超音波トランスデューサ及び超音波プローブ
【課題】送受信感度が向上しながらも構成および製造が比較的簡単な超音波トランスデューサを提供する。
【解決手段】ＵＴアレイ２１は、ガラス−エポキシ樹脂等の平板状の台座２５上に、バッキング材２６、下部電極２７、超音波および反射波を送受信する送受信用圧電体２８ａからなる第一圧電体層２８、第一音響整合層２９、反射波を受信する受信用圧電体３０ａ〜３０ｅからなる第二圧電体層３０、上部電極３１、第二音響整合層３２及び音響レンズ３３が順次積層された構造を有する。第一音響整合層２９は導電性を有しており、送受信用圧電体２８ａ及び受信用圧電体３０ａ〜３０ｅに共通する電極を兼ねる。受信用圧電体３０ａ〜３０ｅは、ＥＬ方向に等間隔で配列され、これら一式でＥＬ方向に長い短冊状をなしている。受信用圧電体３０ａ〜３０ｅは、第二圧電体層３０に沿う反射波の受信面の面積が順に小さくなっており、互いに異なる体積を有している。
【解決手段】ＵＴアレイ２１は、ガラス−エポキシ樹脂等の平板状の台座２５上に、バッキング材２６、下部電極２７、超音波および反射波を送受信する送受信用圧電体２８ａからなる第一圧電体層２８、第一音響整合層２９、反射波を受信する受信用圧電体３０ａ〜３０ｅからなる第二圧電体層３０、上部電極３１、第二音響整合層３２及び音響レンズ３３が順次積層された構造を有する。第一音響整合層２９は導電性を有しており、送受信用圧電体２８ａ及び受信用圧電体３０ａ〜３０ｅに共通する電極を兼ねる。受信用圧電体３０ａ〜３０ｅは、ＥＬ方向に等間隔で配列され、これら一式でＥＬ方向に長い短冊状をなしている。受信用圧電体３０ａ〜３０ｅは、第二圧電体層３０に沿う反射波の受信面の面積が順に小さくなっており、互いに異なる体積を有している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波の送信と反射波の受信を別の圧電体で行う超音波トランスデューサ、及びこれを用いた超音波プローブに関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波プローブを利用した医療診断が盛んに行われている。超音波プローブの先端には、超音波トランスデューサ（以下、ＵＴと略す）が配されている。ＵＴは、バッキング材、圧電体およびこれを挟む電極、音響整合層、並びに音響レンズから構成される。ＵＴから被検体（人体）に超音波を照射し、被検体からの反射波をＵＴで受信する。これにより出力される検出信号を超音波観測器で電気的に処理することによって、超音波画像が得られる。
【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ある。超音波断層画像を得る方法としては、ＵＴ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走査方式や、複数のＵＴをアレイ状に配列（以下、ＵＴアレイという）し、駆動するＵＴを電子スイッチ等で選択的に切り替える電子スキャン走査方式が知られている。
【０００４】
従来、同じ圧電体で超音波および反射波を送受信することが普通であったが、最近、超音波の送信と反射波の受信を別の圧電体で行うものが提案されている。送信用には、電気機械結合定数ｋ３３が比較的大きく、超音波の送信パワーに優れた無機系の圧電セラミックスが、受信用には、送信定数ｄ３３は小さいものの、受信定数ｇ３３が比較的大きく、反射波の受信感度に優れた有機系の高分子圧電体がそれぞれ用いられる。
【０００５】
特許文献１では、音響レンズの底面（被検体と反対側の面）に送信用圧電体を、音響レンズの表面（被検体側の面）の凹部に複数の受信用圧電体をそれぞれ配置している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平０６−１４８１５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
被検体とＵＴとは、音響インピーダンスに大きな差がある。このため、音響整合層を設けて音響インピーダンス差を段階的に変化させて超音波の伝播損失を抑えている。しかしながら、特許文献１には、被検体とＵＴとの間の音響インピーダンス差の緩和を考慮した記載がない。
【０００８】
また、特許文献１に記載のＵＴは、音響レンズの表面に凹部を形成して、凹部に複数の受信用ＵＴを配置する等、構成が複雑で製造コストが嵩む。
【０００９】
さらに、ＵＴから被検体に照射される超音波は、伝播するうちに歪んだ波形となり、基本波の周波数の整数倍である高調波成分を含んでいるが、特許文献１に記載のＵＴには、高調波成分を受信する工夫はない。
【００１０】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、より簡単な構成で製造コストも掛からず、さらに超音波の送信感度、および反射波、特にその高調波成分の受信感度を向上させることができる超音波トランスデューサ、及びこれを用いた超音波プローブを実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の超音波トランスデューサは、被検体に超音波を送信する送信用圧電体の第一圧電体層と、被検体からの反射波を受信する互いに体積の異なる複数の受信用圧電体が配列された第二圧電体層と、前記第一及び第二圧電体層の間に設けられ、前記第一及び第二圧電体層に共通する電極を兼ねた音響整合層とを積層したことを特徴とする。
【００１２】
前記第二圧電体層は、前記第一圧電体層よりも被検体側に位置することが好ましい。各受信用圧電体は、前記第二圧電体層に沿う反射波の受信面の面積が互いに異なることが好ましく、また、前記受信面に直交する方向の厚みが互いに異なることが好ましい。
【００１３】
前記第一圧電体は、無機材料からなり、前記第二圧電体は、有機材料からなることが好ましい。または、前記第二圧電体は、有機材料に無機材料を分散させた複合圧電体であることが好ましい。
【００１４】
前記音響整合層は、有機材料に金属を含有した複合体であることが好ましく、前記金属は、金属ナノ粒子であることが好ましい。または、前記音響整合層は、相対的に導電性の低い材料、又は導電性のない材料の表面を導電性のある材料で覆ったものであることが好ましい。
【００１５】
本発明の超音波プローブは、上記の超音波トランスデューサを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の超音波トランスデューサ及び超音波プローブによれば、第一及び第二圧電体の共通電極を兼ねた音響整合層を有するとともに、反射波を受信する第二圧電体層が、互いに体積の異なる複数の受信用圧電体で構成されるので、より簡単な構成で製造コストも掛からず、さらに超音波の送信感度、および反射波、特にその高調波成分の受信感度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】超音波診断装置の構成を示す概略図である。
【図２】超音波トランスデューサアレイを示す一部破断斜視図である。
