(57)【要約】  高分解能の診断画像を得ることができるとともに、信頼性の高い超音波探触子を実現する技術が開示され、その技術によれば圧電素子１は所定の厚さを有し、厚さ方向の一方の面に接地電極５が形成され、他方の面に信号用電極６が形成されており、この圧電素子の接地電極の形成面に音響マッチング層２が積層されているとき、この音響マッチング層は、少なくとも導電性部材２０を含む複数の素材の複合材料で構成され、かつ導電性部材は、圧電素子の一方の電極形成面の複数箇所で、それぞれ層の厚さ方向に貫通する部位を有している。
2008056611.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚さ方向の両面に電極が形成された圧電素子と、前記圧電素子の一方の電極形成面に積層された音響マッチング層とを備えた超音波探触子において、
前記音響マッチング層は、少なくとも導電性部材を含む複数の素材の複合材料で構成され、かつ前記導電性部材は、前記圧電素子の一方の電極形成面の複数箇所で、それぞれ層の厚さ方向に貫通する部位を有していることを特徴とする超音波探触子。
【請求項２】
前記音響マッチング層は、絶縁性部材又は半導電性部材と、導電性部材とを含む複数の素材の複合材料、若しくは絶縁性部材又は半導電性部材を含む複数の素材と、導電性部材を含む複数の素材との複合材料で構成されていることを特徴とする請求項１記載の超音波探触子。
【請求項３】
所定の厚さを有し、厚さ方向の両面に電極が形成され、互いに厚さ方向と直交する方向に配置された複数の圧電素子と、前記複数の圧電素子の一方の電極形成面にそれぞれ積層された複数の音響マッチング層とを備えた超音波探触子において、
前記音響マッチング層は、前記圧電素子に順に積層された第１及び第２の音響マッチング層を含み、
前記第１の音響マッチング層は、絶縁性部材又は半導電性部材と、導電性部材とを含む複数の素材の複合材料で構成され、かつ前記導電性部材は、前記圧電素子の一方の電極形成面の複数箇所で、それぞれ層の厚さ方向に貫通する部位を有していることを特徴とする超音波探触子。
【請求項４】
前記圧電素子に隣接する前記音響マッチング層を構成する前記複合材料は、絶縁性部材又は半導電性部材と、導電性部材とが、あらかじめ定めた領域に配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の超音波探触子。
【請求項５】
前記圧電素子に隣接する前記音響マッチング層の外表面部に積層された電気端子を備え、
前記電気端子は、絶縁性フィルムの一主面に導電性膜が披着され、かつ前記絶縁性フィルムの一主面が前記音響マッチング層に対向するように積層され、前記導電性膜が、前記音響マッチング層を構成する前記導電性部材を介して、前記圧電素子に形成された一方の前記電極と電気的に接続されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の超音波探触子。
【請求項６】
所定の厚さを有し、厚さ方向の両面に電極が形成され、互いに厚さ方向と直交する方向に配置された複数の圧電素子と、前記複数の圧電素子の一方の電極形成面にそれぞれ積層された複数の音響マッチング層とを備えた超音波探触子において、
ｎを３以上の整数として、前記音響マッチング層は、前記圧電素子に順に積層される第１〜第ｎの音響マッチング層を含み、かつ第１の音響マッチング層と第２の音響マッチング層との間に電気端子が挿着され、
少なくとも前記第１の音響マッチング層は、絶縁性部材又は半導電性部材と、導電性部材とを含む複数の素材の複合材料で構成され、かつ前記導電性部材は、前記圧電素子の一方の電極形成面の複数箇所で、それぞれ層の厚さ方向に貫通する部位を有し、
前記電気端子は、絶縁性フィルムの一主面に導電性膜が披着され、かつ前記絶縁性フィルムの一主面が前記音響マッチング層に対向するように積層され、前記導電性膜が、前記第１の音響マッチング層を構成する前記導電性部材を介して、前記圧電素子に形成された一方の前記電極と電気的に接続されていることを特徴とする超音波探触子。
【請求項７】
所定の厚さを有し、厚さ方向の両面に電極が形成され、互いに厚さ方向と直交する方向に配置された複数の圧電素子と、前記複数の圧電素子の一方の電極形成面にそれぞれ積層された複数の音響マッチング層とを備えた超音波探触子において、
ｎを３以上の整数として、前記音響マッチング層は、前記圧電素子に順に積層される第１〜第ｎの音響マッチング層を含み、かつ第２の音響マッチング層と第３の音響マッチング層との間に電気端子が挿着され、
少なくとも前記第１及び第２の音響マッチング層は、絶縁性部材又は半導電性部材と、導電性部材とを含む複数の素材の複合材料で構成され、かつ前記導電性部材は、前記圧電素子の一方の電極形成面の複数箇所で、それぞれ層の厚さ方向に貫通する部位を有し、
前記電気端子は、絶縁性フィルムの一主面に導電性膜が披着され、かつ前記絶縁性フィルムの一主面が前記音響マッチング層に対向するように積層され、前記導電性膜が、前記第１の音響マッチング層を構成する前記導電性部材及び前記第２の音響マッチング層を構成する前記導電性部材を介して、前記圧電素子に形成された一方の前記電極と電気的に接続されていることを特徴とする超音波探触子。
【請求項８】
前記第１の音響マッチング層を構成する前記複合材料は、絶縁性部材又は半導電性部材と、導電性部材とが、あらかじめ定めた領域に配置されていることを特徴とする請求項６又は７に記載の超音波探触子。
【請求項９】
前記第２の音響マッチング層を構成する前記複合材料は、絶縁性部材又は半導電性部材と、導電性部材とが、あらかじめ定めた領域に配置されていることを特徴とする請求項７に記載の超音波探触子。
【請求項１０】
前記圧電素子の厚さ方向をＺ方向、このＺ方向と直交する方向をＸ方向、これらＺ方向及びＸ方向と直交する方向をＹ方向として、
前記音響マッチング層を構成する前記複合材料は、
前記導電性部材がＺ方向のみにつながりがあって、Ｘ、Ｙ方向につながりがなく、前記絶縁性部材又は半導電性部材がＸ、Ｙ、Ｚの３方向につながりがある連結構造か、
又は、前記導電性部材がＹ及びＺの２方向につながりがあり、前記絶縁性部材又は半導電性部材がＹ及びＺの２方向につながりがある連結構造か、
又は、前記導電性部材がＸ、Ｙ、Ｚの３方向につながりがあり、前記絶縁性部材又は前記半導電性部材がＺ方向のみにつながりがあって、Ｘ、Ｙ方向につながりがない連結構造か、
のいずれか１つの連結構造を有していることを特徴とする請求項２から９のいずれか１つに記載の超音波探触子。
【請求項１１】
所定の厚さを有し、厚さ方向の両面に電極が形成された圧電素子と、前記圧電素子の一方の電極形成面に積層された音響マッチング層とを備えた超音波探触子において、
前記音響マッチング層は、少なくとも導電性部材を含む複数の素材の複合材料で構成され、かつ前記導電性部材は、前記圧電素子の一方の電極形成面の複数箇所で、それぞれ層の厚さ方向に貫通する部位を有し、かつ厚さ方向に導電性部材は連続的に体積比率が傾斜した、若しくは段階的に体積比率を変えた構成にしていることを特徴とする超音波探触子。
【請求項１２】
前記音響マッチング層の前記複数の素材の複合材料は、絶縁性部材又は半導電性部材と、導電性部材とを含む材料で構成されていることを特徴とする請求項１１に記載の超音波探触子。
【請求項１３】
前記複合材料の前記導電性部材が、金属、金属と高分子材料の複合体、グラファイトの炭化物のうちの少なくとも１つを含んでいることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１つに記載の超音波探触子。
【請求項１４】
前記複合材料の絶縁性部材又は半導電性部材が、ガラス、セラミックス、水晶、有機高分子と金属の複合体、シリコンの単結晶若しくは多結晶のうちの少なくとも１つを含んでいることを特徴とする請求項２から１２のいずれか１つ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、生体などの被検体に当接させて超音波を送信及び受信することにより、被検体の診断情報を得るために使用される超音波探触子に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波診断装置は超音波を人や動物などの生体の被検体に照射し、被検体内で反射されるエコー信号を検出して生体内組織の断層像などをモニタに表示し、被検体の診断に必要な情報を提供するものである。この超音波診断装置に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とを行うための超音波探触子が使用される。【０００３】
図９はこの種の従来の超音波探触子の構成例を示した断面図である。図９において、超音波探触子３０は不図示の被検体との間で超音波を送受信するべく、一定方向（図９においては紙面と直交する方向）に配列された複数の圧電素子１１と、この圧電素子１１の被検体側（図９の上方）の表面（以下、被検体側の表面を前面と称する）に設けられた１層以上(図示したものは２層)の音響マッチング層１２（１２ａ、１２ｂ）と、この音響マッチング層１２の前面に設けられた音響レンズ１３と、圧電素子１１の被検体側とは反対側（図９の下方）の表面（以下、被検体側とは反対側の表面を背面と称する）に設けられた信号用電気端子１５と、この信号用電気端子１５の背面に設けられた背面負荷材１４と、第１の音響マッチング層１２ａと第２の音響マッチング層１２ｂとの間に装着された接地用電気端子１６とを備えている。【０００４】
圧電素子１１はＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）系などの圧電セラミックス、単結晶、これらの材料と高分子材料とを複合した複合圧電体、あるいはＰＶＤＦ（二フッカポリビニル）などに代表される高分子材料の圧電体などによって形成される。この圧電素子１１の前面及び背面にはそれぞれ電極が形成され、これらの電極と圧電素子１１との間で電気信号の送受信が行われる。すなわち、圧電素子１１は電圧を超音波に変換して被検体内に送信し、また、被検体内で反射したエコーを受信して電気信号に変換する。【０００５】
音響マッチング層１２は超音波を効率よく被検体に送信し、かつ、被検体から受信するために設けられ、より具体的には、圧電素子１１の音響インピーダンスを段階的に被検体の音響インピーダンスに近づける役割を果たしている。図示の例では、音響マッチング層１２として第１の音響マッチング層１２ａと第２の音響マッチング層１２ｂとが積み重ねられている。このうち、第１の音響マッチング層１２ａとしては導電部材であるグラファイトが用いられ、その前面から絶縁性フィルムに金属膜を披着した電気端子１６が取り出されている。更に電気端子１６の前面に第２の音響マッチング層１２ｂが設けられている。この構成は、圧電素子１１が外部からの機械的な衝撃などによって割れたとしても、絶縁性フィルムは割れにくいため、電気的な導通が確保できるので信頼性が高いという特徴を有している（例えば、下記の特許文献１参照）。【０００６】
一方、第１の音響マッチング層１２ａとして、グラファイトよりも音響インピーダンスの大きい材料を用いることによって、広帯域化するという構成も知られている（例えば、下記の特許文献２参照）。【０００７】
また、第１の音響マッチング層１２ａとして、絶縁性部材の一部に貫通孔を設け、この貫通孔に導電性部材を嵌装し、その前面に設けた電気端子とその背面にある圧電素子１１の電極とを接続する構成も知られている（例えば、下記の特許文献３参照）。【０００８】
音響レンズ１３は診断画像の分解能を高めるために超音波ビームを絞る役割を果たすものである。この音響レンズ１３はオプション要素であり、必要に応じて設けられる。背面負荷材１４は圧電素子１１を保持するように結合され、さらに不要な超音波を減衰させる役割を果たすものである。
【特許文献１】特開平７−１２３４９７号公報
【特許文献２】特開２００３−１２５４９４号公報
【特許文献３】実開平７−３７１０７号公報
【０００９】
電子走査型の超音波診断装置は、圧電素子を複数の群にして個々の圧電素子群に一定の遅延時間を与えて駆動し、各圧電素子群から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とを行う。このように遅延時間を与えることによって超音波ビームが収束あるいは拡散され、広い視野幅あるいは高分解能の超音波画像を得ることができる。【００１０】
複数の圧電素子群に一定の遅延時間を与えて超音波画像を得るシステムは、一般的なシステムとして既に知られている。超音波探触子として、このような高分解能の超音波画像を得るために重要なことの１つに広帯域化がある。また、高い性能が求められる一方で、超音波探触子は医師あるいは検査技師が操作するとともに、被検体に直接あるいは間接的に接触させて診断画像を得るものであることから、超音波探触子には操作性を良好にするためにスリムな形状も求められる。また、超音波探触子はその操作中あるいはそれ以外のときに、不可抗力で落下させられたり、打撃が与えられたりして壊れることも時々あり、それに対して信頼性の高いものが求められる。【００１１】
超音波探触子を広帯域化するための１つの方策として、特許文献２に示すように、圧電素子の前面に設ける音響マッチング層を３層以上にする構成が挙げられる。しかしながら、この構成においては、圧電素子側の第１の音響マッチング層に半導体であるシリコンを使用しているため、この第１の音響マッチング層側の圧電素子の電極から取り出す電気端子は、圧電素子に形成された電極の端部の一部から取り出すしかなく、この構成では機械的な衝撃によって圧電素子及び電極が割れた場合、割れた時点で断線が発生して機能が低下することになる。【００１２】
一方、特許文献１に示す構成は、第１の音響マッチング層に導体であるグラファイトを使用し、その前面に絶縁性フィルムの一主面に金属膜を披着させた電気端子を設けているため、信頼性は高くなるが、第１の音響マッチング層に使用する導体材料は音響インピーダンスが小さく、また、音響マッチング層は２層までしか積層できないため、広帯域化が困難であった。近年、超音波探触子はより広帯域化される傾向にあり、基本周波数に対して２次あるいは３次の高調波成分を利用するか、あるいは複数の周波数で使用して高分解能の超音波画像を得て診断する場合が多くなってきていることから、広帯域化することがますます重要になってきている。
【発明の開示】
【００１３】
本発明は、上記の事情を考慮してなされたもので、その目的は、高分解能の診断画像を得ることができるとともに、信頼性の高い超音波探触子を提供することにある。また本発明の他の目的は、操作性の良好な超音波探触子を提供することにある。
【００１４】
本発明は、厚さ方向の両面に電極が形成された圧電素子と、前記圧電素子の一方の電極形成面に積層された音響マッチング層とを備えた超音波探触子において、
前記音響マッチング層は、少なくとも導電性部材を含む複数の素材の複合材料で構成され、かつ前記導電性部材は、前記圧電素子の一方の電極形成面の複数箇所で、それぞれ層の厚さ方向に貫通する部位を有していることを特徴とする。
この構成により、圧電素子の一方の電極形成面に積層される音響マッチング層の音響インピーダンスを所望の値にすることが可能になるため、周波数の広帯域化ができることによって、高分解能の診断画像を得ることができ、また、音響マッチング層を介して、圧電素子の一方の電極形成面の複数箇所に電気端子を接続することが可能になるため、信頼性の高い超音波探触子が提供される。
【００１５】
また、本発明は、前記音響マッチング層は、絶縁性部材又は半導電性部材と、導電性部材とを含む複数の素材の複合材料、若しくは絶縁性部材又は半導電性部材を含む複数の素材と、導電性部材を含む複数の素材との複合材料で構成され、かつ前記導電性部材は、前記圧電素子の一方の電極形成面の複数箇所で、それぞれ層の厚さ方向に貫通する部位を有していることを特徴とする。
この構成により、圧電素子の一方の電極形成面に積層される音響マッチング層の音響インピーダンスを所望の値にすることが可能になるため、周波数の広帯域化ができることによって、高分解能の診断画像を得ることができ、また、音響マッチング層を介して、圧電素子の一方の電極形成面の複数箇所に電気端子を接続することが可能になるため、信頼性の高い超音波探触子が提供される。
【００１６】
また、本発明は、所定の厚さを有し、厚さ方向の両面に電極が形成され、互いに厚さ方向と直交する方向に配置された複数の圧電素子と、前記複数の圧電素子の一方の電極形成面にそれぞれ積層された複数の音響マッチング層とを備えた超音波探触子において、
前記音響マッチング層は、前記圧電素子に順に積層された第１及び第２の音響マッチング層を含み、
前記第１の音響マッチング層は、絶縁性部材又は半導電性部材と、導電性部材とを含む複数の素材の複合材料で構成され、かつ前記導電性部材は、前記圧電素子の一方の電極形成面の複数箇所で、それぞれ層の厚さ方向に貫通する部位を有していることを特徴とする。
この構成により、音響マッチング層の多層化により、音響インピーダンスを所望の値にすることが容易になるため、高分解能の診断画像を得ることができ、また、第１の音響マッチング層を介して、圧電素子の一方の電極形成面の複数箇所に電気端子を接続することが可能になるため、信頼性の高い超音波探触子が提供される。
【００１７】
また、本発明は、前記圧電素子に隣接する前記音響マッチング層を構成する前記複合材料は、絶縁性部材又は半導電性部材と、導電性部材とが、あらかじめ定めた領域に配置されていることを特徴とする。
この構成により、絶縁性部材又は半導電性部材と、導電性部材との体積率を任意に設定することが可能になり、音響インピーダンスの決定が容易になる。
【００１８】
また、本発明は、前記圧電素子に隣接する前記音響マッチング層の外表面部に積層された電気端子を備え、
前記電気端子は、絶縁性フィルムの一主面に導電性膜が披着され、かつ前記絶縁性フィルムの一主面が前記音響マッチング層に対向するように積層され、前記導電性膜が、前記音響マッチング層を構成する前記導電性部材を介して、前記圧電素子に形成された一方の前記電極と電気的に接続されていることを特徴とする。
この構成により、機械的な衝撃などによって圧電素子及び一方の電極が割れたとしても絶縁性のフィルムは割れ難いため、断線して故障することが極めて少なくなって操作性の良好な超音波探触子が提供される。
【００１９】
また、本発明は、所定の厚さを有し、厚さ方向の両面に電極が形成され、互いに厚さ方向と直交する方向に配置された複数の圧電素子と、前記複数の圧電素子の一方の電極形成面にそれぞれ積層された複数の音響マッチング層とを備えた超音波探触子において、
ｎを３以上の整数として、前記音響マッチング層は、前記圧電素子に順に積層される第１〜第ｎの音響マッチング層を含み、かつ第１の音響マッチング層と第２の音響マッチング層との間に電気端子が挿着され、
