JP2008142356A - 超音波探触子および超音波撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】周波数帯域の広い圧電素子板を有し、しかも安定して製造することができる超音波探触子および超音波撮像装置を実現する。
【解決手段】圧電素子板７０を、湾曲板部７９およびこの湾曲板部７９の湾曲面に嵌め合わされる積層板部７８からなるものとし、また積層板部７８を、第１の電極部７３および第２の電極部７４で囲み、電気信号により振動が励起されるのを防止し、湾曲板部７９のみの電気信号による強制振動の振動モード１ｂ〜３ｂおよび圧電素子板７０の平行する２つの端面間の定在波の振動モード１ａ〜３ａを共に発生させ、被検体２に入射される超音波を広帯域で持続時間が短いものとし、かつ圧電素子板７０の平行する２つの端面に容易に音響整合層７２および音響吸収材７１を装着し、ひいては超音波探触子を、周波数帯域が広く、かつ製作が容易で信頼性の高いものとすることを実現する。
【選択図】図４

Description

この発明は、被検体に超音波を送受信する圧電素子板を備える超音波探触子および超音波撮像装置に関する。

近年、超音波撮像装置の超音波探触子は、取得される断層画像の画質改善のために、一層の高性能化が図られている。超音波探触子を高性能化する一つの方向として、超音波探触子に内蔵される圧電素子の振動モードを、広帯域化することが行われる。これにより、圧電素子で発生される超音波波形は、進行方向にパルス幅が短いものとなり、超音波波形を輝度信号に変換して表示する超音波撮像装置では、超音波波形の進行方向、すなわち奥行き方向の分解能が向上する。

そして、この圧電素子の振動モードが間接的に広帯域化される方法として、被検体と圧電素子の間に音響整合層を設ける、圧電素子に音響吸収材（バッキング材）を設ける等の方法が存在する。

ここで、さらに直接的な方法として、厚さが場所により連続的に変化する圧電素子板を用いる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この提案では、超音波が発生される方向に対向する圧電素子板の２つの板面の一方が、円弧状に湾曲した形状とされる。これにより、この圧電素子板は、超音波が発生される方向の板面の厚さが場所により連続して異なる。

一方、圧電素子板の共鳴振動周波数は、概ね圧電素子板の厚さに反比例する。従って、厚さが場所により連続して変化する圧電素子板は、場所により連続して異なる複数の共鳴振動周波数の超音波波形を発生し、これらが重ね合わされた送信の際の超音波波形は広帯域化される。この方法では、圧電素子板の厚さおよびその圧電素子板上での分布を考慮した設計にすることにより、帯域の広いものとする。
米国特許第５４３８９９８号公報

しかしながら、上記背景技術によれば、圧電素子板を用いて製造される超音波探触子の製造が容易でないと同時に、圧電素子板の周波数帯域も充分とは言えない。すなわち、超音波探触子では、性能向上のために、圧電素子板の板面に音響整合層および音響吸収材が装着されるものの、これら音響整合層および音響吸収材を湾曲した上記圧電素子板の板面に形成することは容易ではない。

特に、超音波探触子の圧電素子板は、概ね１ｍｍ×１ｍｍ×１５ｍｍ程度の直方体形状をしており、湾曲するこの直方体形状の板面に厚さ数１００μｍ程度の均一な一層あるいは多層の音響整合層を安定して形成することは、製造上容易なことではない。

これらのことから、周波数帯域の広い圧電素子板を有し、しかも安定して製造することができる超音波探触子および超音波撮像装置をいかに実現するかが重要となる。

この発明は、上述した背景技術による課題を解決するためになされたものであり、周波数帯域の広い圧電素子板を有し、しかも安定して製造することができる超音波探触子および超音波撮像装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、第１の観点の発明では、被検体に当てて超音波を送受信する圧電素子板を備える超音波探触子であって、前記圧電素子板は、前記送受信する方向に対向する２つの板面を有し、前記板面の一方が平面をなし、もう一方の板面が前記平面に対して円弧状に凹んだ湾曲面をなす圧電特性を有する湾曲板部と、前記方向に対向する２つの板面を有し、前記板面の一方が前記湾曲面に密着され、もう一方の板面が前記平面と平行する積層板部とが重ね合わされたことを特徴とする。

この第１の観点による発明では、圧電素子板は、湾曲板部および積層板部により、広い周波数帯域の超音波を発生させると共に、発生方向の板面を平面とする。

また、第２の観点の発明にかかる超音波撮像装置は、第１の観点に記載の超音波探触子において、前記圧電素子板が、前記湾曲板部および前記積層板部の境界に位置し、前記湾曲面を被う電気伝導体からなる第１の電極部を備えることを特徴とする。

