超音波探触子およびそれを用いる超音波診断装置
【課題】圧電振動子から被検体内に超音波を送信し、反射された超音波を前記圧電振動子で受信して、その受信信号に基づく画像を表示する超音波診断装置に使用される超音波探触子おいて、視野深度が深く、解像度および鮮鋭度が高い画像を得られるようにする。
【解決手段】本発明の超音波探触子１は、圧電振動子１０を、超音波を送受信する圧電フィルム層１１と、前記圧電フィルム層１１と被検体との間に介在され、それらの音響インピーダンスを整合する音響整合層１２と、前記圧電フィルム層１１と該圧電振動子１０の筐体３への取付け部分との間に介在されるダンパー層１４との通常の３層構造に加えて、さらに前記圧電フィルム層１１と前記ダンパー層１４との間に空孔１５を有する音響増幅層１３を設ける。したがって、より大きな送信波を送信することができるとともに、より高感度に受信波を受信することができ、こうして圧電振動子１０の圧電特性を向上する。
【解決手段】本発明の超音波探触子１は、圧電振動子１０を、超音波を送受信する圧電フィルム層１１と、前記圧電フィルム層１１と被検体との間に介在され、それらの音響インピーダンスを整合する音響整合層１２と、前記圧電フィルム層１１と該圧電振動子１０の筐体３への取付け部分との間に介在されるダンパー層１４との通常の３層構造に加えて、さらに前記圧電フィルム層１１と前記ダンパー層１４との間に空孔１５を有する音響増幅層１３を設ける。したがって、より大きな送信波を送信することができるとともに、より高感度に受信波を受信することができ、こうして圧電振動子１０の圧電特性を向上する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を送受信する超音波探触子（プローブ）およびそれを用いる超音波診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
前記超音波診断装置は、超音波パルス反射法により、体表から生体内の軟組織の断層像を無侵襲に得る医療用画像機器である。この超音波診断装置は、他の医療用画像機器に比べ、小型で安価、Ｘ線などの被爆がなく安全性が高い、ドップラー効果を応用して血流イメージングが可能等、多くの特長を有し、循環器系（心臓の冠動脈）、消化器系（胃腸）、内科系（肝臓、膵臓、脾臓）、泌尿科系（腎臓、膀胱）、および産婦人科系などで広く利用されている。このような医療用超音波診断装置に使用される超音波探触子では、高感度、高解像度に超音波の送受信を行うために、一般的に圧電振動子の圧電効果が利用される。
【０００３】
前記圧電振動子の広帯域化は、画像の分解能や高精細さ、或いは、スペックルノイズの低減、アーチファクトの低減に有用であり、そのような特性を持つ圧電振動子が望まれていた。そこで、特許文献１には、広帯域な画像が得られるとして、基本波の超音波を送受信する第１の圧電層と、前記第１の圧電層の１／２の厚さで前記基本波の２倍の周波数の超音波を受信する第２の圧電層とを積層するようにした超音波探触子が提案されている。
【特許文献１】特開平１１−２７６４７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述の従来技術は、高調波を利用して広帯域な画像が得られるものの、送受信感度が低いという問題点があった。この点、圧電振動子として、上記従来技術のようなセラミックに対して、有機ポリマーも、受信帯域が広いという特徴をもつものの、同様に感度が低いという欠点を有しているので、この克服の技術が求められているが、良い方法が見つかっていなかった。
【０００５】
本発明の目的は、圧電振動子の圧電特性を向上することができる超音波探触子およびそれを用いる超音波診断装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の超音波探触子は、圧電振動子から被検体内に超音波を送信し、前記被検体内で反射された超音波を前記圧電振動子で受信して受信信号を得る超音波探触子おいて、前記圧電振動子は、前記超音波を送受信する圧電層と、前記圧電層と該圧電振動子の筐体への取付け部分との間に介在されるダンパー層と、前記圧電層と前記ダンパー層との間に介在される音響増幅層との３層を少なくとも含むことを特徴とする。
【０００７】
上記の構成によれば、圧電振動子から被検体内に超音波を送信し、前記被検体内で反射された超音波を前記圧電振動子で受信して受信信号を得て、その受信信号に基づく画像を表示する超音波診断装置に使用される超音波探触子おいて、前記圧電振動子を、前記超音波を送受信する圧電層と、前記圧電層と該圧電振動子の筐体への取付け部分との間に介在されるダンパー層と、通常設けられ、前記圧電層と被検体との間に介在され、それらの音響インピーダンスを整合する音響整合層とに加えて、さらに前記圧電層と前記ダンパー層との間に音響増幅層を設けて構成する。
【０００８】
したがって、従来では、損失となっていた圧電層からダンパー層側へ伝搬する送信波および受信波が該音響増幅層で増幅されて反射され、より大きな送信波を送信することができるとともに、より高感度に受信波を受信することができる。こうして圧電振動子の圧電特性を向上し、視野深度が深く、解像度および鮮鋭度が高い画像を得ることができる超音波診断装置を実現することができる。
【０００９】
また、本発明の超音波探触子では、前記の３層は、それぞれ有機ポリマーから成り、前記音響増幅層は、空孔を有することを特徴とする。
【００１０】
上記の構成によれば、受信帯域が広い有機ポリマー圧電振動子において、新たに設けた前記音響増幅層が空孔を有することで、増幅効果を一層高めることができる。
【００１１】
さらにまた、本発明の超音波探触子では、前記空孔は、複数の圧電振動子のそれぞれに対して、少なくとも１つが設けられていることを特徴とする。
【００１２】
上記の構成によれば、前記音響増幅層において、前記アレイ状に配列された複数の圧電振動子がそれぞれ少なくとも１つの空孔を有する。
【００１３】
したがって、複数の各圧電振動子に共通に、前記のような高い圧電特性を得ることができる。なお、空孔内に格子状の隔壁を多数配置してもよいが、アレイの最小単位である振動子１単位当り空孔が１個であることが最も好ましい。
【００１４】
また、本発明の超音波探触子は、前記圧電層の周波数定数が１００〜６００Ｈｚ・ｍであり、音響インピーダンスが４〜５．５であることを特徴とする。
【００１５】
上記の構成によれば、圧電層の周波数定数が１００Ｈｚ・ｍより低いと前記圧電特性が低く、６００Ｈｚ・ｍより大きいと耐久性が劣るので、それらの間に選ぶことは好適である。また、有機ポリマーから成る圧電振動子において、一般的な有機ポリマーの音響インピーダンスが２〜３であり、そのレベルのものは圧電特性が得にくく、また５．５以上の音響インピーダンスとなると圧電特性が低くなってしまうので、音響インピーダンスが前記４〜５．５であれば、多くの有機ポリマー材料に整合し、好適である。
【００１６】
さらにまた、本発明の超音波探触子では、前記音響増幅層の厚さは１０μｍ〜５ｍｍであり、前記空孔の厚さは、前記音響増幅層の厚さの０．１〜０．８倍の範囲にあることを特徴とする。
【００１７】
上記の構成によれば、前記音響増幅層の厚さは１０μｍより薄くなると壊れ易く、５ｍｍを超えると圧電特性が悪くなるので、それらの間に選ぶことは好適である。また、音響増幅層と空孔との厚さは、相関性が深く、前記音響増幅層が周波数を規定するので、倍数表示となり、前記音響増幅層の厚さの０．１倍より薄くなると壊れ易く、０．８倍を超えると圧電特性が悪くなるので、それらの間に選ぶことは好適である。
【００１８】
また、本発明の超音波探触子では、前記音響増幅層内の空孔と圧電層との間の平均距離は、５〜３００μｍであることを特徴とする。
