超音波探触子用音響レンズおよび超音波探触子
【課題】音響特性に優れかつ耐久性に優れる超音波探触子用音響レンズおよびそれを用いた超音波探触子を提供する。
【解決手段】シリカで被覆された金属酸化物粒子およびシリコーンゴムを含有することを特徴とする超音波探触子１であって、前記金属酸化物粒子の含有量が、１５〜５０質量％であり、バッキング材６、電極２および圧電材料５を有する圧電素子上に、音響整合層８および超音波探触子用音響レンズ９を具備する。
【解決手段】シリカで被覆された金属酸化物粒子およびシリコーンゴムを含有することを特徴とする超音波探触子１であって、前記金属酸化物粒子の含有量が、１５〜５０質量％であり、バッキング材６、電極２および圧電材料５を有する圧電素子上に、音響整合層８および超音波探触子用音響レンズ９を具備する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を送信、受信して超音波検査を行う超音波探触子に用いられる超音波探触子用音響レンズおよびそれを用いた超音波探触子に関し、特に生体を対象とした超音波探触子に用いられる超音波探触子用音響レンズおよびそれを用いた超音波探触子（超音波プローブ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波を用いた検査を行う超音波検査装置は、被検体に超音波を送波し、この超音波の反射音波（エコー）を受波し、この反射波に基づいて被検体の内部を画像化して可視化するようになっている。超音波を送波し、反射音波を受波するには、超音波プローブが用いられる。超音波プローブは一般的に、バッキング材、圧電体、音響整合層および音響レンズを有している。
【０００３】
バッキング材は、圧電体の背面に放射される不要な超音波を吸収し、余分な振動を抑制する。圧電体は、加電圧により振動して超音波を発生すると共に、超音波の振動を受けその音圧に対応する電圧を発生する機能を有し、電極が付加された状態で使用される。音響整合層は、被検体への超音波の伝搬を効率良く行うために、被検体の音響インピーダンスと圧電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し、音響インピーダンスを整合させる層である。音響レンズは、超音波ビームを収束させる機能を有する層である。
【０００４】
超音波プローブは、上記のようなバッキング材、圧電体、音響整合層、音響レンズがこの順に積層された構成を有する積層構造物であり、これらの各層は、一般的に接着によって一体化されている。したがって、超音波振動子部材の各層は、その用途により種々の特性を要求される。
【０００５】
超音波プローブの用途としては、魚群探知器や生体を対象とする診断装置などがある。
【０００６】
これらの用途のうち、特に生体を対象とする診断装置に用いられる場合、特に音響レンズは生体と密着させて使用される部分に相当するため、下記のような特性を有する必要があることが知られている。
１．生体との間における超音波の反射を小さくするために、音響インピーダンスが生体のそれに近い。
２．感度を高めるために、音波の減水率が、小さい。
３．凸面形状とするために、音速が生体内の音速以下である。
４．音響レンズの各種形状に対応するために、成形性が高い。
５．生体と接触する医療用途のため、化学的、物理的に安定である。
６．生体への接触時の圧による変形を防止するため、一定以上の硬度を有する。
【０００７】
そして、これらの特性を総合的に高めたものとして下記の技術が知られている。
【０００８】
たとえば、４０質量％以上のシリコーンゴムを含有し、１５〜６０質量％の酸化亜鉛粉末を有するもの（特許文献１参照）、４０質量％以上のシリコーンゴムを含有し、１２〜５６質量％の酸化イッテルビウム粉末を含有するものが知られている（特許文献２参照）。
【０００９】
またこれらにおいては、酸化亜鉛粉末または酸化イッテルビウム粉末としてシリコーン樹脂で被覆されたものを用いること、さらにシリカ粉末を含有させた音響レンズが開示されている。
【００１０】
しかしながら、これらの音響レンズにおいても、上記の特性が比較的向上するものの、特に繰り返し使用した場合に、変形などを生じ音響特性が劣化するなど耐久性が不充分であり、音響特性と耐久性を両立させることは困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００５−１２５０７１号公報
【特許文献２】特開２００９−７２６０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、音響特性に優れかつ耐久性に優れる超音波探触子用音響レンズおよびそれを用いた超音波探触子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の上記課題は、下記の手段により達成される。
【００１４】
１．シリカで被覆された金属酸化物粒子およびシリコーンゴムを含有することを特徴とする超音波探触子用音響レンズ。
【００１５】
２．前記金属酸化物粒子の含有量が、１５〜５０質量％であることを特徴とする前記１に記載の超音波探触子用音響レンズ。
【００１６】
３．バッキング材、該バッキング材上に設けられた、電極および圧電材料を有する圧電素子、該圧電素子上に設けられた音響整合層および該音響整合層上に設けられた前記１または２に記載の超音波探触子用音響レンズを具備することを特徴とする超音波探触子。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の上記手段により、音響特性に優れかつ、耐久性に優れる超音波探触子用音響レンズおよびそれを用いた超音波探触子が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の超音波探触子の好ましい態様の例の概略断面図である。
【図２】本発明の超音波探触子を具備する超音波画像検出装置の例の主要部の構成を示す概念図である。
【図３】本発明の超音波探触子の例の断面図である。
【図４】本発明の超音波探触子を具備する超音波画像検出装置の例の概略図である。
【図５】本発明の超音波探触子を具備する超音波画像検出装置の例の主要部の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明は、超音波探触子用音響レンズであって、シリカで被覆された金属酸化物粒子およびシリコーンゴムを含有することを特徴とする。
【００２０】
本発明では、特に音響レンズとして、シリカで被覆された金属酸化物粒子およびシリコーンゴムを含有するものを用いることで、高い音響特性を有し、耐久性に優れる超音波探触子が得られる。
【００２１】
（超音波探触子用音響レンズ）
本発明の超音波探触子用音響レンズ（以下単に、音響レンズとも称する）は、シリカで被覆された金属酸化物粒子とシリコーンゴムを含有する。
【００２２】
シリコーンゴムは、Ｓｉ−Ｏ結合であるシロキサン結合を複数有するゴム状シリコーン樹脂である。
【００２３】
ゴム状シリコーン樹脂としては、ジメチルポリシロキサンを主成分とするものが好ましく、重合度としては３０００から１００００のものが好ましく用いられる。
【００２４】
また、下記一般式（１）で表される、シリコーン化合物をさらに含有するものも好ましく用いられる。
【００２５】
一般式（１）
Ｒ１（Ｒ１２ＳｉＯ）Ｘ（Ｒ１Ｒ２ＳｉＯ）ＹＳｉＲ１３
（Ｒ１は１価炭化水素基または水素原子、Ｒ２はアルキル基、ポリエーテル基、Ｘは０以上の整数、Ｙは１以上の整数）。
【００２６】
シリコーンゴムは、市販品として入手することができ、たとえば信越化学社製、ＫＥ７４２Ｕ、ＫＥ７５２Ｕ、ＫＥ９３１Ｕ、ＫＥ９４１Ｕ、ＫＥ９５１Ｕ、ＫＥ９６１Ｕ、ＫＥ８５０Ｕ、ＫＥ５５５Ｕ、ＫＥ５７５Ｕ等や、モメンティブパフォーマンスマテリアル社製、ＴＳＥ２２１−３Ｕ、ＴＥ２２１−４Ｕ、ＴＳＥ２２３３Ｕ、ＸＥ２０−５２３−４Ｕ、ＴＳＥ２７−４Ｕ、ＴＳＥ２６０−３Ｕ、ＴＳＥ−２６０−４Ｕやダウコーニング東レ社製のＳＨ３５Ｕ、ＳＨ５５ＵＡ、ＳＨ８３１Ｕ、ＳＥ６７４９Ｕ、ＳＥ１１２０ＵＳＥ４７０４Ｕなどを用いることができる。
【００２７】
シリコーンゴムの含有量としては、音響レンズに対して、４０質量％以上であることが好ましく、特に４０〜８０質量％であることが、音響特性、耐久性の面から好ましい。
【００２８】
（シリカで被覆された金属酸化物粒子（以下単に、シリカ被覆金属酸化物粒子と略記する））
