JP2742207B2 - 超音波振動子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波振動子、特に単
一の超音波振動子から多方向に向けて超音波ビーム発生
することのできる超音波振動子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の超音波振動子は、圧電材料を２つ
の電極で挟んだ構造をなし、その両電極間に高周波信号
を印加することによって、圧電材料が周期的に歪み、こ
の結果、圧電材料の表面からその垂直方向に弾性波であ
る超音波が放射される。

【０００３】医療の世界における超音波の活用例として
は、超音波を生体内に送波し、生体内の臓器にて反射し
た反射波の強度に応じて臓器の断層画像を得る超音波診
断装置や、超音波を生体内に送波し、生体内の運動反射
体（例えば血流）にてドプラシフトを受けた反射波を受
波し、受信信号に含まれるドプラ情報から前記運動反射
体の速度等を測定する超音波ドプラ診断装置等が挙げら
れる。ここで、超音波の送受波は、超音波振動子を有す
る超音波探触子によって行われる。

【０００４】ところで、冠動脈や大動脈等のバイパス手
術を行った後や血管拡張剤等を投与した後には血液の流
れが正常であるか否かを観察するために、血流量の計測
が要望される場合がある。

【０００５】従来、血流量の計測は、血管上に載置され
た超音波探触子のＡモード又はＢモードによって得られ
る血管の断層情報によって血管径を算出して血管の断面
積を求めた後、同じく血管上に載置されたドプラ信号検
出用超音波探触子によって、血流速度を算出し、この血
流速度と血管の断面積とから単位時間当たりに血管断面
を通過する血流量を求めていた。

【０００６】ところで、超音波がドプラシフトを受ける
ためには、原理上、運動反射体である血流等の運動方向
に対して超音波ビーム方向が直交していてはならず、あ
る程度以上の交差角度が必要である。従って、従来にお
いては、超音波探触子によって血管の血流速度を測定し
ようとする場合、超音波ビームを血管に対して斜めに設
定する必要から、傾斜面を有するスタンドオフ材等によ
って超音波振動子を血管に対して斜めに配置していた。

【０００７】また、特願平４−３２２０１２号には、超
音波探触子において超音波を送受波する素子として、一
方向に弾性表面波を伝達させることのできる一方向性弾
性表面波素子（以下、一方向性ＳＡＷ（Ｓｕｒｆａｃｅ
Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）素子ともいう）を用い
ているものが記載されている。この一方向性ＳＡＷ素子
は音響伝搬媒体に接合させると、ＳＡＷ素子のＳＡＷの
音速と音響伝搬媒体の音速との比で定まる角度で圧電材
料の表面から斜め方向に弾性波を放射する特性を持って
いる。従って、スタンドオフ材を用いることなくドプラ
信号の送受波を行うことが可能であり、超音波振動子の
小型化を行うことができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、血流量を計測
する場合、血管の断面積と血流速度、つまり、血管の断
層情報と血流のドプラ情報との２種類の情報を得るため
に異なる２方向に超音波ビームを照射する２つの超音波
振動子が必要であり、超音波探触子に２つの超音波振動
子を併設する必要があり、超音波探触子が大型化してし
まうという問題があった。特に、冠動脈や大動脈等のバ
イパス手術を行った後は、バイパス部に超音波探触子を
留置し、該超音波探触子の信号ケーブルのみを術部から
引き出し、残りの部分は縫合し血流量の観察を行ってい
る。そして、観察終了後に超音波探触子は信号ケーブル
と共に引き抜かれるため、超音波探触子が大型化する
と、生体組織を損傷することなく引き抜き作業を行うこ
とができないという問題があった。

【０００９】そこで、本発明は、小型で多方向に向けて
超音波ビーム発生することのできる超音波振動子を提供
することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記問題点を
解決するため、圧電材料と、前記圧電材料の一方面に形
成されその表面にて一方向に弾性表面波を発生させる弾
性表面波電極と、前記圧電材料の他方面に形成され前記
弾性表面波電極とによって前記圧電材料の表面から垂直
方向の弾性波を発生させる平面電極と、を有し、弾性表
面波と垂直方向の弾性波とを発生することを特徴とす
る。

【００１１】

【作用】本発明における超音波振動子においては、圧電
材料の一方面に弾性表面波電極を設け、一方面にて一方
向に弾性表面波を発生させる。また前記圧電材料の他方
面に平面電極を設け、前記弾性表面波電極とによって前
記圧電材料の表面から垂直方向の弾性波を発生させる。

