JPH06121390A - 超音波探触子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 被検部までの距離に応じて共振周波数を大き
く変化させることができるとともに、歪みのない超音波
波形を得ることができ、近距離から遠距離まで高い指向
性と高分解能を得ることができる広帯域の超音波探触子
を提供する。 【構成】 チタン酸ジルコン酸鉛系（ＰＺＴ）のセラミ
ック材料等により形成された２種類の振動子１１、１２
が、スライス方向およびアレイ方向の２次元方向に沿っ
て配列されている。一方の振動子１１の開口幅（Ｗ₁ ）
と厚さ（Ｔ）との関係は、Ｗ₁ ／Ｔ＞３であり、他方の
振動子１２の開口幅（Ｗ₂ ）と厚さ（Ｔ）との関係は、
Ｗ₂ ／Ｔ≦０．３となっている。振動子１１はスライス
方向の中央部Ａに配設され、この振動子１１の外側部Ｂ
に複数の振動子１２が等ピッチで分割して配設されてい
る。また、配列のアレイ方向には、これら振動子１１、
１２が等ピッチで配設されている。配列の中央部Ａでは
厚み振動モードとなり、外側部Ｂでは縦振動モードとな
り、中央部Ａの共振周波数は外側部Ｂのそれに比べて高
くなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波を用いて被検体
内部を計測し断層像を得る超音波診断装置用の超音波探
触子に関する。

【０００２】

【従来の技術】生体等の被検体に超音波を放射して、被
検体内部を計測あるいは画像化する超音波診断装置にお
いては、超音波の到達深度は超音波の周波数が高い程浅
く、低い程深くなる。そのため、診断に必要とされる十
分な深度を得るためには、１台の装置に深部用から浅部
用まで複数のプローブを準備し、診断領域に適応したプ
ローブをその都度交換する繁雑な作業が必要であった。
したがって浅部から深部まで１本の探触子で高分解能な
画像を得ることができれば、探触子の交換が不要とな
り、診断上も極めて有効になる。そのため超音波探触子
においては、低周波から高周波まで送信可能になるよう
に広帯域な探触子が望まれている。

【０００３】このような広帯域なものとして、従来、図
１２に表すように、スライス方向に厚さの異なった複数
の振動子３０₁ 、３０₂ 、３０₃ を配列した超音波探触
子がある。この探触子では、振動子３０₁ 〜３０₃ の背
面側に段差が形成され、それぞれ個別電極３１を介して
背面材３２が設けられている。一方、振動子３０₁ 〜３
０₃ の音響放射面側は同一平面に形成され、その面上に
共通電極３３が設けられている。この超音波探触子は、
共振周波数の振動子の厚さに対する依存性を利用したも
のである。

【０００４】また、図１３に表すように、アレイ方向に
幅の異なった振動子４０₁ 、４０₂、４０₃ 群を複数組
配列した超音波探触子も知られている。この探触子で
は、振動子の幅と厚みの比に対する共振周波数の依存性
を利用している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述の従
来の超音波探触子では、それぞれ次のような問題があっ
た。まず、厚さの異なった複数の振動子３０₁ 〜３０₃
を複数配列した超音波探触子では、音響放射面を同一平
面にするため、背面材３２側に段差部が形成されてしま
う。そのため背面材３２の加工など難しい製造工程が必
要となる。これに対して、幅の異なった振動子４０₁ 〜
４０₃ 群を複数組配列した超音波探触子では、厚みの均
一な平板状の圧電体を幅が異なるようにダイシングソー
などの方法により分割するだけでよいので、前者に比べ
て製造も容易である。

【０００６】しかしながら、このようなアレイ探触子の
場合、アレイ方向のピッチが大きくなり波長以上になる
と、超音波の指向性が劣化する。このため、実用上はこ
のピッチを小さくするために、振動子４０₁ 〜４０₃ の
開口幅をＷ、厚さＴとすると、Ｗ／Ｔ＜３となるように
しなければならない。ところが、Ｗ／Ｔ＝３付近では、
図７に表すように、振動子の厚み方向の基準振動モード
に、不要な幅方向の振動モードが干渉してくるために、
送受信される超音波波形の歪みも大きくなる。このた
め、共振周波数を大きく変化させることが難しいという
問題があった。