本発明において、シリカ被覆金属酸化物粒子とは、その表面にシリカを有する金属酸化物粒子である。シリカ被覆金属酸化物粒子に用いられる金属酸化物としては、ＴｉＯ２、ＳｎＯ２、ＺｎＯ、Ｂｉ２Ｏ３、ＷＯ３、ＺｒＯ２、Ｆｅ２Ｏ３、ＭｎＯ２、Ｙ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＢａＯ、Ｙｂ２Ｏ３が挙げられる。これらの中でも、ＺｎＯ、ＴｉＯ２、Ｆｅ２Ｏ３が、音響特性の面から好ましく用いられる。
【００２９】
シリカ被覆金属酸化物粒子は、これらの金属酸化物の粒子を、珪酸、水、アルカリおよび有機溶媒を含有するシリカ被膜形成用組成物と接触させ、金属酸化物の表面にシリカを選択的に沈着せしめることで得られる。選択的に沈着せしめるには、水／有機溶媒比が容量比で０．１〜１０の範囲であり、かつ珪素濃度が０．０００１〜５モル／リットルの範囲であることが好ましい条件である。
【００３０】
シリカ被覆金属酸化物粒子の平均粒径は、１〜２００ｎｍが好ましく特に、５〜２０ｎｍであることが好ましい。平均粒径は、粒径を、１００個について測定し、これらの値の数平均を求めた値である。粒径は、電子顕微鏡観察による画像から求めた、粒子の最大径と最小径との平均値である。
【００３１】
シリカ被覆金属酸化物粒子のシリカ被膜の膜厚としては、０．１〜１００ｎｍが好ましく、特に１〜２５ｎｍが好ましく適用できる範囲である。
【００３２】
シリカ被覆金属酸化物粒子の含有量としては、音響特性の面から、１０〜６０質量％が好ましく、特に、１５〜５０質量％であることが好ましい。
【００３３】
シリカ被覆金属酸化物粒子は、市販品として入手することができ、昭和電工（株）製マックスライトＺＳ−６４（シリカ被覆酸化亜鉛）、昭和電工（株）製マックスライトＴＳ−０４３（シリカ被覆酸化チタン）などを用いることができる。
【００３４】
超音波探触子用音響レンズは、シリコーンゴムとシリカ被覆酸化物粒子を混合し混練し、混練物に加硫剤を添加して加硫成形することにより、音響レンズの形状を有する成形品とし、さらに必要に応じ２加硫を行うことにより作製される。加硫剤としては、たとえば２，５−ジメチル−２，５−ジターシャリーブチルパーオキシヘキサン、ｐ−メチルベンゾイルパーオキサイド、ジターシャリーブチルパーオキサイドなどの過酸化物系の加硫剤を用いることができる。この過酸化物系の加硫剤の量は、たとえば音響レンズ組成物中のシリコーンゴムに対して０．３〜２質量％にすることが好ましい。また、前記過酸化物系の加硫剤以外の加硫剤を用いてもよい。
【００３５】
シリコーンゴムとシリカ被覆酸化物粒子を混合する際には、金属酸化物粒子は、加熱などにより水分を取り除くことが好ましい。加硫成形の温度としては、１００〜２００℃が好ましく範囲である。
【００３６】
本発明の超音波探触子用音響レンズには、シリカ粉末を、本発明の効果を損なわない範囲で含んでもよい。含まれるシリカ粉末の含有量としては、音響レンズに対して２０質量％以下であることが好ましい。また、下記のような添加物を大略５質量％以下の範囲で含有してもよい。たとえば、たとえば酸化チタン、アルミナ、酸化セリウム、酸化鉄、硫酸バリウム、有機物フィラー、着色顔料などが挙げられる。
【００３７】
本発明の上記構成が、高い音響特性を示し、耐久性に優れる理由は明確ではないが、以下のように推測される。分散されたシリカ被覆金属酸化物粒子は、シリコーンゴムに対する親和力が大きいために、シリコーンゴムと粒子との間の密着力が大きく、シリコーンゴムとより一体化して音響レンズ中で動作するため音響特性の劣化を生ずることがなく、また外部からの力が局部的に集中するのを防止して、外力を音響レンズ内で分散吸収しているためと推測される。
【００３８】
（超音波探触子）
本発明の超音波探触子は、バッキング層、該バッキング層上に設けられた、電極および圧電体を有する圧電素子、この圧電素子上に設けられた音響整合層およびこの音響整合層上に設けられた本発明の超音波探触子用音響レンズを具備する。
【００３９】
図１に本発明の超音波探触子の好ましい態様の例の概略断面図を示す。
【００４０】
超音波探触子１は、バッキング層６上に、送信用圧電材料５に電極２が付された送信用圧電素子１２を有し、送信用圧電素子１２上に中間層７を有し、中間層７上に受信用圧電材料１１に電極２が付された受信用圧電素子１３を有し、さらにその上に音響整合層８および音響レンズ９を有する構成を有する。
【００４１】
（バッキング層）
バッキング層は、圧電素子を支持し、不要な超音波を吸収し得る超音波吸収体である。バッキング層に用いられるバッキング材としては、天然ゴム、フェライトゴム、エポキシ樹脂に酸化タングステンや酸化チタン、フェライト等の粉末を入れてプレス成形した材料、塩化ビニル、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）、ＡＢＳ樹脂、ポリウレタン（ＰＵＲ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡＬ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴＰ）、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ）ポリエチレングリコール、ポリエチレンテレフタレート−ポリエチレングリコール共重合体などの熱可塑性樹脂などを用いることができる。
【００４２】
好ましいバッキング材としては、ゴム系複合材料およびまたはエポキシ樹脂複合材からなるものであり、その形状は圧電体や圧電体を含むプローブヘッドの形状に応じて、適宜選択することができる。
【００４３】
ゴム系複合材としては、ゴム成分および充填剤を含有する物が好ましく、ＪＩＳ Ｋ６２５３に準拠したスプリング硬さ試験機（デュロメータ硬さ）におけるタイプＡデュロメータでＡ７０からタイプＤデュロメータでＤ７０までの硬さを有するものであり、さらに、必要に応じて各種の他の配合剤を添加することもできる。ゴム成分としては、たとえば、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭまたはＥＰＭ）、水素化ニトリルゴム（ＨＮＢＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、シリコーンゴム、ＥＰＤＭとＨＮＢＲのブレンドゴム、ＥＰＤＭとニトリルゴム（ＮＢＲ）のブレンドゴム、ＮＢＲおよび／またはＨＮＢＲと高スチレンゴム（ＨＳＲ）のブレンドゴム、ＥＰＤＭとＨＳＲブレンドゴムなどが好ましい。より好ましくは、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭまたはＥＰＭ）、水素化ニトリルゴム（ＨＮＢＲ）、ＥＰＤＭとＨＮＢＲのブレンドゴム、ＥＰＤＭとニトリルゴム（ＮＢＲ）のブレンドゴム、ＮＢＲおよび／またはＨＮＢＲと高スチレンゴム（ＨＳＲ）のブレンドゴム、ＥＰＤＭとＨＳＲブレンドゴムなどが挙げられる。本発明のゴム成分は、加硫ゴムおよび熱可塑性エラストマーなどのゴム成分の１種を単独で使用してもよいが、ブレンドゴムのように２種以上のゴム成分をブレンドしたブレンドゴムを用いてもよい。
【００４４】
ゴム成分に添加される充填剤としては、通常使用されているものから比重の大きいものに至るまでその配合量と共に様々な形で選ぶことが出来る。たとえば、亜鉛華、チタン白、ベンガラ、フェライト、アルミナ、三酸化タングステン、酸化イットリビウムなどの金属酸化物、炭酸カルシウム、ハードクレイ、ケイソウ土などのクレイ類、炭酸カルシウム、硫酸バリウムなどの金属塩類、ガラス粉末などやタングステン、モリブデン等の各種の金属系微粉末類、ガラスバルーン、ポリマーバルーン等の各種バルーン類が挙げられる。これらの充填剤は、種々の比率で添加することができるが、好ましくはゴム成分１００質量部に対して５０〜３０００質量部、より好ましくは１００〜２０００質量部、または３００〜１５００質量部程度が好ましい。また、これらの充填剤は１種または２種以上を組み合わせて添加してもよい。
【００４５】
ゴム系複合材料には、さらに他の配合剤を必要に応じて添加することができ、このような配合剤としては、加硫剤、架橋剤、硬化剤、それらの助剤類、劣化防止剤、酸化防止剤、着色剤などが挙げられる。たとえば、カーボンブラック、二酸化ケイ素、プロセスオイル、イオウ（加硫剤）、ジクミルパーオキサイド（Ｄｉｃｕｐ、架橋剤）、ステアリン酸などを配合することができる。これらの配合剤は必要に応じて使用されるものであるが、その使用量は、一般にゴム成分１００質量部に対しそれぞれ１〜１００質量部程度であるが全体的バランスや特性によって適宜変更することもできる。
【００４６】
