JP3008314B2

JP3008314B2 - 超音波探触子

Info

Publication number: JP3008314B2
Application number: JP3310825A
Authority: JP
Inventors: 孝悦斉藤; 純一佐藤
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1991-11-26
Filing date: 1991-11-26
Publication date: 2000-02-14
Anticipated expiration: 2015-02-14
Also published as: JPH05236597A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ソナーや超音波診断装
置などのセンサとして用いる超音波探触子に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近、水や生体を対象としたソナーや超
音波診断装置などのセンサである超音波探触子の被検体
側の部分には、超音波を集束して分解能を向上させるた
め音響レンズを設けているのが一般的になっている。

【０００３】従来、この種の超音波探触子は、電子情報
通信学会誌ＡＰＲＩＬＶＯＬ．７２Ｎｏ．４１９８
９年４０４ページに記載された構成が知られている。
以下、従来の超音波探触子について説明する。

【０００４】図４は従来の超音波探触子の概要を示す一
部切断斜視図を示し、パッキング材２上に複数に配列し
た圧電体素子１を設けこの圧電体素子１上に第１，第２
の音響整合層３，４を設ける。更に、その上にシリコン
ゴムの音響レンズ５を設けた構成となっている。

【０００５】この音響レンズ５は、複数に配列した圧電
体素子１の方向と直交する方向において超音波をある任
意の距離に集束させる役目を有するものであり、一般に
被検体（図略）との接触性を考慮すると、被検体の音速
より遅いシリコンゴムの材料で凸状に構成されている。
これが凹面となると接触性が悪くなるので、これまでの
ところ、その殆んどが図示のような凸面形状になってい
る。

【０００６】このように従来の超音波探触子は音響レン
ズ５によって超音波を集束させているため、分解能が向
上するという特徴がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の超音波探触子は、５ＭＨｚ以上の高い、周波
数領域において用いた場合、音響レンズの集束効果はあ
るものの、シリコンゴムで構成されている音響レンズは
音波減衰係数が大きいため、高周波成分が音響レンズに
よって減衰され著しく低下した周波数特性となる。した
がって、シリコンゴムの音響レンズの減衰によって分解
能は劣化し、また、被検深度も低下するという問題があ
った。

【０００８】本発明は、このような従来の問題を解決す
るものであり、圧電体上に設けた少なくとも１層以上の
第１の音響整合層上に曲面を有した減衰の小さい伝播媒
体（または音響レンズ）を設け、更にその上に減衰の小
さい音響レンズ（または伝播媒体）を設け、更にその上
に少なくとも１層以上の第２の音響整合層を設ける構成
にすることにより、音響レンズによる分解能の低下、被
検深度の低下をさせることがない超音波探触子を提供す
ることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、圧電体の一方
の面に設けた少なくとも１層以上の第１の音響整合層
と、曲面を有した、音響インピーダンスが６．１〜８．
６ＭＲａｙｌ、音速が２０００ｍ／ｓ以下で、周波数依
存減衰の小さい伝播媒体または音響レンズと、この伝播
媒体または音響レンズの曲面に沿って設けた、音響イン
ピーダンスが６．１〜８．６ＭＲａｙｌ、音速が２００
０ｍ／ｓ以上で、周波数依存減衰の小さい音響レンズま
たは伝播媒体と、この音響レンズまたは伝播媒体の前面
に設けた少なくとも１層以上の第２の音響整合層とを有
するものである。

【００１０】

【作用】本発明によれば、周波数依存減衰特性が小さく
また減衰係数が小さい材料を有した伝播媒体と音響レン
ズを用いているため、高い周波数の超音波探触子にして
も、音響レンズによる減衰を小さくできて広い周波数帯
域特性にできるため分解能が高くしかも被検深度も深い
超音波画像を得ることができる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の好ましい各実施例について図
面を参照して説明する。

【００１２】（実施例１）図１は本発明の第１の実施例における超音波探触子の要
部断面図である

【００１３】図１において、１１は音波を送受信する圧
電体、１２は被検体１８と接する側と反対側に設けられ
たパッキング材、１３はパッキング材１２と反対の被検
体側に設けられた第１の音響整合層、１４は第１の音響
整合層１３の上に設けられた曲面１４Ａを有する伝播媒
体、１５は伝播媒体１４の曲面１４Ａに沿って設けられ
た曲面１５Ａを有する音響レンズ、１６，１７は音響レ
ンズ１５の上に設けられた第２の音響整合層である。ま
た音響整合層１７の面と被検体１８が接するような構成
となっている。

