JP5194128B2 - 超音波トランスデューサ、超音波探触子及び超音波診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、生体等の被検体に当てて超音波を送信及び受信することにより、被検体の診断情報を得るために使用される超音波トランスデューサ、超音波探触子及び超音波診断装置に関する。

超音波診断装置は、超音波をヒトや動物等の生体の被検体内に照射し、生体内で反射されるエコー信号を検出して生体内組織の断層像等をモニタに表示し、被検体の診断に必要な情報を提供する。この際、超音波診断装置は、被検体内への超音波の送信と、被検体内からのエコー信号を受信するために超音波トランスデューサ及び超音波探触子を利用している。

図１は、超音波トランスデューサの構成を示す概略図である。

図１に示すように、超音波トランスデューサ１０は、被検体（図示せず）との間で超音波を送受信する。超音波トランスデューサ１０は、超音波振動子１１と、超音波振動子１１の被検体側の前面（図１の右方向）に設けられる１層以上（図１は１層）からなる音響マッチング層１２と、音響マッチング層１２の被検体側表面に設けられた音響レンズ１３と、超音波振動子１１に対して音響マッチング層１２の反対側となる背面に設けられる背面負荷材１４とから構成されている。

超音波振動子１１の前面と背面には、それぞれ電極（図示せず）が配置され、超音波振動子１１との間で電気信号の送受信を行う。

超音波振動子１１は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）系等の圧電セラミック、単結晶、前記材料と高分子を複合した複合圧電体、あるいはＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン：PolyVinylidine DiFluoride）等に代表される高分子の圧電体等によって形成され、電圧
を超音波に変換して被検体内に送信し、あるいは被検体内で反射したエコーを電気信号に
変換して受信する。

音響マッチング層１２は、超音波を効率よく被検体内に送受信するために設けられる。

背面負荷材１４は、超音波振動子１１に結合されてこれを保持し、さらに不要な超音波を減衰させる役割を果たす。

音響レンズ１３は、超音波ビームを収束させて断層像の分解能を向上させるために設けられており、この音響レンズ１３の超音波ビーム１５の収束は固定であり、ほぼ１点の距離に絞られる構成となっている。

一方、超音波ビームの収束法として、収束位置を可変するという構成も知られており、音響レンズの両端に空洞を設けてその空洞に液体を流しその液体の量を調整して音響レンズの曲率半径を可変して変える構成も提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、超音波振動子の背面側に圧電バイモルフや形状記憶合金を設けて超音波振動子の曲率を可変して収束ビームを可変する構成も知られている（例えば、特許文献２，３参照）。

また、超音波振動子と被検体の間に音速を可変する材質を設けて音速を可変して超音波ビームの収束を可変する構成も知られている（例えば、特許文献４参照）。

一方、近年、超音波ビーム方向を可変して３次元走査し、被検体内から超音波を３次元に受信して、３次元画像を表示し画像診断行う超音波診断装置がある。

そのような装置の一例として、複数個の超音波振動子が１次元に配列された超音波トランスデューサを、配列した方向と直交する方向にモータなどの駆動系で機械的に往復運動走査、あるいは揺動走査して、３次元画像データを収集するものがある。

図２は、電子走査型といわれるタイプの超音波トランスデューサの構成を示す概略図である。

図２に示すように、超音波トランスデューサ２０は、超音波を送受信する超音波振動子２１を有する。超音波振動子２１は、背面負荷材のような保持台２２に複数個配列されている。超音波トランスデューサ２０は、音響窓２６に抱合されており、音響窓２６内には液体の超音波伝播媒質２７が充填されている。

複数個配列された超音波振動子２１は、任意の群にまとめられ、個々の超音波振動子２１にケーブル２３を介して一定の遅延時間与えて駆動信号が入力される。複数個配列された超音波振動子２１は、被検体内に超音波の送信と受信を行う。遅延時間を与えて被検体内に超音波の送信と受信を行うことにより、実時間で２次元に超音波画像を得ることができる。

また、超音波トランスデューサ２０は、伝達軸２４を介してモータ２５の回転運動を機械的に受ける。モータ２５は、超音波振動子２１の配列方向と直交する方向に、超音波トランスデューサ２０を回転運動させ、複数個配列した超音波振動子２１を走査させる。これにより、複数個配列した超音波振動子２１の方向と直交する方向にも超音波画像を得ることができ、３次元の超音波画像を得ることができる。

特許文献１には、超音波振動子に音響レンズなどを設置した超音波トランスデューサが
記載されている。音響レンズは、音響マッチング層や超音波ビームを収束させ分解能を向上させることができる。超音波振動子に音響レンズを設けた超音波トランスデューサは、感度、周波数特性が向上する。

電子走査型の超音波診断装置は、複数個配列した超音波振動子を任意の群にして、個々の超音波振動子に一定の遅延時間与えて駆動し、超音波振動子から被検体内に超音波の送信と受信を行い、これら超音波振動子を順次電子的に切り替えて超音波ビームを可変して走査し超音波画像を得ることができる。特許文献５では、これら超音波振動子を機械的に超音波振動子の配列方向と直交する方向に移動して超音波ビームの走査を行い、３次元画像を得ている。これらは超音波ビームの送受信する方向を可変して２次元あるいは３次元的に超音波画像を得るために行っているものであり、この構成は、現在では一般的なシステムとして既に知られている。

このように超音波ビームの送受信する方向を可変する方法は、配列した複数個の超音波振動子を設けてこれらを電子的に切り替えて行うことは高速にできるという長所があり、これにより実時間で超音波画像が得られるという特徴を有している。

超音波ビーム方向を可変走査して３次元画像を得るほかの方法としては、超音波振動子を２次元に配列したいわゆる２次元アレイ型超音波トランスデューサがある。

特許文献６には、２次元に配列した超音波振動子を個々に電気信号を可変して超音波ビームを２次元走査することにより３次元の超音波画像を得る超音波トランスデューサが記載されている。２次元に配列した超音波振動子を個々に電気信号を可変して超音波ビームを２次元走査することにより被検体内において３次元画像データを収集する。

特開２００３−４７０８４号公報 特開平０２−９３３６２号公報 特開２００１−３７７６号公報 特開２００３−７５０３６号公報 特開２００７−１５２１０１号公報 米国特許第０６２３８３４６号明細書

電子走査型の超音波診断装置は、複数個配列した超音波振動子を任意の群にして個々の圧電素子に一定の遅延時間与えて駆動し、超音波振動子から被検体内に超音波の送信と受信を行う。このような遅延時間を与えることで超音波ビームが収束あるいは拡散され、広い視野幅あるいは高分解能の超音波画像を得ることができる。

一方、複数個配列した超音波振動子の方向と直交する方向の超音波ビームの収束あるいは拡散は、音響レンズによりほぼ1箇所に収束して高分解能化を図っているが、電子走査
する方向に対して超音波ビームを被検体の深さ方向でビームを複数に焦点を可変して収束することができていない。

この構成は、一般的なシステムとして既に知られている。超音波探触子として、高分解能の超音波画像を得るために重要なことは、複数個配列した超音波振動子の方向と直交する方向の超音波ビームの収束あるいは拡散もコントロールできる方法が望まれている。その一つの方法として超音波振動子を２次元に複数個配列したいわゆる２次元アレイに構成
して電子的に超音波ビームをコントロールする方法がある。しかし、電子回路、制御、超音波トランスデューサを構成するには困難度が高く、簡単にできるものではないのが現状である。

また、特許文献１に示すような、曲率を有した音響レンズの両側に空洞部を設けて、前記空洞部に液体を流しその流量を調節することで音響レンズの曲率を可変して超音波の焦点の位置を可変する構成がある。しかし、液体の流量を調節する装置が必要になり、また可変は高速にできないなどの課題がある。

また、特許文献２に示すような、超音波振動子の背面に圧電バイモルフを設けて超音波振動子などを変形させて超音波ビームの焦点の位置を可変する構成がある。しかし、超音波振動子全体を変形させる必要があり超音波振動子は柔軟性があるものという限定があり、他の重要な特性、例えば感度、周波数特性に限界があるなどの課題がある。

また、特許文献３に示すような、超音波振動子の背面に形状記憶合金を設けて、温度変化により形状記憶合金を変形させ、超音波振動子などを変形させて超音波ビームの焦点の位置を可変する構成がある。しかし、温度変化の可変は高速化が難しく、また上記と同じように、超音波振動子全体を変形させる必要があり超音波振動子は柔軟性があるものという限定があり、他の重要な特性、例えば感度、周波数特性に限界があるなどの課題がある。

また、特許文献４に示すような、超音波振動子の前面に音速可変層を設けて音速を可変させることによりで超音波の伝播時間に変化を持たせて超音波ビームの焦点位置を可変するという構成である。しかし、超音波ビームの収束位置は可変できるものの、音速可変層は超音波振動子と被検体との間に設けており、音響的なマッチングに影響するため、他の重要な特性、感度、周波数特性などの特性に課題がある。

超音波画像の高分解能化の要望が多く、これらを実現するための技術の進化の重要性はますます高くなってきている。

また、特許文献５に示すような電子走査型の超音波診断装置は、モータ及び駆動力を伝達する駆動系を用いて、超音波トランスデューサを機械的に回転、平行、あるいは揺動走査して超音波ビームを走査している。モータ及び駆動系を用いる構成であるため、小型・軽量化ができず、操作しにくいという課題がある。また、機構の磨耗等の経年変化があること、振動などにより各超音波振動子から引き出した電気端子ケーブルなどの寿命が長くないことから信頼性の点で課題があった。

また、特許文献６に示すような２次元に配列した超音波振動子を個々に電気信号を可変して超音波ビームを２次元走査する方法は、超音波振動子の数量が極めて多くなり超音波振動子ごとに電気端子を取り出しそれを接続するケーブルの本数も多くなる。超音波トランスデューサを構成するには複雑で困難度が高く、容易にできるものではない。また、制御回路も超音波振動子の増大に対応して多くなって回路規模が大きくなるなどの課題があった。

本発明の目的は、診断の深さ方向の超音波ビームを広い領域で細く収束することが可能となり、高分解能の診断画像を得ることができる超音波トランスデューサ、超音波探触子及び超音波診断装置を提供することである。また、本発明の目的は、形状変化層の形状を変化させて、超音波ビームの方向を可変することが可能となり、簡単な構成であるため小型、軽量で超音波ビームを３次元に走査することができる超音波トランスデューサ及び超音波探触子を提供することである。

本発明の超音波トランスデューサは、超音波を送受信する超音波振動子と、前記超音波振動子の被検体側に設けられ、電気信号を受けて形状が変化する形状変化層と、前記形状変化層に対して前記超音波振動子側に配置された第１の電極と、前記形状変化層に対して前記被検体側に配置され、前記第１の電極と対向する第２の電極と、前記形状変化層に前記第１の電極と前記第２の電極を介して印加する前記電気信号を制御する制御手段とを備え、前記第２の電極は前記形状変化層の前記被検体側の表面上において複数個設けられており、前記制御手段は、前記形状変化層に印加する前記電気信号を制御することにより前記形状変化層の形状を変化させて、超音波の方向を可変する構成を採る。

本発明の超音波トランスデューサは、超音波を送受信する超音波振動子が１次元に配列された超音波振動子アレイと、前記超音波振動子の被検体側に設けられ、電気信号を受けて形状が変化する形状変化層と、前記形状変化層に対して前記超音波振動子側に配置された第１の電極と、前記形状変化層に対して前記被検体側に配置され、前記第１の電極と対向する第２の電極と、前記形状変化層に前記第１の電極と前記第２の電極を介して印加する前記電気信号を制御する制御手段とを備え、前記第２の電極は前記形状変化層の前記被検体側の表面上において複数個設けられており、前記制御手段は、前記形状変化層に印加する前記電気信号の制御を、前記超音波振動子アレイの配列方向の超音波の収束と連動させ、かつ前記超音波振動子アレイの配列方向と直交する方向に前記形状変化層の形状を変化させて、超音波を収束又は拡散を可変する構成を採る。

本発明の超音波トランスデューサは、超音波を送受信する超音波振動子と、前記超音波振動子の被検体側とは反対側に設けられかつ電気信号により形状が変化する形状変化層と、前記形状変化層に対して前記超音波振動子側に配置された第１の電極と、前記形状変化層に対して前記被検体側に配置され、前記第１の電極と対向する第２の電極とを備え、前記電気信号は、前記形状変化層に前記第１の電極と前記第２の電極を介して印加され、前記第２の電極は前記形状変化層の前記被検体側の表面上において複数個設けられており、前記電気信号を制御することにより形状変化層の形状を変化させて、超音波ビームの方向を可変する構成を採る。

本発明の超音波探触子は、上記超音波トランスデューサにおける前記電気信号を制御することにより前記形状変化層の形状を変化させて、前記超音波トランスデューサの方向を可変することにより、超音波ビームの方向を可変する構成を採る。

本発明の超音波診断装置は、パルス電圧を超音波振動子に印加して超音波を送信及び、受信した超音波を収束若しくは拡散し、電気信号に変換して超音波診断を行う超音波診断装置であって、超音波を送受信する超音波振動子を配列した超音波振動子アレイと、電気信号を受けて形状が変化する形状変化層と、前記形状変化層に対して前記超音波振動子側に配置された第１の電極と、前記形状変化層に対して前記被検体側に配置され、前記第１の電極と対向する第２の電極と、前記形状変化層に前記第１の電極と前記第２の電極を介して印加する前記電気信号を制御する制御手段とを備え、前記第２の電極は前記形状変化層の前記被検体側の表面上において複数個設けられており、前記制御手段は、前記形状変化層に印加する前記電気信号の制御を、前記超音波振動子アレイの配列方向の超音波の収束と連動させ、かつ前記超音波振動子アレイの配列方向と直交する方向に前記形状変化層の形状を変化させて、超音波を収束又は拡散を可変する超音波探触子を有する構成を採る。

本発明によれば、電気信号を印加して形状変化層の形状を変化させることにより、診断の深さ方向の超音波ビームを広い領域で細く収束することが可能となり、高分解能の診断画像を得ることができる。また、形状変形層を任意の形状に可変することにより、超音波ビームの収束又は拡散を自由に可変することができ、高分解能の診断画像を得ることができる。

また、本発明によれば、電気信号を印加して形状変化層の形状を変化させることにより、簡単な構成で小型、軽量でしかも超音波ビームを３次元に走査することができ、高分解能の超音波画像を得ることができる。

従来の超音波トランスデューサを示す概略断面図 従来の超音波トランスデューサの構成を示す概略図 本発明の実施の形態１に係る超音波トランスデューサの概略構成を示す断面図 本発明の実施の形態２に係る超音波トランスデューサの概略構成を示す斜視図 本発明の実施の形態３に係る超音波トランスデューサの概略構成を示す断面図 本発明の実施の形態４に係る超音波トランスデューサの概略構成を示す図 本発明の実施の形態５に係る超音波トランスデューサの概略構成を示す斜視図 本発明の実施の形態６に係る超音波探触子の概略構成を示す断面図 本発明の実施の形態７に係る超音波トランスデューサの概略構成を示す断面図 本発明の実施の形態８に係る超音波トランスデューサの概略構成を示す斜視図 本発明の実施の形態９に係る超音波トランスデューサの概略構成を示す断面図 本発明の実施の形態１０に係る超音波トランスデューサの概略構成を示す図 本発明の実施の形態１１に係る超音波探触子の概略構成を示す断面図 本発明の実施の形態１２に係る超音波トランスデューサの概略構成を示す断面図 上記実施の形態１２に係る超音波トランスデューサの概略構成を示す斜視図 本発明の実施の形態１３に係る超音波トランスデューサの概略構成を示す断面図 本発明の実施の形態１４に係る超音波探触子の概略構成を示す断面図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（実施の形態１）
図３は、本発明の実施の形態１に係る超音波トランスデューサの概略構成を示す断面図である。

