(57)【要約】【課題】超音波の送受信における超音波探触子の感度や比帯域幅を阻害することなく、超音波探触子の発熱を抑制して、基本性能と発熱抑制とを両立させた超音波探触子を提供する。【解決手段】この超音波探触子は、超音波を送信及び受信する少なくとも１つの振動子であって、圧電歪定数ｄ３３が５００ｐｍ／Ｖ以下であり、圧電歪定数ｄ３３と圧電電圧定数ｇ３３との積が７０００×１０−１５ｍ２／Ｎ以上である圧電材料を含む少なくとも１つの振動子と、少なくとも１つの振動子の第１の面上に配置された少なくとも１層の音響整合層と、少なくとも１つの振動子の第１の面と反対側の第２の面上に配置されたバッキング材とを具備する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を送信及び受信する少なくとも１つの振動子であって、圧電歪定数ｄ３３が５００ｐｍ／Ｖ以下であり、圧電歪定数ｄ３３と圧電電圧定数ｇ３３との積が７０００×１０−１５ｍ２／Ｎ以上である圧電材料を含む前記少なくとも１つの振動子と、
前記少なくとも１つの振動子の第１の面上に配置された少なくとも１層の音響整合層と、
前記少なくとも１つの振動子の第１の面と反対側の第２の面上に配置されたバッキング材と、
を具備する超音波探触子。
【請求項２】
前記圧電材料の圧電電圧定数ｇ３３が、２０×１０−３Ｖｍ／Ｎ以上である、請求項１記載の超音波探触子。
【請求項３】
前記圧電材料の機械的品質係数Ｑｍが、１００以下である、請求項１又は２記載の超音波探触子。
【請求項４】
前記少なくとも１つの振動子が、複合材料層と、前記複合材料層の両端に配置された第１の電極層及び第２の電極層とを含み、前記複合材料層が、前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に電圧が印加されたときに形成される電界の方向と略平行な長手方向を有する複数の圧電体と、前記複数の圧電体の間に充填された樹脂とを含む、請求項１〜３のいずれか１項記載の超音波探触子。
【請求項５】
前記少なくとも１つの振動子が、第１の電極層及び第２の電極層と、前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に少なくとも１つの内部電極層を挟んで交互に積層された複数の圧電体層とを含む、請求項１〜３のいずれか１項記載の超音波探触子。
【請求項６】
前記少なくとも１つの振動子が、第１の電極層及び第２の電極層と、前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に少なくとも１つの内部電極層を挟んで交互に積層された複数の複合材料層とを含み、前記複数の複合材料層の各々が、該複合材料層を挟む２つの電極層の間に電圧が印加されたときに形成される電界の方向と略平行な長手方向を有する複数の圧電体と、前記複数の圧電体の間に充填された樹脂とを含む、請求項１〜３のいずれか１項記載の超音波探触子。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項記載の超音波探触子と、
前記振動子アレイに複数の駆動信号を供給する駆動信号供給手段と、
前記振動子アレイから出力される複数の受信信号を処理することにより、超音波画像を表す画像データを生成する信号処理手段と、
を具備する超音波診断装置。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれか１項記載の超音波探触子を含む超音波内視鏡と、
前記振動子アレイに複数の駆動信号を供給する駆動信号供給手段と、
前記振動子アレイから出力される複数の受信信号を処理することにより、超音波画像を表す画像データを生成する信号処理手段と、
を具備する超音波内視鏡装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検体について体腔外走査又は体腔内走査を行う際に用いられる超音波探触子に関する。さらに、本発明は、そのような超音波探触子と本体装置とによって構成される超音波診断装置、及び、超音波探触子を含む超音波内視鏡と本体装置とによって構成される超音波内視鏡装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
医療分野においては、被検体の内部を観察して診断を行うために、様々な撮像技術が開発されている。特に、超音波を送受信することによって被検体の内部情報を取得する超音波撮像は、リアルタイムで画像観察を行うことができる上に、Ｘ線写真やＲＩ（radio isotope）シンチレーションカメラ等の他の医用画像技術と異なり、放射線による被曝がない。そのため、超音波撮像は、安全性の高い撮像技術として、産科領域における胎児診断の他、婦人科系、循環器系、消化器系等を含む幅広い領域において利用されている。
【０００３】
