JPH1075953A - 超音波探触子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 超音波探触子内部の発熱体から体表に伝わる
熱の量を低減する。 【解決手段】 圧電振動子１０と生体２００表面との間
に設けられる音響整合層のうちの少なくとも一つを低熱
伝導性の良い材料からなる低熱伝導性音響整合層１４０
とする。低熱伝導性音響整合層１４０は、エポキシ樹脂
等からなる基材の中に、シリコーン等の熱伝導性の低い
材料からなる低熱伝導性微粒子を混入・分散して形成す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、医用超音波診断装置に
用いる超音波探触子に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波探触子は、圧電振動子の電気音響
変換作用を利用して、電気信号を超音波信号に、あるい
はその逆に超音波信号を電気信号に変換する装置であ
る。

【０００３】この変換において、信号のエネルギーの一
部は超音波探触子内で熱エネルギーに変わるので、探触
子を稼働させた場合必然的に発熱を生じる。探触子内で
の発熱箇所としては、圧電振動子、背面材、音響レン
ズ、送受波のための内蔵電気回路等がある。圧電振動子
では誘電損と機械Ｑが低いことによる損失によって発熱
が生じ、背面材や音響レンズでは超音波吸収による損失
によって発熱を生じる。また、内蔵電気回路では、回路
を構成する各素子における損失等によって発熱を生じ
る。

【０００４】一方、超音波探触子は生体の体表に当接し
て使用するため、ＪＩＳ等の安全規格により超音波探触
子の体表接触面の温度上昇には厳しい制限が課されてお
り、従来より超音波探触子にはそのような規格を満たす
ための工夫がなされている。

【０００５】図９，図１０及び図１１は、それぞれ従来
の超音波探触子の内部構造を示している。図９〜図１１
の各超音波探触子は、超音波ビームにフォーカス効果を
与えるためにそれぞれ異なる方式を採用している。

【０００６】まず、図９の超音波探触子では、音響レン
ズ１６を設けることにより超音波ビームにフォーカス効
果を与えている。図９において、圧電振動子１０は、探
触子ケース２０内において背面支持材１２上に固定され
ている。圧電振動子１０の背面支持材１２と反対側、す
なわち体表接触面側は、生体との音響インピーダンスの
整合をはかるための音響整合層１４で覆われている。音
響整合層１４の材料としては、音響インピーダンスの値
が圧電振動子と生体との中間的な値となるエポキシ樹脂
等が用いられる。なお、この例では、圧電振動子１０か
ら生体までの音響インピーダンスを段階的に少しずつ変
えるために、音響整合層１４は、音響インピーダンスが
互いに異なる材料からなる２つの層１４ａ及び１４ｂに
よって構成されている。

【０００７】音響整合層１４の体表接触面側には、超音
波ビームをフォーカスさせるための音響レンズ１６が設
けられている。そして、背面支持材１２の圧電振動子１
０と反対側には、圧電振動子１０と電気的に接続され送
受信制御等を行う内蔵電子回路１８が設けられている。
この内蔵電子回路１８は、ケーブル２４によって超音波
診断装置本体に接続されている。

【０００８】そして、この超音波探触子においては、圧
電振動子１０や内蔵電子回路１８等の発熱体の近傍に熱
伝導性の良い伝熱部材２２を配置することにより、発生
した熱を伝熱部材２２を介して探触子外部に素早く排熱
し、体表接触面側に伝わる熱をできるだけ少なくしてい
る。

【０００９】また、図１０の超音波探触子は、圧電振動
子１０等の形状を凹面状にすることにより、超音波ビー
ムをフォーカスさせている。すなわち、図１０の構成で
は、音響レンズを用いず、圧電振動子１０及び音響整合
層１４を凹面形状とすることによりフォーカス効果を得
ている。図１０の他の構成は図９の構成と同様である。
図９のように音響レンズを設けた場合、使用する超音波
の周波数が高くなると音響レンズによる減衰が無視でき
ないものとなり、感度不足になる可能性も出てくる。こ
のため、高周波の超音波を用いる超音波探触子には、図
１０のような音響レンズのない構成が採用されることが
ある。

【００１０】また、図１１の超音波探触子では、圧電振
動子１０が分離壁２６により複数の振動素子に分割され
ている。図１１の構成は、送受信時における各振動素子
の電気信号の位相を制御することにより超音波ビームを
フォーカスさせる。なお、この構成では、音響整合層１
４も圧電振動子１０に合わせて複数に分割されている。
図１１の構成では、制御機構は複雑になるもののフォー
カスを可変にできるため、体表に近いところから遠いと
ころまで良好な分解能が得られる。

