特許 6774697 超音波照射器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6774697

(24)【登録日】2020年10月7日

(45)【発行日】2020年10月28日

(54)【発明の名称】超音波照射器

(51)【国際特許分類】

   H04R 1/34 20060101AFI20201019BHJP

【ＦＩ】

   H04R1/34 330B

【請求項の数】8

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2020-90220(P2020-90220)

(22)【出願日】2020年5月25日

【審査請求日】2020年5月25日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】513004353

【氏名又は名称】株式会社ＭＵ研究所

(74)【代理人】

【識別番号】110001210

【氏名又は名称】特許業務法人ＹＫＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】望月 剛

【審査官】 渡邊 正宏

(56)【参考文献】

【文献】 実開昭５７−１３０２８８（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２９／００−２９／５２

Ｇ１０Ｋ １１／２８

Ｈ０４Ｒ １／００− １／０２

Ｈ０４Ｒ １／０６

Ｈ０４Ｒ １／２０− １／３４

Ｈ０４Ｒ １／４０

Ｈ０４Ｒ １／４４

Ｈ０４Ｒ ３／００

Ｈ０４Ｒ ９／００

Ｈ０４Ｒ １３／００

Ｈ０４Ｒ １５／００

Ｈ０４Ｒ １７／００

Ｈ０４Ｒ １７／１０

Ｈ０４Ｒ １９／００

Ｈ０４Ｒ ２３／００

Ｈ０４Ｒ ２９／００−３１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

超音波振動子と、
前方へ膨らんだ前面及び前記超音波振動子が接合される平坦な後面を有する本体と、前記前面の中央部から前方へ伸長した軸体と、を備え、前記超音波振動子からの超音波を伝搬する音響伝搬体と、
を含み、
前記前面は前記超音波振動子からの超音波を反射する凹型の一次反射面として機能し、
前記本体は前記後面に連なる井戸を有し、
前記井戸の底面は前記一次反射面からの一次反射波を反射する凹型の二次反射面として機能し、
前記二次反射面からの二次反射波が前記軸体を伝搬して前記軸体の先端面から前方へ照射される、
ことを特徴とする超音波照射器。

【請求項2】

請求項１記載の超音波照射器において、
前記音響伝搬体は中心軸を有し、
前記井戸及び前記軸体は前記中心軸に沿って形成されており、
前記井戸は第１直径を有し、
前記軸体は第２直径を有し、
前記第２直径は前記第１直径以上である、
ことを特徴とする超音波照射器。

【請求項3】

請求項２記載の超音波照射器において、
前記第２直径は前記第１直径と同一である、
ことを特徴とする超音波照射器。

【請求項4】

請求項１記載の超音波照射器において、
前記超音波振動子の中央部が前記井戸の内部に臨んでおり、
前記超音波振動子の中央部と前記底面の間の空隙が音響ギャップとして機能する、
ことを特徴とする超音波照射器。

【請求項5】

請求項１記載の超音波照射器において、
前記一次反射面及び前記二次反射面はいずれもパラボラ面であり、
前記一次反射面の焦点と前記二次反射面の焦点が原点で一致し、
前記音響伝搬体は、中心軸と、前記中心軸に直交し且つ前記原点を含む基準面と、を有し、
前記二次反射面の周縁が前記基準面に接し又は近接している、
ことを特徴とする超音波照射器。

【請求項6】

請求項５記載の超音波照射器において、
前記二次反射面の周縁が前記基準面に接し、
前記本体は、
前記基準面から前記一次反射面までの膨らみ部分と、
前記基準面から前記後面までの円盤状のオフセット部分と、
を含む、
ことを特徴とする超音波照射器。

【請求項7】

請求項１記載の超音波照射器において、
前記後面の直径に対する前記超音波振動子の直径の比率が０．７から０．９５の範囲内にある、
ことを特徴とする超音波照射器。

【請求項8】

請求項１記載の超音波照射器において、
前記後面の周縁部に連結されたケースを含み、
前記ケースの外側側面がグリップ部分として機能し、
前記ケースからケーブルが引き出されている、
ことを特徴とする超音波照射器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は超音波照射器に関し、特に、超音波照射器において超音波を伝搬する超音波伝搬体の構造に関する。

