JP2007288396A - 超音波用探触子 - Google Patents

Abstract

【課題】２層構造の音響整合層を有する超音波用探触子において、従来よりも周波数特性を広帯域化する。
【解決手段】超音波用探触子は、圧電セラミックによって形成された圧電体を有する振動子と、振動子の厚さに（第１の音響整合層の弾性定数ｋ_１／振動子の弾性定数ｋ_０）×（振動子の音響インピーダンスＺ_０／第１の音響整合層の音響インピーダンスＺ_１）×１／２を乗じた値の１．４〜２．０倍の厚さを有する第１の音響整合層と、振動子の長さに（第２の音響整合層の弾性定数ｋ_２／振動子の弾性定数ｋ_０）×（振動子の音響インピーダンスＺ_０／第２の音響整合層の音響インピーダンスＺ_２）×１／２を乗じた値の０．６〜０．７倍の厚さを有する第２の音響整合層と、振動子の音響インピーダンスの０．４２〜０．４４倍の音響インピーダンスを有するバッキング層とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波を送受信する圧電振動子と、音響インピーダンスの整合を図るための音響整合層とを有し、医療用の超音波診断装置等において用いられる超音波用探触子に関する。

従来より、超音波の送信及び／又は受信に用いられる超音波トランスデューサにおいて、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Pb(lead) zirconate titanate）に代表される圧電セラミックや、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン：polyvinyliden difluoride）に代表される高分子圧電材料等の圧電体の両端に電極を形成した振動子（圧電振動子）が、一般的に用いられてきた。

このような振動子の電極に電圧を印加すると、圧電効果により圧電素子が伸縮して超音波が発生する。さらに、複数の振動子を１次元又は２次元状に配列し、所定の遅延を与えた複数の駆動信号によって駆動することにより、超音波ビームを所望の方向に向けて形成することができる。一方、振動子は、伝播する超音波を受信することによって伸縮し、電気信号を発生する。この電気信号は、超音波の受信信号として用いられる。

超音波診断装置は、被検体に超音波を送信し、被検体からの反射波を受信して、その受信信号に基づいて画像を表示することにより、体内の臓器や血管の検査を行っている。しかしながら、圧電セラミックを振動子に用いる場合には、振動子の音響インピーダンス（音響媒質密度と音速との積で表される）と、被検体（人体等）との音響インピーダンスとの間には大きな差があり、そのような音響インピーダンスの差がある境界面においては、超音波の反射が生じて超音波の伝播損失となる。

音響インピーダンスとは、音響媒質密度と音速との積で表される物質固有の定数であり、その単位としては、一般にＭＲａｙｌ（メガ・レイル）が用いられ、１ＭＲａｙｌ＝１×１０^６ｋｇ・ｍ^−２・ｓ^−１である。一般的な圧電セラミックの音響インピーダンスは、約２３ＭＲａｙｌ〜約３５ＭＲａｙｌであり、人体の音響インピーダンスは、約１．５ＭＲａｙｌである。

圧電振動子を人体に直接接触させると、それらの音響インピーダンスの差により、ほとんどの超音波は接触界面で反射してしまう。圧電振動子の音響インピーダンスをＺ_０とし、人体の音響インピーダンスをＺ_Ｍとすると、接触界面における超音波の反射率Ｒ_Ｐは、次式（１）で与えられる。
Ｒ_Ｐ＝（Ｚ_０−Ｚ_Ｍ）／（Ｚ_０＋Ｚ_Ｍ） ・・・（１）
式（１）において、Ｚ_０＝３５ＭＲａｙｌ、Ｚ_Ｍ＝１．５ＭＲａｙｌとすると、Ｒ_Ｐ＝０．９２となり、超音波は１割も伝播しないことが分る。

この問題を解決するために、振動子と被検体との間に音響整合層を挿入して、音響インピーダンスの整合を図ることが行われている。さらに、音響整合層を多層構造とすることにより、超音波の伝播効率が改善される。ここで、超音波の伝播効率を最大にするために、それぞれの音響整合層における音響インピーダンスの理想値を理論的に求めることが可能である。非特許文献１には、エネルギー伝送論に基づいて求められた最適音響インピーダンスが掲載されている（図８参照）。

また、非特許文献２には、音響整合層の界面における超音波の反射に鑑みて、各音響整合層の厚さを発振波長の１／４に設定することが開示されている。その理由は、以下の通りである。理想的なインパルス波形を有する駆動信号で振動子を励振したとしても、振動子が有する周波数帯域特性の影響により、振動は減衰しながら持続する波形を示すので、時間分解能があまり良くない。そこで、発振波長の１／４の厚さを有する音響整合層を振動子と被検体との間に挿入すると、音響整合層と振動子との境界で反射した超音波は、音響整合層を往復することにより位相が発振波長の１／２だけずれる。この反射波が無反射の直接波に重畳されると、直接波は半波長後の波形から反射波によって抑圧され、直接波の波形が理想的なインパルス波形に近付き、超音波用探触子の広帯域化が図られる。

音響整合層を設けることにより、超音波の伝播効率が向上して感度は上昇するが、一方、発振周波数帯域が狭まるという弊害も存在する。そこで、非特許文献１に従って、２層の音響整合層を有する超音波用探触子における周波数帯域幅を計算してみた。ここでは、一般的な圧電セラミック（Ｚ_０＝３５ＭＲａｙｌ程度、電気機械結合定数Ｋ_３３＝０．７程度）と、一般的なバッキング材料（音響インピーダンスが１．７５ＭＲａｙｌ〜２０．０ＭＲａｙｌ程度）とを用いるものとする。一般的に、ダンピング（制動）性のある樹脂に高密度粉末を混ぜることによって、高音響インピーダンスのバッキング材料を作製するが、音響減衰能力とのバランスを考慮して、２０ＭＲａｙｌが音響インピーダンスの上限値とされている。また、圧電振動子を保持する観点から、一般的には、エポキシ・ポリスチレン樹脂等の樹脂材料を用いることによって作製された、１．７５ＭＲａｙｌが音響インピーダンスの下限値とされている。また、各音響整合層の厚さは、非特許文献２におけるのと同様に、発振波長の１／４に設定する。

