JPH11299779A - 超音波探触子及びその製造方法並びにその超音波探触子を用いた超音波診断装置 - Google Patents
超音波探触子及びその製造方法並びにその超音波探触子を用いた超音波診断装置Info
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Abstract
内部の断層像を高分解能に観察したり、電子走査で任意
箇所の3次元表示を可能とする超音波探触子を提供す
る。 【解決手段】 超音波探触子の振動子を、圧電材料の厚
み方向の上下両面に外部電極を、厚み内に所定間隔で複
数層の内部電極を有すると共に、互いに異なる二つの側
面において上記上面又は下面の外部電極と一つおきの内
部電極とを別系統の配線となるように接続してなる振動
子素子(20)の複数個を直交する2方向に配列して2
次元配列振動子を構成し、上記振動子素子(20)毎に
超音波の送受信を行うようにしたものである。これによ
り、アーチファクトの発生を少なくして、被検体内部の
断層像を高分解能に観察したり、電子走査で任意箇所の
3次元表示を可能とする。
Description
被検体の診断部位を検査するのに用いる超音波探触子及
びその製造方法並びにその超音波探触子を用いた超音波
診断装置に関し、特に、アーチファクトの発生を少なく
して、被検体内部の断層像を高分解能に観察したり、電
子走査で任意箇所の3次元表示を可能とする超音波探触
子及びその製造方法並びにその超音波探触子を用いた超
音波診断装置に関する。
に示すように、圧電材料からなる振動子1の上下両面に
電極2及び3が形成されており、この振動子1及び電極
2,3は電子的に超音波を走査するように長軸方向y−
y’において短冊状に分割され1列状に配列されてい
る。そして、被検体側に位置する電極2はグランドに接
続され、その上面には1層ないし2層の音響整合層4が
設けられると共に、反対側の電極3には音響減衰層5が
設けられている。上記各電極2,3には、それぞれフレ
キシブルプリント板6,7のパターン8が半田付け9な
どにより接続されており、図示省略のコネクタを介して
本体としての超音波診断装置に接続される。なお、上記
音響整合層4の上面には、さらに音響レンズ10が固定
されている。
的に超音波を走査して断層像を得る場合、上記短冊状に
分割された振動子1の複数の素子で集束超音波を形成
し、そのビームで送受波を繰り返しながら走査すること
により断層像を得るようになっている。しかし、上記振
動子1の複数の素子が並ぶ長軸方向y−y’では、使用
する素子数を適当に選ぶことにより焦点距離Lを振動子
1の近くから遠くまで任意に設定できるが、これと直交
する短軸方向x−x’では、上記音響レンズ10による
焦点距離Lが一定であり、焦点深度に相当するL1の範
囲では鮮明な断層像を得ることができるものの、これ以
外の領域では像が不鮮明になるという問題点があった。
に提案されたもので、振動子1を長軸方向y−y’にお
いて分割するだけでなく、これと直交する短軸方向x−
x’においても分割し、平面内で2次元に分割してブロ
ック化したものである。この場合には、前記の音響レン
ズ10を用いることなく短軸方向x−x’についても焦
点距離Lを振動子1の近くから遠くまで任意に設定でき
るため、焦点深度L2を図8のときの焦点深度L1に対し
てL2≧L1とすることが可能で、断層像全体について鮮
明な像が得られると期待される。このような超音波探触
子が、“1996IEEE ULTRASONICS SYMPOSIUM, pp1523-152
6(1996)”に掲載されている。
方向x−x’において分割していくと電気的なインピー
ダンスが高くなって、電源から効率的にエネルギが供給
されなくなる恐れがある。図10はその状況を説明する
もので、振動子1の短軸方向x−x’の分割数nと素子
インピーダンスΩとの関係を定性的に示したグラフであ
る。振動子1を短軸方向x−x’に分割する前の素子イ
ンピーダンスをΩ0とすると、 Ω∝n・Ω0 となり、素子インピーダンスΩは分割数nに比例して高
くなることが分かり、これに伴って振動子1の感度が劣
化すると予想される。
x−x’に分割しても素子インピーダンスΩが高くなら
ないように、図11(a)に示す単層の振動子1を電源
