JPH11205899A

JPH11205899A - 超音波探触子

Info

Publication number: JPH11205899A
Application number: JP10021535A
Authority: JP
Inventors: Takayoshi Saito; 孝悦斉藤
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1998-01-20
Filing date: 1998-01-20
Publication date: 1999-07-30
Anticipated expiration: 2018-01-20
Also published as: JP3468678B2

Abstract

(57)【要約】【課題】圧電素子を複数個配列した超音波探触子にお
いて、圧電素子の配列方向の超音波の指向角を広くす
る。【解決手段】直線に配列した複数個の圧電素子１の前
面に、音響整合層４、５とを設けて、超音波探触子を構
成する。それぞれの音響整合層４、５を更に複数個に分
割する。音響整合層を分割すると、それぞれの超音波源
が小さくなり、球面波あるいは円筒波に近い超音波を放
射するので、前方の強度と斜め方向の強度の差は小さく
なる。したがって、指向性は平坦になり、複数個の圧電
素子を位相を変えて駆動し、電気的に超音波ビームを収
束あるいは偏向する場合に、広い角度に超音波を放射で
きる。また、超音波ビームを細く収束できるため、分解
能が向上する。超音波を受信する場合も、斜め方向から
の反射超音波を効率よく受信できるため、斜め方向の感
度が向上し、指向特性を広くすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、ソナーや超音波診
断装置などに用いる超音波探触子に関し、特に、広い指
向性を有する超音波探触子に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波探触子は、水を対象としたソナー
や、生体を対象とした超音波診断装置などに用いられて
いる。従来の超音波探触子は、複数個の圧電素子をアレ
イ状に配列して電子的に走査し、かつ、電気的に超音波
ビームを収束あるいは偏向させる方式のものが一般的で
ある。このような超音波探触子の例としては、特開平6-
253394号公報に開示されたものがある。

【０００３】図５は、圧電素子をアレイ状に配列した、
従来の超音波探触子を示したものである。図５におい
て、圧電素子21は、超音波を送受信するための素子であ
る。第１の音響整合層24は、圧電素子21側に設けた、音
響インピーダンスを整合させる整合層である。第２の音
響整合層25は、第１の音響整合層24の面上に設けた、も
う１つの音響整合層である。バッキング材23は、第１の
音響整合層24を設けた側と反対側の圧電素子21の面に設
けた、不要な超音波を吸収するための超音波吸収材であ
る。圧電素子21、第１の音響整合層24、及び第２の音響
整合層25は、機械的な方法で分割した構成となってい
る。

【０００４】以上のように構成された従来の超音波探触
子の動作を説明する。本体（図示せず）の送信部から送
信された複数チャンネルの電気信号は、ケーブル（図示
せず）及び信号線28を介して、圧電素子21の一部のチャ
ンネル群に印加される。電気信号を印加された圧電素子
群は超音波を発生し、第１の音響整合層24と第２の音響
整合層25を介して、生体などの被検体に送出される。被
検体内に送出された超音波は、被検体内の組織の音響イ
ンピーダンスに差がある境界で反射し、再び圧電素子群
で受信される。その受信信号は、ケーブルを介して、再
び本体の受信部で受信される。電子的にチャンネルを走
査して、順次同様に超音波の送受信を行なう。これらの
受信信号を信号処理して、表示部で画像表示することに
より、被検体の断層像が得られる。

【０００５】このように、圧電素子21が複数個配列され
た構成の電子走査型超音波探触子では、ある群の圧電素
子21に印加する信号に遅延時間を与えて、送信及び受信
する超音波を電子的に収束および偏向させて走査してい
る。超音波を収束させることにより、超音波ビームを細
くすることができるため、分解能を著しく向上させるこ
とができる。また、超音波ビームを扇形状に偏向させ
て、小さいところから広い視野角を得ることができる。
超音波を収束及び偏向させるためには、圧電素子21の配
列方向に対して、個々の圧電素子21の超音波指向特性を
広くすることが重要である。特に、最近では多くの圧電
素子21を用いて、64〜128チャンネルの超音波探触子を
構成して、超音波ビームを細く収束する傾向にあり、指
向特性の重要性は高くなっている。

