特許 7415785 超音波探触子及び超音波診断装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-01-09

(45)【発行日】2024-01-17

(54)【発明の名称】超音波探触子及び超音波診断装置

(51)【国際特許分類】

   A61B 8/00 20060101AFI20240110BHJP

   H04R 17/00 20060101ALI20240110BHJP

【ＦＩ】

A61B8/00

H04R17/00 330J

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2020084833

(22)【出願日】2020-05-14

(65)【公開番号】P2021178006

(43)【公開日】2021-11-18

【審査請求日】2022-12-23

(73)【特許権者】

【識別番号】000001270

【氏名又は名称】コニカミノルタ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001254

【氏名又は名称】弁理士法人光陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】斉藤 孝悦

(72)【発明者】

【氏名】峯本 尚

【審査官】冨永 昌彦

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－０３６０５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－０４５３５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００２／００４２５７２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０００－１３１２９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－１５５６１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－２４９７７７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ａ６１Ｂ ８／００ － ８／１５

Ｈ０４Ｒ １／００ － ３１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

超音波を送受信する複数の圧電素子が配列された圧電部と、
前記圧電部の背面側に設けられたバッキング部と、
前記圧電部と前記バッキング部との間に配置され、前記圧電部の音響インピーダンスより大きい音響インピーダンスを有する反射部と、
前記圧電部と前記反射部との間に配置された中間部と、を備え、
前記中間部は、前記複数の圧電素子の配列方向と直交する方向の前記圧電部の中心部の超音波の周波数を端部の超音波の周波数よりも高くし、
前記中間部は、前記反射部の音響インピーダンスと同等又はそれ以下の音響インピーダンスの値を有し、前記圧電部の前記中心部から前記端部の方向に、連続的、段階的、規則的又は不規則的に音響インピーダンスを小さくし、
前記中間部は、前記反射部の音響インピーダンスと同等又はそれ以下の音響インピーダンスの値を有した第１の材料と、前記第１の材料より小さい音響インピーダンスを有する第２の材料との複合体とし、前記圧電部の前記中心部で前記第１の材料の体積比が大きく、前記端部に行くに従い、前記第１の材料の体積比が小さい超音波探触子。

【請求項2】

超音波を送受信する複数の圧電素子が配列された圧電部と、
前記圧電部の背面側に設けられたバッキング部と、
前記圧電部と前記バッキング部との間に配置され、前記圧電部の音響インピーダンスより大きい音響インピーダンスを有する反射部と、
前記圧電部と前記反射部との間に配置された中間部と、を備え、
前記中間部は、音響インピーダンスが異なる複数の材料を用いた複合体であり、前記複数の圧電素子の配列方向と直交する方向の前記圧電部の中心部の複合体の音響インピーダンスの値を端部の複合体の音響インピーダンスの値よりも大きくして、当該中心部の超音波の周波数を当該端部の超音波の周波数よりも高くする超音波探触子。

【請求項3】

前記中間部は、前記反射部の音響インピーダンスと同等又はそれ以下の音響インピーダンスの値を有し、前記圧電部の前記中心部から前記端部の方向に、連続的、段階的、規則的又は不規則的に音響インピーダンスを小さくする請求項２に記載の超音波探触子。

【請求項4】

前記中間部は、前記圧電部の前記中心部から前記端部の方向に、少なくとも均一の厚みとし、又は連続的に若しくは段階的に厚みを厚くする請求項１又は３に記載の超音波探触子。

【請求項5】

超音波を送受信する複数の圧電素子が配列された圧電部と、
前記圧電部の背面側に設けられたバッキング部と、
前記圧電部と前記バッキング部との間に配置され、前記圧電部の音響インピーダンスより大きい音響インピーダンスを有する反射部と、
前記圧電部と前記反射部との間に配置された中間部と、を備え、
前記中間部は、前記複数の圧電素子の配列方向と直交する方向の前記圧電部の中心部の超音波の周波数を端部の超音波の周波数よりも高くし、
前記中間部は、前記反射部の音響インピーダンスの値より小さい値を有し、前記圧電部の前記中心部から前記端部の方向に厚みを厚くし、
前記中間部の厚みは、少なくとも前記圧電部又は前記反射部を傾斜させて、前記圧電部の前記中心部から前記端部の方向に、連続的、段階的、規則的又は不規則的に厚くし、
前記圧電部、前記反射部又はその両方に複数の溝を設け、
前記溝の深さは、前記中心部は浅く、前記端部に行くに従い深くする超音波探触子。

【請求項6】

超音波を送受信する複数の圧電素子が配列された圧電部と、
前記圧電部の背面側に設けられたバッキング部と、
前記圧電部と前記バッキング部との間に配置され、前記圧電部の音響インピーダンスより大きい音響インピーダンスを有する反射部と、
前記圧電部と前記反射部との間に配置された中間部と、を備え、
前記中間部は、前記複数の圧電素子の配列方向と直交する方向の前記圧電部の中心部の超音波の周波数を端部の超音波の周波数よりも高くし、
前記中間部は、前記反射部の音響インピーダンスの値より小さい値を有し、前記圧電部の前記中心部から前記端部の方向に厚みを厚くし、
前記中間部の厚みは、少なくとも前記圧電部又は前記反射部を傾斜させて、前記圧電部の前記中心部から前記端部の方向に、連続的、段階的、規則的又は不規則的に厚くし、
前記中間部の厚みは、少なくとも前記圧電部又は前記反射部に、凹凸又は表面粗さに変化を持たせ、前記圧電部の前記中心部から前記端部の方向に連続的、段階的、規則的又は不規則的に厚くする超音波探触子。

【請求項7】

前記圧電部、前記反射部又はその両方は、前記圧電部の前記中心部から前記端部の方向に、音響インピーダンスが連続的、段階的、規則的又は不規則的に変化する請求項１から６のいずれか一項に記載の超音波探触子。

【請求項8】

超音波を送受信する複数の圧電素子が配列された圧電部と、
前記圧電部の背面側に設けられたバッキング部と、
前記圧電部と前記バッキング部との間に配置され、前記圧電部の音響インピーダンスより大きい音響インピーダンスを有する反射部と、
前記圧電部と前記反射部との間に配置された中間部と、を備え、
前記中間部は、前記複数の圧電素子の配列方向と直交する方向の前記圧電部の中心部の超音波の周波数を端部の超音波の周波数よりも高くし、
前記圧電部、前記反射部又はその両方は、前記圧電部の前記中心部から前記端部の方向に、音響インピーダンスが連続的、段階的、規則的又は不規則的に変化する超音波探触子。

【請求項9】

前記中間部は、前記中心部から前記端部の方向へ向かって、超音波の周波数を低くする請求項１から８のいずれか一項に記載の超音波探触子。

【請求項10】

前記中間部は、前記圧電部の前記中心部から前記端部の方向に、連続的、段階的、規則的又は不規則的に、超音波の周波数を高い周波数から低い周波数に変化する請求項１から９のいずれか一項に記載の超音波探触子。

【請求項11】

前記圧電部から被検体の方向に１層以上の音響整合層を設け、
前記音響整合層は、均一の厚みを有する請求項１から１０のいずれか一項に記載の超音波探触子。

【請求項12】

請求項１から１１のいずれか一項に記載の超音波探触子と、
前記超音波探触子から入力された受信信号に基づいて超音波画像データを生成する画像生成部と、を備える超音波診断装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、超音波探触子及び超音波診断装置に関する。

【背景技術】

【0002】

超音波診断装置は、超音波診断装置と接続した超音波探触子を、人体や動物などを含む被検体の体表に当てる、又は被検体内に挿入するという簡単な操作で、被検体内の組織及び動きなどを超音波診断画像として得ることを可能とする。超音波診断装置は、安全性が高いため繰り返して検査を行うことができるという利点を有する。

【0003】

超音波探触子は、超音波を送受信する圧電素子などを内蔵する。圧電素子は、超音波診断装置からの送信信号を超音波信号に変換して送波し、被検体内で反射された超音波を受信して電気信号に変換し、電気信号に変換された受信信号を超音波診断装置に送信する。

【0004】

図１４は、従来の超音波探触子４０の斜視図である。図１４に示すように、従来の超音波診断装置に接続する従来の超音波探触子４０は、図中矢印で示す短軸方向（Ｙ軸方向）に平凹面を有する圧電素子４１に音響マッチング層４６が設けられ、圧電素子４１と音響マッチング層４６で構成され、圧電素子４１及び音響マッチング層４６は、短軸方向と直交する方向に多数配列され、圧電素子４１の背面にはバッキング４４が設けられている。圧電素子４１は短軸方向の厚みは、中心部で薄くし、端部に行くにしたがって厚くしている。また音響マッチング層４６も同様の厚み構成となっている。

【0005】

このような構成にすることにより、圧電素子４１及び音響マッチング層４６の中心部においては高周波数の超音波が得られ、端部に行くにしたがって、低周波数の超音波が得られる。このことにより高周波数域の周波数特性を得ることができる。さらに、短軸方向の中心部は高周波数で開口が小さくなり、端部に行くすなわち低周波数にシフトすることにより開口が大きくなっていくように変化するため、近距離から遠距離まで細いビーム径が得られ、高い分解能を実現することができる（例えば、特許文献１参照）。

【0006】

また、圧電素子とバッキングとの間に反射層を有した構成にすることにより、周波数の広帯域化と感度の性能とを改善できる。これは、圧電素子の背面側に圧電素子の音響インピーダンスより大きく、厚みを約４分の１波長にした反射層を設けることにより、効率よく被検体側に超音波を放射することが可能となるという特徴を有し、さらに、短軸方向に反射部の厚みを中心部では薄く、端部に行くにしたがって厚くなるようにして、さらなる広帯域化を実現する構成が知られている（例えば、特許文献２参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特開平７－１０７５９５号公報

【文献】特表２０１７－５０１８０８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

超音波診断装置は、高分解能化の要望が高く、超音波診断装置に接続する超音波探触子としては、高分解能化のために、周波数の広帯域化や高感度化、さらには、短軸方向の超音波ビームを近距離から遠距離まで細く絞るなどの性能を向上させることが重要である。

