JP2005065884A

JP2005065884A - 超音波探触子及び超音波診断装置

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Publication number: JP2005065884A
Application number: JP2003298162A
Authority: JP
Inventors: Shohei Sato; 正平佐藤
Original assignee: Aloka Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-08-22
Filing date: 2003-08-22
Publication date: 2005-03-17
Anticipated expiration: 2023-08-22
Also published as: JP4320229B2

Abstract

【課題】超音波ビームを二次元走査する場合において、音速制御素子を用いて送信チャンネル数及び受信チャンネル数を削減する。
【解決手段】振動層１２、第１音速制御層４０及び第２音速制御層５０が積層されている。振動層１２は４つの振動素子１４によって構成され、第１音速制御層４０はｘ方向に並んだ６つの第１音速制御部４４で構成され、第２音速制御層５０はｙ方向に並んだ６つの第２音速制御部５４で構成されている。振動層１２についての電子的な遅延制御、第１音速制御層４０におけるｘ方向についての音響的な遅延制御及び第２音速制御層５０におけるｙ方向についての音響的な遅延制御を組み合わせることにより、超音波ビームを任意の方向へ走査し、またビームフォーカスを行うことができる。電子遅延制御を行う対象が極めて少なくなるので、回路規模を著しく小さくできるという利点がある。
【選択図】図１

Description

本発明は超音波探触子及び超音波診断装置に関し、特に、超音波探触子の構造及び音速制御素子の利用に関する。

一般に、２Ｄアレイ振動子は極めて多数（例えば数千個）の振動素子によって構成される。その２Ｄアレイ振動子を用いて超音波ビームを走査し、またフォーカスを行うためには、多数の送信回路（送信チャンネル）及び多数の受信回路（受信チャンネル）を必要とする。それに加えて、プローブケーブル内の信号線の本数も増大する。

下記の特許文献１には、音速制御素子を用いた超音波探触子が示されている。音速制御素子はそれ自身を通過する超音波の音速を変化させ、結果として、音響的にディレイを達成するものである。この特許文献１には、一方方向について電子遅延制御が適用され、他方方向について音速制御（音響的遅延制御）が適用されたものが示されている。この構成によれば、電子遅延制御と音響的遅延制御が組み合わされるので、送信回路及び受信回路の個数を削減できるという利点がある。下記の特許文献２にも、複数の音速制御素子を備えた超音波探触子が開示されている。なお、特許文献３には、行方向及び列方向のそれぞれについて独立して複数の信号の電子遅延加算処理を行う構成が開示されているが、音速制御素子との組合せについては開示されていない。

特開平１１−１２３１８８号公報特開２０００−３４２５８２号公報特開２０００−２５４１２０号公報

しかし、音速制御素子１個当たりの音響的な遅延量（遅延制御の範囲）には実際上限界があり、電子遅延制御との組合せを考慮しても、例えばビームスキャン及びビームフォーカスを行う場合に十分でない場合がある。あるいは、三次元エコーデータ取込空間を形成する場合には、ｘ方向及びｙ方向の両方向についてビームスキャン及びビームフォーカスが行われるが、その場合に、特にチャンネルリダクションの必要性が高いために音速制御素子の活用が期待される。なお、上記特許文献１及び上記特許文献２に示される具体例は音速制御素子を１段だけ設けるものである。

本発明の目的は、音速制御素子を用いる構成において十分な遅延時間を得られるようにすることにある。

本発明の他の目的は、超音波ビームの二次元走査に当たってチャンネルリダクションを達成することにある。

（１）本発明は、ｘ方向及びｙ方向に配列された振動素子群からなる振動層と、前記振動部の上側に積層され、前記ｘ方向に配列された第１音速制御部アレイからなる第１音速制御層と、前記第１音速制御層の上側に積層され、前記ｙ方向に配列された第２音速制御部アレイからなる第２音速制御層と、を含み、１つの振動素子に対して、ｘ方向に配列された第１音速制御部サブアレイと、ｙ方向に配列された第２音速制御部サブアレイと、が対応することを特徴とする。

上記構成によれば、振動層、第１音速制御層、及び、第２音速制御層が積層されて積層体が構築される。このように２つ（あるいは３つ以上）の音速制御層が積層される点が従来例との物的構成上の主要な相違点である。具体的には、振動層は二次元配列された複数の振動素子（振動素子群）によって構成され、第１音速制御層はｘ方向に並んだ複数の第１音速制御部（第１音速制御アレイ）によって構成される。第２音速制御層はｙ方向に並んだ複数の第２音速制御部（第２音速制御アレイ）によって構成される。１つの振動素子に対して、ｘ方向に並んだ複数の第１音速制御部からなる第１音速制御部サブアレイが対応し、同様に、ｙ方向に並んだ複数の第２音速制御部からなる第２音速制御サブアレイが対応する。

