バッキング材、およびバッキング材の製造方法、並びに超音波プローブ
【課題】超音波の吸収性能を維持しつつ、所望の周波数帯域幅を得る。
【解決手段】超音波プローブ１１に内蔵された超音波トランスデューサ３１には、常温接合技術を応用した技術を用いて作製され、薄膜パターン５２が積層されてなる３次元構造体５１と、３次元構造体５１が埋設される母材５０とからなるバッキング材４０が具備されている。バッキング材４０は、所定の真空度となった真空槽７０内にて、液体状の母材５０に３次元構造体５１を浸漬させ、母材５０を固化させることにより製造される。
【解決手段】超音波プローブ１１に内蔵された超音波トランスデューサ３１には、常温接合技術を応用した技術を用いて作製され、薄膜パターン５２が積層されてなる３次元構造体５１と、３次元構造体５１が埋設される母材５０とからなるバッキング材４０が具備されている。バッキング材４０は、所定の真空度となった真空槽７０内にて、液体状の母材５０に３次元構造体５１を浸漬させ、母材５０を固化させることにより製造される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波トランスデューサの圧電素子が載置されるバッキング材、およびその製造方法、並びに超音波プローブに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、医療分野において、超音波画像を利用した医療診断が実用化されている。超音波画像は、超音波プローブから体腔内の被観察部位に超音波を照射し、そのエコー信号を電気的に検出することによって得られる。
【０００３】
また、超音波を走査しながら照射することにより、超音波断層画像を得ることも可能で、バッキング材、圧電素子、電極、および音響整合層からなる超音波トランスデューサを機械的に回転あるいは揺動、もしくはスライドさせるメカニカルスキャン機構を備えた超音波プローブや、複数の超音波トランスデューサをアレイ状に配列し、駆動する超音波トランスデューサを電子スイッチなどで選択的に切り替える電子スキャン走査方式の超音波プローブも知られている。
【０００４】
上記のようにして得られた超音波断層画像を利用して医療診断を行う場合、生体には固体差（例えば、脂肪量の差）や組織によって超音波の伝播特性が違うため、その深さ方向に応じた周波数の超音波を照射しなければ、的確な診断に供する超音波断層画像を得ることができない。このため、従来から、超音波の周波数の帯域幅を広げ、生体の浅部から深部まで幅広い範囲を観察可能にする試みがなされている。
【０００５】
超音波の周波数帯域幅を広げる試みの一例として、バッキング材の音響インピーダンスを圧電素子の音響インピーダンスに近付ける方法がある（特許文献１参照）。特許文献１に記載の手法では、シリコーンゴムやウレタン樹脂などの中にタングステンやタングステンカーバイト、およびガラス製マイクロバルーンや樹脂製マイクロバルーンの粒子を添加し、この複合体をエポキシ樹脂などからなるバッキング材に混入している。
【特許文献１】特開２００３−１９０１６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、所望の周波数帯域幅を得るためには、圧電素子の音響インピーダンス２０〜４０Ｍｒａｙｌに対して、バッキング材の音響インピーダンスを１０Ｍｒａｙｌ以上とすることが、一般的な数値計算やシミュレーションにより知られている。しかしながら、特許文献１に記載のバッキング材に粉末を混入する手法では、物理的に混入量に限界があるため、音響インピーダンスが精々５〜６Ｍｒａｙｌにしかならず、上記要件を満たすことができなかった。
【０００７】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、超音波の吸収性能を維持しつつ、所望の周波数帯域幅を得ることができるバッキング材、およびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
また、本発明は、生体の浅部から深部まで幅広い範囲が観察可能な超音波プローブ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】
【０００９】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、超音波トランスデューサの圧電素子が載置されるバッキング材であって、薄膜パターンが積層されてなる３次元構造体と、前記３次元構造体が埋設され、前記３次元構造体を形成する部材とは異なる音響インピーダンスを有する母材とからなることを特徴とする。
【００１０】
前記３次元構造体は、前記薄膜パターンを接合して作製されることが好ましく、また、前記３次元構造体は、基板上に形成された前記薄膜パターンを離型し、離型された薄膜パターンを転写して作製されることが好ましい。さらには、前記３次元構造体は、分子・原子拡散型接合技術、表面活性型接合技術、媒介物質による極性型接合技術、媒介物質による分子間力型接合技術、媒介物質による物理接合型接合技術、および媒介物質による化学反応型接合技術のいずれかの貼り合わせ接合により作製されることが好ましい。
【００１１】
液体状の前記母材に前記３次元構造体を浸漬させ、前記母材を固化させて作製されることが好ましい。
【００１２】
前記３次元構造体の形状または／および密度を変化させ、前記圧電素子が載置される面から対向する面に向かって、音響インピーダンスが漸減するように作製されることが好ましい。
【００１３】
前記圧電素子が載置される面側に、前記３次元構造体が片寄せして配置されていることが好ましい。また、前記圧電素子が載置される面から対向する面に向かって、前記薄膜パターンの密度が疎となるように、前記３次元構造体が作製されていることが好ましい。
【００１４】
前記３次元構造体は、井桁形状を有することが好ましい。
【００１５】
前記３次元構造体は、前記圧電素子が載置される面の法線に対して、４５°以下の傾斜面を有することが好ましい。
【００１６】
前記圧電素子に対する音響インピーダンスの比が、０．３以上１．４以下であることが好ましい。
【００１７】
請求項１２に記載の発明は、超音波トランスデューサの圧電素子が載置されるバッキング材の製造方法であって、薄膜パターンを積層して３次元構造体を作製する工程と、前記３次元構造体を形成する部材とは異なる音響インピーダンスを有する母材に前記３次元構造体を埋設する工程とを備えたことを特徴とする。
【００１８】
前記３次元構造体を、前記薄膜パターンを接合して作製することが好ましく、また、前記３次元構造体を、基板上に形成された前記薄膜パターンを離型し、離型された薄膜パターンを転写して作製することが好ましい。さらには、前記３次元構造体を、分子・原子拡散型接合技術、表面活性型接合技術、媒介物質による極性型接合技術、媒介物質による分子間力型接合技術、媒介物質による物理接合型接合技術、および媒介物質による化学反応型接合技術のいずれかの貼り合わせ接合により作製することが好ましい。
【００１９】
前記母材に前記３次元構造体を埋設する工程では、液体状の前記母材に前記３次元構造体を浸漬させ、前記母材を固化させることが好ましい。
【００２０】
前記３次元構造体の形状または／および密度を変化させ、前記圧電素子が載置される面から対向する面に向かって、音響インピーダンスが漸減するように作製することが好ましい。
【００２１】
前記圧電素子が載置される面側に、前記３次元構造体を片寄せして配置することが好ましい。また、前記圧電素子が載置される面から対向する面に向かって、前記薄膜パターンの密度が疎となるように、前記３次元構造体を作製することが好ましい。
【００２２】
前記３次元構造体を、井桁形状に作製することが好ましい。
【００２３】
前記３次元構造体を、前記圧電素子が載置される面の法線に対して、４５°以下の傾斜面を有するように作製することが好ましい。
【００２４】
前記圧電素子に対する音響インピーダンスの比が、０．３以上１．４以下となるようにすることが好ましい。
【００２５】
請求項２３に記載の発明は、超音波プローブであって、請求項１ないし１１のいずれかに記載のバッキング材を有する超音波トランスデューサを内蔵したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明のバッキング材、およびその製造方法によれば、薄膜パターンが積層されてなる３次元構造体を作製し、３次元構造体を形成する部材とは異なる音響インピーダンスを有する母材に３次元構造体を埋設するようにしたので、超音波の吸収性能を維持しつつ、所望の周波数帯域幅を得ることができる。
