JP5065593B2 - 超音波探触子および超音波画像装置 - Google Patents

Description

本発明は、対象物に対し超音波を送受信して、対象物内部を画像化する超音波探触子および超音波画像装置に関する。

超音波探触子は、対象物内部の画像化等を目的として、前記対象物に向けて超音波を照射し、当該対象物内における音響インピーダンスの異なる界面からの反射波を受信する装置である。超音波探触子が使用される超音波画像装置としては、人体等の生体内部を検査する超音波画像診断装置が知られている。

超音波探触子は、操作者に把持されるケース体を有し、その内部には超音波を送受信するための超音波トランスデューサが収納されている。

図６は従来のトランスデューサの構成図である。

図６に示すように、従来の超音波トランスデューサ１００は、操作者の手元側から順に、背面材１０１、圧電振動子１０２、音響整合層１０３、及び音響レンズ１０４を具備しており、このうち圧電振動子１０２と音響整合層１０３は、超音波をスキャンする方向に対して複数の圧電素子１０５に分割されている。

各圧電素子１０５は、音響整合層１０３側の面にＧＮＤ用電極１０５ａ、背面材１０１側の面に信号用電極１０５ｂを備え、各信号用電極１０５ｂへの電気信号に遅延を与えることで、超音波のスキャンを実行している。

すなわち、超音波のスキャンを実行するためには、各圧電素子１０５の信号用電極１０５ｂに対して僅かな遅延時間を与えた電気信号を別々に印加する必要がある。そのため、複数の信号用電極１０５ｂと接触する背面材１０１には、信号用電極１０５ｂ間の絶縁性を確保することができる絶縁体が使用されている。

ところで、圧電振動子１０２から発生される超音波は、生体側へ放射される以外に、音響レンズ１０４や背面材１０１の内部で熱に変換される。そのため、超音波探触子には安全性の確保が義務づけられており、超音波探触子の生体接触部分の温度が規制値以下となるよう送信電圧を低く抑制する必要が生じている。

しかしながら、送信電圧を低く抑えると、生体深部におけるＳ／Ｎ比が劣化して、画像診断能力が低下するという問題がある。そこで近年、この問題を解決するために、圧電振動子からの熱を背面材経由でケースやケーブルに放熱する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４−５６５０４号公報

しかしながら、背面材の材料である絶縁体は、熱伝導率が０．２［Ｗ／ｍＫ］〜１［Ｗ／ｍＫ］程度であり、放熱効率があまり良くない。そのため、圧電振動子で発生した熱が背面材中を効率良く移送されず、超音波探触子の生体接触部分の温度が上昇するという問題がある。

本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、圧電素子間の絶縁を確保したまま、表面温度の上昇を抑制することができる超音波探触子および超音波画像装置を提供することにある。

前記課題を解決し目的を達成するために、本発明の超音波探触子および超音波画像装置は次のように構成されている。

（１）互いに平行な二面に夫々電極を有し、前記二面と略直角な方向に対してアレイ分割され、対象物に対して超音波の送受信を行う圧電振動子と、前記圧電振動子に対して前記二面のうちの一面側に配置され、前記圧電振動子からの超音波を減衰させる背面材と、前記背面材に連結され、前記背面材の熱を放出する放熱部材とを備えた超音波探触子において、前記背面材は導電性を有し、前記圧電振動子と背面材との間には絶縁部材が介装され、アレイ分割による溝が前記絶縁部材の途中まで形成され、前記背面材を挟んで前記圧電振動子の反対側には、前記背面材よりも超音波の減衰効果が高い減衰部材が配置され、前記背面材は、カーボンのフィラーあるいはファイバーを含む樹脂混合物で形成され、音響インピーダンスが２Ｍｒａｙｌ〜７Ｍｒａｙｌの範囲である。

