JP2814903B2 - Ultrasonic probe - Google Patents
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】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する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an ultrasonic probe used for a sonar or an ultrasonic diagnostic apparatus.
【０００２】[0002]
【従来の技術】水や生体を対象としたソナーや超音波診
断装置等に用いる超音波探触子は、複数個の圧電振動子
をアレイ状に配列し、電子的に走査し、かつ電気的に超
音波ビームを集束させる方式が一般的となっている。走
査方向については電気的に超音波ビームを多段に集束さ
せることにより分解能を向上させることができるが、最
近、上記のように圧電振動子をアレイ状に配列した方向
と直交する方向においても分解能を向上させる方式が盛
んに研究されている。このような超音波探触子の例とし
て、特開平２−５１３９７５号公報に記載された構成が
知られている。以下、このような従来の超音波探触子に
ついて図面を参照しながら説明する。2. Description of the Related Art An ultrasonic probe used for a sonar or an ultrasonic diagnostic apparatus for water or a living body has a plurality of piezoelectric vibrators arranged in an array, electronically scans, and electrically scans. In general, a method of converging an ultrasonic beam into a laser beam is used. In the scanning direction, the resolution can be improved by electrically converging the ultrasonic beam in multiple stages, but recently, the resolution is also improved in the direction orthogonal to the direction in which the piezoelectric vibrators are arranged in an array as described above. Methods for improving are being actively studied. As an example of such an ultrasonic probe, a configuration described in JP-A-2-513975 is known. Hereinafter, such a conventional ultrasonic probe will be described with reference to the drawings.
【０００３】図７は従来の超音波探触子を音圧分布と共
に示す概略斜視図である。図７に示すように、圧電振動
子１１１の配列方向と直交する方向で、圧電振動子１１
１の分極を中央部から両端部方向に至るに従って階段状
に小さくなるように構成している。このように、圧電振
動子１１の分極の強さを変えることにより、圧電振動子
１１１の電気機械結合係数の値、すなわち、超音波の音
圧を中央部で最も大きくし、両端部方向に至るに従い、
電気機械結合係数の値、すなわち、超音波の音圧を次第
に小さくし、全体として音圧分布をもたせるようにした
ものである。したがって、圧電振動子１１１の配列方向
と直交する方向には音圧の重みづけ（アポダイジング）
を行なうことができ、不要となるサイドローブレベルを
低減し、しかも、焦点深度も長くできるという特徴を有
している。FIG. 7 is a schematic perspective view showing a conventional ultrasonic probe together with a sound pressure distribution. As shown in FIG. 7, the piezoelectric vibrators 11 are arranged in a direction orthogonal to the direction in which the piezoelectric vibrators 111 are arranged.
The configuration is such that the polarization of one becomes smaller stepwise from the center toward both ends. As described above, by changing the polarization strength of the piezoelectric vibrator 11, the value of the electromechanical coupling coefficient of the piezoelectric vibrator 111, that is, the sound pressure of the ultrasonic wave is maximized at the center and reaches the ends. in accordance with,
The value of the electromechanical coupling coefficient, that is, the sound pressure of the ultrasonic wave is gradually reduced so as to have a sound pressure distribution as a whole. Therefore, sound pressure weighting (apodizing) is performed in a direction orthogonal to the arrangement direction of the piezoelectric vibrators 111.
This makes it possible to reduce unnecessary side lobe levels and to increase the depth of focus.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の超音波探触子では、圧電振動子１１１の配列
方向（走査方向）および直交する方向については分解能
を向上させることができるが、残る一方向の深さ方向の
分解能（距離分解能）については、これを向上させるこ
とができず、むしろ劣化する。すなわち、距離分解能
は、パルス応答のリンギングが短時間に早く納まるか否
かにより決められるものであり、このパルス応答のリン
ギングは、超音波探触子の周波数特性が広帯域で、正規
分布型のものほど短時間で納まり、距離分解能を向上さ
せることになる。しかしながら、従来のような圧電振動
子の電気機械結合係数を両端部に至るに従い低下させる
と、周波数特性の帯域を狭くすることになり、パルス応
答のリンギングは長くなり、距離分解能が劣化すること
になる。However, in such a conventional ultrasonic probe, the resolution can be improved in the direction in which the piezoelectric vibrators 111 are arranged (scanning direction) and in the direction orthogonal to the piezoelectric vibrators 111, but they remain. The resolution (distance resolution) in one depth direction cannot be improved, but rather deteriorates. In other words, the distance resolution is determined by whether or not the ringing of the pulse response can be settled quickly in a short time, and the ringing of the pulse response has a wide frequency characteristic of the ultrasonic probe and a normal distribution type. The time is short, and the distance resolution is improved. However, if the electromechanical coupling coefficient of the conventional piezoelectric vibrator is reduced toward both ends, the frequency response band will be narrowed, the ringing of the pulse response will be long, and the distance resolution will be degraded. Become.
【０００５】本発明は、このような従来の問題を解決す
るものであり、広い周波数特性を有し、パルス応答のリ
ンギングを短い時間で納めることができ、また、音圧分
布をもたせ、音圧に重みづけしてサイドローブレベルを
低減させ、焦点深度の長い超音波ビームを得ることがで
き、したがって、方位方向および距離（深さ）方向の分
解能の高い超音波画像を得ることができるようにした超
音波探触子を提供することを目的とするものである。The present invention has been made to solve such a conventional problem, has a wide frequency characteristic, can settle ringing of a pulse response in a short time, and has a sound pressure distribution. To reduce the side lobe level and obtain an ultrasonic beam with a long depth of focus, so that an ultrasonic image with high resolution in the azimuth direction and the distance (depth) direction can be obtained. It is an object of the present invention to provide an improved ultrasonic probe.
