JP4311724B2 - 超音波トランスデューサアレイ及び超音波送受信装置 - Google Patents

Description

本発明は、医療用や構造物探傷用の超音波撮像装置において超音波を送信及び受信する超音波送受信装置、及び、それに用いられる超音波トランスデューサアレイに関する。

従来より、超音波の送信や受信に用いられる超音波トランスデューサとして、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Pb(lead) zirconate titanate）に代表される圧電セラミックや、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン：polyvinyliden difluoride）に代表される高分子圧電材料を含む圧電素子が一般的に用いられてきた。このような圧電素子に、電極を介して電圧を印加すると、圧電効果により圧電素子が伸縮して超音波が発生する。そこで、このような複数の圧電素子を１次元又は２次元に配列し、所定の遅延を与えてそれぞれの圧電素子を駆動することにより、所望の方向に送信される超音波ビームを形成することができる。

図６は、一般的な超音波用探触子において用いられている超音波トランスデューサアレイを示している。図６に示すように、複数の超音波トランスデューサ（素子）１０１の間には、それらを保持する充填材１０２が配置されている。このような超音波トランスデューサアレイにおいては、超音波を送信又は受信する際に、隣接する複数の素子が音響的に干渉し、クロストークが発生して、検出信号のＳＮ比が低下するという問題が生じている。超音波を送信又は受信する際に、素子１０１を伸縮させると、超音波を発生するための振動だけでなく、ポアッソン比に伴う横伸縮や素子自体のうねりやぶれ等によって横振動も発生し、その振動が充填材１０２を介して隣接する素子に伝播してしまうからである。

このような問題を解決するために、例えば、素子の形状や配置を変更するという方法が考えられる。しかしながら、素子の微細化及び高集積化に伴い、任意の形状を有する素子を作製したり、そのような素子を任意に配置することは困難である。
或いは、複数の振動子の間に配置される充填材の材料を最適化するという方法も考えられる。非特許文献１には、１−３コンポジット（１−３型複合圧電材料）における素子間充填材料について記載されている。例えば、ポリウレタン系の樹脂は軟らかいので、機械的にフレキシブルであると共に、機械的アイソレーションが良いと述べられている。一方、ポリウレタン系の樹脂を用いる場合には、複合材料が圧電振動体としてホモジニアスとみなせる条件を満たすためには、問題点が残されているとも述べられている。このように、十分な振幅を有する超音波を発信させるために素子を振動し易くする材料と、クロストークを低減させるための材料とでは、材料の特性が背反するので、最適な材料の選定が困難である。

また、特許文献１には、同一平面上に等間隔で配列された細幅矩形状の振動子素子部の各振動子素子の面上に、音響インピーダンスが該振動子と生体の音響インピーダンス間の値である硬質材料から成る単層又は複数層の中間層片を固着すると共に、上記各振動子及び中間層片の隣接間の溝及び中間層表面全体を軟質樹脂で被覆充填したことを特徴とするアレー型超音波探触子が開示されている。しかしながら、このように軟質樹脂の材料を既定することにより、そこを伝播する振動の収束を早くすることはできるが、積極的に振動を排除することはできないので、複数の素子間におけるクロストークを大きく減らすことはできない。
特開昭５４−１３１３８０号公報 超音波便覧、丸善出版（Ｐ．１２９−Ｐ．１３１）

そこで、上記の点に鑑み、本発明は、複数の素子が配置された超音波トランスデューサアレイにおいて、複数の素子間におけるクロストークを低減することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る超音波トランスデューサアレイは、印加される電圧に基づいて伸縮することにより超音波を発生する複数の超音波トランスデューサと、上記複数の超音波トランスデューサの間に配置されている圧電性の充填材と、該充填材の対向する２つの面に配置されている少なくとも１組の電極とを具備する。

また、本発明に係る超音波送受信装置は、上記の超音波トランスデューサアレイと、該超音波トランスデューサアレイに含まれる複数の超音波トランスデューサをそれぞれ駆動するための複数の駆動信号を生成する駆動手段と、複数の超音波トランスデューサにおける振動と逆位相になるように、少なくとも１組の電極を介して充填材に電圧を印加するための電圧印加手段と、該電圧印加手段から出力される電圧の位相を制御する制御手段と具備する。