【図３】超音波トランスデューサアレイ及び電気的構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１において、超音波診断装置２は、携帯型超音波観測器１０と体外式の超音波プローブ１１とで構成される。携帯型超音波観測器１０は、装置本体１２とカバー１３とからなる。装置本体１２の上面には、携帯型超音波観測器１０に種々の操作指示を入力するための複数のボタンやトラックボールが設けられた操作部１４が配されている。カバー１３の内面には、超音波画像をはじめとして様々な操作画面を表示するモニタ１５が設けられている。
【００１９】
カバー１３は、ヒンジ１６を介して装置本体１２に取り付けられており、操作部１４とモニタ１５とを露呈させる図示する開き位置と、装置本体１２の上面とカバー１３の内面を対面させて、操作部１４とモニタ１５を互いに覆って保護する閉じ位置（図示せず）との間で回動自在である。装置本体１２の側面には、グリップ（図示せず）が取り付けられており、装置本体１２とカバー１３を閉じた状態で携帯型超音波観測器１０を持ち運ぶことができる。装置本体１２のもう一方の側面には、超音波プローブ１１が着脱自在に接続されるプローブ接続部１７が設けられている。
【００２０】
超音波プローブ１１は、術者が把持して被検体にあてがう走査ヘッド１８と、プローブ接続部１７に接続されるコネクタ１９と、これらを繋ぐケーブル２０とからなる。走査ヘッド１８の先端部には、超音波トランスデューサアレイ（以下、ＵＴアレイと略す）２１が内蔵されている。
【００２１】
図２において、ＵＴアレイ２１は、ガラス−エポキシ樹脂等の平板状の台座２５上に、バッキング材２６、下部電極２７、送受信用圧電体２８ａからなる第一圧電体層２８、第一音響整合層２９、受信用圧電体３０ａ〜３０ｅからなる第二圧電体層３０、上部電極３１、第二音響整合層３２、及び音響レンズ３３が順次積層された構造を有する。
【００２２】
バッキング材２６は、超音波を放射する際の送受信用圧電体２８ａの自由振動を規制して、超音波の進行方向の分解能を向上させる。バッキング材２６には、振動を吸収できる様々な材料を用いることができ、無機材料、有機材料いずれも適用可能である。特に、エポキシ系樹脂などの樹脂材料や、塩素化ポリエチレンゴム、天然ゴム、ＳＢＲなどのゴム系材料は、音響インピーダンスが小さく、感度を落とさずに振動を吸収できるため、好ましい。
【００２３】
送受信用圧電体２８ａは、ＥＬ方向に長い短冊状をしており、ＥＬ方向と直交するアジマス方向（以下、ＡＺ方向と略す）に複数等間隔で配列されている。各送受信用圧電体２８ａの隙間およびその周囲には、充填剤３４が充填されている。
【００２４】
送受信用圧電体２８ａは、厚みが０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度であり、第一音響整合層２９及び下部電極２７によって上下から挟み込まれている。第一音響整合層２９は導電性を有し、送受信用圧電体２８ａの上部電極を兼ねている。下部電極２７は、例えば金薄膜からなる。第一音響整合層２９及び下部電極２７には、リード線（図示省略）がそれぞれ接続されている。下部電極２７、送受信用圧電体２８ａからなる第一圧電体層２８、及び第一音響整合層２９は、これら一式で送受信用の超音波トランスデューサを構成する。
【００２５】
第一音響整合層２９に接続されたリード線は、接地されている（図３参照）。一方、下部電極２７に接続されたリード線は、携帯型超音波観測器１０に接続されている。携帯型超音波観測器１０には送受信回路（図３参照）４１が内蔵されており、この送受信回路４１から送受信用圧電体２８ａにパルス電圧が印加されると、送受信用圧電体２８ａが振動して超音波を発生し、これにより被検体の被観察部位に超音波が照射される。また、被観察部位からの反射波を受信すると、送受信用圧電体２８ａが振動して電圧を発生し、この電圧が受信信号として出力される。
【００２６】
送受信用圧電体２８ａには、圧電性を示す様々な無機材料を用いることができる。ＰＺＴを主体とするＰｂ系の圧電材料が非常に好ましい。特に、近年巨大圧電定数を示す材料として用途が広がっているＰＭＮ−ＰＴやＰＺＮ−ＰＴなどのリラクサ系の圧電単結晶が好ましい。これらは、電気機械結合定数ｋが大きく、印加された電圧に対する超音波の出力の割合（変換効率）が比較的高い。
【００２７】
受信用圧電体３０ａ〜３０ｅからなる第二圧電体層３０は、音響整合層を兼ねており、第一、第二音響整合層２９、３２とともに、送受信用圧電体２８ａと人体との音響インピーダンスの差を段階的に緩和し、超音波の送受信感度を向上させる。また、第二音響整合層３２は、人体と受信用圧電体３０ａ〜３０ｅとの音響インピーダンスの差を段階的に緩和し、超音波の受信感度を向上させる。
【００２８】
第一音響整合層２９には、音響インピーダンスが送受信用圧電体２８ａよりも小さくかつ受信用圧電体３０ａ〜３０ｅより大きい様々な導電性材料を用いることができる。具体的には、第一音響整合層２９は、金属ナノ粒子（直径１ｎｍ〜１００ｎｍ程度の金属粒子）と、接着性を有する樹脂とからなる混合物を焼成したものである。金属ナノ粒子として、銀ナノ粒子を含み、さらに好ましくは、金属ナノ粒子の全てが銀ナノ粒子である。銀ナノ粒子は、金属ナノ粒子のうち比較的樹脂に対する高分散性を有しているため、好適である。金属ナノ粒子含有樹脂を焼成すると、樹脂内で粒子が結合して導電性パスを形成する。これにより、高い導電性を得ることができる。なお、第一音響整合層２９は、相対的に導電性の低い材料や導電性のない材料の表面を導電性のある材料で覆った形態であってもよい。
【００２９】
受信用圧電体３０ａ〜３０ｅは、ＥＬ方向に等間隔で配列され、これら一式でＥＬ方向に長い短冊状をなしている。受信用圧電体３０ａ〜３０ｅは、第二圧電体層３０に沿う反射波の受信面の面積が順に小さくなっており、互いに異なる体積を有している。つまり、各受信用圧電体３０ａ〜３０ｅは、体積や形状等に起因する固有振動数を有しており、固有振動数に対応する振動数の反射波を感度良く受信する。
【００３０】
受信用圧電体３０ａ〜３０ｅの一式は、送受信用圧電体２８ａ同様、ＡＺ方向に複数等間隔で配列されている。各受信用圧電体３０ａ〜３０ｅの隙間およびその周囲には、充填剤３５が充填されている。
【００３１】
受信用圧電体３０ａ〜３０ｅは、厚みが０．０５ｍｍ〜０．３ｍｍ程度であり、上部電極３１及び第一音響整合層２９によって上下から挟み込まれている。上述のように第一音響整合層２９は導電性を有し、送受信用圧電体２８ａの上部電極を兼ねているが、第一音響整合層２９は、さらに、受信用圧電体３０ａ〜３０ｅの下部電極を兼ねている。つまり、第一音響整合層２９は、送受信用圧電体２８ａ及び受信用圧電体３０ａ〜３０ｅに共通する電極を兼ねている。上部電極３１は、例えば金薄膜からなり、リード線（図示省略）が接続されている。
【００３２】
上部電極３１に接続されたリード線は、携帯型超音波観測器１０に接続されている。受信用圧電体３０ａ〜３０ｅが反射波を受信すると、携帯型超音波観測器１０に内蔵された送受信回路４１（図３参照）に受信信号が入力される。第一音響整合層２９、受信用圧電体３０ａ〜３０ｅからなる第二圧電体層３０、及び上部電極３１は、これら一式で受信用超音波トランスデューサを構成する。
【００３３】
