WO2022102276A1 - 音響レンズ、その製造方法、超音波プローブ及び超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

本発明の課題は、音の減衰が小さく、かつ、音響インピーダンスが超音波プローブに適切な音響レンズ、その製造方法、並びに、当該音響レンズを備える超音波プローブ及び超音波診断装置を提供することである。　本発明の音響レンズは、超音波プローブ用の音響レンズであって、凹レンズ部及び凸レンズ部が接合されて構成されており、前記凸レンズ部における超音波の伝播速度が、前記凹レンズ部における超音波の伝播速度よりも遅く、前記凹レンズ部及び前記凸レンズ部のうち被検体側用のレンズ部の音響インピーダンスが、１．３～１．８ＭＲａｙｌの範囲内であり、かつ、前記凹レンズ部及び前記凸レンズ部の材料が、いずれも熱可塑性樹脂であることを特徴とする。

Description

音響レンズ、その製造方法、超音波プローブ及び超音波診断装置

　本発明は、音響レンズ、その製造方法、超音波プローブ及び超音波診断装置に関する。
　より詳しくは、音の減衰が小さく、かつ、音響インピーダンスが超音波プローブに適切な音響レンズ等に関する。

　超音波診断装置の超音波プローブにおいては、従来、得られる画像の分解能を向上させる目的で音響レンズが用いられている。

　音響レンズとは、音波を集束又は発散させるための媒体である。音響レンズにおける音波の伝播速度（以下、音速ともいう。）と周囲の物質における音速の差、及び、レンズの形状を適当に調整することで、音波を集束又は発散させることができる。超音波プローブにおいては、超音波をスライス方向に集束させる音響レンズが用いられる。

　超音波プローブ用の音響レンズは、超音波を集束させる条件（音速、レンズ形状）を満たした上で、被検体との間における超音波の反射を小さくするために、被検体の音響インピーダンスに近いことが求められる。さらに、感度を高めるために、音の減衰（音響伝播減衰）が小さいことが求められる。

　従来技術として、材料に微粒子充填シリコーンゴムを用いた凸状音響レンズがある（特許文献１）。微粒子充填シリコーンゴムは、シリコーンゴムが適した音速を有する点と、シリカ等の微粒子を充填することで音響インピーダンスが調整されている点で、凸状音響レンズの材料として優れているが、微粒子の影響で音の減衰が大きいという欠点があった。

　このような音の減衰を抑えるために、シリコーンゴムを用いた凸レンズ部に、音速が速い凹レンズ部を組み合わせることで全体の厚さを薄くした複合音響レンズ（特許文献２）や、さらに微粒子充填シリコーンゴムを使用しない複合音響レンズ（特許文献３）が開示されている。

　しかし、上記のような技術を用いた複合音響レンズは、少なくとも一方のレンズ部の材料に熱硬化性樹脂を用いていることから、レンズ部間の接合性が悪く、実際には製造することが非常に困難であった。そのため、接合性が良い材料を用いた音響レンズの開発が求められていた。

特開昭５８－２１６２９４号公報 特公平７－６３４６５号公報 特表２０１９－５０４５４７号公報

　本発明は、上記問題・状況に鑑みてなされたものであり、その解決課題は、音の減衰が小さく、かつ、音響インピーダンスが超音波プローブに適切な音響レンズ、その製造方法、並びに、当該音響レンズを備える超音波プローブ及び超音波診断装置を提供することである。

　本発明者は、上記課題を解決すべく、上記課題の原因等について検討した結果、凹レンズ部と凸レンズ部を接合して構成される音響レンズにおいて、いずれのレンズ部の材料にも熱可塑性樹脂を用いることで、音の減衰が小さく、かつ、音響インピーダンスが超音波プローブに適切な音響レンズ等を提供できることを見出し本発明に至った。
　すなわち、本発明に係る上記課題は、以下の手段により解決される。

　１．超音波プローブ用の音響レンズであって、
　凹レンズ部及び凸レンズ部が接合されて構成されており、
　前記凸レンズ部における超音波の伝播速度が、前記凹レンズ部における超音波の伝播速度よりも遅く、
　前記凹レンズ部及び前記凸レンズ部のうち被検体側用のレンズ部の音響インピーダンスが、１．３～１．８ＭＲａｙｌの範囲内であり、かつ、
　前記凹レンズ部及び前記凸レンズ部の材料が、いずれも熱可塑性樹脂であることを特徴とする音響レンズ。

　２．超音波プローブに配設されたときに被検体に対向するレンズ面が、平面状又は凸面状であることを特徴とする第１項に記載の音響レンズ。

　３．前記凸レンズ部における超音波の伝播速度が、前記凹レンズ部における超音波の伝播速度よりも３００ｍ／ｓ以上遅いことを特徴とする第１項又は第２項に記載の音響レンズ。

　４．前記凹レンズ部の材料である熱可塑性樹脂が、熱可塑性硬質樹脂であり、かつ、
　前記凸レンズ部の材料である熱可塑性樹脂が、熱可塑性エラストマーであることを特徴とする第１項から第３項までのいずれか一項に記載の音響レンズ。