超音波撮像とは、音響インピーダンスが異なる領域の境界（例えば、構造物の境界）において超音波が反射される性質を利用する画像生成技術である。通常、超音波診断装置（又は、超音波撮像装置、超音波観測装置とも呼ばれる）には、被検体に接触させて用いられる超音波探触子や、被検体の体腔内に挿入して用いられる超音波探触子が備えられている。あるいは、被検体内を光学的に観察する内視鏡と体腔内用の超音波探触子とを組み合わせた超音波内視鏡も使用されている。
【０００４】
超音波探触子において超音波を送信及び受信する超音波トランスデューサとしては、一般に、圧電体の両端に電極を形成した圧電振動子が用いられる。振動子の電極に電圧を印加すると、圧電体が伸縮して超音波が発生する。さらに、複数の振動子を１次元又は２次元状に配列し、所定の遅延を与えた複数の駆動信号によって駆動することにより、超音波ビームを所望の方向に向けて形成することができる。一方、振動子は、伝播する超音波を受信することによって伸縮し、電気信号を発生する。この電気信号は、超音波の受信信号として用いられる。
【０００５】
従来の圧電振動子に使用される圧電体の選択指針としては、超音波の送信時において振動振幅が大きく（圧電歪定数ｄ３３が大きく）、かつ、発熱が小さいものが望ましいとされてきた。また、発熱低減のためには、機械的品質係数Ｑｍが大きく、誘電損失ｔａｎδｅが小さいことが重要と考えられてきた（特許文献１及び２、非特許文献１を参照）。
【０００６】
関連する技術として、特許文献１には、超音波振動子として使用した場合に大きな振動を得ることができ、しかも、発熱の少ない圧電磁器材料が開示されている。この圧電磁器材料においては、機械的品質係数、圧電定数及び誘電体損失のすべてが、一定の水準以上である。
【０００７】
また、特許文献２には、駆動時における発熱量を抑えて、これによる特性劣化を防止した超音波探触子が開示されている。特許文献２によれば、バッキング材上に超音波の発生源となる圧電素子を固着し、該圧電素子の前面に音響整合層を設けてケース内に収容した超音波探触子において、圧電素子の誘電損失を１．６％以下とし、該圧電素子の駆動時における発熱量を低下せしめる構成としている。
【０００８】
また、非特許文献１には、撮像性能を犠牲にすることなく音響エネルギー放射能力を高めた多層の超音波撮像アレイが記載されている。非特許文献１において、単層の超音波撮像アレイに用いられたＰＺＴの物理的性質が表１に記載されており、多層の超音波撮像アレイに用いられたＰＺＴの物理的性質が表２に記載されている。
【特許文献１】特開平５−５１２２２号公報（第２頁）
【特許文献２】特開平６−１４３９８号公報（第１−２頁）
【非特許文献１】Michael J. Zipparo、"Multilayer Ultrasound Imaging Arrays showing Improved Thermal Performance"、Proc. 2005 IEEE Ultrasonics Symposium、pp. 2235-2238
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、超音波探触子の感度をさらに向上させるために、圧電歪定数ｄ３３が大きい材料を選択した場合には、超音波の送信時における発熱が増加するという問題が生じる。一方、発熱低減のために、機械的品質係数Ｑｍが大きい材料を選択した場合には、超音波のパルス波形の尾引きが増大し、比帯域幅が狭くなってしまうという問題が生じる。即ち、従来の超音波探触子においては、超音波探触子の基本性能（感度や比帯域幅）と超音波探触子の発熱抑制とを十分に両立させることができていなかった。
【００１０】
そこで、上記の点に鑑み、本発明は、超音波の送受信における超音波探触子の感度や比帯域幅を阻害することなく、超音波探触子の発熱を抑制して、基本性能と発熱抑制とを両立させた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】
【００１１】
上記課題を解決するため、本発明の１つの観点に係る超音波探触子は、超音波を送信及び受信する少なくとも１つの振動子であって、圧電歪定数ｄ３３が５００ｐｍ／Ｖ以下であり、圧電歪定数ｄ３３と圧電電圧定数ｇ３３との積が７０００×１０−１５ｍ２／Ｎ以上である圧電材料を含む少なくとも１つの振動子と、少なくとも１つの振動子の第１の面上に配置された少なくとも１層の音響整合層と、少なくとも１つの振動子の第１の面と反対側の第２の面上に配置されたバッキング材とを具備する。
【００１２】
また、本発明の１つの観点に係る超音波診断装置は、本発明に係る超音波探触子と、振動子アレイに複数の駆動信号を供給する駆動信号供給手段と、振動子アレイから出力される複数の受信信号を処理することにより、超音波画像を表す画像データを生成する信号処理手段とを具備する。
【００１３】
