JP3780065B2 - 超音波探触子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波のエコーを利用して生体内の断層を画像化する超音波診断装置に用いられる超音波探触子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、超音波探触子或いは超音波振動子から超音波を生体に照射し、生体における音響インピーダンスの変化部分で反射された反射超音波を受信して電気信号に変換し、画像化することにより、超音波断層像を得る超音波診断装置が広く用いられるようになった。
【０００３】
従来の超音波探触子は、中心軸上に幾何学的焦点をもつように振動子の放射面を凹状もしくは凸状の球面としたものや振動子の中心軸上に幾何学的焦点をもつ集束型音響レンズを設けたものであった。
【０００４】
しかし、このような超音波探触子においては、超音波ビームの焦点近傍ではビーム幅が細く絞られているが、焦点から外れた位置では超音波ビームは広がるため、広範囲にわたって分解能の高い画像を得ることができなかった。
【０００５】
この問題点を解決するために、特開昭５１−６０４９１号公報において、「超音波探触子の前方又は後方にそれぞれ実効的、仮想的円環状音源を形成する」超音波探触子が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この仮想円環状音源を形成する超音波探触子は、広範囲にわたってビーム幅の細い主ビームを得る事ができるが、サイドローブが大きく、このサイドローブによるエコー信号のため超音波診断画像の画質を劣化させていた。
【０００７】
図７（Ｂ）は特開昭５１−６０４９１号公報による「超音波振動子の前方又は後方にそれぞれ実効的、仮想的円環状音源を形成する」超音波探触子の音場の一例を示す。
【０００８】
【発明の目的】
本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたもので、広範囲にわたってビーム幅の細いビームを形成し、かつサイドローブを抑え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。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、所定の径を有する音響レンズであって、上記径より大きな径を有する仮想リング状の音源と等価な音場を形成する音響レンズと、所定の超音波振動を生成して前記音響レンズに向けて放射する超音波振動生成手段と、前記音響レンズの超音波放射面において放射される超音波振動の振幅に対して所定の重み付けをする重み付け手段と、を具備したことを特徴とする。
【００１０】
【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説明する。
（第１の実施の形態）
図１ないし図７は本発明の第１の実施の形態に係り、図１は本発明の第１の実施の形態の超音波探触子の構造を示し、図２は両面の電極及び分極処理の分極電圧分布を示し（図２（Ａ）は圧電素子の後面側の信号電極を示し、図２（Ｂ）はアース電極を示し、図２（Ｃ）は中央電極部及び周辺電極部を用いて圧電素子に対する分極処理の分極電圧分布を示し）、図３は音響レンズの他の形状例を示し、図４は音響レンズのさらに他の形状例を示し、図５は分極分布を連続的にした場合における超音波探触子の両面の形状を示し、図６は図５の超音波探触子の分極分布を形成する処理を行う装置を示し、図７（Ａ）は図５の超音波探触子から送出された超音波ビームの強度分布を示す（図７（Ｂ）は比較のために従来例の超音波探触子から送出された超音波ビームの強度分布を示す）。
【００１１】
本実施の形態の目的はサイドローブを抑え、焦域の長い細いビームを放射できる超音波探触子を提供することにある。
図１に示すように本発明の第１の実施の形態の超音波探触子（或いは超音波振動子）１は超音波変換素子として圧電特性を有する圧電素子２と、超音波を放射する或いは超音波を送受する超音波放射面或いは超音波送受面（単に、前面とも記す）に形成したアース電極４と、この圧電素子２の超音波放射面の反対側の面（後面と記す）に形成した信号電極としての中央電極部３Ａ及び周辺電極部３Ｂと、圧電素子２の前面側にアース電極４を介して順次積層した整合層５及び音響レンズ６と、圧電素子２の後面側に中央電極部３Ａ及び周辺電極部３Ｂを介して形成した図示しないバッキング材とから構成され、中央電極部３Ａ及び周辺電極部３Ｂとアース電極４とにそれぞれ接続した信号線８、アース線９を介して図示しない観測装置の信号端子及びアース端子に接続される。
【００１２】
圧電特性を有する圧電素子２は、円板形状で、その円形の両面には図２（Ａ）に示すように、信号が印加される信号電極として中央側に円形に形成した中央電極部３Ａと、この中央電極部３Ａの周囲に同心状に分離（分割）して形成された円環形状の周辺電極部３Ｂとの２つの分割電極が形成されている。
また、図２（Ｂ）に示すように、圧電素子２の前面にはアース電極４が前面の全域に形成されている。
【００１３】
そして、分割された信号電極とアース電極４との間には、図２（Ｃ）に示すように中央電極部３Ａに印加される分極電圧ＶａがＶａ＞Ｖｂ（Ｖｂは周辺電極部３Ｂに印加される分極電圧）となる分極電圧で分極処理することにより、中央電極部３Ａに対向する部分の圧電素子２の分極強度が周辺電極部３Ｂに対向する部分の圧電素子２の分極強度より大きくなるようにしている。つまり、送信信号が印加された場合に発生する超音波の振幅が中心側で大きく、周辺側では小さくなるように（圧電素子２自体の）超音波変換機能を設定している。
【００１４】
つまり、図２（Ｃ）の分極処理により、図２（Ｃ）の分極電圧Ｖａ，Ｖｂの分布にほぼ比例して圧電素子２には分極強度分布が形成される。なお、図２（Ｃ）の横軸は半径方向の位置を表している。
【００１５】
