(57)【要約】      （修正有）【課題】音響レンズの音響特性の低下を防ぐことができる超音波探触子を提供する。【解決手段】超音波探触子は、振動子アレイ２０と、振動子アレイ２０の超音波の送受波面側に配置される音響レンズ２８と、音響レンズ２８と振動子アレイ２０との間に介在する１以上の整合層と、振動子アレイ２０の周囲を囲み、その両端が開口された筒状の枠体３０であって、音響レンズ２８に設置される枠体３０と、を備え、１以上の整合層のうち最も音響レンズ２８側に位置する第三整合層は、枠体３０の開口を覆うべく枠体３０の端面にたるみなく貼着される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動子アレイと、
前記振動子アレイの超音波の送受波面側に配置される音響レンズと、
前記音響レンズと振動子アレイとの間に介在する１以上の整合層と、
前記振動子アレイの周囲を囲み、その両端が開口された筒状の枠体であって、前記音響レンズに設置される枠体と、
を備え、
前記１以上の整合層のうち最も音響レンズ側に位置する外側整合層は、前記枠体の開口を覆うべく前記枠体の端面にたるみなく貼着される、
ことを特徴とする超音波探触子。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波探触子であって、さらに、
前記外側整合層に積層され、当該外側整合層とともに前記枠体に貼着される音響フィルムを備える、
ことを特徴とする超音波探触子。
【請求項３】
請求項２に記載の超音波探触子であって、
音響フィルムは、液体の透過を阻害するバリア性を有する、ことを特徴とする超音波探触子。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の超音波探触子であって、さらに、
前記音響レンズと協働して、前記振動子アレイが設置される内部空間を形成する振動子ホルダと、
伝熱性材料からなり、前記内部空間に充填されることで前記振動子アレイからの熱を前記振動子ホルダに伝達するポッティング材と、
を備えることを特徴とする超音波探触子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動子アレイと、１以上の整合層と、音響レンズとを備えた超音波探触子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、生体内に超音波を放射して前記生体から反射してくる超音波を受信することにより、画像情報を取得して生体内部の超音波画像を形成し観察する超音波診断装置が広く普及している。超音波診断装置には、実際に超音波の送受波を行う超音波振動子を含む超音波探触子が接続されるが、この超音波探触子は診断対象部位によって、様々な形態、形状、サイズを有し、適宜使い分けられている。
【０００３】
例えば特許文献１には、体腔内挿入用の小型の超音波探触子が開示されている。この超音波探触子では、小型の振動子ケースの内部に、振動子アレイを配している。振動子アレイ部は、音響整合層および音響レンズとして機能するシリコンレンズに接着されている。また、シリコンレンズは、内部に空洞を有する筒状の振動子ホルダに固定されており、振動子アレイは、シリコンレンズおよび振動子ホルダの間に形成される空間に配置されている。また、振動子アレイ、シリコンレンズ、振動子ホルダは、いずれも、ワイヤ等を介して伝達された力により、振動子ケース内で回動するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−３２７５００号公報
【特許文献２】特開昭６２−１６８５００号公報
【特許文献３】特開昭６１−１１３４３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、シリコンレンズと振動子ケースとの間には、音響整合材として機能する油が充填される。シリコンレンズと振動子ホルダの接続部は、通常、この油が、振動子アレイ側に侵入しないようにシールされる。しかし、シリコンレンズと振動子ホルダの接続部のシールのみで、油の侵入を防止するのは難しく、振動子アレイに油等が侵入するおそれがあった。特に、シリコンレンズは油が浸透しやすいため、油のシリコンレンズの透過を防止するのは難しかった。
【０００６】
また、特許文献１のように、音響レンズ（シリコンレンズ）は、通常、シリコンゴム等の比較的柔らかい材料からなることが多い。かかる音響レンズの一面に、直接、振動子アレイ等を接着した場合、音響レンズの一面のうち振動子アレイと当接する箇所のみに負荷がかかり、音響レンズの一面の平面度が低下することがあった。こうした音響レンズの一面の平面度の低下は、音響特性の低下を招くおそれがあった。
