JP2005177479A - 小型素子超音波トランスデューサ・アレイ用の音響裏当て材 - Google Patents

Abstract

【課題】 音響減衰材料で製作した裏当て（１２）を有する微細ピッチ音響トランスデューサ・アレイを提供する。
【解決手段】 裏当て材は、基質成分と、アレイを構成する素子（２）の最小寸法の５分の１未満（好ましくは１０分の１未満）の平均粒径を有する充填物成分とを均一に混合することによって調製される。特定の実施形態では、音響減衰材料は、２５〜４５重量％のタングステン粒子と、１５〜３５重量％のシリコーン粒子と、４０〜６０重量％のエポキシとを含む。
【選択図】なし

Description

本発明は、総括的には超音波トランスデューサ・アレイに関する。具体的には、本発明は、超音波イメージングで使用する小型素子アレイのような小型素子を含む超音波トランスデューサ・アレイに関する。

従来型の超音波イメージング・トランスデューサ・アレイは、分極圧電セラミック材料を用いて電気エネルギーが音響エネルギーに変換される圧電効果によって音響エネルギーを生成する。走査中の患者の方向である順方向に伝達される超音波エネルギーは、１つ又はそれ以上の音響整合層を通して患者に結合される。しかしながら、走査中の患者から離れた方向に伝達された音響エネルギーは、一般的にトランスデューサ・アレイの後面に設置された音響裏当て材（本明細書では「音響減衰材料」とも呼ぶ）内に吸収されるか及び／又は該音響裏当て材によって散乱される。このことは、音響エネルギーが、トランスデューサ背後の構造体又は境界面により反射されて圧電材料内に戻り、それによって患者内部での反射によって取得された音響画質を低下させるのを防止する。

より具体的には、パルス反射モードで作動する超音波トランスデューサ・アレイは、逆方向すなわち患者から離れる方向に伝搬する音響エネルギーを減衰させるための裏当て材を必要とする。普通の音響裏当て材は、エポキシ又はポリウレタンの基質内での二酸化チタン或いはタングステン金属のような高密度音響散乱体及び／又はシリコーンのような軟質吸音材料の混合物である。裏当て材は、前もって成形してトランスデューサの後面に取付けるか又は所定位置に鋳造しかつ硬化させるかのいずれかとすることができる。音響特性、主として音響インピーダンス及び減衰度は、プローブ性能を最大にするために、残りの音響スタックと共に最適化されなければならない重要な特性である。

線形及び多列型音響プローブに見られる超音波素子のような従来型の超音波素子は、裏当て材組成においてより大きい局所的ばらつきを許容できる、正面におけるより大きい素子寸法を有する。しかしながら、２次元或いは多列型高周波トランスデューサ・アレイに見られるような小型の圧電素子は、著しく高いレベルの裏当て材の均質性を必要とする。

２次元超音波トランスデューサ・アレイ内の小型素子への電気接続は、Ｄａｖｉｄｓｅｎに対する国際公開特許ＷＯ０２／０４０１８４Ａ３及び米国特許出願公開第２００３／００８５６３５号に開示されているように、フレキシブルプリント回路と音響裏当て材との交互の層を互いに積層してｚ軸電気コネクタを形成することによって得られる。この場合、音響裏当て材は、音響特性に加えて、粒径、均質性及び非弾性圧縮率に関して付加的な要件を有している。

従来型の超音波トランスデューサ素子が方位寸法におけるよりも正面寸法において大きいのに対し、２次元超音波トランスデューサ・アレイ内の素子寸法は、３００ミクロン又はそれより小さい寸法となっている。トランスデューサ・アレイ全体にわたる音響的均一性を保つために、これらの小型素子の各々は、本質的に同一の裏当て材で裏打ちされなければならない。従って、音響インピーダンス及び減衰度を調整するために使用する添加材の粒径は、素子寸法よりも著しく小さくなければならない。加えて、加圧積層プロセスを用いて形成したｚ軸電気コネクタの場合には、最終素子ピッチは、２つの構成要素、すなわちフレキシブル回路と音響裏当て材の層との合計厚さから決まる。この構造体の大部分（容積で）を構成する音響裏当て材の非弾性圧縮率は、積層状態の下で最終ピッチにおける大きな変化を生じないように十分に小さくなければならない。
国際公開特許ＷＯ０２／０４０１８４Ａ３ 米国特許出願公開第２００３／００８５６３５号

