JP5282305B2 - 超音波探触子および超音波診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波を送受信可能な超音波探触子に関する。そして、本発明は、この超音波探触子を用い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、非破壊および無害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など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、被検体内からの超音波の反射波（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では、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。この超音波探触子は、送信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信号を生成する圧電素子を備えて構成される超音波送受信素子が例えばアレイ状に２次元配列されて構成されている。

そして、近年では、超音波探触子から被検体内へ送信された超音波の周波数（基本周波数）成分ではなく、その高調波周波数成分によって被検体内の内部状態の画像を形成するハーモニックイメージング（Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｉｍａｇｉｎｇ）技術が研究、開発されている。このハーモニックイメージング技術は、基本周波数成分のレベルに比較してサイドローブレベルが小さく、Ｓ／Ｎ比（ｓｉｇｎａｌ ｔｏ ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ）が良くなってコントラスト分解能が向上すること、周波数が高くなることによってビーム幅が細くなって横方向分解能が向上すること、近距離では音圧が小さくて音圧の変動が少ないために多重反射が抑制されること、および、焦点以遠の減衰が基本波並みであり高周波を基本波とする場合に較べて深速度を大きく取れることなどの様々な利点を有している。

このハーモニックイメージング用の超音波探触子は、基本波の周波数から高調波の周波数までの広い周波数帯域が必要とされ、その低周波側の周波数領域が基本波を送信するための送信用に利用され、その高周波側の周波数領域が高調波を受信するための受信用に利用される。このようなハーモニックイメージング用の超音波探触子としては、例えば、特許文献１に開示の装置がある。

この特許文献１に開示の超音波探触子は、被検体にあてがわれて該被検体内に超音波を送信し該被検体内で反射して戻ってきた超音波を受信する超音波探触子であって、所定の第１の音響インピーダンスを有する配列された複数の第１の圧電素子からなる、所定の中心周波数の超音波からなる基本波の、被検体内に向けた送信、および該被検体内で反射して戻ってきた超音波のうちの基本波の受信を担う第１圧電層と、前記第１の音響インピーダンスよりも小さい所定の第２の音響インピーダンスを有する配列された複数の第２の圧電素子からなる、前記第１圧電層の、この超音波探触子が被検体にあてがわれる側の全面に重ねられ、前記被検体内で反射して戻ってきた超音波のうちの高調波の受信を担う第２圧電層とを備えている。特許文献１に開示の超音波探触子は、このような構成によって広い周波数帯域で超音波を送受信することができる。
特開平１１−２７６４７８号公報

ところで、超音波探触子では、超音波を生成させるための電気信号の送信信号を供給する１組（１対）の配線および超音波を受信することで生成される電気信号の受信信号を取り出す１組（１対）の配線が、超音波探触子を構成する各圧電素子に対して必要である。各圧電素子は、通常、例えば平面視にて数ミリメートルの矩形であり、これらがサブミリメールの間隔で数千個２次元配列される。このため、数千本から数万本の前記配線が狭小な空間に配設されることになるため、前記配線間のクロストークが問題となる。また、前記特許文献１に開示の超音波探触子では、第２圧電層が第１圧電層に重ねられることから、配線の仕方によっては前記配線間隔がより短くなるため、前記配線間のクロストークがより問題となる。さらに、ハーモニックイメージング用の超音波探触子では、例えば、基本波の第２高調波、第３高調波および第４高調波などの高調波も受信されることから、前記配線を伝播する電気信号の周波数が高くなるため、この問題は、重要である。

そして、前記配線間にクロストークが生じることによって、超音波を受信することで生成される受信信号が相対的に減少し、超音波探触子の感度が低下したり、ダイナミックレンジが狭くなったりするなどの装置の性能が低下してしまう。

本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、その目的は、配線間のクロストークを低減することができる超音波送受信素子を提供することである。本発明の他の目的は、この超音波送受信素子を備える超音波探触子および超音波診断装置を提供することである。

本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。即ち、本発明の一態様に係る超音波送探触子は、送信信号が入力されることで超音波を送信する、無機電圧材料からなる送信用圧電素子と、超音波が受信されることで受信信号を出力する、有機圧電材料からなる受信用圧電素子とが直接または間接的に積層された積層体と、前記送信用圧電素子へ前記送信信号を供給する１組の送信用信号線および送信用接地線と、前記受信用圧電素子から前記受信信号を取り出す１組の受信用信号線および受信用接地線と、を備える超音波送受信素子を複数有し、前記超音波送受信素子のそれぞれについて、前記送信用接地線と前記受信用接地線とは、共通接地線として共通にされており、前記共通接地線、前記送信用信号線および前記受信用信号線は、それぞれ前記積層体における互いに異なる側面または稜に配置され、複数の前記超音波送受信素子をアレイ状に２次元配列して構成する、または、一直線上に配列して構成し、前記配列はそれぞれの前記超音波送受信素子が所定間隔の隙間を空けて配列されており、前記隙間には電気的な絶縁材料が充填されていることを特徴とする。