その結果、周波数帯域幅ｆ_ＢＷ（％）は、およそ６０％〜６５％程度となった。なお、周波数帯域幅ｆ_ＢＷ（％）は、次式（２）によって表される。
ｆ_ＢＷ（％）＝１００×（ｆ_Ｈ−ｆ_Ｌ）／ｆ_Ｃ ・・・（２）
ここで、周波数ｆ_Ｈ及びｆ_Ｌは、音圧がピーク値から６ｄＢ減衰する２つの周波数であり（ｆ_Ｌ＜ｆ_Ｈ）周波数ｆ_Ｃは、周波数ｆ_Ｈと周波数ｆ_Ｌとの中心周波数である。

一般に、低周波数領域の超音波は減衰率が小さいので、それにより得られる画像は、輝度は高いが粗い画像となり、高周波領域の超音波は減衰率が大きいので、それにより得られる画像は、輝度は低いが細かい画像となる。それらの特性を生かすように、診断対象によって超音波用探触子が選択的に用いられている。

しかしながら、消化器官に挿入される内視鏡タイプの探触子や、血管に挿入されるカテーテルタイプの探触子においては、低周波領域から高周波領域までの広い周波数帯域を網羅できる性能が求められている。これにより、人体内に探触子を挿入する回数を減らすことができる。このように人体内に挿入される探触子においては、周波数帯域幅ｆ_ＢＷ（％）が６５％程度以上であることが望ましい。さらに、一般的な超音波用探触子においても、広帯域の周波数特性を実現することにより、得られる超音波画像の画質を高めることができる。

そのような事情により、音響整合層の音響インピーダンスを設定する際には、その結果得られる周波数特性も考慮すべきである。音響整合層を多層構造とする場合において、それぞれの音響整合層における音響インピーダンスの理想値は、超音波の伝播効率を最大にするように設定されている。しかしながら、その結果得られる周波数帯域は、広帯域の周波数特性を実現するためには必ずしも適していない。

関連する技術として、下記の特許文献１には、ダンパ層の音響インピーダンスと音響整合層の厚さ及び音響インピーダンスとの組み合わせを適切に設定することによって、適切なパルス幅及び振幅の超音波パルスを放射できる超音波用探触子が開示されている。しかしながら、特許文献１には、２層構造の音響整合層を設ける場合については記載されていない。
特開平６−３０９３３号公報（第５頁、図４） 「超音波便覧」、丸善、ｐ．１１６ 伊東正安、望月剛 著「超音波診断装置」、コロナ社、ｐ．３０

そこで、上記の点に鑑み、本発明は、２層構造の音響整合層を有する超音波用探触子において、従来よりも周波数特性を広帯域化することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の１つの観点に係る超音波用探触子は、印加される電圧に従って超音波を送信し、超音波を受信して電圧を発生する振動子と、振動子の主面上に形成された第１の音響整合層であって、振動子の厚さに（第１の音響整合層の弾性定数ｋ_１／振動子の弾性定数ｋ_０）×（振動子の音響インピーダンスＺ_０／第１の音響整合層の音響インピーダンスＺ_１）×１／２を乗じた値の１．４〜２．０倍の厚さを有する第１の音響整合層と、第１の音響整合層上に形成された第２の音響整合層であって、振動子の長さに（第２の音響整合層の弾性定数ｋ_２／振動子の弾性定数ｋ_０）×（振動子の音響インピーダンスＺ_０／第２の音響整合層の音響インピーダンスＺ_２）×１／２を乗じた値の０．６〜０．７倍の厚さを有する第２の音響整合層と、振動子の主面と反対の面上に形成され、振動子の音響インピーダンスの０．４２〜０．４４倍の音響インピーダンスを有するバッキング層とを具備する。

本発明によれば、周波数帯域を考慮して超音波用探触子の音響整合層の厚さを見直すことにより、従来よりも周波数特性を広帯域化することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の一実施形態に係る超音波用探触子の内部構造を示す斜視図である。図１に示すように、超音波用探触子１は、圧電効果により伸縮して超音波を発生する圧電体１１と電圧が印加される電極１２及び１３とによって構成される圧電振動子と、圧電振動子と人体等の被検体との間で音響インピーダンスを整合させることにより、超音波の伝播効率を高める第１の音響整合層１４及び第２の音響整合層１５と、圧電体１１から発生した不要な超音波を減衰させるバッキング層１６とを含んでいる。

さらに、超音波用探触子１は、複数の圧電振動子の間における干渉を低減し、圧電振動子の横方向の振動を抑えて圧電振動子が縦方向のみに振動するようにするために、充填材１７を含んでいても良い。また、超音波用探触子１は、超音波を収束させるための音響レンズ１８を含んでいても良いが、以下においては音響レンズ１８が無い場合について説明する。

本実施形態においては、圧電体１１の材料として圧電セラミックが用いられる。圧電セラミックは、電気・機械エネルギー変換能力が高いので、体内の深部まで到達可能な強力な超音波を発生することができ、また、受信感度も高い。具体的な材料としては、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Ｐｂ（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｏ_３）や、同様のペロブスカイト系結晶構造を有する変成組成の材料や、一般にリラクサ系材料と呼ばれている材料等を用いることができる。

