JP2002209292A - 超音波探触子 - Google Patents
超音波探触子Info
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- Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
- Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 広帯域化、高分解能化することのできる超音
波探触子を提供すること。 【解決手段】 圧電素子１の中心部３の音響インピーダ
ンスが小さく、端部４にいくにしたがって音響インピー
ダンスが大きくなるように構成して、端部４の周波数比
帯域より中心部３の周波数比帯域が大きくなるような超
音波探触子の構成にしているため、広帯域の周波数特性
と、超音波ビームを深い領域まで絞れるために分解能の
高い超音波探触子を提供することができる。
波探触子を提供すること。 【解決手段】 圧電素子１の中心部３の音響インピーダ
ンスが小さく、端部４にいくにしたがって音響インピー
ダンスが大きくなるように構成して、端部４の周波数比
帯域より中心部３の周波数比帯域が大きくなるような超
音波探触子の構成にしているため、広帯域の周波数特性
と、超音波ビームを深い領域まで絞れるために分解能の
高い超音波探触子を提供することができる。
Description
【０００１】
【発明が属する技術分野】本発明は、水中用超音波セン
サや超音波診断装置などに用いる超音波探触子に関す
る。
サや超音波診断装置などに用いる超音波探触子に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】超音波探触子は、魚群探知器や生体を対
象とした超音波診断装置などに用いられている。これら
の超音波探触子は周波数の広帯域化、高分解能化のため
の構成が検討されている。従来の超音波探触子として
は、特開平７−１０７５９５号公報に記載されたものが
知られている。図８に、従来の超音波探触子の構成を示
す。図８において、複数個配列した圧電素子２１は、超
音波を送受信するための素子であり、複数に配列する方
向と直行する方向の圧電素子２１の厚みは、中心付近で
は薄く端部に行くにしたがって厚くなるように不均一、
または曲面形状にしている。圧電素子２１の一方の面に
設けた背面負荷材２２は、圧電素子２１から送信した不
要な超音波を減衰させ、且つ圧電素子２１を機械的に保
持する機能を有している。圧電素子２１の厚みを不均一
にすることにより、超音波ビームの焦点深度を長くし、
且つ広帯域の周波数特性が得られて分解能を向上させる
という特徴がある。
象とした超音波診断装置などに用いられている。これら
の超音波探触子は周波数の広帯域化、高分解能化のため
の構成が検討されている。従来の超音波探触子として
は、特開平７−１０７５９５号公報に記載されたものが
知られている。図８に、従来の超音波探触子の構成を示
す。図８において、複数個配列した圧電素子２１は、超
音波を送受信するための素子であり、複数に配列する方
向と直行する方向の圧電素子２１の厚みは、中心付近で
は薄く端部に行くにしたがって厚くなるように不均一、
または曲面形状にしている。圧電素子２１の一方の面に
設けた背面負荷材２２は、圧電素子２１から送信した不
要な超音波を減衰させ、且つ圧電素子２１を機械的に保
持する機能を有している。圧電素子２１の厚みを不均一
にすることにより、超音波ビームの焦点深度を長くし、
且つ広帯域の周波数特性が得られて分解能を向上させる
という特徴がある。
【０００３】
【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構成においては、生体のような減衰
媒体の被検体を対象にするには、以下のような問題があ
る。圧電素子２１の中心付近は厚みが薄いため高い周波
数成分の超音波が送受信され、端部にいくにしたがって
厚くなるので低い周波数成分の超音波が送受信されるこ
とになる。また、中央部の圧電素子と、端部の圧電素子
とでは、厚みが異なるが、音響インピーダンスが同一で
あるため、図９に示すように、周波数比帯域は中央部か
ら端部まで理論的に略同一である。これを減衰(周波数
に比例)のある生体のような被検体に超音波を送信する
と高い周波数(圧電素子２１の中心付近)は減衰が大きい
ため、深いところでの超音波信号がなくなる。一方、低
い周波数(圧電素子２１の端部)は、高い周波数より減衰
が少ないため、深いところまで超音波を送信することが
できる。したがって、超音波探触子に近い、つまり浅い
ところでは圧電素子２１全体からの超音波を送信及び受
信できるが、深くなるにしたがって高い周波数の減衰が
大きくなり圧電素子２１の中心付近からの超音波が送信
できなくなり、端部付近の低い超音波成分のみになる。
このことは超音波のサイドローブを冗長する現象とな
り、分解能を低下させるという問題がある。
来の超音波探触子の構成においては、生体のような減衰
媒体の被検体を対象にするには、以下のような問題があ
る。圧電素子２１の中心付近は厚みが薄いため高い周波
数成分の超音波が送受信され、端部にいくにしたがって
厚くなるので低い周波数成分の超音波が送受信されるこ
とになる。また、中央部の圧電素子と、端部の圧電素子
とでは、厚みが異なるが、音響インピーダンスが同一で
あるため、図９に示すように、周波数比帯域は中央部か
ら端部まで理論的に略同一である。これを減衰(周波数
に比例)のある生体のような被検体に超音波を送信する
と高い周波数(圧電素子２１の中心付近)は減衰が大きい
ため、深いところでの超音波信号がなくなる。一方、低
い周波数(圧電素子２１の端部)は、高い周波数より減衰
が少ないため、深いところまで超音波を送信することが
できる。したがって、超音波探触子に近い、つまり浅い
ところでは圧電素子２１全体からの超音波を送信及び受
信できるが、深くなるにしたがって高い周波数の減衰が
大きくなり圧電素子２１の中心付近からの超音波が送信
できなくなり、端部付近の低い超音波成分のみになる。
このことは超音波のサイドローブを冗長する現象とな
り、分解能を低下させるという問題がある。
【０００４】本発明は、上記従来の問題を解決するもの
で、広帯域の周波数特性をもち、超音波ビームを深い領
域まで絞ることができる分解能の高い超音波探触子を提
供することを目的とする。
で、広帯域の周波数特性をもち、超音波ビームを深い領
域まで絞ることができる分解能の高い超音波探触子を提
供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の超音波探触子
は、超音波を送受信する圧電素子を備えた超音波探触子
において、圧電素子は、その音響インピーダンスが中心
部より端部にいくにしたがって大きくなるような構成を
有している。
は、超音波を送受信する圧電素子を備えた超音波探触子
において、圧電素子は、その音響インピーダンスが中心
部より端部にいくにしたがって大きくなるような構成を
有している。
【０００６】この構成により、端部の周波数比帯域より
中央付近の周波数比帯域が広くなるので、広帯域の周波
数特性と、超音波ビームを深い領域まで絞れるために分
解能の高い超音波像を得ることができる。
中央付近の周波数比帯域が広くなるので、広帯域の周波
数特性と、超音波ビームを深い領域まで絞れるために分
解能の高い超音波像を得ることができる。
【０００７】また、本発明の超音波探触子は、圧電素子
が圧電セラミックと有機高分子の複合圧電体で構成さ
れ、その圧電セラミックの体積比が中心部より端部にい
くにしたがって大きくなるような構成を有する。
が圧電セラミックと有機高分子の複合圧電体で構成さ
れ、その圧電セラミックの体積比が中心部より端部にい
くにしたがって大きくなるような構成を有する。
【０００８】この構成により、圧電素子の音響インピー
ダンスを変えることができるので、広帯域の周波数特性
と、超音波ビームを深い領域まで絞れるために分解能の
高い超音波像を得ることができる。
ダンスを変えることができるので、広帯域の周波数特性
と、超音波ビームを深い領域まで絞れるために分解能の
高い超音波像を得ることができる。
【０００９】また、本発明の超音波探触子は、複合圧電
体が１−３型、２−２型または０−３型である構成を有
している。
体が１−３型、２−２型または０−３型である構成を有
している。
【００１０】この構成により、圧電素子の音響インピー
ダンスを変えることができるので、広帯域の周波数特性
と、超音波ビームを深い領域まで絞れるために分解能の
高い超音波像を得ることができる。
ダンスを変えることができるので、広帯域の周波数特性
と、超音波ビームを深い領域まで絞れるために分解能の
高い超音波像を得ることができる。
【００１１】また、本発明の超音波探触子は、圧電素子
がその周波数が中心部より端部にいくにしたがって低く
なるような厚みを有する。
がその周波数が中心部より端部にいくにしたがって低く
なるような厚みを有する。
【００１２】この構成により、より容易に端部の周波数
比帯域より中央付近の周波数比帯域が広くなるので、広
帯域の周波数特性と、超音波ビームを深い領域まで絞れ
るために分解能の高い超音波像を得ることができる。
比帯域より中央付近の周波数比帯域が広くなるので、広
帯域の周波数特性と、超音波ビームを深い領域まで絞れ
るために分解能の高い超音波像を得ることができる。
【００１３】また、本発明の超音波探触子は、圧電素子
がその厚みが中心より端部にいくにしたがって厚くなる
ような形状を有する。
がその厚みが中心より端部にいくにしたがって厚くなる
ような形状を有する。
【００１４】この構成により、より容易に端部の周波数
比帯域より中央付近の周波数比帯域が広くなるので、広
帯域の周波数特性と、超音波ビームを深い領域まで絞れ
るために分解能の高い超音波像を得ることができる。
比帯域より中央付近の周波数比帯域が広くなるので、広
帯域の周波数特性と、超音波ビームを深い領域まで絞れ
るために分解能の高い超音波像を得ることができる。
【００１５】また、本発明の超音波探触子は、超音波を
送受信する圧電素子の音響インピーダンスが中心部より
端部にいくにしたがって大きくなる構成を有する超音波
探触子において、圧電素子は、超音波を被検体に放射す
る面と反対の面に一定の音響インピーダンスを有する。
送受信する圧電素子の音響インピーダンスが中心部より
端部にいくにしたがって大きくなる構成を有する超音波
探触子において、圧電素子は、超音波を被検体に放射す
る面と反対の面に一定の音響インピーダンスを有する。
【００１６】この構成により、背面負荷材と圧電素子と
の音響インピーダンス比により、さらなる広帯域の周波
数特性と、超音波ビームを深い領域まで絞れるために分
解能の高い超音波像を得ることができる。
の音響インピーダンス比により、さらなる広帯域の周波
数特性と、超音波ビームを深い領域まで絞れるために分
解能の高い超音波像を得ることができる。
【００１７】また、本発明の超音波探触子は、圧電素子
が超音波を被検体に放射する面に少なくとも１層以上の
音響整合層を有し、音響整合層の音響インピーダンス
が、その中心部より端部にいくにしたがって大きくなる
ように構成されている。
が超音波を被検体に放射する面に少なくとも１層以上の
音響整合層を有し、音響整合層の音響インピーダンス
が、その中心部より端部にいくにしたがって大きくなる
ように構成されている。
【００１８】この構成により、中心部の周波数帯域内に
端部の周波数帯域が抱合されるので、広帯域の周波数特
性と、超音波ビームを深い領域まで絞れるために分解能
の高い超音波像を得ることができる。
端部の周波数帯域が抱合されるので、広帯域の周波数特
