JP4547045B2 - 超音波トランスデューサ、電子機器及び超音波内視鏡 - Google Patents

Description

本発明は、電気機械変換素子を具備してなるエレメントを行列状に配置してなる超音波トランスデューサ、電子機器及び超音波内視鏡に関する。

超音波の送受信が可能な複数の圧電体等の電気機械変換素子を行列状に配列した２次元アレイを形成し、個々の電気機械変換素子を順次駆動する方向を変更することによって、超音波の電子走査の方向を２方向に切り替えることが可能な超音波トランスデューサが知られている。このような２次元アレイを具備した電子走査式の超音波トランスデューサは、例えば日本国特開２００５−２７７８６４号公報に開示されている。

２次元アレイを具備した電子走査式の超音波トランスデューサでは、２次元アレイを構成する各電気機械変換素子に信号の入出力を行うためのシグナル配線を接続する必要があることから、シグナル配線の本数が多くなり、ケーブル束（複合同軸ケーブル）が太くなるため、装置が大型化してしまうという問題がある。例えば２次元アレイがｎ行ｍ列の電気機械変換素子により構成される場合であれば、ｎ×ｍ本のシグナル配線が必要となる。

電子走査式の超音波トランスデューサにおいてシグナル配線の本数を削減する方法として、２次元アレイの近傍に各電気機械変換素子への信号の入出力経路を切り替えるマルチプレクサ等の切り替え装置を配設する方法が知られている。しかしながら、２次元走査を実現する場合、２次元アレイとマルチプレクサとの間の配線数が大きく削減されることはない。加えて、電気機械変換素子を駆動して超音波を送信するために必要な電圧が比較的高いことから、マルチプレクサ自体の小型化が困難であり、やはり装置の大型化は避けられない。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、超音波の電子走査の方向を２方向に切り替え可能であって、かつシグナル配線の本数を大幅に削減して装置を小型化することが可能な超音波トランスデューサおよびこの超音波トランスデューサを具備した電子機器、超音波内視鏡を提供することを目的とする。

本発明にかかる超音波トランスデューサは、対向して配置された第１電極と第２電極とを具備し、前記第１電極及び前記第２電極の間に入力される電気信号を振動に変換する電気機械変換素子、前記第１電極に電気的に接続された第１電極端子、及び前記第２電極に電気的に接続された第２電極端子を具備してなるエレメントと、前記エレメントが行方向にｎ個、列方向にｍ個（ｎ≦ｍ）の行列状に配置されてなるアレイ部と、前記アレイ部において、同一の列に配置された前記エレメント群内の前記第１電極端子のうち、列方向に隣り合う前記第１電極端子同士を電気的に連結したｍ個のエレメント群からなる列方向１次元アレイ状態、及び同一の行に配置された前記エレメント群内の前記第１電極端子のうち行方向に隣り合う前記第１電極端子同士を電気的に連結したｎ個のエレメント群からなる行方向１次元アレイ状態を形成するアレイ形成部と、前記列方向１次元アレイ状態において、前記ｍ個のエレメント群のそれぞれを構成する前記エレメントのうちの少なくとも１つの前記第１電極に電気的に接続され、かつ前記行方向１次元アレイ状態において、前記ｎ個のエレメント群のそれぞれを構成する前記エレメントのうちの少なくとも１つの前記第１電極に電気的に接続されるように配置されたシグナル配線と、前記列方向１次元アレイ状態及び前記行方向１次元アレイ状態において、全ての前記第２電極に電気的に接続されるように配置された接地電位配線と、を具備し、前記エレメント同士は柔軟に接合されており、前記アレイ形成部は行方向及び列方向に伸縮可能な部材を含み、前記伸縮可能な部材が前記行方向又は列方向に収縮して前記エレメントを行方向又は列方向に寄せ合わせることにより電気的な接続状態を形成し、前記列方向1次元アレイ状態又は前記行方向1次元アレイ状態を形成する。

本発明に係る電子機器は、前記超音波トランスデューサを具備することを特徴とする。また、本発明に係る超音波内視鏡は、前記電子機器を具備することを特徴とする。

第１の実施形態の超音波トランスデューサの斜視図である。 第１の実施形態において電気機械変換素子にc-MUTを用いた場合の超音波トランスデューサの斜視図である。 第１の実施形態の超音波トランスデューサの上面図である。 図３のIV-IV断面図である。 列方向１次元アレイ状態を示す図である。 図５のVI-VI断面図である。 行方向１次元アレイ状態を示す図である。 第２の実施形態のアレイ部と接地電位配線との接続の形態を説明する図である。 第３の実施形態のアレイ部とシグナル配線との接続の形態を説明する図である。 第４の実施形態のアレイ部とシグナル配線との接続の形態を説明する図である。 第５の実施形態のエレメントと電極端子の形態を説明する図である。 第６の実施形態のアレイ部の形態を説明する図である。 第７の実施形態のアレイ形成部の形態を説明する上面図である。 図１３のXIV-XIV断面図である。 第７の実施形態の変形例を示す図である。 第８の実施形態のアレイ形成部の形態を説明する断面図である。 第８の実施形態のアレイ形成部の動作を説明する上面図である。 第８の実施形態のアレイ形成部の動作を説明する上面図である。 第８の実施形態の変形例を示す図である。 第９の実施形態の超音波トランスデューサの構成を説明する断面図である。 本発明の超音波トランスデューサを適用した超音波内視鏡の構成を説明する図である。 本発明の超音波トランスデューサを適用した超音波探傷装置の構成を説明する図である。

