アレイ式超音波プローブおよび超音波診断装置
【課題】３層以上の音響整合層のうち、圧電素子と接し、低減衰率でダイシング加工性、耐熱性、上下層との接着性、導電性に優れ、かつ適切な音響インピーダンスを有するマグネシウム合金からなる音響整合層を備えたアレイ式超音波プローブを提供する。
【解決手段】バッキングと、バッキング上に配列され、それぞれ圧電素子およびこの圧電素子上に形成される３層以上の音響整合層を有する複数のチャンネルと、音響レンズとを具備し、圧電素子は圧電体とこの圧電体のバッキング側および音響整合層側にそれぞれ形成された電極とから構成され、２５℃にて２５〜４０ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有し、圧電素子の前記音響整合層側の電極は５μｍ以下の厚さを有し、３層以上の音響整合層は音響レンズに向けて音響インピーダンスが段階的に小さくなり、かつ電極と接する音響整合層は、２５℃にて１１〜１９ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有するＭｇ−Ｓｎ系またはＭｇ−Ｃｕ系のマグネシウム合金から構成される。
【解決手段】バッキングと、バッキング上に配列され、それぞれ圧電素子およびこの圧電素子上に形成される３層以上の音響整合層を有する複数のチャンネルと、音響レンズとを具備し、圧電素子は圧電体とこの圧電体のバッキング側および音響整合層側にそれぞれ形成された電極とから構成され、２５℃にて２５〜４０ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有し、圧電素子の前記音響整合層側の電極は５μｍ以下の厚さを有し、３層以上の音響整合層は音響レンズに向けて音響インピーダンスが段階的に小さくなり、かつ電極と接する音響整合層は、２５℃にて１１〜１９ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有するＭｇ−Ｓｎ系またはＭｇ−Ｃｕ系のマグネシウム合金から構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検体等に超音波信号を送受信するアレイ式超音波プローブおよびこのアレイ式超音波プローブを有する超音波診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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）を受信して対象物内を画像化するものである。この医療用の超音波診断装置や超音波画像検査装置は、超音波信号送受信機能を有する電子操作式のアレイ式超音波プローブが主に用いられている。
【０００３】
アレイ式超音波プローブは、バッキングと、このバッキング上に接着され、所望のスペースをあけてアレイ状に配列された複数のチャンネルと、このチャンネル上に接着された音響レンズとを備えた構造を有する。前記複数のチャンネルは、それぞれ前記バッキング上に形成され、例えばジルコンチタン酸鉛（ＰＺＴ）系圧電セラミク材料やリラクサ系単結晶材料からなる圧電体の両面に電極を貼り付けた構造の圧電素子と、この圧電素子上に形成される音響整合層とを備える。なお、バッキングには各チャンネルのスペースに対応して溝が形成されている場合もある。
【０００４】
従来、前記音響整合層は１層構造、２層構造または３層以上の多層傾斜構造のものが知られている。特に、最近では広帯域化と高感度化のために３層以上の音響整合層が好適に用いられている（非特許文献１参照）。また、圧電素子を２次元状に配列した２次元アレイ式超音波プローブは３次元の動画像を得ることが可能であるため、圧電素子を１次元状に配列した１次元アレイ式超音波プローブに代わって用いられるようになっている。
【０００５】
一方、超音波プローブの一般的な製造方法ではＰＺＴのような圧電材料からなる圧電体の両面に電極を形成した圧電素子をバッキングであるゴム板に貼り付け、さらに前記圧電素子上に音響整合層を接着して積層体とする。つづいて、前記積層体を音響整合層側からダイサーで幅を５０〜３００μｍ程度にアレイ切断して複数のチャンネルを形成する。２次元アレイ式超音波プローブでは、ダイサーでｘ、ｙ方向にアレイ切断する。音響整合層をアレイ切断することにより、各チャンネル間のクロストークが防止される。このため、音響整合層は高い加工性でダイシングすることが重要である。ひきつづき、記各チャンネル間のダンシング溝に例えば低音響インピーダンス、高減衰性のシリコーンゴムのような比較的に柔らかい樹脂を充填して機械的な強度を保持する。この後、複数のチャンネルの音響整合層上に音響レンズを接着することにより超音波プローブを製造する。
【０００６】
音響整合層は、通常は使用される周波数（λ）の１／４の厚さのものが用いられる。音速が約５０００ｍ／ｓの材料からなる音響整合層は、例えば使用周波数が３ＭＨｚの場合、約４００μｍになる。音響整合層は、圧電素子とほぼ同じ厚さで用いられるため、減衰率が大きい材料を用いると、超音波信号が低下する。要望される減衰率は、２０ｄＢ／ｍ／ＭＨｚ以下、さらに望ましくは２ｄＢ／ｍ／ＭＨｚ以下である。
【０００７】
このようなアレイ式超音波プローブは、医療用の超音波診断装置に適用した場合、診断時に音響レンズ側を被検体に当接させて各チャンネルの圧電素子を駆動させることにより、圧電素子前面から超音波信号を被検体内、つまり人体に送信する。この超音波信号は、圧電素子の駆動タイミングによる電子フォーカスおよび音響レンズによるフォーカスにより被検体内の所要位置に集束される。この時、圧電素子の駆動タイミングを制御することにより被検体内の所要範囲に超音波信号を送信することができ、被検体からのエコー信号を受信処理することにより所要範囲の超音波画像（断層像）が得られる。前記超音波プローブの圧電素子の駆動において、その圧電素子の背面側にも超音波信号が放出される。このため、各チャンネルの圧電素子の背面にバッキングを配置し、背面側への超音波信号をこのバッキングで吸収（減衰）して正規の超音波信号が背面側からの超音波信号（反射信号）と共に被検体内に送信される悪影響を回避している。
【０００８】
また、アレイ式超音波プローブの駆動時において、複数のチャンネルの圧電素子から放射された超音波エネルギーは音響整合層および音響レンズに吸収、減衰される。超音波エネルギーの一部は、熱に変換されるため、例えば循環器用超音波プローブではその音響整合層の温度が６０℃以上となることもある。さらに、超音波プローブは使用中に相当の圧力が音響レンズを通して音響整合層にも常時、印加される。これらの熱影響による音響レンズと音響整合層の間の熱膨張差および機械的な圧力の要因によって、音響レンズと最上層の音響整合層の間、最上層の音響整合層とその下の音響整合層との間において剥離が生じる場合がある。その結果、超音波プローブ内での感度のばらつきを生じて信頼性を低下させる。甚だしい場合は、超音波プローブの機能が停止する。これらの現象は、特に接続箇所が多い２次元アレイ式超音波プローブでは深刻な問題となる。
【０００９】
特許文献１〜４には、金属などの音響整合層を備えた超音波プローブの特性等が具体的に例示されている。例えば、特許文献１、２には音響整合層として金属アルミニウムを用いる例が記載されている。また、特許文献３には音響整合層として導電性接着剤や酸化錫、金、アルミニウムを用いる例が記載されている。しかしながら、これらの材料は音響整合層として要求される低減衰率で、ダイシング加工性、耐熱性、上下層との接着性などの特性、３〜４層の音響整合層を形成する場合の適切な音響インピーダンスを全て満たすものではない。
【００１０】
また、特許文献４には単結晶シリコンを音響整合層として用いる超音波探触子が開示されている。しかしながら、シリコンの音響インピーダンスは１９．５ＭＲａｙｌｓであり、通常のＰＺＴ系圧電材料の音響インピーダンスである３５ＭＲａｌｙｓに比べて大き過ぎる。このため、実用的である２〜３層の音響整合層を持つ超音波プローブには適さない。また、シリコンは加工性、導電率も充分でない欠点がある。
【００１１】
一方、特許文献５には圧電材料と同じ音響インピーダンスを持つ付加弾性層を持つ圧電広帯域トランスジューサの例が示されている。この特許文献５には、一例として音響インピ−ダンスが１２〜１０ＭＲａｙｌｓのバルク圧電材料と樹脂を複合させた複合圧電振動子を用いた場合において、付加層および整合層として音響インピーダンスが１０ＭＲａｌｙｓの金属マグネシウムおよび合金を使用することが記載されている。しかしながら、音響インピーダンス、減衰率、ダイシング加工性に優れたマグネシウム合金の具体的な組成などの開示はされていない。
【００１２】
前述した音響整合層は、従来、エポキシ樹脂にタングステン粉末などを添加してその密度を調整した材料が用いられることもある。具体的には、エポキシ樹脂に３０体積％のタングステンを充填した複合樹脂からなり、１２ＭＲａｌｙｓの音響インピーダンスを有する音響整合層が知られている。しかしながらこの複合樹脂は減衰率が１０００ｄB／ｍ／ＭＨｚ以上と大きいばかりでなく、ダイシング加工性に劣る。
【００１３】
また，非特許文献1には音響整合層の材料としてガラスを用いる例が示されている。ガラスは、音響インピーダンスは約１２ＭＲａｌｙｓであるが、絶縁性であるためにダイシングにより２次元アレイにチャンネルを配列する場合、圧電素子の上部側の電極を配線で外部に引き回すことが困難になる。
【００１４】
さらに、ほぼ純粋の金属マグネシウム、金属アルミニウム、金属亜鉛のそれぞれの密度、音速、音響インピーダンスはそれぞれ、１．７４、５８００ｍ／ｓ、１０ＭＲａｙｌｓ、２．７、６４００ｍ／ｓ、１７．４ＭＲａｙｌｓ、７．６、４２００ｍ／ｓ、３０ＭＲａｙｌｓであることが知られている。しかしながら、これらの純金属はダイシングや研磨による加工性が極めて低い。特に、２次元アレイ式超音波プローブの製造においてこれらの純金属を音響整合層に適用した場合、研磨やダイサーなどによって０．２ｍｍ2以下の微小な面積に加工することが困難である。
【特許文献１】特開昭５６−１４３１４９号公報
【特許文献２】特開昭５８−０５３７５５号公報
【特許文献３】特開昭５９−１７４０９９号公報
【特許文献４】特開２００３−１２５４９４
【特許文献５】公表特許公報２００４−５１８３１９報（ＵＳＰ６,６４５,１５０）
【非特許文献１】T.Inoue et al., IEEE,UFFC, vol.34 No.1,1987,pp.8-15
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、３層以上の音響整合層のうち、圧電素子と接し、低減衰率でダイシング加工性、耐熱性、上下層との接着性、導電性に優れ、かつ適切な音響インピーダンスを有するマグネシウム合金からなる音響整合層を備えたアレイ式超音波プローブを提供することを目的とする。
【００１６】
本発明は、前記アレイ式超音波プローブを備えた超音波診断装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明によると、バッキング；
前記バッキング上に配列され、圧電素子およびこの圧電素子上に形成される３層以上の音響整合層を有する複数のチャンネル；および
前記各チャンネルの最上層の音響整合層表面を少なくとも覆うように形成された音響レンズ；
を具備し、
前記圧電素子は、圧電体とこの圧電体の前記バッキング側および前記音響整合層側にそれぞれ形成された電極とから構成され、２５℃にて２５〜４０ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有し、
前記圧電素子の前記音響整合層側の電極は、５μｍ以下の厚さを有し、
前記３層以上の音響整合層は、前記音響レンズに向けて音響インピーダンスが段階的に小さくなり、かつ
前記電極と接する音響整合層は、２５℃にて１１〜１９ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有するＭｇ−Ｓｎ系またはＭｇ−Ｃｕ系のマグネシウム合金から構成されることを特徴とするアレイ式超音波プローブが提供される。
【００１８】
また本発明によると、前述した構成のアレイ式超音波プローブと、前記超音波プローブにケーブルを通して接続された超音波プローブ制御器とを具備したことを特徴とする超音波診断装置が提供される。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、３層以上の音響整合層のうち、圧電素子と接し、低減衰率でダイシング加工性、耐熱性、上下層との接着性、導電性に優れ、かつ適切な音響インピーダンスを有するマグネシウム合金からなる音響整合層を備え、音響整合層側からの配線接続が可能で、高感度かつ超音波の広帯域化が可能な高性能、高信頼性のアレイ式超音波プローブを提供することができる。特に、チャンネルを２次元状に配列した医用超音波診断装置用２次元アレイ超音波プローブを提供できる。
【００２０】
また、本発明によればクロストークが小さく、高性能、高信頼性のアレイ式超音波プローブが組み込まれ、断層像の画質向上および感度向上が達成された超音波診断装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態に係るアレイ式超音波プローブおよび超音波診断装置を図面を参照して詳細に説明する。
【００２２】
実施形態に係るアレイ式超音波プローブは、バッキングを備える。複数のチャンネルは、バッキング上に配列されている。これらのチャンネルは、バッキング上に配置される圧電素子と、この圧電素子上に形成される３層以上の音響整合層とを備える。音響レンズは、各チャンネルの最上層の音響整合層表面を少なくとも覆うように形成されている。
【００２３】
