超音波プローブおよび超音波検査装置
【課題】２次元アレイプローブに適したｐＭＵＴ（Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）素子の高感度化、広帯域化を実現する。
【解決手段】振動部に外力を加えて共振周波数が調整可能な構成とする。送信時には、各ＭＵＴ素子に異なる外力を加えることにより広帯域化する。また受信時には、送信からの時間の経過に応じて共振周波数をシフトさせ、エコーの深さに合わせた効果的な周波数帯で受信する。
【解決手段】振動部に外力を加えて共振周波数が調整可能な構成とする。送信時には、各ＭＵＴ素子に異なる外力を加えることにより広帯域化する。また受信時には、送信からの時間の経過に応じて共振周波数をシフトさせ、エコーの深さに合わせた効果的な周波数帯で受信する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＵＴ（Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）素子を用いる超音波プローブおよび、それを用いた超音波検査装置に関する。特に、生体の体内観察を３次元的に行うための超音波プローブの広帯域化、高感度化に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波検査装置は、超音波プローブから超音波ビームを被検体に送出し、被検体内部で反射した超音波信号（以後、超音波エコー）を超音波プローブで受信して、被検体内部の情報を得る装置である。この超音波検査装置では、超音波プローブから送信される超音波の周波数が高い程分解能が高くなるが、生体の体内観察を行う場合、超音波の到達深度は、超音波の周波数が高い程浅く、低い程深くなる。そのため、深部から浅部まで高分解能な画像を得るために、広帯域の超音波を送受信可能な超音波プローブが望まれている。
【０００３】
超音波プローブは、従来、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）に代表される圧電セラミックからなる圧電振動子を多数配列して構成される。この構成において、送受信される超音波の帯域を広げる方法として、スライス方向に共振周波数の異なる振動子を配列する構成（例えば、特許文献１）、あるいは、アレイ方向に共振周波数の異なる振動子を配列する構成（例えば、特許文献２）などが提案されている。
【０００４】
しかしながら、このような方法は、振動子が１列に配列された１次元プローブでは実現できるものの、近年、要望の高まっている２次元アレイプローブでは実現が困難である。従来の１次元プローブの構造をそのまま２次元化するには、微細加工、配線、電気的インピーダンスの点で課題があり、そこに、スライス方向に分布を持つ振動子や、厚みの異なる振動子を加えると、難易度がさらに上がり現実的ではない。
【０００５】
このような２次元アレイプローブに適した構成として、近年、ｐＭＵＴ（Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ：圧電型トランスデューサ）素子、および、ｃＭＵＴ（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ：静電容量型トランスデューサ）素子が注目されている。これらのトランスデューサは半導体製造技術を用いて形成されており、アレイ数増加の可能性や回路との集積化の容易性などが長所となっている。一方、このようなトランスデューサは、超音波プローブとして用いる場合、共振周波数の高さ、送受信される周波数帯域の広さ、送信出力および受信感度の大きさ、等を同時に満たすことが難しいという課題を有している。
【０００６】
この対策として、ｐＭＵＴでは、圧電層を構造化することで感度を向上させる構成が提案されている（例えば、特許文献４）。また、ｃＭＵＴでは、メンブレン表面に凹部を設け、メンブレンの密度を下げることにより、共振周波数の保持と感度向上の両立を狙った構成が提案されている（例えば、特許文献４）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平６−１２１３９０号公報
【特許文献２】特開２００５−２７７９８８号公報
【特許文献３】特開２０１１−１５４２３号公報
【特許文献４】特開２００９−１８２８３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前記したように、特許文献１、２に記載された従来のバルク型構成の振動子は、微細加工、配線、電気的インピーダンス等の課題があり、２次元アレイプローブに適していない。
【０００９】
また、特許文献３に記載したｃＭＵＴは、受信感度の向上と広帯域特性を実現できるものの、送信素子としてみたときには、出力される超音波の音圧は従来のバルク型構成と比較して大きく劣る。
【００１０】
また、特許文献４に記載したｐＭＵＴ素子は、ｃＭＵＴより大きな送信出力が期待できるものの、広帯域特性との両立に関しては全く言及されていない。
【００１１】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、ＭＵＴ素子、特に、ｐＭＵＴの送信出力、および、受信感度を向上させるとともに、それぞれ広帯域の特性を両立した２次元アレイプローブを提供する。この超音波プローブを用いることにより、広範囲で明瞭な超音波画像が得られる超音波検査装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の超音波プローブは、複数の単位振動子と、外力発生部とを備え、前記単位振動子は２次元的に配列されており、少なくとも一つの前記単位振動子は、少なくとも、台座部と前記台座部上に形成された振動部と上面に第１の電極が形成され前記振動部の上面に形成された圧電体膜から構成される複数のＭＵＴ（Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）素子を有し、前記複数のＭＵＴ素子は、互いに電気的に接続されており、前記台座部には空間が設けられており、前記外力発生部は、前記振動部に外力を加える構成とする。
【００１３】
この構成により、単位振動子で送受信される超音波の中心周波数を調整することができる。
【００１４】
また、この構成において、超音波の送信時には、同一の単位振動子内の一部のＭＵＴ素子に、他のＭＵＴ素子とは異なる外力を加えるように制御可能とする。これにより、同一の単位振動子内から、少なくとも２つの中心周波数の異なる超音波が発生し、広帯域の超音波を送信することができる。
【００１５】
また、超音波の受信時には、超音波を被検体内に送信した後の時間経過に応じて、振動部に加える外力を制御可能とする。これにより、受信感度の高い周波数帯を、超音波エコーが返ってくる深さに応じて効果的に設定することができ、見かけ上、広帯域かつ高感度の特性が得られる。
【００１６】
また、本発明の超音波検査装置は、上記超音波プローブと、上記超音波プローブで検出した信号をデジタル変換する受信部と、上記受信部でデジタル変換された信号を用いてビームフォーミング処理を行う信号処理部と、上記信号処理部で得られた３次元データに基づいて３次元画像を生成する画像処理部と、上記３次元画像を表示する表示部を備えた構成とする。この構成により、広範囲で明瞭な超音波画像が得られる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の超音波プローブおよび超音波検査装置は、送受信する超音波の中心周波数を調整するこができるため、検査する部位の深さなど、用途に合わせて周波数帯を設定することができる。このため、１本のプローブで複数の用途に使用できるため経済的である。
【００１８】
また、同一の単位振動子内に含まれる複数のＭＵＴ素子を、それぞれ異なる中心周波数の超音波が発生するように制御すると、広帯域の超音波を送信することができる。さらに、受信時には、時間の経過とともに受信感度の高い周波数帯をシフトさせることにより、超音波エコーの返ってくる深さに応じた設定が行え、見かけ上、広帯域かつ高感度の信号検出が可能となる。
【００１９】
したがって、本発明にかかる超音波プローブを用いることにより、浅い部位から深い部位まで広範囲で高画質な超音波検査装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる超音波検査装置の概略構成を示すブロック図