（２）超音波探触子を備えた超音波画像装置において、前記超音波探触子は、互いに平行な二面に夫々電極を有し、前記二面と略直角な方向に対してアレイ分割され、対象物に対して超音波の送受信を行う圧電振動子と、前記圧電振動子に対して前記二面のうちの一面側に配置され、前記圧電振動子からの超音波を減衰させる背面材と、前記背面材に連結され、前記背面材の熱を放出する放熱部材とを備え、前記背面材は導電性を有し、前記圧電振動子と背面材との間には絶縁部材が介装され、アレイ分割による溝が前記絶縁部材の途中まで形成され、前記背面材を挟んで前記圧電振動子の反対側には、前記背面材よりも超音波の減衰効果が高い減衰部材が配置され、前記背面材は、カーボンのフィラーあるいはファイバーを含む樹脂混合物で形成され、音響インピーダンスが２Ｍｒａｙｌ〜７Ｍｒａｙｌの範囲である。

本発明によれば、圧電素子間の絶縁を確保したまま、表面温度の上昇を抑制することができる。

以下、図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態について説明する。

図１〜図４を用いて本発明の第１の実施形態について説明する。

図１は本発明の第１の実施形態に係る超音波診断装置の概略図である。

図１に示すように、本実施形態に係る超音波診断装置（超音波画像装置）は、超音波探触子１と超音波診断装置本体２とから構成され、超音波を利用して人体（対象物）の内部状態を画像化するものである。

図２は同実施形態に係る超音波探触子１の構成図である。

図２に示すように、超音波探触子１は、操作者により把持されるケース１０と、ケース１０内に配置され、人体に対して超音波を送受信するトランスデューサ２０と、ケース１０内に配置され、トランスデューサ２０に対して電気信号を送受信するフレキシブルプリントサーキット（以下、「ＦＰＣ」とする。）３０と、ケース１０内に配置され、トランスデューサ２０の熱を放出させる放熱板（放熱部材）４０と、ケース１０の基端部に繋がれ、ＦＰＣ３０と超音波診断装置本体２とを接続するケーブル５０とを具備している。

次に、前記各構成要件について詳細に説明する。なお、以下の説明では、ケース１０の先端側を上側、ケース１０の基端側を下側とする。

［ケース１０］
ケース１０は、その上端部に開口部１１、下端部に挿通孔１２を備えている。開口部１１からはトランスデューサ２０（実際には音響レンズ２６）が僅かに突出し、挿通孔１２にはケーブル５０を保持するためのブッシュ６０が嵌め込まれている。

［トランスデューサ２０］
図３は同実施形態に係るトランスデューサ２０の斜視図である。

図３に示すように、トランスデューサ２０は、圧電振動子２１、音響整合層２２、ポリイミドフィルム（絶縁部材）２３、第１の背面材（背面材）２４、第２の背面材（減衰部材）２５、及び音響レンズ２６を具備している。

圧電振動子２１は、電気信号を受信して超音波に変換するとともに、超音波を受信して電気信号に変換するものである。この圧電振動子２１は、多数の圧電素子２１１により構成されている。

これら圧電素子２１１は短冊状をしており、ケース１０の軸心線と略直角な方向に対して所定間隔で配列されている。圧電素子２１１の素材としては、２成分系あるいは３成分系の圧電セラミックス等が用いられる。以降、圧電素子２１１の配列方向をアレイ方向とし、アレイ方向および上下方向と略直角な方向をレンズ方向とする。

圧電振動子２１の隙間、すなわち圧電素子２１１と圧電素子２１１との隙間には、圧電振動子２１の機械的強度を確保するための樹脂材（図示しない）が充填されている。樹脂材の素材としては、エポキシ樹脂等が用いられる。

各圧電素子２１１は、上端面にＧＮＤ用電極（電極）２１１ａ、下端面に信号用電極（電極）２１１ｂを備え、これら電極２１１ａ、２１１ｂ間に電気信号を印加することで、圧電素子２１１の軸心線の方向、すなわち上下方向に対して超音波を発生できるようになっている。

