JPH10192277A - 超音波探触子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 近距離における良好な厚み方向音場特性と中
〜遠距離における良好なサイドローブ特性とを両立する
ことができる超音波探触子を提供する。 【解決手段】 アレイ振動子１０は、アレイ方向中央部
から両端部に向かって幅が徐々に小さくなる形状となっ
ている。アレイ方向中央部の圧電素子は、厚み方向中央
の内列圧電素子１２と、その両側の外列圧電素子１４と
に分割されている。そして、エコー受信時に、アレイ方
向の可変開口処理に連動して、各外列圧電素子１４の受
信信号に与える重みを、近距離の観測では小さく、遠距
離の観測では大きく、といった具合に観測距離に応じて
動的に変化させる。これにより、近距離受信時には、ア
レイ方向及び厚み方向の両方について開口サイズが小さ
くなるので、近距離の音場特性が向上する。遠距離受信
時には、アレイ振動子全体で受信されるため、アレイ振
動子の外形形状によるサイドローブ低減効果が得られ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、生体などの被検体
に当接して超音波の送受波を行う超音波探触子に関し、
特に圧電素子をアレイ状に配列してなるアレイ振動子を
有する超音波探触子の音場特性の改善に関する。

【０００２】

【従来の技術】生体内部のイメージングのために用いる
超音波探触子としては、電子走査方式のアレイ振動子を
搭載したものが一般的である。このような探触子は、図
７に示すように、背面負荷１２０上に短冊形の圧電素子
１００を複数個配列し、その上に音響整合層１１０及び
音響レンズ１３０を設けた構成となっている。

【０００３】このようなアレイ振動子においては、圧電
素子の配列方向（以下、「アレイ方向」という）につい
ての電子走査だけでなく、超音波ビームの絞り込みのた
めに、各圧電素子１００の送受信信号に対する遅延時間
の調整により超音波ビームの電子フォーカスが行われて
いる。電子フォーカスの手法としては、観測対象の距離
に応じて受信超音波ビームの焦点を動的に切り換えてい
くダイナミックフォーカス法や、観測対象の距離に応じ
て使用する圧電素子の数を変えることにより開口サイズ
を調節する可変開口法などが知られている。また、この
ほかに、アレイ方向のサイドローブの低減のために、各
圧電素子の送受信信号に対し重み付けを行い、アレイの
両端に近い素子ほど小さい重みにするというアポタイゼ
ーション法（シェーディング法ともいう）を実現した例
も知られている。

【０００４】これに対し、アレイ方向に垂直な方向（す
なわちアレイ振動子の厚みの方向。以下、「厚み方向」
という）については、従来の一般のアレイ振動子では、
音響レンズによる固定フォーカスの超音波ビーム形成が
行われるのみである。この構成では、音響レンズの焦点
を離れた領域では超音波ビームの幅が広くなり厚み方向
の分解能が劣化する。

【０００５】このような厚み方向の音場の改善のため
に、次に示すような手法が提案されている。まず一つの
方法は、各圧電素子に対し当該素子の中央部で大きく、
両端部で小さくなる分極強度分布を持たせ、厚み方向の
サイドローブを低減するという方法である（特公平１−
２４４７９号公報、特開平７−３８９９９号公報参
照）。

【０００６】また、図８に示すように、各圧電素子１０
０を厚み方向についても複数に分割し、２次元アレイ振
動子２００として厚み方向についても電子フォーカスや
重み付けを行う方法も知られている（特開昭６２−１１
７５３９号公報参照）。

【０００７】また、図９に示すようにアレイ振動子２１
０の全体形状を楕円形とし、非電子的に送受信信号に重
み付けを行う方法も知られている（特公平１−２４４７
９号公報参照）。この方法によれば、アレイ方向、厚み
方向の双方について、中央から両端部に向かって徐々に
下がっていく信号強度の分布が得られ、アレイ方向及び
厚み方向ともにサイドローブの低減効果が得られる。

【０００８】更には、図１０に示すように、ボウタイ
（bowtie）形のアレイ振動子２２０を用いる方法も知ら
れている（特開平７−２７０５２２号公報参照）。この
方法では、受信時のアレイ方向について、近距離の観測
では中央部の圧電素子のみを使用して開口を小さくし、
遠距離の観測ではすべての圧電素子を用いて開口を大き
くする可変開口処理を行うと、アレイ方向の開口サイズ
の変化に連動して、厚み方向も近距離になるほど開口が
小さくなるので、厚み方向についても近距離音場（分解
能など）を改善できる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記各
従来方法には、それぞれ以下のような欠点がある。