【図２】本発明の実施の形態１にかかる超音波プローブの全体構成を示す構成図
【図３】本発明の実施の形態１にかかる振動子ユニットの構造を示した説明図で、（ａ）は上面図、（ｂ）はＡＡ断面における側面図
【図４】本発明の実施の形態２にかかる超音波検査装置の概略構成を示すブロック図
【図５】本発明の実施の形態２にかかる超音波プローブの全体構成を示す構成図
【図６】本発明の実施の形態２にかかる振動子ユニットの構造を示した断面図
【図７】本発明の実施の形態３にかかる振動子ユニットの構造を示した断面図
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して説明を省略する。
【００２２】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１にかかる超音波検査装置１０の概略構成を示すブロック図である。超音波検査装置１０は、超音波を被検体１１に送信するとともに、被検体１１の内部で反射した超音波信号を受信する超音波プローブ１２と、超音波を送信するための駆動信号を発生して超音波プローブ１２に供給するとともに、超音波プローブ１２で検出した信号を増幅およびデジタル変換して出力する送受信部１３と、送受信部１３から出力された信号を用いてデジタルビームフォーミングを行う信号処理部１４と、信号処理部１４で生成された３次元データに基づいて、３次元画像のレンダリング処理等を施す画像処理部１５と、処理を施された画像データに基づいて画像を表示する画像表示部１６と、所定のタイミングで駆動信号を発生するように送受信部１３を制御する制御部１７と、超音波プローブ１２の振動子ユニットの背面側の気圧を調節する外力調整部１８を有している。また、送受信部１３、信号処理部１４、画像処理部１５、画像表示部１６、制御部１７は、検査装置本体１９に格納されており、超音波プローブ１２との間は、複数の信号線のケーブルをひとまとめにして被覆したプローブケーブルで接続されている。
【００２３】
図２は、本発明の実施の形態１にかかる超音波プローブ１２の全体構成を示す構成図である。図２に示すように超音波プローブ１２は、プローブケース２１の内部に超音波を送受波する振動子ユニット２２と、振動子ユニット２２の背面の気圧を所定の圧力に保つ圧力室２３と、振動子ユニット２２内の単位振動子に対して独立に電気信号を入出力するための複数の信号線がプリントされたプリント基板２４とを備えている。また、超音波プローブ１２は、プローブケーブル２５を介して検査装置本体１９に接続されている。
【００２４】
ここで、外力調整部１８は、圧力室２３内部の圧力を調整できるように構成されている。
【００２５】
また、振動子ユニット２２は、複数のｐＭＵＴ素子からなる単位振動子を２次元的に配列した振動子アレイで構成され、各単位振動子にパルス状の電圧を印加することにより、超音波パルスが発生するように構成されている。このとき、送受信部１３から各単位振動子の電極に遅延処理を施された駆動電圧を供給することにより、発生した超音波をフォーカスおよび偏向することができる。この構成により、超音波プローブ１２は３次元方向に超音波を送信してセクタ走査が行えるように構成されている。
【００２６】
図３は、本発明の実施の形態１にかかる振動子ユニット２２の構造を示した説明図で、（ａ）は上面図、（ｂ）はＡＡ断面における側面図である。
【００２７】
図３（ａ）に示すように振動子ユニット２２は、例えばｐＭＵＴ素子３１を４つ含む単位振動子３２を２次元に配列して構成されている。また各ｐＭＵＴ素子は、図３（ｂ）に示すように、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）等の金属薄膜から成る上部電極３３、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）に代表される圧電セラミック等からなる圧電体膜３４、銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）等の金属膜からなり、下部電極を兼ねた振動板３５、剛性を有する素材で構成された台座３６で構成されている。台座３６の間の空間３７は圧力室２３と同じ気圧となるように構成され、外力調整部１８で圧力室２３内の気圧を調整することにより、振動板３５の両側に気圧差を生じさせ、振動板３５に外力を与えるように構成されている。このように振動板３５に外力を与えると、振動子ユニット２２の共振周波数を調整することができる。
【００２８】
また図３（ａ）に示すように、ｐＭＵＴ素子３１の上部電極３３は、単位振動子ごとに連結され、引き出し部３３ａから個別に図２に示したプリント基板２４に接続される。また、振動板３５の引き出し部３５ａも同様にプリント基板２４に接続される。この構成により、単位振動子ごとに独立して圧電体膜３４に電圧を印加することができる。
【００２９】
なお、上記した上部電極３３、圧電体膜３４、振動板３５の素材は一例であり、同様の機能を有する素材であれば、いかなる素材を用いてもよい。
【００３０】
次に、このように構成された本実施の形態１の超音波検査装置１０の動作について図１〜図３を用いて具体的に説明する。
【００３１】
図１、図２において、まず、制御部１７が所定のタイミングで駆動信号を発生するように送受信部１３を制御し、送受信部１３は超音波をフォーカス及び偏向させるための遅延処理を行い、プローブケーブル２５内にまとめられた信号線を経由して超音波プローブ１２に駆動信号を送信する。
【００３２】
遅延処理された駆動信号は、プリント基板２４を経由して振動子ユニット２２に送られ、各単位振動子から所定の時間差で超音波を発することにより所定の波面が形成され、被検体１１内に超音波ビームが送信される。
【００３３】
この超音波を送信する動作を、図３を用いて具体的に説明する。まず、送受信部１３から振動子ユニット２２に駆動信号が送信されると、それに応じて、圧電体膜３４を挟むように構成された上部電極３３と振動板３５の間にパルス状の電圧が印加される。圧電体膜３４は、厚み方向に電圧を印加されると、それと直行する方向に伸縮して振動板３５を撓ませ、この振動により超音波が発生する。
【００３４】
ここで、振動子ユニット２２で発生する超音波の中心周波数は、振動板３５の剛性（ばね定数）によってきまる。したがって、超音波を送信する際に空間３７の気圧を調整して振動板３５に外力を与えると、発生する超音波の共振周波数をずらすことができる。本実施例では、用途に合わせて予め送受信する超音波の中心周波数を調整して検査を行う。これにより、周波数帯の異なる複数のプローブを交換しながら検査する必要が無くなり、１本のプローブで複数の検査部位に対応できる。
【００３５】
超音波プローブ１２から送信された超音波は、被検体１１内部の反射組織で反射され、超音波エコーとなって被検体１１の表面に伝搬し、振動子ユニット２２を振動させる。
【００３６】
超音波エコーによって各ｐＭＵＴ素子の振動板３５が振動すると、圧電体膜３４は平面内で引張、圧縮されて歪を生じ、この歪に応じて圧電体膜３４の厚み方向に電圧を発生する。このとき、上部電極３３と振動板３５の間の電圧を検出することにより、超音波エコーに応じた振動を検出することができる。さらにこのとき、空間３７の気圧を調整して特定の周波数帯、一般には送信した超音波の中心周波数帯で振動し易くしておくと、受信感度が向上する。
【００３７】
再び図１に戻り、超音波プローブ１２で検出された信号は送受信部１３に送られ、送受信部１３で増幅、およびデジタル変換され、信号処理部１４で超音波の送信経路（以後、音線）に沿った領域のビームフォーミング処理が行われる。
【００３８】
以上の動作は超音波プローブ１２から送信される超音波の音線を被検体内で走査しながら行われ、検査領域全体の情報が演算されて、信号処理部１４内の画像メモリに保存される。画像メモリに保存された３次元データは、画像処理部１５で３次元画像のレンダリング処理が施され、画像表示部１６に画像が表示される。
【００３９】
以上に説明したように本実施の形態１の超音波検査装置１０は、超音波を被検体内に送受信する際に、用途に応じて中心周波数を自由に設定できる。これにより、被検体内部の浅い部位を見たい場合、あるいは、深い部位を見たい場合にプローブを交換することなく、最適な周波数帯を選択して検査を行うことができる。したがって、１本のプローブで幅広い用途に使用できるので経済的である。
