JP7455691B2 - 音響整合部材および超音波探触子 - Google Patents

Description

本願発明は、超音波を用いた検査装置などに用いられる音響整合部材に関する。

超音波を用いた検査装置において、圧電体から発生した超音波をそのまま被検体に入射させようとすると、セラミックスからなる圧電体の音響インピーダンスと、水（人体）や空気の音響インピーダンスとが著しく異なるため、超音波が被検体との界面で反射する割合が多くなる。そこで、被検体に効率良く超音波を伝播させるために、圧電体と被検体との間に音響整合部材を設けた超音波送受波器が考案されている（特許文献１参照）。

特開２００４－２１９２４８号公報

一般的な音響整合部材は、圧電体の音響インピーダンスと被検体の音響インピーダンスとの間のある値を取ることが理想的とされている。一方、ある物質の音響インピーダンスは、その物質内を透過する際の音速に物質の密度を掛けたものである。そのため、ある物質の音響インピーダンスを低減するためには、それを構成する物質を多孔質化することにより密度（と音速）を低減することが一つの方法である。

そこで、特許文献１に開示の音響整合部材は、微小な凹部や貫通部を部分的に設けることにより、見かけの密度を低減するように構成されている。しかしながら、微小な凹部や貫通部を音響整合部材に形成することは、特に音響整合部材の厚みが薄い場合に困難である。例えば、音響整合部材が樹脂の場合、加工の寸法精度が悪くなる。また、音響整合部材がセラミックスの場合、加工の寸法精度は良好であるものの、硬くてもろいため欠けが生じやすく、多孔質セラミックスの場合、機械強度が低いため、特に厚みが薄い場合に割れが生じやすい。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、適度な音響インピーダンスを有する新たな音響整合部材を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の音響整合部材は、六方晶窒化硼素を含むセラミックス材料であり、音響インピーダンスが４～１２ＭＲａｙｌｓである。

例えば、一般的な超音波探触子に用いられる圧電素子の音響インピーダンスは８～１００ＭＲａｙｌｓである。そのため、音響インピーダンスが４～１２ＭＲａｙｌｓの音響整合部材を用いることで、例えば被検体が水（人体）の場合に超音波を被検体へ効率良く入射させることができる。また、六方晶窒化硼素を含むセラミックス材料は、セラミックス材料の中では精度の高い加工が比較的容易であり、寸法精度が性能に影響を与える音響整合部材の材料として好ましい。また、六方晶窒化硼素に加えて他の材料を含むセラミックス材料により、六方晶窒化硼素単体の材料や樹脂材料と比べ、高い強度の音響整合部材を実現できる。

セラミックス材料は、六方晶窒化硼素を５０～９０ｖｏｌ％含有していてもよい。これにより、適度な加工性を実現しつつ所望の範囲の音響インピーダンスを実現できる。

セラミックス材料は、窒化珪素を１０～５０ｖｏｌ％含有していてもよい。これにより適度に高い曲げ強度を実現しつつ所望の範囲の音響インピーダンスを実現できる。

セラミックス材料は、気孔率が４０％以下であってもよい。これにより、六方晶窒化硼素を含むセラミックス材料の密度を、音響整合部材が所望の範囲の音響インピーダンスとなるように調整できる。

セラミックス材料は、気孔の平均径が２０μｍ以下であってもよい。これにより、超音波の伝播に与える影響を少なくしつつ、セラミックス材料全体の密度を調整できる。

セラミックス材料は、密度が１．５～２．５５ｇ／ｃｍ^３であってもよい。これにより、材料組成や気孔率によって内部を伝播する音速が違っても、音響整合部材が所望の範囲の音響インピーダンスとなるように調整できる。

音響整合部材は、厚みが０．０３～０．９ｍｍであってもよい。これにより、内部を伝播する音速が２５００～７０００ｍ／ｓである音響整合部材であれば、周波数が２ＭＨｚ～２０ＭＨｚの超音波に十分対応でき、例えば、医療用の超音波探触子に適用できる。

曲げ強度が５０ＭＰａ以上であってもよい。これにより、音響整合部材として割れたり壊れたりしにくくなる。

セラミックス材料は、原料としてメジアン径Ｄ５０が５μｍ以下の窒化硼素を焼成したものであってもよい。これにより、焼結体であるセラミックス材料内部の気孔の平均径を小さくできる。

本発明の他の態様は、超音波探触子である。この超音波探触子は、音響インピーダンスが８～１００ＭＲａｙｌｓである圧電素子と、上述の音響整合部材と、を備えている。なお、圧電素子は、２０ＭＲａｙｌｓ以上であってもよく、また、３０ＭＲａｙｌｓ以下であってもよい。

