JPH04352950A

JPH04352950A - 超音波探触子

Info

Publication number: JPH04352950A
Application number: JP3127151A
Authority: JP
Inventors: Takayoshi Saito; 孝悦斉藤; Yasushi Koishihara; 靖小石原; Junichi Sato; 純一佐藤
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1991-05-30
Filing date: 1991-05-30
Publication date: 1992-12-08

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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
置等のセンサー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】水や生体を対象としたソナーや超音波診
断装置等の超音波探触子に用いる圧電体の材料として、
最近では圧電セラミックに不均一な厚さを持たせて広い
周波数帯域を得る構成の検討が行なわれている。一方、
圧電体に設ける電極の形状または吸音材によりサイドロ
ーブレベルを低減して超音波ビームパターンを改良する
ことにより、高分解能の超音波画像を得ようとする方法
の検討も行なわれている。

【０００３】このような超音波探触子の例として、特開
昭６１−７６９４９号公報に記載のものがある。これは
、図７に示すように、複数の振動子１をアレイ状に配列
して超音波ビームを制御する超音波探触子であり、各振
動子１の電極２の面積を変化させて重みづけ（アポダイ
ジング）を行なうことにより、不要となるサイドローブ
レベルを低下するようにしたものである。

【０００４】

【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、アレイ状に配列した各振動
子に対し電極の形状を考慮して超音波ビームパターンを
構成することは、製造技術上において非常に困難である
という問題があった。

【０００５】本発明は、このような従来の問題を解決す
るものであり、超音波を放射する側と反対の面に設ける
背面負荷の音響インピーダンスを、圧電振動子の中央部
から周辺部方向に対して可変させて重みづけを可能にさ
せることにより、サイドローブレベルを低下させた超音
波探触子を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記目的を達
成するために、音波を送受信する圧電振動子と、前記圧
電振動子の被検体に接する側と反対側に設けられた背面
負荷とを備え、前記圧電振動子の中央部から周辺部に行
くにしたがって、前記背面負荷の音響インピーダンスの
値を可変した超音波探触子である。

【０００７】

【作用】本発明は、前記構成により、圧電振動子の被検
体側と反対側の面に設けた背面負荷の音響インピーダン
ス値を可変し、圧電振動子から被検体側に放射される超
音波の振幅の強さを調整して重みづけをすることができ
るため、サイドローブレベルを低減した超音波ビームパ
ターンを形成して分解能の高い超音波画像を得ることが
できる。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の好ましい実施例について図面
を参照して説明する。

【０００９】（実施例１）図１は本発明の実施例に用い
られる超音波探触子の断面図である。

【００１０】図１において、１１は音波を送受信する圧
電振動子であり、１２は被検体と接する側と反対側に設
けられた背面負荷である。背面負荷１２は、圧電振動子
１１の中央部から周辺部に行くにしたがい、音響インピ
ーダンスの値を変えたもの（ここでは、それぞれの背面
負荷の音響インピーダンスＺＢ１，ＺＢ２，ＺＢ３，Ｚ
Ｂ４，ＺＢ５，ＺＢ６の６分割、１２ａ，１２ｂ，１２
ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆ）が用いられる。このよう
に、背面負荷の音響インピーダンスの値を可変とするこ
とにより超音波ビームの振幅の重みづけをすることがで
きる。

【００１１】超音波ビームの振幅の重みづけをする場合
、図２に示すような代表的な窓関数が使用される。横軸
は、超音波のアパーチャサイズを示し、縦軸に音圧（振
幅でも良い）を示しており、全く重みづけをしない場合
（図２では、Ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ）は、アパーチャ
に対して振幅が一定である。この場合の超音波ビームの
指向特性は、図３（ａ）に示す（図３（ａ），（ｂ）は
対称性があるので片側のみ表示）ようになり、サイドロ
ーブが顕著に発生している。一方、代表的な窓関数、例
えばＨａｍｍｉｎｇ関数の重みづけをした場合の超音波
ビームの指向特性は図３（ｂ）に示すように−５０ｄＢ
までは全くサイドローブが発生していない。このように
サイドローブを低減する方法として、重みづけが極めて
効果的な方法であることが確認できる。

