超音波用探触子
【課題】圧電振動子と、バッキング層と、２層の音響整合層を備える超音波用探触子において、周波数特性を広帯域化する。
【解決手段】音響インピーダンスＺ０を有する材料によって形成されている圧電体及び該圧電体の両面に形成されている電極を含み、機械共振周波数ｆ０を有する振動子と、音響インピーダンスＺＢを有する材料によって形成されているバッキング層と、音響インピーダンスＺ１及び整合厚λ１／４に対してＭ１倍の厚さを有する第１の音響整合層と、音響インピーダンスＺ２及び整合厚λ２／４に対してＭ２倍の厚さを有する第２の音響整合層とを含み、上記ＺＢ、Ｚ１、Ｚ２、Ｍ１、及び、Ｍ２が、２＜Ｍ１＋Ｍ２≦２＋０．６８（ＺＢ／Ｚ０）、且つ、４≦Ｚ１≦２２、２≦Ｚ２≦８、５＜ＺＢを満たす。
【解決手段】音響インピーダンスＺ０を有する材料によって形成されている圧電体及び該圧電体の両面に形成されている電極を含み、機械共振周波数ｆ０を有する振動子と、音響インピーダンスＺＢを有する材料によって形成されているバッキング層と、音響インピーダンスＺ１及び整合厚λ１／４に対してＭ１倍の厚さを有する第１の音響整合層と、音響インピーダンスＺ２及び整合厚λ２／４に対してＭ２倍の厚さを有する第２の音響整合層とを含み、上記ＺＢ、Ｚ１、Ｚ２、Ｍ１、及び、Ｍ２が、２＜Ｍ１＋Ｍ２≦２＋０．６８（ＺＢ／Ｚ０）、且つ、４≦Ｚ１≦２２、２≦Ｚ２≦８、５＜ＺＢを満たす。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を送受信する圧電振動子と、不要な振動を制動するためのバッキング層と、音響インピーダンスの整合を図るための音響整合層とを有し、医療用の超音波診断装置等において用いられる超音波用探触子に関する。
【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。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り、超音波ビームを人体等の被検体内に送信し、被検体内において生じた超音波エコーを受信し、超音波エコーが生じた反射点や反射強度を求めることにより、被検体内に存在する構造物（例えば、内臓や病変組織等）の輪郭を抽出する。
【０００３】
このような超音波撮像を行う装置（超音波診断装置、超音波撮像装置等と呼ばれる）においては、超音波を送信及び受信する超音波トランスデューサとして、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Pb(lead) zirconate titanate）に代表される圧電セラミックや、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン：polyvinyliden difluoride）に代表される高分子圧電材料等の圧電体の両面に電極を形成した振動子（圧電振動子）が、一般的に用いられている。
【０００４】
振動子の電極に電圧を印加すると、圧電効果により圧電体が伸縮して超音波が発生する。そこで、複数の振動子を１次元又は２次元状に配列し、それらの振動子を順次駆動することにより、所望の方向に送信される超音波ビームを形成することができる。また、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て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】
ところで、異なる物質が接する境界面における超音波の伝播効率は、それらの物質の音響インピーダンスに応じて変化する。具体的には、音響インピーダンスの差が大きい境界面において、超音波は反射し易くなるので、超音波の伝播損失は大きくなる。ここで、音響インピーダンスとは、音響媒質密度と音速との積で表される物質固有の定数であり、その単位としては、一般に、ＭＲａｙｌ（メガレイル）が用いられる（１ＭＲａｙｌ＝１×１０６ｋｇ・ｍ−２・ｓ−１）。例えば、ＰＺＴ等の圧電セラミックの音響インピーダンスは、約２３ＭＲａｙｌ〜約３５ＭＲａｙｌであり、人体の音響インピーダンスは、約１．５ＭＲａｙｌである。
【０００６】
音響インピーダンスＺ０の物質と音響インピーダンスＺＭの物質との境界面における超音波の反射率ＲＰは、次式（１）によって表される。
ＲＰ＝（Ｚ０−ＺＭ）／（Ｚ０＋ＺＭ） ・・・（１）
そこで、式（１）に、一般的な圧電セラミックスの音響インピーダンスＺ０＝３５ＭＲａｙｌと、生体の音響インピーダンスＺＭ＝１．５ＭＲａｙｌを代入すると、反射率はＲＰ＝０．９２となる。即ち、振動子の材料として圧電セラミックを用いる場合には、振動子を人体に直接接触させても、超音波はあまり伝播しない（１割未満）ことがわかる。
【０００７】
そのため、通常は、振動子と被検体との間に音響整合層を挿入することにより、音響インピーダンスの整合が図られている。即ち、振動子から被検体に向けて音響インピーダンスを段階的に変化させることにより、各境界面における超音波の反射率を低下させている。この音響整合層は、理論的には多層構造とする方が、より伝播効率を改善できるが、設計上の理由等により、一般には１層〜３層程度設けられる。
【０００８】
超音波の伝播効率を高めるためには、各音響整合層について、最適な音響インピーダンス及び厚さを設定する必要がある。例えば、非特許文献１には、エネルギー伝送論に基づいて求められた最適な音響インピーダンスが開示されている。
【０００９】
また、非特許文献２には、音響整合層の界面における超音波の反射を考慮して、音響整合層の厚さを、それぞれの音響整合層を伝播する超音波の波長の１／４に設定することが開示されている。その理由は、以下の通りである。理想的なインパルス波形を有する駆動信号によって振動子を励振したとしても、振動子が有する周波数帯域特性の影響により、送信された超音波は、振動が減衰しながら持続する波形を示す。そのため、超音波の伝播方向における分解能（即ち、距離分解能）はあまり良くない。ここで、超音波が音響整合層の界面において反射することにより、音響整合層を往復する超音波の位相は、直接波（振動子又は下層の音響整合層から伝播したままの超音波）に比べて波長の１／２（半波長分）だけずれる。そこで、音響整合層の厚さを波長の１／４に設定すると、反射波と直接波との重ね合わせにより、直接波の半波長以降の波形が反射波によって抑圧される。それにより、直接波の波形を理想的なインパルス波形に近付けることができる。
【００１０】
関連する技術として、特許文献１には、圧電体に２層の音響整合層を設けた超音波探触子において、圧電体上に形成された第１音響整合層の厚みをｔ１とし、第１音響整合層上に形成された第２の音響整合層の厚みをｔ２とし、また、第１音響整合層の材料中の縦波の音速をｖ１とし、第２音響整合層の材料中の縦波の音速をｖ２とし、この超音波探触子に用いる圧電体の機械共振周波数をｆ０としたとき、第１及び第２の音響整合層の厚みを（ｖ１／４ｆ０）×１．１５≦ｔ１≦（ｖ１／４ｆ０）×１．２０、及び、（ｖ２／４ｆ０）×１．１５≦ｔ２≦（ｖ２／４ｆ０）×１．２０の範囲にすることが開示されている。即ち、特許文献１においては、中心周波数付近における損失及び損失変動の低減して、高感度及び高分解能を実現するために、非特許文献２に記載されている理論値に対して、各音響整合層の厚さを増加させている（例えば、λ／４に対して１．１５〜１．２０倍）。
【００１１】
ところで、超音波には、低周波数帯域における深部到達性や、高周波帯域における高分解能等の特性がある。そのため、通常は、中心周波数帯域の異なる複数種類の超音波用探触子を用意し、それらを診断対象に応じて交換して使用することにより、そのような超音波特性を生かした画像生成が行われている。しかしながら、消化器官に挿入される内視鏡タイプの探触子や、血管に挿入されるカテーテルタイプの探触子を用いる場合には、探触子を被検体（人体）内に挿入したり抜き出したりする必要があるので、そのような作業を何度も行うことは、被検体にとって大きな身体的負担となる。そのため、特にこれらの探触子においては、探触子を交換することなく多くの超音波画像情報が得られるように、低周波から高周波までの広い周波数帯域を網羅できる性能が求められている。また、一般的な超音波用探触子においても、周波数特性を広帯域化することにより、得られる超音波画像の画質を高めることができる。