【０００７】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
ので、その目的は、製造が容易であり、しかも被検部ま
での距離に応じて共振周波数を大きく変化させることが
できるとともに、歪みのない超音波波形を得ることがで
き、近距離から遠距離まで高い指向性と高分解能を得る
ことができる広帯域の超音波探触子を提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、複数の振動子
を互いに直交する２つの方向に沿って２次元状に配列し
た超音波探触子において、前記２つの方向の少なくとも
１方向の振動子の開口幅Ｗとその厚さＴとの比Ｗ／Ｔ
を、配列の中央部の振動子ではＷ／Ｔ＞３、好ましくは
Ｗ／Ｔ≧１０とし、この振動子の外側部の振動子ではＷ
／Ｔ≦０．３としたものである。

【０００９】このような構成とすることにより本発明の
超音波探触子では、配列の中央部での共振周波数が高
く、外側部での共振周波数が低くなるとともに、不要振
動が現われることがなく、歪みのない超音波波形を得る
ことができる。したがって、近距離においては振動子の
中央部、遠距離においては外側部を使用することによ
り、近距離から遠距離まで高い指向性と高分解能を得る
ことができる。

【００１０】以下、この超音波探触子の動作原理につい
て説明する。厚み方向の振動を利用した矩形状の振動子
においては、開口幅（Ｗ）と厚さ（Ｔ）との比が、Ｗ／
Ｔ＞１の場合は厚み振動モード、Ｗ／Ｔ＜１の場合は縦
振動モードで振動し、各々のモードにおける共振周波数
（Ｆ）は周波数定数（Ｎ_t ，Ｎ₃₃）／厚さ（ｔ）によっ
て決定される。周波数定数は縦振動モードの方が低くな
ることは既に知られている。表１に市販されているセラ
ミック振動子（チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックス）
の周波数定数の例を示す。

【００１１】

【表１】

【００１２】

【００１３】また、表２は、表１のチタン酸ジルコン酸
鉛系セラミックスを用いた振動子の厚さを０．３ｍｍと
した場合の共振周波数の理論値と実測値とを表すもので
ある。これによれば、実測値と理論値はよく一致してい
ることが判る。さらに、縦振動モードでは、厚み振動モ
ードに比較して周波数定数が約３０％小さくなるため、
同じ厚さでは共振周波数が低くなることになる。図６な
いし図８は表１、２の振動子においてＷ／Ｔ＝１０、Ｗ
／Ｔ＝３、Ｗ／Ｔ＝０．３とした場合の、アドミタンス
−周波数特性を示したものである。前述のようにＷ／Ｔ
＝３の場合では、基準振動の他に不要振動が多く現われ
ているため、超音波波形の歪みが大きくなるが、Ｗ／Ｔ
＝１０およびＷ／Ｔ＝０．３とした場合では基準振動の
み現われており、歪みの少ない超音波波形が得られるこ
とが判る。

【００１４】また、超音波診断装置においては、生体の
浅部から深部まで良好な画像を得るために、超音波の指
向性を均一にする必要がある。そのため、周波数が低い
ほど開口幅を広くする、すなわちＷ／Ｔを大きくするこ
とが望ましい。

【００１５】

【表２】

【００１６】

【００１７】また、本発明による超音波探触子では、前
記各振動子の両主面をそれぞれ分割するようにしてもよ
く、また前記各振動子の一方の主面を共通とし、他方の
主面のみを分割して２次元状配列とし、前記共通の主面
上に共通電極を形成する態様としてもよい。このような
構成とすることにより、各振動子の一方の主面に共通電
極を形成する工程において、この共通電極を振動子の分
割されていない側の主面に形成することができるため、
製造が容易となる。

