JP2012249777A - 超音波プローブ - Google Patents

Abstract

【課題】安価でかつ高い信頼性で重み付けがされた超音波プローブを提供する。
【解決手段】実施形態の超音波プローブは、圧電振動子及び層を有し、圧電振動子は超音波を送受信する。層は、圧電振動子の超音波を送受信する側の面とは反対側の背面に接合され、圧電振動子よりも大きな音響インピーダンス及びヤング率を有し、圧電振動子の背面にその溝口を向けるように配置された複数の溝を有し、複数の溝は、溝の容積が層の体積に対して占める割合を圧電振動子の背面の中央部から端部に沿う方向に増加させるように形成される。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、超音波プローブに関する。

被検体内を超音波で走査し、被検体内からの反射波である受信信号を基に当該被検体内の内部状態を画像化する超音波診断装置がある。このような超音波診断装置は、超音波プローブから被検体内に超音波を送信し、被検体内部で音響インピーダンスの不整合によって生じる反射波を超音波プローブで受信して受信信号を生成する。なお、超音波の送受信方向に直交する方向をレンズ方向、スライス方向、あるいはエレベーション方向という場合がある。また、超音波の送受信方向及びレンズ方向と直交する方向をアレイ方向という場合がある。

超音波プローブは、送信信号に基づいて振動して超音波を発生し、反射波を受けて受信信号を生成する圧電振動子を有している。アレイ方向に複数の素子が配置された圧電振動子は、１次元アレイ超音波振動子と称される。

１次元アレイ超音波振動子のレンズ方向音場のサイドローブ低減、均一音場化を目的として、圧電振動子３に対して送信音圧強度や受信感度を重み付けする技術がある。重み付けする技術をウェイティング技術という場合がある。

しかしながら、ウェイティング技術の一例として、十分に強度があるとはいえないセラミックなどの脆性を有する圧電振動子に対して溝加工すると、圧電振動子が破損するといった圧電素子３に対する信頼性を低下させている。さらに、圧電振動子に対する加工性の制約からコスト高となると共に、溝加工に制限があり、十分かつ理想的な重み付けが難しいという問題がある。

この実施形態は、上記の問題を解決するものであり、安価でかつ高い信頼性で重み付けがされた超音波プローブを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、実施形態の超音波プローブは、圧電振動子及び層を有し、圧電振動子は超音波を送受信する。層は、圧電振動子の超音波を送受信する側の面とは反対側の背面に接合され、圧電振動子よりも大きな音響インピーダンス及びヤング率を有し、圧電振動子の背面にその溝口を向けるように配置された複数の溝を有し、複数の溝は、溝の容積が層の体積に対して占める割合を圧電振動子の背面の中央部から端部に沿う方向に増加させるように形成される。

第１の実施形態に係る超音波プローブをレンズ方向に切ったときの断面図。 超音波プローブをアレイ方向に切ったときの断面図。 超音波プローブの音響シミュレーションの結果（送信音圧最大値）を示す図。 第２の実施形態に係る超音波プローブをレンズ方向に切ったときの断面図。 第３の実施形態に係る超音波プローブをレンズ方向に切ったときの断面図。 超音波プローブの音響シミュレーションの結果（送信音圧最大値）を示す図。 比較例としての超音波プローブをレンズ方向に切ったときの断面図。 比較例としての音響シミュレーションの結果（送信音圧最大値）を示す図。

次に、実施形態に係る超音波プローブについて、各図を参照して説明する。

超音波プローブは、圧電振動子３とそれより大きい音響インピーダンスを有する中間層８を備えることで、圧電振動子３の厚さを超音波の波長λの１／４にした構造とする（以下、λ／４振動構造という）。なお、中間層８はハードバック（HardBack)とも称される。λ／４振動構造にしたことより、中間層８で反射する超音波が圧電振動子３に与える影響を抑えることが可能となる。

λ／４振動構造において、より高強度で加工性に優れた中間層８に対して溝加工することで、送受信感度を重み付けする。具体的には以下の構成が考えられる。ここで、中間層８の背面とは、中間層８の圧電振動子３側の面とは反対に位置する面をいう。

（１）圧電振動子３側の面から中間層８の厚みの中途までの深さを有する溝９を形成する（図１参照）。

（２）中間層８の背面から圧電振動子３側端面までの深さを有する溝９を形成する（図４参照）。

（３）中間層８の背面から圧電振動子３の厚みの中途までの深さを有する溝９を形成する（図５参照）。このときの圧電振動子３の溝９の深さは、比較例（図７参照）の溝９の深さより浅くてよい。