さらに、本発明の１つの観点に係る超音波内視鏡装置は、本発明に係る超音波探触子を含む超音波内視鏡と、振動子アレイに複数の駆動信号を供給する駆動信号供給手段と、振動子アレイから出力される複数の受信信号を処理することにより、超音波画像を表す画像データを生成する信号処理手段とを具備する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、圧電歪定数ｄ３３が５００ｐｍ／Ｖ以下であり、圧電歪定数ｄ３３と圧電電圧定数ｇ３３との積が７０００×１０−１５ｍ２／Ｎ以上である圧電材料を用いて振動子を構成することにより、超音波の送受信における超音波探触子の感度や比帯域幅を阻害することなく、超音波探触子の発熱を抑制して、基本性能と発熱抑制とを両立させた超音波探触子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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探触子の内部構造を模式的に示す斜視図である。この超音波探触子は、被検体に当接して体腔外走査を行う際、又は、被検体の体腔内に挿入して体腔内走査を行う際に用いられる。
【００１６】
図１に示すように、超音波探触子は、バッキング材１と、バッキング材１上に配置された複数の超音波トランスデューサ（圧電振動子）２と、振動子間における干渉を低減し、振動子の横方向の振動を抑えて振動子が縦方向のみに振動するようにするために、複数の振動子２の間や周囲に充填されたエポキシ樹脂等の充填材３と、振動子２上に設けられた少なくとも１層の音響整合層（図１においては、２層の音響整合層４ａ及び４ｂを示す）と、必要に応じて音響整合層上に設けられる音響レンズ５とを有している。
【００１７】
本実施形態においては、複数の振動子２がアジマス方向（Ｘ軸方向）に並べられて１次元振動子アレイを構成しているが、本発明は、複数の圧電振動子が２次元状に配列された２次元振動子アレイを有する超音波探触子や、１つの圧電振動子を有する超音波探触子にも適用することができる。
【００１８】
超音波探触子の超音波送受信動作を送信プロセスと受信プロセスとの２つに分けた場合に、発熱が生じるのは、主に送信プロセスである。本願発明者は、送信プロセスにおける発熱が、圧電体自身の振動振幅に起因し、圧電歪定数ｄ３３が大きい材料ほど発熱が大きいことを見出した。また、超音波探触子の送信性能は、電圧印加時の変位の大きさを表す圧電歪定数ｄ３３に比例し、超音波探触子の受信性能は、圧力印加時の発生電圧の大きさを表す圧電電圧定数ｇ３３に比例すると考えられる。
【００１９】
従って、送信時の振動振幅を小さくして送信音響パワーを低減させると共に、受信感度を高くすることにより、超音波の送受信における超音波探触子の基本性能を維持しつつ、超音波探触子の発熱を抑制することが可能である。具体的には、発熱を低減するために、圧電歪定数ｄ３３を小さくすることが有効であり、例えば、０＜ｄ３３≦５００ｐｍ／Ｖとすることが望ましい。一方、受信感度を高くするために、圧電電圧定数ｇ３３を大きくすることが有効である。発熱を低減しつつ送受信感度を維持するためには、例えば、７０００×１０−１５ｍ２／Ｎ≦ｄ３３×ｇ３３≦２００００×１０−１５ｍ２／Ｎとすることが望ましい。また、発熱を低減しつつ比帯域幅（深さ分解能）を維持するためには、機械的品質係数Ｑｍをある程度小さくすることが有効であり、例えば、１０≦Ｑｍ≦１００とすることが望ましい。
【００２０】
各種の圧電材料を用いて図１に示す超音波探触子を実際に作製し、特性を測定した結果について、以下に説明する。図１に示す超音波探触子において、Ｘ軸方向の長さを５０ｍｍとし、Ｙ軸方向の長さを４ｍｍとした。また、各振動子２のＹ軸方向の長さを４ｍｍとし、Ｘ軸方向の長さを１１０μｍとし、Ｚ軸方向の長さを３００μｍとした。
【００２１】
感度及び比帯域幅の測定においては、１次元振動子アレイの内の１つの振動子のみを駆動して、水槽中で超音波の送受信を行うことにより、その特性を測定した。送受信される超音波の中心周波数は６ＭＨｚであり、駆動信号を発生するために、超音波送受信装置（Ｐａｎａｍｅｔｒｉｃｓ社製のＭｏｄｅｌ  ５９００）を使用した。
【００２２】
温度上昇ΔＴの測定においては、相対比較を目的として、ファンクションジェネレータ（Ａｇｉｌｅｎｔ社製のＭｏｄｅｌ  ３３２２０Ａ）を用いて−３Ｖ〜＋３Ｖの電圧範囲の正弦波を１つの振動子に印加し、室温２３℃の空気中において、非接触温度測定器を用いて表面温度の上昇を測定した。表面温度は、振動子の駆動開始直後から時間と共に上昇し、１０分程度でほぼ飽和したので、飽和後に温度測定を行った。
【００２３】
