JP2003333694A

JP2003333694A - 超音波探触子

Info

Publication number: JP2003333694A
Application number: JP2002142393A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Kobayashi; 和裕小林; Hideji Katsura; 秀嗣桂
Original assignee: Aloka Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-05-17
Filing date: 2002-05-17
Publication date: 2003-11-21
Anticipated expiration: 2022-05-17
Also published as: JP3908595B2

Abstract

(57)【要約】【課題】アレイ振動子の各振動素子における振動が必
要以上に抑制されるのを防止しつつ、不要振動を抑制す
る構造を有する超音波探触子を実現する。【解決手段】複数の振動素子１８の相互間には第一溝
２４が形成され、第一充填剤２０が充填されている。整
合層１６は、複数の整合素子２６と第二充填剤２８から
構成される。複数の整合素子２６の相互間には、第二溝
３０が形成されており、第二充填剤２８が充填されてい
る。第二充填剤２８の音響インピーダンスは、第一充填
剤２０の音響インピーダンスよりも大きく、且つ、整合
素子２６の音響インピーダンスよりも小さく調整されて
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数の振動素子か
らなるアレイ振動子を含む超音波探触子に関する。

【０００２】

【従来の技術及びその課題】電子走査式の超音波探触子
は、図７に示されるように、一般的に、バッキング層２
００上にアレイ振動子２０２が接合され、さらにこのア
レイ振動子２０２上に整合層２０４が接合された構成を
有する。このアレイ振動子２０２は、複数の振動素子
（圧電素子）２０６が１次元又は２次元配列された構成
を有し、各振動素子２０６の間の溝２１０には充填剤２
０８が充填されている。一方、整合層２０４は、複数の
整合素子２１４が配列された構成を有する。整合層２０
４には、隣り合う整合素子２１４の間に、上記溝２１０
のパターンと同一パターンを成す複数の溝２１２が形成
されている。これらの溝２１２には、上記の充填剤と全
く同一の充填剤が充填されている。なお、アレイ振動子
２０２と整合層２０４との間には、グランド電極２２０
が設けられている。さらに、バッキング層２００内に
は、各振動素子２０６に駆動電圧を伝送し、また、エコ
ー信号を取り出すためのリード及びコンタクト部材等が
存在するが、図中省略されている。

【０００３】各振動素子２０６は、駆動電圧が加わると
機械的振動を発生し、超音波を送波する。各振動素子２
０６は、主として、積層方向（Ｚ方向）に沿って縦振動
することで、図中上方側に位置する被検体に超音波を送
波する。

【０００４】ここで、各振動素子２０６の相互間で音響
的なクロストークを防止するために、充填剤２０８に
は、振動素子２０６に比べて音響インピーダンスが極め
て小さいものが利用されている。なお、音響インピーダ
ンスと剛性との間には、一般的に相関があり、音響イン
ピーダンスが小さい材料は、通常、剛性が低く柔らか
い。したがって、バッキング層２００上に固定された各
振動素子２０６は、例えば、図８の一点鎖線や波線で示
されるように、横方向に振動してしまう。このような不
要振動によるエネルギー損失によって、例えば、予定し
た音響パワーの超音波を送波できなかったり、あるい
は、周波数特性が悪くなったりし、予定した帯域を有す
る超音波を送波できない等の問題が起こる。なお、これ
らの問題は、超音波の受波時においても同様であり、超
音波探触子の性能の低下を引き起こしていた。

【０００５】一方、この横振動を抑圧するために、例え
ば、図７の整合層２０４の代わりに、溝が形成されてい
ない一体プレート状の整合層を用いることもできるが、
各振動素子２０６から発せられた超音波が、整合層の中
でも広がるため、各振動素子２０６の開口が広くなり、
超音波を適正な広がりをもって送波することが困難とな
る。その結果、電子走査における超音波ビームのスキャ
ン角度を広くとることが困難となり、超音波計測におけ
る視野角が狭くなってしまう。

【０００６】本発明は、上記課題に鑑みなされたもので
あり、その目的は、各振動素子の良好な機械的振動を可
能にした超音波探触子を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、バッキング層と、前記バッキング層上に
設けられ、振動素子相互間に第一溝が形成された複数の
振動素子を有するアレイ振動子と、前記アレイ振動子上
に設けられ、整合素子相互間に第二溝が形成された複数
の整合素子を有する整合層と、を含み、前記各第一溝に
は、第一充填剤が充填され、前記各第二溝には、前記第
一充填剤とは異なる組成を有する不要振動抑制用の第二
充填剤が充填されていることを特徴とする。

