| 【発明の名称】 |
超音波探触子 |
| 【発明者】 |
【氏名】大村 正由
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| 【要約】 |
【課題】ビーム幅が細く、焦域の長い遠方での感度低下を抑えたビームを形成して、分解能を改善した超音波探触子を提供すること。
【解決手段】組合せレンズ５は、出射端側のレンズを音速をｖ1 、音響インピーダンスをＺ1 に設定する第１レンズ部材で中心側先端が周辺面より凸出する曲面形状に形成した第１音響レンズ５ａと、超音波入射側になる音速をｖ2 、音響インピーダンスをＺ2 に設定する第２レンズ部材で周辺部に対して中央部を凹ました曲面形状で形成した第２音響レンズ５ｂとを組み合わせている。音速ｖ1 と音速ｖ2 との間に ｖ2 ＞ｖ1 の関係があり、第１レンズ材の音響インピーダンスＺ1 と第２レンズ材の音響インピーダンスＺ2 との間にＺ1 ≒Ｚ2 ≒Ｚｂ（生体の有する音響インピーダンス）の関係を設定し、圧電素子から放射された超音波を第２レンズと第１レンズとを通過させて、中心軸ＯＯ′に沿って生体の深部まで感度を低下することなく到達する焦域の長い細いビームを得る。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 前方又は後方にそれぞれ少なくとも１つの実効的・仮想的円環状音源を形成する超音波探触子において、音源部は、平板形状又は曲面形状の圧電素子と、音速の異なるレンズ部材で形成した複数の音響レンズと、を具備することを特徴とする超音波探触子。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、超音波のエコーを利用して生体内の断層を画像化する超音波診断装置に用いられる超音波探触子に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、超音波探触子或いは超音波振動子から超音波を生体に照射し、生体における音響インピーダンスの変化部分で反射された反射超音波を受信して電気信号に変換し、画像化することにより、超音波断層像を得る超音波診断装置が広く用いられるようになった。
【０００３】従来の超音波探触子は、中心軸上に幾何学的焦点をもつように振動子の放射面を凹状若しくは凸状の曲面としたものや振動子の中心軸上に幾何学的焦点をもつ集束型音響レンズを設けたものであった。
【０００４】しかし、このような超音波探触子においては、超音波ビームの焦点近傍ではビーム幅が細く絞られているが、焦点から外れた位置では超音波ビームは広がるため、広範囲にわたって分解能の高い画像を得ることができなかった。
【０００５】この問題点を解決するため、特開昭５１−６０４９１号公報には超音波探触子の前方又は後方にそれぞれ実効的・仮想的円環状音源を形成する超音波探触子が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかし、この仮想円環状音源を形成する超音波探触子は、広範囲にわたってビーム幅の細い主ビームを得ることができるが、到達点が遠方に行くほどすなわち測定深度が深くなるほど感度が低下する。このため、このビームでは測定深度によっては診断に十分な分解能を有する超音波診断画像を得ることができなかった。
【０００７】本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、ビーム幅が細く、焦域の長い遠方での感度低下を抑えたビームを形成して、分解能を改善した超音波探触子を提供することを目的にしている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の超音波探触子は、前方又は後方にそれぞれ少なくとも１つの実効的・仮想的円環状音源を形成する超音波探触子であって、音源部は、平板形状又は曲面形状の圧電素子と、音速の異なるレンズ部材で形成した複数の音響レンズとを具備している。
【０００９】この構成によれば、圧電素子から放射された超音波は、複数の音響レンズを通過して、超音波探触子の実効面中心軸に沿うように収束して焦域の長い超音波ビームとして出射していく。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１及び図２は本発明の第１実施形態に係り、図１は超音波探触子の概略構成を示す斜視図、図２は図１のＡ−Ａ面での断面図である。
