JPH0546217B2

JPH0546217B2 -

Info

Publication number: JPH0546217B2
Application number: JP60023877A
Authority: JP
Inventors: Takayoshi Saito; Masami Kawabuchi
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1985-02-08
Filing date: 1985-02-08
Publication date: 1993-07-13
Also published as: JPS61181447A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、医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。

従来の技術最近、超音波探触子が医用超音波診断装置など
の分野で盛んに利用されるようになつてきた。

従来の超音波探触子としては、例えば特開昭57
−97300号公報に記載されている構成が知られて
いる。以下、第３図を参照して従来の超音波探触
子について説明する。圧電振動子１０１は複数個
に配列され、振動方向に電極（図示せず）を有
し、電極から電気端子（図示せず）が取り出され
ている。この圧電振動子１０１の一面側に背面負
荷材１０２が設けられ、圧電振動子１０１の他面
側には第１の音響整合層１０３が設けられ、圧電
振動子１０１間の溝１０４には充填材１０５が充
填されている。第１の音響整合層１０３上の被検
体側には第２の音響整合層１０６が設けられ、こ
の第２の音響整合層１０６上には音響レンズ１０
７が設けられている。音響整合層は一層の場合も
ある。

而して圧電振動子１０１の電極に外部から制御
された電気信号を印加することにより超音波１０
８を音響レンズ１０７側から矢印方向に放射する
ようになつている。

発明が解決しようとする問題点このような超音波探触子において前記音響整合
層１０３，１０６は、超音波を能率よく被検体に
伝達させることを目的として設けられたものであ
り、具体的には圧電振動子１０１の音響インピー
ダンスと被検体の音響インピーダンスとを整合さ
せる作用を司る。この音響整合層１０３，１０６
の材料としてどのようなものを選べばよいかとい
うことに関しては既に種々提案されている。例え
ばイー・ケー・シツテイング著の論文アイ・イ
ー・イ・イー・トランスアクシヨンズオンソニ
ツクスアンドウルトラソニツクス 14巻４
号 167ページ（Ｅ・Ｋ・Sitting著の論文IEEE
TRANAC−TIONS ON SONICS AND
ULTRASONICS Vol・14 NO.4・P167）
（1967）では、種々の圧電材料及び音響整合層材
料について挿入利得（以下I.Gと略す）と微分位
相（D.Pと略す）を用いて探触子としての性能評
価をし、望ましい圧電材料と音響整合層材料の組
み合せを求める手法が示されている。なお、この
場合、I.Gは電気機械変換能率を示す目安であり、
これが大きいほど能率、即ち感度が良いことにな
る。またＤ・Ｐは探触子で変換される信号の歪み
の多少に係る数字であり、周波数変化に対する
Ｄ・Ｐの値の変化が少ないほど信号の歪みが少な
くなる。

Sittigによつて提案された方法によつて、種々
の材料の組み合せについて検討した結果、音響整
合層と圧電振動子については、二層の音響整合層
構造の場合、PZT系圧電セラミツク振動子１０
１を使つた時の第１の音響整合層１０３は音響イ
ンピーダンスが被検体の音響インピーダンスの
2.5〜9.5倍の材料、第２の音響整合層１０６は音
響インピーダンスが被検体の音響インピーダンス
の1.6〜2.7倍の材料が良いとされている。具体例
として被検体に水、或はそれと等価な物質、例え
ば生体を考えた場合は、第１の音響整合層１０３
に溶融石英板、第２の音響整合層１０６にエポキ
シ樹脂板の組み合せを用いることが示されてい
る。これらの音響整合層は一般に各音響整合層を
伝搬する音波の波長の４分の１の厚みのものが用
いられている。

そして圧電セラミツク振動子１０１を使つた生
体用の探触子に使用される二層音響整合層の時の
第１の音響整合層１０３は、音響インピーダンス
が８×10⁵〜15×10⁵ｇ／cm²・Ｓの材料が用いられ
ている。

