JP3625564B2

JP3625564B2 - 超音波探触子及びその製造方法

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Publication number: JP3625564B2
Application number: JP06745496A
Authority: JP
Inventors: 由喜男伊藤; 佐藤　　裕; 敏郎近藤; 孝也大澤
Original assignee: Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 1996-02-29
Filing date: 1996-02-29
Publication date: 2005-03-02
Anticipated expiration: 2016-02-29
Also published as: JPH09238399A; US5886454A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波を用いて被検体内を画像として描出する超音波装置の分野で用いられる超音波探触子に関するもので、特に良好な超音波画像を得るための技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超音波装置、例えば医療画像診断に用いられる超音波診断装置は超音波パルス反射法を用いて、生体の軟部組織の断層像や生体内を流れる血流像等をほぼリアルタイムでモニタに表示して観察でき、また、放射線を用いる画像診断装置のような放射線被爆を被検体に与えないことから安全性も高いとされ、更に、小型で安価なことも加わり、広く医療の分野で利用されている。
超音波診断装置では、被検体内への超音波の送信と被検体内からのエコー信号の受信のために、超音波探触子を用いる。この超音波探触子には、細長い棒状の振動子を多数配列した物と、単一の円盤状の振動子の物との代表的な物がある。前者は所謂、電子走査型の超音波装置で多く用いられ、後者は機械走査型の超音波装置で用いられる場合が多い。
【０００３】
電子走査型の装置では、前記細長い棒状の振動子の複数個を一群として、その一群の中の各振動子へそれぞれ所定の遅延時間を与えて駆動する。これにより、探触子から被検体内の所定深度及び所定方向へ、収束する超音波ビームを送信する。また、受信時にも各振動子へ時間とともに変化する遅延時間を与えて所定方向から超音波ビームを受信する。そして、前記送受信の超音波ビームを振動子の配列方向に移動して、被検体内を走査することにより、超音波画像データを得る。
【０００４】
前記走査により良好な超音波画像を得るには、超音波ビームの走査範囲全体にわたり、超音波ビームの指向特性が優れ、かつ細い超音波ビームが形成される必要がある。このためには、配列振動子の隣接振動子間での音響的結合が少ないことが重要である。
【０００５】
超音波探触子の基本構成は一般に、吸音材、圧電振動子、音響整合層及び音響レンズを順次積層して形成されている。そして、前記隣接振動子間での音響的結合を低減するために、すなわち、隣接振動子間のアイソレーションを良くするために、振動子同志は音響整合層を含めて切断分離されているとともに、この切断分離のための切込みは吸音材に溝が形成される程度の深さまで行われている。そして、その切込み溝の中に、振動子へ外力が作用した時に、振動子が破損するのを防止するために高分子樹脂を充填している。つまり、従来の超音波探触子では、吸音材の上に圧電振動子、音響整合層を接着した後、振動子素子を形成するためにダイシングソーで切込みを行う行程を経て製造されている。したがって、上記従来の製法による超音波探触子では、当然、振動子素子の幅と音響整合層の幅とが同一になっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで近年、超音波探触子は画像の空間分解能を上げるために振動子素子の高密度化がなされる傾向にある。このため、振動子素子の幅は約０．２ｍｍ程の狭いものとなっている。振動子素子の厚みは超音波の周波数又は波長（実際はλ／２）で決まるため、例えば３．５ＭＨｚの超音波周波数の探触子の振動子素子の厚みは約０．４４ｍｍであるが、周波数が２．５ＭＨｚではそれが約０．６ｍｍとなる。したがって、超音波の周波数が低くなるにつれ、振動子素子の厚みと幅の比が大きくなる。このような振動子素子の高密度化を実施するに際し、次のような課題が生じてきている。
