(57)【要約】  【課題】  超音波撮像装置に用いられる超音波用探触子において、温度の上昇を抑制する。  【解決手段】  この超音波用探触子は、印加される電圧に基づいて伸縮することにより超音波を発生すると共に、受信された超音波に基づいて電圧を発生する複数の超音波トランスデューサ１０と、少なくとも１つの冷却素子２０と、複数の超音波トランスデューサ及び少なくとも１つの冷却素子の間に配置されている充填材３０とを含む超音波トランスデューサアレイ１と、該超音波トランスデューサアレイの背面に設けられているバッキング層２と、超音波トランスデューサアレイの前面に設けられている音響整合層３とを有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
印加される電圧に基づいて伸縮することにより超音波を発生すると共に、受信された超音波に基づいて電圧を発生する複数の超音波トランスデューサと、
少なくとも１つの冷却素子と、
前記複数の超音波トランスデューサ及び前記少なくとも１つの冷却素子の間に配置されている充填材と、
を具備する超音波トランスデューサアレイ。
【請求項２】
前記少なくとも１つの冷却素子が、電流を供給されることによって熱電効果を生じる熱電素子を含む、請求項１記載の超音波トランスデューサアレイ。
【請求項３】
前記超音波トランスデューサアレイの温度に応じて、前記少なくとも１つの冷却素子の動作を制御する制御手段をさらに具備する請求項１又は２記載の超音波トランスデューサアレイ。
【請求項４】
前記制御手段が、前記充填材の間又は表面に配置された少なくとも１つの温度検出手段と、前記少なくとも１つの冷却素子への電流の供給を切り替える手段とを含む、請求項３記載の超音波トランスデューサアレイ。
【請求項５】
前記少なくとも１つの温度検出手段が、前記少なくとも１つの冷却素子と１対１に対応するように配線されている、請求項４記載の超音波トランスデューサアレイ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項記載の超音波トランスデューサアレイと、
前記超音波トランスデューサアレイの背面に設けられているバッキング層と、
前記超音波トランスデューサアレイの前面に設けられている音響整合層と、
を具備する超音波用探触子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、医療用や非破壊検査用の超音波撮像装置において用いられる超音波トランスデューサアレイ及び超音波用探触子に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波の送信や受信に用いられる素子としては、一般に、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Pb(lead) zirconate titanate）に代表される圧電セラミックや、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン：polyvinyliden difluoride）に代表される高分子圧電材料を含む圧電素子が用いられている。この圧電素子の両端に電極を形成することにより振動子を作製し、電極を介して電圧を印加すると、圧電効果により圧電素子が伸縮して超音波が発生する。そこで、このような複数の振動子を１次元又は２次元に配列し、それぞれの振動子に所定の遅延を与えて駆動することにより、所望の方向に送信される超音波ビームを形成することができる。また、それらの振動子は、被検体から伝播した超音波を受信することによって伸縮し、電気信号をそれぞれ発生する。これらの電気信号を超音波検出信号として処理することにより、被検体内部に関する超音波情報を得ることができる。
【０００３】
ところで、従来より、圧電素子を用いた超音波用探触子においては、使用中に超音波用探触子の温度が上昇してしまうという問題が生じている。例えば、動作している圧電素子の周辺においては、温度が２００℃付近まで上昇することがある。しかしながら、圧電素子の性能は高温になると劣化する傾向があり、特に、温度がキュリー点を超えると圧電特性を示さなくなってしまう。
【０００４】
また、圧電素子及びその周囲に配置された充填材の温度が大きく変化することにより、超音波の周波数特性やビーム形状や分解能を含む超音波特性が変化してしまうという問題も生じている。特許文献１や特許文献２には、そのような超音波特性の温度依存性を利用して所望の超音波を送信することが開示されている。即ち、特許文献１には、単一の超音波探触子において、発振周波数を可変とするために、充填材を間にして多数の振動子を配列してなる超音波探触子において、振動子のアレイの近傍に温度調節手段を付設し、この温度調節手段による加熱もしくは冷却により充填材の剛性を変化させるようにすることが開示されている。また、特許文献２には、電気走査方式を採用しない場合であっても、フォーカスポイントの位置や超音波ビームの形状等といった超音波ビームの形成条件を変更するために、振動子と、該振動子と被検体の表面との間の超音波伝播空間に設けられた媒体と、振動子によって形成される超音波ビームの形成条件を変更するために、上記媒体の温度を可変にする温度調節部とを含む超音波探触子が開示されている。しかしながら、圧電素子からの発熱を考慮すると、超音波特性を温度によって制御することは困難であると考えられる。
