(57)【要約】【課題】部品間の音響インピーダンスを整合し、良好な周波数感度特性を実現した超音波探触子を安価に提供する。【解決手段】電気信号と超音波信号とを相互に変換する圧電素子２と、圧電素子２に超音波信号を送信あるいは受信させるための電気信号を伝送する第１および第２フレキシブル基板５、４と、被検体と圧電素子２との音響インピーダンスを整合させる音響整合層３とを備える。第１フレキシブル基板４に対して、音響整合層３、圧電素子２、第２フレキシブル基板５が順に積層され、音響整合層３は、六方晶窒化ホウ素とホウ化チタンとの混合体で構成され、音響整合層３の少なくとも一部の音響インピーダンスが１５ＭＲａｙｌｓ〜２５ＭＲａｙｌｓの間であり、音響整合層３の電気比抵抗が２５０μΩ・ｃｍ〜１０００μΩ・ｃｍの間である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気信号と超音波信号とを相互に変換する圧電素子と、
前記圧電素子に前記超音波信号を送信あるいは受信させるための電気信号を伝送する第１および第２フレキシブル基板と、
被検体と前記圧電素子との音響インピーダンスを整合させる音響整合層とを備えた超音波探触子において、
前記第１フレキシブル基板に対して、前記音響整合層、前記圧電素子、前記第２フレキシブル基板が順に積層され、
前記音響整合層は、六方晶窒化ホウ素とホウ化チタンとの混合体で構成され、
前記音響整合層の少なくとも一部の音響インピーダンスが１５ＭＲａｙｌｓ〜２５ＭＲａｙｌｓの間であり、
前記音響整合層の電気比抵抗が２５０μΩ・ｃｍ〜１０００μΩ・ｃｍの間であることを特徴とする超音波探触子。
【請求項２】
前記音響整合層における前記六方晶窒化ホウ素の重量比率が４０％〜６０％である請求項１記載の超音波探触子。
【請求項３】
前記音響整合層が異なる音響インピーダンスを有する２層以上の層で形成された請求項１または２に記載の超音波探触子。
【請求項４】
前記第１フレキシブル基板に対して前記音響整合層の反対側に配置された外側音響整合層を有する請求項１〜３のいずれか一項に記載の超音波探触子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、良好な周波数特性を有する超音波探触子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、圧電素子と、一層以上の音響整合層と、信号取り出し用フレキシブル基板と、背面負荷材とが積層された超音波探触子が知られている(例えば、特許文献１参照)。
【０００３】
図６は、従来の超音波探触子の超音波素子部１０１の概略構成を示す斜視断面図である。圧電素子１０２は、ＰＺＴ系の圧電セラミックスなどからなる電気音響変換素子であり、めっきあるいはスパッタなどにより超音波放射面およびその裏面に電極が設けられている。音響整合層１０３は、圧電素子１０２から超音波信号が照射される側に一層以上形成されている。
【０００４】
第１フレキシブル基板１０４は、圧電素子１０２と音響整合層１０３との間に配置され、ポリイミドなどの高分子材料に銅などの導体が積層されて構成されている。
【０００５】
第２フレキシブル基板１０５は、圧電素子１０２に対して第１フレキシブル基板１０４の反対側に配置され、ポリイミドなどの高分子材料に銅などの導体が積層されて構成されている。第１フレキシブル基板１０４及び第２フレキシブル基板１０５は、超音波を送信あるいは受信を行うための電気信号を圧電素子１０２に伝送する。背面負荷材１０６は、圧電素子１０２に対して超音波放射面の反対側に配置されている。第１フレキシブル基板１０４および第２フレキシブル基板１０５の導体は、導電性接着剤あるいは一般的な接着剤によるオーミックコンタクトによって圧電素子１０２と電気的に接続されている。
【０００６】