図３に示すように、超音波トランスデューサ１００は、超音波振動子１１０と、形状変化層１２０と、背面負荷材１３０と、形状変化層１２０の両面に配置された電極（第１電極）１４１，（第２電極）１４２と、電極１４１，１４２間に電気信号を印加する可変電源１４０とを備えて構成される。

また、必要に応じて超音波振動子１１０と形状変化層１２０の間に１層以上の音響マッチング層（図示せず）を設けてもよい。形状変化層１２０以外のこれら各構成要素のそれぞれの機能は、図１の従来技術で説明したものと同様である。

超音波振動子１１０は、ＰＺＴ系のような圧電セラミックス、ＰＺＮ−ＰＴ、ＰＭＮ−ＰＴ系のような圧電単結晶、又は前記材料と高分子を複合した複合圧電体などの材料からなる。また、このほかにシリコン半導体にマイクロマシン技術を用いて加工した静電容量型もあり、ここでいう超音波振動子１１０は、超音波を送受信できる超音波センサであればこれらに限定されるものではない。

超音波振動子１１０の厚さ方向の前面には、図示しない接地電極と、背面には信号用電極がそれぞれ設けられている。両電極は、金や銀の蒸着、スパッタリング、あるいは銀の
焼き付け等により超音波振動子１１０の前面、背面にそれぞれ形成される。

形状変化層１２０は、超音波振動子１１０に対応して被検体側（図３の右方）となる厚さ方向前面に配置され超音波ビームを収束若しくは拡散の機能を有する。

形状変化層１２０は、音速が被検体、例えば生体の音速（１５４０ｍ／ｓ．）と違う値を有していれば超音波ビームを任意の距離に焦点を設定して収束することができるし、また拡散もさせることができる。これは形状変化層１２０の音速と、被検体の音速とに音速差をもたせることによりその境界で超音波は屈折するため、この屈折を利用してレンズ機能を持たせることができる。例えば、生体の音速（１５４０ｍ／ｓ．）より形状変化層１２０の音速が遅い場合に、超音波ビーム１５１，１５２を任意の距離に焦点を持たせて収束させる場合には、形状変化層１２０の被検体側表面の形状は凸面形状になり、形状変化層１２０の音速が早ければその逆の凹面形状になる。この形状変化層１２０が音響レンズの機能を有する。

また、形状変化層１２０の音響インピーダンス（密度×音速）は被検体(生体）の値（
約１．６ＭＲａｙｌｓ）に近い値を有することが好ましいが、超音波振動子１１０と被検体との間を有する音響インピーダンスを有する値でも良い。

従来、一般的に音響レンズには、シリコーンゴム材料が用いられた構成をしており、この材料の音速は、約１０００ｍ／ｓ．であるので超音波ビーム１５１，１５２を任意の距離に焦点を持たせて絞る場合の表面形状は凸面になる。この形状は固定の曲率を持たせており、この形状によりある距離に焦点を持たせた固定した超音波ビーム１５１若しくは１５２のどちらか１ヶ所に収束されることになっている。

本実施の形態では、形状変化層１２０は、電気信号により被検体側の形状を任意に可変できる材料を用いる。形状変化層１２０の両面には、電極１４１，１４２を設け、電極１４１，１４２間に電気信号（ここでは電圧）を印加する。可変電源１４０は、電極１４１，１４２間に印加する電圧を調整する。これにより、形状変化層１２０の形状を変化させて超音波ビーム１５１，１５２の収束、あるいは拡散をコントロールする。

形状変化層１２０の材料として、イオン導電性高分子ポリマー、誘電型ポリマー、及び導電性ポリマーなどの高分子に印加する電気信号により高分子が変形する材料を用いる。

イオン導電性高分子ポリマーは、イオン交換樹脂とその両面に電極を設けたポリマーアクチュエータであり、印加する電圧によりイオン交換樹脂内のイオンが移動して、移動したイオン側が膨潤して高分子が変形する。このポリマーアクチュエータには、ポリエチレン、ポリスチレン、フッ素樹脂などにスルホン酸基、カルボキシル基などの官能基が導入されたものや、特許文献５に記載されているようにポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）やポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）やポリウレタンなどの非導電性高分子とイオン性物質とが含有された高分子の材料などがある。

また、誘電型ポリマーは、ポリマーの両面に電極を設け電極間に電圧を印加することにより、その電極間の静電引力でポリマーが厚み方向に圧縮されてポリマーの平面方向に伸長して変形する。この誘電型ポリマーには、シリコーンゴムやポリウレタンやアクリルエラストマーなどの材料がある。

また、導電性ポリマーは、導電性を有したポリマーから電気端子を取り出し、その電気端子に電圧を印加すると電気端子間の導電性ポリマーが収縮し、印加電圧をオフにすると元に戻る。この誘電型導電性ポリマーには、ポリピロール樹脂などがある。

また、上記材料以外にも電気信号によりポリマー材が変形する他の材料であれば良く、上記材料に限定するものではない。

ここで、上記電気信号の電気は、主に電圧調整であるが、電流調整も可能である。また、上記電気信号の信号は、電圧を可変、あるいは印加するタイミングなどを可変することを含めて信号と表現した。

背面負荷材１３０は、超音波振動子１１０を背面から機械的に保持し、かつ必要に応じて不要な超音波信号を減衰させる機能を有する必要に応じて超音波振動子１１０に対して形状変化層１２０の反対側となる厚さ方向背面（図３の左方）に配置される。

次に、形状変化層１２０として上記の誘電型ポリマーであるシリコーンゴムを用いた場合、超音波ビームの焦点の距離ｆとシリコーンゴムの曲率半径Ｒは、次式（１）で示される。

ｆ＝Ｒ／（（Ｃ２／Ｃ１）−１）） …（１）
ここで、Ｃ１はシリコーンゴムの音速、Ｃ２は被検体（生体）の音速を示す。シリコーンゴムの音速Ｃ１は約１０００ｍ／ｓ．であり、また被検体の音速は１５４０ｍ／ｓ．である。シリコーンゴムの形状変化層１２０の幅（図３では上下方向）を５ｍｍとして、形状変化層１２０の最大となる厚み（図３では超音波ビームの進行方向）Ｈとすると、超音波ビームの収束する焦点距離ｆを５０ｍｍにするには、変化層の曲率半径Ｒは上記計算式から約２７ｍｍとなり、厚みＨは０．１１６ｍｍになる。

この状態から、可変電源１４０は、形状変化層１２０の電極１４１，１４２間に電圧を印加する。形状変化層１２０は、印加電圧の電気信号に対応して形状が変化し曲率半径を可変する。

例えば、超音波ビームの収束の焦点距離ｆを２０ｍｍにするには、形状変化層の曲率半径Ｒは、上記式（１）から約１１ｍｍとなり、厚みＨは０．２８８ｍｍとなる。この曲率半径の変化は、可変電源１４０により印加電圧を調整する。

この誘電型ポリマーは、電極１４１，１４２間に電圧を印加することにより、静電引力により厚み方向に圧縮されて変形する。例えば、誘電型ポリマーは、曲率半径が約１１ｍｍ、厚みＨが０．２８８ｍｍの状態で、電極１４１，１４２間に電圧を印加しない状態にしておき、この形状から前記電極間に電圧を印加して静電引力により形状を変形させて厚みを薄くする。この場合、この誘電型ポリマーは、曲率半径を約２７ｍｍにすることが可能となる。この誘電型ポリマーは、印加電圧と形状変化は比例関係にあり、印加電圧が高いと形状変化の度合いも大きくなる特性を有している。

このように、形状変化層１２０に印加する電圧を可変することにより、超音波ビームの収束する焦点距離を任意に可変することができ、また形状変化層１２０自体の変形であるため、高速に可変することができる。

以上、形状変化層１２０としてシリコーンゴムを用いた場合について説明した。

シリコーンゴム以外の材料を用いることも可能である。例えば、イオン導電性高分子ポリマー、誘電型ポリマー、及び導電性ポリマーなどの高分子の材料を用いることができ、この場合の曲率半径は、形状変化層１２０の材料の音速の値に対応して変化させるようにすればよい。

なお、イオン導電性高分子ポリマーとして用いられるポリマーアクチュエータには、ポリエチレン、ポリスチレン、フッ素樹脂などは被検体（生体）の音速１５４０ｍ／ｓ．より速く２０００ｍ／ｓ．前後になるため、超音波ビームを収束させるためには、表面の形状は凹面形状になる。

以上詳細に説明したように、本実施の形態の超音波トランスデューサ１００は、超音波振動子１１０と、超音波振動子の被検体側に設けられ、電気信号により形状が変化する形状変化層１２０と、形状変化層１２０の両面に配置された電極１４１，１４２と、電極１４１，１４２間に電気信号を印加する可変電源１４０とを備え、可変電源１４０は、電極１４１，１４２間に印加する電気信号を制御することにより、形状変化層１２０の形状を変化させて、超音波ビームの収束又は拡散を可変する。形状変化層１２０の形状が変化し、その結果として形状変化層の被検体側の表面の曲面が変化するため、形状変化層１２０を伝播する超音波ビームの収束する焦点距離は、任意に可変することができる。

また、拡散もできるため、超音波画像の深さ方向で広い領域で超音波ビームを細く収束することが可能になり、超音波画像の高分解能化が可能になる。

さらに、形状変化層１２０に印加する電圧の可変を高速にすることにより、実時間で超音波画像の高分解能化も可能となる。

しかも、変形は形状変化層１２０だけであり、超音波振動子１１０、背面負荷材１３０若しくは必要に応じて設ける音響マッチング層は変化させることなく固定した構成にできる。このため、超音波振動子１１０、背面負荷材１３０若しくは必要に応じて設ける音響マッチング層は、変形させる材料に制限することもないため、高性能な特性を有したトランスデューサを構成することができる。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２に係る超音波トランスデューサの概略構成を示す斜視図である。図３と同一機能部分には同一符号を付して重複箇所の説明を省略する。

図４に示すように、超音波トランスデューサ２００は、配列された複数の超音波振動子１１０と、各超音波振動子１１０に対応して被検体側（図４の右側）となる厚さ方向前面に配置された音響マッチング層１７０と、必要に応じて超音波振動子１１０に対して音響マッチング層１７０の反対側となる厚さ方向背面（図４の左側）に配置された背面負荷材１３０とを備える。また、超音波トランスデューサ２００は、音響マッチング層１７０上に配置された形状変化層１２０と、形状変化層１２０の両面に配置された電極１４１，１４２と、電極１４１，１４２間に電気信号を印加する可変電源１４０とを備える。これらの構成は、いわゆる電子走査型超音波トランスデューサと呼称される。

超音波振動子１１０は、ＰＺＴ系のような圧電セラミックス、ＰＺＮ−ＰＴ、ＰＭＮ−ＰＴ系のような圧電体若しくはこれら圧電体と高分子材料を複合した複合圧電体によって形成される。また、このほかにシリコン半導体にマイクロマシン技術を用いて加工した静電容量型もあり、ここでいう超音波振動子１１０は、超音波を送受信できる超音波センサであればこれらに限定されるものではない。

超音波振動子１１０の前面には、接地用電極（図示略）が形成され、超音波振動子１１０の背面には信号用電極（図示略）が形成されている。接地用電極及び信号用電極は、それぞれ金や銀のメッキ、蒸着、スパッタリング、あるいは銀の焼き付けなどによって形成される。上記信号用電極は、ポリイミドなどの高分子材料によって構成される絶縁性フィ
ルムに銅などの金属膜が披着された信号用電気端子１６０が挿着されている。上記信号用電極は、超音波振動子１１０に形成されている接地用電極から、前記信号用電気端子１６０と同じように接地用電気端子（図示略）と接続する。

以下、上述のように構成された超音波トランスデューサ２００の動作について説明する。

超音波振動子１１０に形成された信号用電極は、信号用電気端子１６０を介して、また、超音波振動子１１０の接地電極を介して、それぞれ不図示のケーブルの一端に電気的に接続され、これらのケーブルのそれぞれの他端はコネクタなどを介して不図示の超音波診断装置の本体部に接続される。これによって、超音波診断装置の本体部で作られるパルス電圧を超音波振動子１１０に印加して超音波を送信し、また、受信した超音波のエコーを電気信号に変換して超音波診断装置の本体部に送信する。この主流となっている一方式として、配列した超音波振動子１１０のそれぞれに送受信する時間の遅延をかけて位相制御して超音波ビームを所望の位置に絞り高分解能化したり、あるいは超音波ビームを偏向したりして扇形状に走査する方式が一般的になっている。

形状変化層１２０は、配列された複数の超音波振動子１１０と直交する方向に対して超音波ビームを収束させて超音波画像の分解能を向上させる機能を有する。形状変化層１２０は、形状変化層１２０の音速が被検体（例えば生体）の音速（１５４０ｍ／ｓ．）と違う値であれば、超音波ビーム１５０を任意の距離に焦点を設定して収束することができるし、また拡散もさせることができる。これは形状変化層１２０の音速と被検体の音速差をもたせることによりその境界で超音波は屈折するため、この屈折を利用してレンズ機能を持たせることができることによる。例えば、生体の音速（１５４０ｍ／ｓ．）より形状変化層１２０の音速が遅い場合に、超音波ビーム１５０を任意の距離に焦点を持たせて収束する場合には形状変化層１２０の被検体側表面の形状は凸面形状になり、形状変化層１２０の音速が早ければその逆の凹面形状になる。

従来、一般的にシリコーンゴム材料を用いた音響レンズがこの機能に相当する。この材料の音速は、約１０００ｍ／ｓ．であるので超音波ビームを任意の距離に焦点を持たせて収束する場合には表面形状は凸面になる。音響レンズの形状は、固定の曲率を持たせており、この形状によりある距離に焦点を持たせた固定した超音波ビーム１５０の絞られ方になっている。

本実施の形態では、形状変化層１２０は、電気信号により被検体側の形状を任意に可変できる材料を用いる。形状変化層１２０の両面には、電極１４１，１４２を設け、電極１４１，１４２間に電気信号（ここでは電圧）を印加する。可変電源１４０は、電極１４１，１４２間に印加する電圧を調整する。形状変化層１２０は、電圧と変化度合いは、ほぼ比例関係にあり、電圧が高くなると変形度合いは大きくなる特性を有している。これにより、形状変化層１２０の形状を変化させて超音波ビーム１５０の収束をコントロール、あるいは拡散をコントロールする。

形状変化層１２０の材料として、実施の形態１と同様に、イオン導電性高分子ポリマー、誘電型ポリマー、及び導電性ポリマーなどの高分子に印加する電気信号により高分子が変形する材料を用いる。