11で駆動する場合に対して、図11(b)に示すよう
に振動子1を複数層に積層化する方法が有効であると考
えられる。即ち、例えば、振動子1の厚み内に所定間隔
で複数の内部電極12,13を対向する両側面の一方側
に交互に寄せて配設し、一方の電極2と内部電極13と
を配線14で接続すると共に、他方の電極3と内部電極
12とを配線15で接続して3層に積層した場合、素子
インピーダンスΩは、図11(a)に示す単層の振動子
1の場合の1/9に低減できると考えられる。
子1を複数層に積層化した素子積層数Nと素子インピー
ダンスΩとの関係を定性的に示したグラフである。単層
の振動子1の素子インピーダンスをΩ1とすると、 Ω∝Ω1/N2 となり、素子インピーダンスΩは積層数Nの2乗に反比
例することが分かり、これにより振動子1の短軸方向x
−x’の分割によるインピーダンスの上昇を該振動子1
の積層化で抑えることが可能である。このような超音波
探触子が、“ULTRASONIC IMAGING 17, pp95-113(199
5)”に掲載されている。
触子の概略構造を示す図であり、(a)は平面図の一部
であり、(b)は正面図である。図13(b)におい
て、一方の電極2と内部電極13とを配線14で接続す
ると共に、他方の電極3と内部電極12とを配線15で
接続するのは、前述の図11(b)の場合と同様である
が、図13(a)に示すように個々の振動子1の素子に
分割する境界部位にスルーホール16を形成してその内
部に導電材料を充填し、図13(b)に示すように上記
スルーホール16に対して隣接する素子と素子の上部電
極2と内部電極13と内部電極12’と下部電極3’と
をそれぞれ接続し、その後上記スルーホール16の位置
で長軸方向y−y’の切断溝17により切断すると共に
短軸方向x−x’の切断溝18で各素子に分割したもの
である。
に振動子を2次元に配列して構成された従来の超音波探
触子においては、各素子の横幅Wが例えば 3.45mm 、ス
ルーホール16の径Dが例えば 0.2mm 、奥行きBが例
えば 0.37mm 、高さHが例えば 0.66mm とされており、
各素子の横幅Wが比較的大きいことから構造的に実現性
があるが、長軸方向y−y’と短軸方向x−x’の2方
向から超音波ビームの焦点位置を可変にして高画質の断
層像を得るためには、上記横幅Wも奥行きBと同程度に
狭くする必要がある。そして、このように各素子の横幅
Wを狭くした場合には、該横幅Wがスルーホール16の
径Dと略同等になり、電極2,3の面積が縮小して素子
インピーダンスが増大してしまうこととなる。したがっ
て、振動子1の感度が劣化することがある。また、前記
内部電極12,13の位置決めやスルーホール16の形
成のばらつき等により、各素子の特性に不均一を生じる
ことがある。このことから、得られる超音波断層像にア
ーチファクトが発生することがある。
処し、アーチファクトの発生を少なくして、被検体内部
の断層像を高分解能に観察したり、電子走査で任意箇所
の3次元表示を可能とする超音波探触子及びその製造方
法並びにその超音波探触子を用いた超音波診断装置を提
供することを目的とする。
に、本発明による超音波探触子は、圧電材料の厚み方向
の上下両面に外部電極を、厚み内に所定間隔で複数層の
内部電極を有すると共に、互いに異なる二つの側面にお
いて上記上面又は下面の外部電極と一つおきの内部電極
とを別系統の配線となるように接続してなる振動子素子
の複数個を直交する2方向に配列して2次元配列振動子
を構成し、上記振動子素子毎に超音波の送受信を行うよ
うにしたものである。
元に配列した個々の振動子素子に対応する位置に接点を
有する電極板を接続されている。
電性を有する音響減衰層を固定すると共に、この音響減
衰層の下面には、上記2次元に配列した個々の振動子素
子に対応する位置に接点を有する電極板を接続してもよ
い。
響減衰層を固定し、上記2次元に配列した各振動子素子
の一側面には、一方の外部電極と一つおきの内部電極と
を接続する配線が形成された電極板を設け、この電極板
を上記各振動子素子が1列に並ぶ列毎に並列に設けても
よい。
圧電材料の厚み内に所定間隔で複数の内部電極を横断状
に配設して複数層に積層化した振動子の上下両面に外部