【0009】

高分解能化の要望に対しては、超音波探触子の短軸方向の超音波ビームを細く絞る、その一手段として、現状は音響レンズなどを用いて行うという方法があるが、超音波を絞った焦点距離付近は細く絞られるが、その前後の距離ではビームが広がり、分解能を低下させるという課題がある。一方、特許文献１の構成の圧電素子、あるいは特許文献２の構成の反射部のように、片面凹面に加工し、凹面の圧電部又は反射部を互いに接着し、積層構造に作り上げるには、高精度の加工、接着技術が必要になるという課題がある。

【0010】

本発明の目的は、平凹面構造の圧電部及び反射部を用いずに、簡単な構成で、超音波の周波数を高周波数から低周波数まで周波数帯域を広くするとともに、焦点深度の深い近距離から遠距離まで高い分解能を実現する超音波探触子及び超音波診断装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明の超音波探触子は、
超音波を送受信する複数の圧電素子が配列された圧電部と、
前記圧電部の背面側に設けられたバッキング部と、
前記圧電部と前記バッキング部との間に配置され、前記圧電部の音響インピーダンスより大きい音響インピーダンスを有する反射部と、
前記圧電部と前記反射部との間に配置された中間部と、を備え、
前記中間部は、前記複数の圧電素子の配列方向と直交する方向の前記圧電部の中心部の超音波の周波数を端部の超音波の周波数よりも高くし、
前記中間部は、前記反射部の音響インピーダンスと同等又はそれ以下の音響インピーダンスの値を有し、前記圧電部の前記中心部から前記端部の方向に、連続的、段階的、規則的又は不規則的に音響インピーダンスを小さくし、
前記中間部は、前記反射部の音響インピーダンスと同等又はそれ以下の音響インピーダンスの値を有した第１の材料と、前記第１の材料より小さい音響インピーダンスを有する第２の材料との複合体とし、前記圧電部の前記中心部で前記第１の材料の体積比が大きく、前記端部に行くに従い、前記第１の材料の体積比が小さい。
請求項２に記載の発明の超音波探触子は、
超音波を送受信する複数の圧電素子が配列された圧電部と、
前記圧電部の背面側に設けられたバッキング部と、
前記圧電部と前記バッキング部との間に配置され、前記圧電部の音響インピーダンスより大きい音響インピーダンスを有する反射部と、
前記圧電部と前記反射部との間に配置された中間部と、を備え、
前記中間部は、音響インピーダンスが異なる複数の材料を用いた複合体であり、前記複数の圧電素子の配列方向と直交する方向の前記圧電部の中心部の複合体の音響インピーダンスの値を端部の複合体の音響インピーダンスの値よりも大きくして、当該中心部の超音波の周波数を当該端部の超音波の周波数よりも高くする。

【0013】

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の超音波探触子において、
前記中間部は、前記反射部の音響インピーダンスと同等又はそれ以下の音響インピーダンスの値を有し、前記圧電部の前記中心部から前記端部の方向に、連続的、段階的、規則的又は不規則的に音響インピーダンスを小さくする。

【0014】

請求項４に記載の発明は、請求項１又は３に記載の超音波探触子において、
前記中間部は、前記圧電部の前記中心部から前記端部の方向に、少なくとも均一の厚みとし、又は連続的に若しくは段階的に厚みを厚くする。

【0019】

請求項５に記載の発明の超音波探触子は、
超音波を送受信する複数の圧電素子が配列された圧電部と、
前記圧電部の背面側に設けられたバッキング部と、
前記圧電部と前記バッキング部との間に配置され、前記圧電部の音響インピーダンスより大きい音響インピーダンスを有する反射部と、
前記圧電部と前記反射部との間に配置された中間部と、を備え、
前記中間部は、前記複数の圧電素子の配列方向と直交する方向の前記圧電部の中心部の超音波の周波数を端部の超音波の周波数よりも高くし、
前記中間部は、前記反射部の音響インピーダンスの値より小さい値を有し、前記圧電部の前記中心部から前記端部の方向に厚みを厚くし、
前記中間部の厚みは、少なくとも前記圧電部又は前記反射部を傾斜させて、前記圧電部の前記中心部から前記端部の方向に、連続的、段階的、規則的又は不規則的に厚くし、
前記圧電部、前記反射部又はその両方に複数の溝を設け、
前記溝の深さは、前記中心部は浅く、前記端部に行くに従い深くする。

【0020】

請求項６に記載の発明の超音波探触子は、
超音波を送受信する複数の圧電素子が配列された圧電部と、
前記圧電部の背面側に設けられたバッキング部と、
前記圧電部と前記バッキング部との間に配置され、前記圧電部の音響インピーダンスより大きい音響インピーダンスを有する反射部と、
前記圧電部と前記反射部との間に配置された中間部と、を備え、
前記中間部は、前記複数の圧電素子の配列方向と直交する方向の前記圧電部の中心部の超音波の周波数を端部の超音波の周波数よりも高くし、
前記中間部は、前記反射部の音響インピーダンスの値より小さい値を有し、前記圧電部の前記中心部から前記端部の方向に厚みを厚くし、
前記中間部の厚みは、少なくとも前記圧電部又は前記反射部を傾斜させて、前記圧電部の前記中心部から前記端部の方向に、連続的、段階的、規則的又は不規則的に厚くし、
前記中間部の厚みは、少なくとも前記圧電部又は前記反射部に、凹凸又は表面粗さに変化を持たせ、前記圧電部の前記中心部から前記端部の方向に連続的、段階的、規則的又は不規則的に厚くする。

【0022】

請求項７に記載の発明は、請求項１から６のいずれか一項に記載の超音波探触子において、
前記圧電部、前記反射部又はその両方は、前記圧電部の前記中心部から前記端部の方向に、音響インピーダンスが連続的、段階的、規則的又は不規則的に変化する。
請求項８に記載の発明の超音波探触子は、
超音波を送受信する複数の圧電素子が配列された圧電部と、
前記圧電部の背面側に設けられたバッキング部と、
前記圧電部と前記バッキング部との間に配置され、前記圧電部の音響インピーダンスより大きい音響インピーダンスを有する反射部と、
前記圧電部と前記反射部との間に配置された中間部と、を備え、
前記中間部は、前記複数の圧電素子の配列方向と直交する方向の前記圧電部の中心部の超音波の周波数を端部の超音波の周波数よりも高くし、
前記圧電部、前記反射部又はその両方は、前記圧電部の前記中心部から前記端部の方向に、音響インピーダンスが連続的、段階的、規則的又は不規則的に変化する。
請求項９に記載の発明の超音波探触子は、請求項１から８のいずれか一項に記載の超音波探触子において、
前記中間部は、前記中心部から前記端部の方向へ向かって、超音波の周波数を低くする。

【0023】

請求項１０に記載の発明は、請求項１から９のいずれか一項に記載の超音波探触子において、
前記中間部は、前記圧電部の前記中心部から前記端部の方向に、連続的、段階的、規則的又は不規則的に、超音波の周波数を高い周波数から低い周波数に変化する。

【0024】

請求項１１に記載の発明は、請求項１から１０のいずれか一項に記載の超音波探触子において、
前記圧電部から被検体の方向に１層以上の音響整合層を設け、
前記音響整合層は、均一の厚みを有する。

【0025】

請求項１２に記載の発明の超音波診断装置は、
請求項１から１１のいずれか一項に記載の超音波探触子と、
前記超音波探触子から入力された受信信号に基づいて超音波画像データを生成する画像生成部と、を備える。

【発明の効果】

【0026】

本発明によれば、簡単な構成で、周波数帯域を広くできるとともに、近距離から遠距離まで高い分解能を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】本発明の第１の実施の形態の超音波診断装置の外観図である。

【図2】超音波診断装置の機能構成を示すブロック図である。

【図3】第１の実施の形態の超音波探触子の一部断面図である。

【図4】圧電部の幅と中間層の音響インピーダンスの関係を概略的に示す図である。

【図5】第１の実施の形態の超音波探触子の中間層の音響インピーダンスを変化させたときの周波数特性を示す図である。

【図6】第１の実施の形態の超音波探触子の中間層の音響インピーダンスを変化させたときの中心周波数の関係を示す図である。

【図7】第２の実施の形態の超音波探触子の中間層の厚みを変化させたときの周波数特性を示す図である。

【図8】第２の実施の形態の超音波探触子の中間層の厚みを変化させたときの中心周波数の関係を示す図である。

【図9】（ａ）は、圧電部と反射層と中間層との一例を示す断面図である。（ｂ）は、圧電部と反射層と中間層との別の一例を示す断面図である。（ｃ）は、圧電部と反射層と中間層とのさらに別の一例を示す断面図である。

【図10】（ａ）は、第２の実施の形態の超音波探触子の圧電部と中間層との厚みの関係を示す図である。（ｂ）は、ハイドロフォンで受信した周波数特性を示す図である。

【図11】（ａ）は、第２の実施の形態の超音波探触子で測定したビームパターンの結果を示す図である。（ｂ）は、比較例のビームパターンの結果を示す図である。

【図12】第３の実施の形態の超音波探触子の中間層の音速を変化させたときの周波数特性を示す図である。

【図13】第３の実施の形態の超音波探触子の中間層の音速を変化させたときの中心周波数の関係を示す図である。

【図14】従来の超音波探触子の斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0028】

添付図面を参照して本発明に係る第１～第３の実施の形態を順に詳細に説明する。なお、本発明は、図示例に限定されるものではない。

【0029】

（第１の実施の形態）
図１～図６を参照して、本発明に係る第１の実施の形態を説明する。先ず、図１を参照して、本実施の形態の超音波診断装置１００の全体構成を説明する。図１は、本実施の形態の超音波診断装置１００を示す模式図である。

【0030】

図１に示すように、超音波診断装置１００は、超音波探触子１０、本体部１１及びコネクター部１２を備える。超音波探触子１０は、コネクター部１２に接続されたケーブル１４を介して本体部１１と接続される。本体部１１からの送信信号（駆動信号）は、ケーブル１４を介して超音波探触子１０の圧電部１（図２参照）に送信される。この送信信号は、圧電部１において超音波に変換され、被検体の生体内に送波される。送波された超音波は被検体の生体内の組織などで反射され、当該反射波がまた圧電部１に受波され電気信号としての受信信号に変換され、本体部１１に送信される。受信信号は、本体部１１において被検体内の内部状態を画像化した超音波画像データに変換され表示部１３に表示される。

