JP2011155611A - 超音波探触子および超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、被検体から来た超音波を受信する圧電素子と音響制動部材との間に他の層が介在する場合でもノイズを低減することができる超音波探触子および超音波診断装置を提供する。
【解決手段】本発明の超音波探触子２は、圧電材料を備えて成り、圧電現象を利用することによって電気信号と超音波信号との間で相互に信号を変換することができる圧電素子を備える第１圧電部２３と、超音波を吸収する材料から構成される音響制動部材２１と、第１圧電部２３と音響制動部材２１との間に配置され、音軸方向に沿って幅が異なる複数の溝を形成した、圧電材料を備えて成り、圧電現象を利用することによって電気信号と超音波信号との間で相互に信号を変換することができる圧電素子を備える第２圧電部２２を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、超音波を送受信することができる超音波探触子およびこの超音波探触子を備えた超音波診断装置に関する。

超音波は、通常、１６０００Ｈｚ以上の音波をいい、非破壊、無害および略リアルタイムでその内部を調べることが可能なことから、欠陥の検査や疾患の診断等の様々な分野に応用されている。その一つに、被検体内を超音波で走査し、被検体内から来た超音波の反射波（エコー）から生成した受信信号に基づいて当該被検体内の内部状態を画像化する超音波診断装置がある。この超音波診断装置は、医療用では、他の医療用画像装置に較べて小型で安価であり、そしてＸ線等の放射線被爆が無く安全性が高いこと、また、ドップラ効果を応用した血流表示が可能であること等の様々な特長を有している。このため、超音波診断装置は、循環器系（例えば心臓の冠動脈等の診断）、消化器系（例えば胃腸等の診断）、内科系（例えば肝臓、膵臓および脾臓等の診断）、泌尿器系（例えば腎臓および膀胱等の診断）および産婦人科系等で広く利用されている。

この超音波診断装置には、被検体に対して超音波（超音波信号）を送受信する超音波探触子が用いられる。この超音波探触子は、圧電現象を利用することによって、送信の電気信号に基づいて機械振動して超音波（超音波信号）を発生し、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超音波（超音波信号）の反射波を受けて受信の電気信号を生成する１または複数の圧電素子を備えている。このような超音波探触子には、被検体へ超音波を送信するための送信用の圧電素子と被検体から来た超音波を受信するための受信用の圧電素子とが別体で構成された送受信分離型の超音波探触子があり、この送受信分離型の超音波探触子は、例えば、特許文献１および特許文献２に開示されている。また、超音波探触子には、被検体と圧電素子との間で効率よく超音波を伝播させるために、被検体と圧電素子との間の音響インピーダンスを整合させる音響整合層も備えており、このような音響整合層は、例えば、特許文献３および特許文献４に開示されている。

この特許文献１に開示の超音波探触子は、送受信分離型の複合型圧電素子が配置された多チャンネル型アレイ型の超音波探触子であって、該複合型圧電素子は、セラミック材料からなる送信用圧電素子と、有機材料からなる受信用圧電素子との間に音響整合層を設けたものである。

また、特許文献２に開示の超音波探触子は、超音波を送受信する超音波プローブが、無機材料で形成された送信用無機圧電素子層と、有機材料で形成された受信用有機圧電素子層と、前記送信用無機圧電素子層と前記受信用有機圧電素子層との間に設けられた電極層とを有するものである。

この特許文献３に開示の音響整合層は、その音響インピーダンスが厚さ方向に連続的に変化する構造に形成されている。より具体的には、特許文献３に開示の音響整合層は、振動子の音響インピーダンスと同等以下の音響インピーダンスを持つ第１音響整合材で、振動子側の断面積が大きくかつ被検体側の断面積が小さく形成されるとともに、超音波の波長よりも短い間隔でマトリクス状に配列された多数の先細柱状体を備え、前記多数の先細柱状体の隙間には、被検体の音響インピーダンスと同等以上の音響インピーダンスを持つ第２音響整合材で充満され、一体に固化されている。

また、特許文献４に開示の音響整合層は、その音響インピーダンスが、圧電素子側部分での圧電素子に近い値から、被検体側部分での被検体に近い値へと厚さ方向に連続的に変化し、複数の圧電素子の各々に対応した該音響整合層の被検体側の表面形状が、前記複数の圧電素子の配列方向およびこれに直交する幅方向に沿って曲面状に形成されており、該音響整合層が超音波ビームを前記配列方向に拡散させ、前記幅方向に収束されるものである。

国際公開第ＷＯ２００８／０１０５０９号パンフレット 国際公開第ＷＯ２００８／０１５９１７号パンフレット 特開平１１−０８９８３５号公報 特開２００６−３３４０７５号公報

一般に、被検体から来た超音波は、超音波探触子の圧電素子によって受信され、その一部は、前記圧電素子で電気信号に変換される一方、その残部は、前記圧電素子を透過し、音響制動部材（バッキング層）で吸収される。

しかしながら、前記圧電素子と前記音響制動部材との間に、他の層が介在すると、前記圧電素子と前記他の層との境界面や、前記他の層と前記音響制動部材との境界面で音響インピーダンスの不整合によって反射が生じ、この反射による超音波が前記圧電素子で受信され、ノイズとなってしまう。すなわち、パルスの尾引きが長くなり、超音波探触子の帯域幅が低下し、また、分解能が劣化してしまう。

特に、被検体へ超音波を送信するための送信用の圧電素子と被検体から来た超音波を受信するための受信用の圧電素子とが別体で構成され、これらが互いに音軸方向に沿って積層された構造である積層型の超音波探触子では、受信用の圧電素子と音響制動部材との間に、送信用の圧電素子が介在することとなり、上記不都合が生じる。例えば、上述した特許文献１および特許文献２に開示の超音波探触子について、画質向上について検討したところ、下層の送信用無機圧電素子の表面で生じている超音波の反射がノイズとなり、画質低下の要因になっていることを見出した。

また、上述した特許文献３および特許文献４に開示の各音響整合層は、圧電素子から超音波送受信面へ向かう前方位置に配置され、被検体と圧電素子との音響インピーダンスの整合をとるものであって、上述したように、被検体から来て圧電素子を透過した超音波を対象としていない。さらに、前記特許文献３および特許文献４は、このような被検体から来て圧電素子を透過した超音波の対策は、従来通り、音響制動部材のみである。