図４に示すように、形状変化層１２０は、超音波振動子１１０の配列方向（図中、左下から右上方向）と直交する方向（図中上下方向）に曲面形状を設けており（言い換えると、超音波振動子１１０の配列方向（図中、左下と右上を結ぶ方向）と直交する方向（図中上下方向）の軸と、超音波の送受信方向の軸とを含む平面状で曲線を描くようにして、曲
面を形成している）、形状変化層１２０の電極１４１，１４２間に印加する電圧を可変に対応して曲率半径が変化し、その曲面に対して所望の位置に収束させた超音波ビーム１５０を調整することができる。一方、超音波振動子１１０の配列方向は、超音波振動子１１０のそれぞれに送受信する時間の遅延をかけて位相制御して超音波ビームを所望の位置に収束することを調整することができる。超音波振動子１１０アレイの配列方向は、送信の場合には、任意の位置に超音波診断装置で関心領域に切り換えることができる。

このように、関心領域を高分解能の診断画像を得るようにして診断の確率を高めるための使用方法がある。

そこで更なる高分解能の診断像を可能にするために、本実施の形態では、超音波振動子１１０アレイの配列方向と直交する方向に、形状変化層１２０の形状を変化させる。また、超音波振動子１１０アレイの配列方向は、送信の超音波の収束ビームの切り換えに連動させる。これらにより、関心領域に超音波ビームを収束させる。２次元に超音波ビームを収束させることができるため、更なる高分解能の超音波画像を得ることができることになる。

また、電極１４１，１４２間に電気信号を印加する可変電源１４０は、超音波診断装置の送信の超音波ビームの収束する位置の切り換えと連動するように接続するようにすれば良い。

すなわち、超音波診断装置の送信の超音波ビーム１５０の収束する位置の切り換えは、特に診断する関心領域を高分解能化して診断確率を高めるために通常行われている操作である。超音波振動子１１０の配列方向は、超音波振動子１１０のそれぞれに送受信する時間の遅延をかけて位相制御して超音波ビームを所望の位置に収束する。これに連動して超音波振動子１１０の配列方向と直交する方向の形状変化層１２０で超音波ビーム１５０を収束する方向についても、診断する関心領域に１箇所若しくは複数個所に収束させる。これにより更なる高分解能の超音波画像を得ることが可能となる。

ここで、超音波振動子１１０アレイの配列方向の超音波ビームは送信の場合について説明したが、これに限定するものではなく、受信側あるいは送信、受信の両方に連動して、形状変化層１２０の形状を変化させ超音波ビーム１５０の収束を可変するようにしても同様の効果を得ることができる。

例えば、形状変化層１２０としてシリコーンゴムを用いた場合について説明する。

超音波ビーム１５０の焦点の距離ｆとシリコーンゴムの曲率半径Ｒは、前記式（１）で示される。

前記式（１）のＣ１はシリコーンゴムの音速、Ｃ２は被検体（生体）の音速を示す。シリコーンゴムの音速Ｃ１は約１０００ｍ／ｓ．であり、また被検体の音速は１５４０ｍ／ｓ．である。シリコーンゴムの形状変化層１２０の幅（図４では超音波振動子１１０の配列方向と直行する方向）を５ｍｍとして、形状変化層１２０の厚み（図４では超音波ビームの進行方向）Ｈとすると、超音波ビームの収束させる焦点距離ｆを５０ｍｍにするには、変化層の曲率半径Ｒは前記式（１）から約２７ｍｍとなり、厚みＨは０．１１６ｍｍになる。

この状態から、可変電源１４０は、形状変化層１２０の電極１４１，１４２間に電圧を印加する。形状変化層１２０は、印加電圧の電気信号に対応して形状が変化し曲率半径を可変する。

例えば、超音波ビームの収束の焦点距離ｆを２０ｍｍにするには、形状変化層の曲率半径Ｒは、前記式（１）から約１１ｍｍとなり、厚みＨは０．２８８ｍｍとなる。この曲率半径の変化は、可変電源１４０により印加電圧を調整する。

この誘電型ポリマーは、電極１４１，１４２間に電圧を印加することにより、静電引力により厚み方向に圧縮されて変形する。例えば、誘電型ポリマーは、曲率半径が約１１ｍｍ、厚みＨが０．２８８ｍｍの状態で、電極１４１，１４２間に電圧を印加しない状態にしておき、この形状から前記電極間に電圧を印加して静電引力により形状を変形させて厚みを薄くする。この場合、この誘電型ポリマーは、曲率半径を約２７ｍｍにすることが可能となる。この誘電型ポリマーは、印加電圧と形状変化は比例関係にあり、印加電圧が高いと形状変化の度合いも大きくなる特性を有している。

このように、形状変化層１２０に印加する電圧を可変することにより、超音波ビームの収束する焦点距離を任意に可変することができ、また形状変化層１２０自体の変形であるため、高速に可変することができる。

以上、形状変化層１２０としてシリコーンゴムを用いた場合について説明した。

シリコーンゴム以外の材料を用いることも可能である。例えば、イオン導電性高分子ポリマー、誘電型ポリマー、及び導電性ポリマーなどの高分子の材料を用いることができ、この場合の曲率半径は、形状変化層１２０の材料の音速の値に対応して変化させるようにすればよい。

なお、イオン導電性高分子ポリマーとして用いられるポリマーアクチュエータは、ポリエチレン、ポリスチレン、フッ素樹脂などは被検体（生体）の音速１５４０ｍ／ｓ．より、速く２０００ｍ／ｓ．前後になるため、超音波ビーム１５０を収束させるために、表面の形状は凹面形状になる。

このように、本実施の形態によれば、実施の形態１と同様に、形状変化層１２０に印加する電圧を可変することにより形状変化層１２０の形状が変化し、その結果として形状変化層１２０の被検体側の表面の曲面が変化する。これにより、形状変化層１２０を伝播する超音波ビーム１５０は、任意に可変することができる。このため、超音波画像の深さ方向で広い領域で超音波ビームを細く収束することが可能になり、超音波画像の高分解能化が可能になる。

また、形状変化層１２０に印加する電圧の可変を高速にすることにより、実時間で超音波画像の高分解能化も可能となる。

しかも、変形は形状変化層１２０だけであり、超音波振動子１１０、背面負荷材１３０若しくは必要に応じて設ける音響マッチング層１７０は変化させることなく固定した構成にできる。このため、超音波振動子１１０、背面負荷材１３０若しくは必要に応じて設ける音響マッチング層１７０は、変形させる材料に制限することもないため、高性能な特性を有したトランスデューサを構成することができる。

また、超音波診断装置の１断面画像を取得するときに、形状変化層１２０に印加する電圧を複数回可変して超音波ビームの収束する焦点位置を複数に可変できるように制御することにより、更なる高分解能の超音波画像を得ることが可能となる。

本実施の形態では、超音波診断装置を使用するとき診断する領域、例えば診断したい深
さを高分解能の診断画像にするための一手法として、超音波振動子１１０の配列方向では電子走査し、送信の超音波ビームを収束する深さを切り替えることができる。超音波振動子１１０の配列方向と直交する音響レンズによる超音波ビームを収束する深さは、従来は固定で可変することができなかった。これに対し、本実施の形態では、超音波ビームを収束する深さを任意に可変することができるので、超音波診断装置の送信の超音波ビーム１５０を絞る深さに連動させて、超音波振動子１１０の配列方向と直交する方向も超音波ビーム１５０を収束あるいは拡散させるようにすることも可能となる。

なお、本実施の形態は、超音波振動子１１０が１次元に配列した構成に形状変化層１２０を設けた場合について説明したが、超音波振動子１１０が２次元に配列した構成に形状変化層１２０を設けた場合にも同様に適用できる。例えば、超音波振動子１１０が２次元に配列した構成として、図４に示す超音波振動子１１０が図中上下複数個に分割された構成とする場合は、上記と同様の図４の上下方向だけでなく、この方向に直交する図中左下と右上を結ぶ方向と、超音波の送受信方向の軸とを含む平面状で曲線を描くようにして、曲面を形成することでも同様の効果を得ることができる。

（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３に係る超音波トランスデューサの概略構成を示す断面図である。図３と同一構成部分には同一符号を付して重複箇所の説明を省略する。

図５に示すように、超音波トランスデューサ３００は、超音波振動子１１０と、形状変化層１２０と、背面負荷材１３０と、形状変化層１２０の両面に配置された電極１４１，１４２と、電極１４１，１４２間に電気信号を印加する可変電源１４０と、形状変化層１２０の前面に配置された音響レンズ１８０とを備えて構成される。

また、必要に応じて超音波振動子１１０と形状変化層１２０の間に１層以上の音響マッチング層（図示せず）を設けてもよい。形状変化層１２０以外のこれら各構成要素のそれぞれの機能は、図１の従来技術で説明したものと同様である。

超音波振動子１１０は、ＰＺＴ系のような圧電セラミックス、ＰＺＮ−ＰＴ、ＰＭＮ−ＰＴ系のような圧電単結晶、又は前記材料と高分子を複合した複合圧電体などの材料からなる。また、このほかにシリコン半導体にマイクロマシン技術を用いて加工した静電容量型もあり、ここでいう超音波振動子１１０は、超音波を送受信できる超音波センサであればこれらに限定されるものではない。

超音波振動子１１０の厚さ方向の前面には、図示しない接地電極と、背面には信号用電極がそれぞれ設けられている。両電極は、金や銀の蒸着、スパッタリング、あるいは銀の焼き付け等により超音波振動子１１０の前面、背面にそれぞれ形成される。

形状変化層１２０は、超音波ビーム１５１，１５２を任意の距離に焦点を設定して収束することを補助する機能を持たせ、超音波ビーム１５１，１５２を任意の距離に焦点を設定して収束させる機能は音響レンズ１８０に持たせる構成とする。

すなわち、音響レンズ１８０は、例えばシリコーンゴムなどの材料を使用して一定の形状に構成させる。この場合には音響レンズ１８０の形状の曲率に対応してある距離に超音波ビーム１５１か１５２に収束される。

本実施の形態では、形状変化層１２０は、電気信号により被検体側の形状を任意に可変できる材料を用いる。形状変化層１２０の両面には、電極１４１，１４２を設け、電極１４１，１４２間に電気信号（ここでは電圧）を印加する。可変電源１４０は、電極１４１
，１４２間に印加する電圧を調整する。これにより、形状変化層１２０は変形する。この変形に追従して前面に設けている音響レンズ１８０も変形することにより、音響レンズ１８０の曲率が可変することになる。音響レンズ１８０の曲率の変形に対応して超音波ビーム１５１，１５２の収束される焦点距離が可変できることになる。

形状変化層１２０の材料として、実施の形態１と同様に、イオン導電性高分子ポリマー、誘電型ポリマー、及び導電性ポリマーなどの高分子に印加する電気信号により高分子が変形する材料を用いる。

なお、ここに用いる形状変化層１２０は、音響レンズ１８０を変形させて曲率を可変する機能を有する。このため、実施の形態１のように、被検体(生体）の音速と違う値であ
る必要はなく、被検体とほぼ同じ音速を有する値でも良く、音速の制限はない。また、形状変化層１２０の音響インピーダンス（密度×音速）は、音響レンズ１８０の値（約１．４-１.６ＭＲａｙｌｓ）に近い値を有することが好ましいが、超音波振動子１１０と被検体との間を有する音響インピーダンスを有する値でも良い。

このように、本実施の形態の超音波トランスデューサ３００は、形状変化層１２０の被検体側に、超音波を収束させる音響レンズ１８０を備える。実施の形態１と同様に、形状変化層１２０に印加する電圧を可変することにより形状変化層１２０の形状が変化し、その結果として形状変化層１２０の前面に設けた音響レンズ１８０の曲面が変化する。音響レンズ１８０を伝播する超音波ビームは、任意に可変することができるため、超音波画像の深さ方向で広い領域で超音波ビームを細く収束することが可能になる。その結果、超音波画像の高分解能化が可能になるとともに、形状変化層１２０に印加する電圧の可変を高速にすることにより、実時間で超音波画像の高分解能化も可能となる。

しかも、物理的な変形部分は形状変化層１２０と音響レンズ１８０だけであり、超音波振動子１１０、背面負荷材１３０若しくは必要に応じて設ける音響マッチング層は変化させることなく固定した構成にできる。このため、超音波振動子１１０、背面負荷材１３０若しくは必要に応じて設ける音響マッチング層は、変形させる材料に制限することもないため、高性能な特性を有した超音波トランスデューサ３００を構成することができる。

なお、本実施の形態では、形状変化層１２０の被検体側表面の形状が凸面にしている場合について説明したが、このほか、形状変化層１２０の被検体側表面の形状が形状変化層１２０音響レンズ１８０と被検体との音速の関係から凹面形状にしても同様の効果が得られる。

なお、本実施の形態では、超音波振動子１１０が単一の構成ついて説明したが、超音波振動子１１０が１次元に配列した構成若しくは２次元に配列した構成に形状変化層１２０を設けた場合についても同様の効果を得ることができる。

また、超音波振動子１１０が均一の厚みで平坦な形状に形状変化層１２０の被検体側表面に設けた場合について説明したが、超音波振動子１１０が不均一の厚みであっても、また凸面、凹面形状に形状変化層１２０の被検体側表面に設けも同様の効果を得ることができる。

（実施の形態４）
図６は、本発明の実施の形態４に係る超音波トランスデューサの概略構成を示す図であり、図６Ａはその断面図、図６Ｂはその正面図を示す。

図６Ａに示すように、超音波トランスデューサ４００は、超音波振動子４１０と、形状
変化層４２０と、背面負荷材４３０と、形状変化層４２０の超音波振動子４１０側に配置された電極４４１と、形状変化層４２０の凸面形状側に設けられた複数個の電極４１１〜４１３からなる電極４１４と、電極４４１と複数個の電極４１１〜４１３間に電気信号を印加する可変電源４４０とを備えて構成される。

超音波トランスデューサ４００は、複数個の電極４１１〜４１３からなる電極４１４を備える。

図６Ｂに示すように、形状変化層４２０の凸面形状側に設けられた複数個の電極４１１〜４１３は、形状変化層４２０の凸面形状の先頭に電極４１１を配置し、電極４１１を中心として同心円状に、電極４１２，４１３を配置する。

可変電源４４０は、電極４４１と複数個の電極４１１〜４１３間に印加する電気信号（ここでは電圧）を調整する。可変電源４４０は、それぞれの電極４１１，４１２，４１３に印加する電圧は、別々に任意に可変することができる。

以上の構成において、可変電源４４０は、例えば形状変化層４２０の電極４４１と対向する電極４１１間に所定電圧を印加する。対向する領域の形状変化層４２０は、形状が変化するのに対し、その他の電極４１２，４１３の領域の形状変化層４２０は、その領域部分では、独自に形状を変化する力は働かず、形状を維持しようとする（形状変化層４２０のうち形状が変化する電極４１１に対抗する領域の周辺のみ影響を受けるが、基本的には形状を維持する。）。このようにして、電極４１１の領域の曲面を変形させることができる。同様に、電極４１２，４１３に印加する電圧を、それぞれ可変することにより、形状変化層４２０の該当領域を任意に変化させることができる。したがって形状変化層４２０は音響レンズの機能を有することになり、しかも形状を可変させることにより、任意の距離に超音波ビームを収束することが可能となる。

図６の構成によれば、単純な１つの中心点を持つ曲率の曲面だけではなく、非球面のような色々な形状曲面を構成することができるため、所望の超音波ビームをしかも形状変化層４２０に印加する電圧を可変することで高速に可変できることになる。

なお、本実施の形態において、複数個の電極４１１，４１２，４１３を凸面形状側に設けたが、電極４４１を弾力性のある導電性材料で構成する、あるいは電極面内に渦巻状等の切込みを入れて、変形可能な構成とすることで、位置関係を入れ替えても良い。

