JP4787630B2

JP4787630B2 - 超音波探触子

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Publication number: JP4787630B2
Application number: JP2006057378A
Authority: JP
Inventors: 和裕小林
Original assignee: Hitachi Aloka Medical Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2006-03-03
Filing date: 2006-03-03
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2026-03-03
Also published as: JP2007235795A

Description

本発明は、複数の圧電素子を有する超音波探触子に関する。

生体内組織などに超音波を送受波して組織性状を観察する超音波診断装置が知られている。この超音波診断装置は、一般に、超音波探触子（プローブ）と装置本体によって構成される。そして、超音波探触子として、複数の振動素子（アレイ振動子）を備えたタイプの探触子が知られている（特許文献１，２参照）。

複数の振動素子を備えた超音波探触子は、バッキング上に複数の圧電素子が配置され、さらに複数の圧電素子の上に音響整合層が設けられる。そして、複数の圧電素子間の溝や音響整合層に設けられた溝に目詰め材料が充填され、これにより、音響クロストークの低減や素子耐久性の向上などが図られている。

特開２００３−３３３６９４号公報特開平５−１６８６３７号公報

目詰め材料は、その音響インピーダンスが小さいほど音響クロストークの低減効果が高い。そのため、目詰め材料として、中空フィラーを混ぜたシリコーンゴムなどが利用されている。ちなみに、中空フィラーを混ぜたシリコーンゴムの音響インピーダンスは０．１〜０．３ＭＲａｙｌｓ程度である。なお、Ｍ（メガ）Ｒａｙｌｓ＝１０⁶ｋｇ／ｍ²ｓである。

ところが、中空フィラーを混ぜたシリコーンゴムはその粘度が高くなり、そのため、例えば複数の圧電素子間の溝が狭い微細なアレイ振動子の場合に、目詰め材料を溝に埋め込む作業が困難になる。

このように、音響クロストークの低減効果のみを意図すると、例えば微細なアレイ振動子を製造する場合などに、副作用的な問題が発生する。

本発明は、このような背景において成されたものであり、その目的は、音響クロストークの低減に関する改良技術を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の好適な態様である超音波探触子は、バッキング層と、バッキング層上に設けられる圧電層と、圧電層上に設けられる整合層と、を有する超音波探触子であって、前記圧電層は、第一分割部によって複数に分割され、前記整合層は、第二分割部によって複数に分割され、前記第一分割部の音響インピーダンスは、前記第二分割部の音響インピーダンスよりも大きい、ことを特徴とする。

上記態様において、第一分割部は、複数に分割された圧電層の複数の分割片（圧電素子）間の音響クロストークを低減させる機能を担っている。このため、第一分割部の音響インピーダンスは、各圧電素子の音響インピーダンスよりも十分に小さいことが望ましい。また、第二分割部は、複数に分割された整合層の複数の分割片間の音響クロストークを低減させる機能を担っている。このため、第二分割部の音響インピーダンスは、整合層の音響インピーダンスよりも十分に小さいことが望ましい。さらに、上記態様では、第一分割部の音響インピーダンスが第二分割部の音響インピーダンスよりも大きい。これらを実現する具体例は、例えば、フィラー剤が添加されていないシリコーンゴムを溝に充填して第一分割部を形成し、フィラー剤が添加されたシリコーンゴムを溝に充填して第二分割部を形成する例である。

フィラー剤が添加されていないシリコーンゴムは、フィラー剤が添加されたシリコーンゴムに比べて、粘度が低くて流動性がある。したがって、例えば微細なアレイ振動子のように、複数の圧電素子間の溝が狭い場合でも、粘度が低い流動性を備えた材料を充填して第一分割部を形成することができる。これにより、粘度が高い材料を充填する場合に比べて材料の充填が容易になり、結果として、超音波探触子の製造が容易になる。

