JPH09149496A - 超音波探蝕子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】電子走査型超音波探蝕子の配列振動子における
振動子素子同志の音響的結合を低減し、超音波ビームの
指向性を改善し、診断能の良い超音波画像を得る。 【解決手段】タングステン粉末を塩化ビニールへ混合し
固着して成る吸音材１と電極が形成された圧電材料３と
の間に、サイクロオレフィンポリマーフィルム３を挟ん
で接着し、圧電材料３の上に第１音響整合層４と第２音
響整合層５とを接着し、ダイシングソーにて第２音響整
合層５から吸音材１へ向け所定幅の切込溝６を所定のピ
ッチで切り、配列振動子７を形成する。切断溝６の深さ
は吸音材１の面から０．４〜０．６ｍｍとする。その
後、第２音響整合層５の上に、ホットメルト接着フィル
ム８を介して音響レンズ９を加熱圧着する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は超音波診断装置にて
用いる超音波探蝕子に係り、超音波ビームの指向特性を
改善して画像の診断能向上を計ることができる超音波探
蝕子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】超音波診断装置は超音波パルス反射法を
用いて、生体の軟部組織の断層像や生体内を流れる血流
像等をほぼリアルタイムでモニタに表示して観察でき、
また、放射線を用いた画像診断装置のような放射線被曝
を被検体に与えないことから安全性も高いとされ、さら
に、小型で安価なことも加わり、広く医療の分野で利用
されている。

【０００３】超音波診断装置では被検体内への超音波の
送信と被検体内からのエコー信号の受信のために、超音
波探蝕子を用いる。この超音波探蝕子には、細長い棒状
の振動子を多数配列した物と、単一の円盤状の振動子の
物との代表的な物がある。前者は所謂、電子走査型の超
音波探蝕子で多く用いられ、後者は機械走査型の超音波
探蝕子で用いられる場合が多い。

【０００４】電子走査型の装置では、前記細長い棒状の
振動子の複数個を一群として、その一群の中の各振動子
へそれぞれ所定の遅延時間を与えて駆動する。これによ
り、探蝕子から被検体内の所定深度及び所定方向へ集束
する超音波ビームを送信する。また、受信時にも各振動
子へ時間とともに変化する遅延時間を与えて所定方向か
ら超音波ビームを受信する。そして、前記送受信の超音
波ビームを振動子の配列方向に移動して、被検体内を走
査することにより、超音波画像データを得る。

【０００５】前記走査により良好な超音波画像を得るに
は、超音波ビームの走査範囲全体にわたり、超音波ビー
ムの指向特性が優れ、かつ細い超音波ビームが形成され
る必要がある。このためには、配列振動子の隣接振動子
間での音響的結合が少ないことが重要である。

【０００６】超音波探蝕子の基本構成は一般に、吸音
材，圧電振動子，音響整合層及び音響レンズを順に積層
して形成されている。そして、前記隣接振動子間での音
響的結合を低減するために、すなわち、隣接振動子間の
アイソレーションを良くするために、振動子同志は音響
整合層も含めて切断分離されているとともに、吸音材に
ついてもわずか０．１ミリメートル程度ではあるが切込
み溝を設けている。しかしながら、従来の超音波探蝕子
では振動子と吸音材との間、及び振動子と音響性合層と
の間にて、振動子の振動が隣の振動子へ伝播する音響的
結合が比較的大きなものであった。

【０００７】従来の超音波探蝕子は、吸音材としてバリ
ウムフェライトの粉末をゴムに混入したものが用いられ
ている。このため、前記振動子形成のための吸音材にま
で切り込む溝を深くすると吸音材が柔軟なため、振動子
に外力が加わると隣接する振動子同志が接触したり、振
動子が傾いたりするので、切込み溝は深くすることはで
きなかった。したがって、吸音材に対する切込み溝は非
常に浅くせざるを得なかった。そこで、この切込みを深
くするために、変形のしにくい吸音材用材料として、タ
ングステン粉末を塩化ビニールに混合し固化したものが
提案されており、実用化されている。

【０００８】一方、音響整合層と音響レンズとの接着
は、従来、溶液性の熱硬化性樹脂が用いられている。し
かし、溶液性の熱硬化性樹脂の接着剤は、音響整合層の
切込み溝に侵入して、配列振動子が音響整合層野部分で
接合され音響的結合を招く原因となるものであった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】前述のように、隣接す
る振動子同志の音響的結合は、振動子とともに切込みを
入れられる吸音材部分からと、音響整合層と音響レンズ
の接着部から生ずると考えられる。そして、前者による
音響的結合を小さくするために、タングステン粉末を塩
化ビニールにて混合固化したものが提案されているが、
この材料は導電性を有すため、隣接する振動子素子の電
極同志を絶縁することに難点がある。すなわち、振動子
の表面側の電極は被検体に対する安全のために接地さ
れ、吸音材側の電極に振動子を駆動する電圧を印加する
方法を用いる点に鑑みても、この材料は吸音材として適
しているものと言えなかった。

