JP2019126660A - 超音波探触子および超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波探触子の広帯域化をより簡易な構成で図れる超音波探触子を提供すること。【解決手段】超音波を送受信する圧電素子と、上記圧電素子の背面側に設けられたバッキングと、上記圧電素子と上記バッキングとの間に配置された中間層と、を有する超音波探触子。上記中間層は、上記バッキングを構成する材料とは異なる音響インピーダンスを有する材料から形成され、かつ、上記圧電素子が送受信する上記超音波の波長に対して、０.２倍以上０.７倍未満の厚みを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、超音波探触子および超音波診断装置に関する。

超音波診断装置は、当該超音波診断装置に接続され、または超音波診断装置と通信可能に構成された超音波探触子を、ヒトやその他の動物などを含む被検体の体表に当てるかまたは体内へ挿入するという簡単な操作で、組織の形状および動きなどを超音波診断画像として得ることを可能とする。超音波診断装置は、安全性が高いため繰り返して検査を行うことができるという利点を有する。

超音波探触子は、超音波を送受信する圧電素子などを内蔵する。圧電素子は、超音波診断装置からの電気信号（送信信号）を受信し、受信した送信信号を超音波信号に変換して送波し、生体内で反射された超音波を受信して電気信号（受信信号）に変換し、電気信号に変換された受信信号を超音波診断装置に送信する。

また、超音波探触子は、圧電素子よりも被検体とは反対の方向に、バッキングを有する（なお、以下、超音波探触子を構成する部材に関して、より被検体に近くなる方向を向いた面を「前面」ともいい、より被検体から遠くなる方向を向いた面を「背面」ともいう。）。バッキングは、圧電素子から背面側に送波された超音波を減衰（吸収・散乱含む)して、上記背面側に送波された超音波がバッキング端面から反射することによるノイズ（アーチファクト）の発生などを抑制する。

さらに、特許文献１には、圧電素子の背面側に形成された回路導体層の厚さや位置を調整するなどして、上記回路導体層で反射する超音波パルスの波形を調整する構成とした、超音波探触子が記載されている。特許文献１に記載の超音波探触子は、圧電素子の背面側に送波されて上記回路導体層で波形を調整されて反射された超音波と、圧電素子の前面側に送波された超音波と、を合波させる。特許文献１によれば、当該構成により、超音波探触子から送波される超音波パルスの波形を整形してパルス幅を短くできるため、超音波探触子の広帯域化が図れるとされている。

また、特許文献２には、圧電素子とバッキングとの間に、バッキングよりも熱伝導率が高い材質からなる熱伝導層を形成した、超音波探触子が記載されている。特許文献２によれば、上記熱伝導層は、圧電素子で発生した熱を被検体とは反対側に逃がすことができるため、圧電素子で発生した熱による影響を抑えるための超音波の出力の制限を防止することができるとされている。なお、特許文献２には、上記熱伝導層の厚さは、圧電素子から送波される超音波の中心周波数の波長の１０％以下とされている。

特開２００７−１９５５８４号公報 特開２０１３−０７７８８３号公報

超音波診断装置に対しては、高分解能化への要望が存在する。超音波診断装置の高分解能化のために、超音波探触子には、使用する周波数の広帯域化が望まれている。

特許文献１では、当該文献に記載の回路導体層によって、超音波探触子の広帯域化が図れるとされている。しかし、当該超音波探触子は、電気端子としても使用される回路導体層をより厚く形成し、さらには分割および多層化などして配置する必要があるため、製造が困難である。

本発明は、上記課題に鑑み、超音波探触子の広帯域化をより簡易な構成で図れる超音波探触子、および当該超音波探触子を備える超音波診断装置を提供することを、その目的とする。

上記課題を解決するための、本発明の一実施形態に関する超音波探触子は、超音波を送受信する圧電素子と、上記圧電素子の背面側に設けられたバッキングと、上記圧電素子と上記バッキングとの間に配置された中間層と、を有する。上記中間層は、上記バッキングを構成する材料とは異なる音響インピーダンスを有する材料から形成され、かつ、上記圧電素子が送受信する上記超音波の波長に対して、０.２倍以上０.７倍未満の厚みを有する。

