JP2012142880A - 超音波振動子、超音波探触子ならびに超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電気特性と音響特性に優れた超音波振動子と、超音波振動子を備え、高解像度の画像を得ることができる超音波探触子およびこの超音波探触子を備えた超音波診断装置を提供する。
【解決手段】圧電セラミックの単板からなるモノリシック圧電材料の層と、圧電セラミックからなる複数の柱部と該柱部間の間隙を埋められた樹脂部からなるコンポジット圧電材料の層とを交互に複数積層する。
【選択図】図４

Description

本発明は、被検体に超音波を送受信して超音波画像を取得するための超音波探触子およびこの超音波探触子を備えた超音波診断装置に関する。

超音波は、通常、１６０００Ｈｚ以上の音波をいい、非破壊、無害及び略リアルタイムでその内部を調べることが可能なことから、欠陥の検査や疾患の診断等の様々な分野に応用されている。その一つに、被検体内を超音波で走査し、被検体内から来た超音波の反射波（エコー）から生成した受信信号に基づいて当該被検体内の内部状態を画像化する超音波診断装置がある。この超音波診断装置は、医療用では、他の医療用画像装置に較べて小型で安価であり、そしてＸ線等の放射線被爆が無く安全性が高いこと、また、ドップラ効果を応用した血流表示が可能であること等の様々な特長を有している。このため、超音波診断装置は、循環器系（例えば心臓の冠動脈等）、消化器系（例えば胃腸等）、内科系（例えば肝臓、膵臓及び脾臓等）、泌尿器系（例えば腎臓及び膀胱等）及び産婦人科系等で広く利用されている。

超音波診断装置には、被検体に対して超音波を送受信する超音波探触子が用いられている。超音波探触子は、圧電現象を利用することによって、送信の電気信号に基づいて機械振動して超音波を発生し、被検体内部で音響インピーダンスの不整合によって生じる超音波の反射波を受けて受信の電気信号を生成する複数の圧電素子（超音波振動子）を備え、これら複数の圧電素子が例えばアレイ状に配列されて構成されている。

現在、配列方向は１次元方向のみに配列された超音波探触子が主流ではあるが、１次元配列では１平面内でしか超音波ビームを形成できないため、任意の方向にビームを形成することが可能となる２次元配列の超音波探触子が求められている。

一方、超音波探触子の周波数帯域は時間方向、すなわち距離分解能への要求から、より短い超音波パルスを形成可能な帯域の広いものが要求されている。

特開２００２−１１２３９７号公報 特開２００８−２２２６６号公報

前述の複数の圧電素子を２Ｄマトリクスアレイ式に配列した超音波探触子を得るには、従来のアジマス方向のみならず，エレベーション方向にも超音波ビームを収束させる必要があるため、従来短冊形の直方体形状であった振動子をエレベーション方向で素子分割した小面積の振動子を形成する必要がある。

ところが振動子面積を小面積とすると、振動子の静電容量が低下すると共にインピーダンスが増大し、伝送線路の浮遊容量やインピーダンス不整合等により充分なＳＮ比で受信信号を得ることが出来なくなるという問題があった。

この問題を解決するため、探触子の振動子近傍に信号増幅器を組み込む等の方法も行われているが、発熱等の新たな問題を生ずるため、従来の１次元アレイ式同様にこれらを用いることなく使用可能な２Ｄマトリクスアレイ式超音波探触子が望まれている。

その方法の一つとして圧電材料の積層によりこれを解決する手段が特許文献１および特許文献２で開示されているが、これは同一種の圧電材料からなっており、広帯域な音響特性を得ることは難しく、良好な距離分解能が得られないという問題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、電気特性の課題だけでなく広帯域な音響特性に優れた超音波振動子と、この超音波振動子を備えた超音波探触子およびこの超音波探触子を備えた超音波診断装置を提供することを目的とする。

前述の目的は、下記に記載する発明により達成される。

１．超音波を送信または受信し、電気信号と超音波とを交互に変換可能な超音波振動子であって、
圧電セラミックの単板からなるモノリシック圧電材料の層と、圧電セラミックからなる複数の柱部と該柱部間の間隙を埋められた樹脂部とを備えるコンポジット圧電材料の層と、を交互に３層以上重ねられた積層と、
該積層の層間および両端に設けられた電極と、を有し、
互いに隣り合う圧電材料の層における離反側の電極は連結配線されていることを特徴とする超音波振動子。

