JPH11318895A - 超音波送波方法、超音波受波方法、超音波プローブおよび超音波撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 実用的な感度と超音波周波数の高周波化が両
立する超音波送波方法、超音波受波方法および超音波プ
ローブ、並びに、そのような超音波プローブを備えた超
音波撮像装置を実現する。 【解決手段】 超音波の送受波用に、ニオブ酸カリウム
単結晶を圧電材料とする超音波トランスデューサ３０２
を用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波送波方法、
超音波受波方法、超音波プローブおよび超音波撮像装置
に関し、特に、単結晶の圧電材料を超音波トランスデュ
ーサ(transducer)として用いる超音波送波方法、超音波
受波方法、超音波プローブおよび超音波撮像装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】超音波撮像装置は、被検体に超音波を送
波しエコー(echo)に基づいて被検体の内部状態を画像化
するようになっている。超音波の送受波には超音波プロ
ーブ(probe) が用いられる。超音波プローブ内では、超
音波トランスデューサが、送信回路から与えられる電気
信号で駆動されて超音波を送波し、また、エコーを受波
して電気信号に変換する。超音波トランスデューサは、
例えばＰＺＴ（チタン(Ti)酸ジルコン(Zr)酸鉛(Pb)）セ
ラミックス(ceramics)等の圧電材料で構成される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ＰＺＴセラミックスで
は、粒界の平均径（グレインサイズ(grain size)）が２
〜３μｍ程度であり、このため、超音波トランスデュー
サを微素子化する場合、エレメント(element) の寸法は
１０μｍ程度が限界となる。このため、動作周波数の高
周波化が制約されるという問題があった。

【０００４】水晶、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ
３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３) 等の単結晶
圧電材料はグレインサイズの問題がないので、微素子化
すなわち高周波化の点では都合が良いが、電気機械結合
係数Ｋが小さいために感度が低く、超音波の送波または
受波用の超音波トランスデューサとしては使用に耐えな
い。

【０００５】本発明は上記の問題点を解決するためにな
されたもので、その目的は、実用的な感度と超音波周波
数の高周波化が両立する超音波送波方法、超音波受波方
法および超音波プローブ、並びに、そのような超音波プ
ローブを備えた超音波撮像装置を実現することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】（１）課題を解決するた
めの第１の発明は、ニオブ酸カリウム単結晶を超音波ト
ランスデューサとして超音波の送波を行なう、ことを特
徴とする超音波送波方法である。

【０００７】（２）課題を解決するための第２の発明
は、ニオブ酸カリウム単結晶を超音波トランスデューサ
として超音波の受波を行なう、ことを特徴とする超音波
受波方法である。

【０００８】（３）課題を解決するための第３の発明
は、ニオブ酸カリウム単結晶からなる超音波トランスデ
ューサを具備することを特徴とする超音波プローブであ
る。（４）課題を解決するための第４の発明は、超音波
プローブを用いて超音波を送波しエコーに基づいて画像
を生成する超音波撮像装置であって、前記超音波プロー
ブが、ニオブ酸カリウム単結晶からなる超音波トランス
デューサ、を具備することを特徴とする超音波撮像装置
である。

【０００９】第１の発明乃至第４の発明のいずれか１つ
において、前記ニオブ酸カリウム単結晶は微素子化され
たものであることが、超音波の周波数を高周波化する点
で好ましい。

【００１０】（作用）本発明では、ニオブ酸カリウム単
結晶が、その圧電性により電気信号と音響信号間の相互
の信号変換を行ない、超音波の送受波を行なう。ニオブ
酸カリウム単結晶の電気機械結合係数はセラミック圧電
材料に匹敵し、また、単結晶であるため微素子化上の制
約がない。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。なお、本発明は実施の形態
に限定されるものではない。図１に超音波プローブの主
要部の模式的構成を示す。本プローブは本発明の超音波
プローブの実施の形態の一例である。本プローブの構成
によって、本発明の超音波プローブに関する実施の形態
の一例が示される。

【００１２】図１に示すように、本プローブ２は、超音
波トランスデューサアレイ３００を有する。超音波トラ
ンスデューサアレイ３００は、図におけるｘ方向に配列
した複数個（例えば１２８個）の超音波トランスデュー
サ３０２によって構成される。超音波トランスデューサ
３０２は、本発明における超音波トランスデューサの実
施の形態の一例である。なお、超音波トランスデューサ
への符号付けは１箇所で代表する。