（実施の形態５）
図７は、実施の形態５に係る超音波トランスデューサの概略構成を示す斜視図である。図４と同一構成部分には同一符号を付して重複箇所の説明を省略する。

図７に示すように、超音波トランスデューサ５００は、図４の超音波トランスデューサ２００の形状変化層１２０の凸面形状側の電極１４２に代えて、複数個の電極５１１〜５１３からなる電極５１０を備える。

電子走査型の超音波トランスデューサ５００は、複数配列した超音波振動子１１０の被検体側に設けた音響マッチング層１７０の前面に形状変化層１２０を設ける。そして、形状変化層１２０の一方の面には電極１４１を設け、他方の凸面形状側には複数個の電極５１１〜５１３からなる電極５１０を、超音波振動子１１０の配列方向に帯状に設ける。形状変化層１２０は、音響レンズの機能を有し、超音波振動子１１０の配列方向と直交する方向の超音波ビームを収束させる。

以上の構成において、可変電源４４０は、例えば形状変化層１２０の電極１４１と対向する電極５１１の部分に電圧を印加する。対向している領域の形状変化層１２０が変形し、電極５１１の部分の表面の形状（個々では曲面）が変化する。同様に、電極５１２，５１３に印加する電圧を、それぞれ可変することにより、形状変化層１２０の該当領域を任意に変化させることができる。

図７の構成は、図４の構成の装置のように、単純な１つの中心点を持つ曲率の曲面だけではなく、非球面のような色々な形状曲面を構成することができる。超音波トランスデューサ５００は、電極１４１と複数個の電極５１１〜５１３間に印加する電圧を任意に調整することで、関心領域を診断するときにその領域に形状変化層１２０を形状変化させて超音波ビームを収束することができるなど、所望の超音波ビームを高速に可変することができる。

このように形状変化層１２０の変形により超音波ビームの集束位置を任意に可変する操作は、配列した超音波振動子１１０方向の電子的な制御と連動している。この連動した制御により、更なる高分解能の超音波画像を得ることができる。

また、形状変化層１２０に設けた複数個の電極５１１は配列した超音波振動子１１０方向と直交する方向に設けた場合について説明したが、このほか、配列した超音波振動子１１０方向に対して複数個電極５１１を設けて、配列方向の超音波振動子１１０の任意の位置あるいは領域だけ形状変化層１２０を変形させて超音波ビームの集束位置を可変することも可能である。更に２次元に分割した複数個に電極５１１を設けても同様の効果を得ることができる。

（実施の形態６）
図８は、本発明の実施の形態６に係る超音波探触子の概略構成を示す断面図である。図３と同一構成部分には同一符号を付して重複箇所の説明を省略する。

図８に示すように、超音波探触子６００は、円筒形状の筐体６１０と、筐体６１０に内包された超音波トランスデューサ１００と、筐体６１０内と超音波トランスデューサ１００間を充填する超音波伝播媒質６２０とを備えて構成される。

超音波トランスデューサ１００は、実施の形態１で説明した構成と同じで、機能も同一である。実施の形態１の超音波トランスデューサ１００に代えて、実施の形態２乃至５の超音波トランスデューサ２００，３００，４００，５００を適用してもよい。

筐体６１０は、被検体と直接若しくは間接的に接触する。筐体６１０は、被検体に近い音響インピーダンスを有する材料（例えば、ポリエチレン、ポリメチルペンテンなど）を用いる。

超音波伝播媒質６２０は、筐体６１０と同様の被検体に近い音響インピーダンスを有する材料（例えば１,３ブタンジオールやオイル系の液体）を用いる。

超音波トランスデューサ１００の超音波振動子１１０により発生した超音波は、形状変化層１２０、超音波伝播媒質６２０そして筐体６１０を透過して被検体に送信される。被検体から反射してきた超音波は、再び送信と逆の経路を通って超音波振動子１１０で受信される。

超音波探触子６００は、このような超音波トランスデューサ１００を、超音波伝播媒質６２０を介在して筐体６１０に内包する。

本実施の形態によれば、形状変化層１２０に電圧を印加して形状変化層１２０の形状を変化させる場合、形状変化層１２０が直接被検体に接触して使用するときのように形状変化層１２０の変形が妨げられることがなくなり、所望の超音波ビームを高速に可変できて形成することができるようになる。

また、超音波トランスデューサ１００を機械的に回転、往復運動若しくは揺動させて走査する構成の超音波探触子６００に適用することも可能である。

なお、本実施の形態では、超音波振動子１１０が単一の構成ついて説明したが、このほか、超音波振動子１１０が１次元に配列した構成若しくは２次元に配列した構成に形状変化層１２０を設けた場合についても同様の効果を得ることができる。

また、超音波振動子１１０が均一の厚みで平坦な形状に形状変化層１２０の被検体側表面に設けた場合について説明したが、このほか、超音波振動子１１０が不均一の厚みであっても、また凸面、凹面形状に形状変化層１２０の被検体側表面に設けも同様の効果を得ることができる。

なお、上記各実施の形態は、形状変化層１２０の表面の形状が単一の曲面の場合について説明したが、形状変化層１２０の表面の形状の曲面が場所によって曲率半径が変わるいわゆる非球面、非曲面の形状若しくは、フレネルレンズのような曲率だけを平面上に並べた形状であっても同様の効果を得ることができる。

また一方、上記各実施の形態において、各電極に電圧を印加した場合、形状変化層１２０（４２０）は、その厚みにより同じ電圧を印加しても場所により変化量が異なる。

例えば、図７において、形状変化層１２０の中央部（電極５１１の領域）よりも形状変化層１２０の端部周辺（電極５１３の領域）のほうが、厚みが薄いため変化量が大きくなり、電極５１３の電極５１２側に近い領域の厚さは、電極５１２、電極５１３の領域の厚さに近づくことより、この間の曲率半径が大きくなる。一方、電極５１１の領域においては、形状変化層１２０の端部のエッジ部に着目すれば、当初電圧が印加されていないときよりも局所的に大きく湾曲することになり、曲率半径が小さくなる。

このように、形状変化層１２０の中央部と周辺部での曲率半径が異なることより、焦点を１箇所に絞るのが難しくなるが、複数配列した超音波振動子１１０の個々の長さを、両端をカットして短くし形状変化層１２０の中央部を中心に超音波を送信できるようにすることで、焦点を絞りやすくできる。また、当初より、複数の超音波振動子をマトリックス状に２次元に構成することで、超音波を送信したとき、中央部と周辺部とで、複数の焦点を構成することができる。

なお、形状変化層１２０の中央部（電極５１１の領域）だけ、あるいは形状変化層１２０の端部周辺（電極５１３の領域）だけというように、部分的に電圧をかける、あるいは、それぞれ異なる電圧をかけることで、変化量を場所ごとに任意に設定でき、これに合わせて複数の焦点を得ることができる。

また、形状変化層１２０の被検体側に設けた電極１４２，５１０は、その分割数をさらに多くし、ひとつの電極が占める面積を小さくするほど、より精密に形状変化層１２０の被検体側表面の形状を制御できるようになることは言うまでもない。

また、上記各実施の形態では、形状変化層１２０の被検体側に設けた電極１４２，４１
０，５１０が被検体に直接接触するような構成の場合について説明したが、電極１４２，５１０と被検体との間に形状変化層１２０の変形に追従するようなフィルムなどの絶縁体を設けても同様の効果を得ることができる。

また、形状変化層１２０の被検体側表面の形状が凸面にしている場合について説明したが、このほか、形状変化層１２０の被検体側表面の形状が形状変化層１２０と被検体との音速の関係から凹面形状にしても同様の効果を得ることができる。

さらに、超音波振動子１１０が均一の厚みで平坦な形状に形状変化層１２０の被検体側表面に設けた場合について説明したが、このほか、超音波振動子１１０が不均一の厚みであっても、また凸面、凹面形状に形状変化層１２０の被検体側表面に設けも同様の効果を得ることができる。

（実施の形態７）
図９は、本発明の実施の形態７に係る超音波トランスデューサの概略構成を示す断面図である。

図９に示すように、超音波トランスデューサ７００は、超音波振動子７１０と、形状変化層７２０と、背面負荷材７３０と、形状変化層７２０の両面に配置された電極７４１，７４２と、電極７４１，７４２間に電気信号を印加する可変電源７４０とを備えて構成される。

また、必要に応じて超音波振動子７１０と形状変化層７２０の間に１層以上の音響マッチング層（図示せず）を設けてもよい。形状変化層７２０以外のこれら各構成要素のそれぞれの機能は、図１の従来技術で説明したものと同様である。

超音波振動子７１０は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）系のような圧電セラミックス、ＰＺＮ−ＰＴ、ＰＭＮ−ＰＴ系のような圧電単結晶、又は前記材料と高分子を複合した複合圧電体などの材料からなる。また、このほかにシリコン半導体にマイクロマシン技術を用いて加工した静電容量型もあり、ここでいう超音波振動子７１０は、超音波を送受信できる超音波センサであればこれらに限定されるものではない。

超音波振動子７１０の厚さ方向の前面には、図示しない接地電極と、背面には信号用電極がそれぞれ設けられている。両電極は、金や銀の蒸着、スパッタリング、あるいは銀の焼き付け等により超音波振動子７１０の前面、背面にそれぞれ形成される。

形状変化層７２０は、超音波振動子７１０に対応して被検体側（図９の上方）となる厚さ方向前面に配置され超音波ビームの方向を可変する機能を有する。

形状変化層７２０は、音速が被検体、例えば生体の音速（１５４０ｍ／ｓ．）と違う値を有していれば、形状変化層７２０と被検体との境界で屈折して超音波ビーム７５１，７５２，７５３を任意の方向に可変することができる。これは形状変化層７２０の音速と被検体の音速とに差をもたせることによりその境界で超音波は屈折する。この屈折を利用して形状変化層７２０の形状を変化させて超音波ビーム７５１，７５２，７５３の方向を制御することができる。

本実施の形態では、形状変化層７２０は、電気信号により被検体側の形状を任意に可変できる材料を用いる。形状変化層７２０の両面には、電極７４１，７４２を設け、電極７４１，７４２間に電気信号（ここでは電圧）を印加する。可変電源７４０は、電極７４１，７４２間に印加する電圧を調整する。これにより、形状変化層７２０の形状を変化させ
て超音波ビーム７５１，７５２，７５３の方向を可変する。

形状変化層７２０の材料として、イオン導電性高分子ポリマー、誘電型ポリマー、及び導電性ポリマーなどの高分子に印加する電気信号により高分子が変形する材料を用いる。

イオン導電性高分子ポリマーは、イオン交換樹脂とその両面に電極を設けたポリマーアクチュエータであり、印加する電圧によりイオン交換樹脂内のイオンが移動して、移動したイオン側が膨潤して高分子が変形する。このポリマーアクチュエータには、ポリエチレン、ポリスチレン、フッ素樹脂などにスルホン酸基、カルボキシル基などの官能基が導入されたものや、特許文献３に記載されているようにポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）やポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）やポリウレタンなどの非導電性高分子とイオン性物質とが含有された高分子の材料などがある。

また、誘電型ポリマーは、ポリマーの両面に電極を設け電極間に電圧を印加することにより、その電極間の静電引力でポリマーが厚み方向に圧縮されてポリマーの平面方向に伸長して変形する。この誘電型ポリマーには、シリコーンゴムやポリウレタンやアクリルエラストマーなどの材料がある。

また、導電性ポリマーは、導電性を有したポリマーから電気端子を取り出し、その電気端子に電圧を印加すると電気端子間の導電性ポリマーが収縮し、印加電圧をオフにすると元に戻る。この導電性ポリマーには、ポリピロール樹脂などがある。

また、上記材料以外にも電気信号によりポリマー材が変形する他の材料であれば良く、上記材料に限定するものではない。

ここで、上記電気信号の電気は、主に電圧調整であるが、電流調整も可能である。また、上記電気信号の信号は、電圧を可変、あるいは印加するタイミングなどを可変することを含めて信号と表現した。

背面負荷材７３０は、超音波振動子７１０を背面から機械的に保持し、かつ必要に応じて不要な超音波信号を減衰させる機能を有する必要に応じて超音波振動子７１０に対して形状変化層７２０の反対側となる厚さ方向背面（図９の下方）に配置される。

次に、形状変化層７２０の方向可変動作について説明する。

形状変化層７２０は、形状変化層７２０の音速が被検体、例えば生体の音速（１５４０ｍ／ｓ．）と違う値を有していれば形状変化層７２０と被検体との境界で屈折して超音波ビーム７５１，７５２，７５３を任意の方向に可変することができる。例えば、形状変化層７２０の材料としてポリエチレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）やポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）などの音速は、生体の音速より速く、約２０００ｍ／ｓ．前後であり、また、シリコーンゴムは逆に生体の音速より遅く、約１０００ｍ／ｓ．前後である。

超音波の屈折の関係は、公知のようにスネルの法則によって算出することができる。２つの媒体の音速Ｃ１とＣ２を有する境界で超音波は、音速Ｃ１媒体から音速Ｃ２媒体に入射する超音波の屈折の関係は、次式（２）に表される。

Ｃ１／sinθi＝Ｃ２／sinθｔ …（２）
θiは、音速Ｃ１の媒体から入射する角度、θｔは、音速Ｃ２の媒体に入射する角度を
示す。

例えば、形状変化層７２０の音速Ｃ１が誘電型ポリマーとして音速が約１０００ｍ／ｓ．の値を有するシリコーンゴムを使用した場合と、イオン導電性高分子ポリマーの音速が約２０００ｍ／ｓ．の値を有するポリエチレン、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）などを使用し、音速Ｃ２が約１５４０ｍ／ｓ．を有する被検体として生体を対象にした場合、上記式（２）より算出することができる。

図９Ａに示すように、形状変化層７２０に印加電圧が無い場合、伝播する超音波ビーム７５１は、形状変化層７２０と被検体の境界面に対してほぼ直角であり、屈折することなく直進する。

一方、図９Ｂ，Ｃに示すように、形状変化層７２０の電極７４１，７４２に電気信号電圧を印加して制御することにより形状変化層１２０を変化させて被検体の境界面に傾斜を設けさせると超音波ビーム７５２、７５３は屈折して進行方向を可変させることができる。

例えば、形状変化層７２０の被検体側の面が超音波振動子７１０から超音波が形状変化層７２０に直進して伝播して形状変化層７２０の被検体側表面の形状が超音波ビーム７５１の直進方向に対して２０度傾斜した場合、形状変化層７２０の音速Ｃ１が約１０００ｍ／ｓ．、約２０００ｍ／ｓ．の超音波ビームが屈折して進行するそれぞれの角度θは、約３１．８度、約１５．３度となる。したがって、図９Ａの場合の超音波ビーム７５１が直進する方向に対して、それぞれ形状変化層７２０の角度２０度の傾斜を持たせることによって超音波ビーム７５２、７５３の進行方向を可変することができる。すなわち、形状変化層７２０の傾斜角度と材料の音速により超音波の進行方向を可変することができる。

このように、形状変化層７２０に印加する電気信号を調整することにより傾斜角度を任意に可変させることができる。また、形状変化層７２０の電極７４１，７４２に印加する電気信号を制御して形状変化層７２０の傾斜面を可変させるように操作することにより超音波ビーム７５１，７５２，７５３のように角度を可変して走査することができる。

この走査する超音波ビーム７５１、７５２、７５３の角度は、形状変化層７２０の表面の傾斜角を印加電圧を可変することで前記のような約３１．８度、約１５．３度より広くすることも可能である。

