JP2009061112A - 超音波探触子および超音波撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】完全反射層と接する板面を、均一に鏡面研磨することができる複合圧電素子を有す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】複合圧電素子７２の完全反射層７３と対向する板面に、圧電素子８３のみからなる板状接合部８５を設け、対向する完全反射層７３の板面と共に、板状接合部８５の完全反射層７３と対向する板面を鏡面研磨により、凹凸が小さいものとしているので、接着層を薄く、均一な厚さとし、ひいては超音波探触子を、高感度で広周波数帯域にすることを実現させる。
【選択図】図５

Description

この発明は、複合圧電素子に、発生される超音波の１／４波長に相当する弾性振動を励起する超音波探触子および超音波撮像装置に関する。

超音波撮像装置においては、断層画像情報の画質の改善が日々行われている。この画質を改善する方法に、超音波探触子を高感度化および広周波数帯域化することがある。

近年、超音波探触子は、超音波探触子の圧電素子に、この圧電素子の有する厚さが１／４波長に相当する弾性振動を励起させ、この弾性振動による超音波を被検体に照射することを行う。これにより、圧電素子は、被検体が位置する方向と反対方向に照射される超音波のエネルギー（ｅｎｅｒｇｙ）を概ね零にし、被検体が存在する表面に照射される超音波のエネルギーを高くし、高い感度を実現する。なお、圧電素子に１／４波長共振を行わせる際には、圧電素子の被検体が位置する側の板面と対向する圧電素子の板面に、高音響インピーダンス（ｉｍｐｅｄａｎｃｅ）の完全反射層（デマッチング層；ＤＥ−ＭＡＴＣＨＩＮＧ ＬＡＹＥＲとも称される）が設けられる（例えば、特許文献１参照）。

また、この１／４波長共振を行う圧電素子の材料として、複合圧電素子が用いられる。複合圧電素子は、ＰＺＴ（ジルコン酸鉛）等の圧電素子をアレイ（ａｒｒａｙ）状に配列し、この配列された圧電素子の間隙部分に樹脂を充填したものである。複合圧電素子は、電気機械結合係数がＰＺＴと概ね等しくなる一方で、音響インピーダンスがＰＺＴと比較して小さくなる。そして、この複合圧電素子を、１／４波長共振を行う圧電素子の材料として用いることにより、感度の向上および共振周波数特性の広帯域化が計られる。

しかし、複合圧電素子を用いて、安定して良好な１／４波長共振を行わせることは、容易でない。すなわち、複合圧電素子に、安定して良好な１／４波長共振を行わせるためには、上述した完全反射層との境界に存在する接着層の厚みを、薄く均一なものとする必要がある。

この接着層の厚みは、複合圧電素子が１／４波長共振を行う際の共振特性に大きな影響を与える。図７は、一例として、この接着層が１〜３μｍの異なる厚みを有する際に、音響レンズ、音響整合層、圧電素子および完全反射層を含む超音波探触子が有する伝達関数の周波数帯域を、シミュレーション（ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ）した説明図である。図７では、横軸は、周波数（ＭＨｚ）、縦軸は、周波数応答の大きさをデシベル（ｄｅｃｉｂｅｌ；ｄＢ）表示したもので、周波数応答のピーク（ｐｅａｋ）値を、０ｄＢ（デシベル）としている。この超音波探触子は、３ＭＨｚ近傍が中心周波数となる周波数帯域を有する。

図７の曲線８１〜８３は、各々接着層の厚みが１μｍ、２μｍ、３μｍの場合の周波数帯域を示している。曲線８１〜８３で示される周波数帯域は、接着層の厚みが１μｍから３μｍへと厚くなるにつれて、周波数帯域が狭いものとなる。例えば、ピーク値から６ｄＢ降下した位置の曲線８１〜８３の帯域幅は、接着層の厚みが１μｍから３μｍに変化すると、帯域幅を中心周波数で割った比帯域幅が８０％〜７１％へと減少する。なお、超音波探触子は、広い周波数帯域を有する際に、超音波波形のリングダウン（ｒｉｎｇ ｄｏｗｎ）特性の良い、時間的に短いパルス（ｐｕｌｓｅ）を発生させることができ、ひいては断層画像の分解能を改善することができる。

