WO2016175050A1 - 超音波振動子および超音波プローブ - Google Patents

超音波振動子および超音波プローブ Download PDF

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毅直 藤村
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Definitions

  • Ultrasound may be applied to observe the characteristics of the biological tissue or material that is the object of observation.
  • the ultrasonic transducer transmits an ultrasonic wave to the observation target, receives an ultrasonic echo reflected by the observation target, and the ultrasonic observation apparatus performs a predetermined process on the received ultrasonic echo. By performing signal processing, it is possible to acquire information regarding the characteristics of the observation target.
  • An ultrasonic transducer converts an electrical pulse signal into an ultrasonic pulse (acoustic pulse) and irradiates the object to be observed, as well as an electrical echo signal that expresses the ultrasonic echo reflected by the object as a voltage change.
  • a plurality of piezoelectric elements that convert and output the data. For example, by arranging a plurality of piezoelectric elements along a predetermined direction and electronically switching the elements involved in transmission / reception, or delaying transmission / reception of the piezoelectric body of each ultrasonic transducer, ultrasonic waves can be transmitted from the observation target. Get an echo.
  • an ultrasonic transducer that transmits ultrasonic waves along a predetermined direction and acquires ultrasonic echoes reflected by the observation target is referred to as an ultrasonic transducer of a 1D array.
  • the ultrasonic transducer of the 2D array can acquire, for example, an ultrasonic echo in the elevation direction orthogonal to the scanning direction of the ultrasonic transducer of the 1D array.
  • the ultrasonic transducer of the 2D array can obtain a plurality of ultrasonic images (cross-sectional images) along the elevation direction.
  • a 2D array of ultrasonic transducers can obtain a plurality of cross-sectional images along the elevation direction, but a plurality of piezoelectric elements are provided in a matrix and a cable needs to be connected to each.
  • the number of cables increases as compared with the ultrasonic transducer of the 1D array, and the structure of the ultrasonic transducer becomes complicated.
  • the present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to provide an ultrasonic transducer and an ultrasonic probe that can obtain a plurality of ultrasonic images along the elevation direction with a simple configuration. To do.
  • the ultrasonic transducer according to the present invention is the ultrasonic transducer according to the above invention, wherein the mask portion is arranged along the elevation direction, and a plurality of electret portions that form an electric field while maintaining electric polarization, and the electret portion. And a plurality of hollow portions that form a band-shaped hollow space corresponding to the arrangement of the first and second electrodes, and a plurality of counter electrodes that are provided to face the electret portion and form a band shape.
  • the ultrasonic transducer according to the present invention is the ultrasonic transducer according to the above invention, wherein the mask portion is formed by laminating a first sheet having a bendable sheet shape and a second sheet having a sheet shape.
  • the sheet has a plurality of first electrodes that are arranged along the elevation direction and have a strip shape
  • the second sheet has a plurality of protrusions that protrude from a surface facing the first sheet, and And a plurality of strip-shaped second electrodes provided opposite to the first electrode, wherein a hollow space is formed by the first sheet and the protruding portion.
  • the mask portion is formed by mixing a material whose volume is expanded by heat, and a plurality of mixing portions arranged along the elevation direction; and A plurality of heating wires that pass through each mixing section and generate heat when energized.
  • the mask portion includes a plurality of hollow portions that are capable of circulating a fluid capable of transmitting ultrasonic waves and are arranged along the elevation direction. It is characterized by having.
  • the ultrasonic transducer according to the present invention is the acoustic transducer according to the above-described invention, in which an acoustic matching layer for matching an acoustic impedance between the piezoelectric element and an observation target, and an acoustic wave that emits an ultrasonic wave that has passed through the mask portion to the outside. And a plurality of piezoelectric elements, the acoustic matching layer, the mask portion, and the acoustic lens are stacked in this order.
  • the ultrasonic probe according to the present invention is characterized in that the ultrasonic transducer according to the above-described invention is provided at the tip.
  • FIG. 6 is an exploded perspective view schematically showing the configuration of the ultrasonic transducer according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing a configuration of a main part of the ultrasonic transducer according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining propagation of ultrasonic waves in the ultrasonic transducer according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining propagation of ultrasonic waves in the ultrasonic transducer according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 10 is a perspective view schematically showing the distal end configuration of the insertion portion of the ultrasonic endoscope according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a perspective view schematically showing the distal end configuration of the insertion portion of the ultrasonic endoscope according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is a diagram schematically showing an ultrasonic image obtained by scanning the ultrasonic transducer shown in FIG.
  • FIG. 17 is a diagram illustrating the configuration of an ultrasonic transducer according to a modification of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a diagram for explaining the configuration of an ultrasonic transducer according to a modification of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 19 is a schematic diagram showing the configuration of the main part of the ultrasonic transducer according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 20 is a diagram for explaining ultrasonic propagation in the ultrasonic transducer according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 21 is a diagram for explaining propagation of ultrasonic waves in the ultrasonic transducer according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 22 is a diagram illustrating the configuration of the main part of the ultrasonic transducer according to the modification of the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 23 is a schematic diagram showing a configuration of a main part of the ultrasonic transducer according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 24 is a diagram for explaining propagation of ultrasonic waves in the ultrasonic transducer according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 25 is a diagram for explaining propagation of ultrasonic waves in the ultrasonic transducer according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 22 is a diagram illustrating the configuration of the main part of the ultrasonic transducer according to the modification of the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 23 is a schematic diagram showing a configuration of a main part of the ultrasonic transducer according to Embodiment
  • the ultrasonic endoscope 2 includes an insertion unit 21, an operation unit 22, a universal cable 23, and a connector 24.
  • the insertion part 21 is a part inserted into the subject.
  • the insertion portion 21 includes an ultrasonic transducer 7 provided on the distal end side, a rigid member 211 connected to the proximal end side of the ultrasonic transducer 7, and a proximal end side of the rigid member 211.
  • a bending portion 212 which is connected to the bending portion 212 and bendable, and a flexible tube portion 213 which is connected to the proximal end side of the bending portion 212 and has flexibility.
  • the ultrasonic vibrator 7 may be any of a convex vibrator, a linear vibrator, and a radial vibrator.
  • the ultrasonic endoscope 2 is provided with a plurality of piezoelectric elements as an ultrasonic transducer 7 in an array, and the piezoelectric elements involved in transmission / reception are electronically switched, or the transmission / reception of each piezoelectric element is delayed.
  • the ultrasonic transducer 7 may be mechanically scanned. The configuration of the ultrasonic transducer 7 will be described later.
  • FIG. 2 is a perspective view schematically showing the distal end configuration of the insertion portion of the ultrasonic endoscope according to the first embodiment.
  • the rigid member 211 includes an illumination lens 211a that condenses illumination light and emits it outside, an objective lens 211b that forms part of the imaging optical system and captures light from outside, and an insertion A treatment instrument protruding port 211c that communicates with the treatment instrument insertion passage formed in the section 21 and projects the treatment instrument from the distal end of the insertion section 21.
  • the operation unit 22 is a part that is connected to the proximal end side of the insertion unit 21 and receives various operations from a doctor or the like. As shown in FIG. 1, the operation unit 22 includes a bending knob 221 for performing a bending operation on the bending unit 212 and a plurality of operation members 222 for performing various operations. In addition, the operation section 22 is formed with a treatment instrument insertion port 223 that communicates with the treatment instrument insertion path and allows the treatment instrument to be inserted into the treatment instrument insertion path.
  • the universal cable 23 is a cable that extends from the operation unit 22 and includes a plurality of signal cables that transmit various signals, an optical fiber that transmits illumination light supplied from the light source device 6, and the like.
  • the endoscope observation apparatus 4 is electrically connected to the ultrasonic endoscope 2 via the video cable 41 (FIG. 1), and inputs an image signal from the ultrasonic endoscope 2 via the video cable 41. Then, the endoscope observation apparatus 4 performs a predetermined process on the image signal to generate an endoscope image.
  • the display device 5 is configured using liquid crystal, organic EL (Electro Luminescence), or the like, and an ultrasonic image generated by the ultrasonic observation device 3 or an endoscope image generated by the endoscope observation device 4. Etc. are displayed.
  • the ultrasonic transducer 7 has a prismatic shape and a plurality of piezoelectric elements 71 arranged in the longitudinal direction and a plurality of piezoelectric elements 71 provided on the outer surface side of the ultrasonic transducer 7.
  • a mask portion 74 provided on the opposite side to the side, an acoustic lens 75 provided on the opposite side of the mask portion 74 from the side in contact with the second acoustic matching layer 73, and a side in contact with the first acoustic matching layer 72 of the piezoelectric element 71.
  • the longitudinal direction of the piezoelectric elements 71 is referred to as an elevation direction De, and the arrangement direction of the piezoelectric elements 71 is referred to as a scanning direction Ds.
  • the piezoelectric element unit 700 is configured by the piezoelectric element 71, the first acoustic matching layer 72, and the second acoustic matching layer 73.
  • the piezoelectric element 71 converts an electrical pulse signal into an ultrasonic pulse (acoustic pulse), irradiates the subject, and converts the ultrasonic echo reflected by the subject into an electrical echo signal that expresses the voltage change. Convert and output.
  • the piezoelectric element 71 is provided with a signal input / output electrode on the main surface on the backing material 76 side and a grounding electrode on the main surface on the first acoustic matching layer 72 side of the piezoelectric element 71. Yes.
  • Each electrode is formed using a conductive metal material or resin material.
  • the piezoelectric element 71 is formed using a PZT ceramic material, a PMN-PT single crystal, a PMN-PZT single crystal, a PZN-PT single crystal, a PIN-PZN-PT single crystal, or a relaxor material.
  • PMN-PT single crystal is an abbreviation for solid solution of magnesium lead niobate and lead titanate.
  • PMN-PZT single crystal is an abbreviation for solid solution of magnesium / lead niobate and lead zirconate titanate.
  • the PZN-PT single crystal is an abbreviation for a solid solution of zinc / lead niobate and lead titanate.
  • the PIN-PZN-PT single crystal is an abbreviation for a solid solution of indium / lead niobate, zinc / lead niobate and lead titanate.
  • the relaxor-based material is a general term for a three-component piezoelectric material in which lead-based composite perovskite, which is a relaxor material, is added to lead zirconate titanate (PZT) for the purpose of increasing the piezoelectric constant and dielectric constant.
  • the lead-based composite perovskite is represented by Pb (B1, B2) O 3 , B1 is any one of magnesium, zinc, indium, and scandium, and B2 is any one of niobium, tantalum, or tungsten.
  • the first acoustic matching layer 72 and the second acoustic matching layer 73 have acoustic impedance between the piezoelectric element 71 and the observation target in order to efficiently transmit sound (ultrasonic waves) between the piezoelectric element 71 and the observation target.
  • the first acoustic matching layer 72 and the second acoustic matching layer 73 are made of different materials.
  • the first embodiment will be described as having two acoustic matching layers (the first acoustic matching layer 72 and the second acoustic matching layer 73). It is good also as three or more layers.
  • the acoustic matching layer may be an ultrasonic transducer that does not have the acoustic matching layer as long as the acoustic impedance with the observation target is matched.
  • the mask portion 74 regulates the passage of the ultrasonic wave in the elevation direction De in the ultrasonic vibrator 7 by masking a part of the piezoelectric element 71 in the elevation direction De.
  • the mask unit 74 can mask an arbitrary divided area among divided areas obtained by dividing the elevation direction De into a plurality of areas.
  • the ultrasonic wave is transmitted.