圧電体１１の材料として圧電セラミックを用いる場合には、圧電振動子の音響インピーダンスと被検体（人体等）との音響インピーダンスとの間に大きな差があるので、圧電振動子と人体との間に、それらの中間の音響インピーダンスを有する音響整合層を設けることにより、音響インピーダンスの整合を図って、超音波の伝播効率を上げることが必要となる。ここで、音響整合層を多層構造とする程、超音波の伝播効率が良くなるが、製造上の観点から、２層構造又は３層構造とすることが多い。なお、本発明において、圧電体の材料は、圧電セラミックに特定されない。例えば、圧電振動子の音響インピーダンスと被検体（人体等）の音響インピーダンスとの差が小さい材料を用いた場合にも、本発明は適用される。

本実施形態において、第１の音響整合層１４の材料としては、例えば、石英ガラスや、有機材料（エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、シリコン樹脂、アクリル樹脂等）に高い音響インピーダンスを有する材料粉末（タングステン、フェライト紛等）を混ぜ合わせた材料を用いることができる。第２の音響整合層１５の材料としては、例えば、有機材料（エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、シリコン樹脂、アクリル樹脂等）を用いることができる。また、バッキング層１６の材料としては、音響減衰の大きい材料であるエポキシ樹脂やゴム等を用いることができる。

音響整合層の層数と音響インピーダンスを設定する際には、その結果として得られる周波数帯域特性も重要であることから、周波数特性を広帯域化するために、本実施形態においては次のような設計方法を用いている。

まず、超音波用探触子の周波数特性を算出する方法について説明する。超音波用探触子に含まれている各構成要素を等価的な四端子回路に置き換えることにより、超音波の伝送系を、バッキング層、圧電振動子、音響整合層が直列に接続された四端子回路網と考える。各構成要素は固有の音響インピーダンスを有しており、超音波の伝送系を介して超音波を送信又は受信する際に、特有の周波数特性が生じる。従って、この四端子回路網の一端に電圧を入力し、他端を被検体の等価回路によって終端することにより、超音波用探触子の発振性能を、送受波特性ＶＴＧ（Voltage Transfer Gain）として計算して予測することができる。

伝送系の入力インピーダンスＺは、下記（３）のように表され、その入力インピーダンスＺに基づいて、送受波特性ＶＴＧが計算される。

ここで、

とする。また、Ｋは電気機械結合定数を表し、Ｚ_０は圧電振動子の音響インピーダンスを表し、Ｚ_Ａは音響整合層の音響インピーダンスを表し、Ｚ_Ｂはバッキング層の音響インピーダンスを表し、ｆ_０は設計上の中心周波数（圧電振動子の機械共振周波数）を表し、Ｃ_０は容量値を表している。角周波数ω_０は、周波数ｆ_０を用いて、２πｆ_０と表される。また、γは伝送位相を表し、ｖ_Ｌは圧電振動子内部での縦波の音速を表し、ｄは圧電振動子の厚さを表している。なお、ｋ_Ａ、ｋ_Ｂは、圧電振動子の厚さに対する音響整合層の厚さ及びバッキング層の厚さからそれぞれ決定されるパラメータである。

さらに、この等価回路を２層構造の音響整合層に適用したシミュレーションを行うために、超音波の伝送系を、バッキング層、圧電振動子、第１の音響整合層、第２の音響整合層が直列に接続された四端子回路網と考える。この伝送モデルにおいて、送信音圧と受信音圧とが等しいものとすると、伝送系の入力インピーダンス及び四端子回路網の定数に基づいて、信号伝達関数Ｔが求められる。この信号伝達関数Ｔに対して、各周波数において２０・ｌｏｇ（Ｔ）を計算することにより、送受波特性ＶＴＧが求められる。

図２に、送受波特性のシミュレーションにおける計算条件と、シミュレーションによって求められた周波数帯域幅とを示す。本実施形態においては、２層構造の音響整合層を用いるので、第１の音響整合層の音響インピーダンスと、第２の音響整合層の音響インピーダンスと、圧電振動子の音響インピーダンスと、バッキング層の音響インピーダンスと、圧電振動子の電気機械結合定数と、圧電振動子の設計上の中心周波数とを示している。

図２においては、バッキング層の音響インピーダンスを１０ＭＲａｙｌ、１５ＭＲａｙｌ、２０ＭＲａｙｌとした場合の周波数帯域幅を比較している。バッキング層の音響インピーダンス以外の計算条件は同一である。即ち、第１の音響インピーダンスを８．９２ＭＲａｙｌとし、第２の音響インピーダンスを２．３４ＭＲａｙｌとし、圧電振動子の音響インピーダンスＺ_０を３４ＭＲａｙｌとしている（図８と同じ計算条件）。また、圧電振動子の電気機械結合定数Ｋ_３３を０．６５とし、設計上の中心周波数を６．８４ＭＨｚとしている。なお、第１の音響整合層の厚さと第２の音響整合層の厚さは、伝播する超音波波長の１／４としている。

図２のシミュレーションによると、バッキング層の音響インピーダンスが１０ＭＲａｙｌの場合に、周波数帯域幅ｆ_ＢＷ（％）は６５．９７％となる。また、バッキング層の音響インピーダンスが１５ＭＲａｙｌの場合に、周波数帯域幅ｆ_ＢＷ（％）は６６．６７％となる。さらに、バッキング層の音響インピーダンスが２０ＭＲａｙｌの場合に、周波数帯域幅ｆ_ＢＷ（％）は６７．３６％となる。従って、バッキング層のインピーダンスを大きくする程、周波数帯域幅ｆ_ＢＷ（％）が改善されることが分る。