【００１２】
ところが、音響整合層を設けることにより超音波の伝播効率を向上させても、その一方で、周波数帯域が狭まるという弊害が存在する。ここで、周波数帯域幅ｆＢＷ（％）は、次式（２）によって表される。式（２）において、周波数ｆＨ及びｆＬ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、周波数ｆＨと周波数ｆＬとの中心周波数である。
ｆＢＷ（％）＝１００×（ｆＨ−ｆＬ）／ｆＣ ・・・（２）
【００１３】
例えば、圧電セラミック（音響インピーダンスが３５ＭＲａｙｌ程度、電気機械結合定数がＫ３３＝０．７程度）とバッキング層（音響インピーダンスが３．５ＭＲａｙｌ〜６．０ＭＲａｙｌ程度）とを含む超音波用探触子に、第１の音響整合層（音響インピーダンスが８．９２ＭＲａｙｌ程度）、及び、第２の音響整合層（音響インピーダンスが２．３４ＭＲａｙｌ程度）を設ける場合に、非特許文献２に記載されているように、各音響整合層の厚さを波長の１／４に設計すると、周波数帯域幅ｆＢＷ（％）は、およそ６０％〜６５％程度となる。
このように、超音波の伝播効率を最大にするような音響整合層の条件は、広帯域の周波数特性を実現するためには必ずしも適していない。
【特許文献１】特開昭５８−１７７６４０号公報（第１頁）
【非特許文献１】「超音波便覧」、丸善、ｐ．１１６
【非特許文献２】伊東正安、望月剛 著「超音波診断装置」、コロナ社、ｐ．３０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
そこで、上記の点に鑑み、本発明は、超音波を送受信する圧電振動子と、不要な振動を制動するためのバッキング層と、音響インピーダンスの整合を図るための２層の音響整合層を備える超音波用探触子において、周波数特性を広帯域化することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
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用探触子は、音響インピーダンスＺ０を有する材料によって形成されている圧電体及び該圧電体の両面に形成された電極を含み、印加される電圧に応じて超音波を送信すると共に、超音波を受信することにより電圧を発生する振動子であって、機械共振周波数ｆ０を有する振動子と、該振動子の第１の主面上に、音響インピーダンスＺＢを有する材料によって形成されているバッキング層と、振動子の第２の主面上に、音響インピーダンスＺ１を有する第１の材料によって形成されている第１の音響整合層であって、第１の材料及び機械共振周波数ｆ０に基づいて定まる超音波の波長λ１に対してＭ１／４倍の厚さを有する第１の音響整合層と、該第１の音響整合層上に、音響インピーダンスＺ２を有する第２の材料によって形成されている第２の音響整合層であって、第２の材料及び機械共振周波数ｆ０に基づいて定まる超音波の波長λ２に対してＭ２／４倍の厚さを有する第２の音響整合層とを具備し、上記ＺＢ、Ｚ１、Ｚ２、Ｍ１、及び、Ｍ２が、２＜Ｍ１＋Ｍ２≦２＋０．６８（ＺＢ／Ｚ０）、且つ、４≦Ｚ１≦２２、２≦Ｚ２≦８、５＜ＺＢを満たす。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、超音波の周波数特性を考慮しながら、バッキング層の音響インピーダンス並びに２層の音響整合層の厚さ及び音響インピーダンスを設定するので、広帯域な超音波を送受信できる超音波用探触子を得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
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、本発明の一実施形態に係る超音波用探触子の構造を示す一部断面斜視図である。図１に示すように、超音波用探触子１は、圧電体１１並びにその両面に形成されている電極１２及び１３と、第１の音響整合層１４と、第２の音響整合層１５と、バッキング層１６とを含んでいる。また、超音波用探触子１は、これらの構成に加えて、充填材１７及び音響レンズ１８を含んでいても良い。
【００１８】
圧電体１１並びに電極１２及び１３は、電圧を印加されることにより圧電効果により伸縮して超音波を発生する振動子（圧電振動子）を構成する。圧電体１１は、圧電セラミックによって形成されている。圧電セラミックは、電気・機械エネルギー変換能力が高いので、体内の深部まで到達可能な強力な超音波を発生することができると共に、受信感度も高いからである。具体的な材料としては、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Ｐｂ（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｏ３）や、同様のペロブスカイト系結晶構造を有する変成組成の材料や、ＰＭＮ−ＰＴ（Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３固溶体）、ＰＮＮ−ＰＴ（Ｐｂ（Ｎｉ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ固溶体）を含むリラクサ系材料等が用いられる。
【００１９】
以下において、圧電体層１１の音響インピーダンスをＺ０とし、圧電体層１１並びに電極層１２及び１３を含む振動子の機械共振周波数をｆ０とする。本実施形態においては、圧電体層１１として、音響インピーダンスＺ０が、例えば、２３〜３５ＭＲａｙｌ程度の圧電材料が用いられる。また、振動子１１〜１３は、機械共振周波数ｆ０が、例えば、３．５ＭＨｚ〜１２ＭＨｚ程度になるように設計されている。
【００２０】
第１及び第２の音響整合層１４及び１５は、振動子１１〜１３の上面に配置されており、振動子と人体等の被検体との間における音響インピーダンスを整合させることにより、超音波の伝播効率を高める。
第１の音響整合層１４は、例えば、石英ガラスや、有機材料（エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、シリコン樹脂、アクリル樹脂等）に高い音響インピーダンスを有する材料粉末（タングステン、フェライト紛等）を混ぜ合わせた材料によって形成されている。以下において、音響整合層１４の音響インピーダンスをＺ１とする。
【００２１】
また、音響整合層１４の厚さｔ１は、音響整合層１４を伝播する超音波の波長をλ１として、整合厚λ１／４のＭ１倍となるように設計されている（即ち、ｔ１＝Ｍ１・λ１／４）。ここで、整合厚とは、音響整合層を伝播する超音波の波長の１／４の厚さのことである。本願において整合厚を基準とするのは、一般的な超音波用探触子において、音響整合層はこの厚さになるように設計されるからである（非特許文献２参照）。以下において、整合厚λ１／４に対する厚さｔ１の比率Ｍ１のことを、整合比ともいう。
【００２２】
音響整合層を伝播する超音波の波長λｉは、媒質（音響整合層の材料）を伝播する音速ｖと周波数ｆとを用いて、次式（３）により表される。
λｉ＝ｖ／ｆ …（３）
また、音速ｖは、媒質の体積弾性率をＫ、密度をρとする場合に、次式（４）により表される。
ｖ＝（Ｋ／ρ）１／２ …（４）
結局、式（３）及び（４）より、波長λｉは、次式（５）により表される。
λｉ＝（Ｋ／ρ）１／２／ｆ …（５）
【００２３】
従って、音響整合層１４を伝播する超音波の波長λ１は、音響整合層１４を構成する材料の体積弾性率をＫ１、密度をρ１とすると、式（５）及び振動子１１〜１３の機械共振周波数ｆ０を用いて、次式により表される。
λ１＝（Ｋ１／ρ１）１／２／ｆ０
【００２４】
第２の音響整合層１５は、例えば、有機材料（エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、シリコン樹脂、アクリル樹脂等）のように、第１の音響整合層１４よりも音響インピーダンスが低い材料によって形成されている。以下において、音響整合層１５の音響インピーダンスをＺ２とする。
【００２５】
また、音響整合層１５の厚さｔ２は、音響整合層１５を伝播する超音波の波長をλ２として、整合厚λ２／４のＭ２倍となるように設計されている（即ち、ｔ２＝Ｍ２・λ２／４）。波長λ２は、音響整合層１５を構成する材料の体積弾性率をＫ２、密度をρ２とすると、式（５）及び振動子１１〜１３の機械共振周波数ｆ０を用いて、次式により表される。