【０００７】
すなわち、振動子配列の高密度化を計るということは、素子の幅を狭くすることであるので、単一の振動子が送信する超音波のエネルギー及び受信する超音波のエネルギーが従来の物より減少することを意味する。つまり、振動子の感度が低下することになる。この感度の低下を受信回路で補償することはできなくはないが、信号の増幅回路でノイズの混入を招いたり、それを防ごうとすると複雑な回路を必要とする。
【０００８】
また、前述のような０．２ｍｍの幅の振動子素子を形成する場合の振動子素子間の切断溝は約０．０７５ｍｍという狭さとなっている。この幅の切断溝をダイシングソーで切込むのであるが、従来のように音響整合層と圧電材料とを接着した状態で切込むと、加工の困難さは従来よりも格段に増すことになり、超音波の周波数が低下するほど切断溝の深さが深くなるのでこの困難さは増すことになる。
【０００９】
更に、振動子の高密度化は、振動子の幅が非常に狭くなり強度が低下するので、素子間に高分子樹脂を充填して強度を補っているが、その高分子樹脂を媒体として、振動子が駆動する際に隣の振動子と音響的結合を生じてしまうと言う問題があるとともに、振動子の幅に対する切断溝の幅が大きくなるためグレーティングローブの問題も課題として残されていた。
【００１０】
一方、振動子の高密度化とは別に、超音波の広帯域化も従来より課題として挙げられているが、現時点でもその解決の決め手は見い出されておらず、その解決手段の提示が待たれている。
【００１１】
本発明は、上記課題の少なくとも一つを解決し、良好な超音波画像が得られる超音波探触子を提供することを目的として成されたものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題の一つを解決するために、吸音材の上に所定の間隙をもって配列された複数の微細振動子素子と、それらの振動子の厚み方向に積層配置された音響整合層を有した超音波探触子において、前記音響整合層は各振動子素子毎に個別に配設され、かつ各振動子毎に設けられた前記音響整合層は前記振動子素子の超音波送受信面より広い送受信面積を有し、前記振動子素子間には、前記音響整合層と前記振動子素子が接する面まで微小中空体を混入した高分子樹脂が充填されている。
【００１３】
また、前記振動子素子の配列ピッチは０．２２ mm 、前記振動子素子の切断溝幅は０．０７５ mm 、前記振動子素子の幅は０．１４５ mm 、前記音響整合層の切断溝幅は０．０１５ mm 、前記音響整合層の幅は０．２０５ mm として構成され、前記振動子素子の幅方向の両端面より前記音響整合層が０．０３ mm ずつせりだしたＴ字状断面の形となる。
【００１４】
更に、前記高分子樹脂は、ポリウレタン樹脂に塩化ビニリデン系の微小中空球体を体積分率で５０％混入したり、前記音響レンズは、熱溶融性圧着フィルムを介して前記音響整合層上に設置されている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。図２は超音波探触子のケースと接続コードを取り外した状態の内部構造を、構成要素の一部を切断して示したものである。図２において、１は吸音材で、バリウムフェライトの粉末をゴムに混入して固めたもの、２は吸音材１の上に接着剤を用いて固着された超音波振動子で、ＰＺＴ圧電材料と、紙面の上方向と下方向の２面及び両側面に焼き付け又は印刷技術を用いて形成された電極とから成る。この超音波振動子２は図に示すように、その横断面が矩形をしている細長い棒状の振動子素子をそれぞれ所定の間隙を置いて配列したものである。３は第１音響整合層、４は第２音響整合層でそれぞれ振動子２の長さと同じ長さを有し、第１音響整合層３はタングステン粉末を混入したエポキシ樹脂の成形材から成り、第２音響整合層４はポリウレタン系樹脂の成形材から成り、これらの音響整合層は公知のように、各々の材質の超音波伝播速度から決まる波長（λ）の１／４の厚みに形成されている。５は音響レンズで、第２音響整合層４の上に接着剤で接着され、超音波振動子２から送信された超音波を振動子の配列方向と直交する面内（配列振動子の短軸方向）にて超音波をある深さに収束するものである。以上述べた構成は従来より公知となっている超音波探触子と同様である。