【００１１】図１に示すように本実施形態の超音波探触子（超音波振動子ともいう）１は、超音波変換素子として圧電特性を有する平板で略円形状の圧電素子２と、超音波を放射する或いは超音波を送受する超音波放射面或いは超音波送受面（単に前面とも記す）に設けた前面電極３ａ及びこの圧電素子２の超音波放射面とは反対側の面（前面に対して後面と記す）に形成した後面電極３ｂと、前記圧電素子２の前面電極３ａを介して積層された圧電素子２の音響インピーダンスと生体の音響インピーダンスとの間の隔たりをなくすように音の効率を上げる音響整合層４及び前記圧電素子２から放射された超音波を超音波探触子１の中心軸ＯＯ′に集束させて焦域の長い細い超音波ビームを出射させる集束手段となる仮想リング型組合せレンズ（以下組合せレンズと略記する）５と、前記圧電素子２の後面電極３ｂを介して設けることによって後方側への超音波を減衰させるフェライト入りゴムなどで形成したバッキング材６と、前記圧電素子２，前面電極３ａ，後面電極３ｂ，音響整合層４，組合せレンズ５及びバッキング材６の一部のそれぞれ表面を覆う耐水性、耐薬品性に優れたパリレン（ポリパラキシリレン）等で形成された保護膜７とで主に構成されている。なお、前記中心軸ＯＯ′は圧電素子２の実効面中心軸すなわち超音波の音軸になっている。
【００１２】図２に示すように前記組合せレンズ５は、２つの音響レンズ５ａ，５ｂを組み合わせて構成されるものであり、先端側に配置されて出射端側のレンズを構成するシリコンゴム、ポリエーテルブロックアミド等を用いて音速をｖ1 、音響インピーダンスをＺ1 に設定する第１レンズ部材で中心側先端が周辺面より凸出する曲面形状に形成した第１音響レンズ５ａと、この第１音響レンズ５ａの下層側に配置されて超音波入射側になるポリメチルペンテン等を用いて音速をｖ2 、音響インピーダンスをＺ2 に設定する第２レンズ部材で周辺部に対して中央部を凹ました曲面形状で形成した第２音響レンズ５ｂとを組み合わせている。
【００１３】そして、前記音速ｖ1 と音速ｖ2 との間にｖ2 ＞ｖ1の関係を設定している。また、前記第１レンズ材の音響インピーダンスＺ1 と第２レンズ材の音響インピーダンスＺ2 との間にはＺ1 ≒Ｚ2 ≒Ｚｂ（生体の有する音響インピーダンス）の関係を設定して２つのレンズを介して生体に出射されていく超音波の感度が低下することを防止している。
【００１４】なお、前記音響整合層４は、前記圧電素子２の超音波放射面側に配置された厚み寸法がλ／４（λは超音波の動作周波数の波長、以下同様）で円板形状のガラスで形成された第１整合層４ａと、この第１整合層４ａに積層される厚み寸法がλ／４で円板形状のエポキシ樹脂製の第２整合層４ｂとで構成されている。また、前記前面電極３ａにはアース線８が前記後面電極３ｂには信号線９がそれぞれ接続されており、これら電線８，９をひとまとめにしたリード線１０を介して図示しない観測装置の信号端子及びアース端子に接続されている。
【００１５】このように、圧電素子の前面電極側に音の効率を上げる音響整合層及び音速が異なる２種類のレンズ部材を組み合わせて構成した仮想リング型組合せレンズを配置したことにより、この圧電素子から放射された超音波のビームパターンを第２レンズと第１レンズとを通過させることによって絞って、圧電素子の中心軸である図中中心軸ＯＯ′に沿って生体の深部まで感度を低下することなく到達することが可能な焦域の長い細いビームを得ることができる。このことによって、超音波探触子の配置されている部分から遠方まで感度低下が少なく焦域の長い分解能の改善された超音波ビームを放射して精度の良い超音波画像が得られる。
【００１６】図３及び図４は本発明の第２実施形態に係り、図３は超音波探触子の他の構成を示す斜視図、図４は図３のＢ−Ｂ面での断面図である。図３及び図４に示すように本実施形態の超音波探触子１Ａにおいては前記第１実施形態で２種類の音速の異なる音響レンズ５ａ，５ｂを組み合わせることによって組合せレンズ５を構成した代わりに、３種類の音速の異なる音響レンズ５ｃ，５ｄ，５ｅを組み合わせることによって組合せレンズ５Ａを構成している。
