倍
となるようにしたことを特徴とするものである。

【００１７】請求項５記載の発明は、請求項３記載の超
音波トランスデューサにおける前記音響整合層を、超音
波の音速が異なる複数種の材質から構成し、この音響整
合層内に音速が高い領域と低い領域とを形成するととも
に、両領域の音響的厚さを、前記中心周波数Ｆｒに関し
て１／４波長の奇数倍とし、同時に両領域の機械的厚さ
の差異を、超音波媒体の前記中心周波数Ｆｒに関する音
響的厚さである１／２波長の奇数倍としたことを特徴と
するものである。

【００１８】請求項６記載の発明は、請求項３記載の超
音波トランスデューサにおける複数の構成要素からなる
音響整合層の各構成要素の境界に、前記中心周波数Ｆｒ
に関する音響的厚さが１／２波長である部分を設けたこ
とを特徴とするものである。

【００１９】請求項７記載の発明は、請求項１乃至６記
載の超音波トランスデューサにおける複数の構成要素か
らなる音響整合層の各構成要素の境界に、音響整合層を
形成しない部分を設けたことを特徴とするものである。

【００２０】以下に上述した各発明の動作について詳述
する。

【００２１】請求項１記載の発明に係る超音波トランス
デューサによれば、前記音響整合層を、音響インピーダ
ンスの絶対値が前記圧電素子と超音波媒体とに関して整
合がとれている整合部分と、音響インピーダンスの絶対
値が前記圧電素子と超音波媒体に関して整合がとれてい
ない不整合部分との一体構成としたので、全体構造が小
型化し、低コスト化が図れるとともに、この超音波トラ
ンスデューサの整合部分及び不整合部分により発振され
る超音波の強度分布を適切に制御して至適観察範囲の広
い音場を形成することができる。

【００２２】請求項２記載の発明に係る超音波トランス
デューサによれば、全体構造が小型化し、低コスト化が
図れるとともに、前記音響整合層を、該音響整合層内に
おける超音波の減衰が小さい部分と、減衰が大きい部分
との一体構成としたので、前記音響整合層内の超音波の
減衰を不均一にして発振される超音波の強度分布を適切
に制御して至適観察範囲の広い音場を形成することがで
きる。

【００２３】請求項３記載の発明に係る超音波トランス
デューサによれば、全体構造が小型化し、低コスト化が
図れるとともに、前記音響整合層の厚さを、前記超音波
トランスデューサの発振周波数の中心周波数Ｆｒに関し
て音響的に不均一に形成し、発振される超音波に位相が
反転した成分が混在するようにしたので、発振される超
音波の位相分布を適切に制御して至適観察範囲の広い音
場を形成することができる。

【００２４】請求項４記載の発明に係る超音波トランス
デューサによれば、請求項３記載の超音波トランスデュ
ーサにおける音響整合層内に音速が高い領域と低い領域
とを形成するとともに、両領域の音速の差異が、超音波
媒体の音速の偶数倍となるようにしたので、超音波の位
相が反転する音響整合層の境界領域を超音波が発振しに
くい構造とすることができ、これにより、発振される超
音波の位相分布をより適切に制御して至適観察範囲の広
い音場を形成することができる。

【００２５】請求項５記載の発明に係る超音波トランス
デューサによれば、請求項３記載の超音波トランスデュ
ーサにおける音響整合層を、超音波の音速が異なる複数
種の材質から構成し、この音響整合層内に音速が高い領
域と低い領域とを形成するとともに、両領域の音響的厚
さを、前記中心周波数Ｆｒに関して１／４波長の奇数倍
とし、同時に両領域の機械的厚さの差異を、超音波媒体
の前記中心周波数Ｆｒに関する音響的厚さである１／２
波長の奇数倍としたので、請求項３記載の超音波トラン
スデューサの場合と同様、超音波の位相が反転する音響
整合層の境界領域を超音波が発振しにくい構造とするこ
とができ、これにより、発振される超音波の位相分布を
より適切に制御して至適観察範囲の広い音場を形成する
ことができる。