【0031】

超音波探触子１０は、圧電部１を備えており、この圧電部１は、例えば、方位方向（走査方向）に一次元アレイ状に複数の振動子としての圧電素子１ａが配列されている。本実施の形態では、例えば、１９２個の圧電素子１ａを備えた超音波探触子１０を用いている。なお、圧電部１は、二次元アレイ状に圧電素子１ａが配列されたものであってもよい。また圧電部１の圧電素子１ａの個数は、任意に設定することができる。また、本実施の形態では、超音波探触子１０としてリニア状に配列した電子スキャンプローブを用いて、リニア走査方式による超音波の走査を行うものとするが、リニア走査方式、コンベックス走査方式、又はセクタ走査方式の何れの方式を採用することもできる。本体部１１と超音波探触子１０との通信は、ケーブル１４を介する有線通信に代えて、ＵＷＢ（Ultra Wide Band）などの無線通信により行うこととしてもよい。

【0032】

ついで、図２を参照して、超音波診断装置１００の機能構成を説明する。図２は、超音波診断装置１００の機能構成を示すブロック図である。

【0033】

図２に示すように、本体部１１は、例えば、操作入力部１５と、送信部１６と、受信部１７と、画像生成部１８と、画像処理部１９と、ＤＳＣ（Digital Scan Converter）２０と、表示部１３と、制御部２１と、を備える。

【0034】

操作入力部１５は、医師、検査技師などの操作者の操作入力を受け付ける。操作入力部１５は、例えば、診断開始を指示するコマンド、被検体の個人情報などのデータ、超音波画像データなどを表示部１３に表示するための各種画像パラメーターの入力などを行うための各種スイッチ、ボタン、トラックボール、マウス、キーボードなどを備えており、操作信号を制御部２１に出力する。なお、本体部１１が、表示部１３の表示パネル上に設けられ操作者のタッチ入力を受け付けるタッチパネルを備える構成としてもよい。

【0035】

送信部１６は、制御部２１の制御に従って、超音波探触子１０にケーブル１４を介して電気信号である駆動信号を供給して超音波探触子１０に送信超音波を発生させる回路である。また、送信部１６は、例えば、クロック発生回路、遅延回路、パルス発生回路を備える。クロック発生回路は、駆動信号の送信タイミングや送信周波数を決定するクロック信号を発生させる回路である。遅延回路は、圧電素子１ａごとに対応した個別経路毎に遅延時間を設定し、設定された遅延時間だけ駆動信号の送信を遅延させ、送信超音波によって構成される送信ビームの集束を行うための回路である。パルス発生回路は、所定の周期で駆動信号としてのパルス信号を発生させるための回路である。上述のように構成された送信部１６は、例えば、超音波探触子１０の圧電部１に配列された複数（例えば、１９２個）の圧電素子１ａのうちの連続する一部（例えば、４８個）を駆動して送信超音波を発生させる。そして、送信部１６は、送信超音波を発生させる毎に駆動する圧電素子１ａを方位方向（走査方向）にずらすことで走査（スキャン）を行う。

【0036】

受信部１７は、制御部２１の制御に従って、超音波探触子１０からケーブル１４を介して電気信号である受信信号を受信する回路である。受信部１７は、例えば、増幅器、Ａ／Ｄ変換回路、整相加算回路を備えている。増幅器は、受信信号を、圧電素子１ａごとに対応した個別経路ごとに、予め設定された増幅率で増幅させるための回路である。Ａ／Ｄ変換回路は、増幅された受信信号をアナログ－デジタル変換（Ａ／Ｄ変換）するための回路である。整相加算回路は、Ａ／Ｄ変換された受信信号に対して、圧電素子１ａごとに対応した個別経路毎に遅延時間を与えて時相を整え、これらを加算（整相加算）して音線データを生成するための回路である。

【0037】

画像生成部１８は、制御部２１の制御に従って、受信部１７からの音線データに対して包絡線検波処理や対数圧縮などを実施し、ダイナミックレンジやゲインの調整を行って輝度変換することにより、受信エネルギーとしての輝度値を有する画素からなるＢ（Brightness）モード画像データを生成することができる。すなわち、Ｂモード画像データは、受信信号の強さを輝度によって表したものである。画像生成部１８は、画像モードがＢモードの超音波画像データとしてのＢモード画像データの他、Ａ（Amplitude）モード、Ｍ（Motion）モード、ドプラ法による画像モード（カラードプラモードなど）など、他の画像モードの超音波画像データが生成できるものであってもよい。

【0038】

画像処理部１９は、制御部２１の制御に従って、設定中の各種画像パラメーターに応じて、画像生成部１８から出力されたＢモード画像データに画像処理を施す。また、画像処理部１９は、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）などの半導体メモリーによって構成された画像メモリー部１９ａを備える。画像処理部１９は、制御部２１の制御に従って、画像処理を施したＢモード画像データをフレーム単位で画像メモリー部１９ａに記憶する。フレーム単位での画像データを超音波画像データあるいはフレーム画像データということがある。画像処理部１９は、制御部２１の制御に従って、上述したようにして生成された画像データを順にＤＳＣ２０に出力する。

【0039】

ＤＳＣ２０は、制御部２１の制御に従って、画像処理部１９より受信した画像データを表示用の画像信号に変換し、表示部１３に出力する。

【0040】

表示部１３は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）、ＣＲＴ（Cathode-Ray Tube）ディスプレイ、有機ＥＬ（Electronic Luminescence）ディスプレイ、無機ＥＬディスプレイ及びプラズマディスプレイなどの表示装置が適用可能である。表示部１３は、制御部２１の制御に従って、ＤＳＣ２０から出力された画像信号に従って表示画面上に超音波画像データの静止画又は動画の表示を行う。

【0041】

制御部２１は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）を備え、ＲＯＭに記憶されているシステムプログラムなどの各種処理プログラムを読み出してＲＡＭに展開し、展開したプログラムに従って超音波診断装置１００の各部の動作を制御する。ＲＯＭは、半導体などの不揮発メモリーなどにより構成され、超音波診断装置１００に対応するシステムプログラム及び該システムプログラム上で実行可能な各種処理プログラムや、ガンマテーブルなどの各種データなどを記憶する。これらのプログラムは、コンピューターが読み取り可能なプログラムコードの形態で格納され、ＣＰＵは、当該プログラムコードに従った動作を逐次実行する。ＲＡＭは、ＣＰＵにより実行される各種プログラム及びこれらプログラムに係るデータを一時的に記憶するワークエリアを形成する。

【0042】

超音波診断装置１００が備える各部について、各々の機能ブロックの一部又は全部の機能は、集積回路などのハードウェア回路として実現することができる。集積回路とは、例えばＬＳＩ（Large Scale Integration）であり、ＬＳＩは集積度の違いにより、ＩＣ（Integrated Circuit）、システムＬＳＩ、スーパーＬＳＩ、ウルトラＬＳＩと呼称されることもある。また、集積回路化の手法はＬＳＩに限るものではなく、専用回路又は汎用プロセッサで実現してもよいし、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＬＳＩ内部の回路セルの接続や設定を再構成可能なリコンフィギュラブル・プロセッサーを利用してもよい。また、各々の機能ブロックの一部又は全部の機能をソフトウェアにより実行するようにしてもよい。この場合、このソフトウェアは一つ又はそれ以上のＲＯＭなどの記憶媒体、光ディスク、又はハードディスクなどに記憶されており、このソフトウェアが演算処理器により実行される。

【0043】

つぎに、図３～図６を参照して、超音波探触子１０の全体構造の一例を説明する。図３は、超音波探触子１０の一部断面図である。図４は、圧電部１の幅（Ｙ軸方向）と中間層９の音響インピーダンスとの関係を概略的に示す図である。図５は、本実施の形態の超音波探触子１０の中間層９の音響インピーダンスを変化させたときの周波数特性を示す図である。図６は、本実施の形態の超音波探触子１０の中間層９の音響インピーダンスを変化させたときの中心周波数ｆｃの関係を示す図である。

【0044】

図３に示すように、超音波探触子１０は、圧電部１と、圧電部１に電圧を印加するために前面側に配置された接地電極２、及び背面側に配置された信号電極３と、信号電極３の背面側に配置された反射部としての反射層５と、圧電部１及び反射層５の間に配置された中間部としての中間層９並びに信号用電気端子７と、圧電部１から前面側にこの順で配置された音響整合層としての音響マッチング層６及び音響レンズ８と、信号用電気端子７から背面側に配置されたバッキング部としてのバッキング４と、を有する。本実施の形態において、圧電部１に設けた信号電極３、中間層９及び反射層５は、互いに接して配置される。また、図３に示すように、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸をとるものとする。

【0045】

圧電部１は、電圧の印加により超音波を送波する複数個の圧電素子１ａが図３中のＸ軸方向に１次元に配列されて形成される。圧電部１の厚さは、たとえば０.０５［ｍｍ］以上０.３［ｍｍ］以下とすることができる。それぞれの圧電体は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系などの圧電セラミック、マグネシウム酸ニオブ酸鉛・チタン酸鉛固溶体（ＰＭＮ－ＰＴ）及び亜鉛酸ニオブ酸鉛・チタン酸鉛固溶体（ＰＺＮ-ＰＴ）などの圧電単結晶、並びにこれらの材料と高分子材料とを複合した複合圧電体、などにより形成される。

【0046】

接地電極２は、金又は銀などを、蒸着、スパッタリング又は銀の焼き付けなどの方法で圧電部１の前面に配置した電極である。信号電極３は、金又は銀などを、蒸着、スパッタリング又は銀の焼き付けなどの方法で、圧電部１の背面に配置した電極である。反射層５は、圧電部１に設けた信号電極３の背面に配置した中間層９の背面に配置した層である。反射層５が、圧電部１の音響インピーダンスより大きい値を有する材料で構成されることにより、圧電部１は、圧電部１が送受信する超音波の波長の４分の１波長の振動をするように構成される。信号用電気端子７は、反射層５の背面側に接して配置され、信号電極３を、反射層５、又は、中間層９及び反射層５を経由して超音波診断装置１００の本体部１１に配置された外部の電源（送信部１６）などと接続する。

【0047】

中間層９は、圧電部１と反射層５との間に設けた層であり、図４に示すように、圧電部１の複数の圧電素子１ａの配列方向と垂直な方向（幅、Ｙ軸方向）の中心部には音響インピーダンスが大きく、端部にいくにしたがって音響インピーダンスが小さくなるよう変化させるように配置される。なお、図４は、横軸は図３に示すＹ軸方向の圧電部１の幅、縦軸は中間層９の音響インピーダンスの値を模式的に示している。