この第１の音響整合層１０３には、従来、一般
的にタングステン粉を混入したエポキシ樹脂を用
いている。この場合、音響インピーダンスを任意
に選択でき、機械的強度も強いという長所を有す
るが、この材料の音速は1600ｍ／sec以下と遅い
ため、超音波探触子が高周波化してくると非常に
薄くなる。例えば5MHzの周波数では80ミクロン
となり、製作が困難になるという問題点を有して
いる。また第１の音響整合層１０３の材料にガラ
スを用いた場合は、音響インピーダンスは11×
10⁵〜15×10⁵ｇ／cm²・Ｓであり、適当な値となる
反面、機械的強度が弱いため、製作工程中での破
損などがあり、取り扱いが困難であるという問題
を有している。

一方、背面負荷材１０２として要求される特性
は、(1)硬度が高いこと。(2)均一であること。(3)音
波減衰係数が大であること。(4)所定の音響インピ
ーダンス値を持つことである。(1)項は、圧電振動
子１０１面の機械的強度及び圧電振動子１０１の
配列精度に係る特性で硬度が低いと機械的破損、
或は圧電振動子１０１の配列精度の低下による音
場特性の乱れと、それによる超音波画像特性の劣
化を生じる。(2)項は探触子特性の均一性に係る。
(3)項は背面負荷材１０２自身の形状寸法、重量に
係り、音波減衰係数が小さいと背面負荷材を大型
にしなければならず、探触子寸法が大型化し、重
量も重くなる。(4)項は探触子の感度に係る特性
で、音響インピーダンスが大であると結果として
感度が低下する。この背面負荷材１０２には従
来、一般にタングステン粉を混入したプラスチツ
ク材やフエライト粉を混入したゴム材等のように
比較的硬く、しかも音波減衰が大きいもの、若し
くはマイクロバルーンを混入したウレタンゴムな
どのような音響インピーダンスが1.8×10⁵ｇ／
cm²・Ｓ前後と小さいものが用いられている。

而してタングステン粉を混入したプラスチツク
材を背面負荷材１０２として用いた場合、硬度特
性は優れており、予め圧電振動子１０１を背面負
荷材１０２に接着し、然る後に圧電振動子１０１
を短冊状に切断する場合の作業性を向上させるこ
とができるが、音響インピーダンス値が６×10⁵
〜30×10⁵ｇ／cm²・Ｓと比較的高く、音波減衰係
数が小さい。またフエライト粉を混入したゴムの
場合は、タングステン粉を混入したプラスチツク
材に比べて音波減衰係数は大きい（3MHzで約
8dB／mm）が、硬度特性が若干劣る。またマイク
ロバルーンを混入したウレタンゴムの場合は、前
記２種類の材料に比べて音響インピーダンスを低
くすることができ、感度の劣化を防止してダイナ
ミツクレンジを広くとることができ、流し込み成
形を行うことができる利点を有する反面、音波減
衰係数が3MHzで2.5dB／mmと小さい等の問題点
があり、それぞれの材料に一長一短あるのが現状
である。

更に、探触子特性の向上、或は小型、軽量化に
対応するためには、上記特性値の一層の向上が必
要である。そのため従来のそれぞれの背面負荷材
の持つ特性値と同等乃至はそれ以上の特性を全て
具備した材料の開発もまた大きな課題であつた。

そこで、本発明は、以上のような従来の問題点
を解決するため、圧電振動子側の第１の音響整合
層の機械的強度を向上させて圧電振動子面の破損
を防止することができ、しかも高い周波数におい
ても容易に製作することができ、また高効率化を
図ることができ、また背面負荷材を薄く形成する
ことができて全体の小型、軽量化を図ることがで
き、更にはクロストークを防止して高分解能化を
図ることができるようにした超音波探触子を提供
しようとするものである。

問題点を解決するための手段そして上記問題点を解決するための本発明の技
術的な手段は、両面に電極を有した圧電振動子
と、この圧電振動子の一面側に前記電極を介して
設けられた背面負荷材と、前記圧電振動子の他面
側に前記電極を介して設けられた第１の音響整合
層と、この第１の音響整合層上に設けられた第２
の音響整合層とを備え、前記背面負荷材はエポキ
シ樹脂にタングステン粉とプラスチツク中空体が
混入されて形成され、前記第１の音響整合層はエ
ポキシ樹脂に磁性体粉末が混入されているもので
ある。

