JP6029731B2 - 超音波探触子 - Google Patents

Description

この発明は、超音波探触子に係り、特に、複数の無機圧電素子と複数の有機圧電素子とが互いに積層形成された超音波探触子に関する。

従来から、医療分野において、超音波画像を利用した超音波診断装置が実用化されている。一般に、この種の超音波診断装置は、超音波探触子から被検体内に向けて超音波ビームを送信し、被検体からの超音波エコーを超音波探触子で受信して、その受信信号を電気的に処理することにより超音波画像が生成される。

近年、より正確な診断を行うために、被検体の非線形性により超音波波形が歪むことで発生する高調波成分を受信して映像化するハーモニックイメージングが主流となっている。また、近年、超音波を用いた新たな診断方法として、レーザーを生体に照射し、断熱膨張で発生する微弱で広帯域な弾性波を受信して映像化する、光音響イメージングが脚光を浴びつつある。
このハーモニックイメージングや光音響イメージングに適した超音波探触子として、例えば、特許文献１に開示されているように、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）等の無機圧電体を用いた複数の無機圧電素子とポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等の有機圧電体を用いた複数の有機圧電素子とを積層形成したものが提案されている。
無機圧電素子により高出力の超音波ビームを送信し、有機圧電素子により高調波の信号を高感度に受信することができる。また、無機圧電体素子により通常の超音波の受信信号を取得すると共に、有機圧電素子により光音響イメージングの広帯域な信号を高感度に受信することが出来る。

国際公開第２００８／０１０５０９号

ここで、複数の無機圧電素子から出力された超音波ビームは、有機圧電体を透過した後、超音波探触子から被検体内に送信されるため、有機圧電体の厚さは、超音波ビームの音響透過率が高まるように設計される。具体的には、有機圧電体は、複数の無機圧電素子から送信される基本波の波長λに対してλ／４共振条件を満たす厚さの近傍に設計される。このため、有機圧電体は、厚みを自在に設計することができず、上記の共振条件を満たすためにある程度の厚みを備えて設計する必要があった。一方で、有機圧電体は比誘電率が小さいため、有機圧電素子を厚く形成すると電気容量が小さくなり、有機圧電素子で受信された超音波によって発生する受信信号を、回路上で効率良く取得することが困難であった。また、電気容量が小さいと熱ノイズが大きくなるため、取得された信号とのS/Nも不利になる傾向があった。
また、無機圧電素子に有機圧電体を積層する場合、互いの電極位置がビーム送信方向に対して一致していないと、フォーカスずれや受信効率の低下を招く。従って、無機圧電素子と積層された有機圧電素子の電極位置は、ビーム送信方向に対して出来る限り一致していることが望ましいが、従来の構成や製造方法では正確に一致させることは困難であった。
さらに、有機圧電体は温度上昇によって徐々に結晶化度が低下する為、キュリー点よりかなり低い温度に使用上限温度がある。例えば代表的なポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）では使用上限温度は８０℃であり、ポリフッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体（Ｐ（ＶＤＦ-ＴｒＦＥ））では１００℃である。従ってプロセス中に、この温度以上をかけると強誘電性が劣化し、脱分極される。強誘電性の劣化回復手段として再分極が有効な手段であるが、有機圧電体の抗電界（Ｅｃ）は極めて大きく、４００ｋＶ/ｃｍ〜４５０ｋＶ/ｃｍ程度である。従って、一度脱分極された有機圧電体をデバイス上で再分極するのは極めて高い電圧を印加する必要があり、プロセス上困難である。以上のことから、無機圧電体に有機圧電体を積層する場合、なるべく低い温度プロセス、少ない熱履歴回数で作製する必要があるが、従来の構成や製造方法では殆ど熱履歴をかけないプロセスは困難であった。

この発明は、このような従来の問題点を解消するためになされたもので、複数の無機圧電素子から送信される超音波ビームに対して優れた音響透過率を有しながらも複数の有機圧電素子における受信信号の変換効率とS/Nを向上し、かつ、超音波を送受信する無機圧電素子の電極位置と超音波受信専用の有機圧電素子のビーム送信方向の位置を正確に合致させ、さらに、デバイス完成後にも有機圧電素子の特性を高く維持させることができる超音波探触子を提供することを目的とする。

