JP4424958B2 - 超音波探触子 - Google Patents

Description

本発明は、超音波診断装置などに用いる超音波探触子に関する。

従来の超音波探触子は、図１１に示すように超音波を送受信するために複数個の圧電素子５１がＹ方向に配列され、圧電素子５１の背面には圧電素子５１から送信した不要な超音波を減衰させ、かつ圧電素子５１を機械的に保持する背面負荷材５２が設けられている。そして、配列方向Ｙと直交する方向Ｘの圧電素子５１の厚みは、中心付近では薄く、両端部に行くに従って厚くなるように不均一な曲面形状にしている。このように圧電素子５１の厚みをＸ方向に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、か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（例えば下記の特許文献１参照）。
特開平７−１０７５９５号公報（図７、図１８）

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、以下のような問題がある。圧電素子５１のＸ方向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、両端部に行くに従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。一方、圧電素子５１の配列方向Ｙの幅は、Ｘ方向では同じである。

このため、圧電素子５１のＸ方向中心部の厚みが薄くて周波数が高く、両端部に行くに従い厚くなって周波数は低くなっている構成では、圧電素子５１の超音波の指向性は、周波数の高い中心部が高くなり、周波数が低い両端部が低くなっている。圧電素子５１の配列方向Ｙにおいては、複数個の圧電素子５１を電子的に遅延をかけて位相制御し超音波ビームを絞るか、あるいは偏向させるため、超音波の指向性は低いことが高分解能の超音波画像を得るために望ましい。

しかしながら、従来の構成では、圧電素子５１のＸ方向の中心部は指向性が高いため位相制御できる範囲は狭くなり、結果として高分解能の超音波画像を得ることが難しくなるという問題があった。また、周波数の高いＸ方向中心部付近の指向性を低く（所定感度角度範囲を広く）するためには、圧電素子５１の配列を中心部の高い周波数に合わせて狭くすることも可能であるが、この構成にすると両端部の厚みが厚い圧電素子５１の柱が高くなり、製作することが極めて困難になるという問題があった。

本発明は、上記従来の問題を解決するためになされたもので、圧電素子の配列方向と直交する方向の位置のそれぞれにおいて所望の超音波指向性を実現することができ、ひいては超音波指向性を低くすることができ、多くの圧電素子の配列を使用して自由に位相制御できることになり、超音波ビームを細く絞ることができ、また、超音波ビームを偏向することができ、分解能の高い超音波画像が得られる超音波探触子を提供することを目的とする。

本発明の超音波探触子は上記目的を達成するために、超音波を送受信する複数の圧電素子を一つの方向に配列した超音波探触子であって、
前記圧電素子の配列方向に対して直交する方向の位置に応じて異なる超音波指向性を設定する指向性設定手段と、
前記指向性設定手段は、配列方向の前記圧電素子の各々の幅を変更するものであって、前記指向性設定手段により、前記圧電素子の配列方向の各々の前記幅が前記直交方向中心部で最も狭く、両端部に行くに従って広くなるように構成され、それぞれの前記圧電素子を複数個に分割し前記直交する方向に列形状に並んで配置するための分割溝とを
備えた構成とした。

この構成により、圧電素子の配列方向と直交する方向の位置に応じて超音波指向性を低く（所定感度角度範囲を広く）することができるので、多くの圧電素子の配列を使用して自由に位相制御できることになり、超音波ビームを細く絞ることができ、また、超音波ビームを偏向することができるため、分解能の高い超音波画像を提供する超音波探触子を得ることができる。

さらに、本発明の超音波探触子は、前記圧電素子の各々の前記幅が前記直交方向中心部から両端部に行くに従って連続的に広くなるように構成されていることを特徴とする。
この構成により、圧電素子の配列方向と直交する方向の位置に応じて超音波指向性を低くすることができるので、多くの圧電素子の配列を使用して自由に位相制御できることになり、超音波ビームを細く絞ることができ、また、超音波ビームを偏向することができるため、分解能の高い超音波画像を提供する超音波探触子を得ることができる。

さらに、本発明の超音波探触子は、前記圧電素子の各々の前記幅が前記直交方向中心部から両端部に行くに従って段階的に広くなるように構成されていることを特徴とする。
この構成により、圧電素子の配列方向と直交する方向の位置に応じて超音波指向性を低くすることができるので、多くの圧電素子の配列を使用して自由に位相制御できることになり、超音波ビームを細く絞ることができ、また、超音波ビームを偏向することができるため、分解能の高い超音波画像を提供する超音波探触子を得ることができる。

さらに、本発明の超音波探触子は、一方向に配列されて超音波を送受信する複数個の圧電素子と、前記圧電素子の配列方向に対して直交する方向の位置に応じて異なる超音波指向性を設定する指向性設定手段とを備え、それぞれの前記圧電素子を複数個に分割し前記直交する方向に列形状に並んで配置するための分割溝とを備え、
前記圧電素子上に形成された１層以上の音響整合層を有し、
前記指向性設定手段は、前記音響整合層の前記直交方向中心部における前記配列方向の分割数が最も多く、両端部に行くに従って前記配列方向の分割数が少なくなるように構成されていることを特徴とする。
この構成により、圧電素子の配列方向と直交する方向の位置に応じて超音波指向性を低くすることができるので、多くの圧電素子の配列を使用して自由に位相制御できることになり、超音波ビームを細く絞ることができ、また、超音波ビームを偏向することができるため、分解能の高い超音波画像を提供する超音波探触子を得ることができる。