この態様によると、圧電素子から発せられた超音波を効率良く被検体に入射させることができる。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。また、上述した各要素を適宜組み合わせたものも、本件特許出願によって特許による保護を求める発明の範囲に含まれうる。

本発明によれば、適度な音響インピーダンスを有する新たな音響整合部材を実現できる。

超音波探触子の主要部の概略構成を示す模式図である。

以下、本発明を実施の形態をもとに図面や表を参照しながら説明する。図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述される全ての特徴やその組合せは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

（超音波探触子）
超音波検査（診断）装置は、圧電素子（圧電体）から出射した超音波を物体や人等の被検体に入射させ、その反射波を利用して画像化することで、非破壊、非侵襲で被検体の内部を調べることができる。超音波検査装置は、重要な部品として被検体に接する探触子（プローブ）を備えている。図１は、超音波探触子の主要部の概略構成を示す模式図である。

図１に示すように、超音波探触子１０は、超音波を発する圧電素子１２と、圧電素子１２から出射した超音波が効率良く人体などの被検体１４に入射するように、適切な音響インピーダンスを有する音響整合部材１６と、を備える。一般的に、音響整合部材の材料としては、樹脂やセラミックスが使われる。なお、音響整合部材１６は、音響インピーダンスが異なる複数の部材を積層したものであってもよい。その場合、音響インピーダンスが相対的に大きな部材を圧電素子側に、相対的に小さな部材を被検体側になるように音響整合部材１６を配置するとよい。

（音響整合部材）
音響整合部材の特性を示す値として音響インピーダンスＺが知られている。音響インピーダンスＺは以下の式（１）で算出される。
Ｚ［ＭＲａｙｌｓ］＝密度ρ［ｇ／ｃｍ^３］×音速Ｖ［ｍ／ｓ］／１０００・・・式（１）

また、音響整合部材における理論上最適な音響インピーダンスＺ_ｉｄの値は、音響整合部材の一方の側にある圧電素子の音響インピーダンスをＺ_１、他方の側にある被検体の音響インピーダンスをＺ_２とすると、以下の式（２）で算出される。
Ｚ_ｉｄ＝（Ｚ_１×Ｚ_２）^１／２・・・式（２）
例えば、圧電素子の音響インピーダンスＺ_１が３０ＭＲａｙｌｓ、被検体が水（人体）の場合の音響インピーダンスＺ_２が１．５ＭＲａｙｌｓの場合、音響整合部材における理論上最適な音響インピーダンスＺ_ｉｄの値は、６～７ＭＲａｙｌｓの範囲となる。

したがって、ある材料を用いた音響整合部材の音響インピーダンスＺが理論上最適な音響インピーダンスＺ_ｉｄより大きい場合は、気孔を導入することにより密度（と音速）を低減することで調整することが一つの手段である。

また、音響整合部材の内部を伝播する超音波の伝播効率を向上させるためには、超音波の波長λに対して、音響整合部材の厚みｔが、ｔ＝λ／４であるとよい。例えば、音響整合部材の内部における超音波の音速を２５００ｍ／ｓ、周波数を２．５ＭＨｚとすると、超音波の波長λは１ｍｍとなり、音響整合部材の理論上最適な厚みｔ_ｉｄは０．２５ｍｍとなる。そして、この理論上最適な厚みｔ_ｉｄからのずれが大きい厚みの音響整合部材ほど、超音波の伝播効率が低下する。そのため、可能な限り音響整合部材を理論上最適な寸法（厚み）に加工することが望まれるが、その材料や組成によって下記の課題が生じ得る。

例えば、音響整合部材が樹脂の場合、加工の寸法精度が悪く、０．２５ｍｍの厚みの音響整合部材をスライス加工により作製しようとすると、±５０μｍ程度のばらつきが発生する。

一方、音響整合部材が多孔質セラミックスの場合、加工の寸法精度は良いものの、多孔質セラミックス自体の機械強度が低いため、音響整合部材を０．２５ｍｍ程度の厚みに加工しようとすると、非常に割れやすく取扱いが困難である。そこで、強度不足を改善するために、音響整合部材の構造を工夫したり、補強材を組み込んだりすることが考えられるが、工数や部材が増えるためコストが上昇する。

（音響整合部材の製造方法）
本願発明者らは、以上の知見を参考に、従来にない新たな音響整合部材を考案した。はじめに、音響整合部材の製造方法について説明する。

後述の各実施例および各比較例の試料の組成となるように原料粉末を準備する（準備工程）。次に、原料粉末を水やアルコール溶媒中でボールミルを混合する（混合工程）。溶媒には必要に応じて分散剤等を添加してもよい。原料粉末が混合された溶媒は、スプレードライヤーやエバポレータといった乾燥装置（乾燥工程）によって乾燥され、粉末化される（乾燥・粉末化工程）。その後、焼成温度１５００～１９００℃、加圧力５～３０ＭＰａの範囲で温度、圧力を調整し、ホットプレス焼成を行う（焼成工程）。焼成された焼結体をマルチワイヤーソーにより所定の厚みでスライスし、板状の音響整合部材を製造する（加工工程）。

