JP5691627B2 - 超音波探触子及び超音波診断装置 - Google Patents
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Description
本発明は、超音波を送信又は受信する超音波探触子、及び被検体からの反射波に基づいて被検体内部の超音波画像を生成する超音波診断装置に関する。
超音波は、通常、１６０００Ｈｚ以上の音波をいい、非破壊、無害及び略リアルタイムでその内部を調べることが可能なことから、欠陥の検査や疾患の診断等の様々な分野に応用されている。その一つに、被検体内を超音波で走査し、被検体内から伝搬する超音波の反射波から生成した受信信号に基づいて被検体内の内部状態を画像化する超音波診断装置がある。この超音波診断装置は、医療用では、他の医療用画像装置に較べて小型で安価であり、そしてＸ線等の放射線被爆が無く安全性が高いこと、また、ドップラ効果を応用した血流表示が可能であること等の様々な特長を有している。このため、超音波診断装置は、循環器系（例えば心臓の冠動脈等）、消化器系（例えば胃腸等）、内科系（例えば肝臓、膵臓及び脾臓等）、泌尿器系（例えば腎臓及び膀胱等）及び産婦人科系等で広く利用されている。
超音波診断装置には、被検体に対して超音波を送受信する超音波探触子が用いられている。超音波探触子は、圧電現象を利用することによって、送信の電気信号に基づいて機械振動して超音波を発生し、被検体内部で音響インピーダンスの不整合によって生じる超音波の反射波を受けて受信の電気信号を生成する複数の圧電素子を備え、これら複数の圧電素子が例えば１次元アレイ状や２次元アレイ状に配列されて構成されている。
近年では、超音波探触子から被検体内へ送信された超音波の周波数（基本周波数）成分ではなく、その高調波成分によって被検体内の内部状態の画像を形成するハーモニックイメージング（Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｉｍａｇｉｎｇ）技術が研究開発されている。ハーモニックイメージング技術は、基本周波数成分のレベルに比較してサイドローブレベルが小さく、Ｓ／Ｎ比（Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ）が良くなってコントラストが向上すること、周波数が高くなることによってビーム幅が細くなって横方向分解能が向上すること、近距離では音圧が小さくて音圧の変動が少ないために多重反射が抑制されること、及び、焦点以遠の減衰が基本波並みであり高周波を基本波とする場合に較べて深度を大きく取れること等の様々な利点を有している。（例えば、特許文献１，２参照）。
かかる高調波成分を利用する場合には、超音波探触子自体の帯域を広げる必要があり、幾つかの技術が提案されている。例えば、２層積層型圧電振動子を構成する各圧電層を、モノリシック材（バルク）から、圧電体と非圧電体とから構成されるコンポジット材に変更すると送受信における超音波の帯域が広がることが示されている。（非特許文献１参照）。一方で、コンポジット材から構成される圧電層の積層に関しては位置合わせの重要性が示されている。（非特許文献２，３参照）
ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣＳ，ＦＥＲＲＯＥＬＥＣＴＲＩＣＳ，ＡＮＤ ＦＲＥＱＵＥＮＣＹ ＣＯＮＴＲＯＬ， ＶＯＬ．４６， ＮＯ．４， ｐｐ．９６１−９７１， ＪＵＬＹ １９９９
２００３ ＩＥＥＥ ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣＳ ＳＹＭＰＯＳＩＵＭ ｐｐ．２００７−２０１０
２００４ ＩＥＥＥ ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣＳ ＳＹＭＰＯＳＩＵＭ ｐｐ．６３０−６３３
非特許文献２，３には、良好な圧電性能を得るには、圧電体と非圧電体とが交互に配列したコンポジット材からなる圧電層を積層する際の位置合わせが非常に重要であって、コンポジット材の構成にもよるが積層される２つの圧電層における圧電体の位置が数十μｍのずれることで、送受信における超音波の帯域、感度、すなわち圧電性能が大きく劣化することが示されている。このようなコンポジット材を積層した積層型圧電振動子における位置ずれ量は積層型圧電振動子毎に異なるため、圧電性能も積層型圧電振動子毎にばらつくことになる。
