WO2004075753A1 - 超音波探触子 - Google Patents

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WO2004075753A1
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fiber
ultrasonic probe
acoustic
acoustic matching
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Inventor
Toshiro Kondo
Takaya Osawa
Original Assignee
Hitachi Medical Corporation
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    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/02—Mechanical acoustic impedances; Impedance matching, e.g. by horns; Acoustic resonators
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B8/00—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B8/00—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • A61B8/44—Constructional features of the ultrasonic, sonic or infrasonic diagnostic device
    • A61B8/4444—Constructional features of the ultrasonic, sonic or infrasonic diagnostic device related to the probe
    • A61B8/4455—Features of the external shape of the probe, e.g. ergonomic aspects

Definitions

  • the present invention relates to a probe of an ultrasonic diagnostic apparatus, and more particularly to a transducer of an electronic scanning probe.
  • a probe of an electronic scanning ultrasonic diagnostic apparatus that transmits and receives ultrasonic waves is provided with a piezoelectric vibrator disposed on a backing material, an acoustic lens, and between the piezoelectric vibrator and the acoustic lens. And a plurality of transducers each including an acoustic matching layer.
  • the present invention provides an ultrasonic probe in which a plurality of piezoelectric vibrators, an acoustic lens, an acoustic matching layer provided between the piezoelectric vibrator and the acoustic lens, and a vibrator made of carbon are arranged on a packing.
  • the acoustic matching layer includes a fiber material, and a fiber direction of the fiber material is arranged perpendicular to a sound wave direction.
  • FIG. 1 is a diagram showing the internal structure of the ultrasonic probe of the present invention.
  • Figure 2 shows the transducer
  • FIG. 4 is a diagram showing a sound wave propagation model.
  • Fig. 4 shows an equivalent circuit model of the sound wave propagation path from the piezoelectric vibrator to the human body in the probe.
  • the meat 4 is 1, 1 showing in detail the internal structure of the ultrasonic probe of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram showing the first embodiment of the present invention.
  • U 1 3 ⁇ 416 is a diagram showing characteristics of the composite material including the fiber material of the present invention.
  • FIG. 7 is a graph showing the characteristics of the composite material containing the fiber forest of the present application.
  • FIG. 8 shows ⁇ indicating the effect of the present invention. !
  • FIG. 10 is a diagram showing a ⁇ 3 embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a diagram showing a fourth embodiment of the present invention. 2 is the flesh showing the entire ultrasonic wave device. Best mode for carrying out the invention
  • a large number of narrow and narrow rod-shaped vibrators 20 made of PZT or the like are arranged on a sound absorbing (basicing) forest 10 and intersected with the direction of their arrangement power.
  • the acoustic lens 40 has a shape that bulges outward in the direction of the arc in the direction of movement, and acoustic matching debris 31 and acoustic matching fins 32 provided between the dynamic f-20 and the acoustic lens 40. ing.
  • Lead wires 50 are connected to the electrodes of the vibrator.
  • PZT piezoelectric transducer of an ultrasonic probe
  • the acoustic impedances of PZ and living body or water are widely used, but the acoustic impedances of PZ and living body or water are
  • the acoustic impedance of the epoxy and polyurethane used for the acoustic conditioning chips 31 and 32 is 2-3 [MRayl].
  • the acoustic impedance of the living body is L5 [MRayl]. It is best to use epoxy or polyurethane on the top surface of the 2 ⁇ acoustic matching layer. Under the acoustic matching layer, a vibrator and sound! ⁇ Matching ⁇ It is necessary to supply a material with acoustic impedance of the upper flexure. Therefore, a powder of a substance having a relatively high density is mixed in the epoxy or polyurethane resin, and the value suitable for the lower surface of the acoustic matching layer is adjusted.
  • the reflection coefficient at the interface between PZT and the living body I is given by Eq. (1) as in the case of the electric circuit.
  • a matching circuit of ⁇ 4 is inserted in the middle of the circuit. Is the wavelength of the propagating signal.
  • ⁇ 0 , Zi, ⁇ 2 , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ are the acoustic impedance of the piezoelectric vibrator, the matching layer (1), the matching layer (2), and the human body, respectively.
