JP2008066972A - Ultrasonic probe and ultrasonic diagnosis device - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present invention relates to an ultrasonic probe and an ultrasonic diagnostic apparatus that perform ultrasonic transmission / reception, and relates to an ultrasonic probe and an ultrasonic probe that can equalize the slice thickness of an ultrasonic image and reduce side lobes of a sound field in the slice direction. The present invention relates to an ultrasonic diagnostic apparatus.
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。 2. Description of the Related Art There is known an ultrasonic diagnostic apparatus that scans an inside of a subject with ultrasonic waves and images an internal state of the subject based on a reception signal generated from a reflected wave from the inside of the subject. Such an ultrasonic diagnostic apparatus transmits ultrasonic waves into a subject using an ultrasonic probe including a piezoelectric vibrator, and receives reflected waves generated by acoustic impedance mismatches within the subject using the ultrasonic probe. Generate a received signal.
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。 The ultrasonic probe is arranged with a plurality of piezoelectric vibrators in the scanning direction that generate an ultrasonic wave by vibrating based on a transmission signal and generate a reception signal by receiving a reflected wave. Such an ultrasonic probe forms a focal point at a certain depth by giving a delay difference by an acoustic lens to an ultrasonic wave having a uniform rectangular intensity in a direction orthogonal to the scanning direction (hereinafter referred to as a slice direction). is doing.
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)。 Conventionally, attempts have been made to make the slice thickness of the image collected by the ultrasonic diagnostic apparatus uniform and reduce the side lobe of the sound field in the slice direction. For example, a technique is known in which grooves are formed in a piezoelectric body along the slicing direction and the density distribution of the piezoelectric body is weighted (for example, Patent Document 1). In addition, a technique for making the electrode area at the end smaller than the center is known (for example, Patent Document 2). In addition, a technique is known in which a plurality of transmission circuits are connected to piezoelectric bodies that are electrically divided in the slice direction, and the driving voltage applied to each piezoelectric body is weighted (for example, Patent Document 3). Furthermore, a technique is known in which the piezoelectric body is curved to change the thickness of the piezoelectric body in the slicing direction, and the sound pressure is controlled by the driving frequency (for example, Patent Document 4).
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。
However, in the ultrasonic probe described in
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。
Further, in the ultrasonic probe described in
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。
Furthermore, in the ultrasonic probe described in
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。
Further, in the ultrasonic probes described in
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。 The present invention solves the above-described problems, and can ensure the manufacturability and high sensitivity of an ultrasonic probe, and can make the slice thickness of an ultrasonic image uniform and reduce side lobes. It is an object of the present invention to provide a probe and an ultrasonic diagnostic apparatus including the probe.
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。
The invention according to
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。 A second aspect of the present invention is the ultrasonic probe according to the first aspect, wherein the thicknesses of the at least two piezoelectric layers in contact with each other at substantially the center in the slice direction perpendicular to the scanning direction are substantially equal. It is characterized by that.
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。 A third aspect of the present invention is the ultrasonic probe according to the first aspect, wherein one of the at least two piezoelectric layers in contact with each other in a slice direction perpendicular to the scanning direction of one of the piezoelectric layers. The thickness at the approximate center is 80 to 120% of the thickness at the approximate center in the slice direction orthogonal to the scanning direction of the other piezoelectric layer.
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。
The invention according to
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。
The invention according to
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。 A sixth aspect of the present invention is the ultrasonic probe according to any one of the first to fourth aspects of the present invention, wherein one of one of the piezoelectric layers among the at least two piezoelectric layers in contact with each other. The surface is formed in a convex shape, one surface of the other piezoelectric layer is formed in a concave shape, and the surface formed in the convex shape and the surface formed in the concave shape are fitted. It is a feature.
