JP5261152B2

JP5261152B2 - 超音波振動子

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Publication number: JP5261152B2
Application number: JP2008303063A
Authority: JP
Inventors: 正平佐藤; 貴之岩下; 隆司藤井
Original assignee: Hitachi Aloka Medical Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2008-11-27
Filing date: 2008-11-27
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2028-11-27
Also published as: JP2010125068A

Description

本発明は超音波振動子に関し、特に整合層の構造に関する。

アレイ振動子として、１Ｄアレイ振動子、１．５Ｄアレイ振動子、及び、２Ｄアレイ振動子、等が知られている。アレイ振動子は複数の振動素子を含み、それらによって超音波の送受波がなされる。アレイ振動子は、一般に、振動層と、振動層の上側（生体側）に設けられた複数の整合層と、振動層の下側（非生体側）に設けられたバッキングと、を有する。最上位の整合層の上側に音響レンズが設けられる場合もある。より詳しくは、振動層は、複数の振動素子によって構成される。複数の整合層は、振動層と生体との間において音響インピーダンスの段階的な整合を図るためのものであり、通常、２つ又は３つの整合層が設けられる。一般に、整合層は、複数の振動素子と同一の配列を有する複数の整合素子（複数の要素）で構成される。ここで、特に最上位（つまり最も生体に近い）整合層については、超音波振動子の特性を良好にするために、あるいは、それ固有の問題を解消するために、幾つかの技術が提案あるいは実用化されている。

第１の従来技術においては、最上位整合層が複数の振動子に対応した同一の配列で分割され、これによって複数の整合素子が構成される。各整合素子は、生体の音響インピーダンスに近い音響インピーダンスを有するエポキシ樹脂等のソリッド性（固体性）をもった材料で構成される。この第１の従来技術によると、最上位整合層が振動素子単位で分離されているので、音響的クロストークの問題を軽減でき、また、電子セクタ走査等で要求される指向角度特性を良好にできつまり指向角度を拡大できる。しかしながら、そのような構成の場合には、上記ソリッド性から、各整合素子において前後方向への超音波の伝搬に伴って横方向（水平方向）への振動（横振動）が生じやすくなる。その横振動の周波数が使用周波数帯域内に入ってくると、超音波振動子の周波数特性が劣化する。最上位の整合層は生体の音響インピーダンスに近い音響インピーダンスをもった材料で構成され、つまり音速の低い材料で構成されるので、上記横振動の周波数も低くなり、振動子の周波特性の劣化が無視できなくなる。

第２の従来技術として、最上位の整合層をソリッド性をもった単一層として構成することが考えられる。その構成によれば、横方向での共振現象を防止又は軽減できるから横振動の発生を抑制できる。しかしながら、その構成では分割構造が採用されていないために、指向角度を確保することが難しくなる。音響的クロストークの問題も生じやすい。

第３の従来技術として、最上位の整合層を単一のゴム系弾性層として構成することが考えられる。ゴム系材料では、前後方向への振動伝達に当たって横方向への振動が生じにくいことが知られている。このような構成により、クロストークの問題や横振動による周波数特性の劣化の問題を防止できる。しかし、この第３の従来技術の場合、ゴム系の材料を高い精度をもって厚さが均一の比較的大きな薄い層に成形するのが非常に難しいという加工上の問題が生じる。また、ゴム系材料によると、どうしても超音波の減衰が大きくなって感度が低下してしまう。

特開昭６１−２６５１２９号公報特開平１１−１５５８５７号公報特開２００３−３３３６９４号公報

以上のように、第１乃至第３の従来技術にはそれぞれ一長一短があり、それらは、最上位整合層での横振動の防止又は軽減、良好な指向特性の実現（音響的なクロストークの防止又は軽減）、加工の容易性、減衰を少なくする、といった複数の要望を同時に満たすものではない。上記特許文献１には、整合層において整合素子の音響インピーダンスと素子間の分離材の音響インピーダンスとの差を大きくした構成、特に後者をかなり小さいものとする構成が開示されている。これは上記第１の従来技術に相当するものである。上記特許文献２には、かなり複雑な構造をもった異方性を有する整合層が開示されている。この構成では加工コストがかなり高まることが危惧される。上記特許文献３には振動素子間の分離溝と整合素子間の分離溝とに異なる分離材を充填することが開示されている。しかし、以下に説明する本発明の特徴的構成はそれらの文献には何ら開示されていない。

