(57)【要約】【課題】高感度で高分解能の超音波画像を得ることができるとともに、容易に作成することができ、信頼性も向上することができる超音波探触子を提供する。【解決手段】１チャンネル内の圧電素子１１０の配列方向（Ｘ方向）の間隔ｄを、Ｘ方向の幅振動モードの周波数が使用周波数領域（Ｚ方向の厚み縦振動モード）の中心周波数の２分の１（１／２）以下になるように設定して、Ｘ方向の幅振動モードの周波数を使用周波数領域から低周波数領域側に外す。【選択図】図１
2008307117.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚さ方向の両面に電極が形成され、厚さ方向と直交する所定の一方向に複数配列された圧電素子を有する超音波探触子において、
前記圧電素子は、前記圧電素子の配列方向および厚さ方向とそれぞれ直交する所定の一方向に圧電体と高分子材料を交互に配列して構成された複合圧電体であり、
前記圧電素子は、前記配列方向の間隔が、前記圧電体の前記配列方向の幅振動モードの周波数が使用周波数領域の中心周波数の２分の１以下になるように設定されている、
超音波探触子。
【請求項２】
前記圧電素子は、各チャンネル内で前記配列方向に分割されていない場合、各チャンネルに対応する前記圧電素子の配列間隔が、前記圧電体の前記配列方向の幅振動モードの周波数が使用周波数領域の中心周波数の２分の１以下になるように設定されている、
請求項１記載の超音波探触子。
【請求項３】
前記圧電素子は、２−２型複合圧電体である、請求項２記載の超音波探触子。
【請求項４】
前記圧電素子は、各チャンネル内で前記配列方向に分割されている場合、各チャンネル内の前記圧電素子の配列間隔が、前記圧電体の前記配列方向の幅振動モードの周波数が使用周波数領域の中心周波数の２分の１以下になるように設定されている、
請求項１記載の超音波探触子。
【請求項５】
前記圧電素子は、１−３型複合圧電体である、請求項４記載の超音波探触子。
【請求項６】
前記圧電素子の一方の面上に設けられた１層以上の音響整合層、をさらに有し、
前記音響整合層は、各チャンネルの領域内で一部または全部が前記配列方向に複数分割されている、
請求項１から請求項５のいずれか１つに記載の超音波探触子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体などの被検体に当接させて超音波を送信および受信することにより、被検体の診断情報を得るために使用される超音波探触子に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波診断装置は、超音波を人間や動物などの生体の被検体に照射し、被検体内で反射されたエコーを検出して生体内組織の断層像などをモニタに表示することにより、被検体の診断に必要な情報を提供する。このとき、超音波診断装置では、被検体内への超音波の送信と、被検体内からの反射エコーの受信のために、超音波探触子が使用される。
【０００３】
図７は、従来の超音波探触子の構成の一例を示す部分概略斜視図である。
【０００４】
図７に示す超音波探触子１０は、被検体（図示せず）との間で超音波を送受信するべく、所定の一方向（Ｘ方向）に配列された複数の圧電素子１１と、圧電素子１１の被検体側（同図の上方）の表面（以下、本明細書において被検体側の表面を「前面」という）に設けられた１層以上(同図では２層)の音響整合層１２（１２ａ、１２ｂ）と、圧電素子１１の被検体側とは反対側（同図の下方）の表面（以下、本明細書において被検体側とは反対側の表面を「背面」という）に設けられた信号用電気端子１３と、信号用電気端子１３の背面に設けられた背面負荷材１４と、圧電素子１１と第１の音響整合層１２ａとの間に装着された接地用電気端子（図示せず）とを有する。
【０００５】
圧電素子１１は、例えば、圧電体１１ａと高分子材料１１ｂを複合した複合圧電体によって形成される。圧電体１１ａは、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）系などの圧電セラミックスや、ＰＺＮ−ＰＴ、ＰＭＮ−ＰＴ系などの圧電単結晶などをその素材としている。この複合圧電体は、配列方向（Ｘ方向）と直交する所定の一方向（Ｙ方向）に圧電体１１ａと高分子材料１１ｂを交互に配列して形成されている。また、この複合圧電体（圧電素子１１）は、配列方向（Ｘ方向）においても、隣接する複合圧電体との関係で圧電体１１ａが分割され、この分割溝１５に高分子材料（図示せず）を設けて圧電体１１ａと高分子材料を交互に配列して形成されている。圧電素子１１の前面および背面には電極（図示せず）がそれぞれ形成されている。信号用電気端子１３および接地用電気端子を介して、これらの電極と圧電素子１１との間で電気信号の送受信が行われる。すなわち、圧電素子１１は、加えられた電圧を超音波に変換して被検体内に送信し、また、被検体内で反射したエコーを受信して電気信号に変換する。このため、少なくとも信号用電気端子１３は、チャンネルを単位に設けられている。ここで、１チャンネルとは、同一の電気信号にて駆動し（超音波の送信）、同一の電気信号として情報を収集する（超音波の受信）単位をいう。
【０００６】
複合圧電体は、高分子材料として音響インピーダンスが小さい材料を使用することにより、音響インピーダンスを圧電体（例えば、圧電セラミックス）よりも小さくすることができ、圧電セラミックス単体で構成した場合よりも、音響インピーダンスを生体などの被検体の音響インピーダンスに近づけることができる。このため、インピーダンスの不整合が少なくなり、超音波の送受信の効率が向上する。このため、複合圧電体は、有用な材料として超音波探触子に広く用いられている。複合圧電体には、１チャンネルにおける圧電体の連結形態と高分子材料の連結形態とから、いわゆる１−３型連結構造を有する１−３型複合圧電体と呼ばれるものと、いわゆる２−２型連結構造を有する２−２型複合圧電体と呼ばれるものとがある。図７に示す圧電素子１１は、いわゆる１―３型複合圧電体である。この１―３型複合圧電体は、生体とのインピーダンスの整合がとりやすいため、また、圧電体１１ａについて電気機械結合係数が最も高くなる幅／厚さの比を得やすいため、主に用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
