超音波プローブ及び超音波プローブの製造方法
【課題】振動子の振動に伴う音響特性の劣化を防止する。
【解決手段】振動子部１は、超音波の送受信のために振動する。緩衝層５は、振動子部１の背面側に設けられている。背面材６は、緩衝層５の背面側に設けられ、振動子部１からの超音波を減衰する。緩衝層５は、背面材６よりも大きいポアソン比を有する。
【解決手段】振動子部１は、超音波の送受信のために振動する。緩衝層５は、振動子部１の背面側に設けられている。背面材６は、緩衝層５の背面側に設けられ、振動子部１からの超音波を減衰する。緩衝層５は、背面材６よりも大きいポアソン比を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、超音波プローブ及び超音波プローブの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波プローブは、超音波を送受信するための圧電振動子を有している。圧電振動子の前面（超音波プローブの生体接触面側の面）には、圧電振動子と生体との音響インピーダンスの不整合を緩和する音響整合層が設けられ、背面には、圧電振動子からの超音波を減衰する背面材が設けられている。圧電振動子は、超音波を送受信する際、機械的に振動する。この振動に起因して背面材も機械的に振動してしまう。背面材の機械的振動は、超音波プローブの音響特性にノイズを与えてしまい、音響特性を悪化させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特公昭５３−２５３９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
目的は、振動子の振動に伴う音響特性の劣化を防止する超音波プローブ及び超音波プローブの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本実施形態に係る超音波プローブは、超音波の送受信のために振動する振動子と、前記振動子の背面側に設けられた緩衝層と、前記緩衝層の背面側に設けられ、前記振動子からの超音波を減衰する背面材と、を具備する超音波プローブであって、前記緩衝層は、前記背面材よりも大きいポアソン比を有する、ことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本実施形態に係る超音波プローブの概略的な構造を示す図。
【図２】従来構造の超音波プローブの音響シミュレーションの結果を示す図。
【図３】本実施形態に係る超音波プローブの音響シミュレーションの結果を示す図。
【図４】本実施形態の実施例１に係る超音波プローブの製造工程の典型的な流れを示す図。
【図５】図４のステップＳＡ１を説明するための図。
【図６】図４のステップＳＡ２を説明するための図。
【図７】図４のステップＳＡ３を説明するための図。
【図８】図４のステップＳＡ４を説明するための図。
【図９】図４のステップＳＡ５を説明するための図。
【図１０】本実施形態の実施例２に係る超音波プローブの製造工程の典型的な流れを示す図。
【図１１】図１０のステップＳＢ１を説明するための図。
【図１２】図１０のステップＳＢ２を説明するための図。
【図１３】図１０のステップＳＢ３を説明するための図。
【図１４】図１０のステップＳＢ４を説明するための図。
【図１５】図１０のステップＳＢ５を説明するための図。
【図１６】図１０のステップＳＢ６を説明するための図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、図面を参照しながら本実施形態に係わる超音波プローブ及び超音波プローブの製造方法を説明する。
【０００８】
図１は、本実施形態に係る超音波プローブの概略的な構造を示す図である。図１に示すように、超音波プローブは、超音波を送受信する振動子部１を有している。振動子部１の前面（生体接触面４ｓ側の面）には、第１音響整合層２が設けられている。第１音響整合層２の前面には、第２音響整合層３が設けられている。第２音響整合層の前面には、音響レンズ４が設けられる。振動子部１の背面（生体接触面４ｓとは反対側の面）には、緩衝層５が設けられている。緩衝層５の背面には、背面材６が設けられている。ここで、背面材６、緩衝層５、振動子部１、第１音響整合層２、第２音響整合層３、及び音響レンズ４の積層方向を厚み方向に規定する。
【０００９】
振動子部１は、１次元状又は２次元状に配列された複数の圧電振動子（図１に図示せず）を有している。各圧電振動子は、圧電材料からなる圧電体（図１に図示せず）と、圧電体の前面に形成された電極（以下、前面電極と呼ぶ。図１に図示せず）と圧電体の背面に形成された電極（以下、背面電極と呼ぶ。図１に図示せず）とにより構成される。圧電材料としては、例えば、音響インピーダンスが３０Ｍｒａｙｌ（Ｍｒａｙｌ＝１０６ｋｇ／ｍ２ｓ）以上である圧電セラミックにより形成される。圧電振動子は、超音波診断装置本体からの駆動信号の供給を受けて振動し、超音波を送波する。発生された超音波は、被検体により反射される。反射された超音波は、圧電振動子に受波される。振動子は、超音波を受波すると振動し、電気信号を発生する。発生された電気信号は、超音波診断装置本体に送信される。圧電振動子は、主に厚み方向に振動する。換言すれば、圧電振動子の振動モードは、厚み振動モードである。
【００１０】
第１音響整合層２と第２音響整合層３とは、振動子部１と生体との間の音響インピーダンスの不整合を緩和するために設けられる。第１音響整合層２と第２音響整合層３とは、振動子部１の音響インピーダンスと生体の音響インピーダンスとの間の音響インピーダンスをそれぞれ有するように形成される。なお、第１音響整合層２は、第２音響整合層３よりも高い音響インピーダンスを有するように形成される。なお生体の音響インピーダンスは、概ね１．５Ｍｒａｙｌである。なお、第１音響整合層２は、１次元又は２次元状に配列された複数の第１音響整合素子（図１に図示せず）を有する。同様に、第２音響整合層３は、１次元又は２次元状に配列された複数の第２音響整合素子（図１に図示せず）を有する。なお、本実施形態に係る超音波プローブに含まれる音響整合層は、第１音響整合層２と第２音響整合層３との２つのみに限定されない。本実施形態に係る超音波プローブは、１つの音響整合層を有していても良いし、３つ以上の音響整合層を有していてもよい。
【００１１】
音響レンズ４は、振動子部１から被検体に向けて放射される超音波を収束するために設けられている。音響レンズ４は、第２音響整合層３の音響インピーダンスと生体の音響インピーダンスとの間の音響インピーダンスを有するように形成される。音響レンズ４は、被検体に接触される生体接触面４ｓを有している。
【００１２】
緩衝層５は、超音波の送受信に伴う振動子部１の機械的な振動を減衰（ダンピング）するために設けられている。緩衝層５の材料としては、例えば、ポリウレタン系やポリエチレン系等の高分子材料やシリコーン系樹脂材をベース材にした層状構造物が用いられる。緩衝層５の詳細については後述する。
【００１３】
背面材６は、振動子部１の音響的な振動を減衰するために設けられている。換言すれば、背面材６は、振動子部１から背面材６方向に放射された超音波を減衰する。また、背面材６は、振動子部１の構造的な保持材として機能する。具体的には、背面材６は、超音波プローブがリニアプローブの場合、複数の圧電振動子を直線状に保持するため、超音波プローブがコンベックスプローブの場合、複数の圧電振動子を一定の曲率の円弧状に保持するために設けられる。背面材６の材料としては、ポリブタジエンやクロロプレン等のゴム材が用いられる。背面材６は、音響整合による不要な共振が発生しないような音響インピーダンスを有するように形成される。典型的には、背面材６は、２〜７Ｍｒａｙｌの音響インピーダンスを有するように形成される。
【００１４】
次に、緩衝層５について詳細に説明する。
【００１５】
