(57)【要約】圧電層２とこの圧電層を挟んで設けられた一対の電極７−１、７−２を含んでなる超音波振動子を複数配列して形成され、前記圧電層２は共通電極８を挟んで超音波の射出側に配設された第１圧電層２−１と反対側に配設された第２圧電層２−２とを有してなり、前記各超音波振動子は、前記超音波振動子の配列方向に直交する短軸方向に均等な低周波応答分布を有し、前記短軸方向の中心部において高い高周波応答分布を有してなるものとし、第１圧電層と第２圧電層の短軸方向の周波数と音圧との特性を互いに補うことにより、短軸方向の低周波に対する周波数特性を均等化することを特徴とする。
2004064643.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の振動子を有してなる超音波探触子と、該超音波探触子の前記振動子を駆動する超音波信号を供給する送信手段と、前記超音波探触子により受信される反射エコー信号を受信処理する受信処理手段と、該受信処理手段により処理された前記反射エコー信号に基づいて超音波画像を再構成する画像処理手段と、該画像処理手段により再構成された超音波画像を表示する画像表示手段とを備えた超音波診断装置において、
前記超音波探触子は、圧電層と該圧電層を挟んで設けられた一対の電極を含んでなる超音波振動子を複数配列して形成され、
前記圧電層は共通電極を挟んで超音波の射出側に配設された第１圧電層と反対側に配設された第２圧電層とを有し、前記第１圧電層と前記第２圧電層は前記超音波振動子の配列方向に直交する短軸方向の中心部における相対音圧が端部の相対音圧より高くなるように構成されていることを特徴とする超音波診断装置。
【請求項２】
前記各超音波振動子は、前記超音波振動子の配列方向に直交する短軸方向に均等な低周波応答分布を有し、前記短軸方向の中心部において高い高周波応答分布を有してなる請求項１に記載の超音波診断装置。
【請求項３】
前記第１圧電層と前記第２前記第２圧電層との境界面が第２圧電層側に凹ませた曲面に形成されてなることを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
【請求項４】
前記第２圧電層の超音波の反射出側に、前記圧電層を構成する圧電材に近い音響インピーダンスを有する材料からなる調整層が設けられ、該調整層は前記短軸方向の厚みが中心部から端部に向かうにつれて徐々に厚く形成されてなることを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
【請求項５】
前記一対の電極の一方の電極面側に配設された音響整合層と、前記電極の他方の電極面側に配設されたバッキング層とを備えてなる請求項１に記載の超音波診断装置。
【請求項６】
前記第１圧電層は前記短軸方向の端部の厚みが中心部の厚みよりも薄く形成され、前記第２圧電層は前記端部の厚みが前記中心部よりも厚く形成されてなることを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
【請求項７】
前記第１圧電層と前記第２圧電層の前記一対の電極に接する面がそれぞれ平面に形成され、前記第１圧電層と前記第２圧電層との境界面は、前記短軸方向の中心部に稜線を有する山形に形成されてなることを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
【請求項８】
前記第１圧電層と前記第２圧電層の前記一対の電極に接する面がそれぞれ平面に形成され、第１圧電層と第２圧電層との境界面は、前記短軸方向の中心部において第２圧電層側に突出させた平坦部と、両端部において第１圧電層側に突出させて形成された平坦部とを有してなることを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
【請求項９】
前記第１圧電層の超音波の射出側の面が凹面に形成され、前記第２圧電層の超音波の反射出側の面が凸面に形成され、前記第１圧電層と前記第２圧電層との境界面が第１圧電層の超音波の射出側の面の曲率よりも大きな曲率で前記第２圧電層側に凹ませて形成されてなることを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
