(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を送受信する圧電素子の音響インピーダンスが中心部より端部にいくにしたがって大きくなる構成を有する超音波探触子において、
前記圧電素子は、超音波を被検体に放射する面に少なくとも１層以上の音響整合層を有し、前記音響整合層の音響インピーダンスが、その中心部より端部にいくにしたがって大きくなるように構成されていることを特徴とする超音波探触子。
【請求項２】
前記音響整合層は、金属粉又は金属の酸化物の少なくともいずれか一方と有機高分子とで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子。
【請求項３】
前記音響整合層は、前記金属粉又は金属の酸化物の少なくともいずれか一方と前記有機高分子との重量比が中心部より端部にいくにしたがって前記金属粉又は金属の酸化物の少なくともいずれか一方の重量比が大きくなるように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の超音波探触子。
【請求項４】
前記音響整合層は２層であって、被検体側に設けられた層の音響インピーダンスは、中心付近では被検体の音響インピーダンスに近い値を有し、端部にいくにしたがって被検体の音響インピーダンスより大きな値を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の超音波探触子。
【請求項５】
前記圧電素子は、複数個配列し、前記圧電素子の配列方向に対して直交する方向において、前記音響整合層の音響インピーダンスが、その中心部より端部にいくにしたがって大きくなるように構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の超音波探触子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、水中用超音波センサや超音波診断装置などに用いる超音波探触子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波探触子は、魚群探知器や生体を対象とした超音波診断装置などに用いられている。これらの超音波探触子は周波数の広帯域化、高分解能化のための構成が検討されている。従来の超音波探触子としては、特開平７−１０７５９５号公報に記載されたものが知られている。図８に、従来の超音波探触子の構成を示す。図８において、複数個配列した圧電素子２１は、超音波を送受信するための素子であり、複数に配列する方向と直行する方向の圧電素子２１の厚みは、中心付近では薄く端部に行くにしたがって厚くなるように不均一、または曲面形状にしている。圧電素子２１の一方の面に設けた背面負荷材２２は、圧電素子２１から送信した不要な超音波を減衰させ、且つ圧電素子２１を機械的に保持する機能を有している。圧電素子２１の厚みを不均一にすることにより、超音波ビームの焦点深度を長くし、且つ広帯域の周波数特性が得られて分解能を向上させるという特徴がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の超音波探触子の構成においては、生体のような減衰媒体の被検体を対象にするには、以下のような問題がある。圧電素子２１の中心付近は厚みが薄いため高い周波数成分の超音波が送受信され、端部にいくにしたがって厚くなるので低い周波数成分の超音波が送受信されることになる。また、中央部の圧電素子と、端部の圧電素子とでは、厚みが異なるが、音響インピーダンスが同一であるため、図９に示すように、周波数比帯域は中央部から端部まで理論的に略同一である。これを減衰(周波数に比例)のある生体のような被検体に超音波を送信すると高い周波数(圧電素子２１の中心付近)は減衰が大きいため、深いところでの超音波信号がなくなる。一方、低い周波数(圧電素子２１の端部)は、高い周波数より減衰が少ないため、深いところまで超音波を送信することができる。したがって、超音波探触子に近い、つまり浅いところでは圧電素子２１全体からの超音波を送信及び受信できるが、深くなるにしたがって高い周波数の減衰が大きくなり圧電素子２１の中心付近からの超音波が送信できなくなり、端部付近の低い超音波成分のみになる。このことは超音波のサイドローブを冗長する現象となり、分解能を低下させるという問題がある。
【０００４】
本発明は、上記従来の問題を解決するもので、広帯域の周波数特性をもち、超音波ビームを深い領域まで絞ることができる分解能の高い超音波探触子を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明の超音波探触子は、超音波を送受信する圧電素子の音響インピーダンスが中心部より端部にいくにしたがって大きくなる構成を有する超音波探触子において、
前記圧電素子は、超音波を被検体に放射する面に少なくとも１層以上の音響整合層を有し、前記音響整合層の音響インピーダンスが、その中心部より端部にいくにしたがって大きくなるように構成されている。
【００１８】
この構成により、中心部の周波数帯域内に端部の周波数帯域が抱合されるので、広帯域の周波数特性と、超音波ビームを深い領域まで絞れるために分解能の高い超音波像を得ることができる。
【００１９】
また、本発明の超音波探触子は、音響整合層が２層であって、被検体側に設けられた層の音響インピーダンスは、中心付近では被検体の音響インピーダンスに近い値を有し、端部にいくにしたがって被検体の音響インピーダンスより大きな値を有する。
【００２０】