従来構造のように緩衝層がない場合、圧電振動子の機械的な振動が背面材に伝播され、背面材が機械的に振動してしまう。背面材の機械的振動により超音波プローブの音響特性が劣化してしまう。また、従来構造のように緩衝層がない場合、ある圧電振動子の機械的振動は、剛性を有する背面材を介して、隣接する圧電振動子に伝播してしまう。隣接する圧電振動子の機械的振動によっても、超音波プローブから放射される超音波の音場が乱れ、超音波プローブの音響特性が劣化してしまう。
【００１６】
緩衝層５は、圧電振動子の機械的振動を背面材６や隣接する圧電振動子に伝播させないために設けられる。そのため、緩衝層５は、背面材６よりも柔軟性を有するように、すなわち、背面材６よりもポアソン比が大きくなるように形成される。ポアソン比は、厚み方向に単位長さ当りαだけ伸ばした（あるいは縮めた）時に、横方向に単位長さ当りβだけ縮む（あるいは伸びる）場合、β／αに規定される。
【００１７】
上述のように背面材６は、超音波の音場の乱れを防止するために、振動子部１や第１音響整合層２、第２音響整合層３の幾何学的な配置を保持するために設けられる。また、背面材６は、超音波減衰能と不要な共振を防止するための音響インピーダンスとを有する必要がある。背面材６は、ゴム材をベースとして形成されているが、これら超音波減衰能と音響インピーダンスとの制約を満たすために様々な添加物が混入されることが多い。結果的に背面材６のポアソン比は、比較的小さく、すなわち、背面材６の剛性は高い。
【００１８】
ダンピング効果を向上させるため、緩衝層５のポアソン比は、高ければ高いほど良い。背面材６が樹脂材やゴム材で形成され、緩衝層５がシリコーンやウレタン、あるいはその他の樹脂材等をベース材として形成されることを考慮すると、緩衝層５のポアソン比は、例えば、０．４以上に設計されるとよい。なお、本実施形態に係る緩衝層５のポアソン比は０．４以上に限定されない。緩衝層５によるダンピング効果が得られるのであれば、緩衝層５のポアソン比が０．４未満であってもよい。
【００１９】
上述のように背面材６は、振動子部１から背面材６方向に放射された超音波を減衰するために設けられる。超音波は、音響インピーダンスの不連続面で反射されるという物理的性質を有している。本実施形態においては、振動子部１と背面材６との間に緩衝層５が設けられている。緩衝層５と背面材６との音響インピーダンスが異なる場合、緩衝層５と背面材６との境界面で超音波が反射されてしまう。緩衝層５により反射された超音波により、本実施形態に係る超音波プローブから放射される超音波の音場が乱れ、本実施形態に係る超音波プローブの音響特性が劣化してしまう。
【００２０】
緩衝層５と背面材６との境界面における超音波の反射を防止し、振動子部１からの超音波を効率よく背面材６に伝播させるために、緩衝層５の音響インピーダンスは、背面材６の音響インピーダンスに略一致するように設計される。具体的には、緩衝層５の音響インピーダンスと背面材６の音響インピーダンスとの差は、−２０％以上＋２０％以下に調整される。現実的には、緩衝層５の音響インピーダンスを調整して背面材６の音響インピーダンスに近づけることにより、緩衝層５と背面材６との音響インピーダンスを略一致させる。音響インピーダンスの調整方法のために、例えば、緩衝層５のベース材に、金属酸化物やセラミクス材料等を材料とした微粒子等の微小構造体が混入される。なお、本実施形態に係る緩衝層５と背面材６との音響インピーダンスの差は、−２０％以上＋２０％以下に限定されない。緩衝層５と背面材６との境界面における超音波の反射頻度をある程度低減できるのであれば、緩衝層５と背面材６との音響インピーダンスの差は、−２０％以下、あるいは＋２０％以上であってもよい。
【００２１】
緩衝層５のダンピング効果の向上のみを目的とするのであれば、緩衝層５は厚ければ厚いほど良い。しかしながら、緩衝層５が不要に厚い場合、圧電振動子の保持のための機械的剛性が低下し、圧電振動子の幾何的配置が安定しない。結果的に、超音波プローブから放射される超音波の音場が乱れ、超音波プローブの音響特性が劣化してしまう。反対に、緩衝層５が不要に薄い場合、圧電振動子の機械的振動を抑制できない。結果的に背面材６や隣接する圧電振動子に機械的振動が伝播され、やはり超音波プローブから放射される超音波の音場が乱れてしまう。これらの要因を考慮すると、緩衝層５の厚みは、振動子部１から送波される超音波の波長λの略１／２に設計されるとよい。なお、本実施形態に係る緩衝層５の厚みは、略λ／２に限定されない。圧電振動子の幾何学的配置が安定するのであれば、緩衝層５の厚みは、略λ／２よりも厚く設計されても良い。
【００２２】
次に、有限要素解析による音響シミュレーションの結果を参照しながら、本実施形態に係る超音波プローブと従来構造の超音波プローブとの音響特性の違いについて説明する。図２は、従来構造の超音波プローブの音響シミュレーションの結果を示す図であり、図３は本実施形態に係る超音波プローブの音響シミュレーションの結果を示す図である。従来構造の超音波プローブの音響シミュレーションでは、図２の（ｂ）に示すように、背面材、圧電振動子、第１音響整合素子、及び第２音響整合素子の積層構造をモデルとし、圧電振動子の音響インピーダンスを求めた。本実施形態に係る超音波プローブの音響シミュレーションでは、図３の（ｂ）に示すように、背面材、緩衝層、圧電振動子、第１音響整合素子、及び第２音響整合素子の積層構造をモデルとし、圧電振動子の音響インピーダンスを求めた。なお音響シミュレーションにおいて緩衝層の音響インピーダンスは背面材の音響インピーダンスに等しく、緩衝層の厚みはλ程度、緩衝層のポアソン比は略０．４５に設定された。
【００２３】
図２の（ａ）と図３の（ａ）との横軸は周波数ｆ［ＭＨｚ］、左縦軸は音響インピーダンスの絶対値Ｚ［Ω］、右縦軸は音響インピーダンスの位相θ［ｄｅｇ］に規定されている。実線は位相θの周波数ｆに対する変化曲線を示し、点線は絶対値Ｚの周波数ｆに対する変化曲線を示す。図２の（ａ）に係る変化曲線では、圧電振動子、第１音響整合層、及び第２音響整合層による３つの共振ピークを確認できる。共振ピークは、絶対値Ｚあるいは位相θの極大値に規定される。それ以外に、図２の（ａ）に係る変化曲線では、０．４ＭＨｚ付近に共振ピークを確認できる。この０．４ＭＨｚ付近の共振ピークは、背面材の機械的振動に起因するものであり、音響特性に不要なノイズとして悪影響を与えている。一方、図３の（ａ）に係る変化曲線では、圧電振動子、第１音響整合層、及び第２音響整合層による３つの共振ピークを確認できる。しかし、図３の（ａ）に係る変化曲線では、０．４ＭＨｚ付近の不要な共振ピークは消失している。これは、緩衝層により圧電振動子の機械的振動が背面材に伝播することを防止し、背面材の機械的振動が減衰したことによる。
【００２４】
上記構成により本実施形態に係る超音波プローブは、振動子部１と背面材６との間に、背面材６よりもポアソン比が大きい緩衝層５を有している。このような振動子部１、緩衝層５、及び背面材６の幾何学的配置により、振動子部１から背面材６への機械的振動を緩衝層５により低減することができる。また、緩衝層５と背面材６との音響インピーダンスが略一致するように緩衝層５と背面材６とが形成される。この場合、緩衝層５による超音波の反射頻度を低減することができ、振動子部１から背面材６側に放射される不要な超音波を背面材６に効率的に吸収させることができる。従って、振動子部１からの不要な超音波による音場の乱れを低下し、超音波プローブの音響特性を向上することができる。
【００２５】
次に本実施形態に係る超音波プローブの製造方法を実施例１と実施例２とに分けて説明する。実施例１と実施例２とでは、超音波プローブの構造が異なっている。
【００２６】
［実施例１］
実施例１においては、電極引き出し用基板と背面材６との間に緩衝層５が配置される。電極引き出し用基板は、超音波診断装置本体と振動子部１との間における信号の送受信のために設けられ、前面側電極と背面側電極とをチャンネル毎に個別に外部に引き出す機能を有する。電極引き出し用基板としては、例えば、フレキシブルプリント配線板が用いられる。
【００２７】
