JPH08168097A

JPH08168097A - 超音波トランスデューサ

Info

Publication number: JPH08168097A
Application number: JP6310444A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Ishii; 徹哉石井
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 1994-12-14
Filing date: 1994-12-14
Publication date: 1996-06-25

Abstract

(57)【要約】【目的】簡単な構成で、接触媒体との音響的整合性を
良くし、余分な横方向振動モードもなくして、分解能を
高める。【構成】開示される超音波トランスデューサは、超音
波皮脂厚測定装置等の探触子として用いて好適なもの
で、電気信号と超音波との間の相互変換を行う円板状の
超音波振動子６と、この超音波振動子６の送受波面に接
着され、超音波反射波の戻りを遅延させる円柱形の超音
波遅延スペーサ７とから構成されている。超音波振動子
６は、厚み方向に分極された板状の圧電素子６１と、こ
の圧電素子６１の両面に設けられた一対の円形電極６
２，６２とからなり、各円形電極６２の半径Ｒ２は、圧
電素子６１の半径Ｒ２より所定の寸法小さく設定されて
いる。超音波遅延スペーサ７は、水の音響インピーダン
スの３／４以上４／３以下の音響インピーダンスを有す
る、例えばポリエチレン等の熱可塑性樹脂からなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、人体の皮脂厚の測定
等、生体の浅部の測定に用いて好適な超音波トランスデ
ューサに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、肥満度を測定する一つの手段とし
て、人体の皮脂厚を測定するための超音波皮脂厚測定装
置が開発されている。この装置は、超音波トランスデュ
ーサ（超音波探触子）を人体に当てて超音波パルスを体
内に送信し、音響インピーダンス（音速×密度）の異な
る脂肪層と筋組織との境界面からのエコー（反射波）を
受波して人体の皮脂厚を計測する。ところで、この種の
装置は、人体の皮膚表面から筋組織表面までの浅部測定
を目的とするものであるため、周波数の高い超音波が選
択されると共に、超音波トランスデューサの構造に改良
を加えることにより超音波振動子面での送信残響の影響
を除去している。

【０００３】例えば、特開昭６１−２２０６３４号公報
に記載の超音波皮脂厚計測装置では、図７に示すよう
に、超音波振動子１と被験者の皮膚（生体表皮）２との
間にシリコン材からなる超音波遅延スペーサ３を組み込
み、超音波遅延スペーサ３と人体の皮膚２との接触面Ｘ
からから脂肪層４と筋組織５との境界面Ｙまでの距離を
測定する構造となっている。すなわち、超音波振動子１
から発振される超音波は、まず、超音波遅延スペーサ３
のところで、送信残響（反射波形）Ｅ１を形成し、次
に、超音波遅延スペーサ３と皮膚２との接触面Ｘのとこ
ろで反射波形Ｅ２を形成し、さらに脂肪層４と筋組織５
との境界面Ｙのところで反射波形Ｅ３を形成する。これ
らの反射波形のうち、皮膚２のところで形成される反射
波形Ｅ２から脂肪層４と筋組織５との境界面Ｙのところ
で形成されるピークの反射波形Ｅ３までの距離Ｌを計測
することにより皮脂厚を測定する。そして、超音波振動
子１面での送信残響Ｅ１をシリコン材からなる超音波遅
延スペーサ３の部分で吸収除去している。なお、皮膚２
や筋組織５のところで形成される反射波形Ｅ２，Ｅ３
は、送信残響Ｅ１に較べてかなり小さいが、図では、拡
大して示している。