【０００５】
さらに、医療用に用いられる超音波診断装置においては、超音波探触子は直接生体に触れるので、安全面から超音波探触子の表面温度を４１℃以下にしなくてはならない。そのためには、超音波用探触子の温度をモニタし、所定の温度を越えると超音波の送信を停止したり、超音波ビームの強度を下げることにより、超音波用探触子の温度上昇を抑制することが考えられる。しかしながら、そのような方法によると、超音波撮像の効率が悪くなったり、十分な強度を有する超音波信号が得られなくなるので、超音波画像の画質が低下してしまう。特許文献３には、超音波探触子の操作性を劣化させることなく、超音波探触子から発生する熱を素早く逃がすことにより、熱的な飽和状態を防ぎ、超音波探触子ヘッド部の生体に接触する表面温度上昇を抑制するために、超音波を送受信する超音波探触子ヘッド部と、超音波探触子ヘッド部に電気的に接続されたケーブルと、ケーブルの少なくとも一部に熱的に接続されたケーブル冷却部を有する超音波探触子が開示されている。しかしながら、外部から超音波探触子を冷却する構造では、温度上昇に対する応答が遅くなる可能性がある。
【特許文献１】特開平１０−１０４２１１号公報
【特許文献２】特開２００３−９３３８７号公報
【特許文献３】特開２００２−２９１７３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記の点に鑑み、本発明は、超音波用探触子における温度上昇を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明に係る超音波トランスデューサアレイは、印加される電圧に基づいて伸縮することにより超音波を発生すると共に、受信された超音波に基づいて電圧を発生する複数の超音波トランスデューサと、少なくとも１つの冷却素子と、複数の超音波トランスデューサ及び少なくとも１つの冷却素子の間に配置されている充填材とを具備する。
【０００８】
また、本発明に係る超音波用探触子は、上記超音波トランスデューサアレイと、該超音波トランスデューサアレイの背面に設けられているバッキング層と、超音波トランスデューサアレイの前面に設けられている音響整合層とを具備する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、超音波トランスデューサアレイに冷却素子を設けることにより、圧電素子や充填材を直接冷却するので、発生した熱を効率良く除去することができる。従って、そのような超音波トランスデューサアレイを適用した超音波用探触子を用いて、圧電性能の劣化や超音波特性の変化を生じさせることなく、生体にとって安全に超音波を送受信することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る超音波トランスデューサアレイを含む超音波用探触子を示す一部断面斜視図である。この超音波用探触子は、本実施形態に係る超音波トランスデューサアレイ１と、バッキング層２と、音響整合層３と、音響レンズ４とを含んでいる。これらの各部１〜４は、筐体５に収納されている。また、超音波トランスデューサアレイ１から引き出された配線は、ケーブル６を介して超音波撮像装置本体に接続されている。
【００１１】
超音波トランスデューサアレイ１は、超音波を送信及び受信する複数の超音波トランスデューサ１０と、超音波トランスデューサアレイ１において発生した熱を除去するために用いられる複数の冷却素子２０と、それらの間に配置されている充填材３０とを含んでいる。超音波トランスデューサアレイ１については、後で詳しく説明する。
【００１２】
バッキング層２は、例えば、エポキシ樹脂やゴムに、フェライト等の金属の粉体やＰＺＴの粉体を混入した材料のように、音響減衰の大きい材料によって形成されており、超音波トランスデューサアレイ１から発生した不要な超音波を早く減衰させる。また、音響整合層３は、例えば、超音波を伝え易いパイレックス（登録商標）ガラスや金属粉入りエポキシ樹脂等によって形成されており、生体である被検体と超音波トランスデューサ１０との間の音響インピーダンスの不整合を解消する。これにより、超音波トランスデューサ１０から送信された超音波が、効率良く被検体中に伝播する。さらに、音響レンズ４は、例えば、シリコンゴムによって形成されており、超音波トランスデューサアレイ１から送信され、音響整合層３において音響インピーダンスを整合された超音波ビームを、所定の深度において集束させる。