圧電素子は、圧電体とこの圧電体の前記バッキング側および前記音響整合層側にそれぞれ形成された電極とから構成され、２５℃にて２５〜４０ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有する。圧電素子の音響整合層側の電極は、５μｍ以下の厚さを有する。３層以上の音響整合層は、音響レンズに向けて音響インピーダンスが段階的に小さくなっている。圧電素子と接する前記音響整合層は、２５℃にて１１〜１９ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有するＭｇ−Ｓｎ系またはＭｇ−Ｃｕ系のマグネシウム合金から構成される。
【００２４】
このようなアレイ式超音波プローブは、チャンネルを１次元方向に配列した構造およびチャンネルを２次元方向に配列した構造のものが挙げられる。以下、３層の音響整合層を有する２次元アレイ式超音波プローブを図１〜図３を参照して詳細に説明する。図１は、実施形態に係る２次元アレイ式超音波プローブを示す斜視図、図２は図１の２次元アレイ式超音波プローブの要部断面図、図３は図１の２次元アレイ式超音波プローブの要部斜視図である。
【００２５】
２次元アレイ式超音波プローブ１は、バッキング２を備えている。圧電素子３はバッキング２上に例えばエポキシ樹脂系接着剤層（図示せず）で固定されている。圧電素子３は、図２および図３に示すように例えばジルコンチタン酸鉛（ＰＺＴ）系圧電セラミック材料やリラクサ系単結晶、およびチタン酸バリウム系のセラミック、単結晶からなる圧電体４と、この圧電体４の両面に形成された第１、第２の電極５1，５2とから構成されている。圧電体４は、前記圧電材料と有機樹脂からなる複合体を用いることもできる。２５℃にて１１〜１９ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有するＭｇ−Ｓｎ系またはＭｇ−Ｃｕ系のマグネシウム合金からなる第１音響整合層６は、圧電素子３の第２電極５2上に例えばエポキシ樹脂系接着剤層（図示せず）で固定されている。２５℃にて２．７〜８ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有するカーボンのような導電性材料からなる第２音響整合層７は、第１音響整合層６上に例えばエポキシ樹脂系接着剤層（図示せず）で固定されている。第１、第２の音響整合層６，７は、図２、図３に示すように例えばダイシングにより形成されるスペース８をあけて２次元的に配列されている。圧電素子３は、各スペース８に対応してその圧電体４に達する溝９がそれぞれ形成され、第２電極５2も２次元的に分離されている。これらのスペースおよび溝には、例えば低音響インピーダンス、高減衰性のシリコーンゴムのような比較的に柔らかい樹脂を充填することを許容する。フレキシブル印刷配線板２１は、複数の第２音響整合層７にその配線板２１のパッド２２を介してそれぞれ接続され、信号電極を構成している。すなわち、第２音響整合層７はカーボンのような導電材料から作られ、第１音響整合層６は特定のマグネシウム合金から作られるため、フレキシブル印刷配線板２１のパッド２２は２次元的に配列された導電性の第２、第１の音響整合層７，６を通して２次元的に分離された第２電極５2と接続される。なお、フレキシブル印刷配線板２１は例えば第２音響整合層２４の音響インピーダンスに近似した例えばポリイミド、シリコーンエポキシ樹脂のフィルム２３と、このフィルム２３上に各第２音響整合層７に対応して形成された複数のパッド２２と、フィルム２３上に一端が各パッド２２に接続され、他端がフィルム２３周縁に延出された複数の配線（図示せず）と、各配線を含むフィルム２３上に各パッド２２が露出するように形成されたソルダーレジスト膜（図示せず）とから構成されている。２５℃にて１．８〜２．５ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有する材料（例えばシリコーンエポキシ樹脂）からなる第３音響整合層１０は、フレキシブル印刷配線板２１上に例えばエポキシ樹脂系接着剤層（図示せず）で固定されている。
【００２６】
このような圧電素子３と、２次元的に配列された複数の第１、第２の音響整合層６，７と、第３音響整合層１０とにより複数のチャンネル１１が構成される。これらのチャンネル１１は、２５℃にて２５〜４０ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有する圧電素子３上に音響インピーダンスが段階的に小さくなる第１〜第３の音響整合層６，７，１０、すなわち２５℃にて１１〜１９ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有するＭｇ−Ｓｎ系またはＭｇ−Ｃｕ系のマグネシウム合金からなる第１音響整合層６、２５℃にて２．７〜８ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有するカーボンのような導電性材料からなる第２音響整合層７および１．８〜２．５ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有する材料（例えばシリコーンエポキシ樹脂）からなる第３音響整合層１０を積層して構成されている。
【００２７】
前記各チャンネル１１において、圧電素子３が縦波振動であるため、第１電極５1を共通電極（アース電極）とし、信号電極であるフレキシブル印刷配線板２１から個々のチャンネル１１の導電性の第２、第１の音響整合層７，６を通して２次元的に分離された第２電極５2に電圧を印加することにより、各チャンネル１１の圧電素子３をその電圧に応じた周波数で振動させることが可能になる。
【００２８】
音響レンズ１２は、前記各チャンネル１１の第３音響整合層１０上に例えばゴム系接着剤層（図示せず）により固定されている。このゴム系接着剤は、２５℃において１．３〜１．８ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有する変性シリコーン系接着剤であることが好ましい。
【００２９】
バッキング２、複数のチャンネル１１および音響レンズ１２は、上端に開口部を有するケース（筐体）１３内にバッキング２が支持台１４に載置されるように収納されている。ケース１３内には、各チャンネル１１の圧電素子３の駆動タイミングを制御する制御回路および圧電素子３に受信された受信信号を増幅するためのアンプ回路を含む信号処理回路（図示せず）が内蔵されている。前記信号電極であるフレキシブル印刷配線板２１の他端は制御回路に接続されている。アース側印刷配線板（図示せず）は、一端が圧電素子３の第１電極５1に接続され、他端が信号処理回路に接続されている。ケーブル１５は、音響レンズ１２と反対側のケース１３部分から挿入され、その先端が信号処理回路および制御回路（いずれも図示せず）と接続されている。
【００３０】
このような構成の２次元アレイ式超音波プローブ１において、各チャンネル１１における圧電素子３の第１、第２の電極５1，５2間に電圧を印加して、圧電体４を共振させることにより超音波を各チャンネル１１の第１〜第３の音響整合層６，７，１０および音響レンズ１２を通して放射（送信）する。受信時には、音響レンズ１２および各チャンネル１１の第１〜第３の音響整合層６，７，１０を通して受信された超音波によって各チャンネル１１の圧電素子３の圧電体４を振動させ、この振動を電気的に変換して信号とし、画像を得る。
【００３１】
圧電素子３は、２５℃にて２５〜４０ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有し、かつ第１音響整合層６側の電極（第２電極５2）は５μｍ以下の厚さを有する。電極（第２電極５2）の厚さが５μｍを越えると、圧電素子の共振周波数に変化が生じるばかりでなく、電極（第２電極５2）を境にした圧電素子３と第１音響整合層６の間の音響インピーダンスの差による超音波の反射が無視できなくなる虞がある。より好ましい電極（第２電極５2）の厚さは、２μｍ以下である。
【００３２】
第１音響整合層６は、Ｍｇ−Ｓｎ系またはＭｇ−Ｃｕ系のマグネシウム合金から構成され、音響インピーダンスが２５℃にて１１〜１９ＭＲａｙｌｓである。
【００３３】
前記マグネシウム合金は、下記一般式（Ｉ）にて表され、３点曲げ強度が１５０ＭＰａ以上、破断伸びが２％以下であることが好ましい。
【００３４】
ＭｇxＭ１yＭ２z …（Ｉ）
ただし、式中のＭ１はＳｎまたはＣｕ、Ｍ２はＡｌ，Ｚｎ，Ｓｎ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｍｎ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｓｂ，Ｚｒ，Ｃａ、Ｌｉ，Ｙおよび希土類元素の群から選ばれる少なくとも１つの金属、ｘ、ｙ、ｚはｘ＝４０〜８０重量％、ｙ＝２０〜６０重量％、ｚ＝０〜５重量％である。前記マグネシウム合金は、ＭｇxＳｎyＸz（ＸはＣａ，Ｙ，Ｚｒ，Ａｌ、ｘ、ｙ、ｚはｘ＝４０〜８０重量％、ｙ＝２０〜６０重量％、ｚ＝０〜５重量％である。）の三元系であることが最も好ましい。
【００３５】
前記一般式（Ｉ）のマグネシウム合金中のＭｇ量を４０重量％未満にすると、脆くて加工し難くなるばかりか、圧電素子の音響インピーダンスと３層の音響整合層を有するチャンネル構成において第１音強整合層の最適の音響インピーダンスである１１〜１９ＭＲａｙｌｓにすることが困難になる。一方、マグネシウム合金中のＭｇ量が８０重量％を超えると、減衰率が大きくなるのみならず、ダイシング時に切削粉の急激な酸化が生じて発火の虞があり、さらに表面が酸化し易く、耐食性も劣る虞がある。より好ましいマグネシウム合金中のＭｇ量は、４５〜６５重量％である。このような範囲のＭｇを含むマグネシウム合金は、第１音響整合層に要求される減衰率が一層小さくなるのみならず、優れた耐食性、ダイシング特性および長期安定性を有する。
【００３６】
前記一般式（Ｉ）のマグネシウム合金中のＭ２成分の量が５重量％を超えると、減衰率が増加するか加工性が低下し、さらに耐食性が低下する虞がある。より好ましいＭ２成分の量は、２重量％以下である。
【００３７】
前記一般式（Ｉ）のマグネシウム合金の３点曲げ強度を１５０ＭＰa未満にすると、２次元アレイ超音波プローブのような微細のチャンネル（例えば５０μｍ角〜２００μｍ角）を作製する場合、マグネシウム合金からなる第１音響整合層の折れによる不良が頻発する虞がある。より好ましい３点曲げ強度は、２００ＭＰａ以上である。
【００３８】
前記一般式（Ｉ）のマグネシウム合金の破断伸びが２％を超えると、ダイヤモンドブレードのダイシング時の直線性が損なわれ、チャンネル毎に面積が異なる不良が頻発するばかりか、ダイシング途中での損傷が頻発する虞がある。より好ましい破断伸びは０．５％以下である。
【００３９】
前記一般式（Ｉ）のマグネシウム合金は、さらに減衰率が５ＭＨｚでの測定において０．３ｄＢ／ｍ／ＭＨｚ以下、縦波音速が２５℃にて４０００〜６０００ｍ／ｓ、密度が２．０〜３．５ｇ／ｃｍ3であること好ましい。
【００４０】
前記一般式（Ｉ）のマグネシウム合金は、平均結晶粒径が２００μｍ以下であることがダイシング性を向上する上で好ましい。マグネシウム合金の平均結晶粒径が２００μｍを超えると、ダイシング時にこのマグネシウム合金からなる第１音響整合層の折れが頻発する虞がある。より好ましいマグネシウム合金の平均結晶粒径は、１００μｍ以下である。
【００４１】
第１音響整合層は、上下面にその音響整合層の厚さの１／１００以下の厚さを持つＮｉ，ＡｕおよびＳｎから選ばれる金属層を有することを許容する。
【００４２】
前記第１〜第３の音響整合層は、圧電素子の振動による周波数のλ／５〜λ／２の厚さを有することが好ましい。
【００４３】
なお、実施形態に係る２次元アレイ式超音波プローブにおいて、電極の取り出しは前述した図１〜図３に示す構造に限定されない。例えば、第１、第２の電極を有する圧電素子をその上の第１、第２の音響整合層とともに２次元方向のスペースで分離して配列し、さらにそのスペースに対応してバッキングに達する溝を形成して圧電素子を２次元的に分離し、さらにバッキングの下面からバッキング上面に接する第１電極に達するスルーホールを形成し、各スルーホールにフレキシブル印刷配線板を接続してもよい。このような構成によれば、２次元的に分離された第２電極に導電性の第１、第２の音響整合層を通して接続するフレキシブル印刷配線板での電圧制御のみならず、２次元的に分離された第１電極にスルーホールを通して接続される別のフレキシブル印刷配線板での電圧制御が可能になる。すなわち、圧電素子および第１〜第３の音響整合層を有する各チャンネルを独立して電圧制御することが可能になる。
【００４４】
次に、前述した実施形態に係る２次元アレイ式超音波プローブの製造方法を説明する。
【００４５】
まず、バッキング上に前述した圧電素子、第１音響整合層、第２音響整合層をこの順序でかつ例えばこれらの部材間に低粘性のエポキシ樹脂系接着剤をそれぞれ介在させて、積層させる。つづいて、この積層物を例えば１２０℃で１時間程度加熱し、前記各エポキシ樹脂系接着剤を硬化させることによりバッキングと圧電素子、圧電素子と第１音響整合層、第１音響整合層と第２音響整合層をそれぞれ接着、固定させる。
【００４６】
次いで、例えばダイヤモンドブレードを用いて第２音響整合層から圧電素子の圧電体に達する深さで、例えば５０〜２００μｍ角にダイシング処理して２次元アレイ状に複数分割する。複数分割された第２音響整合層にフレキシブル印刷配線板を位置合わせし、その複数のパッドを各第２音響整合層に接続する。必要に応じてスペースおよび溝に例えば低音響インピーダンス、高減衰性のシリコーンゴムのような比較的に柔らかい樹脂を充填してもよい。つづいて、フレキシブル印刷配線板に第３音響整合層をエポキシ樹脂系接着剤で接着固定することにより圧電素子、複数の第１、第２の音響整合層および第３音響整合層を有する複数のチャンネルを形成する。その後、第３音響整合層に音響レンズをシリコーンゴム系接着層で接着固定し、バッキング、複数のチャンネルおよび音響レンズをケース内に収納して２次元アレイ式超音波プローブを製造する。