しかしながら、バッキング層の音響インピーダンスを２０ＭＲａｙｌまで大きくしても、周波数帯域幅ｆ_ＢＷ（％）は６７．３６％であり、近年における広帯域化の要望を満足させる性能は実現されていない。そこで、以下においては、バッキング層の音響インピーダンスをパラメータとし、第１及び第２の音響整合層の厚さを変化させることによって、周波数帯域幅ｆ_ＢＷ（％）を改善する。

図３の（ａ）に、本実施形態に係る超音波探触子の送受波特性のシミュレーションにおける音響整合層の厚さを従来例と比較して示す。また、図３の（ｂ）に、従来例と本実施形態とにおいて共通の計算条件を示す。共通の計算条件としては、第１の音響整合層の音響インピーダンスと、第２の音響整合層の音響インピーダンスと、圧電振動子の音響インピーダンスと、バッキング層の音響インピーダンスと、圧電振動子の電気機械結合定数と、圧電振動子の設計上の中心周波数とを示している。ここでは、バッキング層の音響インピーダンスを１５ＭＲａｙｌとしている。

従来例においては、第１の音響整合層の厚さ及び第２の音響整合層の厚さを、伝播する超音波波長の１／４としている。図３の（ａ）においては、音響整合層の厚さを、伝播する超音波波長の１／４を「１」とする比率で示している。本実施形態においては、第１の音響整合層の厚さを、伝播する超音波波長の１／４の１．７倍の厚さとし、また、第２の音響整合層の厚さを、伝播する超音波波長の１／４の０．８倍の厚さとしている。その他の計算条件は、図３の（ｂ）に示すように従来例と同一である。

また、振動子の厚さｔ_０を、伝播する超音波波長の１／２としている。従って、設計上の中心周波数ｆ_０が決定されると、振動子及び音響整合層の物性に基づいて、振動子の厚さと音響整合層の厚さとの間の関係が求められる。

振動子については、ｆ_０＝ｖ_０／２ｔ_０が成立する。ここで、ｖ_０は振動子を伝播する超音波の速度を表している。第１の音響整合層を伝播する超音波の波長λ_１は、λ_１＝ｖ_１／ｆ_０で表される。ここで、ｖ_１は第１の音響整合層を伝播する超音波の速度を表している。従って、第１の音響整合層を伝播する超音波の波長λ_１の１／４は、（ｖ_１／ｖ_０）×（ｔ_０／２）で表される。

さらに、媒体を伝播する超音波の速度ｖ_０及びｖ_１は、弾性定数と音響インピーダンスとを用いて、ｖ_０＝ｋ_０／Ｚ_０、ｖ_１＝ｋ_１／Ｚ_１で表される。ここで、ｋ_０は振動子の弾性定数を表し、ｋ_１は第１の音響整合層の弾性定数を表し、Ｚ_０は振動子の音響インピーダンスを表し、Ｚ_１は第１の音響整合層の音響インピーダンスを表している。従って、第１の音響整合層を伝播する超音波の波長λ_１の１／４は、（ｋ_１／ｋ_０）×（Ｚ_０／Ｚ_１）×（ｔ_０／２）で表される。同様に、第２の音響整合層を伝播する超音波の波長λ_２の１／４は、（ｋ_２／ｋ_０）×（Ｚ_０／Ｚ_２）×（ｔ_０／２）で表される。

図４に、本実施形態に係る超音波用探触子の送受波特性のシミュレーション結果を従来例と比較して示す。図４において、横軸は周波数（ＭＨｚ）を表し、縦軸は送受波特性ＶＴＧ（ｄＢ）を表している。また、実線は本実施形態における計算結果を示しており、破線は従来例における計算結果を示している。

図４において、音圧がピーク値から６ｄＢ減衰する２つの周波数ｆ_Ｈ及びｆ_Ｌに基づいて、式（２）を用いて周波数帯域幅ｆ_ＢＷ（％）を求めると、従来例においては、ｆ_Ｈ＝８．６ＭＨｚ、ｆ_Ｌ＝４．４ＭＨｚ、ｆ_Ｃ＝６．５ＭＨｚであり、周波数帯域幅ｆ_ＢＷ（％）は６５％となる。一方、本実施形態においては、ｆ_Ｈ＝７．７５ＭＨｚ、ｆ_Ｌ＝３．４ＭＨｚ、ｆ_Ｃ＝５．５８ＭＨｚであり、周波数帯域幅ｆ_ＢＷ（％）は７８％となる。このように、従来においては最適とされていた第１及び第２の音響整合層の厚さを変更することにより、従来の設計条件よりも周波数帯域幅を改善することができる。

本実施形態における超音波用探触子は、広帯域の周波数特性を実現するものであるが、図４に示す通り、音響整合層の厚さを新たに規定することにより、周波数特性のピーク値が下がることがデメリットとして挙げられる。しかしながら、本実施形態は、周波数特性のピーク値とのトレードオフによって周波数特性が大幅に改善された超音波用探触子を実現するものであり、例えば、感度がそれほど重視されない用途に用いられる探触子（例えば、身体内部に挿入されるカテーテルタイプの探触子）において有効である。

次に、上記の計算結果に基づいて試作された実施例について説明する。この実施例においては、図１に示す圧電体１１として、フジセラ製圧電材料Ｃ−９１Ｈ（厚さ３００μｍ）を約１００μｍピッチに切断して用い、第１の音響整合層１４として、フェライト粉末入りエポキシ樹脂を用い、第２の音響整合層１５として、ポリイミドシートを用い、バッキング層１６として、フェライト入りゴム材料を用いている。

