JP6933082B2 - 超音波トランスデューサーおよび超音波診断装置 - Google Patents
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Description
本発明は、超音波トランスデューサーおよび超音波診断装置に関する。
近年、超音波診断装置の超音波トランスデューサー（超音波探触子又は超音波プローブと称されることもある）として、半導体微細加工技術（ＭＥＭＳ：Micro Electro Mechanical System）によるｐＭＵＴ（Piezoelectric Micromachined Ultrasound Transducer）やｃＭＵＴ（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer）の開発が行われている。
ＭＥＭＳを利用した超音波トランスデューサーの圧電セル（振動子）は高周波数適性および高感度性には優れているものの、狭帯域特性が課題とされている。これを解決するため、例えば特許文献１では、静電容量型超音波トランスデューサー（ｃＭＵＴ）において、ばね定数が高い振動膜を有するセルとばね定数が低い振動膜を有するセルとを混在させることで、広帯域化を図る技術が開示されている。また、特許文献２には、共振周波数が互いに異なるｐＭＵＴを混在させることで広帯域化を図るだけでなく、隣接チャネルセルの共振周波数をずらしてクロストークを低減させる技術が開示されている。
特許文献１および２では、各圧電セルでの共振周波数に関する振幅特性を調整している。しかしながら、圧電セルは、振幅特性の他に、位相特性を有する。位相特性の異なる複数の圧電セルが同時駆動すると、位相が反転した場合には圧電セル同士の音圧が互いを打ち消し合ってしまう（反結合となる）。この結果、全体の出力音圧が低下して狭帯域となり、超音波トランスデューサーの感度が低下してしまう。このため、圧電セル同士を位相整合させて広帯域特性を得ることができる超音波トランスデューサーが要望されている。
本発明の目的は、異なる共振周波数の圧電セルを複数有する場合に、圧電セル同士を位相整合させて広帯域特性を得ることができる超音波トランスデューサーおよび超音波診断装置を提供することである。
本発明の超音波トランスデューサーは、複数のｐＭＵＴセルが配列された超音波トランスデューサーであって、前記複数のｐＭＵＴセルは、互いに異なる第１の共振周波数および第２の共振周波数のいずれかを有し、前記複数のｐＭＵＴセルのうち、前記第１の共振周波数を有するｐＭＵＴセルは、厚さ方向である第１方向に分極された圧電膜を有し、前記第２の共振周波数を有するｐＭＵＴセルは、前記第１方向の反対向きの第２方向に分極された圧電膜を有する。
本発明の超音波診断装置は、上記超音波トランスデューサーを有する。
本発明によれば、異なる共振周波数の圧電セルを複数有する場合に、圧電セル同士を位相整合させて広帯域特性を得ることができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。ただし、発明の範囲は図示した例に限定されない。なお、以下の説明において、同一の機能および構成を有するものについては、同一の符号を付し、その説明を省略する。
＜第１の実施の形態＞
以下、本発明の第１の実施の形態について説明する。
以下、本発明の第１の実施の形態について説明する。
［超音波診断装置の構成］
図１は、本実施の形態に係る超音波診断装置の外観構成を示す図である。図２は、本実施の形態に係る超音波診断装置の電気的な構成例を示すブロック図である。
図１は、本実施の形態に係る超音波診断装置の外観構成を示す図である。図２は、本実施の形態に係る超音波診断装置の電気的な構成例を示すブロック図である。
超音波診断装置１は、超音波診断装置本体１０と、超音波探触子２０と、ケーブル３０とを有する構成を採る。
超音波探触子２０は、被検体である人体（図示せず）に対して超音波信号を送信し、人体で反射された超音波信号を受信する。
超音波診断装置本体１０は、ケーブル３０を介して超音波探触子２０と接続され、超音波探触子２０へケーブル３０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２０に対して超音波信号を送信させる。また、超音波診断装置本体１０は、超音波探触子２０が受信した超音波信号に基づいて超音波探触子２０において生成された電気信号を用いて、人体の内部状態を超音波画像として画像化する。