【００４７】
実施形態に係るアレイ式超音波プローブは、３層以上の音響整合層を有し、前述した３層の音響整合層を有する他に、例えば４層の音響整合層を積層構造でもよい。４層の音響整合層の場合には、圧電素子と接する１層目の音響整合層は２５℃にて１２〜１９ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有するＭｇ−Ｓｎ系またはＭｇ−Ｃｕ系のマグネシウム合金、２層目の音響整合層は２５℃にて７〜１２ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有するマグネシウム合金、３層目の音響整合層は２５℃にて３〜５ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有する導電性材料、前記音響レンズと接する４層目の音響整合層は２５℃にて１．８〜２．５ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有する樹脂を含む材料、からそれぞれ構成されることが好ましい。このような超音波プローブにおいて、各音響整合層は圧電素子の振動による周波数のλ／５〜λ／２の厚さを有することが好ましい。
【００４８】
実施形態に係る超音波プローブを備えた超音波診断装置を図４を参照して説明する。
【００４９】
対象物に対し超音波信号を送信し、その対象物からの反射信号（エコー信号）を受信して対象物を画像化する医療用の超音波診断装置（または超音波画像検査装置）は、超音波信号送受信機能を有するアレイ式超音波プローブを備えている。この超音波プローブは、例えば前述した図１〜図３に示す２次元アレイ構造を有する。この超音波プローブ１は、ケーブル１５を通して超音波診断装置本体３１に接続されている。超音波診断装置本体３１内には超音波プローブの超音波信号の送信、受信処理等を行う図示しない超音波プローブ制御器、およびディスプレイ３２等が設けられている。
【００５０】
以上説明した実施形態に係るアレイ式超音波プローブは、バッキングと、このバッキング上に配列され、それぞれ圧電素子およびこの圧電素子上に形成される３層以上の音響整合層を有する複数のチャンネルと、各チャンネルの最上層の音響整合層表面を少なくとも覆うように形成された音響レンズとを具備する。前記圧電素子は、圧電体とこの圧電体の前記バッキング側および前記音響整合層側にそれぞれ形成された電極とから構成され、２５℃にて２５〜４０ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有し、かつ前記圧電素子の前記音響整合層側の電極は、５μｍ以下の厚さを有する。３層以上の音響整合層は、音響レンズに向けて音響インピーダンスが段階的に小さくなり、かつ圧電素子と接する前記音響整合層は２５℃にて１１〜１９ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有するＭｇ−Ｓｎ系またはＭｇ−Ｃｕ系のマグネシウム合金から作られる。このような構成にすることによって、以下のような効果を奏する。
【００５１】
（１）圧電素子は、２５℃にて２５〜４０ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有し、音響整合層と接する電極の厚さが５μｍにあるため、圧電素子を安定した共振周波数で振動させることが可能になる。また、３層以上の音響整合層は音響レンズに向けて音響インピーダンスが段階的に小さくなり、かつ電極と接する音響整合層は低減衰率でかつ圧電素子と適切に整合した１１〜１９ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有する。その結果、各チャンネルにおいて圧電素子を振動させた発生した超音波を第１音響整合層を含む３層以上の音響整合層を通して音響レンズから送信する間、および音響レンズから３層以上の音響整合層を通して圧電素子で受信する間、超音波のエネルギーロスを低減して、超音波の通過性能の向上と広帯域化が図れるため、効率的な送受信が可能な高性能のアレイ式超音波プローブを提供できる。
【００５２】
特に、３層の積層構造の音響整合層を有する超音波プローブにおいて、圧電素子と接する１層目の音響整合層を２５℃にて１１〜１５ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有するマグネシウム合金、２層目の音響整合層を２５℃にて２．７〜８ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有する導電性材料、前記音響レンズと接する３層目の音響整合層を２５℃にて１．８〜２．５ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有する材料、からそれぞれ構成し、かつそれぞれの音響整合層の厚さを圧電素子の振動による周波数のλ／５〜λ／２の厚さにすることによって、送受信時の超音波のエネルギーロスをより効果的に低減して、超音波の通過性能のより一層の向上と広帯域化を図ることが可能になる。
【００５３】
また、４層の積層構造の音響整合層を有する超音波プローブにおいて、圧電素子と接する１層目の音響整合層を２５℃にて１２〜１９ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有するＭｇ−Ｓｎ系またはＭｇ−Ｃｕ系のマグネシウム合金、２層目の音響整合層を２５℃にて７〜１２ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有するマグネシウム合金、３層目の音響整合層を２５℃にて３〜５ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有する導電性材料、前記音響レンズと接する４層目の音響整合層を２５℃にて１．８〜２．５ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有する樹脂を含む材料、からそれぞれ構成し、かつそれぞれの音響整合層の厚さを圧電素子の振動による周波数のλ／５〜λ／２の厚さにすることによって、送受信時の超音波のエネルギーロスをより効果的に低減して、超音波の通過性能のより一層の向上と広帯域化を図ることが可能になる。
【００５４】
さらに、前述した３層または４層の音響整合層を積層した構造において、第１、第２の音響整合層は導電材料からなるため、第１、第２の音響整合層を例えばダイシングにより２次元的に分離して配列し、さらにその下の圧電素子の圧電体に達する溝を形成して第１音響整合層と接する電極も２次元的に分離した場合、第２音響整合層を圧電素子の上部側の電極として機能させることが可能になる。その結果、２次元的に配列された第２音響整合層に信号電極であるフレキシブル印刷配線板を容易に接続して外部に引き回すことが可能な２次元アレイ式超音波プローブを容易に実現できる。
【００５５】
（２）圧電素子と接する音響整合層は、Ｍｇ−Ｓｎ系またはＭｇ−Ｃｕ系のマグネシウム合金で作られ、ダイシング加工性に優れているため、例えばダイヤモンドソーによるダイシング処理によって目的とする幅を持つチャンネルを精密に形成することが可能になる。その結果、チャンネル間のクロストークを低減できるため、高解像度のアレイ式超音波プローブを実現できる。
【００５６】
（３）圧電素子と接する音響整合層（第１音響整合層）は、耐熱性に優れ、かつ上下層（圧電素子および第２音響整合層）との間に介在されるエポキシ系接着剤層に対して高い接着性を有するため、超音波エネルギーの吸収、減衰に伴う音響整合層の加熱および機械的な圧力が加わっても、上下の層からの剥離を防止できる。その結果、チャンネル間での感度が均一な高い長期信頼性を有するアレイ式超音波プローブを提供できる。
【００５７】
特に、前記一般式ＭｇxＭ１yＭ２zで表され、３点曲げ強度が１５０ＭＰａ以上、破断伸びが２％以下であるＭｇ−Ｓｎ系またはＭｇ−Ｃｕ系のマグネシウム合金からなる音響整合層は、より安定したダイシング加工性を有するため、例えばダイヤモンドソーによるダイシング処理によって０．０３ｍｍ2以下の微細な面積を持つチャンネルの形成が可能で、より一層小型のアレイ式超音波プローブを提供できる。
【００５８】
また、ＭｇxＳｎyＸz（ＸはＣａ，Ｙ，Ｚｒ，Ａｌ、ｘ、ｙ、ｚはｘ＝４０〜８０重量％、ｙ＝２０〜６０重量％、ｚ＝０〜５重量％である。）の三元系のＭｇ−Ｓｎ系またはＭｇ−Ｃｕ系のマグネシウム合金からなる音響整合層は、ダイシングにより５０μｍ角以下での精密な加工性が可能で、さらに優れたメッキ特性、耐食性を有する。またマグネシウム合金からなる音響整合層は音速が５５００ｍ／ｓ以下と低く、厚さを薄くすることが可能であるため、軽量のアレイ式超音波プローブを実現できる。
【００５９】
実施形態に係る超音波診断装置は、クロストークが小さく、高性能、高信頼性のアレイ式超音波プローブを備えるため、断層像の画質向上および感度向上を達成できる。
【００６０】
以下，本発明の実施例をさらに詳細に説明する。
【００６１】
（実施例１）
マグネシウムおよび錫をその構成比がＭｇ＝７８．２５ｗｔ％、Ｓｎ＝２１．７５ｗｔ％，となるように秤量した。これを真空溶解炉に入れ、６００〜８００℃にて六フッ化いおう（ＳＦ6）ガスの雰囲気下で混合攪拌溶解した後、溶湯を６０ｍｍ×６０ｍｍ角のインゴットに成型し、冷却した。得られたインゴットから通常の放電加工機を用いて幅３０ｍｍ、長さ３０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍの試験片を加工し、第１音響整合層用素材を作製した。
【００６２】
（実施例２）
マグネシウムおよび錫をその構成比がＭｇ＝４３．３３Ｗｔ％、Ｓｎ＝５６．６７ｗｔ％となるように秤量した。これを真空溶解炉に入れ、６００〜８００℃にて六フッ化いおう（ＳＦ6）ガスの雰囲気下で混合攪拌溶解し、溶融湯を６０ｍｍ×６０ｍｍ角のインゴットに成型し、冷却した。得られたインゴットから通常の放電加工機を用いて幅３０ｍｍ、長さ３０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍの試験片を加工し、第１音響整合層用素材を作製した。
【００６３】
（実施例３−１１）
マグネシウム、錫、銅、カルシウム、アルミニウム、イットリウム、ジルコニウム、マンガンおよび亜鉛を下記表１に示すように秤量した。これらを真空溶解炉に入れ、６００〜１０００℃にて六フッ化いおう（ＳＦ6）ガスの雰囲気下で混合攪拌溶解し、溶湯を６０ｍｍ×６０ｍｍ角の９種のインゴットに成型し、冷却した。得られた各インゴットから通常の放電加工機を用いて幅３０ｍｍ、長さ３０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍの試験片を加工し、第１音響整合層用素材を作製した。
【００６４】
（比較例１〜５）
アルミニウム、マグネシウムおよび亜鉛を下記表１に示すように秤量した。これらを真空溶解炉に入れ、６００〜１０００℃にて六フッ化いおう（ＳＦ6）ガスの雰囲気下で混合攪拌溶解し、溶湯を６０ｍｍ×６０ｍｍ角の５種のインゴットに成型し、冷却した。得られた各インゴットから通常の放電加工機を用いて幅３０ｍｍ、長さ３０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍの試験片を加工し、第１音響整合層用素材を作製した。
【００６５】
得られた実施例１〜１１、比較例１〜５の第１音響整合層用素材、タングステンを３０体積％含有する複合エポコシ樹脂からなる第１音響整合層用素材（比較例６）および珪酸ガラスからなる第１音響整合層用素材（比較例７）について、密度、音速、音響インピーダンス（ｚ）、減衰率、加工性を以下の方法に評価した。
【００６６】
１）密度
密度は、前記第１音響整合層用素材を研磨加工して得られた幅３０ｍｍ、長さ３０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍの特性評価用サンプルを用いて求めた。密度の測定は、２５℃のサンプルの空中および水中の重量を測定し、アルキメデス法にて行った。
【００６７】
２）音速および減衰率
前記第１音響整合層用素材を研磨加工して得られた幅３０ｍｍ、長さ３０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍおよび５０ｍｍ角、長さ８０ｍｍをサンプルとして用いた。
【００６８】
音響特性は、２５℃で５ＭＨｚの測定用プローブを用いて行った。音速の測定は幅３０ｍｍ、長さ３０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍのサンプルを用い、水中においてサンプルの有無による反射エコーの時間差とサンプル厚さから音速を求めた。音速（Ｃ）の算出は各温度における水の音速を基準として、水とサンプルの透過波形の時間差を利用し、以下の式を用いて算出した。
【００６９】
Ｃ＝Ｃ0／［Ｌ−Ｃ0（Δt／ｄ）］
ここで、Ｃ0は水の音速、ｄはサンプル厚さ、Δtは水とサンプルの透過波形の最初のピークを越した後のゼロクロス点の時間差を示す。
【００７０】
減衰率は、ＪＩＳ Ｚ ２３５４−２００５「超音波パルス半斜方による固体の超音波減衰率測定方法」に従い２５℃にて５MHｚのプローブを用いて、空気中で測定した。サンプルは５０ｍｍ角、長さ８０ｍｍを用いた。両端を表面粗度２５Sに研磨し、その上面に少量のグリセリン水溶液を塗布して５MHｚのプローブを配置し、密着させ底面からの反射を測定して反射エコーの強度差とサンプル厚さから所定の方法で減衰率を求めた。
【００７１】
３）音響インピーダンス（ｚ）
ｚは、室温２５℃にて測定した密度と音速の積として求めた。
【００７２】
４） 破断伸び
