JPS63234949A - 超音波トランスデユ−サ - Google Patents

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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、医療診断の分野において用いられる超音波診
断装置、特にその超音波トランスデユーサの改良に関す
るものである。

（従来の技術） 超音波診断装置においては、振動子なアレイ状に配列し
、そのスキャン及び偏向を電子的に行なうことによって
リアルタイムに超音波像を得るものであるため、入力さ
れた電力を如何に効率良く音響パワーに変換するかは装
置設計上の重大な関心事となる。本発明はこの音響変換
効率の向上を意図するものであるので、本発明を理解す
る上での一助として、従来の超音波トランスデユーサに
おける「入力電力と音響パワーとの関係」について説明
することにする。

第５図は従来の超音波トランスデユーサの外観図であり
、第６図（Ａ）及びＣＢ）は従来の超音波トランスデユ
ーサ内部の機能的な構造を示す模式図と、その作用的等
価回路を示す回路図である。

第６図（Ａ）中、Ｐｅは圧電セラミックスの両端電極に
印加されるエネルギとしての電力を示すか、このエネル
ギＰｅは、超音波トランスデユーサの被検体側と背面負
荷材（バッキング材ともいう）側とへ出力される２方向
の音響パワーη、、ＸＰｅ及びη、ＸＰｅとして、また
、セラミックス自身の内部で消費される電力η、ｘＰｅ
や、音響レンズ内て消費される音響パワーηｒｔ、Ｘ　
Ｐｅ等として、それぞれ分散的に消費される。

このことは、被検体側へ伝送される有効な音響パワーη
ｒｒｘ　Ｐｅか入力電力に比べて少なくなることを意味
する。これを、第６図（Ｂ）の等価回路を用いてシミュ
レーション的に示すと第７図（Ａ）及び（Ｂ）のような
結果となる。この例ては、各定数として、 音響レンズの減衰定数　α＝　０．７５（ｄＢ／ｍｍ／
ＭＨ２） 平均厚み　１１０１ セラミックスのｔａｎδ＝　０．０２ その他の定数は第６図（Ｂ）中に記載済みを用い、周波
数スペクトラムと波形とは、反共振周波数５　ＭＨ２の
圧電セラミックスをパルス駆動した時に、超音波トラン
スデユーサの被検体側とバッキング材側にて観測して得
られる結果を使用したか、このシミュレーションの結果
が示したものは、本来が距離分解能を向上させる目的で
設けられているバッキング材側へ、被検体側へ向−うも
のと同し程度の大きな音響パワーが出力されているとい
う事実である。

このことを定量的に示すために、パルス帯域を考慮しつ
つ入力電力に対する各々の損失分を求めてみると、 ■バッキング材側へ出力される音響パワーの比η８＝５
２％ ■セラミックス中ての損失比η、＝５％■音響レンズ中
でし損失比ηｒＬ＝２０％という割合となり、音響レン
ズを透過して有効に利用される音響パワーの比η、ｒは
僅かにｉ３％という割合となっている。即ち、入力電力
の約７７％が無駄に消費されているという事実が判明し
た。

（発明が解決しようとする問題点） 而して、このように音響パワーの損失が大きいとＳ／Ｎ
比を充分に得ることか出来ず、その分だけ超音波トラン
スデユーサの性能低下を招く結果となる。これを避ける
ため、Ｓ／Ｎ比を向上させるべく入力電力Ｐｅを大きく
すると、内部損失［即ち、（η８＋η、＋ηｒＬ）　Ｘ
　Ｐｅｌが大となり過ぎ、これか最終的に熱に変ってト
ランスデユーサ自身の発熱を招き、装置としての信頼性
・安全性を損なうという結果となる。そのため、その改
善策の出現が強く望まれているのが現状である。

本発明は、この事情に鑑みてなされたものて、内部損失
を可能な限り低減して、入力される電力の大部分を有効
に利用し得る構成の超音波トランスデユーサを提供する
ことを目的とする。