【背景技術】

【0002】

超音波照射器は、生体等の対象物に対して超音波を照射する機器である。試験、検査、診断、治療等の様々な状況において、超音波照射器が利用される。典型的には、動物に投与された薬剤の組織内浸潤を促進し、あるいは、その薬剤そのものの作用を活性化するために、組織に対して超音波が照射される。

【0003】

超音波照射器として、中空の音響ホーンを備えたものが知られている。かかる超音波照射器においては、音響ホーンの先端開口が組織表面に当接されている状態において、超音波振動子で生成された超音波が音響ホーンの内部に送り込まれ、音響ホーンの先端開口から出た超音波が組織内部へ照射される。その構成の場合、音響ホーンから出た超音波が生体内で直ぐに拡散してしまい、深部まで超音波が届き難いという点を指摘できる。

【0004】

非特許文献１，２には、超音波振動子及び音響伝搬体を備えた実験設備が開示されている。音響伝搬体は、中実でお椀状の二重反射体とその前面の中央から伸びる線状体とを有している。二重反射体の後面は、中央部分と周囲部分とで構成される。周囲部分に対して、中央開口を有する円環状の超音波振動子が貼付されている。本体の前面は、超音波振動子からの超音波を反射する第１パラボラ面を構成している。後面の中央部分は後方へ膨らんでおり、膨らんだ表面が第1パラボラ面からの一次反射波を反射する第２パラボラ面を構成している。第２パラボラ面から線状体へ二次反射波が送り込まれている。第２パラボラ面を構成する膨らみ部分を避けるために、超音波振動子に膨らみ部分を受け入れる中央開口が形成されている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】Kang Chen, et al., Acoustic focusing to the waveguides utilizing double parabolic reflectors, Appl. Phys. Lett. 114, 072902, 2019.

【非特許文献2】Qingyang Liu, et al., Multi-manipulation modes of ultrasonic tweezers by DPLUS, Proceedings of Symposium on Ultrasonic Electronics, Vol. 40, 2019.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

超音波照射器から照射される超音波の強度を高めることが要請されている。そのために、対向関係にある一次反射面及び二次反射面を備えた音響伝搬体を利用することが考えられる。音響伝搬体の本体の後面を部分的に膨らませて二次反射面を形成すると、後面それ全体を平坦面にできず、後面に対して超音波振動子を接合する際に膨らみ部分が邪魔になったり超音波振動子を円環状に加工したりする必要が生じる。

【0007】

本発明の目的は、超音波照射器において、照射される超音波の強度を高めることにある。あるいは、本発明の目的は、一次反射面及び二次反射面を備えた音響伝搬体の後面に膨らみが生じないようにすることにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明に係る超音波照射器は、超音波振動子と、前方へ膨らんだ前面及び前記超音波振動子が接合される平坦な後面を有する本体と、前記前面の中央部から前方へ伸長した軸体と、を備え、前記超音波振動子からの超音波を伝搬する音響伝搬体と、を含み、前記前面は前記超音波振動子からの超音波を反射する凹型の一次反射面として機能し、前記本体は前記後面に連なる井戸を有し、前記井戸の底面は前記一次反射面からの一次反射波を反射する凹型の二次反射面として機能し、前記二次反射面からの二次反射波が前記軸体を伝搬して前記軸体の先端面から前方へ照射される、ことを特徴とする。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、超音波照射器において、照射される超音波の強度を高められる。あるいは、本発明によれば、一次反射面及び二次反射面を備えた音響伝搬体の後面に膨らみが生じない。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施形態に係る超音波照射装置を示す概念図である。

【図2】音響伝搬体の後面を示す図である。

【図3】音響伝搬体の断面図である。

【図4】音響伝搬体の拡大断面図である。

【図5】第１タイプに係る音響伝搬体の断面図である。

【図6】第２タイプに係る音響伝搬体の断面図である。

【図7】第３タイプに係る音響伝搬体の断面図である。

【図8】第１変形例に係る音響伝搬体の断面図である。

【図9】第２変形例に係る音響伝搬体の断面図である。

【図10】第３変形例に係る音響伝搬体の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、実施形態を図面に基づいて説明する。

