JPH07184296A

JPH07184296A - 超音波探触子

Info

Publication number: JPH07184296A
Application number: JP5324621A
Authority: JP
Inventors: Takayoshi Saito; 孝悦斉藤; Fusako Kikuchi; 総子菊地
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1993-12-22
Filing date: 1993-12-22
Publication date: 1995-07-21
Anticipated expiration: 2013-10-27
Also published as: JP2814903B2

Abstract

(57)【要約】【目的】方位方向および距離（深さ）方向の分解能の
高い超音波画像を得ることができる。【構成】圧電振動子１の超音波送受信側の面に、開口
部の外端部の一部を除いた領域で第１の音響整合層５を
外縁側に至るに従い、次第に薄くなるように設ける。圧
電振動子１の外端部および第１の音響整合層５の前面に
第２の音響整合層６を設ける。第１の音響整合層５は開
口部の外端部側に存在しないので、圧動振動子１の開口
部の中心付近の音圧が高く、外端部側の音圧が次第に低
くなり、音圧に重みづけしてサイドローブレベル低減
し、長焦点深度化を図り、しかも広帯域で正規分布に近
い周波数特性を得ることができる。

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
置などに用いる超音波探触子に関する。

【０００２】

【従来の技術】水や生体を対象としたソナーや超音波診
断装置等に用いる超音波探触子は、複数個の圧電振動子
をアレイ状に配列し、電子的に走査し、かつ電気的に超
音波ビームを集束させる方式が一般的となっている。走
査方向については電気的に超音波ビームを多段に集束さ
せることにより分解能を向上させることができるが、最
近、上記のように圧電振動子をアレイ状に配列した方向
と直交する方向においても分解能を向上させる方式が盛
んに研究されている。このような超音波探触子の例とし
て、特開平２−５１３９７５号公報に記載された構成が
知られている。以下、このような従来の超音波探触子に
ついて図面を参照しながら説明する。

【０００３】図７は従来の超音波探触子を音圧分布と共
に示す概略斜視図である。図７に示すように、圧電振動
子１１１の配列方向と直交する方向で、圧電振動子１１
１の分極を中央部から両端部方向に至るに従って階段状
に小さくなるように構成している。このように、圧電振
動子１１の分極の強さを変えることにより、圧電振動子
１１１の電気機械結合係数の値、すなわち、超音波の音
圧を中央部で最も大きくし、両端部方向に至るに従い、
電気機械結合係数の値、すなわち、超音波の音圧を次第
に小さくし、全体として音圧分布をもたせるようにした
ものである。したがって、圧電振動子１１１の配列方向
と直交する方向には音圧の重みづけ（アポダイジング）
を行なうことができ、不要となるサイドローブレベルを
低減し、しかも、焦点深度も長くできるという特徴を有
している。

【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では、圧電振動子１１１の配列
方向（走査方向）および直交する方向については分解能
を向上させることができるが、残る一方向の深さ方向の
分解能（距離分解能）については、これを向上させるこ
とができず、むしろ劣化する。すなわち、距離分解能
は、パルス応答のリンギングが短時間に早く納まるか否
かにより決められるものであり、このパルス応答のリン
ギングは、超音波探触子の周波数特性が広帯域で、正規
分布型のものほど短時間で納まり、距離分解能を向上さ
せることになる。しかしながら、従来のような圧電振動
子の電気機械結合係数を両端部に至るに従い低下させる
と、周波数特性の帯域を狭くすることになり、パルス応
答のリンギングは長くなり、距離分解能が劣化すること
になる。

【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、広い周波数特性を有し、パルス応答のリ
ンギングを短い時間で納めることができ、また、音圧分
布をもたせ、音圧に重みづけしてサイドローブレベルを
低減させ、焦点深度の長い超音波ビームを得ることがで
き、したがって、方位方向および距離（深さ）方向の分
解能の高い超音波画像を得ることができるようにした超
音波探触子を提供することを目的とするものである。

【０００６】

【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、超音波を送受信する圧電振動
子と、この圧電振動子の超音波送受信側の面に開口部の
外端部を除いた領域で設けられた第１の音響整合層と、
上記圧電振動子の外端部と上記第１の音響整合層の上に
上記圧電振動子の開口部全面となる領域で設けられた第
２の音響整合層とを備えたものである。

