(57)【要約】超音波を生体へ効率よく伝播できる音響整合層を有する超音波プローブを提供することを目的とする。超音波プローブ（１０）は、電圧が印加されることにより超音波を発生する圧電振動子（１１）と、圧電振動子（１１）と被検体との間の音響インピーダンスを整合する音響整合層（１３）とを備える超音波プローブ（１０）であって、音響整合層（１３）は、結合材と１ミクロン以下の金属ナノ粒子とを配合した配合物に対して焼成を行うことにより、その表面全体にわたって多数の微細孔が形成された焼結層（１３ａ）を有する。
2012144226.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧が印加されることにより超音波を発生する圧電振動子と、前記圧電振動子と被検体との間の音響インピーダンスを整合する音響整合層とを備える超音波プローブであって、
前記音響整合層は、結合材と１ミクロン以下の金属ナノ粒子とを配合した配合物に対して焼成を行うことにより、その表面全体にわたって多数の微細孔が形成された焼結層を有する
超音波プローブ。
【請求項２】
前記音響整合層は、互いに隣接し合う２層の前記焼結層を有し、一方の前記焼結層の微細孔に、他方の前記焼結層の一部が入り込んでいる
請求項１に記載の超音波プローブ。
【請求項３】
前記焼結層は、当該焼結層に隣接する部材と接着層を介して接着されており、
前記接着層は、その一部が当該焼結層の微細孔に入り込んでいる
請求項１に記載の超音波プローブ。
【請求項４】
前記音響整合層は、４層以上の層から成り、
前記４層以上の層のそれぞれは、異なる音響インピーダンスであり、前記圧電振動子に近い位置に設けられる層ほど前記圧電振動子の音響インピーダンスに近く、かつ、前記被検体に近い位置に設けられる層ほど前記被検体の音響インピーダンスに近い音響インピーダンスであり、
前記４層以上の層のうちの少なくとも１層の前記焼結層は、音響インピーダンスが１５ＭＲａｙｌｓ以上である
請求項１から３のいずれか１項に記載の超音波プローブ。
【請求項５】
前記４層以上の層のうちの少なくとも１層の前記焼結層は、金属粒子を重量比９０％以上含む
請求項４に記載の超音波プローブ。
【請求項６】
前記音響整合層は、互いに隣接し合う２層の前記焼結層を有し、一方の前記焼結層に前記結合材として含まれる第一結合材と、他方の前記焼結層に前記結合材として含まれる第二結合材とは、同じ素材であり、
前記第一結合材および前記第二結合材は、前記焼成が行われることにより互いに結着する
請求項１から５のいずれか１項に記載の超音波プローブ。
【請求項７】
前記音響整合層は４層以上の層から成り、
前記４層以上の層のうちの少なくとも１層の前記焼結層は、結合材と樹脂粒子とが配合されることにより成り、その音響インピーダンスが５ＭＲａｙｌｓ以下である
請求項１から６のいずれか１項に記載の超音波プローブ。
【請求項８】
前記金属ナノ粒子は、銀ナノ粒子、あるいは、銅ナノ粒子である
請求項１から７のいずれか１項に記載の超音波プローブ。
【請求項９】
前記結合材は、シリカ化合物、あるいは、耐熱性を有する有機系高分子樹脂を含む
請求項１から８のいずれか１項に記載の超音波プローブ。
【請求項１０】
前記配合物には、前記金属ナノ粒子の表面の酸化被膜に作用する還元剤が添加されている
請求項１から９のいずれか１項に記載の超音波プローブ。
【請求項１１】
前記焼結層は、前記金属ナノ粒子の表面の酸化被膜に作用する還元性ガスが添加されつつ、前記配合物の焼成が行われることにより成る
請求項１から９のいずれか１項に記載の超音波プローブ。
【請求項１２】
結合材と１ミクロン以下の金属ナノ粒子とが配合された第一配合物を溶媒で希釈して塗工する第一塗工工程と、
前記第一塗工工程において塗工された前記第一配合物を乾燥する第一乾燥工程と、
前記乾燥工程において乾燥された前記第一配合物を焼成することにより、表面に微細孔が形成された焼結層を作製する第一焼成工程と
を含む超音波プローブの製造方法。
【請求項１３】
さらに、
微細孔が形成された前記焼結層上に、前記第一配合物とは異なる第二配合物を溶媒で希釈して塗工する第二塗工工程と、
前記第二塗工工程において塗工された前記第二配合物が前記焼結層の前記微細孔に浸透したことを判定する浸透判定工程と、
前記浸透判定工程において前記第二配合物が前記焼結層の前記微細孔に浸透したことが判定された後に、前記第二塗工工程において塗工された前記第二配合物を乾燥する第二乾燥工程と、
前記第二乾燥工程において乾燥された第二配合物を焼成する第二焼成工程と
を含む請求項１２に記載の超音波プローブの製造方法。
【請求項１４】
さらに、
微細孔が形成された前記焼結層上に、接着層または前記第一配合物とは異なる第三配合物を塗工する第三塗工工程と、
前記接着層の一部または前記第三配合物を前記微細孔に浸透させるために、前記焼結層と前記接着層との間の空気を追い出す脱気工程と
を含む請求項１２に記載の超音波プローブの製造方法。
【請求項１５】
さらに、
微細孔が形成された前記焼結層上に、結合材と金属ナノ粒子または樹脂粒子との第四配合物を溶媒で希釈して塗工する第四塗工工程と、
前記第四塗工工程において塗工された前記第四配合物の上に、前記第四配合物に含まれる結合材と、金属ナノ粒子または樹脂粒子との第五配合物を溶媒で希釈して塗工する第五塗工工程と、
前記第四塗工工程において塗工された前記第四配合物と、前記第五塗工工程において塗工された前記第五配合物との２層を一度に焼成する第三焼成工程と
を含む請求項１２から１４のいずれか１項に記載の超音波プローブの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波診断に用いられる超音波プローブの音響整合層、およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超音波診断装置は、超音波プローブから超音波を被検体に送出し、被検体内部で反射された超音波を超音波プローブにおいて受信して、被検体内部の情報を得る装置である。具体的には、超音波診断装置では、超音波プローブを構成する圧電振動子から発信された超音波が被検体である生体に放射され、放射された超音波が生体内で反射され、反射された超音波が往路と逆のルートを辿り、再び圧電振動子において受信される。そして、超音波診断装置では、圧電振動子により受信した超音波の強度、超音波が放射されてから受信されるまでの応答時間などに基づいた情報から被検体内部が映像化される。超音波診断装置に用いられる超音波プローブは、多数の圧電振動子が配列されることにより構成され、通常、被検体と圧電振動子との間に、音響インピーダンスの整合をとるための音響整合層を備えている。【０００３】
一般的に音波は、様々な媒質の中を伝播する性質を持っており、異なる媒質が接する境界面では、両者の媒質の音響インピーダンスの差に応じて反射が生じる。このため、一方の媒質から他方の媒質への音波の伝播が阻害される。その傾向は、両者の音響インピーダンスの差が大きいほど強くなる。例えば、被検体が生体の場合、生体の音響インピーダンスは１．５ＭＲａｙｌｓ（＝１０＾６Ｎ・ｓ／ｍ３）であり、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）に代表される圧電セラミックからなる圧電振動子の音響インピーダンスは、およそ２９ＭＲａｙｌｓ（ただし、圧電振動子の素材構成により、２５〜３５ＭＲａｙｌｓ程度の幅を有する）である。ここで、媒質１の音響インピーダンスをＺ１、媒質２の音響インピーダンスをＺ２とする場合、媒質界面における音波の反射率は（Ｚ２−Ｚ１）／（Ｚ１＋Ｚ２）で与えられる。したがって、仮に生体に圧電振動子を直接接触させて超音波を送出しようとすれば、９割程度が生体に伝播されずに圧電振動子と生体との境界面において反射されてしまうこととなる。また、反対に、生体内から別の発信素子による超音波が超音波プローブ側に発信されたとしても、生体と圧電振動子との境界面において反射されるため、発信された超音波を受信することは難しい。【０００４】
音響整合層は、このような事態を避けるために挿入される部材であり、生体と圧電振動子との間の音響インピーダンスを有する素材で構成され、圧電振動子から生体へと段階的に音響インピーダンスを変化させることで生体と圧電振動子とを直接接触させる場合よりも反射率を低下させ、効率的に超音波を生体に伝播させる役割を担っている。例えば、上記インピーダンスを有する圧電振動子から出力された音波が生体に直接放射される場合、圧電振動子から生体への超音波の伝播率はおよそ１９％であるが、圧電振動子と生体との間に音響インピーダンスが１０ＭＲａｙｌｓの層を挟む場合では、当該伝播率は３４％に向上する。【０００５】
