JP6780510B2 - 超音波探触子および超音波診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波を利用した超音波診断装置の超音波探触子および超音波診断装置に関する。

従来、超音波を被検体内部に照射し、その反射波を受信して解析することにより被検体内部の検査を行う超音波診断装置が普及している。超音波診断装置は、被検体を非破壊、非侵襲で調べることができるので、医療目的の検査や建築構造物内部の検査、種々の用途に広く用いられている。

超音波診断装置では、電圧信号と超音波振動との間で変換を行う音響素子（変換器）が複数個、所定の方向（走査方向）に配列されており、これらの音響素子が、駆動電圧の印加により超音波を出射する。そして、超音波診断装置は、超音波の反射波の入射による電圧変化を検出する音響素子を時間的に変化させる（走査する）ことにより、２次元的なデータをほぼリアルタイムで取得することができる。

さらに、超音波の出入射面内で、これらの音響素子の配列を走査方向に垂直に往復移動（揺動）させることで、３次元的な画像をほぼリアルタイムで取得する技術が存在する。このような技術を用いて３次元画像を取得することで、２次元画像では分かりづらかった検査対象の立体形状や位置関係を、操作者がより容易に知得できる。このような超音波探触子は、例えば特許文献１から４に開示されている。

特開２０１０−１３１０６８号公報 特開２００７−２８９３１５号公報 特開２００４−１６７５０号公報 特開２００１−１０４３５６号公報

超音波探触子は、そのケースの一部に、音響素子が生成した超音波が超音波探触子の外に放射される超音波放射面（音響ウインドウ等と呼ばれる）を有し、この超音波放射面を被検体に接触させることで超音波が被検体内に照射される。音響素子と超音波放射面との間には、超音波の減衰を防止するための超音波カップリング液が充填されている。

音響素子は、印加された駆動電圧を用いて超音波を発生させるが、駆動電圧のすべてを超音波に変換することはできず、その一部は熱となって音響素子から周囲に放射される。この熱は、超音波カップリング液を通じて、超音波放射面の温度を上昇させてしまうことがあった。超音波放射面は被検体に直接接触する部位であるため、超音波放射面の温度上昇を低減させることが要望されている。

本発明は、超音波放射面の温度上昇を低減させる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、超音波診断装置本体に接続される超音波探触子であって、電気信号と超音波信号とを相互に変換する音響素子と、前記音響素子を揺動回転させるモータと、熱伝導性を有する樹脂で形成されており、前記音響素子を揺動可能に保持するフレームと、超音波透過性を有する材料で形成されており、前記音響素子とカップリング液とを内包する閉空間を、前記モータが前記閉空間外に配置されるように、前記フレームとともに構成する音響ウインドウと、を有し、前記音響素子の土台の側面部分は、平坦に形成される。

本発明の超音波診断装置は、上記の超音波探触子と、前記超音波診断装置本体と、を有する超音波診断装置であって、前記超音波診断装置本体は、前記超音波探触子から被検体に対して超音波送信信号を送信させ、前記被検体からの反射波を受信した前記超音波探触子が生成した超音波受信信号に基づいて超音波画像を生成する。

本発明によれば、超音波放射面の温度上昇を低減させる超音波探触子および超音波診断装置を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る超音波診断装置の構成を例示した図 本発明の実施の形態に係る超音波探触子ユニットの構成を例示した図 超音波探触子の構造を説明するための一部切り欠き斜視断面図 フレーム、モータ、および土台の形状および位置関係を示す分解斜視図 フレーム、モータ、および土台の形状および位置関係を示す分解斜視図 フレームから開口部に至る超音波探触子の構成を示した分解斜視図 超音波探触子のフレームの材料による、超音波探触子の動作時における音響ウインドウの表面温度の温度上昇を比較したグラフ 超音波探触子のフレームの材料に採用した高熱伝導ＰＰＳの熱伝導率の違いによる、超音波探触子の動作時における音響ウインドウの表面温度の温度上昇を比較したグラフ

以下、本発明の実施の形態に係る超音波探触子について、図面を参照して説明する。ただし、発明の範囲は図示した例に限定されない。なお、以下の説明において、同一の機能および構成を有するものについては、同一の符号を付し、その説明を省略する。

図１は、本発明の実施の形態に係る超音波診断装置の構成を例示した図である。図１に示すように、超音波診断装置１は、超音波探触子ユニット１００と、超音波診断装置本体１１と、操作部１２と、表示部１３と、を有する。また、超音波探触子ユニット１００は、超音波探触子１１０と、コネクタ１２０と、ケーブル１３０と、を有する。