本発明の超音波トランスデューサ、電子機器及び超音波内視鏡の好ましい形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明に用いた各図においては、各構成要素を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各構成要素毎に縮尺を異ならせてあるものであり、本発明は、これらの図に記載された構成要素の数量、構成要素の形状、構成要素の大きさの比率、及び各構成要素の相対的な位置関係のみに限定されるものではない。

（第１の実施形態）
以下に、本発明の第１の実施形態を説明する。本実施形態の超音波トランスデューサ１は、図１に示すように、電気機械変換素子１０を有する複数のエレメント２が行列状に配置されてなるアレイ部３と、前記アレイ部３の状態を切り替えるためのアレイ形成部６とを具備して構成されている。

電気機械変換素子１０は、対向して配置された第１電極２０及び第２電極３０を具備し、前記第１電極２０及び前記第２電極３０の間に入力される電気信号の変化と機械的振動との相互の変換を行うことにより、超音波の送受信が可能な素子である。

本実施形態では、超音波トランスデューサ１の超音波の放射方向を上方とした場合に、第１電極２０は電気機械変換素子１０の下方に配設されており、第２電極３０は電気機械変換素子１０の上方に配設されている。

電気機械変換素子１０の構成は特に限定されるものではないが、例えば圧電セラミクス等の圧電素子や電歪素子からなる構成や、第１電極２０及び第２電極３０の間の電極間距離の変化で生じる静電容量の変化と第２電極３０を含む振動膜の振動（変位）との変換を行う静電容量型の超音波トランスデューサ（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer; 以下、c-MUTと称する）等が適用され得る。

例えば、電気機械変換素子１０を圧電セラミクス等の圧電素子により構成する場合、図１に示すように、電気機械変換素子１０は、第１電極２０及び前記第２電極３０の間に圧電素子が介装されてなる。

電気機械変換素子１０を圧電素子により構成する場合、エレメント２には、電気機械変換素子１０の音響特性に応じて電気機械変換素子１０の下方側にバッキング材が配設され、また電気機械変換素子１０の上方側に音響整合層及び音響レンズが配設されてもよい。

また例えば、電気機械変換素子１０をc-MUTにより構成する場合、図２に示すように、電気機械変換素子１０は、第１電極２０及び前記第２電極３０の間に空隙部１０ｂが介装されてなる。この場合、空隙部１０ｂの上方に位置する第２電極３０を含む膜状の部位が振動膜として機能する。

電気機械変換素子１０をc-MUTにより構成する場合、第１電極１０の振動を防ぐため、電気機械変換素子１０の下方側に振動膜よりも剛性の高い部材である基板が配設されてもよい。なお、１つのエレメント２を構成する電気機械変換素子１０は、複数の振動膜を具備する構成、すなわち第１電極２０及び前記第２電極３０の間に複数の空隙部１０ｂが設けられた構成であってもよい。

以下では、図１に示した電気機械変換素子１０を圧電素子により構成する場合を例にとり実施形態を説明する。

アレイ部３を構成する複数のエレメント２は、行方向にｎ個、列方向にｍ個の行列状に配列されている。ここで、ｎ及びｍは２以上の自然数であり、ｎ≦ｍの関係を満たすものとする。なお、本実施形態では、一例として図１及び図３に示すように、アレイ部３は、エレメント２が行方向に５個、列方向に５個配列されて構成されている。なお、アレイ部３を構成するエレメント２の数は前記条件を満たすものであれば特に限定されるものではない。

また、本実施形態において、アレイ部３の行方向及び列方向は、直交する関係として図示しているが、アレイ部３におけるエレメント２の配列の形態はこれに限られるものではない。例えば、アレイ部３の行方向及び列方向は、斜交する関係であってもよい。

エレメント２の周囲には、図１及び図４に示すように、第１電極２０に電気的に接続された第１電極端子２１と、第２電極３０に電気的に接続された第２電極端子３１が配設されている。エレメント２において、第１電極端子２１及び第２電極端子３１は、少なくとも行方向及び列方向に隣接する他のエレメント２に対向する面に配置される。

また、超音波トランスデューサ１には、電気機械変換素子１０の第１電極２０に駆動回路９からの電気信号を伝えるためのシグナル配線と、第２電極３０を接地電位ＧＮＤに電気的に接続するための接地電位配線が配設されている。

具体的には、シグナル配線は、ｎ行ｍ列に配列されたエレメント２からなるアレイ部３において、各列に配置されたエレメント２のうちの１つの第１電極２０に電気的に接続され、かつ各行に配置されたエレメント２のうちの少なくとも１つの第１電極２０に電気的に接続されるように配設される。すなわち、超音波トランスデューサ１には、最低ｍ本のシグナル配線が配設される。

本実施形態の超音波トランスデューサ１では、図３及び図４に示すように、各列に配置されたエレメント２のうちの１つの第１電極２０に電気的に接続され、かつ各行に配置されたエレメント２のうちの少なくとも１つの第１電極２０に電気的に接続されるように、５つのシグナル配線２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ及び２２ｅが配設されている。

なお、本実施形態ではシグナル配線２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ及び２２ｅは、図３の紙面に正対して左上から右下へ至る対角線上に配置された５つのエレメント２の第１電極２０にそれぞれ電気的に接続されているが、シグナル配線を接続するエレメント２の配置の形態は、後述するように、これに限られるものではない。

一方、接地電位配線３２は、ｎ行ｍ列に配列されたエレメント２からなるアレイ部３において、各列に配置されたエレメント２のうちの少なくとも１つの第２電極３０に電気的に接続され、かつ各行に配置されたエレメント２のうちの少なくとも１つの第２電極３０に電気的に接続されるように配設される。

アレイ形成部６は、前記アレイ部３の下方に配設されている。アレイ形成部６は、図示しないアクチュエータを有し、前記アレイ部３におけるエレメント２の行方向又は列方向の配列間隔を変更可能に構成されている。

