(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024118648
(43)【公開日】2024-09-02
(54)【発明の名称】超音波トランスデューサ
(51)【国際特許分類】
H04R 17/00 20060101AFI20240826BHJP
A61B 8/00 20060101ALI20240826BHJP
H04R 3/00 20060101ALI20240826BHJP
【ＦＩ】
H04R17/00 330H
A61B8/00
H04R17/00 332
H04R3/00 330
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023025038
(22)【出願日】2023-02-21
(71)【出願人】
【識別番号】305027401
【氏名又は名称】東京都公立大学法人
(74)【代理人】
【識別番号】100165179
【弁理士】
【氏名又は名称】田▲崎▼ 聡
(74)【代理人】
【識別番号】100175824
【弁理士】
【氏名又は名称】小林 淳一
(74)【代理人】
【識別番号】100152272
【弁理士】
【氏名又は名称】川越 雄一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100181722
【弁理士】
【氏名又は名称】春田 洋孝
(72)【発明者】
【氏名】田川 憲男
【テーマコード（参考）】
4C601
5D019
【Ｆターム（参考）】
4C601BB03
4C601EE04
4C601EE14
4C601GB06
4C601GB15
4C601HH05
4C601HH12
5D019BB19
5D019BB25
5D019BB29
5D019FF03
(57)【要約】
【課題】単一の送受信系で送信波形を動的に変化できる超音波トランスデューサを提供すること。
【解決手段】超音波トランスデューサは、対向する第１主面及び第２主面を有する圧電素子と、圧電素子の第１主面に形成された第１電極層と、圧電素子の第２主面に形成された第２電極層と、第２電極層に形成された複数の圧電層と、複数の圧電層の各々の厚さを制御する制御部とを備え、圧電素子の第１主面は平坦であり、超音波の出射方向に対して垂直である。
【選択図】図１
【解決手段】超音波トランスデューサは、対向する第１主面及び第２主面を有する圧電素子と、圧電素子の第１主面に形成された第１電極層と、圧電素子の第２主面に形成された第２電極層と、第２電極層に形成された複数の圧電層と、複数の圧電層の各々の厚さを制御する制御部とを備え、圧電素子の第１主面は平坦であり、超音波の出射方向に対して垂直である。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
対向する第１主面及び第２主面を有する圧電素子と、
前記圧電素子の前記第１主面に形成された第１電極層と、
前記圧電素子の前記第２主面に形成された第２電極層と、
前記第２電極層に形成された複数の圧電層と、
複数の前記圧電層の各々の厚さを制御する制御部と
を備え、
前記圧電素子の前記第１主面は平坦であり、超音波の出射方向に対して垂直である、超音波トランスデューサ。
前記圧電素子の前記第１主面に形成された第１電極層と、
前記圧電素子の前記第２主面に形成された第２電極層と、
前記第２電極層に形成された複数の圧電層と、
複数の前記圧電層の各々の厚さを制御する制御部と
を備え、
前記圧電素子の前記第１主面は平坦であり、超音波の出射方向に対して垂直である、超音波トランスデューサ。
【請求項2】
前記制御部は、複数の前記圧電層の各々と前記第２電極層との間に印加する電圧を制御する、請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項3】
対向する第１主面及び第２主面を有する圧電素子と、
前記圧電素子の前記第１主面に形成された第１電極層と、
前記圧電素子の前記第２主面に形成された第２電極層と、
前記第１電極層に形成される複数の貫通孔を有するマスクと
を備え、
前記マスクは、超音波の出射方向に対して垂直、且つ平坦な面を有する、超音波トランスデューサ。
前記圧電素子の前記第１主面に形成された第１電極層と、
前記圧電素子の前記第２主面に形成された第２電極層と、
前記第１電極層に形成される複数の貫通孔を有するマスクと
を備え、
前記マスクは、超音波の出射方向に対して垂直、且つ平坦な面を有する、超音波トランスデューサ。
【請求項4】
対向する第１主面及び第２主面を有する複数の圧電素子と、
複数の前記圧電素子の前記第１主面に形成された複数の第１電極層と、
複数の前記圧電素子の前記第２主面に形成された第２電極層と、
複数の前記圧電素子の各々から出射される超音波のオンオフを切り替える制御部と
を備え、
複数の前記圧電素子は、前記超音波の出射方向に対して垂直、且つ平坦な面を有する、超音波トランスデューサ。
複数の前記圧電素子の前記第１主面に形成された複数の第１電極層と、
複数の前記圧電素子の前記第２主面に形成された第２電極層と、