【００１８】さらに本発明の超音波探触子では、前記振
動子の音響放射面に少なくとも１層の音響整合層を設
け、この音響整合層の前記配列の中央部に対応する部分
の厚さと、前記配列の外側部に対応する部分の厚さを、
各部の共振周波数の違いに応じて異ならせるものであ
る。たとえば、音響整合層の前記配列の外側部に対応す
る部分の厚さを、前記配列の中央部に対応する部分の厚
さに比べて、前記振動子の共振周波数における前記音響
整合層内での波長の１／４だけ厚くなるように設定する
ことにより、音響整合層を有効に利用することができ、
超音波波形の短パルス化と高感度化を図ることができ
る。なお、この音響整合層は１層に限らず、多層構造と
することにより、より特性が向上する。

【００１９】また、本発明の超音波探触子では、前記２
つの方向の少なくとも１方向の配列面を曲面状に形成
し、この曲面に沿って前記振動子を配列させる構成とし
てもよい。曲面としては、凸面または凹面があり、凸面
上に振動子を配列した場合には、狭い開口から広い視野
を得ることができるとともに、生体と探触子との密着性
が高まる。一方、凹面上に振動子を配列した場合には、
スライス方向の超音波のフォーカスを行うことができる
という利点がある。

【００２０】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。

【００２１】図１および図２は、本発明の一実施例に係
わる超音波探触子の構造を表すものである。この超音波
探触子１は、圧電材料たとえばチタン酸ジルコン酸鉛系
（ＰＺＴ）のセラミック材料により形成された２種類の
振動子１１、１２を、スライス方向およびアレイ方向の
２次元方向に沿って複数個配列したものである。振動子
１１と振動子１２は平板状に形成され、かつ互いに厚さ
が同じで開口幅が異なるように形成されている。

【００２２】一方の振動子１１の開口幅（Ｗ₁ ）と厚さ
（Ｔ）との関係は、たとえばＷ₁ ／Ｔ＝１０であり、他
方の振動子１２の開口幅（Ｗ₂ ）と厚さ（Ｔ）との関係
は、たとえばＷ₂ ／Ｔ＝０．３となっている。振動子１
１はスライス方向の中央部Ａに配設され、この振動子１
１の外側部Ｂに複数の振動子１２が等ピッチで分割して
配設されている。また、配列のアレイ方向には、これら
振動子１１、１２が等ピッチで配設されている。

【００２３】２次元状に配設された振動子１１、１２の
一方の主面側には共通電極１３が設けられ、これら振動
子１１、１２を互いに電気的に接続させている。さらに
この共通電極１３の背面には背面材１４が設けられてい
る。また、振動子１１、１２の他方の主面側（音響放射
面側）にはそれぞれ個別電極１５が設けられている。。

【００２４】このような構成により本実施例の超音波探
触子１においては、中央部Ａでは、振動子１１の開口幅
（Ｗ₁ ）と厚さ（Ｔ）との関係がＷ₁ ／Ｔ＝１０である
ため、厚み振動モードとなる。一方、外側部Ｂでは、振
動子１２の開口幅（Ｗ₂ ）と厚さ（Ｔ）との関係がＷ₂
／Ｔ＝０．３であるために縦振動モードとなる。したが
って、共振周波数は中央部Ａにおける振動子１１が高
く、外側部Ｂにおける振動子１２が低くなる。また、前
述の図６ないし図８の説明からも明らかなように、不要
振動が現われることもないので、歪みのない超音波波形
を得ることができる。

【００２５】また、本実施例の超音波探触子１では、Ｗ
₂ ／Ｔ＝０．３となる振動子１２が振動子１の両側に複
数配列されているので、超音波の受信感度が高くなり、
超音波の到達深度をより遠距離にできる。