少なくとも前記第１の音響マッチング層は、絶縁性部材又は半導電性部材と、導電性部材とを含む複数の素材の複合材料で構成され、かつ前記導電性部材は、前記圧電素子の一方の電極形成面の複数箇所で、それぞれ層の厚さ方向に貫通する部位を有し、
前記電気端子は、絶縁性フィルムの一主面に導電性膜が披着され、かつ前記絶縁性フィルムの一主面が前記音響マッチング層に対向するように積層され、前記導電性膜が、前記第１の音響マッチング層を構成する前記導電性部材を介して、前記圧電素子に形成された一方の前記電極と電気的に接続されていることを特徴とする。
この構成により、音響マッチング層が多層化されるとともに、音響マッチング層の音響インピーダンスを所望の値にすることが可能になるため、高分解能の診断画像を得ることができ、また、第１の音響マッチング層を介して、圧電素子の一方の電極形成面の複数箇所に電気端子を接続することが可能になるため、信頼性が高められ、さらに、絶縁性のフィルムは割れにくいため、断線して故障することが極めて少なくなって操作性も良好な超音波探触子が提供される。
【００２０】
また、本発明は、所定の厚さを有し、厚さ方向の両面に電極が形成され、互いに厚さ方向と直交する方向に配置された複数の圧電素子と、前記複数の圧電素子の一方の電極形成面にそれぞれ積層された複数の音響マッチング層とを備えた超音波探触子において、
ｎを３以上の整数として、前記音響マッチング層は、前記圧電素子に順に積層される第１〜第ｎの音響マッチング層を含み、かつ第２の音響マッチング層と第３の音響マッチング層との間に電気端子が挿着され、
少なくとも前記第１及び第２の音響マッチング層は、絶縁性部材又は半導電性部材と、導電性部材とを含む複数の素材の複合材料で構成され、かつ前記導電性部材は、前記圧電素子の一方の電極形成面の複数箇所で、それぞれ層の厚さ方向に貫通する部位を有し、
前記電気端子は、絶縁性フィルムの一主面に導電性膜が披着され、かつ前記絶縁性フィルムの一主面が前記音響マッチング層に対向するように積層され、前記導電性膜が、前記第１の音響マッチング層を構成する前記導電性部材及び前記第２の音響マッチング層を構成する前記導電性部材を介して、前記圧電素子に形成された一方の前記電極と電気的に接続されていることを特徴とする。
この構成により、音響マッチング層が多層化されるとともに、音響マッチング層の音響インピーダンスを所望の値にすることが可能になるため、高分解能の診断画像を得ることができ、また、第１及び第２の音響マッチング層を介して、圧電素子の一方の電極形成面の複数箇所に電気端子を接続することが可能になるため、信頼性が高められ、さらに、機械的な衝撃などによっても割れにくい絶縁性のフィルムを使用しているため、操作性の良好な超音波探触子が提供される。
【００２１】
また、本発明は、前記第１の音響マッチング層を構成する前記複合材料は、絶縁性部材又は半導電性部材と、導電性部材とが、あらかじめ定めた領域に配置されていることを特徴とする。
この構成により、第１の音響マッチング層を構成する複合材料における絶縁性部材又は半導電性部材と、導電性部材との体積率を任意に設定することが可能になり、音響インピーダンスの決定が容易になる。
【００２２】
また、本発明は、前記第２の音響マッチング層を構成する前記複合材料は、絶縁性部材又は半導電性部材と、導電性部材とが、あらかじめ定めた領域に配置されていることを特徴とする。
この構成により、第２の音響マッチング層を構成する複合材料における絶縁性部材又は半導電性部材と、導電性部材との体積率を任意に設定することが可能になり、音響インピーダンスの決定が容易になる。
【００２３】
また、本発明は、前記圧電素子の厚さ方向をＺ方向、このＺ方向と直交する方向をＸ方向、これらＺ方向及びＸ方向と直交する方向をＹ方向として、
前記音響マッチング層を構成する前記複合材料は、
前記導電性部材がＺ方向のみにつながりがあって、Ｘ、Ｙ方向につながりがなく、前記絶縁性部材又は半導電性部材がＸ、Ｙ、Ｚの３方向につながりがある連結構造か、
又は、前記導電性部材がＹ及びＺの２方向につながりがあり、前記絶縁性部材又は半導電性部材がＹ及びＺの２方向につながりがある連結構造か、
又は、前記導電性部材がＸ、Ｙ、Ｚの３方向につながりがあり、前記絶縁性部材又は半導電性部材がＺ方向のみにつながりがあって、Ｘ、Ｙ方向につながりがない連結構造か、いずれか１つの連結構造を有していることを特徴とする。
この構成により、音響マッチング層を構成する複合材料における絶縁性部材又は半導電性部材と、導電性部材との体積率の設定が容易になり、また、一方の電極形成面の複数箇所で、それぞれ層の厚さ方向に導電性部材が貫通する部位を形成することが容易になる。
【００２４】
また、本発明は、所定の厚さを有し、厚さ方向の両面に電極が形成された圧電素子と、前記圧電素子の一方の電極形成面に積層された音響マッチング層とを備えた超音波探触子において、
前記音響マッチング層は、少なくとも導電性部材を含む複数の素材の複合材料で構成され、かつ前記導電性部材は、前記圧電素子の一方の電極形成面の複数箇所で、それぞれ層の厚さ方向に貫通する部位を有し、かつ厚さ方向に導電性部材は連続的に体積比率が傾斜した、若しくは段階的に体積比率を変えた構成にしていることを特徴とする。
この構成により、圧電素子の一方の電極形成面に積層される音響マッチング層の音響インピーダンスを所望の値にすることが可能になるため、周波数の広帯域化ができることによって、高分解能の診断画像を得ることができ、また、音響マッチング層を介して、圧電素子の一方の電極形成面の複数箇所に電気端子を接続することが可能になるため、信頼性の高い超音波探触子が提供される。
【００２５】
また、本発明は、前記音響マッチング層の前記複数の素材の複合材料は、絶縁性部材又は半導電性部材と、導電性部材とを含む材料で構成されていることを特徴とする。
この構成により、圧電素子の一方の電極形成面に積層される音響マッチング層の音響インピーダンスを所望の値にすることが可能になり、かつ多層化できるため、周波数の広帯域化ができることによって、高分解能の診断画像を得ることができ、また、音響マッチング層を介して、圧電素子の一方の電極形成面の複数箇所に電気端子を接続することが可能になるため、信頼性の高い超音波探触子が提供される。
【００２６】
また、本発明は、前記複合材料の前記導電性部材が、金属、金属と高分子材料の複合体、グラファイトの炭化物のうちの少なくとも１つを含んでいることを特徴とする。
この構成により、音響インピーダンスをも加味しての材料選択が可能となる。
【００２７】
また、本発明は、前記複合材料の絶縁性部材又は半導電性部材が、ガラス、セラミックス、水晶、有機高分子と金属の複合体、シリコンの単結晶若しくは多結晶のうちの少なくとも１つを含んでいることを特徴とする。
この構成により、音響インピーダンスの決定が容易となる。
【００２８】
本発明によれば、圧電素子の一方の電極形成面に積層される音響マッチング層が、絶縁性部材又は半導電性部材と、導電性部材とを含む複数の素材の複合材料で構成されているため、音響インピーダンスを所望の値にすることが可能になり、周波数の広帯域化ができることによって、高分解能の診断画像を得ることができ、また、導電性部材が圧電素子の一方の電極形成面の複数箇所で、それぞれ層の厚さ方向に貫通する部位を有していることから、音響マッチング層を介して、圧電素子の一方の電極形成面の複数箇所に電気端子を接続することが可能になるため、信頼性の高い超音波探触子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１Ａ】本発明に係る超音波探触子の第１の実施の形態の構成を示す断面図
【図１Ｂ】図１Ａに示す超音波探触子を構成する音響マッチング層の構成例を示す断面図
【図２Ａ】本発明に係る超音波探触子の第２の実施の形態の構成を示す断面図
【図２Ｂ】図２Ａに示す超音波探触子を構成する第１の音響マッチング層の構成例を示す斜視図
【図２Ｃ】図２Ｂに示す第１の音響マッチング層の絶縁性部材又は導電性部材の体積比率と音響インピーダンスとの関係を示した線図
【図２Ｄ】図２Ａに示す超音波探触子を構成する第１の音響マッチング層の構成例を示す斜視図
【図２Ｅ】図２Ａに示す超音波探触子を構成する第１の音響マッチング層の構成例を示す斜視図
【図３Ａ】本発明に係る超音波探触子の第３の実施の形態の構成を、その一部を破断して示した斜視図
【図３Ｂ】図３Ａに示した超音波探触子の断面図
【図３Ｃ】図３Ａ及び図３Ｂに示した超音波探触子を構成する要素の具体的な構成例を示す斜視図
【図３Ｄ】図３Ａ及び図３Ｂに示した超音波探触子を構成する要素の具体的な構成例を示す斜視図
【図４Ａ】本発明に係る超音波探触子の第４の実施の形態の構成を、その一部を破断して示した斜視図
【図４Ｂ】図４Ａに示した超音波探触子の断面図
【図５Ａ】本発明に係る超音波探触子の第５の実施の形態の構成を、その一部を破断して示した斜視図
【図５Ｂ】図５Ａに示した超音波探触子の断面図
【図６Ａ】本発明に係る超音波探触子の第６の実施の形態の構成を、その一部を破断して示した断面図
【図６Ｂ】図６Ａに示す超音波探触子を構成する音響マッチング層の構成例を示す断面図
【図７Ａ】本発明に係る超音波探触子の第７の実施の形態を構成する音響マッチング層の構成例を示す断面図
【図７Ｂ】本発明に係る超音波探触子の第７の実施の形態を構成する音響マッチング層の他の構成例を示す断面図
【図８】本発明に係る超音波探触子の第８の実施の形態を構成する音響マッチング層の構成例を示す断面図
【図９】従来の超音波探触子の構成例を示した断面図
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明を図面に示す好適な実施の形態に基づいて詳細に説明する。
＜第１の実施の形態＞
図１Ａは本発明に係る超音波探触子の第１の実施の形態の構成を示す断面図であり、図１Ｂは図１Ａに示す超音波探触子を構成する音響マッチング層の構成例を示す断面図である。【００３１】
図１Ａにおいて、超音波探触子１０Ａは板状の圧電素子１と、この圧電素子１の前面（図面の上方）に積み重ねられた音響マッチング層２と、必要に応じて圧電素子１の背面（図面の下方）に装着される背面負荷材３と、同じく必要に応じて音響マッチング層２の前面に装着される音響レンズ４とを備えている。これらの構成要素のそれぞれの機能は、従来の超音波探触子を構成する要素が持つ機能と同様である。【００３２】
超音波探触子１０Ａの構成要素のうち、圧電素子１はＰＺＴ系のような圧電セラミックス、ＰＺＮ-ＰＴ、ＰＭＮ-ＰＴ系のような圧電単結晶、又はこれらの材料と高分子材料を複合した複合圧電体、あるいはＰＶＤＦなどで代表される高分子材料の圧電体などによって形成される。圧電素子１の前面には接地電極５が形成され、圧電素子１の背面には信号用電極６が形成されている。接地電極５及び信号用電極６は、それぞれ金や銀の蒸着、スパッタリング、あるいは銀の焼き付けなどによって形成される。【００３３】
また、圧電素子１に形成されている信号用電極６と背面負荷材３との間に、ポリイミドなどの高分子材料によって構成される絶縁性フィルム７ａの一主面に銅などの導電性膜７ｂが披着された信号用電気端子７が挿着されている。この場合、圧電素子１に形成されている信号用電極６に信号用電気端子７の導電性膜７ｂが接触し、かつ信号用電気端子７の絶縁性フィルム７ａが背面負荷材３に接触するように、絶縁性フィルム７ａの一主面が圧電素子１側に向けられる。一方、圧電素子１に形成されている接地電極５の前面には、少なくとも導電性部材を含む複合材料で構成される音響マッチング層２と、導電性を有する、例えば銅などの金属の薄膜などの接地用電気端子９とが順次積み重ねられている。この場合、音響マッチング層２の複合材料の導電性部材に接地用電気端子９が接触し、必要に応じて、接地用電気端子９の前面にはシリコーンゴムなどの材料を用いた音響レンズ４が装着される。なお、導電性膜７ｂ、接地用電気端子９は電気的に導電性を有する材料であれば何でも良く金属に限定するものではない。また、接地用電気端子９は、信号用電気端子７の構成のように高分子材料によって構成される絶縁性フィルムの一主面に導電性膜が披着され、この導電性膜が音響マッチング層２側になるように積層してもよい。【００３４】
上記のように構成された超音波探触子１０Ａの動作について以下に説明する。
圧電素子１に形成された信号用電極６は、信号用電気端子７を介して、また、圧電素子１の接地電極５は音響マッチング層２の複合材料の導電性部材と接地用電気端子９とを介して、それぞれ不図示のケーブルの一端に電気的に接続され、これらのケーブルのそれぞれの他端は不図示の超音波診断装置の本体部に接続される。これによって、超音波診断装置の本体部で作られる規則正しいパルス電圧を圧電素子１に印加して超音波を発信し、また、受信した超音波のエコーを電気信号に変換して超音波診断装置の本体部に送信する。【００３５】
導電性部材を含む複合材料で構成されている音響マッチング層２としては、その音響インピーダンスが圧電素子１と音響レンズ４側に位置する不図示の被検体の各音響インピーダンスの間になるような材料が選ばれる。この音響マッチング層２の導電性部材を含む複合材の構成例を図１Ｂに示す。図１Ｂにおいては、被検体に向けて超音波を放射する方向をＺ方向、これと直交する２つの方向をそれぞれＸ方向、Ｙ方向としている。【００３６】
図１Ｂに示した音響マッチング層２は、導電性部材２０と、他の部材として例えば絶縁性部材又は半導電性部材２１とがＸ方向に交互に配置されたもので、このうち複数の導電性部材２０はＹ及びＺの２方向につながりがあり、また絶縁性部材又は半導電性部材２１も同じようにＹ及びＺの２方向につながりがある構造体になっている。ここで、複数の導電性部材２０は圧電素子１の前面に形成された接地電極５と、接地用電気端子９とにそれぞれ接触して、圧電素子１の接地電極５と接地用電気端子９とを電気的に接続する機能を有している。なお、導電性部材２０を、その端部をそれぞれＺ方向に向けた状態でＹ方向に列状に配置するとともに、Ｘ方向に複数列配置し、その周囲を絶縁性部材又は半導電性部材２１で取り囲んだもので、このうち導電性部材２０はＺ方向のみの１方向につながりがあり、Ｘ、Ｙ方向のつながりはないものにしてもよい。また絶縁性部材又は半導電性部材２１はＸ、Ｙ、Ｚの３方向につながりがある構造体、又は、複数の絶縁性部材又は半導電性部材２１を、その端部をそれぞれＺ方向に向けた状態でＹ方向に列状に配置するとともに、Ｘ方向に複数列配置し、その周囲を導電性部材２０で取り囲んだもので、このうち導電性部材２０はＸ、Ｙ、Ｚの３方向につながりがあり、また絶縁性部材又は半導電性部材２１は、Ｚ方向のみの１方向につながりがある構造体としても同様の効果を有する。また、導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１の複合体としたがこの他導電部材同士で材料が異なる複合体でも同様の効果を有する。【００３７】
上述したように、図１Ａに示した音響マッチング層２の音響インピーダンスは圧電素子１の音響インピーダンスと被検体の音響インピーダンスの間の値を有していることが必要である。例えば圧電素子１として音響インピーダンスが約３０メガレールスの値を有するＰＺＴ-５Ｈの圧電セラミックスを用い、音響インピーダンスが約１．６メガレールスの値を有する生体のような被検体を対象とした場合には、音響マッチング層２は1層としているので６〜８メガレールス前後の値の材料を用いることになる。【００３８】
そこで、例えば、図１Ａに示した超音波探触子１０Ａを用いて説明するが、音響マッチング層２として絶縁性部材又は半導電性部材を用い、圧電素子１の接地電極５の端部に対応する部位を切り欠いて音響マッチング層のない部分（図示せず）を作り、その部分から電気端子（図示せず）を取り出す構成も考えられる。しかし、このような構成にすると、性能的には周波数の広帯域化が可能になる反面、音響マッチング層の無い部分においても圧電素子１が振動して超音波を発生するため、被検体に送信する超音波が乱れて超音波画像が劣化する。また、接地電極５から取り出す電気端子は１箇所であるため、診断操作中に超音波探触子を落下させたり、あるいは超音波探触子に打撃など機械的な衝撃を加えたりしたことにより、圧電素子１が割れたとき、接地電極５も同じように割れて電気的な断線が発生するなどにより、故障するおそれもある。【００３９】
図１Ａに示した第１の実施の形態は、これらの問題を解決し、しかも周波数の広帯域化が可能な構成を実現したものである。すなわち、圧電素子１の接地電極５が、音響マッチング層２の複数の導電性部材２０を介して、接地用電気端子９と電気的に接続される構成にしているため、圧電素子１の全面にて均一で所望の超音波の送信、受信をすることができるとともに、機械的な衝撃などによって圧電素子１及び接地電極５が割れたとしても、音響マッチング層２の複数個の導電性部材２０で接続されているため、断線して故障することは極めて少なくなる。【００４０】
ここでは、音響マッチング層２の絶縁性部材又は半導電性部材２１として、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、ポリイミドなどで代表されるような高分子材料、ガラス、結晶化ガラス、タングステン粉体を高濃度で混入したエポキシ樹脂、ニオブ酸鉛セラミックス、加工性があるセラミックス（快削性セラミックス）、単結晶若しくは多結晶シリコン、水晶、チタン酸バリウムなどのセラミックスなどを用いる。また、音響マッチング層２の導電性部材２０として、グラファイト、銅などの金属を充填したグラファイト、銅、アルミニウム、銀、金、ニッケルなどの金属材料や、金、銀、銅、アルミニウムなどの金属若しくはカーボンの粉体をエポキシ樹脂などの高分子化合物に混入して導電性を持たせた高分子材料や、カーボンなどを用いる。なお、導電性部材２０あるいは絶縁性部材又は半導電性部材２１は、前述した材料に限定されるものではなく、前述した材料と同程度の音響インピーダンスを有するものであれば他の材料であってもよい。導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１の複合材料の音響インピーダンスはそれぞれの体積比率によって決まる。【００４１】
例えば、音響マッチング層２に必要な音響インピーダンスとして７メガレールスの値にしようとした場合には、導電性部材２０として約１０メガレールスの値を有する銅を充填したグラファイトと絶縁性部材２１として約３メガレールスの値を有するエポキシ樹脂を用いた複合材にしてそれぞれの部材の体積比率を選択すればよい。つまり音響インピーダンスはエポキシ樹脂の体積比率が高い場合は音響インピーダンスが３メガレールスに近くなり、銅を充填したグラファイトの体積比率が高い場合は音響インピーダンスが１０メガレールスに近くなり、必要とする７メガレールスにすることは容易に選択できる。【００４２】