【００４０】
なお、本実施の形態では、検出した信号のＡＤ変換を検査装置本体１９内の送受信部１３で行うとしたが、超音波プローブ１２内の単位振動子３２の数が多い場合、アナログ信号のまま検出信号を送信しようとすると、多くの信号線が必要となり、プローブケーブル２５が太く硬くなってしまう。この結果、ハンドリングが悪くなってしまうため、送受信部１３の機能の一部、または全部は超音波プローブ１２と一体に設け、デジタル変換した信号をプローブケーブル２５で通信するように構成してもよい。
【００４１】
また、本実施の形態では、気圧を利用して振動板３５に外力を与える構成としたが、上部電極３３と振動板３５の間にバイアス電圧を印加して圧電体膜３４を歪ませ、振動板３５に応力を与えるようにしてもよい。このように構成しても、共振周波数を調整できるので、本実施の形態と同様の効果が得られる。
【００４２】
（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１と異なるのは外力制御部、および超音波プローブ１２のみであるため、それ以外の構成要素の説明は省略する。また、実施の形態１と同じ構成要素は同じ番号を付し、説明を省略する。
【００４３】
図４は、本発明の実施の形態２にかかる超音波検査装置の概略構成を示すブロック図である。このブロック図において実施の形態１と異なるのは、検査装置本体１９に格納された外力制御部２０のみである。この外力制御部２０は、超音波プローブ１２で超音波を送受信する際に、ｐＭＵＴ素子の振動部へ与える外力を制御するように構成されている。
【００４４】
図５は、本発明の実施の形態２にかかる超音波プローブ１２の全体構成を示す構成図である。図５に示すように超音波プローブ１２は、プローブケース２１の内部に超音波を送受波する振動子ユニット２２と、振動子ユニット２２の共振周波数を調整するための磁歪素子４１と、プリント基板２４とを備えている。また、超音波プローブ１２は、プローブケーブル２５を介して検査装置本体１９に接続されている。
【００４５】
図６は、本発明の実施の形態２にかかる振動子ユニット２２の構造を示した断面図である。実施の形態１と同様に、各ｐＭＵＴ素子は、上部電極３３、圧電体膜３４、振動板３５、台座３６を備えて構成されており、単位振動子３２を２次元的に配列して構成されている。また、上部電極３３は、単位振動子ごとに連結され、単位振動子ごとに独立して電圧を印加するように構成されている。
【００４６】
振動子ユニット２２の構造において、実施の形態１と異なるのは、台座３６の間に配置された弾性材料で構成されたバッキング材４２、一部のｐＭＵＴ素子のバッキング材４２の背面に配置されたバッキング材４３、バッキング材４３に連結された磁歪素子４１、および基台４４を備えて構成されていることである。
【００４７】
ここで、バッキング材４３は、単位振動子３２に含まれるｐＭＵＴ素子の少なくとも１つに配置され、磁歪素子４１が歪むと、バッキング材４３、およびバッキング材４２を介して所定の振動板に外力が加わるように構成されている。すなわち、本実施の形態では、磁歪素子４１の歪の制御により、所定の振動板に外力を与え、共振周波数を制御できるように構成されている。
【００４８】
なお、各ｐＭＵＴ素子は同一の構造で構成され、外力が加わらないときに共振周波数が一致するように構成されている。
【００４９】
次に、このように構成された本実施の形態の超音波検査装置１０の動作について図４〜図６を用いて具体的に説明する。
【００５０】
まず、実施の形態１と同様に、検査装置本体１９の送受信部１３から超音波プローブ１２に駆動信号が送信され、振動子ユニット２２の各単位振動子にパルス状の電圧が印加される。このとき、圧電体膜３４には、厚み方向に電圧が印加され、それと直行する方向に伸縮して振動板３５を撓ませ、この振動により超音波が発生する。
【００５１】
このとき、外力制御部２０から駆動信号を送信して、磁歪素子４１の周囲に巻かれたコイルに電流を流すと、磁歪素子４１が歪んで変形し、単位振動子３２内の少なくとも１つのｐＭＵＴ素子は振動板３５に外力を受ける。外力を受けたｐＭＵＴ素子は、振動板３５の剛性が変わるため、同じ単位振動子内の他のｐＭＵＴ素子と共振周波数がずれ、中心周波数の異なる超音波を送信することとなる。このため、単位振動子３２からは、帯域の広い超音波が送信される。
【００５２】
超音波プローブ１２から送信された超音波は、被検体１１内部の反射組織で反射され、超音波エコーとなって被検体１１の表面に伝搬し、振動子ユニット２２を振動させる。
【００５３】
超音波エコーによって各ｐＭＵＴ素子の振動板３５が振動すると、圧電体膜３４は平面内で引張、圧縮されて歪を生じ、この歪に応じて圧電体膜３４の厚み方向に電圧を発生する。このとき、上部電極３３と振動板３５の間の電圧を検出することにより、超音波エコーに応じた振動を検出することができる。
【００５４】
ところで、超音波プローブ１２から送信される超音波は、周波数が高い程高い分解能が得られるが、その到達深度は、周波数が高い程浅く、低い程深くなる。したがって、超音波を被検体内に送信後、短時間で検出される信号は高い周波数成分を有するが、時間と共に検出される信号の高周波成分は低下する。そこで、超音波送信後の時間経過に応じて、振動子ユニット２２の受信感度の周波数特性を高い周波数帯から低い周波数帯にずらしていくと、見かけ上、広い周波数帯域で高い受信感度を実現できる。
【００５５】
本実施の形態では、外力制御部２０により、超音波送信後の時間経過に応じて磁歪素子４１を制御して一部のｐＭＵＴ素子の振動板３５に外力を与え、ｐＭＵＴ素子の共振周波数を時間経過に応じてずらす。これにより、受信感度の中心周波数が時間経過に応じて変わり、浅い部位から深い部位まで広範囲で発生する超音波エコーが感度よく検出される。
【００５６】
次に、超音波プローブ１２で検出された信号は送受信部１３に送られ、送受信部１３で増幅、およびデジタル変換され、信号処理部１４で超音波の音線に沿った領域のビームフォーミング処理が行われる。
【００５７】
以上の動作は超音波プローブ１２から送信される超音波の音線を被検体内で走査しながら行われ、検査領域全体の情報が演算されて、信号処理部１４内の画像メモリに保存される。画像メモリに保存された３次元データは、画像処理部１５で３次元画像のレンダリング処理が施され、画像表示部１６に画像が表示される。
【００５８】
以上に説明したように本実施の形態２の超音波検査装置１０は、超音波を被検体内に送信する際に、単位振動子に含まれるｐＭＵＴ素子の一部の共振周波数をずらすことにより、広帯域の超音波を送信することができる。また、超音波エコーを受信する際には、時間の経過に応じて、受信感度の周波数特性をずらすことにより、浅い部位から深い部位まで広範囲で発生する超音波エコーを高感度に検出することができる。これにより、広範囲で高画質の３次元画像を取得可能な超音波検査装置が実現できる。
【００５９】
なお、本実施の形態では、外力の発生に磁歪素子を用いたが、圧電素子など、変形量を制御可能な素子を用いれば同様な効果が得られる。
【００６０】
（実施の形態３）
本実施の形態では、実施の形態２と異なるのは超音波プローブ１２のみであるため、それ以外の構成要素の説明は省略する。また、実施の形態１と同じ構成要素は同じ番号を付し、説明を省略する。
【００６１】
図７は、本発明の実施の形態３にかかる振動子ユニット２２の構造を示した断面図である。実施の形態２と同様に、各ｐＭＵＴ素子は、上部電極３３、圧電体膜３４、振動板３５、台座３６を備えて構成されており、単位振動子３２を２次元的に配列して構成されている。また、上部電極３３は、単位振動子ごとに連結され、単位振動子ごとに独立して電圧を印加するように構成されている。
【００６２】
本実施の形態において、実施の形態２と異なるのは、台座３６の間の空間３７を挟んで振動板３５の反対側に白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）等の金属薄膜から成る電極５１が形成された基板５２が配置されていることである。ここで、電極５１は、少なくとも２系統の電極５１ａ、電極５１ｂからなり、各単位振動子には両方の系統の電極が含まれるように構成されている。また、電極５１ａ、電極５１ｂは、配線５３ａ、配線５３ｂで同じ系統の電極と接続され、系統ごとに独立して電圧を印加できるように構成されている。
