JP5944528B2 - バッキング材とこれを含む超音波プローブ - Google Patents
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Description
本発明は超音波プローブに用いられるバッキング材に関する。さらに詳しくは超音波プローブを構成する圧電素子から背面に放射される不要な超音波を減衰させる好適な吸音性能を有するとともにダイシング加工性に優れたバッキング材及びこれを含む超音波プローブに関する。
一般的に、医療用の超音波診断装置や超音波画像検査装置は被検査対象物に対して超音波信号を送信し、その対象物内からの超音波反射信号を受信し、該当対象物内の構造を画像化することができる。これらの超音波診断装置や超音波画像検査装置は超音波信号の送受信機能を有するアレイ式の超音波プローブを主に用いる。
図１は超音波プローブの一例を一部切り取って示した斜視図である。ここに図示されたように、超音波プローブ１は支持台２を備えており、シート状のバッキング材３が支持台２上に接着剤によって接着固定されている。
圧電素子４はバッキング材３上に接着剤で接着固定されており、この圧電素子４は圧電振動子とこの圧電振動子の前面に備えられたグランド電極及び背面に備えられた信号電極とで構成される。
音響整合層５は圧電素子４のグランド電極に接着剤で接着固定され、圧電素子４と被検査対象物(図示せず)との間の音響インピーダンス差を減少させることができる。
音響レンズ６は音響整合層５上に接着剤で接着固定されている。
以下では前述したバッキング材３、圧電素子４、音響整合層５及び音響レンズ６から成る組立体を「アレイ」と称する。このアレイはケース７内に収納され、支持台２に接着固定される。また、ケース７内には圧電素子４の駆動タイミングを制御する制御回路及び圧電素子４に受信される信号を増幅するための増幅回路を含む信号処理回路（図示せず）が内蔵され得る。
圧電素子４のグランド電極及び信号電極に接続されるケーブル８が音響レンズ６の反対側においてケース７から外部へ延出している。
このような構成の超音波プローブ１では、各チャンネルにおいて圧電素子４のグランド電極と信号電極との間に電圧を印加して圧電振動子を共振させることで、音響整合層５及び音響レンズ６を通じて超音波を放射するようになる。反射されて戻って来る超音波反射信号を受信する時には、音響レンズ６及び音響整合層５を通じて受信される超音波信号によって圧電素子４の圧電振動子が震動し、圧電素子４はこの震動を電気的信号に変換して画像を得る。
圧電素子４の駆動によって前面だけではなく背面からも超音波信号が放出される。このために、圧電素子の背面にバッキング材３を配置し、背面側に放射される超音波信号をこのバッキング材３で吸収及び減衰し、正規の超音波信号が背面側での超音波信号(反射信号)と同時に被検査対象物内に送信されることを防止している。
超音波診断装置などに用いられる超音波プローブは高画質化のためにより高感度であることが要求されている。超音波プローブの高感度化には、超音波の送波能力、受波感度の向上が必要である。このための方法の一つとしては、バッキング材の音響インピーダンスを減少させる方法がある。
バッキング材の音響インピーダンスを減少させることで、バッキング材の方に放射される超音波を低減し、超音波プローブの前面の超音波送受波面から超音波を效率的に送波できるだけでなく、受波係の音響インピーダンスの減少による受波感度の向上も図れる。
例えば、超音波診断装置の超音波プローブにおいては、バッキング材の音響インピーダンスを２〜５Ｍｒａｙｌｓ程度にすることで感度が改善するようになる。しかし、高感度化に要する音響インピーダンス２〜５Ｍｒａｙｌｓ程度のバッキング材を得ようとする場合に、十分な硬度と吸音性能を有することが必要であるが、このような条件を満たす材料を得ることが従来には困難であった。
