【手続補正書】
【提出日】平成20年2月8日(2008.2.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハーモニックイメージングのための超音波トランスデューサであり、電気信号の入力に応じて中心周波数ｆ0を有する基本超音波を送信する送信用超音波振動子と、基本超音波によって対象物に発生する中心周波数ｎｆ0(ｎは２以上の整数)を有するハーモニック信号を受信する受信用超音波振動子とを有しており、送信用超音波振動子は送信用圧電振動子を有し、受信用超音波振動子は受信用圧電振動子を有しており、送信用圧電振動子と受信用圧電振動子は同一面上に配置されており、送信用圧電振動子と受信用圧電振動子は、(ｇ33r・Ｖr・Ｑr)/(ｇ33t・Ｖt・Ｑt)≧ｎ・(１＋Ｒ)を満たしており、ここに、ｇ33tとＶtはそれぞれ送信用圧電振動子の電圧出力係数と音速、ｇ33rとＶrはそれぞれ受信用圧電振動子の電圧出力係数と音速、ｎはハーモニック次数、Ｒは面積比(受信用圧電振動子の面積/送信用圧電振動子の面積)であり、また、ＱtとＱrはそれぞれ送信用超音波振動子と受信用超音波振動子の共振尖鋭度である、超音波トランスデューサ。
【請求項２】
送信用超音波振動子は、中心周波数における機械的共振尖鋭度Ｑが１〜５の間にある、請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項３】
送信用圧電振動子の材料は、ｄ33＞２００×１０-12[ｍ/Ｖ]を満足する圧電定数ｄ33と、７０＜Ｑｍ＜１０００を満足する機械的品質係数Ｑｍとを有している、請求項２に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項４】
送信用超音波振動子は、送信用圧電振動子の背面に配置されたバッキング層を更に有しており、バッキング層は、５ｄＢ/ｃｍ/ＭＨｚよりも大きい超音波減衰率と、送信用圧電振動子の音響インピーダンスＺｐの１/３以下の音響インピーダンスＺｄとを有している、請求項２に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項５】
送信用圧電振動子は、エネルギー閉じ込め電極を有している、請求項２に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項６】
受信用超音波振動子は、２ｆ0の中心周波数を有し、その中心周波数における機械的共振尖鋭度Ｑが１〜５の間にある、請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項７】
受信用超音波振動子は、３ｆ0の中心周波数を有し、その中心周波数における機械的共振尖鋭度Ｑが１〜５の間にある、請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項８】
受信用圧電振動子の圧電材料は、電圧出力係数ｇ33が高く、縦波音速が速い材料である、請求項６または請求項７に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項９】
電圧出力係数ｇ33が高く、縦波音速が速い材料が、化学式Ｋ(Ｎｂ1-xＴａx)Ｏ3、０≦ｘ≦０．２で表される圧電単結晶である、請求項８に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１０】
電圧出力係数ｇ33が高く、縦波音速が速い材料が、チタン酸鉛系圧電セラミクスである、請求項８に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１１】
電圧出力係数ｇ33が高く、縦波音速が速い材料が、Ｂｉ4Ｔｉ3Ｏ12またはＭａ1-xＭｂxＢｉ2ＭｃＯ8、０≦ｘ≦０．２の化学式で表されるビスマス層状構造強誘電体(ＢＬＳＦ)であり、ここに、ＭａとＭｂはＳｒやＢａ等のアルカリ土類金属元素、ＭｃはＴａやＮｂ等の＋５価金属元素である、請求項８に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１２】
受信用圧電振動子は、エネルギー閉じ込め電極を有している、請求項６に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１３】
受信用超音波振動子は、受信用圧電振動子の背面に配置されたバッキング層を有しており、バッキング層の材料は、５ｄＢ/ｃｍ/ＭＨｚよりも大きい超音波減衰率と、受信用圧電振動子の音響インピーダンスＺｐの１/３以下の音響インピーダンスＺｄとを有している、請求項６に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１４】
請求項１に記載の超音波トランスデューサと、これを駆動制御する駆動制御手段とを有する超音波トランスデューサシステムであり、駆動制御手段は、少なくとも２ｆ0の成分が抑圧された超音波を送信用超音波振動子に発生させる、超音波トランスデューサシステム。
