WO2010143387A1 - 超音波探触子 - Google Patents

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池田雅子
小椋高志
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    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
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    • B06B1/0662—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element with an electrode on the sensitive surface
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    • A61B8/44—Constructional features of the ultrasonic, sonic or infrasonic diagnostic device
    • A61B8/4444—Constructional features of the ultrasonic, sonic or infrasonic diagnostic device related to the probe
    • A61B8/4455—Features of the external shape of the probe, e.g. ergonomic aspects

Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic probe used for ultrasonic diagnosis.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of the external appearance of an ultrasonic probe and an ultrasonic diagnostic apparatus.
  • the ultrasonic probe is connected to the ultrasonic diagnostic apparatus with a cable, transmits ultrasonic waves in the direction of the arrow in the figure, and is in the direction opposite to the arrow reflected by the living body. Receive the reflected wave.
  • the ultrasonic diagnostic apparatus performs image analysis on the reflected wave received by the ultrasonic probe, and displays an internal image obtained by the analysis on the monitor.
  • ultrasonic waves when transmitting ultrasonic waves from a piezoelectric vibrator, ultrasonic waves are radiated not only on the front face of the vibrator but also on the rear face.
  • FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing a configuration of a conventional ultrasonic probe. From the upper side of FIG. 2, the acoustic lens 3, the matching layer 2, the piezoelectric vibrator 1, and the backing layer 4 are stacked.
  • ultrasonic waves transmitted from the piezoelectric vibrator 1 pass through the matching layer 2 and the acoustic lens 3 and are radiated to the living body.
  • the ultrasonic wave reflected in the living body follows the route opposite to the forward path, and is received again by the piezoelectric vibrator 1, and a signal corresponding to the reception intensity and response time becomes shaded and visualized.
  • ultrasonic waves having a phase opposite to that of the front surface are simultaneously emitted from the piezoelectric vibrator 1 to the back surface.
  • the ultrasonic wave radiated to the back surface of the piezoelectric vibrator 1 is attenuated by the backing layer 4.
  • the backing layer 4 is made of a material that does not have a loss sufficient to attenuate the ultrasonic waves radiated to the back surface
  • the ultrasonic waves having the opposite phase are reflected in the backing layer 4 to cause piezoelectric vibration. May return to child 1 side.
  • the ultrasonic resolution of the ultrasonic diagnostic apparatus is maintained by arranging a material having an internal loss and a distance sufficient to obtain sufficient attenuation for the ultrasonic wave output on the back surface in the backing layer 4. .
  • this conventional method has a drawback that the backing layer itself becomes thick.
  • a heat dissipation block is disposed on the back surface of the backing layer 4 to attenuate the ultrasonic waves output to the back surface of the piezoelectric vibrator 1.
  • the conventional configuration has a problem that the thickness of the backing layer 4 is inevitably increased. Further, even if a heat dissipation block is provided on the back surface of the backing layer 4 in order to reduce the thickness of the backing layer 4, a heat dissipation block is required in addition to the backing layer 4, so that the entire configuration for attenuating the ultrasonic waves It is difficult to reduce the thickness. Furthermore, since a member different from the backing layer is required when using the heat dissipation block, there arises a problem that the cost for manufacturing the ultrasonic probe increases.
  • the present invention solves the above-mentioned conventional problems, effectively attenuates the ultrasonic wave radiated from the piezoelectric vibrator to the back surface by the backing layer, and reduces the reflected wave returning from the back surface to the vibrator side,
  • the object is to significantly reduce the thickness of the backing layer as compared with the prior art.
  • an ultrasonic probe according to the present invention is bonded to a vibration element that emits ultrasonic waves and a back surface of the vibration element, and has a phase opposite to the front direction of the vibration element.
  • a backing member for attenuating the ultrasonic waves radiated in the back direction of the vibration element, and the backing member includes a plurality of acoustic tubes having different lengths based on the principle of superposition of acoustic waves.
  • the longitudinal direction is arranged in a direction that coincides with the traveling direction of the ultrasonic wave emitted from the vibration element in the front direction and the back direction, and the acoustic tube is configured to emit the ultrasonic wave radiated by the vibration element to the backing member side. Attenuate in whole or in part.
  • the backing layer provided on the back surface of the piezoelectric vibrator has an acoustic wave having a sufficiently short width (at least half a wavelength or less) with respect to the wavelength of the emitted ultrasonic wave.
  • One or more tubes are provided. The length of the acoustic tube is set according to the wavelength of the emitted ultrasonic wave so that the incident wave and the reflected wave cancel each other out.
  • the reflected wave is effectively reduced by canceling the reflected wave reflected and returned at the end of the backing layer, and a good ultrasonic image without noise is obtained. be able to.
  • the backing layer can be structurally thinned, the cost associated with the material can be reduced and the device can be made thinner. Furthermore, since heat generation can be suppressed, a stronger output is possible, and the apparent sensitivity is improved accordingly.
