特開 2024-165449 超音波発生装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024165449

(43)【公開日】2024-11-28

(54)【発明の名称】超音波発生装置

(51)【国際特許分類】

   H04R 1/34 20060101AFI20241121BHJP

   A61B 17/32 20060101ALI20241121BHJP

   A61B 17/00 20060101ALI20241121BHJP

   A61B 17/225 20060101ALI20241121BHJP

   B08B 7/00 20060101ALI20241121BHJP

【ＦＩ】

H04R1/34 330B

A61B17/32 510

A61B17/00 700

A61B17/225

B08B7/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023081663

(22)【出願日】2023-05-17

(71)【出願人】

【識別番号】000004547

【氏名又は名称】日本特殊陶業株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】504137912

【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学

(74)【代理人】

【識別番号】110000497

【氏名又は名称】弁理士法人グランダム特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 伸介

(72)【発明者】

【氏名】横山 広大

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 諭

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 遼

(72)【発明者】

【氏名】笠島 崇

(72)【発明者】

【氏名】森田 剛

【テーマコード（参考）】

3B116

4C160

5D019

【Ｆターム（参考）】

3B116AA46

3B116BB83

4C160EE17

4C160JJ11

4C160JJ32

5D019AA02

5D019BB02

5D019BB12

5D019BB17

5D019FF04

5D019FF06

5D019GG04

(57)【要約】

【課題】幅広い範囲において超音波を集束させて伝送する。
【解決手段】超音波発生装置１０は、超音波発生源１１と、超音波集束部１２と、導波路１３と、を備える。超音波集束部１２は、第１反射面２１と、第２反射面２２と、を有する。第１反射面２１は、超音波発生源１１で発生した超音波を反射させる。第２反射面２２は、第１反射面２１で反射された超音波を反射させる。第１反射面２１と第２反射面２２は、第２反射面２２で反射した超音波が平面波として反射されて導波路１３に導入されるように配置される。超音波集束部１２、及び導波路１３は、第２反射面２２で生じる平面波の進行方向と直交する方向のうち特定の方向である第１方向に延びる形状をなす。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

超音波を発生する超音波発生源と、
前記超音波発生源から発生した前記超音波を集束する超音波集束部と、
前記超音波集束部によって集束された前記超音波を伝送する導波路と、を備え、
前記超音波集束部は、
前記超音波発生源で発生した前記超音波を反射させる第１反射面と、
前記第１反射面で反射された前記超音波を反射させる第２反射面と、を有し、
前記第２反射面で反射した前記超音波が平面波として反射されて前記導波路に導入されるように前記第１反射面と前記第２反射面とが配置されてなる超音波発生装置であって、
前記超音波集束部、及び前記導波路は、前記第２反射面で生じる平面波の進行方向と直交する方向のうち特定の方向である第１方向に延びる形状をなす
超音波発生装置。

【請求項2】

前記第１反射面は、前記進行方向及び前記第１方向と直交する第２方向において、前記導波路よりも一方側に設けられる一方側反射面と、前記導波路よりも他方側に設けられる他方側反射面と、を有し、
前記超音波発生源は、前記第２方向において、前記第２反射面よりも一方側に設けられる一方側発生源と、前記第２反射面よりも他方側に設けられる他方側発生源と、を有し、
前記一方側発生源と、前記他方側発生源は互いに別部材によって構成され、
前記一方側反射面は、前記一方側発生源で発生した前記超音波を反射させ、
前記他方側反射面は、前記他方側発生源で発生した前記超音波を反射させる
請求項１に記載の超音波発生装置。

【請求項3】

前記導波路内には、流路が形成されている
請求項１又は請求項２に記載の超音波発生装置。

【請求項4】

前記導波路には、空洞が形成されており、
前記空洞内に液体が充填されている
請求項１又は請求項２に記載の超音波発生装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、超音波発生装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、超音波発生装置が開示されている。この超音波発生装置は、超音波発生源と、集束部と、を有する。集束部は、超音波発生源で発生した超音波を第１反射面で反射させる第１反射部と、第１反射面で反射した超音波を第２反射面で反射させる第２反射部と、超音波の伝送経路となる導波路と、を有する。導波路は、第２反射面で反射した超音波が導入部を介して自身の内部に導入されるように配置される。第２反射面で反射した超音波が平面波として反射させるように、第２反射面の焦点と第１反射面の焦点とが配置されてなる。この超音波発生装置は、超音波発生源が発生した超音波を集束部によって軸の中心に集束させて伝送する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２１－９０１８１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１の構成では、幅広い範囲において超音波を集束させて伝送することが難しい。