エポキシ樹脂複合剤としては、エポキシ樹脂成分および充填剤を含有するのが好ましく、さらに必要に応じて各種の配合剤を添加することもできる。エポキシ樹脂成分としては、たとえばビスフェノールＡタイプ、ビスフェノールＦタイプ、レゾールノボラックタイプ、フェノール変性ノボラックタイプ等のノボラック型エポキシ樹脂、ナフタレン構造含有タイプ、アントラセン構造含有タイプ、フルオレン構造含有タイプ等の多環芳香族型エポキシ樹脂、水添脂環型エポキシ樹脂、液晶性エポキシ樹脂などが挙げられる。本発明のエポキシ樹脂成分は単独で用いても良いが、ブレンド樹脂のように２種類以上のエポキシ樹脂成分を混合して用いても良い。
【００４７】
エポキシ成分に添加される充填剤としては、上記ゴム成分に混合する充填剤と同様のものから、上記ゴム系複合剤を粉砕しさく作製した複合粒子までいずれも好ましく使用することができる。複合粒子としては、たとえばシリコーンゴム中にフェライトを充填したものを、粉砕器にて粉砕し２００μｍ程度の粒径にしたものが挙げることができる。
【００４８】
エポキシ樹脂複合剤を使用する際にはさたに架橋剤を添加する必要があり、たとえばジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン、ジプロピレンジアミン、ジエチルアミノプロピルアミン等の鎖状脂肪族ポリアミン、Ｎ−アミノエチルピペラジン、メンセンジアミン、イソフォロンジアミン等の環状脂肪族ポリアミン、ｍ−キシレンジアミン、メタフェニレンジアミン、ジアミノジフェニルメタン、ジアミノジフェニルスルフォン等の芳香族アミン、ポリアミド樹脂、ピペリジン、ＮＮ−ジメチルピペラジン、トリエチレンジアミン、２，４，６−トリス（ジメチルアミノメチル）フェノール、ベンジルジメチルアミン、２−（ジメチルアミノメチル）フェノール等の２級および３級アミン等、２−メチルイミダゾール、２−エチルイミダゾール、１−シアノエチル−２−ウンデシルイミダゾリウム・トリメリテート等のイミダゾール類、液状ポリメルカプタン、ポリスルフィド、無水フタル酸、無視トリメリット酸、メチルテトラヒドロ無水フタル酸、メチルエンドメチレンテトラヒドロ無水フタル酸、メチルブテニルテトラヒドロ無水フタル酸、メチルヘキサヒドロフタル酸等の酸無水物が挙げることができる。
【００４９】
バッキング材の厚さは、概ね１〜１０ｍｍが好ましく、特に１〜５ｍｍであることが好ましい。
【００５０】
（圧電素子）
本発明に係る圧電素子は、電極および圧電材料を有し、電気信号を機械的な振動に、また機械的な振動を電気信号に変換可能で超音波の送受信が可能な素子である。圧電材料は、電気信号を機械的な振動に、また機械的な振動を電気信号に変換可能な圧電体を含有する材料である。圧電体としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系セラミックス、ＰｂＴｉＯ３系セラミックなどの圧電セラミックス、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などの有機高分子圧電材料、水晶、ロッシェル塩などを用いることができる。圧電材料の厚さとしては、概ね１００μｍ〜５００μｍの範囲で用いられる。圧電材料は、その両面に電極が付された状態で、圧電素子として用いられる。
【００５１】
（電極）
圧電材料に付される電極に用いられる材料としては、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、スズ（Ｓｎ）などが挙げられる。
【００５２】
圧電材料に電極を付す方法としては、たとえば、チタン（Ｔｉ）やクロム（Ｃｒ）などの下地金属をスパッタ法により０．０２〜１．０μｍの厚さに形成した後、上記金属元素を主体とする金属およびそれらの合金からなる金属材料、さらには必要に応じ一部絶縁材料をスパッタ法、その他の適当な方法で１〜１０μｍの厚さに形成する方法が挙げられる。
【００５３】
電極形成はスパッタ法以外でも、微粉末の金属粉末と低融点ガラスとを混合した導電ペーストをスクリーン印刷やディッピング法、溶射法で形成することもできる。電極は、圧電材料上に、探触子の形状に応じて、圧電体面の全面あるいは圧電体面の一部に、設けられる。
【００５４】
圧電素子とバッキング材は、接着層を介して積層されていることが好ましい態様である。接着層を形成するための接着剤としては、エポキシ系の接着剤を用いることができる。
【００５５】
圧電素子の、バッキング材側の表面の一部と、音響整合層側の表面の一部には電極が接触されており、バッキング材と電極が接着層１１を介して積層されている部分を含む場合もある。
【００５６】
（音響整合層）
本発明に係る音響整合層は、圧電素子と被検体の間の音響インピーダンスを整合させるもので、圧電素子と被検体との中間の音響インピーダンスを有する材料で構成される。音響整合層に用いられる、材料としてはアルミ、アルミ合金（たとえばＡＬ−Ｍｇ合金）、マグネシウム合金、マコールガラス、ガラス、溶融石英、コッパーグラファイト、ポリエチレン（ＰＥ）やポリプロピレン（ＰＰ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ＡＢＣ樹脂、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、ＡＢＳ樹脂、ＡＡＳ樹脂、ＡＥＳ樹脂、ナイロン（ＰＡ６，ＰＡ６−６）、ＰＰＯ（ポリフェニレンオキシド），ＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド：ガラス繊維入りも可），ＰＰＥ（ポリフェニレンエーテル），ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン），ＰＡＩ（ポリアミドイミド），ＰＥＴＰ（ポリエチレンテレフタレート），ＰＣ（ポリカーボネート）、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂等を用いることができる好ましくはエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂に充填剤として亜鉛華、酸化チタン、シリカやアルミナ、ベンガラ、フェライト、酸化タングステン、酸化イットリビウム、硫酸バリウム、タングステン、モリブデン等を入れて成形したものを用いることができる。
【００５７】
音響整合層は、単層でもよいし複数層から構成されてもよいが好ましくは２層以上である。音響整合層の層厚は、超音波の波長をλとすると、λ／４となるように定める必要がある。これを満たさない場合、本来の共振周波数とは異なる周波数ポイントに複数の不要スプリアスが出現し、基本音響特性が大きく変動してしまう。結果、残響時間の増加、反射エコーの波形歪みによる感度やＳ／Ｎの低下を引き起こしてしまい好ましくない。このような音響整合層の厚さとしては、概ね３０μｍ〜５００μｍの範囲で用いられる。
【００５８】
本発明の超音波探触子では、超音波の送受信の両方を一つの圧電素子で担ってもよいが、圧電素子として、送信用圧電素子と受信用圧電素子とを具備するものが、好ましく用いられる。送信用圧電素子と、受信用圧電素子の配列としては、各々を上下に配置する配列および並列に配置する配列のどちらでもよいが、上下に配置して積層する構造が好ましい。
【００５９】
積層する場合の送信用圧電素子および受信用圧電素子の厚さとしては、４０〜１５０μｍであることが好ましい。
【００６０】
本発明の超音波探触子は、種々の態様の超音波画像検出置に用いることができる。図２に本発明の超音波探触子を具備する超音波画像検出装置の例の主要部の構成を示す概念図を示す。
【００６１】
超音波画像検出装置は、たとえば、生体などの被検体に対して超音波を送信し、被検体で反射した超音波をエコー信号として受信する圧電素子が配列されている超音波探触子（プローブ）を備えている。また当該超音波探触子に電気信号を供給して超音波を発生させると共に、当該超音波探触子の各圧電素子が受信したエコー信号を受信する送受信回路と、送受信回路の送受信制御を行う送受信制御回路を備えている。
【００６２】
さらに、送受信回路が受信したエコー信号を被検体の超音波画像データに変換する画像データ変換回路を備えている。また当該画像データ変換回路によって変換された超音波画像データでモニタを制御して表示する表示制御回路と、超音波画像検出装置全体の制御を行う制御回路を備えている。
【００６３】
制御回路には、送受信制御回路、画像データ変換回路、表示制御回路が接続されており、制御回路はこれら各部の動作を制御している。そして、超音波探触子の各圧電材料に電気信号を印加して被検体に対して超音波を送信し、被検体内部で音響インピーダンスの不整合によって生じる反射波を超音波探触子で受信する。
【実施例】
【００６４】