  • ⁇ 0 and ⁇ are given, and the characteristic impedance of the coaxial cable inserted between the signal source and the receiving end to minimize reflection at the terminal of the coaxial cape with characteristic impedance of ⁇ , ⁇ 2 the optimum value of ⁇ and ⁇ 2 is as possible de be determined by calculation (electronic Industries Association of Japan, ed., "revised medical ultrasound equipment Handbook" corona publishing publishing, January 20, 1997, ⁇ 29 ⁇ 30).
  • Table 1 shows the optimal acoustic impedance of the acoustic matching layer with a thickness of 1/4 wavelength.
  • Table 1 Optimal acoustic impedance of 1/4 wavelength acoustic matching layer
  • the packing material 10 is provided on the back surface of the ultrasonic vibrator so as to prevent the ultrasonic waves coming out from the back surface from returning to the vibrator surface again, and is made of a material having a large attenuation of the ultrasonic wave.
  • Fig. 4 shows a detailed view of an example of the probe.
  • a piezoelectric vibrator 20 is provided on the packing material 10, and acoustic matching layers 31 and 32 are provided on the piezoelectric vibrator 20. There is a slight gap between the vibrator constituted by the piezoelectric vibrator 20, the acoustic matching layers 31, 32, and the acoustic lens.
  • Fig. 5 shows one transducer of this probe.
  • This vibrator is composed of two matching layers and a piezoelectric vibrator.
  • the two matching layers contain a fiber material.
  • the fiber direction of the fiber material is perpendicular to the traveling direction of the sound wave and perpendicular to the longitudinal direction of the vibrator.
  • An array-type probe is constructed by arranging a large number of transducers having such a structure adjacently on the backing material 10.
  • the matching layer 61 is made of a carbon fiber composite material made of epoxy mixed with tungsten powder as a base material.
  • the matching layer 62 is made of a composite material of ultrahigh molecular weight polyethylene fibers using polyurethane as a base material.
  • the density and the Young's modulus of the ultrasonic wave in the propagation direction of the composite material used for the matching layer for the misalignment can be adjusted to the same value as those of the base material, so that the acoustic impedance can be adjusted to the same value.
  • the Young's modulus in the fiber direction is a very large value, which greatly contributes to improving the characteristics of the probe.
  • Figure 6 (a) is a unidirectional reinforced plate made by arranging fibers in the same direction.
  • This material is plane symmetric to LZ, TZ or LT plane.
  • the L, T, and ⁇ axes are called the anisotropic principal axes (elastic principal axes), and in Fig. 6 (a), the principal axes are called orthogonal anisotropy (orthotropy).
  • Equation (3) is obtained.
  • equation (4) holds between the shear stress and the shear strain.
  • This elastic constant can be estimated to some extent from the properties of the fiber and the base material, and these constants can be derived by considering the following model.
  • the cross section of the fiber is usually circular, and the base material surrounds it. As shown in Fig. 7, the fiber is collected by the fiber and the base material is collected by the base material.
  • the elongation when this material is pulled in the L direction is similar to the case where a hard-to-elongate panel and an easy-to-spring spring are bundled and pulled, and should be given by Equation (7) by a simple calculation.
  • E f is E m Young's modulus of the fiber and the matrix
  • V f is the volume fraction of fibers. Since the fiber and the base material are arranged in parallel in the L direction, they are called parallel models and are shown in Fig. 7.
  • VLT The Poisson's ratio VLT and the shear modulus GLT can also be obtained as Eqs. (9) and (10) using the above series and parallel model concepts.
  • v LT ⁇ Vf f + Vm ( ⁇ -V f ) (9)
  • Table 5 shows the physical properties of the epoxy resin used as the base material. P267).
  • the tensile modulus of the polyurethane used for the matching layer is 0.88 [kgf / mm 2 ].
  • the elastic modulus (Young's modulus) of carbon fiber or ultra-high molecular weight polyethylene differs at least 22 times compared to epoxy resin or polyurethane used as a base material.
  • the type of this fiber can be arbitrarily selected by the manufacturer according to the application.
  • V TL which indicates the proportion of compression in the composite material in the direction perpendicular to the fiber direction (direction ⁇ ) and the elongation in the fiber direction (direction L), is given by equation (14) from equation (6).
  • Table 6 carbon textile type compression modulus of the carbon fiber composite material, the Poisson's ratio, density 21>
  • the Young's modulus E L of the composite material can be set to E L ⁇ 150 to 300 [GPa] from Table 3.
  • ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ 6 [GPa] can be obtained from Table 4 assuming that ⁇ is close to the Young's modulus of the base epoxy resin.