【００１１】図１０及び図１１の構成でも、探触子内で
発生した熱が体表に伝わるのを防止する手段としては、
伝熱部材２２によって探触子外部に排熱する方法が採ら
れていた。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ような従来の超音波探触子の排熱機構は必ずしも十分な
ものとは言えなかった。このため、従来は、規格を満た
すために超音波探触子内部の発熱量を低減すべく、圧電
振動子１０への印加電圧や、圧電振動子１０の材質、内
蔵電子回路１８の増幅度や回路規模等に様々な制約を課
していた。これらの制約は、従来の超音波診断装置にお
いて、高Ｓ／Ｎ比、高品質の画像を得る際の障害となっ
ていた。

【００１３】特に、図１０や図１１のような構造の超音
波探触子では、音響レンズがない分圧電振動子１０と体
表面との距離が接近しているため、この圧電振動子１０
の発熱は体表面に伝わりやすく、重大な問題となってい
た。

【００１４】本発明はこのような問題点を解決するため
になされたものであり、圧電振動子や内部回路での発熱
が問題になる場合において、探触子内部の発熱体から体
表に伝わる熱の量を低減する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。

【００１５】

【課題を解決するための手段】前述の目的を達成するた
めに、本発明に係る超音波探触子は、圧電振動子と、こ
の圧電振動子を覆う単層又は複数層の音響整合層とを含
む超音波探触子において、前記音響整合層の少なくとも
１つの層の一方を低熱伝導性音響整合層としたことを特
徴とする。

【００１６】この構成では、圧電振動子よりも体表接触
面側に設けられる音響整合層を熱伝導性の低い低熱伝導
性音響整合層としたことにより、圧電振動子やその他の
回路からの熱は体表接触面まで伝わりにくくなる。従っ
て、この構成によれば、超音波探触子の体表接触面の温
度上昇を抑制することができる。

【００１７】また、本発明は、前記低熱伝導性音響整合
層が、基材とこの基材に分散された低熱伝導性材質の充
填材とを含むこと特徴とする。

【００１８】この構成では、低熱伝導性音響整合層を、
基材に低熱伝導性の充填材を分散させることにより形成
する。充填材の形態としては、微粒子、微細繊維、薄板
等を採用することができる。充填材を中空の微粒子とす
れば、当該微粒子の断熱性により低熱伝導性を達成する
ことができる。

【００１９】また、本発明は、前記低熱伝導性音響整合
層が、多数の微小孔が形成された基材を含むことを特徴
とする。この構成では、微小孔の断熱効果を利用して、
音響整合層の低熱伝導性化を達成する。

【００２０】また、本発明は、前記低熱伝導性音響整合
層が、発泡性材料からなることを特徴とする。この構成
では、発泡性材料からなる基材の内部の気泡の断熱性に
より、音響整合層の低熱伝導性化を達成する。

【００２１】また、本発明は、前記充填材又は前記微小
孔又は前記発泡性材料中の気泡の超音波の放射方向につ
いての寸法を、散乱による減衰の影響を無視できる程度
に小さくしたことを特徴とする。この構成によれば、基
材と充填材との複合化による超音波減衰の増加を大幅に
抑えることができる。

【００２２】また、本発明は前記低熱伝導性音響整合層
において、前記圧電振動子側ほど前記充填材又は前記微
小孔又は前記発泡性材料中の気泡の分布密度を小さくし
たことを特徴とする。

【００２３】この構成によれば、前記充填材又は微小孔
又は前記発泡性材料中の気泡の密度が圧電振動子に近い
側ほど小さく遠い側ほど大きくなるように構成したこと
によって、音響整合層の音響インピーダンスは体表接触
面側に近づくほど小さくなる。このような構成によれ
ば、超音波探触子の体表接触面への熱の伝搬が抑制され
るとともに、圧電振動子と生体との間の音響インピーダ
ンスの整合作用が向上する。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る超音波探触子
の実施形態を図面に基づいて説明する。

【００２５】図１は、本発明に係る超音波探触子の好適
な実施形態の構成を示す断面図である。図１において、
図１０に示した従来の構成と同一もしくはそれに相当す
る構成要素には、同一の符号を付してその説明を省略す
る。

