JPWO2011148618A1 - 超音波探触子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

バッキング層の厚みを抑えつつ、背面に出力される超音波を減衰させることができる超音波探触子は、超音波の送受信に用いられる圧電振動子（１）と、圧電振動子（１）の背面に接合され、圧電振動子（１）から背面方向に放射された超音波を減衰するバッキング層（４ｄ）とを備え、バッキング層（４ｄ）は、圧電振動子（１）との接合面から背面方向に形成された、音波の重ね合わせの原理に基づく長さの異なる複数の音響管（５ｃ）を有し、前記複数の音響管（５ｃ）には、長さのうちの一部が背面方向に対して垂直な方向に形成され、長さのうちの他部が背面方向に平行な方向に形成されている音響管（５ｃ）が含まれる。

Description

本発明は、超音波診断に用いられる超音波探触子とその製造方法に関する。

図１は、超音波探触子および超音波診断装置の外観の一例を示す図である。超音波探触子７０は、超音波診断装置８０にケーブルで接続されており、図中の矢印方向に超音波を送信し、生体で反射された矢印と逆方向の反射波を受信する。超音波診断装置８０は、超音波探触子７０で受信された反射波を画像解析し、解析によって得られた生体内部の画像をモニタに表示する。

このような超音波探触子７０は、圧電振動子から超音波を送信する際、振動子の前面のみならず、背面にも超音波が放射される。以下、従来の超音波探触子の構成の一例について、図を用いて説明する。

図２は、従来の超音波探触子９０の構成を示す断面図である。図２に示す超音波探触子９０は、上方から、音響レンズ９３、整合層９２、圧電振動子９１、バッキング層９４が積層された構造を有する。なお、図２においては、超音波探触子９０を構成するそれぞれの部材の厚み方向を模式的に示している。

一般的な超音波診断装置では、圧電振動子９１から発信された超音波が整合層９２及び音響レンズ９３を通り、生体に放射される。そして、生体内で反射した超音波が往路と逆のルートを辿り、再び圧電振動子９１にて受信され、その受信強度や応答時間に即した信号が濃淡になることで映像化される。

一方、冒頭で述べたように、圧電振動子９１からは、前面（図２で上方）と逆の位相の超音波が同時に背面へ放射される。圧電振動子９１の背面（図２で下方）に放射された超音波は、バッキング層９４で減衰される。しかし、バッキング層９４がその超音波を減衰するに十分な損失を持たない素材で構成されている場合には、その超音波がバッキング層９４内で反射し、圧電振動子９１側へ戻ってしまう。

このような反射波の影響で、超音波探触子９０が受信した、生体で反射された超音波信号にノイズが重畳し、超音波診断装置の特性が劣化してしまう現象が起きる。

そのため、背面に出力された超音波に対して十分な減衰を得られるだけの内部損失と距離とを有した素材をバッキング層９４として配置する（例えば特許文献１）。

特許第３８０６３４９号公報

しかしながら、上記特許文献１の構成では、つまり従来手法の超音波に対して十分な減衰を得られるだけの内部損失と距離とを有した素材をバッキング層として配置する構成では、バッキング層そのものが厚くなってしまうという課題がある。

本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、バッキング層の厚みを抑えつつ、背面に出力される超音波を減衰させることができる超音波探触子およびその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一態様にかかる超音波探触子は、超音波の送受信に用いられる振動子と、前記振動子の背面に接合され、前記振動子から背面方向に放射された超音波を減衰するバッキング部材とを備え、前記バッキング部材は、前記振動子との接合面から前記背面方向に形成された、音波の重ね合わせの原理に基づく長さの異なる複数の反射構造体を有し、前記複数の反射構造体には、前記長さのうちの一部が前記背面方向に対して垂直な方向に形成され、前記長さのうちの他部が前記背面方向に平行な方向に形成されている反射構造体が含まれる。

この構成によれば、例えば長さの長い反射構造体の一部を折れ曲げて形成することができるので、バッキング部材の厚みを抑えつつ、背面に出力される超音波を減衰させることができる超音波探触子を実現できる。

また、好ましくは、前記反射構造体は、音響管の特性を有する。ここで、前記反射構造体は、所定の単位長さの整数倍の長さで形成されており、前記複数の反射構造体のうち近傍に形成されている反射構造体では、長さの長い方の反射構造体の前記長さのうちの一部が前記背面方向に対して垂直な方向に折れ曲がって、長さの短い方の反射構造体の前記背面方向に形成されているとしてもよい。

また、上記目的を達成するために、本発明の一態様にかかる超音波探触子は、超音波の送受信に用いられる振動子と、前記振動子の背面に接合され、前記振動子から背面方向に放射された超音波を減衰するバッキング部材とを備え、前記バッキング部材は、前記振動子との接合面から前記背面方向に、ヘルムホルツの共鳴器の原理に基づき形成された複数の反射構造体を有する。

この構成により、反射構造体が共鳴器の特性を有する。さらに、この構成の反射構造体は形成が容易であるという効果も奏する。

したがって、バッキング部材の厚みを抑えつつ、背面に出力される超音波を減衰させることができる超音波探触子を実現できる。

また、上記目的を達成するために、本発明の一態様にかかる超音波探触子の製造方法は、超音波の送受信に用いられる振動子と、前記振動子の背面に接合され、基板と反射構造体とで構成されるバッキング部材であって前記振動子から背面方向に放射された超音波を減衰するバッキング部材とを備える超音波探触子の製造方法であって、基板上に前記基板と異なる音響インピーダンスの印刷材料を印刷することで、前記振動子との接合面から前記背面方向に、音波の重ね合わせの原理に基づく長さの異なる複数の反射構造体を有するバッキング部材を形成する工程を含む。