よって、ある振動素子に注目すると、当該振動素子から放射された超音波はまず複数の第１音速制御部を通過し、その過程においてｘ方向における各領域（各第１音速制御部）で音響的な遅延操作が施され、次に超音波は複数の第２音速制御部を通過し、その過程においてｙ方向における各領域（各第２音速制御部）で音響的な遅延操作が施される。すなわち、振動素子を格子状に区分した場合における各升目（セル）ごとに音響的な遅延時間を個別的に設定することが可能となる。その場合に、必要に応じて当該振動素子に供給される送信信号について電子遅延制御を行えば、それによって振動素子を単位としたオフセット遅延量も設定できる。また、各振動素子ごとに適宜、電子遅延と音響的遅延を組み合わせて設定すれば、二次元のビームステアリングやビームフォーカスを行いうる。受信時においては、基本的に上記と逆の過程を経て各振動子にて反射波が受波される。ちなみに、第１音速制御層及び第２音速制御層の構成如何によっては（後述する実施形態の構成などでは）、第２音速制御層で音響的に遅延処理された反射波が第１音速制御層で音響的につまり物理的に加算されることになる。受信時に音響的遅延制御を用いてあるいはそれと電子遅延制御を併用して受信ダイナミックフォーカスを行うことも可能である。上記構成において、ｘ方向とｙ方向は基本的に直交関係にある。但し、本発明はコンベックス型探触子など送受波面が平面以外のものにも当然に適用できる。

以上のように、電子遅延制御、ｘ方向についての音響的遅延制御、ｙ方向についての音響的制御をそれぞれ独立し行うことが可能であるので、大幅なチャンネルリダクションを達成しつつもビーム形成及びビーム走査を良好に行える。

望ましくは、前記第１音速制御部アレイを構成する各第１音速制御部は、前記振動層におけるｙ方向の振動素子の並びに対応して、ｙ方向に並んだ複数の第１音速制御素子に区分され、前記第２音速制御アレイを構成する各第２音速制御部は、前記第１音速制御層におけるｘ方向の第１音速制御部の並びに対応して、ｘ方向に並んだ複数の第２音速制御素子に区分される。なお、素子分離処理を行う場合、隣接する素子間を完全に分離してもよいし、一部を残しつつ分離を行ってもよい。

例えば、振動層がｘ方向にｉ個且つｙ方向にｊ個の合計ｉ×ｊ個の振動素子で構成され、第１音速制御層がｘ方向にｉ×ｍ個且つｙ方向にｊ個の合計ｉ×ｍ×ｊ個の第１音速制御素子で構成され、第２音速制御層がｘ方向にｉ×ｍ個且つｙ方向にｊ×ｎ個の合成ｉ×ｍ×ｊ×ｎ個の第２音速制御素子で構成される場合には、１つの振動素子当たり、ｍ個の第１音速制御素子が積層され、またｍ×ｎ個の第２音速制御素子が積層される。なお、各係数ｉ，ｊ，ｍ，ｎは例えば２以上の整数であるが、ｉ及びｎが１であってもよい。後述する実施形態では、発明説明のために、ｉ及びｊがいずれも２で、ｍ及びｎがいずれも３であるが、それらは単なる一例に過ぎない。

望ましくは、前記各第１音速制御部には、前記ｙ方向に並んだ複数の第１音速制御素子に共通の第１音速制御電極が設けられ、前記各第２音速制御部には、前記ｘ方向に並んだ複数の第２音速制御素子に共通の第２音速制御電極が設けられる。

上記構成によれば、各音速制御部ごとに単一の音速制御電極が設けられるので、各音速制御部を構成する複数の音速制御素子が同じ条件で動作する。よって、音速制御対象の個数を削減できるので制御が容易である。勿論、各音速制御素子に個別に電極を設けることも可能である。

望ましくは、前記振動層における各振動素子間にはそれぞれ第１の音響ギャップが形成され、前記第１音速制御層における各第１音速制御素子間にはそれぞれ第２の音響ギャップが形成され、前記第２音速制御層における各第２音速制御素子間にはそれぞれ第３の音響ギャップが形成される。

上記構成によれば、各音響ギャップによって超音波の回り込み、漏れ込みを軽減、解消することができるので、ビームパターンを良好にして超音波画像の画質を高められる。各音響ギャップは空気層であってもよいが、電気的絶縁性及び音響的隔絶性ある材料などを充填するようにするのが望ましい。

望ましくは、前記第２音速制御層の上側には整合層が形成され、前記整合層は、前記第２音速制御層を構成する第２音速制御素子群と同じ配列をもった整合素子群で構成される。望ましくは、前記整合層における各整合素子間にはそれぞれ第４の音響ギャップが形成される。この構成によれば、整合層の内部での上記のような超音波のクロストークを軽減、解消できる。

