JPH01139041A - 超音波診断装置 - Google Patents
超音波診断装置Info
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- JPH01139041A JPH01139041A JP63200541A JP20054188A JPH01139041A JP H01139041 A JPH01139041 A JP H01139041A JP 63200541 A JP63200541 A JP 63200541A JP 20054188 A JP20054188 A JP 20054188A JP H01139041 A JPH01139041 A JP H01139041A
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Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
- B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
- B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
- B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
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- B06B1/0607—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements
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- B06B1/064—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements on one surface with multiple active layers
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10S367/00—Communications, electrical: acoustic wave systems and devices
- Y10S367/903—Transmit-receive circuitry
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
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。
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、積層圧電素子により構成された超音波探触子
を用いる超音波診断装置に関する。
を用いる超音波診断装置に関する。
(従来の技術)
超音波探触子は圧電素子により構成され、超音波を発生
し、その反射波を受信して対象物内部の状態を検査する
ためのものであり、人体内部の診断、金属溶接部の内部
の探傷等、各種の用途に用いられる。このような超音波
探触子としては、複数の細長い圧電素子を配列したアレ
イ型超音波探触子が多用されている。
し、その反射波を受信して対象物内部の状態を検査する
ためのものであり、人体内部の診断、金属溶接部の内部
の探傷等、各種の用途に用いられる。このような超音波
探触子としては、複数の細長い圧電素子を配列したアレ
イ型超音波探触子が多用されている。
超音波探触子を用いて人体内部を検査・診断する超音波
診断装置は、腹部等に関しては断層像(Bモード像)を
得るものが主流であるが、心臓や頚動脈等については断
層像の他にドツプラ効果を利用し、血流速を観測するい
わゆるドツプラモードが併用されている。また、血流を
カラー表示するカラーマツピングも急速に普及している
。
診断装置は、腹部等に関しては断層像(Bモード像)を
得るものが主流であるが、心臓や頚動脈等については断
層像の他にドツプラ効果を利用し、血流速を観測するい
わゆるドツプラモードが併用されている。また、血流を
カラー表示するカラーマツピングも急速に普及している
。
しかしながら、血流を観測する際の超音波探触子も含め
た超音波診断装置の感度余裕は、Bモード像におけるそ
れに比べて少ないのが現状である。
た超音波診断装置の感度余裕は、Bモード像におけるそ
れに比べて少ないのが現状である。
これはドツプラモードでの信号取得方法が、Bモード像
の場合とは異なることによる影響が大きいためである。
の場合とは異なることによる影響が大きいためである。
従って、超音波探触子の感度増大によるドツプラ像の画
質向上は、Bモード像のそれに比べて顕著である。
質向上は、Bモード像のそれに比べて顕著である。
超音波探触子の感度増大の方法としては■駆動電圧の増
大、 ■圧電材料の改良(結合係数を大きくする)、■音響的
マツチングを図る、 の3つが考えられている。これらのうち、まず■の駆動
電圧の増大は限界がある。これは近年もしくは今後の方
向として、超音波探触子のエレメント数が増える傾向が
あるため、駆動源をハイブリッドICで構成することが
多く、ハイブリッドICでは高い電圧を発生することが
困難だからである。
大、 ■圧電材料の改良(結合係数を大きくする)、■音響的
マツチングを図る、 の3つが考えられている。これらのうち、まず■の駆動
電圧の増大は限界がある。これは近年もしくは今後の方
向として、超音波探触子のエレメント数が増える傾向が
あるため、駆動源をハイブリッドICで構成することが
多く、ハイブリッドICでは高い電圧を発生することが
困難だからである。
■の方法については、例えば現存する圧電セラミック材
料においてに′1.モードでの結合係数の最も大きな値
は0,7程度である。超音波探触子の感度を2倍とする
には結合係数を約0.95にする必要があるが、この値
は現実的には不可能である。
料においてに′1.モードでの結合係数の最も大きな値
は0,7程度である。超音波探触子の感度を2倍とする
には結合係数を約0.95にする必要があるが、この値
は現実的には不可能である。
次に■の音響的マツチングを図る場合、感度と分解能が