この超音波探触子は、超音波素子部１０１と、超音波素子部１０１を覆う筐体(図示せず)と、超音波診断装置本体(図示せず)と超音波素子部１０１を接続するケーブル(図示せず)などで構成されている。
【０００７】
次に、超音波素子部１０１の動作について説明する。超音波診断装置本体で生成された駆動信号（電気信号）が第１フレキシブル基板１０４、および第２フレキシブル基板１０５を介して圧電素子１０２に印加される。圧電素子１０２は、駆動信号を超音波信号に変換し、変換された超音波信号は音響整合層１０３内を通過して被検体(図示せず)に照射される。また、被検体から反射した超音波信号が音響整合層１０３を通過して圧電素子１０２に到達し、圧電素子１０２は超音波信号を電気信号に変換する。変換された電気信号は、第１フレキシブル基板１０４、および第２フレキシブル基板１０５により伝送されて、超音波診断装置本体で信号処理される。
【０００８】
超音波素子部１０１では、圧電素子１０２（音響インピーダンスが３０〜５０ＭＲａｙｌｓ）、第１フレキシブル基板１０４（第１フレキシブル基板１０４を構成する高分子材料の音響インピーダンスが２〜４ＭＲａｙｌｓ）、音響整合層１０３（音響インピーダンスが８〜２５ＭＲａｙｌｓ）が順に積層されている。このため、圧電素子１０２と第１フレキシブル基板１０４との間、第１フレキシブル基板１０４と音響整合層１０３との間で音響的な不整合が生じる。特に高精度の画像を得るために音響整合層１０３を３層以上にする場合には、少なくとも圧電素子１０２に接する層の音響インピーダンスは１５〜２５ＭＲａｙｌｓであることが求められる。このため、第１フレキシブル基板１０４と音響整合層１０３との、音響的な不整合が大きくなり、周波数特性の劣化が生じる。
【０００９】
図７は、上記問題を解消するための従来例の超音波探触子（例えば、特許文献２参照）の超音波素子部１０１ｂの構成を示す斜視断面図である。この超音波探触子は、図６に示された超音波探触子の音響整合層１０３に代えて音響整合層１０３ｂを圧電素子１０２と第１フレキシブル基板１０４との間に配置した構成である。音響整合層１０３ｂは、誘電体材料１０７の外周に導電膜１０８が設けられて構成されている。音響整合層１０３ｂが、誘電体材料１０７が導電膜１０８で覆われた構成であるため、圧電素子１０２に対して音響整合層１０３ｂ、第１フレキシブル基板１０４が順に配置された構成においても圧電素子１０２に駆動信号を印加することができる。
【００１０】
この構成によれば、圧電素子１０２と音響整合層１０３ｂとの間に第１フレキシブル基板１０４が介在しないため、音響的な不整合を低減することができる。
【特許文献１】特開２００３−１２５４９４号公報
【特許文献２】特開昭６１−２７８２９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
図７に示す超音波探触子では、例えばシリコンウェハなど１５〜２５ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを持った絶縁体材料あるいは、誘電体材料１０７の外周に導電膜１０８を設けた音響整合層１０３ｂを用いるため、音響整合層１０３ｂそのものの加工費が増加する。
【００１２】
また、音響整合層１０３ｂに代えて、グラファイトやグラファイトに金属粒などを混入させた導電性を有する材料を音響整合層として用いる場合では、その音響インピーダンスが１０ＭＲａｙｌｓ程度しかなく、音響的な整合を十分に行うことはできない。
【００１３】