具体的にはアレイ形成部６は、アレイ部３において、図５に示すようなエレメント２の行方向の配列間隔のみを短くするように寄せ合わせた状態と、図７に示すようなエレメント２の列方向の配列間隔のみを短くするように寄せ合わせた状態と、を選択的に切り替えることができる。

アレイ形成部６によってアレイ部３のエレメント２を行方向についてのみ引き寄せた場合、図６の断面図に示すように、行方向に隣接するエレメント２同士の第１電極端子２１及び第２電極端子３１が接触する。すなわちこの状態では、図５に示すように、同一の列に配置された複数のエレメント２の群（以下、エレメント群４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ及び４ｅと称する）内において第１電極端子２１及び第２電極端子３１が電気的に連結される。

ここで、前述したように、シグナル配線２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ及び２２ｅは、アレイ部３の各列に配置されたエレメント２のうちの１つに電気的に接続されていることから、エレメント群４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ及び４ｅには、それぞれシグナル配線２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ及び２２ｅを介して電気信号を入力することが可能となる。

また同様に、接地電位配線３２もアレイ部３の各列に配置されたエレメント２のうちの少なくとも１つに電気的に接続されていることから、エレメント群４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ及び４ｅには、接地電位配線３２を介して接地電位ＧＮＤに電気的に接続される。

例えば、エレメント群４ａに着目して説明すれば、図６に示すように、エレメント群４ａ内の電気機械変換素子１０の第１電極２０は、全てシグナル配線２２ａを介して駆動回路９に電気的に接続される。また、エレメント群４ａ内の電気機械変換素子１０の第２電極３０は、全て接地電位配線３２を介して接地電位ＧＮＤに電気的に接続される。すなわち、この状態において、エレメント群４ａは、単一の駆動単位となる。

よって、アレイ形成部６によってアレイ部３のエレメント２を行方向についてのみ引き寄せることにより、ｍ個（本実施形態では５個）の駆動単位であるエレメント群４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ及び４ｅが列方向に配列された１次元アレイが形成される。以下、この状態を列方向１次元アレイ状態と称するものとする。

一方、アレイ形成部６によってアレイ部３のエレメント２を列方向についてのみ引き寄せた場合、図７に示すように、列方向に隣接するエレメント２同士の第１電極端子２１及び第２電極端子３１が接触する。この状態では、同一の行に配置された複数のエレメント２の群（以下、エレメント群５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ及び５ｅと称する）内において第１電極端子２１及び第２電極端子３１が電気的に連結される。

ここで、シグナル配線２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ及び２２ｅは、アレイ部３の各行に配置されたエレメント２のうちの少なくとも１つに電気的に接続されていることから、エレメント群５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ及び５ｅには、それぞれシグナル配線２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ及び２２ｅを介して電気信号を入力することが可能となる。

また同様に、接地電位配線３２もアレイ部３の各行に配置されたエレメント２のうちの少なくとも１つに電気的に接続されていることから、エレメント群５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ及び５ｅは、接地電位配線３２を介して接地電位ＧＮＤに電気的に接続される。

よって、列方向１次元アレイ状態の場合と同様に、アレイ形成部６によってアレイ部３のエレメント２を列方向についてのみ引き寄せることにより、ｎ個（本実施形態では５個）の駆動単位であるエレメント群５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ及び５ｅが行方向に配列された１次元アレイが形成される。以下、この状態を行方向１次元アレイ状態と称するものとする。

以上のように構成された本実施形態の超音波トランスデューサ１によれば、アレイ形成部６によってアレイ部３の状態を列方向１次元アレイ状態に切り替え、シグナル配線２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ及び２２ｅに順次電気信号を入力してエレメント群４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ及び４ｅを駆動することで、列方向に超音波の走査を行うことができる。

また、アレイ形成部６によってアレイ部３の状態を行方向１次元アレイ状態に切り替え、シグナル配線２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ及び２２ｅに順次電気信号を入力してエレメント群５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ及び５ｅを駆動することで、行方向に超音波の走査を行うことができる。

すなわち、本実施形態によれば、超音波の走査方向を２方向に切り替え可能なｎ行ｍ列（ｎ≦ｍ）のアレイ部３を有する超音波トランスデューサ１の駆動を、ｍ本のシグナル配線で行うことができる。

よって、本実施形態によれば、従来に比して、大幅に少ないシグナル配線により走査方向を２方向に切り替え可能な超音波トランスデューサ１を実現することができ、ケーブル束の細径化、そして装置を小型化することが可能となる。そのため、内視鏡の先端に本超音波トランスデューサを搭載すると、細径化が達成でき患者の苦痛低減に寄与した超音波内視鏡を提供できる。

また、本実施形態によれば、従来に比して超音波トランスデューサ１のシグナル配線の数を少なくすることができるため、組み立て時の作業性が向上する。

なお、本実施形態において、エレメント２は超音波の放射方向から見て矩形状を有する形態を図示しているが、エレメント２の形状はこれに限られるものではない。例えば、エレメント２は、音波の放射方向から見て円形状であってもよい。この場合、隣接するエレメント２間の空間の距離が不均一になることから、隣接するエレメント２間において生じる音響的な影響（クロストーク）を減らすことができる。

また、本実施形態において、第１電極端子２１及び第２電極端子３１は、エレメント２の側面から側方へ突出する形状として図示しているが、第１電極端子２１及び第２電極端子３１は、エレメント２の側面に露出し、隣接するエレメント２間の距離が短縮された際に対向するもの同士が電気的に接続される構成であればよい。