【０００７】
特許文献２，３には、振動子アレイ側への水や油の侵入を防止するために、振動子アレイとほぼ同形の内寸法を有し、かつ、その底面が整合層として機能する略箱型のカバーを設け、当該カバーの内部に振動子アレイを嵌め込む技術が開示されている。かかる技術によれば、振動子アレイの側面がカバーにより保護され、振動子アレイの側面への油等の侵入がある程度は防止される。
【０００８】
しかし、特許文献２，３では、油等の侵入を確実に防止するためには、カバーの寸法精度を厳密に管理しなければならず、また、振動子アレイをカバー内に適切に嵌め込む作業も手間であった。また、特許文献２，３の技術では、上述した音響レンズの一面の平面度の低下を防止することはできない。
【０００９】
そこで、本実施形態では、音響レンズの音響特性の低下を防ぐことができる超音波探触子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の超音波探触子は、振動子アレイと、前記振動子アレイの超音波の送受波面側に配置される音響レンズと、前記音響レンズと振動子アレイとの間に介在する１以上の整合層と、前記振動子アレイの周囲を囲み、その両端が開口された筒状の枠体であって、前記音響レンズに設置される枠体と、を備え、前記１以上の整合層のうち最も音響レンズ側に位置する外側整合層は、前記枠体の開口を覆うべく前記枠体の端面にたるみなく貼着される、ことを特徴とする。
【００１１】
好適な態様では、さらに、前記外側整合層に積層され、当該外側整合層とともに前記枠体に貼着される音響フィルムを備える。この場合、音響フィルムは、液体の透過を阻害するバリア性を有する、ことが望ましい。
【００１２】
他の好適な態様では、さらに、前記音響レンズと協働して、前記振動子アレイが設置される内部空間を形成する振動子ホルダと、伝熱性材料からなり、前記内部空間に充填されることで前記振動子アレイからの熱を前記振動子ホルダに伝達するポッティング材と、を備える。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、振動子アレイと音響レンズとの間に、振動子アレイよりも大サイズでたるみのない（テンションがかかった）外側整合層が介在するため、振動子アレイ設置の際に、音響レンズに局所的な応力がかかりにくく、音響レンズの音響特性の低下を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態である超音波探触子の正面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である
【図３】上ケースおよびワイヤハーネスを除いた先端部の一部破断斜視図である。
【図４】振動子アレイ周辺の部品のみを取り出した一部破断斜視図である。
【図５】振動子アレイ周辺の部品のみを取り出した一部破断斜視図である。
【図６】ＦＰＣの端部を示す図である。
【図７】振動子ユニットを音響レンズに設置する様子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の好適な実施の形態（以下、実施形態という）を図面に基づき説明する。図１は、本発明の実施形態である超音波探触子１０の正面図である。図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。また、図３は、上ケース１８およびワイヤハーネス４０を除いた先端部１２の一部破断斜視図である。図４は、振動子アレイ２０周辺の部品のみを取り出した一部破断斜視図である。図５は、振動子アレイ２０周辺の部品のみを取り出した他の一部破断斜視図である。
【００１６】
超音波探触子１０は、診断の対象物を含む領域内において超音波を送受波する。本実施形態で用いられる超音波探触子１０は、経口によって食道壁から心臓等の超音波画像を得る際に好適な経食道超音波探触子である。この超音波探触子１０は、体腔内に挿入される先端部１２のほか、体腔外から先端部１２の向きを操作する操作部１６、先端部１２と操作部１６とを接続する挿入部１４などを備えている。
【００１７】
先端部１２には、後に詳説するように、複数の振動素子が配列された振動子アレイ２０が内蔵されている。挿入部１４の内部には、振動子アレイ２０等に接続された各種信号線や、先端部１２に駆動力を伝達する伝達ワイヤ等が挿通されている。この挿入部１４は、柔軟性を有しており、挿入される体腔（例えば食道等）に沿って屈曲可能となっている。そして、この屈曲により、先端部１２を挿入した場合における被検者の肉体的、精神的不快感を軽減しつつ、目的とする診断位置に先端部１２を容易に到達させることができるようになっている。