  • a sound wave propagates in a direction perpendicular to the traveling direction of the sound wave as shown in Fig. 8a.
  • the matching layer provided is made of an orthotropic material whose acoustic properties in the direction perpendicular to the traveling direction of the acoustic wave are largely different from those in the traveling direction of the acoustic wave. Therefore, as shown in Fig. 8b, the acoustic impedance is matched in the traveling direction of the sound wave, and the sound wave transmitted in the direction perpendicular to the traveling direction is coupled with the vibration in the transverse direction of the transducer. Can be prevented.
  • the acoustic matching layer can be deformed mainly in the thickness direction, the conversion efficiency in the thickness direction can be improved. Further, by preventing the vibration in the width direction from interfering with the vibration in the thickness direction, and by vibrating the vibrator surface with a similar amplitude, the image quality of the image of the ultrasonic diagnostic apparatus can be improved.
  • the fiber material and the resin are mixed in advance, and the mixture is pressed into a plate having a plurality of holes through which the fiber material can pass.
  • the fibrous material of the pressed mixture passes through the hole in a bar shape.
  • the passed fiber material is embedded in the resin on the opposite side of the board and hardened.
  • the composite material in the form of a plate is superimposed on and bonded to the piezoelectric vibrator and the backing material, and the laminated composite material is cut at a predetermined interval with a wire or the like.
  • a resonator as shown in Fig. 5 can be created by such a manufacturing method.
  • Fig. 9 shows one transducer of this probe.
  • the two matching layers contain fiber material.
  • the fiber direction of the fiber material of the matching layers 71 and 72 is perpendicular to the traveling direction of the sound wave and is parallel to the longitudinal direction of the vibrator. It is.
  • Fig. 10 shows one transducer of this probe.
  • the two matching layers contain a fiber material.
  • the difference from the first embodiment and the second embodiment is that the fiber direction of the fibrous material of the matching layers 81 and 82 is perpendicular to the traveling direction of the sound wave and oblique to the longitudinal direction of the vibrator. That is the point.
  • the fiber direction of the matching layer obliquely in the longitudinal direction of the vibrator, the strength increases in both the short axis and the longitudinal direction.
  • a structure of a probe using a composite material for a matching layer will be described in detail.
  • the structure of the probe using the composite material for the matching layer will be described in detail.
  • Fig. 11 shows one transducer of this probe.
  • the two matching layers contain a fiber material.
  • the difference from the first embodiment, the second embodiment, and the third embodiment is that the matching layer 91, The point is that the fiber directions of the 92 fiber materials are different from each other.
  • the strength can be increased in both the short axis and the long direction for each layer.
  • the fiber direction of the fiber material of the matching layer is perpendicular to the direction in which the sound wave travels. Therefore, the sound wave propagating in the direction perpendicular to the traveling direction of the sound wave and the vibration in the width direction can be reduced.
  • the plurality of acoustic matching layers have all been described as including a fiber material, but the acoustic matching layer including a fiber material may be either one.
  • the description has been given as a case where a plurality of acoustic matching layers are provided, the present invention may be applied to a single acoustic matching layer probe.
  • FIG. 12 is a block diagram showing the overall configuration of an ultrasonic diagnostic apparatus using the configured ultrasonic probe of the present invention. That is, the ultrasonic diagnostic apparatus includes an ultrasonic probe 100 that transmits and receives ultrasonic waves toward a subject, an ultrasonic probe that drives the ultrasonic probe 100 to transmit ultrasonic waves, and An ultrasonic beam forming unit 101 that processes a reflected echo signal received by the child 100 to form an ultrasonic beam, and an image processing apparatus that receives a signal received from the ultrasonic beam forming unit 101 and forms an ultrasonic image
  • an ultrasonic probe 100 is used as an ultrasonic probe 100 in FIG.
  • FIG. 9 An ultrasonic probe in which the transducer according to any one of 11 is installed is used.
  • the conversion efficiency in the thickness direction is improved, and the vibration in the width direction is prevented from interfering with the vibration in the thickness direction, it is possible to realize an ultrasonic diagnostic apparatus with improved image quality. it can-.