【００１９】
上記の構成によれば、前記音響増幅層内の空孔と圧電層との間の平均距離、すなわち前記音響増幅層の圧電層側の層の厚さの平均値が、５μｍより薄くなると壊れ易くなり、３００μｍより厚くなると空孔の感度に影響する効果が小さくなるので、それらの間に選ぶことは好適である。
【００２０】
さらにまた、本発明の超音波探触子では、前記音響増幅層は、前記ダンパー層側に電極層を有し、該電極層はバイアス信号線からの信号で圧電振動子の振動モードを制御することを特徴とする。
【００２１】
上記の構成によれば、バイアス電圧によって音響増幅層の増幅および反射を制御して、圧電振動子全体の振動モードを制御することができる。
【００２２】
また、本発明の超音波診断装置は、前記の超音波探触子を用いることを特徴とする。
【００２３】
上記の構成によれば、圧電振動子の圧電特性が高く、視野深度が深く、解像度および鮮鋭度が高い画像を得ることができる超音波診断装置を実現することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の超音波探触子は、以上のように、圧電振動子から被検体内に超音波を送信し、前記被検体内で反射された超音波を前記圧電振動子で受信して受信信号を得て、その受信信号に基づく画像を表示する超音波診断装置に使用される超音波探触子おいて、前記圧電振動子を、前記超音波を送受信する圧電層と、前記圧電層と該圧電振動子の筐体への取付け部分との間に介在されるダンパー層と、通常設けられ、前記圧電層と被検体との間に介在され、それらの音響インピーダンスを整合する音響整合層とに加えて、さらに前記圧電層と前記ダンパー層との間に音響増幅層を設けて構成する。
【００２５】
それゆえ、従来では、損失となっていた圧電層からダンパー層側へ伝搬する送信波および受信波が該音響増幅層で増幅されて反射され、より大きな送信波を送信することができるとともに、より高感度に受信波を受信することができる。こうして圧電振動子の圧電特性を向上し、視野深度が深く、解像度および鮮鋭度が高い画像を得ることができる超音波診断装置を実現することができる。
【００２６】
また、本発明の超音波診断装置は、以上のように、前記の超音波探触子を用いる。
【００２７】
それゆえ、圧電振動子の圧電特性が高く、視野深度が深く、解像度および鮮鋭度が高い画像を得ることができる超音波診断装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
図１は、本発明の実施の一形態に係る超音波探触子１の断面図である。この超音波探触子１は、大略的に、電源供給や診断用の画像を表示したり印字出力したりする診断装置本体から延びる同軸ケーブル２の先端に取付けられ、掌大の筐体３内に、圧電振動子１０に、その駆動回路基板４，５が収納されて成る。
【００２９】
前記筐体３において、前記同軸ケーブル２が引込まれた側とは反対側には開口６が形成されており、その開口６から前記圧電振動子１０が被検体に臨む。前記駆動回路基板４，５には、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等が実装されており、前記診断装置本体からの駆動信号に応答して前記圧電振動子１０から被検体内に超音波を送信し、前記被検体内で反射された超音波が前記圧電振動子１０で受信されて得られた受信信号を適宜処理して、前記診断装置本体へ出力し、前記受信信号に基づく画像を表示させる。
【００３０】
前記圧電振動子１０は、様々な態様に構成することが可能であるが、図１の例では、圧電素子群が１次元または２次元のアレイ状に配列されて成る圧電フィルム層１１の前面に音響整合層１２を、背面にダンパー層１４を設けて構成されている。このように構成される超音波探触子１において、注目すべきは、本発明では、前記圧電振動子１０が、前記圧電フィルム層１１とダンパー層１４との間に音響増幅層１３が介在された４層の有機ポリマーから成り、前記音響増幅層１３が、空孔１５を有することである。このように構成される圧電振動子１０および前述の駆動回路基板４，５の配置は、適宜選択されればよい。
【００３１】
図２は、アレイ状に配列される前記圧電振動子１０の１単位素子１０ａの断面を模式的に示す図である。該素子１０ａも、被検体側から、音響整合層１２、圧電振動子フィルム層（前記圧電層と略す）１１、音響増幅層１３およびダンパー層１４から構成されている。前記圧電フィルム層１１には、単位素子１０ａ毎に電極１６，１７が形成され、それらの電極１６，１７は該圧電振動子１０の側部を引回される信号線１８およびアース線１９にそれぞれ接続される。
【００３２】
前記圧電フィルム層１１としては、ポリ弗化ビニリデンフィルム（弗化エチレンの共重合体も含む）、ポリシアノビニリデンフィルムやポリウレアフィルムを使用することができる。特に、弗化ビニリデン：３弗化エチレンが７５：２５のモル比の組成で共重合させた共重合体を分極処理したフィルムが最も好ましく、圧電特性を最適にするには、重合度、共重合条件（温度、時間、混合比）、得られた共重合体の延伸条件、塗布乾燥条件、分極処理条件が、適宜選択される。分極処理後のフィルムの周波数定数としては、１００〜６００Ｈｚ・ｍが好ましい。それは、周波数定数が１００以下のものでは、圧電特性が低く、６００以上になると耐久性が劣るためである。この周波数定数は、圧電フィルムの最大強度を示す周波数（Ｈｚ）の値と厚さ（ｍ）との積で示される値である。
【００３３】
一方、前記音響整合層１２に使用される有機のフィルムは、生体のインピーダンスと圧電フィルム層１１のインピーダンスとの間であるものが望ましい。生体の音響インピーダンスは１．５Ｍｒａｙｌ（１０６ｋｇ／ｍ２ｓ）に近く、弗化ビニリデンの音響インピーダンスは、４．５Ｍｒａｙｌ付近にあるので、１．６〜４．４Ｍｒａｙｌまでが好ましい。一般的には水分透過率の低く、硬度もあるポリイミド樹脂を使用することができる。そして、有機ポリマーから成る圧電振動子１０において、一般的な有機ポリマーの音響インピーダンスが２〜３であり、そのレベルのものは圧電特性が得にくく、また５．５以上の音響インピーダンスとなると圧電特性が低くなってしまうので、前記圧電層１０の音響インピーダンスは、４〜５．５であれば、多くの有機ポリマー材料に整合し、好適である。
【００３４】
これに対して、前記音響増幅層１３は、圧電フィルム層１１の振動を増幅することを目的とした層である。この音響増幅層１３の素材には、一般の多くの有機ポリマーを使用することができるが、ヤング率が０．０１〜１０ＧＰａであることが好ましい。特に、０．２〜７ＧＰａのものが好ましい。それは、ヤング率が０．２ＧＰａより低いものは、損傷破壊し易く、７ＧＰａを超えると音響増幅の効果が低くなり、また加工もし難くなるためである。このような素材としては、ポリイミド樹脂（３〜５ＧＰａ）、ポリエステル樹脂（１．８〜３．５ＧＰａ）、アクリル樹脂（１．６〜３．６ＧＰａ）、ポリアミド樹脂（２〜４ＧＰａ）、ポリメタクリル酸メチル樹脂（３．４ＧＰａ）、ポリスチレン樹脂（３〜３．４ＧＰａ）、ポリカーボネート樹脂（２．６ＧＰａ）、エポキシ樹脂（２．６〜３ＧＰａ）、オレフィン樹脂（ポリエチレン樹脂（低密度０．２ＧＰａ）、ポリプロピレン樹脂（０．９ＧＰａ）、ポリイソプレン樹脂（架橋０．２ＧＰａ）、ポリブタジエン樹脂（架橋０．２ＧＰａ）、ポリ（ブタジエン−スチレン）樹脂（０．３ＧＰａ）、シクロオレフィン樹脂（３．２ＧＰａ）等から適宜選択することができる。
【００３５】
