(57)【要約】【課題】高いエネルギー密度の超音波が得られる位置を任意に変化させることができる超音波装置を提供する。【解決手段】超音波装置１は、一定の肉厚を有し、上面および底面が連通して開口した略円錐台状の形状を有するガイド１１と、このガイド１１の底面に向かって開口した断面略Ｕ字状の半球の形状を有し、ガイド１１の内面に外面が接するように配設されるベース１２と、このベース１２の内側の面である振動子面１２ａにモザイク状に配設された複数の平面状の振動子１３とから構成される。【選択図】        図１
2004266596.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可撓性を有する板状のベースと、
このベースの一の面に配設され、超音波を放射する複数の振動子と、
前記ベースを嵌装する開口を有するガイドと
を備えたことを特徴とする超音波装置。
【請求項２】
請求項１記載の超音波装置において、
前記ガイドは、軸線方向に沿って内径が変化する筒状に形成され、
前記ベースは、前記ガイドの内面を摺動可能に配設される
ことを特徴とする超音波装置。
【請求項３】
請求項２記載の超音波装置において、
前記ベースは、前記ガイドに嵌装されて、前記一の面が凹面を形成する
ことを特徴とする超音波装置。
【請求項４】
請求項３記載の超音波装置において、
前記ベースは、中心から放射状に延びる腕を有し、
前記振動子は、前記腕に配設される
ことを特徴とする超音波装置。
【請求項５】
請求項４記載の超音波装置において、
一端が前記ベースの他の面に固着され、側面にネジ山が形成された心棒をさらに備え、
前記ガイドは、前記心棒のネジ山に螺合する螺着部を有する
ことを特徴とする超音波装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波を送受信する超音波装置に関し、特に、エネルギーを効率的に送信することが可能な超音波装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、超音波を送受信する超音波装置では、送信する超音波のエネルギー密度を高めるため、超音波を放射する超音波振動子面を、超音波の放射方向に対して凹面状に湾曲させた構造が用いられている。
【０００３】
図６に従来の超音波装置の一例を示す。超音波装置６０は、超音波の放射方向に対して凹んだ断面略Ｕ字状の半球の形状を有する振動子６１と、この振動子に一端が接続された一対のリード線６２と、このリード線６２の他端が接続された入出力端子６３、６４とから構成される。ここで、振動子６１は、圧電体板６１ａの両側を金属電極６１ｂで挟み合わせた構造を有する。
【０００４】
このような超音波装置６０は、入出力端子６３、６４間に交流電圧を印加すると、振動子６１が厚さ方向に伸縮運動を繰り返して振動し、超音波振動子面６１ｄから超音波を発生させる。このとき、超音波振動子面６１ｄが凹面状に湾曲した構造を有するため、放射された超音波はほぼ一点に集束される。したがって、その超音波が集束された位置（焦点位置）では、高いエネルギー密度の超音波を得ることができる。
【０００５】
図７に従来の超音波装置の他の例を示す。超音波装置７０は、超音波の放射方向に対して凹んだ断面略Ｕ字状の半球の形状を有する半球状のベース７１と、このベース７１の内側の面であるベース表面７１ａにモザイク状に配設された複数の平面状の振動子７２とから構成される。各振動子７２には、ベース表面７１ａに形成された図示しない薄膜配線等により電力が供給される。
【０００６】
超音波装置７０において、一つ一つの振動子７２は平面であるが、振動子７２全体としては、凹面状のベース表面７１ａに配設されているため、上述した超音波振動子面６１ｄと同等の凹面状の超音波振動子面を有する振動子群を構成する。振動子群、すなわちすべての振動子７２に交流電圧を印加すると、各振動子７２は、厚さ方向に伸縮運動を繰り返して振動し、それぞれベース７１に接する側の面と反対側の面（振動子面）からこの面に対して垂直方向に超音波を放射する。上述したように振動子群は、凹面状に湾曲した構造を有するため、各振動子７２の振動子面に対する垂線がほぼ一点で交わる。したがって、各振動子７２から放射された超音波は、ほぼ一点に集束されることになる。この超音波が集束された焦点位置では、高いエネルギー密度を得ることができる。