［発明の構成］　。

（問題点を解決するための手段） この目的を達成するための本発明の構成は、超音波トラ
ンスデユーサに設置された複数個のアレイ状振動子とそ
の背面に配置される背面負荷材との間に、所定の厚み文
を有する層を介在させると共に、その厚み文を、 但し、ｆｏ：振動子の反共振周波数 Ｃ：所定の材料中の縦波の音速 に設定し、更にその音ツインピータンスＺを、２　＜　
こコア７−π 但し、Ｚｏ：振動子の音響インピータンスｚＢ：背面負
荷材の音響インピーダ ンス なる値に設定したことにある。

（作　用） この構成に基く本発明の作用は、圧電セラミックスとバ
ッキング材との間に、所定、の厚みを有するミスマッチ
ンク層を介在させることにより、接着性の良い材料を利
用しつつ所望の音響インピーダンスを持つバッキング材
を等価的に実現することにある。

（実施例） 先ず、実施例の記述に先立って本発明の基幹をなす理論
構成を説明する。

入力電力を音響パワーに変換する際の内部損失には前述
した通りηＢ・ηＦＬ・η、という３種の要因があるか
、その内、音響レンズ中での損失比η１はレンズの減衰
定数を小さく設定することてその損失分を軽減するこ−
とか出来、また、セラミックス中での損失比η、につい
ては、　ｔａｎδの値を小さくすることてその損失分を
低減し得ることか自明であるのて、問題解決の要は、バ
ッキング材側への音響パワー比η８を如何にして小さな
ものにするかという点に絞られる。

今、この問題につき、反共振点に係る次式を用いて定性
的な検討を行うことにする。

ｋ　：電気機械結合係数 ｚｏ：セラミックスの音響インピーダ ンス ｚｌｏ：セラミックスから前面負荷を見た時の音響イン
ピーダンス η　Ｆ　：　η　ＦＦ＋　η　ＦＬ となり、また、これを更に簡単化してｔａ口２δ＝０゜
（ｔａｎδ）／α＝０とすると、η１・η８・η、のそ
れぞれの値は、 となる。ここで、若しｔａｎδの値がαに比べて充分に
小さい場合には、セラミックスの前面及び後面へ伝送さ
れる音響パワーの比は、セラミックスから前面及び後面
を見た時の音響インピーダンスの比となる。このことは
、バッキング材側への音響パワー比η８を小さく盲るに
は、１　、　ｌの値を大きくするか或いはＺｎを小さく
すれば良いことを物語る。

しかし乍ら、ＺＦ゛の値を大きくすると、一方てαの値
が小さくなり過ぎて　ｔａｎδの効果が無視出来なくな
るので、ＺＢの値を小さくすることの方が好ましい。こ
のことを、シミュレーション的に確認するために、第８
図にパルス帯域を考慮して計算した結果を示す。この結
果は、バッキング材の音響インピーダンスを小さくすれ
ば前記ηｎＸＰｅの値を小さくなし得る、ということを
示しているか、これを実際の装置上に具現する場合には
、更に、新たな問題を解決しなければならない。

それは、バッキング材の有する接着性の問題である。即
ち、この発明を実施する上に必要とされるバッキング材
としては、音響インピーダンスかＩＪｘ　１０６ｋｇ／
　ｒｎ’ｓ程度のものが望まれるが、この程度の音響イ
ンピーダンスを有するバッキング材を求めるとすると、
普通にはシリコンゴム等で代表される材料ということに
なる。しかし乍ら、これらの材料には一般的に°接着性
が良くないという欠点があるため、この材料をそのまま
使用することは、装置構成面から見て適切とは云い難い
ものかある。そのため、本発明者はこれに代るべきもの
として、等価的に前記の音響インピータンスを実現し得
る基本的構成を発明した。