本発明によれば、複数の超音波トランスデューサ間に圧電材料を含む充填材を配置し、充填材を伝播する横振動（機械的エネルギー）を電気エネルギーに変換して電極を介して放電する。従って、充填材を伝播する不要な振動を積極的に排除することができるので、複数の超音波トランスデューサ間におけるクロストークを低減して、超音波の送信及び受信におけるＳＮ比を向上させることが可能になる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る超音波トランスデューサアレイを示す斜視図である。この超音波トランスデューサアレイは、２次元に配置された複数の超音波トランスデューサ（以下において、「素子」ともいう）１０と、複数の素子１０の間及び周囲に配置された充填材１１と、充填材１１の上面及び下面に配置された電極１２及び１３とを含んでいる。また、この超音波トランスデューサアレイは、超音波送受信装置本体に含まれる素子駆動部１４と、制御部１５とに接続されている。素子駆動部１４は、複数の素子１０にそれぞれ対応する複数の駆動回路を含んでおり、複数の素子１０を駆動するための複数の駆動信号を発生する。また、制御部１５は、素子駆動部１４の動作を制御する。

複数の素子１０の各々は、例えば、底面の幅が０．２〜１．０ｍｍ程度、高さが１．０ｍｍ程度の微小な柱状の構造体である。各素子１０は、圧電材料と、少なくともその両端に形成された電極とを含んでいる。これらの電極を介して圧電材料に電圧を印加すると、圧電効果により圧電材料が伸縮するので、素子から超音波が発生する。また、各素子１０は、被検体から伝播する超音波を受信することにより、伸縮して電気信号（検出信号）を発生する。圧電材料としては、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Pb(lead) zirconate titanate）に代表される圧電セラミックや、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン：polyvinyliden difluoride）に代表される高分子圧電材料等が用いられる。

充填材１１は、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）や、Ｐ（ＶＤＦ／ＴｒＦＥ）（ポリフッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体）や、Ｐ（ＶＤＦ／ＴｅＦＥ）（ポリフッ化ビニリデン四フッ化エチレン共重合体）や、Ｐ（ＶＤＣＮ／ＶＡｃ）（シアン化ビニリデン酢酸ビニル共重合体）や、ＰＵ（ポリ尿素）等の圧電高分子を含む圧電性充填材料によって形成されている。充填材１１としては、機械−圧電変換定数（圧電出力定数）ｇ（Ｖ・ｍ／Ｎ）の値が大きい材料、即ち、変換効率の高い材料を用いることが望ましい。ここで、圧電出力定数ｇは、（生じた電界の強さ）／（与えられた応力）によって表される。

電極１２及び１３は、充填材１１の上面及び下面において、複数の素子１０の２つの端面の周囲を囲むように格子状にそれぞれ配置されている。図１に示すように、電極１２及び１３は、基準電位に電気的に接続されている。本実施形態及び以下の実施形態において、基準電位は接地電位であるとする。また、以下において、充填材１１に配置されている電極のことを、アース用電極とも呼ぶ。

図１に示す超音波トランスデューサアレイから超音波を発信する場合には、素子駆動部１４が、制御部１５の制御の下で駆動信号を発生することにより、複数の素子１０を駆動する。その際に、複数の素子１０の各々を、所定の遅延時間を設けてそれぞれ駆動することにより、所望の方向に送信される超音波ビームを形成することができる。一方、各素子１０が伸縮すると、素子から発生した振動（横振動）が、素子の周囲に配置されている充填材１１に伝播する。その結果、充填材１１の圧電効果により、充填材１１の振動（機械的エネルギー）が電気エネルギーに変換される。これにより、振動が収束すると共に、電極１２と電極１３との間に電圧が発生し、これらの電極間に電流が流れる。その結果、ある素子から発生した振動は、周囲に配置された電極１２及び１３の領域において除去されるので、隣接する素子まで伝播することがなくなる。従って、素子間のクロストークを低減することが可能になる。

本実施形態においては、電極１２及び１３を接地電位に接続することにより放電させたが、電極１２と電極１３との間を短絡させても良い。このような構成によっても、充填材１１における振動を収束させることができる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る超音波トランスデューサアレイについて、図２を参照しながら説明する。本実施形態に係る超音波トランスデューサアレイは、複数の素子１０と、圧電性充填材料によって形成されている充填材１１と、電極１２及び１３とを含んでいる。また、この超音波トランスデューサアレイは、超音波送受信装置本体に含まれる素子駆動部１４と、充填材駆動部２０と、制御部２１とに接続されている。

充填材駆動部２０は、電極１２及び１３に接続されており、充填材に印加するための電圧を発生する。制御部２１は、素子駆動部１４の動作と、充填材駆動部２０の動作とを制御する。