【０００７】
なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
【０００８】
【非特許文献１】
実吉純一、他監修、「超音波技術便覧（新訂版）」、日刊工業新聞社、ｐ．８３９−８４４，１８８２−１８８４
【非特許文献２】
島川正憲、「超音工学−理論と実際−」、工業調査会、ｐ．５７，６８−６９，５２３−５２４
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の超音波装置では、超音波振動子面または振動子群の凹面形状の曲率半径が固定されているため、高いエネルギー密度が得られる焦点位置は、一箇所に限定されていた。すなわち、超音波振動子面から「ある特定の距離」だけ離れた固定の焦点位置だけしか、高いエネルギー密度の超音波を得ることができないという問題点があった。
本発明は、上述したような課題を解決するためになされたものであり、高いエネルギー密度の超音波が得られる位置を任意に変化させることができる超音波装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述したような課題を解決するために、本発明にかかる超音波装置は、可撓性を有する板状のベースと、このベースの一の面に配設され、超音波を放射する複数の振動子と、ベースを嵌装する開口を有するガイドとを備えたことを特徴とする。
【００１１】
上記超音波装置において、ガイドは、軸線方向に沿って内径が変化する筒状に形成され、ベースは、ガイドの内面を摺動可能に配設されるようにしてもよい。
また、上記超音波装置において、ベースは、ガイドに嵌装されて、一の面が凹面を形成するようにしてもよい。
また、上記超音波装置において、中心から放射状に延びる腕を有し、振動子は、腕に配設されるようにしてもよい。
また、上記超音波装置において、一端がベースの他の面に固着され、側面にネジ山が形成された心棒をさらに備え、ガイドは、心棒のネジ山に螺合する螺着部を有するようにしてもよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の超音波装置の実施の形態について、詳細に説明する。図１は、本実施の形態にかかる超音波装置の構成を示す模式図である。本実施の形態にかかる超音波装置１は、軸線方向に沿って内径が変化するガイド１１と、このガイド１１の内部に嵌装された可撓性を有するベース１２と、このベース１２の内側の面であるベース表面１２ａにモザイク状に配設された複数の平面状の振動子１３とから構成される。
【００１３】
ガイド１１は、ベース１２よりも剛性を有する材料から構成され、上面および底面が連通して開口し、略円錐台状の内面形状を有する。
ベース１２は、例えば樹脂や金属等の可撓性を有する材料から構成され、ガイド１１の内部をガイド１１の中心軸方向（図１における矢印の方向）、すなわち超音波の放射方向に移動可能なように、ベース１２のベース表面１２ａの反対側の面をガイド１１の内面に摺接させて、ガイド１１内部に嵌装される。ベース１２は、ガイド１１内部に嵌装されると、ガイド１１から受ける外圧により撓み、ベース表面１２ａ側が窪んだ凹面を形成する。ベース１２は、ガイド１１内部を移動すると、その移動位置によってガイド１１の内径が変化するため、ガイド１１から受ける外圧が変化する。ベース１２は、可撓性を有するため、ガイド１１から受ける外圧の変化に伴って、凹面の撓み具合、すなわち凹面の曲率半径が変化する。したがって、ベース１２は、ガイド１１内部の位置によって、凹面の曲率半径が変化することになる。
振動子１３は、圧電体板を金属板で挟み込んだ公知の超音波振動子から構成される。このような振動子１３は、ベース表面１２ａに形成された図示しない薄膜配線等に接続され、この薄膜配線を介して外部から電力の供給を受ける。
【００１４】
次に、本実施の形態にかかる超音波装置１の動作について説明する。
各振動子１３に対して交流電圧を印加すると、それぞれの振動子１３は、厚さ方向に伸縮運動を繰り返して振動し、それぞれベース１２のベース表面１２ａと接する側の面と反対側の面（振動子面）からこの面に対して垂直方向に超音波を放射する。各々の振動子１３から放射された超音波は、ベース１２のベース表面１２ａ側が凹面形状を有するため、ほぼ一点に集束される。したがって、超音波が集束された焦点位置では、高いエネルギー密度の超音波が得ることができる。
