JP6596920B2 - 音響レンズ、その製造方法、超音波探触子および超音波撮像装置 - Google Patents

音響レンズ、その製造方法、超音波探触子および超音波撮像装置 Download PDF

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Description

本発明は、音響レンズ、その製造方法、ならびにその音響レンズを有する超音波探触子および超音波撮像装置に関する。
超音波を用いて検査を行うための超音波撮像装置は、被検体(例えば、生体)に超音波を送信し、この超音波の反射波(エコー)を受信することで、被検体内部を可視化して検査する。
超音波撮像装置において、超音波探触子用の音響レンズは、被検体と密着させて使用されるため、以下に掲げるような特性が要求される。音響レンズと被検体との間における超音波の反射(多重反射)を抑制する観点から、音響レンズの音響インピーダンスは、被検体のそれに近いことが要求される。また、高感度化の観点から、音響レンズにおける音波の減衰率は、低いことが要求される。さらに、音響レンズの各種形状に対応する観点から、音響レンズの成形性は、高いことが要求される。そこで、これらの要求を満たすための音響レンズが提案されている(例えば、特許文献1、2参照)。
特許文献1に記載の音響レンズは、シリコーンゴムと、シリカで被覆された金属酸化物粒子とを含む。この音響レンズでは、平均粒径が30nmである微小な金属酸化物粒子を使用することにより、音波の減衰率が低減されうる。
特許文献2に記載の音響レンズは、シリコーンゴムと、金属酸化物粒子とを含む。この音響レンズでは、金属酸化物粒子として、密度が高い酸化亜鉛、酸化白金または酸化イットリビウムを使用することにより、音波の減衰率が低減されうる。
特開2011−072702号公報 特開2009−072605号公報
しかしながら、特許文献1に記載の音響レンズでは、音響インピーダンスを被検体のそれに近づけようとすると、10〜60質量部の金属酸化物粒子が必要となる。また、特許文献2に記載の音響レンズでは、音響インピーダンスを被検体のそれに近づけようとすると、15〜60質量部の酸化亜鉛、10〜52質量部の酸化白金、または12〜56質量部の酸化イットリビウムがそれぞれ必要となる。このように、特許文献1および2に記載の音響レンズでは、所望の音響特性を得るために、金属酸化物粒子を多量に混合する必要がある。しかし、金属酸化物粒子をシリコーンゴムに多量に混合すると、金属酸化物粒子をシリコーンゴムに対して均一に、かつ安定して混合させることができない。すなわち、金属酸化物粒子およびシリコーンゴムの混合性が悪くなる。このように、金属酸化物粒子およびシリコーンゴムの混合性が悪くなると、音響レンズの成形時に結晶性のスジ状の欠陥(以下、「故障」ともいう)が発生してしまうおそれがある。このため、特許文献1および2に記載の音響レンズには、金属酸化物粒子およびシリコーンゴムの混合性について、改善の余地がある。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、優れた音響特性を有し、金属酸化物粒子およびシリコーンゴムの混合性に優れる音響レンズを提供することを第1の課題とする。また、この音響レンズを有する超音波探触子および超音波撮像装置を提供することを第2の課題とする。
上記課題を解決するため、本発明に係る音響レンズは、超音波探触子用の音響レンズであって、シリコーンゴムと、前記シリコーンゴム中に分散している金属酸化物粒子とを含むゴム組成物の加硫成形体で構成され、前記金属酸化物粒子の個数平均粒径は、30〜2000nmであり、前記金属酸化物粒子の比重は、3.5g/cm以上であり、前記シリコーンゴム100質量部に対する前記金属酸化物粒子の含有量は、30〜150質量部であり、前記金属酸化物粒子100g当りの吸油量は、20mL以下である。
上記課題を解決するため、本発明に係る音響レンズの製造方法は、超音波探触子用の音響レンズの製造方法であって、シリコーンゴムと、金属酸化物粒子とを混練することでゴム組成物を作製する工程と、前記ゴム組成物を加硫成形する工程と、を含み、個数平均粒径が30〜2000nmであり、比重が3.5g/cm以上であり、前記シリコーンゴム100質量部に対する含有量が30〜150質量部であり、100g当りの吸油量が20mL以下である前記金属酸化物粒子を用いる。
上記課題を解決するため、本発明に係る超音波探触子は、本発明に係る音響レンズを有する。
上記課題を解決するため、本発明に係る超音波撮像装置は、本発明に係る超音波探触子を有する。
本発明によれば、多量の金属酸化物粒子をシリコーンゴムに安定して混合でき、優れた音響特性を有する音響レンズを生産することができる。
図1は、本発明の一実施の形態に係る超音波探触子の構成を示す断面模式図である。 図2Aは、本発明の一実施の形態に係る超音波撮像装置の構成を示す模式図であり、図2Bは、超音波撮像装置の電気的な構成を示すブロック図である。
本発明の一実施の形態に係る超音波探触子について、図面を参照して詳細に説明する。図1は、本実施の形態に係る超音波探触子の構成を示す断面模式図である。
本実施の形態に係る超音波探触子100は、バッキング層110と、バッキング層110上に配置されている圧電素子120と、圧電素子120上に配置されている音響整合層130と、音響整合層130上に配置されている本実施の形態に係る音響レンズ140とを有する。圧電素子120は、バッキング層110上に配置されている送信用圧電体121と、送信用圧電体121上に配置されている中間層122と、中間層122上に配置されている受信用圧電体123とを有する。また、送信用圧電体121および受信用圧電体123の両面には、電極150がそれぞれ配置されている。
[バッキング層]