【００１７】図４に示すように構成されている前記組合せレンズ５Ａは、先端側に配置されて出射端側のレンズを構成するシリコンゴム、ポリエーテルブロックアミド等を用いて音速をｖ1 、音響インピーダンスをＺ1 に設定する第１レンズ部材で中心側先端が周辺面より凸出する曲面形状に形成した第１音響レンズ５ｃと、この第１音響レンズ５ｃの下層に配置される前記第１音響レンズ５ｃと同様にシリコンゴム、ポリエーテルブロックアミド等を用いて音速をｖ2 、音響インピーダンスをＺ2 に設定する第２レンズ部材で形成した第２音響レンズ５ｄと、超音波入射側を構成するポリメチルペンテン等を用いて音速をｖ3 、音響インピーダンスをＺ3 に設定する第３レンズ部材で周辺部に対して中央部を凹ました曲面形状に形成した第３音響レンズ５ｅとを組み合わせている。すなわち、この第３音響レンズ５ｅの中央凹部に前記第２音響レンズ５ｄが充填されたようになっている。
【００１８】そして、前記音速ｖ1 と音速ｖ2 と音速ｖ3 との間にｖ3 ＞ｖ2 ＞ｖ1 又はｖ3 ＞ｖ1 ＞ｖ2の関係を設定している。また、前記第１レンズ材の音響インピーダンスＺ1 と第２レンズ材の音響インピーダンスＺ2 と第３レンズ材の音響インピーダンスＺ3 との間にはＺ1 ≒Ｚ2 ≒Ｚ3 ≒Ｚｂ（生体の有する音響インピーダンス）の関係を設定して３つのレンズを介して生体に出射されていく超音波の感度が低下することを防止している。その他の構成は前記第１実施形態と同様であり、同部材には同符号を付して説明を省略する。
【００１９】このように、圧電素子の前面電極側に音の効率を上げる音響整合層及び音速が異なる３種類のレンズ部材を組み合わせて構成した仮想リング型組合せレンズを配置したことにより、この圧電素子から放射される超音波のビームパターンを第３レンズ，第２レンズ及び第１レンズを通過させて絞ることにより、圧電素子の中心軸である図中中心軸ＯＯ′に沿って生体の深部まで感度を低下することなく到達することが可能な焦域の長い細いビームを得ることができる。このことによって、超音波探触子の配置されている部分から遠方まで感度低下が少なく焦域の長い分解能の改善された超音波ビームを放射して精度の良い超音波画像が得られる。その他の作用及び効果は前記第１実施形態と同様である。
【００２０】なお、上述した第１実施形態及び第２実施形態の超音波探触子を構成する圧電素子に送信信号を印加した場合に分極強度が大きい中央部側での超音波強度（振幅あるいは音圧）を大きく、周辺部側で小さくなる振幅重み付け機能あるいは手段を形成することによって、さらに効果的にサイドローブをおさえてこの圧電素子から放射される超音波ビームを超音波探触子の中心軸ＯＯ′に沿って生体の深部まで焦域の長い細いビームを放射することができる。
【００２１】また、出射端側のレンズの形状を例えば周辺部に対して中央部を凹ました曲面形状に形成し、そのレンズから出射する超音波ビームを焦域の長い細いビームにする場合には、レンズ同士の音速の関係を上述の関係とは異なる。
【００２２】図５及び図６は本発明の第３実施形態に係り、図５は超音波探触子の別の構成を示す斜視図、図６は図５のＣ−Ｃ面での断面図である。図５に示すように本実施形態の超音波探触子１Ｂにおいては、前記第１実施形態及び第２実施形態で用いた平板円形状の圧電素子の代わりに、中央付近の厚みが薄く周辺部にいくにしたがって厚みを厚く形成して重み付けを行った圧電素子２Ｂを使用している。このことにより、中央部から周波数成分の高い超音波が出力されて、周辺部から周波数成分の低い超音波が出力される。
【００２３】また、上述のように圧電素子２Ｂを形成したことによって、図６に示すように超音波探触子１Ｂの圧電素子２Ｂの前面電極３ａを介して積層される音の効率を上げる音響整合層４Ｂを、重み付けを行った前記圧電素子２Ｂから出力される周波数成分に合わせて図に示すように中央付近の厚みが薄く周辺部にいくにしたがって厚みが厚くなるように厚みに変化をつけて形成している。そして、この厚みを変化させた音響整合層４Ｂに対して前記圧電素子２から放射される超音波を超音波探触子１Ｂの中心軸ＯＯ′に集束して焦域の長い細い超音波ビームを出射するように組み合わせレンズ５Ｂを配置している。
【００２４】前記組合せレンズ５Ｂは、２つの音速の異なるレンズ部材によってそれぞれ形成された第１音響レンズ５ｆと第２音響レンズ５ｇとを組み合わせて構成されるものであり、先端側に配置される出射端側を形成する第１音響レンズ５ｆを音速をｖ1 、音響インピーダンスをＺ1 に設定する第１レンズ部材であるシリコンゴム、ポリエーテルブロックアミド等を用いて中心側先端が周辺面より凸出する曲面形状に形成している。この第１音響レンズ５ｆの下層側の超音波入射側には前記圧電素子２Ｂ及び音響整合層４Ｂの特性に合わせて音速をｖ2 、音響インピーダンスをＺ2 に設定する第２レンズ部材であるポリメチルペンテン等を用いて周辺部に凸状の曲面を形成し中央部を凹ました周辺の面に対して中心が低くなるように形成した連続的曲面形状の第２音響レンズ５ｇとの組み合わせになっている。