受信用圧電体３０ａ〜３０ｅは、互いに同じ材料からなる。材料には、音響インピーダンスが第一音響整合層２９より小さくて第二音響整合層３２より大きく、圧電性を示す様々な有機材料を用いることができる。ＰＶＤＦやＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）などのフッ化系材料が好ましい。これらは、受信定数ｇが大きく、超音波の受信感度が比較的高い。なお、受信用圧電体３０ａ〜３０ｅには、有機材料に無機材料を分散させた複合圧電体を用いることもできる。
【００３４】
第二音響整合層３２には、音響インピーダンスが受信用圧電体３０ａ〜３０ｅより小さく人体より大きい様々な材料を用いることができる。具体的には、エポキシ系樹脂が挙げられる。
【００３５】
音響レンズ３３は、送受信用圧電体２８ａから発せられる超音波を被観察部位に集束させる。音響レンズ３３は、例えばシリコーンゴムからなり、厚みは最大で１ｍｍ程度である。
【００３６】
ＵＴアレイ２１の各層を積層させる際に用いる接着剤には、様々な材料を適用することができる。特に、エポキシ系樹脂は、音響透過性と接合強度に優れ、また、コスト的にも安価であるため好ましい。
【００３７】
図３に示すように、送受信回路４１には、パルサ４２、レシーバ４３、第一Ａ／Ｄ４４、画像生成部４５、Ｔｘ／Ｒｘ４６、レシーバ４７、第二Ａ／Ｄ４８などが設けられている。
【００３８】
パルサ４２は、Ｔｘ／Ｒｘ４６を介して下部電極２７に接続されている。パルサ４２は、下部電極２７に対し、送受信用圧電体２８ａに超音波を発生させるための励振パルス（パルス電圧）を送信する。
【００３９】
レシーバ４３は、Ｔｘ／Ｒｘ４６を介して下部電極２７に接続されている。レシーバ４３には、被観察部位で反射した超音波に基づく送受信用圧電体２８ａからの受信信号が入力され、これを増幅する。
【００４０】
第一Ａ／Ｄ４４は、レシーバ４３からの受信信号に対してＡ／Ｄ変換を施し、受信信号をデジタル化する。第一Ａ／Ｄ４４でデジタル化された受信信号は、画像生成部４５に入力される。
【００４１】
Ｔｘ／Ｒｘ４６には、パルサ４２及びレシーバ４３が接続されており、これらの入出力を選択的に切り替える。
【００４２】
レシーバ４７は、上部電極３１に接続されている。レシーバ４７は、レシーバ４３同様、受信用圧電体３０ａ〜３０ｅからの受信信号を増幅する。
【００４３】
第二Ａ／Ｄ４８は、レシーバ４７からの受信信号に対してＡ／Ｄ変換を施し、受信信号をデジタル化する。第二Ａ／Ｄ４８でデジタル化された受信信号は、画像生成部４５に入力される。画像生成部４５は、第一及び第二Ａ／Ｄ４４、４８から入力された受信信号に基づいて超音波画像を生成し、モニタ１５に出力する。なお、送受信回路４１を構成する画像生成部４５以外の各部は、一組の送受信用圧電体２８ａ、受信用圧電体３０ａ〜３０ｅ毎にある。
【００４４】
このように、導電性を有する第一音響整合層２９を、送受信用圧電体２８ａ及び受信用圧電体３０ａ〜３０ｅに共通する電極として用いることで、別々の電極を用いた場合と比較して、構成が簡単で製造コストも掛からないＵＴアレイを容易に作製することができる。また、第一音響整合層２９は、金属ナノ粒子含有樹脂が用いられているから、高い導電性を示し、共通電極として十分に機能する。
【００４５】
さらに、第一音響整合層２９に用いられる樹脂は熱硬化性であり、受信用圧電体３０ａ〜３０ｅの接着剤として機能するから、第一音響整合層の成膜後、接着剤を塗布して受信用圧電体３０ａ〜３０ｅを積層する従来の工程に比べて、工程数の増加を抑えて、ＵＴアレイを容易に作製することができる。また、比較的薄層の電極数の増加も抑えられ、歩留まりの悪化が防止される。
【００４６】
超音波は、伝播する被検体（生体組織）の物理的特性（硬さなど）の影響を受けて歪んだ波形となり、基本波の周波数の整数倍である高調波成分（非線形成分）を含むこととなる。基本波および各高調波の周波数に対応する固有振動数となるように、受信用圧電体３０ａ〜３０ｅの第二圧電体層３０に沿う反射波の受信面の面積や形状等を設定しておくことで、反射波、特にその高調波成分（第二次高調波、第三次高調波、第四次高調波など）を感度良く受信することができる。
【００４７】
また、受信した基本波や高調波成分の割合から、生体組織がどの程度非線形現象を起こすかを示す非線形パラメータ（Ｂ／Ａパラメータ）を取得することができる。このＢ／Ａパラメータは、主に生体組織の硬さを反映した数値であり、診断指標として用いることが期待されていたが、本発明によれば確証のある値を容易に取得できる。
【００４８】
なお、超音波を送信する超音波トランスデューサとして、超音波の受信も行う送受信用圧電体２８ａを備えた場合を例に説明したが、送受信用圧電体２８ａに代えて、超音波の送信のみを行う送信用超音波トランスデューサを備えていてもよい。
【００４９】
受信用圧電体３０ａ〜３０ｅの第二圧電体層３０に沿う反射波の受信面の面積が、端から順に小さくなる場合を例に説明したが、互いに異なっていればよく、中央から両端に向けて順に小さくなるようにしてもよい。また、受信用圧電体３０ａ〜３０ｅの体積が互いに異なっていればよく、面積が順に小さくなることに代えて、あるいは加えて、第二圧電体層３０の反射波の受信面に直交する方向の厚みが互いに異なるようにしてもよい。その厚みは、１／ｎ（ｎ：自然数）にすることで固有振動数はｎ倍になる。例えば、半分にすることで固有振動数は２倍になる。
【００５０】
上部電極３１とレシーバ（増幅器）４７を接続する伝送線路が長くなると、伝送線路の持つ容量性抵抗により、上部電極３１とレシーバ４７との間の受信信号の電圧降下量が大きくなる。受信信号の電圧降下量が大きくなると、受信用圧電体３０ａ〜３０ｅで受信した超音波に基づく超音波画像の画質が劣化し、受信用圧電体３０ａ〜３０ｅに受信感度が高いものを用いた効果が半減する。
【００５１】
このため、上部電極３１とレシーバ４７を接続する伝送線路は、できるだけ短いことが好ましく、上部電極３１とレシーバ４７とを直近に配置することが好ましい。具体的には、レシーバ４７を、上記実施形態のように携帯型超音波観測器１０ではなく、走査ヘッド１８に内蔵する。
【００５２】
［実施例１］
次に、ＵＴアレイ２１の各層を積層した実施例１を説明する。バッキング材２６には、１ｃｍ厚に切り出した塩素化ポリエチレンゴムを用いた。バッキング材２６上に、熱硬化型のエポキシ樹脂を用いてＦＰＣ（フレキシブルプリント回路）を接着した。
【００５３】
送受信用圧電体２８ａには、ＰＺＴ系圧電セラミックスであるＣ９２Ｈ（株式会社富士セラミックス製）を用いた。送受信用圧電体２８ａの両面を研磨して、その厚さを２６０μｍにした。送受信用圧電体２８ａの片面にＴｉ、Ｐｔ、Ａｕを順次スパッタリングして金属膜を形成した。送受信用圧電体２８ａの金属膜側を、バッキング材２６上のＦＰＣに接着した。接着剤には、銀ナノ粒子を含有した樹脂を用い、熱硬化させた。送受信用圧電体２８ａの音響インピーダンスは、約３１Ｍｒａｙｌであった。なお、バッキング材２６上に接着されたＦＰＣと、送受信用圧電体２８ａ上に形成されたＴｉ、Ｐｔ、Ａｕの金属膜とは、下部電極２７を構成する。
【００５４】
送受信用圧電体２８ａ上に、第一音響整合層２９として、銀ナノ粒子を含有した樹脂（住友電気工業株式会社製）を厚さがλ／４（λ：超音波の波長）となるように塗布した。第一音響整合層２９の塗布後、約１８０℃の大気中で１時間の加熱により硬化させた。加熱後、第一音響整合層２９の音響インピーダンスは、約１２Ｍｒａｙｌであった。