【００６３】
なお、電極５１と振動板３５は、少なくとも圧電体膜３４が振動しない状態では、離間しており、電極５１と振動板３５の間に電圧を印加することにより静電気力（静電引力）を生じさせ、振動板３５に外力を与えられるように構成されている。また、各ｐＭＵＴ素子は同一の構造で構成され、外力が加わらないときに共振周波数が一致するように構成されている。
【００６４】
次に、このように構成された本実施の形態３の超音波検査装置１０の動作について図７を用いて具体的に説明する。
【００６５】
まず、実施の形態１と同様に、検査装置本体の送受信部から超音波プローブに駆動信号が送信され、振動子ユニット２２の各単位振動子にパルス状の電圧が印加される。このとき、圧電体膜３４には、厚み方向に電圧が印加され、それと直行する方向に伸縮して振動板３５を撓ませ、この振動により超音波が発生する。
【００６６】
ここで、電極５１に電圧を印加しておくと、電極５１と振動板３５の間に静電気力が発生する。この静電気力は、両電極間の間隔の２乗に反比例し、印加電圧の２乗に比例して増大するため、印加電圧が大きく、間隔が狭くなるほど振動板３５の復元力は小さくなり共振周波数が低周波側にシフトすることとなる。
【００６７】
このとき、電極５１ａ、５１ｂに夫々異なる電圧を印加すると、単位振動子３２内のｐＭＵＴ素子からは、夫々中心周波数の異なる超音波が送信される。このため、単位振動子３２からは、帯域の広い超音波が送信される。
【００６８】
超音波プローブ１２から送信された超音波は、被検体１１内部の反射組織で反射され、超音波エコーとなって被検体１１の表面に伝搬し、振動子ユニット２２を振動させる。
【００６９】
超音波エコーによって各ｐＭＵＴ素子の振動板３５が振動すると、圧電体膜３４は平面内で引張、圧縮されて歪を生じ、この歪に応じて圧電体膜３４の厚み方向に電圧を発生する。このとき、上部電極３３と振動板３５の間の電圧を検出することにより、超音波エコーに応じた振動を検出することができる。
【００７０】
このとき、電極５１ａ、および、５１ｂに同じ電圧を印加し、さらに、時間の経過とともに、印加する電圧を変化させる。具体的には、超音波送信後の時間経過に応じて、振動子ユニット２２の受信感度の周波数特性を高い周波数帯から低い周波数帯にずらすように制御する。このように制御すると、見かけ上、広い周波数帯域で高い受信感度を実現できる。これにより、浅い部位から深い部位まで広範囲で発生する超音波エコーが感度よく検出される。
【００７１】
次に、超音波プローブ１２で検出された信号は送受信部１３に送られ、送受信部１３で増幅、およびデジタル変換され、信号処理部１４で超音波の音線に沿った領域のビームフォーミング処理が行われる。
【００７２】
以上の動作は超音波プローブ１２から送信される超音波の音線を被検体内で走査しながら行われ、検査領域全体の情報が演算されて、信号処理部内の画像メモリに保存される。画像メモリに保存された３次元データは、画像処理部で３次元画像のレンダリング処理が施され、画像表示部に画像が表示される。
【００７３】
以上に説明したように本実施の形態３の超音波検査装置１０は、静電ばね効果によって、振動板３５のばね定数を実質的に変化させて、共振周波数を調整することにより、送受信特性を改善させることができる。具体的には、超音波を被検体内に送信する際に、単位振動子に含まれるｐＭＵＴ素子の一部の共振周波数をずらすことにより、広帯域の超音波を送信することができる。また、超音波エコーを受信する際には、時間の経過に応じて、受信感度の周波数特性をずらすことにより、浅い部位から深い部位まで広範囲で発生する超音波エコーを高感度に検出することができる。
【００７４】
さらに、実施の形態２と異なり、すべてのｐＭＵＴ素子の共振周波数を制御できるので、送信する超音波の帯域の制御、および、受信感度の中心周波数制御をより正確に行うことができ、より広範囲で高画質の３次元画像を取得可能な超音波検査装置が実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
以上本発明によれば、広帯域にわたって高感度な２次元アレイプローブを実現できる。これにより、浅い部位から深い部位まで広範囲で高画質な超音波診断装置を実現できる。
【符号の説明】
【００７６】
１０ 超音波検査装置
１１ 被検体
１２ 超音波プローブ
１３ 送受信部
１４ 信号処理部
１５ 画像処理部
１６ 画像表示部
１７ 制御部
１８ 外力調整部
１９ 検査装置本体
２０ 外力制御部
２１ プローブケース
２２ 振動子ユニット
２３ 圧力室
２４ プリント基板
２５ プローブケーブル
３１ ｐＭＵＴ素子
３２ 単位振動子
３３ 上部電極
３４ 圧電体膜
３５ 振動板
３６ 台座
３７ 空間
４１ 磁歪素子
４２ バッキング材
４３ バッキング材
５１ 電極
５１ａ，５１ｂ 電極
５２ 基板
５３ａ，５３ｂ 配線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＵＴ（Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）素子を用いる超音波プローブおよび、それを用いた超音波検査装置に関する。特に、生体の体内観察を３次元的に行うための超音波プローブの広帯域化、高感度化に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波検査装置は、超音波プローブから超音波ビームを被検体に送出し、被検体内部で反射した超音波信号（以後、超音波エコー）を超音波プローブで受信して、被検体内部の情報を得る装置である。この超音波検査装置では、超音波プローブから送信される超音波の周波数が高い程分解能が高くなるが、生体の体内観察を行う場合、超音波の到達深度は、超音波の周波数が高い程浅く、低い程深くなる。そのため、深部から浅部まで高分解能な画像を得るために、広帯域の超音波を送受信可能な超音波プローブが望まれている。
【０００３】
超音波プローブは、従来、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）に代表される圧電セラミックからなる圧電振動子を多数配列して構成される。この構成において、送受信される超音波の帯域を広げる方法として、スライス方向に共振周波数の異なる振動子を配列する構成（例えば、特許文献１）、あるいは、アレイ方向に共振周波数の異なる振動子を配列する構成（例えば、特許文献２）などが提案されている。
【０００４】
しかしながら、このような方法は、振動子が１列に配列された１次元プローブでは実現できるものの、近年、要望の高まっている２次元アレイプローブでは実現が困難である。従来の１次元プローブの構造をそのまま２次元化するには、微細加工、配線、電気的インピーダンスの点で課題があり、そこに、スライス方向に分布を持つ振動子や、厚みの異なる振動子を加えると、難易度がさらに上がり現実的ではない。
【０００５】
このような２次元アレイプローブに適した構成として、近年、ｐＭＵＴ（Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ：圧電型トランスデューサ）素子、および、ｃＭＵＴ（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ：静電容量型トランスデューサ）素子が注目されている。これらのトランスデューサは半導体製造技術を用いて形成されており、アレイ数増加の可能性や回路との集積化の容易性などが長所となっている。一方、このようなトランスデューサは、超音波プローブとして用いる場合、共振周波数の高さ、送受信される周波数帯域の広さ、送信出力および受信感度の大きさ、等を同時に満たすことが難しいという課題を有している。
【０００６】
この対策として、ｐＭＵＴでは、圧電層を構造化することで感度を向上させる構成が提案されている（例えば、特許文献４）。また、ｃＭＵＴでは、メンブレン表面に凹部を設け、メンブレンの密度を下げることにより、共振周波数の保持と感度向上の両立を狙った構成が提案されている（例えば、特許文献４）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平６−１２１３９０号公報
