JP2005027752A - 圧電振動子、圧電振動子の製造方法、超音波探触子および超音波診断装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】簡易な構造を有するとともに、サイドローブが低減された超音波探触子およびそれを利用した超音波診断装置を提供することを目的とする。
【解決手段】超音波探触子１は、背面材２と、その背面材２の上に設けられた圧電振動子３と、その圧電振動子３の上に設けられた整合層４と、その整合層４の上に設けられた音響レンズ５とからなる。圧電振動子３は、スライス方向に複数の圧電体によって構成されており、それぞれ所定の重み付け関数に従った電気機械結合係数を有している。圧電振動子３の中心部に配置された圧電体の重みを“１”とした場合に、圧電振動子３の端部に配置された圧電体の重みを“約０．４”となるような１３段階の重みを示す関数となっている。このように重み付けを行うことにより、サイドローブが減少し、近距離から遠距離まで均一な音場が得られる。
【選択図】 図１
【解決手段】超音波探触子１は、背面材２と、その背面材２の上に設けられた圧電振動子３と、その圧電振動子３の上に設けられた整合層４と、その整合層４の上に設けられた音響レンズ５とからなる。圧電振動子３は、スライス方向に複数の圧電体によって構成されており、それぞれ所定の重み付け関数に従った電気機械結合係数を有している。圧電振動子３の中心部に配置された圧電体の重みを“１”とした場合に、圧電振動子３の端部に配置された圧電体の重みを“約０．４”となるような１３段階の重みを示す関数となっている。このように重み付けを行うことにより、サイドローブが減少し、近距離から遠距離まで均一な音場が得られる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、送受信される超音波の強度に重み付けを規定できる超音波探触子およびそれを使用した超音波診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
被検体内を超音波で走査し、被検体内からの反射波から生成した受信信号を基に当該被検体の内部状態を画像化する超音波診断装置がある。このような超音波診断装置は、超音波探触子から被検体内に超音波を送信し、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反射波を超音波探触子で受信して受信信号を生成する。
【０００３】
超音波探触子は、送信信号に基づいて振動して超音波を発生し、反射波を受けて受信信号を生成する圧電体を走査方向に複数個、配置している。このような圧電体は、例えば、走査方向と直交する方向（以下、スライス方向）に均一な矩形強度を有し、音響レンズにより遅延差を与えることにより、ある深さで焦点を形成している。
【０００４】
しかしながら、前述した音響レンズによるビーム収束作用には限界があり、このため、そのスライス方向について超音波の音圧に重み付けを与えることが行われている。
【０００５】
例えば、圧電体を加工してスライス方向に溝を形成し、密度に重み付けをした超音波探触子が知られている（例えば、特許文献１）。
【０００６】
また、スライス方向に電気的に分割した圧電振動子を用いて、各振動子の駆動電圧に重み付けをした超音波探触子が知られている（例えば、特許文献２）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１１−１４６４９２号公報（段落［００１２］−［００１９］、図１）
【特許文献２】
特開平５−２３３３１号公報（段落［００１６］−［００１９］、図１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に記載されている超音波探触子では、スライス方向に複数の溝を形成するために圧電体を加工する必要があるため、超音波を送受信することができない部分が存在し、サイドローブが高くなるという問題があった。さらに、超音波探触子および超音波プローブの構造が複雑となるため、その製造工程数が増加してしまい、製造コストが高くなってしまうという問題もあった。
【０００９】
また、特許文献２に記載されている超音波探触子では、分割された個々の圧電振動子に電極を配置する必要があるため、電気回路の規模が大きくなってしまい、その結果、超音波探触子の製造コストが高くなってしまうという問題があった。さらに、個々の圧電振動子にそれぞれ電極を配置する必要があるため、製造工程数が増加するという問題もあった。
【００１０】
本発明は、上記の課題を解決するものであり、組成の異なる複数の圧電体を使用して連続的な重み付けを行って、サイドローブを減少させることが可能な超音波探触子およびそれを利用した超音波診断装置を提供するものである。さらに、簡素な構造を有することにより、製造工程数が少なく、低コストで製造することが可能な圧電振動子およびその製造方法を提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、電気信号が印加されることにより、超音波を発信する圧電振動子において、組成が異なる複数の圧電体が、前記超音波を送信する方向と直交する方向に連続的に配置されていることを特徴とするものである。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、電気信号が印加されることにより、超音波を送信する圧電振動子において、電気機械結合係数が異なる複数の圧電体が、前記超音波を送信する方向と直交する方向に連続的に配置されていることを特徴とするものである。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、電気信号が印加されることにより、超音波を送信する圧電振動子において、前記超音波を送信する方向と直交する方向に複数の圧電体が連続的に配置され、かつ、その中心部における圧電体の電気機械結合係数が最も高く、端の圧電体の電気機械結合係数が最も低くなるように配列されていることを特徴とするものである。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、電気信号が印加されることにより、超音波を送信する圧電振動子において、比誘電率が異なる複数の圧電体が、前記超音波を送信する方向と直交する方向に連続的に配置されていることを特徴とするものである。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、電気信号が印加されることにより、超音波を送信する圧電振動子において、前記超音波を送信する方向と直交する方向に複数の圧電体が連続的に配置され、かつ、その中心部における圧電体の比誘電率が最も低く、端の圧電体の比誘電率が最も高くなるように配列されていることを特徴とするものである。
【００１６】
請求項６に記載の発明は、組成の異なる複数の圧電体シートを積層して焼成することにより作製された圧電体ブロックを、前記圧電体シートを積層した方向に沿って直交する方向に所定の間隔ごとに切り出すことにより得られる圧電振動子である。
【００１７】
請求項７に記載の発明は、組成が異なる複数の圧電体シートを積層して焼成することにより圧電体ブロックを作製する第１のステップと、前記圧電体ブロックを、前記圧電体シートを積層した方向に沿って直交する方向に所定の間隔ごとに切り出すことにより、組成が異なる複数の圧電体が連続的に配置された圧電振動子を作製する第２のステップと、を含むことを特徴とする圧電振動子の製造方法である。
【００１８】
請求項８に記載の発明は、電気機械結合係数が異なる複数の圧電体シートを積層して焼成することにより圧電体ブロックを作製する第１のステップと、前記圧電体ブロックを、前記圧電体シートを積層した方向に沿って直交する方向に所定の間隔ごとに切り出すことにより、電気結合係数が異なる複数の圧電体が連続的に配置された圧電振動子を作製する第２のステップと、を含むことを特徴とする圧電振動子の製造方法である。
【００１９】
請求項９に記載の発明は、比誘電率が異なる複数の圧電体シートを積層して焼成することにより圧電体ブロックを作製する第１のステップと、前記圧電体ブロックを、前記圧電体シートを積層した方向に沿って直交する方向に所定の間隔ごとに切り出すことにより、比誘電率が異なる複数の圧電体が連続的に配置された圧電振動子を作製する第２のステップと、を含むことを特徴とする圧電振動子の製造方法である。
【００２０】