また、図７の例では、Ｘ方向に配列された圧電素子１１間に等間隔の溝１５が設けられている。圧電素子１１の材料、例えば、ＰＺＴ系の圧電セラミックスは、使用する厚み縦振動モード以外にも、不必要な幅振動モードが発生し、この幅振動モードは周波数特性などに悪影響を及ぼす。このため、従来は、圧電体１１ａの電気機械結合係数が最も高くなる形状を考慮して、幅振動モードの周波数が使用周波数領域から高周波数領域側に外れるように、圧電素子１１の配列ピッチｄ（圧電素子１１の幅ｗと溝１５の幅との和）を設定している。すなわち、圧電素子１１の配列ピッチ（つまり、圧電素子１１の幅や溝１５の幅）は、通常、狭くなるように構成されている。なお、図中の「Ｐ」は、１チャンネルのピッチを示している。
【０００８】
なお、本明細書では、図中のＸ方向を「（圧電素子の）配列方向」、Ｙ方向を「（圧電素子の）長さ方向」または「（複合圧電体を構成する圧電体の）幅方向」、Ｚ方向を「（圧電素子の）厚さ方向」とも呼ぶものとする。Ｘ、Ｙ、Ｚの各方向は、互いに直交している。
【特許文献１】特開２００６−５１１０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
電子走査型の超音波診断装置は、圧電素子を複数の群にして個々の圧電素子群に一定の遅延時間を与えて駆動し、各圧電素子群から被検体内への超音波の送信と、被検体内からの反射エコーの受信とを行う。このように遅延時間を与えることによって超音波ビームが収束または拡散され、広い視野幅でかつ高分解能の超音波画像を得ることができる。
【００１０】
複数の圧電素子群に一定の遅延時間を与えて超音波画像を得るシステムは、一般的なシステムとして既に知られている。超音波探触子として、そのような高分解能の超音波画像を得るために重要なこととして、高感度化と広帯域化がある。
【００１１】
まず、超音波探触子を高感度化するための１つの方策として、圧電素子に用いられる圧電体の材料として比誘電率が大きい材料を用いる構成がある。これにより、複数の圧電素子の個々の面積が小さいことに起因して電気的なインピーダンスが高くなることによる感度低下を防止することができる。しかしながら、複合圧電体では、圧電体のほかに比誘電率が著しく小さい高分子材料を用いているため、感度の低下が顕著である。特に、図７に示す構造のように、圧電体の体積比率が小さくなる傾向が高い１−３型複合圧電体では、当該方策による高感度化は困難である。
【００１２】
また、図７に示すように複合圧電体を用いた超音波探触子において、広帯域化を図るための１つの方策として、複合圧電体の音響インピーダンスを被検体に近づけることにより、具体的には、音響インピーダンスが小さい高分子材料の体積比率を高めることにより、音響的な整合を取りやすくする構成を挙げることができる。しかしながら、この構成においては、比誘電率が小さい高分子材料の体積比率を高めることになるため、上記の高感度化とは相反する特性になる。すなわち、図７に示す構造では、感度を上げると広帯域化が困難になり、また、広帯域化を実現しようとすると感度を向上できないという結果になる。このように高感度化と広帯域化が相反するのは、高感度化には比誘電率が大きい材料を用いることが好ましく、広帯域化には比誘電率が小さい高分子材料の体積比率を高めることが好ましいからである。
【００１３】
一方、高分解能化を図るための方策としては、周波数を高周波化する構成がある。しかしながら、周波数を高周波化すると、これに反比例して圧電素子の厚さは薄くなる。そして、圧電素子の幅と厚さの比によって電気機械結合係数が大きく変化するため、厚さの変化に対応して幅も狭くする必要がある。したがって、周波数を高周波化して高分解能化を実現しようとすると、圧電素子の配列方向（Ｘ方向）の間隔が狭くなり、また、使用する複合圧電体を構成する圧電体の間隔（Ｙ方向）も狭くなる。このため、圧電素子の配列ピッチが狭くなりがちな図７に示す構造では、高周波化によってますますその作成が困難になってくるという問題がある。また、作成が困難になると、各圧電素子の周波数特性や感度特性にばらつきが生じて信頼性または品質の低下のおそれがあるという問題もある。
【００１４】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、高感度で高分解能の超音波画像を得ることができるとともに、容易に作成することができ、信頼性も向上す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。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の超音波探触子は、厚さ方向の両面に電極が形成され、厚さ方向と直交する所定の一方向に複数配列された圧電素子を有する超音波探触子において、前記圧電素子は、前記圧電素子の配列方向および厚さ方向とそれぞれ直交する所定の一方向に圧電体と高分子材料を交互に配列して構成された複合圧電体であり、前記圧電素子は、前記配列方向の間隔が、前記圧電体の前記配列方向の幅振動モードの周波数が使用周波数領域の中心周波数の２分の１以下になるように設定されている、構成を採る。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、高感度で高分解能の超音波画像を得ることができるとともに、容易に作成することができ、信頼性も向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１８】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る超音波探触子の構成を示す部分概略斜視図である。図２は、図１に示す超音波探触子の圧電素子のＹ−Ｚ平面に沿う断面図である。
