JPS60113600A - 超音波探触子アレイ - 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】 本発明は電気音響変換手段として圧電セラミックを用す
た超音波診断装置用アレイ形超音波探触子に関するもの
である。

超音波診断装置に用いられ超音波探触子には距離方好の
感度及び分解能を向上させるために広帯域でかつ低損失
、低リップルであることが要求されている。ポリ弗化ビ
ニリデンなどの高分子圧電材料で形成された振動子本体
を有する超音波探触子では人体及び水などの被検体と良
好な音響インビーダンス整合が得られ周波数帯域幅を広
く設定することができるが、その反面電気音響変換効率
、特に送信時における電気音響変換効率が低いという致
命的な欠点がある。そのため、圧電セラミックスを振動
子本体として用い、単層あるいは複数層の音響インピー
ダンス整合層を有する超音波探触子が一般に用いられて
いる。

圧電セラミック振動子と被検体（人体、水）との間に１
つの整合層を有する探触子にお込ては比帯域幅４０チ程
度が得られ、２重の整合層を有する探触子においては比
帯域幅約７０チが得らノ１．でいる。

しかしながら更に診断装置の性能の向上を図る場合には
、従来の性能ではまだ十分とは言えずさらに一層の広帯
域でかつパルス応答特性の優れた超音波探触子が必要と
されている。

本発明の目的は上記要求に応えるべく低損失かつ低リッ
プルかつ２重整合層形超音波探触子よシはるかに広い帯
域特性を有し、従って超音波パルス応答特性に優れた探
触子を得ることを目的として、最適化された３重の整合
層を有する超音波−触子を提供せんとするものである。

第１図に３重の整合層を有するアレイ型超音波探触子の
一部分を示す。第１図について説明すると１０は圧電セ
ラミックであり超音波の伝搬方向に分極されており、１
４．１５は電極である。一般に圧電セラミックは音響イ
ンピーダンス密度が３０Ｘ、ＩＯ’−３８Ｘ］０’　Ｋ
ｙ／５−ｒｎ’程度であり、水のそれに比して２０倍以
上ある。１１，１２．１３はそれぞれ第】、第２、第３
整合層であり媒質に近い音響整合層はど音響インピーダ
ンスが小さく力るように並ぺらノする。１６は被検体（
水、人体）である。

（ここで音響インピーダンス密度どは音速と密度の積で
表わされる。’）１７１ｄ振動子１０の後方に抜は出た
超音波を吸収しかつ探触子保持の機能も有するバンキン
グである。

３重整合層形超廿波探触子の最適化の問題に関して、既
にＧｏｌｌ　１−１：１９７９年１１月Ｉ　Ｅ　Ｅ　Ｅ
　Ｔｒａｎｓａｃｔ　１ｏｎｓｏｎ　５ｏｎｉｃｓ　ａ
ｎｄ　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ　、　Ｖｏｌ、　５Ｕ−
１６，４６論文名’ｌ’ｈｅ　ｄｅｓｉＩ？ｎ　ｏｆ　
Ｂｒｏａｄ　−Ｄａｎｄ　Ｆｌｕｉｄ　−Ｌｏａｄｅｄ
　ＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＴｒａｎｓｄｕｃｅｒｓにおい
て、第１図に示した超音波探触子の最適な整合層１ｊ、
１２．３３の音響インピーダンス密度について示してい
る。それによると第１整合層】】の音響インピーダンス
密度は２２．３　Ｘｌ　０’　Ｋｙ／ｓ−ｒ＆、第２整
合層１２の音響インピーダンス密度１ｄ　７．７２Ｘ］
　０６１ｃｙ／５−ｒｒ？、第３整合層１３の音響イン
ピーダンス密層は２．９　］　ＸＩ　Ｏ’　Ｋｙ／ｓ　
−ｒｒ？である。そして第】整合層ｌｌの材料として鉛
、第３整合層１３の拐料としてナイロンが最適であると
述べているが、第２整合層の拐料については明らかにし
ていない。

