JPS62100100A - 超音波探触子 - Google Patents

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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、圧電振動子を積層した構成で、高感度で広帯
域の超音波送受信に好適な超音波探触子に関する。

〔発明の背景〕

医用超音波診断の分野において、ＰＺＴなどのセラミッ
クスを用いた超音波探触子が盛んに用いられる。このよ
うな超音波探触子に要求される性能には、高感度でしか
もその周波数特性が高感度であることが望まれている。

従来、この目的を達するため、厚み振動を行うＰＺＴ板
（音響インピーダンス２９．６　Ｘ　１０ＢＭＫＳ）と
被検査物である生体（音響インピーダンス１．５ｘｌｏ
’ＭＫｓ）　　との間にその厚みが１／４波長に相当し
、その音響インピーダンスが両者の幾何平均であるよう
な材料をそう人して、いわゆる音響整合が行なわれてい
る。音ｌ！ｌｌＩ整合の効果により、ＰＺＴ振動子だけ
のときより、高感度と広帯域が実現できるからである。

他方、このように１つの圧電動子を送波・受波に兼用す
るのではなく、送受別々の圧電振動子を用いることが考
えられる。例えば、送波には誘電率の大きなＰＺＴを、
受波には誘電率の小さな水晶を用いて送受の感度を、そ
れぞれ独立に送受に用いた場合より高めることが期待で
きるからである。この場合、両者が別々に配置された送
波、受波の指向性がずれるのを防ぐために、両者は積層
されていることが望ましい。

しかし、このような積層した圧電素子の構成には次のよ
うな問題があった。例えば、ｐ　ｚ　’ｒなどの圧電体
を同種２層重ねる構成、いわゆるバイモルフ型において
は、パルスエコー法を用いた和波撮像への適用は皆無と
いってよい。その理由は、（１）一方のＰＺＴ振動子に
より打ち出された超音波パルスは、他方のＰＺＴ振動子
により打ち出された超音波パルスは、他方のＰＺＴ振動
子内で多重反射にパルス長が長くなること。（２）一方
のＰＺＴ振動子による生体への超音波の効率のよい送出
が、他方のＰＺＴ振動子の存在によって邪魔されること
などで、高感度はともかく広帯域従って短いパルスの送
受信に向いていないからである６本発明者等は、このよ
うな圧電振動子の積層構成の探触子において、広帯域で
高感度の送受信の可能な条件を吟味した。

第１図は、この検討のための探触子構成を示しているが
、ここで、第一の圧電素子１１０．第二の圧電素子１２
０および整合層１３０が積層したものである。本発明者
等はこのような構成で、高感度で広帯域の送受信を実現
するには、次の条件を道足するような圧電体および整合
材料を選択すればよいことを見出した。即ち、第１の圧
電体で送４１ｔ　Ｌ　、第２の圧電体で受信する場合、
第２の圧電体および整合材料は、第１の圧電体にとって
二層整合層の働らきをなすことである。各々の音響イン
ピーダンスをＺｓ、Ｚｌ、　Ｚｚとするとこの条件は、
Ｚｓ＞Ｚｌ＞Ｚｚ＞Ｚ−（１） を満足すればよい。しかも、マツチング層のＺｌ。

Ｚｚは、 Ｚ工＝　　ｆ−ｊ−＜　２　） Ｚｘ＝ｆ壽　　　　　　　　　　（３）とそれぞれ隣り
合う層の幾何平均の値を有していることが望ましい、こ
こでＺｗは被検体の音響インピーダンスである。更に、
整合層として、１２０．１３０がプＪ作するためには、
ｆＪｌの圧電素子の共振周波数において、第２の圧電素
子および整合層は１／４波長である必要がある。もし条
件式（１）を満足する圧電体があるなら、その圧電体は
前面は軽い材料で、背面は重い材料で鋏まれでいるから
、この場合１／４波長の駆動を行うことができる。

（式）（１）（２）（３）よりＺｓ、Ｚｌ、ＺＩ　Ｚ−
で表すと。

Ｚｚ＝ｚｓ”／８．ｚ、１／８　　　　　　（４）Ｚ２
＝　ｚ、ｚ／ｓ、　ｚ−／８＜　５　）となるから、Ｚ
ｓ＝２９．６Ｘ１０’ＭＫＳ（ＰＺＴ）。

ｚ、＝１．５１０６ＭＫＳ　　を代入シテ、Ｚ＋＝１０
．９５ＸＩＯ”ＭＫＳ、Ｚ”＝４．０５３Ｘ１０’ＭＫ
Ｓとなる。

従来、ＰＺＴ仮に対しては、Ｚｌ、Ｚ”には非圧電体が
用いられ、いわゆる二層マツチングがなされていたが、
本発明の毎く、二層マツチングを兼ねてもしかも、圧電
体である構成は検討されていなかった。