【００１９】
図１および図２に示す超音波探触子１００は、所定の一方向（Ｘ方向）に配列された複数の圧電素子１１０と、各圧電素子１１０に対してその厚さ方向（Ｚ方向）の両面（背面と前面）に形成された電極１２０と、必要に応じて圧電素子１１０の背面に設けられる背面負荷材１３０と、各圧電素子１１０の両面に形成された電極１２０のうち背面側の電極１２１に挿着された信号用電気端子１４０とを有する。各圧電素子１１０の背面に形成された電極１２１は、信号用電極であり、各圧電素子１１０の前面に形成された電極１２２は、接地用電極である。また、図示しないが、超音波探触子１００は、必要に応じて、圧電素子１１０の前面（より正確には、接地用電極１２２の前面）に１層以上の音響整合層を設けたり、あるいは、さらにその音響整合層の前面に音響レンズを装着したりしてもよい。これらの構成要素のそれぞれの機能は、従来の超音波探触子を構成する要素が持つ機能と同様である。
【００２０】
圧電素子１１０は、圧電体１１１と高分子材料１１２を複合した複合圧電体によって形成されている。この複合圧電体は、圧電素子１１０の構造として、それぞれ短冊状に形成された圧電体１１１と高分子材料１１２とがＹ方向に交互に配置されている。圧電体１１１は、例えば、ＰＺＴ系のような圧電セラミックスや、ＰＺＮ-ＰＴ、ＰＭＮ-ＰＴ系のような圧電単結晶などを用いて形成されている。また、高分子材料１１２は、例えば、エポキシ樹脂やウレタン樹脂、シリコーンゴムなどである。
【００２１】
信号用電極１２１および接地用電極１２２は、例えば、金や銀のメッキ、蒸着、もしくはスパッタリング、または銀の焼き付けなどによって、圧電素子１１０の背面および前面にそれぞれ形成されている。
【００２２】
信号用電気端子１４０は、例えば、ポリイミドなどの高分子材料によって構成された絶縁性フィルムに銅などの金属膜を被着して形成されている。信号用電気端子１４０は、圧電素子１１０の背面に形成された信号用電極１２１に挿着（接続）されている。信号用電気端子１４０は、チャンネルを単位に設けられている。一方、図示しないが、圧電素子１１０の前面に形成された接地用電極１２２には、接地用電気端子が接続されている。接地用電気端子は、信号用電気端子１４０と同様に形成されている。信号用電気端子１４０および接地用電気端子を介して、圧電素子１１０とこの両面に形成された電極１２０（信号用電極１２１、接地用電極１２２）との間で電気信号の送受信が行われる。すなわち、圧電素子１４０は、１チャンネルを単位として、加えられた電圧を超音波に変換して被検体内に送信し、また、被検体内で反射したエコーを受信して電気信号に変換する。ここで、１チャンネルとは、上記のように、同一の電気信号にて駆動し（超音波の送信）、同一の電気信号として情報を収集する（超音波の受信）単位をいう。
【００２３】
圧電素子１１０の背面に形成された信号用電極１２１は、信号用電気端子１４０を介して、また、圧電素子１１０の前面に形成された接地用電極１２２は、上記接地用電気端子を介して、それぞれケーブル（図示せず）の一端に電気的に接続される。これらのケーブルのそれぞれの他端は、例えば、コネクタなどを介して、超音波診断装置（図示せず）の本体部に接続される。これによって、超音波診断装置の本体部で作られる規則正しいパルス電圧をチャンネル単位で圧電素子１１０に印加して超音波を送信し、また、受信した超音波の反射エコーを電気信号に変換して超音波診断装置の本体部に送信する。
【００２４】
上記のように、複合圧電体は、高分子材料として音響インピーダンスが小さい材料を使用することにより、音響インピーダンスを圧電体（例えば、圧電セラミックス）よりも小さくすることができ、圧電セラミックス単体で構成した場合よりも、音響インピーダンスを生体などの被検体の音響インピーダンスに近づけることができる。このため、インピーダンスの不整合が少なくなり、超音波の送受信の効率が向上する。このため、複合圧電体は、有用な材料として超音波探触子に広く用いられている。
【００２５】
また、上記のように、複合圧電体には、１チャンネルにおける圧電体の連結形態と高分子材料の連結形態とから、いわゆる１−３型連結構造を有する１−３型複合圧電体と呼ばれるものと、いわゆる２−２型連結構造を有する２−２型複合圧電体と呼ばれるものとがある。いずれの複合圧電体においても、有効な連結構造体として、それぞれ短冊状に形成された複数の圧電体をそれぞれＺ方向に向けた状態でＹ方向に列状に配置するとともに、Ｘ方向に複数列配置し、その周囲を高分子材料で取り囲んだ（充填した）構造を有する。このうち、１チャンネルを単位として、圧電体についてはＺ方向のみの１方向につながりがあり、Ｘ、Ｙ方向にはつながりがなく、また、高分子材料についてはＸ、Ｙ、Ｚの３方向につながりがある連結構造体が、いわゆる１−３型連結構造を有する１−３型複合圧電体である。また、１チャンネルを単位として、圧電体についてはＸ方向とＺ方向の２方向につながりがあり、また、高分子材料についても同様にＸ方向とＺ方向の２方向につながりがある連結構造体が、いわゆる２−２型連結構造を有する２−２型複合圧電体である。圧電体としては、上記のように、例えば、ＰＺＴ系の圧電セラミックスやＰＭＮ−ＰＴ系の圧電単結晶などが用いられる。このとき、圧電体の形状を、Ｘ、Ｙ方向に対してＺ方向が厚い形状（柱状）またはＸ方向に対してＹ方向が薄い形状もしくはＺ方向が厚い形状にすると、最も電気機械結合係数が高くなり、高感度化および周波数の広帯域化が可能になる。これが、圧電体をこのような形状にしてその間隙に高分子材料を設けた構成の２−２型および１−３型の連結構造を有する複合圧電体を用いる理由である。