【００１２】従って、被検体のドプラ情報を得るために
必要な超音波ビームは弾性表面波電極によって発生させ
ることが可能であり、被検体の断層情報を得るために必
要な超音波ビームは平面電極と弾性表面波電極との間に
電圧を印加することで発生させることができる。

【００１３】このように、弾性表面波電極を被検体のド
プラ情報を得るため超音波ビーム発生用と断層情報を得
るために必要な超音波ビーム発生用とに兼用することに
よって超音波振動子の小型化、つまり超音波探触子の小
型化を行うことができる。

【００１４】

【実施例】以下、この発明の好適な実施例を図を用いて
説明する。

【００１５】図１には、本実施例に係る超音波振動子１
０の概略外観図が示されている。圧電材料１２は、例え
ば圧電セラミックスや水晶等が用いられている。圧電材
料１２の上面（電極形成面）には、弾性表面波を発生さ
せる弾性表面波電極（ＳＡＷ電極）１４がパターン形成
されている。

【００１６】ＳＡＷ電極から成るＳＡＷ素子の一般的な
使用態様においては、電極間に信号を印加すると、圧電
材料の上面（電極面）に弾性表面波が生じる。

【００１７】そして、生体や生体等価物質等の音響伝搬
媒体に電極面を接触させると、圧電材料１２におけるＳ
ＡＷの速度と音響伝搬媒体の音波の速度との比で定まる
角度で漏れ弾性波が音響伝搬媒体内へ斜めに放射される
ことが実験によって確認されている。

【００１８】ところが、ＳＡＷ素子は、前後方向に斜め
に２つの弾性波が放射されるため、そのままでは、ドプ
ラシフトが正負両方向に生じ、ドプラ診断を行うことは
困難となる。そこで、一方向のみに斜め弾性波を生じさ
せることが必要となり、本発明においては、一方向性Ｓ
ＡＷ素子を用いている。一方向性ＳＡＷ素子としては、
現在まで各種のものが提案されており、いわゆる八木ア
ンテナのように波の重なりと相殺とを利用して、一方向
のみに弾性表面波を生じさせるようにしたものがある。

【００１９】図１に示されるように、このＳＡＷ電極１
４は３つのパターン要素から成っている。すなわちＳＡ
Ｗ電極１４は電極要素１４ａ，１４ｂ，１４ｃで構成さ
れている。ここで、各電極要素は櫛形状あるいはすだれ
形状をなしており、電極要素１４ｃは中央付近で左右に
反転している。なお、この電極パターンは従来から知ら
れている一方向性のためのパターンである。また、圧電
材料１２の下面側には平面電極１６が形成されている。
そして、電極要素１４ａ，１４ｂ，１４ｃ及び平面電極
１６には図示しないフレキシブル基板上に形成された電
極層にリード線１８によって電気的に接続されている。
そして、その電極層には図示しない信号ケーブルが電気
的に接続されている。

【００２０】本実施例の特徴的事項は圧電材料１２の表
面側の設けられたＳＡＷ電極１４に電圧を印加すること
によって表面側にて一方向に弾性表面波を発生させ、ま
た、裏面側に設けられた平面電極１６と表面側に設けら
れたＳＡＷ電極１４との間に電圧を印加することによっ
て電極形成面の垂直方向に弾性波を発生させることがで
きるところである。 図２には、このＳＡＷ電極１４及
び平面電極１６を含む超音波振動子を有する超音波診断
装置の構成が概念的に示されている。

【００２１】まず、ＳＡＷ電極１４による弾性表面波を
発生させる場合について図１及び図２を用いて説明す
る。

【００２２】まず、第１送受信器２０から出力された信
号１００は２つに分岐され、一方の信号１００は９０°
位相器２２を介して位相が９０°遅延された信号１０１
となり、更に反転器２４を介した後、後述する選択器２
６を介してライン２８ａから電極要素１４ａに供給され
ている。

【００２３】他方、信号１００は上記９０°位相器２２
を介さずに反転器２４及び選択器２６を介してライン２
８ｂから電極要素１４ｂに供給されている。

【００２４】ここで、９０°位相器２２は、信号の位相
を９０°遅延させるものであり、これによってＳＡＷ電
極１４には互いに９０°位相が異なる２つの信号が供給
される。また、反転器２４は、これらの２種類の信号の
前記電極要素への供給の切換え反転を行うものである。

【００２５】すなわち、反転器２４が順方向にセットさ
れている場合には、図１に示す電極要素１４ａには信号
１０１が供給され、一方９０°の位相差を持った信号１
００は電極要素１４ｂに供給される。この際、電極要素
１４ｃはグランドに接続されている。以上のような信号
の供給を行うと、圧電素子１２の上面において図１にお
けるＡ方向に弾性表面波が生じることになる。ここで、
Ａと反対方向の波は上述した９０°の位相差によって相
殺されることになる。