それにより、バッキング部材の厚みを抑えつつ、背面に出力される超音波を減衰させることができる超音波探触子の形成を容易にすることができる。

本発明によれば、バッキング層の厚みを抑えつつ、背面に出力される超音波を減衰させることができる超音波探触子およびその製造方法を実現することができる。

図１は、超音波探触子および超音波診断装置の外観の一例を示す図である。 図２は、従来の超音波探触子の構成を示す断面図である。 図３は、本発明の実施の形態１における超音波探触子の構成を示す断面図である。 図４は、本発明の実施の形態２におけるバッキング層の断面図である。 図５は、本発明の実施の形態２における複数の音響管の配列の一例を示す断面図である。 図６は、本発明の実施の形態２におけるバッキング層に音響管を備える場合と備えない場合とにおける雑音の振幅変化を示す図である。 図７は、本発明の実施の形態２における複数の音響管の配列の別の一例を示す断面図である。 図８Ａは、本発明の実施の形態２における音響管の立体的構造の例を示す図である。 図８Ｂは、本発明の実施の形態２における音響管の立体的構造の例を示す図である。 図８Ｃは、本発明の実施の形態２における音響管の立体的構造の例を示す図である。 図８Ｄは、本発明の実施の形態２における音響管の立体的構造の例を示す図である。 図９Ａは、本発明の実施の形態２における音響管の別の立体的構造の例を示す図である。 図９Ｂは、本発明の実施の形態２における音響管の別の立体的構造の例を示す図である。 図９Ｃは、本発明の実施の形態２における音響管の別の立体的構造の例を示す図である。 図９Ｄは、本発明の実施の形態２における音響管の別の立体的構造の例を示す図である。 図１０Ａは、本発明の実施の形態２におけるバッキング層に形成された音響管の開口部を有する面と圧電振動子との接合方向を示す断面図である。 図１０Ｂは、本発明の実施の形態２におけるバッキング層に形成された音響管の開口部を有する面と圧電振動子との接合方向を示す断面図である。 図１１は、本発明の実施の形態２におけるバッキング層に形成される一次元音響管の形成方向と圧電振動子のダイシング方向との関係を示す図である。 図１２Ａは、本発明の実施の形態３における音波探触子の構成例を示す断面図である。 図１２Ｂは、本発明の実施の形態３における音波探触子の別の構成例を示す断面図である。 図１３Ａは、本発明の実施の形態３における圧電振動子の配置の一例を示す図である。 図１３Ｂは、本発明の実施の形態３における圧電振動に対する音響管の配置の一例を示す図である。 図１４は、図１２Ａに示す音響管の配列の一例を示す断面図である。 図１５は、図１２Ｂに示す音響管の折れ曲がり部を含む配列の一例を示す断面図である。 図１６は、本発明の実施の形態４における印刷パターンの一例を示す図である。 図１７は、本発明の実施の形態４におけるスクリーン印刷を利用した印刷パターンの形成手順を示すフローチャートである。 図１８は、本発明の実施の形態５における印刷パターンの一例を示す図である。 図１９Ａは、本発明の実施の形態６における超音波探触子の構成を示す断面図である。 図１９Ｂは、本発明の実施の形態７における反射構造体の一例である共鳴器を模式的に示す図である。 図２０は、本発明の実施の形態６における複数の共鳴器の配列の一例を示すバッキング層４ｆの斜視図である。 図２１は、本発明の実施の形態６における複数の共鳴器の別の一例を示すバッキング層の斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図３は、本発明の実施の形態１における超音波探触子の構成を示す断面図である。図３に示す超音波探触子１０は、圧電振動子１、整合層２、音響レンズ３、およびバッキング層４を備えている。また、超音波探触子１０は、図３に示すようにバッキング層４の内部に、音響管５が配置されている。

音響管５は、圧電振動子１から放射される超音波の波長（λ）に比べて十分に小さい幅（ｗ）で、かつ、直接波と反射波とでその超音波の打ち消しが生じるような長さ（Ｌｎ）に形成されている。

ここで、バッキング層４での波長λは式１で求めることができる。

例えば、バッキング層４がエポキシ樹脂で構成され、圧電振動子１からｆ＝５ＭＨｚの超音波が放射されるとする。この場合に、エポキシ樹脂内の音速ｃを５０００ｍ／ｓとすれば、超音波の波長はλ＝１０００μｍと求めることができる。

そして、この場合に、音響管５の長さＬｎが２５０μｍであるとすれば、反射波の位相が１／４ずれるので、超音波の打消しが生じる。ここで、音響管５の幅（ｗ）は、音波の直進性を維持するため、ｗ＜Ｌｎにする必要がある。

つまり、超音波探触子１０を構成するバッキング層４に圧電振動子１との接合面から背面方向（図で下方向）に、音波の重ね合わせの原理に基づく長さの音響管５を配置することで、圧電振動子１から背面に放射される超音波を減衰させ、前面の超音波のみを受信できる。それにより、超音波探触子１０を用いた超音波診断装置では、超音波信号の感度が上がり、良好な画像を得ることができるという効果を奏する。

以上、実施の形態１の超音波探触子によれば、バッキング層４に音響管５を配置することにより、超音波に対して十分な減衰を得られるだけの内部損失と距離とを有した素材をバッキング層として配置する場合に比べて、バッキング層の厚みを抑制しつつ、超音波を減衰させることができる。