【００１０】また、音響整合層と音響レンズとの接着
に、溶液性の熱硬化性樹脂の接着材を用いると、接着材
の塗布量の管理が難しく、塗布量が少なければ接着不良
となり、塗布量が多ければ余分な接着剤が音響整合層の
切込み溝に入り込み、振動子同志の音響的結合を招くと
言う問題を抱えていた。

【００１１】本発明は、上記問題に鑑みて成されたもの
で、電子走査型の超音波探蝕子において、隣接する超音
波振動子同志の音響的結合を小さくし、すなわち、振動
子間のクロストークを減少し、診断能の高い超音波画像
の得られる超音波診断装置を提供することを目的として
いる。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前述の課題のうち、吸音
材部分での隣接超音波振動子同志の音響的結合を低減す
るために本発明は、幅の狭い短冊状の振動子素子を金属
粉末と有機可塑材から成る吸音材の上に多数配列すると
ともに、前記振動子素子群の上に順次音響整合層と音響
レンズとを設けて成る超音波探蝕子において、前記吸音
材と前記振動子素子との間に、音響伝播速度から決まる
波長の１／４の厚みを有し、かつポアソン比が前記吸音
材と略同一で絶縁性を有した材料を挿入固着するととも
に、前記振動子素子間の空隙溝を前記音響整合層から前
記吸音材に至るまで貫いて形成したものであり、そし
て、前記吸音材の材料としてタングステン粉末を塩化ビ
ニールに混合して固体化したものを用いるとともに、絶
縁性材料としてサイクロオレフィンポリマー樹脂を用い
たことを特徴としている。

【００１３】また、音響整合層と音響レンズとの接着部
で生ずる隣接超音波振動子同志の音響的結合を低減する
ために、幅の狭い短冊状の振動子素子を吸音材の上に多
数配列するとともに、前記振動子素子群の上に順次音響
整合層と音響レンズとを接着して成り、前記振動子素子
と音響整合層とが所定の空隙溝で前記短冊状に形成され
た超音波探蝕子において、前記音響整合層と音響レンズ
とを熱溶融性接着フィルムを介在させて接着したもので
ある。そして、前記熱溶融性接着フィルムとしてポリウ
レタン系樹脂又はナイロン系樹脂又はオレフィン系樹脂
を用いたことを特徴としている。そして更に、音響レン
ズと熱溶融性フィルムとの間にポリイミドフィルム又は
ポリエチレンテレフタレートフィルム等の樹脂フィルム
を介在させたことを特徴としたものである。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を用いて説明する。図１は、超音波探蝕子のケースと接
続コードを取り外した状態の内部構造を、構成要素の一
部を切断して示したものである。図１において、１は吸
音材で、タングステン粉末を塩化ビニール樹脂に混合し
て固め、ポアソン比が約３．５としたもの、２は、絶縁
性を有した樹脂フィルムでポアソン比が吸音材１のそれ
とほぼ等しいもの、例えばサイクロオレフィンポリマー
である。そして、サイクロオレフィンポリマーを、その
音響伝播速度から決まる音の波長の１／４の厚みに成形
して用いている。吸音材１と絶縁フィルム２は接着剤で
張り付けるが、サイクロオレフィンポリマー樹脂の成形
表面は非常に滑らかであるので、接着には不向きであ
る。そこで、サイクロオレフィンポリマー樹脂の表面を
粗面にすると接着も容易に行える。

【００１５】３は、超音波振動子となるＺＰＴ圧電材料
であり、紙面の上方向、下方向の２面と両側面に電極と
なる導電体が焼き付け又はプリント技術により設けられ
ている。４は第１音響整合層、５は第２音響整合層で、
第１音響整合層にはタングステン粉末充填エポキシ樹脂
を、第２音整合層５にはポリウレタン系樹脂を用いる。
そして、各々の音響整合層は公知のようにそれぞれの材
質の音響伝播速度から決まる音の波長の１／４の厚みに
形成されている。なお、圧電振動子材料３と第１音響整
合層４、及び第１音響整合層４と第２音響整合層５とは
接着剤にて接着される。

