超音波探触子
【課題】圧電体の動作を阻害することなく、広い周波数帯域において振動子の感度を向上させて、ハーモニック・イメージングにも適応できる広帯域かつ高感度な超音波探触子を提供する。
【解決手段】この超音波探触子は、超音波を送信及び／又は受信する複数の振動子を含む振動子アレイであって、複数の振動子の各々が、第１の電極と第２の電極との間に並列に配置されて互いに異なる周波数定数を有する複数の圧電体を含む振動子アレイと、振動子アレイの第１の面上に配置された少なくとも１層の音響整合層と、振動子アレイの第１の面と反対側の第２の面上に配置されたバッキング材とを具備する。
【解決手段】この超音波探触子は、超音波を送信及び／又は受信する複数の振動子を含む振動子アレイであって、複数の振動子の各々が、第１の電極と第２の電極との間に並列に配置されて互いに異なる周波数定数を有する複数の圧電体を含む振動子アレイと、振動子アレイの第１の面上に配置された少なくとも１層の音響整合層と、振動子アレイの第１の面と反対側の第２の面上に配置されたバッキング材とを具備する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、医療用や構造物探傷用の超音波診断装置において超音波を送信及び／又は受信する複数の超音波トランスデューサを含む超音波探触子に関し、特に、広帯域の超音波の送受信に好適な超音波探触子に関する。
【背景技術】
【０００２】
医療分野においては、被検体の内部を観察して診断を行うために、様々な撮像技術が開発されている。特に、超音波を送受信することによって被検体の内部情報を取得する超音波撮像は、リアルタイムで画像観察を行うことができる上に、Ｘ線写真やＲＩ（radio isotope）シンチレーションカメラ等の他の医用画像技術と異なり、放射線による被曝がない。そのため、超音波撮像は、安全性の高い撮像技術として、産科領域における胎児診断の他、婦人科系、循環器系、消化器系等を含む幅広い領域において利用されている。
【０００３】
超音波撮像とは、音響インピーダンスが異なる領域の境界（例えば、構造物の境界）において超音波が反射される性質を利用する画像生成技術である。通常、超音波診断装置（又は、超音波撮像装置、超音波観測装置とも呼ばれる）には、被検体に接触させて用いられる超音波探触子や、被検体の体腔内に挿入して用いられる超音波探触子が備えられている。あるいは、被検体内を光学的に観察する内視鏡と体腔内用の超音波探触子とを組み合わせた超音波内視鏡も使用されている。
【０００４】
超音波探触子において超音波を送信及び／又は受信する超音波トランスデューサとしては、例えば、圧電体の両端に電極を形成した圧電振動子が用いられる。振動子の電極に電圧を印加すると、圧電体が伸縮して超音波が発生する。さらに、複数の振動子を１次元又は２次元状に配列し、所定の遅延を与えた複数の駆動信号によって駆動することにより、超音波ビームを所望の方向に向けて形成することができる。一方、振動子は、伝播する超音波を受信することによって伸縮し、電気信号を発生する。この電気信号は、超音波の受信信号として用いられる。
【０００５】
近年においては、ハーモニック・イメージング等の手法の有用性をさらに引き出すために、超音波診断装置に対して広帯域化が要望されており、超音波探触子において、振動子の周波数特性をいかにして広帯域化するかが課題となっている。
【０００６】
関連する技術として、特許文献１には、ハーモニック・イメージングに適応する広帯域の周波数特性及び高感度特性を有し、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を目的とした超音波プローブが開示されている。この超音波プローブは、
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積層された圧電振動子部を有し、複数の圧電体層の内で少なくとも１層の圧電体層を構成する圧電体が、圧電材料部と非圧電材料部とが混在する複合圧電体からなることを特徴としている。
【０００７】
これにより、非圧電材料部と圧電体層とが積層された領域においては、圧電材料部と圧電体層とが積層された領域におけるよりも、高い周波数の感度が高くなる。しかしながら、非圧電材料部は電界が印加されても伸縮しないので、非圧電材料部と圧電材料部との間でずれ応力が発生し、亀裂が生じるおそれもある。
【特許文献１】特開２００６−３２０４１５号公報（第１−２頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、上記の点に鑑み、本発明は、圧電体の動作を阻害することなく、広い周波数帯域において振動子の感度を向上させて、ハーモニック・イメージングにも適応できる広帯域かつ高感度な超音波探触子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】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明の１つの観点に係る超音波探触子は、超音波を送信及び／又は受信する複数の振動子を含む振動子アレイであって、複数の振動子の各々が、第１の電極と第２の電極との間に並列に配置されて互いに異なる周波数定数を有する複数の圧電体を含む振動子アレイと、振動子アレイの第１の面上に配置された少なくとも１層の音響整合層と、振動子アレイの第１の面と反対側の第２の面上に配置されたバッキング材とを具備する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、各々の振動子が、第１の電極と第２の電極との間に並列に配置されて互いに異なる周波数定数を有する複数の圧電体を含むことにより、圧電体の動作を阻害することなく、広い周波数帯域において振動子の感度を向上させて、ハーモニック・イメージングにも適応できる広帯域かつ高感度な超音波探触子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。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。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る超音波探触子の内部構造を模式的に示す斜視図である。この超音波探触子は、被検体に当接して体腔外走査を行う際に、又は、被検体の体腔内に挿入して体腔内走査を行う際に用いられる。
【００１２】
図１に示すように、超音波探触子は、バッキング材１と、バッキング材１上に配置された複数の超音波トランスデューサ（圧電振動子）２と、振動子間における干渉を低減し、振動子の横方向の振動を抑えて振動子が縦方向のみに振動するようにするために、複数の振動子２の間や周囲に充填されたエポキシ樹脂等の充填材３と、振動子２上に設けられた少なくとも１層の音響整合層（図１においては、２層の音響整合層４ａ及び４ｂを示す）と、必要に応じて音響整合層上に設けられる音響レンズ５とを有している。本実施形態においては、アジマス方向（Ｘ軸方向）に並べられた複数の振動子２が、１次元振動子アレイを構成している。
【００１３】
図２は、本発明の第１の実施形態に係る超音波探触子において用いられる振動子を示す側面図である。各々の振動子２は、バッキング材１（図１）上に配置された個別電極２ａと、個別電極２ａ上に並列に配置された２種類の圧電体Ａ及びＢを含む圧電体層２ｂと、圧電体層２ｂ上に配置された共通電極２ｃとを含んでいる。なお、圧電体Ａ及びＢの分極方向は、Ｚ軸方向である。
【００１４】
圧電体層２ｂにおいて、エレベーション方向（Ｙ軸方向）に隣接する２つの圧電体Ａ及びＢの間には、接着剤又はエポキシ樹脂等の充填材を含む絶縁体２ｄが充填されている。絶縁体２ｄは、高絶縁性を有しており、比抵抗が１×１０１２Ωｃｍ以上であることが望ましい。これによって、個別電極２ａと共通電極２ｃとの間の電気的絶縁が保たれる。また、絶縁体２ｄのショアー硬度Ｄは、６５よりも小さいことが望ましい。
【００１５】
