(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の柱状圧電体及びこれら柱状圧電体の隙間に充填される有機物で形成され、音響インピーダンスが７〜１５×１０６ｋｇ／ｍ２・ｓとなるように前記柱状圧電体の体積充填率を２０〜４５％に設定した複合圧電体と、
この複合圧電体の音響放射面側に配置され、音響インピーダンスを前記複合圧電体の音響インピーダンスより小さい所定範囲の値とし、前記複合圧電体の音響放射面から所定の厚みで設定された単一の層を含む音響整合層と、
前記音響整合層の音響放射面側に形成配置され、中央部の厚み寸法が、前記音響整合層の前記所定の厚み位置での音響放射面に対し零に設定されると共に、この中央部から周辺方向に向かって厚さ寸法が連続的に大きくなるように変化する球面形状に形成された前記音響整合層と同じ音響インピーダンスで、音速条件が水より速い速度に設定された音響レンズと、
を具備することを特徴とする超音波振動子。
【請求項２】
前記複合圧電体に配置される一方の電極を、所定の形状で複数に分割し、この電極を介して前記複合圧電体を駆動することによって振動子開口の大きさを変化させることを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子。
【請求項３】
前記音響レンズは、中央部に配置され、第１のレンズ曲率で形成された第１のレンズ部と、前記第１のレンズ部の周囲に配置され、前記第１のレンズ曲率とは異なる第２のレンズ曲率で形成された第２のレンズ部とからなることを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波のエコーを利用して生体内の断層を画像化する超音波内視鏡に主に用いられる超音波振動子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、超音波を生体に照射し、生体における音響インピーダンスの変化部分で反射された反射超音波を受信して電気信号に変換し、画像化することにより、超音波断層像を得る超音波診断装置が広く用いられるようになった。
【０００３】
そして、体腔内に挿入可能な内視鏡挿入部の先端に超音波振動子を設け、この超音波振動子によって超音波断層画像を得られるようにした超音波内視鏡が実用化されている。
【０００４】
超音波内視鏡で使用される超音波振動子の圧電体は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ），チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3） 等の圧電材料で形成されており、この圧電体の音響インピーダンスは約３０Ｘ１０6 Ｋｇ／ｍ2 ・ｓと大きかった。このため、音響インピーダンスを約４〜５Ｘ１０6 Ｋｇ／ｍ2 ・ｓに最適化させた音響整合層を兼ねた凹面型音響レンズを圧電体に配置した場合でも、図１０（ａ）の実線で表した７．５ＭＨｚ圧電体の帯域特性で示すようにゲイン−６ｄＢにおける比帯域は約４０％であった。このため、音響レンズの厚み寸法を連続的に変化させた凹面型音響レンズを用いることによる広帯域化への効果がほとんどなかった。
【０００５】
なお、前記−６ｄＢ比帯域とは、ゲイン−６ｄＢにおける高い方の周波数ｆｈと低い方の周波数ｆｌとの差と、この周波数ｆｈと周波数ｆｌとの中心周波数ｆｃとの商の関係であり、以下の式で表せる。
【０００６】
−６ｄＢ比帯域＝（周波数ｆｈ−周波数ｆｌ）／中心周波数ｆｃ
中心周波数ｆｃ＝（周波数ｆｈ＋周波数ｆｌ）／２  である。
【０００７】
また、前記ＰＺＴ，ＰｂＴｉＯ3 等で形成した圧電体の比帯域を広げるため、圧電体に音響インピーダンスが８〜１０Ｘ１０6 Ｋｇ／ｍ2 ・ｓの第１整合層及び音響インピーダンスが２〜３Ｘ１０6 Ｋｇ／ｍ2 ・ｓの第２整合層と前記音響レンズを設けて広帯域化を図る構成もある。しかし、この構成であっても−６ｄＢにおける比帯域は約６０〜７０パーセントであった。
