JP3003489B2

JP3003489B2 - 超音波探触子

Info

Publication number: JP3003489B2
Application number: JP5324620A
Authority: JP
Inventors: 順小泉; 一吉入岡; 靖小石原; 孝悦斉藤
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1993-12-22
Filing date: 1993-12-22
Publication date: 2000-01-31
Anticipated expiration: 2015-01-31
Also published as: JPH07178082A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、医療用超音波診断装置
に用いる超音波探触子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の超音波探触子は、特公昭
６３−２３４９４９号公報に記載されているような構成
が一般的である。以下、その構成について図４で示す概
略断面図を参照しながら説明する。

【０００３】図４に示すように、圧電振動子５１は圧電
体５２と、この圧電体５２の両面に設けられたプラス側
およびマイナス側の電極５３および５４とから構成さ
れ、平板状に形成されている。圧電振動子５１の超音波
送受信側（前面側）に被検体と圧電体５２の音響インピ
ーダンスのマッチングをとる平板状の第１の音響整合層
５５が設けられ、第１の音響整合層５５の前面に平板状
の第２の音響整合層５６が設けられ、第２の音響整合層
５６の前面に、被検体の音速より遅い値をもった材質の
凸面状の音響レンズ５７が設けられている。圧電振動子
５１の背面には音波を吸収するバッキング材５８が設け
られている。

【０００４】次に、上記従来例の動作について説明す
る。電極５３、５４により圧電体５２に電圧が加わる
と、圧電効果により圧電体５２が振動する。この圧電体
５２が振動することにより、第１、第２の音響整合層５
５、５６を通して超音波が前面に放出され、被検体の音
速より遅い値を持った凸面状の音響レンズ５７のレンズ
効果により超音波を集束させる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の超音波探触子では、減衰の大きいシリコーンゴムか
らなる音響レンズ５８によって超音波を集束させている
ため、シリコーンゴムの減衰により超音波パルスの感度
低下や、周波数特性が劣化し、超音波診断画像の距離方
向の分解能の劣化や、感度不足を引き起こすなどの問題
があった。特に、高周波の超音波（７．５ＭＨｚ以上）
の場合、音響レンズ５８による減衰が極めて大きくな
り、周波数特性・感度に悪影響を及ぼし、上記のような
超音波診断画像の距離方向の分解能の劣化や感度不足を
引き起こすという問題があった。

【０００６】本発明は、このような従来の問題を解決す
るものであり、超音波診断画像の高分解能化を図ること
ができる超音波探触子を提供することを目的とするもの
である。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の技術的手段は、圧電体の両面に電極が設け
られた平板状の圧電振動子と、上記圧電振動子の超音波
送受信側の面に設けられた音響整合層を備え、上記音響
整合層は、上記圧電振動子と反対側の面に最大厚さが４
分の１波長の凸面部を有し被検体の音速より遅い音速の
材料からなることで音響レンズの機能を有すること、あ
るいは上記音響整合層は、上記圧電振動子と反対側の面
に最大厚さが４分の１波長の凹面部を有し被検体の音速
より速い音速の材料からなることで音響レンズの機能を
有するように形成されたものである。

【０００８】また、上記目的を達成するための本発明の
他の技術的手段は、圧電体の両面に電極が設けられた平
板状の圧電振動子と、上記圧電振動子の超音波送受信側
の面に少なくとも一層設けられた音響整合層と、この音
響整合層の被検体側に設けられた音響レンズとを備え、
上記音響整合層の少なくとも一層は、上記圧電振動子と
反対側の面に最大厚さが４分の１波長の凸面部を有する
ように形成されたものである。

【０００９】そして、上記技術的手段において、被検体
の音速とほぼ同じ音速を有する材料により形成された音
響整合層を備えるように形成されたものである。

【００１０】また、上記目的を達成するための本発明の
他の技術的手段は、圧電体の両面に電極が設けられた平
板状の圧電振動子と、上記圧電振動子の超音波送受信側
の面に少なくとも一層設けられた音響整合層と、この音
響整合層の被検体側に設けられた音響レンズとを備え、
上記音響整合層の少なくとも一層は、上記圧電振動子と
反対側の面に最大厚さが４分の１波長の凹面部を有する
ように形成されたものである。