複数の前記圧電素子の各々から出射される超音波のオンオフを切り替える制御部と
を備え、
複数の前記圧電素子は、前記超音波の出射方向に対して垂直、且つ平坦な面を有する、超音波トランスデューサ。
【請求項5】
前記制御部は、複数の前記圧電素子の各々に印加する電圧をオンオフする、請求項４に記載の超音波トランスデューサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、超音波トランスデューサに関する。
【背景技術】
【0002】
超音波イメージングでは、アレイトランスデューサの使用が一般的である。２次元（２Ｄ）アレイによる３次元（３Ｄ）イメージングはその電子回路の複雑さに起因する製造コスト増が課題となっている。送受信系の簡潔化、例えば送受信を１つの回路で実現する３Ｄセンサの開発は、小型化と価格軽減につながる。その結果、３Ｄセンシングの適用性が大幅に広がることになる。
医療系では、センサの小型化はカテーテル画像等の進化に貢献し、センサの低価格化は体表面貼付に適するため常時計測（心臓など）に貢献する。５Ｇ通信環境を活用し、空中や水中でのセンサネットワークとしての展開も期待できる。
医療系では、センサの小型化はカテーテル画像等の進化に貢献し、センサの低価格化は体表面貼付に適するため常時計測（心臓など）に貢献する。５Ｇ通信環境を活用し、空中や水中でのセンサネットワークとしての展開も期待できる。
【0003】
送受信用の単一振動子の超音波が出射する面に、厚さが局所的に不規則に異なる音響マスクを貼付して、空間変調波の送受信により３次元画像を得る技術が知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0004】
【非特許文献1】Ｐ． Ｋｒｕｉｚｉｎｇａ， Ｐｉｍ ｖａｎ ｄｅｒ Ｍｅｕｌｅｎ， Ａ． Ｆｅｄｊａｊｅｖｓ， Ｆ． Ｍａｓｔｉｋ， Ｇ． Ｓｐｒｉｎｇｅｌｉｎｇ， Ｎｉｃｏ ｄｅ Ｊｏｎｇ， Ｊ． Ｇ． Ｂｏｓｃｈ， ａｎｄ Ｇ． Ｌｅｕｓ， “Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ３Ｄ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ ｉｍａｇｉｎｇ ｕｓｉｎｇ ａ ｓｉｎｇｌｅ ｓｅｎｓｏｒ，” Ｓｃｉ Ａｄｖ， ｖｏｌ． ３， ｎｏ． １２， ２０１７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
前述した技術では、単一振動子の超音波が出射する面に、凹凸が形成されているマスクが形成される。単一振動子による送受信系では、１回の送受信によって３Ｄ情報が１本の時系列信号として圧縮されて獲得される。この時系列信号から３Ｄ情報を抽出し、復元するには、媒質中の各点を識別可能な「空間符号化」が必須である。異なる符号化による複数回の送受信により情報量を増やせる一方で、動的な対象では１回の送受信による情報量の多さが重要となる。これらを、トランスデューサの物理的構造から送受信方法に渡って検討しなければならない。
【0006】
単一振動子による送受信系では、エコー信号から効果的に情報を抽出し、復元することが重要である。高解像で高コントラストな特性に加えて、事前の実験等が極力不要で計算上の反復回数、収束条件等のパラメータによる依存性が少なく、雑音にロバストな安定な手法が要請される。
【0007】
本発明は、単一振動子によって送受信できる超音波トランスデューサ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】
【0008】
本発明の一実施形態は、対向する第１主面及び第２主面を有する圧電素子と、前記圧電素子の前記第１主面に形成された第１電極層と、前記圧電素子の前記第２主面に形成された第２電極層と、前記第２電極層に形成された複数の圧電層と、複数の前記圧電層の各々の厚さを制御する制御部とを備え、前記圧電素子の前記第１主面は平坦であり、超音波の出射方向に対して垂直である、超音波トランスデューサである。
本発明の一実施形態は、前述の超音波トランスデューサにおいて、前記制御部は、複数の前記圧電層の各々と前記第２電極層との間に印加する電圧を制御する。
本発明の一実施形態は、対向する第１主面及び第２主面を有する圧電素子と、前記圧電素子の前記第１主面に形成された第１電極層と、前記圧電素子の前記第２主面に形成された第２電極層と、前記第１電極層に形成される複数の貫通孔を有する遮音マスクとを備え、前記遮音マスクは、超音波の出射方向に対して垂直、且つ平坦な面を有する、超音波トランスデューサである。
本発明の一実施形態は、対向する第１主面及び第２主面を有する複数の圧電素子と、複数の前記圧電素子の前記第１主面に形成された複数の第１電極層と、複数の前記圧電素子の前記第２主面に形成された第２電極層と、複数の前記圧電素子の各々から出射される超音波のオンオフを切り替える制御部とを備え、複数の前記圧電素子は、前記超音波の出射方向に対して垂直、且つ平坦な面を有する、超音波トランスデューサである。