【００１６】
次に、図２に示す構成における本発明の特徴部を図１を用いて説明する。超音波振動子２の各振動子素子の間の隙間６には、圧電材料よりも硬度が低くかつ中空体を混入した高分子樹脂７が充填されている。そして、超音波振動子２の上に設けられた第１音響整合層３及び第２音響整合層４は、前記間隙６の中央部にて間隙６より狭い間隙８で切断されている。これによって、超音波の送受信方向から見た場合の振動子の送受信面の面積よりも音響整合層の送受信面の面積を広くしている。そして、前記中空体を混入した高分子樹脂７は振動子素子間の切断溝６のみに充填し、第１音響整合層３と第２音響整合層４の切断溝８には高分子樹脂７を充填しないようにしている。
【００１７】
ここで従来の探触子の本発明の対象部分を説明すると、従来の探触子では振動子素子間の間隙と音響整合層同志の間隙は同一幅で形成されていた。したがって、従来の探触子では、振動子の送受信面積と音響整合層の送受信面積とが同一となっていた。また、従来も振動子素子の間隙６に高分子樹脂を充填することは行われていたが、従来は、高分子樹脂は探触子の外部より振動子に診断時に予測される以上の外力が作用した時の振動子の破損防止のために充填されているのであって、高分子樹脂の充填は、電極を形成した圧電材料と音響整合層とを同時に切断した後に行うために、振動子素子間の間隙溝と音響整合層の間隙溝との両方に充填していた。
【００１８】
以上本発明の特徴と従来技術との差異を説明したが、以下本発明の特徴部の作用について詳細に説明する。先ず初めに、本発明の第１の特徴点である振動子と音響整合層の送受信面積の大小関係について説明する。超音波診断装置の画像の方位分解能は、超音波ビームの密度（走査線密度）に密接に関係し、また超音波ビームの密度は超音波探触子の振動子配列、中でも配列ピッチに深く関係する。近年、超音波画像の高分解能化を計るため、探触子の高精細化、すなわち振動子の配列ピッチをより小さくする傾向にある。このため、振動子素子自体も微細化されている。振動子素子が微細化されるということは、従来の物に比べ、振動子素子が送信できる超音波エネルギーが減少し、また受信できる超音波エネルギーも減少し、探触子の感度が低下することになる。この感度低下を極力防ぐには、振動子を切断する溝の幅を出来るだけ狭くすることが必要であるが、圧電材料はセラミックであるから工具の強度との兼ね合いで限度がある。一例を挙げると、現在の３．５ＭＨｚの高精細の探触子では、振動子の配列ピッチが０．２２ｍｍの場合、切断溝幅は０．０７５ｍｍで、振動子素子の幅は０．１４５ｍｍというオーダーである。従って、配列ピッチ０．２２ｍｍに対し約６６％の部分しか送受信に貢献していない。
【００１９】
本発明は、振動子の切断溝よりも音響整合層の切断溝を狭くする。換言すれば、前述の様に、振動子の送受信面積より音響整合層の送受信面積を広くする。例えば、前記振動子の配列ピッチ０．２２ｍｍの配列振動子は、圧電材料は切断溝を０．０７５ｍｍで切断し、音響整合層は０．０１５ｍｍで切断する。こうすれば、単一の振動子を見た場合、振動子の幅は０．１４５ｍｍであるが、音響整合層の幅は０．２０５ｍｍとなり、振動子の幅方向の両端面より音響整合層が０．０３ｍずつせりだしたＴ字状断面の形となり、配列ピッチ０．２２ｍｍの９３％余りが送受信に貢献できることになる。
【００２０】
このＴ字状断面の振動子が駆動する場合、超音波エネルギーの送信と受信は音響整合層の表面から行われる。したがって、送信時の振動子の振動は音響整合層の広い面積から行われ、また生体内のエコー信号は音響整合層の広い面積で受信され面積の狭い振動子へ伝達される。つまり、狭い振動子の送受信面積と広い音響整合層の送受信面積との関係を用いて、送信エネルギーの増幅と受信エネルギーの増幅を行って探触子の感度を向上させることができる。