この構成により、中心部の周波数帯域内に端部の周波数帯域が抱合されるので、広帯域の周波数特性と、超音波ビームを深い領域まで絞れるために分解能の高い超音波像を得ることができる。
【００２１】
また、本発明の超音波探触子は、前記圧電素子は、複数個配列し、前記圧電素子の配列方向に対して直交する方向において、前記音響整合層の音響インピーダンスが、その中心部より端部にいくにしたがって大きくなるように構成されている。
【００２２】
この構成により、中心部の周波数帯域内に端部の周波数帯域が抱合されるので、広帯域の周波数特性と、超音波ビームを深い領域まで絞れるために分解能の高い超音波像を得ることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。
【００２６】
本発明の第１の実施の形態の超音波探触子を図１（ａ）に、またその音響インピーダンス特性を図１（ｂ）に示す。
【００２７】
図１（ａ）において、圧電素子１は超音波を送受信する機能を有するものであって、圧電素子１の両面に、金や銀をスパッタリング、あるいは銀を焼き付け等をすることにより電極２を設けている。この電極２に電圧を印加することにより圧電素子１が機械振動し、厚みに対応した周波数の超音波を発生する。
【００２８】
本発明は、図１（ｂ）に示すように、圧電素子１の中心の音響インピーダンスが小さく、端部にいくにしたがって音響インピーダンスが大きくなるような構成にする。生体を被検体にした場合には、被検体の音響インピーダンスは約１．５４ＭＲａｙｌである。これに対して通常圧電素子１として使用されるのは圧電セラミックスなどであり、この圧電セラミックスの音響インピーダンスは２５〜３０ＭＲａｙｌであるため被検体との差は大きい。圧電素子１の音響インピーダンスを低くすることは、被検体である生体の音響インピーダンスに近づけることになり、被検体との音響的な整合が取れるようになり、周波数の広帯域化を図ることができる。
【００２９】
圧電素子１の中心部３の音響インピーダンスを小さくすると、つまり被検体との音響的な整合が取れやすくなるため周波数帯域が広くなり、逆に端部４に行くにしたがって圧電素子１の音響インピーダンスを大きくすると、つまり被検体との音響的な整合が取れにくくなり周波数帯域が狭くなっていくことになる。このような構成にすることにより圧電素子１の中心部３の周波数帯域内に、端部４の周波数帯域が抱合されることになる。
【００３０】
本発明の第１の実施の形態の圧電素子１としてはＰＺＴなどに代表されるような圧電セラミックスと有機高分子を複合したいわゆる複合圧電体を用いる。圧電セラミックスと有機高分子の体積比率を変えることにより、圧電素子１の音響インピーダンスを変化させることができる。圧電素子１の中心部３を小さい音響インピーダンスにするには、有機高分子の体積比率を大きくすることにより実現でき、また、端部４に行くにしたがって有機高分子の体積比率を小さくしていくことにより音響インピーダンスを端部４に行くにしたがって大きくすることができる。
【００３１】
以上のように構成された超音波探触子について、図２を用いてその動作を説明する。まず図２(ａ)は、図１の圧電素子１の中心部３から送信する周波数特性５と端部４から送信する周波数特性６を表わしている。圧電素子１の中心部３から送信する周波数特性５は、端部４から送信する周波数特性６を抱合する特性を有し、その中心周波数７は、端部４から送信する周波数特性６の中心周波数８より高い値となるように設定する。
【００３２】
このような特性を有した超音波探触子から送信される超音波ビームは、図２(ｂ)に示すように、凹面形状の圧電素子１の中心部３付近の狭い領域、つまり中心周波数７の高い周波数特性を持つ部分から送信されない超音波ビームは、中心部３付近からの超音波ビーム特性９のようになり、近い距離(浅い部位)に絞られ、これが徐々に端部４の広い領域につまり端部４の中心周波数８の低い周波数特性を持つ部分から送信されることにより超音波ビームの開口は広がり、徐々に遠い距離（深い部位）に超音波ビームが絞られるようになり、圧電素子１全体からの超音波ビーム特性１０のようになる。本発明の実施の形態の特徴は、圧電素子１の中心部３の周波数特性５が、端部４の周波数特性６を抱合する特性を有していることであり、このことによって、減衰が大きくなる遠い距離(深い部位)においても中心部３の周波数成分は端部４の周波数成分を持っているために、ある深さでの音場の音圧は、従来のように中心部で低下することがなく、分解能劣化の要因となるサイドローブを押さえることができるものである。
【００３３】
図２(ｂ)の圧電素子１の形状は凹面形状にした場合について説明したが、このほか圧電素子１の被検体側の面の形状が凹面でもう一方の面が平面であるいわゆるプラノコンケーブ形状、または圧電素子１が平面で被検体側にシリコーンゴムやプラスチックのような音響レンズを設けても同様の効果が得られる。
【００３４】
なお、本発明の第１の実施の形態では、圧電素子１単体について説明したが、このほか、圧電素子１の超音波送受信側(被検体側)には、１層以上の音響整合層を設けた構成、または圧電素子１の超音波送受信側(被検体側)と反対側の面には背面負荷材を設けた構成にしても同様の効果が得られる。
【００３５】
なお、第１の実施の形態では、圧電素子１は単体の場合について説明したが、この他圧電素子１を複数個配列した所謂アレイ型にし、圧電素子１の配列方向に対して直交する方向に用いた場合においても同様の効果が得られる。
【００３６】
次に、本発明の第２の実施の形態の超音波探触子を図３に示す。
【００３７】
図３において、圧電素子１は、その中心部３の音響インピーダンスが端部４に行くにしたがって徐々に大きい値となるように構成されている。電極２は圧電素子１の両面に金や銀をスパッタリング、あるいは銀を焼き付け等することにより設けられている。