λ２＝（Ｋ２／ρ２）１／２／ｆ０
なお、音響インピーダンスＺ１及びＺ２、並びに、整合比Ｍ１及びＭ２の条件については、後で詳しく説明する。
【００２６】
バッキング層１６は、振動子１１〜１３の下面（即ち、音響整合層１４及び１５の反対側の面）に配置されており、振動子１１〜１３から発生した不要な超音波を減衰させる。バッキング層１６は、エポキシ樹脂やゴム等のように、音響減衰の大きい材料によって形成されている。以下において、バッキング層１６の音響インピーダンスをＺＢとする。
【００２７】
充填材１７は、複数の圧電振動子の間における干渉を低減し、振動子１１〜１３の横方向の振動を抑えることにより、振動子１１〜１３が縦方向に振動するようにする。音響レンズ１８は、所望の深度に焦点を形成するように、超音波を収束させる。
【００２８】
本実施形態においては、このような構成を有する超音波用探触子において、超音波の広帯域な周波数特性を実現させるために、バッキング層１６及び２つの音響整合層１４及び１５を次のような方法を用いて設計している。なお、以下においては、音響レンズ１８を配置しない場合について説明する。
【００２９】
まず、超音波用探触子の周波数特性を算出する方法について説明する。超音波用探触子に含まれている各構成要素を等価的な四端子回路に置き換えることにより、超音波の伝送系を、バッキング層、圧電振動子、音響整合層が直列に接続された四端子回路網と考える。各構成要素は固有の音響インピーダンスを有しており、超音波の伝送系を介して超音波を送信又は受信する際に、特有の周波数特性が生じる。従って、この四端子回路網の一端に電圧を入力すると共に、他端を被検体の等価回路によって終端することにより、超音波用探触子の発振性能を送受波特性ＶＴＧ（Voltage Transfer Gain）として算出することができる。
【００３０】
伝送系の入力インピーダンスＺは次式（６）により表される。
【数２】
ここで、
【数３】
【数４】
である。また、Ｋは電気機械結合定数を表し、Ｚ０は圧電振動子の音響インピーダンスを表し、ＺＡは音響整合層の音響インピーダンスを表し、ＺＢはバッキング層の音響インピーダンスを表し、ｆ０は圧電振動子の機械共振周波数を表し、ω０は２πｆ０を表し、Ｃ０は容量値を表している。さらに、ｋＡ、ｋＢは、圧電振動子の厚さに対する音響整合層の厚さ及びバッキング層の厚さからそれぞれ決定されるパラメータである。
【００３１】
この等価回路を２層構造の音響整合層に適用したシミュレーションを行うために、超音波の伝送系を、バッキング層、圧電振動子、第１の音響整合層、第２の音響整合層が直列に接続された四端子回路網と考える。この伝送モデルにおいて、送信音圧と受信音圧とが等しいものとすると、伝送系の入力インピーダンス及び四端子回路網の定数に基づいて、信号伝達関数Ｔが求められる。この信号伝達関数Ｔに対して、各周波数において２０・ｌｏｇ（Ｔ）を計算することにより、送受波特性ＶＴＧが求められる。
【００３２】
このような周波数特性の算出手法を用い、下記の５つのパラメータを変化させることにより、超音波用探触子から発生する超音波の周波数特性をシミュレーションにより求める。
(i)バッキング層１６の音響インピーダンスＺＢ（例えば、ＺＢ＝５ＭＲａｙｌ、１０ＭＲａｙｌ、１５ＭＲａｙｌ、２０ＭＲａｙｌ）
(ii)音響整合層１４の音響インピーダンスＺ１（４ＭＲａｙｌ≦Ｚ１≦３０ＭＲａｙｌ）
(ii)音響整合層１５の音響インピーダンスＺ２（１ＭＲａｙｌ≦Ｚ２≦８ＭＲａｙｌ）
(iv)音響整合層１４の厚さｔ１（或いは、整合比Ｍ１、０．４≦Ｍ１≦１．６）
(v)音響整合層１５の厚さｔ２（或いは、整合比Ｍ２、０．４≦Ｍ２≦１．６）
【００３３】
図２〜図１１は、このようなシミュレーションの結果を示している。各図において、整合比Ｍ１及びＭ２によって特定される各欄には、２つの音響整合層１４及び１５の整合比をそれぞれＭ１及びＭ２とした場合に、最も良い周波数帯域幅を得ることができた音響インピーダンスＺ１及びＺ２の組合せと、その帯域幅（％）とが示されている。例えば、図３に示す左下の欄（Ｍ１＝０．４、Ｍ２＝０．４）において、音響整合層１４の整合比をＭ１＝０．４、音響インピーダンスをＺ１＝４ＭＲａｙｌ〜６ＭＲａｙｌとし、音響整合層１５の整合比をＭ２＝０．４、音響インピーダンスをＺ２＝７ＭＲａｙｌ〜８ＭＲａｙｌとした場合に、最大で５０％以上の周波数帯域幅が得られている。
【００３４】
図２及び図３は、バッキング層１６の音響インピーダンスをＺＢ＝５ＭＲａｙｌとした場合におけるシミュレーション結果を示している。
この場合には、２つの音響整合層１４及び１５の整合比を（Ｍ１，Ｍ２）＝（１．０，１．０）としたときに（図２に示す太枠内）、Ｚ１＝２０ＭＲａｙｌ〜２４ＭＲａｙｌ、且つ、Ｚ２＝４ＭＲａｙｌ〜５ＭＲａｙｌ付近で最大８０％以上の周波数帯域幅が得られた。しかしながら、それ以外の範囲については、狭い範囲において７０％以上の帯域が得られたに過ぎなかった（例えば、（Ｍ１，Ｍ２）＝（１．２，１．０）としたときに（１２≦Ｚ１≦１４，Ｚ２＝３）付近、（Ｍ１，Ｍ２）＝（１．２，１．２）としたときに（１２≦Ｚ１≦１８，３≦Ｚ２≦４）付近、（Ｍ１，Ｍ２）＝（１．２，１．０）としたときに（１２≦Ｚ１≦１４，Ｚ２＝３）付近）。
【００３５】
図４及び図５は、バッキング層１６の音響インピーダンスをＺＢ＝１０ＭＲａｙｌとした場合におけるシミュレーション結果を示している。
この場合には、整合比を（Ｍ１，Ｍ２）＝（０．８，０．８）、（０．８，１．０）、（１．０，０．６）、（１．０，０．８）、（１．２，０．６）、（１．２，１．２）としたときに、最大８０％以上の周波数帯域幅が得られた。これより、整合比を（Ｍ１，Ｍ２）＝（１．０，１．０）からずらした場合においても、比較的高い周波数帯域幅を得られることがわかった。また、整合比を（Ｍ１，Ｍ２）＝（１．２，１．０）、（１．２，１．２）、（１．０，１．２）とした場合（図４に示す太枠内）には、比較的まとまった領域において７０％以上又は８０％以上の周波数帯域が得られていた。
【００３６】
図６〜図８は、バッキング層１６の音響インピーダンスをＺＢ＝１５ＭＲａｙｌとした場合におけるシミュレーション結果を示している。
この場合には、整合比を（Ｍ１，Ｍ２）＝（０．４，１．６）、（０．６、１．４〜１．６）、（０．８，１．２〜１．４）、（１．０，１．０〜１．４）、（１．２，０．８〜１．０）、（１．４，０．６〜０．８）、（１．６，０．６）としたときに、９０％以上の周波数帯域幅が得られた。それらの内でも、整合比を（Ｍ１，Ｍ２）＝（０．６，１．６）、（０．８，１．４）、（１．０，１．２）、（１．２，１．０）、（１．４，０．８）、（１．６，０．６）としたときに（図６〜図８に示す太枠内）、１００％以上の周波数帯域幅を得ることができた。また、これらの場合には、音響インピーダンス（Ｚ１，Ｚ２）の組合せの広い範囲において、概ね７０％以上、その内の広い範囲で８０％以上の周波数帯域が得られていた。
【００３７】
図９〜図１１は、バッキング層１６の音響インピーダンスをＺＢ＝２０ＭＲａｙｌとした場合におけるシミュレーション結果を示している。
この場合には、整合比を（Ｍ１，Ｍ２）＝（０．４，１．６）、（０．６，１．０〜１．６）、（０．８，１．２〜１．６）、（１．０，１．０〜１．６）、（１．２，０．８〜１．６）、（１．４，０．６〜１．０）、（１．６，０．４〜０．８）としたときに、９０％以上の周波数帯域幅が得られた。それらの内でも、整合比を（Ｍ１，Ｍ２）＝（０．６，１．６）、（０．８，１．４〜１．６）、（１．０，１．２）、（１．２，１．０）、（１．４，０．８）、（１．６，０．６〜０．８）としたときに（図９〜図１１に示す太枠内）、１００％以上の周波数帯域幅を得ることができた。また、これらの場合には、音響インピーダンス（Ｚ１，Ｚ２）の組合せの広い範囲において、概ね７０％以上、その内の広い範囲で８０％以上の周波数帯域が得られていた。
【００３８】
次に、図４〜図１１に示す結果に基づいて、良好な周波数帯域幅を得るために必要な条件を求めた。なお、以下においては、比較的広い範囲で概ね８０％以上（部分的に７０％以上）の周波数帯域が得られる場合を比較的良好な周波数帯域幅としており、音響インピーダンスＺ１及びＺ２が取り得る範囲がΔＺ１≧８（ＭＲａｙｌ）、ΔＺ２≧３（ＭＲａｙｌ）である場合を比較的広い範囲としている。