  • the ultrasonic waves are reflected in a direction different from the propagation direction, and the ultrasonic waves are passed in the propagation direction in the divided regions other than the masked divided region.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing the configuration of the main part of the ultrasonic transducer according to the first embodiment, and is a diagram for explaining the configuration of the mask unit 74.
  • the mask portion 74 includes a sheet-like main body portion 740 formed using a material that can pass ultrasonic waves, and is provided between the second acoustic matching layer 73 and the acoustic lens 75.
  • the main body portion 740 is provided on one surface, has a strip shape, and maintains three electric electret portions 741 that maintain electric polarization to form an electric field, and three strips that form a band-shaped hollow space according to the arrangement of the electret portions 741.
  • the hollow part 742 is described as being filled with gas (air).
  • the electret portion 741 is a strip formed using a fluororesin such as Teflon (registered trademark) or polyethylene terephthalate (PET), and is formed of an electret (electric stone) that maintains an electric polarization and forms an electric field. Realized. In the first embodiment, description will be made assuming that the hollow portion 742 side (opposite electrode 743 side) is positively charged.
  • a fluororesin such as Teflon (registered trademark) or polyethylene terephthalate (PET)
  • PET polyethylene terephthalate
  • the counter electrode 743 is switched between the presence and absence of charge application under the control of a control unit (not shown). For example, the counter electrode 743 is negatively charged when a charge is applied.
  • the counter electrode 743 is formed using a material through which at least ultrasonic waves can pass.
  • the mask portion 74 can pass ultrasonic waves by eliminating the hollow space existing in the ultrasonic wave traveling direction.
  • the mask portion 74 is The area to be masked along the direction De is divided into three (divided areas E1 to E3). For this reason, the ultrasonic transducer
  • the electret part 741 enters the hollow part 742 and comes into contact with the bottom surface, and the divided according to the counter electrode 743 Ultrasound can pass through the region.
  • the ultrasonic wave is emitted only from the divided area E1.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining the propagation of ultrasonic waves in the ultrasonic transducer according to the first embodiment, and shows a state in which no electric charge is applied to the counter electrode 743.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining propagation of ultrasonic waves in the ultrasonic transducer according to the first embodiment, and is a diagram showing a state in which charges are applied to the counter electrode 743.
  • the mask portion 74 When no electric charge is applied to the counter electrode 743, the mask portion 74 has ultrasonic waves between the electret portion 741 and the counter electrode 743, as shown in FIG. The passage is blocked (broken arrow in FIG. 8). At this time, the ultrasonic wave is reflected by the hollow portion 742 (gas) in a direction different from the propagation direction of the ultrasonic wave.
  • the mask portion 74 When the charge is applied to the counter electrode 743, the mask portion 74 is drawn into the negatively charged counter electrode 743 side and enters the inside of the hollow portion 742 as shown in FIG. In order to come into contact with the bottom of the hollow portion 742, ultrasonic waves are allowed to pass (broken arrows in FIG. 9).
  • the passage of ultrasonic waves by the mask portion 74 is controlled by the application of electric charges to the counter electrode 743.
  • the application of charges to the divided areas E1 to E3 it is possible to emit ultrasonic waves from a desired area.
  • the reception area of the ultrasonic echo can also be controlled by applying a charge.
  • the acoustic lens 75 is formed using silicone, polymethylpentene, epoxy resin, polyetherimide, or the like, and has one surface having a convex or concave shape and a function of focusing the ultrasonic waves. Then, the ultrasonic wave that has passed through the mask portion 74 is emitted to the outside, or an ultrasonic echo from the outside is captured.
  • the acoustic lens 75 can be arbitrarily provided, and the acoustic lens 75 may not be provided.
  • the backing material 76 attenuates unnecessary ultrasonic vibration generated by the operation of the piezoelectric element 71.
  • the backing material 76 is formed using a material having a large attenuation rate, for example, an epoxy resin in which a filler such as alumina or zirconia is dispersed, or a rubber in which the filler is dispersed.
  • the piezoelectric element 71 is vibrated by the input of the pulse signal, so that the first acoustic matching layer 72, the second acoustic matching layer 73, the mask portion 74, and the acoustic lens 75 are passed through. Irradiate the observation target with ultrasonic waves. At this time, in the piezoelectric element 71, the vibration of the piezoelectric element 71 is attenuated by the backing material 76 on the side opposite to the arrangement side of the first acoustic matching layer 72, the second acoustic matching layer 73, the mask portion 74 and the acoustic lens 75. Thus, the vibration of the piezoelectric element 71 is not transmitted.
  • the ultrasonic wave reflected from the observation target is transmitted to the piezoelectric element 71 through the acoustic lens 75, the mask unit 74, the second acoustic matching layer 73, and the first acoustic matching layer 72.
  • the piezoelectric element 71 is vibrated by the transmitted ultrasonic wave, and the piezoelectric element 71 converts the vibration into an electrical echo signal, and outputs it as an echo signal to the ultrasonic observation apparatus 3 via a wiring (not shown).
  • FIG. 10 is a perspective view schematically showing the distal end configuration of the insertion portion of the ultrasonic endoscope according to the first embodiment.
  • the tip of the puncture needle 100 is positioned within the scanning region of the ultrasonic transducer 7, and the puncture needle 100 is punctured into the region of interest while confirming whether the puncture needle 100 protrudes from the ultrasonic image. Can do.
  • the ultrasonic image is a cross-sectional image parallel to the scanning direction Ds, and the position of the puncture needle 100 in the elevation direction De cannot be grasped. Even though the protruding position of the puncture needle 100 in the scanning direction Ds can be confirmed by the ultrasonic image, the curvature of the puncture needle 100 in the elevation direction De cannot be confirmed.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating the positional relationship between the scanning range of the ultrasonic transducer and the puncture needle according to the first embodiment.
  • a charge is applied to the counter electrode 743 in the divided region E1, and scanning in the scanning region R1 is performed by the ultrasonic wave that has passed through the divided region E1.
  • the ultrasonic waves are reflected by the hollow portions 742 and do not reach the acoustic lens 75.
  • FIG. 12 is a diagram schematically showing an ultrasonic image obtained by scanning the ultrasonic transducer shown in FIG.
  • the ultrasound image W1 shown in FIG. 12 is an image obtained by the ultrasound scanning shown in FIG. 11, and is an image showing the case where the distal end side of the puncture needle 100 is out of the scanning region R1, as described above.
  • an image (needle image 200) of the puncture needle 100 existing in the scanning region R1 exists in the ultrasonic image W1. It becomes.
  • FIG. 13 is a diagram for explaining the positional relationship between the scanning range of the ultrasonic transducer and the puncture needle according to the first embodiment.
  • vibrator 7 is demonstrated as what is the same as that of FIG.
  • a charge is applied to the counter electrode 743 in the divided region E2, and scanning in the scanning region R2 is performed by the ultrasonic wave that has passed through the divided region E2.
  • the ultrasonic waves are reflected by the hollow portions 742 and do not reach the acoustic lens 75.
  • ultrasonic scanning is performed at one end in the elevation direction De. Therefore, when the longitudinal direction of the puncture needle 100 is curved with respect to a plane parallel to the scanning direction Ds, only the tip of the puncture needle 100 is located in the scanning region R2, as shown in FIG.
  • FIG. 14 is a diagram schematically showing an ultrasonic image obtained by scanning the ultrasonic transducer shown in FIG.
  • the ultrasonic image W2 shown in FIG. 14 is an image obtained by the ultrasonic scanning shown in FIG. 13, and is an image showing a case where only the tip of the puncture needle 100 is located in the scanning region R2, as described above. .
  • an image (needle image 201) of the puncture needle 100 existing in the scanning region R2 exists in the ultrasonic image W2. It will be.
  • FIG. 15 is a diagram for explaining the positional relationship between the scanning range of the ultrasonic transducer and the puncture needle according to the first embodiment of the present invention.
  • vibrator 7 is demonstrated as what is the same as that of FIG.
  • a charge is applied to the counter electrode 743 in the divided region E3, and scanning in the scanning region R3 is performed by the ultrasonic wave that has passed through the divided region E3.
  • the ultrasonic waves are reflected by the hollow portions 742 and do not reach the acoustic lens 75.
  • FIG. 16 is a diagram schematically showing an ultrasonic image obtained by scanning the ultrasonic transducer shown in FIG.
  • An ultrasonic image W3 shown in FIG. 16 is an image obtained by the ultrasonic scanning shown in FIG. 15, and is an image showing the case where the puncture needle 100 is located outside the scanning region R3 as described above.
  • the puncture needle 100 is located outside the scanning region R3, as shown in FIG. 16, no image of the puncture needle 100 exists as an image of the scanning region R3 in the ultrasonic image W3.
  • the ultrasonic images of the scanning regions R1 to R3 corresponding to the divided regions E1 to E3 can be obtained by adjusting the application of electric charges to the counter electrodes 743 of the divided regions E1 to E3.
  • Each ultrasonic image in the scanning regions R1 to R3 is an image corresponding to a region obtained by dividing the elevation direction De.
  • the puncture needle 100 is curved with respect to a plane parallel to the scanning direction Ds, the puncture needle is confirmed by confirming the ultrasonic images of the scanning regions R1 to R3.
  • 100 protruding directions can be detected. By accurately detecting the protruding direction of the puncture needle 100, it is possible to puncture the region of interest more reliably.
  • two divided regions may be arbitrarily selected, and ultrasonic images of the two scanning regions divided in the elevation direction De may be acquired, and a puncture needle may be detected.
  • the ultrasonic transducer 7 whether or not the ultrasonic wave can be passed by applying an electric charge between the second acoustic matching layer 73 and the acoustic lens 75 is determined in the elevation direction De. Since the mask portion 74 that can be selectively controlled in the divided area is provided, a plurality of ultrasonic images along the elevation direction De can be obtained with a simple configuration. According to the first embodiment, it is possible to acquire an ultrasonic image in the elevation direction while suppressing an increase in the number of wires as compared with the ultrasonic transducer of the 2D array. In order to suppress the number of wires, the size can be reduced as compared with a 2D array ultrasonic transducer.
  • the frequency (pulse interval of the pulse signal) applied to the ultrasonic transducer 7 is set to a high frequency, and the elevation is set.
  • the entire scanning direction De scanning regions R1 to R3
  • the frequency applied to the ultrasonic transducer 7 is set to a low frequency, the resolution of the near point is improved and the far point image is improved.
  • a rendered ultrasonic image can be acquired.
  • the electret part 741 is formed using fluororesins, such as a Teflon (trademark), and a polyethylene terephthalate, it can be manufactured comparatively cheaply and bends. For example, even if it is necessary to dispose along a curved surface, such as a convex-type ultrasonic transducer, the mask portion 74 can be produced by deforming it into a shape along the curved surface. it can.
  • fluororesins such as a Teflon (trademark)
  • a polyethylene terephthalate a polyethylene terephthalate
  • the 1D array has been described as an example.
  • a plurality of piezoelectric elements are arranged in a direction (elevation direction) substantially orthogonal to the scanning direction of the ultrasonic transducer (the arrangement direction of the piezoelectric elements in the 1D array).
  • a 1.25D array, 1.5D array, 1.75D array, or the like in which elements (oscillation units) are arranged can also be applied.
  • a plurality of 1.25D, 1.5D, and 1.75D that are divided in the elevation direction De and that acquire one ultrasonic image in the scanning direction Ds are one-dimensionally used.
  • the piezoelectric elements are included.
  • FIG. 17 is a diagram illustrating the configuration of the ultrasonic transducer according to the modification of the first embodiment of the present invention, and is a diagram illustrating a state in which no charge is applied to the counter electrode 743.
  • the hollow portion 742 according to the first embodiment described above is provided with a plurality of convex portions 742a.
