JP6271127B2 - 超音波探触子および超音波診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波を生体内に放射し、各体内組織から反射された超音波を受信する超音波探触子およびその超音波探触子を備えた超音波診断装置に関する。

超音波画像診断は、超音波を生体内に放射し、各体内組織から反射された超音波を受信し、生体内組織画像（超音波画像）を作成、表示して診断する画像診断方法である。超音波画像を生成するために、生体に接触し、超音波を生体に放射すると共に、各体内組織から反射された超音波信号を受信し電気信号に変換するのが超音波探触子である。

超音波探触子は、超音波画像診断が必要な患者がいる時にのみ使用される。つまり、超音波画像診断時のみ、超音波を発生させることができれば、超音波探触子の機能として問題がない。また、超音波画像診断時以外の時には、安全性の観点から超音波を放射すること自体が問題となるため、超音波の放射を止めなければならない。

超音波画像診断で使用される超音波探触子では、電気信号と超音波信号との変換に圧電体が用いられる。超音波画像診断において、圧電体の圧電特性と共に、その周囲環境の影響を受け難いことも重要である。超音波画像診断は、生体に対して行われる診断のため、生体が耐えられないような高温環境や急激に温度が変化する環境では診断は実施されず、通常２０℃程度の室温雰囲気中で用いられる。しかし、輸送中や保管中などの診断以外の状態では、室温以上の高温環境あるいは、急激な温度変化環境に曝されることがある。

圧電体は、応力が生じたときに、その表面に正と負の電荷が生じる物質である。圧電体には、歪を加えると分極が発生する直接圧電効果あるいは正圧電効果と、分極の大きさに応じて歪む逆圧電効果とがあることが知られている。また、圧電体には、焦電性があり、温度変化によって圧電体内部の自発分極が変化する特性をもつことが知られている。そして、温度が上昇すると自発分極が減少し、圧電体表面に減少した分の電荷が発生する。たとえば、焦電型の赤外線センサなどは、圧電体が赤外線を受光した時の温度変化によって発生する電荷の変化分（焦電流）を検出するセンサであり、その焦電性を有効に利用したセンサである。しかしながら、超音波画像診断で使用する超音波探触子において、焦電性による圧電体表面の電荷の変化は、超音波探触子の感度特性を劣化させる原因になる。感度が劣化すると、生体内の超音波画像のＳ／Ｎが悪化して、必要な情報を画像化できないため、誤診や診断不能などの重要な問題につながる。

また、圧電体にはキュリー温度と呼ばれる相転移温度があり、キュリー温度以上で圧電体は圧電性を失う特性を持ち、通常キュリー温度の半分以下の温度で使用することが推奨されている。さらに、亜鉛ニオブ酸鉛とチタン酸鉛、あるいは、マグネシウムニオブ酸鉛とチタン酸鉛などの固溶体単結晶は、高い圧電特性を示す圧電体として近年注目を集めているが、これらはキュリー温度よりさらに低い領域に、相転移温度をもち、高温環境や急激な温度変化環境において、圧電特性が劣化しやすい。

超音波画像診断に使用される超音波探触子に限らず、高温環境や急激な温度変化環境による、圧電体の圧電特性劣化を防止するため、従来から、圧電体に並列抵抗を接続する方法が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

図７は、圧電体１０２に並列に抵抗体１０３が接続された圧電素子１０１の構成を示す回路図である。圧電体１０２の一方の面には信号線側電極１０４が、もう一方の面にはグラウンド線側電極１０５が形成され、逆圧電効果により、外部からの印加電界に応じて圧電体１０２が変形する。抵抗体１０３は、信号線側電極１０４とグラウンド線側電極１０５に接続されている。抵抗体１０３は、信号線側電極１０４とグラウンド線側電極１０５に導電ペーストが焼き付けられて形成され、あるいは固定抵抗素子が配置されることにより形成される。この構成により、圧電体１０２の一方の電極側からもう一方の電極側に焦電流が流れ、温度変化による自発分極の変化を抑制し、圧電特性の劣化が防止できる。

特開昭５６−１４４６２４号公報 実開昭６１−９４７３０号公報

しかしながら、上記従来の構成では、圧電体に設けた信号線側電極とグラウンド線側電極に導電ペーストを用いて抵抗体を接続しているため、超音波画像診断に使用する超音波探触子を構成する数十から数千個の個々の圧電体に均一な抵抗値となるよう導電ペーストを塗布するのは非常に難しい。また、固定抵抗素子を設ける場合も回路物量が多くなり、特に数千個の圧電体を備える超音波探触子内に収納することは非常に難しい。