以下、実施例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明の態様はこれに限定されない。なお、実施例における「部」は、特に断りない限り「質量部」を表す。
【００６５】
実施例１
（シート１〜７の作製）
平均粒径３０ｎｍの、シリカで被覆されたＺｎＯ粒子（ＺＳ−６４、昭和電工（株）製）をステンレスパッド上に薄く入れ、このパッドを１４０℃の高温槽に入れ４時間乾燥し付着した水分などを蒸発させた。
【００６６】
この際、質量は、乾燥前と乾燥後で質量が０．４質量％減量した。
【００６７】
シリコーンゴムとして分子鎖両末端がジメチルビニルシリル基で封鎖された粘度が５３０ｃＳｔであり、ビニル基含有量が０．２モル％であるジメチルポリシロキサン（シリコーンゴム−１）１００質量部、オルガノポリシロキサン２０質量部および前記充分乾燥したシリカで被覆したＺｎＯ粒子６５質量部を混合し、６インチのダブルロール混練り機を用いて混練りを行い、ゴム組成物−１を調整した。
【００６８】
次いでこのゴム組成物−１、１００質量部に、加硫剤としての２，５−ジメチル−２，５−ジ（ｔ−ブチルパーオキシ）ヘキサン０．５質量部をロール混合して成形用コンパウンドを調製し、この成形用コンパウンド−１を１６５℃で１０分間プレス成形し、さらに２００℃、２ｈｒにて２次加硫を行い、シート１を作製した。尚、シート１の厚さとしては、後述の測定に供するために、各々１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍのものを作製した。
【００６９】
下記のようにして、音響インピーダンスの値および減衰率を測定し、音響特性の評価の指標とした。
【００７０】
シート１の２５℃における密度をＪＩＳ、Ｃ−２１２３に従って求め、このものの２５℃における音速を音速測定装置・シングアラウンド式音速測定装置ＵＶＭ−２型［超音波工業（株）製商品名］にて測定周波数５ＭＨｚにて測定し、この積からシートの音響インピーダンスを求めたところ、１．３２ＭＲａｙｌｓであった。
【００７１】
また、シート１を水槽中に２５℃の水を満たし、超音波パルサー・レシーバーＪＰＲ−１０Ｃ［ジャパンプローブ社製］によって水中で１５ＭＨｚの超音波を発生させ、超音波がシートを透過する前と後の振幅の大きさを測定したところ、２５℃の水中における超音波減衰量は−６ｄｂ／ｍｍであった。
【００７２】
尚、音響インピーダンスは、概ね１．２０ＭＲａｙｌｓ以上、超音波減衰量は、１４ｄｂ／ｍｍ以下が、実用上良好な範囲である。
【００７３】
同様にして、シリコーンゴム、添加する粒子、各々の含有量を表１記載のものにしてシート２〜７を作製し、同様の評価を行った。
【００７４】
（シート比較１〜比較４の作製）
実施例１と同じベースとなるシリコーンゴム−１、１００質量部にオルガノポリシロキサン−１を２０質量部、煙霧質シリカ３１質量部、平均粒子径１．４μｍの石英粉末６５質量部を用い、実施例１と同様にして、シート比較１を作製した。
【００７５】
比重は１．４０で音響インピーダンスは１．４１ＭＲａｙｌｓ、超音波減衰量は−１９ｄｂ／ｍｍであった。
【００７６】
シート１の作製において、ＺＳ−６４の替わりに、１号亜鉛華（０．４μｍ）を用いた他はシート１と同様にして、シート比較２を作製した。
【００７７】
シート１の作製において、ＺＳ−６４の替わりに、酸化亜鉛粒子（ＦＩＮＥＸ−３０、堺化学（株）製）を用いた他はシート１と同様にして、シート比較３を作製した。
【００７８】
シート１の作製において、ＺＳ−６４の替わりに、シリコーン樹脂被覆Ｙｂ２Ｏ３（特開２００９−７２６０５号に記載の酸化イッテルビウム）を用いた他はシート１と同様にして、シート比較４を作製した。
【００７９】
（耐久性の評価）
下記のようにして、音響レンズの硬度の測定、および老化試験を行い、耐久性の指標とした。
【００８０】
（硬度強度変化、老化試験）
シート１〜７、比較１〜４について、硬度をＪＩＳ Ｋ６２５３に従い測定した。
【００８１】
次いで、老化条件を、２３０℃２４時間とし、老化後の硬度を測定し、ゴム強度変化を、老化前の硬度を１００としたときの相対値で表し、結果を表１に示す。
【００８２】
シート１〜７、比較１〜４について、ゴムの老化試験をＪＩＳ Ｋ６２５７に記載の方法に従い、評価した。老化前を１００とした時の相対値にて示す。
【００８３】
尚、老化の条件は２３０℃２４時間とした。ゴム硬度、老化試験ともに１０３以下が、実用上良好な範囲である。
【００８４】
上記測定結果を表１に示す。
【００８５】
【表１】
【００８６】
表１から、本発明の音響レンズは、優れた音響特性を維持して、耐久性に優れることが分かる。
【００８７】
実施例２
（超音波探触子の作製）
（受信用圧電素子の作製）
圧電材料として、ポリフッ化ビニリデン膜を用い、この膜の両面に、蒸着によりアルミニウム電極を施し、高圧電源装置ＨＡＲｂ−２０Ｒ６０（松定プレシジョン（株）製）と針状電極を用い、２．０ＭＶ／ｍの電界でコロナ放電分極処理を行い、受信用圧電素子を作製した。
【００８８】
（送信用圧電素子の作製〉
成分原料であるＣａＣＯ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｂｉ２Ｏ３とＴｉＯ２、および副成分原料であるＭｎＯを準備し、成分原料については、成分の最終組成が（Ｃａ０．９７Ｌａ０．０３）Ｂｉ４．０１Ｔｉ４Ｏ１５となるように秤量した。
【００８９】
次に、純水を添加し、純水中でジルコニア製メディアを入れたボールミルにて８時間混合し、十分に乾燥を行い、混合粉体を得た。得られた混合粉体を、仮成形し、空気中、８００℃で２時間仮焼を行い、仮焼物を作製した。次に、得られた仮焼物に純水を添加し、純水中でジルコニア製メディアを入れたボールミルにて微粉砕を行い、乾燥することにより圧電セラミックス原料粉末を作製した。微粉砕においては、微粉砕を行う時間および粉砕条件を変えることにより、それぞれ粒子径１００ｎｍの圧電セラミックス原料粉末を得た。それぞれ粒子径の異なる各圧電セラミックス原料粉末にバインダーとして純水を６質量％添加し、プレス成形して、厚み１００μｍの板状仮成形体とし、この板状仮成形体を真空パックした後、２３５ＭＰａの圧力でプレスにより成形した。次に、上記の成形体を焼成した。最終焼結体の厚さは２０μｍの焼結体を得た。尚、焼成温度は、それぞれ１１００℃であった。１．５×Ｅｃ（ＭＶ／ｍ）以上の電界を１分間印加して分極処理を施し送信用圧電素子を作製した。
【００９０】
（超音波探触子）
次に、常法に従って、図３に示すようにバッキング層６、送信用フレキシブル基盤１５、上記の送信用圧電素子１２、中間層７、受信用圧電素子１３、受信用フレキシブル基盤１６、音響整合層８、の順に積層した。尚、バッキング層としては厚さ３ｍｍのフェライトゴムを用いた。中間層としてはエポキシ樹脂１００質量部に対してフェライト１２００質量部を混合した厚さ０．１４５ｍｍのものを、音響整合層としてはエポキシ樹脂の厚さ０．１１０ｍｍのものを用いた。これらを積層して、ダイサーにて各素子にダイシングを行った。さらに実施例１と同様に作製した成形用コンパウンド−１を、金型を用いて同様の条件にてプレス成形することで音響レンズ９を成形した。このように作製した音響レンズ９を、音響整合層８上に、積層し、図３に示す超音波探触子１を作製した。
【００９１】
これを用いて、図４および図５に示す構成の超音波画像検出装置により生体の画像を観測した。その結果、明瞭な画像を得ることができた。
【符号の説明】
【００９２】
１ 超音波探触子
２ 電極
５ 送信用圧電材料
６ バッキング層
７ 中間層
８ 音響整合層
９ 音響レンズ
１０ 超音波振動子
１１ 受信用圧電材料
１２ 送信用圧電素子
１３ 受信用圧電素子
１５ 送信用フレキシブル基盤
１６ 受信用フレキシブル基盤
３１ 超音波画像表示装置
３３ ケーブル
４１ 操作入力部
４２ 送信回路
４３ 受信回路
４４ 画像処理部
４５ 表示部
４６ 制御部
１００ 超音波画像検出装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を送信、受信して超音波検査を行う超音波探触子に用いられる超音波探触子用音響レンズおよびそれを用いた超音波探触子に関し、特に生体を対象とした超音波探触子に用いられる超音波探触子用音響レンズおよびそれを用いた超音波探触子（超音波プローブ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波を用いた検査を行う超音波検査装置は、被検体に超音波を送波し、この超音波の反射音波（エコー）を受波し、この反射波に基づいて被検体の内部を画像化して可視化するようになっている。超音波を送波し、反射音波を受波するには、超音波プローブが用いられる。超音波プローブは一般的に、バッキング材、圧電体、音響整合層および音響レンズを有している。