なお、ここで導電性部材２０と、絶縁性部材又は半導電性部材２１との複合材料の構成を説明したが、この組み合わせの複合材料の構成以外に、例えば絶縁性部材又は半導電性部材２１に導電性部材を用いて導電性部材の複合材料にした構成でも良く、つまり少なくとも導電性部材２０を有し、圧電素子１の電極面と電気的な接続ができる機能と音響インピーダンスを可変できる機能を備えた複合材料であれば上記構成に限定されるものではないことは明らかである。【００４３】
なお、ここでは音響マッチング層２は１層のタイプについて説明したが、この他２層以上の音響マッチング層を備える構成とした場合においても、それぞれの音響マッチング層に本複合材を設けても、また一部の層に設けた構成にしても同様の効果が得られる。【００４４】
以上のように、圧電素子の被検体側に設けられる音響マッチング層として、少なくとも導電性部材を含む複合材料を設けることにより、音響マッチング層を所望の音響インピーダンスにすることが可能になり、これによって周波数の広帯域化ができるため、高分解能の診断画像を得ることができる。また、複合材料の音響マッチング層の導電性部材を介して、圧電素子の複数箇所に電気端子を接続することができるため、信頼性が高くかつ操作性の良好な超音波探触子を得ることができる。【００４５】
また、第１の実施の形態では、図１Ｂに示す導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１とが、Ｚ方向に対して均一な幅で形成される場合について説明したが、絶縁性部材又は半導電性部材２１がＺ方向に対して幅が連続的に変化するいわゆる楔のような形状に、又は段階的に変化するようにして、Ｚ方向の厚みに対して音響インピーダンスが連続的に変化、あるいは段階的に変化するような構成にした場合においても同様の効果が得られる。【００４６】
また、第１の実施の形態では、図１Ｂに示す導電性部材２０及び絶縁性部材又は半導電性部材２１がほぼ等間隔で、これらを交互に配列した場合について説明したが、このほかランダムの間隔若しくはランダムに配列した場合においても同様の効果が得られる。【００４７】
また、第１の実施の形態では、圧電素子１の接地電極５と電気信号を授受するために、音響マッチング層２を介して、その前面に接地用電気端子９を設ける構成について説明したが、この代わりに、音響マッチング層２のＺ方向の両面又は片面に導電性部材をスパッタリング、めっきあるいは印刷などにより形成し、その部分に接地用電気端子９を接続する構成にしても同様の効果が得られる。【００４８】
また、第１の実施の形態においては、音響マッチング層２として、それぞれ１つの材種で形成された導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１との連結構造のものを用いたが、導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１の少なくとも一方が２種類以上の材料で形成されていたとしても同様の効果が得られることは明らかであり、それぞれ１つの材種の連結構造に限定されるものではない。【００４９】
また、第１の実施の形態においては、圧電素子１の前面の電極を接地電極５としてその被検体側に接地用電気端子９を配置するとともに、圧電素子１の背面の電極を信号用電極６として、さらに信号用電極６に信号用電気端子７を接触させているが、この代わりに、圧電素子１の前面の電極を信号用電極６としてその被検体側に信号用電気端子７を配置するとともに、圧電素子１の背面の電極を接地電極５として、さらに接地電極５に接地用電気端子９を接触させても、原理的には超音波を送受信することは可能である。【００５０】
＜第２の実施の形態＞
図２Ａは本発明に係る超音波探触子の第２の実施の形態の構成を示す断面図であり、図２Ｂ、図２Ｄ、図２Ｅはそれぞれ図２Ａに示す超音波探触子を構成する第１の音響マッチング層の構成例を示す斜視図であり、図２Ｃは図２Ｂに示す第１の音響マッチング層の絶縁性部材又は導電性部材として用いたシリコン単結晶の体積比率と音響インピーダンスとの関係を示した線図である。【００５１】
図２Ａにおいて、超音波探触子１０Ｂは板状の圧電素子１と、この圧電素子１の前面（図面の上方）に積み重ねられた２層の音響マッチング層２（２ａ、２ｂ）と、必要に応じて圧電素子１の背面（図面の下方）に装着される背面負荷材３と、同じく必要に応じて音響マッチング層２（２ａ、２ｂ）の前面に装着される音響レンズ４とを備えている。これらの構成要素のそれぞれの機能は、従来の超音波探触子を構成する要素が持つ機能と同様である。【００５２】
超音波探触子１０Ｂの構成要素のうち、圧電素子１はＰＺＴ系のような圧電セラミックス、ＰＺＮ-ＰＴ、ＰＭＮ-ＰＴ系のような圧電単結晶、又はこれらの材料と高分子材料を複合した複合圧電体、あるいはＰＶＤＦなどで代表される高分子材料の圧電体などによって形成される。圧電素子１の前面には接地電極５が形成され、圧電素子１の背面には信号用電極６が形成されている。接地電極５及び信号用電極６は、それぞれ金や銀の蒸着、スパッタリング、あるいは銀の焼き付けなどによって形成される。【００５３】
また、圧電素子１に形成されている信号用電極６と背面負荷材３との間に、ポリイミドなどの高分子材料によって構成される絶縁性フィルム７ａの一主面に銅などの導電性膜７ｂが披着された信号用電気端子７が挿着されている。この場合、圧電素子１に形成されている信号用電極６に信号用電気端子７の導電性膜７ｂが接触し、かつ信号用電気端子７の絶縁性フィルム７ａが背面負荷材３に接触するように、絶縁性フィルム７ａの一主面が圧電素子１側に向けられる。一方、圧電素子１に形成されている接地電極５の前面には、絶縁性部材又は半導電性部材と、導電性部材との複合材料で構成される第１の音響マッチング層２ａと、ポリイミドなどの高分子材料によって構成される絶縁性フィルム９ａの一主面に銅などの導電性膜(厚みは特性に影響が小さいように５マイクロメートル以下が好ましい)９ｂが披着された接地用電気端子９と、エポキシ樹脂、ポリイミドなどの高分子材料で構成される第２の音響マッチング層２ｂとが順次積み重ねられている。この場合、第１の音響マッチング層２ａの複合材料の導電性部材に接地用電気端子９の導電性膜９ｂが接触し、接地用電気端子９の絶縁性フィルム９ａに第２の音響マッチング層２ｂが接触するように、絶縁性フィルム９ａの一主面が第１の音響マッチング層２ａ側に向けられる。第２の音響マッチング層２ｂは絶縁性部材であっても、あるいは導電性部材であってもよい。そして、必要に応じて、第２の音響マッチング層２ｂの前面にはシリコーンゴムなどの材料を用いた音響レンズ４が装着される。なお、導電性膜７ｂ、９ｂは電気的に導電性を有する材料であれば何でも良く金属に限定するものではない。【００５４】
上記のように構成された超音波探触子１０Ｂの動作について以下に説明する。
圧電素子１に形成された信号用電極６は、信号用電気端子７を介して、また、圧電素子１の接地電極５は第１の音響マッチング層２ａの複合材料の導電性部材と接地用電気端子９とを介して、それぞれ不図示のケーブルの一端に電気的に接続され、これらのケーブルのそれぞれの他端は不図示の超音波診断装置の本体部に接続される。これによって、超音波診断装置の本体部で作られる規則正しいパルス電圧を圧電素子１に印加して超音波を発信し、また、受信した超音波のエコーを電気信号に変換して超音波診断装置の本体部に送信する。【００５５】
絶縁性部材又は半導電性部材と、導電性部材との複合材料（以下、導電性部材と絶縁性部材又は半導電性部材との複合材料と称する）で構成されている第１の音響マッチング層２ａとしては、その音響インピーダンスが圧電素子１と第２の音響マッチング層２ｂの各音響インピーダンスの中間になるような材料が選ばれる。この第１の音響マッチング層２ａの導電性部材と絶縁性部材又は半導電性部材とのそれぞれの連結構造の構成例を図２Ｂ、図２Ｄ及び図２Ｅに示す。図２Ｂ、図２Ｄ及び図２Ｅにおいては、被検体に向けて超音波を放射する方向をＺ方向、これと直交する２つの方向をそれぞれＸ方向、Ｙ方向としている。【００５６】
図２Ｂに示した第１の音響マッチング層２ａ−１は、それぞれ短冊状に形成された導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１とがＸ方向に交互に配置されたもので、このうち導電性部材２０はＹ及びＺの２方向につながりがあり、また絶縁性部材又は半導電性部材２１も同じようにＹ及びＺの２方向につながりがある構造体になっており、以下の説明ではこの連結構造を２−２型連結構造と呼ぶこととする。ここで、複数の導電性部材２０は圧電素子１の前面に形成された接地電極５と、接地用電気端子９の絶縁性フィルム９ａの一主面に披着された導電性膜９ｂとにそれぞれ接触して、圧電素子１の接地電極５と接地用電気端子９の導電性膜９ｂとを電気的に接続する機能を有している。【００５７】
図２Ｄに示した第１の音響マッチング層２ａ−２は、それぞれ円柱状に形成された複数の導電性部材２０を、その端部をそれぞれＺ方向に向けた状態でＹ方向に列状に配置するとともに、Ｘ方向に複数列配置し、その周囲を絶縁性部材又は半導電性部材２１で取り囲んだもので、このうち導電性部材２０はＺ方向のみの１方向につながりがあり、Ｘ、Ｙ方向のつながりはない。また絶縁性部材又は半導電性部材２１はＸ、Ｙ、Ｚの３方向につながりがある構造体となっており、この連結構造を１−３型連結構造と呼ぶこととする。ここで、複数の導電性部材２０は圧電素子１の前面に形成された接地電極５と、接地用電気端子９の絶縁性フィルム９ａの一主面に披着された導電性膜９ｂとにそれぞれ接触して、圧電素子１の接地電極５と接地用電気端子９の導電性膜９ｂとを電気的に接続する機能を有している。【００５８】
図２Ｅに示した第１の音響マッチング層２ａ−３は、それぞれ四角柱状に形成された複数の絶縁性部材又は半導電性部材２１を、その端部をそれぞれＺ方向に向けた状態でＹ方向に列状に配置するとともに、Ｘ方向に複数列配置し、その周囲を導電性部材２０で取り囲んだもので、このうち導電性部材２０はＸ、Ｙ、Ｚの３方向につながりがあり、また絶縁性部材又は半導電性部材２１は、Ｚ方向のみの１方向につながりがある構造体となっており、この連結構造を３−１型連結構造と呼ぶこととする。ここで、導電性部材２０は圧電素子１の前面に形成された接地電極５と接地用電気端子９の絶縁性フィルム９ａの一主面に披着された導電性膜９ｂとにそれぞれ接触して、圧電素子１の接地電極５と接地用電気端子９の導電性膜９ｂとを電気的に接続する機能を有している。【００５９】
前述したように、図２Ａに示した第１の音響マッチング層２ａの音響インピーダンスは圧電素子１の音響インピーダンスと第２の音響マッチング層２ｂの音響インピーダンスの間の値を有していることが必要である。例えば圧電素子１として音響インピーダンスが約３０メガレールスの値を有するＰＺＴ-５Ｈの圧電セラミックスを用い、音響インピーダンスが約１．６メガレールスの値を有する生体のような被検体を対象とした場合には、第２の音響マッチング層２ｂの音響インピーダンスは３メガレールス前後の値の材料を用いることになる。したがって、第１の音響マッチング層２ａの音響インピーダンスは少なくとも３から３０メガレールスの間の値を有する材料が必要になる。【００６０】
一般的に、第１の音響マッチング層２ａの音響インピーダンスは５から２０メガレールスの間の値にすることが望ましく、また、その値が大きくなるほど周波数特性の帯域が広くなる傾向にある。したがって、第１の音響マッチング層２ａとして１０から２０メガレールスの範囲の材料を用いることが好適である。音響インピーダンスが１０〜２０メガレールスの値を有する材料としては、例えばガラス、結晶化ガラス、金属タングステン粉体を高濃度で混入したエポキシ樹脂、ニオブ酸鉛セラミックス、加工性があるセラミックス（快削性セラミックス）、単結晶若しくは多結晶シリコン、水晶などがある。しかしながら、これらの材料はいずれも電気的には絶縁性部材又は半導電性部材である。【００６１】
そこで、例えば、図２Ａに示した超音波探触子１０Ｂを用いて説明するが、第１の音響マッチング層２ａとして絶縁性部材又は半導電性部材を用い、圧電素子１の接地電極５の端部に対応する部位を切り欠いて音響マッチング層のない部分（図示せず）を作り、その部分から電気端子（図示せず）を取り出す構成も考えられる。しかし、このような構成にすると、性能的には周波数の広帯域化が可能になる反面、音響マッチング層の無い部分においても圧電素子１が振動して超音波を発生するため、被検体に送信する超音波が乱れて超音波画像が劣化する。また、接地電極５から取り出す電気端子は１箇所であるため、診断操作中に超音波探触子を落下させたり、あるいは超音波探触子に打撃など機械的な衝撃を加えたりしたことにより、圧電素子１が割れたとき、接地電極５も同じように割れて電気的な断線が発生するなどにより、故障するおそれがある。【００６２】
図２Ａに示した第２の実施の形態は、これらの問題を解決し、しかも周波数の広帯域化が可能な構成を実現したものである。すなわち、圧電素子１の接地電極５が、第１の音響マッチング層２ａの複数の導電性部材２０を介して、接地用電気端子９の金属膜９ｂと電気的に接続される構成にしているため、圧電素子１の全面にて均一で所望の超音波の送信、受信をすることができるとともに、機械的な衝撃などによって圧電素子１及び接地電極５が割れたとしても、第１の音響マッチング層２ａの複数個の導電性部材２０で接続されているため、断線して故障することが極めて少なくなる。【００６３】
ここでは、第１の音響マッチング層２ａ−１、２ａ−２、２ａ−３の絶縁性部材又は半導電性部材２１として、前述したガラス、結晶化ガラス、タングステン粉体を高濃度で混入したエポキシ樹脂、ニオブ酸鉛セラミックス、加工性があるセラミックス（快削性セラミックス）、単結晶若しくは多結晶シリコン、水晶、チタン酸バリウムなどのセラミックスなどを用いる。また、第１の音響マッチング層２ａ−１、２ａ−２、２ａ−３の導電性部材２０として、銅、アルミニウム、銀、金、ニッケルなどの金属材料や、金、銀、銅、アルミニウムなどの金属若しくはカーボンの粉体をエポキシ樹脂などの高分子化合物に混入して導電性を持たせた高分子材料や、グラファイト、カーボンなどを用いる。なお、導電性部材２０あるいは絶縁性部材又は半導電性部材２１は、前述した材料に限定されるものではなく、前述した材料と同程度の音響インピーダンスを有するものであれば他の材料であってもよい。導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１との複合材料の音響インピーダンスはそれぞれの体積比率によって決まる。【００６４】
なお、ここで導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１との複合材料の構成を説明したが、この他、前記組み合わせの複合材料の構成以外、例えば絶縁性部材又は半導電性部材２１に導電性部材を用いて導電性部材の複合材料にした構成でも良く、つまり少なくとも導電性部材２０を有し、圧電素子１の電極面と電気的な接続ができる機能と音響インピーダンスを可変できる機能を備えた複合材料であれば上記構成に限定されるものではないことは明らかである。【００６５】
導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１との複合材料は、連結構造が１−３型、２−２型、３−１型においては、２種類のそれぞれの材料が有する音響インピーダンスの間の値になり、しかも、それらの体積比率を変えることによって、所望の音響インピーダンスの材料を得ることができる。【００６６】
また、１−３型、２−２型、３−１型の連結構造を有する導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１との複合材料を第１の音響マッチング層２ａとして機能させるためには、複合材料が一体として超音波を伝搬させるように、導電性部材２０の幅及びその配列間隔を決定する。また、導電性部材２０の体積比率が小さい場合には、その幅及び配列間隔を考慮する必要はなく、導電性部材２０は電気的な接続機能を主にしてその材料を選択すればよい。【００６７】
また、音響マッチング層としての機能、すなわち導電性能を必要としないで音響インピーダンスのみを所望の値に整合させることを目的として図２Ｂ、図２Ｄ、図２Ｅに示した連結構造を用る場合には、導電性部材と絶縁性部材又は半導電性部材という材料の選択をする必要はなく、絶縁性部材どうしの連結構造、あるいはエポキシ樹脂のような絶縁性部材とシリコンのような半導電性部材との連結構造であってもよい。【００６８】
次に、図２Ｂに示す２−２型連結構造を有する第１の音響マッチング層２ａ−１の製造方法の一例を以下に説明する。絶縁性部材又は半導電性部材２１としてシリコン単結晶を用いる。このシリコン単結晶は図２ＢのＺ方向が平坦になっているものとする。その平坦面に対してレーザ照射、化学的なエッチング、あるいはダイシングマシーンなどによる機械加工などにより、任意の間隔で図２ＢのＹ方向に導電性部材２０を装填するための溝を形成する。次に、溝の中に銀などの粉体を混入した導電性のエポキシ樹脂などの導電性接着剤を充填して硬化させる。この導電性接着剤はシリコン単結晶に比べて音響インピーダンスがより小さい材料である。次に、第１の音響マッチング層２ａとしてＺ方向に、ほぼ４分の１波長の厚みにスライス加工して形成する。この場合、シリコン単結晶に近い音響インピーダンスの第１の音響マッチング層２ａを要望するのであれば、導電性部材２０の導電性接着剤の体積比率を小さくすればよく、また小さい音響インピーダンスの値を必要とするのであれば体積比率を大きくすればよい。【００６９】
例えば、導電性部材２０を形成するための導電性接着剤としてエコーボンド５６Ｃ（エマーソンアンドカミング社）を用い、絶縁性部材又は半導電性部材２１としてシリコン単結晶を用いた場合、それぞれの音響インピーダンスは約６．５メガレールス、１９．７メガレールスである。そこでシリコン単結晶をダイシングマシーンにより任意の間隔と溝幅で分割し、その溝の部分にエコーボンド５６Ｃを充填して作成した材料の音響インピーダンス（密度×音速）を測定すると、シリコン単結晶の体積比率が６３．５％の場合は１５．３メガレールスとなり、また、シリコン単結晶の体積比率が４３％の場合は１２．７メガレールスとなった。【００７０】
図２Ｃは上述した２つの材料に対する測定結果に基づいて作成したシリコン単結晶の体積比率と音響インピーダンスとの関係を示した線図である。この線図から明らかなように、導電性部材２０を形成するための導電性接着剤としてエコーボンド５６Ｃを用い、シリコン単結晶の体積比率を０パーセント（導電性接着剤のみ）から１００パーセント（シリコン単結晶のみ）の範囲で変化させた場合、導電性接着剤とシリコン単結晶の複合材料の音響インピーダンスは約６．５メガレールスからシリコン単結晶の音響インピーダンス１９．７メガレールスまでほぼ直線的に変化することが分かる。また、発明者はこの体積比率と音響インピーダンスとに相関があることを確認することができた。【００７１】