本発明の目的は、良好な特性を有する超音波振動子を提供することにある。

本発明の他の目的は、横振動を抑制でき、指向特性を良好にでき、良好な加工性を得られ、しかも減衰の問題も軽減できる、実用的な価値の高い高機能型整合層を実現することにある。

本発明は、生体の超音波診断に用いられる超音波振動子において、複数の振動素子を有する振動層と、前記振動層の上面側に設けられた複合整合層と、を含み、前記複合整合層は、前記複数の振動素子に対応した配列を有し、第１弾性率及び第１音響インピーダンスを有する非ゴム系高分子材料により構成された複数の整合素子と、前記複数の整合素子における素子相互間に形成された複数の分離溝内に設けられ、前記第１弾性率よりも小さい第２弾性率、及び、前記第１音響インピーダンスと同等の第２音響インピーダンスを有するゴム系材料により構成された複数の分離材と、を含むことを特徴とする超音波振動子に関する。

上記構成によれば、複合整合層が複数の整合素子と複数の整合素子間に設けられた複数の分離材とで構成され、ここで前者と後者の音響インピーダンスが同等であるので、複合整合層全体として、単一整合層のような振る舞いを期待でき、特に横振動が生じにくい（その面では一枚のゴム層と同等の利点を得られる）。横振動が生じても弾性作用をもった各分離材の働きによってその伝搬つまり音響的クロストークを効果的に低減できるし、周波数特性の悪化も防止又は軽減できる（その面では分割タイプの整合層の利点を維持できる）。しかも、各整合素子は弾性率の高いつまり固体性の高いものとして構成可能であるので、そこでの感度低下を防止又は軽減できる（ソリッド型整合層の利点を発揮させることができる）。更に、均一の薄い大きなゴム層を形成する際の製作上の困難性は生じないので製作コストを低減できる。このように、本願発明の構成によれば、第１乃至第３の従来例で説明した方式のそれぞれの利点をそのまま得つつ、それぞれの欠点を克服できるから、極めて実用性の高い超音波振動子を提供できる。なお、整合素子と分離材の音響インピーダンスの差は実用上の観点から見て例えば１０％以内であるのが望ましく、特に望ましくは数％以内であるのが望ましい。弾性率は変形のし難さを表す指標であり、ヤング率、剛性係数、等の公知パラメータによって表現されるものであってもよい。望ましくは、非ゴム系材料は、比較的に見て硬いエポキシ樹脂等の高分子材料（ソリッド性材料）であり、ゴム系高分子材料は、比較的に見て柔らかい高分子材料であり、ゴム材又はそれを基材として添加剤を添加したもの（弾性材料）である。その詳細については後述する。

望ましくは、前記振動層の生体側には複数の整合層が設けられ、前記複数の整合層の内で生体側にもっとも近い整合層が前記複合整合層である。最上位整合層の場合、音響インピーダンスが整体のそれに近くなるので、上述のように横振動に伴う周波数特性の悪化を生じやすいので、上記複合整合層の構成を採用するのが望ましい。

望ましくは、前記複合整合層は、前記複数の整合素子における素子相互間の上部に設けられ素子相互間を一体的に連絡する複数の連絡部を有し、前記複数の連絡部の下方に前記複数の分離材が設けられる。この構成によれば、連絡部による繋がり関係から、境界でのエッジ波効果を低減できる。望ましくは、前記複合整合層の生体側には前記複合整合層の上面側全体を覆う薄膜が設けられる。この構成によっても、境界でのエッジ波の発生を低減できる。

望ましくは、前記複数の整合素子の配列は前記複数の振動素子の配列と同一である。あるいは、望ましくは、前記複数の整合素子を構成する各整合素子が２以上の振動素子に跨って設けられる。

また、本発明は、生体の超音波診断に用いられる超音波振動子において、複数の振動素子を有する振動層と、前記振動層の上面側に設けられ、上側整合層と下側整合層とを含む複数の整合層と、を含み、前記下側整合層は、前記複数の振動素子に対応した配列を有し、第１音響インピーダンスを有する複数の下側整合素子と、前記複数の下側整合素子における素子相互間に形成された複数の下側分離溝内に設けられ、前記第１音響インピーダンスよりも小さい第２音響インピーダンスを有する複数の下側分離材と、を含み、前記上側整合層は、前記複数の振動素子に対応した配列を有し、第１弾性率を有すると共に、前記第１音響インピーダンスよりも小さく且つ前記第２音響インピーダンスよりも大きい第３音響インピーダンスを有する、非ゴム系高分子材料で構成された複数の上側整合素子と、前記複数の上側整合素子における素子相互間に形成された複数の上側分離溝内に設けられ、前記第１弾性率よりも小さい第２弾性率を有すると共に、前記第３音響インピーダンスと同等の第４音響インピーダンスを有する、ゴム系材料により構成された複数の上側分離材と、を含むことを特徴とする超音波振動子に関する。