【００１４】以下上記各構成部材について説明する。

【００１５】伝播媒体１４と音響レンズ１５の各音響イ
ンピーダンスＺ_２，Ｚ_３は、圧電体１１の音響インピ
ーダンスＺ_ｐと被検体１８の音響インピーダンスＺ_ｂの
間の値を有することが望ましい。

【００１６】また、伝播媒体１４の音速ｖ_２と音響レン
ズ１５の音速ｖ_３は、ｖ_２＜ｖ_３となる関係にし、か
つ、音響レンズ１５の音速ｖ_３と被検体１８の音速ｖ_ｂ
（生体とするとｖ_ｂは１５３５ｍ／ｓ）はｖ_３＜ｖ_ｂの
関係になることが望ましい。すなわち、前記関係の音速
にすることにより、音響レンズの曲率形状により、被検
体１８の任意の距離に超音波を集束できる。

【００１７】また、伝播媒体１４の音速ｖ_２と被検体１
８の音速ｖ_ｂは、特に限定はされないが可能であればｖ
_２≦ｖ_ｂの関係の方が良い。しかしながらｖ_２≦ｖ
_ｂ（１５３５ｍ／ｓ）でしかも伝播媒体１４の音響イン
ピーダンスＺ_２が被検体１８の音響インピーダンスＺ_ｂ
より大きく減衰係数の小さい材料があまりないのが実状
であるのでｖ_２≦ｖ_ｂを必ずしも満足しなくとも良い。

【００１８】ここで、伝播媒体１４と音響レンズ１５の
音響インピーダンスの設定には、前述のような音速の制
限，減衰の制限などがあるため、自ずと限定されてい
く。これらの制限内で種々の材料を探索すると、音響イ
ンピーダンスが約２．５ＭＲａｙｌ以下では、ゴム材な
どのように周波数依存減衰が大きいあるいは、音速が合
わないなどがあり、対象外とした。したがって対象とな
る音響インピーダンス値は２．５ＭＲａｙｌ〜圧電体１
１の音響インピーダンスの間の値を有する伝播媒体１４
と音響レンズ１５の材料ということになる。例えば、伝
播媒体１４と音響レンズ１５の各音響インピーダンスＺ
_２，Ｚ_３を約７ＭＲａｙｌという値に設定して、圧電体
１１としてＰＺＴ系圧電セラミックの材料をアレイ形状
にしたものを用い、被検体１８を生体した場合、圧電体
１１の音響インビーダンスＺ_ｐは約２８Ｍａｙｌ，被検
体１８のＺ_ｂは１．５４ＭＲａｙｌとなる。

【００１９】従って、図１に示すように、圧電体１１と
伝播媒体１４との間に設けた第１の音響整合層１３の音
響インピーダンスＺ_１は数１の式に示すような計算式か
ら与えられる。

【００２０】

【数１】

【００２１】数１の式から計算するとＺ_１は約１４ＭＲ
ａｙｌとなる。つまり、Ｚ_１は圧電体と伝播媒体の各音
響インピーダンスＺ_ｐ，Ｚ_２との間の値を有する。

【００２２】また、音響レンズ１５と被検体１８との間
には、ここでは２層の第２の音響整合層１６，１７を設
けており、それぞれの音響整合層１６，１７の音響イン
ピーダンスＺ_４，Ｚ_５は数２の式，数３の式に示す計算
式から与えられる。

【００２３】

【数２】

【００２４】

【数３】

【００２５】数２の式，数３の式から、音響レンズ１５
側の第２の音響整合層１６の音響インピーダンスＺ_４は
約４．８ＭＲａｙｌ，被検体１８側の第２の音響整合層
１７の音響インビーダンスＺ_５は２．３ＭＲａｙｌとい
う値となる。

【００２６】また、伝播媒体１４と音響レンズ１５の音
波減衰係数は可能な限り小さい材料が望ましいことは言
うまでもない。

【００２７】以上のように各構成材料の望ましい特性が
明らかになったところで、以下に圧電体１１とパッキン
グ材１２の材料を除いた構成部品の具体的な材料につい
て説明する。

【００２８】第１の音響整合層１３の音響インピーダン
スＺ_１は約１４ＭＲａｙｌであるので、例えば、塩化ビ
ニル１に対して体積比でタングステン粉末を１．５充填
すると音響インピーダンス１４．６ＭＲａｙｌとなる

【００２９】また、この他に、ホトンセラミックス社の
ホトベールセラミックスＺ＝１４．５ＭＲａｙｌ、ある
いはガラス系の材料を用いると良い。この場合、音響整
合層１３の厚みは４分の１波長付近にするのが望まし
い。

