JP5997796B2 - 超音波振動子ユニット - Google Patents
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Description
本発明は、超音波探触子に用いられる超音波振動子ユニットに関し、特にその構造に関する。
医療の分野において超音波診断装置が活用されている。超音波診断装置は、生体に対して超音波を送受波し、これにより得られた受信信号に基づいて超音波画像を形成する装置である。生体に対する超音波の送受波は超音波探触子（プローブ）によって行われる。プローブは、圧電素子を含む振動子を備え、圧電素子を駆動することで超音波が送受される。
振動子は、圧電素子の生体側に配置された整合層を含む。整合層は、圧電素子から生体への音響インピーダンスを順次減少させて、圧電素子と生体を音響的に整合させるための層である。また、振動子は、圧電素子の背面、つまり生体側とは反対側の面に隣接して配置された共振層を有していてもよい。共振の音響インピーダンスは圧電素子に対して高く、圧電素子と共振して生体に向けて効率よく超音波を発信するのに役立っている。振動子の背面には、圧電素子を駆動する電子回路を備えた回路基板が配置される。下記特許文献１に、超音波探触子の例が示されている。
振動子から送波された超音波が回路基板に伝播すると回路基板内で反射し、一部が振動子に戻り、更に生体内に送波される。この回路基板内の反射による超音波は、直接送波された超音波に遅れて送波され、この遅れのためにノイズとなって超音波画像が劣化する場合がある。
本発明は、振動子から回路基板側に伝播する超音波を低減することを目的とする。
本発明に係る超音波振動子ユニットは、圧電素子と、圧電素子を駆動する電子回路を備えた回路基板と、圧電素子と回路基板の間に配置され、音響インピーダンスが圧電素子の音響インピーダンスよりも高い共振層と、共振層に隣接して共振層の回路基板側に配置され、音響インピーダンスが回路基板の音響インピーダンスより低い音響分離層と、を有する。
共振層と音響分離層の音響インピーダンスの差により、これらの層の境界面で超音波を反射することにより、回路基板側へ超音波の伝播を抑制することができる。
また、音響分離層は多孔質材料、特に多孔質カーボンからなるものとすることができる。
さらに、共振層の音響インピーダンスを圧電素子の音響インピーダンスの２．３倍以上とし、音響分離層の音響インピーダンスを回路基板の音響インピーダンスの１／２０以下とすることができる。また、音響分離層の音響インピーダンスを共振層の音響インピーダンスの１／７０とすることができる。
音響分離層と共振層の境界面で超音波を反射し、回路基板への超音波の伝播を抑制することで、回路基板内で反射した超音波によるノイズを低減することができる。
以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。図１は、本実施形態の超音波振動子ユニット１０を示す斜視図である。また、図２は、超音波振動子ユニット１０の断面図である。超音波振動子ユニット１０は、超音波診断装置のプローブに内蔵され、プローブが接触する生体に対して超音波の送受を行う。図１における超音波の送信方向は上方である。なお、以下の説明において、「上」「下」などの上下の関係を示す語句は、図における上下を示すものであり、使用態様等における上下関係を示すものではない。
超音波振動子ユニット１０は、個振動子１２が縦横に配置された二次元のアレイ振動子１４を含む。図示するアレイ振動子１４は、縦横に同数の個振動子１２が配列され、全体として略正方形に構成される。また、図においては、説明のために、個振動子１２の数を５×５配置の２５個としているが、実際のアレイ振動子１４は、格段に多くの、例えば数千個の個振動子１２を備えている。この構成においては、超音波ビームを任意の角度に走査することができる。任意の角度の走査によって取り込まれた三次元空間内のデータから、三次元空間を表す三次元超音波画像を形成することができる。このデータから任意の断面における超音波画像を形成することもできる。アレイ振動子は、個振動子１２が一列に直線状に配列された一次元アレイであってもよい。また、縦方向と横方向において異なる個数の個振動子１２を配列した、略長方形のアレイであってもよい。
超音波振動子ユニット１０は、アレイ振動子１４を駆動する電子回路を備えた回路基板１６と、アレイ振動子１４を覆って保護する保護層１８を有する。この超音波振動子ユニット１０の場合、回路基板１６は、電子回路が形成された電子回路基板２０と、この電子回路と個振動子１２を接続するための配線または回路を有する中継基板２２を有する。中継基板２２は、電子回路上の端子と個振動子１２の接続を切り換える機能を有していてもよい。