【００３８】
圧電素子１には、ＰＺＴ系などの圧電セラミック、単結晶などの圧電体１１が１次元のつながり(電極間の方向)を有し、有機高分子１２は３次元のつながりを有する所謂１−３型複合圧電体、またはＰＺＴ系などの圧電セラミック、単結晶などの圧電体１１が２次元のつながり(電極の面に直交する面に平行な方向)を有し、有機高分子１２も２次元のつながりを有する所謂２−２型複合圧電体を用いる。これらの複合圧電体は従来から知られているものである。
【００３９】
ここで、ｘ−ｙ型（ただし、ｘ、ｙ＝０、１、２、３）の複合圧電体の分類について説明する。
【００４０】
ペンシルバニア州立大学のNewnhamらがRes. Bull.,13 (1978), pp.525-536に発表している分類法によれば、彼らはコネクティビティ(connectivity:接続度あるいは連結性)という概念を導入して、複合材料を分類した。すなわち、複合材料をサイコロ状の集合体としてとらえ、Ｘ、Ｙ、Ｚの３軸に分解し、各成分の要素がどのように自己接続しているか（例えば、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸に全部自己接続していれば３、２軸方向にのみ自己接続していれば２とする）により、０−０、１−０、……３−２、３−３型と分類した。ただし、圧電性のあるものとそうでないものとの複合の場合、圧電性のあるものを先に書くものとする。
【００４１】
このような複合圧電対において、ＰＺＴ系などの圧電セラミック、単結晶などの圧電体１１と有機高分子１２の体積比率を可変することにより音響インピーダンスを変化させることができるものである。例えば、圧電体１１としてＰＺＴ−５Ｈの圧電セラミック、高分子１２としてエポキシ樹脂を用いた場合、圧電体１１の体積比率１００％近いときの音響インピーダンスは約２９ＭＲａｙｌとなり、この体積比率が小さくなるに従い、ほぼ比例的に音響インピーダンスも小さくなっていき体積比率が約２５％では音響インピーダンスは約１０ＭＲａｙｌという値になる。体積比率を更に小さくするとエポキシ樹脂の音響インピーダンスの約３ＭＲａｙｌに近づいていく。また複合圧電体は機械的品質係数Ｑｍも小さくなるために広帯域化が可能になる。
【００４２】
この複合圧電体の特性を利用して圧電素子１の中心部３から端部４までを、圧電体１１と有機高分子１２の幅をそれぞれ段階的に変え、または有機高分子１２中に含まれる圧電体１１の割合を連続的に変えて、音響インピーダンスを可変にする構成にする。中心部３は圧電体１１の体積比率を約１４％にすることにより音響インピーダンスを約７ＭＲａｙｌにし、次に圧電体１１の体積比率を約２５％にすることにより音響インピーダンスを１０ＭＲａｙｌにし、次に圧電体１１の体積比率を約３０％にすることにより音響インピーダンスを１５ＭＲａｙｌにして数段階に圧電体１１の体積比率を変えて、端部４は、ほぼ圧電体の体積比率が９０％にして音響インピーダンスを２５ＭＲａｙｌにする。このように１−３型若しくは２−２型複合圧電体の体積比率を可変にすることによって圧電体１の中心部３から端部４までの間を音響インピーダンスを変化させることができるので、広帯域の周波数特性と距離方向(深さ方向)での超音波ビームを長い距離(深い距離)で細く絞ることができるために分解能を向上させることができる。
【００４３】
なお、本発明の第２の実施の形態では圧電セラミックの圧電体１１とエポキシ樹脂の有機高分子１２を１−３型または２−２型複合圧電体の体積比率を可変する構成について説明したが、このほかの圧電体１１、有機高分子１２の材料を用いた場合でも同様の効果は得られる。
【００４４】
なお、本発明の第２の実施の形態では圧電セラミックの圧電体１１とエポキシ樹脂の有機高分子１２を１−３型若しくは２−２型複合圧電体の体積比率を可変する構成について説明したが、このほか、圧電体１１として粉体を用いて有機高分子１２に混入させる所謂０−３型を用いた場合でも同様の効果は得られる。
【００４５】
なお、本発明の実施の形態では、圧電素子１のみの形状について説明したが、このほか、圧電素子１の超音波送受信側(被検体側)に、１層以上の音響整合層を設けた構成、または圧電素子１の超音波送受信側(被検体側)と反対側の面には背面負荷材を設けた構成にしても同様の効果が得られる。
【００４６】
なお、本発明の第２の実施の形態では、圧電素子１が単体の場合について説明したが、このほか、圧電素子１を複数個配列した所謂アレイ型にし、圧電素子1の配列方向に対して直行する方向に用いた場合においても同様の効果が得られる。
【００４７】
次に、本発明の第３の実施の形態の超音波探触子を図４に示す。
【００４８】
図４（ａ）において、圧電素子１は圧電体１１と有機高分子１２を１−３型または２−２型に接続した複合圧電体であり、圧電体１１と有機高分子１２のいずれか一方または双方の幅を変えて、圧電体１１の体積比率を可変にすることによって、圧電素子１の中心部３から端部４までの間を音響インピーダンスを小さい値から大きい値に可変にしている。しかも圧電素子１の厚みは、中心部３は薄くして高い周波数成分を持たせ、端部４にいくにしたがって厚みを増加させていき、端部で最も厚くして低い周波数成分を持たせるように構成する。このように、厚みを不均一にすることにより、より容易に圧電素子１の中心部３は高い周波数特性を、端部４は低い周波数特性を得ることができ広帯域化が可能となる。
【００４９】