請求項１０に記載の発明は、圧電振動子を走査方向に配列することにより超音波の送受信を行う超音波探触子において、前記圧電振動子は、前記走査方向と直交する方向において、組成が異なる複数の圧電体が連続的に配置されていることを特徴とするものである。
【００２１】
請求項１１に記載の発明は、圧電振動子を走査方向に配列することにより超音波の送受信を行う超音波探触子において、前記圧電振動子は、前記走査方向と直交する方向において、電気機械結合係数が異なる複数の圧電体が連続的に配置されていることを特徴とするものである。
【００２２】
請求項１２に記載の発明は、請求項１１に記載の超音波探触子であって、前記圧電振動子は、前記走査方向に配列している方向と直交する方向に複数の圧電体が連続的に配置され、かつ、その中心部における圧電体の電気機械結合係数が最も高く、端の圧電体の電気機械結合係数が最も低くなるように配列されていることを特徴とするものである。
【００２３】
請求項１３に記載の発明は、圧電振動子を、走査方向に配列することにより超音波の送受信を行う超音波探触子において、前記圧電振動子は、前記走査方向と直交する方向において、比誘電率が異なる複数の圧電体からなることを特徴とするものである。
【００２４】
請求項１４に記載の発明は、請求項１３に記載の超音波探触子であって、前記圧電振動子は、前記走査方向と直交する方向に複数の圧電体が連続的に配置され、かつ、その中心部における圧電体の比誘電率が最も低く、端の圧電体の比誘電率が最も高くなるように配列されていることを特徴とするものである。
【００２５】
請求項１５に記載の発明は、電気信号を発生する手段と、前記電気信号を受けて前記超音波を被検体に向けて送信し、前記被検体から受けた反射波に応じた受信信号を生成する複数の圧電体が配置された超音波探触子と、前記超音波探触子が生成した前記受信信号に応じて、前記被検体の画像を生成する画像処理手段とを有する超音波診断装置において、前記超音波探触子は、組成が異なる複数の圧電体が連続的に配置されている圧電振動子を有することを特徴とするものである。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の一例について、図１乃至図１１を参照しながら詳しく説明する。図１乃至図７は、本発明の第１の実施形態の超音波探触子１に関する図であり、図８乃至図１０は、第２の実施形態の超音波探触子に関する図である。また、図１１は、本発明の超音波探触子の応用の一態様としての超音波診断装置の概略図である。
【００２７】
［第１の実施の形態］
（構成）
まず、本発明の第１の実施形態における超音波探触子１の構成について図１乃至図３を参照しつつ説明する。図１は、第１の実施形態の超音波探触子１の構成の概略を示す斜視図である。同図に示すように、第１の実施形態の超音波探触子１は、被検体に向かって、背面材２と、その背面材２の上に設けられた圧電振動子３と、その圧電振動子３の上に設けられた整合層４と、その整合層４の上に設けられた音響レンズ５とからなる。また、本実施形態においては、整合層４は、第一整合層４ａと、その第一整合層４ａの上に設けられている第二整合層４ｂとからなる。また、図示しないが、超音波プローブはケーブル側とヘッド側とからなり、ヘッド側には本発明の超音波探触子１が用いられる。
【００２８】
背面材２は、圧電振動子３から発振された超音波振動や受信時の超音波振動のうち、超音波診断装置の画像抽出にとって必要でない超音波振動成分を減衰吸収する。また、圧電振動子３の両面には図示しない電極が設けられている。この電極によって圧電振動をおこさせるための電圧が圧電振動子３に印加され、圧電現象の発生により機械的な振動に変換される。また、整合層４を複数の層構造にすることで、被検体の音響レンズ５とあいまって被検体の体表との音響インピーダンスの差分による信号ロスの発生を抑えている。本実施形態においては、第一整合層４ａと第二整合層４ｂを設けることにより層構造を形成している。また、音響レンズ５は、被検体の体表面に接触して超音波の送受信の仲介を行う。この音響レンズにより体表より所定の深さに音響的な焦点をスライス方向に結ぶ。また、走査方向の音響的な焦点は、走査方向に短冊状に配置された複数の圧電振動子３の送信／受信のタイミングを切り替え制御することにより結ばれる。また、圧電振動子３および整合層４は、走査方向に配置されている。
【００２９】
そして、圧電振動子３に電圧を印加することで圧電現象により超音波を発生させ、その超音波を被検体の診断対象部位に向けて照射する。この照射された超音波は、その診断対象部位に存在して、それぞれ音響インピーダンスが異なる複数の境界面からの反射超音波となる。この反射超音波を圧電振動子３によって受信して電気信号に変換することにより、診断対象部位の内部状態を画像として抽出する。
【００３０】
次に、図２を参照しながら、圧電振動子３の構成について詳述する。図２は、超音波探触子１を構成する圧電振動子３の形状を示す斜視図である。同図に示すように、圧電振動子３は、スライス方向に複数の圧電体３０によって構成されている。この圧電体は例えば、チタン酸ジリコン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）などのセラミック材料からなる。また、本実施形態においては、これら複数の圧電体３０はそれぞれ異なる電気機械結合係数を有している。尚、電気機械結合係数は、電気的エネルギーと機械的エネルギーとの変換能力を表す係数で、生じた機械的エネルギーと与えた電気的エネルギー、または、生じた電気的エネルギーと与えた機械的エネルギーの比の平方根で定義される。
【００３１】
そして、各圧電体３０は、所定の重み付け関数に従った電気機械結合係数を有している。ここで、図３を参照しつつ、重み付け関数について説明する。図３は、本発明の第１の実施形態に使用される重み付け関数の１例を表したグラフである。図３のグラフにおいて、横軸は圧電振動子３の端からの配列方向の距離を示しており、縦軸は各距離における重みを示している。この重み付け関数は、例えば、圧電振動子３の中心部に配置された圧電体３１の重みを“１”とした場合に、圧電振動子３の端部に配置された圧電体３２の重みを“約０．４”となるような１３段階の重みを示す関数となっている。
【００３２】
この関数に従って、各圧電体３０は異なる電気機械結合係数を有することとなる。この関数に従って重み付けを行うと、圧電振動子３の中心部に配置された圧電体３１の電気機械結合係数が最も高くなり、圧電振動子３の端部に向かうにつれて、階段状に電気機械結合係数が小さくなり、圧電振動子３の端部に配置された圧電体３２の電気機械結合係数が最も小さくなる。そして、圧電振動子３の端部に配置された圧電体３２の電気機械結合係数は、中心部に配置された圧電体３１の電気機械結合係数の約０．４倍になる。
【００３３】
本実施形態のように圧電体３０の電気機械結合係数を変化させるために、圧電体３０を構成するセラミック材料の組成を変化させる。圧電体３０にＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３を使用した場合について説明する。例えば、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３中のＺｒの濃度を変化させることにより、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３の電気機械結合係数を変化させることができる。図４に、Ｚｒの濃度の変化に対するＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３の電気機械結合係数の変化を示す。Ｚｒの濃度が約５２ａｔｏｍ％の場合は、電気機械結合係数は約０．７となり、濃度が４８ａｔｏｍ％の場合は、電気機械結合係数は約０．４となる。このように、セラミック材料の組成を変化させる（ＺｒまたはＴｉの濃度を変化させる）ことにより、電気機械結合係数を変化させることができるため、組成の異なるセラミック材料を使用して圧電振動子３に重み付けを行う。尚、本例においては、同一のセラミック材料（例えば、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）を使用して重み付けを行う場合について説明したが、本発明はこれに限られない。各圧電体３０に、それぞれ種類の異なるセラミック材料を使用して重み付けを行ってもよい。例えば、圧電体３１にはチタン酸ジリコン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３を使用し、圧電体３２にはニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）を使用するなどして重み付けを行ってもよい。
