JPH04273699A - 超音波検査装置 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、圧電振動子を用いて
超音波を送受し対象物を検査する超音波検査装置に係り
、特に超音波探触子とその駆動回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波検査装置は、圧電振動子を主体と
して構成された超音波探触子を用い、超音波を対象物に
向けて送信し、音響インピーダンスの異なる界面からの
反射波を受信して、対象物の内部状態を画像化すること
により対象物を検査する装置である。このような超音波
検査装置としては、人体内部を検査するための医用診断
装置や、金属溶接内部などの探傷を目的とした超音波探
傷装置などが実用化されている。

【０００３】医用超音波診断装置においては、Ｂモード
像すなわち人体の断層像を取得して表示する動作が基本
となっている。この動作モード（Ｂモードという）では
、病変による身体の微妙な変化や空隙が深部まで明瞭に
観測できるような高分解能の画像が高感度に得ることが
要求されている。

【０００４】一方、最近ではＢモードに加え、心臓、肝
臓、頸動脈などを対象にドップラ効果を利用して血流速
などの血流情報を２次元でカラー表示するカラーフロー
マッピング（ＣＦＭ）法の開発により、診断能は飛躍的
に上がってきている。このようなＣＦＭ像などを得るド
プラモードにおいては、例えば直径数ミクロンといった
小さな血球からのエコー信号を用いることから、Ｂモー
ドに比べて得られる信号レベルは小さいため、高感度化
が特に要求されている。

【０００５】Ｂモードにおいて高分解能の画像を得るた
めには、超音波ビームの距離分解能および方位分解能を
上げることが必要となる。これらの分解能を最も容易に
向上させる方法としては、超音波周波数帯域の高周波化
が挙げられる。しかし、生体内においては超音波減衰定
数が大きいために、高周波化をすると超音波減衰による
Ｓ／Ｎの劣化やペネトレーションの低下が問題となって
くる。そこで、特に高感度が要求されるドプラモードに
おいては、リファレンス周波数は超音波探触子の持つ周
波数帯域の中心周波数よりも低い周波数に設定される。 この理由は、低周波ほど生体内での超音波の減衰が少な
いため、超音波減衰によるＳ／Ｎ低下の影響をドプラ像
が受けにくいからである。

【０００６】以上のような事情から、現実には被検体の
状況によってＢモード像の分解能が要求される場合には
高周波用の超音波探触子を使用し、ドプラモードの感度
が必要な場合には低周波用の超音波探触子を使用すると
いった操作が一般に行われている。

【０００７】仮に一つの超音波探触子で２種類の周波数
帯域成分の超音波を送受信することができれば、一つの
プローブで高分解能のＢモード像と高感度のドプラ像を
選択的に得ることが可能となる。この発想に近いものと
して、一つのプローブ内に共振周波数の異なる２種類の
振動子を設置したデュプレクス型超音波探触子がいくつ
かのメーカーから製造販売されている。

【０００８】しかし、この種の超音波探触子は共振周波
数の異なる振動子を異なる位置に配置して用いているた
め、Ｂモード像、ドプラ像それぞれの場合で超音波の送
受波面が異なる。従って、Ｂモードおよびドプラモード
の両モードにおいて同一断層面を観察することはできず
、より良い診断を行う上では好ましくない。

【０００９】一方、積層圧電素子を用いることにより、
同一の圧電振動子で２つの異なる周波数帯域を持つ超音
波を送受する超音波探触子が提案されている（例えば特
開昭６０−４１３９９号公報参照）。このような超音波
探触子を用いれば、分離された２つの周波数帯域の高周
波側でＢモード信号、低周波側でドプラ信号をそれぞれ
得ることができ、両モードで同一断層面を観察すること
が可能となる。

【００１０】この超音波探触子では一つの圧電振動子の
持つ電気−機械変換効率を２つの周波数帯域で二分して
使用しているため、通常の単一周波数特性の超音波探触
子に比較して各々の周波数帯域が狭くなってしまう。こ
のため、Ｂモード像では波連長（エコー信号の尾引き）
が長くなることによる分解能の低下や、Ｓ／Ｎの劣化お
よびペネトレーションの低下といった問題が生じてくる
。