【００１０】まず、圧電素子に分極強度の分布を持たせ
る方法は、所望の分極強度分布を得るためには圧電素子
に印加する電界や温度、時間などの分極条件を精密に調
整する必要があり、極めて実現が困難であり、もし実現
できたとしても製造工程が極めて複雑になるという問題
があった。

【００１１】また、２次元アレイ振動子を用いる方法で
は、圧電素子の数が数倍に増えるので、リード線の数や
送受信回路の規模が極めて大きくなり、製造の困難性が
増大すると共にコスト高を招くという問題があった。

【００１２】また、楕円形のアレイ振動子を用いる方法
では、中〜遠距離のサイドローブ特性は改善できるが、
近距離における厚み方向の音場については改善効果が小
さかった。

【００１３】そして、ボウタイ形のアレイ振動子を用い
る方法では、近距離における厚み方向の音場の改善効果
は大きいが、圧電素子の長さに比例する励振強度はアレ
イ方向中央部で小さくなるため、アレイ方向に関して上
記楕円形アレイの場合と逆の重み付け作用が生じ、中〜
遠距離の観測時にサイドローブが大きくなってしまうと
いう問題があった。また、アレイ方向中央部での圧電素
子の幅が小さいため、主としてアレイ方向中央部の圧電
素子を使ってアレイ方向の開口を小さくして送信を行う
ようなモードで利用すると、遠距離において感度が不足
するおそれがあった。

【００１４】本発明は、このような問題を解決するため
になされたものであり、近距離における良好な厚み方向
音場特性と中〜遠距離における良好なサイドローブ特性
とを両立することができる超音波探触子を提供すること
を目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】前述の目的を達成するた
めに、本発明に係る超音波探触子は、複数個の圧電素子
がアレイ方向に配列されてなるアレイ振動子を有する超
音波探触子において、前記アレイ振動子におけるアレイ
方向中央部の各圧電素子を、前記アレイ方向に垂直な厚
み方向について少なくとも３列の微小圧電素子に分割
し、前記アレイ方向中央部の各微小圧電素子の受信信号
に対してそれぞれ重み付けを行うと共に、前記重み付け
における各微小圧電素子に対する重みを、前記厚み方向
について両端側ほど小さく、かつ観測対象までの距離が
近くなるほど小さくなるよう動的に制御することを特徴
とする。

【００１６】この構成では、近距離の観測では、アレイ
方向中央部における厚み方向両端側の微小振動子の受信
信号に対する重みが小さくなるので、アレイの形状が前
述のボウタイ形のアレイ振動子に近くなる。このため、
近距離の音場特性を改善することができる。一方、遠距
離の観測では、厚み方向両端側の微小振動子に対する重
みが例えば厚み方向中央部と同等程度まで大きくなるの
で、ボウタイ形のような開口幅のアレイ方向中央部での
くぼみがなくなる。このため、遠距離におけるアレイ方
向のサイドローブ特性の劣化が防止される。

【００１７】本発明の好適な態様では、前記アレイ振動
子は、アレイ方向の中央部から端部に向かって漸進的に
幅が狭くなる形状とする。

【００１８】この態様では、上記構成において、アレイ
振動子の全体形状を、例えば前述の楕円形アレイのよう
に、アレイ方向の中央部から端部に向かって漸進的に幅
が狭くなる形状とする。この態様によれば、近距離の観
測にて上記構成と同様の音場特性の改善が可能であると
ともに、中〜遠距離の観測におけるサイドローブ特性も
改善することができる。

【００１９】また、更に好適な態様では、前記各微小圧
電素子は、アレイ方向に沿ったアレイ中心軸を挟んで対
称位置にある２個ずつがそれぞれペアを形成し、各ペア
を形成する２つの微小圧電素子が電気的に接続される。

【００２０】この態様では、アレイ方向中心軸について
対称な２つの微小圧電素子（ペア）を１つのリード線で
駆動する。微小圧電素子の制御は、厚み方向について対
称的なので、このような構成が可能である。この態様に
よれば、配線及び送受信回路の構成を簡略化することが
できる。

【００２１】また、別の態様では、前記各微小圧電素子
に対する送信信号に対し、前記厚み方向について両端側
ほど小さくなる重み付けを行う。

【００２２】この態様では、送信信号についても厚み方
向について両端側ほど小さくなる重み付けを行うことに
より、厚み方向についてのサイドローブ特性を更に改善
することができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。