【0005】

本開示は、幅広い範囲において超音波を集束させて伝送することが可能な技術の提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の超音波発生装置は、
超音波を発生する超音波発生源と、
前記超音波発生源から発生した前記超音波を集束する超音波集束部と、
前記超音波集束部によって集束された前記超音波を伝送する導波路と、を備え、
前記超音波集束部は、
前記超音波発生源で発生した前記超音波を反射させる第１反射面と、
前記第１反射面で反射された前記超音波を反射させる第２反射面と、を有し、
前記第２反射面で反射した前記超音波が平面波として反射されて前記導波路に導入されるように前記第１反射面と前記第２反射面とが配置されてなる超音波発生装置であって、
前記超音波集束部、及び前記導波路は、前記第２反射面で生じる平面波の進行方向と直交する方向のうち特定の方向である第１方向に延びる形状をなす。

【発明の効果】

【0007】

本開示によれば、幅広い範囲において超音波を集束させて伝送することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、第１実施形態の超音波発生装置の斜視図である。

【図2】図２は、図１のＡ－Ａ線断面図である。

【図3】図３は、第２実施形態の超音波発生装置の図２相当図である。

【図4】図４は、第３実施形態の超音波発生装置の図２相当図である。

【図5】図５は、導波路の他の例を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

［本開示の実施形態の説明］
以下では、本開示の実施形態が列記されて例示される。

【0010】

〔１〕超音波を発生する超音波発生源と、
前記超音波発生源から発生した前記超音波を集束する超音波集束部と、
前記超音波集束部によって集束された前記超音波を伝送する導波路と、を備え、
前記超音波集束部は、
前記超音波発生源で発生した前記超音波を反射させる第１反射面と、
前記第１反射面で反射された前記超音波を反射させる第２反射面と、を有し、
前記第２反射面で反射した前記超音波が平面波として反射されて前記導波路に導入されるように前記第１反射面と前記第２反射面とが配置されてなる超音波発生装置であって、
前記超音波集束部、及び前記導波路は、前記第２反射面で生じる平面波の進行方向と直交する方向のうち特定の方向である第１方向に延びる形状をなす
超音波発生装置。

【0011】

上記超音波発生装置は、超音波集束部及び導波路が第１方向に延びる形状をなす。このため、上記超音波発生装置は、第１方向に幅広い範囲において超音波を集束させて伝送することができる。

【0012】

〔２〕前記第１反射面は、前記進行方向及び前記第１方向と直交する第２方向において、前記導波路よりも一方側に設けられる一方側反射面と、前記導波路よりも他方側に設けられる他方側反射面と、を有し、
前記超音波発生源は、前記第２方向において、前記第２反射面よりも一方側に設けられる一方側発生源と、前記第２反射面よりも他方側に設けられる他方側発生源と、を有し、
前記一方側発生源と、前記他方側発生源は互いに別部材によって構成され、
前記一方側反射面は、前記一方側発生源で発生した前記超音波を反射させ、
前記他方側反射面は、前記他方側発生源で発生した前記超音波を反射させる
〔１〕に記載の超音波発生装置。

【0013】

上記超音波発生装置では、一方側反射面に対応する一方側発生源と、他方側反射面に対応する他方側発生源とが、別部材によって構成されている。このため、上記超音波発生装置は、一方側反射面及び他方側反射面の各々に対して適切な位置関係で超音波発生源を配置しやすい。

【0014】

〔３〕前記導波路内には、流路が形成されている
〔１〕又は〔２〕に記載の超音波発生装置。

【0015】

上記超音波発生装置は、流路に液体が流れ、この液体内で超音波を伝送させることで、超音波の伝送効率を向上させることができる。

【0016】

〔４〕前記導波路には、空洞が形成されており、
前記空洞内に液体が充填されている
〔１〕から〔３〕のいずれか一つに記載の超音波発生装置。

【0017】

上記超音波発生装置は、空洞内に充填された液体内で超音波を伝送させることで、超音波の伝送効率を向上させることができる。

【0018】

［本開示の実施形態の詳細］
本開示の超音波発生装置は、例えば超音波診断装置、超音波治療装置、キャビテーション発生装置、歯科用スケーラ、血液凝固切開装置（例えば超音波メス）、超音波加工機、超音波洗浄機（例えば超音波クリーナ）などに用いられる。