超音波探触子１１０は、図示しない生体等の被検体内に対して超音波（送信超音波）を送信するとともに、この被検体内で反射した超音波の反射波（反射超音波：エコー）を受信する。

超音波診断装置本体１１は、超音波探触子１１０とケーブル１３０およびコネクタ１２０を介して接続され、超音波探触子１１０に電気信号の駆動信号を送信することによって超音波探触子１１０に被検体に対して超音波送信信号を送信させる。そして、被検体内からの反射波を受信した超音波探触子１１０が生成した超音波受信信号に基づいて被検体内の内部状態を超音波画像として画像化する。

操作部１２は例えばスイッチ、ボタン、キーボード、マウス、タッチパネル等の操作デバイスであり、超音波診断装置１のユーザである医師や検査技師等の操作を受け付ける。

表示部１３は、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）や有機ＥＬディスプレイ等の表示デバイスであり、超音波診断装置本体１１が生成した超音波画像を表示したり、超音波診断装置１の状態に応じた種々の表示画面を表示したりする。表示部１３に表示された超音波画像を参照した医師等により、超音波画像による診断が行われる。

＜超音波探触子ユニット１００の構成＞
図２は、本発明の実施の形態に係る超音波探触子ユニット１００の構成を例示した図である。図２に示すように、超音波探触子ユニット１００は、超音波探触子１１０と、コネクタ１２０と、ケーブル１３０と、を有する。超音波探触子ユニット１００は、コネクタ１２０によって図示しない超音波診断装置本体に接続される。

超音波探触子１１０は、超音波診断の際に被検体に当接されて送信超音波を送信し、反射超音波を受信して超音波受信信号を生成する。送信超音波の生成は、例えばコネクタ１２０およびケーブル１３０を介して超音波診断装置本体１１から送信された制御信号に基づいて行われる。また、超音波探触子１１０において生成された超音波受信信号は、ケーブル１３０およびコネクタ１２０を介して超音波診断装置本体１１に送信される。これにより、超音波診断装置本体１１において超音波画像が生成される。

＜超音波探触子１１０の説明＞
図３は、超音波探触子１１０の構造を説明するための一部切り欠き斜視断面図である。図３に示すように、超音波探触子１１０は、音響素子２０１、土台２０２、音響ウインドウ２０３、フレーム２０４、カップリング液２０５、モータ２０６、出力軸２０７、オイルシール２０８、ベアリング２０９、プーリ２１０、ベルト２１１、プーリ２１２、シャフト２１３、ベアリング２１４、ハウジング２１５、開口部２１６を有する。

音響素子２０１は、電気信号と超音波との間で変換を行う音響素子（変換器）が複数個、走査方向に沿って直線状に配列された音響素子アレイである。音響素子２０１は、ほぼ円弧状に形成された土台２０２の弧に沿って配列されている。土台２０２の円弧の両端部は、後述するシャフト２１３によってフレーム２０４に固定されており、ベアリング２１４によって回転可能に保持されている。土台２０２の側面部分は、平坦に形成されることが望ましい（理由は後述）。

音響ウインドウ２０３は、超音波探触子１１０の先端部に設けられた部位であり、超音波診断装置１の使用時には、超音波が空気により減衰されないように被検体に直接押し当てられる。音響ウインドウ２０３は、音響素子２０１が生成した送信超音波、および被検体によって反射された反射超音波を減衰させずに通過させる素材で形成されている。また、音響ウインドウ２０３は、詳しくは後述するが、熱を伝えにくい（熱伝導性が低い）材料で形成されている。

フレーム２０４は、超音波探触子１１０の各構成を保持するための部材である。図３において、フレーム２０４は他の構成を図示するために一部断面となっている。フレーム２０４の形状および他の構成との位置関係については、後述する図４Ａおよび図４Ｂにおいて説明する。

また、フレーム２０４は、音響素子２０１が動作（超音波変換）時に発する熱が音響ウインドウ２０３側ではなく、ハウジング２１５側に伝達されるように、熱を伝えやすい（熱伝導性が高い）材料で形成されている。フレーム２０４による放熱については、詳しくは後述する。

フレーム２０４と音響ウインドウ２０３とによって、超音波探触子１１０内に閉空間Ｐ_Ｃが構成される。この閉空間Ｐ_Ｃ内には、上述した音響素子２０１と土台２０２とが配置される。また、閉空間Ｐ_Ｃ内にはカップリング液２０５が充填される。カップリング液２０５は、超音波の減衰を低減するためのものである。