さらに、最適な並列抵抗値は、圧電体毎に異なり、各々最適な並列抵抗値を見つけ出す必要がある。特に数十から数千個の個々の圧電体を備えた超音波探触子においては、同一の値を持つ並列抵抗を接続することによって、圧電体間の圧電特性のバラツキをより大きくする恐れがある。

また、超音波画像診断に使用する超音波探触子において、圧電体に挿入する並列抵抗は感度低下の原因になる。一方、並列抵抗の値によって、温度変化時の圧電特性の変化率も異なる。図８に、マグネシウムニオブ酸鉛とチタン酸鉛の固溶体単結晶を圧電体に用い、図７と同じ従来の圧電素子の構成を備えた超音波探触子において、並列抵抗値を変えたときのＶｐｐ感度特性と、冷熱衝撃試験における試験後のＶｐｐ感度変化率を示す。

Ｖｐｐ感度特性は、送受信した超音波信号を電気信号に変換した後の波形のピーク・トゥ・ピーク値の並列抵抗値を変えた場合の特性である。並列抵抗が無いときのＶｐｐ感度を１００％として表示している。冷熱衝撃試験における試験後のＶｐｐ感度変化率は、圧電素子を−２０℃環境に１時間放置後、６０℃環境に１時間放置することを１サイクルとして、これを１００サイクル繰り返す冷熱衝撃試験における試験後のＶｐｐ感度変化率（＝（試験後のＶｐｐ感度−試験前のＶｐｐ感度）÷（試験前のＶｐｐ感度）×１００［％］）の並列抵抗値を変えた場合の特性である。

冷熱衝撃試験前に測定した並列抵抗を接続したときのＶｐｐ相対感度は、並列抵抗値と共に大きくなる。ある程度の並列抵抗値以上では、Ｖｐｐ相対感度は飽和し、並列抵抗が無いとき（並列抵抗値＝∞）の感度に近づく。一方、冷熱試験前後のＶｐｐ感度の変化率を見ると、ある並列抵抗値以上では飽和するが、並列抵抗値が大きいとＶｐｐ感度の変化も大きくなる。

つまり、大きな並列抵抗値を選択すればＶｐｐ感度自身は高い値を維持できるが、冷熱衝撃試験のような環境に曝された際には大きくＶｐｐ感度が低下することを意味し、超音波診断に悪影響を与える。一方、小さな並列抵抗値を選択すれば、冷熱衝撃試験の環境でのＶｐｐ感度低下は抑えられるが、Ｖｐｐ感度自身が低く、この場合も超音波画像診断に悪影響を与える。

したがって、圧電体にとって、圧電特性と、高温環境や急激な温度変化環境に対する信頼性は、トレードオフの関係にあり、両者をバランスさせるか、圧電特性または信頼性の一方を犠牲にして、圧電体を使用しているのが現状である。近年比誘電率の非常に高い圧電体や、亜鉛ニオブ酸鉛とチタン酸鉛、あるいは、マグネシウムニオブ酸鉛とチタン酸鉛などの固溶体単結晶のように非常に高い圧電定数を有する圧電体が商品化されている。しかし、これらはいずれも温度変化に対して圧電性能の劣化が大きいため使用が困難であり、あるいは並列抵抗を接続し、圧電特性を意図的に低下させて使用して信頼性を維持するため、圧電体の圧電性能を１００％まで引き出すことが難しい。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、超音波画像診断のための使用時には圧電特性を損なうことなく、また超音波画像診断時以外の不使用時には高温環境や急激な温度変化環境における圧電体の信頼性を維持した超音波探触子および超音波診断装置を提供することを目的とする。

本発明の超音波探触子は、上記課題を解決するために、圧電体と、前記圧電体に設けられた信号線側電極と、前記圧電体に設けたグラウンド線側電極とを備え、前記信号線側電極と前記グラウンド線側電極との間に電圧が印加されることにより、前記圧電体から超音波を放射するように構成された超音波探触子において、前記超音波探触子の使用時又は不使用時に生成される制御信号により、前記信号線側電極と前記グラウンド線側電極との間を短絡状態と開放状態とに切り替える短絡・開放切替手段を備え、前記短絡・開放切替手段は、前記超音波探触子の接続確認の際に発生する信号により前記開放状態にし、前記超音波探触子の不使用時に生成される制御信号により前記短絡状態にすることを特徴とする。

本発明の超音波診断装置は、上記課題を解決するために、上記の超音波探触子と、前記短絡・開放切替手段に前記制御信号を供給する制御部を有する超音波診断装置本体とを備えたことを特徴とする。

本発明の超音波探触子によれば、超音波を放射する時（使用時）に開放状態とし、超音波を放射しない（不使用時）に短絡状態とする短絡・開放切替手段により、圧電特性を損なうことなく、高温環境や急激な温度変化環境における圧電体の信頼性を維持することができる。