通常、複数の振動子の共通電極２ｃは、接地電位（ＧＮＤ）に共通接続される。また、複数の振動子の個別電極２ａは、例えば、バッキング材１の前面及び背面に配置される２枚のＦＰＣ（フレキシブルプリント基板）に形成されたプリント配線を介してケーブル（シールドケーブル）に接続され、さらに、ケーブルを介して超音波診断装置本体内の電子回路に接続される。
【００１６】
振動子２は、超音波診断装置本体から供給される駆動信号に基づいて超音波を発生する。また、振動子２は、被検体から伝播する超音波エコーを受信することにより、電気信号を発生する。この電気信号は超音波診断装置本体に出力され、超音波エコーの受信信号として処理される。
【００１７】
再び図１を参照すると、振動子２の前面に配置された音響整合層４ａ及び４ｂは、例えば、超音波を伝播し易いパイレックス（登録商標）ガラスや金属粉入りエポキシ樹脂等によって形成されており、生体である被検体と振動子２との間の音響インピーダンスのマッチングを図っている。これにより、振動子２から送信される超音波が効率良く被検体中に伝播する。
【００１８】
音響レンズ５は、例えば、シリコーンゴムによって形成されており、超音波トランスデューサアレイ１２から送信され、音響整合層４ａ及び４ｂを伝播した超音波ビームを、被検体内の所定の深度において集束させる。
【００１９】
図２に示す振動子において、圧電体Ａ及びＢは、互いに異なる周波数定数Ｎを有している。周波数定数Ｎは、次式（１）に示すように、圧電体の共振周波数ｆＲ（Ｈｚ）と圧電体の伝播方向の長さＬ（ｍ）との積によって表される。周波数定数Ｎの単位は、ｍ・Ｈｚである。
Ｎ＝ｆＲ×Ｌ ・・・（１）
周波数定数は、圧電体の振動モードによって表現が異なり、棒状の圧電体の長手方向の振動モードにおける周波数定数はＮ３３と表現される。
【００２０】
圧電体Ａ及びＢに関するその他の条件としては、比誘電率ε３３及び等価圧電定数ｄ３３が、圧電体Ａと圧電体Ｂとの間で近い値を取ることが望ましい。比誘電率ε３３は、振動子の駆動効率に影響し、等価圧電定数ｄ３３は、振動子の送受信感度に影響するからである。
【００２１】
図３は、図２に示す振動子において第１組の圧電体を用いた第１の実施例の周波数特性を示す図である。第１の実施例においては、圧電体Ａとして、Ｂａ（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｏ３（Ｃｅｒａｃｏｍｐ社製）が用いられ、圧電体ＢとしてＣ−９１Ｈ（富士セラミックス社製）が用いられる。圧電体Ａは、実線で示す第１の周波数特性を有する超音波出力を生じ、圧電体Ｂは、破線で示す第２の周波数特性を有する超音波出力を生じる。第１の周波数特性と第２の周波数特性とが交差する周波数において、圧電体Ａ及びＢの超音波出力は、それぞれのピーク値の０．９倍程度である。
【００２２】
一般に、１つの振動子に含まれている複数の圧電体が複数の異なる周波数特性を有する超音波出力をそれぞれ生じる場合において、振動子の周波数特性が複数のピークを持たないためには、複数の異なる周波数特性の内で隣接する２つの周波数特性が交差する周波数において、隣接する２つの周波数特性の各々における超音波出力がそれぞれのピーク値の０．５倍以上となるように、複数の圧電体の材料を設定することが望ましい。
【００２３】
圧電体Ａ及びＢの周波数特性において、次式（２）に従って、周波数帯域幅ＢＷ（％）が求められる。
ＢＷ（％）＝１００×（ｆＨ−ｆＬ）／ｆＣ ・・・（２）
ここで、周波数ｆＬ及びｆＨは、音圧がピーク値から６ｄＢ減衰する２つの周波数であり（ｆＬ＜ｆＨ）、周波数ｆＣは、次式（３）によって表されるように、周波数ｆＬと周波数ｆＨとの中心周波数である。
ｆＣ＝（ｆＬ＋ｆＨ）／２ ・・・（３）
【００２４】
第１の実施例によれば、圧電体層２ｂを圧電体Ａのみで形成した場合の周波数帯域幅が約７０％であり、圧電体層２ｂを圧電体Ｂのみで形成した場合の周波数帯域幅が約７０％であるのに対し、圧電体層２ｂを圧電体Ａ及びＢで形成した場合の周波数帯域幅は約８５％となり、広帯域化が実現されている。なお、受信時における周波数帯域も、送信時における周波数帯域と同様に広帯域化される。
【００２５】
図４は、図２に示す振動子において第２組の圧電体を用いた第２の実施例の周波数特性を示す図である。第２の実施例においては、圧電体Ａとして、ＰＭＮ−ＰＴ（ＭＩＣＲＯＦＩＮＥ社製）が用いられ、圧電体ＢとしてＣ−２１３（富士セラミックス社製）が用いられる。圧電体Ａは、実線で示す第１の周波数特性を有する超音波出力を生じ、圧電体Ｂは、破線で示す第２の周波数特性を有する超音波出力を生じる。第１の周波数特性と第２の周波数特性とが交差する周波数において、圧電体Ａ及びＢの超音波出力は、それぞれのピーク値の０．６倍程度である。
【００２６】
第２の実施例によれば、圧電体層２ｂを圧電体Ａのみで形成した場合の周波数帯域幅が約１００％であり、圧電体層２ｂを圧電体Ｂのみで形成した場合の周波数帯域幅が約６０％であるのに対し、圧電体層２ｂを圧電体Ａ及びＢで形成した場合の周波数帯域幅は約１２０％となり、広帯域化が実現されている。なお、受信時における周波数帯域も、送信時における周波数帯域と同様に広帯域化される。
【００２７】
図５は、本発明の各実施形態において使用することができる圧電材料の性能を示す表である。図５においては、それぞれの圧電材料について、材料のタイプ、組成、周波数定数Ｎ３３、電気機械結合係数ｋ３３、比誘電率ε３３、及び、等価圧電定数ｄ３３が示されている。これらの内から、上記のように適切な圧電材料の組合せが選択されて、圧電体Ａ及びＢとして使用される。
【００２８】
ここで、圧電体Ａ及びＢの比誘電率ε３３の値が異なる場合には、圧電体Ａの部分における静電容量と圧電体Ｂの部分における静電容量とに差が生じてしまう。静電容量は、振動子の駆動効率に影響するので、静電容量を均一にするために、圧電体Ａ及びＢの比誘電率ε３３の値に応じて圧電体Ａ及びＢのサイズが異なるようにしても良い。
【００２９】
図６は、本発明の第１の実施形態に係る超音波探触子において用いられる振動子の第１の変形例を示す側面図である。第１の変形例においては、圧電体Ａとして、比誘電率ε３３が１６７０であるＢａ（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｏ３（Ｃｅｒａｃｏｍｐ社製）が用いられ、圧電体Ｂとして、比誘電率ε３３が４４３０であるＣ−９１Ｈ（富士セラミックス社製）が用いられる。
【００３０】
圧電体Ａ及びＢの比誘電率ε３３の比が約１：２．７であるので、エレベーション方向（Ｙ軸方向）における圧電体Ａ及びＢの長さの比が約２．７：１とされている。アジマス方向（Ｘ軸方向）における圧電体Ａ及びＢの幅は同一である。これにより、圧電体Ａと個別電極２ａとの間の接触面積が、圧電体Ｂと個別電極２ａとの間の接触面積の約２．７倍となり、圧電体Ａと共通電極２ｃとの間の接触面積が、圧電体Ｂと共通電極２ｃとの間の接触面積の約２．７倍となるので、圧電体Ａの部分における静電容量と圧電体Ｂの部分における静電容量とが均一になって駆動効率が均一化される。
【００３１】
一般には、１つの振動子に含まれている複数の圧電体が複数の異なる比誘電率をそれぞれ有する場合において、複数の圧電体の電極接触面積を必ずしも比誘電率ε３３の比に合わせて決定する必要はなく、比誘電率ε３３が小さい方の圧電体の電極接触面積を、比誘電率ε３３が大きい方の圧電体の電極接触面積よりも大きくすれば、それなりの効果が得られる。さらに、送受信感度に影響する圧電定数ｄ３３を考慮して、圧電体のサイズを決定することが望ましい。
【００３２】
図７は、本発明の第１の実施形態に係る超音波探触子において用いられる振動子の第２の変形例を示す側面図である。第２の変形例においては、３種類の圧電体Ａ〜Ｃが用いられる。振動子２は、バッキング材１（図１）上に配置された個別電極２ａと、個別電極２ａ上に並列に配置された３種類の圧電体Ａ〜Ｃを含む圧電体層２ｂと、圧電体層２ｂ上に配置された共通電極２ｃとを含んでいる。圧電体層２ｂにおいて、エレベーション方向（Ｙ軸方向）に隣接する２つの圧電体の間には、絶縁体２ｄが充填されている。さらに、４種類以上の圧電体を用いるようにしても良い。