この第２の観点の発明では、圧電素子板は、湾曲板部にのみ、効率的に駆動電圧を印加する。

また、第３の観点の発明にかかる超音波探触子は、第２の観点に記載の超音波探触子において、前記積層板部が、圧電特性を有する際に、前記平行する板面を被い、前記第１の電極部と電気的に接続される第２の電極部を備えることを特徴とする。

この第３の観点の発明では、積層板部を、第１および第２の電極部で囲み、駆動電圧により励振されることを防止する。

また、第４の観点の発明にかかる超音波探触子は、第１ないし３のいずれか一つに記載の超音波探触子において、前記湾曲板部および前記積層板部が、音響インピーダンスの近似もしくは一致する材質からなることを特徴とする。

この第４の観点の発明では、湾曲板部および積層板部間で振動を滞りなく伝播させ、湾曲板部および積層板部を、一体とみなした自然振動を励起する。

また、第５の観点の発明にかかる超音波探触子は、第１ないし４のいずれか一つに記載の超音波探触子において、前記超音波探触子が、アレイ状に配列された複数の前記圧電素子板を有する際に、前記配列の方向である走査方向と直交する厚み方向にのみ、前記湾曲面を形成することを特徴とする。

この第５の観点の発明では、圧電素子板を、厚み方向に湾曲させるので、アレイ状に配列される圧電素子板を、すべて同じ構造とする。

また、第６の観点の発明にかかる超音波探触子は、第１ないし５の観点のいずれか一つに記載の超音波探触子において、前記超音波探触子が、前記湾曲板部の平面をなす板面に音響整合層を備えることを特徴とする。

この第６の観点の発明では、音響整合層は、圧電振動板に容易に形成される。

また、第７の観点の発明にかかる超音波探触子は、第１ないし６の観点のいずれか一つに記載の超音波探触子において、前記超音波探触子が、前記積層板部の平面をなす板面に音響吸収材を備えることを特徴とする。

この第７の観点の発明では、音響吸収材は、圧電振動板に容易に形成される。

また、第８の観点の発明にかかる超音波探触子は、第１ないし７の観点のいずれか一つに記載の超音波探触子において、前記湾曲板部が、チタン酸ジルコン酸鉛（PZT）からなることを特徴とする。

この第８の観点の発明では、湾曲板部を、電気機械結合係数の高い、高感度な圧電素子により構成する。

また、第９の観点の発明にかかる超音波探触子は、第８の観点に記載の超音波探触子において、前記積層板部が、チタン酸ジルコン酸鉛（PZT）からなることを特徴とする。

この第９の観点の発明では、積層板部を、湾曲板部と同様の材質にし、製造を容易にすると共に音響特性の一致もよいものとする。

また、第１０の観点の発明にかかる超音波撮像装置は、被検体と超音波の送受信を行う圧電素子板を有する超音波探触子と、前記超音波探触子と電気信号の送受信を行う送受信部と、前記送受信部の受信超音波エコーから画像情報を生成する画像処理部と、前記画像情報を表示する表示部と、を備える超音波撮像装置であって、前記圧電素子板は、前記送受信する方向に対向する２つの板面を有し、前記板面の一方が平面で、もう一方の板面が前記平面に対して円弧状に凹んだ湾曲面をなす圧電特性を有する湾曲板部と、前記対向する２つの板面を有し、前記板面の一方が前記湾曲面に密着され、もう一方の板面が前記平面と平行する積層板部とが重ね合わされたこと特徴とする。

また、第１１の観点の発明にかかる超音波撮像装置は、第１０の観点に記載の超音波撮像装置において、前記送受信部が、前記送受信の送信を行う電気信号の送信波形を、複数のパルスを含むバースト波形にすることを特徴とする。

この第１１の観点の発明では、送受信部は、バースト波形の持続時間の間、湾曲板部に強制的な振動を励起し続ける。

本発明によれば、圧電素子板から発生される超音波の周波数帯域を広いものとし、かつこの圧電素子板上に、容易に安定した音響整合層および音響吸収材を装着することができ、ひいては、広い周波数帯域の超音波探触子を、音響特性を維持あるいは向上させつつ容易に製造することができる。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる超音波探触子および超音波撮像装置を実施するための最良の形態について説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。

まず、本実施の形態にかかる超音波撮像装置１００の全体構成について説明する。図１は、本実施の形態にかかる超音波撮像装置１００の全体構成を示すブロック（ｂｌｏｃｋ）図である。この超音波撮像装置１００は、超音波探触子１０１、送受信部１０２、画像処理部１０３、シネメモリ（ｃｉｎｅ ｍｅｍｏｒｙ）部１０４、画像表示制御部１０５、表示部１０６、入力部１０７および制御部１０８を含む。

