JP2012129662A - 超音波探触子 - Google Patents

Abstract

【課題】送信する超音波の周波数帯域にばらつきが生じる場合であっても、効率よく反射波を受信でき、感度および動作信頼性を高めることができる超音波探触子を提供する。
【解決手段】圧電型振動素子を用いる送信部から送信する超音波の反射波を、静電容量型振動素子を用いる受信部が受信する。圧電型振動素子を用いる場合に比べ、静電容量型振動素子を用いる方が、使用超音波周波数帯域が広いので、送信部から送信する超音波の周波数帯域にばらつきが生じる場合に対応できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、対象物に超音波を送信し、該対象物から反射された反射波を受信する超音波探触子に関する。

近年、医療超音波診断では、探触子で発生した超音波を体内に送信し、体内の臓器等で反射してきた反射波を探触子で受信することで体内の異常を検出する（非特許文献１参照）。

このような技術については、圧電セラミックス材料からなる単一の素子（圧電型振動素子）を備え、この素子を時間的に切り替えることにより、送信用の超音波送信素子及び受信用の超音波受信素子として兼用するトランスデューサが使用されている。

また、送信用振動子と、受信用振動子とを備え、基本波を生体内に送信して、基本波と高調波が混在した広帯域信号を受信用振動子にて受信し、受信された広帯域信号をデータ変換部に入力して所定の処理を行う超音波診断装置が開示されている（特許文献１参照）。

特開２００３−２６５４６６号公報

G．Calioano、R．Carotenuto、A．Caronti and M. Pappalardo、「cMUT echographic probes: Designand fabrication process」2002、IEEE Ultrasonic Symposium、pp1067-1070

一方、圧電型振動素子は送信出力が高いものの、その加工精密性が比較的低いため、小型化した場合、使用できる超音波の周波数帯域が制限され、各アレイ素子の共振周波数の誤差又は診断映像の解像度低下などの課題が発生している。すなわち、同じ工程にて製造されたとしても、使用できる超音波の周波数帯域（以下、使用超音波周波数帯域と言う。）にばらつきが生じ、期待する超音波の周波数帯域を得られず、予想より低い解像度を示す場合がある。

また、特許文献１の超音波診断装置のように、一方の圧電型振動素子（送信用振動子）から送信した超音波を、他の圧電型振動素子（受信用振動子）が受信する構成の場合は、送信用振動子における使用超音波周波数帯域のばらつきに、受信用振動子における使用超音波周波数帯域のばらつきが更に加わることとなり、装置全体では感度が低下するおそれがある。

一方、圧電型振動素子の周波数帯域は比較的狭く（≦８０％）、静電容量型素子は比較的広い周波数帯域（≧１１０％）を示す。そのため、静電容量型素子を受信素子として使用する場合、送信素子の周波数ばらつきが発生しても安定的送受信感度を発揮することができる。

本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、たとえ、送信する超音波の周波数帯域にばらつきが生じる場合であっても、効率よく反射波を受信でき、より感度を高めることができる超音波探触子を提供することである。

本発明に係る超音波探触子は、対象物に超音波を送信し、該対象物に反射された反射波を受信する超音波探触子において、圧電型振動素子を用いて前記超音波を送信する送信部と、静電容量型振動素子を用いて前記反射波を受信する受信部とを備えることを特徴とする。

本発明にあっては、圧電型振動素子を用いる送信部から送信する超音波の反射波を、静電容量型振動素子を用いる受信部が受信する。圧電型振動素子を用いる場合に比べ、静電容量型振動素子を用いる方が、使用超音波周波数帯域が広いので、送信部から送信する超音波の周波数帯域にばらつきが生じる場合に対応できる。

本発明に係る超音波探触子は、前記送信部と受信部の間に介在するバッキング部を備えることを特徴とする。

本発明にあっては、送信部と受信部との間にバッキング部が介在しており、該バッキング部は送信部と受信部とを音響的に隔離する。

本発明に係る超音波探触子は、前記バッキングと受信部の間に介在する絶縁部を備えることを特徴とする。

本発明にあっては、バッキングと受信部との間に絶縁部が介在しており、該絶縁部は送信部と受信部とを電気的に隔離する。

本発明に係る超音波探触子は、前記送信部は超音波を拡散させる凸状の曲面を有してあることを特徴とする。

本発明にあっては、該送信部が対象物に向けて凸状の曲面を有しており、該送信部から送信される超音波が該曲面によって該対象物に向けて拡散されながら進行する。

本発明に係る超音波探触子は、前記受信部は複数の静電容量型振動素子を１次元又は２次元に配列した振動素子アレイを備えることを特徴とする。

本発明にあっては、該受信部が、複数の静電容量型振動素子を１次元又は２次元に配列した振動素子アレイを用いて、当該反射波の受信を行うので、任意の方向からの反射波を選択的に受信することが出来る。