図２は、各種の圧電材料の圧電性能と、それらの圧電材料を用いて作製された超音波探触子の特性を測定した結果を示す図である。図２においては、各種の圧電材料の圧電歪定数ｄ３３、圧電電圧定数ｇ３３、圧電歪定数と圧電電圧定数との積ｄ３３×ｇ３３、機械的品質係数Ｑｍ、及び、それらの圧電材料を用いて作製された超音波探触子の温度上昇ΔＴ、送受信感度、比帯域幅が示されている。なお、比帯域幅ｆＢＷ（％）は、次式によって表される。
ｆＢＷ（％）＝１００×（ｆＨ−ｆＬ）／ｆＣ
ここで、周波数ｆＨ及びｆＬは、音圧がピーク値から６ｄＢ減衰する２つの周波数であり（ｆＬ＜ｆＨ）、周波数ｆＣは、周波数ｆＨと周波数ｆＬとの中心周波数である。
【００２４】
従来例１〜５は、超音波探触子用として従来から標準的に使用されてきた圧電材料Ａ〜Ｅを用いた超音波探触子であり、基本性能（感度、比帯域幅）は良好であるが、発熱が大きいので温度上昇が大きい。比較例１〜４は、圧電材料Ｆ〜Ｉを用いた超音波探触子であり、温度上昇は抑制されているが、基本性能が低い。本発明の実施例１〜６は、圧電材料Ｊ〜Ｏを用いた超音波探触子であり、基本性能の維持と温度上昇の抑制とを両立させている。
【００２５】
図３は、本発明の実施例１〜６において用いられている圧電材料Ｊ〜Ｏの組成を示す図である。これらの内、圧電材料Ｊ、Ｋ、Ｌは、ハード系のＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Pb(lead) zirconate titanate）の変型であり、圧電材料Ｍ、Ｎ、Ｏは、ソフト系のＰＺＴの変型である。
【００２６】
上記実験で用いられた圧電材料は、固相熱化学反応法と呼ばれる世の中で広く知られている一般的なセラミックス製造方法で製造された。その製造方法を以下に説明する。工程（１）において、素原料を、酸化物もしくは炭酸塩として所望のモル比で調合し混合して、原料を作製する。工程（２）において、８００℃〜１０００℃の大気雰囲気中で原料を仮焼して分解すると共に、固相熱化学反応により原料を固溶体化する。工程（３）において、工程（２）において得られた原料を微粒子に粉砕し、その後、工程（２）に戻すことを複数回繰り返し、最終的にペロブスカイト単相が形成される。工程（４）において、工程（３）において得られた微粒子に対して、５０ＭＰａ〜３００ＭＰａの圧力で乾式成形を行った後、１１５０℃〜１３５０℃の本焼成により未反応部分の化学反応を完結させると共に、焼結を行い、微粒子を緻密化させる。工程（５）において、切断と研磨により最終的な形を整える。工程（６）において、スパッタ法で電極を形成後、分極処理を行うことにより、圧電材料の製造が完了する。
【００２７】
再び図２を参照すると、圧電材料Ｊ、Ｋ、Ｌを用いた実施例１〜３は、発熱が小さく、感度が良好であるが、比帯域幅が比較的狭いので、用途が限られる。一方、圧電材料Ｍ、Ｎ、Ｏを用いた実施例４〜６は、発熱が小さく、感度が良好であり、さらに、比帯域幅も良好であるので、広帯域用の超音波探触子に適している。
【００２８】
図４は、圧電歪定数ｄ３３と温度上昇ΔＴとの関係を示す図である。図４に示すように、温度上昇ΔＴは、圧電歪定数ｄ３３とほぼ比例関係にあり、ｄ３３が５００ｐｍ／Ｖ以下の圧電材料を使用することによって、従来例と比較して温度上昇ΔＴをほぼ半分に低減することができる。より好ましくは、ｄ３３が４００ｐｍ／Ｖ以下の圧電材料を使用することが推奨される。
【００２９】
図５は、圧電歪定数と圧電電圧定数との積ｄ３３×ｇ３３と送受信感度との関係を示す図である。図５に示すように、ｄ３３×ｇ３３が７０００×１０−１５ｍ２／Ｎ以上であれば高感度を維持できるが、ｄ３３×ｇ３３が７０００×１０−１５ｍ２／Ｎ未満では、感度低下が顕著になる。従って、ｄ３３×ｇ３３の値は、７０００×１０−１５ｍ２／Ｎ以上とすることが適切であり、好ましくは９０００×１０−１５ｍ２／Ｎ以上であり、より好ましくは１００００×１０−１５ｍ２／Ｎ以上であり、さらに好ましくは１１０００×１０−１５ｍ２／Ｎ以上である。
【００３０】
ただし、圧電歪定数ｄ３３の値をあまり大きくすることは妥当でないので、ｄ３３×ｇ３３の値の上限は、２００００×１０−１５ｍ２／Ｎ程度となる。また、圧電電圧定数ｇ３３の値は、１４×１０−３Ｖｍ／Ｎ以上とすることが適切であり、好ましくは２０×１０−３Ｖｍ／Ｎ以上であり、より好ましくは２５×１０−３Ｖｍ／Ｎ以上であり、さらに好ましくは３０×１０−３Ｖｍ／Ｎ以上である。
【００３１】
図６は、機械的品質係数Ｑｍと比帯域幅との関係を示す図である。図６に示すように、比帯域幅は、機械的品質係数Ｑｍが小さいほど広くなる傾向を示しており、Ｑｍが１００以下の圧電材料を使用することによって、ほぼ十分な広帯域特性を達成することができる。より好ましくは、Ｑｍが９０以下の圧電材料を使用し、さらに好ましくは、Ｑｍが７０以下の圧電材料を使用することが推奨される。
【００３２】
次に、本発明の第２の実施形態に係る超音波探触子の構造について説明する。第２の実施形態に係る超音波探触子は、第１の実施形態に係る超音波探触子の１次元振動子アレイにおいて、積層型の圧電振動子を用いたものである。