以下、第１図に基いてこの基本的構成に係る実流側の詳
細を説明する。図は振動子アレイの前面をそれに垂直な
平面で断面した時の断面図て、図中、１は超音波トラン
スデユーサの振動子アレイを構成する圧電セラミ・ンク
ス、２は該セラミックス１用の電極て、導電性接着剤２
ａを介してフレキシブル構造のアース電極２ｂに接続さ
れる。３は該セラミックスｌの被検体側に形成された１
層目のコーティング層、４はその上に形成された２層目
のコーティング層で、これらは協同してセラミックスｌ
に対する２層構造の整合層を構成する。５は該整合層の
前方に配置されたシリンドリカルな音響レンズで、これ
ら各部材の構成それ自体は公知のものと同様な構成とす
る。６は本発明の特徴部分に係るミスマツチング層で、
所定の厚み文を南する層として構成されるがその詳細に
ついては後述する。７は該層６を介して前記セラミック
ス１の背面に設けられたバッキング材である。

以下、本発明の特徴部分に係るミスマツチング層６につ
いて説明する。

先ず、該層６の音響インピーダンスをＺ−１ｖｓとし、
その厚み文を入／４（入＝ｃ／ｆ　、　ｃ：音速、ｆ：
周波数）とした場合の構成について考えてみる。この場
合、ｆなる周波数を持つ超音波に対し、セラミックスか
らハラキンク打倒を見た時の音響インピーダンスＺＢｌ
は、 ＺＢ’　＝Ｚ、、ｌｉ　ａ”／　ＺＢ という形で表わすことが出来る。従って、例えばＬｌ　
ｒｓ　＝　　３ｘ　ｔｏ６ｋｇ／　ｒｎ’　５Ｚｅ＝　
　６Ｘ　１０６ｋｇ／ｍ’Ｓ 程度の材料を使用することにより、Ｚｎ’　＝１．５　
×１０６　ｋｇ／　ｍ２Ｓの音響インピーダンスのもの
を実現することが出来る。さて、Ｚ、ａｎ　Ｂ　＝　　
３Ｘ　１０６ｋｇ／ｍＳ程度の材料としては例えばアラ
ルダイト等の接着性の良いものか採用出来るのて、この
層をミスマツチング層としてセラミックスｌの背面に介
在させれば、前述したような　１．６ｘ　ｔｏ６ｋｇ／
　ｒｎ’、Ｓ程度の音響インピータンスを有するバッキ
ング材を等価的に実現し得ることになる。

とは云え、この検討結果はｆなる周波数についてのみの
検討結果であるので、これか実際の周波数帯域幅につい
ても成立するか否かを確認することか必要となる。しか
し乍ら、ｌＢ’　＃Ｚ−１ａ”／　２ｎの範囲内で近似
出来る周波数帯域幅は、実際に使用している周波数帯域
幅に比較してそれ程狭くはないので、前述の検討結果は
パルスの場合にも充分適用し得るものと考え、第２図示
のモデルを対象として、帯域を考慮したシミュレーショ
ンを行った。この場合、距離分解能の劣化を最小限に抑
えるためセラミックス前面の整合層を２層とし、且つ、
その音響インピーダンスは１層目に７Ｊ３Ｘ１０’　ｋ
ｇ／ｌｎ’ｓ　、　２層目には３．００ｘ　ｔｏ’　ｋ
ｇ／　ｒｎ２Ｓの材料を用い、更に、これら２層の整合
層の厚みとバッキング側のミスマツチング層の厚み文と
を、距離分解能か最適となるような値に選択した。

このシミュレーション結果は第３図に示す通りである。

そして、送信パルスの波高値が１（ｖ）の時に、これら
から計算した距離分解ｔ＠（−ｘｄＢ幅、有り］の項に
、入力電力・内部損失パワー・有効パワー（実際に音と
して利用可能なパワー）を従来のものの入力電力を１０
０％とした時の比率をもって示した。

この表からも解るように、本発明の基本的構成に係るミ
スマツチング層を介在・設置した超音波トランスデユー
サでは、その内部損失を従来のものと同じとして実験し
ても、その送受波振幅を分だけ向上し得た。このケース
では内部損失を同じにするため、予めその送信電圧を たけ上げている。