そこで、エボキ７４ｔ１脂に高ｆ＆度にガラス粉を配合
した複合羽料で音響−１ノビ−タンス密度７．７２Ｘ１
０’Ｋｐ／ｓ−ｉを実現し、これで第２整合層を形成し
、第１及び第３整合層に関して前記音響インピーダンス
密度を満足する鉛シート、ナイロンを用いて探触子を試
作した。その結果、比帯域幅約９０チと広帯域でかつ低
損失特性が得られて込るが、通過帯域内に大きなリップ
ルが生じそのため従来の良く設計された２重整合層形超
音波探Ｈ１子に比べてそれほどの超音波パルス応答特性
の向上はみられなかった。

３重整合層を有する超音波探触子は広帯域特性の可能性
を秘めているが、その反面音響整合層の最適化が完全に
行なわなければ通過帯域内に大きなりクプルを生ずるこ
とＫなり、このため超音波を送、受信する場合にパルス
の尾引き時間が長くなり分解能が劣化するわけである。

従って３重整合層にしたためにかえって探触子の性能が
劣化し全く実用に供しない探触子ができてしまう可能性
が極めて大きくなるわけである。

以下、本発明について詳細に説明する。

本発明は、壕ず第１図に示した３重整合層を有する超音
波探触子を帯域内に４つの共振モードを有する４重モー
ド振動子であることに着目し、多重モードフィルタの合
成理論を適用して整合層の最適化を達成する。第２に短
冊状の圧電セラミック振動子をバッキングに接着して多
数個アレイ状に配列した例えばリニアスキャン用探触子
のような実際に医用診断装置に用いられる超音波探触子
に上記最適整合層を適用し、かつ機械的強度を十分考慮
し隣接した振動子相互間における音響的な結合を著しく
弱めることによシ、アレイ形探触子にした場合における
パルス応答特性を改善したことを特徴としている。

本発明による最適化された３重整合層を有する超音波探
触子は、圧電セラミック振動子上に形成された第１音響
整合層の音響インピーダンス密度ｚ１を１２．６Ｘ１０
６〜１８．ＩＸｌ　０’　Ｋｇ／５−ｒｎ’　、第２音
響インピーダンス密度ｚ２を３．８　Ｘ　１０’　〜６
．ＯＸ　］　０’　Ｋｐ／５−ＲＸ第３音醤整合層の音
響インピーダンス密度２．を１．７ｘｌ　Ｏ’　〜２．
４Ｘ１０″Ｋｐ／５−ｍ２　に選ばれる。

そして、前記第１整合層、第２整合層、第３整合層の縦
波の音速を各々Ｖ、Ｖ２、ｖｓ　、前記セラミック振動
子自身の２分の１波長機械的共振周波数（１！気的***
振周波数）を１゜とじたとき、第１整合層の厚さｔ１％
第２整合層の厚さ第２、第３整合層の厚さｔ、を ただしλｔ＝ｖｉ／ｆｏ　（ｉ＝１．２．３）となって
いる。上記範囲が、探触子の広帯域かつ低損失かつ低リ
ツプル特性をすべて満足する実用上必要な十分な範囲で
あシ、これは理論と実験の両面からめられている。上記
範囲を逸脱した整合層を用いた場合には、通過帯域内に
太きなリップルを生ぜしめ探触子の性能が著し、く劣化
することになるわけである。

次に本発明の整合層形超音波探触子アレイを第２図に示
す。図においては２１はスリットを示す。

第２図に示した探触子アレイはバッキング１７に矩形の
圧電セラミック振動子１０のウェハーを強固に接着し、
さらに振動子のウェハーの上置第１整合層１１を超音波
溶着等の方法で強固に接着する。その後、第】整合層１
１からバッキング１７Ｋかけてパントン−等を用いてス
リット２１を主面に垂直に入れ、短冊状の振動子群を形
成する。

このスリット２１は振動子相互を音響的に分離すること
を目的に入れたものであってバッキング１７の内部まで
スリット２１が達していても一向に構わないわけである
。さらにこのスリットが入れられた整合／ｉ１１　の上
にあらかじめカレンダー法あるいはドクターブレードを
用いたキャスティング法等の方法で薄い均一な厚みを有
するシート状の第２、第３整合層１２．１３が形成され
ている。