２．前記モノリシック圧電材料からなる層と前記コンポジット圧電材料からなる層とが共振可能であることを特徴とする前記１に記載の超音波振動子。

３．前記１または２に記載の前記超音波振動子を備えることを特徴とする超音波探触子。

４．前記３に記載の前記超音波振動子を複数有し、該超音波振動子を同一平面上に一次元的または二次元的に配置する振動部を備えたことを特徴とする超音波探触子。

５．前記３または４に記載の前記超音波探触子を備えることを特徴とする超音波診断装置。

本発明は、圧電セラミックの単板からなるモノリシック圧電材料の層と、圧電セラミックからなる複数の柱部と該柱部間の間隙を埋められた樹脂部からなるコンポジット圧電材料の層とを交互に複数の積層をなすことにより、電気特性と音響特性に優れた超音波振動子と、超音波振動子を備え、高解像度の画像を得ることができる超音波探触子およびこの超音波探触子を備えた超音波診断装置を得ることが可能となる。

また、モノリシックとコンポジットの交互積層とすることにより、コンポジット圧電材料の広帯域性を生かしながら、コンポジット材料同士を積層する場合のような僅かな位置ずれによる性能バラツキを生じることなく、安定した特性を有する超音波探触子を得ることが可能となる。

超音波診断装置の外観構成を示す概要図である。 超音波診断装置の電気的な構成を示すブロック図である。 振動部４０の斜視図である。 積層型振動子４０ａの斜視図である。 ＰＺＴコンポジット４０ａ４の断面図である。 ＰＺＴコンポジット４０ａ４の製造方法を表した図である。 実施例１から３の確認結果の表である。 実施例１から３の確認結果のグラフである。

以下に本発明の実施形態を図面により説明するが、本発明は以下に説明する実施形態に限られるものではない。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。

図１は、実施形態に係る超音波診断装置の外観構成を示す概要図である。図２は、実施形態に係る超音波診断装置の電気的な構成を示すブロック図である。

超音波診断装置Ｓは、図１及び図２に示すように、図略の生体等の被検体Ｈに対して超音波を送信すると共に、被検体Ｈで反射した超音波の反射超音波を受信する超音波探触子２と、超音波探触子２とケーブル３を介して接続され、超音波探触子２へケーブル３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２に被検体Ｈに対して超音波を送信させると共に、超音波探触子２で受信された被検体Ｈ内からの反射超音波に応じて超音波探触子２で生成された電気信号の受信信号に基づいて被検体Ｈ内の内部状態を超音波画像として医用画像に画像化する超音波診断装置本体１とを備えて構成される。

超音波診断装置本体１には、超音波探触子２を使用しない時に、超音波探触子２を保持させておく超音波探触子フォルダ４が備えられている。

超音波診断装置本体１は、例えば、図２に示すように、操作入力部１１と、送信部１２と、受信部１３と、受信信号処理部１４と、画像処理部１５と、表示部１６と、制御部１７と、記憶部１９と、送信信号処理部１８と、を備えて構成されている。

操作入力部１１は、例えば、診断開始を指示するコマンドや被検体Ｈの個人情報等のデータを入力するものであり、例えば、複数の入力スイッチを備えた操作パネルやキーボード等である。

送信信号処理部１８は、制御部１７の制御に従って、振動部４０を駆動する電気信号の送信信号を生成する機能を有する回路である。振動部４０は二次元的に配置した複数の超音波振動子を有し、送信信号は隣接する振動子に一定の遅れ時間をもって順次連続的に生成されている。

送信部１２は、送信信号処理部１８が生成した電気信号を増幅し、超音波探触子２内の振動部４０へ、ケーブル３を介して送信信号を供給し、超音波探触子２に超音波を発生させる。送信部１２は、例えば、高電圧のパルスを生成する高圧パルス発生器等を備えて構成される。

受信部１３は、制御部１７の制御に従って、超音波探触子２内の振動部４０からケーブル３を介して電気信号の受信信号を受信する回路であり、この受信信号を受信信号処理部１４へ出力する。受信部１３は、例えば、受信信号を予め設定された所定の増幅率で増幅する増幅器、及び、この増幅器で増幅された受信信号をアナログ信号からデジタル信号へ変換するアナログ−デジタル変換器等を備えて構成される。

