超音波プローブ及び超音波診断装置
【課題】製造性及び高感度を確保した上で、超音波画像のスライス厚を均一にし、サイドローブを低減することが可能な超音波プローブを提供する。
【解決手段】スライス方向の中心Ｏ付近においては、第１の圧電体層３ａの厚さと第２の圧電体層３ｂの厚さとをほぼ等しくする。第１の圧電体層３ａの上面を凹面状とし、下面を平面状とする。第２の圧電体層３ｂの下面を凸面状とし、上面を平面状とする。これにより、中心Ｏ付近が高感度でスライス方向の端部に近づくにつれて徐々に感度を低くすることができ、スライス方向に正ウェイティングの重みを付けた超音波を送信又は受信することができる。その結果、スライス方向のサイドローブを低減して、深さ方向の音場を均一にすることができ、超音波画像のスライス厚を均一にすることが可能となる。
【解決手段】スライス方向の中心Ｏ付近においては、第１の圧電体層３ａの厚さと第２の圧電体層３ｂの厚さとをほぼ等しくする。第１の圧電体層３ａの上面を凹面状とし、下面を平面状とする。第２の圧電体層３ｂの下面を凸面状とし、上面を平面状とする。これにより、中心Ｏ付近が高感度でスライス方向の端部に近づくにつれて徐々に感度を低くすることができ、スライス方向に正ウェイティングの重みを付けた超音波を送信又は受信することができる。その結果、スライス方向のサイドローブを低減して、深さ方向の音場を均一にすることができ、超音波画像のスライス厚を均一にすることが可能となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、超音波の送受信を行う超音波プローブ及び超音波診断装置に関し、超音波画像のスライス厚を均一化し、スライス方向における音場のサイドローブを低減することが可能な超音波プローブ及び超音波診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被検体内を超音波で走査し、被検体内からの反射波から生成した受信信号に基づいて被検体の内部状態を画像化する超音波診断装置が知られている。このような超音波診断装置は、圧電振動子を備えた超音波プローブにより被検体内に超音波を送信し、被検体内部で音響インピーダンスの不整合によって生じる反射波を超音波プローブで受信して受信信号を生成する。
【０００３】
超音波プローブは、送信信号に基づいて振動して超音波を発生し、反射波を受けて受信信号を生成する圧電振動子を走査方向に複数個、配置している。このような超音波プローブは、上記走査方向に直交する方向（以下、スライス方向と称する）に均一な矩形強度を有する超音波を音響レンズにより遅延差を与えることにより、ある深さで焦点を形成している。
【０００４】
従来から、超音波診断装置により収集される画像のスライス厚を均一にし、スライス方向の音場のサイドローブを低減させる試みがなされている。例えば、スライス方向に沿って圧電体に溝を形成し、圧電体の密度分布に重み付けを行う技術が知られている（例えば特許文献１）。また、中央部よりも端部の電極面積を小さくする技術が知られている（例えば特許文献２）。また、スライス方向に電気的に分割した圧電体に複数の送信回路を接続し、各圧電体に印加する駆動電圧に重み付けを行う技術が知られている（例えば特許文献３）。さらに、圧電体に対して曲面加工を施すことにより、スライス方向に圧電体の厚さを変え、駆動周波数により音圧を制御する技術が知られている（例えば特許文献４）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−９２８８号公報
【特許文献２】特開平３−１９５５７２号公報
【特許文献３】特開平５−３８３３５号公報
【特許文献４】特開平７−１０７５９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１に記載の超音波プローブにおいては、スライス方向に沿って圧電体を疎密な状態にするため、また、上記特許文献２に記載の超音波プローブにおいては、電極の面積を小さくするため、圧電体の実効的な素子面積が小さくなるとともに、素子の静電容量が小さくなってしまう。そのことにより、超音波プローブのインピーダンスが高くなってしまい、超音波診断装置本体との電気的インピーダンスの整合が悪くなり、感度が低下する問題があった。
【０００７】
また、上記特許文献３に記載の超音波プローブにおいては、超音波プローブ及び回路の構造が複雑になるため、超音波診断装置の信頼性の低下、製造工程数の増加、製造コストの増加を招いてしまうおそれがあった。
【０００８】
さらに、上記特許文献４に記載の超音波プローブにおいては、圧電体に対して曲面加工を施すのみならず、その圧電体に積層される音響整合層に対しても曲面加工を施す必要があるため、製造工数が増加する問題があった。
【０００９】
また、特許文献１及び特許文献３に記載の超音波プローブにおいては、スライス方向における超音波の音圧の重み付けを段階的にしか付けられないため、その段階の間隔が広いとグレーティングロブが発生してしまう問題もあった。
【００１０】
この発明は上記の問題点を解決するものであり、超音波プローブの製造性及び高感度を確保した上で、超音波画像のスライス厚を均一にし、サイドローブを低減することが可能な超音波プローブ及びそれを備えた超音波診断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】
【００１１】
請求項１記載の発明は、上面及び下面に電極が設けられ、電圧が印加されることで超音波を送信し、また、超音波を受信する圧電振動子部を備えた超音波プローブであって、前記圧電振動子部は、複数の圧電体が走査方向に配列された圧電体層が電極を介して複数層積層され、前記複数の圧電体層のうち少なくとも互いに接する２層の圧電体層の厚さが、前記走査方向に直交するスライス方向に徐々に変化していることを特徴とする超音波プローブである。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の超音波プローブであって、前記少なくとも互いに接する２層の圧電体層の前記走査方向に直交するスライス方向の略中心における厚さがほぼ等しいことを特徴するものである。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の超音波プローブであって、前記少なくとも互いに接する２層の圧電体層のうち、一方の圧電体層の前記走査方向に直交するスライス方向の略中心における厚さが、他方の圧電体層の前記走査方向に直交するスライス方向の略中心における厚さの８０〜１２０％の厚さであることを特徴とするものである。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の超音波プローブであって、前記少なくとも互いに接する２層の圧電体層のうち、一方の圧電体層は、前記走査方向に直交するスライス方向の端部に近づくにつれて徐々に厚さが厚くなり、他方の圧電体層は、前記走査方向に直交するスライス方向の端部に近づくにつれて徐々に厚さが薄くなることを特徴とするものである。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の超音波プローブであって、前記少なくとも互いに接する２層の圧電体層は、他方の圧電体層と接している面が曲線状に形成されていることを特徴とするものである。
【００１６】
請求項６に記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の超音波プローブであって、前記少なくとも互いに接する２層の圧電体層のうち、一方の圧電体層の一方の面が凸面状に形成され、他方の圧電体層の一方の面が凹面状に形成され、前記凸面状に形成された面と前記凹面状に形成された面とが嵌合していることを特徴とするものである。
【００１７】
請求項７に記載の発明は、請求項１から請求項６のいずれかに記載の超音波プローブであって、前記圧電振動子部の上面及び下面は、平面状に形成されていることを特徴とするものである。
【００１８】
請求項８に記載の発明は、複数の圧電体が走査方向に配列された圧電体層が電極を介して複数層積層された圧電振動子部を有し、前記複数の圧電体層のうち少なくとも互いに接する２層の圧電体層の厚さが、前記走査方向に直交するスライス方向に徐々に変化している超音波プローブと、前記超音波プローブにより被検体に対して超音波を送受信させる送受信手段と、前記送受信手段が受信した前記被検体からの反射波に基づいて超音波画像を生成する画像生成手段と、を有することを特徴とする超音波診断装置である。
【発明の効果】
【００１９】
この発明によると、圧電体層の厚さを走査方向に直交する方向（スライス方向）に徐々に変えることにより、スライス方向に超音波の音圧の重みを付けることが可能となる。また、少なくとも２層の圧電体層において、スライス方向のほぼ中心における厚さをほぼ等しくし、スライス方向の端部に近づくにつれて徐々に一方の圧電体層の厚さを厚くし、他方の圧電体層の厚さを薄くすることにより、送受信される超音波のスライス方向の音圧は正ウェイティングの重み付けがなされ、スライス方向の音場のサイドローブを低減し、深さ方向に均一の音場を形成することが可能となる。
【００２０】
また、この発明によると、複数の圧電体層を積層することで超音波プローブのインピーダンスを下げて、超音波プローブの感度を向上させることが可能となる。特に、各圧電体層の厚さがほぼ等しい部分においては、他の部分に比べて感度を最も大きくすることが可能となる。
【００２１】
また、圧電体層の厚さをスライス方向に徐々に変化させることにより、音圧分布をスライス方向に連続的に変化させることが可能となる。そのことにより、アーチファクトのグレーティングロブを低減して、均一でアーチファクトの少ないスライス方向の音場を実現することが可能となる。
【００２２】
さらに、圧電振動子部の上面及び下面が平面状に形成されているため、その圧電振動子部に積層すべき音響整合層など設けた場合であっても、音響整合層などに対して曲面加工を施す必要がない。そのことにより、製造工程が複雑にならず、また、製造コストを上げずにこの発明の超音波プローブを製造することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
この発明の実施形態に係る超音波プローブ及び超音波診断装置について、図１乃至図７を参照しつつ説明する。
【００２４】
［第１の実施の形態］
この発明の第１の実施形態に係る超音波プローブの構成について図１及び図２を参照しつつ説明する。図１は、この発明の第１の実施形態に係る超音波プローブの概略構成を示す斜視図である。図２は、この発明の第１の実施形態に係る超音波プローブの概略構成を示す断面側面図である。超音波プローブはヘッド側とケーブル側とからなり、図１及び図２には超音波プローブのヘッド側が示されている。
【００２５】
図１及び図２に示すように、超音波プローブ１は、背面材２の上に圧電振動子部３が設けられている。この実施形態における圧電振動子部３は、２層の圧電体層を備えて構成され、それら２層の圧電体層が積層している。圧電振動子部３の上には、音響整合層４が設けられている。音響整合層４は、第１の音響整合層４ａ、第２の音響整合層４ｂ、及び第３の音響整合層４ｃを備えて構成され、それら音響整合層がその順番で積層している。圧電振動子部３及び音響整合層４は、走査方向に複数に分割されて配列されている。さらに、音響整合層４の上には音響レンズ５が設けられている。
【００２６】
背面材２は、圧電振動子部３から発振された超音波振動や受信時の超音波振動のうち、超音波診断装置の画像抽出にとって必要でない超音波振動成分を減衰吸収する。背面材２には、一般的に、フェライトゴム、エポキシ樹脂又はウレタンゴムなどにマイクロバルーンなどを混入した材料が用いられる。
【００２７】
圧電振動子部３は、複数の圧電体層が積層して構成されている。第１の実施形態においては、第１の圧電体層３ａの上に第２の圧電体層３ｂが積層され、２層の圧電体層により圧電振動子部３を構成している。第１の圧電体層３ａ及び第２の圧電体層３ｂは、走査方向に複数に分割されて配列されている。この第１の実施形態では、２層の圧電体層が積層されている例について説明するが、この発明は２層に限定されず、３層以上の圧電体層が積層されていても良い。３層の圧電体層が積層されている例については、後述する変形例で説明する。
【００２８】
図１及び図２に示すように、第１の圧電体層３ａの下面（背面材２と接する面）は平面になっており、その下面の反対の面である上面（第２の圧電体層３ｂと接する面）は曲面になっている。具体的には、第１の圧電体層３ａの上面は凹面となっている。つまり、第１の圧電体層３ａは、スライス方向（走査方向に直交する方向）の中心Ｏが最も薄く形成され、スライス方向の端部に近づくにつれて徐々にその厚さが厚くなるように形成されている。
【００２９】
また、第２の圧電体層３ｂの上面（音響整合層４と接する面）は平面となっており、その上面の反対の面である下面（第１の圧電体層３ａと接する面）は曲面となっている。具体的には、第２の圧電体層３ｂの下面は凸面となっている。つまり、第２の圧電体層３ｂは、スライス方向の中心Ｏ付近が最も厚く形成され、スライス方向の端部に近づくにつれて徐々にその厚さが薄くなるように形成されている。
【００３０】
上面が凹面の第１の圧電体層３ａと、下面が凸面の第２の圧電体層３ｂとは、凹面に凸面が嵌ることで嵌合している。つまり、第１の圧電体層３ａの上面の形状と、第２の圧電体層３ｂの下面の形状とは、両方とも曲面状となっており、その曲面の形状が略一致し、凹面上に形成された第１の圧電体層３ａの上面に、凸面状に形成された第２の圧電体層３ｂの下面が嵌め込まれることにより、第１の圧電体層３ａと第２の圧電体層３ｂとが嵌合している。
【００３１】
そして、第１の圧電体層３ａの厚さと、第２の圧電体層３ｂの厚さは、スライス方向に沿って変化している。つまり、第１の圧電体層３ａは上面が凹面状に形成され、下面が平面となっているため、スライス方向の中心Ｏ付近の厚さが最も薄く、スライス方向に沿って端部に近づくほど徐々に厚さが厚くなっている。一方、第２の圧電体層３ｂは下面が凸面状に形成され、上面が平面となっているため、スライス方向の中心Ｏ付近の厚さが最も厚く、スライス方向に沿って端部に近づくほど徐々に厚さが薄くなっている。
【００３２】
また、圧電振動子部３の全体の厚さは、中央Ｏ付近であっても、端部であっても変わらず、一定である。つまり、下面が平面状に形成され、上面が凹面状に形成された第１の圧電体層３ａと、上面が平面状に形成され、下面が凸面状に形成された第２の圧電体層３ｂとが積層することにより、第１の圧電体層３ａの下面と第２の圧電体層３ｂの上面は平行な状態となり、圧電振動子部３の全体の厚さは一定となる。
【００３３】
ここで、図２に示すように圧電振動子部３の全体の厚さを厚さＴとする。この第１の実施形態においては、第１の圧電体層３ａのスライス方向の中央Ｏにおける厚さは（Ｔ／２）となっており、また、第２の圧電体層３ｂのスライス方向の中央Ｏにおける厚さも（Ｔ／２）となっている。つまり、スライス方向の中央Ｏにおいては、第１の圧電体層３ａと第２の圧電体層３ｂの厚さは等しくなっている。
