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図面 (12)

課題

製造を容易にするために基板圧電素子を固定した超音波診断装置においても最適な周波数で動作させることが可能であり、感度を向上させることを課題とする。

解決手段

圧電素子41は、駆動回路32により入力された駆動信号に応じて、測定対象物内に超音波を送信する。圧電素子41、42は基板43に保持される。圧電素子41、42の上面に音響整合層45を設ける。駆動回路32は、圧電素子41、42を所定の周波数で圧電素子41、42の厚み方向に励振することで、圧電素子41、42を駆動する。駆動周波数は圧電素子41、42が基板43に保持される前における、厚み方向の共振周波数反共振周波数の中間の周波数より高く設定する。

概要

背景

超音波技術を利用して物理情報を検出する超音波診断装置には、測定対象物あるいは媒体に超音波を送信して位置、距離あるいは速度を検出する計測装置生体に超音波を放射し、その反射波ドップラシフト周波数を検出して例えば、生体の流速を測定する超音波診断装置がある。

概要

製造を容易にするために基板圧電素子を固定した超音波診断装置においても最適な周波数で動作させることが可能であり、感度を向上させることを課題とする。圧電素子41は、駆動回路32により入力された駆動信号に応じて、測定対象物内に超音波を送信する。圧電素子41、42は基板43に保持される。圧電素子41、42の上面に音響整合層45を設ける。駆動回路32は、圧電素子41、42を所定の周波数で圧電素子41、42の厚み方向に励振することで、圧電素子41、42を駆動する。駆動周波数は圧電素子41、42が基板43に保持される前における、厚み方向の共振周波数反共振周波数の中間の周波数より高く設定する。

目的

本発明は、製造を容易にするために基板に圧電素子を固定した超音波診断装置においても、最適な周波数で動作させることが可能であり、感度を向上させることを目的とする

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請求項1

入力された駆動信号に応じて測定対象物内に超音波を送信する圧電素子と、前記圧電素子を保持する基板と、前記圧電素子上面に設けた音響整合層と、前記圧電素子を所定の周波数で駆動する駆動周波数により、前記圧電素子の厚み方向に励振し駆動する駆動回路と、を有し、前記駆動周波数は前記圧電素子の基板保持前の厚み方向の共振周波数反共振周波数の中間の周波数より高く設定したことを特徴とする超音波診断装置

請求項2

前記駆動周波数は、前記基板に保持する前の前記圧電素子の厚み方向の共振周波数と反共振周波数の中間の周波数に対して1.02乃至1.27倍の倍率に設定した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3

前記音響整合層がエポキシ系樹脂であり、前記駆動周波数は前記エポキシ樹脂硬化後の機械的強度により前記倍率を選択したことを特徴とする請求項2に記載の超音波診断装置。

請求項4

前記基板の材質は、ガラスシリコンガラスエポキシ樹脂セラミックのいずれかの基板であることを特徴する請求項1乃至3のいずれかに記載の超音波診断装置。

技術分野

0001

本発明は超音波診断装置に関し、詳細には、動脈に対する超音波送受信により血流変化ドップラシフト周波数の検出により測定し、脈波あるいは血液循環動態を検出するための、超音波診断装置に関する。

0002

超音波技術を利用して物理情報を検出する超音波診断装置には、測定対象物あるいは媒体に超音波を送信して位置、距離あるいは速度を検出する計測装置生体に超音波を放射し、その反射波のドップラシフト周波数を検出して例えば、生体の流速を測定する超音波診断装置がある。

0003

図10は従来の超音波診断装置の例である。図10では、圧電素子共振周波数frと反共振周波数faとの間の中心周波数f0に動作周波数を選択するように設定された超音波診断装置である。以下にこの従来例の超音波診断装置について説明する。

0004

図10に示すように、圧電振動子100を図示しない電極の形成されたPZTとし、後面にバッキング材200を、前面に音響整合層を形成する。そして、圧電振動子100の動作周波数を圧電素子100の共振周波数frと反共振周波数faの間の中間周波数f0とする。音響整合層は例えば2層構造とし、圧電板側となる1層目300をセラミックの貼着により形成する。ただし、1層目300の厚みは予め接着剤400の厚みを加えた上で、動作周波数(中心周波数f0)のλ/4とするように設定する。次にエポキシ系の樹脂を1層目300の上に塗布し、固体樹脂600とする。次にスペクトラムアナライザ等により帯域特性監視しながらその平坦部が最も大きくなるように研磨し、最適な周波数特性を得るようにしている(例えば、特許文献1参照。)。