この発明に係る超音波探触子は、バッキング材と、バッキング材の表面上に配列された複数の無機圧電素子と、複数の無機圧電素子の上に配置された第1の音響整合層と、第1の音響整合層の上に配置された第２の音響整合層とを備え、第２の音響整合層は、複数の有機圧電素子を構成する上側有機層と、上側有機層と併せて複数の無機圧電素子に対する音響整合を行うための下側有機層とからなり、複数の有機圧電素子は、シート状の上側有機層と、上側有機層の表面上にわたって延在する接地電極層と、下側有機層に対向する上側有機層の裏面上に配列された複数の信号電極層とを有し、複数の信号電極層から複数の無機圧電素子までの各層を複数の断片に分離するように、積層方向に向かってそれぞれ同じピッチで平行に延びる複数の分離部をさらに備えることにより、複数の有機圧電素子と複数の無機圧電素子が互いに同じピッチで配列されるものである。

ここで、上側有機層は、下側有機層より薄く形成されるのが好ましい。
また、複数の無機圧電素子を構成する各断片、または、複数の無機圧電素子と第１の音響整合層をそれぞれ構成する各断片、または、複数の無機圧電素子と第１の音響整合層と第２の音響整合層の下側有機層をそれぞれ構成する各断片をさらに複数のサブダイスに分離するように、積層方向に向かって延びるサブダイス形成溝を備えることができる。
また、複数の有機圧電素子は、複数の無機圧電素子から送信された超音波を受信する受信デバイスとして利用され、上側有機層は、受信した超音波エコーを受信信号として回路上で効率良く取得し、かつ、S/Nを向上するために、所定の電気容量を有する厚さで形成され、上側有機層の厚さと下側有機層の厚さの和は、複数の無機圧電素子から送信される超音波に対して所望の音響整合が行われるような値に形成されるのが好ましい。

また、上側有機層と下側有機層は、互いに±１０％の範囲内の音響インピーダンスを有するのが好ましい。また、下側有機層は、上側有機層より大きな音響インピーダンスを有し、且つ、第１の音響整合層より小さな音響インピーダンスを有するのが好ましい。
また、複数の無機圧電素子は、互いに分離された複数の無機圧電体と、複数の無機圧電体の両面にそれぞれ配置された複数の信号電極層および複数の接地電極層とを有するのが好ましい。

また、複数の無機圧電体は、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）またはマグネシウムニオブ酸・チタン酸鉛固溶体（ＰＭＮ-ＰＴ）などPb系ペロブスカイト酸化物から構成することができる。また、上側有機層は、有機材料のみから構成され、下側有機層は、有機材料、または、有機材料と無機材料の複合材料から構成することができる。さらに、上側有機層および下側有機層は、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）またはポリフッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体（Ｐ（ＶＤＦ-ＴｒＦＥ））などフッ化ビニリデン系化合物から構成することができる。
また、複数の有機圧電素子の上に配置された音響レンズをさらに備えることができる。また、複数の有機圧電素子と音響レンズの間に、複数の有機圧電素子を保護する保護層をさらに備えることもできる。

また、複数の有機圧電素子にそれぞれ直結された有機圧電素子用アンプをさらに備えることができる。
また、被検体に向けて照射光を照射する光照射部をさらに有し、光照射部から照射光が照射されることで被検体から誘発された超音波を複数の有機圧電素子または複数の無機圧電素子で受信することができる。

この発明によれば、第２の音響整合層が、複数の有機圧電素子を構成する上側有機層と、上側有機層と併せて複数の無機圧電素子に対する音響整合を行うための下側有機層とから構成されるので、複数の無機圧電素子から送信される超音波ビームに対して優れた音響透過率を有しながらも複数の有機圧電素子で発生する受信信号の取得効率を向上させ、かつ、S/Nを向上することが可能となる。
また、超音波を送受信する無機圧電素子の電極位置と超音波受信専用の有機圧電素子のビーム送信方向の位置を正確に合致させ、さらに、デバイス完成後にも有機圧電素子の特性を高く維持させることも可能となる。

この発明の実施の形態に係る超音波探触子を示す部分斜視図である。 実施の形態に係る超音波探触子の構成を示す断面図である。 実施の形態に係る超音波探触子の製造方法を工程順に示す断面図である。 変形例に係る超音波探触子の構成を示す断面図である。 他の変形例に係る超音波探触子の構成を示す図である。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図１および図２に、この発明の実施の形態に係る超音波探触子の構成を示す。
バッキング材１の表面上に複数の無機圧電素子２がピッチＰで配列形成されている。複数の無機圧電素子２は、互いに分離された複数の無機圧電体２１を有し、それぞれの無機圧電体２１の一方の面に信号電極層２２が接合され、他方の面に接地電極層２３が接合されている。すなわち、それぞれの無機圧電素子２は、専用の無機圧電体２１と信号電極層２２と接地電極層２３から形成されている。
このような複数の無機圧電素子２の上に第１の音響整合層３が接合されている。第１の音響整合層３は、複数の断片に分断され、複数の無機圧電素子２と同じピッチＰで配列されている。