【００３３】
次に、図２に示す振動子の製造方法について説明する。
図８は、図２に示す振動子の製造方法を説明するための図である。
まず、図８の（ａ）に示すように、周波数定数の異なる圧電体Ａ及びＢの各々をスライス片に加工し、それらを交互に配列して、接着剤又はエポキシ樹脂等の充填材（絶縁体２ｄ）を用いて接着することにより、圧電体層２ｂが形成される。ここで、圧電体Ａ及びＢの長さＬＡ及びＬＢ（Ｙ軸方向）は、例えば、０．３０ｍｍであり、圧電体Ａ及びＢの厚さｔ（Ｚ軸方向）は、例えば、０．６０ｍｍである。
【００３４】
次に、図８の（ｂ）に示すように、圧電体層２ｂの下面及び上面に、個別電極２ａ及び共通電極２ｃがそれぞれ形成される。次に、ダイシングソーを用いて、個別電極２ａ及び共通電極２ｃが形成された圧電体層２ｂを、一点鎖線に沿って所定の幅で切断することにより、図８の（ｃ）に示すような振動子が完成する。圧電体層２ｂの幅Ｗ（Ｘ軸方向）は、例えば、０．２０ｍｍである。
【００３５】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。第２の実施形態に係る超音波探触子は、第１の実施形態に係る超音波探触子の１次元振動子アレイにおいて、積層型の振動子を用いたものである。その他の点に関しては、第１の実施形態と同様である。
【００３６】
図９は、本発明の第１の実施形態と第２の実施形態とにおける振動子の構造を比較して示す図である。第１の実施形態においては、図９の（ａ）に示すように、振動子が、個別電極２ａと共通電極２ｃとの間に並列に配置された２種類の圧電体Ａ及びＢを含んでいる。
【００３７】
一方、第２の実施形態においては、図９の（ｂ）に示すように、振動子が、下部電極層２ｅと上部電極層２ｈとの間に内部電極層２ｆ及び２ｇを挟んで交互に積層された複数の圧電体Ａと、下部電極層２ｅと上部電極層２ｈとの間に内部電極層２ｆ及び２ｇを挟んで交互に積層された複数の圧電体Ｂと、絶縁膜２ｉと、第１の側面電極２ｊと、第２の側面電極（図示せず）とを含んでおり、積層構造を有している。
【００３８】
ここで、下部電極層２ｅは、第１の側面電極２ｊに接続されていると共に、第２の側面電極から絶縁されている。上部電極層２ｈは、第２の側面電極に接続されていると共に、第１の側面電極２ｊから絶縁されている。また、内部電極層２ｆは、第２の側面電極に接続されていると共に、絶縁膜２ｉによって第１の側面電極２ｊから絶縁されている。一方、内部電極層２ｇは、第１の側面電極２ｊに接続されていると共に、絶縁膜２ｉによって第２の側面電極から絶縁されている。複数の電極をこのように形成することにより、３層の圧電体に電界を印加するための３組の電極が並列に接続される。なお、圧電体の層数は、３層に限られず、２層又は４層以上としても良い。
【００３９】
このような積層型圧電振動子においては、対向する電極の面積が単層型圧電振動子よりも増加するので、電気的インピーダンスが低下する。従って、同じサイズの単層型圧電振動子と比較して、印加される電圧に対して効率良く動作する。具体的には、圧電体層をＮ層とすると、圧電体層の数は単層型圧電振動子のＮ倍となり、各圧電体層の厚さは単層型圧電振動子の１／Ｎ倍となるので、振動子の電気インピーダンスは１／Ｎ２倍となる。従って、圧電体層の積層数を増減させることにより、振動子の電気的インピーダンスを調整できるので、駆動回路又は信号ケーブルとの電気的インピーダンスマッチングを図り易くなり、感度を向上させることができる。
【００４０】
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。第３の実施形態に係る超音波探触子は、第１の実施形態に係る超音波探触子の１次元振動子アレイの替わりに、２次元振動子アレイを用いたものである。その他の点に関しては、第１の実施形態と同様である。
【００４１】
図１０は、本発明の第３の実施形態に係る超音波探触子の内部構造を模式的に示す平面図である。図１０においては、圧電体の配列を示すために、共通電極と、音響整合層と、音響レンズとが省略されている。この超音波探触子は、被検体に当接して体腔外走査を行う際に、又は、被検体の体腔内に挿入して体腔内走査を行う際に用いられる。
【００４２】
図１０に示すように、超音波探触子は、バッキング材１と、バッキング材１上に配置された複数の超音波トランスデューサ（圧電振動子）６と、複数の振動子６の間や周囲に充填されたエポキシ樹脂等の充填材３とを有している。さらに、図１に示すのと同様に、超音波探触子は、振動子６上に設けられた少なくとも１層の音響整合層と、必要に応じて音響整合層上に設けられる音響レンズとを有している。本実施形態においては、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に並べられた複数の振動子６が、２次元振動子アレイを構成している。
【００４３】
図１１は、本発明の第３の実施形態に係る超音波探触子において用いられる振動子の構造を示す斜視図である。振動子６は、バッキング材１（図１０）上に配置された個別電極６ａと、個別電極６ａ上に並列に配置された２種類の圧電体Ａ及びＢを含む圧電体層６ｂと、圧電体層６ｂ上に配置された共通電極６ｃとを含んでいる。圧電体層６ｂにおいて、隣接する複数の圧電体の間には、接着剤又はエポキシ樹脂等の充填材を含む絶縁体６ｄが充填されている。
【００４４】
圧電体Ａ及びＢとしては、第１の実施形態において説明したものと同じものを用いることができる。なお、圧電体Ａ及びＢの分極方向はＺ軸方向である。また、絶縁体６ｄは、高絶縁性を有しており、比抵抗が１×１０１２Ωｃｍ以上であることが望ましい。これによって、個別電極６ａと共通電極６ｃとの間の電気的絶縁が保たれる。また、絶縁体６ｄのショアー硬度Ｄは、６５よりも小さいことが望ましい。
【００４５】
通常、複数の振動子の共通電極６ｃは、接地電位（ＧＮＤ）に共通接続される。また、複数の振動子の個別電極６ａは、例えば、バッキング材１の内部に配置された引出し線を介してケーブル（シールドケーブル）に接続され、さらに、ケーブルを介して超音波診断装置本体内の電子回路に接続される。
【００４６】
振動子６は、超音波診断装置本体から供給される駆動信号に基づいて超音波を発生する。また、振動子６は、被検体から伝播する超音波エコーを受信することにより、電気信号を発生する。この電気信号は超音波診断装置本体に出力され、超音波エコーの受信信号として処理される。
【００４７】
圧電体Ａ及びＢの比誘電率ε３３の値が異なる場合には、圧電体Ａの部分における静電容量と圧電体Ｂの部分における静電容量とを均一にするために、圧電体Ａ及びＢの比誘電率ε３３の値に応じて圧電体Ａ及びＢのサイズが異なるようにしても良い。さらに、送受信感度に影響する圧電定数ｄ３３を考慮して、圧電体Ａ及びＢのサイズを決定することが望ましい。また、３種類以上の圧電体を用いるようにしても良い。
【００４８】
次に、図１１に示す振動子の製造方法について説明する。
図１２は、図１１に示す振動子の製造方法を説明するための図である。
まず、図８の（ａ）に示すように、周波数定数の異なる板状の圧電体Ａ及びＢの各々を、ＬＩＧＡ（Lithographie Galvanoformung Abformung）プロセス又はダイシングソーを用いて加工することにより、複数の角柱が２次元状に配置された構造物が作製される。角柱の底面における一辺の長さＬＣ（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）は、例えば、５０μｍである。
【００４９】
次に、加工された圧電体Ａと圧電体Ｂとを向かい合わせて、圧電体Ａの角柱と圧電体Ｂの角柱とを噛み合わせ、接着剤又はエポキシ樹脂等の充填材（絶縁体６ｄ）を隙間に充填して固定することにより、図１２の（ｂ）に示すような複合圧電材料が形成される。ダイシング等によって、複合圧電材料の一部を切り出すことにより、図１１に示すような振動子が完成する。
【００５０】