そして、この圧電素子２に送信信号を印加した場合に分極強度が大きい中央部側での超音波強度（振幅、或いは音圧）を大きく、周辺部側では小さくなる振幅重み付け機能或いは手段を形成し、この振幅重み付け機能或いは手段を形成することにより、この機能或いは手段を形成しない場合よりもサイドローブを抑制するようにしていることが特徴となっている。
【００１６】
また、本実施の形態では図２（Ａ）に示すように信号電極の最外電極（ここでは、周辺電極部３Ｂ）の径を圧電素子２の外径より少し小さくすることにより、エッジ効果による振幅の乱れを抑制している。
また、圧電素子２の超音波放射面側には厚さλ／４（λは超音波の波長）の円板形状の整合層５が接着等で設けられ、その上に音響レンズ６を設けている。そして、この音響レンズ６により圧電素子２の円形面より放射される超音波を圧電素子２の中心軸（つまり超音波探触子１の中心軸ＯＯ′）に沿って細いビームで放射できるように超音波を集束する集束手段を形成している。
【００１７】
この音響レンズ６は、凸状の円弧（曲率半径Ｒ）を円弧の中心ｃを通らない軸（図１では超音波探触子１の中心軸ＯＯ′）の回りで回転させた回転体の前面形状をしており、図１では前面形状は中心軸ＯＯ′上の位置で最も凹部となる凹面形状となっている。言い換えれば、円弧の中心ｃが超音波探触子１の後方で円環をなす円弧の回転体である。
【００１８】
従って、圧電素子２の円板状の前面から放射される超音波ビームは円弧の中心ｃが円環を描くように回転させた回転体の音響レンズ６で集束させる構造にすることより、超音波探触子１の後方側に実効的或いは仮想的円環状音源を形成した超音波探触子１を構成している。
【００１９】
そして、上述のように振幅重み付けの機能を設けた圧電素子２により放射される超音波をこの円環状の音響レンズ６で超音波探触子１の中心軸ＯＯ′方向に沿って集束するようにしている。この中心軸ＯＯ′は超音波の音軸である。
【００２０】
但し、この前面形状は音響レンズ６での音速がこの音響レンズ６に接する音響媒体（図１では音響レンズ６の右側で、例えば水、生体組織等の音響媒体）より速い場合であって、シリコンゴム等で形成された場合のようにその音響レンズに接する音響媒体より音速が遅い物質で構成された音響レンズ６Ａの場合には図３に示すように凹状の円弧（曲率半径Ｒ′）を円弧の中心ｃを通らない軸（中心軸ＯＯ′）の回りで回転させた前面形状となる。
【００２１】
また、図１の音響レンズ６では１つの曲率半径Ｒのもので形成しているが、図４に示す音響レンズ６Ｂの様に、いくつかの部位にわけそれぞれ異なる曲率半径Ｒ１，Ｒ２の曲面を形成するようにしても良い（図３の音響レンズ６Ａに対しても同様に適用できる）。
【００２２】
このような形状の音響レンズ６、６Ａ、６Ｂは、所望のレンズ形状に対応した凸型（もしくは凹型）のテフロン型と整合層５の間に音響レンズ用樹脂を注入し硬化させることにより、所望の形状に形成することができる。このような音響レンズ用樹脂としてはエポキシ樹脂、ＰＭＡ、ポリスチレン等を用いることができる。
【００２３】
上述の説明では分極重み付けを２分割としたが、３分割以上とし周囲にいくに従い分極強度を小さくすることによりサイドローブを更に低減することができる。
【００２４】
また、図５（Ａ）に示すように圧電素子２の中央から周囲に向かって連続的に減少させるような分極分布の分極Ｐが形成されるような分極分布による（超音波の放射の際の中心側の超音波の振幅を大きく、周辺側の超音波の振幅を小さくする）振幅重み付けを行うことによって、サイドローブを更に抑制することができる。
【００２５】
このような振幅重み付けが中央から周囲に向かって連続的に減少するように分極方法を行う一例の装置を図６に示す。
図５（Ｂ）に示すように圧電素子２の片面の全域にアース電極４を設け、他方の面には電極が設けられていない片面電極付き圧電素子２Ａを、シリコンオイル１０１がみたされた浴槽１０２の中に設置した分極用台１０３の上に、上記アース電極４と分極用台１０３に設けられた分極用端子１０４とが接するように置く。
【００２６】
上記片面電極付き圧電素子２Ａの電極が設けられていない面に、中央が薄く周辺側が厚くなる凹球面形状等の圧電素子２と同じ材質の分極蓋１０５を中心軸が同一となるように位置合わせして載せた後、その上方から押さえ治具１０６を置き、矢印で示す方向から押圧力を加える等して分極蓋１０５と圧電素子２Ａを密着させる。
【００２７】
圧電蓋１０５における圧電素子２Ａと接する面に対向する凹球面状の上面には分極用電極１０７が設けられており、分極用電極１０７と分極用端子１０４は電線１０８を介して分極用電源１０９に接続する。
【００２８】
分極用電源１０９は電線１０８を介して分極用端子１０４に接したアース電極４と分極用電極１０７の間に分極電圧を供給し、圧電素子２には分極蓋１０５の厚みに逆比例して小さくなる電界を形成するため、中心から周囲にむかって連続的に分極強度が減少する分極処理を施すことができ、例えば図５（Ａ）に示すような強度分布の分極Ｐを形成できる。
【００２９】
分極処理を終えた圧電素子２Ａの電極が設けられていない面には蒸着等により信号電極３を図５（Ｂ）のように設けて、中心から周囲にむかって連続的に分極強度の減少した圧電素子２を得ることができる。
【００３０】
分極強度の重み付けの形状は、従来から公知の分布関数を用いることができる。たとえばＢｅｓｓｅｌ関数、Ｇａｕｓｓ関数等を用いることができる。図７（Ａ）は図５のように中心側が大きく、周辺側が小さくなるように連続的に分極処理した超音波探触子１により得られる超音波ビームの強度分布を示す。
【００３１】
なお、図７（Ｂ）は比較のために従来例の超音波探触子９９による超音波ビームの強度分布を示す。７（Ａ），（Ｂ）で分極強度を矢印を持った線で示し、従来例では分極強度は一定であるのに対し、本実施の形態ではその分布は２点鎖線で示すように中心部が最も大きく、周辺側程小さくなっている。
【００３２】
図７において、縦軸は超音波探触子１、９９の振動子（圧電素子）面からの距離を示し、横軸は振動子の中心位置からの半径方向の距離を示す。