【００３４】
また、本実施形態の圧電振動子３は、例えば、周波数定数の範囲が±約１０％以内の圧電体３０によって構成されている。基本となる周波数定数の値を２０００［ｍ・Ｈｚ］とする場合には、周波数定数の値が１８００〜２２００（２０００±１０％）［ｍ・Ｈｚ］となるような複数の圧電体３０によって圧電振動子３は構成される。このように、周波数定数の範囲が±約１０％以内の圧電体を使用することにより、各圧電体３０からほぼ同じ周波数の超音波が得られる。
【００３５】
（製法）
次に、このような超音波探触子１に使用される圧電振動子３の製造方法について図５を参照しつつ説明する。図５は、本発明の実施形態における圧電振動子３の製造工程の１例を示す圧電体の斜視図である。
【００３６】
図５（ａ）に示すように、予めセラミック材料を粉砕し、そのセラミック材料と樹脂とを混合して、重み付け関数の階段の幅に対応した厚さを有するグリーンシート５０を作製しておく。本実施形態における圧電振動子３は、電気機械結合係数が異なる１３種類のセラミック材料が使用されているため、電気機械結合係数が異なる１３種類のグリーンシートを作成する必要がある。そのために、予め電気機械結合係数が異なる１３種類のセラミック材料を用意し、それぞれ個別に粉砕してそれぞれ樹脂と混合して、１３種類のグリーンシートを作製する。例えば、同一のセラミック材料（例えば、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）を使用する場合は、Ｚｒの濃度が異なる複数のＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３を用意し、それぞれ個別に粉砕して１３種類のグリーンシートを作製する。このとき、前述した所定の重み付けに従って、電気機械結合係数が異なる１３種類のセラミック材料を使用して１３種類のグリーンシートを作製する。尚、本発明の実施形態におけるグリーンシートが、本発明の「圧電体シート」に相当する。
【００３７】
そして、圧電振動子３の中心部に配置され、電気機械結合係数が最も高い圧電体３１を構成するグリーンシート５１を１枚用意し、残りの１２種類のセラミック材料については、それぞれ２枚ずつグリーンシートを用意する。そして、図５（ｂ）に示すように、２５枚のグリーンシートを積層し、その後焼成して直方体ブロック５３を作製する。このとき、電気機械結合係数が最も高いセラミック材料で作製されたグリーンシート５１が直方体ブロック５３の中心部に配置されるように積層する。そして、直方体ブロックの中心から両端部に向かうにつれて電気機械結合係数が小さくなるように、グリーンシートを積層し、直方体ブロック５３の両端部には電気機械結合係数が最も低いセラミック材料で作製されたグリーンシート５２を積層する。
【００３８】
次に、図５（ｃ）に示すように、直方体ブロック５３を積層方向にシート状に切り出すことにより、中央部には電気機械結合係数が最も高い圧電体３１が配置され、端部に向かうにつれて階段状に電気機械結合係数が低くなり、端部において電気機械結合係数が最も低くい圧電体３２が配置された圧電振動子３を作製する。そして、所望の周波数を有する超音波が得られるように、圧電振動子３を厚さ方向に研磨する。その後、圧電振動子３の上下面にＡｕをスパッタリング法などにより全面に電極を形成し、分極化する。尚、周波数定数の範囲が±約１０％以内の圧電体３０によって構成されるように、セラミック材料を選択し、また、そのセラミック材料によって周波数定数の範囲が±約１０％以内となるように、圧電振動子３を厚さ方向に研磨する。
【００３９】
尚、本実施形態に圧電振動子３においては、１３段階の重みを示す関数に従って重み付けを行ったが、本発明はこれに限られず、重み付けの階段数を増やすことも可能であり、そのことにより滑らかに重みを付けることができる。例えば、厚さが約１００μｍのグリーンシートを約１００枚積層して、前述したように、積層方向にシート状に切り出すことにより、幅が約１０ｍｍの圧電振動子を作製することができる。また、本実施形態における関数以外の関数であっても、圧電振動子３の中心部から端部に向けて徐々に重みが小さくなるような重み付け関数に従って重み付けを行うことができる。
【００４０】
（作用）
以上のような圧電振動子３を備えた本実施形態の超音波探触子１によれば、次のような好適な作用が奏されることとなる。
【００４１】
本実施形態の超音波探触子１に、超音波の送信方向に電気信号を印加することにより、電気機械結合係数に比例して送信する超音波の音圧または、受信する超音波の音圧に重みが付けられる。この作用について図６および図７を参照しつつ説明する。図６は、本実施形態の超音波プローブの受信音圧分布を示したグラフであり、図７は、重み付けを行っていない従来技術の超音波プローブの受信音圧分布を示したグラフであり、図７（ａ）は、超音波プローブから送信方向への距離が１０ｍｍから３０ｍｍまでの近距離の受信音圧分布を示しており、図７（ｂ）は、４０ｍｍから１００ｍｍまでの遠距離の受信音圧分布を示している。図６および図７において、横軸は圧電振動子の中心からの距離を示しており、縦軸は受信した超音波の音圧を示している。従来技術の超音波プローブによると、図７（ａ）に示すように、超音波プローブから送信方向への距離が１０ｍｍから３０ｍｍまでの近距離間でビーム幅が広がり、図７（ｂ）に示すように、４０ｍｍから１００ｍｍまでの遠距離間でサイドローブが高くなる。一方、本実施形態の超音波プローブによると、図６に示すように、サイドローブが減少し、メインローブの幅が狭くなった受信音圧分布を得ることができる。
【００４２】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施形態における超音波探触子について説明する。この超音波探触子は、図２と同様な構造を有しているが、圧電体３０はそれぞれ異なる比誘電率を有しており、重み付けの仕方が図３の場合とは逆関数となる図８に示す重み付けとしたことが特徴である。
【００４３】
ここで、図８を参照しつつ、重み付け関数について説明する。図８は、本発明の第２の実施形態に使用される重み付け関数の１例を表したグラフである。図８のグラフにおいて、横軸は圧電振動子３の端からの距離を示しており、縦軸は各距離における重みを示している。この重み付け関数は、例えば、圧電振動子３の端部に配置された圧電体３２の重みを“１”とした場合に、圧電振動子３の中心部に配置された圧電体３１の重みを“約０．４”となるような１３段階の重みを示す関数となっている。
【００４４】
この関数に従って、各圧電体３０は異なる比誘電率を有することとなる。この関数に従って重み付けを行うと、圧電振動子３の中心部に配置された圧電体３１の比誘電率が最も低くなり、圧電振動子３２の端部に向かうにつれて、階段状に比誘電率が高くなり、圧電振動子の端部に配置された圧電体３２の比誘電率が最も高くなる。そして、圧電振動子３の中心部に配置された圧電体３１の比誘電率は、端部に配置された圧電体３２の約０．４倍になる。
【００４５】
本実施形態のように圧電体３０の比誘電率を変化させるために、圧電体３０を構成するセラミック材料の組成を変化させる。圧電体３０にＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３を使用した場合について説明する。例えば、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３中のＺｒの濃度を変化させることにより、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３の比誘電率を変化させることができる。図９に、Ｚｒの濃度の変化に対するＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３の比誘電率の変化を示す。この図に示すように、セラミック材料の組成を変化させる（ＺｒまたはＴｉの濃度を変化させる）ことにより、比誘電率を変化させることができるため、組成の異なるセラミック材料を使用して圧電振動子３に重み付けを行う。また、第１の実施形態と同様に、各圧電体３０に、それぞれ種類の異なるセラミック材料を使用して重み付けを行ってもよい。
【００４６】