性と、超音波ビームを深い領域まで絞れるために分解能
の高い超音波像を得ることができる。
【００１９】また、本発明の超音波探触子は、音響整合
層が２層であって、被検体側に設けられた層の音響イン
ピーダンスは、中心付近では被検体の音響インピーダン
スに近い値を有し、端部にいくにしたがって被検体の音
響インピーダンスより大きな値を有する。
層が２層であって、被検体側に設けられた層の音響イン
ピーダンスは、中心付近では被検体の音響インピーダン
スに近い値を有し、端部にいくにしたがって被検体の音
響インピーダンスより大きな値を有する。
【００２０】この構成により、中心部の周波数帯域内に
端部の周波数帯域が抱合されるので、広帯域の周波数特
性と、超音波ビームを深い領域まで絞れるために分解能
の高い超音波像を得ることができる。
端部の周波数帯域が抱合されるので、広帯域の周波数特
性と、超音波ビームを深い領域まで絞れるために分解能
の高い超音波像を得ることができる。
【００２１】また、本発明の超音波探触子は、超音波を
送受信する圧電素子の音響インピーダンスが中央部より
端部にいくにしたがって大きくなるように構成された超
音波探触子において、圧電素子は、超音波を被検体側に
放射する側に３層の音響整合層を有し、被検体側に最も
近い層は、その厚みが中心付近で約４分の１波長であ
り、端部にいくにしたがって薄くなり、最端部ではほぼ
０になるように構成される。
送受信する圧電素子の音響インピーダンスが中央部より
端部にいくにしたがって大きくなるように構成された超
音波探触子において、圧電素子は、超音波を被検体側に
放射する側に３層の音響整合層を有し、被検体側に最も
近い層は、その厚みが中心付近で約４分の１波長であ
り、端部にいくにしたがって薄くなり、最端部ではほぼ
０になるように構成される。
【００２２】この構成により、中心部の周波数帯域内に
端部の周波数帯域が抱合されるので、広帯域の周波数特
性と、超音波ビームを深い領域まで絞れるために分解能
の高い超音波像を得ることができる。
端部の周波数帯域が抱合されるので、広帯域の周波数特
性と、超音波ビームを深い領域まで絞れるために分解能
の高い超音波像を得ることができる。
【００２３】また、本発明の超音波探触子は、超音波を
送受信する圧電素子の音響インピーダンスが中央部より
端部にいくにしたがって大きくなるように構成された超
音波探触子において、圧電素子は、超音波を被検体側に
放射する側に３層の音響整合層を有し、被検体側に最も
近い層は、厚みが中心付近で約４分の１波長であり、端
部にいくにしたがって薄くなり、最周辺ではほぼ０にな
るようにし、前記被検体側に最も近い層の音響インピー
ダンスがその中心付近で１．８ＭＲａｙｌであり、周辺
にいくにしたがって徐々に小さくなり、最端部では被検
体の音響インピーダンスと同じ値になるように構成され
たことを特徴とする超音波探触子。
送受信する圧電素子の音響インピーダンスが中央部より
端部にいくにしたがって大きくなるように構成された超
音波探触子において、圧電素子は、超音波を被検体側に
放射する側に３層の音響整合層を有し、被検体側に最も
近い層は、厚みが中心付近で約４分の１波長であり、端
部にいくにしたがって薄くなり、最周辺ではほぼ０にな
るようにし、前記被検体側に最も近い層の音響インピー
ダンスがその中心付近で１．８ＭＲａｙｌであり、周辺
にいくにしたがって徐々に小さくなり、最端部では被検
体の音響インピーダンスと同じ値になるように構成され
たことを特徴とする超音波探触子。
【００２４】この構成により、中心部の周波数帯域内に
端部の周波数帯域が抱合されるので、広帯域の周波数特
性と、超音波ビームを深い領域まで絞れるために分解能
の高い超音波像を得ることができる。
端部の周波数帯域が抱合されるので、広帯域の周波数特
性と、超音波ビームを深い領域まで絞れるために分解能
の高い超音波像を得ることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施の形態
について、図面を用いて詳細に説明する。
について、図面を用いて詳細に説明する。
【００２６】本発明の第１の実施の形態の超音波探触子
を図１（ａ）に、またその音響インピーダンス特性を図
１（ｂ）に示す。
を図１（ａ）に、またその音響インピーダンス特性を図
１（ｂ）に示す。
【００２７】図１（ａ）において、圧電素子１は超音波
を送受信する機能を有するものであって、圧電素子１の
両面に、金や銀をスパッタリング、あるいは銀を焼き付
け等をすることにより電極２を設けている。この電極２
に電圧を印加することにより圧電素子１が機械振動し、
厚みに対応した周波数の超音波を発生する。
を送受信する機能を有するものであって、圧電素子１の
両面に、金や銀をスパッタリング、あるいは銀を焼き付
け等をすることにより電極２を設けている。この電極２
に電圧を印加することにより圧電素子１が機械振動し、
厚みに対応した周波数の超音波を発生する。
【００２８】本発明は、図１（ｂ）に示すように、圧電
素子１の中心の音響インピーダンスが小さく、端部にい
くにしたがって音響インピーダンスが大きくなるような
構成にする。生体を被検体にした場合には、被検体の音
響インピーダンスは約１．５４ＭＲａｙｌである。これ
に対して通常圧電素子１として使用されるのは圧電セラ
ミックスなどであり、この圧電セラミックスの音響イン
ピーダンスは２５〜３０ＭＲａｙｌであるため被検体と
の差は大きい。圧電素子１の音響インピーダンスを低く
することは、被検体である生体の音響インピーダンスに
近づけることになり、被検体との音響的な整合が取れる
ようになり、周波数の広帯域化を図ることができる。
素子１の中心の音響インピーダンスが小さく、端部にい
くにしたがって音響インピーダンスが大きくなるような
構成にする。生体を被検体にした場合には、被検体の音
響インピーダンスは約１．５４ＭＲａｙｌである。これ
に対して通常圧電素子１として使用されるのは圧電セラ
ミックスなどであり、この圧電セラミックスの音響イン
ピーダンスは２５〜３０ＭＲａｙｌであるため被検体と
の差は大きい。圧電素子１の音響インピーダンスを低く
することは、被検体である生体の音響インピーダンスに
近づけることになり、被検体との音響的な整合が取れる
ようになり、周波数の広帯域化を図ることができる。
【００２９】圧電素子１の中心部３の音響インピーダン
スを小さくすると、つまり被検体との音響的な整合が取
れやすくなるため周波数帯域が広くなり、逆に端部４に
行くにしたがって圧電素子１の音響インピーダンスを大
きくすると、つまり被検体との音響的な整合が取れにく
くなり周波数帯域が狭くなっていくことになる。このよ
うな構成にすることにより圧電素子１の中心部３の周波
数帯域内に、端部４の周波数帯域が抱合されることにな
る。
スを小さくすると、つまり被検体との音響的な整合が取
れやすくなるため周波数帯域が広くなり、逆に端部４に
行くにしたがって圧電素子１の音響インピーダンスを大
きくすると、つまり被検体との音響的な整合が取れにく
くなり周波数帯域が狭くなっていくことになる。このよ
うな構成にすることにより圧電素子１の中心部３の周波
数帯域内に、端部４の周波数帯域が抱合されることにな
る。
【００３０】本発明の第１の実施の形態の圧電素子１と
してはＰＺＴなどに代表されるような圧電セラミックス
と有機高分子を複合したいわゆる複合圧電体を用いる。
圧電セラミックスと有機高分子の体積比率を変えること
により、圧電素子１の音響インピーダンスを変化させる
ことができる。圧電素子１の中心部３を小さい音響イン
ピーダンスにするには、有機高分子の体積比率を大きく
することにより実現でき、また、端部４に行くにしたが
って有機高分子の体積比率を小さくしていくことにより
音響インピーダンスを端部４に行くにしたがって大きく
することができる。
してはＰＺＴなどに代表されるような圧電セラミックス
と有機高分子を複合したいわゆる複合圧電体を用いる。
圧電セラミックスと有機高分子の体積比率を変えること
により、圧電素子１の音響インピーダンスを変化させる
ことができる。圧電素子１の中心部３を小さい音響イン
ピーダンスにするには、有機高分子の体積比率を大きく
することにより実現でき、また、端部４に行くにしたが
って有機高分子の体積比率を小さくしていくことにより
音響インピーダンスを端部４に行くにしたがって大きく
することができる。
【００３１】以上のように構成された超音波探触子につ
いて、図２を用いてその動作を説明する。まず図２(ａ)
は、図１の圧電素子１の中心部３から送信する周波数特
性５と端部４から送信する周波数特性６を表わしてい
る。圧電素子１の中心部３から送信する周波数特性５
は、端部４から送信する周波数特性６を抱合する特性を
有し、その中心周波数７は、端部４から送信する周波数
特性６の中心周波数８より高い値となるように設定す
る。
いて、図２を用いてその動作を説明する。まず図２(ａ)
は、図１の圧電素子１の中心部３から送信する周波数特
性５と端部４から送信する周波数特性６を表わしてい
る。圧電素子１の中心部３から送信する周波数特性５
は、端部４から送信する周波数特性６を抱合する特性を
有し、その中心周波数７は、端部４から送信する周波数
特性６の中心周波数８より高い値となるように設定す
る。
【００３２】このような特性を有した超音波探触子から
送信される超音波ビームは、図２(ｂ)に示すように、凹
面形状の圧電素子１の中心部３付近の狭い領域、つまり
中心周波数７の高い周波数特性を持つ部分から送信され
ない超音波ビームは、中心部３付近からの超音波ビーム
特性９のようになり、近い距離(浅い部位)に絞られ、こ
れが徐々に端部４の広い領域につまり端部４の中心周波
数８の低い周波数特性を持つ部分から送信されることに
より超音波ビームの開口は広がり、徐々に遠い距離（深
い部位）に超音波ビームが絞られるようになり、圧電素
子１全体からの超音波ビーム特性１０のようになる。本
発明の実施の形態の特徴は、圧電素子１の中心部３の周
波数特性５が、端部４の周波数特性６を抱合する特性を
有していることであり、このことによって、減衰が大き
くなる遠い距離(深い部位)においても中心部３の周波数
成分は端部４の周波数成分を持っているために、ある深
さでの音場の音圧は、従来のように中心部で低下するこ
とがなく、分解能劣化の要因となるサイドローブを押さ
えることができるものである。
送信される超音波ビームは、図２(ｂ)に示すように、凹
面形状の圧電素子１の中心部３付近の狭い領域、つまり
中心周波数７の高い周波数特性を持つ部分から送信され
ない超音波ビームは、中心部３付近からの超音波ビーム
特性９のようになり、近い距離(浅い部位)に絞られ、こ
れが徐々に端部４の広い領域につまり端部４の中心周波
数８の低い周波数特性を持つ部分から送信されることに
より超音波ビームの開口は広がり、徐々に遠い距離（深
い部位）に超音波ビームが絞られるようになり、圧電素
子１全体からの超音波ビーム特性１０のようになる。本
発明の実施の形態の特徴は、圧電素子１の中心部３の周
波数特性５が、端部４の周波数特性６を抱合する特性を
有していることであり、このことによって、減衰が大き
くなる遠い距離(深い部位)においても中心部３の周波数
成分は端部４の周波数成分を持っているために、ある深
さでの音場の音圧は、従来のように中心部で低下するこ
とがなく、分解能劣化の要因となるサイドローブを押さ
えることができるものである。
【００３３】図２(ｂ)の圧電素子１の形状は凹面形状に
した場合について説明したが、このほか圧電素子１の被
検体側の面の形状が凹面でもう一方の面が平面であるい
わゆるプラノコンケーブ形状、または圧電素子１が平面
で被検体側にシリコーンゴムやプラスチックのような音
響レンズを設けても同様の効果が得られる。
