JP3908595B2

JP3908595B2 - 超音波探触子

Info

Publication number: JP3908595B2
Application number: JP2002142393A
Authority: JP
Inventors: 和裕小林; 秀嗣桂
Original assignee: Aloka Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-05-17
Filing date: 2002-05-17
Publication date: 2007-04-25
Anticipated expiration: 2022-05-17
Also published as: JP2003333694A

Description

【０００１】
【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

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。