超音波探触子１０１は、超音波を送受信するセクター型の探触子である。被検体２の撮像断面に超音波を送信し、被検体２の内部から反射された超音波エコー（ｅｃｈｏ）を時系列的な音線として受信する。ここで、超音波探触子１０１は、探触子を中心として扇形に広がる送受信方向を順次切り替えながら繰り返し行い、撮像断面内を電子走査する。

送受信部１０２は、超音波探触子１０１と同軸ケーブルによって接続され、超音波探触子１０１の圧電素子を駆動するための電気信号を発生する。この電気信号は、超音波を送信する際の送信波形として、圧電素子の共鳴振動数に近似する繰り返し周波数を有する複数のパルスを含むバースト波形を用いる。また、送受信部１０２は、受信した超音波エコー信号の初段増幅を行う。

画像処理部１０３は、送受信部１０２で増幅された超音波エコー信号からＢモード（ｍｏｄｅ）画像を、リアルタイム（ｒｅａｌ ｔｉｍｅ）で生成する。具体的な処理内容は、受信した超音波エコー信号の遅延加算処理、Ａ／Ｄ（ａｎａｌｏｇ／ｄｉｇｉｔａｌ）変換処理、変換した後のデジタル情報をＢモード画像情報として後述のシネメモリ部１０４に書き込む処理等がある。また、画像処理部１０３は、ドップラ処理の一つであるカラーフローマッピング（ｃｏｌｏｒ ｆｌｏｗ ｍａｐｐｉｎｇ）を行う場合には、超音波エコー信号の位相変化情報を抽出し、リアルタイムで速度、パワー値、分散といった撮像断面の各点に付随する流れの情報を算出する部分でもある。

シネメモリ部１０４は、画像処理部１０３で生成されたＢモード画像情報および流れの情報を蓄積するための画像メモリ（ｍｅｍｏｒｙ）である。

画像表示制御部１０５は、画像処理部１０３で生成されたＢモード画像情報および流れの情報の表示フレームレート（ｆｒａｍｅ ｒａｔｅ）変換、並びに、表示部１０６に表示する画像の形状や位置制御を行う。

表示部１０６は、画像表示制御部１０５により、表示フレームレート変換および画像表示の形状や位置制御された画像情報を、オペレータに対して表示するためのＣＲＴ（Ｃａｔｈｏｄｅ Ｒａｙ Ｔｕｂｅ）あるいはＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）等からなる。

入力部１０７は、オペレータによる操作入力信号、例えばＢモードによる表示を行うか、さらにドップラ処理の結果を表示するかを選択するための操作入力信号を制御部１０８に送信する。

制御部１０８は、入力部１０７から送信された操作入力信号、並びに、予め記憶したプログラム（ｐｒｏｇｒａｍ）やデータ（ｄａｔａ）に基づいて上述した超音波撮像装置各部の動作を制御する。

図２は、セクタ型の超音波探触子１０１の外観を示す外観図である。超音波探触子１０１は、音響レンズ部１０、把持部１１および接続ケーブル１４を含む。なお、音響レンズ部１０では、理解を助けるため、実際とは異なり内蔵される機能素子部１２を、部分的に露出した状態で示している。また、図中のｘｙｚ軸座標は、後の図面に記載のｘｙｚ軸座標と同一の座標軸であり、すべての図面で、共通する座標軸方向を指し示している。

音響レンズ部１０は、超音波探触子１０１の被検体２に接する側に設けられており、機能素子部１２で発生された超音波を、被検体２に効率良く入射させる。音響レンズ部１０は、概ね被検体２および機能素子部１２の中間の音響インピーダンスを有する材質からなり、被検体２と接する部分は、凸型のレンズ形状をなし、被検体２に入射される超音波を収束させる機能を有する。

把持部１１は、オペレータにより把持され、音響レンズ部１０を被検体２の撮像領域に密着させる。なお、把持部１１の内部には、機能素子部１２の電極部と接続ケーブル１４に含まれる同軸ケーブルを接続するプリント基板等が存在する。

接続ケーブル１４は、複数の同軸ケーブルを束ねたものであり、送受信部１０２と機能素子部１２とを電気的に接続する。

機能素子部１２は、超音波を発生し、被検体２に超音波を入力する。また、機能素子部１２は、被検体２の内部で反射された超音波エコーを受信する。

図３は、機能素子部１２の外観を示す外観図である。機能素子部１２は、音響整合層７２、圧電素子板７０、音響吸収材７１および第１〜４の電極部７３〜７６を含む。圧電素子板７０は、湾曲板部７９、積層板部７８およびこれらの間に存在する第１の電極部７３を含む。圧電素子板７０は、直方体の形状を有し、扇状の電子走査を行う走査方向に、アレイ状に配列される。圧電素子板７０を構成する湾曲板部７９および積層板部７８は、各々ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）からなる。