図４は、実施例１に係る超音波プローブの製造工程の典型的な流れを示す図である。なお以下の説明において、製造される超音波プローブは１次元アレイ型であるとする。
【００２８】
図５に示すように、まず、電極引き出し用基板１１、振動子ブロック１３、第１音響整合ブロック１５、及び第２音響整合ブロック１７を積層する（ステップＳＡ１）。具体的には、電極引き出し用基板１１の前面に振動子ブロック１３が接合され、振動子ブロック１３の前面に第１音響整合ブロック１５が接合され、第１音響整合ブロック１５の前面に第２音響整合ブロック１７が接合される。振動子ブロック１３は、板形状の圧電体１９の前面に前面電極２１が形成され、背面に背面電極２３が形成された構造物である。前面電極２１と背面電極２３とは、板形状の圧電体１９の両面に、金等の金属でメッキやスパッタリングを施すことにより形成される。第１音響整合ブロック１５は、第１音響整合層２の材料からなる板状の構造物である。第２音響整合ブロック１７は、第２音響整合層２の材料からなる板状の構造物である。部材の接合には、エポキシ系接着剤やシリコーン系接着剤等の接着剤が用いられる。以下、電極引き出し用基板１１、振動子ブロック１３、第１音響整合ブロック１５、及び第２音響整合ブロック１７の積層体を、第１の中間構造体と呼ぶことにする。すなわち、ステップＳＡ１により第１の中間構造体が形成される。
【００２９】
ステップＳＡ１が行われると、図６に示すように、第１の中間構造体１９を一方方向に沿って所定の切削ピッチで切削する（ステップＳＡ２）。例えば、第２音響整合層３から電極引き出し用基板１１に向けて第１の中間構造体１９が切削される。切削は、例えば、ダイシングブレードにより行われる。切削により、振動子ブロック１３は複数の圧電振動子２７に、第１音響整合ブロック１５は複数の第１音響整合素子２９に、第２音響整合ブロック１７は複数の第２音響整合素子３１に分割される。上述のように、複数の圧電振動子２７は振動子部１を、複数の第１音響整合素子２９は第１音響整合層２を、複数の第２音響整合素子３１は第２音響整合層３を構成する。ここで、圧電振動子２７、第１音響整合素子２９、及び第２音響整合素子３１からなる積層体を単に素子３３と呼ぶことにする。切削により形成される複数の溝（以下、切削溝と呼ぶことにする。）３５は、所定の切削ピッチで配列されている。切削の際、電極引き出し用基板１１は、完全に分割されなくても、分割されても良い。なお、複数の素子３３がばらばらになることを防止するために、電極引き出し用基板１１は、完全に分割されないほうが良い。
【００３０】
一方、図７に示すように、背面材６と背面材６よりもポアソン比が大きい緩衝層５とを、例えば、上述の接着剤で接合する（ステップＳＡ３）。この際、緩衝層５と背面材６との間の音響インピーダンスの不整合を低減するため、また、圧電振動子２７の幾何学的配置を良好に保持するため、接着剤の厚さは、例えば、１０μｍ以下に抑えられると良い。以下、緩衝層５と背面材６との積層体を、第２の中間構造体３７と呼ぶことにする。すなわち、ステップＳＡ３により第２の中間構造体３７が形成される。
【００３１】
ステップＳＡ２及びＳＡ３が行われると、図８に示すように、電極引き出し用基板１１と緩衝層５とが向かい合うように、切削された第１の中間構造体２５と第２の中間構造体３７とを例えば、上述の接着剤で接合する（ステップＳＡ４）。これにより緩衝層５が複数の圧電振動子２７の背面側に設けられ、背面材６の前面側に設けられる。以下、第１の中間構造体２５と第２の中間構造体３７との積層体を第１の積層構造体３９と呼ぶことにする。すなわち、ステップＳＡ４により第１の積層構造体３９が形成される。なお、振動子部１、第１音響整合層２、及び第２音響整合素子３の強度向上等のため、切削溝３５にエポキシ系接着剤やシリコーン系接着剤等の接着剤が充填されてもよい。また、切削溝３５に充填される接着剤の熱膨張を抑制するため、この接着剤に金属微粒子が混入されてもよい。
【００３２】
ステップＳＡ５が行われると、図９に示すように、音響レンズ４を第２音響整合層３に、例えば、上述の接着剤で接合する（ステップＳＡ５）。これにより超音波プローブが完成する。
【００３３】
実施例１によれば、１回の切削により振動子ブロック１３、第１音響整合ブロック１５、及び第２音響整合ブロック１７を素子状に分割することができる。これにより、後述する実施例２に比して、実施例１は、簡便な製造工程で超音波プローブを製造することができる。
【００３４】
なお、上述のように図４の製造工程は一例であって、実施例１に係る超音波プローブの製造工程はこれに限定されない。例えば、第１の中間構造体２５と第２の中間構造体３９との接合は、第１の中間構造体２５の切削後に限定されず、第１の中間構造体２５の切削前に行われても良い。この場合、第１の中間構造体２５と第２の中間構造体３９との積層体は、第２音響整合層側から背面材６に向けて切削される。この際、加工性の観点から、緩衝層５と背面材６とは切削しない方が良い。この理由としては、例えば、緩衝層５が柔らかいので、緩衝層５を精度良く切削できないおそれがあるためである。他の理由としては、切削の際に緩衝層５がたわみ、圧電振動子２７と緩衝層５との接着強度が低減される、というような要因が挙げられる。なお、緩衝層５の切削精度が良好であれば、緩衝層５や背面材６を切削しても良い。
【００３５】
また、上述の製造工程において緩衝層５は、第１の中間構造体２５に接合する前に、予め背面材６に接合されるとした。しかしながら、緩衝層５と背面材６とを接合する前に、電極引き出し用基板１１の背面に緩衝層５が接合されていてもよい。この場合、電極引き出し用基板１１を切削した場合であっても、緩衝層５を切削しなければ、切削により複数の素子３３がばらばらに分離することがない。従って、超音波プローブの製造が容易となる。
【００３６】
また、上述の製造工程において超音波プローブは、１次元アレイ型であるとした。しかしながら、実施例１に係る超音波プローブは、２次元アレイ型であっても良い。この場合、第１の中間構造体２５は、例えば、ステップＳＡ２において格子状に所定の切削ピッチで切削される。第１の中間構造体２５を２次元状に切削することで、振動子ブロック１３、第１音響整合ブロック１５、及び第２音響整合ブロック１７が２次元状に分割される。これにより２次元アレイ型の超音波プローブを製造することができる。
【００３７】
［実施例２］
上述のように、実施例１において緩衝層５は、圧電振動子２７に直接的に接していない。従って、圧電振動子２７から背面材６に向かう超音波が、電極引き出し用基板１１と緩衝層５との境界面で反射されてしまう場合がある。これは、超音波の音場を劣化させる要因になりうる。実施例２においては、電極引き出し用基板１１が振動子部１と緩衝層５との間に配置されず、振動子部１の側面に設けられる。
【００３８】
図１０は、実施例２に係る超音波プローブの製造工程の典型的な流れを示す図である。なお以下の説明において、製造される超音波プローブは１次元アレイ型であるとする。
【００３９】
図１１に示すように、まず、振動子ブロック１３、第１音響整合ブロック１５、及び第２音響整合ブロック１７を積層し、電極引き出し用基板４１を振動子ブロック１３の側面に接合する（ステップＳＢ１）。具体的には、まず振動子ブロック１３の前面に第１音響整合ブロック１５を接合し、第１音響整合ブロック１５の前面に第２音響整合ブロック１７を接合する。そして振動子ブロック１３の側面に電極引き出し用基板４１を接合する。各部材の接合は、実施例１と同様に、例えば、エポキシ系接着剤やシリコーン系接着剤等の接着剤が用いられる。以下、電極引き出し用基板４１、振動子ブロック１３、第１音響整合ブロック１５、及び第２音響整合ブロック１７からなる構造体を、第３の中間構造体４３と呼ぶことにする。すなわち、ステップＳＢ１により第３の中間構造体４３が形成される。
【００４０】