【００３４】
そして、第１の圧電体層３ａは、スライス方向の中央Ｏからスライス方向の端部に近づくほど徐々に厚さが（Ｔ／２）から厚くなるように形成されている。一方、第２の圧電体層３ｂは、スライス方向の中央Ｏからスライス方向の端部に近づくほど徐々に厚さが（Ｔ／２）から薄くなるように形成されている。また、第１の圧電体層３ａと第２の圧電体層３ｂとを積層してなる圧電振動子部３の厚さは、中心Ｏであっても端部であっても、等しく厚さＴとなっている。
【００３５】
なお、この第１の実施形態においては、スライス方向の中央Ｏにおける第１の圧電体層３ａの厚さと第２の圧電体層３ｂの厚さとを等しく（Ｔ／２）としたが、両層の厚さが完全に一致している必要はない。いずれかの圧電体層の厚さが他方の圧電体層の厚さの８０％〜１２０％の厚さとなっていても、この実施形態に係る超音波プローブ１の作用及び効果を奏することが可能である。
【００３６】
例えば、第１の圧電体層３ａのスライス方向の中央Ｏにおける厚さを厚さｔとした場合、第２の圧電体層３ｂのスライス方向の中央Ｏにおける厚さが、０．８ｔ〜１．２ｔの間にあれば、この実施形態に係る超音波プローブの作用及び効果を奏することが可能である。逆に、第２の圧電体層３ｂのスライス方向の中央Ｏにおける厚さを厚さｔとした場合、第１の圧電体層３ａのスライス方向の中央Ｏにおける厚さが、０．８ｔ〜１．２ｔの間にあれば、この実施形態に係る超音波プローブの作用及び効果を奏することが可能である。
【００３７】
第１の圧電体層３ａと第２の圧電体層３ｂは、例えばチタン酸ジリコン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ３、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）又はチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）などのセラミック材料からなる。
【００３８】
また、図２に示すように、圧電振動子部３の上下面に電極６ａ、６ｃが接続され、第１の圧電体層３ａと第２の圧電体層３ｂとの間には電極６ｂが接続されている。電極６ａ、６ｃはＧＮＤに接続され、電極６ｂに電圧が印加される。これにより、電極６ａ、第１の圧電体層３ａ及び電極６ｂで構成される部分と、電極６ｂ、第２の圧電体層３ｂ及び電極６ｃで構成される部分とは、並列接続を構成することになる。
【００３９】
上述したように、第１の圧電体層３ａの上面が凹面となっており、第２の圧電体層３ｂの下面が凸面となっているため、第１の圧電体層３ａと第２の圧電体層３ｂとの間に設置されている電極６ｂは、第１の圧電体層３ａの上面（凹面）と第２の圧電体層３ｂの下面（凸面）に嵌るように、曲面状となっている。一方、第１の圧電体層３ａの下面は平面となっているため、電極６ａは平面状となっている。同様に、第２の圧電体層３ｂの上面は平面となっているため、電極６ｃは平面状となっている。
【００４０】
音響整合層４は、エポキシ樹脂やプラスチック材などが用いられている。音響整合層は、圧電振動子部３の音響インピーダンスと被検体の音響インピーダンスとの音響整合を良好にするために設けられる。音響整合層は、１層だけであっても良く、２層以上設けても良い。この実施形態では３層の音響整合層を積層している。例えば、この実施形態のように３層の音響整合層を設ける場合、音響整合を良好にするために、第２の音響整合層４ｂの音響インピーダンスが第１の音響整合層４ａの音響インピーダンスよりも小さくなるように設計され、第３の音響整合層４ｃの音響インピーダンスが第２の音響整合層４ｂの音響インピーダンスよりも小さくなるように設計されている。音響整合層を複数の層構造にすることで、音響レンズ５とあいまって被検体の体表との音響インピーダンスの差分による信号ロスの発生を抑えている。
【００４１】
また、送受信する超音波の波長と関係なく、圧電振動子部３の音響インピーダンスと被検体の音響インピーダンスとの音響整合をとるために、深さ方向に徐々に音響インピーダンスが小さくなる音響整合層を設けても良い。
【００４２】
音響レンズ５は、被検体の体表面に接触して超音波の送受信の仲介を行なう。この音響レンズ５により、体表より所定の深さにスライス方向の音響的な焦点を結ぶ。また、走査方向の音響的な焦点は、走査方向に短冊状に配置された複数の圧電振動子部３の送信／受信のタイミングを切り替え制御することにより結ばれる。
【００４３】
なお、走査方向に複数に分割された圧電振動子部３及び音響整合層４の分割溝には、機械的強度を保つためにシリコーンゴム、ウレタンゴム又はエポキシ樹脂などの充填剤（図示しない）が充填されている。
【００４４】
（作用）
上記の構成を有する超音波プローブ１によると、次のような好適な作用を奏することが可能となる。この発明の第１の実施形態に係る超音波プローブ１の作用について、図３及び図４を参照しつつ説明する。図３は、この発明の第１の実施形態に係る超音波プローブの周波数特性を示すグラフである。図４は、この発明の第１の実施形態に係る超音波プローブにより超音波を送信又は受信する際に形成される音場分布である。
【００４５】
第１の実施形態に係る超音波プローブ１によると、（１）超音波プローブ１のインピーダンスを下げて、超音波プローブ１の感度を向上させることが可能となる。また、（２）スライス方向のサイドローブを低減し、深さ方向に均一な音場を実現することが可能となる。また、（３）グレーティングロブを低減して、均一でアーチファクトの少ない音場を実現することができる。また、（４）素子の実効面積が減らないため、感度を損なうことなく、スライス方向に音圧分布の重みを付けることができる。さらに、（５）製造工程が複雑にならず、製造コストを上げずに、上記の作用及び効果を奏することが可能な超音波プローブ１を製造することが可能となる。以下、上記（１）から（５）の作用及び効果について詳しく説明する。
【００４６】
＜（１）感度の向上について＞
第１の実施形態に係る超音波プローブ１においては、圧電振動子部３の全体の厚さを厚さＴとする。これにより、第１の圧電体層３ａのスライス方向の中央Ｏにおける厚さは（Ｔ／２）となり、第２の圧電体層３ｂのスライス方向の中央Ｏにおける厚さも（Ｔ／２）となる。また、中央Ｏにおいて、走査方向の長さとスライス方向の長さとで規定される面積を面積Ｓとする。ここで、厚さ（Ｔ／２）の第１の圧電体層３ａ及び第２の圧電体層３ｂのそれぞれの電気容量を電気容量Ｃ１とすると、中央Ｏにおける電気容量Ｃ１は以下の式（１）で表される。
式（１） 電気容量Ｃ１＝ε｛Ｓ／（Ｔ／２）｝
εは誘電率である。
【００４７】
また、この実施形態においては、電極６ｂを介して第１の圧電体層３ａと第２の圧電体層３ｂとが積層されているため、圧電体層同士の接続は並列接続に相当する。従って、圧電振動子部３の中央Ｏの電気容量を電気容量Ｃ２とすると、電気容量Ｃ２は以下の式（２）で表される。
式（２） Ｃ２＝２×Ｃ１＝２×ε｛Ｓ／（Ｔ／２）｝＝４×ε（Ｓ／Ｔ）＝４×Ｃ０
ここで、電気容量Ｃ０は、厚さＴの１層からなる圧電体の電気容量である。
【００４８】
上記式（２）に表されるように、圧電振動子部３の中央Ｏにおける電気容量は、厚さＴの１層からなる圧電体の４倍（＝２２倍）の電気容量になる。これは、電極６ｂを介して厚さ（Ｔ／２）の圧電体層を積層して、並列接続としているからである。
【００４９】
このように電極を介して圧電体層を積層することにより電気容量を大きくすることができるため、超音波プローブのインピーダンスを下げることができ、超音波プローブの感度を向上させることが可能となる。
【００５０】
また、この第１の実施形態においては、２層の圧電体層が積層された例について説明したが、３層以上の圧電体層が積層された圧電振動子部を用いても良い。ｎ層の圧電体層が積層されて、各圧電体層の厚さが等しい部分の電気容量は、厚さＴの１層からなる圧電体の電気容量のｎ２倍になる。このように、２層以上の圧電体層を積層した場合、各圧電体層の厚さが等しい部分では電気容量が大きくなるため、超音波プローブのインピーダンスを下げて感度を向上させることが可能となる。なお、３層の圧電体層が積層された圧電振動子部については、後述する変形例で説明する。
【００５１】
＜（２）スライス方向のサイドローブの低減、及び均一な音場について＞
複数の圧電体層が積層してなる圧電振動子部の特性は、各圧電体層の厚さが等しい部分の感度が最も高くなり、いずれかの圧電体層の厚さが薄くなる又は厚くなると、その部分における感度が低くなる。この出願に係る発明者は、この原理を利用した。
【００５２】
第１の実施形態に係る超音波プローブ１では、スライス方向の中央Ｏにおける第１の圧電体層３ａの厚さと第２の圧電体層３ｂの厚さとが等しく（Ｔ／２）となるため、中央Ｏにおける感度が最も高くなる。一方、超音波の放射面側の圧電体層の厚さ、つまり、第２の圧電体層３ｂの厚さが薄くなると、感度が低下する。このとき、共振周波数が高くなるため、高周波に対して感度が高くなる。一般的に、圧電体の共振周波数は圧電体の厚さの逆数の関数で表されるため、圧電体の厚さが薄くなれば共振周波数が高くなるからである。
【００５３】
これは、積層された各圧電体層の厚さが等しい部分においては、各圧電体層の共振点が一致するため感度が最も高くなり、それ以外の部分においては、超音波の放射面側にある圧電体層の振動と他の圧電体層の振動との共振点がずれるため、それが互いに負荷となって感度が低下するためである。
【００５４】
第１の実施形態に係る超音波プローブ１においては、第１の圧電体層３ａの厚さと第２の圧電体層３ｂの厚さが等しい部分（中心Ｏ）においては、第１の圧電体層３ａの共振点と第２の圧電体層３ｂの共振点とが一致するため、感度が最も高くなり、それ以外の部分においては、超音波の放射面側にある圧電体層（第２の圧電体層３ｂ）の振動と、他の圧電体層（第１の圧電体層３ａ）の振動との共振点がずれるため、それが互いに負荷となって感度が低くなる。
【００５５】
第１の実施形態においては、スライス方向の中心Ｏにおいては第１の圧電体層３ａの厚さと第２の圧電体層３ｂの厚さを等しくすることにより、中心Ｏにおける感度を最も高くし、さらに、スライス方向の端部に近づくほど第１の圧電体層３ａの厚さを厚くし、第２の圧電体層３ｂの厚さを薄くすることにより、スライス方向の端部に近づくほど徐々に感度を低くしている。
【００５６】
これにより、スライス方向の中心Ｏにおける感度が最も高くなり、スライス方向の端部に近くなるほど徐々に感度が低くなる。このようにスライス方向に音圧分布の重み付けが可能となる。
【００５７】
ここで、超音波プローブ１の感度について図３を参照しつつ説明する。図３において、横軸が送受信される超音波の周波数［ＭＨｚ］を示し、縦軸が送受信される超音波の強度［ｄＢ］を示している。ここでは、第１の圧電体層３ａ及び第２の圧電体層３ｂともにＰＺＴを使用し、圧電振動子部３の全体の厚さＴを４８０［μｍ］としている。従って、スライス方向の中心Ｏにおいては、第１の圧電体層３ａの厚さと第２の圧電体層３ｂの厚さは、ともに２４０［μｍ］となっている。
【００５８】
図３（ａ）は、中央Ｏにおける超音波プローブ１の周波数特性を示すグラフである。つまり、図３（ａ）のグラフは、第１の圧電体層３ａの厚さと第２の圧電体層３ｂの厚さが等しい部分（中心Ｏ）の周波数特性を示している。図３（ａ）中、曲線Ａが、スライス方向の中央Ｏにおける超音波プローブ１の周波数特性を表している。
【００５９】
また、図３（ｂ）のグラフは、第１の圧電体層３ａの厚さが（２Ｔ／３）で、第２の圧電体層３ｂの厚さが（Ｔ／３）となる部分の周波数特性を示している。つまり、図３（ｂ）のグラフは、第１の圧電体層３ａの厚さと第２の圧電体層３ｂの厚さとの比が、「２：１」となる部分の周波数特性を表している。図３（ｂ）中、曲線Ｂが、厚さの比が「２：１」となる部分における超音波プローブ１の周波数特性を表している。
【００６０】
また、図３（ｃ）のグラフは、第１の圧電体層３ａの厚さが（５Ｔ／６）で、第２の圧電体層３ｂの厚さが（Ｔ／６）となる部分の周波数特性を示している。つまり、図３（ｃ）のグラフは、第１の圧電体層３ａの厚さと第２の圧電体層３ｂの厚さとの比が、「５：１」となる部分の周波数特性を示している。図３（ｃ）中、曲線Ｃが、厚さの比が「５：１」となる部分における超音波プローブ１の周波数特性を表している。
【００６１】
図３に示す曲線Ａ、Ｂ及びＣを比較すると、第１の圧電体層３ａの厚さと第２の圧電体層３ｂの厚さとが等しい部分、つまり、中央Ｏにおける感度が最も高くなっている。そして、第２の圧電体層３ｂの厚さが薄くなって、第１の圧電体層３ａの厚さと第２の圧電体層３ｂの厚さとの比が「２：１」となる部分の感度は、図３（ｂ）に示すように、中央Ｏにおける感度よりも低くなっている。図３（ｂ）には比較のため、中央Ｏにおける周波数特性も同時に示している。なお、厚さの比が「２：１」となる部分における超音波の中心周波数は、中心Ｏにおける超音波の中心周波数よりも、比較的高周波となっている。これは、第２の圧電体層３ｂの厚さが薄くなって共振周波数が高くなるからである。
【００６２】
さらに、第２の圧電体層３ｂの厚さが薄くなって、第１の圧電体層３ａの厚さと第２の圧電体層３ｂの厚さとの比が「５：１」となる部分の感度は、図３（ｃ）に示すように、さらに感度が低くなっている。図３（ｃ）には比較のため、中央Ｏにおける周波数特性も同時に示している。
【００６３】
以上のように、圧電体層の厚さをスライス方向に変えることにより、スライス方向に音圧の重みを付けることが可能となる。この実施形態に係る圧電振動子部３の構成によると、スライス方向の中央Ｏにおける感度が最も高くなり、スライス方向の中央Ｏからスライス方向の端部に近づくほど徐々に感度が低くなる。これにより、送受信される音場はスライス方向に正ウェイティングとなるため、スライス方向における音場のサイドローブを低減し、深さ方向に均一の音場を形成することが可能となる。
【００６４】
ここで、超音波プローブによって送受信される超音波の音場分布を、図４を参照しつつ説明する。図４（ａ）は、第１の実施形態に係る超音波プローブ１によって送受信される超音波の音場分布である。図４（ｂ）は、従来技術に係る超音波プローブによって送受信される超音波の音場分布である。なお、従来技術に係る超音波プローブは、厚さＴの１層の圧電体層を備え、矩形状の音圧分布を有する超音波の送受信を行うものとする。図４において、横軸は超音波プローブの先端からの深さ方向の距離を示し、縦軸は超音波プローブのスライス方向の距離を示している。スライス方向の中心Ｏを、０［ｍｍ］としている。
【００６５】
図４には、強度が−３［ｄＢ］から−２０［ｄＢ］の超音波の音場分布を示している。第１の実施形態に係る超音波プローブ１によると、スライス方向の音場は正ウェイティングの重みが付けられているため、図４（ａ）に示すように、従来技術と比べてスライス方向のサイドローブが低減し、メインローブが絞れた音場が得られ、深さ方向に均一な音場が得られる。