音響整合層７２は、圧電素子板７０の被検体２側の板面に装着される。音響整合層７２は、圧電素子板７０および図２に示される音響レンズ部１０の概ね中間の音響インピーダンス値を有する。そして、音響整合層７２は、透過する超音波の概ね４分の１波長の厚さを、被検体２の方向に有し、音響インピーダンスの異なる境界面での反射を抑制する。また、図３では、音響整合層が一層の場合を例示したが、２層あるいは多層とすることもできる。

音響吸収材７１は、圧電素子板７０の音響整合層７２が存在する板面と反対の板面に装着される。音響吸収材７１は、圧電素子板７０の被検体２と反対側の板面から照射される超音波を吸収する。

第１〜第４の電極部７３〜７６は、シート状の薄膜金属導体からなり、送受信部１０２からの振動を励起するための電気信号を、圧電素子板７０に印加する。また、第１〜第４の電極部７３〜７６は、被検体２からの超音波エコーにより、圧電素子板７０に誘起される電気信号の検出を行う。

図４は、図３に示した機能素子部１２のｘｚ軸断面を示す断面図である。圧電素子板７０の湾曲板部７９は、被検体２側の板面が平面をなし、この板面と対向するもう一方の板面が、厚み方向に円弧状に湾曲している。この凹型の湾曲は、湾曲板部７９の厚み方向中心位置で最も薄く、周辺に行くに従って厚くなる。なお、湾曲板部７９のＰＺＴは、製造過程で分極工程を含み圧電素子としての機能を有する。

また、積層板部７８は、上述した凹型の湾曲面に密着し、湾曲板部７９と嵌め合わされる形状の凸型の板面を有する。一方、積層板部７８のこの板面と対向する板面は、積層板部７８が湾曲板部７９に嵌め合わされる際に、湾曲板部７９の被検体２側の板面と平行する平面を形成する。積層板部７８は、製造過程で分極工程を含み圧電素子としての機能を有する。

なお、圧電素子板７０は、例えば、別々に焼成された積層板部７８および湾曲板部７９を、接着等により接合して形成する。圧電素子板７０は、湾曲板部７９および湾曲板部７９に嵌め合わされる積層板部７８により、直方体形状となる。

第１の電極部７３は、湾曲板部７９の凹型の板面および積層板部７８の凸型の板面の中間に位置する。そして、第１の電極部７３は、湾曲面と対向し、積層板部７８の平面をなす板面に存在する第２の電極部７４と共に、積層板部７８のｘｚ断面を囲む構造を有する。ここで、音響吸収材７１の厚み方向側面に沿って配置される第３の電極部７５は、第１の電極部７３および第２の電極部７４と電気的の接続され同電位とされる。なお、第３の電極部７５は、接続ケーブル１４に内蔵される同軸ケーブルのＧＮＤ線と接続される。

第４の電極部７６は、シート状の金属導体箔からなり、湾曲板部７９の平面をなす被検体２側に形成される。第４の電極部７６は、アレイをなす圧電素子板７０ごとに独立した電極をなし、接続ケーブル１４に内蔵される同軸ケーブルの信号線と個別に接続される。ここで、第１の電極部７３および第４の電極部７６間に圧電素子板７０を駆動する電気信号が印加され、被検体２内に送信される超音波を発生する。

ここで、湾曲板部７９、第１の電極部７３および積層板部７８は、例えば、湾曲板部７９のセラミックスを焼成し、湾曲面に電極を形成の後に、さらにこの湾曲面に積層板部７８のセラミックスを焼成することで形成される。

また、音響整合層７２は、湾曲板部７９の平面をなす板面に容易に、無理のない製造工程を用いて形成される。このことは、単に音響整合層７２の装着が容易に工数を掛けずに行われるのみでなく、不良率が問題となる機能素子部１２の製造工程で、安定して信頼性の高い音響整合層７２が圧電素子板７０に形成されることを意味する。

また、音響吸収材７１は、積層板部７８の平面をなす板面に容易に、無理のない製造工程を用いて形成される。このことは、単に音響吸収材７１の装着が容易に行われるのみでなく、不良率が問題となる機能素子部１２の製造工程で、安定して信頼性の高い機能素子部１２が形成されことを意味する。

つぎに、機能素子部１２の動作について説明する前に、発生する超音波波形の持続時間と周波数帯域の関係、図５を用いて述べる。また、平板状の積層構造を有する圧電素子板の周波数帯域についても、図６および７を用いて説明する。なお、発生する超音波波形は、機能素子部の振動により励起されるものであり、超音波波形の物理的性質は、概ね機能素子部に励起される物理的振動の性質と同等のものである。