モータ２０６は、音響素子２０１が配列された土台２０２を音響素子２０１の走査方向に対して垂直な方向に揺動させるための動力源である。モータ２０６は、例えばステッピングモータであって、超音波診断装置本体１１からの制御信号に基づいて動作する。モータ２０６は、超音波探触子１１０のハウジング２１５の内部であって、閉空間Ｐ_Ｃの外部に設けられる。モータ２０６の出力軸２０７は、オイルシール２０８を介して閉空間Ｐ_Ｃ内に挿入される。

出力軸２０７の先端部にはプーリ２１０が接続される。出力軸２０７の先端部は、ベアリング２０９を介してフレーム２０４に回転可能に保持されている。プーリ２１０とプーリ２１２とがベルト２１１によって連結されており、プーリ２１２は土台２０２に固定されている。シャフト２１３は、土台２０２の両端部を貫通し、ベアリング２１４を介してフレーム２０４に対して回転可能に接続されている。シャフト２１３は、土台２０２の回転運動の中心軸となる部材である。出力軸２０７、ベアリング２０９、プーリ２１０、ベルト２１１、プーリ２１２、シャフト２１３、ベアリング２１４は、閉空間Ｐ_Ｃ内に設けられている。

ハウジング２１５は、超音波探触子１１０の外装部である。上述したように、ハウジング２１５の一部である超音波探触子１１０の先端部には、音響ウインドウ２０３が設けられる。音響ウインドウ２０３と、音響ウインドウ２０３以外のハウジング２１５とは異なる材料で形成されることが望ましい。具体的には、ハウジング２１５は音響ウインドウ２０３より熱伝導性が高い材料で形成される。

ハウジング２１５の他端部には後述するブッシュ４０２（図５参照）を通すための開口部２１６が設けられている。

このような構成により、モータ２０６が出力する回転トルクは、モータ２０６の出力軸２０７、プーリ２１０、ベルト２１１、プーリ２１２を介して、シャフト２１３に伝達される。これにより、土台２０２はシャフト２１３を中心軸として、往復回転運動を行う。これにより、音響素子２０１が揺動するため、音響素子アレイである音響素子２０１によって形成される超音波形成面が移動し、３次元走査が実現される。

＜フレーム２０４の形状と位置関係＞
次に、フレーム２０４の形状や超音波探触子１１０の他の構成との位置関係について、より詳細に説明する。

図４Ａおよび図４Ｂは、フレーム２０４、モータ２０６、および土台２０２の形状および位置関係を示す分解斜視図である。図４Ａは、音響ウインドウ２０３が図の下側となるように各構成を示した図であり、図４Ｂは音響ウインドウ２０３が図の上側となるように各構成を示した図である。

図４Ａに示すように、モータ２０６は、モータ固定ねじ３０２によってモータブラケット３０１に固定され、モータブラケット３０１は、モータブラケット固定ねじ３０３によってフレーム２０４に固定される。フレーム２０４は、図４Ａに示すように、モータ２０６側に突出した突出部２０４Ａを有し、モータブラケット３０１は突出部２０４Ａに設けられたねじ穴に固定される。また、モータ２０６の出力軸２０７はオイルシール２０８を介して突出部２０４Ａ内に挿入される。突出部２０４Ａは、内部が空洞となるように形成されており、突出部２０４Ａの内部には上述したプーリ２１０、プーリ２１０の回転軸（図示は省略）やベルト２１１等が配置される。このような形状を有するフレーム２０４と音響ウインドウ２０３とにより、閉空間Ｐ_Ｃが構成される。すなわち、閉空間Ｐ_Ｃとは、図４Ａにおいては、超音波探触子１１０の内部における、フレーム２０４より下側の空間であり、図４Ｂにおいては、超音波探触子１１０の内部における、フレーム２０４より上側の空間である。

ベルト２１１はベルト固定ねじ３０４によってプーリ２１０およびプーリ２１２に固定されている。また、ベルト２１１によってプーリ２１０と連結されているプーリ２１２は、土台固定ねじ３０５によって土台２０２に固定されている。

また、図４Ｂに示すように、フレーム２０４の閉空間Ｐ_Ｃ側には、シャフト２１３を回転可能に接続するための接続部材２０４Ｂが形成されている。

＜超音波探触子１１０のその他の構成＞
図５は、フレーム２０４から開口部２１６に至る超音波探触子１１０の構成を示した分解斜視図である。

開口部２１６にはブッシュ４０２が通っている。ブッシュ４０２は、ケーブル４０１を保護するための部材である。ケーブル４０１は、図２に示すケーブル１３０と同一のものであり、超音波探触子１１０と、超音波診断装置本体１１との間の通信等を行うための通信線である。