電極を設けて積層振動子を形成し、この積層振動子を所
定の幅で短冊状に切断して切断素子を形成し、この各切
断素子の長手方向に沿った対向する両側面において上下
両面の外部電極と一つおきの内部電極とを別系統の配線
となるように接続し、その後上記各切断素子を所定の間
隔で整列固定してそれらの切断素子の長手方向と直交す
る方向にて所定間隔で切断することにより、平面内で2
次元に配列した振動子素子群を形成するものである。
は、被検体に超音波を送受信する探触子と、この探触子
から所定のビーム波形の超音波を送波させると共に該探
触子で受信した受波信号から所定の受波波形を形成しさ
らに受波信号を処理する超音波回路部と、この超音波回
路部の送波タイミング及び受波信号からの表示タイミン
グを制御する制御部と、超音波画像を表示する表示部と
を有する超音波診断装置において、上記探触子として、
上記各手段における超音波探触子を用いたものである。
図面に基づいて詳細に説明する。図1は本発明による超
音波探触子の実施の形態を示す概略構成図である。この
超音波探触子は、超音波を利用して被検体の診断部位を
検査する超音波診断装置において実際に被検体内に超音
波を送信及び反射波を受信するもので、積層振動子20
と、導電性を有する音響整合層21と、導電膜を付加し
た絶縁シート22と、導電性を有する音響減衰層23
と、フレキシブルプリント板24と、ベース25とを有
して成る。
る部分で、図2に示すように、ジルコンチタン酸鉛系磁
器(PZT)などの圧電材料26の厚み方向の上下両面
に外部電極27,28を設け、この圧電材料26の厚み
内に所定間隔で複数層の内部電極29,30を一方の側
面から他方の側面まで横断状に配設して例えば3層に積
層化すると共に、互いに異なる二つの側面において上面
又は下面の外部電極27,28と一つおきの内部電極2
9,30とを別系統の配線となるように接続している。
そして、この積層振動子20の複数個を直交する2方向
に配列して2次元配列振動子が構成されている。例え
ば、図1に示す短軸方向x−x’及び長軸方向y−y’
を含む平面内で2次元に配列した振動子素子群とされて
いる。なお、図1において、符号31は上記圧電材料2
6を2次元に配列して振動子素子群とする長軸方向y−
y’の切断溝を示し、符号32は短軸方向x−x’の切
断溝を示している。
6の厚み内に配設された一の内部電極29の一方側の端
面部に絶縁膜33を形成すると共に、他の内部電極30
の反対側の端面部にも絶縁膜34を形成し、この状態で
上部の外部電極27と他の内部電極30の一方側の端面
部との間に導電膜35を形成し、且つ下部の外部電極2
8と一の内部電極29の反対側の端面部との間に導電膜
36を形成してある。これにより、上記上部の外部電極
27と導電膜35と他の内部電極30とを接続する一の
系統の配線と、下部の外部電極28と導電膜36と一の
内部電極29とを接続する他の系統の配線とが構成され
る。この結果、上部の外部電極27と一の内部電極29
との間、一の内部電極29と他の内部電極30との間、
他の内部電極30と下部の外部電極28との間、にそれ
ぞれ極性の異なる外部電極が配置されたのと同等にな
り、3層に積層化された積層振動子20となる。
ば、内部電極29,30は一方の側面から他方の側面ま
で横断状に配設されているだけなので、従来のように所
定の長さで止めるという寸法精度は出さなくてよい。ま
た、絶縁膜33,34と導電膜35,36とで外部電極
27,28及び内部電極29,30を配線しているの
で、従来のようにスルーホールを用いずスルーホール径
による寸法の制約を受けることがない。
料26の音響インピーダンスと被検体としての生体の音
響インピーダンスとの整合をとるもので、この実施形態
においては、導電材料を混入するなどして導電性を有す
るものとされている。
た各積層振動子20全体の上面を覆うもので、音響的に
低減衰の例えばポリイミド等でできており、この実施形
態においては、その下面側に銅などから成る導電膜37
が付加されている。この結果、上記各積層振動子20の
上部の外部電極27は、導電性を有する音響整合層21
を介して上記の導電膜37に電気的に接続され、この導
電膜37によりグランドに接続されている。なお、図1
において、符号38は前記切断溝31,32内に充填さ