【００１６】以上のように構成されたサブアッセンブリ
ー体が先ず作成され、次に、このサブアッセンブリー体
に対しダイシングソーで振動子素子を加工する。すなわ
ち、図２に示すようにダイシングソーで第２音響整合層
５、第１音響整合層４、圧電材料３、絶縁フィルム２及
び吸音材１に対し溝切り加工を行う。切込み溝の一例を
挙げると、高さが０．４４ｍｍの圧電材料を用いた場
合、溝６の幅は３０μｍで、そのピッチは０．２２ｍ
ｍ、その深さは吸音材１の絶縁フィルムとの接着面より
０．４〜０．６ｍｍに至るまで切込む。これにより、短
冊状の超音波振動子７が多数形成される。

【００１７】ダイシング加工が終了した後、第２音響整
合層５の上にホットメルト接着フィルム８を熱圧着す
る。ホットメルト接着フィルムとしては、ポリウレタン
系ホットメルトフィルムで、厚さが３０ミクロンのもの
が挙げられる。このホットメルトフィルムを、温度８０
℃，圧力０．０５・・・／−で接着する。その後、ホッ
トメルト接着フィルム８の上にシリコンゴム製の音響レ
ンズ９をシリコン系接着剤を用いて接着する。そして、
最後に吸音材１の側面に超音波振動子の電極へ接続する
接続端子板１０を設けると、図１に示す超音波探蝕子の
アッセンブリーが出来上がる。

【００１８】次に、上記実施の形態の作用と効果を説明
する。上記実施の形態での吸音材１は前述の様に、タン
グステン粉末を塩化ビニール樹脂へ混合し固着したもの
であるから導電性を有すが、サイクロオレフィンポリマ
ー樹脂は絶縁性材料であるので、隣接する超音波振動子
素子の電極間で振動子の駆動電圧がもれることはなくな
る。また、吸音材はポアソン比が約０．３５と従来のバ
リウムフェライトの粉末をゴムに混入したものよりも固
く、その上、サイクロオレフィンポリマー樹脂はポアソ
ン比が０．３５〜０．３８と吸音材のそれに近く、硬度
もロックウエル硬度が１２２で、容易に変形しないた
め、超音波振動子の切断溝を吸音材の面から０．４〜
０．６ｍｍまで深く切断できるので、隣接素子間でのク
ロストークが小さくでき、更に、振動子素子に外力が作
用した場合に、振動子素子が正面方向から外れた方を向
いて固定されたり、隣接素子同志が接触したりすること
が防止できる。

【００１９】本実施の形態でのクロストークの低減効果
は、図３を用いて説明することができる。図３は、図２
に示す振動子の切断溝の幅を３０μｍ，振動子の配列ピ
ッチを０．２２ｍｍ（振動子の厚み０．１９ｍｍ）と
し、紙面に直交する方向の振動子の長さ（探蝕子の短軸
方向の長さ）を所定値とし、ある単一の振動子を駆動し
たとき、駆動された振動子の変位に対する隣の振動子の
変位（これをクロストークという。）と切断溝の深さと
の関係を、発明者等が有限要素法を用いて計算により求
めたものである。図３において、各折れ線グラフは吸音
材のポアソン比がパラメータとなっている。図３から明
らかな様に、振動子の切断溝は深ければ深いほど、クロ
ストークは低減され、また、吸音材のポアソン比が小さ
いほど、クロストークは小さくなる。しかし理論的には
判明していても、実際の物としてはその適用範囲が限定
されることは枚挙にいとまがない。発明者等は、吸音材
のポアソン比が約０．３５の材料を用いるときには、切
断溝の深さは約０．４〜０．６ｍｍ程度が良いと考えて
いる。なお、この値は振動子の配列方向の幅と溝の幅と
によって変わることは言うまでもない。

【００２０】また、第２音響整合層と音響レンズとの間
に挿入したホットメルト接着フィルムは上記の如き、加
熱温度８０℃，圧力０．０５ｋｇ／ｃｍ²では切断溝内
に侵入することはなく、従来の溶融性の熱硬化型樹脂を
用いた場合の問題点、すなわち、切断溝へ接着剤が侵入
して隣接振動子同志の音響的結合が生ずる問題は解決さ
れる。その効果を評価するために、発明者等は水中ハイ
ドロフォンを用いて、振動子素子の送波感度の角度依存
性を測定した。図４にその結果を示す。本発明を適用し
た単一素子から送波された超音波ビームの４５°方向に
おける感度を０°の値に対する相対値で表わすと、それ
は−３．９ｄＢであった。従来の方法で製作した物はこ
の値が−９．５ｄＢであった。この比較から、本発明を
適用すると振動子素子の指向特性が著しく改善されるこ
とが解る。なお、このほかに、音響レンズと第２音響整
合層との間にホットメルト接着フィルムを挿入すると、
従来から問題となっている、水分や薬品等が音響レンズ
を透過して振動子に到達して振動子を破損したり、振動
子の動作不良を招くことがなくなる。