バッキング材の音響的物性が良好でない場合、そのバッキング材では充分な超音波の吸収または減衰を遂行することができず、これによって超音波画像の画質が低下する結果をもたらすようになる。特に、バッキング材において音響インピーダンスは設計値であり、しかもその全体としては音響インピーダンスが均一であることが望まれる。すなわち、バッキング材は音響インピーダンスと減衰とを希望する値とし、全体が均一になるように合わせる必要がある。
バッキング材としてはゴム材にフェライト粉末を混合したものが用いられている。しかし、このようなバッキング材は超音波の減衰性能を高くすることが困難であるという問題点がある。また、このようなバッキング材は高周波の超音波プローブを作ろうとする時に、非常に脆いために細いピッチのダイスでダイシング作業をすることができないという問題点がある。また、ダイシングする時に、熱による変形が生じやすいという問題点もある。さらに、ゴム材である場合には、音響インピーダンスと減衰を任意に調整することが難しく、特に２〜５Ｍｒａｙｌｓ程度の低い音響インピーダンスのものはなかった。
一方、エポキシ樹脂にタングステンなどの粉末をフィラーとして混合して構成されたバッキング材も知られている。このようなバッキング材によると、高い剛性と高い減衰性能を得ることはできる。
しかし、この場合のタングステンなどのフィラーは単位体積当たりの質量（密度）が非常に高いために、エポキシ樹脂などにこれらの粉末を混合する時にその粉末が下部で沈降し、上下方向(厚さ方向)において単位体積当たりの粒子の個数にバラつきが出るようになる。換言すると、上下方向では、バッキング材の音響的物性（特に、音響インピーダンス）を均一にできないという問題点がある。また、これのせいで高い減衰を得ることが困難であった。
しかも、エポキシ樹脂にタングステンなどの粉末を混合したバッキング材は、タングステンの硬度がとても高く、ダイスでダイシング作業をすることが困難であった。具体的に、バッキング材が数μｍないし数十μｍのタングステン粉末を１０〜１００重量％で含む場合に、エポキシ樹脂は脆く、チャンネルを形成する目的で音響整合層から圧電素子、バッキング材にかけてダイスで切断すると、その応力によって樹脂とフィラーとの間に破断や剥離が生じた。バッキング材を切断する際の応力により、深刻な場合はバッキング材の折れや、バッキング材と圧電素子との間に剥離などが生じたりした。
従って、本発明は、ポリウレタン樹脂にマンガン粉末を混合した新しい組成のバッキング材を提案することで、超音波プローブを構成する圧電素子から背面に放射される不要な超音波を減衰させる好適な吸音性能を有するとともにダイシング加工性に優れたバッキング材及びこれを含む超音波プローブを提供することにその目的がある。
本発明に係るバッキング材は、超音波プローブを構成する圧電素子の背面側に設けられ、該圧電素子から背面に放射される超音波を減衰する超音波プローブ用のバッキング材において、該バッキング材が母材とフィラーとの混合物を含み、該母材はポリウレタン樹脂であり、該フィラーはマンガン粉末であることを特徴とする。
また、本発明に係る超音波プローブは前述したバッキング材を含むことを特徴とする。
以上のように本発明によると、好適な吸音性能を有するとともにダイシング加工性に優れたバッキング材及びこれを含む超音波プローブを提供するという效果を奏する。
また、本発明によると、付加的に熱伝逹率が高くなり、これによって熱を放出する性能が向上し、超音波プローブを高い電圧に駆動することができるという效果も奏する。
究極的に、本発明によると、バッキング材の不良率が低下して歩留まりが大幅に改善するようになり、製品の商品性向上という長所が得られる。
以下、本発明の実施例について添付の図を参照しながら詳しく説明する。本発明を説明するに当たり、関連の公知の構成または機能についての具体的な説明が当業者にとって自明であるか、もしくは本発明の要旨から逸れるものと判断される場合にはその詳細な説明は省略する。