【００２６】
本実施の形態では、圧電素子１１０は、図１および図２に示すように、信号用電気端子１４０の配列方向（つまり、当該圧電素子１１０の配列方向）であるＸ方向と直交するＹ方向に、ＰＺＴ系の圧電セラミックスやＰＭＮ-ＰＴ系の圧電単結晶などの圧電体１１１と、エポキシ樹脂やウレタン樹脂、シリコーンゴムなどの高分子材料１１２とを交互に配列した２−２型連結構造を有する２−２型複合圧電体である。この構造において、Ｘ方向に配列された圧電素子１１０間には等間隔の溝（以下「分割溝」という）１５０が設けられている。図示しないが、分割溝１５０には、高分子材料１１２と同じ材料が充填されている。圧電素子１１０は、信号用電気端子１４０の配列方向でもあるＸ方向について、信号用電気端子１４０の配列間隔に対応する１チャンネルの間隔（ピッチ）Ｐで相互に物理的かつ電気的に分割されている。本実施の形態では、複合圧電体として２−２型複合圧電体を用いるため、１チャンネル内の圧電素子１１０は分割しない構成である。よって、この場合、１チャンネルのピッチＰは、圧電素子１１０の配列ピッチｄと等しく、圧電素子１１０のＸ方向の幅ｗと分割溝１５０の幅との和である。
【００２７】
上記のように、圧電素子１１０を構成する圧電体１１１の材料、例えば、ＰＺＴ系の圧電セラミックスやＰＭＮ-ＰＴ系の圧電単結晶などは、使用する厚み縦振動モード（Ｚ方向）以外にも、不必要な幅振動モード（Ｘ方向、Ｙ方向）が発生し、この幅振動モードは超音波探触子１００の周波数特性などに悪影響を及ぼす。このため、本実施の形態では、圧電体１１１の形状として圧電体１１１の電気機械結合係数が最も高くなる形状を維持しつつ、圧電体１１１の幅振動モードの周波数が超音波探触子１００の使用周波数領域から外れるように、具体的には、少なくともＸ方向の幅振動モードの周波数が使用周波数領域の低周波数領域側に外れるように（後述する図３参照）、圧電素子１１０の配列ピッチｄ（圧電素子１１０の幅ｗと分割溝１５０の幅との和）を設定している。
【００２８】
なお、上記のように、Ｘ方向において、圧電素子の間隔（ピッチ）は、厳密には圧電素子の幅と溝の幅との和であるが、圧電素子の間隔（ピッチ）と圧電素子の幅とは実際上ほぼ対応関係にあるため、ここでは、「間隔」は、広義の意味において、「幅」を含むものと定義する。
【００２９】
以下、図３を用いてさらに説明する。なお、図３は、使用周波数領域と幅振動モードとの関係を示す図である。
【００３０】
圧電素子１１０を構成する圧電体１１１の形状を圧電体１１１の電気機械結合係数が最も高くなる形状にした場合、圧電体１１１（圧電セラミックスまたは圧電単結晶）のＸ方向の幅振動モードの電気機械結合係数は、無視できないレベル、例えば、０.４前後となる。超音波探触子１００が必要とする厚み縦振動モードによる周波数特性は、例えば、−６ｄＢのレベルを有する。このレベルで周波数比帯域（帯域幅ΔＦ／中心周波数Ｆ０）は、通常、１００％以下である。したがって、Ｘ方向の幅振動モードの周波数を中心周波数Ｆ０に対して２分の１（１／２）またはそれ未満、つまり、２分の１（１／２）以下の周波数領域に設定すると、図３に示すように、Ｘ方向の幅振動モードの周波数を、使用する厚み縦振動モードの周波数領域から低周波数領域側に除外することができ、幅振動モードの悪影響を除外することができる。
【００３１】
なお、従来は、上記のように、不必要な幅振動モードを除外するために、図７に示すように、１チャンネルの間隔Ｐを複数に分割して（圧電素子１１の配列ピッチｄ）、幅振動モードの周波数を使用周波数領域から高周波数領域側に除外する構成（図３参照）を採っていた。
【００３２】
一方、Ｙ方向に配列された圧電体１１１のＹ方向の幅振動モードの周波数は、使用する厚み縦振動モードの周波数領域から低周波数領域側または高周波数領域側のどちらに外れるようにしてもよい。ただし、変換効率の向上の見地からは、圧電体１１１の形状を圧電体１１１の電気機械結合係数が高くなる形状にする、つまり、Ｙ方向の幅振動モードの周波数を使用周波数領域から高周波数領域側に外すように圧電体１１１のＹ方向の間隔（または幅）を狭くするのが望ましい。
【００３３】
例えば、超音波探触子１００の中心周波数Ｆ０を２０ＭＨｚとし、また、図１および図２に示すように、圧電素子１１０として、圧電体１１１にＰＺＴ−５Ｈの圧電セラミックス、高分子材料１１２にエポキシ樹脂をそれぞれ用いた２−２型複合圧電体を用いた場合、圧電体１１１の圧電セラミックスを含む圧電素子１１０は、Ｘ方向に信号用電気端子１４０の配列間隔に対応して１チャンネルごとに分割する。このとき、分割する１チャンネルの間隔（ピッチ）Ｐは、圧電体１１１である圧電セラミックスのＸ方向の幅振動モードの周波数が、Ｚ方向の厚み縦振動モードで使用する中心周波数の２分の１（１／２）またはそれ未満、つまり、１０（＝２０×１／２）ＭＨｚ以下の周波数になるように設定する。ＰＺＴ−５Ｈの圧電セラミックスの幅振動モードに対応する周波数定数（周波数×幅）は、約１４２０Ｈｚ・ｍであるため、１０ＭＨｚに相当する幅（チャンネルの間隔Ｐ、より正確には圧電素子１１０の幅ｗ）は、約０.１４２ｍｍとなる。したがって、１チャンネルの間隔Ｐが約０.１４２ｍｍ以上の値であれば、圧電体１１１である圧電セラミックスのＸ方向の幅振動モードの周波数を使用周波数領域から除外することができる。
【００３４】