ちなみに、第一分割部と第二分割部の音響インピーダンスを具体的な数値で比較すると、第二分割部が例えば０〜０．３ＭＲａｙｌｓ程度に形成され、第一分割部が例えば０．９〜３．０ＭＲａｙｌｓ程度に形成される。第二分割部は、例えば、音響インピーダンスが０．３ＭＲａｙｌｓ以下の材料（フィラー剤を添加したシリコーンゴムなど）を溝に充填することによって形成される。なお、溝に材料を充填することなく溝のみによって第二分割部を０ＭＲａｙｌｓに形成してもよい。これに対して、第一分割部は、例えば、フィラー剤が添加されていないシリコーンゴムを溝に充填して形成される。なお、第一分割部の形成に利用されるシリコーンゴムは、フィラー剤が実質的に添加されていなければよい。つまり、粘度が低く流動性を保つ程度にフィラー剤が若干添加されてもよい。また、第一分割部の形成にウレタンなどを利用してもよい。

望ましい態様において、前記圧電層は、第一分割部として機能する溝によって複数に分割され、前記整合層は、第二分割部として機能する溝によって複数に分割される、ことを特徴とする。望ましい態様において、前記圧電層の溝には、第一充填剤が充填され、前記整合層の溝には、第二充填剤が充填され、前記第一充填剤の音響インピーダンスは、前記第二充填剤の音響インピーダンスよりも大きい、ことを特徴とする。望ましい態様において、前記第一充填剤は、フィラー剤が実質的に添加されていない充填剤であり、前記第二充填剤は、フィラー剤が添加された充填剤である、ことを特徴とする。望ましい態様において、前記第一充填剤は、フィラー剤が添加されていないシリコーンゴムである、ことを特徴とする。

また、上記目的を達成するために、本発明の好適な態様である超音波探触子の製造方法は、バッキング上に電極を介して圧電板を接着する工程と、圧電板をカットして複数に分割する工程と、カットによって圧電板に形成された分割溝に第一充填剤を充填する工程と、圧電板上に電極を介して音響整合層を接着する工程と、音響整合層をカットして複数に分割する工程と、カットによって音響整合層に形成された分割溝に第二充填剤を充填する工程と、を含み、前記第一充填剤を充填する工程において、前記第二充填剤よりも音響インピーダンスが大きい第一充填剤が充填される、ことを特徴とする。

望ましい態様において、前記製造方法は、カットによって複数に分割された圧電板の上面をマスキングシートで保護する工程をさらに含み、前記第一充填剤を充填する工程において、マスキングシートで上面を保護された圧電板の側面から分割溝に第一充填剤が充填される、ことを特徴とする。

本発明により、超音波探触子の音響クロストーク低減に関する改良技術が提供される。

以下、本発明の好適な実施形態を説明する。

図１には、本発明に係る超音波探触子の好適な実施形態が示されており、図１はその振動子部分の構成図である。

図１に示す超音波探触子（振動子部分）は、バッキング１４と、バッキング１４上に設けられる複数の圧電素子２０と、複数の圧電素子２０上に設けられる音響整合層２６を備えている。つまり、ｚ軸の正方向に向かって、バッキング１４と圧電素子２０と音響整合層２６を積層した構造である。

なお、圧電素子２０は、その上下から、つまりｚ軸方向の正方向側と負方向側から、二枚の電極２２と電極１８によって挟まれており、さらに、電極１８とバッキング１４との間にはバッキング電極１６が挿入され、電極２２と音響整合層２６との間にはグランド電極２４が挿入されている。

各圧電素子２０は略四角柱状に形成され、そして複数の圧電素子２０がｘ方向とｙ方向に２次元的に配列されている。ちなみに、図１においてはｘ方向に４個でｙ方向に３個の合計１２個の圧電素子２０を示しているが、圧電素子２０の個数は１２個に限定されるものではなく、超音波探触子の用途などに応じて適宜設定される。

各圧電素子２０は、バッキング１４内に形成された図示しないリード線に電気的に接続される。つまり、バッキング１４内には、複数の圧電素子２０の各々に対応したリード線が設けられており、さらに、各リード線が複数のバッキング電極１６の各々に接続されている。そして、各圧電素子２０の電極１８がその圧電素子２０に対応したバッキング電極１６に電気的に接続され、これにより、各圧電素子２０とそれに対応したリード線が電気的に接続される。また、各圧電素子２０は、それに対応した電極２２を介してグランド電極２４に電気的に接続されている。