【００１１】また、上記技術的手段において、断面形状
が中央部で４分の１波長の厚みを有し、周辺部に至るに
従って次第に薄くなり、最外部が最も薄く形成された音
響整合層を備えたように形成された、あるいは断面形状
が中央部で最も薄く、周辺部に至るに従って次第に厚く
なり、最外部が最も厚く４分の１波長に形成された音響
整合層を備えたように形成されたものである。

【００１２】

【作用】したがって、本発明によれば、圧電振動子の超
音波送受信側の面に圧電振動子側が平面形状で、反対側
が曲面形状の不均一な厚みを有する少なくとも一層の音
響整合層を設けているので、広帯域で正規分布型の周波
数特性を得ることができる。

【００１３】また、上記音響整合層を被検体より遅い材
料で凸面形状に形成し、または上記の音響整合層を被検
体より速い材料で凹面形状に形成することにより、広帯
域で正規分布型の周波数特性を得ることができるととも
に、超音波ビームを集束させることができる。

【００１４】

【実施例】

（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。

【００１５】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である。図１に示すように、
圧電振動子１はＰＺＴ系、ＰｂＴｉＯ₃系の圧電セラミ
ックスからなる圧電体２と、この圧電体２の両面に蒸着
や焼き付けによって設けられ、金、アルミニウム、銀な
どの金属からな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、平板状に形成されている。本実
施例における圧電振動子１は、円形、若しくは正方形な
どの形状をしたいわゆる単一板として構成されている。
圧電振動子１の超音波を送受信する前面側（被検体側）
には第１の音響整合層５が設けられ、第１の音響整合層
５の前面に第２の音響整合層６が設けられている。圧電
振動子１の背面には音波を吸収するバッキング材７が設
けれている。

【００１６】上記第１の音響整合層５は、圧電振動子１
側が平面状に形成され、前面側、すなわち、第２の音響
整合層６側が曲面からなる凸面形状に形成され、厚みは
中心部が最も厚く、外端部（周辺部）に至るに従い、次
第に薄くなるような不均一な厚みに形成されている。そ
して、音速が水や生体のような被検体８の音速（約１５
００ｍ／ｓ）より遅い材料により、最も厚い中心部の厚
みがほぼ４分の１波長となるように形成されている。

【００１７】既に公知であるように、一般的に圧電体２
に圧電セラミックを用い、被検体８として水や生体を対
象とした場合、二層の音響整合層を設けたときの第１の
音響整合層５の音響インピーダンスは、７〜１５ＭＲａ
ｙｌの範囲の値のものが望ましいとされている。したが
って、本実施例における第１の音響整合層５も音響イン
ピーダンスが７〜１５ＭＲａｙｌで、音速が水や生体の
ような被検体８の音速（約１５００ｍ／ｓ）より遅い材
料が用いられる。例えば、塩化ビニル樹脂に対して、タ
ングステン粉末を重量比で９２の割合で混入（充填）し
た材料は、音響インピーダンスが約１０ＭＲａｙｌで、
音速が約９８０ｍ／ｓという値を有しており、第１の音
響整合層５としてこのような材料を用いるとよい。

【００１８】上記第２の音響整合層６は、第１の音響整
合層５の凸面に沿って、ほぼ４分の１波長のほぼ均一な
厚みで形成されている。第２の音響整合層６の音響イン
ピーダンスも、第１の音響整合層５と同様に既に公知で
あり、３ＭＲａｙｌ前後の値の材料が選択され、このよ
うな材料としてプラスチック系エポキシ樹脂などが用い
られる。

【００１９】第１の音響整合層５を不均一な厚みにし、
最も厚くなる部分の厚みを約４分の１波長にし、その上
に第２の音響整合層６を設けることにより、広帯域で正
規分布型の周波数特性が得られるということについて
は、特願平５−１５１８５１号において出願されてい
る。しかし、この構成は凹面形状の圧電振動子を用いる
ため、製作上およびコスト的に問題がある。本実施例に
おいては、これらの問題を解決し、広帯域で正規分布型
の周波数特性を有し、かつ音響レンズを用いなくても超
音波ビームを集束することができる新規の構成にしたも
のである。