【０００６】[0006]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の技術的手段は、超音波を送受信する圧電振動
子と、この圧電振動子の超音波送受信側の面に開口部の
外端部を除いた領域で設けられた第１の音響整合層と、
上記圧電振動子の外端部と上記第１の音響整合層の上に
上記圧電振動子の開口部全面となる領域で設けられた第
２の音響整合層とを備えたものである。The technical means of the present invention for achieving the above object is to provide a piezoelectric vibrator for transmitting and receiving an ultrasonic wave, and a piezoelectric vibrator having an opening outside an opening on the ultrasonic transmitting and receiving side. A first acoustic matching layer provided in a region excluding an end;
The piezoelectric vibrator includes an outer end portion of the piezoelectric vibrator and a second acoustic matching layer provided on the first acoustic matching layer in a region corresponding to the entire opening of the piezoelectric vibrator.
【０００７】そして、上記圧電振動子を超音波送受信方
向に対して凹面形状に形成し、上記第１の音響整合層を
中心付近で厚く、外端に至るに従い、次第に薄くなるよ
うな不均一の厚みに形成し、その最も厚くなる中心部の
厚みがほぼ４分の１波長の厚みとなるように設定するの
が好ましい。[0007] The piezoelectric vibrator is formed in a concave shape with respect to the ultrasonic transmission / reception direction, and the first acoustic matching layer is non-uniform such that it is thick near the center and becomes gradually thinner toward the outer end. The thickness is preferably set so that the thickness of the central portion where the thickness is the largest is approximately a quarter wavelength.
【０００８】また、上記圧電振動子を平板状に形成し、
上記第１の音響整合層を不均一な厚みで凸面形状に形成
することができ、この第１の音響整合層の最も厚くなる
中心部の厚みがほぼ４分の１波長の厚みとなるように設
定し、また、第１の音響整合層を被検体の音速より遅い
材料で形成するのが好ましい。The piezoelectric vibrator is formed in a flat plate shape,
The first acoustic matching layer can be formed to have a non-uniform thickness in a convex shape, and the thickness of the thickest central portion of the first acoustic matching layer is approximately one quarter wavelength thick. Preferably, the first acoustic matching layer is formed of a material that is slower than the sound speed of the subject.
【０００９】また、上記のように圧電振動子を平板状に
形成した場合において、第２の音響整合層上に音響レン
ズを備えることができ、この場合、第１の音響整合層を
被検体の音速と同じ、若しくは速い材料で形成するのが
好ましい。In the case where the piezoelectric vibrator is formed in a plate shape as described above, an acoustic lens can be provided on the second acoustic matching layer. In this case, the first acoustic matching layer is provided on the subject. It is preferable to use a material having the same or a higher speed of sound.
【００１０】[0010]
【作用】本発明は、上記構成により、超音波を送受信す
る圧電振動子の開口部の中心付近の音圧を高くすること
ができ、外端部側に至るに従い、音圧を低くすることが
できるので、音圧に重みづけしてサイドローブレベルを
低減し、長焦点深度化を実現することができ、しかも、
広帯域で正規分布型に近い周波数特性を得ることができ
る。According to the present invention, it is possible to increase the sound pressure in the vicinity of the center of the opening of the piezoelectric vibrator for transmitting and receiving ultrasonic waves, and to lower the sound pressure toward the outer end side. Since it is possible to reduce the side lobe level by weighting the sound pressure, it is possible to achieve a long focal depth,
A frequency characteristic close to a normal distribution type can be obtained in a wide band.
【００１１】[0011]
（実施例１）以下、本発明の第１の実施例について図面
を参照しながら説明する。Embodiment 1 Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
【００１２】図１は本発明の第１の実施例における超音
波探触子を示す概略断面図、図２は同超音波探触子の音
圧分布図、図３は同超音波探触子の周波数特性図、図４
は同超音波探触子の超音波ビーム特性図である。FIG. 1 is a schematic sectional view showing an ultrasonic probe according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a sound pressure distribution diagram of the ultrasonic probe, and FIG. Fig. 4
FIG. 4 is an ultrasonic beam characteristic diagram of the ultrasonic probe.