（第２の実施形態）
以下に、本発明の第２の実施形態を説明する。第２の実施形態は、エレメントの第２電極を接地電位に接続する形態の別の例を示すものである。第２の実施形態は、上述した第１の実施形態に対してエレメントと接地電位配線との接続の形態のみが異なる。よって、以下ではこの相違点のみを説明するものとし、また、第１の実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付し、その説明を適宜に省略するものとする。なお、本実施形態では、上述した第１の実施形態と同様に、電気機械変換素子１０は圧電セラミクス等の圧電素子や、電歪素子などにより構成されるものであってもよいし、c-MUTにより構成されるものであってもよい。

本実施形態では、接地電位配線３２ｄは、アレイ部３を構成する全てのエレメント２ｄ上を被覆し、かつエレメント２ｄの上方に露出した全ての第２電極端子３１ｄに当接する導電性の部材からなる被覆部材として構成されている。

なお、接地電位配線３２ｄの形状や材料は特に限られるものではないが、例えば、接地電位配線３２ｄが比較的硬質な材料により構成される場合、アレイ形成部６の動作によってエレメント２ｄが移動する際には第２電極端子３１ｄが接地電位配線３２ｄに対して摺動する構成が考えられる。

また、接地電位配線３２ｄは弾性を有する部材により構成される場合、接地電位配線３２ｄは、各第２電極端子３１ｄ上において固着されており、アレイ形成部６の動作によってエレメント２ｄが移動する際にはエレメント２ｄの移動に応じて伸縮する構成が考えられる。

このような構成であれば、エレメント２ｄを接地電位ＧＮＤに電気的に接続するための配線を、容易に配設することが可能となる。また、接地電位配線３２ｄは、電磁シールドとしても機能する。

なお、被覆部材は、下方側の面、すなわち第２電極端子３１ｄに当接する面のみが導電性を有し、接地電位配線３２ｄとして機能する形態であってもよい。また、被覆部材は、音響整合層及び音響レンズの少なくとも一方の機能を有すように構成されてもよい。

また、アレイ部３は、被覆部材を含む閉じた空間内に配設され、この空間内は電気絶縁性の流体により満たされる構成であってもよい。この場合、電気絶縁性の流体は超音波を伝達する媒体として機能する。

（第３の実施形態）
以下に、本発明の第３の実施形態を説明する。第３の実施形態は、アレイ部３を構成する複数のエレメント２にシグナル配線を接続する形態の別の例を示すものである。第３の実施形態は、上述した第１の実施形態に対してアレイ部３とシグナル配線との接続の形態のみが異なる。よって、以下ではこの相違点のみを説明するものとし、また、第１の実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付し、その説明を適宜に省略するものとする。なお、本実施形態では、上述した第１の実施形態と同様に、電気機械変換素子１０は圧電セラミクス等の圧電素子により構成されるものであってもよいし、c-MUTにより構成されるものであってもよい。

本実施形態では、アレイ部３において、シグナル配線２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ及び２２ｅは、それぞれが接続されるエレメント２の離間距離が大きくなるように配設されている。

このようにシグナル配線２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ及び２２ｅを接続するエレメント２の離間距離を大きくすることにより、シグナル配線２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ及び２２ｅ間におけるクロストークの影響を低減することができ、超音波トランスデューサ１により得られる超音波画像の画質を向上することが可能となる。また、シグナル配線２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ及び２２ｅをエレメント２に接続する際の作業も容易となる。

（第４の実施形態）
以下に、本発明の第４の実施形態を説明する。第４の実施形態は、アレイ部を構成する複数のエレメントの配列の形態の別の例を示すものである。第４の実施形態は、上述した第１の実施形態に対してアレイ部の配列の形態のみが異なる。よって、以下ではこの相違点のみを説明するものとし、また、第１の実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付し、その説明を適宜に省略するものとする。なお、本実施形態では、上述した第１の実施形態と同様に、電気機械変換素子１０は圧電セラミクス等の圧電素子により構成されるものであってもよいし、c-MUTにより構成されるものであってもよい。

本実施形態では、アレイ部３ａは、行方向に４個、列方向に６個の行列状に配列されたエレメント２により構成されている。すなわち、ｎ＝４、ｍ＝６である。

ここで、シグナル配線は、第１の実施形態で説明したように、各列に１つ接続され、かつ各行に少なくとも１つ接続されることから、本実施形態では図１０に示すように、６つのシグナル配線２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ及び２２ｆのうち、１つの行については２つのシグナル配線２２ｂ及び２２ｅが接続される。

このような形態であっても、第１の実施形態と同様に、アレイ形成部６によってエレメント２を行方向に寄せ合わせれば、アレイ部３ａは列方向に配列された６個のエレメント群からなる列方向１次元アレイ状態となり、エレメント２を列方向に寄せ合わせれば、アレイ部３ａは行方向に配列された４個のエレメント群からなる行方向１次元アレイ状態となる。そして、列方向１次元アレイ状態及び行方向１次元アレイ状態のいずれにおいても、全てのエレメント群に少なくとも１つのシグナル配線が接続される。

（第５の実施形態）
以下に、本発明の第５の実施形態を説明する。第５の実施形態は、隣接するエレメント間を電気的に接続する電極端子の形態の別の例を示すものである。第５の実施形態は、上述した第１の実施形態に対して第１電極端子及び第２電極端子の形態のみが異なる。よって、以下ではこの相違点のみを説明するものとし、また、第１の実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付し、その説明を適宜に省略するものとする。なお、本実施形態では、上述した第１の実施形態と同様に、電気機械変換素子１０は圧電セラミクス等の圧電素子により構成されるものであってもよいし、c-MUTにより構成されるものであってもよい。

