JPH04123600A - 超音波探触子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、電子走査方式の医用超音波診断装置に用いる
超音波探触子に関し、特にその振動子の構成に関する。

〔従来の技術〕

従来、被検体中に超音波パルスを放射し、組織の境界か
ら反射されるエコーを受波してブラウン管等の表示器上
に所望の断層像を表示する医用超音波診断装置が周知で
ある。この装置において超音波の送受信を行う超音波探
触子は、超音波と電気信号の変換を行う振動子にジルコ
ン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）系磁器等の圧電材料を用いて
いる。

第２図（ａ）はリニア型電子走査を行う超音波探触子の
振動子構成を簡単に示したものである。この探触子にお
いては、圧電振動子１１の片面には短冊状に分割されて
配列した電極配列Ａが形成され、また他方の面には接触
電極Ｅが設けられている。また圧電振動子１１は電極配
列Ａの各分割↓３沿って分割される場合もある。

超音波の送受信時には電極Ａ１〜Ａｎのうちから一群の
電極として例えば電極Ａ１〜ＡＳが選択され送受信回路
２１と接続される。選択された各電極およびそれに付随
する振動子に与えられる送受信信号には異なる遅延時間
が与えられ、電子フォーカスが行わ九る。さらに、超音
波の送受信動作を選択する一群の電極の位置を電極配列
Ａの配列方向に順次移動しながら繰返し、一つの断層面
の電子走査を完了する。このような動作を行う超音波探
触子において、電子走査を行う方向に対して直交する方
向（短軸方向）は電子的にフォーカスできないので、音
響レンズ等を用いた固定焦点となっている。従って、電
子走査方向の超音波ビームは電子フォーカスにより可変
であるために、被検体内の広い深さ範囲に渡って高い収
束性を実現できるが、短軸方向での収束は固定の焦点域
より外れると収束性が低下する。超音波ビームの収束性
の高さが得られる断層像の分解能の高さを決めるために
、断層面の厚さ方向の分解能は、短軸方向での焦点域以
外で低下している状態にある。

この点に改善する方法として交差型の電極を振動子に設
けた短軸可変口径超音波探触子を用いる方法が特開昭５
６−２１０５７号に開示されている。この方法でま、第
２図（ａ）の接地電極Ｅを電子走査方向に沿って分割し
、第２図（ｂ）に示すように、Ｅユ〜Ｅ、の３分割ある
いはそれ以上の奇数に分割する。このとき圧電振動子１
１の両面の各電極が互いに直交方向に分割されるよう形
成される。

この電極構造の振動子を用いて撮像を行う場合には、被
検体内において探触子に近距離にある部分の撮像時には
電極Ｅ１のみを接地し、短軸方向において超音波送受信
を行う口径幅を電極Ｅ１の幅に限定し、また、遠距離に
ある部分の撮像時には電極Ｅ１〜Ｅ、の全てを接地し超
音波送受信を行う口径幅を短軸の全幅とする。これは、
短軸方向の超音波ビームの収束域が小口径時には探触子
の近距離に移動することを応用するものであり接地電極
Ｅの分割数を増やせば、短軸方向の超音波ビームの収束
域の移動を細かく制御できるとされている。

しかし、この交差型電極を備えた振動子を圧電材料で構
成し、電極交差部分のみを駆動して超音波を送受信しよ
うとすると、電極配列Ａ、Ｈの中から各々選択した電極
の交差部分以外の部分でも、電気的に半選択状態になる
ために励振され、結果的に短軸方向の振動子口径の選択
性が悪化する問題があった。

この短軸方向の振動子口径の選択性悪化を改善する方法
として、バイアス電界により圧電性が誘起される電歪材
料を振動子材料に用いる方法が［特開昭６２−８４６９
７号」に開示されている。この方法では、第２図（ｂ）
で示される振動子構成において、圧電振動子１１の圧電
材料の代わりに電歪材料を用いる方法である。この方法
において短軸口径を小口径で駆動する場合には、電極Ｅ
１に直流バイアス電圧を印加し、Ｅ、、Ｅ、は接地する
。