【０００４】また、この種の超音波トランスデューサ
（超音波探触子）に用いて好適な超音波振動子として
は、特開昭５９−１８１８９８号公報に記載のリング型
超音波振動子が知られている。このリング型超音波振動
子は、同心円状に所定幅で分割された各圧電素子毎に電
極が接続され、各圧電素子は、さらに同心円状に細分割
されている。このリング型超音波振動子によれば、超音
波の送受波時において使用する周波数帯域に幅方向の振
動モード（以下、横方向振動モードという）が発生する
ことを防止し、厚み方向の振動（以下、厚み方向振動モ
ードという）のみを用いて超音波の送受波を行うことが
できるので、分解能の向上を図ることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開昭
６１−２２０６３４号公報記載の超音波トランスデュー
サでは、シリコンゴムを脱泡後、モールドすることで、
超音波遅延スペーサを製作しなければならず、この脱泡
モールドは完全なバッチ作業であるため、工数が著しく
増加する反面、小量しか生産できないという問題があっ
た。また、特開昭５９−１８１８９８号公報記載のリン
グ型超音波振動子では、半径の異なるリング状の圧電素
子を多数製作しなければならない上、これらを組み付け
することは煩雑であるという問題があった。

【０００６】この発明は、上述の事情に鑑みてなされた
もので、簡単な構成で、接触媒体との音響的整合性が良
い上、余分な横方向振動モードを消すこともでき、結果
として、分解能を高めることのできる超音波トランスデ
ューサを提供することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１記載の発明は、電気信号と超音波との間の
相互変換を行う超音波振動子の前面に超音波反射波の戻
りを遅延させるためのバルク状の超音波遅延部材を結合
して、超音波の送受波を行う超音波トランスデューサで
あって、上記超音波振動子は、厚み方向に分極された板
状の圧電素子と、該圧電素子の両面に設けられた一対の
電極とからなり、少なくとも一方の電極を、上記圧電素
子の当該電極設置面の周縁端より所定の寸法内側に後退
させて、かつ、当該電極設置面と相似形状に設けると共
に、上記超音波遅延部材は、水の音響インピーダンスの
３／４以上４／３以下の音響インピーダンスを有する熱
可塑性樹脂からなることを特徴としている。

【０００８】

【作用】この発明の構成では、超音波遅延部材が、水の
音響インピーダンスの３／４以上４／３以下の音響イン
ピーダンスを有するものであるので、例えば、この発明
の超音波トランスデューサを皮脂厚測定装置に適用する
場合には、皮膚との音響的整合性が非常に良好となり、
超音波遅延部材と皮膚との境界面でのエネルギ透過率は
約９８％以上となる（なお、超音波遅延部材から見れ
ば、皮膚の音響インピーダンスは水のそれと近似的に等
しいとみなせる）。また、超音波遅延部材と皮膚との境
界面でのエネルギ反射率は約２％以下となるので、脂肪
層と筋組織との境界面からの小さなエコー（反射波）
が、超音波遅延部材と皮膚との境界面でのエコー（反射
波）に呑み込まれる虞はなく、確実にキャッチされる。

【０００９】また、この出願に係る発明者の行った実験
により、少なくとも一方の電極を、圧電素子の当該電極
設置面の周縁端より所定の寸法内側に後退させれば、横
方向振動モードが減衰することが確認されている。特
に、少なくとも一方の電極を、厚み方向振動モードの周
波数帯域中に存在する横方向振動モードの波長の１／５
〜１／３だけ上記圧電素子の周端縁よりも内側に後退さ
せる（圧電素子が円板状のものなら、少なくとも一方の
電極の半径を圧電素子の半径よりも横方向振動モードの
波長の１／５〜１／３だけ小さくする）構造とすれば、
横方向振動モードは著しく減衰することが判っている
（これは、実験結果であるが、横方向振動モードの定在
波の節が、圧電素子の周端縁から当該波長の１／４のと
ころにあらわれることと関係があるのかも知れな
い。）。また、超音波遅延部材は、熱可塑性樹脂を素材
とし、例えば、丸棒や角棒の形に押出し成形すること
で、あるいは、丸棒や角棒の既製品を転用することで、
簡易かつ多量に生産できる。