【０００７】そして、上記圧電振動子を超音波送受信方
向に対して凹面形状に形成し、上記第１の音響整合層を
中心付近で厚く、外端に至るに従い、次第に薄くなるよ
うな不均一の厚みに形成し、その最も厚くなる中心部の
厚みがほぼ４分の１波長の厚みとなるように設定するの
が好ましい。

【０００８】また、上記圧電振動子を平板状に形成し、
上記第１の音響整合層を不均一な厚みで凸面形状に形成
することができ、この第１の音響整合層の最も厚くなる
中心部の厚みがほぼ４分の１波長の厚みとなるように設
定し、また、第１の音響整合層を被検体の音速より遅い
材料で形成するのが好ましい。

【０００９】また、上記のように圧電振動子を平板状に
形成した場合において、第２の音響整合層上に音響レン
ズを備えることができ、この場合、第１の音響整合層を
被検体の音速と同じ、若しくは速い材料で形成するのが
好ましい。

【００１０】

【作用】本発明は、上記構成により、超音波を送受信す
る圧電振動子の開口部の中心付近の音圧を高くすること
ができ、外端部側に至るに従い、音圧を低くすることが
できるので、音圧に重みづけしてサイドローブレベルを
低減し、長焦点深度化を実現することができ、しかも、
広帯域で正規分布型に近い周波数特性を得ることができ
る。

【００１１】

【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。

【００１２】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、図２は同超音波探触子の音
圧分布図、図３は同超音波探触子の周波数特性図、図４
は同超音波探触子の超音波ビーム特性図である。

【００１３】図１において、１は圧電振動子であり、圧
電体２と、この圧電体２の両面全体に設けられ、圧電体
２に電気信号を与え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、被検体８方向に対して凹面
形状に形成されている。そして、電極３、４に電気信号
を印加することにより圧電体２が振動し、超音波を発生
する。本実施例では、圧電体２の両面全体に電極３、４
を設けることにより、圧電体２の全体が振動し、超音波
を発生するので、これが開口部となる。５は圧電振動子
１の超音波送受信側（前面側）である凹面側に設けられ
た第１の音響整合層であり、圧電振動子１の開口部に対
して中心部付近の領域にのみ配置され、両外端側の一部
には配置されない構成となっている。しかも、第１の音
響整合層３は、全体が均一な厚みではなく、中心付近で
最も厚く、両外端部に至るに従い、次第に薄くなる不均
一な厚みに形成されている。６は第１の音響整合層５お
よび圧電振動子１の凹面側の両外端部付近の上に設けら
れた第２の音響整合層であり、圧電振動子１の開口部全
面となる領域に配置された構成となっている。７は圧電
振動子１の背面側である凸面側に設けられたバッキング
材である。

【００１４】一例として、ＰｂＴｉＯ₃系などの圧電セ
ラミックスからなる圧電体２を曲率半径６０ｍｍ、開口
部幅９．８ｍｍであるシリンドリカル状で凹面形状に形
成し、この圧電体２の両面に金、若しくは銀からなる電
極３、４を蒸着、若しくは焼付けにより設けた。このよ
うに構成した圧電振動子１の凸面側にフェライトゴムな
どのバッキング材７を設け、超音波送受信側となる凹面
側に開口部の中心から開口部全体の約６３％（約６．２
ｍｍ）の幅（領域）まで第１の音響整合層５を設けた。
この第１の音響整合層５は開口部中心において最も厚く
なり、両外縁部に至るに従い、次第に薄くなる不均一な
厚みになるように形成した。

【００１５】なお、既に公知のように、圧電体２にはＰ
ＺＴ、ＰｂＴｉＯ₃系などの圧電セラミックを用い、被
検体８が水や生体であり、２層の音響整合層５、６を設
けたときの第１の音響整合層５には音響インピーダンス
が７〜１５ＭＲａｙｌの範囲の値の材料を用いることが
できる。本実施例における第１の音響整合層５として
は、音響インピーダンスが約１１ＭＲａｙｌの値で、音
速が約２５５０ｍ／ｓの値を有する材料を用い、最も厚
い中心部の厚みが約４分の１波長の厚みとなるように設
定した。