そしてこの音響増幅層１３は、前述のように内部に空孔１５を有し、この空孔１５によって前記圧電フィルム層１１からの振動を増幅する。前記空孔の形態は、四角柱体（直方体、立方体）、紡錘体、球体、円柱体、六角柱体等から任意の形態を選択することができる。さらに該音響増幅層１３中には、アレイ１素子に対して、少なくとも１個の空孔１５を有し、該空孔１５内に格子状の隔壁を多数配置して該空孔１５を細分化してもよいが、アレイの最小単位である前記単位素子１０ａ当り１個であることが最も好ましい。これによって、複数の各単位素子１０ａに共通に、高い圧電特性を得ることができる。
【００３６】
また、該音響増幅層１３の好ましい形態としての厚さｔａは１０μｍ〜５ｍｍであり、空孔１５の厚さは、前記音響増幅層の厚さの０．１〜０．８倍の範囲である。これは、前記音響増幅層１３の厚さが１０μｍより薄くなると壊れ易く、５ｍｍを超えると圧電特性が悪くなるためである。また、音響増幅層１３と空孔１５との厚さｔｃは、相関性が深く、前記音響増幅層１３が周波数を規定するので、倍数表示となり、前記音響増幅層１３の厚さの０．１倍より薄くなると壊れ易く、０．８倍を超えると圧電特性が悪くなるためである。
【００３７】
さらにまた、前記空孔１５と圧電フィルム層１１との間の平均距離ｔｚは、５〜３００μｍに選ばれる。これは、前記音響増幅層１３内の空孔１５と圧電フィルム層１１との間の平均距離ｔｚ、すなわち前記音響増幅層１３の圧電層側の層の厚さの平均値が、５μｍより薄くなると壊れ易くなり、３００μｍより厚くなると空孔１５の感度に影響する効果が小さくなるためである。
【００３８】
ダンパー層１４は、前記音響増幅層１３の背面で圧電振動子１０全体を筐体３に固定化する役割と、音響的に音圧緩衝作用によって前記音響増幅層１３から反射される超音波パルス波形を劣化させない（エコーを戻してノイズにならないような）働きを担うものである。このダンパー層１４の音響インピーダンスが、振動子（圧電フィルム層１１）の音響インピーダンスに近いと、広帯域になり、短い超音波パルスが得られる。前記広帯域に適した超音波探触子１のバッキング材に望まれる特性は、上述のように音響インピーダンスが振動子（圧電フィルム層１１）のそれに近いこと、加えて、音響減衰量が大きいこと、電気的に絶縁物であること、誘電率、ヤング率、密度等の物理的特性が均一な材料であること、さらに加工性が良いことである。
【００３９】
このような条件を満たす具体的な材料としては、タングステン粉末やフェライト樹脂を分散させたエポキシ樹脂あるいはアルキル樹脂、ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂等を挙げることができる。ポリイミド樹脂は無水ピロメリット酸やビフェニルテトラカルボン酸二無水物の芳香族テトラカルボン酸二無水物とジアミノジフェニルエーテルなどの芳香族ジアミンとから得られる直鎖（線状）高分子或いは、芳香族トリアミンを使用した分枝の高分子を挙げることができる。
【００４０】
前記タングステン粉末を分散させたエポキシ樹脂あるいはアルキル樹脂からなるダンパー材は、それらの音響インピーダンスをポリ弗化ビニリデン樹脂やポリシアノビニリデン樹脂或いはポリウレア樹脂の圧電振動子のそれに近い値にするようにタングステン粉末の含有率を適宜選択することができる。
【００４１】
図３は、上述のように構成される圧電振動子１０の作成工程を説明するための模式的な断面図である。先ず、図３（ａ）で示すように、電極１６，１７付きの圧電フィルムを前記圧電フィルム層１１として用意し、それに音響整合層１２を形成する。次いで、図３（ｂ）で示すように、前記音響整合層１２を付けた面とは反対側に、音響増幅層１３となる膜を接着する。この膜に対して、図３（ｃ）で示すように、空孔１５のための窪み１５ａを形成する。
【００４２】
窪み１５ａの形成は、予め設定した大きさの凸の鋳型（ステンレス製）を押印加工して形成する。その際の温度は、前記凸の鋳型を１００℃〜３００℃の範囲で加熱しておき、材質に適した温度と時間との関係から、窪み１５ａの形成によい条件が適宜設定されればよい。窪み１５ａは、鋳型押印方式でなく、レーザアブレーション方式で形成されてもよい。レーザアブレーション方式の採用の場合には、それに適した樹脂を選択することで、最適に空孔１５を形成することができる。レーザは、紫外線レーザ、赤外線レーザなどを利用することができる。
【００４３】
前記窪み１５ａのさらに別な形成方法としては、光硬化型樹脂を利用する方法もある。具体的には、前記音響整合層１２が積層された圧電フィルム層１１を型枠内に嵌め込んで、前記圧電フィルム層１１上に前記光硬化型樹脂を流し込み、一方、前記空孔１５の配置を決めた図面を元にマスク（ネガ）を作成しておき、キセノンランプや高圧水銀灯を使用して紫外線露光し、未硬化部分（空孔１５部分）をアルカリや酸で除去する方法などを採用することができる。
【００４４】
前記窪み１５ａを形成した後は、図３（ｄ）で示すように、その窪み１５ａを塞ぐフィルム１５ｂを搭載し、さらに図３（ｅ）で示すように、ダンパー層１４を積層する。このダンパー層１４は、予め成膜しておいた膜が積層されてもよい。さらに図３（ｆ）から図３（ｇ）で示すように、前記電極１６，１７から信号線１８およびアース線１９をそれぞれ引出して該圧電振動子１０が完成する。
【００４５】
以下に、本願発明者の実験結果を示す。実験は、前記圧電フィルム層１１に、６４×６４の２次元マトリクスアレイを作成して行った。先ず、比較参照用に作成した圧電振動子は、厚さ方向（Ｚ軸方向）に分極処理済みの広さ６４ｍｍ×６４ｍｍ、厚さ６０μｍ（周波数定数６００の場合）のポリ弗化ビニリデン、ポリシアノビニリデン、ポリウレア、ポリエステルを前記圧電フィルム層１１として使用した（材料種は表１に記載）。電極１６，１７は銀焼き付け電極とし、圧電フィルム層１１の上に音響整合層１２、圧電フィルム層１１の背面に平均粒子径５μｍのタングステン粉を分散し、エポキシ樹脂で硬化したダンパー１４を接着させた。圧電フィルム層１１における単位素子１０ａの形状は、図２において、Ｌ：９００μｍ、ｍ：５０μｍ、ｔｐ：６４．２μｍ、ｔｍ：２００μｍ、ｔｄ：５ｍｍとなった。
【００４６】
この圧電振動子アレイから信号線１８およびアース線１９を、６４×２本のパッシブマトリクス方式で引き出し、同軸ケーブル２を介して試作したデジタル処理ビームフォーマーを搭載した超音波診断装置に接続した。前記パッシブマトリクス方式は、圧電フィルム層１１上に電極１６，１７を格子状に張りめぐらし、各単位素子１０ａをｘ軸方向の電極とｙ軸方向の電極との交点に配置し、ｘ方向（アレイ方向）の電極を作動させるのに１つのトランジスタ、ｙ軸方向（アレイ直角方向）の電極を作動させるのにもう１つのトランジスタを使用するものである。そして、各単位素子１０ａは、ｘ軸・ｙ軸各方向の電極１６，１７に電圧がかかっているときに圧電振動を行い、電圧がかかってないときには振動は停止している。
【００４７】
前記電極１６，１７間への印加電圧は１２０Ｖとし、１０ＭＨｚの送信波を送り、ファントム内からのエコーを受信し、画像化した。画像の評価は、表示素子上の画像を目視評価した。評価基準は、画質（解像度と鮮鋭性）が良く、スペックルノイズが少ない場合を「優」、次いで「良」、「可」と評価した。得られた画質は「可：基準」とした。
【００４８】
これに対して、本発明の一実施例の音響増幅層１４を備える圧電振動子１０の場合は、前記比較アレイと同様に作成したが、ここでは、内部に空孔１５を有する音響増幅層１３を持つ６４×６４のアレイの各単位素子１０ａを、前記図３（ａ）から（ｇ）に示す流れの製作工程で作成した。先ず、電極１６，１７付きのポリ弗化ビニリデン圧電フィルム、ポリシアノビニリデンフィルム、ポリウレアフィルムを用意（図３（ａ））し、一方の面にポリイミド膜から成る音響整合層１２を形成する。たとえば、実施例−１〜５では、圧電フィルム層１１は、弗化ビニリデン：トリ弗化エチレンが７５：２５のモル比の共重合体を使用した。