  • FIG. 1A and FIG. 1B are diagrams showing an example of the appearance of an ultrasonic probe and an ultrasonic diagnostic apparatus.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a conventional ultrasonic probe.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of an ultrasonic probe including a backing layer having a single acoustic tube in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of an ultrasonic probe including a backing layer having a plurality of acoustic tubes according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing an example of a backing layer including acoustic tubes arranged based on the quadratic residue series according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 1A and FIG. 1B are diagrams showing an example of the appearance of an ultrasonic probe and an ultrasonic diagnostic apparatus.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a conventional ultrasonic probe.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing an example of a backing layer including acoustic tubes arranged based on the primitive root series in the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram comparing noise amplitude changes with and without the acoustic tube in the backing layer.
  • FIGS. 8A to 8D are a perspective view and a three-dimensional view showing a three-dimensional structure of a one-dimensional acoustic tube.
  • FIGS. 9A to 9D are a perspective view and a three-dimensional view showing a three-dimensional structure of a two-dimensional acoustic tube.
  • FIGS. 10A and 10B are cross-sectional views showing the bonding direction of the acoustic tube formed in the backing layer and the other layer having the opening.
  • FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the dicing direction of the piezoelectric vibrator and the forming direction of the one-dimensional acoustic tube formed in the backing layer.
  • 12 (a) and 12 (b) are diagrams showing a method for forming a backing layer when microcapsules are used as acoustic tubes.
  • FIG. 13 is a diagram showing a method for forming a backing layer when a spherical microballoon is used.
  • FIG. 14A is a flowchart showing a procedure for forming a backing layer using screen printing.
  • FIG. 14B is a flowchart showing a forming procedure in a case where a backing layer is formed by embossing using a precision die used in the nanoimprint technology or the like.
  • FIG. 14C is a flowchart showing a forming procedure in the case of forming a backing layer using a cylindrical microcapsule as an acoustic tube.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing the ultrasonic probe according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the ultrasonic probe according to the first embodiment includes a piezoelectric vibrator 1, a matching layer 2, an acoustic lens 3, and a backing layer 4.
  • the acoustic tube 5 is arranged inside the backing layer 4 as shown in FIG.
  • the acoustic tube 5 has a width that is sufficiently smaller than the wavelength of the ultrasonic wave radiated from the piezoelectric vibrator 1 and is formed to a length that causes cancellation of the ultrasonic wave between the direct wave and the reflected wave.
  • the wavelength ⁇ in the backing layer 4 can be obtained by Equation 1.
  • the width w of the acoustic tube 5 needs to be w ⁇ Ln in order to maintain the straightness of the sound wave.
  • the ultrasonic wave radiated from the piezoelectric vibrator 1 to the back surface can be attenuated and only the front surface ultrasonic wave can be received, the sensitivity of the ultrasonic signal is improved and good. Can be obtained.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the backing layer 4 in the second embodiment of the present invention.
  • a plurality of acoustic tubes 5 are arranged inside the backing layer 4.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing an example of the arrangement of the acoustic tubes 5 in the second embodiment.
  • an example of the backing layer in which the acoustic tubes 5 are arranged based on the quadratic residue series is shown.
  • the length Ln of each acoustic tube is determined by a one-dimensional quadratic residue sequence shown in the following Equation 2.
  • c is the speed of sound
  • N is a prime number
  • n is an integer varying from 0 to (N ⁇ 1)
  • ⁇ r is an arbitrary design frequency.
  • the length of each acoustic tube 5 is 1 and 4 respectively, with 45.5 ⁇ m as the unit length “1”. , 9, 5, 3, 3, 5, 9, 4, 1, 0.
  • FIG. 7 is a diagram comparing noise amplitude changes with and without the acoustic tube in the backing layer.
  • the backing layer in which the acoustic tubes 5 are arranged based on the primitive root series is shown. Note that the arrangement of the acoustic tubes 5 shown in FIGS. 5 and 6 is not limited to a one-dimensional arrangement, and may be a two-dimensional arrangement.
  • FIG. 8 is a perspective view and a three-side view showing a three-dimensional structure of a one-dimensional acoustic tube.
  • FIG. 8A is a perspective view showing the backing layer 4 in which the one-dimensional acoustic tube 5 is formed in the arrangement shown in FIG.
  • FIG. 8B grooves that are parallel to the lateral direction are formed in the backing layer 4.
  • the depth of the grooves is formed in the order of the depths of 1, 4, 9, 5, 3, 3, 5, 9, 4, 1, 0 in the vertical direction.
  • each single groove is a groove having a uniform depth. If this is cut along a plane perpendicular to the longitudinal direction of the grooves, the depths of the respective grooves are arranged in a quadratic residue series as shown in FIG.
  • FIG. 9 is a perspective view and a three-dimensional view showing a three-dimensional structure of a two-dimensional acoustic tube.
  • FIG. 9A is a perspective view showing the backing layer 4 on which the two-dimensional acoustic tube 5 is formed.