バッキング層110は、圧電素子120を支持し、不要な超音波を吸収しうる超音波吸収体である。
バッキング層110の材料の例には、天然ゴム、フェライトゴム、エポキシ樹脂、熱可塑性樹脂、およびこれらの材料の少なくともいずれかと酸化タングステンや酸化チタン、フェライトなどの粉末との混合物をプレス成形した樹脂系複合材が含まれる。
熱可塑性樹脂の種類の例には、塩化ビニル、ポリビニルブチラール、ABS樹脂、ポリウレタン、ポリビニルアルコール、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアセタール、ポリエチレンテレフタレート、フッ素樹脂、ポリエチレングリコール、および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が含まれる。バッキング層110の材料としては、樹脂系複合材が好ましく、ゴム系複合材またはエポキシ樹脂系複合材が特に好ましい。バッキング層110の形状は、圧電素子120の形状やこれを含む超音波探触子100などの形状に応じて、適宜設計されうる。
ゴム系複合材は、後述するゴム成分および充填剤を含有することが好ましい。また、必要に応じて、ゴム系複合材には他の配合剤が添加されてもよい。
ゴム成分の例には、エチレンプロピレンゴム、水素化ニトリルゴム、クロロプレンゴム、シリコーンゴム、エチレンプロピレンゴムと水素化ニトリルゴムとのブレンドゴム、エチレンプロピレンゴムとニトリルゴムとのブレンドゴム、ニトリルゴムおよび/または水素化ニトリルゴムと高スチレンゴムとのブレンドゴム、およびエチレンプロピレンゴムと高スチレンゴムとのブレンドゴムが含まれる。ゴム成分の種類は、1種であってもよいし、それ以上であってもよい。また、JIS K 6253に準拠したスプリング硬さ(デュロメータ硬さ)試験機でゴム成分の硬さを測定した場合、ゴム成分の硬さは、タイプAデュロメータを使用したときにA70以上であり、かつタイプDデュロメータを使用したときにD70以下であることが好ましい。
ゴム系複合材に添加される充填剤の種類および配合量は、特に限定されない。充填剤の種類の例には、亜鉛華やチタン白、ベンガラ、フェライト、アルミナ、三酸化タングステン、酸化イットリビウムなどの金属酸化物;炭酸カルシウムやハードクレイ、ケイソウ土などのクレイ類;炭酸カルシウムや硫酸バリウムなどの金属塩類;タングステンやモリブデンなどの金属系微粉末類;ガラスバルーンやポリマーバルーンなどのバルーン類;およびガラス粉末が含まれる。これらの充填剤は、種々の比率で添加されうるが、ゴム成分100質量部に対して50〜3000質量部の範囲内であることが好ましく、100〜2000質量部の範囲内であることがより好ましく、300〜1500質量部の範囲内であることがさらに好ましい。また、充填剤の種類は、1種であってもよいし、それ以上であってもよい。
他の配合剤の種類の例には、加硫剤、架橋剤、硬化剤、これらの助剤類、劣化防止剤、酸化防止剤および着色剤が含まれる。加硫剤の種類の例には、カーボンブラック、二酸化ケイ素、プロセスオイルおよびイオウが含まれる。架橋剤の種類の例には、ジクミルパーオキサイド(DI−CUP;「DI−CUP」はHercules社の登録商標)が含まれる。酸化防止剤の種類の例には、ステアリン酸が含まれる。配合剤の添加量は、音響レンズの特性に応じて適宜設定されうる。各配合剤の添加量は、例えば、ゴム成分100質量部に対して1〜100質量部の範囲内である。
エポキシ樹脂系複合材は、後述するエポキシ樹脂成分および充填剤を含有することが好ましい。また、必要に応じて、エポキシ樹脂複合材には他の配合剤が添加されてもよい。
エポキシ樹脂成分の例には、ビスフェノールAタイプやビスフェノールFタイプ、レゾールノボラックタイプ、フェノール変性ノボラックタイプなどのノボラック型エポキシ樹脂;ナフタレン構造含有タイプやアントラセン構造含有タイプ、フルオレン構造含有タイプなどの多環芳香族型エポキシ樹脂;水添脂環型エポキシ樹脂;および液晶性エポキシ樹脂が含まれる。エポキシ樹脂成分の種類は、1種であってもよいし、それ以上であってもよい。
エポキシ樹脂系複合材に添加される充填剤の種類の例は、前述したゴム系複合材に添加される充填剤の種類と同様である。また、エポキシ樹脂成分には、ゴム系複合材を粉砕して作製した複合粒子(例えば、粒径200μm程度)が含まれていてもよい。たとえば、複合粒子は、シリコーンゴム中にフェライトを添加したものを、粉砕機により粉砕することで作製される粒子である。
また、エポキシ樹脂複合材を使用する場合、さらに架橋剤を添加する必要がある。架橋剤の種類の例には、ジエチレントリアミンやトリエチレンテトラミン、ジプロピレンジアミン、ジエチルアミノプロピルアミンなどの鎖状脂肪族ポリアミン;N−アミノエチルピペラジンやメンセンジアミン、イソフォロンジアミンなどの環状脂肪族ポリアミン;m−キシレンジアミンやメタフェニレンジアミン、ジアミノジフェニルメタン、ジアミノジフェニルスルフォンなどの芳香族アミン;ポリアミド樹脂やピペリジン、N,N−ジメチルピペラジン、トリエチレンジアミン、2,4,6−トリス(ジメチルアミノメチル)フェノール、ベンジルジメチルアミン、2−(ジメチルアミノメチル)フェノールなどの2級アミンおよび3級アミン;2−メチルイミダゾールや2−エチルイミダゾール、1−シアノエチル−2−ウンデシルイミダゾリウム・トリメリテートなどのイミダゾール類;液状ポリメルカプタンやポリスルフィド、無水フタル酸、無水トリメリット酸、メチルテトラヒドロ無水フタル酸、メチルエンドメチレンテトラヒドロ無水フタル酸、メチルブテニルテトラヒドロ無水フタル酸、メチルヘキサヒドロフタル酸などの酸無水物が含まれる。
バッキング層110の厚さは、1〜10mmの範囲内であることが好ましく、1〜5mmの範囲内であることがより好ましい。