図１は、本発明の実施の形態１に係る超音波診断装置の概略構成を示す回路図である。 図２は、マルチプレクサの概略構成を示す図である。 図３Ａは、本発明の実施の形態２に係る超音波診断装置の概略構成を示す回路図であって、超音波探触子の使用時の状態を示す図である。 図３Ｂは、本発明の実施の形態２に係る超音波診断装置の概略構成を示す回路図であって、超音波探触子の不使用時の状態を示す図である。 図３Ｃは、本発明の実施の形態２に係る超音波診断装置の概略構成を示す回路図であって、超音波探触子を取り外した状態を示す図である。 図４Ａは、本発明の実施の形態３に係る超音波診断装置の超音波探触子の概略構成を示す側面図であって、短絡状態を示す図である。 図４Ｂは、図４Ａの矢印Ａの向きから見た側面図である。 図５Ａは、本発明の実施の形態３に係る超音波診断装置の超音波探触子の概略構成を示す側面図であって、開放状態を示す図である。 図５Ｂは、図５Ａの矢印Ａの向きから見た側面図である。 図６は、本発明の実施の形態３に係る超音波診断装置の超音波探触子に短絡コネクタが装着された状態を示す回路図である。 図７は、従来の圧電素子の構成を示す回路図である。 図８は、圧電体のＶｐｐ感度特性および冷熱衝撃試験における試験前後のＶｐｐ感度変化率を示す図である。

以下に、本発明の超音波診断装置の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における超音波診断装置の概略構成を示す回路図である。超音波診断装置１は、超音波診断装置本体２と超音波探触子３とで構成されている。

超音波診断装置本体２は、超音波探触子３を駆動する駆動信号を超音波探触子３に供給し、超音波探触子３で受信された受信信号を受信して、信号処理を行いモニタ（図示せず）に生体内組織画像（超音波画像）を表示する。本体側信号線端子９は駆動信号を供給し、受信信号を受信する端子であり、本体側グラウンド線端子１０はグラウンド電位を示す端子である。本体側制御線端子１１は、超音波探触子３を使用するか否かを制御するための信号が出力される端子である。

超音波探触子３は、超音波診断装置本体２に接続され、被検体に接触されて使用される。圧電体４は、電気を超音波に、超音波を電気に変換する。すなわち、駆動信号により駆動されて超音波信号を放射し、被検体から反射した超音波信号を受けて受信信号に変換する。電気を超音波に、あるいは超音波を電気に変換する性能は、ｄ定数やｇ定数と呼ばれる圧電定数により決定される。

圧電体４の比誘電率は、圧電体４の電気的インピーダンスに関連する。超音波探触子３では、圧電体４を短冊状や柱状に加工し、それを多数配置する構成が用いられる。その場合、一つ一つの圧電体４は小さくなり、その電気的インピーダンスが高くなる。さらに近年１．５Ｄアレイやマトリクスアレイと呼ばれる、さらに微小の圧電体４を多数配置した超音波探触子３も登場している。その場合、さらに電気的インピーダンスが高くなり、圧電体４を電気的に駆動することは難しい。このため、超音波探触子３で使用する圧電体４としては、高い圧電定数や高い比誘電率をもつ圧電材料が要求されることが多い。しかしながら、一般的に高い圧電定数、高い比誘電率を有する圧電材料は、キュリー温度が低く、温度変化により圧電定数や比誘電率が低下しやすい。

圧電体４の材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛系やチタン酸鉛系の圧電セラミックス、非常に高い比誘電率を有するリラクサと呼ばれる緩和型強誘電体、ニオブ系やビスマス系などの非鉛の圧電セラミックスや圧電単結晶、亜鉛ニオブ酸鉛とチタン酸鉛、あるいは、マグネシウムニオブ酸鉛とチタン酸鉛、インジウムニオブ酸鉛とマグネシウムニオブ酸鉛とチタン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛とチタン酸ジルコン酸鉛等の固溶体単結晶やセラミックス、ＰＶＤＦ（Polyvinylidene fluoride）などの圧電高分子膜などがある。

圧電体４には、一方の面に信号線側電極１２が設けられ、他方の面にグラウンド線側電極１３が設けられている。信号線側電極１２、グラウンド線側電極１３は、金、銀等の金属材料であり、メッキ、スパッタ、あるいは焼き付けなどにより形成される。信号線側電極１２は、信号線１４を介して探触子側信号線端子６に接続されている。グラウンド線側電極１３は、グラウンド線１５を介して探触子側グラウンド線端子７に接続されている。