【請求項１０】
前記第１圧電層の超音波の射出側の面が凹面に形成され、前記第２圧電層の超音波の反射出側の面が凸面に形成され、前記第１圧電層と前記第２圧電層との境界面は、前記短軸方向の中心部に稜線を有する山形に形成されてなることを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
【請求項１１】
前記第１圧電層と前記第２圧電層がそれぞれ一定の厚みに形成され、前記第２圧電層に接する電極の背面に、前記圧電層を構成する圧電材に近い音響インピーダンスを有する材料からなる調整層を設け、該調整層は前記超音波振動子の配列方向に直交する方向の厚みが中心部から端部に向かうにつれて徐々に厚く形成されてなることを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
【請求項１２】
前記第１圧電層と前記第２圧電層がそれぞれ一定の厚みに形成され、前記第１圧電層は前記短軸方向の中心部から端部に向かうにつれて該圧電層を構成する圧電材の密度が小さくなるように形成され、前記第２圧電層は前記短軸方向の中心部から端部に向かうにつれて該圧電層を構成する圧電材の密度が大きくなるように形成されてなることを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
【請求項１３】
前記第１圧電層と前記第２圧電層がそれぞれ一定の厚みに形成され、前記第１圧電層は前記短軸方向の中心部で弾性定数が小さく、端部に向かうにつれて弾性定数が大きくなるように形成され、前記第２圧電層は前記短軸方向の中心部で弾性定数が大きく、端部に向かうにつれて弾性定数が小さくなるように形成されてなることを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、被検体との間で超音波を送受信する超音波探触子及びその探触子を備えた超音波診断装置に係り、具体的には、短軸方向の口径を変えることができる超音波探触子に関する。
【背景技術】  一般に、超音波の振動子は圧電材からなる層（以下、圧電層という。）を挟んで一対の電極を配設して構成され、複数の振動子を例えば１次元配列して超音波探触子が構成される。そして、複数の振動子が配列された長軸方向の所定数の振動子を口径として設定し、その口径に属する複数の振動子を駆動して被検体内の計測部位に超音波ビームを収束させて照射すると共に、その口径に属する複数の振動子により被検体から発する超音波の反射エコー等を受信して電気信号に変換する機能を有している。
一方、上記の長軸方向に直交する短軸方向についても超音波の周波数を変えることにより、開口径を変えて超音波ビームのビーム径を細くして解像度を改善する試みが行なわれている（特許文献１：特開平７−１０７５９５号公報）。この特許文献１の超音波探触子は、短軸方向に沿って中心部の圧電層の厚みを薄く、端部に向かうにつれて圧電層を厚く形成することにより、中心部で高周波に対する高い応答が得られ、短軸方向の端部で低周波に対する高い応答が得られることから、広帯域の周波数特性が得られる。その結果、超音波探触子の短軸方向の開口径が周波数に反比例して変化するため、浅い深度から深い深度まで細かいビーム径を形成することができる。
しかしながら、特許文献１に記載された超音波探触子によれば、短軸方向の両端部における低周波応答が中心部の低周波応答よりも高くなり、両端部の音圧が中心部よりも高い不均一な音圧分布となるため、分解能が低下してしまう問題がある。
【発明の開示】
本発明は、超音波探触子の短軸方向の低周波に対する周波数応答を均等化することを課題とする。
本発明は、次に述べる手段により、上記課題を解決するものである。
本発明は、圧電層と該圧電層を挟んで設けられた一対の電極を含んでなる超音波振動子を複数配列して形成された超音波探触子において、前記圧電層を共通電極を挟んで超音波の射出側に配設された第１圧電層と反対側に配設された第２圧電層とを有して構成し、前記超音波振動子の配列方向に直交する短軸方向の全口径で均等な低周波応答分布を有し、前記短軸方向の中心部において高い高周波応答分布を有してなるものとする。