【００４９】
次いで、音響整合層１４を付けた面とは反対側に、空孔１５形成のための音響増幅層１３を圧電フィルム層１１の上に形成させる（図３（ｂ））。この膜形成は、ポリエチレンテレフタレート樹脂（ＰＥＴ）フィルムを重畳接着させることで行うことができる。次いで、２００℃に加熱した凸押印鋳型を２分間圧着して、窪み１５ａを形成する（ｃ）。窪み１５ａの大きさは、それぞれｔｂ：７００μｍ、ｔａ：１００μｍ、ｔｃ：５０μｍであった。窪み１５ａは、厚さ方向でｔａの中央に位置するように形成させた。窪み１５ａの形成は、予め設定した大きさの凸の鋳型（ステンレス製）を押印加工して形成する方法を採用した。この上に厚さ５０μｍのＰＥＴフィルム１５ｂを被せる（図３（ｄ））。更にダンパー層１４を重畳（図３（ｅ））し、各単位素子１０ａに溝を形成し（図３（ｆ））、電極１６，１７を引き出し（図３（ｇ））、圧電振動子１０を完成させた。
【００５０】
配線後、前記の比較参照例と同様に超音波画像診断装置の本体で画像処理を行い、表示素子に映し出された映像の画像を評価した。画像の評価は、表示素子上の画像を目視することで行った。評価基準は、前述のように画質が良く、スペックルノイズが少ない場合を「優」、次いで「良」、「可」と評価した。得られた画像は、スペックルノイズが低減し、解像のよい鮮明な画像が得られた。画質は「優」であった。さらに、図４で示すように、音響増幅層１３とダンパー層１４との間に、バイアス信号線２１とこれに接続される電極２２を設けた圧電振動子２０を作成し、実施例２として同様に実験を行った。バイアス信号線２１の電圧を３０Ｖとし、信号線１８からの信号と同期させた。なお、圧電振動子２０において、前述の圧電振動子１０に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。
【００５１】
このようにして、前記圧電フィルム層１１の周波数定数、インピーダンス、音響増幅層１３の形状（ｔａ、ｔｃ、ｔｚ）を変化させた場合の性能試験の結果を、前記表１にまとめた。なお、感度に関しては、得られる信号の強度をオシロスコープで測定して求めた。表１には、バイアス電圧を印加したときのその感度上昇分を、ｄＢ単位で記載した。
【００５２】
【表１】
【００５３】
前記表１を参照して、比較例１〜７と、実施例１−１〜１１；２−１〜１１とから、圧電フィルム層１１の下部に空孔１５を有する音響増幅層１３を設けることで、圧電効果の向上が図られ、画質が向上することが理解される。また、実施例１−１〜１１と実施例２−１〜１１とから、バイアス信号線２１からのバイアス電圧印加を圧電フィルム層への信号の印加と同期して行うことで、増幅効果が更に増すことが理解される。
【００５４】
以上のように、本発明の超音波探触子１は、圧電振動子１０を、超音波を送受信する圧電フィルム層１１と、前記圧電フィルム層１１と被検体との間に介在され、それらの音響インピーダンスを整合する音響整合層１２と、前記圧電フィルム層１１と該圧電振動子１０の筐体３への取付け部分との間に介在されるダンパー層１４との通常の３層構造に加えて、さらに前記圧電フィルム層１１と前記ダンパー層１４との間に音響増幅層１３を設けて構成するので、従来では、損失となっていた圧電フィルム層１１からダンパー層１４側へ伝搬する送信波および受信波が該音響増幅層１３で増幅されて反射され、より大きな送信波を送信することができるとともに、より高感度に受信波を受信することができる。こうして圧電振動子１０の圧電特性を向上し、視野深度が深く、解像度および鮮鋭度が高い画像を得ることができる超音波診断装置を実現することができる。
【００５５】
また、前記の各層１１〜１４は、それぞれ有機ポリマーから成るので、受信帯域が広く、しかも新たに設けた前記音響増幅層１３が空孔１５を有することで、増幅効果を一層高めることができる。さらにまた、本発明の超音波探触子では、前記空孔１５は、アレイ状に配列された複数の単位素子１０ａのそれぞれに対して、少なくとも１つが設けられているので、複数の各単位素子１０ａに共通に、前記のような高い圧電特性を得ることができる。
【００５６】
さらにまた、圧電振動子２０のように、前記音響増幅層１３が前記ダンパー層１４側に電極２２を有し、該電極２２にバイアス信号線２１からのバイアス電圧を与えることで、音響増幅層１３の増幅および反射を制御して、圧電振動子２０全体の振動モードを制御することができる。具体的には、圧電フィルム層１１に与えられる信号と同期させて、前記バイアス電圧を印加することで、前記空孔１５内に正または負の電荷を蓄積し、振動を促進したり、減衰したりする。振動を促進するような共振電圧を印加することで、前記表１で示すように、圧電振動子２０の振動を促進することができる。
【００５７】
なお、本発明の思想の範囲において、当業者であれば、各種の改変更例および修正例を用意に想起するものであるが、それら改変例および修正例についても本発明の範囲に属するものと理解されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の実施の一形態に係る超音波探触子の断面図である。
【図２】前記超音波探触子において、アレイ状に配列される圧電振動子の１単位素子の一実施形態の断面を模式的に示す図である。
【図３】前記圧電振動子の作成工程を説明するための模式的な断面図である。
【図４】前記超音波探触子において、アレイ状に配列される圧電振動子の１単位素子の他の実施形態の断面を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００５９】
１ 超音波探触子
２ 同軸ケーブル
３ 筐体
４，５ 駆動回路基板
１０，２０ 圧電振動子
１１ 圧電フィルム層
１２ 音響整合層
１３ 音響増幅層
１４ ダンパー層
１５ 空孔
１６，１７，２２ 電極
１８ 信号線
１９ アース線
１５ａ 窪み
１５ｂ フィルム
２１ バイアス信号線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を送受信する超音波探触子（プローブ）およびそれを用いる超音波診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
前記超音波診断装置は、超音波パルス反射法により、体表から生体内の軟組織の断層像を無侵襲に得る医療用画像機器である。この超音波診断装置は、他の医療用画像機器に比べ、小型で安価、Ｘ線などの被爆がなく安全性が高い、ドップラー効果を応用して血流イメージングが可能等、多くの特長を有し、循環器系（心臓の冠動脈）、消化器系（胃腸）、内科系（肝臓、膵臓、脾臓）、泌尿科系（腎臓、膀胱）、および産婦人科系などで広く利用されている。このような医療用超音波診断装置に使用される超音波探触子では、高感度、高解像度に超音波の送受信を行うために、一般的に圧電振動子の圧電効果が利用される。
【０００３】
前記圧電振動子の広帯域化は、画像の分解能や高精細さ、或いは、スペックルノイズの低減、アーチファクトの低減に有用であり、そのような特性を持つ圧電振動子が望まれていた。そこで、特許文献１には、広帯域な画像が得られるとして、基本波の超音波を送受信する第１の圧電層と、前記第１の圧電層の１／２の厚さで前記基本波の２倍の周波数の超音波を受信する第２の圧電層とを積層するようにした超音波探触子が提案されている。
