(57)【要約】      （修正有）【課題】超音波送受信面の面積が異なる複数種類の超音波トランスデューサが配置されている超音波トランスデューサアレイにおいて、それらの超音波トランスデューサの間における電気インピーダンスを揃える。【解決手段】超音波送受信面の面積が互いに異なっていると共に、全体の厚さが互いに実質的に等しい少なくとも２種類の複数の超音波トランスデューサが配置されている超音波トランスデューサアレイであって、第１の超音波トランスデューサと、層数が上記第１の超音波トランスデューサの層数よりも多く、且つ、超音波送受信面の面積が第１の超音波トランスデューサの超音波送受信面の面積よりも小さい第２の超音波トランスデューサとを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波送受信面の面積が互いに異なっていると共に、全体の厚さが互いに実質的に等しい少なくとも２種類の複数の超音波トランスデューサが配置されている超音波トランスデューサアレイであって、
第１の超音波トランスデューサと、
層数が前記第１の超音波トランスデューサの層数よりも多く、且つ、超音波送受信面の面積が第１の超音波トランスデューサの超音波送受信面の面積よりも小さい第２の超音波トランスデューサと、
を具備する超音波トランスデューサアレイ。
【請求項２】
前記第１の超音波トランスデューサの電気インピーダンスと、前記第２の超音波トランスデューサの電気インピーダンスとが、互いに実質的に等しい、請求項１記載の超音波トランスデューサアレイ。
【請求項３】
前記第１の超音波トランスデューサの層数をＮ１、超音波送受信面の面積をＳ１とし、前記第２の超音波トランスデューサの層数をＮ２、超音波送受信面の面積をＳ２とする場合に、Ｓ１：Ｓ２＝１／Ｎ１２：１／Ｎ２２である、請求項２記載の超音波トランスデューサアレイ。
【請求項４】
全体の厚さが互いに実質的に等しい少なくとも２種類の複数の超音波トランスデューサが配置されている超音波トランスデューサアレイであって、
１つ、又は、共通の配線に接続された複数の第１の超音波トランスデューサと、
１つ、又は、共通の配線に接続された複数の第２の超音波トランスデューサであって、層数が前記１つ又は複数の第１の超音波トランスデューサの層数よりも多く、且つ、超音波送受信面の総面積が、前記１つ又は複数の第１の超音波トランスデューサの超音波送受信面の総面積よりも小さい前記１つ又は複数の第２の超音波トランスデューサと、
を具備する超音波トランスデューサアレイ。
【請求項５】
前記１つ又は複数の第１の超音波トランスデューサの総電気容量と、前記１つ又は複数の第２の超音波トランスデューサの総電気容量とが、互いに実質的に等しい、請求項４記載の超音波トランスデューサアレイ。
【請求項６】
前記１つ又は複数の第１の超音波トランスデューサの層数をＮ１、超音波送受信面の総面積をＳ１、各配線に接続されている前記１つ又は複数の第１の超音波トランスデューサの数をＭ１個とし、前記１つ又は複数の第２の超音波トランスデューサの層数をＮ２、超音波送受信面の総面積をＳ２、各配線に接続されている前記１つ又は複数の第２の超音波トランスデューサの数をＭ２個とする場合に、Ｓ１：Ｓ２＝１／（Ｎ１２・Ｍ１）：１／（Ｎ２２・Ｍ２）である、請求項４又は５記載の超音波トランスデューサ。
【請求項７】
複数の第１の超音波トランスデューサが１次元的に配列された第１の素子列と、
複数の第２の超音波トランスデューサが１次元的に配列された第２の素子列と、
を有し、前記第１の素子列と前記第２の素子列とが、互いに平行に並べられている、
請求項１〜６のいずれか１項記載の超音波トランスデューサアレイ。
【請求項８】
前記複数の第１及び第２の超音波トランスデューサの各々が、矩形の超音波送受信面を有する、請求項７記載の超音波トランスデューサアレイ。
【請求項９】
各素子列における超音波トランスデューサの配列方向に直交する向きにおいて、内側の素子列に配置されている超音波トランスデューサの幅よりも、外側の素子列に配置されている超音波トランスデューサの幅が小さい、請求項７又は８記載の超音波トランスデューサアレイ。
【請求項１０】
前記第１の素子列における前記複数の第１の超音波トランスデューサの配列ピッチと、前記第２の素子列における前記複数の第２の超音波トランスデューサの配列ピッチとが、互いに等しい、請求項７〜９のいずれか１項記載の超音波トランスデューサアレイ。
【請求項１１】
前記第１の素子列における前記複数の第１の超音波トランスデューサの間隔と、前記第２の素子列における前記複数の第２の超音波トランスデューサの間隔とが、互いに等しい、請求項７〜９のいずれか１項記載の超音波トランスデューサアレイ。
【請求項１２】
各素子列における超音波トランスデューサの配列方向に直交する向きにおいて、外側の素子列に配置されている超音波トランスデューサの密度よりも、内側の素子列に配置されている超音波トランスデューサの密度が高い、請求項１１記載の超音波トランスデューサアレイ。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１項記載の超音波トランスデューサアレイと、
前記超音波トランスデューサアレイの超音波送信面側に配置された音響整合層と、
前記超音波トランスデューサアレイの前記超音波送信面とは反対側に配置されたバッキング層と、
を具備する超音波用探触子。
【請求項１４】
被検体の体内に挿入して用いられる超音波内視鏡であって、
可撓性を有する材料によって形成され、被検体の体内に挿入して使用される挿入部と、
前記挿入部の先端部に設けられた請求項１〜１２のいずれか１項記載の超音波トランスデューサアレイと、
を具備する超音波内視鏡。
【請求項１５】
被検体の体内に挿入して用いられる超音波内視鏡であって、
可撓性を有する材料によって形成され、被検体の体内に挿入される挿入部と、
前記挿入部の内部を通り、前記挿入部の先端部に設けられた開口から被検体の体内に挿通される処置具と、
前記挿入部の先端部に設けられた請求項７〜１２のいずれか１項記載の超音波トランスデューサアレイであって、各素子列における複数の超音波トランスデューサが、前記処置具の先端の位置を検出できるように配置された前記超音波トランスデューサアレイと、
を具備する超音波内視鏡。
【請求項１６】
請求項１３記載の超音波用探触子、又は、請求項１４若しくは１５記載の超音波内視鏡と、
前記第１及び第２の超音波トランスデューサにそれぞれ供給される複数の駆動信号を生成する駆動信号生成部と、
前記第１及び第２の超音波トランスデューサからそれぞれ出力される複数の受信信号を処理する信号処理部と、
前記信号処理部によって処理された複数の受信信号に基づいて超音波画像を生成する画像生成部と、
を具備する超音波診断装置。
【請求項１７】
前記信号処理部が、前記第１の超音波トランスデューサから出力された受信信号と、前記第２の超音波トランスデューサから出力された受信信号とについて、受信信号のレベル差を補正する補正手段を有する、請求項１６記載の超音波診断装置。
【請求項１８】
前記補正手段が、前記第１及び第２の超音波トランスデューサからそれぞれ出力された受信信号を前置増幅する複数のプリアンプであって、各々に、前記第１及び第２の超音波トランスデューサの層数及び／又は超音波送受信面の面積に応じたゲインが設定されている前記複数のプリアンプを含む、請求項１７記載の超音波診断装置。
【請求項１９】
前記補正手段が、前記第１及び第２の超音波トランスデューサから出力され、前置増幅された受信信号のレベルを調整する複数の可変利得回路であって、各々に、前記第１及び第２の超音波トランスデューサの層数及び／又は超音波送受信面の面積に応じたゲインが設定されている前記複数の可変利得回路を含む、請求項１７記載の超音波診断装置。
【請求項２０】
前記補正手段が、前記第１及び第２の超音波トランスデューサから出力され、前置増幅され、Ａ／Ｄ変換された受信信号に演算処理を施す手段であって、前記第１及び第２の超音波トランスデューサの層数及び／又は超音波送受信面の面積に応じた補正率で各受信信号のレベルを補正する前記手段を含む、請求項１７記載の超音波診断装置。
【請求項２１】
前記第１の超音波トランスデューサの層数をＮ１とし、前記第２の超音波トランスデューサの層数をＮ２とする場合に、前記補正手段が、前記第１の超音波トランスデューサから出力された受信信号と、前記第２の超音波トランスデューサから出力された受信信号とを、ゲイン又は補正率の比がＮ１：Ｎ２となるように補正する、請求項１７〜２０のいずれか１記載の超音波診断装置。
【請求項２２】
請求項１〜１２のいずれか１項記載の超音波トランスデューサアレイと、
前記超音波トランスデューサアレイの超音波送信面側に配置された音響整合層と、
前記超音波トランスデューサアレイの前記超音波送信面とは反対側に配置されたバッキング層と、
前記第１の超音波トランスデューサから出力された受信信号と、前記第２の超音波トランスデューサから出力された受信信号とについて、受信信号のレベル差を補正する補正手段と、
を具備する超音波用探触子。
【請求項２３】
被検体の体内に挿入して用いられる超音波内視鏡であって、
可撓性を有する材料によって形成され、被検体の体内に挿入して使用される挿入部と、
