音響レンズ、超音波探触子、超音波診断装置、および音響レンズの製造方法
【課題】超音波の減衰が少ない音響レンズ、該音響レンズを製造する製造方法、及び、該音響レンズを有する超音波探触子、及び、該超音波探触子を有する超音波診断装置を提供する。
【解決手段】添加物の音波の伝播速度は母材と異なり、母材に占める添加物の体積割合が、超音波を所定の距離に収束させるように、超音波の入射する面に入射する超音波の位置に応じて連続的に変化した状態であることを特徴とする音響レンズ。
【解決手段】添加物の音波の伝播速度は母材と異なり、母材に占める添加物の体積割合が、超音波を所定の距離に収束させるように、超音波の入射する面に入射する超音波の位置に応じて連続的に変化した状態であることを特徴とする音響レンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音響レンズ、超音波探触子、超音波診断装置、および音響レンズの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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低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の特長を有している。そのため、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）、及び産婦人科系などで広く利用されている。
【０００３】
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は、高感度、高解像度の超音波の送受信を行うために、ジルコン酸チタン酸鉛を材料とした圧電素子が一般的に使用される。
【０００４】
また、超音波探触子には、超音波のビームを収束させて分解能を向上させるため音響レンズが用いられている。音響レンズは被検体（生体）と密着させるので、被検体と密着させやすく、診断に使用する周波数において減衰率の小さい材料が求められている。
【０００５】
従来からこのような材料としてシリコーンゴムが主に用いられている。シリコーンゴムは、被検体（生体）より音波の伝播速度（以下、音速ともいう）が遅いので、断面形状の中央部を凸状に形成し、超音波が中央の厚みの厚い部分を通過する時間を、厚みの薄い部分より長くして超音波を収束させるようにしていた。
【０００６】
ところで、高調波信号を用いたハーモニックイメージング診断が、従来のＢモード診断では得られない鮮明な診断像が得られることから標準的な診断方法となりつつある。
【０００７】
ハーモニックイメージングを行うために十分な超音波信号を得るためには、基本波よりも周波数が高く減衰しやすい高調波をいかに効率的に受信できる設計とするか、が重要となる。
【０００８】
しかしながら、シリコーンゴムは超音波の伝播損失が大きいため、超音波探触子の受信感度を向上させることは難しい。特に、高周波の伝播損失が大きいため、高調波信号を用いたハーモニックイメージングには不向きな材料であると言える。
【０００９】
一方、伝播損失の少ない材料としては、例えば樹脂材料であるポリメチルペンテンが知られているが、ポリメチルペンテンは被検体（生体）より音速が速いので、断面形状の中央部を凹状に形成し、超音波を収束させるようにする必要がある。
【００１０】
しかしながら、凹状では被検体（生体）の表面との接触性が悪く、鮮明な画像が得られない。
【００１１】
そのため、ポリメチルペンテンを用いた凹状の音響レンズの平坦な側を生体接触側、凹側を圧電素子側とし、シリコーンゴムで形成した音響媒体によって凹状の部分を埋めて空気層を介在しないようにする方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【００１２】
また、従来の超音波探触子では、圧電素子と音響レンズの間に音響インピーダンスの異なる層を積層した整合層が設けられているが、整合層の各層の境界で音響インピーダンスが大きく異なるため、超音波の反射が発生し減衰するため超音波の送受信感度を低下させる原因になっていた。
【００１３】
そのため、圧電素子から離間するにつれて含有割合が変化するように添加物を添加し、圧電素子と音響レンズとの間の音響インピーダンスを徐々に変化させた層を積層し、超音波の送受信感度を向上させた音響整合レンズを備えた超音波プローブが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【００１４】
しかしながら、音響整合層を構成する層の数を増し、超音波の送受信感度を向上させるためには、次のような課題があり、従来は２〜３層とするのが限界であった。
【００１５】
例えば、音響整合層での超音波の伝播損失を抑制するため各層の厚みをできるだけ薄くする必要があるので、薄い膜を多数積層する工程に時間がかかる上、歩留まりが悪いという問題がある。また、各層を貼り合わせる際に接着剤を用いるので層間においても超音波の反射が生じる問題がある。
【００１６】
このような多重反射の問題を解決する方法として、樹脂材料にタングステン粉末を混合し、タングステン粉末を沈降させながら自然硬化させることにより、音響インピーダンスが連続的に変化する音響媒介物を用いる方法が知られている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開平６−２５４１００号公報
【特許文献２】特開２００６−２６３３８５号公報
【特許文献３】特開昭５４−２１０８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかしながら、特許文献１に開示されているように、音響レンズの凹状の部分を埋める音響媒体を設けると、音響レンズと音響媒体との境界で音響インピーダンスが大きく異なるため、超音波の反射が発生し、超音波の送受信感度が低下する問題がある。
【００１９】
一方、特許文献２に開示されている音響整合レンズは、シリコーンゴムに添加物を添加した３つの整合層の一つに凸曲面を設け超音波を収束させているが、整合層の数が少ないため界面での音響インピーダンスの差が大きく超音波の反射を十分抑制できない。
【００２０】
また、特許文献１、２ではシリコーンゴムを用いているので、シリコーンゴムによる超音波の伝播損失が大きく高次高調波を利用する場合は受信感度が不十分になってしまうという問題があった。
【００２１】
特許文献１の音響レンズの音響媒体として特許文献３に開示されている音響整合層を用いることも考えられるが、音響レンズと音響媒体の境界における音響インピーダンスの差を少なくすることはできても、接合面があるためやはり界面での超音波の反射が発生する。また、２つの異なる部品を接合するため製造工程が複雑である。
【００２２】
特許文献２に開示されている音響整合レンズの整合層は、シリコーンゴムを用いたものであり、音響インピーダンスや音波の伝播速度などの特性が異なるので、そのまま特許文献３に開示されている音響整合層に置き換えることはできない。
【００２３】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、超音波の減衰が少ない音響レンズ、該音響レンズを製造する製造方法、及び、該音響レンズを有する超音波探触子、および該超音波探触子を有する超音波診断装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
上記の課題を解決するため、本発明は以下のような特徴を有するものである。
【００２５】
１．液状の母材に該母材と音波の伝播速度の異なる添加物を添加した分散液を硬化して形成された音響レンズであって、
前記母材に占める前記添加物の体積割合が、超音波を所定の距離に収束させるように、超音波の入射する面に入射する超音波の位置に応じて連続的に変化した状態であることを特徴とする音響レンズ。
【００２６】
２．前記添加物の音響インピーダンスは前記母材と異なり、
前記母材に占める前記添加物の体積割合が、超音波の入射する面からの距離に応じて連続的に変化していることを特徴とする前記１に記載の音響レンズ。
【００２７】
３．液状の母材に該母材と音波の伝播速度の異なる添加物を添加した分散液を硬化させて形成された音響レンズであって、
前記母材に占める添加物の体積割合が、超音波を所定の距離に収束させるように、超音波の入射する面の位置に応じて連続的に変化した状態であることを特徴とする音響レンズ。
【００２８】
４．被検体に向けての超音波の送信、または被検体からの超音波の反射波の受信の少なくとも一方を行う超音波探触子において、
前記１から３の何れか１項に記載の音響レンズを有し、
前記音響レンズを介して超音波を送信および受信、または送信もしくは受信をすることを特徴とする超音波探触子。
【００２９】
５．超音波を被検体に向けて送信し、該被検体から受信した該超音波の反射波に応じて画像を生成する超音波診断装置において、
前記４に記載の超音波探触子を有することを特徴とする超音波診断装置。
【００３０】
６．液状の母材に該母材と音波の伝播速度の異なる添加物を添加した分散液を用いて形成する音響レンズの製造方法であって、
前記液状の母材に前記添加物を分散した分散液を型に注入する注入工程と、
前記添加物を所定時間沈降させる沈降工程と、
前記所定時間の後、前記添加物を沈降させながら前記分散液を硬化させる硬化工程と、
を含み、
前記型に注入された前記分散液の液面が遠心力により凹面になるように前記分散液を注入した型を回転させながら前記沈降工程、及び前記硬化工程を行った後、
凹面状に硬化された部分を平面に加工する工程を行うことを特徴とする音響レンズの製造方法。
【００３１】
７．液状の母材に該母材と音波の伝播速度の異なる添加物を添加した分散液を用いて形成する音響レンズの製造方法であって、
前記液状の母材に添加物を分散させた分散液を型に注入する注入工程と、
前記添加物を所定時間沈降させる沈降工程と、
前記所定時間の後、前記添加物を沈降させながら分散液を硬化させる硬化工程と、
前記硬化工程で生成された２つの組成物を、それぞれの前記組成物の音波の伝播速度が遅い方の面を向き合わせて接合する接合工程と、
を含むことを特徴とする音響レンズの製造方法。
【発明の効果】
【００３２】
本発明の音響レンズは、液状の母材に該母材と音波の伝播速度の異なる添加物を添加した分散液を硬化して形成され、母材に占める添加物の体積割合が、超音波を所定の距離に収束させるように、超音波の入射する面に入射する超音波の位置に応じて連続的に変化した状態である。
【００３３】
このようにすると、音響レンズの内部に界面を設けないので、界面による超音波の反射が発生しない。
【００３４】
したがって、超音波の減衰が少ない音響レンズ、及び、該音響レンズを製造する製造方法、該音響レンズを有する超音波探触子、及び、該超音波探触子を有する超音波診断装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】第１の実施形態の音響レンズ８の製造工程を説明する断面図である。
【図２】型７０で組成される組成物７２を説明する斜視図である。
【図３】音響レンズ８の製造工程を説明する工程図である。
【図４】音響レンズ８の深さ方向（Ｚ軸方向）に対して、その深さにおける媒質に占める酸化亜鉛の体積割合を一例として示すグラフである。