以上のことから、複合圧電素子および完全反射層間の接着層を、薄く均一な厚さとすることが、複合圧電素子に、安定して良好な１／４波長共振を行わせる上で必要とされる。そこで、上述したシミュレーション結果に示されている様に、接着層の厚さを数μｍオーダー（ｏｒｄｅｒ）で制御するために、この接着層を形成する際に、複合圧電素子および完全反射層の対向する接着面は、共に鏡面研磨され、平滑化される。
米国特許第６，６８５，６４７号明細書

しかしながら、上記背景技術によれば、複合圧電素子の接着面は、均一に鏡面研磨することが困難である。すなわち、複合圧電素子の接着面は、セラミック（ｃｅｒａｍｉｃ）である圧電素子および充填材である樹脂を含み、硬度の異なる２つの材料が共存する。この様な接着面を、研磨材により均一に鏡面研磨し、数μｍオーダーにまで凹凸を減少させることには困難が伴う。

例えば、複合圧電素子の接着面の鏡面研磨では、圧電素子部分が深く鏡面研磨され、樹脂部分が浅く鏡面研磨される。その結果、複合圧電素子の接着面には、凹凸が生じ、平らなものでは無くなる。そして、複合圧電素子および完全反射層間の接着層も、接着面に凹凸が存在するために薄く、均一な厚さにすることが容易でない。

これらのことから、完全反射層と対向する板面を、均一に鏡面研磨することができる複合圧電素子を有す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、完全反射層と対向する板面を、均一に鏡面研磨することができる複合圧電素子を有す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の観点の発明にかかる超音波探触子は、平面に間隙を持って配列された圧電素子および前記間隙に充填された充填剤を含む複合圧電素子と、前記平面と直交する超音波の照射方向に位置する、前記複合圧電素子の一方の複合圧電素子板面に接する接着層と、前記接着層を介して前記複合圧電素子と接着される、前記複合圧電素子で発生される超音波の弾性振動を、前記複合圧電素子板面の方向に概ね反射する完全反射層と、を備える超音波探触子であって、前記複合圧電素子は、前記接着層と接する前記複合圧電素子板面のすべてを覆う、前記圧電素子のみからなる板状接合部を備えることを特徴とする。

この第１の観点による発明では、複合圧電素子は、圧電素子のみからなる板状接合部により、接着層と接する複合圧電素子板面のすべてを覆う。

また、第２の観点の発明にかかる超音波探触子は、第１の観点に記載の超音波探触子において、前記複合圧電素子が、前記圧電素子を、前記平面の一次元方向にのみ配列させることを特徴とする。

この第２の観点の発明では、電気機械結合係数を概ね維持したまま、音響インピーダンスを低下させる。

また、第３の観点の発明にかかる超音波探触子は、第１の観点に記載の超音波探触子において、前記複合圧電素子が、前記圧電素子を、前記平面内の２次元方向にマトリクス状に配列させることを特徴とする。

この第３の観点の発明では、電気機械結合係数を概ね維持したまま、さらに一層音響インピーダンスを低下させる。

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、前記圧電素子および前記板状接合部が、直方体の形状を有する単一の圧電材料の掘削により形成されることを特徴とする。

この第４の観点の発明では、少ない工程で、確実に圧電素子および板状接合部を形成する。

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、前記圧電素子が、ＰＺＴであることを特徴とする。

この第５の観点の発明では、電気機械結合係数を高いものにする。

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、前記充填剤が、樹脂であることを特徴とする。

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、前記接着層が、エポキシ樹脂接着剤を含むことを特徴とする。

この第７の観点の発明では、複合圧電素子および完全反射層を、強力に接着する。

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、前記複合圧電素子が、前記複合圧電素子板面が有する前記配列方向の２つの両端部近傍位置に、前記平面内の前記配列方向と直交する厚み方向に掘削された２つの掘削孔を備えることを特徴とする。

この第８の観点の発明では、複合圧電素子板面に形成される電極部を、絶縁された２つの電極部に分離する。

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、前記接着層および前記完全反射層が、前記配列方向の前記掘削孔の位置で前記照射方向に掘削されることを特徴とする。

この第９の観点の発明では、掘削孔により、接着層および完全反射層も、絶縁された２つの電極部として機能させる。

また、第１０の観点の発明にかかる超音波探触子は、第９の観点に記載の超音波探触子において、前記掘削孔が、前記接着層を介して接着された前記複合圧電素子および前記完全反射体の、前記完全反射体側からの掘削により形成されることを特徴とする。