  • the grooves are arranged so that the depths of the grooves are repeated in a predetermined pattern when viewed from the vertical direction of the cross section and from the horizontal direction.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing the bonding direction between the surface having the opening of the acoustic tube formed in the backing layer and the piezoelectric vibrator 1.
  • FIG. 10A shows an example in which the surface of the backing layer 4 without the opening of the acoustic tube 5 is bonded to the layer of the piezoelectric vibrator 1.
  • FIG. 10B shows an example in which the surface of the backing layer 4 having the opening of the acoustic tube 5 is bonded to the layer of the piezoelectric vibrator 1.
  • the surface having the opening of the acoustic tube 5 may be on either side with respect to the piezoelectric vibrator 1. It may be formed as shown in FIG. 10A or may be formed as shown in FIG.
  • FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the dicing direction of the piezoelectric vibrator and the forming direction of the one-dimensional acoustic tube formed in the backing layer.
  • the acoustic tube 5 is formed so that the dicing direction of the piezoelectric vibrator 1 and the longitudinal direction of the groove of the acoustic tube 5 are orthogonal to each other.
  • a larger number of acoustic tubes with different lengths act on the piezoelectric vibrators for one channel, so that the reflected wave can be more effectively reduced in the backing layer 4.
  • FIG. 14A is a flowchart showing a procedure for forming a backing layer using screen printing. Specifically, first, a screen printing mask adjusted to obtain a dry thickness of 250 ⁇ m is formed on the substrate (S1401). Next, a resist for printing a predetermined pattern is formed (S1402), and a material with high impedance such as a conductive paste using metal is poured as a paste to perform printing (S1403). Thereby, pores are formed on the substrate.
  • the substrate portion that is the substrate to be printed is preferably a material having an acoustic impedance equivalent to or close to that of the conductive paste used for printing.
  • a resin material having a small acoustic impedance is poured into the pores, and the interior is filled with resin while completely expelling the air inside the pores using a squeegee (a spatula) or the like (S1404).
  • This backing material can be dried or solidified by reaction to obtain a backing member that effectively reduces reflected waves at 5 MHz (S1405).
  • FIG. 14B is a flowchart showing a forming procedure in a case where a backing layer is formed by embossing using a precision die used in the nanoimprint technology or the like. Specifically, first, a mold finely processed into a predetermined pattern is pressed into a resin to form grooves or pores on the substrate (S1411).
  • the aperture is not necessarily 250 ⁇ m or less.
  • the wave guide path through which the sound wave is transmitted must be formed by a convex portion.
  • a paste having a high acoustic impedance such as metal is filled into the groove or pore obtained here while completely expelling air inside the pore with a squeegee or the like (S1412).
  • This backing material can be dried or solidified by reaction to obtain a backing member that effectively reduces reflected waves at 5 MHz (S1413).
  • FIG. 12 is a diagram showing a method for forming a backing layer when microcapsules are used as acoustic tubes.
  • FIG. 12A is a view showing a method for extruding a resin in which cylindrical microcapsules are mixed.
  • FIG. 12B is a diagram showing a method for growing columnar crystals on a substrate by CVD.
  • FIG. 14C is a flowchart showing a forming procedure in the case of forming a backing layer using a cylindrical microcapsule as an acoustic tube.
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • the microballoon may be formed using the carbon fiber or the carbon nanotube whose length is controlled as described above as a nucleus.
  • a unit length “1” is set to 45.5 ⁇ m, and it is grown or cut so as to be a maximum of 9 times the length.
  • Columnar porous material produced by hydrolyzing and polycondensation reaction (sol-gel reaction) of metal alkoxides containing Si, etc. in a water / oil-based solution using a single fiber or fibrillar material produced as a core A cylindrical microcapsule obtained by baking is formed (S1421). The formed microcapsules are added to the resin at a predetermined blending ratio and extruded (S1422). A member obtained by cutting the extruded resin perpendicularly to the extrusion direction is used as a backing (S1423).
  • the cylindrical microcapsules act to align the resin in the longitudinal direction in the resin flow direction. Accordingly, as shown in the left diagram of FIG. 12A, by cutting a resin substrate that has been extruded so that the cut surface is perpendicular to the flow direction, acoustic tubes of different depths can be formed while aligning the apertures. It can be expressed on the surface part. Further, instead of microcapsules, a columnar crystal is grown on a substrate, and a space between the obtained columnar crystals is filled with a resin to form a reflective layer, whereby a backing layer in which the columnar crystal portion is an acoustic tube 5 is formed. 4 can be formed. Since the length of the columnar crystal can be controlled by growing the columnar crystal by CVC or the like, the acoustic tubes 5 arranged based on Embodiment 2 can be formed with high accuracy.
  • FIG. 13 is a diagram showing a method for forming the backing layer 4 when a spherical microballoon is used. First, a plurality of types of resin layers are formed using a resin in which spherical microballoons are uniformly mixed at different predetermined ratios.