【００２１】
次に、振動子の圧電振動子の切断溝にのみ充填された中空体が混入した高分子樹脂の作用を説明する。前にも述べたように、従来も振動子の間隙に高分子樹脂を充填している例はあるが、その場合には振動子の間隙だけでなく、音響整合層の切断溝にまで高分子樹脂を充填していた。このため折角切断した音響整合層が高分子樹脂で繋げられてしまい、かつ、振動子の切断溝の高分子樹脂が振動子同志の音響的結合をもたらすのと相俟って、振動子の振動が隣接した振動子へ漏れ伝わる原因となっていた。そこで本発明は、充填する高分子樹脂に中空体、例えばビニリデン系微小中空球体を混入したポリウレタン系樹脂を用れば音響的絶縁性を良くできるので、隣接振動子素子間の音響的結合すなわちクロストークを低減できることに着眼した。そして振動子の保護のためならば音響整合層の切断溝に樹脂を充填する必要はないので、振動子の切断溝にのみ樹脂を充填することとした。この結果、隣接する振動子間には音響的絶縁性の良い高分子樹脂が充填されると共に音響整合層は振動子毎に分離されているので、従来の探触子より振動子間のクロストークを減少することができる。これは図４を用いて説明することができる。すなわち、図４は、水中ハイドロフォンを用いて振動子素子の送波感度の角度依存性を測定したグラフであり、本発明を適用した単一振動子から送波された超音波ビームの４５°方向における感度を０°方向のものに対し相対値で表すと−４．２ｄＢであった。これは振動子間の空隙を空気にした場合の値−３．８ｄＢに比べ遜色なく、良好な指向特性が確保されていることになる。
【００２２】
また、本発明の上記実施の形態における振動子と、音響整合層と、中空体の混入した高分子樹脂との関係を視点を変えて観ると、高分子樹脂は振動子素子間にのみ充填されているので、各々の振動子は両側を高分子樹脂でサンドイッチされた複合構造となる。この複合構造化により振動子の音響インピーダンスが圧電セラミックの２０Ｍｒａｙｌ（メガライル）から中空体入り高分子樹脂の約１Ｍｒａｙｌまでの範囲で音響インピーダンスを下げることが可能であり、探触子の生体への整合性を良くすることが可能である。更に、高分子樹脂に中空体を混合しかつその混合比率を変えると、前記インピーダンスの合成値を任意に設定することもでき、圧電振動子のＱ値も任意にかつ小さくできるので、高帯域な周波数特性を持った超音波探触子を実現できる。この振動子の切断溝に微小中空体を混入した高分子樹脂を充填したことによる圧電材料の複合化がもたらす効果を図５を用いて説明する。図５において、縦軸は音響インピーダンス、横軸は音響整合層の幅に対する圧電振動子の幅の比を取ったものである。ここで、横軸の音響整合層の幅を用いている理由は、音響整合層の直下の高分子樹脂が振動子の振動性能に寄与すると仮定していることによる。図５から明らかなように、圧電素子の幅を小さくしてゆくと音響インピーダンスの値は小さくなる。ただし、実施に際しては図５の適宜な範囲で振動子の幅と音響整合層の幅とを設定しなければならないことは言うまでもない。また、圧電材料の複合化の効果の一つとして、本発明の実施の形態の探触子を用いて、パルスエコー法による周波数特性を測定したところ、中心周波数３．５ＭＨｚ，−６ｄＢ比帯域７５％が得られ、従来の構成品に比べ帯域幅が広がることが判明した。
【００２３】
また更に本発明の振動子素子と音響整合層との配列状態を従来の物と比較すると、従来の物は振動子と音響整合層が同じ幅で切断されているので、振動子同志の隙間が大きく、言い換えると音源同志の間隔が大きい。このため従来の物はグレーティングローブが発生し易い構造であると言える。これに対し、本発明によれば、各音響整合層を音源と見做すことができるので、音源同志の間隔が従来の物より非常に小さいのでグレーティングローブの大きさを小さくすることができる。これを図６を用いて説明する。図６は振動子の配列ピッチが０．２ｍｍで圧電振動子を０．０７５ｍｍの溝で切断した配列振動子を有する周波数３．５ＭＨｚのフェーズドアレイ型超音波探蝕子から４５°方向へ超音波ビームを送受信したときのビームパターンをシミュレーションしたものを示している。