【０００８】
なお、整合層を３層構造にすることにより、比帯域が約９０パーセントになることが知られているが整合層を貼り合わせる手間が多大である等、不具合が多いことも知られている。
【０００９】
このため、前記超音波内視鏡では広帯域化を図って体腔表面から深部までの観察を可能にするため、同図（ｂ）に示すようにため、超音波内視鏡９０の挿入部先端部９１に配置される先端キャップ９２内に深部を観察する目的で周波数７．５ＭＨｚ（前記図１０（ａ）の実線に示す帯域特性のもの）固定焦点タイプの遠距離観察用超音波振動子９３と、体腔表面近くを観察する目的で周波数１２ＭＨｚ（前記図１０（ａ）の破線に示す帯域特性のもの）又は２０ＭＨｚの固定焦点タイプの近距離観察用超音波振動子９４とを貼り合わせたものを配置して観察を行うようにしていた。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述したように挿入部先端部に、遠距離観察用超音波振動子と近距離観察用超音波振動子とを貼り合わせて配置したことにより、超音波内視鏡の先端部が太径になって挿入性を悪化させる要因になっていた。
【００１１】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、感度低下を起こすことなく、体腔表面から深部までの観察を行え、超音波内視鏡の挿入部の細径化を図れる超広帯域化（多周波化）した超音波振動子を提供することを目的にしている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明による超音波振動子は、複数の柱状圧電体及びこれら柱状圧電体の隙間に充填される有機物で形成され、音響インピーダンスが７〜１５×１０６ｋｇ／ｍ２・ｓとなるように前記柱状圧電体の体積充填率を２０〜４５％に設定した複合圧電体と、この複合圧電体の音響放射面側に配置され、音響インピーダンスを前記複合圧電体の音響インピーダンスより小さい所定範囲の値とし、前記複合圧電体の音響放射面から所定の厚みで設定された単一の層を含む音響整合層と、前記音響整合層の音響放射面側に形成配置され、中央部の厚み寸法が、前記音響整合層の前記所定の厚み位置での音響放射面に対し零に設定されると共に、この中央部から周辺方向に向かって厚さ寸法が連続的に大きくなるように変化する球面形状に形成された前記音響整合層と同じ音響インピーダンスで、音速条件が水より速い速度に設定された音響レンズと、を具備することを特徴とする。
【００１３】
この構成によれば、感度低下することなく、複合圧電体から音響レンズを通して例えば７．５ＭＨｚ、１２ＭＨｚ又は２０ＭＨｚ等、広範囲の周波数帯域に渡る超音波が放射される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１ないし図４は本発明の第１実施形態に係り、図１は超音波振動子の概略構成を示す図、図２は複合圧電体の構成を説明する図、図３は周波数及びゲインによる超音波振動子の特性を示す図、図４は超音波振動子を配置した超音波内視鏡の先端部を説明する図である。
【００１５】
なお、図１（ａ）は超音波振動子の構成を説明する斜視図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図ある。
【００１６】