相反する関係にあるため、分解能を犠牲にしないという
条件の下では、音響的マツチングによる大幅な感度アッ
プは望めない。
相反する関係にあるため、分解能を犠牲にしないという
条件の下では、音響的マツチングによる大幅な感度アッ
プは望めない。
(発明が解決しようとする課8)
このように超音波診断装置においてドツプラモードで血
流を観測する場合には、超音波探触子の感度を大きくす
ることが要求され、そのためには駆動電圧の増大、圧電
材料の結合係数の増大、音響的マツチングを図る等の方
法が考えられているが、駆動電圧の増大は駆動源にハイ
ブリッドICを用いるアレイ型超音波探触子では困難で
あり、また圧電材料の結合係数の増大も限界があり、さ
らに音響的マツチングを図る方法は分解能が犠牲になる
という問題があった。
流を観測する場合には、超音波探触子の感度を大きくす
ることが要求され、そのためには駆動電圧の増大、圧電
材料の結合係数の増大、音響的マツチングを図る等の方
法が考えられているが、駆動電圧の増大は駆動源にハイ
ブリッドICを用いるアレイ型超音波探触子では困難で
あり、また圧電材料の結合係数の増大も限界があり、さ
らに音響的マツチングを図る方法は分解能が犠牲になる
という問題があった。
本発明はこのような問題点を解決するためになされたも
ので、超音波探触子で検出された反射波信号が受信部へ
効率的に伝達されるようにして高感度化を達成できる超
音波診断装置を提供することを目的とする。
ので、超音波探触子で検出された反射波信号が受信部へ
効率的に伝達されるようにして高感度化を達成できる超
音波診断装置を提供することを目的とする。
[発明の構成コ
(課題を解決するための手段)
上記目的を達成するため、本発明は積層圧電素子を配列
して構成したアレイ型超音波探触子を用いるとともに、
動作中心周波数においてこの超音波探触子のインピーダ
ンスを、超音波探触子と受信部とを接続する同軸ケーブ
ルの容量分によるインピーダンスより小さく、より好ま
しくは同軸ケーブルの容量分によるインピーダンスと受
信部の入力インピーダンスとの並列合成インピーダンス
よりも小さくしたものである。
して構成したアレイ型超音波探触子を用いるとともに、
動作中心周波数においてこの超音波探触子のインピーダ
ンスを、超音波探触子と受信部とを接続する同軸ケーブ
ルの容量分によるインピーダンスより小さく、より好ま
しくは同軸ケーブルの容量分によるインピーダンスと受
信部の入力インピーダンスとの並列合成インピーダンス
よりも小さくしたものである。
本発明では積層圧電素子を構成する複数の圧電体層をス
イッチを介して並列接続してもよく、その場合はスイッ
チが閉じた時の超音波探触子のインピーダンスを同軸ケ
ーブルの容量分によるインピーダンスより小さくすれば
よい。
イッチを介して並列接続してもよく、その場合はスイッ
チが閉じた時の超音波探触子のインピーダンスを同軸ケ
ーブルの容量分によるインピーダンスより小さくすれば
よい。
(作用)
本発明では、動作中心周波数において超音波探触子のイ
ンピーダンスが同軸ケーブルの容量分によるインピーダ
ンスより小さいことによって、超音波探触子て検出され
た反射波信号の受信部の入力インピーダンスへの分圧が
大きくなって、反射波信号の電圧損失が小さく抑えられ
る。この効果は超音波探触子のインピーダンスが、同軸
ケーブルの容量分によるインピーダンスと受信部の入力
インピーダンスとの並列合成インピーダンスより小さい
場合、−層顕著となる。
ンピーダンスが同軸ケーブルの容量分によるインピーダ
ンスより小さいことによって、超音波探触子て検出され
た反射波信号の受信部の入力インピーダンスへの分圧が
大きくなって、反射波信号の電圧損失が小さく抑えられ
る。この効果は超音波探触子のインピーダンスが、同軸
ケーブルの容量分によるインピーダンスと受信部の入力
インピーダンスとの並列合成インピーダンスより小さい
場合、−層顕著となる。
ドツプラモードでの測定では、アレイ型超音波探触子の
中でも特に電子セクタ走査用超音波探触子が用いられる
。これは観測する血管に対して斜めに超音波ビームを照
射する必要があるということと、それによるグレーティ
ングローブの影響を防止するためには、エレメントピッ
チが電子リニアに比べて小さな電子セクタ走査用超音波
探触子が適しているからである。電子セクタ走査用超音
波探触子の1エレメントの面積は電子リニア走査用超音
波探触子に比べL/2〜l/4程度であり、それに伴っ
て1エレメントあたりのインピーダンスは増大する。こ
のインピーダンスの増大は、超音波探触子と受信部とを
接続する同軸ケーブルの容量分によるインピーダンスや
、受信部の入力インピーダンスによる反射波信号の電圧
損失を招く。
中でも特に電子セクタ走査用超音波探触子が用いられる
。これは観測する血管に対して斜めに超音波ビームを照
射する必要があるということと、それによるグレーティ
ングローブの影響を防止するためには、エレメントピッ
チが電子リニアに比べて小さな電子セクタ走査用超音波
探触子が適しているからである。電子セクタ走査用超音
波探触子の1エレメントの面積は電子リニア走査用超音
波探触子に比べL/2〜l/4程度であり、それに伴っ
て1エレメントあたりのインピーダンスは増大する。こ
のインピーダンスの増大は、超音波探触子と受信部とを
接続する同軸ケーブルの容量分によるインピーダンスや
、受信部の入力インピーダンスによる反射波信号の電圧
損失を招く。
すなわち、同軸ケーブルの容量分によるインピーダンス
と受信部の入力インピーダンスとの並列合成インピーダ
ンスと、超音波探触子のインピーダンスとによる反射波
信号の分圧が、反射波信号の電圧損失の程度を表わすと
考えられる。従って、超音波探触子のインピーダンスを
低減させることにより受信感度の増大が期待される。超
音波探触子のインピーダンスを下げる方法としては、圧
電体の比誘電率を増加させる方法と、コイル、トランス
、FET等によるインピーダンス変換手段を用いる方法
も考えられる。しかし、前者の方法では比誘電率を増加
させても高々5000程度であり、しかも結合係数の低
下、キュリー温度の低下を招いてしまうので好ましくな
く、また後者の方法は数10もしくは100以上のエレ
