JP2007189342A - アレイ式超音波プローブおよび超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】３層以上の音響整合層のうち、低減衰率でダイシング加工性、耐熱性、上下層との接着性に優れ、かつ適切な音響インピーダンスを有する最上層の音響整合層を備えたアレイ式超音波プローブを提供する。
【解決手段】スペースをあけて配列され、それぞれ圧電素子およびこの圧電素子上に形成される３層以上の音響整合層を有する複数のチャンネルと、前記各チャンネルのそれぞれの圧電素子が設置され、前記チャンネルのスペースに対応する箇所に溝が形成された部材と、前記各チャンネルの最上層の音響整合層の表面を少なくとも覆うように形成された音響レンズとを具備し、前記最上層の音響整合層は、変性ポリエーテル樹脂とこの変性ポリエーテル樹脂に比べて高い音響インピーダンスを有する樹脂とから構成されるポリマーアロイを含み、音響インピーダンスが２５℃にて１．６〜２．５ＭＲａｙｌｓであることを特徴とするアレイ式超音波プローブ。
【選択図】 図１

Description

本発明は、被検体等に超音波信号を送受信するアレイ式超音波プローブおよびこのアレイ式超音波プローブを有する超音波診断装置に関する。

医療用の超音波診断装置や超音波画像検査装置は、対象物に対し超音波信号を送信し、その対象物内からの反射信号（エコー信号）を受信して対象物内を画像化するものである。この医療用の超音波診断装置や超音波画像検査装置は、超音波信号送受信機能を有する電子操作式のアレイ式超音波プローブが主に用いられている。

アレイ式超音波プローブは、バッキング部材と、このバッキング部材上に接着され、所望のスペースをあけてアレイ状に配列された複数のチャンネルと、このチャンネル上に接着された音響レンズとを備えた構造を有する。前記複数のチャンネルは、それぞれ前記バッキング部材上に形成され、例えばジルコンチタン酸鉛（ＰＺＴ）系圧電セラミク材料やリラクサ系単結晶材料からなる圧電体の両面に電極を貼り付けた構造の圧電素子と、この圧電素子上に形成される音響整合層とを備える。なお、前記バッキング部材には前記各チャンネルのスペースに対応して溝が形成される場合もある。

このようなアレイ式超音波プローブは、診断時に前記音響レンズ側を被検体に当接させて各チャンネルの圧電素子を駆動させることにより、圧電素子前面から超音波信号を被検体内、つまり人体に送信する。この超音波信号は、圧電素子の駆動タイミングによる電子フォーカスおよび音響レンズによるフォーカスにより被検体内の所要位置に集束される。この時、圧電素子の駆動タイミングを制御することにより被検体内の所要範囲に超音波信号を送信することができ、被検体からのエコー信号を受信処理することにより前記所要範囲の超音波画像（断層像）が得られる。前記超音波プローブの圧電素子の駆動において、その圧電素子の背面側にも超音波信号が放出される。このため、各チャンネルの圧電素子の背面にバッキング部材を配置し、背面側への超音波信号をこのバッキング部材で吸収（減衰）して正規の超音波信号が背面側からの超音波信号（反射信号）と共に被検体内に送信される、悪影響を回避している。

従来、前記音響整合層は１層構造、２層構造または３層以上の多層傾斜構造のもの知られている。特に、最近では広帯域化のために３層以上の音響整合層が用いられている（非特許文献１参照）。

一方、特許文献１には超音波プローブの一般的な製造方法が開示されている。すなわち、ＰＺＴのような圧電材料からなる圧電体の両面に電極を形成した圧電素子をバッキング部材であるゴム板に貼り付ける。前記圧電素子上に音響整合層を接着して積層体とする。この接着工程において、８０〜１５０℃の加熱処理を施して接着剤層を硬化する場合がある。このため、前記音響整合層は耐熱性を有することが重要である。つづいて、前記積層体を音響整合層側からダイサーで幅を５０〜３００μｍ程度にアレイ切断して複数のチャンネルを形成する。音響整合層をアレイ切断することにより、各チャンネル間のクロストークを防止している。このため、音響整合層材料のアレイ切断において高い加工性を有することが重要である。ひきつづき、前記各チャンネル間のダンシング溝に例えば低音響インピーダンス、高減衰性のシリコーンゴムのような比較的に柔らかい樹脂を充填して機械的な強度を保持する。この後、複数のチャンネルの音響整合層の上に音響レンズを接着することにより超音波プローブを製造する。

前記音響レンズは、シリコーンゴムに無機充填物を添加した音響インピーダンスが室温２５℃において１．３〜１．８ＭＲａｙｌｓの材料が用いられる。音響整合層と音響レンズとの接着には、シリコーンゴム系の接着剤や変性シリコーンゴム系の接着剤が用いられている。

このようなアレイ式超音波プローブの駆動時において、複数のチャンネルの圧電素子から放射された超音波エネルギーの一部は音響整合層および音響レンズに吸収、減衰される。このとき、超音波エネルギーの一部は熱に変換されるため、例えば循環器用超音波プローブではその音響整合層の温度が６０℃以上となることもある。さらに、超音波プローブは使用中に相当の圧力が音響レンズを通して音響整合層にも印加される。これらの熱影響による音響レンズと音響整合層の間の熱膨張差および機械的な圧力の要因によって、音響レンズと最上層の音響整合層の間、最上層の音響整合層とその下の音響整合層との間、において剥離が生じる。その結果、超音波プローブ内での感度のばらつきを生じて信頼性を低下させる。甚だしい場合は、超音波プローブの機能が停止する。

また、前記特許文献１には超音波プローブに用いる音響整合層の特性等が具体的に例示されている。例えば、複数の音響整合層のうち、音響レンズと接する最上層の音響整合層は音響インピーダンスが人体の音響インピーダンス（１．４〜１．６ＭＲａｙｌｓ）により近い材料が用いられることが記載されている。