作用本発明は、上記の構成により、圧電振動子側の
第１の音響整合層の機械的強度を向上させること
ができ、音響インピーダンスも第１の音響整合層
として良いとされている８×10⁵〜15×10⁵ｇ／
cm²・Ｓの範囲内の値に設定することができ、高効
率化を図ることができ、音速も2500ｍ／secと従
来のタングステン粉を混入したエポキシ樹脂の音
速（1600ｍ／sec）より速くなり、高い周波数で
も必要以上に薄くしなくてよいので容易に製作す
ることができる。また背面負荷材は従来の全ての
背面負荷材の持つ硬度、音波減衰係数と同等かそ
れ以上の特性を有し、特に音波減衰係数が大きい
ので、薄くして全体の小型化、軽量化を図ること
ができる。また音響インピーダンスも任意に選択
できるため、探触子に要求される特性（感度）に
応じて選択使用することができる。

従つて均一で高効率、高分解能の特性を有し、
且つ小型、軽量で信頼性の高い超音波探触子を得
ることができる。

実施例以下、本発明の一実施例について図面を参照し
て詳細に説明する。第１図は斜視図、第２図はそ
の断面図であり、圧電振動子１の両面に電極８，
９が蒸着、或は焼付け等により設けられている。
この圧電振動子１の一方の電極９面に電気端子
（図示せず）が半田付等により取り付けられてい
る。この電気端子を取り付けた電極９面と反対側
の電極８面に第１の音響整合層３がエポキシ樹脂
等の接着剤により接着、或は流し込み手段によつ
て形成され、この第１の音響整合層３は４分の１
波長の厚みに形成されている。この第１の音響整
合層３の材料として磁性体粉末を混入したエポキ
シ樹脂を用いる。例えば、エマーソン・アンド・
カミング社製電波吸収材料（ECCOSORB
CR124）を用いた場合、音響インピーダンスは11
×10⁵ｇ／cm²・Ｓ、音速は2500ｍ／secで、60℃、
12時間で硬化する。圧電振動子１における前記電
気端子を取り付けた電極９面側には背面負荷材２
が接着等の手段により設けられている。この背面
負荷材２の材料として熱硬化性樹脂であるエポキ
シ樹脂にタングステン粉とプラスチツク中空体
（マイクロバルーン）を混入したものを用いる。
例えば、タングステン粉末をエポキシ樹脂に対し
て重量比で250％、プラスチツク中空体をエポキ
シ樹脂に対して重量比で３％、それぞれエポキシ
樹脂に混入した場合、音響インピーダンスは３×
10⁵ｇ／cm²・Ｓ、音波減衰係数は3MHzで26dB／
mm、硬度はシヨアＤで85以上の特性を得ることが
できる。

前記第１の音響整合層３と圧電振動子１は機械
加工などにより複数個に分割されている。即ち、
第１の音響整合層３と圧電振動子１は溝４を存し
て複数個配列されている。第１の音響整合層３上
にはエポキシ樹脂等よりなり、音響インピーダン
スが2.5×10⁵〜４×10⁵ｇ／cm²・Ｓの第２の音響
整合層６が接着、或は流し込み等の手段により形
成され、この第２の音響整合層６は４分の１波長
の厚みに形成されている。圧電振動子１及び第１
の音響整合層３を複数個に分割加工した溝４に
は、第２の音響整合層６を接着する時のエポキシ
樹脂などの接着剤、若しくはエポキシ樹脂に必要
に応じてシリコンカーバイト粉等の粉体が混入さ
れたものよりなる充填材５が充填されている。

第２の音響整合層６上には音波を集束するため
のシリコンゴム等よりなる音響レンズ７が接着等
の手段により設けられている。

而して前記実施例の第１の音響整合層３は機械
的強度が向上して信頼性が高くなると共に、音響
インピーダンスも11×10⁵ｇ／cm²・Ｓで音響整合
条件を満しているために高効率化を図ることがで
き、また音速が2500ｍ／ｓであるので、5MHzの
探触子でも125ミクロンの厚みとなり、十分形成
が可能となる。