上述の制約条件を満たす音響裏当て材に対する必要性が存在する。

本発明は、微細ピッチ音響トランスデューサ・アレイに関し、本微細ピッチ音響トランスデューサ・アレイは、基質成分と、アレイを構成する素子の最小寸法の５分の１未満（好ましくは１０分の１未満）の粒径を有する充填材成分とを均一に混合することによって調製された音響減衰材料で製作された裏当て材を有する。本発明の特定の実施形態によると、音響減衰材料は、２５〜４５重量％のタングステン粒子と、１５〜３５重量％のシリコーン粒子と、４０〜６０重量％のエポキシとを含む。

最初に、本明細書に開示した本発明の態様は、圧電セラミック・トランスデューサ素子に限定されものではなく、むしろ微細ピッチ超音波トランスデューサ素子を有する任意のアレイに適合されることを理解されたい。具体的には、２次元トランスデューサ・アレイ内の素子は、３００ミクロン又はそれより小さい程度の寸法（例えば幅又は直径）を有することができる。本明細書で開示した音響裏当てと共に使用することができる他の型のトランスデューサ素子には、容量式のミクロ加工超音波トランスデューサ（ｃＭＵＴ）及び圧電式のミクロ加工超音波トランスデューサ（ｐＭＵＴ）等種々のものが含まれる。本発明の１つの態様は、超音波トランスデューサ装置であって、本超音波トランスデューサ装置は、入射音響エネルギーを出力電気エネルギーに変換しかつ入力電気エネルギーを出射音響エネルギーに変換する素子と、素子に音響的に結合された音響減衰材料の本体とを含み、音響減衰材料は、２０ミクロン未満の平均直径を有する音響散乱材料の粒子と２０ミクロン未満の平均直径を有する吸音材料の粒子とを含み、音響散乱材料及び吸音材料の粒子は、基質内に分散されている。

本発明の別の態様は、超音波トランスデューサ・アレイであり、本超音波トランスデューサ・アレイは、多数の超音波トランスデューサ素子と超音波トランスデューサ素子の後面に音響的に結合された音響減衰材料の層とを含み、超音波トランスデューサ素子の各々は、入射音響エネルギーを出力電気エネルギーに変換しかつ入力電気エネルギーを出射音響エネルギーに変換し、音響減衰材料は、２０ミクロン未満の平均直径を有する音響散乱材料の粒子と２０ミクロン未満の平均直径を有する吸音材料の粒子とを含み、音響散乱材料及び吸音材料の粒子は、実質的に均一に基質内に分散されている。

本発明のさらに別の態様は、積層音響裏当てであり、本積層音響裏当ては、それらの間に音響減衰材料を備えた多数のフレキシブル回路を含み、フレキシブル回路の各々は、その上に形成されたそれぞれの多数の導電トレースを有するそれぞれの電気絶縁材料の薄層を含み、音響減衰材料は、２０ミクロン未満の平均直径を有する音響散乱材料の粒子と２０ミクロン未満の平均直径を有する吸音材料の粒子とを含み、音響散乱材料及び吸音材料の粒子は、実質的に均一に基質内に分散されている。

本発明のさらに別の態様は、超音波トランスデューサ装置であり、本超音波トランスデューサ装置は、入射音響エネルギーを出力電気エネルギーに変換しかつ入力電気エネルギーを出射音響エネルギーに変換する、３００ミクロン又はそれ以下の最小素子寸法を有する素子と、素子に音響的に結合された音響減衰材料の本体とを含み、音響減衰材料は、該最小素子寸法の２０％未満の平均直径を有する音響散乱材料の粒子と該最小素子寸法の２０％未満の平均直径を有する吸音材料の粒子とを含み、音響散乱材料及び吸音材料の粒子は、基質内に分散されている。