【請求項１５】
駆動制御手段は、中心周波数がｆ0にあり、第一ディップ周波数が２ｆ0にある周波数特性を有している駆動パルス信号を送信用超音波振動子に供給する、請求項１４に記載の超音波トランスデューサシステム。
【請求項１６】
駆動制御手段は、バースト波の駆動パルス信号を送信用超音波振動子に供給する、請求項１５に記載の超音波トランスデューサシステム。
【請求項１７】
送信用超音波振動子は、送信用圧電振動子に、少なくとも圧電定数と誘電率のいずれか一方に関する傾斜機能特性を与える手段を有している、請求項１４に記載の超音波トランスデューサシステム。
【請求項１８】
傾斜機能特性を与える手段は、送信用圧電振動子に、その厚さ方向に沿って、温度勾配を与えるヒーターを有している、請求項１７に記載の超音波トランスデューサシステム。
【請求項１９】
送信用圧電振動子は、少なくとも圧電定数と誘電率のいずれか一方に傾斜機能特性を有している、請求項１４に記載の超音波トランスデューサシステム。
【請求項２０】
送信用圧電振動子は、少なくとも圧電定数と誘電率のいずれか一方が厚さ方向に沿って単調に変化する傾斜圧電材料を有している、請求項１９に記載の超音波トランスデューサシステム。
【請求項２１】
傾斜機能特性は、少なくとも圧電定数と誘電率のいずれか一方が少しづつ異なっている互いに積層された複数の圧電薄板を有している、請求項１９に記載の超音波トランスデューサシステム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
更に、中心周波数ｆ0の超音波の送信と中心周波数２ｆ0の超音波の受信を同一の超音波振動子で行なっているため、受信超音波信号に基本波や種々の不要振動が重畳してしまうことが避けられず、これらを除去するための手段が必要である。この様な状況は前述した造影剤を用いたコントラストハーモニックイメージングでも同様である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１８に示される従来の超音波トランスデューサでは、送信用圧電振動子と受信用圧電振動子が重ねて配置されているため、送信された超音波が、受信用圧電振動子を透過する際に、受信用圧電振動子を励振し、その振動によって変調を受ける結果になる。これは送信超音波に最初から受信用圧電振動子の共振周波数の振動が混在することを意味する。すなわち、これは、受信用圧電振動子で検出された信号が、超音波造影剤からの高調波信号であるか、送信時に混在した信号であるかを判断できないことを意味する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
しかし、図１８に示される従来の超音波トランスデューサでは、受信用圧電振動子が非共振形の非線形特性をもっているので、受信信号も、高調波信号レベルが基本波に対し、−２０ｄＢ低いと言う状況は変わらず、高調波信号を高い選択性で検出するための構成を特に有していない。この場合に、高調波信号レベルが基本波と同レベルかそれ以上の信号レベルになるような信号処理が必要である。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ひとつには、ハーモニックイメージングのための超音波トランスデューサであり、電気信号の入力に応じて中心周波数ｆ0を有する基本超音波を送信する送信用超音波振動子と、基本超音波によって対象物に発生する中心周波数ｎｆ0(ｎは２以上の整数)を有するハーモニック信号を受信する受信用超音波振動子とを有しており、送信用超音波振動子は送信用圧電振動子を有し、受信用超音波振動子は受信用圧電振動子を有しており、送信用圧電振動子と受信用圧電振動子は同一面上に配置されており、送信用圧電振動子と受信用圧電振動子は、(ｇ33r・Ｖr・Ｑr)/(ｇ33t・Ｖt・Ｑt)≧ｎ・(１＋Ｒ)を満たしており、ここに、ｇ33tとＶtはそれぞれ送信用圧電振動子の電圧出力係数と音速、ｇ33rとＶrはそれぞれ受信用圧電振動子の電圧出力係数と音速、ｎはハーモニック次数、Ｒは面積比(受信用圧電振動子の面積/送信用圧電振動子の面積)であり、また、ＱtとＱrはそれぞれ送信用超音波振動子と受信用超音波振動子の共振尖鋭度である。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
【発明の実施の形態】
[第一の実施の形態]
本発明者らは、送信用圧電振動子と受信用圧電振動子が重ねて配置されている前述の従来の超音波トランスデューサの更なる改善として、特願２０００−７２８５４号において、送信用圧電振動子と受信用圧電振動子が同一面上に配置されている面内分離型超音波トランスデューサを提案している。その構成を図１に示す。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