【００５５】
受信用圧電体３０ａ〜３０ｅには、音響インピーダンスが４．５ＭｒａｙｌのＰＶＤＦを用いた。受信用圧電体３０ａ〜３０ｅをλ／４の厚さに成型し、その片面にベタ電極（金属膜）を形成した。受信用圧電体３０ａ〜３０ｅをベタ電極の反対側で、第一音響整合層２９に接着した。接着剤には、銀ナノ粒子を含有した樹脂を用いた。なお、受信用圧電体３０ａ〜３０ｅに形成されたベタ電極は、上部電極３１を構成する。
【００５６】
そして、音響インピーダンスが２Ｍｒａｙｌのエポキシ系樹脂を、その厚さがλ／４となるように研磨してから、第二音響整合層３２として上部電極３１上に、熱硬化型のエポキシ系接着剤を用いて接着した。同様に、第二音響整合層３２上に音響レンズ３３を接着した。
【００５７】
なお、以下の例では、実施例１と同様の構成を省略して異なる部分を説明する。
【００５８】
［実施例２］
送受信用圧電体２８ａには、リラクサ系圧電単結晶であるＰＭＮ−ＰＴ（Ｐｂ（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３系材料、ＪＦＥミネラル株式会社製）を用いた。送受信用圧電体２８ａの両面研磨により、その厚さを２４０μｍにした。送受信用圧電体２８ａの音響インピーダンスは、約２２Ｍｒａｙｌであった。
【００５９】
実施例１と同様、第一音響整合層２９を積層してから、約１６０℃の大気中で１時間の加熱により硬化させた。加熱後、第一音響整合層２９の音響インピーダンスは、約１１Ｍｒａｙｌであった。
【００６０】
［比較例１］
送受信用圧電体２８ａの両面にＴｉ、Ｐｔ、Ａｕを順次スパッタリングして金属膜を形成した。両面に金属膜が形成された送受信用圧電体２８ａを、バッキング材２６上のＦＰＣに接着した。接着剤には、銀ナノ粒子を含有した樹脂を用い、１００℃の大気中で１時間加熱して熱硬化を行った。送受信用圧電体２８ａの音響インピーダンスは、約３１Ｍｒａｙｌであった。
【００６１】
比較例１では、第一音響整合層２９を積層せず、その代わり、送受信用圧電体２８ａの上面に形成した金属膜を上部電極とした。また、受信用圧電体３０ａ〜３０ｅを積層せず、その代わり、音響インピーダンスが８Ｍｒａｙｌのジルコニア粒子分散エポキシ系樹脂を、その厚さがλ／４となるように研磨してから、音響整合層として送受信用圧電体２８ａ上に積層した。接着剤には、熱硬化型のエポキシ系のものを用い、加熱により硬化させた。
【００６２】
さらに、音響インピーダンスが３Ｍｒａｙｌのエポキシ系樹脂を、その厚さがλ／４となるように研磨してから、第二音響整合層３２として、熱硬化型のエポキシ系接着剤を用いて接着した。
【００６３】
【表１】
【００６４】
上記表１は、すでに説明した、各実施例及び比較例１における各層の材料と音響インピーダンス［Ｍｒａｙｌ］との関係をまとめたものである。送受信用圧電体２８ａは、実施例２だけが２２Ｍｒａｙｌの音響インピーダンスを有したリラクサ系圧電単結晶を材料とするが、その他の例では、３１Ｍｒａｙｌの音響インピーダンスを有したＰＺＴ系圧電セラミックスを材料とする。
【００６５】
第一音響整合層２９は、実施例１、２では、銀ナノ粒子含有樹脂を材料とする。その音響インピーダンスは、実施例１では１２Ｍｒａｙｌであり、実施例２では１１Ｍｒａｙｌである。一方、比較例１では、第一音響整合層２９を備えていない。
【００６６】
受信用圧電体３０ａ〜３０ｅは、実施例１、２では、４．５ＭｒａｙｌのＰＶＤＦを材料とする。一方、比較例１では、受信用圧電体３０ａ〜３０ｅの代わりに、８Ｍｒａｙｌの音響インピーダンスを有したジルコニア粒子分散エポキシ系樹脂を備えている。
【００６７】
第二音響整合層３２は、全ての例でエポキシ系樹脂を材料とする。その音響インピーダンスは、比較例１だけが３Ｍｒａｙｌであるが、その他の例では２Ｍｒａｙｌである。
【００６８】
各実施例及び比較例１で作製したＵＴアレイ２１の受信感度を調べる試験を行った。各実施例では、基本波に加えて、高調波成分を感度良く受信した。
【００６９】
これに対し、比較例１では、送信周波数が所定以上の場合、基本波を受信することができたが、高調波成分を受信することはできなかった。なお、送信周波数を下げることで、高調波成分を受信することも可能であったが、このときの送信周波数は、超音波撮像を行うためには不十分であった。
【００７０】
このように、送受信用圧電体２８ａとは別に、互いに体積の異なる複数の受信用圧電体３０ａ〜３０ｅを備えたことで、基本波に加えて高調波成分を感度良く受信することが可能となった。
【００７１】
上記実施形態では、いわゆるコンベックス電子走査型の体外式の超音波プローブを例示したが、ラジアル電子走査型、あるいは１個のＵＴ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走査方式の超音波プローブでもよい。電子内視鏡の鉗子チャンネルに挿入される体内式の超音波プローブや、電子内視鏡と一体化された超音波内視鏡についても本発明は適用可能である。
【符号の説明】
【００７２】
２ 超音波診断装置
１１ 超音波プローブ
２１ 超音波トランスデューサアレイ（ＵＴアレイ）
２７ 下部電極
２８ 第一圧電体層
２８ａ 送受信用圧電体
２９ 第一音響整合層
３０ 第二圧電体層
３０ａ〜３０ｅ 受信用圧電体
３１ 上部電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波の送信と反射波の受信を別の圧電体で行う超音波トランスデューサ、及びこれを用いた超音波プローブに関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波プローブを利用した医療診断が盛んに行われている。超音波プローブの先端には、超音波トランスデューサ（以下、ＵＴと略す）が配されている。ＵＴは、バッキング材、圧電体およびこれを挟む電極、音響整合層、並びに音響レンズから構成される。ＵＴから被検体（人体）に超音波を照射し、被検体からの反射波をＵＴで受信する。これにより出力される検出信号を超音波観測器で電気的に処理することによって、超音波画像が得られる。
【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ある。超音波断層画像を得る方法としては、ＵＴ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走査方式や、複数のＵＴをアレイ状に配列（以下、ＵＴアレイという）し、駆動するＵＴを電子スイッチ等で選択的に切り替える電子スキャン走査方式が知られている。
【０００４】
従来、同じ圧電体で超音波および反射波を送受信することが普通であったが、最近、超音波の送信と反射波の受信を別の圧電体で行うものが提案されている。送信用には、電気機械結合定数ｋ３３が比較的大きく、超音波の送信パワーに優れた無機系の圧電セラミックスが、受信用には、送信定数ｄ３３は小さいものの、受信定数ｇ３３が比較的大きく、反射波の受信感度に優れた有機系の高分子圧電体がそれぞれ用いられる。
【０００５】