【００２０】次に、本実施例の超音波探触子が音響レン
ズを用いなくても超音波ビームを集束することができる
動作原理について簡単に説明する。

【００２１】圧電振動子１から発生した超音波は、第１
の音響整合層５を伝搬し、続いて第２の音響整合層６、
被検体８へと伝搬していく。このとき、上記のように第
１の音響整合層５はその音速が被検体６より遅く、かつ
凸面形状となるように形成しているので、音速差により
超音波は屈折する。この場合、超音波ビームは、被検体
８内で集束することになる。この集束する幾何学的な焦
点距離は、次式によって与えられる。

【００２２】焦点距離＝Ｒ／（１−Ｖｍ／Ｖｍｌ）ここで、Ｖｍは被検体８の音速、Ｖｍｌは第１の音響整
合層５の音速、Ｒは第１の音響整合層５の曲率である。

【００２３】実際には、第２の音響整合層６の音速も考
慮しなければならないが、一時近似的には成立する。こ
のような第１の音響整合層５は、音響整合層および音響
レンズの両方の機能を有する。したがって、広帯域で正
規分布型の周波数特性が得られるので、パルス応答の尾
引き特性が良好になり、距離方向（超音波伝搬方向）の
分解能が向上する。また、音響レンズを用いないで超音
波ビームを集束させるので、効率が良くなり、しかも、
方位分解能を向上することができる。

【００２４】なお、本実施例においては、第２の音響整
合層６の厚みを４分の１波長で均一に形成した場合につ
いて説明したが、このほか、第１の音響整合層５の形状
と同様に、凸面形状の不均一な厚みで、最も暑い中心部
分の厚みが約４分の１波長となるように形成した場合に
おいても、広帯域で、正規分布型の周波数特性を得るこ
とができ、かつ超音波ビームを集束することができると
いう同様の効果が得られる。

【００２５】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
動子を複数個配列したいわゆるアレイ型の超音波探触子
の場合においても同様の効果が得られる。

【００２６】また、本実施例においては、超音波探触子
を直接被検体に接触させる場合について説明したが、こ
のほか、超音波探触子と被検体の間に超音波伝搬媒質な
どを介在させた場合についても同様の効果が得られる。

【００２７】また、本実施例においては、音響整合層を
二層設けた場合について説明したが、このほか、音響整
合層を一層、若しくは、三層以上設けた場合についても
同様の効果が得られる。

【００２８】（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。

【００２９】図２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。本実施例において
は、図１に示す上記第１の実施例の構成要素とほぼ同じ
であり、また、機能的にも同じであるので、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
る構成および機能について説明する。

【００３０】図２に示すように、平板状の圧電振動子１
の超音波送受信側の面に設けられた第１の音響整合層５
は圧電振動子１側が平面に形成され、反対側（被検体
側）が凹面形状に形成されている。第２の音響整合層６
は第１の音響整合層５の凹面に沿って、ほぼ４分の１波
長のほぼ均一な厚みで形成されている。

【００３１】上記第１の音響整合層５は、上記第１の実
施例の場合とは逆に中心部で最も薄く、外端部（周辺
部）に至るに従い、次第に厚くなり、両外端部で最も厚
くなるように形成され、両外端部の最も厚くなる厚み
は、ほぼ４分の１波長となるように設定されている。本
実施例の第１の音響整合層５を不均一な厚みにし、かつ
最も厚くなる部分の厚みを４分の１波長に設定するとい
る技術思想は、上記第１の実施例の場合と全く同じであ
り、本実施例の構成においても、広帯域で、正規分布型
の周波数特性が得られる。

【００３２】また、第１の音響整合層５の音響インピー
ダンスについては７〜１５ＭＲａｙｌで、上記第１の実
施例の場合と同じであるが、音速については上記第１の
実施例の場合には逆に、水と生体のような被検体８の音
速より速い材料を用いる。音響インピーダンスが７〜１
５ＭＲａｙｌの値を有し、しかも、音速が被検体８のそ
れより速い値の材料は種々あり、選択性が広くなるとい
る長所を有している。

【００３３】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などにフィラーを充填し
た材料がある。これらの音速は約６０００ｍ／ｓから２
５００ｍ／ｓという広い範囲の値を有しており、用途、
あるいは周波数に応じて自由に選択することができる。