【０００８】ここで、第二充填剤に、振動素子の不要振
動を抑制する特性を有する充填材を使用することによ
り、各振動素子の不要振動が抑制される。

【０００９】本発明の好適な態様では、前記各第二溝は
貫通溝であることを特徴とする。また、本発明の好適な
態様では、前記各第二溝は非貫通溝であり、前記複数の
整合素子における素子相互間には、隣接する２つの整合
素子に連なる連結部が形成されていることを特徴とす
る。さらに本発明の好適な態様では、前記連結部は、前
記第二溝の下方に形成されている。あるいは、前記連結
部は、前記第二溝の上方に形成されている。この連結部
を設けることにより、不要振動の抑制作用を増大でき
る。但し、音響的なクロストークの問題が無視できる範
囲で連結部を設けることが望ましい。

【００１０】また、上記課題を達成するために、本発明
は、バッキング層と、前記バッキング層上に設けられ、
振動素子の相互間に第一溝が形成され２次元配列された
複数の振動素子を有するアレイ振動子と、前記アレイ振
動子上に設けられ、２次元配列された複数の整合素子を
有する整合層と、を含み、前記整合層は、行方向に隣接
する２つの整合素子の間ごとに、及び、列方向に隣接す
る２つの整合素子の間ごとに形成された複数の第二溝
と、４つの整合素子の隅部によって囲まれる格子点部位
ごとに形成され、それら４つの整合素子の隅部と連なる
連結部と、を有し、前記各第一溝には、第一充填剤が充
填され、前記各第二溝には、前記第一充填剤とは異なる
組成を有する不要振動抑制用の第二充填剤が充填されて
いることを特徴とする。

【００１１】本発明の好適な態様では、前記第二充填剤
の音響インピーダンスは、前記第一充填剤の音響インピ
ーダンスよりも大きいことを特徴とする。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の好適な実施の形態につい
て、図面を参照しながら説明する。図１には、本発明に
係る超音波探触子の主要部の断面が概略的に示されてい
る。超音波探触子は、主として、バッキング層１２、ア
レイ振動子１４、グランド電極２２及び整合層１６から
構成されている。

【００１３】アレイ振動子１４は、超音波を２次元的に
電子走査可能な２Ｄアレイ振動子であり、複数の振動素
子１８及び第一充填剤２０から構成されている。

【００１４】複数の振動素子１８は、Ｙ方向、及び、こ
のＹ方向と直交するＸ方向に２次元的に配列されてい
る。なお、図中には、Ｙ方向に５つの振動素子１８が配
列されているが、実際のアレイ振動子は、Ｙ方向及びＸ
方向に、用途に応じた数の振動素子１８を配列したもの
として構成される。各振動素子１８は、微小な角柱状の
圧電素子であり、その上方側及び下方側には電極膜１８
ａ及び１８ｂがそれぞれ形成されている。複数の振動素
子１８の上方には、単一のグランド電極２２が接合され
ており、各振動素子１８の電極膜１８ａと接続されてい
る。

【００１５】各振動素子１８は、互いに所定間隔を空け
て形成されている。換言すれば、隣り合う振動素子１８
の相互間には、アレイ振動子１４をＺ方向に貫通する第
一溝２４がそれぞれ形成されており、これら複数の第一
溝２４が、複数の振動素子１８間を碁盤の目状に走行し
ている。

【００１６】各第一溝２４には、第一充填剤２０が充填
されている。この第一充填剤２０は、例えば、シリコー
ンゴムやウレタンゴム等の合成樹脂に多数のフィラー材
が添加された組成を有している。ここで、本実施形態で
は、例えば、フィラー材として、高分子の膜を外殻とす
る中空のバブル（微小気泡）が採用されている。この第
一充填剤２０の音響インピーダンスは、振動素子１８の
音響インピーダンスに比べて極めて小さい。これによ
り、振動素子１８の相互間における音響的なクロストー
クが防止される。また、第一充填剤２０は、多くのバブ
ルを含むため、剛性が低く柔らかい。

【００１７】バッキング層１２は、例えば直方体状の部
材であり、剛性の高い合成樹脂で形成されている。バッ
キング層１２は、アレイ振動子１４から下方側に放射さ
れる超音波を吸収する材料で形成される。このバッキン
グ層１２の上方に、アレイ振動子１４が接合されてい
る。なお、バッキング層１２は、上記の各振動素子１８
に駆動信号を伝送し、またエコー信号を取り出すための
リード及びコンタクト部材等を有しているが、それらを
図中省略する。