【００２６】図１の構成において特徴的なことは、圧電
振動子１０の体表接触面側に、低熱伝導性音響整合層１
４０が設けられている点である。すなわち、本実施形態
では、圧電振動子１０と生体２００表面との間に設けら
れる音響整合層のうちの一つを低熱伝導性の良い材料か
らなる低熱伝導性音響整合層１４０とすることにより、
圧電振動子１０や内蔵電子回路１８からの熱が生体２０
０へ伝わるのを防止している。低熱伝導性音響整合層１
４０の材料としては、単一材料で低熱伝導性と音響特性
との両方を満足する材料が現在のところ知られていない
ので、本実施形態では、音響整合層の材料として一般的
に用いられるエポキシ樹脂等の樹脂やセラミックス等を
基材とし、この基材よりも熱伝導性の低い材料からなる
微粒子をその基材に多数分散させて形成したものを低熱
伝導性音響整合層１４０として用いている。なお、図１
においては、超音波探触子と生体２００との間に空気層
ができないようにするために、ゲル２５が用いられてい
る。

【００２７】図５は、低熱伝導性音響整合層１４０の構
造を詳しく示した断面図であり、図５に示すように、低
熱伝導性音響整合層１４０は、エポキシ樹脂等からなる
基材１４０ａ中に、熱伝導性の低い低熱伝導性微粒子１
４２を混入・分散させて形成したものである。低熱伝導
性微粒子１４２としては、シリコーン等のゴム材からな
る微粒子を用いることが好適である。

【００２８】また、低熱伝導性音響整合層１４０として
は、空気の断熱性を利用することもできる。すなわち、
基材１４０ａの中に微小な気泡を多数分散させることに
より、断熱効果を高めることができる。このような低熱
伝導性音響整合層１４０の具体的な構成としては、例え
ば基材１４０ａ中に中空ガラス粒子や各種の発泡性樹脂
からなる微粒子等を分散させたものが挙げられる。ま
た、このほかに、基材１４０ａ自体を発泡樹脂や発泡セ
ラミック等の発泡性材料とすることによっても、このよ
うな微小気泡が多数分散された低熱伝導性音響整合層１
４０を形成することができる。また、図６に示すよう
に、樹脂やセラミックスの基材１４０ａに微小孔１４４
を多数形成したものを、低熱伝導性音響整合層１４０と
して採用することもできる。更には、これらの構成にお
いて、気泡や微小孔に低熱伝導性の良い樹脂を充填し、
構造強度や音響特性を改善することも可能である。

【００２９】また、低熱伝導性音響整合層１４０とし
て、低熱伝導性微粒子の代わりに低熱伝導性材質からな
る微細繊維を基材１４０ａ中に分散させたものを用いる
こともできる。また、図７に示すように低熱伝導性音響
整合層１４０として、低熱伝導性微粒子の代わりに低熱
伝導性薄板１４６を基材１４０ａ中に分散して積層させ
たものを用いることもできる。

【００３０】このような低熱伝導性音響整合層１４０に
おいて、超音波の伝達効率等の音響特性を維持するため
には、前述の低熱伝導性微粒子１４２、微小孔１４４、
微細繊維又は低熱伝導性薄板１４６（以下、「微粒子
等」と略する）の超音波放射方向についての寸法を、散
乱による超音波減衰の影響を無視できる程度に小さくす
る必要がある。

【００３１】Ｓｔｅｎｚｅｌ（ステンツェル）によれ
ば、剛体球による反射は以下の式で表される。

【００３２】

【数１】 Ｒｐ＝（２ａ／ｘ）・｜ｚ（ｋａ）｜ …（１） ａ：剛体球の半径（２ａ：剛体球の径） ｘ：音源から剛体球までの距離 Ｒｐ：反射率（反射音圧の強さを表す） ｚ：Ｓｔｅｎｚｅｌのｚ関数（ベッセル関数を含む無限
級数） ｋ：波長定数（ｋ＝２π／λ、λは超音波の波長） 上式（１）において、ｚ（ｋａ）は、反射音圧の超音波
波長及び剛体球の径に対する依存性を表している。本実
施形態において用いる低熱伝導性微粒子等は必ずしも剛
体ではないが、剛体の場合が最も反射が強いと考えられ
るので、前記ｚ関数による評価を、前記微粒子等による
散乱（反射と散乱とは物理的に同一である）の上限の目
安として用いることができる。

【００３３】図１２に、Ｓｔｅｎｚｅｌのｚ関数のグラ
フを示す。これによると、球径が波長の１／πより十分
大きいところではｚ関数の値はほぼ一定であり、逆に球
径が波長の１／πより十分小さいところでは、ｚ関数の
値は球径と波長の比の２乗に比例して小さくなっている
ことがわかる。