【００２７】
また、本発明の超音波プローブによれば、請求項１ないし１１のいずれかに記載のバッキング材を有する超音波トランスデューサを内蔵したので、所望の周波数帯域幅が得られ、生体の浅部から深部まで幅広い範囲が観察可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
図１において、超音波診断装置２は、内視鏡１０と、超音波プローブ１１と、超音波観測器１２とからなる。内視鏡１０は、軟性部材からなり、体腔内に挿入される挿入部１３と、挿入部１３の基端部分に連設された操作部１４と、内視鏡用モニタ（図示せず）に接続されるコード１５とを備えている。挿入部１３の先端１３ａには、体腔内撮影用のカメラ（図示せず）が内蔵されており、このカメラで撮影した画像を内視鏡用モニタを介して観察することが可能となっている。
【００２９】
超音波プローブ１１は、内視鏡１０の鉗子孔１６に挿通され、挿入部１３と同様に軟性部材からなるシース１７と、後述するモータ４９など（図３参照）が内蔵されたトランスレータ１８と、超音波観測器１２に接続されるコード１９とを備えている。超音波観測器１２は、超音波画像を表示するモニタ２０を備えている。なお、内視鏡用モニタとモニタ２０とを兼用してもよい。
【００３０】
図２において、シース１７の先端１７ａには、ポリエチレンを材質とするキャップ３０が取り付けられており、このキャップ３０内には、超音波トランスデューサ３１が内蔵されている。超音波トランスデューサ３１は、コントロールケーブル３２が連結された台座３３に載置されている。コントロールケーブル３２は、フレキシブルシャフト３２ａと、フレキシブルシャフト３２ａを被覆する可撓チューブ３２ｂとからなる。フレキシブルシャフト３２ａの先端は台座３３に連結され、その基端はトランスレータ１８内に延長されており、トランスレータ１８に内蔵されたモータ４９（図３参照）により、所定の回転速度（例えば１０〜４０回転／秒）で回転駆動される。これにより、超音波トランスデューサ３１は、フレキシブルシャフト３２ａを回転軸として所定の回転速度で回転される。
【００３１】
キャップ３０により密閉された空間内には、超音波伝達媒体３４が充填されている。超音波伝達媒体３４は、超音波の伝達効率を向上させるとともに、超音波トランスデューサ３１の回転を円滑にする潤滑油として働く。なお、超音波伝達媒体３４としては、水、カルボキシルメチルセルロース（ＣＭＣ）水溶液、生理食塩水、ひまし油、流動パラフィンなどを用いることができる。
【００３２】
図３に示すように、超音波トランスデューサ３１は、台座３３側から順に、バッキング材４０、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）の薄膜からなる圧電素子４１、およびエポキシ樹脂製の音響整合層４２からなり、圧電素子４１を電極４３ａ、４３ｂで挟み込んだ構成となっている。
【００３３】
両電極４３ａ、４３ｂには、配線４４ａ、４４ｂがそれぞれ接続されている。配線４４ｂは、アースに接続されている。一方、配線４４ａは、コントロールケーブル３２内に挿通され、トランスレータ１８内の送受信切替回路４５に接続されている。
【００３４】
送受信切替回路４５は、超音波トランスデューサ３１による超音波の送受信切り替えを所定の時間間隔で行う。送受信切替回路４５には、パルス発生回路４６および電圧測定回路４７が接続されている。パルス発生回路４６は、超音波トランスデューサ３１から超音波を発生させる際（超音波の送信時）に、パルス電圧を圧電素子４１に印加する。これにより、超音波トランスデューサ３１は、所定の周波数（例えば３〜１０ＭＨｚ。したがって、超音波の波長特性に影響を与えない程度の薄膜パターン５２（後述、図４参照。）のピッチは、１０μｍ〜２０μｍ以下となる。）を有する超音波を発生する。
【００３５】
電圧測定回路４７は、生体からのエコー信号を超音波トランスデューサ３１で受信した際（超音波の受信時）に、圧電素子４１に発生する電圧を測定する。電圧測定回路４７は、この測定結果をコントローラ４８に送信する。コントローラ４８は、電圧測定回路４７から送信された測定結果を、所望の周波数帯域幅を得るために適当なフィルタでフィルタリングして、これを超音波画像に変換し、超音波観測器１２に送信する。
【００３６】
バッキング材４０は、圧電素子４１から台座３３側に発せられる超音波を吸収する。図４において、バッキング材４０は、母材５０と、３次元構造体５１とからなる。母材５０は、圧電素子４１の形状に合わせて、直方体形状に形成されている。母材５０には、例えば、ブチルゴムやシリコーン樹脂（例えば、信越化学工業株式会社製、商品名：信越シリコーン１２０４、音響インピーダンス＝１．３９Ｍｒａｙｌ）が用いられており、その内部に３次元構造体５１が埋め込まれている。
【００３７】
３次元構造体５１は、延べ板状の複数の薄膜パターン５２が井桁状に組まれた構造を有する。薄膜パターン５２には、例えば、音響インピーダンスが約４０Ｍｒａｙｌのアルミナが用いられている。
【００３８】
本実施形態では、バッキング材４０の製造にあたっては、常温接合を応用した技術を用いて、３次元構造体５１を作製する。この技術は、特許第３１６１３６２号に記載されているように、３次元構造体の各断面形状を有する薄膜パターンをドナー基板（シリコンウェハなど）上に一括作製し、ターゲット基板（ステンレス、アルミニウム合金など）に転写し、常温で薄膜パターン同士を接合し、積層する一種の積層造形法である。この技術によれば、金属や誘電体などの様々な材料を用いて、任意の３次元形状を有する部品をｎｍ単位の精度で一括して作製することが可能となる。
【００３９】
以下、図５〜図８の（Ａ）〜（Ｈ）を参照して、３次元構造体５１の作製手順を簡単に説明する。まず、図５（Ａ）に示すように、シリコンウェハからなるドナー基板６０上に離型層として熱酸化膜６１を成膜し、その上にアルミナ薄膜６２を成膜する。
【００４０】
次に、（Ｂ）に示すように、フォトリソグラフィー法、集束イオンビーム（ＦＩＢ；Focused Ion Beam）法、および電子ビーム直接描画法などを用いて、３次元構造体５１の各断面形状に対応した複数の薄膜パターン５２をアルミナ薄膜６２に形成する。
【００４１】
薄膜パターン５２の形成後、図６（Ｃ）に示すように、所定の真空度とされた真空槽６３内にて、第１層の薄膜パターン５２ａの表面と、ターゲット基板６４の表面とにアルゴン原子ビーム６５を照射するＦＡＢ（Fast Atom Bombardment）処理を施し、薄膜パターン５２ａおよびターゲット基板の表面の酸化膜や不純物を除去して清浄化する。
【００４２】
ＦＡＢ処理後、（Ｄ）に示すように、ドナー基板６０をターゲット基板６４側に移動させ、ターゲット基板６４の表面の所定位置に第１層の薄膜パターン５２ａの表面を接触させ、所定の荷重で所定時間押し付け、ターゲット基板６４の表面に第１層の薄膜パターン５２ａの表面を接合する。
【００４３】
次いで、図７（Ｅ）に示すように、ドナー基板６０を元の位置に戻し、第１層の薄膜パターン５２ａをドナー基板６０側から剥離させ、ターゲット基板６４側に転写する。
【００４４】
第１層の薄膜パターン５２ａの転写後、図７（Ｆ）に示すように、第２層の薄膜パターン５２ｂの表面と、第１層の薄膜パターン５２ａの裏面（転写前までドナー基板６０に接合されていた面）にＦＡＢ処理を施し、清浄化する。
【００４５】
その後、図８（Ｇ）に示すように、ドナー基板６０をターゲット基板６４側に移動させ、第１層の薄膜パターン５２ａの裏面の所定位置に第２層の薄膜パターン５２ｂの表面を接合し、（Ｈ）に示すように、第２層の薄膜パターン５２ｂをドナー基板６０側から剥離させ、第１層の薄膜パターン５２ａの裏面側に転写する。
【００４６】
上記一連の処理（ＦＡＢ処理、接合、および転写）を全層分繰り返し行った後、最後に、作製された３次元構造体５１をターゲット基板６４から分離する。なお、さらに詳細な３次元構造体５１の作製手順については、特許第３１６１３６２号の記載を参照されたい。
【００４７】