【００１３】図１において、１は圧電振動子であり、圧
電体２と、この圧電体２の両面全体に設けられ、圧電体
２に電気信号を与えるプラス側およびマイナス側の電極
３および４とから構成され、被検体８方向に対して凹面
形状に形成されている。そして、電極３、４に電気信号
を印加することにより圧電体２が振動し、超音波を発生
する。本実施例では、圧電体２の両面全体に電極３、４
を設けることにより、圧電体２の全体が振動し、超音波
を発生するので、これが開口部となる。５は圧電振動子
１の超音波送受信側（前面側）である凹面側に設けられ
た第１の音響整合層であり、圧電振動子１の開口部に対
して中心部付近の領域にのみ配置され、両外端側の一部
には配置されない構成となっている。しかも、第１の音
響整合層３は、全体が均一な厚みではなく、中心付近で
最も厚く、両外端部に至るに従い、次第に薄くなる不均
一な厚みに形成されている。６は第１の音響整合層５お
よび圧電振動子１の凹面側の両外端部付近の上に設けら
れた第２の音響整合層であり、圧電振動子１の開口部全
面となる領域に配置された構成となっている。７は圧電
振動子１の背面側である凸面側に設けられたバッキング
材である。In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a piezoelectric vibrator, which includes a piezoelectric body 2 and positive and negative electrodes 3 and 4 which are provided on both sides of the piezoelectric body 2 and provide an electric signal to the piezoelectric body 2. And is formed in a concave shape in the direction of the subject 8. Then, by applying an electric signal to the electrodes 3 and 4, the piezoelectric body 2 vibrates and generates ultrasonic waves. In this embodiment, the electrodes 3, 4
Is provided, the whole of the piezoelectric body 2 vibrates and generates an ultrasonic wave, which becomes an opening. Reference numeral 5 denotes a first acoustic matching layer provided on the concave side which is the ultrasonic transmission / reception side (front side) of the piezoelectric vibrator 1, and is disposed only in a region near the center with respect to the opening of the piezoelectric vibrator 1. However, it is configured not to be disposed on a part of both outer end sides. In addition, the first acoustic matching layer 3 is formed not to have a uniform thickness as a whole, but to have a non-uniform thickness which is thickest near the center and becomes gradually thinner toward both outer ends. Reference numeral 6 denotes a second acoustic matching layer provided on the first acoustic matching layer 5 and near the two outer ends on the concave side of the piezoelectric vibrator 1. The arrangement is arranged. Reference numeral 7 denotes a backing material provided on the convex side which is the back side of the piezoelectric vibrator 1.
【００１４】一例として、ＰｂＴｉＯ3系などの圧電セ
ラミックスからなる圧電体２を曲率半径６０ｍｍ、開口
部幅９．８ｍｍであるシリンドリカル状で凹面形状に形
成し、この圧電体２の両面に金、若しくは銀からなる電
極３、４を蒸着、若しくは焼付けにより設けた。このよ
うに構成した圧電振動子１の凸面側にフェライトゴムな
どのバッキング材７を設け、超音波送受信側となる凹面
側に開口部の中心から開口部全体の約６３％（約６．２
ｍｍ）の幅（領域）まで第１の音響整合層５を設けた。
この第１の音響整合層５は開口部中心において最も厚く
なり、両外縁部に至るに従い、次第に薄くなる不均一な
厚みになるように形成した。As an example, a piezoelectric body 2 made of a piezoelectric ceramic such as PbTiO 3 is formed in a cylindrical concave shape having a curvature radius of 60 mm and an opening width of 9.8 mm, and gold or gold is formed on both sides of the piezoelectric body 2. Electrodes 3 and 4 made of silver were provided by vapor deposition or baking. A backing material 7 such as ferrite rubber is provided on the convex side of the piezoelectric vibrator 1 thus configured, and about 63% (about 6.2%) of the entire opening from the center of the opening on the concave side which is the ultrasonic transmission / reception side.
mm) in width (region).
The first acoustic matching layer 5 was formed so as to have the largest thickness at the center of the opening and to have a non-uniform thickness that gradually became thinner toward both outer edges.
【００１５】なお、既に公知のように、圧電体２にはＰ
ＺＴ、ＰｂＴｉＯ3系などの圧電セラミックを用い、被
検体８が水や生体であり、２層の音響整合層５、６を設
けたときの第１の音響整合層５には音響インピーダンス
が７〜１５ＭＲａｙｌの範囲の値の材料を用いることが
できる。本実施例における第１の音響整合層５として
は、音響インピーダンスが約１１ＭＲａｙｌの値で、音
速が約２５５０ｍ／ｓの値を有する材料を用い、最も厚
い中心部の厚みが約４分の１波長の厚みとなるように設
定した。As already known, the piezoelectric body 2 has P
When a subject 8 is water or a living body using a piezoelectric ceramic such as ZT or PbTiO 3 , and the two acoustic matching layers 5 and 6 are provided, the first acoustic matching layer 5 has an acoustic impedance of 7 to Materials with values in the range of 15 MRayl can be used. As the first acoustic matching layer 5 in the present embodiment, a material having an acoustic impedance of about 11 MRayl and a sound velocity of about 2550 m / s is used, and the thickness of the thickest central portion is about a quarter wavelength. The thickness was set to be.
【００１６】第１の音響整合層５および第１の音響整合
層５が設けられていない両外端部付近の圧電振動子１の
上に第２の音響整合層６を約４分の１波長の厚みで形成
した。この第２の音響整合層６は音響インピーダンスが
約２．８ＭＲａｙｌの値で、音速が約２５８０ｍ／ｓの
値を有するエポキシ樹脂を用いた。このとき、図１から
わかるように、第２の音響整合層６における第１の音響
整合層５に対応する部分は、ほぼ均一の厚みで約４分の
１波長の厚みとなるが、両外端部の圧電振動子１上に設
けた部分の厚みは、外端部側に至るに従い、次第に薄く
なり、両外端部で厚みがほぼ０になっている。On the first acoustic matching layer 5 and the piezoelectric vibrator 1 near both outer ends where the first acoustic matching layer 5 is not provided, a second acoustic matching layer 6 is formed by approximately one quarter wavelength. Formed with a thickness of For the second acoustic matching layer 6, an epoxy resin having an acoustic impedance of about 2.8 MRayl and a sound speed of about 2580 m / s was used. At this time, as can be seen from FIG. 1, the portion of the second acoustic matching layer 6 corresponding to the first acoustic matching layer 5 has a substantially uniform thickness and a thickness of about a quarter wavelength. The thickness of the portion provided on the piezoelectric vibrator 1 at the end portion becomes gradually thinner toward the outer end portion, and the thickness becomes almost zero at both outer end portions.