【００２５】そして、前記音速ｖ1 と音速ｖ2 との間にはｖ2 ＞ｖ1の関係を設定している。また、前記第１レンズ材の音響インピーダンスＺ1 と第２レンズ材の音響インピーダンスＺ2 との間にはＺ1 ≒Ｚ2 ≒Ｚｂ（生体の有する音響インピーダンス）の関係を設定して２つのレンズを介して生体に出射されていく超音波の感度が低下することを防止している。その他の構成は前記第１実施形態と同様であり、同部材には同符号を付して説明を省略する。
【００２６】このように、圧電素子に中央付近の厚みが薄く周辺部にいくにしたがって厚みを厚く形成する重み付けを行って、圧電素子から出力される超音波の主成分を遠距離での生体減衰の少ない低周波成分にするとともに、この圧電素子の前面電極側に周波数特性に合わせて音の効率を上げる音響整合層及び音速が異なる２種類のレンズ部材を組み合わせて構成した仮想リング型組合せレンズを配置したことにより、この圧電素子から放射される低周波成分が主成分の超音波ビームパターンを第２レンズと第１レンズとを通過させて絞って圧電素子の中心軸である図中中心軸ＯＯ′に沿って生体の深部まで感度を低下することなく到達することが可能な焦域の長い細いビームを得ることができる。その他の作用及び効果は第１実施形態と同様である。
【００２７】図７及び図８は本発明の第４実施形態に係り、図７は超音波探触子のまた他の構成を示す斜視図、図８は図７のＤ−Ｄ面での断面図である。図７及び図８に示すように本実施形態の超音波探触子１Ｃにおいては前記第３実施形態で２種類の音速の異なる音響レンズ５ｆ，５ｇを組み合わせて組合せレンズ５Ｂを構成した代わりに、３種類の音速の異なる音響レンズ５ｈ，５ｊ，５ｋを組み合わせることによって組合せレンズ５Ｃを構成している。
【００２８】図８に示すように本実施形態の組合せレンズ５Ｃは、先端側に配置されて出射端側のレンズを構成する音速をｖ1 、音響インピーダンスをＺ1 に設定する第１レンズ部材であるシリコンゴム、ポリエーテルブロックアミド等を用いて中心側先端が周辺面より凸出する曲面形状に形成した第１音響レンズ５ｈと、この第１音響レンズ５ｈの下層に配置される前記第１音響レンズ５ｈと同様にシリコンゴム、ポリエーテルブロックアミド等を用いて音速をｖ2 、音響インピーダンスをＺ2 に設定する第２レンズ部材で形成した第２音響レンズ５ｊと、超音波入射側を構成する音速をｖ3 、音響インピーダンスをＺ3 に設定する第３レンズ部材であるポリメチルペンテン等を用いて周辺部に凸状の曲面を形成し中央部を凹ました周辺の面に対して中心が低くなるように形成した連続的曲面形状の第３音響レンズ５ｋとの組み合わせになっている。すなわち、この第３音響レンズ５ｋの中央凹部に前記第２音響レンズ５ｊが充填されたようになっている。
【００２９】そして、前記音速ｖ1 と音速ｖ2 と音速ｖ3 との間にはｖ3 ＞ｖ2 ＞ｖ1 又はｖ3 ＞ｖ1 ＞ｖ2の関係を設定している。また、前記第１レンズ材の音響インピーダンスＺ1 と第２レンズ材の音響インピーダンスＺ2 と第３レンズ材の音響インピーダンスＺ3 との間にはＺ1 ≒Ｚ2 ≒Ｚ3 ≒Ｚｂ（生体の有する音響インピーダンス）の関係を設定して３つのレンズを介して生体に出射されていく超音波の感度が低下することを防止している。その他の構成は前記第３実施形態と同様であり、同部材には同符号を付して説明を省略する。
【００３０】このように、圧電素子の前面電極側に音の効率を上げる音響整合層及び音速が異なる３種類のレンズ部材を組み合わせて構成した仮想リング型組合せレンズを配置したことにより、この圧電素子から放射される超音波のビームパターンを第３レンズ，第２レンズ及び第１レンズを通過させることによって絞って圧電素子の中心軸である図中中心軸ＯＯ′に沿って生体の深部まで感度を低下することなく到達することが可能な焦域の長い細いビームを得ることができる。その他の作用及び効果は前記第３実施形態と同様である。
【００３１】ところで、超音波内視鏡の先端部に配置される超音波探触子は、一般的に前面が凹面形状の凹面形音響レンズ付き振動子であり、生体の音響インピーダンスに近いポリエチレンなどで形成された先端キャップに覆われ、この先端キャップの中には音響媒体として水などが注入されている。この凹面形音響レンズ付き振動子では超音波焦点が固定されていたので、遠方での感度低下を抑えられて焦域が長く細い超音波ビームを放射する分解能の改善された超音波内視鏡が望まれていた。