探触子側信号線端子６は、本体側信号線端子９と接続可能である。また、探触子側グラウンド線端子７は本体側グラウンド線端子１０と接続可能である。探触子側信号線端子６と探触子側グラウンド線端子７に印加された駆動信号が信号線側電極１２、グラウンド線側電極１３を通して、圧電体４に供給される。また、圧電体４で生じた受信信号は、探触子側信号線端子６、探触子側グラウンド線端子７を通して、超音波診断装置本体２に伝達される。

探触子側制御線端子８は、本体側制御線端子１１に接続可能である。短絡・開放切替手段５は、信号線１４とグラウンド線１５との間を短絡あるいは開放するものである。すなわち、信号線側電極１２とグラウンド線側電極１３との間を短絡あるいは開放するものである。具体的には、短絡・開放切替手段５は、信号線１４とグラウンド線１５とに接続されたスイッチ１６により構成され、探触子側制御線端子８から入力される制御信号によりオンオフされる。すなわち、超音波探触子３の使用時すなわち超音波を放射する時にはスイッチ１６をオフにし、超音波探触子３の不使用時すなわち超音波を放射しない時にはスイッチ１６をオンにする。

なお、圧電体４の数や超音波診断装置本体２の仕様に応じて、探触子側信号線端子６及び探触子側グラウンド線端子７は複数存在するのが一般的であるが、簡単のため、図１では各々１個ずつの場合を記載したが、複数の場合であっても端子数が増加するだけで、同様に構成することができる。また、図１では、駆動信号の生成および受信信号の信号処理を超音波診断装置本体２内で行う構成を示しているが、近年これらを実現する回路は小型化しており、これらの処理を超音波探触子３内に収める構成としてもよい。

超音波診断装置本体２には、１本以上の超音波探触子３が接続可能であり、使用者は検査部位に応じて超音波探触子３を選択できる。但し、同時に複数の超音波探触子３は使用できない構成になっている。超音波診断装置本体２は、超音波探触子３の使用時のみ、電気信号が超音波探触子３との間で送受信される。超音波探触子３の不使用時には、超音波探触子３との間では電気信号の送受信がない。

超音波探触子３の使用時あるいは不使用時に応じて、制御信号が生成される。制御信号は、超音波診断装置本体２内で生成され、本体側制御線端子１１を通して、超音波探触子３の探触子側制御線端子８に送信される。制御信号は、使用時にはスイッチ１６をオフにし、不使用時にはスイッチをオンにする。

超音波探触子３の使用時に生成される制御信号としては、使用者が超音波診断装置本体２に接続された複数の超音波探触子３の中から１つを選択した時に発生する信号を使用することができる。超音波診断装置本体２に１本の超音波探触子３しか接続されていない場合は、使用者が超音波探触子３を選択することはないが、超音波探触子３に電気信号を送信する前には生体に対する安全性確保のため、必ず超音波探触子３の接続確認などが行われる。その際に発生する信号を制御信号として用いても良い。そのほか、制御信号は、超音波探触子３が使用される直前に、生成される信号であれば、どのような信号でも超音波探触子３の使用時の制御信号として使用できる。

また、超音波探触子３の不使用時としては、超音波探触子３を選択しない場合、一時的に診断を停止する場合、超音波診断装置本体２の電源を切る場合、超音波診断装置本体２から超音波探触子３を外す場合、超音波診断装置本体２に未接続の場合などがある。超音波探触子３を選択しない場合に生成する制御信号としては、超音波診断装置本体２のアース線（図示せず）を使用することができる。また、超音波診断装置本体２には、超音波探触子３を外したり電源を切ったりすることなく一時的に診断を停止する機能が設けられており、その機能の発現時に生成される信号を制御信号として使用することができる。また、超音波診断装置本体２の電源を切る場合は、その際に生成される信号を制御信号として使用することができる。

また、使用中の超音波診断装置本体２からは、非常に高い電圧の電気信号が超音波探触子３に印加されており、その状態で超音波診断装置本体２から超音波探触子３を外すことは、超音波探触子３内の回路（図示せず）を破損させる恐れがあり、一般的には超音波診断装置本体２の電源を切った後や、一時的に診断を停止した状態にした後に超音波探触子３を外すことになっている。したがって超音波探触子３を外す場合は、電源切断時や一時的に診断を停止したときに発生する信号を制御信号として使用することができる。他にも超音波探触子３の使用を停止あるいは中断する直前に生成される信号であれば、どのような信号でも超音波探触子３の不使用時の制御信号として使用できる。

本実施の形態では、本体側制御線端子１１と探触子側制御線端子８とを接続することで、制御信号を超音波探触子３に送信しているが、超音波診断装置本体２に無線の送信機（図示せず）、超音波探触子３に無線の受信機（図示せず）を設けることにより、超音波診断装置本体２から制御信号を無線で送信する構成としてもよい。