【００３３】
図７は、本発明の第１の実施形態と第２の実施形態とにおける圧電振動子の構造を比較して示す図である。第１の実施形態においては、図７の（ａ）に示すように、圧電振動子が、個別電極２ａと、個別電極２ａ上に形成された圧電体２ｂと、圧電体２ｂ上に形成された共通電極２ｃとを含んでおり、単層構造を有している。
【００３４】
一方、第２の実施形態においては、図７の（ｂ）に示すように、圧電振動子が、ＰＺＴ等によって形成されている複数の圧電体層２ｄと、下部電極層２ｅと、複数の圧電体層２ｄの間に交互に挿入された内部電極層２ｆ及び２ｇと、上部電極層２ｈと、絶縁膜２ｉと、表側の側面電極２ｊ及び裏側の側面電極（図示せず）とを含んでおり、積層構造を有している。
【００３５】
ここで、下部電極層２ｅは、表側の側面電極２ｊに接続されていると共に、裏側の側面電極から絶縁されている。上部電極層２ｈは、裏側の側面電極に接続されていると共に、表側の側面電極２ｊから絶縁されている。また、内部電極層２ｆは、裏側の側面電極に接続されていると共に、絶縁膜２ｉによって表側の側面電極２ｊから絶縁されている。一方、内部電極層２ｇは、表側の側面電極２ｊに接続されていると共に、絶縁膜２ｉによって裏側の側面電極から絶縁されている。超音波トランスデューサの複数の電極をこのように形成することにより、３層の圧電体層２ｄに電界を印加するための３組の電極が並列に接続される。なお、圧電体層の層数は、３層に限られず、２層又は４層以上としても良い。
【００３６】
このような積層型圧電振動子においては、対向する電極の面積が単層の素子よりも増加するので、電気的インピーダンスが低下する。従って、同じサイズの単層型圧電振動子と比較して、印加される電圧に対して効率良く動作する。具体的には、圧電体層をＮ層とすると、圧電体層の数は単層型圧電振動子のＮ倍となり、各圧電体層の厚さは単層の圧電振動子の１／Ｎ倍となるので、圧電振動子の電気インピーダンスは１／Ｎ２倍となる。従って、圧電体層の積層数を増減させることにより、圧電振動子の電気的インピーダンスを調整できるので、駆動回路又は信号ケーブルとの電気的インピーダンスマッチングを図り易くなり、感度を向上させることができる。一方、圧電振動子を積層型とすることにより静電容量が増加するので、圧電振動子からの発熱量は増加してしまう。本実施形態においては、適切な圧電材料を選択することにより、超音波探触子の温度上昇を防止している。
【００３７】
次に、本発明の第３の実施形態に係る超音波探触子の構造について説明する。第３の実施形態に係る超音波探触子は、第２の実施形態に係る超音波探触子において、各圧電振動子において圧電体層部分を構成するバルクの圧電材料を、圧電体と樹脂との複合材料に置き換えることにより、圧電振動子を１−３コンポジット化したものである。
【００３８】
１−３コンポジットの場合には、各々の振動子が棒状となることから、その振動モードは、３３振動モードとなる。３３振動モードとは、第３の方向（Ｚ軸方向）に分極処理（ポーリング処理）が施された圧電体を、同じ第３の方向に電界を印加して振動させた場合の振動モードをいう。一般に、振動子においては、３３振動モードにおける電気機械結合係数ｋ３３が、板状における電気機械結合係数ｋｔや、バー状における電気機械結合係数ｋ３３'よりも大きいので、各々の振動子を棒状とすることにより、高い変換効率が得られる。
【００３９】
図８は、本発明の第２の実施形態と第３の実施形態とにおける圧電振動子の構造を比較して示す図である。第２の実施形態においては、図８の（ａ）に示すように、バルクの圧電材料で構成された圧電体層２ｄが用いられている。圧電体層２ｄの音響インピーダンスは、約３０ＭＲａｙｌである。一方、第３の実施形態においては、図８の（ｂ）に示すように、圧電体と樹脂とで構成された複合材料層２ｋが用いられている。複合材料層２ｋの音響インピーダンスは、１０ＭＲａｙｌよりも小さく、人体の音響インピーダンスである約１．５ＭＲａｙｌに近い値となっているので、超音波探触子と被検体（人体）との界面における超音波の反射を低減することができる。
【００４０】
図９は、図８の（ｂ）に示す積層型の圧電振動子の最下層の構造を示す斜視図である。複合材料層２ｋを挟む２つの電極層（下部電極層２ｅ及び内部電極層２ｆ）の間に電圧を印加すると、電界はＺ軸方向に形成される。図９に示すように、複合材料層２ｋは、Ｚ軸方向と略平行な長手方向を有するように２次元状に配列された複数の圧電体６と、複数の圧電体６の間及び周囲に充填された樹脂（例えば、エポキシ系樹脂）７とを含んでいる。以上においては、積層型の圧電振動子において複合材料層を用いる場合について説明したが、図７の（ａ）に示すような単層構造の圧電振動子において複合材料層を用いるようにしても良い。
【００４１】
