JP5836537B2 - ユニモルフ型超音波探触子 - Google Patents

Description

この発明は、ユニモルフ型超音波探触子に係り、特に、短軸方向のサイドローブの低減を図る探触子に関する。

従来から、医療分野において、超音波画像を利用した超音波診断装置が実用化されている。一般に、この種の超音波診断装置は、超音波探触子から被検体内に向けて超音波ビームを送信し、被検体からの超音波エコーを超音波探触子で受信して、その受信信号を電気的に処理することにより超音波画像が生成される。

超音波探触子から超音波ビームを送信すると、送信方向の中心軸上に音圧の高いメインローブが発射されるだけでなく、中心軸から外れた方向に音圧の低いサイドローブが発射されることが知られている。このサイドローブ上に位置する反射体からの超音波エコーがメインローブによる超音波エコーと共に受信されることで、超音波画像が不鮮明になるという問題がある。

サイドローブを減少させる方法として、アポタイゼーションという手法が一般的に用いられている。この手法は、長軸方向に配列されたトランスデューサアレイのそれぞれのトランスデューサに対して、図９（Ａ）に示されるように、均一な電圧を印加する代わりに、図９（Ｂ）に示されるように、アレイの端部に位置するトランスデューサほど低くなるような電圧を印加することで、アレイの端部からの超音波ビームの発射を抑制して超音波ビームを絞る方法である。中心軸から外れた方向に発射されるサイドローブを低減することができる。

ただし、長軸方向に一列にトランスデューサが配列された１次元アレイでは、長軸方向に対しては、アポタイゼーションを用いることができるものの、短軸方向に対しては、１つのトランスデューサしか存在しないため、アポタイゼーションを用いてサイドローブを低減することができなかった。

そこで、例えば、特許文献１には、それぞれのトランスデューサを構成する圧電体を、短軸方向の端部に向かうほど幅が小さくなる、いわゆる菱形の平面形状を有するように整形し、これらの圧電体を長軸方向に配列した超音波探触子が開示されている。
圧電体がこのような平面形状を有することで、それぞれのトランスデューサの短軸方向の端部から発射される超音波ビームが抑制され、短軸方向に絞られた超音波ビームを形成することができる。これにより、短軸方向に対してもサイドローブの低減を図ることが可能となる。

特開平２−４１１４４号公報

しかしながら、従来の無機材料からなるバルク圧電体を、菱形の平面形状を有するように整形するのは容易ではなく、ダイシングソーを用いて実現が試みられていたが、圧電体の配列方向に対して傾斜する方向に特殊な切断を実施する必要があり、多大の手間と時間およびコストを要するものであった。

この発明は、このような従来の問題点を解消するためになされたもので、短軸方向に対してサイドローブを低減しながらも容易に製造することができるユニモルフ型超音波探触子を提供することを目的とする。

この発明に係るユニモルフ型超音波探触子は、それぞれ短軸方向に延び且つ長軸方向に所定の配列ピッチで配列された複数の圧電素子領域を有するユニモルフ型超音波探触子であって、それぞれの圧電素子領域に複数の微小な圧電素子部が配列形成され、複数の微小な圧電素子部は、短軸方向に圧電素子部の大きさを変化させて、短軸方向の中心部における圧電素子部の大きさよりも短軸方向の両端部における圧電素子部の大きさが小さくなるように配置され、大きさの異なる圧電素子部から周波数の異なる超音波が発せられるものである。

複数の微小な圧電素子部は、第１の径を有すると共に短軸方向の中心部に配列された複数の第１の圧電素子部と、第１の径よりも小さな第２の径を有すると共に短軸方向の両端部に配列された複数の第２の圧電素子部とを含むように構成することができる。
なお、好ましくは、それぞれの圧電素子部は、正八角形の平面形状を有している。

この発明によれば、それぞれの圧電素子領域に形成された複数の微小な圧電素子部が、短軸方向に圧電素子部の個数または圧電素子部の大きさを変化させて配置されているので、短軸方向に対してサイドローブを低減することができると共に、バルク圧電体を切断する必要がなく、容易に製造することが可能となる。