した場合について説明したが、このほか圧電素子１の被
検体側の面の形状が凹面でもう一方の面が平面であるい
わゆるプラノコンケーブ形状、または圧電素子１が平面
で被検体側にシリコーンゴムやプラスチックのような音
響レンズを設けても同様の効果が得られる。
【００３４】なお、本発明の第１の実施の形態では、圧
電素子１単体について説明したが、このほか、圧電素子
１の超音波送受信側(被検体側)には、１層以上の音響整
合層を設けた構成、または圧電素子１の超音波送受信側
(被検体側)と反対側の面には背面負荷材を設けた構成に
しても同様の効果が得られる。
電素子１単体について説明したが、このほか、圧電素子
１の超音波送受信側(被検体側)には、１層以上の音響整
合層を設けた構成、または圧電素子１の超音波送受信側
(被検体側)と反対側の面には背面負荷材を設けた構成に
しても同様の効果が得られる。
【００３５】なお、第１の実施の形態では、圧電素子１
は単体の場合について説明したが、この他圧電素子１を
複数個配列した所謂アレイ型にし、圧電素子１の配列方
向に対して直交する方向に用いた場合においても同様の
効果が得られる。
は単体の場合について説明したが、この他圧電素子１を
複数個配列した所謂アレイ型にし、圧電素子１の配列方
向に対して直交する方向に用いた場合においても同様の
効果が得られる。
【００３６】次に、本発明の第２の実施の形態の超音波
探触子を図３に示す。
探触子を図３に示す。
【００３７】図３において、圧電素子１は、その中心部
３の音響インピーダンスが端部４に行くにしたがって徐
々に大きい値となるように構成されている。電極２は圧
電素子１の両面に金や銀をスパッタリング、あるいは銀
を焼き付け等することにより設けられている。
３の音響インピーダンスが端部４に行くにしたがって徐
々に大きい値となるように構成されている。電極２は圧
電素子１の両面に金や銀をスパッタリング、あるいは銀
を焼き付け等することにより設けられている。
【００３８】圧電素子１には、ＰＺＴ系などの圧電セラ
ミック、単結晶などの圧電体１１が１次元のつながり
(電極間の方向)を有し、有機高分子１２は３次元のつな
がりを有する所謂１−３型複合圧電体、またはＰＺＴ系
などの圧電セラミック、単結晶などの圧電体１１が２次
元のつながり(電極の面に直交する面に平行な方向)を有
し、有機高分子１２も２次元のつながりを有する所謂２
−２型複合圧電体を用いる。これらの複合圧電体は従来
から知られているものである。
ミック、単結晶などの圧電体１１が１次元のつながり
(電極間の方向)を有し、有機高分子１２は３次元のつな
がりを有する所謂１−３型複合圧電体、またはＰＺＴ系
などの圧電セラミック、単結晶などの圧電体１１が２次
元のつながり(電極の面に直交する面に平行な方向)を有
し、有機高分子１２も２次元のつながりを有する所謂２
−２型複合圧電体を用いる。これらの複合圧電体は従来
から知られているものである。
【００３９】ここで、ｘ−ｙ型（ただし、ｘ、ｙ＝０、
１、２、３）の複合圧電体の分類について説明する。
１、２、３）の複合圧電体の分類について説明する。
【００４０】ペンシルバニア州立大学のNewnhamらがRe
s. Bull.,13 (1978), pp.525-536に発表している分類法
によれば、彼らはコネクティビティ(connectivity:接続
度あるいは連結性)という概念を導入して、複合材料を
分類した。すなわち、複合材料をサイコロ状の集合体と
してとらえ、Ｘ、Ｙ、Ｚの３軸に分解し、各成分の要素
がどのように自己接続しているか（例えば、Ｘ、Ｙ、Ｚ
軸に全部自己接続していれば３、２軸方向にのみ自己接
続していれば２とする）により、０−０、１−０、……
３−２、３−３型と分類した。ただし、圧電性のあるも
のとそうでないものとの複合の場合、圧電性のあるもの
を先に書くものとする。
s. Bull.,13 (1978), pp.525-536に発表している分類法
によれば、彼らはコネクティビティ(connectivity:接続
度あるいは連結性)という概念を導入して、複合材料を
分類した。すなわち、複合材料をサイコロ状の集合体と
してとらえ、Ｘ、Ｙ、Ｚの３軸に分解し、各成分の要素
がどのように自己接続しているか（例えば、Ｘ、Ｙ、Ｚ
軸に全部自己接続していれば３、２軸方向にのみ自己接
続していれば２とする）により、０−０、１−０、……
３−２、３−３型と分類した。ただし、圧電性のあるも
のとそうでないものとの複合の場合、圧電性のあるもの
を先に書くものとする。
【００４１】このような複合圧電対において、ＰＺＴ系
などの圧電セラミック、単結晶などの圧電体１１と有機
高分子１２の体積比率を可変することにより音響インピ
ーダンスを変化させることができるものである。例え
ば、圧電体１１としてＰＺＴ−５Ｈの圧電セラミック、
高分子１２としてエポキシ樹脂を用いた場合、圧電体１
１の体積比率１００％近いときの音響インピーダンスは
約２９ＭＲａｙｌとなり、この体積比率が小さくなるに
従い、ほぼ比例的に音響インピーダンスも小さくなって
いき体積比率が約２５％では音響インピーダンスは約１
０ＭＲａｙｌという値になる。体積比率を更に小さくす
るとエポキシ樹脂の音響インピーダンスの約３ＭＲａｙ
ｌに近づいていく。また複合圧電体は機械的品質係数Ｑ
ｍも小さくなるために広帯域化が可能になる。
などの圧電セラミック、単結晶などの圧電体１１と有機
高分子１２の体積比率を可変することにより音響インピ
ーダンスを変化させることができるものである。例え
ば、圧電体１１としてＰＺＴ−５Ｈの圧電セラミック、
高分子１２としてエポキシ樹脂を用いた場合、圧電体１
１の体積比率１００％近いときの音響インピーダンスは
約２９ＭＲａｙｌとなり、この体積比率が小さくなるに
従い、ほぼ比例的に音響インピーダンスも小さくなって
いき体積比率が約２５％では音響インピーダンスは約１
０ＭＲａｙｌという値になる。体積比率を更に小さくす
るとエポキシ樹脂の音響インピーダンスの約３ＭＲａｙ
ｌに近づいていく。また複合圧電体は機械的品質係数Ｑ
ｍも小さくなるために広帯域化が可能になる。
【００４２】この複合圧電体の特性を利用して圧電素子
１の中心部３から端部４までを、圧電体１１と有機高分
子１２の幅をそれぞれ段階的に変え、または有機高分子
１２中に含まれる圧電体１１の割合を連続的に変えて、
音響インピーダンスを可変にする構成にする。中心部３
は圧電体１１の体積比率を約１４％にすることにより音
響インピーダンスを約７ＭＲａｙｌにし、次に圧電体１
１の体積比率を約２５％にすることにより音響インピー
ダンスを１０ＭＲａｙｌにし、次に圧電体１１の体積比
率を約３０％にすることにより音響インピーダンスを１
５ＭＲａｙｌにして数段階に圧電体１１の体積比率を変
えて、端部４は、ほぼ圧電体の体積比率が９０％にして
音響インピーダンスを２５ＭＲａｙｌにする。このよう
に１−３型若しくは２−２型複合圧電体の体積比率を可
変にすることによって圧電体１の中心部３から端部４ま
での間を音響インピーダンスを変化させることができる
ので、広帯域の周波数特性と距離方向(深さ方向)での超
音波ビームを長い距離(深い距離)で細く絞ることができ
るために分解能を向上させることができる。
１の中心部３から端部４までを、圧電体１１と有機高分
子１２の幅をそれぞれ段階的に変え、または有機高分子
１２中に含まれる圧電体１１の割合を連続的に変えて、
音響インピーダンスを可変にする構成にする。中心部３
は圧電体１１の体積比率を約１４％にすることにより音
響インピーダンスを約７ＭＲａｙｌにし、次に圧電体１
１の体積比率を約２５％にすることにより音響インピー
ダンスを１０ＭＲａｙｌにし、次に圧電体１１の体積比
率を約３０％にすることにより音響インピーダンスを１
５ＭＲａｙｌにして数段階に圧電体１１の体積比率を変
えて、端部４は、ほぼ圧電体の体積比率が９０％にして
音響インピーダンスを２５ＭＲａｙｌにする。このよう
に１−３型若しくは２−２型複合圧電体の体積比率を可
変にすることによって圧電体１の中心部３から端部４ま
での間を音響インピーダンスを変化させることができる
ので、広帯域の周波数特性と距離方向(深さ方向)での超
音波ビームを長い距離(深い距離)で細く絞ることができ
るために分解能を向上させることができる。
【００４３】なお、本発明の第２の実施の形態では圧電
セラミックの圧電体１１とエポキシ樹脂の有機高分子１
２を１−３型または２−２型複合圧電体の体積比率を可
変する構成について説明したが、このほかの圧電体１
１、有機高分子１２の材料を用いた場合でも同様の効果
は得られる。
セラミックの圧電体１１とエポキシ樹脂の有機高分子１
２を１−３型または２−２型複合圧電体の体積比率を可
変する構成について説明したが、このほかの圧電体１
１、有機高分子１２の材料を用いた場合でも同様の効果
は得られる。
【００４４】なお、本発明の第２の実施の形態では圧電
セラミックの圧電体１１とエポキシ樹脂の有機高分子１
２を１−３型若しくは２−２型複合圧電体の体積比率を
可変する構成について説明したが、このほか、圧電体１
１として粉体を用いて有機高分子１２に混入させる所謂
０−３型を用いた場合でも同様の効果は得られる。
セラミックの圧電体１１とエポキシ樹脂の有機高分子１
２を１−３型若しくは２−２型複合圧電体の体積比率を
可変する構成について説明したが、このほか、圧電体１
１として粉体を用いて有機高分子１２に混入させる所謂
０−３型を用いた場合でも同様の効果は得られる。
【００４５】なお、本発明の実施の形態では、圧電素子
１のみの形状について説明したが、このほか、圧電素子
１の超音波送受信側(被検体側)に、１層以上の音響整合
層を設けた構成、または圧電素子１の超音波送受信側
(被検体側)と反対側の面には背面負荷材を設けた構成に
しても同様の効果が得られる。
１のみの形状について説明したが、このほか、圧電素子
１の超音波送受信側(被検体側)に、１層以上の音響整合
層を設けた構成、または圧電素子１の超音波送受信側
(被検体側)と反対側の面には背面負荷材を設けた構成に
しても同様の効果が得られる。
【００４６】なお、本発明の第２の実施の形態では、圧
電素子１が単体の場合について説明したが、このほか、
圧電素子１を複数個配列した所謂アレイ型にし、圧電素
子1の配列方向に対して直行する方向に用いた場合にお
いても同様の効果が得られる。
電素子１が単体の場合について説明したが、このほか、
圧電素子１を複数個配列した所謂アレイ型にし、圧電素
子1の配列方向に対して直行する方向に用いた場合にお
いても同様の効果が得られる。
【００４７】次に、本発明の第３の実施の形態の超音波
探触子を図４に示す。
探触子を図４に示す。
【００４８】図４（ａ）において、圧電素子１は圧電体
１１と有機高分子１２を１−３型または２−２型に接続
した複合圧電体であり、圧電体１１と有機高分子１２の
いずれか一方または双方の幅を変えて、圧電体１１の体
積比率を可変にすることによって、圧電素子１の中心部
３から端部４までの間を音響インピーダンスを小さい値
から大きい値に可変にしている。しかも圧電素子１の厚
みは、中心部３は薄くして高い周波数成分を持たせ、端
部４にいくにしたがって厚みを増加させていき、端部で
最も厚くして低い周波数成分を持たせるように構成す
る。このように、厚みを不均一にすることにより、より
容易に圧電素子１の中心部３は高い周波数特性を、端部
４は低い周波数特性を得ることができ広帯域化が可能と
なる。
１１と有機高分子１２を１−３型または２−２型に接続
した複合圧電体であり、圧電体１１と有機高分子１２の
いずれか一方または双方の幅を変えて、圧電体１１の体
積比率を可変にすることによって、圧電素子１の中心部
３から端部４までの間を音響インピーダンスを小さい値
