JP2002017723A - 超音波用探触子及びそれを用いた超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 多数の微細素子への電気的配線の必要がな
く、クロストークや電気的インピーダンスの増大を招か
ず、且つ、超音波の発信機能を備えた超音波用２次元探
触子の提供を目的とする。 【解決手段】 光源１１から発生した光が入射される複
数の光ファイバーを含む光ファイバーアレイ１３と、各
々の光ファイバーの一端にそれぞれ形成され、光ファイ
バーを通して入射される光を印加される超音波に基づい
て変調する複数の超音波検出素子１４と、圧電素子によ
る超音波送信素子１９とを具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波を送受信す
る探触子に関し、さらに、そのような探触子を用いて超
音波を送受信することにより医療診断を行うための超音
波診断装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、超音波診断装置においては、超音
波の送信手段及び受信手段には同じ方式を用いており、
超音波の送信及び受信を行う素子（振動子）としては、
ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）に代表される圧電セラ
ミックや、ＰＶＤＦ（高分子圧電素子）等の圧電素子を
用いた１次元センサアレイが一般的であった。さらに、
そのような１次元センサアレイをスキャンさせることに
より２次元画像を取得し、複数の２次元画像を合成する
ことにより３次元画像を得ていた。

【０００３】しかしながら、この手法によれば、１次元
センサアレイのスキャン方向にタイムラグがあるため、
異なる時刻における断面像を合成することになるので、
合成画像がぼけたものとなってしまう。従って、超音波
診断装置を用いて超音波エコー観察等を行う場合のよう
に、生体を対象とする被写体には適していない。

【０００４】このように、超音波を用いて高品位な３次
元画像を取得するためには、センサアレイをスキャンさ
せることなく２次元画像を取得できる２次元センサアレ
イが必要である。このため、上記ＰＺＴやＰＶＤＦを用
いて２次元センサアレイを作製する手法が検討されてい
た。上記ＰＺＴやＰＶＤＦを用いる場合、素子の微細加
工と、多数の微細素子への配線が必要であり、現状以上
の微細化と素子集積は困難であった。また、それらが解
決されたとしても、素子間のクロストークが増大した
り、微細配線による電気的インピーダンスの上昇により
ＳＮ比が劣化したり、微細素子の電極部が破壊し易くな
るといった問題があるので、ＰＺＴやＰＶＤＦを用いた
２次元センサアレイの実現は困難であった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このため、圧電材料を
用いない超音波センサとして、光ファイバを用いた２次
元センサアレイを使用することが望まれる。しかしなが
ら、光ファイバを用いたセンサは、超音波の送信機能を
持たないため、送信機能を備えることが必要である。

【０００６】そこで、上記の点に鑑み、本発明は、多数
の微細素子への電気的配線の必要がなく、クロストーク
や電気的インピーダンスの増大を招かず、且つ、超音波
の送信機能を備えた超音波用２次元探触子の提供を目的
とする。さらに、本発明は、そのような超音波用２次元
探触子を備えた超音波診断装置を提供することを目的と
する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
め、本発明に係る超音波用探触子は、超音波信号を送信
する送信手段と、超音波信号を受信する受信手段であっ
て、送信手段とは異なる方式を用いた受信手段とを具備
する。

【０００８】また、本発明に係る超音波診断装置は、超
音波信号を送信する送信手段と、超音波信号を受信する
受信手段であって送信手段とは異なる方式を用いた受信
手段とを含む超音波用探触子と、超音波を送信するため
に送信手段に印加する駆動信号を発生する駆動信号発生
回路と、受信手段から入力する受信信号を検出して検出
信号を発生する検出器と、検出器から出力される検出信
号を処理する信号処理手段と、駆動信号の送信タイミン
グ及び検出信号の入力タイミングを制御する制御手段
と、信号処理手段の出力信号に基づいて画像データを構
成する画像処理部と、画像データに基づいて画像を表示
する画像表示部とを具備する。

【０００９】本発明によれば、多数の微細素子への電気
的配線の必要がなく、クロストークや電気的インピーダ
ンスの増大を招かず、且つ、超音波の発信機能を備えた
超音波用２次元探触子を実現できる。さらに、本発明に
よれば、そのような超音波用２次元探触子を備えた超音
波診断装置を実現できる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態につい
て、図面を参照しつつ詳細に説明する。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用探触子
を用いた超音波診断装置を示すブロック図である。図１
に示すように、この超音波診断装置は、超音波送信部４
０及び超音波検出部（センサ）５０から構成される超音
波用探触子１２０を含んでいる。超音波送信部４０は、
駆動信号発生回路３０から発生する駆動信号に基づいて
超音波を送信する。超音波送信部４０は、ＰＺＴやＰＶ
ＤＦ等の圧電素子を用いた振動子により構成される。診
断対象に向けて送信された超音波は、診断対象から反射
されて超音波検出部（センサ）５０に受信される。セン
サ５０は、光ファイバアレイ及び超音波検出素子等を含
む。

【００１１】また、この超音波診断装置は、光源１１
と、分波器１２と、結像系１５と、光検出器１６とを含
んでいる。光検出器１６から出力される検出信号は、信
号処理手段６０に含まれる信号処理部６１に入力され、
さらに、Ａ／Ｄ変換器６２においてディジタル信号に変
換される。