この発明の実施の形態１に係るユニモルフ型超音波探触子の構成を示す平面図である。 被覆層を除去した状態の実施の形態１に係るユニモルフ型超音波探触子を示す平面図である。 実施の形態１に係るユニモルフ型超音波探触子の要部を示す断面図である。 実施の形態１に係るユニモルフ型超音波探触子の圧電素子領域に形成された複数の微小な圧電素子部を示す部分拡大平面図である。 実施の形態１に係るユニモルフ型超音波探触子をＦＰＣ上に搭載した状態を示す平面図である。 実施の形態１に係るユニモルフ型超音波探触子を用いた超音波診断装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態１の変形例に係るユニモルフ型超音波探触子の圧電素子領域に形成された複数の微小な圧電素子部を示す部分拡大平面図である。 実施の形態２に係るユニモルフ型超音波探触子の圧電素子領域に形成された複数の微小な圧電素子部を示す部分拡大平面図である。 （Ａ）はアポタイゼーションを用いないときのトランスデューサアレイへの印加電圧を示すグラフ、（Ｂ）はアポタイゼーションを用いたときのトランスデューサアレイへの印加電圧を示すグラフである。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１
図１に、この発明の実施の形態１に係るユニモルフ型超音波探触子の構成を示す。
基板１の表面上に、それぞれ短軸方向（エレベーション方向）に細長く延び、長軸方向（アジマス方向）に互いにわずかな間隔を隔てて配列された複数の圧電素子領域２が形成され、それぞれの圧電素子領域２に、複数の微小な圧電素子部が配列形成されている。また、それぞれの圧電素子領域２には、短軸方向に、対応する引き出し電極３が接続されている。これらの引き出し電極３は、互いの配列ピッチを確保するために、交互に基板１の一対の側縁１ａおよび１ｂのうちのいずれかに延びている。
そして、すべての圧電素子領域２を覆うように、基板１の上に被覆層４が配置されている。

被覆層４を除去した状態を示す図２には、それぞれ短軸方向に延びる複数の圧電素子領域２が明確に示されている。これらの圧電素子領域２は、ピッチＰで長軸方向に配列されている。
図３に示されるように、圧電素子領域２に配列形成されている複数の微小な圧電素子部５は、それぞれ、基板１の表面１ｃ上に形成された下部電極層６と、下部電極層６の上に形成された圧電体層７と、圧電体層７の上に形成された上部電極層８とを有している。圧電体層７は、正八角形の平面形状を有し、上部電極層８も圧電体層７と同一の正八角形に形成されている。

また、それぞれの圧電素子部５の配置位置に対応する基板１の裏面１ｄ側に複数の開口９が形成されることで、肉薄の振動板１０が形成され、圧電素子部５は、それぞれ対応する振動板１０の上に配置されている。
さらに、基板１上に形成されたすべての圧電素子部５が被覆層４により被覆されている。被覆層４は、ユニモルフ型超音波探触子の使用周波数に対して音響整合条件、すなわち、１／４波長条件を満たすような厚さを有している。

図４に示されるように、複数の微小な圧電素子部５は、それぞれの圧電素子領域２の全面にわたって配置されるのではなく、圧電素子領域２内に設定された六角形Ｍ１の範囲の内部を敷き詰めるように配置されている。六角形Ｍ１は、その中心を通る対角線Ｄが短軸方向を向いており、対角線Ｄ上の一対の頂点Ａ１およびＡ２が、それぞれ圧電素子領域２の短軸方向の端部に位置している。このため、六角形Ｍ１の範囲の内部に敷き詰められた複数の微小な圧電素子部５は、短軸方向の両端部における圧電素子部５の個数が、短軸方向の中心部における圧電素子部５の個数よりも少なくなるように配置されている。

六角形Ｍ１の範囲の内部に敷き詰められた圧電素子部５の正八角形の上部電極層８は、同一の圧電素子領域２内で１つに接続されて対応する引き出し電極３に接続され、圧電体層７は個々の圧電素子部５毎に分離している。また、すべての圧電素子領域２に配列形成されている圧電素子部５の下部電極層６は、互いに１つに接続され、基板１の表面１ｃ上に１枚の電極層を形成している。

このようなユニモルフ型超音波探触子は、マイクロマシニング技術を用い、パターニングにより、シリコン等からなる基板１を部分的に加工して振動板１０を形成すると共に、振動板１０の上に下部電極層６と圧電体層７と上部電極層８を順次積層することで作製することができる。バルク圧電体を切断するのではなく、マイクロマシニング技術を用いて探触子を作製するため、容易に、六角形Ｍ１の範囲の内部を敷き詰めるように複数の微小な圧電素子部５を形成することが可能となる。

