JPWO2007145073A1 - アレイ型超音波探触子及びその製造方法、並びにアレイ型超音波探触子の駆動方法 - Google Patents
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Abstract
Description
ハーモニックイメージング技術は、超音波探触子からある周波数を有する基本波(f1)を生体内に送信し、生体内から発生する上記基本波の整数倍(例えば、2倍、3倍、4倍、5倍など)の周波数成分を有する高調波の反射波を超音波探触子により受信し、
超音波診断装置で上記反射波を電気信号に変換した後にさまざまな画像処理を行うことにより超音波画像の分解能を向上させ精細な画像を形成する技術である。このハーモニックイメージング技術は、マイクロバブル等からなる超音波造影剤を血管を介して生体内部へ投与し、診断部位をコントラストの強調された画像として描出するにも用いられる。その理由は、生体内へ投与されたマイクロバブルが高調波をより強く反射する性質を有していることにある。
送信と受信を別々の圧電素子に分離すると同時に
セラミック材料と有機材料からなる圧電素子を複合化することにより
送受信分離型として高感度な超音波探触子が得られる。更に、複合化に有機結合材を使用し、有機結合材層を導入することにより感度を高めることができる。
(1)少なくとも1次元的に配置された多チャンネル型のアレイ型超音波探触子において、シート状の圧電素子を送受信分離型の複合型圧電素子として複数個備え、該複合型圧電素子は送信用圧電素子を構成する材料の23℃下の縦弾性係数が10GPa〜100GPaであり、受信用圧電素子を構成する材料の23℃下の縦弾性係数が10MPa〜1GPaであることを特徴とするアレイ型超音波探触子。
(2)前記複合型圧電素子は送信用圧電素子を構成する材料がセラミック材料からなり、受信用圧電素子を構成する材料が有機材料からなることを特徴とする項(1)に記載のアレイ型超音波探触子。
(3)前記受信用圧電素子は送信用圧電素子から発信される基本波の2次以上の高調波を受信する感度を有する有機圧電素子であることを特徴とする請求の項(1)または項(2)に記載のアレイ型超音波探触子。
(4)前記有機圧電素子は、少なくとも1種の有機結合材で電極に結合されることを特徴とする項(3)に記載のアレイ型超音波探触子。
(5)前記送信用圧電素子または受信用圧電素子はそれぞれ同種薄膜材料を積層した圧電素子からなることを特徴とする項(1)〜(4)のいずれか1項に記載のアレイ型超音波探触子。
(6)前記送受信分離型の複合圧電素子は、整合層とバッキング層に挟まれ、整合層側に送信用圧電素子が配置され、バッキング層側に受信用圧電素子が配置されていることを特徴とする項(1)〜(5)のいずれか1項に記載のアレイ型超音波探触子。
(7)前記送信用圧電素子の材料が、PZT、水晶、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、ニオブ酸タンタル酸カリウム[K(Ta,Nb)O3]、チタン酸バリウム(BaTiO3)、タンタル酸リチウム(LiTaO3)、又はチタン酸ストロンチウム(SrTiO3)であることを特徴とする項(1)〜(6)のいずれか1項に記載のアレイ型超音波探触子。
(8)前記受信用圧電素子の材料が、ポリフッ化ビニリデン、ポリ尿素、ポリアミド、ポリイミド、ポリエステル、ポリオレフィンから選ばれる少なくとも1種を60モル%〜100モル%含む樹脂であることを特徴とする項(1)〜(7)のいずれか1項に記載のアレイ型超音波探触子。