図６（ａ）は本発明のように音響整合層を０．０１５ｍｍで切断した場合、図６（ｂ）は従来通り振動子と音響整合層とを同一幅の０．０７５ｍｍで切断した場合を示している。また、これらの図の横軸は配列振動子の正面方向を０°とし、ビーム方向にマイナス記号を、ビーム方向と反対側をプラスとした角度を、そして縦軸はビームの各角度方向における音圧をｄＢで表わしている。これらの二つの図面から、本発明を適用すると、ビーム方向とは反対側の角度５０°の周辺においてビームの音圧が著しく低下していることが読み取れる。図６（ｂ）の５０°近辺でのビーム音圧の盛り上がり部がグレーティングローブによるもので、本発明によりこれが減少できる。
【００２４】
次に上記のごとき超音波探触子を製造する方法について説明する。図３は本発明の特徴部分の製造ステップを示す図である。先ず、図３（ａ）に示すように、吸音材１に圧電振動子ブロック２０をエポキシ系接着剤で接着する。接着剤が乾燥して吸音材１と圧電振動子ブロック２０が固着した後、図３（ｂ）に示すようにダイシングソーで振動子ブロック２０と吸音材１に対しミゾ切り加工を行って配列振動子２を形成する。切込み溝６の一例を示すと。厚みが０．４４ｍｍの圧電材料を用いた場合、溝の幅は０．０７５ｍｍで、そのピッチは０．２２ｍｍ、その深さは吸音材１と圧電振動子２の接着面より０．４ｍｍに到るまで切り込む。
【００２５】
この溝切り加工後、各振動子間の溝６に高分子樹脂７を充填し真空脱気を行い、切込み溝６の底面まで高分子樹脂７を充填する（図３（ｃ）参照）。充填する高分子樹脂としては、ポリウレタン樹脂の中に微小中空球体を体積分率で所定割合混入したもの、例えばポリウレタン樹脂に塩化ビニリデン系の微小中空球体（平均粒径２０〜５０μｍ）を体積分率で５０％混入したものが挙げられる。
【００２６】
各振動子間に充填した高分子樹脂７が硬化したら、図３（ｄ）に示すように配列振動子２の表面に、配列振動子の長さと同じ幅を有した第１音響整合層３と第２音響整合層４から成る層をエポキシ系接着剤を用いて接着する。
【００２７】
そして、第１音響整合層３と第２音響整合層４とが配列振動子上に固着された後、それらの第１音響整合層３と第２音響整合層４とを前記振動子ブロック２０の切断に用いたダイシングソーより薄いダイシングソーを用いて、図３（ｅ）に示すように前記振動子間の間隙毎に振動子の配列ピッチでその中央部を切断する。切断に際しては、音響整合層の上に治具を装填するとか、音響整合層を冷却するなどして加工の行い易い状態にすると良い。この切断溝８の幅は、例えば、前記振動子の切断溝６の幅が０．０７５ｍｍとしたら、０．０１５ｍｍのオーダーとする。なお、これらの音響整合層の切断時に前記高分子樹脂７を若干切断しても良い。こうして、各振動子の上に振動子の送受信面積よりも広い送受信面積を持った音響整合層を持った振動子素子が形成される。
【００２８】
音響整合層を切断した後、第２音響整合層４の上にホットメルト（熱溶融性）接着フィルム９を熱圧着する。このホットメルト接着フィルム９は探触子の外部より水分や薬液が内部に侵入して振動子に悪影響を与えないようにするもので、材質としてはポリウレタン系ホットメルトフィルムで、厚さが０．０２ｍｍの物を用いる。なお、このホットメルトフィルム９は本発明の目的のためには特に必要はないので、図３の工程では図示を省略している。その後、同じく図示を省略しているが、ホットメルト接着フィルム９の上にシリコンゴム製の音響レンズ５をシリコン系接着剤で接着する。そして最後に、吸音材１の側面に配列振動子の各電極を超音波診断装置本体へ接続するための接続端子板（図示省略）を設けることにより、超音波探触子のアッセンブリーができ上がる。
【００２９】
上記製造方法によれば、圧電材料の切断は音響整合層を圧電材料に接着する前に行うため、切断溝の深さが浅くなるのでダイシングソーの小型化をもたらし、また加工時の磨耗を考慮した場合にもダイシングソーの長寿命化をもたらす。
【００３０】