このような構成の各圧電素子２０は、リード線を介して電極１８と電極２２との間に電圧が印加されることにより振動して超音波を発生する。また、各圧電素子２０が超音波（反射波）を受波して振動することにより発生する電極１８と電極２２との間の電圧がリード線を介して検出される。

音響整合層２６は、複数の圧電素子２０に対応して複数に分割されている。つまり、音響整合層２６は、ｘ方向とｙ方向に２次元的に分割され、音響整合層２６の各分割片が各圧電素子２０に対応している。音響整合層２６は、被検体（生体）と圧電素子２０との間の音響インピーダンス整合をとり、これにより、圧電素子２０から被検体へ超音波が効率的に伝達され、また、被検体から圧電素子２０へ反射波が効率的に伝達される。

なお、バッキング１４は、例えば剛性の高い合成樹脂などで形成され、圧電素子２０から下方側、つまりｚ軸の負方向側へ放射される超音波を吸収している。これにより、圧電素子２０で発生される振動（超音波）のエネルギーが音響整合層２６側へ効率よく伝達される。

さらに、本実施形態では、複数の圧電素子２０の間に形成された溝に目詰め材（１）１０が充填され、また、音響整合層２６に形成された溝に目詰め材（２）１２が充填されている。

目詰め材（１）１０は、複数の圧電素子２０間の音響クロストークを低減させる機能を担っている。このため、目詰め材（１）１０の音響インピーダンスは、各圧電素子２０の音響インピーダンスとの差が大きいことが望ましい。本実施形態では、目詰め材（１）１０の音響インピーダンスが、各圧電素子２０の音響インピーダンスよりも十分に小さく設定されている。

各圧電素子２０は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電セラミックスで形成され、その音響インピーダンスは、２２〜３０ＭＲａｙｌｓ程度である。ＰＺＴに複合材を混ぜることにより、音響インピーダンスの範囲が例えば１５〜３０ＭＲａｙｌｓ程度の圧電素子２０を形成してもよい。

これに対し、目詰め材（１）１０の音響インピーダンスは、各圧電素子２０の音響インピーダンスよりも十分に小さく設定される。目詰め材（１）１０は、フィラー剤が添加されていない充填剤であり、その音響インピーダンスは、０．９〜３．０ＭＲａｙｌｓ程度に形成される。例えば、フィラー剤が添加されていないシリコーンゴムやウレタンなどを利用して０．９〜３．０ＭＲａｙｌｓ程度の音響インピーダンスが実現される。このように、目詰め材（１）１０の音響インピーダンス（０．９〜３．０ＭＲａｙｌｓ程度）は、各圧電素子２０の音響インピーダンス（２２〜３０ＭＲａｙｌｓ程度）よりも十分小さい値に設定される。

目詰め材（１）１０の音響インピーダンスを０．９〜３．０ＭＲａｙｌｓとし、各圧電素子２０の音響インピーダンスを２２〜３０ＭＲａｙｌｓとして、各圧電素子２０と目詰め材（１）１０の間の超音波の透過率を計算すると、５．８〜２４パーセントとなり、複数の圧電素子２０間の音響クロストークを十分に低減させることがわかる。なお、目詰め材（１）１０は、フィラー剤が添加されないことにより、その粘度が低く流動性を備えているため、複数の圧電素子２０の隙間が狭い場合であっても、その隙間に充填しやすいという効果を奏する。これについては、後に詳述する。

目詰め材（２）１２は、複数に分割された音響整合層２６の複数の分割片間の音響クロストークを低減させる機能を担っている。このため、目詰め材（２）１２の音響インピーダンスは、音響整合層２６の音響インピーダンスとの差が大きいことが望ましい。本実施形態では、目詰め材（２）１２の音響インピーダンスが、音響整合層２６の音響インピーダンスよりも十分に小さく設定されている。

音響整合層２６は、例えばエポキシ樹脂などを利用して形成され、必要に応じて多層構造として段階的な整合を実現することにより、その音響インピーダンスは、例えば２〜１２ＭＲａｙｌｓ程度に形成される。これに対し、目詰め材（２）１２の音響インピーダンスは、音響整合層２６の音響インピーダンスよりも十分に小さく設定される。目詰め材（２）１２は、フィラー剤が添加された充填剤であり、その音響インピーダンスは、例えば０〜０．３ＭＲａｙｌｓ程度である。例えば、フィラー剤を添加したシリコーンゴムによって０．３ＭＲａｙｌｓ程度の音響インピーダンスが実現できる。なお、音響整合層２６の溝に材料を充填することなく溝のみによって０ＭＲａｙｌｓ程度の音響インピーダンスを実現してもよい。