また、本実施形態の圧電振動子３は、第１の実施形態における圧電振動子と同様に、周波数定数の範囲が±約１０％以内の圧電体３０によって構成されている。これにより、各圧電体３０からほぼ同じ周波数の超音波が得られる。
【００４７】
（作用）
以上のような圧電振動子３を備えた第２の実施形態の超音波探触子によれば、次のような好適な作用が奏される。
【００４８】
本実施形態の超音波探触子に、超音波の送信方向に電気信号を印加することにより、送信する超音波の音圧または、受信する超音波の音圧に重みが付けられる。超音波の送信時には、中心付近の音圧強度が低く、端部の音圧強度が高い逆ウェイティングが掛かった、サイドローブが高いがメインローブが絞られた送信音圧分布が得られる。また、受信時には、サイドローブが小さく、よりメインローブが絞られた受信音圧分布が得られる。図１０は、第２の実施形態における受信音圧分布を示したグラフである。図１０（ａ）は超音波プローブからの距離が１０ｍｍから３０ｍｍまでの近距離間における受信音圧分布を示しており、図１０（ｂ）は距離が４０ｍｍから１００ｍｍまでの遠距離間における受信音圧分布を示している。重み付けを行っていない従来技術と比較すると、メインローブの幅が狭くなった受信音圧分布を得ることができる。
【００４９】
一方、基本周波数で超音波を送信すると、音が被検体を伝わっていくに従って基本周波数の整数倍の周波数（高調波）が生じる。そして、ＴＨＩ（Ｔｉｓｓｕｅ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｉｍａｇｉｎｇ）機能を備えた超音波診断装置を使用して、基本周波数の超音波を送信して被検体内で発生した高調波成分を受信することにより、サイドローブは小さく、よりメインローブが絞られた受信音圧分布が得られる。ここで、ＴＨＩ法とは、高調波成分のみを抽出して画像化する手法である。高調波成分は音圧の高い部分でより多く発生するので、メインローブが強調され、逆にサイドローブがより軽減される。その結果、図１０（ａ）に示されている１０ｍｍから３０ｍｍまでの近距離間のサイドローブを減少させ、よりメインローブが絞られた受信音圧分布を得ることができる。
【００５０】
［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施形態における超音波診断装置について説明する。本発明に係る圧電振動子は、超音波プローブに使用される超音波探触子に用いられる。そして、その超音波プローブは一例として、図１１に示す超音波診断装置８０に実装される。図１１は、本発明の実施形態の超音波診断装置６０の主要部の構成を示すブロック図である。この超音波診断装置６０は、患者などの被検体に対して超音波を送信し、被検体で反射した超音波をエコー信号として受信する圧電体が配列されている超音波プローブ６１と、超音波プローブ６１に電気信号を供給して超音波を発生させるとともに、超音波プローブ６１の各圧電体が受信したエコー信号を受信する送受信回路６２と、送受信回路６２の送受信制御を行う送受信制御回路６３と、送受信回路６２が受信したエコー信号を被検体の超音波画像データに変換する画像データ変換回路６４と、画像データ変換回路６４によって変換された超音波画像データでモニタ６６を制御して表示する表示制御回路６５と、超音波診断装置６０全体の制御を行う制御回路６７とからなる。制御回路６７には、送受信制御回路６３、画像データ変換回路６４、表示制御回路６５が接続されており、制御回路６７はこれら各部の動作を制御している。そして、超音波プローブ６１の各圧電体に電気信号を印加して被検体に対して超音波を送信し、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反射波を超音波プローブ６１で受信する。
【００５１】
尚、本実施形態における送受信回路６２が本発明の「電気信号を発生する手段」に相当し、画像データ変換回路６４が本発明の「画像処理手段」に相当する。
【００５２】
本実施形態の超音波診断装置によれば、サイドローブが減少し、メインローブの幅が狭い音圧分布が得られ、近距離から遠距離まで均一な音場が得られるため、従来技術と比較して画質が向上した超音波像を得ることができる。
【００５３】
【発明の効果】
請求項１乃至請求項３に記載の圧電振動子によれば、超音波探触子に使用することにより、サイドローブが減少し、メインローブの幅が狭くなった受信音圧分布を得ることができる。
【００５４】
請求項４および請求項５に記載の圧電振動子によれば、超音波探触子に使用することにより、送信時にはサイドローブが高いがメインローブの幅が狭い送信音圧分布が得られ、受信時にはサイドローブが低く、メインローブの幅がより狭い受信音圧分布を得ることができる。
【００５５】
請求項６に記載の発明によれば、製造工程数が少ない圧電振動子が得られる。
【００５６】
請求項７乃至請求項９に記載の圧電振動子の製造方法によれば、製造工程数を削減することが可能となり、製造コストを低くすることができる。
【００５７】
請求項１０乃至請求項１４に記載の超音波探触子によれば、圧電振動子に対して所定の重み付けを行うことにより、サイドローブを減少させることが可能となり、メインローブの幅が狭い音圧分布が得られ、近距離から遠距離まで均一な音場が得られる。
【００５８】
また、請求項１５に記載の超音波診断装置によれば、所定の重み付けがされた圧電振動子が設けられた超音波探触子を使用することにより、サイドローブを減少させることが可能となり、メインローブの幅が狭い音圧分布が得られ、近距離から遠距離まで均一な音場が得られるため、従来技術と比較して画質が向上した超音波像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態における超音波探触子の概略構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施形態における圧電振動子の形状を示す斜視図である。
【図３】本発明の第１の実施形態における圧電振動子の重み付けに使用される重み付け関数を示す図である。
【図４】セラミック材料の電気機械結合係数の変化を示す図である。
【図５】本発明の実施形態における圧電振動子の製造工程を示す圧電体の斜視図である。
【図６】本発明の第１の実施形態における超音波探触子を使用した場合の受信音圧分布示す図である。
【図７】従来技術の超音波探触子を使用した場合の受信音圧分布を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施形態における圧電振動子の重み付けに使用される重み付け関数を示す図である。
【図９】セラミック材料の比誘電率の変化を示す図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態における超音波探触子を使用した場合の受信音圧分布を示す図である。
【図１１】本発明の超音波探触子を使用した超音波診断装置の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 超音波探触子
２ 背面材
３ 圧電振動子
３０、３１、３２ 圧電体
４ 整合層
５ 音響レンズ
【発明の属する技術分野】
本発明は、送受信される超音波の強度に重み付けを規定できる超音波探触子およびそれを使用した超音波診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
被検体内を超音波で走査し、被検体内からの反射波から生成した受信信号を基に当該被検体の内部状態を画像化する超音波診断装置がある。このような超音波診断装置は、超音波探触子から被検体内に超音波を送信し、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反射波を超音波探触子で受信して受信信号を生成する。
【０００３】
超音波探触子は、送信信号に基づいて振動して超音波を発生し、反射波を受けて受信信号を生成する圧電体を走査方向に複数個、配置している。このような圧電体は、例えば、走査方向と直交する方向（以下、スライス方向）に均一な矩形強度を有し、音響レンズにより遅延差を与えることにより、ある深さで焦点を形成している。
【０００４】
しかしながら、前述した音響レンズによるビーム収束作用には限界があり、このため、そのスライス方向について超音波の音圧に重み付けを与えることが行われている。
【０００５】
例えば、圧電体を加工してスライス方向に溝を形成し、密度に重み付けをした超音波探触子が知られている（例えば、特許文献１）。
【０００６】