前記挿入部の先端部に設けられた請求項１〜１２のいずれか１項記載の超音波トランスデューサアレイと、
前記第１の超音波トランスデューサから出力された受信信号と、前記第２の超音波トランスデューサから出力された受信信号とについて、受信信号のレベル差を補正する補正手段と、
を具備する超音波内視鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波の送信及び受信を行う超音波トランスデューサアレイ、並びに、それを含む超音波用探触子及び超音波内視鏡に関し、さらに、そのような超音波用探触子又は超音波内視鏡を用いることより超音波画像を生成する超音波診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被検体内に向けて送信され、被検体内の構造物（臓器等）によって反射された超音波（超音波エコー）を受信して信号処理することにより、被検体内の様子が表された画像を生成する超音波撮像技術は、医療を含む様々な分野において、広く利用されている。超音波撮像を行う装置（超音波診断装置又は超音波撮像装置等と呼ばれる）には、超音波の送受信を行う探触子（プローブ）や超音波内視鏡が備えられており、撮像を行う際には、探触子が被検体に当接して用いられ、又は、超音波内視鏡が被検体内に挿入して用いられる。
【０００３】
超音波用探触子や超音波内視鏡においては、超音波を送信及び受信する超音波トランスデューサとして、圧電体の両面に電極を形成した振動子（圧電振動子）が、一般的に用いられている。このような振動子の電極に電界を印加すると、圧電効果により圧電体が伸縮して超音波が発生する。そこで、複数の振動子を、時間をずらして駆動することにより、所望の深度に焦点を結ぶ超音波ビームを形成することができる。また、振動子は、伝播する超音波を受信することにより伸縮して電気信号を発生する。この電気信号は、超音波の受信信号として用いられる。
【０００４】
近年においては、超音波用探触子や超音波内視鏡装置において、複数の振動子が並べられたアレイ状のトランスデューサ（超音波トランスデューサアレイ）が用いられている。超音波トランスデューサアレイによれば、複数の振動子にそれぞれ印加される駆動信号の振幅や遅延量を制御することにより、探触子自体の位置や向きを変えることなく超音波ビームの送信位置や方向を変化させることができる。このような走査方式は、フェーズドアレイ方式又は電子スキャン方式と呼ばれている。
【０００５】
関連する技術として、特許文献１には、高分解能を有する超音波探触子においてビーム指向性を改善するために、超音波放射面を一定方向に向けてマトリックス状に組合せ配列された複数の探触子セグメントと、各探触子セグメントの超音波放射面をそれぞれ変位させる変位手段とを有する超音波探触子が開示されている。即ち、特許文献１においては、超音波を容易に集束又は偏向するために、探触子セグメント（振動子）の超音波送信面を機械的に移動させ、又は、傾けている。
【０００６】
また、最近では、多数の振動子が２次元的に配置されたフェーズドアレイに関する研究が盛んに行われている。複数の超音波を２次元領域から送信することにより、３次元空間内における所望の点に超音波ビームの焦点を形成することができるからである。それにより、被検体内の３次元空間に関する超音波画像情報（ボリューム・データ）を取得できるようになるので、３次元画像を構築したり、超音波画像の画質を向上させることが可能になる。
【０００７】
しかしながら、マトリックス状の２次元フェーズドアレイのサイズは、他のアレイ（１次元アレイ等）に比較すると大きくなる。また、素子を微細化及び高集積化するに従って、２次元フェーズドアレイの作製は困難になってくる。さらに、素子数の増加に伴って配線数が増加するので、探触子に接続されるケーブルが太くなるという問題も生じる。そのようなアレイを、特に、超音波内視鏡に適用するのは困難である。超音波内視鏡は生体の内部に挿入されることから、サイズ面での制約が厳しいからである。
【０００８】
一方、複数の１次元アレイが平行に並べられた、所謂多列アレイの研究も為されている。多列アレイに並べられているアレイの数はマトリックス配置におけるものほど多くはないが、２次元領域に配置された振動子を用いることによって、２方向についてフォーカスされた超音波ビームを形成することが可能である。
【０００９】
多列アレイにおいては、分解能等の超音波ビームの質やスキャニングボリューム（走査量）といった面でマトリックス配置のアレイに及ばない面は残る。しかしながら、多列アレイによれば素子数や配線数を大幅に削減できるので、超音波用探触子や超音波内視鏡の小型化やコストの低減を図ることが可能になる。従って、性能の良い多列アレイが実用化されることの利点は大きいものと考えられる。
【００１０】
また、特許文献２には、体腔内等に挿入する挿入部の先端部に設けられ、超音波ビームを送受信する超音波送受信手段と、該超音波送受信手段による超音波ビームの走査範囲に向けて穿刺針等の処置具を導出可能な処置具導出口とを備える超音波プローブであって、超音波送受信手段による超音波ビームの走査範囲を偏向する超音波偏向手段を備えた超音波プローブが開示されている。即ち、特許文献２においては、超音波振動子を３列に配置し、各列から位相の異なる超音波を送信して超音波の走査範囲を偏向することにより、穿刺針が湾曲した場合にも穿刺針に超音波ビームを照射できるようにしている。
【００１１】
さらに、特許文献３には、連続波ドプラモードを有する超音波診断装置であって、電子走査方向及び電子走査方向に直交するエレベーション方向に整列した複数の振動素子からなるアレイ振動子と、上記複数の振動素子の動作を制御する送受信制御部とを備え、連続波ドプラモードにおいて、上記アレイ振動子上に、電子走査方向に整列した少なくとも１つの送信振動素子群と、電子走査方向に整列した少なくとも１つの受信振動素子群とが、エレベーション方向において互いに異なる位置に設定されている超音波診断装置が開示されている。即ち、特許文献３においては、送信振動素子列と受信振動素子列とを１列おきに交互に配置することにより、送信開口及び受信開口を広く取るようにしている。
【００１２】
ここで、図１６及び図１７を参照しながら、一般的な多列アレイの構成について説明する。図１６の（ａ）は、多列アレイを示す側面図であり、図１６の（ｂ）は、その平面図であり、図１６の（ｃ）は、その一部を拡大して示す平面図である。また、図１７は、多列アレイにおける配線方法を示す図である。
【００１３】
図１６に示すように、この多列アレイは、各々に１２８個（チャンネル）の超音波トランスデューサ（単に「素子」ともいう）が１次元的に配列されたＬ２列、Ｌ１列、Ｃ列、Ｒ１列、Ｒ２列の５つの素子列を含んでいる。Ｃ列には素子９０１が配置されており、Ｌ１列及びＲ１列には素子９０２が配置されており、Ｌ２列及びＲ２列には素子９０３が配置されている。これらの素子は、バッキング層９００上に並べられている。なお、多列アレイにおいて、各素子列における素子の配列方向（Ｘ方向）はアジマス（azimuth：方位）方向と呼ばれており、アジマス方向に直交する方向（Ｙ方向）はエレベーション（elevation：仰角）方向と呼ばれている。
【００１４】
図１７に示すように、各素子９０１〜９０３は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等によって形成された圧電体層９１０と、その上面及び下面に形成された電極９１１及び９１２とを含んでいる。また、超音波診断装置本体から素子に駆動信号を供給したり、素子から出力された受信信号を超音波診断装置本体に出力するために、各素子９０１〜９０３は配線９０４〜９０７に接続されている。
【００１５】
このような多列アレイに関し、非特許文献１においては、エレベーション方向における振動子の配置や配線方法を変化させた多列アレイの性能が検討されている。ここで、非特許文献１の定義によれば、アレイの次元を次の（１）〜（５）のように説明することができる。
【００１６】
（１）１Ｄアレイ：複数の素子を１列（アジマス方向）に配置したものである。従って、エレベーション方向における開口径（この場合には、素子の幅）が固定されており、超音波ビームの焦点形成は音響レンズ等によって行われ、焦点距離が固定されている。
【００１７】
（２）１．２５Ｄアレイ：図１７の（ａ）に示すように、複数の素子を数個の列に配置したものである。エレベーション方向の中心について対称な位置に配置されている素子は、共通の配線９０５〜９０７に接続されている。エレベーション方向において複数列の素子を配置したことにより、開口径を変化させることが可能になる。しかしながら、超音波ビームの焦点形成は音響レンズ等によって行うので、焦点距離は固定されている。
【００１８】
（３）１．５Ｄアレイ：図１７の（ａ）に示すように、複数の素子を数個の列に配置したものである。エレベーション方向の中心について対称な位置に配置されている素子は、共通の配線９０５〜９０７に接続されており、電子的な制御により超音波ビームの焦点が形成される。従って、超音波ビームの焦点を動的に変化させることが可能である。しかしながら、素子が左右対称に共通配線されているので、超音波ビームの偏向はできない。