【００１６】第１の音響整合層５および第１の音響整合
層５が設けられていない両外端部付近の圧電振動子１の
上に第２の音響整合層６を約４分の１波長の厚みで形成
した。この第２の音響整合層６は音響インピーダンスが
約２．８ＭＲａｙｌの値で、音速が約２５８０ｍ／ｓの
値を有するエポキシ樹脂を用いた。このとき、図１から
わかるように、第２の音響整合層６における第１の音響
整合層５に対応する部分は、ほぼ均一の厚みで約４分の
１波長の厚みとなるが、両外端部の圧電振動子１上に設
けた部分の厚みは、外端部側に至るに従い、次第に薄く
なり、両外端部で厚みがほぼ０になっている。

【００１７】以上のように構成することにより、中心部
では、第１および第２の音響整合層５および６は厚みが
４分の１波長となっているため、最も効率良く超音波を
送受信できることになり、外端部に至るに従い、その厚
みは、まず、第１の音響整合層５が４分の１波長からず
れていくため、超音波送受信効率が低下していく。しか
し、まだ第２の音響整合層６が４分１波長の厚みである
ため、超音波送受信効率の低下は少ない。更に、外端部
に至ると、第１の音響整合層５がなくなり、第２の音響
整合層６のみとなるため、超音波送受信効率は更に低下
し、しかも、第２の音響整合層６の厚みが次第に薄くな
っていくため、この超音波送受信効率低下の傾向は更に
続き、両外端部で超音波送受効率が最も低下した状態と
なる。

【００１８】図１に示した本実施例の超音波探触子の凹
面形状方向に対する音圧（効率）の変化を測定すると、
図２に示す分布が得られた。なお、ここでの音圧は受信
電圧として表わしている。図２からも、前述したように
開口部中心付近が最も高く、外端部に至るに従って低下
するように変化していることが確認できる。このこと
は、音圧に分布をもたせていることを示しており、重み
づけ（アポダイジング）ができているということを意味
している。図２には、図１で示した第１の音響整合層５
と第２音響整合層６を開口部全面に均一の厚み（４分の
１波長）で構成したときの音圧分布を従来例として示し
ている。

【００１９】また、図１に示した本実施例の超音波探触
子の周波数特性を測定した結果、図３に示すように、広
帯域で正規分布型に近い特性が得られた。このことは、
パルス応答のリンギングが早く納まることを意味してお
り、距離方向の分解能を向上させることができる。な
お、ここで測定した周波数特性は、広帯域の周波数特性
を有するインパルス駆動で行い、水中下に設けたアルミ
ニウム反射板から反射した反射波を受信した特性を示し
ている。

【００２０】また、本実施例の超音波探触子の凹面形状
方向と深さ方向に対する音圧を測定し、−３、−６、−
１０ｄＢの各音圧レベルにおける超音波ビーム特性を図
４に示す。この測定は、水中下に設置したハイドロホン
で受信する方法で行った。図４から明らかなように、焦
点は７０ｍｍとなっているが、かなり細いビームに形成
されており、焦点深度が長くなっていることを示してい
る。

【００２１】このように本実施例の構成により超音波探
触子に音圧分布をもたせることが可能となり、音圧に重
みづけ（アポダイジング）することができ、長焦点深度
化が可能となり、しかも、広帯域で正規分布型の周波数
特性を得ることも可能となるため、方位方向および距離
方向の両分解能を向上させた超音波画像を得ることがで
きるようになる。

【００２２】なお、本実施例においては、第１の音響整
合層５を開口部に対して６３％となるように設けた場合
について説明したが、この比率に限定されるものではな
く、任意に比率を変えた場合においても、音圧に分布を
もたせることが可能であり、同様の効果が得られる。

【００２３】また、本実施例においては、圧電振動子１
をシリンドリカルの凹面形状に形成した場合についても
説明したが、このほか、球状の凹面形状にした場合につ
いても同様に音圧に分布をもたせることが可能であり、
同様の効果が得られる。

【００２４】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１をアレイ型に配列した、いわゆる電子走査型の場
合についても同様の効果が得られる。

【００２５】（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。

【００２６】図５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。図５において、１１
は圧電振動子であり、電圧体１２と、この圧電体１２の
両面全体に設けられた電極１３、１４とから構成され、
平板状に形成されている。圧電体１２としてはＰＺＴ系
や、ＰｂＴｉＯ₃系などの圧電セラミックが用いられ、
電極１３、１４としては金、銀などの材料が用いられ、
蒸着や焼付けなどにより圧電体１２の両面全体に設けら
れる。そして、電極１３、１４に電圧を印加することに
より、圧電体１２の全体が振動し、超音波を発生する。