本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、その目的は、被検体から来た超音波を受信する圧電素子と音響制動部材との間に他の層が介在する場合でもノイズを低減することができる超音波探触子を提供することを目的とする。そして、本発明は、この超音波探触子を備えた超音波診断装置を提供することを目的とする。

本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。すなわち、本発明の一態様にかかる超音波探触子は、圧電材料を備えて成り、圧電現象を利用することによって電気信号と超音波信号との間で相互に信号を変換することができる圧電素子を備える第１圧電部と、超音波を吸収する材料から構成される音響制動部材と、前記第１圧電部と前記音響制動部材との間に配置され、音軸方向に沿って幅が異なる複数の溝を形成した、圧電材料を備えて成り、圧電現象を利用することによって電気信号と超音波信号との間で相互に信号を変換することができる圧電素子を備える第２圧電部とを備えることを特徴とする。

このような構成の超音波探触子は、被検体から来た超音波を受信する圧電素子と音響制動部材との間に他の層が介在する場合でも、第２圧電部によって超音波の反射を低減するので、ノイズを低減することができる。したがって、この観点から、第２圧電部は、このような超音波の反射を低減する超音波反射低減機能だけでなく、さらに進んで超音波の反射を防止する超音波反射防止機能を備えることが好ましい。

ここで、本発明における超音波反射低減機能と音響制動部材（バッキング層）における音響制動機能との違いを以下に説明する。音響制動機能は、外部から音響制動部材に入射した超音波を吸収することによって、すなわち、超音波のエネルギを熱エネルギに変換する機能であり、一方、超音波反射低減機能は、外部から、超音波反射低減機能を有する部材（超音波反射低減部材）の一方端部で入射した超音波に対し、前記一方端部への反射を低減する機能である。したがって、超音波反射低減部材では、外部から一方端部で入射した超音波は、他方端部で外部へ放射されてもよい。

また、他の一態様では、上述の超音波探触子において、前記複数の溝は、所定の間隔で配列されて形成されており、外側領域に形成された溝の深さは、中央領域に形成された溝よりも浅いことを特徴とする。前記所定の間隔は、一定間隔であってもよく、また不定間隔であってもよい。

この構成によれば、このような深さの異なる複数の溝によって外側領域では圧電素子の厚みが相対的に厚くなるとともに中央領域では圧電素子の厚みが相対的に薄くなるため、均一な厚みを持つ圧電素子に較べて、周波数帯域が広帯域化される。

また、他の一態様では、これら上述の超音波探触子において、前記複数の溝は、所定の間隔で配列されて形成されており、中央領域に形成された溝は、外側領域に形成された溝より急であることを特徴とする。前記所定の間隔は、一定間隔であってもよく、また不定間隔であってもよい。

この構成によれば、前記溝によって圧電素子の厚みが相対的に変化するため、均一な厚みを持つ圧電素子に較べて、周波数帯域が広帯域化される。

また、他の一態様では、これら上述の超音波探触子において、前記第１圧電部は、被検体から来た超音波を受信するための受信用であり、前記第２圧電部は、被検体へ超音波を送信するための送信用であり、前記第２圧電部の有効音響インピーダンスは、前記第１圧電部の有効音響インピーダンスより大きいことを特徴とする。

一般に、被検体が生体である場合では、生体の音響インピーダンスは、１．５ＭＲａｙｌ程度であり、圧電部の音響インピーダンスは、生体の音響インピーダンスよりも大きい。このため、上記構成によれば、被検体、圧電部、第２圧電部の順で音響インピーダンスを順次に変化させることができ、効率的に超音波を送受信することが可能となる。

そして、本発明の他の一態様にかかる超音波診断装置は、これら上述のいずれかの超音波探触子を備えることを特徴とする。

上記構成によれば、ノイズを低減することができる超音波探触子を用いた超音波診断装置の提供が可能となる。このため、このような超音波診断装置では、超音波画像の向上が可能となる。

本発明にかかる超音波探触子は、被検体から来た超音波を受信する圧電素子と音響制動部材との間に他の層が介在する場合でも、超音波反射低減機能を有する第２圧電部によって超音波の反射を低減するので、圧電部でのノイズを低減することができる。そして、本発明では、ノイズを低減することができる超音波探触子を用いた超音波診断装置の提供が可能となる。

実施形態における超音波診断装置の外観構成を示す図である。 実施形態における超音波診断装置の電気的な構成を示すブロック図である。 実施形態の超音波診断装置における超音波探触子の構成を示す断面図である。 図３に示す第２圧電部の構造をより詳細に示す図である。 実施形態の超音波探触子における第２圧電部の他の第１構成を示す斜視図である。 実施形態の超音波探触子における第２圧電部の他の第２構成を示す断面図である。 実施形態の超音波探触子における第２圧電部の他の第３構成を示す断面図である。

以下、本発明にかかる実施の一形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、適宜、その説明を省略する。また、本明細書において、総称する場合には添え字を省略した参照符号で示し、個別の構成を指す場合には添え字を付した参照符号で示す。

図１は、実施形態における超音波診断装置の外観構成を示す図である。図２は、実施形態における超音波診断装置の電気的な構成を示すブロック図である。図３は、実施形態の超音波診断装置における超音波探触子の構成を示す断面図である。図３（Ａ）は、送信用の第２圧電部上に直接的に受信用の第１圧電部が積層されている場合を示し、図３（Ｂ）は、第２圧電部上に中間層を介して間接的に第１圧電部が積層されている場合を示す。図４は、図３に示す第２圧電部の構造をより詳細に示す図である。図４（Ａ）は、斜視図であり、図４（Ｂ）は、縦断面図である。