【０００６】図５に示すような、従来の構成の超音波探
触子の具体的な構成例と動作例を示す。圧電素子21の間
隔（チャンネルピッチ）を0.32ｍｍとし、圧電素子の分
割溝26の幅を0.06ｍｍとして、第１、２音響整合層24、
25を圧電素子21と同じ間隔で分割し、その分割溝26にシ
リコーンゴムを充填する。更に、第２の音響整合層25の
表面に音響レンズ（図示せず）を設けた構成とする。こ
の超音波探触子を3.5ＭＨzの周波数で駆動して、圧電素
子21の配列方向について超音波の指向特性を測定した結
果、図２と図４のＡに示す特性となった。指向角は、−
６ｄＢで±23度であった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の超音波探触子の圧電素子配列方向についての超音波
の指向特性は、圧電素子21、第１、第２の音響整合層2
4、25を分割する間隔と周波数により決まるものであ
り、これ以上指向特性を広くすることが出来ないという
問題があった。また、圧電素子を分割する間隔を狭くし
て指向特性を広くする方法もあるが、圧電素子を分割す
る間隔を狭くすればするほど超音波探触子の作製が困難
になるという問題がある。超音波を細いビームに収束さ
せたり、大きな角度で偏向させるためには、圧電素子の
配列方向における、個々の圧電素子の超音波指向特性を
広くすることが、超音波探触子の特性として重要な点で
ある。

【０００８】本発明は、上記従来の問題点を解決するも
ので、圧電素子の分割間隔を変えずに指向特性を広くす
ることができる超音波探触子を提供することを目的とす
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の超音波探触子は、配列した複数個のそれぞ
れの圧電素子の前面に設けた音響整合層を複数個に分割
した構成とする。

【００１０】音響整合層を分割すると、それぞれの超音
波源が小さくなり点音源あるいは線音源に近い微小音源
となる。微小音源は球面波あるいは円筒波に近い超音波
を放射するので、前方の強度と斜め方向の強度の差は小
さくなる。したがって、指向性は平坦になり、広い角度
に超音波を放射できる。複数の微小音源が同相で駆動さ
れることになり、分割なしの音源よりも、横方向の強度
は強くなる。１つの大きな音源が駆動された場合は平面
波に近くなるので、前方が強く斜め方向は弱くなる。電
気的に超音波ビームを収束あるいは偏向させるために、
複数個の圧電素子を位相を変えて駆動させる場合に、位
相差が大きく振れ角が大きくなっても超音波の強さがあ
まり変わらないので、超音波ビームを細く収束でき、分
解能を向上させることができる。

【００１１】超音波を受信する場合も、分割された音響
整合層は、単一の音響整合層より独立的に振動するの
で、前方からの超音波と同じように斜め方向からの超音
波も効率良く受信する。斜め方向からの反射超音波を効
率よく受信するために、複数個の圧電素子の受信信号の
位相を変えて合成する場合にも、斜め方向の感度低下が
小さくなるので、指向特性を広くすることができる。

【００１２】したがって、上記のように構成することに
より、超音波ビームを細く収束でき、分解能が向上する
とともに、斜め方向の感度低下が小さくなるので、指向
特性を広くすることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１記載の発明は、
配列した複数個の圧電素子と、それぞれの前記圧電素子
の被検体側に接して設けた一層以上の音響整合層と、そ
れぞれの前記音響整合層を複数個に分割する分割溝とを
具備する超音波探触子であり、超音波を送受信する部分
を小さくして、指向特性を広くするという作用を有す
る。

【００１４】本発明の請求項２記載の発明は、請求項１
記載の超音波探触子において、前記音響整合層のそれぞ
れを複数個に分割する前記分割溝に、前記音響整合層の
音響インピーダンスの値より小さい値を有する材料を充
填したものであり、超音波を送受信する部分の独立性を
高めて、指向特性を広くするという作用を有する。

【００１５】本発明の請求項３記載の発明は、請求項
１、２記載の超音波探触子において、前記音響整合層の
分割溝が、前記圧電素子の内部にまで達しているもので
あり、超音波を送受信する部分を小さくし、独立性も高
めて、指向特性を広くするという作用を有する。

【００１６】本発明の請求項４記載の発明は、配列した
複数個の圧電素子と、それぞれの前記圧電素子の被検体
側に接して設けた二層の音響整合層と、前記二層の音響
整合層のうち被検体側の音響整合層を複数個に分割する
分割溝とを具備する超音波探触子であり、超音波を送受
信する部分を小さくして、指向特性を広くするという作
用を有する。

【００１７】本発明の請求項５記載の発明は、請求項４
記載の超音波探触子において、被検体側の前記音響整合
層を複数個に分割する前記分割溝に、前記音響整合層の
音響インピーダンスの値より小さい値を有する材料を充
填したものであり、超音波を送受信する部分の独立性を
高めて、指向特性を広くするという作用を有する。