【００１２】ここに、圧電振動子１１として、圧電セラ
ミックと有機物の複合圧電体（音響インピーダンス１０
ＭＲａｙｌ）を用い、一層の音響整合層（図示せず）を
設けて、背面負荷１２の音響インピーダンスを変えた場
合の感度の変化を図４に示す。図４のように、背面負荷
１２の音響インピーダンスの値を変えることにより感度
α、したがって超音波ビームの振幅を変えることができ
ることが確認できる。図４の特性を利用して、図１の背
面負荷１２ａ，１２ｂ，…１２ｆのそれぞれの音響イン
ピーダンスを変えることにより、超音波ビームの振幅に
重みづけすることが可能であることは明らかである。

【００１３】例えば、図２のＨａｍｍｉｎｇ関数で重み
づけをした場合の背面負荷１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１
２ｄ，１２ｅ，１２ｆのそれぞれの音響インピーダンス
は、図４から、それぞれほぼ０に近い空気、０．８，１
．８，３．４，７．８，２０ＭＲａｙｌとなる。従って
、これらの値を有した材料を用いれば良い。

【００１４】この背面負荷材１２として望ましい特性は
、音波減衰係数が大きいことであるが、これらの材料と
しては、既に公知であり、音響インピーダンスが０．３
〜５０ＭＲａｙｌまでの値を有したものである。一例と
して、図５（ａ），（ｂ）に示す。図５（ａ）は、エポ
キシ樹脂にマイクロバルーンとタングステン粉末を充填
したもので充填材料の配合比を変えることにより音響イ
ンピーダンスを１．７〜７ＭＲａｙｌまで任意に選択す
ることができるものである。また、図５（ｂ）は、塩化
ビニルにタングステン粉末を充填したタイプであり、こ
れもタングステン粉末の充填量を変えることにより、音
響インピーダンスを５〜３３ＭＲａｙｌの範囲で任意に
変えることが可能である。また、音響インピーダンスが
１．７ＭＲａｙｌ以下については、シリコーンゴムにプ
ラスチックのマイクロバルーンを充填することにより、
または、エポキシ樹脂にプラスチックのマイクロバルー
ンを充填することにより変えることが可能である。

【００１５】図１の背面負荷材１２ａ，１２ｂ，１２ｃ
，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆの音響インピーダンスはそれ
ぞれ、空気０．８，１．８，３．４，７．８，２０ＭＲ
ａｙｌで、これらに対応した材料としては、例えば、１
２ｂの０．８の音響インピーダンスにはシリコーンゴム
にプラスチックマイクロバルーンを充填したもの、１２
ｃの１．８ＭＲａｙｌには、図５に示す、エポキシに対
して重量比でマイクロバルーンを４％、タングステン粉
末を１２０％充填したものを、１２ｄの３．４ＭＲａｙ
ｌには同様にエポキシに対して重量比でマイクロバルー
ン３％、タングステン粉末を３００％充填したものを、
１２ｅの７．８ＭＲａｙｌには、塩化ビニルにタングス
テン粉末を９３％充填したものを、１２ｄの２０ＭＲａ
ｙｌには、同様に、塩化ビニルにタングステン粉末を９
５．３％充填したものを用いる。

【００１６】このような構成にすることにより、中央部
の空気の背面負荷１２ａから発生する超音波ビームの振
幅は他の部分に比べ最も高くなり周辺部に行くにしたが
って、背面負荷１２ｂ，１２ｃ，…１２ｆの順で音響イ
ンピーダンスが大きくなるため超音波ビームの振幅は小
さくなる。このため、圧電振動子１１のアパーチャ方向
に対して、振幅の重みづけを行なうことができ、サイド
ローブレベルを小さくして分解能の高い超音波画像を得
ることができる。