【００３０】また、伝播媒体１４としては、音響インピ
ーダンスＺ_２を約７ＭＲａｙｌ付近で、音速ｖ_２を２０
００ｍ／ｓ以下（音響レンズｖ_３は２０００ｍ／ｓ以
上）で、しかも音波減衰係数が小さいものという３つの
条件を満足するような材料は、エポキシ樹脂に粒径の小
さいタングステン粉，タングステンカーバイト若しくは
酸化タングステンの粉末を混入した材料を用いる。例え
ば、図２に日本ペルノックス社のエポキシ樹胞ＭＥ１０
６／ＨＹ−３０８１に対してタングステン粉末（平均粒
径０．４４μｍ）を重量比で２．０（Ａ），４．０
（Ｂ）充填し、硬化させた時の材料の周波数ｆ（ＭＨ
ｚ）に対する音波減衰係数α（ｄＢ／ｍｍ）を示す。ま
た図２には参考までに、従来用いていた一般的なシリコ
ンゴムの減衰係数Ｄを示す。

【００３１】図２から明らかなように、従来使用のシリ
コンゴムの周波数依存は約０．９４ｄＢ／ｍｍ／ＭＨｚ
に対し、エポキシ樹脂にタングステン粉末を充填した材
料は、約０．４３ｄＢ／ｍｍ／ＭＨｚの値を有し、従来
の約２分１の特性となっている。例えば５ＭＨｚの周波
数において、シリコンゴムは約４．１ｄＢ／ｍｍという
値に対して約２．２ｄＢ／ｍｍとなる。更に周波数が高
くなるにしたがい更にその差が顕著になってくる。

【００３２】尚、図２のＡ，Ｂの材料の音響インピーダ
ンスＺ_２は６．１ＭＲａｙｌ，８．６ＭＲａｙｌで、音
速ｖ_２は１９７０ｍ／ｓ，１８５０ｍ／ｓという値を有
していて、ほぼ目標とする音響インピーダンス及び音速
の値となっている。

【００３３】また、音響レンズ１５としては、伝播媒体
１４とほぼ同じ音響インピーダンスでしかも伝播媒体１
４、及び被検体１８の音速より速く、更に音波減衰係数
の小さい材料としては、エポキシ樹脂にシリコンカーバ
イトなどの炭化物粉末，窒化アルミなどの窒化物粉末若
しくはアルミナなどの粉末を混入した材料を用いる。例
えば、日本ペルノックス社のエポキシ樹脂ＭＥ１０６／
ＨＹ−３０８１に対してシリコンカーバイト（平均粒径
２０μｍ）を重量比で１．７５充填し、硬化させた材料
の音響インピーダンスＺ_３は約６．９ＭＲａｙｌで音速
は約３５１０ｍ／ｓという値となる。

【００３４】また、周波数ｆに対する音波減衰係数αと
の関係は、前記図２のＣに示す特性となっており、この
材料も、前記伝播媒体１４の材料（図２のＡ，Ｂ）とほ
ぼ同じ周波数依存特性を有しており、かつ、音波減衰係
数の絶対値が、従来のシリコンゴム及び前記伝播媒体１
４より更に小さい値を有している。更に、これは充填す
るシリコンカーバイトの平均粒径を小さくすることによ
り音波減衰係数を小さくすることにより音波減衰係数を
小さくできることが可能となる。

【００３５】音響レンズ１５の音速はできる限り伝播媒
体１４，被検体１８より差が大きく速いことが望まし
い。すなわち、その音速差を大きくすることにより音響
レンズ１５の曲率半径が大きいため、音響レンズ１５の
厚みを薄くすることができるためである。従ってエポキ
シ樹脂を母材とした場合、エポキシ樹脂そのものの音速
は２５００ｍ／ｓ前後であり、この音速より更に速くす
るには、充填する粉末の音速そのものが速い炭化物，窒
化物，あるいはアルミナなどの粉末が望ましい。

【００３６】また、第２の音響整合層１６，１７として
は、音響インピーダンスＺ_４，Ｚ_５はそれぞれ約４．８
ＭＲａｙｌ、約２．３ＭＲａｙｌの値を有した材料で、
厚みは第１の音響整合層１３の場合と同様の考え方で、
４分の１波長にするのが良い。例えば音響インピーダン
約４．８ＭＲａｙｌの材料としては、三井東圧社のエポ
キシ樹脂ストラクトボンド７４４５（音響インピーダン
スは４．５ＭＲａｙｌ）あるいは、エポキシ樹脂にシリ
コンカーバイトを重量比で１：１の割合で充填し硬化し
た材料（音響インピーダンス約４．６ＭＲａｙｌ）を用
いる。ｏ

