JP7333684B2 - 超音波探触子 - Google Patents

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Description

本発明は、超音波探触子用バッキング材及びその製造方法、並びに超音波探触子に関する。
医療用の超音波診断装置や超音波画像検査装置は、対象物に対し超音波信号を送信し、その対象物内からの反射信号（エコー信号）を受信して当該対象物内を画像化する。これら超音波診断装置や超音波画像検査装置には、超音波信号送受信機能を有するアレイ式の超音波探触子が主に用いられている。
超音波探触子は、上記の対象物側から、音響レンズ、音響整合層、圧電素子、及びバッキング材をこの順で具備している。かかる超音波探触子を構成するバッキング材は、感度を向上させるための超音波の良好な減衰性や、圧電素子の過熱を防止するための高い熱伝導性等の性能が求められている。かかるバッキング材として、種々のものが提案されている。
特許文献１では、シート状の音響バッキング材上に圧電素子、音響整合層および音響レンズがこの順序で積層され、圧電素子及び音響整合層がアレイ状に複数分割され、かつ分割箇所に対応して音響バッキング層に溝が形成された超音波プローブであって、音響バッキング材は、酢酸ビニルの含有率が２０～８０重量％のエチレン－酢酸ビニル共重合体と前記エチレン－酢酸ビニル共重合体に含有された充填材とを含み、音響インピーダンスが２～８ＭＲａｌｙｓであることを特徴とする超音波プローブが開示されている。
また、特許文献２では、超音波プローブにおいて、対象に対して超音波を送波する超音波振動子に対し、対象への超音波の送波方向とは反対側に設けられるバッキング部材であって、板状のバッキング材と、バッキング材よりも熱伝導率が高い材質からなる熱伝導体及び熱伝導板とを含んで構成され、熱伝導体は、バッキング材に埋設されて、該バッキング材の両板面に達するように柱状に形成されており、この熱伝導板は、バッキング材の両板面のうち、少なくとも超音波振動子側の一面に設けられていることを特徴とする、バッキング部材が開示されている。
特許第４３１９６４４号公報 特開２０１３－１１５５３７号公報
バッキング材の用途によっては、その材料を小さいピッチで細断できることが要求されることがある。しかしながら、特許文献１及び２に記載のバッキング材は、樹脂及びフィラーで構成されており、かかるバッキング材のための材料を細断しようとすると、熱によって樹脂が変形し、その結果、所望の形状を得られないことがあった。
また、樹脂及びフィラーで構成されているバッキング材は、超音波の良好な減衰性は得られるものの、熱伝導性を得るために別体の構成を設ける必要があった。
そこで、超音波の良好な減衰性、良好な加工性、良好な熱伝導性、及び良好な耐経年劣化性を兼ね備えた新規なバッキング材を提供する必要性が存在する。
本発明者らは、鋭意検討したところ、以下の手段により上記課題を解決できることを見出して、本発明を完成させた。すなわち、本発明は、下記のとおりである：
〈態様１〉多孔質アモルファス炭素から実質的に成る、超音波探触子用バッキング材。
〈態様２〉音響インピーダンスが、２．０～５．８Ｍｒａｙｌである、態様１に記載のバッキング材。
〈態様３〉前記アモルファス炭素中に分散している、炭素質フィラーを更に含有している、態様１又は２に記載のバッキング材。
〈態様４〉前記炭素質フィラーが、炭素繊維及び炭素粒子から成る群より選択された少なくとも一種である、態様３に記載のバッキング材。
〈態様５〉密度が１．５ｇ／ｃｍ３以下である、態様１～４のいずれか一項に記載のバッキング材。
〈態様６〉音響レンズ、音響整合層、圧電素子、及び態様１～５のいずれか一項に記載のバッキング材をこの順で具備している、超音波探触子。
〈態様７〉炭素前駆体に気孔形成材を分散させること、及び
前記炭素前駆体を前記気孔形成材とともに非酸化雰囲気下で熱処理して、前記炭素前駆体を炭素化させること
を含む、態様１～５のいずれか一項に記載のバッキング材の製造方法。
〈態様８〉前記気孔形成材が、アルコール類、エーテル類、アルコール系ポリマー、エーテル系ポリマー、及びアクリル系ポリマーから成る群より選択される少なくとも一種である、態様７に記載のバッキング材の製造方法。
本発明によれば、超音波の良好な減衰性、良好な加工性、良好な熱伝導性、及び良好な耐経年劣化性を兼ね備えた新規なバッキング材を提供することができる。
