JP2919508B2 - 超音波探触子 - Google Patents

超音波探触子

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JP2919508B2 JP1291119A JP29111989A JP2919508B2 JP 2919508 B2 JP2919508 B2 JP 2919508B2 JP 1291119 A JP1291119 A JP 1291119A JP 29111989 A JP29111989 A JP 29111989A JP 2919508 B2 JP2919508 B2 JP 2919508B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は超音波探触子、とくに複数の周波数の超音波
を送受波可能な広帯域超音波探触子に関する。
[従来の技術] 超音波診断は、現在その簡便性、安全性および経済性
の高い画像診断法として広く普及し、検査の対象も、ほ
ぼ生体の全域にわたってきている。しかし、とくに生体
の検査では、検査の対象により異なる周波数を使用しな
ければならない。従来の超音波探触子では一般に、使用
する周波数が超音波探触子に固有であったため、検査の
対象別に超音波探触子が多品種必要であった。例えば生
体の浅い部分の検査には、高い周波数(5〜10MHz)の
探触子を選択し、深い部分の検査には、低い周波数(3.
5〜5MHz)の探触子を選択するというように、超音波探
触子を検査の対象によって使い分ける不便さが伴ってい
た。したがって、1本の探触子で低い周波数から高い周
波数まで送受信できる広帯域のものが強く望まれている
状況にある。
現在までにも複数の周波数を送受信できる超音波探触
子がいくつか発明されている。それらには、たとえば特
開昭58−73861号公報、特開昭63−172600号公報、特開
昭63−173954号公報、特開昭63−175761号公報等に記載
のように、共振周波数の異なる圧電振動子を積層するタ
イプや、特開昭63−255044号公報に開示されているよう
に音響整合層を工夫しているタイプ、あるいは特開昭62
−68000号公報に記載のように共振周波数の異なる圧電
振動子を交互に配列するタイプ等がある。
[発明が解決しようとする課題] しかし、これらのいずれの方式も、構造が複雑で製品
が困難であったり、あるいは周波数の応答する帯域が狭
いというような欠点を有している。例えば積層タイプ
は、周波数の異なる数だけ圧電振動子を積層する必要が
あり、製造上複雑であり、また経済性も悪い。さらに特
性についても、共振周波数の異なる圧電振動子が超音波
の送受信方向に積層された構造であるので、互いに圧電
振動子が送受信の際に超音波伝播に対して妨害を与える
ように作用して、良好な結果は得られ難い。
また、音響整合層を工夫したタイプも、圧電振動子の
帯域以上の広帯域化は望めず、特性的に満足なものは得
られ難い。
さらに、共振周波数の異なる圧電振動子を交互に配列
したタイプは、アレイ型の超音波探触子として使用でき
るが、1つの周波数の振動子の配列密度が低い。そのた
め、アレイ型探触子として最も重要な、配列密度が高
く、できる限りグレーティングロープが抑圧された指向
性の高い送受信の超音波音場を形成するという原理、原
則に矛盾し、特性の劣化をもたらす。
また、これらの方式とは別の方式として特開昭58−22
040号公報では、圧電振動子の厚さを走査方向に対して
直角方向に連続的に変化させて、共振周波数がこの方向
に連続的に可変となるアレイ型の探触子が提案されてい
る。しかし、この方式も、このような圧電振動子を製造
する際の困難さが大きく、実用化が難しい。
本発明は、このような状況に鑑み、製造上の困難さが
比較的少なく、周波数帯域の幅が広く、特性も良好であ
り、広い用途に適用できる広帯域な超音波探触子を提供
することを目的とする。
[課題を解決するための手段] 本発明によれば、前面および背面を有する圧電材料層
と、圧電材料層の背面側に設けられた背面材料層とを有
する超音波探触子において、背面材料層は、音響インピ
ーダンスが圧電材料層の音響インピーダンスより大き
く、厚さが一様でない。
本発明によれば、背面材料層は、背面方向の厚さが圧
電材料層の周縁部より中央部に近づくに従って薄く形成
されている。
本発明によればまた、探触子は、圧電材料層の前面に
設けられた音響整合層を有し、音響整合層は、前面方向
の厚さが圧電材料層の周縁部より中央部に近づくに従っ
て薄く形成されている。
[作 用] 本発明による超音波探触子では、背面材料層は、音響
インピーダンスが圧電材料層のそれより大きく、厚さ
が、たとえば圧電材料層の中央部に近づくに従い薄くな
る形状をとっている。これにより、λ/2共振モードから
λ/4共振モードまでの共振周波数を連続的にカバーする
広帯域動作が実現でき、検査対象の全深度にわたって分
解能およびS/N比の高い超音波断層像を得られる。
[実施例] 本発明の理解を容易にするため、実施例の説明に先立
って従来の超音波探触子を説明する。第9図〜第12A図
は従来の円柱型の探触子の横断面図である。図示のこれ
らの探触子はそれぞれ、矢印100で示す、たとえば生体