本発明に係る超音波探触子は、前記送信部は、対向する２つ電極の間に前記圧電型振動素子が介在しており、前記電極の対向方向に、前記送信部を貫通する貫通穴を有することを特徴とする。

本発明にあっては、該送信部の２つの電極の対向方向に、該送信部を貫通する貫通穴を有し、該貫通穴を介して他の道具を挿入し、又は該貫通穴に他の装備を装着することができる。

本発明に係る超音波探触子は、前記送信部は、前記超音波のビームを制御する音響レンズを備えることを特徴とする。

本発明にあっては、該送信部が音響レンズを備えており、該音響レンズは、該送信部から送信される超音波を拡散又は集束させる。

本発明に係る超音波探触子は、前記受信部は、一面が前記対象物に面する第１電極板と、該第１電極板の他面と一面が対向する第２電極板とを備えており、該第２電極板の他面側にはバッキング部が設けられてあることを特徴とする。

本発明にあっては、該受信部の第２電極板の他面側にバッキング部を備え、対象物側（前方）へ超音波を送信した後の送信部の振動を減衰させ、更に送信部の後方に放射されてしまった送信超音波を吸収する。更に、該バッキング部は、反射波の受信の際に、受信部を通過した反射波を吸収する。

本発明によれば、たとえ、圧電型振動素子を用いる送信部から送信する超音波の周波数帯域にばらつきが生じる場合であっても、静電容量型振動素子を用いる受信部が効率よく反射波を受信できるので、より感度を高めることができる超音波探触子が提供できる。

本発明の実施の形態１に係るハイブリッド型超音波探触子の要部構成を示す模式図である。 圧電型振動素子及び静電容量型振動素子の超音波周波数帯域を比較するグラフである。 図１のIII―III線による縦断面である。 図３のＡ部分を部分拡大した拡大図である。 図３のＢ部分を部分拡大した拡大図である。 本発明の実施の形態２に係るハイブリッド型超音波探触子の要部構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態３に係るハイブリッド型超音波探触子の要部構成を示す模式図である。 図７のVIII―VIII線による縦断面図である。 本発明の実施の形態４に係るハイブリッド型超音波探触子の要部構成を示す模式的縦断面図である。 本発明の実施の形態５に係るハイブリッド型超音波探触子の要部構成を示す模式的縦断面図である。

本発明に係る超音波探触子は、対象物（例えば、体内の臓器等）に超音波を送信し、該対象物に反射された反射波を受信するものであり、圧電型振動素子を用いる送信部と、静電容量型振動素子を用いる受信部とを備える、いわゆる、ハイブリッド型超音波探触子である。以下に、本発明に係るハイブリッド型超音波探触子を図面に基づいて詳述する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１に係るハイブリッド型超音波探触子の要部構成を示す模式図である。

本発明の実施の形態１に係るハイブリッド型超音波探触子１は、例えば、直径１．２ｃｍの円状の有底筒形状のケーシング６を有している。ケーシング６は、対象物側の前方の端部に、円形の開口６１を有し、開口６１に、超音波を対象物に送信する送信部２と、該対象物からの反射波を受信する受信部３とを設けている。送信部２は後述する圧電型振動素子を用いて超音波を送信し、受信部３は後述する静電容量型振動素子を用いて該対象物からの反射波を受信する。なお、本発明は以上に記載の寸法に限定されるものではない。

図２は圧電型振動素子及び静電容量型振動素子の超音波周波数帯域を比較するグラフである。図２で点線にて示すように、一般に、圧電型振動素子は、静電容量型振動素子に比べ、超音波周波数帯域が狭いが、送信出力が高く、受信感度が良いという特徴を有する。しかし、加工精密性に制限があるため、共振周波数の誤差が発生され、圧電セラミックス素子そのものの材料的・構造的特徴によって周波数帯域が狭くなる等の問題がある。すなわち、同じ工程にて製造された圧電型振動素子同士の間にも、使用超音波周波数帯域にばらつきが生じる場合が多々ある。

一方、静電容量型振動素子は、図２で実線にて示すように、圧電型振動素子よりは低いものの、比較的に良好な受信感度を有する上に、使用超音波周波数帯域が圧電型振動素子より著しく広い。