ケーブル４０１の超音波探触子１１０側の端部は、中継基板４０３に接続される。中継基板４０３には、ケーブル４０１（１３０）を介して超音波診断装置本体１１と通信可能な制御回路が設けられている。中継基板４０３には、フレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）の一端部が接続されている（ＦＰＣは図示を省略）。ＦＰＣの他端部は、フレーム２０４の突出部２０４Ａに設けられた開口（図示せず）から閉空間Ｐ_Ｃ内に挿入され、音響素子２０１に接続されている。当該開口には、閉空間Ｐ_Ｃからカップリング液２０５が漏れないようにシールされる（図示せず）ことが望ましい。

中継基板４０３は、シャーシ４０４に保持される。シャーシ４０４は、シャーシ固定ねじ４０５によってモータブラケット３０１に固定される。

このような構成により、閉空間ＰＣ内の音響素子２０１に対して、超音波診断装置本体１１からの制御信号を伝達したり、音響素子２０１が生成した超音波受信信号を超音波診断装置本体１１に伝達したり、超音波診断装置本体１１からの制御信号に基づいて、モータ２０６の動作を制御したりすることができる。

＜フレーム２０４による放熱＞
以上、本開示の実施の形態に係る超音波探触子１１０の構成について説明した。以下では、本開示の実施の形態に係る超音波探触子１１０において、フレーム２０４が好適に放熱を行うことができる点について詳細に説明する。

超音波探触子１１０において、音響素子２０１が電気信号を超音波信号に変換する際に、すべての電気信号を変換することはできず、一部が熱となって放出される。また、モータ２０６が供給された電力によって回転運動を行う際に、一部が熱となって放出される。本開示の実施の形態に係る超音波探触子１１０においては、これら２つの構成が発生させる熱を、フレーム２０４によって好適に放熱することができる。

図３、図４Ａ、および図４Ｂと関連づけて説明したように、フレーム２０４と音響ウインドウ２０３とによって閉空間Ｐ_Ｃが構成され、閉空間Ｐ_Ｃ内にはカップリング液２０５が充填されている。

音響素子２０１と直接接しているのは、土台２０２とカップリング液２０５である。土台２０２もカップリング液２０５に接しているため、音響素子２０１が熱を発した場合、音響素子２０１の熱によって音響素子２０１と接するカップリング液２０５の一部が加熱される。

ここで、超音波探触子１１０の動作時には、音響素子２０１が配列された土台２０２がモータ２０６によって揺動（往復回転運動）を行う。このような土台２０２の往復回転運動によって、カップリング液２０５が撹拌される。上述したように、土台２０２の側面部分は平坦な形状に形成されているため、カップリング液２０５を効率的に撹拌することができる。この撹拌によって、音響素子２０１が接するカップリング液２０５は、常により冷たいカップリング液２０５に更新され続けることになる。このため、音響素子２０１はカップリング液２０５によって効率的に冷却される。

音響素子２０１によって加熱されたカップリング液２０５は、撹拌によって閉空間Ｐ_Ｃ内を移動し、音響ウインドウ２０３や、フレーム２０４と接することになる。しかしながら、上述したように音響ウインドウ２０３は熱伝導性が比較的低い材料で構成されるため、カップリング液２０５から音響ウインドウ２０３のへの熱の伝導量は比較的小さい。これにより、音響ウインドウ２０３の温度上昇が抑制される。

加熱されたカップリング液２０５にフレーム２０４が接すると、フレーム２０４は熱伝導性が比較的高い材料で構成されるため、カップリング液２０５の熱が効率的にフレーム２０４に伝導される。これにより、カップリング液２０５がフレーム２０４によって効率的に冷却される。

また、音響素子２０１（土台２０２）の揺動により、カップリング液２０５は撹拌されているので、フレーム２０４に接触するカップリング液２０５は、常により暖かいカップリング液２０５に更新される続けることになる。このため、音響素子２０１によって加熱された、より暖かいカップリング液２０５が常にフレーム２０４に接触することになる。これにより、カップリング液２０５の熱はフレーム２０４にさらに効率的に伝導される。

以上のように、音響素子２０１の発した熱の多くは、音響ウインドウ２０３から放射されずに、フレーム２０４に効率的に伝導される。これにより、音響ウインドウ２０３の表面温度が高くなり、音響ウインドウ２０３と直接接触する被検体が不快感を覚える事態を回避することができる。なお、フレーム２０４に伝導された熱は、例えば超音波探触子１１０のハウジング２１５内の空気等を介して、ハウジング２１５にさらに伝導される。これにより、音響素子２０１の発した熱が超音波探触子１１０の内部にこもることなく、好適に超音波探触子１１０の外部に放射される。