【0019】

１．第１実施形態
１－１．超音波発生装置１０の構成
超音波発生装置１０は、図１及び図２に示すように、超音波発生源１１と、超音波集束部１２と、導波路１３と、を備えている。超音波発生源１１は、超音波を発生する。超音波集束部１２は、超音波発生源１１から発生した超音波を集束する。導波路１３は、超音波集束部１２によって集束された超音波を伝送する。

【0020】

超音波発生源１１は、例えば圧電素子によって構成される。圧電素子は、圧電セラミックスからなる圧電体と、圧電体の両側に配置される電極と、を有する。超音波発生源１１は、前後方向に厚さを有する板状をなしている。超音波発生源１１は、超音波集束部１２の後面に接合されている。

【0021】

超音波発生源１１は、図示しない信号送受信回路から電気信号を与えられると超音波を発生する。超音波発生源１１は、超音波を放射する放射面１５を有している。放射面１５は、超音波発生源１１の前面に形成されており、前方を向いた状態で配置されている。放射面１５は、平坦な面であり、超音波発生装置１０の前後方向に対して直交する方向に広がっている。放射面１５は、超音波を前方に放射する。超音波発生源１１で発生した超音波は、前方に向けて直進する平面波である。超音波発生源１１は、例えば、３０ｋＨｚ以上で且つ１０ＭＨｚ以下の周波数で超音波を発生させる。

【0022】

超音波集束部１２は、金属（例えばジュラルミン）によって形成されている。超音波集束部１２は、超音波発生源１１（より具体的には、放射面１５）に接合される接合面２０を有している。接合面２０は、超音波集束部１２の後面に形成され、後方を向いた状態で配置されている。

【0023】

超音波集束部１２は、第１反射面２１及び第２反射面２２を有している。第１反射面２１は、接合面２０よりも前方の位置に配置されている。第１反射面２１は、超音波発生源１１の放射面１５と対向して配置されている。第１反射面２１と超音波発生源１１の放射面１５との対向方向は、前後方向と平行である。第１反射面２１は、超音波集束部１２の外部から見ると、前方側（超音波発生源１１とは反対側）に凸な湾曲面（例えば放物面）である。第１反射面２１は、超音波集束部１２の内部から見ると凹型である。

【0024】

第２反射面２２は、第１反射面２１と対向して配置されている。第２反射面２２は、第１反射面２１の前端よりも後方の位置に配置されている。第２反射面２２は、超音波集束部１２の外部から見ると、後方側（第１反射面２１とは反対側）に凸な湾曲面（例えば放物面）である。第２反射面２２は、超音波集束部１２の内部から見ると凹型である。第２反射面２２は、後方に突出している。

【0025】

第１反射面２１は、超音波発生源１１で発生した超音波を、第２反射面２２に向けて反射させる。第２反射面２２は、第１反射面２１で反射された超音波を、導波路１３の後端部に向けて反射させる。第１反射面２１及び第２反射面２２は、第２反射面２２で反射された超音波が平面波として反射されて導波路１３に導入されるように配置されている。

【0026】

超音波発生源１１は、図示しない信号送受信回路から電気信号を与えられると、図２に示すように、放射面１５から前方に向けて超音波を発生する。放射面１５から放射された超音波は、第１反射面２１で反射され、第１反射面２１の焦点Ｆに向かって集束する。第１反射面２１の焦点Ｆは、第２反射面２２の焦点Ｆと同じとなっている。このため、第１反射面２１の焦点Ｆを通過した超音波は、第２反射面２２で反射され、平面波として導波路１３の内部に導入される。

【0027】

導波路１３は、超音波集束部１２の前端から前方に向かって延びる形状をなしている。導波路１３は、第２反射面２２で生じる平面波の進行方向に沿って延びている。第２反射面２２で生じる平面波の進行方向とは、第２反射面２２で生じる平面波が超音波集束部１２内で進行する方向のことである。第２反射面２２で生じる平面波の進行方向は、本実施形態では前方である。つまり、本実施形態では、前方は、第２反射面２２で生じる平面波の進行方向前方のことであり、後方は、第２反射面２２で生じる平面波の進行方向後方のことである。導波路１３が延びる方向は、第２反射面２２で生じる平面波の進行方向と平行であってもよいし、第２反射面２２で生じる平面波の進行方向に対して多少傾いていてもよいし、屈曲していてもよい。