本発明の実施の形態１に係るハイブリッド型超音波探触子１は、上述したように、送信部２が圧電型振動素子を用いて超音波を送信し、受信部３が静電容量型振動素子を用いて反射波を受信するように構成されているので、送信部２から送信する超音波の周波数帯域に多少のばらつきが生じる場合にも対応することができる。

送信部２はケーシング６の中心から径方向に所定範囲に亘って設けられており、受信部３はケーシング６の周縁の近傍に、送信部２を取り囲むように設けられている。

図３は図１のIII―III線による縦断面である。

送信部２は、例えば、厚みが０．１ｍｍの円盤状をなしており、受信部３は送信部２と等しい厚みを有する円環状をなしている。このような、送信部２と受信部３との間にはバッキング部４が介在している。また、バッキング部４と受信部３との間には絶縁部５が介在している。換言すれば、バッキング部４は送信部２を取り囲むように設けられ、絶縁部５はバッキング部４を取り囲むように設けられている。なお、以上に記載の寸法に限定されるものではない。

バッキング部４は、例えば、樹脂等からなり、受信部３と送信部２とを音響的に隔離する。詳しくは、バッキング部４は、前方へ超音波を送信した後の送信部２の振動を減衰させ、更に送信部２の後方に放射されてしまった送信超音波を吸収することによって、反射などによる送信超音波の乱れを抑えると共に、隣接する受信部３への音響的影響を未然に防止する。更に、バッキング部４は、受信部３が反射波を受信する際に、受信部３を通過した反射波を吸収することによって、隣接する送信部２への音響的影響を未然に防止する。

バッキング部４は、送信部２と受信部３との間のみでなく、送信部２及び受信部３より後方にも形成されている。送信部２と受信部３との間のバッキング部４と、送信部２及び受信部３より後方のバッキング部４とは一体形成されている。

絶縁部５は受信部３と送信部２とを電気的に隔離する。絶縁部５は、例えば、帯状をなす導電性の金属からなり、ＧＮＤに接続するように構成されている。また、絶縁部５は、幅方向における寸法が、受信部３と等しくなるように構成されている。

本発明の実施の形態１に係るハイブリッド型超音波探触子１においては、送信部２は、圧電型振動素子が高電圧で駆動され、送信部２に隣接する受信部３は、静電容量型振動素子が高インピーダンスで反射波を受信するように構成されているが、絶縁部５によって、送信部２及び受信部３の電気的結合を抑制し、夫々を隔離することが出来る。

図４は図３のＡ部分を部分拡大した拡大図である。

受信部３は、反射波を受信する際に振動する振動膜３１と、振動膜３１の前面に形成され、振動膜３１と共に振動する振動電極３２（第１電極板）と、振動電極３２の背面と対向配置された対向電極３３（第２電極板）と、対向電極３３の背面側に設けられた基板３４とを備えている、いわゆる静電容量型振動素子である。

振動膜３１は０．１〜１０．０μｍの厚みを有しており、例えば、残留引張応力が１００ＭＰａ以下であり、Ｓｉ３Ｎ４、Ｓｉ単結晶、多結晶Ｓｉ薄膜等からなる。

基板３４は、例えば、カラス基板（ＰＹＲＥＸ（登録商標）)、又はシリコンウェハーである。基板３４の前面には振動膜３１を支持する振動膜支持部（図示せず）が形成されており、該振動膜支持部によって振動膜３１及び振動電極３２が支持されている。

一方、振動電極３２及び対向電極３３はＡｌ、Ｐｔ／Ｔｉ、Ｃｒ等からなり、厚みが０．０１〜０.３μｍのフィルム状をなしており、振動膜３１の前面及び基板３４の前面に夫々蒸着されている。

受信部３では、振動電極３２及び対向電極３３は夫々外部に電気的に接続され、対向電極３３と振動電極３２との間の静電容量の変化に係る電気信号が出力される。該電気信号に基づき、例えば、対象物の画像を得ることが出来る。

図５は図３のＢ部分を部分拡大した拡大図である。実施の形態１に係るハイブリッド型超音波探触子１の送信部２は、圧電素子と樹脂との複合材料である、例えば、１−３コンポジット振動素子２５を用いる。また、送信用圧電素子としては１−３コンポジットの他、ＺｎＯ２単結晶、Ｄｉａｐｈｒａｍ型薄膜圧電素子（ＰＺＴ薄膜）などいろいろな圧電セラミックス素子が使用可能である。

詳しくは、送信部２は、２次元状に配列された、幅が３μｍの直方体形状の複数の圧電素子２３と、複数の圧電素子２３の間及び周囲に充填された充填材２２（例えば、エポキシ系樹脂）とを有する。