特許文献１では、音響レンズの底面（被検体と反対側の面）に送信用圧電体を、音響レンズの表面（被検体側の面）の凹部に複数の受信用圧電体をそれぞれ配置している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平０６−１４８１５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
被検体とＵＴとは、音響インピーダンスに大きな差がある。このため、音響整合層を設けて音響インピーダンス差を段階的に変化させて超音波の伝播損失を抑えている。しかしながら、特許文献１には、被検体とＵＴとの間の音響インピーダンス差の緩和を考慮した記載がない。
【０００８】
また、特許文献１に記載のＵＴは、音響レンズの表面に凹部を形成して、凹部に複数の受信用ＵＴを配置する等、構成が複雑で製造コストが嵩む。
【０００９】
さらに、ＵＴから被検体に照射される超音波は、伝播するうちに歪んだ波形となり、基本波の周波数の整数倍である高調波成分を含んでいるが、特許文献１に記載のＵＴには、高調波成分を受信する工夫はない。
【００１０】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、より簡単な構成で製造コストも掛からず、さらに超音波の送信感度、および反射波、特にその高調波成分の受信感度を向上させることができる超音波トランスデューサ、及びこれを用いた超音波プローブを実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の超音波トランスデューサは、被検体に超音波を送信する送信用圧電体の第一圧電体層と、被検体からの反射波を受信する互いに体積の異なる複数の受信用圧電体が配列された第二圧電体層と、前記第一及び第二圧電体層の間に設けられ、前記第一及び第二圧電体層に共通する電極を兼ねた音響整合層とを積層したことを特徴とする。
【００１２】
前記第二圧電体層は、前記第一圧電体層よりも被検体側に位置することが好ましい。各受信用圧電体は、前記第二圧電体層に沿う反射波の受信面の面積が互いに異なることが好ましく、また、前記受信面に直交する方向の厚みが互いに異なることが好ましい。
【００１３】
前記第一圧電体は、無機材料からなり、前記第二圧電体は、有機材料からなることが好ましい。または、前記第二圧電体は、有機材料に無機材料を分散させた複合圧電体であることが好ましい。
【００１４】
前記音響整合層は、有機材料に金属を含有した複合体であることが好ましく、前記金属は、金属ナノ粒子であることが好ましい。または、前記音響整合層は、相対的に導電性の低い材料、又は導電性のない材料の表面を導電性のある材料で覆ったものであることが好ましい。
【００１５】
本発明の超音波プローブは、上記の超音波トランスデューサを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の超音波トランスデューサ及び超音波プローブによれば、第一及び第二圧電体の共通電極を兼ねた音響整合層を有するとともに、反射波を受信する第二圧電体層が、互いに体積の異なる複数の受信用圧電体で構成されるので、より簡単な構成で製造コストも掛からず、さらに超音波の送信感度、および反射波、特にその高調波成分の受信感度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】超音波診断装置の構成を示す概略図である。
【図２】超音波トランスデューサアレイを示す一部破断斜視図である。
【図３】超音波トランスデューサアレイ及び電気的構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１において、超音波診断装置２は、携帯型超音波観測器１０と体外式の超音波プローブ１１とで構成される。携帯型超音波観測器１０は、装置本体１２とカバー１３とからなる。装置本体１２の上面には、携帯型超音波観測器１０に種々の操作指示を入力するための複数のボタンやトラックボールが設けられた操作部１４が配されている。カバー１３の内面には、超音波画像をはじめとして様々な操作画面を表示するモニタ１５が設けられている。
【００１９】
カバー１３は、ヒンジ１６を介して装置本体１２に取り付けられており、操作部１４とモニタ１５とを露呈させる図示する開き位置と、装置本体１２の上面とカバー１３の内面を対面させて、操作部１４とモニタ１５を互いに覆って保護する閉じ位置（図示せず）との間で回動自在である。装置本体１２の側面には、グリップ（図示せず）が取り付けられており、装置本体１２とカバー１３を閉じた状態で携帯型超音波観測器１０を持ち運ぶことができる。装置本体１２のもう一方の側面には、超音波プローブ１１が着脱自在に接続されるプローブ接続部１７が設けられている。
【００２０】
超音波プローブ１１は、術者が把持して被検体にあてがう走査ヘッド１８と、プローブ接続部１７に接続されるコネクタ１９と、これらを繋ぐケーブル２０とからなる。走査ヘッド１８の先端部には、超音波トランスデューサアレイ（以下、ＵＴアレイと略す）２１が内蔵されている。
【００２１】
図２において、ＵＴアレイ２１は、ガラス−エポキシ樹脂等の平板状の台座２５上に、バッキング材２６、下部電極２７、送受信用圧電体２８ａからなる第一圧電体層２８、第一音響整合層２９、受信用圧電体３０ａ〜３０ｅからなる第二圧電体層３０、上部電極３１、第二音響整合層３２、及び音響レンズ３３が順次積層された構造を有する。
【００２２】
バッキング材２６は、超音波を放射する際の送受信用圧電体２８ａの自由振動を規制して、超音波の進行方向の分解能を向上させる。バッキング材２６には、振動を吸収できる様々な材料を用いることができ、無機材料、有機材料いずれも適用可能である。特に、エポキシ系樹脂などの樹脂材料や、塩素化ポリエチレンゴム、天然ゴム、ＳＢＲなどのゴム系材料は、音響インピーダンスが小さく、感度を落とさずに振動を吸収できるため、好ましい。
【００２３】
送受信用圧電体２８ａは、ＥＬ方向に長い短冊状をしており、ＥＬ方向と直交するアジマス方向（以下、ＡＺ方向と略す）に複数等間隔で配列されている。各送受信用圧電体２８ａの隙間およびその周囲には、充填剤３４が充填されている。
【００２４】
送受信用圧電体２８ａは、厚みが０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度であり、第一音響整合層２９及び下部電極２７によって上下から挟み込まれている。第一音響整合層２９は導電性を有し、送受信用圧電体２８ａの上部電極を兼ねている。下部電極２７は、例えば金薄膜からなる。第一音響整合層２９及び下部電極２７には、リード線（図示省略）がそれぞれ接続されている。下部電極２７、送受信用圧電体２８ａからなる第一圧電体層２８、及び第一音響整合層２９は、これら一式で送受信用の超音波トランスデューサを構成する。
【００２５】
第一音響整合層２９に接続されたリード線は、接地されている（図３参照）。一方、下部電極２７に接続されたリード線は、携帯型超音波観測器１０に接続されている。携帯型超音波観測器１０には送受信回路（図３参照）４１が内蔵されており、この送受信回路４１から送受信用圧電体２８ａにパルス電圧が印加されると、送受信用圧電体２８ａが振動して超音波を発生し、これにより被検体の被観察部位に超音波が照射される。また、被観察部位からの反射波を受信すると、送受信用圧電体２８ａが振動して電圧を発生し、この電圧が受信信号として出力される。