【００１２】Ａ／Ｄ変換器６２には１次記憶部８０が接
続されており、取得された複数枚の面データが１次記憶
部８０に記憶される。それらのデータに基づいて、画像
処理部９０が、２次元データ又は３次元データを再構成
する。再構成されたデータは、補間、レスポンス変調処
理、階調処理等の処理を受け、画像表示部１００に表示
される。さらに、画像処理部９０において処理されたデ
ータは、２次記憶部１１０に記憶される。

【００１３】タイミングコントロール部７０は、所定の
タイミングで駆動信号を発生するように駆動信号発生回
路３０を制御すると共に、送信時刻から一定時間経過後
に光検出器１６から出力される検出信号を取り込むよう
に、信号処理部６１を制御する。このように、駆動信号
及び検出信号をコントロールすることにより、読み取る
時間帯を限定し、被写体の特定の深さからの超音波の反
射を光検出することができる。

【００１４】次に、図１に示す超音波用探触子の構造と
動作について、図２を参照しながら説明する。図２に示
すように、この超音波用探触子は、超音波送信素子（Ｐ
ＺＴ等）１９及び電極１７、１８を含む超音波送信部４
０と、超音波検出素子１４及び光ファイバアレイ１３を
含む超音波検出部５０とを有している。光ファイバアレ
イ１３は、微細な光ファイバ１３ａ、１３ｂ、・・・の
断面を２次元マトリックス状に配列させたものである。

【００１５】超音波送信素子１９としては、ＰＺＴ（チ
タン酸ジルコン酸鉛）に代表される圧電セラミックや、
ＰＶＤＦ（高分子圧電素子）等の圧電性を有する材料
（圧電素子）が用いられる。超音波送信素子１９の両端
に配置された電極１７、１８に電圧が印加されると、圧
電素子に微小な機械的振動が生じ、圧電素子に隣接する
伝播媒質に微少振動が伝わる。従って、駆動信号発生回
路３０により電極１７、１８にパルス状の電気信号或い
は連続波電気信号を送ると、圧電素子に電圧が印加さ
れ、超音波パルス或いは連続波超音波が発生し、伝播媒
質中を超音波ビームとして伝わる。

【００１６】また、超音波検出素子１４は、各々の光フ
ァイバの先端に超音波有感部としてそれぞれ形成された
ファブリーペロー共振器（ＦＰＲと略称）１４ａ、１４
ｂ、・・・により構成される。光源１１から発生した光
は、分波器１２を通過し、光ファイバアレイ１３に入射
する。それぞれの光ファイバに入射した光は、ＦＰＲの
両端に形成されたハーフミラー（図中右側）及び全反射
ミラー（図中左側）により反射される。この全反射面
は、圧電素子１９より発信し、被写体に反射し、超音波
検出素子１４に印加される超音波により幾何学的変位を
受けるので、反射光はこれにより変調されて、再び分波
器１２に入射する。分波器１２に入射された反射光は、
直接あるいは光ファイバ等を通して、又はレンズ等の結
像系１５を介して、ＣＣＤやフォトダイオード（ＰＤ）
アレイ等で構成される光検出器１６に結像する。

【００１７】以上述べたような超音波用探触子の構造に
ついて、図３及び図４を参照しながら具体的に説明す
る。図３に示すように、ハウジング２１の中に、超音波
送信素子１９及び電極１７，１８を含む超音波送信部４
０と、超音波検出素子１４及び光ファイバアレイ１３を
含む超音波検出部５０とが収納されている。光ファイバ
の間隔は、サイドローブを抑圧するため、受信する超音
波の波長の半分以下にすることが望ましい。

【００１８】超音波検出素子１４及び超音波送信素子１
９とハウジング２１との間には、音響インピーダンスの
整合を図るために音響整合層２２を設けることが望まし
い。音響整合層２２は、超音波を伝え易いパイレックス
ガラス（パイレックスは登録商標）や金属粉入りエポキ
シ樹脂等により構成できる。また、ハウジング２１の表
面には、超音波検出素子や超音波送信素子を保護するこ
とも兼ねて、シリコンゴム等の音響レンズ材２３を設け
ることが望ましい。さらに、隣接する光ファイバ及び超
音波送信素子の間は、超音波のクロストークを低減させ
るために、吸音材２４で満たすことが望ましい。吸音材
２４としては、金属粉入りエポキシ樹脂や、フェライト
粉入りゴム等が適している。なお、光ファイバアレイ１
３は、超音波検出素子が設けられた部分の近傍を除き、
樹脂２５で固められている。

【００１９】ここで、超音波検出素子１４が設けられた
光ファイバ１３と、超音波送信素子１９の配列には、図
４に示すように以下の４つが考えられる。 （１）光ファイバアレイの中心に１個の送信素子を配置
する例 図４の(a)は、光ファイバ１３ａ、１３ｂ、・・・から
構成される光ファイバアレイの中心に、１個の送信素子
１９を配置した例を示す断面図である。この配列による
と、送信波は無指向性となる。

【００２０】（２）複数の光ファイバの間に複数の送信
素子を配置した例 図４の（ｂ）は、光ファイバアレイを構成する光ファイ
バ１３ａ、１３ｂ、・・・の間に、送信素子１９ａ、１
９ｂ、・・・を交互に配置した例を示す断面図である。
この配列によると、送信素子を２次元的に配しているの
で、２次元的なビームスキャン送波が可能になる。