一方、この場合において、圧電体１１１のＹ方向の幅振動モードの周波数は、望ましくは、上記のように、使用周波数領域から高周波数領域側に除外させるように、中心周波数の２倍以上、つまり、４０（＝２０×２）ＭＨｚ以上の周波数にすればよい。例えば、圧電体１１１のＹ方向の幅振動モードの周波数を４０ＭＨｚにするためには、圧電体１１１のＹ方向の幅（間隔）は、約０.０３６ｍｍに設定すればよい。
【００３５】
このように、本実施の形態によれば、圧電素子としていわゆる２−２型複合圧電体を用いて、１チャンネルに対応する圧電素子１１０の配列間隔ｄ（またはＸ方向の幅ｗ）を、Ｘ方向の幅振動モードの周波数が使用周波数領域（Ｚ方向の厚み縦振動モード）の中心周波数の２分の１（１／２）以下になるように設定したため、Ｘ方向の幅振動モードの周波数を使用周波数領域から低周波数領域側に外すことができ（図３参照）、高感度で高分解能の超音波画像を得ることができるとともに、作成の容易性と信頼性の向上を図ることができる。
【００３６】
より具体的には、上記の構成により、Ｘ方向の幅振動モードの周波数を使用周波数領域から低周波数領域側に外すことができるため、周波数特性などに対する幅振動モードの悪影響を除去することができる。また、一般に、圧電素子の比誘電率は電気インピーダンスと反比例し、圧電素子の実効面積（電気信号を印加して圧電素子が振動して超音波を送信または受信する面積）も電気インピーダンスと反比例するため、特に圧電素子を複合圧電体で構成した場合には、圧電素子を複数配列した電子走査型の超音波トランスデューサは、電気インピーダンスが高くなり、ケーブルまたは超音波診断装置本体との間でインピーダンスの不整合が生じる。しかし、上記の構成により、１チャンネル内の圧電素子は分割しないため、圧電素子の実効面積を低下させることがなくなり、ケーブルまたは超音波診断装置本体との間で電気的なインピーダンスの整合をとりやすくなる。このため、高感度化と複合圧電体による広帯域化とが共に実現可能になり、高分解能の超音波画像を得ることができる。また、上記の構成により、圧電素子（複合圧電体）の分割を少なくすることができるため、圧電素子のＸ方向の間隔（または幅）の寸法の微細化を抑制することができ、超音波探触子を容易に作成することができる。また、作成が容易になることで、各圧電素子周波数特性や感度特性のばらつきを低減して均一で安定した特性を得ることができ、高い信頼性または品質の超音波探触子を提供することができる。
【００３７】
要するに、従来は、上記のように、圧電体１１ａの電気機械結合係数が最も高くなる形状を考慮して、幅振動モードの周波数が使用周波数領域から高周波数領域側に外れるように、圧電素子（または圧電体）を各チャンネル（信号用電気端子１３）内でＸ方向に多数分割した構成にしているため、分割後の間隔が狭くなる傾向があり、作成が困難であるという作成上の問題があった。さらに、各チャンネル内で分割を行うため、各チャンネルに占める圧電体１１ａの割合が小さくなり、その結果、電気的なインピーダンスがさらに高くなってしまい、接続するケーブルまたは超音波診断装置本体との間でインピーダンスの不整合が顕著になり、感度が低下したり雑音が入りやすいなどの課題があった。これに対し、本実施の形態では、圧電素子としていわゆる２−２型複合圧電体を用いて、各チャンネル（信号用電気端子１４０）内で圧電体１１１を含む圧電素子１１０を分割しない構成にしているため、作成上の問題を解消することができ、また、電気的なインピーダンスが高くなることによる感度の低下をなくすることができる。さらに、Ｘ方向の幅振動モードの周波数を使用周波数領域から低周波数領域側に外すように、圧電素子１１０の配列間隔ｄを設定するため、使用周波数領域の周波数特性に対する幅振動モードの悪影響をなくすることができ、所望の広帯域周波数特性を安定的に得ることができる。
【００３８】
なお、本実施の形態では、簡単化のため、音響整合層や音響レンズは図示していないが、もちろん、本発明はこれに限定されない。圧電素子１１０の前面上に１層以上の音響整合層を設けた構成、あるいは、さらにその上に音響レンズを設けた構成であっても同様の効果を得ることができる。
【００３９】
（実施の形態２）
実施の形態１では、圧電素子としていわゆる２−２型複合圧電体を用いた場合について説明したが、実施の形態２では、圧電素子としていわゆる１−３型複合圧電体を用いた場合について説明する。
【００４０】
図４は、本発明の実施の形態２に係る超音波探触子の構成を示す部分概略斜視図である。なお、この超音波探触子は、図１および図２に示す実施の形態１に対応する超音波探触子と同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００４１】
実施の形態１では、信号用電気端子１４０の配列間隔に対応する１チャンネルの間隔（ピッチ）Ｐを、Ｘ方向の幅振動モードの周波数が使用周波数領域（厚み縦振動モード）の中心周波数の２分の１（１／２）以下になるように設定する構成を有する。これに対し、本実施の形態では、信号用電気端子１４０ａの配列間隔に対応する１チャンネルの間隔（ピッチ）Ｐが、Ｘ方向の幅振動モードの周波数が使用周波数領域（厚み縦振動モード）の中心周波数の２分の１（１／２）以下の周波数の整数倍となるように設定されている場合において、１チャンネル内の圧電素子を、Ｘ方向の幅振動モードの周波数が使用周波数領域（厚み縦振動モード）の中心周波数の２分の１（１／２）以下になるような間隔で、複数に分割する構成を有する。
【００４２】