さらに、本発明の超音波探触子は、前記圧電素子の各々の厚みＴが前記直交方向の位置によって異なり、
前記指向性設定手段は、前記圧電素子の各々の幅Ｗと厚みＴの比Ｗ／Ｔが前記直交方向中心部から両端部に行くに従って所定の範囲の値になるように構成されていることを特徴とする。
この構成により、圧電素子の配列方向と直交する方向の位置に応じて超音波指向性を低くすることができるので、多くの圧電素子の配列を使用して自由に位相制御できることになり、超音波ビームを細く絞ることができ、また、超音波ビームを偏向することができるため、分解能の高い超音波画像を提供する超音波探触子を得ることができる。

さらに、本発明の超音波探触子は、前記幅Ｗと厚みＴの比Ｗ／Ｔが前記直交方向中心部から両端部に行くに従って連続的又は段階的に所定の範囲の値になるように構成されていることを特徴とする。
この構成により、広帯域の周波数特性にでき、かつ高感度にでき、更には超音波の指向性は低くすることができるため、多くの圧電素子の配列を使用して自由に位相制御できることになり、超音波ビームを細く絞ることができ、また、超音波ビームを偏向することができるため、分解能の高い超音波画像を提供する超音波探触子を得ることができる。

さらに、本発明の超音波探触子は、前記複数個の圧電素子の各々の厚みが前記直交方向の位置にかかわらず均一に形成されていることを特徴とする。
この構成により、複数個の圧電素子が、一方向に配列されるとともに前記配列方向と直交する方向に分割され、厚みが前記直交方向の位置にかかわらず均一に形成されている場合にも、圧電素子の配列方向と直交する方向の位置に応じて超音波指向性を低くすることができるので、多くの圧電素子の配列を使用して自由に位相制御できることになり、超音波ビームを細く絞ることができ、また、超音波ビームを偏向することができるため、分解能の高い超音波画像を提供する超音波探触子を得ることができる。

さらに、本発明の超音波探触子は、前記指向性設定手段が、超音波探触子の指向性が前記直交方向中心部で最も低く、両端部に行くに従って高くなるように構成されていることを特徴とする。

この構成により、圧電素子の配列方向と直交する方向の位置に応じて超音波指向性を低くすることができるので、多くの圧電素子の配列を使用して自由に位相制御できることになり、超音波ビームを細く絞ることができ、また、超音波ビームを偏向することができるため、分解能の高い超音波画像を提供する超音波探触子を得ることができる。

さらに、本発明の超音波探触子は、前記圧電素子の送受信周波数が、前記直交方向中心部で最も高く、両端部に行くに従って低くなるように構成されていることを特徴とする。

この構成により、圧電素子の直交方向の中心部の周波数が最も高く、両端部に行くに従って低い場合にも、圧電素子の配列方向と直交する方向の位置に応じて超音波指向性を低くすることができるので、多くの圧電素子の配列を使用して自由に位相制御できることになり、超音波ビームを細く絞ることができ、また、超音波ビームを偏向することができるため、分解能の高い超音波画像を提供する超音波探触子を得ることができる。

本発明によれば、圧電素子の配列方向と直交する方向の位置に応じて超音波指向性を所望の特性にすることができるので、多くの圧電素子の配列を使用して自由に位相制御できることになり、超音波ビームを細く絞ることができ、また、超音波ビームを偏向することができるため、分解能の高い超音波画像を提供する超音波探触子を得ることができる。

＜第１の実施の形態＞
以下、本発明の実施の形態の超音波探触子について、図面を用いて説明する。本発明の第１の実施の形態の超音波探触子を図１、図２に示す。図１は上面図、図２は図１の線Ａ−Ａ’に沿った側面断面図である。

図１、図２において、この超音波探触子は、Ｚ方向に超音波を送受信するためにＹ方向に複数配列され、Ｙ方向にほぼ平行な分割溝７ｂでＸ方向に複数に配置されるように分割された圧電素子１と、圧電素子１の上面に設けられた共通の接地電極２と、個々の圧電素子１の背面にそれぞれ設けられた複数の信号用電極３と、個々の信号用電極３からそれぞれ信号を取り出す複数の信号用電気端子４と、圧電素子１の背面を機械的に保持し、かつ必要に応じて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５とを有する。圧電素子１はＰＺＴ系などの圧電セラミック、単結晶などが用いられる。接地電極２と信号用電極３は、金や銀を蒸着、スパッタリングしたり、銀を焼き付けるなどで圧電素子１の上面、背面にそれぞれ形成される。

図１において、配列方向Ｙに隣接する圧電素子１のピッチ６は必要に応じて決める。例えば電子的に超音波ビームを位相制御して偏向する、いわゆる電子セクタタイプでは、圧電素子１の配列数は６４〜１２８個であり、グレーティングローブの発生角度の関係から、隣接する圧電素子１のピッチ６は２分の１波長が一般的であり、周波数が２．５ＭＨｚで、生体のような媒体の音速が１．５４ｋｍ／ｓである場合、０．３０８ｍｍとなる。