このような周波数応答分布は、具体的には、以下の（１）乃至（９）の手段により実現できる。
（１）第１圧電層は前記短軸方向の端部の厚みが中心部の厚みよりも薄く形成され、第２圧電層は前記端部の厚みが前記中心部よりも厚く形成されてなるもの、
（２）第１圧電層と第２圧電層の前記一対の電極に接する面がそれぞれ平面に形成され、第１圧電層と第２圧電層との境界面が第２圧電層側に凹ませた曲面に形成されてなるもの、
（３）第１圧電層と第２圧電層の前記一対の電極に接する面がそれぞれ平面に形成され、第１圧電層と第２圧電層との境界面は、前記短軸方向の中心部に稜線を有する山形に形成されてなるもの、
（４）第１圧電層と第２圧電層の前記一対の電極に接する面がそれぞれ平面に形成され、第１圧電層と第２圧電層との境界面は、前記短軸方向の中心部において第２圧電層側に突出させた平坦部と、両端部において第１圧電層側に突出させて形成された平坦部とを有してなるもの、
（５）第１圧電層の超音波の射出側の面が凹面に形成され、第２圧電層の超音波の反射出側の面が凸面に形成され、第１圧電層と第２圧電層との境界面が第１圧電層の超音波の射出側の面の曲率よりも大きな曲率で第２圧電層側に凹ませて形成されてなるもの、
（６）第１圧電層の超音波の射出側の面が凹面に形成され、第２圧電層の超音波の反射出側の面が凸面に形成され、第１圧電層と第２圧電層との境界面は、前記短軸方向の中心部に稜線を有する山形に形成されてなるもの、
（７）第１圧電層と第２圧電層がそれぞれ一定の厚みに形成され、第１圧電層は前記短軸方向の中心部から端部に向かうにつれて該圧電層を構成する圧電材の密度が小さくなるように形成され、第２圧電層は前記短軸方向の中心部から端部に向かうにつれて該圧電層を構成する圧電材の密度が大きくなるように形成されてなるもの、
（８）上記の（１）乃至（７）の構成に加えて、第２圧電層の超音波の反射出側に、前記圧電層を構成する圧電材に近い音響インピーダンスを有する調整層が設けられ、該調整層は前記短軸方向の厚みが中心部から端部に向かうにつれて徐々に厚く形成されてなるもの。
上記の（１）乃至（７）は、圧電層を２層構造とし、第１圧電層と第２圧電層の短軸方向の周波数と音圧との特性を互いに補うように構成することにより、短軸方向の低周波に対する周波数応答を均等化することを特徴とする。つまり、第２圧電層の厚みは、超音波振動子の配列方向に直交する方向（以下、短軸方向という。）の中心部から端部に向かうにつれて厚くなるように形成されるから、中心部において高周波の応答に優れたものとなる。一方、第１圧電層の厚みは短軸方向の中心部から端部に向かうにつれて薄く形成されるから、中心部における低周波の応答に優れたものとなる。これら第１圧電層と第２圧電層の周波数応答特性が合成されることにより、低周波に対する短軸方向の応答特性を均等化することができる。したがって、本発明の超音波探触子によれば、振動子の短軸方向中心部で高周波の高応答を得ることができ、全口径で低周波の均一な応答を得ることができるから、深度の浅い位置から深い位置まで超音波ビーム径を細く形成でき、高い分解能を実現することができる。
また、（８）の構成の調整層は、圧電材に近い音響インピーダンスを有するから、通常、調整層の反圧電層側に設けられるバッキング層と音響インピーダンスの差が大きい。したがって、調整層で超音波が効果的に反射するとともに、その反射の周波数特性が厚みに依存することになる。その結果、振動子の低周波に対する短軸方向の応答特性を一層均等化することができる。また、振動子から背面側に射出される超音波のうち高周波成分は、振動子中心部の薄い調整層により反射されて超音波射出面側に戻される。これにより、超音波探触子の短軸方向中心部から被検体に射出される高周波の音圧が高くなって、振動子の短軸方向中心で高周波の応答を得ることができる。
ここで、バッキング層は音響インピーダンスが圧電層の音響インピーダンスに比べて非常に小さく、かつ、減衰率の高い素材とする。これにより、短軸方向に周波数特性を変化させることができ、周波数に応じた口径可変機能を実現できる。なお、調整層の短軸方向の厚み分布は、所望の高周波の応答分布を得るような周波数特性に定める。