本発明の超音波探触子アレイは以下のような優ねた特徴
を有するものである。第１に、従来の探触子アレイは圧
電セラミック振動子の部分にのみスリットを入れるのが
一般的であったが、本発明の探触子では第１整合層にま
でスリットを入ｔ１ているので、従来超音波パルス応答
特性を劣化に導いてｂだ整合層を介した隣接振動子相互
間の音響的クロスカップリングを激減させている。この
結果、超ａ波パルスの送受波時にパルス尾引き時間が減
少し、探触子の分解能の向上に寄与している。

第２に、整合層１１からバッキング１７にかけてスリッ
ト２１　を入れているので、極めて容易にスリットを入
れることができＥｔａが容易である。第３に、整合層１
２．１３がスリットの入っｌと整合層１０、振動子ｌｌ
上を被っており、その整合層１２．１３の厚さは、振動
子の機械的共振周波数ｆ０に関して総計２分の１波長は
ある。このため、外部から第２図の矢印で示した方向（
剪断方向）の力が働いたとしても、整合層１２．１３が
保護膜となシ、振動子１０に加わる応力は著しく軽減さ
れる。単層のみの整合層を有する探触子アレイにおいて
は、本構造を用いることは本質的に不可能であシ、２Ｍ
整合層を有する探触子アレイでは保護膜が４分の１波長
膜１層であり、それほど大きな機械的強度が得られない
。従って３重整合層になってはじめて機械的強度の大き
な探触子が得られるわけである。

以下、実施例に基すき本発明について詳述する。

本発明の一実施例として、短冊状振動子として厚みたて
結合係数ｋ”（＝０．６０、比誘電率ε３３／ε、−１
８００のジルコン・チタン酸鉛系圧電セラミック振動子
１０の上に、第１整合層１１として音響インビーダンス
密度が１５．８Ｘ１０’Ｋｐ／５−ｒｒ？の結晶化ガラ
スを強固に接着し、あらかじめ前記セラミック振動子１
０−の下部に形成された音響インピーダンス密度４．２
　Ｘ　Ｊ　Ｏ’　Ｋｐ７’５−ｒｎ’　のエポキシ樹脂
を用すたバッキング１７に向かって整合層１１から振動
子１０を横切ってパントン−によりスリ／ト２Ｊ　を等
間隔に形成した。さらに第１整合層１】の上に第２整合
層】２として音響インピーダンス密度が４．５Ｘ　１０
’　Ｋｇ／　ｓ、　ｍＩのエポキシ樹脂、第３整合層１
３として音響インピーダンス密度が２．ＯＸ　］　０’
　Ｋｙ／　ｓ　−ｒｒ？のウレタン樹脂を用いて中心周
波数３．５ＭＨｚの超音波探触子アレイについて説明す
る。振動子３０は平行平面研磨によシ仕上げられＡｕ／
Ｃｒ蒸着電極１４．１５が形成され共振周波数３．５７
ＭＦｌｚ、***振周波数（機械系共振周波数）ｆｏは４
．２３　ＭＨｚである。各整合層］］、１２．１３は反
共振周波数ｆ。

に対して４分の１波長の１．１４倍程度になるように厚
みが定められた。第１整合Ｒ１１はキャスティング法に
より平行平面に仕上げられノｖみはｏ２９５±０．０５
ｕ＋、第２整合層】２はあらかじめ表面処理されたキャ
リアフィルムの上にドクターブレードを用いたキャステ
ィング法により液状のエポキシ４ｉＪ脂を均一な厚さ０
．１７９±０．０４前の薄膜シートを形成し、硬化した
後エポキシ樹脂の上に整合層１３となるウレタン樹脂を
０．１１８±００４闘の厚さに薄膜シートを形成した。