【００２４】図１は、本発明に係る超音波探触子のアレ
イ振動子の概略形状の一例を示す図である。

【００２５】図１に示すように、本実施形態では、アレ
イ振動子１０の全体的な外形形状は一般的によく用いら
れている矩形形状であるが、アレイ振動子１０における
アレイ方向中央部の各圧電素子が厚み方向中央部の内列
圧電素子１２とその両側の外列圧電素子１４とに３分割
されている点が、従来の一般的なアレイ振動子と異な
る。内列圧電素子１２と外列圧電素子１４とは、電極自
体がそれぞれ別々に分かれており、送受信ともに独立し
て駆動可能となっている。ただし、外列圧電素子１４に
ついては、アレイ方向の中心軸２０を挟んで対称なもの
同士が同一の電極に接続されており、それらペアが同一
の送信パルスにより駆動される。

【００２６】このような構成において、各内列圧電素子
１２、及びアレイ方向両端部の各圧電素子１６は、アレ
イ振動子１０のいわば核となる圧電素子群を形成してお
り、これら素子群により、アレイ方向について、電子偏
向や受信可変開口、ダイナミックフォーカスなどの種々
のビーム制御が実現される。なお、この場合の各内列圧
電素子１２及びアレイ方向両端部の各圧電素子１６に対
する送受信制御は、従来の一般的なアレイ振動子の制御
と同様でよい。

【００２７】そして、本実施形態では、各外列圧電素子
１４は以下のように制御される。

【００２８】まず送信時は、各外列圧電素子１４に供給
する送信パルスに対して内列圧電素子１２と異なる遅延
時間を与え、所定の送信焦点距離に合わせて電子フォー
カスを行う。具体的には、内列圧電素子１２（及びアレ
イ方向両端部の圧電素子１６）に与えるアレイ方向収束
のための遅延時間をＴxにすれば、外列圧電素子１４に
与える遅延時間Ｔdは、次式に示すように、Ｔxに厚み方
向収束のための遅延時間Ｔyを加えればよい。

【００２９】

【数１】 Ｔd＝Ｔx＋Ｔy ・・・（１） Ｔy＝（ｙ²／２Ｃ）・（１／Ｆ−１／Ｆy） ・・・（２） ここに、Ｆは音響レンズの焦点距離で、Ｆyは送信の焦
点距離である。ｙは、図１に示すように、中心軸２０か
ら外列圧電素子１４の中（重）心までの長さであり、Ｃ
は音速である。また、これと同時に、各外列圧電素子１
４に対する送信パルスに対して重み付けを行うことによ
り、厚み方向のサイドローブ特性を改善する。すなわ
ち、外列圧電素子１４に対する重みを、内列圧電素子１
２に対する重み以下の値とすることにより、厚み方向の
サイドローブ特性が改善される。この重み付けは、送信
パルスの電圧レベルの制御により行う。外列圧電素子１
４に与える重みは、所望する音場特性に応じて適宜設定
する。なお、以上の処理においては、中心軸２０を挟ん
で対称位置にある外列圧電素子１４のペアごとに同一の
送信パルスで制御されるので、各ペア内では遅延時間及
び重みは同一である。そして、エコー受信時には、まず
アレイ方向のダイナミックフォーカスに連動して、アレ
イ方向中央部にて、外列圧電素子１４と内列圧電素子１
２とによって厚み方向のダイナミックフォーカスを行
う。（１）及び（２）式は、ここにも適用できる。すな
わち、この厚み方向のダイナミックフォーカスは、外列
圧電素子１４の受信信号に与える遅延時間と内列圧電素
子１２（及びアレイ方向両端部の圧電素子１６）の受信
信号に与える遅延時間との差Ｔyを、アレイ方向のダイ
ナミックフォーカスの各焦点距離Ｆyに応じて変化させ
ていくことにより実現することができる。