破断伸びは、ＪＩＳ Ｚ２２４１に従い、測定した。サンプルの大きさは、長さ５０ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚さ２．０ｍｍの規定の寸法を用い、インストロン装置を用いて測定した。
【００７３】
５）３点曲げ強度
前記第１音響整合層用素材を研磨加工して得られた３ｍｍ角、長さ３０ｍｍの角棒をサンプルをとし、インストロン試験機を用いてｎ＝５で曲げ試験を行い、ＪＩＳ-Ｒ１６０１に定められた所定の方法で抗折強度を求めた。
【００７４】
６）加工性
前記第１音響整合層用素材を研磨加工して得られた幅３０ｍｍ、長さ３０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍの加工性評価用サンプルを厚さ５０μｍのダイヤモンドブレードを用いて切断幅が２５０μｍ，２００μｍ、１５０μｍ、１００μｍのピッチで、深さが４００μｍになるように各５本切り込みを入れ、さらに９０度回転させ、再び同様の２５０μｍ，２００μｍ、１５０μｍ、１００μｍのピッチで、深さが４００μｍになるように切り込みを入れた。この加工は、クロスダイシングテストと呼ばれている。
【００７５】
前記試験による切り込み後の残存部分（２００μｍ×２００μｍ角から５０μｍ×５０μｍ角）を顕微鏡で観察した。この観察において、加工性評価用サンプル（第１音響整合層）の倒れ、直線性から確認される加工性を評価した。加工性に劣るサンプルは一方向への切断を５回行い、その残存部を評価した。
【００７６】
加工性の判定は、
・残存した５０μｍ角の加工に全く問題がない場合：１０、
・残存した１００μｍ角の加工に全く問題がない場合：９、
・残存した１５０μｍ角の加工に全く問題がない場合：８、
・残存した２００μｍ角の加工に全く問題がない場合：７、
・残存した５０μｍ×３０ｍｍの短冊の加工に全く問題がない場合：６、
・残存した１００μｍ×３０ｍｍの短冊の加工に全く問題がない場合：５、
・残存した１５０μｍ×３０ｍｍの短冊の加工に全く問題がない場合：４、
・残存した２００μｍ×３０ｍｍの短冊の加工に全く問題がない場合：３、
・残存した５００μｍ×３０ｍｍへの溝入れ加工ができる場合：２
・残存した５００μｍ×３０ｍｍへの溝入れ加工ができない場合：１
の１０段階とした。
【００７７】
これらの結果を下記表２に示す。
【表１】
【００７８】
【表２】
【００７９】
前記表１および表２から明らかなよう特定の組成のマグネシウム合金からなる実施例１〜１３の第１音響整合層（圧電素子の電極と接する音響整合層）は、音響インピーダンス（ｚ）が圧電素子との関係で適切な１１〜１９ＭＲａｙｌｓを有するにも拘らず、低減衰率で、かつ加工性に優れていることがわかる。
【００８０】
これに対し、比較例１〜７の第１音響整合層は、減衰率が大きいか、または加工性のいずれかが劣るか、導電性がないなどこれらの特性を全て満足するものではないことがわかる。
【００８１】
このような実施例１〜１１の第１音響整合層を有するアレイ式超音波プローブは、超音波のエネルギーを効果的に送受信でき、チャンネル間での感度が均一で、かつチャンネル間のクロストークを低減でき、高解像度性、長期信頼性を有する。
【００８２】
（実施例１２）
ＰＺＴ圧電体およびこの両面にＮｉ電極を形成した厚さ０．４ｍｍの圧電素子と、厚さ０．４ｍｍの実施例３のＭｇ合金板（第１音響整合層）と、厚さ０．２ｍｍのカーボン板（第２音響整合層）とからなる３枚の積層振動子を幅０．１５ｍｍ、高さ１．０ｍｍ、長さ１０ｍｍで切断した短冊振動子を作製した。
【００８３】
得られた短冊振動子の周波数に対するインピーダンスおよび位相の特性を調べた。その結果を図５に示す。図５から明らかなように矢印ＡおよびＢに示す個所に第１音響整合層、第２音響整合層によるピークがそれぞれ明瞭に観察され、このＭｇ合金からなる第１音響整合層が良好な音響特性を持つことがわかる。
【００８４】
（実施例１３）
音響インピーダンス（ｚ）が４ＭＲａｙｌｓのクロロプレンゴムにフェライトを添加したバッキング上に厚さ４００μｍの圧電素子、厚さ４２０μｍ、ｚが１３．９ＭＲａｙｌｓの実施例３のＭｇ−Ｓｎ−Ｃａ合金からなる第１音響整合層、厚さ２００μｍ、ｚが５．２ＭＲａｙｌｓのカーボン板（第２音響整合層）、ｚが２．１ＭＲａｙｌｓで厚さが１８０μｍのシリコーンエポキシ樹脂層（第３音響整合層）をこの順序で、かつそれらの間にエポキシ樹脂系接着剤を介在し重ねた後、１２０℃で１時間程度、加圧しながら加熱硬化させて相互に接着した。なお、前記圧電素子は両面にＮｉ／Ａｕ（厚さ０．１μｍ／０．２μｍ）からなる第１、第２の電極を有する。また、第１〜第３の音響整合層はそれぞれの両面にＮｉ／Ａｕ（厚さ０．１μｍ／０．２μｍ）からなる金属層を形成したものを用いた。アース電極及び信号電極は圧電素子の周囲に良く知られた回し込み電極を取り付け、その下部にフレキシブル印刷配線板を取り付けて構成した。
【００８５】
次いで、前記第３音響整合層からバッキングに向かって幅５０μｍのダイヤモンドブレードにより幅２００μｍ、バッキングへの切り込み深さ２００μｍになるようにダイシング処理した。このダイシングにより２００μｍを１チャンネルとし、合計６４チャンネルを形成した。ひきつづき、各チャンネル間のスペースに液状シリコーンゴムを充填し、１２５℃にて１時間で硬化させた。各チャンネル上にシリコーンゴムからなるｚが１．５ＭＲａｙｌｓの音響レンズを変性シリコーンゴム系接着剤で固定した。最後に、バッキング、複数のチャンネルおよび音響レンズをケース（筐体）内に収納し、このケース内に前記各チャンネルの圧電素子の駆動タイミングを制御する制御回路および圧電素子に受信された受信信号を増幅するためのアンプ回路を含む信号処理回路を内蔵することにより３．５ＭＨｚの１次元アレイ式超音波プローブを組み立てた。
【００８６】
（実施例１４）
音響インピーダンス（ｚ）が４ＭＲａｙｌｓのクロロプレンゴムにフェライトを添加したバッキング上に厚さ５００μｍの圧電素子、厚さ４２０μｍ、ｚが１３．９ＭＲａｙｌｓの実施例３に示されたＭｇ−Ｓｎ−Ｃａ合金からなる第１音響整合層、厚さ２００μｍ、ｚが５．２ＭＲａｙｌｓのカーボン板（第２音響整合層）をこの順序で、かつそれらの間にエポキシ樹脂系接着剤を介在し重ねた後、１２０℃で１時間程度、加圧しながら加熱硬化させて相互に接着した。なお、前記圧電素子は両面にＮｉ／Ａｕ（厚さ０．１μｍ／０．２μｍ）からなる第１、第２の電極を有する。また、第１，第２の音響整合層はそれぞれの両面にＮｉ／Ａｕ（厚さ０．１μｍ／０．２μｍ）からなる金属層を形成したものを用いた。アース電極は、圧電素子の下部電極（第１電極）にフレキシブル印刷配線板を接続して構成した。
【００８７】
次いで、前記第２音響整合層から圧電素子に向かって幅３０μｍのダイヤモンドブレードにより幅２００μｍ、圧電素子への切り込み深さを３００μｍになるようにダイシング処理した。さらに９０度回転し、同様にこのダイシングにより６４×６４＝３９００チャンネルの2次元アレイを形成した。つづいて、各チャンネル間のスペースに液状シリコーンゴムを充填し、１２５℃にて１時間で硬化させた。ひきつづき、音響インピーダンスが２．０ＭＲａｙｌｓ、厚さが１８０μｍであるシリコーンエポキシ樹脂フィルムに複数の配線およびこれらの配線にそれぞれ接続されたパッドを形成したフレキシブル印刷配線板を用意し、フレキシブル印刷配線板を２次元的に複数分離された各第２音響整合層上に各音響整合層に各パッドが接続するように位置合せして取り付けることにより信号電極を形成した。フレキシブル印刷配線板上にｚが２．１ＭＲａｙｌｓで厚さが１８０μｍのシリコーンエポキシ樹脂層（第３音響整合層）をエポキシ樹脂系接着剤を介在して重ねた後、１２０℃で１時間程度、加圧しながら加熱硬化させて相互に接着した。第３音響整合層上にｚが１．５５ＭＲａｙｌｓの樹脂性音響レンズを変性シリコーンゴム系接着剤で固定した。最後に、バッキング、複数のチャンネルおよび音響レンズをケース（筐体）内に収納し、このケース内に前記各チャンネルの圧電素子の駆動タイミングを制御する制御回路および圧電素子に受信された受信信号を増幅するためのアンプ回路を含む信号処理回路を内蔵することにより３ＭＨｚの２次元アレイ式超音波プローブを組み立てた。
【００８８】
得られた実施例１３，１４のアレイ式超音波プローブを画像診断装置に接続してその特性を評価したところ、従来品と比べて良好な画像が得られた。
【００８９】
さらに実施例１３，１４のアレイ式超音波プローブを−１０℃と８５℃のヒートサイクル試験機に入れ、１００サイクル試験前後に画像を確認したがチャンネル不良や画質低下の減少は見られなかった。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】実施形態に係る２次元アレイ式超音波プローブを示す斜視図。
【図２】図１の２次元アレイ式超音波プローブの要部断面図。
【図３】図１の２次元アレイ式超音波プローブの要部斜視図。
【図４】実施形態に係る超音波診断装置を示す概略図。
【図５】実施例１２の短冊振動子の周波数に対するインピーダンスおよび位相の特性を示す図。
【符号の説明】
【００９１】
１…次元アレイ式超音波プローブ、２…バッキング、３…圧電素子、５1，５2…電極、６…第１音響整合層、７…第２音響整合層、１０…第３音響整合層、１１…チャンネル、１２…音響レンズ、１３…ケース（筐体）、１５…ケーブル、２１…フレキシブル印刷配線板、３１…超音波診断装置本体。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検体等に超音波信号を送受信するアレイ式超音波プローブおよびこのアレイ式超音波プローブを有する超音波診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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）を受信して対象物内を画像化するものである。この医療用の超音波診断装置や超音波画像検査装置は、超音波信号送受信機能を有する電子操作式のアレイ式超音波プローブが主に用いられている。
【０００３】
アレイ式超音波プローブは、バッキングと、このバッキング上に接着され、所望のスペースをあけてアレイ状に配列された複数のチャンネルと、このチャンネル上に接着された音響レンズとを備えた構造を有する。前記複数のチャンネルは、それぞれ前記バッキング上に形成され、例えばジルコンチタン酸鉛（ＰＺＴ）系圧電セラミク材料やリラクサ系単結晶材料からなる圧電体の両面に電極を貼り付けた構造の圧電素子と、この圧電素子上に形成される音響整合層とを備える。なお、バッキングには各チャンネルのスペースに対応して溝が形成されている場合もある。
【０００４】
従来、前記音響整合層は１層構造、２層構造または３層以上の多層傾斜構造のものが知られている。特に、最近では広帯域化と高感度化のために３層以上の音響整合層が好適に用いられている（非特許文献１参照）。また、圧電素子を２次元状に配列した２次元アレイ式超音波プローブは３次元の動画像を得ることが可能であるため、圧電素子を１次元状に配列した１次元アレイ式超音波プローブに代わって用いられるようになっている。
【０００５】
一方、超音波プローブの一般的な製造方法ではＰＺＴのような圧電材料からなる圧電体の両面に電極を形成した圧電素子をバッキングであるゴム板に貼り付け、さらに前記圧電素子上に音響整合層を接着して積層体とする。つづいて、前記積層体を音響整合層側からダイサーで幅を５０〜３００μｍ程度にアレイ切断して複数のチャンネルを形成する。２次元アレイ式超音波プローブでは、ダイサーでｘ、ｙ方向にアレイ切断する。音響整合層をアレイ切断することにより、各チャンネル間のクロストークが防止される。このため、音響整合層は高い加工性でダイシングすることが重要である。ひきつづき、記各チャンネル間のダンシング溝に例えば低音響インピーダンス、高減衰性のシリコーンゴムのような比較的に柔らかい樹脂を充填して機械的な強度を保持する。この後、複数のチャンネルの音響整合層上に音響レンズを接着することにより超音波プローブを製造する。
【０００６】
音響整合層は、通常は使用される周波数（λ）の１／４の厚さのものが用いられる。音速が約５０００ｍ／ｓの材料からなる音響整合層は、例えば使用周波数が３ＭＨｚの場合、約４００μｍになる。音響整合層は、圧電素子とほぼ同じ厚さで用いられるため、減衰率が大きい材料を用いると、超音波信号が低下する。要望される減衰率は、２０ｄＢ／ｍ／ＭＨｚ以下、さらに望ましくは２ｄＢ／ｍ／ＭＨｚ以下である。
【０００７】
このようなアレイ式超音波プローブは、医療用の超音波診断装置に適用した場合、診断時に音響レンズ側を被検体に当接させて各チャンネルの圧電素子を駆動させることにより、圧電素子前面から超音波信号を被検体内、つまり人体に送信する。この超音波信号は、圧電素子の駆動タイミングによる電子フォーカスおよび音響レンズによるフォーカスにより被検体内の所要位置に集束される。この時、圧電素子の駆動タイミングを制御することにより被検体内の所要範囲に超音波信号を送信することができ、被検体からのエコー信号を受信処理することにより所要範囲の超音波画像（断層像）が得られる。前記超音波プローブの圧電素子の駆動において、その圧電素子の背面側にも超音波信号が放出される。このため、各チャンネルの圧電素子の背面にバッキングを配置し、背面側への超音波信号をこのバッキングで吸収（減衰）して正規の超音波信号が背面側からの超音波信号（反射信号）と共に被検体内に送信される悪影響を回避している。
【０００８】
また、アレイ式超音波プローブの駆動時において、複数のチャンネルの圧電素子から放射された超音波エネルギーは音響整合層および音響レンズに吸収、減衰される。超音波エネルギーの一部は、熱に変換されるため、例えば循環器用超音波プローブではその音響整合層の温度が６０℃以上となることもある。さらに、超音波プローブは使用中に相当の圧力が音響レンズを通して音響整合層にも常時、印加される。これらの熱影響による音響レンズと音響整合層の間の熱膨張差および機械的な圧力の要因によって、音響レンズと最上層の音響整合層の間、最上層の音響整合層とその下の音響整合層との間において剥離が生じる場合がある。その結果、超音波プローブ内での感度のばらつきを生じて信頼性を低下させる。甚だしい場合は、超音波プローブの機能が停止する。これらの現象は、特に接続箇所が多い２次元アレイ式超音波プローブでは深刻な問題となる。