ステップＳＢ１が行われると、図１２に示すように、第３の中間構造体４３を振動子ブロック１３の背面から第３の中間構造体４３の中途まで一方方向に所定の切削ピッチで切削する（ステップＳＢ２）。ステップＳＢ２において第３の中間構造体４３は、素子状に完全に分割されないように切削される。例えば、図１２においては、第１音響整合ブロック１５と第２音響整合ブロック１７との境まで切削されている。この場合、振動子ブロック１３から複数の圧電振動子２７が形成され、第１音響整合ブロック１５から複数の第１音響整合素子２９が形成される。上述のように、複数の圧電振動子２７は振動子部１を、複数の第１音響整合素子２９は第１音響整合層２を構成する。しかしながら、本実施形態に係る切削溝４５の深さは、これに限定されない。切削溝４５は、第３の中間構造体４３が切削により完全に分割されなければ、如何なる深さまで形成されてもよい。例えば、図示はしないが、振動子ブロック１３と第１音響整合ブロック１５との境、振動子ブロック１３の中途、第１音響整合ブロック１５の中途、又は第２音響整合ブロック１７の中途まで切削されてもよい。なお切削は、実施例１と同様に、ダイシングブレードにより行われる。
【００４１】
一方、図１３に示すように、背面材６と背面材６よりもポアソン比が大きい緩衝層５とを、例えば、上述の接着剤で接合する（ステップＳＢ３）。ステップＳＢ３により第２の中間構造体３７が形成される。なおステップＳＢ３は、ステップＳＡ３と同様なので説明を省略する。
【００４２】
ステップＳＢ２とステップＳＢ３とが行われると、図１４に示すように、第２の中間構造体３７と切削された第３の中間構造体４３とを、緩衝層５が振動子部１（ステップＳＢ２において振動子ブロック１３が完全に切削されてない場合、振動子ブロック１３）に接触するように接合する（ステップＳＢ４）。以下、第３の中間構造体４３と第２の中間構造体３７との積層体を第２の積層構造体４７と呼ぶことにする。
【００４３】
ステップＳＢ４が行われると、図１５に示すように、第３の中間構造体４３が複数の素子３３に完全に分割されるように、第３の中間構造体４３を第２音響整合ブロック１７の前面から切削する（ステップＳＢ５）。具体的には、ステップＳＢ５において新たに形成される切削溝４９とステップＳＢ２において形成された切削溝４５とが連絡するように、ステップＳＢ５における切削部分が位置決めされる。そして、位置決めされた切削部分をダイシングブレード等で切削する。換言すれば、切削溝４９が切削溝４５に繋がるまで第３の中間構造体４３は、第２音響整合ブロック１７の前面から切削溝４５まで切削される。これにより、振動子ブロック１３、第１音響整合ブロック１５、及び第２音響整合ブロック１７が複数の素子３３に分割される。図１４の場合、ステップＳＢ５において第２音響整合ブロック１７が切削され、第２音響整合ブロック１７から複数の第２音響整合素子３１が形成される。上述のように、複数の第２音響整合素子３１は第２音響整合層３を構成する。なお、振動子部１、第１音響整合層２、及び第２音響整合層３の強度向上等のため、切削溝４５及び４９にエポキシ系接着剤やシリコーン系接着剤等の接着剤が充填されてもよい。また、切削溝４５及び４９に充填される接着剤の熱膨張を抑制するため、この接着剤に金属微粒子が混入されてもよい。
【００４４】
ステップＳＢ５が行われると、図１６に示すように、音響レンズ４を第２音響整合層３に、上述の接着剤等で接合する（ステップＳＢ６）。これにより超音波プローブが完成する。
【００４５】
実施例２によれば、振動子ブロック１３、第１音響整合ブロック１５、及び第２音響整合ブロック１７からなる第３の中間構造体４３を素子状に分割するために、切削工程を２段階に分けている。これは以下の理由による。
【００４６】
実施例２に係る超音波プローブは、振動子部１に直接的に緩衝層５が接する構造を有する。一回の切削で第３の中間構造体４３を素子状に分割する場合、例えば、ステップＳＢ２において複数の素子３３に分割する場合、土台が無いため圧電振動子２７、第１音響整合素子２９、及び第２音響整合素子３１がばらばらになってしまう。圧電振動子２７、第１音響整合素子２９、及び第２音響整合素子３１がばらばらになってしまうことを防止するためには、ステップＳＢ５において、緩衝層５を土台にして第３の中間構造体４３を切削することになる。しかし、緩衝層５は、ポアソン比が大きく柔軟性がある。そのため、緩衝層５を土台にして第３の中間構造体４３を切削すると、切削時において第３の中間構造体４３が緩衝層５に対して幾何学的に不安定となり、素子分割が良好に行われないおそれがある。
【００４７】
実施例２によれば、ステップＳＢ２及びＳＢ５に示すように、切削工程を２段階に分けている。すなわち、ステップＳＢ２において第３の中間構造体４３を中途まで切削し、ステップＳＢ４において緩衝層５と切削された第３の中間構造体４３とを接合し、ステップＳＢ５において第３の中間構造体４３の残りの切削部分を切削している。このように切削工程を２段階に分けることにより、圧電振動子２７、第１音響整合素子２９、及び第２音響整合素子３１がばらばらになることなく、良好な精度で素子分割することが出来る。
【００４８】
なお、上述の製造工程において超音波プローブは、１次元アレイ型であるとした。しかしながら、実施例２に係る超音波プローブは、２次元アレイ型であっても良い。この場合、第３の中間構造体４３は、例えば、ステップＳＢ２において格子状に所定の切削ピッチで中途まで切削され、ステップＳＢ５において残りの切削部分が切削される。このように第３の中間構造体４３を２次元状に切削することで、振動子ブロック１３、第１音響整合ブロック１５、及び第２音響整合ブロック１７が２次元状に分割される。これにより２次元アレイ型の超音波プローブを製造することができる。
【００４９】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００５０】
１…振動子部、２…第１音響整合層、３…第２音響整合層、４…音響レンズ、５…緩衝層、６…背面材
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、超音波プローブ及び超音波プローブの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波プローブは、超音波を送受信するための圧電振動子を有している。圧電振動子の前面（超音波プローブの生体接触面側の面）には、圧電振動子と生体との音響インピーダンスの不整合を緩和する音響整合層が設けられ、背面には、圧電振動子からの超音波を減衰する背面材が設けられている。圧電振動子は、超音波を送受信する際、機械的に振動する。この振動に起因して背面材も機械的に振動してしまう。背面材の機械的振動は、超音波プローブの音響特性にノイズを与えてしまい、音響特性を悪化させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特公昭５３−２５３９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
目的は、振動子の振動に伴う音響特性の劣化を防止する超音波プローブ及び超音波プローブの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本実施形態に係る超音波プローブは、超音波の送受信のために振動する振動子と、前記振動子の背面側に設けられた緩衝層と、前記緩衝層の背面側に設けられ、前記振動子からの超音波を減衰する背面材と、を具備する超音波プローブであって、前記緩衝層は、前記背面材よりも大きいポアソン比を有する、ことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本実施形態に係る超音波プローブの概略的な構造を示す図。
【図２】従来構造の超音波プローブの音響シミュレーションの結果を示す図。
【図３】本実施形態に係る超音波プローブの音響シミュレーションの結果を示す図。
【図４】本実施形態の実施例１に係る超音波プローブの製造工程の典型的な流れを示す図。
【図５】図４のステップＳＡ１を説明するための図。
【図６】図４のステップＳＡ２を説明するための図。
【図７】図４のステップＳＡ３を説明するための図。
【図８】図４のステップＳＡ４を説明するための図。