なお、複数の無機圧電素子２を構成する各断片は、複数のサブダイスに分離して形成すのが好ましい。例えば、複数の無機圧電体２１、信号電極層２２および接地電極層２３（複数の無機圧電素子２）の各層を構成する各断片、または、複数の無機圧電体２１、信号電極層２２、接地電極層２３および第１の音響整合層３を構成する各断片をさらに複数の断片に分離するように、積層方向に向かって延びるサブダイス形成溝を形成することができる。また、複数の無機圧電体２１、信号電極層２２、接地電極層２３、第１の音響整合層３および下側有機層４２を構成する各断片をさらに複数の断片に分離するように、積層方向に向かって延びるサブダイス形成溝を形成することもできる。
この時、各無機圧電素子２に対し１本または２本のサブダイス形成溝を形成して、２つまたは３つのサブダイスを形成することが好ましい。このように、複数のサブダイスを形成することにより、複数の無機圧電素子２の圧電乗数を向上させ、超音波探触子の送受信感度を向上させることができる。

この第１の音響整合層３の上に第２の音響整合層４が接合されている。第２の音響整合層４は、上側有機層４１と下側有機層４２の２層を有する。
下側有機層４２は、複数の断片に分断され、複数の無機圧電素子２と同じピッチＰで第１の音響整合層３の上に配列されている。一方、上側有機層４１は、シート状の形状を有し、複数の断片に分断されることなく、下側有機層４２の全体にわたって延在している。上側有機層４１の厚さと下側有機層４２の厚さの和は、複数の無機圧電素子から送信される超音波に対して所望の音響整合が行われるような値に形成される。例えば、上側有機層４１の厚さと下側有機層４２の厚さの和が複数の無機圧電素子２から送信される超音波の基本波（無機圧電体２１の最大感度の−６ｄＢ帯域の中心周波数）の波長λに対してλ／４共振条件を満たす厚さの近傍となるように形成することにより、上側有機層４１と下側有機層４２を併せた第２の音響整合層４が複数の無機圧電素子から送信される超音波に対して優れた音響透過率を有することができる。

さらに、上側有機層４１は、複数の有機圧電素子５を構成する。すなわち、上側有機層４１には、表面上にわたって延在する接地電極層４３が接合されると共に、下側有機層４２に対向する裏面上に複数の無機圧電素子２と同じピッチＰで互いに分離された複数の信号電極層４４が接合され、これにより上側有機層４が複数の有機圧電素子５の有機圧電体として機能する。このように配列形成されたそれぞれの有機圧電素子５は、専用の信号電極層４４と、複数の有機圧電素子５に共通の上側有機層４１および接地電極層４３から構成される。このため、複数の有機圧電素子５の配列ピッチは、上側有機層４１の裏面上に接合された複数の信号電極層４４の配列ピッチのみにより決定され、複数の有機圧電素子５は複数の無機圧電素子２と同じピッチＰで配列されることとなる。

また、複数の無機圧電素子２、第１の音響整合層３、第２の音響整合層４の下側有機層４２および信号電極層４４の各層において同じピッチＰで分離された複数の断片は、それぞれの層の間で位置を合わせて積層方向に整列し、それぞれの列の間には充填剤が充填されることにより、複数の無機圧電素子２から信号電極層４４までの各層を構成する複数の断片を互いに分離する分離部６が形成されている。すなわち、分離部６は、それぞれ信号電極層４４の表面上からバッキング材１の表面上まで各層を貫通するように、積層方向に向かってそれぞれ同じピッチＰで平行に延びている。
さらに、複数の有機圧電素子５の上に保護層７を介して音響レンズ８が接合されている。

無機圧電素子２の無機圧電体２１は、Ｐｂ系のペロブスカイト構造酸化物などの圧電体用の無機材料から形成されている。例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）に代表されるＰｂ系の圧電セラミック、または、マグネシウムニオブ酸・チタン酸鉛固溶体（ＰＭＮ−ＰＴ）および亜鉛ニオブ酸・チタン酸鉛固溶体（ＰＺＮ−ＰＴ）に代表されるリラクサ系の圧電単結晶から形成することができる。一方、有機圧電素子５の上側有機層４１は、フッ化ビニリデン（ＶＤＦ）系材料などの圧電体用の有機材料から形成されている。例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）またはポリフッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体（Ｐ（ＶＤＦ-ＴｒＦＥ））等の高分子圧電素子から形成することができる。