れた樹脂を示しており、この樹脂38により各積層振動
子20を接着すると共に、音響的に各素子間の信号のク
ロストークを低減している。
の背面から出る超音波が再び該積層振動子20に戻って
こないように超音波を減衰させるもので、この実施形態
においては、導電材料を混入するなどして導電性を有す
るものとされている。
記のように構成された各積層振動子20の下面側にて図
示外の超音波診断装置本体に接続する電極板となるもの
で、上記2次元に配列された個々の振動子素子に対応す
る位置に例えばBGA(Ball Grid Alley)と呼ばれ
る接点39を有し、ケーブルを介して本体と接続するた
めのコネクタ(図示せず)が組み込まれた多層のプリン
ト板に形成されている。この結果、上記各積層振動子2
0の下部の外部電極28は、導電性を有する音響減衰層
23を介して上記のフレキシブルプリント板24に電気
的に接続されている。
20の全体を固定すると共に、該各積層振動子20の背
面から出る超音波が再び該積層振動子20に戻ってこな
いように超音波を減衰させるもので、超音波の減衰の大
きい材料で構成されている。このような状態で、上記配
列した個々の振動子素子毎の積層振動子20により超音
波の送受信を行うようにされている。なお、図1におい
ては、積層振動子20の積層数は3層としたが、本発明
はこれに限らず、奇数層であるならば他の積層数であっ
てもよい。また、以上において、前記の音響減衰層23
は必ずしも必要ではなく、省略することも可能である。
装置本体からの信号により上記フレキシブルプリント板
24を介して各積層振動子20を駆動することにより該
積層振動子20から超音波を発生させ、測定対象物たと
えば被検体内の診断部位から反射してきた超音波を上記
各積層振動子20で受信し、この受信信号を超音波診断
装置本体で処理することにより超音波画像の表示を行
う。このとき、図1に示すように平面内で2次元に配列
した振動子素子群とした多数の積層振動子20を、長軸
方向y−y’だけでなく短軸方向x−x’についても焦
点の範囲が広くなるように所定の関係で制御しながら駆
動することにより、被検体内の診断部位の近傍から深部
まで鮮明な断層像を得ることができる。また、上記多数
の積層振動子20を2次元的に電子走査することによ
り、任意方向の複数のBモード走査を行ったり、集束ビ
ームを全視野或いは部分的な視野内で走査を行うこと
で、リアルタイムの3次元画像を得ることが可能とな
る。
の実施形態を示す概略構成図である。この実施形態は、
図1に示す各積層振動子20の下面側に設けられた音響
減衰層23の下面側に、異方導電性を有する第二の音響
減衰層40を固定すると共に、この音響減衰層40の下
面にフレキシブルプリント板24を接続したものであ
る。上記第二の音響減衰層40は、前記音響減衰層23
と同様に上記各積層振動子20の背面から出る超音波が
再び該積層振動子20に戻ってこないように超音波を更
に減衰させるもので、超音波の減衰特性と共に電気的異
方性を有する材料から成る。これにより、上記各積層振
動子20とフレキシブルプリント板24との間におい
て、戻ってくる超音波をよく減衰させることができると
共に、フレキシブルプリント板24を介して図示外の超
音波診断装置本体から送られる信号を各積層振動子20
によく伝送することができる。なお、この実施形態にお
いても、上記音響減衰層23は必ずしも必要ではなく、
省略することも可能である。
の実施形態を示す概略構成図である。この実施形態は、
図1に示すフレキシブルプリント板24を設ける代わり
に、各積層振動子20の下面側に、音響減衰層23を固
定し、上記2次元に配列された各積層振動子20の一側
面には、例えば下部の外部電極28と一つおきの内部電
極29とを接続する配線(導電膜36)が形成された電
極板41を設け、この電極板41を上記各積層振動子2
0が1列に並ぶ列毎に並列に設けたものである。なお、
上記電極板41は、図2に示す積層振動子20の一側面
に設けられた導電膜36に接続されるフレキシブルプリ
ント板に構成されている。また、この実施形態において
も、上記音響減衰層23は必ずしも必要ではなく、省略
することも可能である。
触子の製造方法を説明するための工程図である。まず、