  • the hollow portion 742 of the mask portion 74 according to this modification is provided with a convex portion 742 a that protrudes in a direction substantially orthogonal from the bottom surface facing the electret portion 741.
  • the convex portion 742a is provided to advance and retreat itself with respect to the bottom surface, and is in contact with the surface of the electret portion 741 in the most protruded state.
  • the electret portion 741 is supported by the convex portion 742a when no charge is applied to the counter electrode 743.
  • FIG. 18 is a diagram for explaining the configuration of the ultrasonic transducer according to the modification of the first embodiment of the present invention, and shows a state in which a charge is applied to the counter electrode 743.
  • the mask portion 74 is drawn into the negatively charged counter electrode 743 side and enters the hollow portion 742 as shown in FIG.
  • an ultrasonic wave is passed.
  • the convex portion 742a is buried in the bottom surface and retracted from the bottom surface, the contact between the bottom surface of the hollow portion 742 and the electret portion 741 is not hindered.
  • the electret portion 742a is provided in the hollow portion 742, the electret portion is supported by the convex portion 742a supporting the electret portion 741 in a state where no charge is applied to the counter electrode 743.
  • the formation of the hollow space between 741 and the hollow portion 742 can be further ensured.
  • the electret part 741 is required to have a certain degree of flexibility. Even if the electret part 741 is bent toward the hollow part 742 by its own weight by providing the convex part 742a, the electret part 741 is caused by the convex part 742a. And the bottom surface of the hollow portion 742 can be suppressed, and the ultrasonic wave can be blocked by the hollow portion 742 more reliably.
  • FIG. 19 is a schematic diagram showing the configuration of the main part of the ultrasonic transducer according to Embodiment 2 of the present invention.
  • the electret is used as the mask unit 74.
  • a capacitive ultrasonic transducer (capacitive micromachined ultrasonic transducer: C-MUT) is used as the mask unit 77. Is used.
  • the mask portion 77 has a sheet shape formed using a material through which ultrasonic waves can pass, and is provided between the second acoustic matching layer 73 and the acoustic lens 75.
  • the mask portion 77 is formed by laminating a first sheet 771 having a bendable sheet shape and a second sheet 772 having a sheet shape.
  • the first sheet 771 and the second sheet 772 are formed using, for example, a silicon film.
  • the first sheet 771 has three first electrodes 771a having a strip shape.
  • the second sheet 772 is provided with a plurality of projecting portions 772b (see FIG. 20) projecting from the surface 772a facing the first sheet 771 and the first electrode 771a, and has a strip shape.
  • the mask portion 77 having the above configuration constitutes a capacitive ultrasonic transducer (C-MUT) having a cavity (hollow space) between two layers of electrodes.
  • C-MUT capacitive ultrasonic transducer
  • one or a plurality of hollow portions 773 are formed between the three pairs of the first electrode 771a and the second electrode 772c.
  • the first electrode 771a and the second electrode 772c are connected by an electric circuit (not shown), and when a DC voltage is applied between the first electrode 771a and the second electrode 772c, the first electrode 771a and the second electrode 772c are connected.
  • An electrostatic force acts between the electrodes 772c, and the first sheet 771 (first electrode 771a) is attracted to the second sheet 772 (second electrode 772c) side.
  • the mask portion 77 applies a DC voltage to any one of the three pairs of the first electrode 771a and the second electrode 772c, thereby filling the hollow space existing in the traveling direction of the ultrasonic waves into a collapsed state. Allows the passage of ultrasonic waves. Specifically, when three mask structures including the first electrode 771a, the second electrode 772c, and the hollow portion 773 are arranged along the elevation direction De in the ultrasonic transducer 7, the mask portion 77 is The area to be masked is divided into three along the elevation direction De (divided areas E11 to E13).
  • the second sheet when a DC voltage is applied between the first electrode 771a and the second electrode 772c in any divided region, the second sheet is formed so that the first sheet 711 fills the hollow portion 773. 772 is in contact with the surface 772a of the 772, and the ultrasonic wave can pass through the divided region.
  • the ultrasonic wave is emitted only from the divided area E11.
  • FIG. 20 is a diagram for explaining propagation of ultrasonic waves in the ultrasonic transducer according to the second embodiment, and shows a state in which no DC voltage is applied between the first electrode 771a and the second electrode 772c.
  • FIG. 21 is a diagram for explaining propagation of ultrasonic waves in the ultrasonic transducer according to the second embodiment, and shows a state where a DC voltage is applied between the first electrode 771a and the second electrode 772c.
  • FIG. 20 and 21 are enlarged views of the region Q shown in FIG.
  • the mask portion 77 When a direct current voltage is not applied between the first electrode 771a and the second electrode 772c, the mask portion 77 has a hollow portion 773 between the first sheet 771 and the second sheet 772, as shown in FIG. Thus, the passage of ultrasonic waves is blocked (broken line arrow in FIG. 20).
  • the mask portion 77 When a DC voltage is applied between the first electrode 771a and the second electrode 772c, the mask portion 77 has an electrostatic force acting between the first electrode 771a and the second electrode 772c, as shown in FIG. Since the first sheet 771 enters the inside of the hollow portion 773 and contacts the surface 772a of the second sheet 772, ultrasonic waves pass (broken arrows in FIG. 21).
  • the passage of ultrasonic waves by the mask portion 77 is controlled by applying a DC voltage between the first electrode 771a and the second electrode 772c.
  • a DC voltage between the first electrode 771a and the second electrode 772c.
  • the ultrasonic transducer 7 whether or not the ultrasonic wave can pass by applying an electric charge between the second acoustic matching layer 73 and the acoustic lens 75 is determined in the elevation direction De. Since the mask portion 77 that can be selectively controlled in the divided area is provided, a plurality of ultrasonic images along the elevation direction De can be obtained with a simple configuration as in the first embodiment. Can do.
  • the configuration of the capacitive ultrasonic transducer (C-MUT) having a cavity between two layers of electrodes is used in the mask portion 77, so that it can be performed at high speed. It is possible to control the passage or blockage of ultrasound.
  • FIG. 22 is a diagram for explaining the configuration of the main part of the ultrasonic transducer according to the modification of the second embodiment of the present invention, in which a DC voltage is not applied between the electrodes. .
  • the first sheet 771 and the protruding portion 772b are in contact with each other.
  • ultrasonic waves may pass through the protruding portion 772b.
  • the third sheet 774 and the fourth sheet 775 are stacked on the first sheet 771 and the second sheet 772 described above, and the ultrasonic wave is prevented from passing through the protruding portion 772b.
  • the first sheet 771, the second sheet 772, the third sheet 774, and the fourth sheet 775 are laminated in this order.
  • the third sheet 774 and the fourth sheet 775 are formed using, for example, a silicon film.
  • the third sheet 774 includes three third electrodes 774a having a strip shape.
  • the fourth sheet 775 includes a plurality of projecting portions 775b projecting from the surface 775a facing the third sheet 774 and three fourth electrodes 775c that are provided facing the third electrode 774a and have a strip shape.
  • the third sheet 774 is supported by the protruding portion 775b, thereby forming a plurality of hollow portions 776 that form a band-shaped hollow space.
  • FIG. 23 is a schematic diagram showing a configuration of a main part of the ultrasonic transducer according to Embodiment 3 of the present invention.
  • 24 and 25 are diagrams for explaining propagation of ultrasonic waves in the ultrasonic transducer according to the third embodiment.
  • the passage of ultrasonic waves is blocked by interposing a foam on the ultrasonic wave propagation path.
  • the acoustic lens 78 is described as having a mask portion.
  • the acoustic lens 78 is formed using silicone, polymethylpentene, epoxy resin, polyetherimide, or the like, and includes a lens main body 781 having a function of narrowing one ultrasonic wave with a convex surface or a concave surface.
  • the lens body 781 is provided with three mixing portions 782 formed by mixing the material F whose volume is expanded by heat.
  • the lens body 781 is provided with a heating wire 783 that passes through the mixing portion 782 and is connected to an electric circuit (not shown) for each mixing portion 782.
  • the material F reacts reversibly, expands by heating, and contracts when heating stops.
  • the mask portion is configured by the mixing portion 782 containing the material F and the heating wire 783.
  • the mask portion according to the third embodiment is provided between the piezoelectric element 71 and the ultrasonic radiation surface (the surface of the acoustic lens 78).
  • the acoustic lens 78 having the above configuration, when no AC voltage is applied to the heating wire 783, the ultrasonic wave passes through the material F as shown in FIG. On the other hand, when an AC voltage is applied (energized) to the heating wire 783, heat is generated and heat generated in the material F is transmitted. When heat is transmitted to the material F, as shown in FIG. 25, the material F expands and the passage of ultrasonic waves is blocked. Specifically, when the mask structure corresponding to the mixing unit 782 including the material F is arranged along the elevation direction De in the ultrasonic transducer 7, the acoustic lens 78 (mask unit) is in the elevation direction. The area to be masked along De is divided into three (divided areas E21 to E23).
  • the three mixing portions 782 in which the material F that expands by heat is accommodated are provided inside the acoustic lens 78, and each mixing portion 782 is provided. Since the heating of the material F is controlled by the passing heating wire 783, the ultrasonic waves emitted from the divided regions E21 to E23 can be selected, and therefore, along the elevation direction De as in the first embodiment described above. A plurality of ultrasonic images can be obtained with a simple configuration.
  • the material F that is expanded by heat is mixed in a predetermined region of the acoustic lens 78 and the heating wire 783 is provided, so that the above-described hollow portion 742 and the like are formed. Etc. are unnecessary, and can be easily produced.
  • FIG. 26 is a schematic diagram showing a configuration of a main part of the ultrasonic transducer according to Embodiment 4 of the present invention.
  • FIG. 27 is a diagram for explaining propagation of ultrasonic waves in the ultrasonic transducer according to the fourth embodiment.
  • the acoustic lens 79 that reversibly passes and blocks the ultrasonic wave is provided by providing a space through which the fluid passes on the ultrasonic wave propagation path.
  • the acoustic lens 79 is formed using silicone, polymethylpentene, epoxy resin, polyetherimide, or the like, and includes a lens main body 791 having a function of narrowing an ultrasonic wave with one surface being convex or concave.
  • the lens body 791 is provided with three hollow portions 792 that form a band-like hollow space extending in parallel with each other.
  • a fluid capable of propagating ultrasonic waves, such as water, can flow through the hollow portion 792 via a pump and an electromagnetic valve 793.
  • the mask portion is configured by the hollow portion 792 and the fluid that passes through the hollow portion 792.
  • the mask portion according to the fourth embodiment is provided between the piezoelectric element 71 and the ultrasonic radiation surface (the surface of the acoustic lens 79).
  • the acoustic lens 79 having the above configuration, when no fluid flows through the hollow portion 792, the passage of ultrasonic waves is blocked as shown in FIG. On the other hand, when the fluid is circulated through the hollow portion 792, the ultrasonic wave passes through the fluid and is emitted from the acoustic lens 79 to the outside.
  • the acoustic lens 79 mask portion
  • the area to be masked is divided into three (divided areas E31 to E33).
  • the fluid that circulates through the hollow portion 792 in that region passes ultrasonic waves.
  • the ultrasonic wave is emitted only from the divided region E31.
  • the acoustic lens 79 is provided with the three hollow portions 792 through which a fluid capable of propagating ultrasonic waves, such as water, is provided, and is hollow. Since the ultrasonic waves emitted from the divided regions E31 to E33 can be selected by controlling the fluid flowing through the portion 792, a plurality of supersonic waves along the elevation direction De are described as in the first embodiment. A sound image can be obtained with a simple configuration.