【0048】

音響マッチング層６は、圧電部１と音響レンズ８との間を音響的に整合させるための層であり、圧電部１と音響レンズ８との概ね中間の音響インピーダンスを有する材料により構成される。本実施の形態では、音響マッチング層６は、第１の音響マッチング層６ａ、第２の音響マッチング層６ｂ、第３の音響マッチング層６ｃ、及び第４の音響マッチング層６ｄの４層からなる。ここでは、それぞれの第１の音響マッチング層６ａ、第２の音響マッチング層６ｂ、第３の音響マッチング層６ｃ及び第４の音響マッチング層６ｄは、ほぼ均一の厚みの構成を示している。

【0049】

本実施の形態において、第１の音響マッチング層６ａは、音響インピーダンスが８［ＭＲａｙｌｓ（メガレールス）］以上２０［ＭＲａｙｌｓ］以下である、シリコン、水晶、快削性セラミックス、金属粉を充填したグラファイト、及び金属又は酸化物などのフィラーを充填したエポキシ樹脂などの材料から形成される。第２の音響マッチング層６ｂは、音響インピーダンスが６［ＭＲａｙｌｓ］以上１２［ＭＲａｙｌｓ］以下である、グラファイト、及び金属又は酸化物などのフィラーを充填したエポキシ樹脂から形成される。第３の音響マッチング層６ｃは、音響インピーダンスが３［ＭＲａｙｌｓ］以上６［ＭＲａｙｌｓ］以下である、金属又は酸化物などのフィラーを充填したエポキシ樹脂などの材料から形成される。第４の音響マッチング層６ｄは、１．７［ＭＲａｙｌｓ］以上２．３［ＭＲａｙｌｓ］以下である、ゴム材料を混合したプラスチック材、及びシリコーンゴム粉を充填した樹脂などから形成される。

【0050】

このように、音響マッチング層６を多層化することで、超音波探触子１０の広帯域化を図れる。なお、音響マッチング層６を多層化するときは、音響レンズ８に近づくにつれて音響レンズ８の音響インピーダンスに段階的又は連続的に近づくように、各層の音響インピーダンスが設定されることがより好ましい。また、多層化された音響マッチング層６の各層は、エポキシ系接着剤などの、当該技術分野で通常使用される接着剤で接着されてもよい。

【0051】

なお、音響マッチング層６の材料は上記材料に限定されず、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム合金、マコールガラス、ガラス、溶融石英、コッパーグラファイト、および、樹脂などを含む公知の材料を使用することが可能である。上記樹脂の例には、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ＡＢＳ（Acrylonitrile Butadiene Styrene）樹脂、ＡＡＳ（Acrylonitrile Acrylate Styrene）樹脂、ＡＥＳ（Acrylonitrile Ethylene Styrene）樹脂、ナイロン、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンエーテル、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアミドイミド、ポリエチレンテレフタレート、エポキシ樹脂及びウレタン樹脂などが含まれる。

【0052】

音響レンズ８は、被検体の生体に近い音響インピーダンスを有し、かつ生体とは異なる音速を有する、たとえば軟質の高分子材料などにより構成されており、生体と音響レンズ８との音速差による屈折を利用して圧電部１から送波された超音波を集束して、分解能を向上させる。本実施の形態では、音響レンズ８は、図３中Ｙ軸方向（圧電素子１ａの配列方向のＸ軸方向に直交する方向）に沿って延び、Ｚ軸方向に凸状となる、シリンドリカル型の音響レンズであり、上記超音波をＹ軸方向に集束させて超音波探触子１０の被検体側に放射する。上記軟質の高分子材料の例には、シリコーンゴムなどが含まれる。

【0053】

反射層５は、圧電部１（信号電極３）、中間層９と、信号用電気端子７との間に配置された層であり、超音波探触子１０が使用できる周波数を広帯域化および高感度化する機能を有する。反射層５は、圧電部１より大きい音響インピーダンスを有する材料から形成される。

【0054】

バッキング４は、圧電部１及び反射層５を保持し、かつ、圧電部１から反射層５を介して背面側に送波された超音波を減衰させる層である。バッキング４は、通常、音響インピーダンス、減衰及び放熱を調整するための材料を充填した合成ゴム、天然ゴム、エポキシ樹脂及び熱可塑性樹脂などから形成される。

【0055】

超音波探触子１０は、超音波を送受信する単体の圧電素子１ａの圧電部１を有する超音波送受波部を機械的に回転、揺動又はスライドさせる、又は圧電素子１ａを複数個アレイ状に配列した圧電部１を電子的に走査できる超音波送受波部を機械的に回転又は揺動して３次元の超音波画像を得るための保護部材であるウインドウ（不図示）を、超音波探触子１０の被検体と接触する側を被覆する位置に有してもよい。また、超音波探触子１０は、ウインドウと音響レンズ８などとの間に、ウインドウと圧電部１の送受波面との間を音響的に整合させるための音響媒体液（不図示）を有してもよい。

【0056】

反射層５について以下に説明する。圧電部１の厚みは、約０．２５波長（超音波の波長λ）に設定され、従来の一般的な０．５波長共振を用いた圧電部より薄く設定される。電圧を印加した場合の圧電部１に発生する電界強度は、圧電部１の厚みに反比例するため、本実施の形態における圧電部１は、従来の圧電部と比較して内部の電界強度が大きくなり、大きなひずみが発生する。本実施の形態における圧電部１の厚みは、従来の一般的な０．５波長共振型圧電部の厚みの１／２程度になるため、圧電部１のひずみは、従来の約２倍程度になる。

【0057】

しかし、圧電部１の接地電極２、信号電極３を設けた両端面に負荷がかからないフリーに近い状態で振動させると、厚み方向の０．５波長共振が強く励振されてしまい、送受信周波数が上昇してしまう、これを０．２５波長共振にするために、圧電部１より音響インピーダンスが大きい反射層５を設ける。このことにより、圧電部１の背面側の振動を抑制し、送受信周波数の上昇を押さえた状態で、大きなひずみを発生させることが可能になる。この状態によって、音響エネルギーが反射層５側にはあまり分配されず、結果的に送信時の効率が高い超音波探触子１０とすることができる。また、圧電部１の厚みを薄くしているために、電気的容量が大きくなり、感度が高く、広帯域の超音波探触子の構成にすることができる。

【0058】

反射層５に適用される材料としては、タングステンやタンタルなど、圧電部１との音響インピーダンスの差が大きい材料であれば適用できるが、製作する観点からタングステンカーバイドが好適である。また、タングステンカーバイドと他の材料とを混合してなるものであってもよい。

【0059】

なお、上記の反射層５の材料は、電気的に導体であるので圧電部１の信号電極３と信号用電気端子７とは電気的に接続することができるが、反射層５が電気的に絶縁体又は半導体のような場合には、反射層５の周囲に又は反射層５に貫通孔を設けて、銅や金の導体をメッキや蒸着又はスパッタリングなどの方法で設けることにより、圧電部１の信号電極３と信号用電気端子７とを電気的に接続してもよい。

【0060】

一方、音響レンズ８は、図中Ｙ軸方向（圧電素子１ａの配列方向のＸ軸方向に直交する方向）に沿って延び、Ｚ軸方向に凸状となる、シリンドリカル型の音響レンズであり、上記超音波をＹ軸方向に集束させて被検体側に放射する。この音響レンズ８は、音響レンズ８と被検体の音速差を利用して所望の深さに集束するようにしている。集束した深さ付近は超音波ビームが絞られ、分解能が高い画像を得ることができるが、一方、集束前後の近距離及び遠距離では拡散するために分解能が劣化するという課題がある。このため、近距離及び遠距離に至るまで超音波ビームを細く絞ることは、分解能を向上させるために重要である。本実施の形態は、上記のような構成で超音波ビームを近距離から遠距離まで深い距離に細く絞ることを可能にした構成に特徴を有している。

【0061】

本実施の形態の特徴は、圧電部１と反射層と５の間に中間層９を設けた構成にある。図４は、図３に示す圧電部１のＹ軸方向（圧電部１幅）方向に、中間層９の音響インピーダンスに変化を持たせた３パターンの模式図を示す。圧電部１のＹ軸方向の中心部の中間層９の音響インピーダンスは高く、端部に行くにしたがって低くなるような構成にしている。このことにより、圧電部１のＹ軸方向の中心部は高周波数域を有した周波数特性を、端部に行くにしたがって低周波数域にシフトしていくという特性を有し、圧電部１のＹ軸方向に周波数の重み付けをすることにより、近距離から遠距離まで超音波ビームが絞られる構成にしている。

【0062】

図５は、中間層９の厚みを固定し（図５では中間層９の厚みを０．０５波長）、中間層９の音響インピーダンスの値を４から１００［ＭＲａｙｌｓ］に変化させたとき、横軸の周波数［ＭＨｚ］に対する縦軸の超音波探触子１０の感度［ｄＢ］の周波数特性の変化を示している。図５から、中間層９の音響インピーダンスが変わることにより、周波数特性が変化することが確認できる。中間層９に音響インピーダンスが大きい場合には、高周波まで有した周波数特性を有し、中間層９の音響インピーダンスが小さくなるに従い、低周波数にシフトしていく周波数特性を有している。この結果から、図４に示したように、圧電部１のＹ軸方向の中心部に音響インピーダンスが大きい中間層９を設け、端部に行くに従い小さくなるような構成にすることにより、周波数の重み付けが可能となる。これはすなわち、特許文献１、特許文献２のように圧電部１、反射層５の厚みを可変して、周波数を変化させると同様の現象を実現できる。

【0063】

なお、図５は、次表Iに示す各構成の音響インピーダンスの値を用い、図３に例示する構成の超音波探触子１０において、超音波の中心周波数ｆｃを１０［ＭＨｚ］としたとき、圧電部１から送受信した超音波のパルス応答特性を、ＫＬＭ（Krimholtz, Leedom and Matthaei）法によりシミュレーションして得られた結果である。超音波の波長は、音速を使用周波数１０［ＭＨｚ］で除算した値である。