前述した音響整合層は、従来、ポリウレタンゴム、ポリエチレン、シリコーンゴム、エポキシ樹脂をベースとする材料が用いられている。具体的には、特許文献２には超音波探触子内部の発熱体から体表に伝わる熱の量を低減するために解決手段として圧電素子と生体表面との間に設けられる音響整合層のうちの少なくとも一つを低熱伝導性が良好な低熱伝導性音響整合層を用いることが開示されている。この低熱伝導性音響整合層は、エポキシ樹脂等からなる基材の中に、シリコーン等の熱伝導性の低い材料からなる低熱伝導性微粒子を添加・分散して形成することが記載されている。また、非特許文献２、３にはポリウレタン樹脂にポリエチレン繊維または炭素繊維を充填した構造の音響整合層が開示されている。

しかしながら、これらの材料は音響整合層として要求される低減衰率で、ダイシング加工性、耐熱性、上下層との接着性に優れ、かつ適切な音響インピーダンスを全て満たすものではない。
特開２００５−１９８２６１号公報 特開平１０−７５９５３号公報 T.Inoue et al., IEEE,UFFC, vol.34 No.1,1987,pp.8-15 Toshio Kondo and Hiroyuki Fujimoto, Proceedings 2003 IEEE Ultrasonic Symposium p.1318-1321. Toshio Kondo,d Hiroyuki Mitsuyoshi Kitatuji and Mikio Izumi , Proceedings 2004 IEEE Ultrasonic Symposium p.1659-1662.

本発明は、３層以上の音響整合層のうち、低減衰率でダイシング加工性、耐熱性、上下層との接着性に優れ、かつ適切な音響インピーダンスを有する最上層の音響整合層を備えたアレイ式超音波プローブを提供することを目的とする。

本発明は、前記アレイ式超音波プローブを備えた超音波診断装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様によると、スペースをあけて配列され、それぞれ圧電素子およびこの圧電素子上に形成される３層以上の音響整合層を有する複数のチャンネル；
前記各チャンネルのそれぞれの圧電素子が設置された部材；および
前記各チャンネルの最上層の音響整合層の表面を少なくとも覆うように形成された音響レンズ；
を具備し、
前記最上層の音響整合層は、変性ポリエーテル樹脂とこの変性ポリエーテル樹脂に比べて高い音響インピーダンスを有する樹脂とから構成されるポリマーアロイを含み、音響インピーダンスが２５℃にて１．６〜２．５ＭＲａｙｌｓであることを特徴とするアレイ式超音波プローブが提供される。

本発明の第２の態様によると、スペースをあけて配列され、それぞれ圧電素子およびこの圧電素子上に形成される３層の音響整合層を有する複数のチャンネル；
前記各チャンネルのそれぞれの圧電素子が設置された部材；および
前記各チャンネルの最上層の音響整合層の表面を少なくとも覆うように形成された音響レンズ；
を具備し、
前記圧電素子と接する下層の音響整合層の音響インピーダンスが２５℃にて１０〜１５ＭＲａｙｌｓ、中間の音響整合層の音響インピーダンスが２５℃にて２．７〜８ＭＲａｙｌｓ、前記音響レンズと接する最上層の音響整合層は変性ポリエーテル樹脂とこの変性ポリエーテル樹脂に比べて高い音響インピーダンスを有する樹脂とから構成されるポリマーアロイを含み、音響インピーダンスが２５℃にて１．６〜２．５ＭＲａｙｌｓ、であることを特徴とするアレイ式超音波プローブが提供される。

本発明の第３の態様によると、スペースをあけて配列され、それぞれ圧電素子およびこの圧電素子上に形成される４層の音響整合層を有する複数のチャンネル；
前記各チャンネルのそれぞれの圧電素子が設置された部材；および
前記各チャンネルの最上層の音響整合層の表面を少なくとも覆うように形成された音響レンズ；
を具備し、
前記圧電素子と接する下層の音響整合層の音響インピーダンスが２５℃にて１４〜２０ＭＲａｙｌｓ、２層目の音響整合層の音響インピーダンスが２５℃にて７〜１２ＭＲａｙｌｓ、３層目の音響整合層の音響インピーダンスが２５℃にて３〜５ＭＲａｙｌｓ、前記音響レンズと接する最上層の音響整合層は変性ポリエーテル樹脂とこの変性ポリエーテル樹脂に比べて高い音響インピーダンスを有する樹脂とから構成されるポリマーアロイを含み、音響インピーダンスが２５℃にて１．６〜２．５ＭＲａｙｌｓ、であることを特徴とするアレイ式超音波プローブが提供される。

本発明の第４の態様によると、前記第１〜第３の態様のいずれか記載のアレイ式超音波プローブと、
前記超音波プローブにケーブルを通して接続された超音波プローブ制御器と
を具備したことを特徴とする超音波診断装置が提供される。

本発明によれば、３層以上の音響整合層のうち、低減衰率でダイシング加工性、耐熱性、上下層との接着性に優れ、かつ適切な音響インピーダンスを有する最上層の音響整合層を備え、クロスカップリングの小さい高性能、高信頼性のアレイ式超音波プローブを提供することができる。

また、本発明によればクロストークが小さく、高性能、高信頼性のアレイ式超音波プローブが組み込まれ、断層像の画質向上および感度向上が達成された超音波診断装置を提供することができる。

以下、本発明の実施形態に係るアレイ式超音波プローブおよび超音波診断装置を図面を参照して詳細に説明する。

図１は、実施形態に係るアレイ式超音波プローブの要部斜視図、図２は図１のアレイ式超音波プローブの部分断面図である。

アレイ式超音波プローブ１は、部材（例えばバッキング部材）２を備えている。ここで、『部材』はバッキング部材のみならず、フレキシブル基板を有するバッキング部材であってもよい。複数のチャンネル３は、前記バッキング部材２上に所望のスペース４をあけて配列されている。前記バッキング部材２には、例えば前記複数のチャンネル３のスペース４に対応して溝５がそれぞれ形成されている。なお、前記各チャンネル３間のスペース４には例えば低音響インピーダンス、高減衰性のシリコーンゴムのような比較的に柔らかい樹脂を充填して機械的な強度を保持してもよい。また、この樹脂は前記スペース３のみならずその下のバッキング部材２の溝５に充填してもよい。