  • the fluid since the fluid is circulated inside the acoustic lens 79, for example, the fluid absorbs heat generated in the ultrasonic vibrator 7, particularly the acoustic lens 79, so that the acoustic lens The effect which suppresses the heat radiation from 79 is produced.
  • the mask portion is provided on the acoustic lens.
  • the above-described mask portion is provided on a separate sheet from the acoustic lens. For example, you may arrange
  • the divided areas are described as being divided into three along the elevation direction. However, each divided area may be divided equally.
  • the center part may be larger than both end parts, or may be different from each other.
  • the number of divided regions is not limited to three, but may be two or may be divided into four or more.
  • Ultrasonic miniature probes are usually inserted into the biliary tract, bile duct, pancreatic duct, trachea, bronchi, urethra, ureter, and used to observe surrounding organs (pancreas, lung, prostate, bladder, lymph nodes, etc.).
  • an external ultrasonic probe that irradiates ultrasonic waves from the body surface of the subject may be applied.
  • the extracorporeal ultrasonic probe is usually used for observing an abdominal organ (liver, gallbladder, bladder), breast (particularly mammary gland), and thyroid gland.
  • the ultrasonic transducer and the ultrasonic probe according to the present invention are useful for obtaining a plurality of ultrasonic images along the elevation direction with a simple configuration.

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Abstract

本発明に係る超音波振動子は、電気信号の入力に応じて超音波を出射するとともに、外部から入射した超音波を電気信号に変換する複数の圧電素子と、複数の圧電素子と当該超音波振動子における超音波の放射面との間に設けられ、超音波による走査方向に平行な平面と直交するエレベーション方向を複数の領域に分割してなる分割領域のうち任意の分割領域をマスク可能であり、マスクした分割領域において、超音波を、該超音波の伝搬方向と異なる方向に反射し、マスクした分割領域以外の分割領域において、超音波を伝搬方向に通過させるマスク部と、を備えた。

Description

超音波振動子および超音波プローブ
　本発明は、超音波を観測対象へ出射するとともに、観測対象で反射された超音波エコーを受信してエコー信号に変換して出力する超音波振動子および超音波プローブに関する。
　観測対象である生体組織または材料の特性を観測するために、超音波を適用することがある。具体的には、超音波振動子が、観測対象に超音波を送信し、その観測対象によって反射された超音波エコーを受信し、超音波観測装置が、受信した超音波エコーに対して所定の信号処理を施すことにより、観測対象の特性に関する情報を取得することができる。
　超音波振動子は、電気的なパルス信号を超音波パルス（音響パルス）に変換して観測対象へ照射するとともに、観測対象で反射された超音波エコーを電圧変化で表現する電気的なエコー信号に変換して出力する複数の圧電素子を備える。例えば、複数の圧電素子を所定の方向に沿って並べて、送受信にかかわる素子を電子的に切り替えたり、各超音波振動子の圧電体の送受信に遅延をかけたりすることで、観測対象から超音波エコーを取得する。このように、所定の一つの方向に沿って超音波を送信して、観測対象で反射された超音波エコーを取得する超音波振動子を１Ｄアレイの超音波振動子という。
　超音波振動子は、上述した１Ｄアレイのほか、複数の圧電素子をマトリクス状に配置し、互いに交差する二つの方向を走査方向とする２Ｄアレイの超音波振動子が知られている（例えば、特許文献１を参照）。２Ｄアレイの超音波振動子は、例えば、１Ｄアレイの超音波振動子の走査方向に対して直交するエレベーション方向の超音波エコーを取得することができる。２Ｄアレイの超音波振動子は、エレベーション方向に沿って複数の超音波画像（断面像）を得ることができる。このため、例えば内視鏡の先端部に超音波振動子を設けて、観測対象内を観察しながら、この内視鏡の先端部から突出させた穿刺針の位置を確認する際、穿刺針の突出方向が走査方向に対して傾斜していたとしても、複数の超音波画像から、穿刺針の傾斜方向を確認することができる。
特開２００８－２４５７０５号公報
　しかしながら、２Ｄアレイの超音波振動子は、エレベーション方向に沿って複数の断面像を得ることができる一方で、複数の圧電素子がマトリクス状に設けられ、各々にケーブルを接続する必要があるため、１Ｄアレイの超音波振動子と比してケーブル数が増え、超音波振動子の構造が複雑化してしまうという問題があった。
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、エレベーション方向に沿った複数の超音波画像を簡易な構成で得ることができる超音波振動子および超音波プローブを提供することを目的とする。
　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る超音波振動子は、電気信号の入力に応じて超音波を出射するとともに、外部から入射した超音波を電気信号に変換する複数の圧電素子と、前記複数の圧電素子と当該超音波振動子における前記超音波の放射面との間に設けられ、前記超音波による走査方向に平行な平面と直交するエレベーション方向を複数の領域に分割してなる分割領域のうち任意の分割領域をマスク可能であり、マスクした分割領域において、前記超音波を、該超音波の伝搬方向と異なる方向に反射し、前記マスクした分割領域以外の分割領域において、前記超音波を前記伝搬方向に通過させるマスク部と、を備えたことを特徴とする。
　また、本発明に係る超音波振動子は、上記発明において、前記複数の圧電素子は、一次元的に配列されたことを特徴とする。
　また、本発明に係る超音波振動子は、上記発明において、前記マスク部は、前記エレベーション方向に沿って配列され、電気分極を保持して電界を形成する複数のエレクトレット部と、前記エレクトレット部の配置に応じた帯状の中空空間を形成する複数の中空部と、前記エレクトレット部と対向して設けられ、帯状をなす複数の対向電極と、を有することを特徴とする。
　また、本発明に係る超音波振動子は、上記発明において、前記マスク部は、屈曲自在なシート状をなす第１シートと、シート状をなす第２シートとが積層されてなり、前記第１シートは、前記エレベーション方向に沿って配列され、短冊状をなす複数の第１電極を有し、前記第２シートは、前記第１シートと対向する表面から突出する複数の突出部と、前記第１電極と対向して設けられ、短冊状をなす複数の第２電極と、を有し、前記第１シートおよび前記突出部により中空空間が形成されたことを特徴とする。
　また、本発明に係る超音波振動子は、上記発明において、前記マスク部は、第３電極を有し、前記第２シートの前記第１シート側と反対側の表面に積層される第３シートと、前記第２シートに形成された突出部とオフセットした位置に形成された第２の突出部を有し、前記第３シートの前記第２シート側と反対側の表面に積層される第４シートと、をさらに備えたことを特徴とする。
　また、本発明に係る超音波振動子は、上記発明において、前記マスク部は、熱により体積が膨張する材料が混合されてなり、前記エレベーション方向に沿って配列された複数の混合部と、各混合部を通過し、通電により発熱する複数の電熱線と、を有することを特徴とする。
　また、本発明に係る超音波振動子は、上記発明において、前記マスク部は、超音波を伝搬可能な流体が流通可能であり、前記エレベーション方向に沿って配列された複数の中空部、を有することを特徴とする。
　また、本発明に係る超音波振動子は、上記発明において、前記圧電素子と観測対象との間の音響インピーダンスをマッチングさせる音響整合層と、前記マスク部を通過した超音波を外部に出射する音響レンズと、をさらに備え、前記複数の圧電素子、前記音響整合層、前記マスク部、前記音響レンズの順に積層されてなることを特徴とする。
　また、本発明に係る超音波振動子は、上記発明において、前記圧電素子と観測対象との間の音響インピーダンスをマッチングさせる音響整合層と、前記マスク部を通過した超音波を外部に出射する音響レンズと、をさらに備え、前記複数の圧電素子、前記音響整合層、前記音響レンズの順に積層され、前記マスク部は、前記音響レンズに設けられることを特徴とする。
　また、本発明に係る超音波プローブは、上記の発明に係る超音波振動子を先端に備えたことを特徴とする。
　また、本発明に係る超音波プローブは、上記発明において、前記超音波振動子を先端に有し、被検体内に挿入される挿入部を備えた超音波内視鏡であることを特徴とする。
　本発明によれば、エレベーション方向に沿った複数の超音波画像を簡易な構成で得ることができるという効果を奏する。