【特許文献２】特開２００５−２７７９８８号公報
【特許文献３】特開２０１１−１５４２３号公報
【特許文献４】特開２００９−１８２８３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前記したように、特許文献１、２に記載された従来のバルク型構成の振動子は、微細加工、配線、電気的インピーダンス等の課題があり、２次元アレイプローブに適していない。
【０００９】
また、特許文献３に記載したｃＭＵＴは、受信感度の向上と広帯域特性を実現できるものの、送信素子としてみたときには、出力される超音波の音圧は従来のバルク型構成と比較して大きく劣る。
【００１０】
また、特許文献４に記載したｐＭＵＴ素子は、ｃＭＵＴより大きな送信出力が期待できるものの、広帯域特性との両立に関しては全く言及されていない。
【００１１】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、ＭＵＴ素子、特に、ｐＭＵＴの送信出力、および、受信感度を向上させるとともに、それぞれ広帯域の特性を両立した２次元アレイプローブを提供する。この超音波プローブを用いることにより、広範囲で明瞭な超音波画像が得られる超音波検査装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の超音波プローブは、複数の単位振動子と、外力発生部とを備え、前記単位振動子は２次元的に配列されており、少なくとも一つの前記単位振動子は、少なくとも、台座部と前記台座部上に形成された振動部と上面に第１の電極が形成され前記振動部の上面に形成された圧電体膜から構成される複数のＭＵＴ（Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）素子を有し、前記複数のＭＵＴ素子は、互いに電気的に接続されており、前記台座部には空間が設けられており、前記外力発生部は、前記振動部に外力を加える構成とする。
【００１３】
この構成により、単位振動子で送受信される超音波の中心周波数を調整することができる。
【００１４】
また、この構成において、超音波の送信時には、同一の単位振動子内の一部のＭＵＴ素子に、他のＭＵＴ素子とは異なる外力を加えるように制御可能とする。これにより、同一の単位振動子内から、少なくとも２つの中心周波数の異なる超音波が発生し、広帯域の超音波を送信することができる。
【００１５】
また、超音波の受信時には、超音波を被検体内に送信した後の時間経過に応じて、振動部に加える外力を制御可能とする。これにより、受信感度の高い周波数帯を、超音波エコーが返ってくる深さに応じて効果的に設定することができ、見かけ上、広帯域かつ高感度の特性が得られる。
【００１６】
また、本発明の超音波検査装置は、上記超音波プローブと、上記超音波プローブで検出した信号をデジタル変換する受信部と、上記受信部でデジタル変換された信号を用いてビームフォーミング処理を行う信号処理部と、上記信号処理部で得られた３次元データに基づいて３次元画像を生成する画像処理部と、上記３次元画像を表示する表示部を備えた構成とする。この構成により、広範囲で明瞭な超音波画像が得られる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の超音波プローブおよび超音波検査装置は、送受信する超音波の中心周波数を調整するこができるため、検査する部位の深さなど、用途に合わせて周波数帯を設定することができる。このため、１本のプローブで複数の用途に使用できるため経済的である。
【００１８】
また、同一の単位振動子内に含まれる複数のＭＵＴ素子を、それぞれ異なる中心周波数の超音波が発生するように制御すると、広帯域の超音波を送信することができる。さらに、受信時には、時間の経過とともに受信感度の高い周波数帯をシフトさせることにより、超音波エコーの返ってくる深さに応じた設定が行え、見かけ上、広帯域かつ高感度の信号検出が可能となる。
【００１９】
したがって、本発明にかかる超音波プローブを用いることにより、浅い部位から深い部位まで広範囲で高画質な超音波検査装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる超音波検査装置の概略構成を示すブロック図
【図２】本発明の実施の形態１にかかる超音波プローブの全体構成を示す構成図
【図３】本発明の実施の形態１にかかる振動子ユニットの構造を示した説明図で、（ａ）は上面図、（ｂ）はＡＡ断面における側面図
【図４】本発明の実施の形態２にかかる超音波検査装置の概略構成を示すブロック図
【図５】本発明の実施の形態２にかかる超音波プローブの全体構成を示す構成図
【図６】本発明の実施の形態２にかかる振動子ユニットの構造を示した断面図
【図７】本発明の実施の形態３にかかる振動子ユニットの構造を示した断面図
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して説明を省略する。
【００２２】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１にかかる超音波検査装置１０の概略構成を示すブロック図である。超音波検査装置１０は、超音波を被検体１１に送信するとともに、被検体１１の内部で反射した超音波信号を受信する超音波プローブ１２と、超音波を送信するための駆動信号を発生して超音波プローブ１２に供給するとともに、超音波プローブ１２で検出した信号を増幅およびデジタル変換して出力する送受信部１３と、送受信部１３から出力された信号を用いてデジタルビームフォーミングを行う信号処理部１４と、信号処理部１４で生成された３次元データに基づいて、３次元画像のレンダリング処理等を施す画像処理部１５と、処理を施された画像データに基づいて画像を表示する画像表示部１６と、所定のタイミングで駆動信号を発生するように送受信部１３を制御する制御部１７と、超音波プローブ１２の振動子ユニットの背面側の気圧を調節する外力調整部１８を有している。また、送受信部１３、信号処理部１４、画像処理部１５、画像表示部１６、制御部１７は、検査装置本体１９に格納されており、超音波プローブ１２との間は、複数の信号線のケーブルをひとまとめにして被覆したプローブケーブルで接続されている。
【００２３】
図２は、本発明の実施の形態１にかかる超音波プローブ１２の全体構成を示す構成図である。図２に示すように超音波プローブ１２は、プローブケース２１の内部に超音波を送受波する振動子ユニット２２と、振動子ユニット２２の背面の気圧を所定の圧力に保つ圧力室２３と、振動子ユニット２２内の単位振動子に対して独立に電気信号を入出力するための複数の信号線がプリントされたプリント基板２４とを備えている。また、超音波プローブ１２は、プローブケーブル２５を介して検査装置本体１９に接続されている。
【００２４】
ここで、外力調整部１８は、圧力室２３内部の圧力を調整できるように構成されている。
【００２５】
また、振動子ユニット２２は、複数のｐＭＵＴ素子からなる単位振動子を２次元的に配列した振動子アレイで構成され、各単位振動子にパルス状の電圧を印加することにより、超音波パルスが発生するように構成されている。このとき、送受信部１３から各単位振動子の電極に遅延処理を施された駆動電圧を供給することにより、発生した超音波をフォーカスおよび偏向することができる。この構成により、超音波プローブ１２は３次元方向に超音波を送信してセクタ走査が行えるように構成されている。
【００２６】
図３は、本発明の実施の形態１にかかる振動子ユニット２２の構造を示した説明図で、（ａ）は上面図、（ｂ）はＡＡ断面における側面図である。
【００２７】