続いて、図９を参照して、バッキング材４０の製造手順について説明する。まず、（Ａ）に示すように、作製された３次元構造体５１を真空槽７０内の鋳型７１に載置した後、所定の真空度となるまで真空引きする。
【００４８】
そして、（Ｂ）に示すように、母材５０の液体が貯留された母材タンク７２から、母材注入口７３を介して母材５０の液体を鋳型７１に流し込み、母材５０の液体を固化させる。これにより、３次元構造体５１の内部および周囲が、母材５０で充填される。母材５０の充填後、鋳型７１から成形物を取り出し、母材５０の余分な部分を研磨などによりカットして形状を整え、図４に示すバッキング材４０を得る。
【００４９】
体腔内の超音波画像を取得する際には、超音波プローブ１１を鉗子孔１６に挿通した内視鏡１０の挿入部１３を体腔内に挿入し、内視鏡用モニタにより体腔内を観察しながら体腔内の被観察部位を探索する。
【００５０】
体腔内の被観察部位にシース１７の先端１７ａが到達し、超音波画像を取得する指示がなされると、フレキシブルシャフト３２ａを回転軸として、超音波トランスデューサ３１が所定の回転速度で回転される。そして、送受信切替回路４５により超音波トランスデューサ３１の超音波の送受信が切り替えられながら、パルス発生回路４６からのパルス電圧の印加により、超音波トランスデューサ３１から超音波が発せられ、キャップ３０を介して被観察部位に超音波が走査される。また、被観察部位からのエコー信号が超音波トランスデューサ３１で受信され、電圧測定回路４７により圧電素子４１に発生した電圧が測定される。
【００５１】
電圧測定回路４７の測定結果はコントローラ４８に送信され、コントローラ４８で超音波画像に変換される。変換された超音波画像は、コード１９を介して超音波観測器１２に送信され、超音波観測器１２のモニタ２０に表示される。
【００５２】
以上、詳細に説明したように、常温接合を応用した技術を用いて作製された３次元構造体５１を母材５０に埋設してバッキング材４０を製造したので、所望の周波数帯域幅となるようにバッキング材４０の音響インピーダンスを調節することが可能となる。つまり、母材５０と３次元構造体５１の材料を適宜選択することで、音響インピーダンスが１０Ｍｒａｙｌ以上５０Ｍｒａｙｌ以下のバッキング材４０を得ることができる。また、本実施形態では、圧電素子の材料としてＰＺＴを用いているが、ＰＺＴの音響インピーダンスは約３４Ｍｒａｙｌであるので、圧電素子の音響インピーダンスに対するバッキング材の音響インピーダンスの比が０．３以上１．４以下となるように、バッキング材を圧電素子の音響インピーダンスに近い構造とすることができる。したがって、バッキング材４０を備えた超音波プローブ１１は、所望の周波数帯域幅で超音波を送受信することができる。
【００５３】
なお、図１０および図１１に示すバッキング材８０、９０を用いてもよい。図１０に示すバッキング材８０は、圧電素子が載置される面８０ａ側に３次元構造体８１が片寄せして配置されている。また、図１１に示すバッキング材９０は、圧電素子が載置される面９０ａから対向する面９０ｂにかけて、薄膜パターン９２の密度が疎となった３次元構造体９１が埋め込まれている。このように、３次元構造体の形状または／および密度を変化させ、圧電素子が載置される面から対向する面に向かって、音響インピーダンスが漸減するようにバッキング材を製造すれば、バッキング材の超音波吸収性能が向上し、バッキング材自体の厚みを薄くすることができる。
【００５４】
上記実施形態では、３次元構造体５１の作製とバッキング材４０の製造とを、別々の真空槽６３、７０内で行っているが、同一の真空槽内で行うようにしてもよい。
【００５５】
なお、３次元構造体５１の形状は、上記実施形態で挙げた井桁状に限らず、三角格子状やハニカム形状などを用いてもよい。また、３次元構造体５１は、非対称な構造であってもよい。この場合、例えば、図１２に示す３次元構造体１０１を有するバッキング材１００を用いることが好ましい。
【００５６】
３次元構造体１０１は、紙面垂直方向に厚みをもち、傾斜面１０２を有する構造となっている。傾斜面１０２は、バッキング材１００の圧電素子が載置される面１００ａの法線Ｎに対する角度θが、４５°以下となるように形成されている。この３次元構造体１０１は、先述の常温接合を応用した技術を用いて、薄膜パターン５２の形状を変更することで作製することが可能である。
【００５７】
このように、音響インピーダンスが異なる３次元構造体１０１と母材１０３との界面を傾斜面１０２とすることで、圧電素子からの超音波ＵＳが図に示す如く傾斜面１０２で反射されて減衰するので、バッキング材１００による超音波吸収性能を向上させることができる。実際に、３次元構造体１０１の材料、構成などを適宜選択することで、−２０ｄＢ以上の減衰係数を達成することが可能である。
【００５８】
ここで、バッキング材に粉末を混入する従来の方法では、粉末の混入量を増やせば音響インピーダンスが大きくなって周波数帯域幅を広げることができるが、粉末の混入量が増えると超音波吸収性能が低下するため、その分バッキング材を厚くする必要があった。これに対して、バッキング材１００は、音響インピーダンスを高めると同時に超音波吸収性能を向上させることができるので、所望の周波数帯域幅を得られるとともに、その厚みを薄くすることができる。
【００５９】
上記実施形態では、常温接合を応用した技術を用いて３次元構造体を作製しているが、他の常温接合技術、例えば、分子・原子拡散型接合技術、表面活性型接合技術、媒介物質による極性型接合技術、媒介物質による分子間力型接合技術、媒介物質による物理接合型接合技術、および媒介物質による化学反応型接合技術のいずれかの貼り合わせ接合、具体的には、紫外線などの光照射によって硬化する光硬化性樹脂を用いた光造形法や、粉体層にレーザー光を照射することにより所望の形状の薄膜パターンに焼結する粉末法などを採用してもよい。
【００６０】
以下、上記で挙げた常温接合技術を簡単に説明する。まず、分子・原子拡散型接合技術は、接合する部材同士の表面を数原子または数分子単位で粗く平坦化して付き合わせ、加熱または加圧などにより互いの部材の表面原子または表面分子同士を相互もしくは一方に拡散させることで接合するものである。表面活性型接合技術は、接合する部材同士の表面を数原子または数分子単位で粗く平坦化し、その表面にエネルギー照射（分子線、イオン線、レーザー光、プラズマ放電など）を行って表面エネルギーを活性化させた後に付き合わせ、加熱または加圧などにより互いの部材の表面原子または表面分子同士を相互もしくは一方に拡散、あるいは分子間力・極性結合などの相互作用により接合するものである。
【００６１】
媒介物質による極性型接合技術は、接合する部材同士の間に、その部材間距離をできる限り短くするような部材を挿入し、互いの部材の表面間に生じる極性分子間力（水素結合など）を利用して接合するものである。媒介物質による分子間力型接合技術は、接合する部材同士の間に、その部材間距離をできる限り短くするような部材を挿入し、互いの部材の表面間に生じる分子間力（ファンデルワールス結合）を利用して接合するものである。
【００６２】
媒介物質による物理接合型接合技術は、接合する部材同士の間に、その部材表面の凹凸によく侵入する部材を挟み、その部材によるアンカリング効果により接合するものである。媒介物質による化学反応型接合技術は、接合する部材同士の間に、その部材表面と化学結合反応を生じる、もしくは反応能を有する部材を挟み、その部材の介添えにより接合するものである。
【００６３】
上記実施形態では、フレキシブルシャフト３２ａを回転軸として超音波トランスデューサ３１を回転させる超音波プローブ１１を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されず、超音波トランスデューサ３１を揺動、あるいはスライドさせて生体に超音波を走査する超音波プローブについても適用することができる。
【００６４】
また、メカニカルスキャン機構を備えた超音波プローブに限らず、複数の超音波トランスデューサをアレイ状に配列し、駆動する超音波トランスデューサを電子スイッチなどで選択的に切り替える電子スキャン走査方式の超音波プローブについても、本発明を適用することが可能である。
【００６５】