（実施の形態２）
実施の形態１では、バッキング層に１つの音響管を配置する場合を例示したが、それに限らない。実施の形態２では、バッキング層に複数の音響管を配置する場合について説明する。

図４は、本発明の実施の形態２におけるバッキング層４ａの断面図である。図４に示すバッキング層４ａには、圧電振動子１以外にも、図示していないが図３と同様に、整合層２および音響レンズ３が積層されている。

図４に示すように、バッキング層４ａの内部には、複数の音響管５が配置されている。ここで、複数の音響管５は、音波の重ね合わせの原理に基づく長さ（Ｌｎ）で形成されており、複数の音響管５の長さ（Ｌｎ）は一定の規則により配列される。

以下、複数の音響管５の長さ（Ｌｎ）について説明する。

図５は、本発明の実施の形態２における複数の音響管５の配列の一例を示すバッキング層４の断面図である。図５では、複数の音響管５が平方剰余系列に基づいてバッキング層４ａの内部に配列された例を示している。具体的には、各音響管の長さ（Ｌｎ）は、以下の式２を満たす１次元の平方剰余系列によって定められている。

ここで、ｃは音速、Ｎは素数、ｎは０〜（Ｎ−１）まで変化する整数、ωｒは任意の設計周波数である。

例えば、バッキング層４がエポキシ樹脂で構成されるとし、エポキシ樹脂内での音速ｃ＝５０００ｍ／ｓ、Ｎ＝１１、ωｒ＝５ＭＨｚと仮定する。この場合、バッキング層４内の各音響管５は、４５．５μｍを単位長さ「１」として、それぞれ１、４、９、５、３、３、５、９、４、１、０の長さにとなるように配列されている。

音響管５を、上記の式を満たす長さ（Ｌｎ）の配列で配置したものは、隣り合う音響管５の入口付近で位相の不連続が生じるため、広帯域の音波を吸音および拡散させることが知られている。つまり、音響管５を、上記の式を満たす長さ（Ｌｎ）の配列でバッキング層４の内部に配列することで、反射波を低減させることができる。

ここで、複数の音響管５を上記の式を満たす長さ（Ｌｎ）の配置した場合の効果の一例を図６に示す。図６は、本発明の実施の形態２におけるバッキング層に音響管を備える場合と備えない場合とにおける雑音の振幅変化を示す図である。図６に示すように、音響管５を、上記の式を満たす長さ（Ｌｎ）の配列でバッキング層４ａに備える場合には、そうでない場合に比べると雑音の振幅変化が少ない、つまり、雑音を吸音および拡散できることがわかる。

なお、複数の音響管５の長さ（Ｌｎ）は、平方剰余系列に基づいて配列される場合に限らない。各音響管５の長さ（Ｌｎ）は、以下の式３を満たす原始根系列に基づいて配列されてもよく、同様の効果を得ることができる。

ここで、ｃは音速、Ｎは素数、ｎは０〜（Ｎ−１）まで変化する整数、ｒはＮの原始根、ωｒは任意の設計周波数である。

図７は、本発明の実施の形態２における複数の音響管５の配列の別の一例を示すバッキング層４の断面図である。図７では、各音響管５が原始根系列に基づいて配列されたバッキング層の一例として、Ｎ＝１１、ｒ＝２の場合の音響管５の配列を示している。

また、複数の音響管５の配列は、図５および図７に示した一次元の配列に限らず、二次元の配列であってもよい。

図８Ａ〜図８Ｄは、本発明の実施の形態２における音響管の立体的構造の例を示す図である。図８Ａは、図５に示した一次元の配列で音響管５が形成されたバッキング層４ａを示す斜視図である。図８Ｂ〜図８Ｄは、図８Ａの三面図を示しており、図８Ｂは平面図、図８Ｃは正面図、図８Ｄは側面図である。例えば、図８Ｂに示すように、バッキング層４ａには、横方向に平行な溝が形成されている。溝の深さ（音響管の長さ）は、縦方向に順に、１、４、９、５、３、３、５、９、４、１、０の深さの順で形成される。図８Ｃに示すように、複数の音響管５を形成する溝の深さは均一である。これを溝の長手方向に対して垂直な面で切断したとすると、図８Ｄのように、それぞれの溝の深さ（各音響管５の長さ（Ｌｎ））は平方剰余系列で配列されている。

図９Ａ〜図９Ｄは、本発明の実施の形態２における音響管の別の立体的構造の例を示す図である。図９Ａは、二次元の配列で音響管５ｂが形成されたバッキング層４ｂを示す斜視図である。図９Ｂ〜図９Ｄは、図９Ａの三面図を示しており、図９Ｂは平面図、図９Ｃは正面図、図９Ｄは側面図である。例えば、図９Ｂに示すように、バッキング層４ｂには、縦横の二次元方向にまちまちの深さで溝が形成される。ｃ＝５０００ｍ／ｓ、Ｎ＝７、ωｒ＝５ＭＨｚの場合、溝の深さは、７１．５μｍを単位長さとして、整数倍の深さで形成される。また、図９Ｃおよび図９Ｄで示すように、断面垂直方向から見ても水平方向から見ても、溝の深さが所定のパターンで繰り返されるよう配列されている。