【0012】

（１）実施形態の概要
実施形態に係る超音波照射器は、超音波振動子及び音響伝搬体を有する。超音波振動子は超音波を生成する電気機械変換器である。音響伝搬体は、本体及び軸体を備える。本体は、前方へ膨らんだ前面及び超音波振動子が接合される平坦な後面を有する。軸体は、前面の中央部から前方へ伸長している。前面は、超音波振動子からの超音波を反射する凹型の一次反射面として機能する。本体は、後面に連なる井戸を有する。井戸の底面は、一次反射面からの一次反射波を反射する凹型の二次反射面として機能する。二次反射面からの二次反射波が軸体を伝搬して軸体の先端面から前方へ照射される。

【0013】

上記構成によれば、音響伝搬体により、超音波振動子で生じた超音波を効率的に集束した上で、対象物に照射することが可能となる。音響伝搬体には井戸が形成されており、井戸の底面が二次反射面として機能する。つまり、音響伝搬体の後面から前方へシフトした位置に二次反射面が設けられている。これにより、後面に対して後方に膨らんだ部分を形成する必要がなく、後面を平坦化することができる。すなわち、後面に対して、様々な超音波振動子を接合することが可能となる。換言すれば、安価な一般的な超音波振動子を使用することが可能となる。

【0014】

より詳しくは、前面の内で、中央部（及び平面波が到達しない周縁部）を除く部分が一次反射面として機能する。後面の内で、井戸（及び超音波振動子が接合されていない周縁部）を除く部分が超音波振動を受ける部分である。

【0015】

一次反射面は大きな反射面であり、二次反射面は小さな反射面である。実施形態において、超音波振動子からの超音波は平面波であり、一次反射波は、集束性を有する波であり、二次反射波は平面波である。もっとも、２つの反射面の内の一方又は双方の形態を操作することにより、二次反射波を、集束性を有する波又は拡散性を有する波にすることも可能である。

【0016】

実施形態において、音響伝搬体は中心軸を有する。井戸及び軸体は、中心軸に沿って形成されている（それらの中心軸が相互に一致する）。井戸は第１直径を有し、軸体は第２直径を有する。第２直径は、第１直径以上である。第２直径を第１直径と同一にしてもよい。実施形態において、第１直径は中心軸に沿って一定であり、第２直径も中心軸に沿って一定である。但し、第２直径を中心軸に沿って変化させる態様も考えられる。軸体の一部又は全部を湾曲させてもよい。

【0017】

実施形態において、井戸の底面それ全体が二次反射面を構成する。つまり、第1直径は二次反射面の直径でもある。この構成によれば、超音波振動子からの超音波を伝搬する上での損失を少なくできる。

【0018】

第１直径よりも第２直径が大きい場合、超音波振動子からの超音波の内で、その一部が一次反射面で反射されることなく、軸体へ直接的に伝搬する。その場合、その一部については、集束性を期待できないが、軸体の先端面を大きくできるので、先端面から出た超音波の拡散を抑制できる。すなわち、対象物のより深い位置まで超音波が到達し易くなる。

【0019】

第１直径と第２直径が同じ場合、超音波振動子からの超音波のほぼ全部が一次反射面で反射し、これにより集束性をもった一次反射波が生じ、その一次反射波のほぼ全部が二次反射面で反射する。よって、軸体の先端面から出る超音波の強度（エネルギー密度）を増大できる。

【0020】

第１直径よりも第２直径が小さい場合、後述するように、二次反射波の一部が再び一次反射面で反射し、更にその反射波が二次反射面で反射する、という多重反射が生じる。これにより、超音波伝搬上の損失が大きくなる。よって、第２直径を第２直径以上とすることが望まれる。

【0021】

実施形態において、超音波振動子の中央部が井戸の内部に臨んでいる。超音波振動子の中央部と底面の間の空隙が音響ギャップとして機能する。一般に、超音波振動子の音響インピーダンスと空気層の音響インピーダンスとの顕著な差から、超音波振動子から井戸の内部へ超音波はほとんど進入しない。よって、井戸の直径を必要最小限にすることが望まれる。空隙に対して充填剤を充填してもよいが、それは二次反射面の機能が損なわれないことが前提となる。同様に、一次反射面の外側（外界側）に外装を設けてもよいが、それは一次反射面の機能が損なわれないことが前提となる。