【００１３】超音波トランスデューサ３０２は、ニオブ
酸カリウム（ＫＮｂＯ３）の単結晶板から切り出されて
構成される。ニオブ酸カリウム単結晶板は圧電材料であ
り、その電気機械結合係数ｋ33もしくはｋt の値は０．
５程度である。これはＰＺＴセラミックス圧電材料の電
気機械結合係数の値と同等であり、したがって、超音波
の送受波の感度は同等である。

【００１４】超音波トランスデューサ３０２は、直方体
状（いわゆる短冊形）に形成され、その３つの稜は図に
おける互いに垂直な３軸ｘ，ｙ，ｚの方向にそれぞれ一
致している。稜の長さは、ｙ方向が相対的に最も長く、
ｚ方向がそれに次ぎ、ｘ方向が相対的に最も短くなって
いる。圧電材料の分極の方向はｚ方向となっている。超
音波トランスデューサ３０２は、ｚ方向において互いに
対向する両端面が図示しない電極層でそれぞれ覆われて
いる。

【００１５】超音波トランスデューサアレイ３００は、
例えばポリイミド(polyimide) 等のプラスチックポリマ
ー(plastics polymer)からなるフィルム(film)５０２の
上に構成されている。なお、フィルム５０２は厚みを誇
張して描いてある。以下に述べる他のフィルムも同様で
ある。フィルム５０２は、複数の超音波トランスデュー
サ３０２に対応する複数の電気経路５０４を有する。な
お、電気経路への符号付けは１箇所で代表する。

【００１６】電気経路５０４には、超音波トランスデュ
ーサ３０２の一方の電極（図における下側の電極）が電
気的に接続されている。この電極が、超音波トランスデ
ューサ３０２のアクティブ電極となる。電気的接続には
例えば導電性接着剤等が用いられる。

【００１７】超音波トランスデューサ３０２の他方の電
極（図における上側の電極）は、例えばポリイミド等の
プラスチックからなるフィルム５０６で覆われている。
フィルム５０６の、超音波トランスデューサ３０２の電
極に接する側は金属層による導電面となっており、各電
極とは電気的に接続されている。電気的接続には例えば
導電性接着剤等が用いられる。フィルム５０６で覆われ
た電極は、超音波トランスデューサ３０２のコモン(com
mon)電極となる。なお、フィルム５０６もフィルム５０
２と同様な電気経路５０４を持つ構成としても良いのは
勿論である。

【００１８】フィルム５０２の、超音波トランスデュー
サアレイ３００に接する側とは反対側にバッキング部材
７０２が接している。バッキング部材７０２は、例えば
金属粉末入りのゴム(gum) 等の適宜の吸音材で構成され
る。バッキング部材７０２とフィルム５０２は接着等に
よって結合される。

【００１９】フィルム５０２はバッキング部材７０２の
一つの側面に沿って延在し、フィルム５０６は反対側の
側面に沿って延在している。なお、フィルム５０６が延
在する側には、フィルム５０６の導電面と超音波トラン
スデューサ３０２の側面との接触を防ぐ絶縁フィルム５
０８が設けられている。フィルム５０２，５０６の電気
経路ないし導電面は図示しない信号ケーブル(cable) に
それぞれ接続されている。

【００２０】次に、このような超音波トランスデューサ
の製造方法について説明する。図２に、製造工程の一例
のフロー図を示す。同図に示すように、工程Ｐ１におい
て、プラスチックフィルムの選択的炭化によるパターン
形成が行なわれる。選択的炭化は、プラスチックフィル
ムにレーザービーム(laser beam)を照射し、その熱エネ
ルギー(energy)でフィルムの分子構造に含まれる水素や
窒素等を蒸発させ炭素を残留させる処理である。このよ
うなプラスチックフィルムの選択的炭化は、例えば文献
Ｔ．ＩＥＥ Ｊａｐａｎ，ｖｏｌ．１１７−Ａ，Ｎ
ｏ．６，１９９７，ｐｐ６３８〜６４４の記載されてい
るように公知である。

【００２１】工程Ｐ１におけるプラスチックフィルムの
選択的炭化には、例えば図３に示すような装置が使用さ
れる。同装置は、試料台９０２上に載置されたフィルム
５０２にレーザー装置９０４からレーザービーム９０６
を照射するようになっている。レーザー装置９０４とし
ては、例えばエキシマレーザー(Exima laser) 装置が用
いられる。