  • the resin layers having different mixing densities formed in this way are stacked in a predetermined order, and are arranged so that the microballoons continue to the length of the acoustic tube 5 in the stacking direction.
  • a backing layer 4 in which resin layers are laminated as shown in FIG. 13 can be formed.
  • each acoustic tube has been described as a typical example.
  • the cross-section of each acoustic tube has any shape such as an ellipse, a triangle, and a hexagon. May be.
  • the reflected wave at the backing layer 4 can be attenuated, and the sensitivity of the ultrasonic probe can be increased. Moreover, since heat can be released to the outside using a plurality of acoustic tubes, the heat inside the backing layer 4 can be dissipated.
  • the present invention can be used as an ultrasonic probe to reduce the reflected wave at the backing layer and improve the sensitivity of the received ultrasonic signal, and to reduce the thickness and reduce the cost associated with the reduction in thickness. It is.

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Abstract

　圧電振動子（１）から背面に放射された超音波をバッキング層（４）で効果的に減衰させると共に、圧電振動子（１）側に戻る反射波を低減させて、感度のよい超音波探触子を実現し、さらにバッキング層４の厚さを従来よりも大幅に低減させる。　超音波を発する圧電振動子（１）と、圧電振動子（１）の背面に接合され、圧電振動子（１）の前面方向とは逆の位相で圧電振動子（１）の背面方向に放射された超音波を減衰するバッキング層（４）とを備え、バッキング層（４）は、音波の重ね合わせの原理に基づく長さの異なる複数の音響管（５）を、その長手方向が、圧電振動子（１）から発せられる超音波の前面方向および背面方向への進行方向と一致する向きに配置し、音響管（５）は、圧電振動子（１）がバッキング層（４）側に放射された超音波を、全体的にまたは部分的に減衰する。

Description

超音波探触子
　本発明は、超音波診断に用いられる超音波探触子に関する。
　図１は、超音波探触子および超音波診断装置の外観の一例を示す図である。図１（ａ）に示すように、超音波探触子は、超音波診断装置にケーブルで接続されており、図中の矢印方向に超音波を送信し、生体で反射された矢印と逆方向の反射波を受信する。図１（ｂ）に示すように、超音波診断装置は、超音波探触子で受信された反射波を画像解析し、解析によって得られた生体内部の画像をモニタに表示する。
　このような超音波探触子において、圧電振動子から超音波を送信する際、振動子の前面のみならず、背面にも超音波が放射される。
　ここで、従来の超音波探触子の一例について、図を用いて説明する。図２は、従来の超音波探触子の構成を示す縦断面図である。図２の上方から、音響レンズ３、整合層２、圧電振動子１、バッキング層４と積層された構造がとられている。
　一般的な超音波装置では、圧電振動子１から発信された超音波が整合層２、音響レンズ３を通り、生体に放射される。この結果、生体内で反射した超音波が往路と逆のルートを辿り、再び圧電振動子１にて受信され、その受信強度や応答時間に即した信号が濃淡になって映像化される。
　一方、冒頭で述べたように、圧電振動子１からは、前面と逆の位相の超音波が同時に背面へ放射される。圧電振動子１の背面に放射された超音波は、バッキング層４で減衰される。ところが、バッキング層４が背面に放射された超音波を減衰するに十分な損失を持たない素材で構成されている場合には、逆位相の超音波が、バッキング層４内で反射し、圧電振動子１側へ戻ることがある。
　このような反射波の影響で、受信した超音波信号にノイズが重畳し、超音波診断装置の超音波解像度が劣化してしまう現象が起きる。
　一般には、背面に出力された超音波が、十分な減衰を得られるだけの内部損失と距離を有した素材をバッキング層４に配置することで、超音波診断装置の超音波解像度を保っている。ただし、この従来手法では、バッキング層そのものが厚くなってしまうという欠点があった。