ウレタン樹脂が十分硬化した後キャリアフィルムから剥
離させ、第２、第３整合層１２．１３を同時に形成する
。そしてこのようにして作成した整合層１２．１３を第
１整合層】】に、接着剤として整合層１２と同一エポキ
シ樹脂を用いて接着して３重整合層を有する超音波探触
子を試作した。本実施例におけるエポキシ樹脂接着層の
厚みは約７μｍであるが、一定の条件下（温爪、加圧力
、時間など）で接着を行うことにより接着の厚みを一定
にすることができ、あらかじめ接着層の厚さを考慮して
設計することができるわけである。このようにして試作
した本発明に従った探触子と、本発明の探触子とはスリ
ットの入れ方が異る、即ち圧電磁器振動子部分にのみス
リットが入った探触子とは周波数特性においてともに比
帯域幅８９チ　で５ｄＢ以下の低損失特性、並びに１ｄ
Ｂ以下の低すッグル特性を実現しているが、超音波探触
子の分解能の指標になるパルス応答特性において顕著な
差がみられた。パルス応答特性を表わすの釦、探触子に
電圧パルスを与え、水面下３ｃＩｎにあるＡ１　ブロッ
クに向けて探触子から超音波パルスを送信し、反射して
返ってくる超音波パルスを同−探触子で受信する。この
とき、パルスのピーク値から４０ｄＢ減衰する１での尾
引き時間で分解能の指標とすることができる。本発明に
従った探触子のパルス尾引き時間は１３μ式であり、本
発明とけスリットの入れ方が異る探触子のパルス尾引き
時間は２０μ式、また前述のＧｏｌｌの方法に従った探
触子のパルス尾引き時間は２８μヂ　であった。

以上述べた如く、本発明の探触子は音＃整合層の最適化
がはかられ、さらにその構造て工夫をこらしておるため
、高能率、広帯域、高感度、高分解能の特性を容易に生
み出せるようになった。

本発明は人体に使用される超音波診断用として極めて有
用なものになることが予想される。

【図面の簡単な説明】

第１図は３重整合ＷＪを有する超音波探触子アレイの一
部を示す図、第２図は本発明による超音波探触子アレイ
を示す図である。 図において、１０け振動子、１１．１２．１３は整合層
、１４．１５け電極、１６は被検体、１７はバッキング
、２１はスリット。 ７１　図 オ　２　図 ６

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ３重の音響整合層を有し電気音響変換材料として圧電セ
   ラミックスを用いた超音波探触子アレイにおいて、圧電
   セラミック振動子上に形成された第１整合層の音響イン
   ピーダンス密度をＺｌ、この第１整合層上に形成された
   第２整合層の音響インピーダンス密度を２２、さらに第
   ２整合層上に形成された第３整合暦の音響インピーダン
   ス密度を２３としたとき、ｚ１３２２＋Ｚユはそれぞれ
   ］　２．６Ｘ１０６（Ｋｐ／５−ｒｎ’）≦ｚｌ≦１８
   ．１　ｘ　Ｉ　Ｏ’　ＣＫｙ／　ｓ　−ｒｒ？　）３．
   ８Ｘ１０’　（ＫｉＪ／５−ｒｎ’）≦２．≦６．（Ｉ
   Ｘ　１０’　（Ｋｙ／ｓ　・ｒｒ？’）１．７Ｘ］Ｏ’
   　（ＫＰ／５−ｒｎ’）≦２．≦　２．４ｘｌＯ’　（
   ＫＰ／　５−ｒｎ’）なる関係を満足し、また前記第１
   、第２、第３整合層の縦波の音速をそれぞれＶいｖ２、
   ■９、前記圧電セラ、ミンク振動子自身の機械的共振周
   波数をｆｏとしたとき、第１整合層の厚さｔ、％第２整
   合層の厚さｔ２、第３整合層の厚さｔ、はそれぞれただ
   し　λ１　＝　ｖ１／ｆｏ　（ｉ＝１　、２　、３　）
   なる関係を潜足し、かつ第１整合層及び振動子部分にス
   リットが所定間隔毎に形成されてｂることを特徴とする
   超音波探触子アレイ。