【００１９】
（４）１．７５Ｄアレイ：複数の素子を数個の列に配置し、さらに、それぞれの素子を独立に配線したものである。即ち、図１７の（ｂ）に示すように、エレベーション方向に配置されている複数の素子は、個別に配線９０４に接続されている。それにより、配線数は１．５Ｄアレイよりも多くなるが、開口径及び超音波ビームの焦点距離を動的に変化できるのに加えて、エレベーション方向において超音波ビームを偏向させることも可能となる。
【００２０】
（５）２Ｄアレイ：複数の素子を、エレベーション方向においてもアジマス方向と同程度の数で配置することにより、マトリックス状にしたものである。従って、アポダイゼーションや、３次元空間における超音波ビームの焦点距離や、超音波ビームの送信方向（偏向）を、電気的に制御することができる。
なお、１．２５Ｄアレイ、１．５Ｄアレイ、及び、１．７５Ｄアレイについては、エレベーション方向における素子数が１Ｄアレイと２Ｄアレイとの間であることから、このように呼ばれている。
【００２１】
このような多列アレイにおいては、グレーティングローブを低減することにより超音波ビームの品質を向上するために、通常、アジマス方向における素子の配列ピッチが送信超音波の波長以下となるように設計されている。
一方、エレベーション方向については、内側（Ｃ列）から外側（Ｌ２列及びＲ２列）に向かって、素子９０１〜９０３の幅Ｗ１〜Ｗ３が小さくるように設計されている。このような配置は、超音波ビームの品質を改良するための工夫として行われており、フレネル（Fresnel）配置や、ＭＩＡＥ（Minimum Integrated Absolute time-delay Error）配置等と呼ばれる配置方法が知られている。
なお、フレネル配置及びＭＩＡＥ配置の詳細については、非特許文献１を参照されたい。
【００２２】
ところで、図１６に示す多列アレイにおいては、素子９０１〜９０３の長さＸ１〜Ｘ３が共通であるのに対して、素子９０１〜９０３の幅Ｗ１〜Ｗ３が互いに異なっているので、電気インピーダンスの値は列ごとに変化する。そのため、超音波診断装置本体との間における電気的なインピーダンスマッチングの度合いが列ごとに異なることになるので、送信音響エネルギーや受信感度が列ごとに変化してしまい、また、システムとしての周波数特性がばらつくという不具合が生じてしまう。
【００２３】
また、非特許文献２には、多層構造を有する超音波トランスデューサ（multilayer PZT transducer）において、圧電体層の層数を変化させることにより、超音波トランスデューサのインピーダンスを送信回路の出力インピーダンスや同軸ケーブルのリアクタンスにマッチングさせることが開示されている。多層構造を有する超音波トランスデューサとは、非特許文献２の図１に示すように、複数の圧電体層と複数の電極層とが交互に積層された構造を有する超音波トランスデューサのことである。このような超音波トランスデューサにおいては、圧電体層及びそれを挟む２つの電極層によって構成される１組の振動子の構造が電気的に並列に接続されるように、電極が形成されている。
【００２４】
ここで、素子全体のサイズ（底面積及び厚さ）が等しいＮ層の超音波トランスデューサと単層の超音波トランスデューサとを比較すると、後者に対して前者は、層数がＮ倍であり、且つ、各層の厚さが１／Ｎである。従って、Ｎ層の超音波トランスデューサの電気インピーダンスＺは、単層の超音波トランスデューサの電気インピーダンスＺＴの１／Ｎ２倍となる。そこで、非特許文献２においては、次のような原理に基づいて、多層構造の超音波トランスデューサの層数を最適化している。即ち、ＮＴＸ層の超音波トランスデューサにおいては、ＺＴ／ＮＴＸ２が送信回路の出力インピーダンスと等しくなるときに、送信される超音波のエネルギー（音響出力）が最大となる。一方、ＮＲＸ層の超音波トランスデューサにおいては、ＺＴ／ＮＲＸ２が同軸ケーブルのリアクタンスに等しくなるときに受信信号（電圧）が最大となる。これより、超音波トランスデューサの層数が幾何平均（ＮＴＸ・ＮＲＸ）１／２を満たすときに、超音波（パルスエコー信号）の送受信感度が最大になる。
【特許文献１】特開平７−２０３５９２号公報（第１頁）
【特許文献２】特開２０００−１３９９２６号公報（第１、２頁、図６）
【特許文献３】特開２００４−５７４６０号公報（第２頁、図６）
【非特許文献１】ワイルズ（D. G. Wildes）、他、「１．２５次元及び１．５次元トランスデューサアレイにおけるエレベーション・パフォーマンス（Elevation Performance of 1.25D and 1.5D Transducer Arrays）」、ＩＥＥＥ超音波、強誘電体、周波数会報(IEEE TRANSACTIONS ON ULTRASONICS, FERROELECTRICS, AND FREQUENCY CONTROL)、第４４巻、第５号、ｐ．１０２７−１０３７、１９９７年９月
【非特許文献２】ゴールドバーグ（R. L. Goldberg）、他、「多層ＰＺＴトランスデューサにおける信号対ノイズ比の最適化（OPTIMIZATION OF SIGNAL-TO-NOISE RATIO FOR MULTILAYER PZT TRANSDUCERS）」、超音波画像（ULTRASONIC IMAGING）、第１７巻、ｐ．９５−１１３、１９９５年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
そこで、上記の点に鑑み、本発明は、超音波送受信面の面積が異なる複数種類の超音波トランスデューサが配置されている超音波トランスデューサアレイにおいて、それらの超音波トランスデューサの間における電気インピーダンスを揃えることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
本発明の１つの観点に係る超音波トランスデューサアレイは、超音波送受信面の面積が互いに異なっていると共に、全体の厚さが互いに実質的に等しい少なくとも２種類の複数の超音波トランスデューサが配置されている超音波トランスデューサアレイであって、第１の超音波トランスデューサと、層数が前記第１の超音波トランスデューサの層数よりも多く、且つ、超音波送受信面の面積が第１の超音波トランスデューサの超音波送受信面の面積よりも小さい第２の超音波トランスデューサとを具備する。
【００２７】
ここで、本願において、電気インピーダンスが実質的に等しいとは、比較対象となっている値が厳密に等しい場合だけでなく、所定の範囲の誤差を含む場合、即ち、それらの値が概ね等しい場合も含むものとする。例えば、比較対称となっている値のバラツキが±３０％以内である場合には、実質的に等しいものとする。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、超音波送受信面の面積が互いに異なっていると共に、全体の厚さが互いに実質的に等しい複数種類の超音波トランスデューサにおいて、面積が小さい方の超音波トランスデューサの層数を増やすので、それらの超音波トランスデューサ間の電気インピーダンスを実質的に揃えることができる。また、各超音波トランスデューサと超音波診断装置本体側との電気的なインピーダンスマッチングの度合いが揃い易くなるので、送信音響エネルギーを増加させることもできる。従って、そのような超音波トランスデューサアレイ含む超音波用探触子や超音波内視鏡を用いることにより、送信される超音波ビームの品質を向上できると共に、取得された受信信号に基づいて、超音波診断装置において画質の良い超音波画像を容易に生成することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る超音波トランスデューサアレイを模式的に示している。図１の（ａ）は、本実施形態に係る超音波トランスデューサアレイがバッキング層の上に配置されている様子を示す側面図であり、図１の（ｂ）は、その平面図である。
【００３０】
また、図２の（ａ）は、本発明の一実施形態に係る超音波用探触子を示す一部断面斜視図であり、図２の（ｂ）は、超音波用探触子が接続される超音波診断装置本体を示すブロック図である。図１に示す超音波トランスデューサアレイは、図２に示すような超音波用探触子や、後述する超音波内視鏡等に配置されて使用される。
【００３１】
図２の（ａ）に示すように、本実施形態に係る超音波用探触子は、超音波トランスデューサアレイ１と、バッキング層２と、音響整合層３とを含んでいる。また、この超音波用探触子は、必要に応じて音響レンズ４を含んでも良い。これらの部分は、筐体５に収納されている。また、超音波トランスデューサアレイ１から引き出された配線は、ケーブル６を介して超音波撮像装置本体に含まれる電子回路に接続される。
【００３２】
超音波トランスデューサアレイ１は、駆動信号を供給されることにより伸縮して超音波を発生すると共に、被検体から伝播する超音波を受信することにより電気信号（受信信号）を出力する複数の超音波トランスデューサ１１〜１３を含んでいる。これらの超音波トランスデューサ１１〜１３の間や周囲には、各超音波トランスデューサを保護すると共に、超音波の不要な伝播（例えば、振動子の配置面内における超音波の伝播）を抑制するために、ウレタン系樹脂又はエポキシ系樹脂等の充填材１ａを配置しても良い。以下においては、１つの超音波トランスデューサのことを、単に「素子」とも言う。素子１１〜１３の構造については、後で詳しく説明する。