第２及び第３の実施形態に係る超音波探触子の特性を測定した結果について、以下に説明する。感度及び比帯域幅の測定においては、１次元振動子アレイの内の１つの振動子のみを駆動して、水槽中で超音波の送受信を行うことにより、その特性を測定した。送受信される超音波の中心周波数は６ＭＨｚであり、駆動信号を発生するために、超音波送受信装置（Ｐａｎａｍｅｔｒｉｃｓ社製のＭｏｄｅｌ  ５９００）を使用した。
【００４２】
温度上昇ΔＴの測定においては、超音波探触子を超音波診断装置本体に接続して、温度上昇の観点から最も厳しい駆動モードであるカラードップラモードにおいて超音波探触子を連続的に駆動し、室温２３℃の空気中において、非接触温度測定器を用いて表面温度の上昇を測定した。表面温度は、振動子の駆動開始直後から時間と共に上昇し、１０分程度でほぼ飽和したので、飽和後に温度測定を行った。
【００４３】
図１０は、第２及び第３の実施形態に係る超音波探触子の特性を測定した結果を示す図である。図１０においては、比較例５及び本発明の実施例７〜１０の超音波探触子における振動子の構造、圧電材料、送受信感度、比帯域幅、超音波探触子の温度上昇ΔＴが示されている。比較例５及び本発明の実施例７〜１０において、振動子の構造は３層積層構造であり、実施例１０においては、第３の実施形態において説明した複合材料が使用されている。
【００４４】
これらの超音波探触子の特性を、同じ圧電材料を用いた単層構造の振動子を有する超音波探触子の特性（図２参照）と比較すると、振動子を３層積層構造とすることによって高性能化が実現され、感度が約１０ｄＢ向上し、比帯域幅が約１０％広くなる。ただし、振動子を３層積層構造とすると、単層構造の振動子と比較して、温度上昇ΔＴが３〜５倍になるという問題がある。
【００４５】
図１１は、第２及び第３の実施形態に係る超音波探触子の温度上昇ΔＴの変化を示す図である。図１１において、横軸は駆動時間（分）を表しており、縦軸は温度上昇ΔＴを表している。比較例５は、標準的な圧電材料Ｃを用いた３層積層構造の振動子を有する超音波探触子であるが、温度上昇ΔＴは５０℃に達し、超音波診断装置の安全規格（ΔＴ≦２７℃）を大幅に越えてしまっている。一方、本発明の実施例７〜１０によれば、温度上昇ΔＴを２５℃以下に抑制できるので、安全規格を満たすことができる。
【００４６】
再び図１０を参照すると、実施例１０は、実施例８におけるのと同じ圧電材料Ｏを用いているが、圧電材料Ｏと樹脂とを組み合わせて複合材料とし、圧電体を１−３コンポジット化することにより、実施例８と比較して感度が約９ｄＢ向上し、比帯域幅が２５％向上している。また、温度上昇ΔＴは、実施例８と比較して８．８℃低減している。
【００４７】
以上の実施例においては、圧電材料として圧電セラミックを用いる場合について説明したが、本発明は、単結晶の圧電材料を用いる場合にも適用することができる。また、超音波探触子の表面温度を低減するために、熱伝導率の高いバッキング材を用いたり、熱伝導率の低い音響整合層又は音響レンズを用いるようにしても良い。さらに、振動子において発生する熱をバッキング材から筐体に放熱させる構造を用いることも有効である。
【００４８】
図１２は、本発明の第１〜第３の実施形態に係る超音波探触子と超音波診断装置本体とによって構成される超音波診断装置を示す図である。
図１２に示すように、超音波探触子１０は、電気ケーブル２１及びコネクタ２２を介して超音波診断装置本体２０に電気的に接続される。電気ケーブル２１は、超音波診断装置本体２０において生成される複数の駆動信号をそれぞれの超音波トランスデューサ（圧電振動子）に伝送すると共に、それぞれの超音波トランスデューサから出力される複数の受信信号を超音波診断装置本体２０に伝送する。
【００４９】
超音波診断装置本体２０は、超音波診断装置全体の動作を制御する制御部２３と、駆動信号生成部２４と、送受信切換部２５と、受信信号処理部２６と、画像生成部２７と、表示部２８とを含んでいる。駆動信号生成部２４は、例えば、複数の駆動回路（パルサー等）を含み、複数の超音波トランスデューサをそれぞれ駆動するために用いられる複数の駆動信号を生成する。送受信切換部２５は、超音波探触子１０への駆動信号の出力と、超音波探触子１０からの受信信号の入力とを切り換える。
【００５０】
受信信号処理部２６は、例えば、複数のプリアンプと、複数のＡ／Ｄ変換器と、ディジタル信号処理回路又はＣＰＵとを含み、複数の超音波トランスデューサから出力される受信信号について、増幅、整相加算、検波等の所定の信号処理を施す。画像生成部２７は、所定の信号処理が施された受信信号に基づいて、超音波画像を表す画像データを生成する。表示部２８は、そのようにして生成された画像データに基づいて、超音波画像を表示する。
【００５１】