この構成によれば、送信用接地線と受信用接地線とが共通接地線として共通にされているので、配線数が低減されるから、送信用接地線と受信用接地線とが個別である場合に較べて配線間隔がより広くなる。そして、共通接地線と送信用信号線および受信用信号線とは、互いに積層された送信部および受信部における互いに異なる側面または稜に配置され、かつ、受信部と送信部とが互いに積層されているので上下の異なる位置となるから、互いに遠い位置に配設されるため、クロストークが低減可能となる。

そして、本発明の他の一態様に係る超音波診断装置は、上述の超音波探触子を備えることを特徴とする。

この構成によれば、クロストークが低減された超音波探触子を備えた超音波診断装置が提供される。

本発明に係る超音波探触子では、クロストークが低減される。そして、このような超音波送探触子を備える超音波診断装置が提供される。

実施形態における超音波診断装置の外観構成を示す図である。 実施形態におけ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。 実施形態の超音波診断装置における超音波探触子の平面図である。 実施形態の超音波診断装置の超音波探触子における超音波送受信素子の断面図である。 超音波送受信素子における受信用信号線、送信用信号線および共通接地線の第１態様を示す図である。 超音波送受信素子における受信用信号線、送信用信号線および共通接地線の第２態様を示す図である。 超音波送受信素子における受信用信号線、送信用信号線および共通接地線の第３ないし第９態様を示す図である。 超音波送受信素子における受信用信号線、送信用信号線および共通接地線の比較例を示す図である。

符号の説明

Ｓ 超音波診断装置
１ 超音波診断装置本体
２ 超音波探触子
１１ 操作入力部
１２ 送信回路
１３ 受信回路
１４ 画像処理部
１５ 表示部
１６ 制御部
２１ 超音波送受信素子
２１ａ〜２１ｄ 側面
３２ 送信部
３２−１、３２−２、３２−３ 圧電素子
３４ 受信部
３４−１、３４−２、３４−３ 圧電素子
３７ 受信用信号線
３８ 送信用信号線
３９ 共通接地線
ｄ 引き出し配線

以下、本発明に係る実施の一形態を図面に基づいて説明する。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。
（実施形態の構成）
図１は、実施形態における超音波診断装置の外観構成を示す図である。図２は、実施形態におけ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。図３は、実施形態の超音波診断装置における超音波探触子の平面図である。図４は、実施形態の超音波診断装置の超音波探触子における超音波送受信素子の断面図である。

超音波診断装置Ｓは、図１および図２に示すように、図略の生体などの被検体に対して超音波を送信すると共に、被検体で反射した超音波の反射波（エコー）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内からの超音波の反射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内の内部状態を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は、例えば、図２に示すように、診断開始を指示するコマンドや被検体の個人情報などのデータを入力する操作入力部１１と、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供給して超音波探触子２に超音波を発生させる送信回路１２と、超音波探触子２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受信回路１３と、受信回路１３で受信した受信信号に基づいて被検体内の内部状態の画像を生成する画像処理部１４と、画像処理部１４で生成された被検体内の内部状態の画像を表示する表示部１５と、これら操作入力部１１、送信回路１２、受信回路１３、画像処理部１４および表示部１５を当該機能に応じて制御することによって超音波診断装置Ｓの全体制御を行う制御部１６とを備えて構成される。

超音波探触子（超音波プローブ）２は、超音波を送受信する超音波送受信素子を複数備えて構成され、例えば、図３に示すように、被検体に対して超音波を放入射する放入射面が揃えられて複数の超音波送受信素子２１が線形独立な２方向（図３に示す例では直交する２方向）へｍ行×ｎ列でアレイ状に２次元配列されて構成される（ｍ、ｎは、正の正数である）。各超音波送受信素子２１は、音響的に分離することを目的に所定間隔の隙間（ギャップ、溝）を空けて配列されており、前記隙間には、超音波を吸収する例えば樹脂などの音響吸収材４０が充填されている。この音響吸収材４０は、本実施形態では、後述するように、超音波送受信素子２１の側面に受信用信号線３７、送信用信号線３８および共通接地線３９が配設されるので、電気的な絶縁材料でもある。音響吸収材４０は、耐絶縁性の観点から、例えばポリイミド樹脂やエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂などが用いられる。

なお、本実施形態では、超音波探触子２は、２次元アレイ振動子である例を示したが、複数の超音波送受信素子が一直線上に配列されたライン振動子であってもよい。また、超音波探触子２は、被検体の表面上に当接して用いられてもよいし、被検体の内部に挿入して、例えば、生体の体腔内に挿入して用いられてもよい。