【００３３】
バッキング層２は、例えば、フェライト粉や金属粉やＰＺＴ粉入りのエポキシ樹脂や、フェライト粉入りのゴムのように、音響減衰の大きい材料によって形成されており、超音波トランスデューサアレイ１から発生した不要な超音波の減衰を早める。
音響整合層３は、例えば、超音波を伝播し易いパイレックス（登録商標）ガラスや金属粉入りエポキシ樹脂等によって形成されており、生体である被検体と超音波トランスデューサとの間の音響インピーダンスの不整合を解消する。これにより、超音波トランスデューサから送信された超音波が、効率良く被検体中に伝播する。
【００３４】
音響レンズ４は、例えば、シリコンゴムによって形成されており、超音波トランスデューサアレイ１から送信され、音響整合層３を伝播した超音波ビームを、被検体内の所定の深度において集束させる。なお、以下に説明する実施形態に係る超音波トランスデューサアレイにおいては、超音波ビームを電子的制御により集束させることができるので、音響レンズ４を配置しなくても良いが、音響レンズ４を併用することにより超音波ビームの集束効果を高めても良い。
【００３５】
図２の（ｂ）に示すように、超音波診断装置本体は、駆動信号生成部７ａと、送受信切換部７ｂと、受信信号処理部７ｃと、画像生成部７ｄと、表示部７ｅとを含んでいる。駆動信号生成部７ａは、超音波用探触子の超音波トランスデューサ１に配置されている素子にそれぞれ供給される駆動信号を生成する複数のパルサを含んでいる。また、送受信切換部７ｂは、超音波用探触子への駆動信号の出力と超音波用探触子からの受信信号の入力を切り換える。受信信号処理部７ｃは、前置増幅器（プリアンプ）や、必要に応じて信号レベルを調整するための増幅器又はアッテネータ等の可変利得回路や、Ａ／Ｄ変換器や、演算処理部等を有しており、超音波用探触子の各素子から出力された受信信号に、前置増幅、レベル調整、Ａ／Ｄ変換、整相加算、検波等の所定の信号処理を施す。画像生成部７ｄは、所定の信号処理が施された受信信号について、走査フォーマットの変換等の処理を行うことにより、画像データを生成する。表示部７ｅは、生成された画像データに基づいて、超音波画像を画面に表示する。
【００３６】
再び、図１を参照すると、超音波トランスデューサアレイ１に配置されている素子１１〜１３は、積層構造を有している。ここで、図３を参照しながら、積層超音波トランスデューサの構造について説明する。図３は、５層の超音波トランスデューサを示す一部断面斜視図である。
図３に示す超音波トランスデューサは、下部電極層１０ａと、５層の圧電体層１０と、それらの圧電体層１０の間に交互に挿入されている内部電極層１０ｂ及び１０ｃと、上部電極層１０ｄと、側面電極１０ｅ及び１０ｆとを有している。
【００３７】
圧電体層１０は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電材料によって形成されている。また、内部電極層１０ｂ及び上部電極層１０ｄは、一方の側面電極１０ｅに接続され、他方の側面電極１０ｆから絶縁されるように形成されている。さらに、内部電極層１０ｃ及び下部電極層１０ａは、一方の側面電極１０ｆに接続され、他方の側面電極１０ｅから絶縁されるように形成されている。超音波トランスデューサの電極をこのように形成することにより、５層の圧電体層１０に電界を印加するための５組の電極が並列に接続される。なお、図３においては、内部電極層１０ｂ及び１０ｃの一方の端部をその上層の圧電体層１０によって覆うことにより絶縁領域を形成している。しかしながら、それらの端部を圧電体層１０の側面まで延在させ、側面において内部電極層１０ｂ及び１０ｃの端部を別途絶縁膜で覆うようにしても良い。
【００３８】
このようなＮ個（図３においては、Ｎ＝５）の圧電体層１０を有する超音波トランスデューサにおいては、単層（Ｎ＝１）の超音波トランスデューサに比較して、圧電体層の数がＮ倍になると共に、各圧電体層の厚さが１／Ｎになる。従って、Ｎ層の超音波トランスデューサの電気インピーダンスＺは、単層超音波トランスデューサの電気インピーダンスＺＴの約１／Ｎ２倍となる。
【００３９】
再び、図１を参照すると、本実施形態に係る超音波トランスデューサアレイは、Ｌ２列、Ｌ１列、Ｃ列、Ｒ１列、Ｒ２列の５列に配置された３種類の素子１１〜１３を含んでいる。以下において、各列における素子の配列方向（Ｘ軸方向）のことを「アジマス方向」といい、それと垂直な方向（Ｙ軸方向）のことを「エレベーション方向」とも言う。
【００４０】
各列には、１２８個（チャンネル）の超音波トランスデューサ（素子）が配列ピッチＰ０で配置されている。この配列ピッチＰ０は、電子セクタスキャン方式におけるグレーティングローブの発生角度を考慮して、送信超音波の波長の半分以下となるように設計されている。例えば、生体における音速を１５００ｍ／ｓとすると、送信超音波の周波数が５ＭＨｚである場合に波長は約０．３ｍｍとなるので、超音波の波長の半分は０．１５ｍｍとなる。本実施形態において、配列ピッチＰ０は０．１５ｍｍである。
【００４１】
素子１１〜１３の幅Ｗ１〜Ｗ３及び位置Ｙ１〜Ｙ３は、フレネル（Ｆｒｅｓｎｅｌ）配置となるように設計されている。フレネル配置とは、エレベーション方向の中央から外側に向かって素子の幅Ｗ１〜Ｗ３が小さくなるような配置方法の１つである。また、これらの素子１１〜１３は、超音波送受信面の面積が小さくなるほど、層数が増えるように設計されている。このように層数を変化させる理由は、次の通りである。即ち、フレネル配置を採用することにより、素子１１〜１３の超音波送受信面の面積が互いに変化してしまうので、電気インピーダンスの値が互いに異なることになってしまう。そのため、それらの素子と図２に示す超音波診断装置本体（具体的には、駆動信号生成部７ｂや、受信信号処理部７ｃや、ケーブル６）との間において、電気インピーダンスのマッチングが取り難くなってしまう。そこで、本実施形態においては、素子間における電気インピーダンスのバラツキを低減するために、超音波送受信面の面積が小さい素子ほど層数を増加させている。それにより、各素子と超音波診断装置本体との電気インピーダンスもマッチングを取り易くし、超音波の送受信効率を高めることができる。
さらに、図１の（ａ）に示すように、各列に配置されている素子１１〜１３の各々は、配線１４に独立に接続されている。それにより、素子１１〜１３には、超音波診断装置本体において生成された駆動信号が、配線１４を介してそれぞれ供給される。
【００４２】
このような超音波トランスデューサアレイを用いて超音波を送信する際には、エレベーション方向に並んでいる１行又は複数行（例えば、３〜５行）に含まれる素子１１〜１３を、同時に用いられる１組の駆動素子として設定し、それらの素子に供給する駆動信号の間に所定の遅延時間を設けて素子を駆動する。それにより、所望の深度に焦点を有する超音波ビームを所望の方向に送信することができる。また、そのような駆動素子の組の設定位置をアジマス方向にずらしながら順次駆動することにより、超音波ビームを電子的制御により走査することができる。その際に、前回設定された駆動素子の組に対して、素子が完全にずれるように、今回の駆動素子の組を設定しても良い。例えば、１回目の送信において第１〜３行の素子を用い、２回目の送信において第４〜６行の素子を用い、３回目の送信において第７〜９行の素子を用いる。或いは、前回設定された駆動素子の組に対して、一部の素子が重複するように今回の駆動素子の組を設定しても良い。例えば、第１回の送信において第１〜３行の素子を用い、２回目の送信において第３〜５行の素子を用い、３回目の送信において第５〜７行の素子を用いる。
【００４３】
次に、本実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの具体的な設計値について、従来の超音波トランスデューサアレイにおける設計値と比較しながら説明する。ここで、以下に示す設計値は、次のような条件で超音波診断装置に接続されることを前提として定められている。
パルサ（駆動信号生成部）：出力電圧１００Ｖ、出力インピーダンス３０Ω
同軸ケーブル：長さ３．４ｍ、容量１００ｐＦ／ｍ、
インピーダンス９４Ω（５ＭＨｚ）
プリアンプ（受信信号処理部）：入力インピーダンス１０ＭΩ
【００４４】
図１に示す超音波トランスデューサアレイに含まれる素子１１〜１３のサイズ（長さ及び幅）は、図１６に示す素子９０１〜９０３と同様であり、素子１１〜１３が多層構造であるという点において、図１６に示すものと異なっている。
【００４５】
図１及び図１６に示す超音波トランスデューサアレイの設計値は次の通りである。
配列方法：フレネル配置、配線方法：独立配線
素子の平面サイズ：
Ｃ列（素子１１及び９０１）：幅Ｗ１＝２．８８ｍｍ、長さＸ０＝０．１２ｍｍ
Ｌ１列、Ｒ１列（素子１２及び９０２）：
幅Ｗ２＝０．５７ｍｍ、長さＸ０＝０．１２ｍｍ
Ｌ２列、Ｒ２列（素子１３及び９０３）：
幅Ｗ３＝０．４３ｍｍ、長さＸ０＝０．１２ｍｍ
エレベーション方向の素子間隔：０．０３ｍｍ（３０μｍ）