圧電振動子２１のレンズ方向の一側面には、各圧電素子２１１のＧＮＤ用電極２１１ａを電気的に共通化するための共通化電極２１２がアレイ方向の全域に亘って接合されている。前述したＦＰＣ３０のＧＮＤ配線３１は、この共通化電極２１２を介して各ＧＮＤ用電極２１１ａに接続され、ＦＰＣ３０の信号配線３２は、それぞれ各信号用電極２１１ｂに接続されている。

音響整合層２２は、圧電振動子２１と人体との間の音響インピーダンスを整合させるものである。この音響整合層２２は、圧電振動子２１の上側に配置され、多数の音響整合素子２２１により構成されている。

これら音響整合素子２２１は短冊状をしており、アレイ方向及びレンズ方向に対して、前記各圧電素子２１１と等しいピッチ間隔で配列されている。音響整合素子２２１の上下方向に対する厚さは、圧電振動子２１から送信される超音波の波長λの４分の１に設定されている。

音響整合層２２の隙間、すなわち音響整合素子２２１と音響整合素子２２１との隙間には、音響整合層２２の機械的強度を確保するための樹脂材（図示しない）が充填されている。樹脂材の素材としては、エポキシ樹脂等が用いられる。

なお、本実施形態では、音響整合素子２２１を１つの素材で構成しているが、材質の異なる２つの素材を用いて、音響インピーダンスが圧電素子２１１から人体に向かって段階的に変化するように構成してもよい。

ポリイミドフィルム２３は、圧電素子２１１相互の絶縁を確保するものである。このポリイミドフィルム２３は、圧電振動子２１と第１の背面材２４との間に介装されており、圧電振動子２１や音響整合層２２の隙間に対応する部分に溝部２３１を備えている。

なお、ポリイミドフィルム２３の熱伝導率は０．２［Ｗ／ｍＫ］程度であり、またポリイミドフィルム２３の音響インピーダンスは、３［Ｍｒａｙｌ］〜４［Ｍｒａｙｌ］程度である。

ポリイミドフィルム２３の厚さは、超音波の波長λの１０分の１以下、すなわちλ／１０以下に設定されている。例えば、音速が２２００［ｍ／ｓ］、超音波の周波数が５［ＭＨｚ］である場合、ポリイミドフィルム２３の厚さは４４［μｍ］以下となる。

第１の背面材２４は、圧電振動子２１で発生した超音波のうち下側、すなわち操作者の手元側に伝播してくる超音波を減衰して熱に変換するものである。この第１の背面材２４は、ポリイミドフィルム２３の下側に配置されている。

第１の背面材２４の素材としては、高い熱伝導率と導電性を有する、等方性黒鉛、金属、又はカーボンのフィラーあるいはファイバーを含む樹脂混合物等が用いられる。また、第１の背面材２４の音響インピーダンスとしては、超音波の収斂が良好な２［Ｍｒａｙｌ］〜７［Ｍｒａｙｌ］の範囲が好ましい。

そこで、本実施形態では、第１の背面材２４の素材として、熱伝導率が９０［Ｗ／ｍＫ］、音響インピーダンスが５［Ｍｒａｙｌ］である等方性黒鉛を用いている。これにより、トランスデューサ２０の熱が第１の背面材２４中を効率良く移送されるようになっている。

第２の背面材２５は、圧電振動子２１で発生した超音波のうち、第１の背面材２４で減衰し切れなかった超音波を減衰して熱に変換するものである。この第２の背面材２５は、第１の背面材２４の下側に配置されている。

第２の背面材２５の素材としては、酸化物フィラーを含む樹脂混合物が用いられる。また、第２の背面材２５の音響インピーダンスとしては、第１の背面材２４と第２の背面材２５の接合面における超音波の反射を防止するために、等方性黒鉛の音響インピーダンスと略等しい５［Ｍｒａｙｌ］に設定されている。

音響レンズ２６は、音響の屈折を利用して超音波ビームを収束させ、超音波の分解能を向上させるものである。この音響レンズ２６は、音響整合層２２の上側に全ての音響整合素子２２１を覆うように配置されている。