超音波送受信素子２１は、例えば、図４に示すように、被検体に向かって、図略の配線基板上に設けられた吸音層３１と、この吸音層３１上に設けられた送信部３２（圧電素子３２−１〜３２−３）と、この送信部３２上に設けられたバッファ層３３と、このバッファ層３３上に設けられた受信部３４（圧電素子３４−１〜３４−３）と、この受信部３４上に設けられた音響整合層３５（３５−１、３５−２）と、この音響整合層３５上に設けられた音響レンズ３６と、受信用信号線３７と、送信用信号線３８と、共通接地線３９とを備えて構成される。ｄは引き出し配線であり、送信部３２と送信用信号線３８、受信部３４と受信用信号線３７、送信部３２（あるいは受信部３４）と共通接地線３９とを接合させる。なお本実施形態においては、引き出し配線ｄは積層の横方向（平面方向）に広がっている配線であり、受信用信号線３７、送信用信号線３８及び共通接地線３９はそれぞれ積層間を橋渡しする配線、つまり積層方向（高さ方向）に伸びている配線である。

なお、本明細書において、総称する場合には添え字を省略した参照符号で示し、個別の構成を指す場合には添え字を付した参照符号で示す。

吸音層（音響減衰層）３１は、送信部３２で生成され吸音層３１方向に伝播する超音波を再び送信部３２に戻らないように減衰して吸収する部材である。また、吸音層３１は、受信の際の超音波のうちの画像形成にとって必要とされていない超音波成分を減衰して吸収する部材である。

送信部３２は、電気信号の送信信号が入力されることで圧電素子によって生成される超音波を送信するものである。送信部３２は、１または複数の圧電素子を備えており、本実施形態では、３個の第１ないし第３圧電素子３２−１〜３２−３を備え、これら第１ないし第３圧電素子３２−１〜３２−３が積層されて構成されている。このように多層構造とすることによって単層構造の場合に較べて送信出力（送信パワー）が向上される。第１ないし第３圧電素子３２−１〜３２−３は、例えばＰＺＴ（ジルコンチタン酸鉛系磁器）、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウムおよびチタン酸鉛などの無機圧電材料から形成されている。無機圧電材料の圧電素子は、有機圧電材料から形成される圧電素子に較べて、送信出力が高い。

第１ないし第３圧電素子３２−１〜３２−３の両面には、電極層が設けられている。第１圧電素子３２−１の一方面に設けられた電極層（バッファ層３３と第１圧電素子３２−１とによって挟まれた電極層）は、接地電極層とされており、側面に設けられた引き出し配線ｄを介して送信用接地線として機能する共通接地線３９に接続されている。第１圧電素子３２−１の他方面に設けられた電極層（第１圧電素子３２−１と第２圧電素子３２−２とによって挟まれた電極層）は、側面に設けられた引き出し配線ｄを介して送信用信号線３８に接続されている。第１圧電素子３２−１の他方面に設けられたこの電極層は、第１および第２圧電素子３２−１、３２−２が互いに積層されているので、第１圧電素子３２−１と第２圧電素子３２−２とによって共用されており、第２圧電素子３２−２の一方面に設けられた電極層でもある。第２圧電素子３２−２の他方面に設けられた電極層（第２圧電素子３２−２と第３圧電素子３２−３とによって挟まれた電極層）は、側面に設けられた引き出し配線ｄを介して共通接地線３９に接続されている。第２圧電素子３２−２の他方面に設けられたこの電極層は、第２および第３圧電素子３２−２、３２−３が互いに積層されているので、第２圧電素子３２−２と第３圧電素子３２−３とによって共用されており、第３圧電素子３２−３の一方面に設けられた電極層でもある。第３圧電素子３２−３の他方面に設けられた電極層（第３圧電素子３２−３と吸音層３１とによって挟まれた電極層）は、側面に設けられた引き出し配線ｄを介して送信用信号線３８と接続されている。これら１組の送信用信号線３８および共通接地線３９は、ケーブル３を介して送信回路１２に接続される。

そして、第１ないし第３圧電素子３２−１〜３２−３の一方面および他方面にそれぞれ設けられた一対の電極層に１組の送信用信号線３８および共通接地線（送信用接地線）３９によって供給される送信信号に基づく電圧が印加されることによって、圧電現象の発生により電気信号の送信信号が機械的な振動に変換される。これによって送信部３２は、超音波を被検体に向けて送信する。

なお、本実施形態では、送信部３２は、３層の第１ないし第３圧電素子３２−１〜３２−３を備えて構成されたが、１層でも良く、また例えば２層、４層、５層、１０層および２０層などの他の層数でもよい。