【００１１】また、ドプラモードにおいては一般にリフ
ァレンス周波数が固定されているために、この超音波探
触子ではドプラモードに使用できる周波数帯域が狭いこ
とにより、僅かな周波数帯域のずれが感度に大きく影響
するという問題もある。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の技術では一つの超音波探触子で２つの周波数帯域を得
るために共振周波数の異なる複数の圧電振動子を用いる
と、各周波数帯域で同一部位を観察することができず、
また一つの積層型圧電振動子を２つの周波数帯域で動作
させるようにした超音波探触子では、それぞれの周波数
帯域の比帯域が狭く、良好な画像が得られないという問
題があった。

【００１３】本発明は、同一送受波面で２つの異なる周
波数帯域を持つ超音波を各々独立して送受することがで
き、且つ各々の周波数帯域の比帯域が十分に広い超音波
探触子を用いて、Ｂモードやドプラモードでの検査を良
好に行うことができる超音波検査装置を提供することを
目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明に係る超音波検査
装置は、圧電セラミック層と、圧電セラミック材料およ
び高分子材料からなる複合圧電体層とが電極層を介して
積層された積層圧電振動子を用いて超音波探触子を構成
し、これを圧電セラミック層単体と積層圧電振動子全体
とに選択的に駆動電圧を印加する駆動回路によって駆動
するようにしたものである。また、複合圧電体層は圧電
セラミック層単体の駆動時に音響マッチング層として働
くような厚さおよび音響インピーダンスを有することが
望ましい。

【００１５】

【作用】圧電セラミック層と複合圧電体層からなる積層
圧電振動子により構成される超音波探触子のうち、圧電
セラミック層のみを駆動すると、比較的高い周波数成分
の振動が得られる。一方、積層圧電振動子全体を駆動す
ると、圧電セラミック層と複合圧電体層の総合厚さによ
り、比較的低い周波数成分の振動が得られる。この結果
、同一の超音波探触子によって２つの異なる周波数帯域
の超音波が同じ送受波面で各々独立して送受され、例え
ばＢモードとドプラモードのような異なる動作モードに
おいて、対象物の同じ部位の観察が可能となる。

【００１６】この場合、両周波数帯域で圧電セラミック
層の電気−機械変換効率が二分されることはないので、
高周波側および低周波側のいずれの周波数帯域とも、一
般的な単一周波数帯域の超音波探触子と同程度の比帯域
が得られる。圧電セラミック層単層での振動時に、複合
圧電体層が音響マッチング層として動作するように条件
を選んでおけば、不要振動の発生が防止されるので、特
に高周波側の周波数特性を良好にする上で有利となる。

【００１７】従って、例えば高い周波数の超音波を用い
るＢモードにおいては、高分解能、高Ｓ／ＮのＢモード
信号が得られ、ペネトレーションも十分に確保される。 低い周波数の超音波を用いるドプラモードでは、周波数
帯域が多少ずれても、もともと帯域幅が広いため、リフ
ァレンス周波数に対する周波数帯域のずれによる感度の
低下は避けられる。

【００１８】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。図１は本発明の一実施例に係る超音波検査装置の
構成図であり、超音波探触子と送受信系を示している。

【００１９】図１において、超音波探触子１０はバッキ
ング材１１上に外部電極層１２を介して圧電セラミック
層１３を設け、その上に内部電極層１４を介して複合圧
電体層１５および外部電極層１６を積層して構成された
積層圧電振動子の構造を有する。圧電セラミック層１３
は、圧電セラミック材料のみからなる。複合圧電体層１
５は、圧電セラミック材料部１７と高分子材料部１８に
よって形成される。

【００２０】このような積層圧電振動子は、両面に電極
を有する圧電セラミック振動子と、両面に電極を有する
１−３型複合圧電体を用いた振動子とを予め所定厚さに
製作し、これらを接着積層することで得られる。

【００２１】また、他の方法として例えば特開昭６０−
４１３３９号公報に開示された構成の積層圧電振動子の
ような、内部電極を一体に形成した積層圧電セラミック
振動子を製作し、ダイヤモンドブレードで内部電極を残
して一方のセラミック層にのみ縦横に樹脂材料を充填し
た後、表面に電極を形成しても、同様の積層圧電振動子
を得ることができる。

【００２２】電極層１２，１４，１６は、超音波探触子
１０の外部に引き出されたケーブルを介して超音波検査
装置本体２０に接続されている。超音波検査装置本体２
０には、スイッチ２１と駆動回路である送信回路２２お
よび受信回路２３が設けられている。下側の外部電極層
１２は送信回路２２および受信回路２３に接続され、内
部電極層１４と上側の外部電極層１６はスイッチ２１に
より選択的に送信回路２２および受信回路２３に接続さ
れる。