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Abstract

圧電振動子20と、音響レンズ40と、前記圧電振動子20と前記音響レンズ40との間に設けられた音響整合層とから成る振動子をバッキング10上で複数配列させた超音波探触子において、前記音響整合層は繊維材を含み、前記繊維材の繊維方向は音波方向に垂直に配置される。

Description

超音波探触子 技術分野
本発明は超音波診断装置の探触子に係わり、 特に電子走査形探触子の振動子に 関する
明
背景技術
糸 1
従来、 超音波を送受信する電子走查形超音波診断装置の探触子は、 バッキング 材の上に配置された圧電振動子と、 音響レンズと、 圧電振動子と音響レンズとの 間に設けられた音響整合層とから成る振動子を複数配列させて成る。
このような探触子において、音響整合層を備えた幅の狭い振動子が振動する際、 厚み方向の変形と同時に幅方向の変形を伴うため、 厚み方向の変換効率が低下す る。 また、 幅方向の振動が厚み方向振動に干渉するため、 振動子表面が一様な振 幅での振動することから逸脱し、 超音波診断装置の画像の劣化をもたらす。
音響整合層に繊維材を分散した振動子を配列させた探触子が、 特開平 10— 75953号公報に開示されている。 しカゝし、 この繊維材は低い熱伝導を実現するた めに用いたものであり、 繊維のヤング率、 ポヮソン比等を考慮して繊維方向を設 定していない。 よって、 この公知例では上記課題を解決しない。 ' 発明の開示
本発明は、 圧電振動子と、 音響レンズと、 前記圧電振動子と前記音響レンズ.と の間に設けられた音響整合層とカゝら成る振動子をパッキング上で複数配列させた 超音波探触子において、 前記音響整合層は繊維材を含み、 前記繊維材の繊維方向 は音波方向に垂直に配置される。 図面の簡単な説明
図 1は、 本願発明の超音波探触子の内部構造を示す図である。 図 2は、 探触子 の音波の伝播モデルを示す図である。 は、 探触子における圧電振動子から人 体への音波伝播路の等価回路モデルを示す闵である。 肉 4は、 本願発明の超 波 探触了-の内部稱造を詳細に示す 1, 1である。 図 5は、 本願発明の第 1の実施形態を 示す図である u 1¾1 6 は、 本顧究明の繊維材を含む複合材の特性を示す図である。 図 7は、 本願究明の繊維林を含む複合材の特性を示す囡である。 図 8は、 本願発 明の効果を示す ^である。 ! £)は、 本願発明の第 2の爽施形態を示す図である。 図 10は、 木願発明の^ 3の 施形態を示す図である。 闵 11は、 本顾 明の第 4 の実施形態を示す図である。 2は、 超 ΪΪ波装 全体を示す肉 ある。 発明を実施するための婊良の形態
図 1に示すように、 吸音 （バシキング） 林 10の上に PZTなどで作られた幅が 狹く細長い棒状の圧 振動子 20を多数配列固^し、 それらの配列力'向と itt交す る方向で外方向に円弧状に膨出した形状の音響レンズ 40と、 動 f- 20と音響レ ンズ 40との問に設けられた音響整合屑 31と音響整合膺 32とで凝って構成され ている。 振動子の電極にはリード線 50が接続されている。
超音波探触子の圧電振動子として: PZTが広く用いられていが， PZ と生体あ るいは水の音響インピーダンスは，それぞれ
Figure imgf000004_0001
Χ 10β [kg/m^s] である。 それらの値に大きな差異がある。 そのためインピー ダンスマッチングの観点から考えると， PZ の振動子を 4ΐ体に接触させた場合， 整仓が全く取れない。 そこで、音響整合層 31、 32を振動子 20の前面に設け、振 動子 20の音響インピーダンスと生体の音響インピーダンスとの整合をとる c こ れにより振動子 20の振動が効率よく生体に伝播できるようにする。
音響整仓屑 31、 32で用いるエポキシ及ぴポリウレタンの音 インピーダンス は 2〜3 [MRayl] である。 生体の音響インピーダンスは L5 [MRayl] であるこ と力'.、ら、 2腠構成の音響整合層の上面には、 エポキシ， またはボリウレタンを用 いるのが最適である。 音響整合層の下層には、 振動子と音！^整合 ϋ上屈の屮問の 音響インピーダンスを持つ材料を川いる必要がある。 そこで、 エポキシまたはポ リウレタンの樹脂の中に比較的密度の大きい物質の粉末を混入させ、 上記した音 響整合層下面に合う値を ,御整する。 PZTと生体との界面での反射係数 I ま電気回路の場合と同様に式 (1)となる