前記各チャンネル３は、圧電素子６と、この圧電素子６上に形成された３層以上、例えば３層の音響整合層、すなわち第１〜第３の音響整合層７₁〜７₃とを有する。前記圧電素子６は、図２に示すように例えばジルコンチタン酸鉛（ＰＺＴ）系圧電セラミック材料やリラクサ系単結晶材料からなる圧電体８と、この圧電体８の両面に形成された第１、第２の電極９₁，９₂とから構成されている。前記圧電素子６の第１電極９₁は、前記バッキング部材２上に例えばエポキシ樹脂系接着剤層（図示せず）により接着、固定されている。前記第１音響整合層７₁は、前記圧電素子６の第２電極９₂上に例えばエポキシ樹脂系接着剤層（図示せず）により接着、固定されている。前記第２音響整合層７₂は、前記第１音響整合層７₁上に例えばエポキシ樹脂系接着剤層（図示せず）により接着、固定されている。前記第３音響整合層（最上層の音響整合層）７₃は、前記第２音響整合層７₂上に例えばエポキシ樹脂系接着剤層（図示せず）により接着、固定されている。

音響レンズ１０は、前記チャンネル３の最上層の第３音響整合層７₃表面から第３、第２、第１の音響整合層７₃，７₂，７₁の側面、圧電素子６側面および圧電素子６近傍に位置するバッキング部材２の側面部分を覆うように形成されている。前記音響レンズ１０は、前記第３音響整合層７₃表面とゴム系接着剤層（図示せず）により接着、固定されている。このゴム系接着剤は、２５℃において１．３〜１．８ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有するシリコーン系接着剤であることが好ましい。

前記バッキング部材２、複数のチャンネル３および音響レンズ１０は、図示しないケース（筐体）内に収納されている。このケース内には、前記各チャンネル３の圧電素子６の駆動タイミングを制御する制御回路および圧電素子６に受信された受信信号を増幅するためのアンプ回路を含む信号処理回路（図示せず）が内蔵されている。前記圧電素子６の第１、第２の電極９₁，９₂には、延出された信号線及びアース線（図示せず）が接続されており、音響レンズ１０と反対側のケースから外部に延出され、図示しない制御回路に接続されている。なお、信号線を前記圧電素子６の第２の電極９₂に、アース線を第２の音響整合層７_２と第３の音響整合層７_３との間にそれぞれ接続してもよい。

このような構成のアレイ式超音波プローブにおいて、各チャンネル３における圧電素子６の第１、第２の電極９₁，９₂間に電圧を印加して、圧電体８を共振させることにより各チャンネル３の音響整合層（第１〜第３の音響整合層７₁，７₂，７₃）および音響レンズ１０を通して超音波を放射（送信）する。受信時には、音響レンズ１０および各チャンネル３の音響整合層（第１〜第３の音響整合層７₁，７₂，７₃）を通して受信された超音波によって各チャンネル３における圧電素子６の圧電体８を振動させ、この振動を電気的に変換して信号とし、画像を得る。

前記第３音響整合層（最上層の音響整合層）７₃は、変性ポリエーテル樹脂とこの変性ポリエーテル樹脂に比べて高い音響インピーダンスを有する樹脂とから構成されるポリマーアロイを含み、音響インピーダンスが２５℃にて１．６〜２．５ＭＲａｙｌｓである。

前記変性ポリエーテル樹脂としては、例えばアリル変性ポリエーテル、シリル変性ポリエーテル、ポリエーテルポリオール等を挙げることができる。すなわち、ここでいう「変性」とは、例えばシリル化、またはアリル化等のことを指す。

前記変性ポリエーテル樹脂に比べて高い音響インピーダンスを有する樹脂としては、例えばエポキシ系樹脂、アクリル系樹脂、ポリスチレン系樹脂、ポリメチルメタアクリレート（ＰＭＭＡ）系樹脂、フッ素系樹脂等を挙げることができる。これらの樹脂の中で、特にエポキシ系樹脂が液状樹脂の入手などが容易で変性ポリエーテルとの相溶性に優れるために好ましい。

前記ポリマーアロイは、前記変性ポリエーテル樹脂マトリックス中に前記変性ポリエーテル樹脂に比べて高い音響インピーダンスを有する樹脂（例えばエポキシ樹脂）の粒子などが１０〜６０体積％で分散した形態を有することが好ましい。このようなポリマーアロイからなる最上層の音響整合層７₃は、例えば図３に示す構造を有する。図３において、変性ポリエーテル樹脂マトリックス１１に例えば球状又は楕円状のエポキシ樹脂粒子１２が分散されている。前記ポリマーアロイを含む最上層の音響整合層は、縦波音速が２５℃にて１３００〜１８００ｍ／ｓの特性を示す。前記エポキシ樹脂粒子の前記変性ポリエーテル樹脂マトリックスに対する分散量を１０体積％未満にすると、音響整合層に対するエポキシ系接着剤との接着性および加工性を効果的に向上させることが困難になる。一方、前記エポキシ樹脂粒子の前記変性ポリエーテル樹脂マトリックスに対する分散量が６０体積％を超えると、超音波の減衰率が急激に大きくなり、さらに音速が１８００ｍ／ｓを超え、結果として音響インピーダンスの値が２．５ＭＲａｙｌｓを超えて低音響インピーダンスの音響整合層が得られなくなる虞がある。より好ましいエポキシ樹脂粒子の変性ポリエーテル樹脂マトリックスに対する分散量は、２０〜５０体積％である。