【００６６】
＜（３）グレーティングロブの低減について＞
この実施形態に係る超音波プローブ１では、第１の圧電体層３ａの上面を曲面状である凹面にし、第２の圧電体層３ｂの下面を曲面状である凸面としているため、第１の圧電体層３ａ及び第２の圧電体層３ｂの厚さをスライス方向に連続的に変化させていることになる。これにより、超音波の音圧分布をスライス方向に連続的に変えることが可能となる。そのことにより、グレーティングロブを低減して、均一でアーチファクトの少ないスライス方向の音場を実現することができる。
【００６７】
一方、圧電体層の厚さをスライス方向に段階的に変化させると、グレーティングロブが発生してしまう。これに対して、この実施形態における超音波プローブ１では、圧電体層の厚さがスライス方向に連続的に変化しているため、グレーティングロブを低減することが可能となり、均一でアーチファクトの少ない音場を実現することが可能となる。
【００６８】
＜（４）素子の実効面積について＞
さらに、第１の実施形態に係る超音波プローブ１では、音圧分布に重みを付けるために、従来技術に係る超音波プローブのように、電極の面積を減らしたり、圧電体にスライス方向に溝を形成したりする必要がない。従って、素子の実効面積を減らすことなく、音圧分布にスライス方向に重みを付けることが可能となる。そして、素子の実効面積が減少しないため、超音波プローブ１と超音波診断装置本体とのインピーダンスのマッチングを劣化させることがない。その結果、感度が低減することなくスライス方向に音圧分布の重み付けが可能となる。
【００６９】
＜（５）製造工程について＞
また、第１の実施形態に係る超音波プローブ１は、従来技術に係る超音波プローブのような複雑な構成を有していないため、製造工程が複雑にならず、製造コストを上げずに製造することが可能である。つまり、圧電振動子部３の上面及び下面が平面状に形成されているため、圧電振動子部３に積層する音響整合層４及び背面材２に対して曲面加工などを施す必要がないため、特別な加工を施さずに、一般的な超音波プローブの製造工程によって第１の実施形態に係る超音波プローブ１を製造することができる。
【００７０】
従って、超音波プローブの製造性を確保しつつ、高感度特性を実現し、さらにスライス方向への音圧分布の重み付けが可能となる。そのことにより、製造性を確保しつつ、超音波画像のスライス厚の均一化、及びスライス方向のサイドローブを低減することが可能となる。また、電気回路の構造が複雑にならず、いわゆる１次元超音波プローブに用いられる電気回路を適用することができるため、製造コストを上げずに、上記の（１）から（４）の効果を奏することが可能となる。
【００７１】
［第２の実施の形態］
次に、この発明の第２の実施形態に係る超音波プローブの構成及び作用について図５を参照しつつ説明する。図５は、この発明の第２の実施形態に係る圧電振動子部の概略構成と周波数特性を示す図である。図５（ａ）は、第２の実施形態に係る圧電振動子部の概略構成を示す断面側面図であり、図５（ｂ）から図５（ｄ）は、第２の圧電振動子部の周波数特性を示す図である。
【００７２】
第２の実施形態に係る超音波プローブは、圧電振動子部の構成が第１の実施形態に係る圧電振動子部３の構成と異なる。第１の実施形態に係る超音波プローブにおいては、第１の圧電体層３ａの上面が凹面状に形成され、第２の圧電体層３ｂの下面が凸面状に形成されている。これに対して、第２の実施形態に係る超音波プローブにおいては、第１の実施形態に係る圧電振動子部３の構成と逆の構成を有している。つまり、第１の圧電体層７ａの上面が凸面状に形成され、第２の圧電体層７ｂの下面が凹面状に形成されている。以下、第２の実施形態に係る超音波プローブにおける圧電振動子部の構成について詳しく説明する。
【００７３】
図５（ａ）に示すように、第１の圧電体層７ａの下面（背面材２と接する面）は平面となっており、その下面の反対の面である上面（第２の圧電体層７ｂと接する面）は曲面状に形成され、凸面となっている。つまり、第１の圧電体層７ａは、スライス方向の中央Ｏが最も厚く形成され、スライス方向の端部に近づくにつれて徐々にその厚さが薄くなるように形成されている。
【００７４】
また、第２の圧電体層７ｂの上面（音響整合層４と接する面）は平面となっており、その上面の反対の面である下面（第１の圧電体層７ａと接する面）は曲面状に形成され、凹面となっている。つまり、第２の圧電体層７ｂは、スライス方向の中央Ｏが最も薄く形成され、スライス方向の端部に近づくにつれて徐々にその厚さが厚くなるように形成されている。
【００７５】
上面が凸面の第１の圧電体層７ａと、下面が凹面の第２の圧電体層７ｂとは、凹面に凸面が嵌ることで嵌合している。つまり、第１の圧電体層７ａの上面の形状と、第２の圧電体層７ｂの下面の形状とは、両方とも曲面状となっており、その曲面の形状が略一致し、凹面状に形成された第２の圧電体層７ｂの下面に、凸面状に形成された第１の圧電体層７ａの上面が嵌め込まれることにより、第１の圧電体層７ａと第２の圧電体層７ｂとが勘合している。
【００７６】
そして、第１の圧電体層７ａの厚さと第２の圧電体層７ｂの厚さは、スライス方向に沿って変化している。つまり、第１の圧電体層７ａは上面が凸面状に形成され、下面が平面となっているため、スライス方向の中心Ｏ付近の厚さが最も厚く、スライス方向に沿って端部に近づくほど徐々に厚さが薄くなっている。一方、第２の圧電体層７ｂは下面が凹面状に形成され、上面が平面となっているため、スライス方向の中心Ｏ付近の厚さが最も薄く、スライス方向に沿って端部に近づくほど徐々に厚さが厚くなっている。
【００７７】
また、圧電振動子部７の全体の厚さは、中央Ｏ付近であっても、端部であっても変わらず、一定である。つまり、下面が平面状に形成され、上面が凸面状に形成された第１の圧電体層７ａと、上面が平面状に形成され、下面が凹面状に形成された第２の圧電体層７ｂとが積層することにより、第１の圧電体層７ａの下面と第２の圧電体層７ｂの下面は平行な状態となり、圧電振動子部７の全体の厚さは一定となる。
【００７８】
ここで、圧電振動子部７の全体の厚さを厚さＴとする。この第２の実施形態においては、第１の圧電体層７ａのスライス方向の中央Ｏにおける厚さは（Ｔ／２）となっており、また、第２の圧電体層７ｂのスライス方向の中央Ｏにおける厚さも（Ｔ／２）となっている。つまり、スライス方向の中央Ｏにおいては、第１の圧電体層７ａと第２の圧電体層７ｂの厚さは等しくなっている。
【００７９】
そして、第１の圧電体層７ａは、スライス方向の中央Ｏからスライス方向の端部に近づくほど徐々に厚さが（Ｔ／２）から薄くなるように形成されている。一方、第２の圧電体層７ｂは、スライス方向の中央Ｏからスライス方向の端部に近づくほど徐々に厚さが（Ｔ／２）から厚くなるように形成されている。また、第１の圧電体層７ａと第２の圧電体層７ｂとを積層してなる圧電振動子部７の厚さは、中心Ｏであっても端部であっても、等しく厚さＴとなっている。
【００８０】
なお、上述した第１の実施形態と同様に、スライス方向の中央Ｏにおける第１の圧電体層７ａの厚さと第２の圧電体層７ｂの厚さとは、完全に一致しなくても良く、いずれかの圧電体層の厚さが他方の圧電体層の厚さの８０％〜１２０％の厚さとなっていても、この実施形態に係る超音波プローブの作用及び効果を奏することが可能である。
【００８１】
（作用）
上記の構成を有する超音波プローブによると、第１の実施形態に係る超音波プローブと同様に、上記（１）から（５）で説明した作用及び効果を奏することが可能となる。
【００８２】
第１の実施形態と同様に、圧電振動子部７の中央Ｏにおける電気容量は、厚さＴの１層からなる圧電体の４倍の電気容量になる。これにより、超音波プローブのインピーダンスを下げることができ、超音波プローブの感度を向上させることが可能となる。
【００８３】
また、第１の実施形態と同様に、スライス方向の中央Ｏにおける第１の圧電体層７ａの厚さと第２の圧電体層７ｂの厚さとが等しく（Ｔ／２）となるため、中央Ｏにおける感度が最も高くなる。一方、超音波の放射面側の圧電体層の厚さ、つまり、第２の圧電体層７ｂの厚さが厚くなると、感度が低下する。このとき、共振周波数が低くなるため、低周波に対して感度が高くなる。上述したように、圧電体の共振周波数は、圧電体の厚さの逆数の関数で表されるため、圧電体の厚さが厚くなれば共振周波数が低くなるからである。
【００８４】
第２の実施形態に係る超音波プローブにおいては、第１の圧電体層７ａの厚さと第２の圧電体層７ｂの厚さが等しい部分（中央Ｏ）においては、第１の圧電体層７ａの共振点と第２の圧電体層７ｂの共振点とが一致するため、感度が最も高くなり、それ以外の部分においては、超音波の放射面側にある圧電体層（第２の圧電体層７ｂ）の振動と、他の圧電体層（第２の圧電体層７ｂ）の振動との共振点がずれるため、それが互いに負荷となって感度が低くなる。
【００８５】
第２の実施形態に係る超音波プローブ１においては、スライス方向の中心Ｏにおいては第１の圧電体層７ａの厚さと第２の圧電体層７ｂの厚さを等しくすることにより、中心Ｏにおける感度を最も高くし、さらに、スライス方向の端部に近づくほど第１の圧電体層７ａの厚さを薄くし、第２の圧電体層７ｂの厚さを厚くすることにより、スライス方向の端部に近づくほど徐々に感度を低くしている。
【００８６】
これにより、スライス方向の中心Ｏにおける感度が最も高くなり、スライス方向の端部に近づくほど徐々に感度が低くなる。このように、スライス方向に音圧分布の重み付けが可能となる。
【００８７】
ここで、第２の実施形態に係る超音波プローブの感度について図５（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）を参照しつつ説明する。図５（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）において、横軸が送受信される超音波の周波数［ＭＨｚ］を示し、縦軸が送受信される超音波の強度［ｄＢ］を示している。ここでは、第１の圧電体層７ａ及び第２の圧電体層７ｂともにＰＺＴを使用し、圧電振動子部７の全体の厚さＴを４８０［μｍ］としている。従って、スライス方向の中心Ｏにおいては、第１の圧電体層７ａの厚さと第２の圧電体層７ｂの厚さは、ともに２４０［μｍ］となっている。
【００８８】
図５（ｂ）は、スライス方向の中央Ｏにおける超音波プローブの周波数特性を示すグラフである。つまり、図５（ｂ）のグラフは、第１の圧電体層７ａの厚さと第２の圧電体層７ｂの厚さが等しい部分の周波数特性を示している。図５（ｂ）中、曲線Ｄが、スライス方向の中央Ｏにおける超音波プローブの周波数特性を表している。
【００８９】
また、図５（ｃ）のグラフは、第１の圧電体層７ａの厚さが（Ｔ／３）で、第２の圧電体層７ｂの厚さが（２Ｔ／３）となる部分の周波数特性を示している。つまり、図５（ｂ）のグラフは、第１の圧電体層７ａの厚さと第２の圧電体層７ｂの厚さとの比が、「１：２」となる部分の周波数特性を表している。図５（ｃ）中、曲線Ｅが、厚さの比が「１：２」となる部分における超音波プローブの周波数特性を表している。
【００９０】
また、図５（ｄ）のグラフは、第１の圧電体層７ａの厚さが（Ｔ／６）で、第２の圧電体層７ｂの厚さが（５Ｔ／６）となる部分の周波数特性を示している。つまり、図５（ｄ）のグラフは、第１の圧電体層７ａの厚さと第２の圧電体層７ｂの厚さとの比が、「１：５」となる部分の周波数特性を示している。図５（ｄ）中、曲線Ｆが、厚さの比が「１：５」となる部分における超音波プローブの周波数特性を表している。
【００９１】
図５に示す曲線Ｄ、Ｅ及びＦを比較すると、第１の圧電体層７ａの厚さと第２の圧電体層７ｂの厚さとが等しい部分、つまり、スライス方向の中央Ｏにおける感度が最も高くなっている。そして、第１の圧電体層７ａの厚さが薄くなって、第１の圧電体層７ａの厚さと第２の圧電体層７ｂの厚さとの比が「１：２」となる部分の感度は、図５（ｃ）に示すように、中央Ｏにおける感度よりも低くなっている。図５（ｃ）には比較のため、中央Ｏにおける周波数特性も同時に示している。なお、厚さの比が「１：２」となる部分における超音波の中心周波数は、中心Ｏにおける超音波の中心周波数よりも、比較的低周波となっている。これは、第２の圧電体層７ｂの厚さが厚くなって共振周波数が低くなるからである。
【００９２】
さらに、第１の圧電体層７ａの厚さが薄くなって、第１の圧電体層７ａの厚さと第２の圧電体層７ｂの厚さとの比が「１：５」となる部分の感度は、図５（ｄ）に示すように、さらに感度が低くなっている。図５（ｄ）には比較のため、中央Ｏにおける周波数特性も同時に示している。
【００９３】
以上のように、圧電体層の厚さをスライス方向に変えることにより、スライス方向の音場の重み付けが可能となる。この実施形態に係る圧電振動子部７の構成によると、スライス方向の中央Ｏにおける感度が最も高くなり、スライス方向の中央Ｏからスライス方向の端部に近づくほど感度が低くなる。これにより、送受信される音場はスライス方向に正ウェイティングとなるため、スライス方向における音場のサイドローブが低減し、深さ方向に均一の音場が形成される。
【００９４】
また、第１の実施形態と同様に、第１の圧電体層７ａ及び第２の圧電体層７ｂの厚さをスライス方向に連続的に変化させているため、超音波の音圧分布をスライス方向に連続的に変えることが可能となる。そのことにより、グレーティングロブを低減して、均一でアーチファクトの少ないスライス方向の音場を実現することができる。
【００９５】
さらに、電極の面積を減らしたり、圧電体にスライス方向に溝を形成したりする必要がないため、素子の実行面積を減らすことなく、音圧分布にスライス方向に重みを付けることが可能となる。素子の実効面積が減少しないため、超音波プローブと超音波診断装置本体とのインピーダンスのマッチングを劣化させることがない。その結果、感度を低減することなくスライス方向に音圧分布の重み付けが可能となる。
【００９６】
また、圧電振動子部の上面及び下面は平面状に形成されているため、一般的な超音波プローブと同様の製造工程により製造することが可能となる。従って、超音波プローブの製造性を確保しつつ、高感度特性を実現し、超音波画像のスライス厚の均一化、及びスライス方向のサイドローブを低減することが可能となる。
【００９７】
［変形例］
【００９８】
次に、この発明の様々な変形例について図６を参照しつつ説明する。図６は、この発明の変形例に係る超音波プローブの概略構成を示す断面側面図である。
【００９９】
上述した第１及び第２の実施形態においては、２層の圧電体層を積層することにより圧電振動子部を構成したが、この発明は２層に限定されず、３層以上の圧電体層を積層することにより圧電振動子部を構成しても良い。
【０１００】