受信用圧電振動子３０４は、円板状の圧電材料と、その対向面の全面に形成された一対の電極とを有しており、同様に、送信用圧電振動子３０２は、輪帯板形状の圧電材料と、その対向面の全面に形成された一対の電極とを有している。受信用圧電振動子３０４の前側すなわち超音波出射面側の電極は、配線３１６により、送信用圧電振動子３０２の前側すなわち超音波出射面側の電極に電気的に接続されており、送信用圧電振動子３０２の前側の電極は配線３１８によりハウジング３０６に電気的に接続されている。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２８】
図２(Ａ)と図２(Ｂ)は、図１に示される面内分離型超音波トランスデューサの送信用圧電振動子と受信用圧電振動子をモデル的に表している。図２(Ａ)に示されるように、送信用圧電振動子３０２は輪帯状の形状を有し、受信用圧電振動子３０４は円板状の形状を有しており、受信用圧電振動子３０４は送信用圧電振動子３０２の内側に位置している。図２(Ｂ)において、受信用円板状圧電振動子３０４には、２次または３次のハーモニック信号３４４だけでなく、送信超音波３４２に含まれる全ての周波数成分の超音波がハーモニック信号に重畳して到達する。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
面内分離型超音波トランスデューサでは、図２(Ａ)から分かるように、送信用圧電振動子の面積は、開口の全面で送受信する面内送受信一体型超音波トランスデューサと比較して減少している。また、図２(Ｂ)に示されるように、受信用圧電振動子の厚さは、受信するハーモニック信号の次数の増加に伴って減少する。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】
以下、送信用圧電振動子の面積と受信用圧電振動子の厚さの低下に伴う感度低下について考察し、送信用圧電振動子３０２と受信用圧電振動子３０４の圧電材料を適当に選ぶことにより、良好な感度が得られることを示す。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
送信用圧電振動子３０２の面積をＳtとし、受信用圧電振動子３０４の面積をＳrとすると、従来の面積がＳt＋Ｓrの面内送受信一体型超音波トランスデューサと比較して、送信超音波エネルギーは、ほぼＳt/(Ｓt＋Ｓr)に低下している。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３５】
更に超音波受信応力Ｔが送信用圧電振動子の面積に比例すると考えると、Ｖout＝ｇ33r・Ｖr・Ｔ/２ｆr＝ｇ33r・Ｖr・Ｓr・Ｐ0/２ｆr＝ｇ33r・Ｖr・Ｓt・ｄ33t・Ｖdrive/２ｆr・・・(４)また、受信超音波がｎ次のハーモニック信号であれば、Ｖout＝ｇ33r・Ｖr・Ｓt・ｄ33t・Ｖdrive/２ｎｆr・・・(５)となる。ここに、Ｓtは送信用圧電振動子の面積、Ｐ0は送信用超音波振動子が発生する単位面積当たりの超音波音圧、ｄ33tは送信用圧電振動子の圧電定数、Ｖdriveは送信用超音波振動子に印加する駆動電圧である。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４０】
この超音波トランスデューサでは、送信用圧電振動子３５２と受信用圧電振動子３５４は共に、同じ厚さで同じ圧電材料、例えば、縦波音速Ｖt＝４２６０[ｍ/ｓ]、電圧出力係数ｇ33t＝３０×１０-3[Ｖｍ/Ｎ]のＰＺＴ系圧電材料の圧電振動子を備えている。
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４１】
図３(Ａ)と図３(Ｂ)の超音波トランスデューサでは、受信用圧電振動子３５４は送信にも使えるので、従来の一体型超音波トランスデューサによる基本波パルスエコー診断と同じ送受信となり、図３(Ａ)と図３(Ｂ)の超音波トランスデューサの送信面積は実質的にＳt＋Ｓrとなる。
【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４６】
送信用超音波振動子の機械的共振尖鋭度Ｑtは、５以上だと、送信超音波パルスの尾曳きが長くなり、深さ方向分解能を悪化させ、また１以下だと、基本波超音波の帯域が広くなり過ぎ、２ｆ0における基本波成分混入量が多くなり、Ｓ/Ｎを低下させる。従って、Ｑtの値は１ないし５の間にあるとよい。
【手続補正１７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４７】
また受信用超音波振動子の機械的共振尖鋭度Ｑrは、５以上だと、受信電圧Ｖrnの尾曳きが長くなり、深さ方向分解能を悪化させ、また１以下だと、受信電圧Ｖrnの帯域が広くなり過ぎて基本波成分比率が大きくなり、Ｓ/Ｎを低下させる。従って、Ｑrの値は１ないし５の間にあるとよい。
【手続補正１８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５４】