[圧電素子]
圧電素子120は、電気信号を機械的な振動に変換することができ、機械的な振動を電気信号に変換することもできる。これにより、圧電素子120は、超音波を送信し、受信することができる。なお、圧電素子120およびバッキング層110の接着性を高める観点から、圧電素子120およびバッキング層110の少なくとも一部は、接着層を介して積層されていることが好ましい。接着層の材料としては、例えば、シリコーン系接着剤やエポキシ系接着剤などを使用すればよい。
また、前述のとおり、圧電素子120は、送信用圧電体121、中間層122および受信用圧電体123を有する。送信用圧電体121および受信用圧電体123の両面には、電極150がそれぞれ配置されている。
送信用圧電体121は超音波を被検体に向けて送信するために使用される圧電体である。受信用圧電体123は、被検体からの超音波を受信するために使用される圧電体である。送信用圧電体121および受信用圧電体123に使用される圧電体は、圧電性を有する公知の物質、混合物、化合物、固溶体および組成物であり、無機物であってもよいし、有機物であってもよい。
無機圧電体の材料の例には、水晶、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、メタニオブ酸鉛、酸化亜鉛、PbZrO/PbTiO固溶体(PZT)、Pb(Mg1/3Nb2/3)O/PbTiO固溶体(PMN−PT)およびPb(Zn1/3Nb2/3)O/PbTiO固溶体(PZN−PT)が含まれる。
有機圧電体の材料の例には、ポリフッ化ビニリデン−三フッ化エチレン共重合体(P(VDF−3FE))、P(VDF−3FE)とポリウレタンとの混練物、P(VDF−3FE)とシリコーンとの混練物、ポリフッ化ビニリデンとナイロンとの混練物、フッ化ビニリデンとクロロトリフロロエチレンとの共重合によるPVDF系共重合体、ポリブタジエン−N,N−メチレンビスアクリルアミド−スチレン共重合体、ポリ(γ−ベンジル−L−グルタメート)、メタンジイソシアネートとジアミノフルオレンとの蒸着重付加によるポリ尿素樹脂、キシリレンジイソシアネートとp−ジアミノベンゼンとの蒸着重付加によるポリ尿素樹脂、およびテトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体のエレクトレットが含まれる。
さらに無機−有機複合の圧電体の材料の例には、PZT−シロキサン−ポリ(メタ)アクリレートコンポジット、およびポリ乳酸とリン酸カルシウムまたはモンモリロナイトとのコンポジットが含まれる。
送信用圧電体121および受信用圧電体123の厚さは、前述の機能を発揮することができれば特に限定されず、例えば、100〜500μmの範囲内である。
中間層122は、インピーダンス整合の観点から、送信用圧電体121および受信用圧電体123の間に配置されている。中間層122は、例えば、100質量部のエポキシ樹脂に対して1200質量部のフェライトを混合した層である。
電極150は、送信用圧電体121および受信用圧電体123の両面にそれぞれ形成されている。電極150は、送信用圧電体121および受信用圧電体123の全面に形成されていてもよいし、一部に形成されていてもよい。また、電極150の材料の例には、金、白金、銀、パラジウム、銅、アルミニウム、ニッケル、スズおよびこれらの合金が含まれる。送信用圧電体121および受信用圧電体123の両面に電極150を形成する方法は、特に限定されない。たとえば、電極150は、チタンやクロムなどの下地金属をスパッタ法や蒸着法などにより0.02〜1.0μmの厚さで形成した後、上記電極150をスパッタ法や蒸着法などにより1〜10μmの厚さで形成すればよい。また、電極150は、微粉末の金属粉末と低融点ガラスとを混合した導電ペーストを使用したスクリーン印刷やディッピング法、溶射法によっても形成されうる。
[音響整合層]
音響整合層130は、圧電素子120および被検体の間の音響インピーダンスを整合させる層である。このために、音響整合層130は、圧電素子120と被検体との中間の大きさである音響インピーダンスを有する。音響整合層130は、単層でも積層でもよいが、音響インピーダンスが異なる複数の層からなる積層体であることが好ましい。たとえば、音響整合層130は、2層以上であることが好ましく、4層以上であることがより好ましい。音響整合層130の厚さは、超音波の波長をλとすると、λ/4である。これを満たさない場合、所望の音響特性を得られないおそれがある。
音響整合層130は、例えば、種々の材料で構成することが可能である。音響整合層130の音響インピーダンスは、音響レンズ140に向けて音響レンズ140の音響インピーダンスに、段階的または連続的により近づくように設定されていることが好ましい。たとえば、音響整合層130の音響インピーダンスは、材料に添加する添加剤の種類および含有量によって調整されうる。
音響整合層130の材料の例には、アルミニウム、アルミニウム合金(例えばAl−Mg合金)、マグネシウム合金、マコールガラス、ガラス、溶融石英、コッパーグラファイトおよび樹脂が含まれる。この樹脂の例には、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ABS樹脂、AAS樹脂、AES樹脂、ナイロン6やナイロン66などのナイロン、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンエーテル、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアミドイミド、ポリエチレンテレフタレート、エポキシ樹脂およびウレタン樹脂が含まれる。上記添加剤の例には、亜鉛華、酸化チタン、シリカやアルミナ、ベンガラ、フェライト、酸化タングステン、酸化イットリビウム、硫酸バリウム、タングステン、モリブデン、ガラス繊維およびシリコーン粒子が含まれる。