また、図４(ｂ)においては、圧電素子１は圧電体１１として粉体を用いて有機高分子１２に混入させた所謂０−３型の型複合圧電体であり、有機高分子１２に含まれる圧電体１１の分量を変えて、図４(ａ)と同様に圧電体１１の体積比率を変えて、圧電素子１の中心部３から端部４までの間を音響インピーダンスを小さい値から大きい値に可変にしている。しかも圧電素子１の厚みは、中心部３は薄くして高い周波数成分を持たせ、端部４にいくにしたがって厚みを増加させていき、端部４で最も厚して低い周波数成分を持たせるようにした構成にする。このように、厚みを不均一にすることにより、より容易に圧電素子１の中心部３は高い周波数特性を、端部４は低い周波数特性を得ることができる。
【００５０】
このような構成にすることにより、広帯域の周波数特性と距離方向(深さ方向)での超音波ビームを長い距離(深い距離)で細く絞ることができるために分解能を向上させることができる。
【００５１】
なお、本発明の第３の実施の形態では、圧電素子１の形状は超音波を放射する側を曲面形状にして、もう一方の面は平面のプラノコンケーブ型について説明したが、このほか、圧電素子１の両面とも曲面形状にした構成でも、中心部３が薄く高い周波数特性が、端部４は厚く低い周波数特性が得られるような形状であれば同様の効果が得られる。
【００５２】
なお、本発明の第３の実施の形態では、圧電素子１のみの形状について説明したが、このほか、圧電素子１の超音波送受信側(被検体側)には、１層以上の音響整合層を設けた構成、または圧電素子１の超音波送受信側(被検体側)と反対側の面には背面負荷材を設けた構成にしても同様の効果が得られる。
【００５３】
次に、本発明の第４の実施の形態の超音波探触子を図５（ａ）に、またその音響インピーダンス特性を図５（ｂ）に示す。
【００５４】
図５（ａ）において、圧電素子１は超音波を送受信する機能を有するものであって、圧電素子１の両面に、金や銀をスパッタリング、あるいは銀を焼き付け等をすることにより電極２を設けている。この電極２に電圧を印加することにより圧電素子１が機械振動し、厚みに対応した周波数の超音波を発生する。圧電素子１の超音波送受信側（被検体側）と対抗するもう一方の面には、圧電素子１を機械的に保持し、且つ不要な超音波信号を減衰させる機能を有する背面負荷材１３を接着若しくは流し込みなどにより設ける。背面負荷材１３としては、フェライト、アルミナなどの酸化物の粉体やタングステンなどの金属の粉体をゴム材やエポキシ樹脂、ウレタン樹脂などの材料に混入させたものを用いる。圧電素子１として、図５（ｂ）に示すように、中心部３の音響インピーダンスが小さく端部４にいくにしたがって音響インピーダンスが大きくなるような構成にする。
【００５５】
背面負荷材１３は、一定の音響インピーダンスの値を有したものを用いる。また、背面負荷材１３と圧電素子１との音響インピーダンスの比により周波数特性を広帯域化することができる。たとえば、背面負荷材１３の音響インピーダンスを７ＭＲａｙｌとした場合、圧電素子１の音響インピーダンスが背面負荷材１３と同じ７ＭＲａｙｌであれば、圧電素子１から見たとき、背面負荷材の音響的な負荷が重くなるため、周波数帯域を広くすることができる。一方、圧電素子の音響インピーダンスが２５ＭＲａｙｌの場合には、背面負荷材の音響インピーダンスよりかなり大きいため背面負荷材１３の音響的な負荷が軽くなるため、周波数帯域はそれほど広くできないということになる。したがって、本発明の第４の実施の形態では圧電素子１の中心部３の音響インピーダンスは小さくし、端部４にいくにしたがって大きくする構成にしているために、均一の音響インピーダンスを有する背面負荷材１３を設けることによって、圧電素子１の中心部３は広帯域の周波数特性になり、端部４にいくにしたがって中心部３より帯域は狭くなっていく特性となる。このような構成にすることにより中心部３の周波数帯域内に、端部４の周波数帯域が抱合されることになり、広帯域の周波数特性と距離方向(深さ方向)での超音波ビームを長い距離(深い距離)で細く絞ることができるために分解能を向上させることができる。
【００５６】
なお、本発明の第４の実施の形態では、圧電素子１は均一の厚みの平板の形状について説明したが、このほか、圧電素子１の形状は超音波を放射する側を曲面形状にして、もう一方の面は平面のプラノコンケーブ型、または圧電素子１の両面とも曲面形状にした不均一の厚みの形状でも同様の効果が得られる。
【００５７】
なお、本発明の第４の実施の形態では、圧電素子１と背面負荷材１３の構成について説明したが、このほか、圧電素子１の超音波送受信側(被検体側)には、１層以上の音響整合層を設けた構成にしても同様の効果が得られる。
さらに、本発明の第４の実施の形態では、圧電素子１は単体の場合について説明したが、このほか、圧電素子１を複数個配列した所謂アレイ型にし、圧電素子１の配列方向に対して直行する方向に用いた場合においても同様の効果が得られる。
【００５８】
次に、本発明の第５の実施の形態の超音波探触子を図６（ａ）に、またその音響インピーダンス特性を図６（ｂ）に示す。
【００５９】
図６（ａ）において、圧電素子１は超音波を送受信する機能を有するものであって、圧電素子１の両面に、金や銀をスパッタリング、あるいは銀を焼き付け等をすることにより電極２を設けている。この電極２に電圧を印加することにより圧電素子１が機械振動し、厚みに対応した周波数の超音波を発生する。
【００６０】
本発明は、図６（ｂ）に示すように、圧電素子１の中心の音響インピーダンスが小さく、端部にいくにしたがって音響インピーダンスが大きくなるような構成にする。生体を被検体にした場合には、被検体の音響インピーダンスは約１．５４ＭＲａｙｌであり、これに対して通常圧電素子１として使用されるのは圧電セラミックスなどであり、この圧電セラミックスの音響インピーダンスは２５ＭＲａｙｌ〜３０ＭＲａｙｌであり被検体との差は大きい。この圧電素子１の音響インピーダンスを低くすることは、被検体である生体の音響インピーダンスに近づけることになり、被検体との音響的な整合が取れるようになり、周波数の広帯域化を図ることができる。