本発明の他の態様は、以下に開示しかつ特許請求する。

説明の目的で、圧電セラミック超音波トランスデューサの種類に属する、本発明の様々な実施形態を説明することにする。しかしながら、本明細書に開示した本発明の態様はまた、ｃＭＵＴ及びｐＭＵＴのような他の型の微細ピッチ超音波トランスデューサにおける用途も有することを理解されたい。

図１は、例示的な超音波トランスデューサ素子を示し、この超音波トランスデューサ素子は、金属被覆処理して信号電極４を形成した底面と金属被覆処理して接地電極６を形成した上面とを有する圧電セラミック層２を含む。導電性材料で製作した音響インピーダンス整合層１４が、該整合層１４と接地電極６との間のオーム接触を可能にするエポキシの薄い（音響的に透明な）層（図示せず）によって、セラミックの金属被覆上面に接合される。図１に部分的に示すように、整合層１４は全てのトランスデューサ素子に対して共通であり、このことは整合層１４が全てのアレイを覆い、アレイ内の全てのトランスデューサ素子（図１では２つトランスデューサのみを示している）の接地電極に電気接触状態になっていることを意味する。１つ以上の音響インピーダンス整合層を金属被覆セラミックの前面に配置する場合には、内部整合層は、導電性であるか又は導電層を有するかして接地電極を接続するようにしなければならない。

トランスデューサ・アレイは、電気信号コネクタのパターン化アレイ上に配置される。電気コネクタのそのようなアレイの１つの例は、図１にその一部分のみを示しているが、各誘電体基板１０（例えば、カプトン（商標）ポリイミド・フィルム）上に刷り込まれた各トレース８の端部が音響裏当て層の表面で露出するように音響裏当て層１２内部に埋め込まれた一連の間隔をおいて配置されかつ互に平行なフレキシブル回路である。２次元アレイでは、各列のトランスデューサ素子は、それぞれの誘電体基板上に配列されたトレースにそれぞれ電気的に接続される。従って、トランスデューサ・アレイ内には列当たり１つのフレキシブル回路が存在することになる。図１は、超音波トランスデューサ素子の２つの列に対応する２つのフレキシブル回路を示し、さらに各列内のそれぞれのトランスデューサ素子に電気的に接続された、各誘電体基板１０上の１つのみの金属トレース８を示している。

音響裏当て層１２は、信号電極４と金属トレース８の露出端部との間のオーム接触を可能にするエポキシの薄い（音響的に透明な）層（図示せず）によって、セラミックの金属被覆底面に接合される。それに代えて、金属トレースの露出端部上に金属パッドを形成し、後で信号電極と金属パッドとの間にオーム接触が形成されるようにすることができる。音響裏当て層は、それぞれの列がダイスカットされる前にまた音響インピーダンス整合層が取付けられる前にトランスデューサ・アレイ層に接合されるのが好ましい。その場合には、図１で分かるように、切断具は、音響裏当て層に入る深さまで切り込むことができる。典型的な切断カーフ１６を図１に示す。切断カーフ１６は、１つの列内のトランスデューサ素子を隣接する列内の隣接トランスデューサ素子から音響的に分離する。切断カーフ１６はまた、隣接する列内の隣接トランスデューサの信号電極４を電気的に分離する。直交方向でのダイスカットは、所定の行のトランスデューサ素子を互いに音響的に分離しかつそれら同じトランスデューサ素子の信号電極を電気的に分離する切断カーフ（図示せず）を形成することになる。

微細ピッチを有する音響トランスデューサは、撮像中の患者から離れる方向における音響出力を減衰させるために使用する裏当て材に対して特有の要件を有する。音響素子の小さい寸法とアレイの表面全体での均一な性能に対する要求とにより、小粒径の充填材を有する均質な裏当て材が必要になる。裏当て材はまた、トランスデューサ・アレイに対する音響裏当て材として機能するのに十分な音響インピーダンス及び減衰度を有していなければならない。フレキシブル回路と音響裏当て材との交互層を互いに積層することによって製作された２次元電気コネクタへの接続におけるさらに厄介な問題は、音響裏当て材を設定厚さに前もって成形しかつ積層プロセス全体を通してその厚さを保つ能力である。この一連の要件は、超音波音響裏当て材における特有の一連の特性を表している。