また、任意の方向に超音波ビームを被検体に送受信した後、形状変化層７２０の電極７４１，７４２に印加する電圧を可変して形状を変化させて超音波ビームの方向を可変して違う方向で被検体に送受信する、ことを繰り返し行うことにより、被検体の断層像を構築できることになる。このような制御は超音波診断装置本体部で行うことにより実現できる。

形状変化層７２０の被検体側の面の形状を可変する方法の一つとして、形状変化層７２０の一方の面に設けた電極、図９では電極７４２を複数個設けてそれぞれの電極７４２に印加する電気信号、例えば電圧を可変することにより可能にすることができる。例えば、形状変化層７２０にイオン導電性高分子ポリマーを用いた場合には、電極７４１，７４２に印加する電圧によりイオンが移動して、移動したイオン側が膨潤して変形する大きさが変わるため、この電圧をそれぞれの電極７４２に印加する電圧を可変することにより、それぞれの電極７４２に位置する領域の形状変化層７２０の部分の変形量を変えることが可能である。このことにより形状変化層７２０の被検体側の面を任意に可変できることになる。これは誘電型ポリマー、導電性ポリマーを用いた場合についても同じことがいえる。但し、形状変化層７２０に設けた電極７４１，７４２は、超音波が伝播するときに影響な
いような厚み（例えば影響しないほど薄くする）にすることを考慮しておく必要がある。

また、形状変化層７２０は、図９の構成から明らかのように超音波が伝播する材料であるのでこの材料を設けたことによる影響、例えば多重反射などを最小限にする必要がある。そのために望まれるのは、形状変化層７２０の音響インピーダンスは、被検体に近いたとえば生体の音響インピーダンスの値をおおよそ１．４〜１．６５メガレールを有することが望ましい。しかし、音響インピーダンスが被検体の値とかけ離れた場合においても、超音波振動子７１０と被検体の間を有する音響インピーダンスであれば、その形状変化層７２０の前後に音響整合層を設けることにより多重反射を低減することができる。このため、形状変化層７２０の音響インピーダンスは、超音波振動子７１０と被検体の間の値を有するものでも良い。

このように、本実施の形態の超音波トランスデューサ７００は、超音波振動子７１０と、超音波振動子の被検体側に設けられ、電気信号により形状が変化する形状変化層７２０と、形状変化層７２０の両面に配置された電極７４１，７４２と、電極７４１，７４２間に電気信号を印加する可変電源７４０とを備え、可変電源７４０は、電極７４１，７４２間に印加する電気信号を制御することにより、形状変化層７２０の被検体側の表面形状が変化させて、形状変化層７２０を伝播する超音波ビーム方向を任意に可変する。形状変化層７２０の形状が変化し、その結果として形状変化層７２０の被検体側の超音波ビームの方向が変化する。超音波ビームを任意の角度で走査できるため、２次元の超音波画像を取得することができ、従来のような機械的な走査は必要なく、モータも不必要であり、小型軽量で操作性良好な超音波画像を得ることができる。

また、電極７４２の構成を変え、あるいは複数の電極を構成し、それぞれの電極に印加する電圧を制御することにより、形状変化層７２０を１次元方向だけではなく、２次元の方向にも形状を変化させることも可能である。この構成によれば、３次元に超音波ビームを走査することも可能になり、３次元の超音波画像を構築することも容易にできる。

さらに、形状変化層７２０は、電気的に可変することが可能であり、かつ可変時間も機械式より高速にできるため、実時間での超音波画像を得ることも可能となる。このため、形状変化層７２０に印加する電圧の可変を高速にすることにより、実時間で超音波画像の高分解能化も可能となる。

しかも、変形は形状変化層７２０だけであり、超音波振動子７１０、背面負荷材７３０若しくは必要に応じて設ける音響マッチング層は変化させることなく固定した構成にできる。このため、超音波振動子７１０、背面負荷材７３０若しくは必要に応じて設ける音響マッチング層は、変形させる材料に制限することもないため、高性能な特性を有したトランスデューサを構成することができる。

（実施の形態８）
図１０は、本発明の実施の形態８に係る超音波トランスデューサの概略構成を示す斜視図である。図９と同一構成部分には同一符号を付して重複箇所の説明を省略する。なお、図１０中のＡの方向から見た図が図９の断面図である。

図１０に示すように、超音波トランスデューサ７００ａは、配列された複数の超音波振動子７１０と、各超音波振動子７１０に対応して被検体側（図１０の右側）となる厚さ方向前面に配置された音響マッチング層７７０と、必要に応じて超音波振動子７１０に対して音響マッチング層７７０の反対側となる厚さ方向背面（図１０の左側）に配置された背面負荷材７３０と、音響マッチング層７７０上に配置された形状変化層７２０と、形状変化層７２０の両面に配置された電極７４１，７４２と、電極７４１，７４２間に電気信号
を印加する可変電源７４０とを備えて構成される。これらの構成は、いわゆる電子走査型超音波トランスデューサと呼称される。

超音波振動子７１０は、ＰＺＴ系のような圧電セラミックス、ＰＺＮ−ＰＴ、ＰＭＮ−ＰＴ系のような圧電体若しくはこれら圧電体と高分子材料を複合した複合圧電体によって形成される。また、このほかにシリコン半導体にマイクロマシン技術を用いて加工した静電容量型もあり、ここでいう超音波振動子７１０は、超音波を送受信できる超音波センサであればこれらに限定されるものではない。

超音波振動子７１０の前面には、接地用電極（図示略）が形成され、超音波振動子７１０の背面には信号用電極（図示略）が形成されている。接地用電極及び信号用電極は、それぞれ金や銀のメッキ、蒸着、スパッタリング、あるいは銀の焼き付けなどによって形成される。上記信号用電極は、ポリイミドなどの高分子材料によって構成される絶縁性フィルムに銅などの金属膜が披着された信号用電気端子７６０が挿着されている。上記信号用電極は、超音波振動子７１０に形成されている接地用電極から、前記信号用電気端子７６０と同じように接地用電気端子（図示略）と接続する。

以下、上述のように構成された超音波トランスデューサ７００ａの動作について説明する。

超音波振動子７１０に形成された信号用電極は、信号用電気端子７６０を介して、また、超音波振動子７１０の接地電極を介して、それぞれ不図示のケーブルの一端に電気的に接続され、これらのケーブルのそれぞれの他端はコネクタなどを介して不図示の超音波診断装置の本体部に接続される。これによって、超音波診断装置の本体部で作られるパルス電圧を超音波振動子７１０に印加して超音波を発信し、また、受信した超音波のエコーを電気信号に変換して超音波診断装置の本体部に送信する。この主流となっている一方式として、配列した超音波振動子７１０のそれぞれに送受信する時間の遅延をかけて位相制御して超音波ビームを所望の位置に絞り高分解能化したり、あるいは超音波ビームを偏向したりして扇形状に走査する方式が一般的になっている。

これらの超音波ビームを所望の位置に収束するあるいは超音波ビームの方向を可変する方向は、超音波振動子７１０の配列方向に対して制御することになる。

形状変化層７２０は、形状変化層７２０の音速が被検体、例えば生体の音速（１５４０ｍ／ｓ．）と違う値を有していれば、形状変化層７２０と被検体との境界で屈折して超音波ビーム７５０を任意の方向に可変することができる。実施の形態１７で説明したように、形状変化層７２０の音速と、被検体の音速とに差をもたせることによりその境界で超音波は屈折するため、この屈折を利用して形状変化層７２０の形状を変化させて超音波ビーム７５０の方向を制御する。形状変化層１２０は超音波ビームの方向を可変する機能を有し、超音波振動子１１０の配列方向と直交する方向の超音波ビーム方向を可変させる。

本実施の形態では、形状変化層７２０は、電気信号により被検体側の形状を任意に可変できる材料を用いる。形状変化層７２０の両面には、電極７４１，７４２を設け、電極７４１，７４２間に電気信号（ここでは電圧）を印加する。可変電源７４０は、電極７４１，７４２間に印加する電圧を調整する。これにより、形状変化層７２０の形状を可変させて超音波ビーム７５０の方向をコントロールする。

形状変化層７２０の被検体側の電極７４２は、複数設けている。これら電極７４２は、超音波振動子７１０を配列した方向に延伸されており、超音波振動子７１０の配列方向と直交する方向の電極７４２は複数個に分割されている。それぞれの電極７４２に印加する
電気信号の電圧は可変できるようになっており、この印加電圧を変化させることで形状変化層７２０の被検体側の面を超音波振動子７１０の配列方向と直交する方向に変形させ、図９Ａの変形前の状態から図９Ｂ，Ｃに示すように変形させて傾斜させることが可能になる。

なお、形状変化層７２０の被検体側に設ける電極７４２を複数個設ける構成としたが、被検体側と反対側に複数個電極を設けた構成にしても良い。

また、形状変化層７２０の一方に設けた電極７４２を超音波振動子７１０の配列方向に延伸しその直交方向に複数個設けた構成にしたが、電極７４２を２次元の配列した構成にすることにより、これら電極に印加する電圧を制御することで２次元に超音波ビームの方向を可変制御できることになる。例えば、配列した超音波振動子７１０の両端の超音波ビームの方向を違う方向にすることもできる。また、診断画像の関心領域を抽出したい場合、超音波トランスデューサ７００を移動しないで超音波ビーム７５０の方向を可変することで可能となる。

ここで、形状変化層７２０の音速が被検体の音速と違う材料を用いることで、形状変化層７２０の表面を傾斜させることにより、超音波ビーム７５０を超音波振動子７１０の配列方向と直交する方向に可変し走査することが可能となる。

例えば、形状変化層７２０にイオン導電性高分子ポリマーを用いた場合には、電極７４１，７４２に印加する電圧によりイオンが移動して、移動したイオン側が膨潤して高分子が変形する大きさが変わるため、この電圧をそれぞれの電極７４２に印加する電圧を可変することによりそれぞれの電極７４２に位置する領域の形状変化層７２０の部分の変形量を変えることが可能であり、このことにより形状変化層７２０の被検体側の面を任意に可変できることになる。これは誘電型ポリマー、導電性ポリマーを用いた場合についても同じことがいえる。形状変化層７２０に設けた電極７４１，７４２は超音波が伝播するときに影響ないような厚みにすることを考慮しておく必要がある。

また、形状変化層７２０は、図１０の構成から明らかのように超音波が伝播する材料であるのでこの材料を設けたことによる影響、例えば多重反射などを最小限にする必要がある。そのために望まれるのは、形状変化層７２０の音響インピーダンスは、被検体に近いたとえば生体の音響インピーダンスの値をおおよそ１．４〜１．６５メガレールを有することが望ましい。

このように、超音波振動子７１０の配列方向と直交する方向に形状変化層７２０を変形させることにより超音波ビーム７５０の方向を可変走査できるため、超音波振動子７１０の配列方向と直交する方向においても超音波画像を得ることができ、超音波振動子７１０の配列方向の電子走査で取得する超音波画像と併せることにより３次元の超音波画像を得ることができる。

超音波診断装置などの本体部は、超音波ビーム７５０の方向可変するための形状変化層７２０の両面の電極に印加する電圧の制御を行う。本体部は、配列した複数のある群の超音波振動子７１０のそれぞれに送受信する時間の遅延をかけて位相制御して超音波ビームを送受信する。本体部は、上記位相制御を順次電子的に切り換えて走査し、所望の超音波断層像を１断面得る。その後、本体部は、形状変化層７２０の各電極に制御した電圧を印加して配列した超音波振動子７１０と直交する方向に超音波ビーム方向を可変するように制御する。このような走査を繰り返すことにより、３次元的な超音波画像を構築することが可能となる。このような制御は、超音波診断装置本体で容易に行うことができ、しかも形状変化層７２０の変形速度は高速にできることも可能であり、実時間での３次元画像を
得ることも可能となる。

従来のような複数個配列した超音波振動子７１０の電子走査型超音波トランスデューサをモータなどで超音波トランスデューサを往復運動、揺動運動などさせていた構成に対して、本実施の形態は、モータなどの駆動系及びそれを伝達する伝達系は不要であり、しかも超音波トランスデューサは、殆ど動くことがなく形状変化層７２０のみの変形だけである。小型で軽量、しかも電気端子やそれに接続されるケーブルなど可動することがなく、また機構なども不要であるため寿命も長くなるなど信頼性が高い長所を有している。

（実施の形態９）
図１１は、本発明の実施の形態９に係る超音波トランスデューサの概略構成を示す断面図である。図９と同一構成部分には同一符号を付して重複箇所の説明を省略する。

図１１に示すように、超音波トランスデューサ７００ｂは、超音波振動子７１０と、形状変化層７２０Ａ，７２０Ｂ，７２０Ｃと、背面負荷材７３０と、形状変化層７２０Ａ，７２０Ｂ，７２０Ｃの両面に配置された電極７４１，７４２と、電極７４１，７４２間に電気信号を印加する可変電源７４０とを備えて構成される。

また、必要に応じて超音波振動子７１０と形状変化層７２０Ａ，７２０Ｂ，７２０Ｃの間に１層以上の音響マッチング層（図示せず）を設けてもよい。形状変化層７２０Ａ，７２０Ｂ，７２０Ｃ以外のこれら各構成要素のそれぞれの機能は、図１の従来技術で説明したものと同様である。

超音波振動子７１０は、ＰＺＴ系のような圧電セラミックス、ＰＺＮ−ＰＴ、ＰＭＮ−ＰＴ系のような圧電単結晶、又は前記材料と高分子を複合した複合圧電体などの材料からなる。

超音波振動子７１０の厚さ方向の前面には、図示しない接地電極と、背面には信号用電極がそれぞれ設けられている。両電極は、金や銀の蒸着、スパッタリング、あるいは銀の焼き付け等により超音波振動子７１０の前面、背面にそれぞれ形成される。

形状変化層７２０Ａ，７２０Ｂ，７２０Ｃは、超音波振動子７１０に対応して被検体側（図１１の上方）となる厚さ方向前面に配置され超音波ビームの方向を可変する機能を有する。

形状変化層７２０Ａ，７２０Ｂ，７２０Ｃは、図９の形状変化層７２０の機能と同じであり、被検体の音速と形状変化層７２０Ａ，７２０Ｂ，７２０Ｃの音速が違うということを有効に利用して超音波ビームの方向を可変する。

さらに、本実施の形態の形状変化層７２０Ａ，７２０Ｂ，７２０Ｃは、被検体の任意の深さに超音波ビームを収束させる機能を付加している。以下、具体的に説明する。

図１１Ａ−Ｃに示すように、形状変化層７２０Ａ，７２０Ｂ，７２０Ｃの被検体側の面の状態は、曲面形状を有する。

図１１Ａに示すように、超音波ビーム７５１を直進させ、任意の深さに収束させる場合には、形状変化層７２０Ａの被検体側の面は、単一の曲率半径を持たせるような形状にすればよい。形状変化層７２０Ａ表面の曲面形状は、形状変化層７２０Ａの音速と被検体の音速差で凹面形状あるいは凸面形状にすることにより超音波ビームを収束することができる。例えば、形状変化層７２０Ａの音速が被検体の音速より遅い値の場合には、超音波ビ
ームを収束させるには形状は凸面になり、逆に形状変化層の音速が速い場合には凹面形状になる。この機能は実施の形態１にて詳細に説明した内容と同じである。