すなわち、図４に示す超音波探触子２００は、Ｘ方向に配列された複数の圧電素子２１０が、信号用電気端子１４０ａの配列間隔に対応する１チャンネルの間隔（ピッチ）Ｐ内において複数列に分割された構成を有する。換言すれば、超音波探触子２００は、圧電素子としていわゆる１−３型複合圧電体を用いた構成を有する。この構造において、Ｘ方向に配列された圧電素子２１０間には等間隔の分割溝２２０が設けられている。図示しないが、分割溝２２０には、高分子材料１１２と同じ材料が充填されている。圧電素子２１０は、信号用電気端子１４０ａの配列方向でもあるＸ方向について、信号用電気端子１４０ａの配列間隔に対応する１チャンネルの間隔（ピッチ）Ｐで相互に物理的かつ電気的に分割されているが、同一チャンネル内では物理的に分割されているものの電気的には分割されていない。よって、この場合、１チャンネルのピッチＰは、圧電素子１１０の配列ピッチｄの整数倍（分割数倍）であり、圧電素子１１０の配列ピッチｄは、圧電素子２１０のＸ方向の幅ｗと分割溝２２０の幅との和である。
【００４３】
本実施の形態では、不要な幅振動モードによる周波数特性などへの悪影響を回避するために、圧電体１１１の形状として圧電体１１１の電気機械結合係数が最も高くなる形状を維持しつつ、圧電体１１１の幅振動モードの周波数が超音波探触子２００の使用周波数領域から外れるように、具体的には、少なくともＸ方向の幅振動モードの周波数が使用周波数領域の低周波数領域側に外れるように（図３参照）、同一チャンネル内で分割された圧電素子２１０の配列ピッチｄ（圧電素子２１０の幅ｗと分割溝２２０の幅との和）を設定している。具体的には、Ｘ方向の幅振動モードの周波数を使用周波数領域の低周波数領域側に外すために、信号用電気端子１４０ａに対応する１チャンネル内で、圧電素子を、Ｘ方向の幅振動モードの周波数が使用する中心周波数の２分の１（１／２）以下になるような間隔で、複数に分割している。
【００４４】
すなわち、実施の形態１では、１チャンネルの間隔（ピッチ）Ｐが、Ｘ方向の幅振動モードの周波数が中心周波数の２分の１（１／２）以下になるような間隔に設定されているのに対し、本実施の形態では、１チャンネル内の分割後の圧電素子２１０の配列間隔（ピッチ）ｄが、Ｘ方向の幅振動モードの周波数が中心周波数の２分の１（１／２）以下になるような間隔に設定されている。
【００４５】
例えば、超音波探触子２００の中心周波数Ｆ０を２０ＭＨｚとし、圧電素子２１０として、圧電体１１１にＰＺＴ−５Ｈの圧電セラミックス、高分子材料１１２にエポキシ樹脂をそれぞれ用いた場合を考える。このとき、実施の形態１におけるように２−２型複合圧電体を用い、Ｘ方向に信号用電気端子の配列に対応して各チャンネルの間隔Ｐを０.２９ｍｍとし、圧電素子の幅もほぼ同じとした場合、ＰＺＴ−５Ｈの圧電セラミックスの幅振動モードの周波数定数（周波数×幅）は約１４２０Ｈｚ・ｍであるため、間隔Ｐ（＝０.２９ｍｍ）に対応する幅振動モードの周波数は約４.９ＭＨｚである。この周波数は中心周波数（＝２０ＭＨｚ）の２分の１（１／２）以下であり、使用周波数領域から外れているため、問題はない。しかし、指向特性を広くするためには、同一チャンネル内で圧電素子を分割することも必要になる。このとき、間隔Ｐ（＝０.２９ｍｍ）の範囲内で整数倍（例えば、２倍）の２分割を行うと、分割後の圧電素子２１０の配列ピッチｄ（圧電素子２１０の幅ｗもほぼ同じ）は０.１４５ｍｍになるため、この配列ピッチｄ（圧電素子２１０の幅）に対応する幅振動モードの周波数は約９.８ＭＨｚである。この周波数も中心周波数（＝２０ＭＨｚ）の２分の１（１／２）以下になるため、この場合、１チャンネル内で圧電素子を２分割しても、分割後の圧電素子２１０の幅振動モードの周波数は使用周波数領域から外れるため、問題ないことになる。
【００４６】
また、従来との比較は、次のようになる。例えば、１チャンネルの間隔Ｐが０.２４ｍｍとなった場合を考える。従来は、Ｘ方向の幅振動モードの周波数を使用周波数領域から高周波数領域側に外すため（図３参照）、Ｘ方向の幅振動モードの周波数が中心周波数の２倍（Ｆ０×２）以上になるように１チャンネル内の圧電素子の間隔（幅）を狭くする必要がある。よって、この場合、１チャンネル内の圧電素子の間隔（幅）を０.０３ｍｍ以下にする必要があり、結局、１チャンネルの間隔Ｐ（＝０.２４ｍ）を８分割以上行う必要がある（分割数は８以上）。これに対し、本実施の形態では、Ｘ方向の幅振動モードの周波数を使用周波数領域から低周波数領域側に外すため（図３参照）、Ｘ方向の幅振動モードの周波数が中心周波数の２分の１（Ｆ０×１／２）以下になるような間隔で１チャンネル内を分割すればよい。よって、この場合、１チャンネルの間隔Ｐ（＝０.２４ｍ）を２分割すれば足り（分割数は２）、１チャンネル内の圧電素子の間隔（幅）は０.１２ｍｍ以上でよい。これにより、本実施の形態では、従来と同じく１−３型複合圧電体を用いる場合であっても、１チャンネル内の圧電素子の分割数を少なくすることができる。これは、作成上の問題として従来対応が困難であった高周波化、つまり、使用周波数領域が２０ＭＨｚ以上に高周波化された場合であっても、容易に対応できることを意味している。
【００４７】
このように、本実施の形態によれば、圧電素子としていわゆる１−３型複合圧電体を用いて、１チャンネル内の圧電素子２１０の配列間隔ｄ（またはＸ方向の幅ｗ）を、Ｘ方向の幅振動モードの周波数が使用周波数領域（Ｚ方向の厚み縦振動モード）の中心周波数の２分の１（１／２）以下になるように設定したため、Ｘ方向の幅振動モードの周波数を使用周波数領域から低周波数領域側に外すことができ（図３参照）、高感度で高分解能の超音波画像を得ることができるとともに、作成の容易性と信頼性の向上を図ることができる。
【００４８】
より具体的には、上記の構成により、Ｘ方向の幅振動モードの周波数を使用周波数領域から低周波数領域側に外すことができるため、周波数特性などに対する幅振動モードの悪影響を除去することができる。また、上記の構成により、１チャンネル内の圧電素子の分割数を少なくすることができるため、圧電素子の実効面積を必要以上に低下させることがなくなり、ケーブルまたは超音波診断装置本体との間で電気的なインピーダンスの整合をとりやすくなる。このため、高感度化と複合圧電体による広帯域化とが共に実現可能になり、高分解能の超音波画像を得ることができる。また、圧電素子（複合圧電体）の分割数を少なくすることができることから、圧電素子のＸ方向の間隔（または幅）の寸法の微細化を抑制することができ、超音波探触子を容易に作成することができる。また、作成が容易になることで、各圧電素子周波数特性や感度特性のばらつきを低減して均一で安定した特性を得ることができ、高い信頼性または品質の超音波探触子を提供することができる。