【００１８】本発明の請求項６記載の発明は、請求項
４、５記載の超音波探触子において、被検体側の前記音
響整合層の前記分割溝が、前記圧電素子側に接する音響
整合層の内部にまで達しているものであり、超音波を送
受信する部分を小さくし、独立性も高めて、指向特性を
広くするという作用を有する。

【００１９】以下、本発明の実施の形態について、図１
〜図４を参照しながら、詳細に説明する。

【００２０】（第１の実施の形態）本発明の第１の実施
の形態は、複数個の圧電素子の被検体側に接して設けた
音響整合層のそれぞれを複数個に分割し、音響整合層よ
り音響インピーダンスの小さい材料を分割溝に充填した
超音波探触子である。

【００２１】図１は、本発明の第１の実施の形態におけ
る超音波探触子の一部概略構成を示したものである。圧
電素子１は、ＰＺＴ系などの圧電セラミックス、単結
晶、及びＰＶＤＦ等の高分子等を用いた、超音波を送受
信する圧電素子である。電極２は、金や銀をスパッタリ
ングで形成した電極、あるいは銀を焼き付け等で圧電素
子の両面に形成した電極である。バッキング材３は、フ
ェライトゴムやエポキシ、ウレタンゴムなどにマイクロ
バルーンなどを混入した材料を用いたもので、圧電素子
１を保持するとともに、不要な超音波を吸収するための
バッキング材である。

【００２２】第１の音響整合層４は、ガラス、充填材を
混入したエポキシ樹脂、あるいはグラファイトなどの材
料を用いて、超音波を効率よく伝搬するため、バッキン
グ材３と反対側の圧電素子１の面に設けた音響整合層で
ある。第２の音響整合層５は、エポキシ樹脂、プラスチ
ック材等を用いて、第１の音響整合層４と同じ役目をす
る被検体側に設けた音響整合層である。分割溝６は、圧
電素子１、第１、２の音響整合層４、５を分割した分割
溝である。この分割溝６には、シリコーンゴム、ウレタ
ンゴム、エポキシ樹脂などの材料を主に充填する。分割
溝７は、第１、２の音響整合層５、６を分割した分割溝
である。分割溝６に充填する材料とほぼ同じものを充填
する。信号線８は、圧電素子１の一方の電極２から取出
す信号線である。

【００２３】図１に示すような第１の実施の形態の超音
波探触子では、圧電素子１の間隔（チャンネルピッチ）
を0.32ｍｍとし、圧電素子１の分割溝６の幅を0.O6ｍｍ
として、第１、２音響整合層４、５を圧電素子１と同じ
間隔で分割する。更に、圧電素子１上の第１、２の音響
整合層４、５を２分割と３分割した分割溝７と分割溝６
にシリコーンゴムを充填する。この充填する材料の音響
インピーダンスは、指向角との関係から、第２の音響整
合層５の音響インピーダンスより小さい値のものが望ま
しい。充填材料の音響インピーダンスは、小さいほど分
割部分の振動の独立性が高くなって指向角は広くなる
が、機械的強度が下がるので、適当な値のものを選択す
ればよい。ちなみに、第２の音響整合層の音響インピー
ダンスは2.5〜3.5Ｍraylの値のものが用いられるので、
充填する材料は、音響インピーダンスが1.5Ｍrayl前後
のシリコーンゴム、あるいはウレタンゴムなどを用い
る。更に、第２の音響整合層15の表面に音響レンズ（図
示せず）を設けた構成にする。

【００２４】以上のように構成された超音波探触子の動
作を説明する。本体（図示せず）の送信部から複数チャ
ンネルで送信された電気信号は、ケーブル（図示せず）
及び信号線８を介して、圧電素子１の一部のチャンネル
群に印加される。電気信号を印加された圧電素子１の群
は超音波を発生し、第１、２の音響整合層４、６を介し
て、生体などの被検体に送出される。被検体内に送出さ
れた超音波は、被検体内の組織の音響インピーダンスの
差から、その境界で反射し、再び圧電素子１の群で受信
される。その受信信号は、ケーブルを介して本体の受信
部で受信される。

【００２５】電子走査型超音波探触子は、一列に配列さ
れた複数個の圧電素子１のうちの、１つまたは複数の圧
電素子１に印加する信号に遅延時間を与えて順次駆動す
ることにより、送信する超音波を電子的に収束させ、あ
るいは超音波を偏向させて、走査している。また、一列
に配列された複数個の圧電素子１のうちの、１つまたは
複数の圧電素子１で受信した信号に遅延時間を与えて順
次合成することにより、受信した超音波を電子的に収束
させ、あるいは特定の方向からの超音波のみを選択し
て、走査する。電子的にチャンネルを走査して、順次同
様に超音波の送受信を行なう。これらの受信信号を信号
処理して、表示部で画像表示することにより、被検体の
断層像が得られる。