これにより、電極Ｅ工と対面の電極配列Ａの間に直流バ
イアス電界が印加され、圧電性が誘起されるだめに電極
Ｅ１の幅の部分だけが励振されて振動子として機能する
。また、短軸口径を大口径で駆動する場合には、電極Ｅ
工〜Ｅ□全てに直流バイアス電圧を印加し、短軸方向の
全幅が振動子として機能する。この技術においては、振
動子の全部分を電歪材料で構成しているため、短軸口径
の小口径部分は常に超音波送受信に用いられるにも係ら
ずバイアス電圧を印加する必要がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術において、「特開昭５６−２１０５７Ｊで
は交差型の電極配列を備えた振動子を電気音響変換部に
用いた超音波探触子の動作原理あるいは探触子の基本的
構成について開示されている。しかし、この技術では圧
電振動子を振動子材料に用いた場合の著しい選択性の低
下を考慮し、実際にそれを補う手法は検討されていなか
った。また、「特開昭６２−８４６９７号」においては
、交差型の電極配列を備えた電歪材料の振動子で構成さ
れた超音波探触子が開示されているが、短軸可変口径探
触子の動作条件を考慮した振動子構成は考慮されていな
かった。このため、従来の技術では短軸口径のｔＪ−口
径部分は常に超音波送受信に用いられるにも係らずバイ
アス電圧を印加する必要があるため、探触子の駆動回路
にはより厳しい条件が求められる。短軸可変口径探触子
を用いた超音波撮像装置は実用的な回路構成がとれない
ために実現出来なかった。また、バイアス電圧を印加す
る回路の動作条件によっては、電歪材料に誘起できる圧
電性が従来の圧電材料に比較して若干不足する問題もあ
った。

本発明の目的は交差型の電極配列を設けた振動子を用い
た超音波探触子において、電気的な駆動領域選択性を改
善し、かつ感度を従来の圧電材料と同程度に有する超音
波探触子を提供することにある。

また、本発明の他の目的は交差型の電極配列を設けた振
動子を用いた短軸可変口径超音波探触子において、電気
的な駆動領域選択性を改善し、感度を従来の圧電材料と
同程度にできる超音波探触子を提供することにある。

また、本発明の他の目的は上記の超音波探触子の振動子
材料を提供することにある。

また本発明の他の目的は上記超音波探触子の適用装置を
提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、第１図のように超音波探触
子の振動子を構成する。まず、第１図（ａ）のように矩
形の圧電振動子１１の両脇にバイアス電界により圧電性
が誘起される電歪振動子１２ａ、１２ｂを並べた構成と
し、それらを一体とした振動子１を構成する。次に第１
図（ｂ）のように、各主面において互いに直交するよう
に短冊状の電極配列Ａ、Ｂを設ける。電極配列Ｂは一方
の主面において、圧電振動子１１と電歪振動子１２ａ、
１２ｂの境界に沿う方向に分割される。

電極配列Ｂの中心の電極は圧電振動子１１の片面を全て
覆うように構成され、接地点と接続される。

電極配列Ｂのその他の電極は全て電歪振動子１２ａ。

１２ｂの片面の電極となっており、バイアス電圧印加回
路と接続される。また電極配列Ａは電極配列Ｂと直交す
る方向に分割されており、リニア型あるいはセクタ型の
電子走査に必要な各チャネルの振動子の幅及び数で分割
され、各電極は超音波送受信を行う電子走査回路群と接
続される。