【００３９】
図４〜図１１より、比較的良好な周波数帯域が得られる整合比Ｍ１及びＭ２の組合せは、一方の整合比が大きくなれば他方の整合比が小さくなる関係にあるものと考えられる。そこで解析を行ったところ、次式（７）に示す関係が見出された。なお、式（７）は、圧電体層１１の音響インピーダンスＺ０によって規格化されている。
２＜Ｍ１＋Ｍ２≦２＋０．６８（ＺＢ／Ｚ０） …（７）
【００４０】
さらに、式（７）を満たす整合比の組合せ（Ｍ１，Ｍ２）の範囲内において、比較的良好な周波数帯域が得られる音響インピーダンスＺ１及びＺ２に関する解析を行ったところ、次式（８）に示す関係が得られた。なお、式（８）は、圧電体層１１の音響インピーダンスＺ０によって規格化されている。
【数５】
【００４１】
そこで、条件式（７）及び（８）を満たすパラメータを選択して超音波用探触子を実際に作製し、周波数特性を測定する実験を行った。この実験においては、各パラメータを次のように設定した。
振動子：音響インピーダンスＺ０＝３４ＭＲａｙｌ
バッキング層：音響インピーダンスＺＢ＝２０ＭＲａｙｌ
第１の音響整合層：音響インピーダンスＺ１＝８ＭＲａｙｌ、整合比Ｍ１＝０．８
第２の音響整合層：音響インピーダンスＺ２＝４ＭＲａｙｌ、整合比：Ｍ２＝１．４
【００４２】
図１２は、その実験結果を示している。図１２において、横軸は周波数（ＭＨｚ）を示し、縦軸は送信超音波の強度（任意の単位）を示している。図１２に示すように、この超音波用探触子においては、約３ＭＨｚから約１０ＭＨｚに渡る広い周波数帯域を得ることができた。この超音波用探触子の周波数帯域幅は、設計値１００％に対して、実測値は１１０％であった。
【００４３】
以上説明したように、本実施形態によれば、音響整合層を２層構造とする場合に、バッキング層の音響インピーダンスと、第１の音響整合層及び第２の音響整合層の厚さ及び音響インピーダンスとを適切に組み合わせることにより、超音波用探触子の広帯域化を実現することが可能となる。
【００４４】
本実施形態においては、図１に示すように、複数の振動子が平面上に１列に配列されたリニアアレイ型探触子について説明したが、本発明は、振動子が凸面上に配列されたコンベックスアレイ型探触子や、円環状の振動子が同心円状に配列されたアニュラアレイ型探触子や、複数の振動子が２次元状に配列された２次元アレイ型探触子や、体腔内においてラジアル走査を行う体腔内探触子等の様々な探触子に適用することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明は、超音波を送受信する圧電振動子と、不要な振動を制動するためのバッキング層と、音響インピーダンスの整合を図るための音響整合層とを有し、医療用の超音波診断装置等において用いられる超音波用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】
【００４６】
【図１】本発明の一実施形態に係る超音波用探触子の構造を示す一部断面斜視図である。
【図２】バッキング層の音響インピーダンスがＺＢ＝５ＭＲａｙｌの場合（Ｍ２＝１．６〜１．０）における送受波特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図３】バッキング層の音響インピーダンスがＺＢ＝５ＭＲａｙｌの場合（Ｍ２＝０．８〜０．４）における送受波特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図４】バッキング層の音響インピーダンスがＺＢ＝１０ＭＲａｙｌの場合（Ｍ２＝１．６〜１．０）における送受波特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図５】バッキング層の音響インピーダンスがＺＢ＝１０ＭＲａｙｌの場合（Ｍ２＝０．８〜０．４）における送受波特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図６】バッキング層の音響インピーダンスがＺＢ＝１５ＭＲａｙｌの場合（Ｍ２＝１．６〜１．２）における送受波特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図７】バッキング層の音響インピーダンスがＺＢ＝１５ＭＲａｙｌの場合（Ｍ２＝１．０〜０．８）における送受波特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図８】バッキング層の音響インピーダンスがＺＢ＝１５ＭＲａｙｌの場合（Ｍ２＝０．６〜０．４）における送受波特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図９】バッキング層の音響インピーダンスがＺＢ＝２０ＭＲａｙｌの場合（Ｍ２＝１．６〜１．４）における送受波特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図１０】バッキング層の音響インピーダンスがＺＢ＝２０ＭＲａｙｌの場合（Ｍ２＝１．２〜１．０）における送受波特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図１１】バッキング層の音響インピーダンスがＺＢ＝２０ＭＲａｙｌの場合（Ｍ２＝０．８〜０．４）における送受波特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図１２】式（７）及び（８）を満たすパラメータに基づいて作製された超音波用探触子の周波数特性を示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
１ 超音波用探触子
１１ 圧電体
１２、１３ 電極
１４ 第１の音響整合層
１５ 第２の音響整合層
１６ バッキング層
１７ 充填材
１８ 音響レンズ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を送受信する圧電振動子と、不要な振動を制動するためのバッキング層と、音響インピーダンスの整合を図るための音響整合層とを有し、医療用の超音波診断装置等において用いられる超音波用探触子に関する。
【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。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り、超音波ビームを人体等の被検体内に送信し、被検体内において生じた超音波エコーを受信し、超音波エコーが生じた反射点や反射強度を求めることにより、被検体内に存在する構造物（例えば、内臓や病変組織等）の輪郭を抽出する。
【０００３】
このような超音波撮像を行う装置（超音波診断装置、超音波撮像装置等と呼ばれる）においては、超音波を送信及び受信する超音波トランスデューサとして、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Pb(lead) zirconate titanate）に代表される圧電セラミックや、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン：polyvinyliden difluoride）に代表される高分子圧電材料等の圧電体の両面に電極を形成した振動子（圧電振動子）が、一般的に用いられている。
【０００４】
振動子の電極に電圧を印加すると、圧電効果により圧電体が伸縮して超音波が発生する。そこで、複数の振動子を１次元又は２次元状に配列し、それらの振動子を順次駆動することにより、所望の方向に送信される超音波ビームを形成することができる。また、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て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】