図１（ａ），（ｂ）及び図２に示すように本実施形態の超音波振動子１は、角柱或いは円柱形状の柱状圧電体２ａ，…，２ａを多数配置し、その柱状圧電体２ａ，…，２ａの隙間及び周囲にポリウレタン、エポキシ等の樹脂部材２ｂを充填して所定形状に形成した複合圧電体２と、この複合圧電体２の超音波を放射する或いは超音波を送受する超音波放射面或いは超音波送受面（単に前面とも記す）に金をスパッタによって形成した前面電極３ａ及びこの複合圧電体２の超音波放射面とは反対側の面（前面に対して後面と記す）に金をスパッタによって形成した後面電極３ｂと、前記複合圧電体２の前面電極３ａを介して積層された前記複合圧電体２の音響インピーダンスと生体の音響インピーダンスとの間の隔たりをなくすように音の効率を上げるとともに前記複合圧電体２から放射された超音波を超音波振動子１の中心軸に集束させて超音波ビームを出射させる集束手段となる音響レンズ４ａを設けた音響整合層４と、前記複合圧電体２の後面電極３ｂを介して設けることによって複合圧電体後方側へ放射される超音波を減衰させるフェライト入りゴムなどで形成したバッキング材５（音響インピーダンスは５〜６Ｘ１０6 Ｋｇ／ｍ2 ・ｓ）と、前記複合圧電体２，前面電極３ａ，後面電極３ｂ，音響整合層４，音響レンズ４ａの表面及びバッキング材５の一部の表面を覆う耐水性、耐薬品性に優れたパリレン（ポリパラキシリレン）等で形成された保護膜６とで主に構成されている。
【００１７】
なお、前記中心軸は複合圧電体２の実効面中心軸すなわち超音波の音軸になっている。また、前記前面電極３ａにはアース線７が電気的に接続され、前記後面電極３ｂには信号線８が電気的に接続されている。そして、これら電線７，８はリード線９としてまとめられて延出して、図示しない観測装置の信号端子及びアース端子にそれぞれ接続される。
【００１８】
図２に示すように前記複合圧電体２は、複数の柱状圧電体２ａ，…、２ａと、音響インピーダンスが２〜５Ｘ１０6 Ｋｇ／ｍ2 ・ｓの樹脂部材２ｂとで形成されており、前記柱状圧電体２ａ，…、２ａの体積充填率を２０〜４５％に設定している。このことにより、複合圧電体２の音響インピーダンスを７〜１５Ｘ１０6 Ｋｇ／ｍ2 ・ｓにして、生体インピーダンスに近づけている。
【００１９】
前記音響整合層４は、音響インピーダンスが２〜４．５Ｘ１０6 Ｋｇ／ｍ2 ・ｓである前記複合圧電体２の音響インピーダンスより低いエポキシ樹脂で、音響レンズ４ａ部分を除いた厚み寸法をλ／４（λは超音波の中心周波数の波長、以下同様）にした円柱形状に形成されている。
【００２０】
前記音響整合層４に設けられる音響レンズ４ａは、所定の厚み寸法に形成された音響整合層４に対して形成配置されるものであり、この音響整合層４と同部材のエポキシ樹脂を音響整合層４の超音波放射面に積層して例えば中央部から周方向にいくにしたがって連続的に厚み寸法が大きくなるように変化する凹んだ曲面形状に形成されている。
【００２１】
なお、本実施形態においては音響レンズ４ａの中央部の厚み寸法を、前記音響整合層４の超音波放射面に対して零に設定している。つまり、音響レンズ４ａの中央部と音響整合層４の超音波放射面とは一致している。また、この音響レンズ４ａの音速条件を水（生体）より速く設定している。
【００２２】
上述のように構成した超音波振動子１の複合圧電体２を駆動させて超音波を放射させると、図３に示すような超広範な帯域特性が得られる。このとき、ゲイン−６ｄＢにおける高い方の周波数ｆｈが２０ＭＨｚであり、低い方の周波数ｆｌが３ＭＨｚであるので、
−６ｄＢ比帯域＝（周波数ｆｈ−周波数ｆｌ）／中心周波数ｆｃ
中心周波数ｆｃ＝（周波数ｆｈ＋周波数ｆｌ）／２  である。
【００２３】
前記式に周波数ｆｈ＝２０ＭＨｚ、及び周波数ｆｌ＝３ＭＨｚを代入することによって、−６ｄＢにおける比帯域は約１５０％と超広帯域であることが求められる。
【００２４】
つまり、この超音波振動子１は、周波数７．５ＭＨｚの固定焦点タイプの遠距離観察用超音波振動子及び周波数１２ＭＨｚ又は２０ＭＨｚの固定焦点タイプの近距離観察用超音波振動子の機能を有する。
【００２５】
このことにより、図４に示すように挿入部先端部１１の先端キャップ１２内に前記超音波振動子１を１つだけ配置することによって、前記挿入部先端部１１が細径で体腔表面から深部までの観察を行える超音波内視鏡１０が構成される。このとき、超音波振動子１から延出するリード線９も当然１本だけになる。