前述の一連の要件は、シリコーンビーズ及びタングステン粒子を含む音響裏当て材によって満たされ、それらシリコーンビーズ及びタングステン粒子の両方は、最小素子寸法の２０％未満、好ましくは１０％未満（また最も好ましくは５％未満）の平均粒径を有し、かつ最高積層温度よりも著しく高いガラス転移温度を有するエポキシ基質内に均一に分散されている。本明細書において（及び特許請求の範囲において）用いる場合、「素子寸法」という用語は、正面方向或いは方位方向での素子寸法（例えば、素子の幅、長さ及び直径）を意味し、奥行き方向での寸法を意味するものではない。

本明細書における音響裏当て材は、基質成分と充填材成分とを均一に混合することによって調製され、充填材成分は、最小圧電素子寸法の５分の１未満、好ましくは最小圧電素子寸法の１０分の１（最も好ましくは２０分の１）未満の粒径を有する。裏当て材の音響特性は、局部的な裏当て密度の関数であり、この裏当て密度は、主として充填材料の選択と基質に対する充填材料の相対比率とによって順次決まる。他方、裏当て材の熱的特性は、主として選択した基質材料によって決まる。本発明の実施形態の１つの系統によると、音響裏当て材は、４０〜６０重量％のエポキシと、２５〜４５重量％のタングステン粉と、１５〜３５重量％の微細分散性シリコーン粉とを含む。加えて、タングステン粉とシリコーン粉との両方は、２０ミクロン未満のそれぞれの平均粒径を有する。他の実施形態では、平均寸法が２０ミクロン未満のＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３又は他の高密度粒子で高密度タングステン粒子を置き換えることができる。

基質エポキシ内へのシリコーン粉の分散を助けるために、シリコーンは非凝集（すなわち、球状）粉又はビーズとすることが好ましい。シリコーンビーズの実例は、ＧＥ／Ｔｏｓｈｉｂａ Ｓｉｌｉｃｏｎｅｓによって供給されているＴｏｓｐｅａｒｌ（商標）球状シリコーンである。しかしながら、その中でシリコーンが球状又は類似形状の離散粒子として存在している他の供給源のシリコーンもまた、この組成物では有用である。

エポキシは、１つ又はそれ以上のエポキシ官能性を有する芳香族又は脂肪族有機分子である場合がある広範な種類の材料から選択され、次いでこれら材料はアミン又は無水物のような標準的な硬化剤で架橋される。この材料の１つの実例は、エピクロロヒドリンとの反応で形成されたビスフェノール−Ａのジエポキシドであり、これは脂肪族アミンで架橋される。

本発明の１つの実施形態では、音響裏当て材は、約５ミクロンの平均粒径を有する４５重量％のタングステン粉と、１０ミクロン未満の平均粒径を有する１５重量％のシリコーンビーズと、ビスフェノール−Ａエポキシ及び脂肪族アミン硬化剤から調製した４０重量％のエポキシ基質との均質な混合物を用いて調製した。アミン硬化剤は、硬化する裏当て材が製造時に曝されることになる最高処理温度より著しく高い最終ガラス転移温度を生ずるように選択した。この組成物は、４．２Ｍｒａｙｌｓの音響インピーダンスと５ＭＨｚにおける３．１ｄＢ／ｍｍの音響減衰度とをもたらす。図２には、この組成物を用いて調製した音響裏当て材の顕微鏡写真を示す。シリコーンビーズは参照符号２０で示し、より小さいタングステン粒子（白く見える）は参照符号２２で示し、また周囲のエポキシ基質は参照符号２４で示している。音響減衰裏当て材の均質性は、アレイが多数の小型素子を有する場合であっても、音響アレイ全体にわたる均一な減衰度及びインピーダンスを可能にするのに十分である。