【００２６】請求項６記載の発明に係る超音波トランス
デューサによれば、請求項３記載の超音波トランスデュ
ーサにおける前記音響整合層の各構成要素の境界に、前
記中心周波数Ｆｒに関する音響的厚さが１／２波長であ
る部分を設けたので、発振される超音波内に強度及び位
相が異なる成分を持たせることができ、発振される超音
波の強度分布及び位相分布を適切に制御して至適観察範
囲の広い音場を形成することができる。

【００２７】請求項７記載の発明に係る超音波トランス
デューサによれば、請求項１乃至３記載の超音波トラン
スデューサにおける前記音響整合層の構成要素の境界
に、音響整合層を形成しない部分を設けたので、発振さ
れる超音波内に強度及び位相が異なる成分を持たせるこ
とができ、発振される超音波の強度分布及び位相分布を
適切に制御して至適観察範囲の広い音場を形成すること
ができる。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下に、添付図面を参照して、本
発明に係る超音波トランスデューサの実施の形態を説明
する。

【００２９】［実施の形態１］まず、図１乃至図５を参
照して本発明の実施の形態１について説明する。

【００３０】図１に示す超音波トランスデューサ１０
は、圧電素子２に音響整合層３と背面制動材１とを接合
して構成している。この該超音波トランスデューサ１０
は、図示省略のケースに実装されるともに、やはり図示
省略のパルサ及び画像処理装置に接続された状態で、図
示省略の水等の超音波媒体内に浸漬され、超音波の送受
信を行うようになっている。

【００３１】前記音響整合層３は、前記圧電素子２及び
該超音波媒体に関して、音響整合が取られている整合部
分４と音響整合が取られていない不整合部分５との同心
円的な一体構造となっている。ここで、前記整合部分４
は低密度の樹脂をマトリックス状とし、このマトリック
ス状の領域に高密度の粉体をフィラーとして少量分散さ
せたものが使用される。ここで、粉体としては、アルミ
ナセラミックス粉体およびタングステン粒子を、マトリ
ックス状の領域としては、エポキシ系熱硬化性樹脂を使
用した。その音響特性は、音速２８００ｍ／ｓ、音響イ
ンピーダンス４．２Ｎｓ／ｍ3 であった。

【００３２】また、前記整合部分４のうち、超音波トラ
ンスデューサ１０の中心部に相当する部分については、
高硬度で低減衰のエポキシ樹脂材料とするとともに、粒
径が小さいアルミナセラミックス微粉体をフィラーとし
た。またそれ以外の部分については、軟質で高減衰のエ
ポキシ樹脂材料とするとともに、粒径をより大としたタ
ングステン粒子を用いた。

【００３３】前記該不整合部分５は、アルミナセラミッ
クスの板材をＹＡＧレーザ加工により切断加工したもの
を用いた。その音響特性は、音速８４００ｍ／ｓ、音響
インピーダンス３３Ｎｓ／ｍ3 であった。

【００３４】前記音響整合層３のうちの整合部分４及び
不整合部分５は、その形状が同心円状であり、同心円の
分布が、図２に示した様に中心部に近い部分から辺縁部
に向かって順に、整合→不整合→整合→不整合→整合と
交互に繰り返すように設定されている。ここで、超音波
媒体が音響インピーダンス１．５Ｎｓ／ｍ3 の水であ
り、最も低いことから、図２中では低い部分が整合部分
４として表現されている。

【００３５】前記各部材の厚さとしては、圧電素子２の
共振周波数に関する各部材内の超音波の波長λｒで正規
化すると、圧電素子２は１／２λｒ、整合部分４は３／
４λｒ、不整合部分は１／４λｒとした。同時にその音
速の差異から、整合部分３と不整合部分４の厚さは同一
に設定した。

【００３６】上述した超音波トランスデューサ１０によ
れば、音響整合層３内において音響インピーダンスの分
布が不均一であるため、超音波の伝達損失は、不整合部
分５のほうが整合部分４よりも大となり、結果として超
音波トランスデューサ１０から発振される超音波のう
ち、不整合部分５から発振される成分は、相対的に弱く
なる。

【００３７】また、整合部分４内においても、超音波ト
ランスデューサ１０の中心以外の部分については、その
マトリックス状の領域である軟質なエポキシ樹脂による
減衰と、フィラーであるタングステン粒子と前記軟質な
エポキシ樹脂との音響インピーダンスの差が大きいこと
による散乱作用により、硬質樹脂とアルミナセラミック
スの微粉体からなる中心部よりも超音波の強度が相対的
に減衰される。