図１３は、本発明の第３の実施形態に係る超音波探触子において用いられる振動子の変形例を示す平面図であり、図１４は、図１３に示す振動子の側面図である。圧電体の配列を示すために、図１３においては、共通電極７ｃが省略されており、図１４においては、絶縁体７ｄが省略されている。
【００５１】
振動子７は、バッキング材１（図１０）上に配置された個別電極７ａと、個別電極７ａ上に並列に配置されたファイバー状の２種類の圧電体Ａ及びＢを含む圧電体層７ｂと、圧電体層７ｂ上に配置された共通電極７ｃとを含んでいる。圧電体層７ｂにおいて、隣接する複数の圧電体の間及び周囲には、接着剤又はエポキシ樹脂等の充填材を含む絶縁体７ｄが充填されている。
【００５２】
圧電体Ａ及びＢとしては、第１の実施形態において説明したものと同じものを用いることができる。なお、圧電体Ａ及びＢの分極方向はＺ軸方向である。また、絶縁体７ｄは、高絶縁性を有しており、比抵抗が１×１０１２Ωｃｍ以上であることが望ましい。これによって、個別電極７ａと共通電極７ｃとの間の電気的絶縁が保たれる。また、絶縁体７ｄのショアー硬度Ｄは、６５よりも小さいことが望ましい。
【００５３】
圧電体Ａ及びＢの比誘電率ε３３の値が異なる場合には、圧電体Ａの部分における静電容量と圧電体Ｂの部分における静電容量とを均一にするために、圧電体Ａ及びＢの比誘電率ε３３の値に応じて圧電体Ａ及びＢのサイズや本数が異なるようにしても良い。さらに、送受信感度に影響する圧電定数ｄ３３を考慮して、圧電体Ａ及びＢのサイズや本数を決定することが望ましい。また、３種類以上の圧電体を用いるようにしても良い。その場合には、ＰＭＮ−ＰＴとソフト材とハード材とを組み合わせることが有効である。
【００５４】
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。第４の実施形態に係る超音波探触子は、第３の実施形態に係る超音波探触子の２次元振動子アレイにおいて、積層型の圧電振動子を用いたものである。
【００５５】
図１５は、本発明の第３の実施形態と第４の実施形態とにおける振動子の構造を比較して示す図である。図１５の（ａ）に示す第３の実施形態においては、圧電振動子が、個別電極６ａと共通電極６ｃとの間に並列に配置された２種類の圧電体Ａ及びＢを含んでいる。
【００５６】
一方、第４の実施形態においては、図１５の（ｂ）に示すように、振動子が、下部電極層６ｅと上部電極層６ｈとの間に内部電極層６ｆ及び６ｇを挟んで交互に積層された複数の圧電体Ａと、下部電極層６ｅと上部電極層６ｈとの間に内部電極層６ｆ及び６ｇを挟んで交互に積層された複数の圧電体Ｂと、絶縁膜６ｉと、第１の側面電極６ｊと、第２の側面電極６ｋとを含んでおり、積層構造を有している。
【００５７】
ここで、下部電極層６ｅは、第２の側面電極６ｋに接続されていると共に、第１の側面電極６ｊから絶縁されている。上部電極層６ｈは、第１の側面電極６ｊに接続されていると共に、第２の側面電極６ｋから絶縁されている。また、内部電極層６ｆは、第１の側面電極６ｊに接続されていると共に、絶縁膜６ｉによって第２の側面電極６ｋから絶縁されている。一方、内部電極層６ｇは、第２の側面電極６ｋに接続されていると共に、絶縁膜６ｉによって第１の側面電極６ｊから絶縁されている。複数の電極をこのように形成することにより、３層の圧電体に電界を印加するための３組の電極が並列に接続される。なお、圧電体の層数は、３層に限られず、２層又は４層以上としても良い。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明は、医療用や構造物探傷用の超音波診断装置において超音波を送信及び／又は受信する複数の超音波トランスデューサを含む超音波探触子において利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る超音波探触子の内部構造を模式的に示す斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る超音波探触子において用いられる振動子を示す側面図である。
【図３】図２に示す振動子において第１組の圧電体を用いた第１の実施例の周波数特性を示す図である。
【図４】図２に示す振動子において第２組の圧電体を用いた第２の実施例の周波数特性を示す図である。
【図５】本発明の各実施形態において使用することができる圧電材料の性能を示す表である。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る超音波探触子において用いられる振動子の第１の変形例を示す側面図である。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る超音波探触子において用いられる振動子の第２の変形例を示す側面図である。
【図８】図２に示す振動子の製造方法を説明するための図である。
【図９】本発明の第１の実施形態と第２の実施形態とにおける振動子の構造を比較して示す図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る超音波探触子の内部構造を模式的に示す平面図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態に係る超音波探触子において用いられる振動子を示す斜視図である。
【図１２】図１１に示す振動子の製造方法を説明するための図である。
【図１３】本発明の第３の実施形態に係る超音波探触子において用いられる振動子の変形例を示す平面図である。
【図１４】図１３に示す振動子の側面図である。
【図１５】本発明の第３の実施形態と第４の実施形態とにおける振動子の構造を比較して示す図である。
【符号の説明】
【００６０】
１ バッキング材
２、６、７ 超音波トランスデューサ（圧電振動子）
２ａ、６ａ、７ａ 個別電極
２ｂ、６ｂ、７ｂ 圧電体
２ｃ、６ｃ、７ｃ 共通電極
２ｄ、６ｄ、７ｄ 絶縁体
２ｅ、６ｅ 下部電極層
２ｆ、６ｆ 内部電極層
２ｇ、６ｇ 内部電極層
２ｈ、６ｈ 上部電極層
２ｉ、６ｉ 絶縁膜
２ｊ、６ｊ 第１の側面電極
６ｋ 第２の側面電極
３ 充填材
４ａ、４ｂ 音響整合層
５ 音響レンズ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、医療用や構造物探傷用の超音波診断装置において超音波を送信及び／又は受信する複数の超音波トランスデューサを含む超音波探触子に関し、特に、広帯域の超音波の送受信に好適な超音波探触子に関する。
【背景技術】
【０００２】
医療分野においては、被検体の内部を観察して診断を行うために、様々な撮像技術が開発されている。特に、超音波を送受信することによって被検体の内部情報を取得する超音波撮像は、リアルタイムで画像観察を行うことができる上に、Ｘ線写真やＲＩ（radio isotope）シンチレーションカメラ等の他の医用画像技術と異なり、放射線による被曝がない。そのため、超音波撮像は、安全性の高い撮像技術として、産科領域における胎児診断の他、婦人科系、循環器系、消化器系等を含む幅広い領域において利用されている。
【０００３】
超音波撮像とは、音響インピーダンスが異なる領域の境界（例えば、構造物の境界）において超音波が反射される性質を利用する画像生成技術である。通常、超音波診断装置（又は、超音波撮像装置、超音波観測装置とも呼ばれる）には、被検体に接触させて用いられる超音波探触子や、被検体の体腔内に挿入して用いられる超音波探触子が備えられている。あるいは、被検体内を光学的に観察する内視鏡と体腔内用の超音波探触子とを組み合わせた超音波内視鏡も使用されている。
【０００４】
超音波探触子において超音波を送信及び／又は受信する超音波トランスデューサとしては、例えば、圧電体の両端に電極を形成した圧電振動子が用いられる。振動子の電極に電圧を印加すると、圧電体が伸縮して超音波が発生する。さらに、複数の振動子を１次元又は２次元状に配列し、所定の遅延を与えた複数の駆動信号によって駆動することにより、超音波ビームを所望の方向に向けて形成することができる。一方、振動子は、伝播する超音波を受信することによって伸縮し、電気信号を発生する。この電気信号は、超音波の受信信号として用いられる。