図３（ａ）に示すように振動子ユニット２２は、例えばｐＭＵＴ素子３１を４つ含む単位振動子３２を２次元に配列して構成されている。また各ｐＭＵＴ素子は、図３（ｂ）に示すように、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）等の金属薄膜から成る上部電極３３、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）に代表される圧電セラミック等からなる圧電体膜３４、銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）等の金属膜からなり、下部電極を兼ねた振動板３５、剛性を有する素材で構成された台座３６で構成されている。台座３６の間の空間３７は圧力室２３と同じ気圧となるように構成され、外力調整部１８で圧力室２３内の気圧を調整することにより、振動板３５の両側に気圧差を生じさせ、振動板３５に外力を与えるように構成されている。このように振動板３５に外力を与えると、振動子ユニット２２の共振周波数を調整することができる。
【００２８】
また図３（ａ）に示すように、ｐＭＵＴ素子３１の上部電極３３は、単位振動子ごとに連結され、引き出し部３３ａから個別に図２に示したプリント基板２４に接続される。また、振動板３５の引き出し部３５ａも同様にプリント基板２４に接続される。この構成により、単位振動子ごとに独立して圧電体膜３４に電圧を印加することができる。
【００２９】
なお、上記した上部電極３３、圧電体膜３４、振動板３５の素材は一例であり、同様の機能を有する素材であれば、いかなる素材を用いてもよい。
【００３０】
次に、このように構成された本実施の形態１の超音波検査装置１０の動作について図１〜図３を用いて具体的に説明する。
【００３１】
図１、図２において、まず、制御部１７が所定のタイミングで駆動信号を発生するように送受信部１３を制御し、送受信部１３は超音波をフォーカス及び偏向させるための遅延処理を行い、プローブケーブル２５内にまとめられた信号線を経由して超音波プローブ１２に駆動信号を送信する。
【００３２】
遅延処理された駆動信号は、プリント基板２４を経由して振動子ユニット２２に送られ、各単位振動子から所定の時間差で超音波を発することにより所定の波面が形成され、被検体１１内に超音波ビームが送信される。
【００３３】
この超音波を送信する動作を、図３を用いて具体的に説明する。まず、送受信部１３から振動子ユニット２２に駆動信号が送信されると、それに応じて、圧電体膜３４を挟むように構成された上部電極３３と振動板３５の間にパルス状の電圧が印加される。圧電体膜３４は、厚み方向に電圧を印加されると、それと直行する方向に伸縮して振動板３５を撓ませ、この振動により超音波が発生する。
【００３４】
ここで、振動子ユニット２２で発生する超音波の中心周波数は、振動板３５の剛性（ばね定数）によってきまる。したがって、超音波を送信する際に空間３７の気圧を調整して振動板３５に外力を与えると、発生する超音波の共振周波数をずらすことができる。本実施例では、用途に合わせて予め送受信する超音波の中心周波数を調整して検査を行う。これにより、周波数帯の異なる複数のプローブを交換しながら検査する必要が無くなり、１本のプローブで複数の検査部位に対応できる。
【００３５】
超音波プローブ１２から送信された超音波は、被検体１１内部の反射組織で反射され、超音波エコーとなって被検体１１の表面に伝搬し、振動子ユニット２２を振動させる。
【００３６】
超音波エコーによって各ｐＭＵＴ素子の振動板３５が振動すると、圧電体膜３４は平面内で引張、圧縮されて歪を生じ、この歪に応じて圧電体膜３４の厚み方向に電圧を発生する。このとき、上部電極３３と振動板３５の間の電圧を検出することにより、超音波エコーに応じた振動を検出することができる。さらにこのとき、空間３７の気圧を調整して特定の周波数帯、一般には送信した超音波の中心周波数帯で振動し易くしておくと、受信感度が向上する。
【００３７】
再び図１に戻り、超音波プローブ１２で検出された信号は送受信部１３に送られ、送受信部１３で増幅、およびデジタル変換され、信号処理部１４で超音波の送信経路（以後、音線）に沿った領域のビームフォーミング処理が行われる。
【００３８】
以上の動作は超音波プローブ１２から送信される超音波の音線を被検体内で走査しながら行われ、検査領域全体の情報が演算されて、信号処理部１４内の画像メモリに保存される。画像メモリに保存された３次元データは、画像処理部１５で３次元画像のレンダリング処理が施され、画像表示部１６に画像が表示される。
【００３９】
以上に説明したように本実施の形態１の超音波検査装置１０は、超音波を被検体内に送受信する際に、用途に応じて中心周波数を自由に設定できる。これにより、被検体内部の浅い部位を見たい場合、あるいは、深い部位を見たい場合にプローブを交換することなく、最適な周波数帯を選択して検査を行うことができる。したがって、１本のプローブで幅広い用途に使用できるので経済的である。
【００４０】
なお、本実施の形態では、検出した信号のＡＤ変換を検査装置本体１９内の送受信部１３で行うとしたが、超音波プローブ１２内の単位振動子３２の数が多い場合、アナログ信号のまま検出信号を送信しようとすると、多くの信号線が必要となり、プローブケーブル２５が太く硬くなってしまう。この結果、ハンドリングが悪くなってしまうため、送受信部１３の機能の一部、または全部は超音波プローブ１２と一体に設け、デジタル変換した信号をプローブケーブル２５で通信するように構成してもよい。
【００４１】
また、本実施の形態では、気圧を利用して振動板３５に外力を与える構成としたが、上部電極３３と振動板３５の間にバイアス電圧を印加して圧電体膜３４を歪ませ、振動板３５に応力を与えるようにしてもよい。このように構成しても、共振周波数を調整できるので、本実施の形態と同様の効果が得られる。
【００４２】
（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１と異なるのは外力制御部、および超音波プローブ１２のみであるため、それ以外の構成要素の説明は省略する。また、実施の形態１と同じ構成要素は同じ番号を付し、説明を省略する。
【００４３】
図４は、本発明の実施の形態２にかかる超音波検査装置の概略構成を示すブロック図である。このブロック図において実施の形態１と異なるのは、検査装置本体１９に格納された外力制御部２０のみである。この外力制御部２０は、超音波プローブ１２で超音波を送受信する際に、ｐＭＵＴ素子の振動部へ与える外力を制御するように構成されている。
【００４４】
図５は、本発明の実施の形態２にかかる超音波プローブ１２の全体構成を示す構成図である。図５に示すように超音波プローブ１２は、プローブケース２１の内部に超音波を送受波する振動子ユニット２２と、振動子ユニット２２の共振周波数を調整するための磁歪素子４１と、プリント基板２４とを備えている。また、超音波プローブ１２は、プローブケーブル２５を介して検査装置本体１９に接続されている。
【００４５】
図６は、本発明の実施の形態２にかかる振動子ユニット２２の構造を示した断面図である。実施の形態１と同様に、各ｐＭＵＴ素子は、上部電極３３、圧電体膜３４、振動板３５、台座３６を備えて構成されており、単位振動子３２を２次元的に配列して構成されている。また、上部電極３３は、単位振動子ごとに連結され、単位振動子ごとに独立して電圧を印加するように構成されている。
【００４６】
振動子ユニット２２の構造において、実施の形態１と異なるのは、台座３６の間に配置された弾性材料で構成されたバッキング材４２、一部のｐＭＵＴ素子のバッキング材４２の背面に配置されたバッキング材４３、バッキング材４３に連結された磁歪素子４１、および基台４４を備えて構成されていることである。
【００４７】
ここで、バッキング材４３は、単位振動子３２に含まれるｐＭＵＴ素子の少なくとも１つに配置され、磁歪素子４１が歪むと、バッキング材４３、およびバッキング材４２を介して所定の振動板に外力が加わるように構成されている。すなわち、本実施の形態では、磁歪素子４１の歪の制御により、所定の振動板に外力を与え、共振周波数を制御できるように構成されている。
【００４８】
なお、各ｐＭＵＴ素子は同一の構造で構成され、外力が加わらないときに共振周波数が一致するように構成されている。
【００４９】
次に、このように構成された本実施の形態の超音波検査装置１０の動作について図４〜図６を用いて具体的に説明する。
【００５０】
まず、実施の形態１と同様に、検査装置本体１９の送受信部１３から超音波プローブ１２に駆動信号が送信され、振動子ユニット２２の各単位振動子にパルス状の電圧が印加される。このとき、圧電体膜３４には、厚み方向に電圧が印加され、それと直行する方向に伸縮して振動板３５を撓ませ、この振動により超音波が発生する。
【００５１】