さらに、本発明は、上記実施形態で例示した内視鏡の鉗子孔に挿通するタイプの超音波プローブ１１に限らず、体腔内撮影用のカメラと超音波トランスデューサとが先端に配置された、いわゆる超音波内視鏡に適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】超音波診断装置の構成を示す概略図である。
【図２】超音波プローブの先端の構造を示す拡大断面図である。
【図３】超音波トランスデューサの構成およびトランスレータの電気的構成を示す説明図である。
【図４】バッキング材の構成を示す斜視図である。
【図５】常温接合を応用した技術を用いた３次元構造体の作製手順を示す図であり、（Ａ）は、ドナー基板に熱酸化膜およびアルミナ薄膜を形成した状態、（Ｂ）は、アルミナ薄膜に薄膜パターンを形成した状態をそれぞれ示す。
【図６】常温接合を応用した技術を用いた３次元構造体の作製手順を示す図であり、（Ｃ）は、第１層の薄膜パターンの表面と、ターゲット基板の表面とにＦＡＢ処理を施す様子、（Ｄ）は、ターゲット基板の表面に第１層の薄膜パターンの表面を接合した状態をそれぞれ示す。
【図７】常温接合を応用した技術を用いた３次元構造体の作製手順を示す図であり、（Ｅ）は、第１層の薄膜パターンをターゲット基板側に転写した状態、（Ｆ）は、第２層の薄膜パターンの表面と、第１層の薄膜パターンの裏面にＦＡＢ処理を施す様子をそれぞれ示す。
【図８】常温接合を応用した技術を用いた３次元構造体の作製手順を示す図であり、（Ｇ）は、第１層の薄膜パターンの裏面に第２層の薄膜パターンの表面を接合した状態、（Ｈ）は、第２層の薄膜パターンを第１層の薄膜パターンの裏面側に転写した状態をそれぞれ示す。
【図９】バッキング材の製造手順を示す図であり、（Ａ）は、３次元構造体を真空槽内の鋳型に載置し、所定の真空度となるまで真空引きした状態、（Ｂ）は、母材の液体を鋳型に流し込み、母材の液体を固化させた状態をそれぞれ示す。
【図１０】バッキング材の別の実施形態を示す斜視図である。
【図１１】バッキング材のさらに別の実施形態を示す斜視図である。
【図１２】バッキング材のさらに別の実施形態を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００６７】
２ 超音波診断装置
１０ 内視鏡
１１ 超音波プローブ
１２ 超音波観察器
３１ 超音波トランスデューサ
４０、８０、９０、１００ バッキング材
４１ 圧電素子
４８ コントローラ
５０、１０３ 母材
５１、８１、９１、１０１ ３次元構造体
５２、８２、９２ 薄膜パターン
７０ 真空槽
１０２ 傾斜面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波トランスデューサの圧電素子が載置されるバッキング材、およびその製造方法、並びに超音波プローブに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、医療分野において、超音波画像を利用した医療診断が実用化されている。超音波画像は、超音波プローブから体腔内の被観察部位に超音波を照射し、そのエコー信号を電気的に検出することによって得られる。
【０００３】
また、超音波を走査しながら照射することにより、超音波断層画像を得ることも可能で、バッキング材、圧電素子、電極、および音響整合層からなる超音波トランスデューサを機械的に回転あるいは揺動、もしくはスライドさせるメカニカルスキャン機構を備えた超音波プローブや、複数の超音波トランスデューサをアレイ状に配列し、駆動する超音波トランスデューサを電子スイッチなどで選択的に切り替える電子スキャン走査方式の超音波プローブも知られている。
【０００４】
上記のようにして得られた超音波断層画像を利用して医療診断を行う場合、生体には固体差（例えば、脂肪量の差）や組織によって超音波の伝播特性が違うため、その深さ方向に応じた周波数の超音波を照射しなければ、的確な診断に供する超音波断層画像を得ることができない。このため、従来から、超音波の周波数の帯域幅を広げ、生体の浅部から深部まで幅広い範囲を観察可能にする試みがなされている。
【０００５】
超音波の周波数帯域幅を広げる試みの一例として、バッキング材の音響インピーダンスを圧電素子の音響インピーダンスに近付ける方法がある（特許文献１参照）。特許文献１に記載の手法では、シリコーンゴムやウレタン樹脂などの中にタングステンやタングステンカーバイト、およびガラス製マイクロバルーンや樹脂製マイクロバルーンの粒子を添加し、この複合体をエポキシ樹脂などからなるバッキング材に混入している。
【特許文献１】特開２００３−１９０１６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、所望の周波数帯域幅を得るためには、圧電素子の音響インピーダンス２０〜４０Ｍｒａｙｌに対して、バッキング材の音響インピーダンスを１０Ｍｒａｙｌ以上とすることが、一般的な数値計算やシミュレーションにより知られている。しかしながら、特許文献１に記載のバッキング材に粉末を混入する手法では、物理的に混入量に限界があるため、音響インピーダンスが精々５〜６Ｍｒａｙｌにしかならず、上記要件を満たすことができなかった。
【０００７】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、超音波の吸収性能を維持しつつ、所望の周波数帯域幅を得ることができるバッキング材、およびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
また、本発明は、生体の浅部から深部まで幅広い範囲が観察可能な超音波プローブ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】
【０００９】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、超音波トランスデューサの圧電素子が載置されるバッキング材であって、薄膜パターンが積層されてなる３次元構造体と、前記３次元構造体が埋設され、前記３次元構造体を形成する部材とは異なる音響インピーダンスを有する母材とからなることを特徴とする。
【００１０】
前記３次元構造体は、前記薄膜パターンを接合して作製されることが好ましく、また、前記３次元構造体は、基板上に形成された前記薄膜パターンを離型し、離型された薄膜パターンを転写して作製されることが好ましい。さらには、前記３次元構造体は、分子・原子拡散型接合技術、表面活性型接合技術、媒介物質による極性型接合技術、媒介物質による分子間力型接合技術、媒介物質による物理接合型接合技術、および媒介物質による化学反応型接合技術のいずれかの貼り合わせ接合により作製されることが好ましい。
【００１１】
液体状の前記母材に前記３次元構造体を浸漬させ、前記母材を固化させて作製されることが好ましい。
【００１２】
前記３次元構造体の形状または／および密度を変化させ、前記圧電素子が載置される面から対向する面に向かって、音響インピーダンスが漸減するように作製されることが好ましい。
【００１３】
前記圧電素子が載置される面側に、前記３次元構造体が片寄せして配置されていることが好ましい。また、前記圧電素子が載置される面から対向する面に向かって、前記薄膜パターンの密度が疎となるように、前記３次元構造体が作製されていることが好ましい。
【００１４】
前記３次元構造体は、井桁形状を有することが好ましい。
【００１５】
前記３次元構造体は、前記圧電素子が載置される面の法線に対して、４５°以下の傾斜面を有することが好ましい。
【００１６】
前記圧電素子に対する音響インピーダンスの比が、０．３以上１．４以下であることが好ましい。
【００１７】
請求項１２に記載の発明は、超音波トランスデューサの圧電素子が載置されるバッキング材の製造方法であって、薄膜パターンを積層して３次元構造体を作製する工程と、前記３次元構造体を形成する部材とは異なる音響インピーダンスを有する母材に前記３次元構造体を埋設する工程とを備えたことを特徴とする。
【００１８】
前記３次元構造体を、前記薄膜パターンを接合して作製することが好ましく、また、前記３次元構造体を、基板上に形成された前記薄膜パターンを離型し、離型された薄膜パターンを転写して作製することが好ましい。さらには、前記３次元構造体を、分子・原子拡散型接合技術、表面活性型接合技術、媒介物質による極性型接合技術、媒介物質による分子間力型接合技術、媒介物質による物理接合型接合技術、および媒介物質による化学反応型接合技術のいずれかの貼り合わせ接合により作製することが好ましい。