音響整合層130のインピーダンス整合の観点から、例えば、音響整合層130の表面部分は、エポキシ樹脂で構成されているとともに、シリコーン粒子を含有していることが好ましい。音響レンズ140の材料であるシリコーンを音響整合層130の基材中に分散させることにより、音響整合層130の音響インピーダンスを音響レンズ140のそれに近づけることができる。
音響整合層130の厚さは、上記の機能を発揮することができれば特に限定されず、例えば、30〜500μmの範囲内である。
なお、圧電素子120および音響整合層130の接着性を高める観点から、音響整合層130の少なくとも一部は、接着層を介して圧電素子120上に積層されていることが好ましい。接着層の材料としては、例えば、シリコーン系接着剤やエポキシ系接着剤などを使用すればよい。
[音響レンズ]
本実施の形態に係る音響レンズ140は、シリコーンゴムと、シリコーンゴム中に分散している金属酸化物粒子とを含むゴム組成物の加硫成形体で構成される。
(シリコーンゴム)
シリコーンゴムは、分子骨格としてシロキサン結合(Si−O結合)を有するゴム状シリコーン樹脂である。ゴム状シリコーン樹脂は、主成分として、ジメチルポリシロキサンを含むものが好ましい。また、ゴム状シリコーン樹脂の重合度は、例えば、3000〜10000の範囲内であることが好ましい。音響レンズ140における音速の調整や密度の調整などの観点から、シリカやナイロン粉末などの有機または無機の充填剤を含んでいてもよい。また、下記式(1)で示されるシリコーン化合物をさらに含むことが好ましい。なお、下記式(1)において、R SiO部分とRSiO部分との順番は、連続であってもよく、ランダムであってもよい。
(R SiO)(RSiO)SiR …(1)
(Rは1価の炭化水素基または水素原子であり、Rはアルキル基またはポリエーテル基であり、Xは0以上の整数であり、Yは1以上の整数である。)
シリコーンゴムは、市販品として入手することができる。たとえば、シリコーンゴムとしては、信越化学工業株式会社製のKE520U、KE541U、KE742U、KE752U、KE922U、KE931U、KE941U、KE951U、KE961U、KE850U、KE555UおよびKE575U;モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ社製のTSE200A、TSE201、TSE221−3U、TE221−4U、TSE2233U、XE20−523−4U、TSE27−4U、TSE260−3UおよびTSE−260−4U;東レ・ダウコーニング株式会社製のSH35U、SH55UA、SH745、SH746、SH831U、SE6749U、SE1120UおよびSE4704Uを使用することができる。
(金属酸化物粒子)
金属酸化物粒子は、シリコーンゴムに分散している。金属酸化物粒子100g当たりの吸油量は、20mL以下であり、15mL以下であることがより好ましい。吸油量が20mL超である場合、金属酸化物粒子およびシリコーンゴムの混合性が低下し、音響レンズ140を安定して生産することができなくなる。また、混合性が低下することにより、音響レンズ140における音波の減衰率が増大してしまい、さらには所望の音響インピーダンスを得ることができなくなる。吸油量は、測定値であってもよいし、カタログ値であってもよい。吸油量は、精製アマニ油法(JIS K 5101−13−1)または煮アマニ油法(JIS K 5101−13−2)により測定されうる。なお、成形後の音響レンズ140のシリコーンゴム中に添加されている金属酸化物粒子の吸油量は、金属酸化物粒子の粒径および多孔率から推定することができる。
一般的に、吸油量は、金属酸化物粒子の粒径および多孔率に依存する。金属酸化物粒子の粒径が大きいほど、吸油量は小さくなる。また、金属酸化物粒子の多孔率が小さいほど、単位体積当たりの表面積の割合が小さくなり、吸油量は小さくなる。特に、吸油量は、金属酸化物粒子の多孔率による影響が大きい。本実施の形態に係る金属酸化物粒子の粒径および多孔率は、金属酸化物粒子100g当りの吸油量が20mL以下となるように調整される。
また、金属酸化物粒子は、その表面に担持物質が担持されていてもよい。担持物質の種類の例には、酸化アルミニウム(等電点:pH9.1〜9.5)、シリカ(等電点:pH1.5〜3.5)、酸化ジルコニウム(等電点:pH6.0〜7.0)およびこれらの組合せが含まれる。また、担持物質には、必要に応じて他の物質が添加されていてもよい。たとえば、安定化の観点から、酸化ジルコニウムには少量(3mol%程度)の酸化イットリウム(Y)が添加されていてもよい。このとき、Yが添加された酸化ジルコニウムの等電点は、pH10程度である。また、金属酸化物粒子の表面は、塩基性を有することが好ましい。これにより、酸性であるシリコーンゴムと金属酸化物粒子とが相互作用しやすくなり、金属酸化物粒子およびシリコーンゴムの混合性をさらに向上させることができる。このような観点から、担持物質の種類は、酸化アルミニウムまたは酸化ジルコニウムであること好ましく、酸化アルミニウムであることがより好ましい。金属酸化物粒子の表面に担持物質を担持させる方法は、特に限定されず、所望の表面形状や塩基性の度合いに応じて、公知の方法から適宜選択されうる。
その表面に担持物質が担持されている金属酸化物粒子は、金属酸化物粒子と、コート剤、水、アルカリおよび有機溶媒を含有する混合溶液とを接触させることにより調製されうる。これにより、金属酸化物粒子の表面に担持物質が選択的に沈着される。コート剤は、担持物質を含み、例えば、アルミカップリング剤、ケイ酸、シランカップリング剤、ジルコニアカップリング剤である。このとき、金属酸化物粒子の表面に担持物質を選択的に沈着させる観点から、水/有機溶媒比は、容量比で0.1〜10の範囲内であり、かつ担持物質の濃度は、0.0001〜5mol/Lの範囲内であることが好ましい。