具体的には、超音波診断装置本体１０は、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、を含む構成を採る。
操作入力部１１は、例えば、診断開始等を指示するコマンドまたは被検体に関する情報を入力する。操作入力部１１は、例えば、複数の入力スイッチを備えた操作パネルまたはキーボード等である。
送信部１２は、ケーブル３０を介して、制御部１６から受け取る制御信号（駆動信号）を超音波探触子２０へ送信する。
受信部１３は、超音波探触子２０からケーブル３０を介して送信される受信信号を受信する。そして、受信部１３は、受信した超音波信号を画像処理部１４へ出力する。
画像処理部１４は、制御部１６の指示に従って、受信部１３から受け取る超音波信号を用いて被検体内の内部状態を表す超音波診断用の画像（超音波画像）を生成する。
表示部１５は、制御部１６の指示に従って、画像処理部１４において生成された超音波画像を表示する。
制御部１６は、操作入力部１１、送信部１２、受信部１３、画像処理部１４、表示部１５をそれぞれの機能に応じて制御することによって、超音波診断装置１の全体制御を行う。また、制御部１６は、送信部１２および受信部１３を介して、超音波探触子２０の制御を行う。
［超音波探触子２０の構成］
図３は、超音波探触子２０の構成について説明するための図である。超音波探触子２０は、保護層２１と、ｐＭＵＴエレメント２２と、バッキング材２３と、信号処理回路２４（後述する第２の実施の形態では信号処理回路２４Ａ）とを備えている。
図３は、超音波探触子２０の構成について説明するための図である。超音波探触子２０は、保護層２１と、ｐＭＵＴエレメント２２と、バッキング材２３と、信号処理回路２４（後述する第２の実施の形態では信号処理回路２４Ａ）とを備えている。
保護層２１は、ｐＭＵＴエレメント２２を保護するものである。この保護層２１は、人体に接触させる際に不快感を与えることがなく、音響インピーダンスが比較的人体に近い、比較的柔軟なシリコーンゴム等で形成されている。
ｐＭＵＴエレメント２２は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて製造された複数のｐＭＵＴセルが配列されたｐＭＵＴアレイである。ｐＭＵＴエレメントを構成する複数のｐＭＵＴセルは、複数の共振周波数のうちの１つの共振周波数を有する（詳細は後述）。個々のｐＭＵＴセルからはそれぞれ電極線が引き出され、後述する信号処理回路２４と接続されている。
バッキング材２３は、ｐＭＵＴエレメント２２で発生する不要振動を減衰する。信号処理回路２４は、超音波送信用のパルス信号の生成や、受信パルス信号の処理等を行う回路であり、ケーブル３０を介して超音波診断装置本体１０に接続されている。
信号処理回路２４は、超音波診断装置本体１０の制御に基づいて、ｐＭＵＴエレメント２２を駆動して超音波を送信させる駆動信号を生成する。また、信号処理回路２４は、ｐＭＵＴエレメント２２が受信した超音波に基づいて生成した受信信号に対して所定の信号処理を行い、超音波診断装置本体１０へ送信する。
［信号処理回路２４の構成］
図４は、第１の実施の形態の信号処理回路２４の構成例を示すブロック図である。図４に示すように、信号処理回路２４は接続部２４１、送受信回路２４２、駆動回路２４３を有する。接続部２４１は、送受信回路２４２とｐＭＵＴエレメント２２の各ｐＭＵＴセル１００（図５参照）から引き出された電極線とを接続している。
図４は、第１の実施の形態の信号処理回路２４の構成例を示すブロック図である。図４に示すように、信号処理回路２４は接続部２４１、送受信回路２４２、駆動回路２４３を有する。接続部２４１は、送受信回路２４２とｐＭＵＴエレメント２２の各ｐＭＵＴセル１００（図５参照）から引き出された電極線とを接続している。
送受信回路２４２は、駆動回路２４３の制御に基づいて、ｐＭＵＴエレメント２２に対し、接続部２４１を介して超音波を送信する送信制御を行う。また、送受信回路２４２は、ｐＭＵＴエレメント２２が受信した超音波に基づいて生成した受信信号を、駆動回路２４３を介して超音波診断装置本体１０に送信する受信制御を行う。
駆動回路２４３は、超音波診断装置本体１０からの制御信号に基づいて、送受信回路２４２の制御を行う。また、駆動回路２４３は、超音波診断装置本体１０の制御に基づいて、送受信回路２４２における送信制御と受信制御の切り替えを適宜行う。