【００３２】図９及び図１０は凸面音響レンズ付き振動子を有する超音波内視鏡に係り、図９は仮想リング型レンズを配置した超音波探触子の概略構成を示す図、図１０は図９のＥ−Ｅ面での断面図である。図９及び図１０に示すように本実施形態の凸面音響レンズ付き振動子である超音波探触子１１は、中央付近の厚みが薄く周辺部にいくにしたがって厚みを厚くして前面を凹面形状に形成した中央部の分極が大きく、周辺部の分極が小さくなるように重み付けした圧電素子１２と、この圧電素子１２の前面電極１３側に配置され音響整合層を兼ね生体と同じ音響インピーダンスを有する音響媒体である水の音速ｖ5 よりレンズ音速ｖ4 が高速になるように設定可能なレンズ部材であるエポキシ樹脂でレンズ面を凸状曲面にして中心軸近傍がこれらレンズ周辺面より低くなるように形成した仮想リング型レンズ（以下仮想レンズと略記する）１４とで主に構成されており、この圧電素子１２の後面電極１５側には超音波を減衰させるフェライト入りゴム製のバッキング材１６が設けられている。また、前面電極１３及び後面電極１５にはアース線１７及び信号線１８が接続され、これら電線１７，１８をひとまとめにしたリード線１９を介して図示しない観測装置の信号端子及びアース端子に接続されている。そして、この超音波探触子１１の周囲には音響媒体として音速ｖ5 の水が充満している。
【００３３】前記仮想レンズ１４は、表面に複数の凸状曲面を形成してレンズ中央部１４ａが凹んで形成されており、このレンズ中央部１４ａに当たる中心軸上の仮想レンズ１４の厚み寸法をλ／４に設定し、複数のレンズ曲面の曲率半径がそれぞれＲ1 で一律に形成している。
【００３４】このように、圧電素子に振幅重み付けを行い、この圧電素子の凹面形状の前面に超音波媒体の音速より高速なレンズ部材を用いて表面に複数の凸状曲面を形成した仮想リング型レンズを配置することによって、遠方での感度低下を抑え焦域の長い細い超音波ビームを出射する超音波探触子を提供することができる。
【００３５】図１１及び図１２は凹面音響レンズ付き振動子を有する超音波内視鏡に係り、図１１は仮想リング型レンズを配置した超音波探触子の概略構成を示す図、図１２は図１１のＦ−Ｆ面での断面図である。図１１及び図１２に示すように本実施形態の凹面音響レンズ付き振動子である超音波探触子１１Ａは、前面を凹面形状に形成した中央部の分極が大きく、周辺部の分極が小さくなるように重み付けした圧電素子１２と、この圧電素子１２の前面電極１３側に配置された厚み寸法がλ／４のガラスで形成された第１整合層２０ａと、この第１整合層２０ａに積層される厚み寸法がλ／４のエポキシ樹脂製の第２整合層２０ｂとからなる音響整合層２０と、音響媒体である水の音速ｖ5 よりレンズ音速ｖ6 が低速になるように設定可能なレンズ部材であるシリコンゴムでレンズ面を凹状曲面にして中心軸近傍がこれらレンズ周辺面より高くなるように形成した仮想レンズ１４Ａと、この仮想レンズ１４Ａの表面を覆う耐水性、耐薬品性に優れたパリレン（ポリパラキシリレン）等で形成された保護膜２１とで構成されている。そして、この超音波探触子１１の周囲には音響媒体として音速ｖ5 の水が充満している。
【００３６】前記仮想レンズ１４Ａは、表面に複数の凹状曲面を設けてレンズ中央部１４ａが凸出した形状に形成されており、複数のレンズ曲面の曲率半径をそれぞれＲ2で一律に形成している。その他の構成は前記図９及び図１０に示した凸面音響レンズ付き振動子と同様である。
【００３７】このように、圧電素子に振幅重み付けを行い、この圧電素子の凹面形状の前面に超音波媒体の音速より低速なレンズ部材を用いて表面に複数の凹状曲面を形成した仮想リング型レンズを配置することによって、遠方での感度低下をさらに抑え焦域の長い細い超音波ビームを出射する超音波探触子を提供することができる。
【００３８】なお、上述したような形状の音響レンズは、所望のレンズ形状に対応した凸型（若しくは凹型）のテフロン型を圧電素子又は音響整合層に対して配置し、型内にエポキシ樹脂やシリコンゴム等の音響レンズ用部材を注入して硬化させることによって所望の形状に形成されるものである。
【００３９】ところで、遠方での感度低下を抑えて焦域が長く細い超音波ビームを放射して超音波内視鏡の分解能を改善するため、先端キャップに対して音響レンズ効果を持たせることが考えられる。