バッキング材１は、複数の無機圧電素子２を支持すると共に後方へ放出された超音波を吸収するもので、フェライトゴム等のゴム材から形成することができる。
第１の音響整合層３は、複数の無機圧電素子２からの超音波ビームを効率よく被検体内に入射させるためのもので、無機圧電素子２の音響インピーダンスと生体の音響インピーダンスの中間的な値の音響インピーダンスを有する材料から形成される。
第２の音響整合層４は、複数の無機圧電素子２からの超音波ビームを効率よく被検体内に入射させるためのもので、下側有機層４２は、有機材料、または、有機材料と無機材料の複合材料から構成されている。例えば、下側有機層４２は、上側有機層４１において用いられた、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）またはポリフッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体（Ｐ（ＶＤＦ-ＴｒＦＥ））等のフッ化ビニリデン（ＶＤＦ）系材料を含む有機材料から形成することができる。また、下側有機層４２は、例えばエポキシ樹脂にジルコニア粒子を分散させた、有機材料と無機材料の複合材料から形成することもできる。
なお、上側有機層４１と下側有機層４２は、互いに同じまたは近い音響インピーダンスを有する材料で形成されるのが好ましく、例えば互いの音響インピーダンスが±１０％の範囲内のものであれば超音波の音響整合に影響を与えずに第２の音響整合層４を構成することができる。さらに、下側有機層４２は、上側有機層４１より大きな音響インピーダンスを有し、且つ、第１の音響整合層３より小さな音響インピーダンスを有する材料で形成することもできる。

分離部６を形成する充填剤は、隣り合う断片の位置および姿勢を固定するためのもので、例えばエポキシ樹脂などから形成される。
保護層７は、有機圧電素子５の接地電極層４３を保護するもので、例えばポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）により形成される。なお、接地電極層４３の保護に支障がなければ、保護層７を除いて形成し、複数の有機圧電素子５の上に音響レンズ８を直接接合することもできる。
音響レンズ８は、屈折を利用して超音波ビームを絞り、エレベーション方向の分解能を向上させるもので、シリコンゴム等から形成されている。

次に、この実施の形態の動作について説明する。
動作時には、例えば、複数の無機圧電素子２が超音波の送信専用の振動子として、複数の有機圧電素子５が超音波の受信専用の振動子として使用される。
複数の無機圧電素子２の信号電極層２２と接地電極層２３の間にそれぞれパルス状または連続波の電圧を印加すると、それぞれの無機圧電素子２の無機圧電体２１が伸縮してパルス状または連続波の超音波が発生する。これらの超音波は、第１の音響整合層３、第２の音響整合層４、保護層７および音響レンズ８を介して被検体内に入射し、互いに合成され、超音波ビームを形成して被検体内を伝搬する。

続いて、被検体内を伝搬して反射された超音波エコーが、音響レンズ８および保護層７を介してそれぞれの有機圧電素子５に入射されると、上側有機層４１が超音波の高調波成分に高感度に応答して伸縮し、信号電極層４４と接地電極層４３の間に電気信号が発生して、受信信号として出力される。
このようにして、複数の有機圧電素子５から出力された受信信号に基づいて、高調波画像を生成することができる。ここで、複数の無機圧電素子２と複数の有機圧電素子５は、積層方向に互いに位置合わせして同じピッチＰで配列形成されているため、超音波ビームの送信位置と同じ配列位置で被検体からの超音波エコーを受信することができ、高精度に高調波画像を生成することができる。

また、複数の無機圧電素子２を超音波の送受信兼用の振動子として使用することもできる。この場合、音響レンズ８および保護層７を介して有機圧電素子５で受信された超音波エコーが、さらに第２の音響整合層４および第１の音響整合層３を介してそれぞれの無機圧電素子２に入射し、無機圧電体２１が主に超音波の基本波成分に応答して伸縮し、信号電極層２２と接地電極層２３の間に電気信号を発生する。
このようにして複数の無機圧電素子２から得られた基本波成分に対応する受信信号と、有機圧電素子５から得られた高調波成分に対応する受信信号とに基づいて、基本波成分と高調波成分を複合したコンパウンド画像を生成することができる。