【００１７】以上のように構成することにより、中心部
では、第１および第２の音響整合層５および６は厚みが
４分の１波長となっているため、最も効率良く超音波を
送受信できることになり、外端部に至るに従い、その厚
みは、まず、第１の音響整合層５が４分の１波長からず
れていくため、超音波送受信効率が低下していく。しか
し、まだ第２の音響整合層６が４分１波長の厚みである
ため、超音波送受信効率の低下は少ない。更に、外端部
に至ると、第１の音響整合層５がなくなり、第２の音響
整合層６のみとなるため、超音波送受信効率は更に低下
し、しかも、第２の音響整合層６の厚みが次第に薄くな
っていくため、この超音波送受信効率低下の傾向は更に
続き、両外端部で超音波送受効率が最も低下した状態と
なる。With the above configuration, since the thickness of the first and second acoustic matching layers 5 and 6 at the center is a quarter wavelength, the ultrasonic waves can be transmitted and received most efficiently. The thickness of the first acoustic matching layer 5 deviates from a quarter wavelength as it reaches the outer end, so that the ultrasonic transmission / reception efficiency decreases. However, since the second acoustic matching layer 6 is still a quarter wavelength thick, there is little decrease in the ultrasonic transmission / reception efficiency. Further, when reaching the outer end, the first acoustic matching layer 5 is eliminated, and only the second acoustic matching layer 6 is provided. Therefore, the ultrasonic transmission / reception efficiency is further reduced, and the second acoustic matching layer 6 Since the thickness is gradually reduced, the tendency of the ultrasonic transmission / reception efficiency to decrease further continues, and the ultrasonic transmission / reception efficiency at both outer ends is in the state of the lowest.
【００１８】図１に示した本実施例の超音波探触子の凹
面形状方向に対する音圧（効率）の変化を測定すると、
図２に示す分布が得られた。なお、ここでの音圧は受信
電圧として表わしている。図２からも、前述したように
開口部中心付近が最も高く、外端部に至るに従って低下
するように変化していることが確認できる。このこと
は、音圧に分布をもたせていることを示しており、重み
づけ（アポダイジング）ができているということを意味
している。図２には、図１で示した第１の音響整合層５
と第２音響整合層６を開口部全面に均一の厚み（４分の
１波長）で構成したときの音圧分布を従来例として示し
ている。When the change in sound pressure (efficiency) with respect to the concave shape direction of the ultrasonic probe of this embodiment shown in FIG. 1 is measured,
The distribution shown in FIG. 2 was obtained. Note that the sound pressure here is represented as a reception voltage. From FIG. 2, it can be confirmed that, as described above, the height is highest near the center of the opening, and decreases so as to reach the outer end. This indicates that the sound pressure has a distribution, which means that weighting (apodizing) has been performed. FIG. 2 shows the first acoustic matching layer 5 shown in FIG.
And the sound pressure distribution when the second acoustic matching layer 6 is formed with a uniform thickness (a quarter wavelength) over the entire opening.
【００１９】また、図１に示した本実施例の超音波探触
子の周波数特性を測定した結果、図３に示すように、広
帯域で正規分布型に近い特性が得られた。このことは、
パルス応答のリンギングが早く納まることを意味してお
り、距離方向の分解能を向上させることができる。な
お、ここで測定した周波数特性は、広帯域の周波数特性
を有するインパルス駆動で行い、水中下に設けたアルミ
ニウム反射板から反射した反射波を受信した特性を示し
ている。Further, as a result of measuring the frequency characteristics of the ultrasonic probe of this embodiment shown in FIG. 1, as shown in FIG. 3, characteristics close to a normal distribution type over a wide band were obtained. This means
This means that the ringing of the pulse response stops earlier, and the resolution in the distance direction can be improved. Note that the frequency characteristics measured here are characteristics obtained by performing impulse driving having broadband frequency characteristics and receiving reflected waves reflected from an aluminum reflector provided under water.
【００２０】また、本実施例の超音波探触子の凹面形状
方向と深さ方向に対する音圧を測定し、−３、−６、−
１０ｄＢの各音圧レベルにおける超音波ビーム特性を図
４に示す。この測定は、水中下に設置したハイドロホン
で受信する方法で行った。図４から明らかなように、焦
点は７０ｍｍとなっているが、かなり細いビームに形成
されており、焦点深度が長くなっていることを示してい
る。Further, the sound pressure in the concave shape direction and the depth direction of the ultrasonic probe of the present embodiment was measured to be -3, -6,-
FIG. 4 shows the ultrasonic beam characteristics at each sound pressure level of 10 dB. This measurement was performed by a method of receiving with a hydrophone placed under water. As is clear from FIG. 4, although the focal point is 70 mm, the beam is formed into a considerably narrow beam, indicating that the focal depth is long.
【００２１】このように本実施例の構成により超音波探
触子に音圧分布をもたせることが可能となり、音圧に重
みづけ（アポダイジング）することができ、長焦点深度
化が可能となり、しかも、広帯域で正規分布型の周波数
特性を得ることも可能となるため、方位方向および距離
方向の両分解能を向上させた超音波画像を得ることがで
きるようになる。As described above, according to the configuration of the present embodiment, it is possible to give a sound pressure distribution to the ultrasonic probe, to weight (apodize) the sound pressure, and it is possible to increase the depth of focus. In addition, since it is possible to obtain a normal distribution type frequency characteristic in a wide band, it is possible to obtain an ultrasonic image with improved resolution in both the azimuth direction and the distance direction.