　５．前記凸レンズ部の材料である熱可塑性樹脂の反発弾性率が、６０％以上であることを特徴とする第１項から第４項までのいずれか一項に記載の音響レンズ。

　６．前記凹レンズ部の材料が含有する成分のうち少なくとも一種の成分及び前記凸レンズ部の材料が含有する成分のうち少なくとも一種の成分の溶解度パラメータの差が、１（ｃａｌ／ｃｍ^３）^１／２以下であることを特徴とする第１項から第５項までのいずれか一項に記載の音響レンズ。

　７．前記凹レンズ部及び前記凸レンズ部が、溶融接合されて構成されていることを特徴とする第１項から第６項までのいずれか一項に記載の音響レンズ。

　８．前記凹レンズ部が被検体側、前記凸レンズ部が超音波振動子側になるように構成されており、
　前記凹レンズ部の材料である熱可塑性樹脂が、ポリオレフィン系の熱可塑性硬質樹脂であり、かつ、
　前記凸レンズ部の材料である熱可塑性樹脂が、ポリオレフィン系の樹脂成分を含有する熱可塑性エラストマーであることを特徴とする第１項から第７項までのいずれか一項に記載の音響レンズ。

　９．前記凹レンズ部が超音波振動子側、前記凸レンズ部が被検体側になるように構成されており、
　前記凹レンズ部の材料である熱可塑性樹脂が、ポリカーボネート系、ＡＢＳ系、ポリブチレンテレフタレート系及びポリアミド系のうちいずれか一種の熱可塑性硬質樹脂であり、かつ、
　前記凸レンズ部の材料である熱可塑性樹脂が、ポリエステル系、ポリアミド系及びポリウレタン系のうち少なくともいずれか一種の樹脂成分を含有する熱可塑性エラストマーであることを特徴とする第１項から第７項までのいずれか一項に記載の音響レンズ。

　１０．第１項から第９項までのいずれか一項に記載の音響レンズを製造する音響レンズの製造方法であって、
　前記凹レンズ部及び前記凸レンズ部を溶融接合することを特徴とする音響レンズの製造方法。

　１１．前記凹レンズ部及び前記凸レンズ部をインサート成形によって溶融接合することを特徴とする第１０項に記載の音響レンズの製造方法。

　１２．前記凹レンズ部及び前記凸レンズ部を２色成形によって溶融接合することを特徴とする第１０項に記載の音響レンズの製造方法。

　１３．被検体に向けて超音波を送波し、かつ、その反射エコーを受波する超音波振動子及び前記超音波振動子の送受波面側に配設された音響レンズを備えた超音波プローブであって、
　前記音響レンズが、第１項から第９項までのいずれか一項に記載の音響レンズであることを特徴とする超音波プローブ。

　１４．第１３項に記載の超音波プローブを具備することを特徴とする超音波診断装置。

　本発明の上記手段により、音の減衰が小さく、かつ、音響インピーダンスが超音波プローブに適切な音響レンズ、その製造方法、並びに、当該音響レンズを備える超音波プローブ及び超音波診断装置を提供することができる。

　本発明の効果の発現機構又は作用機構については、明確にはなっていないが、以下のように推察している。

　従来レンズは、凸レンズ形状、被検体に近い音響インピーダンス（１．３～１．８ＭＲａｙｌの範囲内）とするために、音の減衰が大きい微粒子充填シリコーンゴムで成立させているが、本発明の音響レンズは、音速が速い凹レンズ部と音速が遅い凸レンズ部との組合せで形状要件を満たし、被検体側のレンズで音響インピーダンス要件を満たすことで、微細粒子を必要とせずに成立させることができ、音の減衰に有効である。
　さらに、本発明は、各レンズ部の材料がいずれも熱可塑性樹脂であることを特徴とする。これにより、レンズ部同士を容易に接合することができ、上記音速等の各条件を満たした音響レンズを、接合性を考慮した上で、実際に提供することができる。

　これらの発現機構又は作用機構により、音の減衰が小さく、かつ、音響インピーダンスが超音波プローブに適切な音響レンズ等を提供することができると考えられる。

凹レンズ部が被検体側、凸レンズ部が超音波振動子側になるように構成された音響レンズの断面図 凹レンズ部が超音波振動子側、凸レンズ部が被検体側になるように構成された音響レンズの断面図 熱可塑性エラストマーにおける反発弾性率と音の減衰率の関係を示したグラフ 超音波プローブの概略断面図 超音波診断装置の概略図

　本発明の音響レンズは、超音波プローブ用の音響レンズであって、凹レンズ部及び凸レンズ部が接合されて構成されており、前記凸レンズ部における超音波の伝播速度が、前記凹レンズ部における超音波の伝播速度よりも遅く、前記凹レンズ部及び前記凸レンズ部のうち被検体側用のレンズ部の音響インピーダンスが、１．３～１．８ＭＲａｙｌの範囲内であり、かつ、前記凹レンズ部及び前記凸レンズ部の材料が、いずれも熱可塑性樹脂であることを特徴とする。
　この特徴は、下記実施形態に共通する又は対応する技術的特徴である。

　本発明の音響レンズは、超音波プローブに配設されたときに被検体に対向するレンズ面が、平面状又は凸面状であることが、被検体への密着性が良くなりエアーの巻き込みを防止し、良好な断層像を得ることができる点で好ましい。