〔発明の目的〕

本発明は、以上の点を鑑みてなされたもので、二種類以
上の圧電振動子を積層する構成において、各圧電振動子
の音響インピーダンスが被検体側へ逓減するような、い
わゆる二層音響マツチングの構成を提供し、高効率でか
つ広帯域の送受信に適した超音波探触子を具現すること
を目的とする。

〔発明の概要〕

本発明実等は、上記の条件（４）（５）を満足するよう
な圧電材料について種々検討した結果、硼酸リチウム（
ＬｉｚＢａ０７）が第１のマツチング層に用いる圧電体
として、又、ＰＶＤＦ　（ポリ弗化ビニリデン）が第２
のマツチング層に用いる圧電体として極めて好都合であ
ることを見出したのである。

Ｈチ、　Ｎ　ａ　ＩＪ　チ’／　ムＬｔ、密度２．４５
１　ｘ　１０ａｋｇ／ｍ”、弾性率Ｃ１１＝　５３　、
９　Ｘ　１０ｇＮ／　ｍ２であるから、その厚み振動モ
ードでの音波伝播速度は４６８９ｍ／ｓ、音響インピー
ダンスは１１．４９ｘ１０’ＭＫＳ　であり、しがも電
気機械結合係数は０．４５　と大きいので、上記のＺｌ
として用いることができるからである。又、ＰＶＩ）Ｆ
は、密度１．７８Ｘ　１０８ｋｇ／　ｍ　ａ、弾性率Ｃ
ａａ＝９．４２ＸｌＯ’Ｎ／ｍ”の有機圧電体で、厚み
振動モードにおける音波伝播速度は２３００ｍ／ｓ、音
響インピーダンスは４．ｏ９Ｘ１０８ＭＫＳ　であり、
電気機械結合係数は０．２であるので、上記の７２とし
て用いることができるのである。

このように、本発明においては、従来の単一の圧電素子
の前面に設けた２層の音響整合層において、これを圧電
素子で置きかえたことを特徴とするが、かかる構成にお
ける利点を以下、実施例にもとづき説明する。

〔発明の実施例〕

本発明の第１の実施例を第１図に示す。即ちＰＺＴ圧電
振動子１１０の前に硼酸リチウムの振動子１２０を、更
にその前にアクリル樹脂１３０を配置し、電極１０１ａ
、１０１ｂ、１０１ｃの電極を介して電線１００ａ、１
００ｂ、１００ｃが結かれた構成である。ここで、送゛
受すべき超音波周波数に対し、ＰＺＴＩ／２波長、硼酸
リチウム、アクリル樹脂は１／４波長の厚みに設定しで
ある。

音響インピーダンスの大きさはＭＫＳ単位で単位でＰＺ
Ｔは２９．６Ｘ１０６．硼酸リチウムは１１．５ＸＩＯ
Ｂ、アクリル樹脂は４　Ｘ　１０Ｂであるから、被検体
である生体（その音響インピーダンスは１．５Ｘ１０Ｂ
）に対して次のように動作する。

まず、第２図においては電線ＬＯＯｂ、１００ｃを短絡
し、アースに結ぎ、１００ａを介して、バルサ１０より
高圧パルスを印加すれば、ＰＺＴｌｌｏはその厚みでき
まる厚み振動を行ない、硼酸リチウムの方へ超音波を放
出する。この場合、硼酸リチウムとアクリル樹脂は、そ
の厚みが１／４波長でその音響インピーダンスが逓減し
ているから、いわゆる二層整合層を構成し、高感度で広
帯域の送信を実現するのである。この構成では、受（ｆ
ｆ時にも同一の整合効果が期待でき、受信信号は受信増
巾器２０へ導入される。

本発明者等は、このような構成で、従来の二層整合層の
構成と、（この場合は、本実施例と異なり、硼酸リチウ
ムの代りに石英ガラス（音響インピーダンス１３．Ｉ　
Ｘ　１０８）を用いているが）、はぼ同一の感度と帯域
を実現していることを微小球をターゲットとするパルス
・エコー法で確めることができた。

次に、第３図において、１００ｂのみをアースに結ぎ、
１００ａと１ｏｏｂ間にパルサ１０より高圧パルスを印
加するのである。この場合、超音波の送受信の動作は上
側と同一であるが、従来例と異なり音響整合層に圧電素
子１２０が使っであるので、この圧電素子１２０の両端
の電線１００ｂ。