以下に各実施形態の構成について説明する。さらに、有限要素解析による音響シミュレーション結果について説明する。

［第１の実施形態］
次に、第１の実施形態に係る超音波プローブの構造及び製造方法について図１、図２及び図３を参照して説明する。

図１は超音波プローブをレンズ方向から切ったときの断面図、図２は超音波プローブをアレイ方向に切ったときの断面図である。なお、超音波プローブの代表例として１次元のセクタアレイプローブについて説明する。

図１及び図２に示すように、超音波プローブは、バッキング材１、信号引き出し用基板２、圧電振動子３、音響整合層、音響レンズ７、及び中間層８を有している。なお、信号引き出し用基板２をＦＰＣ（Flexible Print Circuit)という場合がある。

既知の背面材（図示省略）上に複数の圧電振動子３が設けられ、その圧電振動子３上には既知の音響整合層が設けられ、さらに、音響整合層の上にＦＰＣ（図示省略）を介して既知の音響レンズ７が設けられている。すなわち、背面材、圧電振動子３、音響整合層、ＦＰＣ、音響レンズ７の順番で積層されている。圧電振動子３において、音響整合層が設けられている面が超音波の放射面側となり、その面の反対側の面（背面材が設けられている面）が背面側となる。圧電振動子３の放射面側には共通（ＧＮＤ）電極が接続され、背面側には信号電極が接続されている。圧電振動子３の背面側には中間層８が設けられ、その中間層８の下にＦＰＣ２が設けられ、さらに、ＦＰＣ２の下にバッキング材１が設けられている。なお、中間層８の詳細については後述する。

圧電振動子３としては、圧電セラミック等の音響／電気可逆的変換素子等が使用され得る。例えば、チタン酸ジリコン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ_３、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）又はチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ_３）などのセラミック材料が好ましく用いられる。

音響整合層は、超音波振動子の音響インピーダンスと被検体の音響インピーダンスとの音響整合を良好にするために設けられる。音響整合層は、１層だけであってもよく、２層であってもよく、本実施形態のように、第一音響整合層４、第二音響整合層５、第三音響整合層６の３層以上であってもよい。

バッキング材１は、超音波振動子から後方への超音波の伝播を防止する。また、背面材は、圧電波振動子３から発振された超音波振動や受信時の超音波振動のうち、超音波診断装置（図示省略）の画像抽出にとって必要でない超音波振動成分を減衰吸収する。背面材１には、一般的に、合成ゴム、エポキシ樹脂又はウレタンゴムなどにタングステン、フェライト、酸化亜鉛などの無機粒子粉末などを混入した材料が用いられる。

〔中間層〕
次に、中間層８について図１及び図２を参照して説明する。

図１及び図２に示すように、圧電振動子３の背面とＦＰＣ２との間には中間層８が配置されている。

中間層８は、音響インピーダンスが圧電振動子３（約３０Ｍｒａｙｌ）よりも大きく、ヤング率が圧電振動子３（約５０ＧＰａ）よりも大きい、すなわちより固い材料が使用される。

中間層８に用いられる材料の一例としては、金、鉛、タングステン、サファイヤ、超硬合金などが用いられる。これらの材料により中間層８を形成することで、中間層８に溝９を形成することが容易となる。

中間層８には導電性を有する部材が設けられている。導電性を有する部材の一例としては、金、鉛、タングステン、超硬合金などが用いられる。導電性を有する部材により、中間層８を介して圧電振動子３の下面電極とＦＰＣ２とを接続することが可能となる。

（溝）
中間層８には、重み付けのための複数の溝９が設けられている。複数の溝９は、圧電振動子３の背面にその溝口を向けるように配置されている。複数の溝９は、複数の溝９は、溝９の容積が中間層８の体積に対して占める割合を圧電振動子３の背面の中央部から端部に沿う方向（レンズ方向、スライス方向）に増加させるように形成される。

ここで、圧電振動子３の背面の中央部及び端部に対応する中間層８の位置をＡ及びＤとする。また、位置Ａから位置Ｄまでの位置において、位置Ａから任意の距離Ｌ及びその半分の距離Ｌ／２の位置をＣ及びＢとする。さらに、Ａ−Ｂ間の中間層８の体積、及びＢ−Ｃ間の中間層８の体積をＶ１及びＶ２とする。このとき、複数の溝９は、Ｂ−Ｃ間の溝９８の容積Ｖ２がＡ−Ｂ間の溝９の容積Ｖ１以上になるように形成されている（Ｖ１＜＝Ｖ２）。なお、Ｖ２＝Ｖ１となるのは、Ａ−Ｂ間及びＢ−Ｃ間に溝９が形成されていないときである。