　本発明の音響レンズは、前記凸レンズ部における超音波の伝播速度が、前記凹レンズ部における超音波の伝播速度よりも３００ｍ／ｓ以上遅いことが、曲率を緩められることによって、レンズの厚さを薄くすることで音の減衰を小さくすることができる点と、偏肉率を抑えられるための成形性の点で好ましい。

　本発明の音響レンズは、前記凹レンズ部の材料である熱可塑性樹脂が、熱可塑性硬質樹脂であり、かつ、
　前記凸レンズ部の材料である熱可塑性樹脂が、熱可塑性エラストマーであることが、超音波の伝播速度の点から好ましい。

　本発明の音響レンズは、前記凸レンズ部の材料である熱可塑性樹脂の反発弾性率が、６０％以上であることが、凸レンズ部の材料特性による音の減衰を小さくできる点で好ましい。

　本発明の音響レンズは、前記凹レンズ部の材料が含有する成分のうち少なくとも一種の成分及び前記凸レンズ部の材料が含有する成分のうち少なくとも一種の成分の溶解度パラメータの差が、１（ｃａｌ／ｃｍ^３）^１／２以下であることが、接合性の点で好ましい。

　本発明の音響レンズは、前記凹レンズ部及び前記凸レンズ部が、溶融接合されて構成されていることが、接着層による音の減衰がない点で好ましい。

　本発明の音響レンズは、前記凹レンズ部が被検体側、前記凸レンズ部が超音波振動子側になるように構成されており、前記凹レンズ部の材料である熱可塑性樹脂が、ポリオレフィン系の熱可塑性硬質樹脂であり、かつ、前記凸レンズ部の材料である熱可塑性樹脂が、ポリオレフィン系の樹脂成分を含有する熱可塑性エラストマーであることが、音響インピーダンス及び超音波の伝播速度の条件を満たしつつ、接合性が良好である点で好ましい。

　本発明の音響レンズは、前記凹レンズ部が超音波振動子側、前記凸レンズ部が被検体側になるように構成されており、前記凹レンズ部の材料である熱可塑性樹脂が、ポリカーボネート系、ＡＢＳ系、ポリブチレンテレフタレート系及びポリアミド系のうちいずれか一種の熱可塑性硬質樹脂であり、かつ、前記凸レンズ部の材料である熱可塑性樹脂が、ポリエステル系、ポリアミド系及びポリウレタン系のうち少なくともいずれか一種の樹脂成分を含有する熱可塑性エラストマーであることが、音響インピーダンス及び超音波の伝播速度の条件を満たしつつ、接合性が良好である点で好ましい。

　本発明の音響レンズの製造方法は、本発明に記載の音響レンズを製造する音響レンズの製造方法であって、前記凹レンズ部及び前記凸レンズ部を溶融接合することを特徴とする。

　本発明の音響レンズの製造方法は、前記凹レンズ部及び前記凸レンズ部をインサート成形によって溶融接合することが、特殊な成形機を使用せずに、溶融接合することができる点で好ましい。

　本発明の音響レンズの製造方法は、前記凹レンズ部及び前記凸レンズ部を２色成形によって溶融接合することが、一つ目のレンズ部の成形から接合までを一度のプロセスで行うことができる点で好ましい。

　本発明の超音波プローブは、被検体に向けて超音波を送波し、かつ、その反射エコーを受波する超音波振動子及び前記超音波振動子の送受波面側に配設された音響レンズを備えた超音波プローブであって、前記音響レンズが、本発明の音響レンズであることを特徴とする。

　本発明の超音波診断装置は、本発明の超音波プローブを具備することを特徴とする。

　以下、本発明とその構成要素、及び本発明を実施するための形態・態様について詳細な説明をする。なお、本願において、「～」は、その前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む意味で使用する。

（１）本発明の音響レンズの概要
　本発明の音響レンズは、超音波プローブ用の音響レンズであって、凹レンズ部及び凸レンズ部が接合されて構成されており、前記凸レンズ部における超音波の伝播速度が、前記凹レンズ部における超音波の伝播速度よりも遅く、前記凹レンズ部及び前記凸レンズ部のうち被検体側用のレンズ部の音響インピーダンスが、１．３～１．８ＭＲａｙｌの範囲内であり、かつ、前記凹レンズ部及び前記凸レンズ部の材料が、いずれも熱可塑性樹脂であることを特徴とする。
　これらの特徴を有することで、超音波を集束させる条件（音速、レンズ形状）を満たした上で、音響インピーダンスの調節と音の減衰の抑制を両立させることができる。また、製造面においても接合性を考慮した上で、実際に提供することができる。
　以下、詳細を記載する。

（２）音響レンズの形状
　本発明の音響レンズは、凹レンズ部及び凸レンズ部が接合されて構成されていることを特徴とする。

　凹レンズ部の断面の形状は、中央部の厚さが周辺部の厚さよりも薄くなっている形状（いわゆる凹状）である。また、凸レンズ部の断面の形状は、中央部の厚さが周辺部の厚さよりも厚くなっている形状（いわゆる凸状）である。

　本発明の音響レンズは、超音波プローブにおいて、図１に示すように、凹レンズ部３１が被検体側（図右側）に、凸レンズ部３２が超音波振動子側（図左側）になるように構成された音響レンズ２６と、図２に示すように、凹レンズ部３１が超音波振動子側（図左側）に、凸レンズ部３２が被検体側（図右側）になるように構成された音響レンズ２６とのどちらも含む。