また、図４Ａおよび図５に関連づけて説明したように、フレーム２０４はモータ２０６とは直接接しておらず、モータ２０６はモータブラケット３０１を介してフレーム２０４に固定されている。超音波探触子１１０の動作時において、音響素子２０１以外にも、モータ２０６が熱を発するが、モータブラケット３０１を例えば熱絶縁材料で構成することにより、モータ２０６の発した熱がフレーム２０４に伝導されにくくなる。このような構成により、動作時にモータ２０６が発した熱の多くは、例えばモータ２０６が接するハウジング２１５内の空気等を介してハウジング２１５に伝導され、フレーム２０４およびカップリング液２０５を介して音響ウインドウ２０３に伝導されるモータ２０６由来の熱が低減される。

超音波探触子１１０は超音波診断装置１の使用者である医師や検査技師等の手に持って使用されるという性質上、ハウジング２１５の表面温度は被検体の肌に直接接触する音響ウインドウ２０３の表面温度より高くなることが許容されるため、モータ２０６の発する熱がフレーム２０４に対してよりもハウジング２１５に対してより多く伝導されることが好適である。なお、具体的には、例えばハウジング２１５の表面温度の上限値は４８℃であり、音響ウインドウ２０３の表面温度の上限値は４３℃である。

＜フレーム２０４の材料＞
上述したように、フレーム２０４は、音響ウインドウ２０３等と比較して熱伝導性が高い材料で形成される。以下では、フレーム２０４の材料について詳細に説明する。

熱伝導性が比較的高い材料として、例えば金属が挙げられる。超音波探触子１１０は、医者や検査技師等の使用者が手に持って使用するものであるため、重量を低減したいという要望がある。軽量な金属として例えばアルミニウムがある。図４Ａや図４Ｂに例示したように複雑な形状を有するフレーム２０４を、例えばアルミニウムの削り出しで製造しようとした場合、フレーム２０４の製造コストが非常に高価となる。

製造コストが比較的低い材料として、例えば樹脂がある。また、機械的強度、剛性、難燃性、耐薬品性、電気特性および寸法安定性に優れた樹脂として、例えばポリフェニレンサルファイド（Polyphenylene Sulfide：ＰＰＳ）樹脂がある。しかしながら、ＰＰＳ樹脂は熱伝導性が比較的低い（例えば０．１〜０．５Ｗ／ｍ・Ｋ）。このため、ＰＰＳ樹脂をフレーム２０４の材料として使用すると、音響素子２０１の発する熱がカップリング液２０５を介してフレーム２０４に伝導されにくいため、望ましくない。

以上の観点から、本発明の実施の形態に係る超音波探触子１１０では、比較的安価で熱伝導性が比較的高い材料として、炭素繊維、カーボンナノチューブ、黒鉛（グラファイト）等の炭素や、銅、銀、ケイ素、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化ケイ素、酸化マグネシウム、アルミナ、低融点合金（Ａｇ−Ｓｎ，Ｃａ−Ｌｉ，Ａｌ−Ｌｉ，Ｂｉ−Ｓｎ，Ｓｎ−Ｂｉ−Ｃｕ−Ｎｉ，Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｎｉ，Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎ，Ｍｎ−Ｓｎ，Ｍｇ−Ｓｎ，Ｍｇ−Ｚｎ，Ａｌ−Ｓｎ，Ｃｕ−Ｓｎ）等のミネラルを添加したＰＰＳ樹脂を採用する。このように炭素やミネラルをＰＰＳ樹脂に添加し、添加物を好適にＰＰＳ樹脂内に分散させることにより、熱伝導性が比較的高いＰＰＳ樹脂（高熱伝導ＰＰＳ）とすることができる。

本発明の実施の形態において、フレーム２０４は、５〜３０Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導率を有するようなＰＰＳ樹脂で形成される。フレーム２０４の材料としてのＰＰＳ樹脂に添加する添加物（炭素、ミネラル）の種類や量に関しては、上記条件を満たすものであれば本発明では特に限定しない。すなわち、炭素のみ、またはミネラルのみを添加してもよいし、炭素とミネラルの両方を添加してもよい。さらに、上記した例以外の添加物を添加したＰＰＳ樹脂をフレーム２０４の材料として使用してもよい。また高熱伝導ＰＰＳの製造方法についても、本発明では特に限定しない。