バッファ層３３は、送信部３２と受信部３４とを積層するための部材であり、送信部３２と受信部３４との音響インピーダンスを整合させる。

受信部３４は、バッファ層３３を介して送信部３２に積層され、超音波が受信されることで圧電素子によって生成される電気信号の受信信号を出力するものである。受信部３４は、１または複数の圧電素子を備えており、本実施形態では、３個の第１ないし第３圧電素子３４−１〜３４−３を備え、これら第１ないし第３圧電素子３４−１〜３４−３が積層されて構成されている。このように多層構造とすることによって単層構造の場合に較べて受信感度が向上される。第１ないし第３圧電素子３４−１〜３４−３は、比較的簡単な構造で基本波の周波数からその高調波の周波数まで広い周波数帯域で超音波を受信すべく、例えばポリフッ化ビニリデンやポリウレアなどの有機圧電材料から形成される。一般に、無機圧電材料の圧電素子は、基本波の周波数に対する２倍程度の周波数の超音波しか受信することができないが、有機圧電材料の圧電素子は、基本波の周波数に対する例えば４〜５倍程度の周波数の超音波を受信することができ、受信周波数帯域の広帯域化に適している。なお、受信部３４は、受信周波数帯域を広げるために、その厚みを互いに変えた複数の圧電素子を備えるなど広帯域向けの構造を採用することによって無機圧電材料の圧電素子から構成されてもよい。この場合、有機圧電材料が用いられる場合に較べて圧電素子の層数が増大し、配線数が増大する。このため、この点からも有機圧電材料の圧電素子で受信部３４が構成される方が有利である。

第１ないし第３圧電素子３４−１〜３４−３の両面には、電極層が設けられている。第１圧電素子３４−１の一方面に設けられた電極層（音響整合層３５と第１圧電素子３４−１とによって挟まれた電極層）は、側面に設けられた引き出し配線ｄを介して受信用信号線３７に接続されている。第１圧電素子３４−１の他方面に設けられた電極層（第１圧電素子３４−１と第２圧電素子３４−２とによって挟まれた電極層）は、接地電極層とされており、側面に設けられた引き出し配線ｄを介して受信用接地線として機能する共通接地線３９に接続されている。第１圧電素子３４−１の他方面に設けられたこの電極層は、第１および第２圧電素子３４−１、３４−２が互いに積層されているので、第１圧電素子３４−１と第２圧電素子３４−２とによって共用されており、第２圧電素子３４−２の一方面に設けられた電極層でもある。第２圧電素子３４−２の他方面に設けられた電極層（第２圧電素子３４−２と第３圧電素子３４−３とによって挟まれた電極層）は、側面に設けられた引き出し配線ｄを介して受信用信号線３７に接続されている。第２圧電素子３４−２の他方面に設けられたこの電極層は、第２および第３圧電素子３４−２、３４−３が互いに積層されているので、第２圧電素子３４−２と第３圧電素子３４−３とによって共用されており、第３圧電素子３４−３の一方面に設けられた電極層でもある。第３圧電素子３４−３の他方面に設けられた電極層（第３圧電素子３４−３とバッファ層３３とによって挟まれた電極層）は、側面に設けられた引き出し配線ｄを介して共通接地線３９と接続されている。これら１組の受信用信号線３７および共通接地線３９は、ケーブル３を介して受信回路１３に接続される。

そして、被検体に向けて送信された超音波は、被検体内部における音響インピーダンスが異なる１または複数の境界面で反射され、超音波の反射波となる。この反射波の超音波は、受信部３４で受信され、第１ないし第３圧電素子３４−１〜３４−３で機械的な振動が電気信号に変換されて受信信号として、第１ないし第３圧電素子３４−１〜３４−３の一方面および他方面にそれぞれ設けられた一対の電極層から１組の受信用信号線３７および共通接地線（受信用接地線）３９によって取り出される。これによって受信部３４は、被検体からの超音波を受信する。

なお、本実施形態では、受信部３４は、３層の第１ないし第３圧電素子４２−１〜３４−３を備えて構成されたが、１層でも良く、また例えば２層、４層、５層、１０層および２０層などの他の層数でもよい。また、本実施形態では、送信部３２における圧電素子の層数と受信部３４における圧電素子の層数とは、３層で同一とされたが、異なる層数でも良い。送信部３２における圧電素子の層数が受信部３４における圧電素子の層数よりも多くても良く、その逆でも良い。さらに、本実施形態では、受信部３４は、送信部３２上にバッファ層３３を介して間接的に積層されているが、直接積層されてもよい。そして、本実施形態では、受信感度を高める観点から、被検体に向けて、送信部３２上にバッファ層３３を介して受信部３４が設けられたが、被検体に向けて受信部３４上にバッファ層３３を介して送信部３２が設けられてもよい。

音響整合層３５は、送信部３２の音響インピーダンスと被検体の音響インピーダンスとの整合をとると共に、受信部３４の音響インピーダンスと被検体の音響インピーダンスとの整合をとる部材である。音響整合層３５は、本実施形態では、例えば、２層の第１および第２音響整合層３５−１、３５−２を備えて構成されている。なお、受信周波数帯域を広帯域化するために、音響整合層３５の層数をさらに多くしても良い。