また、スライス方向に電気的に分割した圧電振動子を用いて、各振動子の駆動電圧に重み付けをした超音波探触子が知られている（例えば、特許文献２）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１１−１４６４９２号公報（段落［００１２］−［００１９］、図１）
【特許文献２】
特開平５−２３３３１号公報（段落［００１６］−［００１９］、図１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に記載されている超音波探触子では、スライス方向に複数の溝を形成するために圧電体を加工する必要があるため、超音波を送受信することができない部分が存在し、サイドローブが高くなるという問題があった。さらに、超音波探触子および超音波プローブの構造が複雑となるため、その製造工程数が増加してしまい、製造コストが高くなってしまうという問題もあった。
【０００９】
また、特許文献２に記載されている超音波探触子では、分割された個々の圧電振動子に電極を配置する必要があるため、電気回路の規模が大きくなってしまい、その結果、超音波探触子の製造コストが高くなってしまうという問題があった。さらに、個々の圧電振動子にそれぞれ電極を配置する必要があるため、製造工程数が増加するという問題もあった。
【００１０】
本発明は、上記の課題を解決するものであり、組成の異なる複数の圧電体を使用して連続的な重み付けを行って、サイドローブを減少させることが可能な超音波探触子およびそれを利用した超音波診断装置を提供するものである。さらに、簡素な構造を有することにより、製造工程数が少なく、低コストで製造することが可能な圧電振動子およびその製造方法を提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、電気信号が印加されることにより、超音波を発信する圧電振動子において、組成が異なる複数の圧電体が、前記超音波を送信する方向と直交する方向に連続的に配置されていることを特徴とするものである。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、電気信号が印加されることにより、超音波を送信する圧電振動子において、電気機械結合係数が異なる複数の圧電体が、前記超音波を送信する方向と直交する方向に連続的に配置されていることを特徴とするものである。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、電気信号が印加されることにより、超音波を送信する圧電振動子において、前記超音波を送信する方向と直交する方向に複数の圧電体が連続的に配置され、かつ、その中心部における圧電体の電気機械結合係数が最も高く、端の圧電体の電気機械結合係数が最も低くなるように配列されていることを特徴とするものである。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、電気信号が印加されることにより、超音波を送信する圧電振動子において、比誘電率が異なる複数の圧電体が、前記超音波を送信する方向と直交する方向に連続的に配置されていることを特徴とするものである。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、電気信号が印加されることにより、超音波を送信する圧電振動子において、前記超音波を送信する方向と直交する方向に複数の圧電体が連続的に配置され、かつ、その中心部における圧電体の比誘電率が最も低く、端の圧電体の比誘電率が最も高くなるように配列されていることを特徴とするものである。
【００１６】
請求項６に記載の発明は、組成の異なる複数の圧電体シートを積層して焼成することにより作製された圧電体ブロックを、前記圧電体シートを積層した方向に沿って直交する方向に所定の間隔ごとに切り出すことにより得られる圧電振動子である。
【００１７】
請求項７に記載の発明は、組成が異なる複数の圧電体シートを積層して焼成することにより圧電体ブロックを作製する第１のステップと、前記圧電体ブロックを、前記圧電体シートを積層した方向に沿って直交する方向に所定の間隔ごとに切り出すことにより、組成が異なる複数の圧電体が連続的に配置された圧電振動子を作製する第２のステップと、を含むことを特徴とする圧電振動子の製造方法である。
【００１８】
請求項８に記載の発明は、電気機械結合係数が異なる複数の圧電体シートを積層して焼成することにより圧電体ブロックを作製する第１のステップと、前記圧電体ブロックを、前記圧電体シートを積層した方向に沿って直交する方向に所定の間隔ごとに切り出すことにより、電気結合係数が異なる複数の圧電体が連続的に配置された圧電振動子を作製する第２のステップと、を含むことを特徴とする圧電振動子の製造方法である。
【００１９】
請求項９に記載の発明は、比誘電率が異なる複数の圧電体シートを積層して焼成することにより圧電体ブロックを作製する第１のステップと、前記圧電体ブロックを、前記圧電体シートを積層した方向に沿って直交する方向に所定の間隔ごとに切り出すことにより、比誘電率が異なる複数の圧電体が連続的に配置された圧電振動子を作製する第２のステップと、を含むことを特徴とする圧電振動子の製造方法である。
【００２０】
請求項１０に記載の発明は、圧電振動子を走査方向に配列することにより超音波の送受信を行う超音波探触子において、前記圧電振動子は、前記走査方向と直交する方向において、組成が異なる複数の圧電体が連続的に配置されていることを特徴とするものである。
【００２１】
請求項１１に記載の発明は、圧電振動子を走査方向に配列することにより超音波の送受信を行う超音波探触子において、前記圧電振動子は、前記走査方向と直交する方向において、電気機械結合係数が異なる複数の圧電体が連続的に配置されていることを特徴とするものである。
【００２２】
請求項１２に記載の発明は、請求項１１に記載の超音波探触子であって、前記圧電振動子は、前記走査方向に配列している方向と直交する方向に複数の圧電体が連続的に配置され、かつ、その中心部における圧電体の電気機械結合係数が最も高く、端の圧電体の電気機械結合係数が最も低くなるように配列されていることを特徴とするものである。
【００２３】
請求項１３に記載の発明は、圧電振動子を、走査方向に配列することにより超音波の送受信を行う超音波探触子において、前記圧電振動子は、前記走査方向と直交する方向において、比誘電率が異なる複数の圧電体からなることを特徴とするものである。
【００２４】
請求項１４に記載の発明は、請求項１３に記載の超音波探触子であって、前記圧電振動子は、前記走査方向と直交する方向に複数の圧電体が連続的に配置され、かつ、その中心部における圧電体の比誘電率が最も低く、端の圧電体の比誘電率が最も高くなるように配列されていることを特徴とするものである。
【００２５】
請求項１５に記載の発明は、電気信号を発生する手段と、前記電気信号を受けて前記超音波を被検体に向けて送信し、前記被検体から受けた反射波に応じた受信信号を生成する複数の圧電体が配置された超音波探触子と、前記超音波探触子が生成した前記受信信号に応じて、前記被検体の画像を生成する画像処理手段とを有する超音波診断装置において、前記超音波探触子は、組成が異なる複数の圧電体が連続的に配置されている圧電振動子を有することを特徴とするものである。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の一例について、図１乃至図１１を参照しながら詳しく説明する。図１乃至図７は、本発明の第１の実施形態の超音波探触子１に関する図であり、図８乃至図１０は、第２の実施形態の超音波探触子に関する図である。また、図１１は、本発明の超音波探触子の応用の一態様としての超音波診断装置の概略図である。
【００２７】
［第１の実施の形態］
（構成）
まず、本発明の第１の実施形態における超音波探触子１の構成について図１乃至図３を参照しつつ説明する。図１は、第１の実施形態の超音波探触子１の構成の概略を示す斜視図である。同図に示すように、第１の実施形態の超音波探触子１は、被検体に向かって、背面材２と、その背面材２の上に設けられた圧電振動子３と、その圧電振動子３の上に設けられた整合層４と、その整合層４の上に設けられた音響レンズ５とからなる。また、本実施形態においては、整合層４は、第一整合層４ａと、その第一整合層４ａの上に設けられている第二整合層４ｂとからなる。また、図示しないが、超音波プローブはケーブル側とヘッド側とからなり、ヘッド側には本発明の超音波探触子１が用いられる。
【００２８】