【００１８】整合層１６は、アレイ振動子１４の上面に
接合される。整合層１６は、前記の複数の振動素子１８
に対応する複数の整合素子２６を有する。また、整合層
１６には、前記の複数の第一溝２４に対応する複数の第
二溝３０が形成されており、各第二溝３０には第二充填
剤２８が充填されている。

【００１９】これらの整合素子２６は、被検体（生体）
と振動素子１８との間で音響インピーダンス整合をと
り、被検体内へ超音波を効率的に伝達し、また被検体内
からの反射波を振動素子１８へ効率的に伝達する材料で
形成されている。本実施形態の整合素子２６は、例え
ば、エポキシ樹脂等にシリカ等の添加材が添加された組
成を有する。

【００２０】この第二充填剤２８は、上記の第一充填剤
２０と異なる組成を有する。具体的には、この第二充填
剤２８は、第一充填剤２０よりも剛性が高い（又は固
い）充填剤で、第一充填剤２０よりも音響インピーダン
スが大きい。その第二充填剤としては、例えば、バブル
等のフィラー剤が添加されていないシリコーンゴムやウ
レタンゴム等の合成樹脂を使用する。

【００２１】また、第二充填剤２８は、整合素子２６よ
りも音響インピーダンスが小さいものを使用している。
ちなみに、このとき、第二充填剤２８は、整合素子２６
よりも剛性が低い（又は柔らかい）。つまり、これら第
一充填剤２０、第二充填剤２８及び整合素子２６の間
に、例えば、以下に示される関係が成立するように、そ
れぞれの組成を調整する。

【００２２】

【数１】０＜Ｚａ＜Ｚｂ＜Ｚｃ（１）０＜Ｇａ＜Ｇｂ＜Ｇｃ（２）ここで、Ｚａ、Ｚｂ及びＺｃは、それぞれ及び第一充填
剤２０、第二充填剤２８及び整合素子２６の音響インピ
ーダンスを示し、Ｇａ、Ｇｂ及びＧｃは、それぞれ第一
充填剤２０、第二充填剤２８及び整合素子２６の剛性を
示している。

【００２３】次に、本実施形態の超音波探触子における
超音波送受波時における振動素子１８が有する振動モー
ドについて説明する。

【００２４】各振動素子１８の下方側は、上述のよう
に、剛性の高いバッキング層１２に固定されている。し
がたって、各振動素子１８は、駆動信号が印加される
と、下方側を固定された状態で機械的振動を発生し、縦
振動を行う。これにより、各振動素子１８は、上方へ向
けて超音波を送波する。

【００２５】これは当該アレイ振動子の等価回路におけ
る電気的インピーダンスを求めることで評価できる。例
えば、図７に示される従来のアレイ振動子２０２ではそ
の周りの充填剤２０８の剛性が低い（音響インピーダン
スが小さい）ため、図２（ａ）の波線で示すように不要
な変動が存在する。これに対し、本実施形態（図１）で
は、第二溝３０に剛性の高い（音響インピーダンスが大
きい）第二充填剤２８が充填されているため、振動素子
１８の運動（図８の横振動）は電極膜１８ａ、グランド
電極２２及び整合素子２６を介して第二充填剤２８にて
十分に抑制される。これにより、図中の実線で示すよう
に、不要な変動は起こらない。

【００２６】また、アレイ振動子における指向角特性に
ついて評価してみると、従来のアレイ振動子２０２は、
図２（ｂ）の破線で示されるように、アレイ振動子２０
２の正面からの成す角が大きくなるに従って、急激にゲ
インが落ち込んでおり、指向性が狭くなっている。した
がって、超音波ビームのスキャン角度を広くとることが
できない。それに対し、本実施形態のアレイ振動子１４
は、図中実線で示されるように、それぞれの指向角での
ゲインは、従来のものよりも大きくなる。したがって、
超音波ビームのスキャン角度を広くとることができ、視
野角を広くとれる。

【００２７】次に、図３を参照しながら、他の実施形態
における超音波探触子について説明する。なお、図１に
示された構成と同一の構成には同一符号を付し、その説
明を省略する。

【００２８】アレイ振動子１４の上方に接合された整合
層３４は、複数の整合素子２６、連結部３８及び第二充
填剤４２から構成されている。連結部３８は、隣り合う
整合素子２６の間に設けられており、隣接する２つの整
合素子２６に連なり、連結されている。