【図５】酸化亜鉛の体積割合と音響インピーダンスとの関係の一例を示すグラフである。
【図６】酸化亜鉛の体積割合と音波の伝播速度（音速）との関係の一例を示すグラフである。
【図７】音響レンズ８の音響インピーダンスの深さ方向に対する変化を一例として示すグラフである。
【図８】音響レンズ８の音速の深さ方向に対する変化を一例として示すグラフである。
【図９】第１の実施形態の音響レンズ８の上側表面７５上の各位置からの深さ方向（Ｚ軸方向）に対して、その深さにおける媒質に占める酸化亜鉛の体積割合を一例として示すグラフである。
【図１０】第２の実施形態の音響レンズ７の製造工程を説明する説明図である。
【図１１】第２の実施形態の音響レンズ７の製造工程を説明する工程図である。
【図１２】第２の実施形態の音響レンズ７の幅Ｗ３の中央Ｘ０からのＸ軸方向の距離と、その距離における媒質の音速との関係を一例として示すグラフである。
【図１３】実施形態における超音波探触子１の構成例を示す断面図である。
【図１４】実施形態における超音波診断装置の外観構成を示す図である。
【図１５】実施形態における超音波診断装置の電気的な構成を示すブロック図である。
【図１６】音響整合層を積層した圧電素子の送受信感度の周波数特性を比較するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、本発明に係る実施の一形態を図面に基づいて説明するが、本発明は該実施の形態に限られない。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。
【００３７】
以降の説明では図中のＸ、Ｙ、Ｚで示す座標軸に基づいて説明する。Ｘ方向は音響レンズ８を接合する超音波探触子１（図１には図示せず）のエレベーション方向（ダイシングを行う方向）であり、Ｙ方向は音響レンズ８の長手方向、Ｚ軸正方向は超音波を送信する方向である。
【００３８】
次に、第１の実施形態の音響レンズ８の製造工程を説明する。
【００３９】
図１は、第１の実施形態の音響レンズ８の製造工程を説明する断面図、図２は、型７０で組成される組成物７２を説明する斜視図、図３は、音響レンズ８の製造工程を説明する工程図である。
【００４０】
第１の実施形態の音響レンズ８では、超音波を所定の距離に収束させるため、入射する超音波のＸ軸方向の位置と入射面からのＺ軸方向の距離に応じて添加物の体積割合が連続的に変化するようにしている。
【００４１】
図１の矢印Ｘ３は、下側表面７６から入射し、音響レンズ８のＸ軸方向の幅の中央を進行する超音波を示し、矢印Ｘ５は、音響レンズ８のＸ軸方向の幅の周辺部を進行する超音波を、矢印Ｘ４は、矢印Ｘ５とＸ３の中間付近を進行する超音波を示している。
【００４２】
図３の工程図に沿って直方体形状の第１の実施形態の音響レンズ８を作製する例を説明する。
【００４３】
Ｓ１：分散液製造工程
分散液の母材には、各種樹脂材料を用いることができるが、短時間で硬化できる樹脂材料、例えば光を照射することにより短時間で硬化できる光硬化性樹脂材料が好ましい。
【００４４】
また、超音波の減衰特性が周波数５ＭＨｚで２ｄＢ／ｃｍ以下の樹脂材料が好ましい。例えば、アクリレート、メチルペンテン、スチレン、メチルメタクリレート、カーボネート、プロピレンなどの重合体または共重合体を用いることができる。
【００４５】
母材に添加する添加物は、酸化亜鉛、アルミニウム、酸化アルミニウム、ジュラルミン、チタン、窒化ケイ素、炭化ボロン、モリブデン等を用いることができる。これらは母材に均一に分散して添加し、母材と添加剤界面で音響不整合を生じないよう、波長に対して充分小さい粉末の状態で用いられることが好ましく、その粒径は１０μｍ以下、さらに好ましくは０．５μｍ以下であることが好ましい。
【００４６】
本実施形態では、表１の紫外線硬化型の光硬化性樹脂材料を母材とし、添加物として酸化亜鉛を均一に分散させた分散液を製造する例を説明する。
【００４７】
【表１】
【００４８】
表１の光硬化性樹脂Ａは、イソシアヌル酸ＥＯ変性ジ及びトリアクリレート混合物（アロニックスＭ−３１３；東亞合成株式会社製）、光硬化性樹脂Ｂは、ジトリメチロールプロパンテトラアクリレート（アロニックスＭ−４０８；東亞合成株式会社製）である。
【００４９】
添加剤は、平均粒径２５０ｎｍの親油性酸化亜鉛ナノ微粒子（デグサ社製ＶＰ ＡｄＮａｎｏ Ｚ８０５）である。また、光重合開始剤は、ビス（２，４，６−トリメチルベンゾイル）−フェニルフォスフィンオキサイド（光重合開始剤ＩＲＧＲＡＣＵＲＥ８１９；ＢＡＳＦ社製）である。
【００５０】
例えば、表１に示す割合で光硬化性樹脂Ａ、Ｂを母材に、光重合開始剤と添加剤の酸化亜鉛を撹拌して均一に分散させ、分散液を製造する。
【００５１】
Ｓ２：注入工程
図１（ａ）は分散液７１を注入した型７０の断面図である。図１（ａ）のように、母材に添加物を均一に分散させた分散液７１を直方形の凹部を有する型７０に注入する。本実施形態では、凹部の形状は幅Ｗ３＝１０（ｍｍ）、高さＨ３＝４（ｍｍ）、長さＬ１＝７０（ｍｍ）とする。
【００５２】
Ｓ１０：沈降工程
図１（ｂ）と図２（ａ）は、遠心分離器８０の内部に取り付けた分散液７１を注入した型７０の断面図と斜視図である。第１の実施形態の沈降工程では、分散液７１を注入した型７０を、図１（ｂ）のように遠心分離器８０の内部に取り付け、Ｏを回転中心として矢印方向に回転させながら添加物を所定時間沈降させる。すると、型７０に注入された分散液７１の液面は、図１（ｂ）のように遠心力により凹面になる。添加物も遠心力により凹状に分布し、型７０の中央部より周辺部に多くの添加物が集まる。
【００５３】
Ｓ１１：硬化工程
分散液７１を注入した型７０を回転させながら、分散液７１の上面より所定時間紫外線を照射して硬化させる。その後、遠心分離器８０から型７０を取り出し、加熱してさらに硬化させ、図２（ｂ）のような組成物７２を得る。
【００５４】
Ｓ１３：切削工程
図１（ｃ）のように組成物７２の凹面状の部分を、Ｃで示す点線で切削し、図１（ｄ）のように高さＨ４の直方体形状に加工し、音響レンズ８を得る。
【００５５】
このような簡単な工程で得られた音響レンズ８は、下側表面７６方向に添加物が沈降しながら硬化されているので、上側表面８１から下側表面７６方向への深さに応じて、媒質に含まれる添加物の体積割合が増加している。
【００５６】
図４のグラフは、音響レンズ８の深さ方向（Ｚ軸方向）に対して、その深さにおける媒質に占める酸化亜鉛の体積割合を一例として示すグラフである。図４の横軸は、矢印Ｘ３の位置における音響レンズ８の上側表面８１からの深さ（ｍｍ）であり、縦軸はその深さにおける媒質に占める酸化亜鉛の体積割合（体積％）である。
【００５７】
図４の例では、上側表面８１では、酸化亜鉛の体積割合は０（体積％）、深さ１．２（ｍｍ）の媒質では体積割合は９．８（体積％）、深さ２ｍｍに相当する下側表面７６では体積割合は６５（体積％）であり、深さに応じて連続的に酸化亜鉛の体積割合が増加している。
【００５８】
なお、酸化亜鉛の体積割合は、表面元素分析によって求めることができる。深さ方向（Ｚ軸方向）の位置における酸化亜鉛の体積割合は、上側表面８１から所定の深さまで表面を切削して表面元素分析を行うことにより求めることができる。
【００５９】
次に、表１の光硬化性樹脂Ａ、Ｂを母材に、酸化亜鉛の体積割合を変えて均一に分散した状態で硬化させた試料の特性例を図５、図６を用いて説明する。図５は、酸化亜鉛の体積割合と音響インピーダンスとの関係の一例を示すグラフである。図６は、酸化亜鉛の体積割合と音波の伝播速度（以下、音速ともいう）との関係を示すグラフである。
【００６０】
図５に示すように、酸化亜鉛の体積割合０（体積％）では、音響インピーダンス３（Ｐａ・ｓ・ｍ−１）、体積割合７０（体積％）では、音響インピーダンス２３（Ｐａ・ｓ・ｍ−１）である。また、図６に示すように、酸化亜鉛の体積割合０（体積％）では、音速２７００（ｍ／ｓ）、体積割合７０（体積％）では、音速５２００（ｍ／ｓ）であり、酸化亜鉛の体積割合が増加するのに伴って音響インピーダンスと音速が増加している。
【００６１】
図４に示す上側表面からの深さにおける音響レンズ８の酸化亜鉛の体積割合と、図５、図６に示す特性から音速と音響インピーダンスの深さ方向に対する変化が求められる。
【００６２】
図７は、音響レンズ８の音響インピーダンスの深さ方向に対する変化を一例として示すグラフ、図８は、音響レンズ８の音速の深さ方向に対する変化を一例として示すグラフである。図７、図８の横軸は、音響レンズ８の上側表面８１からの深さ（ｍｍ）であり、図７の縦軸は音響インピーダンス（Ｐａ・ｓ・ｍ−１）、図８の縦軸は音速（ｍ／ｓ）である。
【００６３】
図７に示すように、上側表面８１では、音響インピーダンス３（Ｐａ・ｓ・ｍ−１）、深さ２ｍｍに相当する下側表面７６では音響インピーダンス２３（Ｐａ・ｓ・ｍ−１）であり、深さに応じて連続的に音響インピーダンスが増加している。
【００６４】
また、図７に示すように、上側表面８１では、音速２７００（ｍ／ｓ）、深さ２ｍｍに相当する下側表面７６では音速５２００（ｍ／ｓ）であり、深さに応じて連続的に音速が増加している。
【００６５】
圧電素子の音響インピーダンスは、一般に２４〜３６Ｐａ・ｓ・ｍ−１程度であり、圧電素子と接合する下側表面７６の音響インピーダンスを、この例のように近い値にすると接合面で発生する超音波の反射を抑制することができる。
【００６６】
また、被検体である人体の音響インピーダンスは、１．８Ｐａ・ｓ・ｍ−１程度であり、被検体と接触する音響レンズも音響インピーダンスがこの値に近いものが用いられる。したがって、音響レンズと接合する上側表面８１の音響インピーダンスを、この例のように音響レンズに近い値にすると同様に接合面で発生する超音波の反射を抑制することができる。
【００６７】
本実施形態では、下側表面７６と上側表面８１の間に界面はなく、音響インピーダンスは深さ（距離）に応じて連続的に変化するので、音響レンズ８の内部では界面による超音波の反射はおこらない。したがって、本実施形態の音響レンズ８は超音波の減衰が少ない。このような音響レンズ８を簡単な設備と簡単な工程により製造することができる。
【００６８】
図９は、このようにして作製した第１の実施形態の音響レンズ８の上側表面７５上の各位置からの深さ方向（Ｚ軸方向）に対して、その深さにおける媒質に占める酸化亜鉛の体積割合を一例として示すグラフである。図９の横軸は、音響レンズ８の上側表面７５からの深さ（ｍｍ）であり、縦軸はその深さにおける媒質に占める酸化亜鉛の体積割合（体積％）である。また、図９のＸ３、Ｘ４、Ｘ５は、図１（ｄ）に矢印で示すＸ３、Ｘ４、Ｘ５に対応する。すなわち、Ｘ３、Ｘ４、Ｘ５に示すＸ軸方向の位置の上側表面７５からの深さ方向（Ｚ軸負方向）の距離に応じて変化する酸化亜鉛の体積割合を示している。
【００６９】
音響レンズ８のＸ軸方向の中央Ｘ３、周辺部Ｘ５、Ｘ３とＸ５の中間部Ｘ４の何れの位置でも、上側表面７５に相当する深さ０（ｍｍ）では酸化亜鉛の体積割合は０（体積％）、深さ２（ｍｍ）に相当する下側表面７６では体積割合は６５（体積％）であり、上側表面７５からの深さに応じて連続的に酸化亜鉛の体積割合が増加している。
【００７０】
一方、Ｘ５、Ｘ４、Ｘ３の順に上側表面７５に近い深さから体積割合の増加が始まるので、平均すると周辺部Ｘ５の方が音響レンズ８の上側表面７５と下側表面７６の間に占める酸化亜鉛の体積割合が多い。例えば、中央部Ｘ３では深さ１．２（ｍｍ）の媒質の体積割合は９．８（体積％）なのに対し、周辺部Ｘ５では体積割合は６１．４（体積％）である。