複数の溝９は、次の具体例のいずれかに基づき形成される。ここでは、中間層８は一定の厚さを有するものとする。

（例１）
複数の溝９は、隣接する溝９間の距離であるピッチがレンズ方向に狭く（粗から密に）なるように形成されている。すなわち、Ａ−Ｂ間のピッチＰ１よりＢ−Ｃ間のピッチＰ２が狭い（Ｐ２＜＝Ｐ１）。

（例２）
また、複数の溝９は、その幅が広くなるように形成されている。すなわち、Ａ−Ｂ間の溝９の幅Ｗ１よりＢ−Ｃ間の溝９の幅Ｗ２が広い（Ｗ１＜＝Ｗ２）。ここで、幅とはレンズ方向の長さをいう。

（例３）
また、複数の溝９は、その深さが深くなるように形成されている。すなわち、Ａ−Ｂ間の溝９の深さＤ１よりＢ−Ｃ間の溝９の深さＤ２が深い（Ｄ１＜＝Ｄ２）。ここで、深さとはレンズ方向及びアレイ方向にそれぞれ直交する方向（超音波の送受信方向）の長さをいう。

（例４）
また、複数の溝９は、例１〜３のいずれか二以上の組み合わせにより形成されている。

〔超音波プローブの製造方法〕
中間層８に貫通しない溝９を加工形成する。中間層８の溝９を形成した面と圧電振動子３の背面とを積層する。さらに、中間層８の背面にＦＰＣ２及び背面材１を接合する。接合の一般例としてはエポキシ系接着剤などを用いた接着接合である。この結果、中間層８の溝９間にはエポキシ樹脂が充填される。単独で溝加工した中間層８をその後ＦＰＣ２と接合するので、加工し易い。また、溝９にエポキシ系樹脂剤を充填したので、溝９でのアンカー効果により中間層８の接着強度が向上する。

その後、圧電振動子３の音響放射面側に音響整合層（第一音響整合層４、第二音響整合層５、第三音響整合層６）を積層する。この積層構造について音響整合層側からダイシングにて素子アレイ化した後、音響レンズ７を接合することにより超音波プローブとして完成する。

〔音響シミュレーションの結果〕
次に、第１の実施形態に係る超音波プローブの音響シミュレーションの結果について図３を参照して説明する。図３は、超音波プローブの音響シミュレーションの結果（送信音圧最大値）を示す図である。

圧電振動子３をインパルス波形にて振動させ、媒体を水としたときの第三整合層表面における送信音圧の最大値をプロットしたものである。圧電振動子３の厚みの中途までの深さを有する溝９による影響を確認した。溝９は、例１に示すように形成されている。

図３では、縦軸にデシベル［ｄＢ］を示し、横軸に中央部からレンズ方向の端部にかけての位置［ｍｍ］を示す。たとえば、中央部の位置を０［ｍｍ］、端部の位置を６［ｍｍ］、−６［ｍｍ］で表す。また、圧電振動子３の厚みに対する溝９の深さの値を、”０”、”１／７”、”１／２”、”９／１０”で示す。

図３に示すように、溝９が加工されない場合、すなわち、圧電振動子３の厚みに対する溝９の深さを０としたときと比較して、”１／７”から”９／１０”のように溝９が深くなるにつれて、中央部（０［ｍｍ］）に対してレンズ方向の端部（５［ｍｍ］、−５［ｍｍ］）での感度が低下し、送信感度の重み付けの効果が上がっていることがわかる。

［第２の実施形態］
次に、第２の実施形態に係る超音波プローブの構造及び製造方法について図３及び図４を参照して説明する。図４は第２の実施形態に係る超音波プローブをレンズ方向に切ったときの断面図である。

超音波プローブの基本的な構成は実施例１と同様である。第１の実施形態では中間層８の溝９は圧電振動子３側から中間層８厚みに対して貫通しないように形成されたが、ここでは貫通するケースについて説明する。この場合、圧電振動子３と中間層８を先に接合した後に中間層８側から所定の溝９を形成する、あるいはＦＰＣ２と中間層８を先に接合した後に中間層８側から所定の溝９を形成する。その後の製法は第１の実施形態例と同じである。