　また、特許文献１では、バッキング層４の厚みを小さくするために、バッキング層４の背面に放熱ブロックを配置することで、圧電振動子１の背面に出力された超音波を減衰させている。
国際公開第２００６／０６２１６４号公報
　しかしながら、従来の構成では、バッキング層４の厚みがどうしても大きくなるという課題が生じる。また、バッキング層４の厚みを小さくするために、バッキング層４の背面に放熱ブロックを設けたとしても、バッキング層４に加え、放熱ブロックが必要となるため、超音波を減衰させるための構成全体の厚みを小さくすることは困難である。更に、放熱ブロックを用いる場合には、バッキング層とは別の部材が必要となるため、超音波探触子を製造する際のコストが増加するという課題が生じる。
　本発明は、前記従来の課題を解決するもので、圧電振動子から背面に放射された超音波をバッキング層で効果的に減衰させると共に、背面から振動子側に戻る反射波を低減させて、感度のよい超音波探触子を実現することに加え、バッキング層の厚さを従来よりも大幅に低減させることを目的とする。
　前記従来の課題を解決するために、本発明にかかる超音波探触子は、超音波を発する振動素子と、前記振動素子の背面に接合され、前記振動素子の前面方向とは逆の位相で前記振動素子の背面方向に放射された超音波を減衰するバッキング部材とを備え、前記バッキング部材には、音波の重ね合わせの原理に基づく長さの異なる複数の音響管が、各前記音響管の長手方向が、前記振動素子から発せられる超音波の前面方向および背面方向への進行方向と一致する向きに配置され、前記音響管は、前記振動素子が前記バッキング部材側に放射した超音波を、全体的にまたは部分的に減衰する。
　本発明にかかる超音波探触子によれば、圧電振動子の背面に設けられたバッキング層には、放射される超音波の波長に対して、十分に短い幅（少なくとも半波長以下）の音響管がひとつまたは複数設けられている。この音響管の長さは、入射波と反射波が干渉して打ち消し合うように、放射される超音波の波長に応じて設定される。
　上記構成によって、圧電振動子の背面から出力され、バッキング層の終端で反射して戻ってくる反射波を音響管で打ち消すことによって、ノイズを効果的に低減することができ、発熱を抑制し、受信信号に影響を及ぼさず、かつ、バッキング層の薄型化した超音波探触子を実現することができる。
　本発明にかかる超音波探触子によれば、バッキング層の終端で反射して戻ってくる反射波を打ち消すことによって、効果的に反射波を低減し、ノイズの無い良好な超音波画像を得ることができる。
　また、構造的にバッキング層を薄くすることができるため、素材に伴うコストの低減と、デバイスの薄型化が図られる。さらに、発熱を抑えることができるため、より強い出力が可能となり、それに伴い見かけの感度が向上する。
図１（ａ）（ｂ）は、超音波探触子および超音波診断装置の外観の一例を示す図である。 図２は、従来の超音波探触子の断面図である。 図３は、本発明の実施の形態１における単一の音響管を有するバッキング層を備えた超音波探触子の断面図である。 図４は、本発明の実施の形態２における複数の音響管を有するバッキング層を備えた超音波探触子の断面図である。 図５は、本発明の実施の形態２における平方剰余系列に基づいて配列された音響管を備えるバッキング層の一例を示す断面図である。 図６は、本発明の実施の形態２における原始根系列に基づいて配列された音響管を備えるバッキング層の一例を示す断面図である。 図７は、バッキング層に音響管を備える場合と備えない場合とで雑音の振幅変化を比較した図である。 図８（ａ）～（ｄ）は、一次元の音響管の立体的構造を示す斜視図および三面図である。 図９（ａ）～（ｄ）は、二次元の音響管の立体的構造を示す斜視図および三面図である。 図１０（ａ）（ｂ）は、バッキング層に形成された音響管の開口部がある面の他の層との接合方向を示す断面図である。 図１１は、圧電振動子のダイシング方向とバッキング層に形成される一次元音響管の形成方向との関係を示す図である。 図１２（ａ）（ｂ）は、音響管としてマイクロカプセルを用いる場合のバッキング層の形成方法を示す図である。 図１３は、球状のマイクロバルーンを用いる場合のバッキング層の形成方法を示す図である。 図１４Ａは、スクリーン印刷を利用したバッキング層の形成手順を示すフローチャートである。 図１４Ｂは、ナノインプリント技術などに用いられる精密型を用いた型押しによりバッキング層を形成する場合の形成手順を示すフローチャートである。 図１４Ｃは、円筒型のマイクロカプセルを音響管として用いたバッキング層を形成する場合の形成手順を示すフローチャートである。
　以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
　（実施の形態１）
　図３は、本発明の実施の形態１における超音波探触子を示す断面図である。図３に示すように、本実施の形態１にかかる超音波探触子は、圧電振動子１、整合層２、音響レンズ３、およびバッキング層４を備えている。
　本実施の形態にかかる超音波探触子は、図３のようにバッキング層４の内部に、音響管５が配置されている。音響管５は、圧電振動子１から放射される超音波の波長に比べて十分に小さい幅で、直接波と反射波で超音波の打ち消しが生じるような長さに成型されている。