【００３８】同時に、前記整合部分４と前記不整合部分
５との音響的な厚さの差が１／２波長であるため、不整
合部分５から発振される超音波は、その強度が弱いと同
時にその位相については半周期のずれが生じることにな
る。

【００３９】前記超音波トランスデューサ１０から発振
される超音波ビーム７は、図２に示すように中心軸上が
最も強く、中心から離れるに連れて、最強→０→弱→０
→弱→０…となる。同時に超音波ビームの位相は、強度
０になる部分である整合部分４と不整合部分５との境界
における位相を便宜的な基準０とすると、＋１／４周期
差→０→−１／４周期差→０→＋１／４周期差→０…と
なる。

【００４０】これらの相互作用により、図２に示すよう
に発振される超音波ビーム７は、第０次ベッセル関数状
の強度及び位相分布を示す。このため、発振される超音
波ビーム７は、図３に概念的に示すような無回折ビーム
８ｂとなり、長距離に亘って細い幅のまま伝達されるた
め、音響レンズ等を使用して収束した従来例の超音波ビ
ーム８ａ（音響レンズ：凹面）と比較して、至適観察距
離が大きく広がる。尚、図２中、６は音響整合層３内の
音響インピーダンスの分布を示すものであり、また、９
は音響放射面を示すものである。

【００４１】上述したような構造からなる超音波トラン
スデューサ１０によれば、分解能が高い観測画像を、高
感度でＳ／Ｎ比の劣化を招くことなく得ることができる
高性能の超音波振動子を実現できる。

【００４２】上述した音響インピーダンスの分布パター
ンは、階段状の分布、鋸歯状の分布等が使用可能であ
る。その分布パターンについても、本例で示したような
中心から外側に整合→不整合→整合→…と繰返すものの
他に、中心から外側に不整合→整合→不整合→…と繰返
すことにより、第２次ベッセル関数状の分布とすること
が可能である。

【００４３】また、音響インピーダンスの分布形状につ
いても、上述した同心の円環状のパターンの他に、この
単純な変形である楕円や、同心ではない円環状のパター
ン、多角形の組み合わせからなるパターン等も可能であ
る。また、対称形状だけではなく、直線上に分布させる
ことももちろん可能である。直線上に分布させた場合は
特に、リニア・コンベックス・ラジアル等の各種アレイ
形超音波トランスデューサへの適用に優れている。

【００４４】さらに、圧電素子２の形状については、上
述した実施の形態では明示しなかったが、方形板や円板
等に代表される平板や、円錐状又は球状の殻の一部、又
はこれらを組み合わせたもの等が使用可能である。

【００４５】本実施の形態１においては，前記音響整合
層３の層数を、説明の便宜上１層として図示し説明した
が、より広帯域化を目的として一般に行われているよう
な２層以上の多層整合とし、そのうちの任意の１層以上
の層に、本実施の形態１で示した構造を適用することも
可能である。

【００４６】音響整合層３の材質に関しては、本実施の
形態１で示したような１層整合の場合は、整合部分４に
ついてはエポキシ系、フェノール系、ポリイミド系等の
熱硬化性樹脂や、ＡＢＳ（アクリルニトリルブタジエン
スチレン）、ポリエチレン、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタ
クリレート）等の熱可塑性樹脂が使用可能であり、不整
合部分５に関しては、ガラス類、マシナブルセラミック
スやアルミナ等のセラミックス類、ステンレス等の金属
などが使用可能である。

【００４７】但し、これらの場合、本実施の形態１で示
したように、整合部分４と不整合部分５とに３倍又は３
倍程度の音速差があることが必要である。また、位相が
反転する部分については、図４に示すように、１／２波
長の厚さの音響整合層１１となるような材料を選択する
ことにより、その部分から発振される超音波の強度を可
能な限り低減させることや、図５に示した様に音響整合
層１１を形成しない部分１２を設けることも可能であ
る。これにより、発振される超音波の強度分布をより厳
密に制御することが可能となり、より高精度な音場制御
が可能になる。

【００４８】［実施の形態２］次に、図６を参照して、
本発明の実施の形態２を説明する。尚、実施の形態２の
説明においては、前述の実施の形態１と同一の要素には
同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