図２に示す超音波トランスデューサアレイから超音波を発信する場合に、素子駆動部１４は、制御部２１の制御の下で、所定の波形を有する駆動信号を発生する。これにより、各素子１０が伸縮して超音波が発生すると共に、素子の周囲に配置されている充填材１１に横振動が伝播する。その際に、充填材駆動部２０は、制御部２１の制御の下で、駆動信号の波形と逆位相を有する電圧を所定のタイミングで発生する。これにより、電極１２及び１３を介して、駆動信号とは逆位相を有する電圧が充填材１１に印加される。その結果、充填材１１において、印加された電圧に基づいて振動が発生し、その振動と素子から伝播した横振動とが互いにキャンセルする。これにより、ある素子から発生した横振動は、その周囲に配置された電極１２及び１３の領域において除去されるので、複数の素子間におけるクロストークを低減することができる。

以上説明した本発明の第１及び第２の実施形態において、充填材駆動部は、超音波送受信装置の本体に含まれているが、充填材駆動部を、超音波トランスデューサアレイと共に、超音波用探触子内に設けても良い。

次に、本発明の第３の実施形態に係る超音波トランスデューサアレイについて説明する。図３の（ａ）は、本発明の第３の実施形態に係る超音波トランスデューサアレイを示す平面図であり、図３の（ｂ）は、その断面図である。この超音波トランスデューサアレイは、２次元マトリクス状に配置された複数の素子１０と、圧電性充填材料によって形成されている充填材１１と、充填材１１の上面及び下面において、複数の素子１０の２つの端面の周囲をそれぞれ囲むように配置されている複数組の電極３１及び３２とを含んでいる。充填材１１の上面及び下面において、対向する複数組の電極３１及び３２の各々は、基準電位に接続されている。

このように、本実施形態においては、複数の素子にそれぞれ対応する複数組のアース用電極を設けることにより、各素子から発生した横振動を個別に除去している。このような構成は、特に、超音波を発信する際に、特定の素子のみを駆動したり、複数の素子の間に時間差を設けて駆動する場合に有効である。ここで、充填材の上面又は下面においてアース用電極が連続している場合には、ある素子（第１の素子）が振動すると、その周囲に配置された充填材の圧電効果により、アース用電極全体が等電位になってしまう。そのため、第１の素子と離れた位置にある第２の素子の周囲に配置された充填材が、連続するアース用電極によって電圧が印加される結果となり、その領域の充填材が振動して第２の素子に影響を及ぼすおそれがある。しかしながら、図３に示すように、アース用電極が素子ごとに配置されている場合には、ある素子から伝播した横振動に基づいて発生した電圧は、近隣に対応して配置されているアース用電極によって個別に放電されるので、遠方に配置された素子に影響を及ぼすことがなくなる。

本実施形態においては、複数の素子にそれぞれ対応して設けられた複数組の電極を基準電位に接続しているが、複数組の電極の各々において、電極を互いに短絡させても良い。或いは、本発明の第２の実施形態において説明したように、素子の駆動信号の波形と逆位相を有する電圧を所定のタイミングで発生する駆動回路を、複数組の電極の各々に接続しても良い。

次に、本発明の第４の実施形態に係る超音波トランスデューサアレイについて説明する。図４は、本実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの一部を示す図である。
本実施形態に係る超音波トランスデューサアレイは、本発明の第３の実施形態に係る超音波トランスデューサと同様に、複数の素子１０と、圧電性充填材料によって形成されている充填材１１とを含んでいる。また、図４に示すように、充填材１１の上面及び下面には、複数の素子１０の２つの端面の周囲をそれぞれ囲むように、複数組の電極４１及び４２が配置されている。複数組の電極４１及び４２の各々には、素子１０と電極４１及び４２との間における電気的な接続を切り替えるスイッチ回路４３及び４４がそれぞれ接続されている。スイッチ回路４３及び４４は、素子１０を駆動するために供給される駆動信号に同期して動作するように、制御部４０によって制御されている。なお、通常の状態（素子を駆動する前）においては、電極４１及び４２の各々と素子１０との接続はオフになっている。

超音波トランスデューサアレイから超音波を送信する場合に、素子１０に駆動信号を供給すると、素子１０が伸縮して超音波を発生すると共に、充填材１１に横振動が伝播する。これにより、充填材１１の圧電効果によって電極４１と電極４２との間に電圧が発生する。一方、スイッチ回路４３及び４４は、駆動信号の発生から所定のタイミングの後でオンになる。その結果、電極４１及び４２の各々と素子１０とが接続され、電極４１と電極４２との間に発生した電圧が素子１０にフィードバックされる。これにより、横振動が収束すると共に、素子１０におけるエネルギー損失が補填される。