【００１３】
図２は、図１に示す超音波トランスデューサアレイ１を示す斜視図である。図２に示すように、複数の超音波トランスデューサ１０は２次元マトリクス状に配置されており、その複数箇所において、超音波トランスデューサ１０の替わりに冷却素子２０が配置されている。
【００１４】
図３は、図２に示す超音波トランスデューサ１０を拡大して示す図である。超音波トランスデューサ１０は、底面の幅が０．２〜１．０ｍｍ程度、高さが０．６ｍｍ程度の微小な柱状の構造体である。超音波トランスデューサ１０は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Pb(lead) zirconate titanate）に代表される圧電セラミックや、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン：polyvinyliden difluoride）に代表される高分子圧電材料等を含む圧電材料層１１と、圧電材料層１１の両端に形成された電極層１２及び１３を含んでいる。電極層１２及び１３には配線１４が設けられており、これにより、各超音波トランスデューサ１０が超音波撮像装置本体と電気的に接続される。超音波撮像装置本体から配線１４を介して圧電材料層１１に駆動信号を供給することにより、圧電材料層１１が伸縮して超音波が発生する。また、圧電材料層１１は、超音波を受信することにより伸縮して電気信号を発生する。この電気信号は、超音波の検出信号として、配線１４を介して超音波撮像装置本体に伝送される。
【００１５】
図４の（ａ）は、図２に示す冷却素子２０を拡大して示す図である。本実施形態においては、冷却素子２０として、熱電効果の１つであるペルチェ効果を利用して熱を吸収又は放出するペルチェ素子（熱電素子）を用いている。冷却素子２０は、複数のＰ型半導体２１と、複数のＮ型半導体２２と、電極２３と、熱交換基板２４及び２５と、リード線２６とを含んでおり、全体として、例えば、底面の幅が約４００μｍ、高さが約６００μｍの柱状の形状を有している。
【００１６】
ペルチェ効果とは、異種の導体（半導体）の接触面を通して電流を流したときに、その接触面においてジュール熱以外の熱量が発生し、又は、吸収される現象のことである。図４の（ｂ）は、図４の（ａ）に示す冷却素子２０の一部を示す断面図である。図４の（ｂ）に示すように、Ｐ型半導体２１とＮ型半導体２２とを電極２３ｂを介して接合することによってＰＮ素子対を形成し、電極２３ａ及び２３ｃを介して矢印の方向に電流を流す。これにより、ＰＮ素子対の上部において熱が吸収され、ＰＮ素子対の下部において熱が放出される。
【００１７】
図４の（ａ）に示すように、熱交換基板２４及び２５の間には、このような複数のＰＮ素子対が、電気的に直列に接続され、且つ、熱的に並列になるように配置されている。また、直列に接続された複数のＰＮ素子対の両端には、リード線２６が接続されている。このような構造を有する冷却素子２０に、リード線２６から矢印の方向に電流を流すことにより、熱交換基板２４が冷却される。また、冷却素子２０において発生した熱は、リード線２６を介して超音波用探触子の外部に放出される。そのため、リード線２６としては、熱抵抗を低減するために、径が太いものを用いることが望ましい。
【００１８】
本実施形態においては、Ｐ型半導体２１として、Ｐ型ドーパントを添加したＢｉ（ビスマス）−Ｔｅ（テルル）系化合物が用いられており、Ｎ型半導体２２として、Ｎ型ドーパントを添加したＢｉ−Ｔｅ系化合物が用いられている。
なお、Ｐ型及びＮ型半導体を含む熱電素子としては、この他に、Ｓｂ（アンチモン）−Ｔｅ系化合物や、Ｐｂ（鉛）−Ｔｅ系化合物や、Ｃｏ（コバルト）−Ｓｂ系化合物等を用いることができる。これらの化合物は、使用される温度範囲に応じて熱電変換効率が異なるので、超音波用探触子が使用される室温程度の温度範囲において良好な熱電変換効率を示す材料を選択することが望ましい。
【００１９】
図２に示す充填材３０は、超音波トランスデューサ１０及び冷却素子２０を保持すると共に、超音波トランスデューサ１０から発生した不要な振動を吸収する。充填材３０としては、例えば、エポキシ系の樹脂材料が用いられる。或いは、充填材３０として、そのような樹脂材料に金属の粉体を混入した材料を用いることにより、充填材３０の熱伝導率を高くして、発生した熱を放出し易くしても良い。
【００２０】
次に、本発明の第１の実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの作製方法について、図５を参照しながら説明する。