【００７１】
図６で説明したように、酸化亜鉛の体積割合が増すと音速も増加する。したがって、Ｘ５で示すような周辺部からＺ軸方向に進行する超音波は、中央部Ｘ３より音速の高い領域を通過する割合が多く、上側表面７５と下側表面７６の間を通過する時間が短くなる。
【００７２】
このように、周辺部を進行するＸ５で示す超音波は、中央を進行するＸ３で示す超音波よりも音速の高い領域を進む距離が長いので同時に下側表面７６に入射したＸ３で示す超音波よりも早く上側表面７５に達する。
【００７３】
音響インピーダンスについても、図５で説明したように、酸化亜鉛の体積割合が増すと音響インピーダンスも増加する。酸化亜鉛の体積割合から、音響レンズ８の音響インピーダンスは、上側表面７５では、音響インピーダンス３（Ｐａ・ｓ・ｍ−１）、下側表面７６では音響インピーダンス２３（Ｐａ・ｓ・ｍ−１）であり、深さに応じて連続的に音響インピーダンスが増加している。
【００７４】
前述のように、圧電素子の音響インピーダンスは、一般に２４〜３６Ｐａ・ｓ・ｍ−１程度であり、圧電素子と接合する下側表面７６の音響インピーダンスを、この例のように近い値にすると接合面で発生する超音波の反射を抑制することができる。
【００７５】
被検体である人体の音響インピーダンスは、１．８Ｐａ・ｓ・ｍ−１程度であり、上側表面７５の音響インピーダンスはこの値に近い値になっている。
【００７６】
以下の説明では、上側表面７５が被検体に接しているものとする。
【００７７】
Ｘ５で示す周辺部を進行する超音波は、Ｘ３で示す中央を進行する超音波より早く被検体に入射するので、その時間差の分だけ多くの距離を進行し、上側表面７５からの距離ｆで中央部を進行するＳ１で示す超音波と収束する。また、Ｘ４はＸ３とＸ５の間に被検体に入射し、距離ｆで中央部を進行するＸ３で示す超音波と収束する。
【００７８】
音響レンズ８の焦点距離は、このように超音波が下側表面７６に入射する位置と、添加物の体積割合によって変わる下側表面７６から上側表面７５まで進行する時間との関係によって変わる。
【００７９】
本実施形態では、下側表面７６と上側表面７５の間に界面はなく、音響インピーダンスは深さ（距離）に応じて連続的に変化するので、音響レンズ８の内部では超音波の反射はおこらない。また、音響レンズ８は、超音波を所定の距離に収束させることができる。
【００８０】
さらに、被検体と接触する面は平面になっているので、被検体の表面との接触性が良く被検体と音響レンズ８を容易に密着させることができる。
【００８１】
このように、本実施形態の音響レンズ８は、超音波の減衰が少なく、本実施形態の音響レンズ８の製造方法により、このような音響レンズ８を簡単な設備と簡単な工程により製造することができる。
【００８２】
次に、第２の実施形態の音響レンズ７の製造工程を説明する。
【００８３】
図１０は、第２の実施形態の音響レンズ７の製造工程を説明する説明図、図１１は、音響レンズ７の製造工程を説明する工程図である。
【００８４】
第２の実施形態の音響レンズ７も第１の実施形態の音響レンズ８と同様に、超音波を所定の距離に収束させるため、入射する超音波のＸ軸方向の位置に応じて添加物の体積割合が連続的に変化するように構成している。
【００８５】
図１１の工程図に沿って直方体形状の第２の実施形態の音響レンズ７を作製する例を説明する。
【００８６】
Ｓ１：分散液製造工程
第１の実施形態で説明した分散液と同じ分散液を用いることができるので、分散液製造工程も同じ工程を用いることができる。
【００８７】
本実施形態では、第１の実施形態と同様に、表１に示す割合で光硬化性樹脂Ａ、Ｂを母材に、添加物として酸化亜鉛を撹拌して均一に分散させた例を説明する。
【００８８】
Ｓ２：注入工程
分散液７１を注入する型は、第１の実施形態と同様に図１（ａ）、図２（ａ）に示す型７０を用いることができる。図１（ａ）、図２（ａ）のように、母材に添加物を均一に分散させた分散液７１を直方形の凹部を有する型７０に注入する。本実施形態では、凹部の形状は幅Ｗ２＝１０（ｍｍ）、高さＨ２＝４（ｍｍ）、長さＬ２＝７０（ｍｍ）とする。
【００８９】
Ｓ３：沈降工程
分散液７１を型７０に注入後所定時間放置し、添加物を沈降させる。
【００９０】
Ｓ４：硬化工程
分散液７１の上面より所定時間紫外線を照射して硬化させる。その後、加熱してさらに硬化させ、型７０から取り出して組成物７２を得る。本工程では、図１０（ａ）のように次工程の接合工程で用いる２つの組成物７２ａ、７２ｂを作製する。
【００９１】
組成物７２ａ、７２ｂは、下側表面７６ａ、８２ｂ方向に添加物が沈降しながら硬化されているので、上側表面８１ａ、８１ｂから下側表面７６ａ、８２ｂ方向への深さに応じて、母材に占める添加物の体積割合が増加している。
【００９２】
Ｓ５：接合工程
Ｓ４の硬化工程で生成された２つの組成物７２ａ、７２ｂを、それぞれの組成物７２ａ、７２ｂの添加物の密度が低い上側表面８１ａと上側表面８１ｂとを互いに向き合わせて図１１（ｂ）のように接合する。
【００９３】
Ｓ６：切断、研磨工程
図１０（ｂ）のように接合した組成物７２ａ、７２ｂを、点線で示すように接合面と直交する面で切断し、切断面を研磨して図１０（ｃ）のように厚みｄの直方体形状に加工し、音響レンズ７を得る。
【００９４】
図１３は、このようにして作製した第２の実施形態の音響レンズ７の幅Ｗ３の中央Ｘ０からのＸ軸方向の距離と、その距離における媒質の音速との関係を一例として示すグラフである。
【００９５】
音響レンズ７は、母材に占める添加物の体積割合の低い上側表面８１ａ、８１ｂを互いに向き合わせて接合して作製するので、接合面の位置である幅Ｗ３の中央Ｘ０が最も添加物の体積割合が低く、Ｘ０からＸ軸方向に離れるほど添加物の体積割合が高くなっている。Ｚ軸方向においては、媒質に含まれ添加物の体積割合は一定である。
【００９６】
図５、図６で説明したように、酸化亜鉛の体積割合が増すと音速と音響インピーダンスが増加する。したがって、Ｘ０からＸ軸方向に離れるほど音速と音響インピーダンスが増加し、Ｚ軸方向については一定である。
【００９７】
図１２の横軸は、中央Ｘ０からのＸ軸方向の距離（ｍｍ）であり、縦軸はその距離における媒質の音速（ｍ／ｓ）である。
【００９８】
図１２のように中央Ｘ０からのＸ軸方向の距離が増すと、音速が増加しているので、中央Ｘ０からＺ軸方向に進行する超音波より、中央Ｘ０から離れた位置をＺ軸方向に進行する超音波の方が、第１のレンズ面８４と第２のレンズ面８５の間を通過する時間が短い。
【００９９】
このように、Ｘ１から入射した超音波は、中央Ｘ０から入射した超音波よりも音速の高い領域を進むので、同時に中央Ｘ０から入射した超音波よりも早く第２のレンズ面８５に達する。
【０１００】
Ｘ１から入射した超音波は、第２のレンズ面８５に接する媒質内を中央Ｘ０から入射した超音波よりも早く進行し、所定の距離で中央Ｘ０から入射した超音波と収束する。
【０１０１】
超音波の収束する距離は、超音波が第１のレンズ面８４と第２のレンズ面８５の間を通過する時間差によって変わるので、本実施形態の音響レンズ７は、Ｓ６の切断工程で切断する厚みｄを変えることにより焦点距離を変えることができる。
【０１０２】
本実施形態では、第１のレンズ面８４と第２のレンズ面８５の間に界面はなく、超音波が進行する方向の音響インピーダンスは一定なので、音響レンズ７の内部では超音波の反射はおこらない。
【０１０３】
したがって、本実施形態の音響レンズ７は、超音波の減衰が少ない。また、本実施形態の音響レンズの製造方法を用いると、超音波の減衰が少ない任意の焦点距離の音響レンズを簡単な設備と簡単な工程により製造することができる。
【０１０４】
さらに、被検体と接触する面は平面になっているので、被検体の表面との接触性が良く被検体と音響レンズ８を容易に密着させることができる。
【０１０５】
図１３は、音響レンズ８または音響レンズ７を用いた超音波探触子のヘッド部の構成を示す断面図である。
【０１０６】
本実施形態では、単一の圧電素子で送受信を行うシングル型超音波探触子に本発明を適用した例を説明するが、特に限定されるものではなく送信用圧電素子と受信用圧電素子とを別体とし、超音波の送信時と受信時における動作を分離したアレイ型超音波探触子にも適用できる。
【０１０７】
以降の説明では図中のＸ、Ｙ、Ｚで示す座標軸に基づいて説明する。Ｘ方向は超音波探触子１のエレベーション方向（ダイシングを行う方向）であり、Ｚ軸正方向は超音波を送信する方向である。また、Ｚ軸方向は積層方向である。
【０１０８】
図１３に示す超音波探触子１は、バッキング材５の上に第１電極１５、送受信素子層２、第２電極１４、音響レンズ８、または音響レンズ７の順に積層されている。
【０１０９】
以降、積層順に各構成要素を説明する。
【０１１０】
（送受信素子層）
送受信素子層２は、ジルコン酸チタン酸鉛などの圧電材料から成る圧電素子であり、互いに厚み方向に対向する両面にそれぞれ第２電極１４、第１電極１５を備えている。送受信素子層２の厚みは３２０μｍ程度である。
【０１１１】
第２電極１４、第１電極１５は、図示せぬコネクタにより図１３には図示せぬケーブル３３と接続され、ケーブル３３を介して送信回路４２と接続する。第２電極１４、第１電極１５に電気信号を入力すると圧電素子が振動し、送受信素子層２からＺ軸正方向に超音波を送信するように構成されている。
【０１１２】
第２電極１４、第１電極１５は、金、銀、アルミなどの金属材料を用いて、送受信素子層２の両面に蒸着法やフォトリソグラフィー法を用いて成膜する。
【０１１３】
また、第２電極１４、第１電極１５は、図１３には図示せぬケーブル３３を介して受信回路４３とも接続する。
【０１１４】
送受信素子層２が被検体で反射した超音波の反射波を受信して振動すると、反射波に応じて第２電極１４、第１電極１５の間に電気信号が発生する。第２電極１４、第１電極１５の間に発生した電気信号は、ケーブル３３を介して受信回路４３で受信され、画像処理部４４で画像化される。
【０１１５】
バッキング材５の上に、第２電極１４と第１電極１５とが形成された送受信素子層２、音響レンズ８または音響レンズ７を順に接着剤により接着して図１３のように積層する。また、必要に応じて送受信素子層２と音響レンズ８または音響レンズ７の間に、その中間の音響インピーダンスを有する中間層を設けてもよい。
【０１１６】
積層後、送受信素子層２から超音波放射方向と反対の方向に向かってダイシングを行い、バッキング材５と第１電極１５の接着層からさらにＺ軸負方向に１００μｍの深さまでダイシングを行う。ダイシングによりできた溝部に、シリコーン樹脂などから成る充填剤を充填した後、最上層に音響レンズ７または音響レンズ８を接着する。
【０１１７】
（超音波診断装置および超音波探触子の各構成および動作）
図１４は、実施形態における超音波診断装置の外観構成を示す図である。図１５は、実施形態における超音波診断装置の電気的な構成を示すブロック図である。
【０１１８】
超音波診断装置１００は、図略の生体等の被検体に対して超音波（超音波信号）を送信し、受信した被検体で反射した超音波の反射波（エコー、超音波信号）から被検体内の内部状態を超音波画像として画像化し、表示部４５に表示する。
【０１１９】