図１は、本発明の実施の形態１に係る内視鏡システムを模式的に示す図である。 図２は、本発明の実施の形態１に係る超音波内視鏡の挿入部の先端構成を模式的に示す斜視図である。 図３は、本発明の実施の形態１に係る超音波振動子の構成を模式的に示す斜視図である。 図４は、図３に示す矢視Ａ方向からみた超音波振動子の構成を模式的に示す平面図である。 図５は、図３に示す矢視Ｂ方向からみた超音波振動子の構成を模式的に示す平面図である。 図６は、本発明の実施の形態１に係る超音波振動子の構成を模式的に示す分解斜視図である。 図７は、本発明の実施の形態１に係る超音波振動子の要部の構成を示す模式図である。 図８は、本発明の実施の形態１に係る超音波振動子における超音波の伝搬を説明する図である。 図９は、本発明の実施の形態１に係る超音波振動子における超音波の伝搬を説明する図である。 図１０は、本発明の実施の形態１に係る超音波内視鏡の挿入部の先端構成を模式的に示す斜視図である。 図１１は、本発明の実施の形態１に係る超音波振動子の走査範囲と穿刺針との位置関係を説明する図である。 図１２は、図１１に示す超音波振動子の走査により得られる超音波画像を模式的に示す図である。 図１３は、本発明の実施の形態１に係る超音波振動子の走査範囲と穿刺針との位置関係を説明する図である。 図１４は、図１３に示す超音波振動子の走査により得られる超音波画像を模式的に示す図である。 図１５は、本発明の実施の形態１に係る超音波振動子の走査範囲と穿刺針との位置関係を説明する図である。 図１６は、図１５に示す超音波振動子の走査により得られる超音波画像を模式的に示す図である。 図１７は、本発明の実施の形態１の変形例に係る超音波振動子の構成を説明する図である。 図１８は、本発明の実施の形態１の変形例に係る超音波振動子の構成を説明する図である。 図１９は、本発明の実施の形態２に係る超音波振動子の要部の構成を示す模式図である。 図２０は、本発明の実施の形態２に係る超音波振動子における超音波の伝搬を説明する図である。 図２１は、本発明の実施の形態２に係る超音波振動子における超音波の伝搬を説明する図である。 図２２は、本発明の実施の形態２の変形例に係る超音波振動子の要部の構成を説明する図である。 図２３は、本発明の実施の形態３に係る超音波振動子の要部の構成を示す模式図である。 図２４は、本発明の実施の形態３に係る超音波振動子における超音波の伝搬を説明する図である。 図２５は、本発明の実施の形態３に係る超音波振動子における超音波の伝搬を説明する図である。 図２６は、本発明の実施の形態４に係る超音波振動子の要部の構成を示す模式図である。 図２７は、本発明の実施の形態４に係る超音波振動子における超音波の伝搬を説明する図である。
　以下に、図面を参照して、本発明を実施するための形態（以下、実施の形態）について説明する。なお、以下に説明する実施の形態によって本発明が限定されるものではない。さらに、図面の記載において、同一の部分には同一の符号を付している。
（実施の形態１）
　図１は、本発明の実施の形態１に係る内視鏡システムを模式的に示す図である。内視鏡システム１は、超音波内視鏡を用いて人等の被検体内の超音波診断を行うシステムである。この内視鏡システム１は、図１に示すように、超音波内視鏡２と、超音波観測装置３と、内視鏡観察装置４と、表示装置５と、光源装置６とを備える。
　超音波内視鏡２は、その先端部に、超音波観測装置３から受信した電気的なパルス信号を超音波パルス（音響パルス）に変換して被検体へ照射するとともに、被検体で反射された超音波エコーを電圧変化で表現する電気的なエコー信号に変換して出力する超音波振動子を有する。超音波振動子の構成については、後述する。
　超音波内視鏡２は、通常は撮像光学系および撮像素子を有しており、被検体の消化管（食道、胃、十二指腸、大腸）、または呼吸器（気管、気管支）へ挿入され、消化管や、呼吸器の撮像を行うことが可能である。また、その周囲臓器（膵臓、胆嚢、胆管、胆道、リンパ節、縦隔臓器、血管等）を、超音波を用いて撮像することが可能である。また、超音波内視鏡２は、光学撮像時に被検体へ照射する照明光を導くライトガイドを有する。このライトガイドは、先端部が超音波内視鏡２の被検体への挿入部の先端まで達している一方、基端部が照明光を発生する光源装置６に接続されている。
　超音波内視鏡２は、図１に示すように、挿入部２１と、操作部２２と、ユニバーサルケーブル２３と、コネクタ２４とを備える。挿入部２１は、被検体内に挿入される部分である。この挿入部２１は、図１に示すように、先端側に設けられる超音波振動子７と、超音波振動子７の基端側に連結される硬性部材２１１と、硬性部材２１１の基端側に連結され湾曲可能とする湾曲部２１２と、湾曲部２１２の基端側に連結され可撓性を有する可撓管部２１３とを備える。ここで、挿入部２１の内部には、具体的な図示は省略したが、光源装置６から供給された照明光を伝送するライトガイド、各種信号を伝送する複数の信号ケーブルが引き回されているとともに、処置具を挿通するための処置具用挿通路が形成されている。
　超音波振動子７は、コンベックス振動子、リニア振動子およびラジアル振動子のいずれでも構わない。本実施の形態１では、超音波内視鏡２が、超音波振動子７として複数の圧電素子をアレイ状に設け、送受信にかかわる圧電素子を電子的に切り替えたり、各圧電素子の送受信に遅延をかけたりすることで、電子的に走査させるものとして説明するが、超音波振動子７をメカ的に走査させるものであってもよい。超音波振動子７の構成については、後述する。
　図２は、本実施の形態１に係る超音波内視鏡の挿入部の先端構成を模式的に示す斜視図である。図２に示すように、硬性部材２１１には、照明光を集光して外部に出射する照明レンズ２１１ａと、撮像光学系の一部をなし、外部からの光を取り込む対物レンズ２１１ｂと、挿入部２１内に形成された処置具用挿通路に連通し、挿入部２１の先端から処置具を突出させる処置具突出口２１１ｃと、を有する。
　操作部２２は、挿入部２１の基端側に連結され、医師等からの各種操作を受け付ける部分である。この操作部２２は、図１に示すように、湾曲部２１２を湾曲操作するための湾曲ノブ２２１と、各種操作を行うための複数の操作部材２２２とを備える。また、操作部２２には、処置具用挿通路に連通し、当該処置具用挿通路に処置具を挿通するための処置具挿入口２２３が形成されている。
　ユニバーサルケーブル２３は、操作部２２から延在し、各種信号を伝送する複数の信号ケーブル、および光源装置６から供給された照明光を伝送する光ファイバ等が配設されたケーブルである。
　コネクタ２４は、ユニバーサルケーブル２３の先端に設けられている。そして、コネクタ２４は、超音波ケーブル３１、ビデオケーブル４１、および光ファイバケーブル６１がそれぞれ接続される第１～第３コネクタ部２４１～２４３を備える。
　超音波観測装置３は、超音波ケーブル３１（図１）を介して超音波内視鏡２に電気的に接続し、超音波ケーブル３１を介して超音波内視鏡２にパルス信号を出力するとともに超音波内視鏡２からエコー信号を入力する。そして、超音波観測装置３は、当該エコー信号に所定の処理を施して超音波画像を生成する。
　内視鏡観察装置４は、ビデオケーブル４１（図１）を介して超音波内視鏡２に電気的に接続し、ビデオケーブル４１を介して超音波内視鏡２から画像信号を入力する。そして、内視鏡観察装置４は、当該画像信号に所定の処理を施して内視鏡画像を生成する。
　表示装置５は、液晶または有機ＥＬ（Electro　Luminescence）などを用いて構成され、超音波観測装置３にて生成された超音波画像や、内視鏡観察装置４にて生成された内視鏡画像等を表示する。
　光源装置６は、光ファイバケーブル６１（図１）を介して超音波内視鏡２に接続し、光ファイバケーブル６１を介して被検体内を照明する照明光を超音波内視鏡２に供給する。
　続いて、挿入部２１の先端に設けられた超音波振動子７の構成を図２～６を参照して説明する。図３は、本実施の形態１に係る超音波振動子の構成を模式的に示す斜視図である。図４は、図３に示す矢視Ａ方向からみた超音波振動子の構成を模式的に示す平面図である。図５は、図３に示す矢視Ｂ方向からみた超音波振動子の構成を模式的に示す平面図である。図６は、本実施の形態１に係る超音波振動子の構成を模式的に示す分解斜視図である。なお、図３，４では、圧電素子７１が６個並んでいるものを図示しているが、説明のために超音波振動子７の構成を簡略化した図であり、実際に配設される個数はこの限りではない。本実施の形態１では、超音波振動子７が、図２に示すようなコンベックス型の超音波振動子であって、複数の圧電素子７１が一列に配列された一次元アレイ（１Ｄアレイ）であるものとして説明する。換言すれば、本実施の形態１に係る超音波振動子７では、複数の圧電素子７１が、当該超音波振動子７の曲面をなす外表面に沿って配置されている。
　超音波振動子７は、角柱状をなし、長手方向を揃えて並べられてなる複数の圧電素子７１と、圧電素子７１に対し、当該超音波振動子７の外表面側にそれぞれ設けられる複数の第１音響整合層７２と、第１音響整合層７２の圧電素子７１と接する側と反対側に設けられる第２音響整合層７３と、第２音響整合層７３の第１音響整合層７２と接する側と反対側に設けられるマスク部７４と、マスク部７４の第２音響整合層７３と接する側と反対側に設けられる音響レンズ７５と、圧電素子７１の第１音響整合層７２と接する側と反対側に設けられるバッキング材７６とを有する。なお、本実施の形態１では、第１音響整合層７２が、圧電素子７１ごとに設けられるとともに、第２音響整合層７３、マスク部７４、音響レンズ７５およびバッキング材７６が、複数の圧電素子７１および第１音響整合層７２を一括して覆う構成をなしている。超音波振動子７は、一つの圧電素子７１を出力単位とするものであってもよいし、複数の圧電素子７１を出力単位とするものであってもよい。以下、図２に示すように、圧電素子７１の長手方向をエレベーション方向Ｄeとよび、圧電素子７１の配列方向を走査方向Ｄsとよぶ。また、圧電素子７１、第１音響整合層７２および第２音響整合層７３により、圧電素子ユニット７００を構成する。
　圧電素子７１は、電気的なパルス信号を超音波パルス（音響パルス）に変換して被検体へ照射するとともに、被検体で反射された超音波エコーを電圧変化で表現する電気的なエコー信号に変換して出力する。圧電素子７１には、バッキング材７６側の主面に信号入出力用電極が設けられているとともに、圧電素子７１の第１音響整合層７２側の主面にグランド接地用の電極が設けられている。各電極は、導電性を有する金属材料または樹脂材料を用いて形成される。
　圧電素子７１は、ＰＺＴセラミック材料、ＰＭＮ－ＰＴ単結晶、ＰＭＮ－ＰＺＴ単結晶、ＰＺＮ－ＰＴ単結晶、ＰＩＮ－ＰＺＮ－ＰＴ単結晶またはリラクサー系材料を用いて形成される。ＰＭＮ－ＰＴ単結晶は、マグネシウム・ニオブ酸鉛およびチタン酸鉛の固溶体の略称である。ＰＭＮ－ＰＺＴ単結晶は、マグネシウム・ニオブ酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛の固溶体の略称である。ＰＺＮ－ＰＴ単結晶は、亜鉛・ニオブ酸鉛およびチタン酸鉛の固溶体の略称である。ＰＩＮ－ＰＺＮ－ＰＴ単結晶は、インジウム・ニオブ酸鉛、亜鉛・ニオブ酸鉛およびチタン酸鉛の固溶体の略称である。リラクサー系材料は、圧電定数や誘電率を増加させる目的でリラクサー材料である鉛系複合ペロブスカイトをチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）に添加した三成分系圧電材料の総称である。鉛系複合ペロブスカイトは、Ｐｂ（Ｂ１、Ｂ２）Ｏ３で表され、Ｂ１はマグネシウム、亜鉛、インジウムまたはスカンジウムのいずれかであり、Ｂ２はニオブ、タンタルまたはタングステンのいずれかである。これらの材料は、優れた圧電効果を有している。このため、小型化しても電気的なインピーダンスの値を低くすることができ、圧電素子７１に設けられる薄膜電極との間のインピーダンスマッチングの観点から好ましい。
　第１音響整合層７２および第２音響整合層７３は、圧電素子７１と観測対象との間で音（超音波）を効率よく透過させるために、圧電素子７１と観測対象との間の音響インピーダンスをマッチングさせる。第１音響整合層７２および第２音響整合層７３は、互いに異なる材料からなる。なお、本実施の形態１では、二つの音響整合層（第１音響整合層７２および第２音響整合層７３）を有するものとして説明するが、圧電素子７１と観測対象との特性により一層としてもよいし、三層以上としてもよい。また、音響整合層は、観測対象との音響インピーダンスの整合が取れていれば、該音響整合層を有しない超音波振動子であってもよい。
　マスク部７４は、圧電素子７１のエレベーション方向Ｄeの一部をマスクすることによって、超音波振動子７におけるエレベーション方向Ｄeの超音波の通過を規制する。換言すれば、マスク部７４は、エレベーション方向Ｄeを複数の領域に分割してなる分割領域のうち任意の分割領域をマスク可能であり、マスクした分割領域において、超音波を、該超音波の伝搬方向と異なる方向に反射し、マスクした分割領域以外の分割領域において、超音波を伝搬方向に通過させる。
