(57)【要約】【課題】超音波探触子の指向性拡大及び可変を可能とし、高分解能な診断画像が取得可能な超音波探触子、及び超音波診断装置を提供する。【解決手段】一方向Ｘに配列された複数個の圧電素子１の配列方向Ｘと直交する方向Ｙに、音響整合層２の被検体側表面が曲面形状を形成し、この曲面形状を前記配列方向Ｘと直交する方向Ｙに変化させて指向性を任意に設定できるようにし、中心部では指向性を広くするために曲率半径を小さくし、両端部に行くにしたがって曲率半径を大きくする構成を有する。【選択図】図１
2007075130.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体との間で超音波を送受信するべく配列された複数個の圧電素子と、
前記複数個の圧電素子の被検体側前面に設けられた音響整合層と、
前記複数個の圧電素子の前面及び背面に設けられた一対の電極とを備えた超音波探触子において、
前記音響整合層の被検体側表面が前記複数個の圧電素子側に曲面形状に形成され、
前記複数個の圧電素子の配列方向と直交する方向に、前記曲面形状が湾曲していることを特徴とする超音波探触子。
【請求項２】
被検体との間で超音波を送受信するべく配列された複数個の圧電素子と、
前記複数個の圧電素子の被検体側前面に設けられた音響整合層と、
前記複数個の圧電素子の前面及び背面に設けられた一対の電極とを備えた超音波探触子において、
前記音響整合層の音響インピーダンスが、前記複数個の圧電素子側部分での圧電素子に近い値から、前記被検体側部分での被検体に近い値へと厚さ方向に連続的に変化し、
前記音響整合層の被検体側表面が前記複数個の圧電素子側に曲面形状に形成され、
前記複数個の圧電素子の配列方向と直交する方向に、前記曲面形状が湾曲していることを特徴とする超音波探触子。
【請求項３】
被検体との間で超音波を送受信するべく配列された複数個の圧電素子と、
前記圧電素子の被検体側前面に設けられた音響整合層と、
それに直交する方向にて周波数が可変する構成の超音波探触子において、
前記音響整合層の被検体側表面が前記複数個の圧電素子側に曲面形状に形成され、
前記複数個の圧電素子の配列方向と直交する方向に、前記曲面形状が湾曲していることを特徴とする超音波探触子。
【請求項４】
前記音響整合層の被検体側表面の曲面形状が、複数の曲率半径の曲面の組み合せから構成され、
当該複数の曲率半径が連続的に変化、若しくは段階的に変化していることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の超音波探触子。
【請求項５】
前記音響整合層が、前記圧電素子の発生する超音波における使用周波数帯の少なくとも１／２波長以上の厚さを有することを特徴とする請求項２に記載の超音波探触子。
【請求項６】
前記音響整合層の被検体側部分の音速をＣｍｌ、被検体の音速をＣｂとしたとき、Ｃｍｌ＜Ｃｂの場合は、前記被検体に対する前記曲面が凹形状、Ｃｍｌ＞Ｃｂの場合は前記曲面が凸形状であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の超音波探触子。
【請求項７】
前記複数の曲率半径の変化は、前記複数個の圧電素子の配列方向と直交する方向において、各圧電素子の中心部に対応する位置で曲率半径が相対的に小さく、前記中心部から両端部に進むにしたがって、曲率半径が相対的に徐々に大きくなるよう形成されていることを特徴とする請求項４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、生体等の被検体に当てて、超音波を発信して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、超音波をヒトや動物等の生体の被検体内に発信し、生体内で反射されるエコー信号を検出して生体内組織の断層像等をモニタに表示し、被検体の診断に必要な情報を提供する。この際、超音波診断装置は、被検体内へ超音波を送信と、被検体内からのエコー信号を受信するために超音波探触子を利用している。
【０００３】
図６は、従来の超音波探触子の一例を示している。図６において、超音波探触子２０は、被検体（図示せず）との間で超音波を送受信するべく、一方向に配列された複数個の圧電素子１１と、これらの圧電素子１１における被検体側の前面（図６の上方）に設けられた２層からなる音響整合層１２（１２ａ、１２ｂ）と、この音響整合層１２の被検体側表面に設けられる音響レンズ１３と、圧電素子１１に対して音響整合層１２の反対側となる背面に設けられる背面負荷材１４とから構成されている。圧電素子１１の前面と背面には、それぞれ図示しない電極が配置され、圧電素子１１との間で電気信号の送受信を行う。
【０００４】
圧電素子１１は、ＰＺＴ系等の圧電セラミック、単結晶、あるいは前記材料と高分子を複合した複合圧電体等によって形成され、電圧を超音波に変換して被検体内に送信し、あるいは被検体内で反射したエコーを電気信号に変換して受信する。図示の例では、Ｘ方向に複数の圧電素子１１が配列されている。このような圧電素子１１の複数個の配列によって、電子的に超音波を走査して偏向あるいは集束することができ、いわゆる電子走査を可能とする。
【０００５】