0005

一方、図11は、超音波の減衰特性が十分ではないが、製造を容易にするためにガラスエポキシ基板ガラス基板などの基板に圧電素子を設けた超音波診断装置の従来例である(例えば、特許文献2参照。)。

0006

図11の通り、超音波診断装置は、基板430に圧電材料410、420を固定し、圧電材料410、420に電圧印加するための電極470a、470bにより構成される。

0007

上記いずれにおいても、圧電素子を駆動する周波数は、固定前の圧電素子の共振周波数、反共振周波数を基準として決定されていた(例えば、特許文献2参照。)

0008

【特許文献1】
特許2791588号公報(第2−3頁、第1図)

背景技術

0009

【特許文献2】
特開2002−085361(第9−10頁、第6図)

0010

従来の超音波診断装置は、製造ばらつきを抑え、製造を容易にするためガラスシリコンガラエポなどの基板上に圧電素子を接着などにより固定し、圧電素子上に音響整合層を設ける場合、圧電素子の厚み方向の共振周波数、反共振周波数が高周波数側にシフトし、固定前の圧電素子の共振周波数、反共振周波数を基準として圧電素子の駆動周波数を決定すると、感度が低くなってしうという問題があった。

0011

また、従来の超音波診断装置は、基板に固定せず、バッキング材として通常のタングステン粉末を混合したエポキシ樹脂などを使用すると、圧電素子への配線が困難になるなど、製造上の不具合があった。

発明が解決しようとする課題

0012

そこで、本発明は、製造を容易にするために基板に圧電素子を固定した超音波診断装置においても、最適な周波数で動作させることが可能であり、感度を向上させることを目的とする。

0013

上記課題を解決するため、本発明の超音波診断装置は、入力された駆動信号に応じて測定対象物内に超音波を送信する圧電素子と、前記圧電素子を保持する基板と、前記圧電素子上面に設けた音響整合層と、前記圧電素子を所定の周波数で駆動する駆動周波数により、前記圧電素子の厚み方向に励振し駆動する駆動回路と、を有し、前記駆動周波数は前記圧電素子の基板保持前の厚み方向の共振周波数と反共振周波数の中間の周波数より高く設定したことを特徴とする。このような構成とすることで、圧電素子を基板上に固定した際に、共振点が高周波数側にシフトしても所望の検出感度を得ることができる。

0014

本発明の超音波診断装置は、前記駆動周波数は、前記基板に保持する前の前記圧電素子の厚み方向の共振周波数と反共振周波数の中間の周波数に対して1.02乃至1.27倍の倍率に設定したことを特徴とする。駆動周波数を圧電素子の基板保持前の厚み方向の共振周波数と反共振周波数の中間の周波数に対して1.02〜1.27倍に設定することで、さらに検出感度を向上させることができる。

0015

本発明の超音波診断装置は、前記音響整合層がエポキシ系樹脂であり、前記駆動周波数は前記エポキシ樹脂の硬化後の機械的強度により前記倍率を選択したことを特徴とする。例えば、音響整合層の機械的強度が高いほど駆動周波数の設定値を大きくすると、さらに検出感度を向上させることができる。ここで、機械的強度とはヤング率などをいう。

課題を解決するための手段

0016

本発明の超音波診断装置は、前記基板の材質が、ガラス、シリコン、ガラスエポキシ樹脂、セラミックのいずれかの基板であることを特徴する。

0017

図1図9を参照して、本発明の超音波診断装置の1実施の形態について詳細に説明する。先ず、図1図2を参照して、超音波診断装置1の外観について説明する。

0018

図1は、本発明を適用した超音波診断装置1の外観上の構成を示す側面図であり、図2は、図1に示した超音波診断装置1を生体2(腕)に装着した状態を示す図である。

0019

図2に示すように、超音波診断装置1は、処理部3、超音波センサ部4、バンド5、及び止め金具6によって概略構成されており、図2に示すように、超音波診断装置1は、生体2に装着することにより常時携帯可能である。ここで、処理部3及び超音波センサ部4は、バンド5に取り付けられており、バンド5及び止め金具6によって生体2(図中の破線部)に装着される。この時、超音波センサ部4は、生体2の橈骨とうこつ)動脈あるいは尺骨動脈付近(図示省略)に当接される。また図示しないが、処理部3と超音波センサ部4は導線により接続されており、この導線を介して処理部3から駆動用電圧信号が超音波センサ部4に入力され、超音波センサ部4で測定された電圧信号が処理部3に入力される。

0020

次に、図3を参照して超音波診断装置1の処理部3について説明する。図3は、処理部3の内部構成と、処理部3と超音波センサ部4の接続状態を示すブロック図である。図3に示すように、処理部3は、演算処理部31、駆動回路32、及び表示部33によって概略構成されている。