また、上述した第１及び第２の実施形態においては、第１の圧電体層又は第２の圧電体層の一面が凹面又は凸面となっていたが、この発明はこれらに限定されない。スライス方向の中央Ｏにおいて第１の圧電体層の厚さと第２の圧電体層の厚さとがほぼ等しく、さらに、一方の圧電体層の厚さが、中央Ｏから端部に向けて徐々に厚くなり、他方の圧電体層の厚さが、中央Ｏから端部に向けて徐々に薄くなるように形成されていても良い。例えば、第１の圧電体層と第２の圧電体層との界面の形状が、台形状、ガウス関数で表される形状、又はハミング関数で表される形状などであっても構わない。以下、これらの変形例について説明する。
【０１０１】
（変形例１）
まず、変形例１として、３層の圧電体層が積層された超音波プローブについて図６（ａ）を参照しつつ説明する。図６（ａ）に示すように、この変形例１に係る圧電振動子部は、第１の圧電体層７ａ、第２の圧電体層７ｂ、及び第３の圧電体層８を備えて構成されている。ここで、第１の圧電体層７ａと第２の圧電体層７ｂは、第２の実施形態における圧電振動子部と同じ構成を有している。つまり、第１の圧電体層７ａの上面が凸面となっており、第２の圧電体層７ｂの下面が凹面となっている。さらにこの変形例においては、第３の圧電体層８が設置されている。この第３の圧電体層８は上面及び下面ともに平面を有し、電極６ａを介して第１の圧電体層７ａの下に設置されている。この第３の圧電体層８の厚さは、第１の圧電体層７ａ及び第２の圧電体層７ｂのスライス方向の中央Ｏにおける厚さと等しくなっている。つまり、スライス方向の中央Ｏにおいては、第１の圧電体層７ａの厚さは（Ｔ／３）となっており、第２の圧電体層７ｂの厚さは（Ｔ／３）となっている。そして、第３の圧電体層８の厚さは、いずれの部分においても（Ｔ／３）となっている。
【０１０２】
また、圧電振動子部の上下面に電極６ｃ、６ｄが接続され、第１の圧電体層７ａと第２の圧電体層７ｂとの間には電極６ｂが接続されている。また、第１の圧電体層７ａと第３の圧電体層８との間には電極６ａが接続されている。電極６ａ、６ｃはＧＮＤに接続され、電極６ｂ、６ｄに電圧が印加される。
【０１０３】
このように、スライス方向の中央Ｏにおいては、全ての圧電体層の厚さが等しくなっている。これにより、スライス方向の中央Ｏにおける電気容量は、厚さＴの１層の圧電体からなる電気容量の９（＝３２）倍となる。これにより、超音波プローブのインピーダンスを下げることができ、超音波プローブの感度を向上させることが可能となる。
【０１０４】
また、スライス方向の中心Ｏにおいては第１の圧電体層７ａの厚さと第２の圧電体層７ｂの厚さを等しくすることにより、中心Ｏにおける感度を最も高くし、さらに、スライス方向の端部に近づくほど第１の圧電体層７ａの厚さを薄くし、第２の圧電体層７ｂの厚さを厚くすることにより、スライス方向の端部に近づくほど徐々に感度を低くしている。これにより、スライス方向の音場は正ウェイティングとなるため、スライス方向の音場のサイドローブが低減し、深さ方向に均一の音場が形成される。
【０１０５】
また、上述した実施形態と同様に、グレーティングロブを低減して、均一でアーチファクトの少ないスライス方向の音場を実現することができる。さらに、素子の実効面積が減少しないため、感度を低減することなくスライス方向に音圧分布の重み付けが可能となる。また、超音波プローブの製造性を確保しつつ、高感度特性を実現し、超音波画像のスライス厚の均一化、及びサイドローブを低減することが可能となる。
【０１０６】
なお、上述した第１及び第２の実施形態と同様に、スライス方向の中心Ｏにおける圧電体層の厚さが完全に一致せずに、いずれかの圧電体層の厚さが他の圧電体層の厚さの８０％〜１２０％の厚さとなっていても、この変形例に係る超音波プローブの作用及び効果を奏することが可能である。
【０１０７】
（変形例２）
次に、圧電体層の面が凹面又は凸面ではない超音波プローブについて図６（ｂ）及び（ｃ）を参照しつつ説明する。
【０１０８】
図６（ｂ）に示すように、スライス方向の中央Ｏ付近においては、第１の圧電体層９ａの上面（第２の圧電体層９ｂと接する面）は平面状に形成されている。そして、スライス方向の端部に近づくにつれて、直線的に徐々に第１の圧電体層９ａの厚さが厚くなっている。一方、スライス方向の中央Ｏ付近においては、第２の圧電体層９ｂの下面（第１の圧電体層９ａと接する面）も平面状に形成されている。そして、スライス方向の端部に近づくにつれて、直線的に徐々に第２の圧電体層９ｂの厚さが薄くなっている。
【０１０９】
また、圧電振動子部９の上面及び下面は平面状になっており、全体の厚さは、中心Ｏであっても、端部であっても同じ厚さＴとなっている。第１の圧電体層９ａ及び第２の圧電体層９ｂの平面状に形成されている部分は、厚さが等しく（Ｔ／２）となっている。
【０１１０】
上記の構成を有する超音波プローブであっても、圧電振動子部９の中央Ｏにおける電気容量は、厚さＴの１層からなる圧電体の４（＝２２）倍の電気容量になる。これにより、超音波プローブのインピーダンスを下げることができ、超音波プローブの感度を向上させることが可能となる。
【０１１１】
また、第１の圧電体層９ａと第２の圧電体層９ｂとが接する面であって、平面状に形成されている部分においては、第１の圧電体層９ａの厚さと第２の圧電体層９ｂの厚さが等しく（Ｔ／２）となるため、その部分における感度が最も高くなる。一方、スライス方向の端部に近づくほど、第１の圧電体層９ａの厚さは直線的に厚くなり、第２の圧電体層９ｂの厚さは直線的に薄くなるため、スライス方向の端部に近づくほど徐々に感度が低くなる。これにより、スライス方向の音場は正ウェイティングとなるため、スライス方向の音場のサイドローブが低減し、深さ方向に均一の音場が形成される。
【０１１２】
また、図６（ｃ）に示す圧電振動子部１０のように、第１の圧電体層１０ａと第２の圧電体層１０ｂの界面をガウス関数で表される形状や、ハミング関数で表される形状にしても良い。このような形状にしても、スライス方向の中心Ｏ付近においては、第１の圧電体層１０ａの厚さと第２の圧電体層１０ｂの厚さとをほぼ等しくすることにより、感度を向上させることが可能となる。また、スライス方向の端部に近づくにつれて、第１の圧電体層１０ａの厚さを徐々に厚くし、第２の圧電体層１０ｂの厚さを徐々に薄くすることにより、スライス方向の中心Ｏ付近の感度を最も高くし、スライス方向の端部に近づくにつれて徐々に感度を低くすることができる。これにより、スライス方向に音圧分布の重みを付け、スライス方向の音場のサイドローブを低減して、深さ方向に均一の音場を形成することが可能となる。
【０１１３】
第１の圧電体層と第２の圧電体層との界面の形状は、上記の形状以外であっても良い。スライス方向の中心Ｏ付近の厚さがほぼ等しく、スライス方向の端部に近づくにつれて徐々に一方の圧電体層の厚さが厚くなり、他方の圧電体層の厚さが薄くなるように形成されていれば、この発明の作用及び効果を奏することが可能となる。
【０１１４】
［第３の実施の形態］
次に、上述した第１の実施形態、第２の実施形態、又は変形例に係る超音波プローブを備えた超音波診断装置について図７を参照しつつ説明する。図７は、この発明の第３の実施形態に係る超音波診断装置の構成を示すブロック図である。
【０１１５】
この超音波診断装置２０は、主に、超音波プローブ１、送受信部２１、信号処理部２２、ＤＳＣ２３、画像処理部２４、表示部２５及び制御部２６を備えて構成されている。この超音波診断装置２０においては超音波プローブ１に特徴があり、それ以外の送受信部２１などは公知のものが用いられる。
【０１１６】
超音波プローブ１には、上述した第１の実施形態に係る超音波プローブ１が用いられる。また、第２の実施形態に係る超音波プローブ、又は変形例に係る超音波プローブを用いても良い。送受信部２１は送信部と受信部とからなり、超音波プローブ１に電気信号を供給して超音波を発生させるとともに、超音波プローブ１が受信したエコー信号を受信する。なお、送受信部２１がこの発明の「送受信手段」に相当する。
【０１１７】
信号処理部２２は、公知のＢモード処理回路、ドプラ処理回路又はカラーモード処理回路を備えている。送受信部２１から出力されたデータはいずれかの処理回路にて所定の処理を施される。Ｂモード処理回路はエコーの振幅情報の映像化を行い、エコー信号からＢモード超音波ラスタデータを生成する。ドプラ処理回路はドプラ偏移周波数成分を取り出し、更にＦＦＴ処理等を施して血流情報を有するデータを生成する。カラーモード処理回路は動いている血流情報の映像化を行い、カラー超音波ラスタデータを生成する。血流情報には、速度、分散、パワー等の情報があり、血流情報は２値化情報として得られる。
【０１１８】
ＤＳＣ２３（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｃａｎ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）は、直交座標系で表される画像を得るために、超音波ラスタデータを直交座標で表されるデータに変換する（スキャンコンバージョン処理）。例えば、Ｂモード処理回路から出力されたデータに対してスキャンコンバージョン処理が施されると、被検体の組織形状を２次元情報として表す断層像データが生成される。画像処理部２４は各種画像処理を行う。例えば、断層像データからボクセルデータを生成し、更に、ボリュームレンダリング処理を行って３次元画像データなどを生成する。なお、信号処理部２２、ＤＳＣ２３及び画像処理部２４がこの発明の「画像生成手段」に相当する。
【０１１９】
表示部２５は液晶ディスプレイなどのモニタからなり、断層像や３次元画像などが表示される。制御部２６はＣＰＵからなり、記憶部（図示しない）に記憶されている制御プログラムや画像生成プログラムなどを実行することにより各処理部の制御を行う。記憶部はＲＯＭなどのメモリやハードディスクなどからなり、画像データ、各種設定条件及びプログラムなどが記憶されている。その他、ジョイスティックなどのポインティングデバイス、スイッチ又はＴＣＳ（Ｔｏｕｃｈ Ｃｏｍｍａｎｄ Ｓｃｒｅｅｎ）などの操作部（図示しない）が備えられ、超音波の送受信条件などに関する各種設定が操作者により入力される。
【０１２０】
この発明の実施形態に係る超音波プローブ又は変形例に係る超音波プローブを備えた超音波診断装置２０によれば、スライス方向の音場のサイドローブを低減することができ、さらに、深さ方向に均一な音場が形成されるため、スライス厚が均一な超音波画像を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０１２１】
【図１】この発明の第１の実施形態に係る超音波プローブの概略構成を示す斜視図である。
【図２】この発明の第１の実施形態に係る超音波プローブの概略構成を示す断面側面図である。
【図３】この発明の第１の実施形態に係る超音波プローブの周波数特性を示すグラフである。
【図４】この発明の第１の実施形態に係る超音波プローブにより超音波を送信又は受信する際に形成される音場分布である。
【図５】この発明の第２の実施形態に係る圧電振動子部の概略構成と周波数特性を示す図である。
【図６】この発明の変形例に係る超音波プローブの概略構成を示す断面側面図である。
【図７】この発明の第３の実施形態に係る超音波診断装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【０１２２】
１ 超音波プローブ
２ 背面材
３、７、９、１０ 圧電振動子部
３ａ、７ａ、９ａ、１０ａ 第１の圧電体層
３ｂ、７ｂ、９ｂ、１０ｂ 第２の圧電体層
４ 音響整合層
５ 音響レンズ
６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ 電極
８ 第３の圧電体層
【技術分野】
【０００１】
この発明は、超音波の送受信を行う超音波プローブ及び超音波診断装置に関し、超音波画像のスライス厚を均一化し、スライス方向における音場のサイドローブを低減することが可能な超音波プローブ及び超音波診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被検体内を超音波で走査し、被検体内からの反射波から生成した受信信号に基づいて被検体の内部状態を画像化する超音波診断装置が知られている。このような超音波診断装置は、圧電振動子を備えた超音波プローブにより被検体内に超音波を送信し、被検体内部で音響インピーダンスの不整合によって生じる反射波を超音波プローブで受信して受信信号を生成する。
【０００３】
超音波プローブは、送信信号に基づいて振動して超音波を発生し、反射波を受けて受信信号を生成する圧電振動子を走査方向に複数個、配置している。このような超音波プローブは、上記走査方向に直交する方向（以下、スライス方向と称する）に均一な矩形強度を有する超音波を音響レンズにより遅延差を与えることにより、ある深さで焦点を形成している。
【０００４】
従来から、超音波診断装置により収集される画像のスライス厚を均一にし、スライス方向の音場のサイドローブを低減させる試みがなされている。例えば、スライス方向に沿って圧電体に溝を形成し、圧電体の密度分布に重み付けを行う技術が知られている（例えば特許文献１）。また、中央部よりも端部の電極面積を小さくする技術が知られている（例えば特許文献２）。また、スライス方向に電気的に分割した圧電体に複数の送信回路を接続し、各圧電体に印加する駆動電圧に重み付けを行う技術が知られている（例えば特許文献３）。さらに、圧電体に対して曲面加工を施すことにより、スライス方向に圧電体の厚さを変え、駆動周波数により音圧を制御する技術が知られている（例えば特許文献４）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−９２８８号公報
【特許文献２】特開平３−１９５５７２号公報
【特許文献３】特開平５−３８３３５号公報
【特許文献４】特開平７−１０７５９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１に記載の超音波プローブにおいては、スライス方向に沿って圧電体を疎密な状態にするため、また、上記特許文献２に記載の超音波プローブにおいては、電極の面積を小さくするため、圧電体の実効的な素子面積が小さくなるとともに、素子の静電容量が小さくなってしまう。そのことにより、超音波プローブのインピーダンスが高くなってしまい、超音波診断装置本体との電気的インピーダンスの整合が悪くなり、感度が低下する問題があった。
【０００７】
また、上記特許文献３に記載の超音波プローブにおいては、超音波プローブ及び回路の構造が複雑になるため、超音波診断装置の信頼性の低下、製造工程数の増加、製造コストの増加を招いてしまうおそれがあった。
【０００８】
さらに、上記特許文献４に記載の超音波プローブにおいては、圧電体に対して曲面加工を施すのみならず、その圧電体に積層される音響整合層に対しても曲面加工を施す必要があるため、製造工数が増加する問題があった。
【０００９】
また、特許文献１及び特許文献３に記載の超音波プローブにおいては、スライス方向における超音波の音圧の重み付けを段階的にしか付けられないため、その段階の間隔が広いとグレーティングロブが発生してしまう問題もあった。
【００１０】