背面材２は、圧電振動子３から発振された超音波振動や受信時の超音波振動のうち、超音波診断装置の画像抽出にとって必要でない超音波振動成分を減衰吸収する。また、圧電振動子３の両面には図示しない電極が設けられている。この電極によって圧電振動をおこさせるための電圧が圧電振動子３に印加され、圧電現象の発生により機械的な振動に変換される。また、整合層４を複数の層構造にすることで、被検体の音響レンズ５とあいまって被検体の体表との音響インピーダンスの差分による信号ロスの発生を抑えている。本実施形態においては、第一整合層４ａと第二整合層４ｂを設けることにより層構造を形成している。また、音響レンズ５は、被検体の体表面に接触して超音波の送受信の仲介を行う。この音響レンズにより体表より所定の深さに音響的な焦点をスライス方向に結ぶ。また、走査方向の音響的な焦点は、走査方向に短冊状に配置された複数の圧電振動子３の送信／受信のタイミングを切り替え制御することにより結ばれる。また、圧電振動子３および整合層４は、走査方向に配置されている。
【００２９】
そして、圧電振動子３に電圧を印加することで圧電現象により超音波を発生させ、その超音波を被検体の診断対象部位に向けて照射する。この照射された超音波は、その診断対象部位に存在して、それぞれ音響インピーダンスが異なる複数の境界面からの反射超音波となる。この反射超音波を圧電振動子３によって受信して電気信号に変換することにより、診断対象部位の内部状態を画像として抽出する。
【００３０】
次に、図２を参照しながら、圧電振動子３の構成について詳述する。図２は、超音波探触子１を構成する圧電振動子３の形状を示す斜視図である。同図に示すように、圧電振動子３は、スライス方向に複数の圧電体３０によって構成されている。この圧電体は例えば、チタン酸ジリコン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）などのセラミック材料からなる。また、本実施形態においては、これら複数の圧電体３０はそれぞれ異なる電気機械結合係数を有している。尚、電気機械結合係数は、電気的エネルギーと機械的エネルギーとの変換能力を表す係数で、生じた機械的エネルギーと与えた電気的エネルギー、または、生じた電気的エネルギーと与えた機械的エネルギーの比の平方根で定義される。
【００３１】
そして、各圧電体３０は、所定の重み付け関数に従った電気機械結合係数を有している。ここで、図３を参照しつつ、重み付け関数について説明する。図３は、本発明の第１の実施形態に使用される重み付け関数の１例を表したグラフである。図３のグラフにおいて、横軸は圧電振動子３の端からの配列方向の距離を示しており、縦軸は各距離における重みを示している。この重み付け関数は、例えば、圧電振動子３の中心部に配置された圧電体３１の重みを“１”とした場合に、圧電振動子３の端部に配置された圧電体３２の重みを“約０．４”となるような１３段階の重みを示す関数となっている。
【００３２】
この関数に従って、各圧電体３０は異なる電気機械結合係数を有することとなる。この関数に従って重み付けを行うと、圧電振動子３の中心部に配置された圧電体３１の電気機械結合係数が最も高くなり、圧電振動子３の端部に向かうにつれて、階段状に電気機械結合係数が小さくなり、圧電振動子３の端部に配置された圧電体３２の電気機械結合係数が最も小さくなる。そして、圧電振動子３の端部に配置された圧電体３２の電気機械結合係数は、中心部に配置された圧電体３１の電気機械結合係数の約０．４倍になる。
【００３３】
本実施形態のように圧電体３０の電気機械結合係数を変化させるために、圧電体３０を構成するセラミック材料の組成を変化させる。圧電体３０にＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３を使用した場合について説明する。例えば、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３中のＺｒの濃度を変化させることにより、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３の電気機械結合係数を変化させることができる。図４に、Ｚｒの濃度の変化に対するＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３の電気機械結合係数の変化を示す。Ｚｒの濃度が約５２ａｔｏｍ％の場合は、電気機械結合係数は約０．７となり、濃度が４８ａｔｏｍ％の場合は、電気機械結合係数は約０．４となる。このように、セラミック材料の組成を変化させる（ＺｒまたはＴｉの濃度を変化させる）ことにより、電気機械結合係数を変化させることができるため、組成の異なるセラミック材料を使用して圧電振動子３に重み付けを行う。尚、本例においては、同一のセラミック材料（例えば、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）を使用して重み付けを行う場合について説明したが、本発明はこれに限られない。各圧電体３０に、それぞれ種類の異なるセラミック材料を使用して重み付けを行ってもよい。例えば、圧電体３１にはチタン酸ジリコン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３を使用し、圧電体３２にはニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）を使用するなどして重み付けを行ってもよい。
【００３４】
また、本実施形態の圧電振動子３は、例えば、周波数定数の範囲が±約１０％以内の圧電体３０によって構成されている。基本となる周波数定数の値を２０００［ｍ・Ｈｚ］とする場合には、周波数定数の値が１８００〜２２００（２０００±１０％）［ｍ・Ｈｚ］となるような複数の圧電体３０によって圧電振動子３は構成される。このように、周波数定数の範囲が±約１０％以内の圧電体を使用することにより、各圧電体３０からほぼ同じ周波数の超音波が得られる。
【００３５】
（製法）
次に、このような超音波探触子１に使用される圧電振動子３の製造方法について図５を参照しつつ説明する。図５は、本発明の実施形態における圧電振動子３の製造工程の１例を示す圧電体の斜視図である。
【００３６】
図５（ａ）に示すように、予めセラミック材料を粉砕し、そのセラミック材料と樹脂とを混合して、重み付け関数の階段の幅に対応した厚さを有するグリーンシート５０を作製しておく。本実施形態における圧電振動子３は、電気機械結合係数が異なる１３種類のセラミック材料が使用されているため、電気機械結合係数が異なる１３種類のグリーンシートを作成する必要がある。そのために、予め電気機械結合係数が異なる１３種類のセラミック材料を用意し、それぞれ個別に粉砕してそれぞれ樹脂と混合して、１３種類のグリーンシートを作製する。例えば、同一のセラミック材料（例えば、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）を使用する場合は、Ｚｒの濃度が異なる複数のＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３を用意し、それぞれ個別に粉砕して１３種類のグリーンシートを作製する。このとき、前述した所定の重み付けに従って、電気機械結合係数が異なる１３種類のセラミック材料を使用して１３種類のグリーンシートを作製する。尚、本発明の実施形態におけるグリーンシートが、本発明の「圧電体シート」に相当する。
【００３７】
そして、圧電振動子３の中心部に配置され、電気機械結合係数が最も高い圧電体３１を構成するグリーンシート５１を１枚用意し、残りの１２種類のセラミック材料については、それぞれ２枚ずつグリーンシートを用意する。そして、図５（ｂ）に示すように、２５枚のグリーンシートを積層し、その後焼成して直方体ブロック５３を作製する。このとき、電気機械結合係数が最も高いセラミック材料で作製されたグリーンシート５１が直方体ブロック５３の中心部に配置されるように積層する。そして、直方体ブロックの中心から両端部に向かうにつれて電気機械結合係数が小さくなるように、グリーンシートを積層し、直方体ブロック５３の両端部には電気機械結合係数が最も低いセラミック材料で作製されたグリーンシート５２を積層する。
【００３８】