【００２６】超音波を収束させることにより、超音波ビ
ームを細くすることができるため、分解能を著しく向上
させることができる。また、超音波ビームを偏向させて
扇形状に走査することにより、小さい超音波探触子でも
広い視野角を得ることができる。現在の超音波診断装置
は、全てといっていいほどこれらの機能を有しており、
この動作は従来の電子走査型超音波探触子と同じであ
る。

【００２７】この超音波探触子を3.5ＭＨzの周波数で駆
動して、超音波探触子の圧電素子１の配列方向の超音波
の指向特性を測定した結果、図２のＢ、Ｃに示す結果が
得られた。Ｂは、圧電素子１上の第１、２の音響整合層
４、５を２分割したタイプであり、指向角は−６ｄＢで
±37度であった。Ｃは、圧電素子１上の第１、２の音響
整合層４、５を３分割したタイプの結果であり、指向角
は−６ｄＢで±34度であった。従来の超音波探触子の指
向角は、図２のＡに示すように、−６ｄＢで±23度であ
った。

【００２８】これらの結果から、従来の構成での指向角
に対して、第１の実施の形態の構成の指向角は約±10度
以上も広くなっていることが分かる。なお、この結果
は、水中に銅球ターゲットを7Ommの距離に設定し、その
銅球ターゲットからの反射波の信号を測定したものであ
る。

【００２９】なお、第１の実施の形態では、圧電素子１
上の第１の音響整合層４と第２の音響整合層５を、２分
割と３分割した場合について説明したが、この他、圧電
素子１上の第１、２の音響整合層４、５を４分割以上に
分割した構成にしても、同様の効果が得られる。分割数
を大きくすると、指向性はより平坦になるが、変換効率
と感度が低下し、作製上の困難も増すので、指向性や感
度など重視する特性に応じて分割数の最適値を決定する
のがよい。

【００３０】また、第１の実施の形態では、圧電素子１
上の第１、２の音響整合層４、５を分割した場合につい
て説明したが、この他、圧電素子１の一部分を分割した
構成であっても、同様の効果が得られる。圧電素子１の
表面近くの内部まで分割溝を設けると、振動の独立性が
高まるので、指向性はより平坦になるが、変換効率と感
度が低下し、作製上の困難も増すので、指向性や感度な
ど重視する特性に応じて分割溝の深さの最適値を決定す
るのがよい。

【００３１】以上のように、本発明の第１の実施の形態
によれば、超音波探触子を、複数個の圧電素子の被検体
側に接して設けた音響整合層のそれぞれを複数個に分割
し、音響整合層より音響インピーダンスの小さい材料を
分割溝に充填した構成としたので、指向特性を広くで
き、かつ、超音波ビームを細く収束でき、分解能が向上
する。

【００３２】（第２の実施の形態）本発明の第２の実施
の形態は、複数個の圧電素子の被検体側に接して設けた
二層の音響整合層のうち、被検体側の音響整合層を複数
個に分割し、音響整合層より音響インピーダンスの小さ
い材料を分割溝に充填した超音波探触子である。第２の
実施の形態が第１の実施の形態と異なるところは、圧電
素子側の音響整合層は分割しない点である。

【００３３】図３は、本発明の第２の実施の形態におけ
る超音波探触子の一部概略構成を示したものである。圧
電素子11、電極12、バッキング材13、第１の音響整合層
14、第２の音響整合層15、分割溝16、信号線18は、第１
の実施の形態と同じである。分割溝17は、第２の音響整
合層15を分割した分割溝である。分割溝16に充填する材
料とほぼ同じものを充填する。以上のように構成された
超音波探触子の動作については、第１の実施の形態と同
じであるので、説明を省略する。

【００３４】図３に示すような第２の実施の形態の超音
波探触子では、圧電素子11の間隔（チャンネルピッチ）
を0.32ｍｍとし、圧電素子11の分割溝16の幅を0.06ｍｍ
として、第１、２音響整合層14、15を圧電素子11と同じ
間隔で分割する。更に、第１の音響整合層14上の第２の
音響整合層15を２分割と３分割した分割溝17と分割溝16
にシリコーンゴムを充填して、更に、第２の音響整合層
15の表面に音響レンズ（図示せず）を設けた構成にす
る。