【００２１】（３）光ファイバアレイの中心に１個の１
次元送信アレイを配置した例 図４の（ｃ）は、光ファイバアレイを構成する光ファイ
バ１３ａ、１３ｂ、・・・の間に、複数の送信素子を１
次元的に配列して構成される１次元送信アレイ２０を１
個配置した例を示す断面図である。この配列によると、
１次元的なビームスキャン送波が可能である。

【００２２】（４）複数の光ファイバの間に複数の１次
元送信アレイを配置した例 図４の（ｄ）は、光ファイバアレイを構成する光ファイ
バ１３ａ、１３ｂ、・・・の間に、複数の送信素子を１
次元的に配列して構成される１次元送信アレイ２０ａ、
２０ｂ、・・・を交互に複数個配置した例を示す断面図
である。この配列によると、２次元的なビームスキャン
送波が可能になる。

【００２３】次に、本発明の第２の実施形態に係る超音
波用探触子について、図５を参照しながら説明する。図
５は、本発明の第２の実施形態における超音波用探触子
の一部を原理的に示す図である。この超音波用探触子
は、第１の実施形態におけるファブリーペロー共振器の
かわりに、ファイバブラッググレーティングを用いてい
る。即ち、第２の実施形態においては、図１に示すのと
同じ光ファイバアレイ１３の先端に、超音波有感部とし
て、ブラッググレーティング構造を有するブラッググレ
ーティング部１２２が設けられている。即ち、超音波検
出素子１２２は、光ファイバ１３ａ、１３ｂ、・・・の
先端にそれぞれ形成されたブラッググレーティング部１
２２ａ、１２２ｂ、・・・によって構成される。

【００２４】ブラッググレーティング部は、屈折率の異
なる２種類の材料層（光伝搬媒質）を、ブラッグの反射
条件を満たすピッチで数千層交互に重ねたものであり、
単層のファブリーペロー共振器よりも高い反射率と急峻
な波長依存性を有する。図５においては、屈折率ｎ₁を
有する材料層Ａと、屈折率ｎ₂を有する材料層Ｂとが示
されている。これらの層の周期構造のピッチ（間隔）を
ｄとし、入射光の波長をλとすると、ブラッグの反射条
件は（１）式で表される。ただし、ｍは任意の整数であ
る。 ２ｄ・ｓｉｎθ＝ｍλ ・・・（１） ここで、θは入射面から測った入射角であり、θ＝π／
２とすると（２）式のようになる。 ２ｄ＝ｍλ ・・・（２） ブラッググレーティングは、ブラッグの反射条件を満た
す特定の波長の光を選択的に反射し、その他の波長の光
を透過させる。

【００２５】ブラッググレーティング部に超音波を伝搬
させると、ブラッググレーティング部が歪んで上記周期
構造のピッチｄが変化するので、選択的に反射する光の
波長λが変化する。ブラッググレーティングの反射特性
においては、最も反射率の高い（透過率の低い）中心波
長の前後に反射率の変化する傾斜帯域があり、この傾斜
帯域の範囲に中心波長を有する検出光をブラッググレー
ティング部に入射させながら超音波を加える。すると、
超音波の強さに応じた反射光（又は透過光）の強度変化
を観測できる。この光の強度変化を換算することにより
超音波の強度を計測できる。

【００２６】ここで、ブラッググレーティングは、感度
が高い上に作り易く、一般的には、民生用の製品を転用
することも可能である。しかしながら、超音波診断にお
けるように高感度のセンサとしては、そのまま用いるこ
とはできない。例えば、通常市場において使用されてい
るブラッググレーティングを用いると、２０ｋＨｚより
も高い周波数帯域においては、軸方向から入射する超音
波に対する感度が低くなることが確認されている。ま
た、超音波有感部の長さ（ブラッググレーティング部）
が、次の式 （超音波波長）＝（ブラッググレーティング部における
音速）／（超音波の周波数） で表されるブラッググレーティング部における超音波波
長の概略３／４より大きい場合には、検出された波形が
実際に受信した超音波の波形と比較して低周波側に歪む
と共に、センサの感度が低くなってしまう。これは、ブ
ラッググレーティング部の長さがブラッググレーティン
グ部における超音波波長の半分よりも大きい場合に、超
音波がブラッググレーティング部を伝達する過程でブラ
ッググレーティング部内に伸び縮みの位相が反転する部
分が生じるため、これらの部分の変位が相殺されてしま
うことが原因と考えられる。

【００２７】このような現象を避けるためには、ブラッ
ググレーティング部の長さをブラッググレーティング部
における超音波波長の概略３／４以下、望ましくは半分
程度とすれば良い。例えば、検出対象である超音波の周
波数が３．５ＭＨｚ、ブラッググレーティング部の材質
中の音速を５５００ｍ／ｓであるとき、ブラッググレー
ティング部を伝搬する超音波の波長λ_Sは、次のように
算出される。 λ_S＝５５００／（３．５×１０⁶） ＝１５７１．４（μｍ） 従って、ブラッググレーティング部の長さの上限は、次
のように算出される。 １５７１×（３／４）＝１１７８．５（μｍ） これより、ブラッググレーティング部の長さを１１７
８．５μｍ以下とすれば、ブラッググレーティング部内
の伸び縮み位相の反転を防ぎ、超音波の検出に必要な感
度を得ることができる。