【００３０】また、本実施形態では、エコー受信時に、
内列圧電素子１２及びアレイ方向両端部の圧電素子１６
によるアレイ方向の可変開口処理に連動して、アレイ方
向中央部にて、外列圧電素子１４と内列圧電素子１２と
によって厚み方向の可変開口処理を実行する。すなわ
ち、各外列圧電素子１４の受信信号に与える重みを、近
距離の観測では小さく、遠距離の観測では大きく、とい
った具合に観測距離に応じて動的に変化させることによ
り、厚み方向の可変開口処理が実現される。受信信号に
対する重み付けは、受信信号の増幅ゲインの調整により
行うことができる。例えば、内列圧電素子１２の受信信
号に与える重みを１とした場合に、外列圧電素子１４の
受信信号に与える重みを、近距離の観測では（すなわち
送信時刻から見て近い時間に受信したエコー信号に対し
ては）０に近い小さい値にし、それから観測距離が増す
ごとに重みを徐々に大きくし、遠距離の観測では（すな
わち送信時刻から見て遠い時間に受信したエコー信号に
対しては）１に近い大きい値になるように制御する。こ
のような制御により、近距離からの受信では、アレイ方
向中央部の内列圧電素子１２が主として用いられるた
め、アレイ方向のみならず、厚み方向についても開口サ
イズが小さくなるので、近距離の音場特性が向上する。
また、遠距離からの受信では、外列圧電素子１４の重み
が内列圧電素子１２とほぼ等しくなるので、矩形のアレ
イ振動子１０全体を用いて受信することとなり、従来の
ボウタイ形アレイ振動子のようなアレイ方向のサイドロ
ーブ特性の劣化という問題は生じない。なお、ここで説
明したアレイ方向及び厚み方向の可変開口処理は、前述
のダイナミックフォーカスと連動して行われる。

【００３１】また、本実施形態のアレイ振動子１０によ
れば、アレイ方向中央部の圧電素子を主に使い、アレイ
方向の開口を小さくして送信を行うような場合におい
て、内列圧電素子１２だけでなく外列圧電素子１４から
も送波することができるので、ボウタイ形振動子のよう
な遠距離での感度不足の問題は生じない。以上に説明し
た本実施形態の超音波探触子は、主として、心臓などの
診断に用いる電子セクタ走査方式に好適である。

【００３２】以上では、全体形状が矩形であるアレイ振
動子１０を例にとって説明したが、アレイ振動子１０の
全体形状を変えることにより、音場特性を更に向上させ
ることも可能である。図２、図３、図４は、アレイ振動
子１０の全体形状の変形例を示したものである。これら
各変形例は、いずれもアレイ方向中央部から両端部に向
かって幅が漸進的に小さくなる形状となっている。アレ
イ振動子１０をこのような形状とすることにより、電子
的な制御によらず送受信の信号に重み付けを行うことが
できる。すなわち、これら変形例では、アレイの形状に
より、電子的な重み付け制御などを行わなくても、アレ
イ方向及び厚み方向それぞれについて、送受信ともに中
央から両端部に向かって徐々に下がっていく信号強度の
分布が得られるので、アレイ方向及び厚み方向の両方に
ついてサイドローブの低減効果が得られる。したがっ
て、これら変形例によれば、アレイ方向中央部を内列圧
電素子１２及び外列圧電素子１４に分割し、独立して制
御することによる近距離音場を改善できるとともに、ア
レイの形状による効果として、アレイ方向及び厚み方向
の両方についてサイドローブの低減を実現することがで
きる。

【００３３】なお、これら変形例を実現するには、アレ
イ振動子１０を形成する各圧電素子を、全体形状が図２
〜図４の形状となるように滑らかに（あるいは階段状
に）切り出せばよい。また、圧電素子はすべて同一の短
冊形のままで、電極のみを図２〜図４の形状に合わせて
切り出してもよい。

【００３４】図５は、このような変形例の効果を示すグ
ラフであり、（ａ）は従来の矩形形状のアレイ振動子に
ついて、（ｂ）は図３に示す形状のアレイ振動子につい
て、それぞれ超音波ビームの厚み方向ビーム幅の距離依
存性を示すグラフである。図５のデータは、減衰散乱媒
質における送受波応答のシミュレーション結果をプロッ
トしたものであり、−１２ｄＢ，−２４ｄＢ，−３６ｄ
Ｂ，−４８ｄＢのそれぞれのレベルでのビーム幅が示さ
れている。グラフの横軸は観測距離（すなわち振動子面
から観測対象位置までの距離）を示し、縦軸は厚み方向
のビーム幅を示している。なお、（ａ）では、アレイ振
動子の厚み方向開口サイズが１３ｍｍであり、（ｂ）で
は、厚み方向開口サイズの最大値（すなわちアレイ方向
中央部分の厚み）が１３ｍｍである。音響レンズの焦点
距離は、（ａ）、（ｂ）ともに８０ｍｍである。（ｂ）
の結果は、図３のアレイ振動子を上述のごとく制御する
ことによって得られるものである。図５の（ａ）と
（ｂ）とを比較すれば、図３に示すアレイ振動子によっ
て、超音波ビームが近距離から遠距離まで全体的に細長
く収束され、厚み方向の音場が効果的に改善されている
ことが分かる。