【００２６】上記実施例では、振動子１１、１２の材料
としてそれぞれチタン酸ジルコン酸鉛系（ＰＺＴ）のセ
ラミック材料を用いているので、振動子１１、１２の厚
さをＴ＝０．３８ｍｍとすれば、共振周波数は、厚み振
動モードとなるスライス方向の中央部Ａでは５ＭＨｚと
なり、一方、縦振動モードとなる外側部Ｂでは３．５Ｍ
Ｈｚとなる。一般的に腹部領域の診断に使用している周
波数は３．５ＭＨｚから５ＭＨｚであるから、この周波
数の組み合わせは極めて有用である。

【００２７】図３は本発明の他の実施例に係わる超音波
探触子２の構成を表すものである。ここで、図１および
図２と同一構成部分については、同一符号を付してその
説明を省略する。

【００２８】本実施例では、振動子１１、１２は一方の
主面側（音響放射面側）は一体化され共通化されてお
り、他方の主面側をスライス方向に複数に分割した構成
となっている。アレイ方向には等ピッチに配設されるこ
とは、上記実施例と同様である。振動子１１、１２の一
方の主面側（音響放射面側）には共通電極１６が設けら
れている。また、分割された他方の主面側には個別電極
１７ａ、１７ｂが設けられている。なお、外側部Ｂにお
ける個別電極１７ｂは、複数の振動子１２間では共通に
形成されている。中央部Ａの個別電極１７ａおよび外側
部Ｂの電極１７ｂはそれぞれ外部の回路とリード電極１
８ａ、１８ｂを介して電気的に接続されている。なお、
振動子１１、１２の分割深さは、振動モードに影響のな
い範囲（少なくともＴ／２以上）で行うことが望まし
い。

【００２９】本実施例の超音波探触子２では、振動子１
１、１２の一方の主面側が一体化され、図１の実施例の
ように分割されていないため、共通電極１６の形成が極
めて容易になる。なお、共通電極１６および個別電極１
７ａ、１７ｂはそれぞれ、たとえばアルミニウム等の金
属を用いた蒸着法、印刷法やめっき法により形成するこ
とができる。

【００３０】また、振動子１１、１２の分割する側の主
面を、図４に表すように音響放射面側とし、背面材１４
側の主面を共通面として、この共通面に共通電極１６を
形成するようにしてもよい。

【００３１】図５は本発明のさらに他の実施例に係わる
超音波探触子３を表すものである。本実施例では、図１
の超音波探触子１の音響放射面側に共通電極１８を設
け、この共通電極１８上に音速Ｖなる音響整合層１９を
設けたものである。この音響整合層１９では、中央部Ａ
の振動子１１に対応する部分の共振周波数をｆ_A とすれ
ば、厚さがたとえばＶ・ｆ_A ／４であり、一方外側部Ｂ
の振動子１２に対応する部分の共振周波数をｆ_B とすれ
ば、厚さがたとえばＶ・ｆ_B ／４となっている。なお、
音響整合層１９は、たとえば樹脂、ガラス系材料により
形成され、振動子１１、１２と被検体（生体）との間で
音響的なインピーダンス整合がとれるように、その音
速、厚み、音響インピーダンス等のパラメータが調整さ
れている。

【００３２】本実施例の超音波探触子３では、中央部Ａ
の振動子１１の共振周波数が外側部Ｂの振動子１２に比
べて高くなっているため、それに合わせて音響整合層１
９の厚さを中央部Ａは薄く、外側部Ｂは厚く形成したも
のである。一般に、音響整合層を用いることにより、超
音波波形の短パルス化と高感度化を図ることができるこ
とは知られているが、このように共振周波数の大きさに
応じて厚さに差を設けることにより、音響整合層１９の
有効利用を図ることができる。音響整合層は、層の数が
多い程その効果も大きくなる。したがって本実施例にお
いても、音響整合層１９を複数の層により形成するよう
にすれば、さらに特性が改善されることになる。