Figure imgf000005_0001
電気回路では、 λ Ζ4の整合回路を回路の中間に揷入することが行われている。 は伝搬する信号の波長である。 探触子で超音波する伝播する整合層を図 2に示 したモデレを基に考える。 これを等価回路で表現すると図 3のようになる。 Ζ0， Zi, Ζ2, ΖΜはそれぞれ圧電振動子， 整合層 (1) ， 整合層 (2) ， 人体の音響イン ピーダンスである。
Ζ0と ΖΜは与えられており， ΊΛ, Ζ2なる特性インピーダンスの同軸ケープ の 端子において反射が最も少なくするために信号源と受信端の中間に入れた同軸ケ 一ブルでそれらの特性ィンピーダンス Ί と Ζ2の最適値は計算で求めることがで きる （ （社） 日本電子機械工業会編「改定医用超音波機器ハンドブック」コロナ社 出版、 1997年 1月 20日、 Ρ29〜30) 。 表 1に 1/4波長の厚さの音響整合層の 最適音響ィンピーダンスを示す。 表 1 1/4波長音響整合層の最適音響ィンピーダンス
Figure imgf000005_0002
単位はすべて X 10[kg/m2- s] この等価回路による探触子の最適設計法は音波の伝播が縦方向のみを考える音 波の波動方程式に基づいている。 整合層において横方向の変形は生じないものと している。
またパッキング材 10は、 超音波振動子の背面に設けられその背面から出る超 音波が再び振動子面に戻ってこないようにするもので、 超音波の減衰の大きい材 料を使用している。 探触子の一例の詳細図を図 4に示す。パッキング材 10の上に圧電振動子 20が あり、 圧電振動子 20の上に音響整合層 31、 32が設置されている。 圧電振動子 20と音響整合層 31、 32と、 音響レンズとで構成された振動子間は、 若干隙間が 開いている。
ここで、 第 1の実施形態として、 複合材を整合層に用いた探触子の構造を詳細 に説明する。 この探触子の 1本の振動子を図 5に示す。 この振動子は 2層の整合 層と圧電振動子で構成されている。 この 2つの整合層には繊維材が揷入されてい る。 繊維材の繊維方向は音波の進行方向に対して垂直になっており、 かつ振動子 の長手方向に対して垂直になっている。 このような構造の振動子を多数隣接して バッキング材, 10 の上に配列した構造でアレー型探触子を構成する。 具体的に整 合層 61は、 タングステン粉末を混入したエポキシを母材とする炭素繊維の複合 材を用いる。 整合層 62は、 ポリウレタンを母材として超高分子量ポリエチレン 繊維の複合材を用いる。 レ、ずれの整合層に用レヽる複合材もその密度と超音波の伝 搬方向のヤング率は、 母材のそれらと同程度にできるため、 音響インピーダンス も同程度の値に調整できる。 繊維方向のヤング率は非常に大きな値となり、 探触 子の特性の改善に大きく寄与する。
次に整合層の内部を詳細に説明する。 図 6 (a) は繊維を同一方向に並べて作つ た一方向強化板である。この材料は LZ面， TZ面あるいは LT面に面対称である。 このとき L， T， Ζ軸を異方性主軸 （弾性主軸， principal axis) といい， この図 6 (a) では主軸が互いに直交している直交異方性 （orthotropy) と云う。
図 6 (b) の L方向に， の応力をかけたときのひずみは式 （2) となる。 eT =^ , 二 (2)
¾ - ここで， ELは L方向に引っ張ったときのヤング率， V LTは L方向に引っ張つ たときの T方向の縮みの割合を示すポアソン比である。 同様に図 6 (b) の T方 向に σ τの応力を作用させると式 （3) となる。 一方， -せん断応力とせん断ひずみの間には式 （4) の関係が成り立つ。
LT
rLT ニ (
ΓΙ·Γ
したがって、 図 6 (b) のように組み合わせ応力が作用したときの応力とひずみ の関係は式 （5) のような行列式で表すことができる。
Figure imgf000007_0001
これが LT軸に関する直交異方性薄板のフックの法則である。
等方性材料の独立な弾性定数は 2つあるが （5) 式では EL， Ετ, V LT, V TL,