近年では、３層以上の音響整合層を用いて、生体と圧電振動子との間でより細かく音響インピーダンスを変化させることにより、超音波の周波数の広帯域化および高感度化を図る構成が提案されている（特許文献１参照）。このような、圧電振動子から生体に近づくにつれて、圧電振動子の音響インピーダンスから生体の音響インピーダンスに近づくように、音響インピーダンスの特性に傾斜を持たせた多層構造の音響整合層（以後、傾斜整合層）において、音響整合層の各層が所望の音響インピーダンスを持つように設定されることが効率的に生体へ超音波を伝播するために必要である。しかしながら、このような傾斜整合層を設計することは可能であるが、音響インピーダンスは材料に固有な物性であるため、設計上必要な数値に合致する音響インピーダンスの材料を得ることは容易ではない。【０００６】
例えば、プラスチック素材は、音響インピーダンスが２ＭＲａｙｌｓから４ＭＲａｙｌｓ程度のものが多く、その間では、比較的設計は容易であるが、４ＭＲａｙｌｓより大きい音響インピーダンスの材料の選択肢に欠ける。また、材質が金属の場合、一部を除き、音響インピーダンスは、圧電振動子の値を大きく超えてしまう。すなわち、音響インピーダンスが４ＭＲａｙｌｓから２９ＭＲａｙｌｓを構成する素材の絶対数が希薄であり、音響インピーダンスの値を４ＭＲａｙｌｓから２９ＭＲａｙｌｓの間の設計値になるように調整することが難しい。このため、圧電振動子と生体との間において超音波を効率良く伝えることができる音響整合層を製造することが難しいという課題がある。【０００７】
この課題に対し、特許文献２〜４において、複合材料で所定の音響インピーダンスを実現する取り組みが行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開昭６０−１００９５０号公報
【特許文献２】特開２００６−１７４９９１号公報
【特許文献３】特表２００９−５２８７８４号公報
【特許文献４】特開２０１１−０７７５７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献２〜４に記載された音響整合層では、圧電振動子によって発生された超音波を生体へ効率良く伝播できない。【００１０】
そこで、本発明の目的は、かかる問題に鑑みてなされたものであって、超音波を生体へ効率よく伝播できる音響整合層を有する超音波プローブを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る超音波プローブは、電圧が印加されることにより超音波を発生する圧電振動子と、前記圧電振動子と被検体との間の音響インピーダンスを整合する音響整合層とを備える超音波プローブであって、前記音響整合層は、結合材と１ミクロン以下の金属ナノ粒子とを配合した配合物に対して焼成を行うことにより、その表面全体にわたって多数の微細孔が形成された焼結層を有する。【００１２】
なお、これらの全般的または具体的な態様は、方法で実現されてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の超音波プローブは、圧電振動子と生体との間において超音波を効率良く伝播することができる。また、本発明の超音波プローブの製造方法では、圧電振動子と生体との間において超音波を効率よく伝播する事ができる超音波プローブを容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、実施の形態１における超音波診断装置の外観図である。
【図２】図２は、実施の形態１に係る超音波プローブの内部構造を示す斜視図である。
【図３】図３は、実施の形態１に係る音響整合層の拡大図である。
【図４】図４は、実施の形態１に係る金属粒子として銀ナノ粒子を用いた場合の、金属粒子の配合比と音響インピーダンスとの関係を示す図である。
【図５】図５は、実施の形態１に係る金属粒子として銅ナノ粒子を用いた場合の、金属粒子の配合比と音響インピーダンスとの関係を示す図である。
【図６】図６は、実施の形態１に係る樹脂粒子を用いた場合の、樹脂粒子の配合比と音響整合層の音響インピーダンスとの関係を示す図である。
【図７】図７は、実施の形態１に係る超音波プローブの音響整合層の製造方法の各工程の流れを示すフローチャートである。
【図８】図８は、実施の形態２に係る音響整合層の拡大図である。
【図９】図９は、実施の形態３に係る音響整合層の構成を示す図である。
【図１０】図１０は、実施の形態３に係る音響整合層の音響特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（本発明の基礎となった知見）
本発明者は、「背景技術」の欄において記載した、超音波プローブに関し、以下の問題が生じることを見出した。
【００１６】
特許文献２では、高分子の樹脂に金属、酸化物、炭化物、高分子、および中空体のいずれか１つ以上の材料からなる粉体を充填した音響整合層を用いる超音波プローブが提案されている。また、特許文献３では、母材にナノサイズおよびミクロンサイズの高密度金属粒子を充填した音響整合層が提案されている。また、特許文献４では、樹脂に金属ナノ粒子を配合して焼成するとともに、焼成温度を変化させることにより音響インピーダンスを調整した音響整合層を用いる超音波プローブが提案されている。
【００１７】
ところで、複数の層からなる傾斜整合層の構成では、各層の音響インピーダンスを所望の値に調整する以外に、各層の厚み精度や機械的な強度に留意する必要があり、その製造方法にも課題を有している。
【００１８】
一般的に伝播効率が良いとされる音響整合層の厚みは、音響整合層内の音波の波長の１／４である。なお、ここで言う「音響整合層の厚み」とは、複数の層が積層されて成る音響整合層である場合には、音響整合層を構成する複数の層の厚みを全て加算した厚みである。したがって、音響整合層内の音速を１８００ｍ／ｓとし、中心周波数を９ＭＨｚとした場合、音響整合層の厚みは、５０μｍ程度が適当となる。ただし、傾斜整合層の層数が増えれば、音響整合層の厚みを維持するために各層の最適な厚みを薄くする必要があるため、音響整合層の各層の厚みは、５０μｍをさらに音響整合層の枚数を除した値が最適となり、実際には数十μｍの厚みの層を積層する構成となる。つまり、既存のフィルム材料を用いる従来の工法では、材料を所定の厚みに薄膜化するために研磨が必要であり、このような層を積層すると時間的およびコスト的な課題を生じる。
【００１９】
また、超音波プローブの一般的な製造方法では、圧電振動子および音響整合層を接着した後、接着して一体化した圧電振動子および音響整合層を、音響整合層側からダイサーで幅が５０〜３００μｍ間隔になるように切断することにより複数のチャンネルを形成する。このため、音響整合層は、ダイシングに対する高い加工性を有することが重要である。加えて、ダイシングの際に積層された音響整合層に割れや剥離を生じない機械的な強度が必要である。
【００２０】
しかしながら、特許文献２〜４に記載された音響整合層では、各層の音響インピーダンス、厚み精度、および機械的な強度のすべてを満足することは難しい。
【００２１】
特許文献２では、熱硬化性のエポキシ樹脂に密度の異なる２種類以上の粉体材料を充填した場合、充填された２種類以上の粉体材料のそれぞれが互いに自然に分離することにより音響インピーダンスの異なる層が形成される。そして、形成された音響インピーダンスの異なる層を熱硬化させることにより音響整合層を形成することが開示されている。また、特許文献２では、粉体材料の充填量を増減させることにより各層の厚みを調整できること、および、粉体材料の平均粒子径を変化させることにより音響インピーダンスが調整できることが開示されている。しかしながら、この方法では、インピーダンスを調整するために１０μｍを超えるような粒子が必要な場合があり、数十μｍ程度の層を十分な厚み精度で作製するのは困難と思われる。このため、この方法では、効率良く超音波を伝播させるための音響整合層を形成することは難しい。
【００２２】
特許文献３では、母材に重粒子および軽粒子を混合することにより３〜７ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスである音響整合層が実現でき、また、金属ナノ粒子を混合することにより７〜１４ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスである音響整合層が実現できることが開示されている。しかしながら、音響整合層を傾斜整合層として多層化すことにより理想的に反射を減らして、超音波の伝播効率を向上させるためには、音響インピーダンスが１４〜２９ＭＲａｙｌｓである材料が必要である。つまり、このように単に金属ナノ粒子を混ぜただけでは、音響インピーダンスが１４〜２９ＭＲａｙｌｓである高インピーダンス層は実現できないため、超音波の伝播効率を十分に向上させることは難しい。
【００２３】