【００３３】以上実施例を挙げて本発明を説明したが、
本発明は上記実施例に限定するものではなく、その要旨
を変更しない範囲で種々変更可能である。

【００３４】たとえば、上記実施例では、振動子１１、
１２の圧電材料としてそれぞれチタン酸ジルコン酸鉛系
（ＰＺＴ）のセラミック材料を用いているが、周波数定
数（Ｎ_t ，Ｎ₃₃）が異なる圧電材料であれば他の材料を
用いてもよい。このような圧電材料としては、チタン酸
バリウム系、チタン酸鉛系などの圧電材料がある。

【００３５】また、上記実施例においては、スライス方
向の振動子の開口幅と厚さとの比を、配列の中央部Ａと
その外側部Ｂにおいて異ならせるようにしたが、スライ
ス方向ではその比を一定とし、アレイ方向の比を異なら
せるようにしてもよい。さらに、スライス方向およびア
レイ方向の２方向に沿って、それぞれ振動子の開口幅と
厚さとの比を、中央部Ａとその外側部Ｂにおいて異なら
せるようにしてもよい。

【００３６】このようにアレイ方向の開口幅と厚さとの
比を異ならせた場合、およびアレイ方向とスライス方向
の２方向共に開口幅と厚さとの比を異ならせた場合の周
波数の変化量はスライス方向のみの開口幅と厚さを異な
らせた場合と同じである。ただし、このような構成とし
た場合には、上記実施例の探触子１〜３とは異なり、走
査方向（アレイ方向）のピッチが異なるため、電子リニ
ア型の走査とは異なり別の走査方法によらなければ、超
音波画像は得られない。このような場合には、たとえば
機械的な走査方法を用いることができる。

【００３７】図９は、アレイ方向とスライス方向の２方
向共に開口幅と厚さとの比を異ならせた場合の実施例を
表すものである。この探触子４では、中央部の振動子１
１のアレイ方向の幅をｗ₁ 、スライス方向の幅をＷ₁ 、
外側部の振動子１２のアレイ方向の幅をｗ₂ 、スライス
方向の幅をＷ₂ （＝ｗ₂ ）、また各振動子１１、１２の
厚さをＴとして、ｗ₁ ／Ｔ＞３、Ｗ₁ ／Ｔ＞３、ｗ₂ ／
Ｔ＝Ｗ₁ ／Ｔ≦０．３の関係に設定する。この探触子４
は、振動子１１が高周波部、この振動子１１を囲む振動
子１２が低周波部となり、機械的に移動させることによ
り超音波画像を得ることができる。

【００３８】上記実施例の探触子１〜４においては、各
振動子１１、１２をそれぞれ背面材１４の平面上に配列
するようにしたが、振動子１１、１２を凸面または凹面
のような曲面上に配列するような構成としてもよい。

【００３９】図１０は背面材１４にアレイ方向に凸面１
４ａを形成し、この凸面１４ａに沿って振動子１１、１
２を配列したものである。本実施例の探触子５はいわゆ
るコンベックスプローブであり、狭い開口部から広い視
野を得ることができるとともに、生体と探触子５との密
着性が高まるという利点がある。

【００４０】また、図１１は背面材１４にスライス方向
に凹面１４ｂを形成し、この凹面１４ｂに沿って振動子
１１、１２を配列したものである。本実施例の探触子６
においては、スライス方向の超音波のフォーカスを行う
ことができるという利点がある。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように請求項１ないし５記
載の超音波探触子によれば、２次元方向の少なくとも１
方向の振動子の開口幅Ｗと厚さＴとの比Ｗ／Ｔを、配列
の中央部の振動子ではＷ／Ｔ＞３、好ましくはＷ／Ｔ≧
１０とし、外側部の振動子ではＷ／Ｔ≦０．３としたの
で、中央部での共振周波数が高く、外側部での共振周波
数が低くなるとともに、不要振動が現われることがな
く、歪みのない超音波波形を得ることができる。したが
って、近距離においては振動子の中央部、遠距離におい
ては外側部を使用することにより、あるいは距離に応じ
て中央部と外側部を使い分けること等により近距離から
遠距離まで高い指向性と高分解能を得ることができ、広
帯域化を図ることができる。