超音波探触子１は、被検体に対して超音波（超音波信号）を送信し、被検体で反射した超音波の反射波を受信する。超音波探触子１は、図１５に示すように、ケーブル３３を介して超音波診断装置本体３１と接続されており、送信回路４２、受信回路４３と電気的に接続されている。
【０１２０】
送信回路４２は、制御部４６の指令により、超音波探触子１へケーブル３３を介して電気信号を送信し、超音波探触子１から被検体に対して超音波を送信させる。
【０１２１】
受信回路４３は、制御部４６の指令により、超音波探触子１からケーブル３３を介して、被検体内からの超音波の反射波に応じた電気信号を受信する。
【０１２２】
画像処理部４４は、制御部４６の指令により、受信回路４３が受信した電気信号に基づいて被検体内の内部状態を超音波画像として画像化する。
【０１２３】
表示部４５は、液晶パネルなどから成り、制御部４６の指令により、画像処理部４４が画像化した超音波画像を表示する。
【０１２４】
操作入力部４１は、スイッチやキーボードなどから構成され、ユーザが診断開始を指示するコマンドや被検体の個人情報等のデータを入力するために設けられている。
【０１２５】
制御部４６は、ＣＰＵ、メモリなどから構成され、操作入力部４１の入力に基づいてプログラムされた手順により超音波診断装置１００各部の制御を行う。
【実施例】
【０１２６】
以下、実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【０１２７】
［実施例１］
（音響レンズ８の作製）
実施例１では、図１（ｄ）と同じ構成のＸ軸方向の幅Ｗ３＝１０ｍｍ、Ｚ軸方向の高さＨ４＝２ｍｍ、Ｙ軸方向の長さＬ１＝７０ｍｍ、の直方体の音響レンズ８を図３で説明した手順で作製した。
【０１２８】
Ｓ１：分散液製造工程
本実施例では、表１の材料からなる分散液を用いた。
【０１２９】
表１に示す割合で光硬化性樹脂Ａ、Ｂを母材に、光重合開始剤と、添加物として親油性酸化亜鉛ナノ微粒子を撹拌して均一に分散させた。
【０１３０】
光硬化性樹脂Ａは、イソシアヌル酸ＥＯ変性ジ及びトリアクリレート混合物（アロニックスＭ−３１３；東亞合成株式会社製）、光硬化性樹脂Ｂは、ジトリメチロールプロパンテトラアクリレート（アロニックスＭ−４０８；東亞合成株式会社製）を用いた。
【０１３１】
親油性酸化亜鉛ナノ微粒子（デグサ社製ＶＰ ＡｄＮａｎｏ Ｚ８０５）の平均粒径は２５０ｎｍである。また、光重合開始剤はビス（２，４，６−トリメチルベンゾイル）−フェニルフォスフィンオキサイド（光重合開始剤ＩＲＧＲＡＣＵＲＥ８１９；ＢＡＳＦ社製）を用いた。
【０１３２】
Ｓ２：注入工程
図１（ａ）のように、母材に添加物を均一に分散させた分散液７１を直方形の凹部を有する型７０に注入した。本実施形態では、凹部の形状は幅Ｗ３＝１０（ｍｍ）、高さＨ３＝４（ｍｍ）、長さＬ１＝７０（ｍｍ）とする。
【０１３３】
Ｓ１０：沈降工程
図１（ｂ）のように、回転半径Ｍ＝３０ｍｍの遠心分離器８０の内部に分散液７１を注入した型７０を取り付け回転させ５分間放置した。
【０１３４】
Ｓ１１：硬化工程
分散液７１を注入した型７０を回転させながら、分散液７１の上面より２分間紫外線を照射して硬化させる。その後、遠心分離器８０から型７０を取り出し、１８０℃で１０分間加熱してさらに硬化させ、型７０から取り出して組成物７２を得た。
【０１３５】
Ｓ１３：切削工程
図１（ｃ）のように組成物７２の凹面状の部分を、Ｃで示す点線で切削し、図１（ｄ）のように高さＨ４＝２ｍｍの直方体形状に加工し、音響レンズ８を得た。
【０１３６】
実施例１の音響レンズ８を実施例１で用いた圧電素子と同じ仕様の圧電素子に積層した。
【０１３７】
［比較例］
（比較例１）
比較のため、実施例１で用いた圧電素子と同じ圧電素子を単体で用いた。
【０１３８】
（比較例２）
図１１で説明したＳ１：分散液製造工程とＳ２：注入工程を行って型７０に注入した後、分散液７１に添加物が均一に分散した状態で紫外線を２分間照射し硬化させた。その後、Ｓ４：硬化工程を行い幅Ｗ１＝１０ｍｍ、Ｚ軸方向の高さＨ１＝１ｍｍ、Ｙ軸方向の長さＬ１＝７０ｍｍの組成物Ａを作製した。
【０１３９】
また、実施例１と同じ光硬化性樹脂Ａを７４質量％、光硬化性樹脂Ｂを２５質量％、熱重合開始剤を１質量％を加えた母材を型７０に注入した後、紫外線を２分間照射し硬化させた。その後、１８０℃で１０分間加熱してさらに硬化させ、型７０から取り出して幅Ｗ１＝１０ｍｍ、Ｚ軸方向の高さＨ１＝１ｍｍ、Ｙ軸方向の長さＬ１＝７０ｍｍの添加物を含まない組成物Ｂを作製した。
【０１４０】
組成物Ａと組成物ＢをＺ軸方向に積層して接合し、実施例１と同形状の音響整合層を作製した。次に、比較例２の音響整合層組成物Ａ側の面を、実施例１で用いた圧電素子と同じ圧電素子に接合し積層した。
【０１４１】
実験に用いた圧電素子の中心周波数は４ＭＨｚ、音響インピーダンスは３６（Ｐａ・ｓ・ｍ−１）である。
【０１４２】
［評価方法］
このようにして作製した実施例１の音響レンズ８と、比較例２の音響整合層をそれぞれ圧電素子上に積層し、圧電素子から水中の平面金属板に対して送受信を行い、周波数特性を測定した。水中ハイドロフォン法を用いて焦点距離の測定を行った。
【０１４３】
［結果］
図１６のように実施例１の４ＭＨｚにおける送受信感度は、比較例１の音響整合層を設けない場合と比べ約７ｄＢも高く、測定した０〜１２ＭＨｚの範囲で比較例１の送受信感度を上回っている。
【０１４４】
一方、比較例２の４ＭＨｚにおける送受信感度は、実施例１と同等であるが６ＭＨｚ以上では送受信感度が低下し、８ＭＨｚ付近では比較例１より低くなっている。
【０１４５】
これは、比較例２の音響整合層は、両面の音響インピーダンスは実施例１と同じだが、２層から構成されているので、その界面で超音波の反射が発生して減衰し、送受信感度が低下したものと考えられる。
【０１４６】
また、音響レンズ８から６０ｍｍの位置に音響焦点が得られることが確認できた。
【０１４７】
［実施例２］
（音響レンズ８の作製）
実施例２では、図１０（ｃ）と同じ構成のＸ軸方向の幅Ｗ３＝８ｍｍ、Ｚ軸方向の高さｄ＝３ｍｍ、Ｙ軸方向の長さＬ１＝７０ｍｍの直方体の音響レンズ７と、Ｗ３＝８ｍｍ、ｄ＝２ｍｍ、Ｌ１＝７０ｍｍの直方体の音響レンズ７と、を図１１で説明した手順で作製した。
【０１４８】
Ｓ１：分散液製造工程
実施例１と同じ分散液を用いた。
【０１４９】
Ｓ２：注入工程
図１（ａ）のように、母材に添加物を均一に分散させた分散液７１を直方形の凹部を有する型７０に注入した。本実施例では、凹部の形状が幅Ｗ２＝１０（ｍｍ）、高さＨ２＝４（ｍｍ）、長さＬ１＝７０（ｍｍ）の型７０を用いた。
【０１５０】
Ｓ３：沈降工程
分散液７１を型７０に注入後５分間放置し、添加物を沈降させる。
【０１５１】
Ｓ４：硬化工程
分散液７１の上面より２分間紫外線を照射して硬化させる。その後、１８０℃で１０分間加熱してさらに硬化させ、型７０から取り出して２つの組成物７２ａ、７２ｂを得た。
【０１５２】
Ｓ５：接合工程
Ｓ４の硬化工程で生成された２つの組成物７２ａ、７２ｂを、それぞれの組成物７２ａ、７２ｂの音速が遅い方（添加物の体積割合が低い方）の上側表面８１ａ、および上側表面８１ｂを互いに向き合わせて図１１（ｂ）のように接着した。
【０１５３】
Ｓ６：切断、研磨工程
図１１（ｂ）のように接合した組成物７２ａ、７２ｂを切断し、切断面を研磨して厚みｄ＝３ｍｍの音響レンズ７と厚みｄ＝２ｍｍの音響レンズ７を作製した。
【０１５４】
次に、実施例２で作製した厚みを変えた音響レンズ７を、それぞれ実施例１で用いた圧電素子と同じ仕様の圧電素子に積層した。
【０１５５】
［評価方法］
実施例１と同様に、水中ハイドロフォン法を用いて焦点距離の測定を行った。
【０１５６】
［結果］
厚みｄ＝３ｍｍの音響レンズ７は、３０ｍｍの位置に、厚みｄ＝２ｍｍの音響レンズ７は、４２ｍｍの位置にそれぞれ音響焦点が得られることが確認できた。
【０１５７】
以上このように、本発明によれば、超音波の減衰が少ない音響レンズ、該音響レンズを製造する製造方法、及び、該音響レンズを有する超音波探触子、および該超音波探触子を有する超音波診断装置を提供することができる。
【符号の説明】
【０１５８】
１ 超音波探触子
２ 送受信素子
５ バッキング材
７ 音響レンズ
８ 音響整合層
９ 音響整合層
１４ 第２電極
１５ 第１電極
３１ 超音波診断装置本体
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
７１ 分散液
７２ 組成物
７５ 上側表面
７６ 下側表面
８０ 遠心分離器
８１ 上側表面
８４ 第１のレンズ面
８５ 第２のレンズ面
１００ 超音波診断装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音響レンズ、超音波探触子、超音波診断装置、および音響レンズの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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低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の特長を有している。そのため、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）、及び産婦人科系などで広く利用されている。
【０００３】
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は、高感度、高解像度の超音波の送受信を行うために、ジルコン酸チタン酸鉛を材料とした圧電素子が一般的に使用される。
【０００４】
また、超音波探触子には、超音波のビームを収束させて分解能を向上させるため音響レンズが用いられている。音響レンズは被検体（生体）と密着させるので、被検体と密着させやすく、診断に使用する周波数において減衰率の小さい材料が求められている。
【０００５】
従来からこのような材料としてシリコーンゴムが主に用いられている。シリコーンゴムは、被検体（生体）より音波の伝播速度（以下、音速ともいう）が遅いので、断面形状の中央部を凸状に形成し、超音波が中央の厚みの厚い部分を通過する時間を、厚みの薄い部分より長くして超音波を収束させるようにしていた。
【０００６】
ところで、高調波信号を用いたハーモニックイメージング診断が、従来のＢモード診断では得られない鮮明な診断像が得られることから標準的な診断方法となりつつある。
【０００７】
ハーモニックイメージングを行うために十分な超音波信号を得るためには、基本波よりも周波数が高く減衰しやすい高調波をいかに効率的に受信できる設計とするか、が重要となる。
【０００８】
しかしながら、シリコーンゴムは超音波の伝播損失が大きいため、超音波探触子の受信感度を向上させることは難しい。特に、高周波の伝播損失が大きいため、高調波信号を用いたハーモニックイメージングには不向きな材料であると言える。
【０００９】
一方、伝播損失の少ない材料としては、例えば樹脂材料であるポリメチルペンテンが知られているが、ポリメチルペンテンは被検体（生体）より音速が速いので、断面形状の中央部を凹状に形成し、超音波を収束させるようにする必要がある。
【００１０】
しかしながら、凹状では被検体（生体）の表面との接触性が悪く、鮮明な画像が得られない。
【００１１】