本発明に係る超音波プローブ用のバッキング材は、超音波プローブを構成する圧電素子から背面に放射される超音波を減衰する超音波プローブ用のバッキング材であり、このバッキング材は母材とフィラーとの混合物を含み、母材はポリウレタン樹脂であり、フィラーはマンガン粉末であることを特徴とする。
ここで、「圧電素子の背面」とは、圧電素子が超音波を送受信する側(前面)とは反対側に位置する空間を指す。
バッキング材は超音波プローブの表面(音響レンズの表面)の温度上昇を避けるために熱伝導率に優れ、小型軽量であることが望ましい。このような小型軽量のバッキング材を具現するためには超音波の減衰性能が高い材料であるとともに密度が低い材料であることが重要である。このために音響インピーダンスが２〜５Ｍｒａｙｌｓ程度の材料が望ましい。また、バッキング材が絶縁性であることも重要である。
本発明に係るバッキング材は超音波プローブにおいて超音波振動子である圧電素子を支持し、不要な超音波を吸収することができる超音波吸収体である。このバッキング材は母材とフィラーとの混合物から作られる。
母材はポリウレタン樹脂からなることが望ましい。このようなポリウレタン樹脂は１種を単独で利用しても良く、２種以上を組み合わせて利用しても良い。
ポリウレタン樹脂組成物は液状のプレポリマーと液状のポリウレタン樹脂用の硬化剤を混合することで得られる。液状になったポリウレタン樹脂組成物の配合の割合に関しては、プレポリマーの１００重量部に対して硬化剤は６０重量部程度にすることを考慮することができる。
本発明に係るフィラーとしてはマンガン粉末が挙げられる。このマンガン粉末の平均粒径としては１００メッシュ以上のものが望ましく、８０メッシュの程度がより望ましい。
このように、本発明に係るバッキング材はポリウレタン樹脂をベースにしてここにマンガンのような粉末材料を充填した構成を有する。
一方、前述したバッキング材の減衰性能を測定するための実験を行った。
図２は、本発明に係るバッキング材の減衰性能を測定し、従来技術に係るバッキング材と比較するためのシステムを概略的に示した図である。
図２に図示されたシステムは透過法(Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ)に基づいてバッキング材の減衰性能の測定のためのものであり、水を張った水槽３１０内において同一の２個の超音波プローブ３２０、３３０の間にバッキング材試験片３００を置き、互いを対向させて一方の超音波プローブ３２０は送信を、他方の超音波プローブ３３０は受信をするようにして減衰性能を測定した。
水槽３１０には被検査対象物が生体である場合を仮定し、これと類似の条件を提供するために約３８℃の温度を有する水を張った。
２個の超音波プローブ３２０、３３０はそれぞれＰａｎａｍｅｔｒｉｃｓ社製であり、３．５ＭＨｚの周波数性能と１インチ（約２５ｍｍ）の直径を有するものを使用した。
また、送信用の超音波プローブ３２０にはパルス発生器３２１と関数発生器３２２がつながっており、パルス発生器３２１の印加電圧は５Ｖとした。一方、受信用の超音波プローブ３３０はオシロスコープ３３１とつながっている。
バッキング材試験片３００としては本発明に係る構成のバッキング材試験片と、従来技術に係る構成のバッキング材試験片を用意した。
本発明に係る構成のバッキング材試験片としては試験片１と試験片２を用意した。
試験片１は４７重量％の液状ポリウレタン樹脂組成物と５３重量％のマンガン粉末とを混合した後に脱ガス化処理を施し、次いでこの混合物で以って所定の厚さを有するバッキング材のブロックを成型して硬化させた。例えば、２．０１ｍｍ、２．４９ｍｍ、２．９５ｍｍの厚さを有するバッキング材のブロックを製造し、各バッキング材のブロックに対して音響物性を評価した。