【００２６】
送受信用圧電体２８ａには、圧電性を示す様々な無機材料を用いることができる。ＰＺＴを主体とするＰｂ系の圧電材料が非常に好ましい。特に、近年巨大圧電定数を示す材料として用途が広がっているＰＭＮ−ＰＴやＰＺＮ−ＰＴなどのリラクサ系の圧電単結晶が好ましい。これらは、電気機械結合定数ｋが大きく、印加された電圧に対する超音波の出力の割合（変換効率）が比較的高い。
【００２７】
受信用圧電体３０ａ〜３０ｅからなる第二圧電体層３０は、音響整合層を兼ねており、第一、第二音響整合層２９、３２とともに、送受信用圧電体２８ａと人体との音響インピーダンスの差を段階的に緩和し、超音波の送受信感度を向上させる。また、第二音響整合層３２は、人体と受信用圧電体３０ａ〜３０ｅとの音響インピーダンスの差を段階的に緩和し、超音波の受信感度を向上させる。
【００２８】
第一音響整合層２９には、音響インピーダンスが送受信用圧電体２８ａよりも小さくかつ受信用圧電体３０ａ〜３０ｅより大きい様々な導電性材料を用いることができる。具体的には、第一音響整合層２９は、金属ナノ粒子（直径１ｎｍ〜１００ｎｍ程度の金属粒子）と、接着性を有する樹脂とからなる混合物を焼成したものである。金属ナノ粒子として、銀ナノ粒子を含み、さらに好ましくは、金属ナノ粒子の全てが銀ナノ粒子である。銀ナノ粒子は、金属ナノ粒子のうち比較的樹脂に対する高分散性を有しているため、好適である。金属ナノ粒子含有樹脂を焼成すると、樹脂内で粒子が結合して導電性パスを形成する。これにより、高い導電性を得ることができる。なお、第一音響整合層２９は、相対的に導電性の低い材料や導電性のない材料の表面を導電性のある材料で覆った形態であってもよい。
【００２９】
受信用圧電体３０ａ〜３０ｅは、ＥＬ方向に等間隔で配列され、これら一式でＥＬ方向に長い短冊状をなしている。受信用圧電体３０ａ〜３０ｅは、第二圧電体層３０に沿う反射波の受信面の面積が順に小さくなっており、互いに異なる体積を有している。つまり、各受信用圧電体３０ａ〜３０ｅは、体積や形状等に起因する固有振動数を有しており、固有振動数に対応する振動数の反射波を感度良く受信する。
【００３０】
受信用圧電体３０ａ〜３０ｅの一式は、送受信用圧電体２８ａ同様、ＡＺ方向に複数等間隔で配列されている。各受信用圧電体３０ａ〜３０ｅの隙間およびその周囲には、充填剤３５が充填されている。
【００３１】
受信用圧電体３０ａ〜３０ｅは、厚みが０．０５ｍｍ〜０．３ｍｍ程度であり、上部電極３１及び第一音響整合層２９によって上下から挟み込まれている。上述のように第一音響整合層２９は導電性を有し、送受信用圧電体２８ａの上部電極を兼ねているが、第一音響整合層２９は、さらに、受信用圧電体３０ａ〜３０ｅの下部電極を兼ねている。つまり、第一音響整合層２９は、送受信用圧電体２８ａ及び受信用圧電体３０ａ〜３０ｅに共通する電極を兼ねている。上部電極３１は、例えば金薄膜からなり、リード線（図示省略）が接続されている。
【００３２】
上部電極３１に接続されたリード線は、携帯型超音波観測器１０に接続されている。受信用圧電体３０ａ〜３０ｅが反射波を受信すると、携帯型超音波観測器１０に内蔵された送受信回路４１（図３参照）に受信信号が入力される。第一音響整合層２９、受信用圧電体３０ａ〜３０ｅからなる第二圧電体層３０、及び上部電極３１は、これら一式で受信用超音波トランスデューサを構成する。
【００３３】
受信用圧電体３０ａ〜３０ｅは、互いに同じ材料からなる。材料には、音響インピーダンスが第一音響整合層２９より小さくて第二音響整合層３２より大きく、圧電性を示す様々な有機材料を用いることができる。ＰＶＤＦやＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）などのフッ化系材料が好ましい。これらは、受信定数ｇが大きく、超音波の受信感度が比較的高い。なお、受信用圧電体３０ａ〜３０ｅには、有機材料に無機材料を分散させた複合圧電体を用いることもできる。
【００３４】
第二音響整合層３２には、音響インピーダンスが受信用圧電体３０ａ〜３０ｅより小さく人体より大きい様々な材料を用いることができる。具体的には、エポキシ系樹脂が挙げられる。
【００３５】
音響レンズ３３は、送受信用圧電体２８ａから発せられる超音波を被観察部位に集束させる。音響レンズ３３は、例えばシリコーンゴムからなり、厚みは最大で１ｍｍ程度である。
【００３６】
ＵＴアレイ２１の各層を積層させる際に用いる接着剤には、様々な材料を適用することができる。特に、エポキシ系樹脂は、音響透過性と接合強度に優れ、また、コスト的にも安価であるため好ましい。
【００３７】
図３に示すように、送受信回路４１には、パルサ４２、レシーバ４３、第一Ａ／Ｄ４４、画像生成部４５、Ｔｘ／Ｒｘ４６、レシーバ４７、第二Ａ／Ｄ４８などが設けられている。
【００３８】
パルサ４２は、Ｔｘ／Ｒｘ４６を介して下部電極２７に接続されている。パルサ４２は、下部電極２７に対し、送受信用圧電体２８ａに超音波を発生させるための励振パルス（パルス電圧）を送信する。
【００３９】
レシーバ４３は、Ｔｘ／Ｒｘ４６を介して下部電極２７に接続されている。レシーバ４３には、被観察部位で反射した超音波に基づく送受信用圧電体２８ａからの受信信号が入力され、これを増幅する。
【００４０】
第一Ａ／Ｄ４４は、レシーバ４３からの受信信号に対してＡ／Ｄ変換を施し、受信信号をデジタル化する。第一Ａ／Ｄ４４でデジタル化された受信信号は、画像生成部４５に入力される。
【００４１】
Ｔｘ／Ｒｘ４６には、パルサ４２及びレシーバ４３が接続されており、これらの入出力を選択的に切り替える。
【００４２】
レシーバ４７は、上部電極３１に接続されている。レシーバ４７は、レシーバ４３同様、受信用圧電体３０ａ〜３０ｅからの受信信号を増幅する。
【００４３】
第二Ａ／Ｄ４８は、レシーバ４７からの受信信号に対してＡ／Ｄ変換を施し、受信信号をデジタル化する。第二Ａ／Ｄ４８でデジタル化された受信信号は、画像生成部４５に入力される。画像生成部４５は、第一及び第二Ａ／Ｄ４４、４８から入力された受信信号に基づいて超音波画像を生成し、モニタ１５に出力する。なお、送受信回路４１を構成する画像生成部４５以外の各部は、一組の送受信用圧電体２８ａ、受信用圧電体３０ａ〜３０ｅ毎にある。
【００４４】
このように、導電性を有する第一音響整合層２９を、送受信用圧電体２８ａ及び受信用圧電体３０ａ〜３０ｅに共通する電極として用いることで、別々の電極を用いた場合と比較して、構成が簡単で製造コストも掛からないＵＴアレイを容易に作製することができる。また、第一音響整合層２９は、金属ナノ粒子含有樹脂が用いられているから、高い導電性を示し、共通電極として十分に機能する。
【００４５】
さらに、第一音響整合層２９に用いられる樹脂は熱硬化性であり、受信用圧電体３０ａ〜３０ｅの接着剤として機能するから、第一音響整合層の成膜後、接着剤を塗布して受信用圧電体３０ａ〜３０ｅを積層する従来の工程に比べて、工程数の増加を抑えて、ＵＴアレイを容易に作製することができる。また、比較的薄層の電極数の増加も抑えられ、歩留まりの悪化が防止される。
【００４６】