次に、以上説明した第１〜第４の実施形態におけるアース用電極の望ましい配置について、図５を参照しながら説明する。図５の（ａ）に示すように、素子１０の周囲に充填材１１が配置されている場合に、素子１０から、概ね、次式を満たす距離ｄだけ離れた位置にアース用電極５０を配置することが望ましい。
ｄ＝ｎ×（λ／４） …（１）
ここで、λは超音波の波長であり、音速ｖ及び振動周波数ｆを用いて、λ＝ｖ／ｆで与えられる。また、ｎ＝１、２、３、…である。例えば、生体内部における音速ｖを約１５８０ｍ／ｓ、振動周波数ｆを１５ＭＨｚとすると、生体内部における超音波の波長λは約１０５μｍとなる。従って、この場合には、素子の端部からｄ＝λ／４＝２６．３μｍの位置、又は、その整数倍の位置にアース用電極５０を配置すれば良い。

図５の（ｂ）に示すように、素子から発生した横振動の振幅は、素子１０の端部からλ／４、又は、その整数倍となる位置において最大になる。そこで、素子１０から距離ｄだけ離れた位置にアース用電極を配置することにより、効率的に横振動を除去することができる。なお、式（１）において、生体内部における超音波の波長λの替わりに、充填材における振動の波長の実効値λ_ｅを用いることがさらに好ましい。

以上説明した第１〜第４の実施形態において、充填材の上面又は下面において、アース用電極が超音波トランスデューサと短絡されてしまう可能性がある。その場合には、アース用電極の表面に絶縁層を形成しておくことが望ましい。そのためには、例えば、アース用電極の表面にガラス等の絶縁材料をスパッタリングによって形成したり、ニッケル−アルミニウム、アルミニウム、チタン等の電極材料を酸化させることにより、絶縁膜を形成すれば良い。

本発明の第１の実施形態に係る超音波トランスデューサアレイを示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る超音波トランスデューサを示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る超音波トランスデューサを示す図である。 本発明の第４の実施形態に係る超音波トランスデューサの一部を示す図である。 本発明の第１〜第４の実施形態において、アース用電極の望ましい配置について説明するための図である。 従来の超音波トランスデューサアレイを示す斜視図である。

符号の説明

１０、１０１ 超音波トランスデューサ（素子）
１１ 充填材（圧電性充填材料）
１２、１３、３１、３２、４１、４２、５０ 電極（アース用電極）
１４ 素子駆動部
１５、２１、４０ 制御部
２０ 充填材駆動部
４３、４４ スイッチ回路
１０２ 充填材

Claims (7)

1. 印加される電圧に基づいて伸縮することにより超音波を発生する複数の超音波トランスデューサと、
   前記複数の超音波トランスデューサの間に配置されている圧電性の充填材と、
   前記充填材の対向する２つの面に配置されている少なくとも１組の電極と、
   を具備する超音波トランスデューサアレイ。
2. 前記少なくとも１組の電極が接地電位に電気的に接続されている、請求項１記載の超音波トランスデューサアレイ。
3. 前記少なくとも１組の電極が短絡されている、請求項１記載の超音波トランスデューサアレイ。
4. 前記充填材の対向する２つの面において、複数の電極が、前記複数の超音波トランスデューサの２つの端面の周囲をそれぞれ囲むように配置されている、請求項１〜３のいずれか１項記載の超音波トランスデューサアレイ。
5. 前記充填材の対向する２つの面において、前記少なくとも１組の電極が、前記複数の超音波トランスデューサの端部から、超音波の発振波長の概１／４の整数倍となる位置に配置されている、請求項１〜４のいずれか１項記載の超音波トランスデューサアレイ。
6. 前記複数の超音波トランスデューサに電圧を印加するための駆動信号と同期して動作し、前記複数の電極と、前記複数の超音波トランスデューサの２つの端面との間の接続状態をそれぞれ切り替える複数の切り替え手段をさらに具備する請求項４記載の超音波トランスデューサアレイ。
7. 請求項１〜５のいずれか１項記載の超音波トランスデューサアレイと、
   前記超音波トランスデューサアレイに含まれる複数の超音波トランスデューサをそれぞれ駆動するための複数の駆動信号を生成する駆動手段と、
   前記複数の超音波トランスデューサにおける振動と逆位相になるように、前記少なくとも１組の電極を介して前記充填材に電圧を印加するための電圧印加手段と、
   前記電圧印加手段から出力される電圧の位相を制御する制御手段と、
   具備する超音波送受信装置。

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