特許文献４では、接着性を有する樹脂に金属ナノ粒子を配合して、配合した材料を焼成することにより、６〜１５ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスが実現された音響整合層が記載されている。しかしながら、各層間の結合強度を母材の接着性で確保しているために、金属ナノ粒子の含有量を一定以上上げる場合、各層間の結合強度を維持することは難しい。すなわち、この方法を適用して音響インピーダンス１５〜２９ＭＲａｙｌｓを実現するために金属ナノ粒子の含有量を上げれば、音響整合層の各層間の結合強度（以後、「剥離強度」とする）が弱くなる。このため、効率良く超音波を伝播させるために音響整合層の最も音響インピーダンスが大きい層として特許文献４の技術により得られる音響インピーダンスが１５〜２９ＭＲａｙｌｓの材料を採用しても、十分な剥離強度を有する音響整合層の高インピーダンス層を設けることは難しい。よって、特許文献４では、効率良く超音波を伝播させるための音響整合層を形成することは難しい。
【００２４】
このような問題を解決するために、本発明の一態様に係る超音波プローブは、電圧が印加されることにより超音波を発生する圧電振動子と、前記圧電振動子と被検体との間の音響インピーダンスを整合する音響整合層とを備える超音波プローブであって、前記音響整合層は、結合材と１ミクロン以下の金属ナノ粒子とを配合した配合物に対して焼成を行うことにより、その表面全体にわたって多数の微細孔が形成された焼結層を有する。
【００２５】
これによれば、圧電振動子と被検体との間の音響インピーダンスを整合する音響整合層は、結合材と１ミクロン以下の金属ナノ粒子とを配合した配合物に対して焼成を行うことにより、その表面に多数の微細孔を形成した焼結層を含んでいる。このため、焼結層の表面に形成される微細孔を、焼結層と隣接する部材との接着の強化に利用することができ、金属粒子の配合比をある一定以上に上げてできた焼結層であってもその剥離強度を向上させることができる。以上のことから、音響インピーダンスが１５〜２９ＭＲａｙｌｓのような高インピーダンスであり、かつ、隣接する部材との剥離強度を確保できる焼結層を音響整合層として利用できるため、圧電振動子と生体との間の超音波の伝播効率を向上させることができる。
【００２６】
例えば、前記音響整合層は、互いに隣接し合う２層の前記焼結層を有し、一方の前記焼結層の微細孔に、他方の前記焼結層の一部が入り込んでいてもよい。
【００２７】
これによれば、複数の焼結層が積層されることにより音響整合層が成る場合に、互いに隣接し合う複数の焼結層のうちで、一方の焼結層に形成された微細孔に、他方の焼結層の一部が入り込んでいる。このため、一方の焼結層と他方の焼結層との機械的結合力をアンカー効果により高めることができる。また、一方の焼結層の微細孔に他方の焼結層の一部が入り込まない場合と比較して、一方の焼結層と他方の焼結層とが接する面積を増加させることができるため、一方の焼結層と他方の焼結層との結合力を高めることができる。よって、互いに隣り合う複数の焼結層の剥離強度を高めることができる。
【００２８】
また、例えば、前記焼結層は、当該焼結層に隣接する部材と接着層を介して接着されており、前記接着層は、その一部が当該焼結層の微細孔に入り込んでいてもよい。
【００２９】
これによれば、焼結層が隣接する部材と接着層を介して接着されており、当該焼結層に形成された微細孔に、接着層の一部が入り込んでいる。このため、焼結層と隣接する部材を接着するための接着層との間の結合力をアンカー効果により高めることができる。また、焼結層の微細孔に接着層の一部が入り込まない場合と比較して、焼結層と接着層とが接する面積を増加させることができるため、焼結層と接着層との結合力を高めることができる。つまり、焼結層と当該焼結層に接着層を介して接着される隣接する部材との結合力を高めることができる。
【００３０】
例えば、前記音響整合層は、４層以上の層から成り、前記４層以上の層のそれぞれは、異なる音響インピーダンスであり、前記圧電振動子に近い位置に設けられる層ほど前記圧電振動子の音響インピーダンスに近く、かつ、前記被検体に近い位置に設けられる層ほど前記被検体の音響インピーダンスに近い音響インピーダンスであり、前記４層以上の層のうちの少なくとも１層の前記焼結層は、音響インピーダンスが１５ＭＲａｙｌｓ以上であってもよい。また、例えば、前記４層以上の層のうちの少なくとも１層の前記焼結層は、金属粒子を重量比９０％以上含んでもよい。
【００３１】
このように、金属材料を重量比９０％以上含むように構成すると、従来の材料で実現できなかった、音響インピーダンスが１５〜２９ＭＲａｙｌｓである音響整合層を実現できる。この結果、例えば２〜２９ＭＲａｙｌｓの範囲の内の任意な音響インピーダンスが実現可能となり、設計の自由度を高めることができる。
【００３２】
したがって、このような構成により、生体と超音波プローブとの間の伝播効率を高めることができる音響整合層の最適設計を具現化することが可能となり、従来の傾斜整合層を用いたプローブと比べて、高感度化および広帯域化を図ることができる。
【００３３】
例えば、前記音響整合層は、互いに隣接し合う２層の前記焼結層を有し、一方の前記焼結層に前記結合材として含まれる第一結合材と、他方の前記焼結層に前記結合材として含まれる第二結合材とは、同じ素材であり、前記第一結合材および前記第二結合材は、前記焼成が行われることにより互いに結着してもよい。
【００３４】
これによれば、音響整合層は、互いに隣接し合う２層の焼結層を有し、上記隣接した少なくとも２層の焼結層は、それぞれが同じ素材の結合材を含むように構成される。さらに、結合材は、焼成されることにより結着する材料を用いる。このように、隣接する焼結層と同じ結合材を用いることにより、互いに隣接する層間の相容性を高め、層間における接合性を向上させることができる。
【００３５】
例えば、前記音響整合層は４層以上の層から成り、前記４層以上の層のうちの少なくとも１層の前記焼結層は、結合材と樹脂粒子とが配合されることにより成り、その音響インピーダンスが５ＭＲａｙｌｓ以下であってもよい。
【００３６】
これによれば、音響整合層は、音響整合層の生体側に音響インピーダンスが生体側に近い５ＭＲａｙｌｓ以下であるような、低インピーダンスの層が音響整合層を構成する層として形成されているため、圧電振動子と生体との間における超音波の伝播効率を向上させることができる。低インピーダンス層については、結合材に、金属粒子ではなく樹脂粒子を混入させることで実現することができる。樹脂粒子としては、アクリル系、ポリエステル系、ポリプロピレン系、アミド−イミド系など、結合材のインピーダンスを上下にコントロールできるものであればよく、樹脂粒子の種類に応じてそれぞれに固有の物性を有しているので、目的の音響インピーダンスの設計において法、信頼性などを勘案した上で、優位となる選択をすればよい。
【００３７】
また、樹脂粒子の粒径は、ナノ〜数ミクロン以下の素材が望ましい。なぜなら、設計上求められる整合層が数１０ミクロン〜数１０ミクロンの層厚であり、粒径が小さいほど微視的な構造ムラが低減するだけでなく、粒径が大き過ぎればナノ金属粒子と混合した場合に、強度を保持する構造材として機能しないからである。
【００３８】
例えば、前記金属ナノ粒子は、銀ナノ粒子、あるいは、銅ナノ粒子であってもよい。また、例えば、前記結合材は、シリカ化合物、あるいは、耐熱性を有する有機系高分子樹脂を含んでもよい。
【００３９】
また、例えば、前記配合物には、前記金属ナノ粒子の表面の酸化被膜に作用する還元剤が添加されていてもよい。また、例えば、前記焼結層は、前記金属ナノ粒子の表面の酸化被膜に作用する還元性ガスが添加されつつ、前記配合物の焼成が行われることにより成ってもよい。
【００４０】
この場合には、金属粒子または結合材の表面を焼成前に酸化防止剤で被覆したり、還元剤（水素ガス、一酸化炭素ガス、炭素など）を焼成環境下に添加したり、金属粒子および結合材を希釈するための溶媒に配合したりすることで、金属粒子の酸化被膜が焼成の過程に悪影響を及ぼし、焼成を妨げることを防ぐことができる。これにより、金属粒子同士および結合材同士のバルク成長を促すことができる。
【００４１】
なお、これらの全般的または具体的な態様は、方法で実現されてもよい。本発明の一態様に係る超音波プローブの製造方法は、結合材と１ミクロン以下の金属ナノ粒子とが配合された第一配合物を溶媒で希釈して塗工する第一塗工工程と、前記第一塗工工程において塗工された前記第一配合物を乾燥する第一乾燥工程と、前記乾燥工程において乾燥された前記第一配合物を焼成することにより、表面に微細孔が形成された焼結層を作製する第一焼成工程とを含む。
【００４２】
また、例えば、さらに、微細孔が形成された前記焼結層上に、前記第一配合物とは異なる第二配合物を溶媒で希釈して塗工する第二塗工工程と、前記第二塗工工程において塗工された前記第二配合物が前記焼結層の前記微細孔に浸透したことを判定する浸透判定工程と、前記浸透判定工程において前記第二配合物が前記焼結層の前記微細孔に浸透したことが判定された後に、前記第二塗工工程において塗工された前記第二配合物を乾燥する第二乾燥工程と、前記第二乾燥工程において乾燥された第二配合物を焼成する第二焼成工程とを含んでもよい。また、例えば、さらに、微細孔が形成された前記焼結層上に、接着層または前記第一配合物とは異なる第三配合物を塗工する第三塗工工程と、前記接着層の一部または前記第三配合物を前記微細孔に浸透させるために、前記焼結層と前記接着層との間の空気を追い出す脱気工程とを含んでもよい。また、例えば、さらに、微細孔が形成された前記焼結層上に、結合材と金属ナノ粒子または樹脂粒子との第四配合物を溶媒で希釈して塗工する第四塗工工程と、前記第四塗工工程において塗工された前記第四配合物の上に、前記第四配合物に含まれる結合材と、金属ナノ粒子または樹脂粒子との第五配合物を溶媒で希釈して塗工する第五塗工工程と、前記第四塗工工程において塗工された前記第四配合物と、前記第五塗工工程において塗工された前記第五配合物との２層を一度に焼成する第三焼成工程とを含んでもよい。