アジマス方向の配列ピッチ：Ｐ０＝０．１５ｍｍ（素子間隔０．０３ｍｍ）
【００４６】
また、各素子９０１〜９０３の比誘電率εｒは３６００である。図１６においては、各素子９０１〜９０３の厚さが０．３６ｍｍであり、この値及び各素子のサイズから、共振周波数５ＭＨｚにおいて、各素子９０１〜９０３の電気インピーダンスＺ９０１〜Ｚ９０３は、次の通りとなる。
素子９０１（Ｃ列）：Ｚ９０１＝３２６Ω
素子９０２（Ｌ１列、Ｒ１列）：Ｚ９０２＝１６４７Ω
素子９０３（Ｌ２列、Ｒ２列）：Ｚ９０３＝２１８３Ω
【００４７】
一方、本実施形態においては、各素子の電気インピーダンスＺ１１〜Ｚ１３が、駆動信号生成装置の出力インピーダンス（３０Ω）とケーブルのインピーダンス（９４Ω）との幾何平均である約５３Ωになるべく近くなるように、各素子１１〜１３の層数Ｎ１１〜Ｎ１３が決定されている。
【００４８】
その結果、各素子１１〜１３の電気インピーダンスは、次のようになる。
素子１１（Ｃ列）：Ｎ１１＝３、Ｚ１１＝Ｚ９０１／３２≒３６．２Ω
素子１２（Ｌ１列、Ｒ１列）：Ｎ１２＝６、Ｚ１２＝Ｚ９０２／６２≒４５．８Ω
素子１３（Ｌ２列、Ｒ１列）：Ｎ１３＝７、Ｚ１３＝Ｚ９０３／７２≒４４．６Ω
【００４９】
実施例１として、図１に示す本実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの特性を、上記の装置条件の下でシミュレートした。また、比較例１として、図１６に示す従来の超音波トランスデューサアレイの特性を、同じ装置条件の下でシミュレートした。それにより、図４に示す送受信特性が得られた。ここで、受信感度は、一定の音圧を有する音波を受信するときの相対的な受信電圧を示しており、任意の単位（ａ．ｕ．）となっている。
【００５０】
図４より明らかなように、比較例１においては、素子９０１〜９０３間の電気インピーダンスのバラツキが大きい（最大で、１００×（Ｚ９０３−Ｚ９０１）／Ｚ９０３≒８５．０％）。また、Ｃ列の素子９０１による送信音響エネルギーの影響が支配的となっている。このような素子によって超音波ビームを形成しようとしても、外側（Ｌ１列、Ｒ１列、Ｌ２列、Ｒ２列）に配置された素子から送信される音響エネルギーを有効に作用させることができない。即ち、超音波トランスデューサアレイの開口全体を有効に活用することができない。また、超音波ビームを偏向させる場合には、超音波ビームの送信方向に対し、各素子９０１〜９０３から送信される音響エネルギーの対称性が崩れてしまうので、ビーム品質が低下し、良質な画像を形成することが困難になる。
【００５１】
それに対して、実施例１においては、素子１１〜１３間の電気インピーダンスを実質的に揃えることができた（バラツキは最大で、１００×（Ｚ１２−Ｚ１１）／Ｚ１２≒２０．１％）。各素子１１〜１３の電気インピーダンスを送信回路の出力インピーダンスに近づけたので、送信音響エネルギーの大きさ自体を大幅に向上させることが可能である。また、素子１１〜１３の送信音響エネルギーは、ほぼ同一となった。
【００５２】
一方、受信感度については、受信感度の値そのものは比較例１よりも改善されているものの、素子ごとのバラツキが若干残っている。ここで、受信音圧が一定である場合には、受信電圧は圧電体層の厚さに比例するので、一般に、層数をＮ倍にすれば、受信電圧は１／Ｎになる。そこで、受信電圧のバラツキを補正する手段を設けることが望ましい。例えば、図２の（ｂ）に示す受信信号処理部７ｃに、列ごとに異なるゲイン（増幅率）が設定されたプリアンプを設けても良い。列の間におけるゲインの比は、概ね層数の比とすれば良く、さらに微調整しても構わない。例えば、Ｃ列の素子１１に対応するゲインをＧ１、Ｌ１列及びＲ１列の素子１２に対応するゲインをＧ２、Ｌ２列及びＲ２列に対応するゲインをＧ３とし、それらのゲインを、Ｇ１：Ｇ２：Ｇ３＝３：６．４２：７．４１となるように設定する。それにより、全ての列においてほぼ一定となるように、受信信号のレベルを補正することができる。
【００５３】
または、補正手段として、受信信号処理部７ｃのプリアンプの後段に増幅器又はアッテネータ等の可変利得回路を設けて、ゲインを列ごとに設定しても良い。或いは、プリアンプ又は可変利得回路の後段に設けられるＡ／Ｄ変換器において受信信号をディジタル化し、ディジタル受信信号に対して演算処理を行うことにより、上記の比に対応する補正率で補正を行っても良い。
【００５４】
さらに、そのような補正を、超音波用探触子（又は超音波内視鏡）側において行っても良い。即ち、超音波トランスデューサアレイが配置される超音波用探触子（又は超音波内視鏡）に、各素子に対応するプリアンプ、可変利得回路、又は、Ａ／Ｄ変換器及び演算部を設け、それらのゲインや補正率を上記の比となるように設定しても良い。
【００５５】
以上説明したように、本実施形態によれば、超音波送受信面の面積に応じて素子１１〜１３の層数を決定するので、それらの素子の間における電気インピーダンスを実質的に揃えることができる。それにより、各素子の電気インピーダンスと装置側の電気インピーダンスとのマッチングを取り易くなるので、送信音響エネルギー及び受信感度を向上させることが可能になる。さらに、各素子から出力された受信信号について、素子ごと（列ごと）にゲインを調節することにより、受信感度のバラツキを低減することが可能になる。
【００５６】
その結果、開口内の全ての素子を有効に作用させることができるようになるので、十分に焦点が絞られた超音波ビームを送受信することが可能になる。また、エレベーション方向において超音波ビームを偏向させる場合においても、送信方向について比較的音響エネルギーの対称性の良い、即ち、品質の良い超音波ビームを形成することが可能になる。従って、そのような超音波ビームによって得られた超音波画像情報に基づいて、画質の良い超音波画像を形成することが可能になる。特に、超音波ビームを偏向させることにより、被検体内の３次元空間の各位置に関する超音波画像情報（ボリューム・データ）を、超音波用探触子の位置や向きを変化させることなく取得できるようになるので、３次元画像を高速に構築することが可能になる。
【００５７】
次に、本発明の第２の実施形態に係る超音波トランスデューサアレイについて、図５を参照しながら説明する。図５の（ａ）は、本実施形態に係る超音波トランスデューサアレイがバッキング層の上に配置されている様子を示す側面図であり、図５の（ｂ）は、その平面図であり、図５の（ｃ）は、図５の（ｂ）に示す超音波トランスデューサの一部を拡大して示す平面図である。
【００５８】
図５に示すように、本実施形態に係る超音波トランスデューサアレイは、Ｌ２列、Ｌ１列、Ｃ列、Ｒ１列、Ｒ２列の５列に配置された３種類の素子２１〜２３を含んでいる。これらの素子２１〜２３の各々は、配線２４に接続されている。なお、素子の配列方法（フレネル配置）や配線方法（独立配線）や配列ピッチについては、図１に示すものと同様である。
【００５９】
本実施形態に係る超音波トランスデューサアレイは、図１に示す超音波トランスデューサアレイに対して、各素子の長さ（アジマス方向におけるサイズ）を変更したものである。ここで、各素子の層数を調整することにより素子間の電気インピーダンスを揃えようとしても、層数は整数しか取ることができないので限界がある。そこで、本実施形態においては、素子２１〜２３の超音波送受信面の面積をそれぞれＳ２１〜Ｓ２３（長さ×幅）とし、それらの層数をそれぞれＮ２１〜Ｎ２３とする場合に、Ｓ２１：Ｓ２２：Ｓ２３＝１／Ｎ２１２：１／Ｎ２２２：１／Ｎ２３２となるように、素子の長さＸ１〜Ｘ３を調節している。それにより、フレネル配置（エレベーション方向における素子サイズ及び素子間隔）を維持したまま、素子間の電気インピーダンスＺ２１〜Ｚ２３のバラツキをさらに低減することが可能になる。
【００６０】
本実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの具体的な設計値は、以下の通りである。
素子２１（Ｃ列）：Ｎ２１＝３
幅Ｗ１＝２．８８ｍｍ、長さＸ１＝０．０９５
Ｚ２１＝４５．８Ω（共振周波数５ＭＨｚ）
この電気インピーダンスＺ２１の値は、図１に示す素子１１の電気インピーダンスＺ１１の約Ｘ０／Ｘ１倍に相当する。
素子２２（Ｌ１列及びＲ１列）：Ｎ２２＝６
幅Ｗ２＝０．５７ｍｍ、長さＸ２＝０．１２０ｍｍ
Ｚ２２＝４５．８Ω（共振周波数５ＭＨｚ）
この電気インピーダンスＺ２２の値は、図１に示す素子１２の電気インピーダンスＺ１２の約Ｘ０／Ｘ２倍に相当する。
素子２３（Ｌ２列及びＲ２列）：Ｎ２３＝７
幅Ｗ３＝０．４３ｍｍ、長さＸ３＝０．１１６ｍｍ
Ｚ２３＝４６．１Ω（共振周波数５ＭＨｚ）
この電気インピーダンスＺ２３の値は、図１に示す素子１３の電気インピーダンスＺ１３の約Ｘ０／Ｘ３倍に相当する。
【００６１】
実施例２として、上記の超音波トランスデューサアレイの特性を、実施例１及び比較例１と同じ装置条件の下でシミュレートした。それにより、図４に示す結果が得られた。