から大きい値に可変にしている。しかも圧電素子１の厚
みは、中心部３は薄くして高い周波数成分を持たせ、端
部４にいくにしたがって厚みを増加させていき、端部で
最も厚くして低い周波数成分を持たせるように構成す
る。このように、厚みを不均一にすることにより、より
容易に圧電素子１の中心部３は高い周波数特性を、端部
４は低い周波数特性を得ることができ広帯域化が可能と
なる。
【００４９】また、図４(ｂ)においては、圧電素子１は
圧電体１１として粉体を用いて有機高分子１２に混入さ
せた所謂０−３型の型複合圧電体であり、有機高分子１
２に含まれる圧電体１１の分量を変えて、図４(ａ)と同
様に圧電体１１の体積比率を変えて、圧電素子１の中心
部３から端部４までの間を音響インピーダンスを小さい
値から大きい値に可変にしている。しかも圧電素子１の
厚みは、中心部３は薄くして高い周波数成分を持たせ、
端部４にいくにしたがって厚みを増加させていき、端部
４で最も厚して低い周波数成分を持たせるようにした構
成にする。このように、厚みを不均一にすることによ
り、より容易に圧電素子１の中心部３は高い周波数特性
を、端部４は低い周波数特性を得ることができる。
圧電体１１として粉体を用いて有機高分子１２に混入さ
せた所謂０−３型の型複合圧電体であり、有機高分子１
２に含まれる圧電体１１の分量を変えて、図４(ａ)と同
様に圧電体１１の体積比率を変えて、圧電素子１の中心
部３から端部４までの間を音響インピーダンスを小さい
値から大きい値に可変にしている。しかも圧電素子１の
厚みは、中心部３は薄くして高い周波数成分を持たせ、
端部４にいくにしたがって厚みを増加させていき、端部
４で最も厚して低い周波数成分を持たせるようにした構
成にする。このように、厚みを不均一にすることによ
り、より容易に圧電素子１の中心部３は高い周波数特性
を、端部４は低い周波数特性を得ることができる。
【００５０】このような構成にすることにより、広帯域
の周波数特性と距離方向(深さ方向)での超音波ビームを
長い距離(深い距離)で細く絞ることができるために分解
能を向上させることができる。
の周波数特性と距離方向(深さ方向)での超音波ビームを
長い距離(深い距離)で細く絞ることができるために分解
能を向上させることができる。
【００５１】なお、本発明の第３の実施の形態では、圧
電素子１の形状は超音波を放射する側を曲面形状にし
て、もう一方の面は平面のプラノコンケーブ型について
説明したが、このほか、圧電素子１の両面とも曲面形状
にした構成でも、中心部３が薄く高い周波数特性が、端
部４は厚く低い周波数特性が得られるような形状であれ
ば同様の効果が得られる。
電素子１の形状は超音波を放射する側を曲面形状にし
て、もう一方の面は平面のプラノコンケーブ型について
説明したが、このほか、圧電素子１の両面とも曲面形状
にした構成でも、中心部３が薄く高い周波数特性が、端
部４は厚く低い周波数特性が得られるような形状であれ
ば同様の効果が得られる。
【００５２】なお、本発明の第３の実施の形態では、圧
電素子１のみの形状について説明したが、このほか、圧
電素子１の超音波送受信側(被検体側)には、１層以上の
音響整合層を設けた構成、または圧電素子１の超音波送
受信側(被検体側)と反対側の面には背面負荷材を設けた
構成にしても同様の効果が得られる。
電素子１のみの形状について説明したが、このほか、圧
電素子１の超音波送受信側(被検体側)には、１層以上の
音響整合層を設けた構成、または圧電素子１の超音波送
受信側(被検体側)と反対側の面には背面負荷材を設けた
構成にしても同様の効果が得られる。
【００５３】次に、本発明の第４の実施の形態の超音波
探触子を図５（ａ）に、またその音響インピーダンス特
性を図５（ｂ）に示す。
探触子を図５（ａ）に、またその音響インピーダンス特
性を図５（ｂ）に示す。
【００５４】図５（ａ）において、圧電素子１は超音波
を送受信する機能を有するものであって、圧電素子１の
両面に、金や銀をスパッタリング、あるいは銀を焼き付
け等をすることにより電極２を設けている。この電極２
に電圧を印加することにより圧電素子１が機械振動し、
厚みに対応した周波数の超音波を発生する。圧電素子１
の超音波送受信側（被検体側）と対抗するもう一方の面
には、圧電素子１を機械的に保持し、且つ不要な超音波
信号を減衰させる機能を有する背面負荷材１３を接着若
しくは流し込みなどにより設ける。背面負荷材１３とし
ては、フェライト、アルミナなどの酸化物の粉体やタン
グステンなどの金属の粉体をゴム材やエポキシ樹脂、ウ
レタン樹脂などの材料に混入させたものを用いる。圧電
素子１として、図５（ｂ）に示すように、中心部３の音
響インピーダンスが小さく端部４にいくにしたがって音
響インピーダンスが大きくなるような構成にする。
を送受信する機能を有するものであって、圧電素子１の
両面に、金や銀をスパッタリング、あるいは銀を焼き付
け等をすることにより電極２を設けている。この電極２
に電圧を印加することにより圧電素子１が機械振動し、
厚みに対応した周波数の超音波を発生する。圧電素子１
の超音波送受信側（被検体側）と対抗するもう一方の面
には、圧電素子１を機械的に保持し、且つ不要な超音波
信号を減衰させる機能を有する背面負荷材１３を接着若
しくは流し込みなどにより設ける。背面負荷材１３とし
ては、フェライト、アルミナなどの酸化物の粉体やタン
グステンなどの金属の粉体をゴム材やエポキシ樹脂、ウ
レタン樹脂などの材料に混入させたものを用いる。圧電
素子１として、図５（ｂ）に示すように、中心部３の音
響インピーダンスが小さく端部４にいくにしたがって音
響インピーダンスが大きくなるような構成にする。
【００５５】背面負荷材１３は、一定の音響インピーダ
ンスの値を有したものを用いる。また、背面負荷材１３
と圧電素子１との音響インピーダンスの比により周波数
特性を広帯域化することができる。たとえば、背面負荷
材１３の音響インピーダンスを７ＭＲａｙｌとした場
合、圧電素子１の音響インピーダンスが背面負荷材１３
と同じ７ＭＲａｙｌであれば、圧電素子１から見たと
き、背面負荷材の音響的な負荷が重くなるため、周波数
帯域を広くすることができる。一方、圧電素子の音響イ
ンピーダンスが２５ＭＲａｙｌの場合には、背面負荷材
の音響インピーダンスよりかなり大きいため背面負荷材
１３の音響的な負荷が軽くなるため、周波数帯域はそれ
ほど広くできないということになる。したがって、本発
明の第４の実施の形態では圧電素子１の中心部３の音響
インピーダンスは小さくし、端部４にいくにしたがって
大きくする構成にしているために、均一の音響インピー
ダンスを有する背面負荷材１３を設けることによって、
圧電素子１の中心部３は広帯域の周波数特性になり、端
部４にいくにしたがって中心部３より帯域は狭くなって
いく特性となる。このような構成にすることにより中心
部３の周波数帯域内に、端部４の周波数帯域が抱合され
ることになり、広帯域の周波数特性と距離方向(深さ方
向)での超音波ビームを長い距離(深い距離)で細く絞る
ことができるために分解能を向上させることができる。
ンスの値を有したものを用いる。また、背面負荷材１３
と圧電素子１との音響インピーダンスの比により周波数
特性を広帯域化することができる。たとえば、背面負荷
材１３の音響インピーダンスを７ＭＲａｙｌとした場
合、圧電素子１の音響インピーダンスが背面負荷材１３
と同じ７ＭＲａｙｌであれば、圧電素子１から見たと
き、背面負荷材の音響的な負荷が重くなるため、周波数
帯域を広くすることができる。一方、圧電素子の音響イ
ンピーダンスが２５ＭＲａｙｌの場合には、背面負荷材
の音響インピーダンスよりかなり大きいため背面負荷材
１３の音響的な負荷が軽くなるため、周波数帯域はそれ
ほど広くできないということになる。したがって、本発
明の第４の実施の形態では圧電素子１の中心部３の音響
インピーダンスは小さくし、端部４にいくにしたがって
大きくする構成にしているために、均一の音響インピー
ダンスを有する背面負荷材１３を設けることによって、
圧電素子１の中心部３は広帯域の周波数特性になり、端
部４にいくにしたがって中心部３より帯域は狭くなって
いく特性となる。このような構成にすることにより中心
部３の周波数帯域内に、端部４の周波数帯域が抱合され
ることになり、広帯域の周波数特性と距離方向(深さ方
向)での超音波ビームを長い距離(深い距離)で細く絞る
ことができるために分解能を向上させることができる。
【００５６】なお、本発明の第４の実施の形態では、圧
電素子１は均一の厚みの平板の形状について説明した
が、このほか、圧電素子１の形状は超音波を放射する側
を曲面形状にして、もう一方の面は平面のプラノコンケ
ーブ型、または圧電素子１の両面とも曲面形状にした不
均一の厚みの形状でも同様の効果が得られる。
電素子１は均一の厚みの平板の形状について説明した
が、このほか、圧電素子１の形状は超音波を放射する側
を曲面形状にして、もう一方の面は平面のプラノコンケ
ーブ型、または圧電素子１の両面とも曲面形状にした不
均一の厚みの形状でも同様の効果が得られる。
【００５７】なお、本発明の第４の実施の形態では、圧
電素子１と背面負荷材１３の構成について説明したが、
このほか、圧電素子１の超音波送受信側(被検体側)に
は、１層以上の音響整合層を設けた構成にしても同様の
効果が得られる。さらに、本発明の第４の実施の形態で
は、圧電素子１は単体の場合について説明したが、この
ほか、圧電素子１を複数個配列した所謂アレイ型にし、
圧電素子１の配列方向に対して直行する方向に用いた場
合においても同様の効果が得られる。
電素子１と背面負荷材１３の構成について説明したが、
このほか、圧電素子１の超音波送受信側(被検体側)に
は、１層以上の音響整合層を設けた構成にしても同様の
効果が得られる。さらに、本発明の第４の実施の形態で
は、圧電素子１は単体の場合について説明したが、この
ほか、圧電素子１を複数個配列した所謂アレイ型にし、
圧電素子１の配列方向に対して直行する方向に用いた場
合においても同様の効果が得られる。
【００５８】次に、本発明の第５の実施の形態の超音波
探触子を図６（ａ）に、またその音響インピーダンス特
性を図６（ｂ）に示す。
探触子を図６（ａ）に、またその音響インピーダンス特
性を図６（ｂ）に示す。
【００５９】図６（ａ）において、圧電素子１は超音波
を送受信する機能を有するものであって、圧電素子１の
両面に、金や銀をスパッタリング、あるいは銀を焼き付
け等をすることにより電極２を設けている。この電極２
に電圧を印加することにより圧電素子１が機械振動し、
厚みに対応した周波数の超音波を発生する。
を送受信する機能を有するものであって、圧電素子１の
両面に、金や銀をスパッタリング、あるいは銀を焼き付
け等をすることにより電極２を設けている。この電極２
に電圧を印加することにより圧電素子１が機械振動し、
厚みに対応した周波数の超音波を発生する。
【００６０】本発明は、図６（ｂ）に示すように、圧電
素子１の中心の音響インピーダンスが小さく、端部にい
くにしたがって音響インピーダンスが大きくなるような
構成にする。生体を被検体にした場合には、被検体の音
響インピーダンスは約１．５４ＭＲａｙｌであり、これ
に対して通常圧電素子１として使用されるのは圧電セラ
ミックスなどであり、この圧電セラミックスの音響イン
ピーダンスは２５ＭＲａｙｌ〜３０ＭＲａｙｌであり被
検体との差は大きい。この圧電素子１の音響インピーダ
ンスを低くすることは、被検体である生体の音響インピ
ーダンスに近づけることになり、被検体との音響的な整
合が取れるようになり、周波数の広帯域化を図ることが
できる。
素子１の中心の音響インピーダンスが小さく、端部にい
くにしたがって音響インピーダンスが大きくなるような