また圧電振動子１の付着している面と対向して
いる背面負荷材２の端面から不要な音波を無く
し、広い信号のダイナミツクレンジを得るために
は、音波減衰係数の大きい背面負荷材が望まし
く、例えば、ダイナミツクレンジを150dB必要と
した場合、前記実施例のように背面負荷材２を音
波減衰係数26dB／mmの材料で形成することによ
り背面負荷材２端面からの反射を無くすには、そ
の厚みを2.9mm以上にすれば良く、音波減衰係数
のみで比較したとしても、従来のウレタンゴムを
母材とした背面負荷材の場合に要する37.5mm以上
の厚み及びフエライトゴムの場合に要する8.3mm
以上の厚みに比べて探触子の大幅な小型化、軽量
化を実現することができる。

また圧電振動子１、第１の音響整合層３を複数
個に分割加工した溝４に前記実施例の如き充填材
５を充填することにより不要な幅振動モードの音
波を抑制すると共に、隣接する圧電振動子１への
音響的なクロストークを小さくすることができ
る。

要するに前記実施例によれば、第１の音響整合
層３が磁性体粉末を混入したエポキシ樹脂により
形成され、背面負荷材２が音波減衰係数が大き
く、硬度が高く、しかも、３×10⁵ｇ／cm²・Ｓの
音響インピーダンスを有するタングステン粉とプ
ラスチツク中空体を混入したエポキシ樹脂により
形成され、更に圧電振動子１と第１の音響整合層
３の各溝４に必要に応じシリコンカーバイト粉を
混入したエポキシ樹脂により形成された充填材５
が充填されている。従つて前記実施例の探触子
は、機械的強度が高くなり、信頼性が高く、また
均一で高効率、高分解能の特性を有し、また大幅
に小型、軽量にできる。

なお、前記実施例においては、圧電振動子１を
直線状に配列した、所謂アレイ型超音波探触子に
適用した場合について述べたが、本発明の、この
他、２次元配列型探触子や弧状配列型超音波探触
子等、種々の形式の超音波探触子に適用できるこ
とは明らかである。

発明の効果以上の説明より明らかなように本発明によれ
ば、両面に電極を有した圧電振動子と、この圧電
振動子の一面側に前記電極を介して設けられた背
面負荷材と、前記圧電振動子の他面側に前記電極
を介して設けられた第１の音響整合層と、この第
１の音響整合層上に設けられた第２の音響整合層
とを備え、前記背面負荷材はエポキシ樹脂にタン
グステン粉とプラスチツク中空体が混入して形成
し、前記第１の音響整合層はエポキシ樹脂に磁性
体粉末を混入したことにより、第１の音響整合層
は機械的強度が高く、さらに音響インピーダンス
も十分な整合条件を満足することができるので、
極めて高効率の探触子を得ることができる。

また、背面負荷材は音波減衰係数を大きくする
ことができるので、自身の厚さを薄くすることが
でき、探触子全体を大幅に小型化、計量化するこ
とができる。しかも硬度に優れ、圧電振動子を精
度よく均一に配列することができる。従つて均一
な特性を有した探触子を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の超音波探触子の一
実施例を示し、第１図は一部斜視図、第２図はそ
の−矢視断面図、第３図は従来の超音波探触
子の一部斜視図である。１……圧電振動子、２……背面負荷材、３……
第１の音響整合層、４……溝、５……充填材、６
……第２の音響整合層、７……音響レンズ、８，
９……電極。

Claims

【特許請求の範囲】

１両面に電極を有した圧電振動子と、この圧電
振動子の一面側に前記電極を介して設けられた背
面負荷材と、前記圧電振動子の他面側に前記電極
を介して設けられた第１の音響整合層と、この第
１の音響整合層上に設けられた第２の音響整合層
とを備え、前記背面負荷材はエポキシ樹脂にタン
グステン粉とプラスチツク中空体が混入されて形
成され、前記第１の音響整合層はエポキシ樹脂に
磁性体粉末が混入されていることを特徴とする超
音波探触子。