【表1】

【0064】

また、図６には、図５の中間層９の音響インピーダンスの周波数特性から算出した－６ｄＢにおける中心周波数ｆｃの変化を示しており、横軸は、中間層９の音響インピーダンス［ＭＲａｙｌｓ］、縦軸は、中心周波数ｆｃ［ＭＨｚ］を示している。

【0065】

ここでは、中間層９の厚みを、０．０２５波長（超音波の波長λ）、０．０５波長及び０．０７５波長とした時の中心周波数ｆｃと中間層９の音響インピーダンスとの関係を示している。図６の結果から明らかのように、中間層９の音響インピーダンスを大きくすると、中心周波数ｆｃが高くなる傾向があり、逆に音響インピーダンスを小さくすると中心周波数ｆｃが低くなる傾向があり、この傾向は中間層９の厚みが変化しても、変化の度合いは異なるものの同じ傾向となっている。

【0066】

また、図６から、中間層９の音響インピーダンスが３０［ＭＲａｙｌｓ］以上に大きくなると、中心周波数ｆｃの変化が小さくなりそれ以上大きくなっても飽和する傾向があるが、反射層５の音響インピーダンスに近い値（約１００［ＭＲａｙｌｓ］）までは、変化しているので、圧電部１のＹ軸方向の中心部に設ける中間層９の音響インピーダンスは、反射層５と略同等又はそれ以下であれば効果がある。

【0067】

なお、シミュレーションに用いた構成は、図３に示す超音波探触子１０の音響レンズ８前面に水を被検体と仮定し、その水中に反射体としてステンレスの反射板から反射したパルス応答波形をフーリエ変換した時の周波数特性の結果を示す。

【0068】

このように、中間層９の音響インピーダンスを変化させる、つまり、圧電部１のＹ軸方向の中心部には音響インピーダンスの値が大きく、端部にいくに従い音響インピーダンスを小さくする構成の中間層９を設けることにより、図５に示すように、圧電部１のＹ軸方向の中心部は、音響インピーダンスが大きいため、高周波数の周波数帯を有した超音波を送信受信でき、端部に行くに従い、中間層９の音響インピーダンスが小さくなるため、高周波成分がカットされて低周波数成分を有した超音波を送受信できることになる。このような構成の超音波探触子１０において、図２に示す送信部１６により、広帯域の送信信号を発生した駆動信号が、圧電部１に印加される。

【0069】

圧電部１は、図３から図６に示すように、圧電部１と反射層５との間に設ける中間層９は、圧電部１のＹ軸方向の中心部には、音響インピーダンスが大きい値のものを設け、端部に行くにしたがって、徐々に連続的に音響インピーダンスが小さい値のものに変化させる構成にする。したがって、圧電部１は被検体側の音波放射方向において、圧電部１のＹ軸方向の中心部では、図５、図６に示すように、高周波数を多く含む、すなわち中心周波数ｆｃは高く、端部に行くに従い低くなっていくため、広帯域の周波数特性を有することになる。

【0070】

また、圧電部１のＹ軸方向の中心部の領域は中間層９を設けないで、反射層５を直接接するように設け、端部に向かって任意の領域から中間層９を設けて、端部に行くにしたがって音響インピーダンスを傾斜させてもよい。

【0071】

なお、圧電部１と反射層５との間に設ける中間層９は、圧電部１の中心部には音響インピーダンスが大きい値のものを設け、端部に行くにしたがって、連続的に音響インピーダンスが小さい値のものに変化させる構成について説明したが、このほか、圧電部１と反射層５との間に設ける中間層９は、段階的、規則的又は不規則的に音響インピーダンスを変化させても同様の効果がある。

【0072】

圧電部１のＹ軸方向の中心部から端部にかけて段階的に音響インピーダンスを小さくする場合には、それぞれ音響インピーダンスを有した材料を並べた構成にしてもよい。

【0073】

また、音響マッチング層６は、圧電部１のＹ軸方向の中心部から端部方向の中心周波数ｆｃの変化に合わせて厚みを変化させてもよい。

【0074】

音響レンズ８は、圧電部１から音響マッチング層６を伝搬してきた超音波を被検体（図示せず）において集束させる。圧電部１で送信し、音響レンズ８を通過した後の近い距離の超音波は、高周波成分が、圧電部１のＹ軸方向の中心部付近に局在するため、近距離においては、高周波数成分の超音波ビーム径は細くなる。一方、圧電部１のＹ軸方向の中心部から端部にいくにしたがって低周波数にシフトしていく低周波成分は、近い距離では超音波ビーム径が太くなるが、比較的遠距離において、音響レンズ８の集束により超音波ビーム径が細くなる傾向となる。したがって、音響レンズ８の集束効果と、圧電部１のＹ軸方向の中心部領域から高周波数、そして端部にいくにしたがって低周波数にシフトさせた周波数を変化させる効果とによって、近距離から遠距離にわたって、超音波ビームを細く絞ることができるため、超音波画像の分解能を高めることができる。

【0075】

圧電部１と反射層５との間に設ける中間層９の音響インピーダンスを変化させる方法として、一例として以下のような方法がある。任意の厚みを有する音響インピーダンスの大きい材料、例えばタングステン金属フィルム（音響インピーダンスは約１０４［ＭＲａｙｌｓ］）、モリブデン金属フィルム（音響インピーダンスは約６３［ＭＲａｙｌｓ］）、銅フィルム（音響インピーダンスは約４４［ＭＲａｙｌｓ］）、ステンレス金属フィルム（音響インピーダンスは約４６［ＭＲａｙｌｓ］）など、音響インピーダンスが３０［ＭＲａｙｌｓ］以上のフィルム又はフィルム状に加工したものを用いて、これらの材料にパターンマスクを用いてエッチング、レーザー加工若しくは機械加工などによりストライプ状、あるいは空孔を設ける。前記フィルムを加工したストライプ状あるいは空孔部には、音響インピーダンスが３０［ＭＲａｙｌｓ］以下の材料、例えばエポキシ樹脂のような接着剤を設ける。このことによって、３０［ＭＲａｙｌｓ］以上のフィルムと空孔などに設けた３０［ＭＲａｙｌｓ］以下の材料の体積比率を変化させることにより、音響インピーダンスの値を変化させることが可能となる。このほかに金属以外で音響インピーダンスが３０［ＭＲａｙｌｓ］以上の材料であればよく、これらに限定するものではない。

【0076】

なお、上記の中間層９の材料は、各種金属フィルムであるため電気的に導体であるので圧電部１の信号電極３と、中間層９、反射層５を介した信号用電気端子７とは電気的に接続することができるが、中間層９が電気的に絶縁体、若しくは半導体のような場合には、中間層９の周囲に又は中間層９に複数個の貫通孔を設けて、銅や金の導体をメッキや蒸着又はスパッタリングなどの方法で設けることにより、圧電部１の信号電極３と、中間層９、反射層５を介した信号用電気端子７とを電気的に接続してもよい。

【0077】

ここで、中間層９の音響インピーダンスに変化させる方法の手段の一例として、複数種類の材料を用いた複合体について、以下に説明する。タングステン金属フィルムとエポキシ樹脂の複合体を考えた時、それぞれの音響インピーダンスは、タングステンが約１０４［ＭＲａｙｌｓ］、エポキシ樹脂が約３［ＭＲａｙｌｓ］であり、これらの複合体は、体積比率を変化させることにより、音響インピーダンスは約３から約１０４［ＭＲａｙｌｓ］の範囲で任意に変化させることが可能であり、図５、図６に示すように、周波数特性を任意に変化させることができる。タングステンの体積比率が高い、つまり音響インピーダンスが大きい領域は圧電部１のＹ軸方向の中心部に設け、端部に行くに従いエポキシ樹脂の体積比率を高くしていくことにより音響インピーダンスを小さくするように配置する。たとえば、タングステン厚み０．０２５波長（１０［ＭＨｚ］の周波数では、音速約６４６０［ｍ／ｓ］であるから、０．０１３６［ｍｍ］の厚みとなる）を有したものをエッチング、レーザー加工などの方法にて、空孔率が圧電部１のＹ軸方向の端部に向かって大きくなるよう空孔を設けたものを、圧電部１と反射層５との間に設け、そこにエポキシ接着剤などで接着することで、空孔にも接着剤が入り接着されることで上記複合体の中間層９の構成にすることができる。

【0078】

また、予め、タングステンフィルムに空孔を設けるように加工した後、エポキシ樹脂を空孔に充填して、所望の厚みに加工して、その後圧電部１と反射層５とをエポキシ樹脂で接着して設ける方法でもよい。

【0079】

図５、図６に示す特性において、中間層９の厚みは、均一としているが、この厚みは圧電部１のＹ軸方向の中心部は薄く、端部に行くにしたがって厚くして連続的に、若しくは段階的に傾斜させても、また逆の厚みにしてもよい。

【0080】

また、本実施の形態の音響マッチング層６は、それぞれほぼ均一の厚みに設けている構成の場合について説明しているが、このほか、圧電部１のＹ軸方向の中心部の高い周波数特性を有する場合と、端部に行くにしたがって低周波数にシフトするにしたがって、それぞれの周波数に合わせて厚みを変化させてもよい。

【0081】

なお、圧電部１と反射層５との間に設ける中間層９は、圧電部１のＹ軸方向の中心部で音響インピーダンスが大きく、端部に行くに従い音響インピーダンスを小さくした構成について説明したが、このほか、図４に示すように、圧電部１のＹ軸方向の中心部のある幅は音響インピーダンスが一定で、そこから端部に行くに従い音響インピーダンスが小さくなるように変化させる構成においても同様な効果が得られる。

【0082】

なお、圧電部１と反射層５との音響インピーダンスが、Ｙ軸方向に一定の値を有し、圧電部１と反射層５との間に設ける中間層９は、圧電部１のＹ軸方向の中心部で音響インピーダンスが大きく、端部に行くに従い音響インピーダンスを小さくした構成について説明したが、このほか、中間層９は、圧電部１のＹ軸方向の中心部から端部の方向に、音響インピーダンスが連続的、段階的、規則的又は不規則的に小さくする構成においても同様の効果が得られる。

【0083】

また、圧電部１又は反射層５の音響インピーダンスは、圧電部１のＹ軸方向の中心部から端部まで一様な値を有する構成について説明したが、このほか、圧電部１、反射層５又はその両方は、圧電部１のＹ軸方向の中心部から端部の方向に、音響インピーダンスが連続的、段階的、規則的又は不規則的に変化させた構成においても同様の効果が得られる。