また、上記（１）乃至（８）に代えて、（９）第１圧電層と第２圧電層がそれぞれ一定の厚みに形成され、第２圧電層に接する電極の背面に、圧電層を構成する圧電材に近い音響インピーダンスを有する材料からなる調整層を設け、該調整層の厚みを、前記超音波振動子の端軸方向の中心部から端部に向かうにつれて徐々に厚く形成されてなるものとすることができる。
このように形成された調整層を設けることにより、上述したように、振動子の低周波に対する短軸方向の応答特性を均等化することができ、かつ振動子の短軸方向中心部で高周波の高応答を得ることができる。
また、本発明の超音波診断装置は、本発明の超音波探触子を用いるとともに、超音波探触子の前記振動子を駆動する超音波信号を供給する送信手段は、制御指令に応じた周波数の超音波信号を前記超音波探触子に供給する機能を有し、超音波探触子により受信される反射エコー信号を受信処理する受信処理手段は、前記制御指令に応じた周波数の反射エコー信号を選択して受信処理する機能を有してなるものとすることにより、振動子の短軸方向中心で高周波の応答を得ることができるとともに、低周波に対する短軸方向の周波数特性を均等化できるから、深度の浅い位置から深い位置まで超音波ビーム径を細くでき、高い分解能を実現することができる。
【図面の簡単な説明】  図１は、本発明の一実施形態に係る超音波探触子の主要部の斜視図である。
図２は、本発明の一実施形態の超音波診断装置の全体構成図である。
図３は、図１の実施形態の圧電層に係る部分の断面図である。
図４は、図１実施形態の周波数特性を示すグラフである。
図５は、図１実施形態の周波数と焦点深度との関係を説明する線図である。
図６は、図１実施形態の周波数と相対音圧の関係を説明する線図である。
図７は、本発明の第２実施形態の圧電層に係る部分の断面図である。
図８は、本発明の第３実施形態の圧電層に係る部分の断面図である。
図９は、本発明の第４実施形態の圧電層に係る部分の断面図である。
図１０は、本発明の第５実施形態の圧電層に係る部分の断面図である。
図１１は、本発明の第６実施形態の圧電層に係る部分の断面図である。
図１２は、本発明の第７実施形態の圧電層に係る部分の断面図である。
図１３は、本発明の第８実施形態の圧電層に係る部分の断面図である。
図１４は、本発明の第９実施形態の圧電層に係る部分の断面図である。
図１５は、本発明の第１０実施形態の圧電層に係る部分の断面図である。
図１６は、本発明の第１１実施形態の圧電層に係る部分の断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】  以下、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。
（第１の実施形態）
本発明の一実施形態を図１〜図３を用いて説明する。図１は本発明の一実施形態に係る超音波探触子の主要部の斜視図、図２は本発明の一実施形態の超音波診断装置の全体構成図、図３は本実施形態の圧電層に係る部分の断面図である。
図２において、超音波パルス発生回路３１から出力される超音波パルスは送信手段３２に入力され、ここにおいて送信フォーカス処理及び増幅処理などの送信処理が施され、送受分離部３３を介して超音波探触子１に供給される。超音波探触子１により受信された反射エコー信号は、送受分離部３３を介して受信処理手段３５に入力され、ここにおいて増幅処理及び受信整相処理などの受信処理が施される。受信処理手段３５から出力される反射エコー信号は画像処理手段３６に入力され、ここにおいて所定の画像再構成処理が行なわれる。画像処理手段３６により再構成された超音波画像は、モニタ３７に表示されるようになっている。上述した超音波パルス発生回路３１、送信手段３２、受信処理手段３５、画像処理手段３６は、コンピュータなどにより構成される制御手段３８からの制御指令に基づいて制御されるようになっている。また、制御手段３８は、入力手段３９から入力される指令に基づいて各種の設定、制御を実行するようになっている。なお、制御手段３８は、図示していない口径選択スイッチを制御して、超音波ビームを走査する構成を選択するようになっている。また、受信処理手段３５の一部及び画像処理手段３６は、コンピュータなどによって構成することができる。