図１０Ａおよび図１０Ｂは、本発明の実施の形態２におけるバッキング層に形成された音響管の開口部を有する面と圧電振動子１との接合方向を示す断面図である。図１０Ａには、図５と同様、バッキング層４ａに形成された複数の音響管５の開口部のない方の面が、圧電振動子１の層に接合される例を示している。反対に、図１０Ｂには、バッキング層４ｃの音響管５の開口部のある方の面が、圧電振動子１の層に接合される例を示している。

つまり、バッキング層の終端で反射して戻ってくる反射波を打ち消す場合、音響管５の開口部を有する面は、図１０Ａおよび図１０Ｂに示すように圧電振動子１に対してどちら側で形成されてもよい。

図１１は、本発明の実施の形態２におけるバッキング層に形成される一次元音響管の形成方向と圧電振動子のダイシング方向との関係を示す図である。同図に示すように、バッキング層４に一次元の配列で音響管５を形成する場合、圧電振動子１のダイシング方向と、音響管５の溝の長手方向とが直交するように音響管５を形成するのが好ましい。それにより、１ｃｈ（チャンネル）分の圧電振動子に、より多くの長さが異なる音響管５が作用することになるので、バッキング層４において反射波をより効果的に低減することができる。

以上、実施の形態２の超音波探触子によれば、バッキング層に複数の音響管を配置することにより、超音波に対して十分な減衰を得られるだけの内部損失と距離とを有した素材をバッキング層として配置する場合に比べて、バッキング層の厚みを抑制しつつ、超音波を減衰させることができる。

（実施の形態３）
実施の形態１および実施の形態２では、バッキング層に音響管を１以上配置する場合の例について説明したが、それに限らない。バッキング層に音響管に準ずる反射構造体を配置する構成であればよい。実施の形態３では、反射構造体が音響管の特性を有するとして、音響管５として説明する。

図１２Ａは、本発明の実施の形態３における音波探触子の構成例を示す断面図である。

図１２に示す超音波探触子３０は、図１０Ｂに相当するバッキング層を備える具体的構成を示しており、超音波の送受信に用いられる圧電振動子１と、整合層２と、音響レンズ３と、およびバッキング層４ｃを備える。

バッキング層４ｃは、圧電振動子１の背面に接合され、圧電振動子１から背面方向に放射された超音波を減衰する。

バッキング層４ｃは、圧電振動子１との接合面から背面方向に形成された、音波の重ね合わせの原理に基づく長さの異なる複数の反射構造体（音響管５）を有する。ここで、反射構造体は上述したように音響管の特性を有する。以下、反射構造体は音響管５であるとして説明する。つまり、バッキング層４ｃの内部には、複数の音響管５が配置され、複数の音響管５の開口部のある方の面が、圧電振動子１の層に接合されている。

音響管５は、音波の重ね合わせの原理に基づく長さで形成されている。

具体的には、音響管５は、圧電振動子１から放射される超音波の波長に比べて十分に小さい幅（ｗ）で、かつ、直接波と反射波とでその超音波の打ち消しが生じる長さ（Ｌｎ）に形成されている。例えば、バッキング層４ｃがエポキシ樹脂で構成され、音響管５の内部には、エポキシ樹脂とは音響インピーダンスの異なる金属ペーストが充填されるとする。その場合に、圧電振動子１から５ＭＨｚの超音波が放射されたとすれば、音響管５での波長は６００μｍとなる。例えば、一の音響管５の長さが１５０μｍであれば、反射波の位相が１／４ずれて、打消しが生じる。ただし、この音響管５の幅は、上述したように、その長さよりも短い必要があるので、１５０μｍ以下にする必要がある。さらに、バッキング層４ｃに一の音響管５の長さと異なる長さの他の音響管５を配置することにより、異なる波長の超音波を打ち消すことができる。すなわち、図１２Ａのように、長さの異なる複数の音響管５をバッキング層４ｃに配置することにより、周波数の異なる複数の超音波を打ち消すことができる。

このように、バッキング層４ｃに複数の音響管５を配置することにより、超音波に対して十分な減衰を得られるだけの内部損失と距離とを有した素材をバッキング層として配置する場合に比べて、バッキング層の厚みを抑制しつつ、超音波を減衰させることができる。

しかしながら、バッキング層に複数の音響管を配置する場合、バッキング層には音響管の最大長さ以上の厚みが必要である。換言すると、実施の形態２における音波探触子では、バッキング層の厚みが、音響管の最大長さに依存するため、厚みの抑制が十分でない場合も考えられる。

そこで、バッキング層の厚みをさらに抑制できる構成例について以下説明する。

図１２Ｂは、本発明の実施の形態３における音波探触子の別の構成例を示す断面図である。図１２Ａと同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。

図１２Ｂに示す超音波探触子３５は、圧電振動子１、整合層２、音響レンズ３、およびバッキング層４ｄを備える。このバッキング層４ｄの内部には、複数の音響管５ｃが配置され、複数の音響管５の開口部のある方の面が、圧電振動子１の層に接合されている。

音響管５ｃは、本発明の反射構造体に相当し、音波の重ね合わせの原理に基づく長さで形成されている。

ここで、複数の音響管５ｃには、長さの一部が背面方向に対して垂直な方向に形成され、長さのうちの他部が背面方向に平行な方向に形成されている音響管５ｃもある。具体的には、複数の音響管５ｃは、所定の単位長さの整数倍の長さで形成されており、複数の音響管５ｃのうち近傍に形成されているものでは、長さの長い方の音響管５ｃの長さのうちの一部が背面方向に対して垂直な方向に折れ曲がって、長さの短い方の音響管５ｃの背面方向に形成されている。