【００３５】以上、本発明の実施形態及び変形例につい
て説明したが、本発明の範囲は、上記実施形態及び変形
例に限られるものではない。例えば、アレイ方向中央部
の圧電素子の分割は、図１などに示されるような非等分
割に限らず、内列圧電素子１２と外列圧電素子１４とが
等幅となる等分割でもよい。

【００３６】また、アレイ方向中央部の圧電素子の分割
数も、図１のような３分割に限らない。例えば、外列圧
電素子１４を、中心軸２０に対称に更に複数列に分割し
てもよい。この場合、外列圧電素子の各列に与える重み
は、厚み方向両端側のものほど小さくすれば、厚み方向
のサイドローブ低減効果を増すことができる。そして、
各列の重みを、観測距離が近距離になるほど小さくなる
ように動的に制御することにより、近距離における音場
特性を向上させることができる。また、この場合でも、
中心軸２０について対称な位置の外列圧電素子同士を１
つの電極に接続して同時に制御することにより、配線や
送受信回路の規模の増大を抑制することができる。

【００３７】また、アレイ方向中央部における圧電素子
の分割の仕方は、上記実施形態や変形例のように直線で
分割する方式に限られるものではなく、例えば図６に示
すような円弧などの曲線で分割してもよい。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、アレイ振動子におけるアレイ方向中心部の圧電素子
を３列以上の微小圧電素子に分割し、厚み方向について
両端側の微小圧電素子の受信信号ほど小さい重み付けを
行うとともに、その重みを観測対象の距離が近くなるほ
ど小さくなるように動的に制御することにより、近距離
の音場特性を改善できるとともに、中〜遠距離でのサイ
ドローブ特性の劣化を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る超音波探触子のアレイ振動子の
概略形状の一例を示す図である。

【図２】 アレイ振動子の変形例の概略形状を示す図で
ある。

【図３】 アレイ振動子の変形例の概略形状を示す図で
ある。

【図４】 アレイ振動子の変形例の概略形状を示す図で
ある。

【図５】 従来の矩形形状のアレイ振動子及び図３のア
レイ振動子の厚み方向の音場特性を示す図である。

【図６】 アレイ振動子の更なる変形例を示す図であ
る。

【図７】 アレイ型の超音波探触子の概略構成を示す図
である。

【図８】 従来のアレイ振動子の概略形状を示す図であ
る。

【図９】 従来の別のタイプのアレイ振動子の概略形状
を示す図である。

【図１０】 従来の更に別のタイプのアレイ振動子の概
略形状を示す図である。

【符号の説明】

１０ アレイ振動子、１２ 内列圧電素子、１４ 外列
圧電素子。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数個の圧電素子がアレイ方向に配列さ
   れてなるアレイ振動子を有する超音波探触子において、 前記アレイ振動子におけるアレイ方向中央部の各圧電素
   子を、前記アレイ方向に垂直な厚み方向について少なく
   とも３列の微小圧電素子に分割し、 前記アレイ方向中央部の各微小圧電素子の受信信号に対
   してそれぞれ重み付けを行うと共に、前記重み付けにお
   ける各微小圧電素子に対する重みを、前記厚み方向につ
   いて両端側ほど小さく、かつ観測対象までの距離が近く
   なるほど小さくなるよう動的に制御することを特徴とす
   る超音波探触子。
2. 【請求項２】 請求項１記載の超音波探触子において、 前記アレイ振動子は、アレイ方向の中央部から端部に向
   かって漸進的に幅が小さくなる形状であることを特徴と
   する超音波探触子。
3. 【請求項３】 請求項１又は請求項２に記載の超音波探
   触子において、 前記各微小圧電素子は、アレイ方向に沿ったアレイ中心
   軸を挟んで対称位置にある２個ずつがそれぞれペアを形
   成し、各ペアを形成する２つの微小圧電素子が電気的に
   接続されていることを特徴とする超音波探触子。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれかに記載の超音波
   探触子において、 前記各微小圧電素子の送信パルスに対し、前記厚み方向
   について両端側ほど小さくなる重み付けを行うことを特
   徴とする超音波探触子。