［ｐＭＵＴエレメント２２の構成］
図５は、ｐＭＵＴエレメント２２におけるｐＭＵＴセル１００の配列について説明するための図である。
図５は、ｐＭＵＴエレメント２２におけるｐＭＵＴセル１００の配列について説明するための図である。
図５には、３×３の２次元配列されたｐＭＵＴセル１００が例示されている。図５に示すｐＭＵＴセル配列は、ｐＭＵＴエレメント２２の一部であり、実際にはより多数のｐＭＵＴセル１００の配列により、ｐＭＵＴエレメント２２は構成されている。図５に示すように、本実施の形態では、高周波セル１１０と低周波セル１２０とが縦横に交互に配列されている。本実施の形態では、高周波セル１１０は、セルを構成する圧電膜１３０の径を比較的小さくすることで、比較的高い共振周波数を有し、低周波セル１２０では、セルを構成する圧電膜１３０の径が比較的大きくすることで、比較的低い共振周波数を有するように構成される。
各ｐＭＵＴセル１００の圧電膜１３０は、予め所定の方向に分極されている。本実施の形態において、高周波セル１１０と、低周波セル１２０とでは圧電膜１３０の分極方向が互いに反対向きとなっている。すなわち、低周波セル１２０側から高周波セル１１０側へ分極方向が反転するようになっている。
圧電膜１３０は、通常厚さ方向に分極されている。高周波セル１１０が第１方向（例えば圧電膜１３０の下側から上側へ向かう方向）に分極されている場合、低周波セル１２０は第１方向と反対向きの第２方向（圧電膜１３０の上側から下側に向かう方向）に分極される。以下の説明において、第１方向を分極方向「Ｐ」、第２方向を分極方向「Ｎ」と記載する。
各ｐＭＵＴセル１００の圧電膜１３０の分極方向は、例えばｐＭＵＴエレメント２２の製造工程において行われる分極処理によって決定されればよい。ｐＭＵＴエレメント２２の製造工程における分極処理では、各ｐＭＵＴセル１００は、例えば、圧電膜１３０を挟むように配置される上部電極と下部電極との間に所定の電圧を印加することで分極方向ＰまたはＮに分極される。
［第１の実施の形態の効果］
このように、本第１の実施の形態において、ｐＭＵＴエレメント２２は、高周波セル１１０と低周波セル１２０とが縦横に交互に配列されており、高周波セル１１０と低周波セル１２０とで圧電膜１３０の分極方向が反対向きとなっている。このような構成により、隣接する２つのｐＭＵＴセル１００において位相が整合されるので、位相不整合により感度が低下してしまう周波数帯が生じる事態を回避することができる。
このように、本第１の実施の形態において、ｐＭＵＴエレメント２２は、高周波セル１１０と低周波セル１２０とが縦横に交互に配列されており、高周波セル１１０と低周波セル１２０とで圧電膜１３０の分極方向が反対向きとなっている。このような構成により、隣接する２つのｐＭＵＴセル１００において位相が整合されるので、位相不整合により感度が低下してしまう周波数帯が生じる事態を回避することができる。
なお、従来、ｐＭＵＴエレメントが有するｐＭＵＴセルの位相整合を行う方法として、共振周波数によってｐＭＵＴセルの構造を異ならせることにより粘性係数を調整する方法があった。具体的には、例えば圧電膜により構成されるダイアフラムの支持構造に穴を設けたり、ダイアフラム背面に設けられる開口部に適宜樹脂等を封止したり、ダイアフラム構造を樹脂等で覆ったりする方法である。しかしながら、このような方法で位相整合を試みた場合、セル毎に構造を変える必要があり、製造コストが増大してしまう。
また、従来、ｐＭＵＴエレメントが有するｐＭＵＴセルの位相整合を行う方法としては、送信波形をｐＭＵＴセル毎に異ならせることにより行う方法もあった。しかしながら、この方法では、周波数特性が異なるｐＭＵＴセル毎に異なる送信制御が必要となり、駆動回路が複雑化して製造コストが増大する。
第１実施の形態では、上記したようにｐＭＵＴエレメント２２の構造は従来と同様であり、製造工程において行われるｐＭＵＴセル１００毎の分極処理によって位相制御を行うことができるので、従来の方法と比較して低コストで位相整合を実現することができ、好適である。
＜第２の実施の形態＞
以下、本発明の第２の実施の形態について説明する。第１の実施の形態では、ｐＭＵＴエレメント２２の製造時にｐＭＵＴセル１００毎の分極方向が決定されていたが、第２の実施の形態では、ｐＭＵＴセル１００毎の分極方向を任意に制御する点において第１の実施の形態と異なる。なお、第２の実施の形態の説明において、第１の実施の形態と同様の構成については同一の符号を付して説明し、新たな説明を省略する。
