JP3908595B2 - 超音波探触子 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の振動素子からなるアレイ振動子を含む超音波探触子に関する。
【0002】
【従来の技術及びその課題】
電子走査式の超音波探触子は、図7に示されるように、一般的に、バッキング層200上にアレイ振動子202が接合され、さらにこのアレイ振動子202上に整合層204が接合された構成を有する。このアレイ振動子202は、複数の振動素子(圧電素子)206が1次元又は2次元配列された構成を有し、各振動素子206の間の溝210には充填剤208が充填されている。一方、整合層204は、複数の整合素子214が配列された構成を有する。整合層204には、隣り合う整合素子214の間に、上記溝210のパターンと同一パターンを成す複数の溝212が形成されている。これらの溝212には、上記の充填剤と全く同一の充填剤が充填されている。なお、アレイ振動子202と整合層204との間には、グランド電極220が設けられている。さらに、バッキング層200内には、各振動素子206に駆動電圧を伝送し、また、エコー信号を取り出すためのリード及びコンタクト部材等が存在するが、図中省略されている。
【0003】
各振動素子206は、駆動電圧が加わると機械的振動を発生し、超音波を送波する。各振動素子206は、主として、積層方向(Z方向)に沿って縦振動することで、図中上方側に位置する被検体に超音波を送波する。
【0004】
ここで、各振動素子206の相互間で音響的なクロストークを防止するために、充填剤208には、振動素子206に比べて音響インピーダンスが極めて小さいものが利用されている。なお、音響インピーダンスと剛性との間には、一般的に相関があり、音響インピーダンスが小さい材料は、通常、剛性が低く柔らかい。したがって、バッキング層200上に固定された各振動素子206は、例えば、図8の一点鎖線や波線で示されるように、横方向に振動してしまう。このような不要振動によるエネルギー損失によって、例えば、予定した音響パワーの超音波を送波できなかったり、あるいは、周波数特性が悪くなったりし、予定した帯域を有する超音波を送波できない等の問題が起こる。なお、これらの問題は、超音波の受波時においても同様であり、超音波探触子の性能の低下を引き起こしていた。
【0005】
一方、この横振動を抑圧するために、例えば、図7の整合層204の代わりに、溝が形成されていない一体プレート状の整合層を用いることもできるが、各振動素子206から発せられた超音波が、整合層の中でも広がるため、各振動素子206の開口が広くなり、超音波を適正な広がりをもって送波することが困難となる。その結果、電子走査における超音波ビームのスキャン角度を広くとることが困難となり、超音波計測における視野角が狭くなってしまう。
【0006】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、その目的は、各振動素子の良好な機械的振動を可能にした超音波探触子を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は、バッキング層と、前記バッキング層上に設けられ、振動素子相互間に第一溝が形成された複数の振動素子を有するアレイ振動子と、前記アレイ振動子上に設けられ、整合素子相互間に第二溝が形成された複数の整合素子を有する整合層と、を含み、前記各第一溝には、第一充填剤が充填され、前記各第二溝には、前記第一充填剤とは異なる組成を有する不要振動抑制用の第二充填剤が充填されていることを特徴とする超音波探触子に関する。
【0008】
ここで、第二充填剤に、振動素子の不要振動を抑制する特性を有する充填材を使用することにより、各振動素子の不要振動が抑制される。
【0009】
本発明において、前記各第二溝は非貫通溝であり、前記複数の整合素子における素子相互間には、隣接する2つの整合素子に連なる連結部が形成されている。本発明の好適な態様では、前記連結部は、前記第二溝の下方に形成されている。あるいは、前記連結部は、前記第二溝の上方に形成されている。この連結部を設けることにより、不要振動の抑制作用を増大できる。但し、音響的なクロストークの問題が無視できる範囲で連結部を設けることが望ましい。
【0010】
また、上記課題を達成するために、本発明は、バッキング層と、前記バッキング層上に設けられ、振動素子の相互間に第一溝が形成され2次元配列された複数の振動素子を有するアレイ振動子と、前記アレイ振動子上に設けられ、2次元配列された複数の整合素子を有する整合層と、を含み、前記整合層は、行方向に隣接する2つの整合素子の間ごとに、及び、列方向に隣接する2つの整合素子の間ごとに形成された複数の第二溝と、4つの整合素子の隅部によって囲まれる格子点部位ごとに形成され、それら4つの整合素子の隅部と連なる連結部と、を有し、前記各第一溝には、第一充填剤が充填され、前記各第二溝には、前記第一充填剤とは異なる組成を有する不要振動抑制用の第二充填剤が充填されていることを特徴とする。