メント数を有する超音波探触子のヘッド部にインピーダ
ンス変換手段を組込むことになるため、探触子が大型に
なり、操作性も低下するし、インピーダンス変換手段の
固有の周波数特性によって超音波探触子の動作帯域を低
下させてしまう。
と受信部の入力インピーダンスとの並列合成インピーダ
ンスと、超音波探触子のインピーダンスとによる反射波
信号の分圧が、反射波信号の電圧損失の程度を表わすと
考えられる。従って、超音波探触子のインピーダンスを
低減させることにより受信感度の増大が期待される。超
音波探触子のインピーダンスを下げる方法としては、圧
電体の比誘電率を増加させる方法と、コイル、トランス
、FET等によるインピーダンス変換手段を用いる方法
も考えられる。しかし、前者の方法では比誘電率を増加
させても高々5000程度であり、しかも結合係数の低
下、キュリー温度の低下を招いてしまうので好ましくな
く、また後者の方法は数10もしくは100以上のエレ
メント数を有する超音波探触子のヘッド部にインピーダ
ンス変換手段を組込むことになるため、探触子が大型に
なり、操作性も低下するし、インピーダンス変換手段の
固有の周波数特性によって超音波探触子の動作帯域を低
下させてしまう。
これに対し、本発明のように積層圧電素子を用いて超音
波探触子を構成した場合は、圧電体層の積層数をnとし
、また各圧電体層の厚さが等しいとすると、単層構造の
同一共振周波数の圧電素子と比較した時、−層あたりの
厚さは1 / nで、n個が電気的に並列に接続されて
いるから、インピーダンスは1/n2となり、効果的に
インピーダンスが低減され、しかも圧電体の比誘電率を
増加させる方法や、インピーダンス変換手段を用いる方
法に見られるような問題が生じない。
波探触子を構成した場合は、圧電体層の積層数をnとし
、また各圧電体層の厚さが等しいとすると、単層構造の
同一共振周波数の圧電素子と比較した時、−層あたりの
厚さは1 / nで、n個が電気的に並列に接続されて
いるから、インピーダンスは1/n2となり、効果的に
インピーダンスが低減され、しかも圧電体の比誘電率を
増加させる方法や、インピーダンス変換手段を用いる方
法に見られるような問題が生じない。
(実施例)
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。
第1図は本発明の一実施例に係る超音波診断装置の概略
構成を示したもので、超音波探触子1に同軸ケーブル2
を介して駆動源3および受信部4を接続した構成となっ
ている。
構成を示したもので、超音波探触子1に同軸ケーブル2
を介して駆動源3および受信部4を接続した構成となっ
ている。
第2図は第1図における超音波探触子1と同軸ケーブル
2及び受信部4の等価回路を示したもので、ZPは超音
波探触子1のインピーダンス、zCは同軸ケーブル2の
容量分によるインピーダンス、ZRは受信部4の入力イ
ンピーダンスをそれぞれ示している。ここで、各部のイ
ンピーダンスの関係は、Zp<Zcであり、より好まし
くは更にZP<ZC//ZRとなっている。なお、ZC
//ZRはzcとZRとの並列合成インピーダンス、す
なわちZc −ZR/ (ZC+ZR)である。
2及び受信部4の等価回路を示したもので、ZPは超音
波探触子1のインピーダンス、zCは同軸ケーブル2の
容量分によるインピーダンス、ZRは受信部4の入力イ
ンピーダンスをそれぞれ示している。ここで、各部のイ
ンピーダンスの関係は、Zp<Zcであり、より好まし
くは更にZP<ZC//ZRとなっている。なお、ZC
//ZRはzcとZRとの並列合成インピーダンス、す
なわちZc −ZR/ (ZC+ZR)である。
超音波探触子1・は例えば第3図に示すような2層の積
層圧電素子10を複数個配列して構成されたアレイ型超
音波探触子が使用される。積層圧電素子10は圧電セラ
ミック材料からなる2層の圧電体層11a、llbを相
互間に内部電極層21を介して積層し、内部電極層21
を一側面に引出して、引出し電極25に接続し、圧電体
層11a。
層圧電素子10を複数個配列して構成されたアレイ型超
音波探触子が使用される。積層圧電素子10は圧電セラ
ミック材料からなる2層の圧電体層11a、llbを相
互間に内部電極層21を介して積層し、内部電極層21
を一側面に引出して、引出し電極25に接続し、圧電体
層11a。
11bの内部電極層21と反対側の面に形成された外部
電極層22.23間を他の一側面に引出して、引出し電
極24で短絡することによって、圧電体層11a、ll
bを電気的に並列接続したものである。このような積層
圧電素子10が複数個配列され、その超音波放射面側に
音響マツチング層12と音響レンズ13が順次形成され
、背面側には超音波の吸収および支持の役割を果たすバ
ッキング材14が形成されている。
電極層22.23間を他の一側面に引出して、引出し電
極24で短絡することによって、圧電体層11a、ll
bを電気的に並列接続したものである。このような積層
圧電素子10が複数個配列され、その超音波放射面側に
音響マツチング層12と音響レンズ13が順次形成され
、背面側には超音波の吸収および支持の役割を果たすバ
ッキング材14が形成されている。
積層圧電素子10は、次のようにして製造される。まず
、誘電体層11a、llbとして、比誘電率εrが20
00の圧電セラミック材料を用い、ドクターブレード法
により厚さが250μmの2枚のグリーンシートを得た
。これらのうちの1枚のグリーンシートの一面に、内部
電極層21となるptを主成分とするペーストを塗布し
、ペースト塗布面にもう一枚のグリーンシートを重ね合
せて焼成することにより一体化した。この一体止された
圧電体層11a、llbの内部電極層21と反対側の面
上にA9を主成分とする外部電極層22.23を形成す
るとともに、圧電体層11a。
、誘電体層11a、llbとして、比誘電率εrが20
00の圧電セラミック材料を用い、ドクターブレード法
により厚さが250μmの2枚のグリーンシートを得た
。これらのうちの1枚のグリーンシートの一面に、内部
電極層21となるptを主成分とするペーストを塗布し
、ペースト塗布面にもう一枚のグリーンシートを重ね合
せて焼成することにより一体化した。この一体止された
圧電体層11a、llbの内部電極層21と反対側の面