　図１及び図２において、矢印は、超音波振動子側から送波された超音波が、音響レンズによって屈折し、被検体側において集束する様子を表している。

　各レンズ部の厚さや曲率は、特に限定されず、用途に応じて設計することができるが、音の減衰の観点から、各レンズ部の厚さは薄い方が好ましい。

　本発明の音響レンズは、超音波プローブに配設されたときに被検体に対向するレンズ面が、平面状又は凸面状であることが好ましい。これにより、被検体への密着性が良くなりエアーの巻き込みを防止し、良好な断層像が得ることができる。

（３）熱可塑性樹脂
　本発明の音響レンズは、凹レンズ部及び凸レンズ部の材料が、いずれも熱可塑性樹脂であることを特徴とする。これにより、溶融接合や、接着剤による接着によって、レンズ部同士を容易に接合させることができる。

　熱可塑性樹脂とは、熱可塑性を有する樹脂のことをいう。また、本発明において、樹脂のうちゴム弾性を示さないものを硬質樹脂、ゴム弾性を示すものをエラストマーという。すなわち、熱可塑性樹脂には熱可塑性硬質樹脂と熱可塑性エラストマーが含まれる。

　なお、各レンズ部の材料は、熱可塑性樹脂を主成分としていればよく、熱可塑性を阻害しない範囲でその他添加剤を少量含有していてもよい。

　エラストマーは、弾性を付与するためのゴム成分であるソフトセグメントと、高温では流動するものの、常温では変形を阻止する拘束的な役割を持つ成分であるハードセグメントで構成される。ソフトセグメントとハードセグメントは、化学結合しているブロック共重合体の状態でもよいし、化学結合せずに単に混合しているポリマーアロイの状態でもよい。

　エラストマーがポリマーアロイ型である場合、ソフトセグメントとしてブロック共重合型のエラストマーを用いてもよい。

　熱可塑性硬質樹脂には、例えば、ポリオレフィン系、ポリカーボネート系、ＡＢＳ（アクリロ二トリル・ブタジエン・スチレン樹脂）系、ポリブチレンテレフタレート系、ポリアミド系などの熱可塑性硬質樹脂が含まれる。

　熱可塑性硬質樹脂の具体例としては、低密度ポリエチレン、直鎖状低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、結晶性プロピレン単独重合体、結晶性エチレン・プロピレン共重合体、ポリメチルペンテンなどのオレフィン系樹脂、アクリル・スチレン・アクリロニリトル共重合体、アクリロニリトル・ブタジエン・スチレン共重合体、メタクリル・スチレン共重合体、ナイロン樹脂、ブチレンテレフタレート樹脂、エチレンテレフタレート樹脂、スチレン樹脂、スチレン・アクリロニリトル共重合体及びカーボネート樹脂などを挙げることができる。

　熱可塑性エラストマーには、例えば、ポリオレフィン系、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリウレタン系などの樹脂成分をソフトセグメント又はハードセグメントとして含有する熱可塑性エラストマーが含まれる。

　熱可塑性エラストマーの具体例としては、エステル系エラストマー、オレフィン系エラストマー、アミド系エラストマー、ウレタン系エラストマー、スチレン系エラストマー及びアクリル系エラストマーなどを挙げることができる。

（４）溶解度パラメータ（ＳＰ値）
　本発明の音響レンズは、凹レンズ部の材料が含有する成分のうち少なくとも一種の成分及び凸レンズ部の材料が含有する成分のうち少なくとも一種の成分の溶解度パラメータの差が、１（ｃａｌ／ｃｍ^３）^１／２以下であることが、接合性の点で好ましい。

　溶解度パラメータとは、ＳＰ値（ソルビリティ・パラメーター）とも呼ばれるものであり、溶媒や樹脂の溶解性や相溶性の指標として用いることができる値である。溶解度パラメータの差が小さいと、溶解性や相溶性が良好となるため、熱可塑性樹脂同士の接合性が良くなる。

　レンズ部の材料が硬質樹脂の場合、材料が含有する成分のうち少なくとも一種の成分とは、レンズ部の材料が単一の硬質樹脂を成分とするときは、その硬質樹脂のことをいい、複数種の硬質樹脂を成分とするときは、そのうちいずれか少なくとも一種のことをいう。

　レンズ部の材料がエラストマーの場合、材料が含有する成分のうち少なくとも一種の成分とは、エラストマーが含有する成分であるソフトセグメント及びハードセグメントのうち少なくともいずれか一方のことをいう。また、ソフトセグメント又はハードセグメントが複数種ある場合は、複数種のうちいずれか少なくとも一種のことをいう。

（５）接合
　本発明に係る凹レンズ部及び凸レンズ部は、いずれの材料にも熱可塑性樹脂を用いていることから、溶融接合又は接着剤による接合によってレンズ部同士を容易に接合させることができる。

（５．１）溶融接合
　溶融接合によって接合することは、生産性の点で好ましい。また、接着剤やプライマーからなる接着層が不要であるため、接着層による音の減衰への影響がない点でも好ましい。