ここで、Ｑt＝１、Ｑr＝５とし、これらの値とそれぞれの材料定数を(９)式の左辺に代入すると、左辺＝１２．７となる。Ｒ＝１、すなわち送信面積＝受信面積のとき、ｎ＝６を取り得るので、６次のハーモニック信号まで良好な受信が可能である。実際にはＱrの値が大き過ぎると、時間軸パルス幅が大きくなり、深さ方向分解能を低下させてしまうので、Ｑrの値は小さい方が好ましい。Ｑr＝２．５に低下させると、(９)式の左辺は６．４となり、ｎ＝３を取り得るので、３次のハーモニック信号まで良好な受信が可能になる。
【手続補正１９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５５】
また、送信用超音波振動子のＱt＝２、Ｒ＝１とすると、Ｑr＝３．２で、ｎ＝２を取り得るので、３次のハーモニック信号まで良好な受信が可能となる。更にＲ＝０．５、すなわち受信面積Ｓrが送信面積の１/２のとき、Ｑt＝２、Ｑr＝２．４で、ｎ＝２を取り得るので、２次のハーモニック信号まで良好な受信が可能となる。
【手続補正２０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５９】
面積比Ｒ(＝Ｓr/Ｓt)を０．５とすると、ＱtとＱrの相対的な設定により、前述した様に全面開口且つ基本波送受信の場合と同程度の信号レベルで、ハーモニック信号を受信できる。
【手続補正２１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７０】
超音波出射側の電極３８２は、図１において、円環状圧電振動子の内側に配置された円板状圧電振動子３０４の表側電極と配線３１６により接続され、配線３１８によりハウジング３０６と接続される。
【手続補正２２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７１】
通常の全面電極を有する円環状圧電振動子は、共振周波数で分割振動が起こることがある。このような分割振動の発生は、送信超音波音圧を低減させるだけでなく、送信用超音波振動子の中心周波数と受信用超音波振動子の中心周波数の比を１：２からずらし、正確な基本波のみの送信とハーモニック信号のみの受信を妨げる。
【手続補正２３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７２】
本変形例の円環状圧電振動子は、エネルギー閉じ込め電極構造を有しているため、共振周波数近傍における分割振動が発生し難い。これは、送信用超音波振動子の中心周波数と受信用超音波振動子の中心周波数の比を正確に１：２に維持するのを可能にし、効果的なハーモニックイメージングの実現に好ましい。
【手続補正２４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８７】
図１０は、スパイク波の駆動信号の周波数特性における第一ディップ周波数の立ち下がり時間ｔfに対する特性が示されている。図１１に示される第一ディップ周波数の特性曲線から、１０ＭＨｚの周波数の２次ハーモニック信号の検出においては、立ち下がり時間ｔｆを９９ｎｓに設定することにより、２ｆ0成分が抑圧された基本波超音波が得られることが分かる。その結果、−２．５[ｄＢ/ＭＨｚ]×(１０ＭＨｚ−５ＭＨｚ)＝−１２．５ｄＢのレベルダウンが実現出来る。一方でディップにおけるレベルダウンも減るが、双方の効果で−１２．５ｄＢ以上のレベルダウンが実現出来ることは明白である。
【手続補正２５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８９】
また、図１１(Ａ)は、送信用圧電振動子に供給される駆動信号の別の一例である台形波の駆動電圧波形４３２を示している。図１１(Ｂ)は、その台形波の駆動電圧波形４３２の周波数特性を示しており、第一ディップ周波数近傍の負の傾き４３６と、第一ディップ周波数４４２と、第二ディップ周波数４４４と、第一ピーク周波数４４６とが示されている。
【手続補正２６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１２０】
例えば、圧電体薄膜５２６ａ、５２６ｂ、・・・、５２６ｚは、誘電率を除く他の定数はキューリー温度以外は殆ど差異がなく、最も上側すなわち超音波出射面側の圧電体薄膜５２６ａは３２００の誘電率を有し、最も下側の圧電体薄膜５２６ｚは２２００の誘電率を有しており、全体として、図１７に示される傾斜機能特性を有している。
【手続補正２７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１２２】
傾斜機能型圧電振動子の圧電体層は、誘電率または圧電定数またはその両方が異なる圧電体薄膜が積層されたものに限定されるものではなく、少なくとも圧電定数と誘電率のいずれか一方に傾斜機能特性を有していればよく、例えば、板状の圧電体の片面の面から不純物イオンを拡散させることにより形成されたものであってもよい。