〔音響シミュレーションの結果〕
次に、第２の実施形態に係る超音波プローブの音響シミュレーションの結果について図３を参照して説明する。

図３では、圧電振動子３の厚みに対する溝９の深さの値を”１／１”として示す。圧電振動子３の厚みに対して貫通するように加工される溝９による影響を確認した。図３に示すように、中央部（０［ｍｍ］）に対してレンズ方向の端部（５［ｍｍ］、−５［ｍｍ］）での感度が低下し、送信感度の重み付けの効果が上がっていることがわかる。

［第３の実施形態］
次に、第３の実施形態に係る超音波プローブの構造及び製造方法について図５及び図６を参照して説明する。図５は超音波プローブをレンズ方向に切ったときの断面図である。

第３の実施形態に係る超音波プローブの基本的な構成は第１の実施形態と同様である。第１、２の実施形態では中間層８のみに溝９形成したが、ここでは圧電振動子３も含めて溝９を形成する。この場合、圧電振動子３と中間層８を先に接合した後に中間層８から所定の溝９を形成する。その後の製法は第１の実施形態と同じである。

〔音響シミュレーションの結果〕
次に、第３の実施形態に係る超音波プローブの音響シミュレーションの結果について図６を参照して説明する。図６は超音波プローブの音響シミュレーションの結果（送信音圧最大値）を示す図である。

図６では、縦軸にデシベル［ｄＢ］を示し、横軸に中央部からレンズ方向の端部までの位置を示す。たとえば、中央部の位置を０、端部の位置を６、−６で表す。また、圧電振動子３の厚みに対する圧電振動子３の溝９の深さの値を、”１／２０”、”１／４”、”１／２”、”１／１”で示す。

図６に示すように、中間層８のみでなく、圧電振動子３にも溝９を加工した場合、中央部（０［ｍｍ］）に対してレンズ方向の端部（５［ｍｍ］、−５［ｍｍ］）での感度が低下し、送信感度の重み付けの効果が上がっていることが分かる。

［比較例］
次に、比較例に係る超音波プローブの構成について図７を参照して簡単に説明する。図７は、比較例としての超音波プローブをレンズ方向に切ったときの断面図である。

図７に示すように、比較例の構成が上記実施形態と異なるのは、中間層８を有しない点、及び圧電振動子３にのみ溝９が加工されている点である。

実施形態に係る溝９と同様に、圧電振動子３に加工される溝９は、溝９の幅、深さ、ピッチを変化させることにより、圧電振動子３の中央部からレンズ方向での端部にかけて、溝９の容積が圧電振動子３の体積に対し占める割合を増加させていくように形成されている。それにより、圧電振動子３に対し、スライス方向（レンズ方向）の重み付けをすることが可能となる。

なお、脆性を有する圧電振動子３に溝加工をすると、溝加工に制限等の問題があることについては前述したが、ここでは、比較例に係る圧電振動子３において、溝加工の制限等がなく、十分な重み付けがされているものとする。

〔比較例に係る音響シミュレーションの結果〕
図８は、比較例に係る超音波プローブの音響シミュレーション結果を示す図である。圧電振動子３をインパルス波形に駆動させ、媒体を水としたときの第三音響整合層６の表面における送信音圧の最大値をプロットしたものである。音響シミュレーション結果により、溝９の深さによる影響を確認した。

図８では、縦軸にデシベル［ｄＢ］を示し、横軸に中央部からレンズ方向の端部にかけての位置［ｍｍ］を示す。たとえば、中央部の位置を０［ｍｍ］、端部を６［ｍｍ］−６［ｍｍ］で表す。また、圧電振動子３の厚み対する溝９の深さの値を”１／２０”、”１／４”、”１／２”、”１／１”で示す。

図８に”１／２０”から”１／１”に示すように、溝９が深くなるにつれて中央部に対し端部での感度が低下し、送信感度の重み付けがされていることが分かる。

［音響シミュレーションの結果比較］
次に、第１、２の実施形態に係る音響シミュレーションの結果と、比較例に係る音響シミュレーション結果との比較について、図３及び図８を参照して説明する。

図３に示すように、実施形態により圧電振動子３に形成される溝９の深さが例えば、”９／１０”（第１の実施形態）、”１／１”（第２の実施形態）であるとき、端部（５［ｍｍ］、−５［ｍｍ］）での送信感度はそれぞれ約−４．５［ｄＢ］である。一方、図８に示すように、比較例の圧電振動子３に形成される溝９の深さが例えば”１／１”であるとき、端部（５［ｍｍ］、−５［ｍｍ］）での送信感度は約−５．５［ｄＢ］である。