【０００５】
近年においては、ハーモニック・イメージング等の手法の有用性をさらに引き出すために、超音波診断装置に対して広帯域化が要望されており、超音波探触子において、振動子の周波数特性をいかにして広帯域化するかが課題となっている。
【０００６】
関連する技術として、特許文献１には、ハーモニック・イメージングに適応する広帯域の周波数特性及び高感度特性を有し、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を目的とした超音波プローブが開示されている。この超音波プローブは、
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積層された圧電振動子部を有し、複数の圧電体層の内で少なくとも１層の圧電体層を構成する圧電体が、圧電材料部と非圧電材料部とが混在する複合圧電体からなることを特徴としている。
【０００７】
これにより、非圧電材料部と圧電体層とが積層された領域においては、圧電材料部と圧電体層とが積層された領域におけるよりも、高い周波数の感度が高くなる。しかしながら、非圧電材料部は電界が印加されても伸縮しないので、非圧電材料部と圧電材料部との間でずれ応力が発生し、亀裂が生じるおそれもある。
【特許文献１】特開２００６−３２０４１５号公報（第１−２頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、上記の点に鑑み、本発明は、圧電体の動作を阻害することなく、広い周波数帯域において振動子の感度を向上させて、ハーモニック・イメージングにも適応できる広帯域かつ高感度な超音波探触子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】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明の１つの観点に係る超音波探触子は、超音波を送信及び／又は受信する複数の振動子を含む振動子アレイであって、複数の振動子の各々が、第１の電極と第２の電極との間に並列に配置されて互いに異なる周波数定数を有する複数の圧電体を含む振動子アレイと、振動子アレイの第１の面上に配置された少なくとも１層の音響整合層と、振動子アレイの第１の面と反対側の第２の面上に配置されたバッキング材とを具備する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、各々の振動子が、第１の電極と第２の電極との間に並列に配置されて互いに異なる周波数定数を有する複数の圧電体を含むことにより、圧電体の動作を阻害することなく、広い周波数帯域において振動子の感度を向上させて、ハーモニック・イメージングにも適応できる広帯域かつ高感度な超音波探触子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。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。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る超音波探触子の内部構造を模式的に示す斜視図である。この超音波探触子は、被検体に当接して体腔外走査を行う際に、又は、被検体の体腔内に挿入して体腔内走査を行う際に用いられる。
【００１２】
図１に示すように、超音波探触子は、バッキング材１と、バッキング材１上に配置された複数の超音波トランスデューサ（圧電振動子）２と、振動子間における干渉を低減し、振動子の横方向の振動を抑えて振動子が縦方向のみに振動するようにするために、複数の振動子２の間や周囲に充填されたエポキシ樹脂等の充填材３と、振動子２上に設けられた少なくとも１層の音響整合層（図１においては、２層の音響整合層４ａ及び４ｂを示す）と、必要に応じて音響整合層上に設けられる音響レンズ５とを有している。本実施形態においては、アジマス方向（Ｘ軸方向）に並べられた複数の振動子２が、１次元振動子アレイを構成している。
【００１３】
図２は、本発明の第１の実施形態に係る超音波探触子において用いられる振動子を示す側面図である。各々の振動子２は、バッキング材１（図１）上に配置された個別電極２ａと、個別電極２ａ上に並列に配置された２種類の圧電体Ａ及びＢを含む圧電体層２ｂと、圧電体層２ｂ上に配置された共通電極２ｃとを含んでいる。なお、圧電体Ａ及びＢの分極方向は、Ｚ軸方向である。
【００１４】
圧電体層２ｂにおいて、エレベーション方向（Ｙ軸方向）に隣接する２つの圧電体Ａ及びＢの間には、接着剤又はエポキシ樹脂等の充填材を含む絶縁体２ｄが充填されている。絶縁体２ｄは、高絶縁性を有しており、比抵抗が１×１０１２Ωｃｍ以上であることが望ましい。これによって、個別電極２ａと共通電極２ｃとの間の電気的絶縁が保たれる。また、絶縁体２ｄのショアー硬度Ｄは、６５よりも小さいことが望ましい。
【００１５】
通常、複数の振動子の共通電極２ｃは、接地電位（ＧＮＤ）に共通接続される。また、複数の振動子の個別電極２ａは、例えば、バッキング材１の前面及び背面に配置される２枚のＦＰＣ（フレキシブルプリント基板）に形成されたプリント配線を介してケーブル（シールドケーブル）に接続され、さらに、ケーブルを介して超音波診断装置本体内の電子回路に接続される。
【００１６】
振動子２は、超音波診断装置本体から供給される駆動信号に基づいて超音波を発生する。また、振動子２は、被検体から伝播する超音波エコーを受信することにより、電気信号を発生する。この電気信号は超音波診断装置本体に出力され、超音波エコーの受信信号として処理される。
【００１７】
再び図１を参照すると、振動子２の前面に配置された音響整合層４ａ及び４ｂは、例えば、超音波を伝播し易いパイレックス（登録商標）ガラスや金属粉入りエポキシ樹脂等によって形成されており、生体である被検体と振動子２との間の音響インピーダンスのマッチングを図っている。これにより、振動子２から送信される超音波が効率良く被検体中に伝播する。
【００１８】
音響レンズ５は、例えば、シリコーンゴムによって形成されており、超音波トランスデューサアレイ１２から送信され、音響整合層４ａ及び４ｂを伝播した超音波ビームを、被検体内の所定の深度において集束させる。
【００１９】
図２に示す振動子において、圧電体Ａ及びＢは、互いに異なる周波数定数Ｎを有している。周波数定数Ｎは、次式（１）に示すように、圧電体の共振周波数ｆＲ（Ｈｚ）と圧電体の伝播方向の長さＬ（ｍ）との積によって表される。周波数定数Ｎの単位は、ｍ・Ｈｚである。
Ｎ＝ｆＲ×Ｌ ・・・（１）
周波数定数は、圧電体の振動モードによって表現が異なり、棒状の圧電体の長手方向の振動モードにおける周波数定数はＮ３３と表現される。
【００２０】
圧電体Ａ及びＢに関するその他の条件としては、比誘電率ε３３及び等価圧電定数ｄ３３が、圧電体Ａと圧電体Ｂとの間で近い値を取ることが望ましい。比誘電率ε３３は、振動子の駆動効率に影響し、等価圧電定数ｄ３３は、振動子の送受信感度に影響するからである。
【００２１】
図３は、図２に示す振動子において第１組の圧電体を用いた第１の実施例の周波数特性を示す図である。第１の実施例においては、圧電体Ａとして、Ｂａ（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｏ３（Ｃｅｒａｃｏｍｐ社製）が用いられ、圧電体ＢとしてＣ−９１Ｈ（富士セラミックス社製）が用いられる。圧電体Ａは、実線で示す第１の周波数特性を有する超音波出力を生じ、圧電体Ｂは、破線で示す第２の周波数特性を有する超音波出力を生じる。第１の周波数特性と第２の周波数特性とが交差する周波数において、圧電体Ａ及びＢの超音波出力は、それぞれのピーク値の０．９倍程度である。
【００２２】
一般に、１つの振動子に含まれている複数の圧電体が複数の異なる周波数特性を有する超音波出力をそれぞれ生じる場合において、振動子の周波数特性が複数のピークを持たないためには、複数の異なる周波数特性の内で隣接する２つの周波数特性が交差する周波数において、隣接する２つの周波数特性の各々における超音波出力がそれぞれのピーク値の０．５倍以上となるように、複数の圧電体の材料を設定することが望ましい。