金属酸化物粒子の表面に担持物質を担持させる方法の一例について説明する。まず、金属酸化物粒子として、ルチル型酸化チタン(TiO)粒子を、TiO濃度200g/dmの水性スラリーに調製する。次いで、この水性スラリーに、ヘキサメタリン酸ナトリウム(Na3n+1)をPとして酸化チタンに対して0.4質量部加えて、ビーズミルにより湿式粉砕した後、200メッシュにて粗粒を分離する。次いで、粗粒を分離した後のスラリーの濃度を200g/dmに調整し、70℃に昇温する。スラリーを昇温した状態で、TiOに対してSiO換算で3質量部のケイ酸ナトリウム水溶液を30分かけて添加し、85℃に昇温する。次いで、スラリーを30分撹拌した後に、希硫酸を40分かけてゆっくり滴下することで、スラリーのpHを7.0に中和する。次いで、中和したスラリーを70℃に冷却し希硫酸でpHを5.5に調整した後、TiOに対してAl換算で1質量部のアルミン酸ナトリウム水溶液を、30分かけて添加する。次いで、このスラリーを30分撹拌した後に、希硫酸でスラリーのpHを5.5に再調整し、濾過洗浄する。最後に、濾過した固形分を120℃で乾燥し、気流粉砕する。これにより、その表面に酸化アルミニウムが担持されている酸化チタン粒子を調製することができる。
担持物質の膜厚は、0.1〜100nmの範囲内であることが好ましく、1〜25nmの範囲内であることがより好ましい。
金属酸化物粒子の個数平均粒径は、30〜2000nmの範囲内であり、50〜1000nmであることがより好ましく、100〜500nmであることがさらに好ましい。金属酸化物粒子の個数平均粒径が2000nm超である場合、金属酸化物粒子が超音波を散乱し、音響レンズ140の減衰率を低減させてしまう。また、金属酸化物粒子の個数平均粒径が30nm未満である場合、金属酸化物粒子のシリコーンゴムへの混合性が低下してしまう。金属酸化物粒子の個数平均粒径は、電子顕微鏡観察により粒子100個分の粒径を測定した値の個数平均値である。ここで、粒径とは、電子顕微鏡観察による画像から求めた粒子の長径と、短径との平均値である。なお、個数平均粒径は、測定値であってもよいし、カタログ値であってもよい。
金属酸化物粒子の含有量は、例えば、シリコーンゴム100質量部に対して30〜150質量部(3〜29体積部)の範囲内である。金属酸化物粒子の含有量が30質量部未満である場合、所望の音響インピーダンスを得られなくなる。また、金属酸化物粒子の含有量が150質量部超である場合、金属酸化物粒子およびシリコーンゴムの混合性が低下してしまう。
金属酸化物粒子の比重は、例えば、3.5g/cm以上であり、4.0g/cm以上であることが好ましい。金属酸化物粒子の比重が3.5g/cm未満である場合、金属酸化物粒子を大量にシリコーンゴム中に添加しなければならず、金属酸化物粒子およびシリコーンゴムの混合性が低下してしまう。なお、金属酸化物粒子の比重は、測定値であってもよいし、カタログ値であってもよい。
金属酸化物粒子における金属酸化物の種類は、特に限定されない。金属酸化物の種類の例には、TiO、SnO、Bi、WO、ZrO、Fe、MnO、Y、MgO、BaO、Fe、BaSO、CaCOおよびこれらの組合せが含まれる。なお、TiOとしては、ルチル型TiOであることが好ましい。
金属酸化物粒子は、市販品として入手することができる。たとえば、酸化チタン粒子としては、石原産業株式会社製のCR−50、CR−50−2、CR−57、CR−58、CR−58−2、CR−60、CR−60−2、CR−63、CR−67、CR−Super70、CR−80、CR−90−2、CR−93、CR−95、CR−953、CR−97、PF−690、PF−691、PF−711、PF−736、PF−737、PF−739、PF−740、PC−3、UT771、R−580、R−630、R−680、R−930、R−980およびTTO−55(C);堺化学工業株式会社製のR−62N、GTR−100、R−39およびR−11・Pを使用することができる。また、硫酸バリウム粒子としては、堺化学工業株式会社製のB−30、B−32、B−33、B−34およびBF−10を使用することができる。
ここで、音響レンズ140の製造方法の一例について説明する。まず、音響レンズ140は、シリコーンゴムと、金属酸化物粒子とを混練することでゴム組成物を作製する工程と、ゴム組成物を加硫成形する工程とを行うことで製造される。
また、必要に応じて2次加硫を行ってもよく、硫黄や酸化亜鉛などの加硫助剤などをさらに添加してもよい。加硫助剤として酸化亜鉛を使用することにより、音響レンズ140のレンズ特性を実質的に損なわずに加硫を促進し、加硫時間を短縮することできる。さらに、音響レンズ140の特性を損なわない範囲内で、シリカ粉末や酸化チタン、アルミナ、酸化セリウム、酸化鉄、硫酸バリウム、有機物フィラー、着色顔料などの他の添加剤を添加してもよい。このとき、シリカ粉末の含有量は、20質量部以下の範囲内であることが好ましく、その他の添加剤の含有量は、5質量部以下であることが好ましい。
加硫剤の種類の例には、2,5−ジメチル−2,5−ジターシャリーブチルパーオキシヘキサンやp−メチルベンゾイルパーオキサイド、ジターシャリーブチルパーオキサイドなどの過酸化物系の加硫剤が含まれる。加硫剤の添加量は、例えば、シリコーンゴム100質量部に対して0.3〜5質量部の範囲内であることが好ましい。
シリコーンゴムと金属酸化物粒子とを混合する際には、加熱などにより金属酸化物粒子に付着した水分を取り除いておくことが好ましい。また、加硫形成時の温度は、100〜200℃の範囲内であることが好ましい。