而して、ここでの内部損失（η８＋ηＦＬ＋ηＬ）の内
訳を見ると、 η。＝１．８２％、　　ηＦＬ＝３５．６、　η、＝５
．４の割合になっていて、音響レンズ内での損失か大き
く響いていることが解る。そこで、本発明者はこの音響
レンズを使用しない第２の実施例を発明した。この第２
実施例ては、音響レンズを使用しない代りに、第４図示
のように、振動子アレイの前面を、該面に垂直な方向に
且つアレイに平行する断面が凹のシリンドリカル断面と
なるような凹円筒面に形成すると共に、その曲率中心に
超音波ビームを集束させるように構成する。

以下、第４図に基いて第２実施例の詳細を説明する。図
は振動子アレイの前面をそれに垂直な平面て断面した時
の断面図であるか、図中、１１は超音波トランスデユー
サの振動子アレイを構成する圧電セラミックスて、前述
の通りその被検体側面が前述のような凹円筒面になるよ
うに形成・配列され、送波する超音波ビームが核部の曲
率中心に集束されるように構成される。１２は該セラミ
ックスｌｌ用の電極で、導電性接着剤１２ａを介してフ
レキシブル構造のアース電極１２ｂに接続される。

１３は該セラミ・タンス１１の被検体側に形成された１
層目のコーティング層、１４はその上に形成された２層
目のコーチインク層で、これらは協同してセラミックス
１１に対する２層構造の整合層を構成している。１５は
該トランスデユーサの被検体（生体）接触面を構成する
窓材で、その生体接触性能を改善するため、材料には、
音響インピータンスか生体のそれに近い材料例えばポリ
メチルペンテン（音響インピータンス　１．７Ｘ　１０
６ｋｇ／　ｒｎ’　Ｓ　）等を用いる。１６は該窓材１
５と前記２層目コーティング層１４との間に充填された
内容液て、例えばエチレンクリコール水溶液（音響イン
ピーダンス　１．７ｘ　１０６ｋｇ／　ｍ’　Ｓ　）を
用いる。１７は前記セラミックス１１の背面に設置した
本発明に係るミスマツチング層、１８は該層１７を介し
て前記セラミックス１１の背面に設けられたバッキング
材である。

このように構成した第２実施例ては、音響レンズの存在
によるパワー損失を、送信時及び受信時の両方において
ほぼ零にすることが出来、更に、送受波振幅を向上する
ことも可能になった。尚、前記窓材１５による減衰は無
視し得る程度に小さいので、これに対して言及するのは
省略する。

このことを、他の内部損失を従来のものと同じとしてシ
ミュレーションにて確認すると、前記表１の本発明［レ
ンズ無し］の項に示すように、その送受波振幅を、従来
のものに比し、 分だけ向上し得た。このケースても内部損失を同じにす
るため、予めその送信電圧を たけ上げている。

以上説明したように、超音波トランスデユーサを第４図
示のように構成することにより、その送受波振幅を従来
のものに比べて、約１６ｄＢも向上することか可能とな
った。

而して、実際の装置では、第１図または第４図の電極か
ら取り出した信号線は、長さ２１１程度のケーブル（図
示せず）に接続されて初段のアンプにまで導かれる構造
となる。この場合、初段アンプの入力インピータンスに
ついては充分に大きいものとして無視出来るが、トラン
スデユーサの電極両端から見た時のインピーダンスが、
ケーブル固有の特性インピーダンスに対して小さくない
場合には、ケーブルの固有インピータンスによって信号
電圧の損失を招くことになる。　　　。

そのため、トランスデユーサのヘッド部分にインピーダ
ンス変換器（図示せず）を設け、ケーブルの固有インピ
ーダンスに対して充分に小さいインピータンスてケーブ
ルに接続する等の手段を講することによって、前述のケ
ーブルによる損失を低減するようにする。このような対
策を施すことにより、ケーブルの装置側接続端からトラ
ンスデユーサ側を見た時の送□受波振幅を、更に６　ｄ
Ｂ程度改善することか可能となる。また、共振回路を利
用してケーブルの固有インピーダンスをキャンセルする
ようにすれば、同等の効果を期待出来るので、このよう
な手段を本発明の各実施例に組合せることは、装置の性
能向上を図る上からは極めて有益なものと云える。