本実施形態では、隣接するエレメント２の互いに対向する側面に配設された一対の第１電極端子２１ａ及び２１ｂは、隣接するエレメント２が接近した場合に互いに嵌合する形状を有する。

なお、一対の第１電極端子２１ａ及び２１ｂの嵌合の形態は特に限定されるものではないが、例えば図１１に示すように、一方の第１電極端子２１ａを凸形状とし、他方の第１電極端子２１ｂを凹形状とする形態が考えられる。

このように、対向する第１電極端子２１ａ及び２１ｂを互いに嵌合する形状とすることにより、列方向１次元アレイ状態及び行方向１次元アレイ状態でのエレメント群内における第１電極２０の電気的な連結を確実に行うことができる。

また同様に、隣接するエレメント２の互いに対向する側面に配設された一対の第２電極端子３１ａ及び３１ｂも、隣接するエレメント２が接近した場合に互いに嵌合する形状であることが好ましい。

（第６の実施形態）
以下に、本発明の第６の実施形態を説明する。第６の実施形態は、隣接するエレメント間を電気的に接続する形態の別の例を示すものである。第６の実施形態は、上述した第１の実施形態に対して隣接するエレメント間を電気的に接続する形態のみが異なる。よって、以下ではこの相違点のみを説明するものとし、また、第１の実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付し、その説明を適宜に省略するものとする。なお、本実施形態では、上述した第１の実施形態と同様に、電気機械変換素子１０は圧電セラミクス等の圧電素子により構成されるものであってもよいし、c-MUTにより構成されるものであってもよい。

本実施形態では、隣接するエレメント２の間にスペーサ４０が配設される。スペーサ４０は、アレイ形成部６の動作によりエレメント２が寄せ合わされた場合において、隣接するエレメント２の側面に配設された一対の第１電極端子２１により挟持される導電性部材である第１スペーサ４１を有する。

また、スペーサ４０は、アレイ形成部６の動作によりエレメント２が寄せ合わされた場合において、隣接するエレメント２の側面に配設された一対の第２電極端子３１により挟持される導電性部材である第２スペーサ４２を有する。

スペーサ４０において、第１スペーサ４１と第２スペーサ４２との間には、電気絶縁性部材４３が介装される。

隣接するエレメント２の間にスペーサ４０を配設することにより、アレイ形成部６によって列方向１次元アレイ状態又は行方向１次元アレイ状態を形成する場合におけるエレメントの移動量を小さくすることができる。

また、例えば、隣接する一対のエレメント２について互いに音響的な影響を及ぼさない程度にまで間隔を広くした場合においても、両者を電気的に連結する場合の移動距離は大きくならない。

よって、超音波トランスデューサ１により得られる超音波画像の画質を向上させながら、アレイ部３の列方向１次元アレイ状態から行方向１次元アレイ状態への移行、すなわち超音波トランスデューサ１の走査方向の切り替えに必要な時間を短縮できる。また、アレイ形成部６を小型化することができる。

なお、第２の実施形態で示したような、全ての第２電極端子３１が常に接地電極配線を介して接地電位ＧＮＤに電気的に接続される場合には、スペーサ４０は、第１スペーサ４１のみで構成される。

（第７の実施形態）
以下に、本発明の第７の実施形態を説明する。第７の実施形態は、アレイ形成部の例を示すものである。第７の実施形態は、上述した第１の実施形態に対してアレイ形成部の構成の詳細を示すものである。よって、以下では第１の実施形態との相違点のみを説明するものとし、また、第１の実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付し、その説明を適宜に省略するものとする。なお、本実施形態では、上述した第１の実施形態と同様に、電気機械変換素子１０は圧電セラミクス等の圧電素子により構成されるものであってもよいし、c-MUTにより構成されるものであってもよい。

アレイ形成部６は、アクチュエータ５０、一対の押圧部材５１、一対の押圧部材５２及び弾性部材５３を具備して構成されている。本実施形態では、アレイ部３を構成するエレメント２は、弾性を有し伸縮可能な弾性部材５３上に配設されている。

一対の押圧部材５１は、それぞれアレイ部３の行方向両端に配設されている。また、一対の押圧部材５１には、接地電位配線３２が配設されており、かつ接地電位配線３２とエレメント２の第２電極端子３１とを電気的に接続するための導通端子３２ａが配設されている。

また、一対の押圧部材５２は、それぞれアレイ部３の列方向両端に配設されている。また、一対の押圧部材５２には、接地電位配線３２が配設されており、かつ接地電位配線３２とエレメント２の第２電極端子３１とを電気的に接続するための導通端子３２ａが配設されている。

アクチュエータ５０は、一対の押圧部材５１を行方向に移動させるとともに、一対の押圧部材５２を列方向に移動させることが可能に構成されている。

なお、本実施形態では、アレイ部３の各エレメント２の上方に音響整合層８が配設されている。

以上のように構成されたアレイ形成部６は、アレイ部３を列方向１次元アレイ状態とする場合には、アクチュエータ５０により一対の押圧部材５１を互いに接近する方向に移動させて弾性部材５３を圧縮し、エレメント２を行方向に寄せ合わせる。なお、このとき他方の押圧部材５２は、押圧部材５１と干渉しない位置にまで列方向外側に退避させる。

また、アレイ形成部６は、アレイ部３を行方向１次元アレイ状態とする場合には、アクチュエータ５０により一対の押圧部材５２を互いに接近する方向に移動させて弾性部材５３を圧縮し、エレメント２を列方向に寄せ合わせる。このとき他方の押圧部材５１は、押圧部材５２と干渉しない位置にまで行方向外側に退避させる。