(9)前記有機結合材がポリビニルブチラール、ポリオレフィン、ポリシクロオレフィン、ポリアクリレート、ポリアミド、ポリイミド、ポリエステル、ポリスルホン、シリコーン、エポキシ及びその誘導体から選ばれる少なくとも1種の樹脂であり、ポリビニルブチラール、ポリイミド、エポキシ、シリコーン、ポリスルホンはそれぞれ化学番号物質番号(6)-708 (Alkyl(C4)acetalpolyvinylalcohol)、 (7)-2211、 (3)-3453、(7)-476 (polyalkyl(C12)siloxane)と(7)-1262に係わるものであることを特徴とする項(4)に記載のアレイ型超音波探触子。
(10)前記受信用圧電素子の材料が、ポリ(フッ化ビニリデン/パーフルオロアルキルビニルエーテルまたはパーフルオロアルコキシエチレン)共重合体でフッ化ビニリデン組成が85モル%〜99モル%であり、パーフルオロアルキルビニルエーテルまたはパーフルオロアルコキシエチレンが1モル%〜15モル%であることを特徴とする項(1)〜(6)のいずれか1項に記載のアレイ型超音波探触子。
(11)項(1)〜(6)のいずれか1項に記載のアレイ型超音波探触子の製造方法であって、受信用圧電素子は、ポリエステル樹脂、ポリカーボネート樹脂、シクロオレフィンポリマー樹脂から選ばれる支持体(基板)上にモノマー種を蒸着重合で低温製膜形成することを特徴とするアレイ型超音波探触子の製造方法。
(12)項(11)に記載のアレイ型超音波探触子の製造方法であって、
前記モノマー種が少なくとも尿素または尿素誘導体であることを特徴とするアレイ型超音波探触子の製造方法。
(13)項(1)〜(6)、項(8)〜(10)のいずれか1項に記載のアレイ型超音波探触子の製造方法であって、該アレイ型超音波探触子は、分極処理(ポーリング)としてコロナ放電処理されることを特徴とするアレイ型超音波探触子の製造方法。
(14) アレイ型超音波探触子は、分極処理(ポーリング)としてコロナ放電処理されることを特徴とする、項(11)または項(12)に記載のアレイ型超音波探触子の製造方法。
(15) 項(1)〜(10)のいずれか1項に記載のアレイ型超音波探触子を駆動させるアレイ型超音波探触子の駆動方法であって、送信用圧電素子と受信用圧電素子に電圧負荷を交互に切り替えて送受信することを特徴とするアレイ型超音波探触子の駆動方法。
2 送信用圧電素子
3 受信用圧電素子
4 送信用電極
5 バッキング材
6 第1整合層
7 第2整合層
8 超音波
9 接地電極
10 受信用電極
11 探触子間溝
13 有機結合材層
図1のbは有機結合材層13を導入した超音波探触子の側面図である。また、図2のaは、本実施の形態のアレイ型超音波探触子を構成する送用圧電素子が積層型の断面図である。
図2のbは有機結合材層13を導入した超音波探触子の側面図である。図3のaは、本実施の形態のアレイ型超音波探触子を構成する送信用圧電素子及び受信用圧電素子が積層型である超音波探触子の断面図である。図3のbは有機結合材層13を導入した超音波探触子の側面図である。更に図1から図3のa及びbにおいて、1は超音波探触子、2は送信用圧電素子、3は受信用圧電素子、4は送信用圧電素子に加電圧する外部電極、5はバッキング材、6は第1正整合層、7は第2整合層、8は超音波の発信方向、9は受信用加圧電極、13は有機結合材層である。aは結合材を使用した結合材層のない図で、bは結合材層を導入した例で、有機圧電層がセラミック圧電素子と電極を介して結合するとき、その電極と有機圧電層素子の間に結合材層が形成せしめられたときの図を示す。
有機結合材層は、有機圧電素子が単体で超音波探触子が成り立つ場合は、セラミック材料と結合する電極の間と反対側の電極の間に1つ(図示していない)存在させることができる。有機圧電素子が複数からなる積層型(図示していない)では、電極ごとに結合材層を設けることができる。送信するセラミック圧電素子と有機圧電素子が電極を介して結合する部分は、送信の圧電効果の影響を直に受けるので結合材層を導入することが重要である。
