JPS6153899A - 超音波変換器 - Google Patents

超音波変換器

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JPS6153899A
JPS6153899A JP60177467A JP17746785A JPS6153899A JP S6153899 A JPS6153899 A JP S6153899A JP 60177467 A JP60177467 A JP 60177467A JP 17746785 A JP17746785 A JP 17746785A JP S6153899 A JPS6153899 A JP S6153899A
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    • 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
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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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、圧電変換器と、圧電変換器に隣接する第１の
整合層と、第１の整合層の上に取付けられており超音波
作動中に検査対象物のほうに向けられている第２の整合
層とを含んでいる超音波変換器に関する。
〔従来の技術〕
冒頭に記載した種類の超音波変換器は、患者の組織およ
び臓器の内部構造に関する情報を得るため、医学技術で
普及している。この超音波変換器の１つの問題点は、患
者内への超音波の入射結合にある。
医学超音波アンテナの圧電変換器は比較的高い音響イン
ピーダンスを有する材料を含んでいることが多い。ジル
コン酸−チタン酸鉛から成るセラミックスのような材料
はたとえば約３０Ｘ１０・ｋｇ　／　ｒｄ　ｓの音響イ
ンピーダンスを有する。それにくらべて患者の皮膚およ
び組織の音響インピーダンスははるかに小さく、約１．
５Ｘ１０＠ｋｇ／ｒｒｒｓである。圧電変換器と人体組
織との間の境界層における望ましくない反射をほぼ回避
するため、圧電変換器と人体組織との間に１つの整合層
が配置される。
従来、検査対象物（たとえば約１．５　ｘ　１０　ｋｇ
／　ｒｄ　ｓの音響インピーダンスを有する人体組織）
に整合するようにセラミック変換器の音響インピーダン
スを変換する（整合させる）ためには、約３　Ｘ　１０
　＠ｋｇ　／　ｒｄ　ｓまたはそれよりも少し大きい音
響インピーダンスを有する合成樹脂から成る単一の整合
層が使用されてきた。この整合層はλ／４（λは超音波
変換器の定格周波数に相応する材料内の波長）の厚みを
有していた。３０Ｘ１０１ｋｇ／ＭＳ　（セラミックス
）から１．５Ｘ１０’ｋｇ／ｎ（ｓへの低下変換のため
に最も望ましい値は７×１０＠ｋｇ／＋ｖｆｓである。
単一の整合層によるこの種の整合は、十分に広帯域でな
いという欠点を有する。従って、広い周波数範囲にわた
って深いペネトレーション深さおよび良好な軸線方向分
解能を得るためには、各λ／４の厚みを有する第１およ
び第２の整合層を設ける方法に既に移行している（［生
物医学技術（Ｂｉｏｍｅｄｉｚｉｎｉｓｃｈｅ　Ｔｅｃ
ｈｎｉｋ）　、第２７巻、第７−８号、１９８２年、第
１８２〜１８５頁参照）。これらの再整合層の音響イン
ピーダンスは圧電超音波変換器のほうに向けられる第１
の整合層に対しては約１２Ｘ１０＠ｋｇ／ｎｆｓ、また
組織または患者のほうに向けられる第２の整合層に対し
ては約４．２Ｘ１０’ｋｇ／ｎｆｓである。こうして、
ハル力に良好な整合を達成し得る。
約４．２Ｘ１０”ｋｇ／イＳの音響インピーダンスを有
する第２の整合層に対する材料は容易に見出し且つ製造
し得る。そのためには普通の合成樹脂が使用され得る。
第２の（合成樹脂）整合層に有利に採用される音響イン