また個々の圧電素子１の配列方向Ｙの幅Ｗは、Ｘ方向中心付近が最も狭い幅Ｗminとして 両端部に行くに従って徐々に広くなり、両端部で最大幅Ｗmaxとなるように形成され、隣接する圧電素子１の間に溝７が形成されている。このように圧電素子１の配列方向Ｙの幅ＷがＸ方向の位置によって異なる構成にする（指向性設定手段）ことにより、容易に指向性を変化させることが可能になる。

このため、隣接する圧電素子１の間に形成される溝７の幅は、圧電素子１の幅Ｗとは逆に中心部付近では広くなり、両端部に行くに従い狭くなっている。この溝７には、隣り合う圧電素子１が音響的に独立して振動するようにするため、圧電素子１との音響インピーダンスの差が大きいものが望ましく、理想的には気体（空気）が良好であるが、圧電素子１が安定し、また機械的な衝撃に対して保持するということから、実際にはシリコンゴム、ウレタンゴムなどの材料及びそれらの材料に無機若しくは無機物の粉体を混入した材料が充填される。このように圧電素子１の幅ＷがＸ方向の位置によって異なる構成にする方法としては、レーザーと化学エッチングを組み合わせた加工法や圧電素子１をパターンニングしたマスクをした状態にしてサンドブラストなどで加工する方法などにより行うことが可能である。

さらに、圧電素子１には、圧電素子１の配列方向Ｙと直交する方向Ｘに配列方向Ｙに平行な複数の分割溝７ｂを設け、圧電素子１を直交方向Ｘ（以下、短軸方向ともいう）に分割する。図１では５分割している状態を示すが、目的に応じて分割数を設定すればよい。なお接地電極２は、圧電素子１に分割溝７ｂを設け、分割溝７ｂに充填材を充填した後に設けてもよい。また、信号用電極３は圧電素子１と共に分割溝７ｂによって分割され、また、図２に示すように背面負荷材５の一部の深さまで分割されており、前記分割された信号用電極３からはそれぞれに信号用電気端子４を取り出す構成としている。信号用電気端子４を取り出したあとの端子の接続については目的によって変わってくるが、ここでは、中心の信号用電気端子４を対象にした接続の構成を示している。このような構成は、圧電素子１が２次元的に複数個配列したタイプでありいわゆる２次元アレイといわれるものである。

図２は図１中の線Ａ―Ａ’の断面を示した図であり、圧電素子１のＺ方向の厚みＴがＸ方向の位置によって異なるように形成され、この例では中心部付近の圧電素子１の厚みＴを最小値（Ｔmin）として、両端部に行くに従って厚みが厚くなり両端部では最大値（Ｔmax）となる曲面形状にしている。このようにＹ方向に複数配列した圧電素子１の短軸方向Ｘに対しては、圧電素子１の厚みＴが最も薄い中心部は、高い周波数成分で送受信でき、両端部に行くに従って圧電素子１が厚くなるので周波数が低い成分で送受信ができることにより、超音波ビームの焦点深度を長くし、かつ広帯域の周波数特性が得られる。

一方、Ｙ方向に複数個配列した圧電素子１に対して、個々の圧電素子１に電子的に遅延させて位相制御し超音波ビームを偏向させるときは、圧電素子１の指向性が大きく性能に影響する。すなわち位相制御する場合、個々の圧電素子１の指向性は低い方が位相制御する自由度が広がり、望ましい。この指向性を示す指向係数は一般的によく知られているような以下の式で計算される。
Re(θ)=sin(π・a・sinθ/λ)/(π・a・sinθ/λ)
ここで、ａは圧電素子１の幅Ｗ、λは波長（媒体の音速／周波数）である。上式からわかるように、指向係数Re(θ)は圧電素子１の幅ａが狭くなるに従い小さくなる傾向になり、また周波数が高くなるに従い大きくなる傾向となる。

この超音波探触子は、超音波診断装置などの本体から信号用電気端子４、接地電極２から引き出した接地用電気端子(図示せず)を介して電気信号を印加することにより、圧電素子１が機械振動して超音波を送信及び受信するものであり、生体を被検体とする超音波診断装置用超音波探触子は、生体に直接接触又は超音波伝播媒体を介して間接的に接触して生体に超音波を送信し、生体から反射してきた反射波を再び超音波探触子で受信してその信号を本体で処理してモニター上に診断画像を表示して診断するものに用いられるいわゆるセンサである。

この方式としては、Ｙ方向に配列した複数の圧電素子１のそれぞれに送受信する時間の遅延をかけて位相制御して超音波ビームを所望の位置に絞り高分解能化したり、あるいは超音波ビームを偏向したりして扇形状に走査する方式が一般的になっている。例えば、図１、図２に示すような構成において、圧電素子１としてＰＺＴ−５Ｈ相当の圧電セラミックを用いて両端部の中心周波数を２．５ＭＨｚに、中心部を５ＭＨｚに設定した場合の圧電素子１の厚みＴは、中心部はＴmin＝約０．３ｍｍとなり、両端部に行くに従い徐々に厚くなり、両 端部での厚みはＴmax＝約０．６ｍｍとなる。