このとき、外力制御部２０から駆動信号を送信して、磁歪素子４１の周囲に巻かれたコイルに電流を流すと、磁歪素子４１が歪んで変形し、単位振動子３２内の少なくとも１つのｐＭＵＴ素子は振動板３５に外力を受ける。外力を受けたｐＭＵＴ素子は、振動板３５の剛性が変わるため、同じ単位振動子内の他のｐＭＵＴ素子と共振周波数がずれ、中心周波数の異なる超音波を送信することとなる。このため、単位振動子３２からは、帯域の広い超音波が送信される。
【００５２】
超音波プローブ１２から送信された超音波は、被検体１１内部の反射組織で反射され、超音波エコーとなって被検体１１の表面に伝搬し、振動子ユニット２２を振動させる。
【００５３】
超音波エコーによって各ｐＭＵＴ素子の振動板３５が振動すると、圧電体膜３４は平面内で引張、圧縮されて歪を生じ、この歪に応じて圧電体膜３４の厚み方向に電圧を発生する。このとき、上部電極３３と振動板３５の間の電圧を検出することにより、超音波エコーに応じた振動を検出することができる。
【００５４】
ところで、超音波プローブ１２から送信される超音波は、周波数が高い程高い分解能が得られるが、その到達深度は、周波数が高い程浅く、低い程深くなる。したがって、超音波を被検体内に送信後、短時間で検出される信号は高い周波数成分を有するが、時間と共に検出される信号の高周波成分は低下する。そこで、超音波送信後の時間経過に応じて、振動子ユニット２２の受信感度の周波数特性を高い周波数帯から低い周波数帯にずらしていくと、見かけ上、広い周波数帯域で高い受信感度を実現できる。
【００５５】
本実施の形態では、外力制御部２０により、超音波送信後の時間経過に応じて磁歪素子４１を制御して一部のｐＭＵＴ素子の振動板３５に外力を与え、ｐＭＵＴ素子の共振周波数を時間経過に応じてずらす。これにより、受信感度の中心周波数が時間経過に応じて変わり、浅い部位から深い部位まで広範囲で発生する超音波エコーが感度よく検出される。
【００５６】
次に、超音波プローブ１２で検出された信号は送受信部１３に送られ、送受信部１３で増幅、およびデジタル変換され、信号処理部１４で超音波の音線に沿った領域のビームフォーミング処理が行われる。
【００５７】
以上の動作は超音波プローブ１２から送信される超音波の音線を被検体内で走査しながら行われ、検査領域全体の情報が演算されて、信号処理部１４内の画像メモリに保存される。画像メモリに保存された３次元データは、画像処理部１５で３次元画像のレンダリング処理が施され、画像表示部１６に画像が表示される。
【００５８】
以上に説明したように本実施の形態２の超音波検査装置１０は、超音波を被検体内に送信する際に、単位振動子に含まれるｐＭＵＴ素子の一部の共振周波数をずらすことにより、広帯域の超音波を送信することができる。また、超音波エコーを受信する際には、時間の経過に応じて、受信感度の周波数特性をずらすことにより、浅い部位から深い部位まで広範囲で発生する超音波エコーを高感度に検出することができる。これにより、広範囲で高画質の３次元画像を取得可能な超音波検査装置が実現できる。
【００５９】
なお、本実施の形態では、外力の発生に磁歪素子を用いたが、圧電素子など、変形量を制御可能な素子を用いれば同様な効果が得られる。
【００６０】
（実施の形態３）
本実施の形態では、実施の形態２と異なるのは超音波プローブ１２のみであるため、それ以外の構成要素の説明は省略する。また、実施の形態１と同じ構成要素は同じ番号を付し、説明を省略する。
【００６１】
図７は、本発明の実施の形態３にかかる振動子ユニット２２の構造を示した断面図である。実施の形態２と同様に、各ｐＭＵＴ素子は、上部電極３３、圧電体膜３４、振動板３５、台座３６を備えて構成されており、単位振動子３２を２次元的に配列して構成されている。また、上部電極３３は、単位振動子ごとに連結され、単位振動子ごとに独立して電圧を印加するように構成されている。
【００６２】
本実施の形態において、実施の形態２と異なるのは、台座３６の間の空間３７を挟んで振動板３５の反対側に白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）等の金属薄膜から成る電極５１が形成された基板５２が配置されていることである。ここで、電極５１は、少なくとも２系統の電極５１ａ、電極５１ｂからなり、各単位振動子には両方の系統の電極が含まれるように構成されている。また、電極５１ａ、電極５１ｂは、配線５３ａ、配線５３ｂで同じ系統の電極と接続され、系統ごとに独立して電圧を印加できるように構成されている。
【００６３】
なお、電極５１と振動板３５は、少なくとも圧電体膜３４が振動しない状態では、離間しており、電極５１と振動板３５の間に電圧を印加することにより静電気力（静電引力）を生じさせ、振動板３５に外力を与えられるように構成されている。また、各ｐＭＵＴ素子は同一の構造で構成され、外力が加わらないときに共振周波数が一致するように構成されている。
【００６４】
次に、このように構成された本実施の形態３の超音波検査装置１０の動作について図７を用いて具体的に説明する。
【００６５】
まず、実施の形態１と同様に、検査装置本体の送受信部から超音波プローブに駆動信号が送信され、振動子ユニット２２の各単位振動子にパルス状の電圧が印加される。このとき、圧電体膜３４には、厚み方向に電圧が印加され、それと直行する方向に伸縮して振動板３５を撓ませ、この振動により超音波が発生する。
【００６６】
ここで、電極５１に電圧を印加しておくと、電極５１と振動板３５の間に静電気力が発生する。この静電気力は、両電極間の間隔の２乗に反比例し、印加電圧の２乗に比例して増大するため、印加電圧が大きく、間隔が狭くなるほど振動板３５の復元力は小さくなり共振周波数が低周波側にシフトすることとなる。
【００６７】
このとき、電極５１ａ、５１ｂに夫々異なる電圧を印加すると、単位振動子３２内のｐＭＵＴ素子からは、夫々中心周波数の異なる超音波が送信される。このため、単位振動子３２からは、帯域の広い超音波が送信される。
【００６８】
超音波プローブ１２から送信された超音波は、被検体１１内部の反射組織で反射され、超音波エコーとなって被検体１１の表面に伝搬し、振動子ユニット２２を振動させる。
【００６９】
超音波エコーによって各ｐＭＵＴ素子の振動板３５が振動すると、圧電体膜３４は平面内で引張、圧縮されて歪を生じ、この歪に応じて圧電体膜３４の厚み方向に電圧を発生する。このとき、上部電極３３と振動板３５の間の電圧を検出することにより、超音波エコーに応じた振動を検出することができる。
【００７０】
このとき、電極５１ａ、および、５１ｂに同じ電圧を印加し、さらに、時間の経過とともに、印加する電圧を変化させる。具体的には、超音波送信後の時間経過に応じて、振動子ユニット２２の受信感度の周波数特性を高い周波数帯から低い周波数帯にずらすように制御する。このように制御すると、見かけ上、広い周波数帯域で高い受信感度を実現できる。これにより、浅い部位から深い部位まで広範囲で発生する超音波エコーが感度よく検出される。
【００７１】
次に、超音波プローブ１２で検出された信号は送受信部１３に送られ、送受信部１３で増幅、およびデジタル変換され、信号処理部１４で超音波の音線に沿った領域のビームフォーミング処理が行われる。
【００７２】
以上の動作は超音波プローブ１２から送信される超音波の音線を被検体内で走査しながら行われ、検査領域全体の情報が演算されて、信号処理部内の画像メモリに保存される。画像メモリに保存された３次元データは、画像処理部で３次元画像のレンダリング処理が施され、画像表示部に画像が表示される。
【００７３】
以上に説明したように本実施の形態３の超音波検査装置１０は、静電ばね効果によって、振動板３５のばね定数を実質的に変化させて、共振周波数を調整することにより、送受信特性を改善させることができる。具体的には、超音波を被検体内に送信する際に、単位振動子に含まれるｐＭＵＴ素子の一部の共振周波数をずらすことにより、広帯域の超音波を送信することができる。また、超音波エコーを受信する際には、時間の経過に応じて、受信感度の周波数特性をずらすことにより、浅い部位から深い部位まで広範囲で発生する超音波エコーを高感度に検出することができる。
【００７４】