本実施の形態に係る超音波探触子100は、100g当たりの吸油量が20mL以下である金属酸化物粒子を含む音響レンズ140を有する。これにより、金属酸化物粒子のシリコーンゴムへの混合性に寄与すると想定されるシリコーンゴムの低分子量成分が金属酸化物粒子の表面に効果的に保護層を形成すると推察される。この保護層により、金属酸化物粒子がシリコーンゴムに分散しやすくなり、音響レンズ140を成形するときの故障の発生を抑制できると推察される。したがって、本実施の形態に係る超音波探触子100および音響レンズ140は、高い歩留りで安定して製造されうる。
なお、本実施の形態に係る超音波探触子100では、送信用圧電体121および受信用圧電体123を有する圧電素子120を使用する場合について説明したが、1つの圧電体が超音波の送受信の両方を行ってもよい。
また、本実施の形態に係る超音波探触子100では、送信用圧電体121および受信用圧電体123を上下に配置する場合について説明したが、送信用圧電体121および受信用圧電体123は、並列して配置されていてもよい。
次に、本実施の形態に係る超音波撮像装置について説明する。図2Aは、本実施の形態に係る超音波撮像装置200の構成を示す模式図であり、図2Bは、超音波撮像装置200の電気的な構成を示すブロック図である。
超音波撮像装置200は、図2Aに示されるように、装置本体210と、装置本体210にケーブル220を介して接続されている超音波探触子100と、装置本体210上に配置されている入力部230および表示部280とを有する。
装置本体210は、図2Bに示されるように、入力部230に接続されている制御部240と、制御部240およびケーブル220に接続されている送信部250および受信部260と、受信部260および制御部240のそれぞれと接続されている画像処理部270とを有する。なお、制御部240および画像処理部270は、それぞれ表示部280と接続されている。
ケーブル220は、超音波探触子110および送信部250と、超音波探触子100および受信部260とをそれぞれ接続し、信号を伝達する。
入力部230は、例えば、診断開始などを指示するコマンドや被検体の個人情報などのデータを入力するための装置であり、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などである。
制御部240は、例えば、マイクロプロセッサや記憶素子、その周辺回路などを含む。制御部240は、超音波探触子100、入力部230、送信部250、受信部260、画像処理部270および表示部280を、それぞれの機能に応じて制御することによって超音波撮像装置200の全体の制御を行う回路である。
送信部250は、例えば、制御部240からの信号を、ケーブル220を介して超音波探触子100に送信する。
受信部260は、例えば、超音波探触子100からの信号を、ケーブル220を介して受信して制御部240または画像処理部270へ出力する。
画像処理部270は、例えば、制御部240の制御に従い、受信部260で受信した信号に基づいて被検体内の内部状態を表す画像(超音波画像)を形成する回路である。たとえば、画像処理部270は、被検体の超音波画像を生成するDigital Signal Processor(DSP)、および、当該DSPで処理された信号をディジタル信号からアナログ信号へ変換するディジタル−アナログ変換回路(DAC回路)などを有する。
表示部280は、例えば、制御部240の制御に従って、画像処理部270で生成された被検体の超音波画像を表示するための装置である。表示部280は、例えば、CRTディスプレイや液晶ディスプレイ(LCD)、有機ELディスプレイ、プラズマディスプレイなどの表示装置や、プリンタなどの印刷装置などである。
本実施の形態に係る超音波撮像装置200における超音波探触子100は、吸油量が20mL以下である金属酸化物粒子を含む音響レンズ140を有する。超音波撮像装置200は、音響特性に優れる超音波探触子100(音響レンズ140)を含むため、高い精度および信頼性で被検体を検査することができる。
超音波撮像装置200は、医療用の超音波診断装置に適用されうる。また、超音波撮像装置200は、魚群探知機(ソナー)や非破壊検査用の探傷機などの超音波による探査結果を画像や数値などで表示する他の装置にも適用されうる。
以上の説明から明らかなように、本実施の形態に係る音響レンズは、超音波探触子用の音響レンズであって、シリコーンゴムと、前記シリコーンゴム中に分散している金属酸化物粒子とを含むゴム組成物の加硫成形体で構成され、前記金属酸化物粒子の個数平均粒径は、30〜2000nmであり、前記金属酸化物粒子の比重は、3.5g/cm以上であり、前記シリコーンゴム100質量部に対する前記金属酸化物粒子の含有量は、30〜150質量部であり、前記金属酸化物粒子100g当りの吸油量は、20mL以下である。したがって、優れた音響特性を有し、金属酸化物粒子およびシリコーンゴムの混合性に優れる音響レンズを提供することができる。
また、前記金属酸化物粒子の表面が、塩基性を有することは、酸性であるシリコーンゴムと金属酸化物粒子とが相互作用しやすくなり、金属酸化物粒子およびシリコーンゴムの混合性をさらに向上させることができる観点からより一層効果的である。
また、前記ゴム組成物の加硫成形体が前記金属酸化物粒子の表面に担持されている酸化アルミニウムをさらに含むことは、金属酸化物粒子およびシリコーンゴムの混合性をさらに向上させる観点からより一層効果的である。
また、前記金属酸化物粒子が酸化チタン粒子または硫酸バリウム粒子であることは、金属酸化物粒子およびシリコーンゴムの混合性をさらに向上させる観点からより一層効果的である。