一方、配列方向Ｙについては前述のように、ピッチ６を２分の１波長を基本に設定すると、圧電素子１の中心部の幅Ｗminは、周波数＝５ＭＨｚであるから１波長（０．３０８ｍｍ）の２分の１でＷmin＝０．１５４ｍｍとなる。この幅Ｗminから両端部に行くに従って徐々に連続的に圧電素子１の幅は広くなり（曲面形状）、両端部になると周波数＝２．５ＭＨｚであるから幅Ｗmaxは０．３０８ｍｍとなる。このような構成にすると、中心部から両端部に行くに従って周波数が変化しても、圧電素子１のＸ方向の指向性は、圧電素子１の配列方向Ｙの幅ＷがＸ方向の位置によって異なるため、ほぼ同一の指向特性を確保することができる。

また、目的によって圧電素子１の配列方向Ｙの幅ＷをＸ方向に適時変えることによってＸ方向の位置に応じて指向特性を変えることができる。また、Ｘ方向中心付近の圧電素子１の高い周波数は、超音波画像では近い距離（深さが浅い位置）を表示する傾向であり、指向性はより低いことが望ましいので、中心部の幅Ｗminを更に狭くして両端部より指向性を低くする構成にで きる。したがって、圧電素子１の中心付近の高い周波数成分を持つところも指向性を低くすることができるため、多くの圧電素子１の配列数を使用して自由に位相制御できることになり、超音波ビームを細く絞ることができ、また、超音波ビームを偏向することができるため、分解能の高い超音波画像を提供する超音波探触子を得ることができる。

なお、第１の実施の形態では、圧電素子１の上面側に位置する接地電極２の上には何も設けていない構成について説明したが、接地電極２の上面に１層以上の音響整合層を形成した超音波探触子の構成にしても同様の効果が得られる。また、第１の実施の形態では、圧電素子１としてＰＺＴなどの圧電セラミックや単結晶を用いた構成について説明したが、このほか、圧電素子１として圧電セラミックと有機高分子を複合した、いわゆる複合圧電体を用いた超音波探触子の構成にしても同様の効果が得られる。

＜第２の実施の形態＞
次に、本発明の第２の実施の形態の超音波探触子を図３、図４に示す。図３、図４において、この超音波探触子は、Ｚ方向に超音波を送受信するためにＹ方向に複数配列され、Ｘ方向に複数分割された圧電素子１１と、圧電素子１１の上面に設けられた共通の接地電極１２と、個々の圧電素子１１の背面にそれぞれ設けられた複数の信号用電極１３と、個々の信号用電極１３からそれぞれ信号を取り出す複数の信号用電気端子１４と、圧電素子１１の背面を機械的に保持し、かつ必要に応じて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１５とを有する。圧電素子１１はＰＺＴ系などの圧電セラミック、単結晶などが用いられる。接地電極１２と信号用電極１３は、金や銀を蒸着、スパッタリングしたり、銀を焼き付けるなどで圧電素子１１の上面、背面にそれぞれ形成される。

また図３において、Ｙ方向に隣接する圧電素子１１のピッチ１６は、第１の実施の形態と同様に必要に応じて決める。例えば電子的に超音波ビームを位相制御して偏向するいわゆる電子セクタタイプでは、圧電素子１１の配列数は６４〜１２８個が一般的であり、ピッチ１６は２分の１波長となり、周波数を２．５ＭＨｚで媒体の音速を１．５４ｋｍ／ｓとした場合０．３０８ｍｍとなる。また、圧電素子１１の幅Ｗは、Ｘ方向中心付近が最も狭い幅Ｗminとして両端部に行くに従って段階的に広くなり両端部での幅Ｗは最大値Ｗmaxとなる構成にしている。

また、圧電素子１１の短軸方向Ｘに複数の分割溝１７ｂを設け、個々の圧電素子１１を短軸方向Ｘに分割する。圧電素子１１の短軸方向Ｘの幅Ｗは、段階的に幅ＷminからＷmaxまで異なり、さらに圧電素子１１の幅Ｗが変わるごとに分割溝１７ｂで分割している。この点が第１の実施の形態と違う点である。図３、図４では１１分割している状態を示すが、目的に応じて分割数を設定すればよい。なお接地電極１２については、圧電素子１１に分割溝１７ｂを設け、分割溝１７ｂに充填材を充填した後に設けてもよい。また、信号用電極１３は圧電素子１１と共に分割溝１７ｂによって分割され、また、図４に示すように背面負荷材１５の一部の深さまで分割されており、前記分割された信号用電極１３からは、それぞれに信号用電気端子１４を取り出す構成としている。信号用電気端子１４を取り出したあとの端子の接続については目的によって変わってくるが、ここでは、中心の信号用電気端子１４を対称にした接続の構成を示している。このような構成は、圧電素子１１が２次元的に複数個配列したタイプであり、いわゆる２次元アレイといわれるものである。

また、図４は図３中の線Ｂ−Ｂ’の断面を示した図であり、圧電素子１１のＺ方向の厚みＴがＸ方向の位置によって異なり、この例では圧電素子１１の中心部付近の厚みＴを最小値Ｔminとして両端部に行くに従って厚みＴが厚くなり両端部では最大値Ｔmaxとなる形状にしている。この圧電素子１１の厚みＴは、連続的に変えてもよく、また段階的に変えてもよい。このように圧電素子１１の短軸方向Ｘに対しては、圧電素子１１の厚みＴが最も薄い中心部は高い周波数成分を送受信でき、両端部に行くに従って圧電素子が厚くなるので周波数が低い成分での送受信ができることにより、超音波ビームの焦点深度を長くし、かつ広帯域の周波数特性が得られる。