そのため、ポリメチルペンテンを用いた凹状の音響レンズの平坦な側を生体接触側、凹側を圧電素子側とし、シリコーンゴムで形成した音響媒体によって凹状の部分を埋めて空気層を介在しないようにする方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【００１２】
また、従来の超音波探触子では、圧電素子と音響レンズの間に音響インピーダンスの異なる層を積層した整合層が設けられているが、整合層の各層の境界で音響インピーダンスが大きく異なるため、超音波の反射が発生し減衰するため超音波の送受信感度を低下させる原因になっていた。
【００１３】
そのため、圧電素子から離間するにつれて含有割合が変化するように添加物を添加し、圧電素子と音響レンズとの間の音響インピーダンスを徐々に変化させた層を積層し、超音波の送受信感度を向上させた音響整合レンズを備えた超音波プローブが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【００１４】
しかしながら、音響整合層を構成する層の数を増し、超音波の送受信感度を向上させるためには、次のような課題があり、従来は２〜３層とするのが限界であった。
【００１５】
例えば、音響整合層での超音波の伝播損失を抑制するため各層の厚みをできるだけ薄くする必要があるので、薄い膜を多数積層する工程に時間がかかる上、歩留まりが悪いという問題がある。また、各層を貼り合わせる際に接着剤を用いるので層間においても超音波の反射が生じる問題がある。
【００１６】
このような多重反射の問題を解決する方法として、樹脂材料にタングステン粉末を混合し、タングステン粉末を沈降させながら自然硬化させることにより、音響インピーダンスが連続的に変化する音響媒介物を用いる方法が知られている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開平６−２５４１００号公報
【特許文献２】特開２００６−２６３３８５号公報
【特許文献３】特開昭５４−２１０８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかしながら、特許文献１に開示されているように、音響レンズの凹状の部分を埋める音響媒体を設けると、音響レンズと音響媒体との境界で音響インピーダンスが大きく異なるため、超音波の反射が発生し、超音波の送受信感度が低下する問題がある。
【００１９】
一方、特許文献２に開示されている音響整合レンズは、シリコーンゴムに添加物を添加した３つの整合層の一つに凸曲面を設け超音波を収束させているが、整合層の数が少ないため界面での音響インピーダンスの差が大きく超音波の反射を十分抑制できない。
【００２０】
また、特許文献１、２ではシリコーンゴムを用いているので、シリコーンゴムによる超音波の伝播損失が大きく高次高調波を利用する場合は受信感度が不十分になってしまうという問題があった。
【００２１】
特許文献１の音響レンズの音響媒体として特許文献３に開示されている音響整合層を用いることも考えられるが、音響レンズと音響媒体の境界における音響インピーダンスの差を少なくすることはできても、接合面があるためやはり界面での超音波の反射が発生する。また、２つの異なる部品を接合するため製造工程が複雑である。
【００２２】
特許文献２に開示されている音響整合レンズの整合層は、シリコーンゴムを用いたものであり、音響インピーダンスや音波の伝播速度などの特性が異なるので、そのまま特許文献３に開示されている音響整合層に置き換えることはできない。
【００２３】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、超音波の減衰が少ない音響レンズ、該音響レンズを製造する製造方法、及び、該音響レンズを有する超音波探触子、および該超音波探触子を有する超音波診断装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
上記の課題を解決するため、本発明は以下のような特徴を有するものである。
【００２５】
１．液状の母材に該母材と音波の伝播速度の異なる添加物を添加した分散液を硬化して形成された音響レンズであって、
前記母材に占める前記添加物の体積割合が、超音波を所定の距離に収束させるように、超音波の入射する面に入射する超音波の位置に応じて連続的に変化した状態であることを特徴とする音響レンズ。
【００２６】
２．前記添加物の音響インピーダンスは前記母材と異なり、
前記母材に占める前記添加物の体積割合が、超音波の入射する面からの距離に応じて連続的に変化していることを特徴とする前記１に記載の音響レンズ。
【００２７】
３．液状の母材に該母材と音波の伝播速度の異なる添加物を添加した分散液を硬化させて形成された音響レンズであって、
前記母材に占める添加物の体積割合が、超音波を所定の距離に収束させるように、超音波の入射する面の位置に応じて連続的に変化した状態であることを特徴とする音響レンズ。
【００２８】
４．被検体に向けての超音波の送信、または被検体からの超音波の反射波の受信の少なくとも一方を行う超音波探触子において、
前記１から３の何れか１項に記載の音響レンズを有し、
前記音響レンズを介して超音波を送信および受信、または送信もしくは受信をすることを特徴とする超音波探触子。
【００２９】
５．超音波を被検体に向けて送信し、該被検体から受信した該超音波の反射波に応じて画像を生成する超音波診断装置において、
前記４に記載の超音波探触子を有することを特徴とする超音波診断装置。
【００３０】
６．液状の母材に該母材と音波の伝播速度の異なる添加物を添加した分散液を用いて形成する音響レンズの製造方法であって、
前記液状の母材に前記添加物を分散した分散液を型に注入する注入工程と、
前記添加物を所定時間沈降させる沈降工程と、
前記所定時間の後、前記添加物を沈降させながら前記分散液を硬化させる硬化工程と、
を含み、
前記型に注入された前記分散液の液面が遠心力により凹面になるように前記分散液を注入した型を回転させながら前記沈降工程、及び前記硬化工程を行った後、
凹面状に硬化された部分を平面に加工する工程を行うことを特徴とする音響レンズの製造方法。
【００３１】
７．液状の母材に該母材と音波の伝播速度の異なる添加物を添加した分散液を用いて形成する音響レンズの製造方法であって、
前記液状の母材に添加物を分散させた分散液を型に注入する注入工程と、
前記添加物を所定時間沈降させる沈降工程と、
前記所定時間の後、前記添加物を沈降させながら分散液を硬化させる硬化工程と、
前記硬化工程で生成された２つの組成物を、それぞれの前記組成物の音波の伝播速度が遅い方の面を向き合わせて接合する接合工程と、
を含むことを特徴とする音響レンズの製造方法。
【発明の効果】
【００３２】
本発明の音響レンズは、液状の母材に該母材と音波の伝播速度の異なる添加物を添加した分散液を硬化して形成され、母材に占める添加物の体積割合が、超音波を所定の距離に収束させるように、超音波の入射する面に入射する超音波の位置に応じて連続的に変化した状態である。
【００３３】
このようにすると、音響レンズの内部に界面を設けないので、界面による超音波の反射が発生しない。
【００３４】
したがって、超音波の減衰が少ない音響レンズ、及び、該音響レンズを製造する製造方法、該音響レンズを有する超音波探触子、及び、該超音波探触子を有する超音波診断装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】第１の実施形態の音響レンズ８の製造工程を説明する断面図である。
【図２】型７０で組成される組成物７２を説明する斜視図である。
【図３】音響レンズ８の製造工程を説明する工程図である。
【図４】音響レンズ８の深さ方向（Ｚ軸方向）に対して、その深さにおける媒質に占める酸化亜鉛の体積割合を一例として示すグラフである。
【図５】酸化亜鉛の体積割合と音響インピーダンスとの関係の一例を示すグラフである。
【図６】酸化亜鉛の体積割合と音波の伝播速度（音速）との関係の一例を示すグラフである。
【図７】音響レンズ８の音響インピーダンスの深さ方向に対する変化を一例として示すグラフである。
【図８】音響レンズ８の音速の深さ方向に対する変化を一例として示すグラフである。
【図９】第１の実施形態の音響レンズ８の上側表面７５上の各位置からの深さ方向（Ｚ軸方向）に対して、その深さにおける媒質に占める酸化亜鉛の体積割合を一例として示すグラフである。
【図１０】第２の実施形態の音響レンズ７の製造工程を説明する説明図である。
【図１１】第２の実施形態の音響レンズ７の製造工程を説明する工程図である。
【図１２】第２の実施形態の音響レンズ７の幅Ｗ３の中央Ｘ０からのＸ軸方向の距離と、その距離における媒質の音速との関係を一例として示すグラフである。
【図１３】実施形態における超音波探触子１の構成例を示す断面図である。
【図１４】実施形態における超音波診断装置の外観構成を示す図である。
【図１５】実施形態における超音波診断装置の電気的な構成を示すブロック図である。
【図１６】音響整合層を積層した圧電素子の送受信感度の周波数特性を比較するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、本発明に係る実施の一形態を図面に基づいて説明するが、本発明は該実施の形態に限られない。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。
【００３７】
以降の説明では図中のＸ、Ｙ、Ｚで示す座標軸に基づいて説明する。Ｘ方向は音響レンズ８を接合する超音波探触子１（図１には図示せず）のエレベーション方向（ダイシングを行う方向）であり、Ｙ方向は音響レンズ８の長手方向、Ｚ軸正方向は超音波を送信する方向である。
【００３８】
次に、第１の実施形態の音響レンズ８の製造工程を説明する。
【００３９】
図１は、第１の実施形態の音響レンズ８の製造工程を説明する断面図、図２は、型７０で組成される組成物７２を説明する斜視図、図３は、音響レンズ８の製造工程を説明する工程図である。
【００４０】
第１の実施形態の音響レンズ８では、超音波を所定の距離に収束させるため、入射する超音波のＸ軸方向の位置と入射面からのＺ軸方向の距離に応じて添加物の体積割合が連続的に変化するようにしている。
【００４１】
図１の矢印Ｘ３は、下側表面７６から入射し、音響レンズ８のＸ軸方向の幅の中央を進行する超音波を示し、矢印Ｘ５は、音響レンズ８のＸ軸方向の幅の周辺部を進行する超音波を、矢印Ｘ４は、矢印Ｘ５とＸ３の中間付近を進行する超音波を示している。
【００４２】
図３の工程図に沿って直方体形状の第１の実施形態の音響レンズ８を作製する例を説明する。
【００４３】
Ｓ１：分散液製造工程
分散液の母材には、各種樹脂材料を用いることができるが、短時間で硬化できる樹脂材料、例えば光を照射することにより短時間で硬化できる光硬化性樹脂材料が好ましい。
【００４４】
また、超音波の減衰特性が周波数５ＭＨｚで２ｄＢ／ｃｍ以下の樹脂材料が好ましい。例えば、アクリレート、メチルペンテン、スチレン、メチルメタクリレート、カーボネート、プロピレンなどの重合体または共重合体を用いることができる。
【００４５】
母材に添加する添加物は、酸化亜鉛、アルミニウム、酸化アルミニウム、ジュラルミン、チタン、窒化ケイ素、炭化ボロン、モリブデン等を用いることができる。これらは母材に均一に分散して添加し、母材と添加剤界面で音響不整合を生じないよう、波長に対して充分小さい粉末の状態で用いられることが好ましく、その粒径は１０μｍ以下、さらに好ましくは０．５μｍ以下であることが好ましい。