一方、圧電層を積層する際、圧電体の相対的な位置ずれを数十μｍ以下に抑える作製方法は、例えばアライナーなどを用いて積層することで得られるが、後続の接着プロセスまで行える装置には、高額な設備費用を要するため、位置ずれを数十μｍ以下に抑えたコンポジット材を積層した積層型圧電振動子の作製は高コストなものとなってしまう。
従って、低コストでバラツキなく均一な圧電性能を有するようにコンポジット材を積層した積層型圧電振動子を作製することは非常に難しく、超音波探触子、ひいては超音波診断装置を、製品としての一定の再現性・信頼性を有するよう作製することは非常に困難である。
そこで、本発明は、圧電性能のばらつきの小さい積層型圧電振動子を備えた超音波探触子及び超音波診断装置を低コストで提供することを目的とする。
前述の目的は、下記に記載する発明により達成される。
１．超音波を送信又は受信する圧電部を有する超音波探触子であって、
前記圧電部は、複数の圧電層が、電極を介して超音波の送受信方向に積層されたものであり、
前記複数の圧電層は、それぞれ、圧電体と非圧電体とが、超音波の送受信方向に垂直な方向に交互に並列に配列され、
前記複数の圧電層のうち少なくとも１つの圧電層は、前記複数の圧電層のうち他の１つ
の圧電層と、前記圧電体と前記非圧電体の配列の方向が異なることを特徴とする超音波探
触子。
前記圧電部は、複数の圧電層が、電極を介して超音波の送受信方向に積層されたものであり、
前記複数の圧電層は、それぞれ、圧電体と非圧電体とが、超音波の送受信方向に垂直な方向に交互に並列に配列され、
前記複数の圧電層のうち少なくとも１つの圧電層は、前記複数の圧電層のうち他の１つ
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触子。
２．前記圧電部はＮ層の前記圧電層が積層されたものであり、
前記Ｎ層の前記圧電層は、前記圧電体と前記非圧電体の配列の方向が、互いに１８０／Ｎ［°］ずつ異なることを特徴とする前記１に記載の超音波探触子。
前記Ｎ層の前記圧電層は、前記圧電体と前記非圧電体の配列の方向が、互いに１８０／Ｎ［°］ずつ異なることを特徴とする前記１に記載の超音波探触子。
３．前記圧電部が、一次元アレイ状又は二次元アレイ状に複数配列していることを特徴とする前記１又は２に記載の超音波探触子。
４．前記圧電部が、一次元アレイ状に複数配列し、
積層された複数の前記圧電層のうち少なくとも１組の圧電層は、前記圧電体と前記非圧電体の配列の方向の対称軸が、複数の前記圧電部の配列方向と平行であることを特徴とする前記３に記載の超音波探触子。
積層された複数の前記圧電層のうち少なくとも１組の圧電層は、前記圧電体と前記非圧電体の配列の方向の対称軸が、複数の前記圧電部の配列方向と平行であることを特徴とする前記３に記載の超音波探触子。
５．被検体に超音波を送信し前記超音波が被検体において反射して生成された反射超音波を受信して電気信号に変換する圧電部を有する超音波探触子と、
前記圧電部により変換された電気信号から前記被検体内の超音波画像を生成する画像処理部と、を有し、
前記超音波探触子は、前記１から４のいずれか１項に記載の超音波探触子であることを特徴とする超音波診断装置。
前記圧電部により変換された電気信号から前記被検体内の超音波画像を生成する画像処理部と、を有し、
前記超音波探触子は、前記１から４のいずれか１項に記載の超音波探触子であることを特徴とする超音波診断装置。
６．前記圧電部により変換された電気信号に含まれる高調波成分を抽出するための高調波抽出部を有し、
前記画像処理部は、前記高調波成分から前記被検体内の超音波画像を生成することを特徴とする前記５記載の超音波診断装置。
前記画像処理部は、前記高調波成分から前記被検体内の超音波画像を生成することを特徴とする前記５記載の超音波診断装置。
積層するコンポジット材の相対的な位置ずれによる圧電性能の変動が抑制されるため、圧電性能のばらつきの小さい積層型圧電振動子を備えた超音波探触子及び超音波診断装置を低コストで提供できる。
以下に本発明の実施形態を図面により説明するが、本発明は以下に説明する実施形態に限られるものではない。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。
図１は、実施形態に係る超音波診断装置Ｓの外観構成を示す概要図である。図２は、実施形態に係る超音波診断装置Ｓの電気的な構成を示すブロック図である。図３は、実施形態に係る超音波診断装置Ｓの超音波探触子２に備えられる振動部３０の構成を示す概要図である。