などの負荷の側から順に、音響整合層60、67、68、圧電
材70、75、および背面材90、93が配設されている。圧電
材70、75の両主面には電極71、72が設けられている。第
10図、第11図および第12A図に示す構造では、圧電材7
5、70の背面に音響反射板80、85、87が設けられてい
る。第9図に示す探触子は圧電材70の電極71、72の両側
にそれぞれ音響整合層60、背面材90を積層したもので、
音響整合層60から負荷の方向100へ超音波を送波し、こ
れよりエコーを受波する。
背面材90の音響インピーダンスZ90が圧電材70の音響
インピーダンスZ70より小さいとき、すなわちZ70>Z90
の関係があるとき、圧電材70の厚さを超音波の波長λに
ついてλ/2に選ぶと、共振周波数fで共振、帯域幅はf
±Δfとなる。負荷100の音響インピーダンスをZ100と
すると、音響整合層60は、音響インピーダンスZ60がZ70
>Z60>Z100の範囲に選ばれ、その厚さが通常、共振波
長の1/4波長に選ばれる。この探触子をλ/2共振の探触
子と称する。
第10図に示す探触子は、圧電材75の厚さが第9図の圧
電材70の1/2であり、本来はλ/4共振の振動子である。
しかし、その後部に音響反射板80と背面材93を設け、各
部80、87の音響インピーダンスをZ80>Z75に設定するこ
とにより、第9図の探触子と同等の共振周波数fで共振
させることができる。このλ/4共振方式は、λ/2共振方
式に比べて半分の厚さの圧電材で後者と同じ周波数を送
受信できるので、高分子系の圧電材のように製造上、あ
まり厚い圧電材が形成できない場合によく利用される。
セラミック系の圧電材のようにあまり薄い圧電材に製造
できない材料の場合には、λ/2共振方式の力が有利であ
り、よく使用される。
第11図に示す探触子は、第10図のそれと同一に構成さ
れるが、圧電材70の厚さが第9図の探触子と同じであ
り、つまり第10図の圧電材75の2倍である。また、λ/2
共振の振動子であるが、音響反射板80をZ80>Z75に選ぶ
ことにより、共振周波数は、第10図の探触子の共振周波
数fの1/2の周波数となる。
これらの例のように振動子の反射板を設けることによ
り、共振周波数を1/2にすることができる。第12A図およ
び第12B図に示す探触子は、この原理に基き本願と同じ
出願人による特許出願、特願平1−160048で提案された
超音波探触子である。径DAの円形圧電材70の背面に径DB
の環状帯Bを同心に設けてドーナツ型の反射板87を形成
し、これと圧電材70の一部の後面に背面材97が設けられ
ている。圧電材70と反射板87の音響インピーダンスはZ7
0<Z87に選択されている。圧電材70は、領域Aでは周波
数2fで、また領域Bでは周波数fで共振する。
超音波の性質として周波数が高いほど、振動子の開口
が小さくても指向性が鋭くなる傾向がある。超音波の直
進からのずれの角度、すなわち発散角をθとすると、開
口Dと周波数fの間にはθf・Dの関係がある。すな
わち、周波数を2倍にすれば開口Dは半分でも同じ指向
性、すなわち同じ発散角度θが得られる。したがって、
第12A図の探触子の最も好ましい実施例は、 DB=2・DAとなるように反射板87を設計することであ
る。しかし、この固有周波数2f、fから離れた帯域で
は、送受波の効率が低い特性を呈する。
さて、本発明の実施例を図面を参照して具体的に説明
する。まず、第1A図、第1B図および第2図により本発明
の探触子の原理を説明する。
第1A図および第1B図で、実施例の超音波振動子は全体
として円板形の圧電材10を有する。圧電材10の一方の主
面には電極12が設けられ、これは音響整合層20と接して
いる。他方の主面には電極11が設けられ、これには背面
材30が配設されている。背面材30は、本実施例では音響
反射板50を有している。圧電材10は、両電極11および12
の間に印加される電気信号に応じた超音波を発生し、ま
たこれに受波された超音波に応じた電気信号を発生する
電気音響変換材料である。
音響反射板50は、圧電材10側の面が平坦な面をなし、
その超音波送受波方向T−Rに関して背面側の厚さが均
一でなく、円形の周縁部から中心部に近づくに従って薄
くなるように変化している。すでに述べたように、反射
板50がなく背面材30が圧電材10に直接音響的に接続され
ている場合には、圧電材10はλ/2共振モードとなる。し
かし、反射板50がこのように設けられていると、圧電材
10はλ/4共振モードとなる。反射板50の厚さを連続的に
変化させると圧電材10の共振周波数が対応して変化する
ことが、本願の発明者他が発表した文献、K.Yamaguchi
et al“New Nethod of Time Domain Analysis of the P
erformance of Multi−layered Ultrasonic Transducer
s"IEEE Trans.on Ultra.Ferro.and Freq.Cont.Vol.UFFC
−33,No.6(Nov.1986)において、詳細なシミュレーシ
ョンにより確認されている。
本発明ではこの文献による方法に基づいて探触子を構
成する。第2図にその探触子の特性を示す。反射板50の