【0011】
本発明の好適な態様では、前記第二充填剤の音響インピーダンスは、前記第一充填剤の音響インピーダンスよりも大きいことを特徴とする。
【0012】
【発明の実施の形態】
本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図1には、超音波探触子の主要部の断面が概略的に示されている。超音波探触子は、主として、バッキング層12、アレイ振動子14、グランド電極22及び整合層16から構成されている。
【0013】
アレイ振動子14は、超音波を2次元的に電子走査可能な2Dアレイ振動子であり、複数の振動素子18及び第一充填剤20から構成されている。
【0014】
複数の振動素子18は、Y方向、及び、このY方向と直交するX方向に2次元的に配列されている。なお、図中には、Y方向に5つの振動素子18が配列されているが、実際のアレイ振動子は、Y方向及びX方向に、用途に応じた数の振動素子18を配列したものとして構成される。各振動素子18は、微小な角柱状の圧電素子であり、その上方側及び下方側には電極膜18a及び18bがそれぞれ形成されている。複数の振動素子18の上方には、単一のグランド電極22が接合されており、各振動素子18の電極膜18aと接続されている。
【0015】
各振動素子18は、互いに所定間隔を空けて形成されている。換言すれば、隣り合う振動素子18の相互間には、アレイ振動子14をZ方向に貫通する第一溝24がそれぞれ形成されており、これら複数の第一溝24が、複数の振動素子18間を碁盤の目状に走行している。
【0016】
各第一溝24には、第一充填剤20が充填されている。この第一充填剤20は、例えば、シリコーンゴムやウレタンゴム等の合成樹脂に多数のフィラー材が添加された組成を有している。ここで、本実施形態では、例えば、フィラー材として、高分子の膜を外殻とする中空のバブル(微小気泡)が採用されている。この第一充填剤20の音響インピーダンスは、振動素子18の音響インピーダンスに比べて極めて小さい。これにより、振動素子18の相互間における音響的なクロストークが防止される。また、第一充填剤20は、多くのバブルを含むため、剛性が低く柔らかい。
【0017】
バッキング層12は、例えば直方体状の部材であり、剛性の高い合成樹脂で形成されている。バッキング層12は、アレイ振動子14から下方側に放射される超音波を吸収する材料で形成される。このバッキング層12の上方に、アレイ振動子14が接合されている。なお、バッキング層12は、上記の各振動素子18に駆動信号を伝送し、またエコー信号を取り出すためのリード及びコンタクト部材等を有しているが、それらを図中省略する。
【0018】
整合層16は、アレイ振動子14の上面に接合される。整合層16は、前記の複数の振動素子18に対応する複数の整合素子26を有する。また、整合層16には、前記の複数の第一溝24に対応する複数の第二溝30が形成されており、各第二溝30には第二充填剤28が充填されている。
【0019】
これらの整合素子26は、被検体(生体)と振動素子18との間で音響インピーダンス整合をとり、被検体内へ超音波を効率的に伝達し、また被検体内からの反射波を振動素子18へ効率的に伝達する材料で形成されている。本実施形態の整合素子26は、例えば、エポキシ樹脂等にシリカ等の添加材が添加された組成を有する。
【0020】
この第二充填剤28は、上記の第一充填剤20と異なる組成を有する。具体的には、この第二充填剤28は、第一充填剤20よりも剛性が高い(又は固い)充填剤で、第一充填剤20よりも音響インピーダンスが大きい。その第二充填剤としては、例えば、バブル等のフィラー剤が添加されていないシリコーンゴムやウレタンゴム等の合成樹脂を使用する。
【0021】
また、第二充填剤28は、整合素子26よりも音響インピーダンスが小さいものを使用している。ちなみに、このとき、第二充填剤28は、整合素子26よりも剛性が低い(又は柔らかい)。つまり、これら第一充填剤20、第二充填剤28及び整合素子26の間に、例えば、以下に示される関係が成立するように、それぞれの組成を調整する。
【0022】
【数1】
0<Za<Zb<Zc (1)
0<Ga<Gb<Gc (2)
ここで、Za、Zb及びZcは、それぞれ及び第一充填剤20、第二充填剤28及び整合素子26の音響インピーダンスを示し、Ga、Gb及びGcは、それぞれ第一充填剤20、第二充填剤28及び整合素子26の剛性を示している。
【0023】
次に、上記の超音波探触子における超音波送受波時における振動素子18が有する振動モードについて説明する。
【0024】
各振動素子18の下方側は、上述のように、剛性の高いバッキング層12に固定されている。しがたって、各振動素子18は、駆動信号が印加されると、下方側を固定された状態で機械的振動を発生し、縦振動を行う。これにより、各振動素子18は、上方へ向けて超音波を送波する。
【0025】