次に、図２Ｂに示す２−２型連結構造における第１の音響マッチング層２ａ−１の他の製造方法について説明する。絶縁性部材又は半導電性部材２１としての板状のシリコン単結晶と、導電性部材２０としての板状のグラファイトや金属とを、図２ＢのＸ方向に交互に積層して接着するか、あるいは絶縁性部材又は半導電性部材２１としての板状のシリコン単結晶の一主面にそれぞれ金属をスパッタリング、めっき、あるいは印刷などの方法で薄い膜を形成したものを、図２ＢのＸ方向に順次に積層して接着した後、図２ＢのＺ方向の厚みが得られるようにスライス加工する。この製造方法によれば大量生産することも可能である。【００７２】
次に、図２Ｄに示す１−３型連結構造を有する第１の音響マッチング層２ａ−２の製造方法の一例を説明する。絶縁性部材又は半導電性部材２１として図２ＤのＺ方向に厚みを有するシリコン単結晶を用意する。そして、このシリコン単結晶にレーザ照射、化学的なエッチングあるいは機械加工などにより任意の間隔で複数個の導電性部材２０を設けるための穴を設ける。次に、その穴に、銀などの粉体を混入した導電性のエポキシ樹脂などの導電性接着剤を充填し硬化させる。その後、第１の音響マッチング層としてほぼ４分の１波長の厚みに加工して形成する。シリコン単結晶に近い音響インピーダンスの第１の音響マッチング層を要望するのであれば、導電性部材２１の導電性接着剤の体積比率を少なくすればよく、またもっと小さい音響インピーダンスの値を必要とするのであれば導電性部材２１の導電性接着剤の体積比率を大きくすればよい。【００７３】
ちなみに、単結晶シリコンの音響インピーダンスは１９．７メガレールスで、また導電性接着剤としてエコーボンド５６Ｃ（エマーソンアンドカミング社）の音響インピーダンスは約６．５メガレールスであり、それぞれの体積比率を調整することにより図２Ｂの構造と同様に、音響インピーダンスを６．５メガレールスから１９．７メガレールスの範囲の値にすることができる。【００７４】
次に、図２Ｅに示す３−１型連結構造を有する第１の音響マッチング層２ａ−３の製造方法の一例を以下に説明する。絶縁性部材又は半導電性部材２１としてシリコン単結晶を用意する。そして、このシリコン単結晶にレーザ照射、化学的なエッチングあるいはダイシングマシーンによる機械加工などにより任意の間隔でＸ、Ｙの両方向に複数個の溝を設けて角柱を形成し、その後、導電性接着剤などの導電性部材２０を複数の溝に充填し硬化させる。その後、第１の音響マッチング層として、ほぼ４分の１波長の厚みに加工して形成する。【００７５】
以上のように、圧電素子の被検体側に設けられる音響マッチング層として、導電性部材と絶縁性部材又は半導電性部材との複合材料を設けることにより、音響マッチング層を所望の音響インピーダンスにすることが可能になり、これによって周波数の広帯域化ができるため、高分解能の診断画像を得ることができる。また、複合材料の音響マッチング層の導電性部材を介して、圧電素子の複数箇所に電気端子を接続することができるため、信頼性が高くかつ操作性の良好な超音波探触子を得ることができる。【００７６】
なお、第２の実施の形態では、図２Ｄに示す１−３型連結構造の導電性部材２０として円柱の形状を有するものを用いたが、このほか角柱あるいは球など他の形状を有するものを用いても同様の効果が得られる。また、Ｚ方向に対してコーンのような円錐状の形状にして、Ｚ方向の厚みに対して音響インピーダンスが連続的に変化するような構成にした場合においても同様の効果が得られる。【００７７】
また、第２の実施の形態では、図２Ｂに示す２−２型連結構造の導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１とが、Ｚ方向に対して均一な幅で形成される場合について説明したが、絶縁性部材又は半導電性部材２１がＺ方向に対して幅が連続的に変化するいわゆる楔のような形状にして、Ｚ方向の厚みに対して音響インピーダンスが連続的に変化するような構成にした場合においても同様の効果が得られる。【００７８】
また、第２の実施の形態では、図２Ｂに示す２−２型、図２Ｄに示す１−３型及び図２Ｅに示す３−１型の各連結構造の導電性部材２０及び絶縁性部材又は半導電性部材２１がほぼ等間隔で、これらを交互に配列した場合について説明したが、このほかランダムの間隔若しくはランダムに配列した場合においても同様の効果が得られる。【００７９】
また、第２の実施の形態では、圧電素子１の接地電極５と電気信号を授受するために、第１の音響マッチング層２ａを介して、その前面に接地用電気端子９を設ける構成について説明したが、この代わりに、第１の音響マッチング層２ａのＺ方向の両面又は片面に導電性部材をスパッタリング、めっきあるいは印刷などにより形成し、その部分に接地用電気端子９を接続する構成にしても同様の効果が得られる。【００８０】
また、第２の実施の形態においては、第１の音響マッチング層２ａとして、それぞれ１つの材種で形成された導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１との連結構造のものを用いたが、導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１の少なくとも一方が２種類以上の材料で形成されていたとしても同様の効果が得られることは明らかであり、それぞれ１つの材種の連結構造に限定されるものではない。【００８１】
また、第２の実施の形態においては、圧電素子１の前面の電極を接地電極５としてその被検体側に接地用電気端子９を配置するとともに、圧電素子１の背面の電極を信号用電極６として、さらに信号用電極６に信号用電気端子７を接触させているが、この代わりに、圧電素子１の前面の電極を信号用電極６としてその被検体側に信号用電気端子７を配置するとともに、圧電素子１の背面の電極を接地電極５として、さらに接地電極５に接地用電気端子９を接触させても、原理的には超音波を送受信することは可能である。【００８２】
＜第３の実施の形態＞
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図３Ａは本発明に係る超音波探触子の第３の実施の形態の構成を、その一部を破断して示した斜視図であり、図３Ｂは、図３Ａに示した超音波探触子を、その図中に示した３つの方向Ｘ、Ｙ、Ｚのうち、Ｙ−Ｚ平面で切断した断面をＸ方向から見た断面図であり、図３Ｃ、３Ｄはそれぞれ図３Ａ及び図３Ｂに示した超音波探触子を構成する要素の具体的な構成例を示す斜視図である。【００８３】
図３Ａ及び図３Ｂに示した超音波探触子１０Ｃは、図３Ａ中に示したＸ、Ｙ、Ｚのうち、Ｘ方向に配列された複数の圧電素子１と、各圧電素子１に対応して被検体側となるＺ方向前面に設けられた２層の音響マッチング層２（２ａ、２ｂ）と、必要に応じて圧電素子１の背面に設けられる背面負荷材３と、同じく必要に応じて複数の音響マッチング層２（２ａ、２ｂ）上に共通に設けられる音響レンズ４と、圧電素子１と背面負荷材３との間に挿着された複数の信号用電気端子７と、第１の音響マッチング層２ａと第２の音響マッチング層２ｂとの間に挿着された接地用電気端子９とを備えている。これらの構成要素のそれぞれの機能は、従来の超音波探触子を構成する要素が持つ機能と同様である。【００８４】
以下、説明の都合上、図３Ａ及び図３Ｂに示した超音波探触子１０Ｃの製造方法について説明する。
複数の圧電素子１を形成するために、ＰＺＴ系のような圧電セラミックス、ＰＺＮ-ＰＴ、ＰＭＮ-ＰＴ系のような圧電単結晶、又はこれらの材料と高分子材料を複合した複合圧電体、あるいはＰＶＤＦなどで代表される高分子材料の圧電体などで構成され、所定の厚さを有する板材、すなわち圧電板材を準備する。この圧電板材の一主面、すなわちＺ方向の前面には接地電極５を、その背面には信号用電極６を、それぞれ金や銀の蒸着、スパッタリング、あるいは銀の焼き付けなどによって形成する。【００８５】
また、所定の厚さを有する板状の背面負荷材（背面負荷材を備えない超音波探触子ではこれに代わる部材）３と、導電性部材と絶縁性部材又は半導電性部材との複合材料で構成され、複数の第１の音響マッチング層２ａを形成するための板材と、エポキシ樹脂、ポリイミドなどの高分子材料で構成された複数の第２の音響マッチング層２ｂを形成するための板材と、ポリイミドなどの高分子材料によって構成される絶縁性フィルム７ａの一主面に銅などの導電性膜７ｂが披着され、全体がリボン状に形成された複数の信号用電気端子７と、ポリイミドなどの高分子材料によって構成される絶縁性フイルム９ａの一主面に銅などの導電性膜(厚みは音響特性に対する影響が少ないように５マイクロメートル以下が好ましい)９ｂが披着された接地用電気端子９とを準備する。なお、第２の音響マッチング層２ｂを形成するために用いるエポキシ樹脂、ポリイミドなどの高分子材料は絶縁性部材であるが、この代わりに導電性部材を用いてもよい。なお、導電性膜７ｂ、９ｂは電気的に導電性を有する材料であれば何でも良く金属に限定するものではない。【００８６】
そこで、図３Ａに示したように、背面負荷材３の前面に、複数の信号用電気端子７をＸ方向に所定の間隔で載置し、その上に圧電素子１を形成するための圧電板材を重ね合わせ、さらに、圧電板材の前面に第１の音響マッチング層２ａを形成するための板材と、接地用電気端子９と、第２の音響マッチング層２ｂを形成するための板材とを順次に重ね合わせて、これらを一体的に固着する。この場合、背面負荷材３と圧電板材との間に装着される複数の信号用電気端子７は、それぞれ絶縁性フィルム７ａの一主面に披着されている導電性膜７ｂが圧電板材に形成された信号用電極６に接触し、絶縁性フィルム７ａが背面負荷材３に接触するように、絶縁性フィルム７ａの一主面が圧電板材側（図面の上方）に向けられる。また、第１の音響マッチング層２ａを形成するための板材と第２の音響マッチング層２ｂを形成するための板材との間に挿着される接地用電気端子９は、絶縁性フイルム９ａの一主面に形成された導電性膜９ｂが第１の音響マッチング層２ａに接触するように、絶縁性フイルム９ａの一主面が第１の音響マッチング層２ａ側に向けられる。【００８７】
以上のようにして、背面負荷材３、複数の信号用電気端子７、圧電素子１を形成するための圧電板材、第１の音響マッチング層２ａを形成するための板材、接地用電気端子９及び第２の音響マッチング層２ｂを形成するための板材を一体的に固着した後、スライシングマシーンなどによって第２の音響マッチング層２ｂの前面から背面負荷材３の前面部まで掘り下げた複数の溝、すなわち第２の音響マッチング層２ｂ、接地用電気端子９、第１の音響マッチング層２ａ、圧電板材、信号用電気端子７及び背面負荷材３の一部を１ユニットとして、複数の圧電素子ユニットに分割する分割溝を形成する。この場合、Ｘ方向に所定の間隔で配置された信号用電気端子７の中間部に分割溝を形成する。これによって、圧電素子ユニットが並列に配置された圧電素子列が形成される。次に、音響的な結合が小さいシリコーンゴムやウレタンゴムなどのような材料（図示せず）を各分割溝に充填し、さらに、必要に応じて第２の音響マッチング層２ｂの上面にシリコーンゴムなどの材料を用いた音響レンズ４を装着する。背面負荷材を備えない超音波探触子においては、この段階で背面負荷材３に代わる部材を除去する。【００８８】
なお、ここでは第１の音響マッチング層２ａと第２の音響マッチング層２ｂとの間に、絶縁性フイルム９ａに導電性膜９ｂを披着させた接地用電気端子９を挿着し、接地用電気端子９の導電性膜９ｂと第１の音響マッチング層２ａの導電性部材とを接触させることによって、接地用電気端子９と圧電素子１に形成された接地電極５とを電気的に接続するものについて説明したが、このほか、第２の音響マッチング層２ｂとして導電性部材を用い、この第２の音響マッチング層２ｂの前面に導電性膜９ｂを披着させた接地用電気端子９を装着し、第１の音響マッチング層２ａ及び第２の音響マッチング層２ｂを介して、接地用電気端子９と圧電素子１に形成された接地電極５とを電気的に接続するようにしても同様の動作をさせることができる。【００８９】
上記のように構成された超音波探触子１０Ｃの動作について以下に説明する。
圧電素子１の背面に形成された信号用電極６は、信号用電気端子７を介して、また、圧電素子１の前面に形成された接地電極５は、第１の音響マッチング層２ａの複合材料の導電性部材と接地用電気端子９とを介して、それぞれ不図示のケーブルの一端に電気的に接続され、これらのケーブルのそれぞれの他端は不図示の超音波診断装置の本体部に接続される。これによって、超音波診断装置の本体部で作られる規則正しいパルス電圧を圧電素子１に印加して超音波を発信し、また、受信した超音波のエコーを電気信号に変換して超音波診断装置の本体部に送信する。【００９０】
この場合、詳細を後述する第１の音響マッチング層２ａの導電性部材は、圧電素子１に形成された接地電極５と接地用電気端子９の導電性膜９ｂとを電気的に接続する形状であればよく、特定の形状に限定するものではない。また、第１の音響マッチング層２ａの導電性部材は、１つの圧電素子１に対して２箇所以上で、圧電素子１の接地電極５と接地用電気端子９の導電性膜９ｂとが電気的に接続されるような構成が望ましく、導電性部材２０の数が多いほど接地電極５が圧電素子１と共に割れても、信号電送経路が断線して故障する頻度は少なくなり、信頼性の高いものとなる。また、第１の音響マッチング層２ａの絶縁性部材又は半導電性部材は音響インピーダンスを選択することが主たる目的となる。そのため、第３の実施の形態のように２層の音響マッチング層を備えた場合、第１の音響マッチング層２ａの音響インピーダンスは、圧電素子１の音響インピーダンスと第２の音響マッチング層２ｂの音響インピーダンスとの間の値を有していることが必要で、例えば、５メガレールスから１５メガレールスの範囲の値が選ばれる。このような範囲の音響インピーダンスが得られる材料を導電性部材と絶縁性部材又は半導電性部材とを複合した材料とすればよい。【００９１】
導電性部材と絶縁性部材又は半導電性部材との複合材料で構成した第１の音響マッチング層２ａにおける導電性部材と絶縁性部材又は半導電性部材材料とのそれぞれの連結構造の一例を図３Ｃ、図３Ｄに示す。図３Ｃ、図３Ｄにおいて、厚さ方向であるＺ方向は被検体側の方向、Ｘ方向は圧電素子１の配列方向、Ｙ方向はＸ方向及びＺ方向と直交する方向を示している。【００９２】
図３Ｃにおいて、第１の音響マッチング層２ａ−４を構成する複数の導電性部材２０は円柱状に形成されたものを、その軸芯をＺ方向に揃えたもので、Ｚ方向の１方向のみにつながりがあり、絶縁性部材又は半導電性部材２１はＸ、Ｙ、Ｚの３方向につながりがある構造体となっている。この導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１との複合材料の連結構造を１−３型連結構造と呼ぶ。また、圧電素子ユニット、すなわち１個の圧電素子１に対応する１個の第１の音響マッチング層２ａ−４の導電性部材２０は、それぞれ３行×２２列にして合計６６個が配設されている。この導電性部材２０の数については、前述したように、圧電素子１の接地電極５との接続箇所が多くなるほど信頼性は高くなるが、導電性部材２０の数については２個以上であればよく、６６個に限定されるものではない。ただし、導電性部材２０が第１の音響マッチング層２ａとして機能するように、つまり、導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１の複合材料が音響的に１つの音響マッチング層として機能する形態にすることが必要である。なお、図３Ｃに示す第１の音響マッチング層２ａ−４は、圧電素子１に対応して既に分割された構成の状態を示しているが、分割される前の状態は、前述したように全体が１枚の板状のものになっている。一方、導電性部材２０に音響マッチング機能を持たせる必要がないとき、つまり導電性部材２０が、絶縁性部材又は半導電性部材２１に対してその体積比率が著しく少ない場合は、圧電素子１の接地電極５とを接続させる機能のみを持たせるだけで同じ効果が得られる。【００９３】
このように、複数の導電性部材２０は、圧電素子１の接地電極５と接地用電気端子９の金属膜９ｂとにそれぞれ接触して、その厚さ方向であるＺ方向でこれらを電気的に接続させる機能を有している。ここでは、Ｚ方向の１方向につながりがあるものを導電性部材２０とし、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の３方向につながりがあるものを絶縁性部材又は半導電性部材２１としたが、これらの材料を互いに入れ替えて、絶縁性部材又は半導電性部材側がＺ方向の１方向につながりがあり、導電性部材側がＸ、Ｙ、Ｚの３方向につながりがある連結構造体、すなわち３−１型連結構造体（図示を省略）にしても同様の効果を得ることができる。【００９４】
また、図３Ｄに示した音響マッチング層２ａ−５は、導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１と交互に配置したもので、導電性部材２０は、圧電素子１の配列方向のＸ方向と、厚さ方向であるＺ方向の２方向につながりがあり、また絶縁性部材又は半導電性部材２１も同様に、圧電素子１の配列方向のＸ方向と、Ｚ方向の２方向につながりがある構造体となっており、これらの複合材料の連結構造を２−２型連結構造と呼ぶ。したがって、複数の導電性部材２０は圧電素子１の接地電極５及び接地用電気端子９の導電性部材とは厚さ方向であるＺ方向で電気的な接続が可能となる。【００９５】
図３Ｄにおいて、１個の圧電素子１に対応する１個の第１の音響マッチング層２ａ−５の導電性部材２０は、絶縁性部材又は半導電性部材２１と交互にしてＹ方向に１１個配置されている。この導電性部材２０は、前述したように、圧電素子１の接地電極５との接続箇所が多いほど信頼性は高くなるが、導電性部材２０の数については２個以上であればよい。ただし、導電性部材２０が第１の音響マッチング層２ａとして機能するように、つまり導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１との複合材料が１つの音響マッチング層として機能する形態にすることが必要である。なお、図３Ｄに示す第１の音響マッチング層２ａ−５は、圧電素子１に対応して既に分割された構成の状態を示しているが、分割される前の状態は、前述したように、全体が１枚の板状のものになっており、導電性部材２０及び絶縁性部材又は半導電性部材２１は圧電素子１の配列方向であるＸ方向に連結した構成になっている。一方、導電性部材２０に音響マッチング機能を持たせる必要がないとき、つまり導電性部材２０が、絶縁性部材又は半導電性部材２１に対してその体積比率が著しく少ない場合は、圧電素子１の接地電極５とを接続させる機能のみを持たせるだけで同じ効果が得られる。【００９６】