また、本実施の形態に係る音響レンズの製造方法は、超音波探触子用の音響レンズの製造方法であって、シリコーンゴムと、金属酸化物粒子とを混練することでゴム組成物を作製する工程と、前記ゴム組成物を加硫成形する工程と、を含み、個数平均粒径が30〜2000nmであり、比重が3.5g/cm以上であり、前記シリコーンゴム100質量部に対する含有量が30〜150質量部であり、100g当りの吸油量が20mL以下である前記金属酸化物粒子を用いる。したがって、当該製造方法により製造された音響レンズは、優れた音響特性を有し、金属酸化物粒子およびシリコーンゴムの混合性に優れる。
また、本実施の形態に係る超音波探触子は、本実施の形態に係る音響レンズを有する。したがって、優れた音響特性を有する超音波探触子を安定して提供することができる。
さらに、本実施の形態に係る超音波撮像装置は、本実施の形態に係る超音波探触子を有する。したがって、高い精度および信頼性で被検体を検査することができる超音波撮像装置を提供することができる。
以下、実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれらに限定されない。
本実施例では、音響レンズの材料で評価用シートを作製し、作製したシートについて音響特性を調べた。
1.評価用シートの作製
(シート1の作製)
金属酸化物粒子として、表面に酸化アルミニウムが担持されているルチル型酸化チタン粒子Aを準備した。酸化チタン粒子Aの個数平均粒径は40nmであり、その吸油量は18mLであり、その比重は4.2g/cmである。
次いで、酸化チタン粒子Aをステンレスパッド上に薄く敷き、このパッドを140℃の環境下で4時間静置した。これにより、酸化チタン粒子Aに付着した水分などを除去した。
次いで、下記の成分を下記の量で混合し、6インチのダブルロール混練機で練ることで、ゴム組成物を調製した。
ジメチルポリシロキサン 100質量部
酸化チタン粒子A 40質量部
シリコーンゴムとして、分子鎖の両末端がジメチルビニルシリル基で置換されたジメチルポリシロキサンを使用した。ジメチルポリシロキサンは、信越化学工業株式会社製の「KE742」である。このシリコーンゴムの粘度は、5.3×10−4/sであり、ビニル基の含有量は0.2mol%である。
次いで、100質量部のゴム組成物に、加硫剤として0.5質量部の2,5−ジメチル−2,5−ジ(t−ブチルパーオキシ)ヘキサンを混合した。そして、この混合物を165℃で10分間プレス成形した後、さらに200℃で2時間、2次加硫を行うことで、厚さが2mmのシート1を作製した。
(シート2〜16の作製)
金属酸化物粒子として、表1に示されるルチル型酸化チタン粒子B〜F、硫酸バリウム粒子A〜D、酸化亜鉛粒子A、Bまたはアルミナ粒子を使用したこと、および表1に示されるように金属酸化物粒子の含有量を変更したこと以外は、シート1と同様にしてシート2〜16を作製した。
酸化チタン粒子Bの個数平均粒径は210nmであり、その吸油量は15mLであり、その比重は4.2g/cmである。
酸化チタン粒子Cの個数平均粒径は210nmであり、その吸油量は14mLであり、その比重は4.2g/cmである。
硫酸バリウム粒子Aの個数平均粒径は300nmであり、その吸油量は16mLであり、その比重は4.5g/cmである。
硫酸バリウム粒子Bの個数平均粒径は280nmであり、その吸油量は18mLであり、その比重は4.5g/cmである。
硫酸バリウム粒子Cの個数平均粒径は300nmであり、その吸油量は18mLであり、その比重は4.5g/cmである。
酸化亜鉛粒子Aの個数平均粒径は35nmであり、その吸油量は32mLであり、その比重は5.6g/cmである。
酸化亜鉛粒子Bの個数平均粒径は35nmであり、その吸油量は38mLであり、その比重は5.6g/cmである。
酸化チタン粒子Dの個数平均粒径は35nmであり、その吸油量は36mLであり、その比重は4.2g/cmである。
酸化チタン粒子Eの個数平均粒径は35nmであり、その吸油量は34mLであり、その比重は4.2g/cmである。
酸化チタン粒子Fの個数平均粒径は200nmであり、その吸油量は21mLであり、その比重は4.2g/cmである。
硫酸バリウム粒子Dの個数平均粒径は400nmであり、その吸油量は23mLであり、その比重は4.5g/cmである。
アルミナ粒子の個数平均粒径は140nmであり、その吸油量は35mLであり、その比重は4.0g/cmである。
2.評価
(1)故障発生率の評価
シート1〜16をそれぞれ100個ずつ作製したときの故障発生率を評価した。故障の発生は、長さ1mm以上のスジ状の欠陥が生じていたか否かに基づいて判断した。なお、実用に耐えうる観点から、故障発生率が5個以下である場合を合格と判断した。
(2)音響特性の評価
まず、シート1〜16のそれぞれの密度を、25℃において、JIS.C−2123により求めた。次いで、シート1〜16のそれぞれについて、25℃における音速を、測定周波数5MHzで、音速測定装置「シングアラウンド式音速測定装置UVM−2型(超音波工業株式会社製)」により測定した。最後に、測定した密度および音速の積からシート1〜16の音響インピーダンスを求めた。一般的に、音響インピーダンスの単位としては、MRaylが用いられ、1MRaylは1×10kg/msである。なお、実用に耐えうる観点から、音響インピーダンスが1.3(MRaly)以上である場合を合格と判断した。
(3)減衰率の評価
25℃の水を満たした水槽中にシート1〜16をそれぞれ入れた状態で、超音波パルサー・レシーバーJPR−10C(ジャパンプローブ株式会社製)により水中に15MHzの超音波を発生させて、超音波がシートを透過する前の振幅と、超音波がシートを透過した後の振幅とを測定した。なお、実用に耐えうる観点から、減衰率が8(dB/mm)未満である場合を合格と判断した。