【００２６】
このように、音響インピーダンスが生体のインピーダンスに近づくように、つまり音響インピーダンスが小さな値となるように柱状圧電体を所定の体積充填率にして形成した複合圧電体の超音波放射面側に、厚さ寸法が中央部から周方向にいくにしたがって連続的に大きくなる形状で音響インピーダンスが複合圧電体の音響インピーダンスより小さな音響レンズを兼ねた音響整合層を配置することによって−６ｄＢにおける比帯域を約１５０％と超広帯域化させて焦域の長い超音波振動子を構成することができる。したがって、この超音波振動子１つで、多周波振動子の機能を有することになる。
【００２７】
また、この超音波振動子を挿入部先端部に配置することによって、挿入部の細径化を図って、体腔表面から深部までの観察を行える超音波内視鏡を構成することができる。
【００２８】
なお、図５（ａ）の斜視図及び同図（ｂ）の断面図に示すように複合圧電体２の前面に形成する前面電極３ａの一部を複合圧電体２の側面に露出する廻り込み電極３１として設け、この廻り込み電極３１に前記アース線７を接続して超音波振動子１Ａを構成するようにしてもよい。
【００２９】
このことによって、前面電極３ａと音響整合層４との接合面にアース線７を配置させることなく、複合圧電体２と音響整合層４との接合を行えるので、接合作業性を向上させることができるとともに、複合圧電体２と音響整合層４との接合を高精度に行うことができる。
【００３０】
図６及び図７は本発明の第２実施形態にかかり、図６は超音波振動子の構成を説明する図、図７は超音波振動子の作用を説明する図である。
なお、図６（ａ）は超音波振動子の斜視図、図６（ｂ）は図６（ｂ）のＢ−Ｂ線断面図、図６（ｃ）は後面電極の構成を説明する図、図７（ａ）は小さな振動子開口を形成して超音波を放射する状態を示す図、図７（ｂ）は大きな振動子開口を形成して超音波を放射する状態を示す図である。
【００３１】
本実施形態においては前記第１実施形態の超音波振動子１と後面電極３ａとの構成が異なっている。
【００３２】
図６（ｃ）に示すように本実施形態の超音波振動子１Ｂを構成する後面電極３ｂは、中央部に配置される円板形状で小径な第１電極３２と、この第１電極３２の外周に配置される略ドーナツ板形状の第２電極３３とで構成されている。そして、前記後面電極３ｂを構成する第１電極３２には第１リード線９ａの信号線８が接続され、第２電極３３には第２リード線９ｂの信号線８が接続され、それぞれのリード線９ａ，９ｂのアース線７は前記前面電極３ａに接続されている。
【００３３】
したがって、前記複合圧電体２は、第１電極３２と、第２電極３３とによって駆動される。その他の構成は前記第１実施形態と同様であり同部材には同符合を付して説明を省略する。
【００３４】
上述のように超音波振動子１Ｂを構成したことにより、前記第１電極３２によって前記複合圧電体２を駆動させると、図７（ａ）に示すように振動子開口を小さくして焦点位置を近距離に設定した、ビーム幅の細い超音波が音響レンズ４ａから放射される。
【００３５】
一方、前記第１電極３２及び第２電極３３によって前記複合圧電体２を駆動させると、図７（ｂ）に示すように振動子開口を大きくして焦点位置を遠距離に設定した、ビーム幅の細い超音波が音響レンズ４ａから放射される。
【００３６】
このように、後面電極を小径な第１電極と、この第１電極の外周に配置するドーナツ形状の第２電極とで構成し、それぞれの電極を単独或いは組み合わせて複合圧電体を駆動させることによって、ビーム幅の細い超音波の焦点位置を近距離、又は遠距離に変化させて放射することを可能にし、或いは組み合わせることで近距離から遠距離まで焦域が長い超音波振動子を提供することができる。その他の作用及び効果は前記第１実施実施形態と同様である。