【００３７】更に被検体１８側の音響整合層１７の音響
インピーダンスが約２．３ＭＲａｙｌの材料としては、
ＡＢＳ，ポリスチレン，ポリプロピレンなどのプラスチ
ック材あるいはチバガイギーのエポキシ樹脂アラルダイ
トＡＷ１０６（音響インピーダンスは約２．４ＭＲａｙ
ｌ）を用いる。

【００３８】このような構成及び材料を用いることによ
り、高い周波数域の超音波探触子にした場合において
も、音響整合層を多層に形成し、かつ、伝播媒体１４及
び音響レンズ１５の音波減衰係数が小さく、かつ、周波
数依存性が小さい材料を選択できるため、広い周波数帯
域特性を有し、しかも高い周波数成分を減衰させること
がない特性が得られる。したがって、分解能が高く、か
つ、被検深度の深い超音波画像を得ることができる。

【００３９】なお、本実施例においては、圧電体１１と
伝播媒体１４との間に設ける第１の音響整合層１３を１
層用いた場合について説明したが、その他、２層以上の
音響整合層を用いても同様あるいはそれ以上の効果が得
られる。

【００４０】また、本実施例においては、音響レンズ１
５と被検体１８との間に設ける第２の音響整合層１６，
１７を２層の場合について説明したが、この他、１層あ
るいは３層以上の音響整合層を用いても同様の効果が得
られる。

【００４１】また、本実施例においては、伝播媒体１４
と音響レンズ１５の音響インピーダンスを７ＭＲａｙｌ
付近の値に設定した場合について説明したが、この他、
圧電体１１と被検体１８との間の音響インピーダンスの
値を有するものを用いた場合においても同様の効果が得
られる。

【００４２】また、本実施例においては、音響レンズ１
５の曲面１５Ａを有する部分と反対側の第２の音響整合
層１６のついている面との間にある程度厚みをもたせた
構成の場合について説明したが、この他、音響レンズ１
５の厚みは、音響レンズの役目をはたす範囲の厚みであ
れば、厚みの限定をしなくとも同様の効果が得られる。

【００４３】（実施例２）図３は本発明の第２の実施例における超音波探触子の要
部断面図である。

【００４４】図３においては、実施例１の図１の場合と
構成する部品は全く同じであり、その詳細の説明は省略
し、構成についてのみ説明する。

【００４５】図３において、圧電体１１の一方の面にパ
ッキング材１２を設け、反対の被検体１８側の面に前記
圧電体１１と音響レンズ１５の各音響インピーダンスの
間の音響インピーダンスの値を有する材料でなる第１の
音響整合層１３を設け、更のその上に、被検体１８方向
に対して凹面形状を有し、かつ、被検体１８，伝播媒体
１４より音速が速い材料で構成した音響レンズ１５を設
け、この音響レンズ１５の凹面形状部１５Ｂに、音響レ
ンズ１５とほぼ同じ音響インピーダンスの値と音響レン
ズ１５より遅い音速の値を有する伝播媒体１４を設け
る。更に伝播媒体１４の上には、この伝播媒体１４と被
検体１８の各音響インピーダンスの間の音響インピーダ
ンスの値を有する材料でなる第２の音響整合層１６，１
７（ここで２層）を設けた構成とする。

【００４６】各構成部品の特性については、実施例１と
ほぼ同じものを用いて、ほぼ同じ材料，形状のものを使
用しても良い。

【００４７】このような構成にすることにより、高い周
波数域の超音波探触子にした場合においても、音響レン
ズ１５，伝播媒体１４の材料の減衰の小さい値のもの、
周波数依存減衰の小さいものを選択でき、かつ、音響整
合層を多層設けているため、高い周波数成分を減衰させ
ることのない広い周波数特性を得ることができる。した
がって、分解能が高く、かつ、被検深度の深い超音波画
像を得ることができる。

【００４８】このような構成及び材料を用いることによ
り、高い周波数域の超音波探触子にした場合において
も、伝播媒体１４及び音響レンズ１５の音波減衰係数が
小さく、かつ、周波数依存性が小さいため、高い周波数
成分を減衰させることが少ない。したがって、分解能が
高く、かつ、被検深度の深い超音波画像を得ることがで
きる。

【００４９】なお、本実施例においては、圧電体１１と
伝播媒体１４との間に設ける第１の音響整合層１３を１
層用いた場合について説明したが、その他、２層以上の
音響整合層を用いても同様あるいはそれ以上の効果が得
られる。