超音波診断装置Ｓは、図１及び図２に示すように、図略の生体等の被検体Ｈに対して超音波を送信すると共に、被検体Ｈで反射した超音波の反射超音波を受信する超音波探触子２と、超音波探触子２とケーブル３を介して接続され、超音波探触子２へケーブル３を介して電気信号の送信信号を送信することによって超音波探触子２に被検体Ｈに対して超音波を送信させると共に、超音波探触子２で受信された被検体Ｈ内からの反射超音波に応じて超音波探触子２で生成された電気信号の受信信号に基づいて被検体Ｈ内の内部状態を超音波画像として医用画像に画像化する超音波診断装置本体１とを備えて構成される。
超音波診断装置本体１には、超音波探触子２を使用しない時に、超音波探触子２を保持させておく超音波探触子フォルダ４が備えられている。
超音波診断装置本体１は、例えば、図２に示すように、操作入力部１１と、送信部１２と、受信部１３と、画像処理部１５と、表示部１６と、制御部１７と、記憶部１９と、を備えて構成されている。
操作入力部１１は、例えば、診断開始を指示するコマンドや被検体Ｈの個人情報等のデータを入力するものであり、例えば、複数の入力スイッチを備えた操作パネルやキーボード等である。
送信部１２は、制御部１７の制御に従って、後述する圧電部３８を駆動する電気信号である送信信号を生成する。また、超音波探触子２内の圧電部３８へ、ケーブル３を介して送信信号を供給し、超音波探触子２に超音波を発生させる。送信部１２は、例えば、高電圧のパルスを生成する高圧パルス発生器等を備えて構成される。
受信部１３は、制御部１７の制御に従って、超音波探触子２からケーブル３を介して電気信号である受信信号を受信する。そして該電気信号から高調波成分を抽出し、また所定の信号処理を施す高調波抽出部としての回路を有す。
画像処理部１５は、制御部１７の制御に従って、受信部１３で信号処理された受信信号に基づいて超音波画像を生成する回路である。例えば、受信信号に対して包絡線検波処理を施すことにより、反射超音波の振幅強度に対応したＢモード信号を生成する。また、ハーモニックイメージング技術を用いる場合には、受信部１３の高調波抽出部で抽出された高調波成分から被検体内の超音波画像を生成する。
記憶部１９はＲＡＭやＲＯＭで構成され、制御部１７に用いられるプログラムが記録され、また、表示部１６で表示する各種画像のテンプレートが記録されている。
制御部１７は、例えば、マイクロプロセッサ、記憶素子及びその周辺回路等を備えて構成され、これら操作入力部１１、送信部１２、受信部１３、画像処理部１５、表示部１６、記憶部１９を当該機能に応じてそれぞれ制御することによって超音波診断装置Ｓの全体制御を行う回路である。
表示部１６は、制御部１７の制御に従って、画像処理部１５で生成された超音波画像を表示する装置である。表示部１６は、例えば、ＣＲＴディスプレイ、ＬＣＤ、ＥＬディスプレイ及びプラズマディスプレイ等の表示装置やプリンタ等の印刷装置等である。
超音波探触子２は、振動部３０を備える。振動部３０は、図略の生体等の被検体Ｈに対して超音波を送信すると共に、被検体Ｈからの反射超音波を受信する。振動部３０は、図３に示すように、圧電部３８と、音響整合層３３と、音響レンズ３４と、ＦＰＣ３５と、バッキング層３６と、固定板３７とを有する。
圧電部３８は、圧電現象を利用することによって電気信号と超音波との間で相互に信号を変換するものである。圧電部３８は、超音波診断装置本体１の送信部１２からケーブル３を介して入力された送信信号の電気信号を超音波へ変換して超音波を送信すると共に、受信した反射超音波を電気信号へ変換してこの電気信号（受信信号）を、ケーブル３を介して超音波診断装置本体１の受信部１３へ出力する。超音波探触子２が被検体Ｈに当接されることによって圧電部３８で生成された超音波が被検体Ｈ内へ送信され、被検体Ｈ内からの反射超音波が圧電部３８で受信される。圧電材料には無機材料や有機材料が使用される。
圧電部３８の詳細については後述する。音響整合層３３は第１音響整合層３３１と、第２音響整合層３３２とを有する。
音響整合層３３は、圧電部３８の音響インピーダンスと被検体Ｈの音響インピーダンスの中間の値の音響インピーダンスを備えることで、圧電部３８から送信される超音波を被検体Ｈに送信する際に、圧電部３８と被検体Ｈとの音響インピーダンスの差に応じて生じる反射超音波を軽減する機能を有し、圧電部３８で生じた超音波を被検体Ｈへ、また被検体Ｈ内で反射した超音波を圧電部３８へ効率良く伝達することができる。