ピーダンスは超音波変換器セラミックスのインピーダン
スにわずかじか関係しないので、一旦選定されたインピ
ーダンスが超音波変換器のすべてのＰＺＴセラミックス
に同様に適している。
それに対して、圧電変換器のまさに使用される圧電セラ
ミックスのインピーダンスの（理論的に確認された）関
係を顧慮して成る限度内で自由に選定可能であるべき中
間の音響インピーダンスを有するべき第１の整合層に対
する材料を見出すのには問題がある。第１の整合層の音
響インピーダンスは前記の所与の条件のもとに約１２ｘ
１（Ｂｋｇ　／　ｆｆｒｓであるべきである。天然の材
料でこのような音響インピーダンスを得るのには困難を
伴う。たとえば気体および液体の音響インピーダンスは
０ないし４Ｘ１０’ｋｇ／ｎｆｓの範囲内にある。
上記の値の上側には成るブランクが存在する。すなわち
、このようなインピーダンスを有する材料は実在には存
在せず、鉱物、金属などの音響インピーダンスは１４な
いし約１００Ｘ１０”ｋｇ／ｒｒｒＳの範囲内にある。
ここで必要とする約１２×１０”ｋｇ／ｒｄｓの前後の
音響インピーダンスをガラス化合物で得るのには非常に
困難を伴う。たとえば、一般にこの範囲内ではホウケイ
酸ガラスが使用される。しかし、このガラスまたは他の
ガラスの使用は一連の欠点を伴う。ガラスの加工処理に
は時間がかかり費用がかさむ。加えて、多くのガラスは
必要なインピーダンス範囲内で毒性がある。従って、そ
の加工処理は臨界的である。２つの整合層を有する超音
波変換器のメーカーは、このようなガラスを調達する上
での困難に遭遇する。
すなわち、ガラスのメーカーはガラスの量産にのみ関心
があり、数グラムのオーダーの少量のガラスの製造には
イニシアチブを示さない。必要な音響的および機械的特
性を有する他のガラスの開発および製造の態勢もほとん
どない。
いま、まさに第１の整合層が超音波像の質に決定的な影
響を与えることが認識された。
〔発明が解決しようとする問題点〕
本発明の目的は、冒頭に記載した種類の超音波変換器用
として、製造の際にその音響インピーダンスの設定が容
易であり且つ比較的容易な加工を可能とする機械的特性
を有する第１の整合層を提供することである。
〔問題点を解決するための手段〕
この目的は、本発明によれば、第１の整合層が多孔性の
圧電セラミック材料から成っており、その多孔性が、λ
／４（ここで、λは定格周波数における第１の整合層内
の超音波の波長）の層厚みにおいて圧電変換器の音響イ
ンピーダンスの値と第２の整合層の音響インピーダンス
の値との間の値を有する所与の音響インピーダンスが得
られるように選定されていることを特徴とする超音波変
換器により達成される。
セラミック材料の音響インピーダンスはその多孔性に関
係するので、製造の際に簡単な仕方で音響インピーダン
スを設定し得る。孔の数および孔の大きさを意図に沿っ
て増大または減少させることにより、音響インピーダン
スを低くすることも高くすることもできる。約１２ｘｌ
Ｏ＠ｋｙ／ｒｒｒｓの前後の臨界的範囲内の１つの値を
多孔性の変更により良好に設定し得る。１２　Ｘ　１０
　’　ｋｇ　／　ｒｔｒ　ｓの前後の範囲をたとえば０
．２ｘｌＯ・ｋｇ／ｒｄｓの細段階付けでカバーするた
とえば１０種類の多孔性セラミック整合層の系列を製造
するのが有利であることが判明している。これらのすべ
ての整合層はその音響インピーダンスに関してλ／４の
層厚みを得る。その後に試行により、これらの１０種類
の整合層のうちどれが、組み合わされる圧電変換器の最
適整合を可能にするかを知ることができる。
第１の整合層の基本材料はセラミック材料であるので、
良好な加工性を有する。すなわち、旋盤加工、フライス
加工、接着および研磨が容易である。
本発明の１つの有利な実施態様では、第１の整合層の所
与の音響インピーダンスが圧電変換器の方向に正の増大
を有する勾配を有する。この措置により、第１の整合層
の音響インピーダンスを約３ＱＸＩＱ＠ｋｇ／ｒ＋ｆｓ
から第２の整合層の値であル約４　Ｘ　１０　＠ｋｇ／