GLTの 5個あらわれている。 ところが（ベッチの）相反定理 (reciprocal theorem) と呼ばれる式 （6) の関係が理論的に証明されているので直交異方性の薄板の独 立な弾性定数は 4個になる。
}^ = L (6) これを基本弾性定数と呼ばれている。 この弾性定数は， 繊維と母材の特性から ある程度推定可能であり、 次のようなモデルを考えることによりそれら定数は導 出される。
繊維の断面はふつう円形をしており， それを母材がとりまいているが， これを 図 7のように繊維は繊維， 母材は母材で集める。 この材料を L方向に引っ張る時 の伸びは， 伸びにくいパネと伸びやすいバネを束ねて引っ張ったときと類似で， 簡単な計算により式 （7) となるはずである。 二 V,)
Figure imgf000008_0001
ここで Ef， Emは繊維と母材のヤング率で， Vfは繊維の体積含有率である。 繊 維と母材は L方向には並列に並んでいるので， 並列モデル (parallel model) と 呼ばれ図 7に示される。
次に、 図 6の T方向に引っ張ったときには Vfの長さの強いパネと （l_Vf) の 長さの弱いバネをつないだものと類似で式 （8) が与えられる。
Figure imgf000008_0002
ポアソン比 V LTとせん断弾性係数 GLTも上の直列， 並列モデルの考え方を使つ て式 （9) ， 式 （10) と求まる。 vLT ^ Vf f + Vm (\ - Vf ) (9)
1 V,
Figure imgf000008_0003
この考え方は微視弾性のなかで， 材料力学的手法と呼ばれる。 上の式 （7) は (弾性率の） 複合則と呼ばれている （堂本昌男、 山本良一編、 「複合材料」東京大 学出版、 1993年 4月 15日、 P39〜45) 。
複合材に用いるカーボンファイバーと超高分子量ポリエチレン繊維の物性を表 3と表 4に示す (東洋レーョン株式会社炭素隱カタ口グ、資料 No.2-17.4.1改、 及ぴ東洋紡績株式会社ダイニーマカタログ ΑΓ703Κ) 。 表 3 カーボンファイバーの特性例
Figure imgf000009_0001
また母材として用いられるエポキシ樹脂の物性を表 5に示す （旭化成ァミダス 株式会社 Z「プラスチック」編集部共編、 「プラスチック 'データブック」、 (株) 工業調査会出版、 1999年 12月 1日、 P267) 。
各種硬化剤で硬ィ匕させたビスフエノール型エポキシ樹脂の機械的特性
Figure imgf000009_0002
チバ社ァラルダイ 卜 GY250を使用
整合層に用いられているポリウレタンの引張弾性率は 0.88 [kgf/mm2] であ る。カーボンファイバーのあるいは超高分子量ポリエチレンの弾性率（ヤング率） は、 母材となるエポキシ樹脂とかポリウレタンに比べて少なくとも 22倍以上の 相違がある。 最も弾性率の大きなカーボンファイバーは、 エポキシ樹脂の弾性率 は比べると 200倍近い相違がある。 このファイバーの種類は、用途に応じて製造 者が任意に選択することができる。
通常の複合材においては繊維の含有率は〜 50%である （森本尚夫著、 「プラスチ ック系先端複合材料」、 高分子刊行会、 1998年 10月 5日、 P133〜： L34) 。
したがって式（7) において Vf=0.6の値をとるものと考えると、 さきに述べた ように Ef/Em>20〜200であるため Ef》Emと考えられる。よって複合材におい てと近似できる。
Ε Ε,ν, (11) そのため ELは、 繊維の物性にほとんど依存すると考えてよい。 一方、 式 （8) より Ετは次式で与えられる。
Figure imgf000010_0001
式 (12) においても Vf=0.2〜0.4且つ Ef》Emであるため Vf/Ef《 (1-Vf/ Em) が成立する。 したがって、 式 (13) で与えられる。
Έτ =——≡ ~~ (13)
T (i- vr)
そのため Ετは、 ほとんど母材の物性に依存すると考えてよい。
複合材料におてい繊維方向と垂直方向 （Τ方向） に圧縮し繊維方向 （L方向） の伸びの割合を示すポアソン比 V TLは， 式 （6) より式 （14) のようになる。
Figure imgf000010_0002