試験片２は２０重量％の液状ポリウレタン樹脂組成物と８０重量％のマンガン粉末を混合した後に脱ガス化処理を施し、次いでこの混合物で以って所定の厚さを有するバッキング材のブロックを成型して硬化させた。同様に、２．０１ｍｍ、２．４９ｍｍ、２．９５ｍｍの厚さを有するバッキング材のブロックを製造し、各バッキング材のブロックに対して音響物性を評価した。
従来技術に係る構成のバッキング材試験片としては試験片３と試験片４を用意した。
試験片３は６５重量％のエポキシ樹脂組成物と３５重量％のタングステン粉末を混合して所定の厚さを有するバッキング材のブロックを製造した。例えば、２．０１ｍｍ、２．４９ｍｍ、２．９５ｍｍの厚さを有するバッキング材のブロックを製造し、各バッキング材のブロックに対して音響物性を評価した。
試験片４は３１重量％のエポキシ樹脂組成物と６９重量％のタングステン粉末を混合して所定の厚さを有するバッキング材のブロックを製造した。試験片３のように、２．０１ｍｍ、２．４９ｍｍ、２．９５ｍｍの厚さを有するバッキング材のブロックを製造し、各バッキング材のブロックに対して音響物性を評価した。
これらのバッキング材試験片を用いて減衰性能などの音響的物性を測定した結果が表１に示されている。
超音波の音速は音速測定装置を用いて約３８℃にて測定し、音響インピーダンスは測定された音速に密度をかけて求めた。
また、試験片２を用いて減衰性能を測定した結果が図３に示されており、例えば２．０１ｍｍ、２．４９ｍｍ、２．９５ｍｍの厚さを有するバッキング材のブロックは３．５ＭＨｚにおいて超音波信号の振幅がそれぞれ０．０３０５４７ｍＶ、０．０１７１８７ｍＶ、０．０１１２１１ｍＶであった。このような結果に対し、各振幅値を２０ｌｏｇ１０のログで計算した後、各厚さに対するログ値から減衰定数を求めることができる。試験片２の減衰定数が９．２７ｄＢ／ｍｍと出てきたが、通常９ｄＢ／ｍｍ以上の減衰定数は優秀な方に属することとなっている。
表１を参照すると、従来のタングステンの代りにマンガンをフィラーとして適用したバッキング材を使用してもその音響的物性には大きい差がない。特に、マンガンを適用したバッキング材を使用しても高感度化において必要とされる２〜５Ｍｒａｙｌｓ程度の低い音響インピーダンスを得ることができ、本発明に係るバッキング材が設計要求に合わせて好適な音響インピーダンスを有するようにマンガンの配合の割合を調節することができる。例えば、３〜５Ｍｒａｙｌｓ程度の音響インピーダンスを得るためにマンガン粉末の混合比は４０〜９０重量％の範囲内にあった方が良い。もし、３〜５Ｍｒａｙｌｓ程度の音響インピーダンスにおいてマンガン粉末の混合比が４０〜９０重量％の範囲を外れると、インピーダンスの整合性が低くなるとともにバッキング材の吸音性能が低下するようになる。
本発明によって構成されたバッキング材が超音波プローブに適用されることができ、再び図１を参照すると、シート状の本発明に係るバッキング材が支持台２上において接着剤によって、または、ねじ締結によって固定設置されるようになる。また、圧電素子４及び音響整合層５は、例えばダイシング加工によって多数に分割されて配列され、多数のチャンネルを形成するようになる。この時に、バッキング材にも分割された多数のチャンネルに対応する溝が形成され得る。
図４に図示されたように、略０．２ｍｍピッチで本発明に係るバッキング材にダイシング加工を施した。ダイシング後の状況を目視確認した結果、本発明に係るバッキング材の場合には、図５に示された従来技術に係るバッキング材、すなわちエポキシ樹脂にタングステン粉末をフィラーとして混合して構成されたバッキング材に比べ、ダイシング後のバッキング材の折れや、バッキング材と圧電素子との間の剥離などが発生せず全体として良好であった。図５の従来技術に係るバッキング材においては、拡大して図示したＡ部分のようにダイシング加工する時、その応力によって樹脂とフィラーとの間で破断や剥離が生じたことが認められた。