　例えば、バッキング層４をエポキシ樹脂で構成した場合、圧電振動子１からｆ＝５MHzの超音波が放射されたとすれば、バッキング層４での波長λは式１で求めることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　エポキシ樹脂内の音速ｃ＝５０００ｍ/ｓとすれば、超音波の波長はλ＝１０００μｍとなる。これに対し、音響管５の長さLnが２５０μｍであれば、反射波の位相が１／４ずれて、打消しが生じる。また、この場合、音響管５の幅ｗは、音波の直進性を維持するため、ｗ＜Lnにする必要がある。
　以上のような音響管５を用いたバッキング層４では、圧電振動子１から背面に放射される超音波を減衰させ、前面の超音波のみを受信できるため、超音波信号の感度が上がり、良好な画像を得ることができる。
　（実施の形態２）
　図４は、本発明の実施の形態２におけるバッキング層４の断面図である。バッキング層４の内部には、複数の音響管５が配置されている。
　図５は、実施の形態２における音響管５の配列の一例を示す断面図である。同図では、音響管５が平方剰余系列に基づいて配列されたバッキング層の一例を示している。各音響管の長さLnは、以下の式２に示す１次元の平方剰余系列によって定められている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　ここで、ｃは音速、Nは素数、ｎは０～（N－１）まで変化する整数、ωｒは任意の設計周波数である。たとえば、エポキシ樹脂内での音速ｃ＝５０００ｍ／ｓ、N＝１１、ωｒ＝５MHzに仮定すると、各音響管５の長さは、４５．５μｍを単位長さ"１"として、それぞれ１、４、９、５、３、３、５、９、４、１、０という長さになる。
　音響管５をこのような配列で配置したものは、隣り合う音響管５の入口付近で位相の不連続が生じるため、広帯域の音波を吸音および拡散させることが知られており、バッキング層４の内部での反射波を低減させることができる。複数の音響管５をこのように配置した場合の効果の一例を図７に示す。図７は、バッキング層に音響管を備える場合と備えない場合とで雑音の振幅変化を比較した図である。
　また、各音響管５の長さLnは、以下の式３に示す原始根系列でも、同様の効果を得ることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　ここで、ｃは音速、Ｎは素数、ｎは０～（Ｎ－１）まで変化する整数、ｒはＮの原始根、ωｒは任意の設計周波数である。図６は、Ｎ＝１１、ｒ＝２の場合の音響管５の配列の一例を示す断面図である。同図では、音響管５が原始根系列に基づいて配列されたバッキング層の一例を示している。なお、図５および図６に示した音響管５の配列は、一次元の配列に限らず、二次元の配列であってもよい。図８は、一次元の音響管の立体的構造を示す斜視図および三面図である。図８（ａ）は、図５に示した配列で一次元の音響管５が形成されたバッキング層４を示す斜視図である。例えば、図８（ｂ）に示すように、バッキング層４には、横方向に平行な溝が形成される。溝の深さは、縦方向に順に、１、４、９、５、３、３、５、９、４、１、０の深さの順で形成される。図８（ｃ）に正面図で示すように、それぞれ単一の溝は深さが均一な溝である。これを溝の長手方向に対して垂直な面で切断したとすると、図８（ｄ）のように、それぞれの溝の深さは平方剰余系列で配列されている。
　図９は、二次元の音響管の立体的構造を示す斜視図および三面図である。図９（ａ）は、二次元の音響管５が形成されたバッキング層４を示す斜視図である。例えば、図９（ｂ）に示すように、バッキング層４には、縦横の二次元方向にまちまちの深さで溝が形成される。ｃ＝５０００ｍ／ｓ、N＝７、ωｒ＝５MHzの場合、溝の深さは、７１．５μｍを単位長さとして、整数倍の深さで形成される。図９（ｃ）および図９（ｄ）で示すように、断面垂直方向から見ても水平方向から見ても、溝の深さが所定のパターンで繰り返されるよう配列されている。
　図１０は、バッキング層に形成された音響管の開口部を有する面と圧電振動子１との接合方向を示す断面図である。図１０（ａ）は、バッキング層４の音響管５の開口部がない方の面が、圧電振動子１の層に接合される例を示している。また、図１０（ｂ）は、バッキング層４の音響管５の開口部がある方の面が、圧電振動子１の層に接合される例を示している。音響管５により、バッキング層４の終端で反射して戻ってくる反射波を打ち消す場合、音響管５の開口部を有する面は、圧電振動子１に対してどちら側にあってもよく、図１０（ａ）のように形成されてもよいし、図１０（ｂ）のように形成されてもよい。
　図１１は、圧電振動子のダイシング方向とバッキング層に形成される一次元音響管の形成方向との関係を示す図である。同図に示すように、バッキング層４に一次元の音響管５を形成する場合、圧電振動子１のダイシング方向と、音響管５の溝の長手方向とが直交するように音響管５を形成することにより、１ｃｈ分の圧電振動子に、より多くの長さが異なる音響管が作用することになるので、バッキング層４において反射波をより効果的に低減することができる。
　（実施の形態３）