【００１９】
前記母材に前記３次元構造体を埋設する工程では、液体状の前記母材に前記３次元構造体を浸漬させ、前記母材を固化させることが好ましい。
【００２０】
前記３次元構造体の形状または／および密度を変化させ、前記圧電素子が載置される面から対向する面に向かって、音響インピーダンスが漸減するように作製することが好ましい。
【００２１】
前記圧電素子が載置される面側に、前記３次元構造体を片寄せして配置することが好ましい。また、前記圧電素子が載置される面から対向する面に向かって、前記薄膜パターンの密度が疎となるように、前記３次元構造体を作製することが好ましい。
【００２２】
前記３次元構造体を、井桁形状に作製することが好ましい。
【００２３】
前記３次元構造体を、前記圧電素子が載置される面の法線に対して、４５°以下の傾斜面を有するように作製することが好ましい。
【００２４】
前記圧電素子に対する音響インピーダンスの比が、０．３以上１．４以下となるようにすることが好ましい。
【００２５】
請求項２３に記載の発明は、超音波プローブであって、請求項１ないし１１のいずれかに記載のバッキング材を有する超音波トランスデューサを内蔵したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明のバッキング材、およびその製造方法によれば、薄膜パターンが積層されてなる３次元構造体を作製し、３次元構造体を形成する部材とは異なる音響インピーダンスを有する母材に３次元構造体を埋設するようにしたので、超音波の吸収性能を維持しつつ、所望の周波数帯域幅を得ることができる。
【００２７】
また、本発明の超音波プローブによれば、請求項１ないし１１のいずれかに記載のバッキング材を有する超音波トランスデューサを内蔵したので、所望の周波数帯域幅が得られ、生体の浅部から深部まで幅広い範囲が観察可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
図１において、超音波診断装置２は、内視鏡１０と、超音波プローブ１１と、超音波観測器１２とからなる。内視鏡１０は、軟性部材からなり、体腔内に挿入される挿入部１３と、挿入部１３の基端部分に連設された操作部１４と、内視鏡用モニタ（図示せず）に接続されるコード１５とを備えている。挿入部１３の先端１３ａには、体腔内撮影用のカメラ（図示せず）が内蔵されており、このカメラで撮影した画像を内視鏡用モニタを介して観察することが可能となっている。
【００２９】
超音波プローブ１１は、内視鏡１０の鉗子孔１６に挿通され、挿入部１３と同様に軟性部材からなるシース１７と、後述するモータ４９など（図３参照）が内蔵されたトランスレータ１８と、超音波観測器１２に接続されるコード１９とを備えている。超音波観測器１２は、超音波画像を表示するモニタ２０を備えている。なお、内視鏡用モニタとモニタ２０とを兼用してもよい。
【００３０】
図２において、シース１７の先端１７ａには、ポリエチレンを材質とするキャップ３０が取り付けられており、このキャップ３０内には、超音波トランスデューサ３１が内蔵されている。超音波トランスデューサ３１は、コントロールケーブル３２が連結された台座３３に載置されている。コントロールケーブル３２は、フレキシブルシャフト３２ａと、フレキシブルシャフト３２ａを被覆する可撓チューブ３２ｂとからなる。フレキシブルシャフト３２ａの先端は台座３３に連結され、その基端はトランスレータ１８内に延長されており、トランスレータ１８に内蔵されたモータ４９（図３参照）により、所定の回転速度（例えば１０〜４０回転／秒）で回転駆動される。これにより、超音波トランスデューサ３１は、フレキシブルシャフト３２ａを回転軸として所定の回転速度で回転される。
【００３１】
キャップ３０により密閉された空間内には、超音波伝達媒体３４が充填されている。超音波伝達媒体３４は、超音波の伝達効率を向上させるとともに、超音波トランスデューサ３１の回転を円滑にする潤滑油として働く。なお、超音波伝達媒体３４としては、水、カルボキシルメチルセルロース（ＣＭＣ）水溶液、生理食塩水、ひまし油、流動パラフィンなどを用いることができる。
【００３２】
図３に示すように、超音波トランスデューサ３１は、台座３３側から順に、バッキング材４０、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）の薄膜からなる圧電素子４１、およびエポキシ樹脂製の音響整合層４２からなり、圧電素子４１を電極４３ａ、４３ｂで挟み込んだ構成となっている。
【００３３】
両電極４３ａ、４３ｂには、配線４４ａ、４４ｂがそれぞれ接続されている。配線４４ｂは、アースに接続されている。一方、配線４４ａは、コントロールケーブル３２内に挿通され、トランスレータ１８内の送受信切替回路４５に接続されている。
【００３４】
送受信切替回路４５は、超音波トランスデューサ３１による超音波の送受信切り替えを所定の時間間隔で行う。送受信切替回路４５には、パルス発生回路４６および電圧測定回路４７が接続されている。パルス発生回路４６は、超音波トランスデューサ３１から超音波を発生させる際（超音波の送信時）に、パルス電圧を圧電素子４１に印加する。これにより、超音波トランスデューサ３１は、所定の周波数（例えば３〜１０ＭＨｚ。したがって、超音波の波長特性に影響を与えない程度の薄膜パターン５２（後述、図４参照。）のピッチは、１０μｍ〜２０μｍ以下となる。）を有する超音波を発生する。
【００３５】
電圧測定回路４７は、生体からのエコー信号を超音波トランスデューサ３１で受信した際（超音波の受信時）に、圧電素子４１に発生する電圧を測定する。電圧測定回路４７は、この測定結果をコントローラ４８に送信する。コントローラ４８は、電圧測定回路４７から送信された測定結果を、所望の周波数帯域幅を得るために適当なフィルタでフィルタリングして、これを超音波画像に変換し、超音波観測器１２に送信する。
【００３６】
バッキング材４０は、圧電素子４１から台座３３側に発せられる超音波を吸収する。図４において、バッキング材４０は、母材５０と、３次元構造体５１とからなる。母材５０は、圧電素子４１の形状に合わせて、直方体形状に形成されている。母材５０には、例えば、ブチルゴムやシリコーン樹脂（例えば、信越化学工業株式会社製、商品名：信越シリコーン１２０４、音響インピーダンス＝１．３９Ｍｒａｙｌ）が用いられており、その内部に３次元構造体５１が埋め込まれている。
【００３７】
３次元構造体５１は、延べ板状の複数の薄膜パターン５２が井桁状に組まれた構造を有する。薄膜パターン５２には、例えば、音響インピーダンスが約４０Ｍｒａｙｌのアルミナが用いられている。
【００３８】
本実施形態では、バッキング材４０の製造にあたっては、常温接合を応用した技術を用いて、３次元構造体５１を作製する。この技術は、特許第３１６１３６２号に記載されているように、３次元構造体の各断面形状を有する薄膜パターンをドナー基板（シリコンウェハなど）上に一括作製し、ターゲット基板（ステンレス、アルミニウム合金など）に転写し、常温で薄膜パターン同士を接合し、積層する一種の積層造形法である。この技術によれば、金属や誘電体などの様々な材料を用いて、任意の３次元形状を有する部品をｎｍ単位の精度で一括して作製することが可能となる。
【００３９】
以下、図５〜図８の（Ａ）〜（Ｈ）を参照して、３次元構造体５１の作製手順を簡単に説明する。まず、図５（Ａ）に示すように、シリコンウェハからなるドナー基板６０上に離型層として熱酸化膜６１を成膜し、その上にアルミナ薄膜６２を成膜する。
【００４０】
次に、（Ｂ）に示すように、フォトリソグラフィー法、集束イオンビーム（ＦＩＢ；Focused Ion Beam）法、および電子ビーム直接描画法などを用いて、３次元構造体５１の各断面形状に対応した複数の薄膜パターン５２をアルミナ薄膜６２に形成する。
【００４１】
薄膜パターン５２の形成後、図６（Ｃ）に示すように、所定の真空度とされた真空槽６３内にて、第１層の薄膜パターン５２ａの表面と、ターゲット基板６４の表面とにアルゴン原子ビーム６５を照射するＦＡＢ（Fast Atom Bombardment）処理を施し、薄膜パターン５２ａおよびターゲット基板の表面の酸化膜や不純物を除去して清浄化する。
【００４２】