【特許文献１】特開平１１−２７６４７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述の従来技術は、高調波を利用して広帯域な画像が得られるものの、送受信感度が低いという問題点があった。この点、圧電振動子として、上記従来技術のようなセラミックに対して、有機ポリマーも、受信帯域が広いという特徴をもつものの、同様に感度が低いという欠点を有しているので、この克服の技術が求められているが、良い方法が見つかっていなかった。
【０００５】
本発明の目的は、圧電振動子の圧電特性を向上することができる超音波探触子およびそれを用いる超音波診断装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の超音波探触子は、圧電振動子から被検体内に超音波を送信し、前記被検体内で反射された超音波を前記圧電振動子で受信して受信信号を得る超音波探触子おいて、前記圧電振動子は、前記超音波を送受信する圧電層と、前記圧電層と該圧電振動子の筐体への取付け部分との間に介在されるダンパー層と、前記圧電層と前記ダンパー層との間に介在される音響増幅層との３層を少なくとも含むことを特徴とする。
【０００７】
上記の構成によれば、圧電振動子から被検体内に超音波を送信し、前記被検体内で反射された超音波を前記圧電振動子で受信して受信信号を得て、その受信信号に基づく画像を表示する超音波診断装置に使用される超音波探触子おいて、前記圧電振動子を、前記超音波を送受信する圧電層と、前記圧電層と該圧電振動子の筐体への取付け部分との間に介在されるダンパー層と、通常設けられ、前記圧電層と被検体との間に介在され、それらの音響インピーダンスを整合する音響整合層とに加えて、さらに前記圧電層と前記ダンパー層との間に音響増幅層を設けて構成する。
【０００８】
したがって、従来では、損失となっていた圧電層からダンパー層側へ伝搬する送信波および受信波が該音響増幅層で増幅されて反射され、より大きな送信波を送信することができるとともに、より高感度に受信波を受信することができる。こうして圧電振動子の圧電特性を向上し、視野深度が深く、解像度および鮮鋭度が高い画像を得ることができる超音波診断装置を実現することができる。
【０００９】
また、本発明の超音波探触子では、前記の３層は、それぞれ有機ポリマーから成り、前記音響増幅層は、空孔を有することを特徴とする。
【００１０】
上記の構成によれば、受信帯域が広い有機ポリマー圧電振動子において、新たに設けた前記音響増幅層が空孔を有することで、増幅効果を一層高めることができる。
【００１１】
さらにまた、本発明の超音波探触子では、前記空孔は、複数の圧電振動子のそれぞれに対して、少なくとも１つが設けられていることを特徴とする。
【００１２】
上記の構成によれば、前記音響増幅層において、前記アレイ状に配列された複数の圧電振動子がそれぞれ少なくとも１つの空孔を有する。
【００１３】
したがって、複数の各圧電振動子に共通に、前記のような高い圧電特性を得ることができる。なお、空孔内に格子状の隔壁を多数配置してもよいが、アレイの最小単位である振動子１単位当り空孔が１個であることが最も好ましい。
【００１４】
また、本発明の超音波探触子は、前記圧電層の周波数定数が１００〜６００Ｈｚ・ｍであり、音響インピーダンスが４〜５．５であることを特徴とする。
【００１５】
上記の構成によれば、圧電層の周波数定数が１００Ｈｚ・ｍより低いと前記圧電特性が低く、６００Ｈｚ・ｍより大きいと耐久性が劣るので、それらの間に選ぶことは好適である。また、有機ポリマーから成る圧電振動子において、一般的な有機ポリマーの音響インピーダンスが２〜３であり、そのレベルのものは圧電特性が得にくく、また５．５以上の音響インピーダンスとなると圧電特性が低くなってしまうので、音響インピーダンスが前記４〜５．５であれば、多くの有機ポリマー材料に整合し、好適である。
【００１６】
さらにまた、本発明の超音波探触子では、前記音響増幅層の厚さは１０μｍ〜５ｍｍであり、前記空孔の厚さは、前記音響増幅層の厚さの０．１〜０．８倍の範囲にあることを特徴とする。
【００１７】
上記の構成によれば、前記音響増幅層の厚さは１０μｍより薄くなると壊れ易く、５ｍｍを超えると圧電特性が悪くなるので、それらの間に選ぶことは好適である。また、音響増幅層と空孔との厚さは、相関性が深く、前記音響増幅層が周波数を規定するので、倍数表示となり、前記音響増幅層の厚さの０．１倍より薄くなると壊れ易く、０．８倍を超えると圧電特性が悪くなるので、それらの間に選ぶことは好適である。
【００１８】
また、本発明の超音波探触子では、前記音響増幅層内の空孔と圧電層との間の平均距離は、５〜３００μｍであることを特徴とする。
【００１９】
上記の構成によれば、前記音響増幅層内の空孔と圧電層との間の平均距離、すなわち前記音響増幅層の圧電層側の層の厚さの平均値が、５μｍより薄くなると壊れ易くなり、３００μｍより厚くなると空孔の感度に影響する効果が小さくなるので、それらの間に選ぶことは好適である。
【００２０】
さらにまた、本発明の超音波探触子では、前記音響増幅層は、前記ダンパー層側に電極層を有し、該電極層はバイアス信号線からの信号で圧電振動子の振動モードを制御することを特徴とする。
【００２１】
上記の構成によれば、バイアス電圧によって音響増幅層の増幅および反射を制御して、圧電振動子全体の振動モードを制御することができる。
【００２２】
また、本発明の超音波診断装置は、前記の超音波探触子を用いることを特徴とする。
【００２３】
上記の構成によれば、圧電振動子の圧電特性が高く、視野深度が深く、解像度および鮮鋭度が高い画像を得ることができる超音波診断装置を実現することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の超音波探触子は、以上のように、圧電振動子から被検体内に超音波を送信し、前記被検体内で反射された超音波を前記圧電振動子で受信して受信信号を得て、その受信信号に基づく画像を表示する超音波診断装置に使用される超音波探触子おいて、前記圧電振動子を、前記超音波を送受信する圧電層と、前記圧電層と該圧電振動子の筐体への取付け部分との間に介在されるダンパー層と、通常設けられ、前記圧電層と被検体との間に介在され、それらの音響インピーダンスを整合する音響整合層とに加えて、さらに前記圧電層と前記ダンパー層との間に音響増幅層を設けて構成する。
【００２５】
それゆえ、従来では、損失となっていた圧電層からダンパー層側へ伝搬する送信波および受信波が該音響増幅層で増幅されて反射され、より大きな送信波を送信することができるとともに、より高感度に受信波を受信することができる。こうして圧電振動子の圧電特性を向上し、視野深度が深く、解像度および鮮鋭度が高い画像を得ることができる超音波診断装置を実現することができる。
【００２６】
また、本発明の超音波診断装置は、以上のように、前記の超音波探触子を用いる。
【００２７】
それゆえ、圧電振動子の圧電特性が高く、視野深度が深く、解像度および鮮鋭度が高い画像を得ることができる超音波診断装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
図１は、本発明の実施の一形態に係る超音波探触子１の断面図である。この超音波探触子１は、大略的に、電源供給や診断用の画像を表示したり印字出力したりする診断装置本体から延びる同軸ケーブル２の先端に取付けられ、掌大の筐体３内に、圧電振動子１０に、その駆動回路基板４，５が収納されて成る。
【００２９】
前記筐体３において、前記同軸ケーブル２が引込まれた側とは反対側には開口６が形成されており、その開口６から前記圧電振動子１０が被検体に臨む。前記駆動回路基板４，５には、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等が実装されており、前記診断装置本体からの駆動信号に応答して前記圧電振動子１０から被検体内に超音波を送信し、前記被検体内で反射された超音波が前記圧電振動子１０で受信されて得られた受信信号を適宜処理して、前記診断装置本体へ出力し、前記受信信号に基づく画像を表示させる。