音響レンズ２６の素材としては、シリコーンゴム等が用いられる。また、音響レンズ２６の音響インピーダンスとしては、人体と音響レンズ２６の接触面における超音波の反射を防止するために、人体の音響インピーダンスに近い値に設定されている。

［ＦＰＣ３０］
ＦＰＣ３０は、トランスデューサ２０のレンズ方向の一側に配置されており、主にＧＮＤ配線３１と信号配線３２とによる平面２層構造となっている。これらＧＮＤ配線３１と信号配線３２は、ＦＰＣ３０の中途部で分離されており、各々の先端部にて共通化電極２１２と信号用電極２１１ｂに夫々接続されている。

［放熱板４０］
放熱板４０は、第１の背面材２４のレンズ方向の両側面に対して螺子（図示しない）等により接合されている。この放熱板４０は、第１の背面材２４の上下方向の中途部からケース１０の下部側に延設されており、ケース１０の下端部に最も接近したところで、ケーブル５０の端面から突出したのシールド線（後述する）５３に接続されている（図２参照）。放熱板４０の素材としては、熱伝導率が２００［Ｗ／ｍＫ］程度の銅が用いられる。

［ケーブル５０］
図４は同実施形態に係るケーブル５０の断面図である。

図４に示すように、ケーブル５０は、前記ブッシュ６０によりケース１０の下端部に保持されており、主に複数の信号線５１と、信号線５１の周囲を覆う樹脂材５２と、樹脂材５２の外周部に環状に配設された多数のシールド線５３と、シールド線５３の外側を覆う外皮５４とから構成されている。

シールド線５３は、信号線５１を外部のノイズから保護するためのものである。このシールド線５３は、ケーブル５０のケース１０側の端面から突出し、放熱板４０の下側部に接続されている。シールド線５３の素材としては、銅やアルミ等の導電性の高い金属が用いられる。

次に、前記構成の超音波探触子１の製造工程について簡単に説明する。

まず圧電振動ブロックと音響整合ブロックを用意する。なお、圧電振動ブロックは、ブロック状に形成された圧電材料にメッキまたはスパッタリングで電極を形成し、その後、圧電材料に分極処理を施したものである。

圧電振動ブロックと音響整合ブロックを用意したら、圧電振動子ブロックの一方の電極に音響整合ブロックを接合し、これら圧電振動ブロックと音響整合ブロックを所望の厚さ・寸法に加工する。

次に、圧電振動子ブロックの電極のうち、音響整合ブロックが接合された電極に対してＦＰＣ３０の信号配線３２を接続する。この状態では、ＦＰＣ３０の信号配線は１枚の薄膜状である。そして、圧電振動子ブロックを挟んで音響整合ブロックの反対側にポリイミドフィルム２３、第１の背面材２４、及び第２の背面材２５を順に接合し、音響整合ブロック側からポリイミドフィルム２３の中途部に至るまでダイシング加工を行う。

これにより、圧電振動子ブロックは複数の圧電素子２１１に分割されて圧電振動子２１となり、音響整合ブロックは複数の音響整合素子２２１に分割されて音響整合層２２となる。また、ポリイミドフィルム２３には複数の溝部２３１が形成される。さらに、ＦＰＣ３０の信号配線３２は、圧電振動子２１の圧電素子２１１ごとに分割される。

次に、圧電振動子２１のレンズ方向の一側面に共通化電極２１２を接合し、この共通化電極２１２を介して各ＧＮＤ用電極２１１ａとＦＰＣ３０のＧＮＤ配線３１とを接続する。

そして、圧電振動子２１及び音響整合層２２の隙間に樹脂材を充填した後、音響整合層２２を挟んで圧電振動子２１の反対側に音響レンズ６を接合する。以上で、前記構成のトランスデューサ２０が完成する。

次に、このトランスデューサ２０をケース１０内に収納し、第１の背面材２４のアレイ方向の両側面に放熱板４０を接合する。そして、ＦＰＣ３０とケーブル５０を接続するとともに、放熱板４０とケーブル５０のシールド線５３を接続する。以上で、本実施形態に係る超音波探触子１が完成する。