【００３７】
なお、本実施形態においては後面電極を２つ電極で構成しているが、後面電極をそれ以上の電極で構成するようにしてもよい。
【００３８】
また、本実施形態において前記複合圧電体２を駆動させる際の周波数に対する説明を省略していたが、前記第１電極３２に高周波ｆ1 をかけて前記複合圧電体２を駆動させることによって、図８（ａ）に示すように小さな振動子開口から焦点位置を近距離に設定して高分解能の超音波を音響レンズ４ａから放射させることができる。
【００３９】
さらに、前記第１電極３２及び第２電極３３に低周波ｆ０をかけて前記複合圧電体２を駆動させることによって、図８（ｂ）に示すように大きな振動子開口から焦点位置を遠距離に設定して深速度を向上させた超音波を音響レンズ４ａから放射させることができる。
【００４０】
つまり、図８（ｃ）の感度及び周波数の関係を表す特性図に示すように、周波数の切り換えを行って高感度な特性を有する超音波振動子を得ることができる。
【００４１】
このように、後面電極を小径な第１電極と、この第１電極の外周に配置するドーナツ形状の第２電極とで構成し、それぞれの電極を単独或いは組み合わせて複合圧電体を駆動させる際、さらに周波数を適宜切り換え設定することにより、焦点位置を近距離、又は遠距離に変化させることが可能で、かつ高感度の超音波を放射することを可能にした超音波振動子を提供することができる。その他の作用及び効果は上述した実施実施形態と同様である。
【００４２】
図９は第３実施形態に係る超音波振動子の構成を説明す図である。なお、図９（ａ）は超音波振動子の構成を説明する斜視図、図９（ｂ）は図９（ａ）のＣ−Ｃ線断面図ある。
【００４３】
本実施形態においては前記第１実施形態の超音波振動子１と音響整合層４に設ける音響レンズ４ｂの構成が異なっている。
【００４４】
図９（ａ），（ｂ）に示すように本実施形態の超音波振動子１Ｃを構成する所定の厚み寸法に形成した音響整合層４の超音波放射面側には異なる部材を用いて異なる曲率に形成した第１レンズ部４１及び第２レンズ部４２を備えた音響レンズ４ｂが形成配置されている。
【００４５】
前記第１レンズ部４１は、中央部に配置されるいわゆる中央レンズであり、中央部から周方向にいくにしたがって連続的に厚み寸法が大きくなるように所定のレンズ曲率半径（Ｒ1 ）で変化する凹んだ曲面形状に形成してある。そして、中央部の厚み寸法を、第１実施形態の音響レンズ４ａと同様、超音波放射面に対して零に設定している。なお、第１レンズ部４１の音速条件を水（生体）音速Ｖ0 より速い音速Ｖ1 に設定している。
【００４６】
一方、前記第２レンズ部４２は、前記第１レンズ部４１の周囲に配置される略ドーナツ形状のいわゆる周辺部レンズであり、内周面から外周面にいくにしたがって連続的に厚み寸法が大きくなるように前記第１レンズ部４１のレンズ曲率半径Ｒ1 より大きなレンズ曲率半径（Ｒ2 ）で変化する凹んだ曲面形状に形成してある。なお、第２レンズ部４２の音速条件は水（生体）の音速Ｖ0 より速く、そして前記第１レンズ部４１の音速Ｖ1 より小さい音速Ｖ2 に設定している。
【００４７】
つまり、前記音速Ｖ0 、Ｖ1 、Ｖ2 と前記レンズ曲率半径Ｒ1 、Ｒ2 との間にはＶ0 ＜Ｖ2 ≦Ｖ1 ，Ｒ1 ＜Ｒ2 の関係になっている。その他の構成は前記第１実施形態と同様であり同部材には同符合を付して説明を省略する。
【００４８】
上述のように超音波振動子１Ｃを構成したことにより、前記複合圧電体２を駆動させると、同図（ｂ）に示すように開口の小さな第１レンズ部４１から焦点位置を近距離に設定した、ビーム幅の細い超音波が放射される一方、開口の大きな第２レンズ部４２から焦点位置を遠距離に設定した、ビーム幅の細い超音波が放射される。
【００４９】