このときも、複数の無機圧電素子２と複数の有機圧電素子５が、積層方向に互いに位置合わせして同じピッチＰで配列形成されているため、超音波エコーの基本波成分と高調波成分を同じ配列位置で受信することができ、基本波成分と高調波成分を高精度に複合したコンパウンド画像を生成することができる。

このような超音波探触子は、次のようにして製造することができる。
まず、図３（Ａ）に示されるように、バッキング材１の表面全域にわたって延びる無機圧電素子層９１ａを接着剤等によりバッキング材１の表面上に接合する。この無機圧電素子層９１ａは、バッキング材１の全面にわたって延びる無機圧電体層９１の両面に、全面にわたってそれぞれ導電層９２および９３が形成されたものである。
次に、図３（Ｂ）に示されるように、無機圧電素子層９１ａの全域にわたって延びる音響整合層９４を、例えば８０℃〜１００℃の温度で導電層９３の上に接合する。この時、複数の無機圧電体２１にサブダイスを形成する場合には、無機圧電素子層９１ａ、または、無機圧電素子層９１ａから音響整合層９４の各層を積層方向にダイシングすることにより、サブダイス形成溝を形成することができる。
そして、図３（Ｃ）に示されるように、音響整合層９４の上に有機層９５が接合される。この有機層９５は、音響整合層９４の全面にわたって延びるだけの大きさを有し、音響整合層９４に対向する面とは反対側の表面には全面にわたって導電層９６が予め形成されている。

続いて、図３（Ｄ）に示されるように、導電層９６、有機層９５、音響整合層９４および無機圧電素子層９１ａの各層をピッチＰでダイシングすることにより、各層を複数の断片に分離する。この時、ダイシングは、導電層９６から無機圧電素子層９１ａまでの各層を完全に分断するように行われるため、分断された各層のそれぞれの断片は積層方向に位置を合わせて整列される。これにより、バッキング材１の表面上には配列ピッチＰで配列された複数の無機圧電素子２が形成され、それぞれの無機圧電素子２の上には第１の音響整合層３、下側有機層４２および信号電極層４４の各断片が位置を合わせて順次重なるように形成される。また、各層の複数の断片がピッチＰで積層方向に整列されたそれぞれの列の間には、ダイシングにより各層を積層方向に貫通した平板状の複数の溝９７が形成される。
このように、導電層９６から無機圧電素子層９１ａまでの各層をピッチＰでダイシングすることにより、各層が簡便に複数の断片に分離されると共に分離された各層のそれぞれの断片を積層方向に位置合わせすることができる。そして、複数の有機圧電素子５の信号電極層４４と、複数の無機圧電素子２の信号電極層２２および接地電極層２３とを互いに正確に位置合わせすることができる。

次に、ダイシングにより形成された複数の溝９７の内部に充填剤を充填して、図３（Ｅ）に示されるように、各層の複数の断片の位置および姿勢を固定する分離部６を形成した後、複数の信号電極層４４の上に上側有機層４１を、例えば８０℃程度の温度で圧着させる。上側有機層４１は、複数の信号電極層４４の全体にわたって延びるだけの大きさを有し、複数の信号電極層４４に対向する面とは反対側の表面には全面にわたって接地電極層４３が予め形成されている。

ここで、上側有機層４１は、複数の無機圧電素子２から送信される超音波を音響整合するための第２の音響整合層４の一部を構成しているが、上側有機層４１と下側有機層４２を併せた厚さが、複数の無機圧電素子２から送信される超音波に対して所望の音響整合が行われるような値に形成されていればよく、上側有機層４１のみに着目すると、音響整合に制限されることなく上側有機層４１を薄く形成して有機圧電素子５の電気容量を高めることができる。すなわち、有機圧電素子５で受信される超音波エコーが受信信号に効率よく変換されるような電気容量を有する所望の厚さで上側有機層４１を形成し、この上側有機層４１の厚さに下側有機層４２の厚さを加算することにより、上側有機層４１と下側有機層４２を併せた厚みが複数の無機圧電素子２から送信される超音波に対して音響整合が行われる範囲に収まるように形成する。このように、上側有機層４１が下側有機層４２より薄く形成されることにより、第２の音響整合層４が複数の無機圧電素子２から送信される超音波に対して音響整合が行われる範囲内で形成されながらも複数の有機圧電素子５を薄く形成することができる。なお、上側有機層４１の厚さと下側有機層４２の厚さの和は、複数の無機圧電素子２から送信される基本波の波長λに対してλ／４共振条件を満たす値の近傍に形成されるのが好ましい。