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。
The invention according to
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。
The invention according to
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。 According to the present invention, by gradually changing the thickness of the piezoelectric layer in the direction orthogonal to the scanning direction (slice direction), it is possible to weight the sound pressure of ultrasonic waves in the slice direction. Further, in at least two piezoelectric layers, the thickness at the substantially center in the slicing direction is substantially equal, and as one approaches the end in the slicing direction, the thickness of one piezoelectric layer is gradually increased, and the other piezoelectric body By reducing the layer thickness, the sound pressure in the slice direction of the transmitted and received ultrasonic waves is weighted positively, reducing the side lobe of the sound field in the slice direction, and producing a uniform sound field in the depth direction. It becomes possible to form.
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。 Also, according to the present invention, it is possible to improve the sensitivity of the ultrasonic probe by lowering the impedance of the ultrasonic probe by laminating a plurality of piezoelectric layers. In particular, the sensitivity can be maximized in the portions where the thicknesses of the piezoelectric layers are substantially equal compared to other portions.
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。 Further, by gradually changing the thickness of the piezoelectric layer in the slice direction, the sound pressure distribution can be continuously changed in the slice direction. As a result, the grating lob of the artifact can be reduced, and a sound field in the slice direction that is uniform and has few artifacts can be realized.
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。 Furthermore, since the upper and lower surfaces of the piezoelectric vibrator portion are formed in a flat shape, even if an acoustic matching layer or the like to be laminated on the piezoelectric vibrator portion is provided, curved processing is performed on the acoustic matching layer or the like. There is no need to apply. As a result, the manufacturing process is not complicated, and the ultrasonic probe of the present invention can be manufactured without increasing the manufacturing cost.
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。 An ultrasonic probe and an ultrasonic diagnostic apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[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。
[First Embodiment]
The configuration of the ultrasonic probe according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of an ultrasonic probe according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a sectional side view showing a schematic configuration of the ultrasonic probe according to the first embodiment of the present invention. The ultrasonic probe includes a head side and a cable side. FIGS. 1 and 2 show the head side of the ultrasonic probe.
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。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
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。
The
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。
The
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。
As shown in FIGS. 1 and 2, the lower surface of the first
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。
In addition, the upper surface (surface in contact with the acoustic matching layer 4) of the second
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。
The first
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。
Then, the thickness of the first
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。
The total thickness of the
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。
Here, as shown in FIG. 2, the entire thickness of the
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。
The first
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。
In the first embodiment, the thickness of the first
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。
For example, when the thickness at the center O in the slice direction of the first
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。
The first
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。
Further, as shown in FIG. 2,
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。
As described above, since the upper surface of the first
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。
The
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。
In addition, in order to achieve acoustic matching between the acoustic impedance of the
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。
The
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。
In addition, a filler (not shown) such as silicone rubber, urethane rubber, or epoxy resin is provided in the divided grooves of the
(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。
(Function)
According to the
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。
According to the
<(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。
<(1) Improvement of sensitivity>
In the
Formula (1) Electric capacity C 1 = ε {S / (T / 2)}
ε is the dielectric constant.
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。
In this embodiment, since the first
Formula (2) C 2 = 2 × C 1 = 2 × ε {S / (T / 2)} = 4 × ε (S / T) = 4 × C 0
Here, the electric capacity C 0 is an electric capacity of a piezoelectric body composed of one layer having a thickness T.
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。
As represented in the above formula (2), the capacitance at the center O of the
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。 Since the electric capacity can be increased by laminating the piezoelectric layers through the electrodes in this way, the impedance of the ultrasonic probe can be lowered and the sensitivity of the ultrasonic probe can be improved.
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。 In the first embodiment, an example in which two piezoelectric layers are stacked has been described. However, a piezoelectric vibrator unit in which three or more piezoelectric layers are stacked may be used. The electric capacity of the portion where the n piezoelectric layers are stacked and the thickness of each piezoelectric layer is equal is n 2 times the electric capacity of the piezoelectric material having one layer of thickness T. In this way, when two or more piezoelectric layers are stacked, the electric capacity increases in the portions where the thicknesses of the respective piezoelectric layers are equal. Therefore, it is possible to improve the sensitivity by lowering the impedance of the ultrasonic probe. Become. Note that a piezoelectric vibrator unit in which three piezoelectric layers are stacked will be described in a modification example to be described later.