以上説明したように、本発明によれば、良好な特性を有する超音波振動子を提供できる。あるいは、本発明によれば、横振動を抑制でき、指向特性を良好にでき、良好な加工性を得られ、しかも減衰の問題も軽減できる、実用的な価値の高い高機能型整合層を実現できる。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。

図１には、本発明に係る超音波振動子の好適な実施形態が示されており、図１はその要部構成を示す断面図である。この超音波振動子はアレイ振動子であり、超音波振動子は図示されていない超音波探触子ケース内に配置される。超音波探触子は、超音波診断装置本体に接続され、超音波の送受波により受信信号を得るものである。体表に当接される超音波探触子の他、体腔内に挿入される超音波探触子が知られている。

図１において、図示されるアレイ振動子は、１Ｄアレイ振動子、１．５Ｄアレイ振動子、２Ｄアレイ振動子等である。アレイ振動子に適用される電子走査方式としては、電子セクタ走査、電子リニア走査等が知られている。

振動層１０は、複数の振動素子１１を有する。図１においては、Ｘ方向が素子配列方向すなわちアレイ方向であり、複数の振動素子１１がＸ方向に整列している。なお、Ｚ方向は積層方向であり、当該方向は超音波の送受波が行われる方向である。ちなみにＸ方向に直交するもう１つの水平方向としてＹ方向（素面に垂直な方向）が示されており、そのＹ方向は１Ｄアレイ振動子においてはエレべーション方向である。

複数の振動素子１１は例えば圧電材料により構成される。振動層１０の上側には第１整合層１４が形成されている。第１整合層１４は複数の整合素子１５を有するものである。図１に示す構成では、複数の振動素子１１と複数の整合素子１５が１対１の対応関係にある。このことは、次に説明する第２整合層１６についても同様であるが、本実施形態において、第２整合層１６は特別な構成をもった複合整合層を構成している。

第２整合層である複合整合層１６について説明すると、複合整合層１６は、複数の整合素子１７と素子間に設けられた複数の分離材１８とで構成される。各整合素子１７は本実施形態においてソリッド材料（固体材料）により構成され、換言すれば、硬いエポキシ樹脂等のソリッド性材料である非ゴム系高分子材料により構成されている。一方、各分離材１８は、各溝内に充填された材料であって、本実施形態においてはゴム系材料によって構成されている。そのゴム系材料としては、ゴム系の素材を基材として金属化合物の粉体を混入することにより製造された材料をあげることができる。その場合、基材としては、シリコーン、ポリウレタン等をあげることができ、金属化合物としては、桂化タングステン、炭化タングステン、アルミナ等をあげることができる。基材に対する添加剤すなわち粉体の量を調整することにより、所望の音響インピーダンスを実現することができる。添加剤としては比較的比重の大きい材料を用いるのが望ましく、その添加量を調整することにより上記のように所望の音響インピーダンスを実現できる。なお、ゴム系材料（弾性ゴム）は、一般に、ヤング率（１．５〜５．０）×１０⁶（Ｅ／Ｐａ）、ずれ弾性率３．０３×１０¹⁰（Ｇ／Ｐａ）、ポアソン比０．４６〜０．４９、といったパラメータで特定されることが知られている。分離材１８において用いるゴム系材料として、上記パラメータの範囲又は近傍の数値の材料を用いるのが望ましい。

本実施形態においては、整合素子１７の音響インピーダンスと、分離剤１８の音響インピーダンスとが実質的に同一とされている。望ましくは、それらの音響インピーダンスの差が１０％以内になるように設定されており、特に望ましくはその差が数％以内になるように設定されている。したがって、音響インピーダンスという観点から見た場合、複合整合層１６はそれ全体としてあたかも単一の整合層が存在しているかのように振る舞う。この場合、整合素子１７における横振動（配列方向の振動）は、隣接する分離材１８に伝播し、その伝播過程で低レベルに減らされて、この横振動による、振動子としての周波数特性への影響は極めて軽微になる。横振動が各分離剤１８への伝播によって抑制されることが図１において符号１００，１０２で表されている。その一方、各整合素子１７と各分離材１８との間において弾性率が異なっているので、従来の分割型の整合層と同等の利点を発揮させることが可能である。本実施形態では、各整合素子１７の弾性率よりも各分離材１８の弾性率の方が小さくなるように設定されている。つまり各整合素子１７は比較的堅い層として存在し、一方、各分離剤１８は比較的柔らかい層として存在している。特に、分離材１８がゴム系の材料によって構成されているため、整合素子１７を通過する縦波の隣接素子への伝播を抑制できる。つまり、整合素子１７の配列方向の指向性を、整合素子１７が分離されない場合に比べて拡大できるという利点が得られる。ちなみに、符号１０６は指向角を模式的に表している。