本実施形態の超音波探触子１は、図１に示すように、圧電層２と、圧電層２の超音波射出面側に配設された音響整合層３と、圧電層２の背面側に配設されたバッキング層４と、音響整合層３の超音波射出面側に配設された音響レンズ５とを有して構成される。圧電層２と音響整合層３は、超音波探触子１の長軸方向にわたって配列された複数の分離層６によって複数に分離され、それぞれが振動子として機能するように構成されている。また、バッキング層４の圧電層２に接する側の一部も複数の分離層６によって複数に区分されている。
ここで、音響レンズ５は、短軸方向のフオーカスを行うためのものであり、シリコンゴムなど音響インピーダンスが生体に近く、音速が生体より遅いものを材料として形成されている。音響整合層３は、２層構造であり、それぞれ中心周波数に対する１／４波長板としての役割を果たしている。また、音響整合層３の下層の材料は、音響インピーダンスが圧電層２よりも小さいセラミックスなどが用いられる。また、音響整合層３の上層は下層よりも音響インピーダンスがより生体に近い樹脂などを材料として形成される。圧電層２は、圧電セラミックスＰＺＴ、ＰＺＬＴ、圧電単結晶ＰＺＮ−ＰＴ、ＰＭＮ−ＰＴ、あるいは有機圧電材料ＰＶＤＦなど、又はそれらと樹脂とで構成される複合圧電層などを用いて形成される。バッキング層４は、超音波の減衰率が大きく、圧電層２の背面方向に射出される超音波を減衰させる素材を用いて形成される。分離層６は、超音波の減衰の大きい材料（例えば、真空相当の材料）により形成される。
図３は、本実施形態の圧電層２とバッキング層４の部分の断面図を示している。同図は、圧電層２を長軸方向に直交する短軸方向の断面図である。圧電層２は、第１圧電層２−１と第２圧電層２−２が積層された２層構造になっている。第１圧電層２−１の超音波射出面と、第２圧電層２−２の背面側の面とに一対の電極７−１、７−２が配設されている。また、第１圧電層２−１と第２圧電層２−２の境界に共通電極８が配設されている。これらの電極７−１、７−２、８は、銀、白金、金、銅、ニッケルなどの金属により１０μｍ以下の厚みに形成される。
ここで、第１圧電層２−１は、超音波の射出面が平面で背面が凸面の平−凸型に形成されている。そして、中心部が最も厚い厚みＴ１ｍａｘに形成され、両端部に向かって厚みが薄くなるように形成され、端部で最小の厚みＴ１ｍｉｎに形成されている。一方、第２圧電層２−２は、超音波の射出面が凹面で、背面が平面の凹−平型に形成されている。そして、中心部が最も薄い厚みＴ２ｍｉｎに形成され、両端部に向かって厚みが厚くなるように形成され、端部で最大の厚みＴ２ｍａｘに形成されている。したがって、圧電層２の電極７−１、７−２に接する面は互いに平行な平面に形成され、第１圧電層２−１と第２圧電層２−２との境界面は第２圧電層２−２側に凹ませて形成されている。なお、例えば、Ｔ１ｍａｘ＝Ｔ２ｍｉｎに形成し、Ｔ１ｍｉｎ／Ｔ２ｍａｘ＝１／４に形成することができる。
このように構成される本実施形態の超音波探触子を用いた超音波診断の動作について説明する。まず、電極７−１と電極７−２を接地し、共通電極８に送信手段３２から超音波の送信信号を印加する。ここで、超音波探触子を駆動する送信信号の周波数は、超音波パルス発生回路３１により制御される。また、超音波ビームの焦点位置（フォーカス位置）は、計測部位の深度に応じて制御手段３８により演算される。計測部位は、入力手段３９を介して、操作者により入力設定することができる。このようにして、設定される計測部位の深度に応じて、制御手段３８から超音波パルス発生回路３１と送信手段３２に指令を送って、送信信号の周波数及びフォーカス位置が設定される。また、制御手段３８は、受信処理手段３５に指令を送って、受信処理対象の反射エコー信号の周波数及びフォーカス位置を送信信号のそれらに合せて設定する。
このようにして超音波探触子を駆動することにより、圧電層２において超音波が発生し、電極７−１側の面から超音波が放射される。このとき、圧電層２−２は凹−平型であることから、従来技術と同様に低周波では端部において共振して低周波の音圧が強くなる。一方、圧電層２−１は平−凸型で端部付近で厚さが薄いため、端部における低周波の音圧が小さい。その結果、圧電層２−１と圧電層２−２を積層させることにより、低周波における端部音圧の強調を抑制できる。