図５は、発生される超音波波形の持続時間と周波数帯域の関係を示す図である。図５（Ａ）は、超音波探触子１０１で発生される超音波波形の一例を示す図で、横軸は時間、縦軸は超音波の振幅を示している。ここで、超音波探触子１０１で発生される超音波は、パルス状の波束４であり、この波束４は、持続時間ΔＴだけ振動して減衰する。なお、この持続時間ΔＴは、例えば、波束４のピーク値から−６ｄＢ（２分の１）あるいは−１０ｄＢ（３分の１）程度下降した振幅位置の時間幅として定義される。図５では、振幅の大きさが−１０ｄＢ下落した位置のパルス幅が示されている。

ここで、持続時間ΔＴが短いほど、超音波の進行方向を向く、断層画像の奥行き方向分解能が向上する。

図５（Ｂ）は、波束４をフーリエ変換して求めた周波数スペクトルを示す図で、横軸は周波数、縦軸は周波数成分の振幅を示している。図５（Ｂ）に示す波束４の周波数スペクトルの周波数帯域Δｆは、波束４の持続時間ΔＴに概ね反比例する。従って、周波数帯域Δｆが広いほど超音波波形の持続時間ΔＴは短くなり、ひいては断層画像の奥行き方向分解能が向上する。

なお、図５（Ｂ）に示すような超音波波形の周波数スペクトルは、機能素子部１２の、主として圧電素子板７０に励起される振動の周波数スペクトルにより決定される。この振動の周波数スペクトルは、圧電素子板７の固有振動に近似する周波数で大きな振幅を有する。従って、圧電素子板７の固有振動に対応する周波数の帯域を広帯域化することにより、波束４の周波数スペクトルも広帯域化される。

図６および７は、単板構造の圧電素子板および積層構造の圧電素子板で発生される超音波波形の周波数帯域をシミュレーション（Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ）により例示したものである。図６（Ａ）は、厚さｔ１≒２００μｍの単板構造の圧電素子板９２の断面構造を示すもので、音響整合層９０および音響吸収材９１が圧電素子板９２の対向する両平面に装着されている。図６（Ｂ）は、圧電素子板９２で励起される超音波波形の周波数帯域を示す図である。この周波数帯域は、６ＭＨｚ近傍の周波数ｆ１にピークを有する山型の形状をなす。

図７（Ａ）は、図６（Ａ）に示す単板構造の圧電素子板９２を、積層構造の圧電素子板９３および圧電素子板９４で置き換えた圧電素子板の断面構造を示すものである。ここで、圧電素子板９３および圧電素子板９４の厚さは等しく、各々ｔ１／２の厚さを有する。また、圧電素子板９３は、分極されており圧電素子としての機能を有し、一方圧電素子板９４は、分極されておらず圧電素子として機能は有しない。図７（Ｂ）は、圧電素子板９３が電気的に強制励起される際に発生する超音波波形の周波数帯域を示す図である。この周波数帯域は、厚さｔ１の圧電素子板の自然振動に対応する６ＭＨｚ近傍の周波数ｆ１にピークを有する一方、厚さｔ１／２の圧電素子板９３の電気的な励起振動に対応する１２Ｍｈｚ近傍の周波数ｆ２にピークを有し、図６（Ｂ）と比較して広帯域となっている。

つづいて、機能素子部１２に内蔵される圧電素子板７０の動作について、図８および７を用いて詳細に述べる。図８は、機能素子部１２に内蔵される圧電素子板７０のみのｘｚ軸断面を示す断面図である。

図８には、送受信部１０２からの電気信号により、超音波の射出方向でもある被検体２の方向に励起される圧電素子板７０の振動の中から、代表的な振動モード１ａ〜３ａおよび１ｂ〜３ｂが例示されている。図８中に示す振動モード１ａ〜３ａおよび１ｂ〜３ｂは、圧電素子板７０の内部でｙ軸方向に励起され振動である。これら振動の内、振動モード１ｂ〜３ｂは、電気信号により強制的に励起される強制振動であり、振動モード１ａ〜３ａは、強制振動により自然派生的に生じる定在波である。

なお、図８に示す振動モード１ａ〜３ａおよび１ｂ〜３ｂは、振動の様子を、実際の振動方向と直交する横波の振幅波形として分かり易く、模式的に示したものであり、実際とは異なっている。実際の振動では、横波でなく縦波であると同時に、第１の電極部７３、第２の電極部７４および第４の電極部７６が存在する端面において振動は開放端となる。そして、この端面では、振幅が変化する「腹」の部分の定在波となっている。なお、このことは、後述される圧電素子板７０に励起される固有振動の波長および周波数の説明には影響を与えない。

湾曲板部７９は、送受信部１０２からの電気信号を、第１の電極部７３および第４の電極部７６間に印加し、超音波を発生する振動を励起する。ここで、湾曲板部７９は、圧電素子からなり、第１の電極部７３および第４の電極部７６間の印加される電圧により強制的な振動が励起される。一方、積層板部７８は、電気的に接続された第１の電極部７３および第２の電極部７４により囲まれているので、内部に電界が形成されない。従って、積層板部７８では、圧電特性を送受信部１０２からの電気信号により、強制的な振動が励起されることはない。