【００２１】次に、第２音響整合層５と音響レンズ９と
の接着の第２の実施の形態を説明する。図５は配列振動
子を図２と同様に振動子の配列方向に断面した図であ
る。この例では、第２音響整合層５の上に厚さ３０μｍ
のポリウレタン系ホットメルト接着フィルムを配置し、
更にその上に厚さ１２．５μｍのポイミドフィルム１１
を重畳し、加熱温度１００℃，圧力０．１ｋｇ／ｃｍ²
で加熱圧着したものである。このようにして製作した超
音波探蝕子の上記指向特性を測定したところ、図６に示
すように、単一素子の４５°方向の相対感度は−５．０
ｄＢの値が得られ、従来の物よりも指向性の改善が成さ
れることが判明した。本実施の形態は、更に変形が可能
で、ポリイミドフィルム１１をポリエチレンテレフタレ
ートフィルムに置換しても良い。この場合、ポリエチレ
ンテレフタレートフィルムの厚みは２５μｍ程度が良
い。この変形例での単一素子の４５°方向の相対感度は
−５．２ｄＢでこの値も従来の物に比較して小さく、指
向性の向上が計れる。なお、上記説明において、第２音
響整合層と音響レンズとの間に挿入するホットメルト接
着フィルムはポリウレタン系を使用した例について記し
たが、本発明はそれに限定されるものではなく、ナイロ
ン系、オレフィン系など良好な接着性を有す物ならば使
用することができる。

【００２２】以上本発明の実施の形態を説明したが、超
音波振動子と吸音材との接着部の実施の形態と、音響整
合層と音響レンズとの接着部の実施の形態との双方を同
時に実施しなければならないものではなく、それらの一
方だけ実施しても従来の物より良好な画像が得られるこ
とは言うまでもない。

【００２３】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、電子
走査型の超音波探蝕子において、隣接する超音波振動子
同志の音響的結合が小さくできるので、超音波ビームの
指向性が改善できるため、診断能の高い良好な超音波像
が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の超音波探蝕子の内部構造を一部断面に
して示した図

【図２】本発明の配列振動子を配列方向に沿って切断し
た図

【図３】振動子の切断溝とクロストークの関係を吸音材
のポアソン比をパラメータとして計算して表わした図

【図４】本発明の単一振動子素子から送波される超音波
の指向特性を示す図

【図５】音響整合層と音響レンズとの接合部の第１の変
形例を示す図

【図６】図５に示す実施例における超音波の指向特性を
示す図

【符号の説明】 １ 吸音材 ２ 絶縁フィルム ３ 圧電材料 ４ 第１音響整合層 ５ 第２音響整合層 ６ 切断溝 ７ 圧電振動子 ８ ホットメルト接着フィルム ９ 音響レンズ １０ 接続端子板 １１ ポリイミドフィルム

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】幅の狭い短冊状の振動子素子を金属粉末と
   有機可塑材から成る吸音材の上に多数配列するととも
   に、前記振動子素子群の上に順次音響整合層と音響レン
   ズとを設けて成る超音波探蝕子において、前記吸音材と
   前記振動子素子との間に、音響伝播速度から決まる波長
   の１／４の厚みを有し、かつポアソン比が前記吸音材と
   略同一で絶縁性を有した材料を挿入固着するとともに、
   前記振動子素子間の空隙溝を前記音響整合層から前記吸
   音材に至るまで貫いて形成したことを特徴とする超音波
   探蝕子。
2. 【請求項２】前記吸音材はタングステン粉末と塩化ビニ
   ールとの混合体から成り、絶縁性材料はサイクロオレフ
   ィンポリマー樹脂であることを特徴とする請求項１に記
   載の超音波探蝕子。
3. 【請求項３】幅の狭い短冊状の振動子素子を吸音材の上
   に多数配列するとともに、前記振動子素子群の上に順次
   音響整合層と音響レンズとを接着して成り、前記振動子
   素子と音響整合層とが所定の空隙溝で前記短冊状に形成
   された超音波探蝕子において、前記音響整合層と音響レ
   ンズとを熱溶融性接着フィルムを介在させて接着したこ
   とを特徴とする超音波探蝕子。
4. 【請求項４】前記熱溶融性フィルムはポリウレタン系又
   はナイロン系又はオレフィン系の樹脂フィルムであるこ
   とを特徴とする請求項３に記載の超音波探蝕子。
5. 【請求項５】前記音響レンズと熱溶融性フィルムとの間
   にポリイミド系又はポリエチレンテレフタレート系の耐
   水性又は耐薬品性を有した樹脂フィルムを介在させたこ
   とを特徴とする請求項３又は４に記載の超音波探蝕子。