【０００９】
特許文献１〜４には、金属などの音響整合層を備えた超音波プローブの特性等が具体的に例示されている。例えば、特許文献１、２には音響整合層として金属アルミニウムを用いる例が記載されている。また、特許文献３には音響整合層として導電性接着剤や酸化錫、金、アルミニウムを用いる例が記載されている。しかしながら、これらの材料は音響整合層として要求される低減衰率で、ダイシング加工性、耐熱性、上下層との接着性などの特性、３〜４層の音響整合層を形成する場合の適切な音響インピーダンスを全て満たすものではない。
【００１０】
また、特許文献４には単結晶シリコンを音響整合層として用いる超音波探触子が開示されている。しかしながら、シリコンの音響インピーダンスは１９．５ＭＲａｙｌｓであり、通常のＰＺＴ系圧電材料の音響インピーダンスである３５ＭＲａｌｙｓに比べて大き過ぎる。このため、実用的である２〜３層の音響整合層を持つ超音波プローブには適さない。また、シリコンは加工性、導電率も充分でない欠点がある。
【００１１】
一方、特許文献５には圧電材料と同じ音響インピーダンスを持つ付加弾性層を持つ圧電広帯域トランスジューサの例が示されている。この特許文献５には、一例として音響インピ−ダンスが１２〜１０ＭＲａｙｌｓのバルク圧電材料と樹脂を複合させた複合圧電振動子を用いた場合において、付加層および整合層として音響インピーダンスが１０ＭＲａｌｙｓの金属マグネシウムおよび合金を使用することが記載されている。しかしながら、音響インピーダンス、減衰率、ダイシング加工性に優れたマグネシウム合金の具体的な組成などの開示はされていない。
【００１２】
前述した音響整合層は、従来、エポキシ樹脂にタングステン粉末などを添加してその密度を調整した材料が用いられることもある。具体的には、エポキシ樹脂に３０体積％のタングステンを充填した複合樹脂からなり、１２ＭＲａｌｙｓの音響インピーダンスを有する音響整合層が知られている。しかしながらこの複合樹脂は減衰率が１０００ｄB／ｍ／ＭＨｚ以上と大きいばかりでなく、ダイシング加工性に劣る。
【００１３】
また，非特許文献1には音響整合層の材料としてガラスを用いる例が示されている。ガラスは、音響インピーダンスは約１２ＭＲａｌｙｓであるが、絶縁性であるためにダイシングにより２次元アレイにチャンネルを配列する場合、圧電素子の上部側の電極を配線で外部に引き回すことが困難になる。
【００１４】
さらに、ほぼ純粋の金属マグネシウム、金属アルミニウム、金属亜鉛のそれぞれの密度、音速、音響インピーダンスはそれぞれ、１．７４、５８００ｍ／ｓ、１０ＭＲａｙｌｓ、２．７、６４００ｍ／ｓ、１７．４ＭＲａｙｌｓ、７．６、４２００ｍ／ｓ、３０ＭＲａｙｌｓであることが知られている。しかしながら、これらの純金属はダイシングや研磨による加工性が極めて低い。特に、２次元アレイ式超音波プローブの製造においてこれらの純金属を音響整合層に適用した場合、研磨やダイサーなどによって０．２ｍｍ2以下の微小な面積に加工することが困難である。
【特許文献１】特開昭５６−１４３１４９号公報
【特許文献２】特開昭５８−０５３７５５号公報
【特許文献３】特開昭５９−１７４０９９号公報
【特許文献４】特開２００３−１２５４９４
【特許文献５】公表特許公報２００４−５１８３１９報（ＵＳＰ６,６４５,１５０）
【非特許文献１】T.Inoue et al., IEEE,UFFC, vol.34 No.1,1987,pp.8-15
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、３層以上の音響整合層のうち、圧電素子と接し、低減衰率でダイシング加工性、耐熱性、上下層との接着性、導電性に優れ、かつ適切な音響インピーダンスを有するマグネシウム合金からなる音響整合層を備えたアレイ式超音波プローブを提供することを目的とする。
【００１６】
本発明は、前記アレイ式超音波プローブを備えた超音波診断装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明によると、バッキング；
前記バッキング上に配列され、圧電素子およびこの圧電素子上に形成される３層以上の音響整合層を有する複数のチャンネル；および
前記各チャンネルの最上層の音響整合層表面を少なくとも覆うように形成された音響レンズ；
を具備し、
前記圧電素子は、圧電体とこの圧電体の前記バッキング側および前記音響整合層側にそれぞれ形成された電極とから構成され、２５℃にて２５〜４０ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有し、
前記圧電素子の前記音響整合層側の電極は、５μｍ以下の厚さを有し、
前記３層以上の音響整合層は、前記音響レンズに向けて音響インピーダンスが段階的に小さくなり、かつ
前記電極と接する音響整合層は、２５℃にて１１〜１９ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有するＭｇ−Ｓｎ系またはＭｇ−Ｃｕ系のマグネシウム合金から構成されることを特徴とするアレイ式超音波プローブが提供される。
【００１８】
また本発明によると、前述した構成のアレイ式超音波プローブと、前記超音波プローブにケーブルを通して接続された超音波プローブ制御器とを具備したことを特徴とする超音波診断装置が提供される。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、３層以上の音響整合層のうち、圧電素子と接し、低減衰率でダイシング加工性、耐熱性、上下層との接着性、導電性に優れ、かつ適切な音響インピーダンスを有するマグネシウム合金からなる音響整合層を備え、音響整合層側からの配線接続が可能で、高感度かつ超音波の広帯域化が可能な高性能、高信頼性のアレイ式超音波プローブを提供することができる。特に、チャンネルを２次元状に配列した医用超音波診断装置用２次元アレイ超音波プローブを提供できる。
【００２０】
また、本発明によればクロストークが小さく、高性能、高信頼性のアレイ式超音波プローブが組み込まれ、断層像の画質向上および感度向上が達成された超音波診断装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態に係るアレイ式超音波プローブおよび超音波診断装置を図面を参照して詳細に説明する。
【００２２】
実施形態に係るアレイ式超音波プローブは、バッキングを備える。複数のチャンネルは、バッキング上に配列されている。これらのチャンネルは、バッキング上に配置される圧電素子と、この圧電素子上に形成される３層以上の音響整合層とを備える。音響レンズは、各チャンネルの最上層の音響整合層表面を少なくとも覆うように形成されている。
【００２３】
圧電素子は、圧電体とこの圧電体の前記バッキング側および前記音響整合層側にそれぞれ形成された電極とから構成され、２５℃にて２５〜４０ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有する。圧電素子の音響整合層側の電極は、５μｍ以下の厚さを有する。３層以上の音響整合層は、音響レンズに向けて音響インピーダンスが段階的に小さくなっている。圧電素子と接する前記音響整合層は、２５℃にて１１〜１９ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有するＭｇ−Ｓｎ系またはＭｇ−Ｃｕ系のマグネシウム合金から構成される。
【００２４】
このようなアレイ式超音波プローブは、チャンネルを１次元方向に配列した構造およびチャンネルを２次元方向に配列した構造のものが挙げられる。以下、３層の音響整合層を有する２次元アレイ式超音波プローブを図１〜図３を参照して詳細に説明する。図１は、実施形態に係る２次元アレイ式超音波プローブを示す斜視図、図２は図１の２次元アレイ式超音波プローブの要部断面図、図３は図１の２次元アレイ式超音波プローブの要部斜視図である。
【００２５】
２次元アレイ式超音波プローブ１は、バッキング２を備えている。圧電素子３はバッキング２上に例えばエポキシ樹脂系接着剤層（図示せず）で固定されている。圧電素子３は、図２および図３に示すように例えばジルコンチタン酸鉛（ＰＺＴ）系圧電セラミック材料やリラクサ系単結晶、およびチタン酸バリウム系のセラミック、単結晶からなる圧電体４と、この圧電体４の両面に形成された第１、第２の電極５1，５2とから構成されている。圧電体４は、前記圧電材料と有機樹脂からなる複合体を用いることもできる。２５℃にて１１〜１９ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有するＭｇ−Ｓｎ系またはＭｇ−Ｃｕ系のマグネシウム合金からなる第１音響整合層６は、圧電素子３の第２電極５2上に例えばエポキシ樹脂系接着剤層（図示せず）で固定されている。２５℃にて２．７〜８ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有するカーボンのような導電性材料からなる第２音響整合層７は、第１音響整合層６上に例えばエポキシ樹脂系接着剤層（図示せず）で固定されている。第１、第２の音響整合層６，７は、図２、図３に示すように例えばダイシングにより形成されるスペース８をあけて２次元的に配列されている。圧電素子３は、各スペース８に対応してその圧電体４に達する溝９がそれぞれ形成され、第２電極５2も２次元的に分離されている。これらのスペースおよび溝には、例えば低音響インピーダンス、高減衰性のシリコーンゴムのような比較的に柔らかい樹脂を充填することを許容する。フレキシブル印刷配線板２１は、複数の第２音響整合層７にその配線板２１のパッド２２を介してそれぞれ接続され、信号電極を構成している。すなわち、第２音響整合層７はカーボンのような導電材料から作られ、第１音響整合層６は特定のマグネシウム合金から作られるため、フレキシブル印刷配線板２１のパッド２２は２次元的に配列された導電性の第２、第１の音響整合層７，６を通して２次元的に分離された第２電極５2と接続される。なお、フレキシブル印刷配線板２１は例えば第２音響整合層２４の音響インピーダンスに近似した例えばポリイミド、シリコーンエポキシ樹脂のフィルム２３と、このフィルム２３上に各第２音響整合層７に対応して形成された複数のパッド２２と、フィルム２３上に一端が各パッド２２に接続され、他端がフィルム２３周縁に延出された複数の配線（図示せず）と、各配線を含むフィルム２３上に各パッド２２が露出するように形成されたソルダーレジスト膜（図示せず）とから構成されている。２５℃にて１．８〜２．５ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有する材料（例えばシリコーンエポキシ樹脂）からなる第３音響整合層１０は、フレキシブル印刷配線板２１上に例えばエポキシ樹脂系接着剤層（図示せず）で固定されている。
【００２６】
このような圧電素子３と、２次元的に配列された複数の第１、第２の音響整合層６，７と、第３音響整合層１０とにより複数のチャンネル１１が構成される。これらのチャンネル１１は、２５℃にて２５〜４０ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有する圧電素子３上に音響インピーダンスが段階的に小さくなる第１〜第３の音響整合層６，７，１０、すなわち２５℃にて１１〜１９ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有するＭｇ−Ｓｎ系またはＭｇ−Ｃｕ系のマグネシウム合金からなる第１音響整合層６、２５℃にて２．７〜８ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有するカーボンのような導電性材料からなる第２音響整合層７および１．８〜２．５ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有する材料（例えばシリコーンエポキシ樹脂）からなる第３音響整合層１０を積層して構成されている。
【００２７】
前記各チャンネル１１において、圧電素子３が縦波振動であるため、第１電極５1を共通電極（アース電極）とし、信号電極であるフレキシブル印刷配線板２１から個々のチャンネル１１の導電性の第２、第１の音響整合層７，６を通して２次元的に分離された第２電極５2に電圧を印加することにより、各チャンネル１１の圧電素子３をその電圧に応じた周波数で振動させることが可能になる。
【００２８】
音響レンズ１２は、前記各チャンネル１１の第３音響整合層１０上に例えばゴム系接着剤層（図示せず）により固定されている。このゴム系接着剤は、２５℃において１．３〜１．８ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有する変性シリコーン系接着剤であることが好ましい。
【００２９】
バッキング２、複数のチャンネル１１および音響レンズ１２は、上端に開口部を有するケース（筐体）１３内にバッキング２が支持台１４に載置されるように収納されている。ケース１３内には、各チャンネル１１の圧電素子３の駆動タイミングを制御する制御回路および圧電素子３に受信された受信信号を増幅するためのアンプ回路を含む信号処理回路（図示せず）が内蔵されている。前記信号電極であるフレキシブル印刷配線板２１の他端は制御回路に接続されている。アース側印刷配線板（図示せず）は、一端が圧電素子３の第１電極５1に接続され、他端が信号処理回路に接続されている。ケーブル１５は、音響レンズ１２と反対側のケース１３部分から挿入され、その先端が信号処理回路および制御回路（いずれも図示せず）と接続されている。