湾曲板部７９の振動は、第１の電極部７３および第４の電極部７６間のｙ軸方向の距離をｔ、この材質中の音速をｖ、励起される振動の周波数をｆとすると、

ｆ＝ｖ／（２ｔ）
の関係を有する周波数ｆを有する。

湾曲板部７９は、ｘ軸方向である厚み方向の中心位置で最も薄く、端部側の周辺位置で厚くなる。従って、厚み方向位置で連続的に異なる周波数ｆの振動が励起される。この振動方向厚さの変化をΔｔとすると、概ね

Δｆ＝−（ｖΔｔ）／（２ｔ^２）
程度の周波数帯域の振動が励起される。ここで、ｔとしては、例えば、湾曲板部７９の振動方向厚さの平均値が用いられる。

振動モード３ｂは、圧電素子板７０の厚み方向中心位置に存在し、振動周波数が高く、振動モード１ｂは、圧電素子板７０の厚み方向周辺位置に存在し、振動周波数が低く、振動モード２ｂは、これらの中間位置に存在し、これらの中間の振動周波数を有する。

なお、振動モード１ｂ〜３ｂは、概ね電気信号が印加される時間の間だけ振動を持続する。電気信号は、例えば複数のパルスを含むバースト波形を用いることができ、バースト波形のパルス数あるいは持続時間により、振動モード１ｂ〜３ｂの持続時間も制御される。ここで、振動モード１ｂ〜３ｂの持続時間は、例えば、後術する自然振動の振動モードの持続時間を越えない範囲に設定される。

また、圧電素子板７０は、湾曲板部７９で強制的に励起される振動から派生される自然振動の振動モード１ａ〜３ａも有する。湾曲板部７９および積層板部７８は、共にＰＺＴで形成されており、音響的には同一の性質を有している。さらに、湾曲板部７９および積層板部７８間に位置する第１の電極部７３は、薄膜金属導体からなり、振動に与える影響は限定的なものである。

ここで、電気信号により強制的に湾曲板部７９で発生される振動は、積層板部７８に伝播し、さらに平面をなす積層板部７８の第２の電極部７４および湾曲板部７９の第４の電極部７６での反射を繰り返し、定在波を形成する。この定在波は、被検体２の方向へ超音波が射出されるに伴い徐々に減衰し、いわゆる超音波エコーを形成する。

図８の振動モード１ａ〜３ａは、湾曲板部７９の第４の電極部７６および積層板部７８第２の電極部７４の平行平面間で生じる定在波である。図８には、湾曲板部７９の強制振動から派生される自然振動の内、代表的な３つの厚み方向位置における振動モード１ａ〜３ａを図示した。

なお、上述した振動モード１ａ〜３ａおよび振動モード１ｂ〜３ｂの振動が励起された圧電素子板７０は、被検体２の方向にこれら振動モードの超音波を射出する。この射出される超音波は、圧電素子板７０の厚み方向位置ごとに異なる周波数を有する。しかし、これらの超音波は、被検体２の体内では進行方向に拡がり、かつ重ね合わされることにより、一つの超音波として加算および観察される。

図９は、圧電素子板７０から発生される超音波波形の周波数帯域を、例示したものである。横軸は周波数ｆ、縦軸は周波数成分の振幅を示している。圧電素子板７０の振動モード１ｂ〜３ｂに対応する超音波波形の周波数帯域は、図中破線で示されている１ｃ〜３ｃである。振動方向厚みが最も薄い振動モード３ｂの超音波波形は、高い周波数位置にある周波数帯域３ｃである。また、振動方向厚みが徐々に厚くなる振動モード２ｂおよび１ｂの超音波波形は、振動モード３ｂと比較して低い周波数位置に存在する周波数帯域２ｃおよび１ｃである。

そして、湾曲板部７９の振動モード１ｂ〜３ｂに起因する被検体２内の超音波波形は、振動モード１ｂ〜３ｂの周波数帯域１ｃ〜３ｃを含む、周波数帯域４ｃを有する。

また、圧電素子板７０の振動モード１ａ〜３ａが有する周波数帯域は、概ねすべて同様の値を有し、振動モード１ｂが有する周波数帯域１ｃと同様の周波数帯域５ｃを有する。

そして、圧電素子板７０は、送受信部１０２からの駆動電圧波形により、振動モード１ｂ〜３ｂに類似する強制振動を、湾曲板部７９に励起し、この強制振動から派生される振動モード１ａ〜３ａと一致する自然振動を、湾曲板部７９および積層板部７８にまたがる領域に励起する。なお、これら２つの振動モードを含む超音波の周波数帯域は、図９に示す強制振動の周波数帯域４ｃおよび自然振動の周波数帯域５ｃを重ね合わした周波数帯域６ｃを有する。