図７（Ａ），（Ｂ）の比較から分かるように従来例はサイドローブが大きいのに対し、２点鎖線のような分極強度分布を有する超音波探触子１によれば、サイドローブを小さくでき、細く集束された超音波ビーム、つまり焦域の長い超音波ビームを送出でき、方位分解能を向上できることになる。
【００３３】
本実施の形態における圧電素子２として、圧電セラミックスや複合圧電体や高分子圧電体を用いることもできる。複合圧電体は送波効率・受波効率とも比較的よいため総合的な感度が向上し好ましい。
【００３４】
本実施の形態では圧電素子２の分極強度の分布により振幅重み付けを行ったが、分極強度は同じで例えば図２（Ａ）等のように複数の分割電極を形成して各々の信号電極部に振幅重み付けに対応した電圧の送信信号を印加する（つまり中央部側の信号電極部には大きい電圧値の送信信号を、周辺側の信号電極部にはより小さい電圧値の送信信号を印加する、換言すると、周辺部側程小さな電圧値の送信信号を印加する）構成の超音波探触子を形成することにより、同様にサイドローブを抑え、焦域の長い細いビームをもつ超音波探触子を実現することもできる。
【００３５】
また、本実施の形態では音響レンズ６と圧電素子２との間に音響整合層５を設けたが、音響レンズ６を直接圧電素子２に張り合わせ、音響レンズ６中心部の厚みを動作周波数の波長λの１／４にしてもよい。
【００３６】
本実施の形態では音響レンズ６として樹脂を用いたが、もちろんこれに限られるものではない。適当な成形方法により金属やセラミックス等で構成することができる。
なお、音響レンズ６等で実効的或いは仮想的な円環状音源を超音波探蝕子１の後方側に形成したが、超音波探蝕子１の前方側に形成しても良い。これは、他の実施の形態に対しても同様である。
【００３７】
また、超音波探触子１の振幅（音圧）重み付け或いは超音波送信、受信時に重み付けを行う手段又は方法として以下の何れかを選ぶことができる。
（１）圧電素子２の信号電極を分割し、中央の電極から周囲の電極にいくに従い分極電圧強度を小さくすることにより分布をもたせ、同一の信号電圧が印可されても、中央の圧電素子部位は大きく振幅し周囲にいくに従い振幅は小さくなるように振幅重み付けをする。
【００３８】
（２）圧電素子２の分極時に、分極用電極間の距離を中央から周囲にいくに従い大きくすることにより、連続的に中央から周囲に向かって減少する分極重み付けを行なうことができ、信号電圧印加時にその部位の分極強度に応じて圧電素子により励振される超音波の振幅の重み付けを行う。
【００３９】
（３）圧電素子２の信号電極を分割し、それぞれ分割された複数の分割信号電極において、中央の分割信号電極が最も大きく周囲の分極信号電極にいくに従い小さい信号電圧を印加することにより、超音波の振幅を中央が最も大きく周囲にいくに従い小さくする。
【００４０】
このような振幅（音圧）に重み付けを行って放射される超音波ビームを円弧の中心ｃが円環を描くように回転させた回転体の音響レンズ６等で集束させることにより、超音波探触子１の前方又は後方にそれぞれ実効的、仮想的円環状音源を形成する超音波探触子において振動子の振幅を中央から周囲に向かって減少するように重み付けした構成としているので、（図７（Ｂ）の従来例に対し、）図７（Ａ）に示すようにサイドローブを抑えた焦域の長い細いビームを得ることができる。
【００４１】
従って、サイドローブを抑えた焦域の長い細いビームを形成する超音波探触子１Ａを実現でき、超音波診断装置の方位分解能を向上することができる。
【００４２】
（第２の実施の形態）
次に本発明の第２の実施の形態を説明する。本実施の形態の目的は第１の実施の形態と同じである。
図８は本発明の第２の実施の形態の超音波探触子１１を示す。
【００４３】
この超音波探触子１１を形成する圧電素子１２は、従来例と同様に一様な分極が施され、その両面における超音波放射面側にはアース電極１４が設けられ、他方の面側には信号電極１３がそれぞれ形成されている。
【００４４】
また、圧電素子１２の超音波放射面側となるアース電極１４には整合層１５が接着で設けられ、この整合層１５の上にさらに音響レンズ１６が設けられている。
【００４５】
この音響レンズ１６は、第１の実施の形態と同様、凸状の円弧（曲率半径Ｒ）を円弧の中心を通らない軸（ここでは振動子の中心軸ＯＯ′）で回転させた前面形状をしている。言い換えれば、円弧の中心が圧電素子１２の後方で円環をなす円弧の回転体である。
【００４６】
また、圧電素子１２の後面側の信号電極１３には超音波を減衰させるバッキング層１７が設けられている。
また、信号電極１３及びアース電極１４には信号線１８及びアース線１９が接続され、図示しない観測装置の送信回路の送信端子とアース端子とにそれぞれ接続される。
【００４７】
本実施の形態では上記整合層１５は、（圧電素子１２と同様に）図９（Ｂ）に示す円板形状でその超音波伝達特性は図９（Ａ）に示す様に中心から周囲にいくに従い超音波の減衰が大きくなるような材料で連続的な分布を有している。
【００４８】
本実施の形態では、整合層１５をその中心から周囲に向かっていくに従い超音波の減衰が連続的に増加する超音波減衰部材を設けているが、図１０に示すように離散的或いは段階的にに超音波の減衰を大きくしてもよい。
【００４９】
具体的には、図１０（Ｂ）に示すように同心状の複数の部材１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄで整合層１５を形成し、これらの部材１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄによる減衰特性を図１０（Ａ）に示すように中心側から周辺側の部材になるにつれその減衰量が大きくなるようにしても良い。
【００５０】
また、図８では整合層１５は厚みを中心側から周辺側まで均一な厚みにしているが、中心側と周辺側との厚み分布を変えて図９（Ａ）のように連続的な減衰特性を持つようにしても良いし、図１０（Ａ）のように段階的な減衰特性を持つようにしても良い。