このようにフレーム２０４を熱伝導性が比較的高い材料で形成することにより、音響素子２０１の発する熱がカップリング液２０５を介してフレーム２０４に伝導されやすくなり、カップリング液２０５の温度が下がりやすくなる。このため、音響ウインドウ２０３の表面温度が高くなりすぎないようにすることができる。なお、参考として、本発明の実施の形態に係る超音波探触子１１０の音響ウインドウ２０３は、例えば０．５Ｗ／ｍ・Ｋ以下の熱伝導率を有する樹脂等の材料（例えば、ポリメチルペンテン：polymethylpentene）で形成される。すなわち、音響ウインドウ２０３の熱伝導率は、フレーム２０４の熱伝導率と比較して非常に小さい。

また、フレーム２０４の材料として高熱伝導ＰＰＳを採用することによって、フレーム２０４の熱伝導率を高くすることができる以外に、フレーム２０４の放射率を比較的高くすることができる。例えばフレーム２０４の材料に上記説明した高熱伝導ＰＰＳを採用した場合、放射率は８０〜９０％となる。

フレーム２０４の熱伝導率と放射率が比較的高いことから、フレーム２０４は、音響素子２０１の発した熱を吸収しやすく、また、吸収した熱を放射しやすい。このため、音響素子２０１の発する熱がカップリング液２０５を介してフレーム２０４に伝導されやすく、フレーム２０４に伝導された熱は、例えば超音波探触子１１０内の空気や、赤外線放射により、ハウジング２１５等に伝導されやすい。このため、音響素子２０１が発した熱により、音響ウインドウ２０３の表面温度が上限温度より高くなることがなく、また熱が超音波探触子１１０の内部にこもってしまうこともなく、好適にハウジング２１５等から放熱される。

さらに、フレーム２０４を、熱伝導に対して異方性を有する材料で形成するようにしてもよい。具体的には、カップリング液２０５と接触する部位から他の部位へ向かう方向の熱伝導率が、それ以外の方向の熱伝導率と比較して高くなるように、フレーム２０４を形成してもよい。これにより、フレーム２０４は、カップリング液２０５から伝導される音響素子２０１の発した熱を放射しやすくなるため、好適である。また、モータ２０６の発した熱がフレーム２０４を通じてカップリング液２０５へ伝導しにくくすることができる。

＜作用・効果＞
以上説明したように、本発明の実施の形態に係る超音波探触子１１０は、電気信号と超音波信号とを相互に変換する音響素子２０１と、音響素子２０１を揺動回転させるモータ２０６と、高熱伝導性を有する樹脂で形成されており、音響素子２０１を揺動可能に保持するフレーム２０４と、超音波透過性を有する材料で形成されており、音響素子２０１とカップリング液２０５とを内包する閉空間を、モータ２０６が閉空間外に配置されるように、フレーム２０４とともに構成する音響ウインドウ２０３と、を有する。

ここで、土台２０２の側面部分は、平坦に形成される。また、フレーム２０４を形成する樹脂は、音響ウインドウ２０３と比較して高い熱伝導性を有する、具体的には、フレーム２０４を形成する樹脂の熱伝導率は、５〜３０Ｗ／ｍ・Ｋである。また、フレーム２０４を形成する樹脂の放射率は、８０〜９０％である。また、フレーム２０４を形成する樹脂は、ＰＰＳ（Polyphenylene sulfide）に炭素、ミネラル、またはその両方を添加した高熱伝導ＰＰＳである。

このような構成により、本発明の実施の形態に係る超音波探触子１１０において、以下のような効果が得られる。すなわち、音響素子２０１が電気信号を超音波信号に変換する際に発した熱は、音響素子２０１と接するカップリング液２０５の一部に伝導される。ここで、音響素子２０１が配列された土台２０２は、モータ２０６によって揺動（往復回転運動）されるので、土台２０２の側面部分の平坦な形状によって、カップリング液２０５が効率的に撹拌される。この撹拌によって、音響素子２０１が接するカップリング液２０５は、常により冷たいカップリング液２０５に更新され続けるため、音響素子２０１がカップリング液２０５によって効率的に冷却される。

音響素子２０１によって加熱されたカップリング液２０５は、撹拌によって閉空間Ｐ_Ｃ内を移動し、音響ウインドウ２０３や、フレーム２０４と接する。しかしながら、音響ウインドウ２０３は熱伝導性が比較的低い材料で構成されるため、音響ウインドウ２０３の温度上昇が抑制される。

加熱されたカップリング液２０５にフレーム２０４が接すると、フレーム２０４は熱伝導性が比較的高い材料で構成されるため、カップリング液２０５の熱が効率的にフレーム２０４に伝導される。これにより、カップリング液２０５がフレーム２０４によって効率的に冷却される。

