(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
低周波音波と高周波音波とを送受信する生体用音響変換器であって、
屈曲モード振動子と、
前記屈曲モード振動子の音波放射面側に配置された厚みモード振動子と
を備えることを特徴とする生体用音響変換器。
【請求項２】
前記屈曲モード振動子が、圧電体と金属板とから成るモノモルフ振動子であり、前記厚みモード振動子が、可撓性を有する圧電材料で形成され、かつ前記金属板を背面体としていることを特徴とする請求項１に記載の生体用音響変換器。
【請求項３】
前記モノモルフ振動子の圧電体として圧電セラミックスを用い、前記可撓性を有する圧電材料として高分子圧電体を用いたことを特徴とする請求項２に記載の生体用音響変換器。
【請求項４】
前記屈曲モード振動子に供給される低周波信号を発生する低周波信号発生手段と、前記厚みモード振動子に供給される高周波信号を発生する高周波信号発生手段とを備え、前記高周波信号が、前記低周波信号における周期中の正及び負の二箇所のピークに同期して発生されることを特徴とする請求項１に記載の生体用音響変換器。
【請求項５】
前記低周波信号の正のピーク時に、前記高周波信号として負極性パルスが発生され、前記低周波信号の負のピーク時に、前記高周波信号として正極性パルスが発生されることを特徴とする請求項４に記載の生体用音響変換器。
【請求項６】
前記厚みモード振動子の背面側に高周波信号が信号入力され、前記屈曲モード振動子の音波放射面側の電極で低周波信号が接地されることを特徴とする請求項１に記載の生体用音響変換器。
【請求項７】
前記屈曲モード振動子への低周波信号の供給線に、高周波信号を阻止するための阻止用コイルが接続されていることを特徴とする請求項１に記載の生体用音響変換器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生体表面から体内に可聴周波数帯域以下の音波と超音波パルスとを重畳して送信し、その反射波を受信する生体計測装置用の音響変換器に関し、特に、この重畳波を生体の浅い部位に送信できるようにしたものである。
【０００２】
【従来の技術】
生体計測用の音響変換器は、生体の表面から体内に向けて音波を送信し、その反射波を受信する。こうして得た音響的情報を分析することにより、生体内の状態を検出することができる。
【０００３】
この音響変換器には、可聴周波数帯域以下の音波と、数メガヘルツ程度の超音波パルスとを同時に体内に注入する、２周波音響変換器と言われる種類があり、この変換器を用いれば、低周波の音波で体内に大きな変位を与え、その変位の様子を超音波パルスによって検出することができる。
【０００４】
この２周波音響変換器では、特公平５−８７２４９に記載されたものが知られている。この音響変換器は、図５（ａ）（ｂ）に示すように、リング状の低周波振動子５２と、円板状の高周波振動子５１とを備えており、これらが共軸構造を成すように、低周波振動子５２のリングの中に高周波振動子５１が配置されている。低周波振動子５２は可聴周波数帯域以下の音波を軸方向に送信して反射波を受信し、高周波振動子５１は超音波を軸方向に送信して反射波を受信する。
【０００５】
従来のこの音響変換器は、生体の深部での使用を前提としている。そのため、高周波用振動子５１には、高周波音波を効率良く送受信できるように、圧電セラミックスを構成材料とする高感度の高周波用厚みモード振動子（即ち、音波放射面と直交する厚み方向に伸縮して振動を発生する振動子）が用いられ、また、低周波振動子５２には、低周波音波を生体の深部まで伝えられるように、圧電セラミックスを構成材料とする比較的大口径の低周波用厚みモード環状振動子が用いられている。
【０００６】
このように、高周波用振動子５１及び低周波振動子５２が共に厚みモード振動子であるため、高周波用振動子５１は、低周波振動子５２の音波放射面と重ならないように配置されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のこの音響変換器では、低周波音波の発生位置と高周波音波の発生位置とが離れているため、放射された低周波音波及び高周波音波は、音響変換器から、ある程度距離を置かなければ重畳しない。そのため、生体の浅部に高周波音波と低周波音波とを重畳させることが困難であり、例えば手首の動脈に関して重畳した音波に対する音響的情報を得ることができなかった。
【０００８】