〔作用〕

電歪材料はバイアス電界のもとでのみ機械的変位により
電圧の変動が生じる性質を有するため、直流バイアス電
界により変換効率が制御できる圧電材料とみなせる。第
１図（ｂ）に示すように構成した振動子に、第２図（ａ
）のように超音波送受信回路２１を接続すれば電子走査
による断層面撮像が可能となる。第１図（ｂ）に示すよ
うに構成した振動子において、電極配列Ｂの全てを接地
すれば、電子走査方向と直交する方向（短軸方向）にお
いては、圧電振動子１１で構成した部分の幅だけが振動
子として超音波の送受信に関与し、電歪振動子１２ａ、
１２ｂで構成されている部分は圧電性を有しえないので
超音波の送受信に関与しない。これにより、超音波振動
子の短軸方向の幅を実効的に中心部分の圧電振動子１１
の幅だけに制限したことになる。また、電極配列Ｂの中
心の電極以外の電極を接地点への接続からバイアス電圧
印加回路への接続へ切り替えると、電歪振動子１２ａ、
１２ｂで構成されている部分の一部あるいは全てが、バ
イアス電圧の印加により圧電材料と同様に機能する。こ
れにより、短軸方向の振動子の幅は、接地点への接続と
バイアス電圧印加回路への接続との切り替えにより可変
となり、交差電極を設けた振動子構成による短軸可変口
径探触子が動作可能となる。

〔実施例〕

次に本発明の詳細な説明する。

′第゛１図（ａ）に示すように、圧電磁器組成物（例え
ばチタン酸鉛−ジルコン酸鉛系固溶体セラミクスなどの
強誘電体）等よりなる矩形の圧電振動子１１と電歪磁器
組成物（例えばＰ　ｂ　（Ｍ　ｇｚ７ａＭｂ、、□）０
３−Ｐ　ｂ　Ｔ　ｉ　Ｏ，系固溶体セラミクスなどの緩
和型強誘電体において、強誘電体への相転移温度が比較
的室温の付近にある組成物など）等よりなる矩形の電歪
振動子１２ａ、１２ｂをそれぞれ厚み方向の共振周波数
が放射あるいは受波する超音波の周波数に相当するよう
に加工して接合し、振動子１とする。このとき、電歪振
動子１２ａ１２ｂはその長手方向の大きさは圧電振動子
１１とほぼ同一である。また、圧電振動子１１と電歪振
動子１２ａ、１２ｂの厚みは異なっていてもよいが、１
２ａ、１２ｂの厚みは同一である。

次に第１図（ｂ）のように、各主面において互いに直交
するように短冊状の電極配列Ａ、Ｂを設ける。電極配列
Ｂは一方の主面において、圧電振動子１１と電歪振動子
１２ａ、１２ｂの境界線に沿う方向で平行に分割される
。電極配列Ｂの中心の電極は圧電振動子１１の片面を全
て覆うように形成される、超音波探触子の動作時は接地
点と接続される。電極配列Ｂのその他の電極は全て電歪
振動子１２ａ、１２ｂの片面の電極となっており、動作
時はバイアス電圧印加回路と接続される。また電極配列
Ａは電極配列Ｂと直交する方向に分割されており、リニ
ア型あるいはセクタ型の電子走査に必要な振動子の幅及
び数で分割され、動作時は超音波送受信を行う電子走査
回路群と接続される。これらの電極は例えば銀粒子の焼
き付けや銅。

ニッケルなどの無電解鍍金により形成しても良い。

第３図はリニア型の電子走査を行う場合の振動子１と探
触子周辺回路の接続を示す概念図である。

まず、撮像の開始時点で電極Ａ□〜八〇のうちから、−
群の電極として電極Ａ１〜Ａ、が選択される、送受信回
路２１と接続される。この時に同時に選択される電極の
数はこの図の例に限らず、ｎ個より少ない数の範囲で任
意である。選択された各電極に付随する振動子１の一部
分に与えられる送波信号すなわち振動子の励振パルスに
は遅延回路部２１により異なる遅延時間が与えられ、送
波時の電子フォーカスが行われる。これにより超音波探
触子と接する被検体内の焦点領域に超音波パルスが収束
する。この後、被検体内において探触子の近傍の領域よ
り順次反射される超音波エコーが再び振動子１を励振し
送受信回路２１の入力となる。