図4は、aは探触子が1次元に並列した側面図、bは探触子が2次元に並列した上面図である。
特に脂環式型が好ましく、既存化学物質番号で3−2452(3,4-epoxycyclohexylmethyl(3,4-epoxy)cyclohexanecalboxylate)、3−3453、4−47(2-(3,4-epoxy)cyclohexyl-5,1-spiro-(3,4-epoxy)cyclohexyl-m-dioxane)、5−1052(1,3,5-tris-glycidyl-isocyanuricacid)等が好ましい。脂環式型は耐熱性もよく、接着力もよいので好ましく使用できる。
また、送信用圧電素子3のみをグリーンシートの積層工法によって焼成製作し、受信圧電素子2を後から被覆してもよいし、あらかじめシートとして塗布乾燥され、1軸延伸されたシートを重ねて加工したものを使用して接着し、探触子間溝を形成させた構造でもよい。
あらかじめ圧電効果が最大となるように一軸延伸し、分極処理(ポーリング処理)を掛けたシートを有機結合材を使用して貼り合わせた積層型のものが特に好ましい。
《アレイ型超音波探触子1〜14の作製》
〈受信用圧電素子膜の作製〉
(膜M1の作製)
P(VDF−PFA)(組成モル比:VDF/パーフロオロアルキルビニルエーテル=90/20)膜をDMF(ジメチルホルムアミド)溶液から流延して厚さ48μmの膜を作製し、さらにこれを140℃で結晶化を行なった。これに金属蒸着して電極を両面に設けた。この膜に±940Vのピーク値をもつ1Hzの交流電圧(三角波)を印加して77℃で分極反転を繰り返した。
P(VDF−PFE)(組成モル比:VDF/パーフロオロアルキルビニルエーテル=88/12)膜をDMF(ジメチルホルムアミド)溶液から流延して厚さ48μmの膜を作製し、さらにこれを140℃で結晶化を行なった。これに金属蒸着して電極を両面に設けた。この膜に±920Vのピーク値をもつ3Hzの交流電圧(三角波)を印加して82℃で分極反転を繰り返した。
P(VDF−HFP)(組成モル比:VDF/HFP(ヘキサフルオロプロピレン)=86/12)膜をDMF(ジメチルホルムアミド)溶液から流延して厚さ48μmの膜を作製し、さらにこれを138℃で結晶化を行なった。これに金属蒸着して電極を両面に設けた。この膜に±962Vのピーク値をもつ2Hzの交流電圧(三角波)を印加して86℃で分極反転を繰り返した。
P(VDF−HFP)(組成モル比:VDF/HFP(ヘキサフルオロプロピレン)=86/12)膜をDMF(ジメチルホルムアミド)溶液に溶解し、更にカーボンナノチューブを3質量%添加してブレンダーで混練後流延して厚さ48μmの膜を作製し、さらにこれを138℃でアニーリングを行なった。これに金属蒸着して電極を両面に設けた。この膜に±962Vのピーク値をもつ2Hzの交流電圧(三角波)を印加して86℃で分極反転を繰り返した。
(膜S1:鉛を含まないチタン酸系圧電素子の作製)
成分原料であるCaCO3、La2O3、Bi2O3およびTiO2、および副成分原料であるMnOを準備し、成分原料については、成分の最終組成が(Ca0.97La0.03)Bi4.01Ti4O15となるように秤量した。次に、純水を添加し、純水中でジルコニア製メディアを入れたボールミルにて8時間混合し、十分に乾燥を行い、混合粉体を得た。得られた混合粉体を、仮成形し、空気中、800℃で2時間仮焼を行い仮焼物を作製した。次に、得られた仮焼物に純水を添加し、純水中でジルコニア製メディアを入れたボールミルにて微粉砕を行い、乾燥することにより圧電セラミックス原料粉末を作製した。