また、図３Ｄでは、第１の音響マッチング層２ａ−５の導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１は、圧電素子１の配列方向とほぼ並行に構成した２−２型の連結構造としたが、このほか、圧電素子１の配列方向と直交する方向、あるいはそれ以外の方向に配列した２−２型の連結構造にしても同様の効果が得られる。【００９７】
図３Ｃ又は３Ｄに示すような連結構造を有する第１の音響マッチング層２ａ−４、２ａ−５は、前述したように、その音響インピーダンスが圧電素子１の音響インピーダンスと第２の音響マッチング層２ｂの音響インピーダンスとの間の値を有することが必要であるが、本実施の形態のように音響マッチング層を２層タイプにした場合には、例えば圧電素子１として音響インピーダンスが約３０メガレールスの値を有するＰＺＴ-５Ｈの圧電セラミックを用い、音響インピーダンスが約１．６メガレールスの値を有する生体のような被検体を対象とした場合には、第２の音響マッチング層２ｂの音響インピーダンスは約３メガレールスの値の材料を用いることになる。【００９８】
したがって、第１の音響マッチング層２ａの音響インピーダンスは少なくとも３から３０メガレールスの間の値を有する材料が必要になってくる。一般的に第１の音響マッチング層２ａの音響インピーダンスは、５から２０メガレールスの間の値にすることが望ましく、また、その値が大きくなるほど、周波数特性の帯域が広くなる傾向があり、広帯域の周波数特性を得るためには、第１の音響マッチング層２ａの音響インピーダンスの値を大きくする必要があり、１０から２０メガレールスの範囲の材料を用いる。【００９９】
しかし、この範囲の値を有する材料は、例えば、ガラス、結晶化ガラス、金属タングステン粉体を高濃度で混入したエポキシ樹脂、ニオブ酸鉛セラミックス、加工性があるセラミックス（快削性セラミックス）、単結晶若しくは多結晶シリコン、水晶などがある。しかしながら、これらの材料は、いずれも電気的には絶縁物あるいは半導電性部材である。【０１００】
そこで、例えば、図３Ｂに示した超音波探触子１０Ｃについて説明すると、圧電素子１の接地電極５の端部に対応する部位を切り欠いて音響マッチング層のない部分（図示せず）を作り、その部分から電気端子（図示せず）を取り出す構成も考えられる。しかし、このような構成にすると、性能的には周波数の広帯域化が可能になる反面、音響マッチング層の無い部分においても圧電素子１は振動して超音波を発生するため、被検体に送信する超音波が乱れて超音波画像が劣化する。また、接地電極５から取り出す電気端子は１箇所であるため、診断操作中に超音波探触子を落下させたり、あるいは超音波探触子に打撃など機械的な衝撃を加えたりしたことにより、圧電素子１が割れたとき、接地電極５も同じように割れて電気的な断線が発生するなどにより故障するおそれがある。【０１０１】
第３の実施の形態は、これらの問題を解決し、しかも周波数の広帯域化が可能な構成を実現したものである。すなわち、圧電素子１の接地電極５が、第１の音響マッチング層２ａの複数の導電性部材２０を介して、接地用電気端子９の金属膜９ｂとの電気的に接続される構成にしているため、圧電素子１の全面に音響マッチング層を設ける構成にできているため、圧電素子１の全面にて均一で所望の超音波の送信、受信することができるとともに、機械的な衝撃などによって圧電素子１及び接地電極５が割れたとしても、第１の音響マッチング層２ａの複数個の導電性部材で接続されているため、断線して故障することが極めて少なくなる。【０１０２】
一方、第１の音響マッチング層２ａ−３、２ａ−４の絶縁性部材又は半導電性部材２１としては、第２の実施の形態で用いた材料であるガラス、結晶化ガラス、タングステン粉体を高濃度で混入したエポキシ樹脂、ニオブ酸鉛セラミックス、加工性があるセラミックス（快削性セラミックス）、単結晶若しくは多結晶シリコン、水晶、チタン酸バリウムなどのセラミックスなどを用いる。また、第１の音響マッチング層２ａ−３、２ａ−４の導電性部材２０としては、銅、アルミニウム、銀、金、ニッケルなどの金属や、金、銀、銅、アルミニウムなどの金属若しくはカーボンの粉体をエポキシ樹脂などの高分子化合物に混入して導電性を持たせた高分子材料や、グラファイト、カーボンなどの材料を用いる。このような導電性部材２０、絶縁性部材又は半導電性部材２１を用いた１−３型、２−２型、３−１型連結構造の複合材料の音響インピーダンスは、導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１のそれぞれの体積比率によって決まる。例えば、導電性部材２０として銀を用い、絶縁性部材としてＸカット水晶を用いた場合、それぞれ材料単体の音響インピーダンスは３８、１５．３メガレールスである。この２種類の材料の体積比率を変えることにより、第２の実施の形態で説明した図２Ｃの線図と同様に、Ｘカット水晶の音響インピーダンス３８メガレールスと銀の音響インピーダンス１５．３メガレールスの間の所望の値にすることができる。【０１０３】
なお、導電性部材２０、絶縁性部材又は半導電性部材２１が上述した以外の材料であっても本発明の目的が達成できる材料であればよく、上術した材料に限定するものではない。また、第３の実施の形態においては、１種類の導体２０と、１種類の絶縁性部材又は半導電性部材２１との連結構造を有する第１の音響マッチング層２ａについて説明したが、このほか、導電性部材を２種類、絶縁性部材を１種類〜３種類というように、２種類以上の材料を用いても同様の効果が得られることは明らかであり、それぞれ１種類の材料の連結構造に限定するものではない。【０１０４】
また、１−３型、２−２型、３−１型の連結構造を有する導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１との複合材料を第１の音響マッチング層２ａとして機能させるためには、複合材料が一体として超音波が伝搬するように、導電性部材２０の幅及び配列間隔にする。また、導電性部材２０の体積比率が少ない場合は、導電性部材２０の幅及び配列間隔を考慮する必要はなく、電気的な接続機能を主にしてその材料を選択すればよい。【０１０５】
図３Ｃに示す１−３型の連結構造を有する第１の音響マッチング層２ａ−４の製造方法としては、第２の実施の形態として図２Ｄに示した第１の音響マッチング層２ａ−２と同じような方法で製造すればよく、図３Ｄに示す２−２型の連結構造を有する第１の音響マッチング層２ａ−４の製造方法としては、第２の実施の形態として図２Ｂに示した第１の音響マッチング層２ａ−１と同じような方法で製造すればよい。【０１０６】
以上のように、圧電素子の被検体側に設けられる音響マッチング層として、導電性部材と絶縁性部材又は半導電性部材とを複合した複合材料を用いることにより、その音響インピーダンスを所望の値にすることが可能になり、周波数の広帯域化ができることによって、高分解能の診断画像を得ることができ、また、複合材料を構成する導電性部材から電気端子を取り出すことができるため、信頼性が高くかつ操作性が良好な超音波探触子を得ることができる。【０１０７】
なお、第３の実施の形態では、１−３型連結構造の導電性部材２０として、円柱の形状を有するものを用いたが、このほか角柱あるいは球など他の形状を有するものを用いても同様の効果が得られる。また、１−３型連結構造の導電性部材２０として、Ｚ方向に対してコーンのような円錐状の形状にして、Ｚ方向の厚みに対して音響インピーダンスが連続的に変化するような構成にした場合においても同様の効果が得られる。【０１０８】
また、第３の実施の形態では、２−２型連結構造の導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１が、Ｚ方向に対して均一な幅で配列される場合について説明したが、これらの部材がＺ方向に対して幅が連続的に変化するいわゆる楔のような形状にして、Ｚ方向の厚みに対して音響インピーダンスが連続的に変化するような構成にした場合においても同様の効果が得られる。【０１０９】
また、第３の実施の形態では、１−３型、２−２型及び３−１型の各連結構造の導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１とがほぼ等間隔で、これらを交互に配列した場合について説明したが、このほかランダムの間隔若しくはランダムに配列した場合においても同様の効果が得られる。【０１１０】
また、第３の実施の形態では、圧電素子１の接地電極５と電気信号を授受するために、第１の音響マッチング層２ａの導電性部材を介して、その前面に接地用電気端子９を設ける構成の場合について説明したが、この代わりに、第１の音響マッチング層２ａのＺ方向の両面又は片面に導電性部材をスパッタリング、めっきあるいは印刷などにより形成し、その部分に電気端子を接続する構成にしても同様の効果が得られる。【０１１１】
また、第３の実施の形態においては、圧電素子１を１次元に複数個配列した構成について説明したが、このほか、圧電素子１を２次元に複数個配列したいわゆる２次元アレイの構成にしても同様の効果が得られる。【０１１２】
また、第３の実施の形態においては、圧電素子１の前面の電極を接地電極５としてその被検体側に接地用電気端子９を配置するとともに、圧電素子１の背面の電極を信号用電極６として、さらに信号用電極６に信号用電気端子７を接触させているが、この代わりに、圧電素子１の前面の電極を信号用電極６としてその被検体側に信号用電気端子７を配置するとともに、圧電素子１の背面の電極を接地電極５として、さらに接地電極５に接地用電気端子９を接触させても、原理的には超音波を送受信することは可能である。【０１１３】
＜第４の実施の形態＞
次に、本発明に係る超音波探触子の第４の実施の形態について説明する。図４Ａは第４の実施の形態に係る超音波探触子の構成を、その一部を破断して示した斜視図であり、図４Ｂは、図４Ａに示した超音波探触子を、その図中に示した３つの方向Ｘ、Ｙ、Ｚのうち、Ｙ−Ｚ平面で切断した断面をＸ方向から見た断面図である。【０１１４】
図４Ａ及び図４Ｂに示した超音波探触子１０Ｄは、図４Ａ中に示した３つの方向Ｘ、Ｙ、Ｚのうち、Ｘ方向に配列された複数の圧電素子１と、各圧電素子１に対応して被検体側となるＺ方向前面に積み重ねられた複数の第１の音響マッチング層２ａ、複数の第２の音響マッチング層２ｂ、及び第２の音響マッチング層２ｂ上に共通に積み重ねられた第３の音響マッチング層２ｃを含む音響マッチング層２と、必要に応じて圧電素子１の背面に設けられる背面負荷材３と、同じく必要に応じて音響マッチング層２の前面に設けられる音響レンズ４と、圧電素子１と背面負荷材３との間に挿着された複数の信号用電気端子７と、第１の音響マッチング層２ａと第２の音響マッチング層２ｂとの間に挿着された接地用電気端子９とを備えている。これらの構成要素のそれぞれの機能は、従来の超音波探触子を構成する要素が持つ機能と同様である。【０１１５】
以下、説明の都合上、図４Ａ及び図４Ｂに示した超音波探触子１０Ｄの製造方法について説明する。
複数の圧電素子１を形成するために、ＰＺＴ系のような圧電セラミックス、ＰＺＮ-ＰＴ、ＰＭＮ-ＰＴ系のような圧電単結晶、又はこれらの材料と高分子材料を複合した複合圧電体、あるいはＰＶＤＦなどに代表される高分子材料の圧電体などで構成され、所定の厚さを有する板材、すなわち圧電板材を準備する。この圧電板材の一主面、すなわちＺ方向の前面には接地電極５を、その背面には信号用電極６を、それぞれ金や銀の蒸着、スパッタリング、あるいは銀の焼き付けなどによって形成する。【０１１６】
また、所定の厚さを有する板状の背面負荷材（背面負荷材を備えない超音波探触子ではこれに代わる部材）３と、導電性部材と絶縁性部材又は半導電性部材との複合材料で構成され、複数の第１の音響マッチング層２ａを形成するための板材と、エポキシ樹脂、ポリイミドなどの高分子材料で構成された複数の第２の音響マッチング層２ｂを形成するための板材と、ポリイミドなどの高分子材料によって構成される絶縁性フィルム７ａの一主面に銅などの導電性膜７ｂが披着され、全体がリボン状に形成された複数の信号用電気端子７と、ポリイミドなどの高分子材料によって構成される絶縁性フイルム９ａの一主面に銅などの導電性膜(厚みは音響特性に対する影響が少ないように５マイクロメートル以下が好ましい)９ｂが披着された接地用電気端子９とを準備する。なお、第２の音響マッチング層２ｂを形成するために用いるエポキシ樹脂、ポリイミドなどの高分子材料は絶縁性部材であるが、導電性部材を用いてもよい。なお、導電性膜７ｂ、９ｂは電気的に導電性を有する材料であれば何でも良く金属に限定するものではない。【０１１７】
そこで、図４Ａに示したように、背面負荷材３の前面に、複数の信号用電気端子７をＸ方向に所定の間隔で配置し、その上に圧電素子１を形成するための圧電板材を重ね合わせ、さらに、圧電板材の前面に第１の音響マッチング層２ａを形成するための板材と、接地用電気端子９と、第２の音響マッチング層２ｂを形成するための板材とを順次に重ね合わせて、これらを一体的に固着する。この場合、背面負荷材３と圧電板材との間に装着される複数の信号用電気端子７は、それぞれ絶縁性フィルム７ａの一主面に披着されている導電性膜７ｂが圧電板材に形成された信号用電極６に接触し、絶縁性フィルム７ａが背面負荷材３に接触するように、絶縁性フィルム７ａの一主面が圧電板材側（図面の上方）に向けられる。また、第１の音響マッチング層２ａを形成するための板材と第２の音響マッチング層２ｂを形成するための板材との間に挿着される接地用電気端子９は、絶縁性フイルム９ａの一主面に形成された導電性膜９ｂが第１の音響マッチング層２ａに接触するように、その一主面が第１の音響マッチング層２ａ側に向けられる。【０１１８】
以上のようにして、背面負荷材３、複数の信号用電気端子７、圧電素子１を形成するための圧電板材、第１の音響マッチング層２ａを形成するための板材、接地用電気端子９及び第２の音響マッチング層２ｂを形成するための板材を一体的に固着した後、スライシングマシーンなどによって第２の音響マッチング層２ｂの前面から背面負荷材３の前面部まで掘り下げた複数の溝、すなわち第２の音響マッチング層２ｂ、接地用電気端子９、第１の音響マッチング層２ａ、圧電板材、信号用電気端子７及び背面負荷材３の一部を１ユニットとして、複数の圧電素子ユニットに分割する分割溝を形成する。この場合、Ｘ方向に所定の間隔で配置された信号用電気端子７の中間部に分割溝を形成する。これによって、圧電素子ユニットが並列に配置された圧電素子列が形成される。次に、音響的な結合が小さいシリコーンゴムやウレタンゴムなどのような材料（図示せず）を各分割溝に充填し、さらに、第２の音響マッチング層２ｂ及び分割溝に充填した部分の上面には、第３の音響マッチング層２ｃを装着する。【０１１９】
第３の音響マッチング層２ｃは、図示のように分割しないで連結した状態で装着する。この第３の音響マッチング層２ｃの材料としては、シリコーンゴム、クロロプレンゴム、エチレン−プロピレン共重合ゴム、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム、及びウレタンゴムなどのゴム弾性体を主体とした材料を用いる。さらに、必要に応じて、第３の音響マッチング層２ｃの上面にはシリコーンゴムなどの材料を用いた音響レンズ４を装着する。背面負荷材を備えない超音波探触子においては、この段階で背面負荷材３に代わる部材を除去する。【０１２０】
なお、第３の音響マッチング層２ｃは、第１の音響マッチング層２ａ、第２の音響マッチング層２ｂと同じように圧電素子１と一緒に分割してもよい。また、第２の音響マッチング層２ｂ、第３の音響マッチング層２ｃは絶縁性部材、導電性部材のいずれでもよい。【０１２１】
なお、ここでは第１の音響マッチング層２ａと第２の音響マッチング層２ｂとの間に、絶縁性フイルム９ａに導電性膜９ｂを披着させた接地用電気端子９を挿着し、接地用電気端子９の導電性膜９ｂと第１の音響マッチング層２ａの導電性部材とを接触させることによって、接地用電気端子９と圧電素子１に形成された接地電極５とを電気的に接続するものについて説明したが、このほか、第２の音響マッチング層２ｂとして導電性部材を用い、この第２の音響マッチング層２ｂの前面に導電性膜９ｂを披着させた接地用電気端子９を装着し、第１の音響マッチング層２ａ及び第２の音響マッチング層２ｂを介して、接地用電気端子９と圧電素子１に形成された接地電極５とを電気的に接続するようにしても同様の動作をさせることができる。【０１２２】
上記のように構成された超音波探触子１０Ｃの動作について以下に説明する。
圧電素子１の背面に形成された信号用電極６は、信号用電気端子７を介して、また、圧電素子１の前面に形成された接地電極５は、第１の音響マッチング層２ａの複合材料の導電性部材と接地用電気端子９とを介して、それぞれ不図示のケーブルの一端に電気的に接続され、これらのケーブルのそれぞれの他端は不図示の超音波診断装置の本体部に接続される。これによって、超音波診断装置の本体部で作られる規則正しいパルス電圧を圧電素子１に印加して超音波を発信し、また、受信した超音波のエコーを電気信号に変換して超音波診断装置の本体部に送信する。【０１２３】
この場合、詳細を後述する第１の音響マッチング層２ａの導電性部材は、圧電素子１に形成された接地電極５と接地用電気端子９の導電性膜９ｂとを電気的に接続する形状であればよく、特定の形状に限定するものではない。また、第１の音響マッチング層２ａの導電性部材は、１つの圧電素子１に対して２箇所以上で、圧電素子１の接地電極５と接地用電気端子９の導電性膜９ｂとが電気的に接続されるような構成が望ましく、導電性部材２０の数が多いほど接地電極５が圧電素子１と共に割れても、信号電送経路が断線して故障する頻度は少なくなり、信頼性の高いものとなる。【０１２４】
また、第１の音響マッチング層２ａの絶縁性部材又は半導電性部材２１は音響インピーダンスを整合の状態の近づけることが主たる目的となる。そのため、本実施の形態のように３層の音響マッチング層を備えた場合、第１、第２、第３の音響マッチング層２ａ、２ｂ、２ｃの各音響インピーダンスは、それぞれの目的とする周波数特性に応じて使用する値の範囲が選択される。例えば、特開昭６０−５３３９９号公報では、第１、第２及び第３の音響マッチング層の音響インピーダンスは、それぞれ１２．６から１８．１、３．８から６．０、及び１．７から２．４メガレールスの範囲を、また、特開昭６０−１８５４９９号公報では、それぞれ５から１５、１．９から４．４、及び１．６から２メガレールスの範囲を、さらに特開２００３−１２５４９４号公報には１９．７、７．４、２．４４メガレールスの値が示されている。したがって、３層タイプの音響マッチング層における第１の音響マッチング層２ａの音響インピーダンスは、およそ５から２０メガレールスの範囲の値を有する材料が用いられる。音響マッチング層の層数が多くなるほど周波数特性の広帯域化、高感度化が可能になり、少なくとも２層の音響マッチング層のタイプより３層の音響マッチング層タイプの方が周波数の広帯域化が可能となる。【０１２５】