また、上記課題を解決するための、本発明の一実施形態に関する超音波診断装置は、上記超音波探触子を備える。

本発明によれば、超音波探触子の広帯域化をより簡易な構成で図れる超音波探触子、および当該超音波探触子を備える超音波診断装置が提供される。

図１は、本発明の第１の実施形態に関する超音波探触子の全体構造の一例を示す断面図である。 図２は、中間層の音響インピーダンス（Ｚｍ）とバッキングの音響インピーダンス（Ｚｂ）との比、および中間層の厚みを変えた複数の条件で、正規化された周波数の比帯域を計算した結果を示すグラフである。 図３Ａおよび図３Ｂは、Ｚｍ／Ｚｂを１未満にしたときの、超音波の周波数（単位：ＭＨｚ）に対する感度（単位：ｄＢ）の関係（周波数特性）を示すグラフである。 図４Ａおよび図４Ｂは、Ｚｍ／Ｚｂを１より大きくしたときの、超音波の周波数（単位：ＭＨｚ）に対する感度（単位：ｄＢ）の関係（周波数特性）を示すグラフである。 図５は、Ｚｍ／Ｚｂをさらに大きくしたときの、超音波の周波数（単位：ＭＨｚ）に対する感度（単位：ｄＢ）の関係（周波数特性）を示すグラフである。 図６は、本発明の第１の実施形態に関する超音波探触子を備える超音波診断装置の一例を示す模式図である。 図７は、本発明の第２の実施形態に関する超音波探触子の全体構造の一例を示す断面図である。 図８は、本発明の第３の実施形態に関する超音波探触子の全体構造の一例を示す断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。

［第１の実施形態］
（超音波探触子）
図１は、本発明の第１の実施形態に関する超音波探触子１００の全体構造の一例を示す断面図である。超音波探触子１００は、超音波診断に用いられる探触子であり、その一部を被検者の体腔内に挿入し、当該体腔内において超音波を走査可能な体腔内挿入型探触子である。

図１に示すように、超音波探触子１００は、圧電素子１１０と、圧電素子１１０に電圧を印加するために前面側に配置された接地電極１２０ならびに背面側に配置された信号電極１３０および信号用電気端子１４０と、圧電素子１１０から前面側にこの順で配置された音響マッチング層１５０および音響レンズ１６０と、信号用電気端子１４０から背面側にこの順で配置された中間層１７０およびバッキング１８０と、を有する。本実施形態において、中間層１７０およびバッキング１８０は、互いに接して配置される。

圧電素子１１０は、電圧の印加により超音波を送波する複数個の圧電体が図１中Ｘ方向に１次元に配列されて形成される。圧電素子１１０の厚さは、たとえば０.０５ｍｍ以上０.４ｍｍ以下とすることができる。それぞれの圧電体は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系などの圧電セラミック、マグネシウム酸ニオブ酸鉛・チタン酸鉛固溶体（ＰＭＮ-ＰＴ）および亜鉛酸ニオブ酸鉛・チタン酸鉛固溶体（ＰＺＮ-ＰＴ）などの圧電単結晶、ならびにこれらの材料と高分子材料を複合した複合圧電体、などにより形成される。

接地電極１２０は、金および銀などを、蒸着、スパッタリングおよび銀の焼き付けなどの方法で圧電素子１１０の前面に配置した電極であり、信号電極１３０は、金および銀などを、蒸着、スパッタリングおよび銀の焼き付けなどの方法で圧電素子１１０の背面に配置した電極である。信号用電気端子１４０は、信号電極１３０の背面側に接して配置され、信号電極１３０と超音波診断装置の本体に配置された外部の電源などとを接続する。

音響マッチング層１５０は、圧電素子１１０と音響レンズ１６０との間の音響特性を整合させるための層であり、圧電素子１１０と音響レンズ１６０との概ね中間の音響インピーダンスを有する材料により構成される。本実施形態では、音響マッチング層１５０は、第１の音響マッチング層１５０ａ、第２の音響マッチング層１５０ｂおよび第３の音響マッチング層１５０ｃの３層からなる。

本実施形態において、第１の音響マッチング層１５０ａは、音響インピーダンスが８メガレール以上２０メガレールス以下である、シリコン、水晶、快削性セラミックス、金属粉を充填したグラファイト、および金属または酸化物などのフィラーを充填したエポキシ樹脂などの材料から形成される。第２の音響マッチング層１５０ｂは、音響インピーダンスが３メガレールス以上８メガレールス以下である、グラファイト、および金属または酸化物などのフィラーを充填したエポキシ樹脂から形成される。第３の音響マッチング層１５０ｃは、音響インピーダンスが１．９メガレールス以上２．３メガレールス以下である、ゴム材料を混合したプラスチック材、およびシリコーンゴム粉を充填した樹脂などから形成される。このように音響マッチング層１５０を多層化することで、超音波探触子の広帯域化を図れる。なお、音響マッチング層１５０を多層化するときは、音響レンズ１６０に近づくにつれて音響レンズ１６０の音響インピーダンスに段階的または連続的に近づくように、各層の音響インピーダンスが設定されることがより好ましい。また、多層化された音響マッチング層１５０の各層は、エポキシ系接着剤などの、当該技術分野で通常使用される接着剤で接着されてもよい。