【００２７】１５は圧電振動子１１の開口部の両外端部
付近の一部を除いた部分に設けられた第１の音響整合層
であり、中心付近の厚みが最も厚く、外端部に至るに従
い、次第に薄くなる不均一な厚みの凸面形状に形成され
ている。また、第１の音響整合層１５は圧電振動子１１
の開口部に対して６３％の割合となる領域で設けられて
いる。このときの第１の音響整合層１５には音響インピ
ーダンスが７〜１５ＭＲａｙｌの範囲の値で、音速が被
検体８である水や生体の音速（約１４８０〜１５４０ｍ
／ｓ）より遅い値の材料を用いる。これにより、第１の
音響整合層１５は凸面形状に形成しているため、被検体
８との音速差から音波が屈折し、被検体８の任意の距離
で超音波ビームが集束することになり、音響レンズとし
ての機能も有することになる。また、第１の音響整合層
１５の中心付近の最も厚くなる厚みは約４分の１波長の
厚みに設定することにより、広帯域で正規分布型の周波
数特性が得られるので望ましい。この第１の音響整合層
１５として、例えば、母材である塩化ビニル樹脂に対し
て重量比で９２の割合でタングステン金属粉末を混入
（充填）した材料を用いる。この材料の音響インピーダ
ンスは約１０ＭＲａｙｌ、音速は９８０ｍ／ｓの特性を
有しており、前述した望ましい特性の値を有している。

【００２８】１６は圧電振動子１１における第１の音響
整合層１５が設けられていない両外端部付近と第１の音
響整合層１５の上に設けられた第２の音響整合層であ
り、圧電振動子１１の開口部全面となる領域に配置され
る。また、第２の音響整合層１６は、第１の音響整合層
１５上に設けられる部分がほぼ均一な約４分の１波長厚
みに設定されるが、外端部の圧電振動子１１上に設けら
れる部分が、外端側に至るに従い、次第に薄くなる不均
一な厚みになるように設定されている。この第２の音響
整合層１６としては、上記第１の実施例と同じエポキシ
樹脂のような材料を用いる。

【００２９】１７は圧電振動子１１の背面に設けられる
バッキング材であり、フェライトゴムのような材料が用
いられる。

【００３０】このような構成の超音波探触子は、上記第
１の実施例の場合と同様の効果、すなわち、音圧に重み
づけを行うことが可能になるため、方位方向の分解能を
向上させることができ、かつ、広帯域で正規分布型の周
波数特性を得ることが可能となるため、距離方向の分解
能も向上させることができる。更に、圧電振動子１１を
平板状に形成しても、第１の音響整合層１５を凸面形状
に形成し、音速が被検体８より遅い材料を用いているた
め、音響レンズの機能ももたせることができる。したが
って、方位分解能もより一層向上させることが可能とな
る。

【００３１】なお、本実施例においては、第１の音響整
合層１５を開口部に対して６３％に設定した場合につい
て説明したが、この比率に限定されるものではなく、任
意に比率を変えた場合においても、音圧に分布をもたせ
ることが可能であり、同様の効果が得られる。

【００３２】また、本実施例においては、第１の音響整
合層１５上に設ける第２の音響整合層１６をほぼ均一な
厚みに設定した場合について説明したが、このほか、第
２の音響整合層１６を第１の音響整合層１５と同様に、
中心部が最も厚く、周辺部に至るに従い、次第に薄くな
るように形成した場合においても同様の効果が得られ
る。

【００３３】（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。

【００３４】図６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５に示す上記第２の実施例の構成および機能と同
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、異なる構成について説明する。

【００３５】図６に示すように、平板状の圧電振動子１
１の超音波送受信側の面に第１の音響整合層１５が圧電
振動子１１の開口部より小さい領域に設けられている。
この第１の音響整合層１５は、被検体８側に対して凸面
形状に形成され、中心部が最も厚く、両外端部に至るに
従い、次第に薄くなるように設定されている。本実施例
における第１の音響整合層１５としては、音響インピー
ダンスが７〜１５ＭＲａｙｌと上記第２の実施例と同じ
であるが、音速は上記第２の実施例とは逆に水や生体の
ような被検体８の音速と同等以上、好ましくは被検体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
〜１５ＭＲａｙｌの値を有し、しかも、音速が被検体８
より速い値の材料としては、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にフェラ
イト粉などを充填した種々の材料があり、選択性が広い
という長所を有している。これらの材料の音速は、約６
０００ｍ／ｓから２５００ｍ／ｓという広い範囲で分布
しており、用途、あるいは周波数によって自由に選択す
ることができる。また、第１の音響整合層１５の中心付
近の最も厚い部分の厚みは、上記第２の実施例と同様
に、約４分の１波長の厚みに設定する。