【００１８】
操作部１６には、複数のダイヤル１６ａが設けられており、当該ダイヤル１６ａを操作することにより、先端部１２を左右に屈曲させたり、振動子アレイ２０を１軸回りに回転させたりできる。そして、これにより、振動子アレイ２０の超音波送受面を適切な位置で適切な方向に向けることができるようになっている。
【００１９】
また、この超音波探触子１０の後端からは、当該超音波探触子１０と診断装置本体（図示せず）とを電気的に接続するプローブケーブル１７が引き出されている。このプローブケーブル１７を通じて、超音波の送受に関わる各種制御信号が診断装置本体から超音波探触子１０側に送信されるとともに、超音波の送受波によりえられるエコー信号が超音波探触子１０から診断装置本体に送信されるようになっている。診断装置本体は、得られたエコー信号に基づいて、断層画像などの超音波画像を生成し、検査者に提示する。
【００２０】
先端部１２は、扁平な楕円板状のケースを有している。このケースは、上ケース１８および下ケース１９に分割されている。ケースの内部には、振動子アレイ２０の他、音響レンズ２８や、複数の整合層３２，３４，３６、振動子ホルダ２６、プーリ２４等が配置されている。
【００２１】
プーリ２４には、伝達ワイヤ２５が巻き付けられており、図２におけるＢ軸回りに回転出来るようになっている。なお、以下の説明では、この回転軸方向を上下方向とし、プーリ２４側を「上」、音響レンズ２８側を「下」と呼ぶ。また、この回転軸に直交する二軸を、Ｘ軸およびＹ軸と呼ぶ。プーリ２４の中央には、ワイヤハーネス４０を引き出すための貫通孔が形成されている。また、プーリ２４の周囲には、下ケース１９に固着されたベース部材２２が配置されている。このベース部材２２の外周面と下ケース１９の内周面との間には、Ｏリング等のシール部材Ｓ１が配されており、音響レンズ２８と下ケース１９との間隙に充填される油が、上ケース１８側に漏れないようになっている。
【００２２】
プーリ２４の下側には、振動子ホルダ２６が設けられている。振動子ホルダ２６は、小径部２６ａと、当該小径部２６ａより大径の大径部２６ｂとを有した段付筒形状である。小径部２６ａの略中央には、略楕円形の貫通孔が形成されており、小径部２６ａの周面には、Ｏリング等のシール部材Ｓ２が配される溝２６ｃが形成されている。大径部２６ｂは、その内部が大きく刳り抜かれたような形状となっており、下方に向かって開口する凹部が形成されている。この振動子ホルダ２６は、プーリ２４と螺合締結され、プーリ２４と共に回転する。また、振動子ホルダ２６、プーリ２４、ベース部材２２の材質は、特に限定されないが、熱伝導率に優れた材料、例えば、アルミ等からなることが望ましい。
【００２３】
振動子ホルダ２６の下端には、音響レンズ２８の上端が接着されており、音響レンズ２８もプーリ２４とともに回転できるようになっている。音響レンズ２８は、シリコーンゴム等からなる有底筒状部材である。この音響レンズ２８の外側底面は、超音波ビームを好適に収束させるために外側に凸の曲面となっており、音響レンズ２８の内側底面は、ほぼ平坦な平面となっている。
【００２４】
音響レンズ２８と振動子ホルダ２６との間には、円柱形の内部空間が形成される。図５に示されるように、この内部空間には、振動子ユニット２１と、枠体ユニット２９と、が配置される。枠体ユニット２９は、円筒状の枠体３０の下端に、第三整合層３６および音響フィルム３８の積層フィルムを貼り付けて構成される略太鼓状のユニットである。また、振動子ユニット２１は、バッキング材２７、振動子アレイ２０、第一整合層３２、第二整合層３４を積層したものである。音響レンズ２８の内部底面の上には、枠体ユニット２９が載置され、さらに、この枠体ユニット２９の上に、振動子ユニット２１が載置されている。
【００２５】
枠体３０は、内部空間の内径とほぼ同じ外径を有し、内部空間とほぼ同じ高さを有した円筒体である。枠体３０の下端には、第三整合層３６および音響フィルム３８を積層した積層シート３９が貼り付けられている。この積層シート３９は、略円形の枠体３０の下端にたるみなく貼着されている。第三整合層３６は、複数ある整合層のうち最も音響レンズ２８に位置する外側整合層として機能する。この第三整合層３６は、超音波の反射を抑えるために設けられており、その厚みは、超音波の波長λの１／４である。また、第三整合層３６は、ゴム等からなり、そのインピーダンスは、第二整合層３４のそれよりも小さくなっている。また、音響フィルム３８は、油や水の通過を阻害する材料、例えば、ポリフェニレンサルファイド（以下「ＰＰＳ」という）からなる薄膜フィルムである。したがって、音響フィルム３８は、音響特性を向上させる機能だけでなく、油や水等の液体の透過を阻害するバリア性も有していると言える。音響フィルム３８は、第三整合層３６に比べて十分に薄く、例えば、第三整合層３６の厚みが、１００μｍである場合に、音響フィルム３８の厚みは、６μｍ程度である。また、音響フィルム３８の音響インピーダンスは、第二整合層３４のそれよりも小さく、第三整合層３６のそれよりも大きい。