【００４９】
要するに、従来は、上記のように、圧電体１１ａの電気機械結合係数が最も高くなる形状を考慮して、幅振動モードの周波数が使用周波数領域から高周波数領域側に外れるように、圧電素子（または圧電体）を各チャンネル（信号用電気端子１３）内でＸ方向に多数分割した構成にしているため、分割後の間隔が狭くなる傾向があり、作成が困難であるという作成上の問題があった。さらに、各チャンネル内で分割を行うため、各チャンネルに占める圧電体１１ａの割合が小さくなり、その結果、電気的なインピーダンスがさらに高くなってしまい、接続するケーブルまたは超音波診断装置本体との間でインピーダンスの不整合が顕著になり、感度が低下したり雑音が入りやすいなどの課題があった。これに対し、本実施の形態では、圧電素子として従来と同じいわゆる１−３型複合圧電体を使用しつつも、各チャンネル（信号用電気端子１４０ａ）内での圧電素子の分割数を少なくする構成にしているため、作成上の問題を解消することができ、また、電気的なインピーダンスが高くなることによる感度の低下をなくすることができる。さらに、Ｘ方向の幅振動モードの周波数を使用周波数領域から低周波数領域側に外すように、１チャンネル内で分割後の圧電素子２１０の配列間隔ｄを設定するため、使用周波数領域の周波数特性に対する幅振動モードの悪影響をなくすることができ、所望の広帯域周波数特性を安定的に得ることができる。
【００５０】
なお、本実施の形態では、簡単化のため、音響整合層や音響レンズは図示していないが、もちろん、本発明はこれに限定されない。圧電素子２１０の前面上に１層以上の音響整合層を設けた構成、あるいは、さらにその上に音響レンズを設けた構成であっても同様の効果を得ることができる。
【００５１】
（実施の形態３）
実施の形態３は、圧電素子上に１層以上の音響整合層を有する場合である。
【００５２】
図５は、本発明の実施の形態３に係る超音波探触子の構成を示す部分概略斜視図である。なお、この超音波探触子は、図１および図２に示す実施の形態１に対応する超音波探触子と同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。
【００５３】
図５に示す超音波探触子３００は、所定の一方向（Ｘ方向）に配列された複数の圧電素子１１０と、各圧電素子１１０に対してその厚さ方向（Ｚ方向）の両面（背面と前面）に形成された電極１２０と、必要に応じて圧電素子１１０の背面に設けられる背面負荷材１３０と、各圧電素子１１０の両面に形成された電極１２０のうち背面側の電極１２１に挿着された信号用電気端子１４０とを有する。各圧電素子１１０の背面に形成された電極１２１は、信号用電極であり、各圧電素子１１０の前面に形成された電極１２２は、接地用電極である。また、圧電素子１１０の前面（より正確には、接地用電極１２２の前面）には、１層以上、例えば、２層の音響整合層、つまり、第１の音響整合層３１０と第２の音響整合層３２０が設けられている。さらに、図示しないが、必要に応じて、第２の音響整合層３２０の前面には音響レンズを装着してもよい。これらの構成要素のそれぞれの機能は、従来の超音波探触子を構成する要素が持つ機能と同様である。
【００５４】
圧電素子１１０は、圧電体１１１と高分子材料１１２を複合した複合圧電体によって形成されている。この複合圧電体は、圧電素子１１０の構造として、それぞれ短冊状に形成された圧電体１１１と高分子材料１１２とがＹ方向に交互に配置されている。圧電体１１１は、例えば、ＰＺＴ系のような圧電セラミックスや、ＰＺＮ−ＰＴ、ＰＭＮ−ＰＴ系のような圧電単結晶などを用いて形成されている。また、高分子材料１１２は、例えば、エポキシ樹脂やウレタン樹脂、シリコーンゴムなどである。信号用電極１２１および接地用電極１２２は、例えば、金や銀のメッキ、蒸着、もしくはスパッタリング、または銀の焼き付けなどによって、圧電素子１１０の背面および前面にそれぞれ形成されている。
【００５５】
信号用電気端子１４０は、例えば、ポリイミドなどの高分子材料によって構成された絶縁性フィルムに銅などの金属膜を被着して形成されている。信号用電気端子１４０は、圧電素子１１０の背面に形成された信号用電極１２１に挿着（接続）されている。一方、図示しないが、圧電素子１１０の前面に形成された接地用電極１２２には、接地用電気端子が接続されている。接地用電気端子は、信号用電気端子１４０と同様に形成されている。信号用電気端子１４０および接地用電気端子を介して、圧電素子１１０とこの両面に形成された電極１２０（信号用電極１２１、接地用電極１２２）との間で電気信号の送受信が行われる。
【００５６】
本実施の形態では、実施の形態１の構成、つまり、信号用電気端子１４０の配列方向でもあるＸ方向について、信号用電気端子１４０の配列間隔に対応する１チャンネルの間隔（ピッチ）Ｐで圧電素子を物理的かつ電気的に分割しつつ、１チャンネル内の圧電素子は分割しないという構成に加えて、圧電素子１１０の前面に１層以上（ここでは２層）の音響整合層３１０、３２０が設けられている。さらに、２層の音響整合層３１０、３２０のうち、被検体側に位置する第２の音響整合層３２０については、その一部または全部が、１チャンネルに対応する圧電素子１１０の領域内で、Ｘ方向に複数（ここでは３つ）に分割されている。
【００５７】