【００３０】
前記圧電振動子１０は、様々な態様に構成することが可能であるが、図１の例では、圧電素子群が１次元または２次元のアレイ状に配列されて成る圧電フィルム層１１の前面に音響整合層１２を、背面にダンパー層１４を設けて構成されている。このように構成される超音波探触子１において、注目すべきは、本発明では、前記圧電振動子１０が、前記圧電フィルム層１１とダンパー層１４との間に音響増幅層１３が介在された４層の有機ポリマーから成り、前記音響増幅層１３が、空孔１５を有することである。このように構成される圧電振動子１０および前述の駆動回路基板４，５の配置は、適宜選択されればよい。
【００３１】
図２は、アレイ状に配列される前記圧電振動子１０の１単位素子１０ａの断面を模式的に示す図である。該素子１０ａも、被検体側から、音響整合層１２、圧電振動子フィルム層（前記圧電層と略す）１１、音響増幅層１３およびダンパー層１４から構成されている。前記圧電フィルム層１１には、単位素子１０ａ毎に電極１６，１７が形成され、それらの電極１６，１７は該圧電振動子１０の側部を引回される信号線１８およびアース線１９にそれぞれ接続される。
【００３２】
前記圧電フィルム層１１としては、ポリ弗化ビニリデンフィルム（弗化エチレンの共重合体も含む）、ポリシアノビニリデンフィルムやポリウレアフィルムを使用することができる。特に、弗化ビニリデン：３弗化エチレンが７５：２５のモル比の組成で共重合させた共重合体を分極処理したフィルムが最も好ましく、圧電特性を最適にするには、重合度、共重合条件（温度、時間、混合比）、得られた共重合体の延伸条件、塗布乾燥条件、分極処理条件が、適宜選択される。分極処理後のフィルムの周波数定数としては、１００〜６００Ｈｚ・ｍが好ましい。それは、周波数定数が１００以下のものでは、圧電特性が低く、６００以上になると耐久性が劣るためである。この周波数定数は、圧電フィルムの最大強度を示す周波数（Ｈｚ）の値と厚さ（ｍ）との積で示される値である。
【００３３】
一方、前記音響整合層１２に使用される有機のフィルムは、生体のインピーダンスと圧電フィルム層１１のインピーダンスとの間であるものが望ましい。生体の音響インピーダンスは１．５Ｍｒａｙｌ（１０６ｋｇ／ｍ２ｓ）に近く、弗化ビニリデンの音響インピーダンスは、４．５Ｍｒａｙｌ付近にあるので、１．６〜４．４Ｍｒａｙｌまでが好ましい。一般的には水分透過率の低く、硬度もあるポリイミド樹脂を使用することができる。そして、有機ポリマーから成る圧電振動子１０において、一般的な有機ポリマーの音響インピーダンスが２〜３であり、そのレベルのものは圧電特性が得にくく、また５．５以上の音響インピーダンスとなると圧電特性が低くなってしまうので、前記圧電層１０の音響インピーダンスは、４〜５．５であれば、多くの有機ポリマー材料に整合し、好適である。
【００３４】
これに対して、前記音響増幅層１３は、圧電フィルム層１１の振動を増幅することを目的とした層である。この音響増幅層１３の素材には、一般の多くの有機ポリマーを使用することができるが、ヤング率が０．０１〜１０ＧＰａであることが好ましい。特に、０．２〜７ＧＰａのものが好ましい。それは、ヤング率が０．２ＧＰａより低いものは、損傷破壊し易く、７ＧＰａを超えると音響増幅の効果が低くなり、また加工もし難くなるためである。このような素材としては、ポリイミド樹脂（３〜５ＧＰａ）、ポリエステル樹脂（１．８〜３．５ＧＰａ）、アクリル樹脂（１．６〜３．６ＧＰａ）、ポリアミド樹脂（２〜４ＧＰａ）、ポリメタクリル酸メチル樹脂（３．４ＧＰａ）、ポリスチレン樹脂（３〜３．４ＧＰａ）、ポリカーボネート樹脂（２．６ＧＰａ）、エポキシ樹脂（２．６〜３ＧＰａ）、オレフィン樹脂（ポリエチレン樹脂（低密度０．２ＧＰａ）、ポリプロピレン樹脂（０．９ＧＰａ）、ポリイソプレン樹脂（架橋０．２ＧＰａ）、ポリブタジエン樹脂（架橋０．２ＧＰａ）、ポリ（ブタジエン−スチレン）樹脂（０．３ＧＰａ）、シクロオレフィン樹脂（３．２ＧＰａ）等から適宜選択することができる。
【００３５】
そしてこの音響増幅層１３は、前述のように内部に空孔１５を有し、この空孔１５によって前記圧電フィルム層１１からの振動を増幅する。前記空孔の形態は、四角柱体（直方体、立方体）、紡錘体、球体、円柱体、六角柱体等から任意の形態を選択することができる。さらに該音響増幅層１３中には、アレイ１素子に対して、少なくとも１個の空孔１５を有し、該空孔１５内に格子状の隔壁を多数配置して該空孔１５を細分化してもよいが、アレイの最小単位である前記単位素子１０ａ当り１個であることが最も好ましい。これによって、複数の各単位素子１０ａに共通に、高い圧電特性を得ることができる。
【００３６】
また、該音響増幅層１３の好ましい形態としての厚さｔａは１０μｍ〜５ｍｍであり、空孔１５の厚さは、前記音響増幅層の厚さの０．１〜０．８倍の範囲である。これは、前記音響増幅層１３の厚さが１０μｍより薄くなると壊れ易く、５ｍｍを超えると圧電特性が悪くなるためである。また、音響増幅層１３と空孔１５との厚さｔｃは、相関性が深く、前記音響増幅層１３が周波数を規定するので、倍数表示となり、前記音響増幅層１３の厚さの０．１倍より薄くなると壊れ易く、０．８倍を超えると圧電特性が悪くなるためである。
【００３７】
さらにまた、前記空孔１５と圧電フィルム層１１との間の平均距離ｔｚは、５〜３００μｍに選ばれる。これは、前記音響増幅層１３内の空孔１５と圧電フィルム層１１との間の平均距離ｔｚ、すなわち前記音響増幅層１３の圧電層側の層の厚さの平均値が、５μｍより薄くなると壊れ易くなり、３００μｍより厚くなると空孔１５の感度に影響する効果が小さくなるためである。
【００３８】
ダンパー層１４は、前記音響増幅層１３の背面で圧電振動子１０全体を筐体３に固定化する役割と、音響的に音圧緩衝作用によって前記音響増幅層１３から反射される超音波パルス波形を劣化させない（エコーを戻してノイズにならないような）働きを担うものである。このダンパー層１４の音響インピーダンスが、振動子（圧電フィルム層１１）の音響インピーダンスに近いと、広帯域になり、短い超音波パルスが得られる。前記広帯域に適した超音波探触子１のバッキング材に望まれる特性は、上述のように音響インピーダンスが振動子（圧電フィルム層１１）のそれに近いこと、加えて、音響減衰量が大きいこと、電気的に絶縁物であること、誘電率、ヤング率、密度等の物理的特性が均一な材料であること、さらに加工性が良いことである。
【００３９】
このような条件を満たす具体的な材料としては、タングステン粉末やフェライト樹脂を分散させたエポキシ樹脂あるいはアルキル樹脂、ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂等を挙げることができる。ポリイミド樹脂は無水ピロメリット酸やビフェニルテトラカルボン酸二無水物の芳香族テトラカルボン酸二無水物とジアミノジフェニルエーテルなどの芳香族ジアミンとから得られる直鎖（線状）高分子或いは、芳香族トリアミンを使用した分枝の高分子を挙げることができる。
【００４０】
前記タングステン粉末を分散させたエポキシ樹脂あるいはアルキル樹脂からなるダンパー材は、それらの音響インピーダンスをポリ弗化ビニリデン樹脂やポリシアノビニリデン樹脂或いはポリウレア樹脂の圧電振動子のそれに近い値にするようにタングステン粉末の含有率を適宜選択することができる。
【００４１】