前記第３音響整合層（最上層の音響整合層）７₃は、さらに密度６ｇ／ｃｍ³以下の無機充填材を３０体積％以下含まれていることが好ましい。このような音響整合層は、２５℃、５ＭＨｚで測定される減衰率が８ｄＢ／ｃｍＭＨｚ以下、減衰率と音速の積（減衰性能指数）が１５００（単位：ｍ／ｓ・ｄＢ／ｍｍＭＨｚ）以下である特性を有する。また、無機充填材が添加された音響整合層は、無添加の音響整合層に比べて加工強度、耐熱性を効果的に改善することが可能になる。前記無機充填材の含有量が３０体積％を超えると、前記ポリマーアロイに対する無機充填材の充填が困難になって、均一な組成を有する音響整合層を作ることが困難になる。その上、音響整合層の減衰率が増加する虞がある。より好ましい無機充填材の含有量（前記ポリマーアロイおよび前記無機充填材の総量に対する量）は、５〜１５体積％である。

前記無機充填材は、例えば粉末状または繊維状の形態を有する。これらの形態の無機充填材は、単独または混合物として前記ポリマーアロイに含有させることができる。

前記粉末状無機充填材としては、例えば酸化亜鉛粉末、酸化ジルコニウム粉末、アルミナ粉末、アエロジルシリカのようなシリカ粉末、酸化チタン粉末、炭化ケイ素粉末、窒化アルミニウム粉末、カーボン粉末または窒化ボロン粉末等を挙げることができる。粉末状無機充填材は、単独または混合物の形態で用いることができる。粉末状無機充填材は、０．５μｍ以下、より好ましくは０．１μｍ以下の平均粒径を有することが望ましい。このような微細な粉末状無機充填材がポリマーアロイにさらに分散された最上層の音響整合層７₃は、減衰率をより低減することが可能になる。

前記繊維状無機充填材としては、例えば炭素繊維、炭化珪素繊維、酸化亜鉛繊維、アルミナ繊維またはガラス繊維等を挙げることができる。繊維状無機充填材は、単独または混合物の形態で用いることができる。このようなポリマーアロイからなる最上層の音響整合層７₃は、例えば図４に示す構造を有する。図４において、変性ポリエーテル樹脂マトリックス１１に例えば球状のエポキシ樹脂粒子１２および無機繊維１３が分散されている。

前記繊維状無機充填材は、特にガラス繊維が好ましい。ガラス繊維としては、例えば石英ガラス繊維、ソーダガラス繊維などを用いることができる。また、導電性の炭素繊維を用いることで音響整合層に導電性を付与することが可能になる。炭素繊維としては、例えばピッチ系炭素繊維、ＰＡＮ系炭素繊維のような種々のグレードのものを用いることができる。炭素繊維は、この他にカーボンナノチューブを用いることができる。なお、繊維状無機充填材は１種類の材料から作られるものに限らず、例えば炭素繊維の表面にＣＶＤ法でダイヤモンド膜や金属膜を被覆したり、樹脂を被覆したりしてもよい。

前記繊維状無機充填材は、直径が１０μｍ以下で長さが直径の５倍以上であることが好ましい。このような寸法の繊維状無機充填材を含む音響整合層は、少ない配合量にて５ＭＨｚで測定される減衰率を容易に６ｄＢ／ｃｍＭＨｚ以下にすることが可能になり、超音波信号を音響整合層で劣化させずに送受信することが可能になる。また、前記音響整合層は、ダイシング処理時に必要とされる充分な強度が付与される。さらに、前記音響整合層は耐熱性およびダイシング処理時の加工性をより高めることが可能になる。特に、直径５μｍ以下の繊維状無機充填材を用いることによって、その減衰率がさらに低下された音響整合層を実現できる。長さが径の２０倍以上の繊維状無機充填材を用いることによって、耐熱性および加工性がより一層向上された音響整合層を実現できる。

前記音響整合層は、３層の積層構造を有する場合において、前述した最上層の音響整合層７₃以外の音響整合層、すなわち前記圧電素子６と接する下層の音響整合層（第１音響整合層７₁）は音響インピーダンスが２５℃にて１０〜１５ＭＲａｙｌｓ、中間の音響整合層（第２音響整合層７₂）は音響インピーダンスが２５℃にて２．７〜８ＭＲａｙｌｓ、であることが好ましい。このような３層の積層構造を有する音響整合層において、これらの音響整合層の厚さは音速により変化する。最上層の音響整合層７₃の厚さは、λ／４（λは超音波の波長）が標準的であり、その厚さは３０〜２００μｍであることが好ましい。

次に、このような音響整合層の作製方法を説明する。

まず、例えば液状の変性ポリエーテル樹脂１００重量部、液状のビスフェノールＡ型エポキシ樹脂１０〜２００重量部、ビスフェノール型酸化防止剤１〜５重量部、ジフェニルシランジオール０．５〜２重量部、有機錫系化合物１〜３重量部、硬化剤である２，４，６トリス（ジメチルアミノメチル）フェノールエポキシ樹脂１〜１０重量部および蒸留水０．２〜１重量部を十分に混合する。つづいて、この混合物をポリエチレン製の容器に入れ、脱泡を行い、室温から５０℃で７２時間硬化させることにより音響整合層を作製する。

なお、前記音響整合層の作製に際し、前述した粉末状無機充填材を配合してもよい。前記組成物の粘性が増加する場合にはノルマルヘキサンやトルエンなどの有機溶剤を用いて粘性を低下させてもよい。さらに、前記組成物を硬化させる前に前述した繊維状無機充填材を例えば真空含浸させてもよい。