また、上側有機層４１は、温度上昇によって徐々に結晶化度が低下する為、キュリー点よりかなり低い温度に使用上限温度がある。例えば音響整合層９４などの各層を積層する際に使用される８０℃〜１００℃の高い温度を与えると容易に脱分極されてしまうが、上側有機層４１は保護層７および音響レンズ８を除くその他の層が積層された後に積層される。このため、上側有機層４１は、その他の層を積層する際または充填剤が溝９７に充填される際の高い温度に曝されることがなく、脱分極するのを抑制することができる。
さらに、上側有機層４１の下側に積層された各層、すなわち信号電極層２２、無機圧電体２１、接地電極層２３、第１の音響整合層３、下側有機層４２および信号電極層４４を順次接着するまでの間は、上側有機層４１が存在しないため、これらの層を互いに高温で接着して高い接着力で積層させることができる。
このようにして複数の信号電極層４４の上に上側有機層４１が積層された後、複数の有機圧電素子５の接地電極層４３の上に保護層７を介して音響レンズ８を接合することにより、図１および図２に示した超音波探触子が製造される。

例えば、複数の無機圧電素子２から送信される超音波の周波数が７ＭＨｚ程度、第１の音響整合層３の音響インピーダンスが約８．９Ｍｒａｙｌ（ｋｇ／ｍ^２ｓ）、および第２の音響整合層４の音響インピーダンスが約４．０Ｍｒａｙｌのリニアプローブを作成する場合には、無機圧電体２１としてチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）を使用して、この厚みを１９０μｍ程度に形成し、第１の音響整合層３の厚みを８０μｍ程度に形成することができる。そして、下側有機層４２および上側有機層４１としてそれぞれＰＶＤＦを使用し、下側有機層４２の厚みを６０μｍ程度、上側有機層４１の厚みを２０μｍ程度に形成し、第２の音響整合層４全体としての厚みを８０μｍ程度とすることにより、第２の音響整合層４が複数の無機圧電素子２に対する共振条件を満たしながらも複数の有機圧電素子５を所望の厚さで形成することができる。

また、第２の音響整合層４の下側有機層４２を有機材料と無機材料の複合材料から構成する場合には、例えば、上側有機層４１をポリフッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体（Ｐ（ＶＤＦ-ＴｒＦＥ））で構成すると共にその厚みを１０μｍ程度に形成し、下側有機層４２は音響インピーダンスが約５〜６Ｍｒａｙｌになるようにジルコニア粒子をエポキシ樹脂に分散させたものを用いて７０μｍ程度の厚みに形成する。そして、第１の音響整合層３は、音響インピーダンスが約８Ｍｒａｙｌになるように、ジルコニア粒子をエポキシ樹脂に分散させたものを用いて１００μｍ程度の厚みに形成する。このように第１の音響整合層３および第２の音響整合層４を構成することにより、第２の音響整合層４が複数の無機圧電素子２に対する共振条件を満たしながらも複数の有機圧電素子５を所望の厚さで形成することができる。

このように、第２の音響整合層４を上側有機層４１と下側有機層４２の２層構造とし、複数の有機圧電素子５を構成する上側有機層４１を所望の厚さで形成すると共に上側有機層４１と下側有機層４２を併せた厚みが共振条件を満たすように第２の音響整合層４を形成することにより、複数の無機圧電素子から送信される超音波ビームに対して優れた音響透過率を保ちながらも複数の有機圧電素子５における受信信号の取得効率を向上させることができる。
また、複数の無機圧電素子２と複数の有機圧電素子５が互いに位置を合わせて配列されているため、高精度な高調波画像およびコンパウンド画像を生成することができる。
さらに、超音波探触子を製造する際に有機圧電素子５の有機圧電体として機能する上側有機層４１を高温に曝すことが少ないため、上側有機層４１が脱分極するのを抑制することができる。