一方、Ｙ方向に配列した圧電素子１１に対して、個々の圧電素子１１に電子的に遅延させて位相制御し超音波ビームを偏向させるときは、圧電素子１１の指向性が大きく性能に影響することは第１の実施の形態で前述したのと同じである。すなわち位相制御する場合、個々の圧電素子１１の指向性は低い方が位相制御する自由度が広がり望ましい。これらの超音波探触子の動作については、第１の実施の形態で説明したものと同じであるのでここでは割愛する。

例えば図３、図４に示すような構成において、圧電素子１１をＰＺＴ−５Ｈ相当の圧電セラミックを用いて、両端部の中心周波数が２．５ＭＨｚに、中心部を５ＭＨｚに設定した場合の圧電素子１１の厚みＴは、中心部はＴmin＝約０．３ｍｍとなり、両端部に行くに従い 徐々に厚くなり、両端部での厚みＴmaxは約０．６ｍｍとなる。一方、配列方向Ｙでは、前述のように配列のピッチ１６を２分の１波長を基本に設定すると、中心部の最も狭い圧電素子１１の幅Ｗminは、５ＭＨｚであるから１波長＝０．３０８ｍｍの２分の１で、Ｗmin＝０．１５４ｍｍとなる。

この幅Ｗminから両端部に行くに従って、例えば周波数の段階を中心から対称に、片側で６分割（両側合わせて１１分割）して圧電素子１１の幅Ｗが段階的に広くなる。したがって、中心部の高い周波数は５ＭＨｚ、次は４．５ＭＨｚ、４ＭＨｚ、３．５ＭＨｚ、３ＭＨｚ、そして両端部は２．５ＭＨｚに設定し、また、それぞれの幅Ｗを２分の１波長に設定すると、幅Ｗは５ＭＨｚでは０．１５４ｍｍ、４．５ＭＨｚでは０．１７１ｍｍ、４ＭＨｚでは０．１９３ｍｍ、３．５ＭＨｚでは０．２２ｍｍ、３ＭＨｚでは０．２５７ｍｍ、そして両端部は２．５ＭＨｚでは最も幅が広くＷmax＝０．３０８ｍｍとなる。

このような構成にすると、Ｘ方向の中心部から両端部に行くに従って、周波数が段階的に変化しても、圧電素子１１の配列方向Ｙの指向性は、圧電素子１１の幅Ｗを変化しているため、ほぼ同じ指向特性を確保することができる。したがって、圧電素子１１の中心付近の高い周波数成分を持つところも指向性を低くすることができるため、圧電素子１１の多くの配列数を使用して自由に位相制御できることになり、超音波ビームを細く絞ることができ、また、超音波ビームを偏向することができるため、分解能の高い超音波画像を提供する超音波探触子を得ることができる。

また、第２の実施の形態では、接地電極１２の上面には何も設けていない構成について説明したが、接地電極１２の上面に１層以上の音響整合層を形成した超音波探触子の構成にしても同様の効果が得られる。また、第２の実施の形態では、圧電素子１１としてＰＺＴなどの圧電セラミックや単結晶を用いた構成について説明したが、このほか、圧電素子１１として圧電セラミックと有機高分子を複合したいわゆる複合圧電体を用いた超音波探触子の構成にしても同様の効果が得られる。
なお、圧電素子１１の幅Ｗを段階的に変えることは、連続的に幅Ｗを変えるよりも、加工面、コスト面で有利である。理想的にはこの段階をさらに細密に加工し、性能的により優れた連続的に変えるタイプにすることが望ましい。

＜第３の実施の形態＞
次に、本発明の第３の実施の形態の超音波探触子を図５〜図８に示す。この超音波探触子は、Ｚ方向に超音波を送受信するためにＹ方向に複数配列され、Ｘ方向に複数分割された圧電素子２１と、圧電素子２１の上面に設けられた共通の接地電極２２と、接地電極２２の上面に設けられた１層以上の音響整合層２８（ここでは１層の音響整合層）と、個々の圧電素子２１の背面にそれぞれ設けられた複数の信号用電極２３と、個々の信号用電極２３からそれぞれ信号を取り出す複数の信号用電気端子２４と、圧電素子２１の背面を機械的に保持し、かつ必要に応じて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２５とを有する。圧電素子２１はＰＺＴ系などの圧電セラミック、単結晶などが用いられる。接地電極２２と信号用電極２３は、金や銀を蒸着、スパッタリングしたり、銀を焼き付けるなどで圧電素子２１の上面、背面にそれぞれ形成される。

図５に示すように、圧電素子２１及び音響整合層２８の短軸方向Ｘでは、第１、第２の実施の形態と違って幅Ｗを変えていないが、短軸方向Ｘの構造が第１、第２の実施の形態と異なる。すなわち、圧電素子２１と音響整合層２８は短軸方向Ｘに複数の分割溝２７ｂで分割される。分割数は１１個であるが目的に応じて分割数が適時決められる。圧電素子２１と同じに分割された信号用電極２３からはそれぞれ信号用電気端子２４で取り出されることになる。一方、図５に示すように音響整合層２８は、短軸方向Ｘの中心部を配列方向Ｙに溝２７で６分割しており、これが両端部に行くに従って段階的に分割数を減らしていく構成としている。