この発明は上記の問題点を解決するものであり、超音波プローブの製造性及び高感度を確保した上で、超音波画像のスライス厚を均一にし、サイドローブを低減することが可能な超音波プローブ及びそれを備えた超音波診断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】
【００１１】
請求項１記載の発明は、上面及び下面に電極が設けられ、電圧が印加されることで超音波を送信し、また、超音波を受信する圧電振動子部を備えた超音波プローブであって、前記圧電振動子部は、複数の圧電体が走査方向に配列された圧電体層が電極を介して複数層積層され、前記複数の圧電体層のうち少なくとも互いに接する２層の圧電体層の厚さが、前記走査方向に直交するスライス方向に徐々に変化していることを特徴とする超音波プローブである。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の超音波プローブであって、前記少なくとも互いに接する２層の圧電体層の前記走査方向に直交するスライス方向の略中心における厚さがほぼ等しいことを特徴するものである。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の超音波プローブであって、前記少なくとも互いに接する２層の圧電体層のうち、一方の圧電体層の前記走査方向に直交するスライス方向の略中心における厚さが、他方の圧電体層の前記走査方向に直交するスライス方向の略中心における厚さの８０〜１２０％の厚さであることを特徴とするものである。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の超音波プローブであって、前記少なくとも互いに接する２層の圧電体層のうち、一方の圧電体層は、前記走査方向に直交するスライス方向の端部に近づくにつれて徐々に厚さが厚くなり、他方の圧電体層は、前記走査方向に直交するスライス方向の端部に近づくにつれて徐々に厚さが薄くなることを特徴とするものである。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の超音波プローブであって、前記少なくとも互いに接する２層の圧電体層は、他方の圧電体層と接している面が曲線状に形成されていることを特徴とするものである。
【００１６】
請求項６に記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の超音波プローブであって、前記少なくとも互いに接する２層の圧電体層のうち、一方の圧電体層の一方の面が凸面状に形成され、他方の圧電体層の一方の面が凹面状に形成され、前記凸面状に形成された面と前記凹面状に形成された面とが嵌合していることを特徴とするものである。
【００１７】
請求項７に記載の発明は、請求項１から請求項６のいずれかに記載の超音波プローブであって、前記圧電振動子部の上面及び下面は、平面状に形成されていることを特徴とするものである。
【００１８】
請求項８に記載の発明は、複数の圧電体が走査方向に配列された圧電体層が電極を介して複数層積層された圧電振動子部を有し、前記複数の圧電体層のうち少なくとも互いに接する２層の圧電体層の厚さが、前記走査方向に直交するスライス方向に徐々に変化している超音波プローブと、前記超音波プローブにより被検体に対して超音波を送受信させる送受信手段と、前記送受信手段が受信した前記被検体からの反射波に基づいて超音波画像を生成する画像生成手段と、を有することを特徴とする超音波診断装置である。
【発明の効果】
【００１９】
この発明によると、圧電体層の厚さを走査方向に直交する方向（スライス方向）に徐々に変えることにより、スライス方向に超音波の音圧の重みを付けることが可能となる。また、少なくとも２層の圧電体層において、スライス方向のほぼ中心における厚さをほぼ等しくし、スライス方向の端部に近づくにつれて徐々に一方の圧電体層の厚さを厚くし、他方の圧電体層の厚さを薄くすることにより、送受信される超音波のスライス方向の音圧は正ウェイティングの重み付けがなされ、スライス方向の音場のサイドローブを低減し、深さ方向に均一の音場を形成することが可能となる。
【００２０】
また、この発明によると、複数の圧電体層を積層することで超音波プローブのインピーダンスを下げて、超音波プローブの感度を向上させることが可能となる。特に、各圧電体層の厚さがほぼ等しい部分においては、他の部分に比べて感度を最も大きくすることが可能となる。
【００２１】
また、圧電体層の厚さをスライス方向に徐々に変化させることにより、音圧分布をスライス方向に連続的に変化させることが可能となる。そのことにより、アーチファクトのグレーティングロブを低減して、均一でアーチファクトの少ないスライス方向の音場を実現することが可能となる。
【００２２】
さらに、圧電振動子部の上面及び下面が平面状に形成されているため、その圧電振動子部に積層すべき音響整合層など設けた場合であっても、音響整合層などに対して曲面加工を施す必要がない。そのことにより、製造工程が複雑にならず、また、製造コストを上げずにこの発明の超音波プローブを製造することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
この発明の実施形態に係る超音波プローブ及び超音波診断装置について、図１乃至図７を参照しつつ説明する。
【００２４】
［第１の実施の形態］
この発明の第１の実施形態に係る超音波プローブの構成について図１及び図２を参照しつつ説明する。図１は、この発明の第１の実施形態に係る超音波プローブの概略構成を示す斜視図である。図２は、この発明の第１の実施形態に係る超音波プローブの概略構成を示す断面側面図である。超音波プローブはヘッド側とケーブル側とからなり、図１及び図２には超音波プローブのヘッド側が示されている。
【００２５】
図１及び図２に示すように、超音波プローブ１は、背面材２の上に圧電振動子部３が設けられている。この実施形態における圧電振動子部３は、２層の圧電体層を備えて構成され、それら２層の圧電体層が積層している。圧電振動子部３の上には、音響整合層４が設けられている。音響整合層４は、第１の音響整合層４ａ、第２の音響整合層４ｂ、及び第３の音響整合層４ｃを備えて構成され、それら音響整合層がその順番で積層している。圧電振動子部３及び音響整合層４は、走査方向に複数に分割されて配列されている。さらに、音響整合層４の上には音響レンズ５が設けられている。
【００２６】
背面材２は、圧電振動子部３から発振された超音波振動や受信時の超音波振動のうち、超音波診断装置の画像抽出にとって必要でない超音波振動成分を減衰吸収する。背面材２には、一般的に、フェライトゴム、エポキシ樹脂又はウレタンゴムなどにマイクロバルーンなどを混入した材料が用いられる。
【００２７】
圧電振動子部３は、複数の圧電体層が積層して構成されている。第１の実施形態においては、第１の圧電体層３ａの上に第２の圧電体層３ｂが積層され、２層の圧電体層により圧電振動子部３を構成している。第１の圧電体層３ａ及び第２の圧電体層３ｂは、走査方向に複数に分割されて配列されている。この第１の実施形態では、２層の圧電体層が積層されている例について説明するが、この発明は２層に限定されず、３層以上の圧電体層が積層されていても良い。３層の圧電体層が積層されている例については、後述する変形例で説明する。
【００２８】
図１及び図２に示すように、第１の圧電体層３ａの下面（背面材２と接する面）は平面になっており、その下面の反対の面である上面（第２の圧電体層３ｂと接する面）は曲面になっている。具体的には、第１の圧電体層３ａの上面は凹面となっている。つまり、第１の圧電体層３ａは、スライス方向（走査方向に直交する方向）の中心Ｏが最も薄く形成され、スライス方向の端部に近づくにつれて徐々にその厚さが厚くなるように形成されている。
【００２９】
また、第２の圧電体層３ｂの上面（音響整合層４と接する面）は平面となっており、その上面の反対の面である下面（第１の圧電体層３ａと接する面）は曲面となっている。具体的には、第２の圧電体層３ｂの下面は凸面となっている。つまり、第２の圧電体層３ｂは、スライス方向の中心Ｏ付近が最も厚く形成され、スライス方向の端部に近づくにつれて徐々にその厚さが薄くなるように形成されている。
【００３０】
上面が凹面の第１の圧電体層３ａと、下面が凸面の第２の圧電体層３ｂとは、凹面に凸面が嵌ることで嵌合している。つまり、第１の圧電体層３ａの上面の形状と、第２の圧電体層３ｂの下面の形状とは、両方とも曲面状となっており、その曲面の形状が略一致し、凹面上に形成された第１の圧電体層３ａの上面に、凸面状に形成された第２の圧電体層３ｂの下面が嵌め込まれることにより、第１の圧電体層３ａと第２の圧電体層３ｂとが嵌合している。
【００３１】
そして、第１の圧電体層３ａの厚さと、第２の圧電体層３ｂの厚さは、スライス方向に沿って変化している。つまり、第１の圧電体層３ａは上面が凹面状に形成され、下面が平面となっているため、スライス方向の中心Ｏ付近の厚さが最も薄く、スライス方向に沿って端部に近づくほど徐々に厚さが厚くなっている。一方、第２の圧電体層３ｂは下面が凸面状に形成され、上面が平面となっているため、スライス方向の中心Ｏ付近の厚さが最も厚く、スライス方向に沿って端部に近づくほど徐々に厚さが薄くなっている。
【００３２】
また、圧電振動子部３の全体の厚さは、中央Ｏ付近であっても、端部であっても変わらず、一定である。つまり、下面が平面状に形成され、上面が凹面状に形成された第１の圧電体層３ａと、上面が平面状に形成され、下面が凸面状に形成された第２の圧電体層３ｂとが積層することにより、第１の圧電体層３ａの下面と第２の圧電体層３ｂの上面は平行な状態となり、圧電振動子部３の全体の厚さは一定となる。
【００３３】
ここで、図２に示すように圧電振動子部３の全体の厚さを厚さＴとする。この第１の実施形態においては、第１の圧電体層３ａのスライス方向の中央Ｏにおける厚さは（Ｔ／２）となっており、また、第２の圧電体層３ｂのスライス方向の中央Ｏにおける厚さも（Ｔ／２）となっている。つまり、スライス方向の中央Ｏにおいては、第１の圧電体層３ａと第２の圧電体層３ｂの厚さは等しくなっている。
【００３４】
そして、第１の圧電体層３ａは、スライス方向の中央Ｏからスライス方向の端部に近づくほど徐々に厚さが（Ｔ／２）から厚くなるように形成されている。一方、第２の圧電体層３ｂは、スライス方向の中央Ｏからスライス方向の端部に近づくほど徐々に厚さが（Ｔ／２）から薄くなるように形成されている。また、第１の圧電体層３ａと第２の圧電体層３ｂとを積層してなる圧電振動子部３の厚さは、中心Ｏであっても端部であっても、等しく厚さＴとなっている。
【００３５】
なお、この第１の実施形態においては、スライス方向の中央Ｏにおける第１の圧電体層３ａの厚さと第２の圧電体層３ｂの厚さとを等しく（Ｔ／２）としたが、両層の厚さが完全に一致している必要はない。いずれかの圧電体層の厚さが他方の圧電体層の厚さの８０％〜１２０％の厚さとなっていても、この実施形態に係る超音波プローブ１の作用及び効果を奏することが可能である。
【００３６】
例えば、第１の圧電体層３ａのスライス方向の中央Ｏにおける厚さを厚さｔとした場合、第２の圧電体層３ｂのスライス方向の中央Ｏにおける厚さが、０．８ｔ〜１．２ｔの間にあれば、この実施形態に係る超音波プローブの作用及び効果を奏することが可能である。逆に、第２の圧電体層３ｂのスライス方向の中央Ｏにおける厚さを厚さｔとした場合、第１の圧電体層３ａのスライス方向の中央Ｏにおける厚さが、０．８ｔ〜１．２ｔの間にあれば、この実施形態に係る超音波プローブの作用及び効果を奏することが可能である。
【００３７】
第１の圧電体層３ａと第２の圧電体層３ｂは、例えばチタン酸ジリコン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ３、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）又はチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）などのセラミック材料からなる。
【００３８】
また、図２に示すように、圧電振動子部３の上下面に電極６ａ、６ｃが接続され、第１の圧電体層３ａと第２の圧電体層３ｂとの間には電極６ｂが接続されている。電極６ａ、６ｃはＧＮＤに接続され、電極６ｂに電圧が印加される。これにより、電極６ａ、第１の圧電体層３ａ及び電極６ｂで構成される部分と、電極６ｂ、第２の圧電体層３ｂ及び電極６ｃで構成される部分とは、並列接続を構成することになる。
【００３９】
上述したように、第１の圧電体層３ａの上面が凹面となっており、第２の圧電体層３ｂの下面が凸面となっているため、第１の圧電体層３ａと第２の圧電体層３ｂとの間に設置されている電極６ｂは、第１の圧電体層３ａの上面（凹面）と第２の圧電体層３ｂの下面（凸面）に嵌るように、曲面状となっている。一方、第１の圧電体層３ａの下面は平面となっているため、電極６ａは平面状となっている。同様に、第２の圧電体層３ｂの上面は平面となっているため、電極６ｃは平面状となっている。
【００４０】
音響整合層４は、エポキシ樹脂やプラスチック材などが用いられている。音響整合層は、圧電振動子部３の音響インピーダンスと被検体の音響インピーダンスとの音響整合を良好にするために設けられる。音響整合層は、１層だけであっても良く、２層以上設けても良い。この実施形態では３層の音響整合層を積層している。例えば、この実施形態のように３層の音響整合層を設ける場合、音響整合を良好にするために、第２の音響整合層４ｂの音響インピーダンスが第１の音響整合層４ａの音響インピーダンスよりも小さくなるように設計され、第３の音響整合層４ｃの音響インピーダンスが第２の音響整合層４ｂの音響インピーダンスよりも小さくなるように設計されている。音響整合層を複数の層構造にすることで、音響レンズ５とあいまって被検体の体表との音響インピーダンスの差分による信号ロスの発生を抑えている。
【００４１】
また、送受信する超音波の波長と関係なく、圧電振動子部３の音響インピーダンスと被検体の音響インピーダンスとの音響整合をとるために、深さ方向に徐々に音響インピーダンスが小さくなる音響整合層を設けても良い。
【００４２】
音響レンズ５は、被検体の体表面に接触して超音波の送受信の仲介を行なう。この音響レンズ５により、体表より所定の深さにスライス方向の音響的な焦点を結ぶ。また、走査方向の音響的な焦点は、走査方向に短冊状に配置された複数の圧電振動子部３の送信／受信のタイミングを切り替え制御することにより結ばれる。
【００４３】
なお、走査方向に複数に分割された圧電振動子部３及び音響整合層４の分割溝には、機械的強度を保つためにシリコーンゴム、ウレタンゴム又はエポキシ樹脂などの充填剤（図示しない）が充填されている。
【００４４】
（作用）