この第１０の観点の発明では、簡易な製造工程で、掘削孔を形成する。

また、第１１の観点の発明にかかる超音波探触子は、第１ないし１０の観点のいずれか一つに記載の超音波探触子において、前記完全反射層が、タングステンを含むことを特徴とする。

この第１１の観点の発明では、完全反射層を、高音響インピーダンスおよび導通状態にする。

また、第１２の観点の発明にかかる超音波探触子は、第１１の観点に記載の超音波探触子において、前記接着層が位置する前記完全反射層の板面と対向する前記完全反射層の板面位置にフレキシブルプリント板を備えることを特徴とする。

この第１２の観点の発明では、接着層に影響を与えない電極の取り出しを行う。

また、第１３の観点の発明にかかる超音波探触子は、第１２の観点に記載の超音波探触子において、前記フレキシブルプリント板が、前記完全反射層の掘削孔と接する部分に電気絶縁層、前記完全反射層の前記２つの掘削孔に挟まれた領域と接する部分に導体箔、さらに前記完全反射層の前記配列方向に位置する２つの掘削孔から端部方向の拡がる領域と接する部分に導体箔を備えることを特徴とする。

この第１３の観点の発明では、完全反射層のフレキシブルプリント板が存在する片面のみから、接地端子および駆動端子の両電極を、取り出す。

また、第１４の観点の発明にかかる超音波探触子は、第１ないし１３観点のいずれか一つに記載の超音波探触子において、前記複合圧電素子が、前記照射方向のもう一方の複合圧電素子板面に音響整合層を備えることを特徴とする。

この第１４の観点の発明では、音響整合層により、感度を向上させる。

また、第１５の観点の発明にかかる超音波探触子は、第１４の観点に記載の超音波探触子において、前記音響整合層が、前記照射方向の前記複合圧電素子と反対側の音響整合層板面にゴムレンズを備えることを特徴とする。

この第１５の観点の発明では、ゴムレンズにより、厚み方向に収束した音場を形成させる。

また、第１６の観点の発明にかかる超音波探触子は、被検体に超音波エコーの送信および前記被検体からの反射超音波エコーの受信を行う超音波探触子と、前記反射超音波エコーに基づいて、前記被検体の断層画像情報を取得する画像取得部と、前記断層画像情報を表示する表示部と、前記送信、前記受信、前記取得および前記表示を制御する制御部と、を備える超音波撮像装置であって、前記超音波探触子は、平面に間隙を持って配列された圧電素子および前記間隙に充填された充填剤を含む複合圧電素子と、前記平面と直交する超音波の照射方向に位置する、前記複合圧電素子の一方の複合圧電素子板面に接する接着層と、前記接着層を介して前記複合圧電素子と接着される、前記複合圧電素子で発生される超音波の弾性振動を、前記複合圧電素子板面の方向に概ね反射する完全反射層とを有し、前記複合圧電素子は、前記接着層と接する前記複合圧電素子板面のすべてを覆う、前記圧電素子のみからなる板状接合部を備えることを特徴とする。

本発明によれば、複合圧電素子の圧電素子のみからなる板状接合部を鏡面研磨して凹凸が小さいものとするので、板状接合部および完全反射層に挟まれる接着層を、薄くしかも均一な厚さとし、ひいては複合圧電素子に、安定して確実な１／４波長共振の弾性振動を生じさせ、超音波探触子を高感度で広周波数帯域にすることができる。

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（ｓｅｃｔｏｒ）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。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走査を行い、撮像断面の２次元断層画像情報を取得する。

送受信部１０２は、超音波探触子１０１と同軸ケーブル（ｃａｂｌｅ）によって接続され、超音波探触子１０１の複合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、超音波を発生する際の送信波形をなし、複合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（ｂｕｒｓｔ）波形が用いられる。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（ｄｉｇｉｔａｌ）情報をＢモード（ｍｏｄｅ）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（ｄｏｐｐｌｅｒ）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（ｒｅａｌ ｔｉｍｅ）で速度、パワー（ｐｏｗｅｒ）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。

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（ｏｐｅｒａｔｏｒ）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モードによる走査を行うか、さらにカラーフローマッピングの走査を行うか等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、セクター型の超音波探触子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（ｌｅｎｓ）部１０、把持部１１、機能素子部１２および接続ケーブル１４を含む。なお、音響レンズ部１０は、理解を助けるため、内蔵される機能素子部１２を部分的に露出させ、実際とは異なる状態で図示されている。また、図中に示されたｘｙｚ軸座標は、後の図面に記載されたｘｙｚ軸座標と共通の座標軸をなし、図面相互の位置関係を示している。