複数の圧電素子２３は、クロストーク等の相互干渉を低減するために、互いに所定の隙間を空けて配置されている。また、圧電素子２３同士の間における相互干渉を低減し、圧電素子２３の横方向の振動を抑えて圧電素子２３が縦方向のみに振動するようにするために、充填材２２が複数の圧電素子２３の間及び周囲に充填されている。

圧電素子２３及び充填材２２の前方には、各圧電素子２３と接続する、導電材料から成る共通接地電極２１が設けられている。共通接地電極２１からの電極線は送信部２の前方に引き出されてＧＮＤに接続されている。

一方、圧電素子２３及び充填材２２の後方には、各圧電素子２３と接続する駆動電極２４が設けられている。駆動電極はバッキング部４を介して外部に引き出される。

本発明の実施の形態１に係るハイブリッド型超音波探触子１は、圧電素子２３が縦方向（前後方向）に分極処理されているので、共通接地電極２１及び駆動電極２４の間に電圧を印加すると、電界は縦方向に形成され、圧電素子２３を振動させる。

実施の形態１に係るハイブリッド型超音波探触子１は、上述したように、受信部３として静電容量型振動素子を用いるので、駆動電極２４からの複数の信号線をバッキング部４を介して外部に引き出す工程を省くことができる。従って、送信部２及び受信部３の何れも圧電型振動素子を用いた従来のものに比べ、構造が簡単であり、動作での信頼性が向上され、製造コストを削減できる。

（実施の形態２）
図６は本発明の実施の形態２に係るハイブリッド型超音波探触子の要部構成を示す模式図である。実施の形態２に係るハイブリッド型超音波探触子１において、受信部３は１次元又は２次元に配列された静電容量型振動素子のアレイを備えている。図６（ａ）は１次元に配列された静電容量型振動素子のアレイ１０を有するハイブリッド型超音波探触子１の例を示しており、図６（ｂ）は２次元に配列された静電容量型振動素子のアレイ１０を有するハイブリッド型超音波探触子１の例を示している。

図６（ａ）に示すハイブリッド型超音波探触子１においては、受信部３は、周方向に分割された夫々の領域に、静電容量型のエレメント振動素子３５、３５、…３５が配列され、静電容量型振動素子のアレイ１０を備えている。各エレメント振動素子３５の構成については、実施の形態１と同様であり、詳しい説明を省略する。

図６（ｂ）に示すハイブリッド型超音波探触子１においては、受信部３は、周方向に分割された夫々の領域が、さらに径方向に分割されており、これによって形成された各領域にはエレメント振動素子３５、３５、…３５が配列され、静電容量型振動素子のアレイ１０を成している。エレメント振動素子３５の構成については、実施の形態１と同様であり、詳しい説明を省略する。

実施の形態１と同様の部分については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

本発明の実施の形態２に係るハイブリッド型超音波探触子は、上述したように、静電容量型振動素子のアレイ１０を有するので、送信部２から送信された超音波の反射波の受信において、任意の向きにすることができる。

（実施の形態３）
図７は本発明の実施の形態３に係るハイブリッド型超音波探触子の要部構成を示す模式図であり、図８は図７のVIII―VIII線による縦断面図である。

実施の形態３に係るハイブリッド型超音波探触子は、実施の形態１係るハイブリッド型超音波探触子の同様の構成であるが、送信部２の中心部、詳しくは、送信部２の共通接地電極２１及び駆動電極２４の対向方向に送信部２（ハイブリッド型超音波探触子１）を貫通する円状の貫通穴７を有している。貫通穴７は、ケーシング６の回転軸に沿って、前後方向に形成されている。

本発明の実施の形態３に係るハイブリッド型超音波探触子１は、貫通穴７を介して、手術に係る道具の導入、他の装置の装着等のための押入が可能となり、他に色々な機能を持たせることが可能である。なお、貫通穴７の形状は円状に限るものでない。

実施の形態１と同様の部分については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

（実施の形態４）
図９は本発明の実施の形態４に係るハイブリッド型超音波探触子の要部構成を示す模式的縦断面図である。本発明の実施の形態４に係るハイブリッド型超音波探触子１は、実施の形態１係るハイブリッド型超音波探触子の同様の構成であるが、送信部２の前方に、送信部２からの超音波を制御する音響レンズ８を備えている。

音響レンズ８は、例えば、エポキシ樹脂等で構成されており、送信部２の前面を覆うように構成されている。すなわち、送信部２からの超音波は音響レンズ８を通過するように構成されている。また、音響レンズ８は、縦方向（前後方向）の断面視にて凹形状を有している。ただし、これに限るものでなく、音響レンズ８は凸状であってもよい。