なお、押圧部材５１及び押圧部材５２の外側への移動は、アクチュエータ５０が発生する力によってではなく、弾性部材５３の復元力により行われるものであってもよい。

また、図１５に示す変形例のように、弾性部材５３は、隣接するエレメント２の間に介装されてもよい。

また、本実施形態では、弾性部材５３をアクチュエータ５０により圧縮方向に変形させることによりエレメント２を寄せ合わせる方向に移動させる構成としたが、エレメント２の離合を行う構成はこれに限られるものではない。例えば、エレメント２はアクチュエータ５０による力が作用しない場合には、弾性部材５３が縮もうとする方向の力によって行方向及び列方向に寄せ合わされた状態であって、アクチュエータ５０により行方向及び列方向のいずれか一方にエレメント２を離間させる方向の力を加えることによって、他方の方向にのみエレメント２が寄せ合わされた状態を生じせしめる構成であってもよい。

（第８の実施形態）
以下に、本発明の第８の実施形態を説明する。第８の実施形態は、アレイ形成部の他の例を示すものである。第８の実施形態は、上述した第２の実施形態に対してエレメントとアレイ形成部の構成が異なる。よって、以下では第２の実施形態との相違点のみを説明するものとし、また、第２の実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付し、その説明を適宜に省略するものとする。なお、本実施形態では、上述した第１の実施形態と同様に、電気機械変換素子１０は圧電セラミクス等の圧電素子により構成されるものであってもよいし、c-MUTにより構成されるものであってもよい。

本実施形態のエレメント２ｂは、図１６に示すように、第１電極２０ｂが周囲四方に露出した状態で配設されており、この第１電極２０ｂのエレメント２の側面に露出した部位が第１電極端子として機能する。

また、アレイ形成部６ｂは、図１７に示すように４つのエレメント２ｂにより囲まれた領域に設けられたスイッチ部材６０と、スイッチ部材６０を超音波放射方向と略平行な回動軸６４周りに回動させるアクチュエータ６９と、を具備して構成されている。

スイッチ部材６０は、周囲４つのエレメント２ｂのそれぞれの第１電極２０ｂの角部に当接する円盤状の接点部６１を具備して構成されている。接点部６１は、周囲４つの第１電極２０ｂの角部に当接した状態で回動可能に、回動軸６４により支持されている。

接点部６１は、上方から見て円の中央部を所定の直線に沿って分断するように延在する電気絶縁性の材料からなる絶縁部６３（図中、網掛けで示した領域）と、絶縁部６３の両側に配設された導電性の材料からなる導通部６２とにより構成されている。

導通部６２は、絶縁部６３の延在方向が行方向に沿うように接点部６１が位置決めされた状態において、周囲４つの第１電極２０ｂのうちの行方向に隣接するもの同士を電気的に接続する（図１７に示す状態）。

一方、導通部６２は、絶縁部６３の延在方向が列方向に沿うように接点部６１が位置決めされた状態において、周囲４つの第１電極２０ｂのうちの列方向に隣接するもの同士を電気的に接続する（図１８に示す状態）。

以上の構成を有する本実施形態では、アクチュエータ６９によりスイッチ部材の接点部６１を回動させて、絶縁部６３の延在方向が行方向に沿うように位置決めすることにより、アレイ部３において、同一の列に配置されたエレメント群内の第１電極２０ｂが電気的に連結される。すなわち、アレイ部３は、列方向１次元アレイ状態となる。

また、アクチュエータ６９によりスイッチ部材の接点部６１を回動させて、絶縁部６３の延在方向が列方向に沿うように位置決めすることにより、アレイ部３において、同一の行に配置されたエレメント群内の第１電極２０ｂが電気的に連結される。すなわち、アレイ部３は、行方向１次元アレイ状態となる。

なお、図１９に示す変形例のように、スイッチ部材６０ａの円盤状の接点部６１を、絶縁部６３の延在方向が略直交するように重ねて配置し、アクチュエータ６によって重ね合わされた一対の接点部６１を軸方向（超音波の放射方向）に移動可能に構成することも可能である。この場合、重ね合わされた一対の接点部６１のうちのいずれか一方のみが、周囲４つの第１電極２０ｂの角部に当接するように位置決めする。

この実施形態の場合、スイッチ部材６０ａが上下させることで、エレメント群内の第１電極が行方向に電気的に連結させたり、列方向に電気的に連結させたりすることができる。

（第９の実施形態）
以下に、本発明の第９の実施形態を説明する。第９の実施形態は、超音波トランスデューサの他の例を示すものである。第９の実施形態は、上述した第７の実施形態に対してアレイ部及びアレイ形成部の周囲の構成が異なる。よって、以下では第７の実施形態との相違点のみを説明するものとし、また、第７の実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付し、その説明を適宜に省略するものとする。なお、本実施形態では、上述した第１の実施形態と同様に、電気機械変換素子１０は圧電セラミクス等の圧電素子により構成されるものであってもよいし、c-MUTにより構成されるものであってもよい。

本実施形態では、図２０に示すように、アレイ部３及びアレイ形成部６は、水密性を有する材料からなる被覆ケース７０によって形成された閉じた空間内に配設されている。被覆ケース７０の、アレイ部３の上方に位置する領域には、電磁石７１が配設されている。電磁石７１は、図示しない電源装置に接続されており、電力の供給の有無が制御されている。そして、被覆ケース７０によって形成された閉じた空間内には、磁性流体７２が封入されている。磁性流体７２は、電気絶縁性有する形式のものが使用される。

以上のように構成された本実施形態では、まず電磁石７１への電極の供給を遮断した状態において、アレイ形成部６によりアレイ部３を列方向１次元アレイ状態又は行方向１次元アレイ状態にする。そして、電磁石７１への電力の供給を開始した後に、アレイ部３によって超音波走査を行う。