【００１０】

【実施例】以下、図面を参照してこの発明の実施例につ
いて説明する。図１は、この発明の一実施例である超音
波トランスデューサの構成を示す図であり、同図（ａ）
は平面図、同図（ｂ）は側面図である。この例の超音波
トランスデューサは、超音波皮脂厚測定装置の探触子
（プローブ）として用いられるもので、同図に示すよう
に、電気信号と超音波との間の相互変換を行う円板状の
超音波振動子６と、この超音波振動子６の送受波面にエ
ポキシ等の接着剤で接着され、超音波反射波の戻りを遅
延させるバルク状の超音波遅延スペーサ７とから概略構
成されている。なお、この超音波トランスデューサは、
送波と受波とを兼ねる。

【００１１】上記超音波振動子６は、厚み方向に分極さ
れた円板状の圧電セラミック素子６１と、この圧電セラ
ミック素子６１の両面にかつ圧電セラミック素子６１と
同心円状に設けられた円形電極６２，６２とからなって
いる。ここで、各円形電極６２の半径Ｒ２は、圧電セラ
ミック素子６１の半径Ｒ１よりも、厚み方向振動モード
の周波数帯域（この例では、２〜２．７ＭＨｚ）中に存
在する横方向振動モード（Ｎ次の半径方向高調波モー
ド）の波長の１／４だけ小さく設定されている。このよ
うに設定すると、横方向振動モードが著しく減衰するこ
とが、この出願に係る発明者の行った実験により判明し
ている。

【００１２】また、上記超音波遅延スペーサ７には、直
径約２０ｍｍ、高さ約２０ｍｍの円柱形状のポリエチレ
ン（熱可塑性樹脂）が用いられるが、水の音響インピー
ダンスの約３／４以上で約４／３倍以下の音響インピー
ダンスを有し、かつ超音波の減衰が１０ｄＢを越え２０
ｄＢを越えない材質（ポリエチレンはこの条件を満たし
ている）である限り、超音波遅延スペーサ７として用い
ることができる。

【００１３】音響インピーダンスの範囲を上記のように
定めたのは、次の理由による。すなわち、超音波振動子
６から発振される超音波は、出来るだけ大きな強度を保
ったまま、皮膚と筋組織との境界面まで達して欲しいと
いう要求がある。さらに、超音波遅延部材６と皮膚との
間で起きるエコー（反射波）が大きければ、大きな余波
も続くので、皮膚と筋組織との境界面からの小さなエコ
ー（反射波）がかき消されてしまうという問題がある。
上記２点から、超音波遅延スペーサ７と皮膚との境界面
でのエネルギ透過率Ｔraは９８％以上で、エネルギ反射
率Ｒefは２％以下であることが望ましい。

【００１４】そこで、エネルギ透過率Ｔraが、式（１）
で求められ、Ｔra＝４Ｚs・Ｚw／（Ｚs＋Ｚw）² ＝４（Ｚs／Ｚw）／（Ｚs／Ｚw＋１）² ……（１）エネルギ反射率Ｒefが、式（２）で求められることか
ら、Ｒef＝［（Ｚs−Ｚw）／（Ｚs＋Ｚw）］² ＝［（Ｚs／Ｚw−１）／（Ｚs／Ｚw＋１）］² ……（２）Ｚs：超音波遅延スペーサの音響インピーダンスＺw：水の音響インピーダンス（皮膚の音響インピーダンスは、水の音響インピーダン
スに近似する。）式（３）の結論が得られる。３／４＜Ｚs／Ｚw＜４／３ ……（３）

【００１５】また、超音波の減衰が１０ｄＢを越え２０
ｄＢを越えない範囲としたのは、超音波遅延スペーサ７
は、超音波振動子６面での送信残響中に、皮膚や筋組織
からの反射波が戻ってこないように、超音波の伝搬を遅
延させる機能を有するものであるが、そのためにも、送
信残響がいつまでも超音波遅延スペーサ７内に残ってい
ては困り、当該媒質内で１０ｄＢ以上の減衰性能が必要
なことからであり、反面、余りに減衰が大きくては、超
音波振動子６から発振される超音波が、超音波遅延スペ
ーサ７内で減衰してしまい、皮膚と筋組織との境界面に
達したときは、微弱な超音波となることからである。