ここで、圧電体１１の音響インピーダンスは、約３４ＭＲａｙｌであり、第１の音響整合層１４の音響インピーダンスは、約７．０ＭＲａｙｌであり、第２の音響整合層１５の音響インピーダンスは、約２．７ＭＲａｙｌであり、バッキング層１６の音響インピーダンスは、約１５ＭＲａｙｌである。従って、各音響インピーダンスは、図３に示すシミュレーションにおけるのと同一条件である。なお、設計上の中心周波数は、６．８ＭＨｚである。

また、第１の音響整合層の厚さは１５０μｍである。これは、伝播波長の１／４が１００μｍであるので、伝播波長の１／４を「１」とする比率で表すと、第１の音響整合層の厚さは１．５となる。また、第２の音響整合層の厚さは６０μｍである。これは、伝播波長の１／４が８５μｍであるので、伝播波長の１／４を「１」とする比率で表すと、第２の音響整合層の厚さは０．７となる。

図５は、送受波特性のシミュレーションにおいてバッキング層の音響インピーダンスを１５ＭＲａｙｌとした場合に、第１及び第２の音響整合層の厚さを変化させたときの周波数帯域幅の変化を示す図である。圧電振動子の音響インピーダンスが３４ＭＲａｙｌであるから、バッキング層の音響インピーダンスは、圧電振動子の音響インピーダンスの約０．４４倍となる。圧電振動子の横方向には、第１の音響整合層の厚さを変化させており、縦方向には、第２の音響整合層の厚さを変化させている。音響整合層の厚さは、いずれも伝播波長の１／４を「１」とする比率で表している。

例えば、図５において、第１の音響整合層の厚さの比率が１．０であり、かつ、第２の音響整合層の厚さの比率が１．０であるときには、その超音波用探触子の周波数帯域幅ｆ_ＢＷ（％）は、６６．６７％となる。ここで、音響整合層の厚さの比率が１．０であるということは、音響整合層の厚さが超音波波長の１／４であることを意味する。即ち、非特許文献２に示されている理論に従うものであり、上記の周波数帯域幅６６．６７％という値も、従来の理論とほぼ同一となっている。

図５において、周波数帯域幅の値が従来例における６６．６７％を超えて比較的大きくなるための条件を選別すると、その周波数帯域幅は、概ね、太線で囲まれた領域で表される。即ち、図５に示すように、第１の音響整合層の厚さの比率が１．４〜２．０であり、かつ、第２の音響整合層の厚さの比率が０．６〜０．７である組み合わせが該当する。

また、第１の音響整合層の厚さの比率が１．４〜１．９であり、かつ、第２の音響整合層の厚さの比率が０．８〜０．９である組み合わせが該当する。さらに、第１の音響整合層の厚さの比率が１．５〜１．８であり、かつ、第２の音響整合層の厚さの比率が１．０である組み合わせが該当する。加えて、第１の音響整合層の厚さの比率が１．５〜１．６であり、かつ、第２の音響整合層の厚さの比率が１．１である組み合わせが該当する。なお、図５〜図７において「−」で示された部分は、分解能が劣化する部分であり、超音波用探触子には適さないので、本実施形態から除外する。

図６は、送受波特性のシミュレーションにおいてバッキング層の音響インピーダンスを２０ＭＲａｙｌとした場合に、第１及び第２の音響整合層の厚さを変化させたときの周波数帯域幅の変化を示す図である。圧電振動子の音響インピーダンスが３４ＭＲａｙｌであるから、バッキング層の音響インピーダンスは、圧電振動子の音響インピーダンスの約０．５９倍となる。横方向には、第１の音響整合層の厚さを変化させており、縦方向には、第２の音響整合層の厚さを変化させている。音響整合層の厚さは、いずれも伝播波長の１／４を「１」とする比率で表している。

例えば、図６において、第１の音響整合層の厚さの比率が１．０であり、かつ、第２の音響整合層の厚さの比率が１．０であるときには、その超音波用探触子の周波数帯域幅ｆ_ＢＷ（％）は、６７．３６％となる。ここで、音響整合層の厚さの比率が１．０であるということは、音響整合層の厚さが超音波波長の１／４であることを意味する。即ち、非特許文献２に示されている理論に従うものである。

図６において、周波数帯域幅の値が従来例における６７．３６％を超えて比較的大きくなるための条件を選別すると、その周波数帯域幅は、概ね、太線で囲まれた領域で表される。即ち、図６に示すように、第１の音響整合層の厚さの比率が１．８〜２．０であり、かつ、第２の音響整合層の厚さの比率が０．６である組み合わせが該当する。

また、第１の音響整合層の厚さの比率が１．４〜２．０であり、かつ、第２の音響整合層の厚さの比率が０．７である組み合わせが該当する。さらに、第１の音響整合層の厚さの比率が１．３〜２．０であり、かつ、第２の音響整合層の厚さの比率が０．８〜１．０である組み合わせが該当する。加えて、第１の音響整合層の厚さの比率が１．４〜２．０であり、かつ、第２の音響整合層の厚さの比率が１．１である組み合わせが該当する。

図７は、送受波特性のシミュレーションにおいてバッキング層の音響インピーダンスを１０ＭＲａｙｌとした場合に、第１及び第２の音響整合層の厚さを変化させたときの周波数帯域幅の変化を示す図である。圧電振動子の音響インピーダンスが３４ＭＲａｙｌであるから、バッキング層の音響インピーダンスは、圧電振動子の音響インピーダンスの約０．２９倍となる。横方向には、第１の音響整合層の厚さを変化させており、縦方向には、第２の音響整合層の厚さを変化させている。音響整合層の厚さは、いずれも伝播波長の１／４を「１」とする比率で表している。