なお、音響マッチング層１５０の材料は上記材料に限定されず、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム合金、マコールガラス、ガラス、溶融石英、コッパーグラファイト、および、樹脂などを含む公知の材料を使用することが可能である。上記樹脂の例には、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ＡＢＳ樹脂、ＡＡＳ樹脂、ＡＥＳ樹脂、ナイロン、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンエーテル、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアミドイミド、ポリエチレンテレフタレート、エポキシ樹脂およびウレタン樹脂などが含まれる。

音響レンズ１６０は、生体に近い音響インピーダンスを有し、かつ生体とは異なる音速を有する、たとえば軟質の高分子材料などにより構成されており、生体と音響レンズ１６０との音速差による屈折を利用して圧電素子１１０から送波された超音波を集束して、分解能を向上させる。本実施形態では、音響レンズ１６０は、図中Ｙ方向（圧電体の配列方向Ｘに直交する方向）に沿って延び、Ｚ方向に凸状となる、シリンドリカル型の音響レンズであり、上記超音波をＹ方向に集束させて超音波探触子１００の外部に出射する。

上記軟質の高分子材料の例には、シリコーンゴムなどが含まれる。

中間層１７０は、圧電素子１１０（信号電極１３０、信号用電気端子１４０）とバッキング１８０との間に配置された層であり、超音波探触子１００が使用できる周波数を広帯域化する機能を有する。中間層１７０は、上記バッキングを構成する材料とは異なる音響インピーダンスを有する材料から形成される。

バッキング１８０は、圧電素子１１０を保持し、かつ、圧電素子１１０から背面側に送波された超音波を減衰させる層である。バッキング１８０は、通常、音響インピーダンスを調整するための材料を充填した合成ゴム、天然ゴム、エポキシ樹脂および熱可塑性樹脂などから形成される。

超音波探触子１００は、圧電素子１１０などを生体との接触による圧力から保護するための保護部材であるウインドウ（不図示）を、超音波探触子１００の被検体と接触する側を被覆する位置に有してもよい。また、超音波探触子１００は、ウインドウと音響レンズ１６０などとの間に、ウインドウと圧電素子１１０の送受波面との間を音響的に整合させるための音響媒体液（不図示）を有してもよい。

また、超音波探触子１００は、圧電素子１１０を揺動させ超音波信号を走査するための揺動機構部（不図示）を、バッキングの背面側に有してもよい。

（中間層とバッキングとの関係について）
本実施形態では、中間層の厚みを、圧電素子１１０が送受信する超音波の波長に対して０.２倍以上０.７倍未満の厚みとする。

図２は、中間層１７０の音響インピーダンス（Ｚｍ）とバッキング１８０の音響インピーダンス（Ｚｂ）との比、または中間層の厚みを変えた複数の条件で、正規化された周波数の比帯域を計算した結果を示すグラフである。なお、図２は、表１に示す材料を用いて各構成部材を作製した、図１に例示する構成の超音波探触子１００において、圧電素子１１０からの超音波の中心周波数を７.０ＭＨｚとしたときの、圧電素子１１０から送受信した超音波の周波数特性を、ＫＬＭ法によりシミュレーションして得られた結果である。図２では、上記超音波探触子１００において、感度が−６ｄＢとなる比帯域を、中間層１７０がない構成と比較したときに感度が−６ｄＢとなる比帯域を基準として正規化している。なお、感度が−６ｄＢまでとなる周波数であれば、送受信波形の調整が容易であり高分解能化が期待できる。そのため、感度が−６ｄＢとなる周波数の帯域が広がっていれば（比帯域が１以上であれば）、超音波探触子１００が使用できる周波数を広帯域化できるといえる。

図２において、横軸に示す中間層１７０の厚みは、波長λ（材料の音速／周波数）で正規化された値である。図２では、中間層１７０の厚みを、０.１λ〜０.９λの範囲で変化させている。

また、図２において、縦軸に示す比帯域の値は、中間層１７０の音響インピーダンス（Ｚｍ）とバッキング１８０の音響インピーダンス（Ｚｂ）の比（Ｚｍ／Ｚｂ）が１であるとき（中間層１７０とバッキング１８０との音響インピーダンスが同じ値であり、中間層１７０がない構成を摸擬する。）の、感度が−６ｄＢとなる比帯域を基準にして、正規化した値である。つまり、図２において縦軸に示す正規化された比帯域が１以上であるとき、当該構成では、中間層１７０がない従来の構成に対して周波数の比帯域が大きくなったことを示し、広帯域化が実現できることを示す。