【００１６】上記条件を具備するこの例の超音波遅延ス
ペーサ７は、押出し成形機の断面円形のダイリップから
溶融ポリエチレンを押出し、次いで冷却して、直径約２
０ｍｍの棒状部材を形成し、この棒状部材を約２０ｍｍ
間隔で切断することにより簡易かつ多量に得られる。

【００１７】次に、上記構成の超音波トランスデューサ
について動作実験を行った結果について述べる。なお、
比較のために、圧電セラミック素子の半径と円形電極の
半径とが同一である点、すなわち、べた電極で構成した
点を除けば、この例の構成及び形状と何等異ならない超
音波トランスデューサを用意した（この超音波トランス
デューサを比較用の超音波トランスデューサという）。
そして、これらの超音波トランスデューサに、図示せぬ
パルス発生器からそれぞれの円形電極間に、超音波パル
ス信号を印加すると共に、オシロスコープで各超音波ト
ランスデューサからの出力波形の観測を行った。

【００１８】図２及び図３は、オシロスコープの画面で
観測された波形データを示し、図２は、比較用の超音波
トランスデューサの５０Ωケーブル系における周波数毎
の反射係数を、図３は、この例の超音波トランスデュー
サの同じく５０Ωケーブル系における周波数毎の反射係
数をそれぞれ示している。なお、ここでの反射係数は、
５０Ωケーブル系と超音波トランスデューサとの間での
反射係数を示し、Ｓパラメータ（Ｓ₁₁）とも称される。
図中、中央部の大きな落ち込みは、使用周波数帯Ｆ１を
示し、このように、電気エネルギが音響に変換されてし
まう使用周波数帯Ｆ１では、電気的な反射係数は低下し
ている。使用周波数帯Ｆ１内の"ぎざぎざ"は、エコーの
受波によって形成される。一方、使用周波数帯Ｆ１の図
中左側の"ぎざぎざ"が横方向振動モードの存在を示して
いる。図２及び図３を比較すれば明らかなように、図２
には横方向振動モードの存在が確認されるが、図３から
はその存在が確認されない。

【００１９】次に、図４及び図５は、超音波遅延スペー
サの開放端から戻ってくるエコーを受波した受波信号の
出力レベルの時間変動を示す図で、図４が比較用の超音
波トランスデューサによるもの、図５が、この例の超音
波トランスデューサによるものである。図４では横方向
振動モードの影響であるリップルが観測されるが、図５
からはこのようなリップルは観測されない。

【００２０】次に、この例の超音波トランスデューサ及
び比較用の超音波トランスデューサを交互に皮脂厚測定
装置の探触子として用いて、皮脂厚を測定した。この結
果、図２乃至図５にあらわれた性能通りに、この例の超
音波トランスデューサで構成された皮脂厚測定装置の方
が、比較用の超音波トランスデューサで構成されたもの
よりも、分解能の向上が認められた。

【００２１】以上、この発明の実施例を図面により詳述
してきたが、具体的な構成はこの実施例に限られるもの
ではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変
更等があってもこの発明に含まれる。例えば、上述の実
施例では、円柱形の超音波トランスデューサを用いた場
合について述べたが、これに限らず、例えば、図６に示
すように、矩形板状の超音波振動子８と角柱形状の超音
波遅延スペーサ９とから構成される角柱形の超音波トラ
ンスデューサとしても良い（なお、同図中、符合８１は
圧電セラミック素子を、また、８２は矩形電極をそれぞ
れ示している）。同様に、円板状の超音波振動子と角柱
形の超音波遅延スペーサとを組み合わせても良く、矩形
板状の超音波振動子と円柱形の超音波遅延スペーサとを
組み合わせても良い。

【００２２】また、上述の実施例では、円形電極６２の
半径Ｒ２を、圧電セラミック素子６１の半径Ｒ１より
も、厚み方向振動モードの周波数帯域中に存在する横方
向振動モードの波長の１／４だけ小さく設定するように
した場合について述べたが、これに限定されず、当該波
長の１／５〜１／３の範囲で小さく設定する限り、上述
したと同等の効果が得られる。この場合、一方の円形電
極６２の半径Ｒ２のみを小さくし、他方の円形電極は圧
電セラミック素子と同一半径の"べた電極"としても良
い。