【００３５】音響整合層を分割すると、超音波を送受信
する面積が狭くなるので、変換効率が少し低下する。第
１の音響整合層14を分割せず、第２の音響整合層15のみ
を分割すると、第１の音響整合層14までは、単体の場合
と同じ効率で超音波が伝搬され、第２の音響整合層15
で、球面波に近い超音波が放射されるので、広い指向性
の超音波が効率良く放射できる。超音波の受信の場合も
同様に、第２の音響整合層15で独立に受信した超音波
を、第１の音響整合層14で合成して効率よく圧電素子11
に伝えることができるので、指向性が広く、感度のよい
受信ができる。

【００３６】この超音波探触子を3.5ＭＨzの周波数で駆
動して、超音波探触子の圧電素子11の配列方向の超音波
の指向特性を測定した結果、図４のＤ、Ｅの指向特性が
得られた。Ｄは、第１の音響整合層14上の第２の音響整
合層15を２分割したタイプであり、指向角は−６ｄＢで
±38度であった。Ｅは、第１の音響整合層14上の第２の
音響整合層15を３分割したタイプの結果であり、指向角
は−６ｄＢで±32度であった。従来の超音波探触子の指
向角は、図４のＡに示すように、−６ｄＢで±23度であ
った。これらの結果から、従来の構成での指向角に対し
て、第２の実施の形態の構成の指向角は約±10度以上も
広くなっていることが分かる。この結果は、第１の実施
の形態で述べた測定方法で測定したものである。

【００３７】なお、第２の実施の形態では、第１の音響
整合層14上の第２の音響整合層15を、２分割と３分割し
た場合について説明したが、この他、第１の音響整合層
14上の第２の音響整合層15を、４分割以上に分割した構
成にしても、同様の効果が得られる。

【００３８】また、第２の実施の形態では、第１の音響
整合層14上の第２の音響整合層15を分割した場合につい
て説明したが、この他、第１の音響整合層14の一部分の
深さまで分割した構成であっても、同様の効果が得られ
る。

【００３９】以上のように、本発明の第２の実施の形態
によれば、超音波探触子を、複数個の圧電素子の被検体
側に接して設けた二層の音響整合層のうち、被検体側の
音響整合層を複数個に分割し、音響整合層より音響イン
ピーダンスの小さい材料を分割溝に充填した構成とした
ので、指向特性が広くなり、超音波ビームを細く収束で
きて、分解能が向上する。

【００４０】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、配列し
た複数個の圧電素子のそれぞれの前面に設けた音響整合
層を更に複数個に分割することにより、圧電素子の配列
方向に対しての超音波の指向特性を広くすることができ
るため、複数個の圧電素子を駆動させ電気的に超音波ビ
ームを収束あるいは偏向する時、感度低下を低減でき、
かつ、超音波ビームを細く収束できるため、分解能が向
上するという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態における超音波探触
子の概略断面図、

【図２】本発明の第１の実施の形態における超音波探触
子の指向特性図、

【図３】本発明の第２の実施の形態における超音波探触
子の概略断面図、

【図４】本発明の第２の実施の形態における超音波探触
子の指向特性図、

【図５】従来の超音波探触子の概略断面図である。

【符号の説明】

１、11 圧電素子２、12 電極３、13 バッキング材４、14 第１の音響整合層５、15 第２の音響整合層６、16 分割溝７、17 分割溝８、18 信号線

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】配列した複数個の圧電素子と、それぞれ
の前記圧電素子の被検体側に接して設けた一層以上の音
響整合層と、それぞれの前記音響整合層を複数個に分割
する分割溝とを具備することを特徴とする超音波探触
子。
【請求項２】前記音響整合層のそれぞれを複数個に分
割する前記分割溝に、前記音響整合層の音響インピーダ
ンスの値より小さい値を有する材料を充填したことを特
徴とする請求項１記載の超音波探触子。
【請求項３】前記音響整合層の分割溝が、前記圧電素
子の内部にまで達していることを特徴とする請求項１、
２記載の超音波探触子。
【請求項４】配列した複数個の圧電素子と、それぞれ
の前記圧電素子の被検体側に接して設けた二層の音響整
合層と、前記二層の音響整合層のうち被検体側の音響整
合層を複数個に分割する分割溝とを具備することを特徴
とする超音波探触子。
【請求項５】被検体側の前記音響整合層を複数個に分
割する前記分割溝に、前記音響整合層の音響インピーダ
ンスの値より小さい値を有する材料を充填したことを特
徴とする請求項４記載の超音波探触子。
【請求項６】被検体側の前記音響整合層の前記分割溝
が、前記圧電素子側に接する音響整合層の内部にまで達
していることを特徴とする請求項４、５記載の超音波探
触子。