　ｒｄ　ｓまで連続的に移行させることができる。それ
により超音波変換器の周波数特性を、このような措置が
講ぜられていない２つの整合層を有する超音波変換器の
場合よりも一層広帯域にすることができる。
〔実施例〕
以下、図面に示されている実施例により本発明を一層詳
細に説明する。
第１図には、全体で４つの層、すなわち１つの制動層３
と、多数の圧電変換器素子７が埋め込まれており以下で
は“圧電変換器”と呼ばれる１つの層５と、第１の整合
層９と、第２の整合１Ｗ１１とを含んでいる１つの超音
波変換器１が示されている。圧電変換器素子７は超音波
範囲内のパルス状の音波１３を第１の整合ｒＭ９および
第２の整合層１１の方向に出射する。音波１３はできる
かぎり阻止されずに検査対象物、いまの場合は患者１５
内に入射結合されなければならない。音波１３が患者１
５へ移行する際に音響インピーダンスが異なる材料の境
界面に１＃ｉ突すると、音波１３はそこで一部反射され
て、望ましくない副次効果を生ずる。これを回避するた
め、両整合屓９．１１が設けられている。第１の整合層
９は、圧電変換器素子７の音響インピーダンスの値Ｚ試
−約３０ｘ１０’ｋｇ／％ｓと第２の整合層１１の音響
インピーダンスの値ｚ２＝約４×１０　＠ｋｇ／ｒＩｒ
　ｓとの中間の値であるｚｌ＝約１２ＸＩＯ’ｋｇ／％
５（７）音響インピーダンスを有する。また、第２の整
合層１１の音響インピーダンスの値Ｚ２は第１の整合層
９の音響インピーダンスの値Ｚ１と患者組織の音響イン
ピーダンスの値Ｚ９−約１．５　Ｘ　１０　’　ｋｇ／
　ｒｒｒ　ｓとの中間の値である。この場合、圧電変換
器の材料としてはジルコン酸−チタン酸鉛がら成るセラ
ミックスを使用するのが有利である。これは比較的高い
音響インピーダンス、すなわちＺμ＝約３４ｘｌＯ・ｋ
ｇ／ｎｆｓを有する。
整合１９．１１に対する値は近似的に下式から計算され
る。
ＺＩ＝　（Ｚｙ　２ｘｚ９）Ｌ／３ Ｚ２＝（Ｚ１４ｘｚ９２）ｌ／３ ここで、Ｚｌは第１の整合層９の音響インピーダンス、
Ｚ２は第２の整合層１１の音響インピーダンス、ＺＫは
圧電変換器素子７の音響インピーダンス、またＺ９は入
射結合個所における組織の音響インピーダンスである。
第１の整合Ｎ９が有するべき音響インピーダンスの値Ｚ
１は、天然の材料では得ることが困難な範囲内にある。
この理由から第１の整合１’ｉ１９は、選択された材料
の音響的特性を変更する、なかんずくインピーダンスを
減少する空洞または孔を設けられている比較的高いイン
ピーダンスの材料を含んでいる。第１の整合Ｎ９の材料
として多孔性セラミックスが選択されることは有利であ
る。この材料は良好且つ容易に加工し得る。整合層９お
よび１１の層厚みはそれぞれλ／４である。ここで、λ
は整合層９．１１内の超音波の波しである。この波長は
圧電変換器７が励振される周波数に相当する。
超音波変換器１の製造の際、第１の整合層９の音響イン
ピーダンスＺＩがどの値を有するべきかを予め正確に指
示し得ないことが多い。この値はなかんずく、成る変動
幅を有する圧電変換器７自体の音響インピーダンスｚＫ
に関係し、また好ましくは合成樹脂から成り同じく成る
変動幅を有する第２の整合ｔｉｌｌの音響インピーダン
スＺ２にも関係する。従って、段階的な音響インピーダ
ンスを有する複数の種類の第１の整合１’１９を選択し
て利用し得ることが望ましい。超音波変換器１での試行
により、これらの整合１ｉ１９のどれが、当該の超音波
変換器１内に固定的且つｉ＆終的に組み込むのに適して
いるかが知られる。
音響インピーダンスＺ１の設定および段階付けを行うた
め、第１の整合層９は均等に分布された孔Ｉ７を設けら
れている。製造の際に孔１７の平均的な密度および（ま
たは）大きさを変更することにより１．音響インピーダ
ンスｚ１に異なる値を持たせることができる。こうして
何種類もの細かく段階付けされた第１の整合Ｎ９を予め
製造しておき、それから最も望ましいものを選択するこ
とができる。
第２図には、第１の整合層９内の孔比率または多孔度〔