音響レンズ部１０は、超音波探触子１０１の被検体２と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る。音響レンズ部１０は、被検体２と接する部分で凸型のレンズ形状を有し、被検体２に入射される超音波を収束させる。

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。把持部１１の内部には、機能素子部１２の電極部および接続ケーブル１４に含まれる同軸ケーブルを接続するフレキシブルプリント（ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｐｒｉｎｔ）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と同時に、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のみの外観を示す外観図である。機能素子部１２は、音響整合層７０、複合圧電素子７２、接着層７７、完全反射層７３、バッキング（ｂａｃｋｉｎｇ）材７８およびフレキシブルプリント板７４を含む。直方体の形状を有する音響整合層７０、複合圧電素子７２および完全反射層７３は、超音波の照射方向であるｚ軸方向に積み重ねられた積層構造をなす。そして、同様の積層構造をなす音響整合層７０、複合圧電素子７２および完全反射層７３が、配列方向、すなわちｙ軸方向に配列させられる。

複合圧電素子７２は、直方体の形状を有し、この直方体の厚み方向であるｘ軸方向にＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電素子が一次元的に配列される。また、厚み方向に配列された圧電素子の間隙部分には、エポキシ樹脂が充填される。複合圧電素子７２は、充填されたエポキシ樹脂も含めて圧電素子として機能する。複合圧電素子７２は、電気機械結合係数がＰＺＴと概ね同等である一方で、音響インピーダンスがＰＺＴと比較して小さい。これにより、複合圧電素子７２の負荷となる、音響整合層７０等との音響インピーダンスの差が、小さなものとなり、共振周波数特性は、広い周波数帯域を有するものとなる。

音響整合層７０は、複合圧電素子７２の被検体２が存在する照射方向であるｚ軸の正方向の板面に接着される。音響整合層７０は、複合圧電素子７２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を有する。音響整合層７０は、透過する超音波の概ね４分の１波長の厚さを有し、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。

接着層７７は、複合圧電素子７２および完全反射層７３を接着させるための層で、エポキシ（ｅｐｏｘｙ）樹脂接着剤等からなる。

完全反射層７３は、複合圧電素子７２で発生される弾性振動を、完全に反射する反射層であり、複合圧電素子７２の照射方向とは反対方向の板面に接着される。完全反射層７３は、被検体２の方向と反対方向に照射される複合圧電素子７２の超音波を、被検体２の照射方向へ完全反射し、被検体２に入射される超音波パワーを増加させる。完全反射層７３の材質は、超音波を完全に反射すると言う目的から、音響インピーダンスの高いものが好ましく、タングステン（ｔｕｎｇｓｔｅｎ）等が用いられる。なお、複合圧電素子７２、接着層７７および完全反射層７３の厚み方向端部近傍には、掘削孔８８が存在する。掘削孔８８は、例えば、複合圧電素子７２および完全反射層７３を接着層７７により接着した後に、完全反射層７３側から、ダイアモンド砥石等を用いた切削加工により形成される。なお、掘削孔８８の機能については、後に詳述する。

バッキング材７８は、完全反射層７３およびフレキシブルプリント板７４を保持する。

フレキシブルプリント板７４は、完全反射層７３およびバッキング材７８の間に配設される４層のフレキシブルプリント板である。フレキシブルプリント板７４は、バッキング材７８の厚み方向側面に沿って、被検体２と反対の後方に引き出され、接続ケーブル１４と接続される。なお、図３には、バッキング材７８の厚み方向側面に沿って一様な銅箔で覆われた、フレキシブルプリント板７４の接地面が図示されている。図示しないフレキシブルプリント板７４の接地面の裏側には、絶縁膜を介して、配列方向の複合圧電素子７２ごとに独立した電極をなす、ｚ軸方向に平行して走る複数の銅箔パターン（ｐａｔｔｅｒｎ）が存在する。なお、詳細は、つぎの図４で示す。

図４は、機能素子部１２のｘｚ断面の詳細を示す断面図である。ここで、図３と比較して、複合圧電素子７２には、第１の電極部７１および第２の電極部７５、フレキシブルプリント板７４には、銅箔７９、８０およびポリイミド（ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ）膜８１，８２が、さらに詳細に示されている。