この結果により、第１、２の実施形態においては、中間層８に溝９を形成することで、比較例と同等の送信感度の重み付けの効果を得ることができる。圧電振動子３に溝９を形成する必要がないため、圧電振動子３が破損するといったことがなく、圧電振動子３に対する信頼性を上げることが能となる。また、圧電振動子３に対する加工性の制約が緩和されるため、コストを低減することが可能となる。

次に、第３の実施形態に係る音響シミュレーションの結果と、比較例に係る音響シミュレーション結果との比較について、図６及び図８を参照して説明する。

図６に示すように、第３の実施形態により圧電振動子３に形成される溝９の深さが例えば、”１／２０”、”１／４”であるとき、端部（５［ｍｍ］、−５［ｍｍ］）での送信感度はそれぞれ約−４［ｄＢ］、約−５［ｄＢ］である。一方、図８に示すように、比較例の圧電振動子３に形成される溝９の深さが例えば”１／１”であるとき、端部（５［ｍｍ］、−５［ｍｍ］）での送信感度は約−５．５［ｄＢ］である。

この結果により、比較例と同等の送信感度の重み付けの効果を得るときに、圧電振動子３に形成される溝９の深さが浅くてもよいため、圧電振動子３が破損するといったことがなく、圧電振動子３に対する信頼性を上げることが能となる。また、圧電振動子３に対する加工性の制約が緩和されるため、コストを低減することが可能となる。

以上説明したように、実施形態の構成によれば、超音波プローブに対し、安価でかつ高い信頼性で重み付けをすることが可能となる。

さらに、第１、第２の実施形態の構成によれば、圧電振動子３に溝加工せず、溝加工による圧電振動子３の破損がないため、圧電振動子３に対する信頼性を上げることが可能となる。また、溝加工の制限が緩和されるため、比較例の溝加工よりも狭いピッチにて中間層８に溝加工をすることができることから、十分な重み付けが可能となる。

さらに、第３の実施形態の構成では圧電振動子３に形成される溝９の深さが、比較例の圧電振動子３に形成される溝９の深さより浅くても、比較例と同等の重み付けの効果が得られるとともに、溝９が浅くて済むため、溝加工するときに圧電振動子３が破損するといったことが防止され、圧電振動子３に対する信頼性を上げることが可能となる。

なお、前記実施形態では、形成する溝９の深さはそれぞれ一定としたが、必ずしもその限りではなく、たとえば中間層８中央部と端部とで形成される溝９の深さが異なっていてもよい。

また、実施形態では、音響シミュレーション結果として送信強度に関して記載したが、被検体内で反射した超音波を本実施形態による超音波プローブにて受信する際にも、送信感度と同様に受信感度の重み付けがされると考えられる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、書き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるととともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ 背面材
２ ＦＰＣ
３ 圧電振動子
４ 第一音響整合層
５ 第二音響整合層
６ 第三音響整合層
７ 音響レンズ
８ 中間層
９ 溝

Claims (8)

1. 超音波を送受信する圧電振動子と、
   前記圧電振動子における超音波を送受信する側の面とは反対側の背面に接合され、前記圧電振動子よりも大きな音響インピーダンス及びヤング率を有する層と、
   を有し、
   前記層は、前記圧電振動子の背面にその溝口を向けるように形成された複数の溝を有し、
   前記複数の溝は、当該溝の容積が前記層の体積に対して占める割合を前記圧電振動子の背面の中央部から端部に沿う方向に増加させるように形成される。
   ことを特徴とする超音波プローブ。
2. 前記複数の溝は、前記圧電振動子の背面の中央部から端部に沿う方向に前記溝のピッチが狭くなるように、前記溝の幅が広くなるように、もしくは、前記溝の深さが深くなるように、または、これらの二以上の組み合わせになるように形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波プローブ。
3. 前記溝の深さは、前記層の厚さよりも小である
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波プローブ。
4. 前記溝は、前記層を貫通している
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の超音波プローブ。
5. 前記圧電振動子の背面には、前記層の前記複数の溝の位置に対応させて、前記圧電振動子の厚さに相当する深さより浅い複数の溝が形成されている
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の超音波プローブ。
6. 前記溝には、樹脂材が充填されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の超音波プローブ。
7. 前記層は、音響インピーダンスが３０［Ｍｒａｙｌ］以上、及び／または、ヤング率が５０［ＧＰａ］以上であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の超音波プローブ。
8. 前記層は、導電体を有することを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の超音波プローブ。

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