音響整合層１２は、超音波を効率よく被検体内に送受信するために設けられ、より具体的には、圧電素子１１の音響インピーダンスを段階的に被検体の音響インピーダンスに近づける役割を果たす。図示の例では、２層の音響整合層１２ａ、１２ｂが設けられているが、これは１層であっても３層以上であってもよい。また図示の例では、音響整合層１２が複数の圧電素子１１の上に一体に形成されているが、各圧電素子１１にそれぞれ対応して分割して配置し、超音波の指向性を広くする構成も用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
音響レンズ１３は、診断画像の分解能を高めるために超音波ビームを絞る役割を果たす。図示の例では、音響レンズ１３は図のＺ方向に凸状となるかまぼこ型に形成され、超音波ビームをＹ方向に絞ることができる。音響レンズ１３はオプション要素であり、必要に応じて設けられる。
【０００７】
背面負荷材１４は、圧電素子１１に結合されてこれを保持し、さらに不要な超音波を減衰させる役割を果たす。なお、本明細書では、図のＸ方向を「（圧電素子の）配列方向」、Ｙ方向を「（圧電素子の）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。
【０００８】
上述した複数層で構成される音響整合層１２に対し、従来技術ではさらに、図７に示すように、音響インピーダンスを厚さ方向に連続的に変化させる構造を持った音響整合層２２が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００９】
図７において、この音響整合層２２は、圧電素子１１にほぼ等しい音響インピーダンスを有する円錐状または四角錐状の第１の音響整合材２２ａと、被検体にほぼ等しい音響インピーダンスを有する残余の部分を占める第２の音響整合材２２ｂとを厚さ方向に組み合わせて構成されている。
【００１０】
具体的には、第１の音響整合材２２ａを音響インピーダンスが大きい（音響インピーダンスが圧電素子１１に近い）ガラス、アルミニウム、セラミックあるいはシリコン単結晶等の材料により形成し、その隙間に音響インピーダンスの小さい（同、被検体に近い）エポキシ樹脂、ウレタン樹脂あるいはシリコーンゴム等からなる第２の音響整合材２２ｂを充填することによって形成されている。
【００１１】
図７の下側を圧電素子１１側に配置し、上側を被検体側（音響レンズ１３側）に配置することで音響インピーダンスを連続して変化させることができる。音響整合層２２を以上のように構成することで、使用周波数の広帯域化を図ることができ、超音波診断の効率を高めることができるとしている。
【００１２】
一方、ほかの超音波探触子として、一方向に配列された複数個の圧電素子１１は、超音波を送受信するための素子であり、複数個の圧電素子１１の配列方向Ｘと直交する方向Ｙの圧電素子１１の厚みは、中心付近では薄く、端部に行くにしたがって厚くなるように不均一にしている。圧電素子１１の厚みを不均一にすることにより、超音波ビームの焦点深度を長くし、且つ広帯域の周波数特性が得られて分解能を向上させるという特徴がある（例えば特許文献３参照）。
【特許文献１】特開平９―２３８３９９号公報
【特許文献２】特開平１１―８９８３５号公報
【特許文献３】特表平８―１２２３１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
電子走査型の超音波診断装置は、圧電素子を任意の群にして個々の圧電素子に一定の遅延時間与えて駆動し、圧電素子から被検体内に超音波の送信と受信を行う。このような遅延時間を与えることで超音波ビームが集束あるいは偏向され、広い視野幅あるいは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。
【００１４】
超音波探触子として、かかる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個の配列された個々の圧電素子から音響整合層、更には必要に応じて音響レンズを介して被検体に放射される超音波ビームの指向性が優れていることであり、即ち指向性が広いことである。
【００１５】
指向性を広くするための１つの方策として、特許文献１に示すような複数個の一方向に配列された圧電素子に対応して音響整合層を分割し、隣接する圧電素子相互間での音響的な結合を小さくした構成とすることが挙げられる。
【００１６】
しかしながら、この構成においては、一方向に配列する複数個の圧電素子の間隔、あるいは圧電素子の幅と駆動周波数とによって指向性が定まるため、それ以上に指向性を広くすることが困難であった。昨今では、超音波探触子の使用周波数がより広帯域化される傾向にあり、複数の周波数で使用する場合が多くなってきていることから、高分解能の超音波画像を得るために広帯域化と共に、超音波探触子の指向性を広くすることがますます重要になってきている。
【００１７】
一方、複数個の圧電素子の配列方向と直交する方向において、周波数を可変し、かつ指向性に変化をもたせる方策として、圧電素子の幅を変える方法も提案されている。
【００１８】
以上より、本発明は、複数個の圧電素子の配列方向と直交する方向に、前記音響整合層の被検体側表面が曲面形状に形成され、前記複数個の圧電素子の配列方向と直交する方向に、前記曲面を変化させて指向性を任意に設定できるよう構成し、これによって高分解能の診断画像を得ることができる超音波探触子を提供することを目的としている。