【００４３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。本発明は、請求の範囲によって特定される。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、本発明の課題を達成するのに必ずしも必要ではないが、より好ましい形態を構成するものとして説明される。
【００４４】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１における超音波診断装置の外観図である。この超音波診断装置１００は、エコー法等によって胎児、内臓、心臓等の断層画像を生成するだけでなく、得られた断層画像に基づいて、胎児、内臓、内臓の内部のガン組織、心臓の内壁等の対象物の輪郭を自動抽出するとともに、抽出された対象物の容積計測や３Ｄ（３次元）画像の生成等をリアルタイムで実行するデジタル方式の超音波診断装置であり、主なハードウェアとして、表示装置１０１、本体装置１０２および超音波送受信装置１０３から構成される。
【００４５】
表示装置１１は、前面に透明のタッチパネル等が貼られたＣＲＴ等であり、得られた断層画像、輪郭及び計測結果等をグレースケールやカラー等で表示するとともに、それら画像に対する操作者のタッチペン等による指示を取得する。
【００４６】
超音波送受信装置１０３は、超音波を送受信するための超音波振動子や音響レンズ等からなる超音波プローブ１０（後述参照）を含み、対象物の容積値等をリアルタイムに表示する液晶表示部を備える。
【００４７】
本体装置１０２は、超音波による電子走査ための送受信回路、ＤＳＰやＣＰＵ等からなる信号処理回路、画像処理回路等からなり、操作者と対話するためのスイッチ群、トラックボール、液晶表示部等を有する操作パネル、マウス等を備える。
【００４８】
図２は、実施の形態１に係る超音波プローブの内部構造を示す斜視図である。
【００４９】
図２に示すように、超音波プローブ１０は、圧電振動子１１と、駆動電極１２と、音響整合層１３と、音響レンズ１４と、バッキング１５とを備える。圧電振動子１１は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）に代表される圧電セラミック等から成り、電圧が印加されることにより圧電効果による超音波を発生する。駆動電極１２は、圧電振動子１１に圧電効果を発生させるための電圧を印加するための電極である。音響整合層１３は、圧電振動子１１と被検体との間の音響インピーダンスを整合することにより、圧電振動子１１と被検体との間の超音波の伝播効率を高める。音響レンズ１４は、超音波をビーム状に収束させるための部材である。バッキング１５は、圧電振動子１１から発生する不要な超音波、つまり、被検体側とは反対側に発生する超音波を減衰させる部材である。
【００５０】
ここで、音響整合層１３は、音響インピーダンスが互いに異なる４つ層からなり、各層の音響インピーダンスは、音響ホーンなどに採用されている指数関数に基づいて算出された値を持つように構成されている。このときの各層の音響インピーダンスは、圧電振動子１１から生体側に近づくに連れて、例えば、１７ＭＲａｙｌｓ、１０ＭＲａｙｌｓ、５ＭＲａｙｌｓ、３ＭＲａｙｌｓと設計され、従来実現が困難であった１５〜２９ＭＲａｙｌｓのインピーダンスを有する層を含んでいる。このように、整合層が４層以上の場合には、各層間の音響インピーダンスの差を小さくできるが、従来実現が困難であった１５ＭＲａｙｌｓ以上の音響インピーダンスの材料が必要になる。
【００５１】
図３は、実施の形態１に係る音響整合層１３の拡大図である。
【００５２】
図３に示すように、音響整合層１３は、圧電振動子１１に近い方から順に、高インピーダンスの第１層１３ａ、第２層１３ｂ、第３層１３ｃ、および第４層１３ｄの４層の層から成る。音響整合層１３の各層のうち、圧電振動子１１に近い位置に設けられる層である少なくとも第１層１３ａは、音響インピーダンスが１５ＭＲａｙｌｓ以上であり、金属粒子を重量比９０％以上含む複合材で構成される。そして、第１層１３ａは、図３に示すように、多孔質体となるように構成されている。つまり、音響整合層１３のうちの第１層１３ａは、結合材と１ミクロン以下の金属ナノ粒子とを配合した配合物に対して焼成を行うことにより、その表面の全体にわたって単位面積当たりに所定の割合（例えば２０％以下）で多数の微細孔が形成された焼結層である。つまり、多数の微細孔は、焼結層である第１層１３ａの表面の全体にわたって偏ることなく前記所定の割合で一様に分布するように形成される。なお、金属ナノ粒子としては、銀ナノ粒子、あるいは、銅ナノ粒子が用いられる。また、結合材としては、無機系高分子材料である、例えば、シリカ化合物が用いられる。また、結合材は、無機系高分子材料にかぎらずに、耐熱性を有する有機系高分子樹脂であってもよい。また、音響整合層１３は、第２層１３ｂは、第１層１３ａと同様に焼成されることによりなる焼結層であり、第１層１３ａの微細孔に第２層１３ｂの一部が入り込んでいる。さらに、音響整合層１３は、互いに隣接し合う２層の焼結層であり第１層１３ａおよび第２層１３ｂを有し、一方の焼結層である第１層１３ａに含まれる第一結合材と、他方の焼結層である第２層１３ｂに含まれる第二結合材とは、同じ素材である。また、第一結合材および第二結合材は、焼成が行われることにより互いに結着する。また、音響整合層１３の各層のうち、被検体である生体に近い位置に設けられる層である少なくとも第４層１３ｄは、結合材と樹脂粒子とが配合されることにより成り、その音響インピーダンスが５ＭＲａｙｌｓ以下の複合材料である。
【００５３】
なお、音響整合層１３を構成する第１層１３ａ、第２層１３ｂ、第３層１３ｃ、および第４層１３ｄは、それぞれが設計される音響インピーダンスである１７ＭＲａｙｌｓ、１０ＭＲａｙｌｓ、５ＭＲａｙｌｓ、および３ＭＲａｙｌｓとなるように、配合される金属粒子または樹脂粒子の配合比が決定される。
【００５４】
図４は、実施の形態１に係る金属粒子として銀ナノ粒子を用いた場合の、金属粒子の配合比と音響整合層の音響インピーダンスとの関係を示す図である。図５は、実施の形態１に係る金属粒子として銅ナノ粒子を用いた場合の、金属粒子の配合比と音響整合層の音響インピーダンスとの関係を示す図である。図６は、実施の形態１に係る樹脂粒子を用いた場合の、樹脂粒子の配合比と音響整合層の音響インピーダンスとの関係を示す図である。なお、図４〜６に示す、配合比は、銀ナノ粒子、銅ナノ粒子、または樹脂粒子のシリカ化合物との複合材料全体の重量に対する重量％である。
【００５５】
図４に示すように、銀ナノ粒子とシリカ化合物との配合によって、音響インピーダンスが４〜２５ＭＲａｙｌｓの範囲の複合材料を得ることができることが分かる。また、図５に示すように、銅ナノ粒子とシリカ化合物との配合によって、音響インピーダンスが４〜８．５ＭＲａｙｌｓの範囲の複合材料を得ることができることが分かる。さらに、図６に示すように、樹脂粒子とシリカ化合物との配合によって、音響インピーダンスが２．５〜４ＭＲａｙｌｓの範囲の複合材料を得ることができることが分かる。つまり、本実施の形態１では、生体の音響インピーダンスである１．５ＭＲａｙｌｓから圧電振動子１１の一般的な音響インピーダンスである２９ＭＲａｙｌｓの間を埋める音響インピーダンスを任意に設計できることが言える。したがって、図４〜図６に示したように、例えば、音響インピーダンスが１７ＭＲａｙｌｓである第１層１３ａは、銀ナノ粒子とシリカ化合物とを配合した複合材料であって、当該複合材料に対する銀ナノ粒子の配合比がおよそ９５％の複合材料から成る。また、例えば、音響インピーダンスが１０ＭＲａｙｌｓである第２層１３ｂは、銀ナノ粒子とシリカ化合物とを配合した複合材料であって、当該複合材料に対する銀ナノ粒子の配合比が第１層１３ａよりも少ないおよそ８８％の複合材料から成る。また、例えば、音響インピーダンスが５ＭＲａｙｌｓである第３層１３ｃは、銀ナノ粒子とシリカ化合物とを配合した複合材料であって、当該複合材料に対する銀ナノ粒子の配合比が第２層１３ｂよりも少ないおよそ５８％の複合材料から成る。また、第３層１３ｃは、銅ナノ粒子とシリカ化合物とを配合した複合材料であってもよく、当該複合材料に対する銅ナノ粒子の配合比がおよそ３８％の複合材料から成る。また、例えば、音響インピーダンスが３ＭＲａｙｌｓである第４層１３ｄは、樹脂粒子とシリカ化合物とを配合した複合材料であって、当該複合材料に対する樹脂粒子の配合比がおよそ２６％の複合材料から成る。なお、この場合の結合材は、シロキサンやシランカップリング剤などのシリカ化合物である。ただし、金属の焼成温度に支障が無ければ、耐熱性を有する有機系高分子樹脂を母材として用いるとともに、発泡剤等の添加により多孔質体を形成してもよい。このようにして、結合材としてのシリカ化合物に対して配合する粒子の種類と、当該粒子の配合比との組み合わせにより、２．５〜２５ＭＲａｙｌｓの範囲の音響インピーダンスを有する複合材料を得ることができる。