第１音響整合層３３１と第２音響整合層３３２の二つの音響整合層を備えることで、音響整合層が一つに場合に比べて、圧電部３８と被検体Ｈの音響インピーダンスを滑らかに変化することができ、圧電部３８と被検体Ｈの間で生じる反射超音波の大きさをより軽減することができる。なお、圧電部３８から被検体Ｈへ音響インピーダンスが徐々に近づいていくように３層以上の音響整合層を形成すれば、さらに反射超音波の大きさを軽減できることは言うまでもない。
音響レンズ３４は、圧電部３８から送信される超音波を測定箇所へ向けて集束させる機能を有する。
ＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔｓ）３５はフレキシブルプリント基板であり、超音波探触子を電気的に制御するための回路が形成されている。
バッキング層３６は、超音波を吸収する材料から構成された部材であり、圧電部３８からバッキング層３６方向へ放射される超音波を吸収するものである。
バッキング層３６は、不要な超音波を吸収し得る超音波吸収体である。バッキング層３６に用いられるバッキング材としては、天然ゴム、フェライトゴム、シリコン樹脂、エポキシ樹脂、塩化ビニル、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）、ＡＢＳ樹脂、ポリウレタン（ＰＵＲ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡＬ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴＰ）、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ）ポリエチレングリコール、ポリエチレンテレフタレート−ポリエチレングリコール共重合体などの熱可塑性樹脂などに、酸化タングステンや酸化チタン、フェライト等の金属化合物の粉末やマコールガラス粉末等の無機物性の粉末を入れてプレス成形したゴム系複合材や樹脂複合材を用いることができる。
好ましいバッキング材としては、ゴム系複合材及びまたはエポキシ樹脂複合材からなるものであり、その形状は圧電体や圧電体を含むプローブヘッドの形状に応じて、適宜選択することができる。
バッキング材の厚さは、概ね１〜１０ｍｍが好ましく、特に１〜５ｍｍであることが好ましい。
固定板３７は、バッキング層３６を固定し、超音波探触子２に剛性を持たせたり、加工時に固定したりする機能を有するものである。
次いで、圧電部３８について詳しく説明する。図４は、圧電部３８ａの斜視図である。
図５は、圧電層３８ａ１，３８ａ２，３８ａ３各層の斜視図である。
図４に示すように、圧電部３８ａは３つの圧電層３８ａ１，３８ａ２，３８ａ３が積層された積層型圧電振動子である。圧電層３８ａ１，３８ａ２，３８ａ３は積層される界面に接着剤が塗布されることで固定されている。
各圧電層３８ａ１，３８ａ２，３８ａ３は、圧電体４２と非圧電体４４とが交互に配列したコンポジット材（２−２コンポジット材）であって、圧電体４２と非圧電体４４とを一組としたピッチをｔとして、それぞれ所定の方向に周期性をもって、圧電体４２と非圧電体４４とが１次元状に交互に並列されている。
図５に示すように、各圧電層３８ａ１，３８ａ２，３８ａ３は、圧電体４２と非圧電体４４の配列する方向が互いに６０度だけ異なるように配置されている。
圧電層３８ａ１と圧電層３８ａ２と圧電層３８ａ３とをこのように配置すると、各圧電層の位置決め精度を緩和して配置しても、圧電部３８ａの圧電性能の変動を抑制することができる。ここで圧電性能とは、感度と帯域を表す。
感度とは、送信時に電極間に投入する電力に対する超音波強度の率（送信感度）、また、受信時に受信した超音波強度に対する電極を通じて得られる電力の率（受信感度）、さらに、送信時に電極間に投入する電力に対する受信時に電極を通じて得られる電力の率（送受信感度）の総称を言う。
帯域とは、送信する各次数の超音波の帯域、また、受信する各次数の超音波の帯域、さらに、送信してから受信するまでを含めた各次数の超音波の帯域の総称を言う。
上述のハーモニックイメージング技術を用いる場合には、被検体内で高調波を発生させるために被検体内における超音波の音圧を十分に高める必要があること、また、受信する超音波に含まれる高調波は微弱であることから、送信感度や受信感度が高く、ばらつきの小さい超音波探触子が求められる。さらに、送信する超音波の周波数の整数倍の周波数にまで広がる高調波を受信する必要があることから、帯域が十分に広く、ばらつきの小さい超音波探触子が求められる。本発明の超音波探触子は、圧電部３８ａの圧電性能、即ち、感度と帯域の変動が小さいことから、ハーモニックイメージング技術に用いる超音波探触子として特に有効である。