【００３０】
このような構成の２次元アレイ式超音波プローブ１において、各チャンネル１１における圧電素子３の第１、第２の電極５1，５2間に電圧を印加して、圧電体４を共振させることにより超音波を各チャンネル１１の第１〜第３の音響整合層６，７，１０および音響レンズ１２を通して放射（送信）する。受信時には、音響レンズ１２および各チャンネル１１の第１〜第３の音響整合層６，７，１０を通して受信された超音波によって各チャンネル１１の圧電素子３の圧電体４を振動させ、この振動を電気的に変換して信号とし、画像を得る。
【００３１】
圧電素子３は、２５℃にて２５〜４０ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有し、かつ第１音響整合層６側の電極（第２電極５2）は５μｍ以下の厚さを有する。電極（第２電極５2）の厚さが５μｍを越えると、圧電素子の共振周波数に変化が生じるばかりでなく、電極（第２電極５2）を境にした圧電素子３と第１音響整合層６の間の音響インピーダンスの差による超音波の反射が無視できなくなる虞がある。より好ましい電極（第２電極５2）の厚さは、２μｍ以下である。
【００３２】
第１音響整合層６は、Ｍｇ−Ｓｎ系またはＭｇ−Ｃｕ系のマグネシウム合金から構成され、音響インピーダンスが２５℃にて１１〜１９ＭＲａｙｌｓである。
【００３３】
前記マグネシウム合金は、下記一般式（Ｉ）にて表され、３点曲げ強度が１５０ＭＰａ以上、破断伸びが２％以下であることが好ましい。
【００３４】
ＭｇxＭ１yＭ２z …（Ｉ）
ただし、式中のＭ１はＳｎまたはＣｕ、Ｍ２はＡｌ，Ｚｎ，Ｓｎ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｍｎ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｓｂ，Ｚｒ，Ｃａ、Ｌｉ，Ｙおよび希土類元素の群から選ばれる少なくとも１つの金属、ｘ、ｙ、ｚはｘ＝４０〜８０重量％、ｙ＝２０〜６０重量％、ｚ＝０〜５重量％である。前記マグネシウム合金は、ＭｇxＳｎyＸz（ＸはＣａ，Ｙ，Ｚｒ，Ａｌ、ｘ、ｙ、ｚはｘ＝４０〜８０重量％、ｙ＝２０〜６０重量％、ｚ＝０〜５重量％である。）の三元系であることが最も好ましい。
【００３５】
前記一般式（Ｉ）のマグネシウム合金中のＭｇ量を４０重量％未満にすると、脆くて加工し難くなるばかりか、圧電素子の音響インピーダンスと３層の音響整合層を有するチャンネル構成において第１音強整合層の最適の音響インピーダンスである１１〜１９ＭＲａｙｌｓにすることが困難になる。一方、マグネシウム合金中のＭｇ量が８０重量％を超えると、減衰率が大きくなるのみならず、ダイシング時に切削粉の急激な酸化が生じて発火の虞があり、さらに表面が酸化し易く、耐食性も劣る虞がある。より好ましいマグネシウム合金中のＭｇ量は、４５〜６５重量％である。このような範囲のＭｇを含むマグネシウム合金は、第１音響整合層に要求される減衰率が一層小さくなるのみならず、優れた耐食性、ダイシング特性および長期安定性を有する。
【００３６】
前記一般式（Ｉ）のマグネシウム合金中のＭ２成分の量が５重量％を超えると、減衰率が増加するか加工性が低下し、さらに耐食性が低下する虞がある。より好ましいＭ２成分の量は、２重量％以下である。
【００３７】
前記一般式（Ｉ）のマグネシウム合金の３点曲げ強度を１５０ＭＰa未満にすると、２次元アレイ超音波プローブのような微細のチャンネル（例えば５０μｍ角〜２００μｍ角）を作製する場合、マグネシウム合金からなる第１音響整合層の折れによる不良が頻発する虞がある。より好ましい３点曲げ強度は、２００ＭＰａ以上である。
【００３８】
前記一般式（Ｉ）のマグネシウム合金の破断伸びが２％を超えると、ダイヤモンドブレードのダイシング時の直線性が損なわれ、チャンネル毎に面積が異なる不良が頻発するばかりか、ダイシング途中での損傷が頻発する虞がある。より好ましい破断伸びは０．５％以下である。
【００３９】
前記一般式（Ｉ）のマグネシウム合金は、さらに減衰率が５ＭＨｚでの測定において０．３ｄＢ／ｍ／ＭＨｚ以下、縦波音速が２５℃にて４０００〜６０００ｍ／ｓ、密度が２．０〜３．５ｇ／ｃｍ3であること好ましい。
【００４０】
前記一般式（Ｉ）のマグネシウム合金は、平均結晶粒径が２００μｍ以下であることがダイシング性を向上する上で好ましい。マグネシウム合金の平均結晶粒径が２００μｍを超えると、ダイシング時にこのマグネシウム合金からなる第１音響整合層の折れが頻発する虞がある。より好ましいマグネシウム合金の平均結晶粒径は、１００μｍ以下である。
【００４１】
第１音響整合層は、上下面にその音響整合層の厚さの１／１００以下の厚さを持つＮｉ，ＡｕおよびＳｎから選ばれる金属層を有することを許容する。
【００４２】
前記第１〜第３の音響整合層は、圧電素子の振動による周波数のλ／５〜λ／２の厚さを有することが好ましい。
【００４３】
なお、実施形態に係る２次元アレイ式超音波プローブにおいて、電極の取り出しは前述した図１〜図３に示す構造に限定されない。例えば、第１、第２の電極を有する圧電素子をその上の第１、第２の音響整合層とともに２次元方向のスペースで分離して配列し、さらにそのスペースに対応してバッキングに達する溝を形成して圧電素子を２次元的に分離し、さらにバッキングの下面からバッキング上面に接する第１電極に達するスルーホールを形成し、各スルーホールにフレキシブル印刷配線板を接続してもよい。このような構成によれば、２次元的に分離された第２電極に導電性の第１、第２の音響整合層を通して接続するフレキシブル印刷配線板での電圧制御のみならず、２次元的に分離された第１電極にスルーホールを通して接続される別のフレキシブル印刷配線板での電圧制御が可能になる。すなわち、圧電素子および第１〜第３の音響整合層を有する各チャンネルを独立して電圧制御することが可能になる。
【００４４】
次に、前述した実施形態に係る２次元アレイ式超音波プローブの製造方法を説明する。
【００４５】
まず、バッキング上に前述した圧電素子、第１音響整合層、第２音響整合層をこの順序でかつ例えばこれらの部材間に低粘性のエポキシ樹脂系接着剤をそれぞれ介在させて、積層させる。つづいて、この積層物を例えば１２０℃で１時間程度加熱し、前記各エポキシ樹脂系接着剤を硬化させることによりバッキングと圧電素子、圧電素子と第１音響整合層、第１音響整合層と第２音響整合層をそれぞれ接着、固定させる。
【００４６】
次いで、例えばダイヤモンドブレードを用いて第２音響整合層から圧電素子の圧電体に達する深さで、例えば５０〜２００μｍ角にダイシング処理して２次元アレイ状に複数分割する。複数分割された第２音響整合層にフレキシブル印刷配線板を位置合わせし、その複数のパッドを各第２音響整合層に接続する。必要に応じてスペースおよび溝に例えば低音響インピーダンス、高減衰性のシリコーンゴムのような比較的に柔らかい樹脂を充填してもよい。つづいて、フレキシブル印刷配線板に第３音響整合層をエポキシ樹脂系接着剤で接着固定することにより圧電素子、複数の第１、第２の音響整合層および第３音響整合層を有する複数のチャンネルを形成する。その後、第３音響整合層に音響レンズをシリコーンゴム系接着層で接着固定し、バッキング、複数のチャンネルおよび音響レンズをケース内に収納して２次元アレイ式超音波プローブを製造する。
【００４７】
実施形態に係るアレイ式超音波プローブは、３層以上の音響整合層を有し、前述した３層の音響整合層を有する他に、例えば４層の音響整合層を積層構造でもよい。４層の音響整合層の場合には、圧電素子と接する１層目の音響整合層は２５℃にて１２〜１９ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有するＭｇ−Ｓｎ系またはＭｇ−Ｃｕ系のマグネシウム合金、２層目の音響整合層は２５℃にて７〜１２ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有するマグネシウム合金、３層目の音響整合層は２５℃にて３〜５ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有する導電性材料、前記音響レンズと接する４層目の音響整合層は２５℃にて１．８〜２．５ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有する樹脂を含む材料、からそれぞれ構成されることが好ましい。このような超音波プローブにおいて、各音響整合層は圧電素子の振動による周波数のλ／５〜λ／２の厚さを有することが好ましい。
【００４８】
実施形態に係る超音波プローブを備えた超音波診断装置を図４を参照して説明する。
【００４９】
対象物に対し超音波信号を送信し、その対象物からの反射信号（エコー信号）を受信して対象物を画像化する医療用の超音波診断装置（または超音波画像検査装置）は、超音波信号送受信機能を有するアレイ式超音波プローブを備えている。この超音波プローブは、例えば前述した図１〜図３に示す２次元アレイ構造を有する。この超音波プローブ１は、ケーブル１５を通して超音波診断装置本体３１に接続されている。超音波診断装置本体３１内には超音波プローブの超音波信号の送信、受信処理等を行う図示しない超音波プローブ制御器、およびディスプレイ３２等が設けられている。
【００５０】
以上説明した実施形態に係るアレイ式超音波プローブは、バッキングと、このバッキング上に配列され、それぞれ圧電素子およびこの圧電素子上に形成される３層以上の音響整合層を有する複数のチャンネルと、各チャンネルの最上層の音響整合層表面を少なくとも覆うように形成された音響レンズとを具備する。前記圧電素子は、圧電体とこの圧電体の前記バッキング側および前記音響整合層側にそれぞれ形成された電極とから構成され、２５℃にて２５〜４０ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有し、かつ前記圧電素子の前記音響整合層側の電極は、５μｍ以下の厚さを有する。３層以上の音響整合層は、音響レンズに向けて音響インピーダンスが段階的に小さくなり、かつ圧電素子と接する前記音響整合層は２５℃にて１１〜１９ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有するＭｇ−Ｓｎ系またはＭｇ−Ｃｕ系のマグネシウム合金から作られる。このような構成にすることによって、以下のような効果を奏する。
【００５１】
（１）圧電素子は、２５℃にて２５〜４０ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有し、音響整合層と接する電極の厚さが５μｍにあるため、圧電素子を安定した共振周波数で振動させることが可能になる。また、３層以上の音響整合層は音響レンズに向けて音響インピーダンスが段階的に小さくなり、かつ電極と接する音響整合層は低減衰率でかつ圧電素子と適切に整合した１１〜１９ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有する。その結果、各チャンネルにおいて圧電素子を振動させた発生した超音波を第１音響整合層を含む３層以上の音響整合層を通して音響レンズから送信する間、および音響レンズから３層以上の音響整合層を通して圧電素子で受信する間、超音波のエネルギーロスを低減して、超音波の通過性能の向上と広帯域化が図れるため、効率的な送受信が可能な高性能のアレイ式超音波プローブを提供できる。
【００５２】
特に、３層の積層構造の音響整合層を有する超音波プローブにおいて、圧電素子と接する１層目の音響整合層を２５℃にて１１〜１５ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有するマグネシウム合金、２層目の音響整合層を２５℃にて２．７〜８ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有する導電性材料、前記音響レンズと接する３層目の音響整合層を２５℃にて１．８〜２．５ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有する材料、からそれぞれ構成し、かつそれぞれの音響整合層の厚さを圧電素子の振動による周波数のλ／５〜λ／２の厚さにすることによって、送受信時の超音波のエネルギーロスをより効果的に低減して、超音波の通過性能のより一層の向上と広帯域化を図ることが可能になる。
【００５３】
また、４層の積層構造の音響整合層を有する超音波プローブにおいて、圧電素子と接する１層目の音響整合層を２５℃にて１２〜１９ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有するＭｇ−Ｓｎ系またはＭｇ−Ｃｕ系のマグネシウム合金、２層目の音響整合層を２５℃にて７〜１２ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有するマグネシウム合金、３層目の音響整合層を２５℃にて３〜５ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有する導電性材料、前記音響レンズと接する４層目の音響整合層を２５℃にて１．８〜２．５ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有する樹脂を含む材料、からそれぞれ構成し、かつそれぞれの音響整合層の厚さを圧電素子の振動による周波数のλ／５〜λ／２の厚さにすることによって、送受信時の超音波のエネルギーロスをより効果的に低減して、超音波の通過性能のより一層の向上と広帯域化を図ることが可能になる。
【００５４】