図２に示したように、被覆層４を有しない状態の探触子が作製されると、図５に示されるように、この状態の探触子をＦＰＣ（フレキシブルプリント回路）１１等に搭載し、複数の引き出し電極３をそれぞれＦＰＣ１１の対応する配線パターン１２に接続すると共に、すべての圧電素子部５に対して共通に存在する下部電極層６をＦＰＣ１１の接地パターン１３に接続する。その後、すべての圧電素子領域２を覆うように、基板１の上に被覆層４をコーティング形成することで、ユニモルフ型超音波探触子２１が完成する。

図５に示したユニモルフ型超音波探触子２１を用いて超音波画像を生成するための超音波診断装置の構成を図６に示す。ユニモルフ型超音波探触子２１にマルチプレクサ２２を介して送受信切替スイッチ２３が接続され、送受信切替スイッチ２３に送信回路２４と受信回路２５がそれぞれ接続されている。受信回路２５には、画像生成部２６が接続され、さらに、画像生成部２６に表示制御部２７を介して表示部２８が接続されている。また、マルチプレクサ２２、送受信切替スイッチ２３、送信回路２４、受信回路２５、画像生成部２６および表示制御部２７に制御部２９が接続されている。

マルチプレクサ２２は、ユニモルフ型超音波探触子２１の複数の配線パターン１２を介して、それぞれ対応する圧電素子領域２から引き出された引き出し電極３に接続されており、制御部２９の制御の下で、超音波を送信する圧電素子領域２を選択すると共に、超音波エコーを受信する圧電素子領域２を選択する。
送受信切替スイッチ２３は、制御部２９の制御の下で、超音波ビームの送信時に送信回路２４をマルチプレクサ２２に接続すると共に受信回路２５とマルチプレクサ２２との間を遮断し、超音波エコーの受信時には送信回路２４をマルチプレクサ２２から遮断して受信回路２５をマルチプレクサ２２に接続する。

送信回路２４は、例えば、複数のトランスミッタを含んでおり、制御部２９からの制御信号に応じて選択された送信遅延パターンに基づき、ユニモルフ型超音波探触子２１の複数の超音波トランスデューサから送信される超音波が超音波ビームを形成するようにそれぞれの送信信号の遅延量を調節して複数の超音波トランスデューサに供給する。
受信回路２５は、ユニモルフ型超音波探触子２１の各超音波トランスデューサから送信される受信信号を増幅してＡ／Ｄ変換した後、制御部２９からの制御信号に応じて選択された受信遅延パターンに基づいて設定される音速または音速の分布に従い、各受信信号にそれぞれの遅延を与えて加算することにより、受信フォーカス処理を行う。この受信フォーカス処理により、超音波エコーの焦点が絞り込まれた受信データ（音線信号）が生成される。

画像生成部２６は、受信回路２５で生成された受信データに対し、超音波の反射位置の深度に応じて距離による減衰の補正を施した後、包絡線検波処理を施すことにより、被検体内の組織に関する断層画像情報であるＢモード画像信号を生成した後、ラスター変換すると共に、階調処理等の各種の必要な画像処理を施して表示制御部２７に出力する。
表示制御部２７は、画像生成部２６から入力されたＢモード画像信号に基づいて、表示部２８に超音波診断画像を表示させる。

そして、超音波ビームを送信する際には、送受信切替スイッチ２３を介して送信回路２４がマルチプレクサ２２に接続され、マルチプレクサ２２により選択された圧電素子領域２内の複数の圧電素子部５の上部電極層８と下部電極層６との間に電圧が印加される。これにより、それぞれの圧電素子部５の圧電体層７が振動して超音波ビームが発せられる。このとき、図４に示したように、それぞれの圧電素子領域２において、複数の微小な圧電素子部５が、短軸方向の中心部における圧電素子部５の個数よりも短軸方向の両端部における圧電素子部５の個数が少なくなるように配置されているため、圧電素子領域２の短軸方向の端部から発せられる超音波ビームが抑制されており、短軸方向に絞られた超音波ビームが形成される。これにより、短軸方向に対してサイドローブの低減を図ることが可能となる。

なお、長軸方向に関しては、長軸方向の端部に位置する圧電素子領域２ほど低くなるような電圧を、複数の圧電素子領域２の圧電素子部５に印加することで、長軸方向に絞られた超音波ビームを形成し、サイドローブを低減することができる。