第１の電極部７１および第２の電極部７５は、複合圧電素子７２のｘｚ軸断面を囲む様に配設される。第１の電極部７１および第２の電極部７５は、掘削孔８８により互いに電気的に絶縁される。第１の電極部７１は、複合圧電素子７２の照射方向の板面、ｘ軸方向側面および完全反射層７３側に存在する２つの掘削孔８８からｘ軸方向端部に向かう板面に配設され、第２の電極部７５は、複合圧電素子７２の完全反射層７３側の板面に存在する２つの掘削孔８８間に配設される。なお、第１の電極部７１および第２の電極部７５は、スパッタ（ｓｐａｔｔｅｒ）等により形成される。

接着層７７は、照射方向をなすｚ軸方向の厚さが、数μｍ程度以下に抑えられている。この厚さは、第１の電極部７１および第２の電極部７５と接する板面が有する凹凸、並びに後述する完全反射層７３と接する板面が有する凹凸と同程度の大きさとなっている。従って、接着層７７は、エポキシ樹脂接着剤を含む絶縁体であるにもかかわらず、第１の電極部７１および第２の電極部７５と完全反射層７３とは、板面の凹凸部分で部分的に接触し、ｚ軸方向に導電性を有する。

完全反射層７３は、高い硬度を有するタングステンを含む。ここで、完全反射層７３は、複合圧電素子７２が存在する側の板面に、鏡面研磨が施されている。従って、完全反射層７３は、複合圧電素子７２が存在する側の板面の凹凸が、数μｍ程度に抑えられる。

また、完全反射層７３を構成するタングステンは、同時に高い導電性を有する物質でもあるので、後述するフレキシブルプリント板７４の銅箔と、複合圧電素子７２を電気的に接続する役目も有する。なお、掘削孔８８は、接着層７７および完全反射層７３のｘ軸方向位置に設けられており、接着層７７および完全反射層７３のｘ軸方向中央部と、ｘ軸方向端部を電気的な絶縁状態とする。

フレキシブルプリント板７４は、完全反射層７３のバッキング材７８側に設けられ、複合圧電素子７２に電圧を印加する。フレキシブルプリント板７４は、例えば、銅箔７９、８０およびポリイミド膜８１、８２の４層からなる。銅箔７９および８０は、ポリイミド膜８１により互いに絶縁されている。銅箔７９は、掘削孔８８から完全反射層７３のｘ軸方向端部に位置する。銅箔８０は、完全反射層７３のｘ軸方向端部では、ポリイミド膜８１を介して銅箔７９の背面に位置し、完全反射層７３のｘ軸方向中央部分では、導電性を有するスルーホール（ｔｈｒｏｕｇｈ ｈｏｌｅ）を介して、銅箔７９と同一面にも存在する。

銅箔７９は、電気的な導電性を有する完全反射層７３および接着層７７を介して、第１の電極部７１と電気的に接続され、銅箔８０は、電気的な導電性を有する完全反射層７３および接着層７７を介して、第２の電極部７５と電気的に接続される。

図５は、複合圧電素子７２のみの外観を示す説明図である。なお、第１の電極部７１および第２の電極部７５は、図示を省略した。複合圧電素子７２は、超音波の照射方向をなすｚ軸方向に複合圧電素子部８４および板状接合部８５を含む。

複合圧電素子部８４は、複合圧電素子７２の音響整合層７０側に位置し、ｘ軸方向にＰＺＴ等からなる圧電素子８３および樹脂８６が交互に配列された構造を有する。

板状接合部８５は、複合圧電素子７２の完全反射層７３側に位置し、ｘｙ軸面が圧電素子８３のみからなる板状の構造を有する。なお、板状接合部８５は、例えば、図５に示す複合圧電素子７２と同形の直方体形状の圧電材料を、音響整合層７０側から切削することにより形成される。この際、照射方向の切削深さは、複合圧電素子７２の照射方向の長さの概ね８０％程度にされる。

ここで、複合圧電素子７２の完全反射層７３側の板面は、研磨材を用いて鏡面研磨される。この板面は、板状接合部８５からなり、一様な硬度を有する圧電素子８３のみからなる。従って、複合圧電素子７２の完全反射層７３側の板面は、鏡面研磨により、凹凸を小さくすることができる。