<(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。
<(2) Reduction of side lobes in the slice direction and uniform sound field>
The characteristics of the piezoelectric vibrator unit formed by laminating a plurality of piezoelectric layers are such that the sensitivity of the portion where the thickness of each piezoelectric layer is equal is the highest, and when the thickness of one of the piezoelectric layers is reduced or increased, , The sensitivity in that part is lowered. The inventor of this application utilized this principle.
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。
In the
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。 This is because the sensitivity is highest because the resonance points of the piezoelectric layers coincide with each other in the portions where the thicknesses of the laminated piezoelectric layers are equal, and on the ultrasonic radiation surface side in the other portions. This is because the resonance point between the vibration of one piezoelectric layer and the vibration of another piezoelectric layer is shifted, and this causes a load on each other, resulting in a decrease in sensitivity.
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。
In the
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。
In the first embodiment, by making the thickness of the first
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。 As a result, the sensitivity at the center O in the slice direction becomes the highest, and the sensitivity gradually decreases as the end of the slice direction becomes closer. In this way, the sound pressure distribution can be weighted in the slice direction.
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。
Here, the sensitivity of the
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。
FIG. 3A is a graph showing frequency characteristics of the
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。
Further, the graph of FIG. 3B shows the frequency of the portion where the thickness of the first
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。
Further, the graph of FIG. 3C shows the frequency of the portion where the thickness of the first
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。
When the curves A, B, and C shown in FIG. 3 are compared, the sensitivity at the portion where the thickness of the first
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。
Further, the sensitivity of the portion where the thickness of the second
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。
As described above, by changing the thickness of the piezoelectric layer in the slice direction, the sound pressure can be weighted in the slice direction. According to the configuration of the
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。
Here, the sound field distribution of the ultrasonic waves transmitted and received by the ultrasonic probe will be described with reference to FIG. FIG. 4A shows an acoustic field distribution of ultrasonic waves transmitted and received by the
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。
FIG. 4 shows a sound field distribution of ultrasonic waves having an intensity of −3 [dB] to −20 [dB]. According to the
<(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。
<(3) Reduction of grating lob>
In the
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。
On the other hand, if the thickness of the piezoelectric layer is changed stepwise in the slicing direction, grating lobing occurs. In contrast, in the
<(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。
<(4) Effective area of element>
Further, in the
<(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。
<(5) Manufacturing process>
Further, since the
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。 Therefore, it is possible to achieve high sensitivity characteristics while ensuring the manufacturability of the ultrasonic probe and to weight the sound pressure distribution in the slice direction. Accordingly, it is possible to make the slice thickness of the ultrasonic image uniform and reduce the side lobes in the slice direction while ensuring the manufacturability. In addition, since the structure of the electric circuit is not complicated and an electric circuit used for a so-called one-dimensional ultrasonic probe can be applied, the effects (1) to (4) described above can be achieved without increasing the manufacturing cost. It becomes possible to play.
[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。
[Second Embodiment]
Next, the configuration and operation of an ultrasonic probe according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a diagram showing a schematic configuration and frequency characteristics of the piezoelectric vibrator unit according to the second embodiment of the present invention. FIG. 5A is a cross-sectional side view showing a schematic configuration of the piezoelectric vibrator unit according to the second embodiment, and FIGS. 5B to 5D show the second piezoelectric vibrator unit. It is a figure which shows a frequency characteristic.
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。
In the ultrasonic probe according to the second embodiment, the configuration of the piezoelectric vibrator unit is different from the configuration of the
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。
As shown in FIG. 5A, the lower surface of the first
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。
In addition, the upper surface (surface in contact with the acoustic matching layer 4) of the second
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。
The first
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。
And the thickness of the 1st
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。
The total thickness of the
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。
Here, the total thickness of the
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。
The first
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。
As in the first embodiment described above, the thickness of the first
(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。
(Function)
According to the ultrasonic probe having the above-described configuration, the operations and effects described in the above (1) to (5) can be achieved, similarly to the ultrasonic probe according to the first embodiment.