本発明は、上記従来の問題を解決するためのもので、部品間の音響インピーダンスを整合し、良好な周波数感度特性を実現した超音波探触子を安価に提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の超音波探触子は、電気信号と超音波信号とを相互に変換する圧電素子と、前記圧電素子に前記超音波信号を送信あるいは受信させるための電気信号を伝送する第１および第２フレキシブル基板と、被検体と前記圧電素子との音響インピーダンスを整合させる音響整合層とを備える。上記課題を解決するために、前記第１フレキシブル基板に対して、前記音響整合層、前記圧電素子、前記第２フレキシブル基板が順に積層され、前記音響整合層は、六方晶窒化ホウ素とホウ化チタンとの混合体で構成され、前記音響整合層の少なくとも一部の音響インピーダンスが１５ＭＲａｙｌｓ〜２５ＭＲａｙｌｓの間であり、前記音響整合層の電気比抵抗が２５０μΩ・ｃｍ〜１０００μΩ・ｃｍの間であることを特徴とする。この構成により、部品間の音響インピーダンスを整合し、良好な周波数感度特性を実現することができる。
【００１５】
また、前記音響整合層における前記六方晶窒化ホウ素の重量比率が４０％〜６０％である構成にすることができる。この構成により、バラツキが小さく良好な周波数感度特性を得ることができる。
【００１６】
また、前記音響整合層が異なる音響インピーダンスを有する２層以上の層で形成された構成にすることができる。この構成により、音響的な整合をさらに良好にでき、広い帯域を有する良好な周波数感度特性を得ることができる。
【００１７】
また、前記第１フレキシブル基板に対して前記音響整合層の反対側に配置された外側音響整合層を有する構成にすることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は、導電性材料を用いた音響整合層を用いることで、部品間の音響インピーダンスを整合し、良好な（使用帯域において感度の変化が少ない）周波数感度特性を実現した超音波探触子を安価に提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の超音波探触子における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１は、本発明の実施の形態１に係る超音波探触子の超音波素子部１の概略構成を示す斜視断面図である。図１に示すように、超音波素子部１は、圧電素子２と、圧電素子２の超音波照射側に順に配置された音響整合層３、第１フレキシブル基板４と、圧電素子２に対して超音波照射側の反対側に順に配置された第２フレキシブル基板５、背面負荷材６とを有し、超音波信号の送受信を行う。
【００２０】
圧電素子２は、ＰＺＴ系などの圧電セラミックス等で構成された、超音波信号を送受信する電気音響変換素子である。圧電素子２には、音響整合層３と接する面に電極７ａが、第２フレキシブル基板５と接する面に電極７ｂが、めっきあるいはスパッタなどにより金、銀、クロム、ニッケルあるいはチタンなどの金属で形成されている。音響整合層３は、圧電素子２の超音波照射側面上に配置され、圧電素子２と被検体（図示せず）との音響インピーダンスを整合させて超音波信号を効率よく伝搬させる。
【００２１】
第１フレキシブル基板４は、ポリイミドなどの高分子材料に銅などの導体を極めて薄く（１μｍから１０μｍ程度）積層して構成され、音響整合層３上に配置されている。第１フレキシブル基板４には、超音波診断装置本体と音響整合層３に接する導体とを電気的に接続する導線が配置されている。
【００２２】
第２フレキシブル基板５は、圧電素子２に対して音響整合層３の反対側に配置されている。第２フレキシブル基板５の導線には、第１フレキシブル基板４と同様に構成されている。この導線により、超音波診断装置本体からの駆動信号が圧電素子２に印加され、また、圧電素子２により受信された電気信号が超音波診断装置本体に伝送される。背面負荷材６は、圧電素子２を機械的に保持し、且つ、不要な超音波信号を減衰させる。
【００２３】
この超音波素子部１は、アレイ方向（図中のＡ−Ａ方向）に対して垂直に切削などの手段によってスリット（溝、切込みともいう）が入れられ、数十から数百のエレメントに分割されている（図示せず）。
【００２４】