【００４６】
本実施形態では、表１の紫外線硬化型の光硬化性樹脂材料を母材とし、添加物として酸化亜鉛を均一に分散させた分散液を製造する例を説明する。
【００４７】
【表１】
【００４８】
表１の光硬化性樹脂Ａは、イソシアヌル酸ＥＯ変性ジ及びトリアクリレート混合物（アロニックスＭ−３１３；東亞合成株式会社製）、光硬化性樹脂Ｂは、ジトリメチロールプロパンテトラアクリレート（アロニックスＭ−４０８；東亞合成株式会社製）である。
【００４９】
添加剤は、平均粒径２５０ｎｍの親油性酸化亜鉛ナノ微粒子（デグサ社製ＶＰ ＡｄＮａｎｏ Ｚ８０５）である。また、光重合開始剤は、ビス（２，４，６−トリメチルベンゾイル）−フェニルフォスフィンオキサイド（光重合開始剤ＩＲＧＲＡＣＵＲＥ８１９；ＢＡＳＦ社製）である。
【００５０】
例えば、表１に示す割合で光硬化性樹脂Ａ、Ｂを母材に、光重合開始剤と添加剤の酸化亜鉛を撹拌して均一に分散させ、分散液を製造する。
【００５１】
Ｓ２：注入工程
図１（ａ）は分散液７１を注入した型７０の断面図である。図１（ａ）のように、母材に添加物を均一に分散させた分散液７１を直方形の凹部を有する型７０に注入する。本実施形態では、凹部の形状は幅Ｗ３＝１０（ｍｍ）、高さＨ３＝４（ｍｍ）、長さＬ１＝７０（ｍｍ）とする。
【００５２】
Ｓ１０：沈降工程
図１（ｂ）と図２（ａ）は、遠心分離器８０の内部に取り付けた分散液７１を注入した型７０の断面図と斜視図である。第１の実施形態の沈降工程では、分散液７１を注入した型７０を、図１（ｂ）のように遠心分離器８０の内部に取り付け、Ｏを回転中心として矢印方向に回転させながら添加物を所定時間沈降させる。すると、型７０に注入された分散液７１の液面は、図１（ｂ）のように遠心力により凹面になる。添加物も遠心力により凹状に分布し、型７０の中央部より周辺部に多くの添加物が集まる。
【００５３】
Ｓ１１：硬化工程
分散液７１を注入した型７０を回転させながら、分散液７１の上面より所定時間紫外線を照射して硬化させる。その後、遠心分離器８０から型７０を取り出し、加熱してさらに硬化させ、図２（ｂ）のような組成物７２を得る。
【００５４】
Ｓ１３：切削工程
図１（ｃ）のように組成物７２の凹面状の部分を、Ｃで示す点線で切削し、図１（ｄ）のように高さＨ４の直方体形状に加工し、音響レンズ８を得る。
【００５５】
このような簡単な工程で得られた音響レンズ８は、下側表面７６方向に添加物が沈降しながら硬化されているので、上側表面８１から下側表面７６方向への深さに応じて、媒質に含まれる添加物の体積割合が増加している。
【００５６】
図４のグラフは、音響レンズ８の深さ方向（Ｚ軸方向）に対して、その深さにおける媒質に占める酸化亜鉛の体積割合を一例として示すグラフである。図４の横軸は、矢印Ｘ３の位置における音響レンズ８の上側表面８１からの深さ（ｍｍ）であり、縦軸はその深さにおける媒質に占める酸化亜鉛の体積割合（体積％）である。
【００５７】
図４の例では、上側表面８１では、酸化亜鉛の体積割合は０（体積％）、深さ１．２（ｍｍ）の媒質では体積割合は９．８（体積％）、深さ２ｍｍに相当する下側表面７６では体積割合は６５（体積％）であり、深さに応じて連続的に酸化亜鉛の体積割合が増加している。
【００５８】
なお、酸化亜鉛の体積割合は、表面元素分析によって求めることができる。深さ方向（Ｚ軸方向）の位置における酸化亜鉛の体積割合は、上側表面８１から所定の深さまで表面を切削して表面元素分析を行うことにより求めることができる。
【００５９】
次に、表１の光硬化性樹脂Ａ、Ｂを母材に、酸化亜鉛の体積割合を変えて均一に分散した状態で硬化させた試料の特性例を図５、図６を用いて説明する。図５は、酸化亜鉛の体積割合と音響インピーダンスとの関係の一例を示すグラフである。図６は、酸化亜鉛の体積割合と音波の伝播速度（以下、音速ともいう）との関係を示すグラフである。
【００６０】
図５に示すように、酸化亜鉛の体積割合０（体積％）では、音響インピーダンス３（Ｐａ・ｓ・ｍ−１）、体積割合７０（体積％）では、音響インピーダンス２３（Ｐａ・ｓ・ｍ−１）である。また、図６に示すように、酸化亜鉛の体積割合０（体積％）では、音速２７００（ｍ／ｓ）、体積割合７０（体積％）では、音速５２００（ｍ／ｓ）であり、酸化亜鉛の体積割合が増加するのに伴って音響インピーダンスと音速が増加している。
【００６１】
図４に示す上側表面からの深さにおける音響レンズ８の酸化亜鉛の体積割合と、図５、図６に示す特性から音速と音響インピーダンスの深さ方向に対する変化が求められる。
【００６２】
図７は、音響レンズ８の音響インピーダンスの深さ方向に対する変化を一例として示すグラフ、図８は、音響レンズ８の音速の深さ方向に対する変化を一例として示すグラフである。図７、図８の横軸は、音響レンズ８の上側表面８１からの深さ（ｍｍ）であり、図７の縦軸は音響インピーダンス（Ｐａ・ｓ・ｍ−１）、図８の縦軸は音速（ｍ／ｓ）である。
【００６３】
図７に示すように、上側表面８１では、音響インピーダンス３（Ｐａ・ｓ・ｍ−１）、深さ２ｍｍに相当する下側表面７６では音響インピーダンス２３（Ｐａ・ｓ・ｍ−１）であり、深さに応じて連続的に音響インピーダンスが増加している。
【００６４】
また、図７に示すように、上側表面８１では、音速２７００（ｍ／ｓ）、深さ２ｍｍに相当する下側表面７６では音速５２００（ｍ／ｓ）であり、深さに応じて連続的に音速が増加している。
【００６５】
圧電素子の音響インピーダンスは、一般に２４〜３６Ｐａ・ｓ・ｍ−１程度であり、圧電素子と接合する下側表面７６の音響インピーダンスを、この例のように近い値にすると接合面で発生する超音波の反射を抑制することができる。
【００６６】
また、被検体である人体の音響インピーダンスは、１．８Ｐａ・ｓ・ｍ−１程度であり、被検体と接触する音響レンズも音響インピーダンスがこの値に近いものが用いられる。したがって、音響レンズと接合する上側表面８１の音響インピーダンスを、この例のように音響レンズに近い値にすると同様に接合面で発生する超音波の反射を抑制することができる。
【００６７】
本実施形態では、下側表面７６と上側表面８１の間に界面はなく、音響インピーダンスは深さ（距離）に応じて連続的に変化するので、音響レンズ８の内部では界面による超音波の反射はおこらない。したがって、本実施形態の音響レンズ８は超音波の減衰が少ない。このような音響レンズ８を簡単な設備と簡単な工程により製造することができる。
【００６８】
図９は、このようにして作製した第１の実施形態の音響レンズ８の上側表面７５上の各位置からの深さ方向（Ｚ軸方向）に対して、その深さにおける媒質に占める酸化亜鉛の体積割合を一例として示すグラフである。図９の横軸は、音響レンズ８の上側表面７５からの深さ（ｍｍ）であり、縦軸はその深さにおける媒質に占める酸化亜鉛の体積割合（体積％）である。また、図９のＸ３、Ｘ４、Ｘ５は、図１（ｄ）に矢印で示すＸ３、Ｘ４、Ｘ５に対応する。すなわち、Ｘ３、Ｘ４、Ｘ５に示すＸ軸方向の位置の上側表面７５からの深さ方向（Ｚ軸負方向）の距離に応じて変化する酸化亜鉛の体積割合を示している。
【００６９】
音響レンズ８のＸ軸方向の中央Ｘ３、周辺部Ｘ５、Ｘ３とＸ５の中間部Ｘ４の何れの位置でも、上側表面７５に相当する深さ０（ｍｍ）では酸化亜鉛の体積割合は０（体積％）、深さ２（ｍｍ）に相当する下側表面７６では体積割合は６５（体積％）であり、上側表面７５からの深さに応じて連続的に酸化亜鉛の体積割合が増加している。
【００７０】
一方、Ｘ５、Ｘ４、Ｘ３の順に上側表面７５に近い深さから体積割合の増加が始まるので、平均すると周辺部Ｘ５の方が音響レンズ８の上側表面７５と下側表面７６の間に占める酸化亜鉛の体積割合が多い。例えば、中央部Ｘ３では深さ１．２（ｍｍ）の媒質の体積割合は９．８（体積％）なのに対し、周辺部Ｘ５では体積割合は６１．４（体積％）である。
【００７１】
図６で説明したように、酸化亜鉛の体積割合が増すと音速も増加する。したがって、Ｘ５で示すような周辺部からＺ軸方向に進行する超音波は、中央部Ｘ３より音速の高い領域を通過する割合が多く、上側表面７５と下側表面７６の間を通過する時間が短くなる。
【００７２】
このように、周辺部を進行するＸ５で示す超音波は、中央を進行するＸ３で示す超音波よりも音速の高い領域を進む距離が長いので同時に下側表面７６に入射したＸ３で示す超音波よりも早く上側表面７５に達する。
【００７３】
音響インピーダンスについても、図５で説明したように、酸化亜鉛の体積割合が増すと音響インピーダンスも増加する。酸化亜鉛の体積割合から、音響レンズ８の音響インピーダンスは、上側表面７５では、音響インピーダンス３（Ｐａ・ｓ・ｍ−１）、下側表面７６では音響インピーダンス２３（Ｐａ・ｓ・ｍ−１）であり、深さに応じて連続的に音響インピーダンスが増加している。
【００７４】
前述のように、圧電素子の音響インピーダンスは、一般に２４〜３６Ｐａ・ｓ・ｍ−１程度であり、圧電素子と接合する下側表面７６の音響インピーダンスを、この例のように近い値にすると接合面で発生する超音波の反射を抑制することができる。
【００７５】
被検体である人体の音響インピーダンスは、１．８Ｐａ・ｓ・ｍ−１程度であり、上側表面７５の音響インピーダンスはこの値に近い値になっている。
【００７６】
以下の説明では、上側表面７５が被検体に接しているものとする。
【００７７】
Ｘ５で示す周辺部を進行する超音波は、Ｘ３で示す中央を進行する超音波より早く被検体に入射するので、その時間差の分だけ多くの距離を進行し、上側表面７５からの距離ｆで中央部を進行するＳ１で示す超音波と収束する。また、Ｘ４はＸ３とＸ５の間に被検体に入射し、距離ｆで中央部を進行するＸ３で示す超音波と収束する。
【００７８】
音響レンズ８の焦点距離は、このように超音波が下側表面７６に入射する位置と、添加物の体積割合によって変わる下側表面７６から上側表面７５まで進行する時間との関係によって変わる。
【００７９】
本実施形態では、下側表面７６と上側表面７５の間に界面はなく、音響インピーダンスは深さ（距離）に応じて連続的に変化するので、音響レンズ８の内部では超音波の反射はおこらない。また、音響レンズ８は、超音波を所定の距離に収束させることができる。
【００８０】
さらに、被検体と接触する面は平面になっているので、被検体の表面との接触性が良く被検体と音響レンズ８を容易に密着させることができる。
【００８１】
このように、本実施形態の音響レンズ８は、超音波の減衰が少なく、本実施形態の音響レンズ８の製造方法により、このような音響レンズ８を簡単な設備と簡単な工程により製造することができる。
【００８２】
次に、第２の実施形態の音響レンズ７の製造工程を説明する。
【００８３】
図１０は、第２の実施形態の音響レンズ７の製造工程を説明する説明図、図１１は、音響レンズ７の製造工程を説明する工程図である。
【００８４】
第２の実施形態の音響レンズ７も第１の実施形態の音響レンズ８と同様に、超音波を所定の距離に収束させるため、入射する超音波のＸ軸方向の位置に応じて添加物の体積割合が連続的に変化するように構成している。
【００８５】
図１１の工程図に沿って直方体形状の第２の実施形態の音響レンズ７を作製する例を説明する。
【００８６】
Ｓ１：分散液製造工程