【0084】

以上、本実施の形態によれば、超音波探触子１０は、超音波を送受信する複数の圧電素子１ａが配列された圧電部１と、圧電部１の背面側に設けられたバッキング４と、圧電部１とバッキング４との間に配置され、圧電部１の音響インピーダンスより大きい音響インピーダンスを有する反射層５と、圧電部１と反射層５との間に配置された中間層９と、を備える。中間層９は、複数の圧電素子１ａの配列方向（Ｘ軸方向）と直交するＹ軸方向の圧電部１の中心部の超音波の周波数を端部の超音波の周波数よりも高くする。具体的には、中間層９は、Ｙ軸方向の中心部から端部の方向へ向かって、超音波の周波数を低くする。

【0085】

このような構成にすることにより、従来のように圧電素子、反射層を曲面に加工することもないため、構成を簡単にでき、容易に作成することができるとともに、品質の高い超音波探触子１０を得ることができる。

【0086】

さらに、圧電部１のＹ軸方向の中心部において、高周波数の応答を得、端部に行くに従い高周波数から低周波数にシフトし、圧電部１端部においては、中心部より低周波数の応答を得ることができるとともに、開口の大きさを周波数に対して逆比例に変化させて、焦点深度の深い近距離から遠距離まで細い超音波のビーム径が得られ、超音波探触子１０、超音波診断装置１００を高分解能化できる。

【0087】

また、中間層９は、反射層５の音響インピーダンスと同等又はそれ以下の音響インピーダンスの値を有し、圧電部１のＹ軸方向の中心部から端部の方向に、連続的、段階的、規則的又は不規則的に音響インピーダンスを小さくする。このため、音響インピーダンスを変化することにより、圧電部１のＹ軸方向の中心部から端部の方向に、（超音波の）周波数を容易に小さく変化させることができる。

【0088】

また、中間層９は、圧電部１のＹ軸方向の中心部から端部の方向に、均一の厚みとする。このため、超音波探触子１０の構成を簡単にでき、容易に作成できる。

【0089】

また、中間層９は、反射層５の音響インピーダンスと同等又はそれ以下の音響インピーダンスの値を有した第１の材料と、第１の材料より小さい音響インピーダンスを有する第２の材料との複合体とし、圧電部１のＹ軸方向の中心部で第１の材料の体積比が大きく、端部に行くに従い、第１の材料の体積比が小さい。このため、圧電部１のＹ軸方向の中心部から端部の方向に、（超音波の）周波数を容易かつ確実に小さく変化させることができる。

【0090】

また、中間層９は、圧電部１のＹ軸方向の中心部から端部の方向に、連続的、段階的、規則的又は不規則的に、超音波の周波数を高い周波数から低い周波数に変化する。このため、中間層９の様々な態様で、圧電部１のＹ軸方向の中心部から端部の方向に、周波数を容易かつ確実に小さく変化させることができる。

【0091】

また、超音波探触子１０は、圧電部１から被検体の方向に１層以上（４層）の第１の音響マッチング層６ａ、第２の音響マッチング層６ｂ、第３の音響マッチング層６ｃ、第４の音響マッチング層６ｄを設ける。第１の音響マッチング層６ａ、第２の音響マッチング層６ｂ、第３の音響マッチング層６ｃ、第４の音響マッチング層６ｄは、均一の厚みを有する。このため、超音波探触子１０を広帯域化でき、音響マッチング層６の構成を簡単にできる。

【0092】

また、超音波診断装置１００は、超音波探触子１０と、超音波探触子１０から入力された受信信号に基づいて超音波画像データを生成する画像生成部１８と、を備える。このため、簡単な構成で、周波数帯域を広くできるとともに、近距離から遠距離まで高い分解能の超音波診断装置１００を実現できる。

【0093】

（第２の実施の形態）
図７～図１１を参照して、本発明に係る第２の実施の形態を説明する。なお、本実施形態は、第１の実施形態で説明した図３に示す構成と基本的には同じであるので、図３を参照しながら説明する。図７は、本実施の形態の超音波探触子１０の中間層９の厚みを変化させたときの周波数特性を示す図である。図８は、本実施の形態の超音波探触子１０の中間層９の厚みを変化させたときの中心周波数ｆｃの関係を示す図である。

【0094】

図７は、圧電部１と反射層５との間に設ける中間層９に、圧電部１及び反射層５の音響インピーダンスより小さい値の３［ＭＲａｙｌｓ］を有した材料を使用して、その厚みを変えた時の周波数特性の計算結果を示す。図７には、中間層９の厚みを０から０．０２波長に変化させたときの横軸の周波数［ＭＨｚ］に対する縦軸の超音波探触子１０の感度［ｄＢ］の結果を示す。なお計算は、第１の実施の形態で示した方法と表Iの仕様で、中間層９の厚みに変化を持たせて計算した結果を示している。

【0095】

また、図８は、横軸の図７に対応する中間層９の厚みと、縦軸の図７の結果に基づいて算出した－６ｄＢでの中心周波数ｆｃ［ＭＨｚ］との関係を示す。図８には、中間層９の音響インピーダンスを１０、３０［ＭＲａｙｌｓ］とした時の結果も併せて示す。

【0096】

図７に示すように、中間層９の厚みが薄い、つまり図では、０又は０．００４波長厚みで極めて薄い場合には、高周波数域まで周波数を有した広帯域特性になっているが、中間層９の厚みが厚くなる（０．００６波長から０．０２波長）にしたがって、高周波数域がカットされて低周波数域にシフトしていく周波数特性となっている。図７の周波数特性から中心周波数ｆｃを算出した結果を示している図８においても、中間層９の厚みが厚くなるに従い低周波数域にシフトしていく傾向となっている。これは、図８に示しているように、中間層９の音響インピーダンスが１０、３０［ＭＲａｙｌｓ］になっても周波数がシフトする傾向がある。ただし、音響インピーダンスが大きい３０［ＭＲａｙｌｓ］の中間層９では厚みと周波数との変化は小さくなる傾向であるが、まだ効果はある。これら中間層９の厚みに変化を持たせて周波数を変化させる構成では、中間層９の音響インピーダンスは、反射層５の音響インピーダンスより小さい値を有するものであれば効果がある。

【0097】

図８から想定できるように、圧電部１、反射層５の音響インピーダンスに対して、中間層９の音響インピーダンスが小さい、つまりその比が大きくなることによって、中間層９の厚みに対する中心周波数ｆｃの変化が大きくなる傾向がある。この傾向を有効に活かすための具体的な材料の一例としては、音響インピーダンス約３［ＭＲａｙｌｓ］を有するエポキシ樹脂がある。さらに、これより小さい音響インピーダンスの値の材料を用いれば、少しの厚みの変化で周波数特性を大きく変化させることができる。エポキシ樹脂以外の材料としては、エポキシ樹脂に、種々の粉体、金属、金属酸化物若しくは金属炭化物を充填した複合体、又は、高分子材料、低融点のインジウム、錫金属若しくはそのほかの合金などがある。中間層９の材料としては、反射層５の音響インピーダンスより小さい値を有するものであれば、これらに限定するものではない。

【0098】

また、圧電部１又は反射層５の音響インピーダンスは、圧電部１のＹ軸方向の中心部から端部まで一様な値を有する構成について説明したが、このほか、圧電部１、反射層５又はその両方は、圧電部１のＹ軸方向の中心部から端部の方向に、音響インピーダンスが連続的、段階的、規則的又は不規則的に変化させた構成においても同様の効果が得られる。

【0099】

図７、図８の中間層９の厚みが変わることにより、周波数特性が変化することを利用して、本実施の形態は、圧電部１のＹ軸方向の中心部は中間層９を薄くし、端部に行くにしたがって厚くすることによって、圧電部１の中心部領域において、高周波数の応答を得ることができ、端部にいくに従い、高周波数から低周波数にシフトしていき、圧電部１の端部においては、中心部より低周波数の応答を得ることができるとともに、開口の大きさを周波数に対して逆比例に変化させて、焦点深度の深い近距離から遠距離まで細い超音波のビーム径が得られるため、高分解能化できる。

【0100】

圧電部１と反射層５との間に設けた中間層９の厚みを可変した一例の構成を図９（ａ）、図９（ｂ）、図９（ｃ）に示す。図９（ａ）は、圧電部１と反射層５と中間層９との一例を示す断面図である。図９（ｂ）は、圧電部１と反射層５と中間層９との別の一例を示す断面図である。図９（ｃ）は、圧電部１と反射層５と中間層９とのさらに別の一例を示す断面図である。

【0101】

図９（ａ）の中間層９の厚みを変化させる構成は、圧電部１及び反射層５の両方に傾斜を持たせている。中間層９の厚みは、圧電部１のＹ軸方向の中心部は最も薄く、端部に行くにしたがって厚くなるように傾斜させている。なお、圧電部１及び反射層５の厚みに傾斜させて中間層９の厚みを傾斜させているが、このほか、圧電部１又は反射層５を傾斜させない構成であっても、中間層９の厚みに傾斜させる構成であれば、これに限定させるものではない。

【0102】

また、図９（ｂ）の中間層９の厚みを変化させる構成は、圧電部１にＸ軸方向に延在する複数の溝を設け、その溝の深さ（凹凸の深さ）は、Ｙ軸方向の中心部は浅く、端部に行くにしたがって深くする。また、反射層５、又は、圧電部１及び反射層５に複数の溝を設け、その溝の深さ（凹凸の深さ）は、Ｙ軸方向の中心部は浅く、端部に行くにしたがって深くする構成でもよい。または、圧電部１、反射層５又はその両方に、表面の粗さに変化を持たせる構成としてもよい。つまり、圧電部１のＹ軸方向の中心部の凹凸の深さ又は表面粗さは小さく、端部に行くにしたがって、深く又は粗くして、圧電部１と反射層５との間に設ける中間層９は、凹凸の深さ、表面粗さに従って埋め込み又は接着することにより、厚みに変化を持たせて圧電部１のＹ軸方向の中心部から端部に行くにしたがって、連続的又は段階的に厚くなるような構成にしている。