【００１５】
ここで、ベース１２を、ガイド１１の内部の図１に示すａの方向に少し移動させたとする。すると、ガイド１１の内径が小さくなるので、ガイド１１からベース１２に加わる外圧が大きくなり、ベース１２の凹面形状の曲率半径が小さくなる。ベース１２の凹面形状の曲率半径が小さくなると、ベース１２のベース表面１２ａに配設された振動子１３が傾く、すなわちガイド１１の中心軸と各振動子１３の超音波の放射方向の延長線とで形成される鋭角の角度が大きくなる。このため、超音波装置１から放射される超音波の焦点位置は、ベース１２を移動させる前よりベース１２側に近づくことになる。
【００１６】
一方、ベース１２を、ガイド１１の内部の図１に示すａの方向と反対方向に少し移動させたとする。すると、ガイド１１の内径が大きくなるので、ガイド１１からベース１２に加わる外圧が小さくなり、ベース１２の凹面形状の曲率半径が大きくなる。ベース１２の凹面形状の曲率半径が大きくなると、ベース１２の表面に配設された振動子１３が傾く、すなわちガイド１１の中心軸と各振動子１３の超音波の放射方向の延長線とで形成される鋭角の角度が小さくなる。このため、超音波装置１から放射される超音波の焦点位置は、ベース１２を移動させる前よりベース１２側から遠ざかることになる。
【００１７】
図２は、ガイド１１内部におけるベース１２のａ方向への移動量と、ベース１２から高エネルギー密度の超音波が得られる焦点位置までの距離との関係を模式的に示したグラフである。上述したように超音波装置１は、ベース１２の位置をａ方向に移動させると（ａ方向への移動量：大）、ベース１２の凹面形状の曲率半径が小さくなるので、ベース１２から焦点位置までの距離を短くすることができる。また、ベース１２の位置をａ方向とは反対方向に移動させると（ａ方向への移動量：小）、ベース１２の凹面形状の曲率半径が大きくなるので、ベース１２から焦点位置までの距離を長くすることができる。
このように、本実施の形態によれば、ガイド１１内におけるベース１２の位置を変えて、ベース１２に加わる外圧を変化させることにより、超音波が集束する焦点位置を可逆的かつ任意に変化させることができる。
なお、ベース１２を移動させる方法は、手動または自動を問わず、適宜自由に設定することができる。
【００１８】
なお、本実施の形態において、ベース１２の形状は、断面略Ｕ字状の半球の形状に限定されず、例えば平面によって組み合わされた形状など、表面に配置された複数の振動子１３から放射された超音波が進行方向のある位置で焦点を結び、その焦点位置を可逆的かつ任意に変化させるために、超音波の放射角度を変化させることが可能な構造であるならば、適宜自由に設定することができる。
【００１９】
次に、本発明の他の実施の形態にかかる超音波装置について、図３〜５を参照して説明する。図３は、超音波装置の斜視図、図４は、超音波装置の平面図、図５（ａ）は、超音波装置の断面図、（ｂ）は、心棒２１を回転させたときの超音波装置の断面図である。
超音波装置２０は、円柱の形状を有する心棒２１と、軸線方向に沿って内径が変化し、心棒２１に螺着するガイド２２と、平面視略十字の形状を有し、中央部２３ａが心棒２１の一端に固着され、中央部２３ａから放射状に延びる腕２３ｂがガイド２２に圧接するベース２３と、このベース２３のそれぞれの腕２３ｂに配設された振動子２４とから構成される。
【００２０】
心棒２１は、図５において一点鎖線で示す軸線２１ａを有する円柱の形状を有し、外周にはガイド２２の螺着部２２ｂと螺合するためのネジ山が切ってある。
【００２１】
ガイド２２は、ベース２３よりも剛性を有する材料から構成され、上面および底面が開口した略円錐台状の内面形状を有する基部２２ａと、この基部２２ａの上面側の端部から延在する円筒状の螺着部２２ｂとから構成される。螺着部２２ｂの内側にはネジ山が形成されており、このネジ山が心棒２１の外周に形成されたネジ山と螺合することにより、ガイド２２は心棒２１に螺着する。このとき、ガイド２２の中心軸は、心棒２１の軸線２１ａとほぼ一致する。基部２２ａの内面または底面側の縁部２２ｃは、ベース２３の各腕２３ｂと当接または圧接する。
【００２２】