【００２２】なお、本実施例においては、第１の音響整
合層５を開口部に対して６３％となるように設けた場合
について説明したが、この比率に限定されるものではな
く、任意に比率を変えた場合においても、音圧に分布を
もたせることが可能であり、同様の効果が得られる。In the present embodiment, the case where the first acoustic matching layer 5 is provided so as to be 63% with respect to the opening is described. However, the present invention is not limited to this ratio, and is arbitrary. Even when the ratio is changed, the sound pressure can be distributed, and the same effect can be obtained.
【００２３】また、本実施例においては、圧電振動子１
をシリンドリカルの凹面形状に形成した場合についても
説明したが、このほか、球状の凹面形状にした場合につ
いても同様に音圧に分布をもたせることが可能であり、
同様の効果が得られる。In this embodiment, the piezoelectric vibrator 1
Was described in the case of forming a cylindrical concave shape, but also in the case of a spherical concave shape, it is possible to similarly have a distribution in sound pressure,
Similar effects can be obtained.
【００２４】また、本実施例においては、圧電振動子１
が単一板の場合について説明したが、このほか、圧電振
動子１をアレイ型に配列した、いわゆる電子走査型の場
合についても同様の効果が得られる。In this embodiment, the piezoelectric vibrator 1
Is described as a single plate, but the same effect can be obtained also in a so-called electronic scanning type in which the piezoelectric vibrators 1 are arranged in an array.
【００２５】（実施例２）以下、本発明の第２の実施例
について図面を参照しながら説明する。(Embodiment 2) Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
【００２６】図５は本発明の第２の実施例における超音
波探触子を示す概略断面図である。図５において、１１
は圧電振動子であり、電圧体１２と、この圧電体１２の
両面全体に設けられた電極１３、１４とから構成され、
平板状に形成されている。圧電体１２としてはＰＺＴ系
や、ＰｂＴｉＯ3系などの圧電セラミックが用いられ、
電極１３、１４としては金、銀などの材料が用いられ、
蒸着や焼付けなどにより圧電体１２の両面全体に設けら
れる。そして、電極１３、１４に電圧を印加することに
より、圧電体１２の全体が振動し、超音波を発生する。FIG. 5 is a schematic sectional view showing an ultrasonic probe according to a second embodiment of the present invention. In FIG. 5, 11
Is a piezoelectric vibrator, which includes a voltage body 12 and electrodes 13 and 14 provided on both sides of the piezoelectric body 12,
It is formed in a flat plate shape. As the piezoelectric body 12, a PZT-based or PbTiO 3 -based piezoelectric ceramic is used.
Materials such as gold and silver are used for the electrodes 13 and 14,
It is provided on the entire surface of the piezoelectric body 12 by vapor deposition or baking. Then, by applying a voltage to the electrodes 13 and 14, the entire piezoelectric body 12 vibrates and generates ultrasonic waves.
【００２７】１５は圧電振動子１１の開口部の両外端部
付近の一部を除いた部分に設けられた第１の音響整合層
であり、中心付近の厚みが最も厚く、外端部に至るに従
い、次第に薄くなる不均一な厚みの凸面形状に形成され
ている。また、第１の音響整合層１５は圧電振動子１１
の開口部に対して６３％の割合となる領域で設けられて
いる。このときの第１の音響整合層１５には音響インピ
ーダンスが７〜１５ＭＲａｙｌの範囲の値で、音速が被
検体８である水や生体の音速（約１４８０〜１５４０ｍ
／ｓ）より遅い値の材料を用いる。これにより、第１の
音響整合層１５は凸面形状に形成しているため、被検体
８との音速差から音波が屈折し、被検体８の任意の距離
で超音波ビームが集束することになり、音響レンズとし
ての機能も有することになる。また、第１の音響整合層
１５の中心付近の最も厚くなる厚みは約４分の１波長の
厚みに設定することにより、広帯域で正規分布型の周波
数特性が得られるので望ましい。この第１の音響整合層
１５として、例えば、母材である塩化ビニル樹脂に対し
て重量比で９２の割合でタングステン金属粉末を混入
（充填）した材料を用いる。この材料の音響インピーダ
ンスは約１０ＭＲａｙｌ、音速は９８０ｍ／ｓの特性を
有しており、前述した望ましい特性の値を有している。Reference numeral 15 denotes a first acoustic matching layer provided at a portion of the opening of the piezoelectric vibrator 11 except for portions near both outer ends thereof. As it reaches, it is formed in a convex shape having a non-uniform thickness that becomes gradually thinner. Further, the first acoustic matching layer 15 is
Is provided in a region which is 63% of the opening. At this time, the first acoustic matching layer 15 has an acoustic impedance in the range of 7 to 15 MRayl and a sound velocity of water or the living body of the subject 8 (about 1480 to 1540 m).
/ S) with a slower value material. Thus, since the first acoustic matching layer 15 is formed in a convex shape, the sound wave is refracted from the difference in sound speed from the subject 8, and the ultrasonic beam is focused at an arbitrary distance to the subject 8. Also, it has a function as an acoustic lens. Further, it is desirable that the thickest thickness near the center of the first acoustic matching layer 15 is set to a thickness of about a quarter wavelength so that a normally distributed frequency characteristic can be obtained in a wide band. As the first acoustic matching layer 15, for example, a material in which tungsten metal powder is mixed (filled) at a weight ratio of 92 with respect to vinyl chloride resin as a base material is used. The acoustic impedance of this material has a characteristic of about 10 MRayl, and the sound speed has a characteristic of 980 m / s, which has the above-mentioned desirable characteristic values.