　溶融接合する成形方法としては、インサート成形又は２色成形が好ましい。

　インサート成形では、金型内に成形済みの一方のレンズ部を挿入し、金型内の空間にもう一つのレンズ部の樹脂材料を射出することで溶融接合することができる。インサート成形は、特殊な成形機を使用せずに、溶融接合することができる点で好ましい。

　２色成形では、どちらか一方のレンズ部の材料を型に射出して充填した後に、もう一方のレンズ部の材料を型に充填することで溶融接合することができる。２色成形は、一つ目のレンズ部の成形から接合までを一度のプロセスで行うことができる点で好ましい。
　２色成形にはロータリー方式やコアバック方式などの方式があるが、本発明の音響レンズは、いずれの方式でも成形することができる。

（５．２）接着剤による接合
　本発明に係る凹レンズ部及び凸レンズ部は、接着剤によっても接合することができる。接着剤による接合は、成形済みの各レンズ部があれば、溶融接合用の成形機等がなくても一体化できる点で好ましい。

　接着剤の種類は、特に限定されず、熱可塑性樹脂同士を接着できるものとして一般的なものを用いることができる。

　また、接合性の点においては、接着剤による接着の前に、プライマーを塗布することが好ましい。プライマーとは、接着剤塗布の前処理に用いる接着助剤である。接着対象や接着剤の種類に適したプライマーを用いることで、接合性を高めることができる。

　なお、接着層による音の減衰への影響や、生産性を考慮すると、接着剤を用いた接合よりも溶融接合の方が好ましい。

（６）接合性の比較
　接合性を比較するため、例として、熱可塑性硬質樹脂に対する各種熱可塑性エラストマーと熱硬化性エラストマー（シリコーンゴム）の接合性の評価結果を表Ｉに示す。また、接合性評価に用いた材料の詳細を表IIに示す。

　表Ｉの「ＴＰＸとの接合」の列は、２層目のシートにポリメチルペンテン（ＴＰＸ）を用いた場合の評価を記載している。また、「ＰＣとの接合」の列は、ポリカーボネート（ＰＣ）を用いた場合の評価を記載している。

　表IIの「ＳＰ値」の列は、熱可塑性樹脂の場合は、含有する成分のうち、溶融接合に寄与する成分の溶解度パラメータを記載している。シリコーンゴムの場合は、単に材料自体の溶解度パラメータを記載している。

　接合性評価は以下のとおり行った。なお、評価用シート作製には射出成形機（住友重機械工業株式会社製ＳＥ－５０ＤＵ）を使用した。また、評価用シート作製時の樹脂の溶融温度及び金型の温度は、各樹脂材料のメーカー推奨の温度に設定した。

〔溶融接合の評価用複合シートの作製〕
　縦３５ｍｍ×横３５ｍｍ×厚さ１ｍｍの金型に、１層目のシートの材料となる溶融樹脂を射出した後、冷却し、固化させることで、1層目のシートを作製した。
　上記作製した厚さ１ｍｍの１層目のシートを、縦３５ｍｍ×横３５ｍｍ×厚さ２ｍｍの金型にセットした。金型内の空間に２層目のシートの材料となる溶融樹脂を射出した後、冷却し、固化させることで、溶融接合の評価用複合シートを作製した。

〔接着剤による接合の評価用複合シートの作製〕
　縦３５ｍｍ×横３５ｍｍ×厚さ１ｍｍの金型に、各溶融樹脂を射出した後、冷却し、固化させることで、1層目のシートと２層目のシートを別個に作製した。
　上記作製した1層目のシートと２層目のシートを、シアノアクリレートを主成分とする接着剤（セメダイン社製ＰＰＸセット）で接着させ、接着剤による接合の評価用複合シートを作製した。

〔接着剤＋プライマーによる接合の評価用複合シートの作製〕
　縦３５ｍｍ×横３５ｍｍ×厚さ１ｍｍの金型に、各溶融樹脂を射出した後、冷却し、固化させることで、1層目のシートと２層目のシートを別個に作製した。
　上記作製した1層目のシートと２層目のシートのそれぞれに、ｎ－ヘプタンを主成分とするプライマー（セメダイン社製ＰＰＸセット）を塗布した。プライマーを塗布した1層目のシートと２層目のシートを、シアノアクリレートを主成分とする接着剤（セメダイン社製ＰＰＸセット）で接着させ、接着剤＋プライマーによる接合の評価用複合シートを作製した。

〔シリコーンゴムを材料とする１層目のシートの作製〕
　上記評価用複合シートの作製において、シリコーンゴムを材料とする１層目のシートは、１００質量部のジメチルポリシロキサン（信越化学工業社製　ＫＥ７４２）に、加硫剤として０．５質量部の２，５－ジメチル－２，５－ジ（ｔ－ブチルパーオキシ）ヘキサンを混合し、１６５℃で１０分間プレス成形した後、さらに２００℃で２時間、２次加硫を行うことで作製した。厚さは１ｍｍとなるように成形した。

〔接合性の評価〕
　上記作製した各評価用複合シートの接合性を、下記のとおり評価し、表Ｉに記載した。
　　〇：接合できており、手で引っ張っても剥がれない。
　　△：接合できているが、手で引っ張ると剥がれる。
　　×：接合できていない。