図5(a)に示すように、上部の外部電極27と第一の
圧電材料26aと一の内部電極29と第二の圧電材料2
6bと他の内部電極30と第三の圧電材料26cと下部
の外部電極28とを上下に層状に積層し、この状態で積
層一体焼結する。これにより、ある広がりを有する3層
の圧電材料26a,26b,26cを含む積層体が形成
される。
振動子の材料を、図5(b)に示すように、図1に示す
短軸方向x−x’において所定の幅Wで切断分離して短
冊状の切断素子42を形成する。したがって、図5
(a)に示す積層一体焼結した材料からは、図5(b)
に示す短冊状の切断素子42が複数本形成される。
断素子42に対して、図5(c)に示すように、該切断
素子42の長手方向の対向する両側面において、一の内
部電極29の一方側の端面部に所定幅の絶縁膜33を、
他の内部電極30の反対側の端面部に所定幅の絶縁膜3
4をそれぞれ形成する。したがって、上記一の内部電極
29の一方側の端面部及び他の内部電極30の反対側の
端面部は、それぞれ絶縁加工されたこととなる。
子42’に対して、さらに図5(d)に示すように、上
記絶縁膜33が形成された側面において上部の外部電極
27と他の内部電極30の一方側の端面部とを接続する
ように導電膜35を形成し、他の絶縁膜34が形成され
た側面において下部の外部電極28と一の内部電極29
の反対側の端面部とを接続するように導電膜36を形成
する。これにより、各切断素子42’の長手方向に沿っ
た対向する両側面において上下両面の外部電極27,2
8と一つおきの内部電極29,30とが別系統の配線と
なるように接続される。
子42”を、図5(e)に示すように、所定の間隔Sで
所定個数だけ整列し、その間隔Sによる隙間43に接着
剤44を充填して固定した後、上記切断素子42”の長
手方向と直交する方向にて素子幅Bとなるように所定間
隔で切断する。そして、この長手方向と直交する方向で
の切断後にその部分の隙間45に、上記と同様に接着剤
44を充填して固定する。これにより、図1に示すよう
に、積層振動子20を、短軸方向x−x’及び長軸方向
y−y’を含む平面内で2次元に配列した振動子素子群
が形成される。
列した振動子素子群を製造した後、図1に示す導電性を
有する音響整合層21と、導電膜37を付加した絶縁シ
ート22と、導電性を有する音響減衰層23と、フレキ
シブルプリント板24と、ベース25とを形成する工程
を順次進め、最終的に超音波探触子を製造する。なお、
図5においては、積層振動子20の積層数は3層とした
が、本発明はこれに限らず、奇数層であるならば他の積
層数であってもよい。また、上記の説明では、振動子の
部分のみを短軸方向x−x’及び長軸方向y−y’に切
断するものとしたが、振動子となる部分に図1に示す音
響整合層21及び音響減衰層23を接着固定してから切
断し、2次元に分割してもよい。
ての超音波診断装置を示すブロック図である。この超音
波診断装置は、超音波を利用して被検体内の診断部位の
超音波画像を得て診断に役立てるもので、被検体に超音
波を送受信する探触子50と、この探触子50から所定
のビーム波形の超音波を送波させると共に該探触子50
で受信した受波信号から所定の受波波形を形成しさらに
受波信号を処理する超音波回路部51と、この超音波回
路部51の送波タイミング及び受波信号からの表示タイ
ミングを制御する制御部52と、超音波画像を表示する
表示部53とを有している。なお、上記超音波回路部5
1は、探触子50から所定のビーム波形の超音波を送波
させる送波整相部54と、該探触子50で受信した受波
信号から所定の受波波形を形成する受波整相部55と、
この受波整相部55からの受波信号を高S/Nに取り込
む信号処理部56とから成る。そして、上記探触子50
としては、前述の図1又は図3、図4に示すように構成
された超音波探触子を用いている。
超音波診断装置を用いて3次元画像を得る状態を示す説
明図である。図7(a)に示すように、探触子50を構
成する複数個の積層振動子20のうち任意の素子を選択
することにより、被検体内の診断部位57に対し扇状の
超音波ビームを符号58a,58bに示すように或る軸
を中心に回転させるように走査して、上記診断部位57
の複数方向の断層像を得てこれから3次元画像を構成す