【００４０】図１３及び図１４は凸面音響レンズを設けた先端キャップを有する超音波内視鏡に係り、図１３は超音波内視鏡の先端部の概略構成を示す説明図、図１４は超音波振動子部の構成を示す説明図である。図１３に示すように超音波内視鏡先端部３０は、挿入部３１と、この挿入部３１の先端に設けられた先端キャップ３２と、前記挿入部３１内を挿通して先端キャップ３２内の所定の位置に配置される超音波振動子部３３とで主に構成されており、前記挿入部３１及び先端キャップ３２内には音響媒体として音速がｖ5 の水が３４が注入されている。なお、図中矢印Ｇは超音波内視鏡先端部３０の挿入方向を示している。
【００４１】前記先端キャップ３２は、略パイプ形状で、音響媒体である水の音速ｖ5 より音速ｖ4 が高速になるように設定可能なキャップ部材であるポリエチレン、ポリメチルペンテン等の樹脂で、挿入方向又はその直交する方向の外表面側に所望の曲率で凸状曲面のレンズ面３２ａを複数設け中心軸近傍がこれらレンズ周辺面より低くなるように形成した、いわゆる凸型仮想レンズ付き先端キャップとして構成されている。このことにより、前記超音波振動子部３３から放射された超音波を、レンズ中央部３２ｂを通過する中心軸ＯＯ′に集束して焦域の長い細い超音波ビームを出射するようにしている。
【００４２】図１４に示すように前記超音波振動子部３３は、中央の分極を周辺部より大きくなるように振幅重み付けした平板形状の圧電素子３５と、超音波を放射する或いは超音波を送受する超音波放射面或いは超音波送受面（単に前面とも記す）に設けた前面電極３６及びこの圧電素子３５の超音波放射面とは反対側の面に形成した後面電極３７と、前記圧電素子３５の前面電極３６を介して前面に積層されて音の効率を上げる厚み寸法がλ／４で平板形状のエポキシ樹脂製の音響整合層３８と、前記圧電素子３５の後面電極３７を介して設けられて後方側への超音波を減衰させるフェライト入りゴム製のバッキング材３９と、前記前面電極３６に接続されるアース線４０と、前記後面電極３７に接続される信号線４１と、これら電線４０，４１をひとまとめにしたリード線４２とで構成されている。なお、前記リード線４２を介して前記アース線４０，信号線４１が図示しない観測装置のアース端子及び信号端子に接続されている。
【００４３】このように、先端キャップに音響媒体である水の音速ｖ5 より音速ｖ4 が高速になる樹脂で形成した凸状曲面のレンズ面を複数設けた凸型仮想レンズを、中央の分極を周辺部より大きくなるように振幅重み付けした平板形状の圧電素子に対して設けることによって、遠方での感度低下をさらに抑え焦域の長い細い超音波ビームを出射する超音波内視鏡を提供することができる。
【００４４】また、圧電素子から放射された超音波が先端キャップの内周面に入射した段階から先端キャップに設けた凸型仮想レンズがレンズ効果を始まるので、先端キャップ内径寸法の半分だけ焦点が移動した状態になって遠方での感度低下を改善することができる。
【００４５】図１５及び図１６は凹面音響レンズを設けた先端キャップを有する超音波内視鏡に係り、図１５は超音波内視鏡の先端部の概略構成を示す説明図仮想リング型レンズを配置した超音波探触子の概略構成を示す図、図１６は超音波振動子部の構成を示す説明図である。図１５に示すように超音波内視鏡先端部３０は、挿入部３１と、この挿入部３１の先端に設けられた先端キャップ４３と、前記挿入部３１内を挿通して先端キャップ４３内の所定の位置に配置される超音波振動子部４４とで主に構成されており、前記挿入部３１及び先端キャップ４３内には音響媒体として音速がｖ5 の水が３４が注入されている。
【００４６】前記先端キャップ４３は、略パイプ形状で、音響媒体である水の音速ｖ5 より音速ｖ6 が低速になるように設定可能なキャップ部材であるシリコンゴムで、挿入方向又はその直交する方向の外表面側に所望の曲率で凹状曲面のレンズ面４３ａを複数設け中心軸近傍がこれらレンズ周辺面より高くなるように形成した、いわゆる凹型仮想レンズ付き先端キャップとして構成されている。このことにより、前記超音波振動子部４４から放射された超音波を、レンズ中央部４３ｂを通過する中心軸ＯＯ′に集束して焦域の長い細い超音波ビームを出射するようにしている。