【００５６】
次に、このような構成の超音波プローブ１０の音響整合層１３の製造方法の各工程を簡単に説明する。図７は、実施の形態１に係る超音波プローブの音響整合層の製造方法の各工程の流れを示すフローチャートである。まず、各層の材料の配合を行う。金属粒子として、銀ナノペースト、あるいは、銅ナノ粒子（粒子径数百ナノ）、結合材として、例えばシリカ化合物を用いて、上述したような各層の音響インピーダンスに応じた所定の配合比で配合する配合工程が行われる（Ｓ０１）。
【００５７】
なお、第１層１３ａの高インピーダンス層は金属材料を重量比９０％以上含むように配合するが、結合材を入れず、金属材料１００％とすることもできる。また、最も低インピーダンスの第４層１３ｄは金属粒子の代わりにアクリル等のプラスチック製の粉体である樹脂粒子を他の層と同じ結合材に配合する。
【００５８】
所定の配合が行なわれた混合物は、希釈工程において水系の溶媒で希釈される（Ｓ０２）。そして、希釈工程において、希釈された混合物は、攪拌および減圧による脱泡がさらに行われ、配合比別にそれぞれ第１層１３ａ〜第４層１３ｄを成形するための塗工液となる。
【００５９】
次に、第一塗工工程において、塗工装置により、アルミあるいは銅等の基板上に第１層１３ａを構成する材料が配合された配合物である塗工液が、所定の厚みになるように塗工される（Ｓ０３）。このとき、音響整合層１３を製造するための塗工装置として、例えばスプレーコーターを用いることができ、数十μｍ程度の厚みの層を精度よく作製することができる。そして、第一塗工工程において塗工された配合物を乾燥させる第一乾燥工程が行われる（Ｓ０４）。乾燥された配合物は、その後に、第一焼成工程において数百度で低温焼成される（Ｓ０５）。第一乾燥工程において、第１層１３ａを塗工後に乾燥させた時点では、層内には溶媒が僅かに残留している。この状態でステップＳ０５の第一焼成工程を行うことにより、第１層１３ａを焼成すると、わずかに残留していた溶媒が蒸発し、溶媒が抜け出た部分に微細孔が開く。この結果、第１層１３ａは表面に微細孔のあいた多孔質体となる。この微細孔は、１００μｍ以下の大きさであり、当該微細孔に入り込ませるための第２層１３ｂを構成する材料の粒子径としては数十μｍ程度が適している。なお、ここで形成される微細孔の大きさは、ステップＳ０２の希釈工程により希釈される混合物の溶媒に対する割合を増減させることにより変更することができる。つまり、混合物に対する溶媒の量を増やせば、焼成された第１層１３ａの表面に形成される微細孔の大きさを大きくすることができ、反対に、混合物に対する溶媒の量を減らせば第１層１３ａの表面に形成される微細孔の大きさを小さくすることができる。
【００６０】
次に、第二塗工工程において第１層１３ａの上に第２層１３ｂを所定の厚みに塗工し（Ｓ０６）、第二乾燥工程において乾燥させる（Ｓ０７）。このとき、第２層１３ｂの塗工液が第１層１３ａの表面の微細孔に浸透するように常温で十分に時間を置く。ここでは、浸透判定工程において、第１層１３ａの上に塗工された第２層１３ｂの塗工液が第１層１３ａの表面の微細孔に浸透したことを予め定められた時間が経過したことにより判定する（Ｓ０８）。つまり、予め定められた時間が経過した場合（Ｓ０８：Ｙｅｓ）に、次の第二焼成工程に移行し、予め定められた時間が経過していない場合（Ｓ０８：Ｎｏ）に、当該ステップＳ０８に戻る。
【００６１】
次に、第２層１３ｂを乾燥させた後、第二焼成工程において、第２層１３ｂの一部が第１層１３ａ表面の微細孔に入り込んだ状態で焼成を行う（Ｓ０９）。このように製作すると、第１層１３ａに含まれる結合材の比率が低くても、第１層１３ａの表面の微細孔に第２層１３ｂの一部が入り込む構成となっているため、アンカー効果により第１層１３ａと第２層１３ｂとの間の剥離強度を十分な強度とすることができる。またアンカー効果（機械的結合）と共に、第１層１３ａの表面の微細孔に第２層１３ｂの一部が入り込んだ状態で結合（化学的相互するため、このときに第１層１３ａおよび第２層１３ｂが結合する場合の境界面の面積が、微細孔のない平坦な面において結合する場合の境界面の面積よりも大きくなる。つまり、結合する境界面の面積が平坦な面同士で結合する場合よりも増加するため、第１層１３ａと第２層１３ｂとの間の剥離強度を十分な強度とすることができる。また、第２層１３ｂの焼成後は、第２層１３ｂが多孔質体となるので、第１層１３ａに第２層１３ｂを塗工した工程と同様に第３層１３ｃおよび第４層１３ｄを順に塗工および焼成することで、各層間の剥離強度の強い整合層を製造できる。つまり、第二焼成工程が終了すると、第３層１３ｃおよび第４層１３ｄは、第二乾燥工程（Ｓ０７）から第二焼成工程（Ｓ０９）を繰り返すことにより形成される（Ｓ１０）。そして、第４層１３ｄが形成されれば、超音波プローブの音響整合層の製造方法は終了する。
【００６２】
以上のように製作した音響整合層１３は、基板から剥がされ、圧電振動子１１の表面に焼付けられた駆動電極１２に接着され、音響整合層１３側からダイサーで幅を５０〜３００μｍ間隔に切断して複数のチャンネルが形成される。このとき、複数の層からなる音響整合層は、各層間の結合力が十分でないと、ダイシングの際に剥離してしまう。しかし、本実施の形態１に係る音響整合層１３は結合材の配合比の小さい高インピーダンスの層である第１層１３ａと第２層１３ｂとの間においても、アンカー効果を用いて機械的に各層間を結合させているので、各層間における剥離強度を強くすることができる。つまり、音響整合層１３は、ダイシングの際においても、複数の層の各層が剥離しにくい剥離強度を有する。そして、この後、音響レンズ１４およびバッキング１５が取り付けられて超音波プローブ１０の主要部が完成する。
【００６３】
上記実施の形態１に係る超音波プローブ１０によれば、圧電振動子１１と被検体としての生体との間の音響インピーダンスを整合する音響整合層１３の各層１３ａ〜１３ｄは、結合材と１ミクロン以下の金属ナノ粒子とを配合した配合物に対して焼成を行うことにより、その表面に多数の微細孔を形成した焼結層である。つまり、音響整合層１３は、上述したような焼結層を含んでいる。このように、複数の焼結層である第１層１３ａ〜第４層１３ｄが積層されることにより音響整合層１３が成る場合に、互いに隣接し合う複数の焼結層のうちで、一方の焼結層に形成された微細孔に、他方の焼結層の一部が入り込んでいる。具体的には、例えば、第１層１３ａの微細孔に第２層１３ｂの一部が入り込んでいる。このため、一方の焼結層と他方の焼結層との機械的結合力をアンカー効果により高めることができる。また、一方の焼結層の微細孔に他方の焼結層の一部が入り込まない場合と比較して、一方の焼結層と他方の焼結層とが接する面積を増加させることができるため、一方の焼結層と他方の焼結層との結合力を高めることができる。よって、互いに隣り合う複数の焼結層の剥離強度を高めることができる。
【００６４】
また、上記実施の形態１に係る超音波プローブ１０によれば、音響整合層１３のうちの第１層１３ａは、結合材と１ミクロン以下の金属ナノ粒子とを配合した配合物に対して焼成を行うことにより、その表面の全体にわたって単位面積当たりに所定の割合（２０％以下）で多数の微細孔が形成された焼結層である。このように、第１層１３ａの表面の全体にわたって単位面積あたりに所定の割合で偏ることなく一様に多数の微細孔が形成されているため、隣接する第２層１３ｂの一部を第１層１３ａに形成された多数の微細孔に入り込ませることにより、第１層１３ａと第２層１３ｂとの間の境界面の全体にわたってアンカー効果を偏ることなく一様に得ることができ、剥離強度を向上させることができる。
【００６５】
また、上記実施の形態１に係る超音波プローブ１０によれば、音響整合層１３の第１層１３ａには、金属粒子が重量比９０％以上含まれるように構成されている。これにより、音響インピーダンスが１５〜２９ＭＲａｙｌｓである第１層１３ａを実現できる。このような、金属粒子が結合材よりも大量に含まれており、隣接する第２層１３ｂとの間で結合しにくいような構成の第１層１３ａであっても、焼成することによりその表面に微細孔が形成されているため、微細孔に第２層１３ｂの一部を入り込ませることにより、第１層１３ａと第２層１３ｂとの剥離強度を向上させることができる。
【００６６】
したがって、金属粒子の配合比をある一定以上に上げてできた焼結層であっても、その表面に微細孔を形成し、隣接する部材の一部を当該微細孔に入り込ませる構成とすることにより、その剥離強度を向上させることができる。以上のことから、音響インピーダンスが１５〜２９ＭＲａｙｌｓのような高インピーダンスであり、かつ、隣接する部材との剥離強度を確保できる焼結層を音響整合層として利用できるため、圧電振動子と生体との間の超音波の伝播効率を向上させることができる。