ここで、本実施形態の超音波探触子の周波数特性に関する効果を、図４〜図６を参照して説明する。図４は、本実施形態の周波数特性のグラフを示し、図５は本実施形態の周波数と焦点深度との関係を説明する線図、図６は本実施形態の周波数と相対音圧の関係を説明する線図である。図４において、横軸は周波数、縦軸は相対音圧を示し、実線１１は短軸方向の中心部における周波数特性曲線を、一点鎖線１２は中心と端部との中間位置における周波数特性曲線、点線１３は端部における周波数特性曲線を示している。また、同図において、ｆｃｅｎｔｅｒは高周波ｆｈｉｇｈと低周波ｆｌｏｗの中心周波数である。同図から明らかなように、本実施形態によれば、高周波ｆｈｉｇｈは中心部において、低周波ｆｌｏｗは端部から中心にかけて共振する。これにより、高周波ｆｈｉｇｈでは口径が小さくなり、探触子の近傍で細いビームを形成することができる。一方、減衰の小さい低周波ｆｌｏｗでは口径が大きくなり、深部で細いビームを得ることができる。
その結果、図５に示すように、周波数に応じた口径可変機能を持つことになる。なお、図５は、横軸が圧電層２の短軸方向、縦軸が深度を表している。したがって、図６に示すように、低周波ｆｌｏｗにおいても、端部の音圧が中心に比べて高くならず、音圧分布が均一化されていることからＳ／Ｎ比が低下せず、近傍から深部にかけて分解能の高い画像が得られる。これに対して、圧電層２−１を備えていない従来技術によれば、超音波探触子の短軸方向の両端部で低周波成分が強く共振する。そのため、図６の低周波ｆｌｏｗの特性図に、破線で示すように、端軸方向の端部の音庄が高くなり、中心部の音圧が低くなる相対音圧分布になることから、Ｓ／Ｎ比が低下してしまうのである。
（第２実施形態）
図７に、本発明に係る超音波探触子の第２実施形態の圧電層部分の断面図を示す。本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、圧電層２の２層構造の構成と、圧電層２の背面に調整層９を設けたことにある。まず、圧電層２を、同一に形成された２つの平板状の圧電層２−３、２−４を積層して形成している。この圧電層２−４の背面に配設される調整層９は、音響インピーダンスが圧電層２に近い材料であって、セラミックスやアルミや銅などの金属などの材料を用いて形成する。なお、バッキング層４は、調整層９よりも非常に小さい音響インピーダンスを持ち、かつ減衰率の大きい材料を用いる。例えば、ゴムや樹脂と金属粒子（例えばタングステン粒子）などとの混合物、又はゴムや樹脂などにガスを含むビーズやマイクロバルーンなどを混合した材料を用いる。
本実施形態の調整層９は、図７に示すように、圧電層２−４と接する面が平面に、反対側の面が凹面状に形成されている。つまり、短軸方向の中心で厚みが最も薄く、端部に向かって徐々に厚くなるように形成されていることを特徴とする。このように、本実施形態によれば、調整層９とバッキング層４と音響インピーダンスの差が大きいことから、調整層９において超音波が効果的に反射するとともに、その反射の周波数特性が厚みに依存することになる。これにより、本実施形態の超音波探触子は、短軸方向の調整層９の厚みに依存した周波数特性が得られ、第１実施形態と同様に、図４〜図６に示した周波数特性の効果を得ることができる。つまり、高周波ｆｈｉｇｈでは中心部からの応答が大きく口径を小さくして近傍で細いビームを形成でき、低周波ｆｌｏｗでは全口径でビームが短軸方向に均等な音圧をもち、深部にフオーカスされる。その結果、近傍から深部にかけて分解能の高い画像が得られる。
（第３の実施形態）
図８に、本発明に係る超音波探触子の第３実施形態の圧電層部分の断面図を示す。本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、圧電層２の背面に調整層９を設けたことにある。言い換えれば、第１と第２の実施形態の特徴部を組み合わせたものであり、本実施形態によれば第１と第２の実施形態の効果を合わせた効果が得られる。つまり、低周波で短軸方向に均等な音庄をもち、各周波数でよりビームの細い口径可変機能を実現することができる。