さらに具体的には、音響管５ｃは、圧電振動子１から放射される超音波の波長に比べて十分に小さい幅（ｗ）で、かつ、直接波と反射波とでその超音波の打ち消しが生じる長さ（Ｌｎ）に形成されている。ただし、音響管５ｃは、図１２Ｂに示すように、バッキング層４ｄの深さ方向にのみ形成されているのではなく、一部分が、バッキング層４ｄの深さ方向に対して直行する方向に形成されている。例えば、複数の音響管５ｃのうちで長さが最も短い音響管５ｃの長さを基準にして、その基準の長さよりも長い音響管５ｃの一部分をバッキング層４ｄの深さ方向に対して直交する方向に形成することが考えられる。

換言すると、長さが最も短い音響管を除く音響管５ｃの深さ方向の長さは、深さ方向の長さが最も短い音響管の深さ方向の長さに、音響管の幅の長さを加えたものとなるように、音響管の深さ方向の長さの一部を垂直に折り曲げて形成する。このように、音響管の深さ方向の一部を、バッキング層の深さ方向に対して直行する方向に形成することにより、超音波を打ち消す効果を維持しつつ、音響管の深さ方向の長さを短くし、さらにバッキング層の厚みを薄くすることができるという効果を奏する。

ここで、圧電振動子１は、図１３Ａに示すように、超音波探触子３５の短手方向（図でｙ方向）に平行に切断されており、複数のチャンネルが独立に超音波信号の送受信を行っている。図１３Ａは、本発明の実施の形態３における圧電振動子１の配置の一例を示す図であり、図１３Ｂは、本発明の実施の形態３における圧電振動子１に対する音響管５ｃの配置の一例を示す図である。

また、音響管５ｃは、図１３Ｂに示すように、圧電振動子１の層に接合されている音響管５ｃの開口端の断面が、超音波探触子３５の長手方向（図でｘ方向）に平行に配置されている。すなわち、音響管５ｃの開口端の断面の長手方向（図でｘ方向）が、圧電振動子１の長手方向（図でｙ方向）に対して略垂直となる構成となっている。このように、音響管５ｃの開口端を配置することにより、それぞれの圧電振動子１に対し、長さの異なる複数の音響管５ｃが配置され、周波数の異なる複数の超音波を打ち消すことができるという効果を奏する。

なお、音響管５ｃは、開口端の断面が、超音波探触子３５の長手方向（図でｘ方向）に平行に配置されている構成、すなわち、溝状に配置されている構成として説明したが、開口端の断面の形状はこれに限らない。例えば、それぞれの音響管５ｃの開口端の断面が、孔状に構成されているものであってもよい。

また、音響管５ｃの長さ（Ｌｎ）は、実施の形態２で説明したのと同様に、平方剰余系列および原始根系列などの一定の規則に基づいて配列される。

図１４は、図１２Ａに示す音響管５の配列の一例を示す断面図である。図１５は、図１２Ｂに示す折れ曲がり部が形成された音響管を含む音響管５ｃの配列の一例を示す断面図である。

例えば、各音響管５の長さ（Ｌｎ）が、式２で示した平方剰余系列に基づいてより配列されるとする。ここで、例えば音響管５の内部に金属ペーストが充填されているとし、音速ｃ＝３０００ｍ／ｓ、Ｎ＝７、ωｒ＝５ＭＨｚと仮定する。

この場合、図１４に示すように、各音響管５は、４３μｍを単位長さ「１」として、それぞれ１、４、２、２、４、１、０の長さになるように配列されている。

例えば図１４に示すように音響管５を配列した場合、一番長い音響管５は、単位長さの音響管５に比べて４倍の長さが必要である。しかし、音響管は途中で折り曲げてもその効果は変わらないので、図１５に示すように短い音響管５ｃの背後に長い音響管５ｃを折り曲げることができる。それにより、バッキング層４ｄ全体の厚さを約半分にすることができる。

以上、実施の形態４の超音波探触子によれば、バッキング層に圧電振動子１との接合面から背面方向（図で下方向）に、音波の重ね合わせの原理に基づく長さの異なる複数の音響管を配置し、さらに音響管の長さの一部を垂直に折り曲げて形成することにより、バッキング層の厚みをさらに抑制しつつ、超音波を減衰させることができる。

（実施の形態４）
実施の形態４では、本発明におけるバッキング層を実現する製造方法について説明する。

つまり、圧電振動子１の背面に接合され、基板と音響管とで構成されるバッキング層であって圧電振動子１から背面方向に放射された超音波を減衰するバッキング層とを備える超音波探触子の製造方法について説明する。

以下、基板（母材）上に基板（母材）と異なる音響インピーダンスの印刷材料を印刷することで、圧電振動子１との接合面から背面方向に、音波の重ね合わせの原理に基づく長さの異なる複数の音響管（反射構造体）を有するバッキング層を形成する工程の具体的態様について説明する。この工程では、複数の音響管（反射構造体）は、長さのうちの一部が背面方向に対して垂直な方向となり、長さのうちの他部が背面方向に平行な方向となる音響管を含むよう形成される。