る。また、図7(b)に示すように、上記複数個の積層
振動子20のうち任意の素子を選択することにより、被
検体内の診断部位57に対し扇状の超音波ビームを符号
59a,59b,59cに示すように振り子状に振るよ
うに走査して、上記診断部位57の複数方向の断層像を
得てこれから3次元画像を構成する。
本発明に係る超音波探触子によれば、複数の内部電極を
従来のように所定の長さで止めるという寸法精度は出さ
なくてよい。また、上面又は下面の外部電極と一つおき
の内部電極とを別系統の配線となるように接続するの
に、従来のようなスルーホールを用いることがないの
で、スルーホール径による寸法の制約を受けることがな
い。したがって、複数層に積層化すると共に直交する2
方向に配列して2次元配列振動子を構成する複数個の振
動子素子の各素子間の特性ばらつきを排除することがで
きる。このことから、アーチファクトの発生を少なくし
て、被検体内部の断層像を高分解能に観察したり、電子
走査で任意箇所の3次元表示を可能とすることができ
る。これにより、超音波画像による診断の質を従来より
向上することができる。
概略構成図である。
大斜視図である。
示す概略構成図である。
示す概略構成図である。
法を説明するための工程図である。
断装置を示すブロック図である。
置を用いて3次元画像を得る状態を示す説明図である。
略構成図である。
てブロック化したものを有する超音波探触子の構造を示
す概略構成図である。
ピーダンスの変化を示すグラフである。
層化した場合とを示す説明図である。
ーダンスの変化を示すグラフである。
て構成された従来の超音波探触子の構造を示す概略構成
図である。
Claims (6)
- 【請求項1】 圧電材料の厚み方向の上下両面に外部電
極を、厚み内に所定間隔で複数層の内部電極を有すると
共に、互いに異なる二つの側面において上記上面又は下
面の外部電極と一つおきの内部電極とを別系統の配線と
なるように接続してなる振動子素子の複数個を直交する
2方向に配列して2次元配列振動子を構成し、上記振動
子素子毎に超音波の送受信を行うようにしたことを特徴
とする超音波探触子。 - 【請求項2】 上記振動子の下面側には、上記2次元に
配列した個々の振動子素子に対応する位置に接点を有す
る電極板を接続したことを特徴とする請求項1記載の超
音波探触子。 - 【請求項3】 上記振動子の下面側には、異方導電性を
有する音響減衰層を固定すると共に、この音響減衰層の
下面には、上記2次元に配列した個々の振動子素子に対
応する位置に接点を有する電極板を接続したことを特徴
とする請求項1記載の超音波探触子。 - 【請求項4】 上記振動子の下面側には、音響減衰層を
固定し、上記2次元に配列した各振動子素子の一側面に
は、一方の外部電極と一つおきの内部電極とを接続する
配線が形成された電極板を設け、この電極板を上記各振
動子素子が1列に並ぶ列毎に並列に設けたことを特徴と
する請求項1記載の超音波探触子。 - 【請求項5】 圧電材料の厚み内に所定間隔で複数の内
部電極を横断状に配設して複数層に積層化した振動子の
上下両面に外部電極を設けて積層振動子を形成し、この
積層振動子を所定の幅で短冊状に切断して切断素子を形
成し、この各切断素子の長手方向に沿った対向する両側
面において上下両面の外部電極と一つおきの内部電極と
を別系統の配線となるように接続し、その後上記各切断
素子を所定の間隔で整列固定してそれらの切断素子の長
手方向と直交する方向にて所定間隔で切断することによ
り、平面内で2次元に配列した振動子素子群を形成する
ことを特徴とする超音波探触子の製造方法。 - 【請求項6】 被検体に超音波を送受信する探触子と、
この探触子から所定のビーム波形の超音波を送波させる
と共に該探触子で受信した受波信号から所定の受波波形
を形成しさらに受波信号を処理する超音波回路部と、こ
の超音波回路部の送波タイミング及び受波信号からの表
示タイミングを制御する制御部と、超音波画像を表示す
る表示部とを有する超音波診断装置において、上記探触
子として、請求項1〜4のいずれかに記載の超音波探触
子を用いたことを特徴とする超音波診断装置。
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