導電性部材と絶縁性部材又は半導電性部材との複合材料で構成した第１の音響マッチング層２ａの導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１とのそれぞれの連結構造の一例は、第３の実施の形態で説明した図３Ｃ、図３Ｄに示すような１−３型、２−２型あるいは前述した３−１型の構造のものを用いればよい。【０１２６】
第１の音響マッチング層２ａの導電性部材２０としては、銅、アルミニウム、銀、金、ニッケルなどの金属や、金、銀、銅、アルミニウムなどの金属若しくはカーボンの粉体をエポキシ樹脂などの高分子化合物に混入して導電性を持たせた高分子材料や、グラファイト、カーボンなどの材料を用いる。また、第１の音響マッチング層２ａの絶縁性部材又は半導電性部材２１としては、ガラス、結晶化ガラス、タングステン粉体を高濃度で混入したエポキシ樹脂、ニオブ酸鉛セラミックス、加工性があるセラミックス（快削性セラミックス）、単結晶若しくは多結晶シリコン、水晶、チタン酸バリウムなどのセラミックスなどを用いる。【０１２７】
なお、導電性部材２０、絶縁性部材又は半導電性部材２１として上記以外の材料を用いたとしても、本願発明の目的が達成できる材料であればよい。また、導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１との複合材料としての音響インピーダンスは、１−３型、２−２型、３−１型連結構造を有する複合材料は、導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１とのそれぞれの体積比率によって決まることは、第２の実施の形態で説明したとおりである。例えば、導電性部材２０として音響インピーダンスは３８メガレールスの値を有する銀を用い、絶縁性部材２１として音響インピーダンスは１５．３メガレールスの値を有する水晶Ｘカット板を用いて体積比率を任意に選択することにより、第２の実施の形態を示す図２Ｃと同様に、複合材料の音響インピーダンスは１５．３から３８メガレールスの範囲で任意に所望の値を得ることができる。この範囲の音響インピーダンスは、３層音響マッチング層の第１の音響マッチング層２ａに要望される値の範囲である５から２０メガレールスに相当する範囲を有する体積比率が存在し、この範囲で作成した材料は、第１の音響マッチング層２ａとしての機能を有していることになる。また、第４の実施の形態の第１の音響マッチング層２ａのほかの機能としては、第１の音響マッチング層２ａの導電性部材２０が圧電素子１の接地電極５と接地用電気端子９の導電性部材と電気的に接続できる構成であるため、電気端子を取り出しできる構成にしている。【０１２８】
連結構造が１−３型、２−２型、３−１型構造においては、２種類のそれぞれの材料が有する音響インピーダンスの範囲内の値になり、それぞれの材料の体積比率を変えることによって、所望の音響インピーダンスの材料を得ることができる。また、第４の実施の形態は、導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１との連結構造を有する第１の音響マッチング層２ａについて説明したが、このほか、２種類以上の導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１材料を用いても同様の効果が得られることは明らかであり、それぞれ１種類ずつ、合計２種類の材料の連結構造に限定するものではない。【０１２９】
また、１−３型、２−２型、３−１型の連結構造を有する導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１との複合材料を第１の音響マッチング層２ａとして機能させるためには、複合材料が一体として超音波が伝搬するように、導電性部材２０の幅及び配列間隔にする。また、導電性部材２０の体積比率が少ない場合は、導電性部材２０の幅及び配列間隔を考慮する必要はなく、電気的な接続機能を主にしてその材料を選択すればよい。【０１３０】
また、図４Ａに示すように、第３の音響マッチング層２ｃを圧電素子１に対応して分割しない構造としているが、当然のことながら、分割した構成にしても同様の効果が得られるので、図４Ａの構成に限定するものではない。【０１３１】
以上のように、圧電素子の被検体側に設けられる音響マッチング層として、導電性部材と絶縁性部材又は半導電性部材とを複合した複合材料を用いることにより、その音響インピーダンスを所望の値にすることが可能になり、周波数の広帯域化ができることによって、高分解能の診断画像を得ることができ、また、複合材料を構成する導電性部材から電気端子を取り出すことができるため、信頼性が高くかつ操作性が良好な超音波探触子を得ることができる。【０１３２】
なお、第４の実施の形態では、１−３型連結構造の導電性部材２０として、円柱の形状を有するものを用いたが、このほか角柱あるいは球など他の形状を有するものを用いても同様の効果が得られる。また、１−３型連結構造の導電性部材２０として、Ｚ方向に対してコーンのような円錐状の形状にして、Ｚ方向の厚みに対して音響インピーダンスが連続的に変化するような構成にした場合においても同様の効果が得られる。【０１３３】
また、第４の実施の形態では、２−２型連結構造の導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１が、Ｚ方向に対して均一な幅で配列される場合について説明したが、これらの部材がＺ方向に対して幅が連続的に変化するいわゆる楔のような形状にして、Ｚ方向の厚みに対して音響インピーダンスが連続的に変化するような構成にした場合においても同様の効果が得られる。【０１３４】
また、第４の実施の形態では、１−３型、２−２型及び３−１型の各連結構造の導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１とがほぼ等間隔で、これらを交互に配列した場合について説明したが、このほかランダムの間隔若しくはランダムに配列した場合においても同様の効果が得られる。また、第４の実施の形態では、圧電素子１の接地電極５と電気信号を授受するために、第１の音響マッチング層２ａの導電性部材を介して、その前面に接地用電気端子９を設ける構成の場合について説明したが、この代わりに、第１の音響マッチング層２ａのＺ方向の両面又は片面に導電性部材をスパッタリング、めっきあるいは印刷などにより形成し、その部分に電気端子を接続する構成にしても同様の効果が得られる。【０１３５】
また、第４の実施の形態では、圧電素子１を１次元に複数個配列した構成の場合について説明したが、このほか、圧電素子１を２次元に複数個配列したいわゆる２次元アレイの構成にしても同様の効果が得られる。また、第４の実施の形態では、導電性部材及び絶縁性部材若しくは半導電性部材は、２種類用いた場合について説明したが、このほか、導電性部材を２種類、絶縁性部材を１種類〜３種類というように、２種類以上の材料を用いても同様の効果が得られる。【０１３６】
また、第４の実施の形態においては、圧電素子１の前面の電極を接地電極５としてその被検体側に接地用電気端子９を配置するとともに、圧電素子１の背面の電極を信号用電極６として、さらに信号用電極６に信号用電気端子７を接触させているが、この代わりに、圧電素子１の前面の電極を信号用電極６としてその被検体側に信号用電気端子７を配置するとともに、圧電素子１の背面の電極を接地電極５として、さらに接地電極５に接地用電気端子９を接触させても、原理的には超音波を送受信することは可能である。【０１３７】
＜第５の実施の形態＞
次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。図５Ａは本発明に係る超音波探触子の第５の実施の形態の構成を、その一部を破断して示した斜視図であり、図５Ｂは、図５Ａに示した超音波探触子を、その図中に示した３つの方向Ｘ、Ｙ、Ｚのうち、Ｙ−Ｚ平面で切断した断面をＸ方向から見た断面図である。【０１３８】
図５Ａ及び図５Ｂに示した超音波探触子１０Ｅは、図５Ａ中に示した３つの方向Ｘ、Ｙ、Ｚのうち、Ｘ方向に配列された複数の圧電素子１と、各圧電素子１に対応して被検体側となるＺ方向の前面に積み重ねられた複数の第１の音響マッチング層２ａ、複数の第２の音響マッチング層２ｂ、及び第２の音響マッチング層２ｂ上に共通に積み重ねられた第３の音響マッチング層３ｃを含む音響マッチング層２と、必要に応じて圧電素子１の背面に設けられる背面負荷材３と、同じく必要に応じて音響マッチング層２（２ａ、２ｂ、２ｃ）上に設けられる音響レンズ４と、圧電素子１と背面負荷材３との間に挿着された複数の信号用電気端子７と、第２の音響マッチング層２ｂと第３の音響マッチング層２ｃとの間に挿着された接地用電気端子９とを備えている。これらの構成要素のそれぞれの機能は、従来の超音波探触子を構成する要素が持つ機能と同様である。【０１３９】
第５の実施の形態は第４の実施の形態と比較して、圧電素子１、第１の音響マッチング層２ａ、第３の音響マッチング層２ｃの積層構造は同じであるが、基本的に違う点は、第２の音響マッチング層２ｂに導電性部材、又は第１の音響マッチング層２ａと同じように導電性部材と絶縁性部材又は半導電性部材との複合材料を用いた点、第２の音響マッチング層２ｂの上面にポリイミドなどの高分子材料によって構成される絶縁性フイルム９ａの一主面に銅などの金属膜９ｂが披着された接地用電気端子９を設けた点にある。このように構成にすることにより、第１の音響マッチング層２ａ及び第２の音響マッチング層２ｂを介して、接地用電気端子９と圧電素子１に形成された接地電極５とを電気的に接続することができる。【０１４０】
第１の音響マッチング層２ａ及び第２の音響マッチング層２ｂの両方に複合材料を用いる場合には、これの音響マッチング層２ａ、２ｂの各導電性部材部が少なくとも電気的に接続されるような構成にする必要がある。また、第１の音響マッチング層２ａと第２の音響マッチング層２ｂの複合材料の連結構造は必ずしも同じ構造にする必要はなく、例えば第１の音響マッチング層２ａの連結構造を１−３型にして、第２の音響マッチング層２ｂの連結構造を２−２型にしてもよく、両音響マッチング層の導電性部材部が電気的に接続される構成にして、接地用電気端子９と圧電素子１に形成された接地電極５とが電気的に接続されるとともに、それぞれが音響マッチング層としての音響インピーダンスの値を有するように構成すればよい。【０１４１】
また、第２の音響マッチング層２ｂとしては、グラファイトのような導電性部材を用いても、導電性部材と絶縁性部材又は半導電性部材との複合材料を用いてもよい。導電性部材と絶縁性部材又は半導電性部材との複合材料を用いる場合には、例えば、導電性部材２０として音響インピーダンスが３８メガレールスの銀を用い、絶縁性部材２１として音響インピーダンスが３メガレールスのエポキシ樹脂を用いて、体積比率を変えることにより音響インピーダンスを任意に設定することができ、例えば６メガレールス付近の値にすることが可能である。これは１−３型、２−２型、３−１型のいずれの連結構造の複合材料にも可能である。【０１４２】
一方、第５の実施の形態においては、第２の音響マッチング層２ｂの前面に装着される接地用電気端子９の基材となる絶縁性のフィルムとして、ポリイミドのような音響インピーダンスが約３メガレールスの材料を用いた場合には、この材料の音響インピーダンスが第２の音響マッチング層２ｂと第３の音響マッチング層２ｃとの間の値か、若しくはこれに近い値であるので、音響的な不整合がなくなって良好な周波数特性が得られやすい。【０１４３】
以上のように、圧電素子の被検体側面に設ける３層の音響マッチング層の構成において、第１及び第２の音響マッチング層にそれぞれ導電性部材と絶縁性部材又は半導電性部材との複合材料を用いることにより、第１及び第２の音響マッチング層のいずれをもその音響インピーダンスを所望の値にすることが可能になり、周波数の広帯域化ができることによって、高分解能の診断画像を得ることができ、また、第１及び第２の音響マッチング層の各導電性部材を介して、接地用電気端子９を接地電極５に電気的に接続することができるので、信頼性が高く、かつ操作性が良好な超音波探触子を得ることができる。【０１４４】
なお、第５の実施の形態では、それぞれ１種類の導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１などの材料の連結構造を有する第１、第２の音響マッチング層２ａ、２ｂについて説明したが、このほか、２種類以上の導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１とを用いても同様の効果が得られることは明らかであり、それぞれ１種類の材料の連結構造に限定するものではない。【０１４５】
また、第５の実施の形態では、１−３型連結構造の導電性部材は円柱の形状を用いた場合について説明したが、このほか角柱あるいは球など他の形状に場合においても同様の効果が得られる。また、第５の実施の形態では、１−３型連結構造の導電性部材として円柱の形状を有するものを用いたが、このほかＺ方向に対してコーンのような円錐状の形状にして、Ｚ方向の厚みに対して音響インピーダンスが連続的に変化するような構成にした場合においても同様の効果が得られる。【０１４６】
また、第５の実施の形態では、１−３型、２−２型及び３−１型の各連結構造の導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１とがほぼ等間隔で、これらを交互に配列した場合について説明したが、このほかランダムの間隔若しくはランダムに配列した場合においても同様の効果が得られる。【０１４７】
また、第５の実施の形態では、圧電素子１の接地電極５と電気信号を授受するために、第１の音響マッチング層２ａと第２の音響マッチング層２ｂの各導電性部材２０を介して、それらの前面に電気端子を設ける構成の場合について説明したが、この代わりに、第２の音響マッチング層２ｂのＺ方向の両面又は片面に導電性部材をスパッタリング、めっきあるいは印刷などにより形成し、その部分に電気端子を接続する構成にしても同様の効果が得られる。【０１４８】
また、第５の実施の形態においては、圧電素子１を１次元に複数個配列した構成について説明したが、このほか、圧電素子１を２次元に複数個配列したいわゆる２次元アレイの構成にしても同様の効果が得られる。【０１４９】
また、第５の実施の形態では、第１の音響マッチング層２ａの前面に、第２の音響マッチング層２ｂ及び第３の音響マッチング層２ｃを積層して、合計３層の音響マッチング層２を備えたものについて説明したが、ｎを３以上の整数として、音響マッチング層２が第１〜第ｎの音響マッチング層を含み、かつ第２の音響マッチング層と第３の音響マッチングとの間に電気端子を装着する構成としても、上述したと同様の効果が得られる。【０１５０】
また、第５の実施の形態においては、圧電素子１の前面の電極を接地電極５としてその被検体側に接地用電気端子９を配置するとともに、圧電素子１の背面の電極を信号用電極６として、さらに信号用電極６に信号用電気端子７を接触させているが、この代わりに、圧電素子１の前面の電極を信号用電極６としてその被検体側に信号用電気端子７を配置するとともに、圧電素子１の背面の電極を接地電極５として、さらに接地電極５に接地用電気端子９を接触させても、原理的には超音波を送受信することは可能である。【０１５１】
＜第６の実施の形態＞
図６Ａは本発明に係る超音波探触子の第６の実施の形態の構成を示す断面図であり、図６Ｂは図６Ａに示す超音波探触子を構成する音響マッチング層の構成例を示す断面図である。【０１５２】
図６Ａにおいて、超音波探触子１０Ｆは板状の圧電素子１と、この圧電素子１の前面（図面の上方）に積み重ねられた音響マッチング層２と、必要に応じて圧電素子１の背面（図面の下方）に装着される背面負荷材３と、同じく必要に応じて音響マッチング層２の前面に装着される音響レンズ４とを備えている。これらの構成要素のそれぞれの機能は、従来の超音波探触子を構成する要素が持つ機能と同様である。【０１５３】
超音波探触子１０Ｆの構成要素のうち、圧電素子１はＰＺＴ系のような圧電セラミックス、ＰＺＮ-ＰＴ、ＰＭＮ-ＰＴ系のような圧電単結晶、又はこれらの材料と高分子材料を複合した複合圧電体、あるいはＰＶＤＦなどで代表される高分子材料の圧電体などによって形成される。圧電素子１の前面には接地電極５が形成され、圧電素子１の背面には信号用電極６が形成されている。接地電極５及び信号用電極６は、それぞれ金や銀の蒸着、スパッタリング、あるいは銀の焼き付けなどによって形成される。【０１５４】
また、圧電素子１に形成されている信号用電極６と背面負荷材３との間に、ポリイミドなどの高分子材料によって構成される絶縁性フィルム７ａの一主面に銅などの金属膜７ｂが披着された信号用電気端子７が挿着されている。この場合、圧電素子１に形成されている信号用電極６に信号用電気端子７の金属膜７ｂが接触し、かつ信号用電気端子７の絶縁性フィルム７ａが背面負荷材３に接触するように、絶縁性フィルム７ａの一主面が圧電素子１側に向けられる。一方、圧電素子１に形成されている接地電極５の前面には、導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１との複合材料で構成される音響マッチング層２と、ポリイミドなどの高分子材料によって構成される絶縁性フィルム９ａの一主面に銅などの導電性膜(厚みは特性に影響が小さいように５マイクロメートル以下が好ましい)９ｂが披着された接地用電気端子９とが順次積み重ねられている。この場合、音響マッチング層２の複合材料の導電性部材２０に接地用電気端子９の導電性膜９ｂが接触するように、絶縁性フィルム９ａの一主面が音響マッチング層２側に向けられる。そして、必要に応じて、音響マッチング層２の前面にはシリコーンゴムなどの材料を用いた音響レンズ４が装着される。【０１５５】
上記のように構成された超音波探触子１０Ｆの動作について以下に説明する。
圧電素子１に形成された信号用電極６は、信号用電気端子７を介して、また、圧電素子１の接地電極５は音響マッチング層２の複合材料の導電性部材２０と接地用電気端子９とを介して、それぞれ不図示のケーブルの一端に電気的に接続され、これらのケーブルのそれぞれの他端は不図示の超音波診断装置の本体部に接続される。これによって、超音波診断装置の本体部で作られる規則正しいパルス電圧を圧電素子１に印加して超音波を発信し、また、受信した超音波のエコーを電気信号に変換して超音波診断装置の本体部に送信する。【０１５６】