次に、図５（ｃ）に示すように、直方体ブロック５３を積層方向にシート状に切り出すことにより、中央部には電気機械結合係数が最も高い圧電体３１が配置され、端部に向かうにつれて階段状に電気機械結合係数が低くなり、端部において電気機械結合係数が最も低くい圧電体３２が配置された圧電振動子３を作製する。そして、所望の周波数を有する超音波が得られるように、圧電振動子３を厚さ方向に研磨する。その後、圧電振動子３の上下面にＡｕをスパッタリング法などにより全面に電極を形成し、分極化する。尚、周波数定数の範囲が±約１０％以内の圧電体３０によって構成されるように、セラミック材料を選択し、また、そのセラミック材料によって周波数定数の範囲が±約１０％以内となるように、圧電振動子３を厚さ方向に研磨する。
【００３９】
尚、本実施形態に圧電振動子３においては、１３段階の重みを示す関数に従って重み付けを行ったが、本発明はこれに限られず、重み付けの階段数を増やすことも可能であり、そのことにより滑らかに重みを付けることができる。例えば、厚さが約１００μｍのグリーンシートを約１００枚積層して、前述したように、積層方向にシート状に切り出すことにより、幅が約１０ｍｍの圧電振動子を作製することができる。また、本実施形態における関数以外の関数であっても、圧電振動子３の中心部から端部に向けて徐々に重みが小さくなるような重み付け関数に従って重み付けを行うことができる。
【００４０】
（作用）
以上のような圧電振動子３を備えた本実施形態の超音波探触子１によれば、次のような好適な作用が奏されることとなる。
【００４１】
本実施形態の超音波探触子１に、超音波の送信方向に電気信号を印加することにより、電気機械結合係数に比例して送信する超音波の音圧または、受信する超音波の音圧に重みが付けられる。この作用について図６および図７を参照しつつ説明する。図６は、本実施形態の超音波プローブの受信音圧分布を示したグラフであり、図７は、重み付けを行っていない従来技術の超音波プローブの受信音圧分布を示したグラフであり、図７（ａ）は、超音波プローブから送信方向への距離が１０ｍｍから３０ｍｍまでの近距離の受信音圧分布を示しており、図７（ｂ）は、４０ｍｍから１００ｍｍまでの遠距離の受信音圧分布を示している。図６および図７において、横軸は圧電振動子の中心からの距離を示しており、縦軸は受信した超音波の音圧を示している。従来技術の超音波プローブによると、図７（ａ）に示すように、超音波プローブから送信方向への距離が１０ｍｍから３０ｍｍまでの近距離間でビーム幅が広がり、図７（ｂ）に示すように、４０ｍｍから１００ｍｍまでの遠距離間でサイドローブが高くなる。一方、本実施形態の超音波プローブによると、図６に示すように、サイドローブが減少し、メインローブの幅が狭くなった受信音圧分布を得ることができる。
【００４２】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施形態における超音波探触子について説明する。この超音波探触子は、図２と同様な構造を有しているが、圧電体３０はそれぞれ異なる比誘電率を有しており、重み付けの仕方が図３の場合とは逆関数となる図８に示す重み付けとしたことが特徴である。
【００４３】
ここで、図８を参照しつつ、重み付け関数について説明する。図８は、本発明の第２の実施形態に使用される重み付け関数の１例を表したグラフである。図８のグラフにおいて、横軸は圧電振動子３の端からの距離を示しており、縦軸は各距離における重みを示している。この重み付け関数は、例えば、圧電振動子３の端部に配置された圧電体３２の重みを“１”とした場合に、圧電振動子３の中心部に配置された圧電体３１の重みを“約０．４”となるような１３段階の重みを示す関数となっている。
【００４４】
この関数に従って、各圧電体３０は異なる比誘電率を有することとなる。この関数に従って重み付けを行うと、圧電振動子３の中心部に配置された圧電体３１の比誘電率が最も低くなり、圧電振動子３２の端部に向かうにつれて、階段状に比誘電率が高くなり、圧電振動子の端部に配置された圧電体３２の比誘電率が最も高くなる。そして、圧電振動子３の中心部に配置された圧電体３１の比誘電率は、端部に配置された圧電体３２の約０．４倍になる。
【００４５】
本実施形態のように圧電体３０の比誘電率を変化させるために、圧電体３０を構成するセラミック材料の組成を変化させる。圧電体３０にＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３を使用した場合について説明する。例えば、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３中のＺｒの濃度を変化させることにより、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３の比誘電率を変化させることができる。図９に、Ｚｒの濃度の変化に対するＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３の比誘電率の変化を示す。この図に示すように、セラミック材料の組成を変化させる（ＺｒまたはＴｉの濃度を変化させる）ことにより、比誘電率を変化させることができるため、組成の異なるセラミック材料を使用して圧電振動子３に重み付けを行う。また、第１の実施形態と同様に、各圧電体３０に、それぞれ種類の異なるセラミック材料を使用して重み付けを行ってもよい。
【００４６】
また、本実施形態の圧電振動子３は、第１の実施形態における圧電振動子と同様に、周波数定数の範囲が±約１０％以内の圧電体３０によって構成されている。これにより、各圧電体３０からほぼ同じ周波数の超音波が得られる。
【００４７】
（作用）
以上のような圧電振動子３を備えた第２の実施形態の超音波探触子によれば、次のような好適な作用が奏される。
【００４８】
本実施形態の超音波探触子に、超音波の送信方向に電気信号を印加することにより、送信する超音波の音圧または、受信する超音波の音圧に重みが付けられる。超音波の送信時には、中心付近の音圧強度が低く、端部の音圧強度が高い逆ウェイティングが掛かった、サイドローブが高いがメインローブが絞られた送信音圧分布が得られる。また、受信時には、サイドローブが小さく、よりメインローブが絞られた受信音圧分布が得られる。図１０は、第２の実施形態における受信音圧分布を示したグラフである。図１０（ａ）は超音波プローブからの距離が１０ｍｍから３０ｍｍまでの近距離間における受信音圧分布を示しており、図１０（ｂ）は距離が４０ｍｍから１００ｍｍまでの遠距離間における受信音圧分布を示している。重み付けを行っていない従来技術と比較すると、メインローブの幅が狭くなった受信音圧分布を得ることができる。
【００４９】
一方、基本周波数で超音波を送信すると、音が被検体を伝わっていくに従って基本周波数の整数倍の周波数（高調波）が生じる。そして、ＴＨＩ（Ｔｉｓｓｕｅ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｉｍａｇｉｎｇ）機能を備えた超音波診断装置を使用して、基本周波数の超音波を送信して被検体内で発生した高調波成分を受信することにより、サイドローブは小さく、よりメインローブが絞られた受信音圧分布が得られる。ここで、ＴＨＩ法とは、高調波成分のみを抽出して画像化する手法である。高調波成分は音圧の高い部分でより多く発生するので、メインローブが強調され、逆にサイドローブがより軽減される。その結果、図１０（ａ）に示されている１０ｍｍから３０ｍｍまでの近距離間のサイドローブを減少させ、よりメインローブが絞られた受信音圧分布を得ることができる。
【００５０】
［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施形態における超音波診断装置について説明する。本発明に係る圧電振動子は、超音波プローブに使用される超音波探触子に用いられる。そして、その超音波プローブは一例として、図１１に示す超音波診断装置８０に実装される。図１１は、本発明の実施形態の超音波診断装置６０の主要部の構成を示すブロック図である。この超音波診断装置６０は、患者などの被検体に対して超音波を送信し、被検体で反射した超音波をエコー信号として受信する圧電体が配列されている超音波プローブ６１と、超音波プローブ６１に電気信号を供給して超音波を発生させるとともに、超音波プローブ６１の各圧電体が受信したエコー信号を受信する送受信回路６２と、送受信回路６２の送受信制御を行う送受信制御回路６３と、送受信回路６２が受信したエコー信号を被検体の超音波画像データに変換する画像データ変換回路６４と、画像データ変換回路６４によって変換された超音波画像データでモニタ６６を制御して表示する表示制御回路６５と、超音波診断装置６０全体の制御を行う制御回路６７とからなる。制御回路６７には、送受信制御回路６３、画像データ変換回路６４、表示制御回路６５が接続されており、制御回路６７はこれら各部の動作を制御している。そして、超音波プローブ６１の各圧電体に電気信号を印加して被検体に対して超音波を送信し、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反射波を超音波プローブ６１で受信する。