％〕を横軸にとって第１の整合Ｎ９の音響インピーダン
スが示されている。第１の整合層９は好ましくはジルコ
ン酸−チタン酸鉛セラミックスから成っている。所望の
インピーダンス範囲を有する他の材料も選択され得る。
第２図によれば、約１２Ｘ１０＠ｋｇ／ｎ？ｓの所望の
音響インピーダンスは約３６％の多孔度において得られ
る。
この多孔度を±２％の範囲で変更することにより音響イ
ンピーダンスをたとえば１１ないし１３×１０　’　ｋ
ｇ／ｎｆ　ｓの範囲で変更することができる。
多孔度の小さな変化、たとえば１％のオーダーの変化に
より第１の整合層９の音響インピーダンスＺ１の細段階
付けを行うことができる。このことは原理的に他の材料
にもあてはまる。
たとえばＰ　ｂ　Ｔ　ｉ　０３およびＰｂＺｒＯ３を基
本成分とし、たとえばＰ　ｂ　（Ｍｇ＋／ａ　Ｎ　ｂ２
１３）０３のような第２の複合酸化物を、場合によって
は追加的ドーピング材料と共に含んでいる種々の複合セ
ラミック系（混合結晶）の周波数定数も互いにわずかし
か異ならない。従って、製造の際の多孔度の設定を介し
て各セラミック変換器に対して約１２Ｘ１０”ｋｒ／ｒ
ｒｒｓの所望の音響インピーダンスを有する第１の整合
層９を製造することができる。
前記の複合セラミック系はいずれも、圧電特性を有する
という他の利点を有する。このことは特に第１の整合層
９の熱膨張に関連して重要である。すなわち、第１の整
合層９の熱膨張は圧電変換器素子７の熱膨張に整合され
ていなければならない。いま圧電変換器素子７も第１の
整合層９も圧電セラミック材料から成っていれば、それ
らの熱膨張係数は互いに近い値を有するので、第１の整
合層９をたとえばドーピング材料の追加により熱膨張の
点で圧電変換器素子７に整合させることができる。それ
により、境界面に亀裂発生または破断を惹起し得る機械
的応力は回避される。圧電材料を基本成分として製造さ
れた多孔性の第１の整合１’ｉ１９の熱膨張係数は約１
ないし１０ｐｐｍ／にである。
第３図には、孔１７の密度が不均等に分布されている第
１の整合層９が示されている。第２の整合［１１に近い
側には上側の圧電変換器５に近い側にくらべて多くの孔
が位置している。この相違する孔密度、すなわち上方に
向かって減少する孔濃度および（または）孔の大きさは
、第１の整合層９内に上から下へ向かって減少する音響
インピーダンスの勾配を生じさせる。こうして、上側す
なわち圧電変換器素子７との境界面では約３０×１０＠
ｋｆ！／ｎ（ｓの音響インピーダンスＺｔ＋を有し、下
側すなわち第２の整合層１１との境界面では約４Ｘ１０
＠ｋｇ／ｎ？ｓの音響インピーダンスを有するように、
第１の整合層９を構成することができる。すなわち、音
響インピーダンスＺ１が厚み方向に連続的に２つの望ま
しい値の間を変化するように、第１の整合層９を製造す
ることができる。インピーダンス勾配を有するこの種の
整合層９は特に広帯域の整合を可能にする。
多孔度勾配はたとえば、整合層を箔モールド法で製造す
ることにより達成され得る。モールドスラッジに、重力
作用で分離されるバールボリメライドが添加される。第
１の整合層９の箔に対するモールドスラッジの粘度によ
っても、続く焼結の進行によっても、異なる勾配が設定
され得る。
この場合にも、インピーダンス勾配が異なる多種類の第
１の整合層９を製造し、その後に試行により、これらの
第１の整合Ｎ９のうちどれが超音波変換器１への組み込
みに遺しているかを決定するのが有利である。適当な第
１の整合層９のこの実験的な選定は、相互影響および交
互作用を試行によってしか知り得ない多くの規範を考慮
に入れなければならないために行われる。たとえば、容
箱１の整合層９に対して、超音波送信器および受信器の
感度、送信パルスの形状、そのパルス継続時間、位相跳
曜などにどのような結果を生ずるかがチェックされなけ
ればならない。像の質に影響するこれらの規範と並んで
、第１の整合層９の層厚みが常に近似的にλ／４に相当
すること、また熱膨張係数が適当な値であることが非常