【００４２】特に、請求項３記載の超音波探触子によれ
ば、前記各振動子の一方の主面を共通とし、他方の主面
のみを分割して２次元状配列とし、前記共通の主面上に
共通電極を形成するようにしたので、共通電極の形成が
容易になり、製造プロセスが簡略化される。

【００４３】さらに請求項４記載の超音波探触子によれ
ば、前記振動子の音響放射面に少なくとも１層の音響整
合層を設け、この音響整合層の前記配列の中央部に対応
する部分の厚さと、前記配列の外側部に対応する部分の
厚さを、各部の共振周波数の違いに応じて異ならせるよ
うにしたので、音響整合層を有効に利用でき、音波波形
の短パルス化と高感度化を図ることが可能となり、特性
がさらに向上する。

【００４４】また、請求項５記載の超音波探触子によれ
ば、２つの方向の少なくとも１方向の配列面を曲面状に
形成し、この曲面に沿って前記振動子を配列させる構成
としたので、狭い開口から広い視野を得ることができる
とともに、生体と探触子との密着性が高まる等の利点が
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係わる超音波探触子の
縦断面図である。

【図２】図１の超音波探触子の平面図である。

【図３】本発明の第２の実施例に係わる超音波探触子の
構成を表す縦断面図である。

【図４】図３の超音波探触子の変形例を表す縦断面図で
ある。

【図５】本発明の第３の実施例に係わる超音波探触子の
縦断面図である。

【図６】Ｗ／Ｔ＝１０の場合の超音波探触子のアドミタ
ンスと周波数との関係を表す図である。

【図７】Ｗ／Ｔ＝３の場合の超音波探触子のアドミタン
スと周波数との関係を表す図である。

【図８】Ｗ／Ｔ＝０．３の場合の超音波探触子のアドミ
タンスと周波数との関係を表す図である。

【図９】本発明の第４の実施例に係わる超音波探触子の
平面図である。

【図１０】本発明の第５の実施例に係わる超音波探触子
の斜視図である。

【図１１】本発明の第６の実施例に係わる超音波探触子
の斜視図である。

【図１２】従来の超音波探触子の縦断面図である。

【図１３】従来の他の超音波探触子の斜視図である。

【符号の説明】 １〜６ 超音波探触子 １１、１２ 振動子 １３ 共通電極 １４ 背面材 １５ 個別電極 １９ 音響整合層

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の振動子を互いに直交する２つの方
   向に沿って２次元状に配列した超音波探触子において、 前記２つの方向の少なくとも１方向の振動子の開口幅Ｗ
   とその厚さＴとの比Ｗ／Ｔを、配列の中央部の振動子で
   はＷ／Ｔ＞３とし、この振動子の外側部の振動子ではＷ
   ／Ｔ≦０．３としたことを特徴とする超音波振動子。
2. 【請求項２】 前記中央部の振動子の開口幅Ｗと厚さＴ
   との比を、Ｗ／Ｔ≧１０としたことを特徴とする請求項
   １記載の超音波探触子。
3. 【請求項３】 前記各振動子の一方の主面を共通とし、
   他方の主面を分割して２次元状配列とするとともに、前
   記共通の主面上に共通電極を形成したことを特徴とする
   請求項１記載の超音波振動子。
4. 【請求項４】 前記振動子の音響放射面に少なくとも１
   層の音響整合層を設け、この音響整合層の前記配列の中
   央部に対応する部分の厚さと、前記配列の外側部に対応
   する部分の厚さを、各部の共振周波数の違いに応じて異
   ならせたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか
   １に記載の超音波探触子。
5. 【請求項５】 前記２つの方向の少なくとも１方向の配
   列面を曲面状に形成し、この曲面に沿って前記振動子を
   配列したことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか
   １に記載の超音波探触子。