上にA9を主成分とする外部電極層22.23を形成す
るとともに、圧電体層11a。
11bの側面に引出し電極24.25を形成し、焼き付
けた。その結果、厚さが410μmの焼結体を得た。次
に、圧電体層11a、llbの分極処理を、内部電極層
21側が正極、外部電極層22゜23側が負極となるよ
うに行ない、積層圧電素子10を得た。
けた。その結果、厚さが410μmの焼結体を得た。次
に、圧電体層11a、llbの分極処理を、内部電極層
21側が正極、外部電極層22゜23側が負極となるよ
うに行ない、積層圧電素子10を得た。
一方、比較例として第6図に示す単層の圧電素子を用い
たアレイ型超音波探触子および第7図に示す3層の積層
圧電素子を用いたアレイ型超音波探触子を同様にして試
作した。これらの超音波探触子を第1図に示した送受信
系に用いて感度の比較を行なった。
たアレイ型超音波探触子および第7図に示す3層の積層
圧電素子を用いたアレイ型超音波探触子を同様にして試
作した。これらの超音波探触子を第1図に示した送受信
系に用いて感度の比較を行なった。
積層圧電素子10における圧電体層の積層数は本実施例
のように、2層が特に好ましい。積層圧電素子10が2
層の場合、超音波探触子1のインピーダンスは単層の場
合に比べて174であり、具体的には動作中心周波数で
約50〜250Ω程度である。この程度のインピーダン
スであれば、駆動源3の内部インピーダンスによる駆動
電圧の低下が顕著になることはない。すなわち、超音波
探触子1のインピーダンスを低下させるために、圧電体
層の積層数°を単純に増やしてゆくと駆動源3の駆動能
力を越える状態となり、超音波探触子1に有効に駆動電
圧が印加されなくなる。これは駆動源3の出力インピー
ダンスと超音波探触子1のインピーダンスとによる分圧
により、超音波探触子1に駆動電圧が印加されにくくな
ることによる。例えば現在用いられている3、5MHz
の電子セクタ走査用超音波探触子の共振点近傍のインピ
ーダンスは300〜500Ω程度であるが、積層圧電素
子を用いると2層では70−120Ω、3層では30〜
50Ω程度になる。一方、駆動源3の出力インピーダン
スは駆動源として用いているトランジスタ等のオン抵抗
できまるため、数Ω〜数lOΩである場合が多く、積層
数によっては駆動パルスが有効に印加されなくなる。従
って、送信感度の面から積層数の増加には限界があり、
2層程度が適当である。
のように、2層が特に好ましい。積層圧電素子10が2
層の場合、超音波探触子1のインピーダンスは単層の場
合に比べて174であり、具体的には動作中心周波数で
約50〜250Ω程度である。この程度のインピーダン
スであれば、駆動源3の内部インピーダンスによる駆動
電圧の低下が顕著になることはない。すなわち、超音波
探触子1のインピーダンスを低下させるために、圧電体
層の積層数°を単純に増やしてゆくと駆動源3の駆動能
力を越える状態となり、超音波探触子1に有効に駆動電
圧が印加されなくなる。これは駆動源3の出力インピー
ダンスと超音波探触子1のインピーダンスとによる分圧
により、超音波探触子1に駆動電圧が印加されにくくな
ることによる。例えば現在用いられている3、5MHz
の電子セクタ走査用超音波探触子の共振点近傍のインピ
ーダンスは300〜500Ω程度であるが、積層圧電素
子を用いると2層では70−120Ω、3層では30〜
50Ω程度になる。一方、駆動源3の出力インピーダン
スは駆動源として用いているトランジスタ等のオン抵抗
できまるため、数Ω〜数lOΩである場合が多く、積層
数によっては駆動パルスが有効に印加されなくなる。従
って、送信感度の面から積層数の増加には限界があり、
2層程度が適当である。
同軸ケーブル2については、医師や技師が超音波探触子
を手で持ち、操作するために1m以上の長さが必要であ
る。また、同軸ケーブル2の静電容量については、80
pF/m未満にすると芯線を細くするか、または芯線数
を減らす必要が生じると同時に、芯線を被覆する樹脂の
肉厚が厚くなる。
を手で持ち、操作するために1m以上の長さが必要であ
る。また、同軸ケーブル2の静電容量については、80
pF/m未満にすると芯線を細くするか、または芯線数
を減らす必要が生じると同時に、芯線を被覆する樹脂の
肉厚が厚くなる。
アレイ型超音波探触子ではエレメント数分の同軸ケーブ
ルを束ねて、これをネオブレンゴム等で被覆したものを
使用するため、芯線が切れやすくなると同時に全体の径
が増して操作性が低下しやすく、正確な診断に悪影響を
及ぼす。これらのことより同軸ケーブル2は長さが1m
以上で、静電容量は60pP/m以上が望ましい。この
同軸ケーブル2のインピーダンスZ。は、静電容量によ
るものであるから、回路的には超音波探触子1のインピ
ーダンスZP及び受信部4のインピーダンスZ。
ルを束ねて、これをネオブレンゴム等で被覆したものを
使用するため、芯線が切れやすくなると同時に全体の径
が増して操作性が低下しやすく、正確な診断に悪影響を
及ぼす。これらのことより同軸ケーブル2は長さが1m
以上で、静電容量は60pP/m以上が望ましい。この
同軸ケーブル2のインピーダンスZ。は、静電容量によ
るものであるから、回路的には超音波探触子1のインピ
ーダンスZP及び受信部4のインピーダンスZ。
と並列となる。
本発明者らが実際に試作した超音波診断装置の各部の具
体的な数値例を示すと、駆動源3の出力インピーダンス
(駆動源3に内蔵されているパルサの出力インピーダン
ス)を30Ω、駆動信号の基本周波数(超音波探触子1
の共振周波数)を3.5M HZ s受信部4の入力イ
ンピーダンスzRを750Ωとし、また同軸ケーブル2
には110pP/mの静電容量のものを2m用いた。こ
の同軸ケーブル2の3.5MHz近傍におけるインピー
ダンスZcは約200Ωである。
体的な数値例を示すと、駆動源3の出力インピーダンス
(駆動源3に内蔵されているパルサの出力インピーダン
ス)を30Ω、駆動信号の基本周波数(超音波探触子1
の共振周波数)を3.5M HZ s受信部4の入力イ
ンピーダンスzRを750Ωとし、また同軸ケーブル2
には110pP/mの静電容量のものを2m用いた。こ
の同軸ケーブル2の3.5MHz近傍におけるインピー
ダンスZcは約200Ωである。