図２には、Ｚｍ／Ｚｂを０.３、１、１.６７、２.３、３および３.７としたときの、中間層１７０の厚みに対する、上記正規化された比帯域が示される。なお、本シミュレーションではバッキング１８０を音響インピーダンス（Ｚｂ）が３.０メガレールスである材料から形成しているため、たとえばＺｍ／Ｚｂが０.３についての上記正規化された比帯域は、中間層１７０に音響インピーダンス（Ｚｍ）が０.９メガレールスである材料から形成したときの値を示し、Ｚｍ／Ｚｂが１.６７についての上記正規化された比帯域は、中間層１７０に音響インピーダンス（Ｚｍ）が５メガレールスである材料から形成したときの値を示す。

図２から明らかなように、中間層１７０の厚みを、波長λに対して０.２倍以上０.７倍未満（０.２λ〜０.７λ）としたときに、上記正規化された比帯域を１以上とすることができる。特に、中間層１７０を、バッキング１８０を構成する材料が有する音響インピーダンスよりも小さい音響インピーダンスを有する材料から形成したとき（Ｚｍ／Ｚｂ：０.３）は、中間層１７０の厚さを０.４λより大きく０.７λ未満、好ましくは０.５λより大きく０.７λ未満としたとき（超音波の波長に対して０.４倍より大きく０.７倍未満としたとき）に、上記正規化された比帯域を１以上とすることができる。また、中間層１７０を、バッキング１８０を構成する材料が有する音響インピーダンスよりも大きい音響インピーダンスを有する材料から形成したとき（Ｚｍ／Ｚｂ：１.６７、２.３、３および３.７）は、中間層１７０の厚さを０.２λ以上０.４λ未満としたとき（超音波の波長に対して０.２倍以上０.４倍未満としたとき）に、上記正規化された比帯域を１以上とすることができる。

図３Ａおよび図３Ｂは、Ｚｍ／Ｚｂを１未満にしたときの、超音波の周波数（単位：ＭＨｚ）に対する感度（単位：ｄＢ）の関係（周波数特性）を示すグラフである。

図３Ａは、Ｚｍ／Ｚｂが０.３であるときの、中間層１７０の厚みを０λ（中間層１７０がない構成）、０.６λおよび０.７λとしたときの周波数特性を示す。中間層１７０の厚みを０.６λとしたとき（太線）は、中間層１７０の厚みが０λ（細線）であるときよりも、感度が−６ｄＢとなる周波数の帯域が広がっているが、中間層１７０の厚みを０.７λとしたとき（点線）は、中間層１７０の厚みが０λ（細線）であるときよりも、感度が−６ｄＢとなる周波数の帯域が狭くなっていることがわかる。

図３Ｂは、Ｚｍ／Ｚｂが０.６であるときの、中間層１７０の厚みを０λ（中間層１７０がない構成）、０.５６λおよび０.８λとしたときの周波数特性を示す。中間層１７０の厚みを０.５６λとしたとき（太線）は、中間層１７０の厚みが０λ（細線）であるときよりも、感度が−６ｄＢとなる周波数の帯域が広がっているが、中間層１７０の厚みを０.８λとしたとき（点線）は、中間層１７０の厚みが０λ（細線）であるときよりも、感度が−６ｄＢとなる周波数の帯域が狭くなっていることがわかる。

図４Ａおよび図４Ｂは、Ｚｍ／Ｚｂを１より大きくしたときの、超音波の周波数（単位：ＭＨｚ）に対する感度（単位：ｄＢ）の関係（周波数特性）を示すグラフである。

図４Ａは、Ｚｍ／Ｚｂが１.６７であるときの、中間層１７０の厚みを０λ（中間層１７０がない構成）、０.２８λおよび０.５λとしたときの周波数特性を示す。中間層１７０の厚みを０.２８λとしたとき（太線）は、中間層１７０の厚みが０λ（細線）であるときよりも、感度が−６ｄＢとなる周波数の帯域が広がっているが、中間層１７０の厚みを０.５λとしたとき（点線）は、中間層１７０の厚みが０λ（細線）であるときよりも、感度が−６ｄＢとなる周波数の帯域が狭くなっていることがわかる。