【００２８】１６は圧電振動子１１における第１の音響
整合層１５が設けられていない両外端部付近と第１の音
響整合層１５の上に設けられた第２の音響整合層であ
り、圧電振動子１１の開口部全面となる領域に配置され
る。また、第２の音響整合層１６は、第１の音響整合層
１５上に設けられる部分がほぼ均一な約４分の１波長厚
みに設定されるが、外端部の圧電振動子１１上に設けら
れる部分が、外端側に至るに従い、次第に薄くなる不均
一な厚みになるように設定されている。この第２の音響
整合層１６としては、上記第１の実施例と同じエポキシ
樹脂のような材料を用いる。Numeral 16 denotes a second acoustic matching layer provided on the first acoustic matching layer 15 near the outer ends of the piezoelectric vibrator 11 where the first acoustic matching layer 15 is not provided, and The piezoelectric vibrator 11 is disposed in a region that is the entire opening. Further, the second acoustic matching layer 16 has a portion provided on the first acoustic matching layer 15 which is set to have a substantially uniform quarter-wavelength thickness. The portion to be provided is set so as to have an uneven thickness that becomes gradually thinner toward the outer end side. The second acoustic matching layer 16 is made of the same material as the first embodiment, such as epoxy resin.
【００２９】１７は圧電振動子１１の背面に設けられる
バッキング材であり、フェライトゴムのような材料が用
いられる。Reference numeral 17 denotes a backing material provided on the back surface of the piezoelectric vibrator 11, and a material such as ferrite rubber is used.
【００３０】このような構成の超音波探触子は、上記第
１の実施例の場合と同様の効果、すなわち、音圧に重み
づけを行うことが可能になるため、方位方向の分解能を
向上させることができ、かつ、広帯域で正規分布型の周
波数特性を得ることが可能となるため、距離方向の分解
能も向上させることができる。更に、圧電振動子１１を
平板状に形成しても、第１の音響整合層１５を凸面形状
に形成し、音速が被検体８より遅い材料を用いているた
め、音響レンズの機能ももたせることができる。したが
って、方位分解能もより一層向上させることが可能とな
る。The ultrasonic probe having such a configuration has the same effect as that of the first embodiment, that is, the sound pressure can be weighted, so that the resolution in the azimuth direction can be improved. Since it is possible to obtain a normal distribution type frequency characteristic in a wide band, the resolution in the distance direction can be improved. Further, even if the piezoelectric vibrator 11 is formed in a flat plate shape, the first acoustic matching layer 15 is formed in a convex shape, and a material having a sound velocity lower than that of the subject 8 is used, so that the piezoelectric vibrator 11 also has the function of an acoustic lens. Can be. Therefore, the azimuth resolution can be further improved.
【００３１】なお、本実施例においては、第１の音響整
合層１５を開口部に対して６３％に設定した場合につい
て説明したが、この比率に限定されるものではなく、任
意に比率を変えた場合においても、音圧に分布をもたせ
ることが可能であり、同様の効果が得られる。In this embodiment, the case where the first acoustic matching layer 15 is set to 63% with respect to the opening is described. However, the present invention is not limited to this ratio. In this case, the sound pressure can be distributed, and the same effect can be obtained.
【００３２】また、本実施例においては、第１の音響整
合層１５上に設ける第２の音響整合層１６をほぼ均一な
厚みに設定した場合について説明したが、このほか、第
２の音響整合層１６を第１の音響整合層１５と同様に、
中心部が最も厚く、周辺部に至るに従い、次第に薄くな
るように形成した場合においても同様の効果が得られ
る。In this embodiment, the case where the second acoustic matching layer 16 provided on the first acoustic matching layer 15 is set to have a substantially uniform thickness has been described. Layer 16 is similar to first acoustic matching layer 15,
The same effect can be obtained even when the central portion is formed to be the thickest and to become gradually thinner toward the peripheral portion.
【００３３】（実施例３）以下、本発明の第３の実施例
について図面を参照しながら説明する。Embodiment 3 Hereinafter, a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
【００３４】図６は本発明の第３の実施例における超音
波探触子を示す概略断面図である。本実施例において
は、図５に示す上記第２の実施例の構成および機能と同
じであるので、同一構成要素については同一符号を付し
てその説明を省略し、異なる構成について説明する。FIG. 6 is a schematic sectional view showing an ultrasonic probe according to a third embodiment of the present invention. This embodiment has the same configuration and function as the second embodiment shown in FIG. 5. Therefore, the same components are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted, and different configurations will be described.
【００３５】図６に示すように、平板状の圧電振動子１
１の超音波送受信側の面に第１の音響整合層１５が圧電
振動子１１の開口部より小さい領域に設けられている。
この第１の音響整合層１５は、被検体８側に対して凸面
形状に形成され、中心部が最も厚く、両外端部に至るに
従い、次第に薄くなるように設定されている。本実施例
における第１の音響整合層１５としては、音響インピー
ダンスが７〜１５ＭＲａｙｌと上記第２の実施例と同じ
であるが、音速は上記第２の実施例とは逆に水や生体の
ような被検体８の音速と同等以上、好ましくは被検体８
の音速より速い材料を用いる。音響インピーダンスが７
〜１５ＭＲａｙｌの値を有し、しかも、音速が被検体８
より速い値の材料としては、例えば、ガラスや金属（ア
ルミニウム系の合金）、あるいはエポキシ樹脂にフェラ
イト粉などを充填した種々の材料があり、選択性が広い
という長所を有している。これらの材料の音速は、約６
０００ｍ／ｓから２５００ｍ／ｓという広い範囲で分布
しており、用途、あるいは周波数によって自由に選択す
ることができる。また、第１の音響整合層１５の中心付
近の最も厚い部分の厚みは、上記第２の実施例と同様
に、約４分の１波長の厚みに設定する。As shown in FIG. 6, a flat piezoelectric vibrator 1
The first acoustic matching layer 15 is provided in a region smaller than the opening of the piezoelectric vibrator 11 on the surface on the ultrasonic transmission / reception side.