以上本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。例えば振動子の切断溝の幅や、振動子の配列ピッチ、音響整合層の切断幅等の数値は必要に応じた値とすることができる。例えば、探触子の感度向上よりも振動子同志の音響的結合を少なくすることを主目的とするならば、圧電材料と音響整合層の切断溝幅を等しくして加工の段取りを少なくすることもできる。また高分子樹脂はポリウレタン系以外にエポキシ系、シリコンゴム系の樹脂でも使用することができる。そして、高分子樹脂に混入する微小中空体については、塩化ビニリデン系有機物の微小中空球体以外に他の有機物のものでも良く、例えばシリカ系等の無機系の微小中空球体を用いても良い。
【００３１】
又本発明は上記実施の形態にて説明した様な細長い棒状の振動子を平面上に一方向に配列して成る探触子の他に、細長い棒状の振動子を円弧上に配列して成る探触子は勿論のこと、振動子を平面又は曲面上に２次元配列して成る探触子にも適当できることは言うまでもない。
【００３２】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、配列振動子を有した探触子において、音響整合層の素子間切断空隙幅を振動子の素子間空隙幅より小さくし、かつ振動子素子間の空隙部分に高分子樹脂を充填することにより、探触子の感度を向上することができ、また周波数特性の帯域幅を広げることができるので、診断能の高い良好な超音波画像が得られる探触子を提供することができる。また、振動子の配列ピッチに比べて音響整合層の切断溝幅を小さくしたので、従来品よりグレーティングローブの大きさを小さくすることができ、ＳＮ比の良い画像が得られる。更に、音響整合層を切断し、圧電振動子間に充填する高分子樹脂に、微小中空体を混入したものを用いることにより、隣接する超音波振動子同志の音響的結合が小さくできるので、超音波ビームの指向性に優れた高性能な探触子を実現できる。
【００３３】
それらに加えて、無機セラミックスからなる圧電振動子材料の切断工程と音響整合層の切断工程が同時でなく別々に行われるので、ダイシングソーが小型のもので良く、ダイシングソーの寿命も長くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の探触子の振動子の詳細を示す図
【図２】本発明を適用した探触子のケースと接続コードを取り外した探触子の内部構造を一部切断して示した図
【図３】本発明の超音波振動子の製造行程を示す図
【図４】本発明の超音波探触子の送波感度の角度依存性を示す図
【図５】振動子を圧電材料と微小中空体入り高分子樹脂とを複合構造化したときのその厚み比と振動子の音響インピーダンスの関係を示す図
【図６】本発明と従来技術とによるグレーティングローブの比較を示す図
【符号の説明】
１…吸音材
２…超音波振動子
３…第１音響整合層
４…第２音響整合層
５…音響レンズ
６…振動子素子切断溝（間隙）
７…微小中空体入り高分子樹脂
８…音響整合層切断溝（間隙）
９…ホットメルト接着フィルム

Claims

吸音材の上に所定の間隙をもって配列された複数の微細振動子素子と、それらの振動子の厚み方向に積層配置された音響整合層を有した超音波探触子において、前記音響整合層は各振動子素子毎に個別に配設され、かつ各振動子毎に設けられた前記音響整合層は前記振動子素子の超音波送受信面より広い送受信面積を有し、前記振動子素子間には、前記音響整合層と前記振動子素子が接する面まで微小中空体を混入した高分子樹脂が充填されていることを特徴とする超音波探触子。
前記振動子素子の配列ピッチは０．２２ mm 、前記振動子素子の切断溝幅は０．０７５ mm 、前記振動子素子の幅は０．１４５ mm 、前記音響整合層の切断溝幅は０．０１５ mm 、前記音響整合層の幅は０．２０５ mm として構成され、前記振動子素子の幅方向の両端面より前記音響整合層が０．０３ mm ずつせりだしたＴ字状断面の形となることを特徴とする請求項１記載の超音波探触子。
前記高分子樹脂は、ポリウレタン樹脂に塩化ビニリデン系の微小中空球体を体積分率で５０％混入したものであることを特徴とする請求項１記載の超音波探触子。
前記音響レンズは、熱溶融性圧着フィルムを介して前記音響整合層上に設置されていることを特徴とする請求項１記載の超音波探触子。