【００２３】
圧電体Ａ及びＢの周波数特性において、次式（２）に従って、周波数帯域幅ＢＷ（％）が求められる。
ＢＷ（％）＝１００×（ｆＨ−ｆＬ）／ｆＣ ・・・（２）
ここで、周波数ｆＬ及びｆＨは、音圧がピーク値から６ｄＢ減衰する２つの周波数であり（ｆＬ＜ｆＨ）、周波数ｆＣは、次式（３）によって表されるように、周波数ｆＬと周波数ｆＨとの中心周波数である。
ｆＣ＝（ｆＬ＋ｆＨ）／２ ・・・（３）
【００２４】
第１の実施例によれば、圧電体層２ｂを圧電体Ａのみで形成した場合の周波数帯域幅が約７０％であり、圧電体層２ｂを圧電体Ｂのみで形成した場合の周波数帯域幅が約７０％であるのに対し、圧電体層２ｂを圧電体Ａ及びＢで形成した場合の周波数帯域幅は約８５％となり、広帯域化が実現されている。なお、受信時における周波数帯域も、送信時における周波数帯域と同様に広帯域化される。
【００２５】
図４は、図２に示す振動子において第２組の圧電体を用いた第２の実施例の周波数特性を示す図である。第２の実施例においては、圧電体Ａとして、ＰＭＮ−ＰＴ（ＭＩＣＲＯＦＩＮＥ社製）が用いられ、圧電体ＢとしてＣ−２１３（富士セラミックス社製）が用いられる。圧電体Ａは、実線で示す第１の周波数特性を有する超音波出力を生じ、圧電体Ｂは、破線で示す第２の周波数特性を有する超音波出力を生じる。第１の周波数特性と第２の周波数特性とが交差する周波数において、圧電体Ａ及びＢの超音波出力は、それぞれのピーク値の０．６倍程度である。
【００２６】
第２の実施例によれば、圧電体層２ｂを圧電体Ａのみで形成した場合の周波数帯域幅が約１００％であり、圧電体層２ｂを圧電体Ｂのみで形成した場合の周波数帯域幅が約６０％であるのに対し、圧電体層２ｂを圧電体Ａ及びＢで形成した場合の周波数帯域幅は約１２０％となり、広帯域化が実現されている。なお、受信時における周波数帯域も、送信時における周波数帯域と同様に広帯域化される。
【００２７】
図５は、本発明の各実施形態において使用することができる圧電材料の性能を示す表である。図５においては、それぞれの圧電材料について、材料のタイプ、組成、周波数定数Ｎ３３、電気機械結合係数ｋ３３、比誘電率ε３３、及び、等価圧電定数ｄ３３が示されている。これらの内から、上記のように適切な圧電材料の組合せが選択されて、圧電体Ａ及びＢとして使用される。
【００２８】
ここで、圧電体Ａ及びＢの比誘電率ε３３の値が異なる場合には、圧電体Ａの部分における静電容量と圧電体Ｂの部分における静電容量とに差が生じてしまう。静電容量は、振動子の駆動効率に影響するので、静電容量を均一にするために、圧電体Ａ及びＢの比誘電率ε３３の値に応じて圧電体Ａ及びＢのサイズが異なるようにしても良い。
【００２９】
図６は、本発明の第１の実施形態に係る超音波探触子において用いられる振動子の第１の変形例を示す側面図である。第１の変形例においては、圧電体Ａとして、比誘電率ε３３が１６７０であるＢａ（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｏ３（Ｃｅｒａｃｏｍｐ社製）が用いられ、圧電体Ｂとして、比誘電率ε３３が４４３０であるＣ−９１Ｈ（富士セラミックス社製）が用いられる。
【００３０】
圧電体Ａ及びＢの比誘電率ε３３の比が約１：２．７であるので、エレベーション方向（Ｙ軸方向）における圧電体Ａ及びＢの長さの比が約２．７：１とされている。アジマス方向（Ｘ軸方向）における圧電体Ａ及びＢの幅は同一である。これにより、圧電体Ａと個別電極２ａとの間の接触面積が、圧電体Ｂと個別電極２ａとの間の接触面積の約２．７倍となり、圧電体Ａと共通電極２ｃとの間の接触面積が、圧電体Ｂと共通電極２ｃとの間の接触面積の約２．７倍となるので、圧電体Ａの部分における静電容量と圧電体Ｂの部分における静電容量とが均一になって駆動効率が均一化される。
【００３１】
一般には、１つの振動子に含まれている複数の圧電体が複数の異なる比誘電率をそれぞれ有する場合において、複数の圧電体の電極接触面積を必ずしも比誘電率ε３３の比に合わせて決定する必要はなく、比誘電率ε３３が小さい方の圧電体の電極接触面積を、比誘電率ε３３が大きい方の圧電体の電極接触面積よりも大きくすれば、それなりの効果が得られる。さらに、送受信感度に影響する圧電定数ｄ３３を考慮して、圧電体のサイズを決定することが望ましい。
【００３２】
図７は、本発明の第１の実施形態に係る超音波探触子において用いられる振動子の第２の変形例を示す側面図である。第２の変形例においては、３種類の圧電体Ａ〜Ｃが用いられる。振動子２は、バッキング材１（図１）上に配置された個別電極２ａと、個別電極２ａ上に並列に配置された３種類の圧電体Ａ〜Ｃを含む圧電体層２ｂと、圧電体層２ｂ上に配置された共通電極２ｃとを含んでいる。圧電体層２ｂにおいて、エレベーション方向（Ｙ軸方向）に隣接する２つの圧電体の間には、絶縁体２ｄが充填されている。さらに、４種類以上の圧電体を用いるようにしても良い。
【００３３】
次に、図２に示す振動子の製造方法について説明する。
図８は、図２に示す振動子の製造方法を説明するための図である。
まず、図８の（ａ）に示すように、周波数定数の異なる圧電体Ａ及びＢの各々をスライス片に加工し、それらを交互に配列して、接着剤又はエポキシ樹脂等の充填材（絶縁体２ｄ）を用いて接着することにより、圧電体層２ｂが形成される。ここで、圧電体Ａ及びＢの長さＬＡ及びＬＢ（Ｙ軸方向）は、例えば、０．３０ｍｍであり、圧電体Ａ及びＢの厚さｔ（Ｚ軸方向）は、例えば、０．６０ｍｍである。
【００３４】
次に、図８の（ｂ）に示すように、圧電体層２ｂの下面及び上面に、個別電極２ａ及び共通電極２ｃがそれぞれ形成される。次に、ダイシングソーを用いて、個別電極２ａ及び共通電極２ｃが形成された圧電体層２ｂを、一点鎖線に沿って所定の幅で切断することにより、図８の（ｃ）に示すような振動子が完成する。圧電体層２ｂの幅Ｗ（Ｘ軸方向）は、例えば、０．２０ｍｍである。
【００３５】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。第２の実施形態に係る超音波探触子は、第１の実施形態に係る超音波探触子の１次元振動子アレイにおいて、積層型の振動子を用いたものである。その他の点に関しては、第１の実施形態と同様である。
【００３６】
図９は、本発明の第１の実施形態と第２の実施形態とにおける振動子の構造を比較して示す図である。第１の実施形態においては、図９の（ａ）に示すように、振動子が、個別電極２ａと共通電極２ｃとの間に並列に配置された２種類の圧電体Ａ及びＢを含んでいる。
【００３７】
一方、第２の実施形態においては、図９の（ｂ）に示すように、振動子が、下部電極層２ｅと上部電極層２ｈとの間に内部電極層２ｆ及び２ｇを挟んで交互に積層された複数の圧電体Ａと、下部電極層２ｅと上部電極層２ｈとの間に内部電極層２ｆ及び２ｇを挟んで交互に積層された複数の圧電体Ｂと、絶縁膜２ｉと、第１の側面電極２ｊと、第２の側面電極（図示せず）とを含んでおり、積層構造を有している。
【００３８】
ここで、下部電極層２ｅは、第１の側面電極２ｊに接続されていると共に、第２の側面電極から絶縁されている。上部電極層２ｈは、第２の側面電極に接続されていると共に、第１の側面電極２ｊから絶縁されている。また、内部電極層２ｆは、第２の側面電極に接続されていると共に、絶縁膜２ｉによって第１の側面電極２ｊから絶縁されている。一方、内部電極層２ｇは、第１の側面電極２ｊに接続されていると共に、絶縁膜２ｉによって第２の側面電極から絶縁されている。複数の電極をこのように形成することにより、３層の圧電体に電界を印加するための３組の電極が並列に接続される。なお、圧電体の層数は、３層に限られず、２層又は４層以上としても良い。
【００３９】