TL 二 LT ここで V LTは繊維方向に圧縮した場合の複合材のポアソン比であり， 代表的な 炭素繊維複合材では， 表 6に示したように， V LT=0.3となる （森本尚之著:先端 複合材、 高分子刊行会 （京都） 1998年 10月 5日、 P135) 。 表 6 炭素繊維品種別炭素繊維複合材の圧縮弾性率， ポアソン比， 密度 21>
Figure imgf000011_0001
. (注） （1)構成： CF/エポキシ (60〜65νο1%) 森本尚之著:先端複合材， 135頁， 髙分子刊行会 (京都) 1998
(2)品種：炭素繊維の引張弾性率
標準型 (23100〜23800kgf/mm2)
高強度型 (24500〜315001¾f /mm2)
高弾性型（35000~38500kgf/mm2)
また，一方複合材のヤング率 ELは表 3より EL^150〜300[GPa]としてよい。 Ετは母材のエポキシ樹脂のヤング率に近いと考えると表 4より Ετ 6 [GPa] と してよい。 これにより V TL=0.3 X (6/150) 〜0.3 X (6/300) =0.012〜0.006 と非常に小さい値になる。
次に炭素繊維複合材について検討したが， 超高分子量ポリエチレン繊維とポリ ウレタンを母材とする複合材についても同様に表 3と表 4を参考につぎのように なる。 V LT=0.45， Ετ^Ι [GPa] , EL=^120 [GPa] となり， V TL 0.45 X (1 /120) =0.0038なる非常に小さい値となる。
従来の繊維材を用いない整合層では、 図 8aに示されるように音波の進行方向 に対して垂直方向に音波が伝搬していたが、 本実施形態では、 アレー形探触子の 振動子に設けた整合層として音波の進行方向の音波物性に対して、 音波の進行方 向に垂直な方向の音波物性が大きく異なる直交異方性材料で構成している。 よつ て、 図 8bに示されるように音波の進行方向に対して音響インピーダンスの整合 がとれ、 且つ進行方向に垂直な方向に対して伝^する音波と、 振動子の横幅方向 の振動が結合させないようにすることができる。 つまり、 音響整合層を主に厚み の方向に変形させることができるため、 厚み方向の変換効率を向上させることが できる。 また、 幅方向の振動が厚み方向の振動に干渉するのを防ぎ、 振動子表面 がー様な振幅で振動させることにより、 超音波診断装置の画像の画質を向上させ ることができる。
次にこの整合層の製造方法を説明する。 まず、 束状の繊維材をロールプレスし て引き伸ばしていく。 繊維材を伸ばしていく際、 繊維材にエポキシまたはポリウ レタン等の樹脂を流し込む。 繊維材の間に樹脂が入り込み、 空間隙間が無い板状 の複合材が図 5のように構成される。 そして、 板状になった複合材を圧電振動子 とバッキング材等と重ね合わせて接着させ、 積層された複合材を所定の間隔でヮ ィャ一等で切断する。
また、 繊維材と樹脂を予め混合させておき、 繊維材が通過できる穴が複数開い た板に混合剤を押し込む。 押し込まれた混合剤の繊維材は、 その穴を棒状になつ て通過する。 通過した繊維材は、 板を挟んだ反対側に有る樹脂に埋めこまれて、 固められる。 そして、 板状になった複合材を圧電振動子とバッキング材等と重ね 合わせて接着させ、 積層された複合材を所定の間隔でワイヤー等で切断する。 こ のような製造方法で図 5のような振動子を作成することができる。
次に第 2の実施形態として、 複合材を整合層に用いた探触子の構造を詳細に説 明する。 この探触子の 1本の振動子を図 9に示す。 この 2つの整合層には繊維材 が揷入されている。 第 1の実施形態と異なる点は、 整合層 71、 72の繊維材の繊 維方向は音波の進行方向に対して垂直になっており、 かつ振動子の長手方向に平 行になっている点である。 このように繊維方向を振動子の長手方向に配置するこ とにより、 H Iの長さが長くなる。 よって、 この実施形態では、 長手方向に強度 が增す。
次に第 3の実施形態として、 複合材を整合層に用いた探触子の構造を詳細に説 明する。 この探触子の 1本の振動子を図 10に示す。 この 2つの整合層には繊維 材が揷入されている。第 1の実施形態、第 2の実施形態と異なる点は、整合層 81、 82の繊維材の繊維方向は音波の進行方向に対して垂直になっており、かつ振動子 の長手方向に斜めになつている点である。 この実施形態では、 整合層の繊維方向 を振動子の長手方向に斜めに配置することにより、 短軸及び長手方向共に強度が 増す。