に重要である。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明による第１の整合層を有する圧電変換器
の概略断面図、第２図は音響インピーダンスと多孔度と
の関係を示すグラフ、第３図は連続的に変化する多孔度
を有する整合層の概略断面図である。 １・・・超音波変換器、３・・・制動層、５・・・圧電
変換器、７・・・圧電変換器素子、９・・・第１の整合
層、１１・・・第２の整合層、１３・・・超音波、１５
・・・患者、１７・・・孔。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １）圧電変換器と、圧電変換器に隣接する第１の整合層
    と、第１の整合層の上に取付けられており超音波作動中
    に検査対象物のほうに向けられている第２の整合層とを
    含んでいる超音波変換器において、第１の整合層（９）
    が多孔性の圧電セラミック材料から成っており、その多
    孔性が、λ／４（ここで、λは定格周波数における第１
    の整合層（９）内の超音波の波長）の層厚み（ｄ１）に
    おいて圧電変換器（５）の音響インピーダンスの値と第
    ２の整合層（１１）の音響インピーダンスの値との間の
    値を有する所与の音響インピーダンス（Ｚ＿１）が得ら
    れるように選定されていることを特徴とする超音波変換
    器。 ２）第１の整合層（９）の多孔性材料がＰｂＴｉＯ＿３
    およびＰｂＺｒＯ＿３を含んでいる混合結晶であること
    を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の超音波変換器
    。 ３）混合結晶がもう１つの複合酸化物を含んでいること
    を特徴とする特許請求の範囲第２項記載の超音波変換器
    。 ４）混合結晶が複合酸化物としてＰｂ（Ｍｇ＿１＿／＿
    ３Ｎｂ＿２＿／＿３）Ｏ＿３を含んでいることを特徴と
    する特許請求の範囲第３項記載の超音波変換器。 ５）混合結晶が追加的ドーピング材料を含んでいること
    を特徴とする特許請求の範囲第２項ないし第４項のいず
    れか１項に記載の超音波変換器。 ６）第１の整合層（９）の音響インピーダンス（Ｚ＿１
    ）が１１×１０＾６ｋｇ／ｍ＾２ｓと１３×１０＾６ｋ
    ｇ／ｍ＾２ｓとの間の値であることを特徴とする特許請
    求の範囲第１項ないし第５項のいずれか１項に記載の超
    音波変換器。 ７）第１の整合層（９）の所与の音響インピーダンス（
    Ｚ＿１）が圧電変換器（５）の方向に正の増大を有する
    勾配を有することを特徴とする特許請求の範囲第１項な
    いし第６項のいずれか１項に記載の超音波変換器。 ８）第１の整合層（９）の熱膨張係数が近似的に圧電変
    換器（５）の熱膨張係数と一致していることを特徴とす
    る特許請求の範囲第１項ないし第７項のいずれか１項に
    記載の超音波変換器。 ９）第２の整合層（１１）がλ／４の厚み（ｄ２）を有
    し、また合成樹脂から成っていることを特徴とする特許
    請求の範囲第１項ないし第８項のいずれか１項に記載の
    超音波変換器。 １０）第１および第２の整合層（９、１１）が１つの共
    通の多孔性整合層としてまとめられており、その孔分布
    が勾配を有することを特徴とする特許請求の範囲第１項
    ないし第９項のいずれか１項に記載の超音波変換器。
JP60177467A 1984-08-16 1985-08-12 超音波変換器 Expired - Fee Related JPH0644837B2 (ja)

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DE3430161.5 1984-08-16

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