【0103】

また、図９（ｃ）の中間層９の厚みを変化させる構成は、圧電部１及び反射層５に規則的又は不規則的に段階的に厚みを変化させているため、その間に設ける中間層９は圧電部１のＹ軸方向の中心部の厚みは薄く、端部にいくにしたがって厚くなるような構成にしている。また、圧電部１又は反射層５に、規則的又は不規則的に段階的に厚みを変化させ、中間層９が圧電部１のＹ軸方向の中心部の厚みは薄く、端部にいくにしたがって厚くなるような構成としてもよい。

【0104】

以上のような構成にすることにより、圧電部１のＹ軸方向の中心部において、高周波数の応答を得ることができ、端部にいくに従い、高周波数から低周波数にシフトしていき、圧電部１の端部においては、中心部より低周波数の応答を得ることができるとともに、開口の大きさを周波数に対して逆比例に変化させて、焦点深度の深い近距離から遠距離まで細い超音波のビーム径が得られるため、高分解能化できる。

【0105】

図１０（ａ）は、本実施の形態の超音波探触子１０の圧電部１と中間層９との厚みの関係を示す図である。図１０（ｂ）は、ハイドロフォンで受信した超音波探触子１０の周波数特性を示す図である。図１１（ａ）は、本実施の形態の超音波探触子１０で測定したビームパターンの結果を示す図である。図１１（ｂ）は、比較例のビームパターンの結果を示す図である。図１０（ａ）～図１１（ｂ）において、超音波探触子１０を試作し、圧電部１のＹ軸方向の中心部から端部に行くにしたがって周波数を高周波数から低周波数域に変化させたときの超音波ビームのパターンを測定した結果を示している。

【0106】

試作した超音波探触子１０の仕様は、第１の実施の形態の表Iに示した構成の１０［ＭＨｚ］の中心周波数であり、圧電部１の幅（図３のＹ軸方向の長さ）は４．６［ｍｍ］にして、音響レンズは、焦点距離が約２０［ｍｍ］になるように曲率半径を設定した。圧電部１と反射層５との間に設ける中間層９は、音響インピーダンスが約３［ＭＲａｙｌｓ］を有するエポキシ樹脂を用いた。

【0107】

図１０（ａ）において、横軸は圧電部１のＹ軸方向（短軸）の幅［ｍｍ］、縦軸はエポキシ樹脂を用いた中間層９の厚み［ｍｍ］を示し、圧電部１のＹ軸方向の中心部から両側に約１．１［ｍｍ］の領域は、中間層９の厚みは、０に近い０．５［μｍ］（中心周波数ｆｃが１０［ＭＨｚ］では０．００２波長に相当）以下の厚みにして、そこから両端に行くにしたがって、中間層９を厚くし、端部では６［μｍ］（中心周波数ｆｃが１０［ＭＨｚ］では０．０２４波長に相当）にした。なお、本構成は、図９（ａ）に近いが、中間層９の厚みを傾斜させるために、反射層５を加工して傾斜させ、圧電部１は、均一の厚みにしている。

【0108】

図１０（ｂ）において、中間層９の厚みを傾斜させて作成した超音波探触子１０を、図１０（ａ）に示す各位置Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅに、超音波探触子１０の周波数帯を包含する特性を有するインパルスの駆動波形で送信した超音波を受信するハイドロフォンを近距離に設置して、受信波形を測定したときの横軸の周波数［Ｈｚ］に対する縦軸の超音波探触子１０の感度［ｄＢ］の各周波数特性の結果を示す。中間層９の厚みの変化に応じて周波数特性が、高周波数域から低周波数域に変化していることが確認できる。図１０（ｂ）において、各周波数特性の中心周波数ｆｃは、位置Ａでは１０．８［ＭＨｚ］、位置Ｂでは１０．３［ＭＨｚ］、位置Ｃでは９．３［ＭＨｚ］、位置Ｄでは８．０［ＭＨｚ］、位置Ｅでは６．８［ＭＨｚ］となっており、圧電部１のＹ軸方向の中心部の中心周波数ｆｃが高周波数域を有し、端部に行くにしたがって、低周波数域にシフトしており、圧電部１の位置によって中間層９の厚みを変えたことにより、周波数が変化している結果となっている。

【0109】

このように圧電部１のＹ軸方向の中心部から端部にかけて、周波数特性が変化している超音波探触子１０を、深さに対して超音波ビームを測定した結果を図１１（ａ）に示す。図１１において、横軸は測定深さ［ｍｍ］、縦軸は各深さのビームプロファイルにおいて、－３ｄＢ，－６ｄＢ，－１２ｄＢのビーム幅［ｍｍ］を示している。なお、この時の測定条件は、超音波探触子１０をハイドロフォンの回転中心に設置して、水中下で各深さにハイドロフォンを角度０．２度ステップで走査してハイドロフォンで波形を受信し測定している。

【0110】

図１１（ｂ）は、超音波探触子の比較例であり、圧電部の幅が４．６［ｍｍ］で中間層は、０に近い０．５［μｍ］以下の均一の厚みでＹ軸方向の中心部から端部まで周波数特性の変化がない、いわゆる従来の構成の超音波探触子を測定した超音波ビームパターンの結果である。また、図１１（ａ）は、本実施の形態の図１０（ａ）、図１０（ｂ）の周波数特性に変化させた構成の超音波探触子１０を測定した超音波ビームパターンの結果である。

【0111】

比較例（従来構成）の図１１（ｂ）の超音波ビームパターンから－３ｄＢ，－６ｄＢ，－１２ｄＢのレベルで最もビーム幅が狭くなっている距離、つまり焦点距離は２０［ｍｍ］となっており、それぞれのビーム幅は、０．６１［ｍｍ］、０．９７［ｍｍ］、１．８［ｍｍ］であった。一方、本実施の形態構成の図１１（ａ）の超音波ビームパターンから－３ｄＢ，－６ｄＢ，－１２ｄＢで最もビーム幅が狭くなっている距離、つまり焦点距離はそれぞれ１８［ｍｍ］、１８［ｍｍ］、２０［ｍｍ］となっており、それぞれのビーム幅は、０．８２［ｍｍ］、１．３［ｍｍ］、２．２［ｍｍ］であった。焦点距離でのビーム幅は、比較例（従来構成）の方が本実施形態より狭くなっているが、確かにこの深さ付近だけは、比較例のほうが分解能は高くなるが、その前後の深さ及び全体の深さで比較すると明らかのように、本実施の形態の構成が全領域にわたり均一にビームは狭くなっており、広い領域の深さにおいて、超音波画像の分解能が高くなる。ビーム幅の評価法について、以下に説明する。

【0112】

また、広い深さ領域で超音波ビームが絞られているかどうかを評価する手法として焦点深度がある。これは、焦点距離でのビーム幅に対して、その数倍になる距離はどれくらいかで評価する方法である。この方法で、図１１（ａ）と図１１（ｂ）との結果を評価してみる。今回は最も狭くなっているビーム幅に対して、ビーム幅が１．５倍になる前後の距離とその範囲を評価した。

【0113】

図１１（ｂ）の比較例の超音波探触子の結果では、－３ｄＢは１４［ｍｍ］から２８［ｍｍ］となり、その範囲は１４［ｍｍ］となり、－６ｄＢでも１４［ｍｍ］から２８［ｍｍ］となりその範囲は、１４［ｍｍ］となっている。一方、本実施の形態の構成の図１１（ａ）の超音波探触子１０の結果は、－３ｄＢは１１［ｍｍ］から３１［ｍｍ］となり、その範囲は２０［ｍｍ］となり、－６ｄＢでは１１［ｍｍ］から３４［ｍｍ］となりその範囲は、２３［ｍｍ］となっている。これらの結果から、比較例の構成に対して本実施の形態の超音波探触子１０は、１．４～１．６倍の深さで超音波ビームが広がらないで絞られているという結果であり、超音波ビームが広い範囲で絞られているということが確認できている。

【0114】

以上のように、図１１（ａ）と図１１（ｂ）とを比較すると、明らかのように、本実施の形態の圧電部１のＹ軸方向の中心部から端部まで周波数特性に変化させた図１１（ａ）の超音波探触子１０のほうが、深さ方向で近距離から遠距離までビームの広がりが少なくなっており、広い範囲で高分解能の画像が得られる。

【0115】

なお、圧電部１と反射層５との間に設ける中間層９は、圧電部１のＹ軸方向の中心部領域の約５０％は厚みを薄く均一にし、そこから端部にかけて厚くする構成にしたが、中間層９の厚みに傾斜を持たせるのは、これに限定するものではなく、任意の領域で厚みを変化させても同様の効果が得られる。

【0116】

以上、本実施の形態によれば、中間層９は、反射層５の音響インピーダンスの値より小さい値を有し、圧電部１のＹ軸方向の中心部から端部の方向に厚みを厚くする。

【0117】

このため、中間層９の厚みを変化することにより、圧電部１のＹ軸方向の中心部から端部の方向に、（超音波の）周波数を容易に小さく変化させることができる。圧電部１のＹ軸方向の中心部において、高周波数の応答を得、端部にいくに従い高周波数から低周波数にシフトし、圧電部１の端部においては、中心部より低周波数の応答を得ることができるとともに、開口の大きさを周波数に対して逆比例に変化させて、焦点深度の深い近距離から遠距離まで細い超音波のビーム径が得られ、超音波探触子１０、超音波診断装置１００を高分解能化できる。

【0118】

また、中間層９の厚みは、少なくとも圧電部１又は反射層５を傾斜させて、圧電部１のＹ軸方向の中心部から端部の方向に、連続的、段階的、規則的又は不規則的に厚くする。このため、中間層９の様々な態様で、圧電部１のＹ軸方向の中心部から端部の方向に、（超音波の）周波数を容易に小さく変化させることができる。

【0119】

また、圧電部１、反射層５又はその両方を、圧電部１のＹ軸方向の中心部は厚く、端部に行くに従い薄くする。中間層９は、圧電部１のＹ軸方向の中心部から端部の方向に、少なくとも連続的に又は段階的に厚みを厚くする。このため、圧電部１、反射層５、中間層９の様々な態様で、圧電部１のＹ軸方向の中心部から端部の方向に、（超音波の）周波数を容易に小さく変化させることができる。

【0120】

また、圧電部１、反射層５又はその両方に複数の溝を設ける。前記溝の深さは、Ｙ軸方向の中心部は浅く、端部に行くに従い深くする。このため、圧電部１のＹ軸方向の中心部から端部の方向に、（超音波の）周波数を容易かつ確実に小さく変化させることができる。