なお、図１では第１〜第３の音響整合層７₁〜７₃の３層の音響整合層を有する実施の形態で説明したが、本発明は音響整合層が４層の場合にも適用することが可能である。

音響整合層が４層の場合は、最上層の音響整合層が前述した第３音響整合層（最上層の音響整合層）７₃と同様な構成を備えていればよく、中間の３層は適時最上層の音響整合層の音響インピーダンスに近づけるように音響整合層の素材を適用して構成すればよい。

前記４層の音響整合層を有するアレイ式超音波プローブにおいて、圧電素子と接する下層の音響整合層の音響インピーダンスが２５℃にて１４〜２０ＭＲａｙｌｓ、２層目の音響整合層の音響インピーダンスが２５℃にて７〜１２ＭＲａｙｌｓ、３層目の音響整合層の音響インピーダンスが２５℃にて３−５ＭＲａｙｌｓ、前記音響レンズと接する最上層の音響整合層は変性ポリエーテル樹脂とこの変性ポリエーテル樹脂に比べて高い音響インピーダンスを有する樹脂とから構成されるポリマーアロイを含み、音響インピーダンスが２５℃にて１．６〜２．５ＭＲａｙｌｓで構成されることが好ましい。

次に、実施形態に係る超音波プローブの製造方法を説明する。

まず、バッキング部材上に上述した圧電素子、第１〜第３の音響整合層をこの順に、例えばこれらの部材間に低粘性のエポキシ樹脂系接着剤をそれぞれ介在させて、積層させる。つづいて、前記積層物を例えば１２０℃で１時間程度加熱し、前記各エポキシ樹脂系接着剤を硬化させることによりバッキング部材と圧電素子、圧電素子と第１音響整合層、第１音響整合層と第２音響整合層、第２音響整合層と第３音響整合層をそれぞれ接着、固定させる。

次いで、前記第３音響整合層からバッキング部材に向かって例えばダイシングブレードにて例えば５０〜２００μｍの幅（ピッチ）でダイシング処理してアレイ状に複数分割し、圧電素子および第１〜第３の音響整合層を有する複数のチャンネルを形成する。この時、前記複数のチャンネルのスペースに対応して溝が前記バッキング部材表層に形成される。ひきつづき、必要に応じて各チャンネル間のスペースに例えば低音響インピーダンス、高減衰性のシリコーンゴムのような比較的に柔らかい樹脂を充填して各チャンネルの機械的な強度を保持する。その後、各チャンネルの第３音響整合層に音響レンズをシリコーンゴム系接着層で接着固定し、バッキング部材、複数のチャンネルおよび音響レンズをケース内に収納して超音波プローブを製造する。

なお、前記第３音響整合層の作製方法としては、例えば変性ポリエーテル樹脂と、エポキシ樹脂を準備し混合させてエポキシポリエーテル樹脂液を作製する。このエポキシポリエーテル樹脂液をガラス繊維又は炭素繊維に含浸させることで作製することができる。

以上、ここでは、音響整合層が３層構造を有する超音波プローブの製造方法について説明したが、音響整合層が４層構造を有する超音波プローブについても同様である。すなわち、バッキング部材上に上述した圧電素子および４層の音響整合層を積層させる点が異なるのみでその他は同様な方法により製造することができる。

本発明の実施形態に係る超音波プローブを備えた超音波診断装置を図５を参照して説明する。

対象物に対し超音波信号を送信し、その対象物からの反射信号（エコー信号）を受信して対象物を画像化する医療用の超音波診断装置（または超音波画像検査装置）は、超音波信号送受信機能を有するアレイ式超音波プローブを備えている。この超音波プローブは、前述した図１〜図２に示す構造を有する。この超音波プローブ１は、ケーブル２１を通して超音波診断装置本体２２に接続されている。超音波診断装置本体２２内には超音波プローブの超音波信号の送信、受信処理等を行う図示しない超音波プローブ制御器、及び、ディスプレイ２３等が設けられている。

以上説明した実施形態に係るアレイ式超音波プローブは、スペースをあけて配列され、それぞれ圧電素子およびこの圧電素子上に形成される３層以上の音響整合層を有する複数のチャンネルと、これらのチャンネルのそれぞれの圧電素子が設置され、前記チャンネルのスペースに対応する箇所に溝が形成されたバッキング部材と、前記各チャンネルの最上層の音響整合層の表面を少なくとも覆うように形成された音響レンズとを具備し、前記最上層の音響整合層は、変性ポリエーテル樹脂とこの変性ポリエーテル樹脂に比べて高い音響インピーダンスを有する樹脂とから構成されるポリマーアロイを含み、音響インピーダンスが２５℃にて１．６〜２．５ＭＲａｙｌｓである。このような組成の最上層の音響整合層を備えることによって、以下のような効果を奏する。

（１）前記最上層の音響整合層は、低減衰率でかつ適切な音響インピーダンスを有するため、超音波のエネルギーを効果的に送受信できる高性能のアレイ式超音波プローブを提供できる。

（２）前記最上層の音響整合層は、ダイシング加工性に優れているため、例えばダイヤモンドソーによるダイシング処理によって目的とする幅を持つチャンネルを精密に形成することが可能になる。その結果、チャンネル間のクロストークを低減できるため、高解像度のアレイ式超音波プローブを実現できる。

（３）前記最上層の音響整合層は、耐熱性に優れ、かつ上下層（音響レンズおよび下層の音響整合層）との間に介在されるシリコーン系接着剤層、エポキシ系接着剤層に対して高い接着性を有するため、超音波エネルギーの吸収、減衰に伴う音響整合層の加熱、機械的な圧力が加わっても、音響レンズと最上層の音響整合層の間、最上層の音響整合層とその下の音響整合層との間での剥離を防止できる。その結果、チャンネル間での感度が均一な高い長期信頼性を有するアレイ式超音波プローブを提供できる。

特に、前記変性ポリエーテル樹脂マトリックス中にエポキシ樹脂粒子が１０〜６０体積％で分散した形態のポリマーアロイを含む最上層の音響整合層は、エポキシ系接着剤との接着性およびダイシング処理時の加工性をより向上させることが可能になる。