【０００３】
バッキング材は、圧電体の背面に放射される不要な超音波を吸収し、余分な振動を抑制する。圧電体は、加電圧により振動して超音波を発生すると共に、超音波の振動を受けその音圧に対応する電圧を発生する機能を有し、電極が付加された状態で使用される。音響整合層は、被検体への超音波の伝搬を効率良く行うために、被検体の音響インピーダンスと圧電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し、音響インピーダンスを整合させる層である。音響レンズは、超音波ビームを収束させる機能を有する層である。
【０００４】
超音波プローブは、上記のようなバッキング材、圧電体、音響整合層、音響レンズがこの順に積層された構成を有する積層構造物であり、これらの各層は、一般的に接着によって一体化されている。したがって、超音波振動子部材の各層は、その用途により種々の特性を要求される。
【０００５】
超音波プローブの用途としては、魚群探知器や生体を対象とする診断装置などがある。
【０００６】
これらの用途のうち、特に生体を対象とする診断装置に用いられる場合、特に音響レンズは生体と密着させて使用される部分に相当するため、下記のような特性を有する必要があることが知られている。
１．生体との間における超音波の反射を小さくするために、音響インピーダンスが生体のそれに近い。
２．感度を高めるために、音波の減水率が、小さい。
３．凸面形状とするために、音速が生体内の音速以下である。
４．音響レンズの各種形状に対応するために、成形性が高い。
５．生体と接触する医療用途のため、化学的、物理的に安定である。
６．生体への接触時の圧による変形を防止するため、一定以上の硬度を有する。
【０００７】
そして、これらの特性を総合的に高めたものとして下記の技術が知られている。
【０００８】
たとえば、４０質量％以上のシリコーンゴムを含有し、１５〜６０質量％の酸化亜鉛粉末を有するもの（特許文献１参照）、４０質量％以上のシリコーンゴムを含有し、１２〜５６質量％の酸化イッテルビウム粉末を含有するものが知られている（特許文献２参照）。
【０００９】
またこれらにおいては、酸化亜鉛粉末または酸化イッテルビウム粉末としてシリコーン樹脂で被覆されたものを用いること、さらにシリカ粉末を含有させた音響レンズが開示されている。
【００１０】
しかしながら、これらの音響レンズにおいても、上記の特性が比較的向上するものの、特に繰り返し使用した場合に、変形などを生じ音響特性が劣化するなど耐久性が不充分であり、音響特性と耐久性を両立させることは困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００５−１２５０７１号公報
【特許文献２】特開２００９−７２６０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、音響特性に優れかつ耐久性に優れる超音波探触子用音響レンズおよびそれを用いた超音波探触子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の上記課題は、下記の手段により達成される。
【００１４】
１．シリカで被覆された金属酸化物粒子およびシリコーンゴムを含有することを特徴とする超音波探触子用音響レンズ。
【００１５】
２．前記金属酸化物粒子の含有量が、１５〜５０質量％であることを特徴とする前記１に記載の超音波探触子用音響レンズ。
【００１６】
３．バッキング材、該バッキング材上に設けられた、電極および圧電材料を有する圧電素子、該圧電素子上に設けられた音響整合層および該音響整合層上に設けられた前記１または２に記載の超音波探触子用音響レンズを具備することを特徴とする超音波探触子。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の上記手段により、音響特性に優れかつ、耐久性に優れる超音波探触子用音響レンズおよびそれを用いた超音波探触子が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の超音波探触子の好ましい態様の例の概略断面図である。
【図２】本発明の超音波探触子を具備する超音波画像検出装置の例の主要部の構成を示す概念図である。
【図３】本発明の超音波探触子の例の断面図である。
【図４】本発明の超音波探触子を具備する超音波画像検出装置の例の概略図である。
【図５】本発明の超音波探触子を具備する超音波画像検出装置の例の主要部の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明は、超音波探触子用音響レンズであって、シリカで被覆された金属酸化物粒子およびシリコーンゴムを含有することを特徴とする。
【００２０】
本発明では、特に音響レンズとして、シリカで被覆された金属酸化物粒子およびシリコーンゴムを含有するものを用いることで、高い音響特性を有し、耐久性に優れる超音波探触子が得られる。
【００２１】
（超音波探触子用音響レンズ）
本発明の超音波探触子用音響レンズ（以下単に、音響レンズとも称する）は、シリカで被覆された金属酸化物粒子とシリコーンゴムを含有する。
【００２２】
シリコーンゴムは、Ｓｉ−Ｏ結合であるシロキサン結合を複数有するゴム状シリコーン樹脂である。
【００２３】
ゴム状シリコーン樹脂としては、ジメチルポリシロキサンを主成分とするものが好ましく、重合度としては３０００から１００００のものが好ましく用いられる。
【００２４】
また、下記一般式（１）で表される、シリコーン化合物をさらに含有するものも好ましく用いられる。
【００２５】
一般式（１）
Ｒ１（Ｒ１２ＳｉＯ）Ｘ（Ｒ１Ｒ２ＳｉＯ）ＹＳｉＲ１３
（Ｒ１は１価炭化水素基または水素原子、Ｒ２はアルキル基、ポリエーテル基、Ｘは０以上の整数、Ｙは１以上の整数）。
【００２６】
シリコーンゴムは、市販品として入手することができ、たとえば信越化学社製、ＫＥ７４２Ｕ、ＫＥ７５２Ｕ、ＫＥ９３１Ｕ、ＫＥ９４１Ｕ、ＫＥ９５１Ｕ、ＫＥ９６１Ｕ、ＫＥ８５０Ｕ、ＫＥ５５５Ｕ、ＫＥ５７５Ｕ等や、モメンティブパフォーマンスマテリアル社製、ＴＳＥ２２１−３Ｕ、ＴＥ２２１−４Ｕ、ＴＳＥ２２３３Ｕ、ＸＥ２０−５２３−４Ｕ、ＴＳＥ２７−４Ｕ、ＴＳＥ２６０−３Ｕ、ＴＳＥ−２６０−４Ｕやダウコーニング東レ社製のＳＨ３５Ｕ、ＳＨ５５ＵＡ、ＳＨ８３１Ｕ、ＳＥ６７４９Ｕ、ＳＥ１１２０ＵＳＥ４７０４Ｕなどを用いることができる。
【００２７】
シリコーンゴムの含有量としては、音響レンズに対して、４０質量％以上であることが好ましく、特に４０〜８０質量％であることが、音響特性、耐久性の面から好ましい。
【００２８】
（シリカで被覆された金属酸化物粒子（以下単に、シリカ被覆金属酸化物粒子と略記する））
本発明において、シリカ被覆金属酸化物粒子とは、その表面にシリカを有する金属酸化物粒子である。シリカ被覆金属酸化物粒子に用いられる金属酸化物としては、ＴｉＯ２、ＳｎＯ２、ＺｎＯ、Ｂｉ２Ｏ３、ＷＯ３、ＺｒＯ２、Ｆｅ２Ｏ３、ＭｎＯ２、Ｙ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＢａＯ、Ｙｂ２Ｏ３が挙げられる。これらの中でも、ＺｎＯ、ＴｉＯ２、Ｆｅ２Ｏ３が、音響特性の面から好ましく用いられる。
【００２９】
シリカ被覆金属酸化物粒子は、これらの金属酸化物の粒子を、珪酸、水、アルカリおよび有機溶媒を含有するシリカ被膜形成用組成物と接触させ、金属酸化物の表面にシリカを選択的に沈着せしめることで得られる。選択的に沈着せしめるには、水／有機溶媒比が容量比で０．１〜１０の範囲であり、かつ珪素濃度が０．０００１〜５モル／リットルの範囲であることが好ましい条件である。
【００３０】
シリカ被覆金属酸化物粒子の平均粒径は、１〜２００ｎｍが好ましく特に、５〜２０ｎｍであることが好ましい。平均粒径は、粒径を、１００個について測定し、これらの値の数平均を求めた値である。粒径は、電子顕微鏡観察による画像から求めた、粒子の最大径と最小径との平均値である。
【００３１】
シリカ被覆金属酸化物粒子のシリカ被膜の膜厚としては、０．１〜１００ｎｍが好ましく、特に１〜２５ｎｍが好ましく適用できる範囲である。
【００３２】
シリカ被覆金属酸化物粒子の含有量としては、音響特性の面から、１０〜６０質量％が好ましく、特に、１５〜５０質量％であることが好ましい。
【００３３】
シリカ被覆金属酸化物粒子は、市販品として入手することができ、昭和電工（株）製マックスライトＺＳ−６４（シリカ被覆酸化亜鉛）、昭和電工（株）製マックスライトＴＳ−０４３（シリカ被覆酸化チタン）などを用いることができる。