例えば、図７において、第１の音響整合層の厚さの比率が１．０であり、かつ、第２の音響整合層の厚さの比率が１．０であるときには、その超音波用探触子の周波数帯域幅ｆ_ＢＷ（％）は、６５．９７％となる。ここで、音響整合層の厚さの比率が１．０であるということは、音響整合層の厚さが超音波波長の１／４であることを意味する。即ち、非特許文献２に示されている理論に従うものである。

図７において、周波数帯域幅の値が従来例における６５．９７％を超えて比較的大きくなるための条件を選別すると、その周波数帯域幅は、概ね、太線で囲まれた領域で表される。即ち、図７に示すように、第１の音響整合層の厚さの比率が１．５であり、かつ、第２の音響整合層の厚さの比率が０．８である組み合わせが該当する。また、第１の音響整合層の厚さの比率が１．５〜１．６であり、かつ、第２の音響整合層の厚さの比率が０．９である組み合わせが該当する。

図５〜図７において、太線で囲まれた良好な周波数帯域幅を示している第１の音響整合層の厚さの比率と第２の音響整合層の厚さの比率とのそれぞれの組み合わせについて、バッキング層の音響インピーダンスをある程度変化させても、周波数帯域幅は一定である。従って、製造上、バッキング層の音響インピーダンスに幅を持たせることができる。

例えば、図５における、第１の音響整合層の厚さの比率が１．４〜２．０であり、かつ、第２の音響整合層の厚さの比率が０．６〜０．７である組み合わせでは、バッキング層の音響インピーダンスが１４．３ＭＲａｙｌ〜１５．０ＭＲａｙｌの範囲において、同様の周波数帯域幅を示す。

また、第１の音響整合層の厚さの比率が１．４〜１．９であり、かつ、第２の音響整合層の厚さの比率が０．８〜０．９である組み合わせでは、バッキング層の音響インピーダンスが１４．０ＭＲａｙｌ〜１５．０ＭＲａｙｌの範囲において、同様の周波数帯域幅を示す。

また、第１の音響整合層の厚さの比率が１．５〜１．８であり、かつ、第２の音響整合層が、１．０である組み合わせでは、バッキング層の音響インピーダンスが１３．０ＭＲａｙｌ〜１５．０ＭＲａｙｌの範囲において、同様の周波数帯域幅を示す。

また、第１の音響整合層の厚さの比率が１．５〜１．６であり、かつ、第２の音響整合層が、１．１である組み合わせでは、バッキング層の音響インピーダンスが１４．３ＭＲａｙｌ〜１５．０ＭＲａｙｌの範囲において、同様の周波数帯域幅を示す。

図６において、第１の音響整合層の厚さの比率が１．８〜２．０であり、かつ、第２の音響整合層が、０．６である組み合わせでは、バッキング層の音響インピーダンスが１３．０ＭＲａｙｌ〜２０．０ＭＲａｙｌの範囲において、同様の周波数帯域幅を示す。

また、第１の音響整合層の厚さの比率が１．４〜２．０であり、かつ、第２の音響整合層が、０．７である組み合わせでは、バッキング層の音響インピーダンスが１５．０ＭＲａｙｌ〜２０．０ＭＲａｙｌの範囲において、同様の周波数帯域幅を示す。

また、第１の音響整合層の厚さの比率が１．３〜２．０であり、かつ、第２の音響整合層が、０．８〜１．０である組み合わせでは、バッキング層の音響インピーダンスが１８．０ＭＲａｙｌ〜２０．０ＭＲａｙｌの範囲において、同様の周波数帯域幅を示す。

また、第１の音響整合層の厚さの比率が１．４〜２．０であり、かつ、第２の音響整合層が、１．１である組み合わせでは、バッキング層の音響インピーダンスが１６．６ＭＲａｙｌ〜２０．０ＭＲａｙｌの範囲において、同様の周波数帯域幅を示す。

図７において、第１の音響整合層の厚さの比率が１．５であり、かつ、第２の音響整合層が、０．８である組み合わせでは、バッキング層の音響インピーダンスが９．５ＭＲａｙｌ〜１０．０ＭＲａｙｌの範囲において、同様の周波数帯域幅を示す。

また、第１の音響整合層の厚さの比率が１．５〜１．６であり、かつ、第２の音響整合層が、０．９である組み合わせでは、バッキング層の音響インピーダンスが９．５ＭＲａｙｌ〜１０．０ＭＲａｙｌの範囲において、同様の周波数帯域幅を示す。

このように、本発明によれば、音響整合層を２層構造とする場合に、第１の音響整合層の厚さと第２の音響整合層の厚さとの組み合わせを選択することにより、超音波用探触子の広帯域化を実現することができる。なお、本発明は、セクタ型、リニア型、コンベックス型、ラジアル型等、いずれの形状の超音波用探触子にも適用することができる。

本発明は、超音波を送受信する圧電振動子と、音響インピーダンスの整合を図るための音響整合層とを有し、医療用の超音波診断装置等において用いられる超音波用探触子において利用することが可能である。

本発明の一実施形態に係る超音波用探触子の内部構造を示す斜視図である。 送受波特性のシミュレーションにおける計算条件と求められた周波数帯域幅とを示す図である。 （ａ）は、本実施形態に係る超音波探触子の送受波特性のシミュレーションにおける音響整合層の厚さを従来例と比較して示す図であり、（ｂ）は、本実施形態と従来例とにおいて共通の計算条件を示す図である。 本実施形態に係る超音波用探触子の送受波特性のシミュレーション結果を従来例と比較して示す図である。 送受波特性のシミュレーションにおいてバッキング層の音響インピーダンスを１５ＭＲａｙｌとした場合に、第１及び第２の音響整合層の厚さを変化させたときの周波数帯域幅の変化を示す図である。 送受波特性のシミュレーションにおいてバッキング層の音響インピーダンスを２０ＭＲａｙｌとした場合に、第１及び第２の音響整合層の厚さを変化させたときの周波数帯域幅の変化を示す図である。 送受波特性のシミュレーションにおいてバッキング層の音響インピーダンスを１０ＭＲａｙｌとした場合に、第１及び第２の音響整合層の厚さを変化させたときの周波数帯域幅の変化を示す図である。 エネルギー伝送論に基づいて求められた従来の最適音響インピーダンスを示す図である。