図６Ｂにおいて、導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１との複合材料で構成されている音響マッチング層２としては、音響インピーダンスが圧電素子１と被検体（例えば生体）の間になるような材料が選ばれる。絶縁性部材又は半導電性部材２１は厚み方向（図面では上下方向）に対して連続的に形状（体積）が変化し、図面では下方は体積が大きく上方にいくに従って体積が小さくなるような形状（例えば円錐、三角錐、四角錐など）にし、その間隙に導電性部材２０を満たした構成にしている。例えば絶縁性部材又は半導電性部材２１が、導電性部材２０の音響インピーダンスより大きい値を有する材料の場合には、図面では下方は体積が大きいため音響インピーダンスの値が最も大きく、上方にいくに従って徐々に体積が小さくなって導電性部材２０の体積が大きくなることにより音響インピーダンスが徐々に小さくなっていく。つまり音響マッチング層２は上下方向に音響インピーダンスが連続的に変化した構成となっている。図６Ａのような構成で図面の下方が音響インピーダンスは大きく、上方にいくに従って小さくなる構成の場合は、当然ながら圧電素子１側は下方になり被検体側は上方になるように構成される。【０１５７】
このように音響マッチング層２の形状が厚み方向に連続的に可変する構成にすることにより、音響マッチング層２は、厚み方向（圧電素子１から被検体の方向）に対して音響インピーダンスが連続的に変化する特性となっており、圧電素子１の接地電極２側に位置する音響マッチング層２の部分は、音響インピーダンスが圧電素子１に近い値で大きく、そして被検体側（図面では上方）に位置する部分の音響マッチング層２の音響インピーダンスは、被検体の値に近い値となっている。このように音響インピーダンスを連続的に傾斜させる音響マッチング層２を用いることにより、周波数の広帯域化が可能となる。また、本音響マッチング層２の厚みは周波数に依存しないため、中心周波数の約２分の１波長以上の厚みであれば音響整合層としての効果を発揮でき、厚みに対して周波数特性はあまり関係しない。【０１５８】
音響マッチング層２の導電性部材２０は圧電素子１の一方の電極と電気的な接続がなされ、もう一方の導電性部材２０の面には、接地用電気端子９の導電性膜９ｂが接触して電気的に接続される構成となっており、接地用電気端子９から信号の取り入れ、取り出しをする。本音響マッチング層２の絶縁性部材又は半導電性部材２１と、導電性部材２０の連結構造としては、第２の実施の形態で説明した２−２型、１−３型、３−１型連結構造が望ましい。例えば絶縁性部材又は半導電性部材２１として半導体などに使用されている音響インピーダンスが約１９．７メガレールスを有するシリコンの単結晶、また導電性部材２０として音響インピーダンス約６．５メガレールスを有する導電性接着剤のエコーボンド５６Ｃ（エマーソンアンドカミング社）を用いると音響インピーダンスはシリコン単結晶の体積比率がほぼ１００％の部分は、１９．７メガレールスの音響インピーダンスであり徐々に体積比率が減少していき、導電性接着剤の体積比率が徐々に増加していくことにより音響インピーダンスは６．５メガレールスに近づいていくような特性を得ることができる。【０１５９】
ここでは、音響マッチング層２の絶縁性部材又は半導電性部材２１として、ガラス、結晶化ガラス、タングステン粉体を高濃度で混入したエポキシ樹脂、ニオブ酸鉛セラミックス、加工性があるセラミックス（快削性セラミックス）、単結晶若しくは多結晶シリコン、水晶、チタン酸バリウムなどのセラミックスなどを用いる。また、音響マッチング層２の導電性部材２０として、銅、アルミニウム、銀、金、ニッケルなどの金属材料や、金、銀、銅、アルミニウムなどの金属若しくはカーボンの粉体をエポキシ樹脂などの高分子化合物に混入して導電性を持たせた高分子材料や、グラファイト、カーボンなどを用いる。なお、導電性部材２０あるいは絶縁性部材又は半導電性部材２１は、前述した材料に限定されるものではなく、前述した材料と同程度の音響インピーダンスを有するものであれば他の材料であってもよい。【０１６０】
以上のように、圧電素子の被検体側に設けられる音響マッチング層として、導電性部材と絶縁性部材又は半導電性部材との複合材料を設けることにより、音響マッチング層を所望の音響インピーダンスを連続的に傾斜させることが可能になり、これによって周波数の広帯域化ができるため、高分解能の診断画像を得ることができる。また、複合材料の音響マッチング層の導電性部材を介して、圧電素子の複数箇所に電気端子を接続することができるため、信頼性が高くかつ操作性の良好な超音波探触子を得ることができる。【０１６１】
また、第６の実施の形態では、図６Ｂに示すように導電性部材２０及び絶縁性部材又は半導電性部材２１がほぼ等間隔で、これらを交互に配列した場合について説明したが、このほかランダムの間隔若しくはランダムに配列した場合においても同様の効果が得られる。【０１６２】
また、第６の実施の形態では、圧電素子１の接地電極５と電気信号を授受するために、音響マッチング層２を介して、その前面に接地用電気端子９を設ける構成について説明したが、この代わりに、音響マッチング層２のＺ方向の両面又は片面に導電性部材をスパッタリング、めっきあるいは印刷などにより形成し、その部分に接地用電気端子９を接続する構成にしても同様の効果が得られる。【０１６３】
また、第６の実施の形態においては、音響マッチング層２として、それぞれ１つの材種で形成された導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１との連結構造のものを用いたが、導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１の少なくとも一方が２種類以上の材料で形成されていたとしても同様の効果が得られることは明らかであり、それぞれ１つの材種の連結構造に限定されるものではない。【０１６４】
また、第６の実施の形態においては、圧電素子１の前面の電極を接地電極５としてその被検体側に接地用電気端子９を配置するとともに、圧電素子１の背面の電極を信号用電極６として、さらに信号用電極６に信号用電気端子７を接触させているが、この代わりに、圧電素子１の前面の電極を信号用電極６としてその被検体側に信号用電気端子７を配置するとともに、圧電素子１の背面の電極を接地電極５として、さらに接地電極５に接地用電気端子９を接触させても、原理的には超音波を送受信することは可能である。【０１６５】
＜第７の実施の形態＞
図７Ａは本発明に係る超音波探触子を構成する音響マッチング層の第７の実施の形態の構成を示す断面図である。なお、超音波探触子の概略断面図は第６の実施の形態で説明した図６Ａと同じであり音響マッチング層２の構成が違うだけなので、超音波探触子は図６Ａを用いて説明し、音響マッチング層の部分は図７Ａを用いて説明する。【０１６６】
図６Ａにおいて、超音波探触子１０Ｆは板状の圧電素子１と、この圧電素子１の前面（図面の上方）に音響マッチング層２と、必要に応じて圧電素子１の背面（図面の下方）に装着される背面負荷材３と、同じく必要に応じて音響マッチング層２の前面に装着される音響レンズ４とを備えている。これら構成要素のそれぞれの機能は、従来の超音波探触子を構成する要素が持つ機能と同様である。超音波探触子１０Ｆの構成要素及び動作については第６の実施の形態で説明しているのでここでは割愛する。【０１６７】
図７Ａにおいて、導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１との複合材料で構成されている音響マッチング層２としては、音響インピーダンスが圧電素子１と被検体（例えば生体）の間になるような材料が選ばれる。絶縁性部材又は半導電性部材２１は厚み方向（図面では上下方向）に対して、例えば図面では幅を２段階に段階的に可変して形状（体積）を変化させ、下段（Ｔ１の領域）は幅が大きく、上段（Ｔ２の領域）は幅が小さくなるような形状にし、その間隙に導電性部材２０を満たした構成にしている。例えば絶縁性部材又は半導電性部材２１が、導電性部材２０の音響インピーダンスより大きい値を有する材料の場合は、Ｔ１の領域は幅が大きいため音響インピーダンスの値が大きく、Ｔ２の領域は幅が狭くなる。それに対して、導電性部材２０の幅は逆になり、それぞれの幅（体積）が広い方の部材の音響インピーダンスに近づく。Ｔ１、Ｔ２の領域の導電性部材２０と、絶縁性部材又は半導電性部材２１の体積比率によって音響インピーダンスを段階的に変えることができる。したがって、図７Ａに示すように２段階になる構成では、２層の音響マッチング層が構成されたことになる。当然ながらＴ１、Ｔ２のそれぞれの厚みは４分の１波長の厚みを基本にして設定される。【０１６８】
図６Ａのように音響マッチング層２の導電性部材２０は圧電素子１の一方の電極と電気的な接続がされ、もう一方の導電性部材２０の面には、接地用電気端子９の導電性膜９ｂが接触して電気的に接続される構成となっており、接地用電気端子９から信号の取り入れ、取り出しをする。図７Ａに示した音響マッチング層２の導電性部材２０と、絶縁性部材又は半導電性部材２１との連結構造としては、第２の実施の形態で説明した２−２型、１−３型、３−１型連結構造が望ましい。【０１６９】
以上のように、圧電素子の被検体側に設けられる音響マッチング層として、導電性部材と絶縁性部材又は半導電性部材との複合材料を設けることにより、音響マッチング層を所望の音響インピーダンスを段階的に可変させることが可能になり、これによって周波数の広帯域化ができるため、高分解能の診断画像を得ることができる。また、複合材料の音響マッチング層の導電性部材を介して、圧電素子の複数箇所に電気端子を接続することができるため、信頼性が高くかつ操作性の良好な超音波探触子を得ることができる。【０１７０】
また、第７の実施の形態では、図７Ａに示すように導電性部材２０及び絶縁性部材又は半導電性部材２１がほぼ等間隔で、これらを交互に配列した場合について説明したが、このほかランダムの間隔若しくはランダムに配列した場合においても同様の効果が得られる。【０１７１】
また、第７の実施の形態では、圧電素子１の接地電極５と電気信号を授受するために、音響マッチング層２を介して、その前面に接地用電気端子９を設ける構成について説明したが、この代わりに、音響マッチング層２のＺ方向の両面又は片面に導電性部材をスパッタリング、めっきあるいは印刷などにより形成し、その部分に接地用電気端子９を接続する構成にしても同様の効果が得られる。【０１７２】
また、第７の実施の形態においては、音響マッチング層２として、それぞれ１つの材種で形成された導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１との連結構造のものを用いたが、導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１の少なくとも一方が２種類以上の材料で形成されていたとしても同様の効果が得られることは明らかであり、それぞれ１つの材種の連結構造に限定されるものではない。【０１７３】
また、第７の実施の形態においては、圧電素子１の前面の電極を接地電極５としてその被検体側に接地用電気端子９を配置するとともに、圧電素子１の背面の電極を信号用電極６として、さらに信号用電極６に信号用電気端子７を接触させているが、この代わりに、圧電素子１の前面の電極を信号用電極６としてその被検体側に信号用電気端子７を配置するとともに、圧電素子１の背面の電極を接地電極５として、さらに接地電極５に接地用電気端子９を接触させても、原理的には超音波を送受信することは可能である。【０１７４】
また、第７の実施の形態を構成する音響マッチング層２の他の構成例として図７Ｂに示したものがある。図７Ｂの音響マッチング層２は図７Ａに示したように２層の音響マッチング層Ｔ１、Ｔ２を構成しているが、図７Ｂは導電性部材２０を厚みＴ１の領域で１００％を占め、厚みＴ２の領域に導電性部材２０と音響インピーダンスの値が違う部材、例えば絶縁性若しくは半導体部材を任意の体積比率で設ける。例えば導電性部材２０としてグラファイトに銅、銀などの金属粉を充填した材料を用いて音響インピーダンスを６〜１６メガレールスの値を用いて厚みＴ１を１００％占めて第１の音響マッチング層とする、また厚みＴ２の領域は所望の音響インピーダンスにするように導電性部材２０に溝を形成し、その溝に絶縁性部材であるエポキシ樹脂、ウレタン、シリコーンゴムなどの音響インピーダンス（１〜３メガレールス）の低い材料を充填して形成し導電性部材２０と絶縁性若しくは半導体部材２１の体積比率で厚みＴ２の音響インピーダンスにすることにより第２の音響マッチング層を構成することができる。このような構成にすることにより導電性部材２０はＴ１、Ｔ２の厚み方向に連結しているため、図７Ａの実施の形態と同様の効果を得ることができる。なお、図７Ｂでは２層の音響マッチング層で構成した場合について説明したが、この他２層以上つまり３層以上の音響マッチング層で構成することも可能であり、２層の音響マッチング層に限定するものではない。【０１７５】
＜第８の実施の形態＞
図８は本発明に係る超音波探触子の第８の実施の形態を構成する音響マッチング層の構成を示す断面図である。なお、超音波探触子の概略断面図は第２の実施の形態で説明した図２Ａと同じであり第１の音響マッチング層２ａの構成が違うだけなので、超音波探触子は図２Ａを用いて説明し、第１の音響マッチング層の部分は図８を用いて説明する。【０１７６】
図２Ａにおいて、超音波探触子１０Ｂは板状の圧電素子１と、この圧電素子１の前面（図面の上方）に積み重ねられた２層の音響マッチング層２（２ａ、２ｂ）と、必要に応じて圧電素子１の背面（図面の下方）に装着される背面負荷材３と、同じく必要に応じて音響マッチング層２（２ａ、２ｂ）の前面に装着される音響レンズ４とを備えている。これらの構成要素のそれぞれの機能は、従来の超音波探触子を構成する要素が持つ機能と同様である。超音波探触子の構成要素及び動作については第２の実施の形態で説明しているのでここでは割愛する。【０１７７】
導電性部材と絶縁性部材又は半導電性部材との複合材料で構成されている第１の音響マッチング層２ａとしては、その音響インピーダンスが圧電素子１と第２の音響マッチング層２ｂの各音響インピーダンスの中間になるような材料が選ばれる。この第１の音響マッチング層２ａとして、導電性部材と、複数の絶縁性部材又は半導電性部材との構成例を図８に示す。図８においては、被検体に向けて超音波を放射する方向をＺ方向、これと直交する２つの方向をそれぞれＸ方向、Ｙ方向としている。【０１７８】
図８に示した第１の音響マッチング層２ａは、導電性部材２０と、複数のここでは２種類の絶縁性部材又は半導電性部材２１とがＸ方向に順次に配置された連結構造をしており、この導電性部材２０は少なくともＺ方向につながりがある構造体になっている。図８の構成は、２種類の絶縁性部材又は半導電性部材２１の幅（体積）に対して、導電性部材２０の幅（体積）は極めて狭くなった構成にしている。【０１７９】
この構成は２種類の絶縁性部材又は半導電性部材２１の体積比率（図面ではＸ方向の幅）を変えることにより第１の音響マッチング層２ａの音響インピーダンスを任意に設定することを可能にし、導電性部材２０は前記２種類の絶縁性部材又は半導電性部材２１の体積比率に比べて極めて小さい値つまり、図８のＸ方向の幅が極めて狭くして音響インピーダンスの可変にはほとんど寄与しないような構成にする。例えば２種類の絶縁性部材又は半導電性部材２１としてシリコン単結晶とエポキシ樹脂を用いてＸ方向の幅をそれぞれ０．１ｍｍに、また導電性部材２０としてシリコン単結晶又はエポキシ樹脂の側面に銅、銀、金などをメッキあるいはスパッタリングなどの方法により形成しての幅を０．００２ｍｍにすると、これら合計の幅に対して導電性部材２０の幅の割合は約１％となり、音響インピーダンスの可変の寄与度は極めて小さくなる。したがって、前記導電性部材２０としての機能は圧電素子１の電極面から電気的な接続が主となる。このような構成にすると作成が容易にしかも精度よくでき、しかも導電性部材に金属を使用する場合には、超音波探触子を作成するときの加工が困難になるという短所も解消できる。【０１８０】
当然のことながら導電性部材２０の幅が広くなったとしても２種類の絶縁性部材又は半導電性部材２１と含めて３種類の部材の幅の割合を変えることで体積比率を選択することにより音響インピーダンスは任意に選択できるので導電性部材の幅を限定するものではない。【０１８１】
図２Ａのように音響マッチング層２ａの導電性部材２０は圧電素子１の一方の電極と電気的な接続がされ、もう一方の導電性部材２０の面には、接地用電気端子９の金属膜９ｂが接触して電気的に接続される構成となっており、接地用電気端子９から信号の取り入れ、取り出しをする。【０１８２】
以上のように、圧電素子の被検体側に設けられる音響マッチング層として、導電性部材と複数の絶縁性部材又は半導電性部材との複合材料を設けることにより、音響マッチング層を所望の音響インピーダンスを任意に可変させることが可能になり、これによって周波数の広帯域化ができるため、高分解能の診断画像を得ることができる。また、複合材料の音響マッチング層の導電性部材を介して、圧電素子の複数箇所に電気端子を接続することができるため、信頼性が高くかつ操作性の良好な超音波探触子を得ることができる。【０１８３】
また、第８の実施の形態では、図８に示すように導電性部材２０及び複数の絶縁性部材又は半導電性部材２１がほぼ等間隔で、これらを交互に配列した場合について説明したが、このほかランダムの間隔若しくはランダムに配列した場合においても同様の効果が得られる。【０１８４】
また、第８の実施の形態では、圧電素子１の接地電極５と電気信号を授受するために、音響マッチング層２ａを介して、その前面に接地用電気端子９を設ける構成について説明したが、この代わりに、音響マッチング層２ａのＺ方向の両面又は片面に導電性部材をスパッタリング、めっきあるいは印刷などにより形成し、その部分に接地用電気端子９を接続する構成にしても同様の効果が得られる。【０１８５】
また、第８の実施の形態においては、音響マッチング層２ａとして、それぞれ１つの材種で形成された導電性部材２０と２種類の絶縁性部材又は半導電性部材２１との連結構造のものを用いたが、複数の導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１の連結構造若しくはそれ以外に複数種類の連結構造で形成されていたとしても同様の効果が得られることは明らかである。【０１８６】