送信部１２からの送信信号で振動部４０の超音波振動子が超音波を発振した後に、隣接する振動子で反射波を受信し、受信部１３へ受信信号を出力する。この動作が振動部４０の配列された超音波振動子に対して、列ごとに短時間に順次実行し、超音波振動子は超音波と電気信号とを順次交互に変換可能となっている。

受信信号処理部１４は、制御部１７の制御に従って、受信部１３からの電気信号に、所定の信号処理を施す回路であり、その信号処理した反射受信信号を画像処理部１５へ出力する。

画像処理部１５は、制御部１７の制御に従って、受信信号処理部１４で信号処理された反射受信信号に基づいて、ハーモニックイメージング技術等を用いて被検体Ｈ内の内部状態の超音波画像を生成する回路である。また、例えば、反射受信信号に対して包絡線検波処理を施すことにより、反射超音波の振幅強度に対応したＢモード信号を生成する。

記憶部１９はＲＡＭやＲＯＭで構成され、制御部１７に用いられるプログラムが記録され、また、表示部１６で表示する各種画像のテンプレートが記録されている。

制御部１７は、例えば、マイクロプロセッサ、記憶素子及びその周辺回路等を備えて構成され、これら操作入力部１１、送信部１２、受信部１３、受信信号処理部１４、画像処理部１５、表示部１６、送信信号処理部１８、記憶部１９を当該機能に応じてそれぞれ制御することによって超音波診断装置Ｓの全体制御を行う回路である。

表示部１６は、制御部１７の制御に従って、画像処理部１５で生成された超音波画像を表示する装置である。表示部１６は、例えば、ＣＲＴディスプレイ、ＬＣＤ、ＥＬディスプレイ及びプラズマディスプレイ等の表示装置やプリンタ等の印刷装置等である。

ここからは本発明の圧電セラミックスの単板からなるモノリシック圧電材料と、圧電セラミックからなる複数の柱部と該柱部間の間隙を埋められた樹脂部からなるコンポジット圧電材料とを交互に複数を積層し、積層の層間および両端に電極を備えた積層型超音波振動子と、積層型超音波振動子を用いた探触子について説明する。

図３は積層型振動子４０ａを同一平面上に二次元的に配置した振動部４０の斜視図である。

支持部材であるバッキング層４０ａ８上には、複数の積層型振動子４０ａが一定の間隔を空けてマトリックス状に配列されている。

バッキング層４０ａ８は超音波を吸収する材料から構成された平板状の部材であり、積層型振動子４０ａからバッキング層４０ａ８方向へ放射される超音波を吸収するものである。

図示では４×７のマトリックスを示しているが、この配列に限定されるものではない。

図４は積層型振動子４０ａの斜視図である。上段から第２音響整合層４０ａ１、第１音響整合層４０ａ２、第１電極４０ａ３、ＰＺＴコンポジット４０ａ４、第２電極４０ａ６、ＰＺＴモノリシック４０ａ５、第１電極４０ａ３、ＰＺＴコンポジット４０ａ４、第２電極４０ａ６、反射層４０ａ７の積層をなしている。また、図示しない保護層があってもよい。

コンポジット圧電材料であるＰＺＴコンポジット４０ａ４とモノリシック圧電材料であるＰＺＴモノリシック４０ａ５は同様の共振周波数を有し、互いに共振可能であることにより各々の電極部が超音波振動の節部または腹部となり、積層型の構造のメリットを生かした、大きな出力を得ることができる。

音波は界面での媒質の音響インピーダンスＺ（密度×音速）の差が大きいと反射率が高くなって音波が放射されないため、圧電材料と被検体（例えば生体）の間を音響整合層で段階的に音響インピーダンスを変化させて音波の透過率を上げるための音響整合層を設け、第１音響整合層４０ａ２では樹脂にタングステンを添加（密度・音速アップ）することにより、やや圧電材料寄りの音響インピーダンスとし、その上層（生体側）の第２音響整合層４０ａ１は樹脂のみで形成することにより生体寄りの音響インピーダンスにして階段状に繋いでいる。