本発明は、こうした従来の問題点を解決するものであり、生体の浅部に対しても、高周波超音波と低周波音波とを重畳させて注入することができる生体用音響変換器を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明の生体用音響変換器では、低周波音波を送出する屈曲モード振動子（即ち、音波放射面と平行する方向に圧電体が伸縮して、音波放射面が弓状に屈曲して振動する振動子）の音波放射面側に、高周波音波を送出する厚みモード振動子を設けている。
【００１０】
この音響変換器は、高周波超音波と低周波音波とを重畳して発生させることができ、生体の浅部に高周波超音波と低周波音波とを重畳した状態で注入して、そこからの音響情報を得ることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、低周波音波と高周波音波とを送受信する生体用音響変換器において、屈曲モード振動子と、この屈曲モード振動子の音波放射面側の位置に厚みモード振動子とを設けたものであり、屈曲モード振動子から低周波音波を出力し、厚みモード振動子から高周波音波を出力することによって、低周波音波と高周波音波とを発生段階から重畳させることができる。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、屈曲モード振動子を圧電体と金属板とから成るモノモルフ振動子で構成し、厚みモード振動子を可撓性を有する圧電材料で形成するとともに、モノモルフ振動子の金属板をこの厚みモード振動子の背面体として用いるようにしたものであり、可撓性を有する厚みモード振動子は、屈曲モード振動子の振動に影響を受けることなく高周波音波を発生し、また、屈曲モード振動子の低周波振動は、厚みモード振動子を透過して放射される。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項２の生体用音響変換器において、モノモルフ振動子の圧電体に圧電セラミックスを用い、可撓性を有する圧電材料に高分子圧電体を用いるようにしたものであり、可聴周波数帯及び数メガヘルツ帯の音響振動を重畳することができる。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、屈曲モード振動子に供給する低周波信号を発生する低周波信号発生手段と、厚みモード振動子に供給する高周波信号を発生する高周波信号発生手段とを設け、高周波信号を、低周波信号における周期中の正及び負の二箇所のピークに同期して発生するようにしたものであり、低周波音波のピークに重ねて高周波パルスを発生することにより、音圧に依存する生体の非線形現象を高周波パルスで検出することができる。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、請求項４の音響変換器において、低周波信号の正のピーク時に、高周波信号として負極性パルスを発生し、低周波信号の負のピーク時に、高周波信号として正極性パルスを発生するようにしたものであり、ピーク電圧の絶対値を小さくして安全性を高めることができる。
【００１６】
請求項６に記載の発明は、厚みモード振動子の背面側に高周波信号を入力し、屈曲モード振動子の音波放射面側の電極で低周波信号を接地するようにしたものであり、音波放射面側にある生体への低周波信号の漏洩を抑え、安全性を高めることができる。
【００１７】
請求項７に記載の発明は、屈曲モード振動子への低周波信号の供給線に、高周波信号を阻止するための阻止用コイルを接続したものであり、低周波信号発生手段への高周波信号の到達を遮ることができる。
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００１９】
（第１の実施形態）
第１の実施形態の生体用音響変換器は、図１（ａ）（縦側断面図）、図１（ｂ）（上面図）に示すように、厚みモード振動で超音波等の高周波音波を送受信する圧電振動子（厚みモード振動子）１と、厚みモード振動子１の背面体として作用する金属板２と、金属板２に貼り合わされて屈曲モード振動を行ない可聴周波数帯の音波を発生する圧電振動子３と、接着部６を介して金属板２を支持するケース５とを備えている。
【００２０】
厚みモード振動子１は、高分子圧電樹脂等の材料で構成する。
【００２１】
また、金属板２は、厚みモード振動子１の背面体として作用するとともに、貼り合わされた圧電振動子３と共にモノモルフ振動子を構成し、屈曲モード振動子４となる。
【００２２】
次に、その動作について説明する。
【００２３】
まず、屈曲モード振動子４に電気信号を加えると、金属板２と圧電振動子３とは屈曲振動を行なう。このとき金属板２の周辺部は接着部６を介してケース５に接着、支持されているため、中央部における振動が大きくなる。この金属板２の屈曲振動は、厚みモード振動子１を透過して音波放射面側に存在する生体に注入される。