【００４９】実施の形態２の超音波トランスデューサ１
０Ａにおいては、図６に示すように、音響整合層３のう
ち、前記実施の形態１において示した不整合部分５に対
応する部分を、タングステン粉末を重量比において９０
％程度若しくはそれ以上混入したエポキシ樹脂からなる
超音波の強度の減衰が大きい高減衰部１３（音速１８０
０ｍ／ｓ、音響インピーダンス１６Ｎｓ／ｍ3 、厚さ３
／４λｒ）とした。また、前記実施の形態１において示
した整合部分４は、マシナブルセラミックス（音速５４
００ｍ／ｓ、音響インピーダンス１６Ｎｓ／ｍ3 、厚さ
１／４λｒ）を用いた。この他の構造は実施の形態２の
超音波トランスデューサ１０の場合と同様である。

【００５０】また、実施の形態２においては、前記音響
整合層３は３層からなる多層整合型音響整合層の第１層
であり、該音響整合層３上に図示していないが高硬度、
低減衰のエポキシ樹脂からなる第２層と、さらにその上
のポリエチレン又はシリコーンゴム等からなる第３層と
が一体化された構造を採用している。

【００５１】実施の形態２の超音波トランスデューサ１
０Ａによれば、音響整合層３として前記実施の形態１に
おいて示した不整合部分５に対応する部分に超音波の強
度の減衰が大きい高減衰部１３を設けているので、この
高減衰部１３において超音波が前記整合部４と比較して
大きく減衰することになり、この結果、実施の形態１の
超音波トランスデューサ１０の場合の音響インピーダン
スの不整合に加えて、超音波の強度の不均一性が生じ、
発振される超音波の強度分布の制御をより大きな範囲で
行うことができ、これにより、音場制御の効果がより大
となる。

【００５２】尚、図６に示す超音波トランスデューサ１
０Ａにおける音響整合層３の各種材料のうち、マトリッ
クス状の領域を形成する材料としては、エポキシ系、フ
ェノール系等の熱硬化性樹脂や、ＡＢＳ、ポリエチレ
ン、ＰＭＭＡ等の熱可塑性樹脂、シリコーンゴム、ブチ
ルゴム等のゴムが使用可能である。

【００５３】また、フィラーとしては、タングステンの
他にステンレス、銀、銅等の金属やその酸化物、アルミ
ナ、ジルコニア等のセラミックス粉体、Ｂａ−フェライ
ト、サマリウムコバルト（ＳｍＣｏ５、Ｓｍ２Ｃｏ１
７）等の磁性体粒子又は磁性体でコートした前記無機物
粒子等が使用可能である。さらに、上述したように、低
音響インピーダンス部をフィラーが少ない部分とするほ
か、フィラーを皆無とすること等も可能である。また、
前記の２種以上の粉体を混合することももちろん可能で
ある。

【００５４】［実施の形態３］図７、図８を参照して実
施の形態３を説明する。尚、実施の形態３の説明におい
ては、前述の実施の形態１と同一の要素には同一の符号
を付し、重複する説明を省略する。

【００５５】実施の形態３の超音波トランスデューサ１
０Ｂにおいては、図７に示すように、音響整合層３のう
ち、前記実施の形態１において示した不整合部分５に対
応する部分を、ガラス（音速５８００ｍ／ｓ、音響イン
ピーダンス１６Ｎｓ／ｍ3 、厚さ１／４λｒ）からなる
高音速部１５とし、また、前記第１実施例において示し
た整合部分４に対応する部分を、高硬度低減衰のエポキ
シ樹脂（音速２８００ｍ／ｓ、音響インピーダンス４．
２Ｎｓ／ｍ3 、厚さ１／４λｒ）からなる低音速部１４
としたことが特徴である。

【００５６】前記高音速部１５、低音速部１４を形成す
る各材料は、超音波の音速が異なるため、同一の周波数
に関する１波長の長さも異なる。これにより、それぞれ
の部材における圧電素子２の共振周波数における波長λ
ｒにより正規化して、音響的厚さは同一（１／４λｒ）
となるように定めた高音速部１５、低音速部１４の機械
的厚さは異なることになり、図７及び図８に示すよう
に、音響整合層３の表面が凹凸を呈することになる。