第１の実施形態で説明した分散液と同じ分散液を用いることができるので、分散液製造工程も同じ工程を用いることができる。
【００８７】
本実施形態では、第１の実施形態と同様に、表１に示す割合で光硬化性樹脂Ａ、Ｂを母材に、添加物として酸化亜鉛を撹拌して均一に分散させた例を説明する。
【００８８】
Ｓ２：注入工程
分散液７１を注入する型は、第１の実施形態と同様に図１（ａ）、図２（ａ）に示す型７０を用いることができる。図１（ａ）、図２（ａ）のように、母材に添加物を均一に分散させた分散液７１を直方形の凹部を有する型７０に注入する。本実施形態では、凹部の形状は幅Ｗ２＝１０（ｍｍ）、高さＨ２＝４（ｍｍ）、長さＬ２＝７０（ｍｍ）とする。
【００８９】
Ｓ３：沈降工程
分散液７１を型７０に注入後所定時間放置し、添加物を沈降させる。
【００９０】
Ｓ４：硬化工程
分散液７１の上面より所定時間紫外線を照射して硬化させる。その後、加熱してさらに硬化させ、型７０から取り出して組成物７２を得る。本工程では、図１０（ａ）のように次工程の接合工程で用いる２つの組成物７２ａ、７２ｂを作製する。
【００９１】
組成物７２ａ、７２ｂは、下側表面７６ａ、８２ｂ方向に添加物が沈降しながら硬化されているので、上側表面８１ａ、８１ｂから下側表面７６ａ、８２ｂ方向への深さに応じて、母材に占める添加物の体積割合が増加している。
【００９２】
Ｓ５：接合工程
Ｓ４の硬化工程で生成された２つの組成物７２ａ、７２ｂを、それぞれの組成物７２ａ、７２ｂの添加物の密度が低い上側表面８１ａと上側表面８１ｂとを互いに向き合わせて図１１（ｂ）のように接合する。
【００９３】
Ｓ６：切断、研磨工程
図１０（ｂ）のように接合した組成物７２ａ、７２ｂを、点線で示すように接合面と直交する面で切断し、切断面を研磨して図１０（ｃ）のように厚みｄの直方体形状に加工し、音響レンズ７を得る。
【００９４】
図１３は、このようにして作製した第２の実施形態の音響レンズ７の幅Ｗ３の中央Ｘ０からのＸ軸方向の距離と、その距離における媒質の音速との関係を一例として示すグラフである。
【００９５】
音響レンズ７は、母材に占める添加物の体積割合の低い上側表面８１ａ、８１ｂを互いに向き合わせて接合して作製するので、接合面の位置である幅Ｗ３の中央Ｘ０が最も添加物の体積割合が低く、Ｘ０からＸ軸方向に離れるほど添加物の体積割合が高くなっている。Ｚ軸方向においては、媒質に含まれ添加物の体積割合は一定である。
【００９６】
図５、図６で説明したように、酸化亜鉛の体積割合が増すと音速と音響インピーダンスが増加する。したがって、Ｘ０からＸ軸方向に離れるほど音速と音響インピーダンスが増加し、Ｚ軸方向については一定である。
【００９７】
図１２の横軸は、中央Ｘ０からのＸ軸方向の距離（ｍｍ）であり、縦軸はその距離における媒質の音速（ｍ／ｓ）である。
【００９８】
図１２のように中央Ｘ０からのＸ軸方向の距離が増すと、音速が増加しているので、中央Ｘ０からＺ軸方向に進行する超音波より、中央Ｘ０から離れた位置をＺ軸方向に進行する超音波の方が、第１のレンズ面８４と第２のレンズ面８５の間を通過する時間が短い。
【００９９】
このように、Ｘ１から入射した超音波は、中央Ｘ０から入射した超音波よりも音速の高い領域を進むので、同時に中央Ｘ０から入射した超音波よりも早く第２のレンズ面８５に達する。
【０１００】
Ｘ１から入射した超音波は、第２のレンズ面８５に接する媒質内を中央Ｘ０から入射した超音波よりも早く進行し、所定の距離で中央Ｘ０から入射した超音波と収束する。
【０１０１】
超音波の収束する距離は、超音波が第１のレンズ面８４と第２のレンズ面８５の間を通過する時間差によって変わるので、本実施形態の音響レンズ７は、Ｓ６の切断工程で切断する厚みｄを変えることにより焦点距離を変えることができる。
【０１０２】
本実施形態では、第１のレンズ面８４と第２のレンズ面８５の間に界面はなく、超音波が進行する方向の音響インピーダンスは一定なので、音響レンズ７の内部では超音波の反射はおこらない。
【０１０３】
したがって、本実施形態の音響レンズ７は、超音波の減衰が少ない。また、本実施形態の音響レンズの製造方法を用いると、超音波の減衰が少ない任意の焦点距離の音響レンズを簡単な設備と簡単な工程により製造することができる。
【０１０４】
さらに、被検体と接触する面は平面になっているので、被検体の表面との接触性が良く被検体と音響レンズ８を容易に密着させることができる。
【０１０５】
図１３は、音響レンズ８または音響レンズ７を用いた超音波探触子のヘッド部の構成を示す断面図である。
【０１０６】
本実施形態では、単一の圧電素子で送受信を行うシングル型超音波探触子に本発明を適用した例を説明するが、特に限定されるものではなく送信用圧電素子と受信用圧電素子とを別体とし、超音波の送信時と受信時における動作を分離したアレイ型超音波探触子にも適用できる。
【０１０７】
以降の説明では図中のＸ、Ｙ、Ｚで示す座標軸に基づいて説明する。Ｘ方向は超音波探触子１のエレベーション方向（ダイシングを行う方向）であり、Ｚ軸正方向は超音波を送信する方向である。また、Ｚ軸方向は積層方向である。
【０１０８】
図１３に示す超音波探触子１は、バッキング材５の上に第１電極１５、送受信素子層２、第２電極１４、音響レンズ８、または音響レンズ７の順に積層されている。
【０１０９】
以降、積層順に各構成要素を説明する。
【０１１０】
（送受信素子層）
送受信素子層２は、ジルコン酸チタン酸鉛などの圧電材料から成る圧電素子であり、互いに厚み方向に対向する両面にそれぞれ第２電極１４、第１電極１５を備えている。送受信素子層２の厚みは３２０μｍ程度である。
【０１１１】
第２電極１４、第１電極１５は、図示せぬコネクタにより図１３には図示せぬケーブル３３と接続され、ケーブル３３を介して送信回路４２と接続する。第２電極１４、第１電極１５に電気信号を入力すると圧電素子が振動し、送受信素子層２からＺ軸正方向に超音波を送信するように構成されている。
【０１１２】
第２電極１４、第１電極１５は、金、銀、アルミなどの金属材料を用いて、送受信素子層２の両面に蒸着法やフォトリソグラフィー法を用いて成膜する。
【０１１３】
また、第２電極１４、第１電極１５は、図１３には図示せぬケーブル３３を介して受信回路４３とも接続する。
【０１１４】
送受信素子層２が被検体で反射した超音波の反射波を受信して振動すると、反射波に応じて第２電極１４、第１電極１５の間に電気信号が発生する。第２電極１４、第１電極１５の間に発生した電気信号は、ケーブル３３を介して受信回路４３で受信され、画像処理部４４で画像化される。
【０１１５】
バッキング材５の上に、第２電極１４と第１電極１５とが形成された送受信素子層２、音響レンズ８または音響レンズ７を順に接着剤により接着して図１３のように積層する。また、必要に応じて送受信素子層２と音響レンズ８または音響レンズ７の間に、その中間の音響インピーダンスを有する中間層を設けてもよい。
【０１１６】
積層後、送受信素子層２から超音波放射方向と反対の方向に向かってダイシングを行い、バッキング材５と第１電極１５の接着層からさらにＺ軸負方向に１００μｍの深さまでダイシングを行う。ダイシングによりできた溝部に、シリコーン樹脂などから成る充填剤を充填した後、最上層に音響レンズ７または音響レンズ８を接着する。
【０１１７】
（超音波診断装置および超音波探触子の各構成および動作）
図１４は、実施形態における超音波診断装置の外観構成を示す図である。図１５は、実施形態における超音波診断装置の電気的な構成を示すブロック図である。
【０１１８】
超音波診断装置１００は、図略の生体等の被検体に対して超音波（超音波信号）を送信し、受信した被検体で反射した超音波の反射波（エコー、超音波信号）から被検体内の内部状態を超音波画像として画像化し、表示部４５に表示する。
【０１１９】
超音波探触子１は、被検体に対して超音波（超音波信号）を送信し、被検体で反射した超音波の反射波を受信する。超音波探触子１は、図１５に示すように、ケーブル３３を介して超音波診断装置本体３１と接続されており、送信回路４２、受信回路４３と電気的に接続されている。
【０１２０】
送信回路４２は、制御部４６の指令により、超音波探触子１へケーブル３３を介して電気信号を送信し、超音波探触子１から被検体に対して超音波を送信させる。
【０１２１】
受信回路４３は、制御部４６の指令により、超音波探触子１からケーブル３３を介して、被検体内からの超音波の反射波に応じた電気信号を受信する。
【０１２２】
画像処理部４４は、制御部４６の指令により、受信回路４３が受信した電気信号に基づいて被検体内の内部状態を超音波画像として画像化する。
【０１２３】
表示部４５は、液晶パネルなどから成り、制御部４６の指令により、画像処理部４４が画像化した超音波画像を表示する。
【０１２４】
操作入力部４１は、スイッチやキーボードなどから構成され、ユーザが診断開始を指示するコマンドや被検体の個人情報等のデータを入力するために設けられている。
【０１２５】
制御部４６は、ＣＰＵ、メモリなどから構成され、操作入力部４１の入力に基づいてプログラムされた手順により超音波診断装置１００各部の制御を行う。
【実施例】
【０１２６】
以下、実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【０１２７】
［実施例１］
（音響レンズ８の作製）
実施例１では、図１（ｄ）と同じ構成のＸ軸方向の幅Ｗ３＝１０ｍｍ、Ｚ軸方向の高さＨ４＝２ｍｍ、Ｙ軸方向の長さＬ１＝７０ｍｍ、の直方体の音響レンズ８を図３で説明した手順で作製した。
【０１２８】
Ｓ１：分散液製造工程
本実施例では、表１の材料からなる分散液を用いた。
【０１２９】
表１に示す割合で光硬化性樹脂Ａ、Ｂを母材に、光重合開始剤と、添加物として親油性酸化亜鉛ナノ微粒子を撹拌して均一に分散させた。
【０１３０】
光硬化性樹脂Ａは、イソシアヌル酸ＥＯ変性ジ及びトリアクリレート混合物（アロニックスＭ−３１３；東亞合成株式会社製）、光硬化性樹脂Ｂは、ジトリメチロールプロパンテトラアクリレート（アロニックスＭ−４０８；東亞合成株式会社製）を用いた。
【０１３１】
親油性酸化亜鉛ナノ微粒子（デグサ社製ＶＰ ＡｄＮａｎｏ Ｚ８０５）の平均粒径は２５０ｎｍである。また、光重合開始剤はビス（２，４，６−トリメチルベンゾイル）−フェニルフォスフィンオキサイド（光重合開始剤ＩＲＧＲＡＣＵＲＥ８１９；ＢＡＳＦ社製）を用いた。
【０１３２】
Ｓ２：注入工程
図１（ａ）のように、母材に添加物を均一に分散させた分散液７１を直方形の凹部を有する型７０に注入した。本実施形態では、凹部の形状は幅Ｗ３＝１０（ｍｍ）、高さＨ３＝４（ｍｍ）、長さＬ１＝７０（ｍｍ）とする。
【０１３３】
Ｓ１０：沈降工程
図１（ｂ）のように、回転半径Ｍ＝３０ｍｍの遠心分離器８０の内部に分散液７１を注入した型７０を取り付け回転させ５分間放置した。
【０１３４】
Ｓ１１：硬化工程
分散液７１を注入した型７０を回転させながら、分散液７１の上面より２分間紫外線を照射して硬化させる。その後、遠心分離器８０から型７０を取り出し、１８０℃で１０分間加熱してさらに硬化させ、型７０から取り出して組成物７２を得た。
【０１３５】
Ｓ１３：切削工程
図１（ｃ）のように組成物７２の凹面状の部分を、Ｃで示す点線で切削し、図１（ｄ）のように高さＨ４＝２ｍｍの直方体形状に加工し、音響レンズ８を得た。
【０１３６】
実施例１の音響レンズ８を実施例１で用いた圧電素子と同じ仕様の圧電素子に積層した。