【００２４】
厚みモード振動子１は、高分子圧電樹脂で構成されているため、金属板２に比較して可撓性が大であり、金属板２の振動に対する影響が少ない。厚みモード振動子１は、金属板２に対し垂直な方向に数メガヘルツで振動して、超音波を発生する。この厚みモード振動子１の厚みは０．１ｍｍ以下にすることもできる。従って、金属板２に発生した可聴周波数帯の振動は、厚みモード振動子１に殆ど影響されることなく厚みモード振動子１を透過することが可能である。
【００２５】
その結果、厚みモード振動子１に接触する生体の表面において、可聴周波数帯の音波と、数メガヘルツの超音波とを重畳させることが可能になる。このような重畳した音波で生体を照射すると、低周波信号により体に大きな変位を与え、その変位の様子を高周波パルスで検出することにより生体の音響的特性を計測することが可能になる。
【００２６】
以上のように、この実施形態の音響変換器では、屈曲モード振動子の音波放射面側に厚みモード振動子を配置したことにより、効率良く可聴周波数帯と数メガヘルツ帯の音響振動を重畳させて、生体に注入することができる。
【００２７】
なお、厚みモード振動子１の構成材料としては、高分子圧電樹脂だけでなく、樹脂と圧電セラミックスとからなる複合圧電材料なども、可撓性が金属板２に比べ大であり、望ましい材料である。
【００２８】
（第２の実施形態）
第２の実施形態では、第１の実施形態の生体用音響変換器における駆動系について説明する。
【００２９】
この駆動系を持つ生体用音響変換器は、図２に示すように、電極８、圧電材料９及び電極１０から成る厚みモード振動子１と、金属板２、電極１１、圧電材料１２及び電極１３から成る屈曲モード振動子４と、厚みモード振動子１に供給する高周波パルス１９を発生する高周波駆動部１７と、屈曲モード振動子４に供給する低周波信号２０を発生する低周波駆動部１６と、低周波駆動部１６及び高周波駆動部１７を制御する制御部１８と、高周波パルス１９の低周波駆動部１６への流入を阻止する阻止用コイル１５と、高周波パルス１９の通過を阻止し、低周波信号２０だけを通過させて接地する接地用コイル１４とを備えている。
【００３０】
接地用コイル１４及び阻止用コイル１５は、高周波駆動部１７で発生される高周波パルス１９の通過を阻止するが、低周波駆動部１６で発生される低周波信号については良く通す。
【００３１】
次に、その動作について説明する。
【００３２】
まず、低周波駆動部１６は、制御部１８の制御に基づいて、低周波信号２０を発生し、阻止用コイル１５を介して、屈曲モード振動子４の電極１１に低周波信号を供給する。阻止用コイル１５は低周波信号に対してインピーダンスが低く、低周波信号２０を通過させることができる。
【００３３】
低周波信号２０は屈曲振動子４を振動させ、電極１３より接地用コイル１４を介して接地される。
【００３４】
このとき、電極１１に供給された低周波信号２０は、金属板２を介して電極１０にも到達し、厚みモード振動子１を励振するが、その変位は屈曲モード振動子４に比べれば少ない。また、電極１０に到達した低周波信号２０は高周波駆動部１７にも到達するが、高周波駆動部１７には低容量の出力コンデンサが設けられており、低周波信号２０が高周波駆動部１７に吸収される割合は少ない。
【００３５】
一方、高周波駆動部１７は、制御部１８の制御するタイミングで高周波パルス１９を発生し、電極１０に供給して、厚みモード振動子１を励振する。
【００３６】
このとき、電極１０に供給された高周波パルス１９は金属板２を介して電極１１にも到達する。電極１１に到達した高周波パルス１９は阻止用コイル１５により遮られ、低周波駆動部１６へ到達するものは少ない。また、電極１１に到達した高周波パルス１９は、圧電材料１２を通過して電極１３にも到達するが、接地用コイル１４に遮られ、接地される割合は少ない。接地用コイル１５は高周波パルスに対してインピーダンスが高く、高周波パルスを通過させることができない。
【００３７】
この様にして屈曲モード振動子及び厚みモード振動子の各々に対して、低周波信号２０または高周波パルス１９を加えることが可能になる。
【００３８】
図３には、屈曲モード振動子及び厚みモード振動子のそれぞれに加える高周波パルス１９及び低周波信号２０の波形の一例を示している。ここでは、低周波信号２０の電圧のピーク位置に同期して高周波パルス１９を発生させており、低周波信号２０の電圧が正のピークのとき、高周波パルス１９が負極性となり、低周波信号２０の電圧が負のピークのとき、高周波パルス１９が正極性となるように、低周波信号２０の１周期の内に２回高周波パルス１９を発生させている。
【００３９】