本発明の一実施形態は、前述の超音波トランスデューサにおいて、前記制御部は、複数の前記圧電素子の各々に印加する電圧をオンオフする。
本発明の一実施形態は、前述の超音波トランスデューサにおいて、前記制御部は、複数の前記圧電層の各々と前記第２電極層との間に印加する電圧を制御する。
本発明の一実施形態は、対向する第１主面及び第２主面を有する圧電素子と、前記圧電素子の前記第１主面に形成された第１電極層と、前記圧電素子の前記第２主面に形成された第２電極層と、前記第１電極層に形成される複数の貫通孔を有する遮音マスクとを備え、前記遮音マスクは、超音波の出射方向に対して垂直、且つ平坦な面を有する、超音波トランスデューサである。
本発明の一実施形態は、対向する第１主面及び第２主面を有する複数の圧電素子と、複数の前記圧電素子の前記第１主面に形成された複数の第１電極層と、複数の前記圧電素子の前記第２主面に形成された第２電極層と、複数の前記圧電素子の各々から出射される超音波のオンオフを切り替える制御部とを備え、複数の前記圧電素子は、前記超音波の出射方向に対して垂直、且つ平坦な面を有する、超音波トランスデューサである。
本発明の一実施形態は、前述の超音波トランスデューサにおいて、前記制御部は、複数の前記圧電素子の各々に印加する電圧をオンオフする。
【発明の効果】
【0009】
本発明の実施形態によれば、単一振動子によって送受信できる超音波トランスデューサを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】本実施形態に係る超音波トランスデューサ１００の一例を示す図である。
【図2】本実施形態に係る超音波トランスデューサ１００ａの一例を示す図である。
【図3】本実施形態に係る超音波トランスデューサ１００ｂの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
次に、本発明の実施形態に係る超音波トランスデューサを、図面を参照しつつ説明する。以下で説明する実施形態は一例に過ぎず、本発明が適用される実施形態は、以下の実施形態に限られない。
なお、実施形態を説明するための全図において、同一の機能を有するものは同一符号を用い、繰り返しの説明は省略する。
また、本願でいう「ＸＸに基づく」とは、「少なくともＸＸに基づく」ことを意味し、ＸＸに加えて別の要素に基づく場合も含む。また、「ＸＸに基づく」とは、ＸＸを直接に用いる場合に限定されず、ＸＸに対して演算や加工が行われたものに基づく場合も含む。「ＸＸ」は、任意の要素（例えば、任意の情報）である。
なお、実施形態を説明するための全図において、同一の機能を有するものは同一符号を用い、繰り返しの説明は省略する。
また、本願でいう「ＸＸに基づく」とは、「少なくともＸＸに基づく」ことを意味し、ＸＸに加えて別の要素に基づく場合も含む。また、「ＸＸに基づく」とは、ＸＸを直接に用いる場合に限定されず、ＸＸに対して演算や加工が行われたものに基づく場合も含む。「ＸＸ」は、任意の要素（例えば、任意の情報）である。
【0012】
（第１実施形態）
本発明の実施形態に係る超音波トランスデューサを、図面を参照して説明する。超音波センシングにおいて、２次元アレイトランスデューサによる３次元イメージングは有用であるものの、その導入コストから広く普及するに至っていない。本実施形態では、送受信系を一つに制限した超音波センサについて説明する。このように構成することで、電子回路の大幅な簡素化による簡潔で廉価な超音波センサを実現できる。単一の送受信系では、３次元の媒質空間の各点の識別が可能な空間符号化のなされた波形の送受信を行い、計測される１本の時系列から３次元情報を復元する。３次元イメージングに関しては、計算が安定かつ効率的であって、解像度やコントラストの高い方法について説明する。
本発明の実施形態に係る超音波トランスデューサを、図面を参照して説明する。超音波センシングにおいて、２次元アレイトランスデューサによる３次元イメージングは有用であるものの、その導入コストから広く普及するに至っていない。本実施形態では、送受信系を一つに制限した超音波センサについて説明する。このように構成することで、電子回路の大幅な簡素化による簡潔で廉価な超音波センサを実現できる。単一の送受信系では、３次元の媒質空間の各点の識別が可能な空間符号化のなされた波形の送受信を行い、計測される１本の時系列から３次元情報を復元する。３次元イメージングに関しては、計算が安定かつ効率的であって、解像度やコントラストの高い方法について説明する。
【0013】
単一の送受信系では、１回の送受信によって３Ｄ情報が１本の時系列信号として圧縮されて獲得される。この時系列信号から３Ｄ情報を抽出し、復元するには、媒質中の各点を識別可能な「空間符号化」が必須である。異なる符号化による複数回の送受信により情報量を増やせる一方で、動的な対象では１回の送受信による情報量の多さが重要となる。これらを、トランスデューサの物理的構造から送受信方法にわたって検討した。
【0014】