実施形態における超音波診断装置Ｓは、図１に示すように、図略の生体等の被検体に対して超音波（第１超音波信号）を送信すると共に、この第１超音波信号に基づく被検体内から来た超音波（第２超音波信号）を受信する超音波探触子２と、超音波探触子２とケーブル３を介して接続され、超音波探触子２へケーブル３を介して電気信号の送信信号を送信することによって超音波探触子２に被検体に対して第１超音波信号を送信させると共に、超音波探触子２で受信された被検体内から来た第２超音波信号に応じて超音波探触子２で生成された電気信号の受信信号に基づいて被検体内の内部状態を超音波画像として画像化する超音波診断装置本体１とを備えて構成される。

この第１超音波信号に基づく被検体内から来た超音波は、被検体内における音響インピーダンスの不整合によって被検体内で第１超音波信号が反射した反射波（エコー）だけでなく、例えば微小気泡（マイクロバブル）等の超音波造影剤（コントラスト剤）が用いられている場合には、第１超音波信号に基づいて超音波造影剤の微小気泡で生成される超音波もある。超音波造影剤では、超音波の照射を受けると、超音波造影剤の微小気泡は、共振もしくは共鳴し、さらに一定の閾値以上の音圧では崩壊、消失する。超音波造影剤では、微小気泡の共振によって、あるいは微小気泡の崩壊、消失によって、超音波が生じている。

超音波診断装置本体１は、例えば、図２に示すように、操作入力部１１と、送信部１２と、受信部１３と、画像処理部１４と、表示部１５と、制御部１６とを備えて構成されている。

操作入力部１１は、例えば、診断開始等を指示するコマンドや被検体の個人情報等のデータを入力するための装置であり、例えば、複数の入力スイッチを備えた操作パネルやキーボード等である。

送信部１２は、制御部１６の制御に従って、超音波探触子２へケーブル３を介して電気信号の送信信号を供給して超音波探触子２に第１超音波信号を発生させる回路である。送信部１２は、例えば、高電圧のパルスを生成する高圧パルス発生器等を備えて構成される。そして、超音波探触子２が複数の圧電素子を備える場合には、送信部１２は、超音波探触子２を構成する複数の圧電素子によって所定方向（所定方位）にメインビーム（主ビーム）を形成した送信ビームの第１超音波信号を被検体内へ送信すべく、例えば、高圧パルス発生器で生成されるパスルに遅延回路で遅延時間を付与することによって駆動信号を生成する送信ビームフォーマ等も備えてよい。この送信部１２で生成された駆動信号は、複数の圧電素子のそれぞれに対し適宜に遅延時間を個別に設定した、パルス状の複数の信号であり、ケーブル３を介して超音波探触子２における前記複数の圧電素子のそれぞれに供給される。この複数の駆動信号によって超音波探触子２は、各圧電素子から放射された超音波の位相が特定方向（特定方位）（あるいは、特定の送信フォーカス点）において一致し、その特定方向にメインビームを形成した送信ビームの第１超音波信号を発生する。前記所定方向は、前記複数の圧電素子によって形成される超音波信号の送受信面における法線方向を基準（０度）とした角度によって表される。このような電子走査方式には、リニア走査方式、セクタ走査方式およびコンベックス方式等がある。

受信部１３は、制御部１６の制御に従って、超音波探触子２からケーブル３を介して電気信号の受信信号を受信する回路であり、この受信信号を画像処理部１４へ出力する。受信部１３は、例えば、ケーブル３の伝送損失（伝送ロス）を補償すべく、受信信号を予め設定された所定の増幅率で増幅する増幅器等を備えて構成される。そして、送信時の送信ビームの形成と同様に、受信時もいわゆる整相加算することによって受信ビームが形成されてよい。すなわち、超音波探触子２における前記複数の圧電素子のそれぞれから出力される複数の出力信号に対し適宜に遅延時間を個別に設定し、これら遅延された複数の出力信号を加算することによって、各出力信号の位相が特定方向（特定方位）（あるいは、特定の受信フォーカス点）において一致し、その特定方向にメインビームが形成される。このような場合において、受信部１３は、例えば、前記増幅器で増幅された各出力信号が入力される受信ビームフォーマ等も備えてよい。

画像処理部１４は、制御部１６の制御に従って、受信部１３で受信された、第１超音波信号に基づく被検体内から来た第２超音波信号における所定の周波数成分に基づいて被検体内の内部状態を表す画像（超音波画像）を形成する回路である。前記所定の周波数成分は、例えば、基本波成分、ならびに、例えば２次高調波成分、３次高調波成分および４次高調波成分等の高調波成分を挙げることができる。画像処理部１４は、複数の周波数成分を用いて超音波画像を形成するように構成されてもよい。画像処理部１４は、例えば、受信部１３の出力に基づいて被検体の超音波画像を生成するＤＳＰ（Digital Signal Processor）、および、表示部１５に超音波画像を表示すべく、前記ＤＳＰで処理された信号をディジタル信号からアナログ信号へ変換するディジタル−アナログ変換回路（ＤＡＣ回路）等を備えて構成される。前記ＤＳＰは、例えば、Ｂモード処理回路、ドプラ処理回路およびカラーモード処理回路等を備え、いわゆるＢモード画像、ドプラ画像およびカラーモード画像の生成が可能とされている。

表示部１５は、制御部１６の制御に従って、画像処理部１４で生成された被検体の超音波画像を表示する装置である。表示部１５は、例えば、ＣＲＴディスプレイ、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）、有機ＥＬディスプレイおよびプラズマディスプレイ等の表示装置やプリンタ等の印刷装置等である。

制御部１６は、例えば、マイクロプロセッサ、記憶素子およびその周辺回路等を備えて構成され、これら超音波探触子２、操作入力部１１、送信部１２、受信部１３、画像処理部１４および表示部１５を当該機能に応じてそれぞれ制御することによって超音波診断装置Ｓの全体制御を行う回路である。

また、超音波探触子（超音波プローブ）２は、被検体内に第１超音波信号を送信しこの第１超音波信号に基づく被検体内から来た第２超音波信号を受信する装置である。超音波探触子２は、例えば、図３（Ａ）に示すように、平板状の音響制動部材（音響吸収部材、バッキング層、ダンパ層）２１と、この音響制動部材２１の一方主面上に積層された第２圧電部２２と、この第２圧電部２２上に積層された第１圧電部２３と、この第１圧電部２３上に積層された音響整合層２４と、この音響整合層上に積層された音響レンズ２５とを備えて構成される。このように本実施形態の超音波探触子２は、音響制動部材２１から音軸方向に沿って超音波送受信面に向かって、第２圧電部２２、第１圧電部２３、音響整合層２４、音響レンズ２５の順で順次に積層されている。