0021

演算処理部31は、内部に備えた記憶領域(図示省略)に記憶されている処理プログラムを実行することによって、脈の検出に関する各種処理を実行し、その処理結果を表示部33に表示する。演算処理部31は、脈測定時に、駆動回路32から超音波センサ部4の送信用圧電素子41(詳細は後述)に特定の駆動用電圧信号を出力させる。また、演算処理部31は、送信用圧電素子41から発せられた超音波の周波数と、受信用圧電素子42で受信され血流ドップラ効果により変化した超音波の周波数と、を比較して脈を検出する。

0022

駆動回路32は、演算処理部31の指示に従って、特定の駆動用電圧信号を超音波センサ部4の送信用圧電素子41に出力する。表示部33は、液晶表示画面等によって構成されており、演算処理部31から入力される脈波検出結果等を表示する。

0023

次に、図4を参照して、超音波診断装置1の超音波センサ部4について説明する。図4は、超音波センサ部4の構成を示す概要図である。

0024

図4に示すように、超音波センサ部4は、送信用圧電素子41、受信用圧電素子42、基板44、音響整合層45によって概略構成されている。ここで、送信用圧電素子41及び受信用圧電素子42の厚み方向の両面には、図示しない電極が形成されている。図示しない導線により、送信用圧電素子41及び受信用圧電素子42の厚さ方向に電圧を印加する事が可能である。

0025

また、送信用圧電素子41は、図示しない両面の電極が処理部3の駆動回路32と導線によって接続されている。そして、送信用圧電素子41の両面に設けられた電極に、駆動回路32から特定の駆動用電圧信号が印加されると、送信用圧電素子41は励振して特定周波数の超音波を発生し、生体内図5の2a参照)に送信する。

0026

受信用圧電素子42は、その両面に設けられた電極が処理部3の演算処理部31と導線によって接続されている。受信用圧電素子42は、生体内部からの反射超音波を受信すると、この超音波を電圧信号に変換し、処理部3の演算処理部31に出力する。

0027

尚、送信用圧電素子41と受信用圧電素子42に、同一の圧電素子を使用してもよい。また、圧電素子41,42によって超音波の送信、受信を分担させているが、一枚の圧電素子を使用して、超音波の送信、受信を行うことも可能である。

0028

本実施の形態では、送信用圧電素子、受信用圧電素子として外形0.65×8mm、厚み方向の振動Q値が75、圧電定数d33が417(×10−12m/V)のPZTを、基板44は厚さ1.0mm、外形4×12mmのガラスエポキシ基板を使用した。

0029

次に、図3及び図5を参照して、超音波診断装置1における処理部3及び超音波センサ部4の動作について説明する。図5は本実施の形態の超音波診断装置の超音波センサ部4と生体2との配置関係を示した図である。

0030

先ず、生体に超音波診断装置1を装着すると(図5では超音波センサ部4のみ記載)、図5に示すように、超音波センサ部4が生体2(の橈骨(とうこつ)動脈あるいは尺骨動脈付近)に当接される。そして、脈の検出時に、図3に示す演算処理部31は、駆動回路32から送信用圧電素子41の両面に設けられた電極に特定の駆動用電圧信号を出力させる。

0031

送信用圧電素子41は、両面に設けられた電極に入力された駆動用電圧信号に基づいて励振し超音波を発生し、該超音波を生体2(図5参照)内に送信する。生体2内に送信された超音波は動脈内の血流2aにより反射され、超音波センサ部4の受信用圧電素子42により受信される(超音波の伝播経路を矢印で示す)。受信用圧電素子42は、受信した超音波を電圧信号に変換して、両面に設けられた電極から演算処理部31に出力する。

0032

次に、演算処理部31は、送信用圧電素子41から送信された超音波の周波数と、受信用圧電素子42で受信され血流のドップラ効果により変化した超音波の周波数と、を比較して生体の脈を検出する。そして、演算処理部31は、脈の検出結果を表示部33に表示する。このようにして、超音波診断装置1は、生体の脈を測定・表示する。

0033

次に本実施の形態の超音波センサ部4の製造方法について、図4を用いて説明する。送信用圧電素子41及び受信用圧電素子42はアルミ、Auなどの金属を真空蒸着等することで両面に電極を形成し、外形をダイシングなどにより切断する。

0034

基板44と送信用圧電素子41、受信用圧電素子42を接着剤などにより固定する。さらにエポキシ樹脂の音響整合層45を圧電素子、基板に塗布することにより形成する。

0035

さらに、送信用圧電素子41に設けられた両面電極は図示しない配線により、図3の処理部3の駆動回路32に接続され、受信用圧電素子に設けられた両面電極は演算処理部31に接続される。