構成にする。生体を被検体にした場合には、被検体の音
響インピーダンスは約１．５４ＭＲａｙｌであり、これ
に対して通常圧電素子１として使用されるのは圧電セラ
ミックスなどであり、この圧電セラミックスの音響イン
ピーダンスは２５ＭＲａｙｌ〜３０ＭＲａｙｌであり被
検体との差は大きい。この圧電素子１の音響インピーダ
ンスを低くすることは、被検体である生体の音響インピ
ーダンスに近づけることになり、被検体との音響的な整
合が取れるようになり、周波数の広帯域化を図ることが
できる。
【００６１】圧電素子１の中心部３の音響インピーダン
スを小さくすることは、つまり被検体との音響的な整合
が取れやすくなるため周波数帯域が広くなり、これは端
部４に行くにしたがって圧電素子１の音響インピーダン
スが大きくなるつまり被検体との音響的な整合が取れに
くくなり周波数帯域が狭くなっていくことになる。この
ような構成にすることにより、中心部３の周波数帯域内
に、端部４の周波数帯域が抱合されることになる。しか
し、圧電素子１の中心部３は音響インピーダンスが最も
低く被検体の音響インピーダンスに近いとはいえ精々７
ＭＲａｙｌであり、被検体の音響インピーダンス１．５
４ＭＲａｙｌとの差があり、ましてや圧電素子１の端部
４の音響インピーダンスは被検体との差がさらに大きく
なり、被検体との音響的な整合が必ずしも満足できるも
のでない。そこで、この音響的な整合をとることによ
り、さらに周波数特性の広帯域化および高感度化を図る
ことができる。音響的な整合をとるために、圧電素子１
の被検体側に相当する面の電極２面上に１層以上の音響
整合層１４を設ける。音響整合層を設ける概念は周知の
ものであり、基本的には圧電素子１と被検体の音響イン
ピーダンスの間の値の材料を設け、厚みは中心周波数の
４分の１波長が基本となっている。
スを小さくすることは、つまり被検体との音響的な整合
が取れやすくなるため周波数帯域が広くなり、これは端
部４に行くにしたがって圧電素子１の音響インピーダン
スが大きくなるつまり被検体との音響的な整合が取れに
くくなり周波数帯域が狭くなっていくことになる。この
ような構成にすることにより、中心部３の周波数帯域内
に、端部４の周波数帯域が抱合されることになる。しか
し、圧電素子１の中心部３は音響インピーダンスが最も
低く被検体の音響インピーダンスに近いとはいえ精々７
ＭＲａｙｌであり、被検体の音響インピーダンス１．５
４ＭＲａｙｌとの差があり、ましてや圧電素子１の端部
４の音響インピーダンスは被検体との差がさらに大きく
なり、被検体との音響的な整合が必ずしも満足できるも
のでない。そこで、この音響的な整合をとることによ
り、さらに周波数特性の広帯域化および高感度化を図る
ことができる。音響的な整合をとるために、圧電素子１
の被検体側に相当する面の電極２面上に１層以上の音響
整合層１４を設ける。音響整合層を設ける概念は周知の
ものであり、基本的には圧電素子１と被検体の音響イン
ピーダンスの間の値の材料を設け、厚みは中心周波数の
４分の１波長が基本となっている。
【００６２】具体的な実施の形態について以下に説明す
る。
る。
【００６３】圧電素子１として、中心部３の音響インピ
ーダンスが７ＭＲａｙｌで中心周波数が７ＭＨｚ、中心
部３から端部４にいくに従い音響インピーダンスが増加
し、端部４では２７ＭＲａｙｌになるように設定する。
また端部４の中心周波数が２ＭＨｚと設定する。この
時、音響整合層１４を１層設ける場合は、従来から知ら
れている、音響整合層１４の望ましい音響インピーダン
スは次式から容易に算出できる。
ーダンスが７ＭＲａｙｌで中心周波数が７ＭＨｚ、中心
部３から端部４にいくに従い音響インピーダンスが増加
し、端部４では２７ＭＲａｙｌになるように設定する。
また端部４の中心周波数が２ＭＨｚと設定する。この
時、音響整合層１４を１層設ける場合は、従来から知ら
れている、音響整合層１４の望ましい音響インピーダン
スは次式から容易に算出できる。
【００６４】ここで、Ｚｍｌは音響整合層１４の音響イ
ンピーダンス、Ｚｐは圧電素子１の音響インピーダン
ス、Ｚｍは被検体の音響インピーダンスである。
ンピーダンス、Ｚｐは圧電素子１の音響インピーダン
ス、Ｚｍは被検体の音響インピーダンスである。
【００６５】上式から本発明の実施の形態の音響整合層
１４の音響インピーダンスを算出する。圧電素子１の中
心部３の音響インピーダンス７ＭＲａｙｌ、被検体の音
響インピーダンス１．５４ＭＲａｙｌから、圧電素子１
の中心部３に相当する部分の音響整合層１４の音響イン
ピーダンスは、 となる。また圧電素子１の端部４に相当する部分の音響
整合層１４の音響インピーダンスは、 となる。したがって、音響整合層１４は、圧電素子１の
中心部３に相当する部分の音響インピーダンスが３．２
８ＭＲａｙｌで圧電素子１の端部４にいくにしたがって
圧電素子１の音響インピーダンスが徐々に大きくなって
いくことから、音響整合層１４の音響インピーダンスも
徐々に大きくなり端部４では、６．４５ＭＲａｙｌの最
大の値となるように変化する構成にする。音響整合層１
４の具体的な材料としては、エポキシ樹脂を主体として
その中にタングステンなどの金属粉若しくは酸化タング
ステン、アルミナ、酸化鉄などの酸化物粉を混入させて
作成する。エポキシ樹脂単体での音響インピーダンスは
約３ＭＲａｙｌであり圧電素子１の中心部３に相当する
音響整合層１４として使用できる。
１４の音響インピーダンスを算出する。圧電素子１の中
心部３の音響インピーダンス７ＭＲａｙｌ、被検体の音
響インピーダンス１．５４ＭＲａｙｌから、圧電素子１
の中心部３に相当する部分の音響整合層１４の音響イン
ピーダンスは、 となる。また圧電素子１の端部４に相当する部分の音響
整合層１４の音響インピーダンスは、 となる。したがって、音響整合層１４は、圧電素子１の
中心部３に相当する部分の音響インピーダンスが３．２
８ＭＲａｙｌで圧電素子１の端部４にいくにしたがって
圧電素子１の音響インピーダンスが徐々に大きくなって
いくことから、音響整合層１４の音響インピーダンスも
徐々に大きくなり端部４では、６．４５ＭＲａｙｌの最
大の値となるように変化する構成にする。音響整合層１
４の具体的な材料としては、エポキシ樹脂を主体として
その中にタングステンなどの金属粉若しくは酸化タング
ステン、アルミナ、酸化鉄などの酸化物粉を混入させて
作成する。エポキシ樹脂単体での音響インピーダンスは
約３ＭＲａｙｌであり圧電素子１の中心部３に相当する
音響整合層１４として使用できる。
【００６６】このエポキシ樹脂に充填材として酸化タン
グステン粉を重量比で１００％、２００％、３００％、
４００％充填するとそれぞれの音響インピーダンスは
４．３６ＭＲａｙｌ、５．４６ＭＲａｙｌ、６．３６Ｍ
Ｒａｙｌ、７．２ＭＲａｙｌとなる。このように充填材
の重量比を調整することにより音響インピーダンスを容
易に変化させることができる。したがって、圧電素子１
の中心部３にはエポキシ樹脂の材料を設け、そして徐々
に端部４にいくに従い、酸化タングステン粉の充填重量
比を大きくしたものを設けて端部４では酸化タングステ
ン粉の充填重量比を約３００％にして音響インピーダン
スを６．３６ＭＲａｙｌの材料を設ければよい。この音
響整合層１４が圧電素子１の中心部３から端部４まで音
響インピーダンスを例えば３〜５段階というように段階
的に可変にしても、また連続的に可変にしてもよい。
グステン粉を重量比で１００％、２００％、３００％、
４００％充填するとそれぞれの音響インピーダンスは
４．３６ＭＲａｙｌ、５．４６ＭＲａｙｌ、６．３６Ｍ
Ｒａｙｌ、７．２ＭＲａｙｌとなる。このように充填材
の重量比を調整することにより音響インピーダンスを容
易に変化させることができる。したがって、圧電素子１
の中心部３にはエポキシ樹脂の材料を設け、そして徐々
に端部４にいくに従い、酸化タングステン粉の充填重量
比を大きくしたものを設けて端部４では酸化タングステ
ン粉の充填重量比を約３００％にして音響インピーダン
スを６．３６ＭＲａｙｌの材料を設ければよい。この音
響整合層１４が圧電素子１の中心部３から端部４まで音
響インピーダンスを例えば３〜５段階というように段階
的に可変にしても、また連続的に可変にしてもよい。
【００６７】音響インピーダンスを連続的に可変にした
材料の作成方法の一例としては、エポキシ樹脂に酸化タ
ングステン粉を充填して硬化させる前に、遠心分離器な
どを利用して、中心部には酸化タングステンの量を少な
く端部には多く分散するようにすれば作成は可能であ
る。またこの音響整合層１４は厚みをほぼ４分の１波長
の厚みにすればよい。例えば、圧電素子１の中心部３の
中心周波数は７ＭＨｚであり、中心部３の音響整合層１
４のエポキシ樹脂の音速はほぼ２．５８ｋｍ／ｓであ
り、これから４分の１波長の厚みを算出すると、０．０
９２ｍｍとなる。また圧電素子１の端部４の中心周波数
は２ＭＨｚであり、端部４に相当するの音響整合層１４
としては、エポキシ樹脂に酸化タングステンを充填重量
比３００％充填したものを用いると、この音速は、ほぼ
２．０４ｋｍ／ｓであり、これから４分の１波長の厚み
を算出すると、０．２５５ｍｍとなる。このようにそれ
ぞれの周波数に対応して音響整合層１４の音速から厚み
を設定する。
材料の作成方法の一例としては、エポキシ樹脂に酸化タ
ングステン粉を充填して硬化させる前に、遠心分離器な
どを利用して、中心部には酸化タングステンの量を少な
く端部には多く分散するようにすれば作成は可能であ
る。またこの音響整合層１４は厚みをほぼ４分の１波長
の厚みにすればよい。例えば、圧電素子１の中心部３の
中心周波数は７ＭＨｚであり、中心部３の音響整合層１
４のエポキシ樹脂の音速はほぼ２．５８ｋｍ／ｓであ
り、これから４分の１波長の厚みを算出すると、０．０
９２ｍｍとなる。また圧電素子１の端部４の中心周波数
は２ＭＨｚであり、端部４に相当するの音響整合層１４
としては、エポキシ樹脂に酸化タングステンを充填重量
比３００％充填したものを用いると、この音速は、ほぼ
２．０４ｋｍ／ｓであり、これから４分の１波長の厚み
を算出すると、０．２５５ｍｍとなる。このようにそれ
ぞれの周波数に対応して音響整合層１４の音速から厚み
を設定する。
【００６８】このような構成にすることにより、中心部
３の周波数帯域内に端部４の周波数帯域が抱合されるこ
とになり、広帯域の周波数特性と距離方向(深さ方向)で
の超音波ビームを長い距離(深い距離)で細く絞ることが
できるために分解能を向上させることができる。
３の周波数帯域内に端部４の周波数帯域が抱合されるこ
とになり、広帯域の周波数特性と距離方向(深さ方向)で
の超音波ビームを長い距離(深い距離)で細く絞ることが
できるために分解能を向上させることができる。
【００６９】なお、本発明の第５の実施の形態では、圧
電素子１は均一の厚みの平板の形状について説明した
が、このほか、圧電素子１の形状は超音波を放射する側
を曲面形状にして、もう一方の面は平面のプラノコンケ
ーブ型または、圧電素子１の両面とも曲面形状にした不
均一の厚みの形状でも同様の効果が得られる。また、中
心が薄く、高い周波数特性が得られ、端部で厚く、低い
周波数特性が得られるような形状であれば、同様の効果
が得られる。
電素子１は均一の厚みの平板の形状について説明した
が、このほか、圧電素子１の形状は超音波を放射する側
を曲面形状にして、もう一方の面は平面のプラノコンケ
ーブ型または、圧電素子１の両面とも曲面形状にした不
均一の厚みの形状でも同様の効果が得られる。また、中
心が薄く、高い周波数特性が得られ、端部で厚く、低い
周波数特性が得られるような形状であれば、同様の効果
が得られる。
【００７０】なお、本発明の第５の実施の形態では、圧
電素子１のみの形状について説明したが、このほか、圧