符号の説明

１ 超音波用探触子
１１ 圧電体
１２、１３ 電極
１４ 第１の音響整合層
１５ 第２の音響整合層
１６ バッキング層
１７ 充填材
１８ 音響レンズ

Claims (10)

1. 印加される電圧に従って超音波を送信し、超音波を受信して電圧を発生する振動子と、
   前記振動子の主面上に形成された第１の音響整合層であって、振動子の厚さに（第１の音響整合層の弾性定数ｋ_１／振動子の弾性定数ｋ_０）×（振動子の音響インピーダンスＺ_０／第１の音響整合層の音響インピーダンスＺ_１）×１／２を乗じた値の１．４〜２．０倍の厚さを有する前記第１の音響整合層と、
   前記第１の音響整合層上に形成された第２の音響整合層であって、振動子の長さに（第２の音響整合層の弾性定数ｋ_２／振動子の弾性定数ｋ_０）×（振動子の音響インピーダンスＺ_０／第２の音響整合層の音響インピーダンスＺ_２）×１／２を乗じた値の０．６〜０．７倍の厚さを有する前記第２の音響整合層と、
   前記振動子の主面と反対の面上に形成され、前記振動子の音響インピーダンスの０．４２〜０．４４倍の音響インピーダンスを有するバッキング層と、
   を具備する超音波用探触子。
2. 印加される電圧に従って超音波を送信し、超音波を受信して電圧を発生する振動子と、
   前記振動子の主面上に形成された第１の音響整合層であって、振動子の厚さに（第１の音響整合層の弾性定数ｋ_１／振動子の弾性定数ｋ_０）×（振動子の音響インピーダンスＺ_０／第１の音響整合層の音響インピーダンスＺ_１）×１／２を乗じた値の１．４〜１．９倍の厚さを有する前記第１の音響整合層と、
   前記第１の音響整合層上に形成された第２の音響整合層であって、振動子の長さに（第２の音響整合層の弾性定数ｋ_２／振動子の弾性定数ｋ_０）×（振動子の音響インピーダンスＺ_０／第２の音響整合層の音響インピーダンスＺ_２）×１／２を乗じた値の０．８〜０．９倍の厚さを有する前記第２の音響整合層と、
   前記振動子の主面と反対の面上に形成され、前記振動子の音響インピーダンスの０．４１〜０．４４倍の音響インピーダンスを有するバッキング層と、
   を具備する超音波用探触子。
3. 印加される電圧に従って超音波を送信し、超音波を受信して電圧を発生する振動子と、
   前記振動子の主面上に形成された第１の音響整合層であって、振動子の厚さに（第１の音響整合層の弾性定数ｋ_１／振動子の弾性定数ｋ_０）×（振動子の音響インピーダンスＺ_０／第１の音響整合層の音響インピーダンスＺ_１）×１／２を乗じた値の１．５〜１．８倍の厚さを有する前記第１の音響整合層と、
   前記第１の音響整合層上に形成された第２の音響整合層であって、振動子の長さに（第２の音響整合層の弾性定数ｋ_２／振動子の弾性定数ｋ_０）×（振動子の音響インピーダンスＺ_０／第２の音響整合層の音響インピーダンスＺ_２）×１／２を乗じた値の１．０倍の厚さを有する前記第２の音響整合層と、
   前記振動子の主面と反対の面上に形成され、前記振動子の音響インピーダンスの０．３８〜０．４４倍の音響インピーダンスを有するバッキング層と、
   を具備する超音波用探触子。
4. 印加される電圧に従って超音波を送信し、超音波を受信して電圧を発生する振動子と、
   前記振動子の主面上に形成された第１の音響整合層であって、振動子の厚さに（第１の音響整合層の弾性定数ｋ_１／振動子の弾性定数ｋ_０）×（振動子の音響インピーダンスＺ_０／第１の音響整合層の音響インピーダンスＺ_１）×１／２を乗じた値の１．５〜１．６倍の厚さを有する前記第１の音響整合層と、
   前記第１の音響整合層上に形成された第２の音響整合層であって、振動子の長さに（第２の音響整合層の弾性定数ｋ_２／振動子の弾性定数ｋ_０）×（振動子の音響インピーダンスＺ_０／第２の音響整合層の音響インピーダンスＺ_２）×１／２を乗じた値の１．１倍の厚さを有する前記第２の音響整合層と、
   前記振動子の主面と反対の面上に形成され、前記振動子の音響インピーダンスの０．４２〜０．４４倍の音響インピーダンスを有するバッキング層と、
   を具備する超音波用探触子。
5. 印加される電圧に従って超音波を送信し、超音波を受信して電圧を発生する振動子と、
   前記振動子の主面上に形成された第１の音響整合層であって、振動子の厚さに（第１の音響整合層の弾性定数ｋ_１／振動子の弾性定数ｋ_０）×（振動子の音響インピーダンスＺ_０／第１の音響整合層の音響インピーダンスＺ_１）×１／２を乗じた値の１．８〜２．０倍の厚さを有する前記第１の音響整合層と、
   前記第１の音響整合層上に形成された第２の音響整合層であって、振動子の長さに（第２の音響整合層の弾性定数ｋ_２／振動子の弾性定数ｋ_０）×（振動子の音響インピーダンスＺ_０／第２の音響整合層の音響インピーダンスＺ_２）×１／２を乗じた値の０．６倍の厚さを有する前記第２の音響整合層と、
   前記振動子の主面と反対の面上に形成され、前記振動子の音響インピーダンスの０．３８〜０．５９倍の音響インピーダンスを有するバッキング層と、