このような積層型圧電振動子においては、対向する電極の面積が単層型圧電振動子よりも増加するので、電気的インピーダンスが低下する。従って、同じサイズの単層型圧電振動子と比較して、印加される電圧に対して効率良く動作する。具体的には、圧電体層をＮ層とすると、圧電体層の数は単層型圧電振動子のＮ倍となり、各圧電体層の厚さは単層型圧電振動子の１／Ｎ倍となるので、振動子の電気インピーダンスは１／Ｎ２倍となる。従って、圧電体層の積層数を増減させることにより、振動子の電気的インピーダンスを調整できるので、駆動回路又は信号ケーブルとの電気的インピーダンスマッチングを図り易くなり、感度を向上させることができる。
【００４０】
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。第３の実施形態に係る超音波探触子は、第１の実施形態に係る超音波探触子の１次元振動子アレイの替わりに、２次元振動子アレイを用いたものである。その他の点に関しては、第１の実施形態と同様である。
【００４１】
図１０は、本発明の第３の実施形態に係る超音波探触子の内部構造を模式的に示す平面図である。図１０においては、圧電体の配列を示すために、共通電極と、音響整合層と、音響レンズとが省略されている。この超音波探触子は、被検体に当接して体腔外走査を行う際に、又は、被検体の体腔内に挿入して体腔内走査を行う際に用いられる。
【００４２】
図１０に示すように、超音波探触子は、バッキング材１と、バッキング材１上に配置された複数の超音波トランスデューサ（圧電振動子）６と、複数の振動子６の間や周囲に充填されたエポキシ樹脂等の充填材３とを有している。さらに、図１に示すのと同様に、超音波探触子は、振動子６上に設けられた少なくとも１層の音響整合層と、必要に応じて音響整合層上に設けられる音響レンズとを有している。本実施形態においては、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に並べられた複数の振動子６が、２次元振動子アレイを構成している。
【００４３】
図１１は、本発明の第３の実施形態に係る超音波探触子において用いられる振動子の構造を示す斜視図である。振動子６は、バッキング材１（図１０）上に配置された個別電極６ａと、個別電極６ａ上に並列に配置された２種類の圧電体Ａ及びＢを含む圧電体層６ｂと、圧電体層６ｂ上に配置された共通電極６ｃとを含んでいる。圧電体層６ｂにおいて、隣接する複数の圧電体の間には、接着剤又はエポキシ樹脂等の充填材を含む絶縁体６ｄが充填されている。
【００４４】
圧電体Ａ及びＢとしては、第１の実施形態において説明したものと同じものを用いることができる。なお、圧電体Ａ及びＢの分極方向はＺ軸方向である。また、絶縁体６ｄは、高絶縁性を有しており、比抵抗が１×１０１２Ωｃｍ以上であることが望ましい。これによって、個別電極６ａと共通電極６ｃとの間の電気的絶縁が保たれる。また、絶縁体６ｄのショアー硬度Ｄは、６５よりも小さいことが望ましい。
【００４５】
通常、複数の振動子の共通電極６ｃは、接地電位（ＧＮＤ）に共通接続される。また、複数の振動子の個別電極６ａは、例えば、バッキング材１の内部に配置された引出し線を介してケーブル（シールドケーブル）に接続され、さらに、ケーブルを介して超音波診断装置本体内の電子回路に接続される。
【００４６】
振動子６は、超音波診断装置本体から供給される駆動信号に基づいて超音波を発生する。また、振動子６は、被検体から伝播する超音波エコーを受信することにより、電気信号を発生する。この電気信号は超音波診断装置本体に出力され、超音波エコーの受信信号として処理される。
【００４７】
圧電体Ａ及びＢの比誘電率ε３３の値が異なる場合には、圧電体Ａの部分における静電容量と圧電体Ｂの部分における静電容量とを均一にするために、圧電体Ａ及びＢの比誘電率ε３３の値に応じて圧電体Ａ及びＢのサイズが異なるようにしても良い。さらに、送受信感度に影響する圧電定数ｄ３３を考慮して、圧電体Ａ及びＢのサイズを決定することが望ましい。また、３種類以上の圧電体を用いるようにしても良い。
【００４８】
次に、図１１に示す振動子の製造方法について説明する。
図１２は、図１１に示す振動子の製造方法を説明するための図である。
まず、図８の（ａ）に示すように、周波数定数の異なる板状の圧電体Ａ及びＢの各々を、ＬＩＧＡ（Lithographie Galvanoformung Abformung）プロセス又はダイシングソーを用いて加工することにより、複数の角柱が２次元状に配置された構造物が作製される。角柱の底面における一辺の長さＬＣ（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）は、例えば、５０μｍである。
【００４９】
次に、加工された圧電体Ａと圧電体Ｂとを向かい合わせて、圧電体Ａの角柱と圧電体Ｂの角柱とを噛み合わせ、接着剤又はエポキシ樹脂等の充填材（絶縁体６ｄ）を隙間に充填して固定することにより、図１２の（ｂ）に示すような複合圧電材料が形成される。ダイシング等によって、複合圧電材料の一部を切り出すことにより、図１１に示すような振動子が完成する。
【００５０】
図１３は、本発明の第３の実施形態に係る超音波探触子において用いられる振動子の変形例を示す平面図であり、図１４は、図１３に示す振動子の側面図である。圧電体の配列を示すために、図１３においては、共通電極７ｃが省略されており、図１４においては、絶縁体７ｄが省略されている。
【００５１】
振動子７は、バッキング材１（図１０）上に配置された個別電極７ａと、個別電極７ａ上に並列に配置されたファイバー状の２種類の圧電体Ａ及びＢを含む圧電体層７ｂと、圧電体層７ｂ上に配置された共通電極７ｃとを含んでいる。圧電体層７ｂにおいて、隣接する複数の圧電体の間及び周囲には、接着剤又はエポキシ樹脂等の充填材を含む絶縁体７ｄが充填されている。
【００５２】
圧電体Ａ及びＢとしては、第１の実施形態において説明したものと同じものを用いることができる。なお、圧電体Ａ及びＢの分極方向はＺ軸方向である。また、絶縁体７ｄは、高絶縁性を有しており、比抵抗が１×１０１２Ωｃｍ以上であることが望ましい。これによって、個別電極７ａと共通電極７ｃとの間の電気的絶縁が保たれる。また、絶縁体７ｄのショアー硬度Ｄは、６５よりも小さいことが望ましい。
【００５３】
圧電体Ａ及びＢの比誘電率ε３３の値が異なる場合には、圧電体Ａの部分における静電容量と圧電体Ｂの部分における静電容量とを均一にするために、圧電体Ａ及びＢの比誘電率ε３３の値に応じて圧電体Ａ及びＢのサイズや本数が異なるようにしても良い。さらに、送受信感度に影響する圧電定数ｄ３３を考慮して、圧電体Ａ及びＢのサイズや本数を決定することが望ましい。また、３種類以上の圧電体を用いるようにしても良い。その場合には、ＰＭＮ−ＰＴとソフト材とハード材とを組み合わせることが有効である。
【００５４】
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。第４の実施形態に係る超音波探触子は、第３の実施形態に係る超音波探触子の２次元振動子アレイにおいて、積層型の圧電振動子を用いたものである。
【００５５】
図１５は、本発明の第３の実施形態と第４の実施形態とにおける振動子の構造を比較して示す図である。図１５の（ａ）に示す第３の実施形態においては、圧電振動子が、個別電極６ａと共通電極６ｃとの間に並列に配置された２種類の圧電体Ａ及びＢを含んでいる。
【００５６】
一方、第４の実施形態においては、図１５の（ｂ）に示すように、振動子が、下部電極層６ｅと上部電極層６ｈとの間に内部電極層６ｆ及び６ｇを挟んで交互に積層された複数の圧電体Ａと、下部電極層６ｅと上部電極層６ｈとの間に内部電極層６ｆ及び６ｇを挟んで交互に積層された複数の圧電体Ｂと、絶縁膜６ｉと、第１の側面電極６ｊと、第２の側面電極６ｋとを含んでおり、積層構造を有している。
【００５７】