【００５７】高音速部１５、低音速部１４の厚さの差に
よる凹凸の部分は、超音波トランスデューサ１０Ｂがそ
の動作時に浸漬される超音波媒体（図示省略）により埋
められる。この部分の超音波媒体を仮想的に、超音波媒
体層１６（材質水、音速１５００ｍ／ｓ）とする。

【００５８】上述した超音波トランスデューサ１０Ｂに
おいて、各部材の音速については、前記超音波媒体層１
６の音響的厚さが、１／２λｒとなるように選定されて
おり、不整合部分である高音速部１５の材質の音速をＶ
ｍｕ、整合部分であるる低音速部１４の材質の音速をＶ
ｍｍ、超音波媒体層１６の音速をＶｍとした場合、Ｖｍ
ｕ−Ｖｍｍ＝２ｎＶｍが成立する。ここに、ｎは自然数
で本実施の形態３ではｎ＝１としている。

【００５９】本実施の形態３の超音波トランスデューサ
１０Ｂによれば、図８に示すように、より厚い高音速部
１５の表面を仮想的な音響放射面１７とした場合、低音
速部１４から発振された超音波は該仮想的な音響放射面
１７に到達するまでに、超音波媒体層１６を１／２λｒ
の音響的長さだけ余分に伝達されている。このため仮想
的な音響放射面１７においては、高音速部１５から発振
された超音波と、低音速部１４から発振された超音波と
の間に半周期だけ位相差が生じることになる。

【００６０】本実施の形態３の超音波トランスデューサ
１０Ｂによれば、基本的には実施の形態１の超音波トラ
ンスデューサ１０の場合と同様な効果を奏するが、音響
整合層３自体の音響的な厚さは１／４波長相当であるか
ら、音響整合層３内での多重反射等による発振超音波の
パルス幅の伸長は生じ難い。従って、単パルス幅の深さ
方向の分解能に優れた超音波トランスデューサ１０Ｂを
得ることができる。

【００６１】尚、音響整合層３の材料は、上述した場合
の他に、低音速部１４の材料としては前記実施の形態１
で示した低音響インピーダンス部材が、また、高音速部
１５の材料としては同様に前記実施の形態１で示した高
音響インピーダンス部材が適用可能である。但し、この
場合でも、各部材は、本実施の形態３において示したよ
うな音響的特性の関係が成立する組み合わせとすること
が肝要である。

【００６２】また、各層の厚さにおいて、部材のハンド
リング時の破損等を避けるためにその厚さを増す場合に
は、音響整合層３に関しては、１／４波長の奇数倍の音
響的厚さとすることが、超音波の送受信損失を低減させ
るために望ましい。

【００６３】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、全体構造
が小型化し、低コスト化が図れるとともに、前記音響整
合層の整合部分及び不整合部分により発振される超音波
の強度分布を適切に制御して至適観察範囲の広い音場を
形成することができる超音波トランスデューサを提供す
ることができる。

【００６４】請求項２記載の発明によれば、全体構造が
小型化し、低コスト化が図れるとともに、音響整合層内
の超音波の減衰を不均一にして発振される超音波の強度
分布を適切に制御して至適観察範囲の広い音場を形成す
ることができる超音波トランスデューサを提供すること
ができる。

【００６５】請求項３記載の発明によれば、全体構造が
小型化し、低コスト化が図れるとともに、発振される超
音波に位相が反転した成分が混在するので、発振される
超音波の位相分布を適切に制御して至適観察範囲の広い
音場を形成することができる超音波トランスデューサを
提供することができる。

【００６６】請求項４記載の発明によれば、超音波の位
相が反転する音響整合層の境界領域を超音波が発振しに
くい構造とすることができ、これにより、発振される超
音波の位相分布をより適切に制御して至適観察範囲の広
い音場を形成することができる超音波トランスデューサ
を提供することができる。

【００６７】請求項５記載の発明によれば、請求項３記
載の超音波トランスデューサの場合と同様、超音波の位
相が反転する音響整合層の境界領域を超音波が発振しに
くい構造とすることができ、これにより、発振される超
音波の位相分布をより適切に制御して至適観察範囲の広
い音場を形成することができる超音波トランスデューサ
を提供することができる。