　表Ｉに示すとおり、シリコーンゴムと熱可塑性樹脂の接合性に比べ、熱可塑性樹脂同士の接合性は良好である。シリコーンゴムと熱可塑性樹脂の場合は、接着剤のみでは接合できないのに対し、熱可塑性樹脂同士の場合は、材料を適切に組み合わせることで、接着剤のみでも接合することが可能となる。また、シリコーンゴムと熱可塑性樹脂の場合は、接着剤での接合にプライマーを用いても、手で引っ張ると剥がれてしまうのに対し、熱可塑性樹脂同士の場合は、良好に接合することができる。さらに、シリコーンゴムと熱可塑性樹脂の場合は、溶融接合では接合できないのに対し、熱可塑性樹脂同士の場合は、材料を適切に組み合わせることで、溶融接合することが可能となる。

（７）超音波の伝播速度
　本発明の音響レンズは、凸レンズ部における超音波の伝播速度が、凹レンズ部における超音波の伝播速度よりも遅いことを特徴とする。超音波を集束させるためである。

　凸レンズ部と凹レンズ部における超音波の伝播速度の差は、大きいほど好ましく、３００ｍ／ｓ以上であることが好ましい。凸レンズ部と凹レンズ部における超音波の伝播速度の差が大きいほど、接合面における超音波の屈折角は高くなり、曲率を緩められるため、集音しやすくなる。また、曲率を緩められることによって、レンズの厚さを薄くすることができる。レンズの厚さを薄くすることで音の減衰を小さくすることができる。

　凹レンズ部及び凸レンズ部における超音波の伝播速度と、被検体における超音波の伝播速度の関係は、適宜調節することができ、特に限定されないが、超音波を集束させる必要があることから、凹レンズ部における超音波の伝播速度は、被検体における超音波の伝播速度よりも速い必要がある。
　実用的には、凹レンズ部における超音波の伝播速度は、生体における超音波の伝播速度よりも速いことが好ましいため、１５３０ｍ／ｓ以上であることが好ましい。

　また、超音波の伝播速度の点から、凹レンズ部の材料には熱可塑性硬質樹脂を、凸レンズ部の材料には熱可塑性エラストマーを用いることが好ましい。

（８）音響インピーダンス
　本発明の音響レンズは、凹レンズ部及び凸レンズ部のうち被検体側用のレンズ部の音響インピーダンスが、１．３～１．８ＭＲａｙｌの範囲内であることを特徴とする。これにより、音響レンズと被検体との間における超音波の反射を小さくすることができる。

　また、被検体側用のレンズ部と、超音波振動子側用のレンズ部の音響インピーダンスの差が、０．６ＭＲａｙｌ以下であることが、レンズ部間における超音波の反射を小さくできる点で好ましい。

　音響インピーダンスとは、音響インピーダンスＺ［ＭＲａｙｌ］＝密度ρ［ｋｇ／ｍ^３］×音速Ｃ［ｍ／ｓ］の式で表される物質固有の定数である。単位には一般的に［ＭＲａｙｌ］が用いられ、１［ＭＲａｙｌ］＝１．０×１０^６［ｋｇ・ｍ^２／ｓ］である。

（９）反発弾性率
　本発明の音響レンズは、凸レンズ部の材料である熱可塑性樹脂の反発弾性率が、６０％以上であることが好ましい。上述のとおり、凸レンズ部の材料には超音波の伝播速度の点から熱可塑性エラストマーを用いることが好ましく、熱可塑性エラストマーは、反発弾性率が高いほど、材料特性による音の減衰は小さい傾向にある（表III、図３参照）。そのため、反発弾性率が高い程、凸レンズ部の材料特性による音の減衰を小さくでき、実用性を考慮すると、反発弾性率が６０％以上であることが好ましい。

（１０）音響特性評価
　レンズ部に使用できる材料の例を表IIIに示す。なお、凸レンズ部に使用できる材料を限定するものではない。

　表IIIに記載の各値は、下記のとおり測定用シートを作製して求めた。

〔測定用シートの作製〕
　縦３５ｍｍ×横３５ｍｍ×厚さ１ｍｍの金型に、材料となる溶融樹脂を射出した後、冷却し、固化させることで、測定用シートを作製した。
　なお、測定用シート作製には射出成形機（住友重機械工業株式会社製ＳＥ－５０ＤＵ）を使用した。また、測定用シート作製時の樹脂の溶融温度及び金型の温度は、各樹脂材料のメーカー推奨の温度に設定した。

〔密度〕
　２５℃において、ＪＩＳ　Ｃ　２１２３に従い測定した。

〔音速（超音波の伝播速度）〕
　２５℃において、測定周波数５ＭＨｚで、音速測定装置（超音波工業株式会社製：シングアラウンド式音速測定装置ＵＶＭ－２型）により測定した。

〔音響インピーダンス〕
　上記測定した密度及び音速から、下記の式により音響インピーダンスを求めた。
　　Ｚ＝ρ×Ｃ
　Ｚ：音響インピーダンス［ＭＲａｙｌ］
　ρ：密度［ｋｇ／ｍ^３］
　Ｃ：音速［ｍ／ｓ］