次に、本実施の形態に係る超音波探触子の動作について説明する。超音波診断装置本体により生成された駆動信号（電気信号）が第１フレキシブル基板４および第２フレキシブル基板５により伝送され、圧電素子２に印加される。圧電素子２に駆動信号が印加されることにより、電気・音響変換効果により超音波信号が生成される。超音波信号は、音響整合層３及び第１フレキシブル基板４を伝搬して被検体（図示せず）に照射され、一部が反射される。反射された超音波信号は、第１フレキシブル基板４及び音響整合層３を伝搬して、圧電素子２に受信され、圧電素子２の電気・音響変換効果によって、電気信号（受信信号）に変換される。受信信号は、第１フレキシブル基板４および第２フレキシブル基板５によって、超音波診断装置本体へ伝送され、信号処理される。
【００２５】
以下、音響整合層３について詳細に説明する。音響整合層３は、六方晶窒化ホウ素とホウ化チタンとの混合体で構成されている。音響整合層３における六方晶窒化ホウ素の重量比率は、２０％から８０％の間（例えば、六方晶窒化ホウ素が２０％の場合、ホウ化チタンは８０％）の一定の比率である。この構成により、音響整合層３は、電気的比抵抗が２５０μΩ・ｃｍから１０００μΩ・ｃｍの間の導電性を有する。したがって、図７に示す従来の音響整合層１０３ｂのような特別に誘電体材料の周囲を導電膜などで覆う必要なく、図１に示すように電極７ａと第１フレキシブル基板４の電極部分（図示せず）とを電気的に接続することができる。
【００２６】
一般に、ＰＺＴ系などの圧電セラミックスで構成される圧電素子２の音響インピーダンスＺPは、３０ＭＲａｙｌｓから５０ＭＲａｙｌｓ程度である。一方、被検体である生体の音響インピーダンスＺHは、約１．５ＭＲａｙｌｓである。このことから、音響的な整合の観点から、圧電素子２と生体との間の音響整合層３の音響インピーダンスはＺPからＺHまで順に小さくなることが求められる。
【００２７】
また、第１フレキシブル基板４は、ポリイミドなどの高分子材料で形成されるため、音響インピーダンスＺF1は３ＭＲａｙｌｓ程度である。このため、従来のように、第１フレキシブル基板４を直接、圧電素子２に積層した場合（すなわち、圧電素子２、第１フレキシブル基板４、音響整合層３の順に積層した場合）、音響整合層３と第１フレキシブル基板４との間、および第１フレキシブル基板４と圧電素子２との間に音響的な不整合を生じてしまう。
【００２８】
この問題を解消するために、音響整合層３に第１フレキシブル基板４のポリイミドなどの高分子材料と同じ音響インピーダンスの材料を用いると、音響整合層３と第１フレキシブル基板４との間の音響的な整合は保たれるが、音響整合層３の材料が制限される。また、音響整合層３の音響インピーダンスが第１フレキシブル基板４の音響インピーダンス程度に小さいため、段階的に音響インピーダンスを小さくするために整合層を二層以上とした構成を実質的に用いることができなくなる。
【００２９】
これに対して、本実施の形態では、音響整合層３が六方晶窒化ホウ素とホウ化チタンとの混合体である導体で構成され、音響整合層３の音響インピーダンスＺM1が１５ＭＲａｙｌｓから２５ＭＲａｙｌｓの間である。このことから、圧電素子２と音響整合層３との間、および音響整合層３と第１フレキシブル基板４との間の音響的な整合は良好なものとなる。また、音響整合層３を、圧電素子２と接する側に音響インピーダンスの高い層が設けられ、第１フレキシブル基板４と接する側に音響インピーダンスの低い層が設けられた２層以上の構成にすることができる。このように多層にすることにより、音響インピーダンスの整合をより良好なものとすることができる。
【００３０】
なお、音響インピーダンスが１５ＭＲａｙｌｓから２５ＭＲａｙｌｓの間で且つ、電気的比抵抗が２５０μΩ・ｃｍから１０００μΩ・ｃｍの間の性能を有した音響整合層３の材料としては、例えば、電気化学工業株式会社製のＢＮコンポジットＥＣなどがある。
【００３１】
以上のように、本実施の形態に係る超音波探触子は、部品間の音響インピーダンスを整合し、良好な周波数感度特性を有する。