【0028】

導波路１３は、本実施形態では超音波集束部１２と別部材として説明するが、超音波集束部１２と同一部材であってもよい。導波路１３は、超音波伝搬性の高い材料によって形成されることが好ましく、例えば、アルミ合金、金属ガラスなどで形成されることが好ましい。また、導波路１３は、例えばチタンとニッケルの合金からなる形状記憶合金で形成される構成であってもよい。導波路１３は、弾性変形し得る。

【0029】

超音波発生源１１、超音波集束部１２、及び導波路１３は、第２反射面２２で生じる平面波の進行方向と直交する方向のうち特定の第１方向に延びる形状をなす。

【0030】

第１反射面２１は、第１方向に沿って連続的に配置されている。第１反射面２１は、第２方向において、導波路１３よりも一方側に設けられる一方側反射面２１Ａと、導波路１３よりも他方側に設けられる他方側反射面２１Ｂと、を有している。第２方向は、第２反射面２２で生じる平面波の進行方向及び第１方向と直交する方向である。一方側反射面２１Ａ及び他方側反射面２１Ｂは、導波路１３から離れるにつれて後方に向かうように湾曲した湾曲面（例えば放物面）である。

【0031】

超音波発生源１１は、第２方向において、第２反射面２２よりも一方側に設けられる一方側発生源１１Ａと、第２反射面２２よりも他方側に設けられる他方側発生源１１Ｂと、を有している。一方側発生源１１Ａと他方側発生源１１Ｂは、それぞれ圧電素子によって構成される。一方側発生源１１Ａと他方側発生源１１Ｂは、互いに別部材によって構成されている。なお、一方側発生源１１Ａ及び他方側発生源１１Ｂは、それぞれ一部材で構成されていてもよいし、複数の部材で構成されていてもよい。

【0032】

一方側発生源１１Ａは、一方側反射面２１Ａに対向して配置される。一方側発生源１１Ａは、第１方向に沿って連続的に配置されている。一方側発生源１１Ａは、第１方向に幅広い範囲において超音波を発生させる。一方側反射面２１Ａは、一方側発生源１１Ａで発生した超音波を反射させる。一方側反射面２１Ａは、第１方向に幅広い範囲において、一方側発生源１１Ａで発生した超音波を反射させる。

【0033】

他方側発生源１１Ｂは、他方側反射面２１Ｂに対向して配置される。他方側発生源１１Ｂは、第１方向に沿って連続的に配置されている。他方側発生源１１Ｂは、第１方向に幅広い範囲において超音波を発生させる。他方側反射面２１Ｂは、他方側発生源１１Ｂで発生した超音波を反射させる。他方側反射面２１Ｂは、第１方向に幅広い範囲において、他方側発生源１１Ｂで発生した超音波を反射させる。

【0034】

第２反射面２２は、第１方向に沿って連続的に配置されている。第２反射面２２は、第１方向に幅広い範囲において、第１反射面２１で反射された超音波を反射させる。第２反射面２２で反射した超音波は、第１方向に延びる導波路１３に対し、第１方向の幅広い範囲に導入される。導波路１３は、第１方向の幅広い範囲に導入された超音波を前方に伝送する。

【0035】

１－２．超音波発生装置１０の効果の例
超音波発生装置１０は、超音波集束部１２及び導波路１３が第１方向に延びる形状をなす。このため、超音波発生装置１０は、第１方向に幅広い範囲において超音波を集束させて伝送することができる。

【0036】

超音波発生装置１０では、一方側反射面２１Ａに対応する一方側発生源１１Ａと、他方側反射面２１Ｂに対応する他方側発生源１１Ｂとが、別部材によって構成されている。このため、超音波発生装置１０は、一方側反射面２１Ａ及び他方側反射面２１Ｂの各々に対して適切な位置関係で超音波発生源１１を配置しやすい。

【0037】

２．第２実施形態
第２実施形態では、導波路内に流路が形成された構成について説明する。なお、第２実施形態では、第１実施形態と同じ構成については同じ符号を付して、詳しい説明を省略する。

【0038】

第２実施形態の超音波発生装置２１０は、図３に示すように、超音波発生源１１と、超音波集束部１２と、導波路２１３と、を備える。導波路２１３には、流路３０が形成されている。導波路２１３は、流路３０が形成されている点で第１実施形態の導波路１３とは異なり、その他の点で共通する。