【００２８】次に、本発明の第３の実施形態に係る超音
波用探触子について、図６を参照しながら説明する。図
６に示すように、超音波用探触子１５０は、超音波送信
部４０と、超音波を受けて周波数が変化する発光光を光
路差長を有する光ヘテロダイン干渉光学系に入射させる
レーザ共振器を用いた超音波検出部１３０とを含む。タ
イミングコントロール部７０は、所定のタイミングで駆
動信号を発生するように駆動信号発生回路３０を制御す
ると共に、送信時刻から一定時間経過後に、光検出器１
６からアンプ１５１及び復調部１５２を介して出力され
る検出信号を取り込むように積分処理部１５３を制御す
る。

【００２９】駆動信号発生回路３０から出力された駆動
信号を受けて、ＰＺＴ等の圧電素子から構成される超音
波送信部４０から超音波が発生する。超音波送信部４０
から送信され被写体で反射した超音波が入射面（全反射
ミラー１３１の左側）に入射すると、超音波検出部１３
０を構成するレーザ共振器の全反射ミラー１３１が変位
し、全反射ミラー１３１と透過ミラー１３３との間隔が
変化する。このとき、レーザ活性物質１３２の両脇に設
置された２枚のミラー間で生じる定常波の振動数即ち共
振周波数が変化し、レーザの発振周波数も偏移する。こ
のレーザ光が干渉光学系１４０に入射すると、分波器１
４１を透過し、部分反射ミラー１４２及び分波器１４１
で反射し、レンズ１４５を介して光検出器１６に入る光
ビームＬ２と、部分反射ミラー１４２を透過し、周波数
シフター１４３及びプリズム１４４を通過し、再び部分
反射ミラー１４２を透過し、分波器１４１で反射し、レ
ンズ１４５を介して光検出器１６に入る光ビームＬ３と
の間で光路差長が生じる。

【００３０】ここで、時間的に発振周波数が偏移する光
ビームが光路差長のある光ヘテロダイン干渉光学系に入
ると、元の光ヘテロダイン干渉信号の周波数を中心とし
て、時間遅延分に相当する発振周波数の変化分だけシフ
トした周波数のビート信号が生じる。この周波数変調さ
れたビート信号をアンプ１５１で増幅し、復調部１５２
で復調し、得られた復調信号を積分処理部１５３で積分
処理すれば、周波数の変化即ち超音波の波形を再現でき
る。この波形は波形表示部１５４に表示され、同時に波
形記憶部１５５に記憶される。これに基づいて、被写体
の画像データを構成することができる。

【００３１】さらに、本発明の第４の実施形態に係る超
音波用探触子について、図７を参照しながら説明する。
図７に示すように、超音波用探触子１７０は、反射界面
近傍のエバネセント場に存在する物体が超音波を受けて
振動することによりエバネセント光の光量が変化するこ
とを利用した超音波トランスジューサを含んでいる。

【００３２】超音波トランスジューサは、受信手段とし
て、プリズム１７１、空隙１７３、オプティカルフラッ
ト１７４、空隙を作るためのスペーサ１７２、送信手段
として、オプティカルフラット１７４に吸音層１７７を
介して設けられたＰＺＴ等の圧電素子１７５、及び音響
レンズ１７６より構成される。

【００３３】レーザ共振器１６１とビーム拡大器１６２
とから構成される光源１６０より出射される拡大された
レーザ光でプリズム底面を照射し、その全反射光強度分
布をＰＤアレイ又はＣＣＤカメラから構成される光検出
器１６で読み出す。一方、圧電素子１７５から送信され
た超音波が被写体で反射してオプティカルフラット１７
４下面より入射すると、空隙１７３の空気層厚が変化す
る。これに伴い、プリズム１７１下面のエバネセント場
に漏れ出す光、即ち、エバネセント光の光量が変化す
る。光検出器１６で読み出される全反射光の光量は、 （全反射光の光量）＝（入射光の光量）−（エバネセン
ト光の光量） で表されるため、全反射光の強度分布はエバネセント場
の空気層圧の変化、即ち、超音波の音圧分布を表すこと
になる。光検出器１６により読み出された検出信号は、
信号処理部に出力される。

【００３４】タイミングコントロール部７０では、所定
のタイミングで駆動信号を発生するように駆動信号発生
回路３０を制御すると共に、光検出器１６に入射する光
（検出光）のタイミングを制御する。光検出器１６に入
射する光のタイミングの制御方法には、レーザをパルス
駆動させたり、光路にシャッタ等を設け検出光を遮った
りする方法等が考えられる。ここでは一例として、プリ
ズム１７１底面における反射光が光検出器１６に入射す
るのを制御する方法をあげた。即ち、タイミングコント
ロール部７０によりシャッタ駆動回路１８２を制御し、
シャッタ１８１を動作させる。このように、超音波強度
に依存した全反射光が検出器に入射する時間帯を限定す
ることにより、被写体の特定の深さからの超音波の反射
を光検出することができる。この場合、シャッタの開閉
等は、被写体内の任意の深さの情報を収集するのに適当
な時間だけ、超音波の送信から遅らせて動作させる。こ
のようにして得られた検出信号に基づいて、被写体の画
像データを構成することができる。