図７、図８は音響整合層２８の溝２７の構成を説明するために、それぞれ図５中の線Ｃ−Ｃ’と線Ｄ−Ｄ’の断面図を示している。図７は音響整合層２８の６分割した中央部を示し、図８はこの中央部から２つ隣の４分割した部分を示している。これらの音響整合層２８の溝２７の内部は、空気の状態が最も望ましいが、超音波探触子を構成する上で困難な場合には、柔らかい樹脂、例えばシリコンゴムやウレタンゴムあるいはこれらの樹脂に無機物などの粉体を充填したものを用いてもよい。ここで音響整合層２８に設けた溝２７は圧電素子２１の一部まで設けてもよい。

以上のような構成にすることにより、圧電素子２１がＸ方向中心部では高い周波数、そして両端部に行くに従って低い周波数を有する超音波の送受信を行うときに、圧電素子２１の短軸方向Ｘにおける幅は同じであるが、音響整合層２８の分割数を周波数が高い部分ほど多くしているため指向性は低くなる。これは圧電素子２１を分割しなくとも音響整合層２８を分割することで指向性を低くできることを利用したものである。したがって、Ｘ方向の中心部と両端部の指向特性が違って、中心部が高くなるという問題を解決することができる。

つまり、この超音波探触子の指向特性は、圧電素子２１の幅と共に音響整合層２８の幅、若しくは分割数にも関係することに注目し、音響整合層２８のＹ方向の分割数をＸ方向中心に向かって増やすことにより、より点音源に近づけ、指向性を低くするようにしている。本実施の形態では、中心部は高い周波数であるため指向性が高いので、これを低くするために音響整合層２８のＸ方向の中心部の分割数を最も多くし、両端部に行くに従って段階的に音響整合層２８の分割数を減らしていく構成にすることにより、ほぼ同一の指向特性を得ることが可能となる。さらに、短軸方向Ｘに圧電素子２１と音響整合層２８を分割し、それぞれから信号用電気端子２４を取り出しているため、電気的な切り替えあるいは位相制御によって超音波ビームを制御することが可能となる。

したがって、圧電素子２１のＸ方向の中心付近の高い周波数成分を持つところも指向性を低くすることができるため、多くの圧電素子２１の配列数を使用して自由に位相制御できることになり、超音波ビームを細く絞ることができ、また、超音波ビームを偏向することができるため、分解能の高い超音波画像を提供する超音波探触子を得ることができる。

また、第３の実施の形態では、圧電素子２１としてＰＺＴなどの圧電セラミックや単結晶を用いた構成について説明したが、圧電素子２１として圧電セラミックと有機高分子を複合したいわゆる複合圧電体を用いた超音波探触子の構成にしても同様の効果が得られる。また、第３の実施の形態では、圧電素子２１の配列方向Ｙの幅Ｗは、Ｘ方向にほぼ同一にした場合について説明したが、このほか、Ｘ方向中心部が狭く両端部に行くに従って広くしたり、圧電素子１１として圧電セラミックと有機高分子を複合したいわゆる複合圧電体を用いた超音波探触子の構成にしても同様の効果が得られる。

＜第４の実施の形態＞
次に、本発明の第４の実施の形態の超音波探触子を図１、図２を参照して説明する。第４の実施の形態の構成は、第１の実施の形態と同じ構成であるので説明は割愛し、ここでは第４の実施の形態の機能、作用を主に説明する。一方、圧電素子１の短軸方向Ｘに複数の分割溝７ｂを設け分割する。図１では５分割している状態を示すが目的に応じて分割数を設定すればよい。圧電素子１の分割溝７ｂはダイシングマシーンなどの機械加工により容易に形成することができる。なお、接地電極２は圧電素子１に分割溝７ｂを設け、分割溝７ｂに充填材を充填した後に設けてもよい。

また、信号用電極３は圧電素子１と共に分割溝７ｂによって分割され、また図２に示すように背面負荷材５の一部の深さまで分割されており、前記分割された信号用電極３からはそれぞれに信号用電気端子４を取り出す構成としている。信号用電気端子４を取り出したあとの端子の接続については目的によって変わってくるが、ここでは、中心の信号用電気端子４を対称にした接続の構成を示している。このような構成は、圧電素子１が２次元的に複数個配列したタイプでありいわゆる２次元アレイといわれるものである。

また、図２に示すように圧電素子１の厚みＴがＸ方向の位置によって異なり、中心部付近の圧電素子１の厚みＴは最も薄くＴminとして、両端部に行くに従って厚みが厚くなり両端部ではＴmaxとなる形状にしている。このように複数個に配列した圧電素子１の短軸方向Ｘに対しては、圧電素子１の厚みＴが最も薄い中心部は高い周波数成分が送受信でき、両端部に行くに従って圧電素子が厚くなるので周波数が低い成分での送受信ができることにより、超音波ビームの焦点深度を長くし、かつ広帯域の周波数特性が得られる。一方、それぞれの周波数に対応して圧電素子１の幅ＷがＸ方向にＷminからＷmaxまで異なるので、Ｘ方向の位置に応じて指向性を変えることができたり、あるいは同じような特性を得ることができる。