まず、図５の（ａ）に示すように、予め用意しておいた複数の超音波トランスデューサ１０及び複数の冷却素子２０を、ボンダー等を用いて所定の配列となるように基板６０上に配置し、接着剤を用いて固定する。なお、図５の（ａ）には、ボンダーのコレット６１が示されている。次に、図５の（ｂ）に示すように、複数の超音波トランスデューサ１０及び複数の冷却素子２０の間に液体の充填材を流し込んで硬化させる（充填材３０）。さらに、基板６０を除去して配線を行うことにより、図２に示す超音波トランスデューサアレイ１が作製される。
【００２１】
次に、本発明の第１の実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの別の作製方法について、図６を参照しながら説明する。
まず、図６の（ａ）に示すように、基板６２上に、エアロゾルデポジション法を用いて圧電材料層６３を形成する。ここで、エアロゾルデポジション法とは、原料の粉体を基板等に向けて高速で吹き付けることにより原料を堆積させる成膜方法であり、噴射堆積法とも呼ばれている。超音波トランスデューサアレイにおける超音波トランスデューサの配列に合わせた複数の開口が形成されているマスク６４を用いて、ノズル６５からＰＺＴの粉体を噴射することにより、基板６２上の所定の領域に圧電材料層６３が形成される。その後で、形成された圧電材料層を焼成することにより、ＰＺＴ結晶のグレインサイズを大きくする。
【００２２】
次に、図６の（ｂ）に示すように、予め用意された複数の冷却素子２０を、ボンダー等を用いて基板６２上の所定の位置に配置し、接着剤等を用いて固定する。次に、複数の圧電材料層６３及び複数の冷却素子２０の間に液体の充填材を流し込んで硬化させる。その後で、基板６２を除去し、複数の圧電材料層６３に電極を形成することにより、複数の超音波トランスデューサ１０を形成する。さらに、複数の超音波トランスデューサ１０及び複数の冷却素子２０について配線を行うことにより、図２に示す超音波トランスデューサアレイが作製される。
なお、この方法においては、複数の超音波トランスデューサのみをエアロゾルデポジション法を用いて作製したが、エアロゾルデポジション法を用いて冷却素子も作製しても良い。その場合には、さらに、Ｎ型半導体素子を形成する際に用いられるマスクと、Ｐ型半導体素子を形成する際に用いられるマスクとを用意する必要がある。
【００２３】
図７に、超音波トランスデューサアレイ１における複数の超音波トランスデューサ１０及び冷却素子２０の配列のバリエーションを示す。図７の（ａ）〜（ｄ）は、超音波トランスデューサ１０及び冷却素子２０の配列を表す平面図である。
図７の（ａ）に示すように、複数の冷却素子２０が周期的に配列されるように、複数の超音波トランスデューサ１０と複数の冷却素子２０とを２次元マトリクス状に配置しても良い。また、２次元マトリクス状に配置された複数の超音波トランスデューサ１０の内、所定数の超音波トランスデューサ１０を、ランダムに冷却素子２０に置換しても良い。或いは、図７の（ｂ）に示すように、２次元マトリクス状に配置された複数の超音波トランスデューサ１０の周囲を囲むように冷却素子２０を配置しても良い。
【００２４】
また、図７の（ｃ）に示すように、複数の超音波トランスデューサ１０を同心円状に配列し、それらの間に冷却素子２０を配置しても良い。或いは、それらの超音波トランスデューサの内の所定の超音波トランスデューサ１０を、冷却素子２０に置換しても良い。
さらに、図８の（ｄ）に示すように、複数の超音波トランスデューサ１０と複数の冷却素子２０とをランダムに配置することにより、スパースアレイを作製しても良い。
【００２５】
以上説明したように、本実施形態によれば、超音波トランスデューサアレイに冷却素子を設けるので、超音波トランスデューサにおいて発生した熱を効率良く除去することができる。これにより、超音波用探触子を長時間に渡って連続動作させることができるようになるので、効率良く、短時間に超音波撮像を行うことが可能になる。また、超音波用探触子における大きな温度変化を抑制することができるので、超音波ビームの周波数ずれや、焦点位置ずれや、分解能の低下等を招くことがなくなり、画質の良い超音波画像を得ることが可能になる。
【００２６】
なお、本実施形態においては、超音波トランスデューサ及び冷却素子のサイズがほぼ等しいものを使用したが、これらのサイズは大きく異なっていても構わない。例えば、超音波トランスデューサよりも冷却素子が長い場合には、図８の（ａ）に示すように、超音波トランスデューサアレイ１の前面（超音波送信側）の高さを揃え、背面に冷却素子２０を突出させても良い。この場合に、冷却素子２０の突出した部分は、バッキング層に埋め込んでも良い。また、図８の（ｂ）に示すように、超音波トランスデューサアレイ１の背面の高さを揃え、前面に冷却素子２０を突出させても良い。この場合には、音響整合層２に空孔２ａを形成し、冷却素子２０の突出した部分を空孔２ａにはめ込むようにする。
【００２７】