【００１９】
また、圧電素子側の部分で音響インピーダンスが圧電素子に近く、被検体側に近づくに従って音響インピーダンスが被検体の音響インピーダンスに近づく、いわゆる音響インピーダンスが連続的に傾斜するよう構成され、周波数の広帯域化を可能とした音響整合層を活用し、前記複数個の圧電素子の配列方向と直交する方向に、前記音響整合層の被検体側表面が、曲面形状を形成し、前記複数個の圧電素子の配列方向と直交する方向に、前記曲面に変化させて指向性を任意に設定できるよう構成し、これによって高分解能の診断画像を得ることができる超音波探触子を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明は、一方向に配列された複数個の圧電素子の配列方向と直交する方向において、音響整合層の被検体側の表面曲面形状を変化させた形状の構成にすることにより、指向性を可変させることを特徴とする超音波探触子に関する。
【００２１】
本発明の超音波探触子は、少なくとも被検体との間で超音波を送受信するべく、配列された複数個の圧電素子と、前記圧電素子の被検体側前面に設けられた音響整合層と、前記圧電素子の前面及び背面に設けられた一対の電極とから構成される超音波探触子において、前記音響整合層の被検体側表面が前記複数個の圧電素子の方向に曲面形状に形成され、前記複数の圧電素子の配列方向と直交する方向に前記曲面形状が変化し、超音波の指向性を可変できるようにした構成を有している。
【００２２】
この構成により、超音波の指向性を可変させ、また広くすることができ、多くの圧電素子の配列を使用して自由に位相制御できることになり、超音波ビームを細く絞る事ができ、また、超音波ビームを偏向する事ができるため、分解能の高い超音波画像を提供する超音波探触子を得ることができる。
【００２３】
また、本発明の超音波探触子は、少なくとも被検体との間で超音波を送受信するべく、一方向に配列された複数個の圧電素子と、前記圧電素子の被検体側前面に設けられた音響整合層と、前記圧電素子の前面及び背面に設けられた一対の電極とから構成される超音波探触子において、前記音響整合層の音響インピーダンスが、前記圧電素子側部分での圧電素子に近い値から、前記被検体側部分での被検体に近い値へと厚さ方向に連続的に変化し、前記音響整合層の被検体側表面が前記複数個の圧電素子の方向に曲面形状に形成され、前記複数個の圧電素子の配列方向と直交する方向に、前記曲面形状が変化している。
【００２４】
この構成により、超音波の指向性を可変させ、また広くすることができ、多くの圧電素子の配列を使用して自由に位相制御できることになり、超音波ビームを細く絞る事ができ、また、超音波ビームを偏向する事ができるため、分解能の高い超音波画像を提供する超音波探触子を得ることができる。
【００２５】
また、本発明の超音波探触子は、被検体との間で超音波を送受信するべく、配列された複数個の圧電素子と、前記圧電素子の被検体側前面に設けられた音響整合層と、それに直交する方向にて周波数が可変する構成の超音波探触子において、前記音響整合層の被検体側表面が前記複数個の圧電素子の配列方向に曲面形状に形成され、前記複数個の圧電素子の配列方向と直交する方向に前記曲面形状が変化している。
【００２６】
この構成により、超音波の指向性を可変させ、また広くすることができ、多くの圧電素子の配列を使用して自由に位相制御できることになり、超音波ビームを細く絞る事ができ、また、超音波ビームを偏向する事ができるため、分解能の高い超音波画像を提供する超音波探触子を得ることができる。
【００２７】
また、本発明の超音波探触子は、音響整合層の被検体側表面の曲面形状が、複数の曲率半径の曲面の組み合わせから構成され、当該複数の曲率半径が連続的に変化もしくは段階的に変化させて指向性を変化させる構成を有している。
【００２８】
この構成により、超音波の指向性を可変させ、また広くすることができ、多くの圧電素子の配列を使用して自由に位相制御できることになり、超音波ビームを細く絞る事ができ、また、超音波ビームを偏向する事ができるため、分解能の高い超音波画像を提供する超音波探触子を得ることができる。
【００２９】
また、本発明の超音波探触子は、少なくとも被検体との間で超音波を送受信するべく配列された複数個の圧電素子と、前記圧電素子の被検体側前面に設けられた音響整合層と、前記圧電素子の前面及び背面に設けられた一対の電極とから構成される超音波探触子において、前記音響整合層の音響インピーダンスが、前記圧電素子側部分での圧電素子に近い値から、前記被検体側部分での被検体に近い値へと厚さ方向に連続的に変化し、前記音響整合層が、前記圧電素子の発生する超音波の使用周波数帯の少なくとも１／２波長以上の厚さを有し、前記複数個の圧電素子の配列方向に前記音響整合層の被検体側表面が曲面形状を形成し、前記複数個の圧電素子の配列方向と直交する方向に、前記曲面形状が変化している。
【００３０】
この構成により、超音波の指向性を可変させ、また広くすることができ、多くの圧電素子の配列を使用して自由に位相制御できることになり、超音波ビームを細く絞る事ができ、また、超音波ビームを偏向する事ができるため、分解能の高い超音波画像を提供する超音波探触子を得ることができる。
【００３１】