【0022】

実施形態において、一次反射面及び二次反射面はいずれもパラボラ面である。一次反射面の焦点と二次反射面の焦点が原点で一致している。音響伝搬体は、中心軸と、中心軸に直交し且つ原点を含む基準面と、を有する。二次反射面の周縁が基準面に接し又は近接している。上記構成によれば、超音波振動子からの超音波が平面波であることを前提として、二次反射波を平面波にすることができる。

【0023】

実験によれば、設計通りに、軸体の先端面から十分なパワーを有する超音波が照射されることが確認できている。音響伝搬体が単一の部材で構成される場合、組立時における２つの反射面の位置決め誤差が生じないという利点を得られる。また、超音波伝搬上の損失を非常に小さくできるという利点を得られる。

【0024】

実施形態において、二次反射面の周縁が基準面に接している。本体は、基準面から一次反射面までの膨らみ部分と、基準面から後面までの円盤状のオフセット部分と、を含む。オフセット部分は、井戸に相当する厚みを有する部分である。すなわち、オフセット部分は、井戸を形成するために、後面を後方へシフトさせたために生じた部分である。超音波伝搬上の損失を幾分でも小さくするためには、音響ギャップを確実に形成できる限りにおいて、オフセット部分を薄く形成するのが望ましい。

【0025】

実施形態において、後面の直径に対する超音波振動子の直径の比率が０．７から０．９５の範囲内にある。後面の直径（実施形態において、後面の直径は一次反射面の直径である）と超音波振動子の直径とを一致させた場合、一次反射面の周縁部で反射した一次反射波は、音響伝搬媒体の中心軸に対して直交する方向又はそれに近い方向に出る。そのような一次反射波が二次反射波に向かうことになるが、一次反射波の内の少なからずの部分が二次反射面に到達せずあるいは二次反射面のエッジで散乱してしまう。一方、超音波振動子の直径をできるだけ大きくした方が超音波の強度を高められる。それらを考慮した場合、上記比率を０．７から０．９の範囲内にすることが望まれる。後面の周縁部にまで超音波振動子を及ばないように構成することにより、その周縁部に対してケース前端部を連結することが容易となる。超音波振動子の直径は実際に超音波振動を生じる部分の直径である。

【0026】

実施形態に係る超音波照射器は、後面の周縁部に連結されたケースを含む。ケースの外側側面がグリップ部分として機能する。ケースからケーブルが引き出されている。実施形態に係る超音波照射器は、手で保持される可搬型の超音波照射器である。

【0027】

（２）実施形態の詳細
図１には、実施形態に係る超音波照射装置が示されている。超音波照射装置は、動物に投与された薬剤の組織内の浸潤を促進し、あるいは、その薬剤の作用を活性化させるために使用される。図示された超音波照射装置が他の用途に利用されてもよい。例えば、非生物に対して超音波が照射されてもよい。人間の診断又は治療において超音波照射装置が利用されてもよい。

【0028】

図１においては、Ｚ方向とそれに直交するＸ方向が定義されている。Ｚ方向及びＸ方向に直交するＹ方向についてはその図示が省略されている。図１において、Ｚ方向は垂直方向であり、Ｘ方向は第１水平方向である。Ｙ方向は第２水平方向である。

【0029】

図１において、超音波照射装置１０は、超音波照射器１２及び信号発生器１４を有する。信号発生器１４は、送信駆動信号を生成する電子回路である。超音波照射器１２において生成される超音波は、例えば、連続波又はバースト波である。超音波の送信周波数（中心周波数）は、例えば１ＭＨｚである。その送信周波数を５００ｋＨｚとしてもよいし、２ＭＨｚとしてもよい。本願明細書にあげる数値はいずれも例示である。超音波照射の用途に応じて送信周波数が定められる。超音波照射器１２からケーブル１６が引き出されており、そのケーブル１６が信号発生器１４に接続されている。

【0030】

超音波照射器１２は、ユーザーの手により保持される可搬型のデバイスである。超音波照射器１２は、グリップ部１８及び音響伝搬体２０により構成される。グリップ部１８はケース２４により構成される。ケース２４は、円筒形を有する中空の部材である。ケース２４は樹脂等により構成される。ケース２４の外側側面がグリップとして機能する。ケース２４の前端部分が音響伝搬体２０に連結されている。その連結に当たっては接着剤等を利用し得る。