【0039】

導波路２１３は、第１実施形態で説明した導波路１３と同様に、直方体状をなしている。流路３０の一端３１は、導波路２１３の外面に開口している。流路３０の他端３２は、一端３１よりも前方の位置に配置され、導波路２１３の先端に開口している。流路３０内には、液体Ｌが流れる。液体Ｌは、一端３１から流路３０内に入り込み、流路３０内を前方へ流れ、他端３２から排出される。液体Ｌは、流路３０内に充填されるように供給される。流路３０は、第１方向に幅広い構成であってもよいし、第１方向に間隔を空けて複数設けられていてもよい。

【0040】

第２実施形態の超音波発生装置２１０は、流路３０に液体Ｌが流れ、この液体Ｌ内で超音波を伝送させることで、超音波の伝送効率を向上させることができる。

【0041】

３．第３実施形態
第３実施形態では、導波路内の空洞に液体が充填された構成について説明する。なお、第３実施形態では、第１実施形態と同じ構成については同じ符号を付して、詳しい説明を省略する。

【0042】

第３実施形態の超音波発生装置３１０は、図４に示すように、超音波発生源１１と、超音波集束部３１２と、導波路３１３と、を備える。

【0043】

超音波集束部３１２は、第１反射面２１及び第２反射面３２２を有している。超音波集束部３１２は、第２反射面２２に代えて第２反射面３２２を有する点で第１実施形態の超音波集束部１２とは異なり、その他の点で超音波集束部１２と共通する。

【0044】

第２反射面３２２は、第１反射面２１と対向して配置されている。第２反射面３２２は、超音波集束部３１２の内側に凸な湾曲面（例えば放物面）である。第２反射面３２２は、超音波集束部１２の外部から見ると、前方側に凸な湾曲面（例えば放物面）である。第２反射面３２２は、超音波集束部１２の内部から見ると凹型である。

【0045】

第２反射面３２２は、第１方向に沿って連続的に配置されている。第２反射面３２２は、第１方向に幅広い範囲において、第１反射面２１で反射された超音波を反射させる。第２反射面３２２で反射した超音波は、第１方向に延びる導波路１３に対し、第１方向の幅広い範囲に導入される。

【0046】

導波路３１３は、第１実施形態で説明した導波路１３と同様に、直方体状をなしている。導波路３１３には、空洞４０が形成されている。導波路３１３は、空洞４０が形成されている点で第１実施形態の導波路１３とは異なり、その他の点で共通する。

【0047】

空洞４０内は、密閉されている。空洞４０内には、液体Ｌが充填されている。液体Ｌは、ジェルであってもよい。液体Ｌを空洞４０内に充填する方法は、特に限定されない。例えば、導波路３１３に、空洞４０を露出させる孔が形成され、その孔から液体Ｌが充填されてもよい。孔は、充填後に塞がれる。あるいは、導波路３１３に、空洞４０を露出させる蓋が設けられ、蓋が開けられた状態で液体Ｌが充填されてもよい。空洞４０は、第１方向に幅広い構成であってもよいし、第１方向に間隔を空けて複数設けられていてもよい。

【0048】

第３実施形態の超音波発生装置３１０は、空洞４０内に充填された液体Ｌ内で超音波を伝送させることで、超音波の伝送効率を向上させることができる。

【0049】

＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。また、上述した実施形態や後述する実施形態の様々な特徴は、矛盾しない組み合わせであればどのように組み合わされてもよい。

【0050】

（１）第２実施形態では、流路が導波路のみに形成されていたが、流路が超音波集束部まで延びていてもよい。例えば、流路は、超音波集束部を前後方向に貫通する構成であってもよい。

【0051】

（２）第２実施形態では、流路の他端が導波路の先端に形成されていたが、導波路の途中の側面に形成されていてもよい。

【0052】

（３）上記各実施形態において、導波路の先端部の形状は、導波路の前後方向中央部の形状と異なっていてもよい。例えば、図５に示す導波路４１３のように、先端部が先細りの形状であってもよい。

【0053】

なお、今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、今回開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示された範囲内又は特許請求の範囲と均等の範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0054】

１０…超音波発生装置
１１…超音波発生源
１１Ａ…一方側発生源
１１Ｂ…他方側発生源
１２…超音波集束部
１３…導波路
１５…放射面
２０…接合面
２１…第１反射面
２１Ａ…一方側反射面
２１Ｂ…他方側反射面
２２…第２反射面
３０…流路
３１…一端
３２…他端
４０…空洞
２１０…超音波発生装置
２１３…導波路
３１０…超音波発生装置
３１２…超音波集束部
３１３…導波路
３２２…第２反射面
４１３…導波路
Ｆ…焦点
Ｌ…液体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】