【００３２】
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２に係る超音波探触子の超音波素子部１ｂの概略構成を示す斜視断面図である。なお、本実施の形態の説明において、実施の形態１に係る超音波探触子１と同様の構成要素は、同一の符号を付して説明を省略する。
【００３３】
図２に示すように、超音波素子部１ｂは、図１に示す実施の形態１に係る超音波探触子１に対して、音響整合層３が第１音響整合層８に置き換わり、第１フレキシブル基板４に対して第１音響整合層８の反対側に第２音響整合層９が新たに配置された構成である。
【００３４】
第１音響整合層８は、六方晶窒化ホウ素と、ホウ化チタンとの混合体で構成され、各々の重量比率が４０％から６０％の間（例えば、六方晶窒化ホウ素が４０％の場合、ホウ化チタンは６０％）で構成されている。このように第１音響整合層８が構成されると、第１音響整合層８は、電気的比抵抗が２５０μΩ・ｃｍから１０００μΩ・ｃｍの導電性を有する。
【００３５】
したがって、図７に示す従来の音響整合層１０３ｂのような特別に誘電体材料の周囲を導電膜などで覆う構成にする必要がなく、図２に示すように電極７ａと第１フレキシブル基板４の電極部分（図示せず）との電気的な接続が可能となる。
【００３６】
第２音響整合層９は、第１フレキシブル基板４の高分子材料と同じ材料若しくは、第１フレキシブル基板４の高分子材料と同程度の音響インピーンダンスの材料で形成されている。第２音響整合層９は、第１フレキシブル基板４と同程度の音響インピーンダンスであることから、圧電素子２と生体との間の部品の音響インピーダンスは、圧電素子２の音響インピーダンスＺPから生体の音響インピーダンスＺHまで順に小さくすることができる。
【００３７】
図３は、本実施の形態に係る超音波探触子の周波数感度特性のシミュレーション結果を示すグラフである。図３には、比較例として、第１音響整合層８に一般的に用いられるグラファイト材を用いた場合の超音波探触子の周波数感度特性（従来の特性）のシミュレーション結果を併せて示している。
【００３８】
図３に示されるように、本実施の形態に係る超音波探触子の周波数感度特性は、−６ｄＢにおける周波数比帯域が比較例では７２％であるのに対して、本実施の形態では８９．６％であり、本実施の形態に係る超音波探触子は広い周波数帯域を有していることがわかる。
【００３９】
なお、第１音響整合層８の六方晶窒化ホウ素の重量比率を４０％から６０％の間で変化させて周波数感度特性のシミュレーションを行った場合、−６ｄＢの周波数比帯域は、８９．４％から９０．０％であり、バラツキは小さかった。また、いずれの場合も比較例の超音波探触子より周波数比帯域の数値は大きく、またバラツキも１％弱と非常に小さいものとなっている。
【００４０】
以上のことから、本実施の形態に係る超音波探触子は、音響的に整合し、周波数感度特性が良好であり、かつ周波数感度特性のバラツキが小さい。
【００４１】
（実施の形態３）
図４は、本発明の実施の形態３に係る超音波探触子の超音波素子部１ｃの概略構成を示す斜視断面図である。なお、本実施の形態の説明において、実施の形態１に係る超音波探触子と同様の構成要素は、同一の符号を付して説明を省略する。
【００４２】
図４に示すように、超音波素子部１ｃは、図２に示す実施の形態２に係る超音波探触子１ｂの第１音響整合層８が第１音響整合層１０、第２音響整合層１１に置き換わり、第２音響整合層９が第３音響整合層１２に置き換わった構成である。すなわち、超音波素子部１ｃは、音響整合層が３層積層された構造である。
【００４３】
第１音響整合層１０は、音響インピーダンスが１５ＭＲａｙｌｓから２５ＭＲａｙｌｓの間で且つ、電気的比抵抗が２５０μΩ・ｃｍから１０００μΩ・ｃｍの間の性能を有した六方晶窒化ホウ素と、ホウ化チタンとの混合体で構成されている。
【００４４】