The first acoustic matching layer 15 is formed in a convex shape with respect to the subject 8 side, and is set so as to be thickest at the center portion and gradually thinner toward both outer end portions. The first acoustic matching layer 15 in this embodiment has an acoustic impedance of 7 to 15 MRayl, which is the same as that of the second embodiment, but has the same sound velocity as water or a living body, contrary to the second embodiment. Equal to or higher than the sound velocity of the subject 8, preferably the subject 8
Use a material faster than the speed of sound. Acoustic impedance is 7
１５15 MRayl, and the speed of sound is
As a material having a faster value, for example, there are various materials in which glass, metal (aluminum-based alloy), or epoxy resin is filled with ferrite powder, and has an advantage of wide selectivity. The speed of sound of these materials is about 6
It is distributed over a wide range from 000 m / s to 2500 m / s, and can be freely selected depending on the application or frequency. The thickness of the thickest part near the center of the first acoustic matching layer 15 is set to a thickness of about a quarter wavelength, as in the second embodiment.
【００３６】このように音速が被検体８より速い材料
で、しかも、凸面形状に形成すると、音波の屈折により
被検体８で拡散することになる。When a material having a higher sound velocity than the object 8 and a convex shape are used, the sound is refracted in the object 8 due to refraction of sound waves.
【００３７】圧電振動子１１の外端部および第１の音響
整合層１５の上に形成された第２の音響整合層１６の上
に、第２の音響整合層１６の曲率に沿って音響レンズ１
８が形成されている。この音響レンズ１８は、音響イン
ピーダンスが被検体８に近い値を有し、音速が被検体８
より速い値を有する材料を用いるのが望ましい。例え
ば、音響レンズ１８の材料としては、ポリメチルペンテ
ン、ポリエチレン、ポリスチレンなどのプラスチック系
のものを用いることができる。そして、音響レンズ１８
における被検体８との接触面はほぼ平坦に形成されてい
る。On the outer end of the piezoelectric vibrator 11 and on the second acoustic matching layer 16 formed on the first acoustic matching layer 15, an acoustic lens is formed along the curvature of the second acoustic matching layer 16. 1
8 are formed. The acoustic lens 18 has an acoustic impedance having a value close to that of the subject 8 and a sound velocity of the subject 8
It is desirable to use a material with a faster value. For example, as a material of the acoustic lens 18, a plastic-based material such as polymethylpentene, polyethylene, or polystyrene can be used. And the acoustic lens 18
The contact surface with the subject 8 is formed substantially flat.
【００３８】このような本実施例の構成により、上記第
１の実施例と同様に音圧に重みづけすることができ、か
つ広帯域で正規分布型の周波数特性を得ることができ
る。また、第１の音響整合層１５で音波が拡散しても音
響レンズ１８によって被検体８内において超音波ビーム
を集束することができる。したがって、高分解能の超音
波画像を得ることが可能なる。With the configuration of this embodiment, sound pressure can be weighted in the same manner as in the first embodiment, and a normally distributed frequency characteristic can be obtained in a wide band. Further, even when the sound wave is diffused in the first acoustic matching layer 15, the ultrasonic beam can be focused in the subject 8 by the acoustic lens 18. Therefore, a high-resolution ultrasonic image can be obtained.
【００３９】なお、本実施例においては、第１の音響整
合層１５上に設けた第２の音響整合層１６の厚みをほぼ
均一の厚みに設定した場合について説明したが、このほ
か、第２の音響整合層１６を第１の音響整合層１５と同
様に中心部が最も厚く、外端部に至るに従い、次第に薄
くなるように形成し、しかも、最厚部の厚みが約４分の
１波長に設定した場合においても同様の効果が得られ
る。In this embodiment, the case where the thickness of the second acoustic matching layer 16 provided on the first acoustic matching layer 15 is set to be substantially uniform has been described. As in the first acoustic matching layer 15, the acoustic matching layer 16 is formed so as to be thickest at the central portion and to become gradually thinner toward the outer end, and that the thickness of the thickest portion is about one-fourth. Similar effects can be obtained when the wavelength is set.