音響レンズ３６は、送信部３２から被検体に向けて送信される超音波を収束する部材であり、例えば、図４に示すように、円弧状に膨出した形状とされている。

送信用信号線３８は、送信用接地線と１組となって送信部３２へ送信信号を供給する配線である。受信用信号線３７は、受信用接地線と１組となって受信部３４から受信信号を取り出す配線である。

ここで、注目すべきは、本実施形態では、前記送信用接地線と前記受信用接地線とは、共通接地線３９として共通にされていることである。これによって配線数が低減されるから、前記送信用接地線と前記受信用接地線とが個別である場合に較べて配線間隔がより広くなる。そして、注目すべきは、本実施形態では、共通接地線３９と送信用信号線３８、および共通接地線３９と受信用信号線３７とは、それぞれが互いに積層された送信部３２および受信部３４における互いに異なる側面に配置されることである。これによって、送信部３２と受信部３４とが互いに積層されていることと相まって、受信用信号線３７と送信用信号線３８とが上下の異なる位置となることから互いに遠い位置に配設されるため、クロストークが低減可能となる。

これら受信用信号線３７、送信用信号線３８および共通接地線３９は、側面から離間するように例えばボンディングワイヤなどのリード配線で構成されてもよく、また、側面に接着するように所定幅を持った線状の導電膜で構成されてもよい。このような導電膜は、例えば、蒸着法や無電解メッキ法などによって形成可能である。

このような構成の超音波診断装置Ｓでは、例えば、操作入力部１１から診断開始の指示が入力されると、制御部１６の制御によって送信回路１２で電気信号の送信信号が生成される。この生成された電気信号の送信信号は、ケーブル３を介して超音波探触子２へ供給される。より具体的には、この送信信号は、超音波探触子２の超音波送受信素子２１における送信用信号線３８および共通接地線３９によって送信部３２へ供給される。送信信号は、例えば、所定の周期で繰り返される電圧パルスである。送信部３２の第１ないし第３圧電素子３２は、この電気信号の送信信号が供給されることによってその厚み方向に伸縮し、この送信信号に応じて超音波振動し、バッファ層３３、受信部３４、音響整合層３５および音響レンズ３６を介して超音波を放射する。超音波探触子２が被検体に例えば当接されていると、これによって超音波探触子２から被検体に対して超音波が送信される。

この被検体に対して送信された超音波は、被検体内部における音響インピーダンスが異なる１または複数の境界面で反射され、超音波の反射波となる。この反射波には、送信された超音波の周波数（基本波の基本周波数）成分だけでなく、基本周波数の整数倍の高調波の周波数成分も含まれる。例えば、基本周波数の２倍、３倍および４倍などの第２高調波成分、第３高調波成分および第４高調波成分なども含まれる。この反射波の超音波は、超音波探触子２で受信される。より具体的には、この反射波の超音波は、音響レンズ３６および音響整合層３５を介して受信部３４で受信され、第１ないし第３圧電素子３４−１〜３４−３で機械的な振動が電気信号に変換されて受信信号として、第１ないし第３圧電素子３４−１〜３４−３の一方面および他方面にそれぞれ設けられた一対の電極層から１組の受信用信号線３７および共通接地線３９によって取り出される。この取り出された電気信号の受信信号は、ケーブル３を介して制御部１６で制御される受信回路１３で受信される。

ここで、上述において、各超音波送受信素子２１から順次に超音波が被検体に向けて送信され、被検体で反射した超音波が１又は複数の超音波送受信素子２１で受信される。

そして、画像処理部１４は、制御部１６の制御によって、受信回路１３で受信した受信信号に基づいて、送信から受信までの時間や受信強度などから被検体内の内部状態の画像を生成し、表示部１５は、制御部１６の制御によって、画像処理部１４で生成された被検体内の内部状態の画像を表示する。

本実施形態の超音波診断装置Ｓ、超音波探触子２および超音波送受信素子２１は、上述のように動作するが、前記送信用接地線と前記受信用接地線とは、共通接地線３９として共通にされており、共通接地線３９と送信用信号線３８および受信用信号線３７とは、互いに積層された送信部３２および受信部３４における互いに異なる側面に配置されていることから、配線数が低減されることによって、前記送信用接地線と前記受信用接地線とが個別である場合に較べて配線間隔がより広くなり、そして、送信部３２と受信部３４とが互いに積層されていることと相まって、受信用信号線３７と送信用信号線３８とが上下の異なる位置となるので、受信用信号線３７と送信用信号線３８とは、互いに遠い位置に配設される。このため、本実施形態の超音波診断装置Ｓ、超音波探触子２および超音波送受信素子２１では、配線間のクロストークが低減可能となる。

また、配線間のクロストークが低減されることから、本実施形態の超音波診断装置Ｓ、超音波探触子２および超音波送受信素子２１では、超音波探触子２や超音波送受信素子２１の感度が向上可能となったり、ダイナミックレンジを広げることが可能となったりすることで、装置の性能が向上可能となる。