これを図１１Ｂ，Ｃに示すように、超音波ビーム７５２，７５３の方向を可変させて、かつ超音波ビーム７５２，７５３を任意の深さに収束させる場合には、形状変化層７２０Ｂ，７２０Ｃの被検体側の面の曲面は、曲率半径が位置によって徐々に可変するような形状にする。

このように形状変化層７２０Ａ，７２０Ｂ，７２０Ｃの被検体側の表面形状の可変は、形状変化層７２０の一方の電極、ここでは電極７４２を複数個に分割して、それぞれの電極に印加する電気信号である電圧を制御することにより可能となる。このように形状変化層７２０の形状を変形させることで超音波ビームの収束と方向の可変を行うためには、精度よく変形させることが必要になってくる。変形を精度良く行うためには、複数個設けている電極７４２の数を増やし、また電極の形状、更にそれぞれの電極に印加する電圧の制御精度良く行うということも考慮する必要がある。

例えば、形状変化層７２０Ａ，７２０Ｂ，７２０Ｃにイオン導電性高分子ポリマーを用いた場合には、電極７４１，７４２に印加する電圧によりイオンが移動して、移動したイオン側が膨潤して高分子が変形する大きさが変わる。このため、この電圧をそれぞれの電極７４２に印加する電圧を可変することによりそれぞれの電極１４２に位置する領域の形状変化層７２０Ａ，７２０Ｂ，７２０Ｃの部分の変形量を変えることが可能である。

このことにより形状変化層７２０Ａ，７２０Ｂ，７２０Ｃの被検体側の面を任意に可変できることになる。誘電型ポリマー、導電性ポリマーを用いた場合についても同じことがいえる。但し、形状変化層７２０Ａ，７２０Ｂ，７２０Ｃに設けた電極７４１，７４２は超音波が伝播するときに影響ないような厚みにすることを考慮しておく必要がある。

また、形状変化層７２０に用いる色々な材料はあるが、これらの材料はそれぞれ印加電圧と変形量に違いがあるので、使用する材料によって印加電圧を最適化する必要がある。

また、形状変化層７２０Ａ，７２０Ｂ，７２０Ｃは、超音波が伝播する材料であるので、この材料を設けたことによる影響、例えば多重反射などを最小限にする必要がある。そのために望まれるのは、形状変化層７２０Ａ，７２０Ｂ，７２０Ｃの音響インピーダンスは、被検体に近いたとえば生体の音響インピーダンスの値をおおよそ１．４〜１．６５メガレールを有することが望ましい。

なお、本実施の形態では、超音波振動子７１０が単一の構成の場合について説明したが、超音波振動子７１０が複数個配列した電子走査型の構成やリング状に超音波振動子を配列したいわゆるアニュラーアレイ型の構成についても同様の効果を得ることができる。

（実施の形態１０）
図１２は、本発明の実施の形態１０に係る超音波トランスデューサの概略構成を示す断面図である。図９と同一構成部分には同一符号を付して重複箇所の説明を省略する。

図１２に示すように、超音波トランスデューサ７００ｃは、超音波振動子７１０と、形状変化層７２０と、背面負荷材７３０と、形状変化層７２０の両面に配置された電極７４１，７４２と、電極７４１，７４２間に電気信号を印加する可変電源７４０と、形状変化層７２０の前面に配置された音響レンズ７８０とを備えて構成される。

また、必要に応じて超音波振動子７１０と形状変化層７２０の間に１層以上の音響マッ
チング層（図示せず）を設けてもよい。形状変化層７２０以外のこれら各構成要素のそれぞれの機能は、図１の従来技術で説明したものと同様である。

超音波振動子７１０は、ＰＺＴ系のような圧電セラミックス、ＰＺＮ−ＰＴ、ＰＭＮ−ＰＴ系のような圧電単結晶、又は前記材料と高分子を複合した複合圧電体などの材料からなる。

超音波振動子７１０の厚さ方向の前面には、図示しない接地電極と、背面には信号用電極がそれぞれ設けられている。両電極は、金や銀の蒸着、スパッタリング、あるいは銀の焼き付け等により超音波振動子７１０の前面、背面にそれぞれ形成される。

音響レンズ７８０は、超音波ビームを任意の深さに収束させる。音響レンズ７８０は、例えばシリコーンゴムなどの材料を使用して一定の形状に形成される。

形状変化層７２０は、電気信号により被検体側の形状を任意に可変できる材料を用いる。形状変化層７２０の両面には、電極７４１，７４２を設け、電極７４１，７４２間に電気信号（ここでは電圧）を印加する。可変電源７４０は、電極７４１，７４２間に印加する電圧を調整する。

形状変化層７２０としては、イオン導電性高分子ポリマー、誘電型ポリマー、及び導電性ポリマーなどの高分子に印加する電気信号により高分子が変形する材料を用いる。形状変化層７２０は、前記形状変化層７２０の音速が被検体、例えば生体の音速（１５４０ｍ／ｓ．）と違う値を有していれば形状変化層７２０と被検体との境界で屈折して超音波ビーム７５１，７５２，７５３を任意の方向に可変することができる。これは形状変化層７２０の音速と、被検体の音速とに音速差をもたせることによりその境界で超音波は屈折するため、この屈折を利用して形状変化層７２０の形状を変化させて超音波ビーム７５１，７５２，７５３の方向を可変することができる。

しかし、超音波ビーム７５１，７５２，７５３の進行方向の可変は可能であるものの、これを超音波画像とした場合は、超音波ビーム７５１，７５２，７５３は収束していないため、高分解能化は難しい。そこで超音波ビーム７５１，７５２，７５３を収束する機能を有する音響レンズ７８０を形状変化層７２０の被検体側に設ける。

このような構成にすることにより、形状変化層７２０が、超音波ビーム７５１，７５２，７５３の方向を可変する機能を有し、音響レンズ７８０が、超音波ビーム７５１，７５２，７５３を収束する機能を持つ。これにより、超音波トランスデューサ７００ｃは、高分解能の超音波画像を得ることが可能となる。

また、形状変化層７２０は、超音波が伝播する材料であるのでこの材料を設けたことによる影響、例えば多重反射などを最小限にする必要がある。そのために望まれるのは、形状変化層７２０の音響インピーダンスは、音響レンズ７８０若しくは被検体（例えば生体）に近い音響インピーダンスの値をおおよそ１．４〜１．６５メガレールを有することが望ましい。

以上のように、形状変化層７２０に印加する電圧を可変することにより形状変化層７２０の形状が変化し、その結果として形状変化層７２０の被検体側の表面状態が変化するため、形状変化層７２０を伝播する超音波ビーム方向を任意の角度に可変走査することができる。また、形状変化層７２０の前面に超音波ビームを収束する音響レンズ７８０を設けているため、２次元の高分解能の超音波画像を取得することができる。従来のような機械的な走査ではないため、モータも不必要であり、小型軽量で操作性良好な超音波画像を得
ることができる。

また、電極７４２の構成を変えることにより、形状変化層７２０を１次元方向だけではなく、２次元の方向にも形状を変化させることも可能である。この構成によれば、３次元に超音波ビームを走査することも可能になり、３次元の超音波画像を構築することも容易にできる。

さらに、形状変化層７２０を電気的に可変することが可能であり可変時間も機械式より高速にできるため、実時間での超音波画像を得ることも可能となる。

なお、本実施の形態は、形状変化層７２０の音響インピーダンスが音響レンズ７８０若しくは被検体の音響インピーダンスに近い値を有する場合について説明したが、形状変化層７２０の音響インピーダンスの値が被検体と違う値の材料の場合には、形状変化層７２０と音響レンズ７８０の間に音響マッチング層を設けた構成にしても同様の効果を得ることができる。

なお、本実施の形態は、形状変化層７２０を超音波振動子７１０に直接設けた構成の場合について説明したが、形状変化層７２０は間接的つまり超音波振動子に直接接触しないで間に超音波伝播媒質などを介在した構成についても同様の効果を得ることができる。

なお、本実施の形態は、超音波振動子７１０が単一の構成の場合について説明したが、超音波振動子７１０が複数個配列した電子走査型の構成や、リング状に超音波振動子を複数設けたいわゆるアニュラーアレイ型の構成についても同様の効果を得ることができる。

（実施の形態１１）
図１３は、本発明の実施の形態１１に係る超音波探触子の概略構成を示す断面図である。図９と同一構成部分には同一符号を付して重複箇所の説明を省略する。

図１３に示すように、超音波探触子８００は、円筒形状の筐体６１０と、筐体６１０に内包された超音波トランスデューサ７００と、筐体６１０内と超音波トランスデューサ７００間を充填する超音波伝播媒質６２０とを備えて構成される。

超音波トランスデューサ７００は、実施の形態７で説明した構成と同じで、機能も同一である。実施の形態７の超音波トランスデューサ７００に代えて、実施の形態７乃至１０の超音波トランスデューサ７００ａ，７００ｂ，７００ｃを適用してもよい。

筐体６１０は、被検体と直接若しくは間接的に接触する。筐体６１０は、被検体に近い音響インピーダンスを有する材料（例えば、ポリエチレン、ポリメチルペンテンなど）を用いる。

超音波伝播媒質６２０は、筐体６１０と同様の被検体に近い音響インピーダンスを有する材料（例えば１，３ブタンジオールやオイル形の液体）を用いる。

超音波トランスデューサ７００の超音波振動子７１０により発生した超音波は、形状変化層７２０、超音波伝播媒質６２０そして筐体６１０を透過して被検体に送信される。被検体から反射してきた超音波は、再び送信と逆の経路を通って超音波振動子７１０で受信される。

超音波探触子８００は、このような超音波トランスデューサ７００を、超音波伝播媒質６２０を介在して筐体６１０に内包する。

本実施の形態によれば、形状変化層７２０に電圧を印加して形状変化層７２０の形状を変化させる場合、形状変化層７２０が直接被検体に接触して使用するときのように形状変化層７２０の変形が妨げられることがなくなり、所望の超音波ビーム７５１，７５２，７５３を高速に可変走査できて形成することができるようになる。

また、超音波トランスデューサ７００を機械的に回転、往復運動若しくは揺動させて走査する構成の超音波探触子８００に適用することも可能である。

なお、本実施の形態では、超音波振動子７１０が単一の構成ついて説明したが、このほか、超音波振動子７１０が１次元に配列した構成若しくは２次元に配列した構成に形状変化層７２０を設けた場合についても同様の効果を得ることができる。

また、上記各実施の形態１乃至１１では、形状変化層７２０の被検体側に設けた電極７４２が被検体に直接接触するような構成の場合について説明したが、電極７４２と被検体との間に形状変化層７２０の変形に追従するようなフィルムなどの絶縁体を設けて保護するような構成にしても同様の効果を得ることができる。

また、上記各実施の形態では、超音波振動子７１０が均一の厚みで平坦な形状に形状変化層７２０の被検体側表面に設けた場合について説明したが、超音波振動子７１０が不均一の厚みであっても、また凸面，凹面形状に形状変化層７２０の被検体側表面に設けも同様の効果を得ることができる。

また、上記各実施の形態では、形状変化層７２０の音響インピーダンスが被検体の音響インピーダンスに近い値を有する場合について説明したが、このほか形状変化層７２０の音響インピーダンスの値が、被検体と違う値の材料の場合には、形状変化層７２０と被検体の間に音響マッチング層を設けた構成にしても同様の効果を得ることができる。

また、上記各実施の形態では、形状変化層７２０超音波振動子７１０に直接設けた構成の場合について説明したが、形状変化層７２０は、間接的つまり超音波振動子に直接接触しないで間に超音波伝播媒質などを介在した構成についても同様の効果を得ることができる。

（実施の形態１２）
図１４は、本発明の実施の形態１２に係る超音波トランスデューサの概略断面図である。

図１４に示すように、超音波トランスデューサ７００ｄは、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）系のような圧電セラミックス、ＰＺＮ-ＰＴ（亜鉛ニオブ酸チタン酸鉛）、ＰＭＮ-ＰＴ（マグネシウムニオブ酸チタン酸鉛）系のような圧電単結晶、又は前記材料と高分子を複合した複合圧電体などからなる。

また、このほかにシリコン半導体にマイクロマシン技術を用いて加工した静電容量型もあり、ここでいう超音波振動子７１０は、超音波を送受信できる超音波センサであればこれらに限定されるものではない。

これらの材料の、超音波を送受信する超音波振動子７１０と、超音波振動子７１０において、被検体側（図１４の上方）とは反対の側、つまり超音波の送受信方向に関しては背面側（図１４の下方）に配置され超音波振動子７１０の向きを可変する機能を有する形状変化層７２０と、更に形状変化層７２０の背面には、超音波振動子７１０と形状変化層７
２０を保持し、かつ必要に応じて不要な超音波信号を減衰させる機能を有する背面負荷材７３０から構成されている。また、必要に応じて超音波振動子７１０の被検体側の面には、１層以上の音響マッチング層と音響レンズ(図示略）を設けても良い。形状変化層７２
０の上下面には、電極７４１，７４２を設けている。形状変化層７２０以外のこれら各構成要素のそれぞれの機能は、図１の従来技術で説明したものと同様である。

超音波振動子７１０の厚さ方向の前面には図示していない接地電極と、背面には信号用電極がそれぞれ設けられている。両電極は、金や銀の蒸着、スパッタリング、あるいは銀の焼き付け等により超音波振動子７１０の前面、背面にそれぞれ形成される。

形状変化層７２０は、イオン導電性高分子ポリマー、誘電型ポリマー、及び導電性ポリマーなどの高分子に印加する電気信号により高分子が変形する材料を用いる。

イオン導電性高分子ポリマーは、イオン交換樹脂とその両面に電極７４１，７４２を設けたポリマーアクチュエータで、印加する電圧によりイオンが移動して、移動したイオン側が膨潤して高分子が変形する。イオン導電性高分子ポリマーは、ポリエチレン、ポリスチレン、フッ素樹脂などにスルホン酸基、カルボキシル基などの官能基が導入されたものや、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）やポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）やポリウレタンなどの非導電性高分子とイオン性物質とが含有された高分子の材料などがある。

また、誘電型ポリマーの両面に電極７４１，７４２を設け、電極間に電圧を印加する。誘電型ポリマーは、その電極間の静電引力で厚み方向に圧縮されてポリマーの平面方向に伸長して変形する。誘電型ポリマーは、シリコーンゴムやポリウレタンやアクリルエラストマーなどの材料がある。

また、導電性ポリマーは、導電性を有したポリマーから電気端子を取り出し、その電気端子に電圧を印加する。導電性ポリマーは、電気端子間で収縮し、印加電圧をオフにするともとに戻る。導電性ポリマーは、ポリピロール樹脂などがある。また、上記材料以外にも電気信号によりポリマー材が変形する他の材料であれば良く、上記材料に限定するものではない。

なお、このほか、ポリマーに電気信号を印加することにより変形する特性を有するポリマーアクチュエータであれば上記材料に限定するものではなく同様の効果が得られる。

形状変化層７２０の電極７４１，７４２に印加する電気信号である電圧を印加しない状態は、図１４Ａに示すように変形しない状態で均一の厚みの形状になっており、このような状態で超音波振動子７１０に電気信号を印加すると、超音波振動子７１０は振動して超音波が発生し被検体側に超音波ビーム７５１が直進して送信される。