また、音響素子２０１（土台２０２）の揺動により、カップリング液２０５は撹拌されているので、フレーム２０４に接触するカップリング液２０５は、常により暖かいカップリング液２０５に更新される続けることになる。このため、音響素子２０１によって加熱された、より暖かいカップリング液２０５が常にフレーム２０４に接触することになる。これにより、カップリング液２０５の熱はフレーム２０４にさらに効率的に伝導される。

従って、音響素子２０１の発した熱の多く、は音響ウインドウ２０３から放射されずに、フレーム２０４に効率的に伝導される。これにより、音響ウインドウ２０３の表面温度が高くなり、音響ウインドウ２０３と直接接触する被検体が不快感を覚える事態を回避することができる。

また、本発明の実施の形態に係る超音波探触子１１０では、モータ２０６とフレーム２０４との間に、熱絶縁材料で形成された熱絶縁部材であるモータブラケット３０１を配置する。

このような構成により、モータ２０６の発した熱がフレーム２０４に伝導されにくくなるので、動作時にモータ２０６が発した熱の多くは、例えばモータ２０６が接するハウジング２１５内の空気等を介してハウジング２１５に伝導され、フレーム２０４およびカップリング液２０５を介して音響ウインドウ２０３に伝導される熱が低減される。これにより、音響ウインドウ２０３の表面温度が高くなり、音響ウインドウ２０３と直接接触する被検体が不快感を覚える事態を回避することができる。

＜作用・効果の具体例＞
以下では、本発明の実施の形態に係る超音波探触子１１０において、フレーム２０４の材料として上記説明したような高熱伝導ＰＰＳを採用した場合の効果の具体例について説明する。

図６Ａは、超音波探触子のフレームの材料による、超音波探触子の動作時における音響ウインドウの表面温度の温度上昇を比較したグラフである。図６Ａにおいて、「高熱伝導ＰＰＳ」は、フレームの材料に上記説明した高熱伝導ＰＰＳを採用した場合の音響ウインドウ表面の温度変化を示している。なお、図６Ａにおける高熱伝導ＰＰＳは、グラファイトや炭素繊維等の炭素と、銀，銅，ケイ素，炭化ケイ素，窒化アルミニウム，窒化ホウ素，窒化ケイ素，酸化マグネシウム，アルミナ，低融点合金（Ｓｎ−Ｂｉ，Ｓｎ−Ｂｉ−Ｃｕ−Ｎｉ，Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｎｉ，Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ，Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎ等）等の添加物を適宜ＰＰＳ樹脂に添加したものである。図６Ａにおいては、高熱伝導ＰＰＳの熱伝導率は、３０Ｗ／ｍ・Ｋである。また、図６Ａにおいて、「アルミ」は、フレームの材料に金属の一例としてアルミニウムを採用した場合の音響ウインドウ表面の温度変化を示している。さらに、図６Ａにおいて、「ＰＰＳ（添加物なし）」は、フレームの材料に添加物なしのＰＰＳを使用した場合の音響ウインドウ表面の温度変化を示している。なお、図６Ａにおいて、音響ウインドウ表面の温度変化は、赤外線サーモカメラで測定したものである。

図６Ａに示すように、フレームの材料に高熱伝導ＰＰＳを採用した場合、添加物なしのＰＰＳを採用した場合と比較して、音響ウインドウ表面の温度上昇を低減することができる。また、図６Ａに示すように、フレームの材料に高熱伝導ＰＰＳを採用した場合、熱伝導性が高い金属であるアルミニウムを採用した場合と同程度の温度上昇に抑えることができる。

また、図６Ａに示すように、フレームの材料にアルミを採用した場合、音響ウインドウ表面の温度は経過時間とともに上昇を続けるが、フレームの材料に高熱伝導ＰＰＳを採用した場合、音響ウインドウ表面の温度は、一度上昇した後ほぼ一定となる。これは以下の理由による。すなわち、アルミのように熱伝導による放熱がメインとなる金属をフレームに採用した場合、フレームの熱は低熱伝導物質である対流しない空気（フレーム周囲の狭い空間に存在する空気）を介して放熱されることになるため、フレーム周囲の空気自体に熱が蓄積され、かつ空気から熱が放熱されにくい。これにより、フレームから熱が逃げにくくなり、音響ウインドウの温度は上昇を続けることになる。

一方、上記説明した高熱伝導ＰＰＳをフレームに採用した場合、高熱伝導ＰＰＳの放射率は上記したように比較的高いため、フレームの温度上昇に伴って放射による排熱量が増大し、フレームに供給される熱量と排熱量とのバランスがとれる。これにより、フレームに高熱伝導ＰＰＳを採用した場合、フレームにアルミ（金属）を採用した場合と比較して、フレームから熱が放熱されやすく、音響ウインドウの温度上昇を防止し、ほぼ一定の温度に保つことができるようになる。