次に、前記構成の超音波探触子による作用について説明する。

本実施形態では、圧電振動子２１の下側に第１の背面材２４を配置し、その素材として熱伝導率の高い等方性黒鉛を用いている。そのため、トランスデューサ２０の熱が第１の背面材２４で滞ることなく放熱板４０に流入し、ケーブル５０のシールド線５３から迅速に放熱されるから、人体と接触する音響レンズ２６の温度上昇を抑制することができる。

その結果、超音波診断時に使用する送信電圧を高く設定することが可能となるから、生体深部の画像化を行う場合であっても、Ｓ／Ｎ比の良い高品質の超音波画像を取得することができる。

また、圧電振動子２１と第１の背面材２４の間にポリイミドフィルム２３を介装している。そのため、圧電素子２１１相互の絶縁が確保され、各圧電素子２１１に対して別々の電気信号を印加することができる。

しかも、ポリイミドフィルム２３の厚さを超音波の波長λの１／１０以下としている。そのため、送受信される超音波に対する音響的な影響が無視できる位に小さくできるから、本実施形態のように圧電振動子２１と第１の背面材２４との間にポリイミドフィルム２３を介装しても、超音波画像の品質を低下させることがない。

また、本実施形態では、第１の背面材２４の下側に、第１の背面材２４よりも高い減衰効果を有する第２の背面材２５を配置している。そのため、第１の背面材２４の素材が減衰効果の小さな素材であっても、圧電振動子２１からの超音波を第２の背面材２５で十分に減衰することができる。逆に言えば、本実施形態のように、第１の背面材２４の下側に第２の背面材２５を配置することで、第１の背面材２４の素材選択の幅を広げることが可能となる。

また、本実施形態では、第２の背面材２５の音響インピーダンスを第１の背面材２４の音響インピーダンスと等しい５［Ｍｒａｙｌ］としている。そのため、第１の背面材２４と第２の背面材２５の接合面における超音波の反射を防止することができる。

なお、本実施の形態では、ポリイミドフィルム２３の厚さをλ／１０以下としているが、音響整合層２２の厚さ以下、すなわちλ／４以下であれば、トランスデューサ２０の熱が音響レンズ２６側よりも背面材２４、２５側に伝わり易くなるから、超音波探触子１の人体と接触する部分の温度上昇を防止するという、本発明の目的を達成することが可能である。

また、本実施形態では、超音波を減衰するために、圧電振動子２１の下側に２つの背面材、すなわち第１の背面材２４と第２の背面材２５を配置しているが、本発明はこれに限定されるものではない。

すなわち、第１の背面材２４の素材として、熱伝導率が５００［Ｗ／ｍＫ］のカーボンファイバを含む樹脂混合物を用いれば、減衰係数が５［ｄＢ／ＭＨｚ・ｍｍ］程度まで上昇するから、第１の背面材２４だけで十分に超音波の減衰を行うことができる。

なお、カーボンファイバを含む第１の背面材２４の音響インピーダンスは、４［ＭＲａｙｌ］程度であり、熱伝導率は１０［Ｗ／ｍＫ］程度である。

次に、図５を用いて本発明の第２の実施形態について説明する。なお、ここでは第１の実施形態と同じ構成、作用については、その説明を省略する。

図５は本発明の第２の実施形態に係る超音波探触子１Ａの構成図である。

図５に示すように、本実施形態は、本発明の技術を二次元アレイ型の超音波探触子１Ａに適用した例である。二次元アレイ型の超音波探触子１Ａは、ケース１０内の基端側にトランスデューサ２０を駆動するための駆動回路７０を備えている。

このため、二次元アレイ型の超音波探触子１Ａを使用すると、この駆動回路７０から熱が発生し、超音波探触子１Ａが加熱されることがある。しかしながら、本実施形態のように、圧電振動子２１の下側にポリイミドフィルム２３を介して第１の背面材２４を配置し、この放熱板４０を介してケーブル５０のシールド線５３から熱を排出すれば、圧電素子２１１間の絶縁を確保したまま、駆動回路７０に起因するトランスデューサ２０の加熱も抑制することが可能となる。