［実施例］
以上の製造方法に基づいて、材料やその組成、気孔率が異なる実施例１～９、比較例１～９に係る音響整合部材を製造した。各音響整合部材の特性について表１に示す。

加工テストでは、各実施例および各比較例の試料に対して、マルチワイヤーソーを用いたスライス加工により０．２５ｍｍの厚さの音響整合部材を５０枚作成した。そして、作成した音響整合部材に対して外観検査と厚み寸法を測定した。厚みのばらつきが規定値（０．２５ｍｍ）の±５％（±１２．５μｍ）以内に収まっているものを合格（〇）とした。また、音響インピーダンスのばらつきは、±０．５ＭＲａｙｌｓの範囲に収まっているものを合格（○）とした。また、曲げ強度は、ＪＩＳ１６０１：２００８に基づく３点曲げ試験により測定し、５０ＭＰａ以上を合格とした。

一般的なセラミックスは、音響インピーダンスが３０～４０ＭＲａｙｌｓであり、そのままでは、圧電素子の音響インピーダンスと余り変わらない。一方、窒化硼素は、低密度、低弾性率（音速が遅い）材料であり、音響インピーダンスが通常のセラミックスよりも低く、１．５～１４ＭＲａｙｌｓ程度である。そこで、本実施の形態に係る音響整合部材は、主成分として六方晶窒化硼素を含むセラミックス材料であり、音響インピーダンスが４～１２ＭＲａｙｌｓである。

一般的な超音波探触子に用いられる圧電素子の音響インピーダンスは８～１００ＭＲａｙｌｓである。そのため、実施例１～９に示すように、音響インピーダンスが４～１２ＭＲａｙｌｓの音響整合部材を用いることで、例えば被検体が水（人体）の場合に超音波を被検体へ効率良く入射させることができる。また、六方晶窒化硼素を含むセラミックス材料は、セラミックス材料の中では精度の高い加工が容易であり、寸法精度が性能に影響を与える音響整合部材の材料として好ましい。また、六方晶窒化硼素に加えて他の材料を含むセラミックス材料により、六方晶窒化硼素単体の材料や樹脂材料と比べ、高い強度の音響整合部材を実現できる。

一方、比較例４に示すように、六方晶窒化硼素が１００ｖｏｌ％の音響整合部材は、加工テストにおいて欠けが発生していた。そこで、本実施の形態に係る音響整合部材は、六方晶窒化硼素を５０～９０ｖｏｌ％含有していることが好ましい。また、強度を持たせるために少なくとも１種類以上の他のセラミックス材料（例えば、窒化珪素）を１０～５０ｖｏｌ％含有していてもよい。これにより、適度な加工性と曲げ強度を実現しつつ所望の範囲の音響インピーダンスを実現できる。なお、曲げ強度は５０ＭＰａ以上であるとよい。これにより、板状の音響整合部材として割れたり壊れたりしにくくなる。換言すると、比較例４，８に示すように、曲げ強度が低い（５０ＭＰａ以下）と、加工時に割れや欠けが発生しやすくなる。

また、難焼結性である窒化硼素を使用することで、焼成時の温度、加圧力により焼結体の気孔率を容易に制御することが可能である。特に、六方晶窒化硼素は板状の形状であり充填されにくいため、焼結体において気孔が形成されやすい。なお、焼成時の温度は流動性、圧力は配向性に寄与する。

また、実施例１～９に示す音響整合部材は、気孔率が４０％以下である。これにより、六方晶窒化硼素を含むセラミックス材料を低密度化し、音響整合部材の音響インピーダンスを所望の範囲に低減し調整できる。一方、気孔率が大きい（５０％以上）比較例３，７，８に係る音響整合部材においては、加工時に使用する研削液等の汚れが内部深くまで侵入し、部分的に密度（音響インピーダンス）が増加することで、音響インピーダンスのばらつきが大きく不均一になる不具合が見られた。また、気孔率が０％である比較例１，２に係る音響整合部材は、加工テストや曲げ強度等の機械的な特性は満足するものの、音響インピーダンスが十分に低減していない。