図４に示すように、各素子の層数に加えて、素子の長さを調節することにより、素子２１〜２３間の電気インピーダンスを実質的に揃えることができた（バラツキは最大で、１００×（Ｚ２３−Ｚ２１）／Ｚ２３≒０．７％）。また、送信音響エネルギーのバラツキをさらに低減することができた。なお、素子２１及び２３については、素子の長さを実施例１における素子１１及び１３よりも小さくしたために、送信音響エネルギーが若干低下している。しかしながら、各素子の電気インピーダンスと送信回路の出力インピーダンスとの整合が良好なので、依然として比較例１よりも大幅に高い値を維持することができた。
【００６２】
一方、受信感度については、素子ごとのバラツキが若干残っている。そのため、本実施形態においても、第１の実施形態におけるものと同様に、受信感度のバラツキを補正する手段を装置側又は超音波用探触子側に設けることが望ましい。列の間におけるゲインの比は、概ね層数の比として良い。例えば、Ｃ列、Ｌ１列及びＲ１列、Ｌ２列及びＲ２列に対応するゲインＧ１、Ｇ２、Ｇ３を、３：６：７となるように設定することにより、全ての列においてほぼ一定となるように、受信感度を補正することができる。
【００６３】
以上説明したように、本実施形態によれば、各素子の間で電気インピーダンスが実質的に揃うように素子の層数及び長さを調整することにより、送信音響エネルギー及び受信感度のバラツキを更に低減することができる。また、その際に、各素子の電気インピーダンスを装置側の電気インピーダンスに揃えることにより、送信音響エネルギー及び受信感度を更に向上させることが可能になる。
【００６４】
次に、本発明の第３の実施形態に係る超音波トランスデューサアレイについて、図６を参照しながら説明する。図６の（ａ）は、本実施形態に係る超音波トランスデューサアレイがバッキング層の上に配置されている様子を示す側面図であり、図６の（ｂ）は、その平面図である。
本実施形態に係る超音波トランスデューサアレイは、図１に示す超音波トランスデューサアレイに対して、配線方法及び各素子の層数を変更したものである。従って、各素子の平面サイズや配列方法（フレネル配置）や配列ピッチについては、図１に示すものと同様である。
【００６５】
図６の（ｂ）に示すように、この超音波トランスデューサアレイは、Ｌ２列、Ｌ１列、Ｃ列、Ｒ１列、Ｒ２列の５列に配置された３種類の素子３１〜３３を含んでいる。また、図６の（ａ）に示すように、Ｃ列の素子３１は配線３４に接続されており、Ｌ１列及びＲ１列の素子３２は配線３５に接続されており、Ｌ２列及びＲ２列の素子３３は配線３６に接続されている。このように、エレベーション方向の中心について対称に配置されている素子を共通配線することにより、超音波診断装置本体において発生した駆動信号が、それらの素子に同じタイミングで供給されるようになる。
【００６６】
本実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの具体的な設計値について、従来の超音波トランスデューサアレイの設計値と比較しながら説明する。なお、以下に示す設計値は、第１の実施形態におけるものと同じ条件で超音波診断装置に接続されることを前提として定められている。
【００６７】
図６及び図１７の（ａ）に示す共通接続方式の超音波トランスデューサアレイの設計値は次の通りである。
配列方法：フレネル配置、配線方法：共通配線
素子の平面サイズ：
配線３４に接続された素子３１、及び、
配線９０５に接続された素子９０１（Ｃ列）：
幅Ｗ１＝２．８８ｍｍ、長さＸ０＝０．１２ｍｍ
配線３５に接続された素子３２、及び、
配線９０６に接続された２つの素子９０２（Ｌ１列、Ｒ１列）：
幅Ｗ２＝０．５７×２ｍｍ、長さＸ０＝０．１２ｍｍ
配線３６に接続された素子３３、及び、
配線９０７に接続された２つの素子９０３（Ｌ２列、Ｒ２列）：
幅Ｗ３＝０．４３×２ｍｍ、長さＸ０＝０．１２ｍｍ
エレベーション方向の素子間隔：３９μｍ
アジマス方向の配列ピッチ：Ｐ０＝０．１５ｍｍ（素子間隔３０μｍ）
【００６８】
また、各素子９０１〜９０３の比誘電率εｒは３６００である。図１７の（ａ）においては、各素子９０１〜９０３の厚さが０．３６ｍｍであり、この値及び各素子のサイズから、共振周波数５ＭＨｚにおいて、共通の配線に接続されている素子の合成電気インピーダンスＺ９０１'〜Ｚ９０３'は次の通りとなる。
素子９０１：Ｚ９０１'＝３２６Ω
２つの素子９０２：Ｚ９０２'＝８２４Ω
２つの素子９０３：Ｚ９０３'＝１０９２Ω
【００６９】
一方、本実施形態においては、共通の配線に接続されている素子の合成電気インピーダンスＺ３１〜Ｚ３３が、駆動信号生成装置の出力インピーダンス（３０Ω）とケーブルのインピーダンス（９４Ω）との幾何平均である約５３Ωになるべく近くなるように、各素子３１〜３３の層数Ｎ３１〜Ｎ３３が決定されている。
【００７０】
その結果、各配線に接続されている素子の合成電気インピーダンスＺ３１〜Ｚ３３は、次のようになる。
配線３４に接続された素子３１（Ｃ列）：Ｎ３１＝３
Ｚ３１＝Ｚ９０１'／３２≒３６．２Ω
配線３５に接続された２つの素子３２（Ｌ１列、Ｒ１列）：Ｎ３２＝４
Ｚ３２＝Ｚ９０２'／４２≒５１．５Ω
配線３６に接続された２つの素子３３（Ｌ２列、Ｒ１列）：Ｎ３３＝５
Ｚ３３＝Ｚ９０３'／５２≒４３．７Ω
【００７１】
実施例３として、図６に示す本実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの特性を、上記の装置条件の下でシミュレートした。また、比較例２として、図１６及び図１７の（ａ）に示す従来の超音波トランスデューサアレイの特性を、同じ装置条件の下でシミュレートした。それにより、図７に示す送受信特性が得られた。
【００７２】
図７より明らかなように、比較例２においては、配線９０５〜９０７ごとの合成電気インピーダンスのバラツキが大きい（最大で、１００×（Ｚ９０３'−Ｚ９０１'）／Ｚ９０３'≒７０．１％）。また、Ｃ列の素子９０１による送信音響エネルギーの影響が支配的となっており、Ｌ１列及びＲ１列の素子９０２、並びに、Ｌ２列及びＲ２列の素子９０３が有効に機能していない。即ち、超音波トランスデューサアレイの開口全体を有効に活用させることができていない。そのため、ダイナミックフォーカシングによって所望の深度に焦点を形成することができなくなり、分解能が低下してしまう。
【００７３】
それに対して、実施例３においては、各素子の層数を調節することにより、配線３５〜３７ごとの合成電気インピーダンス（即ち、電気容量の和）を実質的に揃えることができた（最大で、１００×（Ｚ３２−Ｚ３１）／Ｚ３２≒２９．７％）。配線ごとの電気インピーダンスを送信回路の出力インピーダンスに近づけたので、送信音響エネルギーの大きさ自体を大幅に向上させることが可能である。また、素子３１〜３３間における送信音響エネルギーは、ほぼ同一となった。
【００７４】
一方、受信感度については、受信感度の値そのものは比較例２よりも改善されているものの、素子ごとのバラツキが若干残っている。そのため、本実施形態においても、第１の実施形態におけるのと同様に、受信感度のバラツキを補正する手段を装置側又は超音波用探触子側に設けることが望ましい。列の間におけるゲインの比は、概ね層数の比として良く、さらに微調整しても良い。例えば、Ｃ列、Ｌ１列及びＲ１列、Ｌ２列及びＲ２列に対応するゲインＧ１、Ｇ２、Ｇ３を、３：４．４７：５．２８となるように設定することにより、全ての列においてほぼ一定となるように、受信感度を補正することができる。
【００７５】
以上説明したように、本実施形態によれば、送信音響エネルギー及び受信感度のバラツキを低減すると共に、それらの値を向上させることができる。従って、開口全体を有効に作用させることができるので、精度の良いダイナミックフォーカシングを行うことが可能になる。従って、分解能の高い良質な超音波画像を生成することが可能になる。また、本実施形態によれば、中心の列に対して対象に配置された素子を共通配線に接続することにより、配線数を削減することができるので、超音波用探触子の小型化や、ケーブルの細径化や、低コスト化を図ることが可能になる。
【００７６】
次に、本発明の第４の実施形態に係る超音波トランスデューサアレイについて、図８を参照しながら説明する。図８の（ａ）は、本実施形態に係る超音波トランスデューサアレイがバッキング層の上に配置されている様子を示す側面図であり、図８の（ｂ）は、その平面図であり、図８の（ｃ）は、図８の（ｂ）に示す超音波トランスデューサの一部を拡大して示す平面図である。
【００７７】
図８に示すように、本実施形態に係る超音波トランスデューサアレイは、Ｌ２列、Ｌ１列、Ｃ列、Ｒ１列、Ｒ２列の５列に配置された３種類の素子４１〜４３を含んでいる。また、図８の（ａ）に示すように、Ｃ列の素子４１は配線４４に接続されており、Ｌ１列及びＬ２列の素子４２は配線４５に接続されており、Ｌ２列及びＲ２列の素子４３は配線４６に接続されている。なお、本実施形態における素子の配列方法（フレネル配置）や、配線方法（共通配線）や、配列ピッチについては、図６に示すものと同様である。
【００７８】