〔音の減衰率〕
　２５℃の水を満たした水槽中に測定用シートを入れた状態で、超音波パルサー・レシーバーＪＰＲ－１０Ｃ（ジャパンプローブ株式会社製）により水中に１５ＭＨｚの超音波を発生させて、超音波が測定用シートを透過する前の振幅と、超音波が測定用シートを透過した後の振幅とを測定した。測定した振幅から、下記の式により減衰率を求めた。
　　Ｐ_x＝Ｐ_０e^－αx
　Ｐ_x：透過後の振幅
　Ｐ_０：透過前の振幅
　ｅ：自然対数
　α：減衰率［ｄＢ／ｍｍ］
　ｘ：透過距離［ｍｍ］

（１１）好ましい材料の組み合わせ
　本発明の音響レンズにおいて用いる好ましい材料の組み合わせを説明する。

　図１に示すような、凹レンズ部が被検体側、凸レンズ部が超音波振動子側になるように構成されている音響レンズの場合、凹レンズ部の材料である熱可塑性樹脂が、ポリオレフィン系の熱可塑性硬質樹脂であり、かつ、凸レンズ部の材料である熱可塑性樹脂が、ポリオレフィン系の樹脂成分を含有する熱可塑性エラストマーであることが好ましい。

　被検体側用のレンズ部の材料は、音響インピーダンスが１．３～１．８ＭＲａｙｌであることを要するが、凹レンズ部の場合、音響インピーダンスに加え、熱可塑性樹脂であることや、超音波の伝播速度を考慮すると、材料は、ポリオレフィン系の熱可塑性硬質樹脂であることが好ましいからである。また、当該凹レンズ部の材料との接合性を考慮すると、超音波振動子側用の凸レンズ部の材料は、ポリオレフィン系の樹脂成分を含有する熱可塑性エラストマーであることが好ましいからである。

　図２に示すような、前記凹レンズ部が超音波振動子側、前記凸レンズ部が被検体側になるように構成されている音響レンズの場合、凹レンズ部の材料である熱可塑性樹脂が、ポリカーボネート系、ＡＢＳ系、ポリブチレンテレフタレート系及びポリアミド系のうちいずれか一種の熱可塑性硬質樹脂であり、かつ、凸レンズ部の材料である熱可塑性樹脂が、ポリエステル系、ポリアミド系及びポリウレタン系のうち少なくともいずれか一種の樹脂成分を含有する熱可塑性エラストマーであることが好ましい。

　被検体側用のレンズ部の材料は、音響インピーダンスが１．３～１．８ＭＲａｙｌであることを要するが、凸レンズ部の場合、音響インピーダンスに加え、熱可塑性樹脂であることや、超音波の伝播速度を考慮すると、材料は、ポリエステル系、ポリアミド系及びポリウレタン系のうち少なくともいずれか一種の樹脂成分を含有する熱可塑性エラストマーであることが好ましいからである。また、当該凸レンズ部の材料との接合性を考慮すると、超音波振動子側用の凹レンズ部の材料は、ポリカーボネート系、ＡＢＳ系、ポリブチレンテレフタレート系及びポリアミド系のうちいずれか一種の熱可塑性硬質樹脂であることが好ましいからである。

（１２）超音波プローブ
　本発明の超音波プローブは、被検体に向けて超音波を送波し、かつ、その反射エコーを受波する超音波振動子及び前記超音波振動子の送受波面側に配設された音響レンズを備えた超音波プローブであって、音響レンズが、本発明の音響レンズであることを特徴とする。

　超音波振動子は、圧電材料を有し、電気信号を機械的な振動に、また機械的な振動を電気信号に変換可能で超音波の送受信が可能で焦電効果を有する素子（圧電素子）である。

　圧電材料は、電気信号を機械的な振動に、また機械的な振動を電気信号に変換可能な圧電体を含有する材料である。圧電体としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系セラミックス、チタン酸鉛、メタニオブ酸鉛などの圧電セラミックス、ニオブ酸リチウム、亜鉛ニオブ酸鉛とチタン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛とチタン酸鉛などの固溶系単結晶からなる圧電単結晶、水晶、ロッシェル塩、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、あるいはＶＤＦと、例えば、３フッ化エチレン（ＴｒＦＥ）の共重合体であるポリフッ化ビニリデン－３フッ化エチレン（Ｐ（ＶＤＦ－ＴｒＦＥ））のようなＰＶＤＦ共重合体、シアン化ビニリデン（ＶＤＣＮ）の重合体であるポリシアン化ビニリデン（ＰＶＤＣＮ）、あるいはシアン化ビニリデン系共重合体あるいはナイロン９、ナイロン１１などの奇数ナイロンや、芳香族ナイロン、脂環族ナイロン、あるいはポリ乳酸や、ポリヒドロキシブチレートなどのポリヒドロキシカルボン酸、セルロース系誘導体、ポリウレアなどの有機高分子圧電材料などを用いることができる。

　圧電材料の厚さとしては、例えば、１００～５００［μｍ］の範囲で用いられる。超音波振動子は、その両面にＩ／Ｏ（Input/Output）電極、ＧＮＤ（GrouND）電極が付された状態で用いられる。

　音響レンズ及び超音波振動子以外の構成は特に限定されないが、例えば、図４に示すような構成にすることができる。

　図４に示す超音波プローブ２は、背面層２１と、第１の電極としてのＩ／Ｏ（Input/Output）電極２２と、超音波振動子（圧電素子）２３と、第２の電極としてのＧＮＤ（GrouND）電極２４と、音響整合層２５と、音響レンズ２６と、を備える。