このような条件の下で、パルスエコー法により水中に設
置したターゲットからの反射波信号を超音波探触子1で
検出して電気信号として取出し、それを受信部4で受信
して検波・増幅して得られた反射波信号レベルを、第6
図及び第7図に示した比較例の超音波探触子を用いて同
様にして得られた反射波信号レベルと比較した。この反
射波信号レベルは超音波診断装置の送受総合の感度を表
わすものと考えられる。その結果、反射波信号レベルは
第6図に示す単層の超音波探触子(3,5MHz近傍の
インピーダンス400Ω)を用いた場合を基準(OdB
)とした時に、第3図に示す2層構成の超音波探触子(
3,5MHz近傍のインピーダンス100Ω)および第
7図に示す3層構成の超音波探触子(3,5MHz近傍
のインピーダンス45Ω)を用いた場合は各々9 dB
、 8 dBとなった。このように2層構造の圧電素子
からなる第3図に示す超音波探触子を用いた場合に感度
が最良となる理由は、3.5MHz近傍において超音波
探触子1のインピーダンスZp(100Ω)が、同軸ケ
ーブル2の容量分によるインピーダンスZc(200Ω
)より低く、しかも同軸ケーブル2の容量分によるイン
ピーダンスZc(200Ω)と受信部4の入力インピー
ダンスZR(750Ω)との並列合成インピーダンスZ
c//ZR(”; 160Ω)よりモ低イコトニヨリ
、超音波探触子1で検出された反射波信号が効率良く受
信部4に伝達され、それに加えて超音波探触子1のイン
ピーダンスZPの低下が、送信感度を著しく低下させな
い程度に抑えられているからである。
置したターゲットからの反射波信号を超音波探触子1で
検出して電気信号として取出し、それを受信部4で受信
して検波・増幅して得られた反射波信号レベルを、第6
図及び第7図に示した比較例の超音波探触子を用いて同
様にして得られた反射波信号レベルと比較した。この反
射波信号レベルは超音波診断装置の送受総合の感度を表
わすものと考えられる。その結果、反射波信号レベルは
第6図に示す単層の超音波探触子(3,5MHz近傍の
インピーダンス400Ω)を用いた場合を基準(OdB
)とした時に、第3図に示す2層構成の超音波探触子(
3,5MHz近傍のインピーダンス100Ω)および第
7図に示す3層構成の超音波探触子(3,5MHz近傍
のインピーダンス45Ω)を用いた場合は各々9 dB
、 8 dBとなった。このように2層構造の圧電素子
からなる第3図に示す超音波探触子を用いた場合に感度
が最良となる理由は、3.5MHz近傍において超音波
探触子1のインピーダンスZp(100Ω)が、同軸ケ
ーブル2の容量分によるインピーダンスZc(200Ω
)より低く、しかも同軸ケーブル2の容量分によるイン
ピーダンスZc(200Ω)と受信部4の入力インピー
ダンスZR(750Ω)との並列合成インピーダンスZ
c//ZR(”; 160Ω)よりモ低イコトニヨリ
、超音波探触子1で検出された反射波信号が効率良く受
信部4に伝達され、それに加えて超音波探触子1のイン
ピーダンスZPの低下が、送信感度を著しく低下させな
い程度に抑えられているからである。
因みに、第3図、第6図、第7図の各超音波探触子を用
いた場合について、ハイドロホンを用いて送信感度を比
較したところ、各々4 dB、 OdB。
いた場合について、ハイドロホンを用いて送信感度を比
較したところ、各々4 dB、 OdB。
2 dBとなった。一般的には積層圧電素子の積層数を
増し、1層あたりの電界を大きくすると、積層数に比例
して送信感度も増大する。仮に駆動源3の出力インピー
ダンスと超音波探触子1のインピーダンスZPの分圧に
よる駆動電圧の低下がなければ、送信感度は単層を基準
(OdB)とすると、2層および3層構成の場合は各々
8dB、 9.5dBとなる筈である。しかし現実
はそうでなく、上述のように特に積層圧電素子が3層層
構成の場合は、2層構成の場合より送信感度が低下した
。これは前述したように、層数を増やすと超音波探触子
のインピーダンスの低下により、駆動電圧が探触子に分
圧されにくくなるためである。
増し、1層あたりの電界を大きくすると、積層数に比例
して送信感度も増大する。仮に駆動源3の出力インピー
ダンスと超音波探触子1のインピーダンスZPの分圧に
よる駆動電圧の低下がなければ、送信感度は単層を基準
(OdB)とすると、2層および3層構成の場合は各々
8dB、 9.5dBとなる筈である。しかし現実
はそうでなく、上述のように特に積層圧電素子が3層層
構成の場合は、2層構成の場合より送信感度が低下した
。これは前述したように、層数を増やすと超音波探触子
のインピーダンスの低下により、駆動電圧が探触子に分
圧されにくくなるためである。
次に、本発明における超音波探触子の他の実施例につい
て説明する。この超音波探触子の基本周波数(動作中心
周波数は5MHzであり、1エレメント当りの超音波放
射面積は先の実施例の約172となっている。比誘電率
2000の2層圧電素子を用いて超音波探触子を構成し
たところ、基本周波数におけるインピーダンスは120
Ωとなった。
て説明する。この超音波探触子の基本周波数(動作中心
周波数は5MHzであり、1エレメント当りの超音波放
射面積は先の実施例の約172となっている。比誘電率
2000の2層圧電素子を用いて超音波探触子を構成し
たところ、基本周波数におけるインピーダンスは120
Ωとなった。
この超音波探触子を同軸ケーブル2(静電容量1109
F、長さ2m)を用い、受信部4に接続した。
F、長さ2m)を用い、受信部4に接続した。
このとき、動作中心周波数における同軸ケーブル2の容
量によるインピーダンスZcは130Ω、受信部4のイ
ンピーダンスzRは1ooΩとなった。
量によるインピーダンスZcは130Ω、受信部4のイ
ンピーダンスzRは1ooΩとなった。
次に、従来の単層圧電素子を用いて同様の超音波探触子
を構成したところ、動作中心周波数におけるインピーダ
ンスは500Ωとなった。これら2種の超音波探触子を
用いて感度測定を行なったところ、単層圧電素子からな
る超音波探触子を用いた超音波診断装置の感度を基準(
OdB)とした時に、2層圧電素子からなる超音波探触
子を用いた、超音波診断装置の感度は10dBを示した
。本実施例におけるインピーダンスの関係はZ P <