ところで、異なる物質が接する境界面における超音波の伝播効率は、それらの物質の音響インピーダンスに応じて変化する。具体的には、音響インピーダンスの差が大きい境界面において、超音波は反射し易くなるので、超音波の伝播損失は大きくなる。ここで、音響インピーダンスとは、音響媒質密度と音速との積で表される物質固有の定数であり、その単位としては、一般に、ＭＲａｙｌ（メガレイル）が用いられる（１ＭＲａｙｌ＝１×１０６ｋｇ・ｍ−２・ｓ−１）。例えば、ＰＺＴ等の圧電セラミックの音響インピーダンスは、約２３ＭＲａｙｌ〜約３５ＭＲａｙｌであり、人体の音響インピーダンスは、約１．５ＭＲａｙｌである。
【０００６】
音響インピーダンスＺ０の物質と音響インピーダンスＺＭの物質との境界面における超音波の反射率ＲＰは、次式（１）によって表される。
ＲＰ＝（Ｚ０−ＺＭ）／（Ｚ０＋ＺＭ） ・・・（１）
そこで、式（１）に、一般的な圧電セラミックスの音響インピーダンスＺ０＝３５ＭＲａｙｌと、生体の音響インピーダンスＺＭ＝１．５ＭＲａｙｌを代入すると、反射率はＲＰ＝０．９２となる。即ち、振動子の材料として圧電セラミックを用いる場合には、振動子を人体に直接接触させても、超音波はあまり伝播しない（１割未満）ことがわかる。
【０００７】
そのため、通常は、振動子と被検体との間に音響整合層を挿入することにより、音響インピーダンスの整合が図られている。即ち、振動子から被検体に向けて音響インピーダンスを段階的に変化させることにより、各境界面における超音波の反射率を低下させている。この音響整合層は、理論的には多層構造とする方が、より伝播効率を改善できるが、設計上の理由等により、一般には１層〜３層程度設けられる。
【０００８】
超音波の伝播効率を高めるためには、各音響整合層について、最適な音響インピーダンス及び厚さを設定する必要がある。例えば、非特許文献１には、エネルギー伝送論に基づいて求められた最適な音響インピーダンスが開示されている。
【０００９】
また、非特許文献２には、音響整合層の界面における超音波の反射を考慮して、音響整合層の厚さを、それぞれの音響整合層を伝播する超音波の波長の１／４に設定することが開示されている。その理由は、以下の通りである。理想的なインパルス波形を有する駆動信号によって振動子を励振したとしても、振動子が有する周波数帯域特性の影響により、送信された超音波は、振動が減衰しながら持続する波形を示す。そのため、超音波の伝播方向における分解能（即ち、距離分解能）はあまり良くない。ここで、超音波が音響整合層の界面において反射することにより、音響整合層を往復する超音波の位相は、直接波（振動子又は下層の音響整合層から伝播したままの超音波）に比べて波長の１／２（半波長分）だけずれる。そこで、音響整合層の厚さを波長の１／４に設定すると、反射波と直接波との重ね合わせにより、直接波の半波長以降の波形が反射波によって抑圧される。それにより、直接波の波形を理想的なインパルス波形に近付けることができる。
【００１０】
関連する技術として、特許文献１には、圧電体に２層の音響整合層を設けた超音波探触子において、圧電体上に形成された第１音響整合層の厚みをｔ１とし、第１音響整合層上に形成された第２の音響整合層の厚みをｔ２とし、また、第１音響整合層の材料中の縦波の音速をｖ１とし、第２音響整合層の材料中の縦波の音速をｖ２とし、この超音波探触子に用いる圧電体の機械共振周波数をｆ０としたとき、第１及び第２の音響整合層の厚みを（ｖ１／４ｆ０）×１．１５≦ｔ１≦（ｖ１／４ｆ０）×１．２０、及び、（ｖ２／４ｆ０）×１．１５≦ｔ２≦（ｖ２／４ｆ０）×１．２０の範囲にすることが開示されている。即ち、特許文献１においては、中心周波数付近における損失及び損失変動の低減して、高感度及び高分解能を実現するために、非特許文献２に記載されている理論値に対して、各音響整合層の厚さを増加させている（例えば、λ／４に対して１．１５〜１．２０倍）。
【００１１】
ところで、超音波には、低周波数帯域における深部到達性や、高周波帯域における高分解能等の特性がある。そのため、通常は、中心周波数帯域の異なる複数種類の超音波用探触子を用意し、それらを診断対象に応じて交換して使用することにより、そのような超音波特性を生かした画像生成が行われている。しかしながら、消化器官に挿入される内視鏡タイプの探触子や、血管に挿入されるカテーテルタイプの探触子を用いる場合には、探触子を被検体（人体）内に挿入したり抜き出したりする必要があるので、そのような作業を何度も行うことは、被検体にとって大きな身体的負担となる。そのため、特にこれらの探触子においては、探触子を交換することなく多くの超音波画像情報が得られるように、低周波から高周波までの広い周波数帯域を網羅できる性能が求められている。また、一般的な超音波用探触子においても、周波数特性を広帯域化することにより、得られる超音波画像の画質を高めることができる。
【００１２】
ところが、音響整合層を設けることにより超音波の伝播効率を向上させても、その一方で、周波数帯域が狭まるという弊害が存在する。ここで、周波数帯域幅ｆＢＷ（％）は、次式（２）によって表される。式（２）において、周波数ｆＨ及びｆＬ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、周波数ｆＨと周波数ｆＬとの中心周波数である。
ｆＢＷ（％）＝１００×（ｆＨ−ｆＬ）／ｆＣ ・・・（２）
【００１３】
例えば、圧電セラミック（音響インピーダンスが３５ＭＲａｙｌ程度、電気機械結合定数がＫ３３＝０．７程度）とバッキング層（音響インピーダンスが３．５ＭＲａｙｌ〜６．０ＭＲａｙｌ程度）とを含む超音波用探触子に、第１の音響整合層（音響インピーダンスが８．９２ＭＲａｙｌ程度）、及び、第２の音響整合層（音響インピーダンスが２．３４ＭＲａｙｌ程度）を設ける場合に、非特許文献２に記載されているように、各音響整合層の厚さを波長の１／４に設計すると、周波数帯域幅ｆＢＷ（％）は、およそ６０％〜６５％程度となる。
このように、超音波の伝播効率を最大にするような音響整合層の条件は、広帯域の周波数特性を実現するためには必ずしも適していない。
【特許文献１】特開昭５８−１７７６４０号公報（第１頁）
【非特許文献１】「超音波便覧」、丸善、ｐ．１１６
【非特許文献２】伊東正安、望月剛 著「超音波診断装置」、コロナ社、ｐ．３０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
そこで、上記の点に鑑み、本発明は、超音波を送受信する圧電振動子と、不要な振動を制動するためのバッキング層と、音響インピーダンスの整合を図るための２層の音響整合層を備える超音波用探触子において、周波数特性を広帯域化することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
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用探触子は、音響インピーダンスＺ０を有する材料によって形成されている圧電体及び該圧電体の両面に形成された電極を含み、印加される電圧に応じて超音波を送信すると共に、超音波を受信することにより電圧を発生する振動子であって、機械共振周波数ｆ０を有する振動子と、該振動子の第１の主面上に、音響インピーダンスＺＢを有する材料によって形成されているバッキング層と、振動子の第２の主面上に、音響インピーダンスＺ１を有する第１の材料によって形成されている第１の音響整合層であって、第１の材料及び機械共振周波数ｆ０に基づいて定まる超音波の波長λ１に対してＭ１／４倍の厚さを有する第１の音響整合層と、該第１の音響整合層上に、音響インピーダンスＺ２を有する第２の材料によって形成されている第２の音響整合層であって、第２の材料及び機械共振周波数ｆ０に基づいて定まる超音波の波長λ２に対してＭ２／４倍の厚さを有する第２の音響整合層とを具備し、上記ＺＢ、Ｚ１、Ｚ２、Ｍ１、及び、Ｍ２が、２＜Ｍ１＋Ｍ２≦２＋０．６８（ＺＢ／Ｚ０）、且つ、４≦Ｚ１≦２２、２≦Ｚ２≦８、５＜ＺＢを満たす。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、超音波の周波数特性を考慮しながら、バッキング層の音響インピーダンス並びに２層の音響整合層の厚さ及び音響インピーダンスを設定するので、広帯域な超音波を送受信できる超音波用探触子を得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