【００６１】
圧電素子１の中心部３の音響インピーダンスを小さくすることは、つまり被検体との音響的な整合が取れやすくなるため周波数帯域が広くなり、これは端部４に行くにしたがって圧電素子１の音響インピーダンスが大きくなるつまり被検体との音響的な整合が取れにくくなり周波数帯域が狭くなっていくことになる。このような構成にすることにより、中心部３の周波数帯域内に、端部４の周波数帯域が抱合されることになる。しかし、圧電素子１の中心部３は音響インピーダンスが最も低く被検体の音響インピーダンスに近いとはいえ精々７ＭＲａｙｌであり、被検体の音響インピーダンス１．５４ＭＲａｙｌとの差があり、ましてや圧電素子１の端部４の音響インピーダンスは被検体との差がさらに大きくなり、被検体との音響的な整合が必ずしも満足できるものでない。そこで、この音響的な整合をとることにより、さらに周波数特性の広帯域化および高感度化を図ることができる。音響的な整合をとるために、圧電素子１の被検体側に相当する面の電極２面上に１層以上の音響整合層１４を設ける。音響整合層を設ける概念は周知のものであり、基本的には圧電素子１と被検体の音響インピーダンスの間の値の材料を設け、厚みは中心周波数の４分の１波長が基本となっている。
【００６２】
具体的な実施の形態について以下に説明する。
【００６３】
圧電素子１として、中心部３の音響インピーダンスが７ＭＲａｙｌで中心周波数が７ＭＨｚ、中心部３から端部４にいくに従い音響インピーダンスが増加し、端部４では２７ＭＲａｙｌになるように設定する。また端部４の中心周波数が２ＭＨｚと設定する。この時、音響整合層１４を１層設ける場合は、従来から知られている、音響整合層１４の望ましい音響インピーダンスは次式から容易に算出できる。
0004519330.tif 000002
【００６４】
ここで、Ｚｍｌは音響整合層１４の音響インピーダンス、Ｚｐは圧電素子１の音響インピーダンス、Ｚｍは被検体の音響インピーダンスである。
【００６５】
上式から本発明の実施の形態の音響整合層１４の音響インピーダンスを算出する。圧電素子１の中心部３の音響インピーダンス７ＭＲａｙｌ、被検体の音響インピーダンス１．５４ＭＲａｙｌから、圧電素子１の中心部３に相当する部分の音響整合層１４の音響インピーダンスは、
0004519330.tif 000003
となる。また圧電素子１の端部４に相当する部分の音響整合層１４の音響インピーダンスは、
0004519330.tif 000004
となる。したがって、音響整合層１４は、圧電素子１の中心部３に相当する部分の音響インピーダンスが３．２８ＭＲａｙｌで圧電素子１の端部４にいくにしたがって圧電素子１の音響インピーダンスが徐々に大きくなっていくことから、音響整合層１４の音響インピーダンスも徐々に大きくなり端部４では、６．４５ＭＲａｙｌの最大の値となるように変化する構成にする。音響整合層１４の具体的な材料としては、エポキシ樹脂を主体としてその中にタングステンなどの金属粉若しくは酸化タングステン、アルミナ、酸化鉄などの酸化物粉を混入させて作成する。エポキシ樹脂単体での音響インピーダンスは約３ＭＲａｙｌであり圧電素子１の中心部３に相当する音響整合層１４として使用できる。
【００６６】
このエポキシ樹脂に充填材として酸化タングステン粉を重量比で１００％、２００％、３００％、４００％充填するとそれぞれの音響インピーダンスは４．３６ＭＲａｙｌ、５．４６ＭＲａｙｌ、６．３６ＭＲａｙｌ、７．２ＭＲａｙｌとなる。このように充填材の重量比を調整することにより音響インピーダンスを容易に変化させることができる。したがって、圧電素子１の中心部３にはエポキシ樹脂の材料を設け、そして徐々に端部４にいくに従い、酸化タングステン粉の充填重量比を大きくしたものを設けて端部４では酸化タングステン粉の充填重量比を約３００％にして音響インピーダンスを６．３６ＭＲａｙｌの材料を設ければよい。この音響整合層１４が圧電素子１の中心部３から端部４まで音響インピーダンスを例えば３〜５段階というように段階的に可変にしても、また連続的に可変にしてもよい。
【００６７】
音響インピーダンスを連続的に可変にした材料の作成方法の一例としては、エポキシ樹脂に酸化タングステン粉を充填して硬化させる前に、遠心分離器などを利用して、中心部には酸化タングステンの量を少なく端部には多く分散するようにすれば作成は可能である。またこの音響整合層１４は厚みをほぼ４分の１波長の厚みにすればよい。例えば、圧電素子１の中心部３の中心周波数は７ＭＨｚであり、中心部３の音響整合層１４のエポキシ樹脂の音速はほぼ２．５８ｋｍ／ｓであり、これから４分の１波長の厚みを算出すると、０．０９２ｍｍとなる。また圧電素子１の端部４の中心周波数は２ＭＨｚであり、端部４に相当するの音響整合層１４としては、エポキシ樹脂に酸化タングステンを充填重量比３００％充填したものを用いると、この音速は、ほぼ２．０４ｋｍ／ｓであり、これから４分の１波長の厚みを算出すると、０．２５５ｍｍとなる。このようにそれぞれの周波数に対応して音響整合層１４の音速から厚みを設定する。
【００６８】
このような構成にすることにより、中心部３の周波数帯域内に端部４の周波数帯域が抱合されることになり、広帯域の周波数特性と距離方向(深さ方向)での超音波ビームを長い距離(深い距離)で細く絞ることができるために分解能を向上させることができる。