【００３６】このように音速が被検体８より速い材料
で、しかも、凸面形状に形成すると、音波の屈折により
被検体８で拡散することになる。

【００３７】圧電振動子１１の外端部および第１の音響
整合層１５の上に形成された第２の音響整合層１６の上
に、第２の音響整合層１６の曲率に沿って音響レンズ１
８が形成されている。この音響レンズ１８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を用いるのが望ましい。例え
ば、音響レンズ１８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
のものを用いることができる。そして、音響レンズ１８
における被検体８との接触面はほぼ平坦に形成されてい
る。

【００３８】このような本実施例の構成により、上記第
１の実施例と同様に音圧に重みづけすることができ、か
つ広帯域で正規分布型の周波数特性を得ることができ
る。また、第１の音響整合層１５で音波が拡散しても音
響レンズ１８によって被検体８内において超音波ビーム
を集束することができる。したがって、高分解能の超音
波画像を得ることが可能なる。

【００３９】なお、本実施例においては、第１の音響整
合層１５上に設けた第２の音響整合層１６の厚みをほぼ
均一の厚みに設定した場合について説明したが、このほ
か、第２の音響整合層１６を第１の音響整合層１５と同
様に中心部が最も厚く、外端部に至るに従い、次第に薄
くなるように形成し、しかも、最厚部の厚みが約４分の
１波長に設定した場合においても同様の効果が得られ
る。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、超
音波を送受信する圧電振動子と、この圧電振動子の超音
波送受信側の面に開口部の外端部を除いた領域で設けら
れた第１の音響整合層と、上記圧電振動子の外端部と上
記第１の音響整合層の上に上記圧電振動子の開口部全面
となる領域で設けられた第２の音響整合層とを備えてい
るので、中心部が最も高く、外端部に至るに従い、小さ
くなる音圧分布を持たせることができ、サイドローブレ
ベルを低減し、長焦点深度の超音波ビームパターンを形
成することができる。また、周波数特性も広帯域で単峰
性の特性を得ることができるので、パルス応答のリンギ
ングも短い時間で納めることができる。したがって、方
位方向および距離（深さ）方向の分解能が高い超音波画
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を
示す概略断面図

【図２】同超音波探触子の音圧分布図

【図３】同超音波探触子の周波数特性図

【図４】同超音波探触子の超音波ビーム特性図

【図５】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６】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７】従来の超音波探触子の一例を音圧分布とともに
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１１圧電振動子１２圧電体１３電極１４電極１５第１の音響整合層１６第２の音響整合層１７バッキング材１８音響レンズ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超音波を送受信する圧電振動子と、この
圧電振動子の超音波送受信側の面に開口部の外端部を除
いた領域で設けられた第１の音響整合層と、上記圧電振
動子の外端部と上記第１の音響整合層の上に上記圧電振
動子の開口部全面となる領域で設けられた第２の音響整
合層とを備えた超音波探触子。
【請求項２】圧電振動子が超音波送受信方向に対して
凹面形状に形成され、第１の音響整合層が中心付近で厚
く、外端に至るに従い、次第に薄くなるような不均一の
厚みに形成された請求項１記載の超音波探触子。
【請求項３】第１の音響整合層の最も厚くなる中心部
の厚みがほぼ４分の１波長の厚みである請求項２記載の
超音波探触子。
【請求項４】圧電振動子が平板状に形成され、第１の
音響整合層が不均一な厚みで凸面形状に形成された請求
項１記載の超音波探触子。
【請求項５】第１の音響整合層の最も厚くなる中心部
の厚みがほぼ４分の１波長の厚みである請求項４記載の
超音波探触子。
【請求項６】第１の音響整合層が被検体の音速より遅
い材料で形成された請求項４または５記載の超音波探触
子。
【請求項７】第２の音響整合層上に音響レンズを備え
た請求項４記載の超音波探触子。
【請求項８】第１の音響整合層が被検体の音速と同
じ、若しくは速い材料で形成された請求項７記載の超音
波探触子。