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、本発明の一実施形態に係る超音波用探触子の構造を示す一部断面斜視図である。図１に示すように、超音波用探触子１は、圧電体１１並びにその両面に形成されている電極１２及び１３と、第１の音響整合層１４と、第２の音響整合層１５と、バッキング層１６とを含んでいる。また、超音波用探触子１は、これらの構成に加えて、充填材１７及び音響レンズ１８を含んでいても良い。
【００１８】
圧電体１１並びに電極１２及び１３は、電圧を印加されることにより圧電効果により伸縮して超音波を発生する振動子（圧電振動子）を構成する。圧電体１１は、圧電セラミックによって形成されている。圧電セラミックは、電気・機械エネルギー変換能力が高いので、体内の深部まで到達可能な強力な超音波を発生することができると共に、受信感度も高いからである。具体的な材料としては、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Ｐｂ（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｏ３）や、同様のペロブスカイト系結晶構造を有する変成組成の材料や、ＰＭＮ−ＰＴ（Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３固溶体）、ＰＮＮ−ＰＴ（Ｐｂ（Ｎｉ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ固溶体）を含むリラクサ系材料等が用いられる。
【００１９】
以下において、圧電体層１１の音響インピーダンスをＺ０とし、圧電体層１１並びに電極層１２及び１３を含む振動子の機械共振周波数をｆ０とする。本実施形態においては、圧電体層１１として、音響インピーダンスＺ０が、例えば、２３〜３５ＭＲａｙｌ程度の圧電材料が用いられる。また、振動子１１〜１３は、機械共振周波数ｆ０が、例えば、３．５ＭＨｚ〜１２ＭＨｚ程度になるように設計されている。
【００２０】
第１及び第２の音響整合層１４及び１５は、振動子１１〜１３の上面に配置されており、振動子と人体等の被検体との間における音響インピーダンスを整合させることにより、超音波の伝播効率を高める。
第１の音響整合層１４は、例えば、石英ガラスや、有機材料（エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、シリコン樹脂、アクリル樹脂等）に高い音響インピーダンスを有する材料粉末（タングステン、フェライト紛等）を混ぜ合わせた材料によって形成されている。以下において、音響整合層１４の音響インピーダンスをＺ１とする。
【００２１】
また、音響整合層１４の厚さｔ１は、音響整合層１４を伝播する超音波の波長をλ１として、整合厚λ１／４のＭ１倍となるように設計されている（即ち、ｔ１＝Ｍ１・λ１／４）。ここで、整合厚とは、音響整合層を伝播する超音波の波長の１／４の厚さのことである。本願において整合厚を基準とするのは、一般的な超音波用探触子において、音響整合層はこの厚さになるように設計されるからである（非特許文献２参照）。以下において、整合厚λ１／４に対する厚さｔ１の比率Ｍ１のことを、整合比ともいう。
【００２２】
音響整合層を伝播する超音波の波長λｉは、媒質（音響整合層の材料）を伝播する音速ｖと周波数ｆとを用いて、次式（３）により表される。
λｉ＝ｖ／ｆ …（３）
また、音速ｖは、媒質の体積弾性率をＫ、密度をρとする場合に、次式（４）により表される。
ｖ＝（Ｋ／ρ）１／２ …（４）
結局、式（３）及び（４）より、波長λｉは、次式（５）により表される。
λｉ＝（Ｋ／ρ）１／２／ｆ …（５）
【００２３】
従って、音響整合層１４を伝播する超音波の波長λ１は、音響整合層１４を構成する材料の体積弾性率をＫ１、密度をρ１とすると、式（５）及び振動子１１〜１３の機械共振周波数ｆ０を用いて、次式により表される。
λ１＝（Ｋ１／ρ１）１／２／ｆ０
【００２４】
第２の音響整合層１５は、例えば、有機材料（エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、シリコン樹脂、アクリル樹脂等）のように、第１の音響整合層１４よりも音響インピーダンスが低い材料によって形成されている。以下において、音響整合層１５の音響インピーダンスをＺ２とする。
【００２５】
また、音響整合層１５の厚さｔ２は、音響整合層１５を伝播する超音波の波長をλ２として、整合厚λ２／４のＭ２倍となるように設計されている（即ち、ｔ２＝Ｍ２・λ２／４）。波長λ２は、音響整合層１５を構成する材料の体積弾性率をＫ２、密度をρ２とすると、式（５）及び振動子１１〜１３の機械共振周波数ｆ０を用いて、次式により表される。
λ２＝（Ｋ２／ρ２）１／２／ｆ０
なお、音響インピーダンスＺ１及びＺ２、並びに、整合比Ｍ１及びＭ２の条件については、後で詳しく説明する。
【００２６】
バッキング層１６は、振動子１１〜１３の下面（即ち、音響整合層１４及び１５の反対側の面）に配置されており、振動子１１〜１３から発生した不要な超音波を減衰させる。バッキング層１６は、エポキシ樹脂やゴム等のように、音響減衰の大きい材料によって形成されている。以下において、バッキング層１６の音響インピーダンスをＺＢとする。
【００２７】
充填材１７は、複数の圧電振動子の間における干渉を低減し、振動子１１〜１３の横方向の振動を抑えることにより、振動子１１〜１３が縦方向に振動するようにする。音響レンズ１８は、所望の深度に焦点を形成するように、超音波を収束させる。
【００２８】
本実施形態においては、このような構成を有する超音波用探触子において、超音波の広帯域な周波数特性を実現させるために、バッキング層１６及び２つの音響整合層１４及び１５を次のような方法を用いて設計している。なお、以下においては、音響レンズ１８を配置しない場合について説明する。
【００２９】
まず、超音波用探触子の周波数特性を算出する方法について説明する。超音波用探触子に含まれている各構成要素を等価的な四端子回路に置き換えることにより、超音波の伝送系を、バッキング層、圧電振動子、音響整合層が直列に接続された四端子回路網と考える。各構成要素は固有の音響インピーダンスを有しており、超音波の伝送系を介して超音波を送信又は受信する際に、特有の周波数特性が生じる。従って、この四端子回路網の一端に電圧を入力すると共に、他端を被検体の等価回路によって終端することにより、超音波用探触子の発振性能を送受波特性ＶＴＧ（Voltage Transfer Gain）として算出することができる。
【００３０】
伝送系の入力インピーダンスＺは次式（６）により表される。
【数２】
ここで、
【数３】
【数４】
である。また、Ｋは電気機械結合定数を表し、Ｚ０は圧電振動子の音響インピーダンスを表し、ＺＡは音響整合層の音響インピーダンスを表し、ＺＢはバッキング層の音響インピーダンスを表し、ｆ０は圧電振動子の機械共振周波数を表し、ω０は２πｆ０を表し、Ｃ０は容量値を表している。さらに、ｋＡ、ｋＢは、圧電振動子の厚さに対する音響整合層の厚さ及びバッキング層の厚さからそれぞれ決定されるパラメータである。
【００３１】
この等価回路を２層構造の音響整合層に適用したシミュレーションを行うために、超音波の伝送系を、バッキング層、圧電振動子、第１の音響整合層、第２の音響整合層が直列に接続された四端子回路網と考える。この伝送モデルにおいて、送信音圧と受信音圧とが等しいものとすると、伝送系の入力インピーダンス及び四端子回路網の定数に基づいて、信号伝達関数Ｔが求められる。この信号伝達関数Ｔに対して、各周波数において２０・ｌｏｇ（Ｔ）を計算することにより、送受波特性ＶＴＧが求められる。
【００３２】
このような周波数特性の算出手法を用い、下記の５つのパラメータを変化させることにより、超音波用探触子から発生する超音波の周波数特性をシミュレーションにより求める。
(i)バッキング層１６の音響インピーダンスＺＢ（例えば、ＺＢ＝５ＭＲａｙｌ、１０ＭＲａｙｌ、１５ＭＲａｙｌ、２０ＭＲａｙｌ）
(ii)音響整合層１４の音響インピーダンスＺ１（４ＭＲａｙｌ≦Ｚ１≦３０ＭＲａｙｌ）
(ii)音響整合層１５の音響インピーダンスＺ２（１ＭＲａｙｌ≦Ｚ２≦８ＭＲａｙｌ）
(iv)音響整合層１４の厚さｔ１（或いは、整合比Ｍ１、０．４≦Ｍ１≦１．６）