上記の構成を有する超音波プローブ１によると、次のような好適な作用を奏することが可能となる。この発明の第１の実施形態に係る超音波プローブ１の作用について、図３及び図４を参照しつつ説明する。図３は、この発明の第１の実施形態に係る超音波プローブの周波数特性を示すグラフである。図４は、この発明の第１の実施形態に係る超音波プローブにより超音波を送信又は受信する際に形成される音場分布である。
【００４５】
第１の実施形態に係る超音波プローブ１によると、（１）超音波プローブ１のインピーダンスを下げて、超音波プローブ１の感度を向上させることが可能となる。また、（２）スライス方向のサイドローブを低減し、深さ方向に均一な音場を実現することが可能となる。また、（３）グレーティングロブを低減して、均一でアーチファクトの少ない音場を実現することができる。また、（４）素子の実効面積が減らないため、感度を損なうことなく、スライス方向に音圧分布の重みを付けることができる。さらに、（５）製造工程が複雑にならず、製造コストを上げずに、上記の作用及び効果を奏することが可能な超音波プローブ１を製造することが可能となる。以下、上記（１）から（５）の作用及び効果について詳しく説明する。
【００４６】
＜（１）感度の向上について＞
第１の実施形態に係る超音波プローブ１においては、圧電振動子部３の全体の厚さを厚さＴとする。これにより、第１の圧電体層３ａのスライス方向の中央Ｏにおける厚さは（Ｔ／２）となり、第２の圧電体層３ｂのスライス方向の中央Ｏにおける厚さも（Ｔ／２）となる。また、中央Ｏにおいて、走査方向の長さとスライス方向の長さとで規定される面積を面積Ｓとする。ここで、厚さ（Ｔ／２）の第１の圧電体層３ａ及び第２の圧電体層３ｂのそれぞれの電気容量を電気容量Ｃ１とすると、中央Ｏにおける電気容量Ｃ１は以下の式（１）で表される。
式（１） 電気容量Ｃ１＝ε｛Ｓ／（Ｔ／２）｝
εは誘電率である。
【００４７】
また、この実施形態においては、電極６ｂを介して第１の圧電体層３ａと第２の圧電体層３ｂとが積層されているため、圧電体層同士の接続は並列接続に相当する。従って、圧電振動子部３の中央Ｏの電気容量を電気容量Ｃ２とすると、電気容量Ｃ２は以下の式（２）で表される。
式（２） Ｃ２＝２×Ｃ１＝２×ε｛Ｓ／（Ｔ／２）｝＝４×ε（Ｓ／Ｔ）＝４×Ｃ０
ここで、電気容量Ｃ０は、厚さＴの１層からなる圧電体の電気容量である。
【００４８】
上記式（２）に表されるように、圧電振動子部３の中央Ｏにおける電気容量は、厚さＴの１層からなる圧電体の４倍（＝２２倍）の電気容量になる。これは、電極６ｂを介して厚さ（Ｔ／２）の圧電体層を積層して、並列接続としているからである。
【００４９】
このように電極を介して圧電体層を積層することにより電気容量を大きくすることができるため、超音波プローブのインピーダンスを下げることができ、超音波プローブの感度を向上させることが可能となる。
【００５０】
また、この第１の実施形態においては、２層の圧電体層が積層された例について説明したが、３層以上の圧電体層が積層された圧電振動子部を用いても良い。ｎ層の圧電体層が積層されて、各圧電体層の厚さが等しい部分の電気容量は、厚さＴの１層からなる圧電体の電気容量のｎ２倍になる。このように、２層以上の圧電体層を積層した場合、各圧電体層の厚さが等しい部分では電気容量が大きくなるため、超音波プローブのインピーダンスを下げて感度を向上させることが可能となる。なお、３層の圧電体層が積層された圧電振動子部については、後述する変形例で説明する。
【００５１】
＜（２）スライス方向のサイドローブの低減、及び均一な音場について＞
複数の圧電体層が積層してなる圧電振動子部の特性は、各圧電体層の厚さが等しい部分の感度が最も高くなり、いずれかの圧電体層の厚さが薄くなる又は厚くなると、その部分における感度が低くなる。この出願に係る発明者は、この原理を利用した。
【００５２】
第１の実施形態に係る超音波プローブ１では、スライス方向の中央Ｏにおける第１の圧電体層３ａの厚さと第２の圧電体層３ｂの厚さとが等しく（Ｔ／２）となるため、中央Ｏにおける感度が最も高くなる。一方、超音波の放射面側の圧電体層の厚さ、つまり、第２の圧電体層３ｂの厚さが薄くなると、感度が低下する。このとき、共振周波数が高くなるため、高周波に対して感度が高くなる。一般的に、圧電体の共振周波数は圧電体の厚さの逆数の関数で表されるため、圧電体の厚さが薄くなれば共振周波数が高くなるからである。
【００５３】
これは、積層された各圧電体層の厚さが等しい部分においては、各圧電体層の共振点が一致するため感度が最も高くなり、それ以外の部分においては、超音波の放射面側にある圧電体層の振動と他の圧電体層の振動との共振点がずれるため、それが互いに負荷となって感度が低下するためである。
【００５４】
第１の実施形態に係る超音波プローブ１においては、第１の圧電体層３ａの厚さと第２の圧電体層３ｂの厚さが等しい部分（中心Ｏ）においては、第１の圧電体層３ａの共振点と第２の圧電体層３ｂの共振点とが一致するため、感度が最も高くなり、それ以外の部分においては、超音波の放射面側にある圧電体層（第２の圧電体層３ｂ）の振動と、他の圧電体層（第１の圧電体層３ａ）の振動との共振点がずれるため、それが互いに負荷となって感度が低くなる。
【００５５】
第１の実施形態においては、スライス方向の中心Ｏにおいては第１の圧電体層３ａの厚さと第２の圧電体層３ｂの厚さを等しくすることにより、中心Ｏにおける感度を最も高くし、さらに、スライス方向の端部に近づくほど第１の圧電体層３ａの厚さを厚くし、第２の圧電体層３ｂの厚さを薄くすることにより、スライス方向の端部に近づくほど徐々に感度を低くしている。
【００５６】
これにより、スライス方向の中心Ｏにおける感度が最も高くなり、スライス方向の端部に近くなるほど徐々に感度が低くなる。このようにスライス方向に音圧分布の重み付けが可能となる。
【００５７】
ここで、超音波プローブ１の感度について図３を参照しつつ説明する。図３において、横軸が送受信される超音波の周波数［ＭＨｚ］を示し、縦軸が送受信される超音波の強度［ｄＢ］を示している。ここでは、第１の圧電体層３ａ及び第２の圧電体層３ｂともにＰＺＴを使用し、圧電振動子部３の全体の厚さＴを４８０［μｍ］としている。従って、スライス方向の中心Ｏにおいては、第１の圧電体層３ａの厚さと第２の圧電体層３ｂの厚さは、ともに２４０［μｍ］となっている。
【００５８】
図３（ａ）は、中央Ｏにおける超音波プローブ１の周波数特性を示すグラフである。つまり、図３（ａ）のグラフは、第１の圧電体層３ａの厚さと第２の圧電体層３ｂの厚さが等しい部分（中心Ｏ）の周波数特性を示している。図３（ａ）中、曲線Ａが、スライス方向の中央Ｏにおける超音波プローブ１の周波数特性を表している。
【００５９】
また、図３（ｂ）のグラフは、第１の圧電体層３ａの厚さが（２Ｔ／３）で、第２の圧電体層３ｂの厚さが（Ｔ／３）となる部分の周波数特性を示している。つまり、図３（ｂ）のグラフは、第１の圧電体層３ａの厚さと第２の圧電体層３ｂの厚さとの比が、「２：１」となる部分の周波数特性を表している。図３（ｂ）中、曲線Ｂが、厚さの比が「２：１」となる部分における超音波プローブ１の周波数特性を表している。
【００６０】
また、図３（ｃ）のグラフは、第１の圧電体層３ａの厚さが（５Ｔ／６）で、第２の圧電体層３ｂの厚さが（Ｔ／６）となる部分の周波数特性を示している。つまり、図３（ｃ）のグラフは、第１の圧電体層３ａの厚さと第２の圧電体層３ｂの厚さとの比が、「５：１」となる部分の周波数特性を示している。図３（ｃ）中、曲線Ｃが、厚さの比が「５：１」となる部分における超音波プローブ１の周波数特性を表している。
【００６１】
図３に示す曲線Ａ、Ｂ及びＣを比較すると、第１の圧電体層３ａの厚さと第２の圧電体層３ｂの厚さとが等しい部分、つまり、中央Ｏにおける感度が最も高くなっている。そして、第２の圧電体層３ｂの厚さが薄くなって、第１の圧電体層３ａの厚さと第２の圧電体層３ｂの厚さとの比が「２：１」となる部分の感度は、図３（ｂ）に示すように、中央Ｏにおける感度よりも低くなっている。図３（ｂ）には比較のため、中央Ｏにおける周波数特性も同時に示している。なお、厚さの比が「２：１」となる部分における超音波の中心周波数は、中心Ｏにおける超音波の中心周波数よりも、比較的高周波となっている。これは、第２の圧電体層３ｂの厚さが薄くなって共振周波数が高くなるからである。
【００６２】
さらに、第２の圧電体層３ｂの厚さが薄くなって、第１の圧電体層３ａの厚さと第２の圧電体層３ｂの厚さとの比が「５：１」となる部分の感度は、図３（ｃ）に示すように、さらに感度が低くなっている。図３（ｃ）には比較のため、中央Ｏにおける周波数特性も同時に示している。
【００６３】
以上のように、圧電体層の厚さをスライス方向に変えることにより、スライス方向に音圧の重みを付けることが可能となる。この実施形態に係る圧電振動子部３の構成によると、スライス方向の中央Ｏにおける感度が最も高くなり、スライス方向の中央Ｏからスライス方向の端部に近づくほど徐々に感度が低くなる。これにより、送受信される音場はスライス方向に正ウェイティングとなるため、スライス方向における音場のサイドローブを低減し、深さ方向に均一の音場を形成することが可能となる。
【００６４】
ここで、超音波プローブによって送受信される超音波の音場分布を、図４を参照しつつ説明する。図４（ａ）は、第１の実施形態に係る超音波プローブ１によって送受信される超音波の音場分布である。図４（ｂ）は、従来技術に係る超音波プローブによって送受信される超音波の音場分布である。なお、従来技術に係る超音波プローブは、厚さＴの１層の圧電体層を備え、矩形状の音圧分布を有する超音波の送受信を行うものとする。図４において、横軸は超音波プローブの先端からの深さ方向の距離を示し、縦軸は超音波プローブのスライス方向の距離を示している。スライス方向の中心Ｏを、０［ｍｍ］としている。
【００６５】
図４には、強度が−３［ｄＢ］から−２０［ｄＢ］の超音波の音場分布を示している。第１の実施形態に係る超音波プローブ１によると、スライス方向の音場は正ウェイティングの重みが付けられているため、図４（ａ）に示すように、従来技術と比べてスライス方向のサイドローブが低減し、メインローブが絞れた音場が得られ、深さ方向に均一な音場が得られる。
【００６６】
＜（３）グレーティングロブの低減について＞
この実施形態に係る超音波プローブ１では、第１の圧電体層３ａの上面を曲面状である凹面にし、第２の圧電体層３ｂの下面を曲面状である凸面としているため、第１の圧電体層３ａ及び第２の圧電体層３ｂの厚さをスライス方向に連続的に変化させていることになる。これにより、超音波の音圧分布をスライス方向に連続的に変えることが可能となる。そのことにより、グレーティングロブを低減して、均一でアーチファクトの少ないスライス方向の音場を実現することができる。
【００６７】
一方、圧電体層の厚さをスライス方向に段階的に変化させると、グレーティングロブが発生してしまう。これに対して、この実施形態における超音波プローブ１では、圧電体層の厚さがスライス方向に連続的に変化しているため、グレーティングロブを低減することが可能となり、均一でアーチファクトの少ない音場を実現することが可能となる。
【００６８】
＜（４）素子の実効面積について＞
さらに、第１の実施形態に係る超音波プローブ１では、音圧分布に重みを付けるために、従来技術に係る超音波プローブのように、電極の面積を減らしたり、圧電体にスライス方向に溝を形成したりする必要がない。従って、素子の実効面積を減らすことなく、音圧分布にスライス方向に重みを付けることが可能となる。そして、素子の実効面積が減少しないため、超音波プローブ１と超音波診断装置本体とのインピーダンスのマッチングを劣化させることがない。その結果、感度が低減することなくスライス方向に音圧分布の重み付けが可能となる。
【００６９】
＜（５）製造工程について＞
また、第１の実施形態に係る超音波プローブ１は、従来技術に係る超音波プローブのような複雑な構成を有していないため、製造工程が複雑にならず、製造コストを上げずに製造することが可能である。つまり、圧電振動子部３の上面及び下面が平面状に形成されているため、圧電振動子部３に積層する音響整合層４及び背面材２に対して曲面加工などを施す必要がないため、特別な加工を施さずに、一般的な超音波プローブの製造工程によって第１の実施形態に係る超音波プローブ１を製造することができる。
【００７０】
従って、超音波プローブの製造性を確保しつつ、高感度特性を実現し、さらにスライス方向への音圧分布の重み付けが可能となる。そのことにより、製造性を確保しつつ、超音波画像のスライス厚の均一化、及びスライス方向のサイドローブを低減することが可能となる。また、電気回路の構造が複雑にならず、いわゆる１次元超音波プローブに用いられる電気回路を適用することができるため、製造コストを上げずに、上記の（１）から（４）の効果を奏することが可能となる。
【００７１】
［第２の実施の形態］
次に、この発明の第２の実施形態に係る超音波プローブの構成及び作用について図５を参照しつつ説明する。図５は、この発明の第２の実施形態に係る圧電振動子部の概略構成と周波数特性を示す図である。図５（ａ）は、第２の実施形態に係る圧電振動子部の概略構成を示す断面側面図であり、図５（ｂ）から図５（ｄ）は、第２の圧電振動子部の周波数特性を示す図である。
【００７２】
第２の実施形態に係る超音波プローブは、圧電振動子部の構成が第１の実施形態に係る圧電振動子部３の構成と異なる。第１の実施形態に係る超音波プローブにおいては、第１の圧電体層３ａの上面が凹面状に形成され、第２の圧電体層３ｂの下面が凸面状に形成されている。これに対して、第２の実施形態に係る超音波プローブにおいては、第１の実施形態に係る圧電振動子部３の構成と逆の構成を有している。つまり、第１の圧電体層７ａの上面が凸面状に形成され、第２の圧電体層７ｂの下面が凹面状に形成されている。以下、第２の実施形態に係る超音波プローブにおける圧電振動子部の構成について詳しく説明する。
【００７３】
図５（ａ）に示すように、第１の圧電体層７ａの下面（背面材２と接する面）は平面となっており、その下面の反対の面である上面（第２の圧電体層７ｂと接する面）は曲面状に形成され、凸面となっている。つまり、第１の圧電体層７ａは、スライス方向の中央Ｏが最も厚く形成され、スライス方向の端部に近づくにつれて徐々にその厚さが薄くなるように形成されている。
【００７４】
また、第２の圧電体層７ｂの上面（音響整合層４と接する面）は平面となっており、その上面の反対の面である下面（第１の圧電体層７ａと接する面）は曲面状に形成され、凹面となっている。つまり、第２の圧電体層７ｂは、スライス方向の中央Ｏが最も薄く形成され、スライス方向の端部に近づくにつれて徐々にその厚さが厚くなるように形成されている。
【００７５】
上面が凸面の第１の圧電体層７ａと、下面が凹面の第２の圧電体層７ｂとは、凹面に凸面が嵌ることで嵌合している。つまり、第１の圧電体層７ａの上面の形状と、第２の圧電体層７ｂの下面の形状とは、両方とも曲面状となっており、その曲面の形状が略一致し、凹面状に形成された第２の圧電体層７ｂの下面に、凸面状に形成された第１の圧電体層７ａの上面が嵌め込まれることにより、第１の圧電体層７ａと第２の圧電体層７ｂとが勘合している。