【００５１】
次に本実施の形態の作用を説明する。
本実施の形態では圧電素子１２からでた超音波は、中心から周囲に向かって超音波の減衰が大きい整合層１５を通過することにより、中心から周囲にいくに従い超音波の振幅（音圧）は小さくなる。
【００５２】
よって、このような圧電素子１２と整合層１５の組み合わせで得られるビームを、円弧の中心が円環を描くように回転させた回転体の音響レンズ１６で集束させることにより、超音波探触子の前方又は後方にそれぞれ実効的、仮想的円環状音源を形成する超音波探触子において振幅を中央から周囲に向かって減少するように重み付けした構成としたので、サイドローブを抑えた焦域の長い細いビームを得ることができる。
【００５３】
従って、本実施の形態によれば、圧電素子１２の分極に重み付けをすることなく、更に信号線を多く取り出す必要もなく、サイドローブを抑えた焦域の長い細いビームを形成する超音波探触子１１を提供でき、超音波診断装置の方位分解能を向上することができる。
【００５４】
（第３の実施の形態）
次に本発明の第３の実施の形態を説明する。本実施の形態の目的は第１の実施の形態と同じである。
図１１は第３の実施の形態の超音波探触子２１を示す。この超音波探触子２１は圧電素子２２と、その前面に形成したアース電極２４と、この圧電素子２２の後面に形成した信号電極２３と、圧電素子２２の前面側にアース電極２４を介して順次積層した整合層２５及び音響レンズ２６と、圧電素子２２の後面側の信号電極２３に形成したバッキング材２７とから構成され、信号電極２３とアース電極２４とにそれぞれ接続した信号線２８、アース線２９を介して図示しない観測装置の信号端子及びアース端子に接続される。
【００５５】
本実施の形態の超音波探触子２１はその音響レンズ２６以外は、第１の実施の形態又は第２の実施の形態と同じように構成できる。
図１１では例えば圧電素子２２として径方向に連続的に分極強度を変化させたものを使用している（図５（Ａ）に示すような分極強度分布を有する）。
【００５６】
本実施の形態の音響レンズ２６は、図１２に示すように、中心軸ＯＯ′近傍を除いては、前記第１或いは第２の実施の形態と同様に、例えば半径Ｒ４による凸状の円弧を円弧の中心を通らない軸（ここでは超音波探蝕子２１の中心軸ＯＯ′）で回転させた前面形状をしている。そして、中心軸ＯＯ′近傍の前面は曲面で、例えば半径Ｒ３の凹球面となっている。
【００５７】
また、シリコンゴム等で形成された場合のようにその音響レンズに接する音響媒体より音速が遅い物質で構成された音響レンズ２６Ａの場合には、図１３に示すように、中心軸ＯＯ′近傍を除いては、例えば半径Ｒ６による凹状の円弧を円弧の中心を通らない軸（ここでは超音波探蝕子２１の中心軸ＯＯ′）で回転させた前面形状をしている。そして、中心軸ＯＯ′近傍の曲面は、半径Ｒ５の凸球面としている。
【００５８】
本実施の形態の作用は第１の実施の形態又は第２の実施の形態と同様である。
また、本実施の形態は第１又は第２の実施の形態と同様の効果を有する。
さらに、本実施の形態は、第１及び第２の実施の形態の音響レンズ中央部の鋭角な凸凹がなくなるので、製造が容易になるばかりでなく、中央部球面の曲率半径Ｒ３或いはＲ５を適当な値とすることによりサイドローブを抑制することができる効果がある。
【００５９】
（第４の実施の形態）
次に本発明の第４の実施の形態を説明する。本実施の形態の目的は第１の実施の形態と同じである。
図１４は第４の実施の形態の超音波探触子３１を示し、図１４（Ａ）はその斜視図、図１４（Ｂ）は図１４（Ａ）のＡ−Ａ′線断面図を示す。
【００６０】
この超音波探触子３１は、凸状の円弧（曲率半径Ｒ）をその円弧の中心を通らない軸（ここでは超音波探触子３１の中心軸ＯＯ′）で回転させた前面形状を有するバッキング層３７を用いている。
【００６１】
そして、この前面に沿って、両面に電極３３、３４を設けた可撓性のある高分子圧電体又は複合圧電体３２を張り合わせ、それぞれの電極３３、３４に信号線３８とアース線３９を接続した同軸ケーブル４０を介して観測装置（図示せず）に接続されている。
【００６２】
複合圧電体３２は、分極強度がその中央部から周辺部にいくに従い小さくなっている。この分極強度分布を１３（Ｂ）の複合圧電体３２中に模式的に図示している。つまり、矢印が分極方向を示し、その長さが分極強度の大きさを表しており、中心部の分極強度が最も大きく、周辺部で最も小さくなっている。２点鎖線はその分布特性を示している。
【００６３】
バッキング層３７と複合圧電体３２は、（図示しない）ケース内部に収められており、耐薬品性、耐水性のすぐれた保護層（整合層を兼ねても良い）としてパリレン（ポリパラキシリレン）膜３６をＣＶＤ（化学的蒸着）装置によりケース外面の一部及び複合圧電体３２の前面に設けた構造にしている。
【００６４】
本実施の形態では第１の実施の形態における超音波を集束する集束手段としての音響レンズ６等を設けることなく、圧電素子３２の形状を上述のような形状にすることによって中心軸ＯＯ′に沿って細く集束する集束手段の機能を有するようにしている。
【００６５】
次に作用を説明する。
凸状の円弧を円弧の中心を通らない軸（ここでは超音波探触子３１の中心軸ＯＯ′）で回転させた前面形状をもつバッキング層３７の曲面に沿って複合圧電体３２を配置することにより、超音波探触子３１（複合圧電体３２）の中央から放射される超音波より前面にあることから、仮想的に超音波探触子３１（複合圧電体３２）の後方に環状音源を形成することができ、超音波探触子３１（複合圧電体３２）は、中心の音圧（振幅）が大きく、周囲にいくに従い、小さくなるように放射する様に音圧（振幅）に分布を持たせているので、サイドローブを抑えた焦域の長い細いビームを形成することができる。
【００６６】
本実施の形態は以下の効果を有する。
音響レンズを用いることなく、サイドローブを抑えた焦域の長い細いビームを形成する超音波探触子３１を提供でき、超音波診断装置の方位分解能を向上することができる。
【００６７】