音響制動部材２１は、超音波を吸収する材料（超音波吸収材）から構成され、主に、第２圧電部２２から音響制動部材２１方向へ放射される超音波を吸収するものである。音響制動部材２１は、超音波を充分に減衰することによって第２圧電部２２の音響的特性を良好に保つべく、使用される超音波の波長に対して充分な厚みを有していることが好ましい。また、音響制動部材２１は、第２圧電部２２を機械的に支持するものであり、また、第１超音波信号のパルス波形を短くすべく音響的に制動をかけるものである。音響制動部材２１は、一般に、音響負荷部材、バッキング層、ダンパ層あるいは音響吸収部材とも呼ばれる。音響制動部材２１の材料として、例えばエポキシ樹脂等の樹脂に音響散乱粉体を混ぜた材料が挙げられる。このような材料では音響散乱粉体によって超音波の減衰率を大きくすることができる。音響散乱粉体は、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、銀（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、インジウム（Ｉｎ）、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）およびタンタル（Ｔａ）等を挙げることができるが、コストや入手の容易性から、タングステンが用いられることが好ましい。

第２圧電部２２は、第２圧電材料を備えて成り、圧電現象を利用することによって電気信号と超音波信号との間で相互に信号を変換することができる第２圧電素子を備えて構成される。第２圧電部２２は、本実施形態では、ケーブル３を介して超音波診断装置本体１の送信部１２に接続され、被検体内に第１超音波信号を送信するための送信用に利用される。第２圧電部２２は、超音波診断装置本体１の送信部１２からケーブル３を介して入力された送信信号を超音波信号へ変換してこの超音波信号を被検体へ第１超音波信号として送信する。超音波探触子２が被検体に当てられることによって、第２圧電部２２で生成された超音波信号が第１超音波信号として被検体内へ送信され、後述するように本実施形態では、被検体内から来た第２超音波信号が第１圧電部２３で受信される。

第２圧電部２２における第２圧電素子は、それぞれ、互いに対向する一対の第１および第２電極を備え、これら第１および第２電極間に第２圧電材料を備えて構成されている。第２圧電材料は、本実施形態では第２圧電部２２が送信用であることから、送信パワーを比較的大きくすることができる無機圧電材料であり、例えば、いわゆるＰＺＴ、水晶、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、ニオブ酸タンタル酸カリウム（Ｋ（Ｔａ，Ｎｂ）Ｏ_３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）、ＰＺＮ−ＰＴおよびＰＭＮ−ＰＴ等である。

第１圧電部２３は、第１圧電材料を備えて成り、圧電現象を利用することによって電気信号と超音波信号との間で相互に信号を変換することができる第１圧電素子を備えて構成される。第１圧電部２３は、本実施形態では、ケーブル３を介して超音波診断装置本体１の受信部１３に接続され、前記第１超音波信号に基づく前記被検体内から来た第２超音波信号を受信するための受信用に利用される。第１圧電部２３は、受信した第２超音波信号を電気信号へ変換してこの電気信号（受信信号）をケーブル３を介して超音波診断装置本体１の受信部１３へ出力する。

第１圧電部２３の第１圧電素子は、第２圧電部２２の第２圧電素子と同様に、互いに対向する一対の第３および第４電極を備え、これら第３および第４電極間に第１圧電材料を備えて構成されている。第１圧電材料は、本実施形態では第１圧電部２３が受信用であることから、比較的高い受信感度を備える有機圧電材料であり、例えば、フッ化ビニリデンの重合体を用いることができる。また例えば、第１圧電材料の有機圧電材料として、フッ化ビニリデン（ＶＤＦ）系コポリマを用いることができる。このフッ化ビニリデン系コポリマは、フッ化ビニリデンと他の単量体との共重合体（コポリマ）であり、他の単量体としては、３フッ化エチレン、テトラフルオロエチレン、パーフルオロアルキルビニルエーテル（ＰＦＡ）、パーフルオロアルコキシエチレン（ＰＡＥ）およびパーフルオロヘキサエチレン等を用いることができる。フッ化ビニリデン系コポリマは、その共重合比によって厚み方向の電気機械結合定数（圧電効果）が変化するので、例えば、超音波探触子の仕様等に応じて適宜な共重合比が採用される。例えば、フッ化ビニリデン／３フッ化エチレンのコポリマの場合では、フッ化ビニリデンの共重合比が６０ｍｏｌ％〜９９ｍｏｌ％であることが好ましく、有機圧電素子を無機圧電素子に積層する複合素子の場合では、フッ化ビニリデンの共重合比が８５ｍｏｌ％〜９９ｍｏｌ％であることがより好ましい。また、このような複合素子の場合では、他の単量体は、パーフルオロアルキルビニルエーテル（ＰＦＡ）、パーフルオロアルコキシエチレン（ＰＡＥ）およびパーフルオロヘキサエチレンが好ましい。また例えば、有機圧電材料は、ポリ尿素を用いることができる。このポリ尿素の場合では、蒸着重合法で圧電体を作成することが好ましい。ポリ尿素用のモノマとして、一般式、Ｈ_２Ｎ−Ｒ−ＮＨ_２構造を挙げることができる。ここで、Ｒは、任意の置換基で置換されてもよいアルキレン基、フェニレン基、２価のヘテロ環基、ヘテロ環基を含んでもよい。ポリ尿素は、尿素誘導体と他の単量体との共重合体であってもよい。好ましいポリ尿素として、４，４’−ジアミノジフェニルメタン（ＭＤＡ）と４，４’−ジフェニルメタンジイソシアナート（ＭＤＩ）を用いる芳香族ポリ尿素を挙げることができる。