【００４７】図１６に示すように前記超音波振動子部４４は、中央の分極を周辺部より大きくなるように振幅重み付けした凸型曲面形状の圧電素子４５と、この圧電素子４５の前面に設けた前面電極４６及びこの圧電素子４５の後面に形成した後面電極４７と、前記圧電素子４５の前面電極４６を介して前面に積層されて音の効率を上げる厚み寸法がλ／４で平板形状のエポキシ樹脂製の音響整合層４８と、前記圧電素子４５の後面電極４７を介して設けられて後方側への超音波を減衰させるフェライト入りゴム製のバッキング材４９と、前記前面電極４６に接続されるアース線５０と、前記後面電極４７に接続される信号線５１と、これら電線５０，５１をひとまとめにしたリード線５２とで構成されている。なお、前記リード線５２を介して前記アース線５０，信号線５１が図示しない観測装置のアース端子及び信号端子に接続されている。
【００４８】このように、先端キャップに音響媒体である水の音速ｖ5 より音速ｖ4 が低速になるシリコンゴムで形成した凹状曲面のレンズ面を複数設けた凹型仮想レンズを、中央の分極を周辺部より大きくなるように振幅重み付けした凸型曲面形状の圧電素子に対して設けることによって、見かけ上の振動子部の開口を大きくして遠方での感度低下をさらに抑え焦域の長い細い超音波ビームを出射する超音波内視鏡を提供することができる。
【００４９】なお、上述した先端キャップを超音波内視鏡の先端部に対して着脱自在に構成するとともに、前記先端キャップの直径あるいは内径寸法やレンズ曲面の曲率半径を変化させて形成した複数種類の先端キャップを用意しておくことにより、先端キャップを適宜交換するだけの簡単な作業で焦域の異なる超音波内視鏡を提供することが可能になる。
【００５０】ところで、従来の音響レンズ集束型探触子では焦点位置におけるビーム幅を細くすることができても焦点以外の位置ではビーム幅が太くなっていた。また、上述したような仮想リング型音響レンズを配置した仮想リング型探触子では近場から離れた場まで略均一なビーム幅の超音波ビームを得ることができるが仮想リング型音響レンズのレンズ曲面の曲率半径と仮想リング半径との間の関係によっては近場から離れた場まで略均一なビーム幅になるが、このビーム幅が幅広な状態で近場から離れた場まで放射されるだけのものもあった。このため、ビーム幅を確実に細く絞って、超音波ビームを近場から離れた場まで分解能の高いビームを放射することを可能にする超音波探触子の仮想リング型音響レンズの構成が望まれていた。
【００５１】図１７及び図１８は仮想リング型音響レンズを設けた超音波探触子の構成に係り、図１７は凸型の仮想リング型音響レンズを備えた超音波探触子の概略構成を示す説明図、図１８は図１７のＨ−Ｈ面での断面図で、仮想リング型音響レンズの曲率半径Ｒと圧電素子実効面中心軸からレンズの曲面を形成する中心までの距離ｒとの関係を説明する図である。図１７及び図１８に示すように本実施形態の超音波探触子６１は、中央の分極を周辺部より大きくなるようにＢｅｓｓｅｌ型の分極重み付けを行った平板形状の圧電素子６２と、この圧電素子６２の前面電極６３側に配置された厚み寸法がλ／４のエポキシ樹脂製の音響整合層６４と、生体の有する音速ｖ7 よりレンズ音速ｖ8 が高速なエポキシ樹脂等で凸型に形成したレンズ面を有する仮想リング型音響レンズ６５と、この圧電素子６２の後面電極６６側に設けられて超音波を減衰させるフェライト入りゴム製のバッキング材６７と、前面電極６３に接続されたアース線６８と、後面電極６６に接続された信号線６９と、これら電線６８，６９をひとまとめにしたリード線７０とで構成されている。なお、前記電線６８，６９はリード線７０を介して図示しない観測装置の信号端子及びアース端子に接続されている。
【００５２】図１８に示すように前記仮想リング型音響レンズ６５の中心軸は前記圧電素子６２の実効面中心軸に一致しており、この仮想リング型音響レンズ６５の表面には一律な曲率半径の複数の凸状曲面のレンズ面が形成され、中心軸近傍がこれらレンズ周辺面より低くなるように、レンズ中央部６５ａが凹んだ形状に形成されている。そして、この表面形状において、レンズ曲面の曲率半径をＲ、中心軸からレンズの曲面を形成する中心までの距離をｒとしたとき、Ｒとｒとの間に以下の関係を設定している。
【００５３】２＜Ｒ／ｒ＜４このことにより、図の実線及び一点鎖線、二点鎖線に示すようにＢｅｓｓｅｌ型の分極重み付けを行った平板形状の圧電素子６２から放射される超音波を、中心軸ＯＯ′に集束して焦域の長い細い超音波ビームを出射することができる。なお、Ｒ／ｒの値が例えば６のときにはビーム幅が幅広な状態で近場から離れた場まで放射される。