なお、目詰め材（２）１２の音響インピーダンスを０〜０．３ＭＲａｙｌｓとし、音響整合層２６の音響インピーダンスを２〜１２ＭＲａｙｌｓとして、音響整合層２６と目詰め材（２）１２の間の超音波の透過率を計算すると、０〜２６パーセントとなり、十分な音響クロストークの低減効果が得られる。

ちなみに、超音波が音響インピーダンスＺ₁の材料から音響インピーダンスＺ₂の材料へ伝播する際の透過率は、（２×Ｚ₂）／（Ｚ₁＋Ｚ₂）で計算される。

次に、本発明に係る超音波探触子の製造方法について説明する。

図２は、本発明に係る超音波探触子の製造方法を説明するための図であり、図１の超音波探触子の製造工程を示すフローチャートである。また、図３から図９には、各工程ごとの超音波探触子（振動子部分）の形成状態が示されている。以下、図３から図９を参照しながら、図２のフローチャートの各ステップごとにその処理内容を説明する。

＜Ｓ２０１（図３）＞まず、バッキング１４上に圧電板２０´が接着される。なお、バッキング１４の上面には予めバッキング電極１６が形成されており、圧電板２０´の上下面には予め電極１８と電極２２が形成されている。また、バッキング１４内には、後に形成される複数の圧電素子の各々に対応したリード線（図示せず）が設けられている。

＜Ｓ２０２（図４）＞次に、圧電板がカットされて複数の圧電素子２０が形成される。つまり、圧電板が碁盤目状にカットされて切り溝３２によって分割され、格子状に配列された複数の圧電素子２０が形成される。なお、バッキング電極１６、電極１８、電極２２も圧電板のカットに伴って分割され、各圧電素子２０ごとにそれに対応したバッキング電極１６、電極１８、電極２２が形成される。

＜Ｓ２０３（図５）＞次に、複数の圧電素子２０の上面にマスキングシート３４が載せられる。後の工程において、圧電素子２０の上面にグランド電極が接着されるため、このマスキングシート３４によって、圧電素子２０の表面が保護される。

＜Ｓ２０４（図６）＞次に、複数の圧電素子２０の側面から切り溝（図５の符号３２）内に目詰め材（１）１０が充填される。目詰め材（１）１０としては、先述のように、例えば、フィラー剤が添加されていないシリコーンゴムやウレタンが利用される。フィラー剤が添加されていないシリコーンゴムなどは、フィラー剤が添加されたシリコーンゴムなどに比べて、粘度が低くて流動性がある。したがって、例えば微細なアレイ振動子のように、複数の圧電素子２０の間の溝が狭い場合でも、粘度が低い流動性を備えた目詰め材（１）１０を側面から充填することができる。なお、目詰め材（１）１０として利用されるシリコーンゴムなどは、フィラー剤が実質的に添加されていなければよい。つまり、粘度が低く流動性を保つ程度にフィラー剤が若干添加されてもよい。

＜Ｓ２０５（図７）＞目詰め材（１）１０の充填後、マスキングシート（図６の符号３４）が取り除かれる。前工程のＳ２０４において、仮に、マスキングシートによって圧電素子２０の上面が保護されていないと、圧電素子２０の上面に目詰め材（１）１０が付着して電極２２が汚染されてしまう可能性がある。しかし、前工程のＳ２０４では、マスキングシートによって圧電素子２０の上面が保護された状態で目詰め材（１）１０が充填されているため、目詰め材（１）１０の充填後にマスキングシートが取り除かれると、マスキングシートによって保護されていた汚染されていない電極２２が現れる。

＜Ｓ２０６（図８）＞次に、電極２２上にグランド電極２４が接着され、さらにグランド電極２４上に音響整合層２６が接着される。なお、音響整合層２６は複数の層で構成されてもよい。