超音波は、伝播する被検体（生体組織）の物理的特性（硬さなど）の影響を受けて歪んだ波形となり、基本波の周波数の整数倍である高調波成分（非線形成分）を含むこととなる。基本波および各高調波の周波数に対応する固有振動数となるように、受信用圧電体３０ａ〜３０ｅの第二圧電体層３０に沿う反射波の受信面の面積や形状等を設定しておくことで、反射波、特にその高調波成分（第二次高調波、第三次高調波、第四次高調波など）を感度良く受信することができる。
【００４７】
また、受信した基本波や高調波成分の割合から、生体組織がどの程度非線形現象を起こすかを示す非線形パラメータ（Ｂ／Ａパラメータ）を取得することができる。このＢ／Ａパラメータは、主に生体組織の硬さを反映した数値であり、診断指標として用いることが期待されていたが、本発明によれば確証のある値を容易に取得できる。
【００４８】
なお、超音波を送信する超音波トランスデューサとして、超音波の受信も行う送受信用圧電体２８ａを備えた場合を例に説明したが、送受信用圧電体２８ａに代えて、超音波の送信のみを行う送信用超音波トランスデューサを備えていてもよい。
【００４９】
受信用圧電体３０ａ〜３０ｅの第二圧電体層３０に沿う反射波の受信面の面積が、端から順に小さくなる場合を例に説明したが、互いに異なっていればよく、中央から両端に向けて順に小さくなるようにしてもよい。また、受信用圧電体３０ａ〜３０ｅの体積が互いに異なっていればよく、面積が順に小さくなることに代えて、あるいは加えて、第二圧電体層３０の反射波の受信面に直交する方向の厚みが互いに異なるようにしてもよい。その厚みは、１／ｎ（ｎ：自然数）にすることで固有振動数はｎ倍になる。例えば、半分にすることで固有振動数は２倍になる。
【００５０】
上部電極３１とレシーバ（増幅器）４７を接続する伝送線路が長くなると、伝送線路の持つ容量性抵抗により、上部電極３１とレシーバ４７との間の受信信号の電圧降下量が大きくなる。受信信号の電圧降下量が大きくなると、受信用圧電体３０ａ〜３０ｅで受信した超音波に基づく超音波画像の画質が劣化し、受信用圧電体３０ａ〜３０ｅに受信感度が高いものを用いた効果が半減する。
【００５１】
このため、上部電極３１とレシーバ４７を接続する伝送線路は、できるだけ短いことが好ましく、上部電極３１とレシーバ４７とを直近に配置することが好ましい。具体的には、レシーバ４７を、上記実施形態のように携帯型超音波観測器１０ではなく、走査ヘッド１８に内蔵する。
【００５２】
［実施例１］
次に、ＵＴアレイ２１の各層を積層した実施例１を説明する。バッキング材２６には、１ｃｍ厚に切り出した塩素化ポリエチレンゴムを用いた。バッキング材２６上に、熱硬化型のエポキシ樹脂を用いてＦＰＣ（フレキシブルプリント回路）を接着した。
【００５３】
送受信用圧電体２８ａには、ＰＺＴ系圧電セラミックスであるＣ９２Ｈ（株式会社富士セラミックス製）を用いた。送受信用圧電体２８ａの両面を研磨して、その厚さを２６０μｍにした。送受信用圧電体２８ａの片面にＴｉ、Ｐｔ、Ａｕを順次スパッタリングして金属膜を形成した。送受信用圧電体２８ａの金属膜側を、バッキング材２６上のＦＰＣに接着した。接着剤には、銀ナノ粒子を含有した樹脂を用い、熱硬化させた。送受信用圧電体２８ａの音響インピーダンスは、約３１Ｍｒａｙｌであった。なお、バッキング材２６上に接着されたＦＰＣと、送受信用圧電体２８ａ上に形成されたＴｉ、Ｐｔ、Ａｕの金属膜とは、下部電極２７を構成する。
【００５４】
送受信用圧電体２８ａ上に、第一音響整合層２９として、銀ナノ粒子を含有した樹脂（住友電気工業株式会社製）を厚さがλ／４（λ：超音波の波長）となるように塗布した。第一音響整合層２９の塗布後、約１８０℃の大気中で１時間の加熱により硬化させた。加熱後、第一音響整合層２９の音響インピーダンスは、約１２Ｍｒａｙｌであった。
【００５５】
受信用圧電体３０ａ〜３０ｅには、音響インピーダンスが４．５ＭｒａｙｌのＰＶＤＦを用いた。受信用圧電体３０ａ〜３０ｅをλ／４の厚さに成型し、その片面にベタ電極（金属膜）を形成した。受信用圧電体３０ａ〜３０ｅをベタ電極の反対側で、第一音響整合層２９に接着した。接着剤には、銀ナノ粒子を含有した樹脂を用いた。なお、受信用圧電体３０ａ〜３０ｅに形成されたベタ電極は、上部電極３１を構成する。
【００５６】
そして、音響インピーダンスが２Ｍｒａｙｌのエポキシ系樹脂を、その厚さがλ／４となるように研磨してから、第二音響整合層３２として上部電極３１上に、熱硬化型のエポキシ系接着剤を用いて接着した。同様に、第二音響整合層３２上に音響レンズ３３を接着した。
【００５７】
なお、以下の例では、実施例１と同様の構成を省略して異なる部分を説明する。
【００５８】
［実施例２］
送受信用圧電体２８ａには、リラクサ系圧電単結晶であるＰＭＮ−ＰＴ（Ｐｂ（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３系材料、ＪＦＥミネラル株式会社製）を用いた。送受信用圧電体２８ａの両面研磨により、その厚さを２４０μｍにした。送受信用圧電体２８ａの音響インピーダンスは、約２２Ｍｒａｙｌであった。
【００５９】
実施例１と同様、第一音響整合層２９を積層してから、約１６０℃の大気中で１時間の加熱により硬化させた。加熱後、第一音響整合層２９の音響インピーダンスは、約１１Ｍｒａｙｌであった。
【００６０】
［比較例１］
送受信用圧電体２８ａの両面にＴｉ、Ｐｔ、Ａｕを順次スパッタリングして金属膜を形成した。両面に金属膜が形成された送受信用圧電体２８ａを、バッキング材２６上のＦＰＣに接着した。接着剤には、銀ナノ粒子を含有した樹脂を用い、１００℃の大気中で１時間加熱して熱硬化を行った。送受信用圧電体２８ａの音響インピーダンスは、約３１Ｍｒａｙｌであった。
【００６１】
比較例１では、第一音響整合層２９を積層せず、その代わり、送受信用圧電体２８ａの上面に形成した金属膜を上部電極とした。また、受信用圧電体３０ａ〜３０ｅを積層せず、その代わり、音響インピーダンスが８Ｍｒａｙｌのジルコニア粒子分散エポキシ系樹脂を、その厚さがλ／４となるように研磨してから、音響整合層として送受信用圧電体２８ａ上に積層した。接着剤には、熱硬化型のエポキシ系のものを用い、加熱により硬化させた。
【００６２】
さらに、音響インピーダンスが３Ｍｒａｙｌのエポキシ系樹脂を、その厚さがλ／４となるように研磨してから、第二音響整合層３２として、熱硬化型のエポキシ系接着剤を用いて接着した。
【００６３】
【表１】
【００６４】
上記表１は、すでに説明した、各実施例及び比較例１における各層の材料と音響インピーダンス［Ｍｒａｙｌ］との関係をまとめたものである。送受信用圧電体２８ａは、実施例２だけが２２Ｍｒａｙｌの音響インピーダンスを有したリラクサ系圧電単結晶を材料とするが、その他の例では、３１Ｍｒａｙｌの音響インピーダンスを有したＰＺＴ系圧電セラミックスを材料とする。
【００６５】
第一音響整合層２９は、実施例１、２では、銀ナノ粒子含有樹脂を材料とする。その音響インピーダンスは、実施例１では１２Ｍｒａｙｌであり、実施例２では１１Ｍｒａｙｌである。一方、比較例１では、第一音響整合層２９を備えていない。
【００６６】
受信用圧電体３０ａ〜３０ｅは、実施例１、２では、４．５ＭｒａｙｌのＰＶＤＦを材料とする。一方、比較例１では、受信用圧電体３０ａ〜３０ｅの代わりに、８Ｍｒａｙｌの音響インピーダンスを有したジルコニア粒子分散エポキシ系樹脂を備えている。