図１は、本実施形態に係る超音波トランスデューサ１００の一例を示す図である。超音波トランスデューサ１００は、送受信系を一つとするトランスデューサである。超音波トランスデューサ１００は、送受信用の１つの振動子の背面に２次元圧電素子アレイを貼付して、貼付した２次元圧電素子アレイそれぞれの厚みを、電圧を印加することによって不規則に変化させる。
【0015】
超音波トランスデューサ１００は、第１電極層１０１と、圧電素子１０２と、第２電極層１０３と、圧電層１０４－１１～１０４－７７と、交流電源１０５－１１～１０５－７７とを備える。図１には、超音波トランスデューサ１００に加えて、画像化部１２０が示されている。
【0016】
圧電素子１０２は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電性を持つ材料によって構成される。圧電素子１０２の形状の一例は、円柱状であり、所定の高さを有する。図１は、円柱状の圧電素子１０２を側面から見た場合を示している。圧電素子１０２は、対向する第１主面ＦＭＳ及び第２主面ＳＭＳを有する。図１において、圧電素子１０２の対向する第１主面ＦＭＳ及び第２主面ＳＭＳに垂直な方向をＸ軸とし、第１主面ＦＭＳ及び第２主面ＳＭＳに平行な面をＹ軸及びＺ軸とする。図中の矢印の方向が正方向であり、反対方向が負方向である。
【0017】
第１電極層１０１は、圧電素子１０２の第１主面ＦＭＳに形成されている。第２電極層１０３は、圧電素子１０２の第２主面ＳＭＳに形成されている。第１電極層１０１及び第２電極層１０３は、金又は銀、銅、錫等の蒸着、メッキ、スパッタリング、ペーストの印刷、焼付け等の導電性を有する材料によって形成される。
【0018】
圧電層１０４－１１～１０４－７７は、圧電性を持つ材料によって構成される。圧電層１０４－１１～１０４－７７は、Ｘ軸の負の方向から見た場合に第２電極層１０３に２次元アレイ状に形成されている。例えば、Ｙ軸方向に７個、Ｚ軸方向に７個の計４９個の圧電層が、第２電極層１０３に形成されている。圧電層１０４－１１～１０４－７７と、第２電極層１０３との間は、それぞれ交流電源１０５－１１～１０５－７７を介して接続される。
【0019】
制御部１０６は、交流電源１０５－１１から１０５－７７の各々と配線（図示なし）によって接続されている。制御部１０６は、交流電源１０５－１１から１０５－７７の各々によって圧電層１０４－１１～１０４－７７の各々に印加される電圧を制御する。制御部１０６は、交流電源１０５－１１～１０５－７７の各々が圧電層１０４－１１～１０４－７７の各々に印加する電圧を不規則に変化させることが可能である。例えば、制御部１０６は、圧電層１０４－１１～１０４－７７のうち、電圧を印加する一又は複数の圧電層を不規則に変化させる。
【0020】
交流電源１０５－１１～１０５－７７の各々が、圧電層１０４－１１～１０４－７７の各々に印加する電圧を不規則に変化させることによって、圧電層１０４－１１～１０４－７７に空間的な厚み分布を不規則に与えることができるため、圧電素子１０２から空間変調された超音波を送信できる。空間的な厚み分布を送受信と同期させて動的に変化させることによって、音響インピーダンスが等しい圧電体の直列接続により「全体が一つの共振器」となり、圧電層１０４－１１～１０４－７７の各々の厚み変化が全体の共振周波数を変化させ、送受信用素子である圧電素子１０２の共振Ｑ値にも影響を与える。仮想点音源からの球面波の不規則狭帯域化が、送信波形の変調を実現するためである。
【0021】
画像化部１２０は、超音波トランスデューサ１００において画像化媒質内の各位置で取得したエコー波形を取得する。画像化部１２０は、取得したエコー波形を処理することによって、３次元画像を取得する。例えば、画像化部１２０は、１回の超音波パルスの送受信によって得られる１次元エコー波形を処理することで、３次元画像を取得する。
【0022】
超音波トランスデューサ１００の圧電素子１０２の第１主面ＦＭＳの任意の２点を送受信点とする「双方向伝達関数」が、それらの経路長にのみ依存する近似的なモデルで表現できる。例えば、中心位置を送受信点とし、その軸上に画像化点を置いての実験あるいはシミュレーションによってこの場合の伝達関数を定める。定めた伝達関数を利用して任意の送受信点に対する伝達関数が計算可能である。画像化部１２０は、伝達関数の計算結果を用いて、３次元画像を取得する。このように構成することによって、電子的に切り替える空間符号化送信それぞれに応じた実験等を不要にできるため、画像化効率を大幅に向上できる。
【0023】
前述した実施形態では、超音波トランスデューサ１００において、第２電極層１０３に圧電層１０４－１１～１０４－７７が形成される場合について説明したが、この例に限られない。例えば、第２電極層１０３に圧電層１０４－１１～１０４－ｎｍ（ｎはｎ＞１の整数、ｍはｍ＞１の整数）が形成されてもよい。また、圧電層１０４－１１～１０４－７７の形状は、三角柱、四角柱などの角柱、円柱などであってもよい。圧電層１０４－１１～１０４－７７において、全てが同じ大きさであってもよいし、少なくとも一部の大きさが異なっていてもよい。
【0024】