ここで、下部電極層６ｅは、第２の側面電極６ｋに接続されていると共に、第１の側面電極６ｊから絶縁されている。上部電極層６ｈは、第１の側面電極６ｊに接続されていると共に、第２の側面電極６ｋから絶縁されている。また、内部電極層６ｆは、第１の側面電極６ｊに接続されていると共に、絶縁膜６ｉによって第２の側面電極６ｋから絶縁されている。一方、内部電極層６ｇは、第２の側面電極６ｋに接続されていると共に、絶縁膜６ｉによって第１の側面電極６ｊから絶縁されている。複数の電極をこのように形成することにより、３層の圧電体に電界を印加するための３組の電極が並列に接続される。なお、圧電体の層数は、３層に限られず、２層又は４層以上としても良い。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明は、医療用や構造物探傷用の超音波診断装置において超音波を送信及び／又は受信する複数の超音波トランスデューサを含む超音波探触子において利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る超音波探触子の内部構造を模式的に示す斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る超音波探触子において用いられる振動子を示す側面図である。
【図３】図２に示す振動子において第１組の圧電体を用いた第１の実施例の周波数特性を示す図である。
【図４】図２に示す振動子において第２組の圧電体を用いた第２の実施例の周波数特性を示す図である。
【図５】本発明の各実施形態において使用することができる圧電材料の性能を示す表である。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る超音波探触子において用いられる振動子の第１の変形例を示す側面図である。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る超音波探触子において用いられる振動子の第２の変形例を示す側面図である。
【図８】図２に示す振動子の製造方法を説明するための図である。
【図９】本発明の第１の実施形態と第２の実施形態とにおける振動子の構造を比較して示す図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る超音波探触子の内部構造を模式的に示す平面図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態に係る超音波探触子において用いられる振動子を示す斜視図である。
【図１２】図１１に示す振動子の製造方法を説明するための図である。
【図１３】本発明の第３の実施形態に係る超音波探触子において用いられる振動子の変形例を示す平面図である。
【図１４】図１３に示す振動子の側面図である。
【図１５】本発明の第３の実施形態と第４の実施形態とにおける振動子の構造を比較して示す図である。
【符号の説明】
【００６０】
１ バッキング材
２、６、７ 超音波トランスデューサ（圧電振動子）
２ａ、６ａ、７ａ 個別電極
２ｂ、６ｂ、７ｂ 圧電体
２ｃ、６ｃ、７ｃ 共通電極
２ｄ、６ｄ、７ｄ 絶縁体
２ｅ、６ｅ 下部電極層
２ｆ、６ｆ 内部電極層
２ｇ、６ｇ 内部電極層
２ｈ、６ｈ 上部電極層
２ｉ、６ｉ 絶縁膜
２ｊ、６ｊ 第１の側面電極
６ｋ 第２の側面電極
３ 充填材
４ａ、４ｂ 音響整合層
５ 音響レンズ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を送信及び／又は受信する複数の振動子を含む振動子アレイであって、前記複数の振動子の各々が、第１の電極と第２の電極との間に並列に配置されて互いに異なる周波数定数を有する複数の圧電体を含む、前記振動子アレイと、
前記振動子アレイの第１の面上に配置された少なくとも１層の音響整合層と、
前記振動子アレイの第１の面と反対側の第２の面上に配置されたバッキング材と、
を具備する超音波探触子。
【請求項２】
前記少なくとも１層の音響整合層上に配置された音響レンズをさらに具備する、請求項１記載の超音波探触子。
【請求項３】
前記複数の振動子の各々において、１×１０１２Ωｃｍ以上の比抵抗を有する接着剤又は充填材が前記複数の圧電体間に充填されている、請求項１又は２記載の超音波探触子。
【請求項４】
前記複数の圧電体の各々が、圧電単結晶と圧電セラミックとの内のいずれか１つを含む、請求項１〜３のいずれか１項記載の超音波探触子。
【請求項５】
前記複数の圧電体が、複数の異なる周波数特性を有する超音波出力をそれぞれ生じ、前記複数の異なる周波数特性の内で隣接する２つの周波数特性が交差する周波数において、前記隣接する２つの周波数特性の各々における超音波出力がそれぞれのピーク値の０．５倍以上である、請求項１〜４のいずれか１項記載の超音波探触子。
【請求項６】
前記複数の圧電体が、複数の異なる比誘電率をそれぞれ有し、比誘電率が小さい方の圧電体が、比誘電率が大きい方の圧電体よりも、前記第１及び第２の電極との間で大きな接触面を有する、請求項１〜５のいずれか１項記載の超音波探触子。
【請求項７】
前記複数の振動子の各々が、前記第１の電極と前記第２の電極との間に少なくとも１つの内部電極層を挟んで交互に積層された複数の第１の圧電体と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に前記少なくとも１つの内部電極層を挟んで交互に積層された複数の第２の圧電体とを含む、請求項１〜６のいずれか１項記載の超音波探触子。
【請求項１】
超音波を送信及び／又は受信する複数の振動子を含む振動子アレイであって、前記複数の振動子の各々が、第１の電極と第２の電極との間に並列に配置されて互いに異なる周波数定数を有する複数の圧電体を含む、前記振動子アレイと、
前記振動子アレイの第１の面上に配置された少なくとも１層の音響整合層と、
前記振動子アレイの第１の面と反対側の第２の面上に配置されたバッキング材と、
を具備する超音波探触子。
【請求項２】
前記少なくとも１層の音響整合層上に配置された音響レンズをさらに具備する、請求項１記載の超音波探触子。
【請求項３】
前記複数の振動子の各々において、１×１０１２Ωｃｍ以上の比抵抗を有する接着剤又は充填材が前記複数の圧電体間に充填されている、請求項１又は２記載の超音波探触子。
【請求項４】
前記複数の圧電体の各々が、圧電単結晶と圧電セラミックとの内のいずれか１つを含む、請求項１〜３のいずれか１項記載の超音波探触子。
【請求項５】
前記複数の圧電体が、複数の異なる周波数特性を有する超音波出力をそれぞれ生じ、前記複数の異なる周波数特性の内で隣接する２つの周波数特性が交差する周波数において、前記隣接する２つの周波数特性の各々における超音波出力がそれぞれのピーク値の０．５倍以上である、請求項１〜４のいずれか１項記載の超音波探触子。
【請求項６】
前記複数の圧電体が、複数の異なる比誘電率をそれぞれ有し、比誘電率が小さい方の圧電体が、比誘電率が大きい方の圧電体よりも、前記第１及び第２の電極との間で大きな接触面を有する、請求項１〜５のいずれか１項記載の超音波探触子。
【請求項７】
前記複数の振動子の各々が、前記第１の電極と前記第２の電極との間に少なくとも１つの内部電極層を挟んで交互に積層された複数の第１の圧電体と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に前記少なくとも１つの内部電極層を挟んで交互に積層された複数の第２の圧電体とを含む、請求項１〜６のいずれか１項記載の超音波探触子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２００９−８２３８５（Ｐ２００９−８２３８５Ａ）
【公開日】平成２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２５５３５８（Ｐ２００７−２５５３５８）
【出願日】平成１９年９月２８日（２００７．９．２８）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月２８日（２００７．９．２８）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
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