（１３）超音波診断装置
　本発明の超音波診断装置は、本発明の超音波プローブを具備することを特徴とする。

　超音波プローブ以外の構成は特に限定されないが、例えば、図５に示すような構成にすることができる。

　図５に示す超音波診断装置１００は、超音波診断装置本体１と超音波プローブ２とを備える。超音波診断装置本体１は、ケーブル３を介して、超音波プローブ２と接続されている。超音波プローブ２に電気信号の駆動信号を送信することによって、超音波プローブ２に被検体に対して送信超音波を送信させるとともに、超音波プローブ２にて受信した被検体内からの反射超音波に応じて超音波プローブ２で生成された電気信号である受信信号に基づいて、被検体内の内部状態を超音波画像データとして画像化する。また、超音波診断装置本体１は、操作入力部１１及び表示部１７を備える。

　本発明は、音の減衰が小さく、かつ、音響インピーダンスが超音波プローブに適切な音響レンズ、その製造方法、並びに、当該音響レンズを備える超音波プローブ及び超音波診断装置に利用することができる。

１　　　超音波診断装置本体
２　　　超音波プローブ
３　　　ケーブル
１１　　操作入力部
１７　　表示部
２１　　背面層
２２　　Ｉ／Ｏ電極
２３　　超音波振動子
２４　　ＧＮＤ電極
２５　　音響整合層
２６　　音響レンズ
３１　　凹レンズ部
３２　　凸レンズ部
１００　超音波診断装置

Claims (14)

1. 　超音波プローブ用の音響レンズであって、
   　凹レンズ部及び凸レンズ部が接合されて構成されており、
   　前記凸レンズ部における超音波の伝播速度が、前記凹レンズ部における超音波の伝播速度よりも遅く、
   　前記凹レンズ部及び前記凸レンズ部のうち被検体側用のレンズ部の音響インピーダンスが、１．３～１．８ＭＲａｙｌの範囲内であり、かつ、
   　前記凹レンズ部及び前記凸レンズ部の材料が、いずれも熱可塑性樹脂であることを特徴とする音響レンズ。
2. 　超音波プローブに配設されたときに被検体に対向するレンズ面が、平面状又は凸面状であることを特徴とする請求項１に記載の音響レンズ。
3. 　前記凸レンズ部における超音波の伝播速度が、前記凹レンズ部における超音波の伝播速度よりも３００ｍ／ｓ以上遅いことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の音響レンズ。
4. 　前記凹レンズ部の材料である熱可塑性樹脂が、熱可塑性硬質樹脂であり、かつ、
   　前記凸レンズ部の材料である熱可塑性樹脂が、熱可塑性エラストマーであることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の音響レンズ。
5. 　前記凸レンズ部の材料である熱可塑性樹脂の反発弾性率が、６０％以上であることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の音響レンズ。
6. 　前記凹レンズ部の材料が含有する成分のうち少なくとも一種の成分及び前記凸レンズ部の材料が含有する成分のうち少なくとも一種の成分の溶解度パラメータの差が、１（ｃａｌ／ｃｍ^３）^１／２以下であることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の音響レンズ。
7. 　前記凹レンズ部及び前記凸レンズ部が、溶融接合されて構成されていることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載に記載の音響レンズ。
8. 　前記凹レンズ部が被検体側、前記凸レンズ部が超音波振動子側になるように構成されており、
   　前記凹レンズ部の材料である熱可塑性樹脂が、ポリオレフィン系の熱可塑性硬質樹脂であり、かつ、
   　前記凸レンズ部の材料である熱可塑性樹脂が、ポリオレフィン系の樹脂成分を含有する熱可塑性エラストマーであることを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の音響レンズ。
9. 　前記凹レンズ部が超音波振動子側、前記凸レンズ部が被検体側になるように構成されており、
   　前記凹レンズ部の材料である熱可塑性樹脂が、ポリカーボネート系、ＡＢＳ系、ポリブチレンテレフタレート系及びポリアミド系のうちいずれか一種の熱可塑性硬質樹脂であり、かつ、
   　前記凸レンズ部の材料である熱可塑性樹脂が、ポリエステル系、ポリアミド系及びポリウレタン系のうち少なくともいずれか一種の樹脂成分を含有する熱可塑性エラストマーであることを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の音響レンズ。
10. 　請求項１から請求項９までのいずれか一項に記載の音響レンズを製造する音響レンズの製造方法であって、
    　前記凹レンズ部及び前記凸レンズ部を溶融接合することを特徴とする音響レンズの製造方法。
11. 　前記凹レンズ部及び前記凸レンズ部をインサート成形によって溶融接合することを特徴とする請求項１０に記載の音響レンズの製造方法。
12. 　前記凹レンズ部及び前記凸レンズ部を２色成形によって溶融接合することを特徴とする請求項１０に記載の音響レンズの製造方法。
13. 　被検体に向けて超音波を送波し、かつ、その反射エコーを受波する超音波振動子及び前記超音波振動子の送受波面側に配設された音響レンズを備えた超音波プローブであって、
    　前記音響レンズが、請求項１から請求項９までのいずれか一項に記載の音響レンズであることを特徴とする超音波プローブ。
14. 　請求項１３に記載の超音波プローブを具備することを特徴とする超音波診断装置。

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