また、本発明の超音波探触子は、音響整合層の被検体側部分の音速をＣｍｌ、被検体の音速をＣｂとしたとき、Ｃｍｌ＜Ｃｂの場合は前記被検体に対する前記曲面が凹形状、Ｃｍｌ＞Ｃｂの場合は前記曲面が凸形状の構成を有する。
【００３２】
この構成により、超音波の指向性を可変させ、また広くすることができ、多くの圧電素子の配列を使用して自由に位相制御できることになり、超音波ビームを細く絞る事ができ、また、超音波ビームを偏向する事ができるため、分解能の高い超音波画像を提供する超音波探触子を得ることができる。
【００３３】
また、本発明の超音波探触子は、音響整合層の被検体側表面の曲面形状が、複数の曲率半径の曲面の組み合わせから構成され、前記複数の曲率半径の変化は、複数個の圧電素子の配列方向と直交する方向において、各圧電素子の中心部に対応する位置で曲率半径が相対的に小さく、前記中心部から両端部に進むにしたがって曲率半径が相対的に徐々に大きくなるよう形成され、当該複数の曲率半径が連続的に変化もしくは段階的に変化させて指向性を変化させる。
【００３４】
この構成により、超音波の指向性を可変させ、また広くすることができ、多くの圧電素子の配列を使用して自由に位相制御できることになり、超音波ビームを細く絞る事ができ、また、超音波ビームを偏向する事ができるため、分解能の高い超音波画像を提供する超音波探触子を得ることができる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、超音波探触子の圧電素子の配列方向における指向性を任意に可変することができ、また、周波数の広帯域化も可能となり、高分解能な診断画像が得られる超音波探触子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、本発明に係る第１実施形態の超音波探触子について、図面を参照して説明する。
【００３７】
（第１実施形態）
図１は本発明に係る第１実施形態の超音波探触子１０の一部概略斜視図を示し、図２は図１に示すＡ部の部分拡大図である。
【００３８】
図１，２において、超音波探触子１０は、図７に示す従来技術によるものと基本的に同様であり、一方向（Ｘ方向）に配列された複数の圧電素子１と、各圧電素子１に対応して被検体側（図の上方）となる厚さ方向（Ｚ方向）前面に配置された音響整合層２と、圧電素子１に対して音響整合層２の反対側となる厚さ方向（Ｚ方向）背面（図の下方）に配置された背面負荷材３とから構成されている。これら各構成要素のそれぞれの機能は、従来技術で説明したものと同様である。
【００３９】
圧電素子１の厚さ方向Ｚの前面には接地電極４が、背面には信号用電極５がそれぞれ設けられている。両電極４、５は、金や銀の蒸着、スパッタリング、あるいは銀の焼き付け等により圧電素子１の前面、背面にそれぞれ形成される。
【００４０】
両電極４、５は、電気端子６を経由しケーブルを介して図示しない超音波診断装置と電気的に接続され、超音波診断装置で作られる規則正しいパルス電圧を圧電素子１に印加し、逆に圧電素子１が電気信号に変換したエコー受信波を超音波診断装置本体に送信する。
【００４１】
また、図示の例では、音響整合層２は、各圧電素子１に対応して個々に分割されており、これら分割された溝の部分には音響的な結合が小さいシリコーンゴムやウレタンゴム等のような材料が充填されている。上述したように、音響整合層２を各圧電素子１に対応して分割して構成することにより、超音波の指向性を広くする効果が得られる。
【００４２】
図３は、図１に示す複数個の圧電素子１の配列方向Ｘと直交する方向のＹ方向（幅方向）に対して、音響整合層２の被検体側７（図２参照）の表面形状を、複数個の圧電素子１の配列方向Ｘに曲面を有する曲率半径の大きさと、それに対応した指向性の広さの変化を模擬的に表わした図である。
【００４３】
この複数の圧電素子１を配列したいわゆる電子走査型の超音波探触子１０では、一方向に配列した圧電素子１の配列方向Ｘの指向性を如何に広くできるか、あるいは任意の指向性を持たせることができるかが超音波画像の分解能を向上させる重要なポイントである。
【００４４】
本実施形態は、図２に示すように、音響整合層２の被検体側の表面２ｓを圧電素子１の配列方向Ｘに沿って曲面に形成して、指向性をＹ方向に対して任意に変化させるものとしている。すなわち、音響整合層２の表面２ｓ形状に曲面を持たせることで、圧電素子１の配列方向Ｘに超音波ビームを拡散させることを可能にしている。
【００４５】
具体的には、音響整合層２の音速Ｃｍｌと被検体の音速Ｃｂとの差を利用し、前記表面形状を凹状、または凸状のいずれかの曲面に形成することで超音波を屈折して拡散させ、指向性を変化させるものとしている。
【００４６】
図３は、横軸にＹ方向、縦軸に音響整合層２の表面２ｓの曲率半径の大きさと、それに対応しての指向性の広さを模擬的に表わしているものである。図３では、Ｙ方向の中心部では音響整合層２の曲率半径を小さくして、両端部に行くにしたがって連続的に徐々に大きくした場合、指向性の広さはＹ方向の中心部が最も広く、両端部に行くにしたがって徐々に狭くなっていくことを表わしている。
【００４７】
例えば、音響整合層２を構成する音響整合層材料としてエポキシ樹脂が使用された場合、音速Ｃｍｌは約２．５ｋｍ／秒となる。これに対して、被検体７が例えば生体であれば、被検体の音速Ｃｂは約１．５３ｋｍ／秒となり、両者の間でＣｍｌ＞Ｃｂの関係が成立する。