図１は、本発明の超音波探触子の概念図である。
《超音波探触子用バッキング材》
本発明の超音波探触子用バッキング材は、多孔質アモルファス炭素から実質的に成る。
ここで、本明細書において、「実質的に成る」とは、例えば多孔質アモルファス炭素が、超音波探触子用バッキング材の５０体積％以上、６０体積％以上、７０体積％以上、８０体積％以上、又は９０体積％以上であり、かつ１００体積％以下、９８体積％以下、又は９５体積％以下を占めていることを意味するものである。
上記の構成を有する本発明の超音波探触子用バッキング材は、超音波を良好に減衰させることができる。より具体的には、本発明の超音波探触子用バッキング材の、ＪＩＳ Ｚ ２３５４－２０１２に準拠する超音波減衰は、－１０ｄＢ／ｃｍ以下、－１３ｄＢ／ｃｍ以下、又は－１５ｄＢ／ｃｍ以下であることができ、また－３０ｄＢ／ｃｍ以上、－２８ｄＢ／ｃｍ以上、－２５ｄＢ／ｃｍ以上、－２３ｄＢ／ｃｍ以上、又は－２０ｄＢ／ｃｍ以上であることができる。
理論に拘束されることを望まないが、超音波探触子用バッキング材は、その多孔性に起因して、超音波が内部で乱反射することにより、上記の超音波減衰がもたらされると考えられる。また、超音波探触子用バッキング材は、アモルファス炭素から実質的に成っていることにより、良好な熱伝導性及び良好な耐経年劣化性を有しつつ、更に超音波探触子用バッキング材全体として高い剛性を有することとなり、切断した際におけるダレが抑制されると考えられる。
本発明の超音波探触子用バッキング材の音響インピーダンスは、２．０Ｍｒａｙｌ以上、２．５Ｍｒａｙｌ以上、３．０Ｍｒａｙｌ以上、又は３．５Ｍｒａｙｌ以上であってよく、また５．５Ｍｒａｙｌ以下、５．３Ｍｒａｙｌ以下、５．０Ｍｒａｙｌ以下、４．８Ｍｒａｙｌ以下、４．５Ｍｒａｙｌ以下、又は４．０Ｍｒａｙｌ以下であってよい。
上記の音響インピーダンスは、以下の式により求められるものである。
音響インピーダンス（Ｚ：Ｍｒａｙｌ）＝密度（ρ：ｇ／ｃｍ３）×音速（Ｃ：ｍ／ｓｅｃ）／１０３
ここで、上記の音速は、例えばＪＩＳ Ｚ ２３５３－２００３に準拠して測定した音速であってよい。
上記の構成を有する超音波探触子用バッキング材の密度は、１．５５ｇ／ｃｍ３以下であることができる。この密度は、１．５０ｇ／ｃｍ３以下、１．４５ｇ／ｃｍ３以下、又は１．４０ｇ／ｃｍ３以下であることができ、また０．９０ｇ／ｃｍ３以上、０．９５ｇ／ｃｍ３以上、１．００ｇ／ｃｍ３以上、１．１０ｇ／ｃｍ３以上、又は１．１５ｇ／ｃｍ３以上であることができる。
また、本発明の超音波探触子用バッキング材は、随意の炭素質フィラーを含有していてもよい。
以下では、本発明の各構成要素について説明する。
〈多孔質アモルファス炭素〉
多孔質アモルファス炭素は、例えば炭素前駆体及び気孔形成材を非酸化雰囲気下で炭素化することにより得られる。詳細には、バッキング材の製造方法に関して説明する。
〈炭素質フィラー〉
炭素質フィラーは、アモルファス炭素中に分散している炭素繊維及び／又は炭素粒子であってよい。
炭素繊維としては、これに限られないが、ミルドファイバー、及びチョップドファイバー等が挙げられる。これらは単独で使用してもよく、また組み合わせて使用してもよい。
炭素繊維の平均長は、１μｍ以上、３μｍ以上、５μｍ以上、１０μｍ以上、又は１５μｍ以上であることができ、また１００μｍ以下、７０μｍ以下、５０μｍ以下、又は３０μｍ以下であることができる。
炭素粒子としては、例えばグラフェン、カーボンナノチューブ、黒鉛、及びカーボンブラック等が挙げられる。これらは単独で使用してもよく、また組み合わせて使用してもよい。
炭素粒子の形状は、特に限定されず、例えば扁平状、アレイ状、球状等の形状であってよい。
炭素粒子の平均粒子径は、１００ｎｍ以上、２００ｎｍ以上、３００ｎｍ以上、５００ｎｍ以上、７００ｎｍ以上、１μｍ以上、２μｍ以上、又は３μｍ以上であることができ、また２０μｍ以下、１５μｍ以下、１０μｍ以下、又は７μｍ以下であることができる。ここで、本明細書において、平均粒子径は、レーザー回折法において体積基準により算出されたメジアン径（Ｄ５０）を意味するものである。
超音波探触子用バッキング材中の炭素質フィラーの含有量は、超音波探触子用バッキング材全体の質量を基準として、３０質量％以下、２５質量％以下、２０質量％以下、又は１５質量％以下であることができ、また、５質量％以上、７質量％以上、又は１０質量％以上であることができる。炭素質フィラーの含有量が３０質量％以下であることにより、超音波探触子用バッキング材の成形をより容易に行うことができる。また、炭素質フィラーの含有量が５質量％以上であることにより、超音波探触子用バッキング材の良好な機械的性質を確保することができる。