遅延回路２１１は電極Ａ１〜Ａ５に対応する各チャネル
より入力される超音波エコー受信信号より被検体内の各
点からのエコー受信信号となるように刻々と各チャネル
の遅延時間を変更し、送受信回路２１は受信信号の整相
加算を行う。この動作を同時選択する電極をＡ２〜Ａ、
に変更して接続したあとに再び繰り返す。

こうして超音波の送受信動作の時点で同時に選択する一
群の電極の位置を電極配列Ａの配列方向に順次移動しな
がら繰返し、一つのＢモード断層面の電子走査を完了す
る電子走査方法がセクター型の場合には、電極Ａ１〜Ａ
０は全て送受信回路２１に接続され各電極に対応するチ
ャネルの超音波送受信信号に与える遅延時間を収束に関
する成分と偏向に関する成分で構成して振動子ｌ全体で
超音波の送受信を行う。偏向角を刻々と変化させた超音
波送受信動作により扇型の断層面が走査される。これら
の動作時において電極配列Ｂ１〜Ｂ５は接地側電極の機
能を担う。電誇Ｂ１〜Ｂｓのうち、中心の圧電振動子に
接する電極Ｂ３は接地され、その他の電極はバイアス電
圧印加回路３１に接続される。

電極Ｂ、と電極配列Ａとで挾まれる圧電振動子１１は常
に超音波の送受信能を有するが、電極１３１ｔ　Ｂ２．
　Ｂ４．ＢＳと電極配列Ａで挾まれる電歪振動子１２ａ
、１２ｂの超音波の送受信能は、バイアス電圧印加回路
３１の動作状態により変化する。電歪材料はバイアス電
圧の印加されたもとでのみ圧電性すなわち超音波送受信
能を有するため、バイアス電圧印加回路３１内部の同流
電圧源と電極Ｂ、、Ｂ、さらには電極Ｂ、、Ｂ、が接続
状態となれば、電子走査方向（電極配列Ａの配列方向、
長軸方向）と直交する方向（短軸方向）の振動子口径が
実効的に増加する。また、電極Ｂ　ｌ　＋　Ｂ　２１　
Ｂ　４１８５がバイアス電圧印加回路３１内部の接地点
と接続状態となれば、電歪振動子１２ａ、１２ｂは圧電
性を失い、超音波送受信能を有さず、電気的には付帯す
る容量としてのみ働く。超音波の送受信動作時には、電
極Ｂ、、Ｂ２．Ｂ、、Ｂ、はバイアス電圧印加回路３１
内部の直流電圧源あるいは接地点の何れかに接続されて
いる。電極配列Ｂの分割数は本実施例の５分割に限らず
、３以上の任意の奇数個に分割される。Ｍを自然数とす
ると電極配列Ｂは２Ｍ＋１個に分割され、第３図におい
てはＭが２の場合に相当する。

このとき、電極配列ＢがＢよ〜Ｂ２ｓ十２よりなるとす
ると、中心の電極ＢＭヤ、は圧電振動子１１と接してお
り、常に接地点と接続される。また、ＬをＭ以下の自然
数とすると、電極ＢＭ＋ｘ＋Ｌ及び電極Ｂ　Ｍｉｘ−Ｌ
は一緒にバイアス電圧印加回路３１に接続される。これ
によりバイアス電圧印加回路３１に接続される配線数は
Ｍ水減少する。このことは、圧電振動子１１に接する中
心の電極の左右の電極を中心より順に左右１本ずつ束ね
ることを意味する。

第３図の場合の振動子で行う短軸可変口径動作では、３
段階の撮像動作により御所層面の撮像を行う。まず、被
検体内において探触子の近距離領域での超音波送受信時
には電極Ｂ全てを接地し、短軸方向において超音波送受
信を行う口径幅を電極Ｂ、の幅（圧電振動子１１の幅）
に限定する。