【００３４】
超音波探触子用音響レンズは、シリコーンゴムとシリカ被覆酸化物粒子を混合し混練し、混練物に加硫剤を添加して加硫成形することにより、音響レンズの形状を有する成形品とし、さらに必要に応じ２加硫を行うことにより作製される。加硫剤としては、たとえば２，５−ジメチル−２，５−ジターシャリーブチルパーオキシヘキサン、ｐ−メチルベンゾイルパーオキサイド、ジターシャリーブチルパーオキサイドなどの過酸化物系の加硫剤を用いることができる。この過酸化物系の加硫剤の量は、たとえば音響レンズ組成物中のシリコーンゴムに対して０．３〜２質量％にすることが好ましい。また、前記過酸化物系の加硫剤以外の加硫剤を用いてもよい。
【００３５】
シリコーンゴムとシリカ被覆酸化物粒子を混合する際には、金属酸化物粒子は、加熱などにより水分を取り除くことが好ましい。加硫成形の温度としては、１００〜２００℃が好ましく範囲である。
【００３６】
本発明の超音波探触子用音響レンズには、シリカ粉末を、本発明の効果を損なわない範囲で含んでもよい。含まれるシリカ粉末の含有量としては、音響レンズに対して２０質量％以下であることが好ましい。また、下記のような添加物を大略５質量％以下の範囲で含有してもよい。たとえば、たとえば酸化チタン、アルミナ、酸化セリウム、酸化鉄、硫酸バリウム、有機物フィラー、着色顔料などが挙げられる。
【００３７】
本発明の上記構成が、高い音響特性を示し、耐久性に優れる理由は明確ではないが、以下のように推測される。分散されたシリカ被覆金属酸化物粒子は、シリコーンゴムに対する親和力が大きいために、シリコーンゴムと粒子との間の密着力が大きく、シリコーンゴムとより一体化して音響レンズ中で動作するため音響特性の劣化を生ずることがなく、また外部からの力が局部的に集中するのを防止して、外力を音響レンズ内で分散吸収しているためと推測される。
【００３８】
（超音波探触子）
本発明の超音波探触子は、バッキング層、該バッキング層上に設けられた、電極および圧電体を有する圧電素子、この圧電素子上に設けられた音響整合層およびこの音響整合層上に設けられた本発明の超音波探触子用音響レンズを具備する。
【００３９】
図１に本発明の超音波探触子の好ましい態様の例の概略断面図を示す。
【００４０】
超音波探触子１は、バッキング層６上に、送信用圧電材料５に電極２が付された送信用圧電素子１２を有し、送信用圧電素子１２上に中間層７を有し、中間層７上に受信用圧電材料１１に電極２が付された受信用圧電素子１３を有し、さらにその上に音響整合層８および音響レンズ９を有する構成を有する。
【００４１】
（バッキング層）
バッキング層は、圧電素子を支持し、不要な超音波を吸収し得る超音波吸収体である。バッキング層に用いられるバッキング材としては、天然ゴム、フェライトゴム、エポキシ樹脂に酸化タングステンや酸化チタン、フェライト等の粉末を入れてプレス成形した材料、塩化ビニル、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）、ＡＢＳ樹脂、ポリウレタン（ＰＵＲ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡＬ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴＰ）、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ）ポリエチレングリコール、ポリエチレンテレフタレート−ポリエチレングリコール共重合体などの熱可塑性樹脂などを用いることができる。
【００４２】
好ましいバッキング材としては、ゴム系複合材料およびまたはエポキシ樹脂複合材からなるものであり、その形状は圧電体や圧電体を含むプローブヘッドの形状に応じて、適宜選択することができる。
【００４３】
ゴム系複合材としては、ゴム成分および充填剤を含有する物が好ましく、ＪＩＳ Ｋ６２５３に準拠したスプリング硬さ試験機（デュロメータ硬さ）におけるタイプＡデュロメータでＡ７０からタイプＤデュロメータでＤ７０までの硬さを有するものであり、さらに、必要に応じて各種の他の配合剤を添加することもできる。ゴム成分としては、たとえば、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭまたはＥＰＭ）、水素化ニトリルゴム（ＨＮＢＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、シリコーンゴム、ＥＰＤＭとＨＮＢＲのブレンドゴム、ＥＰＤＭとニトリルゴム（ＮＢＲ）のブレンドゴム、ＮＢＲおよび／またはＨＮＢＲと高スチレンゴム（ＨＳＲ）のブレンドゴム、ＥＰＤＭとＨＳＲブレンドゴムなどが好ましい。より好ましくは、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭまたはＥＰＭ）、水素化ニトリルゴム（ＨＮＢＲ）、ＥＰＤＭとＨＮＢＲのブレンドゴム、ＥＰＤＭとニトリルゴム（ＮＢＲ）のブレンドゴム、ＮＢＲおよび／またはＨＮＢＲと高スチレンゴム（ＨＳＲ）のブレンドゴム、ＥＰＤＭとＨＳＲブレンドゴムなどが挙げられる。本発明のゴム成分は、加硫ゴムおよび熱可塑性エラストマーなどのゴム成分の１種を単独で使用してもよいが、ブレンドゴムのように２種以上のゴム成分をブレンドしたブレンドゴムを用いてもよい。
【００４４】
ゴム成分に添加される充填剤としては、通常使用されているものから比重の大きいものに至るまでその配合量と共に様々な形で選ぶことが出来る。たとえば、亜鉛華、チタン白、ベンガラ、フェライト、アルミナ、三酸化タングステン、酸化イットリビウムなどの金属酸化物、炭酸カルシウム、ハードクレイ、ケイソウ土などのクレイ類、炭酸カルシウム、硫酸バリウムなどの金属塩類、ガラス粉末などやタングステン、モリブデン等の各種の金属系微粉末類、ガラスバルーン、ポリマーバルーン等の各種バルーン類が挙げられる。これらの充填剤は、種々の比率で添加することができるが、好ましくはゴム成分１００質量部に対して５０〜３０００質量部、より好ましくは１００〜２０００質量部、または３００〜１５００質量部程度が好ましい。また、これらの充填剤は１種または２種以上を組み合わせて添加してもよい。
【００４５】
ゴム系複合材料には、さらに他の配合剤を必要に応じて添加することができ、このような配合剤としては、加硫剤、架橋剤、硬化剤、それらの助剤類、劣化防止剤、酸化防止剤、着色剤などが挙げられる。たとえば、カーボンブラック、二酸化ケイ素、プロセスオイル、イオウ（加硫剤）、ジクミルパーオキサイド（Ｄｉｃｕｐ、架橋剤）、ステアリン酸などを配合することができる。これらの配合剤は必要に応じて使用されるものであるが、その使用量は、一般にゴム成分１００質量部に対しそれぞれ１〜１００質量部程度であるが全体的バランスや特性によって適宜変更することもできる。
【００４６】
エポキシ樹脂複合剤としては、エポキシ樹脂成分および充填剤を含有するのが好ましく、さらに必要に応じて各種の配合剤を添加することもできる。エポキシ樹脂成分としては、たとえばビスフェノールＡタイプ、ビスフェノールＦタイプ、レゾールノボラックタイプ、フェノール変性ノボラックタイプ等のノボラック型エポキシ樹脂、ナフタレン構造含有タイプ、アントラセン構造含有タイプ、フルオレン構造含有タイプ等の多環芳香族型エポキシ樹脂、水添脂環型エポキシ樹脂、液晶性エポキシ樹脂などが挙げられる。本発明のエポキシ樹脂成分は単独で用いても良いが、ブレンド樹脂のように２種類以上のエポキシ樹脂成分を混合して用いても良い。
【００４７】
エポキシ成分に添加される充填剤としては、上記ゴム成分に混合する充填剤と同様のものから、上記ゴム系複合剤を粉砕しさく作製した複合粒子までいずれも好ましく使用することができる。複合粒子としては、たとえばシリコーンゴム中にフェライトを充填したものを、粉砕器にて粉砕し２００μｍ程度の粒径にしたものが挙げることができる。
【００４８】
エポキシ樹脂複合剤を使用する際にはさたに架橋剤を添加する必要があり、たとえばジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン、ジプロピレンジアミン、ジエチルアミノプロピルアミン等の鎖状脂肪族ポリアミン、Ｎ−アミノエチルピペラジン、メンセンジアミン、イソフォロンジアミン等の環状脂肪族ポリアミン、ｍ−キシレンジアミン、メタフェニレンジアミン、ジアミノジフェニルメタン、ジアミノジフェニルスルフォン等の芳香族アミン、ポリアミド樹脂、ピペリジン、ＮＮ−ジメチルピペラジン、トリエチレンジアミン、２，４，６−トリス（ジメチルアミノメチル）フェノール、ベンジルジメチルアミン、２−（ジメチルアミノメチル）フェノール等の２級および３級アミン等、２−メチルイミダゾール、２−エチルイミダゾール、１−シアノエチル−２−ウンデシルイミダゾリウム・トリメリテート等のイミダゾール類、液状ポリメルカプタン、ポリスルフィド、無水フタル酸、無視トリメリット酸、メチルテトラヒドロ無水フタル酸、メチルエンドメチレンテトラヒドロ無水フタル酸、メチルブテニルテトラヒドロ無水フタル酸、メチルヘキサヒドロフタル酸等の酸無水物が挙げることができる。