第１電極４０ａ３と第２電極４０ａ６は、圧電材料であるＰＺＴコンポジット４０ａ４およびＰＺＴモノリシック４０ａ５の厚さ方向に交互に積層して配置した構造をしている。

第１電極４０ａ３は圧電材料の第１層目であるＰＺＴコンポジット４０ａ４の上面に接し、第２層目のＰＺＴモノリシック４０ａ５の下面に接している。同様に第２電極４０ａ６は第２層目のＰＺＴモノリシック４０ａ５の上面に接し、第３層目のＰＺＴコンポジット４０ａ４の下面に接している。

このように圧電材料の積層の層間および両端に電極を持ち、互いに隣り合う圧電材料の積層において、離反側の電極が連結配線された構造をなしている。

圧電材料の上部部材（整合層がこれに相当）および下部部材（バッキング層がこれに相当）ともに音響インピーダンスが圧電材料より低く、圧電材料の共振モードはλ／２共振（上部／下部とも自由端振動）となる。そのために圧電材料である第３層目のＰＺＴコンポジット４０ａ４とバッキング層４０ａ８間に、圧電材料より高い音響インピーダンスを持つタングステンカーバイド材料とする反射層４０ａ７をもうけることにより、共振モードはλ／４共振（上部自由端、下部固定端）となることに加え、従来バッキング側に放射され、バッキング層で吸収して熱として排出されていた音波のエネルギーの多くが前面に放射されるようになって、音響強度（感度）が約２倍となる効果がでる。

図５ａは第１層目と第３層目に設けられたＰＺＴコンポジット４０ａ４の図４で示すＡ方向からの水平方向の断面図である。また図５ｂは垂直方向の断面図である。

ＰＺＴ柱部４０ａ４１は柱状をなし、ＰＺＴ柱部４０ａ４１の夫々が隣り合う空間にはエポキシ樹脂を材料とする樹脂部４０ａ４２が充填され、板状の圧電材料をなしている。

このように圧電部を積層することで静電容量が確保でき、被検体からみた２Ｄマトリクスアレイ式の圧電部の小面積化による容量低下が招く探触子（振動子）と診断装置間の伝送線路浮遊容量の影響を受けやすい問題を回避することができる。

図６はＰＺＴコンポジット４０ａ４の製造方法の一例を表した図である。

図６に示すようにＰＺＴ単板２００を切断用基板１００に仮接着を行い、ダイアモンドカッターなどで切断線ｙ１、ｙ２、ｙ３および切断線ｘ１、ｘ２からｘ５とダイシングし、切断溝にセラミック樹脂等を充填し固化させる。その後、仮接着した切断用基板を取り外して、ＰＺＴコンポジット４０ａ４の圧電材料を得る。

以下、本発明を実施例により説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

（実施例１）
第２音響整合層４０ａ１にエポキシ樹脂を材料とし、厚さは１８０μｍ、第１音響整合層４０ａ２はエポキシ樹脂にタングステンを添加したものを厚さ１２０μｍ積層する。第１層および第３層の圧電材料は、図５ａで示す断面の断面積全体に対するＰＺＴの断面積が占める割合である占積率を７６％としたＰＺＴコンポジット、第２層の圧電材料はＰＺＴの占積率を１００％としたＰＺＴモノリシックを夫々２８０μｍの厚さで積層する。反射層４０ａ７はタングステンカーバイドを材料とし、厚さ５０μｍで積層し、支持部材であるバッキング層にフェライトゴム（スピネルフェライト質量８５％）を用いる。

（実施例２）
圧電材料層の第１層および第３層にＰＺＴの占積率を１００％としたＰＺＴモノリシックを用い、圧電材料層の第２層にＰＺＴの占積率を７６％としたＰＺＴコンポジットを用いる。圧電材料層の厚みは実施例１と同様である。

また、第２音響整合層４０ａ１、第１音響整合層４０ａ２、反射層４０ａ７、バッキング層それぞれの材料および厚みは実施例１と同様である。

（実施例３）
圧電材料層の第１層および第３層にＰＺＴの占積率６８％としたＰＺＴコンポジット、第２層ＰＺＴに占積率を１００％としたＰＺＴモノリシックを用いた。圧電材料層の厚みは実施例１および２と同様である。