【００４８】
この場合、図１、２に示すように、音響整合層２の表面の形状を被検体７に対して凸面にすれば、超音波は拡散することになるため、指向性を広くすることができる。この凸面の曲率半径をＹ方向に対して可変させることにより、それぞれの曲率半径に対応した指向性を得ることが可能になる。この際の凸面は、例えば単一の曲率半径を持たせた凸面形状等にできる。
【００４９】
また、音速の関係がこれとは逆の場合には、被検体７が同じく生体であればＣｍｌ＜Ｃｂの関係が成立する。この場合、音響整合層２の表面の形状を凹面にすれば、超音波は拡散することになるため指向性を広くすることができる。この際の凹面は、例えば単一の曲率半径を持たせた凹面形状等にできる。
【００５０】
このようにＹ方向の中心部を音響整合層の表面２ｓの曲率半径を小さくし、両端部に行くにしたがって曲率半径をほぼ連続的に大きくしていく構成にすることにより、配列方向Ｘの圧電素子１の指向性（Ｘ方向）は、Ｙ方向（幅方向）における中心部で最も指向性が広くなり、両端部にいくに従い徐々に狭くなっていくという指向特性を有することになる。
【００５１】
一方、圧電素子１の配列方向Ｘでの電子的な遅延制御による超音波ビームは、任意の距離(深さ)で絞ることができる。圧電素子１から距離が遠い(深い)領域では、それほど指向性が広くなくとも超音波ビームを絞ることができる。近い距離では指向性が大きく影響して超音波ビームの絞り度合いも変わってくるので、指向性が広い特性のものが要望される。
【００５２】
本実施形態では、中心部付近が最も指向性が広くなっているので、近い距離に電子制御で超音波ビームを絞る時に寄与するのが最も大きく、両端部に行くにしたがって寄与度は少なくなる。したがって圧電素子１のＹ方向では、中心部の領域付近の小さい開口での超音波ビームの制御となるため、近距離領域は分解能の高い超音波画像を得ることができ、更には遠距離においても、Ｙ方向の全ての幅を有効に使用することができるので、分解能の高い超音波画像を得ることができる。
【００５３】
なお、前記音響整合層２の表面２ｓの曲面形状は、圧電素子１の配列方向Ｘに対して一定の曲率半径を持たせた曲面としているが、これに限らず、例えば複数の曲率半径を有する曲面、台形、または多角形の形状に変化を持たせて指向性を可変することができるような他の形状とすることでもよい。
【００５４】
なお、前記音響整合層２の表面２ｓの曲面形状は、Ｙ方向に対して曲率半径を連続的に可変した場合について説明したが、このほか、Ｙ方向を何分割かして段階的に曲面形状を変えても同様の効果が得られる。
【００５５】
このように音響整合層２の表面２ｓの曲面形状をＹ方向に変化させる構成にすることによって、指向性の広いＹ方向中心部分では、複数の圧電素子１を多く用いて電子的に超音波ビームを偏向あるいは収束させることが可能となる。
【００５６】
これは高い周波数を利用して診断深さが浅い領域で診断する際に特に有効である。一方、Ｙ方向両端部の方は診断深さが深い領域が主となり、指向性もそれほど必要なくなり、両端部に至るまで有効に超音波を利用することができるようになる。
【００５７】
音響整合層２の曲面形状をＹ方向（幅方向）に変化させることによって、圧電素子１のＹ方向において指向性を変化させることが可能となり、見かけ上、超音波探触子１０のＹ方向の開口幅を可変している状態に近くなる。このため、診断深さが浅い領域から深い領域までの診断画像の分解能を向上させることができるようになる。
【００５８】
なお、図１、２に示す例では、音響整合層２が各圧電素子１に対応して複数個に分割配列され、分割された圧電素子１の両電極面、特に信号用電極６は信号電気端子（図示せず）に接続されて、それぞれが単独で超音波の送受信を行うことができるようになっている。
【００５９】
指向性を可変するには、このように音響整合層２を各圧電素子１に対応して分割した構成とすることが好ましくはあるが、音響整合層２を分割せず、音響整合層２の被検体７側の表面形状を、圧電素子１の配列間隔に合わせて曲面形状をＹ方向で可変する構成した場合においても、本発明特有の効果は得ることができる。
【００６０】
（第２実施形態）
次に、本発明に係る第２実施形態の超音波探触子について、図面を参照して説明する。なお、第１実施形態の超音波探触子と同様な部分には、同一の符号をつけて詳細な説明を省略する。
【００６１】
図４は、第２実施形態に係る超音波探触子１０の一部概略斜視図を示している。図４において、超音波探触子１０は、図６に示す従来技術によるものと基本的に同様であり、複数の圧電素子１と、各圧電素子１に対応して被検体７側（図の上方）となる厚さ方向Ｚ前面に配置された音響整合層２と、圧電素子１に対して音響整合層２の反対側となる厚さ方向Ｚの背面（図の下方）に配置された背面負荷材３とから構成されている。これら各構成要素のそれぞれの機能は、従来技術で説明したものと同様である。
【００６２】
圧電素子１の厚さ方向Ｚの前面には接地電極４が、背面には信号用電極５がそれぞれ設けられている。両電極４、５は、金や銀の蒸着、スパッタリング、あるいは銀の焼き付け等により圧電素子１の前面、背面にそれぞれ形成される。
【００６３】