次に第 4の実施形態として、 複合材を整合層に用いた探触子の構造を詳細に説 明する。 複合材を整合層に用いた探触子の構造を詳細に説明する。 この探触子の 1本の振動子を図 11に示す。 この 2つの整合層には繊維材が揷入されている。第 1の実施形態、 第 2の実施形態、 第 3の実施形態と異なる点は、 整合層 91と、 92の繊維材の繊維方向をお互いに異ならせている点である。 この実施形態では、 2つの整合層の繊維方向をお互いに異ならせることにより、 各層毎に短軸及び長 手方向共に強度が増すことができる。
いずれの実施形態も共通する点は、 整合層の繊維材の繊維方向は、 音波の進行 方向に対して垂直である点にある。 よって、 音波の進行方向に垂直な方向に対し て伝播する音波と横幅方向の振動を軽減することができる。
以上、 複数の音響整合層が、 いずれも繊維材を含むとして説明したが、 繊維材 き含む音響整合層はどちらか一方としてもよい。 また、 複数の音響整合層として 説明したが、 単層の音響整合層の探触子に適用させてもよい。
図 12 は、 構成された本発明の超音波探触子を用いた超音波診断装置の全体構 成を示すブロック図である。 すなわち、 この超音波診断装置は、 被検体内に向け て超音波を送受信する超音波探触子 100と、この超音波探触子 100を駆動して超 音波を送信させると共に該超音波探触子 100で受信した反射エコー信号を処理し て超音波ビームを形成する超音波ビーム形成部 101と、 この超音波ビーム形成部 101からの受信信号を入力して超音波画像を構成する画像処理装置 102と、 この 画像処理装置 102からの画像信号を取り込んで画像表示を行う表示装置 103とを 備えて成る超音波診断装置において、超音波探触子 100として図 5，図 9，図 10， 図 11のいずれかに記載の振動子を設置させた超音波探触子を用いたものである。 この場合は、 厚み方向の変換効率を向上させ、 また幅方向の振動が厚み方向の振 動に干渉するのを防いだため、 画像の画質を向上させた超音波診断装置を実現す ることができる-。

Claims

請 求 の 範 囲 圧電振動子と、 音響レンズと、 前記圧電 ¾動子と前記音響レンズとの間 に設けられた音響整合層とカゝら成る振動子をバッキング上で複数配列さ せた超音波探触子において、 前記音響整合層は繊維材を含み、 前記繊維材 の繊維方向は音波方向に垂直であることを特徴とする超音波探触子。 前記繊維材の繊維方向は、 前記振動子の長手方向に対して垂直であるこ とを特徴とする請求項 1記載の超音波探触子。 前記繊維材の繊維方向は、 前記振動子の長手方向に対して平行であるこ とを特徴とする請求項 1記載の超音波探触子。 前記繊維材の繊維方向は、 前記振動子の長手方向に対して斜め方向であ ることを特徴とする請求項 1記載の超音波探触子。 前記繊維材の繊維方向のャング率は、 前記音響整合層の母材のヤング率 よりも大き 'いことを特徴とする請求項 1記載の超音波探触子。 前記音響整合層は、 前記音響レンズに接合した第 1の音響整合層と、 前 記第 1の音響整合層と前記バッキング材との間に設けられた第 2の音響整 合層からなることを特徴とする請求項 1記載の超音波探触子。 前記第 1の音響整合層の繊維材の繊維方向と、前記第 2の音響整合層の 繊維材の繊維方向は、 お互いに直行することを特徴とする請求項 6記載の 超音波探触子。 前記第 1の音響整合層の音響ィンピーダンスは、前記第 2の音響整合層 の音響ィンピーダンスより低いことを特徴とする請求項 6記載の超音波探 触子。
9. 前記第 1の音響整合層はポリエチレン複合材であり、前記第 2の音響整 合層は炭素繊維複合材とであることを特徴とする請求項 6記載の超音波探 触子。
10. 前記請求項 1に記載された超音波探触子と、前記超音波探触子を駆動し て超音波を送信させると共に該超音波探触子で受信した反射ェコ一信号 を処理して超音波ビームを形成する超音波ビーム形成部と、 前記超音波ビ ーム形成部からの受信信号を入力して超音波画像を構成する画像処理装 置と、 前記画像処理装置からの画像信号を取り込んで画像表示を行う表示 装置とを備えて成る超音波診断装置。
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