第４の実施の形態では、圧電素子１の厚みＴmin〜Ｔmaxと幅Ｗmin〜Ｗmaxが連続的に異なるものについて、圧電素子１の幅Ｗと厚みＴの比Ｗ／Ｔを変えている。一方、この圧電素子１のＷ／Ｔは既に公知であるように、圧電素子１の電気機械結合係数ｋは高い値ほど感度が高く、また周波数の比帯域も広くすることができる。これはＷ／Ｔと大きく関係しており、ＰＺＴ−５Ｈ相当の圧電セラミック材料ではＷ／Ｔが０．５〜０．６付近で最も電気機械結合係数ｋが高くなる。

したがって、圧電素子１のＸ方向中心部付近で最も厚みＴが薄いので、この厚みＴに対応してＷ／Ｔが０．５〜０．６になるような幅Ｗに設定し、さらに両端部に行くに従って圧電素子１の厚みＴが厚くなるので、所定の範囲の値としてＷ／Ｔが０．５〜０．６の幅の値になるように徐々に広く変化していくようにすることが望ましい。このことにより、電気機械結合係数ｋがどの領域においても同一になるので良好な特性（周波数特性感度）を得ることができる。さらに配列方向Ｙに対して直交する方向Ｘで圧電素子１の厚みＴを変えて周波数を変化させているものでは、中心部から両端部まで同じ圧電素子１の幅Ｗにすると、圧電素子１の中心部の薄いところでのＷ／Ｔは大きくなる。Ｗ／Ｔが０．６を超えてくると、幅方向Ｙでも振動するのでこの周波数が厚み方向Ｚの振動周波数に近くなると周波数特性に悪影響する。本実施の形態はこのような幅方向Ｙの振動周波数の悪影響も低減できる構成となっている。

以上のような構成にすると、圧電素子１のＸ方向中心付近の高い周波数成分を持つところも指向性を低く、かつ圧電素子１の電気機械結合係数ｋとして高い値を有することができ、さらには幅振動の周波数の影響も低減できるため、高い感度で広い周波数帯域を持ち、さらには超音波ビームを細く絞ることができるため、分解能の高い超音波画像を提供する超音波探触子を得ることができる。さらに、圧電素子１を短軸方向Ｘに分割し、それぞれの圧電素子１から信号用電気端子４を取り出しているので、電気的に切り替えて圧電素子１からの超音波の送受信を変えることもでき、更に分解能の高い超音波画像を提供する超音波探触子を得ることができる。

なお、第４の実施の形態では、圧電素子１の厚みＴmin〜Ｔmaxと幅Ｗmin〜Ｗmaxが連続的に変化しているものについて説明したが、このほか圧電素子１の厚みＴmin〜Ｔmaxと幅Ｗmin〜Ｗmaxの両方を段階的に変化させたり、若しくは厚みＴのみ、あるいは幅Ｗのみを段階的に変化させても同様の効果が得られる。

＜第５の実施の形態＞
本発明の第５の実施の形態の超音波探触子を図９、図１０に示す。図９、図１０において、この超音波探触子は、Ｚ方向に超音波を送受信するためにＹ方向に複数配列され、Ｘ方向に複数分割された圧電素子３１と、圧電素子３１の上面に設けられた共通の接地電極３２と、個々の圧電素子３１の背面にそれぞれ設けられた複数の信号用電極３３と、複数の信号用電極３３からそれぞれ信号を取り出す複数の信号用電気端子３４と、圧電素子３１の背面を機械的に保持し、かつ必要に応じて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３５とを有する。圧電素子３１はＰＺＴ系などの圧電セラミック、単結晶などが用いられる。接地電極３２と信号用電極３３は、金や銀を蒸着、スパッタリングしたり、銀を焼き付けるなどで圧電素子３１の上面、背面にそれぞれ形成される。

また図９において、圧電素子３１のピッチ３６は必要に応じて決め、配列した圧電素子３１の溝３７には第１の実施の状態と同様にシリコンゴム、ウレタンゴムなどの材料及びそれらの材料に無機若しくは無機物の粉体を混入した材料を充填する。また圧電素子３１は、短軸方向Ｘに分割溝３７ｂで分割(ここでは５分割)しており、圧電素子３１と同一に信号用電極３３もＸ方向に分割されており、前記分割された信号用電極３３からはそれぞれ信号用電気端子３４で取り出されている構成となっている。

また、本実施の形態と第１の実施の形態との違いは、図１０に示すように圧電素子３１が短軸方向Ｘに対してほぼ均一の厚みＴを有している点である。圧電素子３１の厚みＴが均一であるということは、短軸方向Ｘでほぼ同じ周波数の超音波が送受信することになるが、同じ周波数を有しても圧電素子３１の幅Ｗを変えることによって圧電素子３１のＸ方向の位置に応じて指向性を変えることができる。図１０では圧電素子３１の幅Ｗは、Ｘ方向中心部では最小の幅Ｗminにし、両端部に行くに従って幅Ｗは広くなっていくように構成し、両端部で圧電素子３１の幅Ｗは最大値Ｗmaxにしている。