【図９】図４のステップＳＡ５を説明するための図。
【図１０】本実施形態の実施例２に係る超音波プローブの製造工程の典型的な流れを示す図。
【図１１】図１０のステップＳＢ１を説明するための図。
【図１２】図１０のステップＳＢ２を説明するための図。
【図１３】図１０のステップＳＢ３を説明するための図。
【図１４】図１０のステップＳＢ４を説明するための図。
【図１５】図１０のステップＳＢ５を説明するための図。
【図１６】図１０のステップＳＢ６を説明するための図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、図面を参照しながら本実施形態に係わる超音波プローブ及び超音波プローブの製造方法を説明する。
【０００８】
図１は、本実施形態に係る超音波プローブの概略的な構造を示す図である。図１に示すように、超音波プローブは、超音波を送受信する振動子部１を有している。振動子部１の前面（生体接触面４ｓ側の面）には、第１音響整合層２が設けられている。第１音響整合層２の前面には、第２音響整合層３が設けられている。第２音響整合層の前面には、音響レンズ４が設けられる。振動子部１の背面（生体接触面４ｓとは反対側の面）には、緩衝層５が設けられている。緩衝層５の背面には、背面材６が設けられている。ここで、背面材６、緩衝層５、振動子部１、第１音響整合層２、第２音響整合層３、及び音響レンズ４の積層方向を厚み方向に規定する。
【０００９】
振動子部１は、１次元状又は２次元状に配列された複数の圧電振動子（図１に図示せず）を有している。各圧電振動子は、圧電材料からなる圧電体（図１に図示せず）と、圧電体の前面に形成された電極（以下、前面電極と呼ぶ。図１に図示せず）と圧電体の背面に形成された電極（以下、背面電極と呼ぶ。図１に図示せず）とにより構成される。圧電材料としては、例えば、音響インピーダンスが３０Ｍｒａｙｌ（Ｍｒａｙｌ＝１０６ｋｇ／ｍ２ｓ）以上である圧電セラミックにより形成される。圧電振動子は、超音波診断装置本体からの駆動信号の供給を受けて振動し、超音波を送波する。発生された超音波は、被検体により反射される。反射された超音波は、圧電振動子に受波される。振動子は、超音波を受波すると振動し、電気信号を発生する。発生された電気信号は、超音波診断装置本体に送信される。圧電振動子は、主に厚み方向に振動する。換言すれば、圧電振動子の振動モードは、厚み振動モードである。
【００１０】
第１音響整合層２と第２音響整合層３とは、振動子部１と生体との間の音響インピーダンスの不整合を緩和するために設けられる。第１音響整合層２と第２音響整合層３とは、振動子部１の音響インピーダンスと生体の音響インピーダンスとの間の音響インピーダンスをそれぞれ有するように形成される。なお、第１音響整合層２は、第２音響整合層３よりも高い音響インピーダンスを有するように形成される。なお生体の音響インピーダンスは、概ね１．５Ｍｒａｙｌである。なお、第１音響整合層２は、１次元又は２次元状に配列された複数の第１音響整合素子（図１に図示せず）を有する。同様に、第２音響整合層３は、１次元又は２次元状に配列された複数の第２音響整合素子（図１に図示せず）を有する。なお、本実施形態に係る超音波プローブに含まれる音響整合層は、第１音響整合層２と第２音響整合層３との２つのみに限定されない。本実施形態に係る超音波プローブは、１つの音響整合層を有していても良いし、３つ以上の音響整合層を有していてもよい。
【００１１】
音響レンズ４は、振動子部１から被検体に向けて放射される超音波を収束するために設けられている。音響レンズ４は、第２音響整合層３の音響インピーダンスと生体の音響インピーダンスとの間の音響インピーダンスを有するように形成される。音響レンズ４は、被検体に接触される生体接触面４ｓを有している。
【００１２】
緩衝層５は、超音波の送受信に伴う振動子部１の機械的な振動を減衰（ダンピング）するために設けられている。緩衝層５の材料としては、例えば、ポリウレタン系やポリエチレン系等の高分子材料やシリコーン系樹脂材をベース材にした層状構造物が用いられる。緩衝層５の詳細については後述する。
【００１３】
背面材６は、振動子部１の音響的な振動を減衰するために設けられている。換言すれば、背面材６は、振動子部１から背面材６方向に放射された超音波を減衰する。また、背面材６は、振動子部１の構造的な保持材として機能する。具体的には、背面材６は、超音波プローブがリニアプローブの場合、複数の圧電振動子を直線状に保持するため、超音波プローブがコンベックスプローブの場合、複数の圧電振動子を一定の曲率の円弧状に保持するために設けられる。背面材６の材料としては、ポリブタジエンやクロロプレン等のゴム材が用いられる。背面材６は、音響整合による不要な共振が発生しないような音響インピーダンスを有するように形成される。典型的には、背面材６は、２〜７Ｍｒａｙｌの音響インピーダンスを有するように形成される。
【００１４】
次に、緩衝層５について詳細に説明する。
【００１５】
従来構造のように緩衝層がない場合、圧電振動子の機械的な振動が背面材に伝播され、背面材が機械的に振動してしまう。背面材の機械的振動により超音波プローブの音響特性が劣化してしまう。また、従来構造のように緩衝層がない場合、ある圧電振動子の機械的振動は、剛性を有する背面材を介して、隣接する圧電振動子に伝播してしまう。隣接する圧電振動子の機械的振動によっても、超音波プローブから放射される超音波の音場が乱れ、超音波プローブの音響特性が劣化してしまう。
【００１６】
緩衝層５は、圧電振動子の機械的振動を背面材６や隣接する圧電振動子に伝播させないために設けられる。そのため、緩衝層５は、背面材６よりも柔軟性を有するように、すなわち、背面材６よりもポアソン比が大きくなるように形成される。ポアソン比は、厚み方向に単位長さ当りαだけ伸ばした（あるいは縮めた）時に、横方向に単位長さ当りβだけ縮む（あるいは伸びる）場合、β／αに規定される。
【００１７】
上述のように背面材６は、超音波の音場の乱れを防止するために、振動子部１や第１音響整合層２、第２音響整合層３の幾何学的な配置を保持するために設けられる。また、背面材６は、超音波減衰能と不要な共振を防止するための音響インピーダンスとを有する必要がある。背面材６は、ゴム材をベースとして形成されているが、これら超音波減衰能と音響インピーダンスとの制約を満たすために様々な添加物が混入されることが多い。結果的に背面材６のポアソン比は、比較的小さく、すなわち、背面材６の剛性は高い。
【００１８】
ダンピング効果を向上させるため、緩衝層５のポアソン比は、高ければ高いほど良い。背面材６が樹脂材やゴム材で形成され、緩衝層５がシリコーンやウレタン、あるいはその他の樹脂材等をベース材として形成されることを考慮すると、緩衝層５のポアソン比は、例えば、０．４以上に設計されるとよい。なお、本実施形態に係る緩衝層５のポアソン比は０．４以上に限定されない。緩衝層５によるダンピング効果が得られるのであれば、緩衝層５のポアソン比が０．４未満であってもよい。
【００１９】
上述のように背面材６は、振動子部１から背面材６方向に放射された超音波を減衰するために設けられる。超音波は、音響インピーダンスの不連続面で反射されるという物理的性質を有している。本実施形態においては、振動子部１と背面材６との間に緩衝層５が設けられている。緩衝層５と背面材６との音響インピーダンスが異なる場合、緩衝層５と背面材６との境界面で超音波が反射されてしまう。緩衝層５により反射された超音波により、本実施形態に係る超音波プローブから放射される超音波の音場が乱れ、本実施形態に係る超音波プローブの音響特性が劣化してしまう。
【００２０】