次に、互いに積層された送信部３２および受信部３４の側面に配設される受信用信号線３７、送信用信号線３８および共通接地線３９のより具体的な態様について説明する。

図５は、超音波送受信素子における受信用信号線、送信用信号線および共通接地線の第１態様を示す図である。図６は、超音波送受信素子における受信用信号線、送信用信号線および共通接地線の第２態様を示す図である。図５（Ａ）および図６（Ａ）は、超音波送受信素子の斜視図であり、図５（Ｂ）および図６（Ｂ）は、超音波の放入射面から見た平面図である。図７は、超音波送受信素子における受信用信号線、送信用信号線および共通接地線の第３ないし第９態様を示す図である。図７では、超音波探触子２に複数配列されている超音波送受信素子２１のうち２×２の４個が放入射面から見た平面図で示されている。図８は、超音波送受信素子における受信用信号線、送信用信号線および共通接地線の比較例を示す図である。

第１態様に係る超音波送受信素子２１Ａは、図５に示すように、四角柱状であり、超音波を放入射する矩形形状の放入射面と、この放入射面に直交する４個の第１ないし第４側面２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄとを有している。共通接地線３９ａは、第１側面２１ａの略中央部分に受信部３４および送信部３２の積層方向に沿って配置されている。すなわち、共通接地線３９ａは、第１側面２１ａの両端の稜から略等距離の位置に積層方向に沿って配置されている。受信用信号線３７ａは、第１側面２１ａに対向する第２側面２１ｂに配置されており、送信用信号線３８ａは第４側面２１ｄに配置されている。送信用信号線３８ａ及び受信用信号線３７ａも、それぞれの側面の略中央部分（各側面の両端の稜から略等距離の位置）に配置されている。

第２態様に係る超音波送受信素子２１Ｂは、大略、第１態様に係る超音波送受信素子２１Ａと同様であり、図６に示すように、受信用信号線３７ｂが第２側面２１ｂと第４側面２１ｄとの境界の稜に配置されている点が異なっている。第２態様に係る超音波送受信素子２１Ｂは、共通接地線３９ｂ、送信用信号線３８ｂ及び受信用信号線３７ｂとが互いに積層された送信部３２および受信部３４における互いに異なる２個の側面にそれぞれ配置されている態様であり、さらに、受信用信号線３７ｂが互いに積層された送信部および受信部における二つの側面が隣接する稜に配置されている態様である。

第３態様に係る超音波送受信素子２１Ｃは、大略、第１態様に係る超音波送受信素子２１Ａと同様であり、図７（Ａ）に示すように、受信用信号線３７ｃが第２側面２１ｂではなく第１側面２１ａと第２側面２１ｂに挟まれた側面、図７（Ａ）に示す例では、第４側面２１ｄに配置されている点が異なっている。受信用信号線３７ｃは、図７（Ａ）に示す例では、第４側面２１ｄの略中央部分（第４側面２１ｄの両端の稜から略等距離の位置）に積層方向に沿って配置されている。送信用信号線３８ｃは、図７（Ａ）に示す例では、第２側面２１ｂの略中央部分（第２側面２１ｂの両端の稜から略等距離の位置）に積層方向に沿って配置されている。

第４態様に係る超音波送受信素子２１Ｄは、大略、第１態様に係る超音波送受信素子２１Ａと同様であり、図７（Ｂ）に示すように、送信用信号線３８ｄが第２側面２１ｂではなく第１側面２１ａと第２側面２１ｂに挟まれた側面、図７（Ｂ）に示す例では、第４側面２１ｄに配置されている点、および、受信用信号線３７ｃが第２側面２１ｂではなく第１側面２１ａと第２側面２１ｂに挟まれた側面、図７（Ｂ）に示す例では、第３側面２１ｃに配置されている点が異なっている。すなわち、送信用信号線３８ｄおよび受信用信号線３７ｄは、共通接地線３９ｄが配置されている第１側面２１ａと異なる側面であって、互いに対向する第３および第４側面２１ｃ、２１ｄにそれぞれ配置されている。送信用信号線３８ｄは、図７（Ｂ）に示す例では、第４側面２１ｄの略中央部分（第４側面２１ｄの両端の稜から略等距離の位置）に積層方向に沿って配置されている。受信用信号線３７ｄは、図７（Ｂ）に示す例では、第３側面２１ｃの略中央部分（第３側面２１ｃの両端の稜から略等距離の位置）に積層方向に沿って配置されている。

なお、図３には、超音波探触子２の一態様として、この第４態様に係る超音波送受信素子２１Ｄを備える場合について図示されている。

第５態様に係る超音波送受信素子２１Ｅは、大略、第３態様に係る超音波送受信素子２１Ｃと同様であり、図７（Ｃ）に示すように、共通接地線３９ｅが互いに積層された送信部および受信部における二つの側面が隣接する稜、すなわち第１側面２１ａの両端の稜のうち平面視にて送信用信号線３８ｅの配置位置および受信用信号線３７ｅの配置位置から遠い稜に配置されている点が異なっている。