【００３４】以上によれば、超音波の伝達効率等の音響
特性を維持するためには、微粒子等の超音波放射方向に
ついての寸法は次式を満たす必要がある。

【００３５】

【数２】ｄ＜λ／ｎ …（２） ｄ：微粒子等の超音波放射方向についての寸法 λ：超音波の波長 ｎ：正数 本実施形態においては、上式（２）のｎを１５程度以上
にすることが好適である。図１２のグラフによれば、ｎ
＝１５とした場合の反射音圧は、寸法ｄを超音波の波長
程度（すなわちｎ＝１程度）にした場合の１／１０以下
となる。上式（２）は剛体に関する式であり、剛体は音
響インピーダンスが無限大で、超音波の反射が最も強い
場合と考えられる。これに対して、実際の微粒子等は音
響インピーダンスが剛体よりも小さいので、超音波の反
射は剛体の場合より小さい。従って、ｎが１５以上とい
うのはあくまで目安であり、実際の微粒子等ではｎを１
５より小さくしても十分な場合もある。

【００３６】なお、本実施形態において、低熱伝導性微
粒子１４２の形状は球に限定されるものではなく、また
微小孔１４４の断面形状も円に限定されるものではな
い。

【００３７】このように、本実施形態によれば、所定条
件を満たす大きさの低熱伝導性の微粒子等を基材に分散
させて形成した低熱伝導性音響整合層１４０を用いたこ
とにより、音響特性の劣化を最低限に抑えつつ低熱伝導
性を増すことができるので、圧電振動子１０や内蔵電子
回路１８から発生する熱が生体２００側に伝わるのを防
ぎ、超音波探触子の体表接触面の温度上昇を抑えること
ができる。この結果、圧電振動子１０への印加電圧や内
蔵電子回路１８の規模等を多少大きくしても、温度に関
する規格を満たすことができるので、内蔵電子回路の回
路規模、圧電振動子への印加電圧や圧電振動子の材料の
選択等、超音波探触子の設計の自由度が増し、より高性
能の超音波探触子を得ることができる。

【００３８】また、基材に低熱伝導性の微粒子等を分散
させることは音響整合層全体としての音響インピーダン
スに変化をもたらすので、本実施形態の低熱伝導性音響
整合層によれば、エポキシ樹脂等の基材だけでは困難で
あった音響インピーダンスの微調整が可能になる。例え
ば、２層構造の音響整合層を有する超音波振動子におい
て、圧電振動子側の音響整合層としてガラス材質からな
るものを用いた場合、体表接触面側の音響整合層として
エポキシ樹脂単体からなるものを用いると音響インピー
ダンスが理想値より大きくなってロスが生じるが、この
エポキシ樹脂の層にシリコーンや中空ガラス等の微粒子
を分散させれば、音響インピーダンスを低下させて理想
値に近づけることが可能となる。

【００３９】以上では、図１のごとく圧電振動子１０を
凹面形状にした超音波探触子について説明したが、本発
明は、図２のように圧電振動子１０を複数に分割する場
合や、図３のように音響レンズ１６を設ける場合にも適
用可能である。図２及び図３において、図１の各構成要
素と同様の構成要素には、同一の符号を付してその説明
を省略する。図２及び図３の構成においても、低熱伝導
性音響整合層１４０を設けることにより、超音波探触子
内部で発生した熱が生体側に伝わるのを防ぐことができ
る。

【００４０】なお、以上の説明においては、２層からな
る音響整合層のうちの１層を低熱伝導性音響整合層とす
る例について説明したが、本発明はこのような構成に限
らず、音響整合層が１層しかない超音波探触子や３層以
上の音響整合層を持つ超音波探触子にも適用可能であ
る。複数層の音響整合層を持つ超音波探触子では、原理
的には複数の層のうちのどの層を低熱伝導性音響整合層
としても、本実施形態と同様の効果が得られる。また、
複数層の音響整合層をすべて低熱伝導性音響整合層とす
ることも可能である。

【００４１】また、図１では内蔵電子回路１８を含む超
音波探触子について説明したが、本発明は、図４に示す
ような内蔵電子回路を含まない超音波探触子にも適用可
能である。