また、ポリマーアロイに密度６ｇ／ｃｍ³以下の無機充填材を３０体積％以下含む最上層の音響整合層は、５ＭＨｚで測定される減衰率が８ｄＢ／ｃｍＭＨｚ以下、減衰率と音速の積（減衰性能指数）が１５００以下である特性を有し、超音波のエネルギーの送受信性能をより向上できる。その上、このような最上層の音響整合層はダイシング処理時の加工性および機械的強度をより向上できる。

さらに、繊維状無機充填材を用いることによって、減衰率をより一層低減できると共に、ダイシング処理時の加工性および機械的強度をより一層向上できる。

本発明の実施形態によればクロストークが小さく、高性能、高信頼性のアレイ式超音波プローブが組み込まれ、断層像の画質向上および感度向上が達成された超音波診断装置を提供することができる。

以下，本発明の実施例をさらに詳細に説明する。

（実施例１）
液状の変性ポリエーテル樹脂（カネカ株式会社製；サイリル樹脂）１００重量部、液状のビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（ジャパンエポキシレジン社製商品名；エピコート３２８）５０重量部、ビスフェノール型酸化防止剤１重量部、ジフェニルシランジオール１重量部、有機錫系化合物２重量部、硬化剤である２，４，６トリス（ジメチルアミノメチル）フェノールエポキシ樹脂５重量部および蒸留水０．４重量部を十分に混合した。つづいて、この混合物をポリエチレン製容器に入れ、脱泡を行った後、５０℃で７２時間硬化させて硬化物（第３音響整合層用素材）を得た。

（実施例２〜１０、参照例１〜３および比較例１〜３）
下記表１に示すようにベース樹脂である液状の変性ポリエーテル樹脂（カネカ株式会社製；サイリル樹脂）と第２樹脂である液状のビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（ジャパンエポキシレジン社製商品名；エピコート３２８）との配合割合を変えたり、同表１に示す粉末状無機充填材、繊維状無機充填材をさらに添加したりした以外、実施例１と同様な方法により１５種の第３音響整合層用素材を得た。

なお、表１中のアクリル樹脂はカルボシキル基末端液状アクリロニトリル／ブタジエン液状ゴム(ＣＴＢＮ)［宇部興産社製商品名；ハイカーＲＬＰ］を用いた。また、下記表１中の粉末状無機充填材であるタングステンは平均粒径１μｍの球状粒子、シリカは平均粒径２０ｎｍの球状粒子、酸化亜鉛は平均粒径２００ｎｍの球状粒子、炭素は平均粒径２０ｎｍの球状粒子、酸化チタンは平均粒径５０ｎｍの球状粒子、酸化ビスマスは平均粒径５００ｎｍの球状粒子、をそれぞれ用いた。さらに、下記表１中の繊維状無機充填材である炭素は直径７μｍ、平均長さ１００μｍの繊維、ガラスは直径５μｍ、平均長さ１００μｍの繊維、炭化珪素は直径８μｍ、平均長さ１００μｍの繊維、それぞれ用いた。

得られた実施例１〜１０、参照例１〜３および比較例１〜３の第３音響整合層用素材の密度、音速、音響インピーダンス（ＡＩ）、減衰率、加工性、耐熱性および接着性を以下の方法に評価した。

１）密度
密度は、第３音響整合層用素材から加工した円板状ブロックを用いて求めた。密度の測定は２５℃のサンプルの空中及び水中重量を測定し、アルキメデス法にて行った。

２）音速および減衰率
第３音響整合層用素材から幅３０ｍｍ、長さ３０ｍｍ、厚さ１ｍｍの試験片を加工した。この試験片を水中２５℃で５ＭＨｚの測定用プローブを用いて、音速、減衰率を測定した。水中に静置されたステンレス板、及び静置されたサンプルに超音波プローブから送信し、その反射エコーを測定した。

サンプルの有無による反射エコーの時間差とサンプル厚みから音速を求めた。音速（Ｃ）の算出は各温度における水の音速を基準として、水とサンプルの透過波形の時間差を利用し、以下の式を用いて算出した。

Ｃ＝Ｃ₀／［Ｌ−Ｃ₀（Δｔ／ｄ）］
ここで、Ｃ₀は水の音速、Ｌは超音波プローブとサンプル（被測定物）の距離、ｄは試料の厚み、Δtは水と試料の透過波形の最初のピークを越した後のゼロクロス点の時間差を示す。

減衰率は、同様に水温２５℃においてサンプルの有無による反射エコーの強度差とサンプル厚みから所定の方法で減衰率を求めた。

３）音響インピーダンス（ＡＩ）
ＡＩは、測定した密度と音速の積として求めた。

４）加工性
第３音響整合層用素材から幅３０ｍｍ、長さ３０ｍｍ、厚さ１ｍｍの試験片を加工した。この試験片に厚さ５０μｍのダイヤモンドブレードを用いて１００μｍのピッチ、２００μｍの深さまで切り込み、さらに９０度回転させ、再び１００μｍのピッチ、２００μｍの深さまで切り込んだ。切り込み後の残存部分（５０μｍ×５０μｍ角）を顕微鏡で観察した。この観察において、第３音響整合層の倒れ、直線性から加工性を評価した。

加工性の判定は、
・残存した５０μｍ角の片が全く問題ない場合：Ａ、
・残存した５０μｍ角の片に２％以下の不良が認められた場合：Ｂ、
・残存した５０μｍ角の片に１０％以下の不良が認められた場合：Ｃ、
・残存した５０μｍ角の片に１０％を越える不良が認められた場合：Ｄ、
と４段階とした。