微粉砕においては、微粉砕を行う時間および粉砕条件を変えることにより、それぞれ粒子径100nmの圧電セラミックス原料粉末を得た。それぞれ粒子径の異なる各圧電セラミックス原料粉末にバインダーとして純水を6質量%添加し、プレス成形して、厚み527μmの板状仮成形体とし、この板状仮成形体を真空パックした後、235MPaの圧力でプレスにより成形した。次に、上記の成形体を焼成した。最終焼結体の厚さは520μmの焼結体を得た。なお、焼成温度は、それぞれ1100℃であった。1.5×Ec(MV/m)以上の電界を1分間印加して分極処理を施した。
鉛、ジルコニウム、チタンの成分がPb(Zr1−xTix)O3(0.47≦x≦1)の式の範囲以内ものであり、ここでは、x=0.2のPZTを調整した。それぞれの酸化物を秤量して純水を添加し、純水中でジルコニア製メディアを入れたボールミルにて8時間混合し、十分に乾燥を行い、混合粉体を得た。得られた混合粉体を、仮成形し、空気中、800℃で2時間仮焼を行い仮焼物を作製した。次に、得られた仮焼物に純水を添加し、純水中でジルコニア製メディアを入れたボールミルにて微粉砕を行い、乾燥することにより圧電セラミックス原料粉末を作製した。それぞれ粒子径の異なる各圧電セラミックス原料粉末にバインダーとして純水を6質量%添加し、プレス成形して、厚み526μmの板状仮成形体とし、この板状仮成形体を真空パックした後、235MPaの圧力でプレスにより成形した。次に、上記の成形体を焼成して最終焼結体の厚さ520μmの焼結体を得た。なお、焼成温度は、それぞれ780℃であった。1.5×Ec(MV/m)以上の電界を1分間印加して分極処理を施した。
System,Inc:2021Miller Drive Longmont,Colorado (0501 USA)の音響強度測定システムModel805(1〜50MHz)測定システムを使用した。また、耐久性の試験として、試作探触子を温度60℃の部屋で100時間連続発信受信の試験を行った。尚、2層の整合層及びバッキング層はあらかじめこの超音波波長に適したものをあらかじめ用意しておいた。その結果を表1に示す。
《蒸着重合によるポリ尿素圧電素子の作製》
モノマーとして、4,4’−ジアミノジフェニルメタン(MDA)、4.4’−ジフェニルメタンジイソシアナート(MDI)を選択し、蒸着重合を実施した。2×10-3Paの真空チャンバー内にMDAを受け皿に入れ100℃に加温し、MDIを66℃に加温してチャンバーの上部に基板として、あらかじめ200nm圧のアルミ蒸着を施した200μm圧ポリエチレンテレフタレート樹脂(PET)に48μm厚になるまで蒸着させた。
得られたMDA/MDI比は1.1であった。電極はアルミ蒸着し、分極処理(ポーリング)は120MV/m、温度は212℃、10分間行った。
Claims (15)
- 少なくとも1次元的に配置された多チャンネル型のアレイ型超音波探触子において、シート状の圧電素子を送受信分離型の複合型圧電素子として複数個備え、該複合型圧電素子は送信用圧電素子を構成する材料の23℃下の縦弾性係数が10GPa〜100GPaであり、受信用圧電素子を構成する材料の23℃下の縦弾性係数が10MPa〜1GPaであることを特徴とするアレイ型超音波探触子。
- 前記複合型圧電素子は送信用圧電素子を構成する材料がセラミック材料からなり、受信用圧電素子を構成する材料が有機材料からなることを特徴とする請求の範囲第1項に記載のアレイ型超音波探触子。
- 前記受信用圧電素子は送信用圧電素子から発信される基本波の2次以上の高調波を受信する感度を有する有機圧電素子であることを特徴とする請求の範囲第1項または第2項に記載のアレイ型超音波探触子。
- 前記有機圧電素子は、少なくとも1種の有機結合材で電極に結合されることを特徴とする請求の範囲第3項に記載のアレイ型超音波探触子。