【0031】

音響伝搬体２０は、単一の部材で構成され、その部材は例えばアルミニウムである。ジェラルミン等で音響伝搬体２０を構成してもよい。音響伝搬体２０は平坦な後面３４を有し、その後面３４に超音波振動子２６の前面が接合されている。超音波振動子２６は例えばＰＺＴからなる単振動子である。超音波振動子２６の前面及び後面には一対の電極が設けられているが、その図示は省略されている。一対の電極間に電圧が印加される。超音波振動子２６の後面に、後方へ出た超音波を吸収するバッキング層を設けてもよい。

【0032】

音響伝搬体２０は、超音波振動子２６の音響インピーダンスと生体４４の音響インピーダンスの間の音響インピーダンスを有する材料で構成される。上記アルミニウムの音響インピーダンスは、約１６×１０^６ｋｇｓ^−１ｍ^−２である。超音波振動子がＰＺＴで構成される場合、ＰＺＴの音響インピーダンスは、約３０×１０^６ｋｇｓ^−１ｍ^−２である。生体の音響インピーダンスは、約１．６×１０^６ｋｇｓ^−１ｍ^−２である。

【0033】

音響伝搬体２０は、本体３０及び軸体３２により構成される。本体３０は、前方（Ｚ方向）に膨らんだ前面３７を有している。前面３７の中央部から前方へ軸体３２が伸長している。音響的に見て、前面３７における中央部以外の部分が、凹型反射面として機能し、具体的には、パラボラ面としての一次反射面３８を構成している。

【0034】

本体３０は後面３４を有しており、それは平面である。本体３０には、後面３４に連なる井戸３６が形成されている。井戸３６は、湾曲した底面を有する。音響的に見て、底面は、凹型反射面として機能し、具体的には、パラボラ面としての二次反射面４０を構成している。

【0035】

超音波振動子２６から平面波が前方へ放射され、その平面波が一次反射面３８で反射して、集束性をもった一次反射波が生じる。一次反射波は、二次反射面４０で反射し、二次反射波としての平面波が生じる。その平面波が本体３０から軸体３２へ進行する。

【0036】

軸体３２は、円柱状の形態を有する。軸体３２の先端面４２は生体４４の表面に当接される。その状態で、先端面４２から生体４４の内部へ超音波４８が照射される。なお、軸体３２を先細の形状としてもよく、その一部又は全部を湾曲させてもよい。

【0037】

図２には、音響伝搬体２０の後面３４が示されている。後面３４は円形である。後面３４に対して、中央開口部を有しない円盤状の超音波振動子２６が貼付される。後面３４の中央部に井戸３６が形成されている。その井戸３６の底面が二次反射面４０として機能する。例えば、切削により、井戸３６を容易に作成し得る。後面３４の周縁部にはケースの先端部が連結される。

【0038】

実施形態に係る音響伝搬体によれば、超音波振動子からの平面波を集束して強度が増大された平面波を生成し、それを組織に照射することが可能である。また、音響伝搬体の後面が平坦面を構成しているので（後方へ膨らみ出た部分が存在していないので）、超音波振動子に中央開口を形成する必要がなく、後面に対して一般的な超音波振動子を取り付けることができる。これによりコストダウンを図れる。

【0039】

図３には、音響伝搬体の断面が示されている。ここでは、原点Ｏを基準として、ｘ軸及びｙ軸が定義されている。ｙ軸は音響伝搬体の中心軸に一致している。井戸３６の中心軸及び軸体３２の中心軸も、ｙ軸に一致している。

【0040】

本体３０は、上述したように、一次反射面３８及び二次反射面４０を有する。それらはいずれもパラボラ面であり、一次反射面３８の焦点は原点Ｏに一致し、二次反射面の焦点も原点Ｏに一致している。図３においては、ｙ軸に直交し且つ原点Ｏを含む面として基準面５０が定義されている。基準面５０は２つのパラボラ面の直径を定義する面である。

【0041】

本体３０において、基準面５０よりも前側の部分が膨らみ部分３１Ａであり、基準面５０よりも後側の部分がオフセット部分３１Ｂである。一次反射面３８は基準面５０よりも前側に膨らんでおり、一次反射面３８の周縁は基準面５０に接している。二次反射面４０は基準面５０よりも後側に膨らんでおり、二次反射面４０の周縁は基準面５０に接している。基準面５０からオフセット距離αだけ後退した位置に後面３４が設けられている。