厚さを まで変化させると圧電材10の共振周波数はf0〜f0/2まで
変化することが理解できる。
は反射板50中の中の周波数f0の波長であり、反射板50と
圧電材10の音響インピーダンスの比Z50/Z10が4に等し
い場合である。なお、音響整合層20の音響インピーダン
スおよび厚さは、感度を最大にするように選定してあ
る。この場合、感度は上掲の文献の定義による。
第1A図および第2図の解析結果に基づいて超音波探触
子の例を第3図に示す。図中、第1A図と同番号のものは
同様の要素を示す。また、反射板50の断面の形状を第4
図に示す。この例では、中心の周波数f0が7.5MHzであ
り、反射材50には銅(Cu)の板(Vb=5000m/s,Zb=45x1
06kg/m2s)を用い、Zt/Zb=4において径方向にf0(中
心部)〜f0/2(端部)までの断面形状が示されている。
これからわかるように、反射板50の厚さを周辺部より中
心部に近づくに従って薄くしたことにより、共振周波数
が厚さに対応して7.5〜3.75MHzで可変となっている。
第3図の探触子の感度を最大にする例を第5図に示
す。音響整合層25を第6図に示すような断面形状にし、
材質を樹脂(Vm=2500m/s,Zm=3x106kg/m2s)に選択す
ることで最大感度が得られる。換言すれば、この例で
は、音響整合層の前面方向の厚さが圧電材10の周縁部か
ら中央部に近づくに従って薄く形成されている。
第7図は本発明をアレイ型探触子に適用した実施例を
示す。超音波ビームの走査方向S−Sに配列された複数
の圧電材10の両面に、音響整合層20と反射板50が図示の
ように設けられている。反射板50は、第3図の実施例と
同様な凹面形状を有することにより、各圧電材10をλ/2
〜λ/4の共振モードで振動させ、これによって深度の深
い探索ができる。超音波ビームは、矢印R−Tの方向に
送受波される。第8図は、第7図に示すアレイ型探触子
の反射板50が各圧電材10に対応して分割されている。こ
れにより、反射板50の製造が容易であり、所望の大きさ
のアレイ型探触子を構成することができる。
このように本発明の実施例では、反射板の厚さがその
全体にわたって異なることにより、振動子の固有共振周
波数に制限されずに共振モードがλ/2〜λ/4まで連続的
に可変な超音波探触子が提供され、これを容易に製造す
ることができる。なお本発明は、リニア・アレイプロー
ブ、セクタ・プローブ、コンベックス・プローブ等の他
の方式の超音波探触子にも効果的に適用可能である。
[発明の効果] 本発明によれば、振動子の反射材の厚さを均一でなく
することにより、共振モードλ/2〜λ/4までの広帯域な
超音波の送受波を可能とする超音波探触子が実現でき、
診断の対象とする被検体の全深度にわたって高い分解能
およびS/N比で超音波断層像を得ることができる。ま
た、その製造上の困難さが比較的少なく、広い用途に適
用される。
【図面の簡単な説明】
第1A図は本発明に係る超音波探触子の実施例を示す断面
図、 第1B図は、第1A図に示す実施例の探触子を右方より見た
側面図、 第2図は同実施例の周波数特性の例を示す図、 第3図は本発明による探触子の具体的な構成例を示す断
面図、 第4図は、第3図に示す探触子の反射板の特性図、 第5図は他の具体例を示す断面図、 第6図は第5図に示す探触子の音響整合板の特性図、 第7図および第8図は本発明のさらに他の実施例による
アレイ型探触子の外観を示す斜視図、 第9図ないし第12A図は従来の各種の探触子の例を示す
断面図、 第12B図は、第12A図に示す従来例の探触子を右方より見
た側面図である。 主要部分の符号の説明 11,12……電極 10……圧電材 20,25……音響整合層 30……背面材 50……反射板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) A61B 8/00 - 8/15 G01N 29/00 - 29/28 H04R 17/00 - 17/10

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】前面および背面を有する圧電体材料層と、 該圧電材料層と超音波の出射方向の反対側に位置する背
    面材との間に配設され、反射機能を有する部材である背
    面材料層とを有する超音波探触子において、 前記背面材料層は、音響インピーダンスが前記圧電材料
    層の音響インピーダンスより大きく、厚さが一様でない
    ことを特徴とする超音波探触子。
  2. 【請求項2】請求項1に記載の超音波探触子において、
    前記背面材料層は、背面方向の厚さが前記圧電材料層の
    周縁部より中央部に近づくに従って薄く形成されている
    ことを特徴とする超音波探触子。
  3. 【請求項3】請求項1に記載の超音波探触子において、 該探触子は、前記圧電材料層の前面側に設けられた音響
    整合層を有し、 該音響整合層は、前面方向の厚さが前記圧電材料層の周
    縁部より中央部に近づくに従って薄く形成されているこ
    とを特徴とする超音波探触子。
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