また、図１では、制御信号が超音波診断装置本体２内で生成される場合を示したが、超音波探触子３内に制御信号を生成する手段を設けた構成でもよい。制御信号を生成する手段としては、たとえば、超音波探触子３内に加速度センサ（図示せず）を設け、その加速度センサの出力を制御信号として用いてもよい。使用時には、使用者は超音波探触子３を手に持ち、生体表面を走査するため、加速度センサの出力から使用時であることが判断できる。また、不使用時には、使用者は超音波探触子３を超音波診断装置本体２に備えたホルダー（図示せず）に置いたり、手から離し保管されるため、加速度センサの出力に変化がなくなり、不使用時であることが判断できる。つまり、使用時、不使用時の超音波探触子３の動きの違いを利用して、制御信号を生成することができる。同様に、使用時、不使用時の超音波探触子３の動きの違いを利用すれば、加速度センサ以外のセンサの出力を制御信号としても使用してもよい。

以上のように、本実施の形態では、超音波探触子３の使用時には、信号線側電極１２とグラウンド線側電極１３が開放状態となり、感度よく超音波信号を検出することができる。

また、超音波探触子３の不使用時、具体的には輸送中や保管中では、必ずしも室温環境ではなく、高温環境や急激な温度変化環境に曝されることもある。しかし、信号線側電極１２とグラウンド線側電極１３との間を短絡状態とすることにより、感度の低下を抑制することができる。

したがって、高い圧電特性を示すが、高温環境や急激な温度変化環境において圧電特性の劣化の大きい圧電体を用いることができるため、より感度の高い超音波診断画像を得ることができる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る超音波診断装置は、短絡・開放切替手段５としてマルチプレクサを用いることを特徴とする。他の構成は、実施の形態１に係る超音波診断装置と同様であり、同様の構成要素は実施の形態１に係る超音波診断装置と同一の符号を付して説明を省略する。

マルチプレクサ２１は、複数の入力信号を一つの信号として出力する、スイッチのような機構になっている。図２は、簡単な２入力マルチプレクサの概略構成を示す図である。２つの入力信号Ｓ、Ｇが各々入力端子２２、入力端子２３に入力されると、制御信号Ｃの値に応じて、マルチプレクサ２１の出力端子２４から数式１の論理式で表される出力信号Ｙが出力される。

Ｙ＝（Ｓ・Ｃ）＋（Ｇ・Ｃ＊）・・・（数式１）
ここで、＊は負論理であることを示す。また、制御信号Ｃは、“０”状態と“１”状態のいずれかの状態である。

この論理式は、入力信号Ｓあるいは入力信号Ｇを選択することを示す。制御信号Ｃが“１”状態の場合には、数式１から出力信号Ｙは、“Ｓ”となる。一方、制御信号Ｃが“０”状態の場合には、数式１から出力信号Ｙは、“Ｇ”となる。すなわち、マルチプレクサ２１は、制御信号Ｃにより入力端子２２、２３の一方を出力端子２４に接続するスイッチとして動作する。

図３は、上記の動作をする２入力マルチプレクサを短絡・開放切替手段５に適応した超音波探触子３ｂの構成を示す概略図である。図３Ａは超音波探触子３ｂの使用（画像診断）時の状態を示し、図３Ｂは不使用時の状態を示し、図３Ｃは超音波探触子３ｂが超音波診断装置本体２から離れた状態を示す。

圧電体４に設けられた信号線側電極１２は、信号線１４を介してマルチプレクサ２１の出力端子２４と接続される。一方、グラウンド線側電極１３は、グラウンド線１５を介して探触子側グラウンド線端子７に接続すると共に、マルチプレクサ２１の入力端子２３に接続される。探触子側信号線端子６は、マルチプレクサ２１の入力端子２２に接続される。探触子側制御線端子８は、制御信号Ｃの入力端子（図示せず）に接続される。

図３Ａに示すように、マルチプレクサ２１に制御信号Ｃとして“１”が入力されると、出力信号Ｙが“Ｓ”となる。すなわち、入力端子２２を出力端子２４に接続した状態であり、信号線１４とグラウンド線１５との間が開放状態である。したがって、駆動信号が圧電体４に印加され、超音波を放射することができる。これにより、感度よく超音波信号を検出することができる。

図３Ｂに示すように、マルチプレクサ２１に制御信号Ｃとして“０”が入力されると、出力信号Ｙが“Ｇ”となる。すなわち、入力端子２３を出力端子２４に接続した状態となり、信号線１４とグラウンド線１５との間が短絡状態である。したがって、圧電体４には電圧が印加されず、超音波は放射できない。これにより、高温環境や急激な温度変化環境に曝された場合でも、圧電特性の劣化を抑制できる。