複数のコンポジット材を積層した積層型圧電振動子である圧電部３８ａの圧電性能の変動を抑制することができることとなる理由は以下の通りである。
従来技術のように、複数の圧電層を、圧電体４２と非圧電体４４の配列する方向（以下、圧電体配列方向という）が一致するように積層した場合には、複数の圧電層の相対角度や相対位置が少しずれると、複数の圧電層の圧電体４２同士が上下に重なる部分の面積が大きく変動してしまう。これに対し、上記の例のように、複数の圧電層のうち少なくとも１つの圧電層を、複数の圧電層のうち他の１つの圧電層と、圧電体配列方向が異なるように積層する場合には、相対角度や相対位置が少しずれたとしても、複数の圧電層の圧電体４２同士が上下に重なる部分の面積の変動が小さくなるので、圧電性能の変動を抑制することができる。
このように、圧電体の相対的な位置ずれによる圧電性能の変動を抑制するには、複数の圧電層のうち少なくとも１つの圧電層を、複数の圧電層のうち他の１つの圧電層と、圧電体配列方向が異なるように配置して積層すればよい（即ち、全ての圧電層で圧電体配列方向が一致するように配置しなければよい）。積層する圧電層の数に特に制限は無い。例えば、２層の圧電層が積層した積層型圧電振動子の場合は、２つの圧電層を、圧電体配列方向が互いに異なるように積層すればよい。また、３層の圧電層が積層した積層型圧電振動子の場合は、３つの圧電層の圧電体配列方向が全て異なるように積層してもよいし、２つの圧電層については圧電体配列方向を一致させ、他の１つの圧電層の圧電体配列方向が異なるように積層してもよい。また、４層の圧電層が積層した積層型圧電振動子の場合は、（１）４つの圧電層の圧電体配列方向が全て異なるように積層してもよいし、（２）３つの圧電層については圧電体配列方向を一致させ、他の１つの圧電層の圧電体配列方向が異なるように積層してもよいし、（３）圧電体配列方向が一致する圧電層のペアを２組設け、２つのペアの間では圧電体配列方向が異なるようにして積層してもよい。
また、Ｎ層の圧電層を積層する場合において、圧電体配列方向が、互いに１８０／Ｎ［°］ずつ異なるように積層すると、圧電層の相対角度や相対位置が少しずれた場合の、複数の圧電層の圧電体４２同士が上下に重なる部分の面積の変動をより小さくすることができるので、圧電性能の変動をより効果的に抑制することができる。図４の例の場合には、圧電層３８ａ１の圧電体配列方向Ｖａ１と圧電層３８ａ２の圧電体配列方向Ｖａ２との角度θａ１、圧電層３８ａ２の圧電体配列方向Ｖａ２と圧電層３８ａ３の圧電体配列方向Ｖａ３との角度θａ２、及び、圧電層３８ａ３の圧電体配列方向Ｖａ３と圧電層３８ａ１の圧電体配列方向Ｖａ１との角度θａ３が、いずれも６０°（＝１８０°／３）となるように積層されている。
次いで、圧電部３８における圧電層が３層でなく２層の場合について説明する。
図６は、２層の圧電層からなる圧電部３８ｂの斜視図である。
図７は、圧電層３８ｂ１，３８ｂ２各層の斜視図である。
図６に示すように、圧電部３８ｂは２つの圧電層３８ｂ１，３８ｂ２が積層されてなる。圧電層３８ｂ１，３８ｂ２は界面に接着剤が塗布されて固定されている。
各圧電層３８ｂ１，３８ｂ２は、圧電体４２と非圧電体４４とを一組としたピッチをｔとして、一軸方向に周期性をもつ１次元状に交互に並列されている。
図７に示すように、各圧電層３８ｂ１，３８ｂ２は、圧電層３８ｂ１の圧電体配列方向Ｖｂ１と圧電層３８ｂ２の圧電体配列方向Ｖｂ２との角度θｂが、９０°（＝１８０°／２）となるように積層されている。
圧電層３８ｂ１と圧電層３８ｂ２とをこのように配置すると、圧電体４２と非圧電体４４の重なり部分の面積が小さいので、相対角度や相対位置が少しずれたとしても、２つの圧電層の圧電体４２同士が上下に重なる部分の面積の変動が小さくなるので、圧電性能の変動を抑制することができる。
次いで、複数のコンポジット材を積層した積層型圧電振動子である圧電部３８の製造方法について図４に示した圧電部３８ａを例として説明する。
圧電部３８ａは例えば、ダイス＆フィル法により作製される。
図８は、圧電部３８ａの製造方法を説明する図である。
非圧電体４４は具体的には樹脂層であり、圧電体４２の間に充填する充填剤が好ましく用いられる。
図８（ａ）は圧電材料であるＰＺＴの板材８１である。圧電部３８に用いることのできる圧電材料には、水晶、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＫＮｂＯ３、マグネシウムニオブ酸・チタン酸鉛固溶体などの単結晶、ＺｎＯ、ＡｌＮなどの薄膜、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３系などの焼結体（ＰＺＴ等）、フッ化ビニリデンの重合体あるいは共重合体、シアン化ビニリデンの重合体あるいは共重合体、尿素樹脂、ポリエステルなどの非フッソ系樹脂とフッ化ビニリデンの重合体などのフッソ系重合体の微粒子とを含有する有機材料、多孔質ポリプロピレンに電荷を注入したエレクトレットなどが挙げられる。