ＦＡＢ処理後、（Ｄ）に示すように、ドナー基板６０をターゲット基板６４側に移動させ、ターゲット基板６４の表面の所定位置に第１層の薄膜パターン５２ａの表面を接触させ、所定の荷重で所定時間押し付け、ターゲット基板６４の表面に第１層の薄膜パターン５２ａの表面を接合する。
【００４３】
次いで、図７（Ｅ）に示すように、ドナー基板６０を元の位置に戻し、第１層の薄膜パターン５２ａをドナー基板６０側から剥離させ、ターゲット基板６４側に転写する。
【００４４】
第１層の薄膜パターン５２ａの転写後、図７（Ｆ）に示すように、第２層の薄膜パターン５２ｂの表面と、第１層の薄膜パターン５２ａの裏面（転写前までドナー基板６０に接合されていた面）にＦＡＢ処理を施し、清浄化する。
【００４５】
その後、図８（Ｇ）に示すように、ドナー基板６０をターゲット基板６４側に移動させ、第１層の薄膜パターン５２ａの裏面の所定位置に第２層の薄膜パターン５２ｂの表面を接合し、（Ｈ）に示すように、第２層の薄膜パターン５２ｂをドナー基板６０側から剥離させ、第１層の薄膜パターン５２ａの裏面側に転写する。
【００４６】
上記一連の処理（ＦＡＢ処理、接合、および転写）を全層分繰り返し行った後、最後に、作製された３次元構造体５１をターゲット基板６４から分離する。なお、さらに詳細な３次元構造体５１の作製手順については、特許第３１６１３６２号の記載を参照されたい。
【００４７】
続いて、図９を参照して、バッキング材４０の製造手順について説明する。まず、（Ａ）に示すように、作製された３次元構造体５１を真空槽７０内の鋳型７１に載置した後、所定の真空度となるまで真空引きする。
【００４８】
そして、（Ｂ）に示すように、母材５０の液体が貯留された母材タンク７２から、母材注入口７３を介して母材５０の液体を鋳型７１に流し込み、母材５０の液体を固化させる。これにより、３次元構造体５１の内部および周囲が、母材５０で充填される。母材５０の充填後、鋳型７１から成形物を取り出し、母材５０の余分な部分を研磨などによりカットして形状を整え、図４に示すバッキング材４０を得る。
【００４９】
体腔内の超音波画像を取得する際には、超音波プローブ１１を鉗子孔１６に挿通した内視鏡１０の挿入部１３を体腔内に挿入し、内視鏡用モニタにより体腔内を観察しながら体腔内の被観察部位を探索する。
【００５０】
体腔内の被観察部位にシース１７の先端１７ａが到達し、超音波画像を取得する指示がなされると、フレキシブルシャフト３２ａを回転軸として、超音波トランスデューサ３１が所定の回転速度で回転される。そして、送受信切替回路４５により超音波トランスデューサ３１の超音波の送受信が切り替えられながら、パルス発生回路４６からのパルス電圧の印加により、超音波トランスデューサ３１から超音波が発せられ、キャップ３０を介して被観察部位に超音波が走査される。また、被観察部位からのエコー信号が超音波トランスデューサ３１で受信され、電圧測定回路４７により圧電素子４１に発生した電圧が測定される。
【００５１】
電圧測定回路４７の測定結果はコントローラ４８に送信され、コントローラ４８で超音波画像に変換される。変換された超音波画像は、コード１９を介して超音波観測器１２に送信され、超音波観測器１２のモニタ２０に表示される。
【００５２】
以上、詳細に説明したように、常温接合を応用した技術を用いて作製された３次元構造体５１を母材５０に埋設してバッキング材４０を製造したので、所望の周波数帯域幅となるようにバッキング材４０の音響インピーダンスを調節することが可能となる。つまり、母材５０と３次元構造体５１の材料を適宜選択することで、音響インピーダンスが１０Ｍｒａｙｌ以上５０Ｍｒａｙｌ以下のバッキング材４０を得ることができる。また、本実施形態では、圧電素子の材料としてＰＺＴを用いているが、ＰＺＴの音響インピーダンスは約３４Ｍｒａｙｌであるので、圧電素子の音響インピーダンスに対するバッキング材の音響インピーダンスの比が０．３以上１．４以下となるように、バッキング材を圧電素子の音響インピーダンスに近い構造とすることができる。したがって、バッキング材４０を備えた超音波プローブ１１は、所望の周波数帯域幅で超音波を送受信することができる。
【００５３】
なお、図１０および図１１に示すバッキング材８０、９０を用いてもよい。図１０に示すバッキング材８０は、圧電素子が載置される面８０ａ側に３次元構造体８１が片寄せして配置されている。また、図１１に示すバッキング材９０は、圧電素子が載置される面９０ａから対向する面９０ｂにかけて、薄膜パターン９２の密度が疎となった３次元構造体９１が埋め込まれている。このように、３次元構造体の形状または／および密度を変化させ、圧電素子が載置される面から対向する面に向かって、音響インピーダンスが漸減するようにバッキング材を製造すれば、バッキング材の超音波吸収性能が向上し、バッキング材自体の厚みを薄くすることができる。
【００５４】
上記実施形態では、３次元構造体５１の作製とバッキング材４０の製造とを、別々の真空槽６３、７０内で行っているが、同一の真空槽内で行うようにしてもよい。
【００５５】
なお、３次元構造体５１の形状は、上記実施形態で挙げた井桁状に限らず、三角格子状やハニカム形状などを用いてもよい。また、３次元構造体５１は、非対称な構造であってもよい。この場合、例えば、図１２に示す３次元構造体１０１を有するバッキング材１００を用いることが好ましい。
【００５６】
３次元構造体１０１は、紙面垂直方向に厚みをもち、傾斜面１０２を有する構造となっている。傾斜面１０２は、バッキング材１００の圧電素子が載置される面１００ａの法線Ｎに対する角度θが、４５°以下となるように形成されている。この３次元構造体１０１は、先述の常温接合を応用した技術を用いて、薄膜パターン５２の形状を変更することで作製することが可能である。
【００５７】
このように、音響インピーダンスが異なる３次元構造体１０１と母材１０３との界面を傾斜面１０２とすることで、圧電素子からの超音波ＵＳが図に示す如く傾斜面１０２で反射されて減衰するので、バッキング材１００による超音波吸収性能を向上させることができる。実際に、３次元構造体１０１の材料、構成などを適宜選択することで、−２０ｄＢ以上の減衰係数を達成することが可能である。
【００５８】
ここで、バッキング材に粉末を混入する従来の方法では、粉末の混入量を増やせば音響インピーダンスが大きくなって周波数帯域幅を広げることができるが、粉末の混入量が増えると超音波吸収性能が低下するため、その分バッキング材を厚くする必要があった。これに対して、バッキング材１００は、音響インピーダンスを高めると同時に超音波吸収性能を向上させることができるので、所望の周波数帯域幅を得られるとともに、その厚みを薄くすることができる。
【００５９】
上記実施形態では、常温接合を応用した技術を用いて３次元構造体を作製しているが、他の常温接合技術、例えば、分子・原子拡散型接合技術、表面活性型接合技術、媒介物質による極性型接合技術、媒介物質による分子間力型接合技術、媒介物質による物理接合型接合技術、および媒介物質による化学反応型接合技術のいずれかの貼り合わせ接合、具体的には、紫外線などの光照射によって硬化する光硬化性樹脂を用いた光造形法や、粉体層にレーザー光を照射することにより所望の形状の薄膜パターンに焼結する粉末法などを採用してもよい。
【００６０】
以下、上記で挙げた常温接合技術を簡単に説明する。まず、分子・原子拡散型接合技術は、接合する部材同士の表面を数原子または数分子単位で粗く平坦化して付き合わせ、加熱または加圧などにより互いの部材の表面原子または表面分子同士を相互もしくは一方に拡散させることで接合するものである。表面活性型接合技術は、接合する部材同士の表面を数原子または数分子単位で粗く平坦化し、その表面にエネルギー照射（分子線、イオン線、レーザー光、プラズマ放電など）を行って表面エネルギーを活性化させた後に付き合わせ、加熱または加圧などにより互いの部材の表面原子または表面分子同士を相互もしくは一方に拡散、あるいは分子間力・極性結合などの相互作用により接合するものである。
【００６１】
媒介物質による極性型接合技術は、接合する部材同士の間に、その部材間距離をできる限り短くするような部材を挿入し、互いの部材の表面間に生じる極性分子間力（水素結合など）を利用して接合するものである。媒介物質による分子間力型接合技術は、接合する部材同士の間に、その部材間距離をできる限り短くするような部材を挿入し、互いの部材の表面間に生じる分子間力（ファンデルワールス結合）を利用して接合するものである。