望ましくは、前記振動層と前記第１音速制御層との間には絶縁層が形成される。この構成によれば、振動層の上面側に形成される電極と第１音速制御層の下面側に形成される電極との間での絶縁性を確保できる。

望ましくは、前記絶縁層は、前記振動素子群に対応する絶縁素子群で構成され、前記絶縁層における各絶縁素子間には第５の音響的ギャップが形成される。この構成によれば、絶縁層の内部で生じる音響的なクロストークを軽減、解消できる。

望ましくは、前記第１音速制御層と前記第２音速制御層との間に共通のグランド電極が設けられる。電極を共用すれば部品点数を削減して構成を簡易にでき、またコストを削減できる。

望ましくは、前記第１音速制御層と前記第２音速制御層との間には絶縁層が形成される。望ましくは、前記絶縁層は、前記第１音速制御層を構成する第１音速制御素子群に対応する絶縁素子群で構成され、前記絶縁層における各絶縁素子間には第５の音響ギャップが形成される。例えば、振動層と第１音速制御層との間に共通のグランド電極を設け、第１音速制御層と第２音速制御層との間に絶縁層を設けてもよい。このように、共通グランド電極を設ける位置及び絶縁層を設ける位置は、超音波探触子の構成に応じて適宜定めればよい。

望ましくは、前記第１音速制御層及び前記第２音速制御層の内の少なくとも一方は超音波伝搬方向に音響インピーダンスが変化する傾斜特性を有する。音速制御素子の傾斜特性自体は公知であるが、上記構成との組合せによって、部材境界面での音響的なマッチングを良好にできる。

望ましくは、前記傾斜特性は前記超音波伝搬方向における中央部から両端部にかけて音響インピーダンスが連続的に又は段階的に変化する特性である。望ましくは、前記超音波伝搬方向における中央部の音響インピーダンスは音速制御に応じて変動し、前記超音波伝搬方向における両端部の音響インピーダンスは音速制御によらずに実質的に一定である。

この構成によれば、音速可変によって音速制御素子が有する音響インピーダンスが変化しても、その両端（上下端）の音響インピーダンスを維持できるので、音響的マッチングの変動あるいは低下という問題に対処できる。

（２）また、本発明は、超音波の送受波を行う振動層と、前記振動層の上側に階層的に積層された複数の音速制御層からなる音速制御層スタックと、前記音速制御層スタックの上側に積層された整合層と、前記振動層に対して供給される送信信号及び前記振動層からの受信信号について電子遅延制御を行う電子遅延制御手段と、前記各音速制御層の内部を伝搬する超音波の速度を個別的に制御することにより音響遅延制御を行う音響遅延制御手段と、を含み、前記電子遅延制御及び前記音響遅延制御を用いてビーム走査及びビームフォーカスの少なくとも一方を行うことを特徴とする。

上記構成において、振動層、第１音速制御層及び第２音速制御層はそれぞれアレイ構造を有しているのが望ましいが、いずれにしても複数の音速制御層の積層によって単一の音速制御層では実現が難しい大きな音響的遅延量を実現できる。

（３）また、本発明は、超音波探触子及びそれが接続される装置本体とを含む超音波診断装置において、前記超音波探触子は、ｘ方向及びｙ方向に整列したｉ×ｊ（但し、ｉは１以上の整数でｊは２以上の整数）個の振動素子からなる振動層と、前記振動層の上側に設けられ、前記ｘ方向に並んだｉ×ｍ（但し、ｍは２以上の整数）個の第１音速制御部からなる第１音速制御層と、前記第１音速制御層の上側に積層され、前記ｙ方向に並んだｊ×ｎ（但し、ｎは１以上の整数）個の第２音速制御部からなる第２音速制御層と、を含み、１つの振動素子に対して、前記ｘ方向に並んだｍ個の第１音速制御部と、前記ｙ方向に並んだｎ個の第２音速制御部と、が対応し、前記装置本体は、前記振動層に対する電子制御、並びに、前記第１音速制御層及び前記第２音速制御層に対する音速制御を併用して、二次元のビーム走査及びビームフォーカスの少なくとも一方を行うことを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、音速制御を行う場合において十分な遅延時間を獲得できる。また、本発明によれば、超音波ビームの二次元走査に当たって高いチャンネルリダクション率を達成できる。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。

図１には、本発明に係る超音波探触子の要部構成が斜視図として示されている。超音波診断装置は、図１に示される超音波探触子とそれが接続される装置本体（図示せず）とによって構成される。超音波探触子は周知のように例えば生体表面上に当接して用いられ、超音波を送受波する送受波器として機能する。