ベース２３は、例えば樹脂や金属等の可撓性を有する材料から構成され、中央部２３ａと、この中央部２３ａの中心から放射状に延びた矩形の腕２３ｂとから構成される。なお、本実施の形態において、腕２３ｂは４つ形成されているが、腕２３ｂが中央部２３ａの中心から放射状に延びるのであれば、腕２３ｂの数は４つに限定されず、適宜自由に設定することができる。中央部２３ａは、心棒２１のガイド２２の縁部２２ｃに近接した側の端部２１ｂに固着される。このようなベース２３は、腕２３ｂのベース表面２３ｃの反対側の面（裏面）をガイド２２の内面または底面側の縁部２２ｃに摺接させて、ガイド２２内部に嵌装される。
【００２３】
振動子２４は、圧電体板を金属板で挟み込んだ公知の超音波振動子から構成され、ベース２３の腕２３ｂのベース表面２３ｃに配設される。このような振動子２４は、図示しないリード線等に接続され、このリード線を介して外部から電力の供給を受ける。
【００２４】
次に、超音波装置２０の動作について説明する。
各振動子２４に対して交流電圧を印加すると、それぞれの振動子２４は、厚さ方向に伸縮運動を繰り返して振動し、それぞれベース２３に接する側の面と反対側の面（振動子面）からこの面に対して垂直方向に超音波を放射する。
【００２５】
通常、超音波装置２０は、図５（ａ）に示すように、心棒２１の端部２１ｂとガイド２２の縁部２２ｃとが同一平面上にあり、ベース２３の腕２３ｂが心棒２１の軸線に対して垂直、すなわちベース２３が平面状に広がった状態に配設されている。したがって、各振動子２４から放射される超音波は、特に集束することなく、心棒２１の軸線と並行に伝搬する。
【００２６】
一方、ベース２３を固定した状態で心棒２１を図５（ｂ）に示すように所定の方向（正方向）に回転させると、心棒２１とガイド２２の螺着部２２ｂに形成されたネジ山が作用し、心棒２１が図３におけるａ方向、すなわち心棒２１の端部２１ｂがガイド２２の縁部２２ｃから遠ざかる方向に移動する。すると、ガイド２２の縁部２２ｃがベース２３の腕２３ｂの裏面を押圧するので、腕２３ｂは、腕２３ｂのベース表面２３ｃ側、すなわち心棒２１の軸線２１ａ側に傾く。これに伴って各振動子２４も心棒２１の軸線２１ａ側に傾くので、各振動子２４から放射される超音波は、所定の位置で集束することになる。
【００２７】
ここで、心棒２１を正方向にさらに回転させると、ベース２３に加わる外圧がさらに大きくなるため、ベース２３の腕２３ｂは、さらに心棒２１の軸線２１ａ側に傾く。したがって、各振動子２４から放射される超音波の焦点位置は、心棒２１の端部２１ｂに近づくことになる。
一方、心棒２１ｓを逆方向に回転させると、ベース２３に加わる外圧が小さくなるため、ベース２３の腕２３ｂは、心棒２１の軸線２１ａに対して垂直方向に傾く、すなわちベース２３が平面状に広がった状態に戻っていく。したがって、各振動子２４から放射される超音波の焦点位置は、心棒２１の端部２１ｂから遠ざかることになる。
【００２８】
上述したように本実施の形態によれば、心棒２１を回転させてガイド２２からベース２３に加わる外圧を変化させ、振動子２４の傾き具合を変化させることにより、超音波が集束する焦点位置を可逆的かつ任意に変化させることができる。
また、心棒２１を設けることにより、ガイド２２からベース２３に加わる外圧を微調整することができるので、超音波が集束する焦点位置も微調整が可能になる。
【００２９】
次に、本実施の形態にかかる超音波装置の有用な使用例について説明する。例えば、送信側の超音波装置から受信側の超音波装置に向かう方向はわかっているものの、受信側の超音波装置までの距離が不明あるいは一定ではない場合を想定する。このような場合、本実施の形態にかかる超音波装置を送信側の超音波装置に用い、受信側の超音波装置に向けて超音波を送信しながら、超音波のエネルギー密度が高くなる焦点位置を僅かずつ変化させる。すると、焦点位置が受信側の超音波装置までの距離とほぼ一致したときに、受信側の超音波装置が受ける超音波のエネルギー密度（音圧）が最大となり、このときのエネルギー密度が受信側の超音波装置が超音波を受信したと判断できる閾値を超えていれば、送信側の超音波装置から受信側の超音波装置に超音波を伝達できたことになる。このように、本実施の形態にかかる超音波装置は、対象物までの距離が不明あるいは一定でない場合にとても有効である。
【００３０】