【００２３】次に、この実施例の動作を説明する。図１
の構成において、スイッチ２１をＡ側に切り替えて、送
信回路２２および受信回路２３を電極層１２−１６間に
接続すると、電極層１２，１４，１６と圧電セラミック
層１３及び複合圧電体層１５で構成される積層圧電振動
子全体に送信回路２２から駆動電圧が印加される。従っ
て、積層圧電振動子全体が振動子として動作するため、
その共振周波数は圧電セラミック層１３および複合圧電
体層１５の総合厚さと、これら各層１３，１５の平均音
速に依存する値となる。

【００２４】一方、スイッチ２１をＢ側に切り替えて、
送信回路２２および受信回路２３を電極層１４−１６間
に接続した場合は、圧電セラミック層１３に駆動電圧が
印加されるため、圧電セラミック層１３のみが振動子と
して動作する。このときの共振周波数は、圧電セラミッ
ク層１３の厚さとその音速で決まる。この場合、発振さ
れる超音波の中心周波数に対して、複合圧電体層１５が
音響マッチング層を形成するように、複合圧電体層１５
の厚さおよび音響インピーダンスを選んでおくと、後述
するように複合圧電体層１５は共振周波数に影響を与え
ない。

【００２５】上記のそれぞれの場合の振動子の共振周波
数は、超音波探触子の中心周波数を一義的に決めるもの
であるから、結局スイッチ２１の切替えで超音波探触子
の中心周波数を可変できることになる。

【００２６】具体的な例を示すと、例えば縦波音速が４
，５００ｍ／ｓｅｃの圧電セラミック層のみからなる共
振周波数５ＭＨｚの振動子（厚さ４５０μｍ）と、これ
に縦波音速が３，８００ｍ／ｓｅｃの１−３型複合圧電
体層（厚さ１９０μｍ）の振動子を積層した超音波探触
子を製作した。複合圧電体層の厚さ１９０μｍは、周波
数５ＭＨｚでの複合圧電体層内の波長１／４に相当する
値であり、λ／４音響マッチング条件（λ：波長）から
決まる値である。

【００２７】ここで、圧電セラミック層のみを駆動した
場合、超音波探触子の中心周波数は５ＭＨｚである。圧
電セラミック層と複合圧電体層との積層体からなる積層
振動子全体を駆動した場合は、積層体の総合厚さが６４
０μｍであり、平均音速が約４，２９０ｍ／ｓｅｃであ
るから、共振周波数は３．３５ＭＨｚとなる。

【００２８】また、上の条件で音響マッチング条件を３
λ／４とすると、複合圧電体層の厚さは５７０μｍとな
り、複合圧電体層と圧電セラミック層との積層体の総合
厚さは１，０２０μｍ、平均音速は４，１００ｍ／ｓｅ
ｃとなるから、積層振動子全体を駆動した場合の共振周
波数は２ＭＨｚとなる。

【００２９】以上のように、スイッチ２１によって送信
回路２２からの駆動電圧を印加する電極位置を切り替え
ることにより、送受信される超音波の中心周波数を２種
選択することができる。従って、例えばＢモードとドプ
ラモードを有する超音波診断装置においては、Ｂモード
ではスイッチ２１をＢ側に切り替えて圧電セラミック層
１３のみを駆動し、ドプラモードではスイッチ２１をＡ
側に切り替えて積層圧電素子全体を駆動することで、両
モードの動作を一つの超音波探触子１０で実現すること
ができる。

【００３０】この場合、圧電セラミック層１３単独での
振動時には、複合圧電体層１５が音響マッチング層とし
て動作するため、複合圧電体層１５による不要振動を生
じることがなく、良好な振動が得られる。従って、高分
解能のＢモード像を得るための高い周波数で、且つペネ
ストレーションを十分に確保できる広帯域の超音波を送
受することができる。また、中心周波数の高い場合も低
い場合もそれぞれ独立に振動子を駆動することで、通常
の振動子と同等の感度と比帯域幅が確保されるので、積
層圧電素子全体を駆動するドプラモードにおいては、リ
ファレンス周波数に対する超音波探触子の周波数帯域の
ずれによる感度の低下を少なくすることができる。