超音波探触子は、振動層１２、バッキング１８、第１音速制御層４０、第２音速制御層５０及び整合層６４などを積層した積層体１０を有している。

振動層１２は、ｘ方向にｉ個、ｙ方向にｊ個の振動素子１４で構成される。図１に示す例では、ｉが２であり、ｊが２である。すなわち、２×２個の合計４つの振動素子１４が二次元的に配列されている。各振動素子１４は平板状の形態を有しており、上方から見たその形状は四角形、望ましくは正方形である。振動層１２において、振動素子間には音響的ギャップ１６が形成され、その音響的ギャップ１６により振動素子間における超音波の回り込みや振動伝達といった問題が回避されている。この音響的ギャップ１６及び後述する音響的ギャップについては空気層として構成することも可能であるが、絶縁性や物理的強度を高めるために音響的隔絶性をもった充填剤などを充填するようにしてもよい。各振動素子１４はＰＺＴなどの材料で構成され、あるいは複合材料として構成することもできる。

振動層１２の下面側にはバッキング１８が設けられている。このバッキング１８は振動層１２から下方側へ放射される超音波を吸収、散乱するものである。振動層１２とバッキング１８との間には電極アレイ２０が設けられている。この電極アレイ２０は複数の振動素子１４に対応する複数の電極２２で構成され、各電極２２は面状電極であり、それらはシグナル電極として機能する。もちろん、バッキング１８内に複数の振動素子１４に対応付けて複数の信号線を埋設し、それらの信号線によってシグナルを各振動素子１４へ供給するようにしてもよい。

振動層１２の上面側にはグランド電極２４が設けられている。このグランド電極２４は複数の振動素子１４の全体を覆っており共通のグランド電極として機能する。このグランド電極２４と各電極２２との間に信号が印加され、これによって各振動素子１４にて超音波が生成される。また、各振動素子１４にて反射波が受波されると、グランド電極２４と各電極２２との間に電圧信号が生成される。

グランド電極２４の上面側には絶縁層３０が形成されている。この絶縁層３０は複数の振動素子１４に対応して複数の絶縁素子３２によって構成されており、絶縁素子間には音響的ギャップ３４が形成されている。すなわち、図１に示す例において、振動層１２は４つに分割されて、４つの振動素子１４が構成されているが、これと同様に、絶縁層３０も４つに分割されて、４つの絶縁素子３２が構成されている。１つの振動素子１４の上方に１つの絶縁素子３２が対応付けられている。音響的ギャップ３４により、隣接する２つの絶縁素子間における音響的なクロストークが回避されている。

絶縁層３０の上側には第１音速制御層４０が設けられている。この第１音速制御層４０はｘ方向に並んだｉ×ｍ個の第１音速制御部４４によって構成される。図１に示す例においてｍは３であり、すなわちｘ方向に６つの第１音速制御部４４が並んでいる。それらの第１音速制御部４４は、本実施形態において、振動層１２がｘ方向に２分割されていることに対応して２つのグループに区分されており、すなわち２つの第１音速制御部サブアレイ４６が構成されている。各音速制御部サブアレイ４６はｘ方向に並んだ３つの第１音速制御部４４によって構成される。

第１音速制御層４０は、振動層１２がｙ方向に２分割されていることに対応して、ｙ方向に２つに分割されている。つまり、個々の第１音速制御部４４はｙ方向に２分割されており、１つの第１音速制御部４４はｙ方向に並んだ２つの第１音速制御素子４２によって構成される。したがって、第１音速制御層４０は、ｙ方向に２つ、ｘ方向に６つの合計１２個の第１音速制御素子４２によって構成されている。すなわちそのような多数の第１音速制御素子４２によって第１音速制御素子アレイが構成されている。

第１音速制御層４０と絶縁層３０との間には電極アレイ３６が設けられている。この電極アレイ３６はｘ方向に並んだ複数のストリップ状の電極３８によって構成され、各電極３８はｙ方向に伸張した形態を有している。１つの第１音速制御部４４に対して１つの電極３８が対応付けられており、このような電極アレイ３６を用いてそれぞれの第１音速制御部４４について個別的に動作制御を行うことができる。本実施形態においては各第１音速制御部４４ごとにすなわちｙ方向に並んだ２つの振動素子４２ごとに、１つの電極３８が設けられていたが、各振動素子ごとに電極を設けるようにしてもよい。本実施形態の構成によれば、超音波探触子全体としての信号線の本数をより削減できるという利点がある。

各振動素子間には音響的ギャップ４３が形成されており、すなわちｘ方向においてはそれぞれ隣接する２つの振動素子の間に音響的ギャップ４３が形成され、ｙ方向においても隣接する２つの振動素子４２の間に音響的ギャップ４３が形成されている。それらの音響的ギャップ４３によってクロストークすなわち音響的な回り込みを防止できるという利点がある。