【００６７】
また、上記実施の形態１に係る超音波プローブ１０によれば、音響整合層１３を構成する複数の焼結層１３ａ〜１３ｄは、それぞれが同じ素材の結合材を含むように構成される。つまり、音響整合層１３は、互いに隣接し合う２層の焼結層を有しており、上記隣接した２層の焼結層は、それぞれが同じ素材の結合材を含んでいる。さらに、結合材は、焼成されることにより結着する材料である。このように、隣接する焼結層と同じ結合材を用いることにより、互いに隣接する層間の相容性を高め、層間における接合性を向上させることができる。
【００６８】
また、上記実施の形態１に係る超音波プローブ１０によれば、音響整合層１３を構成する複数の焼結層１３ａ〜１３ｄのうち生体に近い側の第４層１３ｄは、生体側に近い５ＭＲａｙｌｓ以下であるような低インピーダンス層である。このような低インピーダンス層である第４層１３ｄは、結合材に、金属粒子ではなく樹脂粒子を配合することにより実現できる。
【００６９】
また、上記実施の形態１に係る超音波プローブ１０によれば、金属粒子または結合材の表面を、焼成前に酸化防止剤で被覆したり、還元剤（水素ガス、一酸化炭素ガス、炭素など）を焼成環境下に添加したり、金属粒子および結合材を希釈するための溶媒に配合したりしている。このため、金属粒子の酸化被膜が焼成の過程に悪影響を及ぼし、焼成を妨げることを防ぐことができる。これにより、金属粒子同士および結合材同士のバルク成長を促すことができる。
【００７０】
また、上記実施の形態１に係る超音波プローブ１０によれば、１ミクロン以下の金属ナノ粒子のうちで特に数百ｎｍ台を下回る金属ナノ粒子を音響整合層１３に配合する金属粒子として採用している。この金属ナノ粒子は、その表面積の大きさから反応性に富み、焼結開始温度が１００〜３５０℃であり、粒径に依存して焼結開始温度は変化するものの、金属の融点と比較して大幅に低い。このように、金属の融点よりも比較的低温の環境下で金属ナノ粒子は焼結して金属のバルク状に成長するので、焼結層は金属粒子が単独で分散している混合物の状態よりも、高い音響インピーダンスを実現できる。
【００７１】
このとき、互いに焼結した金属粉末は、金属粒子同士がバルク成長するため強度を増し、さらに、結合材は金属粒子で形成される金属バルクの空隙を埋めるように侵入し、金属バルクを支持しながら結合材同士でもバルク成長する。このように、焼結層は、金属粉末と結合材とが焼成されることにより互いに絡み合った状態でバルク成長し、素材全体としては複合素材化することで構造的にさらに強化されるため、当該焼結層自体の破壊強度を向上させることができる。
【００７２】
上記実施の形態１に係る超音波プローブ１０では、既に焼成された第１層１３ａの上に第２層１３ｂの塗工液を塗工したときに、第２層１３ｂの塗工液が第１層１３ａの表面の微細孔に浸透したことを予め定められた時間が経過したことにより判定しているが、第２層１３ｂの塗工液を第１層１３ａの上に塗工したときに発生する気泡の量が減少したことにより判定してもよい。気泡の量が減少したことを判定する方法としては、カメラで撮影した映像を画像解析することなどが考えられる。
【００７３】
また、上記実施の形態１に係る超音波プローブ１０では、常温で十分に時間を置くことにより第２層１３ｂの塗工液を第１層１３ａの表面の微細孔に浸透させているが、十分に時間を置くことに限らずに、積極的に塗工された第２層１３ｂの塗工液と焼成後の第１層１３ａとの間の空気を追い出す脱気工程を行うことにより第２層１３ｂの塗工液を第１層１３ａの表面の微細孔に浸透させてもよい。つまり、浸透判定工程の代わりに、脱気工程を行なってもよい。脱気工程としては、例えば、第２層１３ｂの塗工液を塗工後に減圧して第２層１３ｂの塗工液を積極的に第１層１３ａの表面の微細孔に浸透させることや、第１層１３ａを予め加熱する、または、焼成後の第１層１３ａが十分に冷却されずに熱いうちに、微細孔の内部の空気を膨張させた状態で第２層１３ｂを塗工することにより常温に戻したときに第２層１３ｂの塗工液が第１層１３ａの微細孔に吸引されることを促すことなどが考えられる。
【００７４】
また、上記実施の形態１に係る超音波プローブ１０では、第１層１３ａの表面の微細孔に第２層１３ｂの塗工液を浸透させるのに、常温で十分に時間を置くこと、脱気工程を含むことにより行なっているが、これらの方法に限らずに、第１層１３ａを焼成した後で、第２層１３ｂの塗工液をスキージ（へら）を用いて一定の圧力を塗工液に対して加えることにより塗工液を第１層１３ａの微細孔に浸透させるようにしてもよい。
【００７５】
また、上記実施の形態１に係る超音波プローブ１０では、音響整合層１３は、第１層１３ａを焼成した後に第２層１３ｂを塗工して焼成しており、その後に第３層１３ｃおよび第４層１３ｄについても同様に繰り返して１層ずつ焼成することにより形成されているが１層ずつを焼成して形成することに限らない。例えば、第２層１３ｂ〜第４層１３ｄのうち金属粒子や樹脂粒子の配合比が小さく、結合材の比率が高い層同士においては、塗工後に焼成せずに次の層を塗工し、複数層を一度に焼成することにより音響整合層１３を形成してもよい。
【００７６】
つまり、微細孔が形成された焼結層である第１層１３ａ上に、結合材および金属ナノ粒子の配合物または結合材および樹脂粒子の配合物を溶媒で希釈して塗工する第四塗工工程の後で、第四塗工工程において塗工された配合物の上に、当該配合物に含まれる結合材および金属ナノ粒子または樹脂粒子との配合物を溶媒で希釈して塗工する第五塗工工程を行う。そして、第四塗工工程において塗工された配合物と、第五塗工工程において塗工された配合物との２層を一度に焼成する第三焼成工程を行ってもよい。なお、この場合には、各層間の結合材同士が焼結することになり、各層間の剥離強度が向上する。
【００７７】
また、上記実施の形態１に係る超音波プローブ１０では、音響整合層１３を構成する各層の音響インピーダンスは、金属粒子と結合材との配合率を変化させることにより所望の値になるように設定されているが、当該配合率を変化させることに限らない。例えば、所定の配合率で配合された金属粒子および結合材を、焼成温度条件や焼成時間条件を変化させることによって、コントロールしてもよい。具体的には、焼成時間を短く、低温とするほど、ナ金属ナノ粒子間のネッキングが少なくなるため、音響インピーダンスを低下させることができる。一方で、焼成時間が長く、高温とするほど、金属ナノ粒子間の結合が強くなるため、より音響インピーダンスを高くすることができる。
【００７８】
（実施の形態２）
本実施の形態において、実施の形態１と異なるのは、音響整合層の構成のみであるため、それ以外の構成要素の説明は省略する。
【００７９】
図８は、実施の形態２に係る音響整合層の拡大図である。音響整合層２３は、図８に示すように、高インピーダンスの第１層２３ａと、第２層２３ｂと、第３層２３ｃ、第４層２３ｄと、接着層２４とから成る。
【００８０】
音響整合層２３の各層のうち、圧電振動子１１に近い位置に設けられる層である少なくとも第１層２３ａは、音響インピーダンスが１５ＭＲａｙｌｓ以上であり、金属粒子を重量比９０％以上含む複合材で構成される。そして、第１層２３ａは、図８に示すように、多孔質体となるように構成されている。また、第２層２３ｂ〜第４層２３ｄは、フィルム材で構成され、接着層２４が第１層２３ａの微細孔に入り込むように構成されている。つまり、第１層２３ａと第２層２３ｂとは、接着層２４を構成する接着剤により接合されており、接着層２４の一部が第１層２３ａの表面に形成された微細孔に入り込むように構成されている。
【００８１】
このような構成の音響整合層２３は、実施の形態１と同様に、まず、基板上に多孔質体の第１層２３ａを塗工、乾燥、および焼成することにより形成する。そして、第１層２３ａを形成した後、第１層２３ａの上に接着層２４を塗工し、接着層２４が第１層２３ａの表面の微細孔に浸透させて、フィルム材の第２層２３ｂ〜第４層２３ｄを順次接着して製作する。なお、接着層２４を第１層２３ａの表面の微細孔に浸透させる方法としては、実施の形態１と同様の方法が考えられる。つまり、浸透判定工程を経ることにより接着層２４を第１層２３ａの表面の微細孔に浸透させてもよいし、脱気工程を経ることにより接着層２４を第１層２３ａの表面の微細孔に浸透させてもよいし、スキージを用いることにより接着層２４を第１層２３ａの表面の微細孔に浸透させてもよい。このように製作すると、第１層２３ａと第２層２３ｂとの層間の剥離強度は、９０％以上が金属粒子により構成され結合材が少ない第１層２３ａであっても、アンカー効果により第１層２３ａと接着層２４との間に十分な強度が得られるため、十分な強度が得られる。また、第２層２３ｂ、第３層２３ｃおよび第４層２３ｄのフィルム材の各層間は、フィルム材専用の接着剤を用いることで強固に接着することができる。あるいは、多孔質のフィルム材を用いることにより、アンカー効果により接着剤が機械的にも結合するように構成してもよい。