図６Ｂは、超音波探触子のフレームの材料に採用した高熱伝導ＰＰＳの熱伝導率の違いによる、超音波探触子の動作時における音響ウインドウの表面温度の温度上昇を比較したグラフである。図６Ｂにおいては、ＰＰＳ樹脂に添加する上記添加物の成分、量、割合等を適宜変化させることによって、５Ｗ／ｍ・Ｋ、１０Ｗ／ｍ・Ｋ、および３０Ｗ／ｍ・Ｋの３種類の熱伝導率を有する高熱伝導ＰＰＳを用意し、これをフレームの材料に採用した例について示している。

図６Ｂに示すように、フレームの材料に高熱伝導ＰＰＳを採用した場合、例えば熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋ以上であれば、熱伝導率の大きさにかかわらず、音響ウインドウ表面の温度上昇を同程度に抑えることができる。

なお、図６Ｂに示す上記具体例において、５Ｗ／ｍ・Ｋの高熱伝導ＰＰＳにはＤＩＣ（株）製のＣＺ−２０６０−Ａ１を用い、１０Ｗ／ｍ・Ｋの高熱伝導ＰＰＳには東レ（株）製のＨ５０１Ｂを用い、３０Ｗ／ｍ・Ｋの高熱伝導ＰＰＳには出光ライオンコンポジット（株）製のＴ１２１Ｊ１を用いた。

以上、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。特許請求の範囲の記載範囲内において、当業者が想到できる各種の変更例または修正例についても、本発明の技術的範囲に含まれる。また、開示の趣旨を逸脱しない範囲において、上記実施の形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。

本発明は、超音波を利用した超音波診断装置の超音波探触子に好適である。

１ 超音波診断装置
１１ 超音波診断装置本体
１２ 操作部
１３ 表示部
１００ 超音波探触子ユニット
１１０ 超音波探触子
１２０ コネクタ
１３０ ケーブル
２０１ 音響素子
２０２ 土台
２０３ 音響ウインドウ
２０４ フレーム
２０４Ａ 突出部
２０４Ｂ 接続部材
２０５ カップリング液
２０６ モータ
２０７ 出力軸
２０８ オイルシール
２０９ ベアリング
２１０ プーリ
２１１ ベルト
２１２ プーリ
２１３ シャフト
２１４ ベアリング
２１５ ハウジング
２１６ 開口部
３０１ モータブラケット
４０１ ケーブル
４０２ ブッシュ
４０３ 中継基板
４０４ シャーシ

Claims (8)

1. 超音波診断装置本体に接続される超音波探触子であって、
   電気信号と超音波信号とを相互に変換する音響素子と、
   前記音響素子を揺動回転させるモータと、
   熱伝導性を有する樹脂で形成されており、前記音響素子を揺動可能に保持するフレームと、
   超音波透過性を有する材料で形成されており、前記音響素子とカップリング液とを内包する閉空間を、前記モータが前記閉空間外に配置されるように、前記フレームとともに構成する音響ウインドウと、
   を有し、
   前記音響素子の土台の側面部分は、平坦に形成される、
   超音波探触子。
2. 前記フレームを形成する樹脂は、前記音響ウインドウと比較して高い熱伝導性を有する、
   請求項１に記載の超音波探触子。
3. 前記フレームを形成する樹脂の熱伝導率は、５〜３０Ｗ／ｍ・Ｋである、
   請求項１または２に記載の超音波探触子。
4. 前記フレームを形成する樹脂の放射率が８０〜９０％である、
   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. 前記フレームを形成する樹脂は、ＰＰＳ（Polyphenylene sulfide）に炭素またはミネラルのいずれか一方、またはその両方を添加した高熱伝導ＰＰＳである、
   請求項１から４のいずれか一項に記載の超音波探触子。
6. 前記モータと前記フレームとの間に、熱絶縁材料で形成された熱絶縁部材を配置する、
   請求項１から５のいずれか一項に記載の超音波探触子。
7. 前記フレームは、熱伝導に対して異方性を有する材料で形成され、前記カップリング液と接触する部位から他の部位へ向かう方向の熱伝導率が、それ以外の方向の熱伝導率と比較して高い、
   請求項１から６のいずれか一項に記載の超音波探触子。
8. 請求項１に記載の超音波探触子と、前記超音波診断装置本体と、を有する超音波診断装置であって、
   前記超音波診断装置本体は、前記超音波探触子から被検体に対して超音波送信信号を送信させ、前記被検体からの反射波を受信した前記超音波探触子が生成した超音波受信信号に基づいて超音波画像を生成する、
   超音波診断装置。

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