図３Ｃに示すように、超音波探触子３ｂが超音波診断装置本体２と未接続状態の場合には制御信号Ｃが“０”状態となるように設定されている。すなわち、超音波診断装置本体２と未接続状態の場合には、図３Ｂと同様に信号線１４とグラウンド線１５との間が短絡状態である。これにより、高温環境や急激な温度変化環境に曝された場合でも、圧電特性の劣化を抑制できる。

図３では、１個の圧電体４に対する信号線１４とグラウンド線１５との間の開放、短絡、すなわち、信号線側電極１２とグラウンド線側電極１３との間の開放状態と短絡状態の切替に１個のマルチプレクサ２１を使用した例を示した。しかし、現在ＩＣ化された１個のマルチプレクサ２１では、１６出力、３２出力の切替が出来るものがあり、圧電体４の数が多くなっても、少ないマルチプレクサ２１で短絡状態と開放状態を切り替えることができ、超音波探触子３ｂ内に収めることが出来るサイズである。したがって、圧電体４の数が多くなった場合の短絡・開放切替手段５として、マルチプレクサ２１は好適である。

また、この他、短絡・開放切替手段５として、リレー回路やトランジスタ、フォトカプラなど、市販されているスイッチングデバイスを用いてもよい（図示せず）。これらのスイッチングデバイスを図３と同様に短絡・開放切替手段５として接続し、制御信号を、各々コイル、トランジスタのベース、発光ダイオードに流すように構成すれば、制御信号により短絡・開放切替手段５を開放状態あるいは短絡状態に切り替えることもできる。

（実施の形態３）
図４Ａは、本発明の実施の形態３に係る超音波診断装置の超音波探触子の概略構成を示す側面図である。図４Ｂは、矢印Ａの向きから見た側面図である。図４Ａ、４Ｂにおいて、信号線１４とグラウンド線１５は同軸線状のものを模式的に表している。本実施の形態に係る超音波診断装置は、実施の形態１に係る超音波診断装置における短絡・開放切替手段５に、実施の形態２とは異なる構成を用いたことに特徴を有する。本実施の形態に係る超音波診断装置において、実施の形態１に係る超音波診断装置と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。

信号線１４およびグラウンド線１５は、同軸ケーブル３２に半田、導電ペースト、接合などにより接続され、同軸ケーブル３２の内部導体を信号線１４、外部導体をグラウンド線１５として用いる。なお、同軸ケーブルの代わりに、単線ケーブル、金属箔シート、フレキシブル基板で使用する銅張積層板など可撓性のある導電材料を用いることもできる。同軸ケーブル３２の信号線１４およびグラウンド線１５は、例えば、プリント基板３１上に配列され半田などで結線されて、プリント基板３１上に設けられたコネクタ（図示せず）を介して、図１に示す探触子側信号線端子６、探触子側グラウンド線端子７（図示せず）と接続されている。

図４Ａに示すように、短絡・開放切替手段５ｃは、コイル３５、短絡板３３、鉄心３４、磁鉄３６、ばね３７を有する。短絡・開放切替手段５ｃは、コイル３５による電磁力により、信号線１４とグラウンド線１５との間の短絡・開放切り替えを行う。

短絡板３３は、磁鉄３６に接触し、磁鉄３６との接触点５０を中心に回動可能であり、信号線１４およびグラウンド線１５と離着可能である。また、短絡板３３は、信号線１４およびグラウンド線１５と接触する部分３３ａが導電材料であり、鉄心３４側３３ｂが磁性材料で構成されている。したがって、短絡板３３が回動することにより、信号線１４およびグラウンド線１５との間の短絡状態と開放状態が切り替えが可能である。短絡板３３の形状や大きさは、信号線１４およびグラウンド線１５の大きさ、配置などにより自由に選択できる。例えば、図４では、プリント基板３１上に結線された信号線１４とグラウンド線１５との間を短絡板３３で短絡状態に出来るようにコの字形（図４Ｂ参照）とした場合の短絡板３３を示す。

磁鉄３６は、Ｌの字に構成され、一方に鉄心３４が接続され、もう一方に短絡板３３接触している。鉄心３４には、コイル３５が巻きつけられている。ばね３７は、短絡板３３の磁鉄３６との接触点に対して、鉄心３４と相対する側とは反対側に一端が取り付けられ、他端は磁鉄３６に取り付けられている。短絡板３３は、通常、図４Ａに示す状態のようにばね３７の力により、鉄心３４から離れ、信号線１４とグラウンド線１５に接続されている。すなわち、信号線１４とグラウンド線１５との間は短絡している。

