JPH0464692B2 - - Google Patents

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JPH0464692B2
JPH0464692B2 JP57144060A JP14406082A JPH0464692B2 JP H0464692 B2 JPH0464692 B2 JP H0464692B2 JP 57144060 A JP57144060 A JP 57144060A JP 14406082 A JP14406082 A JP 14406082A JP H0464692 B2 JPH0464692 B2 JP H0464692B2
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JP
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acoustic
acoustic matching
piezoelectric vibrator
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JP57144060A
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JPS59135048A (ja
Inventor
Hideo Adachi
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Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
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Publication date
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  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
この発明は超音波診断装置において超音波の送
受信を行なう超音波探触子に関するものである。 最近、超音波技術の進歩はめざましく、医学領
域において診断、治療の両面にわたつて活発な研
究が行なわれている。 超音波診断法は電気音響変換素子である圧電振
動子を有する探触子を直接あるいは水袋等を介し
て体表に接触させた状態で探触子を駆動し、超音
波を極短時間だけ断続的に体内に向けて放射させ
る。このとき超音波が人体組織の中を伝搬する途
中で組織や臓器は種類によつて音響特性(媒体の
密度と音速との積)が異なるため、固有インピー
ダンスの異なる組織の境界面で超音波の一部が反
射して返つてくる。この超音波エコーを送信時に
使用した同一探触子で受信し、これを処理して超
音波断層像を得る。 今日、メカニカルスキヤン方式の超音波診断装
置に用いられる超音波探触子を第1図により説明
する。図において1は圧電振動子で、この圧電振
動子1の両板面に銀やニツケル等を蒸着等の手段
を用いて信号側電極とアース側電極を形成する。
このアース側電極側にλ/4音響整合層2を、ま
た信号側電極側にダンピング層3を設ける。 この探触子においては、感度すなわち受信エネ
ルギーと送信エネルギーの比が大い程良く、また
超音波の波型はパルス幅が短い程すなわち広帯域
な特性を有する程好ましい。この好ましい特性を
もたせるには基本的に2つの方法がある。 第1は、大きなダンピング特性を有するダンピ
ング層を用いることである。このダンピング層3
の理想的な性質は音響インピーダンスを圧電振動
子1の音響インピーダンスに等しくして、ダンピ
ング層3と圧電振動子1との境界面での反射をな
くすことと、入射した超音波をダンピング層3内
で減衰させることである。以上の条件を満足させ
るようなダンピング材として、エポキシ樹脂また
は塩化ビニール樹脂に比重19.1のタングステン粒
体等を分散させることにより、音響インピーダン
スがz=25×106Kg/m-2sec-1程度、超音波の減
衰は1MHzで1cmあたり20dB程度のものが得られ
る。第2は、有効な音響整合層を用いることであ
る。この音響整合層の理想的な性質は被検体の音
響インピーダンスをZOT圧電振動子の音響インピ
ーダンスをZPとしたとき音響整合層の音響インピ
ーダンスz1=√OTPの関係を満足することに
より、広帯域、高感度な特性のものを得ることが
できる。このときz1=√OTP=√1.5×106×33
×106=7.03×106Kgm-2sec-1程度の値を示す好材
料として、カルコゲナイドガラス例えば硫化セレ
ン化砒素ガラスの様な材料が開発されているが、
この材料は安定性や毒性の面で人体を診断する探
触子には好ましくない。従つて現状では、材料の
安定性、無毒性の条件を満足しながら、z=7.0
×10Kgm-2sec-1程度の音響インピーダンスを有
する音響整合材料は無いといえる。 次に有効な音響整合層を得るために第2図およ
び第3図に示すように音響整合層を2層に分割し
た超音波探触子が開発された。第2図および第3
図において、11はPzT圧電振動子、12は例え