（第４の実施形態）
図９に、本発明に係る超音波探触子の第４実施形態の圧電層部分の断面図を示す。本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、圧電層２の断面形状を図のように凹状とし、それに沿って音響整合層３の断面を凹状にしたことにある。つまり、圧電層２は、超音波の射出面と背面とが平行な凹面となるように形成し、射出側の圧電層２−１は中心部で最も厚く、両端部に向かって薄くなり、端部で最も薄い構造に形成している。一方、背面側の圧電層２−２は、中心部で最も薄く両端部に向かって厚くなり、端部で最も厚くなる構造に形成している。また、バッキング層４は圧電層２−２の背面の凹面に沿った形状にされている。また、音響レンズを取り除き、カバー材１０としては、音響インピーダンスと音速が被検体である生体に近い材料、例えばポリウレタンやフラックス、ブタジエンゴム、ポリエーテルブロックアミドなどの材料を用いて形成されている。また、この形状は凸型とし、生体との接触をよくすることができる。この構造により、短軸可変フォーカス機能を備えるとともに、凹面の圧電層２によりビームをフォーカスすることができる。その結果、音響レンズを使用しなくてもビームをフォーカスできるため、超音波の減衰を減らし、高感度な画像を得ることができる。
（第５の実施形態）
図１０に、本発明に係る超音波探触子の第５実施形態の圧電層部分の断面図を示す。本実施形態が第２の実施形態と異なる点は、圧電層２の断面形状を図のように凹状とし、それに沿って音響整合層３の断面を凹状にしたことにある。つまり、圧電層２は超音波の射出面と背面とが平行な凹面となるように形成し、さらに圧電層２の背面に調整層９を配設し、調整層９の厚みを中心部で最も薄く、両端部に向かって厚くし、端部で最も厚くなる構造に形成している。これにより、厚みに依存した周波数特性が得られる。また、音響レンズに代えてカバー材１０を設けた構造にしている。調整層９とカバー材１０の材料は、第４実施形態と同様である。この第５実施形態によれば、短軸可変フォーカス機能を備えるとともに、凹面の圧電層２によりビームをフォーカスすることができる。その結果、音響レンズを使用しなくてもビームをフォーカスできるため、超音波の減衰を減らし、高感度な画像を得ることができる。
（第６の実施形態）
図１１に、本発明に係る超音波探触子の第６実施形態の圧電層部分の断面図を示す。本実施形態は、第４と第５の実施形態を組み合わせたもので、それら２つの実施形態の効果を合わせた効果が得られる。つまり、低周波で短軸方向に均等な音圧をもち、各周波数においてビームの一層細い可変口径機能を実現することができる。また、レンズを使用しないため減衰を減らすことができ高感度な画像が得られる。
（第７の実施形態）
図１２に、本発明に係る超音波探触子の第７実施形態の圧電層部分の断面図を示す。本実施形態は、図３の実施形態と同様に、第１圧電層２−１は、超音波の射出面が平面で、背面が凸面の平−凸型に形成されている。また、第２圧電層２−２は、超音波の射出面が凹面で、背面が平面の凹−平型に形成されている。それら第１圧電層２−１と第２圧電層２−２との境界面は、短軸方向の中心部に稜線を有する山形に形成され、この境界面に共有電極８が設けられている。
この実施形態によれば、図３の実施形態と同様に、低周波においても、端部の音圧が中心に比べて高くならず、音圧分布が均一化されていることからＳ／Ｎ比が低下せず、近傍から深部にかけて分解能の高い画像が得られる。
なお、本実施形態においても、第２圧電層２−２の背面側に、図７の調整層９を設けることができる。
（第８の実施形態）
図１３に、本発明に係る超音波探触子の第８実施形態の圧電層部分の断面図を示す。本実施形態は、図１１の実施形態の第１圧電層２−１と第２圧電層２−２の構造を、図１２と同様に、それらの境界面が短軸方向の中心部に稜線を有する山形に形成されたものである。これによっても、図１１の実施形態と同様に、低周波で短軸方向に均等な音圧をもち、各周波数においてビームの一層細い可変口径機能を実現することができる。また、レンズを使用しないため減衰を減らすことができ高感度な画像が得られる。
なお、本実施形態においても、第２圧電層２−２の背面側に、図７の調整層９を設けることができる。