Z CsZP>ZC//ZRであり、この場合におい
ても従来技術に比べて感度向上が達成された。
を構成したところ、動作中心周波数におけるインピーダ
ンスは500Ωとなった。これら2種の超音波探触子を
用いて感度測定を行なったところ、単層圧電素子からな
る超音波探触子を用いた超音波診断装置の感度を基準(
OdB)とした時に、2層圧電素子からなる超音波探触
子を用いた、超音波診断装置の感度は10dBを示した
。本実施例におけるインピーダンスの関係はZ P <
Z CsZP>ZC//ZRであり、この場合におい
ても従来技術に比べて感度向上が達成された。
第4図及び第5図は、本発明の第2及び第3の実施例に
おける超音波探触子の構成を示したものである。第3図
に示した超音波探触子では、圧電体層11a、llbの
厚さを等しくしたが、第4図に示す超音波探触子では圧
電体層11gの厚さtlを圧電体層11bの厚さtlよ
り薄くしている。換言すれば、圧電体層11a、llb
間の内部電極層21を圧電体層11a上に形成された外
部電極層22に寄った側に設けている。
おける超音波探触子の構成を示したものである。第3図
に示した超音波探触子では、圧電体層11a、llbの
厚さを等しくしたが、第4図に示す超音波探触子では圧
電体層11gの厚さtlを圧電体層11bの厚さtlよ
り薄くしている。換言すれば、圧電体層11a、llb
間の内部電極層21を圧電体層11a上に形成された外
部電極層22に寄った側に設けている。
このように、積層圧電素子10を構成する複数の圧電体
層11a、llbの厚さel+i2を異ならせると、超
音波探触子1のインピーダンスZ、は、積層圧電素子の
材質及び全体の大きさが等しい場合、第3図に示した超
音波探触子に比較して小さくなる。
層11a、llbの厚さel+i2を異ならせると、超
音波探触子1のインピーダンスZ、は、積層圧電素子の
材質及び全体の大きさが等しい場合、第3図に示した超
音波探触子に比較して小さくなる。
この第4図に示す積層圧電素子の製造工程は、第3図に
示した積層圧電素子の製造工程とほぼ同様である。前述
したドクターブレード法は、薄いシートを作製するのに
有効な方法であり、グリーンシートを焼成した状態で3
0〜40μm程度まで薄くできる。本実施例では焼成後
の圧電体層11aの厚さ1.(内部電極層21と外部電
極層22間の距離)が40μm1圧電体層11bの厚さ
tl(内部電極層21と外部電極層23間の距離)が3
70μmとなるように、厚さの異なる2枚のグリーンシ
ートを用意し、内部電極層21となるptを主成分とす
る導体ペーストの塗布後に焼成を行なった。その後、A
gを主成分とするペーストを用い、内部電極層21と反
対側の面上に外部電極層22.23及び−側面上の引出
し電極25を形成し、焼付けた。次に、圧電体層1ra
、llbの分極処理を中間でて層21側が正極、外部電
極層22.23側が負極となるように個別に行なった。
示した積層圧電素子の製造工程とほぼ同様である。前述
したドクターブレード法は、薄いシートを作製するのに
有効な方法であり、グリーンシートを焼成した状態で3
0〜40μm程度まで薄くできる。本実施例では焼成後
の圧電体層11aの厚さ1.(内部電極層21と外部電
極層22間の距離)が40μm1圧電体層11bの厚さ
tl(内部電極層21と外部電極層23間の距離)が3
70μmとなるように、厚さの異なる2枚のグリーンシ
ートを用意し、内部電極層21となるptを主成分とす
る導体ペーストの塗布後に焼成を行なった。その後、A
gを主成分とするペーストを用い、内部電極層21と反
対側の面上に外部電極層22.23及び−側面上の引出
し電極25を形成し、焼付けた。次に、圧電体層1ra
、llbの分極処理を中間でて層21側が正極、外部電
極層22.23側が負極となるように個別に行なった。
そして、この分極処理の後、引出し電極24をハンダ付
けにより形成して積層圧電素子10を得た。
けにより形成して積層圧電素子10を得た。
なお、本実施例では厚さの異なる2枚のグリーンシート
を用いたが、例えば30μm厚の薄いグリーンシートを
用意し、複数枚積層することにより、最終的に厚さの異
なる圧電体層11a、llbを得てもよいし、研磨によ
って圧電体層11a。
を用いたが、例えば30μm厚の薄いグリーンシートを
用意し、複数枚積層することにより、最終的に厚さの異
なる圧電体層11a、llbを得てもよいし、研磨によ
って圧電体層11a。
11bの厚さを異ならせてもよい。
この積層圧電素子を用いて第1の実施例と同様に超音波
探触子を製作したところ、基本周波数3.5M Hz近
傍でのインピーダンスは約47Ωとなり、第1の実施例
における超音波探触子のインピーダンス(■00Ω)の
約172以下となった。この超音波探触子を用いて第1
の実施例と同様にパルスエコー法により水中に設置した
ターゲットからの反射波信号を検出し受信部4で受信し
て反射波信号レベルを測定したところ、第6図に示す単
層の超音波探触子(動作中心周波数におけるインピーダ
ンス400Ω)を用いた場合に比較して8.5d B増
大した。この値は第1の実施例における反射波信号レベ
ルの増加分(9dB)に比べると劣っているが、これは
送信感度の低下に起因している。
探触子を製作したところ、基本周波数3.5M Hz近
傍でのインピーダンスは約47Ωとなり、第1の実施例
における超音波探触子のインピーダンス(■00Ω)の
約172以下となった。この超音波探触子を用いて第1
の実施例と同様にパルスエコー法により水中に設置した
ターゲットからの反射波信号を検出し受信部4で受信し
て反射波信号レベルを測定したところ、第6図に示す単
層の超音波探触子(動作中心周波数におけるインピーダ
ンス400Ω)を用いた場合に比較して8.5d B増
大した。この値は第1の実施例における反射波信号レベ
ルの増加分(9dB)に比べると劣っているが、これは
送信感度の低下に起因している。
但し、超音波探触子の仕様(共振周波数、1エレメント
当りの大きさ等)によっては、第3図、第4図に示した
構造の超音波探触子でもインピーダンスがより高い方向
にシフトする場合がある。そのような場合には、送受総
合の感度を考えたとき第4図の構造の方がより適切なイ
ンピーダンスとなることがある。