《超音波探触子》
図１に示すように、本発明の超音波探触子１０は、音響レンズ１２、音響整合層１４、圧電素子１６、及び上記のバッキング材１８をこの順で具備している。
〈音響レンズ〉
音響レンズは、一般に、屈折を利用して超音波ビームを集束し分解能を向上するために配置されている。
本発明において、音響レンズを構成する素材としては、例えば従来公知のシリコーンゴム、フッ素シリコーンゴム、ポリウレタンゴム、エピクロルヒドリンゴム等のホモポリマー、エチレンとプロピレンとを共重合させてなるエチレン－プロピレン共重合体ゴム等の共重合体ゴム等を用いることができる。
〈圧電素子〉
圧電素子は、一般に、電極及び圧電材料を有し、電気信号を機械的な振動に、また機械的な振動を電気信号に変換可能で超音波の送受信が可能な素子である。
（圧電材料）
圧電材料は、電気信号を機械的な振動に、また機械的な振動を電気信号に変換可能な材料であってよい。圧電材料としては、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系セラミックス、ＰｂＴｉＯ３系セラミック等の圧電セラミックス、フッ化ビニリデン（ＶＤＦ）系ポリマー、シアン化ビニリデン（ＶＤＣＮ）系ポリマー等の有機高分子圧電材料、水晶、ロッシェル塩等を用いることができる。
フッ化ビニリデン（ＶＤＦ）系ポリマーとしては、例えばポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニリデン－３フッ化エチレン（Ｐ（ＶＤＦ－ＴｒＦＥ））等が挙げられる。シアン化ビニリデン（ＶＤＣＮ）系ポリマーとしては、ポリシアン化ビニリデン（ＰＶＤＣＮ）、シアン化ビニリデン系共重合体が挙げられる。
（電極）
電極としては、例えば金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、スズ（Ｓｎ）等を用いることができる。
〈音響整合層〉
音響整合層は、一般に、超音波振動子と被検体の間の音響インピーダンスを整合させるもので、超音波振動子と被検体との中間の音響インピーダンスを有する材料で構成される。
音響整合層に用いられる材料としては、アルミ、アルミ合金（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、ポリエチレン（ＰＥ）やポリプロピレン（ＰＰ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ＡＢＣ樹脂、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、ＡＢＳ樹脂、ＡＡＳ樹脂、ＡＥＳ樹脂、ナイロン（ＰＡ６、ＰＡ６－６）、ＰＰＯ（ポリフェニレンオキシド）、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド：ガラス繊維入りも可）、ＰＰＥ（ポリフェニレンエーテル）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＡＩ（ポリアミドイミド）、ＰＥＴＰ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＣ（ポリカーボネート）、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂等を用いることができる。
音響整合層は、単層であってもよく、又は複層であってもよい。
《バッキング材の製造方法》
バッキング材を製造する本発明の方法は、
炭素前駆体に気孔形成材を分散させて、バッキング材用組成物を作製すること、及び
バッキング材用組成物を非酸化雰囲気下で熱処理して、炭素前駆体を炭素化させること
を含む。
上記のようにして製造したバッキング材の密度は、１．５５ｇ／ｃｍ３以下であることができる。この密度は、１．５０ｇ／ｃｍ３以下、１．４５ｇ／ｃｍ３以下、又は１．４０ｇ／ｃｍ３以下であることができ、また０．９０ｇ／ｃｍ３以上、０．９５ｇ／ｃｍ３以上、１．００ｇ／ｃｍ３以上、１．１０ｇ／ｃｍ３以上、又は１．１５ｇ／ｃｍ３以上であることができる。