次に、本発明の第４の実施形態に係る超音波探触子を用いた超音波内視鏡について、図１３及び図１４を参照しながら説明する。超音波内視鏡とは、被検体の体腔内を光学的に観察する内視鏡検査装置の挿入部の先端に、超音波トランスデューサ部（超音波探触子）を設けた装置である。第４の実施形態においては、第１〜第３の実施形態において説明したのと同様の圧電振動子が用いられる。
【００５２】
図１３は、本発明の第４の実施形態に係る超音波探触子を用いた超音波内視鏡の外観を示す模式図である。図１３に示すように、超音波内視鏡１００は、挿入部１０１と、操作部１０２と、接続コード１０３と、ユニバーサルコード１０４とを含んでいる。
【００５３】
挿入部１０１は、被検体の体内に挿入することができるように、可撓性を有する材料によって形成された細長い管となっている。挿入部１０１の先端部分には、超音波トランスデューサ部（超音波探触子）１１０が設けられている。
【００５４】
操作部１０２は、挿入部１０１の基端に設けられており、接続コード１０３を介して超音波診断装置本体に接続されていると共に、ユニバーサルコード１０４を介して光源装置に接続される。操作部１０２には、挿入部１０１に処置具等を挿入するための処置具挿入口１０５が設けられている。
【００５５】
図１４は、図１３に示す超音波内視鏡の挿入部の先端部分を拡大して示す図である。図１４の（ａ）は、挿入部１０１の先端部分の上面を示す平面図であり、図１４の（ｂ）は、挿入部１０１の先端部分の側面を示す側面断面図である。なお、図１４の（ａ）において、図１４の（ｂ）に示す音響整合層１２４は省略されている。
【００５６】
図１４に示すように、挿入部の先端部分には、超音波トランスデューサ部１１０と、観察窓１１１と、照明窓１１２と、処置具挿通口１１３と、ノズル孔１１４とが設けられている。処置具挿通口１１３には穿刺針１１５が配置されている。図１４の（ａ）において、観察窓１１１には、対物レンズが装着されており、この対物レンズの結像位置には、イメージガイドの入力端又はＣＣＤカメラ等の固体撮像素子が配置されている。これらは、観察光学系を構成する。また、照明窓１１２には、光源装置からライトガイドを介して供給される照明光を出射させるための照明用レンズが装着されている。これらは、照明光学系を構成する。
【００５７】
処置具挿通口１１３は、図１３に示す操作部１０２に設けられた処置具挿入口１０５から挿入される処置具等を導出させる孔である。この孔から穿刺針１１５や鉗子等の処置具を突出させ、操作部１０２においてこれを操作することにより、被検体の体腔内において種々の処置が行われる。ノズル孔１１４は、観察窓１１１及び観察窓１１２を洗浄するための液体（水等）を噴射するために設けられている。
【００５８】
超音波トランスデューサ部１１０は、コンベックス型の多列振動子アレイ１２０を含んでおり、振動子アレイ１２０は、湾曲した面上に５列に配置された複数の超音波トランスデューサ（圧電振動子）１２１〜１２３を有している。図１４の（ｂ）に示すように、振動子アレイ１２０の前面には、音響整合層１２４が配置されている。音響整合層１２４上には、必要に応じて音響レンズが配置される。また、振動子アレイ１２０の背面には、バッキング材１２５が配置されている。
【００５９】
図１４には、振動子アレイ１２０として、コンベックス型の多列アレイが示されているが、円筒形の面上に複数の超音波トランスデューサを配置したラジアル型の超音波トランスデューサ部や、球面上に複数の超音波トランスデューサを配置した超音波トランスデューサ部を用いても良い。超音波内視鏡においては小型化が要求されるので、本発明による発熱低減効果が特に有効である。
【００６０】
図１５は、図１３に示す超音波内視鏡と超音波内視鏡装置本体とによって構成される超音波内視鏡装置を示す図である。超音波内視鏡１００の超音波トランスデューサ部（超音波探触子）１１０に含まれている複数の超音波トランスデューサ（圧電振動子）は、複数のシールド線により、挿入部１０１、操作部１０２、及び、接続コード１０３を介して、超音波内視鏡装置本体５０に電気的に接続される。それらのシールド線は、超音波内視鏡装置本体５０において生成される複数の駆動信号をそれぞれの超音波トランスデューサに伝送すると共に、それぞれの超音波トランスデューサから出力される複数の受信信号を超音波内視鏡装置本体５０に伝送する。
【００６１】
超音波内視鏡装置本体５０は、超音波制御部５１と、駆動信号生成部５２と、送受信切換部５３と、受信信号処理部５４と、画像生成部５５と、超音波画像表示部５６と、光源６０と、撮像制御部６１と、撮像素子駆動信号生成部６２と、ビデオプロセス部６３と、撮像表示部６４とを含んでいる。
【００６２】
超音波制御部５１は、超音波トランスデューサ部１１０を用いた撮像動作を制御する。駆動信号生成部５２は、例えば、複数の駆動回路（パルサー等）を含み、複数の超音波トランスデューサをそれぞれ駆動するために用いられる複数の駆動信号を生成する。送受信切換部５３は、超音波トランスデューサ部１１０への駆動信号の出力と、超音波トランスデューサ部１１０からの受信信号の入力とを切り換える。