【０１３７】
［比較例］
（比較例１）
比較のため、実施例１で用いた圧電素子と同じ圧電素子を単体で用いた。
【０１３８】
（比較例２）
図１１で説明したＳ１：分散液製造工程とＳ２：注入工程を行って型７０に注入した後、分散液７１に添加物が均一に分散した状態で紫外線を２分間照射し硬化させた。その後、Ｓ４：硬化工程を行い幅Ｗ１＝１０ｍｍ、Ｚ軸方向の高さＨ１＝１ｍｍ、Ｙ軸方向の長さＬ１＝７０ｍｍの組成物Ａを作製した。
【０１３９】
また、実施例１と同じ光硬化性樹脂Ａを７４質量％、光硬化性樹脂Ｂを２５質量％、熱重合開始剤を１質量％を加えた母材を型７０に注入した後、紫外線を２分間照射し硬化させた。その後、１８０℃で１０分間加熱してさらに硬化させ、型７０から取り出して幅Ｗ１＝１０ｍｍ、Ｚ軸方向の高さＨ１＝１ｍｍ、Ｙ軸方向の長さＬ１＝７０ｍｍの添加物を含まない組成物Ｂを作製した。
【０１４０】
組成物Ａと組成物ＢをＺ軸方向に積層して接合し、実施例１と同形状の音響整合層を作製した。次に、比較例２の音響整合層組成物Ａ側の面を、実施例１で用いた圧電素子と同じ圧電素子に接合し積層した。
【０１４１】
実験に用いた圧電素子の中心周波数は４ＭＨｚ、音響インピーダンスは３６（Ｐａ・ｓ・ｍ−１）である。
【０１４２】
［評価方法］
このようにして作製した実施例１の音響レンズ８と、比較例２の音響整合層をそれぞれ圧電素子上に積層し、圧電素子から水中の平面金属板に対して送受信を行い、周波数特性を測定した。水中ハイドロフォン法を用いて焦点距離の測定を行った。
【０１４３】
［結果］
図１６のように実施例１の４ＭＨｚにおける送受信感度は、比較例１の音響整合層を設けない場合と比べ約７ｄＢも高く、測定した０〜１２ＭＨｚの範囲で比較例１の送受信感度を上回っている。
【０１４４】
一方、比較例２の４ＭＨｚにおける送受信感度は、実施例１と同等であるが６ＭＨｚ以上では送受信感度が低下し、８ＭＨｚ付近では比較例１より低くなっている。
【０１４５】
これは、比較例２の音響整合層は、両面の音響インピーダンスは実施例１と同じだが、２層から構成されているので、その界面で超音波の反射が発生して減衰し、送受信感度が低下したものと考えられる。
【０１４６】
また、音響レンズ８から６０ｍｍの位置に音響焦点が得られることが確認できた。
【０１４７】
［実施例２］
（音響レンズ８の作製）
実施例２では、図１０（ｃ）と同じ構成のＸ軸方向の幅Ｗ３＝８ｍｍ、Ｚ軸方向の高さｄ＝３ｍｍ、Ｙ軸方向の長さＬ１＝７０ｍｍの直方体の音響レンズ７と、Ｗ３＝８ｍｍ、ｄ＝２ｍｍ、Ｌ１＝７０ｍｍの直方体の音響レンズ７と、を図１１で説明した手順で作製した。
【０１４８】
Ｓ１：分散液製造工程
実施例１と同じ分散液を用いた。
【０１４９】
Ｓ２：注入工程
図１（ａ）のように、母材に添加物を均一に分散させた分散液７１を直方形の凹部を有する型７０に注入した。本実施例では、凹部の形状が幅Ｗ２＝１０（ｍｍ）、高さＨ２＝４（ｍｍ）、長さＬ１＝７０（ｍｍ）の型７０を用いた。
【０１５０】
Ｓ３：沈降工程
分散液７１を型７０に注入後５分間放置し、添加物を沈降させる。
【０１５１】
Ｓ４：硬化工程
分散液７１の上面より２分間紫外線を照射して硬化させる。その後、１８０℃で１０分間加熱してさらに硬化させ、型７０から取り出して２つの組成物７２ａ、７２ｂを得た。
【０１５２】
Ｓ５：接合工程
Ｓ４の硬化工程で生成された２つの組成物７２ａ、７２ｂを、それぞれの組成物７２ａ、７２ｂの音速が遅い方（添加物の体積割合が低い方）の上側表面８１ａ、および上側表面８１ｂを互いに向き合わせて図１１（ｂ）のように接着した。
【０１５３】
Ｓ６：切断、研磨工程
図１１（ｂ）のように接合した組成物７２ａ、７２ｂを切断し、切断面を研磨して厚みｄ＝３ｍｍの音響レンズ７と厚みｄ＝２ｍｍの音響レンズ７を作製した。
【０１５４】
次に、実施例２で作製した厚みを変えた音響レンズ７を、それぞれ実施例１で用いた圧電素子と同じ仕様の圧電素子に積層した。
【０１５５】
［評価方法］
実施例１と同様に、水中ハイドロフォン法を用いて焦点距離の測定を行った。
【０１５６】
［結果］
厚みｄ＝３ｍｍの音響レンズ７は、３０ｍｍの位置に、厚みｄ＝２ｍｍの音響レンズ７は、４２ｍｍの位置にそれぞれ音響焦点が得られることが確認できた。
【０１５７】
以上このように、本発明によれば、超音波の減衰が少ない音響レンズ、該音響レンズを製造する製造方法、及び、該音響レンズを有する超音波探触子、および該超音波探触子を有する超音波診断装置を提供することができる。
【符号の説明】
【０１５８】
１ 超音波探触子
２ 送受信素子
５ バッキング材
７ 音響レンズ
８ 音響整合層
９ 音響整合層
１４ 第２電極
１５ 第１電極
３１ 超音波診断装置本体
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
７１ 分散液
７２ 組成物
７５ 上側表面
７６ 下側表面
８０ 遠心分離器
８１ 上側表面
８４ 第１のレンズ面
８５ 第２のレンズ面
１００ 超音波診断装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液状の母材に該母材と音波の伝播速度の異なる添加物を添加した分散液を硬化して形成された音響レンズであって、
前記母材に占める前記添加物の体積割合が、超音波を所定の距離に収束させるように、超音波の入射する面に入射する超音波の位置に応じて連続的に変化した状態であることを特徴とする音響レンズ。
【請求項２】
前記添加物の音響インピーダンスは前記母材と異なり、
前記母材に占める前記添加物の体積割合が、超音波の入射する面からの距離に応じて連続的に変化していることを特徴とする請求項１に記載の音響レンズ。
【請求項３】
液状の母材に該母材と音波の伝播速度の異なる添加物を添加した分散液を硬化させて形成された音響レンズであって、
前記母材に占める添加物の体積割合が、超音波を所定の距離に収束させるように、超音波の入射する面の位置に応じて連続的に変化した状態であることを特徴とする音響レンズ。
【請求項４】
被検体に向けての超音波の送信、または被検体からの超音波の反射波の受信の少なくとも一方を行う超音波探触子において、
請求項１から３の何れか１項に記載の音響レンズを有し、
前記音響レンズを介して超音波を送信および受信、または送信もしくは受信をすることを特徴とする超音波探触子。
【請求項５】
超音波を被検体に向けて送信し、該被検体から受信した該超音波の反射波に応じて画像を生成する超音波診断装置において、
請求項４に記載の超音波探触子を有することを特徴とする超音波診断装置。
【請求項６】
液状の母材に該母材と音波の伝播速度の異なる添加物を添加した分散液を用いて形成する音響レンズの製造方法であって、
前記液状の母材に前記添加物を分散した分散液を型に注入する注入工程と、
前記添加物を所定時間沈降させる沈降工程と、
前記所定時間の後、前記添加物を沈降させながら前記分散液を硬化させる硬化工程と、
を含み、
前記型に注入された前記分散液の液面が遠心力により凹面になるように前記分散液を注入した型を回転させながら前記沈降工程、及び前記硬化工程を行った後、
凹面状に硬化された部分を平面に加工する工程を行うことを特徴とする音響レンズの製造方法。
【請求項７】
液状の母材に該母材と音波の伝播速度の異なる添加物を添加した分散液を用いて形成する音響レンズの製造方法であって、
前記液状の母材に添加物を分散させた分散液を型に注入する注入工程と、
前記添加物を所定時間沈降させる沈降工程と、
前記所定時間の後、前記添加物を沈降させながら分散液を硬化させる硬化工程と、
前記硬化工程で生成された２つの組成物を、それぞれの前記組成物の音波の伝播速度が遅い方の面を向き合わせて接合する接合工程と、
を含むことを特徴とする音響レンズの製造方法。
【請求項１】
液状の母材に該母材と音波の伝播速度の異なる添加物を添加した分散液を硬化して形成された音響レンズであって、
前記母材に占める前記添加物の体積割合が、超音波を所定の距離に収束させるように、超音波の入射する面に入射する超音波の位置に応じて連続的に変化した状態であることを特徴とする音響レンズ。
【請求項２】
前記添加物の音響インピーダンスは前記母材と異なり、
前記母材に占める前記添加物の体積割合が、超音波の入射する面からの距離に応じて連続的に変化していることを特徴とする請求項１に記載の音響レンズ。
【請求項３】
液状の母材に該母材と音波の伝播速度の異なる添加物を添加した分散液を硬化させて形成された音響レンズであって、
前記母材に占める添加物の体積割合が、超音波を所定の距離に収束させるように、超音波の入射する面の位置に応じて連続的に変化した状態であることを特徴とする音響レンズ。
【請求項４】
被検体に向けての超音波の送信、または被検体からの超音波の反射波の受信の少なくとも一方を行う超音波探触子において、
請求項１から３の何れか１項に記載の音響レンズを有し、
前記音響レンズを介して超音波を送信および受信、または送信もしくは受信をすることを特徴とする超音波探触子。
【請求項５】
超音波を被検体に向けて送信し、該被検体から受信した該超音波の反射波に応じて画像を生成する超音波診断装置において、
請求項４に記載の超音波探触子を有することを特徴とする超音波診断装置。
【請求項６】
液状の母材に該母材と音波の伝播速度の異なる添加物を添加した分散液を用いて形成する音響レンズの製造方法であって、
前記液状の母材に前記添加物を分散した分散液を型に注入する注入工程と、
前記添加物を所定時間沈降させる沈降工程と、
前記所定時間の後、前記添加物を沈降させながら前記分散液を硬化させる硬化工程と、
を含み、
前記型に注入された前記分散液の液面が遠心力により凹面になるように前記分散液を注入した型を回転させながら前記沈降工程、及び前記硬化工程を行った後、
凹面状に硬化された部分を平面に加工する工程を行うことを特徴とする音響レンズの製造方法。
【請求項７】
液状の母材に該母材と音波の伝播速度の異なる添加物を添加した分散液を用いて形成する音響レンズの製造方法であって、
前記液状の母材に添加物を分散させた分散液を型に注入する注入工程と、
前記添加物を所定時間沈降させる沈降工程と、
前記所定時間の後、前記添加物を沈降させながら分散液を硬化させる硬化工程と、
前記硬化工程で生成された２つの組成物を、それぞれの前記組成物の音波の伝播速度が遅い方の面を向き合わせて接合する接合工程と、
を含むことを特徴とする音響レンズの製造方法。
【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２０１１−１９３８９５（Ｐ２０１１−１９３８９５Ａ）
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−６０５６１（Ｐ２０１０−６０５６１）
【出願日】平成２２年３月１７日（２０１０．３．１７）
【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１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１７日（２０１０．３．１７）
【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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