本実施形態に係る超音波トランスデューサアレイは、図６に示す超音波トランスデューサアレイに対して、各素子の長さ（アジマス方向におけるサイズ）を変更したものである。即ち、本実施形態においては、素子４１〜４３の超音波送受信面の面積をそれぞれＳ４１〜Ｓ４３（長さ×幅）とし、それらの層数をそれぞれＮ４１〜Ｎ４３とし、同じ配線に接続されている素子の数をＭ４１〜Ｍ４３とする場合に、Ｓ４１：Ｓ４２：Ｓ４３＝１／（Ｎ４１２・Ｍ４１）：１／（Ｎ４２２・Ｍ４２）：１／（Ｎ４３２・Ｍ４３）となるように、素子の長さＸ１〜Ｘ３を調節している。それにより、フレネル配置（エレベーション方向における素子サイズ及び素子間隔）を維持したまま、配線ごとに素子の合成電気インピーダンスＺ４１〜Ｚ４３のバラツキ（即ち、電気容量の和のバラツキ）をさらに低減することが可能になる。
【００７９】
本実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの具体的な設計値は、以下の通りである。
配線４４に接続された素子４１（Ｃ列）：Ｎ４１＝３
幅Ｗ１＝２．８８ｍｍ、長さＸ１'＝０．０８５ｍｍ
Ｚ４１＝５１．１Ω（共振周波数５ＭＨｚ）
この電気インピーダンスＺ４１の値は、図６に示す素子３１の電気インピーダンスＺ３１の約Ｘ０／Ｘ１'倍に相当する。
配線４５に接続された２つの素子４２（Ｒ１列、Ｌ１列）：Ｎ４２＝４
幅Ｗ２＝０．５７ｍｍ、長さＸ２'＝０．１２０ｍｍ
Ｚ４２＝５１．５Ω（共振周波数５ＭＨｚ）
この電気インピーダンスＺ４２の値は、図６に示す配線３５に接続されている素子３２の合成電気インピーダンスＺ３２の約Ｘ０／Ｘ２'倍に相当する。
配線４６に接続された２つの素子４３（Ｌ２列、Ｒ２列）：Ｎ４３＝５
幅Ｗ３＝０．４３ｍｍ、長さＸ３'＝０．１０２ｍｍ
Ｚ４３＝５１．４Ω（共振周波数５ＭＨｚ）
この電気インピーダンスＺ４３の値は、図６に示す配線３６に接続されている素子３３の合成電気インピーダンスＺ３３の約Ｘ０／Ｘ３'倍に相当する。
【００８０】
実施例４として、上記の超音波トランスデューサアレイの特性を、実施例３及び比較例２と同じ装置条件の下でシミュレートした。それにより、図７に示す結果が得られた。
図７に示すように、各素子の層数に加えて、素子の長さを調節することにより、配線４４〜４６ごとの合成電気インピーダンス（即ち、電気容量の和）を実質的に揃えることができた（バラツキは最大で、１００×（Ｚ４１−Ｚ４２）／Ｚ４２≒０．８％）。また、素子４１〜４３間における送信音響エネルギーのバラツキをさらに低減することができた。なお、素子４１及び４３については、素子の長さを実施例３における素子３１及び３３よりも小さくしたために、送信音響エネルギーが若干低下している。しかしながら、各組の素子の電気インピーダンスと送信回路の出力インピーダンスとのマッチングとの整合が良好なので、依然として比較例２よりも大幅に高い値を維持することができた。
【００８１】
一方、受信感度については、素子ごとのバラツキが若干残っている。そのため、本実施形態においても、第１の実施形態におけるものと同様に、受信感度のバラツキを補正する手段を装置側又は超音波用探触子側に設けることが望ましい。列の間におけるゲインの比は、概ね層数の比として良い。例えば、Ｃ列、Ｌ１列及びＲ１列、Ｌ２列及びＲ２列に対応するゲインＧ１、Ｇ２、Ｇ３を、３：４：５となるように設定することにより、全ての列においてほぼ一定となるように、受信感度を補正することができる。
【００８２】
以上説明したように、本実施形態によれば、配線ごとに素子の合成電気インピーダンスが揃うように素子の層数及び長さを調整することにより、送信音響エネルギー及び受信感度のバラツキを更に低減することができる。また、各配線における素子の合成電気インピーダンスを、装置側の電気インピーダンスに揃えることにより、送信音響エネルギー及び受信感度を更に向上させることが可能になる。
【００８３】
次に、本発明の第５の実施形態に係る超音波トランスデューサアレイについて、図９を参照しながら説明する。
本実施形態に係る超音波トランスデューサアレイは、図５に示す超音波トランスデューサアレイに対して、素子の配置を変更したものである。即ち、素子２１が配置されているＣ列と、素子２２が配置されているＬ１列及びＲ１列と、素子２３が配置されているＬ２列及びＲ２列とにおいて、アジマス方向における素子の間隔を０．０３ｍｍに統一している。この素子間隔０．０３ｍｍは、素子２１〜２３の長さＸ１〜Ｘ３を含めた素子の配列ピッチＰ１〜Ｐ３が、最大でも送信超音波の波長の半分以下（例えば、１５０μｍ以下）になるように設計されている。
なお、各素子２１〜２３のサイズ及び層数や、エレベーション方向における配置（フレネル配置）や、配線方法（独立配線）については、第２の実施形態におけるものと同様である。
【００８４】
具体的には、図９の（ｃ）に示すように、中央のＣ列には、１５２個（チャンネル）の素子２１が、配列ピッチＰ１＝０．１２５μｍ（素子２１の長さ０．０９５μｍ＋素子間隔０．０３ｍｍ）で配置されている。また、Ｌ１列及びＲ１列には、１２８個（チャンネル）の素子２２が、配列ピッチＰ２＝０．１５ｍｍ（素子２２の長さ０．１２ｍｍ＋素子間隔０．０３ｍｍ）で配置されている。さらに、Ｌ２列及びＲ２列には、１３２個（チャンネル）の素子２３が、配列ピッチＰ３＝０．１４６ｍｍ（素子１３の長さ０．１１６ｍｍ＋素子間隔０．０３ｍｍ）で配置されている。
【００８５】
このような超音波トランスデューサアレイを用いて超音波を送信する際には、所定の範囲に含まれる素子２１〜２３を、同時に用いられる１組の駆動素子として設定し、それらの素子の間に所定の遅延時間を設けて素子を駆動する。それにより、所望の深度に焦点を有する超音波ビームを所望の方向に送信することができる。例えば、図９の（ｃ）の破線に示すように、第Ｎ回の送信時には、Ｌ２列及びＲ２列の第３〜５行に含まれる素子２３と、Ｌ１列及びＲ１列の第３〜５行に含まれる素子２２と、Ｃ列の第３〜６行に含まれる素子２１とが、駆動素子として設定される。また、その次の送信を行う際には、前回設定された駆動素子の組に対して、素子が完全にずれるように今回の駆動素子の組を設定しても良いし、図９の（ｃ）の一点鎖線に示すように、一部の素子が重複するように今回の駆動素子の組を設定しても良い。
【００８６】
このように、本実施形態によれば、Ｃ列、Ｌ２列、Ｒ２列の各列において、同じ素子間隔で素子を配列することにより、超音波トランスデューサアレイの全面積に対する素子の充填比率を向上させることができる。それにより、超音波の送受信感度及び分解能が向上するので、超音波診断装置において生成される超音波画像の画質を向上させることが可能になる。
なお、本発明の第４の実施形態において説明した超音波トランスデューサアレイを、素子４１〜４３の間隔が各列で同じになるように変形しても良い。
【００８７】
次に、本発明の一実施形態に係る超音波内視鏡について、図１０及び図１１を参照しながら説明する。ここで、上記の第１〜第５の実施形態に係る超音波トランスデューサアレイは、被検体に当接して用いられる超音波用探触子（図２参照）だけでなく、被検体の内部に挿入して用いられる内視鏡にも適用することができる。
【００８８】
図１０は、超音波内視鏡の外観を示す模式図である。図１０に示すように、超音波内視鏡１００は、挿入部１０１と、操作部１０２と、接続コード１０３と、ユニバーサルコード１０４とを含んでいる。
超音波内視鏡１００の挿入部１０１は、被検体の体内に挿入することができるように、可撓性を有する材料によって形成された細長い管となっている。操作部１０２は、挿入部１０１の基端に設けられており、接続コード１０３を介して超音波診断装置本体に接続されていると共に、ユニバーサルコード１０４を介して光源装置に接続されている。
【００８９】
図１１は、図１０に示す挿入部１０１の先端部分を拡大して示す模式図である。図１１の（ａ）は、挿入部１０１の先端部分を側面から見た様子を示しており、図１１の（ｂ）は、それを上面から見た様子を示している。
図１１に示すように、挿入部１０１の先端部分には、超音波トランスデューサアレイ１１０と、観察窓１１１と、照明窓１１２と、処置具挿通口１１３と、ノズル孔１１４とが設けられている。また、処置具挿通口１１３には、穿刺針１０６が配置されている。
【００９０】
超音波トランスデューサアレイ１１０は、コンベックス型の多列アレイであり、湾曲した面上に配置された５列の素子を含んでいる。素子の配置方法（フレネル配置等）や、素子のサイズ及び層数や、配線方法（独立配線又は共通配線）については、第１〜第５の実施形態において説明したいずれの超音波トランスデューサアレイにおけるものを適用しても良い。また、図１１の（ｂ）に示すように、上面から見た場合に、エレベーション方向が処置具挿通口１１３に配置される処置具（例えば、穿刺針１０６）の挿通方向と直交するように、超音波トランスデューサアレイ１１０を配置することが望ましい。それにより、処置具のエレベーション方向における先端位置を検出できるようになる。さらに、超音波トランスデューサアレイ１１０の超音波送信面上には音響整合層が配置され、超音波トランスデューサアレイ１１０の超音波送信面とは反対側の面にはバッキング層が配置される。さらに、音響整合層の上層に、必要に応じて音響レンズを配置しても良い。
【００９１】
観察窓１１１には、対物レンズが装着されており、この対物レンズの結像位置には、イメージガイドの入力端又はＣＣＤカメラ等の固体撮像素子が配置されている。これらは、観察光学系を構成する。また、照明窓１１２には、光源装置からライトガイドを介して供給される照明光を出射させるための照明用レンズが装着されている。これらは、照明光学系を構成する。