【００４２】次に、本実施形態の変形例について説明す
る。図８は、本実施形態の変形例に係る超音波探触子の
要部断面を示した図である。図１の構成では、低熱伝導
性音響整合層１４０内の低熱伝導性微粒子の分布は一様
であったが、この変形例では、低熱伝導性微粒子の分布
状態に変化を持たせた低熱伝導性音響整合層１５０を用
いている。この低熱伝導性音響整合層１５０は、圧電振
動子側から体表接触面側に向かって低熱伝導性微粒子の
分布密度が次第に濃くなっていくように形成されてい
る。このような構成の低熱伝導性音響整合層１５０によ
れば、音響インピーダンスが圧電振動子側から体表接触
面側に向かって連続的に小さくなっていくので、理想的
な音響インピーダンス特性を実現することができる。も
ちろん、この構成は、低熱伝導性音響整合層１５０は、
体表接触面の温度上昇を抑えるという点でも図１の低熱
伝導性音響整合層１４０と同様の効果が得られる。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
音響整合層を低熱伝導性の部材としたことにより、超音
波探触子内部の発熱体から体表接触面に伝わる熱の量を
低減して体表接触面の温度上昇を抑えることが可能とな
る。このため、超音波探触子の温度に関する規格を容易
に満たすことができるので、超音波探触子の設計の自由
度が増し、より高性能の超音波探触子を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る超音波探触子の実施形態を示す
断面図である。

【図２】 本発明に係る超音波探触子の別の例を示す断
面図である。

【図３】 本発明に係る超音波探触子の別の例を示す断
面図である。

【図４】 内蔵電子回路のない超音波探触子に低熱伝導
性音響整合層を適用した例の断面図である。

【図５】 基材に低熱伝導性微粒子を分散させた低熱伝
導性音響整合層の一例を示す断面図である。

【図６】 基材に多数の微小孔を設けた低熱伝導性音響
整合層の例を示す斜視図である。

【図７】 基材に低熱伝導性材質からなる薄板を分散積
層した低熱伝導性音響整合層の例を示す斜視図である。

【図８】 実施形態の変形例を示す断面図である。

【図９】 従来の超音波探触子を示す断面図である。

【図１０】 従来の超音波探触子の別の例を示す断面図
である。

【図１１】 従来の超音波探触子の別の例を示す断面図
である。

【図１２】 Ｓｔｅｎｚｅｌのｚ関数のグラフを示す図
である。

【符号の説明】

１０ 圧電振動子、１２ 背面支持材、１４ 音響整合
層、１６ 音響レンズ、１８ 内蔵電子回路、２０ 探
触子ケース、２２ 伝熱部材、２４ ケーブル、２５
ゲル、２６ 分離壁、１４０，１５０ 低熱伝導性音響
整合層、１４２低熱伝導性微粒子、１４４ 微小孔、１
４６ 低熱伝導性薄板。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電振動子と、この圧電振動子を覆う単
   層又は複数層の音響整合層と、を含む超音波探触子にお
   いて、 前記音響整合層の少なくとも１つの層の一方を低熱伝導
   性音響整合層としたことを特徴とする超音波探触子。
2. 【請求項２】 請求項１記載の超音波探触子であって、 前記低熱伝導性音響整合層は、基材とこの基材に分散さ
   れた低熱伝導性材質の充填材とを含むこと特徴とする超
   音波探触子。
3. 【請求項３】 請求項２記載の超音波探触子であって、 前記充填材は、低熱伝導性材質からなる微粒子であるこ
   とを特徴とする超音波探触子。
4. 【請求項４】 請求項３記載の超音波探触子において、 前記微粒子は、中空微粒子であることを特徴とする超音
   波探触子。
5. 【請求項５】 請求項２記載の超音波探触子であって、 前記充填材は、低熱伝導性材質からなる微細繊維である
   ことを特徴とする超音波探触子。
6. 【請求項６】 請求項２記載の超音波探触子であって、 前記充填材は、低熱伝導性材質からなる薄板であること
   を特徴とする超音波探触子。
7. 【請求項７】 請求項１記載の超音波探触子において、 前記低熱伝導性音響整合層は、所定材質の基材に多数の
   微小孔を形成して成ること特徴とする超音波探触子。
8. 【請求項８】 請求項１に記載の超音波探触子におい
   て、 前記低熱伝導性音響整合層は、発泡性の基材からなるこ
   とを特徴とする超音波探触子。
9. 【請求項９】 請求項２〜請求項８のいずれかに記載の
   超音波探触子において、 前記充填材又は前記微小孔又は前記発泡性基材の気泡の
   超音波の放射方向についての寸法を、散乱による減衰の
   影響を無視できる程度に小さくしたことを特徴とする超
   音波探触子。
10. 【請求項１０】 請求項２〜請求項９のいずれかに記載
    の超音波探触子において、 前記低熱伝導性音響整合層において、前記圧電振動子側
    ほど前記充填材又は前記微小孔又は前記発泡性基材の気
    泡の分布密度を小さくしたことを特徴とする超音波探触
    子。