【００２２】レーザービーム９０６の照射は、窒素ガス
(gas) 雰囲気中で行なうことが良好な炭化を行なう点で
好ましいが、それに限るものではなく、空気中で行なう
ことも可能である。レーザー装置９０４は制御装置９０
８により制御され、所定の照射条件でレーザービームを
出力する。照射条件は、例えば、波長１０６４ｎｍ、パ
ルス幅８ｎｓ、１パルス(pulse) 当たりのエネルギー２
４３ｍＪ、周波数１０Ｈｚである。

【００２３】フィルム５０２としては、例えばポリイミ
ドフィルムが利用される。フィルム５０２の厚みは、例
えば１２〜２５μｍの範囲から適宜に選択される。ポリ
イミドフィルムは、加熱分解による炭化が容易であり、
かつ結晶性の良好な炭素ないしグラファイト(grafite)
を生成する点で好ましいが、これに限るものではなく、
他の種類のポリマーフィルムを利用しても良いのは勿論
である。

【００２４】試料台９０２は、試料台送り装置９１０に
より図３の紙面に垂直な面内で２次元的に移送され、フ
ィルム５０２の表面にレーザースポット(laser spot)の
軌跡として、例えば図４に示すように炭化痕跡によるパ
ターンが描かれる。同図に示すように、炭化痕跡５０
４’が所定のピッチ(pitch) で複数本（例えば１２８
本）平行に描かれる。炭化痕跡５０４’の本数およびピ
ッチは、図１に示した超音波トランスデューサアレイ３
００における超音波トランスデューサ３０２の個数とピ
ッチに対応している。

【００２５】なお、炭化痕跡５０４’によるパターン形
成は、レーザービームの軌跡で描く代わりに、パターン
に相当するスリット(slit)を設けたマスク(mask)を用
い、それを通してレーザー光をフィルム５０２照射する
ようにしても良い。

【００２６】炭化痕跡５０４’は、図５にＡ−Ａ断面を
拡大して示すように、ポリイミドが加熱分解した後に残
った炭素で構成される。この炭素は結晶炭素ないしグラ
ファイトである。ポリマーを構成していた水素や窒素等
が蒸発したことにより、炭化痕跡５０４’は表面がやや
陥没する。

【００２７】炭化痕跡５０４’は導電性を有し、信号伝
達のための導電路ないし電気経路として利用することが
できる。炭化痕跡５０４’は、本発明における導電路な
いし電気経路の実施の形態の一例である。炭化痕跡５０
４’は、微細なパターンとして形成することが容易であ
る。このため、フレキシブルプリント板のパターンより
も遙かに高精細なパターンを容易に実現することができ
る。

【００２８】次に、工程Ｐ２において、パターンへの金
属メッキを行なう。金属メッキとしては、例えばワット
(watt)浴によるニッケル(Ni)メッキが採用される。すな
わち、炭化したパターンを一方の電極とし、ニッケルを
他方の電極として電解液中でメッキを行なう。これによ
って、パターン上にニッケルが付着してメッキが行なわ
れる。このようなニッケルメッキにより、炭化痕跡５０
４’の表面に保護層が形成される。

【００２９】また、ニッケルメッキの上に同様にして銅
メッキをも行なう。銅メッキによりパターンの導電性が
向上する。また、パターンのハンダ付け性が向上する。
このようなメッキによって金属層を付加することによ
り、例えば図６に示すように、炭化痕跡の表面の陥没が
埋まり、フィルム５０２の表面と同じ水準の表面を持つ
電気経路５０４が形成される。

【００３０】次に、工程Ｐ３において、上記のように加
工したフィルム５０２を用いてラミネーション(laminat
ion)を行なう。この工程では、例えば図７に示すよう
に、バッキング部材７０２の上にフィルム５０２を重
ね、その上にニオブ酸カリウム単結晶からなる圧電板３
００’を載せて、これら三者を接着して一体化（ラミネ
ート(laminate)）する。

【００３１】圧電板３００’は、予め図における上面と
下面にそれぞれ図示しない電極層が設けられ、かつ厚み
の方向（ｚ方向）に分極されている。圧電板３００’と
フィルム５０２との接着は導電性接着剤を用いて行なわ
れる。これによって、圧電板３００’の図における下面
の電極と電気経路５０４とが電気的に接続される。

【００３２】次に、工程Ｐ４において、圧電板３００’
のダイシング(dicing)を行なう。この工程では、上記の
ようにラミネートした構造体をダイシングマシン(dicin
g machine)にかけて、圧電板３００’を電気経路５０４
のパターンに対応したピッチでダイシングし、例えば図
８に示すように、超音波トランスデューサ３０２が個々
に分離された超音波トランスデューサアレイ３００を形
成する。このときダイシングの深さは、バッキング部材
７０２に達する程度とするのが、個々の超音波トランス
デューサ３０２の独立性を確実にする点で好ましい。