(v)音響整合層１５の厚さｔ２（或いは、整合比Ｍ２、０．４≦Ｍ２≦１．６）
【００３３】
図２〜図１１は、このようなシミュレーションの結果を示している。各図において、整合比Ｍ１及びＭ２によって特定される各欄には、２つの音響整合層１４及び１５の整合比をそれぞれＭ１及びＭ２とした場合に、最も良い周波数帯域幅を得ることができた音響インピーダンスＺ１及びＺ２の組合せと、その帯域幅（％）とが示されている。例えば、図３に示す左下の欄（Ｍ１＝０．４、Ｍ２＝０．４）において、音響整合層１４の整合比をＭ１＝０．４、音響インピーダンスをＺ１＝４ＭＲａｙｌ〜６ＭＲａｙｌとし、音響整合層１５の整合比をＭ２＝０．４、音響インピーダンスをＺ２＝７ＭＲａｙｌ〜８ＭＲａｙｌとした場合に、最大で５０％以上の周波数帯域幅が得られている。
【００３４】
図２及び図３は、バッキング層１６の音響インピーダンスをＺＢ＝５ＭＲａｙｌとした場合におけるシミュレーション結果を示している。
この場合には、２つの音響整合層１４及び１５の整合比を（Ｍ１，Ｍ２）＝（１．０，１．０）としたときに（図２に示す太枠内）、Ｚ１＝２０ＭＲａｙｌ〜２４ＭＲａｙｌ、且つ、Ｚ２＝４ＭＲａｙｌ〜５ＭＲａｙｌ付近で最大８０％以上の周波数帯域幅が得られた。しかしながら、それ以外の範囲については、狭い範囲において７０％以上の帯域が得られたに過ぎなかった（例えば、（Ｍ１，Ｍ２）＝（１．２，１．０）としたときに（１２≦Ｚ１≦１４，Ｚ２＝３）付近、（Ｍ１，Ｍ２）＝（１．２，１．２）としたときに（１２≦Ｚ１≦１８，３≦Ｚ２≦４）付近、（Ｍ１，Ｍ２）＝（１．２，１．０）としたときに（１２≦Ｚ１≦１４，Ｚ２＝３）付近）。
【００３５】
図４及び図５は、バッキング層１６の音響インピーダンスをＺＢ＝１０ＭＲａｙｌとした場合におけるシミュレーション結果を示している。
この場合には、整合比を（Ｍ１，Ｍ２）＝（０．８，０．８）、（０．８，１．０）、（１．０，０．６）、（１．０，０．８）、（１．２，０．６）、（１．２，１．２）としたときに、最大８０％以上の周波数帯域幅が得られた。これより、整合比を（Ｍ１，Ｍ２）＝（１．０，１．０）からずらした場合においても、比較的高い周波数帯域幅を得られることがわかった。また、整合比を（Ｍ１，Ｍ２）＝（１．２，１．０）、（１．２，１．２）、（１．０，１．２）とした場合（図４に示す太枠内）には、比較的まとまった領域において７０％以上又は８０％以上の周波数帯域が得られていた。
【００３６】
図６〜図８は、バッキング層１６の音響インピーダンスをＺＢ＝１５ＭＲａｙｌとした場合におけるシミュレーション結果を示している。
この場合には、整合比を（Ｍ１，Ｍ２）＝（０．４，１．６）、（０．６、１．４〜１．６）、（０．８，１．２〜１．４）、（１．０，１．０〜１．４）、（１．２，０．８〜１．０）、（１．４，０．６〜０．８）、（１．６，０．６）としたときに、９０％以上の周波数帯域幅が得られた。それらの内でも、整合比を（Ｍ１，Ｍ２）＝（０．６，１．６）、（０．８，１．４）、（１．０，１．２）、（１．２，１．０）、（１．４，０．８）、（１．６，０．６）としたときに（図６〜図８に示す太枠内）、１００％以上の周波数帯域幅を得ることができた。また、これらの場合には、音響インピーダンス（Ｚ１，Ｚ２）の組合せの広い範囲において、概ね７０％以上、その内の広い範囲で８０％以上の周波数帯域が得られていた。
【００３７】
図９〜図１１は、バッキング層１６の音響インピーダンスをＺＢ＝２０ＭＲａｙｌとした場合におけるシミュレーション結果を示している。
この場合には、整合比を（Ｍ１，Ｍ２）＝（０．４，１．６）、（０．６，１．０〜１．６）、（０．８，１．２〜１．６）、（１．０，１．０〜１．６）、（１．２，０．８〜１．６）、（１．４，０．６〜１．０）、（１．６，０．４〜０．８）としたときに、９０％以上の周波数帯域幅が得られた。それらの内でも、整合比を（Ｍ１，Ｍ２）＝（０．６，１．６）、（０．８，１．４〜１．６）、（１．０，１．２）、（１．２，１．０）、（１．４，０．８）、（１．６，０．６〜０．８）としたときに（図９〜図１１に示す太枠内）、１００％以上の周波数帯域幅を得ることができた。また、これらの場合には、音響インピーダンス（Ｚ１，Ｚ２）の組合せの広い範囲において、概ね７０％以上、その内の広い範囲で８０％以上の周波数帯域が得られていた。
【００３８】
次に、図４〜図１１に示す結果に基づいて、良好な周波数帯域幅を得るために必要な条件を求めた。なお、以下においては、比較的広い範囲で概ね８０％以上（部分的に７０％以上）の周波数帯域が得られる場合を比較的良好な周波数帯域幅としており、音響インピーダンスＺ１及びＺ２が取り得る範囲がΔＺ１≧８（ＭＲａｙｌ）、ΔＺ２≧３（ＭＲａｙｌ）である場合を比較的広い範囲としている。
【００３９】
図４〜図１１より、比較的良好な周波数帯域が得られる整合比Ｍ１及びＭ２の組合せは、一方の整合比が大きくなれば他方の整合比が小さくなる関係にあるものと考えられる。そこで解析を行ったところ、次式（７）に示す関係が見出された。なお、式（７）は、圧電体層１１の音響インピーダンスＺ０によって規格化されている。
２＜Ｍ１＋Ｍ２≦２＋０．６８（ＺＢ／Ｚ０） …（７）
【００４０】
さらに、式（７）を満たす整合比の組合せ（Ｍ１，Ｍ２）の範囲内において、比較的良好な周波数帯域が得られる音響インピーダンスＺ１及びＺ２に関する解析を行ったところ、次式（８）に示す関係が得られた。なお、式（８）は、圧電体層１１の音響インピーダンスＺ０によって規格化されている。
【数５】
【００４１】
そこで、条件式（７）及び（８）を満たすパラメータを選択して超音波用探触子を実際に作製し、周波数特性を測定する実験を行った。この実験においては、各パラメータを次のように設定した。
振動子：音響インピーダンスＺ０＝３４ＭＲａｙｌ
バッキング層：音響インピーダンスＺＢ＝２０ＭＲａｙｌ
第１の音響整合層：音響インピーダンスＺ１＝８ＭＲａｙｌ、整合比Ｍ１＝０．８
第２の音響整合層：音響インピーダンスＺ２＝４ＭＲａｙｌ、整合比：Ｍ２＝１．４
【００４２】
図１２は、その実験結果を示している。図１２において、横軸は周波数（ＭＨｚ）を示し、縦軸は送信超音波の強度（任意の単位）を示している。図１２に示すように、この超音波用探触子においては、約３ＭＨｚから約１０ＭＨｚに渡る広い周波数帯域を得ることができた。この超音波用探触子の周波数帯域幅は、設計値１００％に対して、実測値は１１０％であった。
【００４３】
以上説明したように、本実施形態によれば、音響整合層を２層構造とする場合に、バッキング層の音響インピーダンスと、第１の音響整合層及び第２の音響整合層の厚さ及び音響インピーダンスとを適切に組み合わせることにより、超音波用探触子の広帯域化を実現することが可能となる。
【００４４】
本実施形態においては、図１に示すように、複数の振動子が平面上に１列に配列されたリニアアレイ型探触子について説明したが、本発明は、振動子が凸面上に配列されたコンベックスアレイ型探触子や、円環状の振動子が同心円状に配列されたアニュラアレイ型探触子や、複数の振動子が２次元状に配列された２次元アレイ型探触子や、体腔内においてラジアル走査を行う体腔内探触子等の様々な探触子に適用することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明は、超音波を送受信する圧電振動子と、不要な振動を制動するためのバッキング層と、音響インピーダンスの整合を図るための音響整合層とを有し、医療用の超音波診断装置等において用いられる超音波用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】
【００４６】
【図１】本発明の一実施形態に係る超音波用探触子の構造を示す一部断面斜視図である。