図３は、上述のように構成される圧電振動子１０の作成工程を説明するための模式的な断面図である。先ず、図３（ａ）で示すように、電極１６，１７付きの圧電フィルムを前記圧電フィルム層１１として用意し、それに音響整合層１２を形成する。次いで、図３（ｂ）で示すように、前記音響整合層１２を付けた面とは反対側に、音響増幅層１３となる膜を接着する。この膜に対して、図３（ｃ）で示すように、空孔１５のための窪み１５ａを形成する。
【００４２】
窪み１５ａの形成は、予め設定した大きさの凸の鋳型（ステンレス製）を押印加工して形成する。その際の温度は、前記凸の鋳型を１００℃〜３００℃の範囲で加熱しておき、材質に適した温度と時間との関係から、窪み１５ａの形成によい条件が適宜設定されればよい。窪み１５ａは、鋳型押印方式でなく、レーザアブレーション方式で形成されてもよい。レーザアブレーション方式の採用の場合には、それに適した樹脂を選択することで、最適に空孔１５を形成することができる。レーザは、紫外線レーザ、赤外線レーザなどを利用することができる。
【００４３】
前記窪み１５ａのさらに別な形成方法としては、光硬化型樹脂を利用する方法もある。具体的には、前記音響整合層１２が積層された圧電フィルム層１１を型枠内に嵌め込んで、前記圧電フィルム層１１上に前記光硬化型樹脂を流し込み、一方、前記空孔１５の配置を決めた図面を元にマスク（ネガ）を作成しておき、キセノンランプや高圧水銀灯を使用して紫外線露光し、未硬化部分（空孔１５部分）をアルカリや酸で除去する方法などを採用することができる。
【００４４】
前記窪み１５ａを形成した後は、図３（ｄ）で示すように、その窪み１５ａを塞ぐフィルム１５ｂを搭載し、さらに図３（ｅ）で示すように、ダンパー層１４を積層する。このダンパー層１４は、予め成膜しておいた膜が積層されてもよい。さらに図３（ｆ）から図３（ｇ）で示すように、前記電極１６，１７から信号線１８およびアース線１９をそれぞれ引出して該圧電振動子１０が完成する。
【００４５】
以下に、本願発明者の実験結果を示す。実験は、前記圧電フィルム層１１に、６４×６４の２次元マトリクスアレイを作成して行った。先ず、比較参照用に作成した圧電振動子は、厚さ方向（Ｚ軸方向）に分極処理済みの広さ６４ｍｍ×６４ｍｍ、厚さ６０μｍ（周波数定数６００の場合）のポリ弗化ビニリデン、ポリシアノビニリデン、ポリウレア、ポリエステルを前記圧電フィルム層１１として使用した（材料種は表１に記載）。電極１６，１７は銀焼き付け電極とし、圧電フィルム層１１の上に音響整合層１２、圧電フィルム層１１の背面に平均粒子径５μｍのタングステン粉を分散し、エポキシ樹脂で硬化したダンパー１４を接着させた。圧電フィルム層１１における単位素子１０ａの形状は、図２において、Ｌ：９００μｍ、ｍ：５０μｍ、ｔｐ：６４．２μｍ、ｔｍ：２００μｍ、ｔｄ：５ｍｍとなった。
【００４６】
この圧電振動子アレイから信号線１８およびアース線１９を、６４×２本のパッシブマトリクス方式で引き出し、同軸ケーブル２を介して試作したデジタル処理ビームフォーマーを搭載した超音波診断装置に接続した。前記パッシブマトリクス方式は、圧電フィルム層１１上に電極１６，１７を格子状に張りめぐらし、各単位素子１０ａをｘ軸方向の電極とｙ軸方向の電極との交点に配置し、ｘ方向（アレイ方向）の電極を作動させるのに１つのトランジスタ、ｙ軸方向（アレイ直角方向）の電極を作動させるのにもう１つのトランジスタを使用するものである。そして、各単位素子１０ａは、ｘ軸・ｙ軸各方向の電極１６，１７に電圧がかかっているときに圧電振動を行い、電圧がかかってないときには振動は停止している。
【００４７】
前記電極１６，１７間への印加電圧は１２０Ｖとし、１０ＭＨｚの送信波を送り、ファントム内からのエコーを受信し、画像化した。画像の評価は、表示素子上の画像を目視評価した。評価基準は、画質（解像度と鮮鋭性）が良く、スペックルノイズが少ない場合を「優」、次いで「良」、「可」と評価した。得られた画質は「可：基準」とした。
【００４８】
これに対して、本発明の一実施例の音響増幅層１４を備える圧電振動子１０の場合は、前記比較アレイと同様に作成したが、ここでは、内部に空孔１５を有する音響増幅層１３を持つ６４×６４のアレイの各単位素子１０ａを、前記図３（ａ）から（ｇ）に示す流れの製作工程で作成した。先ず、電極１６，１７付きのポリ弗化ビニリデン圧電フィルム、ポリシアノビニリデンフィルム、ポリウレアフィルムを用意（図３（ａ））し、一方の面にポリイミド膜から成る音響整合層１２を形成する。たとえば、実施例−１〜５では、圧電フィルム層１１は、弗化ビニリデン：トリ弗化エチレンが７５：２５のモル比の共重合体を使用した。
【００４９】
次いで、音響整合層１４を付けた面とは反対側に、空孔１５形成のための音響増幅層１３を圧電フィルム層１１の上に形成させる（図３（ｂ））。この膜形成は、ポリエチレンテレフタレート樹脂（ＰＥＴ）フィルムを重畳接着させることで行うことができる。次いで、２００℃に加熱した凸押印鋳型を２分間圧着して、窪み１５ａを形成する（ｃ）。窪み１５ａの大きさは、それぞれｔｂ：７００μｍ、ｔａ：１００μｍ、ｔｃ：５０μｍであった。窪み１５ａは、厚さ方向でｔａの中央に位置するように形成させた。窪み１５ａの形成は、予め設定した大きさの凸の鋳型（ステンレス製）を押印加工して形成する方法を採用した。この上に厚さ５０μｍのＰＥＴフィルム１５ｂを被せる（図３（ｄ））。更にダンパー層１４を重畳（図３（ｅ））し、各単位素子１０ａに溝を形成し（図３（ｆ））、電極１６，１７を引き出し（図３（ｇ））、圧電振動子１０を完成させた。
【００５０】
配線後、前記の比較参照例と同様に超音波画像診断装置の本体で画像処理を行い、表示素子に映し出された映像の画像を評価した。画像の評価は、表示素子上の画像を目視することで行った。評価基準は、前述のように画質が良く、スペックルノイズが少ない場合を「優」、次いで「良」、「可」と評価した。得られた画像は、スペックルノイズが低減し、解像のよい鮮明な画像が得られた。画質は「優」であった。さらに、図４で示すように、音響増幅層１３とダンパー層１４との間に、バイアス信号線２１とこれに接続される電極２２を設けた圧電振動子２０を作成し、実施例２として同様に実験を行った。バイアス信号線２１の電圧を３０Ｖとし、信号線１８からの信号と同期させた。なお、圧電振動子２０において、前述の圧電振動子１０に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。
【００５１】
このようにして、前記圧電フィルム層１１の周波数定数、インピーダンス、音響増幅層１３の形状（ｔａ、ｔｃ、ｔｚ）を変化させた場合の性能試験の結果を、前記表１にまとめた。なお、感度に関しては、得られる信号の強度をオシロスコープで測定して求めた。表１には、バイアス電圧を印加したときのその感度上昇分を、ｄＢ単位で記載した。
【００５２】
【表１】
【００５３】
前記表１を参照して、比較例１〜７と、実施例１−１〜１１；２−１〜１１とから、圧電フィルム層１１の下部に空孔１５を有する音響増幅層１３を設けることで、圧電効果の向上が図られ、画質が向上することが理解される。また、実施例１−１〜１１と実施例２−１〜１１とから、バイアス信号線２１からのバイアス電圧印加を圧電フィルム層への信号の印加と同期して行うことで、増幅効果が更に増すことが理解される。
【００５４】
以上のように、本発明の超音波探触子１は、圧電振動子１０を、超音波を送受信する圧電フィルム層１１と、前記圧電フィルム層１１と被検体との間に介在され、それらの音響インピーダンスを整合する音響整合層１２と、前記圧電フィルム層１１と該圧電振動子１０の筐体３への取付け部分との間に介在されるダンパー層１４との通常の３層構造に加えて、さらに前記圧電フィルム層１１と前記ダンパー層１４との間に音響増幅層１３を設けて構成するので、従来では、損失となっていた圧電フィルム層１１からダンパー層１４側へ伝搬する送信波および受信波が該音響増幅層１３で増幅されて反射され、より大きな送信波を送信することができるとともに、より高感度に受信波を受信することができる。こうして圧電振動子１０の圧電特性を向上し、視野深度が深く、解像度および鮮鋭度が高い画像を得ることができる超音波診断装置を実現することができる。