第２音響整合層１１は、一般的に用いられるグラファイト材で構成され、電気的比抵抗が２５０μΩ・ｃｍ程度である。したがって、第１音響整合層１０および第２音響整合層１１の周囲を導電膜などで覆う構成にする必要がなく、電極７ａと第１フレキシブル基板４の電極部分との電気的な接続は可能となる。
【００４５】
第３音響整合層１２には、第１フレキシブル基板４の高分子材料と同じ材料若しくは、第１フレキシブル基板４の高分子材料と同程度の音響インピーンダンスの材料が用いられている。このことから、圧電素子２と生体との間の部品の音響インピーダンスは、圧電素子２の音響インピーダンスＺPから生体の音響インピーダンスＺHまで順に小さくすることができる。
【００４６】
図５は、本実施の形態に係る超音波探触子の周波数感度特性のシミュレーション結果を示すグラフである。なお、図５には、比較のために、図３に示した実施の形態２における超音波探触子の周波数感度特性のシミュレーション結果を併せて示している。
【００４７】
図５に示されるように、本実施の形態に係る超音波探触子の周波数感度特性は、本発明の実施の形態２に係る超音波探触子の周波数感度特性と比較して、広い周波数帯域を有していることがわかる。−６ｄＢにおける周波数比帯域は、実施の形態２に係る超音波探触子の周波数比帯域が８９．４％から９０．０％であるのに対して、１０３．３％とさらに広い周波数帯域を有している。また、最大感度を比較すると、約＋２ｄＢ感度が高くなっている。
【００４８】
なお、第１音響整合層１０における六方晶窒化ホウ素の重量比率が各々４０％から６０％の間（例えば、六方晶窒化ホウ素が４０ ％の場合、ホウ化チタンは６０％）で構成された場合も、同様に周波数比帯域が広く、最大感度が向上するという効果が得られ、且つ、周波数比帯域のバラツキは１％程度（１０２．４％から１０３．６％）と非常に小さいものとなっている。
【００４９】
以上のことから、本実施の形態に係る超音波探触子は、音響的な整合をさらに良好にでき、広帯域でバラツキの少ない良好な周波数感度特性を得ることができる。
【００５０】
なお、本実施の形態において、第１フレキシブル基板４と圧電素子２との間に、第１音響整合層１０、第２音響整合層１１の２層の音響整合層が積層された例を示したが、３層以上積層された構成にすることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明の超音波探触子は、安価でかつ広帯域でバラツキの小さい周波数感度特性を有するという効果を有し、超音波診断の分野において利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施の形態１における超音波素子部の構成を示す斜視断面図
【図２】本発明の実施の形態２における超音波素子部の構成を示す斜視断面図
【図３】本発明の実施の形態２における超音波探触子の周波数特性を示すグラフ
【図４】本発明の実施の形態３における超音波素子部の構成を示す斜視断面図
【図５】本発明の実施の形態３における超音波探触子の周波数特性を示すグラフ
【図６】従来の超音波探触子の超音波素子部の構成を示す斜視断面図
【図７】従来の超音波探触子の超音波素子部の構成を示す斜視断面図
【符号の説明】
【００５３】
１、１ｂ、１ｃ  超音波素子部
２  圧電素子
３  音響整合層
４  第１フレキシブル基板
５  第２フレキシブル基板
６  背面負荷材
７ａ、７ｂ  電極
８、１０  第１音響整合層
９、１１  第２音響整合層
１２  第３音響整合層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2010226338.tif 000007
【図６】
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【図７】
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