なお、図４に示されるように、それぞれの無機圧電素子２の信号線電極層２２に無機圧電素子用Ａ／Ｄコンバータ９を接続し、それぞれの有機圧電素子５の信号線電極層４４に有機圧電素子用アンプ１０および有機圧電素子用Ａ／Ｄコンバータ１１を順次接続することができる。
ここで、複数の有機圧電素子５の電気容量は、上記のように有機圧電体の厚さを小さく設定することで高めることはできるが、それだけでは、まだ十分な強度を有する受信信号を得ることが難しく、有機圧電素子用アンプ１０により増幅する必要がある。このとき、有機圧電素子５から有機圧電素子用アンプ１０に伝送される間に受信信号が減衰するのを防ぐために、有機圧電素子用アンプ１０を有機圧電素子５の信号線電極層４４の近傍に接続または直結させるのが好ましい。
また、超音波プローブ内にマルチプレクサを配置することで超音波プローブから引き出される信号線の本数を減少させることができる。例えば、無機圧電素子用Ａ／Ｄコンバータ９および有機圧電素子用Ａ／Ｄコンバータ１１の後段にマルチプレクサを配置し、無機圧電素子用Ａ／Ｄコンバータ９と有機圧電素子用Ａ／Ｄコンバータ１１から引き出された２本の信号線を１本にまとめることができる。

また、表面上に導電層９６が予め形成された下側有機層９５を第１の音響整合層９４の上に積層したが、これに限るものではなく、第１の音響整合層９４の上に下側有機層９５を積層し、その後、下側有機層９５の表面上に導電層９６を形成してもよい。
同様に、表面上に接地電極層４３が予め形成された上側有機層４１を複数の信号電極層４４の上に接合したが、複数の信号電極層４２の上に上側有機層４１を接合した後、上側有機層４１の表面上に接地電極層４３を形成してもよい。

また、上記の実施の形態では、複数の無機圧電素子２で発生させた超音波を被検体に向けて送信すると共に被検体内で反射された超音波エコーが複数の無機圧電素子２または複数の有機圧電素子５で受信されたが、図５に示すように、被検体に向けて照射光Ｌを照射する光照射部３１を新たに設けることにより、光照射部３１から被検体に向けて照射光Ｌを照射すると共に照射光Ｌの照射により被検体から誘発された光音響波Ｕ（超音波）を例えば複数の有機圧電素子５で受信することができる。これにより、光音響効果を利用して被検体内を画像化する、いわゆる光音響イメージング（ＰＡＩ：Photoacoustic Imaging）を行うことができる。
光照射部３１は、互いに異なる波長を有する複数の照射光Ｌを被検体に向けて順次照射するもので、半導体レーザ（ＬＤ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）、固体レーザ、ガスレーザ等から構成することができる。光照射部３１は、例えば、パルスレーザ光を照射光Ｌとして用い、パルス毎に順次波長を切り換えながら被検体に向けてパルスレーザ光を照射する。

光音響イメージングを行う際には、光照射部３１から被検体に向けて照射光Ｌが照射され、その照射された照射光Ｌが被検体内の所定の生体組織Ｖに照射されると、生体組織Ｖは照射光Ｌの光エネルギーを吸収することにより弾性波である光音響波Ｕ（超音波）を放出する。
例えば、光照射部３１から約７５０ｎｍの波長を有する照射光Ｌと、約８００ｎｍの波長を有する照射光Ｌを順次被検体に照射する。ここで、ヒトの動脈に多く含まれる酸素化ヘモグロビン(酸素と結合したヘモグロビン:oxy-Hb)は、波長８００ｎｍの照射光Ｌよりも波長７５０ｎｍの照射光Ｌに対して、高い分子吸収係数を有する。一方、静脈に多く含まれる脱酸素化ヘモグロビン（酸素と結合していないヘモグロビンdeoxy-Hb)は、波長８００ｎｍの照射光Ｌよりも波長７５０ｎｍの照射光Ｌに対して、低い分子吸収係数を有する。このため、動脈および静脈に波長８００ｎｍの照射光Ｌおよび波長７５０ｎｍの照射光Ｌをそれぞれ照射すると、動脈および静脈の分子吸収係数に応じた強度の光音響波Ｕがそれぞれ放出されることになる。
動脈または静脈から放出された光音響波Ｕは、上記の実施の形態と同様にして、超音波探触子の複数の有機雑電素子５で受信される。

このように、超音波探触子は、超音波画像用として使用されるだけでなく、光音響画像用として使用することもでき、１つの超音波探触子を用いて多様な超音波診断を行うことができる。
なお、照射光Ｌの照射により被検体から誘発される光音響波Ｕは、複数の無機圧電素子２で受信することもできる。