【図２】バッキング層の音響インピーダンスがＺＢ＝５ＭＲａｙｌの場合（Ｍ２＝１．６〜１．０）における送受波特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図３】バッキング層の音響インピーダンスがＺＢ＝５ＭＲａｙｌの場合（Ｍ２＝０．８〜０．４）における送受波特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図４】バッキング層の音響インピーダンスがＺＢ＝１０ＭＲａｙｌの場合（Ｍ２＝１．６〜１．０）における送受波特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図５】バッキング層の音響インピーダンスがＺＢ＝１０ＭＲａｙｌの場合（Ｍ２＝０．８〜０．４）における送受波特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図６】バッキング層の音響インピーダンスがＺＢ＝１５ＭＲａｙｌの場合（Ｍ２＝１．６〜１．２）における送受波特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図７】バッキング層の音響インピーダンスがＺＢ＝１５ＭＲａｙｌの場合（Ｍ２＝１．０〜０．８）における送受波特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図８】バッキング層の音響インピーダンスがＺＢ＝１５ＭＲａｙｌの場合（Ｍ２＝０．６〜０．４）における送受波特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図９】バッキング層の音響インピーダンスがＺＢ＝２０ＭＲａｙｌの場合（Ｍ２＝１．６〜１．４）における送受波特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図１０】バッキング層の音響インピーダンスがＺＢ＝２０ＭＲａｙｌの場合（Ｍ２＝１．２〜１．０）における送受波特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図１１】バッキング層の音響インピーダンスがＺＢ＝２０ＭＲａｙｌの場合（Ｍ２＝０．８〜０．４）における送受波特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図１２】式（７）及び（８）を満たすパラメータに基づいて作製された超音波用探触子の周波数特性を示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
１ 超音波用探触子
１１ 圧電体
１２、１３ 電極
１４ 第１の音響整合層
１５ 第２の音響整合層
１６ バッキング層
１７ 充填材
１８ 音響レンズ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
音響インピーダンスＺ０を有する材料によって形成されている圧電体及び前記圧電体の両面に形成された電極を含み、印加される電圧に応じて超音波を送信すると共に、超音波を受信することにより電圧を発生する振動子であって、機械共振周波数ｆ０を有する前記振動子と、
前記振動子の第１の主面上に、音響インピーダンスＺＢを有する材料によって形成されているバッキング層と、
前記振動子の第２の主面上に、音響インピーダンスＺ１を有する第１の材料によって形成されている第１の音響整合層であって、前記第１の材料及び前記機械共振周波数ｆ０に基づいて定まる超音波の波長λ１に対してＭ１／４倍の厚さを有する前記第１の音響整合層と、
前記第１の音響整合層上に、音響インピーダンスＺ２を有する第２の材料によって形成されている第２の音響整合層であって、前記第２の材料及び前記機械共振周波数ｆ０に基づいて定まる超音波の波長λ２に対してＭ２／４倍の厚さを有する前記第２の音響整合層と、
を具備し、
前記ＺＢ、Ｚ１、Ｚ２、Ｍ１、及び、Ｍ２が、
２＜Ｍ１＋Ｍ２≦２＋０．６８（ＺＢ／Ｚ０）
且つ、
４≦Ｚ１≦２２、２≦Ｚ２≦８、５＜ＺＢ
を満たす、超音波用探触子。
【請求項２】
音響インピーダンスＺ０を有する材料によって形成されている圧電体及び前記圧電体の両面に形成された電極を含み、印加される電圧に応じて超音波を送信すると共に、超音波を受信することにより電圧を発生する振動子であって、機械共振周波数ｆ０を有する前記振動子と、
前記振動子の第１の主面上に、音響インピーダンスＺＢを有する材料によって形成されているバッキング層と、
前記振動子の第２の主面上に、音響インピーダンスＺ１を有する第１の材料によって形成されている第１の音響整合層であって、前記第１の材料及び前記機械共振周波数ｆ０に基づいて定まる超音波の波長λ１に対してＭ１／４倍の厚さを有する前記第１の音響整合層と、
前記第１の音響整合層上に、音響インピーダンスＺ２を有する第２の材料によって形成されている第２の音響整合層であって、前記第２の材料及び前記機械共振周波数ｆ０に基づいて定まる超音波の波長λ２に対してＭ２／４倍の厚さを有する前記第２の音響整合層と、
を具備し、
前記ＺＢ、Ｚ１、Ｚ２、Ｍ１、及び、Ｍ２が、
２＜Ｍ１＋Ｍ２≦２＋０．６８（ＺＢ／Ｚ０）
且つ、
【数１】
を満たす、超音波用探触子。
【請求項３】
前記圧電体が、圧電セラミックスによって形成されている、請求項１又は２記載の超音波用探触子。
【請求項１】
音響インピーダンスＺ０を有する材料によって形成されている圧電体及び前記圧電体の両面に形成された電極を含み、印加される電圧に応じて超音波を送信すると共に、超音波を受信することにより電圧を発生する振動子であって、機械共振周波数ｆ０を有する前記振動子と、
前記振動子の第１の主面上に、音響インピーダンスＺＢを有する材料によって形成されているバッキング層と、
前記振動子の第２の主面上に、音響インピーダンスＺ１を有する第１の材料によって形成されている第１の音響整合層であって、前記第１の材料及び前記機械共振周波数ｆ０に基づいて定まる超音波の波長λ１に対してＭ１／４倍の厚さを有する前記第１の音響整合層と、
前記第１の音響整合層上に、音響インピーダンスＺ２を有する第２の材料によって形成されている第２の音響整合層であって、前記第２の材料及び前記機械共振周波数ｆ０に基づいて定まる超音波の波長λ２に対してＭ２／４倍の厚さを有する前記第２の音響整合層と、
を具備し、
前記ＺＢ、Ｚ１、Ｚ２、Ｍ１、及び、Ｍ２が、
２＜Ｍ１＋Ｍ２≦２＋０．６８（ＺＢ／Ｚ０）
且つ、
４≦Ｚ１≦２２、２≦Ｚ２≦８、５＜ＺＢ
を満たす、超音波用探触子。
【請求項２】
音響インピーダンスＺ０を有する材料によって形成されている圧電体及び前記圧電体の両面に形成された電極を含み、印加される電圧に応じて超音波を送信すると共に、超音波を受信することにより電圧を発生する振動子であって、機械共振周波数ｆ０を有する前記振動子と、
前記振動子の第１の主面上に、音響インピーダンスＺＢを有する材料によって形成されているバッキング層と、
前記振動子の第２の主面上に、音響インピーダンスＺ１を有する第１の材料によって形成されている第１の音響整合層であって、前記第１の材料及び前記機械共振周波数ｆ０に基づいて定まる超音波の波長λ１に対してＭ１／４倍の厚さを有する前記第１の音響整合層と、
前記第１の音響整合層上に、音響インピーダンスＺ２を有する第２の材料によって形成されている第２の音響整合層であって、前記第２の材料及び前記機械共振周波数ｆ０に基づいて定まる超音波の波長λ２に対してＭ２／４倍の厚さを有する前記第２の音響整合層と、
を具備し、
前記ＺＢ、Ｚ１、Ｚ２、Ｍ１、及び、Ｍ２が、
２＜Ｍ１＋Ｍ２≦２＋０．６８（ＺＢ／Ｚ０）
且つ、
【数１】
を満たす、超音波用探触子。
【請求項３】
前記圧電体が、圧電セラミックスによって形成されている、請求項１又は２記載の超音波用探触子。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００７−２８９２８３（Ｐ２００７−２８９２８３Ａ）
【公開日】平成１９年１１月８日（２００７．１１．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１１８３４４（Ｐ２００６−１１８３４４）
【出願日】平成１８年４月２１日（２００６．４．２１）
【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１９年１１月８日（２００７．１１．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年４月２１日（２００６．４．２１）
【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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