熱処理は、例えば６００℃以上、６５０℃以上、７００℃以上、７５０℃以上、又は８００℃以上、８５０℃以上、又は９００℃以上であり、かつ１２００℃以下、１１５０℃以下、１１００℃以下、１０５０℃以下、又は１０００℃以下の温度で行うことができる。
〈バッキング材用組成物の作製〉
バッキング材用組成物の作製は、炭素前駆体に気孔形成材を分散させることにより行う。分散は、例えば公知の撹拌機を用いて炭素前駆体及び気孔形成材を攪拌することにより行うことができる。
バッキング材用組成物中の気孔形成材の含有率は、バッキング材用組成物全体の質量を基準として、３０質量％以下、２５質量％以下、２０質量％以下、又は１５質量％以下であることができ、また、５質量％以上、７質量％以上、又は１０質量％以上であることができる。
バッキング材用組成物には、随意の炭素質フィラーを更に分散させてもよい。この場合、炭素質フィラーの含有率は、バッキング材用組成物全体の質量を基準として、３０質量％以下、２５質量％以下、２０質量％以下、又は１５質量％以下であることができ、また、５質量％以上、７質量％以上、９質量％以上、又は１０質量％以上であることができる。炭素質フィラーの含有量が３０質量％以下であることにより、バッキング材の成形をより容易に行うことができる。また、炭素質フィラーの含有量が５質量％以上であることにより、バッキング材の良好な機械的性質を確保することができる。炭素質フィラーとしては、超音波探触子用バッキング材に関して挙げたものを用いることができる。
また、熱処理の前に気孔形成材を炭素前駆体中に固定するため、バッキング材用組成物には、随意の硬化剤を含有させてもよい。この場合、硬化剤の含有率は、５質量％以下、３質量％以下、又は１質量％以下であることができ、また０質量％超、０．３質量％以上、又は０．５質量％以上であることができる。
（炭素前駆体）
炭素前駆体としては、例えばフェノール樹脂、フラン樹脂、イミド樹脂、エポキシ樹脂、及び不飽和ポリエステル樹脂等を用いることができる。これらは単独で用いてもよく、また２種以上を混合して用いてもよい。
（気孔形成材）
気孔形成材は、バッキング材用組成物を熱処理することによって消失し、バッキング材に気孔を形成することができる。
かかる気孔形成材としては、例えばアルコール類、エーテル類、及びポリマー等を用いることができる。これらは単独で用いてもよく、又は混合して用いてもよい。
アルコール類としては、例えばメタノール、エタノール、プロパノール、及びビニルアルコール等の一価アルコール、エチレングリコール等のポリオール等を用いることができる。
エーテル類としては、例えばジメチルエーテル、ジエチルエーテル、及びジエチレングリコール等を用いることができる。
ポリマーとしては、例えばアルコール系ポリマー、エーテル系ポリマー、及びアクリル系ポリマー等を用いることができる。
アルコール系ポリマーとしては、例えばポリビニルアルコール、及びブチラール樹脂等を用いることができる。
エーテル系ポリマーとしては、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリブチレングリコール等を用いることができる。
アクリル系ポリマーとしては、例えばポリ（メタ）アクリル酸、ポリメチル（メタ）アクリレート、ポリエチル（メタ）アクリレート、ポリプロピル（メタ）アクリレート、ポリブチル（メタ）アクリレート、ポリイソブチルアクリレート、ポリペンチル（メタ）アクリレート、ポリヘキシル（メタ）アクリレート、ポリ－２－エチルヘキシル（メタ）アクリレート等を用いることができ、中でもポリメチルメタクリレートを用いることが、気孔の形成効率の観点から好ましい。
（硬化剤）
硬化剤としては、例えばｐ－トルエンスルホン酸等を用いることができる。
実施例及び比較例により本発明を具体的に説明するが、本発明は、これらに限定されるものではない。
《バッキング材の作製》
〈実施例１〉
炭素前駆体としてのフラン樹脂（日立化成社）７０質量部、炭素質フィラーとしての黒鉛（鱗片状黒鉛、日本黒鉛工業社、平均粒子径５μｍ）１０質量部、気孔形成材としてのポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）（積水化成品工業社、平均粒子径１０μｍ）２０質量部、及び硬化剤としてのｐ－トルエンスルホン酸１質量部を、撹拌機を用いて十分に撹拌し、減圧脱泡操作を施して、バッキング材用組成物を作製した。
次いで、作成したバッキング材用組成物を、厚み５ｍｍの型枠に流し込んで硬化させ、そしてこれを窒素雰囲気下で１０００℃の温度で熱処理して、厚さ４ｍｍの実施例１のバッキング材を得た。