図１６は、本発明の実施の形態４における印刷パターンの一例を示す図である。

本発明におけるバッキング層を実現するために、図１６に示すような１５０μｍの起伏を有する複数の印刷パターンをスクリーン印刷（精密印刷）によって形成する。そして、形成した複数の印刷パターンを積層することで、図１２Ｂや図１３Ｂに示すバッキング層４ｄを製造することができる。換言すると、図１６において、例えば母材４１ａと溝５１ａとを有する印刷パターンは、図１３Ｂでバッキング層４ｄをｚ方向に垂直に分割したもののうち、圧電振動子１との接合する音響管の開口部を有するものである。また、例えば、母材４１ｎと溝５１ｎとを有する印刷パターンは、図１３Ｂでバッキング層４ｄをｚ方向に垂直に分割したもののうち、最下層のものである。そして、これら複数の印刷パターンを接着して積層させることにより、複数の音響管を有するバッキング層を形成することができる。

次に、図１６に示す印刷パターンの形成方法について説明する。

図１７は、本発明の実施の形態４におけるスクリーン印刷を利用した印刷パターンの形成手順を示すフローチャートである。

まず、１５０μｍの乾燥厚みが得られるように調整された溝部分で構成されるスクリーン印刷用マスクを用意する（Ｓ１０１）。

次に、母材部分が音響インピーダンスの高い材料となるように、所定のパターンのスクリーン印刷用マスクで音響インピーダンスの高い材料を印刷する（Ｓ１０２）。ここで、音響インピーダンスの高い材料とは、例えば金属を用いた導電ペーストなどである。

溝部分を構成するスクリーン印刷用マスクのパターンは、口径が１５０μｍ以下を保つようにすることが必要である。そうすることで、口径が１５０μｍ以下の溝を形成することができるので、溝（音響管５ｃ）への超音波の直進性が良好となり、高い効果が得られる。ただし、１５０μｍを超えた時点で効果がゼロになるわけではないため、所望の効果が得られていれば、必ずしも全てが１５０μｍ以下という精度を保っている必要はない。なお、被印刷体である母材部分は、超音波の反射を容易にするため、印刷に用いた導電ペーストと同等かそれに近い音響インピーダンスを有する素材であることが望ましい。

次に、母材のない領域すなわち溝部分に音響インピーダンスの小さい樹脂材料を流し込む（Ｓ１０３）。

次に、スキージ（へら）などを用いて溝部分内部の空気を完全に追い出しながら、溝部分内部にその樹脂材料を充填する（Ｓ１０４）。

次に、乾燥または反応などによってその樹脂材料を固化させる（Ｓ１０５）。

このようにして、図１６に示す印刷パターンの１つを形成することができる。

そして、図１６に示す複数の印刷パターンを形成し、形成した複数の印刷パターンを積層することにより５ＭＨｚで効果的に反射波を低減させるバッキング層４ｄを得ることができる。

言い換えると、本実施の形態の超音波探触子の製造方法は、複数の溝を有する母材（基板）を印刷により形成する第１形成工程と、複数の溝に母材と異なる音響インピーダンスの材料を印刷により充填する第２工程と、第１形成工程と第２形成工程とで印刷された複数の母材を接着して積層させることにより、複数の音響管５ｃ（反射構造体）を有するバッキング層４ｄを形成する工程とを含む。

したがって、図１２Ｂおよび図１６に示すように、一部を折り曲げた形の音響管５ｃを有するバッキング層４ｄを設計すれば、図１２Ａに示す音響管５を有するバッキング層４ｃを設計する場合に比べて、印刷パターン数すなわち積層枚数を減らすことができる。つまり、複数の音響管が配置されたバッキング層をより容易に製造することができる。

なお、図１６に示す複数の印刷パターンを形成する方法は、上述のスクリーン印刷を用いる場合に限られない。例えば、ナノインプリント技術などに用いられる精密型を用いて、複数の印刷パターンのそれぞれを形成してもよい。その場合、ナノインプリント技術で所定のパターンに微細加工された型を樹脂材料に型押ししすることで、口径が１５０μｍ以下となるような溝（細孔）を有する印刷パターンを形成することができる。ここで、本手段においても、上記と同様の理由から、必ずしも口径が１５０μｍ以下である必要はない。

また、このときの所定のパターンは、音波の伝達する波導路を凸部で形成する必要がある。さらに、Ｓ１０３〜Ｓ１０５と同様に、得られた印刷パターンの溝（細孔）に金属など音響インピーダンスの高いペーストを流し込み、スキージ（へら）などを用いて溝内部の空気を完全に追い出しながら、溝内部にペーストを充填する。そして、乾燥または反応などによってこのペーストを固化させる。

このようにして、図１６に示す複数の印刷パターンを形成し、積層することにより５ＭＨｚで効果的に反射波を低減させるバッキング層を製造することができる。

以上、実施の形態４の超音波探触子の製造方法によれば、バッキング部材の厚みを抑えつつ、背面に出力される超音波を減衰させることができる超音波探触子の形成を容易にすることができる。

（実施の形態５）
実施の形態４では、図１３Ｂでバッキング層４ｄをｚ方向に垂直に分割した印刷パターンを形成し、バッキング層４ｄを製造する方法について説明したが、それに限らない。図１３Ｂでバッキング層４ｄをｘ方向に垂直に分割した印刷パターンを形成し、バッキング層４ｄを製造するとしてもよい。

図１８は、本発明の実施の形態５における印刷パターンの一例を示す図である。

本実施の形態では、本発明におけるバッキング層を実現するために、図１８に示す複数の印刷パターンをスクリーン印刷（精密印刷）によって形成し、複数の印刷パターンを積層することで、図１２Ａに示すバッキング層４ｃを製造することができる。換言すると、図１８において、母材４２ａおよび溝５２ａ、母材４２ｂおよび溝５２ｂ、母材４２ｃおよび溝５２ｃ、母材４２ｄおよび溝５２ｄ、母材４２ｅおよび溝５２ｅ…をそれぞれ有する印刷パターンは、図１２Ａに示すバッキング層４ｃをｘ方向に垂直に分割したものである。そして、これら複数の印刷パターンを積層させることにより、複数の音響管５を有するバッキング層４ｃを形成することができる。