　図７は、本実施の形態１に係る超音波振動子の要部の構成を示す模式図であって、マスク部７４の構成を説明する図である。マスク部７４は、超音波が通過可能な材料を用いて形成されるシート状の本体部７４０を備え、第２音響整合層７３と音響レンズ７５との間に設けられる。本体部７４０は、一方の表面に設けられ、短冊状をなし、電気分極を保持して電界を形成する三つのエレクトレット部７４１と、エレクトレット部７４１の配置に応じた帯状の中空空間を形成する三つの中空部７４２と、他方の表面においてエレクトレット部７４１と対向して設けられ、帯状をなす三つの対向電極７４３と、を有する。中空部７４２には、気体（空気）が充填されているものとして説明する。
　エレクトレット部７４１は、テフロン（登録商標）などのフッ素樹脂や、ポリエチレンテレフタレート（PolyEthylene　Terephthalate：PET）を用いて形成される短冊状をなし、電気分極を保持して電界を形成するエレクトレット（電石）により実現される。本実施の形態１では、中空部７４２側（対向電極７４３側）が正に帯電しているものとして説明する。
　対向電極７４３は、図示しない制御部の制御のもと、電荷の印加の有無が切り替えられる。対向電極７４３は、例えば、電荷が印加されると負に帯電する。対向電極７４３は、少なくとも超音波が通過可能な材料を用いて形成される。
　マスク部７４は、三つの対向電極７４３のうちのいずれかに電荷が印加されると、超音波の進行方向上に存在する中空空間をなくすことで超音波の通過が可能となる。具体的には、エレクトレット部７４１、中空部７４２および対向電極７４３からなる三つのマスク構造が、超音波振動子７においてエレベーション方向Ｄeに沿って配列されている場合、マスク部７４は、エレベーション方向Ｄeに沿ってマスクする領域を三つに分割する（分割領域Ｅ１～Ｅ３）。このため、超音波振動子７は、エレベーション方向Ｄeの一部の領域がマスクされた超音波を出射する。三つの分割領域Ｅ１～Ｅ３において、いずれかの分割領域の対向電極７４３に電荷が印加されると、エレクトレット部７４１が中空部７４２内に入り込んで底面と接触し、当該対向電極７４３に応じた分割領域において超音波が通過可能となる。例えば、分割領域Ｅ１の対向電極７４３に電荷を印加すると、超音波は、分割領域Ｅ１のみから出射されることとなる。
　ここで、超音波振動子７におけるマスク部７４によるマスク処理について、図８，９を参照して説明する。図８は、本実施の形態１に係る超音波振動子における超音波の伝搬を説明する図であって、対向電極７４３に電荷が印加されていない状態を示す図である。図９は、本実施の形態１に係る超音波振動子における超音波の伝搬を説明する図であって、対向電極７４３に電荷が印加されている状態を示す図である。
　マスク部７４は、対向電極７４３に電荷が印加されていない場合、図８に示すように、エレクトレット部７４１と対向電極７４３との間には、中空部７４２により気体が介在するため、超音波の通過を遮断する（図８の破線矢印）。この際、超音波は、中空部７４２（気体）によって、超音波の伝搬方向とは異なる方向に向けて反射される。
　マスク部７４は、対向電極７４３に電荷が印加されている場合、図９に示すように、エレクトレット部７４１が、負に帯電した対向電極７４３側に引き寄せられて中空部７４２の内部に進入して中空部７４２の底部と接触するため、超音波を通過させる（図９の破線矢印）。
　このようにして、対向電極７４３への電荷の印加によって、マスク部７４による超音波の通過が制御される。分割領域Ｅ１～Ｅ３への電荷の印加を制御すれば、所望の領域から超音波を出射させることができる。また、逆に、電荷の印加により超音波エコーの受信領域も制御することができる。
　図３～６に戻り、音響レンズ７５は、シリコーン、ポリメチルペンテンや、エポキシ樹脂、ポリエーテルイミドなどを用いて形成され、一方の面が凸状または凹状をなして超音波を絞る機能を有し、マスク部７４を通過した超音波を外部に出射する、または外部からの超音波エコーを取り込む。音響レンズ７５についても、任意に設けることができ、当該音響レンズ７５を有しない構成であってもよい。
　バッキング材７６は、圧電素子７１の動作によって生じる不要な超音波振動を減衰させる。バッキング材７６は、減衰率の大きい材料、例えば、アルミナやジルコニア等のフィラーを分散させたエポキシ樹脂や、上述したフィラーを分散したゴムを用いて形成される。
　以上の構成を有する超音波振動子７は、パルス信号の入力によって圧電素子７１が振動することで、第１音響整合層７２、第２音響整合層７３、マスク部７４および音響レンズ７５を介して観測対象に超音波を照射する。この際、圧電素子７１において、第１音響整合層７２、第２音響整合層７３、マスク部７４および音響レンズ７５の配設側と反対側は、バッキング材７６により、圧電素子７１の振動が減衰され、圧電素子７１の振動が伝わらないようになっている。また、観測対象から反射された超音波は、音響レンズ７５、マスク部７４、第２音響整合層７３および第１音響整合層７２を介して圧電素子７１に伝えられる。伝達された超音波により圧電素子７１が振動し、圧電素子７１が該振動を電気的なエコー信号に変換して、エコー信号として図示しない配線を介して超音波観測装置３に出力する。
　続いて、上述した超音波振動子７を用いて穿刺針の突出方向を検出する方法を説明する。図１０は、本実施の形態１に係る超音波内視鏡の挿入部の先端構成を模式的に示す斜視図である。処置具としての穿刺針１００を使用する際は、処置具挿入口２２３（図１参照）から穿刺針１００を挿入部２１に挿入し、穿刺針１００の先端を処置具突出口２１１ｃから突出させる。これにより、超音波振動子７の走査領域内に穿刺針１００の先端が位置し、超音波画像により穿刺針１００が突出しているか否かを確認しながら、関心部位に穿刺針１００を穿刺することができる。
　しかしながら、超音波画像は、走査方向Ｄsと平行な断面像であり、エレベーション方向Ｄeにおける穿刺針１００の位置を把握できない。超音波画像によって走査方向Ｄsにおける穿刺針１００の突出位置は確認できても、エレベーション方向Ｄeの穿刺針１００の湾曲を確認することができなかった。
　以下、本実施の形態１にかかる超音波振動子７における穿刺針１００のエレベーション方向の位置の検出方法について説明する。図１１は、本実施の形態１に係る超音波振動子の走査範囲と穿刺針との位置関係を説明する図である。図１１では、分割領域Ｅ１における対向電極７４３に電荷が印加されて、該分割領域Ｅ１を通過した超音波により走査領域Ｒ１での走査が行われる。図１１では、分割領域Ｅ２，Ｅ３の対向電極７４３には電荷が印加されていないため、超音波は各中空部７４２により反射されて音響レンズ７５には到達しない。この場合、エレベーション方向Ｄeの中央部において超音波走査が行われる。このため、穿刺針１００の長手方向が、走査方向Ｄsと平行な平面に対して湾曲している場合、図１１に示すように、穿刺針１００の先端が、走査領域Ｒ１から外れる。
　図１２は、図１１に示す超音波振動子の走査により得られる超音波画像を模式的に示す図である。図１２に示す超音波画像Ｗ１は、図１１に示す超音波走査によって得られる画像であって、上述したように、穿刺針１００の先端側が、走査領域Ｒ１から外れた場合を示す画像である。穿刺針１００の先端が走査領域Ｒ１から外れている場合、図１２に示すように、超音波画像Ｗ１には、走査領域Ｒ１内に存在する穿刺針１００の像（針像２００）が存在することとなる。
　図１３は、本実施の形態１に係る超音波振動子の走査範囲と穿刺針との位置関係を説明する図である。なお、超音波振動子７に対する穿刺針１００の湾曲態様は、図１１と同様であるものとして説明する。図１３では、分割領域Ｅ２における対向電極７４３に電荷が印加されて、該分割領域Ｅ２を通過した超音波により走査領域Ｒ２での走査が行われる。図１３では、分割領域Ｅ１，Ｅ３の対向電極７４３には電荷が印加されていないため、超音波は各中空部７４２により反射されて音響レンズ７５には到達しない。この場合、エレベーション方向Ｄeの一端部において超音波走査が行われる。このため、穿刺針１００の長手方向が、走査方向Ｄsと平行な平面に対して湾曲している場合、図１３に示すように、穿刺針１００の先端のみが、走査領域Ｒ２内に位置する。
　図１４は、図１３に示す超音波振動子の走査により得られる超音波画像を模式的に示す図である。図１４に示す超音波画像Ｗ２は、図１３に示す超音波走査によって得られる画像であって、上述したように、穿刺針１００の先端のみが走査領域Ｒ２内に位置する場合を示す画像である。穿刺針１００の先端のみが走査領域Ｒ２内に位置する場合、図１４に示すように、超音波画像Ｗ２には、走査領域Ｒ２内に存在する穿刺針１００の像（針像２０１）が存在することとなる。
　図１５は、本発明の実施の形態１に係る超音波振動子の走査範囲と穿刺針との位置関係を説明する図である。なお、超音波振動子７に対する穿刺針１００の湾曲態様は、図１１と同様であるものとして説明する。図１５では、分割領域Ｅ３における対向電極７４３に電荷が印加されて、該分割領域Ｅ３を通過した超音波により走査領域Ｒ３での走査が行われる。図１５では、分割領域Ｅ１，Ｅ２の対向電極７４３には電荷が印加されていないため、超音波は各中空部７４２により反射されて音響レンズ７５には到達しない。この場合、エレベーション方向Ｄeの他端部において超音波走査が行われる。このため、穿刺針１００の長手方向が、走査方向Ｄsと平行な平面に対して湾曲している場合、図１５に示すように、穿刺針１００は走査領域Ｒ３の外部に位置する。
　図１６は、図１５に示す超音波振動子の走査により得られる超音波画像を模式的に示す図である。図１６に示す超音波画像Ｗ３は、図１５に示す超音波走査によって得られる画像であって、上述したように、穿刺針１００が走査領域Ｒ３の外部に位置する場合を示す画像である。穿刺針１００が走査領域Ｒ３の外部に位置する場合、図１６に示すように、超音波画像Ｗ３には、走査領域Ｒ３の像として、穿刺針１００の像は存在しない。
　上述したように、分割領域Ｅ１～Ｅ３の対向電極７４３への電荷の印加を調整することにより、分割領域Ｅ１～Ｅ３に対応する走査領域Ｒ１～Ｒ３の超音波画像を得ることができる。走査領域Ｒ１～Ｒ３の各超音波画像は、エレベーション方向Ｄeを分割した領域に対応する画像である。このため、上述したように、穿刺針１００が走査方向Ｄsと平行な平面に対して湾曲している場合であっても、走査領域Ｒ１～Ｒ３の各超音波画像を確認することにより、穿刺針１００の突出方向を検出することができる。穿刺針１００の突出方向を正確に検出することで、関心部位への穿刺を一層確実に行うことができる。なお、任意に二つの分割領域を選択して、エレベーション方向Ｄeにおいて分割された二つの走査領域の超音波画像を取得して、穿刺針の検出などを行ってもよい。
　これに対し、従来の１Ｄアレイの超音波振動子では、走査領域Ｒ１～Ｒ３をすべて含む超音波画像が得られるため、穿刺針１００の突出方向が走査方向Ｄsと平行な平面に対して湾曲している場合に、穿刺針１００の湾曲方向を判断することが困難であった。
　以上説明した本実施の形態１によれば、超音波振動子７において、第２音響整合層７３および音響レンズ７５との間に、電荷の印加によって超音波の通過の可否を、エレベーション方向Ｄeを分割した領域で選択的に制御可能なマスク部７４を設けたので、エレベーション方向Ｄeに沿った複数の超音波画像を簡易な構成で得ることができる。本実施の形態１によれば、２Ｄアレイの超音波振動子と比して、配線数の増加を抑制して、エレベーション方向の超音波画像を取得することができる。配線数を抑制するため、２Ｄアレイの超音波振動子と比して小型化することができる。
　また、上述した実施の形態１において、エレベーション方向Ｄeの中央部（走査領域Ｒ１）のみを走査する場合に、超音波振動子７に印加する周波数（パルス信号のパルス間隔）を高周波とし、エレベーション方向Ｄeの全体（走査領域Ｒ１～Ｒ３）を走査する場合に、超音波振動子７に印加する周波数を低周波とすれば、近点の分割能を向上しつつ、遠点の像までを描出した超音波画像を取得することができる。