【００３３】これによって、フィルム５０２上の電気経
路５０４の高精細なパターンに対応して微素子化された
超音波トランスデューサ３０２を有する超音波トランス
デューサアレイ３００が形成される。圧電板３００’が
単結晶板なので、微素子化は例えばサブミクロン(submi
cron) 領域の寸法まで可能である。したがって、これに
よって、超音波の周波数の超高周波化を実現することが
できる。

【００３４】次に、工程Ｐ５において、プローブの組み
立てを行なう。この工程では、超音波トランスデューサ
アレイ３００の図における上面に導電層を有するフィル
ムを接着して図１に示したような構造体を形成し、これ
に、以下、フィルム５０６上への音響インピーダンスマ
ッチング(impedance matching)層や音響レンズ(lens)等
の取り付け、信号線の配線、ケース(case)への組み込み
等の作業を行なう。

【００３５】なお、超音波プローブの用途によっては、
圧電板３００’のダイシングを行なわなくても良く、ま
た、ダイシングを圧電板３００’の厚みの半分程度に止
めるようにしても良い。

【００３６】図９に、上記のように構成された超音波プ
ローブを備えた超音波撮像装置のブロック(block) 図を
示す。本装置は、本発明の超音波撮像装置の実施の形態
の一例である。本装置の構成によって、本発明の装置に
関する実施の形態の一例が示される。本装置の動作によ
って、本発明の方法に関する実施の形態の一例が示され
る。

【００３７】同図に示すように、本装置は、超音波プロ
ーブ２を有する。超音波プローブ２は、本発明における
超音波プローブの実施の形態の一例である。超音波プロ
ーブ２は、上記のようにして構成されたものである。超
音波プローブ２は、被検体４に当接されて超音波の送受
波に使用される。

【００３８】超音波プローブ２は送受信部６に接続され
ている。送受信部６は、超音波プローブ２の超音波トラ
ンスデューサアレイ３００を駆動して超音波ビーム(bea
m)を送信し、また、超音波トランスデューサアレイ３０
０が受波したエコーを受信するものである。

【００３９】送波超音波ビームの方位は、超音波トラン
スデューサアレイ３００における送波アパーチャ内の個
々の超音波トランスデューサ３０２を駆動する時間差に
より設定することができ、この方位を順次切り換えるこ
とにより音線順次の走査を行なうことができる。

【００４０】エコー受波の方位は、超音波トランスデュ
ーサアレイ３００における受波アパーチャ内の個々の超
音波トランスデューサ３０２の受信信号を加算する時間
差で設定することができ、この方位を順次切り換えるこ
とにより音線順次の受波の走査を行なうことができる。

【００４１】これにより、送受信部６は、例えば図１０
に示すような走査を行なう。すなわち、放射点２００か
らｚ方向に延びる超音波ビーム（音線）２０２が扇状の
２次元領域２０６をθ方向に走査し、いわゆるセクタス
キャン(sector scan) を行なう。

【００４２】送波および受波のアパーチャを超音波トラ
ンスデューサアレイ３００の一部を用いて形成するとき
は、このアパーチャをアレイに沿って順次移動させるこ
とにより、例えば図１１に示すような走査を行なうこと
ができる。すなわち、放射点２００からｚ方向に発する
音線２０２が直線２０４上を移動することにより、矩形
状の２次元領域２０６がｘ方向に走査され、いわゆるリ
ニアスキャン(linearscan) が行なわれる。

【００４３】なお、超音波トランスデューサアレイ３０
０が、超音波送波方向に張り出した円弧に沿って形成さ
れたいわゆるコンベックスアレイ(convex array)である
場合は、リニアスキャンと同様な信号操作により、例え
ば図１２に示すように、音線２０２の放射点２００が円
弧２０４上を移動することにより、扇面状の２次元領域
２０６がθ方向に走査され、いわゆるコンベクススキャ
ンが行なえるのは言うまでもない。

【００４４】送受信部６はデータ(data)処理部８に接続
されている。データ処理部８には、送受信部６から、エ
コー受信信号がディジタルデータ(digital data)として
入力される。データ処理部８は、入力されたエコーデー
タを処理して画像生成等を行なうようになっている。