ここで、音速制御素子（第１音速制御素子４２及び後述する第２音速制御素子５２）の機能について説明する。従来技術でも述べたように、音速制御素子はその内部を通過する超音波の音速を可変する機能を有している。音速制御素子に対しては電気的な回路が接続され、当該回路の電気インピーダンスを変化させることにより、音速制御素子内における弾性的係数を可変し、その結果としてその内部を伝搬する超音波の音速を変化させることができる。このように超音波の音速が変化すると、超音波の伝搬時間が可変されることになり、あるいは超音波の位相が可変されることになり、その結果として物理的あるいは音響的なディレイを実現することができる。音速制御素子を構成する材料としては振動素子と同様の材料をあげることができ、例えばセラミックなどの材料である。ちなみに、音速制御素子を構成する場合、その厚み方向すなわち超音波の伝搬方向に、音響インピーダンス特性を変化させるようにしてもよい。すなわち傾斜型の音速制御素子を用いるようにしてもよい。特に、音速制御素子の一方面及び他方面についてそれに接合させる部材との間における音響的なマッチングを良好とすることにより効率的に超音波を伝搬することが可能となる。これについては後に図５に示すモデルを用いて説明する。

第１音速制御層４０の上側には第２音速制御層５０が設けられており、それらの間には共通のグランド電極４８が設けられている。第２音速制御層５０は、ｙ方向に並んだ複数の第２音速制御部５４によって構成される。この例においてはｙ方向にｊ×ｎ個の第２音速制御部５４が設けられ、ここでｎは３であり、すなわちｙ方向に６つの第２音速制御部５４が配列されている。

各第２音速制御部５４は、ｘ方向にｉ×ｍ個の第２音速制御素子５２に分割されている。本実施形態においてｉは２であり、ｍは３であるため、第１音速制御層４０におけるｘ方向の第１音速制御素子４２の配列と同様に、第２音速制御層５０においてはｙ方向に６つの第２音速制御素子が配列されている。

各第２音速制御素子間には音響的ギャップ５５が形成されている。これによって音響的なクロストークが防止されている。上述したように、第２音速制御層５０はｘ方向にｉ×ｍ個、ｉ方向にｊ×ｎ個の第２音速制御素子５２によって構成されており、本実施形態においては６×６個の第２音速制御素子５２がアレイを構成している。ちなみに、第２音速制御部５４を複数の第２音速制御素子５２に分割することなく一体的に構成することも可能であるが、その場合においては音響的ギャップ５４を形成できないために音響的な回り込みが生じ易くなる。このためビームステアリングやビームフォーカスの精度が劣化することになる。その一方において、本実施形態においては第１音速制御層４０及び第２音速制御層５０のいずれにおいてもできる限り超音波の回り込みを防止するための構成が採用されているためビームステアリング及びビームフォーカスを良好に行えるという利点がある。

第２音速制御層５０の上側には電極アレイ６０が設けられている。この電極アレイ６０はｙ方向に並んだｊ×ｎ個の電極６２によって構成され、本実施形態では６つの電極６２によって構成されている。各電極６２は各第２音速制御部５４に対応づけられており、すなわち、各第２音速制御部５４をそれぞれ独立して動作制御することができる。

電極アレイ６０の上側には整合層６４が設けられている。この整合層６４はｘ方向にｉ×ｍ個、ｙ方向にｊ×ｎ個の整合素子６６によって構成され、本実施形態においては６×６個の整合素子６６によって構成されている。この整合素子６６の配列は第２音速制御素子５２の配列と同様である。隣接する整合素子間には音響的ギャップ６７が形成されているため、この整合層６４においてもチャンネル間における超音波の回り込みが効果的に防止されている。

図１に示される積層体１０は図示されていない探触子ケース内に収容され、これによって超音波探触子が構成される。振動層１２においては各振動素子１４ごとに個別的に電子遅延制御を行うことができ、第１音速制御層４０においては各第１音速制御部４４ごとに音響的な遅延制御を行うことができ、第２音速制御層５０においては各第２音速制御部５４ごとに音響的な遅延制御を行うことができる。すなわち、振動層１２においてはｘ方向及びｙ方向についておおまかな遅延制御を行うことができ、換言すればそれぞれの振動素子単位で遅延量のオフセット分を決定することができ、その上で、ｘ方向については第１音速制御層４０の作用によって遅延量を制御でき、ｙ方向については第２音速制御層５０により遅延量を制御することができる。その結果、超音波ビームすなわち送信ビーム及び受信ビームを二次元的に走査することが可能となり、また二次元的なビームフォーカスを実現することができる。たとえば、６×６個の振動素子からなる２Ｄアレイ振動子を用いて各振動素子を個別的に遅延制御した場合に比べて、図１に示した実施形態においては例えば電子フォーカスなどの面において若干の粗さが生じる可能性があるが、図１に示す実施形態によれば、必要な信号線の本数を著しく削減でき、また、装置本体内に設けられる送信回路（送信チャンネル）及び受信回路（受信チャンネル）の個数を大幅に削減できるという顕著な実用的効果がある。また、副次的効果として、超音波探触子に接続される超音波ケーブルを細くできるという利点があり、その結果として超音波探触子の操作性を極めて良好にできる。なお、図１に示す例ではｘ方向及びｙ方向の各方向別に２段の音速制御層を設けたが、そのような直交関係に限られず、１段では音速制御量が不足するような場合に、複数段の音速制御層を設けて充分な遅延量を確保してもよい。