【００６９】
なお、本発明の第５の実施の形態では、圧電素子１は均一の厚みの平板の形状について説明したが、このほか、圧電素子１の形状は超音波を放射する側を曲面形状にして、もう一方の面は平面のプラノコンケーブ型または、圧電素子１の両面とも曲面形状にした不均一の厚みの形状でも同様の効果が得られる。また、中心が薄く、高い周波数特性が得られ、端部で厚く、低い周波数特性が得られるような形状であれば、同様の効果が得られる。
【００７０】
なお、本発明の第５の実施の形態では、圧電素子１のみの形状について説明したが、このほか、圧電素子１の超音波送受信側(被検体側)と反対側の面には背面負荷材を設けた構成にしても同様の効果が得られる。
【００７１】
なお、本発明の実施の形態では、音響整合層１４材料としてエポキシ樹脂を主体とした場合について説明したが、このほか、ウレタン樹脂、ポリイミド樹脂などの高分子材料を用いた場合についても同様の効果が得られる。
【００７２】
なお、本発明の第５の実施の形態では、音響整合層１４として１層の場合について説明したが、このほか、同様の思想で２層以上の音響整合層を設けた場合についても同様の効果が得られる。
【００７３】
なお、本発明の第５の実施の形態では、圧電素子１および音響整合層１４は単体の場合について説明したが、この他圧電素子１を複数個配列した所謂アレイ型にし、圧電素子１の配列方向に対して直行する方向に用いた場合においても同様の効果が得られる。
【００７４】
次に、本発明の第６の実施の形態の超音波探触子を図７（ａ）に、またその音響インピーダンス特性を図７（ｂ）に示す。
【００７５】
図７において、圧電素子１は超音波を送受信する機能を有するものであって、圧電素子１の両面に、金や銀をスパッタリング、あるいは銀を焼き付け等をすることにより電極２を設けている。この電極２に電圧を印加することにより圧電素子１が機械振動し、厚みに対応した周波数の超音波を発生する。
【００７６】
圧電素子１として、中心の音響インピーダンスが小さく端部にいくにしたがって音響インピーダンスが大きくなるような構成にする。生体を被検体にした場合には、被検体の音響インピーダンスは約１．５４ＭＲａｙｌであり、これに対して通常圧電素子1として使用されるのは圧電セラミックスなどであり、この圧電セラミックスの音響インピーダンスは２５ＭＲａｙｌ〜３０ＭＲａｙｌであり被検体との差は大きい。この圧電素子１の音響インピーダンスを低くすることは、被検体である生体の音響インピーダンスに近づけることになり、被検体との音響的な整合が取れるようになり、周波数の広帯域化を図ることができる。
【００７７】
圧電素子１の中心部３の音響インピーダンスを小さくすることはつまり被検体との音響的な整合が取れやすくなるため周波数帯域が広くなり、これは端部４に行くにしたがって圧電素子１の音響インピーダンスが大きくなるつまり被検体との音響的な整合が取れにくくなり周波数帯域が狭くなっていくことになる。このような構成にすることにより中心部３の周波数帯域内に、端部４の周波数帯域が抱合されることになる。しかし、圧電素子１の中心部３は音響インピーダンスが最も低く被検体の音響インピーダンスに近いとはいえ精々７ＭＲａｙｌであり、被検体の音響インピーダンス１．５４ＭＲａｙｌとの差があり、ましてや圧電素子１の端部４の音響インピーダンスは被検体との差がもっと大きくなり、被検体との音響的な整合が必ずしも満足できるものでない。
【００７８】
この音響的な整合をとることにより、さらに周波数特性の広帯域化および高感度化を図ることができる。音響的な整合をとるために、圧電素子１の被検体側に相当する面の電極２面上に第１の音響整合層１４ａと、第１の音響整合層１４ａ上に第２の音響整合層１４ｂを設ける。音響整合層１４ａ、ｂを設ける概念は周知のものであり、基本的には圧電素子１と被検体の音響インピーダンスの間の値の材料を設け、厚みは中心周波数の４分の１波長が基本となっている。しかし、本発明の実施の形態では、第２の音響整合層１４ｂが第５の実施の形態と違う構成を有している。つまり、圧電素子１の中心部３に相当する第２の音響整合層１４ｂの音響インピーダンスは被検体の音響インピーダンスに近い約１．５４ＭＲａｙｌの値にしていることである。
【００７９】
具体的な実施の形態について以下に説明する。
【００８０】
圧電素子１として、中心部３の音響インピーダンスが７ＭＲａｙｌで中心周波数が７ＭＨｚ、中心部３から端部４にいくにしたがい音響インピーダンスが増加し端部４では２７ＭＲａｙｌになるように設定する。また端部４の中心周波数が２ＭＨｚと設定する。この時の音響整合層１４を２層設ける場合は、従来から知られている、音響整合層１４の望ましい音響インピーダンスは例えば、次式から容易に算出できる。
Ｚｍｌ１＝Ｚｐ4/7・Ｚｍ3/7
Ｚｍｌ２＝Ｚｐ1/7・Ｚｍ6/7
【００８１】
ここで、Ｚｍｌ１は第１の音響整合層１４ａの音響インピーダンス、Ｚｐは圧電素子１の音響インピーダンス、Ｚｍは被検体の音響インピーダンス，Ｚｍｌ２は第２の音響整合層１４ｂの音響インピーダンスである。
【００８２】
上式から本発明の第６の実施の形態の第１および第２の音響整合層１４ａ，ｂの音響インピーダンスを算出する。圧電素子１の中心部３の音響インピーダンス７ＭＲａｙｌ、被検体の音響インピーダンス１．５４ＭＲａｙｌから、圧電素子１の中心部３に相当する部分の第１の音響整合層１４ａの音響インピーダンスは、７4/7×１．５４3/7＝３．６６ＭＲａｙｌまた、第２の音響整合層１４ｂの音響インピーダンスは７1/7×１．５４6/7＝１．９１ＭＲａｙｌとなる。また圧電素子１の端部４に相当する部分の第１の音響整合層１４ａのの音響インピーダンスは、２７4/7×１．５４3/7＝７．９１ＭＲａｙｌまた、第２の音響整合層１４ｂの音響インピーダンスは２７1/7×１．５４6/7＝２．３１ＭＲａｙｌとなる。