両電極４、５は、ケーブルを介して図示しない超音波診断装置と電気的に接続され、超音波診断装置で作られる規則正しいパルス電圧を圧電素子１に印加し、逆に圧電素子１が電気信号に変換したエコー受信波を超音波診断装置本体に送信する。
【００６４】
また、図示の例では、音響整合層２は、各圧電素子１に対応して個々に分割されており、これら分割された溝の部分には音響的な結合が小さいシリコーンゴムやウレタンゴム等のような材料が充填されている。上述したように、このように音響整合層２を各圧電素子１に対応して分割して構成することにより、超音波の指向性を広くする効果が得られる。
【００６５】
本実施形態に係る超音波探触子１０で使用する音響整合層２は、厚さ方向において音響インピーダンスが連続的に変化する特性を有している。
すなわち、音響整合層２の圧電素子１側（または接地電極６側）に位置する部分は、圧電素子１に近い音響インピーダンスを有する。また、音響整合層２の被検体７側に位置する部分は、被検体７に近い音響インピーダンスを有する。
【００６６】
そして、音響整合層２の圧電素子１側に位置する部分と、被検体７側に位置する部分との間で、音響インピーダンスは厚さ方向に連続的に傾斜している。より具体的には、音響整合層２の接地電極４側の音響インピーダンスは、約３０メガレイル（圧電素子１がＰＺＴ系のような圧電セラミックの場合）、被検体７側の音響インピーダンスは約１．５メガレイルほどであり、その間で音響インピーダンスは連続的に変化している。
【００６７】
このような音響インピーダンスの連続的な変化は、例えば図７を参照して従来技術の項で示したように、音響整合層２を、圧電素子１にほぼ等しい音響インピーダンスを有する円錐状または四角錐等の多角錐状をした第１の音響整合材２２aと、被検体７にほぼ等しい音響インピーダンスを有する残余の部分を占める第２の音響整合材２２ｂとを、厚さ方向Ｚに組み合わせて構成することにより得られる。
【００６８】
この方法以外にも、例えば、被検体に近い音響インピーダンスの樹脂に、タングステン粉等のように比重の高い（音響インピーダンスの大きい）粉体を充填して、樹脂中で粉体充填度合いを厚さ方向に傾斜させること等、他の代替の方法によっても音響インピーダンスの連続的な変化を得ることができる。
【００６９】
音響インピーダンスをこのように連続的に傾斜させた音響整合層２を用いることにより、周波数の広帯域化が可能となる。加えて、上述したような音響インピーダンスを連続的に変化させる音響整合層２を用いた場合に、信号強度分布は周波数に依存することがなくなり、音響整合層２の厚さを使用周波数帯の約１／２波長以上とすれば、その厚さと周波数特性とはあまり関係しない。
【００７０】
複数の圧電素子を一方向に配列したいわゆる電子走査型の超音波探触子では、指向性を如何に広くできるか、あるいは任意に変えることができるかが超音波画像の分解能を向上させる重要なポイントである。本実施形態は、音響インピーダンスを連続的に傾斜させた音響整合層２では厚さが周波数特性に影響しないことに着目し、これを積極的に利用して、音響整合層２の被検体側の表面２ｓを圧電素子１の配列方向に沿って曲面に形成して指向性を広くし、且つ、Ｙ方向に対して曲面形状に変化を持たせて指向性にも変化を持たせる構成にしている。
【００７１】
すなわち、音響整合層２の表面形状に曲面を持たせ、曲面形状を変えることで圧電素子１の配列方向に超音波ビームの拡散をＹ方向に変化を持たせることを可能にしている。
具体的には、音響整合層２の表面付近の音速Ｃｍｌと被検体の音速Ｃｂとの差を利用し、前記表面形状を凹状、または凸状のいずれかの曲面に形成することで超音波を屈折して拡散させ、指向性を広く、また変化させるものとしている。
【００７２】
例えば、音響整合層２を構成する一方の音響整合材（図７の符号２２ｂ）としてシリコーンゴムが使用された場合、音響整合層２の被検体側の音速Ｃｍｌは約１０0ｋｍ／秒となる。これに対して被検体７が例えば生体であれば、被検体の音速Ｃｂは約１．５３ｋｍ／秒となり、両者の間でＣｍｌ＜Ｃｂの関係が成立する。
【００７３】
この場合、音響整合層２の表面２ｓの形状を被検体７に対して凹面にすれば、超音波は拡散することになるため指向性を広くすることができる。この凹面の曲率半径をＹ方向に対して可変させることにより、それぞれの曲率半径に対応した指向性を得ることが可能になる。この際の凹面は、例えば単一の曲率半径を持たせた凹面形状等とすることができる。
【００７４】
また音速の関係がこれとは逆、即ち、音響整合層２を構成する音響整合材としてエポキシ樹脂等を主体とした材料が使用された場合、音響整合層２の被検体側の音速Ｃｍｌは約２〜２．６ｋｍ／秒となり、被検体が同じく生体であればＣｍｌ＞Ｃｂの関係が成立する。
【００７５】
この場合、音響整合層２の被検体７側にある表面２ｓの形状を図３に示すような凸面にすれば、超音波は拡散することになるため指向性を広くすることができる。この凸面の曲率半径をＹ方向に対してほぼ連続的に可変させることにより、それぞれの曲率半径に対応した指向性を得ることが可能になる。この際の凸面は、例えば単一の曲率半径を持たせた凸面形状等とすることができる。
【００７６】
このように音響整合層２の被検体７側の表面２ｓを被検体の音速との関係に応じて曲面に形成し、且つＹ方向に対して曲面形状を変えることにより、任意の指向性を持たせることができる。このような構成とする場合、圧電素子１の配列方向Ｘに対して音響整合層２の表面が曲面となってその厚さが変化することになる。