５）耐熱性
第３音響整合層用素材から幅２５ｍｍ、長さ１００ｍｍ、厚さ１．６ｍｍの試験片に加工した。この試験片をＪＩＳ−Ｃ６４７１ ８．１の方法に従ってガラスエポキシ基板（ＦＲ４）にエポキシ接着剤を用いて貼り付け、６０℃で２４時間、その後１２５℃で１時間硬化させた後、テンシロン型引っ張り試験機にて３０ｃｍ／分の速度で引張り、引張りせん断強度を求めた。なお、試験は１０枚の試験片を対象にしてそれらの平均値とした。

耐熱性の判定は、
・熱処理後のせん断強度が３．０Ｎ／ｍｍ²以上の場合：Ａ、
・熱処理後のせん断強度が２．０Ｎ／ｍｍ²以上の場合：Ｂ、
・熱処理後のせん断強度が１．０Ｎ／ｍｍ²以上の場合：Ｃ、
・熱処理後のせん断強度が０．５Ｎ／ｍｍ²以上の場合：Ｄ、
・熱処理後のせん断強度が０．５Ｎ／ｍｍ²未満の場合：Ｅ、
と５段階とした。

６）接着性
第３音響整合層用素材から幅２５ｍｍ、長さ１００ｍｍ、厚さ１．６ｍｍの試験片に加工した。この試験片をＪＩＳ−Ｃ６４７１ ８．１の方法に従って音響レンズ材料である密度１．５ｇ／ｃｍ3、厚さ５ｍｍのシリコーンゴム板（裏面に厚さ５ｍｍのアルミニウム板が貼り付けられている）にシリコーンゴム系接着剤［セメダインスーパーＸ Ｎｏ．８００８クリア（登録商標）］を用いて貼り付け、６０℃で７２時間硬化させた後、テンシロン型引張り試験機にて３０ｃｍ／分の速度で引張り、剥離強度を求めた。なお、試験は１０枚の試験片を対象にしてそれらの平均値とした。

接着性の判定は、
・熱処理後の剥離強度が１．０Ｎ／ｍｍ²以上の場合：Ａ、
・熱処理後の剥離強度が０．７５Ｎ／ｍｍ²以上の場合：Ｂ、
・熱処理後の剥離強度が０．５Ｎ／ｍｍ²以上の場合：Ｃ、
・熱処理後の剥離強度が０．３Ｎ／ｍｍ²以上の場合：Ｄ、
・熱処理後の剥離強度が０．３Ｎ／ｍｍ²未満の場合：Ｅ、
と５段階とした。

これらの結果を下記表２に示す。

前記表１および表２から明らかなよう実施例１〜１０の第３音響整合層は、ＡＩが１．６〜２．５ＭＲａｙｌｓと低ＡＩにも拘らず、低減衰率で優れた加工性、耐熱性、接着性を有することがわかる。

これに対し、成分が同じでもＡＩが１．６〜２．５ＭＲａｙｌｓの範囲を外れる参照例１〜３の第３音響整合層は、減衰率が大きいか、または加工性、耐熱性、接着性のいずれかが劣り、これらの特性を全て満足するものではないことがわかる。

また、ポリウレタン、シリコーンゴム、エポキシ樹脂をベースとする比較例１〜３の第３音響整合層は、減衰率が大きいか、または加工性、耐熱性、接着性のいずれかが劣り、これらの特性を全て満足するものではないことがわかる。

このような実施例１〜１０の第３音響整合層はＡＩが１．６〜２．５ＭＲａｙｌｓと低ＡＩにも拘らず、低減衰率で優れた加工性、耐熱性、接着性を有することを確認した。これら第３音響整合層を用いて以下の方法で組み立てたアレイ式超音波プローブ体は超音波のエネルギーを効果的に送受信でき、チャンネル間での感度が均一で、かつチャンネル間のクロストークを低減でき、高解像度性、長期信頼性を有するものであった。

すなわち、音響インピーダンス（ＡＩ）が４ＭＲａｙｌｓのクロロプレンゴムにフェライトを添加した音響バッキング部材上に厚さ４００μｍの圧電素子、厚さ４２０μｍ、ホウケイ酸ガラスからなるＡＩが１２ＭＲａｙｌｓの第１音響整合層、厚さ２００μｍ、エポキシ樹脂に酸化亜鉛粉末を２０体積％添加したＡＩが５．０ＭＲａｙｌｓの第２音響整合層および厚さ１５０μｍ、前記表２の実施例１〜１０に示すＡＩを持つ第３音響整合層をこの順序で、かつそれらの間にエポキシ樹脂系接着剤を介在し重ねた後、１２０℃で１時間程度、加圧しながら加熱硬化させることにそれら部材を相互に接着した。なお、前記圧電素子はＰＺＴ系圧電セラミックスからなる圧電体の両面にＮｉからなる第１、第２の電極を形成したものを用いた。つづいて、前記第３音響整合層からバッキング部材に向かって幅５０μｍのダイヤモンドブレードにより幅２００μｍ、バッキング部材への切り込み深さ２００μｍになるようにダイシング処理した。このダイシングにより２００μｍ×２列を１チャンネルとし、合計２００チャンネルを形成した。ひきつづき、各チャンネル間のスペースに液状シリコーンゴムを充填し、１２５℃にて１時間で硬化させた。各チャンネル上にシリコーンゴムからなるＡＩが１．５ＭＲａｙｌｓの音響レンズを変性シリコーンゴム系接着剤で固定した。最後に、バッキング部材、複数のチャンネルおよび音響レンズをケース（筐体）内に収納し、このケース内に前記各チャンネルの圧電素子の駆動タイミングを制御する制御回路および圧電素子６に受信された受信信号を増幅するためのアンプ回路を含む信号処理回路を内蔵することにより３．５ＭＨｚのアレイ式超音波プローブを組み立てた。

本発明の実施形態に係るアレイ式超音波プローブの要部斜視図。 図１の超音波プローブの要部断面図。 本発明の実施形態に係るアレイ式超音波プローブに組み込まれる第３音響整合層の断面を模式的に示す図。 本発明の実施形態に係るアレイ式超音波プローブに組み込まれる別の第３音響整合層の断面を模式的に示す図。 本発明の実施形態に係る超音波診断装置を示す概略図。