   を具備する超音波用探触子。
6. 印加される電圧に従って超音波を送信し、超音波を受信して電圧を発生する振動子と、
   前記振動子の主面上に形成された第１の音響整合層であって、振動子の厚さに（第１の音響整合層の弾性定数ｋ_１／振動子の弾性定数ｋ_０）×（振動子の音響インピーダンスＺ_０／第１の音響整合層の音響インピーダンスＺ_１）×１／２を乗じた値の１．４〜２．０倍の厚さを有する前記第１の音響整合層と、
   前記第１の音響整合層上に形成された第２の音響整合層であって、振動子の長さに（第２の音響整合層の弾性定数ｋ_２／振動子の弾性定数ｋ_０）×（振動子の音響インピーダンスＺ_０／第２の音響整合層の音響インピーダンスＺ_２）×１／２を乗じた値の０．７倍の厚さを有する前記第２の音響整合層と、
   前記振動子の主面と反対の面上に形成され、前記振動子の音響インピーダンスの０．４４〜０．５９倍の音響インピーダンスを有するバッキング層と、
   を具備する超音波用探触子。
7. 印加される電圧に従って超音波を送信し、超音波を受信して電圧を発生する振動子と、
   前記振動子の主面上に形成された第１の音響整合層であって、振動子の厚さに（第１の音響整合層の弾性定数ｋ_１／振動子の弾性定数ｋ_０）×（振動子の音響インピーダンスＺ_０／第１の音響整合層の音響インピーダンスＺ_１）×１／２を乗じた値の１．３〜２．０倍の厚さを有する前記第１の音響整合層と、
   前記第１の音響整合層上に形成された第２の音響整合層であって、振動子の長さに（第２の音響整合層の弾性定数ｋ_２／振動子の弾性定数ｋ_０）×（振動子の音響インピーダンスＺ_０／第２の音響整合層の音響インピーダンスＺ_２）×１／２を乗じた値の０．８〜１．０倍の厚さを有する前記第２の音響整合層と、
   前記振動子の主面と反対の面上に形成され、前記振動子の音響インピーダンスの０．５３〜０．５９倍の音響インピーダンスを有するバッキング層と、
   を具備する超音波用探触子。
8. 印加される電圧に従って超音波を送信し、超音波を受信して電圧を発生する振動子と、
   前記振動子の主面上に形成された第１の音響整合層であって、振動子の厚さに（第１の音響整合層の弾性定数ｋ_１／振動子の弾性定数ｋ_０）×（振動子の音響インピーダンスＺ_０／第１の音響整合層の音響インピーダンスＺ_１）×１／２を乗じた値の１．４〜２．０倍の厚さを有する前記第１の音響整合層と、
   前記第１の音響整合層上に形成された第２の音響整合層であって、振動子の長さに（第２の音響整合層の弾性定数ｋ_２／振動子の弾性定数ｋ_０）×（振動子の音響インピーダンスＺ_０／第２の音響整合層の音響インピーダンスＺ_２）×１／２を乗じた値の１．１倍の厚さを有する前記第２の音響整合層と、
   前記振動子の主面と反対の面上に形成され、前記振動子の音響インピーダンスの０．４９〜０．５９倍の音響インピーダンスを有するバッキング層と、
   を具備する超音波用探触子。
9. 印加される電圧に従って超音波を送信し、超音波を受信して電圧を発生する振動子と、
   前記振動子の主面上に形成された第１の音響整合層であって、振動子の厚さに（第１の音響整合層の弾性定数ｋ_１／振動子の弾性定数ｋ_０）×（振動子の音響インピーダンスＺ_０／第１の音響整合層の音響インピーダンスＺ_１）×１／２を乗じた値の１．５倍の厚さを有する前記第１の音響整合層と、
   前記第１の音響整合層上に形成された第２の音響整合層であって、振動子の長さに（第２の音響整合層の弾性定数ｋ_２／振動子の弾性定数ｋ_０）×（振動子の音響インピーダンスＺ_０／第２の音響整合層の音響インピーダンスＺ_２）×１／２を乗じた値の０．８倍の厚さを有する前記第２の音響整合層と、
   前記振動子の主面と反対の面上に形成され、前記振動子の音響インピーダンスの０．２８〜０．２９倍の音響インピーダンスを有するバッキング層と、
   を具備する超音波用探触子。
10. 印加される電圧に従って超音波を送信し、超音波を受信して電圧を発生する振動子と、
    前記振動子の主面上に形成された第１の音響整合層であって、振動子の厚さに（第１の音響整合層の弾性定数ｋ_１／振動子の弾性定数ｋ_０）×（振動子の音響インピーダンスＺ_０／第１の音響整合層の音響インピーダンスＺ_１）×１／２を乗じた値の１．５〜１．６倍の厚さを有する前記第１の音響整合層と、
    前記第１の音響整合層上に形成された第２の音響整合層であって、振動子の長さに（第２の音響整合層の弾性定数ｋ_２／振動子の弾性定数ｋ_０）×（振動子の音響インピーダンスＺ_０／第２の音響整合層の音響インピーダンスＺ_２）×１／２を乗じた値の０．９倍の厚さを有する前記第２の音響整合層と、
    前記振動子の主面と反対の面上に形成され、前記振動子の音響インピーダンスの０．２８〜０．２９倍の音響インピーダンスを有するバッキング層と、
    を具備する超音波用探触子。
    

Images