【００５４】図１９及び図２０は仮想リング型音響レンズを設けた超音波探触子の構成に係り、図１９は凹型の仮想リング型音響レンズを備えた超音波探触子の概略構成を示す説明図、図２０は図１９のＩ−Ｉ面での断面図で、仮想リング型音響レンズの曲率半径Ｒと圧電素子実効面中心軸からレンズの曲面を形成する中心までの距離ｒとの関係を説明する図である。図１９及び図２０に示すように本実施形態の超音波探触子６１Ａは、中央の分極を周辺部より大きくなるようにＢｅｓｓｅｌ型の分極重み付けを行った平板形状の圧電素子６２と、この圧電素子６２の前面電極６３側に配置された厚み寸法がλ／４のエポキシ樹脂製の音響整合層６４と、生体の有する音速ｖ7 よりレンズ音速ｖ9 が低速なシリコンゴム等で凹型に形成したレンズ面を有する仮想リング型音響レンズ６５Ａとで構成されている。その他の構成は前記図１７及び図１８に示した仮想リング型音響レンズを設けた超音波探触子の構成と同様であり同部材には同符号を付して説明を省略する。
【００５５】図２０に示すように前記仮想リング型音響レンズ６５Ａの中心軸は前記圧電素子６２の実効面中心軸に一致しており、この仮想リング型音響レンズ６５Ａの表面には一律な曲率半径の複数の凹状曲面のレンズ面が形成され、中心軸近傍がこれらレンズ周辺面より高くなるように、レンズ中央部６５ａが凸出した形状に形成されている。そして、この表面形状において、レンズ曲面の曲率半径をＲ、中心軸からレンズの曲面を形成する中心までの距離をｒとしたとき、Ｒとｒとの間に以下の関係を設定している。
【００５６】２＜Ｒ／ｒ＜４このことにより、図の実線及び一点鎖線、二点鎖線に示すようにＢｅｓｓｅｌ型の分極重み付けを行った平板形状の圧電素子６２から放射される超音波を、中心軸ＯＯ′に集束して焦域の長い細い超音波ビームを出射することができる。なお、Ｒ／ｒの値が例えば６のときにはビーム幅が幅広な状態で近場から離れた場まで放射される。
【００５７】なお、本発明は、以上述べた実施形態のみに限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能である。
【００５８】［付記］以上詳述したような本発明の上記実施形態によれば、以下の如き構成を得ることができる。
【００５９】（１）前方又は後方にそれぞれ少なくとも１つの実効的・仮想的円環状音源を形成する超音波探触子において、音源部は、平板形状又は曲面形状の圧電素子と、音速の異なるレンズ部材で形成した複数の音響レンズと、を具備することを特徴とする超音波探触子。
【００６０】（２）前記曲面形状の圧電素子の厚み寸法は、音軸から周囲にいくにしたがって変化する付記１記載の超音波探触子。
【００６１】（３）前記複数の音響レンズの１つを超音波内視鏡を構成する先端キャップに形成した付記１又は付記２記載の超音波探触子。
【００６２】（４）前記圧電素子から放射された超音波の出射端側を構成するレンズ表面に所望の曲率半径のレンズ面を複数設け、このレンズ面の曲面を形成する曲率半径（Ｒと記載）と、レンズ中心軸からレンズ面の曲面を形成する中心までの距離（ｒと記載）との間に２＜Ｒ／ｒ＜４の関係を設定した付記１ないし付記３の１つに記載の超音波探触子。
【００６３】（５）前記圧電素子に音軸の中心から周辺にいくにしたがって分極強度を小さくする重み付けを行った付記１ないし付記４の１つに記載の超音波探触子。
【００６４】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、ビーム幅が細く、焦域の長い遠方での感度低下を抑えたビームを形成して、分解能を改善した超音波探触子を提供することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】００００００３７６
【氏名又は名称】オリンパス光学工業株式会社
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| 【出願日】 |
平成１０年（１９９８）４月１日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】
【氏名又は名称】伊藤 進
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| 【公開番号】 |
特開平１１−２８５４９６ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）１０月１９日 |
| 【出願番号】 |
特願平１０−８８９８４ |
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