電素子１の超音波送受信側(被検体側)と反対側の面には
背面負荷材を設けた構成にしても同様の効果が得られ
る。
電素子１のみの形状について説明したが、このほか、圧
電素子１の超音波送受信側(被検体側)と反対側の面には
背面負荷材を設けた構成にしても同様の効果が得られ
る。
【００７１】なお、本発明の実施の形態では、音響整合
層１４材料としてエポキシ樹脂を主体とした場合につい
て説明したが、このほか、ウレタン樹脂、ポリイミド樹
脂などの高分子材料を用いた場合についても同様の効果
が得られる。
層１４材料としてエポキシ樹脂を主体とした場合につい
て説明したが、このほか、ウレタン樹脂、ポリイミド樹
脂などの高分子材料を用いた場合についても同様の効果
が得られる。
【００７２】なお、本発明の第５の実施の形態では、音
響整合層１４として１層の場合について説明したが、こ
のほか、同様の思想で２層以上の音響整合層を設けた場
合についても同様の効果が得られる。
響整合層１４として１層の場合について説明したが、こ
のほか、同様の思想で２層以上の音響整合層を設けた場
合についても同様の効果が得られる。
【００７３】なお、本発明の第５の実施の形態では、圧
電素子１および音響整合層１４は単体の場合について説
明したが、この他圧電素子１を複数個配列した所謂アレ
イ型にし、圧電素子１の配列方向に対して直行する方向
に用いた場合においても同様の効果が得られる。
電素子１および音響整合層１４は単体の場合について説
明したが、この他圧電素子１を複数個配列した所謂アレ
イ型にし、圧電素子１の配列方向に対して直行する方向
に用いた場合においても同様の効果が得られる。
【００７４】次に、本発明の第６の実施の形態の超音波
探触子を図７（ａ）に、またその音響インピーダンス特
性を図７（ｂ）に示す。
探触子を図７（ａ）に、またその音響インピーダンス特
性を図７（ｂ）に示す。
【００７５】図７において、圧電素子１は超音波を送受
信する機能を有するものであって、圧電素子１の両面
に、金や銀をスパッタリング、あるいは銀を焼き付け等
をすることにより電極２を設けている。この電極２に電
圧を印加することにより圧電素子１が機械振動し、厚み
に対応した周波数の超音波を発生する。
信する機能を有するものであって、圧電素子１の両面
に、金や銀をスパッタリング、あるいは銀を焼き付け等
をすることにより電極２を設けている。この電極２に電
圧を印加することにより圧電素子１が機械振動し、厚み
に対応した周波数の超音波を発生する。
【００７６】圧電素子１として、中心の音響インピーダ
ンスが小さく端部にいくにしたがって音響インピーダン
スが大きくなるような構成にする。生体を被検体にした
場合には、被検体の音響インピーダンスは約１．５４Ｍ
Ｒａｙｌであり、これに対して通常圧電素子1として使
用されるのは圧電セラミックスなどであり、この圧電セ
ラミックスの音響インピーダンスは２５ＭＲａｙｌ〜３
０ＭＲａｙｌであり被検体との差は大きい。この圧電素
子１の音響インピーダンスを低くすることは、被検体で
ある生体の音響インピーダンスに近づけることになり、
被検体との音響的な整合が取れるようになり、周波数の
広帯域化を図ることができる。
ンスが小さく端部にいくにしたがって音響インピーダン
スが大きくなるような構成にする。生体を被検体にした
場合には、被検体の音響インピーダンスは約１．５４Ｍ
Ｒａｙｌであり、これに対して通常圧電素子1として使
用されるのは圧電セラミックスなどであり、この圧電セ
ラミックスの音響インピーダンスは２５ＭＲａｙｌ〜３
０ＭＲａｙｌであり被検体との差は大きい。この圧電素
子１の音響インピーダンスを低くすることは、被検体で
ある生体の音響インピーダンスに近づけることになり、
被検体との音響的な整合が取れるようになり、周波数の
広帯域化を図ることができる。
【００７７】圧電素子１の中心部３の音響インピーダン
スを小さくすることはつまり被検体との音響的な整合が
取れやすくなるため周波数帯域が広くなり、これは端部
４に行くにしたがって圧電素子１の音響インピーダンス
が大きくなるつまり被検体との音響的な整合が取れにく
くなり周波数帯域が狭くなっていくことになる。このよ
うな構成にすることにより中心部３の周波数帯域内に、
端部４の周波数帯域が抱合されることになる。しかし、
圧電素子１の中心部３は音響インピーダンスが最も低く
被検体の音響インピーダンスに近いとはいえ精々７ＭＲ
ａｙｌであり、被検体の音響インピーダンス１．５４Ｍ
Ｒａｙｌとの差があり、ましてや圧電素子１の端部４の
音響インピーダンスは被検体との差がもっと大きくな
り、被検体との音響的な整合が必ずしも満足できるもの
でない。
スを小さくすることはつまり被検体との音響的な整合が
取れやすくなるため周波数帯域が広くなり、これは端部
４に行くにしたがって圧電素子１の音響インピーダンス
が大きくなるつまり被検体との音響的な整合が取れにく
くなり周波数帯域が狭くなっていくことになる。このよ
うな構成にすることにより中心部３の周波数帯域内に、
端部４の周波数帯域が抱合されることになる。しかし、
圧電素子１の中心部３は音響インピーダンスが最も低く
被検体の音響インピーダンスに近いとはいえ精々７ＭＲ
ａｙｌであり、被検体の音響インピーダンス１．５４Ｍ
Ｒａｙｌとの差があり、ましてや圧電素子１の端部４の
音響インピーダンスは被検体との差がもっと大きくな
り、被検体との音響的な整合が必ずしも満足できるもの
でない。
【００７８】この音響的な整合をとることにより、さら
に周波数特性の広帯域化および高感度化を図ることがで
きる。音響的な整合をとるために、圧電素子１の被検体
側に相当する面の電極２面上に第１の音響整合層１４ａ
と、第１の音響整合層１４ａ上に第２の音響整合層１４
ｂを設ける。音響整合層１４ａ、ｂを設ける概念は周知
のものであり、基本的には圧電素子１と被検体の音響イ
ンピーダンスの間の値の材料を設け、厚みは中心周波数
の４分の１波長が基本となっている。しかし、本発明の
実施の形態では、第２の音響整合層１４ｂが第５の実施
の形態と違う構成を有している。つまり、圧電素子１の
中心部３に相当する第２の音響整合層１４ｂの音響イン
ピーダンスは被検体の音響インピーダンスに近い約１．
５４ＭＲａｙｌの値にしていることである。
に周波数特性の広帯域化および高感度化を図ることがで
きる。音響的な整合をとるために、圧電素子１の被検体
側に相当する面の電極２面上に第１の音響整合層１４ａ
と、第１の音響整合層１４ａ上に第２の音響整合層１４
ｂを設ける。音響整合層１４ａ、ｂを設ける概念は周知
のものであり、基本的には圧電素子１と被検体の音響イ
ンピーダンスの間の値の材料を設け、厚みは中心周波数
の４分の１波長が基本となっている。しかし、本発明の
実施の形態では、第２の音響整合層１４ｂが第５の実施
の形態と違う構成を有している。つまり、圧電素子１の
中心部３に相当する第２の音響整合層１４ｂの音響イン
ピーダンスは被検体の音響インピーダンスに近い約１．
５４ＭＲａｙｌの値にしていることである。
【００７９】具体的な実施の形態について以下に説明す
る。
る。
【００８０】圧電素子１として、中心部３の音響インピ
ーダンスが７ＭＲａｙｌで中心周波数が７ＭＨｚ、中心
部３から端部４にいくにしたがい音響インピーダンスが
増加し端部４では２７ＭＲａｙｌになるように設定す
る。また端部４の中心周波数が２ＭＨｚと設定する。こ
の時の音響整合層１４を２層設ける場合は、従来から知
られている、音響整合層１４の望ましい音響インピーダ
ンスは例えば、次式から容易に算出できる。 Ｚｍｌ１＝Ｚｐ4/7・Ｚｍ3/7 Ｚｍｌ２＝Ｚｐ1/7・Ｚｍ6/7
ーダンスが７ＭＲａｙｌで中心周波数が７ＭＨｚ、中心
部３から端部４にいくにしたがい音響インピーダンスが
増加し端部４では２７ＭＲａｙｌになるように設定す
る。また端部４の中心周波数が２ＭＨｚと設定する。こ
の時の音響整合層１４を２層設ける場合は、従来から知
られている、音響整合層１４の望ましい音響インピーダ
ンスは例えば、次式から容易に算出できる。 Ｚｍｌ１＝Ｚｐ4/7・Ｚｍ3/7 Ｚｍｌ２＝Ｚｐ1/7・Ｚｍ6/7
【００８１】ここで、Ｚｍｌ１は第１の音響整合層１４
ａの音響インピーダンス、Ｚｐは圧電素子１の音響イン
ピーダンス、Ｚｍは被検体の音響インピーダンス，Ｚｍ
ｌ２は第２の音響整合層１４ｂの音響インピーダンスで
ある。
ａの音響インピーダンス、Ｚｐは圧電素子１の音響イン
ピーダンス、Ｚｍは被検体の音響インピーダンス，Ｚｍ
ｌ２は第２の音響整合層１４ｂの音響インピーダンスで
ある。
【００８２】上式から本発明の第６の実施の形態の第１
および第２の音響整合層１４ａ，ｂの音響インピーダン
スを算出する。圧電素子１の中心部３の音響インピーダ
ンス７ＭＲａｙｌ、被検体の音響インピーダンス１．５
４ＭＲａｙｌから、圧電素子１の中心部３に相当する部
分の第１の音響整合層１４ａの音響インピーダンスは、
７4/7×１．５４3/7＝３．６６ＭＲａｙｌまた、第２の
音響整合層１４ｂの音響インピーダンスは７1/7×１．
５４6/7＝１．９１ＭＲａｙｌとなる。また圧電素子１
の端部４に相当する部分の第１の音響整合層１４ａのの
音響インピーダンスは、２７4/7×１．５４3/7＝７．９
１ＭＲａｙｌまた、第２の音響整合層１４ｂの音響イン
ピーダンスは２７1/7×１．５４6/7＝２．３１ＭＲａｙ
ｌとなる。
および第２の音響整合層１４ａ，ｂの音響インピーダン
スを算出する。圧電素子１の中心部３の音響インピーダ
ンス７ＭＲａｙｌ、被検体の音響インピーダンス１．５
４ＭＲａｙｌから、圧電素子１の中心部３に相当する部
分の第１の音響整合層１４ａの音響インピーダンスは、
７4/7×１．５４3/7＝３．６６ＭＲａｙｌまた、第２の
音響整合層１４ｂの音響インピーダンスは７1/7×１．
５４6/7＝１．９１ＭＲａｙｌとなる。また圧電素子１
の端部４に相当する部分の第１の音響整合層１４ａのの
音響インピーダンスは、２７4/7×１．５４3/7＝７．９
１ＭＲａｙｌまた、第２の音響整合層１４ｂの音響イン
ピーダンスは２７1/7×１．５４6/7＝２．３１ＭＲａｙ
ｌとなる。
【００８３】したがって、第１の音響整合層１４ａの圧
電素子１の中心部３に相当する部分の音響インピーダン
スは３．６６ＭＲａｙｌで、第２の音響整合層１４ｂの
圧電素子１の中心部３に相当する部分の音響インピーダ
ンスは１．９１ＭＲａｙｌであり、圧電素子１が端部４
にいくにしたがって圧電素子１の音響インピーダンスが
徐々に大きくなっていくことから第１、２の音響整合層
１４ａ，ｂの音響インピーダンスも徐々に大きくなり、
第１の音響整合層１４ａは圧電素子１の端部４に相当す
る部分の音響インピーダンスは７．９１ＭＲａｙｌで、
第２の音響整合層１４ｂの圧電素子１の端部４に相当す
る部分の音響インピーダンスは２．３１ＭＲａｙｌとな
るように変化する構成にする。
電素子１の中心部３に相当する部分の音響インピーダン
スは３．６６ＭＲａｙｌで、第２の音響整合層１４ｂの
圧電素子１の中心部３に相当する部分の音響インピーダ
ンスは１．９１ＭＲａｙｌであり、圧電素子１が端部４
にいくにしたがって圧電素子１の音響インピーダンスが
徐々に大きくなっていくことから第１、２の音響整合層
１４ａ，ｂの音響インピーダンスも徐々に大きくなり、
第１の音響整合層１４ａは圧電素子１の端部４に相当す
る部分の音響インピーダンスは７．９１ＭＲａｙｌで、
第２の音響整合層１４ｂの圧電素子１の端部４に相当す
る部分の音響インピーダンスは２．３１ＭＲａｙｌとな
るように変化する構成にする。
【００８４】ここでは、第１、第２の音響整合層１４
ａ，ｂの音響インピーダンスの算出式は一例であり、こ
のほかの算出式もいくつか開示されており、これらいく
つかの算出式の結果では、第１、第２の音響整合層１４