図１４Ａに示す状態において、形状変化層１２の電極７４１，７４２に電気信号の電圧を印加する。これにより、形状変化層７２０は、例えばイオン導電性高分子ポリマーを使用した場合には、ポリマー内でイオンの移動が発生して、イオンが移動した側のポリマー部は膨張して形状変化層７２０に変形が起こる。この機能を利用することで、図１４Ｂ，Ｃに示すように、形状変化層７２０の電極７４１，７４２に印加する電圧を可変調整する。これにより、形状変化層７２０を変形させて超音波振動子７１０側の面を傾斜させることが可能となる。

形状変化層７２０に印加する電圧と変形量は、ほぼ比例関係にあり、印加電圧を高くすると変形量が大きくなる。印加電圧の値を調整することにより形状変化層７２０の変形量を調整することができる。このため、形状変化層７２０の前面に設けている超音波振動子
７１０が形状変化層７２０の変形に追従して傾斜させることが可能となる。その結果、超音波ビーム７５１は、図１４Ｂ，Ｃに示すように超音波ビーム７５２，７５３のように方向を可変することができる。

このように形状変化層７２０を電圧によって変形させることが可能になる。超音波ビーム７５１，７５２，７５３の方向を２次元あるいは３次元的に可変できるため、超音波画像を２次元あるいは３次元的に表示することができる。なお、形状変化層７２０に設けた電極７４１，７４２に電気信号を印加する可変電源は図示していない。

より具体的には、超音波振動子７１０の面の向きを可変する方法の一例として以下がある。形状変化層７２０の一方の面に設けた電極、図１４では電極７４２を複数個設けて、それぞれの複数の電極７４２に印加する電気信号、例えば電圧を可変する。これにより図１４Ｂ，Ｃに示すように形状変化層７２０の左右の厚さを変えることができ、超音波の送受信方向を変更することができる。例えば、形状変化層７２０にイオン導電性高分子ポリマーを用いた場合には、電極７４１，７４２に印加する電圧によりイオンが移動して、移動したイオン側が膨潤して高分子が変形する大きさが変わる。このようにそれぞれの電極７４２に印加する電圧を可変制御することにより、それぞれの電極７４２に位置する領域の形状変化層７２０の部分の変形量を変える。形状変化層７２０の前面に設けている超音波振動子７１０の面の向きを任意に可変することができる。これは誘電型ポリマー、導電性ポリマーを用いた場合についても同じことがいえる。

なお、形状変化層７２０を図１４に示すように精度よく変形させるには、形状変化層７２０の一方の電極（ここでは電極７４２）を複数個設け、また電極のパターンを変えて、それぞれの電極に印加する電圧を調整することが望ましい。

また、形状変化層７２０は、超音波振動子７１０と背面負荷材７３０の間に設けた構成にしているため、下記の対応を採ることができる。すなわち、背面負荷材７３０の機能である超音波振動子７１０を保持し、形状変化層７２０に背面負荷材７３０の機能を有するように、背面負荷材７３０に近い音響インピーダンスを持たせる。これにより、不要な超音波信号の減衰を低下させる、あるいは形状変化層７２０内で不要な超音波の多重反射などの懸念を解消することができる。この構成の場合は、背面負荷材７３０は固定された状態となる。

また、図１４では、背面負荷材７３０を形状変化層７２０の背面に設けた構成について説明したが、このほか、形状変化層７２０そのものを背面負荷材の機能を有するような形状(厚み）にして、その形状変化層７２０の背面には保持する機能を有する保持台を設け
た構成においても同様の効果が得られる。

以上のように、形状変化層７２０に印加する電圧を可変することにより形状変化層７２０の形状が変化し、その前面に設けた超音波振動子７１０の被検体に対する向きが変わる。これにより超音波ビーム方向を任意の角度に可変走査することができるため、２次元の超音波画像を取得することができる。また、従来のような機械的な走査ではないため、モータも不要であり、小型軽量で操作性良好な超音波画像を得ることができる。

また、形状変化層７２０を１次元方向だけではなく２次元の方向にも電極７４２の構成を変えることにより可能である。３次元に超音波ビームを走査することも可能であり、３次元の超音波画像を構築することも容易である。さらに、形状変化層７２０を電気的に可変することで、可変時間を機械式より高速にすることができ、実時間での超音波画像を得ることができる。

以上、超音波振動子７１０が単一の場合の構成について説明したが、このほか、図１５に示すように、超音波振動子７１０を複数備えてもよい。

図１５中のＡの方向から見た図面は図１４Ａ−Ｃを反時計回りに９０°回転した図とほぼ同等である。図１４と同一の基本機能を奏する構成部分には同一符号を付して重複箇所の説明を省略する。

この超音波トランスデューサ７００ｅは、超音波を送受信する配列された複数の超音波振動子７１０と、各超音波振動子７１０に対応して被検体側（図１５の右側）となる厚さ方向前面に配置された性能を向上させるために設けた音響マッチング層７７０と、必要に応じて超音波振動子７１０に対して音響マッチング層７７０の反対側となる厚さ方向背面（図１５の左側）に配置された形状変化層７２０と、更にその背面に配置された背面負荷材７３０と、音響マッチング層７７０上に配置された超音波を収束し分解能を向上させるために設けた音響レンズ７８０とから構成されている。この構成は、いわゆる電子走査型超音波トランスデューサである。これら各構成要素のそれぞれの機能は、形状変化層７２０以外は図１の従来技術で説明したものと同様である。

図１５において、超音波トランスデューサ７００ｅの構成要素のうち、複数の超音波振動子７１０はＰＺＴ系のような圧電セラミックス、ＰＺＮ-ＰＴ、ＰＭＮ-ＰＴ系のような圧電体若しくはこれら圧電体と高分子材料を複合した複合圧電体などによって形成される。

また、このほかにシリコン半導体にマイクロマシン技術を用いて加工した静電容量型もあり、ここでいう超音波振動子７１０は、超音波を送受信できる超音波センサであればこれらに限定されるものではない。

超音波振動子７１０の被検体側となる前面には接地用電極（図示略）が形成され、超音波振動子７１０の背面には信号用電極（図示略）が形成されている。接地用電極及び信号用電極は、それぞれ金や銀のメッキ、蒸着、スパッタリング、あるいは銀の焼き付けなどによって形成される。

また、超音波振動子７１０に形成されている信号用電極は、ポリイミドなどの高分子材料によって構成される絶縁性フィルムに銅などの金属膜が披着された信号用電気端子７６０が挿着されている。一方、超音波振動子７１０に形成されている接地用電極から、前記信号用電気端子７６０と同じように接地用電気端子（図示略）と接続する。

上記のように構成された超音波トランスデューサ７００ｅの動作について説明する。

各超音波振動子７１０に形成された信号用電極は、信号用電気端子７６０を介して、また、超音波振動子７１０の接地電極を介して、それぞれ不図示のケーブルの一端に電気的に接続され、これらのケーブルのそれぞれの他端はコネクタなどを介して不図示の超音波診断装置の本体部に接続される。これによって、超音波診断装置の本体部で作られる規則正しいパルス電圧が超音波振動子７１０に印加される。超音波トランスデューサ７００ｅは、超音波を発信し、また、超音波トランスデューサ７００ｅは、受信した超音波のエコーを電気信号に変換して超音波診断装置の本体部に送信する。

この方式として、配列した複数の超音波振動子７１０のそれぞれに送受信する時間に遅延をかけて位相制御して、配列した超音波振動子７１０方向に対して超音波ビームを所望の位置に収束し高分解能化したり、あるいは超音波ビーム方向を可変し偏向したりして扇形状に走査する方式が一般的になっている。超音波振動子７１０と背面負荷材７３０の間
に設けた形状変化層７２０の上下面には電極７４１，７４２を設けている。

形状変化層７２０は、イオン導電性高分子ポリマー、誘電型ポリマー、及び導電性ポリマーなどの高分子の両面に設けた電極７４１，７４２に印加する電気信号により高分子が変形する材料を用いる。

形状変化層７２０の電極７４１，７４２に印加する電気信号である電圧を印加しない状態は、図１５に示すように変形しない状態で均一の厚みの形状になっている。図１５に示す状態で超音波振動子７１０に電気信号を印加すると、超音波振動子７１０は振動して超音波が発生し被検体側に超音波ビーム７５０が直進して送信される。図１５に示すような状態において、形状変化層７２０の電極７４１，７４２に電気信号の電圧を印加すると形状変化層７２０は、例えばイオン導電性高分子ポリマーを使用した場合には、ポリマー内でイオンの移動が発生して、イオンが移動した側のポリマー部は膨張して形状変化層７２０に変形が起こるという機能がある。この機能を利用することによって、図１５のＡ方向から見た図として図１４Ｂ，Ｃに示すように形状変化層７２０を変形させて配列した超音波振動子７１０と直交する方向に対して面を傾斜させることが可能となる。形状変化層７２０にも受けた電極７４２のパターンを変えることにより、配列した超音波振動子７１０と直交する方向だけではなく配列した超音波振動子方向に対しても傾斜させることができる。

この形状変化層７２０に印加する電圧と変形量は、ほぼ比例関係にあり、印加電圧を高くすると変形量が大きくなる。印加電圧の値を調整することにより形状変化層７２０の変形量を調整することができる。このため、形状変化層７２０の前面に設けている配列した超音波振動子７１０と直交する方向に超音波振動子７１０が形状変化層７２０の変形に追従して傾斜させることが可能となる。その結果、図１５に示す超音波ビーム７５０は、図１４Ｂ，Ｃに示すように超音波ビーム７５２、７５３のように方向を可変走査することができる。

超音波振動子７１０の面の向きを可変する方法の一つとして、形状変化層７２０の一方の面に設けた電極、図１５では電極７４２を複数個設けて、それぞれの複数の電極７４２に印加する電気信号、例えば電圧を可変制御する。例えば、形状変化層７２０にイオン導電性高分子ポリマーを用いた場合には、電極７４１，７４２に印加する電圧によりイオンが移動して、移動したイオン側が膨潤して高分子ポリマーが変形する大きさが変わるため、この電圧をそれぞれの電極７４２に印加する電圧を可変する。これによりそれぞれの電極７４２に位置する領域の形状変化層７２０の部分の変形量を変えることが可能になる。これにより形状変化層７２０の前面に設けている超音波振動子７１０の面の向きを任意に可変できることになる。これは誘電型ポリマー、導電性ポリマーを用いた場合についても同じことがいえる。

なお、形状変化層７２０を図１４に示すように精度よく変形させるには、形状変化層７２０の一方の電極（ここでは電極７４２）を複数個設け、また電極のパターンを変えて、それぞれの電極に印加する電圧を調整することが望ましい。

また、形状変化層７２０は、超音波振動子７１０と背面負荷材７３０の間に設けた構成にしているため、下記の対応を採ることができる。すなわち、背面負荷材７３０の機能である超音波振動子７１０を保持し、形状変化層７２０に背面負荷材７３０の機能を有するように、背面負荷材７３０に近い音響インピーダンスを持たせる。これにより、不要な超音波信号の減衰を低下させる、あるいは形状変化層７３０内で不要な超音波の多重反射などの懸念を解消することができる。この構成の場合は、背面負荷材７３０は固定された状態となる。

また、図１５では、背面負荷材７３０を形状変化層７１０の背面に設けた構成について説明したが、このほか、形状変化層７２０そのものを背面負荷材の機能を有するような形状(厚み）にして、その形状変化層７２０の背面には保持する機能を有する保持台を設け
た構成においても同様の効果を得ることができる。

以上のように、本実施の形態は、超音波振動子７１０の配列方向と直交する方向に形状変化層７２０を変形させることにより超音波ビーム７５０を可変走査させることができる。超音波振動子７１０の配列方向と直交する方向においても超音波画像を得ることができるので、超音波振動子７１０の配列方向の電子走査で取得する超音波画像と併せることにより３次元の超音波画像を得ることができる。

形状変化層７２０で超音波ビーム７５０の方向可変する方式と、超音波トランスデューサ７００を従来のモータなどで可変する方式を併用することにより、更に超音波ビームの可変の自由度を拡大することができる。

また、従来例では、モータなどで超音波トランスデューサ７００を往復運動、揺動運動などさせていた。これに対して、本実施の形態は、モータなどの駆動系、及び駆動系を伝達する軸も不要である。しかも、本実施の形態は、超音波トランスデューサ７００ｅは殆ど動くことがなく形状変化層７２０のみの変形だけであるため、小型で軽量しかも電気端子やそれに接続されるケーブルなども可動がない。このため、変形がなく、また機構など不要であるため寿命も長くなり信頼性が高くなる長所を有する。

なお、本実施の形態は、超音波振動子７１０が均一の厚みの構成の場合について説明したが、このほか、超音波振動子７１０が不均一の厚みであっても、また凸面、凹面形状にした構成でも同様の効果を得ることができる。

また、本実施の形態は、形状変化層７２０を超音波振動子７１０と背面負荷材７３０の間に設けた場合について説明したが、このほか形状変化層７２０の設ける位置は、これに限定されるものではなく、背面負荷材を兼ねる場合でも、背面負荷材７３０の背面側に設けても、超音波振動子７１０の向きを可変できる構成であれば同様の効果を得ることができる。

（実施の形態１３）
図１６は、本発明の実施の形態１３に係る超音波探触子の概略断面図である。図１２と同一構成部分には同一符号を付して重複箇所の説明を省略する。

図１６に示すように、超音波探触子８２０の超音波トランスデューサ７００は、ＰＺＴ系のような圧電セラミックス、ＰＺＮ-ＰＴ、ＰＭＮ-ＰＴ系のような圧電単結晶、又は前記材料と高分子を複合した複合圧電体などの材料の超音波振動子７１０と、超音波振動子７１０に対応して被検体側（図１６の上方）とは反対側の背面（図１６の下方）に配置され、超音波振動子７１０を保持し、かつ必要に応じて不要な超音波信号を減衰させる機能を有する背面負荷材７３０とを備える。

また、超音波探触子８２０は、超音波トランスデューサ７００の背面負荷材７３０の一部で、かつ超音波振動子７１０と背面負荷材７３０を可動させる機能を有する形状変化層７２０と、超音波振動子７１０と背面負荷材７３０を可動させるために、形状変化層７２０の一部が接続されて土台となる固定台７９０とを備える。形状変化層７２０の両面には電極７４１，７４２を設けている。

また、超音波探触子８２０は、必要に応じて超音波振動子７１０の被検体側の面に、１層以上の音響マッチング層と音響レンズ(図示せず）を設けても良い。

形状変化層７２０は、イオン導電性高分子ポリマー、誘電型ポリマー、及び導電性ポリマーなどの高分子の両面に設けた電極７４１，７４２に印加する電気信号により高分子が変形する材料を用いる。

図１６に示すように、形状変化層７２０は背面負荷材７３０、固定第台７９０の左右に２個取り付けている構成にしている。

形状変化層７２０の電極７４１，７４２に印加する電気信号である電圧を印加しない状態では、図１６Ａに示すように変形しない状態で均一の厚み(図３１４中、超音波送受信
方向に対しての長さが均一）の形状になっており、このような状態で超音波振動子７１０に電気信号を印加すると超音波振動子７１０は振動して超音波が発生し被検体側に超音波ビーム７５１が直進して送信される。図１６Ａに示す状態において、形状変化層７２０の電極７４１，７４２に電気信号の電圧を印加する。形状変化層７２０は、例えばイオン導電性高分子ポリマーを使用した場合には、イオンの移動が発生して形状変化層７２０に変形が起こるという機能がある。この機能によって、図１６Ｂ，Ｃに示すように、左右の形状変化層７２０に異なる電圧を印加することでそれぞれ異なる厚さに変形させて超音波振動子７１０と背面負荷材７３０の超音波トランスデューサ７００を傾斜させることができる。したがって、背面負荷材７３０の前面に設けてある超音波振動子７１０の面の向きを傾斜させることが可能となる。この場合、固定台７９０は固定されており可動することはない。