これは当該アレイ振動子の等価回路における電気的インピーダンスを求めることで評価できる。例えば、図7に示される従来のアレイ振動子202ではその周りの充填剤208の剛性が低い(音響インピーダンスが小さい)ため、図2(a)の波線で示すように不要な変動が存在する。これに対し、本実施形態(図1)では、第二溝30に剛性の高い(音響インピーダンスが大きい)第二充填剤28が充填されているため、振動素子18の運動(図8の横振動)は電極膜18a、グランド電極22及び整合素子26を介して第二充填剤28にて十分に抑制される。これにより、図中の実線で示すように、不要な変動は起こらない。
【0026】
また、アレイ振動子における指向角特性について評価してみると、従来のアレイ振動子202は、図2(b)の破線で示されるように、アレイ振動子202の正面からの成す角が大きくなるに従って、急激にゲインが落ち込んでおり、指向性が狭くなっている。したがって、超音波ビームのスキャン角度を広くとることができない。それに対し、本実施形態のアレイ振動子14は、図中実線で示されるように、それぞれの指向角でのゲインは、従来のものよりも大きくなる。したがって、超音波ビームのスキャン角度を広くとることができ、視野角を広くとれる。
【0027】
次に、図3を参照しながら、本発明の実施形態における超音波探触子について説明する。なお、図1に示された構成と同一の構成には同一符号を付し、その説明を省略する。
【0028】
アレイ振動子14の上方に接合された整合層34は、複数の整合素子26、連結部38及び第二充填剤42から構成されている。連結部38は、隣り合う整合素子26の間に設けられており、隣接する2つの整合素子26に連なり、連結されている。
【0029】
ここで、連結部38のZ方向における幅(厚さ)は、整合素子26のZ方向における厚さよりも小さい。本実施形態では、この連結部38が各整合素子26の下方側で連結されており、連結部38の上方には、上方に開口を有する非貫通溝としての第二溝40が形成されている。第二溝40には、例えば、上記実施形態における第二充填剤28と同一の組成を成す第二充填剤42が充填されている。
【0030】
本実施形態における整合層34では、第一充填剤20に対する第二充填剤42の組成に加えて、例えば、連結部38の厚さなど連結部38の寸法を調整することで、各振動素子18の振動モードを良好に制御できる。この形態においても上記実施形態の構成と同様の効果が得られる。
【0031】
さらに、別の実施形態における超音波探触子について図4を用いて説明する。本実施形態では、上述した図3の構成と整合層以外については基本的に同一である。なお、当該実施形態の整合層44は、複数の整合素子26、連結部38及び第二充填剤42から構成されており、これら各構成要素のそれぞれ自体は、図3の整合層34における各構成要素と同一の構成を有する。
【0032】
しかしながら、連結部38は、隣接する2つの整合素子26に連なるに当たって、各整合素子26の上方側で連結されている。本実施形態では、連結部38と各整合素子26とが一体形成されており、連結部38の下方には、下方に開口を有する非貫通溝としての第二溝46が形成されている。この第二溝46に、第二充填剤42が充填されている。この形態においても上記実施形態と同様の効果を得られる。
【0033】
また、さらに別の実施形態における超音波探触子について説明する。ここで、当該実施形態では、上述した図1の構成と整合層以外については基本的に同一である。ここで、図5には、上方から見た本実施形態の整合層50が部分的に示されている。この整合層50は、複数の整合素子26、複数の第二充填剤54、及び複数の連結部58から構成されている。なお、第二充填剤54には、便宜上、上記実施形態における第二充填剤42のハッチングと同様の模様を付す。
【0034】
複数の整合素子26は、下方に配置された複数の振動素子(図示せず)の配列パターンと同一パターンでY方向(行方向)及びX方向(列方向)に2次元的に配列されている。
【0035】
各整合素子26の間には、それぞれ第二溝56が形成されている。ここで、本実施形態における各第二溝56は、後述する2つの溝、すなわわち行間溝56a及び列間溝56bのいずれかに分類される。
【0036】
各行間溝56aは、図に示されるように、行方向に配列している各整合素子26の間に形成された溝であり、隣接する2つの整合素子26ごとにそれぞれ形成されている。なお、図には矩形形状を有する各行間溝56aの開口が示されている。これに対し、各列間溝56bは、列方向に配列している各整合素子26の間に形成された溝であり、隣接する2つの整合素子26ごとにそれぞれ形成されている。なお、図には矩形形状を有する各列間溝56bの開口が示されている。
【0037】
ここで、複数の行間溝56aは、X方向において、各溝56aの間ごとに後述する連結部58を介して配列形成されており、それぞれが互いに離間し、独立している。各列間溝56bもまた、Y方向において、各溝56bの間ごとに、連結部58を介して配列形成されている。各行間溝56a及び各列間溝56bには、図1に示される第二充填剤28と同一の組成を有する第二充填剤54が充填されている。なお、これら行間溝56a及び列間溝56bは、レーザ加工等により成形できる。