超音波ビームの送信が終了すると、制御部２９により送受信切替スイッチ２３が切り替えられて受信回路２５がマルチプレクサ２２に接続され、マルチプレクサ２２により選択された圧電素子領域２内の複数の圧電素子部５で受信された受信信号が順次受信回路２５に出力されて受信データが生成される。これらの受信データに基づいて画像生成部２６で画像信号が生成され、さらに、画像信号に基づいて表示制御部２７により超音波画像が表示部２８に表示される。

上記の実施の形態１では、それぞれの圧電素子領域２において、複数の微小な圧電素子部５が六角形Ｍ１の範囲の内部を敷き詰めるように配置されたが、例えば、図７に示されるように、圧電素子領域２内に設定されると共に短軸方向に沿った対角線Ｄ１と長軸方向に沿った対角線Ｄ２を有する菱形Ｍ２の範囲の内部を敷き詰めるように圧電素子部５を配置することもできる。このようにしても、短軸方向の両端部における圧電素子部５の個数が、短軸方向の中心部における圧電素子部５の個数よりも少なくなり、実施の形態１と同様にして、短軸方向に対するサイドローブの低減を図ることが可能となる。
また、それぞれの圧電素子領域２における複数の微小な圧電素子部５の配置は、六角形Ｍ１あるいは菱形Ｍ２の範囲内に限るものではなく、短軸方向の両端部における圧電素子部５の個数を、短軸方向の中心部における圧電素子部５の個数よりも少なくすることで、短軸方向に絞られた超音波ビームが形成され、短軸方向に対してサイドローブの低減がなされる。

実施の形態２
図８に、実施の形態２に係るユニモルフ型超音波探触子の圧電素子領域２に形成された複数の微小な圧電素子部を示す。
上記の実施の形態１では、圧電素子領域２内の複数の微小な圧電素子部５が互いに等しい大きさを有し、短軸方向に圧電素子部５の個数を変化させたが、この実施の形態２に係るユニモルフ型超音波探触子は、それぞれの圧電素子領域２内に、第１の径を有する複数の第１の圧電素子部５ａと、第１の径よりも小さな第２の径を有する複数の第２の圧電素子部５ｂとを配置したものである。第１の圧電素子部５ａおよび第２の圧電素子部５ｂは、いずれも正八角形の平面形状を有するが、これら第１の圧電素子部５ａおよび第２の圧電素子部５ｂの径は、例えば、正八角形の内接円の直径と外接円の直径の平均により定義することができる。

第１の圧電素子部５ａを構成する下部電極層と圧電体層と上部電極層のうち、圧電体層と上部電極層が第１の径を有し、第２の圧電素子部５ｂを構成する下部電極層と圧電体層と上部電極層のうち、圧電体層と上部電極層が第２の径を有している。図８には、第１の圧電素子部５ａの大きな上部電極層８ａと、第２の圧電素子部５ｂの小さな上部電極層８ｂが示されている。
それぞれの圧電素子領域２において、短軸方向の中心部に、検査対象に適した共振周波数を持つ第１の径を有する複数の第１の圧電素子部５ａが配置され、短軸方向の両端部に、第１の径よりも小さな第２の径を有する複数の第２の圧電素子部５ｂが配置されている。

図６に示した超音波診断装置において、ユニモルフ型超音波探触子２１の代わりに、この実施の形態２に係るユニモルフ型超音波探触子をマルチプレクサ２２に接続し、マルチプレクサ２２によって選択された圧電素子領域２内の複数の第１の圧電素子部５ａと複数の第２の圧電素子部５ｂにそれぞれ送信回路２４により電圧を印加すると、短軸方向の両端部に配置された第２の圧電素子部５ｂの圧電体層は、中心部に配置されている第１の圧電素子部５ａの圧電体層よりも小さな径を有するため、これら第２の圧電素子部５ｂから発せられる超音波ビームが、中心部の第１の圧電素子部５ａから発せられる超音波ビームよりも弱くなる。その結果、実施の形態１と同様に、短軸方向に絞られた超音波ビームが形成され、短軸方向に対してサイドローブの低減が図られることとなる。