送信部２に電圧が印加されると、個々の圧電素子２３が振動し、超音波が送信部２の共通接地電極２１（図５参照）の面方向に対して垂直方向に放射される。放射された超音波は、音響レンズ８を通過する際、音響レンズ８によって、拡散あるいは集束される。

実施の形態１と同様の部分については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

（実施の形態５）
図１０は本発明の実施の形態５に係るハイブリッド型超音波探触子の要部構成を示す模式的縦断面図である。

本発明の実施の形態５に係るハイブリッド型超音波探触子１は、実施の形態１係るハイブリッド型超音波探触子１と同様の構成であるが、送信部２の構成において異なる。本発明の実施の形態５に係るハイブリッド型超音波探触子１の送信部２は、超音波を拡散させる凸状の曲面を有している。

例えば、本発明の実施の形態５に係るハイブリッド型超音波探触子１においては、実施の形態１のハイブリッド型超音波探触子１にて送信部２によって占められていた部分が、バッキング部４によって埋められている。従って、バッキング部４の前方端面が受信部３の振動電極３２又は振動膜３１と略面一となるように設けられており、バッキング部４の前方端面には、前方に向けて凸状を成す取付台２６が固定されている。取付部２６は、例えば、バッキング部４と等しい材料からなる。

取付台２６の湾曲する前面には、該前面に習う形状に製造された、所定の曲率を有する球殻型である、例えば、１−３コンポジット振動素子２５が設けられている。球殻型の１−３コンポジット振動素子２５の製造には、公知の技術を用いるので、球殻型の１−３コンポジット振動素子２５の製造に関する詳しい説明を省略する。また、１−３コンポジット振動素子２５に限るものでなく、ＺｎＯ２単結晶、Ｄｉａｐｈｒａｍ型薄膜圧電素子（ＰＺＴ薄膜）等の圧電セラミックス素子であっても良い。

１−３コンポジット振動素子２５の前面には球殻型の１−３コンポジット振動素子２５と等しい曲率を有する共通接地電極２１が、１−３コンポジット振動素子２５の前面を覆うように設けられている。従って、送信部２は対象物に向けて凸状の曲面を有するように設けられる。

送信部２に電圧が印加されると、ハイブリッド型超音波探触子１の前方に向けて放出される超音波は、送信部２の共通接地電極２１が上述したように凸状の曲面を有しているので、末広がりの扇状となって対象物に拡散されて進行される。

実施の形態１と同様の部分については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

以上に記載の各実施の形態においては、ハイブリッド型超音波探触子１の中央部に送信部２を配置した構成を例として説明したがこれに限るものでない。

１ ハイブリッド型超音波探触子
２ 送信部
３ 受信部
４ バッキング部
５ 絶縁部
６ ケーシング
７ 貫通穴
８ 音響レンズ
１０ アレイ
２１ 共通接地電極
２２ 充填材
２３ 圧電素子
２４ 駆動電極
２５ １−３コンポジット振動素子（圧電振動素子）
２６ 取付台
３１ 振動膜
３２ 振動電極（第１電極板）
３３ 対向電極（第２電極板）
３４ 基板
３５ エレメント振動素子
６１ 開口

Claims (8)

1. 対象物に超音波を送信し、該対象物に反射された反射波を受信する超音波探触子において、
   圧電型振動素子を用いて前記超音波を送信する送信部と、
   静電容量型振動素子を用いて前記反射波を受信する受信部と、
   を備えることを特徴とする超音波探触子。
2. 前記送信部と受信部の間に介在するバッキング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. 前記バッキングと受信部の間に介在する絶縁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. 前記送信部は超音波を拡散させる凸状の曲面を有してあることを特徴とする請求項１から３の何れか１つに記載の超音波探触子。
5. 前記受信部は複数の静電容量型振動素子を１次元又は２次元に配列した振動素子アレイを備えることを特徴とする請求項１から４の何れか１つに記載の超音波探触子。
6. 前記送信部は、対向する２つ電極の間に前記圧電型振動素子が介在しており、
   前記電極の対向方向に、前記送信部を貫通する貫通穴を有することを特徴とする請求項１から５の何れか１つに記載の超音波探触子。
7. 前記送信部は、前記超音波のビームを制御する音響レンズを備えることを特徴とする請求項１から６の何れか１つに記載の超音波探触子。
8. 前記受信部は、
   一面が前記対象物に面する第１電極板と、
   該第１電極板の他面と一面が対向する第２電極板とを備えており、
   該第２電極板の他面側にはバッキング部が設けられてあることを特徴とする請求項２から４の何れか１つに記載の超音波探触子。