本実施形態に係る超音波トランスデューサ１００によれば、超音波トランスデューサ１００は、対向する第１主面ＦＭＳ及び第２主面ＳＭＳを有する圧電素子１０２と、圧電素子１０２の第１主面ＦＭＳに形成された第１電極層１０１と、圧電素子１０２の第２主面に形成された第２電極層１０３と、第２電極層１０３に形成された複数の圧電層１０４－１１～１０４－ｎｍと、複数の圧電層１０４－１１～１０４－ｎｍの各々の厚さを制御する制御部１０６とを備える。圧電素子１０２の第１主面ＦＭＳは平坦であり、超音波の出射方向に対して垂直である。
このように構成することによって、圧電素子１０２の第２主面ＳＭＳに形成された第２電極層１０３に形成された複数の圧電層１０４－１１～１０４－ｎｍの各々の厚さを制御できるため、圧電素子１０２から空間変調された超音波を送信できる。
このように構成することによって、圧電素子１０２の第２主面ＳＭＳに形成された第２電極層１０３に形成された複数の圧電層１０４－１１～１０４－ｎｍの各々の厚さを制御できるため、圧電素子１０２から空間変調された超音波を送信できる。
【0025】
非特許文献１に記載の方法では送受信時にパルスが振動子前面の凹凸部分を通る際、屈折や遮蔽等、複雑な影響を受けるため、画像化対象媒質内の各位置に対する送受信伝達関数を正確に計測しておく必要がある。これに対して、本実施形態に係る超音波トランスデューサ１００は、送受信面は平坦な構造を有するため、例えば送受信面の中心軸に沿った正面の一点に対する伝達関数を計測しておくことで、任意の位置に対する伝達関数を計算で求めることが可能となる。
【0026】
超音波トランスデューサ１００において、制御部１０６は、複数の圧電層１０４－１１～１０４－ｎｍの各々と第２電極層１０３との間に印加する電圧を制御する。
このように構成することによって、制御部１０６は、複数の圧電層１０４－１１～１０４－ｎｍの各々と第２電極層１０３との間に印加する電圧を制御することによって複数の圧電層１０４－１１～１０４－ｎｍの各々の厚さを制御できる。複数の圧電層１０４－１１～１０４－ｎｍの各々の厚さを制御できるため、電子的に変調波を変更できる。つまり、電気的な制御によって動的に送信波形を変えることが可能である。このため、より多くの情報量の獲得が可能である。
このように構成することによって、制御部１０６は、複数の圧電層１０４－１１～１０４－ｎｍの各々と第２電極層１０３との間に印加する電圧を制御することによって複数の圧電層１０４－１１～１０４－ｎｍの各々の厚さを制御できる。複数の圧電層１０４－１１～１０４－ｎｍの各々の厚さを制御できるため、電子的に変調波を変更できる。つまり、電気的な制御によって動的に送信波形を変えることが可能である。このため、より多くの情報量の獲得が可能である。
【0027】
（第２実施形態）
図２は、本実施形態に係る超音波トランスデューサ１００ａの一例を示す図である。超音波トランスデューサ１００ａは、送受信系を一つとするトランスデューサである。超音波トランスデューサ１００ａは、振動子の前面に不規則な位置に貫通穴の空いた（形成された）遮音マスクを貼付する。
図２は、本実施形態に係る超音波トランスデューサ１００ａの一例を示す図である。超音波トランスデューサ１００ａは、送受信系を一つとするトランスデューサである。超音波トランスデューサ１００ａは、振動子の前面に不規則な位置に貫通穴の空いた（形成された）遮音マスクを貼付する。
【0028】
超音波トランスデューサ１００ａは、第１電極層１０１ａと、圧電素子１０２ａと、第２電極層１０３ａと、バッキング（Ｂａｃｋｉｎｇ）１０８ａと、遮音マスク１０９ａとを備える。図２には、超音波トランスデューサ１００ａに加えて、画像化部１２０ａが示されている。
圧電素子１０２ａは、ＰＺＴ等の圧電性を持つ材料によって構成される。圧電素子１０２ａの形状の一例は、円柱状であり、所定の高さを有する。図２は、円柱状の圧電素子１０２ａを側面から見た場合を示している。圧電素子１０２ａは、対向する第１主面ＦＭＳ及び第２主面ＳＭＳを有する。図２において、圧電素子１０２ａの対向する第１主面ＦＭＳ及び第２主面ＳＭＳに垂直な方向をＸ軸とし、第１主面ＦＭＳ及び第２主面ＳＭＳに平行な面をＹ軸及びＺ軸とする。図中の矢印の方向が正方向であり、反対方向が負方向である。
圧電素子１０２ａは、ＰＺＴ等の圧電性を持つ材料によって構成される。圧電素子１０２ａの形状の一例は、円柱状であり、所定の高さを有する。図２は、円柱状の圧電素子１０２ａを側面から見た場合を示している。圧電素子１０２ａは、対向する第１主面ＦＭＳ及び第２主面ＳＭＳを有する。図２において、圧電素子１０２ａの対向する第１主面ＦＭＳ及び第２主面ＳＭＳに垂直な方向をＸ軸とし、第１主面ＦＭＳ及び第２主面ＳＭＳに平行な面をＹ軸及びＺ軸とする。図中の矢印の方向が正方向であり、反対方向が負方向である。
【0029】
第１電極層１０１ａは、圧電素子１０２ａの第１主面ＦＭＳに形成されている。第２電極層１０３ａは、圧電素子１０２ａの第２主面ＳＭＳに形成されている。第１電極層１０１ａ及び第２電極層１０３ａは、金又は銀、銅、錫等の蒸着、メッキ、スパッタリング、ペーストの印刷、焼付け等の導電性を有する材料によって形成される。