＜Ｓ２０７（図９）＞次に、音響整合層２６がカットされて複数に分割される。つまり、音響整合層２６が、複数の圧電素子２０に合わせて切り溝３６によって碁盤目状に分割される。なお、この工程においてグランド電極２４はカットされない。

＜Ｓ２０８（図１）＞最後に、音響整合層２６の切り溝３６（図９の符号３６）内に目詰め材（２）１２が充填される。目詰め材（２）１２としては、先述のように、例えば、フィラー剤が添加されたシリコーンゴムやウレタンなどが利用される。目詰め材（２）１２を十分に挿入するために、例えばへらなどが利用されて、切り溝３６内に目詰め材（２）１２が充填される。これにより、目詰め材（２）１２に添加されたフィラー剤（中空フィラーなど）も満遍なく切り溝３６内に挿入される。こうして、図１に示す超音波探触子（振動子部分）が形成される。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、上述した実施形態は、次のような格別な効果を奏する。

図１に示す構成において、目詰め材（１）１０の音響インピーダンスは圧電素子２０の音響インピーダンスに対して十分に小さいため、複数の圧電素子２０間の音響クロストークが小さくなる。また、目詰め材（２）１２の音響インピーダンスは音響整合層２６の音響インピーダンスに対して十分に小さいため、分割された音響整合層２６間の音響クロストークが小さくなる。これにより、指向角特性の良い超音波探触子を製造することができる。

また、目詰め材（１）１０を粘度が低い流動性を備えた材料としたことにより、圧電素子２０の側面から切り溝内に十分に目詰め材（１）１０を行き渡らせることが可能になり、これにより、目詰め材のむらがなくなり、複数の圧電素子２０の特性を均一にすることができる。また、充填作業も容易になり作業性が向上する。ちなみに、目詰め材（１）１０にフィラー剤を添加しないことにより、音響インピーダンスを従来のものに比べて大きくすることで、圧電素子２０の耐久性も向上する。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、上述した実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。

本発明に係る超音波探触子の振動子部分の構成図である。本発明に係る超音波探触子の製造方法を説明するための図である。各工程ごとの超音波探触子の形成状態を示す図である。各工程ごとの超音波探触子の形成状態を示す図である。各工程ごとの超音波探触子の形成状態を示す図である。各工程ごとの超音波探触子の形成状態を示す図である。各工程ごとの超音波探触子の形成状態を示す図である。各工程ごとの超音波探触子の形成状態を示す図である。各工程ごとの超音波探触子の形成状態を示す図である。

符号の説明

１０目詰め材（１）、１２目詰め材（２）、２０圧電素子、２６音響整合層。

Claims

バッキング層と、
バッキング層上に設けられる圧電層と、
圧電層上に設けられる整合層と、
を有する超音波探触子であって、
前記圧電層は、第一分割部として機能する溝によって複数に分割され、
前記整合層は、第二分割部として機能する溝によって複数に分割され、
前記圧電層の溝には、第一充填剤が充填され、
前記整合層の溝には、第二充填剤が充填され、
前記第一充填剤の音響インピーダンスは、前記第二充填剤の音響インピーダンスよりも大きく、
前記第一充填剤は、フィラー剤が実質的に添加されていない充填剤であり、
前記第二充填剤は、フィラー剤が添加された充填剤である、
ことを特徴とする超音波探触子。
請求項１に記載の超音波探触子において、
前記第一充填剤は、フィラー剤が添加されていないシリコーンゴムである、
ことを特徴とする超音波探触子。
バッキング上に電極を介して圧電板を接着する工程と、
圧電板をカットして複数に分割する工程と、
カットによって圧電板に形成された分割溝に第一充填剤を充填する工程と、
圧電板上に電極を介して音響整合層を接着する工程と、
音響整合層をカットして複数に分割する工程と、
カットによって音響整合層に形成された分割溝に第二充填剤を充填する工程と、
を含み、
前記第一充填剤を充填する工程において、フィラー剤が実質的に添加されていない第一充填剤が充填されることを特徴とし、
カットによって複数に分割された圧電板の上面をマスキングシートで保護する工程をさらに含み、
前記第一充填剤を充填する工程において、マスキングシートで上面を保護された圧電板の側面から分割溝に第一充填剤が充填される、
ことを特徴とする超音波探触子の製造方法。