超音波探触子３の不使用時には、制御信号をコイル３５に流さない。すなわち、図４Ａ、４Ｂの状態である。この状態では、信号線１４とグランド線１５との間が短絡状態となり、圧電体４に電気信号を印加できず、超音波は放射できない。したがって、高温環境や急激な温度変化環境に曝されても、圧電特性の劣化を抑制できる。

図５Ａは、使用時における超音波診断装置の超音波探触子の概略構成を示す側面図で、超音波探触子の使用状態を示す。図５Ｂは、図５Ａの矢印Ａの向きから見た側面図である。超音波探触子３の使用時は、図１に示す探触子側制御線端子８からコイル３５に制御信号が流れる。コイル３５に電流が流れると、鉄心３４が磁化される。鉄心３４で発生した磁束は、磁鉄３６、短絡板３３（磁性材料）を通ると、電磁力が発生し、鉄心３４と相対する部分の短絡板３３は鉄心３４側に吸着される。これにより、信号線１４およびグラウンド線１５は短絡板３３との接触がなくなり、信号線１４とグラウンド線１５間は開放状態になる。つまり、信号線側電極１２とグラウンド線側電極１３の間が開放状態になり、駆動信号が超音波探触子３に送信されると、圧電体４に駆動信号が印加され、超音波を放射することができる。これにより、感度よく超音波信号を検出することができる。

また、超音波探触子３の使用状態から、不使用状態に切り替えるときには、制御信号をコイル３５に流すのを止める。すると、鉄心３４が磁化されず、短絡板３３は電磁力を失い、ばね３７の力により短絡板３３は信号線１４およびグラウンド線１５と接触する位置に戻る（図４Ａ、４Ｂ）。つまり、信号線側電極１２とグラウンド線側電極１３との間が短絡状態に戻ることにより、圧電体４に電気信号は印加できず、超音波は放射できない。これにより、高温環境や急激な温度変化環境に曝された場合でも、圧電特性の劣化を抑制できる。

つまり、超音波探触子３の使用時あるいは不使用時に生成される制御信号により短絡板３３を、信号線１４とグラウンド線１５間を開放状態とする位置あるいは短絡状態とする位置に移動させることにより、圧電体４に設けた信号線側電極１２とグラウンド線側電極１３との間を開放状態あるいは短絡状態に切り替えることができる。

また、複数の圧電体４を有する超音波探触子３においては、数個の短絡・開放切替手段５ｃを設けることにより、信号線１４とグラウンド線１５との間の短絡状態あるいは開放状態の切替ができる。

このほかの短絡・開放切替手段５ｃとしては、モータ（図示せず）とワイヤー（図示せず）を用いた構成とすることができる。例えば、短絡板３３とモータをワイヤーで接続し、超音波探触子３の使用時には、使用状態の制御信号をモータに流し、短絡板３３を信号線１４およびグラウンド線１５から引き離すようにワイヤーを巻き上げることにより、信号線１４及びグラウンド線１５を開放状態にする。一方、超音波探触子３不使用時には、不使用状態の制御信号をモータに流し、例えば使用時とは逆回転になるようモータを駆動し、短絡板３３が信号線１４およびグラウンド線１５と接触する位置までワイヤーを戻すことにより、信号線１４とグラウンド線１５との間を短絡状態にする。このような方法でも圧電体４に設けた信号線側電極１２とグラウンド線側電極１３との間を開放状態あるいは短絡状態に切り替えることができる。

また、輸送時は、超音波探触子３ｃの不使用時の一例である。輸送時は温度環境が厳しいだけでなく、超音波探触子３ｃへの機械的衝撃も予想される。短絡・開放切替手段５ｃと短絡板３３を用いた、信号線１４とグラウンド線１５との間を機械的に短絡状態あるいは開放状態を切り替える方法においては、特に輸送時の短絡状態が安定しない場合もある。そこで、超音波探触子３ｃの探触子側信号線端子６と探触子側グラウンド線端子７に接続される端子をあらかじめ短絡した、着脱可能な短絡コネクタ４１を用いてもよい。図６に短絡コネクタ４１を用いた超音波探触子３ｃの構成を示す。短絡コネクタ４１の信号線端子４２とグラウンド線端子４３との間は、短絡されている。

短絡コネクタ４１は、超音波探触子３ｃと着脱可能であり、信号線端子４２は探触子側信号線端子６と、グラウンド線端子４３は探触子側グラウンド線端子７に接続可能である。超音波探触子３ｃを超音波診断装置本体２に接続するときに使用するコネクタ（図示せず）は、機械的衝撃にも強く、短絡コネクタ４１用のコネクタとして好適である。