【0030】
遮音マスク１０９ａは、Ｘ軸の正の方向から見た場合に第１電極層１０１ａに形成されている。遮音マスク１０９ａには、複数の貫通孔ＴＨが形成されている。複数の貫通孔ＴＨは、Ｘ軸の正方向から見た場合に円形であってもよいし、三角、四角などの矩形であってもよいし、円形と矩形とが混在していてもよい。また、複数の貫通孔ＴＨの大きさは、全て同じであってもよいし、少なくとも一部が異なっていてもよい。遮音マスク１０９ａは、プラスチックなどの遮音性を有する材料によって形成される。
送受信用の振動子である圧電素子１０２ａの第１主面ＦＭＳに貫通孔が形成された遮音マスク１０９ａを形成することによって、圧電素子１０２ａの第１主面上で異なる位置から超音波を送信できる。
送受信用の振動子である圧電素子１０２ａの第１主面ＦＭＳに貫通孔が形成された遮音マスク１０９ａを形成することによって、圧電素子１０２ａの第１主面上で異なる位置から超音波を送信できる。
【0031】
画像化部１２０ａは、超音波トランスデューサ１００ａにおいて画像化媒質内の各位置で取得したエコー波形を取得する。画像化部１２０ａは、取得したエコー波形を処理することによって、３次元画像を取得する。例えば、画像化部１２０ａは、１回の超音波パルスの送受信によって得られる１次元エコー波形を処理することで、３次元画像を取得する。
【0032】
超音波トランスデューサ１００ａの圧電素子１０２ａの第１主面ＦＭＳの貫通孔の２点を送受信点とする「双方向伝達関数」が、それらの経路長にのみ依存する近似的なモデルで表現できる。例えば、貫通孔の位置を送受信点とし、その軸上に画像化点を置いての実験あるいはシミュレーションによってこの場合の伝達関数を定める。定めた伝達関数を利用して任意の貫通孔の位置に対する伝達関数が計算可能である。画像化部１２０ａは、伝達関数の計算結果を用いて、３次元画像を取得する。このように構成することによって、電子的に切り替える空間符号化送信それぞれに応じた実験等を不要にできるため、画像化効率を大幅に向上できる。
【0033】
前述した実施形態において、遮音マスク１０９ａを機械的に回転させる回転機構を備えるようにしてもよいし、機械的に並進させる並進機構を備えるようにしてもよい。このように構成することによって、廉価で簡素な構造で、動的に送信波形を変えることが可能である。このため、より多くの情報量の獲得が可能である。
【0034】
本実施形態に係る超音波トランスデューサ１００ａによれば、超音波トランスデューサ１００ａは、対向する第１主面ＦＭＳ及び第２主面ＳＭＳを有する圧電素子１０２ａと、圧電素子１０２ａの第１主面ＦＭＳに形成された第１電極層１０１ａと、圧電素子１０２ａの第２主面ＳＭＳに形成された第２電極層１０３ａと、第１電極層１０１ａに形成される複数の貫通孔ＴＨを有する遮音マスク１０９ａとを備える。遮音マスク１０９ａは、超音波の出射方向に対して垂直、且つ平坦な面を有する。
このように構成することによって、圧電素子１０２ａの第１主面ＳＭＳに形成された遮音マスク１０９ａに形成された複数の貫通孔ＴＨの各々から、複数の経路でパルスを伝搬できるため、空間変調された超音波を送信できる。
このように構成することによって、圧電素子１０２ａの第１主面ＳＭＳに形成された遮音マスク１０９ａに形成された複数の貫通孔ＴＨの各々から、複数の経路でパルスを伝搬できるため、空間変調された超音波を送信できる。
【0035】
非特許文献１に記載の方法では送受信時にパルスが振動子前面の凹凸部分を通る際、屈折や遮蔽等、複雑な影響を受けるため、画像化対象媒質内の各位置に対する送受信伝達関数を正確に計測しておく必要がある。これに対して、本実施形態に係る超音波トランスデューサ１００ａは、送受信面は平坦な構造を有するため、例えば送受信面の中心軸に沿った正面の一点に対する伝達関数を計測しておくことで、任意の位置に対する伝達関数を計算で求めることが可能となる。
【0036】
（第３実施形態）
図３は、本実施形態に係る超音波トランスデューサ１００ｂの一例を示す図である。超音波トランスデューサ１００ｂは、送受信系を一つとするトランスデューサである。超音波トランスデューサ１００ｂは、複数の振動子が、２Ｄアレイ状に形成され、複数の振動子の各々へ印加する電圧のオンオフが切り替えられる。
図３は、本実施形態に係る超音波トランスデューサ１００ｂの一例を示す図である。超音波トランスデューサ１００ｂは、送受信系を一つとするトランスデューサである。超音波トランスデューサ１００ｂは、複数の振動子が、２Ｄアレイ状に形成され、複数の振動子の各々へ印加する電圧のオンオフが切り替えられる。
【0037】
超音波トランスデューサ１００ｂは、第１電極層１０１ｂ－１１～１０１ｂ－７７と、圧電素子１０２ｂ－１１～１０２ｂ－７７と、第２電極層１０３ｂと、バッキング１０８ｂと、制御部１０６ｂとを備える。図１には、超音波トランスデューサ１００ｂに加えて、画像化部１２０ｂが示されている。
【0038】