また、第２の圧電素子部５ｂの第２の径が第１の圧電素子部５ａの第１の径よりも小さいことから、第２の圧電素子部５ｂからは、比較的高周波成分を有する超音波ビームが発せられ、第１の圧電素子部５ａからは、比較的低周波成分を有する超音波ビームが発せられる。
一般に、超音波ビームとして、高周波成分は、集束しやすいが減衰が大きく、一方、低周波成分は、集束しにくいが減衰が小さい、という特性を有している。そこで、これら両者の利点を兼ね備えるために、従来は、送信電圧波形に高周波成分と低周波成分の２種類の成分を含め、複数の周波数成分を一度に送信する手法が考えられているが、この手法を用いると、送信波連数が長くなり、投入エネルギーが大きくなり、発熱を生じやすいという不具合を伴うことが知られていた。また、別の手法として、２種類の周波数で取得した画像を合成する手法も考えられているが、フレームレートが遅くなるという欠点が知られている。

しかしながら、この実施の形態２に係るユニモルフ型超音波探触子では、発熱やフレームレートの問題を生じることなく、第１の圧電素子部５ａからの比較的低周波成分を有する超音波ビームと第２の圧電素子部５ｂからの比較的高周波成分を有する超音波ビームを同時に発射することができる。
また、第２の圧電素子部５ｂの第２の径が第１の圧電素子部５ａの第１の径よりも小さいことから、第２の圧電素子部５ｂにより比較的高周波成分を有する超音波エコーが受信され、第１の圧電素子部５ａにより比較的低周波成分を有する超音波エコーが受信される。すなわち、超音波ビームの送信終了後に、制御部２９により送受信切替スイッチ２３を切り替えて受信回路２５をマルチプレクサ２２に接続することにより、比較的高周波成分を有する超音波エコーと比較的低周波成分を有する超音波エコーを同時に受信することができる。
このため、フレームレートを維持したまま、高精度かつ高深達度の画像を取得することが可能となる。

なお、上記の実施の形態２では、第１の径を有する第１の圧電素子部５ａと第２の径を有する第２の圧電素子部５ｂの２種類の径の圧電素子部を用いたが、これに限るものではなく、互いに径の異なる３種類以上の圧電素子部を圧電素子領域２内に配置することもできる。この場合、圧電素子領域２内において、短軸方向の中心部における圧電素子部の大きさよりも短軸方向の両端部における圧電素子部の大きさが小さくなるように配置することが望ましい。

なお、上記の実施の形態１および２に係るユニモルフ型超音波探触子では、それぞれの圧電素子部の圧電体層および上部電極層が、正八角形の平面形状を有していたが、これに限るものではなく、例えば、円形または八角以外の正多角形とすることもできる。

１ 基板、１ａ，１ｂ 基板の側縁、１ｃ 基板の表面、１ｄ 基板の裏面、２ 圧電素子領域、３ 引き出し電極、４ 被覆層、５ 圧電素子部、５ａ 第１の圧電素子部、５ｂ 第２の圧電素子部、６ 下部電極層、７ 圧電体層、８，８ａ，８ｂ 上部電極層、９ 開口、１０ 振動板、１１ ＦＰＣ、１２ 配線パターン、１３ 接地パターン、２１ ユニモルフ型超音波探触子、２２ マルチプレクサ、２３ 送受信切替スイッチ、２４ 送信回路、２５ 受信回路、２６ 画像生成部、２７ 表示制御部、２８ 表示部、２９ 制御部、Ｐ 圧電素子領域の配列ピッチ、Ｍ１ 六角形、Ｍ２ 菱形、Ａ１，Ａ２ 頂点、Ｄ，Ｄ１，Ｄ２ 対角線。

Claims (3)

1. それぞれ短軸方向に延び且つ長軸方向に所定の配列ピッチで配列された複数の圧電素子領域を有するユニモルフ型超音波探触子であって、
   それぞれの前記圧電素子領域に複数の微小な圧電素子部が配列形成され、
   前記複数の微小な圧電素子部は、短軸方向に前記圧電素子部の大きさを変化させて、短軸方向の中心部における前記圧電素子部の大きさよりも短軸方向の両端部における前記圧電素子部の大きさが小さくなるように配置され、大きさの異なる前記圧電素子部から周波数の異なる超音波が発せられることを特徴とするユニモルフ型超音波探触子。
2. 前記複数の微小な圧電素子部は、第１の径を有すると共に短軸方向の中心部に配列された複数の第１の圧電素子部と、前記第１の径よりも小さな第２の径を有すると共に短軸方向の両端部に配列された複数の第２の圧電素子部とを含む請求項１に記載のユニモルフ型超音波探触子。
3. それぞれの前記圧電素子部は、正八角形の平面形状を有する請求項１または２に記載のユニモルフ型超音波探触子。

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