ａ，ｂの音響インピーダンスの値は、プラスマイナス２
０％ほどのばらつきがあり、前記に示した音響インピー
ダンスの値はプラスマイナス２０％変動した値であって
もほぼ目的とした特性が得られる。
ａ，ｂの音響インピーダンスの算出式は一例であり、こ
のほかの算出式もいくつか開示されており、これらいく
つかの算出式の結果では、第１、第２の音響整合層１４
ａ，ｂの音響インピーダンスの値は、プラスマイナス２
０％ほどのばらつきがあり、前記に示した音響インピー
ダンスの値はプラスマイナス２０％変動した値であって
もほぼ目的とした特性が得られる。
【００８５】ここで、圧電素子１の中心部３に相当する
第２の音響整合層１４ｂの音響インピーダンスは、被検
体の音響インピーダンスの１．５４ＭＲａｙｌより若干
大きい値であるがこの値は被検体の音響インピーダンス
と同じ値のもので構成しても、圧電素子１と被検体の音
響インピーダンスが近くなっているため、ほとんど周波
数特性に差異は出てこない。
第２の音響整合層１４ｂの音響インピーダンスは、被検
体の音響インピーダンスの１．５４ＭＲａｙｌより若干
大きい値であるがこの値は被検体の音響インピーダンス
と同じ値のもので構成しても、圧電素子１と被検体の音
響インピーダンスが近くなっているため、ほとんど周波
数特性に差異は出てこない。
【００８６】第１の音響整合層１４ａの具体的な材料と
しては、エポキシ樹脂を主体としてその中にタングステ
ンなどの金属粉若しくは酸化タングステン、アルミナ、
酸化鉄などの酸化物粉を混入させて作成する。エポキシ
樹脂単体での音響インピーダンスは約３ＭＲａｙｌであ
り圧電素子１の中心部３に相当する第１の音響整合層１
４ａとして使用できる。
しては、エポキシ樹脂を主体としてその中にタングステ
ンなどの金属粉若しくは酸化タングステン、アルミナ、
酸化鉄などの酸化物粉を混入させて作成する。エポキシ
樹脂単体での音響インピーダンスは約３ＭＲａｙｌであ
り圧電素子１の中心部３に相当する第１の音響整合層１
４ａとして使用できる。
【００８７】このエポキシ樹脂に充填材として酸化タン
グステン粉を重量比で５０％、１００％、２００％、３
００％、４００％、５００％充填するとそれぞれの音響
インピーダンスは３．６５ＭＲａｙｌ、４．３６ＭＲａ
ｙｌ、５．４６ＭＲａｙｌ、６．３６ＭＲａｙｌ、７．
２ＭＲａｙｌ、７．９ＭＲａｙｌとなる。このように充
填材の充填重量比を調整することにより音響インピーダ
ンスは容易に可変にできる。したがって、圧電素子１の
中心部３には前記算出式から算出した音響インピーダン
スの値３．６６ＭＲａｙｌにはエポキシ樹脂の材料に充
填材として酸化タングステン粉を重量比で５０％（音響
インピーダンス３．６５ＭＲａｙｌ）充填したものを設
け、そして徐々に端部４にいくにしたがい酸化タングス
テン粉の充填重量比を大きくしたものを設けて、端部４
では酸化タングステン粉の充填重量比を約５００％にし
て音響インピーダンスを算出式から算出した値に近い
７．９４ＭＲａｙｌの材料を設ければよい。
グステン粉を重量比で５０％、１００％、２００％、３
００％、４００％、５００％充填するとそれぞれの音響
インピーダンスは３．６５ＭＲａｙｌ、４．３６ＭＲａ
ｙｌ、５．４６ＭＲａｙｌ、６．３６ＭＲａｙｌ、７．
２ＭＲａｙｌ、７．９ＭＲａｙｌとなる。このように充
填材の充填重量比を調整することにより音響インピーダ
ンスは容易に可変にできる。したがって、圧電素子１の
中心部３には前記算出式から算出した音響インピーダン
スの値３．６６ＭＲａｙｌにはエポキシ樹脂の材料に充
填材として酸化タングステン粉を重量比で５０％（音響
インピーダンス３．６５ＭＲａｙｌ）充填したものを設
け、そして徐々に端部４にいくにしたがい酸化タングス
テン粉の充填重量比を大きくしたものを設けて、端部４
では酸化タングステン粉の充填重量比を約５００％にし
て音響インピーダンスを算出式から算出した値に近い
７．９４ＭＲａｙｌの材料を設ければよい。
【００８８】この第１の音響整合層１４ａが、圧電素子
１の中心部３から端部４まで音響インピーダンスを、例
えば３〜５段階というように段階的に可変にしても、ま
た連続的に可変にしてもよい。音響インピーダンスを連
続的に可変にした材料の作成としては、第５の実施の形
態で説明したような遠心分離器などを利用した方法で可
能である。また、この第１の音響整合層１４ａの厚みを
ほぼ４分の１波長の厚みにすればよい。例えば、圧電素
子１の中心部３の中心周波数は７ＭＨｚであり、中心部
３の第１の音響整合層１４ａの酸化タングステン粉の充
填重量比を約５００％とした材料の音速は、ほぼ２．３
５ｋｍ／ｓであり、これから４分の１波長の厚みを算出
すると、０．０８ｍｍとなる。また圧電素子１の端部４
の中心周波数は２ＭＨｚであり、端部４に相当するの第
１の音響整合層１４ａとしては、エポキシ樹脂に酸化タ
ングステンを充填重量比５００％充填したものを用いる
と、この音速は、ほぼ２．１ｋｍ／ｓであり、これから
４分の１波長の厚みを算出すると、０．２６３ｍｍとな
る。このようにそれぞれの周波数に対応して第１の音響
整合層１４ａの音速から厚みを設定する。
１の中心部３から端部４まで音響インピーダンスを、例
えば３〜５段階というように段階的に可変にしても、ま
た連続的に可変にしてもよい。音響インピーダンスを連
続的に可変にした材料の作成としては、第５の実施の形
態で説明したような遠心分離器などを利用した方法で可
能である。また、この第１の音響整合層１４ａの厚みを
ほぼ４分の１波長の厚みにすればよい。例えば、圧電素
子１の中心部３の中心周波数は７ＭＨｚであり、中心部
３の第１の音響整合層１４ａの酸化タングステン粉の充
填重量比を約５００％とした材料の音速は、ほぼ２．３
５ｋｍ／ｓであり、これから４分の１波長の厚みを算出
すると、０．０８ｍｍとなる。また圧電素子１の端部４
の中心周波数は２ＭＨｚであり、端部４に相当するの第
１の音響整合層１４ａとしては、エポキシ樹脂に酸化タ
ングステンを充填重量比５００％充填したものを用いる
と、この音速は、ほぼ２．１ｋｍ／ｓであり、これから
４分の１波長の厚みを算出すると、０．２６３ｍｍとな
る。このようにそれぞれの周波数に対応して第１の音響
整合層１４ａの音速から厚みを設定する。
【００８９】次に、第２の音響整合層１４ｂの具体的な
材料としては、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂を主体とし
てその中にガラス、高分子などの中空体の粉体を混入さ
せて作成する。またはウレタンゴム、合成ゴムなどを主
体としてその中にタングステンなどの金属粉若しくは酸
化タングステン、アルミナ、酸化鉄などの酸化物粉を混
入させて作成する。エポキシ樹脂、ウレタン樹脂単体で
の音響インピーダンスは３ＭＲａｙｌ前後であり、これ
に音響インピーダンスを下げるために前記のような中空
体を混入させる。また、ウレタンゴム、合成ゴムなどの
単体での音響インピーダンスは１．５４ＭＲａｙｌ前後
であり、これは逆に音響インピーダンスを上げるために
前記のようなタングステンなどの金属粉若しくは酸化タ
ングステン、アルミナ、酸化鉄などの酸化物粉を混入さ
せる。
材料としては、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂を主体とし
てその中にガラス、高分子などの中空体の粉体を混入さ
せて作成する。またはウレタンゴム、合成ゴムなどを主
体としてその中にタングステンなどの金属粉若しくは酸
化タングステン、アルミナ、酸化鉄などの酸化物粉を混
入させて作成する。エポキシ樹脂、ウレタン樹脂単体で
の音響インピーダンスは３ＭＲａｙｌ前後であり、これ
に音響インピーダンスを下げるために前記のような中空
体を混入させる。また、ウレタンゴム、合成ゴムなどの
単体での音響インピーダンスは１．５４ＭＲａｙｌ前後
であり、これは逆に音響インピーダンスを上げるために
前記のようなタングステンなどの金属粉若しくは酸化タ
ングステン、アルミナ、酸化鉄などの酸化物粉を混入さ
せる。
【００９０】ここでは、ウレタン樹脂を主体としてその
中に高分子の中空体の粉体を混入させてものについて説
明する。ウレタン樹脂(国際ケミカル社製ＲＵ３７)に充
填材として高分子の中空体を重量比で２．１％、３．５
％、４．５％、５％充填すると、それぞれの音響インピ
ーダンスは、２．３ＭＲａｙｌ、１．９ＭＲａｙｌ、
１．６ＭＲａｙｌ、１．４６ＭＲａｙｌとなる。このよ
うに充填材の充填重量比を調整することにより音響イン
ピーダンスは可変にできる。したがって、圧電素子１の
中心部３には、前記算出式から算出した音響インピーダ
ンスの値３．６６ＭＲａｙｌのエポキシ樹脂の材料に充
填材として、高分子の中空体を充填重量比で４．５％
（音響インピーダンス１．６ＭＲａｙｌ）充填したもの
を設け、そして徐々に端部４にいくに従い高分子の中空
体の重量比を小さくしたものを設けて、端部４では高分
子の中空体を充填重量比を約２．１％充填して音響イン
ピーダンスを算出式から算出した値に近い２．３１ＭＲ
ａｙｌの材料を設ければよい。
中に高分子の中空体の粉体を混入させてものについて説
明する。ウレタン樹脂(国際ケミカル社製ＲＵ３７)に充
填材として高分子の中空体を重量比で２．１％、３．５
％、４．５％、５％充填すると、それぞれの音響インピ
ーダンスは、２．３ＭＲａｙｌ、１．９ＭＲａｙｌ、
１．６ＭＲａｙｌ、１．４６ＭＲａｙｌとなる。このよ
うに充填材の充填重量比を調整することにより音響イン
ピーダンスは可変にできる。したがって、圧電素子１の
中心部３には、前記算出式から算出した音響インピーダ
ンスの値３．６６ＭＲａｙｌのエポキシ樹脂の材料に充
填材として、高分子の中空体を充填重量比で４．５％
（音響インピーダンス１．６ＭＲａｙｌ）充填したもの
を設け、そして徐々に端部４にいくに従い高分子の中空
体の重量比を小さくしたものを設けて、端部４では高分
子の中空体を充填重量比を約２．１％充填して音響イン
ピーダンスを算出式から算出した値に近い２．３１ＭＲ
ａｙｌの材料を設ければよい。
【００９１】この第２の音響整合層１４ｂが圧電素子１
の中心部３から端部４まで音響インピーダンスを例えば
３〜５段階というように段階的に可変にしても、また連
続的に可変にしてもよい。音響インピーダンスを連続的
に可変にした材料の作成としては、第５の実施の形態で
説明したような遠心分離器などを利用した方法で可能で
ある。また、この第２の音響整合層１４ｂも厚みをほぼ
４分の１波長の厚みにすればよい。例えば、圧電素子１
の中心部３の中心周波数は７ＭＨｚであり、中心部３の
第２の音響整合層１４ｂの高分子の中空体を充填重量比
で４．５％充填した材料の音速はほぼ１．８６ｋｍ／ｓ
であり、これから４分の１波長の厚みを算出すると、
０．０６６ｍｍとなる。また圧電素子１の端部４の中心
周波数は２ＭＨｚであり、端部４に相当する第２の音響
整合層１４ｂとしては、ウレタン樹脂に高分子の中空体
を充填重量比を約２．１％充填したものを用いると、こ
の音速は、ほぼ２．３ｋｍ／ｓであり、これから４分の
１波長の厚みを算出すると、０．２８８ｍｍとなる。こ
のようにそれぞれの周波数に対応して第２の音響整合層
１４ｂの音速から厚みを設定する。
の中心部３から端部４まで音響インピーダンスを例えば
３〜５段階というように段階的に可変にしても、また連
続的に可変にしてもよい。音響インピーダンスを連続的
に可変にした材料の作成としては、第５の実施の形態で
説明したような遠心分離器などを利用した方法で可能で
ある。また、この第２の音響整合層１４ｂも厚みをほぼ
４分の１波長の厚みにすればよい。例えば、圧電素子１
の中心部３の中心周波数は７ＭＨｚであり、中心部３の
第２の音響整合層１４ｂの高分子の中空体を充填重量比