次に、上述したような超音波の伝達が短時間で完了する場合ではなく、長時間に亘っての連続的な超音波の伝達が必要な場合について説明する。この場合、まず送信側の超音波装置は、上述した超音波の伝達が短時間の場合と同様に、受信側の超音波装置に向けて超音波を送信しながら、超音波のエネルギー密度が高くなる焦点位置を僅かずつ変化させる。受信側の超音波装置は、送信側の超音波装置から受信した超音波のエネルギー密度が閾値を超えたときに、所定の信号を送信側の超音波装置に送信する。送信側の超音波装置は、受信側の超音波装置から所定の信号を受信すると、焦点位置を所定の信号を受信したときの焦点位置に固定し、この焦点位置で超音波を送信し続ける。このようにすることにより、本実施の形態にかかる超音波装置は、長時間に亘って連続的に超音波を伝達することができる。
また、送信側の超音波装置の焦点位置を遠→近→遠→近と可逆的に数サイクル程度掃引しながら超音波を連続的あるいは断続的に送信し続け、所定の信号を受信した範囲での中間位置に焦点位置を固定するようにしてもよい。このようにしても、本実施の形態にかかる超音波装置は、より効率的な超音波の伝達が可能になる。
さらに、受信側の超音波装置が送信する所定の信号の強度を、受信側の超音波装置が受信した超音波のエネルギー密度に比例するように設定し、所定の信号の強度が最大となる位置に送信側の超音波装置の焦点位置を固定するようにしてもよい。このようにしても、本実施の形態にかかる超音波装置は、効率的な超音波の伝達が可能となる。
【００３１】
なお、上述した使用例は、図１を参照して説明した実施の形態にも適用できることは言うまでもない。
【００３２】
また、上述したいずれの実施の形態にも、超音波の指向性を調節するためのホーン（共振子）等を、超音波装置の振動子の振動子面側に配設してもよい。
【００３３】
また、本発明の超音波装置は、超音波を送信する場合に限定されず、超音波を受信する場合に適用できる。この場合、本発明の超音波装置は、ガイド内部でのベースの位置を変化させて、受信する超音波の進行方向に対して振動子の振動子面が垂直に位置するように振動子の傾きを変化させることにより、効果的に超音波を受信することができる。
【００３４】
また、本発明の超音波装置は、少なくとも３個以上の振動子を有する立体的（３次元的）な構造に限定されず、２次元的な構造にしてもよい。例えば、円弧状に振動子を配設して、進行方向のある位置で超音波が焦点を結ぶ２次元的な構造にすることもできる。この場合、振動子は２個以上配設されることになる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、ベースをガイドの中心軸方向に移動させると、ベースの移動位置によってガイドの内径が変化し、この内径の変化に伴ってベースがガイドから受ける外圧も変化し、この外圧の変化によってベースの撓み具合が変わり、振動子の傾き具合が変化し、振動子から放射される超音波が集束する位置が変化するので、高いエネルギー密度の超音波が得られる位置を可逆的かつ任意に変化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】超音波装置の構成を示す模式図である。
【図２】ガイド１１におけるベース１２のａ方向への移動量と、ベース１２から高エネルギー密度の超音波が得られる焦点位置までの距離との関係を模式的に示すグラフである。
【図３】超音波装置の斜視図である。
【図４】超音波装置の平面図である。
【図５】（ａ）超音波装置の断面図、（ｂ）心棒２１を回転させたときの超音波装置の断面図である。
【図６】従来の超音波装置の構造を示す模式図である。
【図７】従来の超音波装置の構造を示す模式図である。
【符号の説明】
１…超音波装置、１１…ガイド、１２…ベース、１２ａ…ベース表面、１３…振動子、２０…超音波装置、２１…心棒、２１ａ…軸線、２１ｂ…端部、２２…ガイド、２２ａ…基部、２２ｂ…接続部、２２ｃ…縁部、２３…ベース、２３ａ…中央部、２３ｂ…腕、２３ｃ…ベース表面、２４…振動子。
【図１】
2004266596.tif 000003
【図２】
2004266596.tif 000004
【図３】
2004266596.tif 000005
【図４】
2004266596.tif 000006
【図５】
2004266596.tif 000007
【図６】
2004266596.tif 000008
【図７】
2004266596.tif 000009