さらに、前述した３層または４層の音響整合層を積層した構造において、第１、第２の音響整合層は導電材料からなるため、第１、第２の音響整合層を例えばダイシングにより２次元的に分離して配列し、さらにその下の圧電素子の圧電体に達する溝を形成して第１音響整合層と接する電極も２次元的に分離した場合、第２音響整合層を圧電素子の上部側の電極として機能させることが可能になる。その結果、２次元的に配列された第２音響整合層に信号電極であるフレキシブル印刷配線板を容易に接続して外部に引き回すことが可能な２次元アレイ式超音波プローブを容易に実現できる。
【００５５】
（２）圧電素子と接する音響整合層は、Ｍｇ−Ｓｎ系またはＭｇ−Ｃｕ系のマグネシウム合金で作られ、ダイシング加工性に優れているため、例えばダイヤモンドソーによるダイシング処理によって目的とする幅を持つチャンネルを精密に形成することが可能になる。その結果、チャンネル間のクロストークを低減できるため、高解像度のアレイ式超音波プローブを実現できる。
【００５６】
（３）圧電素子と接する音響整合層（第１音響整合層）は、耐熱性に優れ、かつ上下層（圧電素子および第２音響整合層）との間に介在されるエポキシ系接着剤層に対して高い接着性を有するため、超音波エネルギーの吸収、減衰に伴う音響整合層の加熱および機械的な圧力が加わっても、上下の層からの剥離を防止できる。その結果、チャンネル間での感度が均一な高い長期信頼性を有するアレイ式超音波プローブを提供できる。
【００５７】
特に、前記一般式ＭｇxＭ１yＭ２zで表され、３点曲げ強度が１５０ＭＰａ以上、破断伸びが２％以下であるＭｇ−Ｓｎ系またはＭｇ−Ｃｕ系のマグネシウム合金からなる音響整合層は、より安定したダイシング加工性を有するため、例えばダイヤモンドソーによるダイシング処理によって０．０３ｍｍ2以下の微細な面積を持つチャンネルの形成が可能で、より一層小型のアレイ式超音波プローブを提供できる。
【００５８】
また、ＭｇxＳｎyＸz（ＸはＣａ，Ｙ，Ｚｒ，Ａｌ、ｘ、ｙ、ｚはｘ＝４０〜８０重量％、ｙ＝２０〜６０重量％、ｚ＝０〜５重量％である。）の三元系のＭｇ−Ｓｎ系またはＭｇ−Ｃｕ系のマグネシウム合金からなる音響整合層は、ダイシングにより５０μｍ角以下での精密な加工性が可能で、さらに優れたメッキ特性、耐食性を有する。またマグネシウム合金からなる音響整合層は音速が５５００ｍ／ｓ以下と低く、厚さを薄くすることが可能であるため、軽量のアレイ式超音波プローブを実現できる。
【００５９】
実施形態に係る超音波診断装置は、クロストークが小さく、高性能、高信頼性のアレイ式超音波プローブを備えるため、断層像の画質向上および感度向上を達成できる。
【００６０】
以下，本発明の実施例をさらに詳細に説明する。
【００６１】
（実施例１）
マグネシウムおよび錫をその構成比がＭｇ＝７８．２５ｗｔ％、Ｓｎ＝２１．７５ｗｔ％，となるように秤量した。これを真空溶解炉に入れ、６００〜８００℃にて六フッ化いおう（ＳＦ6）ガスの雰囲気下で混合攪拌溶解した後、溶湯を６０ｍｍ×６０ｍｍ角のインゴットに成型し、冷却した。得られたインゴットから通常の放電加工機を用いて幅３０ｍｍ、長さ３０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍの試験片を加工し、第１音響整合層用素材を作製した。
【００６２】
（実施例２）
マグネシウムおよび錫をその構成比がＭｇ＝４３．３３Ｗｔ％、Ｓｎ＝５６．６７ｗｔ％となるように秤量した。これを真空溶解炉に入れ、６００〜８００℃にて六フッ化いおう（ＳＦ6）ガスの雰囲気下で混合攪拌溶解し、溶融湯を６０ｍｍ×６０ｍｍ角のインゴットに成型し、冷却した。得られたインゴットから通常の放電加工機を用いて幅３０ｍｍ、長さ３０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍの試験片を加工し、第１音響整合層用素材を作製した。
【００６３】
（実施例３−１１）
マグネシウム、錫、銅、カルシウム、アルミニウム、イットリウム、ジルコニウム、マンガンおよび亜鉛を下記表１に示すように秤量した。これらを真空溶解炉に入れ、６００〜１０００℃にて六フッ化いおう（ＳＦ6）ガスの雰囲気下で混合攪拌溶解し、溶湯を６０ｍｍ×６０ｍｍ角の９種のインゴットに成型し、冷却した。得られた各インゴットから通常の放電加工機を用いて幅３０ｍｍ、長さ３０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍの試験片を加工し、第１音響整合層用素材を作製した。
【００６４】
（比較例１〜５）
アルミニウム、マグネシウムおよび亜鉛を下記表１に示すように秤量した。これらを真空溶解炉に入れ、６００〜１０００℃にて六フッ化いおう（ＳＦ6）ガスの雰囲気下で混合攪拌溶解し、溶湯を６０ｍｍ×６０ｍｍ角の５種のインゴットに成型し、冷却した。得られた各インゴットから通常の放電加工機を用いて幅３０ｍｍ、長さ３０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍの試験片を加工し、第１音響整合層用素材を作製した。
【００６５】
得られた実施例１〜１１、比較例１〜５の第１音響整合層用素材、タングステンを３０体積％含有する複合エポコシ樹脂からなる第１音響整合層用素材（比較例６）および珪酸ガラスからなる第１音響整合層用素材（比較例７）について、密度、音速、音響インピーダンス（ｚ）、減衰率、加工性を以下の方法に評価した。
【００６６】
１）密度
密度は、前記第１音響整合層用素材を研磨加工して得られた幅３０ｍｍ、長さ３０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍの特性評価用サンプルを用いて求めた。密度の測定は、２５℃のサンプルの空中および水中の重量を測定し、アルキメデス法にて行った。
【００６７】
２）音速および減衰率
前記第１音響整合層用素材を研磨加工して得られた幅３０ｍｍ、長さ３０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍおよび５０ｍｍ角、長さ８０ｍｍをサンプルとして用いた。
【００６８】
音響特性は、２５℃で５ＭＨｚの測定用プローブを用いて行った。音速の測定は幅３０ｍｍ、長さ３０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍのサンプルを用い、水中においてサンプルの有無による反射エコーの時間差とサンプル厚さから音速を求めた。音速（Ｃ）の算出は各温度における水の音速を基準として、水とサンプルの透過波形の時間差を利用し、以下の式を用いて算出した。
【００６９】
Ｃ＝Ｃ0／［Ｌ−Ｃ0（Δt／ｄ）］
ここで、Ｃ0は水の音速、ｄはサンプル厚さ、Δtは水とサンプルの透過波形の最初のピークを越した後のゼロクロス点の時間差を示す。
【００７０】
減衰率は、ＪＩＳ Ｚ ２３５４−２００５「超音波パルス半斜方による固体の超音波減衰率測定方法」に従い２５℃にて５MHｚのプローブを用いて、空気中で測定した。サンプルは５０ｍｍ角、長さ８０ｍｍを用いた。両端を表面粗度２５Sに研磨し、その上面に少量のグリセリン水溶液を塗布して５MHｚのプローブを配置し、密着させ底面からの反射を測定して反射エコーの強度差とサンプル厚さから所定の方法で減衰率を求めた。
【００７１】
３）音響インピーダンス（ｚ）
ｚは、室温２５℃にて測定した密度と音速の積として求めた。
【００７２】
４） 破断伸び
破断伸びは、ＪＩＳ Ｚ２２４１に従い、測定した。サンプルの大きさは、長さ５０ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚さ２．０ｍｍの規定の寸法を用い、インストロン装置を用いて測定した。
【００７３】
５）３点曲げ強度
前記第１音響整合層用素材を研磨加工して得られた３ｍｍ角、長さ３０ｍｍの角棒をサンプルをとし、インストロン試験機を用いてｎ＝５で曲げ試験を行い、ＪＩＳ-Ｒ１６０１に定められた所定の方法で抗折強度を求めた。
【００７４】
６）加工性
前記第１音響整合層用素材を研磨加工して得られた幅３０ｍｍ、長さ３０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍの加工性評価用サンプルを厚さ５０μｍのダイヤモンドブレードを用いて切断幅が２５０μｍ，２００μｍ、１５０μｍ、１００μｍのピッチで、深さが４００μｍになるように各５本切り込みを入れ、さらに９０度回転させ、再び同様の２５０μｍ，２００μｍ、１５０μｍ、１００μｍのピッチで、深さが４００μｍになるように切り込みを入れた。この加工は、クロスダイシングテストと呼ばれている。
【００７５】
前記試験による切り込み後の残存部分（２００μｍ×２００μｍ角から５０μｍ×５０μｍ角）を顕微鏡で観察した。この観察において、加工性評価用サンプル（第１音響整合層）の倒れ、直線性から確認される加工性を評価した。加工性に劣るサンプルは一方向への切断を５回行い、その残存部を評価した。
【００７６】
加工性の判定は、
・残存した５０μｍ角の加工に全く問題がない場合：１０、
・残存した１００μｍ角の加工に全く問題がない場合：９、
・残存した１５０μｍ角の加工に全く問題がない場合：８、
・残存した２００μｍ角の加工に全く問題がない場合：７、
・残存した５０μｍ×３０ｍｍの短冊の加工に全く問題がない場合：６、
・残存した１００μｍ×３０ｍｍの短冊の加工に全く問題がない場合：５、
・残存した１５０μｍ×３０ｍｍの短冊の加工に全く問題がない場合：４、
・残存した２００μｍ×３０ｍｍの短冊の加工に全く問題がない場合：３、
・残存した５００μｍ×３０ｍｍへの溝入れ加工ができる場合：２
・残存した５００μｍ×３０ｍｍへの溝入れ加工ができない場合：１
の１０段階とした。
【００７７】
これらの結果を下記表２に示す。
【表１】
【００７８】
【表２】
【００７９】
前記表１および表２から明らかなよう特定の組成のマグネシウム合金からなる実施例１〜１３の第１音響整合層（圧電素子の電極と接する音響整合層）は、音響インピーダンス（ｚ）が圧電素子との関係で適切な１１〜１９ＭＲａｙｌｓを有するにも拘らず、低減衰率で、かつ加工性に優れていることがわかる。
【００８０】
これに対し、比較例１〜７の第１音響整合層は、減衰率が大きいか、または加工性のいずれかが劣るか、導電性がないなどこれらの特性を全て満足するものではないことがわかる。
【００８１】
このような実施例１〜１１の第１音響整合層を有するアレイ式超音波プローブは、超音波のエネルギーを効果的に送受信でき、チャンネル間での感度が均一で、かつチャンネル間のクロストークを低減でき、高解像度性、長期信頼性を有する。
【００８２】
（実施例１２）
ＰＺＴ圧電体およびこの両面にＮｉ電極を形成した厚さ０．４ｍｍの圧電素子と、厚さ０．４ｍｍの実施例３のＭｇ合金板（第１音響整合層）と、厚さ０．２ｍｍのカーボン板（第２音響整合層）とからなる３枚の積層振動子を幅０．１５ｍｍ、高さ１．０ｍｍ、長さ１０ｍｍで切断した短冊振動子を作製した。
【００８３】
得られた短冊振動子の周波数に対するインピーダンスおよび位相の特性を調べた。その結果を図５に示す。図５から明らかなように矢印ＡおよびＢに示す個所に第１音響整合層、第２音響整合層によるピークがそれぞれ明瞭に観察され、このＭｇ合金からなる第１音響整合層が良好な音響特性を持つことがわかる。
【００８４】
（実施例１３）
音響インピーダンス（ｚ）が４ＭＲａｙｌｓのクロロプレンゴムにフェライトを添加したバッキング上に厚さ４００μｍの圧電素子、厚さ４２０μｍ、ｚが１３．９ＭＲａｙｌｓの実施例３のＭｇ−Ｓｎ−Ｃａ合金からなる第１音響整合層、厚さ２００μｍ、ｚが５．２ＭＲａｙｌｓのカーボン板（第２音響整合層）、ｚが２．１ＭＲａｙｌｓで厚さが１８０μｍのシリコーンエポキシ樹脂層（第３音響整合層）をこの順序で、かつそれらの間にエポキシ樹脂系接着剤を介在し重ねた後、１２０℃で１時間程度、加圧しながら加熱硬化させて相互に接着した。なお、前記圧電素子は両面にＮｉ／Ａｕ（厚さ０．１μｍ／０．２μｍ）からなる第１、第２の電極を有する。また、第１〜第３の音響整合層はそれぞれの両面にＮｉ／Ａｕ（厚さ０．１μｍ／０．２μｍ）からなる金属層を形成したものを用いた。アース電極及び信号電極は圧電素子の周囲に良く知られた回し込み電極を取り付け、その下部にフレキシブル印刷配線板を取り付けて構成した。
【００８５】
次いで、前記第３音響整合層からバッキングに向かって幅５０μｍのダイヤモンドブレードにより幅２００μｍ、バッキングへの切り込み深さ２００μｍになるようにダイシング処理した。このダイシングにより２００μｍを１チャンネルとし、合計６４チャンネルを形成した。ひきつづき、各チャンネル間のスペースに液状シリコーンゴムを充填し、１２５℃にて１時間で硬化させた。各チャンネル上にシリコーンゴムからなるｚが１．５ＭＲａｙｌｓの音響レンズを変性シリコーンゴム系接着剤で固定した。最後に、バッキング、複数のチャンネルおよび音響レンズをケース（筐体）内に収納し、このケース内に前記各チャンネルの圧電素子の駆動タイミングを制御する制御回路および圧電素子に受信された受信信号を増幅するためのアンプ回路を含む信号処理回路を内蔵することにより３．５ＭＨｚの１次元アレイ式超音波プローブを組み立てた。
【００８６】
（実施例１４）
音響インピーダンス（ｚ）が４ＭＲａｙｌｓのクロロプレンゴムにフェライトを添加したバッキング上に厚さ５００μｍの圧電素子、厚さ４２０μｍ、ｚが１３．９ＭＲａｙｌｓの実施例３に示されたＭｇ−Ｓｎ−Ｃａ合金からなる第１音響整合層、厚さ２００μｍ、ｚが５．２ＭＲａｙｌｓのカーボン板（第２音響整合層）をこの順序で、かつそれらの間にエポキシ樹脂系接着剤を介在し重ねた後、１２０℃で１時間程度、加圧しながら加熱硬化させて相互に接着した。なお、前記圧電素子は両面にＮｉ／Ａｕ（厚さ０．１μｍ／０．２μｍ）からなる第１、第２の電極を有する。また、第１，第２の音響整合層はそれぞれの両面にＮｉ／Ａｕ（厚さ０．１μｍ／０．２μｍ）からなる金属層を形成したものを用いた。アース電極は、圧電素子の下部電極（第１電極）にフレキシブル印刷配線板を接続して構成した。
【００８７】