ＰＺＴの板材８１に対して、図８（ｂ）に示すように、ダイシングソーを用いて等ピッチの溝８２を形成する。溝８２を形成することで、圧電体４２が等ピッチで配列される。ダイシングは、溝幅以下の厚みを有する矩形状のダイシングブレードを採用して行う。
次いで、図８（ｃ）に示すように、充填剤に樹脂を選択し、形成した溝８２に充填剤を充填し、非圧電体４４を形成する。圧電部３８に用いることができる充填剤は、エポキシ樹脂やシリコン樹脂などの汎用樹脂が挙げられる。物性調整のため、フィラーなどの他の添加物を加えるのもよい。
次いで、図８（ｄ）に示すように、板材８１における非圧電体４４の底部より下のＰＺＴを研磨により除去し、圧電体４２と非圧電体４４とが交互に並列された圧電部を得る。
次いで、図８（ｅ）に示すように、作製した圧電部の両面に電極４６を形成して１個の圧電層３８ａ１を得る。電極４６の形成は、例えば真空成膜法を用いて金属等の導電体を成膜することで行う。
圧電層３８ａ２，３８ａ３についてはダイシングの角度を各々６０度傾斜させ、その他の工程は圧電層３８ａ１の作製方法と同様に作製する。
次いで、得られた圧電層３８ａ１，３８ａ２，３８ａ３の間に接着剤の接着層４８を形成しつつ、圧電層３８ａ１，３８ａ２，３８ａ３を積層接着する。用いる接着剤には、ＵＶ硬化性接着剤や熱硬化性接着剤などが挙げられる。
なお、上記では、圧電層３８ａ１，３８ａ２，３８ａ３の各々を同一の大きさに作製した後に接着して積層して完成品の圧電部３８を得たが、予め完成品より大きく作製しておいて、ダイシング等により、切断することで、複数の完成品の圧電部３８を得ることで、低コストで量産することが可能となる。
なお、接着剤からなる接着層４８の厚みが厚すぎると、共振周波数の低下など、圧電部の振動への影響を無視できなくなることから、接着性に支障を及ぼさない範囲でできるだけ薄いことが好ましい。例えば、医療用に用いる超音波探触子であって、１ＭＨｚ〜２０ＭＨｚ程度の周波数の超音波の送受信を行う場合には、接着層４８の厚みは３μｍ以下とすることが好ましく、２μｍ以下とすることがより好ましい。
また、コンポジット材を積層して圧電部を形成した後、さらにダイシングを行って素子を分割し、圧電部が一次元アレイ状又は二次元アレイ状に複数配列した超音波探触子とすることも好ましい。このように複数の圧電部がアレイ状に配列した超音波探触子は、１Ｄアレイ素子や、２Ｄアレイ素子等と呼ばれ、それぞれの圧電部を所定のタイミングで駆動するビームフォーミングを行うことで、超音波を送受信する方向や焦点位置を制御することができる。
圧電部が一次元アレイ状に複数配列した超音波探触子の場合は、積層された複数の圧電層のうち少なくとも１組の圧電層の圧電体配列方向の対称軸が、圧電部の配列方向と平行となるように構成することがより好ましい。そのような構成とすることにより、エレベーション方向（圧電部の配列方向と垂直な方向）における各圧電部の圧電性能の分布を、中心に対して対称な形に近づけることができ、サイドローブの小さい超音波探触子とすることができる。
また、各圧電層の厚みが小さくなってくると、研磨時や非圧電部の熱硬化時に生じた収縮応力が圧電体の剛性を超えてひずみが無視できなくなってくる。生じるひずみの度合いは圧電体配列方向や圧電体の寸法（例えば長軸方向の長さ）に関係するが、本発明のように、複数の圧電層のうち少なくとも１つの圧電層を、複数の圧電層のうち他の１つの圧電層と、圧電体配列方向が異なるように積層することで、生じるひずみの度合いを軽減することができる。その結果、加工時の歩留りが向上し、加工後も潜在するひずみが小さいため、安定した品質を維持することができる。
［超音波探触子２ａの作製］
下層から順に、固定板、バッキング層、パターニングされたＦＰＣとなるようエポキシ系接着剤ＤＰ−４６０（３Ｍ社製）で、２．９４×１０６Ｐａの圧力下、５０℃４時間で積層接着した。
下層から順に、固定板、バッキング層、パターニングされたＦＰＣとなるようエポキシ系接着剤ＤＰ−４６０（３Ｍ社製）で、２．９４×１０６Ｐａの圧力下、５０℃４時間で積層接着した。