第１圧電部２３は、例えば、単体の第１圧電素子を備えて構成されてもよく、また例えば、複数の第１圧電素子を備えて構成されてもよい。これら複数の第１圧電素子は、例えば、互いに所定の間隔を空けて直線的に配列され、１次元リニアアレイ型超音波振動子を構成してもよく、また例えば、これら複数の第１圧電素子は、互いに所定の間隔を空けて平面視にて互いに線形独立な２方向に、例えば、互いに直交する２方向にｊ行×ｋ列で配列され、２次元アレイ状に構成された２次元アレイ型超音波振動子を構成してもよい（ｊ、ｋは、正の整数である）。複数の第１圧電素子間には、相互干渉を低減するために、超音波を吸収する超音波吸収材が充填されてもよい。

音響整合層２４は、第２圧電部２２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整合をとると共に、第１圧電部２３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整合をとる部材である。

音響レンズ２５は、超音波の波長帯域の波にレンズ作用を及ぼし、被検体に向けて送信される超音波を収束する部材である。音響レンズ２５は、円弧状に膨出した形状とされる。なお、音響レンズ２５は、音響整合層２４と一体に形成されてもよい。

なお、図３（Ａ）に示す例では、第１圧電部２３は、第２圧電部２２上に直接的に積層されているが、図３（Ｂ）に示すように、第２圧電部２２上に中間層３１を介して間接的に積層されてもよい。この中間層３１は、第２圧電部２２と第１圧電部２３とを積層するための部材であり、第２圧電部２２と第１圧電部２３との音響インピーダンスを整合させるものである。

ここで、本実施形態の超音波探触子２では、第１圧電部２３と音響制動部材２１との間に配置される第２圧電部２２ａは、超音波の反射を低減する超音波反射低減機能も備えている。本実施形態では、この超音波反射低減機能を付与するために、この第２圧電部２２ａには、図４に示すように、音軸方向に沿って幅ｗが異なる複数の溝Ｇが形成されている。図４に示す例では、４個の溝Ｇ−１、Ｇ−２、Ｇ−３、Ｇ−４が形成されている。より具体的には、第２圧電部２２ａにおいて、第１圧電部２３側から音響制動部材２１側に向かう方向（深さ方向）に沿って、水平方向の幅ｗが徐々に狭くなる断面Ｖ字形状のＶ溝Ｇが、深さ方向に直交する所定の一方向に沿って所定の間隔ｌを空けて複数形成されている。なお、図４には、音響制動部材２１および第２圧電部２２ａが示されており、他の構成は、省略されている。

図４に示す第２圧電部２２ａは、互いに所定の間隔を空けて所定の一方向に沿って直線的に１次元配列された複数の第２圧電素子２２ａ−１，２２ａ−２，２２ａ−３，２２ａ−４，・・・を備え、１次元リニアアレイ型超音波振動子を構成している。そして、これら各第２圧電素子２２ａ−１，２２ａ−２，２２ａ−３，２２ａ−４，・・・のそれぞれが前記複数のＶ溝Ｇ（Ｇ−１、Ｇ−２、Ｇ−３、Ｇ−４）を備えている。すなわち、１個の第２圧電素子が複数のＶ溝Ｇを備えている。これら複数の第２圧電素子の配列方向と、各第２圧電素子にそれぞれ形成される複数のＶ溝Ｇの配列方向とは直交している。

このような複数のＶ溝Ｇは、例えば、断面Ｖ字形状の刃を備えるダイシングソによって形成可能である。また例えば、エッチングによって複数のＶ溝Ｇが形成されてもよい。また例えば、先端が錐状ではなく丸みを帯びてなまるがサンドブラストによって複数の溝Ｇが形成されてもよい。

そして、このように形成された複数のＶ溝Ｇ内には、第２圧電部２２の第２圧電素子を形成する第２圧電材料よりも音響インピーダンスが低い材料、例えばエポキシ系樹脂等の樹脂が充填される。

音響インピーダンスＺ１の第１部材と音響インピーダンスＺ２の第２部材との界面における音圧の反射率Ｒは、前記界面で音響インピーダンスに差△Ｚ（＝Ｚ２−Ｚ１）がある場合に、論理的に、Ｒ＝（Ｚ２−Ｚ１）／（Ｚ１＋Ｚ２）＝△Ｚ／（Ｚ１＋Ｚ２）で与えられる。したがって、音響インピーダンスが超音波の伝播方向に沿って連続的に変化すれば、音響インピーダンス差△Ｚが伝播方向の各位置で近似的に０と見なすことができ（△Ｚ≒０）、反射率Ｒが０となって（Ｒ＝０）、超音波は、反射しない。

本実施形態の第２圧電部２２は、第２圧電材料より低音響インピーダンスの樹脂を充填した複数のＶ溝Ｇを備え、深さ方向に沿って樹脂の体積分率が徐々に、本実施形態では連続的に変化するため、音響インピーダンス差による反射を低減することができる。したがって、この観点から、第２圧電部２２は、超音波の反射を低減する超音波反射低減機能だけでなく、さらに進んで超音波の反射を防止する超音波反射防止機能を備えることが好ましい。本実施形態では、溝Ｇが深さ方向に沿って幅ｗが徐々に狭くなるので、第２圧電部２２の第１圧電部２３側では、その音響制動部材２１側より音響インピーダンスが低くなる。