【００２３】また、この発明の超音波トランスデューサ
の用途は、超音波皮脂厚測定装置の超音波探触子に限定
されないが、水の音響インピーダンスと等価とみなせる
音響インピーダンスを有する皮膚や筋組織等に超音波を
送信する装置、例えば、骨粗鬆症診断装置の超音波探触
子として用いて好適である。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、この発明の構成に
よれば、超音波遅延部材が、熱可塑性樹脂を素材とする
ものなので、押出し成形加工により、簡易かつ多量に生
産できる。また、超音波遅延部材が、水の音響インピー
ダンスの３／４以上４／３以下の音響インピーダンスを
有するものなので、例えば、この発明の超音波トランス
デューサを皮脂厚測定装置に適用すれば、皮膚との音響
的整合性が非常に良好となり、超音波遅延部材と皮膚と
の境界面でのエネルギ透過率は約９８％以上となる（な
お、超音波遅延部材から見れば、皮膚の音響インピーダ
ンスは水のそれと近似的に等しいとみなせる）。

【００２５】また、超音波遅延部材と皮膚との境界面で
のエネルギ反射率は約２％以下となるので、脂肪層と筋
組織との境界面からの小さなエコー（反射波）が、超音
波遅延部材と皮膚との境界面でのエコー（反射波）に呑
み込まれる虞はなく、確実にキャッチされる。また、少
なくとも一方の電極を、圧電素子の当該電極設置面の周
縁端より所定の寸法内側に後退させる構造となっている
ので、横方向振動モードを減衰させることができる。そ
れゆえ、分解能を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例である超音波トランスデュ
ーサの構成を示す図であり、同図（ａ）は平面図、同図
（ｂ）は側面図である。

【図２】同実施例の動作を説明するための説明図であ
り、比較用の超音波トランスデューサの５０Ωケーブル
系における波長毎の反射係数を示す図である。

【図３】同実施例の動作を説明するための説明図であ
り、同実施例による超音波トランスデューサの５０Ωケ
ーブル系における波長毎の反射係数を示す図である。

【図４】同実施例の動作を説明するための説明図であ
り、比較用の超音波トランスデューサにおいて、その超
音波遅延スペーサの開放端から戻ってくるエコーを受波
した受波信号の出力レベルの時間変動を示す図である。

【図５】同実施例の動作を説明するための説明図であ
り、同実施例による超音波トランスデューサにおいて、
その超音波遅延スペーサの開放端から戻ってくるエコー
を受波した受波信号の出力レベルの時間変動を示す図で
ある。

【図６】同実施例の変形例である超音波トランスデュー
サの構成を示す図であり、同図（ａ）は平面図、同図
（ｂ）は側面図である。

【図７】従来の技術を説明するための図で、超音波皮脂
厚計測装置の超音波探触子の働きを説明するための説明
図である。

【符号の説明】

６超音波振動子６１圧電セラミック素子（圧電素子）６２円形電極（電極）７超音波遅延スペーサ（超音波遅延部材）８超音波振動子８１圧電セラミック素子（圧電素子）８２矩形電極（電極）９超音波遅延スペーサ（超音波遅延部材）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電気信号と超音波との間の相互変換を行
う超音波振動子の前面に超音波反射波の戻りを遅延させ
るためのバルク状の超音波遅延部材を結合して、超音波
の送受波を行う超音波トランスデューサにおいて、前記超音波振動子は、厚み方向に分極された板状の圧電
素子と、該圧電素子の両面に設けられた一対の電極とか
らなり、少なくとも一方の電極を、前記圧電素子の当該
電極設置面の周縁端より所定の寸法内側に後退させて、
かつ、当該電極設置面と相似形状に設けると共に、前記超音波遅延部材は、水の音響インピーダンスの３／
４以上４／３以下の音響インピーダンスを有する熱可塑
性樹脂からなることを特徴とする超音波トランスデュー
サ。