以上一実施例について説明したか、本発明はこれに限定
されるものてはなく、その要旨を変更せざる範囲内て種
々に変形実施することが出来ることを付記する。

［発明の効果］ 以上述べた通り本発明を用いる時は、内部損失を可能な
限り低減して、入力される電力の大部分を有効に利用し
得る構成の超音波トランスデユーサを実現することか可
能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る超音波トランスデユーサの第１実
施例を示す断面構造図で、振動子アレイの前面をそれに
垂直な平面をもって断面した時の断面図てあり、第２図
は第１図示の第１実施例と作用的等価に構成したシミュ
レーション用の実験モデル回路、第３図（ａ−１）乃至
（ｂ−２）はこの実験モデル回路を用いたシミュレーシ
ョン結果を示す性能図て、図（ａ−１）は従来形のもの
に係る周波数スペクトラムを、図（ａ−２）は従来形の
ものに係るＡモード波形を示し、図（ｂ−１）は本発明
によるものに係る周波数スペクトラムを、図（ｂ−２）
は本発明によるものに係るＡモード波形をそれぞれに示
す。第４図は本発明に係る第２実施例を示す断面構造図
で、振動子アレイの前面をそれに垂直な平面で断面した
時の断面図である。第５図は主要部を部分的に断面した
従来の超音波トランスデユーサの外観図、第６図（Ａ）
及び（Ｂ）は従来の超音波トランスデユーサ内部の機能
的構造を示す模式図及びその等価回路図、第７図（Ａ）
及び（Ｂ）は従来型超音波トランスデユーサの前面及び
後面に出力された超音波パルスが、完全反射体にて反射
された際に電極の両端にてａ測される波形とそのスペク
トラムとを示す性能図、第８図はバッキング材の音響イ
ンピーダンスをパラメータとした時の各パワーの分布を
示すパワー分布図である。 １−圧電セラミックス　２・１２−電極２ａ・１２ａ−
導電性接着剤　２ｂ・１２ｂ−アース電極３・１３−１
層目のコーティング層 ４・１４−２層目のコーティング層 ５−音響レンズ　　　　６・１７−ミスマツチング層７
・１８−バッキング材　　１１−圧電セラミックス１５
−窓材　　　　　　　１６−内容液第１図 第４図 １腫 ＣＢ） 第６図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数個のアレイ状振動子とその背面に配置される
   背面負荷材との間に、所定の厚みｌを有する層を介在さ
   せると共に、その厚みｌを、 ０．１×ｃ／ｆ＿ｏ≦ｌ≦０．４×ｃ／ｆ＿ｏ 但し、ｆ＿ｏ：振動子の反共振周波数 ｃ：所定の材料中の縦波の音速 に設定し、更にその音響インピーダンスＺを、Ｚ＜√（
   Ｚ＿ｏ×Ｚ＿Ｂ） 但し、Ｚ＿ｏ：振動子の音響インピーダンス Ｚ＿Ｂ：背面負荷材の音、インピーダンス なる値に設定して成ることを特徴とする超音波トランス
   デューサ。
2. （２）前記アレイ状振動子の被検体側面が、該面に垂直
   な方向に且つアレイに平行する断面が凹のシリンドリカ
   ル断面となるような形状の凹円筒面に形成されたもので
   ある特許請求の範囲第１項に記載の超音波トランスデュ
   ーサ。
3. （３）前記超音波トランスデューサは、そのアレイ状振
   動子の被検体側面に、音響インピーダンスが１乃至３×
   １０＾６ｋｇ／ｍ＾２Ｓである可撓性材料を配□したも
   のである特許請求の範囲第１項または第２項記載の超音
   波トランスデューサ。
4. （４）前記超音波トランスデューサは、そのアレイ状振
   動子の被検体側面と１乃至３×１０＾６ｋｇ／ｍ＾２Ｓ
   の音響インピーダンスを持つ前記可撓性材料との間を、
   同程度の音響インピーダンスを持つ液体で充填したもの
   である特許請求の範囲第３項に記載の超音波トランスデ
   ューサ。