【００６３】
受信信号処理部５４は、例えば、複数のプリアンプと、複数のＡ／Ｄ変換器と、ディジタル信号処理回路又はＣＰＵとを含み、複数の超音波トランスデューサから出力される受信信号について、増幅、整相加算、検波等の所定の信号処理を施す。画像生成部５５は、所定の信号処理が施された受信信号に基づいて、超音波画像を表す画像データを生成する。超音波画像表示部５６は、そのようにして生成された画像データに基づいて、超音波画像を表示する。
【００６４】
光源６０は、被検体の照明に使用する光を発生する。光源６０から出た光は、ユニバーサルコード１０４を介して、挿入部１０１の照明窓１１２（図１４の（ａ））を通して被検体を照明する。照明された被検体は、挿入部１０１の観察窓１１１（図１４の（ａ））を通して撮像素子によって撮像され、撮像素子から出力される映像信号が、接続コード１０３を介して、超音波内視鏡装置本体５０のビデオプロセス部６３に入力される。
【００６５】
撮像制御部６１は、撮像素子を用いた撮像動作を制御する。撮像素子駆動信号生成部６２は、撮像素子に供給される駆動信号を生成する。ビデオプロセス部６３は、撮像素子から入力される映像信号に基づいて画像データを生成する。撮像表示部６４は、ビデオプロセス部６３から画像データを入力して、被検体の画像を表示する。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明は、被検体について体腔外走査又は体腔内走査を行う際に用いられる超音波探触子において利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る超音波探触子の内部構造を模式的に示す斜視図である。
【図２】各種の圧電材料の圧電性能と、それらの圧電材料を用いて作製された超音波探触子の特性を測定した結果を示す図である。
【図３】本発明の実施例１〜６において用いられている圧電材料Ｊ〜Ｏの組成を示す図である。
【図４】圧電歪定数ｄ３３と温度上昇ΔＴとの関係を示す図である。
【図５】圧電歪定数と圧電電圧定数との積ｄ３３×ｇ３３と送受信感度との関係を示す図である。
【図６】機械的品質係数Ｑｍと比帯域幅との関係を示す図である。
【図７】本発明の第１の実施形態と第２の実施形態とにおける圧電振動子の構造を比較して示す図である。
【図８】本発明の第２の実施形態と第３の実施形態とにおける圧電振動子の構造を比較して示す図である。
【図９】図８の（ｂ）に示す積層型の圧電振動子の最下層の構造を示す斜視図である。
【図１０】第２及び第３の実施形態に係る超音波探触子の特性を測定した結果を示す図である。
【図１１】第２及び第３の実施形態に係る超音波探触子の温度上昇ΔＴの変化を示す図である。
【図１２】本発明の第１〜第３の実施形態に係る超音波探触子と超音波診断装置本体とによって構成される超音波診断装置を示す図である。
【図１３】本発明の第４の実施形態に係る超音波探触子を用いた超音波内視鏡の外観を示す模式図である。
【図１４】図１３に示す超音波内視鏡の挿入部の先端部分を拡大して示す図である。
【図１５】図１３に示す超音波内視鏡と超音波内視鏡装置本体とによって構成される超音波内視鏡装置を示す図である。
【符号の説明】
【００６８】
１  バッキング材
２  振動子
３  充填材
４ａ、４ｂ  音響整合層
５  音響レンズ
６  圧電体
７  樹脂
１０  超音波探触子
２０  超音波診断装置本体
２１  電気ケーブル
２２  コネクタ
２３  制御部
２４  駆動信号生成部
２５  送受信切換部
２６  受信信号処理部
２７  画像生成部
２８  表示部
５０  超音波内視鏡装置本体
５１  超音波制御部
５２  駆動信号生成部
５３  送受信切換部
５４  受信信号処理部
５５  画像生成部
５６  超音波画像表示部
６０  光源
６１  撮像制御部
６２  撮像素子駆動信号生成部
６３  ビデオプロセス部
６４  撮像表示部
１００  超音波内視鏡
１０１  挿入部
１０２  操作部
１０３  接続コード
１０４  ユニバーサルコード
１０５  処置具挿入口
１１０  超音波トランスデューサ部
１１１  観察窓
１１２  照明窓
１１３  処理部挿通口
１１４  ノズル孔
１１５  穿刺針
１２０  振動子アレイ
１２１〜１２３  超音波トランスデューサ
１２４  音響整合層
１２５  バッキング材
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2009273838.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
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