（第５の実施の形態）
次に本発明の第５の実施の形態を説明する。本実施の形態の目的は超音波探触子をアレイ状に配置した振動子で形成したアレイ振動子とし、その場合の振動子配列方向と直角方向において、放射する超音波を焦域の長い細いビームにして分解能を改善することである。
【００６８】
本発明の第５の実施の形態の超音波探触子としてのアレイ振動子４１を図１５（Ｂ）に示し、図１５（Ａ）はその音響カップリング材を示す。
【００６９】
長方形の板状の圧電素子４２の前面に整合層４３、音響レンズ４４、音響カップリング材４５が形成され、圧電素子４２の後面にはバッキング層４６が形成されている。
【００７０】
両面に電極を設けた圧電素子４２の後面をバッキング層４６に接着しアレイ状に切断してアレイ状振動子エレメント４２ａ，４２ｂ，…，４２ｎを形成した後、アレイ状振動子エレメントの配列方向と直角な方向（ここではスライス方向と呼ぶ）に、整合層４３、音響レンズ４４を積層して接着等で固着する。
【００７１】
整合層４３は圧電素子４２と同じように長方形の板状であり、一方音響レンズ４４は前面から見た形状は圧電素子４２等と同様に長方形であるが、厚み方向に対してはスライス方向の断面が図１等で示した円環状の音響レンズ６における中心軸ＯＯ′を通る断面形状となるように形成している。
【００７２】
つまり、本実施の形態では音響レンズ４４はスライス方向の中心の音軸において、そのスライス方向に左右対称な形状或いは互いに鏡面対称となる形状で、図１５の場合には中心側が凹部となる前面形状をしている（従って、本実施の形態では円環状レンズを形成していないので、実効的、仮想的音源は圧電素子４２の後方側で音軸に関して直交する位置に対称に形成される）。
【００７３】
また、この場合には各アレイ状振動子エレメント４２ａ，４２ｂ，…，４２ｎの音軸付近での超音波放射面或いは超音波送受面はスライス方向に対称な円筒面形状になっている。
【００７４】
圧電素子４２はスライス方向において中心部から周辺部に向かって振幅（又は音圧）が小さくなる様に分極分布等の重み付けしたものである。生体との接触を容易にするため、生体内に近い音速及び音響インピーダンスをもつポリエーテルブロックアミド等の音響カップリング材４５（図１５（Ａ）参照）が超音波放射面の凹部に埋められている。
【００７５】
また、圧電素子４２の後面にはフレキシブル基板４７が取り付けられ、このフレキシブル基板４７に設けたリードパターン４８はアレイ状振動子エレメント４２ｊ（ｊ＝ａ，ｂ，…，ｎ）の信号電極にそれぞれ導通する。他方のアース電極は図示しないアース線と導通する。
【００７６】
なお、バッキング層４６は支持台４９に取り付けられている。
【００７７】
次に作用を説明する。
アレイ振動子４１のスライス方向において、振動子の後方に実効的、仮想的にアレイの中心面に対して対称な位置に複数の音源を形成し、圧電素子４２による振幅が中心面から遠いほど小さくなるように圧電素子４２による振幅（もしくは音圧）の重み付けがなされた構成とできるため、アレイ振動子４１の配列方向と直角なスライス方向においてサイドローブを抑えた焦域の長い細いビームを形成することができる。
【００７８】
従って、アレイ振動子４１の配列方向と直角な方向において、サイドローブを抑えた焦域の長い細いビームを形成する超音波探触子を提供できるので、広範囲にわたって超音波診断像の分解能を向上させることができる効果がある。
【００７９】
（第６の実施の形態）
次に本発明の第６の実施の形態を説明する。本実施の形態の目的はアレイ振動子の振動子配列方向と直角方向において、放射する超音波を焦域の長い細いビームにして分解能を改善し、バッキング材が軟らかいことによる圧電素子のカッテング時の素子倒れ不良をなくした超音波プローブを提供することにある。
【００８０】
図１６（Ａ）は本発明の第６の実施の形態の超音波探触子としてのアレイ振動子５１を示し、図１６（Ｂ）はソフトバッキング材を示す。
【００８１】
図１６（Ａ）に示すようにアレイ振動子５１は圧電素子５２の前面に整合層５３、音響レンズ５４、後面にソフトバッキング材５５、５６、フェライト入りゴム等のバッキング材５７で構成されている。
【００８２】
第５の実施の形態と同様に圧電素子５２をソフトバッキング材５５等に接着しアレイ状に切断してアレイ状振動子エレメント５２ａ，５２ｂ，…，５２ｎが形成され、各アレイ状振動子エレメント５２ｊはフレキシブル基板５８に設けたリードパターン５９により信号電極とそれぞれ導通している。
【００８３】
ソフトバッキング材は圧電素子５２とバッキング材５７の間の中間層５６及びスライス方向の中央部分５５に形成されており、バッキング材５７に比べ、音響インピーダンスが小さく硬度を大きくしたものである。
【００８４】
圧電素子５２は図１５の圧電素子４２と同様の形状で、またスライス方向において中心部から周辺部に向かって振幅（又は音圧）が小さくなる様に分極分布等の重み付けしたものである。また、整合層５３、音響レンズ５４も図１５の場合と同様である。また、バッキング層５７は支持台５０に取り付けられている。
【００８５】
従来では、圧電素子５２をフェライト入りゴム等の軟らかいバッキング層５７に接着しアレイ状に切断した時、カッティングピッチが小さくなるにつれ圧電素子片が倒れてしまう問題があった。
【００８６】
本実施の形態ではソフトバッキング材を従来のフェライト入りゴムを粉にしたものに、エポキシ樹脂と混合して形成し、中間層５６の厚みを超音波の動作周波数の波長／２の整数倍にする様にしたものである。
【００８７】
ソフトバッキング材５６は接着性をもち、硬度が大きいためカッティング時の圧電素子倒れの不良がない。また中央部のソフトバッキング材５５の音響インピーダンスが周辺部５７に比べ小さいため、超音波放射側（整合層５３側）のスライス方向において、中央部から周辺部に向かって振幅（又は音圧）が小さくなる様な重み付けした効果を持ちスライス方向のサイドローブを抑えた焦域の長い細いビームを形成することができる。
【００８８】