次いで、前記第２音響整合層から圧電素子に向かって幅３０μｍのダイヤモンドブレードにより幅２００μｍ、圧電素子への切り込み深さを３００μｍになるようにダイシング処理した。さらに９０度回転し、同様にこのダイシングにより６４×６４＝３９００チャンネルの2次元アレイを形成した。つづいて、各チャンネル間のスペースに液状シリコーンゴムを充填し、１２５℃にて１時間で硬化させた。ひきつづき、音響インピーダンスが２．０ＭＲａｙｌｓ、厚さが１８０μｍであるシリコーンエポキシ樹脂フィルムに複数の配線およびこれらの配線にそれぞれ接続されたパッドを形成したフレキシブル印刷配線板を用意し、フレキシブル印刷配線板を２次元的に複数分離された各第２音響整合層上に各音響整合層に各パッドが接続するように位置合せして取り付けることにより信号電極を形成した。フレキシブル印刷配線板上にｚが２．１ＭＲａｙｌｓで厚さが１８０μｍのシリコーンエポキシ樹脂層（第３音響整合層）をエポキシ樹脂系接着剤を介在して重ねた後、１２０℃で１時間程度、加圧しながら加熱硬化させて相互に接着した。第３音響整合層上にｚが１．５５ＭＲａｙｌｓの樹脂性音響レンズを変性シリコーンゴム系接着剤で固定した。最後に、バッキング、複数のチャンネルおよび音響レンズをケース（筐体）内に収納し、このケース内に前記各チャンネルの圧電素子の駆動タイミングを制御する制御回路および圧電素子に受信された受信信号を増幅するためのアンプ回路を含む信号処理回路を内蔵することにより３ＭＨｚの２次元アレイ式超音波プローブを組み立てた。
【００８８】
得られた実施例１３，１４のアレイ式超音波プローブを画像診断装置に接続してその特性を評価したところ、従来品と比べて良好な画像が得られた。
【００８９】
さらに実施例１３，１４のアレイ式超音波プローブを−１０℃と８５℃のヒートサイクル試験機に入れ、１００サイクル試験前後に画像を確認したがチャンネル不良や画質低下の減少は見られなかった。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】実施形態に係る２次元アレイ式超音波プローブを示す斜視図。
【図２】図１の２次元アレイ式超音波プローブの要部断面図。
【図３】図１の２次元アレイ式超音波プローブの要部斜視図。
【図４】実施形態に係る超音波診断装置を示す概略図。
【図５】実施例１２の短冊振動子の周波数に対するインピーダンスおよび位相の特性を示す図。
【符号の説明】
【００９１】
１…次元アレイ式超音波プローブ、２…バッキング、３…圧電素子、５1，５2…電極、６…第１音響整合層、７…第２音響整合層、１０…第３音響整合層、１１…チャンネル、１２…音響レンズ、１３…ケース（筐体）、１５…ケーブル、２１…フレキシブル印刷配線板、３１…超音波診断装置本体。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バッキング；
前記バッキング上に配列され、圧電素子およびこの圧電素子上に形成される３層以上の音響整合層を有する複数のチャンネル；および
前記各チャンネルの最上層の音響整合層表面を少なくとも覆うように形成された音響レンズ；
を具備し、
前記圧電素子は、圧電体とこの圧電体の前記バッキング側および前記音響整合層側にそれぞれ形成された電極とから構成され、２５℃にて２５〜４０ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有し、
前記圧電素子の前記音響整合層側の電極は、５μｍ以下の厚さを有し、
前記３層以上の音響整合層は、前記音響レンズに向けて音響インピーダンスが段階的に小さくなり、かつ
前記電極と接する音響整合層は、２５℃にて１１〜１９ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有するＭｇ−Ｓｎ系またはＭｇ−Ｃｕ系のマグネシウム合金から構成されることを特徴とするアレイ式超音波プローブ。
【請求項２】
前記マグネシウム合金は、下記一般式（Ｉ）にて表され、３点曲げ強度が１５０ＭＰａ以上、破断伸びが２％以下であることを特徴とする請求項１に記載のアレイ式超音波プローブ。
ＭｇxＭ１yＭ２z …（Ｉ）
ただし、式中のＭ１はＳｎまたはＣｕ、Ｍ２はＡｌ，Ｚｎ，Ｓｎ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｍｎ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｓｂ，Ｚｒ，Ｃａ、Ｌｉ，Ｙおよび希土類元素の群から選ばれる少なくとも１つの金属、ｘ、ｙ、ｚはｘ＝４０〜８０重量％、ｙ＝２０〜６０重量％、ｚ＝０〜５重量％である。
【請求項３】
前記マグネシウム合金は、平均結晶粒径が２００μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載のアレイ式超音波プローブ。
【請求項４】
前記マグネシウム合金からなる音響整合層は、縦波音速が２５℃にて４０００〜６０００ｍ／ｓ、密度が２．０〜３．５であることを特徴とする請求項１記載のアレイ式超音波プローブ。
【請求項５】
前記マグネシウム合金からなる音響整合層は、上下面にその音響整合層の厚さの１／１００以下の厚さを持つＮｉ，ＡｕおよびＳｎから選ばれる金属層を有することを特徴とする請求項１記載のアレイ式超音波プローブ。
【請求項６】
前記音響整合層は、３層の積層構造を有し、前記圧電素子と接する１層目の音響整合層は２５℃にて１１〜１５ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有するＭｇ−Ｓｎ系またはＭｇ−Ｃｕ系のマグネシウム合金、２層目の音響整合層は２５℃にて２．７〜８ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有する導電性材料、前記音響レンズと接する３層目の音響整合層は２５℃にて１．８〜２．５ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有する材料、からそれぞれ構成され、かつそれぞれの音響整合層は前記圧電素子の振動による周波数のλ／５〜λ／２の厚さを有することを特徴とする請求項１記載のアレイ式超音波プローブ。
【請求項７】
前記音響整合層は、４層の積層構造を有し、前記圧電素子と接する１層目の音響整合層は２５℃にて１２〜１９ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有するＭｇ−Ｓｎ系またはＭｇ−Ｃｕ系のマグネシウム合金、２層目の音響整合層は２５℃にて７〜１２ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有するマグネシウム合金、３層目の音響整合層は２５℃にて３〜５ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有する導電性材料、前記音響レンズと接する４層目の音響整合層は２５℃にて１．８〜２．５ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有する樹脂を含む材料、からそれぞれ構成され、かつそれぞれの音響整合層は前記圧電素子の振動による周波数のλ／５〜λ／２の厚さを有することを特徴とする請求項１記載のアレイ式超音波プローブ。
【請求項８】
前記チャンネルは、２次元状に配列されていることを特徴とする請求項１記載のアレイ式超音波プローブ。
【請求項９】
前記圧電素子の圧電体は、ジルコンチタン酸鉛系セラミクス材料、リラクサ系単結晶およびチタン酸バリウム系のセラミック、単結晶の群から選ばれる少なくとも１つの材料から構成されることを特徴とする請求項１記載のアレイ式超音波プローブ。
【請求項１０】
請求項１〜９いずれか記載のアレイ式超音波プローブと、前記超音波プローブにケーブルを通して接続された超音波プローブ制御器とを具備したことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項１】
バッキング；
前記バッキング上に配列され、圧電素子およびこの圧電素子上に形成される３層以上の音響整合層を有する複数のチャンネル；および
前記各チャンネルの最上層の音響整合層表面を少なくとも覆うように形成された音響レンズ；
を具備し、
前記圧電素子は、圧電体とこの圧電体の前記バッキング側および前記音響整合層側にそれぞれ形成された電極とから構成され、２５℃にて２５〜４０ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有し、
前記圧電素子の前記音響整合層側の電極は、５μｍ以下の厚さを有し、
前記３層以上の音響整合層は、前記音響レンズに向けて音響インピーダンスが段階的に小さくなり、かつ
前記電極と接する音響整合層は、２５℃にて１１〜１９ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有するＭｇ−Ｓｎ系またはＭｇ−Ｃｕ系のマグネシウム合金から構成されることを特徴とするアレイ式超音波プローブ。
【請求項２】
前記マグネシウム合金は、下記一般式（Ｉ）にて表され、３点曲げ強度が１５０ＭＰａ以上、破断伸びが２％以下であることを特徴とする請求項１に記載のアレイ式超音波プローブ。
ＭｇxＭ１yＭ２z …（Ｉ）
ただし、式中のＭ１はＳｎまたはＣｕ、Ｍ２はＡｌ，Ｚｎ，Ｓｎ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｍｎ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｓｂ，Ｚｒ，Ｃａ、Ｌｉ，Ｙおよび希土類元素の群から選ばれる少なくとも１つの金属、ｘ、ｙ、ｚはｘ＝４０〜８０重量％、ｙ＝２０〜６０重量％、ｚ＝０〜５重量％である。
【請求項３】
前記マグネシウム合金は、平均結晶粒径が２００μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載のアレイ式超音波プローブ。
【請求項４】
前記マグネシウム合金からなる音響整合層は、縦波音速が２５℃にて４０００〜６０００ｍ／ｓ、密度が２．０〜３．５であることを特徴とする請求項１記載のアレイ式超音波プローブ。
【請求項５】
前記マグネシウム合金からなる音響整合層は、上下面にその音響整合層の厚さの１／１００以下の厚さを持つＮｉ，ＡｕおよびＳｎから選ばれる金属層を有することを特徴とする請求項１記載のアレイ式超音波プローブ。
【請求項６】
前記音響整合層は、３層の積層構造を有し、前記圧電素子と接する１層目の音響整合層は２５℃にて１１〜１５ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有するＭｇ−Ｓｎ系またはＭｇ−Ｃｕ系のマグネシウム合金、２層目の音響整合層は２５℃にて２．７〜８ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有する導電性材料、前記音響レンズと接する３層目の音響整合層は２５℃にて１．８〜２．５ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有する材料、からそれぞれ構成され、かつそれぞれの音響整合層は前記圧電素子の振動による周波数のλ／５〜λ／２の厚さを有することを特徴とする請求項１記載のアレイ式超音波プローブ。
【請求項７】
前記音響整合層は、４層の積層構造を有し、前記圧電素子と接する１層目の音響整合層は２５℃にて１２〜１９ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有するＭｇ−Ｓｎ系またはＭｇ−Ｃｕ系のマグネシウム合金、２層目の音響整合層は２５℃にて７〜１２ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有するマグネシウム合金、３層目の音響整合層は２５℃にて３〜５ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有する導電性材料、前記音響レンズと接する４層目の音響整合層は２５℃にて１．８〜２．５ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有する樹脂を含む材料、からそれぞれ構成され、かつそれぞれの音響整合層は前記圧電素子の振動による周波数のλ／５〜λ／２の厚さを有することを特徴とする請求項１記載のアレイ式超音波プローブ。
【請求項８】
前記チャンネルは、２次元状に配列されていることを特徴とする請求項１記載のアレイ式超音波プローブ。
【請求項９】
前記圧電素子の圧電体は、ジルコンチタン酸鉛系セラミクス材料、リラクサ系単結晶およびチタン酸バリウム系のセラミック、単結晶の群から選ばれる少なくとも１つの材料から構成されることを特徴とする請求項１記載のアレイ式超音波プローブ。
【請求項１０】
請求項１〜９いずれか記載のアレイ式超音波プローブと、前記超音波プローブにケーブルを通して接続された超音波プローブ制御器とを具備したことを特徴とする超音波診断装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００８−２４４８５９（Ｐ２００８−２４４８５９Ａ）
【公開日】平成２０年１０月９日（２００８．１０．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−８２６９９（Ｐ２００７−８２６９９）
【出願日】平成１９年３月２７日（２００７．３．２７）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１０月９日（２００８．１０．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月２７日（２００７．３．２７）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]