ば音響インピーダンスz1=13×106Kgm-2sec-1
有する熔融石英を超音波の波長の1/4の厚さに成
形した第1音響整合層、13は例えば音響インピ
ーダンスz2=2.9×106Kgm-2sec-1のエポキシ樹脂
を超音波の波長の1/4の厚さ寸法に形成した第2
音響整合層、14はエポキシ樹脂にタングステン
粉末を分散させて成形したダンピング層、15は
アレイトランスデユーサを構成するために圧電振
動子11、第1音響整合層12、第2音響整合層
13をダイヤモンドカツタにより切り込みを入れ
て形成したギヤツプ、16は第2音響整合層13
の上面に設けられ超音波ビームを集束させるシリ
コンレンズである。 この場合は音響整合層の理想的な性質は被検体
の音響インピーダンスをZOT、圧電振動子11の
音響インピーダンスz1と第2音響整合層13の音
響インピーダンスz2にz1/z2=√P OTの関係
を満足することにより、広帯域および高感度な特
性のものを得ることができる。 この条件を満すために、例えば第1音響整合層
12に音響インピーダンスz1=13×106Kgm
-2sec-1の熔融石英を、第2音響整合層13に音
響インピーダンスz2=2.9×106Kgm-2sec-1のエポ
キシ樹脂を用いればz1/z2=4.5となり、この値
は√P OT=√33×10615×106=4.7に近い値
となるため、理想的に近い2層整合層型の探触子
を実現させることができる。 しかしながら、セクタースキヤン用のアレイ型
探触子を内視鏡的に用いる場合、体内に探触子を
挿入する必要上、探触子を超小型に形成しなけれ
ばならない。このとき、各振動子素片にグレーテ
イングクローブを発生させない条件として d/λ<1/1+lsinθ0/2l d:各振動子素片の中心間隔 λ:超音波の波長 θ0:走査角度 上式を満足させなければならない。 例えば走査角度θ0=90゜、超音波の周波数f=
5MHz被検体の音速を1500m/secと設定した場
合、超音波の波長はλ=0.3mmとなる。これらの
数値を上式に代入すると、各振動子素片のピツチ
はd<0.175mmとなる。このため、振動子素片の
幅寸法を0.125mm程度に取ると各振動子素片のギ
ヤツプ15は0.175−0.125=0.05mmになる。 このように各振動子素片間の間隙寸法が小さく
なると第1図で説明したように電極で各振動素片
の分極を行なうものにおいては、各振動子素片間
のクロストークが大きくなるために、精度の良い
画像を得ることができなくなる。このクロストー
クを通常必要とされる−30dB以下で実現させる
ためには、第3図に示すように各振動子素片間に
ギヤツプ15を形成することにより解決すること
ができる。 しかも、この動作周波数を高くして分解能の高
い像を得るためには各素子間のピツチを小さくす
る必要がある。 ギヤツプ15の作成には通常刃厚の薄いダイヤ
モンドカツタを用いる。精密切断用のダイヤモン
ドカツタの刃は通常精製されたダイヤモンドパウ
ダーを錫、鉛、亜鉛等からなる合金に分散させて
ボンドにより成型するか、またはダイヤモンドパ
ウダーをレジンボンドにより成型する。これらの
ダイヤモンドカツタを用いて第1音響整合層12
にギヤツプ15を形成すると、石英ガラスまたは
フリントガラス等からなる第1音響整合層12に
亀裂が生じる。ガラスは脆い性質があるため、第
1音響整合層12にカツタが割り進むと、亀裂が
深くまで進み振動子素片が欠けてしまうことがあ
る。このように各圧電素片が欠けてしまうと、探
触子の特性が著しく損なわれるとともに、ギヤツ
プが均一になり好ましくない。 以上の理由からダイヤモンドカツタと被切断材
料の適合性から考えて石英ガラスまたはフリント
ガラス等は4〜5MHz以上のセクタスキヤン用超
音波探触子の音響整合層としてその加工性が問題
になる。 この発明は上記の問題点に鑑みなされたもの
で、圧電振動視、ダンピング層、第1および第2
音響整合層により構成される超音波探触子におい
て、快削性の結晶化ガラスを用いて第1音響整合
層を形成することにより、感度が大きく、帯域幅
の広いしかも加工性の優れた超音波探触子を提供
しようとするものである。 以下図面を参照してこの発明の一実施例を説明
するが、この発明は材料の特性を有効に利用する
ものであるから、基本的な構造は従来の探触子と
同一である。このため、説明には第2図および第
3図を併用し、説明の便宜上同一部分に同一符号
にダツシユを付記して従来例と区別する。 第2図において11′は音響インピーダンスZp
=33×106Kgm-2sec-1のPzT圧電振動子で、この
圧電振動子11′の一方の板面に単結晶物質例え
ば音響インピーダンスz1=14.4×106Kgm-2sec-1
の快削性の結晶化ガラスを超音波波長λの1/4の
厚さ寸法に形成して第1音響整合層12′を設け
る。さらに第1音響整合層12′の上に音響イン
ピーダンスz2=3.14×106Kgm-2sec-1のエポキシ
樹脂を超音波波長λの1/4の厚さ寸法に形成して
第2音響整合層13′を設ける。そして圧電振動
子11′の他方の板面にエポキシ樹脂にタングス
テン粉末等を分散させて成形したダンピング層1