【００２６】他方、反転器２４を反転方向にセットする
と、電極要素１４ａには９０°の移相差を持った信号が
供給され、電極要素１４ｂには位相差のない信号１０１
が供給される。この結果、上述した方向とは反対方向、
すなわちＡ方向と反対方向に弾性表面波が生じることに
なる。

【００２７】なお、図１には図示されていないが、圧電
材料１２の上面を絶縁性が高い膜でコーティングするこ
とが好ましい。その場合には絶縁性が高く薄膜化が可能
な例えばパリレンを用いることができる。また、生体組
織と音響インピーダンスが同じ生体等価物質の層を圧電
材料１２の上面に形成してもよい。いずれにしても、圧
電材料１２中のＳＡＷの音速とそれに接触する物質の音
速との比によって定められる角度で弾性表面波が斜め方
向に放射されることになる。

【００２８】一方、垂直方向の弾性波を発生させる場
合、ライン２８ａ，２８ｂを並列に接続する。つまり、
ＳＡＷ電極１４の電極素子１４ａ，１４ｂ，１４ｃを同
電位になるようにする。ＳＡＷ電極１４は細かいほぼ櫛
形形状を呈しているので、１枚の平面電極として扱うこ
とができる。そして、第２送受信器３０から平面電極１
６とＳＡＷ電極１４との間に信号を印加すると、図２中
Ｂ方向に弾性波を発生する。

【００２９】各弾性波の発生時において選択器２６はラ
イン２８ａ，２８ｂ，２８ｃの切り替えを行うものであ
る。例えば、表面弾性波の発生時にはライン２８ａ，２
８ｂに第１送受信器２０からの信号を印加し、ライン２
８ｃはオープンとする。また、垂直方向の弾性波の発生
時にはライン２８ａ，２８ｂを並列に接続し、ライン２
８ｃとの間に第２送受信器３０の信号を印加する。

【００３０】図３は本実施例の超音波振動子１０を有す
る超音波探触子３２を血管３４に当接させた時の血流量
の計測状態について説明する説明図である。

【００３１】まず、ＳＡＷ電極１４と平面電極１６（図
１参照）とによって垂直方向（図３中Ｂ方向）の弾性波
によって、血管径を検出する。そして、図示しない超音
波診断装置本体の演算部で検出された血管径から血管の
断面積を求める。

【００３２】次に、ＳＡＷ電極１４によって表面弾性波
を発生させる。前述したように音響伝搬媒体、すなわ
ち、血流内での音速の速度と圧電材料１２におけるＳＡ
Ｗの速度との比で定まる角度で漏れ弾性波が血流へ斜め
に放射され、ドプラ信号の検出を行い、超音波診断装置
本体の演算部にて血流速度を算出する。そして、超音波
診断装置本体の演算部は血管の断面積と血流速度とから
単位時間当たりに血管断面を通過する血流量を算出す
る。

【００３３】なお、本実施例のほかに、例えば体表面に
当接して用いられる超音波探触子に適用してもよい。

【００３４】また、圧電材料１２の材質を適宜選択する
ことによって、所望の角度で弾性波を生体内に放射する
ことができる。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、超音波振動子の一
方面に設けられたＳＡＷ電極と他方面に設けられた平面
電極によって選択的にドプラ情報検出用の超音波ビーム
と断層情報検出用の超音波ビームを発生させることがで
きるので超音波振動子の形状を小さくして、超音波探触
子の小型化を行うことができる。

【００３６】また、生体内に超音波探触子を留置して後
に引き抜く場合でも超音波探触子を小型化できるので容
易に引く抜くことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る超音波振動子の斜視図である。

【図２】本発明に係る超音波振動子を有する超音波診断
装置の構成を示すブロック図である。

【図３】血管当接型超音波探触子の概念を示す概念図で
ある。

【符号の説明】

１０ 超音波振動子 １２ 圧電材料 １４ 弾性表面波電極 １６ 平面電極

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電材料と、 前記圧電材料の一方面に形成されその表面にて一方向に
   弾性表面波を発生させる弾性表面波電極と、 前記圧電材料の他方面に形成され前記弾性表面波電極と
   によって前記圧電材料の表面から垂直方向の弾性波を発
   生させる平面電極と、 を有し、弾性表面波と垂直方向の弾性波とを発生するこ
   とを特徴とする超音波振動子。