緩衝層５と背面材６との境界面における超音波の反射を防止し、振動子部１からの超音波を効率よく背面材６に伝播させるために、緩衝層５の音響インピーダンスは、背面材６の音響インピーダンスに略一致するように設計される。具体的には、緩衝層５の音響インピーダンスと背面材６の音響インピーダンスとの差は、−２０％以上＋２０％以下に調整される。現実的には、緩衝層５の音響インピーダンスを調整して背面材６の音響インピーダンスに近づけることにより、緩衝層５と背面材６との音響インピーダンスを略一致させる。音響インピーダンスの調整方法のために、例えば、緩衝層５のベース材に、金属酸化物やセラミクス材料等を材料とした微粒子等の微小構造体が混入される。なお、本実施形態に係る緩衝層５と背面材６との音響インピーダンスの差は、−２０％以上＋２０％以下に限定されない。緩衝層５と背面材６との境界面における超音波の反射頻度をある程度低減できるのであれば、緩衝層５と背面材６との音響インピーダンスの差は、−２０％以下、あるいは＋２０％以上であってもよい。
【００２１】
緩衝層５のダンピング効果の向上のみを目的とするのであれば、緩衝層５は厚ければ厚いほど良い。しかしながら、緩衝層５が不要に厚い場合、圧電振動子の保持のための機械的剛性が低下し、圧電振動子の幾何的配置が安定しない。結果的に、超音波プローブから放射される超音波の音場が乱れ、超音波プローブの音響特性が劣化してしまう。反対に、緩衝層５が不要に薄い場合、圧電振動子の機械的振動を抑制できない。結果的に背面材６や隣接する圧電振動子に機械的振動が伝播され、やはり超音波プローブから放射される超音波の音場が乱れてしまう。これらの要因を考慮すると、緩衝層５の厚みは、振動子部１から送波される超音波の波長λの略１／２に設計されるとよい。なお、本実施形態に係る緩衝層５の厚みは、略λ／２に限定されない。圧電振動子の幾何学的配置が安定するのであれば、緩衝層５の厚みは、略λ／２よりも厚く設計されても良い。
【００２２】
次に、有限要素解析による音響シミュレーションの結果を参照しながら、本実施形態に係る超音波プローブと従来構造の超音波プローブとの音響特性の違いについて説明する。図２は、従来構造の超音波プローブの音響シミュレーションの結果を示す図であり、図３は本実施形態に係る超音波プローブの音響シミュレーションの結果を示す図である。従来構造の超音波プローブの音響シミュレーションでは、図２の（ｂ）に示すように、背面材、圧電振動子、第１音響整合素子、及び第２音響整合素子の積層構造をモデルとし、圧電振動子の音響インピーダンスを求めた。本実施形態に係る超音波プローブの音響シミュレーションでは、図３の（ｂ）に示すように、背面材、緩衝層、圧電振動子、第１音響整合素子、及び第２音響整合素子の積層構造をモデルとし、圧電振動子の音響インピーダンスを求めた。なお音響シミュレーションにおいて緩衝層の音響インピーダンスは背面材の音響インピーダンスに等しく、緩衝層の厚みはλ程度、緩衝層のポアソン比は略０．４５に設定された。
【００２３】
図２の（ａ）と図３の（ａ）との横軸は周波数ｆ［ＭＨｚ］、左縦軸は音響インピーダンスの絶対値Ｚ［Ω］、右縦軸は音響インピーダンスの位相θ［ｄｅｇ］に規定されている。実線は位相θの周波数ｆに対する変化曲線を示し、点線は絶対値Ｚの周波数ｆに対する変化曲線を示す。図２の（ａ）に係る変化曲線では、圧電振動子、第１音響整合層、及び第２音響整合層による３つの共振ピークを確認できる。共振ピークは、絶対値Ｚあるいは位相θの極大値に規定される。それ以外に、図２の（ａ）に係る変化曲線では、０．４ＭＨｚ付近に共振ピークを確認できる。この０．４ＭＨｚ付近の共振ピークは、背面材の機械的振動に起因するものであり、音響特性に不要なノイズとして悪影響を与えている。一方、図３の（ａ）に係る変化曲線では、圧電振動子、第１音響整合層、及び第２音響整合層による３つの共振ピークを確認できる。しかし、図３の（ａ）に係る変化曲線では、０．４ＭＨｚ付近の不要な共振ピークは消失している。これは、緩衝層により圧電振動子の機械的振動が背面材に伝播することを防止し、背面材の機械的振動が減衰したことによる。
【００２４】
上記構成により本実施形態に係る超音波プローブは、振動子部１と背面材６との間に、背面材６よりもポアソン比が大きい緩衝層５を有している。このような振動子部１、緩衝層５、及び背面材６の幾何学的配置により、振動子部１から背面材６への機械的振動を緩衝層５により低減することができる。また、緩衝層５と背面材６との音響インピーダンスが略一致するように緩衝層５と背面材６とが形成される。この場合、緩衝層５による超音波の反射頻度を低減することができ、振動子部１から背面材６側に放射される不要な超音波を背面材６に効率的に吸収させることができる。従って、振動子部１からの不要な超音波による音場の乱れを低下し、超音波プローブの音響特性を向上することができる。
【００２５】
次に本実施形態に係る超音波プローブの製造方法を実施例１と実施例２とに分けて説明する。実施例１と実施例２とでは、超音波プローブの構造が異なっている。
【００２６】
［実施例１］
実施例１においては、電極引き出し用基板と背面材６との間に緩衝層５が配置される。電極引き出し用基板は、超音波診断装置本体と振動子部１との間における信号の送受信のために設けられ、前面側電極と背面側電極とをチャンネル毎に個別に外部に引き出す機能を有する。電極引き出し用基板としては、例えば、フレキシブルプリント配線板が用いられる。
【００２７】
図４は、実施例１に係る超音波プローブの製造工程の典型的な流れを示す図である。なお以下の説明において、製造される超音波プローブは１次元アレイ型であるとする。
【００２８】
図５に示すように、まず、電極引き出し用基板１１、振動子ブロック１３、第１音響整合ブロック１５、及び第２音響整合ブロック１７を積層する（ステップＳＡ１）。具体的には、電極引き出し用基板１１の前面に振動子ブロック１３が接合され、振動子ブロック１３の前面に第１音響整合ブロック１５が接合され、第１音響整合ブロック１５の前面に第２音響整合ブロック１７が接合される。振動子ブロック１３は、板形状の圧電体１９の前面に前面電極２１が形成され、背面に背面電極２３が形成された構造物である。前面電極２１と背面電極２３とは、板形状の圧電体１９の両面に、金等の金属でメッキやスパッタリングを施すことにより形成される。第１音響整合ブロック１５は、第１音響整合層２の材料からなる板状の構造物である。第２音響整合ブロック１７は、第２音響整合層２の材料からなる板状の構造物である。部材の接合には、エポキシ系接着剤やシリコーン系接着剤等の接着剤が用いられる。以下、電極引き出し用基板１１、振動子ブロック１３、第１音響整合ブロック１５、及び第２音響整合ブロック１７の積層体を、第１の中間構造体と呼ぶことにする。すなわち、ステップＳＡ１により第１の中間構造体が形成される。
【００２９】
ステップＳＡ１が行われると、図６に示すように、第１の中間構造体１９を一方方向に沿って所定の切削ピッチで切削する（ステップＳＡ２）。例えば、第２音響整合層３から電極引き出し用基板１１に向けて第１の中間構造体１９が切削される。切削は、例えば、ダイシングブレードにより行われる。切削により、振動子ブロック１３は複数の圧電振動子２７に、第１音響整合ブロック１５は複数の第１音響整合素子２９に、第２音響整合ブロック１７は複数の第２音響整合素子３１に分割される。上述のように、複数の圧電振動子２７は振動子部１を、複数の第１音響整合素子２９は第１音響整合層２を、複数の第２音響整合素子３１は第２音響整合層３を構成する。ここで、圧電振動子２７、第１音響整合素子２９、及び第２音響整合素子３１からなる積層体を単に素子３３と呼ぶことにする。切削により形成される複数の溝（以下、切削溝と呼ぶことにする。）３５は、所定の切削ピッチで配列されている。切削の際、電極引き出し用基板１１は、完全に分割されなくても、分割されても良い。なお、複数の素子３３がばらばらになることを防止するために、電極引き出し用基板１１は、完全に分割されないほうが良い。
【００３０】
一方、図７に示すように、背面材６と背面材６よりもポアソン比が大きい緩衝層５とを、例えば、上述の接着剤で接合する（ステップＳＡ３）。この際、緩衝層５と背面材６との間の音響インピーダンスの不整合を低減するため、また、圧電振動子２７の幾何学的配置を良好に保持するため、接着剤の厚さは、例えば、１０μｍ以下に抑えられると良い。以下、緩衝層５と背面材６との積層体を、第２の中間構造体３７と呼ぶことにする。すなわち、ステップＳＡ３により第２の中間構造体３７が形成される。