ちなみに、板状接合部８５が存在しない場合には、複合圧電素子７２の完全反射層７３側の板面は、硬度が大きく異なる２つの材質、すなわちセラミックからなる圧電素子８３および樹脂８６が共存する。この様な板面は、均一に鏡面研磨することが難しく、数μｍオーダーの小さな凹凸を実現することが容易でない。

また、複合圧電素子７２の完全反射層７３側の板面および完全反射層７３の複合圧電素子７２側の板面は、共に単一材料からなるので、均一な鏡面研磨を行い、凹凸が小さくされる。さらにこの結果、複合圧電素子７２および完全反射層７３の間に形成される接着層７７は、厚さが均一でかつ薄いものとされる。

つぎに、機能素子部１２の動作について、図６を用いて概略を説明する。図６は、機能素子部１２の部分的構造および弾性的な振動を示す説明図である。図６（Ａ）は、複合圧電素子７２、接着層７７および完全反射層７３のｘｚ軸断面を示す図である。ここで、複合圧電素子７２のｚ軸方向厚さは、発生させる超音波の中心周波数により決定され、概ね数１００μｍ程度の厚さとなる。一方、接着層７７の厚さは、複合圧電素子７２および完全反射層７３の対向する板面が共に均一に鏡面研磨されるので、厚さおよび厚さのばらつきが数μｍ程度以内に抑えられる。

完全反射層７３は、複合圧電素子７２と比較して、高い音響インピーダンスの材質からなるので、複合圧電素子７２から入射される超音波は、概ね反射される。従って、完全反射層７３の内部に、複合圧電素子７２で発生された超音波は、存在しないものとなる。

図６（Ｂ）は、複合圧電素子７２および完全反射層７３において、ｚ軸方向に発生される弾性振動の振幅の分布を示す図である。図６（Ｂ）の横軸は、ｚ軸方向位置、縦軸は、弾性振動の振幅の大きさを示している。なお、横軸で示されるｚ軸方向の座標位置は、図６（Ａ）に示された複合圧電素子７２および完全反射層７３のｚ軸方向位置に対応するものである。

複合圧電素子７２は、第１の電極部７１および第２の電極部７５間に印加される電圧により共鳴振動を励起する。この共鳴振動は、被検体２側が音響整合層７０からなる低音響インピーダンス、バッキング材７８側が完全反射層７３からなる高音響インピーダンスとなっているので、概ね被検体２側が自由振動端、バッキング材７８側が固定端となる定在波を形成する。

図６（Ｂ）は、複合圧電素子７２の被検体２側の端部で振幅が最大となり、複合圧電素子７２のバッキング材７８側で振幅が零となる定在波を図示したものである。この図から、複合圧電素子７２では、共振状態で複合圧電素子７２のｚ軸方向厚さを１／４波長とする定在波が発生することがわかる。また、完全反射層７３では、弾性振動が全く入射しないので、振幅は零となる。

複合圧電素子７２で発生された弾性振動のエネルギーは、すべて被検体２側に放出されるので、複合圧電素子７２の感度を向上することができる。また、接着層７７は、薄く均一な構造とされているので、接着層７７が完全反射層７３の弾性振動の固定端としての機能を損なうことはなく、発生される超音波も振幅の大きいものとなる。

上述してきたように、本実施の形態では、複合圧電素子７２の完全反射層７３と対向する板面に、圧電素子８３のみからなる板状接合部８５を設け、対向する完全反射層７３の板面と共に、板状接合部８５の完全反射層７３と対向する板面を鏡面研磨により、凹凸が小さいものとしているので、接着層７７を薄く、均一な厚さとし、ひいては超音波探触子を、高感度で広周波数帯域にすることができる。

また、本実施の形態では、複合圧電素子７２は、２−２タイプ（ｔｙｐｅ）と呼ばれる厚み方向に圧電素子が一次元的に配列されたものとしたが、ｘｙ軸面内に圧電素子がマトリックス（ｍａｔｒｉｘ）状に２次元配列され、この圧電素子の間隙部分に樹脂が充填されたものとすることもできる。これにより、より低音響インピーダンスの複合圧電素子とすることができる。

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。 超音波探触子の機能素子部のみの外観を示す外観図である。 超音波探触子の機能素子部の断面を示す断面図である。 機能素子部の複合圧電素子の外観を示す外観図である。 複合圧電素子および完全反射層の弾性振動を示す説明図である。 複合圧電素子および完全反射層の間に存在する接着層の厚さと、周波数帯域幅の関係を示す説明図である。