以下、本発明の第２の実施の形態について説明する。第１の実施の形態では、ｐＭＵＴエレメント２２の製造時にｐＭＵＴセル１００毎の分極方向が決定されていたが、第２の実施の形態では、ｐＭＵＴセル１００毎の分極方向を任意に制御する点において第１の実施の形態と異なる。なお、第２の実施の形態の説明において、第１の実施の形態と同様の構成については同一の符号を付して説明し、新たな説明を省略する。
［ｐＭＵＴセル１００同士の接続方式］
まず、ｐＭＵＴセル１００同士の接続方式について説明する。
まず、ｐＭＵＴセル１００同士の接続方式について説明する。
図６Ａおよび図６Ｂは、隣接するｐＭＵＴセル１００同士の接続方式について説明するための図である。図６Ａは、隣接するｐＭＵＴセル１００＿１，１００＿２が並列に接続された構成を示している。また、図６Ｂは、隣接するｐＭＵＴセル１００＿１，１００＿２が直列に接続された構成を示している。なお、図示は省略するが、ｐＭＵＴセル１００＿１，１００＿２は、図示されていない他のｐＭＵＴセルとも同様に接続されているものとする。
図６Ａに示すように、ｐＭＵＴセル１００＿１，１００＿２が並列接続された場合、ｐＭＵＴセル１００＿１の上部電極１０１＿１とｐＭＵＴセル１００＿２の上部電極１０１＿２同士、およびｐＭＵＴセル１００＿１の下部電極１０２＿１とｐＭＵＴセル１００＿２の下部電極１０２＿２同士がそれぞれ接続される。なお、上部電極１０１＿１および下部電極１０２＿１は、ｐＭＵＴセル１００＿１の有する圧電膜１３０＿１が上下に配置された電極であり、上部電極１０１＿２および下部電極１０２＿２は、ｐＭＵＴセル１００＿２の有する圧電膜１３０＿２が上下に配置された電極である。
一方、図６Ｂに示すように、ｐＭＵＴセル１００＿１，１００＿２が直列接続された場合、ｐＭＵＴセル１００＿１の上部電極１０１＿１とｐＭＵＴセル１００＿２の下部電極１０２＿１とが接続され、ｐＭＵＴセル１００＿１の下部電極１０２＿１とｐＭＵＴセル１００＿２の上部電極１０１＿２とが接続される。
［信号処理回路２４Ａの構成］
次に、第２の実施の形態の信号処理回路２４Ａについて説明する。図７は、信号処理回路２４Ａの構成例を示すブロック図である。図７に示すように、第２の実施の形態の信号処理回路２４Ａは、第１の実施の形態の信号処理回路２４の構成に加えて分極回路２４４を有する。分極回路２４４は本発明の分極部の一例である。
次に、第２の実施の形態の信号処理回路２４Ａについて説明する。図７は、信号処理回路２４Ａの構成例を示すブロック図である。図７に示すように、第２の実施の形態の信号処理回路２４Ａは、第１の実施の形態の信号処理回路２４の構成に加えて分極回路２４４を有する。分極回路２４４は本発明の分極部の一例である。
第２の実施の形態において、接続部２４１は、送受信回路２４２および分極回路２４４とｐＭＵＴエレメント２２の各ｐＭＵＴセル１００から引き出された電極線とを接続している。
送受信回路２４２は、駆動回路２４３の制御に基づいて、ｐＭＵＴエレメント２２に対し、接続部２４１を介して超音波を送信する送信制御を行う。また、送受信回路２４２は、ｐＭＵＴエレメント２２が受信した超音波に基づいて生成した受信信号を、駆動回路２４３を介して超音波診断装置本体１０に送信する受信制御を行う。
駆動回路２４３は、超音波診断装置本体１０からの制御信号に基づいて、送受信回路２４２および分極回路２４４の制御を行う。分極回路２４４の制御を行う駆動回路２４３は、本発明の制御部の一例である。
分極回路２４４は、駆動回路２４３の制御に基づいて、ｐＭＵＴエレメント２２の各ｐＭＵＴセル１００が有する圧電膜１３０に対して所定の電圧を印加することで分極処理を行う。この分極処理により、隣接する２つのｐＭＵＴセル１００が互いに分極反転した状態となることで、隣接したｐＭＵＴセル１００の位相が整合される。
［分極回路２４４の構成］
図８は、分極回路２４４を構成するセル分極回路について説明するための図である。図８は、隣接する２つのｐＭＵＴセル１００＿１，１００＿２と、それぞれに対応するセル分極回路２４４＿１，２４４＿２を例示した図である。実際には、分極回路２４４は、ｐＭＵＴエレメント２２に含まれるｐＭＵＴセル１００の数に対応した数のセル分極回路を有する。