第６態様に係る超音波送受信素子２１Ｆは、第１態様に係る超音波送受信素子２１Ａと同様に、四角柱状であり、超音波を放入射する矩形形状の放入射面と、この放入射面に直交する４個の第１ないし第４側面２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄとを有している。そして、この第６態様に係る超音波送受信素子２１Ｆでは、図７（Ｄ）に示すように、受信用信号線３７ｆが互いに積層された送信部および受信部における二つの側面が隣接する稜、すなわち第３側面２１ｃの両端の稜のうち平面視にて送信用信号線３８ｆの配置位置および共通接地線３９ｆの配置位置から遠い稜に配置されている点が異なっている。

第７態様に係る超音波送受信素子２１Ｋは、大略、第６態様に係る超音波送受信素子２１Ｆと同様であり、図７（Ｅ）に示すように、送信用信号線３８ｋが互いに積層された送信部および受信部における二つの側面が隣接する稜、すなわち第４側面２１ｄの両端の稜のうち平面視にて受信用信号線３７ｋの配置位置および共通接地線３９ｋの配置位置から遠い稜に配置されている点が異なっている。

第８態様に係る超音波送受信素子２１Ｍは、大略、第６態様に係る超音波送受信素子２１Ｆと同様であり、図７（Ｆ）に示すように、超音波探触子２におけるｍ行×ｎ列で２次元配列されている超音波送受信素子２１Ｍのうち隣接する各列の超音波送受信素子２１Ｍでは送信用信号線３８ｍおよび受信用信号線３７ｍが交互に入れ替わって配置されている点が異なっている。すなわち、或る列の超音波送受信素子２１Ｍでは、受信用信号線３７ｍが互いに積層された送信部および受信部における二つの側面が隣接する稜、すなわち第３側面２１ｃの両端の稜のうち平面視にて送信用信号線３８ｍの配置位置および共通接地線３９ｍの配置位置から遠い稜に配置されている。そして、この或る列に隣接する列の超音波送受信素子２１Ｍでは、送信用信号線３８ｍが互いに積層された送信部および受信部における二つの側面が隣接する稜、すなわち第３側面２１ｃの両端の稜のうち平面視にて受信用信号線３７ｍの配置位置および共通接地線３９ｍの配置位置から遠い稜に配置されている。

第９態様に係る超音波送受信素子２１Ｉは、大略、第３態様に係る超音波送受信素子２１Ｃと同様であり、図７（Ｇ）に示すように、超音波探触子２におけるｍ行×ｎ列で２次元配列されている超音波送受信素子２１Ｉのうち隣接する各列の超音波送受信素子２１Ｉでは送信用信号線３８ｉおよび受信用信号線３７ｉが交互に入れ替わって第２側面２１ｂおよび第４側面２１ｄ（第３側面２１ｃ）にそれぞれ配置されている点が異なっている。すなわち、或る列の超音波送受信素子２１Ｉでは、送信用信号線３８ｉが第４側面２１ｄ（第３側面２１ｃ）に積層方向に沿って配置され、受信用信号線３７ｉが第２側面２１ｂに積層方向に沿って配置されている。そして、この或る列に隣接する列の超音波送受信素子２１Ｉでは、送信用信号線３８ｉが第２側面２１ｂに積層方向に沿って配置され、受信用信号線３７ｉが第４側面２１ｄ（第３側面２１ｃ）に積層方向に沿って配置されている。

このような構成の第１ないし第９態様に係る超音波送受信素子２１Ａ〜２１Ｉでは、図８の比較例に示すように、一側面、例えば、第１側面２１ａの略中央位置に共通接地線３９ｊが配置されると共に第１側面２１ａの両端の各稜に送信用信号線３８ｊおよび受信用信号線３７ｊがそれぞれ配置される超音波送受信素子２１Ｊよりも配線間隔がより広くなり（各配線がより遠い位置に配置され）、配線間のクロストークがより低減可能となる。そして、配線間のクロストークをより低減する観点から最も配線間隔が広くなる図７（Ｃ）に示す第５態様に係る超音波送受信素子２１Ｅがより好ましい。したがって、クロストークの低減や性能向上の観点から、第５態様に係る超音波送受信素子２１Ｅを備えた超音波探触子２および超音波診断装置Ｓが好ましく、第５態様に係る超音波送受信素子２１Ｅを備えた超音波探触子２および超音波診断装置Ｓがより好ましい。

なお、本実施形態では、超音波送受信素子２１は、四角柱状であるが、三角柱状や六角柱状などの角柱状でよい。

次に、このような超音波送受信素子２１を備える超音波探触子２の一製造方法について説明する。本製造方法は、大略、吸音層３１上に送信部３２を形成する工程と、送信部３２の側面に送信部３２の各電極層から引き出し配線を実装する工程と、送信部３２上側に受信部３５を形成する工程と、受信部３４の側面に受信部３４の各電極層から引き出し配線を実装する工程と、音響整合層３５および音響レンズ３６を形成する工程とを備えて構成される。