　また、上述した実施の形態１によれば、エレクトレット部７４１が、テフロン（登録商標）などのフッ素樹脂や、ポリエチレンテレフタレートを用いて形成されるため、比較的安価に製造することができるとともに、屈曲自在であるため、例えばコンベックス型の超音波振動子のように、曲面に沿って配設が必要な場合であっても、該曲面に沿った形状に変形させてマスク部７４を作製することができる。
　なお、上述した実施の形態１では、１Ｄアレイを例に説明したが、超音波振動子の走査方向（１Ｄアレイにおける圧電素子の配列方向）と略直交する方向（エレベーション方向）に複数の圧電素子（発振部）が配列される１．２５Ｄアレイや１．５Ｄアレイ、１．７５Ｄアレイなどであっても適用できる。なお、本実施の形態１では、エレベーション方向Ｄeにおいて分割され、かつ走査方向Ｄsについて一つの超音波画像を取得するような１．２５Ｄ、１．５Ｄおよび１．７５Ｄを、一次元的に複数の圧電素子が配列されているものとして含む。
（実施の形態１の変形例）
　図１７は、本発明の実施の形態１の変形例に係る超音波振動子の構成を説明する図であって、対向電極７４３に電荷が印加されていない状態を示す図である。本変形例では、上述した実施の形態１にかかる中空部７４２に複数の凸部７４２ａを設けた。図１７に示すように、本変形例にかかるマスク部７４の中空部７４２には、エレクトレット部７４１と対向する底面から略直交する方向に突出する凸部７４２ａが設けられている。凸部７４２ａは、底面に対して進退自体に設けられ、最も突出した状態では、エレクトレット部７４１の表面に当接している。エレクトレット部７４１は、対向電極７４３に電荷が印加されていない場合には、凸部７４２ａによって支持された状態となっている。
　図１８は、本発明の実施の形態１の変形例に係る超音波振動子の構成を説明する図であって、対向電極７４３に電荷が印加されている状態を示す図である。マスク部７４は、対向電極７４３に電荷が印加されている場合、図１８に示すように、エレクトレット部７４１が、負に帯電した対向電極７４３側に引き寄せられて中空部７４２の内部に進入して中空部７４２の底部と接触するため、超音波を通過させる。この際、凸部７４２ａは、底面に埋没して、該底面から退避するため、中空部７４２の底面とエレクトレット部７４１との接触を妨げない。
　本変形例によれば、中空部７４２に凸部７４２ａを設けるようにしたので、対向電極７４３に電荷が印加されていない状態において、凸部７４２ａが、エレクトレット部７４１を支持することにより、エレクトレット部７４１と中空部７４２との間の中空空間の形成を一層確実なものとすることができる。エレクトレット部７４１には、ある程度の屈曲性が求められるが、凸部７４２ａを設けることによって、エレクトレット部７４１が自重により中空部７４２側に屈曲した場合であっても、凸部７４２ａにより、エレクトレット部７４１と中空部７４２の底面との接触を抑制することができ、中空部７４２による超音波の遮断を一段と確実に行うことができる。
（実施の形態２）
　図１９は、本発明の実施の形態２に係る超音波振動子の要部の構成を示す模式図である。上述した実施の形態１では、マスク部７４としてエレクトレットを用いるものとして説明したが、本実施の形態２では、マスク部７７として、静電容量型超音波トランスデューサ（Capacitive　Micromachined　Ultrasonic　Transducer：Ｃ－ＭＵＴ）を用いる。
　マスク部７７は、超音波が通過可能な材料を用いて形成されるシート状をなし、第２音響整合層７３と音響レンズ７５との間に設けられる。マスク部７７は、屈曲自在なシート状をなす第１シート７７１と、シート状をなす第２シート７７２とが、積層されてなる。第１シート７７１および第２シート７７２は、例えばシリコン膜などを用いて形成される。第１シート７７１は、短冊状をなす三つの第１電極７７１ａを有する。一方、第２シート７７２は、第１シート７７１と対向する表面７７２ａから突出する複数の突出部７７２ｂ（図２０参照）と、第１電極７７１ａと対向して設けられ、短冊状をなす三つの第２電極７７２ｃを有する。マスク部７７では、第１シート７７１が突出部７７２ｂにより支持されることで帯状の中空空間を形成する複数の中空部７７３が形成される。中空部７７３には、気体（空気）が充填されているものとして説明する。
　以上の構成を有するマスク部７７は、二つの層の電極の間に空洞（中空空間）を有する静電容量型超音波トランスデューサ（Ｃ－ＭＵＴ）の構成をなす。換言すれば、マスク部７７は、三対の第１電極７７１ａおよび第２電極７７２ｃの間にそれぞれ一つまたは複数の中空部７７３が形成されている。マスク部７７では、図示しない電気回路により第１電極７７１ａおよび第２電極７７２ｃがそれぞれ接続され、該第１電極７７１ａおよび第２電極７７２ｃの間に直流電圧を印加すると、第１電極７７１ａおよび第２電極７７２ｃの間に静電気力が作用し、第１シート７７１（第１電極７７１ａ）が第２シート７７２（第２電極７７２ｃ）側に引き付けられる。
　マスク部７７は、三対の第１電極７７１ａおよび第２電極７７２ｃのうちのいずれかに直流電圧を印加することで、超音波の進行方向上に存在する中空空間を埋めてコラップス状態とすることによって超音波の通過が可能となる。具体的には、第１電極７７１ａ、第２電極７７２ｃおよび中空部７７３からなる三つのマスク構造が、超音波振動子７においてエレベーション方向Ｄeに沿って配列されている場合、マスク部７７は、エレベーション方向Ｄeに沿ってマスクする領域を三つに分割する（分割領域Ｅ１１～Ｅ１３）。三つの分割領域Ｅ１１～Ｅ１３において、いずれかの分割領域の第１電極７７１ａおよび第２電極７７２ｃの間に直流電圧が印加されると、第１シート７１１が中空部７７３を埋めるように第２シート７７２の表面７７２ａと接触し、当該分割領域において超音波の通過が可能となる。例えば、分割領域Ｅ１１の第１電極７７１ａおよび第２電極７７２ｃの間に直流電圧を印加すると、超音波は、分割領域Ｅ１１のみから出射されることとなる。
　ここで、超音波振動子７におけるマスク部７７によるマスク処理について、図２０，２１を参照して説明する。図２０は、本実施の形態２に係る超音波振動子における超音波の伝搬を説明する図であって、第１電極７７１ａおよび第２電極７７２ｃの間に直流電圧が印加されていない状態を示す図である。図２１は、本実施の形態２に係る超音波振動子における超音波の伝搬を説明する図であって、第１電極７７１ａおよび第２電極７７２ｃの間に直流電圧が印加されている状態を示す図である。図２０，２１は、図１９に示す領域Ｑを拡大した図である。
　マスク部７７は、第１電極７７１ａおよび第２電極７７２ｃの間に直流電圧が印加されていない場合、図２０に示すように、第１シート７７１と第２シート７７２との間において、中空部７７３により、超音波の通過が遮断される（図２０の破線矢印）。
　マスク部７７は、第１電極７７１ａおよび第２電極７７２ｃの間に直流電圧が印加されている場合、図２１に示すように第１電極７７１ａおよび第２電極７７２ｃの間に静電気力が作用し、第１シート７７１が中空部７７３の内部に進入して第２シート７７２の表面７７２ａと接触するため、超音波が通過する（図２１の破線矢印）。
　このようにして、第１電極７７１ａおよび第２電極７７２ｃの間への直流電圧の印加によって、マスク部７７による超音波の通過が制御される。分割領域Ｅ１１～Ｅ１３への直流電圧の印加を制御すれば、所望の領域から超音波を出射させることができる。また、逆に、電荷の印加により超音波エコーの受信領域も制御することができる。
　以上説明した本実施の形態２によれば、超音波振動子７において、第２音響整合層７３および音響レンズ７５との間に、電荷の印加によって超音波の通過の可否を、エレベーション方向Ｄeを分割した領域で選択的に制御可能なマスク部７７を設けるようにしたので、上述した実施の形態１と同様に、エレベーション方向Ｄeに沿った複数の超音波画像を簡易な構成で得ることができる。
　また、本実施の形態２によれば、マスク部７７において、二つの層の電極の間に空洞を有する静電容量型超音波トランスデューサ（Ｃ－ＭＵＴ）の構成を用いるようにしたので、高速に超音波の通過または通過の遮断を制御することができる。
（実施の形態２の変形例）
　図２２は、本発明の実施の形態２の変形例に係る超音波振動子の要部の構成を説明する図であって、電極の間に直流電圧が印加されていない状態を示す図である。上述した実施の形態２では、第１電極７７１ａおよび第２電極７７２ｃの間に直流電圧が印加されていない状態であっても、第１シート７７１と突出部７７２ｂとが接触した状態にあるため、該突出部７７２ｂを介して超音波が通過してしまう場合があった。本変形例では、上述した第１シート７７１および第２シート７７２に対して、第３シート７７４および第４シート７７５を積層し、突出部７７２ｂを介して超音波が通過することを防止する。
　具体的には、図２２に示すように、第１シート７７１、第２シート７７２、第３シート７７４、第４シート７７５の順で積層する。第３シート７７４および第４シート７７５は、例えばシリコン膜などを用いて形成される。第３シート７７４は、短冊状をなす三つの第３電極７７４ａを有する。一方、第４シート７７５は、第３シート７７４と対向する表面７７５ａから突出する複数の突出部７７５ｂと、第３電極７７４ａと対向して設けられ、短冊状をなす三つの第４電極７７５ｃを有する。本変形例に係るマスク部では、第３シート７７４が突出部７７５ｂにより支持されることで帯状の中空空間を形成する複数の中空部７７６が形成される。
　本変形例において、突出部７７５ｂは、第１シート７７１、第２シート７７２、第３シート７７４、第４シート７７５が積層された際に、超音波の伝搬方向に対して突出部７７２ｂと重複しない位置に設けられる。換言すれば、超音波の伝搬方向と直交する方向からみたときに、突出部７７２ｂ，７７５ｂが互い違いに配置されている。これにより、例えば、図２２に示すように、第４シート７７５から超音波が入射する場合、突出部７７５ｂを通過した超音波は、中空部７７３によりマスク部７７外への通過が遮断され、中空部７７６により超音波の通過が遮断されるため、突出部７７２ｂには超音波が到達しない。また、各電極間に直流電圧をそれぞれ印加することで、マスク部７７の外部に超音波を通過させることができる。
（実施の形態３）
　図２３は、本発明の実施の形態３に係る超音波振動子の要部の構成を示す模式図である。図２４，２５は、本実施の形態３に係る超音波振動子における超音波の伝搬を説明する図である。本実施の形態３では、超音波の伝搬経路上に発泡体を介在させることにより超音波の通過を遮断する。本実施の形態３では、音響レンズ７８にマスク部が設けられているものとして説明する。
　音響レンズ７８は、シリコーン、ポリメチルペンテンや、エポキシ樹脂、ポリエーテルイミドなどを用いて形成され、一方の面が凸状または凹状をなして超音波を絞る機能を有するレンズ本体７８１からなる。レンズ本体７８１には、熱により体積が膨張する材料Ｆが混合されてなる三つの混合部７８２が設けられる。レンズ本体７８１には、混合部７８２を貫通し、図示しない電気回路に接続する電熱線７８３が混合部７８２ごとに設けられている。材料Ｆは、可逆的に反応し、加熱により膨張し、加熱が停止すると収縮する。本実施の形態３では、材料Ｆを含む混合部７８２および電熱線７８３によりマスク部を構成する。本実施の形態３に係るマスク部は、圧電素子７１と超音波の放射面（音響レンズ７８の表面）との間に設けられる。
　以上の構成を有する音響レンズ７８では、電熱線７８３に交流電圧を印加しない場合、図２４に示すように、材料Ｆ中を超音波が通過する。一方で、電熱線７８３に交流電圧を印加する（通電する）と発熱し、材料Ｆに発生した熱が伝わる。材料Ｆに熱が伝わると、図２５に示すように、材料Ｆが膨張して超音波の通過が遮断される。具体的には、材料Ｆを含む混合部７８２に応じたマスク構造が、超音波振動子７においてエレベーション方向Ｄeに沿って配列されている場合、音響レンズ７８（マスク部）は、エレベーション方向Ｄeに沿ってマスクする領域を三つに分割する（分割領域Ｅ２１～Ｅ２３）。三つの分割領域Ｅ２１～Ｅ２３において、いずれかの分割領域の電熱線７８３に交流電圧が印加されると、当該領域の混合部７８２の内部に気泡が生じ、超音波の通過が遮断される。例えば、分割領域Ｅ２２，２３に応じた電熱線７８３に交流電圧を印加すると、超音波は、分割領域Ｅ２１のみから出射されることとなる。なお、各混合部７８２間は、断熱材等により、隣り合う混合部７８２に熱が伝達するのを防止されていることが好ましい。