【００３５】次に、本発明の第５の実施形態に係る超音
波受信装置について、図８を参照しながら説明する。本
実施形態は、超音波検出素子としてブラッググレーティ
ング構造を有する光導波路を用いたものである。図８に
示すように、基板１２５には１次元に配列された複数の
光導波路１２１ａ、１２１ｂ、・・・が形成されてお
り、さらに、そのコア先端部にはブラッググレーティン
グ部１２２ａ、１２２ｂ、・・・がそれぞれ形成されて
いる。ブラッググレーティング部の構造については、本
発明の第２の実施形態に係る超音波受信装置と同様であ
る。

【００３６】光源１１を射出した光は、分波器１２を通
過し、各々の光導波路１２１ａ、１２１ｂ、・・・に入
射する。各々の光導波路において、その先端に形成され
たブラッググレーティング部が超音波の伝搬により構造
的に変化することにより、光は変調される。それぞれの
光導波路において、ブラッググレーティング部により反
射された光は、分波器１２において進路を変更され、そ
れぞれの光導波路１２１ａ、１２１ｂ、・・・に対応す
る光検出器１６ａ、１６ｂ、・・・に入射する。このよ
うに、光検出器１６ａ、１６ｂ、・・・において光強度
の変化を検出することにより、対応する光導波路に伝搬
した超音波の強度を測定することができる。なお、本実
施形態においても、第２の実施形態の場合と同様に、光
導波路に形成されたブラッググレーティング部の長さ
は、ブラッググレーティング部を伝搬する超音波の波長
の３／４以下であることが望ましい。

【００３７】図９は、ブラッググレーティング部が形成
された光導波路を有する２次元超音波用探触子の構造を
示している。図９に示すように、ハウジング２１の中に
は、基板１２５上に１次元に配列された複数の光導波路
１２１ａ、１２１ｂ、・・・を含む超音波検出部５０
と、超音波送信素子１９を含む超音波送信部４０とが収
納されている。超音波検出部５０において、複数の光導
波路１２１ａ、１２１ｂ、・・・にはブラッググレーテ
ィング部１２２ａ、１２２ｂ、・・・がそれぞれ形成さ
れている。また、複数の光導波路にはそれぞれ光ファイ
バが接続されており、ブラッググレーティング部によっ
て変調を受けた光は、複数の光ファイバを含む光ファイ
バアレイ４３を通って分波器１２に導かれる。一方、超
音波送信部４０において、超音波送信素子１９は、吸音
材２４によって保持されている。また、超音波送信素子
１９に電圧を与えるために、該超音波送信素子１９には
導線４２が接続された電極１７、１８が設けられてい
る。

【００３８】ブラッググレーティング部１２２を含む光
導波路１２１及び超音波送信素子１９とハウジング２１
との間には、音響インピーダンスの整合を図るために音
響整合層２２が設けられている。また、ハウジング２１
の表面には、音響レンズ材２３を設けられている。これ
らの音響整合層２２、音響レンズ材２３、吸音材等を設
ける理由及び材料については、本発明の第１の実施形態
の場合と同様である。なお、光導波路を用いた超音波検
出部としては、この他に、ファブリーペロー共振器等の
様々な超音波有感部を設けた光導波路を用いても良い。

【００３９】ここで、複数の光導波路１２１ａ、１２１
ｂ、・・・が１次元に配置された超音波検出部（１次元
光導波路アレイ）５０と、超音波送信素子１９の配列に
は、図１０に示すように以下の４つが考えられる。 （１）光導波路アレイの中心に１個の送信素子を配置す
る例 図１０の(a)は、複数の１次元光導波路アレイを配列し
た２次元光導波路アレイの中心に、１個の送信素子１９
を配置した例を示す断面図である。この配列によると、
送信波は無指向性となる。

【００４０】（２）複数の光導波路の間に複数の送信素
子を配置した例 図１０の（ｂ）は、１次元光導波路アレイを含む複数の
光導波路の間に、送信素子１９を交互に配置した例を示
す断面図である。この配列によると、送信素子は２次元
的に配置されているので、２次元的なビームスキャン送
波が可能になる。

【００４１】（３）光導波路アレイの中心に１個の１次
元送信アレイを配置した例 図１０の（ｃ）は、複数の１次元導波路アレイの間に、
複数の送信素子を１次元的に配列して構成される１次元
送信アレイ２０を１個配置した例を示す断面図である。
この配列によると、１次元的なビームスキャン送波が可
能である。

【００４２】（４）複数の１次元光導波路アレイの間に
複数の１次元送信アレイを配置した例 図１０の（ｄ）は、複数の１次元光導波路アレイ５０の
間に、複数の送信素子を１次元的に配列して構成される
１次元送信アレイ２０を交互に複数個配置した例を示す
断面図である。この配列によると、２次元的なビームス
キャン送波が可能になる。

【００４３】次に、本発明の第６の実施形態について、
図１１〜図１３を参照しながら説明する。本実施形態
は、本発明の第５の実施形態と同様に、超音波検出素子
としてブラッググレーティング構造を有する光導波路１
２３ａ、１２３ｂ、・・・を用い、さらに、検出光とし
て複数の波長の異なる光を多重化させて用いるものであ
る。図１１は、本実施形態に係る超音波受信装置の構成
を原理的に示しており、図１２は、図１１に示す超音波
検出部５０の構造を示しており、図１３は、図１１に示
す分波器１１２の構造を示している。