１００ｃを差動増巾ｇｒ３０につなぐことにより、ＰＺ
ＴＩＩＯから送出されて硼酸クチ９１１層１２０を通過
する超音波の大きさと被検体からの反射超音波が、第２
層音響整合層１３０を介して硼酸リチウム層１２０を通
過する際の超音波エコーの大きさをモニタすることがで
きる。この場合、従来の超音波診断装置と同様に、バル
サ１０と受信増巾器２０の組みあわせで、Ａ、Ｂ、Ｃな
どを実現する以外に、本発明では、差動増巾器の出力そ
のものをかかる映像用に用いることができる。

この場合、第１に、パルサ１０の高圧出力が受信増巾器
３ｏに直接印加されないので、いわゆる送受分離が完全
に実現できること、又、送信音波の大きさそのものモニ
タできるため、これと受信音波の大きさとの比から、被
検体の音響的性質を計測することも可能となる。従来は
、いわゆる打ち出し波形は、高圧パルスの増巾器へのも
れこみを表わしており、必ずしも送出音波の大きさと対
応していなかったことを強調したい。

次に、第４図に本発明の第２の実施例を示す。

本実施例は、第１の実施例と異なり、第２のｆｆ響整合
層の材料として、アクリル樹脂の代りに、ＰＶＤＦのよ
うな有機圧電体１３１を使っており、電極１０１ｄおよ
び電線１００ｄがっけ加えられた構成を用いている。こ
こで、ＰＶＤＦのｆｅインピーダンスはＭＫＳ単位で４
　Ｘ　Ｉ　Ｑ”であり、その厚みは該超音波周波数での
１／４波長に設定しである。

ここで、電線１００ｂ、１００ｃ、１００ｄを短絡し、
アースにつなぎ、電線１００ａを介して高圧パルスを印
加する。第５図の構成では、上記第２図と全く同一の音
響的結果が得られ、二層整合の効果により高感度、広帯
域の送受イ３が実現する。何故なら、アクリル樹脂とＰ
ＶＤＦは圧電体であるかどうかだけが異り、音響的な性
質、とりわけ音響インピーダンスの大きさは大差ないが
らである。

又、第６図の如く、電線１００ｂ、１００ｄ（７）みア
ースに結ぎ、パルサ１０で高圧パルスをＰＺＴ振動子１
１０に印加してもよい。この場合、電線１００ｂと１０
００との間に発生する電圧は、差動増巾器３０に結かれ
、上側と同様に送波音圧のモニタに使用される。又、電
線１００ｃと１００ｄの間の電圧は、今一つの差動増巾
器４０につながれ、受信超音波のモニタとして用いてい
る。かかる構成では、硼酸リチウム振動子１２０および
ＰＶＤＦ振動子１３０は、パルサ１０およびＰＺＴ振動
子１１０、受信増巾器２０からなる従来の送受信系にと
っては、二層整合層として働く。本構成において、差動
増巾器３ｏと差動増巾器４０の出力の比を映像信号とし
て用いるなら、パルサー１０の出力電圧の大きさによら
ず、被検体の音響的性質を計測・映像化できるのである
。

以上の例では、いずれも単一平板の探触子の例について
述べたが、各圧電素子を短冊状に切断して配置する。周
知のアレイ型構成や、これらの圧電体が凹面状や凸面状
などの曲面であっても本発明が適用できることを付言し
たい。

又１本発明では、前記条件（４）（５）を比較的良く満
足する圧電体の例として、硼酸リチウ１１とＰＶＤＦを
例にとって説明したが、該条件をおおむね満足するなら
、とりわけ条件（３）を満足するなら、これに限るもの
ではないことも付記しておきたい。

〔発明の効果〕

本発明によれば、単一の圧電振動子を有する探触子と同
等な短パルス送波特性を有し、しかも送受波の分離が有
効にでき、したがって高効率で広帯域の送受行が可能な
超音波探触子が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構造を示し、第２図、及び
第３図はこれを用いる装置の構成例をそれぞれ示す。第
４図は本発明の他の実施例の構造を示し、第５図、第６
図はこれを用いる装置の構成例をそれぞれ示す。 １１０・・・第１の圧電素子、１２０・・・第２の圧電
素早　ｌ　　凹 第　２　口

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、第１の圧密子の前面に配置した二層の音響整合層の
   うち、少なくとも１層を第２の圧電素子で構成し、前記
   第２の圧電素子を受波に用いることを特徴とする超音波
   探触子。 ２、前記第２の圧電素子として硼酸リチウムの１／４波
   長板を硼酸リチウムの１／４波長板を用いたことを特徴
   とする特許請求の範囲第１項に記載の超音波探触子。