【００５５】
また、前記の各層１１〜１４は、それぞれ有機ポリマーから成るので、受信帯域が広く、しかも新たに設けた前記音響増幅層１３が空孔１５を有することで、増幅効果を一層高めることができる。さらにまた、本発明の超音波探触子では、前記空孔１５は、アレイ状に配列された複数の単位素子１０ａのそれぞれに対して、少なくとも１つが設けられているので、複数の各単位素子１０ａに共通に、前記のような高い圧電特性を得ることができる。
【００５６】
さらにまた、圧電振動子２０のように、前記音響増幅層１３が前記ダンパー層１４側に電極２２を有し、該電極２２にバイアス信号線２１からのバイアス電圧を与えることで、音響増幅層１３の増幅および反射を制御して、圧電振動子２０全体の振動モードを制御することができる。具体的には、圧電フィルム層１１に与えられる信号と同期させて、前記バイアス電圧を印加することで、前記空孔１５内に正または負の電荷を蓄積し、振動を促進したり、減衰したりする。振動を促進するような共振電圧を印加することで、前記表１で示すように、圧電振動子２０の振動を促進することができる。
【００５７】
なお、本発明の思想の範囲において、当業者であれば、各種の改変更例および修正例を用意に想起するものであるが、それら改変例および修正例についても本発明の範囲に属するものと理解されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の実施の一形態に係る超音波探触子の断面図である。
【図２】前記超音波探触子において、アレイ状に配列される圧電振動子の１単位素子の一実施形態の断面を模式的に示す図である。
【図３】前記圧電振動子の作成工程を説明するための模式的な断面図である。
【図４】前記超音波探触子において、アレイ状に配列される圧電振動子の１単位素子の他の実施形態の断面を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００５９】
１ 超音波探触子
２ 同軸ケーブル
３ 筐体
４，５ 駆動回路基板
１０，２０ 圧電振動子
１１ 圧電フィルム層
１２ 音響整合層
１３ 音響増幅層
１４ ダンパー層
１５ 空孔
１６，１７，２２ 電極
１８ 信号線
１９ アース線
１５ａ 窪み
１５ｂ フィルム
２１ バイアス信号線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電振動子から被検体内に超音波を送信し、前記被検体内で反射された超音波を前記圧電振動子で受信して受信信号を得る超音波探触子おいて、
前記圧電振動子は、
前記超音波を送受信する圧電層と、
前記圧電層と該圧電振動子の筐体への取付け部分との間に介在されるダンパー層と、
前記圧電層と前記ダンパー層との間に介在される音響増幅層との３層を少なくとも含むことを特徴とする超音波探触子。
【請求項２】
前記の３層は、それぞれ有機ポリマーから成り、
前記音響増幅層は、空孔を有することを特徴とする請求項１記載の超音波探触子。
【請求項３】
前記空孔は、複数の圧電振動子のそれぞれに対して、少なくとも１つが設けられていることを特徴とする請求項２記載の超音波探触子。
【請求項４】
前記圧電層の周波数定数が１００〜６００Ｈｚ・ｍであり、音響インピーダンスが４〜５．５であることを特徴とする請求項２または３記載の超音波探触子。
【請求項５】
前記音響増幅層の厚さは１０μｍ〜５ｍｍであり、前記空孔の厚さは、前記音響増幅層の厚さの０．１〜０．８倍の範囲にあることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の超音波探触子。
【請求項６】
前記音響増幅層内の空孔と圧電層との間の平均距離は、５〜３００μｍであることを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載の超音波探触子。
【請求項７】
前記音響増幅層は、前記ダンパー層側に電極層を有し、該電極層はバイアス信号線からの信号で圧電振動子の振動モードを制御することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の超音波探触子。
【請求項８】
前記請求項１〜７のいずれか１項に記載の超音波探触子を用いることを特徴とする超音波診断装置。
【請求項１】
圧電振動子から被検体内に超音波を送信し、前記被検体内で反射された超音波を前記圧電振動子で受信して受信信号を得る超音波探触子おいて、
前記圧電振動子は、
前記超音波を送受信する圧電層と、
前記圧電層と該圧電振動子の筐体への取付け部分との間に介在されるダンパー層と、
前記圧電層と前記ダンパー層との間に介在される音響増幅層との３層を少なくとも含むことを特徴とする超音波探触子。
【請求項２】
前記の３層は、それぞれ有機ポリマーから成り、
前記音響増幅層は、空孔を有することを特徴とする請求項１記載の超音波探触子。
【請求項３】
前記空孔は、複数の圧電振動子のそれぞれに対して、少なくとも１つが設けられていることを特徴とする請求項２記載の超音波探触子。
【請求項４】
前記圧電層の周波数定数が１００〜６００Ｈｚ・ｍであり、音響インピーダンスが４〜５．５であることを特徴とする請求項２または３記載の超音波探触子。
【請求項５】
前記音響増幅層の厚さは１０μｍ〜５ｍｍであり、前記空孔の厚さは、前記音響増幅層の厚さの０．１〜０．８倍の範囲にあることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の超音波探触子。
【請求項６】
前記音響増幅層内の空孔と圧電層との間の平均距離は、５〜３００μｍであることを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載の超音波探触子。
【請求項７】
前記音響増幅層は、前記ダンパー層側に電極層を有し、該電極層はバイアス信号線からの信号で圧電振動子の振動モードを制御することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の超音波探触子。
【請求項８】
前記請求項１〜７のいずれか１項に記載の超音波探触子を用いることを特徴とする超音波診断装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００９−１７７３０２（Ｐ２００９−１７７３０２Ａ）
【公開日】平成２１年８月６日（２００９．８．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１１３６７（Ｐ２００８−１１３６７）
【出願日】平成２０年１月２２日（２００８．１．２２）
【出願人】（３０３０００４２０）コニカミノルタエムジー株式会社 (2,950)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年８月６日（２００９．８．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月２２日（２００８．１．２２）
【出願人】（３０３０００４２０）コニカミノルタエムジー株式会社 (2,950)
【Ｆターム（参考）】
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