【００４４】図１１に示すように、この超音波受信装置
は、光源１１１と、光サーキュレータ１１３と、ブラッ
ググレーティング構造を有する光導波路を含む超音波検
出部５０と、超音波検出部５０から入射する検出光を分
波する分波器１１２と、分波された光の強度を検出する
光検出器１６ａ、１６ｂ、・・・と、これらの装置（ｕ
ｎｉｔ）を互いに接続する光ファイバ１２６、１２７、
１２８、１２９ａ、１２９ｂ、・・・を有している。本
実施形態においては、光源として、広帯域の光（広帯域
光）を発生する広帯域光源（ブロードバンド光源）を用
い、分波器として、光の進行方向をその入射方向に応じ
て切り替える光サーキュレータ１１３を用いている。

【００４５】図１１において、光源１１１を射出した光
は、光ファイバ１２７を介して光サーキュレータ１１３
に入射し、さらに、光ファイバ１２６を介して超音波検
出部５０に入射する。ここで、図１２を参照すると、超
音波検出部５０は、基板１２５に形成された導波路長の
異なる逆Ｌ字状の複数の光導波路１２３ａ、１２３ｂ、
・・・を含んでいる。これらの光導波路１２３ａ、１２
３ｂ、・・・は、それぞれの断面が１列に並ぶように配
列されている。また、各々の光導波路１２３ａ、１２３
ｂ、・・・の先端には、ブラッググレーティング１２２
ａ、１２２ｂ、・・・が形成されている。

【００４６】本実施形態においては、それぞれのブラッ
ググレーティングを構成する各層の周期構造のピッチ
は、式（２）に基づいて、特定の波長に対して反射波長
特性が大きくなるように決められている。即ち、ブラッ
ググレーティング１２２ａを構成する各層の周期構造の
ピッチｄは、式（２）に基づいて、ブラック波長がλ₁
となるように決められる。また、ブラッググレーティン
グ１２２ｂを構成する各層の周期構造のピッチｄは、式
（２）に基づいて、ブラック波長がλ₂（≠λ₁）となる
ように決められる。残りのブラッググレーティング１２
２ｃ、１２２ｄ、・・・についても同様である。従っ
て、ブラッググレーティング１２２ａ、１２２ｂ、・・
・の反射波長特性は互いに異なっている。複数のブラッ
ググレーティング１２２ａ、１２２ｂ、・・・は、超音
波が印加されると超音波の音圧方向に伸縮する。これに
より、それぞれのブラッググレーティング１２２ａ、１
２２ｂ、・・・を構成する各層の周期構造のピッチｄが
変化し、それぞれのブラック波長を変える。従って、超
音波の受信中にそれぞれのブラッググレーティング１２
２ａ、１２２ｂ、・・・に入射する光は、印加される超
音波に基づいて変調される。なお、本実施形態において
も、それぞれの光導波路の先端に形成されるブラッググ
レーティング部の長さは、光導波路を伝搬する超音波の
波長の３／４以下であることが望ましい。

【００４７】光導波路１２３ａの末端部は、光ファイバ
１２６と接続されている。また、光導波路１２３ａの末
端部と光導波路１２３ｂの末端部との間には、空隙１２
４ａが形成されており、この空隙１２４ａは、ビームス
プリッタとして働く。同様に、光導波路１２３ｂの末端
部と光導波路１２３ｃの末端部との間には、ビームスプ
リッタとして働く空隙１２４ｂが形成されている。残り
の光導波路１２３ｃ、１２３ｄ、・・・についても同様
である。本実施形態においては、複数の光導波路１２３
ａ、１２３ｂ、・・・をこのように接続することによ
り、プレーナ光波回路（ＰＬＣ：Planar Lightwave Cir
cuit）が実現されている。

【００４８】ここで、図１２に示す超音波検出部５０の
動作について説明する。複数の波長成分（λ₁、λ₂、
…、λ_N）を含む光Ｌ_MULは、この超音波検出部５０に供
給されると、複数の空隙１２４ａ、１２４ｂ、・・・を
通過するごとに分波される。光導波路１２３ａに入射し
た光Ｌ₁（波長：λ₁）は、ブラッググレーティング１２
２ａにより光導波路１２３ａに向けて反射され、ブラッ
ググレーティング１２２ａに印加される超音波に基づい
て光Ｌ₁′に変調される。また、光導波路１２３ｂに入
射した光Ｌ₂（波長：λ₂）は、ブラッググレーティング
１２２ｂにより光導波路１２３ｂに向けて反射され、ブ
ラッググレーティング１２２ｂに印加される超音波に基
づいて光Ｌ₂′に変調される。光Ｌ_MULに含まれる残りの
光Ｌ₃（波長：λ₃）、Ｌ₄（波長：λ₄、・・・について
も同様である。それぞれのブラッググレーティング１２
２ａ、１２２ｂ、・・・の出射光Ｌ₁′、Ｌ₂′、・・・
は、対応する空隙１２４ａ、１２４ｂ、・・・において
順に合波され、光ファイバ１２６に入射する。