図４Ｂは、Ｚｍ／Ｚｂが２.３であるときの、中間層１７０の厚みを０λ（中間層１７０がない構成）、０.２８λおよび０.５λとしたときの周波数特性を示す。中間層１７０の厚みを０.２８λとしたとき（太線）は、中間層１７０の厚みが０λ（細線）であるときよりも、感度が−６ｄＢとなる周波数の帯域が広がっているが、中間層１７０の厚みを０.５λとしたとき（点線）は、中間層１７０の厚みが０λ（細線）であるときよりも、感度が−６ｄＢとなる周波数の帯域が狭くなっていることがわかる。

図５は、Ｚｍ／Ｚｂをさらに大きくしたときの、超音波の周波数（単位：ＭＨｚ）に対する感度（単位：ｄＢ）の関係（周波数特性）を示すグラフである。

中間層１７０の厚みを０.２λ以上０.４λ未満の範囲内である０.２８λとしたとき、Ｚｍ／Ｚｂが２.７（一点鎖線）であれば、感度が−６ｄＢとなる周波数の帯域が広くなっていることがわかるが、Ｚｍ／Ｚｂが３.０であると、周波数７ＭＨｚの付近にディップ（感度の落ち込み）が見られることがわかる。このディップが感度−６ｄＢ以下の範囲にまで生じると、超音波探触子１００からの送信波形の調整が難しくなり、高分解能化も困難となることがある。そのため、Ｚｍ／Ｚｂは２.７以下であることが好ましい。

これらの周波数特性から示されるように、中間層１７０を構成する材料は、バッキング１８０を構成する材料が有する音響インピーダンスよりも０.３倍以上１.０倍未満または１.０倍より大きく２.７倍以下の音響インピーダンスを有する材料であることが好ましい。

なお、ここまで説明した結果は、音響インピーダンスが３メガレールスの材料によりバッキング１８０を形成したときの結果であるが、本発明者らは、音響インピーダンスが１メガレールス〜７メガレールスの他の材料によりバッキング１８０を形成したときに、中間層１７０の厚みを０.２λ〜０.７λとすることで、感度が−６ｄＢとなる周波数の帯域が広がること、および、中間層１７０を構成する材料を、バッキング１８０を構成する材料が有する音響インピーダンスよりも０.３倍以上１.０倍未満または１.０倍より大きく２.７倍以下の音響インピーダンスを有する材料とすることで、感度が−６ｄＢとなる周波数の帯域が広がることを確認している。たとえば、音響インピーダンスが１メガレールスの材料によりバッキング１８０を形成したときは、音響インピーダンスが０.３メガレールス（Ｚｍ／Ｚｂ：０.３）の材料を中間層１７０に選択し、かつ、中間層１７０の厚みを０.５λとすることができる。また、音響インピーダンスが７メガレールスの材料によりバッキング１８０を形成したときは、音響インピーダンスが１８.９メガレールス（Ｚｍ／Ｚｂ：２.７）の材料を中間層１７０に選択し、かつ、中間層１７０の厚みを０.３λとすることができる。このように、中間層１７０は、厚みを適切に調整することで、音響インピーダンスが０.３メガレールス以上１８.９メガレールス以下の材料により形成することができる。より具体的には、中間層１７０は、バッキング１８０を構成する材料が有する音響インピーダンスよりも小さい音響インピーダンスを有する材料から形成されるときは、音響インピーダンスが０.３メガレールス以上７メガレールス未満の材料により形成し、かつ、厚みを０.４λより大きく０.７λ未満とすればよい。また、中間層１７０は、バッキング１８０を構成する材料が有する音響インピーダンスよりも大きい音響インピーダンスを有する材料から形成されるときは、音響インピーダンスが１メガレールスより大きく１８.９メガレールス未満の材料により形成し、かつ、厚みを０.２λ以上０.４λ未満とすればよい。

なお、中間層１７０を構成する材料は、音響インピーダンスが０.３メガレールス以上１８.９メガレールス以下の材料であればよいが、これらの材料のうち、バッキング１８０を構成する材料が有する熱伝導率よりも大きい熱伝導率を有する材料であることが好ましい。

超音波探触子１００のうち、ウインドウの表面などの被検体と接触する箇所は、被検体への安全性を高める観点から、表面温度を制御して低減することが求められる。そのため、従来は、発熱体でもある圧電素子１１０からの発熱を抑制する必要があり、圧電素子１１０へ印加する電圧を高めることが困難であった。しかし、被検体の内部のうち、より深い領域までの超音波診断を可能とする観点から、超音波探触子１００には、圧電素子１１０へ印加する電圧を高めたいという要望がある。