そして、第２圧電部２２における反射波の位相は、第２超音波信号が入射する電極における面内方向での位置に依存するため、前記電極面内で積分された第２超音波信号は、その反射波が弱められる。例えば、第２超音波信号が第２圧電部２２の一方電極面から入射し、他方電極面で反射して再び前記一方電極に戻るケースを考えると、Ｖ溝Ｇの無い位置に入射した第２超音波信号の反射波における位相θ１は、θ１＝２πｆ（２ａ／Ｖ１）であり、Ｖ溝Ｇの有る位置に入射した第２超音波信号の反射波における位相θ２は、θ２＝２πｆ（（２（ａ−ｂ）／Ｖ２）＋（２ｂ／Ｖ１））であり、その位相差θ２−θ１は、θ２−θ１＝２πｆ（（２（ａ−ｂ）／Ｖ２）−（２（ａ−ｂ）／Ｖ１））となる。ここで、Ｖ１は、第２圧電部２２の圧電材料の音速であり、Ｖ２は、Ｖ溝Ｇ内の音速（上述のように樹脂が充填されている場合には前記樹脂の音速となる）であり、ｆは、第２超音波信号の周波数であり、ａは、第２圧電部２２ａの厚さであり、ｄは、面内方向での位置におけるＶ溝の深さであり、ｂは、ｂ＝ａ−ｄである（図４（Ｂ）参照）。このように位相差は、前記式によって表され、第２超音波信号が入射する電極における面内方向での位置に依存するため、Ｖ溝Ｇが無い場合には、ｂ＝０、Ｖ２＝Ｖ１であるので、前記位相差は、０となって、前記反射波は、強め合ってしまうが、Ｖ溝Ｇがある場合では、前記電極面内で積分された第２超音波信号は、その反射波が弱められる。したがって、第１圧電部２３のＳＮ比が向上する。前記所定の間隔ｌは、一定間隔であってもよく、また不定間隔であってもよいが、この観点から、複数のＶ溝Ｇの周期ｌ（前記所定の間隔ｌ）は、第２圧電部２２ａが送信すべき超音波の周波数に対して計算される波長λ以下程度であることが好ましい。

このような超音波診断装置Ｓでは、診断の際に、例えば、操作入力部１１から診断開始の指示が入力されると、制御部１６の制御によって送信部１２で電気信号の送信信号が生成される。この生成された電気信号の送信信号は、ケーブル３を介して超音波探触子２へ供給される。より具体的には、この電気信号の送信信号は、超音波探触子２における第２圧電部２２（２２ａ）へ供給され、第２圧電部２２（２２ａ）では、当該第２圧電部２２（２２ａ）における前記複数の第２圧電素子へ所定の遅延時間でそれぞれ供給される。前記第２圧電素子では、この電気信号の送信信号が供給されることによってその厚さ方向に伸縮し、この電気信号の送信信号に応じて超音波振動する。この超音波振動によって、前記第２圧電素子は、第１超音波信号を放射する。前記第２圧電素子から音響制動部材２１方向へ放射された第１超音波信号は、音響制動部材２１によって吸収される。また、前記第２圧電素子から音響レンズ２５方向へ放射された第１超音波信号は、第１圧電部２３、音響整合層２４および音響レンズ２５を介して放射される。超音波探触子２が被検体に例えば当接されていると、これによって超音波探触子２から被検体に対して第１超音波信号が送信される。

なお、超音波探触子２は、被検体の表面上に当接して用いられてもよいし、被検体の内部に挿入して、例えば、生体の体腔内に挿入して用いられてもよい。

この被検体に対して送信された超音波は、被検体内部における音響インピーダンスが異なる１または複数の境界面で反射され、超音波の反射波となる。あるいは超音波造影剤が被検体内に注入されている場合には、第１超音波信号に起因して超音波造影剤によって超音波が生成される。この超音波には、送信された第１超音波信号の周波数（基本波の基本周波数）成分だけでなく、基本周波数の整数倍の高調波の周波数成分も含まれる。例えば、基本周波数の２倍、３倍および４倍等の２次高調波成分、３次高調波成分および４次高調波成分等も含まれる。この超音波は、超音波探触子２で受信される。より具体的には、この超音波は、音響レンズ２５および音響整合層２４を介して第１圧電部２３における複数の第１圧電素子で受信される。すなわち、この超音波は、前記第１圧電素子で受信され、前記第１圧電素子で機械的な振動が電気信号に変換されて受信信号として取り出される。

そして、第１圧電部２３で取り出されたこの電気信号の受信信号は、ケーブル３を介して制御部１６で制御される受信部１３で受信される。受信部１３は、この入力された受信信号を受信処理し、より具体的には、例えば増幅した後に画像処理部１４へ出力する。

ここで、上述において、方位およびフォーカス深度（観察点）を変えながら電子走査を行うべく、第２圧電部２２から順次に第１超音波信号が被検体に向けて送信され、被検体で反射した第２超音波信号が第１圧電部２３で受信される。

そして、画像処理部１４は、制御部１６の制御によって、受信部１３で受信された受信信号に基づいて、送信から受信までの時間や受信強度等から被検体の超音波画像を生成する。例えば、画像処理部１４では、フィルタ法によって受信信号から高調波成分が抽出され、この抽出された高調波成分に基づいてハーモニックイメージング技術を用いて被検体内部の内部状態の超音波画像が生成される。また例えば、画像処理部１４では、位相反転法（パルスインバージョン法）によって受信信号から高調波成分が抽出され、この抽出された高調波成分に基づいてハーモニックイメージング技術を用いて被検体内部の内部状態の超音波画像が生成される。そして、表示部１５は、制御部１６の制御によって、画像処理部１４で生成された被検体の超音波画像を表示する。

このように動作する超音波診断装置Ｓにおいて、上述したように、第２圧電部２２に複数のＶ溝Ｇを備えるので、音響レンズ２５および音響整合層２４を介して第１圧電部２３に入射された第２超音波信号は、第１圧電部２３で受信されきれずに第１圧電部２３を透過して第２圧電部２２に入射した場合でも、第２圧電部２２での反射が低減され、第２圧電部２２を透過し、音響制動部材２１で吸収される。このように第２圧電部２２での反射が低減されるため、第１圧電部２３では、ノイズとなる反射波の受信が低減され、第１圧電部２３は、音響レンズ２５および音響整合層２４を介して第１圧電部２３に入射された第２超音波信号を優位に受信することができ、第２超音波信号の受信のＳＮ比を向上することができる。また、仮に反射される場合でも、第２圧電部２２における反射波の位相は、第２超音波信号が入射する電極における面内方向での位置に依存するため、前記電極面内で積分された第２超音波信号は、その反射波が弱められる。したがって、第１圧電部２３における第２超音波信号の受信のＳＮ比が向上する。この結果、本実施形態の超音波診断装置Ｓは、より高い画質の超音波画像を形成することが可能となる。

また、上述の超音波診断装置Ｓに用いられる超音波探触子２は、受信用の第１圧電部２３および送信用の第２圧電部２２を備えている。このため、このような構成の超音波探触子２では、それぞれを受信に適した素子とするとともに送信に適した素子とすることが可能となる。