当りの大きさ等)によっては、第3図、第4図に示した
構造の超音波探触子でもインピーダンスがより高い方向
にシフトする場合がある。そのような場合には、送受総
合の感度を考えたとき第4図の構造の方がより適切なイ
ンピーダンスとなることがある。
第5図に示す超音波探触子は、圧電体層11a。
11bをスイッチ26を介して並列接続したものである
。すなわち、外部電極22と引出し電極24とは常に電
気的に接続されているが、外部電極層23と引出し電極
24とはスイッチ26を介して接続されている。内部電
極層21は第3図の場合と同様に外部電極層22.23
の中間に形成されている。この超音波探触子の製造方法
は、第2の実施例と同様でよい。
。すなわち、外部電極22と引出し電極24とは常に電
気的に接続されているが、外部電極層23と引出し電極
24とはスイッチ26を介して接続されている。内部電
極層21は第3図の場合と同様に外部電極層22.23
の中間に形成されている。この超音波探触子の製造方法
は、第2の実施例と同様でよい。
圧電体層11a、llbにおける音速をV、圧電体層1
1a、llbの厚さをtとしたとき、スイッチ26が閉
じた状態ではf−V/2tなる共振周波数が得られ、基
本周波数がfの超音波が放射される。この状態は第1の
実施例の超音波探触子と同様であり、超音波探触子のイ
ンピーダンスZPは、このスイッチ26が閉2じた状態
のとき、同軸ケーブル2の容量分によるインピーダンス
Zcより小さく (より好ましくはZCと受信部4の入
力インピーダンスZRとの並列合成インピーダンスZC
//ZRより小さく)なる。
1a、llbの厚さをtとしたとき、スイッチ26が閉
じた状態ではf−V/2tなる共振周波数が得られ、基
本周波数がfの超音波が放射される。この状態は第1の
実施例の超音波探触子と同様であり、超音波探触子のイ
ンピーダンスZPは、このスイッチ26が閉2じた状態
のとき、同軸ケーブル2の容量分によるインピーダンス
Zcより小さく (より好ましくはZCと受信部4の入
力インピーダンスZRとの並列合成インピーダンスZC
//ZRより小さく)なる。
一方、スイッチ26が開いた状態では、周波数fの共振
とは別に、周波数2fの共振が新たに生じる。すなわち
、スイッチ26が開くとスイッチ26が閉じた状態では
存在しなかった内部電極層21と外部電極層22間の圧
電体層11aの厚さが半波長となるような周波数の共振
が新たに現われる。この結果、基本周波数がfの超音波
のほか、基本周波数が2fの超音波も放射されることに
なり、2周波の超音波探触子が実現される。
とは別に、周波数2fの共振が新たに生じる。すなわち
、スイッチ26が開くとスイッチ26が閉じた状態では
存在しなかった内部電極層21と外部電極層22間の圧
電体層11aの厚さが半波長となるような周波数の共振
が新たに現われる。この結果、基本周波数がfの超音波
のほか、基本周波数が2fの超音波も放射されることに
なり、2周波の超音波探触子が実現される。
この超音波探触子を用いると、人体内の超音波減衰のた
めに特に高感度・高S/Nが要求されるドツプラ像につ
いては、低周波部で反射波信号を取得し、高分解能が要
求されるBモード像については、高周波部で反射波信号
を取得することにより、高S/Nのドツプラ像と高分解
能のBモード像を選択的に、あるいは同時に得ることが
できる。
めに特に高感度・高S/Nが要求されるドツプラ像につ
いては、低周波部で反射波信号を取得し、高分解能が要
求されるBモード像については、高周波部で反射波信号
を取得することにより、高S/Nのドツプラ像と高分解
能のBモード像を選択的に、あるいは同時に得ることが
できる。
また、特にBモード像については深部のような、超音波
の減衰による信号が得にくい部位では、スイッチ26を
閉じてBモード像を感度よく得るようにすることもでき
る。
の減衰による信号が得にくい部位では、スイッチ26を
閉じてBモード像を感度よく得るようにすることもでき
る。
このようにスイッチ26の操作によって、一つの超音波
探触子て高感度・高S/Nのドツプラ像と、高分解能の
Bモード像を取得したり、深部等におけるBモード像を
高感度に取得する等、同じ超音波探触子を目的や対象部
位に応じて使い分けることができる。
探触子て高感度・高S/Nのドツプラ像と、高分解能の
Bモード像を取得したり、深部等におけるBモード像を
高感度に取得する等、同じ超音波探触子を目的や対象部
位に応じて使い分けることができる。
なお、アレイ型超音波探触子の1エレメント当りのイン
ピーダンスは圧電体の比誘電率と積層数及びエレメント
の形状により決まる。この超音波探触子のインピーダン
スと同軸ケーブルの容量分によるインピーダンス、また
は同軸ケーブルの容量分によるインピーダンスと受信部
の入力インピーダンスとの並列合成インピーダンス、及
び駆動源の出力インピーダンスの関係が送信感度と受信
感度に関係する。従って、超音波探触子の圧電素子の積
層数は2層に限定されず、比誘電率や形状により3層あ
るいはそれ以上にしてもよい。
ピーダンスは圧電体の比誘電率と積層数及びエレメント
の形状により決まる。この超音波探触子のインピーダン
スと同軸ケーブルの容量分によるインピーダンス、また
は同軸ケーブルの容量分によるインピーダンスと受信部
の入力インピーダンスとの並列合成インピーダンス、及
び駆動源の出力インピーダンスの関係が送信感度と受信
感度に関係する。従って、超音波探触子の圧電素子の積
層数は2層に限定されず、比誘電率や形状により3層あ
るいはそれ以上にしてもよい。
また、前記実施例では超音波探触子1のインピーダンス
ZPを、同軸ケーブル2の容量分によるインピーダンス
Zcと受信部4の入力インピーダンスZRとの並列合成
インピーダンスZC//ZRよりも小さ(したが、受信
部4の入力インピーダンスZRは受信部4の回路形式や
使用素子によって、先に例示した値(750Ω)よりか
なり小さくなる可能性もあり、そのような場合、2.が
ZC//ZRより大きくなることもあるが、ZPがZc
より大きい従来技術に比較すれば、超音波探触子1で検
出された反射波信号は受信部4に対して格段に効率良く
伝達され、高い受信感度が得られる。
ZPを、同軸ケーブル2の容量分によるインピーダンス