そこで、圧電素子１１０の背面側に熱伝導率が高い材料を配置して、圧電素子１１０からの発熱を背面側に放熱する試みが検討されている。しかし、超音波の減衰効率の向上と高い熱伝導率とを両立させることは困難であるため、バッキング１８０の熱伝導率を高めてバッキング１８０による放熱効果を高めることは、容易ではない。ちなみに、バッキング１８０の熱伝導率は、通常は０.２Ｗ／ｍ・Ｋ〜１Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。

なお、特許文献１に記載の回路導体層は、熱伝導率が高い金属から形成されるものであるが、当該回路導体層は製造が困難である。また、特許文献２に記載の熱伝導層も、圧電素子からの熱を放熱するために配置されている。しかし、当該熱伝導層は、圧電素子から熱伝導層に到達した超音波の反射を抑制するため、圧電素子から送波される超音波の中心周波数の波長の１０％以下とされている。このような薄い熱伝導層では、放熱効果を高めることが困難である。

これに対し、本実施形態に関する超音波探触子１００が有する中間層１７０を、バッキング１８０を構成する材料が有する熱伝導率よりも大きい熱伝導率を有する材料から形成すれば、中間層１７０を介して圧電素子１１０からの熱を超音波探触子１００の背面側の外部に放熱できる。そのため、当該熱伝導率がより高い材料から形成された中間層１７０を有する超音波探触子１００は、被検体と接触する表面温度の上昇を抑制しつつ、より高い電圧を圧電素子１１０に印加することが可能となる。また、中間層１７０は、製造が容易であり、かつ、上述したように超音波の中心周波数の波長λに対して０.２倍以上０.７倍未満（０.２λ〜０.７λ）の厚みを有するため、放熱効果を十分に高めることが可能である。

中間層１７０を構成する材料が有する熱伝導率は、たとえばバッキング１８０を構成する材料が有する熱伝導率の３倍以上であれば、十分な上記放熱効果を期待できる。

上記条件を満たす中間層１７０を構成する材料の例には、黒鉛、ならびに、窒化シリコン、窒化ホウ素、窒化ジルコン、炭化タングステン、銅、アルミニウムおよびタングステンなどを黒鉛に充填した複合体などが含まれる。たとえば、黒鉛を膨張させたシートである東洋炭素株式会社製のＰＥＲＭＡ−ＦＯＩＬ ＰＦ（「ＰＥＲＭＡ−ＦＯＩＬ」は同社の登録商標）は、音速が３８０ｍ／ｓｅｃ.であり、音響インピーダンスが０.３８メガレールスであり、熱伝導率が２００Ｗ／ｍ・Ｋである。なお、中間層１７０の音響インピーダンスおよび熱伝導率は、上記充填する物質の大きさおよび量などを調整することで、容易に制御できる。

あるいは、中間層１７０を構成する材料の例には、熱伝導性材料を充填した樹脂も含まれる。たとえば、熱伝導性材料を充填したポリカーボネートである三菱エンジニアリングプラスチックス株式会社製のＴＰＮ２１３１は、音速が２４００ｍ／ｓｅｃ.であり、音響インピーダンスが３.３７メガレールスであり、熱伝導率が４.９Ｗ／ｍ・Ｋである。また、熱伝導性材料を充填したナイロン６樹脂であるユニチカ株式会社製のＴＮＥＧ−５０Ｒは、音速が３０３０ｍ／ｓｅｃ.であり、音響インピーダンスが５.５１メガレールスであり、熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋである。なお、中間層１７０の音響インピーダンスおよび熱伝導率は、上記充填する熱伝導性材料の大きさおよび量などを調整することで、容易に制御できる。

さらには、中間層１７０を構成する材料の例には、マグネシウムおよびアルミニウムなどの金属も含まれる。

上述した中間層１７０を構成する材料は、バッキング１８０を構成する材料にあわせて、適宜選択すればよい。たとえば、バッキング１８０を、タングステンと中空体を充填したエポキシ樹脂であって音響インピーダンス（Ｚｂ）を３メガレールスとした材料から形成したとすると、バッキング１８０の熱伝導率は、０.５Ｗ／ｍ・Ｋ以下となる。このとき、中間層１７０には、音速が２７９０ｍ／ｓｅｃ.であり、音響インピーダンスが５.０５メガレールスであり、熱伝導率が９３Ｗ／ｍ・Ｋである、東海カーボン社のＧ５４０などのグラファイトを用いることができる。さらにこのとき、Ｚｍ／Ｚｂは約１.６７となるため、中間層１７０の厚みを０.２λ以上０.４λ未満である、たとえば０.２８λ（圧電素子１１０が送受信する周波数の中心波長が７ＭＨｚだとすると、０.１１１ｍｍに相当する。）とすればよい。