また、第２音響整合層４０ａ１、第１音響整合層４０ａ２、反射層４０ａ７、バッキング層それぞれの材料および厚みは実施例１および２と同様である。

以下、積層型超音波振動子の実施例１から３の確認結果を図７の表および図８のグラフで示す。

比較確認のために圧電材料層の第１層、第２層および第３層にＰＺＴの占積率を１００％としたＰＺＴモノリシックを用いた。圧電材料層の厚みは実施例と同様であり、第２音響整合層４０ａ１、第１音響整合層４０ａ２、反射層４０ａ７、バッキング層それぞれの材料および厚みは実施例と同様である。

測定方法は鏡面鉄板反射による送受信感度の測定を実施した。

比較例では−４８ｄＢの最大感度であったが、実施例１および２では３ｄＢの感度アップが得られ、実施例３では１ｄＢの感度ダウンとなった。

また、図８の比較例および実施例１から３の夫々のグラフのピーク値に対して、−６ｄＢ以上の周波数範囲のｆＬ（下限周波数）、ｆＨ（上限周波数）、（ｆＬ＋ｆＨ）／２で表されるｆＣ（中心周波数）から有効な帯域幅を比較すると、実施例１および３では１．７９ＭＨｚ（５．３４−３．５５）、実施例２では１．５３ＭＨｚ（５．２２−３．６９）が得られ、比較例の１．３７ＭＨｚ（５．１２−３．７５）に比べ広帯域になっている。

同様に周波数帯域率ＢＷ（％）＝（ｆＨ−ｆＬ）／ｆＣ × １００は、比較例の３１％に対して、実施例１および３では４０％、実施例２では３４％と広い帯域率が得られた。

このようにコンポジット圧電材料とモノリシック圧電材料を交互に積層した積層型超音波振動子では感度や周波数帯域に優れ、特にＰＺＴ占積率が７６％のコンポジット圧電材料を第１層および第３層に備え、第２層にモノリシック圧電材料を備えた超音波振動子では大幅な改善を図ることができることが確認された。なお、ＰＺＴ占積率は７６％に限定されるものではない。

このようなコンポジット圧電材料とモノリシック圧電材料を交互に積層した積層型超音波振動子では電気特性と音響特性に優れ、積層型超音波振動子備えることで、高解像度の画像を得ることができる超音波探触子およびこの超音波探触子を備えた超音波診断装置を得ることが可能となる。

１ 超音波診断装置本体
２ 超音波探触子
３ ケーブル
４ 超音波プローブフォルダ
１１ 操作入力部
１２ 送信部
１３ 受信部
１４ 受信信号処理部
１５ 画像処理部
１６ 表示部
１７ 制御部
１８ 送信信号処理部
１９ 記憶部
４０ 振動部
４０ａ 積層型振動子
４０ａ１ 第２音響整合層
４０ａ２ 第１音響整合層
４０ａ３ 第１電極
４０ａ４ ＰＺＴコンポジット
４０ａ５ ＰＺＴモノリシック
４０ａ６ 第２電極
４０ａ７ 反射層
４０ａ８ バッキング層
４０ａ４１ ＰＺＴ柱部
４０ａ４２ 樹脂部
Ｈ 被検体
Ｓ 超音波診断装置

Claims (5)

1. 超音波を送信または受信し、電気信号と超音波とを交互に変換可能な超音波振動子であって、
   圧電セラミックの単板からなるモノリシック圧電材料の層と、圧電セラミックからなる複数の柱部と該柱部間の間隙を埋められた樹脂部とを備えるコンポジット圧電材料の層と、を交互に３層以上重ねられた積層と、
   該積層の層間および両端に設けられた電極と、を有し、
   互いに隣り合う圧電材料の層における離反側の電極は連結配線されていることを特徴とする超音波振動子。
2. 前記モノリシック圧電材料からなる層と前記コンポジット圧電材料からなる層とが共振可能であることを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子。
3. 請求項１または２に記載の前記超音波振動子を備えることを特徴とする超音波探触子。
4. 請求項３に記載の前記超音波振動子を複数有し、該超音波振動子を同一平面上に一次元的または二次元的に配置する振動部を備えたことを特徴とする超音波探触子。
5. 請求項３または４に記載の前記超音波探触子を備えることを特徴とする超音波診断装置。

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