【００７６】
そして、第１の圧電体層７ａの厚さと第２の圧電体層７ｂの厚さは、スライス方向に沿って変化している。つまり、第１の圧電体層７ａは上面が凸面状に形成され、下面が平面となっているため、スライス方向の中心Ｏ付近の厚さが最も厚く、スライス方向に沿って端部に近づくほど徐々に厚さが薄くなっている。一方、第２の圧電体層７ｂは下面が凹面状に形成され、上面が平面となっているため、スライス方向の中心Ｏ付近の厚さが最も薄く、スライス方向に沿って端部に近づくほど徐々に厚さが厚くなっている。
【００７７】
また、圧電振動子部７の全体の厚さは、中央Ｏ付近であっても、端部であっても変わらず、一定である。つまり、下面が平面状に形成され、上面が凸面状に形成された第１の圧電体層７ａと、上面が平面状に形成され、下面が凹面状に形成された第２の圧電体層７ｂとが積層することにより、第１の圧電体層７ａの下面と第２の圧電体層７ｂの下面は平行な状態となり、圧電振動子部７の全体の厚さは一定となる。
【００７８】
ここで、圧電振動子部７の全体の厚さを厚さＴとする。この第２の実施形態においては、第１の圧電体層７ａのスライス方向の中央Ｏにおける厚さは（Ｔ／２）となっており、また、第２の圧電体層７ｂのスライス方向の中央Ｏにおける厚さも（Ｔ／２）となっている。つまり、スライス方向の中央Ｏにおいては、第１の圧電体層７ａと第２の圧電体層７ｂの厚さは等しくなっている。
【００７９】
そして、第１の圧電体層７ａは、スライス方向の中央Ｏからスライス方向の端部に近づくほど徐々に厚さが（Ｔ／２）から薄くなるように形成されている。一方、第２の圧電体層７ｂは、スライス方向の中央Ｏからスライス方向の端部に近づくほど徐々に厚さが（Ｔ／２）から厚くなるように形成されている。また、第１の圧電体層７ａと第２の圧電体層７ｂとを積層してなる圧電振動子部７の厚さは、中心Ｏであっても端部であっても、等しく厚さＴとなっている。
【００８０】
なお、上述した第１の実施形態と同様に、スライス方向の中央Ｏにおける第１の圧電体層７ａの厚さと第２の圧電体層７ｂの厚さとは、完全に一致しなくても良く、いずれかの圧電体層の厚さが他方の圧電体層の厚さの８０％〜１２０％の厚さとなっていても、この実施形態に係る超音波プローブの作用及び効果を奏することが可能である。
【００８１】
（作用）
上記の構成を有する超音波プローブによると、第１の実施形態に係る超音波プローブと同様に、上記（１）から（５）で説明した作用及び効果を奏することが可能となる。
【００８２】
第１の実施形態と同様に、圧電振動子部７の中央Ｏにおける電気容量は、厚さＴの１層からなる圧電体の４倍の電気容量になる。これにより、超音波プローブのインピーダンスを下げることができ、超音波プローブの感度を向上させることが可能となる。
【００８３】
また、第１の実施形態と同様に、スライス方向の中央Ｏにおける第１の圧電体層７ａの厚さと第２の圧電体層７ｂの厚さとが等しく（Ｔ／２）となるため、中央Ｏにおける感度が最も高くなる。一方、超音波の放射面側の圧電体層の厚さ、つまり、第２の圧電体層７ｂの厚さが厚くなると、感度が低下する。このとき、共振周波数が低くなるため、低周波に対して感度が高くなる。上述したように、圧電体の共振周波数は、圧電体の厚さの逆数の関数で表されるため、圧電体の厚さが厚くなれば共振周波数が低くなるからである。
【００８４】
第２の実施形態に係る超音波プローブにおいては、第１の圧電体層７ａの厚さと第２の圧電体層７ｂの厚さが等しい部分（中央Ｏ）においては、第１の圧電体層７ａの共振点と第２の圧電体層７ｂの共振点とが一致するため、感度が最も高くなり、それ以外の部分においては、超音波の放射面側にある圧電体層（第２の圧電体層７ｂ）の振動と、他の圧電体層（第２の圧電体層７ｂ）の振動との共振点がずれるため、それが互いに負荷となって感度が低くなる。
【００８５】
第２の実施形態に係る超音波プローブ１においては、スライス方向の中心Ｏにおいては第１の圧電体層７ａの厚さと第２の圧電体層７ｂの厚さを等しくすることにより、中心Ｏにおける感度を最も高くし、さらに、スライス方向の端部に近づくほど第１の圧電体層７ａの厚さを薄くし、第２の圧電体層７ｂの厚さを厚くすることにより、スライス方向の端部に近づくほど徐々に感度を低くしている。
【００８６】
これにより、スライス方向の中心Ｏにおける感度が最も高くなり、スライス方向の端部に近づくほど徐々に感度が低くなる。このように、スライス方向に音圧分布の重み付けが可能となる。
【００８７】
ここで、第２の実施形態に係る超音波プローブの感度について図５（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）を参照しつつ説明する。図５（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）において、横軸が送受信される超音波の周波数［ＭＨｚ］を示し、縦軸が送受信される超音波の強度［ｄＢ］を示している。ここでは、第１の圧電体層７ａ及び第２の圧電体層７ｂともにＰＺＴを使用し、圧電振動子部７の全体の厚さＴを４８０［μｍ］としている。従って、スライス方向の中心Ｏにおいては、第１の圧電体層７ａの厚さと第２の圧電体層７ｂの厚さは、ともに２４０［μｍ］となっている。
【００８８】
図５（ｂ）は、スライス方向の中央Ｏにおける超音波プローブの周波数特性を示すグラフである。つまり、図５（ｂ）のグラフは、第１の圧電体層７ａの厚さと第２の圧電体層７ｂの厚さが等しい部分の周波数特性を示している。図５（ｂ）中、曲線Ｄが、スライス方向の中央Ｏにおける超音波プローブの周波数特性を表している。
【００８９】
また、図５（ｃ）のグラフは、第１の圧電体層７ａの厚さが（Ｔ／３）で、第２の圧電体層７ｂの厚さが（２Ｔ／３）となる部分の周波数特性を示している。つまり、図５（ｂ）のグラフは、第１の圧電体層７ａの厚さと第２の圧電体層７ｂの厚さとの比が、「１：２」となる部分の周波数特性を表している。図５（ｃ）中、曲線Ｅが、厚さの比が「１：２」となる部分における超音波プローブの周波数特性を表している。
【００９０】
また、図５（ｄ）のグラフは、第１の圧電体層７ａの厚さが（Ｔ／６）で、第２の圧電体層７ｂの厚さが（５Ｔ／６）となる部分の周波数特性を示している。つまり、図５（ｄ）のグラフは、第１の圧電体層７ａの厚さと第２の圧電体層７ｂの厚さとの比が、「１：５」となる部分の周波数特性を示している。図５（ｄ）中、曲線Ｆが、厚さの比が「１：５」となる部分における超音波プローブの周波数特性を表している。
【００９１】
図５に示す曲線Ｄ、Ｅ及びＦを比較すると、第１の圧電体層７ａの厚さと第２の圧電体層７ｂの厚さとが等しい部分、つまり、スライス方向の中央Ｏにおける感度が最も高くなっている。そして、第１の圧電体層７ａの厚さが薄くなって、第１の圧電体層７ａの厚さと第２の圧電体層７ｂの厚さとの比が「１：２」となる部分の感度は、図５（ｃ）に示すように、中央Ｏにおける感度よりも低くなっている。図５（ｃ）には比較のため、中央Ｏにおける周波数特性も同時に示している。なお、厚さの比が「１：２」となる部分における超音波の中心周波数は、中心Ｏにおける超音波の中心周波数よりも、比較的低周波となっている。これは、第２の圧電体層７ｂの厚さが厚くなって共振周波数が低くなるからである。
【００９２】
さらに、第１の圧電体層７ａの厚さが薄くなって、第１の圧電体層７ａの厚さと第２の圧電体層７ｂの厚さとの比が「１：５」となる部分の感度は、図５（ｄ）に示すように、さらに感度が低くなっている。図５（ｄ）には比較のため、中央Ｏにおける周波数特性も同時に示している。
【００９３】
以上のように、圧電体層の厚さをスライス方向に変えることにより、スライス方向の音場の重み付けが可能となる。この実施形態に係る圧電振動子部７の構成によると、スライス方向の中央Ｏにおける感度が最も高くなり、スライス方向の中央Ｏからスライス方向の端部に近づくほど感度が低くなる。これにより、送受信される音場はスライス方向に正ウェイティングとなるため、スライス方向における音場のサイドローブが低減し、深さ方向に均一の音場が形成される。
【００９４】
また、第１の実施形態と同様に、第１の圧電体層７ａ及び第２の圧電体層７ｂの厚さをスライス方向に連続的に変化させているため、超音波の音圧分布をスライス方向に連続的に変えることが可能となる。そのことにより、グレーティングロブを低減して、均一でアーチファクトの少ないスライス方向の音場を実現することができる。
【００９５】
さらに、電極の面積を減らしたり、圧電体にスライス方向に溝を形成したりする必要がないため、素子の実行面積を減らすことなく、音圧分布にスライス方向に重みを付けることが可能となる。素子の実効面積が減少しないため、超音波プローブと超音波診断装置本体とのインピーダンスのマッチングを劣化させることがない。その結果、感度を低減することなくスライス方向に音圧分布の重み付けが可能となる。
【００９６】
また、圧電振動子部の上面及び下面は平面状に形成されているため、一般的な超音波プローブと同様の製造工程により製造することが可能となる。従って、超音波プローブの製造性を確保しつつ、高感度特性を実現し、超音波画像のスライス厚の均一化、及びスライス方向のサイドローブを低減することが可能となる。
【００９７】
［変形例］
【００９８】
次に、この発明の様々な変形例について図６を参照しつつ説明する。図６は、この発明の変形例に係る超音波プローブの概略構成を示す断面側面図である。
【００９９】
上述した第１及び第２の実施形態においては、２層の圧電体層を積層することにより圧電振動子部を構成したが、この発明は２層に限定されず、３層以上の圧電体層を積層することにより圧電振動子部を構成しても良い。
【０１００】
また、上述した第１及び第２の実施形態においては、第１の圧電体層又は第２の圧電体層の一面が凹面又は凸面となっていたが、この発明はこれらに限定されない。スライス方向の中央Ｏにおいて第１の圧電体層の厚さと第２の圧電体層の厚さとがほぼ等しく、さらに、一方の圧電体層の厚さが、中央Ｏから端部に向けて徐々に厚くなり、他方の圧電体層の厚さが、中央Ｏから端部に向けて徐々に薄くなるように形成されていても良い。例えば、第１の圧電体層と第２の圧電体層との界面の形状が、台形状、ガウス関数で表される形状、又はハミング関数で表される形状などであっても構わない。以下、これらの変形例について説明する。
【０１０１】
（変形例１）
まず、変形例１として、３層の圧電体層が積層された超音波プローブについて図６（ａ）を参照しつつ説明する。図６（ａ）に示すように、この変形例１に係る圧電振動子部は、第１の圧電体層７ａ、第２の圧電体層７ｂ、及び第３の圧電体層８を備えて構成されている。ここで、第１の圧電体層７ａと第２の圧電体層７ｂは、第２の実施形態における圧電振動子部と同じ構成を有している。つまり、第１の圧電体層７ａの上面が凸面となっており、第２の圧電体層７ｂの下面が凹面となっている。さらにこの変形例においては、第３の圧電体層８が設置されている。この第３の圧電体層８は上面及び下面ともに平面を有し、電極６ａを介して第１の圧電体層７ａの下に設置されている。この第３の圧電体層８の厚さは、第１の圧電体層７ａ及び第２の圧電体層７ｂのスライス方向の中央Ｏにおける厚さと等しくなっている。つまり、スライス方向の中央Ｏにおいては、第１の圧電体層７ａの厚さは（Ｔ／３）となっており、第２の圧電体層７ｂの厚さは（Ｔ／３）となっている。そして、第３の圧電体層８の厚さは、いずれの部分においても（Ｔ／３）となっている。
【０１０２】
また、圧電振動子部の上下面に電極６ｃ、６ｄが接続され、第１の圧電体層７ａと第２の圧電体層７ｂとの間には電極６ｂが接続されている。また、第１の圧電体層７ａと第３の圧電体層８との間には電極６ａが接続されている。電極６ａ、６ｃはＧＮＤに接続され、電極６ｂ、６ｄに電圧が印加される。
【０１０３】
このように、スライス方向の中央Ｏにおいては、全ての圧電体層の厚さが等しくなっている。これにより、スライス方向の中央Ｏにおける電気容量は、厚さＴの１層の圧電体からなる電気容量の９（＝３２）倍となる。これにより、超音波プローブのインピーダンスを下げることができ、超音波プローブの感度を向上させることが可能となる。
【０１０４】
また、スライス方向の中心Ｏにおいては第１の圧電体層７ａの厚さと第２の圧電体層７ｂの厚さを等しくすることにより、中心Ｏにおける感度を最も高くし、さらに、スライス方向の端部に近づくほど第１の圧電体層７ａの厚さを薄くし、第２の圧電体層７ｂの厚さを厚くすることにより、スライス方向の端部に近づくほど徐々に感度を低くしている。これにより、スライス方向の音場は正ウェイティングとなるため、スライス方向の音場のサイドローブが低減し、深さ方向に均一の音場が形成される。
【０１０５】
また、上述した実施形態と同様に、グレーティングロブを低減して、均一でアーチファクトの少ないスライス方向の音場を実現することができる。さらに、素子の実効面積が減少しないため、感度を低減することなくスライス方向に音圧分布の重み付けが可能となる。また、超音波プローブの製造性を確保しつつ、高感度特性を実現し、超音波画像のスライス厚の均一化、及びサイドローブを低減することが可能となる。
【０１０６】
なお、上述した第１及び第２の実施形態と同様に、スライス方向の中心Ｏにおける圧電体層の厚さが完全に一致せずに、いずれかの圧電体層の厚さが他の圧電体層の厚さの８０％〜１２０％の厚さとなっていても、この変形例に係る超音波プローブの作用及び効果を奏することが可能である。
【０１０７】
（変形例２）
次に、圧電体層の面が凹面又は凸面ではない超音波プローブについて図６（ｂ）及び（ｃ）を参照しつつ説明する。
【０１０８】
図６（ｂ）に示すように、スライス方向の中央Ｏ付近においては、第１の圧電体層９ａの上面（第２の圧電体層９ｂと接する面）は平面状に形成されている。そして、スライス方向の端部に近づくにつれて、直線的に徐々に第１の圧電体層９ａの厚さが厚くなっている。一方、スライス方向の中央Ｏ付近においては、第２の圧電体層９ｂの下面（第１の圧電体層９ａと接する面）も平面状に形成されている。そして、スライス方向の端部に近づくにつれて、直線的に徐々に第２の圧電体層９ｂの厚さが薄くなっている。
【０１０９】
また、圧電振動子部９の上面及び下面は平面状になっており、全体の厚さは、中心Ｏであっても、端部であっても同じ厚さＴとなっている。第１の圧電体層９ａ及び第２の圧電体層９ｂの平面状に形成されている部分は、厚さが等しく（Ｔ／２）となっている。
【０１１０】
上記の構成を有する超音波プローブであっても、圧電振動子部９の中央Ｏにおける電気容量は、厚さＴの１層からなる圧電体の４（＝２２）倍の電気容量になる。これにより、超音波プローブのインピーダンスを下げることができ、超音波プローブの感度を向上させることが可能となる。
【０１１１】