【００６７】
第二音響整合層３２は、全ての例でエポキシ系樹脂を材料とする。その音響インピーダンスは、比較例１だけが３Ｍｒａｙｌであるが、その他の例では２Ｍｒａｙｌである。
【００６８】
各実施例及び比較例１で作製したＵＴアレイ２１の受信感度を調べる試験を行った。各実施例では、基本波に加えて、高調波成分を感度良く受信した。
【００６９】
これに対し、比較例１では、送信周波数が所定以上の場合、基本波を受信することができたが、高調波成分を受信することはできなかった。なお、送信周波数を下げることで、高調波成分を受信することも可能であったが、このときの送信周波数は、超音波撮像を行うためには不十分であった。
【００７０】
このように、送受信用圧電体２８ａとは別に、互いに体積の異なる複数の受信用圧電体３０ａ〜３０ｅを備えたことで、基本波に加えて高調波成分を感度良く受信することが可能となった。
【００７１】
上記実施形態では、いわゆるコンベックス電子走査型の体外式の超音波プローブを例示したが、ラジアル電子走査型、あるいは１個のＵＴ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走査方式の超音波プローブでもよい。電子内視鏡の鉗子チャンネルに挿入される体内式の超音波プローブや、電子内視鏡と一体化された超音波内視鏡についても本発明は適用可能である。
【符号の説明】
【００７２】
２ 超音波診断装置
１１ 超音波プローブ
２１ 超音波トランスデューサアレイ（ＵＴアレイ）
２７ 下部電極
２８ 第一圧電体層
２８ａ 送受信用圧電体
２９ 第一音響整合層
３０ 第二圧電体層
３０ａ〜３０ｅ 受信用圧電体
３１ 上部電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体に超音波を送信する送信用圧電体の第一圧電体層と、
被検体からの反射波を受信する互いに体積の異なる複数の受信用圧電体が配列された第二圧電体層と、
前記第一及び第二圧電体層の間に設けられ、前記第一及び第二圧電体層に共通する電極を兼ねた音響整合層とを積層したことを特徴とする超音波トランスデューサ。
【請求項２】
前記第二圧電体層は、前記第一圧電体層よりも被検体側に位置することを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項３】
各受信用圧電体は、前記第二圧電体層に沿う反射波の受信面の面積が互いに異なることを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項４】
各受信用圧電体は、前記受信面に直交する方向の厚みが互いに異なることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
【請求項５】
前記送信用圧電体は、無機材料からなり、
前記受信用圧電体は、有機材料からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
【請求項６】
前記送信用圧電体は、無機材料からなり、
前記受信用圧電体は、有機材料に無機材料を分散させた複合圧電体であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
【請求項７】
前記音響整合層は、有機材料に金属を含有した複合体であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
【請求項８】
前記金属は、金属ナノ粒子であることを特徴とする請求項７に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項９】
前記音響整合層は、相対的に導電性の低い材料、又は導電性のない材料の表面を導電性のある材料で覆ったものであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載の超音波トランスデューサを備えたことを特徴とする超音波プローブ。
【請求項１】
被検体に超音波を送信する送信用圧電体の第一圧電体層と、
被検体からの反射波を受信する互いに体積の異なる複数の受信用圧電体が配列された第二圧電体層と、
前記第一及び第二圧電体層の間に設けられ、前記第一及び第二圧電体層に共通する電極を兼ねた音響整合層とを積層したことを特徴とする超音波トランスデューサ。
【請求項２】
前記第二圧電体層は、前記第一圧電体層よりも被検体側に位置することを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項３】
各受信用圧電体は、前記第二圧電体層に沿う反射波の受信面の面積が互いに異なることを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項４】
各受信用圧電体は、前記受信面に直交する方向の厚みが互いに異なることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
【請求項５】
前記送信用圧電体は、無機材料からなり、
前記受信用圧電体は、有機材料からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
【請求項６】
前記送信用圧電体は、無機材料からなり、
前記受信用圧電体は、有機材料に無機材料を分散させた複合圧電体であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
【請求項７】
前記音響整合層は、有機材料に金属を含有した複合体であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
【請求項８】
前記金属は、金属ナノ粒子であることを特徴とする請求項７に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項９】
前記音響整合層は、相対的に導電性の低い材料、又は導電性のない材料の表面を導電性のある材料で覆ったものであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載の超音波トランスデューサを備えたことを特徴とする超音波プローブ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１１−６７４８５（Ｐ２０１１−６７４８５Ａ）
【公開日】平成２３年４月７日（２０１１．４．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２２２００７（Ｐ２００９−２２２００７）
【出願日】平成２１年９月２８日（２００９．９．２８）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年４月７日（２０１１．４．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月２８日（２００９．９．２８）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
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