シート1〜16について、シートNo.、金属酸化物粒子の種類、個数平均粒径、吸油量、比重、添加量、担持物質の種類、音響インピーダンス、減衰率、故障発生率および区分を表1に示す。
Figure 0006596920
比較例に係るシート9〜16では、金属酸化物粒子の吸油量が20mL超であった。このため、比較例に係るシート9〜11、および13〜16では、音響特性(音響インピーダンスおよび減衰率)、および故障発生率の少なくともいずれかが劣っていた。また、比較例に係るシート12では、金属酸化物粒子のシリコーンゴムへの添加量が多いため、音響レンズを成形することができなかった。これらは、金属酸化物粒子の吸油量が20mL超であるため、シリコーンゴムおよび金属酸化物粒子の混合性が低下したためと考えられる。
一方、実施例に係るシート1〜8では、金属酸化物粒子の個数平均粒径が30〜2000nmの範囲内であり、金属酸化物粒子の比重が3.5g/cm以上であり、シリコーンゴム100質量部に対する金属酸化物粒子の含有量が40〜50質量部であり、金属酸化物粒子100g当りの吸油量が20mL以下であったため、音響特性(音響インピーダンスおよび減衰率)が優れ、故障発生率が十分低かった。特に、実施例に係るシート4、7から明らかなように、金属酸化物粒子のシリコーンゴムへの添加量が多くても、低い故障発生率で音響レンズを成形することができた。これは、シリコーンゴムおよび金属酸化物粒子の混合性が高くなったためと考えられる。
本発明によれば、優れた音響特性を有する音響レンズを高い歩留まりで、安定して製造することができる。したがって、本発明によれば、超音波探触子および超音波撮像装置のさらなる普及が期待される。
100 超音波探触子
110 バッキング層
120 圧電素子
121 送信用圧電体
122 中間層
123 受信用圧電体
130 音響整合層
140 音響レンズ
150 電極
200 超音波撮像装置
210 装置本体
220 ケーブル
230 入力部
240 制御部
250 送信部
260 受信部
270 画像処理部
280 表示部

Claims (10)

  1. 超音波探触子用の音響レンズであって、
    シリコーンゴムと、前記シリコーンゴム中に分散している金属酸化物粒子または硫酸バリウム粒子とを含むゴム組成物の加硫成形体で構成され、
    前記金属酸化物粒子または硫酸バリウム粒子の表面は、塩基性を有し、
    前記金属酸化物粒子または硫酸バリウム粒子の個数平均粒径は、30〜2000nmであり、
    前記金属酸化物粒子または硫酸バリウム粒子の比重は、3.5g/cm以上であり、
    前記シリコーンゴム100質量部に対する前記金属酸化物粒子または硫酸バリウム粒子の含有量は、30〜150質量部であり、
    前記金属酸化物粒子100g当りの吸油量は、20mL以下である、
    音響レンズ。
  2. 超音波探触子用の音響レンズであって、
    シリコーンゴムと、前記シリコーンゴム中に分散している金属酸化物粒子(但し、酸化アルミニウムを除く。)または硫酸バリウム粒子とを含むゴム組成物の加硫成形体で構成され、
    前記金属酸化物粒子または硫酸バリウム粒子の表面は、塩基性を有し、
    前記金属酸化物粒子または硫酸バリウム粒子の個数平均粒径は、30〜2000nmであり、
    前記金属酸化物粒子または硫酸バリウム粒子の比重は、3.5g/cm以上であり、
    前記シリコーンゴム100質量部に対する前記金属酸化物粒子または硫酸バリウム粒子の含有量は、30〜150質量部であり、
    前記金属酸化物粒子100g当りの吸油量は、20mL以下である、
    音響レンズ。
  3. 前記ゴム組成物の加硫成形体は、前記金属酸化物粒子または硫酸バリウム粒子の表面に担持されている酸化アルミニウムをさらに含む、請求項1または請求項2に記載の音響レンズ。
  4. 前記金属酸化物粒子は、酸化チタン粒子である、請求項1〜のいずれか一項に記載の音響レンズ。
  5. 超音波探触子用の音響レンズの製造方法であって、
    シリコーンゴムと、金属酸化物粒子または硫酸バリウム粒子とを混練することでゴム組成物を作製する工程と、
    前記ゴム組成物を加硫成形する工程と、
    を含み、
    個数平均粒径が30〜2000nmであり、比重が3.5g/cm以上であり、
    前記シリコーンゴム100質量部に対する含有量が30〜150質量部であり、
    100g当りの吸油量が20mL以下であり、その表面が塩基性を有する前記金属酸化物粒子または硫酸バリウム粒子を用いる、
    音響レンズの製造方法。
  6. 超音波探触子用の音響レンズの製造方法であって、
    シリコーンゴムと、金属酸化物粒子(但し、酸化アルミニウムを除く。)または硫酸バリウム粒子とを混練することでゴム組成物を作製する工程と、
    前記ゴム組成物を加硫成形する工程と、
    を含み、
    個数平均粒径が30〜2000nmであり、比重が3.5g/cm以上であり、前記シリコーンゴム100質量部に対する含有量が30〜150質量部であり、100g当りの吸油量が20mL以下であり、その表面が塩基性を有する前記金属酸化物粒子または硫酸バリウム粒子を用いる、
    音響レンズの製造方法。
  7. その表面に酸化アルミニウムが担持されている前記金属酸化物粒子またはその表面に酸化アルミニウムが担持されている前記硫酸バリウム粒子を用いる、請求項5または請求項6に記載の音響レンズの製造方法。
  8. 前記金属酸化物粒子として、酸化チタン粒子を用いる、請求項のいずれか一項に記載の音響レンズの製造方法。
  9. 請求項1〜のいずれか一項に記載の音響レンズを有する、超音波探触子。
  10. 請求項に記載の超音波探触子を有する、超音波撮像装置。
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