4′を設ける。ここで第3図に示すように圧電振
動子11′、第1音響整合層12′第2音響整合層
13′をダイヤモンドカツタを用いて d<λ/1+lsin(θ0/2)l 上式を満たす条件で等間隔に切り込みを入れて
ギヤツプ15′を形成する。次に第2音響整合層
13′の上面に超音波ビームを集束させるシリコ
ンレンズ16′を設ける。 第1表にこの実施例に用いられる各素材の特性
を示す。
【表】 次にこの発明で用いられる快削性の結晶化ガラ
スについて説明する。ここで用いられる快削性の
結晶化ガラスはSiO2(46wt%)、Al2O3(16wt%)、
MgO(17wt%)、K2O(10wt%)、F(4wt%)、
B2O3(7wt%)を成分とし、これらの混合物を溶
融して型に入れて冷却し、目的の形状にし、これ
を加熱し結晶化させて得たもので、母材のホウケ
イ酸ガラスの中に均一に合成雲母の微結晶がラン
ダムに成長した構造をなしている。 このように快削性の結晶化ガラスは母材のホウ
ケイ酸ガラスの中にランダムにからみ合つた雲母
結晶が分散しているため、ダイヤモンダカツタの
刃先が第1音響整合層12′を切削して割り進む
ときに、母材に亀裂が生じる。このとき亀裂は雲
母結晶にて阻止され、第1音響整合層15′の内
部まで進まずに切削部分だけに集中し、しかも粉
末状の切粉を生じながら切断して行く切削加工性
の良い切断機構であるので、従来のものに比べて
ギヤツプの間隙寸法を正確に抑えることができる
とともに各振動子素片の開口寸法を正確に割り出
すことができるため、探触子の特性を従来のもの
に比べて良好にすることができる。しかも加工性
が良いため、精度および生産性を向上させること
ができる。 この二層整合層型の場合、先に述べたように
z1/z2=√P OTの関係を満足することにより、
広帯域および高感度な特性を得ることができる。
しかも各音響整合層12′,13の厚みを1/4λに
することにより、整合効果を最も良好にすること
ができる。 したがつて、この条件を満たすために第1音響
整合層12′に快削性の結晶化ガラスを、また第
2音響整合層13′にエポキシ樹脂を用いると
z1/z2=14.4×106/3.12×106=4.59となる。この
値は圧電振動子11′の音響インピーダンスZp=
33×106Kgm-2sec-1、被検体の音響インピーダン
スZOT=1.5×106Kgm-2sec-1とすると、√P OT
=√33×1061.5×106=4.69の値にほぼ一致する
ため、理想的に近い2層整合層型の探触子を実現
することができ広帯域におよび高感度な特性のも
のを得ることができる。 なお、この発明は上記実施例に限定されるもの
ではなく、要旨を変更しない範囲において種々変
形して実施することができる。 以上述べたようにこの発明によれば、圧電振動
子、ダンピング層、第1および第2音響整合層に
より構成される超音波探触子において、快削性の
結晶化ガラスを用いて第1音響整合層を形成する
ことにより、感度が大きく、帯体幅の広いしかも
加工性の優れた超音波探触子を提供することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来の単一整合層型超音波探触子の概
略的な構成を示す断面図、第2図および第3図は
従来およびこの発明の実施例における2層整合層
型の基本的構造を示し第2図は斜視図、第3図は
要部を拡大して示す断面図である。 1……圧電振動子、2……λ/4音響整合層、
3……ダンピング層、11,11′……PzT圧電
振動子、12,12′……第1音響整合層、13,
13′……第2音響整合層、14,14′……ダン
ピング層、15,15′……ギヤツプ、16,1
6′……シリコンレンズ。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 圧電振動子と、この圧電振動子の一方の面に
    設けられたダンピング層と、上記圧電振動子の他
    方の面に設けられ少なくとも一層は快削性の結晶
    化ガラスで形成される音響整合層とからなること
    を特徴とする超音波探触子。 2 上記の音響整合層は音響インピーダンスがZ
    1の第1音響整合層と、音響インピーダンスがZ
    2の第2音響整合層とからなり、上記圧電振動子
    の音響インピーダンスをZP、被検媒体の音響イン
    ピーダンスをZOTとしたときに、これら音響イン
    ピーダンスの間に、Z1/Z2=ZP/ZOTの関係
    を有することを特徴とする特許請求の範囲第1項
    記載の超音波探触子。 3 上記第1音響整合層の音響インピーダンスを
    Z1が、10〜20kgm-2sec-1であることを特徴と
    する特許請求の範囲第2項記載の超音波探触子。 4 上記第1音響整合層は、母材のホウケイ酸ガ
    ラスの中に均一に合成雲母の微結晶がランダムに
    成長した構造をもつ快削性の結晶化ガラスからな
    ることを特徴とする特許請求の範囲第2項記載の
    超音波探触子。
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