【００１７】なお、本実施例においては、圧電振動子１
１として圧電セラミックと有機物の複合圧電体を用いた
場合について説明したが、その他に、ＰＺＴ系、ＰｂＴ
ｉＯ３系などの圧電セラミックまたは、ＰＶＤＦなどの
高分子圧電体を用いても同様の効果が得られる。

【００１８】また、本実施例においては、背面負荷１２
を６分割して音響インピーダンスの値を変えた場合につ
いて説明したが、その他、背面負荷１２の音響インピー
ダンス値を可変して、重みづけ効果がでる分割数であれ
ば何分割でも、同様の効果が得られる。

【００１９】また、本実施例においては、単一型超音波
探触子の場合について説明したが、その他、アニュラア
レイ型など種々の超音波探触子に用いても同様の効果が
得られる。

【００２０】また、本実施例においては、圧電振動子１
１として、圧電振動子のアパーチャから放射される超音
波振幅が同じ、すなわち、重みづけなしのものを用いた
場合について説明したが、圧電振動子自身も重みづけし
たものを用いると一層効果が得られる。

【００２１】さらに、背面負荷１２として音響インピー
ダンスの異なる複数種の材料１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，
…１２ｆを層状に構成したものを用いた場合について説
明したが、ゴムや合成樹脂に金属粉やマイクロバルーン
を充填させ、充填量を中央から周辺に向けて異ならせて
分布をもたせることにより音響インピーダンスを連続的
に変えたものを用いることもできる。

【００２２】（実施例２）図６は、本発明による超音波
探触子の第２の実施例を示している。図６において、２
１は複数個に配列したＰＺＴのような圧電セラミックの
圧電振動子、２２は圧電振動子２１のは配列方向に、ほ
ぼ直角の方向に対して圧電振動子２１の中央部から周辺
に行くにしたがって音響インピーダンス値を変えた背面
負荷、２３は背面負荷２２と反対の被検体側の圧電振動
子２１面に設けられて、超音波ビームを効率良く伝搬さ
せるための音響整合層、２４は音響整合層２３側に設け
られた超音波ビームを集束するための音響レンズである
。これら音響整合層２３、音響レンズ２４は必要に応じ
て設けられる。

【００２３】このような構成は、いわゆるアレイ配列型
超音波探触子に用いられているものである。動作方法は
、複数個のアレイ圧電振動子２１をある群だけ時間差を
設けて電圧を印加し、発生した超音波をある距離に集束
させて、１チャンネルずつ走査させ、それぞれ生体内か
ら反射してきた超音波を受信し、これら信号を処理して
ディスプレイにリアルタイムで画像表示して診断するも
のである。

【００２４】この圧電振動子２１の配列方向とほぼ直角
の方向に、背面負荷２２の音響インピーダンスを変えた
材料を配列する。例えば、実施例１の場合と同様に、振
幅の重みづけを行なうために、圧電振動子２１の中央部
には、音響インピーダンスの小さい背面負荷２２ａを用
いて中央部の圧電振動子２１から放射する超音波の振幅
を最も高くし、徐々に周辺部に行くにしたがって、背面
負荷２２ｂ，２２ｃ，…２２ｎの音響インピーダンスを
大きくし、最外部に設ける背面負荷２２ｎの音響インピ
ーダンスは最も大きいものを用いる。従って、圧電振動
子２１の配列方向とほぼ直角の方向における超音波信号
の振幅の分布は、中央部が最も高く最外部が最も小さく
なり、重みづけをすることができる。この背面負荷２２
の音響インピーダンスの値を選択することにより、図２
に示した、それぞれの重みづけ窓関数にすることが可能
となる。

【００２５】従って、圧電振動子２１の配列方向とほぼ
直角方向に対して振幅の重みづけを行うことができ、サ
イドローブレベルを小さくして分解能の高い超音波画像
を得ることができる。