周波数帯域６ｃは、強制振動の周波数帯域４ｃに加え、低周波数側に大きな振幅を有する自然振動の周波数帯域５ｃを含んでいる。従って、周波数帯域６ｃは、周波数帯域４ｃと比較して、より帯域が広いものとなっている。また、この結果として、圧電素子板７０から被検体２内に照射される超音波波形は、持続時間の短いものとなる。

また、図８に示す圧電素子板７０は、音響整合層７２および音響吸収材７１を、装着し易い構造となっている。すなわち、圧電素子板７０の被検体２側およびこの反対側の板面は、共に平行する平面をなしており、接着等により行われる音響整合層７２および音響吸収材７１の形成および装着を、容易にしかも確実なものとすることができる。このことは、音響整合層７２の不良破損あるいは装着不良を防止し、機能素子部１２の信頼性向上にもつながる。

なお、図４に示す様に、圧電素子板７０に音響整合層７２および音響吸収材７１を装着した場合には、厚み方向振動に負荷がかかり、低周波数側に周波数帯域が移動すると共に周波数帯域の拡がりも生じ、図９に示した圧電素子板７０単体の共鳴周波数および周波数帯域とは、若干異なるものになる。

上述してきたように、本実施の形態では、圧電素子板７０を、湾曲板部７９およびこの湾曲板部７９の湾曲面に嵌め合わされる積層板部７８からなるものとし、また積層板部７８を、第１の電極部７３および第２の電極部７４で囲み、電気信号により振動が励起されるのを防止し、湾曲板部７９のみの電気信号による強制振動の振動モード１ｂ〜３ｂおよび圧電素子板７０の平行する２つの端面間の定在波の振動モード１ａ〜３ａを共に発生させ、被検体２に入射される超音波を広帯域で持続時間が短いものとし、かつ圧電素子板７０の平行する２つの端面に容易に音響整合層７２および音響吸収材７１を装着し、ひいては超音波探触子を、周波数帯域が広く、かつ製作が容易で信頼性の高いものとすることができる。

また、本実施の形態では、湾曲板部７９の平面側に音響整合層７２を設けることとしたが、積層板部７８の平面側に音響整合層を設けることもできる。この際には、湾曲板部７９の平面側に音響吸収材が設けられる。

また、本実施の形態では、積層板部７８は、圧電特性を有するＰＺＴであるとしたが、分極工程を含まず圧電特性を有しないＰＺＴとすることもできる。積層板部７８は、同電位を有する第１の電極部７３および第２の電極部７４で囲まれているので、内部に電界が発生することはなく、内部の材料が圧電特性を有するか否かにかかわらず、強制振動が励起されることはない。

また、本実施の形態では、積層板部７８に第１の電極部７３および第２の電極部７４の２つを設けたが、この電極部をいずれか一つにすることもできる。なお、この際には、積層板部７８は、圧電特性を有しない状態、例えばＰＺＴの場合であれば分極を行わない状態とされる。

また、本実施の形態では、第４の電極部７４は、図８に示す様に湾曲板部７９のｙ軸方向を向く板面にのみ設けられているが、湾曲板部７９のｘ軸方向を向く側面に電極部を拡張して設けることもできる。

図１０は、ｘ軸方向を向く側面にも電極部を設けた圧電素子板８０のｘｚ軸断面を示す断面図である。圧電素子板８０は、湾曲板部８９、積層板部８８、第１の電極部８３、第２の電極部８４、第４の電極部８６および切り込み部８７を含む。湾曲板部８９、積層板部８８、第１の電極部８３、第２の電極部８４および第４の電極部８６は、湾曲板部７９、積層板部７８、第１の電極部７３、第２の電極部７４および第４の電極部７６と全く同様の材質を有する。

図１０の湾曲板部８９が有する湾曲面は、対向する湾曲板部８９の平面と比較して、厚み方向の長さが短いものとなっている。そして、この湾曲面の厚み方向端部には、切り込み部８７が存在する。一方、湾曲板部８９の被検体２側に設けられた第４の電極部８６は、ｘ軸方向を向く湾曲板部８９の側面および湾曲板部８９の被検体２と反対側に設けられた平面端部にも存在する。そして、第４の電極部８６および第２の電極部８４は、切り込み部８７で電気的に分離される。なお、第１の電極部８３および第２の電極部８４は、第１の電極部７３および第２の電極部７４と同様に電気的に接続され、同電位とされる。

ここで、圧電素子板８０は、湾曲板部８９の側面にも第４の電極部８６が存在するので、送受信部１０２と第４の電極部８６を電気接続する際に、この側面を接続端子として用いることができる。