このとき、電磁石７１の発生する磁力により、磁性流体７２は閉じた空間内において電磁石７１側、すなわちアレイ部３の超音波放射側に引き寄せられる。これにより、アレイ部３と被覆ケース部７０との間は位置によりかける磁界の強度を変化させることができ、音響インピーダンスが比較的高い磁性流体７２により充填されるため、良好な音響整合が実現される。エレメント群の中央部に音速の早い遅い磁性流体を集めることにより、レンズ効果も持たせることができる。

また、磁性流体７２がアレイ部３の超音波放射側に引き寄せられることにより、超音波を送受する領域に存在した気泡が押しのけられ、良好な超音波画像を得ることができる。

（第１０の実施形態）
次に、第１０の実施形態として、本発明の超音波トランスデューサを適用可能な電子機器の例について説明する。図２１に示すように本実施形態の超音波内視鏡１００は、被検体の体内に導入される細長の挿入部１０２と、この挿入部１０２の基端に位置する操作部１０３と、この操作部１０３の側部から延出するユニバーサルコード１０４とで主に構成されている。

前記ユニバーサルコード１０４の基端部には図示しない光源装置に接続される内視鏡コネクタ１０４ａが設けられている。この内視鏡コネクタ１０４ａからは図示しないカメラコントロールユニットに電気コネクタ１０５ａを介して着脱自在に接続される電気ケーブル１０５及び図示しない超音波観測装置に超音波コネクタ１０６ａを介して着脱自在に接続される超音波ケーブル１０６が延出されている。

前記挿入部１０２は、先端側に配設された先端部１２０、先端部１２０の基端側に配設され湾曲自在な湾曲部１０８、及び湾曲部１０８の基端側に配設され前記操作部１０３の先端側に接続される可撓性を有する可撓管部１０９が連設されて構成されている。また、前記先端部１２０の先端側には超音波トランスデューサ１が設けられている。

前記操作部１０３には前記湾曲部１０８を所望の方向に湾曲制御するアングルノブ１１１、送気及び送水操作を行うための送気・送水ボタン１１２、吸引操作を行うための吸引ボタン１１３、管腔内または体腔内に導入する処置具の入り口となる処置具挿入口１１４等が設けられている。

先端部１２０の先端に設けられた超音波トランスデューサ１は、超音波の電子走査の方向を２方向に切り替え可能であることから、本実施形態の超音波内視鏡１００は、走査範囲ＳＡ１及び走査範囲ＳＡ２における超音波画像を取得することができる。

また、先端部１２０には、観察部位に照明光を照射する照明光学部を構成する照明レンズ、観察部位の光学像を捉える観察光学部、切除した部位を吸引したり処置具が突出したりする開口である吸引兼鉗子口及び送気及び送水を行うための送気送水口等が設けられている。

なお、本発明の超音波トランスデューサ１は、上述した超音波内視鏡に限らず、従来公知の電子機器である超音波診断装置に適用され得る。例えば、被検体の体外から被検体内を観察するための体外式の超音波診断装置に適用してもよい。

図２２は、本発明の超音波トランスデューサを非破壊検査装置の一例としての超音波探傷装置に適用したものである。図２２は、超音波探傷装置の概略構成を示す説明図である。

超音波探傷装置２００は、超音波を送受するプローブ２０２と、このプローブ２０２を制御するための箱型の装置本体部２０３とを備えている。

装置本体部２０３の前面中央には、探傷のための画像を表示する表示装置２０６が設けられており、この表示装置２０６の近傍には各種の役割を担うスイッチ２０７が設けられている。

また、プローブ２０２は、複合同軸ケーブル２０８により装置本体部２０３に接続されている。プローブ２０２の内部には、プローブ２０２を被検体に当接させる当接面部２０２ａに一つ又は複数の超音波トランスデューサ１が配設されている。

超音波探傷装置２００は、プローブ２０２の当接面部２０２ａを被検体に当接した状態で超音波を発し、この超音波の反射の変化によって被検体を破壊することなく被検体内の傷を検出することが可能である。

なお、本発明の超音波トランスデューサ１は、上述した超音波探傷装置に限らず、従来公知の電子機器である非破壊検査装置に適用されうる。例えば、超音波を送受することにより被検体の厚さを計測する厚さ計測装置に適用してもよい。

なお、本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う超音波トランスデューサ及び電気機器もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。

本出願は、２００８年１１月２８日に日本国に出願された特願２００８−３０４７４４号を優先権主張の基礎として出願するものであり、上記の開示内容は、本願明細書、請求の範囲、図面に引用されたものとする。

Claims (18)