本実施形態では、各整合素子１７が非ゴム系高分子材料により構成され、すなわちソリッド層として構成されているため、そこでの超音波伝播に伴う減衰を少なくでき、すなわち感度を高められるという利点がある。それが図１において符号１０４で模式的に示されている。

各分離材１８は複合整合層１６に形成された各溝内に充填されたものであり、それらの溝の直下にはそれぞれ分離溝２２が存在し、その分離溝２２内には従来同様の分離材２４が充填されている。この分離材２４は、隣接する素子間における音響的なクロストークを防止又は低減するものである。分離溝２２の底面レベルはバッキング１２の上層内に達しており、振動素子間における音響的なクロストークが効果的に抑制されている。ちなみに、分離材２４の音響インピーダンスは整合素子１７及び分離材１８が有する音響インピーダンスよりも小さく設定されている。

なお、符号２０は音響レンズを表しており、本実施形態においては音響レンズ２０が従来同様にゴム系の材料によって形成されている。

次に、図２を用いて各層の音響インピーダンス等の関係について説明する。なお、図２の構成においては３つの整合層２６,２８,３０が存在しており、ここで生体にもっとも近い整合層が複合整合層３０である。

振動層１０を構成する各振動素子の音響インピーダンスがＺ１であり、整合層２６を構成する各整合素子の音響インピーダンスがＺ２であり、整合層２８を構成する各整合素子の音響インピーダンスがＺ３であり、複合整合層３０を構成する整合素子の音響インピーダンスがＺ４であり、その整合素子の弾性率がＥ１である。複合整合層３０における分離材の音響インピーダンスがＺ５であり、その弾性率がＥ２である。更に、素子間に形成された分離溝内の分離材の音響インピーダンスがＺ６であり、音響レンズ２０の音響インピーダンスがＺ７である。

以上を前提として各音響インピーダンスの関係について説明すると、例えば、Ｚ１は３０ＭＲａｙｌｓである。Ｚ２は８−１５ＭＲａｙｌｓである。Ｚ３は４−８ＭＲａｙｌｓである。Ｚ４は２−３ＭＲａｙｌｓである。Ｚ５は上述したようにＺ４と等価であり、それは実質的に同一であるとみなしてよい。Ｚ６は０−０．５ＭＲａｙｌｓである。Ｚ６はＺ５及びＺ４の数分の１である。Ｚ７は例えば１．５ＭＲａｙｌｓである。また弾性率について見ると、Ｅ２はＥ１よりも小さく、すなわちＥ１の方が変形し難い性質を有する。図２においては３つの整合層が積層されたタイプのアレイ振動子が示されていたが、上述した音響インピーダンスの関係及び弾性率の関係は図１に示した構成においても同様に成り立つものである。すなわち、本実施形態においては、複合整合層を構成する整合素子の音響インピーダンスと分離材の音響インピーダンスが実質的に揃えられており、同時に、整合素子の弾性率よりも分離材の弾性率の方が小さく設定されている。特に、単に弾性率が低いというだけではなく、分離材としてゴム系材料が利用されているために上述したように横振動の発生を効果的に抑制できるという利点が得られている。なお、上記の各数値は例示である。

図３には、他の実施形態が示されている。なお、図１に示した構成と同様の構成には同一符号を付し、その説明を省略する。これは他の図においても同様である。

図３において、複合整合層１６Ａは図１に示した実施形態と同様に複数の整合素子１７Ａと複数の分離材１８Ａとを有するが、図示されるように隣接する整合素子１７Ａ間において両者がその上部で連なっており連絡部３０が構成されている。このような構成によれば境界での特別は波（エッジ波）の発生を効果的に抑制できるという利点がある。

そのような利点は図４及び図５に示す各実施形態においても得ることが可能である。すなわち、図４に示す実施形態においては、複合整合層１６の生体側に単一層として薄板部３２が設けられており、その薄板部３２の音響インピーダンスは、複合整合層１６における整合素子の音響インピーダンス又は音響レンズ２０の音響インピーダンスと同等である。このような構成によってもエッジ波の発生を抑制できる。また、薄板部３２は、ソリッド（固体）であることが望ましい。