【００４９】再び、図１１を参照すると、光ファイバ１
２６に入射した光は、光サーキュレータ１１３によって
進行方向を変更され、光ファイバ１２８を介して、分波
器１１２に入射する。分波器１１２は、光ファイバ１２
８から入射した光Ｌ_MUL′を所定の波長成分別の複数の
光Ｌ₁′、Ｌ₂′、・・・に分波する。分波器１１２に
は、検出する波長帯域の異なる複数の光検出器１６ａ、
１６ｂ、・・・が、対応する光ファイバ１２９ａ、１２
９ｂ、・・・を介して接続されている。複数の光検出器
１６ａ、１６ｂ、・・・が、対応する光ファイバ１２９
ａ、１２９ｂ、・・・から入射した光Ｌ₁′、Ｌ₂′、・
・・を検出することにより、超音波検出部５０に含まれ
るそれぞれのブラッググレーティング１２２ａ、１２２
ｂ、・・・に印加された超音波の強度を検出することが
できる。

【００５０】ここで、図１３を参照すると、本実施形態
においては、分波器１１２として、プレーナ光波回路の
一種であるアレイ導波路格子（ＡＷＧ：Arrayed-Wavele
ngthGrating）を有する分波回路を用いている。この分
波回路は、１本の入力導波路７１が接続された入力側ス
ラブ導波路７２と、複数の出力導波路７３ａ、７３ｂ、
・・・が接続された出力側スラブ導波路７４との間を、
一定の導波路長差を有する複数のアレイ導波路７５ａ、
７５ｂ、・・・により接続した構成となっている。

【００５１】入力側スラブ導波路７２は、入力導波路７
１の端部を曲率中心とする扇形をしており、出力側スラ
ブ導波路７４は、複数の出力導波路７３ａ、７３ｂ、の
端部を曲率中心とする扇形をしている。複数のアレイ導
波路７５ａ、７５ｂ、・・・は、それぞれの光軸が入力
側スラブ導波路７２及び出力側スラブ導波路７４の両方
の曲率中心を通るように放射状に配置されている。これ
により、入力側スラブ導波路７２及び出力側スラブ導波
路７４がレンズと同等の動作を実現する。

【００５２】複数の波長成分（λ₁、λ₂、…、λ_N）を
含む光Ｌ_MUL′は、入力導波路７１に入射すると、入力
側スラブ導波路７２において回折により広がり、複数の
アレイ導波路７５ａ、７５ｂ、・・・を同位相で励振す
る。それぞれの励振光は、対応するアレイ導波路７５
ａ、７５ｂ、・・・を通過する際に導波路長差に応じた
位相差が与えられ、出力側スラブ導波路７４に達する。
出力側スラブ導波路７４に入射した複数の光は、レンズ
作用により互いに干渉し合いながら、複数の出力導波路
７３ａ、７３ｂ、・・・を配置した側の１点に集光し、
同相条件が成立する方向に回折する。なお、図１３に示
す分波回路における入力側と出力側とを入れ替えること
により、合波器として用いることができる。

【００５３】本実施形態においては、光源として広帯域
光源を用いたが、この他に、波長の異なる複数のレーザ
発振器を用い、射出されるレーザ光を合波して多重化し
た光を用いても良い。この場合、例えば、図１３に示す
分波器を合波器として用いても良い。

【００５４】

【発明の効果】以上述べた様に、本発明によれば、多数
の微細素子への電気的配線の必要がなく、クロストーク
や電気的インピーダンスの増大を招かず、且つ、超音波
の発信機能を備えた超音波用２次元探触子を実現するこ
とができる。さらに、本発明によれば、そのような超音
波用２次元探触子を用いて、より高品位な３次元画像を
取得できる超音波診断装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る超音波探触子を
用いた超音波診断装置を示すブロック図である。