このように駆動信号の同期を取ることにより、屈極モード振動子４が発生する低周波音波の音圧の正負のピーク位置に超音波を重畳することが可能になり、特に音圧に依存する生体の非線形現象を超音波パルスにより検出することが可能になる。
【００４０】
また、低周波信号２０のピーク電圧の正負と、高周波パルス１９の正負の極性とを逆にすることにより、高周波パルス１９と低周波信号２０とが加算される金属板２におけるピーク電圧の絶対値を小さくすることができ、安全性を高めることができる。
【００４１】
以上のように、この実施形態の生体用音響変換器では、屈曲モード振動子と厚みモード振動子との各々に低周波信号と高周波パルスとをそれぞれ加えることが可能であり、可聴周波数帯の音波と高周波の超音波パルスとを重畳することができる。さらに、低周波信号の電圧の符号に応じて高周波パルスの極性を制御することでピーク電圧の絶対値を小さくすることが可能である。
【００４２】
（第３の実施形態）
第３の実施形態の生体用音響変換器では、屈曲モード振動子を構成する金属板を接地して、生体への低周波信号の漏洩を完全に防いでいる。
【００４３】
この生体用音響変換器では、図４に示すように、低周波駆動部１６で発生された低周波信号が、阻止用コイル１５を介して屈曲モード振動子４の電極１３の側に供給され、屈曲モード振動子４の電極１１の側が、接地用コイル１４を介して接地されている。また、厚みモード振動子１によって受信された受信信号を増幅する高周波増幅部２５を設けている。その他の構成は第２の実施形態と変わりがない。
【００４４】
次に  その動作について説明する。
【００４５】
まず、低周波駆動部１６は低周波信号を発生し、阻止用コイル１５を介して電極１３に供給する。この低周波信号は屈曲モード振動子４を振動させ、電極１１を経由して、接地用コイル１４を介して接地される。このため金属板２には低周波信号は現れない。
【００４６】
高周波駆動部１７は高周波パルスを発生し、電極１０に供給して、厚みモード振動子１を励振する。電極１０に供給された高周波パルスは金属板２を介して電極１１にも到達する。電極１１に到達した高周波パルス１９の内、接地用コイル１４を通過するものは僅かである。また、電極１１に到達した高周波パルスは、屈極モード振動子４を経由して阻止用コイル１５に向かうが、阻止用コイル１５を通過するものは僅かであり、低周波駆動部１６で吸収されるものは少ない。
【００４７】
このような構成により、低周波駆動部１６が発生する低周波信号で屈極モード振動子４を駆動し、高周波駆動部１７が発生する高周波パルスで厚みモード振動子１を駆動することが可能である。特に金属板２において、低周波信号を接地することができるため、音波放射面側にある生体への低周波信号の漏洩を完全に防ぐことができる。
【００４８】
以上のように、この実施形態の生体用音響変換器では、屈曲モード振動子と厚みモード振動子との各々に低周波信号と高周波パルスとをそれぞれ加えることが可能であり、可聴周波数帯の音波と高周波の超音波パルスとを重畳することができる。さらに、金属板２において低周波信号を接地することが可能であり、音波放射面側にある生体に対して一層の安全を図ることができる。
【００４９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の生体用音響変換器は、可聴周波数帯の音波と超音波パルスとを重畳した状態で発生させることが可能である。そのため、生体の浅部に、この重畳した音波を注入して、そこからの音響的情報を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態における生体用音響変換器の構成を示す縦断側面図（ａ）と上面図（ｂ）、
【図２】本発明の第２の実施形態における生体用音響変換器の構成を示す断面図及びブロック図、
【図３】第２の実施形態の生体用音響変換器で用いる低周波信号及び高周波パルスの波形図、
【図４】本発明の第３の実施形態における生体用音響変換器の構成を示す断面図及びブロック図、
【図５】従来の生体用音響変換器の構成を示す断面図（ａ）と上面図（ｂ）である。
【符号の説明】
１  厚みモード振動子
２  金属板
３  圧電振動子
４  屈極モード振動子
５  ケース
６  接着部
８、１０、１１、１３  電極
９、１２  圧電材料
１４  接地用コイル
１５  阻止用コイル
１６  低周波駆動部
１７  高周波駆動部
１８  制御部
２５  高周波増幅部
【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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