【００３１】
ステップＳＡ２及びＳＡ３が行われると、図８に示すように、電極引き出し用基板１１と緩衝層５とが向かい合うように、切削された第１の中間構造体２５と第２の中間構造体３７とを例えば、上述の接着剤で接合する（ステップＳＡ４）。これにより緩衝層５が複数の圧電振動子２７の背面側に設けられ、背面材６の前面側に設けられる。以下、第１の中間構造体２５と第２の中間構造体３７との積層体を第１の積層構造体３９と呼ぶことにする。すなわち、ステップＳＡ４により第１の積層構造体３９が形成される。なお、振動子部１、第１音響整合層２、及び第２音響整合素子３の強度向上等のため、切削溝３５にエポキシ系接着剤やシリコーン系接着剤等の接着剤が充填されてもよい。また、切削溝３５に充填される接着剤の熱膨張を抑制するため、この接着剤に金属微粒子が混入されてもよい。
【００３２】
ステップＳＡ５が行われると、図９に示すように、音響レンズ４を第２音響整合層３に、例えば、上述の接着剤で接合する（ステップＳＡ５）。これにより超音波プローブが完成する。
【００３３】
実施例１によれば、１回の切削により振動子ブロック１３、第１音響整合ブロック１５、及び第２音響整合ブロック１７を素子状に分割することができる。これにより、後述する実施例２に比して、実施例１は、簡便な製造工程で超音波プローブを製造することができる。
【００３４】
なお、上述のように図４の製造工程は一例であって、実施例１に係る超音波プローブの製造工程はこれに限定されない。例えば、第１の中間構造体２５と第２の中間構造体３９との接合は、第１の中間構造体２５の切削後に限定されず、第１の中間構造体２５の切削前に行われても良い。この場合、第１の中間構造体２５と第２の中間構造体３９との積層体は、第２音響整合層側から背面材６に向けて切削される。この際、加工性の観点から、緩衝層５と背面材６とは切削しない方が良い。この理由としては、例えば、緩衝層５が柔らかいので、緩衝層５を精度良く切削できないおそれがあるためである。他の理由としては、切削の際に緩衝層５がたわみ、圧電振動子２７と緩衝層５との接着強度が低減される、というような要因が挙げられる。なお、緩衝層５の切削精度が良好であれば、緩衝層５や背面材６を切削しても良い。
【００３５】
また、上述の製造工程において緩衝層５は、第１の中間構造体２５に接合する前に、予め背面材６に接合されるとした。しかしながら、緩衝層５と背面材６とを接合する前に、電極引き出し用基板１１の背面に緩衝層５が接合されていてもよい。この場合、電極引き出し用基板１１を切削した場合であっても、緩衝層５を切削しなければ、切削により複数の素子３３がばらばらに分離することがない。従って、超音波プローブの製造が容易となる。
【００３６】
また、上述の製造工程において超音波プローブは、１次元アレイ型であるとした。しかしながら、実施例１に係る超音波プローブは、２次元アレイ型であっても良い。この場合、第１の中間構造体２５は、例えば、ステップＳＡ２において格子状に所定の切削ピッチで切削される。第１の中間構造体２５を２次元状に切削することで、振動子ブロック１３、第１音響整合ブロック１５、及び第２音響整合ブロック１７が２次元状に分割される。これにより２次元アレイ型の超音波プローブを製造することができる。
【００３７】
［実施例２］
上述のように、実施例１において緩衝層５は、圧電振動子２７に直接的に接していない。従って、圧電振動子２７から背面材６に向かう超音波が、電極引き出し用基板１１と緩衝層５との境界面で反射されてしまう場合がある。これは、超音波の音場を劣化させる要因になりうる。実施例２においては、電極引き出し用基板１１が振動子部１と緩衝層５との間に配置されず、振動子部１の側面に設けられる。
【００３８】
図１０は、実施例２に係る超音波プローブの製造工程の典型的な流れを示す図である。なお以下の説明において、製造される超音波プローブは１次元アレイ型であるとする。
【００３９】
図１１に示すように、まず、振動子ブロック１３、第１音響整合ブロック１５、及び第２音響整合ブロック１７を積層し、電極引き出し用基板４１を振動子ブロック１３の側面に接合する（ステップＳＢ１）。具体的には、まず振動子ブロック１３の前面に第１音響整合ブロック１５を接合し、第１音響整合ブロック１５の前面に第２音響整合ブロック１７を接合する。そして振動子ブロック１３の側面に電極引き出し用基板４１を接合する。各部材の接合は、実施例１と同様に、例えば、エポキシ系接着剤やシリコーン系接着剤等の接着剤が用いられる。以下、電極引き出し用基板４１、振動子ブロック１３、第１音響整合ブロック１５、及び第２音響整合ブロック１７からなる構造体を、第３の中間構造体４３と呼ぶことにする。すなわち、ステップＳＢ１により第３の中間構造体４３が形成される。
【００４０】
ステップＳＢ１が行われると、図１２に示すように、第３の中間構造体４３を振動子ブロック１３の背面から第３の中間構造体４３の中途まで一方方向に所定の切削ピッチで切削する（ステップＳＢ２）。ステップＳＢ２において第３の中間構造体４３は、素子状に完全に分割されないように切削される。例えば、図１２においては、第１音響整合ブロック１５と第２音響整合ブロック１７との境まで切削されている。この場合、振動子ブロック１３から複数の圧電振動子２７が形成され、第１音響整合ブロック１５から複数の第１音響整合素子２９が形成される。上述のように、複数の圧電振動子２７は振動子部１を、複数の第１音響整合素子２９は第１音響整合層２を構成する。しかしながら、本実施形態に係る切削溝４５の深さは、これに限定されない。切削溝４５は、第３の中間構造体４３が切削により完全に分割されなければ、如何なる深さまで形成されてもよい。例えば、図示はしないが、振動子ブロック１３と第１音響整合ブロック１５との境、振動子ブロック１３の中途、第１音響整合ブロック１５の中途、又は第２音響整合ブロック１７の中途まで切削されてもよい。なお切削は、実施例１と同様に、ダイシングブレードにより行われる。
【００４１】
一方、図１３に示すように、背面材６と背面材６よりもポアソン比が大きい緩衝層５とを、例えば、上述の接着剤で接合する（ステップＳＢ３）。ステップＳＢ３により第２の中間構造体３７が形成される。なおステップＳＢ３は、ステップＳＡ３と同様なので説明を省略する。
【００４２】
ステップＳＢ２とステップＳＢ３とが行われると、図１４に示すように、第２の中間構造体３７と切削された第３の中間構造体４３とを、緩衝層５が振動子部１（ステップＳＢ２において振動子ブロック１３が完全に切削されてない場合、振動子ブロック１３）に接触するように接合する（ステップＳＢ４）。以下、第３の中間構造体４３と第２の中間構造体３７との積層体を第２の積層構造体４７と呼ぶことにする。
【００４３】
ステップＳＢ４が行われると、図１５に示すように、第３の中間構造体４３が複数の素子３３に完全に分割されるように、第３の中間構造体４３を第２音響整合ブロック１７の前面から切削する（ステップＳＢ５）。具体的には、ステップＳＢ５において新たに形成される切削溝４９とステップＳＢ２において形成された切削溝４５とが連絡するように、ステップＳＢ５における切削部分が位置決めされる。そして、位置決めされた切削部分をダイシングブレード等で切削する。換言すれば、切削溝４９が切削溝４５に繋がるまで第３の中間構造体４３は、第２音響整合ブロック１７の前面から切削溝４５まで切削される。これにより、振動子ブロック１３、第１音響整合ブロック１５、及び第２音響整合ブロック１７が複数の素子３３に分割される。図１４の場合、ステップＳＢ５において第２音響整合ブロック１７が切削され、第２音響整合ブロック１７から複数の第２音響整合素子３１が形成される。上述のように、複数の第２音響整合素子３１は第２音響整合層３を構成する。なお、振動子部１、第１音響整合層２、及び第２音響整合層３の強度向上等のため、切削溝４５及び４９にエポキシ系接着剤やシリコーン系接着剤等の接着剤が充填されてもよい。また、切削溝４５及び４９に充填される接着剤の熱膨張を抑制するため、この接着剤に金属微粒子が混入されてもよい。