なお、放熱効率をより高める観点からは、中間層１７０は、信号電極１３０と接して、信号電極１３０を挟んで圧電素子１１０の反対側に配置されることが好ましい。このとき、中間層１７０を構成する材料は、上述した材料のうち、絶縁性が高い材料を選択することが望ましい。一方で、中間層１７０と信号電極１３０との間にエポキシ樹脂のような絶縁性が高い接着剤の層を配置したり、中間層１７０と信号電極１３０との間にポリイミドフィルムなどからなる絶縁性が高い層を配置したりすることで、中間層１７０を構成する材料を、導電性を有する材料を選択することも可能となる。

（超音波診断装置）
図６は、超音波探触子１００を備える超音波診断装置１０の一例を示す模式図である。超音波診断装置１０は、超音波探触子１００、本体部１１、コネクタ部１２およびディスプレイ１３を備える。

超音波探触子１００は、コネクタ部１２に接続されたケーブル１４を介して超音波診断装置１０と接続される。

超音波診断装置１０からの電気信号（送信信号）は、ケーブル１４を通じて超音波探触子１００の圧電素子１１０に送信される。この送信信号は、圧電素子１１０において超音波に変換され、生体内に送波される。送波された超音波は生体内の組織などで反射され、当該反射波の一部がまた圧電素子１１０に受波され電気信号（受信信号）に変換され、超音波診断装置１０の本体部１１に送信される。受信信号は、超音波診断装置１０の本体部１１において画像データに変換されディスプレイ１３に表示される。

（効果）
上述した超音波探触子１００は、超音波の広帯域化を容易として、超音波診断装置の高分解能化を容易とする。また、上述した超音波探触子１００は、中間層１７０の材料を適宜選択することにより、ウインドウの表面などの表面温度を制御しつつ、より高い電圧を圧電素子１１０に印加することを可能とするため、超音波診断装置を用いて、被検体の内部のうちより深い領域まで超音波診断することを容易とする。

［第２の実施形態］
図７は、本発明の第２の実施形態に関する超音波探触子２００の全体構造の一例を示す断面図である。

超音波探触子２００は、導電性の材料から形成された中間層１７０ａが圧電素子１１０と電気的に接続された信号電極１３０に接して配置され、中間層１７０ａとバッキング１８０とは信号用電気端子１４０を挟んで配置される。なお、超音波探触子２００および当該超音波探触子２００を有する超音波診断装置は、超音波探触子における上記中間層１７０ａの配置以外は第１の実施形態と同様の構成であるため、重複する記載は省略する。

本実施形態に関する超音波探触子２００も、第１の実施形態に関する超音波探触子１００と同様に、超音波の広帯域化を容易として、超音波診断装置の高分解能化を容易とする。また、当該超音波探触子２００も、第１の実施形態に関する超音波探触子１００と同様に、超音波診断装置を用いて、被検体の内部のうちより深い領域まで超音波診断することを容易とする。

［第３の実施形態］
図８は、本発明の第３の実施形態に関する超音波探触子３００の全体構造の一例を示す断面図である。

超音波探触子３００は、中間層１７０と熱的に接続した放熱材１９０を有する。放熱材１９０は、中間層１７０の背面側に連通しており、中間層１７０から超音波探触子３００の背面側への、熱の放出を容易とする。なお、超音波探触子３００および当該超音波探触子３００を有する超音波診断装置は、超音波探触子が放熱材１９０を有すること以外は第１の実施形態または第２の実施形態と同様の構成であるため、重複する記載は省略する。

バッキング１８０による超音波の減衰効果を低減させにくくする観点から、放熱材１９０は、バッキング１８０の周囲を取り囲むように配置されることが好ましい。

放熱材１９０は、中間層１７０と同一の材料から形成されてもよいし、中間層１７０とは異なる材料から形成されてもよい。放熱材１９０は、放熱効果を高めるための構成であるため、中間層１７０とは異なり、音響インピーダンスに関する制限はない。放熱効果を高める観点からは、放熱材１９０は、熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である材料から形成されることが好ましく、たとえばアルミニウムおよび銅などの金属およびグラファイト系の材料から形成されることができる。

本実施形態に関する超音波探触子３００は、第１の実施形態に関する超音波探触子１００および第２の実施形態に関する超音波探触子２００よりも放熱効果を高めることができる。そのため、本実施形態に関する超音波探触子３００は、ウインドウの表面などの表面温度を制御しつつ、より高い電圧を圧電素子１１０に印加することを可能として、超音波診断装置を用いて、被検体の内部のうちさらに深い領域まで超音波診断することを容易とする。