従って、硬度が大きく接着性のあるソフトバッキング材を用いることでカッティング時の圧電素子倒れの問題が解決できるだけでなく、バッキング側における重み付けをすることができスライス方向においてサイドローブを抑えた焦域の長い細いビームを形成する超音波プローブを提供できる。その為、アレイ振動子５１の生産性が向上するだけでなく、超音波画像の分解能も改善することができる。
【００８９】
（第７の実施の形態）
次に本発明の第７の実施の形態を説明する。本実施の形態の目的は先端キャップに複数の異なる開口をもたせ、音響レンズ機能を具備したメカニカルスキャン型治療用単板振動子と仮想リング型レンズ付診断用振動子との組み合わせによる超音波探触子の提供することにある。
【００９０】
本発明の第７実施の形態の超音波探触子６０を有する超音波プローブの先端側を図１７（Ａ）、図１７（Ｂ）に示す。本実施の形態は診断用振動子６１と治療用の強力超音波用振動子６６とを組み合わせたものである。
【００９１】
従来の治療用メカニカルスキャン型（メカスキャン型と略記）超音波探触子などの先端キャップ内の超音波振動子において、通常、焦点が固定であるが、本実施の形態では、両振動子６１、６６を収納し、挿入部の周方向で回転可能にした手段を有する先端キャップ６８をいくつかの異なる大きさの開口６９ａ、６９ｂを形成することにより、先端キャップ６８に音響レンズ機能を具備させ、複数の焦点距離を選択できるようにしたものである。
【００９２】
診断用振動子６１を形成する圧電素子６２はその分極が中心部から周辺部にむかって小さくなる様に重み付けされ、その圧電素子６２の前面に仮想リング型レンズ６３が形成され、後面にはバッキング層６４が形成されている（例えば、図５で説明した超音波探触子と同様）。
【００９３】
そして、圧電素子６２の両面の各電極に接続されたケーブル６５ａを介して圧電素子６２に送信信号を印加することにより、この診断用振動子６１によって焦域の長い細い超音波ビームを生体へ放射し治療部位を見つけるのに使用できるようにしている。
【００９４】
一方、強力超音波用振動子６６は凹面形状の圧電素子６７で形成され、その後面にはバッキング層が設けてある。そして、この凹面形状の圧電素子６７の両面の各電極に接続されたケーブル６５ｂを介して治療用の強力な駆動信号を印加することにより、強力超音波を照射し、その強力超音波を集束してその集束点付近に設定された治療部位を焼灼治療できるようにしている。
【００９５】
先端キャップ６８内には音響媒体７０が充填されている。
なお、各開口６９ａ、６９ｂは薄い音響部材で音響媒体７０が漏れないようにしている。
【００９６】
本実施の形態では、図１７（Ｂ）のように強力超音波用振動子６６の凹面形状の圧電素子６７に対向してその面積より小さい開口６９ａが臨むように設定された場合には開口６９ａの周辺の先端キャップ６８の内側に吸音材６９ｃを設けることで振動子の開口が実質的に小さくなり近距離にフォーカスするようにしている。
【００９７】
治療部位が遠距離の場合は、キャップ６８を回転して図１７（Ａ）に示すように大きい開口６９ｂが治療部位側で凹面型振動子６６に対向するように設定し、凹面型振動子６６により強力超音波を照射し、その強力超音波は全て大きい開口６９ｂを透過し、圧電素子６７の凹面形状により設定された遠距離でフォーカスする遠距離フォーカスの位置に治療部位を設定して治療する。
【００９８】
また、治療部位が近距離の場合は、先端キャップ６８を回転して図１７（Ｂ）に示すように小さい開口６９ａが治療部位側となるように設定し、凹面型振動子６６により強力超音波を照射することにより、開口６９ａを通る超音波は遠方側で集束するように進行するが、そのキャップ６８の内側の吸音材６９ｃにより超音波ビーム全体としては近距離にフォーカスする近距離フォーカスを実現できる。
【００９９】
本実施の形態は以下の効果を有する。
焦域の長い細いビームを形成できる振動子で高分解能の診断ができ、治療時には所望の焦点距離が選択できる強力超音波振動子が提供できる。
【０１００】
（第８の実施の形態）
次に本発明の第８の実施の形態を説明する。本実施の形態の目的は先端キャップ部に複数の異なる開口又は周波数をもつ振動子により焦点距離を可変にできるメカスキャン型治療用単板振動子と振動子配列方向と直角方向に音響レンズを形成した診断用電子スキャン型振動子との組み合わせによる超音波探触子を提供することにある。
【０１０１】
本発明の第８の実施の形態の超音波探触子７１を図１８（Ａ）に示し、また診断用電子スキャン型振動子７２を１８（Ｂ）に示す。本実施の形態の超音波探触子７１は診断用電子スキャン振動子７２と治療用の強力超音波振動子７３、７４を組み合わせたものである。
【０１０２】
従来の治療用メカスキャン型超音波探触子では先端キャップ内の超音波振動子において、焦点が固定したが、本実施の形態においては、探触子挿入部の周方向で回転可能とする手段を設けた先端キャップ８０をいくつかの異なる開口８０ａ，８０ｂ又は周波数の振動子７３、７４で構成することで複数の焦点距離を選択できるようにしたものである。
【０１０３】
診断用凸状電子スキャン型振動子７２は圧電素子７５の分極が配列方向と直角方向（スライス方向）に沿って中心部から周辺部にむかって小さくなる様に重み付けして電子スキャン振動子エレメント７５ａ，７５ｂ，…，７５ｎが形成してあり、圧電素子７５の上に、音響レンズ７６が形成され、後面にはバッキング材７７が形成されている（図１７（Ｂ））。
【０１０４】
この音響レンズ７６は、配列方向の円筒面等の凸面に沿って形成しているが、（この凸面を平面とした場合には）図１５で説明したものとほぼ同様の形状となる。
【０１０５】
一方、治療用の強力超音波振動子７３、７４は凹面形状の圧電素子７８，７９で形成され、各後面にはバッキング材が設けてある。
【０１０６】
そして、診断用振動子７２により治療部位を見つけ、その治療部位が遠距離の場合は、キャップ８０を回転し図１８（Ａ）に示すように大きい開口８０ａを治療部位側に設定し、凹面型振動子７３によりこの開口８０ａを経て治療部位に超音波を照射し、遠距離フォーカスで治療を行う。