図８は、分極回路２４４を構成するセル分極回路について説明するための図である。図８は、隣接する２つのｐＭＵＴセル１００＿１，１００＿２と、それぞれに対応するセル分極回路２４４＿１，２４４＿２を例示した図である。実際には、分極回路２４４は、ｐＭＵＴエレメント２２に含まれるｐＭＵＴセル１００の数に対応した数のセル分極回路を有する。
図８に示すように、セル分極回路２４４＿１は、４個のスイッチング素子Ｓ１１〜Ｓ１４を有する。同様に、セル分極回路２４４＿２は、４個のスイッチング素子Ｓ２１〜Ｓ２４を有する。それぞれのスイッチング素子は、例えばＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）である。スイッチング素子Ｓ１１〜Ｓ１４のゲートは、図７に示す駆動回路２４３に接続されており、駆動回路２４３の制御によってオン／オフされる。
図８に示すように、ｐＭＵＴセル１００＿１の上部電極１０１＿１は、スイッチング素子Ｓ１１のドレインおよびスイッチング素子Ｓ１２のドレインに接続されており、下部電極１０２＿１は、スイッチング素子Ｓ１３のドレインおよびスイッチング素子Ｓ１４のドレインに接続されている。同様に、ｐＭＵＴセルＰ２の上部電極１０１＿２は、スイッチング素子Ｓ２１のドレインおよびスイッチング素子Ｓ２２のドレインに接続されており、下部電極１０２＿２は、スイッチング素子Ｓ２３のドレインおよびスイッチング素子Ｓ２４のドレインに接続されている。このような構成により、下記のような分極制御が行われる。
［駆動回路２４３による分極制御］
駆動回路２４３は、超音波診断装置本体１０の制御に基づいて、分極回路２４４の分極制御を行う。以下では、駆動回路２４３による分極制御について説明する。なお、駆動回路２４３による分極制御は、ｐＭＵＴセル１００同士の接続方式によって変わるため、以下ではそれぞれの場合について説明する。
駆動回路２４３は、超音波診断装置本体１０の制御に基づいて、分極回路２４４の分極制御を行う。以下では、駆動回路２４３による分極制御について説明する。なお、駆動回路２４３による分極制御は、ｐＭＵＴセル１００同士の接続方式によって変わるため、以下ではそれぞれの場合について説明する。
・ｐＭＵＴセル同士が並列接続の場合
下記表１は、隣接するｐＭＵＴセル１００＿１，１００＿２が並列接続の場合（図６Ａの場合）の、駆動回路２４３による分極回路２４４のスイッチング素子Ｓ１１〜Ｓ１４，Ｓ２１〜Ｓ２４のオン／オフ制御について示している。
下記表１は、隣接するｐＭＵＴセル１００＿１，１００＿２が並列接続の場合（図６Ａの場合）の、駆動回路２４３による分極回路２４４のスイッチング素子Ｓ１１〜Ｓ１４，Ｓ２１〜Ｓ２４のオン／オフ制御について示している。
表１における分極欄の「Ｐ」および「Ｎ」は、第１の実施の形態と同様に、ｐＭＵＴセル１００＿１，１００＿２の圧電膜１３０の分極方向を示しており、「Ｐ」と「Ｎ」とは互いに反対方向である。分極方向「Ｐ」は下側から上側へ向かう方向（第１方向）であり、分極方向「Ｎ」は上側から下側へ向かう方向（第２方向）である。
また、表１において、「ＰＰ」とはｐＭＵＴセル１００＿１，１００＿２がともに分極方向「Ｐ」である状態を示し、「ＮＮ」とはｐＭＵＴセル１００＿１，１００＿２がともに分極方向「Ｎ」である状態を示す。さらに、表１において、「ＰＮ」とはｐＭＵＴセル１００＿１が分極方向「Ｐ」、ｐＭＵＴセル１００＿２が分極方向「Ｎ」であることを示し、「ＮＰ」とはｐＭＵＴセル１００＿１が分極方向「Ｎ」、ｐＭＵＴセル１００＿２が分極方向「Ｐ」であることを示す。
駆動回路２４３が表１のように分極回路２４４の各スイッチング素子Ｓ１１〜Ｓ１４，Ｓ２１〜Ｓ２４を制御することで、隣接する２つのｐＭＵＴセル１００＿１，１００＿２の分極方向が揃った状態（分極非反転）と互いに反転した状態（分極反転）とを遷移する。これにより、隣接する２つのｐＭＵＴセル１００＿１，１００＿２の位相整合（分極反転時）と位相不整合（分極非反転時）が実現される。
ここで、並列接続された２つのｐＭＵＴセル１００＿１，１００＿２は、分極反転（上記表１の「ＰＮ」および「ＮＰ」）時には見かけ上直列接続されていると見なすことができる。何故なら、分極方向ＰとＮとではｐＭＵＴセル１００＿１，１００＿２の上下電極における電荷の正負が反対となり、例えば分極状態ＰＮの場合、正電荷の上部電極１０１＿１と負電荷の上部電極１０１＿２とが接続され、負電荷の下部電極１０２＿１と正電荷の下部電極１０２＿２とが接続されるからである。