上記実施形態においては、絶縁層３０が設けられているため、グランド電極２４と電極アレイ３６との間が絶縁されている。しかも、その絶縁層３０が各振動素子１４単位で分割されて複数の絶縁素子３２が構成されているため、上述したように音響的なクロストークを効果的に防止できるという利点がある。これは、第１音速制御層４０及び第２音速制御層５０においても同様であり、音響的ギャップ４３，５５により水平方向における音響的な回り込みを防止できるという利点がある。

図２には、振動素子１４、第１音速制御素子４２及び第２音速制御素子５２の関係が示されている。１つの振動素子１４に対しては、第１音速制御部サブアレイ４６及び第２音速制御部サブアレイ５６が対応づけられており、より具体的には、１つの振動素子１４あたり３つの第１音速制御素子４２及び３つの音速制御素子５２が対応付けられている。その結果、遅延量に関しては、振動素子１４で設定された遅延量に対してｘ方向に３つの遅延量を並列的に上積みすることができ、またｙ方向に３つの遅延量を並列的に上積みすることができる。その結果振動素子１４が形成する波面を任意の方向へ傾けることが可能となる。これに関しては後に図４を用いて更に説明することとする。

図３には、装置本体内の一部構成が示されている。送受信制御部７０は、電子遅延制御及び音速可変制御を実行するものである。その送受信制御部７０には図示されていない主制御部から制御信号が送られている。

第１音速制御回路７２は第１音速制御層４０に接続され、各第１音速制御部４４ごとに音速の制御を行っている。これと同様に、第２音速制御回路７４は第２音速制御層５０に接続されており、各第２音速制御部５４ごとに音速の可変制御を行っている。

送信部７６は、複数の振動素子１４ごとに設けられた送信回路によって構成され、受信部７８は複数の振動素子１４ごとに設けられた受信遅延回路及びそれらから出力される信号を加算する加算回路などによって構成されている。上述したように、本実施形態によれば第１音速制御層４０及び第２音速制御層５０を設けることにより送信部７６及び受信部７８の回路規模を極めて小さくできるという利点がある。

図４には、１つの振動素子に着目した場合における超音波の偏向制御モデルが概念的に示されている。説明の便宜上、図４におけるｘ−ｙ座標は、図１に示したｘ−ｙ座標から両軸を転置させた関係にある。下段の振動素子が符号１４Ａで示され、中段のｘ方向に並ぶ３つの第１音速制御素子が符号４２Ａで示され、上段のｙ方向に並ぶ３つの第２音速制御素子が符号５２Ａで示されている（ここでは、各第２音速制御素子５２Ａはｘ方向に分割されていないものを示している）。

まず（Ａ）には正方形状の振動素子１４Ａについての送信信号あるいは受信信号に対する電子遅延制御だけを行った場合における生体内での仮想的な波面（平面）が示されている。その波面は振動素子１４の面の法線に対して直交する。

次に（Ｂ）には、（Ａ）の場合に加えて、３つの第１音速制御素子４２Ａについての音速を可変して、それぞれについて音響的な遅延量を与えた結果が示されている。上記の波面はｘ軸に対して角度θｘをもって傾斜する。この場合、隣接する第１音速制御素子間の時間差ΔＴ１は以下のように計算される。

（数１）
ΔＴ１＝（ｐｘ・ｓｉｎθｘ）／Ｖ・・・（１）

上記において、ｐｘは第１音速制御素子間のピッチであり、Ｖは生体内の音速である。

次に、（Ｃ）には、（Ｂ）の場合に加えて、３つの第２音速制御素子５２Ａについての音速を可変して、それぞれについて音響的な遅延量を与えた結果が示されている。上記の波面は更にｙ軸に対して角度θｙをもって傾斜する。この場合、隣接する第２音速制御素子間の時間差ΔＴ２は以下のように計算される。