その後、ＰＺＴ（セラミック）の板材をダイス＆フィル法により、セラミック／樹脂＝３５／３５（μｍ）に加工整形した２−２コンポジット材を作製し、セラミックと樹脂の配列する方向（圧電体配列方向）が短軸方向に平行なタイプ（タイプａ１）と、圧電体配列方向が短軸から＋６０°、−６０°回転したタイプ（タイプａ２、タイプａ３）の計３種類について、それぞれ５．１ｍｍ×５２．５ｍｍ×１００μｍの薄板状に切りだした。樹脂はＥセットＬエポキシ樹脂（コニシ社製）を用いた。３種類のコンポジット材の表裏面にそれぞれ電極を形成し、エポキシ系接着剤ＤＰ−４６０（３Ｍ社製）にて、まずタイプａ２とタイプａ３とを接着し、その後タイプａ１を同様の条件にて積層接着した。その後、第１、第２音響整合層を同条件にて積層接着後、長手方向に０．１５ｍｍピッチで３０μｍの厚みを有するブレードでダイシングを行った。さらに、パラキシリレンにより表面に３μｍ程度の絶縁層を設け、さらにその上に音響レンズを接着した。その後、ＦＰＣにコネクタを接続し、こうして作製した超音波トランスデューサをケースに収め、超音波探触子２ａを作製した。このような工程を繰り返し、合計２０個の超音波探触子２ａを作製した。
［超音波探触子２ｂの作製］
下層から順に、固定板、バッキング層、パターニングされたＦＰＣとなるようエポキシ系接着剤ＤＰ−４６０で、２．９４×１０６Ｐａの圧力下、５０℃４時間で積層接着した。
［超音波探触子２ｂの作製］
下層から順に、固定板、バッキング層、パターニングされたＦＰＣとなるようエポキシ系接着剤ＤＰ−４６０で、２．９４×１０６Ｐａの圧力下、５０℃４時間で積層接着した。
その後、ＰＺＴの板材をダイス＆フィル法により、セラミック／樹脂＝３５／３５（μｍ）に加工整形した２−２コンポジット材を作製し、圧電体配列方向が短軸方向に平行なタイプ（タイプｂ１）と、圧電体配列方向が短軸から＋９０°回転したタイプ（タイプｂ２）の２種類について、それぞれ５．１ｍｍ×５２．５ｍｍ×１００μｍの薄板状に切りだした。樹脂はＥセットＬエポキシ樹脂（コニシ社製）を用いた。２種類のコンポジット材の表裏面にそれぞれ電極を形成し、エポキシ系接着剤ＤＰ−４６０にて同様の条件にて積層接着した。その後、第１、第２音響整合層を同条件にて積層接着後、長手方向に０．０７ｍｍピッチで３０μｍの厚みを有するブレードでダイシングを行った。さらに、パラキシリレンにより表面に３μｍ程度の絶縁層を設け、さらにその上に音響レンズを接着した。その後、ＦＰＣにコネクタを接続し、こうして作製した超音波トランスデューサ（振動部）をケースに収め、超音波探触子２ｂを作製した。このような工程を繰り返し、合計２０個の超音波探触子２ｂを作製した。
［比較探触子Ａ、Ｂの作製］
コンポジット材として、圧電体配列方向が短軸方向に平行なタイプ（タイプａ１）３枚を用いて、超音波探触子２ａと同様に積層接着した比較探触子Ａと、コンポジット材として、圧電体配列方向が短軸方向に平行なタイプ（タイプｂ１）２枚を用いて、超音波探触子２ｂと同様に積層接着した比較探触子Ｂを、それぞれ２０個ずつ作製した。
［比較探触子Ａ、Ｂの作製］
コンポジット材として、圧電体配列方向が短軸方向に平行なタイプ（タイプａ１）３枚を用いて、超音波探触子２ａと同様に積層接着した比較探触子Ａと、コンポジット材として、圧電体配列方向が短軸方向に平行なタイプ（タイプｂ１）２枚を用いて、超音波探触子２ｂと同様に積層接着した比較探触子Ｂを、それぞれ２０個ずつ作製した。
比較探触子Ｂを作製する際、積層して接着した後の圧電部の側面を実体顕微鏡で観察し、２枚のコンポジット材の位置ずれ量を求めたところ、平均値は０．１１ｍｍ、最大値は０．１８ｍｍ、標準偏差は０．０５ｍｍであった。なお、作製した全ての超音波探触子（超音波探触子２ａ、２ｂ、及び、比較探触子Ａ、Ｂ）において、コンポジット材を積層する際のアライメント精度は同じであるため、全ての超音波探触子において、同程度の位置ずれが生じていると考えられる。
［超音波探触子２ａ、２ｂの評価］
超音波探触子２ａ、２ｂと、比較探触子Ａ、Ｂの各々を、パルサーレシーバー（ＰＡＮＡＭＥＴＲＩＣＳ−ＮＤＴ ＭＯＤＥＬ ５９００ＰＲ、オリンパス社製、入力インピーダンス５０００Ω）とオシロスコープ（ＴＰＳ５０３２、Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ社製）とが接続された状態で、脱気した水の中に入れ、超音波放射面側に金属製の反射板を配置した。
［超音波探触子２ａ、２ｂの評価］