・ｐＭＵＴセル同士が直列接続の場合
下記表２は、隣接するｐＭＵＴセル１００＿１，１００＿２が直列接続の場合（図６Ｂの場合）の、駆動回路２４３による分極回路２４４のスイッチング素子Ｓ１１〜Ｓ１４，Ｓ２１〜Ｓ２４のオン／オフ制御について示している。
下記表２は、隣接するｐＭＵＴセル１００＿１，１００＿２が直列接続の場合（図６Ｂの場合）の、駆動回路２４３による分極回路２４４のスイッチング素子Ｓ１１〜Ｓ１４，Ｓ２１〜Ｓ２４のオン／オフ制御について示している。
駆動回路２４３が表２のように分極回路２４４の各スイッチング素子Ｓ１１〜Ｓ１４，Ｓ２１〜Ｓ２４を制御することで、隣接する２つのｐＭＵＴセル１００＿１，１００＿２の分極方向が揃った状態（分極非反転）と互いに反転した状態（分極反転）とを遷移する。これにより、ｐＭＵＴセル同士が並列接続されている場合と同様に、隣接する２つのｐＭＵＴセル１００＿１，１００＿２の位相整合（分極反転時）と位相不整合（分極非反転時）が実現される。
ここで、直列接続された２つのｐＭＵＴセル１００＿１，１００＿２は、分極反転（上記表２の「ＰＮ」および「ＮＰ」）時には見かけ上並列接続されていると見なすことができる。何故なら、例えば分極状態ＰＮの場合、正電荷の上部電極１０１＿１と正電荷の下部電極１０２＿２とが接続され、負電荷の下部電極１０２＿１と負電荷の上部電極１０１＿２とが接続されるからである。
［第２の実施の形態の効果］
このように、第２の実施の形態において、超音波探触子２０は、高周波数セルと低周波数セルとを含む複数のｐＭＵＴセル１００配列を有し、隣接する２つのｐＭＵＴセル１００同士が並列接続または直列接続されたｐＭＵＴエレメント２２と、ｐＭＵＴセル１００の圧電膜１３０の分極方向を制御する分極回路２４４および駆動回路２４３と、を有する。分極回路２４４および駆動回路２４３により、隣接する２つのｐＭＵＴセル１００＿１，１００＿２の分極方向が互いに反対方向（分極反転）に制御されると、共振周波数が異なる２つのｐＭＵＴセル１００の位相が整合する。また、分極反転状態では、ｐＭＵＴセル１００同士の接続方式（並列または直列）が見かけ上入れ替わる。これにより、超音波診断装置１の使用目的に応じてｐＭＵＴエレメント２２の特性を好適に制御することができる。
このように、第２の実施の形態において、超音波探触子２０は、高周波数セルと低周波数セルとを含む複数のｐＭＵＴセル１００配列を有し、隣接する２つのｐＭＵＴセル１００同士が並列接続または直列接続されたｐＭＵＴエレメント２２と、ｐＭＵＴセル１００の圧電膜１３０の分極方向を制御する分極回路２４４および駆動回路２４３と、を有する。分極回路２４４および駆動回路２４３により、隣接する２つのｐＭＵＴセル１００＿１，１００＿２の分極方向が互いに反対方向（分極反転）に制御されると、共振周波数が異なる２つのｐＭＵＴセル１００の位相が整合する。また、分極反転状態では、ｐＭＵＴセル１００同士の接続方式（並列または直列）が見かけ上入れ替わる。これにより、超音波診断装置１の使用目的に応じてｐＭＵＴエレメント２２の特性を好適に制御することができる。
以下、第２の実施の形態に係る超音波診断装置１によって生じうる効果について、具体例を挙げて説明する。まず、上記したように、隣接する２つのｐＭＵＴセル１００の分極反転により、これらのｐＭＵＴセル１００の位相を整合させることができる。これにより、第１の実施の形態と同様に、ｐＭＵＴエレメント２２全体で位相不整合による感度低下を防止することができる。
また、第２の実施の形態では、分極回路２４４がｐＭＵＴセル１００の分極方向を制御することによって、隣接するｐＭＵＴセル１００の接続方式を見かけ上制御することができる。
一般に、超音波診断装置では、ｐＭＵＴセルが有する厚さ数ミクロンの圧電膜の厚さ方向の両面に電極を配置する構成では、低い電圧で大きな電界強度を印加可能となり、大きな音圧を得ることができる。ところが、受信時には電極間隔が小さいことから、応力に対して得られる電圧が小さい。超音波診断においては、安全性のため体内に入れられる超音波の強度は規定されているため、受信感度を送信音圧で補うことはできない。従って、高画質の画像を得るためには、所定の受信感度を確保する必要がある。従来、送信音圧の強度を上げずに受信感度を補うための方法として、複数のｐＭＵＴセルを直列接続することで、数倍の電圧感度を得る方法があった。ただし、直列接続では、送信感度（単位電圧あたりの音圧値）が低下してしまうという不利益が生じる。