被検体内の中距離領域での超音波送受信には電極Ｂ２．
Ｂ４だけをバイアス電圧印加回路３１内において直流電
圧源に接続して、短軸方向の実効的口径幅を増加させる
。さらに、被検体内の遠距離領域での超音波送受信では
、電極Ｂ１．Ｂ２．Ｂ４゜Ｂ５をバイアス電圧印加回路
３１内において直流電圧源に接続し、振動子１の短軸方
向の全幅を短軸口径として動作させる。これは、短軸方
向の超音波ビームの収束域が小口径時には探触子の近距
離に移動することを応用するものであり、電極Ｂの分割
数を増やせば、短軸方向の超音波ビームの収束域の移動
を細かく制御できる。これにより、短軸方向の超音波ビ
ームの収束域がシリコーンゴムなどで形成された機械的
音響レンズにより固定になっていた従来の超音波探触子
に比べで、短軸方向の超音波ビームの収束域の移動を制
御できるようになるため、得られるＢモード断層像の厚
み方向の分解能が改善された。

本実施例では、振動子を圧電磁器組成物及び電歪磁器組
成物により構成したが、磁器平板に限らず、第４図に示
すような複合材料を用いることも可能である。複合材料
４１は、圧電あるいは電歪磁器組成物の微小柱４２を高
分子体４３（例えばポリウレタン）中に規則正しく配列
したものを用いる。複合材料により作られた振動子は、
矩形板の磁器振動子に比べて電気機械結合係数を向上で
きる。また、機械的共振のＱ値が下がり、超音波送受の
際のパルス幅を短くするため分解能が向上する。また、
複合材料音響インピーダンスは磁器組成物に比べ小さい
ので音響的整合がとりやすい。

この複合材料の両主面の蒸着や無電解鍍金などにより電
極を形成し、上述の実施例と同様な電極が形成できる。

この複合材料を振動子材料として用いれば、振動子全体
の形状を短軸方向に沿って凹面状になるように形成し１
機械的音響レンズを省いた探触子構造が実現できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、Ｂモードエコーグラフィーにより被検
体内部の断層像を得る医用超音波診断装置に関して、断
層像の厚み方向の分解能を向上できる短軸可変口径探触
子が容易な構成で提供される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の探触子の振動子の構成と電極構造を説
明する図、第２図は従来の圧電振動子を用いた超音波探
触子の動作を説明する図、第３図は本発明の振動子を用
いた場合の動作方法を説明する概念図、第４図は複合圧
電材料あるいは複合電歪材料の構造を説明する図である
。 １・・・振動子、１１・・・圧電振動子、１２ａ、１２
ｂ・・・電歪振動子、２１・・・送受信回路、２１１・
・・遅延回路部、３１・・・バイアス電圧印加回路、４
１・・・複合材料、４２・・・圧電あるいは電歪磁器組
成物、４３・・・有機物樹脂、Ａ、Ｂ・・・電極配列、
Ｅ・・・接地箔 ゝ−−−）ｌ−ｍ＝′ 区 Ｅ。 と３ 繁 図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. １．振動子材料の平板の両主面に、互いに直交ないしあ
   る角度で交差する短冊状の電極配列Ａ，Ｂを設けたもの
   を振動子に用いた超音波探触子において、振動子材料に
   圧電材料とバイアス電圧により圧電性が誘起される電歪
   材料を用いたことを特徴とする超音波探触子。
2. ２．請求項１記載の超音波探触子の振動子において、該
   電極配列ＡまたはＢの中心付近の一電極に接する部分の
   振動子材料を圧電材料で構成し、その他の部分を電歪材
   料で構成したことを特徴とする超音波探触子。
3. ３．請求項１，２記載の超音波探触子の振動子において
   、シート状有機物の中に多数の柱状の圧電材料または電
   歪材料がシート面に垂直に埋め込まれた構造の複合材料
   を振動子材料として用いたことを特徴とする超音波探触
   子。
4. ４．請求項１から３に記載の超音波探触子を備えた医用
   超音波診断装置。