【００４０】[0040]
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、超
音波を送受信する圧電振動子と、この圧電振動子の超音
波送受信側の面に開口部の外端部を除いた領域で設けら
れた第１の音響整合層と、上記圧電振動子の外端部と上
記第１の音響整合層の上に上記圧電振動子の開口部全面
となる領域で設けられた第２の音響整合層とを備えてい
るので、中心部が最も高く、外端部に至るに従い、小さ
くなる音圧分布を持たせることができ、サイドローブレ
ベルを低減し、長焦点深度の超音波ビームパターンを形
成することができる。また、周波数特性も広帯域で単峰
性の特性を得ることができるので、パルス応答のリンギ
ングも短い時間で納めることができる。したがって、方
位方向および距離（深さ）方向の分解能が高い超音波画
像を得ることができる。As described above, according to the present invention, the piezoelectric vibrator for transmitting and receiving ultrasonic waves and the piezoelectric vibrator provided on the surface on the ultrasonic transmitting and receiving side of the piezoelectric vibrator in a region excluding the outer end of the opening. A first acoustic matching layer provided, and a second acoustic matching layer provided on an outer end portion of the piezoelectric vibrator and on the entire surface of the opening of the piezoelectric vibrator on the first acoustic matching layer. The sound pressure distribution at the center is the highest, and the sound pressure distribution becomes smaller toward the outer edge, so that the side lobe level is reduced and an ultrasonic beam pattern with a long depth of focus is formed. be able to. In addition, since a single-peak characteristic can be obtained in a wide frequency band, ringing of a pulse response can be reduced in a short time. Therefore, an ultrasonic image having high resolution in the azimuth direction and the distance (depth) direction can be obtained.
【図１】本発明の第１の実施例における超音波探触子を
示す概略断面図FIG. 1 is a schematic sectional view showing an ultrasonic probe according to a first embodiment of the present invention.
【図２】同超音波探触子の音圧分布図FIG. 2 is a sound pressure distribution diagram of the ultrasonic probe.
【図３】同超音波探触子の周波数特性図FIG. 3 is a frequency characteristic diagram of the ultrasonic probe.
【図４】同超音波探触子の超音波ビーム特性図FIG. 4 is an ultrasonic beam characteristic diagram of the ultrasonic probe.
【図５】本発明の第２の実施例における超音波探触子を
示す概略断面図FIG. 5 is a schematic sectional view showing an ultrasonic probe according to a second embodiment of the present invention.
【図６】本発明の第３の実施例における超音波探触子を
示す概略断面図FIG. 6 is a schematic sectional view showing an ultrasonic probe according to a third embodiment of the present invention.
【図７】従来の超音波探触子の一例を音圧分布とともに
示す概略断面図FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing an example of a conventional ultrasonic probe together with a sound pressure distribution.
１ 圧電振動子 ２ 圧電体 ３ 電極 ４ 電極 ５ 第１の音響整合層 ６ 第２の音響整合層 ７ バッキング材 ８ 被検体 １１ 圧電振動子 １２ 圧電体 １３ 電極 １４ 電極 １５ 第１の音響整合層 １６ 第２の音響整合層 １７ バッキング材 １８ 音響レンズ REFERENCE SIGNS LIST 1 piezoelectric vibrator 2 piezoelectric body 3 electrode 4 electrode 5 first acoustic matching layer 6 second acoustic matching layer 7 backing material 8 subject 11 piezoelectric vibrator 12 piezoelectric body 13 electrode 14 electrode 15 first acoustic matching layer 16 Second acoustic matching layer 17 Backing material 18 Acoustic lens
Claims (8)
圧電振動子の超音波送受信側の面に開口部の外端部を除
いた領域で設けられた第１の音響整合層と、上記圧電振
動子の外端部と上記第１の音響整合層の上に上記圧電振
動子の開口部全面となる領域で設けられた第２の音響整
合層とを備えた超音波探触子。1. A piezoelectric vibrator for transmitting and receiving ultrasonic waves, a first acoustic matching layer provided on a surface on the ultrasonic transmitting and receiving side of the piezoelectric vibrator except for an outer end of an opening, An ultrasonic probe comprising: an outer end portion of a piezoelectric vibrator; and a second acoustic matching layer provided on the first acoustic matching layer in a region corresponding to the entire opening of the piezoelectric vibrator.
凹面形状に形成され、第１の音響整合層が中心付近で厚
く、外端に至るに従い、次第に薄くなるような不均一の
厚みに形成された請求項１記載の超音波探触子。2. A non-uniform thickness in which a piezoelectric vibrator is formed in a concave shape with respect to an ultrasonic transmission / reception direction, and a first acoustic matching layer is thick near a center and becomes gradually thinner toward an outer end. The ultrasonic probe according to claim 1 formed.
の厚みがほぼ４分の１波長の厚みである請求項２記載の
超音波探触子。3. The ultrasonic probe according to claim 2, wherein the thickness of the central portion of the first acoustic matching layer where the thickness is the largest is approximately one quarter wavelength.
音響整合層が不均一な厚みで凸面形状に形成された請求
項１記載の超音波探触子。4. The ultrasonic probe according to claim 1, wherein the piezoelectric vibrator is formed in a flat plate shape, and the first acoustic matching layer is formed to have a non-uniform thickness and a convex shape.
の厚みがほぼ４分の１波長の厚みである請求項４記載の
超音波探触子。5. The ultrasonic probe according to claim 4, wherein the thickness of the center portion of the first acoustic matching layer where the thickness is largest is approximately one quarter wavelength.
い材料で形成された請求項４または５記載の超音波探触
子。6. The ultrasonic probe according to claim 4, wherein the first acoustic matching layer is formed of a material lower than the sound speed of the subject.
た請求項４記載の超音波探触子。7. The ultrasonic probe according to claim 4, wherein an acoustic lens is provided on the second acoustic matching layer.
じ、若しくは速い材料で形成された請求項７記載の超音
波探触子。8. The ultrasonic probe according to claim 7, wherein the first acoustic matching layer is formed of a material that is the same as or faster than the sound speed of the subject.
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1993
- 1993-12-22 JP JP5324621A patent/JP2814903B2/en not_active Expired - Fee Related
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| JPH07184296A (en) | 1995-07-21 |
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