第２の実施の形態に係る超音波診断装置１では、上記したように駆動回路２４３の制御により、隣接するｐＭＵＴセル１００の分極方向を反転させることで、ｐＭＵＴセル１００同士の接続方式（並列または直列）を見かけ上入れ替えることができる。このため、ｐＭＵＴセル１００同士が並列接続されている場合でも、例えば送信時には分極反転せず、受信時には分極反転するように駆動回路２４３が制御を行うことで、送信感度を低下させずに、十分な受信感度を確保することができるようになる。ｐＭＵＴセル１００同士が直列接続されている場合でも同様である。
以下の表３は、第２の実施の形態にて説明した、２種類の共振周波数を有するｐＭＵＴセル１００が混在したｐＭＵＴエレメント２２において、隣接する２セルの分極状態と接続方式とによって得られる特性について示した表である。
なお、表３における並列接続とは、見かけ上の並列接続、すなわち実際には直列接続されているが分極反転時に見かけ上並列接続となる場合を含む。同様に、表３における直列接続とは、見かけ上の直列接続、すなわち実際には並列接続されているが分極反転時に見かけ上直列接続となる場合を含む。
表３に示すように、分極状態と接続方式との組み合わせによって、ｐＭＵＴエレメント２２の特性を変化させることができる。すなわち、位相整合するように組み合わせれば広帯域特性を獲得できる一方、意図的に位相不整合とすることで狭帯域特性を獲得し、高感度の帯域を利用することができるようになる。
＜作用・効果＞
本発明の超音波トランスデューサー（超音波探触子２０）は、複数のｐＭＵＴセル（ｐＭＵＴセル１００）が配列された超音波トランスデューサーであって、複数のｐＭＵＴセルは、複数の共振周波数を有し、複数のｐＭＵＴセルのそれぞれは、厚さ方向である第１方向と第１方向の反対向きの第２方向のいずれかの方向に分極された圧電膜（圧電膜１３０）を有する。
本発明の超音波トランスデューサー（超音波探触子２０）は、複数のｐＭＵＴセル（ｐＭＵＴセル１００）が配列された超音波トランスデューサーであって、複数のｐＭＵＴセルは、複数の共振周波数を有し、複数のｐＭＵＴセルのそれぞれは、厚さ方向である第１方向と第１方向の反対向きの第２方向のいずれかの方向に分極された圧電膜（圧電膜１３０）を有する。
このような構成により、本発明の超音波トランスデューサーは、全体として位相が整合されるので、広帯域特性を得ることができる。
また、本発明の超音波トランスデューサーは、複数のｐＭＵＴセルのそれぞれが有する圧電膜の分極方向を切り替える分極回路（分極回路２４４）と、複数のｐＭＵＴセルのそれぞれが有する圧電膜の厚さ方向である第１方向、または、第１方向の反対向きの第２方向に分極されるように分極回路を制御する駆動回路（駆動回路２４３）と、をさらに有する。
このような構成により、本発明の超音波トランスデューサーは、ｐＭＵＴセル同士の位相を整合させて広帯域特性を得るだけでなく、意図的に位相を不整合とすることで狭帯域特定を得る等、種々の特性を獲得することができる。具体的には、例えば低深度のターゲットを撮像したい場合には広帯域特性を獲得して分解能を優先し、高深度のターゲットを撮像したい場合には狭帯域特性を獲得して感度を優先するようにすればよい。また、例えば送信時にはｐＭＵＴエレメント２２の静電容量を高く（インピーダンスを低く）することで信号損失を抑え、受信時には静電容量を低く（インピーダンスを高く）することで受信感度を確保するようにしてもよい。
＜変形例＞
上記実施の形態において、図５に示すように、ｐＭＵＴエレメント２２はｐＭＵＴセル１００を２次元的に配列した２Ｄアレイの他、１次元的に配列した１Ｄアレイ、１．５Ｄアレイ等としてもよい。
上記実施の形態において、図５に示すように、ｐＭＵＴエレメント２２はｐＭＵＴセル１００を２次元的に配列した２Ｄアレイの他、１次元的に配列した１Ｄアレイ、１．５Ｄアレイ等としてもよい。
また、上記実施の形態において、図５に示すようにｐＭＵＴエレメント２２は高周波セル１１０と低周波セル１２０とが縦横に交互に配列された構造を有するとしたが、本発明はこれに限定されない。本発明では、例えば、高周波セル１１０と低周波セル１２０とが縦方向あるいは横方向のいずれかにのみ交互に配列されてもよい。また、高周波セル１１０と低周波セル１２０の比率が等しくなくてもよく、不均等に配列されていてもよい。高周波セル１１０と低周波セル１２０の比率を不均等とする場合、どちらを多くするかによってｐＭＵＴエレメント２２全体の特性が変化するため、目的に応じて比率を変更するようにしてもよい。