【００７７】
このことは従来の構成である単層、または複数層からなる音響整合層であれば、厚さが変化することによって周波数特性が変動するため、所望の特性を得ることができなくなることを意味している。すなわち、従来の形式の音響整合層のままであれば、周波数特性か、指向性かのどちらかを犠牲にしなければならなかった。
【００７８】
これに対して、本実施形態に係る音響インピーダンスが、連続的に傾斜した音響整合層２を使用した場合、音響整合層２の厚さを使用周波数帯の１／２波長以上にしておけば、表面を曲面に形成してその厚さが変化してもこれによる周波数特性への影響がなく、音響インピーダンスの連続的な変化による周波数の広帯域化が図れることに加えて、指向性を広くすることが達成される超音波探触子を得ることができる。
【００７９】
なお、前記音響整合層２の表面２ｓの曲面形状は、圧電素子１の配列方向に対して一定の曲率半径を持たせた曲面としているが、これに限らず、例えば複数の曲率半径を有する曲面、台形、または多角形の形状に変化を持たせて指向性を可変することができるような他の形状とすることでもよい。
【００８０】
また、前記音響整合層２の表面の曲面形状は、Ｙ方向に対して曲率半径を連続的に可変した場合について説明したが、このほか、Ｙ方向を何分割かして段階的に曲面形状を変えても同様の効果が得られる。
【００８１】
このように、音響整合層２表面の曲面形状をＹ方向に変化させる構成とすることによって、指向性の広いＹ方向中心部分では複数の圧電素子１を多く用いて電子的に超音波ビームを偏向あるいは収束させることが可能となる。
【００８２】
これは、高い周波数を利用して診断深さが浅い領域で診断する際に特に有効である。一方、Ｙ方向両端部の方は診断深さが深い領域が主となり、指向性もそれほど必要なくなり、端部に至るまで有効に超音波を利用することができるようになる。
【００８３】
音響整合層２の曲面形状をＹ方向に変化させることによって、圧電素子１の幅方向において指向性を変化させることが可能となり、見かけ上、超音波探触子１０の開口幅を可変している状態に近くなる。このため、診断深さが浅い領域から深い領域までの診断画像の分解能を向上させることができるようになる。
【００８４】
なお、図３に示す例では、音響整合層２が各圧電素子１に対応して複数個に分割配列され、分割された圧電素子１の両電極面、特に信号用電極５は信号電気端子（図示せず）に接続されて、それぞれが単独で超音波の送受信を行うことができるようになっている。
【００８５】
指向性を可変とするには、このように音響整合層２を各圧電素子１に対応して分割した構成とすることが好ましくはあるが、音響整合層２を分割せず、但し、音響整合層２の被検体側の表面形状を圧電素子１の配列間隔に合わせて、曲面形状をＹ方向で可変する構成した場合においても本願特有の効果を得ることができる。
【００８６】
（第３実施形態）
次に、本発明に係る第３実施形態の超音波探触子について図面を参照して説明する。図５は、本実施形態に係る超音波探触子１０の一部概略斜視図を示している。
【００８７】
図５において、超音波探触子１０は、図６に示す従来技術によるものと基本的に同様であり、複数の圧電素子１と、各圧電素子１に対応して被検体７側（図の上方）となる厚さ方向Ｚの前面に配置された音響整合層２と、圧電素子１に対して音響整合層２の反対側となる厚さ方向Ｚの背面（図の下方）に配置された背面負荷材３とから構成されている。これら各構成要素のそれぞれの機能は、従来技術で説明したものと同様である。
【００８８】
ここで、圧電素子１の配列方向Ｘと直交する方向Ｙの厚みは、Ｙ方向において中心付近では薄く端部に行くにしたがって厚くなるように不均一にし、曲面形状にしている。この圧電素子１の厚みを不均一にすることにより、超音波ビームの焦点深度を長くすることができ、且つ広帯域の周波数特性が得られて分解能を向上させるという特徴がある。
【００８９】
圧電素子１のＹ方向の中心付近は、厚みが薄いため高い周波数成分の超音波が送受信され、両端部にいくにしたがって厚くなるので、低い周波数成分の超音波が送受信されることになる。一方、圧電素子１の配列方向Ｘの幅は、圧電素子１の配列方向Ｘと直交する方向Ｙに対しては同じである。
【００９０】
前記直交する方向Ｙにおいて、圧電素子１は中心部の厚みが薄いので周波数が高く、両端に行くに従い厚くなるので周波数が低くなっている構成において、圧電素子１の配列方向Ｘに対しての超音波の指向性は中心部の高い周波数の方が狭くなり、両端部の周波数が低い方は広くなっている。
【００９１】
圧電素子１の配列方向Ｘにおいては、複数個の圧電素子１を電子的に遅延をかけて位相制御し、超音波ビームを絞るあるいは偏向させるため、超音波の指向性は広いことが高分解能の超音波画像を得るために望ましい。
【００９２】
しかし、この構成では、圧電素子１の中心部は指向性が狭いため位相制御できる範囲は狭くなり、結果として高分解能の超音波画像を得ることが難しくなるという課題がある。これに対して、本実施形態では、音響整合層２の被検体側表面の形状を、Ｙ方向に曲面形状となるように変化を持たせることによって解消できるものである。
【００９３】