【００６８】請求項６記載の発明によれば、発振される
超音波内に強度及び位相が異なる成分を持たせることが
でき、発振される超音波の強度分布及び位相分布を適切
に制御して至適観察範囲の広い音場を形成することがで
きる超音波トランスデューサを提供することができる。

【００６９】請求項７記載の発明によれば、請求項６記
載の発明と同様、発振される超音波内に強度及び位相が
異なる成分を持たせることができ、発振される超音波の
強度分布及び位相分布を適切に制御して至適観察範囲の
広い音場を形成することができる超音波トランスデュー
サを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１の超音波トランスデュー
サを示す斜視図である。

【図２】本発明の実施の形態１の超音波トランスデュー
サの整合部分及び不整合部分の分布及び超音波ビームの
強度分布を示す説明図である。

【図３】実施の形態１の超音波トランスデューサ及び従
来例の超音波ビームの音響放射面に対する形状を示す説
明図である。

【図４】実施の形態１の超音波トランスデューサの音響
整合層の他例を示す斜視図である。

【図５】実施の形態１の超音波トランスデューサの音響
整合層のさらに別の例を示す斜視図である。

【図６】本発明の実施の形態２の超音波トランスデュー
サを示す斜視図である。

【図７】本発明の実施の形態３の超音波トランスデュー
サを示す斜視図である。

【図８】実施の形態３の超音波トランスデューサの音響
整合層の分布及び超音波ビームの強度分布を示す説明図
である。

【図９】従来の超音波トランスデューサを示す正面図で
ある。

【符号の説明】

１背面制動材２圧電素子３音響整合層４整合部分５不整合部分７超音波ビーム１０超音波トランスデューサ１０Ａ超音波トランスデューサ１０Ｂ超音波トランスデューサ１１音響整合層１３高減衰部１４低音速部１５高音速部１６超音波媒体層１７音響反射面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】音響整合層と圧電素子と背面制動材とを
一体化してなる超音波トランスデューサにおいて、前記音響整合層は、音響インピーダンスの絶対値が前記
圧電素子と超音波媒体とに関して整合がとれている整合
部分と、音響インピーダンスの絶対値が前記圧電素子と
超音波媒体に関して整合がとれていない不整合部分との
一体構成からなることを特徴とする超音波トランスデュ
ーサ。
【請求項２】音響整合層と圧電素子と背面制動材とを
一体化してなる超音波トランスデューサにおいて、前記音響整合層が、該音響整合層内における超音波の減
衰が小さい部分と、減衰が大きい部分との一体構成から
なることを特徴とする超音波トランスデューサ。
【請求項３】音響整合層と圧電素子と背面制動材とを
一体化してなる超音波トランスデューサにおいて、前記音響整合層の厚さが、前記超音波トランスデューサ
の発振周波数の中心周波数Ｆｒに関して音響的に不均一
に形成され、発振される超音波に位相が反転した成分が
混在していることを特徴とする超音波トランスデュー
サ。
【請求項４】前記音響整合層を、超音波の音速が異な
る複数種の材質から構成し、この音響整合層内に音速が
高い領域と低い領域とを形成するとともに、両領域の音
速の差異が、超音波媒体の音速の偶数倍となるようにし
たことを特徴とする請求項３記載の超音波トランスデュ
ーサ。
【請求項５】前記音響整合層を、超音波の音速が異な
る複数種の材質から構成し、この音響整合層内に音速が
高い領域と低い領域とを形成するとともに、両領域の音
響的厚さを、前記中心周波数Ｆｒに関して１／４波長の
奇数倍とし、同時に両領域の機械的厚さの差異を、超音
波媒体の前記中心周波数Ｆｒに関する音響的厚さである
１／２波長の奇数倍としたことを特徴とする請求項３記
載の超音波トランスデューサ。
【請求項６】複数の構成要素からなる音響整合層の各
構成要素の境界に、前記中心周波数Ｆｒに関する音響的
厚さが１／２波長である部分を設けたことを特徴とする
請求項３記載の超音波トランスデューサ。
【請求項７】複数の構成要素からなる音響整合層の各
構成要素の境界に、音響整合層を形成しない部分を設け
たことを特徴とする請求項１乃至６記載の超音波トラン
スデューサ。