より具体的には、まず、配線基板上に吸音材が塗設され、吸音層３１が形成される。次に、吸音層３１上に例えば蒸着法などによってアルミ電極層が形成され、例えばＰＺＴなどの無機圧電材料から成る圧電膜が塗設され、その上に例えば蒸着法などによってアルミ電極層が形成される。これによって送信用の１層分の圧電素子が形成される。これを本実施形態では、３回繰り返され、３層の送信部３２が形成される。

次に、ダイシングソーによって例えば０．３ｍｍ間隔で溝切りが行われ、例えば、９０行×９０列の８１００個の送信アレイが形成される。次に、送信用信号線３８の結線配線が行われる。そして、音響吸収および絶縁として機能する例えばポリイミド樹脂がこの送信用信号線３８が配線された溝に充填される。

次に、送信部３２の側面に配置される共通接地線３９の結線配線が行われ、バッファ層３３として例えばポリイミド樹脂が送信部３２上に塗設される。

次に、バッファ層３３上に例えば蒸着法などによってアルミ電極層が形成され、例えばポリフッ化ビニリデンなどの有機圧電材料から成る圧電膜が塗設され、その上に例えば蒸着法などによってアルミ電極層が形成される。これによって受信用の１層分の圧電素子が形成される。これを本実施形態では、３回繰り返され、３層の受信部３４が形成される。

次に、ダイシングソーによって送信部３２の前記溝に垂直方向および水平方向が一致するように溝切りが行われ、送信アレイ上にバッファ層３３を介して間接的に積層された受信アレイが形成される。次に、受信用信号線３７の結線配線が行われる。そして、例えばポリイミド樹脂がこの受信用信号線３７が配線された溝に充填される。

次に、受信部３４の側面に配置される共通接地線３９の結線配線が行われ、この共通接地線３９が配線された溝に例えばポリイミド樹脂が充填される。

次に、音響整合層３５が形成され、その後、音響レンズ３６が形成される。こうして上述した超音波送受信素子２１を備える超音波探触子２が製造される。

このような製造方法によれば、超音波探触子２の超音波送受信素子２１の個数が増大し、個々の超音波送受信素子２１の大きさが小さくなった場合でも、超音波探触子２が比較的容易に製造可能となる。このため、超音波探触子２が比較的高い生産性で低コストで製造可能となる。

本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更及び／又は改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。従って、当業者が実施する変更形態又は改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態又は当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。

Claims (7)

1. 送信信号が入力されることで超音波を送信する、無機電圧材料からなる送信用圧電素子と、超音波が受信されることで受信信号を出力する、有機圧電材料からなる受信用圧電素子とが直接または間接的に積層された積層体と、
   前記送信用圧電素子へ前記送信信号を供給する１組の送信用信号線および送信用接地線と、
   前記受信用圧電素子から前記受信信号を取り出す１組の受信用信号線および受信用接地線と、を備える超音波送受信素子を複数有し、
   前記超音波送受信素子のそれぞれについて、前記送信用接地線と前記受信用接地線とは、共通接地線として共通にされており、前記共通接地線、前記送信用信号線および前記受信用信号線は、それぞれ前記積層体における互いに異なる側面または稜に配置され、
   複数の前記超音波送受信素子をアレイ状に２次元配列して構成する、または、一直線上に配列して構成し、
   前記配列はそれぞれの前記超音波送受信素子が所定間隔の隙間を空けて配列されており、
   前記隙間には電気的な絶縁材料が充填されていることを特徴とする超音波探触子。
2. 前記絶縁材料は、超音波を吸収する樹脂の音響吸収材を用いることを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子。
3. 前記音響吸収材は、ポリイミド樹脂またはエポキシ樹脂であることを特徴とする請求項２に記載の超音波探触子。
4. 前記複数の超音波送受信素子のうちの一直線上に配列された超音波受信素子において、
   前記共通接地線、前記送信用信号線および前記受信用信号線の少なくとも一つの配置箇所が１本の線上にあることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の超音波探触子。
5. 前記複数の超音波送受信素子は、アレイ状に２次元配列されて構成される２次元アレイ振動子であり、
   前記共通接地線、前記送信用信号線および前記受信用信号線の配置箇所は、前記２次元配列の行又は列に平行な１本の線上にあることを特徴とする請求項４に記載の超音波探触子。
6. 送信する超音波を基本波としたときに、受信は、基本波の基本周波数から該基本周波数の整数倍の高調波の周波数までの広い周波数帯域まで受信可能な受信用圧電素子を使用しているハーモニックイメージング用の超音波探触子であることを特徴とする請求項１から５の何れか一項に記載の超音波探触子。
7. 請求項６に記載の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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