【0042】

一次反射面３８及び二次反射面４０がパラボラ面である場合、超音波振動子から放射された平面波は次のように伝搬する。すなわち、超音波振動子から放射された平面波は、一次反射面３８で反射し、一次反射波となる。一次反射波は原点Ｏで集束する。原点Ｏを通過した一次反射波は、若干拡散した上で、二次反射面４０で反射し、これにより平面波が生じる。この平面波の強度は、超音波振動子から放射された平面波の強度よりも大きい。

【0043】

図３において、後面３４の直径（本体３０の直径でもある）がａで示され、井戸３６の直径（二次反射面４０の直径でもある）がｂで示され、軸体３２の直径がｃで示されている。超音波振動子２６の直径がｄで示されている。軸体３２の全長がＬで示されている。

【0044】

図４において、井戸の全長がオフセット距離αに相当する。基準面５０から二次反射面４０の頂点までの距離がα１で示され、頂点から後面３４までの距離がα２で示されている。二次反射面４０と超音波振動子２６の前面（つまり後面３４）との間には空隙が存在し、それは音響ギャップとして機能する。換言すれば、超音波振動子２６の中央部は井戸３６の内部に臨んでおり、超音波振動子２６の中央部から井戸の内部への超音波の進入はほぼ無視できる。

【0045】

図４においては、発生点Ａ、基準面５０上の通過点Ｂ、一次反射点Ｒ１、原点Ｏ、二次反射点Ｒ２、基準面５０上の通過点Ｃ、及び、照射点Ｄが示されている。図３及び図４において、発生点Ａから通過点Ｂまでの経路の長さがｌ０で示されている。通過点Ｂから一次反射点Ｒ１を経て原点Ｏに至る経路の長さがｌ１で示されている。原点Ｏから二次反射点Ｒ２を経て、通過点Ｃに至る経路の長さがｌ２で示されている。通過点Ｃから照射点Ｄまでの経路の長さがｌ３で示されている。

【0046】

以下、図３及び図４に基づき、超音波振動子の前面から軸体の先端面までの音響伝搬経路（全経路）の経路長（全経路長）について検討する。全経路長は、超音波の波長λの自然数倍に対してλ／４を加えた長さとされる。また、一次反射面３８の直径ａの逆数と二次反射面の直径ｂの逆数の和が超音波の波長λの自然数倍とされる。そのような条件を満たすように各パラメータが設定される。以下、具体的に説明する。

【0047】

パラボラ面である一次反射面３８は、ｘｙ座標系において、以下の（１）式により定義される。同じくパラボラ面である二次反射面４０は、ｘｙ座標系において、以下の（２）式により定義される。

【数1】

【数2】

【0048】

一次反射面３８及び二次反射面４０は、いずれも、ｘｙ座標系上の放物線をｙ軸回りに回転させることにより得られる三次元形状を有する。

【0049】

全経路長Ｌｒは以下の（３）式により表せる。

【数3】

【0050】

一方、放物線の性質から以下の（４）式及び（５）式が導ける。

【数4】

【数5】

【0051】

また、放物線の性質から、実施形態に係る音響伝搬体については、以下の（６）式及び（７）式が成立する。

【数6】

【数7】

【0052】

超音波振動子から出た超音波は、上記全経路を伝搬し、軸体の先端面に到達する。到達した超音波の一部が生体へ照射され、残りの一部は上記全経路を逆方向に伝搬する。上記全経路を順方向に進行する波の位相と上記全経路を逆方向に進行する波の位相を合わせる必要がある。２つの位相がずれていると、順方向に伝搬する波の強度が弱められてしまうからである。２つの位相を合わせるためには、全経路長Ｌｒが以下の条件を満たす必要がある。

【数8】

ただし、ｎは０又は自然数である。

【0053】

すなわち、以下を満たすように音響伝搬体を設計する必要がある。

【数9】

【0054】

上記（９）式が満たされるように、ｌ０（つまりα）、ａ，ｂ，Ｌを定めることになる。例えば、ａは３６ｍｍであり、ｂは例えば６ｍｍである。図示の例ではｂはｃに一致している。ｄは例えば２８ｍｍである。ｌ０は例えば５ｍｍである。