【００２６】なお、本実施例においては、圧電振動子２
１として圧電セラミックを用いた場合について説明した
が、その他、圧電セラミックと有機物の複合圧電体、Ｐ
ＶＤＦのような高分子圧電体を用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、背面負荷２２
をそれぞれの音響インピーダンスを有した層状のものを
用いた場合について説明したが、その他、ゴムや合成樹
脂に充填する金属粉やマイクロバルーンなどの材料を中
央から周辺に向けて分布させて音響インピーダンスを連
続的に変えたものを用いても同様の効果が得られる。

【００２８】また、本実施例においては、圧電振動子２
１として圧電振動子２１の配列方向とほぼ直角方向から
放射される超音波振幅が同じ、すなわち重みづけなしの
ものを用いた場合について説明したが圧電振動子自身に
も重みづけできるようにしたものを用いると一層その効
果が得られる。

【００２９】また、本実施例においてはたんざく状の圧
電振動子を複数個配列した場合について説明したが、１
つの圧電体上に複数の分割電極を配列した構成とするこ
ともできる。

【００３０】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
は、圧電振動子と前記圧電振動子の被検体に接する側と
反対側に設けられた背面負荷を有し、前記圧電振動子の
中央部から周辺部に行くにしたがって、前記背面負荷の
音響インピーダンスの値を可変したものを設けているの
で、圧電振動子から被検体側に放射させる超音波の振幅
に分布をもたせることができ、サイドローブレベルを低
減した超音波ビームを形成でき、より高分解能の超音波
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
断面図

【図２】代表的な窓関数図

【図３】（ａ）は重みづけなしの指向特性図（ｂ）はＨ
ａｍｍｉｎｇ関数重みづけ時の指向特性図

【図４】背面
負荷の音響インピーダンスと感度との関係図

【図５】（ａ）はエポキシ樹脂／タングステン／マイク
ロバルーン複合体の音響インピーダンス特性図（ｂ）は
塩化ビニル／タングステン複合体の音響インピーダンス
特性図

【図６】本発明の第２の実施例における超音波探触子の
一部切欠きを有する斜視図

【図７】従来の超音波探触子の概略を示す斜視図

【符号の説明】

１１，２１　　圧電振動子１２，２２　　背面負荷２３　　音響整合層２４　　音響レンズ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】音波を送受信する圧電振動子と、前記圧電
振動子の被検体に接する側と反対側に設けられた背面負
荷とを備え、前記圧電振動子の中央部から周辺部に行く
に従って、前記背面負荷の音響インピーダンスの値を可
変したことを特徴とする超音波探触子。
【請求項２】少なくとも複数個に配列した圧電振動子ま
たは複数個に電極を配列した圧電振動子と、前記圧電振
動子の被検体に接する側と反対側に設けられた背面負荷
と前記複数個に配列した圧電振動子若しくは複数個に電
極を配列した圧電振動子の配列方向に、ほぼ直角な方向
に対して圧電振動子の中央部から周辺部に行くにしたが
って背面負荷の音響インピーダンスの値を可変したこと
を特徴とする超音波探触子。
【請求項３】圧電振動子が圧電セラミック、圧電セラミ
ックと有機物の複合圧電体、高分子圧電体のいずれかで
あることを特徴とする請求項１または請求項２記載の超
音波探触子。
【請求項４】圧電振動子の中央部で背面負荷の音響イン
ピーダンスを最も小さく、周辺部に行くにしたがって、
背面負荷の音響インピーダンスを徐々に大きくなるよう
にしたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の
超音波探触子。
【請求項５】背面負荷が音響インピーダンスの違う材料
を積層したものであることを特徴とする請求項１または
請求項２記載の超音波探触子。
【請求項６】背面負荷がゴムまたは合成樹脂に金属粉も
しくはマイクロバルーンを充填させ、充填量を場所的に
異ならせたものであることを特徴とする請求項１または
請求項２記載の超音波探触子。
【請求項７】圧電振動子を重みづけした請求項１または
請求項２記載の超音波探触子。