【０１０７】
また治療部位が近距離のときは振動子７４を用い小さい開口８０ｂを用いて近距離フォーカスで治療を行う。
【０１０８】
本実施の形態によれば、スライス方向が焦域の長い細いビームを形成できる電子スキャン型振動子７２が高分解能の診断ができ、治療時には所望の焦点距離が選択できる強力超音波振動子を実現できる。
【０１０９】
（第９の実施の形態）
次に本発明の第９の実施の形態を説明する。本実施の形態の目的はサイドローブを抑え、焦域の長い細いビームをもち且つ広帯域特性の振動子を提供することにある。
【０１１０】
第９の実施の形態の超音波探触子を図１９（Ａ），そのＢ−Ｂ′断面図を図１９（Ｂ）に示す。本実施の形態の超音波探触子８１は、分極に重み付けした圧電素子８２、第１、第２整合層８３、８４、及び第３整合層兼仮想リング型レンズ８５、バッキング層８６等から構成されている。
【０１１１】
第１整合層８３の厚さが動作周波数での波長λの１／１０以下で、第２整合層８４の厚みが波長λの１／１０〜１／５にしたものである。
【０１１２】
従来は、１層の音響整合層を用いた場合は−６ｄＢ帯域は約４０％程度である。１つの振動子で多くの周波数で送受信できる多周波機能を持たせる為に、２層整合層による広帯域化の方法がある。
【０１１３】
しかし、ＰＺＴ系圧電材を用いた場合、２層整合層の特に、第１整合層の音響インピーダンスの最適解の理論値（約８．９×１０⁶［Ｋｇ／ｍ²ｓ］）は求まるが、実際に入手できる材料はその値が大きいガラスなどであり、帯域特性を悪化する問題がある。
【０１１４】
本実施の形態では第２整合層８４（ガラス、約１１〜１３×１０⁶［Ｋｇ／ｍ²ｓ］）とＰＺＴ系圧電素子（約３０×１０⁶［Ｋｇ／ｍ²ｓ］）の間の接着層を第１整合層８３（エポキシ、約３×１０⁶［Ｋｇ／ｍ²ｓ］）としその厚みを波長λの１／１０以下、第２整合層８４（ガラス、約１１〜１３×１０⁶［Ｋｇ／ｍ²ｓ］）の厚みを波長λの１／１０〜１／５、第３整合層９５（エポキシ、約３〜４×１０⁶［Ｋｇ／ｍ²ｓ］）の厚みを波長λの約１／５〜１／２にしたものである。
【０１１５】
この様に、問題となる接着層を第１整合層８３とした変形した３層整合層にすることで広帯域化（約６０〜８０％）が実現できるようにしている。そして、本実施の形態における周波数に対する感度特性を１９（Ｃ）に示す。この図から分かるように３層整合層とすることにより、広帯域で感度を向上できる。
【０１１６】
従って、本実施の形態によれば、サイドローブを抑えた焦域の長い細いビームを形成され高分解能の診断ができ且つ広帯域特性を実現できることから多周波化振動子の超音波プローブを提供できる。
【０１１７】
（第１０の実施の形態）
次に本発明の第１０の実施の形態を説明する。本実施の形態の目的はサイドローブを抑え、焦域の長い細いビームをもつ超音波探蝕子を提供することにある。第１０の実施の形態の超音波探触子９１を分解した図を図２０（Ａ）に、その断面図を図２０（Ｂ）に示す。
【０１１８】
本実施の形態の超音波探触子９１は、圧電素子９２、第１整合層９３、及び第２整合層兼仮想リング型音響レンズ（エポキシ樹脂）９４、バッキング層（フェライト入りゴム）９５等で構成されている。
本実施の形態では円板形状の圧電素子９２は図２０（Ｂ）に示すようにその厚み方向に一定の分極強度となるように分極処理されている。
【０１１９】
一方、第１整合層９３は切削性の良いセラミックス（結晶化ガラスなど）、金属等の音響材料をある深さ又はその厚みまで周辺部へ行くに従い、細かくマトリックス状にダイスしそのカッテング溝にこの音響材料の減衰特性より大きな減衰特性のエポキシ等の高分子樹脂９６を入れたものである。
【０１２０】
こうすることで第１整合層９３の周辺部側では中央部より超音波が減衰されて小さくなり、圧電素子９２による超音波の振幅（又は音圧）が中央から周辺部へ行くに従い小さくなるように重み付けされる。そして、仮想リング型レンズ９４によりサイドローブを抑えた、焦域の長い細いビームが得られる。
【０１２１】
従って、本実施の形態によれば、サイドローブを抑えた焦域の長い細いビームを形成でき、高分解能の診断ができる。
【０１２２】
［付記］
１．前方又は後方にそれぞれ少なくとも１つの実効的・仮想的円環状音源を形成した超音波探触子において、
超音波探触子の振幅を音軸中心から周辺に行くに従い小さくしたことを特徴とする超音波探触子。
２．前方又は後方にそれぞれ少なくとも１つの実効的・仮想的円環状音源を形成した超音波探触子において、
超音波探触子から放射される超音波の音圧を音軸中心から周辺に行くに従い小さくしたことを特徴とする超音波探触子。
３．前記超音波探触子の超音波送受波面に、少なくとも１つの、中心が音軸上にない円弧を音軸で回転もしくは音軸面で鏡映させた面をもつ音響レンズを設けたことを特徴とする付記１項及び２項記載の超音波探触子。
【０１２３】
（付記１〜３、５〜８の効果）
前方又は後方にそれぞれ少なくとも１つの実効的・仮想的円環状音源を形成することを特徴とする超音波探触子において、超音波探触子の振幅もしくは超音波探触子から放射される超音波の音圧を、音軸中心から周辺に行くに従い小さくなるように重み付けを行うことにより、サイドローブの小さい、焦域の長い細いビームが得られる。
【０１２４】
４．前記超音波探触子を、中心が音軸上にない円弧を音軸で回転もしくは音軸面で鏡映させた面を少なくとも１つ以上もつように配置したことを特徴とする付記１項及び付記２項記載の超音波探触子。
（付記４の効果）
付記１〜３、５〜８の効果に加え、曲率を持った音響レンズやバッキング層の製作を容易にするとともに、中央部の挙栗を適当に選ぶことによりサイドローブを抑制することができる。
【０１２５】
５．前記超音波探触子の音軸付近の超音波送受波面を円筒面もしくは球面としたことを特徴とする付記１項、２項及び３項記載の超音波探触子。