［その他の実施形態］
なお、上述した各実施形態は、いずれも本発明の例示的な実施形態を示すものであり、本発明はこれらの実施形態として説明した態様に限定されることはない。

たとえば、各実施形態では、超音波探触子は、被検者の体腔内に挿入し、当該体腔内において超音波を走査可能な体腔内挿入型探触子であったが、被検体の体表に当てて超音波を走査する体腔内検査用探触子であってもよい。

また、上記各実施形態では、圧電素子は、複数個の圧電体が図１中Ｘ方向に１次元に配列されて形成されていたが、複数個の圧電体が図１中Ｘ方向およびＹ方向に２次元に配列されて形成されてもよいし、単一の圧電体から形成されてもよい。

また、上記各実施形態では、信号用電気端子は信号電極の背面側に配置されていたが、信号用電気端子を信号電極の側面側に取り出す構成であってもよい。

また、上記各実施形態において、圧電素子と中間層との間に、圧電素子を構成する材料が有する音響インピーダンスよりも大きい音響インピーダンスを有する材料から形成されたデマッチング層を配置してもよい。上記デマッチング層は、圧電素子から背面側に送波された超音波を反射して、圧電素子から前面側に送波された超音波を増強する。このとき、上記反射された超音波と前面側に送波された超音波とを位相合わせする観点から、デマッチング層の厚みは、圧電素子が送波する上記超音波の波長の約１／４倍の厚みとする。

また、上記第３の実施形態において、放熱材は、バッキングの中に埋め込まれて、バッキングからの放熱効果を高めてもよい。

本発明によれば、超音波探触子の広帯域化および高電圧の印加による診断領域の深化をより簡易な構成で図れる。そのため、本発明によれば、超音波診断が適用され得る範囲を拡大することが期待される。

１０ 超音波診断装置
１１ 本体部
１２ コネクタ部
１３ ディスプレイ
１４ ケーブル
１００、２００、３００ 超音波探触子
１１０ 圧電素子
１２０ 接地電極
１３０ 信号電極
１４０ 信号用電気端子
１５０ 音響マッチング層
１５０ａ 第１の音響マッチング層
１５０ｂ 第２の音響マッチング層
１５０ｃ 第３の音響マッチング層
１６０ 音響レンズ
１７０、１７０ａ 中間層
１８０ バッキング
１９０ 放熱材

Claims (10)

1. 超音波を送受信する圧電素子と、
   前記圧電素子の背面側に設けられたバッキングと、
   前記圧電素子と前記バッキングとの間に配置された中間層と、を有し、
   前記中間層は、前記バッキングを構成する材料とは異なる音響インピーダンスを有する材料から形成され、かつ、前記圧電素子が送受信する前記超音波の波長に対して、０.２倍以上０.７倍未満の厚みを有する、
   超音波探触子。
2. 前記中間層は、前記バッキングを構成する材料が有する音響インピーダンスよりも小さい音響インピーダンスを有する材料から形成され、かつ、前記圧電素子が送受信する前記超音波の波長に対して、０.４倍より大きく０.７倍未満の厚みを有する、請求項１に記載の超音波探触子。
3. 前記中間層は、前記バッキングを構成する材料が有する音響インピーダンスよりも大きい音響インピーダンスを有する材料から形成され、かつ、前記圧電素子が送受信する前記超音波の波長に対して、０.２倍以上０.４倍未満の厚みを有する、請求項１に記載の超音波探触子。
4. 前記中間層は、前記バッキングを構成する材料が有する音響インピーダンスよりも０.３倍以上１.０倍未満または１.０倍より大きく２.７倍以下の音響インピーダンスを有する材料から形成された、請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波探触子。
5. 前記中間層は、前記圧電素子が送受信する前記超音波の感度が−６ｄＢとなる周波数の帯域を広げる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の超音波探触子。
6. 前記中間層は、前記バッキングを構成する材料が有する熱伝導率よりも大きい熱伝導率を有する材料から形成された、請求項１〜５のいずれか１項に記載の超音波探触子。
7. 前記中間層は、前記バッキングを構成する材料が有する熱伝導率よりも３倍以上大きい熱伝導率を有する材料から形成された、請求項６に記載の超音波探触子。
8. 前記中間層と熱的に接続した放熱材を有する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の超音波探触子。
9. 前記圧電素子を構成する材料が有する音響インピーダンスよりも大きい音響インピーダンスを有する材料から形成され、前記圧電素子と前記バッキングとの間に配置された帯域調整層を有する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の超音波探触子。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の超音波探触子を備える超音波診断装置。
    

Images