前述の組成物は、タングステン対シリコーン比率又は全充填物含有量のいずれかを変化させることによって、減衰度及びインピーダンスの両方を変えるように変更することができる。それに代えて、タングステンよりも低密度のミクロンサイズ粉を添加するか又はタングステンと置き換えて、音響減衰度を維持しながら音響インピーダンスをさらに低下させることができる。

音響裏当て材が小粒径の充填物を含み、音響裏当て材が音響素子の寸法に対して組成が均一になるようにすることが重要である。さらに、裏当て材のインピーダンス及び減衰度が音響スタック全体の一部として最適化されることも重要である。このことの１つの実施形態は、エポキシ基質内に分散されたミクロン粒子サイズのタングステン粉及びミクロン粒子サイズのシリコーン粉から調製された裏当て材である。優れた分散は、シリコーン粉が事実上球状である場合に得られる。

好ましい実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明の技術的範囲から逸脱することなく本発明の要素に対して種々の変更を加えることができまた本発明の要素を均等物で置き換えることができることは、当業者には解るであろう。さらに、本発明の本質的な技術的範囲から逸脱することなく、特定の状況を本発明の教示に適合させるように多くの修正を加えることができる。従って、本発明を実施するために考えられる最良の形態として開示した特定の実施形態に本発明は限定されるものではなく、本発明は特許請求の範囲の技術的範囲内に属する全ての実施形態を包含することになることを意図している。

特許請求の範囲で使用する場合、「超音波トランスデューサ」という用語は、容量式又は圧電式超音波トランスデューサを含む。

トランスデューサ素子の後面に音響的に結合された音響裏当て層を有する超音波トランスデューサ・アレイの１つの素子を示す図。 本発明の１つの実施形態による音響裏当て材の顕微鏡写真。

符号の説明

２ 圧電セラミック層
４ 信号電極
６ 接地電極
８ 金属トレース
１０ 誘電体基板
１２ 音響裏当て層
１４ 音響インピーダンス整合層
１６ 切断カーフ

Claims (10)

1. 入射音響エネルギーを出力電気エネルギーに変換しかつ入力電気エネルギーを出射音響エネルギーに変換する素子（２）と、
   前記素子に音響的に結合された音響減衰材料の本体（１２）と、を含み、
   前記音響減衰材料が、２０ミクロン未満の平均直径を有する音響散乱材料の粒子と、２０ミクロン未満の平均直径を有する吸音材料の粒子とを含み、
   前記音響散乱材料及び吸音材料の粒子が基質内に分散されている、
   超音波トランスデューサ装置。
2. 前記音響散乱材料がタングステンを含む、請求項１記載の超音波トランスデューサ装置。
3. 前記吸音材料が、タングステンの密度より低い密度を有する材料をさらに含む、請求項１記載の超音波トランスデューサ装置。
4. タングステンよりも低い密度を有する前記材料が、ＴｉＯ_２である、請求項２記載の超音波トランスデューサ装置。
5. 前記基質がエポキシを含む、請求項４記載の超音波トランスデューサ装置。
6. 前記音響減衰材料が、２５〜４５重量％のタングステン粒子と、１５〜３５重量％のシリコーン粒子と、４０〜６０重量％のエポキシとを含む、請求項１記載の超音波トランスデューサ装置。
7. 前記吸音材料がシリコーンである、請求項１記載の超音波トランスデューサ装置。
8. 前記シリコーン粒子が、非凝集粉又はビーズの形態になっている、請求項７記載の超音波トランスデューサ装置。
9. 前記エポキシが、アミン又は無水物からなる群から選ばれた硬化剤で架橋される芳香族又は脂肪族有機分子からなる群から選択される、請求項５記載の超音波トランスデューサ装置。
10. 前記エポキシが、前記音響減衰材料が曝される最高処理温度よりも少なくとも２０℃高いガラス転移温度を有する、請求項５記載の超音波トランスデューサ装置。