超音波探触子２ａ、２ｂと、比較探触子Ａ、Ｂの各々を、パルサーレシーバー（ＰＡＮＡＭＥＴＲＩＣＳ−ＮＤＴ ＭＯＤＥＬ ５９００ＰＲ、オリンパス社製、入力インピーダンス５０００Ω）とオシロスコープ（ＴＰＳ５０３２、Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ社製）とが接続された状態で、脱気した水の中に入れ、超音波放射面側に金属製の反射板を配置した。
十分に広帯域の周波数成分を有する短パルスの超音波を水中に送信し、反射板で反射された超音波を受信して電気信号に変換し、オシロスコープでその電圧波形を確認した。
超音波探触子２ａ、２ｂと反射板との距離は６ｍｍとし、電圧波形の実効値が最大となるようにアライメントを行った。
アライメントの後、上記の周波数で超音波の送受信を行い、得られた電気信号の強度から送受信感度を評価した。評価は、それぞれの超音波探触子（各２０個）の中で、それぞれ最も感度の高かったものを基準としたときの、各２０個の超音波探触子の感度低下量（ｄＢ）の標準偏差を求めることにより行った。結果を表１に示す。
表１に示されているように、３層積層型である超音波探触子２ａの感度低下量の標準偏差は０．９ｄＢであり、同じく３層積層型である比較探触子Ａの２．５ｄＢと比べ、十分に抑制されている。また、２層積層型である超音波探触子２ｂの感度低下量の標準偏差は０．５ｄＢであり、同じく２層積層型である比較探触子Ｂの２．５ｄＢと比べ、十分に抑制されている。このように、超音波探触子２ａ、超音波探触子２ｂは、積層するコンポジット材の相対的な位置ずれによる圧電性能の変動が抑制されるため、超音波探触子２ａ、超音波探触子２ｂを用いることで、圧電性能のばらつきの小さい積層型圧電振動子を備えた超音波探触子及び超音波診断装置を低コストで提供できることが分かる。
１ 超音波診断装置本体
２ 超音波探触子
３ ケーブル
４ 超音波探触子フォルダ
１１ 操作入力部
１２ 送信部
１３ 受信部
１５ 画像処理部
１６ 表示部
１７ 制御部
１９ 記憶部
３０ 振動部
３３ 音響整合層
３４ 音響レンズ
３５ ＦＰＣ
３６ バッキング層
３７ 固定板
３８ 圧電部
４２ 圧電体
４４ 非圧電体
４６ 電極
４８ 接着層
Ｓ 超音波診断装置
２ 超音波探触子
３ ケーブル
４ 超音波探触子フォルダ
１１ 操作入力部
１２ 送信部
１３ 受信部
１５ 画像処理部
１６ 表示部
１７ 制御部
１９ 記憶部
３０ 振動部
３３ 音響整合層
３４ 音響レンズ
３５ ＦＰＣ
３６ バッキング層
３７ 固定板
３８ 圧電部
４２ 圧電体
４４ 非圧電体
４６ 電極
４８ 接着層
Ｓ 超音波診断装置
Claims (6)
- 超音波を送信又は受信する圧電部を有する超音波探触子であって、
前記圧電部は、複数の圧電層が、電極を介して超音波の送受信方向に積層されたものであり、
前記複数の圧電層は、それぞれ、圧電体と非圧電体とが、超音波の送受信方向に垂直な方向に交互に並列に配列され、
前記複数の圧電層のうち少なくとも１つの圧電層は、前記複数の圧電層のうち他の１つの圧電層と、前記圧電体と前記非圧電体の配列の方向が異なることを特徴とする超音波探触子。 - 前記圧電部はＮ層の前記圧電層が積層されたものであり、
前記Ｎ層の前記圧電層は、前記圧電体と前記非圧電体の配列の方向が、互いに１８０／Ｎ［°］ずつ異なることを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子。 - 前記圧電部が、一次元アレイ状又は二次元アレイ状に複数配列していることを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波探触子。
- 前記圧電部が、一次元アレイ状に複数配列し、
積層された複数の前記圧電層のうち少なくとも１組の圧電層は、前記圧電体と前記非圧電体の配列の方向の対称軸が、複数の前記圧電部の配列方向と平行であることを特徴とする請求項３に記載の超音波探触子。 - 被検体に超音波を送信し前記超音波が被検体において反射して生成された反射超音波を受信して電気信号に変換する圧電部を有する超音波探触子と、
前記圧電部により変換された電気信号から前記被検体内の超音波画像を生成する画像処理部と、を有し、
前記超音波探触子は、請求項１から４のいずれか１項に記載の超音波探触子であることを特徴とする超音波診断装置。 - 前記圧電部により変換された電気信号に含まれる高調波成分を抽出するための高調波抽出部を有し、
前記画像処理部は、前記高調波成分から前記被検体内の超音波画像を生成することを特徴とする請求項５記載の超音波診断装置。
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