　以上説明した本実施の形態３によれば、超音波振動子７において、音響レンズ７８の内部に、熱により膨張する材料Ｆが収容された三つの混合部７８２を設けて、各混合部７８２を通過する電熱線７８３により材料Ｆの加熱を制御することで、分割領域Ｅ２１～Ｅ２３から出射される超音波を選択可能としたので、上述した実施の形態１と同様に、エレベーション方向Ｄeに沿った複数の超音波画像を簡易な構成で得ることができる。
　また、本実施の形態３によれば、音響レンズ７８の所定の領域に、熱により膨張する材料Ｆを混合し、電熱線７８３を設けるのみで構成されるため、上述した中空部７４２などの形成などが不要であり、簡易に作製することができる。
（実施の形態４）
　図２６は、本発明の実施の形態４に係る超音波振動子の要部の構成を示す模式図である。図２７は、本実施の形態４に係る超音波振動子における超音波の伝搬を説明する図である。本実施の形態４では、超音波の伝搬経路上に流体が通る空間を設けることで、超音波の通過と遮断とを可逆的に行う音響レンズ７９を有する構造とした。
　音響レンズ７９は、シリコーン、ポリメチルペンテンや、エポキシ樹脂、ポリエーテルイミドなどを用いて形成され、一方の面が凸状または凹状をなして超音波を絞る機能を有するレンズ本体７９１からなる。レンズ本体７９１には、互いに平行に延びる帯状の中空空間を形成する三つの中空部７９２が設けられる。中空部７９２には、ポンプおよび電磁弁７９３を介して、例えば水などの超音波を伝搬可能な流体が流通可能である。本実施の形態４では、中空部７９２および中空部７９２を挿通する流体によりマスク部を構成する。本実施の形態４に係るマスク部は、圧電素子７１と超音波の放射面（音響レンズ７９の表面）との間に設けられる。
　以上の構成を有する音響レンズ７９では、中空部７９２に流体が流通していない場合、図２７に示すように、超音波の通過を遮断する。一方で、中空部７９２に流体を流通させると、超音波が流体中を通過して音響レンズ７９から外部に出射される。具体的には、中空部７９２に応じたマスク構造が、超音波振動子７においてエレベーション方向Ｄeに沿って配列されている場合、音響レンズ７９（マスク部）は、エレベーション方向Ｄeに沿ってマスクする領域を三つに分割する（分割領域Ｅ３１～Ｅ３３）。三つの分割領域Ｅ３１～Ｅ３３において、いずれかの分割領域の中空部７９２に流体を流通させると、当該領域の中空部７９２を流通する流体が超音波を通過させる。例えば、分割領域Ｅ３１に応じた中空部７９２のみに流体を流通させると、超音波は、分割領域Ｅ３１のみから出射されることとなる。
　以上説明した本実施の形態４によれば、超音波振動子７において、音響レンズ７９の内部に、水などの超音波を伝搬可能な流体が流通可能な三つの中空部７９２を設けて、中空部７９２に流通させる流体を制御することで、分割領域Ｅ３１～Ｅ３３から出射される超音波を選択可能としたので、上述した実施の形態１と同様に、エレベーション方向Ｄeに沿った複数の超音波画像を簡易な構成で得ることができる。
　また、本実施の形態４によれば、音響レンズ７９の内部に流体を流通させるため、例えば、超音波振動子７、特に音響レンズ７９において生じた熱をこの流体が吸熱することで、音響レンズ７９からの放熱を抑制する効果を奏する。
　なお、上述した実施の形態３，４では、マスク部を音響レンズに設けるものとして説明したが、実施の形態１，２のように、音響レンズとは別体のシートに上述したマスク部を設けて、例えば第２音響整合層と音響レンズとの間に配置してもよい。
　ここまで、本発明を実施するための形態を説明してきたが、本発明は上述した実施の形態および変形例によってのみ限定されるべきものではない。本発明は、以上説明した実施の形態および変形例には限定されず、請求の範囲に記載した技術的思想を逸脱しない範囲内において、様々な実施の形態を含みうるものである。また、実施の形態および変形例の構成を適宜組み合わせてもよい。
　また、上述した実施の形態１～４および変形例では、分割領域をエレベーション方向に沿って三つに分割するものとして説明したが、各分割領域は、均等に分割されるものであってもよいし、中央部が両端部よりも大きくてもよいし、互いに異なっていてもよい。また、分割領域は三つに限らず、二つであってもよいし、四つ以上に分割されるものであってもよい。
　また、超音波プローブとして、光学系のない細径の超音波ミニチュアプローブを適用してもよい。超音波ミニチュアプローブは、通常、胆道、胆管、膵管、気管、気管支、尿道、尿管へ挿入され、その周囲臓器（膵臓、肺、前立腺、膀胱、リンパ節等）を観察する際に用いられる。
　また、超音波プローブとして、被検体の体表から超音波を照射する体外式超音波プローブを適用してもよい。体外式超音波プローブは、通常、腹部臓器（肝臓、胆嚢、膀胱）、乳房（特に乳腺）、甲状腺を観察する際に用いられる。
　以上のように、本発明にかかる超音波振動子および超音波プローブは、エレベーション方向に沿った複数の超音波画像を簡易な構成で得るのに有用である。
　１　内視鏡システム
　２　超音波内視鏡
　３　超音波観測装置
　４　内視鏡観察装置
　５　表示装置
　６　光源装置
　７　超音波振動子
　２１　挿入部
　２２　操作部
　２３　ユニバーサルケーブル
　２４　コネクタ
　３１　超音波ケーブル
　４１　ビデオケーブル
　６１　光ファイバケーブル
　７１　圧電素子
　７２　第１音響整合層
　７３　第２音響整合層
　７４，７７　マスク部
　７５，７８，７９　音響レンズ
　７６　バッキング材
　１００　穿刺針
　２１１　硬性部材
　２１２　湾曲部
　２１３　可撓管部
　２２１　湾曲ノブ
　２２２　操作部材
　２２３　処置具挿入口
　２４１　第１コネクタ部
　２４２　第２コネクタ部
　２４３　第３コネクタ部
　７４０　本体部
　７４１　エレクトレット部
　７４２　中空部
　７４２ａ　凸部
　７４３　対向電極
　７７１　第１シート
　７７１ａ　第１電極
　７７２　第２シート
　７７２ｂ，７７５ｂ　突出部
　７７２ｃ　第２電極
　７７３，７７６，７９２　中空部
　７７４　第３シート
　７７４ａ　第３電極
　７７５　第４シート
　７７５ｃ　第４電極
　７８１，７９１　レンズ本体
　７８２　混合部
　７８３　電熱線

Claims (13)

  1. 　電気信号の入力に応じて超音波を出射するとともに、外部から入射した超音波を電気信号に変換する複数の圧電素子と、
    　前記複数の圧電素子と当該超音波振動子における前記超音波の放射面との間に設けられ、前記超音波による走査方向に平行な平面と直交するエレベーション方向を複数の領域に分割してなる分割領域のうち任意の分割領域をマスク可能であり、マスクした分割領域において、前記超音波を、該超音波の伝搬方向と異なる方向に反射し、前記マスクした分割領域以外の分割領域において、前記超音波を前記伝搬方向に通過させるマスク部と、
    　を備えたことを特徴とする超音波振動子。
  2. 　前記複数の圧電素子は、一次元的に配列されたことを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子。
  3. 　前記マスク部は、
    　前記エレベーション方向に沿って配列され、電気分極を保持して電界を形成する複数のエレクトレット部と、
    　前記エレクトレット部の配置に応じた帯状の中空空間を形成する複数の中空部と、
    　前記エレクトレット部と対向して設けられ、帯状をなす複数の対向電極と、
    　を有することを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子。
  4. 　前記マスク部は、
    　屈曲自在なシート状をなす第１シートと、シート状をなす第２シートとが積層されてなり、
    　前記第１シートは、
    　前記エレベーション方向に沿って配列され、短冊状をなす複数の第１電極
    　を有し、
    　前記第２シートは、
    　前記第１シートと対向する表面から突出する複数の突出部と、
    　前記第１電極と対向して設けられ、短冊状をなす複数の第２電極と、
    　を有し、
    　前記第１シートおよび前記突出部により中空空間が形成されたことを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子。
  5. 　前記マスク部は、
    　第３電極を有し、前記第２シートの前記第１シート側と反対側の表面に積層される第３シートと、
    　前記第２シートに形成された突出部とオフセットした位置に形成された第２の突出部を有し、前記第３シートの前記第２シート側と反対側の表面に積層される第４シートと、
    　をさらに備えたことを特徴とする請求項４に記載の超音波振動子。
  6. 　前記マスク部は、
    　熱により体積が膨張する材料が混合されてなり、前記エレベーション方向に沿って配列された複数の混合部と、
    　各混合部を通過し、通電により発熱する複数の電熱線と、
    　を有することを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子。
  7. 　前記マスク部は、
    　超音波を伝搬可能な流体が流通可能であり、前記エレベーション方向に沿って配列された複数の中空部、
    　を有することを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子。
  8. 　前記圧電素子と観測対象との間の音響インピーダンスをマッチングさせる音響整合層と、
    　前記マスク部を通過した超音波を外部に出射する音響レンズと、
    　をさらに備え、
    　前記複数の圧電素子、前記音響整合層、前記マスク部、前記音響レンズの順に積層されてなる
    　ことを特徴とする請求項３に記載の超音波振動子。
  9. 　前記圧電素子と観測対象との間の音響インピーダンスをマッチングさせる音響整合層と、
    　前記マスク部を通過した超音波を外部に出射する音響レンズと、
    　をさらに備え、
    　前記複数の圧電素子、前記音響整合層、前記マスク部、前記音響レンズの順に積層されてなる
    　ことを特徴とする請求項４に記載の超音波振動子。
  10. 　前記圧電素子と観測対象との間の音響インピーダンスをマッチングさせる音響整合層と、
    　前記マスク部を通過した超音波を外部に出射する音響レンズと、
    　をさらに備え、
    　前記複数の圧電素子、前記音響整合層、前記音響レンズの順に積層され、
    　前記マスク部は、前記音響レンズに設けられる
    　ことを特徴とする請求項６に記載の超音波振動子。
  11. 　前記圧電素子と観測対象との間の音響インピーダンスをマッチングさせる音響整合層と、
    　前記マスク部を通過した超音波を外部に出射する音響レンズと、
    　をさらに備え、
    　前記複数の圧電素子、前記音響整合層、前記音響レンズの順に積層され、
    　前記マスク部は、前記音響レンズに設けられる
    　ことを特徴とする請求項７に記載の超音波振動子。
  12. 　請求項１に記載の超音波振動子を先端に備えたことを特徴とする超音波プローブ。
  13. 　前記超音波振動子を先端に有し、被検体内に挿入される挿入部を備えた超音波内視鏡であることを特徴とする請求項１２に記載の超音波プローブ。
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