（数２）
ΔＴ２＝（ｐｙ・ｓｉｎθｙ）／Ｖ・・・（２）

上記において、ｐｙは第２音速制御素子間のピッチであり、Ｖは生体内の音速である。

上記で示したモデルは１つの振動素子１４Ａについてのものであるが、各振動素子ごとに上記のようなｘ方向及びｙ方向の独立した音速制御を行うことにより、更に必要に応じて電子遅延制御を併用することにより、二次元のビームステアリング及びビームフォーカスを行える。その場合において、２Ｄアレイ振動子を用いる場合に比べて、音速制御が必要ではあるが、送信チャンネル数及び受信チャンネル数を大幅に削減できるので、装置構成上、極めて有利である。

次に、図５を用いて傾斜型音速制御素子について説明する。（Ｂ）においては図１に示した積層体１０における１区画すなわち１つのセルのみがモデルとして示されている。符号１００はバッキングであり、符号１０２は振動素子に相当し、符号１０４は絶縁素子に相当し、符号１０５は第１音速制御素子に相当し、符号１０７は第２音速制御素子に相当し、符号１０９は整合素子に相当する。また符号１０１，１０３，１１１，１０６，１０８はそれぞれ電極を示している。電極１０１と１０３との間には送受信部１１２が接続され、電極１１１及び１０６の間には第１音速制御回路１１４が接続され、電極１０６及び電極１０８の間には第２音速制御回路１１６が接続されている。ちなみに符号１１０は生体を表している。

（Ａ）には、Ｚ方向の各位置における音響インピーダンスが概略的に示されている。第１音速制御素子１０５及び第２音速制御素子１０７は図５に示す例において傾斜特性を有しており、特に中央部から両端部にかけてその内部特性が変化している。両端部においては音速の可変に関わらず一定の音響インピーダンスが実現されており、一方それらを除く中央部においては音速の可変によって音響インピーダンスが上下に変動する。これが符号１２０及び１２２で示されている。このような両端部固定型の傾斜特性を採用することにより、第１音速制御素子１０５と第２音速制御素子１０７との間における音響インピーダンス整合を常に図ることができ、また第１音速制御素子１０５とその下方側の部材との間における音響インピーダンス関係を常に一定にすることができ、これと同様に、第２音速制御素子１０７とその上側に存在する部材との間における音響インピーダンス関係を常に一定にすることができる。ちなみに、さらに整合素子１０９についても傾斜特性を採用するようにしてもよい。このように、音速制御素子等においてＺ方向すなわち超音波伝搬方向に沿って音速可変能力を変化させることにより超音波伝搬方向に均一な音速可変能力を設定した場合に比べてその性能を良好にできるという利点がある。

上記の実施形態においては、ｉ＝２、ｊ＝２、ｍ＝３、ｎ＝３であったが、それぞれの数値はいずれも一例であって、他の数値を採用することができる。特に、ビームステアリングやビームフォーカスをより精度良く行うためにはｘ方向における音速制御数及びＹ方向における音速制御数をより多くするようにしてもよい。また、本実施形態においては２段の音速制御層が示されていたが、３段あるいはそれ以上の多層型音速制御層スタックを採用するようにしてもよい。

ちなみに、図３に示した第１音速制御回路７２及び第２音速制御回路７４を超音波探触子のケース内に収容するようにしてもよい。また、送信部７６及び受信部７８についても同様である。

本発明に係る超音波探触子の要部構成を示す斜視図である。振動素子、第１音速制御素子及び第２音速制御素子の関係を示す図である。装置本体内の要部構成を示すブロック図である。波面の傾斜制御を説明するための図である。傾斜型音速制御素子の特性を説明するための図である。

符号の説明

１０積層体、１２振動層、１４振動素子、１８バッキング、４０第１音速制御層、４２第１音速制御素子、４４第１音速制御部、４６第１音速制御部サブアレイ、５０第２音速制御層、５２第２音速制御素子、５４第２音速制御部、５６第２音速制御部サブアレイ、６４整合層、６６整合素子、１６，３４，４３，５５，６７音響的ギャップ。