このように、音響整合層に設ける音響レンズを、レンズ曲率半径の異なる中央部に配置する第１レンズ部とこの第１レンズ部の周囲に配置する第２レンズ部とで構成し、それぞれのレンズ部の間にＶ0 ＜Ｖ2 ≦Ｖ1 ，Ｒ1 ＜Ｒ2 の関係を設定したことにより、焦点位置が近距離と遠距離との２種類を備えることで焦域を長くでき、かつ近距離と遠距離とで駆動周波数を切り換えることで高感度（深速度のある）の超音波を放射することを可能にした超音波振動子を提供することができる。その他の作用及び効果は上述した実施形態と同様である。
【００５０】
なお、本実施形態においては音響レンズを２つのレンズ部で構成しているが、音響レンズをそれ以上のレンズ部で構成するようにしてもよい。
【００５１】
なお、本発明は、以上述べた実施形態のみに限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能である。
【００５２】
［付記］
以上詳述したような本発明の上記実施形態によれば、以下の如き構成を得ることができる。
【００５３】
（１）複数の柱状圧電体及びこれら柱状圧電体の隙間等に充填される有機物で形成され、音響インピーダンスが所定の範囲となるように前記柱状圧電体の体積充填率を設定してた複合圧電体と、
この複合圧電体の放射面側に配置され、中央部から周辺方向に向かって厚さ寸法が連続的に変化する、音響レンズを兼ね、音響インピーダンスを所定範囲に設定した音響整合層と、
を具備する超音波振動子。
【００５４】
（２）前記複合圧電体の音響インピーダンスは、７Ｘ１０6 Ｋｇ／ｍ2 ・ｓないし１５Ｘ１０6 Ｋｇ／ｍ2 ・ｓの範囲であり、前記音響整合層の音響インピーダンスはこの複合圧電体の音響インピーダンスに対して１／５ないし１／２の範囲である付記１記載の超音波振動子。
【００５５】
（３）前記複合圧電体の音響インピーダンスを所定の範囲に設定するため、前記柱状圧電体の体積充填率を２０ないし４５パーセントにした付記２記載の超音波振動子。
【００５６】
（４）前記複合圧電体に配置される一方の電極を、所定の形状で複数に分割し、電極を介して複合圧電体を駆動することによって振動子開口の大きさを変化させる付記１記載の超音波振動子。
【００５７】
（５）前記複合圧電体を、高周波パルス又はパースト波、或いは低周波パルス又はパースト波で駆動させる付記１又は付記４記載の超音波振動子。
【００５８】
（６）前記音響レンズを、少なくとも音速の異なる２つの部材を周方向に積層して形成した付記１記載の超音波振動子。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、感度低下を起こすことなく、体腔表面から深部までの観察を行え、超音波内視鏡の挿入部の細径化を図れる超広帯域化（多周波化）した超音波振動子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１ないし図４は本発明の第１実施形態に係り、図１は超音波振動子の概略構成を示す図
【図２】複合圧電体の構成を説明する図
【図３】周波数及びゲインによる超音波振動子の特性を示す図
【図４】超音波振動子を配置した超音波内視鏡の先端部を説明する図
【図５】前面電極の他の構成例を説明する図
【図６】図６及び図７は本発明の第２実施形態にかかり、図６は超音波振動子の構成を説明する図
【図７】超音波振動子の作用を説明する図
【図８】超音波振動子の他の作用を説明する図
【図９】第３実施形態に係る超音波振動子の構成を説明す図
【図１０】従来の超音波振動子及び超音波内視鏡の先端部に配置される超音波振動子を説明する図
【符号の説明】
１…超音波振動子
２…複合圧電体
２ａ…柱状圧電体
２ｂ…複合圧電体
３ｂ…後面電極
４…音響整合層
４ａ…音響レンズ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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