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。
As in the first embodiment, the electric capacity at the center O of the
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。
Similarly to the first embodiment, since the thickness of the first
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。
In the ultrasonic probe according to the second embodiment, in the portion (center O) where the thickness of the first
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。
In the
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。 As a result, the sensitivity at the center O in the slice direction becomes the highest, and the sensitivity gradually decreases as it approaches the end in the slice direction. In this way, the sound pressure distribution can be weighted in the slice direction.
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。
Here, the sensitivity of the ultrasonic probe according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. 5B, 5C, and 5D. 5B, 5 </ b> C, and 5 </ b> D, the horizontal axis indicates the frequency [MHz] of ultrasonic waves that are transmitted and received, and the vertical axis indicates the intensity [dB] of ultrasonic waves that are transmitted and received. Here, PZT is used for both the first
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。
FIG. 5B is a graph showing frequency characteristics of the ultrasonic probe at the center O in the slice direction. That is, the graph of FIG. 5B shows frequency characteristics of a portion where the thickness of the first
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。
Further, the graph of FIG. 5C shows the frequency of the portion where the thickness of the first
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。
Further, the graph of FIG. 5D shows the frequency of the portion where the thickness of the first
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。
When curves D, E, and F shown in FIG. 5 are compared, the sensitivity is highest at the portion where the thickness of the first
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。
Further, the sensitivity of the portion where the thickness of the first
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。
As described above, it is possible to weight the sound field in the slice direction by changing the thickness of the piezoelectric layer in the slice direction. According to the configuration of the
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。
Similarly to the first embodiment, since the thickness of the first
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。 Further, since it is not necessary to reduce the area of the electrode or form a groove in the slice direction in the piezoelectric body, it is possible to weight the sound pressure distribution in the slice direction without reducing the effective area of the element. . Since the effective area of the element does not decrease, impedance matching between the ultrasonic probe and the ultrasonic diagnostic apparatus main body is not deteriorated. As a result, the sound pressure distribution can be weighted in the slice direction without reducing the sensitivity.
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。 Moreover, since the upper surface and the lower surface of the piezoelectric vibrator portion are formed in a planar shape, it can be manufactured by the same manufacturing process as a general ultrasonic probe. Therefore, it is possible to achieve high sensitivity characteristics while ensuring the manufacturability of the ultrasonic probe, to uniformize the slice thickness of the ultrasonic image, and to reduce the side lobes in the slice direction.
[変形例] [Modification]
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。 Next, various modifications of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a cross-sectional side view showing a schematic configuration of an ultrasonic probe according to a modification of the present invention.
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。 In the first and second embodiments described above, the piezoelectric vibrator unit is configured by laminating two piezoelectric layers. However, the present invention is not limited to two layers, and three or more piezoelectric layers. The piezoelectric vibrator portion may be configured by stacking layers.
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。 In the first and second embodiments described above, one surface of the first piezoelectric layer or the second piezoelectric layer is a concave surface or a convex surface, but the present invention is not limited to these. The thickness of the first piezoelectric layer and the thickness of the second piezoelectric layer are substantially equal at the center O in the slicing direction, and the thickness of one piezoelectric layer gradually increases from the center O toward the end. The thickness of the other piezoelectric layer may be increased so as to gradually decrease from the center O toward the end. For example, the shape of the interface between the first piezoelectric layer and the second piezoelectric layer may be a trapezoidal shape, a shape represented by a Gaussian function, or a shape represented by a Hamming function. Hereinafter, these modifications will be described.
(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。
(Modification 1)
First, as
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。
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。 Thus, at the center O in the slicing direction, all the piezoelectric layers have the same thickness. As a result, the electric capacity at the center O in the slicing direction is 9 (= 3 2 ) times the electric capacity formed of a single-layer piezoelectric material having a thickness T. Thereby, the impedance of the ultrasonic probe can be lowered, and the sensitivity of the ultrasonic probe can be improved.