【００２６】
振動子ユニット２１の主要部である振動子アレイ２０は、Ｘ方向に一次元配列された複数の振動素子からなる。各振動素子は、ＰＺＴ、水晶、酸化亜鉛等の圧電材料からなる圧電板を、Ｙ方向に裁断して構成される。バッキング材２７は、振動子アレイ２０の背面側に放射された不要な超音波を散乱、減衰させるもので、例えば、樹脂にタングステンやタングステン化合物等を混入した材料からなる。
【００２７】
第一整合層３２および第二整合層３４は、第三整合層３６（外側整合層）と振動子アレイ２０との間に介在する中間整合層として機能する。この第一、第二整合層３２，３４は、いずれも、超音波の反射を抑えるために設けられ、その厚みは、超音波の波長λの１／４となっている。振動子アレイ２０に密着した第一整合層３２の音響インピーダンスは、当該第一整合層３２に密着した第二整合層３４の音響インピーダンスより小さくなっている。また、この第二整合層３４のインピーダンスは、枠体３０に貼着された第三整合層３６のインピーダンスより小さくなっている。第一整合層３２および第二整合層３４は、所望のインピーダンスを有した材料、例えばカーボン等からなる。第一整合層３２および第二整合層３４も、振動子アレイと同様に、Ｘ方向に一次元配列された複数の素子（第一整合素子および第二整合素子）からなる。第一整合素子および第二整合素子は、所定のインピーダンスを有した材料からなる第一整合シートおよび第二整合シートをＹ方向に裁断して構成される。
【００２８】
バッキング材２７と振動子アレイ２０との間には、各振動素子に電気信号を送受するためのフレキシブルプリント基板（以下「ＦＰＣ」という）４２が、また、振動子アレイ２０と第一整合層３２との間には、共通のグランド電極を構成するグランド箔４４が設けられている。これら、ＦＰＣ４２およびグランド箔４４は、いずれも、上側に折り返されている。ＦＰＣ４２の端部には、複数の振動素子と導通する複数の電極４２ａが、一方向に並んで形成されている。図６は、このＦＰＣ４２の端部における電極４２ａの配置の一例を示す図である。各電極４２ａには、ワイヤハーネス４０が接続されている。複数のワイヤハーネス４０は、振動子ホルダ２６やプーリ２４に形成された貫通孔を通過して、上方向に引きだされた後、軸方向に折り曲げられ、挿入部１４及び操作部１６を通過して、診断装置本体に導かれ、電気的に接続される。
【００２９】
ここで、ワイヤハーネス４０を振動子ホルダ２６の外部に引きだしやすくするために、本実施形態では、振動子ホルダ２６の小径部２６ａに形成する孔を、ＦＰＣ４２の端部に形成される複数の電極４２ａの配設方向に長尺な楕円孔としている。また、ＦＰＣ４２の端部に形成される電極４２ａを、図６に示すように、ＦＰＣ４２の端部に近づく過程で、配設方向中央に近づく方向に屈曲させている。これにより、各電極４２ａとワイヤハーネス４０との接続点が中央に集まり、振動子ホルダ２６からの引き出しがより容易になる。
【００３０】
内部空間に上述した振動子ユニット２１および枠体ユニット２９を配置した後の空き空間には、ポッティング材料５０（図２参照）が充填される。ポッティング材料は、例えば、伝熱性に優れるとともに絶縁性を有した樹脂材料、例えば、シリコン系ゴム等の基材の中に伝熱フィラーを含有したものなどを用いることができる。こうしたポッティング材量を、振動子ユニット２１の上端を超えて、振動子ホルダ２６の小径部２６ａに到達する高さまで充填することで、振動子アレイ２０の駆動に伴い生じる熱を、ポッティング材料５０を介して、振動子ホルダ２６へと効率的に伝達することができ、最終的にプーリ２４やベース部材２２を介して放熱することができる。
【００３１】
次に、本実施形態において、第三整合層３６および音響フィルム３８からなる積層シート３９を枠体３０に貼着した理由について説明する。積層シート３９が無い場合は、図７（ａ）に示すように、振動子ユニット２１、および、（積層シート３９が貼着されていない）枠体３０を、音響レンズ２８の内側底面に、直接載置することになる。しかし、音響レンズ２８は、シリコーンゴム等の比較的柔らかい材料からなることが多い。かかる音響レンズ２８の上に、音響レンズ２８より小さい底面積を有した振動子ユニット２１や枠体３０を載置すると、音響レンズ２８の内側底面に局所的な応力がかかり、図７（ａ）で二点鎖線で示すように、内側底面に部分的な凹凸が生じる。この場合、音響レンズ２８の内側底面の平面度が低下し、ひいては、音響特性が悪化するおそれがあった。