つまり、音響管５の形成にあたっては、音響管５の深さ方向（ｚ方向）に積層させるだけでなく、図１８に示すように、ｘ方向で分割した複数の音響管５を印刷し、積層させてもよい。

このようにすることで、それぞれの印刷パターンを、実施の形態５の場合と比較して精密に積層させる必要がないので、複数の音響管が配置されたバッキング層をより容易に製造することができる。

つまり、本実施の形態の超音波探触子の製造方法は、複数の溝を有する母材（基板）を印刷により形成する第１形成工程と、複数の溝に母材と異なる音響インピーダンスの材料を印刷により充填する第２工程と、第１形成工程と第２形成工程とで印刷された複数の母材を積層させることにより、複数の音響管５ｃ（反射構造体）を有するバッキング層４ｄを形成する工程とを含む。

したがって、本実施の形態の超音波探触子の製造方法によれば、バッキング層に圧電振動子との接合面から背面方向に、音波の重ね合わせの原理に基づく長さの異なる複数の音響管を配置し、さらに音響管の長さの一部を垂直に折り曲げて形成することができる。

それにより、バッキング層の厚みをさらに抑制しつつ、超音波を減衰させることができる超音波探触子を製造することができる。

（実施の形態６）
実施の形態１〜実施の形態５では、厚みを抑制しつつも超音波を減衰させるバッキング層に配置される反射構造体として、音響管または音響管の特性を有するものの例について説明したが、それに限らない。

バッキング層に配置される音響管に準ずる反射構造体として、共鳴器または共鳴器の特性を有するものであってもよい。換言すると、厚みを抑制しつつも超音波を減衰させるバッキング層は、実施の形態１〜５における音響管の第一共振周波数と同じ第一共振周波数になるように設計された共鳴器を用いることでも実現できる。具体的には、ヘルムホルツの共鳴器の原理を用いて設計した口径とネック長と有する共鳴器を用いることでも実現できる。それにより、実施の形態１〜５で説明したバッキング層に音響管を配置する場合と同様の効果を得ることができる。

図１９Ａは、本発明の実施の形態６における超音波探触子の構成を示す断面図である。図１９Ｂは、本発明の実施の形態７における反射構造体の一例である共鳴器を模式的に示す図である。図１９Ａに示す超音波探触子４０は、超音波の送受信に用いられる圧電振動子１、整合層２、音響レンズ３、およびバッキング層４ｅを備えている。なお、図１２Ａと同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。

バッキング層４ｅは、圧電振動子１の背面に接合され、圧電振動子１から背面方向に放射された超音波を減衰する。

バッキング層４ｅは、圧電振動子１との接合面から背面方向に、ヘルムホルツの共鳴器の原理に基づき形成された複数の反射構造体（共鳴器６）を有する。ここで、反射構造体は上述したように共鳴器の特性を有する。以下、反射構造体は共鳴器６であるとして説明する。

共鳴器６は、それぞれ、所望の共振周波数を有するよう設計されたネック長と口径とを有する。具体的には、共鳴器６は、図１８Ｂに示す口径（ｒｄ）とネック長（ｎｄ）とを設計することで、所望の第一共振周波数を得ることができる。共鳴器６は、ネック長（ｎｄ）と口径（ｒｄ）とを変化させることで、第一共振周波数を変化させることができるので、さまざまな共振周波数の共鳴器を簡単にバッキング層４ｅに配置することができる。

なお、共鳴器６間の距離６１は、任意である。つまり、例えば図２０に示すように共鳴器の内部は隣り合う共鳴器の内部とつながっていてもよい。その場合、複数の共鳴器を配置するバッキング層４ｆをより容易に製造することができる。ここで、図２０は、本発明の実施の形態６における複数の共鳴器６の配列の一例を示すバッキング層４ｆの斜視図である。

また、図２１は、本発明の実施の形態６における複数の共鳴器の別の一例を示すバッキング層４ｇの斜視図である。つまり、圧電振動子１との接合面における共鳴器の口径部分の形状は、図２０のようにスリット状（例えばスリット６２）でも、図２０のように孔状（例えば孔６３）でもよい。

次に、以上のように複数の共鳴器が配置されたバッキング層の形成方法について図２１に示すバッキング層４ｇを形成する場合を例に挙げて説明する。

まず、音響インピーダンスの大きい金属ペースト、例えば銀ペーストを用いて母材（図２１でバッキング層４ｇの下部）を形成する。

次に、形成した母材の上に、音響インピーダンスが小さい樹脂材料、例えばエポキシ、ポリエステル、ポリイミドなどのプラスチックまたはゴム高分子材料の共鳴器層（図２１で共鳴器６ａ）を形成する。

次に、共鳴器層上に口径の異なる複数の孔６３を空けた金属層（図２１でバッキング層４ｇの上部）を配置する。

次に、この金属層上の孔６３に共鳴器層と同じ材料（例えば樹脂材料）を流し込み、スキージ（へら）などを用いて孔６３の内部に材料（例えば樹脂材料）を充填する。

このようにして、図２２に示す複数の共鳴器が配置されたバッキング層を形成することができる。

なお、母材と孔６３の内部に充填される材料とは、入れ替わってもよく、音響インピーダンスの小さい樹脂材料の母材の上に金属ペーストなど音響インピーダンスの大きい材料でこの構造を印刷することで、実現してもよい。