　本実施の形態３にかかるバッキング層４を実現する為に、実施の形態１に基づき、基板上に２５０μｍの起伏を精密印刷によって形成する。これにおいて、音響管の長手方向は、印刷されるインクの厚み方向に相当する。図１４Ａは、スクリーン印刷を利用したバッキング層の形成手順を示すフローチャートである。具体的には、まず、２５０μｍの乾燥厚みが得られるように調整されたスクリーン印刷用マスクを基板上に形成する（Ｓ１４０１）。次に、所定のパターンを印刷するためのレジストを形成し（Ｓ１４０２）、金属を用いた導電ペーストなどのインピーダンスの高い材料をペーストとして流し込み、印刷を行う（Ｓ１４０３）。これにより、基板上に細孔を形成する。なお、ここでは、印刷されるペーストの厚みは、２５０μｍ以下を保つようにすることが必要であり、前記条件により音波の細孔への直進性が良好となり、高い効果が得られる。ただし、２５０μｍを超えた時点で効果が急にゼロになるわけではないため、所望の効果が得られていれば、必ずしも全てが２５０μｍ以下という精度を保っている必要はない。
　被印刷体である基板部分は音波の反射を容易にするため、印刷に用いた導電ペーストと同等かそれに近い音響インピーダンスを有する素材が望ましい。次に、この細孔に音響インピーダンスの小さな樹脂材料を流し込み、スキージ（へら）などを用いて細孔内部の空気を完全に追い出しながら、内部に樹脂を充填する（Ｓ１４０４）。
　この素材を乾燥または、反応などによって固化させることにより５ＭＨｚで効果的に反射波を低減させるバッキング部材を得ることができる（Ｓ１４０５）。
　（実施の形態４）　
　本実施の形態４にかかるバッキング層４を実現する為の別の手段は、ナノインプリント技術などに用いられる精密型を用いて、所定のパターンに微細加工された型を樹脂に型押しする技術である。これにより、口径が２５０μｍ以下となるような溝または細孔を基板上に形成させることで、実施の形態４のバッキング層４が得られる。図１４Ｂは、ナノインプリント技術などに用いられる精密型を用いた型押しによりバッキング層を形成する場合の形成手順を示すフローチャートである。具体的には、まず、所定のパターンに微細加工された型を樹脂に型押しし、基板上に溝又は細孔を形成する（Ｓ１４１１）。
　本手段においても、実施の形態３と同様の理由から、必ずしも口径が２５０μｍ以下である必要はない。このときのパターンは、音波の伝達する波導路は凸部で形成されなければならない。
　さらに、ここで得られた溝または細孔に金属などの音響インピーダンスの高いペーストをスキージなどで細孔内部の空気を完全に追い出しながら、内部に充填する（Ｓ１４１２）。
　この素材を乾燥または、反応などによって固化させることにより５ＭＨｚで効果的に反射波を低減させるバッキング部材を得ることができる（Ｓ１４１３）。
　（実施の形態５）
　図１２は、音響管としてマイクロカプセルを用いる場合のバッキング層の形成方法を示す図である。図１２（ａ）は、円筒形のマイクロカプセルを混合した樹脂を押し出し成型する方法を示す図である。図１２（ｂ）は、ＣＶＤにより基板上に柱状結晶を成長させる方法を示す図である。図１４Ｃは、円筒型のマイクロカプセルを音響管として用いたバッキング層を形成する場合の形成手順を示すフローチャートである。ここでは、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、またはカーボンナノチューブなどを用いて、柱状結晶の長さをコントロールしながら、結晶を成長させるものとする。あるいは、このように長さをコントロールしたカーボン繊維またはカーボンナノチューブを核として、マイクロバルーンを形成するとしてもよい。
　本実施の形態５にかかるバッキング層４を実現するためには、実施の形態２に基づき、４５．５μｍを単位長さ"１"として、最大９倍の長さとなるように成長、または切断して作製した単繊維またはフィブリル状の物質を核として、Ｓｉなどを有する金属アルコキシドを水／油系の溶液内で加水分解、縮重合反応させ（ゾル－ゲル反応）生成される柱状の多孔質物質を焼成することで得られる円筒形のマイクロカプセルを形成する（Ｓ１４２１）。形成したマイクロカプセルを所定の配合率で樹脂に添加し、押し出し成型する（Ｓ１４２２）。押し出し成型された樹脂を、押し出し方向と垂直にカッティングすることで得られる部材をバッキングとして用いる（Ｓ１４２３）。図１２（ａ）に示すように、マイクロカプセルが混合された樹脂を押し出し成型することにより、円筒形のマイクロカプセルに対して、樹脂の流れ方向に長手方向を向けて揃えるような作用が働く。従って、図１２（ａ）の左図のように、切断面が流れ方向と垂直になるように押し出し成型された樹脂基板をカッティングすることにより、口径を揃えつつ、深さの異なる音響管を基板の表面部に表出することができる。また、マイクロカプセルの代わりに、基板上に柱状結晶を成長させ、得られた柱状結晶の間を樹脂で埋めて、反射層を形成することにより、柱状結晶の部分を音響管５とするバッキング層４を形成することができる。ＣＶＣなどによって柱状結晶を成長させることにより、柱状結晶の長さをコントロールすることができるので、精度よく実施の形態２に基づいて配列された音響管５を形成することができる。