【0121】

また、中間層９の厚みは、少なくとも圧電部１又は反射層５に、凹凸又は表面粗さに変化を持たせ、圧電部１のＹ軸方向の中心部から端部の方向に連続的、段階的、規則的又は不規則的に厚くする。圧電部１のＹ軸方向の中心部から端部の方向に、（超音波の）周波数を容易かつ確実に小さく変化させることができる。

【0122】

（第３の実施の形態）
図１２～図１３を参照して、本発明に係る第３の実施の形態を説明する。図１２は、本実施の形態の超音波探触子１０の中間層９の音速を変化させたときの周波数特性を示す図である。図１３は、本実施の形態の超音波探触子１０の中間層９の音速を変化させたときの中心周波数ｆｃの関係を示す図である。

【0123】

本実施の形態では、装置構成として、第１の実施の形態の超音波診断装置１００を用いるものとするが、超音波探触子１０を図３に示す超音波探触子１０に代えた構成とする。超音波診断装置１００において、第１、第２の実施の形態と同じ構成部分には、同じ符号を付して、その説明を省略する。

【0124】

図１２は、中間層９の厚みを０．０２５波長、音響インピーダンスを６［ＭＲａｙｌｓ］に設定し、中間層９の音速の値を１０００から７０００［ｍ/ｓ］の範囲で変化させたときの横軸の周波数［ＭＨｚ］に対する縦軸の超音波探触子１０の感度［ｄＢ］の周波数特性の変化を示している。

【0125】

また図１３は、図１２の各周波数特性から算出した－６ｄＢにおける中心周波数ｆｃと音速との変化を示す。横軸は中間層９の音速［ｍ/ｓ］、縦軸は中心周波数ｆｃ［ＭＨｚ］を示す。なお、図１２、図１３は、第１の実施の形態で示した方法と表Iの仕様で、中間層の音速に変化を持たせて計算した結果を示している。

【0126】

図１２、図１３において、中間層９の音速が速い場合には、高周波数まで有した周波数特性を有し、中間層９の音速が遅くなるに従い、低周波数にシフトしていく周波数特性となっている。

【0127】

図１３から、中間層９の音速が遅い１０００［ｍ/ｓ］の中心周波数ｆｃは約８［ＭＨｚ］となっており、音速が速くなっていくと高くなり、音速が速い７０００［ｍ/ｓ］での中心周波数ｆｃは、約１０［ＭＨｚ］となっていることがわかる。

【0128】

中間層９の音速を変化させる手段の一例として、音速の違う複数種類の材料を用いることで可能となり、ここでは中間層９のＹ軸方向の領域を第１の領域～第４の領域の４段階に分けて圧電部１のＹ軸方向の中心部から端部に向けて音速を低下させる構成について、以下に説明する。

【0129】

圧電部１のＹ軸方向の中心部に位置する第１の領域には、音速が６５００［ｍ／ｓ］以上の材料を設ける。例えば以下の材料が挙げられる。１０５２０［ｍ／ｓ］を有するアルミナ、１３０６０［ｍ／ｓ］を有するシリコンカーバイド、６７００［ｍ／ｓ］を有するタングステンカーバイドなどの酸化物、炭化物及び窒化物のセラミックス、並びに８４３０［ｍ／ｓ］を有するシリコンなどである。次の第１の領域の隣に位置する第２の領域には、音速が４５００から６５００［ｍ／ｓ］の範囲を有する材料を設ける。例えば以下の材料が挙げられる。６１００［ｍ／ｓ］を有するチタン、５７００［ｍ／ｓ］前後を有するステンレス鋼、などの金属材料、又は、約５５００［ｍ／ｓ］を有する快削性セラミックスなどがある。次に第２の領域の隣に位置する第３の領域には、音速が３０００から４５００［ｍ／ｓ］の範囲を有する材料を設ける。例えば以下の材料が挙げられる。３２４０［ｍ／ｓ］を有するＤＦＰ-1Ｃ（Poco Graphite, Inc.社）などのグラファイト系の材料、及びエポキシ樹脂に、シリコンカーバイドなどの炭化物又はアルミナなどの酸化物の粉体を充填することにより、上記音速が達成できる複合材料などがある。次に第３の領域の隣、つまり圧電部１のＹ軸方向の端部に位置する第４の領域には、音速が１０００から３０００［ｍ／ｓ］の範囲を有する材料を設ける。例えば以下の材料が挙げられる。１０００［ｍ／ｓ］前後のシリコーンゴム、２０００［ｍ／ｓ］前後を有するウレタンゴム、又は２５００［ｍ／ｓ］前後を有するエポキシ樹脂などの材料を設ける。

【0130】

このように、圧電部１の幅方向（図３のＹ軸方向）に、音速を４段階に変えた材料の間隔は、等間隔でも間隔を変えてもよく、圧電部１の中心部領域に設ける中間層９の音速は最も速く、端部にいくにしたがって遅くなるように配置することにより、周波数に変化を持たせることができる。なお、中間層９の４段階の材料の厚みは均一でも不均一でもよく、周波数が変化するように調整できれば、厚みは限定するものではない。

【0131】

また、前記説明では、圧電部１のＹ軸方向に中間層９の音速を４段階に分けた構成について説明したが、分割数はこれに限定するものではない。また連続的に音速を可変できるものであってもよい。

【0132】

また、中間層９の音速を変化させる手段のほかの一例として以下に説明する。中間層９を少なくとも２種類の音速の速い材料と音速の遅い材料との複合体にして、その体積比率をＹ軸方向の複数の領域で変化させることにより、音速を可変することができる。以下の例として挙げる複合体の構成は、音速の速い材料と遅い材料とを交互に配列して、その体積比率を変化させる場合についての説明であるが、複合体の構成は、これに限定されるものでない。

【0133】

圧電部１のＹ軸方向の中心部領域には、中間層９として音速の速い材料の体積比率を高くして音速の速い領域を設け、圧電部１の端部にいくにしたがって、音速の遅い材料の体積比率を徐々に大きくしていくことによって、音速が遅い領域を設けることが可能となる。例えば、音速の速い材料としてチタン酸バリウムセラミックスの音速は５４５０［ｍ／ｓ］、また音速の遅い材料としてエポキシ樹脂の音速は２５００［ｍ／ｓ］の２種類の材料を用い、チタン酸バリウムセラミックスの体積比率７５％、５０％、２５％に変化させると音速はそれぞれ、４７６０［ｍ／ｓ］、４４５０［ｍ／ｓ］、３９３０［ｍ／ｓ］と変化する。このように、音速の違う材料の体積比率を変化させることにより、音速を可変することが可能となり、中間層９は、圧電部１のＹ軸方向の中心部から端部にいくにしたがって音速を連続的に又は段階的に変化させることができる。なお、上記に挙げた材料以外にも、音速の違う材料の組み合わせであれば、これら材料に限定されるものではないことは理解された。

【0134】

このように、中間層９の音速を変化させる、つまり、圧電部１のＹ軸方向の中心部には音速が速い中間層９を設け、端部に行くにしたがって、中間層９の音速が遅くなるような構成にすることにより、圧電部１の中心部は高周波数域を有した周波数特性、端部に行くにしたがって低周波数成分を有した周波数特性の超音波を送信、受信できることになる。したがって、第１、第２の実施の形態と同様の機能を有することができるため、焦点深度の深い近距離から遠距離まで細い超音波のビーム径が得られるため、高分解能化できる。

【0135】

なお、圧電部１と反射層５との間に設ける中間層９は、均一の厚みにして、圧電部１のＹ軸方向の中心部は音速が速く、端部に行くに従い音速を遅くした構成について説明したが、このほか、中間層９の厚みは不均一の厚みにした構成においても同様の効果が得られる。

【0136】

なお、圧電部１と反射層５との間に設ける中間層９は、圧電部１のＹ軸方向の中心部は音速が速く、端部に行くに従い徐々に音速を遅くした構成について説明したが、このほか、中間層９の音速は、圧電部１のＹ軸方向の中心部から端部の方向に、音速が段階的、規則的又は不規則的に遅くする構成においても同様の効果が得られる。

【0137】

また、圧電部１又は反射層５の音響インピーダンスは、圧電部１のＹ軸方向の中心部から端部まで一様な値を有する構成について説明したが、このほか、圧電部１、反射層５又はその両方は、圧電部１のＹ軸方向の中心部から端部の方向に、音響インピーダンスが連続的、段階的、規則的又は不規則的に変化させた構成においても同様の効果が得られる。

【0138】

以上、本実施の形態によれば、中間層９の音速は、圧電部１のＹ軸方向の中心部から端部の方向に、連続的、段階的、規則的又は不規則的に遅くする。

【0139】

このため、圧電部１のＹ軸方向の中心部において、高周波数の応答を得、端部に行くに従い高周波数から低周波数にシフトし、圧電部１端部においては、中心部より低周波数の応答を得ることができるとともに、開口の大きさを周波数に対して逆比例に変化させて、焦点深度の深い近距離から遠距離まで細い超音波のビーム径が得られ、超音波探触子１０、超音波診断装置１００を高分解能化できる。

【0140】

なお、上記各実施の形態における記述は、本発明に係る好適な超音波探触子及び超音波診断装置の一例であり、これに限定されるものではない。例えば、上記各実施の形態の少なくとも２つを適宜組み合わせる構成としてもよい。

【0141】

また、以上の各実施の形態における超音波診断装置１００を構成する各部の細部構成及び細部動作に関して本発明の趣旨を逸脱することのない範囲で適宜変更可能である。

【符号の説明】

【0142】

１００ 超音波診断装置
１０，４０ 超音波探触子
１ 圧電部
１ａ，４１ 圧電素子
２ 接地電極
３ 信号電極
４，４４ バッキング
５ 反射層
６，４６ 音響マッチング層
６ａ 第１の音響マッチング層
６ｂ 第２の音響マッチング層
６ｃ 第３の音響マッチング層
６ｄ 第４の音響マッチング層
７ 信号用電気端子
８ 音響レンズ
９ 中間層
１４ ケーブル
１１ 本体部
１３ 表示部
１５ 操作入力部
１６ 送信部
１７ 受信部
１８ 画像生成部
１９ 画像処理部
２０ ＤＳＣ
２１ 制御部
１２ コネクター部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】