【００４５】データ処理部８は、図１３に示すように、
データ処理プロセッサ(processor)８０、エコーメモリ
(echo memory) ８２、データメモリ８４および画像メモ
リ８６を備えている。これらはバス(bus) ８８によって
接続されている。送受信部６から入力されたエコーデー
タは、エコーメモリ８２に記憶される。データ処理プロ
セッサ８０は、エコーデータに基づいて例えばＢモード
(mode)画像等を生成する。生成したＢモード画像等は画
像メモリ８６に記憶される。

【００４６】データ処理プロセッサ８０は、また、デー
タ処理によりエコーのドップラシフト(Doppler shift)
を抽出し、それに基づき例えば血流速度等の動態情報を
求めることも行なう。データメモリ８４はこのデータ処
理の過程で使用される。得られた動態情報を表示するた
めの画像等が画像メモリ８６に記憶される。

【００４７】データ処理部８には表示部１０が接続され
ている。表示部１０は、例えばグラフィックディスプレ
ー(graphic display) 等を用いて構成され、データ処理
部８の画像メモリ８６から入力された画像データに基づ
いて可視像を表示するようになっている。

【００４８】以上の送受信部６、データ処理部８および
表示部１０は制御部１２に接続されている。制御部１２
は、それら各部に制御信号を与えてその動作を制御する
ものである。また、被制御の各部から制御部１２に状態
報知信号や応答信号等が伝えられる。制御部１２の制御
の下で超音波撮像が実行される。

【００４９】制御部１２には操作部１４が接続されてい
る。操作部１４は操作者によって操作され、制御部１２
に所望の指令や情報を入力するようになっている。操作
部１４は、例えばキーボード(keyboard)やその他の操作
具を備えた操作パネル(pannel)で構成される。

【００５０】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、実用的な感度と超音波周波数の高周波化が両立す
る超音波送波方法、超音波受波方法および超音波プロー
ブ、並びに、そのような超音波プローブを備えた超音波
撮像装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の一例の超音波プローブの
主要部を示す模式図である。

【図２】本発明の実施の形態の一例の超音波プローブの
製造工程を示すフロー図である。

【図３】本発明の実施の形態の一例の超音波プローブの
製造工程で使用される装置のブロック図である。

【図４】本発明の実施の形態の一例の超音波プローブに
用いられるプラスチックフィルムの製造工程における状
態を示す模式図である。

【図５】本発明の実施の形態の一例の超音波プローブに
用いられるプラスチックフィルムの製造工程における状
態を示す模式図である。

【図６】本発明の実施の形態の一例の超音波プローブに
用いられるプラスチックフィルムの製造工程における状
態を示す模式図である。

【図７】本発明の実施の形態の一例の超音波プローブの
製造工程における状態を示す模式図である。

【図８】本発明の実施の形態の一例の超音波プローブの
製造工程における状態を示す模式図である。

【図９】本発明の実施の形態の一例の装置のブロック図
である。

【図１０】本発明の実施の形態の一例の装置による音線
走査の概念図である。

【図１１】本発明の実施の形態の一例の装置による音線
走査の概念図である。

【図１２】本発明の実施の形態の一例の装置による音線
走査の概念図である。

【図１３】本発明の実施の形態の一例の装置におけるデ
ータ処理部のブロック図である。

【符号の説明】

３００ 超音波トランスデューサアレイ ３０２ 超音波トランスデューサ ５０２ フィルム ５０４ 電気経路 ７０２ バッキング部材 ９０２ 試料台 ９０４ レーザー装置 ９０６ レーザービーム ２ 超音波プローブ ４ 被検体 ６ 送受信部 ８ データ処理部 １０ 表示部 １２ 制御部 １４ 操作部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ニオブ酸カリウム単結晶を超音波トラン
   スデューサとして超音波の送波を行なう、ことを特徴と
   する超音波送波方法。
2. 【請求項２】 ニオブ酸カリウム単結晶を超音波トラン
   スデューサとして超音波の受波を行なう、ことを特徴と
   する超音波受波方法。
3. 【請求項３】 ニオブ酸カリウム単結晶からなる超音波
   トランスデューサ、を具備することを特徴とする超音波
   プローブ。
4. 【請求項４】 超音波プローブを用いて超音波を送波し
   エコーに基づいて画像を生成する超音波撮像装置であっ
   て、 前記超音波プローブが、 ニオブ酸カリウム単結晶からなる超音波トランスデュー
   サ、を具備することを特徴とする超音波撮像装置。