【００８３】
したがって、第１の音響整合層１４ａの圧電素子１の中心部３に相当する部分の音響インピーダンスは３．６６ＭＲａｙｌで、第２の音響整合層１４ｂの圧電素子１の中心部３に相当する部分の音響インピーダンスは１．９１ＭＲａｙｌであり、圧電素子１が端部４にいくにしたがって圧電素子１の音響インピーダンスが徐々に大きくなっていくことから第１、２の音響整合層１４ａ，ｂの音響インピーダンスも徐々に大きくなり、第１の音響整合層１４ａは圧電素子１の端部４に相当する部分の音響インピーダンスは７．９１ＭＲａｙｌで、第２の音響整合層１４ｂの圧電素子１の端部４に相当する部分の音響インピーダンスは２．３１ＭＲａｙｌとなるように変化する構成にする。
【００８４】
ここでは、第１、第２の音響整合層１４ａ，ｂの音響インピーダンスの算出式は一例であり、このほかの算出式もいくつか開示されており、これらいくつかの算出式の結果では、第１、第２の音響整合層１４ａ，ｂの音響インピーダンスの値は、プラスマイナス２０％ほどのばらつきがあり、前記に示した音響インピーダンスの値はプラスマイナス２０％変動した値であってもほぼ目的とした特性が得られる。
【００８５】
ここで、圧電素子１の中心部３に相当する第２の音響整合層１４ｂの音響インピーダンスは、被検体の音響インピーダンスの１．５４ＭＲａｙｌより若干大きい値であるがこの値は被検体の音響インピーダンスと同じ値のもので構成しても、圧電素子１と被検体の音響インピーダンスが近くなっているため、ほとんど周波数特性に差異は出てこない。
【００８６】
第１の音響整合層１４ａの具体的な材料としては、エポキシ樹脂を主体としてその中にタングステンなどの金属粉若しくは酸化タングステン、アルミナ、酸化鉄などの酸化物粉を混入させて作成する。エポキシ樹脂単体での音響インピーダンスは約３ＭＲａｙｌであり圧電素子１の中心部３に相当する第１の音響整合層１４ａとして使用できる。
【００８７】
このエポキシ樹脂に充填材として酸化タングステン粉を重量比で５０％、１００％、２００％、３００％、４００％、５００％充填するとそれぞれの音響インピーダンスは３．６５ＭＲａｙｌ、４．３６ＭＲａｙｌ、５．４６ＭＲａｙｌ、６．３６ＭＲａｙｌ、７．２ＭＲａｙｌ、７．９ＭＲａｙｌとなる。このように充填材の充填重量比を調整することにより音響インピーダンスは容易に可変にできる。したがって、圧電素子１の中心部３には前記算出式から算出した音響インピーダンスの値３．６６ＭＲａｙｌにはエポキシ樹脂の材料に充填材として酸化タングステン粉を重量比で５０％（音響インピーダンス３．６５ＭＲａｙｌ）充填したものを設け、そして徐々に端部４にいくにしたがい酸化タングステン粉の充填重量比を大きくしたものを設けて、端部４では酸化タングステン粉の充填重量比を約５００％にして音響インピーダンスを算出式から算出した値に近い７．９４ＭＲａｙｌの材料を設ければよい。
【００８８】
この第１の音響整合層１４ａが、圧電素子１の中心部３から端部４まで音響インピーダンスを、例えば３〜５段階というように段階的に可変にしても、また連続的に可変にしてもよい。音響インピーダンスを連続的に可変にした材料の作成としては、第５の実施の形態で説明したような遠心分離器などを利用した方法で可能である。また、この第１の音響整合層１４ａの厚みをほぼ４分の１波長の厚みにすればよい。例えば、圧電素子１の中心部３の中心周波数は７ＭＨｚであり、中心部３の第１の音響整合層１４ａの酸化タングステン粉の充填重量比を約５００％とした材料の音速は、ほぼ２．３５ｋｍ／ｓであり、これから４分の１波長の厚みを算出すると、０．０８ｍｍとなる。また圧電素子１の端部４の中心周波数は２ＭＨｚであり、端部４に相当するの第１の音響整合層１４ａとしては、エポキシ樹脂に酸化タングステンを充填重量比５００％充填したものを用いると、この音速は、ほぼ２．１ｋｍ／ｓであり、これから４分の１波長の厚みを算出すると、０．２６３ｍｍとなる。このようにそれぞれの周波数に対応して第１の音響整合層１４ａの音速から厚みを設定する。
【００８９】
次に、第２の音響整合層１４ｂの具体的な材料としては、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂を主体としてその中にガラス、高分子などの中空体の粉体を混入させて作成する。またはウレタンゴム、合成ゴムなどを主体としてその中にタングステンなどの金属粉若しくは酸化タングステン、アルミナ、酸化鉄などの酸化物粉を混入させて作成する。エポキシ樹脂、ウレタン樹脂単体での音響インピーダンスは３ＭＲａｙｌ前後であり、これに音響インピーダンスを下げるために前記のような中空体を混入させる。また、ウレタンゴム、合成ゴムなどの単体での音響インピーダンスは１．５４ＭＲａｙｌ前後であり、これは逆に音響インピーダンスを上げるために前記のようなタングステンなどの金属粉若しくは酸化タングステン、アルミナ、酸化鉄などの酸化物粉を混入させる。
【００９０】
ここでは、ウレタン樹脂を主体としてその中に高分子の中空体の粉体を混入させてものについて説明する。ウレタン樹脂(国際ケミカル社製ＲＵ３７)に充填材として高分子の中空体を重量比で２．１％、３．５％、４．５％、５％充填すると、それぞれの音響インピーダンスは、２．３ＭＲａｙｌ、１．９ＭＲａｙｌ、１．６ＭＲａｙｌ、１．４６ＭＲａｙｌとなる。このように充填材の充填重量比を調整することにより音響インピーダンスは可変にできる。したがって、圧電素子１の中心部３には、前記算出式から算出した音響インピーダンスの値３．６６ＭＲａｙｌのエポキシ樹脂の材料に充填材として、高分子の中空体を充填重量比で４．５％（音響インピーダンス１．６ＭＲａｙｌ）充填したものを設け、そして徐々に端部４にいくに従い高分子の中空体の重量比を小さくしたものを設けて、端部４では高分子の中空体を充填重量比を約２．１％充填して音響インピーダンスを算出式から算出した値に近い２．３１ＭＲａｙｌの材料を設ければよい。