【0055】

なお、ａよりもｄが小さいため、後面３４においては、超音波振動子２６が接合されている接合部分とその周囲の環状の露出部分（周縁部分）とが生じる。本体３０において露出部分に相当する部分の一部又は全部を切り取ることも可能である。その場合、一次反射面３８の水平方向のサイズが小さくなり、一次反射面３８の周縁が基準面５０から離れ、その周縁は基準面５０の近傍に位置する。一方、ａよりもｄが小さい分だけ、二次反射面４０の直径つまり井戸３６の直径を小さくしてもよい。その場合、二次反射面４０の周縁が基準面５０から離れ、その周縁は基準面５０の近傍に位置する。図示の構成例では、井戸３６の直径ｂは中心軸（ｙ軸）に沿って一定である。軸体３２の直径ｃも中心軸に沿って一定である。

【0056】

上記のｂ及びｃの関係に着目すると、ｂ＝ｃ、ｂ＜ｃ及びｂ＞ｃの３つの態様が考えられ、それらに対応して、第１タイプに係る音響伝搬体、第２タイプに係る音響伝搬体、及び、第３タイプに係る音響伝搬体を想起できる。なお、軸体３２が先細形態を有する場合、軸体３２における本体３０側端部の直径を上記直径ｃとみなせばよい。

【0057】

図５には、第1タイプに係る音響伝搬体２０が示されている。音響伝搬体２０は、ｂ＝ｃの条件を満たしており、それは図１〜４に示した音響伝搬体に他ならない。本体３０内において、超音波振動子２６から出た平面波のほぼ全部が一次反射面３８で反射し、これにより生じた一次反射波のほぼ全部が二次反射面４０で反射し、これにより平面波が生じる。その平面波が軸体３２を伝搬する（符号５２を詐参照）。

【0058】

図６には、第２タイプに係る音響伝搬体２０Ａが示されている。音響伝搬体２０Ａは、ｂ＜ｃの条件を満たしている。超音波振動子２６から出た平面波の内で一部は、符号５２で示されているように、本体３０Ａ内において、一次反射面３８Ａ及び二次反射面４０Ａで順次反射し、それにより生じた平面波が軸体３２Ａを伝搬する。超音波振動子２６から出た平面波の内で残りの一部は、符号５４で示されているように、反射することなく、直接的に軸体３２Ａ内を伝搬する。第２タイプに係る音響伝搬体２０Ａを採用した場合、第１タイプに係る音響伝搬体に比べて、超音波の集束性は低下するものの、軸体３２Ａの先端面のサイズを大きくできる。これにより、生体内での超音波の拡散を抑制して、生体内のより深い部分まで、集束された超音波を照射し得る。

【0059】

図７には、第３タイプに係る音響伝搬体２０Ｂが示されている。音響伝搬体２０Ｂは、ｂ＞ｃの条件を満たしている。超音波振動子２６から出た平面波の内で一部は、符号５６で示されているように、本体３０Ｂ内において、一次反射面３８Ｂ及び二次反射面４０Ｂで反射し、それにより生じた平面波が軸体３２Ｂを伝搬する。超音波振動子２６から出た平面波の内で残りの一部は、本体３０Ｂ内において、一次反射面３８Ｂ及び二次反射面４０Ｂで反射した上で、一次反射面３８Ｂ及び二次反射面４０Ｂで再び反射し、それにより生じた反射波が、軸体３２Ｂに進入する。第３タイプに係る音響伝搬体２０Ｂにおいては、多重反射による超音波伝搬上の損失が大きいという点を指摘できる。

【0060】

上記の第２タイプに係る音響伝搬体の設計に際しては、第1タイプに係る音響伝搬体に求められる条件に加えて、以下の（１０）に示す条件を満たす必要がある。以下のＬｄは、図６において符号５４で示したように、超音波振動子からの平面波が直接的に軸体に進入する場合における全経路長を示している。

【数10】

但し、ｍは正の整数であり、Ｌｄ＜Ｌｒであるので、ｍ＜ｎである。

【0061】

Ｌｄは次の（１１）式で表せる。

【数11】

【0062】

つまり、以下の（１２）式を導ける。

【数12】

【0063】

上記（６）式より、以下の（１３）式を導ける。

【数13】

【0064】

第２タイプにおいては、（８）式と（１０）式を同時に満たす必要がある。（８）式については上記（９）式が既に導かれている。そこで、（９）式から（１３）式を引いてｌ０及びＬを消去し、式を整理すると、以下の（１５）式が導ける。