また、本実施の形態では、圧電素子板７０の積層板部７８は、湾曲板部７９と同様のＰＺＴで形成されることとしたが、音響インピーダンスが近似すれば、ＰＺＴに限定されず他の材質を用いることもできる。

超音波撮像装置の全体構成を示すブロック図である。 超音波探触子の外観を示す外観図である。 超音波探触子に内蔵される機能素子部の外観を示す外観図である。 機能素子部の断面を示す断面図である。 超音波波形およびこの波形の周波数帯域の関係を示す説明図である。 単板の圧電素子板を用いた場合の振動の周波数帯域を示す説明図である。 積層板型の圧電素子板を用いた場合の振動の周波数帯域を示す説明図である。 実施の形態にかかる圧電素子板の振動モードを、模式的に示す模式図である。 実施の形態にかかる圧電素子板の周波数帯域を示す説明図である。 実施の形態と異なる電極部を有する圧電素子板の例を示す断面図である。

符号の説明

１ａ〜３ａ、１ｂ〜３ｂ 振動モード
１ｃ〜６ｃ 周波数帯域
２ 被検体
４ 波束
７ 圧電素子板
１０ 音響レンズ部
１１ 把持部
１２ 機能素子部
１４ 接続ケーブル
７０、８０、９２，９３，９４ 圧電素子板
７１、９１ 音響吸収材
７２、９０ 音響整合層
７３、８３ 第１の電極部
７４、８４ 第２の電極部
７５ 第３の電極部
７６、８６ 第４の電極部
７８、８８ 積層板部
７９、８９ 湾曲板部
８７ 切り込み部
１００ 超音波撮像装置
１０１ 超音波探触子
１０２ 送受信部
１０３ 画像処理部
１０４ シネメモリ部
１０５ 画像表示制御部
１０６ 表示部
１０７ 入力部
１０８ 制御部

Claims (11)

1. 被検体に当てて超音波を送受信する圧電素子板を備える超音波探触子であって、
   前記圧電素子板は、前記送受信する方向に対向する２つの板面を有し、前記板面の一方が平面をなし、もう一方の板面が前記平面に対して円弧状に凹んだ湾曲面をなす圧電特性を有する湾曲板部と、前記方向に対向する２つの板面を有し、前記板面の一方が前記湾曲面に密着する形状を有し、もう一方の板面が前記平面と平行する積層板部とが重ね合わされたことを特徴とする超音波探触子。
2. 前記圧電素子板は、前記湾曲板部および前記積層板部の境界に位置し、前記湾曲面を被う電気伝導体からなる第１の電極部を備えることを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子。
3. 前記積層板部は、圧電特性を有する際に、前記平行する板面を被い、前記第１の電極部と電気的に接続される第２の電極部を備えることを特徴とする請求項２に記載の超音波探触子。
4. 前記湾曲板部および前記積層板部は、音響インピーダンスが近似もしくは一致する材質からなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載の超音波探触子。
5. 前記超音波探触子は、アレイ状に配列された複数の前記圧電素子板を有する際に、前記配列の方向である走査方向と直交する厚み方向にのみ、前記湾曲面を形成することを特徴とする請求項１ないし４いずれか一つに記載の超音波探触子。
6. 前記超音波探触子は、前記湾曲板部の平面をなす板面に音響整合層を備えることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一つに記載の超音波探触子。
7. 前記超音波探触子は、前記積層板部の平面をなす板面に音響吸収材を備えることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一つに記載の超音波探触子。
8. 前記湾曲板部は、チタン酸ジルコン酸鉛（PZT）からなることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一つに記載の超音波探触子。
9. 前記積層板部は、チタン酸ジルコン酸鉛（PZT）からなることを特徴とする請求項８に記載の超音波探触子。
10. 被検体と超音波の送受信を行う圧電素子板を有する超音波探触子と、
    前記超音波探触子と電気信号の送受信を行う送受信部と、
    前記送受信部の受信超音波エコーから画像情報を生成する画像処理部と、
    前記画像情報を表示する表示部と、
    を備える超音波撮像装置であって、
    前記圧電素子板は、前記送受信する方向に対向する２つの板面を有し、前記板面の一方が平面で、もう一方の板面が前記平面に対して円弧状に凹んだ湾曲面をなす圧電特性を有する湾曲板部と、前記対向する２つの板面を有し、前記板面の一方が前記湾曲面に密着され、もう一方の板面が前記平面と平行する積層板部とが重ね合わされたことを特徴とする超音波撮像装置。
11. 前記送受信部は、前記送受信の送信を行う電気信号の送信波形を、複数のパルスを含むバースト波形にすることを特徴とする請求項１０に記載の超音波撮像装置。

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