で４．５％充填した材料の音速はほぼ１．８６ｋｍ／ｓ
であり、これから４分の１波長の厚みを算出すると、
０．０６６ｍｍとなる。また圧電素子１の端部４の中心
周波数は２ＭＨｚであり、端部４に相当する第２の音響
整合層１４ｂとしては、ウレタン樹脂に高分子の中空体
を充填重量比を約２．１％充填したものを用いると、こ
の音速は、ほぼ２．３ｋｍ／ｓであり、これから４分の
１波長の厚みを算出すると、０．２８８ｍｍとなる。こ
のようにそれぞれの周波数に対応して第２の音響整合層
１４ｂの音速から厚みを設定する。
【００９２】以上のような第１、第２の音響整合層１４
ａ、ｂの構成にすることにより、圧電素子１の中心部３
の周波数帯域内に、端部４の周波数帯域が抱合されるこ
とになり、広帯域の周波数特性と距離方向(深さ方向)で
の超音波ビームを長い距離(深い距離)で細く絞ることが
できるために分解能を向上させることができる。
ａ、ｂの構成にすることにより、圧電素子１の中心部３
の周波数帯域内に、端部４の周波数帯域が抱合されるこ
とになり、広帯域の周波数特性と距離方向(深さ方向)で
の超音波ビームを長い距離(深い距離)で細く絞ることが
できるために分解能を向上させることができる。
【００９３】なお、本発明の実施の形態では、圧電素子
１は均一の厚みの平板の形状について説明したが、この
ほか、圧電素子１の形状は超音波を放射する側を曲面形
状にして、もう一方の面は平面のプラノコンケーブ型ま
たは、圧電素子１の両面とも曲面形状にした不均一の厚
みの形状でも同様の効果が得られる。
１は均一の厚みの平板の形状について説明したが、この
ほか、圧電素子１の形状は超音波を放射する側を曲面形
状にして、もう一方の面は平面のプラノコンケーブ型ま
たは、圧電素子１の両面とも曲面形状にした不均一の厚
みの形状でも同様の効果が得られる。
【００９４】なお、本発明の第６の実施の形態では、圧
電素子１のみの形状について説明したが、このほか、圧
電素子１の超音波送受信側(被検体側)と反対側の面には
背面負荷材を設けた構成にしても同様の効果が得られ
る。
電素子１のみの形状について説明したが、このほか、圧
電素子１の超音波送受信側(被検体側)と反対側の面には
背面負荷材を設けた構成にしても同様の効果が得られ
る。
【００９５】なお、本発明の第６の実施の形態では、音
響整合層１４として２層の場合について説明したが、こ
のほか、同様の思想で３層以上の音響整合層を設けた場
合についても同様の効果が得られる。
響整合層１４として２層の場合について説明したが、こ
のほか、同様の思想で３層以上の音響整合層を設けた場
合についても同様の効果が得られる。
【００９６】なお、本発明の第６の実施の形態では、圧
電素子１および音響整合層１４ａ、ｂは単体の場合につ
いて説明したが、この他圧電素子１を複数個配列した所
謂アレイ型にし、圧電素子1の配列方向に対して直行す
る方向に用いた場合においても同様の効果が得られる。
電素子１および音響整合層１４ａ、ｂは単体の場合につ
いて説明したが、この他圧電素子１を複数個配列した所
謂アレイ型にし、圧電素子1の配列方向に対して直行す
る方向に用いた場合においても同様の効果が得られる。
【００９７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明は、超音波
を送受信する圧電素子を備えた超音波探触子において、
圧電素子は、その音響インピーダンスが中心部より端部
にいくにしたがって大きくなるような構成を有すること
により、端部の周波数比帯域より中央付近の周波数比帯
域が広くなるので、広帯域の周波数特性と、超音波ビー
ムを深い領域まで絞れるために分解能の高い超音波像を
得ることができる超音波探触子を提供することができる
ものである。
を送受信する圧電素子を備えた超音波探触子において、
圧電素子は、その音響インピーダンスが中心部より端部
にいくにしたがって大きくなるような構成を有すること
により、端部の周波数比帯域より中央付近の周波数比帯
域が広くなるので、広帯域の周波数特性と、超音波ビー
ムを深い領域まで絞れるために分解能の高い超音波像を
得ることができる超音波探触子を提供することができる
ものである。
【図１】（ａ） 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 （ｂ） 図１（ａ）に示した超音波探触子の音響インピ
ーダンスの特性図
音波探触子の概略断面図 （ｂ） 図１（ａ）に示した超音波探触子の音響インピ
ーダンスの特性図
【図２】本発明の第１の実施の形態における超音波探触
子の周波数特性および超音波ビームの特性図
子の周波数特性および超音波ビームの特性図
【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
子の概略断面図
【図４】本発明の第３の実施の形態における超音波探触
子の概略断面図
子の概略断面図
【図５】（ａ） 本発明の第４の実施の形態における超
音波探触子の概略断面図 （ｂ） 図４（ａ）に示した超音波探触子の音響インピ
ーダンスの特性図
音波探触子の概略断面図 （ｂ） 図４（ａ）に示した超音波探触子の音響インピ
ーダンスの特性図
【図６】（ａ） 本発明の第５の実施の形態における超
音波探触子の概略断面図 （ｂ） 図５（ａ）に示した超音波探触子の音響インピ
ーダンスの特性図
音波探触子の概略断面図 （ｂ） 図５（ａ）に示した超音波探触子の音響インピ
ーダンスの特性図
【図７】（ａ） 本発明の第６の実施の形態における超
音波探触子の概略断面図 （ｂ） 図６（ａ）に示した超音波探触子の音響インピ
ーダンスの特性図
音波探触子の概略断面図 （ｂ） 図６（ａ）に示した超音波探触子の音響インピ
ーダンスの特性図
【図８】従来の超音波探触子の斜視図
【図９】従来の超音波探触子の周波数特性図
１ 圧電素子 ２ 電極 ３ 中心部 ４ 端部 ５ 中心部３の周波数特性 ６ 端部４の周波数特性 ７ 中心部３の中心周波数 ８ 端部４の中心周波数 ９ 中心部３付近からの超音波ビーム特性 １０ 圧電素子１からの超音波ビーム特性 １１ 圧電体 １２ 有機高分子 １３ 背面負荷材 １４ 音響整合層 １４ａ 第１の音響整合層 １４ｂ 第２の音響整合層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 41/08 Ｈ０４Ｒ 17/00 ３３２ Ｈ０４Ｒ 17/00 ３３０ Ｇ０１Ｓ 7/52 Ａ Ｈ０１Ｌ 41/08 Ｕ ３３２ Ｈ Ｆターム(参考） 2G047 CA01 EA01 GB11 GB25 GB28 GB33 4C301 EE02 GB03 GB21 GB27 GB34 5D019 AA07 AA09 AA22 BB02 BB04 BB11 BB18 FF02 FF04 GG01 5J083 AA02 AB01 AB17 AC28 AC29 CA24 CA50 CB02 CB03 CB04
Claims (10)
- 【請求項１】 超音波を送受信する圧電素子を備えた超
音波探触子において、 前記圧電素子は、その音響インピーダンスが中心部より
端部にいくにしたがって大きくなるように構成されてい
ることを特徴とする超音波探触子。 - 【請求項２】 前記圧電素子は、圧電セラミックと有機
高分子の複合圧電体で構成され、前記圧電セラミックの
体積比が中心部より端部にいくにしたがって大きくなる
ように構成されている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】 前記複合圧電体は、１−３型、２−２型
または０−３型であることを特徴とする請求項２記載の
超音波探触子。 - 【請求項４】 前記圧電素子は、その周波数が中心部よ
り端部にいくにしたがって低くなるような厚みを有する
ことを特徴とする請求項１ないし請求項３記載の超音波
探触子。 - 【請求項５】 前記圧電素子は、その厚みが中心より端
部にいくにしたがって厚くなるような形状を有すること
を特徴とする請求項１ないし請求項３記載の超音波探触
子。 - 【請求項６】 超音波を送受信する圧電素子の音響イン
ピーダンスが中心部より端部にいくにしたがって大きく
なる構成を有する超音波探触子において、 前記圧電素子は、超音波を被検体に放射する面と反対の
面に一定の音響インピーダンスを有する背面負荷材を有
することを特徴とする超音波探触子。 - 【請求項７】 前記圧電素子は、超音波を被検体に放射
する面に少なくとも１層以上の音響整合層を有し、前記
音響整合層の音響インピーダンスが、その中心部より端
部にいくにしたがって大きくなるように構成されている
ことを特徴とする請求項１ないし請求項６記載の超音波
探触子。 - 【請求項８】 前記音響整合層は２層であって、被検体
側に設けられた層の音響インピーダンスは、中心付近で
は被検体の音響インピーダンスに近い値を有し、端部に
いくにしたがって被検体の音響インピーダンスより大き
な値を有することを特徴とする請求項６または請求項７
記載の超音波探触子。 - 【請求項９】 超音波を送受信する圧電素子の音響イン
ピーダンスが中央部より端部にいくにしたがって大きく
なるように構成された超音波探触子において、 前記圧電素子は、超音波を被検体側に放射する側に３層
の音響整合層を有し、被検体側に最も近い層は、その厚
みが中心付近で約４分の１波長であり、端部にいくにし
たがって薄くなり、最端部ではほぼ０になるように構成
されたことを特徴とする超音波探触子。 - 【請求項１０】 超音波を送受信する圧電素子の音響イ
ンピーダンスが中央部より端部にいくにしたがって大き
くなるように構成された超音波探触子において、 前記圧電素子は、超音波を被検体側に放射する側に３層
の音響整合層を有し、被検体側に最も近い層は、厚みが
中心付近で約４分の１波長であり、端部にいくにしたが
って薄くなり、最周辺ではほぼ０になるようにし、前記
被検体側に最も近い層の音響インピーダンスがその中心
付近で１．８ＭＲａｙｌであり、周辺にいくにしたがっ
て徐々に小さくなり、最端部では被検体の音響インピー
ダンスと同じ値になるように構成されたことを特徴とす
る超音波探触子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001003731A JP4519330B2 (ja) | 2001-01-11 | 2001-01-11 | 超音波探触子 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001003731A JP4519330B2 (ja) | 2001-01-11 | 2001-01-11 | 超音波探触子 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002209292A true JP2002209292A (ja) | 2002-07-26 |
| JP4519330B2 JP4519330B2 (ja) | 2010-08-04 |
Family
ID=18872025
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001003731A Expired - Fee Related JP4519330B2 (ja) | 2001-01-11 | 2001-01-11 | 超音波探触子 |
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- 2001-01-11 JP JP2001003731A patent/JP4519330B2/ja not_active Expired - Fee Related
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