符号の説明

１…アレイ式超音波プローブ、２…バッキング部材、３…チャンネル、４…スペース、６…圧電素子、７₁…第1音響整合層、７₂…第２音響整合層、７₃…第３音響整合層（最上層の音響整合層）、１０…音響レンズ、１１…変性ポリエーテル樹脂マトリックス、１２…エポキシ樹脂粒子、１３…繊維状無機充填材、２１…ケーブル、２２…超音波診断装置本体、２３…ディスプレイ。

Claims (12)

1. スペースをあけて配列され、それぞれ圧電素子およびこの圧電素子上に形成される３層以上の音響整合層を有する複数のチャンネル；
   前記各チャンネルのそれぞれの圧電素子が設置された部材；および
   前記各チャンネルの最上層の音響整合層の表面を少なくとも覆うように形成された音響レンズ；
   を具備し、
   前記最上層の音響整合層は、変性ポリエーテル樹脂とこの変性ポリエーテル樹脂に比べて高い音響インピーダンスを有する樹脂とから構成されるポリマーアロイを含み、音響インピーダンスが２５℃にて１．６〜２．５ＭＲａｙｌｓであることを特徴とするアレイ式超音波プローブ。
2. 前記部材は、前記チャネルのスペースに対応する箇所に溝が形成されたことを特徴とする請求項１記載のアレイ式超音波プローブ。
3. 変性ポリエーテル樹脂に比べて高い音響インピーダンスを有する前記樹脂は、エポキシ樹脂であることを特徴とする請求項１記載のアレイ式超音波プローブ。
4. 前記最上層の音響整合層は、前記変性ポリエーテル樹脂中にエポキシ樹脂粒子が１０〜６０体積％で分散した形態を有するポリマーアロイを含み、縦波音速が２５℃にて１３００〜１８００ｍ／ｓであることを特徴とする請求項１記載のアレイ式超音波プローブ。
5. 前記最上層の音響整合層は、さらに密度６ｇ／ｃｍ³以下の粉末状無機充填材および繊維状無機充填材から選ばれる少なくとも１つの無機充填材を３０体積％以下含むことを特徴とする請求項１記載のアレイ式超音波プローブ。
6. 前記最上層の音響整合層は、５ＭＨｚで測定される減衰率が８ｄＢ／ｃｍＭＨｚ以下、減衰率と音速の積（減衰性能指数）が１５００ｍ／ｓ・ｄＢ／ｍｍＭＨｚ以下であることを特徴とする請求項５記載のアレイ式超音波プローブ。
7. 前記粉末状無機充填材は、酸化亜鉛粉末、酸化ジルコニウム粉末、アルミナ粉末、アエロジルシリカのようなシリカ粉末、酸化チタン粉末、炭化ケイ素粉末、窒化アルミニウム粉末、カーボン粉末および窒化ボロン粉末の群から選ばれる少なくとも１つである請求項５記載のアレイ式超音波プローブ。
8. 前記繊維状無機充填材は、炭素繊維、炭化珪素繊維、酸化亜鉛繊維、アルミナ繊維およびガラス繊維の群から選ばれる少なくとも１つであり、この繊維状無機充填材は直径が１０μｍ以下で長さが直径の５倍以上であることを特徴とする請求項５記載のアレイ式超音波プローブ。
9. 前記最上層の音響整合層と前記音響レンズとは、２５℃にて１．３〜１．８ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有するゴム系接着剤で接着されることを特徴とする請求項１記載のアレイ式超音波プローブ。
10. スペースをあけて配列され、それぞれ圧電素子およびこの圧電素子上に形成される３層の音響整合層を有する複数のチャンネル；
    前記各チャンネルのそれぞれの圧電素子が設置された部材；および
    前記各チャンネルの最上層の音響整合層の表面を少なくとも覆うように形成された音響レンズ；
    を具備し、
    前記圧電素子と接する下層の音響整合層の音響インピーダンスが２５℃にて１０〜１５ＭＲａｙｌｓ、中間の音響整合層の音響インピーダンスが２５℃にて２．７〜８ＭＲａｙｌｓ、前記音響レンズと接する最上層の音響整合層は変性ポリエーテル樹脂とこの変性ポリエーテル樹脂に比べて高い音響インピーダンスを有する樹脂とから構成されるポリマーアロイを含み、音響インピーダンスが２５℃にて１．６〜２．５ＭＲａｙｌｓ、であることを特徴とするアレイ式超音波プローブ。
11. スペースをあけて配列され、それぞれ圧電素子およびこの圧電素子上に形成される４層の音響整合層を有する複数のチャンネル；
    前記各チャンネルのそれぞれの圧電素子が設置された部材；および
    前記各チャンネルの最上層の音響整合層の表面を少なくとも覆うように形成された音響レンズ；
    を具備し、
    前記圧電素子と接する下層の音響整合層の音響インピーダンスが２５℃にて１４〜２０ＭＲａｙｌｓ、２層目の音響整合層の音響インピーダンスが２５℃にて７〜１２ＭＲａｙｌｓ、３層目の音響整合層の音響インピーダンスが２５℃にて３〜５ＭＲａｙｌｓ、前記音響レンズと接する最上層の音響整合層は変性ポリエーテル樹脂とこの変性ポリエーテル樹脂に比べて高い音響インピーダンスを有する樹脂とから構成されるポリマーアロイを含み、音響インピーダンスが２５℃にて１．６〜２．５ＭＲａｙｌｓ、であることを特徴とするアレイ式超音波プローブ。
12. 請求項１〜１１いずれか記載のアレイ式超音波プローブと、
    前記超音波プローブにケーブルを通して接続された超音波プローブ制御器と
    を具備したことを特徴とする超音波診断装置。

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