Zcと受信部4の入力インピーダンスZRとの並列合成
インピーダンスZC//ZRよりも小さ(したが、受信
部4の入力インピーダンスZRは受信部4の回路形式や
使用素子によって、先に例示した値(750Ω)よりか
なり小さくなる可能性もあり、そのような場合、2.が
ZC//ZRより大きくなることもあるが、ZPがZc
より大きい従来技術に比較すれば、超音波探触子1で検
出された反射波信号は受信部4に対して格段に効率良く
伝達され、高い受信感度が得られる。
その他、本発明は要旨を逸脱しない範囲で変形して実施
することが可能である。
することが可能である。
[発明の効果]
本発明によれば、超音波探触子を積層圧電素子により構
成し、そのインピーダンスを同軸ケーブルの容量分によ
るインピーダンスより小さくし、更に好ましくは同軸ケ
ーブルの容量分によるインピーダンスと受信部の入力イ
ンピーダンスとの並列合成インピーダンスより小さくし
たことによって、反射波信号の電圧を大きく損失させず
に極めて効率良く受信部に伝達することができる。
成し、そのインピーダンスを同軸ケーブルの容量分によ
るインピーダンスより小さくし、更に好ましくは同軸ケ
ーブルの容量分によるインピーダンスと受信部の入力イ
ンピーダンスとの並列合成インピーダンスより小さくし
たことによって、反射波信号の電圧を大きく損失させず
に極めて効率良く受信部に伝達することができる。
また、本発明では圧電素子の積層により超音波探触子の
インピーダンスを下げているため、圧電材料の比誘電率
を大きくする方法に比べて、より効果的にインピーダン
スを下げることができ、結合係数やキュリー温度の低下
も避けられる。さらに、インピーダンス変換手段を用い
る方法のように超音波探触子が大型化せず、周波数特性
が劣化することもない。
インピーダンスを下げているため、圧電材料の比誘電率
を大きくする方法に比べて、より効果的にインピーダン
スを下げることができ、結合係数やキュリー温度の低下
も避けられる。さらに、インピーダンス変換手段を用い
る方法のように超音波探触子が大型化せず、周波数特性
が劣化することもない。
第1図は本発明に係る超音波診断装置の要部の概略構成
を示す図、第2図はその等価回路を示す図、第3図乃至
第5図は本発明の実施例で用いた超音波探触子の構成を
示す図、第6図及び第7図は比較例に用いた超音波探触
子の構成を示す図である。 1・・・アレイ型超音波探触子、2・・・同軸ケーブル
、3・・・駆動源、4・・・受信部、10・・・積層圧
電素子、11a、llb・・・圧電体層、12・・・音
響マツチング層、13・・・音響レンズ、14・・・バ
ッキング材、21・・・内部電極層、22.23・・・
外部電極層、24.25・・・引出し電極、26・・・
スイッチ。 出願人代理人 弁理士 鈴江武彦 第1 図 第2図 第3図 第4図 第5図
を示す図、第2図はその等価回路を示す図、第3図乃至
第5図は本発明の実施例で用いた超音波探触子の構成を
示す図、第6図及び第7図は比較例に用いた超音波探触
子の構成を示す図である。 1・・・アレイ型超音波探触子、2・・・同軸ケーブル
、3・・・駆動源、4・・・受信部、10・・・積層圧
電素子、11a、llb・・・圧電体層、12・・・音
響マツチング層、13・・・音響レンズ、14・・・バ
ッキング材、21・・・内部電極層、22.23・・・
外部電極層、24.25・・・引出し電極、26・・・
スイッチ。 出願人代理人 弁理士 鈴江武彦 第1 図 第2図 第3図 第4図 第5図
Claims (4)
- (1)複数の圧電体層を積層し且つ電気的に並列接続し
てなる積層圧電素子を複数個配列した超音波探触子と、 この超音波探触子に駆動信号を供給する駆動源と、 前記超音波探触子に一端が接続された同軸ケーブルと、 この同軸ケーブルの他端に接続され、前記超音波探触子
により検出された反射波信号を受信する受信部とを備え
、 動作中心周波数において前記超音波探触子のインピーダ
ンスを前記同軸ケーブルの容量分によるインピーダンス
より小さくしたことを特徴とする超音波診断装置。 - (2)複数の圧電体層を積層し且つ電気的に並列接続し
てなる積層圧電素子を複数個配列した超音波探触子と、 この超音波探触子に駆動信号を供給する駆動源と、 前記超音波探触子に一端が接続された同軸ケーブルと、 この同軸ケーブルの他端に接続され、前記超音波探触子
により検出された反射波信号を受信する受信部とを備え
、 動作中心周波数において前記超音波探触子のインピーダ
ンスを前記同軸ケーブルの容量分によるインピーダンス
と前記受信部の入力インピーダンスとの並列合成インピ
ーダンスより小さくしたことを特徴とする超音波診断装
置。 - (3)前記積層圧電素子を構成する複数の圧電体層の厚
さが異なることを特徴とする請求項1または2記載の超
音波診断装置。 - (4)複数の圧電体層を積層してなる積層圧電素子を複
数個配列した超音波探触子と、 この超音波探触子に駆動信号を供給する駆動源と、 前記超音波探触子に一端が接続された同軸ケーブルと、 この同軸ケーブルの他端に接続され、前記超音波探触子
により検出された反射波信号を受信する受信部とを備え
、 前記積層圧電素子を構成する複数の圧電体層はスイッチ
を介して電気的に並列接続され、このスイッチが閉じた
時の動作中心周波数における前記超音波探触子のインピ
ーダンスを前記同軸ケーブルの容量分によるインピーダ
ンス、または該同軸ケーブルの容量分によるインピーダ
ンスと前記受信部の入力インピーダンスとの並列合成イ
ンピーダンスより小さくしたことを特徴とする超音波診
断装置。
Priority Applications (4)
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- 1988-08-31 DE DE88308049T patent/DE3886630T2/de not_active Expired - Fee Related
- 1988-08-31 EP EP88308049A patent/EP0306288B1/en not_active Expired - Lifetime
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