また、上述の超音波診断装置Ｓに用いられている超音波探触子２では、第１圧電部２３が受信用で有機圧電材料の圧電体を備えて構成され、第２圧電部２２が送信用で無機圧電材料の圧電体を備えて構成されている。このため、第２圧電部２２の有効音響インピーダンスは、第１圧電部２３の有効音響インピーダンスよりも大きい。また、一般に、被検体が生体である場合では、生体の音響インピーダンスは、１．５ＭＲａｙｌ程度であり、第１および第２圧電部２２、２３の音響インピーダンスは、生体の音響インピーダンスよりも大きい。したがって、このような構成の超音波探触子２では、被検体、音響レンズ２５、音響整合層２４、第１圧電部２３および第２圧電部２２が小さい音響インピーダンスから大きい音響インピーダンスへ順次に変化するように音軸に沿って順に並んでいる。このため、このような構成の超音波探触子２は、効率的に超音波を送受信することが可能となる。

なお、上述の実施形態では、超音波探触子２における第２圧電部２２の第２圧電材料が無機圧電材料であってその第１圧電部２３の第１圧電材料が有機圧電材料であったが、超音波探触子２における第１および第２圧電部２２、２３を形成する第１および第２圧電材料は、共に無機圧電材料であってよく、また共に有機圧電材料であってよい。圧電材料が有機圧電材料である場合に、複数の圧電素子は、素子分離された個別の素子であってもよいが、一体化したシート状の圧電部が用いられてもよい。

より具体的には、まず、所定の厚さを持った平板状の有機圧電材料から成る有機圧電体が用意され、次に、その一方主面に互いに分離した複数の素電極が例えばスクリーン印刷、蒸着あるいはスパッタ等によって形成される。これら複数の素電極は、平面視にて線形独立な２方向に、例えば互いに直交する２方向に２次元アレイ状に配列するように形成される。素電極は、例えば、平面視にて矩形状とされる。続いて、有機圧電体の他方主面に略全面に亘って電極が例えばスクリーン印刷、蒸着あるいはスパッタ等によって形成される。これによって２次元アレイ状に配列された複数の素電極を一方主面に備えると共に他方主面に略全面に亘って電極を備える圧電部が形成される。このような構成の圧電部は、素電極と、これに対向する電極と、これら素電極と電極との間に介在する有機圧電材料の有機圧電体とから１個の圧電素子が構成され、複数の有機圧電素子を含む。このように製造されるので、複数の有機圧電素子を形成するためにシート状の有機圧電体に溝（間隙、隙間、ギャップ、スリット）を形成する工程が必要ない。したがって、このような構成では、有機圧電素子に対して溝を形成する工程が必要ではないため、有機圧電素子の製造工程がより単純化され、より少ない工数で超音波探触子２を製造することが可能となる。

また、上述の実施形態における超音波探触子２では、第２圧電部２２は、１個の圧電素子として、圧電体と樹脂（高分子材料）とを複合化した２−２複合圧電体（２−２コンポジット）を備えて構成される第２圧電部２２ａであるが、第２圧電部２２は、図５に示すように、１個の圧電素子として、圧電体と樹脂とを複合化した１−３複合圧電体（１−３コンポジット）を備えて構成される第２圧電部２２ｂであってもよい。図５は、実施形態の超音波探触子における第２圧電部の他の第１構成を示す斜視図であり、図５には、第２圧電部２２ｂの１個分の圧電素子の構成が示されている。なお、図５には、音響制動部材２１および第２圧電部２２ｂが示されており、他の構成は、省略されている。このような構成の第２圧電部２２ｂであっても超音波反射低減機能を有するが、上述した、Ｖ溝Ｇを有する第２圧電部２２ａに比較すると、前記反射波の位相乱れが少なく低減効果は、小さい。

また、上述の実施形態における超音波探触子２では、第２圧電部２２は、互いに所定の間隔を空けて直線的に配列され、１次元リニアアレイ型超音波振動子であるが、第２圧電部２２は、例えば、単体の第１圧電素子を備えて構成されてもよく、また例えば、第２圧電部２２は、複数の第２圧電素子が、互いに所定の間隔を空けて平面視にて互いに線形独立な２方向に、例えば、互いに直交する２方向にｍ行×ｎ列で配列され、２次元アレイ状に構成された２次元アレイ型超音波振動子であってもよい（ｍ、ｎは、正の整数である）。第２圧電部２２における第２圧電素子間には、相互干渉を低減するために、超音波を吸収する超音波吸収材が充填されてもよい。また、第１圧電部２３の第１圧電素子の個数と第２圧電部２２の第２圧電素子の個数とは、同一であってもいが、送信特性および受信特性のそれぞれの特性により適合させる観点から、各素子の個数は、異なっていてもよい。