【００３１】図２に本発明の他の実施例に係る超音波探
触子を示す。この超音波探触子は、図１に示した超音波
探触子１０の上に更に音響マッチング層１９を設けたも
のである。一般に、音響マッチング層は層数によって最
適な条件が異なるが、振動子と被検体の中間の音響イン
ピーダンス値を有する材料が選ばれ、多層構成の場合そ
の音響インピーダンス値は順次変化するように選ばれる
。この音響マッチング層１９は、超音波探触子の中心周
波数を変えずにその周波数帯域を広くし、感度を高くす
る効果を持つ。音響マッチング層１９の層数は単層に限
られず、２層、３層…と増やしても構わない。

【００３２】ここで、音響マッチング層１９を単層とす
ると、低周波駆動である積層振動子を振動子として駆動
した場合、音響マッチング層は音響マッチング層１９の
みの単層である。これに対し、高周波駆動である圧電セ
ラミック層１３を単独で振動子として駆動した場合、音
響マッチング層は複合圧電体層１５と音響マッチング層
１９の２層構成となる。以下、同様に音響マッチング層
１９を２層とすれば、実質的な音響マッチング層は低周
波駆動の場合２層構成、高周波駆動の場合３層構成とな
る。

【００３３】前述した音速４，５００ｍ／ｓｅｃの圧電
セラミック層１３と音速３，８００ｍ／ｓｅｃの複合圧
電体層１５の音響インピーダンスは、それぞれ３５Ｍｒ
ａｙｌｓと１５Ｍｒａｙｌｓ　である。一方、超音波診
断装置の場合の被検体である人体の音響インピーダンス
は一般に１．５Ｍｒａｙｌｓ　である。音響マッチング
層１９の音響インピーダンスは、両側の媒質の音響イン
ピーダンスである１５Ｍｒａｙｌｓ　と１．５Ｍｒａｙ
ｌｓ　との中間の値に選ばれる。この場合、本実施例の
積層圧電素子の積層構造の配列は、人体のそれにより近
い音響インピーダンスを持つ複合圧電体層１５が超音波
送受波面側に位置しているため、音響マッチング条件を
とるのに適している。なお、複合圧電体層１５の材質は
前記の条件を満たす限りにおいて任意に選択でき、場合
によっては高分子材料のみで構成されていてもよい。

【００３４】また、実施例ではスイッチ２１を超音波検
査装置本体２０に設けたが、超音波探触子１０に内蔵さ
せることも可能である。その他、本発明は要旨を逸脱し
ない範囲で種々変形して実施することができる。

【００３５】

【発明の効果】本発明によれば、圧電セラミック層と複
合圧電体層とからなる積層圧電振動子により構成された
超音波探触子を用い、圧電セラミック層単体と積層圧電
振動子全体とをそれぞれ独立して選択的に駆動する構成
としたことにより、同一送受波面で比帯域幅が広い２つ
の異なる周波数帯域の超音波を独立して送受できる。従
って、例えば医用診断装置に適用した場合、同じ断層面
内の部位についてＢモード像やＣＦＭ像を良好に得るこ
とができる。

【００３６】すなわち、高分解能のＢモード像を得ると
きには、圧電セラミック層のみを駆動して中心周波数の
高い超音波を送受し、またペネトレーションのあるＢモ
ード像などの画像や高感度のＣＦＭ像を得るときには、
圧電セラミック層と複合圧電体層とからなる積層圧電振
動子全体を駆動して中心周波数の低い超音波を送受信す
る。これによりＢモードにおいては、分解能の低下やＳ
／Ｎの劣化が少なく、ペネトレーションのある画像を得
ることが可能となり、またドプラモードにおいては、リ
ファレンス周波数に対する周波数帯域のずれによる感度
の低下を少なくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る超音波検査装置の構成
図

【図２】本発明の他の実施例における超音波探触子の断
面図

【符号の説明】

１０…超音波探触子　　　　　　　　　　　　　　　　
　　１１…バッキング材 １２…外部電極層　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　１３…圧電セラミック層 １４…内部電極層　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　１５…複合圧電体層 １６…外部電極層　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　１７…圧電セラミック材料部 １８…高分子材料部　　　　　　　　　　　　　　　　
　　１９…音響マッチング層

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　超音波を送受して対象物を検査する超
   音波検査装置において、圧電セラミック層と、圧電セラ
   ミック材料および高分子材料からなる複合圧電体層とが
   電極層を介して積層された積層圧電振動子を有する超音
   波探触子と、前記圧電セラミック層単体と前記積層圧電
   振動子全体に対して選択的に駆動電圧を印加する駆動手
   段とを具備することを特徴とする超音波検査装置。