すなわち、Ｙ方向の中心部に位置する部分は圧電素子1の厚みが薄いため、高い周波数成分を有しており、両端部に行くにしたがい圧電素子１は厚くなるため、低い周波数成分になる。この周波数の変化に対応したように、指向性を変化させるように、音響整合層２の被検体側の表面の形状を曲面にし、しかも曲面形状（曲率半径）を、高い周波数成分を持つ中心部では小さくして指向性を広くし、両端部に行くにしたがいほぼ連続的に徐々に曲率半径を大きくしていくようにすることによって、それぞれの位置の周波数に対応して指向性を可変させることが可能になる。
【００９４】
これにより、従来のような高い周波数成分を有する中心部での指向性が狭くなるという問題は解消できる。したがって、周波数の高い中心部の指向性を、周波数成分の低い両端部の指向性と同じにすることも、また、広くすることも音響整合層２の表面２ｓの曲面形状を任意に選択することで可能となる。
【００９５】
なお、音響整合層２の被検体側の表面形状の曲面は、第１、２実施形態で説明したように、音響整合層２と被検体の音速の比で凸面の曲面にするか凹面の曲面にするかを選択することができる。
【００９６】
また、音響整合層２は、音響インピーダンスを連続的に変化させる材料を用いた場合に、音響整合層２の厚さを使用周波数帯の約１／２波長以上とすればその厚さと周波数特性とはあまり関係しないため、両端部の低い周波数の１／２波長以上とすれば厚みは均一の厚みでもよく、Ｙ方向での曲面形状に変化を持たせることが容易になるという長所がある。
【００９７】
なお、前記音響整合層２の表面２ｓの曲面形状は、圧電素子１の配列方向Ｘに対して一定の曲率半径を持たせた曲面としているが、これに限らず、例えば複数の曲率半径を有する曲面、台形、または多角形の形状に変化を持たせて指向性を可変することができるような他の形状とすることでもよい。
【００９８】
また、前記音響整合層２の表面の曲面形状は、Ｙ方向に対して曲率半径を連続的に可変した場合について説明したが、このほか、Ｙ方向を何分割かして段階的に曲面形状を変えても同様の効果が得られる。
【００９９】
このように、音響整合層２表面の曲面形状をＹ方向に変化させる構成とすることによって、指向性の広いＹ方向中心部分では、複数の圧電素子１を多く用いて電子的に超音波ビームを偏向あるいは収束させることが可能となる。
【０１００】
これは、高い周波数を利用して診断深さが浅い領域で診断する際に特に有効である。一方、Ｙ方向端部の方は、診断深さが深い領域が主となり、指向性もそれほど必要なくなり、端部に至るまで有効に超音波を利用することができるようになる。
【０１０１】
音響整合層２の曲面形状を幅方向Ｙに変化させることによって、圧電素子１の幅方向Ｙにおいて指向性を変化させることが可能となり、見かけ上、超音波探触子１０の開口幅を可変している状態に近くなる。このため、診断深さが浅い領域から深い領域までの診断画像の分解能を向上させることができるようになる。
【０１０２】
なお、図５に示す例では、音響整合層２が各圧電素子１に対応して複数個に分割配列され、分割された圧電素子１の両電極面、特に信号用電極５は信号電気端子（図示せず）に接続されて、それぞれが単独で超音波の送受信を行うことができるように構成されている。
【０１０３】
指向性を可変するには、このように音響整合層２を各圧電素子１に対応して分割した構成とすることが好ましくはあるが、音響整合層２を分割せず、但し、音響整合層２の被検体側の表面形状を圧電素子１の配列間隔に合わせて、曲面形状をＹ方向で可変する構成とした場合においても、本発明特有の効果は得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１０４】
本発明に係る超音波探触子は、人体等の被検体の超音波診断を行う各種医療分野、さらには材料や構造物の内部探傷を目的とした工業分野において利用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】本発明に係る第１実施形態の超音波探触子を示す概略斜視図である。
【図２】図１に示す超音波探触子の１つの態様を示す部分拡大側面図である。
【図３】音響整合層表面の曲率半径と指向性の関係を示す定性的な模式図である。
【図４】本発明に係る第２実施形態の超音波探触子を示す概略斜視図である。
【図５】本発明に係る第３実施形態の超音波探触子を示す概略斜視図である。
【図６】従来技術による超音波探触子の構成を示す概略斜視図である。
【図７】従来技術による音響インピーダンスが連続して傾斜する音響整合層の構成を示す概略斜視図である。
【符号の説明】
【０１０６】
１  圧電素子
２  音響整合層
３  背面負荷材
４  接地電極
５  信号用電極
６  電気端子
７  被検体
１０  超音波探触子
１１  圧電素子
１２  音響整合層
１３  音響レンズ
１４  背面負荷材
２０  超音波探触子
２２  音響整合層
２２ａ  第１の音響整合材
２２ｂ  第２の音響整合材
【図１】
2007075130.tif 000003
【図２】
2007075130.tif 000004
【図３】
2007075130.tif 000005
【図４】
2007075130.tif 000006
【図５】
2007075130.tif 000007
【図６】
2007075130.tif 000008
【図７】
2007075130.tif 000009