【００６２】
媒介物質による物理接合型接合技術は、接合する部材同士の間に、その部材表面の凹凸によく侵入する部材を挟み、その部材によるアンカリング効果により接合するものである。媒介物質による化学反応型接合技術は、接合する部材同士の間に、その部材表面と化学結合反応を生じる、もしくは反応能を有する部材を挟み、その部材の介添えにより接合するものである。
【００６３】
上記実施形態では、フレキシブルシャフト３２ａを回転軸として超音波トランスデューサ３１を回転させる超音波プローブ１１を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されず、超音波トランスデューサ３１を揺動、あるいはスライドさせて生体に超音波を走査する超音波プローブについても適用することができる。
【００６４】
また、メカニカルスキャン機構を備えた超音波プローブに限らず、複数の超音波トランスデューサをアレイ状に配列し、駆動する超音波トランスデューサを電子スイッチなどで選択的に切り替える電子スキャン走査方式の超音波プローブについても、本発明を適用することが可能である。
【００６５】
さらに、本発明は、上記実施形態で例示した内視鏡の鉗子孔に挿通するタイプの超音波プローブ１１に限らず、体腔内撮影用のカメラと超音波トランスデューサとが先端に配置された、いわゆる超音波内視鏡に適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】超音波診断装置の構成を示す概略図である。
【図２】超音波プローブの先端の構造を示す拡大断面図である。
【図３】超音波トランスデューサの構成およびトランスレータの電気的構成を示す説明図である。
【図４】バッキング材の構成を示す斜視図である。
【図５】常温接合を応用した技術を用いた３次元構造体の作製手順を示す図であり、（Ａ）は、ドナー基板に熱酸化膜およびアルミナ薄膜を形成した状態、（Ｂ）は、アルミナ薄膜に薄膜パターンを形成した状態をそれぞれ示す。
【図６】常温接合を応用した技術を用いた３次元構造体の作製手順を示す図であり、（Ｃ）は、第１層の薄膜パターンの表面と、ターゲット基板の表面とにＦＡＢ処理を施す様子、（Ｄ）は、ターゲット基板の表面に第１層の薄膜パターンの表面を接合した状態をそれぞれ示す。
【図７】常温接合を応用した技術を用いた３次元構造体の作製手順を示す図であり、（Ｅ）は、第１層の薄膜パターンをターゲット基板側に転写した状態、（Ｆ）は、第２層の薄膜パターンの表面と、第１層の薄膜パターンの裏面にＦＡＢ処理を施す様子をそれぞれ示す。
【図８】常温接合を応用した技術を用いた３次元構造体の作製手順を示す図であり、（Ｇ）は、第１層の薄膜パターンの裏面に第２層の薄膜パターンの表面を接合した状態、（Ｈ）は、第２層の薄膜パターンを第１層の薄膜パターンの裏面側に転写した状態をそれぞれ示す。
【図９】バッキング材の製造手順を示す図であり、（Ａ）は、３次元構造体を真空槽内の鋳型に載置し、所定の真空度となるまで真空引きした状態、（Ｂ）は、母材の液体を鋳型に流し込み、母材の液体を固化させた状態をそれぞれ示す。
【図１０】バッキング材の別の実施形態を示す斜視図である。
【図１１】バッキング材のさらに別の実施形態を示す斜視図である。
【図１２】バッキング材のさらに別の実施形態を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００６７】
２ 超音波診断装置
１０ 内視鏡
１１ 超音波プローブ
１２ 超音波観察器
３１ 超音波トランスデューサ
４０、８０、９０、１００ バッキング材
４１ 圧電素子
４８ コントローラ
５０、１０３ 母材
５１、８１、９１、１０１ ３次元構造体
５２、８２、９２ 薄膜パターン
７０ 真空槽
１０２ 傾斜面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波トランスデューサの圧電素子が載置されるバッキング材であって、
薄膜パターンが積層されてなる３次元構造体と、
前記３次元構造体が埋設され、前記３次元構造体を形成する部材とは異なる音響インピーダンスを有する母材とからなることを特徴とするバッキング材。
【請求項２】
前記３次元構造体は、前記薄膜パターンを接合して作製されたことを特徴とする請求項１に記載のバッキング材。
【請求項３】
前記３次元構造体は、基板上に形成された前記薄膜パターンを離型し、離型された薄膜パターンを転写して作製されたことを特徴とする請求項１または２に記載のバッキング材。
【請求項４】
前記３次元構造体は、分子・原子拡散型接合技術、表面活性型接合技術、媒介物質による極性型接合技術、媒介物質による分子間力型接合技術、媒介物質による物理接合型接合技術、および媒介物質による化学反応型接合技術のいずれかの貼り合わせ接合により作製されたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のバッキング材。
【請求項５】
液体状の前記母材に前記３次元構造体を浸漬させ、前記母材を固化させて作製されたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のバッキング材。
【請求項６】
前記３次元構造体の形状または／および密度を変化させ、前記圧電素子が載置される面から対向する面に向かって、音響インピーダンスが漸減するように作製されたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のバッキング材。
【請求項７】
前記圧電素子が載置される面側に、前記３次元構造体が片寄せして配置されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載のバッキング材。
【請求項８】
前記圧電素子が載置される面から対向する面に向かって、前記薄膜パターンの密度が疎となるように、前記３次元構造体が作製されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載のバッキング材。
【請求項９】
前記３次元構造体は、井桁形状を有することを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載のバッキング材。
【請求項１０】
前記３次元構造体は、前記圧電素子が載置される面の法線に対して、４５°以下の傾斜面を有することを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載のバッキング材。
【請求項１１】
前記圧電素子に対する音響インピーダンスの比が、０．３以上１．４以下であることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載のバッキング材。
【請求項１２】
超音波トランスデューサの圧電素子が載置されるバッキング材の製造方法であって、
薄膜パターンを積層して３次元構造体を作製する工程と、
前記３次元構造体を形成する部材とは異なる音響インピーダンスを有する母材に前記３次元構造体を埋設する工程とを備えたことを特徴とするバッキング材の製造方法。
【請求項１３】
前記３次元構造体を、前記薄膜パターンを接合して作製したことを特徴とする請求項１２に記載のバッキング材の製造方法。
【請求項１４】
前記３次元構造体を、基板上に形成された前記薄膜パターンを離型し、離型された薄膜パターンを転写して作製したことを特徴とする請求項１２または１３に記載のバッキング材の製造方法。
【請求項１５】
前記３次元構造体を、分子・原子拡散型接合技術、表面活性型接合技術、媒介物質による極性型接合技術、媒介物質による分子間力型接合技術、媒介物質による物理接合型接合技術、および媒介物質による化学反応型接合技術のいずれかの貼り合わせ接合により作製したことを特徴とする請求項１２ないし１４のいずれかに記載のバッキング材の製造方法。
【請求項１６】
前記母材に前記３次元構造体を埋設する工程では、液体状の前記母材に前記３次元構造体を浸漬させ、前記母材を固化させることを特徴とする請求項１２ないし１５のいずれかに記載のバッキング材の製造方法。
【請求項１７】