【００３４】上記のように、第１の音響整合層５を被検
体８方向に対して凹面形状とし、しかも、音速が被検体
８より速い材料を用いることにより、上記第１の実施例
の場合と同様に、超音波の屈折によるレンズ効果で被検
体８に伝搬させる超音波ビームに集束をかけることがで
きる。

【００３５】本実施例の第１の音響整合層５も上記第１
の実施例の場合と同様に音響整合層および音響レンズと
しての両方の機能を有する。したがって、広帯域で正規
分布型の周波数特性が得られるので、パルス応答の尾引
き特性が良好になり、距離方向（超音波伝搬方向）の分
解能が向上する。また、音響レンズを用いないので、効
率が良くなり、しかも、方位方向の分解能を向上させる
ことができる。

【００３６】なお、本実施例においては、第２の音響整
合層６を４分の１波長のほぼ均一な厚みに形成した場合
について説明したが、このほか、第１の音響整合層５の
形状と同様に、凹面形状で不均一な厚みにし、しかも、
最も厚くなる外端部の厚みがほぼ約４分の１波長となる
ように形成した場合においても、広帯域で正規分布型の
周波数特性を得ることができ、かつ超音波ビームを集束
できるという効果が得られる。

【００３７】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
動子を複数個配列したいわゆるアレイ型の超音波探触子
の場合においても同様の効果が得られる。

【００３８】また、本実施例においては、超音波探触子
を直接被検体に接触させる場合について説明したが、こ
のほか、超音波探触子と被検体の間に超音波伝搬媒質な
どを介在させた場合についても同様の効果が得られる。

【００３９】また、本実施例においては、音響整合層を
二層設けた場合について説明したが、このほか、音響整
合層を一層、若しくは、三層以上設けた場合についても
同様の効果が得られる。

【００４０】（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。

【００４１】図３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１に示す上記第１の実施例の構成要素とほぼ同じ
であり、また、機能的にも同じであるので、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
る構成および機能について説明する。

【００４２】図３に示すように、平板状の圧電振動子１
の超音波送受信側の面に設けられた第１の音響整合層５
が圧電振動子１側が平面状に形成され、反対側（被検体
側）が凸面形状に形成されている。第２の音響整合層６
は第１の音響整合層５の凸面に沿って、ほぼ４分の１波
長のほぼ均一な厚みで形成されている。更に、第２の音
響整合層６の曲面に沿って音響レンズ９が設けられてい
る。

【００４３】上記第１の音響整合層５の形状と最も厚い
中心部分の厚みは、上記第１の実施例の場合と同じであ
り、凸面形状でほぼ４分の１波長とする。ただし、上記
第１の実施例と大きく異なる点は、音速を全く限定して
いない点である。すなわち、本実施例の第１の音響整合
層５は、音響整合層としての機能のみを有するものであ
り、上記第１の実施例のように音響レンズの機能を有し
ていない。

【００４４】音速を限定しないで凸面形状にするという
ことは、第２の音響整合層６から被検体８に放射される
超音波ビームが集束、あるいは拡散することになる。す
なわち、第１の音響整合層５の音速が被検体８の音速に
対して遅い、同じ、あるいは速い場合によって超音波ビ
ームが集束、あるいは拡散するかが決まるためである。

【００４５】被検体８に放射する超音波ビームは分解能
を向上させるために集束させることが必要であり、そこ
で、本実施例においては、第２の音響整合層６上に音響
レンズ９を設けている。

【００４６】この音響レンズ９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
有する材料が望ましい。例えば、音響レンズ９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とよい。ま
た、被検体８と接触する音響レンズ９の表面形状は、ほ
ぼ平坦面であることが望ましいが、特に限定しなくても
よい。

【００４７】したがって、広帯域で正規分布型の周波数
特性が得られるので、パルス応答の尾引き特性が良好に
なり、距離方向（超音波伝搬方向）の分解能が向上し、
しかも、方位方向の分解能を向上させることができる。