【0038】
また、この連結部58は、4つの整合素子26の隅部60によって囲まれる格子点部位Aごとに形成されており、これら4つの素子26の隅部60と連なっている。各連結部58により、互いに対角方向に隣接する2組の整合素子26が繋がっている。
【0039】
図6に、図5のB−B’で示される断面の一部を示す。図に示されるように、各列間溝56bは、Z方向に整合層50を貫通しており、上述のように、それぞれに第二充填剤54が充填されている。また、各連結部58は、整合層50の上方から下方までZ方向に沿って形成された柱状部材である。隣り合う2つの第二充填剤54は、連結部58によって仕切られている。
【0040】
なお、行間溝56a、第二充填剤54及び連結部58においても、この列間溝56b、第二充填剤54及び連結部58における配置形態と同様の配置形態を成している。
【0041】
本実施形態における整合層では、第一充填剤20に対する第二充填剤54の組成に加えて、例えば、連結部58の断面積など連結部58の寸法を調整することで、各振動素子18の振動モードを良好に制御できる。この形態においても上述の実施形態における主要部と同様の効果が得られる。
【0042】
以上、上記の各実施形態では、2Dアレイ振動子を備える超音波探触子に本発明を適用する場合を例にとって説明したが、これに限らず、例えば、1Dアレイ振動子や1.5Dアレイ振動子など、複数の振動素子を含むアレイ振動子を含む超音波探触子であれば、上記実施形態の場合と同様に本発明を適用することができ、上述と同様の効果が得られる。
【0043】
【発明の効果】
本発明によれば、各振動素子の良好な機械的振動を可能にした超音波探触子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 超音波探触子の主要部の断面が概略的に示された図である。
【図2】 本実施形態のアレイ振動子と従来のアレイ振動子の両方における各種特性を示す図である。
【図3】 本発明の実施形態の超音波探触子における主要部の断面が概略的に示された図である。
【図4】 別の実施形態の超音波探触子における主要部の断面が概略的に示された図である。
【図5】 さらに別の実施形態における主要部を上方から見た図である。
【図6】 図5の主要部におけるB−B’の断面を概略的に示した図である。
【図7】 従来の超音波探触子の主要部の断面を概略的に示した図である。
【図8】 従来の超音波探触子のアレイ振動子に含まれる振動素子が有する横振動モードを概略的に示した図である。
【符号の説明】
12 バッキング層、14 アレイ振動子、16 整合層、18 振動素子、20 第一充填剤、22 グランド電極、24 第一溝、26 整合素子、28 第二充填剤、30 第二溝。
Claims (5)
- バッキング層と、
前記バッキング層上に設けられ、振動素子相互間に第一溝が形成された複数の振動素子を有するアレイ振動子と、
前記アレイ振動子上に設けられ、整合素子相互間に第二溝が形成された複数の整合素子を有する整合層と、
を含み、
前記各第一溝には、第一充填剤が充填され、
前記各第二溝には、前記第一充填剤とは異なる組成を有する不要振動抑制用の第二充填剤が充填され、
前記各第二溝は非貫通溝であり、
前記複数の整合素子における素子相互間には、隣接する2つの整合素子に連なる連結部が形成され、
前記各振動素子の横振動をその生体側において第二充填剤及び連結部で抑制することを特徴とする超音波探触子。 - 請求項1に記載の超音波探触子において、
前記連結部は、前記第二溝の下方に形成されていることを特徴とする超音波探触子。 - 請求項1に記載の超音波探触子において、
前記連結部は、前記第二溝の上方に形成されていることを特徴とする超音波探触子。 - バッキング層と、
前記バッキング層上に設けられ、振動素子の相互間に第一溝が形成され2次元配列された複数の振動素子を有するアレイ振動子と、
前記アレイ振動子上に設けられ、2次元配列された複数の整合素子を有する整合層と、
を含み、
前記整合層は、
行方向に隣接する2つの整合素子の間ごとに、及び、列方向に隣接する2つの整合素子の間ごとに形成された複数の第二溝と、
4つの整合素子の隅部によって囲まれる格子点部位ごとに形成され、それら4つの整合素子の隅部と連なる連結部と、
を有し、
前記各第一溝には、第一充填剤が充填され、
前記各第二溝には、前記第一充填剤とは異なる組成を有する不要振動抑制用の第二充填剤が充填され、
前記各振動素子の横振動をその生体側において第二充填剤及び連結部で抑制することを特徴とする超音波探触子。 - 請求項1又は4項に記載の超音波探触子において、
前記第二充填剤の音響インピーダンスは、前記第一充填剤の音響インピーダンスよりも大きいことを特徴とする超音波探触子。
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