個振動子１２は、圧電素子２４を含む振動素子２６と音響整合層２８とを含む。振動素子２６は、圧電素子２４の他に共振層３０を含む。共振層３０は、圧電素子２４の背面側、つまり超音波を送受する向きの反対側に配置される。また、共振層３０は、圧電素子２４より音響インピーダンスが高くされており、ハード背面層を形成し、圧電素子２４と共振層３０が一体となって超音波の送波および受波を行っている。圧電素子２４と共振層３０の音響インピーダンスはそれぞれ、例えば３０ＭRayl程度、７０〜１００ＭRaylであり、共振層３０の音響インピーダンスは圧電素子２４の２．３倍以上である。共振層３０の材料は、カーボンやタングステンの導電性のフィラーを含む樹脂材料、金属、合金、金属の焼結体、金属と無機材料の焼結体、またはそれらの複合体である。共振層３０は、圧電素子２４と共振して生体に向けて効率よく超音波を発信するのに役立つ。また、回路基板１６、特に中継基板２２の音響インピーダンスは、約２０ＭRaylである。
音響整合層２８は、圧電素子２４から生体へ音響インピーダンスを段階的に減少させ、圧電素子２４と生体を音響的に整合させるための層である。音響整合層２８は、１層のみにより構成されてもよいが、音響インピーダンスを生体に向けてできるだけ滑らかに減少させるために複数の層を有してもよい。図示する例では、第１音響整合層２８Ａ、第２音響整合層２８Ｂの２層から構成されている。
個振動子１２の保護層１８に対向する面には、各個振動子１２に共通のグランド電極３２が接合されている。音響整合層２８は、導電性を有しており、グランド電極３２と振動素子２６を電気的に接続している。音響整合層２８は、導電性を持たせるために、ガラス状カーボン、炭素、グラファイト材または導電性フィラーが混入された樹脂を用いることができる。この樹脂は、例えばエポキシ樹脂を用いることができる。
共振層３０の背面側、つまり回路基板１６側には、音響分離層３４が共振層３０に隣接して配置される。音響分離層３４は、その音響インピーダンスが圧電素子２４および回路基板１６より低い。回路基板１６が含む中継基板２２と電子回路基板２０の音響インピーダンスはほぼ等しいが、これらに相違がある場合には、音響分離層３４の音響インピーダンスは、音響分離層３４側にある中継基板２２の音響インピーダンスより低くされる。また、中継基板２２がない場合には、音響分離層３４の音響インピーダンスは、電子回路基板２０の音響インピーダンスより低くされる。圧電素子２４より高い音響インピーダンスの共振層３０と、回路基板１６より低い音響インピーダンスの音響分離層３４が隣接することで、共振層３０と音響分離層３４の境界には、音響インピーダンスの大きな差が生じる。これにより、共振層３０と音響分離層３４の境界面で超音波が反射し、回路基板１６に伝播する超音波が減少する。共振層３０の音響インピーダンスを圧電素子２４より高くし、音響分離層３４の音響インピーダンスを中継基板２２より低くすることで、共振層３０と音響分離層３４の音響インピーダンスの差を大きくすることができる。
個振動子１２は、音響分離層３４を介して回路基板１６の表面に設けられた電極に接続されている。共振層３０および音響分離層３４は導電性とされ、圧電素子２４と回路基板１６の電極が電気的に接続される。中継基板２２は、個振動子１２と電子回路基板２０の上面に設けられた電極とを接続する機能を有し、例えば中継基板２２に設けられた貫通ビアによって個振動子１２と電極の接続が実現されている。中継基板２２内の配線の配置によって、電子回路基板２０上の電極および個振動子１２の配列やピッチの相違を整合させることができる。また、中継基板２２内に、電子回路基板２０上の電極と個振動子１２の接続関係を切り替えるための回路を備えるようにしてもよい。
音響分離層３４は、前述のように、共振層３０との音響インピーダンスの差によって、共振層３０との境界面にて超音波を反射するためものであるから、共振層３０との音響インピーダンスの差が大きい材料から構成される必要がある。前述のように、共振層３０の音響インピーダンスは高いので、音響分離層３４は音響インピーダンスを低くして、大きな音響インピーダンスの差を設けることが望ましい。また、音響分離層３４には、回路基板１６から供給される電力が流れるので、高い導電性が要求される。さらに、音響分離層３４は、個振動子１２と回路基板１６を接続しており、高い構造強度も要求される。このように、音響分離層３４には、低い音響インピーダンス、高い導電性、および高い構造強度が要求される。