このような構成にすることにより、圧電素子３１の短軸方向Ｘの指向性は、中心部は最も指向性が低くなり、両端部に行くに従い徐々に高くなっていくという特性を有することになる。一方、圧電素子３１の配列方向Ｙでの電子的な遅延制御による超音波ビームは、任意の距離（深さ）で絞ることができるが、圧電素子３１から距離が遠い（深い）領域ではそれほど指向性が低くなくとも超音波ビームを絞ることができるが、近い距離では指向性が大きく影響して超音波ビームの絞り度合いも変わってくるので、指向性が低い特性のものが要望される。本実施例では、圧電素子３１の短軸方向Ｘの中心部付近が最も指向性が低くなっているので近い距離に電子制御で超音波ビームを絞るときに寄与するのが最も大きく、両端部に行くに従って寄与度は少なくなる。したがって、圧電素子３１の短軸方向Ｘでは中心部の領域付近の小さい開口での超音波ビームの制御となるため、近距離領域は分解能の高い超音波画像を得ることができる。

また、第５の実施の形態では、接地電極３２の上面には何も設けていない構成について説明したが、接地電極３２の上面に１層以上の音響整合層を形成した超音波探触子の構成にしても同様の効果が得られる。また、第５の実施の形態では、圧電素子３１としてＰＺＴなどの圧電セラミックや単結晶を用いた構成について説明したが、このほか、圧電素子３１として圧電セラミックと有機高分子を複合したいわゆる複合圧電体を用いた超音波探触子の構成にしても同様の効果が得られる。

本発明の超音波探触子は、分解能の高い超音波画像を得ることができるので、医療などの超音波診断や検査に利用することができる。

本発明の第１及び第４の実施の形態における超音波探触子の概略を示す上面図 図１中の線Ａ−Ａ’に沿った側面断面図 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を示す上面図 図３中の線Ｂ−Ｂ’に沿った側面断面図 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を示す上面図 図５の側面断面図 図５中の線Ｃ−Ｃ’に沿った側面断面図 図５中の線Ｄ−Ｄ’に沿った側面断面図 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を示す上面図 図９中の線Ｅ−Ｅ’に沿った側面断面図 従来の超音波探触子の概略を示す斜視図

符号の説明

１、１１、２１、３１ 圧電素子
２、１２、２２、３２ 接地電極
３、１３、２３、３３ 信号用電極
４、１４、２４、３４ 信号用電気端子
５、１５、２５、３５ 背面負荷材
６、１６、２６、３６ ピッチ
７、１７、２７、３７ 溝
７ｂ、１７ｂ、２７ｂ、３７ｂ 分割溝
２８ 音響整合層

Claims (9)

1. 超音波を送受信する複数の圧電素子を一つの方向に配列した超音波探触子であって、
   前記圧電素子の配列方向に対して直交する方向の位置に応じて異なる超音波指向性を設定する指向性設定手段と、
   前記指向性設定手段は、配列方向の前記圧電素子の各々の幅を変更するものであって、前記指向性設定手段により、前記圧電素子の配列方向の各々の前記幅が前記直交方向中心部で最も狭く、両端部に行くに従って広くなるように構成され、それぞれの前記圧電素子を複数個に分割し前記直交する方向に列形状に並んで配置するための分割溝とを、
   備えた超音波探触子。
2. 前記圧電素子の各々の前記幅が前記直交方向中心部から両端部に行くに従って連続的に広くなるように構成されている請求項１に記載の超音波探触子。
3. 前記圧電素子の各々の前記幅が前記直交方向中心部から両端部に行くに従って段階的に広くなるように構成されている請求項１に記載の超音波探触子。
4. 一方向に配列されて超音波を送受信する複数個の圧電素子と、前記圧電素子の配列方向に対して直交する方向の位置に応じて異なる超音波指向性を設定する指向性設定手段とを備え、それぞれの前記圧電素子を複数個に分割し前記直交する方向に列形状に並んで配置するための分割溝とを備え、
   前記圧電素子上に形成された１層以上の音響整合層を有し、
   前記指向性設定手段は、前記音響整合層の前記直交方向中心部における前記配列方向の分割数が最も多く、両端部に行くに従って前記配列方向の分割数が少なくなるように構成されている超音波探触子。
5. 前記圧電素子の各々の厚みＴが前記直交方向の位置によって異なり、
   前記指向性設定手段は、前記圧電素子の各々の幅Ｗと厚みＴの比Ｗ／Ｔが前記直交方向中心部から両端部に行くに従って所定の範囲の値になるように構成されている請求項１に記載の超音波探触子。
6. 前記幅Ｗと厚みＴの比Ｗ／Ｔが前記直交方向中心部から両端部に行くに従って連続的又は段階的に所定の範囲の値になるように構成されている請求項５に記載の超音波探触子。
7. 前記複数個の圧電素子の各々の厚みが前記直交方向に同じに形成されている請求項１から６のいずれか１つに記載の超音波探触子。
8. 前記指向性設定手段は、超音波探触子の指向性が前記直交方向中心部で最も低く、両端部に行くに従って高くなるように構成されている請求項１から７のいずれか１つに記載の超音波探触子。
9. 前記圧電素子の送受信周波数は、前記直交方向中心部で最も高く、両端部に行くに従って低くなるように構成されている請求項１から８のいずれか１つに記載の超音波探触子。

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