【００４８】なお、本実施例においては、第２の音響整
合層６を４分の１は長のほぼ均一な厚みに形成した場合
について説明したが、このほか、第１の音響整合層５の
形状と同様に、凹面形状で不均一な厚みにし、しかも、
最も厚くなる外端部の厚みがほぼ約４分の１波長となる
ように形成し、かつ音響整合層５が音響レンズ９の音速
よりも速い材料で形成した場合においても、広帯域で正
規分布型の周波数特性を得ることができ、かつ超音波ビ
ームを集束できるという同様の効果が得られる。

【００４９】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
動子を複数個配列したいわゆるアレイ型の超音波探触子
の場合においても同様の効果が得られる。

【００５０】また、本実施例においては、超音波探触子
を直接被検体に接触させる場合について説明したが、こ
のほか、超音波探触子と被検体の間に超音波伝搬媒質な
どを介在させた場合についても同様の効果が得られる。

【００５１】また、本実施例においては、第１の音響整
合層５の音速を限定しない場合について説明したが、こ
のほか、第１の音響整合層５の音速が被検体８の音速と
ほぼ同じ、若しくは速い材料を用いた場合についても同
様の効果が得られる。

【００５２】また、本実施例においては、音響整合層を
二層設けた場合について説明したが、このほか、音響整
合層を一層、若しくは、三層以上設けた場合についても
同様の効果が得られる。

【００５３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
音響整合層に音響レンズの機能を備えることにより、超
音波ビームを集束することができる。したがって、距離
（深さ）方向の分解能および方位分解能の高い超音波画
像を得ることができる。

【００５４】

【図面の簡単な説明】

【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

【図２】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

【図３】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

【図４】従来の超音波探触子の一例を示す概略断面図

【符号の説明】

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９音響レンズ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者斉藤孝悦神奈川県横浜市港北区綱島東四丁目３番１号松下通信工業株式会社内 (56)参考文献特開昭62−179440（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−206732（ＪＰ，Ａ) 特開平５−329150（ＪＰ，Ａ) 実開昭53−25185（ＪＰ，Ｕ) 特公昭59−20235（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) A61B 8/00 - 8/14

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電体の両面に電極が設けられた平板状
の圧電振動子と、上記圧電振動子の超音波送受信側の面
に設けられた音響整合層を備え、上記音響整合層は、上
記圧電振動子と反対側の面に最大厚さが４分の１波長の
凸面部を有し被検体の音速より遅い音速の材料からなる
ことで音響レンズの機能を有することを特徴とする超音
波探触子。
【請求項２】圧電体の両面に電極が設けられた平板状
の圧電振動子と、上記圧電振動子の超音波送受信側の面
に設けられた音響整合層を備え、上記音響整合層は、上
記圧電振動子と反対側の面に最大厚さが４分の１波長の
凹面部を有し被検体の音速より速い音速の材料からなる
ことで音響レンズの機能を有することを特徴とする超音
波探触子。
【請求項３】圧電体の両面に電極が設けられた平板状
の圧電振動子と、上記圧電振動子の超音波送受信側の面
に少なくとも一層設けられた音響整合層と、この音響整
合層の被検体側に設けられた音響レンズとを備え、上記
音響整合層の少なくとも一層は、上記圧電振動子と反対
側の面に最大厚さが４分の１波長の凸面部を有すること
を特徴とする超音波探触子。
【請求項４】被検体の音速とほぼ同じ音速を有する材
料により形成された音響整合層を備えた請求項３記載の
超音波探触子。
【請求項５】圧電体の両面に電極が設けられた平板状
の圧電振動子と、上記圧電振動子の超音波送受信側の面
に少なくとも一層設けられた音響整合層と、この音響整
合層の被検体側に設けられた音響レンズとを備え、上記
音響整合層の少なくとも一層は、上記圧電振動子と反対
側の面に最大厚さが４分の１波長の凹面部を有すること
を特徴とする超音波探触子。
【請求項６】断面形状が中央部で４分の１波長の厚み
を有し、周辺部に至るに従って次第に薄くなり、最外部
が最も薄く形成された音響整合層を備えた請求項１、３
または４記載の超音波探触子。
【請求項７】断面形状が中央部で最も薄く、周辺部に
至るに従って次第に厚くなり、最外部が最も厚く４分の
１波長に形成された音響整合層を備えた請求項２または
５記載の超音波探触子。