〈実施例２〉
フラン樹脂の含有量を８０質量部とし、ポリメチルメタクリレートの含有量を１０質量部としたことを除き、実施例１と同様にして、厚さ４ｍｍの実施例２のバッキング材を得た。
〈実施例３〉
気孔形成材として、ポリメチルメタクリレートの代わりにジエチレングリコール１０質量部を用いたことを除き、実施例２と同様にして、厚さ４ｍｍの実施例３のバッキング材を得た。
〈実施例４〉
気孔形成材として、ポリメチルメタクリレートの代わりにエタノール１０質量部及びブチラール樹脂（積水化学工業社）１０質量部を用いたことを除き、実施例１と同様にして、厚さ４ｍｍの実施例４のバッキング材を得た。
〈実施例５〉
気孔形成材として、ポリメチルメタクリレートの代わりにエタノール５質量部及びブチラール樹脂（積水化学工業社）５質量部を用いたことを除き、実施例１と同様にして、厚さ４ｍｍの実施例５のバッキング材を得た。
〈実施例６〉
気孔形成材として、エタノールの代わりにジエチレングリコール５質量部を用いたことを除き、実施例１と同様にして、厚さ４ｍｍの実施例６のバッキング材を得た。
〈比較例１〉
フラン樹脂の含有量を９０質量部とし、気孔形成材を用いなかったことを除き、実施例１と同様にして、厚さ４ｍｍの比較例１のバッキング材を得た。
〈比較例２〉
厚さ３ｍｍのアクリル樹脂板（ミスミ社）を、比較例２のバッキング材とした。
《評価》
作製したバッキング材を、３０ｍｍ×３０ｍｍ×３ｍｍの大きさに切り分け、そして質量を測定して密度を算出し、更に以下の評価を行った。
〈音速の測定及び音響インピーダンスの算出〉
ＪＩＳ Ｚ ２３５３－２００３に準拠して、シングアラウンド式音速測定装置を用い、作製した各バッキング材の内部における音速を２５℃で測定した。算出した密度及び測定した音速を用い、音響インピーダンスを算出した。
〈超音波減衰の評価〉
各バッキング材の内部における超音波減衰を、ＪＩＳ Ｚ ２３５４－２０１２に準拠して、水槽中に２５℃の水を満たし、超音波パルサーレシーバーＪＳＲ ＤＰＲ５００によって水中で１ＭＨｚの超音波を発生させ、超音波がバッキング材を透過する前と後の振幅の大きさを測定することにより、超音波減衰を評価した。
〈成形性の評価〉
作製した各バッキング材を、回転式カッターで切断し、断面の状態を目視により観察した。評価基準は以下のとおりである。
Ａ：断面にダレが存在しなかった。
Ｂ：断面にダレが見られた。
〈熱伝導率の評価〉
レーザーフラッシュ熱物性測定装置（ＬＦＡ４５７、ＮＥＴＺＳＣＨ社）を用い、作製したバッキング材の厚さ方向の熱伝導率を測定した。
結果を表１に示す。
Figure 0007333684000001
表１から、多孔質アモルファス炭素から実質的に成る、実施例１～６のバッキング材は、超音波の良好な減衰性、良好な加工性、及び良好な熱伝導性を兼ね備えたバッキング材であることが理解できよう。
これに対し、多孔質ではないアモルファス炭素から実質的に成る比較例１のバッキング材に関しては、加工性、及び熱伝導性は良好であったものの、超音波の減衰性が良好ではなかった。
また、アクリル樹脂で構成されている比較例２のバッキング材に関しては、超音波の減衰性は良好であったものの、加工性、及び熱伝導性が良好ではなかった。
更に、表には示していないが、アモルファス炭素から実質的に成る実施例１～６及び比較例１のバッキング材は、アモルファス炭素の安定性から、良好な耐経年劣化性を有することが当然に予測できよう。
１０ 超音波探触子
１２ 音響レンズ
１４ 音響整合層
１６ 圧電素子
１８ バッキング材

Claims (5)

  1. 音響レンズ、音響整合層、圧電素子、及びバッキング材をこの順で具備しており、
    前記バッキング材が、多孔質アモルファス炭素から実質的に成る、超音波探触子用多孔性バッキング材である、
    超音波探触子。
  2. 音響インピーダンスが、２．０～５．８Ｍｒａｙｌである、請求項１に記載の超音波探触子。
  3. 前記アモルファス炭素中に分散している、炭素質フィラーを更に含有している、請求項１又は２に記載の超音波探触子。
  4. 前記炭素質フィラーが、炭素繊維及び炭素粒子から成る群より選択された少なくとも一種である、請求項３に記載の超音波探触子。
  5. 密度が１．５ｇ／ｃｍ３以下である、請求項１～４のいずれか一項に記載の超音波探触子。
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