１ バッキング材、２ 無機圧電素子、３ 第１の音響整合層、４ 第２の音響整合層、５ 有機圧電素子、６ 分離部、７ 保護層、８ 音響レンズ、９ 無機圧電素子用Ａ／Ｄコンバータ、１０ 有機圧電素子用アンプ、１１ 有機圧電素子用Ａ／Ｄコンバータ、２１ 無機圧電体、２２，４４ 信号電極層、２３，４３ 接地電極層、４１ 上側有機層、４２ 下側有機層、９１ 無機圧電体層、９１ａ 無機圧電素子層、９２，９３，９６ 導電層、９４ 音響整合層、９５ 有機層、９７ 溝、３１ 光照射部、Ｐ 配列ピッチ、Ｌ 照射光、Ｕ 光音響波。

Claims (14)

1. バッキング材と、
   前記バッキング材の表面上に配列された複数の無機圧電素子と、
   前記複数の無機圧電素子の上に配置された第1の音響整合層と、
   前記第1の音響整合層の上に配置された第２の音響整合層と
   を備え、
   前記第２の音響整合層は、複数の有機圧電素子を構成する上側有機層と、前記上側有機層と併せて前記複数の無機圧電素子に対する音響整合を行うための下側有機層とからなり、
   前記複数の有機圧電素子は、
   シート状の前記上側有機層と、
   前記上側有機層の表面上にわたって延在する接地電極層と、
   前記下側有機層に対向する前記上側有機層の裏面上に配列された複数の信号電極層と
   を有し、
   前記複数の信号電極層から前記複数の無機圧電素子までの各層を複数の断片に分離するように、積層方向に向かってそれぞれ同じピッチで平行に延びる複数の分離部をさらに備えることにより、前記複数の有機圧電素子と前記複数の無機圧電素子が互いに同じピッチで配列されることを特徴とする超音波探触子。
2. 前記上側有機層は、前記下側有機層より薄く形成される請求項１に記載の超音波探触子。
3. 前記複数の無機圧電素子を構成する各断片、または、前記複数の無機圧電素子と前記第１の音響整合層をそれぞれ構成する各断片、または、前記複数の無機圧電素子と前記第１の音響整合層と前記第２の音響整合層の前記下側有機層をそれぞれ構成する各断片をさらに複数のサブダイスに分離するように、積層方向に向かって延びるサブダイス形成溝を備えた請求項１または２に記載の超音波探触子。
4. 前記複数の有機圧電素子は、前記複数の無機圧電素子から送信された超音波を受信する受信デバイスとして利用され、
   前記上側有機層は、受信した超音波エコーを受信信号に変換するために、所定の電気容量を有する厚さで形成され、
   前記上側有機層の厚さと前記下側有機層の厚さの和は、前記複数の無機圧電素子から送信される超音波に対して所望の音響整合が行われるような値に形成される請求項１〜３のいずれか一項に記載の超音波探触子。
5. 前記上側有機層と前記下側有機層は、互いに±１０％の範囲内の音響インピーダンスを有する請求項１〜４のいずれか一項に記載の超音波探触子。
6. 前記下側有機層は、前記上側有機層より大きな音響インピーダンスを有し、且つ、前記第１の音響整合層より小さな音響インピーダンスを有する請求項１〜４のいずれか一項に記載の超音波探触子。
7. 前記複数の無機圧電素子は、
   互いに分離された複数の無機圧電体と、
   前記複数の無機圧電体の両面にそれぞれ配置された複数の信号電極層および複数の接地電極層と
   を有する請求項１〜６のいずれか一項に記載の超音波探触子。
8. 前記複数の無機圧電体は、Ｐｂ系のペロブスカイト構造酸化物から構成される請求項７に記載の超音波探触子。
9. 前記上側有機層は、有機材料のみから構成され、
   前記下側有機層は、有機材料、または、有機材料と無機材料の複合材料から構成される請求項１〜８のいずれか一項に記載の超音波探触子。
10. 前記上側有機層および前記下側有機層は、フッ化ビニリデン系材料から構成される請求項９に記載の超音波探触子。
11. 前記複数の有機圧電素子の上に配置された音響レンズをさらに備えた請求項１〜１０のいずれか一項に記載の超音波探触子。
12. 前記複数の有機圧電素子と前記音響レンズの間に、前記複数の有機圧電素子を保護する保護層をさらに備えた請求項１１に記載の超音波探触子。
13. 前記複数の有機圧電素子にそれぞれ直結された有機圧電素子用アンプをさらに備えた請求項１〜１２のいずれか一項に記載の超音波探触子。
14. 被検体に向けて照射光を照射する光照射部をさらに有し、
    前記光照射部から照射光が照射されることで被検体から誘発された超音波を前記複数の有機圧電素子または前記複数の無機圧電素子で受信する請求項１〜１３のいずれか一項に記載の超音波探触子。

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