結局、本発明によってポリウレタン樹脂にフィラーとしてマンガン粉末を混合したバッキング材が、従来技術のエポキシ樹脂にタングステン粉末をフィラーとして混合したバッキング材よりダイシング加工性により優れているということが判明した。このような加工性の向上により、本発明のバッキング材は不良率が低下して歩留まりが大幅に改善するようになり、生産性が向上してコストが節減できるようになる。従って、製品の商品性向上という長所が得られるようになる。
一方、本発明に係るバッキング材では、従来技術のタングステン粉末よりマンガン粉末の密度が低くく、マンガン粉末をタングステン粉末の３倍以上の分量で配合することができる。これで、バッキング材内に金属成分が増加するのに伴って熱伝逹率が向上するようになる。このように熱伝逹率が向上すると複数のチャンネルの圧電素子から発生する熱と、バッキング材自体の超音波減衰に伴う熱を外部に效果的に放出できる能力が増大するようになり、これによって超音波プローブを高い電圧で駆動することができるという長所も得られる。
本発明に係るバッキング材は、超音波プローブに極めて好適に使用することができ、これを利用して被検査対象物の画像を観測すると高感度の明瞭な画像が得られる。
ここで、本発明に係る超音波プローブは医療用超音波診断装置のみならず、軍事用の超音波変換器、産業用の超音波装置に利用することができるということは言うまでもない。
以上の説明は本発明の技術思想を例示的に説明したに過ぎず、本発明が属する技術分野にて通常の知識を有する者なら本発明の本質的な特性から外れない範囲において多様な修正及び変形が可能であろう。よって、本発明に開示された実施例は本発明の技術思想を限定するものではなく説明するためのものであり、このような実施例によって本発明の技術思想の範囲が限定されるものではない。本発明の保護範囲は添付の請求の範囲によって解釈されるべきであり、それと同等の範囲内にあるすべての技術思想は本発明の権利範囲に含まれるものと解釈されるべきである。
クロスリファレンス
本特許出願は２０１１年１２月３０日付にて韓国で出願された特許出願番号第１０−２０１１−０１４７０２６号に基づく優先権の利益を主張するものである。そして、そのすべての内容は参考文献として本特許出願に組み込まれる。米国においては、米国特許法１１９（ａ）条（３５Ｕ．Ｓ．Ｃ§１１９（ａ））に基づき、それ以外の国においても同様に優先権の利益は保証される。
本特許出願は２０１１年１２月３０日付にて韓国で出願された特許出願番号第１０−２０１１−０１４７０２６号に基づく優先権の利益を主張するものである。そして、そのすべての内容は参考文献として本特許出願に組み込まれる。米国においては、米国特許法１１９（ａ）条（３５Ｕ．Ｓ．Ｃ§１１９（ａ））に基づき、それ以外の国においても同様に優先権の利益は保証される。
Claims (3)
- 超音波プローブを構成する圧電素子の背面側に設けられ、前記圧電素子から背面に放射される超音波を減衰する超音波プローブ用のバッキング材において、
前記バッキング材が母材とフィラーとの混合物を含み、
前記母材はポリウレタン樹脂であり、
前記フィラーはマンガン金属粉末であることを特徴とするバッキング材。 - 前記マンガン金属粉末の混合比は３〜５Ｍｒａｙｌｓの音響インピーダンスを得るために４０〜９０重量％の範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載のバッキング材。
- バッキング材、前記バッキング材に固定された圧電素子、前記圧電素子に固定された音響整合層、及び前記音響整合層に固定された音響レンズを含む超音波プローブにおいて、
前記バッキング材は請求項１または２に記載のバッキング材であることを特徴とする超音波プローブ。
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