また、上述の実施形態における超音波探触子２では、第２圧電部２２は、一方主面に所定の間隔で配列されて形成された、互いに同じ深さの複数のＶ溝Ｇを備えて構成される第２圧電部２２ａであるが、図６に示すように、第２圧電部２２は、一方主面に所定の間隔で配列されて形成された、互いに異なる深さの複数のＶ溝Ｇを備えて構成される第２圧電部２２ｃ、２２ｄであってもよい。図６は、実施形態の超音波探触子における第２圧電部の他の第２構成を示す断面図であり、図６（Ａ）は、前記他の第２構成における第１形態を示し、図６（Ｂ）は、前記他の第２構成における第２形態を示す。この第２圧電部２２ｃ、２２ｄは、図６（Ａ）および図６（Ｂ）に示すように、複数のＶ溝Ｇを備えており、これら複数のＶ溝Ｇは、所定の間隔で配列されて形成されており、外側領域に形成された溝の深さは、中央領域に形成された溝よりも浅いものである。このような構成の超音波探触子２では、このような深さの異なる複数のＶ溝Ｇによって外側領域では第２圧電部２２ｃ、２２ｄの圧電素子の厚みが相対的に厚くなるとともに中央領域ではこの圧電素子の厚みが相対的に薄くなるため、均一な厚みを持つ圧電素子に較べて、周波数帯域を広帯域化することが可能となる。このような互いに異なる深さｄの複数のＶ溝Ｇは、例えば、図６（Ａ）に示すように、中央領域に形成された深さｄ１の相対的に深いＶ溝Ｇａ−３，Ｇａ−４と、外側領域に形成された深さｄ２の相対的に浅いＶ溝Ｇｂ−１、Ｇｂ−２；Ｇｂ−５，Ｇｂ−６との深さｄ（ｄ１、ｄ２）の異なる２種類の溝であってよい（深さｄ１＞深さｄ２）。また例えば、互いに異なる深さｄの複数のＶ溝Ｇは、図６（Ｂ）に示すように、中央領域に形成されたＶ溝Ｇから外側領域に形成されたＶ溝Ｇへ順次に深さが浅くなる３種類以上の溝であってよい。図６（Ｂ）に示す例では、第２圧電部２２ｄは、中央領域に形成された深さｄ１の相対的に最も深いＶ溝Ｇａ−３，Ｇａ−４と、外側領域に形成された深さｄ２の相対的に最も浅いＶ溝Ｇｂ−１；Ｇｂ−６と、中央領域と外側領域の間における中間領域に形成された深さｄ３の相対的に中間の深さのＶ溝Ｇｃ−２；Ｇｃ−５との深さｄ（ｄ１、ｄ２、ｄ３）の異なる３種類である（深さｄ１＞深さｄ３＞深さｄ２）。

また、上述の実施形態における超音波探触子２では、第２圧電部２２は、一方主面に形成された、互いに同じ形状（相似形を含む）の複数のＶ溝Ｇを備えて構成される第２圧電部２２ａであるが、図７に示すように、第２圧電部２２は、一方主面に所定の間隔で配列されて形成された複数の溝Ｇ（Ｇｄ，Ｇｅ）を備え、これら複数の溝Ｇのうち、中央領域に形成された溝Ｇｄ−２，Ｇｄ−３が外側領域に形成された溝Ｇｅ−１，Ｇｅ−４より急である第２圧電部２２ｅであってもよい。すなわち、図７に示すように、溝Ｇの外端部ＯＴにおける、一方主面と前記外端部ＯＴにおける溝Ｇの壁面に接する接平面との成す角を角θとする場合に、中央領域に形成された溝Ｇｄの前記角θ１が外側領域に形成された溝Ｇｅの前記角θ２より大きい。溝Ｇｄ、Ｇｅの断面形状は、例えば椀や皿等のような、第１圧電部２３側から音響制動部材２１側へ向こう方向に凸の左右線対称な曲線形状である。図７は、実施形態の超音波探触子における第２圧電部の他の第３構成を示す断面図である。このような構成の超音波探触子２では、前記溝Ｇｄ、Ｇｅによって圧電素子の厚みが相対的に変化するため、均一な厚みを持つ圧電素子に較べて、周波数帯域が広帯域化される。このような深くなる度合いが互いに異なる複数のＶ溝Ｇは、図７に示すように、中央領域に形成された深くなる度合いが相対的に大きい溝Ｇｄ−２，Ｇｄ−３と、外側領域に形成された深くなる度合いが相対的に小さい溝Ｇｅ−１、Ｇｅ−４との深くなる度合いの異なる２種類の溝であってよい（深さｄ１＞深さｄ２）。また例えば、互いに異なる深さｄの複数のＶ溝Ｇは、図６（Ａ）および（Ｂ）に示すケースのように、中央領域に形成されたＶ溝Ｇから外側領域に形成されたＶ溝Ｇへ順次に深くなる度合いが小さくなる３種類以上の溝であってよい。

また、上述の実施形態における超音波探触子２では、第２圧電部２２の第２圧電素子における溝Ｇは、断面Ｖ字形状のＶ溝Ｇであるが、このような断面形状に限定されるものではなく、要は、音軸方向に沿って幅が異なる形状であればよい。例えば、溝Ｇの断面形状は、上述のＶ字形状を形成する左右対称な一対の直線だけではなく、例えば、２次関数や３次関数等の高次関数、指数関数、対数関数、三角関数等の関数によって表される曲線が左右対称一対となった形状であってよい。溝Ｇの断面形状は、偶関数によって表される。

また、これら上述の実施形態における第２圧電部２２（２２ａ〜２２ｅ）は、第１圧電部２３側の１面に複数の溝Ｇが形成されたが、第２圧電部２２は、音響制動部材２１側の一面にこのような複数の溝Ｇが形成されてもよい。このような構成によっても同様の作用効果が得られる。

本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および／または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。

Ｓ 超音波診断装置
Ｇ（Ｇａ〜Ｇｅ） 溝
１ 超音波診断装置本体
２ 超音波探触子
２１ 音響制動部材
２２（２２ａ〜２２ｅ） 第２圧電部
２３ 第１圧電部

Claims (5)

1. 圧電材料を備えて成り、圧電現象を利用することによって電気信号と超音波信号との間で相互に信号を変換することができる圧電素子を備える第１圧電部と、
   超音波を吸収する材料から構成される音響制動部材と、
   前記第１圧電部と前記音響制動部材との間に配置され、音軸方向に沿って幅が異なる複数の溝を形成した、圧電材料を備えて成り、圧電現象を利用することによって電気信号と超音波信号との間で相互に信号を変換することができる圧電素子を備える第２圧電部とを備えること
   を特徴とする超音波探触子。
2. 前記複数の溝は、所定の間隔で配列されて形成されており、外側領域に形成された溝の深さは、中央領域に形成された溝よりも浅いこと
   を特徴とする請求項１に記載の超音波探触子。
3. 前記複数の溝は、所定の間隔で配列されて形成されており、中央領域に形成された溝は、外側領域に形成された溝より急であること
   を特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波探触子。
4. 前記第１圧電部は、被検体から来た超音波を受信するための受信用であり、
   前記第２圧電部は、被検体へ超音波を送信するための送信用であり、
   前記第２圧電部の有効音響インピーダンスは、前記第１圧電部の有効音響インピーダンスより大きいこと
   を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の超音波探触子。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の超音波探触子を備えること
   を特徴とする超音波診断装置。

Images