（第９の実施形態）
図１４に、本発明に係る超音波探触子の第９実施形態の圧電層部分の断面図を示す。本実施形態は、図１２の実施形態の圧電層２の超音波の射出側に音響整合層３を設け、音響レンズ５の形状を凹面の音響レンズ１１に代えたものである。この凹面の音響レンズ１１によれば、レンズの薄い部分と厚い部分で音圧の差ができる。これにより、超音波ビームが短軸方向に一層細くなり、圧電層２の構造との結合により、低周波の超音波ビームも細くなるから、各周波数で一層細いビームの可変項形機能を実現することができる。
この凹面の音響レンズ１１は、他の実施形態にも適用することができる。また、本実施形態においても、第２圧電層２−２の背面側に図７の調整層９を設けることができる。
（第１０の実施形態）
図１５に、本発明に係る超音波探触子の第１０実施形態の圧電層部分の断面図を示す。本実施形態は、図３の実施形態と同様に、第１圧電層１２−１は、超音波の射出面が平面で、背面が凸面の平−凸型に形成されている。また、第２圧電層１２−２は、超音波の射出面が凹面で、背面が平面の凹−平型に形成されている。それら第１圧電層１２−１と第２圧電層１２−２との境界面は、短軸方向の中心部において第２圧電層側に突出させた平坦部と、両端部において第１圧電層側に突出させて形成された平坦部とを有して形成され、この境界面に共有電極８が設けられている。
この実施形態によれば、図３の実施形態と同様に、低周波においても、端部の音圧が中心に比べて高くならず、音圧分布が均一化されていることからＳ／Ｎ比が低下せず、近傍から深部にかけて分解能の高い画像が得られる。また、本実施形態においても、第２圧電層１２−２の背面側に図７の調整層９を設けることができる。
（第１１の実施形態）
図１６に、本発明に係る超音波探触子の第１１実施形態の圧電層部分の断面図を示す。本実施形態は、圧電層１３を、それぞれ一定の厚みに形成された第１圧電層１３−１と第２圧電層１３−２とで構成し、第１圧電層１３−１は短軸方向の中心部から端部に向かうにつれて圧電材の密度が小さくなるように形成され、第２圧電層は短軸方向の中心部から端部に向かうにつれて圧電材の密度が大きくなるように形成されている。これにより、第１圧電層１３−１は中心から両端に向かって周波数定数が大きく、第２圧電層１３−２は中心から両端に向かって周波数定数が小さくなり、短軸方向の周波数応答特性を調整することができる。圧電材の密度は、前述した圧電セラミックスなどの圧電材の気孔率を変えることにより調整できる。また、樹脂などを混入することにより、調整できる。
本実施形態によれば、低周波で短軸方向に均等な音圧を有する分布を形成することができ、広い周波数の範囲でビームの細い可変口径機能を実現できる。また、本実施形態においても、第２圧電層１３−２の背面側に図７の調整層９を設けたり、図９のように圧電層を凹面状に形成したり、図１４の凹面音響レンズ１１を設けたりするなど、適宜、他の実施形態の特徴技術を採用することができる。
また、本実施形態における圧電材の密度を調整することに代えて、圧電材の弾性定数を調整することによっても、同様の効果を得ることができる。つまり、第１圧電層１３−１は短軸方向の中心部で弾性定数が小さく、端部に向かうにつれて弾性定数が大きくなるように形成され、第２圧電層は短軸方向の中心部で弾性定数が大きく、端部に向かうにつれて弾性定数が小さくなるように形成する。
以上述べたように、本発明の各実施形態によれば、短軸方向の中心から端部にかけて周波数の応答特性が変化し、中心部では低周波から高周波までの広い帯域をもち、端部では高周波の応答が小さくなる狭い帯域を有する特性を持たせることができる。また、低周波の場合も両端の音圧が高くならず、中心から端にかけて均等な音圧を得ることができる。さらに、高周波では中心部からの応答が大きくなり、プローブ近傍にフォーカスされ、低周波では全口径の応答により深部にフォーカスされ、分解能の高い画像が得られる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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