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。
Further, by making the thickness of the first
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。 Further, similarly to the above-described embodiment, it is possible to reduce the grating lob and realize a sound field in the slice direction that is uniform and has few artifacts. Furthermore, since the effective area of the element does not decrease, the sound pressure distribution can be weighted in the slice direction without reducing sensitivity. In addition, it is possible to achieve high sensitivity characteristics while ensuring the manufacturability of the ultrasonic probe, to make the slice thickness of the ultrasonic image uniform, and to reduce side lobes.
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。 As in the first and second embodiments described above, the thickness of the piezoelectric layer at the center O in the slice direction does not completely match, and the thickness of one of the piezoelectric layers is different from that of the other piezoelectric body. Even when the thickness is 80% to 120% of the thickness of the layer, the action and effect of the ultrasonic probe according to this modification can be exhibited.
(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。
(Modification 2)
Next, an ultrasonic probe whose surface of the piezoelectric layer is not concave or convex will be described with reference to FIGS.
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。
As shown in FIG. 6B, in the vicinity of the center O in the slicing direction, the upper surface of the first
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。
Moreover, the upper surface and the lower surface of the piezoelectric vibrator portion 9 are planar, and the entire thickness is the same thickness T regardless of whether it is the center O or the end portion. The portions of the first
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。 Even in the ultrasonic probe having the above-described configuration, the electric capacity at the center O of the piezoelectric vibrator unit 9 is 4 (= 2 2 ) times the electric capacity of the piezoelectric body formed of one layer having the thickness T. Thereby, the impedance of the ultrasonic probe can be lowered, and the sensitivity of the ultrasonic probe can be improved.
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。
In addition, in the surface where the first
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。
Further, like the
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。 The shape of the interface between the first piezoelectric layer and the second piezoelectric layer may be other than the above shape. The thickness in the vicinity of the center O in the slicing direction is substantially equal, and as the end in the slicing direction is approached, the thickness of one piezoelectric layer gradually increases and the thickness of the other piezoelectric layer decreases. If it has, it will become possible to show the operation and effect of the present invention.
[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。
[Third Embodiment]
Next, an ultrasonic diagnostic apparatus including the ultrasonic probe according to the first embodiment, the second embodiment, or the modification described above will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a block diagram showing a configuration of an ultrasonic diagnostic apparatus according to the third embodiment of the present invention.
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。
The ultrasonic
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。
As the
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。
The
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。
DSC 23 (Digital Scan Converter) converts ultrasonic raster data into data represented by orthogonal coordinates (scan conversion process) in order to obtain an image represented by an orthogonal coordinate system. For example, when scan conversion processing is performed on data output from the B-mode processing circuit, tomographic image data representing the tissue shape of the subject as two-dimensional information is generated. The
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。
The
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。
According to the ultrasonic
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
DESCRIPTION OF
Claims (10)
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。 Electrodes are provided on the upper surface and the lower surface, transmit an ultrasonic wave by applying a voltage, and an ultrasonic probe including a piezoelectric vibrator unit that receives an ultrasonic wave,
In the piezoelectric vibrator unit, a plurality of piezoelectric layers in which a plurality of piezoelectric bodies are arranged in a scanning direction are stacked via electrodes,
The ultrasonic probe according to claim 1, wherein the thickness of at least two piezoelectric layers in contact with each other among the plurality of piezoelectric layers is gradually changed in a slice direction perpendicular to the scanning direction.
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。 A piezoelectric vibrator unit in which a plurality of piezoelectric layers in which a plurality of piezoelectric bodies are arranged in a scanning direction are stacked via electrodes, and at least two of the plurality of piezoelectric layers are in contact with each other; An ultrasonic probe whose thickness is gradually changed in a slice direction perpendicular to the scanning direction;
Transmitting and receiving means for transmitting and receiving ultrasonic waves to and from the subject by the ultrasonic probe;
Image generating means for generating an ultrasonic image based on a reflected wave from the subject received by the transmitting / receiving means;
An ultrasonic diagnostic apparatus comprising:
Priority Applications (1)
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2006
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