- 前記送信用圧電素子または受信用圧電素子はそれぞれ同種薄膜材料を積層した圧電素子からなることを特徴とする請求の範囲第1〜4項のいずれか1項に記載のアレイ型超音波探触子。
- 前記送受信分離型の複合圧電素子は、整合層とバッキング層に挟まれ、整合層側に送信用圧電素子が配置され、バッキング層側に受信用圧電素子が配置されていることを特徴とする請求の範囲第1〜5項のいずれか1項に記載のアレイ型超音波探触子。
- 前記送信用圧電素子の材料が、PZT、水晶、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、ニオブ酸タンタル酸カリウム[K(Ta,Nb)O3]、チタン酸バリウム(BaTiO3)、タンタル酸リチウム(LiTaO3)、又はチタン酸ストロンチウム(SrTiO3)であることを特徴とする請求の範囲第1〜6項のいずれか1項に記載のアレイ型超音波探触子。
- 前記受信用圧電素子の材料が、ポリフッ化ビニリデン、ポリ尿素、ポリアミド、ポリイミド、ポリエステル、ポリオレフィンから選ばれる少なくとも1種を60モル%〜100モル%含む樹脂であることを特徴とする請求の範囲第1〜7項のいずれか1項に記載のアレイ型超音波探触子。
- 前記有機結合材がポリビニルブチラール、ポリオレフィン、ポリシクロオレフィン、ポリアクリレート、ポリアミド、ポリイミド、ポリエステル、ポリスルホン、シリコーン、エポキシ及びその誘導体から選ばれる少なくとも1種の樹脂であり、ポリビニルブチラール、ポリイミド、エポキシ、シリコーン、ポリスルホンはそれぞれ化学番号物質番号(6)-708 (Alkyl(C4)acetalpolyvinylalcohol)、 (7)-2211、 (3)-3453、(7)-476 (polyalkyl(C12)siloxane)と(7)-1262に係わるものであることを特徴とする請求の範囲第4項に記載のアレイ型超音波探触子。
- 前記受信用圧電素子の材料が、ポリ(フッ化ビニリデン/パーフルオロアルキルビニルエーテルまたはパーフルオロアルコキシエチレン)共重合体でフッ化ビニリデン組成が85モル%〜99モル%であり、パーフルオロアルキルビニルエーテルまたはパーフルオロアルコキシエチレンが1モル%〜15モル%であることを特徴とする請求の範囲第1〜6項のいずれか1項に記載のアレイ型超音波探触子。
- 請求の範囲第1〜6項のいずれか1項に記載のアレイ型超音波探触子の製造方法であって、受信用圧電素子は、ポリエステル樹脂、ポリカーボネート樹脂、シクロオレフィンポリマー樹脂から選ばれる支持体(基板)上にモノマー種を蒸着重合で低温製膜形成することを特徴とするアレイ型超音波探触子の製造方法。
- 請求の範囲第11項に記載のアレイ型超音波探触子の製造方法であって、
前記モノマー種が少なくとも尿素または尿素誘導体であることを特徴とするアレイ型超音波探触子の製造方法。 - 請求の範囲第1〜6項、請求の範囲第8〜10項のいずれか1項に記載のアレイ型超音波探触子の製造方法であって、該アレイ型超音波探触子は、分極処理(ポーリング)としてコロナ放電処理されることを特徴とするアレイ型超音波探触子の製造方法。
- アレイ型超音波探触子は、分極処理(ポーリング)としてコロナ放電処理されることを特徴とする、請求の範囲第11項または第12項に記載のアレイ型超音波探触子の製造方法。
- 請求の範囲第1〜10項のいずれか1項に記載のアレイ型超音波探触子を駆動させるアレイ型超音波探触子の駆動方法であって、送信用圧電素子と受信用圧電素子に電圧負荷を交互に切り替えて送受信することを特徴とするアレイ型超音波探触子の駆動方法。
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