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発明の名称 超音波探触子
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平7−184296
公開日 平成7年(1995)7月21日
出願番号 特願平5−324621
出願日 平成5年(1993)12月22日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】小鍜治 明 (外2名)
発明者 斉藤 孝悦 / 菊地 総子
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。
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。
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111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6.2mm)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PZT、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11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6000m/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18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。




 

 


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