【００２９】ここで、連結部３８のＺ方向における幅
（厚さ）は、整合素子２６のＺ方向における厚さよりも
小さい。本実施形態では、この連結部３８が各整合素子
２６の下方側で連結されており、連結部３８の上方に
は、上方に開口を有する非貫通溝としての第二溝４０が
形成されている。第二溝４０には、例えば、上記実施形
態における第二充填剤２８と同一の組成を成す第二充填
剤４２が充填されている。

【００３０】本実施形態における整合層３４では、第一
充填剤２０に対する第二充填剤４２の組成に加えて、例
えば、連結部３８の厚さなど連結部３８の寸法を調整す
ることで、各振動素子１８の振動モードを良好に制御で
きる。この形態においても上記実施形態の構成と同様の
効果が得られる。

【００３１】さらに、別の実施形態における超音波探触
子について図４を用いて説明する。本実施形態では、上
述した図３の構成と整合層以外については基本的に同一
である。なお、当該実施形態の整合層４４は、複数の整
合素子２６、連結部３８及び第二充填剤４２から構成さ
れており、これら各構成要素のそれぞれ自体は、図３の
整合層３４における各構成要素と同一の構成を有する。

【００３２】しかしながら、連結部３８は、隣接する２
つの整合素子２６に連なるに当たって、各整合素子２６
の上方側で連結されている。本実施形態では、連結部３
８と各整合素子２６とが一体形成されており、連結部３
８の下方には、下方に開口を有する非貫通溝としての第
二溝４６が形成されている。この第二溝４６に、第二充
填剤４２が充填されている。この形態においても上記実
施形態と同様の効果を得られる。

【００３３】また、さらに別の実施形態における超音波
探触子について説明する。ここで、当該実施形態では、
上述した図１の構成と整合層以外については基本的に同
一である。ここで、図５には、上方から見た本実施形態
の整合層５０が部分的に示されている。この整合層５０
は、複数の整合素子２６、複数の第二充填剤５４、及び
複数の連結部５８から構成されている。なお、第二充填
剤５４には、便宜上、上記実施形態における第二充填剤
４２のハッチングと同様の模様を付す。

【００３４】複数の整合素子２６は、下方に配置された
複数の振動素子（図示せず）の配列パターンと同一パタ
ーンでＹ方向（行方向）及びＸ方向（列方向）に２次元
的に配列されている。

【００３５】各整合素子２６の間には、それぞれ第二溝
５６が形成されている。ここで、本実施形態における各
第二溝５６は、後述する２つの溝、すなわわち行間溝５
６ａ及び列間溝５６ｂのいずれかに分類される。

【００３６】各行間溝５６ａは、図に示されるように、
行方向に配列している各整合素子２６の間に形成された
溝であり、隣接する２つの整合素子２６ごとにそれぞれ
形成されている。なお、図には矩形形状を有する各行間
溝５６ａの開口が示されている。これに対し、各列間溝
５６ｂは、列方向に配列している各整合素子２６の間に
形成された溝であり、隣接する２つの整合素子２６ごと
にそれぞれ形成されている。なお、図には矩形形状を有
する各列間溝５６ｂの開口が示されている。

【００３７】ここで、複数の行間溝５６ａは、Ｘ方向に
おいて、各溝５６ａの間ごとに後述する連結部５８を介
して配列形成されており、それぞれが互いに離間し、独
立している。各列間溝５６ｂもまた、Ｙ方向において、
各溝５６ｂの間ごとに、連結部５８を介して配列形成さ
れている。各行間溝５６ａ及び各列間溝５６ｂには、図
１に示される第二充填剤２８と同一の組成を有する第二
充填剤５４が充填されている。なお、これら行間溝５６
ａ及び列間溝５６ｂは、レーザ加工等により成形でき
る。

【００３８】また、この連結部５８は、４つの整合素子
２６の隅部６０によって囲まれる格子点部位Ａごとに形
成されており、これら４つの素子２６の隅部６０と連な
っている。各連結部５８により、互いに対角方向に隣接
する２組の整合素子２６が繋がっている。

【００３９】図６に、図５のＢ−Ｂ’で示される断面の
一部を示す。図に示されるように、各列間溝５６ｂは、
Ｚ方向に整合層５０を貫通しており、上述のように、そ
れぞれに第二充填剤５４が充填されている。また、各連
結部５８は、整合層５０の上方から下方までＺ方向に沿
って形成された柱状部材である。隣り合う２つの第二充
填剤５４は、連結部５８によって仕切られている。