また、第１の圧電体層９ａと第２の圧電体層９ｂとが接する面であって、平面状に形成されている部分においては、第１の圧電体層９ａの厚さと第２の圧電体層９ｂの厚さが等しく（Ｔ／２）となるため、その部分における感度が最も高くなる。一方、スライス方向の端部に近づくほど、第１の圧電体層９ａの厚さは直線的に厚くなり、第２の圧電体層９ｂの厚さは直線的に薄くなるため、スライス方向の端部に近づくほど徐々に感度が低くなる。これにより、スライス方向の音場は正ウェイティングとなるため、スライス方向の音場のサイドローブが低減し、深さ方向に均一の音場が形成される。
【０１１２】
また、図６（ｃ）に示す圧電振動子部１０のように、第１の圧電体層１０ａと第２の圧電体層１０ｂの界面をガウス関数で表される形状や、ハミング関数で表される形状にしても良い。このような形状にしても、スライス方向の中心Ｏ付近においては、第１の圧電体層１０ａの厚さと第２の圧電体層１０ｂの厚さとをほぼ等しくすることにより、感度を向上させることが可能となる。また、スライス方向の端部に近づくにつれて、第１の圧電体層１０ａの厚さを徐々に厚くし、第２の圧電体層１０ｂの厚さを徐々に薄くすることにより、スライス方向の中心Ｏ付近の感度を最も高くし、スライス方向の端部に近づくにつれて徐々に感度を低くすることができる。これにより、スライス方向に音圧分布の重みを付け、スライス方向の音場のサイドローブを低減して、深さ方向に均一の音場を形成することが可能となる。
【０１１３】
第１の圧電体層と第２の圧電体層との界面の形状は、上記の形状以外であっても良い。スライス方向の中心Ｏ付近の厚さがほぼ等しく、スライス方向の端部に近づくにつれて徐々に一方の圧電体層の厚さが厚くなり、他方の圧電体層の厚さが薄くなるように形成されていれば、この発明の作用及び効果を奏することが可能となる。
【０１１４】
［第３の実施の形態］
次に、上述した第１の実施形態、第２の実施形態、又は変形例に係る超音波プローブを備えた超音波診断装置について図７を参照しつつ説明する。図７は、この発明の第３の実施形態に係る超音波診断装置の構成を示すブロック図である。
【０１１５】
この超音波診断装置２０は、主に、超音波プローブ１、送受信部２１、信号処理部２２、ＤＳＣ２３、画像処理部２４、表示部２５及び制御部２６を備えて構成されている。この超音波診断装置２０においては超音波プローブ１に特徴があり、それ以外の送受信部２１などは公知のものが用いられる。
【０１１６】
超音波プローブ１には、上述した第１の実施形態に係る超音波プローブ１が用いられる。また、第２の実施形態に係る超音波プローブ、又は変形例に係る超音波プローブを用いても良い。送受信部２１は送信部と受信部とからなり、超音波プローブ１に電気信号を供給して超音波を発生させるとともに、超音波プローブ１が受信したエコー信号を受信する。なお、送受信部２１がこの発明の「送受信手段」に相当する。
【０１１７】
信号処理部２２は、公知のＢモード処理回路、ドプラ処理回路又はカラーモード処理回路を備えている。送受信部２１から出力されたデータはいずれかの処理回路にて所定の処理を施される。Ｂモード処理回路はエコーの振幅情報の映像化を行い、エコー信号からＢモード超音波ラスタデータを生成する。ドプラ処理回路はドプラ偏移周波数成分を取り出し、更にＦＦＴ処理等を施して血流情報を有するデータを生成する。カラーモード処理回路は動いている血流情報の映像化を行い、カラー超音波ラスタデータを生成する。血流情報には、速度、分散、パワー等の情報があり、血流情報は２値化情報として得られる。
【０１１８】
ＤＳＣ２３（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｃａｎ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）は、直交座標系で表される画像を得るために、超音波ラスタデータを直交座標で表されるデータに変換する（スキャンコンバージョン処理）。例えば、Ｂモード処理回路から出力されたデータに対してスキャンコンバージョン処理が施されると、被検体の組織形状を２次元情報として表す断層像データが生成される。画像処理部２４は各種画像処理を行う。例えば、断層像データからボクセルデータを生成し、更に、ボリュームレンダリング処理を行って３次元画像データなどを生成する。なお、信号処理部２２、ＤＳＣ２３及び画像処理部２４がこの発明の「画像生成手段」に相当する。
【０１１９】
表示部２５は液晶ディスプレイなどのモニタからなり、断層像や３次元画像などが表示される。制御部２６はＣＰＵからなり、記憶部（図示しない）に記憶されている制御プログラムや画像生成プログラムなどを実行することにより各処理部の制御を行う。記憶部はＲＯＭなどのメモリやハードディスクなどからなり、画像データ、各種設定条件及びプログラムなどが記憶されている。その他、ジョイスティックなどのポインティングデバイス、スイッチ又はＴＣＳ（Ｔｏｕｃｈ Ｃｏｍｍａｎｄ Ｓｃｒｅｅｎ）などの操作部（図示しない）が備えられ、超音波の送受信条件などに関する各種設定が操作者により入力される。
【０１２０】
この発明の実施形態に係る超音波プローブ又は変形例に係る超音波プローブを備えた超音波診断装置２０によれば、スライス方向の音場のサイドローブを低減することができ、さらに、深さ方向に均一な音場が形成されるため、スライス厚が均一な超音波画像を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０１２１】
【図１】この発明の第１の実施形態に係る超音波プローブの概略構成を示す斜視図である。
【図２】この発明の第１の実施形態に係る超音波プローブの概略構成を示す断面側面図である。
【図３】この発明の第１の実施形態に係る超音波プローブの周波数特性を示すグラフである。
【図４】この発明の第１の実施形態に係る超音波プローブにより超音波を送信又は受信する際に形成される音場分布である。
【図５】この発明の第２の実施形態に係る圧電振動子部の概略構成と周波数特性を示す図である。
【図６】この発明の変形例に係る超音波プローブの概略構成を示す断面側面図である。
【図７】この発明の第３の実施形態に係る超音波診断装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【０１２２】
１ 超音波プローブ
２ 背面材
３、７、９、１０ 圧電振動子部
３ａ、７ａ、９ａ、１０ａ 第１の圧電体層
３ｂ、７ｂ、９ｂ、１０ｂ 第２の圧電体層
４ 音響整合層
５ 音響レンズ
６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ 電極
８ 第３の圧電体層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面及び下面に電極が設けられ、電圧が印加されることで超音波を送信し、また、超音波を受信する圧電振動子部を備えた超音波プローブであって、
前記圧電振動子部は、複数の圧電体が走査方向に配列された圧電体層が電極を介して複数層積層され、
前記複数の圧電体層のうち少なくとも互いに接する２層の圧電体層の厚さが、前記走査方向に直交するスライス方向に徐々に変化していることを特徴とする超音波プローブ。
【請求項２】
前記少なくとも互いに接する２層の圧電体層の前記走査方向に直交するスライス方向の略中心における厚さがほぼ等しいことを特徴する請求項１に記載の超音波プローブ。
【請求項３】
前記少なくとも互いに接する２層の圧電体層のうち、一方の圧電体層の前記走査方向に直交するスライス方向の略中心における厚さが、他方の圧電体層の前記走査方向に直交するスライス方向の略中心における厚さの８０〜１２０％の厚さであることを特徴とする請求項１に記載の超音波プローブ。
【請求項４】
前記少なくとも互いに接する２層の圧電体層のうち、一方の圧電体層は、前記走査方向に直交するスライス方向の端部に近づくにつれて徐々に厚さが厚くなり、他方の圧電体層は、前記走査方向に直交するスライス方向の端部に近づくにつれて徐々に厚さが薄くなることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の超音波プローブ。
【請求項５】
前記少なくとも互いに接する２層の圧電体層は、他方の圧電体層と接している面が曲線状に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の超音波プローブ。
【請求項６】
前記少なくとも互いに接する２層の圧電体層のうち、一方の圧電体層の一方の面が凸面状に形成され、他方の圧電体層の一方の面が凹面状に形成され、前記凸面状に形成された面と前記凹面状に形成された面とが嵌合していることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の超音波プローブ。
【請求項７】
前記圧電振動子部の上面及び下面は、平面状に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の超音波プローブ。
【請求項８】
複数の圧電体が走査方向に配列された圧電体層が電極を介して複数層積層された圧電振動子部を有し、前記複数の圧電体層のうち少なくとも互いに接する２層の圧電体層の厚さが、前記走査方向に直交するスライス方向に徐々に変化している超音波プローブと、
前記超音波プローブにより被検体に対して超音波を送受信させる送受信手段と、
前記送受信手段が受信した前記被検体からの反射波に基づいて超音波画像を生成する画像生成手段と、
を有することを特徴とする超音波診断装置。
【請求項９】
前記少なくとも互いに接する２層の圧電体層のうち、一方の圧電体層の前記走査方向に直交するスライス方向の略中心における厚さが、他方の圧電体層の前記走査方向に直交するスライス方向の略中心における厚さの８０〜１２０％の厚さであることを特徴とする請求項８に記載の超音波診断装置。
【請求項１０】
前記少なくとも互いに接する２層の圧電体層のうち、一方の圧電体層は、前記走査方向に直交するスライス方向の端部に近づくにつれて徐々に厚さが厚くなり、他方の圧電体層は、前記走査方向に直交するスライス方向の端部に近づくにつれて徐々に厚さが薄くなることを特徴とする請求項８又は請求項９のいずれかに記載の超音波診断装置。
【請求項１】
上面及び下面に電極が設けられ、電圧が印加されることで超音波を送信し、また、超音波を受信する圧電振動子部を備えた超音波プローブであって、
前記圧電振動子部は、複数の圧電体が走査方向に配列された圧電体層が電極を介して複数層積層され、
前記複数の圧電体層のうち少なくとも互いに接する２層の圧電体層の厚さが、前記走査方向に直交するスライス方向に徐々に変化していることを特徴とする超音波プローブ。
【請求項２】
前記少なくとも互いに接する２層の圧電体層の前記走査方向に直交するスライス方向の略中心における厚さがほぼ等しいことを特徴する請求項１に記載の超音波プローブ。
【請求項３】
前記少なくとも互いに接する２層の圧電体層のうち、一方の圧電体層の前記走査方向に直交するスライス方向の略中心における厚さが、他方の圧電体層の前記走査方向に直交するスライス方向の略中心における厚さの８０〜１２０％の厚さであることを特徴とする請求項１に記載の超音波プローブ。
【請求項４】
前記少なくとも互いに接する２層の圧電体層のうち、一方の圧電体層は、前記走査方向に直交するスライス方向の端部に近づくにつれて徐々に厚さが厚くなり、他方の圧電体層は、前記走査方向に直交するスライス方向の端部に近づくにつれて徐々に厚さが薄くなることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の超音波プローブ。
【請求項５】
前記少なくとも互いに接する２層の圧電体層は、他方の圧電体層と接している面が曲線状に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の超音波プローブ。
【請求項６】
前記少なくとも互いに接する２層の圧電体層のうち、一方の圧電体層の一方の面が凸面状に形成され、他方の圧電体層の一方の面が凹面状に形成され、前記凸面状に形成された面と前記凹面状に形成された面とが嵌合していることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の超音波プローブ。
【請求項７】
前記圧電振動子部の上面及び下面は、平面状に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の超音波プローブ。
【請求項８】
複数の圧電体が走査方向に配列された圧電体層が電極を介して複数層積層された圧電振動子部を有し、前記複数の圧電体層のうち少なくとも互いに接する２層の圧電体層の厚さが、前記走査方向に直交するスライス方向に徐々に変化している超音波プローブと、
前記超音波プローブにより被検体に対して超音波を送受信させる送受信手段と、
前記送受信手段が受信した前記被検体からの反射波に基づいて超音波画像を生成する画像生成手段と、
を有することを特徴とする超音波診断装置。
【請求項９】
前記少なくとも互いに接する２層の圧電体層のうち、一方の圧電体層の前記走査方向に直交するスライス方向の略中心における厚さが、他方の圧電体層の前記走査方向に直交するスライス方向の略中心における厚さの８０〜１２０％の厚さであることを特徴とする請求項８に記載の超音波診断装置。
【請求項１０】
前記少なくとも互いに接する２層の圧電体層のうち、一方の圧電体層は、前記走査方向に直交するスライス方向の端部に近づくにつれて徐々に厚さが厚くなり、他方の圧電体層は、前記走査方向に直交するスライス方向の端部に近づくにつれて徐々に厚さが薄くなることを特徴とする請求項８又は請求項９のいずれかに記載の超音波診断装置。
【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２００８−６６９７２（Ｐ２００８−６６９７２Ａ）
【公開日】平成２０年３月２１日（２００８．３．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２４１６６６（Ｐ２００６−２４１６６６）
【出願日】平成１８年９月６日（２００６．９．６）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（５９４１６４５４２）東芝メディカルシステムズ株式会社 (4,066)
【出願人】（５９４１６４５３１）東芝医用システムエンジニアリング株式会社 (892)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年３月２１日（２００８．３．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年９月６日（２００６．９．６）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（５９４１６４５４２）東芝メディカルシステムズ株式会社 (4,066)
【出願人】（５９４１６４５３１）東芝医用システムエンジニアリング株式会社 (892)
【Ｆターム（参考）】
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