その結果、超音波診断時に使用できる送信電圧を高く設定することができるから、生体深部を画像化する場合であっても、Ｓ／Ｎ比の良い高品質の超音波画像を取得することができる。

本発明は、前記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施の段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、前記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

すなわち、本発明の適用対象は、医用の超音波診断装置に限定されるものではなく、超音波探傷装置等の構造物（対象物）等の内部状態を画像化するものに適用してもよい。

本発明の第１の実施形態に係る超音波診断装置の概略図。 同形態に係る超音波探触子の構成図。 同実施形態に係るトランスデューサの斜視図。 同実施形態に係るケーブルの断面図。 本発明の第２の実施形態に係る超音波探触子の構成図。 従来の超音波トランスデューサの構成図。

符号の説明

１…超音波探触子、１Ａ…超音波探触子、２１…圧電振動子、２２…音響整合層、２３…ポリイミドフィルム（絶縁部材）、２４…第１の背面材（背面材）、２５…第２の背面材（減衰部材）、４０…放熱板（放熱部材）、２１１ａ…ＧＮＤ用電極（電極）、２１１ｂ…信号用電極（電極）。

Claims (6)

1. 互いに平行な二面に夫々電極を有し、前記二面と略直角な方向に対してアレイ分割され、対象物に対して超音波の送受信を行う圧電振動子と、
   前記圧電振動子に対して前記二面のうちの一面側に配置され、前記圧電振動子からの超音波を減衰させる背面材と、
   前記背面材に連結され、前記背面材の熱を放出する放熱部材とを備えた超音波探触子において、
   前記背面材は導電性を有し、前記圧電振動子と背面材との間には絶縁部材が介装され、アレイ分割による溝が前記絶縁部材の途中まで形成され、
   前記背面材を挟んで前記圧電振動子の反対側には、前記背面材よりも超音波の減衰効果が高い減衰部材が配置され、
   前記背面材は、カーボンのフィラーあるいはファイバーを含む樹脂混合物で形成され、音響インピーダンスが２Ｍｒａｙｌ〜７Ｍｒａｙｌの範囲である、
   ことを特徴とする超音波探触子。
2. 前記圧電振動子を挟んで前記背面材の反対側には、前記圧電振動子と前記対象物との間の音響インピーダンスを整合させる音響整合層が配置されており、前記絶縁部材の前記送受信方向への厚さは、前記音響整合層の前記送受信方向への厚さよりも小さいことを特徴とする請求項１記載の超音波探触子。
3. 前記絶縁部材の前記送受信方向への厚さは、前記超音波の波長の１／１０以下であることを特徴とする請求項１記載の超音波探触子。
4. 前記放熱部材は、前記背面材上であって前記圧電振動子と前記絶縁部材とから離間した位置に設けら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。
5. 前記減衰部材の音響インピーダンスは、前記背面材の音響インピーダンスと略等しいことを特徴とする請求項１記載の超音波探触子。
6. 超音波探触子を備えた超音波画像装置において、
   前記超音波探触子は、
   互いに平行な二面に夫々電極を有し、前記二面と略直角な方向に対してアレイ分割され、対象物に対して超音波の送受信を行う圧電振動子と、
   前記圧電振動子に対して前記二面のうちの一面側に配置され、前記圧電振動子からの超音波を減衰させる背面材と、
   前記背面材に連結され、前記背面材の熱を放出する放熱部材とを備え、
   前記背面材は導電性を有し、前記圧電振動子と背面材との間には絶縁部材が介装され、アレイ分割による溝が前記絶縁部材の途中まで形成され、
   前記背面材を挟んで前記圧電振動子の反対側には、前記背面材よりも超音波の減衰効果が高い減衰部材が配置され、
   前記背面材は、カーボンのフィラーあるいはファイバーを含む樹脂混合物で形成され、音響インピーダンスが２Ｍｒａｙｌ〜７Ｍｒａｙｌの範囲である、
   ことを特徴とする超音波画像装置。

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