圧電素子１０２ｂ－１１～１０２ｂ－７７は、それぞれＰＺＴ等の圧電性を持つ材料によって構成される。圧電素子１０２ｂ－１１～１０２ｂ－７７の形状の一例は、三角柱、四角柱などの角柱、円柱などの柱状であり、所定の高さを有する。圧電素子１０２ｂ－１１～１０２ｂ－７７の各々の大きさは全て同じであってもよいし、少なくとも一部の大きさが異なってもよい。図３は、柱状の圧電素子１０２ｂ－１１～１０２ｂ－７７を側面から見た場合を示している。圧電素子１０２ｂ－１１～１０２ｂ－７７は、それぞれ対向する第１主面ＦＭＳ及び第２主面ＳＭＳを有する。
【0039】
圧電素子１０２ｂ－１１～１０２ｂ－７７は、Ｘ軸の正の方向から見た場合に第２電極層１０３に２次元アレイ状に形成されている。例えば、Ｙ軸方向に７個、Ｚ軸方向に７個の計４９個の圧電素子が、第２電極層１０３に形成されている。図３において、圧電素子１０２ｂ－１１～１０２ｂ－７７の対向する第１主面ＦＭＳ及び第２主面ＳＭＳに垂直な方向をＸ軸とし、第１主面ＦＭＳ及び第２主面ＳＭＳに平行な面をＹ軸及びＺ軸とする。図中の矢印の方向が正方向であり、反対方向が負方向である。
【0040】
第１電極層１０１ｂ－１１～１０１ｂ－７７は、それぞれ圧電素子１０２ｂ－１１～１０２ｂ－７７の第１主面ＦＭＳに形成されている。第２電極層１０３は、圧電素子１０２ｂ－１１～１０２ｂ－７７の第２主面ＳＭＳに形成されている。第１電極層１０１ｂ－１１～１０１ｂ－７７及び第２電極層１０３は、金又は銀、銅、錫等の蒸着、メッキ、スパッタリング、ペーストの印刷、焼付け等の導電性を有する材料によって形成される。
第１電極層１０１ｂ－１１～１０１ｂ－７７の各々と第２電極層１０３との間には、それぞれスイッチＳＷ１１～ＳＷ７７を介して交流電源１１２が接続される。
第１電極層１０１ｂ－１１～１０１ｂ－７７の各々と第２電極層１０３との間には、それぞれスイッチＳＷ１１～ＳＷ７７を介して交流電源１１２が接続される。
【0041】
制御部１０６ｂは、スイッチＳＷ１１～ＳＷ７７の各々と配線（図示なし）によって接続されている。制御部１０６ｂは、スイッチＳＷ１１～ＳＷ７７の各々のオンオフを切り替える。スイッチＳＷ１１～ＳＷ７７の各々のオンオフが切り替えられることによって、圧電素子１０２ｂ－１１～１０２ｂ－７７の各々に印加される電圧を切り替えることができる。圧電素子１０２ｂ－１１～１０２ｂ－７７の各々に印加される電圧を切り替えることによって、電子的に活性化した振動子の配置パターンの切り替えが可能である。
【0042】
画像化部１２０ｂは、超音波トランスデューサ１００ｂにおいて画像化媒質内の各位置で取得したエコー波形を取得する。画像化部１２０ｂは、取得したエコー波形を処理することによって、３次元画像を取得する。例えば、画像化部１２０ｂは、１回の超音波パルスの送受信によって得られる１次元エコー波形を処理することで、３次元画像を取得する。
【0043】
超音波トランスデューサ１００ｂの圧電素子１０２の振動子対を送受信点とする「双方向伝達関数」が、それらの経路長にのみ依存する近似的なモデルで表現できる。例えば、中心位置を送受信点とし、その軸上に画像化点を置いて実験あるいはシミュレーションによってこの場合の伝達関数を定める。定めた伝達関数を利用して任意の送受信点に対する伝達関数が計算可能である。画像化部１２０ｂは、伝達関数の計算結果を用いて、３次元画像を取得する。このように構成することによって、電子的に切り替える空間符号化送信それぞれに応じた実験等を不要にできるため、画像化効率を大幅に向上できる。
【0044】
前述した実施形態では、超音波トランスデューサ１００ｂにおいて、第２電極層１０３ｂに圧電素子１０２ｂ－１１～１０２ｂ－７７が形成される場合について説明したが、この例に限られない。例えば、第２電極層１０３ｂに圧電素子１０２ｂ－１１～１０２ｂ－ｎｍ（ｎはｎ＞１の整数、ｍはｍ＞１の整数）が形成されてもよい。
前述した実施形態において、送信時にある素子群をオンにし、それに対応する受信の際に別の素子群に切り替えるようにしてもよい。つまり、複数の圧電素子１０２ｂ－１１～１０２ｂ－ｎｍのうち、送信する場合にオンにする圧電素子と、受信する場合にオンにする圧電素子とを異なるようにする。このように構成することによって、送信信号と受信信号との不規則性、多様性を増やすことが可能である。
前述した実施形態において、送信時にある素子群をオンにし、それに対応する受信の際に別の素子群に切り替えるようにしてもよい。つまり、複数の圧電素子１０２ｂ－１１～１０２ｂ－ｎｍのうち、送信する場合にオンにする圧電素子と、受信する場合にオンにする圧電素子とを異なるようにする。このように構成することによって、送信信号と受信信号との不規則性、多様性を増やすことが可能である。
【0045】
本実施形態に係る超音波トランスデューサ１００ｂによれば、超音波トランスデューサ１００ｂは、対向する第１主面ＦＭＳ及び第２主面ＳＭＳを有する複数の圧電素子１０２ｂ－１１～１０２ｂ－ｎｍと、複数の圧電素子１０２ｂ－１１～１０２ｂ－ｎｍの第１主面ＦＭＳに形成された複数の第１電極層１０１ｂ－１１～１０１ｂ－ｎｍと、複数の圧電素子１０２ｂ－１１～１０２ｂ－ｎｍの第２主面ＳＭＳに形成された第２電極層１０３ｂと、複数の圧電素子１０２ｂ－１１～１０２ｂ－ｎｍの各々から出射される超音波のオンオフを切り替える制御部１０６ｂとを備える。複数の圧電素子１０２ｂ－１１～１０２ｂ－ｎｍは、超音波の出射方向に対して垂直、且つ平坦な面を有する。