【数14】

【0065】

但し、ｋは以下の（１５）式で定義される。

【数15】

【0066】

以上のように、第２タイプに係る音響伝搬体の設計に際しては、（９）式及び（１４）式を同時に満たすように、ｌ０、ａ，ｂ，Ｌを決めることになる。

【0067】

なお、実際上有効となる音響伝搬体は、第１タイプに係る超音波伝搬体及び第２タイプに係る超音波伝搬体であると考えられる。例えば、超音波振動子のサイズに対して生体に接触する部分のサイズが比較的に小さい場合には第１タイプを選択し、超音波振動子のサイズに対して生体に接触する部分のサイズが比較的に大きい場合には第２タイプを選択してもよい。

【0068】

図８には、第１変形例が示されている。音響伝搬体２０Ｃにおいて、一次反射面３８Ｃはパラボラ面である。二次反射面４０Ｃは、パラボラ面に対して超音波集束作用をもったカーブ（凹面形態）を加えた形態を有する。その結果、符号６０で示されているように、集束性を有する二次反射波が生成されている。第１変形例において、軸体の形態を先細としてもよい。

【0069】

図９には、第２変形例が示されている。音響伝搬体２０Ｄにおいて、二次反射面４０Ｄはパラボラ面である。一次反射面３８Ｄは、パラボラ面に対して拡散作用をもったカーブ（凸面形態）を加えた形態を有する。符号６２はパラボラ面を示している。符号６４で示すように、超音波振動子から出た平面波は一次反射面３８Ｄで反射して、集束性を有する一次反射波が生じる。その一次反射波は、一点には集束しないまま、二次反射面４０Ｄに到達する。その結果、二次反射面４０Ｄでの反射により、符号６６で示されているように、集束性を有する二次反射波が生じている（符号６６を参照）。なお、軸体の先端面を凹面にすることも考えられる。第２変形例においても、一次反射波の中心軸は原点Ｏを通過する。

【0070】

図１０には、第３変形例が示されている。軸体３２の先端面には整合層６８が設けられている。整合層６８の音響インピーダンスは、音響伝搬体の音響インピーダンスと生体の音響インピーダンスの間の音響インピーダンスとされる。整合層６８の厚みｔは、超音波の波長λの１／４とするのが望ましい。

【0071】

図３等に示したａとｄの関係について検討する。ａに対してｄを小さくし過ぎると、音響的な強度を高められない。ａに対してｄを同一にし又は近接させると、超音波振動子の端部から出た超音波の伝搬経路に着目すると、各反射面に対する入射方向が反射面の近付き、反射効率が低下する。つまり、反射時の損失が増大する。二次反射面のエッジにおける超音波の散乱等の問題も生じ易くなる。それらを総合すると、ｄ／ａを０．７から０．９５の範囲内に設定することが望まれる。

【0072】

上記実施形態に係る音響伝搬体を利用して超音波を受信することも可能である。すなわち、対象物からの超音波（例えば反射波）を、音響伝搬体を介して、超音波振動子で受信することも可能である。その場合、超音波照射器に代わる機器として、超音波受信器、又は、超音波送受信器が構成される。

【符号の説明】

【0073】

１０ 超音波照射装置、１２ 超音波照射器、２０ 音響伝搬体、２６ 超音波振動子、３０ 本体、３２ 軸体、３４ 後面、３６ 井戸、３８ 前面（一次反射面）、４０ 底面（二次反射面）、４２ 先端面。

【要約】      （修正有）

【課題】超音波照射器において、照射される超音波の強度を高める。また、一次反射面及び二次反射面を備えた音響伝搬体の後面を平坦にする。
【解決手段】超音波照射装置１０において、音響伝搬体２０は、本体３０及び軸体３２により構成される。本体の前面３７が一次反射面３８として機能する。本体３０には、井戸３６が形成されている。井戸３６の底面４０は、二次反射面として機能する。後面３４は平坦面であり、後面３４に対して超音波振動子２６が接合されている。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】