次に、本発明の第２の実施形態に係る超音波トランスデューサアレイについて説明する。図９は、本実施形態に係る超音波トランスデューサアレイを示す斜視図である。
図９に示すように、この超音波トランスデューサアレイには、図２に示す冷却素子２０の替わりに冷却素子４０が配置されていると共に、充填材３０の複数の領域に温度センサ５０が設けられている。その他の構成については、図２に示す超音波トランスデューサアレイ１と同様である。
【００２８】
図１０は、図９に示す超音波トランスデューサアレイの一部を示す断面図である。温度センサ５０は、例えば、熱電対であり、配置されている領域周辺の温度をモニタしている。また、冷却素子４０には、温度センサ５０の温度検出結果に応じて冷却素子への電流の供給を切り替えるために、スイッチ部４１が設けられている。スイッチ部４１は、超音波トランスデューサアレイの温度が所定の温度を越えた場合に、冷却素子４０が動作し、超音波トランスデューサアレイの温度が所定の温度より低くなると、冷却素子４０の動作が停止するように、接続を切り替える。ここで、冷却素子４０と温度センサ５０とは、１対１に対応するように配線されていても良いし、１つの温度センサ５０に対して複数の冷却素子４０のスイッチングが制御されるように配線されていても良い。
【００２９】
このように、本実施形態によれば、超音波トランスデューサアレイの温度変化に応じて冷却素子の動作を切り替えるので、超音波トランスデューサアレイの温度をほぼ一定に保つことができる。また、温度センサの検出結果に応じて冷却素子を個別に制御することにより、超音波トランスデューサアレイの複数の領域間における温度をほぼ均一に保つことができる。
なお、本実施形態においては、温度センサ５０を充填材３０の間に配置しているが、例えば、温度センサ５０を充填材３０の表面に配置しても良い。
【００３０】
本実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの変形例として、バイメタルを用いて冷却素子の動作を制御しても良い。例えば、冷却素子と導線との間の接続部分にバイメタルを用いる。この場合には、超音波トランスデューサアレイの構成を簡単にすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明は、医療や構造物の非破壊検査に用いられる超音波撮像装置において利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る超音波トランスデューサアレイを含む超音波探触子を示す一部断面斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る超音波トランスデューサアレイを示す斜視図である。
【図３】図２に示す超音波トランスデューサの構造を示す斜視図である。
【図４】図２に示す冷却素子の構造を示す斜視図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの作製方法を説明するための図である。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの別の作製方法を説明するための図である。
【図７】超音波トランスデューサアレイにおける超音波トランスデューサ及び冷却素子の配列のバリエーションを示す平面図である。
【図８】超音波トランスデューサアレイにおける冷却素子の配置方法を説明するための図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る超音波トランスデューサアレイを示す斜視図である。
【図１０】図９に示す超音波トランスデューサアレイの一部を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  超音波トランスデューサアレイ
２  バッキング層
３  音響整合層
４  音響レンズ
５  筐体
６  ケーブル
１０  超音波トランスデューサ
１１、６３  圧電材料層
１２、１３、２３、２３ａ〜２３ｃ  電極
１４  配線
２０、４０  冷却素子
２１  Ｐ型半導体
２２  Ｎ型半導体
２４、２５  熱交換基板
２６  リード線
３０  充填材
５０  温度センサ
６０、６２  基板
６１  コレット
６４  マスク
６５  ノズル
【図１】
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【図２】
2005124652.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2005124652.tif 000008
【図７】
2005124652.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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