なお、多孔質体では材料の内部の気孔が超音波の伝播に影響を与える懸念があるが、一般的に波長の１／１０以下であれば超音波の伝播に大きな影響を与えないと言われている。つまり、超音波の波長が１～数ｍｍ程度であれば、本実施の形態に係るセラミックス材料の気孔の平均径が２０μｍ以下であるため、伝播に大きな影響を与えず、優れた超音波伝播効率を示す。

このように平均径が小さな気孔を形成することにより、超音波の伝播に与える影響を少なくしつつ、セラミックス材料全体の密度を調整できる。セラミックス材料の密度は、実施例１～９に示すように、１．５～２．５５ｇ／ｃｍ^３の範囲に含まれているとよい。これにより、材料組成や気孔率によって内部を伝播する音速が違っても、音響整合部材が所望の範囲の音響インピーダンスとなるように調整できる。

なお、本実施の形態に係るセラミックス材料は、原料としてメジアン径Ｄ５０が５μｍ以下の窒化硼素を焼成することで、焼結体であるセラミックス材料内部の気孔の平均径を小さく（２０μｍ以下に）できる。

上述以外の比較例５は、樹脂を用いた音響整合部材であり、音響インピーダンスは所望の範囲に調整できるものの、一般的な樹脂が高熱膨脹であることに起因した加工熱による変形や、低ヤング率に起因した加工負荷による変形が起きやすく、加工による厚みのばらつきが大きい。また、上記理由からマルチワイヤーソーによるスライス加工によって外観に表面荒れが見られる。

窒化硼素を含まない多孔質セラミックスＢ，Ｃ（比較例６，７）からなる音響整合部材や、セラミックスＥ（比較例９）からなる音響整合部材は、音響インピーダンスを所望の範囲に調整できない。一方、音響インピーダンスを所望の範囲に調整するために、気孔率を６０％にした多孔質セラミックスＤ（比較例８）は、気孔率が大きいため、音響インピーダンスのばらつきが大きく、欠けの発生も見られた。

（医療用途の音響整合部材）
本実施の形態に係る音響整合部材は、様々な分野の超音波探触子に利用できるものであるが、例えば、医療用の超音波探触子に利用する場合について説明する。例えば、医療用の超音波探触子を想定した場合、超音波の周波数が２ＭＨｚ～２０ＭＨｚ、音響整合部材での音速が２５００～７０００ｍ／ｓ程度である。したがって、超音波の波長λ＝音速÷周波数＝０．１２５ｍｍ～３．５ｍｍである。そして、音響整合部材の厚みｔ＝λ／４であれば理論上の伝播効率が最もよくなるので、厚みｔ＝λ／４＝０．０３１ｍｍ～０．８７５ｍｍとなる。したがって、本実施の形態に係る音響整合部材の厚みｔは、０．０３～０．９ｍｍであるとよい。換言すると、内部を伝播する音速が２５００～７０００ｍ／ｓである音響整合部材であれば、周波数が２ＭＨｚ～２０ＭＨｚの超音波に十分対応でき、医療用の超音波探触子に適用できる。

また、本実施の形態に係る超音波探触子は、音響インピーダンスが２０～１００ＭＲａｙｌｓである圧電素子と、六方晶窒化硼素を含むセラミックス材料であり、音響インピーダンスが４～１２ＭＲａｙｌｓである音響整合部材と、を備えている。これにより、圧電素子から発せられた超音波を効率良く被検体に入射させることができる。

以上、本発明を上述の実施の形態や実施例を参照して説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて実施の形態における組合せや工程の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。

１０ 超音波探触子、 １２ 圧電素子、 １４ 被検体、 １６ 音響整合部材。

Claims (9)

1. 六方晶窒化硼素を含むセラミックス材料であり、音響インピーダンスが４～１２ＭＲａｙｌｓであり、気孔率が４０％以下であることを特徴とする音響整合部材。
2. 前記セラミックス材料は、六方晶窒化硼素を５０～９０ｖｏｌ％含有していることを特徴とする請求項１に記載の音響整合部材。
3. 前記セラミックス材料は、窒化珪素を１０～５０ｖｏｌ％含有していることを特徴とする請求項２に記載の音響整合部材。
4. 前記セラミックス材料は、気孔の平均径が２０μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の音響整合部材。
5. 前記セラミックス材料は、密度が１．５～２．５５ｇ／ｃｍ^３であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の音響整合部材。
6. 厚みが０．０３～０．９ｍｍであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の音響整合部材。
7. 曲げ強度が５０ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の音響整合部材。
8. 前記セラミックス材料は、原料としてメジアン径Ｄ５０が５μｍ以下の窒化硼素を焼成したものであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の音響整合部材。
9. 音響インピーダンスが８～１００ＭＲａｙｌｓである圧電素子と、
   請求項１乃至８のいずれか１項に記載の音響整合部材と、
   を備える超音波探触子。

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