【００５０】また、本実施例においては、音響レンズ１
５と被検体１８との間に設ける第２の音響整合層１６，
１７を２層の場合について説明したが、この他、１層あ
るいは３層以上の音響整合層を用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、伝播媒体１４
と音響レンズ１５の音響インピーダンスを７ＭＲａｙｌ
付近の値に設定した場合について説明したが、この他、
圧電体１１と被検体１８との間の音響インピーダンスの
値を有するものを用いた場合にお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、音響レンズ１
５の曲面を有する部分と反対側の第２の音響整合層１６
のついている面との間にある程度厚みをもたせた構成の
場合について説明したが、この他、音響レンズ１５の厚
みは、音響レンズの役目をはたす範囲の厚みであれば、
厚みの限定をしなくと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、本発明の超音波接
触子は、圧電体の一方の面に設けた第１の音響整合層
と、この上に曲面を有した減衰が小さく、かつ、周波数
依存減衰も小さい伝播媒体または音響レンズを設け、更
にその上に、少なくとも１層以上の第２の音響整合層を
設けた構成にしているので、高い周波数の超音波探触子
にした場合においても、高い周波数成分を減衰させるこ
とがない周波数特性を得ることができる。したがって分
解能が高く且つ被検深度の深い超音波画像を得ることが
できる。

【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の
要部断面図である。

【図２】エポキシ樹脂にタングステン粉末を充填硬化さ
せた各材料の周波数に対する音波減衰係数の関係を示す
特性図である。

【図３】本発明の第２の実施例における超音波探触子の
要部断面図である。

【図４】従来の超音波探触子の概要を示す一部切断した
斜視図である。

【符号の説明】

11…圧電体、 12…パッキング材、 13…第１の音響整
合層、 14…伝播媒体、15…音響レンズ、 16，17…第
２の音響整合層、 18…被検体。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H04R 1/34 330 H04R 17/00 330 H04R 17/00 332

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電体の一方の面に設けた少なくとも１
層以上の第１の音響整合層と、曲面を有した、音響インピーダンスが６．１〜８．６Ｍ
Ｒａｙｌ、音速が２０００ｍ／ｓ以下で、周波数依存減
衰の小さい伝播媒体と、該伝播媒体の曲面に沿って設けた、音響インピーダンス
が６．１〜８．６ＭＲａｙｌ、音速が２０００ｍ／ｓ以
上で、周波数依存減衰の小さい音響レンズと、該音響レンズの前面に設けた少なくとも１層以上の第２
の音響整合層とを有することを特徴とする超音波探触
子。
【請求項２】圧電体の一方の面にパッキング材を設
け、他方の面に音響インピーダンスが約１４ＭＲａｙｌ
の１層の第１の音響整合層を設け、該第１の音響整合層
の上にエポキシ樹脂にタングステン粉末を充填した材料
の伝播媒体を設け、該伝播媒体の上にエポキシ樹脂にシ
リコンカーバイド粉末を充填した材料の音響レンズを設
け、該音響レンズの上に２層の第２の音響整合層を設け
た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】圧電体の一方の面に設けた少なくとも１
層以上の第１の音響整合層と、曲面を有した、音響インピーダンスが６．１〜８．６Ｍ
Ｒａｙｌ、，音速が２０００ｍ／ｓ以上で、周波数依存
減衰の小さい音響レンズと、該音響レンズの曲面に沿って設けた、音響インピーダン
スが６．１〜８．６ＭＲａｙｌ、音速が２０００ｍ／ｓ
以下で、周波数依存減衰の小さい伝播媒体と、該伝播媒体の前面に設けた少なくとも１層以上の第２の
音響整合層とを有することを特徴とする超音波探触子。
【請求項４】圧電体の一方の面にパッキング材を設
け、他方の面に音響インピーダンスが約１４ＭＲａｙｌ
の１層の第１の音響整合層を設け、該第１の音響整合層
の上にエポキシ樹脂にシリコンカーバイド粉末を充填し
た材料の音響レンズを設け、該音響レンズの上にエポキ
シ樹脂にタングステン粉末を充填した材料の伝播媒体を
設け、該伝播媒体の上に２層の第２の音響整合層を設け
たことを特徴とする請求項３記載の超音波探触子。
【請求項５】伝播媒体がエポキシ樹指に粒径の小さい
タングステン，タングステンカーバイド若しくは酸化タ
ングステンの粉末を混入した材料であることを特徴とす
る請求項１ないし４のいずれか１項に記載の超音波探触
子。
【請求項６】音響レンズがエポキシ樹詣にシリコンカ
ーバイドなどの炭化物，窒化アルミなどの窒化物若しく
はアルミナなどの粉末を混入した材料であることを特徴
とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の超音波
探触子。