より具体的には、図１６では、形状変化層７２０を背面負荷材７３０の左右に２個設けた構成である。この２個の形状変化層７２０に印加する電圧を、それぞれ個別に調整して、変形量を調整する。超音波振動子７１０と背面負荷材７３０で構成した超音波トランスデューサ７００は、図１６Ａから１６Ｂ，Ｃに示すように可動させて傾斜させる。図１６に示すように、超音波振動子７１０からの超音波ビーム７５１，７５２，７５３の方向を可変走査することができる。

この形状変化層７２０に印加する電圧と変形量はほぼ比例関係にあり、印加電圧を高くすると変形量が大きくなる。この印加電圧の値を調整することにより形状変化層７２０の変形量を調整することができる。

以上のように、本実施の形態は、形状変化層７２０に印加する電圧を可変することにより形状変化層７２０の形状を変化させることができる。超音波トランスデューサ７００の被検体に対する向きが変わることにより超音波ビーム方向を任意の角度で可変走査することができ、２次元の超音波画像を取得することができる。

また、従来例のような機械的な走査ではないため、モータも不必要であり、小型軽量で操作性良好な超音波画像を得ることができる。

また、本実施の形態は、電極７４２のパターン構成を変えることにより、形状変化層７２０を１次元方向だけではなく２次元の方向にも変化させることが可能である。同様に、３次元に超音波ビームを走査するように構成すれば、３次元の超音波画像を構築することも容易にできる。

本実施の形態は、形状変化層７２０を電気的に可変するので、可変時間が機械式より高速となり、実時間での超音波画像を得ることも可能となる。

なお、図１６の形状変化層７２０は、図１６の内側、外側同士を同じ機能を有する電極としたが、電極の設置方法は、これに限るものではない。また、形状変化層７２０の長手の方向の面ではなく、背面負荷材７３０側の面と固定台７９０側の面に設けてもよい。

また、形状変化層７２０の長手方向の面に電極を設けた場合、長手方向への変形を優先し、電極間方向への変形を制限するための補強材を設けてもよい。

また、形状変化層７２０の材料として導電性ポリマーは、電極を設ける必要はなく、導電性ポリマーから電気端子を取り出した構成で電気端子間に電圧を印加すればそれで変形する。

また、本実施の形態では、超音波振動子７１０は単一の場合について説明したが、このほか、超音波振動子７１０を複数個配列されたいわゆる１次元あるいは２次元アレイ型超音波振動子、若しくは超音波振動子７１０を円環状に複数個設けたいわゆるアニュラーアレイ型超音波振動子の構成にしても同様の効果を得ることができる。

また、本実施の形態では、固定台と背面負荷材の一部側面に２個の形状変化層を設けた構成の場合について説明したが、このほか、背面負荷材と固定台の間に１個若しくは３個以上の形状変化層を設けた構成にしても同様の効果が得ることができる。

また、本実施の形態では、固定台と背面負荷材の一部側面に複数個の形状変化層を設け、固定台と背面負荷材に空間があるような構成の場合について説明したが、このほか、背面負荷材と固定台の間に直接形状変化層を設けた構成にしても同様の効果が得ることができる。

（実施の形態１４）
図１７は、本発明の実施の形態１４に係る超音波探触子の一部概略断面図である。図１６と同一構成部分には同一符号を付して重複箇所の説明を省略する。

図１７に示すように、超音波探触子９００の超音波トランスデューサ７００は、ＰＺＴ系のような圧電セラミックス、ＰＺＮ-ＰＴ、ＰＭＮ-ＰＴ系のような圧電単結晶、又は前記材料と高分子を複合した複合圧電体などの材料の超音波を送受信する超音波振動子７１０を備える。また、超音波トランスデューサ７００は、超音波振動子７１０に対応して被検体側（図１７の右方）と反対側の背面（図１７の左方）に配置され超音波振動子７１０の向きを可変する機能を有する形状変化層７２０と、更に形状変化層７２０の背面には、超音波振動子７１０と形状変化層７２０を保持し、かつ必要に応じて不要な超音波信号を減衰させる機能を有する背面負荷材７３０とを備える。

また、必要に応じて超音波振動子７１０の被検体側の面には、１層以上の音響マッチング層と音響レンズ(図示略）を設けても良い。形状変化層７２０の上下面には、電極７４
１，７４２を設けている。形状変化層７２０以外のこれら各構成要素のそれぞれの機能は、従来技術で説明したものと同様である。

超音波トランスデューサ７００の構成及び機能は、実施の形態１２．１３で説明したものと同じである。

図１７に示すように、超音波トランスデューサ７００は、筐体６１０に内包されており、筐体６１０と超音波トランスデューサ７００の間には、液体のような超音波伝播媒質６２０を設けた構成にする。筐体６１０は、被検体と直接若しくは間接的に接触する。超音
波振動子７１０から発生した超音波は、形状変化層７２０、超音波伝播媒質６２０そして筐体６１０を伝播して被検体に送信され、被検体から反射してきた超音波は、送信と逆の経路を通って再び超音波振動子７１０で受信される。

筐体６１０は、被検体に近い音響インピーダンスを有する材料、例えばポリエチレン、ポリメチルペンテンなどを用いる。超音波伝播媒質６２０は、筐体６１０と同様の被検体に近い音響インピーダンスを有する材料、例えば１,３ブタンジオールやオイル系などの
液体を用いる。

超音波トランスデューサ７００は、筐体６１０に内包されているので、形状変化層７２０に電圧を印加して形状変化層７２０の形状を変化させる場合、形状変化層７２０が直接被検体に接触して使用するときのように形状変化層７２０の変形が妨げられることがない。形状変化層７２０の変形が妨げられないので、高速な可変走査が可能になる。図１７は、高速に可変走査された超音波ビーム７５１，７５２，７５３を示している。

また、超音波トランスデューサ７００を機械的に回転、往復運動若しくは揺動させて走査する構成の超音波探触子９００に適用することも可能である。また、超音波トランスデューサ７００以外に、実施の形態１３の構成を用いても良い。

なお、本実施の形態は、超音波振動子７１０が単一の構成ついて説明したが、このほか、超音波振動子７１０が１次元に配列した構成若しくは２次元に配列した構成に形状変化層７２０を設けた場合についても同様の効果を得ることができる。

また、本実施の形態は、超音波振動子７１０が均一の厚みで平坦な形状に形状変化層７２０の被検体側表面に設けた場合について説明したが、このほか、超音波振動子７１０が不均一の厚みであっても、また凸面、凹面形状に形状変化層７２０の被検体側表面に設けも同様の効果を得ることができる。

以上の説明は本発明の好適な実施の形態の例証であり、本発明の範囲はこれに限定されることはない。

上記各実施の形態では、超音波トランスデューサ及び超音波探触子という名称を用いたが、これは説明の便宜上であり、トランスデューサ、超音波ビーム装置等であってもよい。

２００９年３月４日出願の特願２００９−０５１３１４の日本出願、２００９年３月４日出願の特願２００９−０５１３１５の日本出願、及び２００９年３月９日出願の特願２００９−０５４５５１の日本出願に含まれる明細書、図面及び要約書の開示内容は、すべて本願に援用される。

本発明に係る超音波トランスデューサ、超音波探触子及び超音波診断装置は、人体等の被検体の超音波診断を行う各種医療分野、さらには材料や構造物の内部探傷を目的とした工業分野において利用が可能である。

１００，２００，３００，４００，５００，７００，７００ａ，７００ｂ，７００ｃ，７００ｄ，７００ｅ 超音波トランスデューサ
１１０，４１０，７１０ 超音波振動子
１２０，４２０，７２０ 形状変化層
１３０，４３０，７３０ 背面負荷材
１４０，４４０，７４０ 可変電源
１４１，１４２，４１１〜４１４，４４１，５１０，５１１〜５１３，７４１，７４２
電極
１６０，７６０ 信号用電気端子
１７０，７７０ 音響マッチング層
１８０，７８０ 音響レンズ
６００，８００，８２０，９００ 超音波探触子
６１０ 筐体
６２０ 超音波伝播媒質
７９０ 固定台

Claims (23)

1. 超音波を送受信する超音波振動子と、
   前記超音波振動子の被検体側に設けられ、電気信号を受けて形状が変化する形状変化層と、
   前記形状変化層に対して前記超音波振動子側に配置された第１の電極と、
   前記形状変化層に対して前記被検体側に配置され、前記第１の電極と対向する第２の電極と、
   前記形状変化層に前記第１の電極と前記第２の電極を介して印加する前記電気信号を制御する制御手段とを備え、
   前記第２の電極は前記形状変化層の前記被検体側の表面上において複数個設けられており、
   前記制御手段は、前記形状変化層に印加する前記電気信号を制御することにより前記形状変化層の形状を変化させて、超音波の方向を可変する超音波トランスデューサ。
2. 前記超音波振動子は複数個配列された超音波振動子アレイであり、
   前記制御手段は、前記超音波振動子アレイの配列方向と直交する方向に前記形状変化層の形状を変化させて、超音波ビームの方向を可変する請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
3. 前記超音波は、超音波又は超音波ビームを収束又は拡散することで可変される請求項１又は２のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
4. 前記形状変化層の被検体側に、超音波を収束させる音響レンズを備え、
   前記音響レンズは、前記形状変化層の変化に対応してレンズ形状が変化して、超音波を収束又は拡散を可変する請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波トランスデューサ。
5. 前記形状変化層は、前記被検体側の面が曲面形状である請求項１〜４のいずれか１項に記載の超音波トランスデューサ。
6. 前記形状変化層の被検体側に、超音波ビームを任意の深さに収束させる音響レンズを備える請求項１〜５のいずれか１項に記載の超音波トランスデューサ。
7. 前記第２の電極は、前記形状変化層の前記被検体側の表面上において一つの前記超音波振動子に対向する領域で複数個設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の超音波トランスデューサ。
8. 前記複数の第２の電極は、一つの前記第２の電極を中心に同心円状に配置されていることを特徴とする請求項７に記載の超音波トランスデューサ。
9. 超音波を送受信する超音波振動子が１次元に配列された超音波振動子アレイと、
   前記超音波振動子の被検体側に設けられ、電気信号を受けて形状が変化する形状変化層と、
   前記形状変化層に対して前記超音波振動子側に配置された第１の電極と、
   前記形状変化層に対して前記被検体側に配置され、前記第１の電極と対向する第２の電極と、
   前記形状変化層に前記第１の電極と前記第２の電極を介して印加する前記電気信号を制御する制御手段とを備え、
   前記第２の電極は前記形状変化層の前記被検体側の表面上において複数個設けられており、
   前記制御手段は、前記形状変化層に印加する前記電気信号の制御を、前記超音波振動子アレイの配列方向の超音波の収束と連動させ、かつ前記超音波振動子アレイの配列方向と直交する方向に前記形状変化層の形状を変化させて、超音波を収束又は拡散を可変する超音波トランスデューサ。
10. 超音波を送受信する超音波振動子と、
    前記超音波振動子の被検体側とは反対側に設けられかつ電気信号により形状が変化する形状変化層と、
    前記形状変化層に対して前記超音波振動子側に配置された第１の電極と、
    前記形状変化層に対して前記被検体側に配置され、前記第１の電極と対向する第２の電極とを備え、
    前記電気信号は、前記形状変化層に前記第１の電極と前記第２の電極を介して印加され、
    前記第２の電極は前記形状変化層の前記被検体側の表面上において複数個設けられており、
    前記電気信号を制御することにより形状変化層の形状を変化させて、超音波ビームの方向を可変する超音波トランスデューサ。
11. 前記超音波振動子は複数個配列されて超音波振動子アレイを構成し、
    前記超音波振動子アレイの配列方向と直交する方向に、前記電気信号を制御することにより前記形状変化層を変化させて、超音波ビームの方向を可変する請求項１０記載の超音波トランスデューサ。
12. 前記超音波振動子は複数個設けられており、
    前記形状変化層は前記複数の超音波振動子にわたって形成されていることを特徴とする請求項１〜７、９〜１１のいずれか１項に記載の超音波トランスデューサ。
13. 前記複数個設けられた第２の電極は、それぞれが前記複数の超音波振動子にわたって形成されていることを特徴とする請求項１２に記載の超音波トランスデューサ。
14. 前記第２の電極は前記複数の超音波振動子の配列方向に帯状に設けられていることを特徴とする請求項１２又は１３のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
15. 前記形状変化層の音速は、前記被検体の音速と異なる値を有する請求項１〜１４のいずれか１項に記載の超音波トランスデューサ。
16. 前記形状変化層は、電圧を印加させることにより形状が変化する導電性高分子、イオン導電性高分子、及び誘電エラストマー材であることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項に記載の超音波トランスデューサ。
17. 前記形状変化層の前記超音波振動子に対向する面の一辺の幅の大きさは、前記対向する面と直交する前記形状変化層の厚みの大きさよりも、大きいことを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１項に記載の超音波トランスデューサ。
18. 請求項１〜１７のいずれか１項に記載の超音波トランスデューサにおける前記電気信号を制御することにより前記形状変化層の形状を変化させて、前記超音波トランスデューサの方向を可変することにより、超音波ビームの方向を可変する超音波探触子。
19. 請求項１〜１７のいずれか１項に記載の超音波トランスデューサと、これらを抱合する筐体と、前記筐体内に設けた超音波伝播媒質とを備えたことを特徴とする超音波探触子。
20. 超音波を送受信する超音波振動子と、
    前記超音波振動子の被検体側又は被検体側とは反対側に設けられ、電気信号を受けて形状が変化する形状変化層と、
    前記形状変化層に対して前記超音波振動子側に配置された第１の電極と、
    前記形状変化層に対して前記被検体側に配置され、前記第１の電極と対向する第２の電極とを備え、
    前記第２の電極は複数個設けられていることを特徴とする超音波探触子。
21. 前記超音波振動子は複数個配列された超音波振動子アレイであり、
    前記複数個設けられた第２の電極は、それぞれが前記複数の超音波振動子にわたって形成されていることを特徴とする請求項２０に記載の超音波探触子。
22. 前記第２の電極は前記複数の超音波振動子の配列方向に帯状に設けられていることを特徴とする請求項２０又は２１のいずれかに記載の超音波探触子。
23. パルス電圧を超音波振動子に印加して超音波を送信及び、受信した超音波を収束若しくは拡散し、電気信号に変換して超音波診断を行う超音波診断装置であって、
    超音波を送受信する超音波振動子を配列した超音波振動子アレイと、
    電気信号を受けて形状が変化する形状変化層と、
    前記形状変化層に対して前記超音波振動子側に配置された第１の電極と、
    前記形状変化層に対して前記被検体側に配置され、前記第１の電極と対向する第２の電極と、
    前記形状変化層に前記第１の電極と前記第２の電極を介して印加する前記電気信号を制御する制御手段とを備え、
    前記第２の電極は前記形状変化層の前記被検体側の表面上において複数個設けられており、
    前記制御手段は、前記形状変化層に印加する前記電気信号の制御を、前記超音波振動子アレイの配列方向の超音波の収束と連動させ、かつ前記超音波振動子アレイの配列方向と直交する方向に前記形状変化層の形状を変化させて、超音波を収束又は拡散を可変する超音波探触子を有する超音波診断装置。

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