以上、実施の形態６の超音波探触子によれば、バッキング層に圧電振動子１との接合面から背面方向に、ヘルムホルツの共鳴器の原理に基づき形成された複数の共鳴器を配置することにより、バッキング層の厚みをさらに抑制しつつ、超音波を減衰させることができる。

以上、本発明によれば、バッキング層の厚みを抑えつつ、背面に出力される超音波を減衰させることができる超音波探触子およびその製造方法を実現できる。

例えば、バッキング層に反射構造体として複数の音響管または複数の共鳴器を配置することによって、バッキング層４での反射波を減衰させることができ、超音波探触子の感度を上げることができる。

さらに、複数の音響管または複数の共鳴器を利用して、熱を外部に逃がすことができるので、バッキング層の内部の熱を放熱することができるという効果もある。

以上、本発明の超音波探触子およびその製造方法について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。

例えば、本発明の超音波探触子を用いた超音波診断装置も本発明の範囲に含まれる。

本発明は、例えば超音波診断装置に用いられる超音波探触子およびその製造方法に利用でき、特にバッキング層での反射波を低減し、受信超音波信号の感度を向上させることに加え、薄型化を図り、薄型化に伴う低コスト化を実現する超音波探触子およびその製造方法も利用できる。

１、９１ 圧電振動子
２、９２ 整合層
３、９３ 音響レンズ
４、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆ、４ｇ、９４ バッキング層
５、５ｂ、５ｃ 音響管
６、６ａ 共鳴器
１０、３０、３５、４０、７０、９０ 超音波探触子
４１ａ、４１ｎ、４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ、４２ｅ 母材
５１ａ、５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ、５２ｅ、５１ｎ 溝
６１ 距離
６２ スリット
６３ 孔
８０ 超音波診断装置

Claims (12)

1. 超音波の送受信に用いられる振動子と、
   前記振動子の背面に接合され、前記振動子から背面方向に放射された超音波を減衰するバッキング部材とを備え、
   前記バッキング部材は、前記振動子との接合面から前記背面方向に形成された、音波の重ね合わせの原理に基づく長さの異なる複数の反射構造体を有し、
   前記複数の反射構造体には、前記長さのうちの一部が前記背面方向に対して垂直な方向に形成され、前記長さのうちの他部が前記背面方向に平行な方向に形成されている反射構造体が含まれる
   超音波探触子。
2. 前記反射構造体は、音響管の特性を有する
   請求項１に記載の超音波探触子。
3. 前記反射構造体は、所定の単位長さの整数倍の長さで形成されており、
   前記複数の反射構造体のうち近傍に形成されている反射構造体では、長さの長い方の反射構造体の前記長さのうちの一部が前記背面方向に対して垂直な方向に折れ曲がって、長さの短い方の反射構造体の前記背面方向に形成されている
   請求項１または２に記載の超音波探触子。
4. 超音波の送受信に用いられる振動子と、
   前記振動子の背面に接合され、前記振動子から背面方向に放射された超音波を減衰するバッキング部材とを備え、
   前記バッキング部材は、前記振動子との接合面から前記背面方向に、ヘルムホルツの共鳴器の原理に基づき形成された複数の反射構造体を有する
   超音波探触子。
5. 前記反射構造体は、共鳴器の特性を有し、
   前記複数の反射構造体それぞれは、所望の共振周波数を有するよう設計されたネック長と口径とを有する
   請求項４に記載の超音波探触子。
6. 前記バッキング部材は、
   基板と前記複数の反射構造体とで構成されており、
   前記複数の反射構造体は、前記基板と異なる音響インピーダンスの材料で形成されている
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の超音波探触子。
7. 前記複数の反射構造体は、
   前記基板に印刷によって形成されている
   請求項６に記載の超音波探触子。
8. 超音波の送受信に用いられる振動子と、前記振動子の背面に接合され、基板と反射構造体とで構成されるバッキング部材であって前記振動子から背面方向に放射された超音波を減衰するバッキング部材とを備える超音波探触子の製造方法であって、
   基板上に前記基板と異なる音響インピーダンスの印刷材料を印刷することで、前記振動子との接合面から前記背面方向に、音波の重ね合わせの原理に基づく長さの異なる複数の反射構造体を有するバッキング部材を形成する工程を含む
   超音波探触子の製造方法。
9. 前記工程では、
   前記複数の反射構造体は、前記長さのうちの一部が前記背面方向に対して垂直な方向となり、前記長さのうちの他部が前記背面方向に平行な方向となる反射構造体を含むよう形成される
   請求項８に記載の超音波探触子の製造方法。
10. 前記工程は、
    複数の溝を有する母材を印刷により形成する第１形成工程と、
    前記複数の溝に前記母材と異なる音響インピーダンスの材料を印刷により充填する第２工程と、
    前記第１形成工程と第２形成工程とで印刷された複数の母材を接着して積層させることにより、前記複数の反射構造体を有するバッキング部材を形成する工程とを含む
    請求項８または９に記載の超音波探触子の製造方法。
11. 前記第１形成工程では、
    音波の重ね合わせの原理に基づく長さの異なる複数の溝を有する母材を印刷により形成する
    請求項１０に記載の超音波探触子の製造方法。
12. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の超音波探触子を備える
    超音波診断装置。

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