【００４０】なお、行間溝５６ａ、第二充填剤５４及び
連結部５８においても、この列間溝５６ｂ、第二充填剤
５４及び連結部５８における配置形態と同様の配置形態
を成している。

【００４１】本実施形態における整合層では、第一充填
剤２０に対する第二充填剤５４の組成に加えて、例え
ば、連結部５８の断面積など連結部５８の寸法を調整す
ることで、各振動素子１８の振動モードを良好に制御で
きる。この形態においても上述の実施形態における主要
部と同様の効果が得られる。

【００４２】以上、上記の各実施形態では、２Ｄアレイ
振動子を備える超音波探触子に本発明を適用する場合を
例にとって説明したが、これに限らず、例えば、１Ｄア
レイ振動子や１．５Ｄアレイ振動子など、複数の振動素
子を含むアレイ振動子を含む超音波探触子であれば、上
記実施形態の場合と同様に本発明を適用することがで
き、上述と同様の効果が得られる。

【００４３】

【発明の効果】本発明によれば、各振動素子の良好な機
械的振動を可能にした超音波探触子を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る超音波探触子の主要部の断面が
概略的に示された図である。

【図２】本実施形態のアレイ振動子と従来のアレイ振
動子の両方における各種特性を示す図である。

【図３】他の実施形態の超音波探触子における主要部
の断面が概略的に示された図である。

【図４】別の実施形態の超音波探触子における主要部
の断面が概略的に示された図である。

【図５】さらに別の実施形態における主要部を上方か
ら見た図である。

【図６】図５の主要部におけるＢ−Ｂ’の断面を概略
的に示した図である。

【図７】従来の超音波探触子の主要部の断面を概略的
に示した図である。

【図８】従来の超音波探触子のアレイ振動子に含まれ
る振動素子が有する横振動モードを概略的に示した図で
ある。

【符号の説明】

１２バッキング層、１４アレイ振動子、１６整合
層、１８振動素子、２０第一充填剤、２２グラン
ド電極、２４第一溝、２６整合素子、２８第二充填
剤、３０第二溝。

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Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】バッキング層と、前記バッキング層上に設けられ、振動素子相互間に第一
溝が形成された複数の振動素子を有するアレイ振動子
と、前記アレイ振動子上に設けられ、整合素子相互間に第二
溝が形成された複数の整合素子を有する整合層と、を含み、前記各第一溝には、第一充填剤が充填され、前記各第二溝には、前記第一充填剤とは異なる組成を有
する不要振動抑制用の第二充填剤が充填されていること
を特徴とする超音波探触子。
【請求項２】請求項１に記載の超音波探触子におい
て、前記各第二溝は貫通溝であることを特徴とする超音波探
触子。
【請求項３】請求項１に記載の超音波探触子におい
て、前記各第二溝は非貫通溝であり、前記複数の整合素子における素子相互間には、隣接する
２つの整合素子に連なる連結部が形成されていることを
特徴とする超音波探触子。
【請求項４】請求項２に記載の超音波探触子におい
て、前記連結部は、前記第二溝の下方に形成されていること
を特徴とする超音波探触子。
【請求項５】請求項２に記載の超音波探触子におい
て、前記連結部は、前記第二溝の上方に形成されていること
を特徴とする超音波探触子。
【請求項６】バッキング層と、前記バッキング層上に設けられ、振動素子の相互間に第
一溝が形成され２次元配列された複数の振動素子を有す
るアレイ振動子と、前記アレイ振動子上に設けられ、２次元配列された複数
の整合素子を有する整合層と、を含み、前記整合層は、行方向に隣接する２つの整合素子の間ごとに、及び、列
方向に隣接する２つの整合素子の間ごとに形成された複
数の第二溝と、４つの整合素子の隅部によって囲まれる格子点部位ごと
に形成され、それら４つの整合素子の隅部と連なる連結
部と、を有し、前記各第一溝には、第一充填剤が充填され、前記各第二溝には、前記第一充填剤とは異なる組成を有
する不要振動抑制用の第二充填剤が充填されていること
を特徴とする超音波探触子。
【請求項７】請求項１又は６項に記載の超音波探触子
において、前記第二充填剤の音響インピーダンスは、前記第一充填
剤の音響インピーダンスよりも大きいことを特徴とする
超音波探触子。