Claims

ｘ方向及びｙ方向に配列された振動素子群からなる振動層と、
前記振動層の上側に積層され、前記ｘ方向に配列された第１音速制御部アレイからなる第１音速制御層と、
前記第１音速制御層の上側に積層され、前記ｙ方向に配列された第２音速制御部アレイからなる第２音速制御層と、
を含み、
１つの振動素子に対して、ｘ方向に配列された第１音速制御部サブアレイと、ｙ方向に配列された第２音速制御部サブアレイと、が対応することを特徴とする超音波探触子。
請求項１記載の超音波探触子において、
前記第１音速制御部アレイを構成する各第１音速制御部は、前記振動層におけるｙ方向の振動素子の並びに対応して、ｙ方向に並んだ複数の第１音速制御素子に区分され、
前記第２音速制御部アレイを構成する各第２音速制御部は、前記第１音速制御層におけるｘ方向の第１音速制御部の並びに対応して、ｘ方向に並んだ複数の第２音速制御素子に区分されたことを特徴とする超音波探触子。
請求項２記載の超音波探触子において、
前記各第１音速制御部には、前記ｘ方向に並んだ複数の第１音速制御素子に共通の第１音速制御電極が設けられ、
前記各第２音速制御部には、前記ｙ方向に並んだ複数の第２音速制御素子に共通の第２音速制御電極が設けられたことを特徴とする超音波探触子。
請求項２記載の超音波探触子において、
前記振動層における各振動素子間にはそれぞれ第１の音響ギャップが形成され、
前記第１音速制御層における各第１音速制御素子間にはそれぞれ第２の音響ギャップが形成され、
前記第２音速制御層における各第２音速制御素子間にはそれぞれ第３の音響ギャップが形成されたことを特徴とする超音波探触子。
請求項２記載の超音波探触子において、
前記第２音速制御層の上側には整合層が形成され、
前記整合層は、前記第２音速制御層を構成する第２音速制御素子群と同じ配列をもった整合素子群で構成されたことを特徴とする超音波探触子。
請求項５記載の超音波探触子において、
前記整合層における各整合素子間にはそれぞれ第４の音響ギャップが形成されたことを特徴とする超音波探触子。
請求項１記載の超音波探触子において、
前記振動層と前記第１音速制御層との間には絶縁層が形成されたことを特徴とする超音波探触子。
請求項７記載の超音波探触子において、
前記絶縁層は、前記振動素子群に対応する絶縁素子群で構成され、
前記絶縁層における各絶縁素子間には第５の音響的ギャップが形成されたことを特徴とする超音波探触子。
請求項７記載の超音波探触子において、
前記第１音速制御層と前記第２音速制御層との間に共通のグランド電極が設けられたことを特徴とする超音波探触子。
請求項１記載の超音波探触子において、
前記第１音速制御層と前記第２音速制御層との間には絶縁層が形成されたことを特徴とする超音波探触子。
請求項１０記載の超音波探触子において、
前記絶縁層は、前記第１音速制御層を構成する第１音速制御素子群に対応する絶縁素子群で構成され、
前記絶縁層における各絶縁素子間には第５の音響ギャップが形成されたことを特徴とする超音波探触子。
請求項１記載の超音波探触子において、
前記第１音速制御層及び前記第２音速制御層の内の少なくとも一方は超音波伝搬方向に音響インピーダンスが変化する傾斜特性を有することを特徴とする超音波探触子。
請求項１２記載の超音波探触子において、
前記傾斜特性は前記超音波伝搬方向における中央部から両端部にかけて音響インピーダンスが連続的に又は段階的に変化する特性であることを特徴とする超音波探触子。
請求項１３記載の超音波探触子において、
前記超音波伝搬方向における中央部の音響インピーダンスは音速制御に応じて変動し、前記超音波伝搬方向における両端部の音響インピーダンスは音速制御によらずに実質的に一定であることを特徴とする超音波探触子。
超音波の送受波を行う振動層と、
前記振動層の上側に階層的に積層された複数の音速制御層からなる音速制御層スタックと、
前記音速制御層スタックの上側に積層された整合層と、
前記振動層に対して供給される送信信号及び前記振動層からの受信信号について電子遅延制御を行う電子遅延制御手段と、
前記各音速制御層の内部を伝搬する超音波の速度を個別的に制御することにより音響遅延制御を行う音響遅延制御手段と、
を含み、
前記電子遅延制御及び前記音響遅延制御を用いてビーム走査及びビームフォーカスの少なくとも一方を行うことを特徴とする超音波診断装置。
超音波探触子及びそれが接続される装置本体とを含む超音波診断装置において、
前記超音波探触子は、
ｘ方向及びｙ方向に整列したｉ×ｊ（但し、ｉは１以上の整数で、ｊは２以上の整数）個の振動素子からなる振動層と、
前記振動層の上側に設けられ、前記ｘ方向に並んだｉ×ｍ（但し、ｍは２以上の整数）個の第１音速制御部からなる第１音速制御層と、
前記第１音速制御層の上側に積層され、前記ｙ方向に並んだｊ×ｎ（但し、ｎは１以上の整数）個の第２音速制御部からなる第２音速制御層と、
を含み、
１つの振動素子に対して、前記ｘ方向に並んだｍ個の第１音速制御部と、前記ｙ方向に並んだｎ個の第２音速制御部と、が対応し、
前記装置本体は、前記振動層に対する電子制御、並びに、前記第１音速制御層及び前記第２音速制御層に対する音速制御を併用して、二次元のビーム走査及びビームフォーカスの少なくとも一方を行うことを特徴とする超音波診断装置。