【００４９】
バッキング材の厚さは、概ね１〜１０ｍｍが好ましく、特に１〜５ｍｍであることが好ましい。
【００５０】
（圧電素子）
本発明に係る圧電素子は、電極および圧電材料を有し、電気信号を機械的な振動に、また機械的な振動を電気信号に変換可能で超音波の送受信が可能な素子である。圧電材料は、電気信号を機械的な振動に、また機械的な振動を電気信号に変換可能な圧電体を含有する材料である。圧電体としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系セラミックス、ＰｂＴｉＯ３系セラミックなどの圧電セラミックス、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などの有機高分子圧電材料、水晶、ロッシェル塩などを用いることができる。圧電材料の厚さとしては、概ね１００μｍ〜５００μｍの範囲で用いられる。圧電材料は、その両面に電極が付された状態で、圧電素子として用いられる。
【００５１】
（電極）
圧電材料に付される電極に用いられる材料としては、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、スズ（Ｓｎ）などが挙げられる。
【００５２】
圧電材料に電極を付す方法としては、たとえば、チタン（Ｔｉ）やクロム（Ｃｒ）などの下地金属をスパッタ法により０．０２〜１．０μｍの厚さに形成した後、上記金属元素を主体とする金属およびそれらの合金からなる金属材料、さらには必要に応じ一部絶縁材料をスパッタ法、その他の適当な方法で１〜１０μｍの厚さに形成する方法が挙げられる。
【００５３】
電極形成はスパッタ法以外でも、微粉末の金属粉末と低融点ガラスとを混合した導電ペーストをスクリーン印刷やディッピング法、溶射法で形成することもできる。電極は、圧電材料上に、探触子の形状に応じて、圧電体面の全面あるいは圧電体面の一部に、設けられる。
【００５４】
圧電素子とバッキング材は、接着層を介して積層されていることが好ましい態様である。接着層を形成するための接着剤としては、エポキシ系の接着剤を用いることができる。
【００５５】
圧電素子の、バッキング材側の表面の一部と、音響整合層側の表面の一部には電極が接触されており、バッキング材と電極が接着層１１を介して積層されている部分を含む場合もある。
【００５６】
（音響整合層）
本発明に係る音響整合層は、圧電素子と被検体の間の音響インピーダンスを整合させるもので、圧電素子と被検体との中間の音響インピーダンスを有する材料で構成される。音響整合層に用いられる、材料としてはアルミ、アルミ合金（たとえばＡＬ−Ｍｇ合金）、マグネシウム合金、マコールガラス、ガラス、溶融石英、コッパーグラファイト、ポリエチレン（ＰＥ）やポリプロピレン（ＰＰ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ＡＢＣ樹脂、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、ＡＢＳ樹脂、ＡＡＳ樹脂、ＡＥＳ樹脂、ナイロン（ＰＡ６，ＰＡ６−６）、ＰＰＯ（ポリフェニレンオキシド），ＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド：ガラス繊維入りも可），ＰＰＥ（ポリフェニレンエーテル），ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン），ＰＡＩ（ポリアミドイミド），ＰＥＴＰ（ポリエチレンテレフタレート），ＰＣ（ポリカーボネート）、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂等を用いることができる好ましくはエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂に充填剤として亜鉛華、酸化チタン、シリカやアルミナ、ベンガラ、フェライト、酸化タングステン、酸化イットリビウム、硫酸バリウム、タングステン、モリブデン等を入れて成形したものを用いることができる。
【００５７】
音響整合層は、単層でもよいし複数層から構成されてもよいが好ましくは２層以上である。音響整合層の層厚は、超音波の波長をλとすると、λ／４となるように定める必要がある。これを満たさない場合、本来の共振周波数とは異なる周波数ポイントに複数の不要スプリアスが出現し、基本音響特性が大きく変動してしまう。結果、残響時間の増加、反射エコーの波形歪みによる感度やＳ／Ｎの低下を引き起こしてしまい好ましくない。このような音響整合層の厚さとしては、概ね３０μｍ〜５００μｍの範囲で用いられる。
【００５８】
本発明の超音波探触子では、超音波の送受信の両方を一つの圧電素子で担ってもよいが、圧電素子として、送信用圧電素子と受信用圧電素子とを具備するものが、好ましく用いられる。送信用圧電素子と、受信用圧電素子の配列としては、各々を上下に配置する配列および並列に配置する配列のどちらでもよいが、上下に配置して積層する構造が好ましい。
【００５９】
積層する場合の送信用圧電素子および受信用圧電素子の厚さとしては、４０〜１５０μｍであることが好ましい。
【００６０】
本発明の超音波探触子は、種々の態様の超音波画像検出置に用いることができる。図２に本発明の超音波探触子を具備する超音波画像検出装置の例の主要部の構成を示す概念図を示す。
【００６１】
超音波画像検出装置は、たとえば、生体などの被検体に対して超音波を送信し、被検体で反射した超音波をエコー信号として受信する圧電素子が配列されている超音波探触子（プローブ）を備えている。また当該超音波探触子に電気信号を供給して超音波を発生させると共に、当該超音波探触子の各圧電素子が受信したエコー信号を受信する送受信回路と、送受信回路の送受信制御を行う送受信制御回路を備えている。
【００６２】
さらに、送受信回路が受信したエコー信号を被検体の超音波画像データに変換する画像データ変換回路を備えている。また当該画像データ変換回路によって変換された超音波画像データでモニタを制御して表示する表示制御回路と、超音波画像検出装置全体の制御を行う制御回路を備えている。
【００６３】
制御回路には、送受信制御回路、画像データ変換回路、表示制御回路が接続されており、制御回路はこれら各部の動作を制御している。そして、超音波探触子の各圧電材料に電気信号を印加して被検体に対して超音波を送信し、被検体内部で音響インピーダンスの不整合によって生じる反射波を超音波探触子で受信する。
【実施例】
【００６４】
以下、実施例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明の態様はこれに限定されない。なお、実施例における「部」は、特に断りない限り「質量部」を表す。
【００６５】
実施例１
（シート１〜７の作製）
平均粒径３０ｎｍの、シリカで被覆されたＺｎＯ粒子（ＺＳ−６４、昭和電工（株）製）をステンレスパッド上に薄く入れ、このパッドを１４０℃の高温槽に入れ４時間乾燥し付着した水分などを蒸発させた。
【００６６】
この際、質量は、乾燥前と乾燥後で質量が０．４質量％減量した。
【００６７】
シリコーンゴムとして分子鎖両末端がジメチルビニルシリル基で封鎖された粘度が５３０ｃＳｔであり、ビニル基含有量が０．２モル％であるジメチルポリシロキサン（シリコーンゴム−１）１００質量部、オルガノポリシロキサン２０質量部および前記充分乾燥したシリカで被覆したＺｎＯ粒子６５質量部を混合し、６インチのダブルロール混練り機を用いて混練りを行い、ゴム組成物−１を調整した。
【００６８】
次いでこのゴム組成物−１、１００質量部に、加硫剤としての２，５−ジメチル−２，５−ジ（ｔ−ブチルパーオキシ）ヘキサン０．５質量部をロール混合して成形用コンパウンドを調製し、この成形用コンパウンド−１を１６５℃で１０分間プレス成形し、さらに２００℃、２ｈｒにて２次加硫を行い、シート１を作製した。尚、シート１の厚さとしては、後述の測定に供するために、各々１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍのものを作製した。
【００６９】