また、上記実施の形態では、ｐＭＵＴエレメント２２は、２種類の共振周波数を有するｐＭＵＴセル１００の配列を有するとしたが、本発明はこれに限定されない。本発明において、ｐＭＵＴエレメントは、例えば３種類以上の共振周波数を有するｐＭＵＴセルの配列により構成されてもよい。３種類以上の共振周波数を有するｐＭＵＴセルを配列する場合も、上記と同様、それぞれの共振周波数のｐＭＵＴセルを均等に配列してもよいし、不均等に配列してもよい。また、それぞれの共振周波数のｐＭＵＴセルの比率を超音波診断装置１の設計段階において適宜変更してもよい。
また、上記実施の形態では、高周波セル１１０と低周波セル１２０における周波数の変調方法として、圧電膜１３０の径の大きさを異ならせる方法を採用したが、本発明はこれに限定されない。本発明は、例えば、圧電膜１３０の厚さを異ならせたり、圧電膜１３０を支持する基板に設けられた開口部を異なる材料で穴埋めしたりすることによって、高周波セル１１０と低周波セル１２０とが異なる共振周波数を有するようにしてもよい。
本発明は、ｐＭＵＴを用いて超音波を送受信する超音波トランスデューサーに利用することができる。
１ 超音波診断装置
１０ 超音波診断装置本体
１１ 操作入力部
１２ 送信部
１３ 受信部
１４ 画像処理部
１５ 表示部
１６ 制御部
２０ 超音波探触子
２１ 保護層
２２ ｐＭＵＴエレメント
２３ バッキング材
２４，２４Ａ 信号処理回路
３０ ケーブル
１００，１００＿１，１００＿２ ｐＭＵＴセル
１０１＿１，１０１＿２ 上部電極
１０２＿１，１０２＿２ 下部電極
１１０ 高周波セル
１２０ 低周波セル
１３０，１３０＿１，１３０＿２ 圧電膜
２４１ 接続部
２４２ 送受信回路
２４３ 駆動回路
２４４ 分極回路
２４４＿１，２４４＿２ セル分極回路
Ｓ１１−Ｓ１４，Ｓ２１−Ｓ２４ スイッチング素子
１０ 超音波診断装置本体
１１ 操作入力部
１２ 送信部
１３ 受信部
１４ 画像処理部
１５ 表示部
１６ 制御部
２０ 超音波探触子
２１ 保護層
２２ ｐＭＵＴエレメント
２３ バッキング材
２４，２４Ａ 信号処理回路
３０ ケーブル
１００，１００＿１，１００＿２ ｐＭＵＴセル
１０１＿１，１０１＿２ 上部電極
１０２＿１，１０２＿２ 下部電極
１１０ 高周波セル
１２０ 低周波セル
１３０，１３０＿１，１３０＿２ 圧電膜
２４１ 接続部
２４２ 送受信回路
２４３ 駆動回路
２４４ 分極回路
２４４＿１，２４４＿２ セル分極回路
Ｓ１１−Ｓ１４，Ｓ２１−Ｓ２４ スイッチング素子
Claims (6)
- 複数のｐＭＵＴセルが配列された超音波トランスデューサーであって、
前記複数のｐＭＵＴセルは、互いに異なる第１の共振周波数および第２の共振周波数のいずれかを有し、
前記複数のｐＭＵＴセルのうち、前記第１の共振周波数を有するｐＭＵＴセルは、厚さ方向である第１方向に分極された圧電膜を有し、前記第２の共振周波数を有するｐＭＵＴセルは、前記第１方向の反対向きの第２方向に分極された圧電膜を有する、
超音波トランスデューサー。 - 前記複数のｐＭＵＴセルのそれぞれが有する圧電膜の分極方向を前記第１方向または前記第２方向に切り替える分極部と、
前記圧電膜の分極方向を前記第１方向または前記第２方向に切り替えるように前記分極部を制御する制御部と、
をさらに有する請求項１に記載の超音波トランスデューサー。 - 前記制御部は、隣接した２つの前記ｐＭＵＴセルが互いに異なる方向に分極されるように前記分極部を制御する、
請求項２に記載の超音波トランスデューサー。 - 前記制御部は、前記超音波トランスデューサーを用いて撮像する目的部位に基づいて前記ｐＭＵＴセルの圧電方向を切り替えるように前記分極部を制御する、
請求項２または３に記載の超音波トランスデューサー。 - 前記制御部は、前記超音波トランスデューサーを用いた超音波の送信時と受信時とで前記ｐＭＵＴセルの圧電方向を切り替えるように前記分極部を制御する、
請求項２または３に記載の超音波トランスデューサー。 - 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサーを有する、
超音波診断装置。
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