【００３２】
また、音響レンズ２８と下ケース１９との間には、音響整合のためにひまし油等の油が充填される。ここで、音響レンズ２８を構成するシリコーンゴムは、こうした油が浸透しやすく、積層シート３９が無い場合、振動子ユニット２１への油の侵入が生じるおそれがあった。
【００３３】
一方、本実施形態では、枠体３０に、積層シート３９を貼着している。換言すれば、本実施形態では、振動子ユニット２１と音響レンズ２８との間に、当該音響レンズ２８の内側底面とほぼ同じ大きさを有した積層シート３９が介在している。かかる構成とすれば、図７（ｂ）に示す通り、振動子ユニット２１を音響レンズ２８の内側底面に載置する際にかかる応力が、積層シート３９により均等に分散、あるいは、吸収されるため、音響レンズ２８に局所的な応力がかかりにくく、音響レンズ２８の平面度を高く維持することができる。また、第三整合層３６に油の透過を阻害する音響フィルム３８を積層しているため、音響レンズ２８および第三整合層３６を通過した油が、振動子ユニット２１側に侵入することが効果的に防止される。
【００３４】
さらに、既述した通り、本実施形態では、内部空間にポッティング材料５０を充填している。枠体３０に貼着された積層シート３９が存在しない場合、内部空間に充填されたポッティング材料５０は、音響レンズ２８の内側底面に直接接触することになる。この場合、ポッティング材料５０の硬化の過程で、音響レンズ２８が、硬化収縮するポッティング材料５０に引っ張られ、変形するおそれがあった。一方、本実施形態では、音響レンズ２８とポッティング材料５０との間に、積層シート３９が介在するため、ポッティング材料５０の硬化収縮に伴う音響レンズ２８の変形を効果的に防止できる。
【００３５】
次に、振動子ユニット２１および枠体ユニット２９の製造手順について簡単に説明する。振動子ユニット２１は、バッキング材２７、ＦＰＣ４２、圧電板、グランド箔４４、第一整合シート、第二整合シートを積層して接着した後、この積層体を所定の形状にダイシングして製造される。また、この振動子ユニット２１の製造と並行して、積層シート３９も製造される。積層シート３９は、ガラス等の硬質材料からなる台上に、第三整合層３６および音響フィルム３８を重ねて密着させた状態で接着して製造される。また、この積層シート３９は、枠体３０よりも十分に大きいサイズで製造される。続いて、この積層シート３９に適度なテンションを掛けた状態で、当該積層シート３９の上に枠体３０および振動子ユニット２１を載置し、枠体３０および振動子ユニット２１を積層シート３９に接着する。そして、積層シート３９のうち、枠体３０からはみでた部分を、カットし、太鼓状の枠体ユニット２９を構成する。この状態になれば、振動子ユニット２１が接着された枠体ユニット２９に、音響レンズ２８を貼着すればよい。
【００３６】
なお、これまで説明した構成および製造手順は、いずれも一例であり、振動子アレイの周囲を囲む枠体の下端に最も外側の整合層（本実施形態では第三整合層）を貼着して太鼓状にするのであれば、その他の構成は、適宜、変更されもよい。例えば、本実施形態では、整合層を三層設けているが、より多数、あるいは、より少数でもよい。また、本実施形態では、最も外側の整合層に、音響フィルムを積層しているが、これら整合層や音響レンズが、バリア性のある材料からなるのであれば、音響フィルムは省略されてもよい。また、本実施形態では、経食用の超音波探触子を例に挙げて説明したが、本実施形態の技術は、他の超音波探触子に適用されもよい。
【符号の説明】
【００３７】
１０  超音波探触子、１２  先端部、１４  挿入部、１６  操作部、１７  プローブケーブル、１８  上ケース、１９  下ケース、２０  振動子アレイ、２１  振動子ユニット、２２  ベース部材、２４  プーリ、２６  振動子ホルダ、２７  バッキング材、２８  音響レンズ、２９  枠体ユニット、３０  枠体、３２  第一整合層、３４  第二整合層、３６  第三整合層、３８  音響フィルム、３９  積層シート、４０  ワイヤハーネス、４４  グランド箔、５０  ポッティング材料。
【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７】
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【図１】
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【図６】
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