電子走査型の超音波診断装置は、複数配列された圧電素子１１０を任意の群にして個々の圧電素子群に、信号用電気端子１４０を介して一定の遅延時間与えて駆動し、各圧電素子群から被検体内に超音波の送信と受信を行う。このように遅延時間を与えることによって超音波ビームが収束または拡散され、広い視野幅でかつ高分解能の超音波画像を得ることができる。これは、一般的なシステムとして既に知られている。
【００５８】
超音波探触子として、そのような高分解能の超音波画像を得るために重要なことは、電子的に走査する複数配列された個々の圧電素子群から、音響整合層３１０、３２０、さらには必要に応じて音響レンズを介して被検体に送信される超音波ビームの、特に圧電素子１１０の配列方向つまりＸ方向に対する指向性がすぐれていること、つまり、指向性が広いことである。しかしながら、実施の形態１の構成に加えて、ただ単に、圧電素子１１０上に、圧電素子１１０と同様に分割された音響整合層を設けただけでは、周波数と分割溝１５０の幅とによって決まる指向特性しか得られない。
【００５９】
そこで、本実施の形態では、この指向性をさらに広くするため、図５に示すように、１チャンネルに対応する圧電素子１１０の領域内で、被検体側に位置する第２の音響整合層３２０の一部または全部を複数に分割することにより、分割しない場合に比べて、被検体に送信される超音波の指向性を広くするようにしている。特に、ここでのポイントは、圧電素子１１０を１チャンネル内で分割しない構成にし、かつ、１チャンネル内で圧電素子を複数に分割した場合と同様の指向特性が得られる構成にしている点である。もし被検体側に位置する第２の音響整合層３２０と同様に圧電素子１１０まで１チャンネル内で分割してしまうと、実施の形態１でも説明したように、圧電素子の間隔が狭くなり、作成が困難であるという作成上の問題、および、各チャンネルに占める圧電体１１１の割合が小さくなり、その結果、電気的なインピーダンスが高くなって、接続するケーブルまたは超音波診断装置本体との間でインピーダンスの不整合が顕著になり、感度が低下するという問題が生じてしまう。
【００６０】
また、本実施の形態では、実施の形態１と同様に、１チャンネルに対応する圧電素子１１０の配列間隔ｄ（またはＸ方向の幅ｗ）を、Ｘ方向の幅振動モードの周波数が、超音波探触子３００が必要とする厚み縦振動モードの中心周波数の２分の１（１／２）以下になるように設定して、Ｘ方向の幅振動モードの周波数を使用周波数領域から低周波数領域側に除外して、幅振動モードの悪影響を除外するようにしている。
【００６１】
このように、本実施の形態によれば、実施の形態１の効果に加えて、音響整合層の一部または全部を１チャンネルに対応する圧電素子１１０の領域内で複数に分割しているため、指向特性を広くすることができ、より一層高分解能の超音波画像を得ることができる。
【００６２】
なお、本実施の形態では、被検体側に位置する音響整合層３２０の一部または全部を複数に分割する場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、図６に示すように、被検体側に位置する第２の音響整合層３２０のみならず圧電素子１１０の面上に設けられた第１の音響整合層３１０ａまでその一部または全部を複数に分割した場合であっても、同様の効果を得ることができる。
【００６３】
また、本実施の形態では、実施の形態１の構成に加えて１層以上の音響整合層を設けた場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。実施の形態２の構成に１層以上の音響整合層を設けた場合についても、同様の効果を得ることができる。
【００６４】
また、本実施の形態では、圧電素子１１０の面上に２層の音響整合層３１０、３２０を設けた場合について説明したが、もちろん、本発明はこれに限定されない。圧電素子の面上に設ける音響整合層の層数は、２層以外でもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明に係る超音波探触子は、高感度で高分解能の超音波画像を得ることができるとともに、容易に作成することができ、信頼性も向上することができる超音波探触子として有用であり、人体などの被検体の超音波診断を行う各種医療分野に好適であり、さらには材料や構造物の内部探傷を目的とする工業分野において利用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の実施の形態１に係る超音波探触子の構成を示す部分概略斜視図
【図２】図１に示す超音波探触子の圧電素子のＹ−Ｚ平面に沿う断面図
【図３】使用周波数領域と幅振動モードとの関係を示す図
【図４】本発明の実施の形態２に係る超音波探触子の構成を示す部分概略斜視図
【図５】本発明の実施の形態３に係る超音波探触子の構成を示す部分概略斜視図
【図６】本発明の実施の形態３に係る超音波探触子の一変更例を示す部分概略斜視図
【図７】従来の超音波探触子の構成の一例を示す部分概略斜視図
【符号の説明】
【００６７】
１００、２００、３００、３００ａ  超音波探触子
１１０、２１０  圧電素子
１１１  圧電体
１１２  高分子材料
１２０  電極
１２１  信号用電極
１２２  接地用電極
１３０  背面負荷材
１４０、１４０ａ  信号用電気端子
１５０、２２０  分割溝
３１０、３１０ａ、３２０  音響整合層
【図１】
2008307117.tif 000003
【図２】
2008307117.tif 000004
【図３】
2008307117.tif 000005
【図４】
2008307117.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
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