下記のようにして、音響インピーダンスの値および減衰率を測定し、音響特性の評価の指標とした。
【００７０】
シート１の２５℃における密度をＪＩＳ、Ｃ−２１２３に従って求め、このものの２５℃における音速を音速測定装置・シングアラウンド式音速測定装置ＵＶＭ−２型［超音波工業（株）製商品名］にて測定周波数５ＭＨｚにて測定し、この積からシートの音響インピーダンスを求めたところ、１．３２ＭＲａｙｌｓであった。
【００７１】
また、シート１を水槽中に２５℃の水を満たし、超音波パルサー・レシーバーＪＰＲ−１０Ｃ［ジャパンプローブ社製］によって水中で１５ＭＨｚの超音波を発生させ、超音波がシートを透過する前と後の振幅の大きさを測定したところ、２５℃の水中における超音波減衰量は−６ｄｂ／ｍｍであった。
【００７２】
尚、音響インピーダンスは、概ね１．２０ＭＲａｙｌｓ以上、超音波減衰量は、１４ｄｂ／ｍｍ以下が、実用上良好な範囲である。
【００７３】
同様にして、シリコーンゴム、添加する粒子、各々の含有量を表１記載のものにしてシート２〜７を作製し、同様の評価を行った。
【００７４】
（シート比較１〜比較４の作製）
実施例１と同じベースとなるシリコーンゴム−１、１００質量部にオルガノポリシロキサン−１を２０質量部、煙霧質シリカ３１質量部、平均粒子径１．４μｍの石英粉末６５質量部を用い、実施例１と同様にして、シート比較１を作製した。
【００７５】
比重は１．４０で音響インピーダンスは１．４１ＭＲａｙｌｓ、超音波減衰量は−１９ｄｂ／ｍｍであった。
【００７６】
シート１の作製において、ＺＳ−６４の替わりに、１号亜鉛華（０．４μｍ）を用いた他はシート１と同様にして、シート比較２を作製した。
【００７７】
シート１の作製において、ＺＳ−６４の替わりに、酸化亜鉛粒子（ＦＩＮＥＸ−３０、堺化学（株）製）を用いた他はシート１と同様にして、シート比較３を作製した。
【００７８】
シート１の作製において、ＺＳ−６４の替わりに、シリコーン樹脂被覆Ｙｂ２Ｏ３（特開２００９−７２６０５号に記載の酸化イッテルビウム）を用いた他はシート１と同様にして、シート比較４を作製した。
【００７９】
（耐久性の評価）
下記のようにして、音響レンズの硬度の測定、および老化試験を行い、耐久性の指標とした。
【００８０】
（硬度強度変化、老化試験）
シート１〜７、比較１〜４について、硬度をＪＩＳ Ｋ６２５３に従い測定した。
【００８１】
次いで、老化条件を、２３０℃２４時間とし、老化後の硬度を測定し、ゴム強度変化を、老化前の硬度を１００としたときの相対値で表し、結果を表１に示す。
【００８２】
シート１〜７、比較１〜４について、ゴムの老化試験をＪＩＳ Ｋ６２５７に記載の方法に従い、評価した。老化前を１００とした時の相対値にて示す。
【００８３】
尚、老化の条件は２３０℃２４時間とした。ゴム硬度、老化試験ともに１０３以下が、実用上良好な範囲である。
【００８４】
上記測定結果を表１に示す。
【００８５】
【表１】
【００８６】
表１から、本発明の音響レンズは、優れた音響特性を維持して、耐久性に優れることが分かる。
【００８７】
実施例２
（超音波探触子の作製）
（受信用圧電素子の作製）
圧電材料として、ポリフッ化ビニリデン膜を用い、この膜の両面に、蒸着によりアルミニウム電極を施し、高圧電源装置ＨＡＲｂ−２０Ｒ６０（松定プレシジョン（株）製）と針状電極を用い、２．０ＭＶ／ｍの電界でコロナ放電分極処理を行い、受信用圧電素子を作製した。
【００８８】
（送信用圧電素子の作製〉
成分原料であるＣａＣＯ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｂｉ２Ｏ３とＴｉＯ２、および副成分原料であるＭｎＯを準備し、成分原料については、成分の最終組成が（Ｃａ０．９７Ｌａ０．０３）Ｂｉ４．０１Ｔｉ４Ｏ１５となるように秤量した。
【００８９】
次に、純水を添加し、純水中でジルコニア製メディアを入れたボールミルにて８時間混合し、十分に乾燥を行い、混合粉体を得た。得られた混合粉体を、仮成形し、空気中、８００℃で２時間仮焼を行い、仮焼物を作製した。次に、得られた仮焼物に純水を添加し、純水中でジルコニア製メディアを入れたボールミルにて微粉砕を行い、乾燥することにより圧電セラミックス原料粉末を作製した。微粉砕においては、微粉砕を行う時間および粉砕条件を変えることにより、それぞれ粒子径１００ｎｍの圧電セラミックス原料粉末を得た。それぞれ粒子径の異なる各圧電セラミックス原料粉末にバインダーとして純水を６質量％添加し、プレス成形して、厚み１００μｍの板状仮成形体とし、この板状仮成形体を真空パックした後、２３５ＭＰａの圧力でプレスにより成形した。次に、上記の成形体を焼成した。最終焼結体の厚さは２０μｍの焼結体を得た。尚、焼成温度は、それぞれ１１００℃であった。１．５×Ｅｃ（ＭＶ／ｍ）以上の電界を１分間印加して分極処理を施し送信用圧電素子を作製した。
【００９０】
（超音波探触子）
次に、常法に従って、図３に示すようにバッキング層６、送信用フレキシブル基盤１５、上記の送信用圧電素子１２、中間層７、受信用圧電素子１３、受信用フレキシブル基盤１６、音響整合層８、の順に積層した。尚、バッキング層としては厚さ３ｍｍのフェライトゴムを用いた。中間層としてはエポキシ樹脂１００質量部に対してフェライト１２００質量部を混合した厚さ０．１４５ｍｍのものを、音響整合層としてはエポキシ樹脂の厚さ０．１１０ｍｍのものを用いた。これらを積層して、ダイサーにて各素子にダイシングを行った。さらに実施例１と同様に作製した成形用コンパウンド−１を、金型を用いて同様の条件にてプレス成形することで音響レンズ９を成形した。このように作製した音響レンズ９を、音響整合層８上に、積層し、図３に示す超音波探触子１を作製した。
【００９１】
これを用いて、図４および図５に示す構成の超音波画像検出装置により生体の画像を観測した。その結果、明瞭な画像を得ることができた。
【符号の説明】
【００９２】
１ 超音波探触子
２ 電極
５ 送信用圧電材料
６ バッキング層
７ 中間層
８ 音響整合層
９ 音響レンズ
１０ 超音波振動子
１１ 受信用圧電材料
１２ 送信用圧電素子
１３ 受信用圧電素子
１５ 送信用フレキシブル基盤
１６ 受信用フレキシブル基盤
３１ 超音波画像表示装置
３３ ケーブル
４１ 操作入力部
４２ 送信回路
４３ 受信回路
４４ 画像処理部
４５ 表示部
４６ 制御部
１００ 超音波画像検出装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリカで被覆された金属酸化物粒子およびシリコーンゴムを含有することを特徴とする超音波探触子用音響レンズ。
【請求項２】
前記金属酸化物粒子の含有量が、１５〜５０質量％であることを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子用音響レンズ。
【請求項３】
バッキング材、該バッキング材上に設けられた、電極および圧電材料を有する圧電素子、該圧電素子上に設けられた音響整合層および該音響整合層上に設けられた請求項１または２に記載の超音波探触子用音響レンズを具備することを特徴とする超音波探触子。
【請求項１】
シリカで被覆された金属酸化物粒子およびシリコーンゴムを含有することを特徴とする超音波探触子用音響レンズ。
【請求項２】
前記金属酸化物粒子の含有量が、１５〜５０質量％であることを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子用音響レンズ。
【請求項３】
バッキング材、該バッキング材上に設けられた、電極および圧電材料を有する圧電素子、該圧電素子上に設けられた音響整合層および該音響整合層上に設けられた請求項１または２に記載の超音波探触子用音響レンズを具備することを特徴とする超音波探触子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−７２７０２（Ｐ２０１１−７２７０２Ａ）
【公開日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２２９３３１（Ｐ２００９−２２９３３１）
【出願日】平成２１年１０月１日（２００９．１０．１）
【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２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１０月１日（２００９．１０．１）
【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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