【００８２】
以上のように製作した音響整合層２３は、基板から剥がされ、実施の形態１の音響整合層１３と同様に、圧電振動子１１の表面に焼き付けられた駆動電極１２に接着され、音響整合層２３側からダイサーで幅を５０〜３００μｍ間隔に切断して複数のチャンネルが形成される。このとき、本実施の形態２においても、実施の形態１と同様に、音響整合層２３の各層間は十分な結合力を有しているので、ダイシングの際においても、第１層２３ａおよび第２層２３ｂの間において剥離しにくい剥離強度を有する。そして、この後、音響レンズ１４およびバッキング１５が取り付けられて超音波プローブの主要部が完成する。
【００８３】
上記実施の形態２に係る超音波プローブ１０によれば、音響整合層２３は、焼結層である第１層２３ａが隣接する部材である第２層２３ｂと接着層２４を介して接着されており、当該焼結層に形成された微細孔に、接着層２４の一部が入り込んでいる。このため、第１層２３ａと隣接する第２層２３ｂを接着するための接着層との間の結合力をアンカー効果により高めることができる。また、焼結層である第１層２３ａの微細孔に接着層の一部が入り込まない場合と比較して、第１層２３ａと接着層とが接する面積を増加させることができるため、第１層２３ａと接着層２４との結合力を高めることができる。つまり、焼結層である第１層２３ａと第１層２３ａに接着層２４を介して接着される第１層２３ａに隣接する第２層２３ｂとの結合力を高めることができる。
【００８４】
また、上記実施の形態２に係る超音波プローブ１０によれば、音響整合層２３は、従来のフィルム材で得られない高インピーダンスの層のみを、金属材料を配合して焼成した複合材料で構成し、高インピーダンス層よりも小さい音響インピーダンスを有するフィルム材層は既存のフィルム材を使用している。既存のフィルム材料を用いる工法は、材料を所定の厚みに研磨すると時間的、コスト的な課題を生じる。しかし、フィルム材を研磨することなく使える設計が可能であれば、上記複合材とフィルム材との組合せで構成することにより、工法を簡略化することができる。また、このように構成しても、実施の形態１と同様に音響整合層２３の各層間における剥離強度は強いので、高感度かつ広帯域で信頼性の高い超音波プローブが提供できる。
【００８５】
上記実施の形態２に係る超音波プローブでは、音響整合層２３は、焼結層である第１層２３ａがフィルム材である第２層２３ｂと接着層２４を介して接着されているが、実施の形態１のように第１層と第２層との両方が焼結層であってもよい。つまり、第１層１３ａと同様な焼結層の結合についても、接着層を設け、予め接着剤を十分に第１層内に浸透させ、層内の空気を追い出してから第２層の塗工を行ってもよい。
【００８６】
具体的には次のような工法となる。まず、多孔質体となるように第１層を焼成することにより形成する。次に、例えば、密着性のある耐熱性樹脂から成る接着剤を第１層上に塗工し、表面の微細孔に浸透させる。ここで、第１層内の空気を完全に追い出すために、第１層を接着剤の溶液に漬け込む。あるいは第１層と接着剤との間の空気を完全に追い出すために、接着剤を塗工後に減圧して第１層と接着剤との間の空気を抜き出してもよい。接着剤の充填後は、第１層と第２層との層間の接着層が厚くなりすぎないように、第１層表面の余分な接着剤は薄くふき取ってから乾燥する。あるいは、乾燥を行う代わりに１００℃程度で仮焼成を行ってもよい。続いて、接着層上に第２層を塗工し、乾燥および焼成する。
【００８７】
このようにしても、複合材同士を強固に結合させることにより、剥離強度を高めることもできる。
【００８８】
また、上記実施の形態１および２に係る超音波プローブでは、圧電振動子１１は圧電セラミックから成るとしたが、圧電セラミックに限らずにｐＭＵＴ（Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｍｉｃｒｏ−ｍａｃｈｉｎｅｄ  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）のような構造を有するものでもよい。この場合、音響整合層１３、２３は、スプレーコーターを用いて直接ｐＭＵＴ上に形成することができる。
【００８９】
（実施の形態３）
また、上記実施の形態１および２において、４層の音響整合層を例に説明したが、層数はいくつであってもよい。例えば、音響整合層３３は、図９に示すように第１層３３ａ〜第８層３３ｈで構成される８層の音響整合層３３を構成してもよい。なお、図９は、実施の形態３に係る音響整合層の構成を示す図である。これらの８層の音響整合層３３の各層３３ａ〜３３ｈは、異なる音響インピーダンスを有し、第１層３３ａから第８層３３ｈの順に、音響インピーダンスを設計に応じて２５〜２．５まで変化させている。この場合には、第１層３３ａ側が圧電振動子１１側、第８層３３ｈ側が音響レンズ１４側である。音響整合層３３の各層３３ａ〜３３ｈの音響インピーダンスは表１に示す。これは、実施の形態１において説明した音響整合層１３と同様に、音響ホーンなどに採用されている指数関数に基づいて算出され、透過効率の向上を狙った設計となっている。ただし、ホーン関数の定数を変化させて最適化を図ったり、圧電素子のインピーダンスに即して設定値は変化したりするため表１は実施の形態２における一例である。
【００９０】
【表１】
2012144226.tif 000003
【００９１】
図１０は、実施の形態３に係る音響整合層の音響特性を示す図である。８層から成る音響整合層３３を有する超音波プローブの音響特性Ｃ１は、音響整合層を使用しない超音波プローブの音響特性Ｃ２と比較して、比帯域が拡大されるのが確認された。なお、ここで言う「比帯域」とは中心周波数における−６（ｄＢ）の帯域幅を中心周波数で除算したものである。
【００９２】
以上、本実施の形態１〜３において説明したように、音響整合層１３〜３３は、複数層からなる整合層において、従来、実現が難しかった高インピーダンス層を、金属材料の配合比を９０％以上に上げて焼成することで実現した。また、高インピーダンス層を多孔質体とすることにより隣接層との機械的結合を強化し、金属材料の配合比により低下した剥離強度を改善した。これにより音響整合層の最適設計の構造を簡単な工法で十分な強度を有して具現化することができるので、製造コストを削減しつつ、超音波プローブの高感度化、および、広帯域化を図ることができる。よって、上述したような超音波プローブを用いることにより、高画質で消費電力の少ない超音波診断装置を実現できる。
【００９３】
以上、本発明の一つまたは複数の態様に係る超音波プローブおよびその製造方法について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の一つまたは複数の態様の範囲内に含まれてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
本発明の一態様に係る超音波プローブおよびその製造方法は、圧電振動子と生体との間において超音波を効率良く伝播することができる超音波プローブおよびその製造方法として有用である。
【符号の説明】
【００９５】
１０  超音波プローブ
１１  圧電振動子
１２  駆動電極
１３、２３、３３  音響整合層
１３ａ、２３ａ、３３ａ  第１層
１３ｂ、２３ｂ、３３ｂ  第２層
１３ｃ、２３ｃ、３３ｃ  第３層
１３ｄ、２３ｄ、３３ｄ  第４層
１４  音響レンズ
１５  バッキング
２４  接着層
３３ｅ  第５層
３３ｆ  第６層
３３ｇ  第７層
３３ｈ  第８層
１００  超音波診断装置
１０１  表示装置
１０２  本体装置
１０３  超音波送受信装置
【図１】
2012144226.tif 000004
【図２】
2012144226.tif 000005
【図３】
2012144226.tif 000006
【図４】
2012144226.tif 000007
【図５】
2012144226.tif 000008
【図６】
2012144226.tif 000009
【図７】
2012144226.tif 000010
【図８】
2012144226.tif 000011
【図９】
2012144226.tif 000012
【図１０】
2012144226.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成25年3月6日(2013.3.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
このような問題を解決するために、本発明の一態様に係る超音波プローブは、電圧が印加されることにより超音波を発生する圧電振動子と、前記圧電振動子と被検体との間の音響インピーダンスを整合する音響整合層とを備える超音波プローブであって、前記音響整合層は、結合材と１ミクロン以下の金属ナノ粒子とを配合した配合物に対して焼成を行うことにより、その表面全体にわたって多数の微細孔が形成された焼結層を有し、前記配合物には、前記金属ナノ粒子の表面の酸化被膜に作用する還元剤が添加されている。 