【図２】本発明の第１の実施形態に係る超音波用探触子
の構造と動作を説明するための図である。

【図３】本発明の第１の実施形態に係る超音波用探触子
の一部の構造を示す図である。

【図４】図４の（ａ）〜図４の（ｄ）は、本発明の第１
の実施形態に係る超音波用探触子の一部の構造を示す図
である。

【図５】本発明の第２の実施形態に係る超音波用探触子
の一部の構造を示す図である。

【図６】本発明の第３の実施形態に係る超音波用探触子
の構造と動作を説明するための図である。

【図７】本発明の第４の実施形態に係る超音波用探触子
の構造と動作を説明するための図である。

【図８】本発明の第５の実施形態に係る超音波用探触子
の構造と動作を説明するための図である。

【図９】本発明の第５の実施形態に係る超音波用探触子
の一部の構造を示す図である。

【図１０】図１０の（ａ）〜図１０の（ｄ）は、本発明
の第５の実施形態に係る超音波用探触子の一部の構造を
示す図である。

【図１１】本発明の第６の実施形態に係る超音波用探触
子の構造と動作を説明するための図である。

【図１２】図１１の超音波検出部の構造を示す図であ
る。

【図１３】図１１の分波器の構造を示す図である。

【符号の説明】

１１、１１１、１６０ 光源 １２、１１２、１４１ 分波器 １３ 光ファイバアレイ １３ａ、１３ｂ、・・・ 光ファイバ １４、１４ａ、１４ｂ、・・・ 超音波検出素子（ファ
ブリーペロー共振器） １５ 結像系 １６、１６ａ、１６ｂ、・・・ 光検出器 １７、１８ 電極 １９、１７５ 超音波送信素子（圧電素子） ２０ １次元送信アレイ ２１ ハウジング ２２ 音響整合層 ２３ 音響レンズ材 ２４ 吸音材 ２５ 樹脂 ３０ 駆動信号発生回路 ４０ 超音波送信部 ４２ 導線 ５０、１３０ 超音波検出部（センサ） ６０ 信号処理手段 ６１ 信号処理部 ６２ Ａ／Ｄ変換器 ７０ タイミングコントロール部 ７１ 入力導波路 ７２ 入力側スラブ導波路 ７３ａ、７３ｂ、・・・ 出力導波路 ７４ 出力側スラブ導波路 ７５ａ、７５ｂ、・・・ アレイ導波路 ８０ １次記憶部 ９０ 画像処理部 １００ 画像表示部 １１０ ２次記憶部 １１３ 光サーキュレータ １２０、１５０、１７０ 超音波用探触子 １２１、１２１ａ、１２１ｂ、・・・、１２３ａ、１２
３ｂ、・・・ 光導波路 １２２、１２２ａ、１２２ｂ、・・・ ブラッググレー
ティング部 １２４ａ、１２４ｂ、・・・，１７３ 空隙 １２５ 基板 １２６〜１２８、１２９ａ、１２９ｂ、・・・ 光ファ
イバ １３１ 全反射ミラー １３２ レーザ活性物質 １３３ 透過ミラー １４０ 干渉光学系 １４２ 部分反射ミラー １４３ 周波数シフター １４４ プリズム １４５ レンズ １５１ アンプ １５２ 復調部 １５３ 積分処理部 １５４ 波形表示部 １５５ 波形記憶部 １６１ レーザ共振器 １６２ ビーム拡大器 １７１ プリズム １７２ スペーサ １７４ オプティカルフラット １７６ 音響レンズ １７７ 吸音層 １８１ シャッタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2G047 AC13 BA03 BA07 BC13 CA01 CA04 DB02 EA10 EA14 GA01 GA02 GA03 GB02 GB17 GD01 GF01 4C301 AA03 BB22 EE11 EE12 EE15 GA01 GA02 GA03 GB10 JA03 5D019 BB02 BB18 BB25 FF04 GG01

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超音波信号を送信する送信手段と、 超音波信号を受信する受信手段であって、前記送信手段
   とは異なる方式を用いた受信手段と、を具備する超音波
   用探触子。
2. 【請求項２】 前記送信手段が、印加される電圧に応答
   して超音波を発生する圧電方式に基づくものである、請
   求項１記載の超音波用探触子。
3. 【請求項３】 前記受信手段が、超音波信号を光信号に
   変換する機能を有する素子を含む、請求項１又は２記載
   の超音波用探触子。
4. 【請求項４】 前記受信手段が、超音波を検出するため
   の超音波有感部を設けた光ファイバーアレイを含む、請
   求項３記載の超音波用探触子。
5. 【請求項５】 前記受信手段が、超音波を検出するため
   の超音波有感部を設けた複数の光導波路を含む、請求項
   ３記載の超音波用探触子。
6. 【請求項６】 前記受信手段が、ファブリーペロー共振
   器構造を有するセンサを含む、請求項３〜５のいずれか
   1項記載記載の超音波用探触子。
7. 【請求項７】 前記受信手段が、ブラッググレーティン
   グ構造を有するセンサを含む、請求項３〜５のいずれか
   １項記載の超音波用探触子。
8. 【請求項８】 前記ブラッググレーティング構造を有す
   るセンサにおける超音波有感部の長さが、該超音波有感
   部を伝搬する超音波の波長の３／４以下の長さを有す
   る、請求項７記載の超音波用探触子。
9. 【請求項９】 前記受信手段が、超音波を受けて発光周
   波数を変化させ、発光光を光路差長を有する光ヘテロダ
   イン干渉光学系に入射させるレーザ共振器を含む、請求
   項３〜５のいずれか１項記載の超音波用探触子。
10. 【請求項１０】 前記受信手段が、光反射面近傍のエバ
    ネセント場に存在する物体が超音波を受けて振動するこ
    とにより、前記光反射面における反射光又は透過光の光
    量が変化することを利用して超音波を検出するセンサを
    含む、請求項３〜５のいずれか１項記載の超音波用探触
    子。
11. 【請求項１１】 超音波信号を送信する送信手段と、超
    音波信号を受信する受信手段であって前記送信手段とは
    異なる方式を用いた受信手段とを含む、請求項１〜１０
    のいずれか１項記載の超音波用探触子と、 超音波を送信するために前記送信手段に印加する駆動信
    号を発生する駆動信号発生回路と、 前記受信手段から入力する受信信号を検出して検出信号
    を発生する検出器と、 前記検出器から出力される検出信号を処理する信号処理
    手段と、 前記駆動信号の送信タイミング及び前記検出信号の入力
    タイミングを制御する制御手段と、 前記信号処理手段の出力信号に基づいて画像データを構
    成する画像処理部と、 前記画像データに基づいて画像を表示する画像表示部
    と、を具備する超音波診断装置。