　また、溝または孔を切削することで本実施の形態にかかるバッキング層を実現してもよい。さらに、樹脂層内に配置された球状のマイクロバルーン粒子が、樹脂層を積層することによって、音響管５の長手方向に対応して積層方向に、連続的に配置されるよう形成するとしても同様の効果を期待できる。図１３は、球状のマイクロバルーンを用いる場合のバッキング層４の形成方法を示す図である。まず、あらかじめ定めた異なる割合で球状のマイクロバルーンが均一に混合された樹脂を用いて、複数種類の樹脂層を形成する。このように形成された混合密度の異なる樹脂層を、所定の順に積層し、積層方向にマイクロバルーンが音響管５の長さに連続するように配置する。これによって、図１３に示すような、樹脂層が積層されてなるバッキング層４を形成することができる。
　なお上記実施の形態では、各音響管の断面形状が四角形または円形である場合を典型例として説明したが、各音響管の断面は、楕円形、三角形および六角形など、どのような形状であってもよい。
　以上のような配置の音響管５を用いることによって、バッキング層４での反射波を減衰させることができ、超音波探触子の感度を上げることができる。また、複数の音響管を利用して、熱を外部に逃がすことができるので、バッキング層４の内部の熱を放熱することができる。
　本発明は、バッキング層での反射波を低減し、受信超音波信号の感度を向上させることに加え、薄型化を図り、薄型化に伴う低コスト化を実現する超音波探触子として利用可能である。
　１　　圧電振動子
　２　　整合層
　３　　音響レンズ
　４　　バッキング層
　５　　音響管 

Claims (13)

  1. 　超音波を発する振動素子と、
    　前記振動素子の背面に接合され、前記振動素子の前面方向とは逆の位相で前記振動素子の背面方向に放射された超音波を減衰するバッキング部材とを備え、
    　前記バッキング部材には、音波の重ね合わせの原理に基づく長さの異なる複数の音響管が、各前記音響管の長手方向が、前記振動素子から発せられる超音波の前面方向および背面方向への進行方向と一致する向きに配置され、
    　前記音響管は、前記振動素子が前記バッキング部材側に放射した超音波を、全体的にまたは部分的に減衰する
    　超音波探触子。
  2. 　前記バッキング部材は、前記音響管に代えて、前記音響管に準ずる反射構造体を備える
    　請求項１に記載の超音波探触子。
  3. 　前記音響管は、前記バッキング部材と他層との接合面上の直線方向に、整数ｎの順に並ぶよう配列され、
    　音速をｃ、素数をＮ、０～（N－１）まで変化する整数をｎ、任意の設計周波数をωｒとして、各音響管の長さLnが、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
     を満たすように配置されている
    　請求項１に記載の超音波探触子。
  4. 　前記音響管は、前記バッキング部材と他層との接合面上の直線方向に、整数ｎの順に並ぶよう配列され、
    　音速をｃ、素数をＮ、０～（Ｎ－１）まで変化する整数をｎ、Ｎの原始根をｒ、任意の設計周波数をωｒとして、各音響管の長さLnが、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
     　を満たすように配置されている
    　請求項１に記載の超音波探触子。
  5. 　前記バッキング部材は、
    　複数のマイクロカプセルと、硬化性の高分子樹脂とから構成され、
    　前記音響管に準ずる反射構造体は、前記高分子樹脂中に分布した前記複数のマイクロカプセルで構成される
    　請求項１に記載の超音波探触子。
  6. 　前記マイクロカプセルは、所定の長さを有する単繊維のファイバを基材とし、ゾルーゲル反応によって外骨格を付与した球形もしくは、円筒形の素材である
    　請求項５に記載の超音波探触子。
  7. 　前記マイクロカプセルは、円筒形の素材であり、
    　前記音響管に準ずる反射構造体は、前記マイクロカプセルが円筒形の長手方向を一方向に揃えて配置されている
    　請求項５または請求項６に記載の超音波探触子。
  8. 　請求項１に記載の超音波探触子を備える超音波診断装置。
  9. 　超音波探触子に用いるバッキング部材の生成方法であって、
    　複数のマイクロカプセルと硬化性の高分子樹脂との混和物を、前記マイクロカプセルの添加率を変えて複数生成し、
    　添加率の異なる複数の前記混和物からなる樹脂層を積層した後、所定の形に硬化成型することにより前記バッキング部材を生成する
    　生成方法。
  10. 　前記マイクロカプセルを、所定の長さを有する単繊維のファイバを基材とし、ゾル－ゲル反応により外骨格を付与した球形、もしくは、円筒形の素材として生成する
    　請求項９に記載の生成方法。
  11. 　超音波探触子に用いるバッキング部材の生成方法であって、
    　複数のマイクロカプセルと硬化性の高分子樹脂との混和物を生成し、
    　前記混和物を押し出し成型することにより、カプセルの長手方向を一方向に揃えて硬化させることにより前記バッキング部材を生成する
    　生成方法。
  12. 　前記マイクロカプセルを、所定の長さを有する単繊維のファイバを基材とし、ゾル－ゲル反応により外骨格を付与した円筒形の素材として生成する
    　請求項１１に記載の生成方法。
  13. 　前記マイクロカプセルは、長手方向の長さが２種類以上ある
    　請求項１２に記載の生成方法。 
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