符号の説明

２ 被検体
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 音響整合層
７１ 第１の電極部
７２ 複合圧電素子
７３ 完全反射層
７４ フレキシブルプリント板
７５ 第２の電極部
７７ 接着層
７８ 銅箔
７８ バッキング材
７９、８０銅箔
８１，８２ ポリイミド膜
８３ 圧電素子
８４ 複合圧電素子部
８５ 板状接合部
８６ 樹脂
８８ 掘削孔
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 (16)

1. 平面に間隙を持って配列された圧電素子および前記間隙に充填された充填剤を含む複合圧電素子と、
   前記平面と直交する超音波の照射方向に位置する、前記複合圧電素子の一方の複合圧電素子板面に接する接着層と、
   前記接着層を介して前記複合圧電素子と接着される、前記複合圧電素子で発生される超音波の弾性振動を、前記複合圧電素子板面の方向に概ね反射する完全反射層と、
   を備える超音波探触子であって、
   前記複合圧電素子は、前記接着層と接する前記複合圧電素子板面のすべてを覆う、前記圧電素子のみからなる板状接合部を備えることを特徴とする超音波探触子。
2. 前記複合圧電素子は、前記圧電素子を、前記平面の一次元方向にのみ配列させることを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子。
3. 前記複合圧電素子は、前記圧電素子を、前記平面内の２次元方向にマトリクス状に配列させることを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子。
4. 前記圧電素子および前記板状接合部は、直方体の形状を有する単一の圧電材料の掘削により形成され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. 前記圧電素子は、ＰＺＴであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一つに記載の超音波探触子。
6. 前記充填剤は、樹脂であ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. 前記接着層は、エポキシ樹脂接着剤を含む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. 前記複合圧電素子は、前記複合圧電素子板面が有する前記配列方向の２つの両端部近傍位置に、前記平面内の前記配列方向と直交する厚み方向に掘削された２つの掘削孔を備え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. 前記接着層および前記完全反射層は、前記配列方向の前記掘削孔の位置で前記照射方向に掘削されることを特徴とする請求項８に記載の超音波探触子。
10. 前記掘削孔は、前記接着層を介して接着された前記複合圧電素子および前記完全反射体の、前記完全反射体側からの掘削により形成されることを特徴とする請求項９に記載の超音波探触子。
11. 前記完全反射層は、タングステンを含むことを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか一つに記載の超音波探触子。
12. 前記超音波探触子は、前記接着層が位置する前記完全反射層の板面と対向する、前記完全反射層の板面位置にフレキシブルプリント板を備えることを特徴とする請求項１１に記載の超音波探触子。
13. 前記フレキシブルプリント板は、前記完全反射層の掘削孔と接する部分に電気絶縁層、前記完全反射層の前記２つの掘削孔に挟まれた領域と接する部分に導体箔、さらに前記完全反射層の前記配列方向に位置する２つの掘削孔から端部方向の拡がる領域と接する部分に導体箔を備えることを特徴とする請求項１２に記載の超音波探触子。
14. 前記複合圧電素子は、前記照射方向のもう一方の複合圧電素子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１３のいずれか一つに記載の超音波探触子。
15. 前記音響整合層は、前記照射方向の前記複合圧電素子と反対側の音響整合層板面にゴムレンズを備えることを特徴とする請求項１４に記載の超音波探触子。
16. 被検体に超音波エコーの送信および前記被検体からの反射超音波エコーの受信を行う超音波探触子と、
    前記反射超音波エコーに基づいて、前記被検体の断層画像情報を取得する画像取得部と、
    前記断層画像情報を表示する表示部と、
    前記送信、前記受信、前記取得および前記表示を制御する制御部と、
    を備える超音波撮像装置であって、
    前記超音波探触子は、平面に間隙を持って配列された圧電素子および前記間隙に充填された充填剤を含む複合圧電素子と、前記平面と直交する超音波の照射方向に位置する、前記複合圧電素子の一方の複合圧電素子板面に接する接着層と、前記接着層を介して前記複合圧電素子と接着される、前記複合圧電素子で発生される超音波の弾性振動を、前記複合圧電素子板面の方向に概ね反射する完全反射層とを有し、
    前記複合圧電素子は、前記接着層と接する前記複合圧電素子板面のすべてを覆う、前記圧電素子のみからなる板状接合部を備えることを特徴とする超音波撮像装置。
    

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