音響分離層３４に要求される前記の特性を満足させる材料として、多孔質材料が挙げられる。例えば、焼結性導電材の生成時にバインダー等の混入により空孔率を８０パーセント以上にすることが可能であり、これによって音響インピーダンスを１ＭRayl以下とすることが可能となる。より具体的な材料としては、多孔質金属や、多孔質カーボンが挙げられる。ある多孔質カーボンの特性は、音響インピーダンスが０．７〜１．０ＭRayl、固有抵抗が約２〜２０×１０-2Ωcm、曲げ弾性率が２〜１５ＧＰaであり、前述の要求特性を満たす。
図３は、上記の特性を有する多孔質カーボン製の音響分離層３４の効果を示す図である。横軸が時間、縦軸が超音波の振幅を示している。破線が音響分離層３４を設けない場合、実線が音響分離層３４を設けた場合のグラフである。−２０ｄＢにおける超音波のパルス幅が約５０パーセントになったことが示されている。これは、音響分離層３４の背後の層内での多重反射による影響が減少したことを示している。実際の超音波画像においても、多重反射によって生じる音響的なノイズの減少が確認された。
この多孔質カーボン製の音響分離層３４の音響インピーダンスは、回路基板１６に対して１／２０であり、共振層３０に対して１／１００〜１／７０である。これ以下の数値であれば、超音波のパルス幅を５０パーセント以下とすることができることが示唆され、超音波画像の画質改善が達成される。
共振層３０と音響分離層３４の境界面において超音波を反射するようにしたことにより、音響分離層３４の背面側に配置される層について材料選択の自由度が高まる。音響分離層３４のない従来の構成の場合、回路基板１６など振動素子２６の背後の層に進入した超音波を層内で減衰させることによりノイズの抑制を行っていた。このため、その層の材料は減衰の大きな材料を選択する必要があった。音響分離層３４を設けることにより、音響分離層３４の背後に伝播する超音波が減少するため、減衰が小さい材料を選択することが可能になる。
１０ 超音波振動子ユニット、１２ 個振動子、１６ 回路基板、２０ 電子回路基板、２２ 中継基板、２４ 圧電素子、２６ 振動素子、２８ 音響整合層、３０ 共振層、３４ 音響分離層。
Claims (5)
- 超音波振動子ユニットであって、
圧電素子と、
圧電素子を駆動する電子回路を備えた回路基板と、
圧電素子と回路基板の間に配置され、音響インピーダンスが圧電素子の音響インピーダンスよりも高い共振層と、
共振層に隣接して共振層の回路基板側に配置され、音響インピーダンスが回路基板の音響インピーダンスより低い音響分離層と、
を有し、
音響分離層の音響インピーダンスが、共振層の音響インピーダンスの１／７０以下である、
超音波振動子ユニット。 - 超音波振動子ユニットであって、
圧電素子と、
圧電素子を駆動する電子回路を備え、音響インピーダンスが圧電素子の音響インピーダンスより低い回路基板と、
圧電素子と回路基板の間に配置され、音響インピーダンスが圧電素子の音響インピーダンスよりも高い共振層と、
共振層に隣接して共振層の回路基板側に配置され、音響インピーダンスが回路基板の音響インピーダンスより低い音響分離層と、
を有し、
音響分離層は多孔質材料からなる、
超音波振動子ユニット。 - 超音波振動子ユニットであって、
圧電素子と、
圧電素子を駆動する電子回路を備え、音響インピーダンスが圧電素子の音響インピーダンスより低い回路基板と、
圧電素子と回路基板の間に配置され、音響インピーダンスが圧電素子の音響インピーダンスよりも高い共振層と、
共振層に隣接して共振層の回路基板側に配置され、音響インピーダンスが回路基板の音響インピーダンスより低い音響分離層と、
を有し、
音響分離層は多孔質カーボンからなる、
超音波振動子ユニット。 - 超音波振動子ユニットであって、
圧電素子と、
圧電素子を駆動する電子回路を備え、音響インピーダンスが圧電素子の音響インピーダンスより低い回路基板と、
圧電素子と回路基板の間に配置され、音響インピーダンスが圧電素子の音響インピーダンスよりも高い共振層と、
共振層に隣接して共振層の回路基板側に配置され、音響インピーダンスが回路基板の音響インピーダンスより低い音響分離層と、
を有し、
共振層の音響インピーダンスは圧電素子の音響インピーダンスの２．３倍以上であり、音響分離層の音響インピーダンスは回路基板の音響インピーダンスの１／２０以下である、
超音波振動子ユニット。 - 請求項２〜４のいずれか１項に記載の超音波振動子ユニットであって、
音響分離層の音響インピーダンスが、共振層の音響インピーダンスの１／７０以下である、
超音波振動子ユニット。
Priority Applications (5)
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