【００９１】
この第２の音響整合層１４ｂが圧電素子１の中心部３から端部４まで音響インピーダンスを例えば３〜５段階というように段階的に可変にしても、また連続的に可変にしてもよい。音響インピーダンスを連続的に可変にした材料の作成としては、第５の実施の形態で説明したような遠心分離器などを利用した方法で可能である。また、この第２の音響整合層１４ｂも厚みをほぼ４分の１波長の厚みにすればよい。例えば、圧電素子１の中心部３の中心周波数は７ＭＨｚであり、中心部３の第２の音響整合層１４ｂの高分子の中空体を充填重量比で４．５％充填した材料の音速はほぼ１．８６ｋｍ／ｓであり、これから４分の１波長の厚みを算出すると、０．０６６ｍｍとなる。また圧電素子１の端部４の中心周波数は２ＭＨｚであり、端部４に相当する第２の音響整合層１４ｂとしては、ウレタン樹脂に高分子の中空体を充填重量比を約２．１％充填したものを用いると、この音速は、ほぼ２．３ｋｍ／ｓであり、これから４分の１波長の厚みを算出すると、０．２８８ｍｍとなる。このようにそれぞれの周波数に対応して第２の音響整合層１４ｂの音速から厚みを設定する。
【００９２】
以上のような第１、第２の音響整合層１４ａ、ｂの構成にすることにより、圧電素子１の中心部３の周波数帯域内に、端部４の周波数帯域が抱合されることになり、広帯域の周波数特性と距離方向(深さ方向)での超音波ビームを長い距離(深い距離)で細く絞ることができるために分解能を向上させることができる。
【００９３】
なお、本発明の実施の形態では、圧電素子１は均一の厚みの平板の形状について説明したが、このほか、圧電素子１の形状は超音波を放射する側を曲面形状にして、もう一方の面は平面のプラノコンケーブ型または、圧電素子１の両面とも曲面形状にした不均一の厚みの形状でも同様の効果が得られる。
【００９４】
なお、本発明の第６の実施の形態では、圧電素子１のみの形状について説明したが、このほか、圧電素子１の超音波送受信側(被検体側)と反対側の面には背面負荷材を設けた構成にしても同様の効果が得られる。
【００９５】
なお、本発明の第６の実施の形態では、音響整合層１４として２層の場合について説明したが、このほか、同様の思想で３層以上の音響整合層を設けた場合についても同様の効果が得られる。
【００９６】
なお、本発明の第６の実施の形態では、圧電素子１および音響整合層１４ａ、ｂは単体の場合について説明したが、この他圧電素子１を複数個配列した所謂アレイ型にし、圧電素子1の配列方向に対して直行する方向に用いた場合においても同様の効果が得られる。
【００９７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、超音波を送受信する圧電素子を備えた超音波探触子において、圧電素子は、その音響インピーダンスが中心部より端部にいくにしたがって大きくなるような構成を有することにより、端部の周波数比帯域より中央付近の周波数比帯域が広くなるので、広帯域の周波数特性と、超音波ビームを深い領域まで絞れるために分解能の高い超音波像を得ることができる超音波探触子を提供することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）  本発明の第１の実施の形態における超音波探触子の概略断面図
（ｂ）  図１（ａ）に示した超音波探触子の音響インピーダンスの特性図
【図２】本発明の第１の実施の形態における超音波探触子の周波数特性および超音波ビームの特性図
【図３】本発明の第２の実施の形態における超音波探触子の概略断面図
【図４】本発明の第３の実施の形態における超音波探触子の概略断面図
【図５】（ａ）  本発明の第４の実施の形態における超音波探触子の概略断面図
（ｂ）  図４（ａ）に示した超音波探触子の音響インピーダンスの特性図
【図６】（ａ）  本発明の第５の実施の形態における超音波探触子の概略断面図
（ｂ）  図５（ａ）に示した超音波探触子の音響インピーダンスの特性図
【図７】（ａ）  本発明の第６の実施の形態における超音波探触子の概略断面図
（ｂ）  図６（ａ）に示した超音波探触子の音響インピーダンスの特性図
【図８】従来の超音波探触子の斜視図
【図９】従来の超音波探触子の周波数特性図
【符号の説明】
１  圧電素子
２  電極
３  中心部
４  端部
５  中心部３の周波数特性
６  端部４の周波数特性
７  中心部３の中心周波数
８  端部４の中心周波数
９  中心部３付近からの超音波ビーム特性
１０  圧電素子１からの超音波ビーム特性
１１  圧電体
１２  有機高分子
１３  背面負荷材
１４  音響整合層
１４ａ  第１の音響整合層
１４ｂ  第２の音響整合層
【図１】
0004519330.tif 000005
【図２】
0004519330.tif 000006
【図３】
0004519330.tif 000007
【図４】
0004519330.tif 000008
【図５】
0004519330.tif 000009
【図６】
0004519330.tif 000010
【図７】
0004519330.tif 000011
【図８】
0004519330.tif 000012
【図９】
0004519330.tif 000013