前記３次元構造体の形状または／および密度を変化させ、前記圧電素子が載置される面から対向する面に向かって、音響インピーダンスが漸減するように作製したことを特徴とする請求項１２ないし１６のいずれかに記載のバッキング材の製造方法。
【請求項１８】
前記圧電素子が載置される面側に、前記３次元構造体を片寄せして配置したことを特徴とする請求項１２ないし１７のいずれかに記載のバッキング材の製造方法。
【請求項１９】
前記圧電素子が載置される面から対向する面に向かって、前記薄膜パターンの密度が疎となるように、前記３次元構造体を作製したことを特徴とする請求項１２ないし１８のいずれかに記載のバッキング材の製造方法。
【請求項２０】
前記３次元構造体を、井桁形状に作製したことを特徴とする請求項１２ないし１９のいずれかに記載のバッキング材の製造方法。
【請求項２１】
前記３次元構造体を、前記圧電素子が載置される面の法線に対して、４５°以下の傾斜面を有するように作製したことを特徴とする請求項１２ないし２０のいずれかに記載のバッキング材の製造方法。
【請求項２２】
前記圧電素子に対する音響インピーダンスの比が、０．３以上１．４以下となるようにしたことを特徴とする請求項１２ないし２１のいずれかに記載のバッキング材の製造方法。
【請求項２３】
請求項１ないし１１のいずれかに記載のバッキング材を有する超音波トランスデューサを内蔵したことを特徴とする超音波プローブ。
【請求項１】
超音波トランスデューサの圧電素子が載置されるバッキング材であって、
薄膜パターンが積層されてなる３次元構造体と、
前記３次元構造体が埋設され、前記３次元構造体を形成する部材とは異なる音響インピーダンスを有する母材とからなることを特徴とするバッキング材。
【請求項２】
前記３次元構造体は、前記薄膜パターンを接合して作製されたことを特徴とする請求項１に記載のバッキング材。
【請求項３】
前記３次元構造体は、基板上に形成された前記薄膜パターンを離型し、離型された薄膜パターンを転写して作製されたことを特徴とする請求項１または２に記載のバッキング材。
【請求項４】
前記３次元構造体は、分子・原子拡散型接合技術、表面活性型接合技術、媒介物質による極性型接合技術、媒介物質による分子間力型接合技術、媒介物質による物理接合型接合技術、および媒介物質による化学反応型接合技術のいずれかの貼り合わせ接合により作製されたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のバッキング材。
【請求項５】
液体状の前記母材に前記３次元構造体を浸漬させ、前記母材を固化させて作製されたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のバッキング材。
【請求項６】
前記３次元構造体の形状または／および密度を変化させ、前記圧電素子が載置される面から対向する面に向かって、音響インピーダンスが漸減するように作製されたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のバッキング材。
【請求項７】
前記圧電素子が載置される面側に、前記３次元構造体が片寄せして配置されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載のバッキング材。
【請求項８】
前記圧電素子が載置される面から対向する面に向かって、前記薄膜パターンの密度が疎となるように、前記３次元構造体が作製されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載のバッキング材。
【請求項９】
前記３次元構造体は、井桁形状を有することを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載のバッキング材。
【請求項１０】
前記３次元構造体は、前記圧電素子が載置される面の法線に対して、４５°以下の傾斜面を有することを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載のバッキング材。
【請求項１１】
前記圧電素子に対する音響インピーダンスの比が、０．３以上１．４以下であることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載のバッキング材。
【請求項１２】
超音波トランスデューサの圧電素子が載置されるバッキング材の製造方法であって、
薄膜パターンを積層して３次元構造体を作製する工程と、
前記３次元構造体を形成する部材とは異なる音響インピーダンスを有する母材に前記３次元構造体を埋設する工程とを備えたことを特徴とするバッキング材の製造方法。
【請求項１３】
前記３次元構造体を、前記薄膜パターンを接合して作製したことを特徴とする請求項１２に記載のバッキング材の製造方法。
【請求項１４】
前記３次元構造体を、基板上に形成された前記薄膜パターンを離型し、離型された薄膜パターンを転写して作製したことを特徴とする請求項１２または１３に記載のバッキング材の製造方法。
【請求項１５】
前記３次元構造体を、分子・原子拡散型接合技術、表面活性型接合技術、媒介物質による極性型接合技術、媒介物質による分子間力型接合技術、媒介物質による物理接合型接合技術、および媒介物質による化学反応型接合技術のいずれかの貼り合わせ接合により作製したことを特徴とする請求項１２ないし１４のいずれかに記載のバッキング材の製造方法。
【請求項１６】
前記母材に前記３次元構造体を埋設する工程では、液体状の前記母材に前記３次元構造体を浸漬させ、前記母材を固化させることを特徴とする請求項１２ないし１５のいずれかに記載のバッキング材の製造方法。
【請求項１７】
前記３次元構造体の形状または／および密度を変化させ、前記圧電素子が載置される面から対向する面に向かって、音響インピーダンスが漸減するように作製したことを特徴とする請求項１２ないし１６のいずれかに記載のバッキング材の製造方法。
【請求項１８】
前記圧電素子が載置される面側に、前記３次元構造体を片寄せして配置したことを特徴とする請求項１２ないし１７のいずれかに記載のバッキング材の製造方法。
【請求項１９】
前記圧電素子が載置される面から対向する面に向かって、前記薄膜パターンの密度が疎となるように、前記３次元構造体を作製したことを特徴とする請求項１２ないし１８のいずれかに記載のバッキング材の製造方法。
【請求項２０】
前記３次元構造体を、井桁形状に作製したことを特徴とする請求項１２ないし１９のいずれかに記載のバッキング材の製造方法。
【請求項２１】
前記３次元構造体を、前記圧電素子が載置される面の法線に対して、４５°以下の傾斜面を有するように作製したことを特徴とする請求項１２ないし２０のいずれかに記載のバッキング材の製造方法。
【請求項２２】
前記圧電素子に対する音響インピーダンスの比が、０．３以上１．４以下となるようにしたことを特徴とする請求項１２ないし２１のいずれかに記載のバッキング材の製造方法。
【請求項２３】
請求項１ないし１１のいずれかに記載のバッキング材を有する超音波トランスデューサを内蔵したことを特徴とする超音波プローブ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００７−２０２９５３（Ｐ２００７−２０２９５３Ａ）
【公開日】平成１９年８月１６日（２００７．８．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２８３０４（Ｐ２００６−２８３０４）
【出願日】平成１８年２月６日（２００６．２．６）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【出願人】（０００００５４９６）富士ゼロックス株式会社 (21,908)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年８月１６日（２００７．８．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年２月６日（２００６．２．６）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【出願人】（０００００５４９６）富士ゼロックス株式会社 (21,908)
【Ｆターム（参考）】
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