【００５１】
尚、本実施形態における送受信回路６２が本発明の「電気信号を発生する手段」に相当し、画像データ変換回路６４が本発明の「画像処理手段」に相当する。
【００５２】
本実施形態の超音波診断装置によれば、サイドローブが減少し、メインローブの幅が狭い音圧分布が得られ、近距離から遠距離まで均一な音場が得られるため、従来技術と比較して画質が向上した超音波像を得ることができる。
【００５３】
【発明の効果】
請求項１乃至請求項３に記載の圧電振動子によれば、超音波探触子に使用することにより、サイドローブが減少し、メインローブの幅が狭くなった受信音圧分布を得ることができる。
【００５４】
請求項４および請求項５に記載の圧電振動子によれば、超音波探触子に使用することにより、送信時にはサイドローブが高いがメインローブの幅が狭い送信音圧分布が得られ、受信時にはサイドローブが低く、メインローブの幅がより狭い受信音圧分布を得ることができる。
【００５５】
請求項６に記載の発明によれば、製造工程数が少ない圧電振動子が得られる。
【００５６】
請求項７乃至請求項９に記載の圧電振動子の製造方法によれば、製造工程数を削減することが可能となり、製造コストを低くすることができる。
【００５７】
請求項１０乃至請求項１４に記載の超音波探触子によれば、圧電振動子に対して所定の重み付けを行うことにより、サイドローブを減少させることが可能となり、メインローブの幅が狭い音圧分布が得られ、近距離から遠距離まで均一な音場が得られる。
【００５８】
また、請求項１５に記載の超音波診断装置によれば、所定の重み付けがされた圧電振動子が設けられた超音波探触子を使用することにより、サイドローブを減少させることが可能となり、メインローブの幅が狭い音圧分布が得られ、近距離から遠距離まで均一な音場が得られるため、従来技術と比較して画質が向上した超音波像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態における超音波探触子の概略構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施形態における圧電振動子の形状を示す斜視図である。
【図３】本発明の第１の実施形態における圧電振動子の重み付けに使用される重み付け関数を示す図である。
【図４】セラミック材料の電気機械結合係数の変化を示す図である。
【図５】本発明の実施形態における圧電振動子の製造工程を示す圧電体の斜視図である。
【図６】本発明の第１の実施形態における超音波探触子を使用した場合の受信音圧分布示す図である。
【図７】従来技術の超音波探触子を使用した場合の受信音圧分布を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施形態における圧電振動子の重み付けに使用される重み付け関数を示す図である。
【図９】セラミック材料の比誘電率の変化を示す図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態における超音波探触子を使用した場合の受信音圧分布を示す図である。
【図１１】本発明の超音波探触子を使用した超音波診断装置の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 超音波探触子
２ 背面材
３ 圧電振動子
３０、３１、３２ 圧電体
４ 整合層
５ 音響レンズ
Claims (15)
- 電気信号が印加されることにより、超音波を発信する圧電振動子において、
組成が異なる複数の圧電体が、前記超音波を送信する方向と直交する方向に連続的に配置されていることを特徴とする圧電振動子。 - 電気信号が印加されることにより、超音波を送信する圧電振動子において、
電気機械結合係数が異なる複数の圧電体が、前記超音波を送信する方向と直交する方向に連続的に配置されていることを特徴とする圧電振動子。 - 電気信号が印加されることにより、超音波を送信する圧電振動子において、
前記超音波を送信する方向と直交する方向に複数の圧電体が連続的に配置され、かつ、その中心部における圧電体の電気機械結合係数が最も高く、端の圧電体の電気機械結合係数が最も低くなるように配列されていることを特徴とする圧電振動子。 - 電気信号が印加されることにより、超音波を送信する圧電振動子において、
比誘電率が異なる複数の圧電体が、前記超音波を送信する方向と直交する方向に連続的に配置されていることを特徴とする圧電振動子。 - 電気信号が印加されることにより、超音波を送信する圧電振動子において、
前記超音波を送信する方向と直交する方向に複数の圧電体が連続的に配置され、かつ、その中心部における圧電体の比誘電率が最も低く、端の圧電体の比誘電率が最も高くなるように配列されていることを特徴とする圧電振動子。 - 組成の異なる複数の圧電体シートを積層して焼成することにより作製された圧電体ブロックを、前記圧電体シートを積層した方向に沿って直交する方向に所定の間隔ごとに切り出すことにより得られる圧電振動子。
- 組成が異なる複数の圧電体シートを積層して焼成することにより圧電体ブロックを作製する第１のステップと、
前記圧電体ブロックを、前記圧電体シートを積層した方向に沿って直交する方向に所定の間隔ごとに切り出すことにより、組成が異なる複数の圧電体が連続的に配置された圧電振動子を作製する第２のステップと、
を含むことを特徴とする圧電振動子の製造方法。 - 電気機械結合係数が異なる複数の圧電体シートを積層して焼成することにより圧電体ブロックを作製する第１のステップと、
前記圧電体ブロックを、前記圧電体シートを積層した方向に沿って直交する方向に所定の間隔ごとに切り出すことにより、電気結合係数が異なる複数の圧電体が連続的に配置された圧電振動子を作製する第２のステップと、
を含むことを特徴とする圧電振動子の製造方法。 - 比誘電率が異なる複数の圧電体シートを積層して焼成することにより圧電体ブロックを作製する第１のステップと、
前記圧電体ブロックを、前記圧電体シートを積層した方向に沿って直交する方向に所定の間隔ごとに切り出すことにより、比誘電率が異なる複数の圧電体が連続的に配置された圧電振動子を作製する第２のステップと、
を含むことを特徴とする圧電振動子の製造方法。 - 圧電振動子を走査方向に配列することにより超音波の送受信を行う超音波探触子において、
前記圧電振動子は、前記走査方向と直交する方向において、組成が異なる複数の圧電体が連続的に配置されていることを特徴とする超音波探触子。 - 圧電振動子を走査方向に配列することにより超音波の送受信を行う超音波探触子において、
前記圧電振動子は、前記走査方向と直交する方向において、電気機械結合係数が異なる複数の圧電体が連続的に配置されていることを特徴とする超音波探触子。 - 前記圧電振動子は、前記走査方向に配列している方向と直交する方向に複数の圧電体が連続的に配置され、かつ、その中心部における圧電体の電気機械結合係数が最も高く、端の圧電体の電気機械結合係数が最も低くなるように配列されていることを特徴とする請求項１１に記載の超音波探触子。
- 圧電振動子を、走査方向に配列することにより超音波の送受信を行う超音波探触子において、
前記圧電振動子は、前記走査方向と直交する方向において、比誘電率が異なる複数の圧電体からなることを特徴とする超音波探触子。 - 前記圧電振動子は、前記走査方向と直交する方向に複数の圧電体が連続的に配置され、かつ、その中心部における圧電体の比誘電率が最も低く、端の圧電体の比誘電率が最も高くなるように配列されていることを特徴とする請求項１３に記載の超音波探触子。
- 電気信号を発生する手段と、前記電気信号を受けて前記超音波を被検体に向けて送信し、前記被検体から受けた反射波に応じた受信信号を生成する複数の圧電体が配置された超音波探触子と、前記超音波探触子が生成した前記受信信号に応じて、前記被検体の画像を生成する画像処理手段とを有する超音波診断装置において、
前記超音波探触子は、組成が異なる複数の圧電体が連続的に配置されている圧電振動子を有することを特徴とする超音波診断装置。
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