さらに、実施の形態２と異なり、すべてのｐＭＵＴ素子の共振周波数を制御できるので、送信する超音波の帯域の制御、および、受信感度の中心周波数制御をより正確に行うことができ、より広範囲で高画質の３次元画像を取得可能な超音波検査装置が実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
以上本発明によれば、広帯域にわたって高感度な２次元アレイプローブを実現できる。これにより、浅い部位から深い部位まで広範囲で高画質な超音波診断装置を実現できる。
【符号の説明】
【００７６】
１０ 超音波検査装置
１１ 被検体
１２ 超音波プローブ
１３ 送受信部
１４ 信号処理部
１５ 画像処理部
１６ 画像表示部
１７ 制御部
１８ 外力調整部
１９ 検査装置本体
２０ 外力制御部
２１ プローブケース
２２ 振動子ユニット
２３ 圧力室
２４ プリント基板
２５ プローブケーブル
３１ ｐＭＵＴ素子
３２ 単位振動子
３３ 上部電極
３４ 圧電体膜
３５ 振動板
３６ 台座
３７ 空間
４１ 磁歪素子
４２ バッキング材
４３ バッキング材
５１ 電極
５１ａ，５１ｂ 電極
５２ 基板
５３ａ，５３ｂ 配線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体の体内観察を行うための超音波プローブであって、
複数の単位振動子と、
外力発生部とを備え、
前記単位振動子は２次元的に配列されており、
少なくとも一つの前記単位振動子は、少なくとも、台座部と前記台座部上に形成された振動部と上面に第１の電極が形成され前記振動部の上面に形成された圧電体膜から構成される複数のＭＵＴ（Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）素子を有し、
前記複数のＭＵＴ素子は、互いに電気的に接続されており、
前記台座部には空間が設けられており、
前記外力発生部は、前記振動部に外力を加えることを特徴とする超音波プローブ。
【請求項２】
前記外力発生部が前記振動部に加える力を調節する外力調整部をさらに備え、
体内観察部位の深さに応じて、前記振動部に加える外力を調整可能であることを特徴とする請求項１記載の超音波プローブ。
【請求項３】
前記外力発生部が前記振動部に加える力を制御する外力制御部をさらに備え、
超音波の送信時と受信時において、前記振動部に加える力を制御可能であることを特徴とする請求項１記載の超音波プローブ。
【請求項４】
超音波の受信時において、
前記外力制御部は、超音波を前記被検体内に送信した後の時間経過に応じて、前記振動部に加える外力を制御可能であることを特徴とする請求項３記載の超音波プローブ。
【請求項５】
超音波の送信時において、
前記外力制御部は、同一の単位振動子内の一部のＭＵＴ素子に、他のＭＵＴ素子とは異なる外力を加えることが可能であることを特徴とする請求項３記載の超音波プローブ。
【請求項６】
前記外力発生部は、前記台座部の空間の気圧を調整する圧力調整器を備え、前記振動部の両側に気圧差を生じさせて外力を与えるように構成されたことを特徴とする請求項１記載の超音波プローブ。
【請求項７】
前記外力発生部は、前記台座部の空間内に設けられたバッキング材と、前記バッキング材を介して前記振動部に外力を与える磁歪素子を備えたことを特徴とする請求項１記載の超音波プローブ。
【請求項８】
前記外力発生部は、前記台座部の空間内に設けられたバッキング材と、前記バッキング材を介して振動部に外力を与える圧電素子を備えたことを特徴とする請求項１記載の超音波プローブ。
【請求項９】
前記外力発生部は、前記台座部の空間を挟んで、前記振動部の反対側に第２の電極を備えることを特徴とする請求項１記載の超音波プローブ。
【請求項１０】
前記外力発生部は、前記第１の電極と前記振動部の間にバイアス電圧を印加することにより外力を発生させることを特徴とする請求項１記載の超音波プローブ。
【請求項１１】
請求項１〜請求項１０に記載の超音波プローブと、前記超音波プローブで検出した信号をデジタル変換する受信部と、前記受信部でデジタル変換された信号を用いてビームフォーミング処理を行う信号処理部と、前記信号処理部で得られた３次元データに基づいて３次元画像を生成する画像処理部と、前記３次元画像を表示する表示部を備えた超音波検査装置。
【請求項１２】
超音波プローブで検出した信号をデジタル変換する受信部が、前記超音波プローブ内に配置されていることを特徴とする請求項１１記載の超音波検査装置。
【請求項１】
被検体の体内観察を行うための超音波プローブであって、
複数の単位振動子と、
外力発生部とを備え、
前記単位振動子は２次元的に配列されており、
少なくとも一つの前記単位振動子は、少なくとも、台座部と前記台座部上に形成された振動部と上面に第１の電極が形成され前記振動部の上面に形成された圧電体膜から構成される複数のＭＵＴ（Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）素子を有し、
前記複数のＭＵＴ素子は、互いに電気的に接続されており、
前記台座部には空間が設けられており、
前記外力発生部は、前記振動部に外力を加えることを特徴とする超音波プローブ。
【請求項２】
前記外力発生部が前記振動部に加える力を調節する外力調整部をさらに備え、
体内観察部位の深さに応じて、前記振動部に加える外力を調整可能であることを特徴とする請求項１記載の超音波プローブ。
【請求項３】
前記外力発生部が前記振動部に加える力を制御する外力制御部をさらに備え、
超音波の送信時と受信時において、前記振動部に加える力を制御可能であることを特徴とする請求項１記載の超音波プローブ。
【請求項４】
超音波の受信時において、
前記外力制御部は、超音波を前記被検体内に送信した後の時間経過に応じて、前記振動部に加える外力を制御可能であることを特徴とする請求項３記載の超音波プローブ。
【請求項５】
超音波の送信時において、
前記外力制御部は、同一の単位振動子内の一部のＭＵＴ素子に、他のＭＵＴ素子とは異なる外力を加えることが可能であることを特徴とする請求項３記載の超音波プローブ。
【請求項６】
前記外力発生部は、前記台座部の空間の気圧を調整する圧力調整器を備え、前記振動部の両側に気圧差を生じさせて外力を与えるように構成されたことを特徴とする請求項１記載の超音波プローブ。
【請求項７】
前記外力発生部は、前記台座部の空間内に設けられたバッキング材と、前記バッキング材を介して前記振動部に外力を与える磁歪素子を備えたことを特徴とする請求項１記載の超音波プローブ。
【請求項８】
前記外力発生部は、前記台座部の空間内に設けられたバッキング材と、前記バッキング材を介して振動部に外力を与える圧電素子を備えたことを特徴とする請求項１記載の超音波プローブ。
【請求項９】
前記外力発生部は、前記台座部の空間を挟んで、前記振動部の反対側に第２の電極を備えることを特徴とする請求項１記載の超音波プローブ。
【請求項１０】
前記外力発生部は、前記第１の電極と前記振動部の間にバイアス電圧を印加することにより外力を発生させることを特徴とする請求項１記載の超音波プローブ。
【請求項１１】
請求項１〜請求項１０に記載の超音波プローブと、前記超音波プローブで検出した信号をデジタル変換する受信部と、前記受信部でデジタル変換された信号を用いてビームフォーミング処理を行う信号処理部と、前記信号処理部で得られた３次元データに基づいて３次元画像を生成する画像処理部と、前記３次元画像を表示する表示部を備えた超音波検査装置。
【請求項１２】
超音波プローブで検出した信号をデジタル変換する受信部が、前記超音波プローブ内に配置されていることを特徴とする請求項１１記載の超音波検査装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−９３７６０（Ｐ２０１３−９３７６０Ａ）
【公開日】平成２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３４８７９（Ｐ２０１１−２３４８７９）
【出願日】平成２３年１０月２６日（２０１１．１０．２６）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月２６日（２０１１．１０．２６）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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