0036

次に圧電素子41の設定周波数と駆動周波数の関係について説明する。図6(a)における曲線Aが圧電素子41、42を基板44に接着により固定する前の圧電素子41,42のアドミッタンス特性であり、図6(a)における曲線Bが圧電素子41、42を基板44に接着により固定し、音響整合層を設けた後のアドミッタンス特性である。図6(a)からわかるように、基板44に接着し、音響整合層を形成すると、結果として厚み方向の共振点は高周波数側にシフトする。そのため、共振周波数と反共振周波数の中間の周波数も高周波数側にシフトする(図6(a)におけるf1からf1’へのシフト)。なお、図6(a)において、f1よりも低周波側にアドミッタンス極大値複数個見られるが、これは圧電素子の長さ方向の振動及び、その高調波成分であり、実際に使用するモードは共振周波数が図6(a)におけるAの9.5MHz付近の振動モードである。

0037

図6(b)はこのときのセンサの感度(送信用圧電素子41に4Vのバースト波を入力した場合に、送信された超音波が圧電トランスデューサ4から4.0mm程度離して対向・設置された真鍮板に反射して受信用圧電素子42によって検出されるときの出力電圧)の周波数特性である。明らかにf1’に近いf2付近に強度のピークがシフトしてしまっていることがわかる。

0038

このシフト量は基板44の材質、音響整合層44の材質、厚さで変化するが、おおよそ1.02〜1.27倍になることが実験により確認された。図6はf1を10.15MHzに設定した圧電素子を使用した結果であり、図7はf1が9.65MHzである圧電素子を使用した場合の結果である。シフト量は若干異なるが、同様に高周波数側にシフトすることがわかる。

0039

図8はf1とシフト量(f1’/f1)の結果である。例えば、共振周波数と反共振周波数の中間の周波数が9.4MHzの圧電素子を使用した場合、駆動周波数を9.4×1.02〜9.4×1.27=9.6〜11.9MHzに設定すれば、感度を著しく低下させること無く、動作させることができた。

0040

このシフト量は、音響整合層45のエポキシ樹脂の厚さ、機械的強度によって大きく変化する。図9は樹脂硬さ(JIS A)が80程度の樹脂を使用した場合のアドミッタンス特性の変化を示した図である。図6図7の場合(樹脂硬さが92程度)の場合に比べ、その変化量が小さいことがわかる。

0041

そのため、音響整合層45の硬さが高いほど、1.02〜1.27の範囲内で駆動周波数を高く、逆に低いほど駆動周波数も低く設定すればよい。なお、樹脂硬さ(JIS A)とヤング率とは略比例関係があることがわかっており、この樹脂硬さが不明であるばあいには、ヤング率を基準としてその駆動周波数を選定することも可能である。

発明を実施するための最良の形態

0042

また特に広帯域高感度化を目指して、低Q,高圧電定数のPZTを使用した場合にこの傾向が顕著であることが実験により確認されている。
さらに基板についても、ガラエポ基板より機械的強度が高いガラス基板を使用した場合のほうがこの周波数変化の割合が大きかった。

図面の簡単な説明

0043

以上のように、本発明の超音波診断装置によれば、製造ばらつきを低減しつつ、強度を向上させた超音波診断装置を提供することができる。

図1
本発明を適用した超音波診断装置の構成を示す外観図である。
図2
本発明の超音波診断装置を生体(腕)に装着した状態を示す外観図である。
図3
処理部の内部構成と、超音波センサとの接続状態を示すブロック図である。
図4
本発明による超音波診断装置の超音波センサの構成を示す図である。
図5
超音波センサが生体に当接された状態を示す図である。
図6
アドミッタンス特性、感度特性の結果を示す図である。
図7
アドミッタンス特性の結果を示す図である。
図8
共振周波数のシフト量を示す図である。
図9
アドミッタンス特性の結果を示す図である。
図10
従来の超音波診断装置のセンサ部の図である。
図11
従来の超音波診断装置のセンサ部の図である。
【符号の説明】
1 超音波診断装置
2 生体
2a 血管
3 処理部
31演算処理部
32駆動回路
33 表示部
4 超音波センサ部
41送信用圧電素子
42受信用圧電素子
43基板
45音響整合層
5バンド
6止め金具
100圧電振動子
200バッキング材
300 音響整合層
400接着剤
410圧電素子
420 圧電素子
430 基板
470a電極
470b 電極
600 固体樹脂

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