【００９２】
処置具挿通口１１３は、操作部１０２に設けられた処置具挿入口１０５（図１０）から挿入された処置具等を導出させる孔である。この孔から穿刺針１０６や鉗子等の処置具を突出させ、操作部１０２においてこれを操作することにより、被検体の体腔内において種々の処置が行われる。さらに、ノズル孔１１４は、観察窓１１１及び観察窓１１２を洗浄するための液体（水等）を噴射するために設けられている。
【００９３】
このような超音波内視鏡に、本発明の第１〜第５の実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの内のいずれかを適用することにより、関心領域について、画質の良い３次元画像をリアルタイムに取得することが可能になる。そのような超音波画像を参照することにより、施術者（医師等）は、処置具（例えば、穿刺針１０６）と患部との相対位置を正確に把握できるようになる。それにより、例えば、穿刺針１０６が湾曲したり、挿通方向が本来の方向からずれた場合においても、施術者は、確実且つ容易に処置を行うことが可能になる。
【００９４】
ここで、図１１には、超音波トランスデューサアレイ１１０として、コンベックス型の多列アレイが示されているが、多列アレイをアジマス方向にさらに湾曲させた円筒状（ラジアル型）の多列アレイや、アジマス方向に加えてエレベーション方向にも湾曲させた球面状のアレイを、超音波内視鏡に適用しても良い。
【００９５】
以上説明した本発明の実施形態においては、多列アレイのエレベーション方向における素子の配列方法として、フレネル配置を採用しているが、例えば、ＭＩＡＥ（Minimum Integrated Absolute time-delay Error）配置のように、それ以外の配列方法を採用しても良い。また、列の数（エレベーション方向に配置される素子の数）や、行数（アジマス方向に配置される素子の数）や、超音波トランスデューサアレイ全体の幅及び長さについても、任意に設計することが可能である。即ち、超音波送受信面の面積が異なる複数種類の素子を１つの超音波トランスデューサアレイに配置する場合であれば、本発明を適用することが可能である。
【００９６】
具体的には、素子の配置がエレベーション方向の中心について対称である多列アレイだけでなく、図１２に示すように、複数種類の素子２０１〜２０３が左右非対称に配置された超音波トランスデューサアレイに本発明を適用しても良い。
【００９７】
また、素子が配置される列の数についても５列に限定されることはなく、少なくとも２列以上の多列アレイであれば、本発明を適用することができる。さらに、上記の実施形態においては、エレベーション方向における配列ピッチを送信超音波の波長以上の長さにしているが、送信超音波の波長以下でも構わない。
【００９８】
一方、素子の形状についても、矩形状に限らず、任意の形状を用いても良い。例えば、図１３に示すように、楕円状の素子２１１〜２１３を多列に配置しても良い。または、図１４に示すように、多角形（例えば、六角形）状の素子２２１及び２２２を多列に配置しても良い。さらに、図１５に示すように、円環状の素子２３１〜２３３を同心円状に並べても良いし、複数の素子を円環状となるように配置しても良い。或いは、１つの超音波トランスデューサアレイに配置される複数種類の素子の形状が互いに異なっていても構わない。いずれの場合においても、超音波送受信面の面積が異なる複数種類の素子の間において、それらの電気インピーダンスが実質的に揃うように各素子の層数を設計することにより、送信音響エネルギーのバラツキや受信感度のバラツキを低減することが可能になる。
【００９９】
また、本実施形態においては、最大で２つの素子が共通配線されているが、３つ以上の素子を共通配線しても構わない。その場合にも、超音波送受信面の総面積に応じて、配線ごとの合成電気インピーダンスが実質的に揃うように、各素子の層数を決定すれば良い。さらに、図６及び図８においてはフレネル配置としているため、独立に配線されている素子（例えば、素子３１）の超音波送受信面の面積は、共通配線されている２つの素子（例えば、素子３２）の超音波送受信面の総面積よりも大きくなっている。しかしながら、素子の配列方法はフレネル配置に限定されないため、独立に配線されている素子の超音波送受信面の面積が、共通配線されている複数の素子の超音波送受信面の総面積よりも小さくなる場合がある。そのような場合においても、超音波送受信面の面積が小さい方の素子の層数を多くし、超音波送受信面の総面積が大きい方の素子群の層数を少なくすることにより、配線ごとの合成電気インピーダンスを実質的に揃えることができる。
【０１００】
加えて、超音波トランスデューサアレイにおける素子の配置面については、図１に示すような平面であっても良いし、図１１に示すようなコンベックス面（凸面）であっても良いし、コンケーブ面（凹面）や球面やそれ以外の任意の曲面であっても良い。
【産業上の利用可能性】
【０１０１】
本発明は、超音波の送信及び受信を行う超音波トランスデューサアレイ、並びに、それを含む超音波用探触子及び超音波内視鏡、さらに、そのような超音波用探触子又は超音波内視鏡を用いることより超音波画像を生成する超音波診断装置において利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの構成を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る超音波用探触子及び超音波診断装置の構成を示す図である。
【図３】積層構造を有する超音波トランスデューサを示す一部断面斜視図である。
【図４】比較例１並びに実施例１及び２のシミュレーション結果を示す表である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの構成を示す図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの構成を示す図である。
【図７】比較例２並びに実施例３及び４のシミュレーション結果を示す表である。
【図８】本発明の第４の実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの構成を示す図である。
【図９】本発明の第５の実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの構成を示す図である。
【図１０】本発明の一実施形態に係る超音波内視鏡の構成を示す模式図である。
【図１１】図１０に示す挿入部の先端部分を拡大して示す図である。
【図１２】複数種類の素子が左右非対称に配置された超音波トランスデューサアレイの例を示す平面図である。
【図１３】複数種類の楕円状の素子が配置された超音波トランスデューサアレイの例を示す平面図である。
【図１４】複数種類の多角形の素子が配置された超音波トランスデューサアレイの例を示す平面図である。
【図１５】複数種類の円環状の素子が配置された超音波トランスデューサアレイの例を示す平面図である。
【図１６】フレネル配置された従来の超音波トランスデューサアレイを示す平面図である。
【図１７】多列アレイの配線方法を示す側面図である。
【符号の説明】
【０１０３】
１、１１０  超音波トランスデューサアレイ
１ａ  充填材
２、９００  バッキング層
３  音響整合層
４  音響レンズ
５  筐体
６  ケーブル
１０、９１０  圧電体
１０ａ  下部電極
１０ｂ、１０ｃ  内部電極
１０ｄ  上部電極
１０ｅ、１０ｆ  側面電極
１１〜１３、２１〜２３、３１〜３３、４１〜４３、２０１〜２０３、２１１〜２１３、２２２〜２２３、２３１〜２３３、９０１〜９０３  超音波トランスデューサ素子
１４、２４、３４〜３６、４４〜４６、９０４〜９０７  配線
１００  超音波内視鏡
１０１  挿入部
１０２  操作部
１０３  接続コード
１０４  ユニバーサルコード
１０５  処置具挿入口
１０６  穿刺針
１１１  観察窓
１１２  照明窓
１１３  処置具挿通口
１１４  ノズル孔
９１１、９１２  電極
【図１】
2008005996.tif 000003
【図２】
2008005996.tif 000004
【図３】
2008005996.tif 000005
【図４】
2008005996.tif 000006
【図５】
2008005996.tif 000007
【図６】
2008005996.tif 000008
【図７】
2008005996.tif 000009
【図８】
2008005996.tif 000010
【図９】
2008005996.tif 000011
【図１０】
2008005996.tif 000012
【図１１】
2008005996.tif 000013
【図１２】
2008005996.tif 000014
【図１３】
2008005996.tif 000015
【図１４】
2008005996.tif 000016
【図１５】
2008005996.tif 000017
【図１６】
2008005996.tif 000018
【図１７】
2008005996.tif 000019