1. 対向して配置された第１電極と第２電極とを具備し、前記第１電極及び前記第２電極の間に入力される電気信号を振動に変換する電気機械変換素子、
   前記第１電極に電気的に接続された第１電極端子、及び
   前記第２電極に電気的に接続された第２電極端子、を具備してなるエレメントと、
   前記エレメントが行方向にｎ個、列方向にｎ個以上のｍ個の行列状に配置されてなるアレイ部と、
   前記アレイ部において、同一の列に配置された前記エレメント群内の前記第１電極端子のうち、列方向に隣り合う前記第1電極端子同士を電気的に連結したｍ個のエレメント群からなる列方向１次元アレイ状態、及び
   同一の行に配置された前記エレメント群内の前記第１電極端子のうち、行方向に隣り合う前記第1電極端子同士を電気的に連結したｎ個のエレメント群からなる行方向１次元アレイ状態を形成するアレイ形成部と、
   前記列方向１次元アレイ状態において、前記ｍ個のエレメント群のそれぞれを構成する前記エレメントのうちの少なくとも１つの前記第１電極に電気的に接続され、かつ前記行方向１次元アレイ状態において、前記ｎ個のエレメント群のそれぞれを構成する前記エレメントのうちの少なくとも１つの前記第１電極に電気的に接続されるように配置されたシグナル配線と、
   前記列方向１次元アレイ状態及び前記行方向１次元アレイ状態において、全ての前記第２電極に電気的に接続されるように配置された接地電位配線と、
   を具備し、
   前記エレメント同士は柔軟に接合されており、
   前記アレイ形成部は行方向及び列方向に伸縮可能な部材を含み、
   前記伸縮可能な部材が前記行方向又は列方向に収縮して前記エレメントを行方向又は列方向に寄せ合わせることにより電気的な接続状態を形成し、前記列方向1次元アレイ状態又は前記行方向1次元アレイ状態を形成する
   ことを特徴とする超音波トランスデューサ。
2. 前記シグナル配線は、前記アレイ部において、各列に配置された前記エレメントのうちの１つの前記第１電極に電気的に接続されており、かつ各行に配置された前記エレメントのうちの少なくとも１つの前記第１電極に電気的に接続され、
   前記接地電位配線は、前記アレイ部において、各列に配置された前記エレメントのうちの少なくとも１つの前記第２電極に電気的に接続されており、かつ各行に配置された前記エレメントのうちの少なくとも１つの前記第２電極に電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
3. 前記シグナル配線は、前記アレイ部において、各列に配置された前記エレメントのうちの１つの前記第１電極に電気的に接続されており、かつ各行に配置された前記エレメントのうちの少なくとも１つの前記第１電極に電気的に接続され、
   前記接地電位配線は、前記アレイ部を構成する全ての前記エレメントの前記第２電極端子に電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
4. 前記第１電極端子は、行列状に配列された前記エレメントの行方向及び列方向に互いに対向する面に配設され、
   かつ前記第１電極端子は、前記列方向１次元アレイ状態又は前記行方向１次元アレイ状態において、行方向又は列方向に対向するそれぞれが互いに嵌合する形状を有し、
   前記第２電極端子は、行列状に配列された前記エレメントの行方向及び列方向に互いに対向する面に配設され、
   かつ前記第２電極端子は、前記列方向１次元アレイ状態又は前記行方向１次元アレイ状態において、行方向又は列方向に対向するそれぞれが互いに嵌合する形状を有することを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
5. 前記第１電極端子は、行列状に配列された前記エレメントの行方向及び列方向に互いに対向する面に配設され、
   かつ前記第１電極端子は、前記列方向１次元アレイ状態又は前記行方向１次元アレイ状態において、行方向又は列方向に対向するそれぞれが互いに嵌合する形状を有することを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
6. 前記第１電極端子は、行列状に配列された前記エレメントの行方向及び列方向に互いに対向する面に配設され、
   前記第２電極端子は、行列状に配列された前記エレメントの行方向及び列方向に互いに対向する面に配設され、
   さらに前記エレメント間に配設された導電性部材であって、前記列方向１次元アレイ状態においては、行方向に対向する前記第１の電極端子間に挟持され、前記行方向１次元アレイ状態においては、列方向に対向する前記第１の電極端子間に挟持される第１スペーサと、
   前記エレメント間に配設された導電性部材であって、前記列方向１次元アレイ状態においては、行方向に対向する前記第２の電極端子間に挟持され、前記行方向１次元アレイ状態においては、列方向に対向する前記第２の電極端子間に挟持される第２スペーサと、
   を具備することを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
7. 前記第１電極端子は、行列状に配列された前記エレメントの行方向及び列方向に互いに対向する面に配設され、
   さらに前記エレメント間に配設された導電性部材であって、前記列方向１次元アレイ状態においては、行方向に対向する前記第１の電極端子間に挟持され、前記行方向１次元アレイ状態においては、列方向に対向する前記第１の電極端子間に挟持される第１スペーサ
   を具備することを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
8. 前記エレメント間には、弾性部材が配設されることを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
9. 前記アレイ部の超音波放射側には、前記アレイ部を覆う被覆部が配設されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
10. 前記被覆部は、音響整合層及び音響レンズの少なくとも一方の機能を具備することを特徴とする請求項９に記載の超音波トランスデューサ。
11. 前記アレイ部は、前記被覆部を含む閉じた空間内に配設されており、
    前記閉じた空間内は電気絶縁性の流体により満たされていることを特徴とする請求項１０に記載の超音波トランスデューサ。
12. 前記電気絶縁性の流体は磁性流体を含み、
    さらに前記磁性流体を前記閉じた空間内において超音波放射側に移動させるための電磁石を具備することを特徴とする請求項１１に記載の超音波トランスデューサ。
13. 前記アレイ部の超音波放射側には、前記アレイ部を覆う導電性を有した被覆部が配設され、前記被覆部の少なくとも一部は前記接地電位配線を兼ねることを特徴とする請求項３に記載の超音波トランスデューサ。
14. 前記被覆部は、音響整合層及び音響レンズの少なくとも一方の機能を具備することを特徴とする請求項１３に記載の超音波トランスデューサ。
15. 前記アレイ部は、被覆ケースにより形成された閉じた空間内に配設されており、
    前記閉じた空間内は電気絶縁性の流体により満たされていることを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
16. 前記電気絶縁性の流体は磁性流体を含み、
    さらに前記磁性流体を前記閉じた空間内において超音波放射側に移動させるための電磁石を具備することを特徴とする請求項１５に記載の超音波トランスデューサ。
17. 請求項１に記載の超音波トランスデューサを具備することを特徴とする電子機器。
18. 請求項１７に記載の電子機器を具備することを特徴とする超音波内視鏡。

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