特に、輸送環境時などの不使用時には、短絡コネクタ４１を超音波探触子３ｃに接続する。超音波探触子３ｃの使用時には、短絡コネクタ４１を外し使用する。この方法により、輸送時の圧電体４に設けた信号線側電極１２とグラウンド線側電極１３との間の短絡状態の信頼性がより向上する。マルチプレクサ２１などの電気的に短絡・開放切替手段５を有する超音波探触子３に用いてもよい。

本発明は、使用時の温度環境が室温付近に限定されることを利用して、高い圧電特性を示し、高温環境や急激な温度変化環境において圧電特性の劣化の大きい圧電体を用いても、高い圧電特性と信頼性を両立する事ができるという効果を有し、超音波画像診断に用いる超音波探触子として有用である。

１ 超音波診断装置
２ 超音波診断装置本体
３、３ｂ、３ｃ 超音波探触子
４ 圧電体
５、５ｃ 短絡・開放切替手段
６ 探触子側信号線端子
７ 探触子側グラウンド線端子
８ 探触子側制御線端子
９ 本体側信号線端子
１０ 本体側グラウンド線端子
１１ 本体側制御線端子
１２ 信号線側電極
１３ グラウンド線側電極
１４ 信号線
１５ グラウンド線
１６ スイッチ
２１ マルチプレクサ
２２ 入力端子
２３ 入力端子
２４ 出力端子
３１ プリント基板
３２ 同軸ケーブル
３３ 短絡板
３４ 鉄心
３５ コイル
３６ 磁鉄
３７ ばね
４１ 短絡コネクタ
４２ 信号線端子
４３ グラウンド線端子
５０ 接触点

Claims (10)

1. 圧電体と、
   前記圧電体に設けられた信号線側電極と、
   前記圧電体に設けたグラウンド線側電極とを備え、
   前記信号線側電極と前記グラウンド線側電極との間に電圧が印加されることにより、前記圧電体から超音波を放射するように構成された超音波探触子において、
   前記超音波探触子の使用時又は不使用時に生成される制御信号により、前記信号線側電極と前記グラウンド線側電極との間を短絡状態と開放状態とに切り替える短絡・開放切替手段を備え、
   前記短絡・開放切替手段は、前記超音波探触子の接続確認の際に発生する信号により前記開放状態にし、前記超音波探触子の不使用時に生成される制御信号により前記短絡状態にすることを特徴とする超音波探触子。
2. 前記超音波探触子は超音波診断装置本体と接続又は通信可能に構成され、
   前記超音波探触子の不使用時に生成される制御信号とは、前記超音波診断装置本体に接続された複数の超音波探触子の中から前記超音波探触子を選択しないことを制御する信号、診断の停止を制御する信号、又は、前記超音波診断装置本体の電源を切ることを制御する信号である請求項１に記載の超音波探触子。
3. 前記短絡・開放切替手段は、前記超音波探触子の接続確認の際に発生する信号により前記短絡状態から前記開放状態に切り替え、かつ、前記超音波探触子の不使用時に生成される制御信号により前記開放状態から前記短絡状態に切り替えることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波探触子。
4. 前記短絡・開放切替手段は、マルチプレクサであることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の超音波探触子。
5. 前記信号線側電極に接続された信号線と、
   前記グラウンド線側電極に接続されたグラウンド線とを備え、
   前記短絡・開放切替手段は、前記信号線と前記グラウンド線との間を短絡状態とする位置と、開放状態とする位置の間を前記制御信号により移動可能である短絡板を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の超音波探触子。
6. 前記短絡・開放切替手段は、前記超音波探触子の接続確認の際に発生する信号により、前記短絡板を移動させて前記信号線と前記グラウンド線間を開放状態にし、かつ、前記超音波探触子の不使用時に生成される制御信号により前記短絡板を移動させて前記信号線と前記グラウンド線との間を短絡板により短絡状態にすることを特徴とする請求項５記載の超音波探触子。
7. 前記短絡・開放切替手段は、前記超音波探触子の不使用時に生成される制御信号により、前記短絡板を前記信号線と前記グラウンド線とを短絡状態とする位置に移動させて前記短絡状態にすることを特徴とする請求項５記載の超音波探触子。
8. 前記信号線側電極と前記グラウンド線側電極との間を短絡する着脱可能な短絡コネクタを備えたことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の超音波探触子。
9. 前記短絡・開放切替手段に前記制御信号を供給する制御部を有する請求項１から８のいずれか一項に記載の超音波探触子。
10. 請求項１から８のいずれか一項に記載の超音波探触子と、
    前記短絡・開放切替手段に前記制御信号を供給する制御部を有する超音波診断装置本体とを備えたことを特徴とする超音波診断装置。

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