【００４４】
ステップＳＢ５が行われると、図１６に示すように、音響レンズ４を第２音響整合層３に、上述の接着剤等で接合する（ステップＳＢ６）。これにより超音波プローブが完成する。
【００４５】
実施例２によれば、振動子ブロック１３、第１音響整合ブロック１５、及び第２音響整合ブロック１７からなる第３の中間構造体４３を素子状に分割するために、切削工程を２段階に分けている。これは以下の理由による。
【００４６】
実施例２に係る超音波プローブは、振動子部１に直接的に緩衝層５が接する構造を有する。一回の切削で第３の中間構造体４３を素子状に分割する場合、例えば、ステップＳＢ２において複数の素子３３に分割する場合、土台が無いため圧電振動子２７、第１音響整合素子２９、及び第２音響整合素子３１がばらばらになってしまう。圧電振動子２７、第１音響整合素子２９、及び第２音響整合素子３１がばらばらになってしまうことを防止するためには、ステップＳＢ５において、緩衝層５を土台にして第３の中間構造体４３を切削することになる。しかし、緩衝層５は、ポアソン比が大きく柔軟性がある。そのため、緩衝層５を土台にして第３の中間構造体４３を切削すると、切削時において第３の中間構造体４３が緩衝層５に対して幾何学的に不安定となり、素子分割が良好に行われないおそれがある。
【００４７】
実施例２によれば、ステップＳＢ２及びＳＢ５に示すように、切削工程を２段階に分けている。すなわち、ステップＳＢ２において第３の中間構造体４３を中途まで切削し、ステップＳＢ４において緩衝層５と切削された第３の中間構造体４３とを接合し、ステップＳＢ５において第３の中間構造体４３の残りの切削部分を切削している。このように切削工程を２段階に分けることにより、圧電振動子２７、第１音響整合素子２９、及び第２音響整合素子３１がばらばらになることなく、良好な精度で素子分割することが出来る。
【００４８】
なお、上述の製造工程において超音波プローブは、１次元アレイ型であるとした。しかしながら、実施例２に係る超音波プローブは、２次元アレイ型であっても良い。この場合、第３の中間構造体４３は、例えば、ステップＳＢ２において格子状に所定の切削ピッチで中途まで切削され、ステップＳＢ５において残りの切削部分が切削される。このように第３の中間構造体４３を２次元状に切削することで、振動子ブロック１３、第１音響整合ブロック１５、及び第２音響整合ブロック１７が２次元状に分割される。これにより２次元アレイ型の超音波プローブを製造することができる。
【００４９】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００５０】
１…振動子部、２…第１音響整合層、３…第２音響整合層、４…音響レンズ、５…緩衝層、６…背面材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波の送受信のために振動する振動子と、
前記振動子の背面側に設けられた緩衝層と、
前記緩衝層の背面側に設けられ、前記振動子からの超音波を減衰する背面材と、
を具備する超音波プローブであって、
前記緩衝層は、前記背面材よりも大きいポアソン比を有する、
ことを特徴とする超音波プローブ。
【請求項２】
前記緩衝層のポアソン比は、０．４以上である、請求項１記載の超音波プローブ。
【請求項３】
前記緩衝層の音響インピーダンスと前記背面材の音響インピーダンスとの差は、−２０％以上＋２０％以下である、請求項１記載の超音波プローブ。
【請求項４】
前記緩衝層は、前記振動子から送信される超音波の波長の略半分以上の厚さを有する、請求項１記載の超音波プローブ。
【請求項５】
超音波の送受信のために振動する振動子と、
前記振動子の背面側に設けられ、前記振動子による機械的な振動を抑制する緩衝層と、
前記緩衝層の背面側に設けられ、前記振動子による音響的な振動を減衰する背面材と、
を具備する超音波プローブ。
【請求項６】
板状の振動子ブロックと音響整合ブロックとを有する構造体を形成し、
前記構造体を複数の素子に分割するために前記構造体を切削し、
前記切削された構造体と柔軟性を有する緩衝層とを、前記振動子ブロックの背面側に前記緩衝層が設けられるように接合する、
ことを具備する超音波プローブの製造方法。
【請求項７】
板状の振動子ブロックと音響整合ブロックとを有する構造体を形成し、
前記構造体を前記振動子ブロックの背面から前記構造体の中途まで切削し、
前記切削された構造体と柔軟性を有する緩衝層とを、前記振動子ブロックの背面に前記緩衝層が接触するように接合し、
前記構造体を複数の素子に分割するために、前記接合された構造体と緩衝層とを前記音響整合層の前面から、前記切削することにおいて前記構造体に形成された切削溝と新たに形成される切削溝とが連絡するように切削する、
ことを具備する超音波プローブの製造方法。
【請求項１】
超音波の送受信のために振動する振動子と、
前記振動子の背面側に設けられた緩衝層と、
前記緩衝層の背面側に設けられ、前記振動子からの超音波を減衰する背面材と、
を具備する超音波プローブであって、
前記緩衝層は、前記背面材よりも大きいポアソン比を有する、
ことを特徴とする超音波プローブ。
【請求項２】
前記緩衝層のポアソン比は、０．４以上である、請求項１記載の超音波プローブ。
【請求項３】
前記緩衝層の音響インピーダンスと前記背面材の音響インピーダンスとの差は、−２０％以上＋２０％以下である、請求項１記載の超音波プローブ。
【請求項４】
前記緩衝層は、前記振動子から送信される超音波の波長の略半分以上の厚さを有する、請求項１記載の超音波プローブ。
【請求項５】
超音波の送受信のために振動する振動子と、
前記振動子の背面側に設けられ、前記振動子による機械的な振動を抑制する緩衝層と、
前記緩衝層の背面側に設けられ、前記振動子による音響的な振動を減衰する背面材と、
を具備する超音波プローブ。
【請求項６】
板状の振動子ブロックと音響整合ブロックとを有する構造体を形成し、
前記構造体を複数の素子に分割するために前記構造体を切削し、
前記切削された構造体と柔軟性を有する緩衝層とを、前記振動子ブロックの背面側に前記緩衝層が設けられるように接合する、
ことを具備する超音波プローブの製造方法。
【請求項７】
板状の振動子ブロックと音響整合ブロックとを有する構造体を形成し、
前記構造体を前記振動子ブロックの背面から前記構造体の中途まで切削し、
前記切削された構造体と柔軟性を有する緩衝層とを、前記振動子ブロックの背面に前記緩衝層が接触するように接合し、
前記構造体を複数の素子に分割するために、前記接合された構造体と緩衝層とを前記音響整合層の前面から、前記切削することにおいて前記構造体に形成された切削溝と新たに形成される切削溝とが連絡するように切削する、
ことを具備する超音波プローブの製造方法。
【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１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１２−２０５７２６（Ｐ２０１２−２０５７２６Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７３２４４（Ｐ２０１１−７３２４４）
【出願日】平成２３年３月２９日（２０１１．３．２９）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（５９４１６４５４２）東芝メディカルシステムズ株式会社 (4,066)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２９日（２０１１．３．２９）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（５９４１６４５４２）東芝メディカルシステムズ株式会社 (4,066)
【Ｆターム（参考）】
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