図５に示す実施形態においては、複合整合層１６Ｃにおいて、各分離材１８Ｃの上部に固体目詰め材３４が設けられ、すなわち、各固体目詰め材３４によってそれらの両側の整合素子が実質的に上部で連なったような構成が実現されている。この場合において、固体目詰め材の音響インピーダンスは複合整合層を構成する整合素子の音響インピーダンスと必ずしも同等でなくてよい。

図６に示す実施形態においては、基本的構成において図１に示した実施形態と同様であるが、各整合素子１７Ｄが２つの振動素子１１に跨って設けられている。隣接整合素子間には分離材１８Ｄが設けられている。もちろん、３つあるいは４つの振動子毎に１つの整合素子が設けられるようにしてもよい。ただし、あまり整合素子の水平方向の形態を増大させると、上述した各種の利点が失われることもあるため、具体的な用途等に応じてアレイ振動子の構造すなわち複合整合層の構造を定めるのが望ましい。

本発明に係る超音波振動子の好適な実施形態を示す断面図である。音響インピーダンスの関係を示す説明図である。第２実施形態に係るアレイ振動子を示す断面図である。第３実施形態に係るアレイ振動子の断面図である。第３実施形態のアレイ振動子を示す断面図である。第４実施形態のアレイ振動子を示す断面図である。

符号の説明

１０振動層、１１振動素子、１２バッキング、１４整合層、１５整合素子、１６複合整合層、１７整合素子、１８分離材、２０音響レンズ。

Claims

生体の超音波診断に用いられる超音波振動子において、
複数の振動素子を有する振動層と、
前記振動層の上面側に設けられた複合整合層と、
を含み、
前記複合整合層は、
前記複数の振動素子に対応した配列を有し、第１弾性率及び第１音響インピーダンスを有する非ゴム系高分子材料により構成された複数の整合素子と、
前記複数の整合素子における素子相互間に形成された複数の分離溝内に設けられ、前記第１弾性率よりも小さい第２弾性率、及び、前記第１音響インピーダンスと同等の第２音響インピーダンスを有するゴム系材料により構成された複数の分離材と、
を含むことを特徴とする超音波振動子。
請求項１記載の超音波振動子において、
前記振動層の生体側には複数の整合層が設けられ、
前記複数の整合層の内で生体側にもっとも近い整合層が前記複合整合層である、
ことを特徴とする超音波振動子。
請求項２記載の超音波振動子において、
前記複合整合層は、前記複数の整合素子における素子相互間の上部に設けられ素子相互間を一体的に連絡する複数の連絡部を有し、
前記複数の連絡部の下方に前記複数の分離材が設けられた、ことを特徴とする超音波振動子。
請求項２記載の超音波振動子において、
前記複合整合層の生体側には前記複合整合層の上面側全体を覆う薄膜が設けられた、ことを特徴とする超音波振動子。
請求項１記載の超音波振動子において、
前記複数の整合素子の配列は前記複数の振動素子の配列と同一である、ことを特徴とする超音波振動子。
請求項１記載の超音波振動子において、
前記複数の整合素子を構成する各整合素子が２以上の振動素子に跨って設けられた、ことを特徴とする超音波振動子。
生体の超音波診断に用いられる超音波振動子において、
複数の振動素子を有する振動層と、
前記振動層の上面側に設けられ、上側整合層と下側整合層とを含む複数の整合層と、
を含み、
前記下側整合層は、
前記複数の振動素子に対応した配列を有し、第１音響インピーダンスを有する複数の下側整合素子と、
前記複数の下側整合素子における素子相互間に形成された複数の下側分離溝内に設けられ、前記第１音響インピーダンスよりも小さい第２音響インピーダンスを有する複数の下側分離材と、
を含み、
前記上側整合層は、
前記複数の振動素子に対応した配列を有し、第１弾性率を有すると共に、前記第１音響インピーダンスよりも小さく且つ前記第２音響インピーダンスよりも大きい第３音響インピーダンスを有する、非ゴム系高分子材料により構成された複数の上側整合素子と、
前記複数の上側整合素子における素子相互間に形成された複数の上側分離溝内に設けられ、前記第１弾性率よりも小さい第２弾性率を有すると共に、前記第３音響インピーダンスと同等の第４音響インピーダンスを有する、ゴム系材料により構成された複数の上側分離材と、
を含むことを特徴とする超音波振動子。