６．前記超音波探触子が、音軸から周囲にいくに従い分極強度を小さくしたことを特徴とする付記１項、２項、３項、４項、５項記載の超音波探触子。
７．前記超音波探触子の超音波送受波面に、音軸から周囲にいくに従い超音波の減衰が大きくなるような超音波減衰部材を設けたことを特徴とする付記１項、２項、３項、４項、５項の超音波探触子。
【０１２６】
８．前記超音波探触子の音響整合層が、音軸から周囲にいくに従い音響インピーダンスを小さくしたことを特徴とする付記１項、２項、３項、４項、５項記載の超音波探触子。
９．所定の超音波の音軸を有する超音波探触子において、
前記超音波の音軸中心の中心超音波送信強度に対して、前記音軸中心に対する周囲の周囲超音波送信強度を小さくして超音波放射可能にしたことを特徴とする超音波探触子。
【０１２７】
１０．送信信号の印加により超音波を放射する共通の超音波変換素子を有し、所定の音軸に沿って超音波を放射するための超音波探触子において、
前記音軸中心側の中心超音波送信強度に対して、前記音軸中心の周囲の周囲超音波送信強度を小さくして超音波を放射する超音波送信重み付け手段を設けたことを特徴とする超音波探触子。
【０１２８】
１１．前記超音波送信重み付け手段は前記共通の超音波変換素子自体における音軸の中心側の超音波変換機能を音軸の周辺側より大きくした付記１０項記載の超音波探触子。
１２．前記共通の超音波変換素子は圧電素子で、前記圧電素子自体の分極強度を音軸の周辺側より中心側大きくした付記１０項記載の超音波探触子。
１３．前記超音波送信重み付け手段は前記共通の超音波変換素子における音軸の中心側に印加される送信信号の振幅を音軸の周辺側より大きくした付記１０項記載の超音波探触子。
【０１２９】
１４．前記超音波送信重み付け手段は前記共通の超音波変換素子から放射される超音波をその放射面の前に配置した超音波減衰部材により音軸の中心側を透過した超音波の振幅を音軸の周辺側より大きくした付記１０項記載の超音波探触子。
１５．前記共通の超音波変換素子から放射される超音波を前記音軸に沿った方向に集束させる超音波ビームの集束手段を有する付記１０項記載の超音波探触子。
１６．前方又は後方に複数の実効的・仮想的音源を形成した超音波探触子において、
超音波探触子による超音波振幅を音軸の中心から周辺に行くに従い小さくしたことを特徴とする超音波探触子。
【０１３０】
１７．前記複数の実効的・仮想的音源は円環状に形成された実効的・仮想的円環状音源である付記１６項記載の超音波探触子。
１８．前記複数の実効的・仮想的音源は、前記音軸に関して対称となる位置に形成される付記１６項記載の超音波探触子。
１９．前記超音波振幅を音軸の中心から周辺に行くに従い小さくした超音波振動子エレメンントを複数有する付記１６項記載の超音波探触子。
【０１３１】
２０．前記超音波探触子を形成する超音波変換素子は円板形状である付記１６項記載の超音波探触子。
２１．前記超音波探触子を形成する超音波変換素子は長方形の板形状である付記１６項記載の超音波探触子。
２２．前記超音波探触子を形成する超音波変換素子は中心が音軸上にない円弧を音軸で回転もしくは音軸面で鏡映させた面に設けた付記１６項記載の超音波探触子。
【０１３３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、送信信号の印加により超音波を放射する共通の超音波変換素子を有し、所定の音軸に沿って超音波を放射するための超音波探触子において、
前記音軸中心側の中心超音波送信強度に対して、前記音軸中心の周囲の周囲超音波送信強度を小さくして超音波を放射する超音波送信重み付け手段を設けているので、重み付け手段を設けていない場合に比べサイドローブを抑圧し、細い超音波ビームが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の超音波探触子の構造を示す断面図。
【図２】両面の電極及び分極処理の分極電圧分布等を示す図。
【図３】音響レンズの他の形状例を示す断面図。
【図４】音響レンズのさらに他の形状例を示す断面図。
【図５】分極分布を連続的にした場合における超音波探触子の両面の形状等を示す図。
【図６】図５の超音波探触子の分極分布を形成する装置を示す構成図。
【図７】本実施の形態の超音波探蝕子及び従来例から送出された超音波ビームの強度分布を示す特性図。
【図８】本発明の第２の実施の形態の超音波探触子の構造を示す断面図。
【図９】整合層の減衰特性及び整合層の形状を示す図。
【図１０】整合層の減衰特性及び整合層の形状を示す図。
【図１１】本発明の第３の実施の形態の超音波探触子の構造を示す断面図。
【図１２】音響レンズの形状例を示す図。
【図１３】音響レンズの他の形状例を示す図。
【図１４】本発明の第４の実施の形態の超音波探触子の構造を示す斜視図及び断面図。
【図１５】本発明の第５の実施の形態の超音波探触子の構造等を示す斜視図。
【図１６】本発明の第６の実施の形態の超音波探触子の構造等を示す斜視図。
【図１７】本発明の第７の実施の形態の超音波探触子の構造等を示す図。
【図１８】本発明の第８の実施の形態の超音波探触子の構造等を示す図。
【図１９】本発明の第９の実施の形態の超音波探触子の構造等を示す図。
【図２０】本発明の第１０の実施の形態の超音波探触子の構造を示す図。
【符号の説明】
１…超音波探触子
２…圧電素子
３Ａ…中央電極部
３Ｂ…周辺電極部
４…アース電極
５…整合層
６，６Ａ，６Ｂ…音響レンズ
８…信号線
９…アース線
ＯＯ′…中心軸
Ｒ，Ｒ１，Ｒ２…曲率半径
Ｖａ，Ｖｂ…分極電圧
Ｐ…分極

Claims (1)

1. 所定の径を有する音響レンズであって、上記径より大きな径を有する仮想リング状の音源と等価な音場を形成する音響レンズと、
   所定の超音波振動を生成して前記音響レンズに向けて放射する超音波振動生成手段と、
   前記音響レンズの超音波放射面において放射される超音波振動の振幅に対して所定の重み付けをする重み付け手段と、
   を具備したことを特徴とする超音波探触子。

Images