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
これによれば、圧電振動子と被検体との間の音響インピーダンスを整合する音響整合層は、結合材と１ミクロン以下の金属ナノ粒子とを配合した配合物に対して焼成を行うことにより、その表面に多数の微細孔を形成した焼結層を含んでいる。このため、焼結層の表面に形成される微細孔を、焼結層と隣接する部材との接着の強化に利用することができ、金属粒子の配合比をある一定以上に上げてできた焼結層であってもその剥離強度を向上させることができる。以上のことから、音響インピーダンスが１５〜２９ＭＲａｙｌｓのような高インピーダンスであり、かつ、隣接する部材との剥離強度を確保できる焼結層を音響整合層として利用できるため、圧電振動子と生体との間の超音波の伝播効率を向上させることができる。
また、金属粒子または結合材の表面を焼成前に酸化防止剤で被覆したり、金属粒子および結合材を希釈するための溶媒に配合したりすることで、金属粒子の酸化被膜が焼成の過程に悪影響を及ぼし、焼成を妨げることを防ぐことができる。これにより、金属粒子同士および結合材同士のバルク成長を促すことができる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３９】
また、例えば、前記焼結層は、前記金属ナノ粒子の表面の酸化被膜に作用する還元性ガスが添加されつつ、前記配合物の焼成が行われることにより成ってもよい。 
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４０】
この場合には、還元剤（水素ガス、一酸化炭素ガス、炭素など）を焼成環境下に添加することで、金属粒子の酸化被膜が焼成の過程に悪影響を及ぼし、焼成を妨げることを防ぐことができる。これにより、金属粒子同士および結合材同士のバルク成長を促すことができる。 
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４１】
なお、これらの全般的または具体的な態様は、方法で実現されてもよい。本発明の一態様に係る超音波プローブの製造方法は、結合材と１ミクロン以下の金属ナノ粒子とが配合された第一配合物を溶媒で希釈して塗工する第一塗工工程と、前記第一塗工工程において塗工された前記第一配合物を乾燥する第一乾燥工程と、前記乾燥工程において乾燥された前記第一配合物を焼成することにより、表面に微細孔が形成された焼結層を作製する第一焼成工程と、微細孔が形成された前記焼結層上に、結合材と金属ナノ粒子または樹脂粒子との第二配合物を溶媒で希釈して塗工する第二塗工工程と、前記第二塗工工程において塗工された前記第二配合物の上に、前記第二配合物に含まれる結合材と、金属ナノ粒子または樹脂粒子との第三配合物を溶媒で希釈して塗工する第三塗工工程と、前記第二塗工工程において塗工された前記第二配合物と、前記第三塗工工程において塗工された前記第三配合物との２層を一度に焼成する第二焼成工程とを含む。 
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４２】
また、例えば、さらに、微細孔が形成された前記焼結層上に、前記第一配合物とは異なる第四配合物を溶媒で希釈して塗工する第四塗工工程と、前記第四塗工工程において塗工された前記第四配合物が前記焼結層の前記微細孔に浸透したことを判定する浸透判定工程と、前記浸透判定工程において前記第四配合物が前記焼結層の前記微細孔に浸透したことが判定された後に、前記第四塗工工程において塗工された前記第四配合物を乾燥する第二乾燥工程と、前記第二乾燥工程において乾燥された第四配合物を焼成する第三焼成工程とを含んでもよい。また、例えば、さらに、微細孔が形成された前記焼結層上に、接着層または前記第一配合物とは異なる第五配合物を塗工する第五塗工工程と、前記接着層の一部または前記第五配合物を前記微細孔に浸透させるために、前記焼結層と前記接着層との間の空気を追い出す脱気工程とを含んでもよい。
【手続補正７】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧が印加されることにより超音波を発生する圧電振動子と、前記圧電振動子と被検体との間の音響インピーダンスを整合する音響整合層とを備える超音波プローブであって、
前記音響整合層は、結合材と１ミクロン以下の金属ナノ粒子とを配合した配合物に対して焼成を行うことにより、その表面全体にわたって多数の微細孔が形成された焼結層を有し、
前記配合物には、前記金属ナノ粒子の表面の酸化被膜に作用する還元剤が添加されている
超音波プローブ。
【請求項２】
前記音響整合層は、互いに隣接し合う２層の前記焼結層を有し、一方の前記焼結層の微細孔に、他方の前記焼結層の一部が入り込んでいる
請求項１に記載の超音波プローブ。
【請求項３】
前記焼結層は、当該焼結層に隣接する部材と接着層を介して接着されており、
前記接着層は、その一部が当該焼結層の微細孔に入り込んでいる
請求項１に記載の超音波プローブ。
【請求項４】
前記音響整合層は、４層以上の層から成り、
前記４層以上の層のそれぞれは、異なる音響インピーダンスであり、前記圧電振動子に近い位置に設けられる層ほど前記圧電振動子の音響インピーダンスに近く、かつ、前記被検体に近い位置に設けられる層ほど前記被検体の音響インピーダンスに近い音響インピーダンスであり、
前記４層以上の層のうちの少なくとも１層の前記焼結層は、音響インピーダンスが１５ＭＲａｙｌｓ以上である
請求項１から３のいずれか１項に記載の超音波プローブ。
【請求項５】
前記４層以上の層のうちの少なくとも１層の前記焼結層は、金属粒子を重量比９０％以上含む
請求項４に記載の超音波プローブ。
【請求項６】
前記音響整合層は、互いに隣接し合う２層の前記焼結層を有し、一方の前記焼結層に前記結合材として含まれる第一結合材と、他方の前記焼結層に前記結合材として含まれる第二結合材とは、同じ素材であり、
前記第一結合材および前記第二結合材は、前記焼成が行われることにより互いに結着する
請求項１から５のいずれか１項に記載の超音波プローブ。
【請求項７】
前記音響整合層は４層以上の層から成り、
前記４層以上の層のうちの少なくとも１層の前記焼結層は、結合材と樹脂粒子とが配合されることにより成り、その音響インピーダンスが５ＭＲａｙｌｓ以下である
請求項１から６のいずれか１項に記載の超音波プローブ。
【請求項８】
前記金属ナノ粒子は、銀ナノ粒子、あるいは、銅ナノ粒子である
請求項１から７のいずれか１項に記載の超音波プローブ。
【請求項９】
前記結合材は、シリカ化合物、あるいは、耐熱性を有する有機系高分子樹脂を含む
請求項１から８のいずれか１項に記載の超音波プローブ。
【請求項１０】
前記焼結層は、前記金属ナノ粒子の表面の酸化被膜に作用する還元性ガスが添加されつつ、前記配合物の焼成が行われることにより成る
請求項１から９のいずれか１項に記載の超音波プローブ。
【請求項１１】
結合材と１ミクロン以下の金属ナノ粒子とが配合された第一配合物を溶媒で希釈して塗工する第一塗工工程と、
前記第一塗工工程において塗工された前記第一配合物を乾燥する第一乾燥工程と、
前記乾燥工程において乾燥された前記第一配合物を焼成することにより、表面に微細孔が形成された焼結層を作製する第一焼成工程と、
微細孔が形成された前記焼結層上に、結合材と金属ナノ粒子または樹脂粒子との第二配合物を溶媒で希釈して塗工する第二塗工工程と、
前記第二塗工工程において塗工された前記第二配合物の上に、前記第二配合物に含まれる結合材と、金属ナノ粒子または樹脂粒子との第三配合物を溶媒で希釈して塗工する第三塗工工程と、
前記第二塗工工程において塗工された前記第二配合物と、前記第三塗工工程において塗工された前記第三配合物との２層を一度に焼成する第二焼成工程と
を含む超音波プローブの製造方法。
【請求項１２】
さらに、
微細孔が形成された前記焼結層上に、前記第一配合物とは異なる第四配合物を溶媒で希釈して塗工する第四塗工工程と、
前記第四塗工工程において塗工された前記第四配合物が前記焼結層の前記微細孔に浸透したことを判定する浸透判定工程と、
前記浸透判定工程において前記第四配合物が前記焼結層の前記微細孔に浸透したことが判定された後に、前記第四塗工工程において塗工された前記第四配合物を乾燥する第二乾燥工程と、
前記第二乾燥工程において乾燥された第四配合物を焼成する第三焼成工程と
を含む請求項１１に記載の超音波プローブの製造方法。
【請求項１３】
さらに、
微細孔が形成された前記焼結層上に、接着層または前記第一配合物とは異なる第五配合物を塗工する第五塗工工程と、
前記接着層の一部または前記第五配合物を前記微細孔に浸透させるために、前記焼結層と前記接着層との間の空気を追い出す脱気工程と
を含む請求項１１に記載の超音波プローブの製造方法。
【国際調査報告】
2012144226.tif 000014
2012144226.tif 000015
2012144226.tif 000016
2012144226.tif 000017