このように構成することによって、複数の圧電素子１０２ｂ－１１～１０２ｂ－ｎｍの各々から出射される超音波のオンオフを切り替えることができるため、複数の圧電素子１０２ｂ－１１～１０２ｂ－ｎｍの各々から空間変調された超音波を送信できる。
このように構成することによって、複数の圧電素子１０２ｂ－１１～１０２ｂ－ｎｍの各々から出射される超音波のオンオフを切り替えることができるため、複数の圧電素子１０２ｂ－１１～１０２ｂ－ｎｍの各々から空間変調された超音波を送信できる。
【0046】
非特許文献１に記載の方法では送受信時にパルスが振動子前面の凹凸部分を通る際、屈折や遮蔽等、複雑な影響を受けるため、画像化対象媒質内の各位置に対する送受信伝達関数を正確に計測しておく必要がある。これに対して、本実施形態に係る超音波トランスデューサ１００は、送受信面は平坦な構造を有するため、例えばシステム中心軸に沿った正面の一点に対する伝達関数を計測しておくことで、任意の位置に対する伝達関数を計算で求めることが可能となる。
【0047】
超音波トランスデューサ１００ｂにおいて、制御部１０６ｂは、複数の圧電素子１０２ｂ－１１～１０２ｂ－ｎｍの各々に印加する電圧をオンオフする。
このように構成することによって、制御部１０６ｂは、複数の圧電素子１０２ｂ－１１～１０２ｂ－ｎｍの各々に印加する電圧を制御することによって複数の圧電素子１０２ｂ－１１～１０２ｂ－ｎｍの各々の厚さを制御できる。複数の圧電素子１０２ｂ－１１～１０２ｂ－ｎｍの各々の厚さを制御できるため、電子的に変調波を変更できる。つまり、電気的な制御によって動的に送信波形を変えることが可能である。例えば、複数の圧電素子１０２ｂ－１１～１０２ｂ－ｎｍのうち、電圧を印加する一又は複数の圧電素子のパターンを予め複数設定し、複数のパターンを不規則に選出して送受信を行うようにしてもよい。これによって、超音波トランスデューサ１００ｂは、より多くの情報量の獲得が可能である。
このように構成することによって、制御部１０６ｂは、複数の圧電素子１０２ｂ－１１～１０２ｂ－ｎｍの各々に印加する電圧を制御することによって複数の圧電素子１０２ｂ－１１～１０２ｂ－ｎｍの各々の厚さを制御できる。複数の圧電素子１０２ｂ－１１～１０２ｂ－ｎｍの各々の厚さを制御できるため、電子的に変調波を変更できる。つまり、電気的な制御によって動的に送信波形を変えることが可能である。例えば、複数の圧電素子１０２ｂ－１１～１０２ｂ－ｎｍのうち、電圧を印加する一又は複数の圧電素子のパターンを予め複数設定し、複数のパターンを不規則に選出して送受信を行うようにしてもよい。これによって、超音波トランスデューサ１００ｂは、より多くの情報量の獲得が可能である。
【0048】
以上、本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組合わせを行うことができる。これら実施形態及びその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると同時に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【0049】
なお、前述の制御部１０６、１０６ｂ、画像化部１２０、１２０ａ、１２０ｂは内部にコンピュータを有している。そして、前述した各装置の各処理の過程は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって、上記処理が行われる。ここでコンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、半導体メモリなどをいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしてもよい。
また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。
さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。
また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。
さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。
【符号の説明】
【0050】
１００、１００ａ、１００ｂ…超音波トランスデューサ、 １０１、１０１ａ、１０１ｂ－１１～１０１ｂ－ｎｍ…第１電極層、 １０２、１０２ａ、１０２ｂ－１１～１０２ｂ－ｎｍ…圧電素子、 １０３、１０３ａ、１０３ｂ…第２電極層、 １０４－１１～１０４－ｎｍ…圧電層、 １０５－１１～１０５－ｎｍ、１１２ｂ…交流電源、 １０６、１０６ｂ…制御部、 １０８ａ、１０８ｂ…バッキング、 １０９ａ…遮音マスク、 １２０、１２０ａ、１２０ｂ…画像化部
【図1】
【図2】
【図3】