また、第８の実施の形態では、図８に示す導電性部材２０と複数の絶縁性部材又は半導電性部材２１とが、Ｚ方向に対して均一な幅で形成される場合について説明したが、第６の実施の形態で示したように絶縁性部材又は半導電性部材２１がＺ方向に対して幅が連続的に変化するいわゆる楔のような形状にして、Ｚ方向の厚みに対して音響インピーダンスが連続的に変化するような構成にし、導電部材はその傾斜の側面に形成しても、あるいは、第７の実施の形態で示したように絶縁性部材又は半導電性部材２１の幅を段階的に変えて音響インピーダンスが変化する構成にしてその側面に導電性部材２０を設けた構成にしても同様の効果が得られる。【０１８７】
また、第８の実施の形態においては、２層の音響マッチング層の第１の音響マッチング層２ａとして、それぞれ１つの材種で形成された導電性部材２０と２種類の絶縁性部材又は半導電性部材２１との連結構造のものを用いたが、このほか３層以上の音響マッチング層として設けた場合においてそれぞれの層に設けたとしても同様の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【０１８８】
本発明に係る超音波探触子は、圧電素子の一方の電極形成面に積層される音響マッチング層の音響インピーダンスを所望の値にすることが可能になるため、周波数の広帯域化ができることによって、高分解能の診断画像を得ることができ、また、音響マッチング層を介して、圧電素子の一方の電極形成面の複数箇所に電気端子を接続することが可能になるため、信頼性が高められて、人体などの被検体の超音波診断を行う各種医療分野に好適で、さらには材料や構造物の内部探傷を目的とした工業分野において利用が可能である。
【図１Ａ】
2008056611.tif 000003
【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
2008056611.tif 000020
【図７Ｂ】
2008056611.tif 000021
【図８】
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【図９】
2008056611.tif 000023
【手続補正書】
【提出日】平成21年4月23日(2009.4.23)
【手続補正１】
【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】
厚さ方向の両面に電極が形成された圧電素子と、前記圧電素子の一方の電極形成面に積層された音響マッチング層とを備えた超音波探触子において、
前記音響マッチング層は、少なくとも導電性部材を含む複数の素材の複合材料で構成され、かつ前記導電性部材は、前記圧電素子の一方の電極形成面の複数箇所で、それぞれ層の厚さ方向に貫通する部位を有していることを特徴とする超音波探触子。
【請求項２】
前記音響マッチング層は、絶縁性部材又は半導電性部材と、導電性部材とを含む複数の素材の複合材料、若しくは絶縁性部材又は半導電性部材を含む複数の素材と、導電性部材を含む複数の素材との複合材料で構成されていることを特徴とする請求項１記載の超音波探触子。
【請求項３】
所定の厚さを有し、厚さ方向の両面に電極が形成され、互いに厚さ方向と直交する方向に配置された複数の圧電素子と、前記複数の圧電素子の一方の電極形成面にそれぞれ積層された複数の音響マッチング層とを備えた超音波探触子において、
前記音響マッチング層は、前記圧電素子に順に積層された第１及び第２の音響マッチング層を含み、
前記第１の音響マッチング層は、絶縁性部材又は半導電性部材と、導電性部材とを含む複数の素材の複合材料で構成され、かつ前記導電性部材は、前記圧電素子の一方の電極形成面の複数箇所で、それぞれ層の厚さ方向に貫通する部位を有していることを特徴とする超音波探触子。
【請求項４】
前記圧電素子に隣接する前記音響マッチング層を構成する前記複合材料は、絶縁性部材又は半導電性部材と、導電性部材とが、あらかじめ定めた領域に配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の超音波探触子。
【請求項５】
前記圧電素子に隣接する前記音響マッチング層の外表面部に積層された電気端子を備え、
前記電気端子は、絶縁性フィルムの一主面に導電性膜が披着され、かつ前記絶縁性フィルムの一主面が前記音響マッチング層に対向するように積層され、前記導電性膜が、前記音響マッチング層を構成する前記導電性部材を介して、前記圧電素子に形成された一方の前記電極と電気的に接続されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の超音波探触子。
【請求項６】
所定の厚さを有し、厚さ方向の両面に電極が形成され、互いに厚さ方向と直交する方向に配置された複数の圧電素子と、前記複数の圧電素子の一方の電極形成面にそれぞれ積層された複数の音響マッチング層とを備えた超音波探触子において、
ｎを３以上の整数として、前記音響マッチング層は、前記圧電素子に順に積層される第１〜第ｎの音響マッチング層を含み、かつ第１の音響マッチング層と第２の音響マッチング層との間に電気端子が挿着され、
少なくとも前記第１の音響マッチング層は、絶縁性部材又は半導電性部材と、導電性部材とを含む複数の素材の複合材料で構成され、かつ前記導電性部材は、前記圧電素子の一方の電極形成面の複数箇所で、それぞれ層の厚さ方向に貫通する部位を有し、
前記電気端子は、絶縁性フィルムの一主面に導電性膜が披着され、かつ前記絶縁性フィルムの一主面が前記音響マッチング層に対向するように積層され、前記導電性膜が、前記第１の音響マッチング層を構成する前記導電性部材を介して、前記圧電素子に形成された一方の前記電極と電気的に接続されていることを特徴とする超音波探触子。
【請求項７】
所定の厚さを有し、厚さ方向の両面に電極が形成され、互いに厚さ方向と直交する方向に配置された複数の圧電素子と、前記複数の圧電素子の一方の電極形成面にそれぞれ積層された複数の音響マッチング層とを備えた超音波探触子において、
ｎを３以上の整数として、前記音響マッチング層は、前記圧電素子に順に積層される第１〜第ｎの音響マッチング層を含み、かつ第２の音響マッチング層と第３の音響マッチング層との間に電気端子が挿着され、
少なくとも前記第１及び第２の音響マッチング層は、絶縁性部材又は半導電性部材と、導電性部材とを含む複数の素材の複合材料で構成され、かつ前記導電性部材は、前記圧電素子の一方の電極形成面の複数箇所で、それぞれ層の厚さ方向に貫通する部位を有し、
前記電気端子は、絶縁性フィルムの一主面に導電性膜が披着され、かつ前記絶縁性フィルムの一主面が前記音響マッチング層に対向するように積層され、前記導電性膜が、前記第１の音響マッチング層を構成する前記導電性部材及び前記第２の音響マッチング層を構成する前記導電性部材を介して、前記圧電素子に形成された一方の前記電極と電気的に接続されていることを特徴とする超音波探触子。
【請求項８】
前記第１の音響マッチング層を構成する前記複合材料は、絶縁性部材又は半導電性部材と、導電性部材とが、あらかじめ定めた領域に配置されていることを特徴とする請求項６又は７に記載の超音波探触子。
【請求項９】
前記第２の音響マッチング層を構成する前記複合材料は、絶縁性部材又は半導電性部材と、導電性部材とが、あらかじめ定めた領域に配置されていることを特徴とする請求項７に記載の超音波探触子。
【請求項１０】
前記圧電素子の厚さ方向をＺ方向、このＺ方向と直交する方向をＸ方向、これらＺ方向及びＸ方向と直交する方向をＹ方向として、
前記音響マッチング層を構成する前記複合材料は、
前記導電性部材がＺ方向のみにつながりがあって、Ｘ、Ｙ方向につながりがなく、前記絶縁性部材又は半導電性部材がＸ、Ｙ、Ｚの３方向につながりがある連結構造か、
又は、前記導電性部材がＹ及びＺの２方向につながりがあり、前記絶縁性部材又は半導電性部材がＹ及びＺの２方向につながりがある連結構造か、
又は、前記導電性部材がＸ、Ｙ、Ｚの３方向につながりがあり、前記絶縁性部材又は前記半導電性部材がＺ方向のみにつながりがあって、Ｘ、Ｙ方向につながりがない連結構造か、
のいずれか１つの連結構造を有していることを特徴とする請求項２から９のいずれか１つに記載の超音波探触子。
【請求項１１】
所定の厚さを有し、厚さ方向の両面に電極が形成された圧電素子と、前記圧電素子の一方の電極形成面に積層された音響マッチング層とを備えた超音波探触子において、
前記音響マッチング層は、少なくとも導電性部材を含む複数の素材の複合材料で構成され、かつ前記導電性部材は、前記圧電素子の一方の電極形成面の複数箇所で、それぞれ層の厚さ方向に貫通する部位を有し、かつ厚さ方向に導電性部材は連続的に体積比率が傾斜した、若しくは段階的に体積比率を変えた構成にしていることを特徴とする超音波探触子。
【請求項１２】
前記音響マッチング層の前記複数の素材の複合材料は、絶縁性部材又は半導電性部材と、導電性部材とを含む材料で構成されていることを特徴とする請求項１１に記載の超音波探触子。
【請求項１３】
前記複合材料の前記導電性部材が、金属、金属と高分子材料の複合体、グラファイトの炭化物のうちの少なくとも１つを含んでいることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１つに記載の超音波探触子。
【請求項１４】
前記複合材料の絶縁性部材又は半導電性部材が、ガラス、セラミックス、水晶、有機高分子と金属の複合体、シリコンの単結晶若しくは多結晶のうちの少なくとも１つを含んでいることを特徴とする請求項２から１２のいずれか１つに記載の超音波探触子。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体などの被検体に当接させて超音波を送信及び受信することにより、被検体の診断情報を得るために使用される超音波探触子に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波診断装置は超音波を人や動物などの生体の被検体に照射し、被検体内で反射されるエコー信号を検出して生体内組織の断層像などをモニタに表示し、被検体の診断に必要な情報を提供するものである。この超音波診断装置に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とを行うための超音波探触子が使用される。
【０００３】
図９はこの種の従来の超音波探触子の構成例を示した断面図である。図９において、超音波探触子３０は不図示の被検体との間で超音波を送受信するべく、一定方向（図９においては紙面と直交する方向）に配列された複数の圧電素子１１と、この圧電素子１１の被検体側（図９の上方）の表面（以下、被検体側の表面を前面と称する）に設けられた１層以上(図示したものは２層)の音響マッチング層１２（１２ａ、１２ｂ）と、この音響マッチング層１２の前面に設けられた音響レンズ１３と、圧電素子１１の被検体側とは反対側（図９の下方）の表面（以下、被検体側とは反対側の表面を背面と称する）に設けられた信号用電気端子１５と、この信号用電気端子１５の背面に設けられた背面負荷材１４と、第１の音響マッチング層１２ａと第２の音響マッチング層１２ｂとの間に装着された接地用電気端子１６とを備えている。
【０００４】
圧電素子１１はＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）系などの圧電セラミックス、単結晶、これらの材料と高分子材料とを複合した複合圧電体、あるいはＰＶＤＦ（二フッカポリビニル）などに代表される高分子材料の圧電体などによって形成される。この圧電素子１１の前面及び背面にはそれぞれ電極が形成され、これらの電極と圧電素子１１との間で電気信号の送受信が行われる。すなわち、圧電素子１１は電圧を超音波に変換して被検体内に送信し、また、被検体内で反射したエコーを受信して電気信号に変換する。
【０００５】
音響マッチング層１２は超音波を効率よく被検体に送信し、かつ、被検体から受信するために設けられ、より具体的には、圧電素子１１の音響インピーダンスを段階的に被検体の音響インピーダンスに近づける役割を果たしている。図示の例では、音響マッチング層１２として第１の音響マッチング層１２ａと第２の音響マッチング層１２ｂとが積み重ねられている。このうち、第１の音響マッチング層１２ａとしては導電部材であるグラファイトが用いられ、その前面から絶縁性フィルムに金属膜を披着した電気端子１６が取り出されている。更に電気端子１６の前面に第２の音響マッチング層１２ｂが設けられている。この構成は、圧電素子１１が外部からの機械的な衝撃などによって割れたとしても、絶縁性フィルムは割れにくいため、電気的な導通が確保できるので信頼性が高いという特徴を有している（例えば、下記の特許文献１参照）。
【０００６】
一方、第１の音響マッチング層１２ａとして、グラファイトよりも音響インピーダンスの大きい材料を用いることによって、広帯域化するという構成も知られている（例えば、下記の特許文献２参照）。
【０００７】
また、第１の音響マッチング層１２ａとして、絶縁性部材の一部に貫通孔を設け、この貫通孔に導電性部材を嵌装し、その前面に設けた電気端子とその背面にある圧電素子１１の電極とを接続する構成も知られている（例えば、下記の特許文献３参照）。
【０００８】
音響レンズ１３は診断画像の分解能を高めるために超音波ビームを絞る役割を果たすものである。この音響レンズ１３はオプション要素であり、必要に応じて設けられる。背面負荷材１４は圧電素子１１を保持するように結合され、さらに不要な超音波を減衰させる役割を果たすものである。
【特許文献１】特開平７−１２３４９７号公報
【特許文献２】特開２００３−１２５４９４号公報
【特許文献３】実開平７−３７１０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
電子走査型の超音波診断装置は、圧電素子を複数の群にして個々の圧電素子群に一定の遅延時間を与えて駆動し、各圧電素子群から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とを行う。このように遅延時間を与えることによって超音波ビームが収束あるいは拡散され、広い視野幅あるいは高分解能の超音波画像を得ることができる。
【００１０】
複数の圧電素子群に一定の遅延時間を与えて超音波画像を得るシステムは、一般的なシステムとして既に知られている。超音波探触子として、このような高分解能の超音波画像を得るために重要なことの１つに広帯域化がある。また、高い性能が求められる一方で、超音波探触子は医師あるいは検査技師が操作するとともに、被検体に直接あるいは間接的に接触させて診断画像を得るものであることから、超音波探触子には操作性を良好にするためにスリムな形状も求められる。また、超音波探触子はその操作中あるいはそれ以外のときに、不可抗力で落下させられたり、打撃が与えられたりして壊れることも時々あり、それに対して信頼性の高いものが求められる。
【００１１】
超音波探触子を広帯域化するための１つの方策として、特許文献２に示すように、圧電素子の前面に設ける音響マッチング層を３層以上にする構成が挙げられる。しかしながら、この構成においては、圧電素子側の第１の音響マッチング層に半導体であるシリコンを使用しているため、この第１の音響マッチング層側の圧電素子の電極から取り出す電気端子は、圧電素子に形成された電極の端部の一部から取り出すしかなく、この構成では機械的な衝撃によって圧電素子及び電極が割れた場合、割れた時点で断線が発生して機能が低下することになる。
【００１２】
一方、特許文献１に示す構成は、第１の音響マッチング層に導体であるグラファイトを使用し、その前面に絶縁性フィルムの一主面に金属膜を披着させた電気端子を設けているため、信頼性は高くなるが、第１の音響マッチング層に使用する導体材料は音響インピーダンスが小さく、また、音響マッチング層は２層までしか積層できないため、広帯域化が困難であった。近年、超音波探触子はより広帯域化される傾向にあり、基本周波数に対して２次あるいは３次の高調波成分を利用するか、あるいは複数の周波数で使用して高分解能の超音波画像を得て診断する場合が多くなってきていることから、広帯域化することがますます重要になってきている。
【００１３】
本発明は、上記の事情を考慮してなされたもので、その目的は、高分解能の診断画像を得ることができるとともに、信頼性の高い超音波探触子を提供することにある。また本発明の他の目的は、操作性の良好な超音波探触子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、厚さ方向の両面に電極が形成された圧電素子と、前記圧電素子の一方の電極形成面に積層された音響マッチング層とを備えた超音波探触子において、
前記音響マッチング層は、少なくとも導電性部材を含む複数の素材の複合材料で構成され、かつ前記導電性部材は、前記圧電素子の一方の電極形成面の複数箇所で、それぞれ層の厚さ方向に貫通する部位を有していることを特徴とする。
この構成により、圧電素子の一方の電極形成面に積層される音響マッチング層の音響インピーダンスを所望の値にすることが可能になるため、周波数の広帯域化ができることによって、高分解能の診断画像を得ることができ、また、音響マッチング層を介して、圧電素子の一方の電極形成面の複数箇所に電気端子を接続することが可能になるため、信頼性の高い超音波探触子が提供される。
【００１５】
また、本発明は、前記音響マッチング層は、絶縁性部材又は半導電性部材と、導電性部材とを含む複数の素材の複合材料、若しくは絶縁性部材又は半導電性部材を含む複数の素材と、導電性部材を含む複数の素材との複合材料で構成され、かつ前記導電性部材は、前記圧電素子の一方の電極形成面の複数箇所で、それぞれ層の厚さ方向に貫通する部位を有していることを特徴とする。
この構成により、圧電素子の一方の電極形成面に積層される音響マッチング層の音響インピーダンスを所望の値にすることが可能になるため、周波数の広帯域化ができることによって、高分解能の診断画像を得ることができ、また、音響マッチング層を介して、圧電素子の一方の電極形成面の複数箇所に電気端子を接続することが可能になるため、信頼性の高い超音波探触子が提供される。
【００１６】
また、本発明は、所定の厚さを有し、厚さ方向の両面に電極が形成され、互いに厚さ方向と直交する方向に配置された複数の圧電素子と、前記複数の圧電素子の一方の電極形成面にそれぞれ積層された複数の音響マッチング層とを備えた超音波探触子において、
前記音響マッチング層は、前記圧電素子に順に積層された第１及び第２の音響マッチング層を含み、
前記第１の音響マッチング層は、絶縁性部材又は半導電性部材と、導電性部材とを含む複数の素材の複合材料で構成され、かつ前記導電性部材は、前記圧電素子の一方の電極形成面の複数箇所で、それぞれ層の厚さ方向に貫通する部位を有していることを特徴とする。
この構成により、音響マッチング層の多層化により、音響インピーダンスを所望の値にすることが容易になるため、高分解能の診断画像を得ることができ、また、第１の音響マッチング層を介して、圧電素子の一方の電極形成面の複数箇所に電気端子を接続することが可能になるため、信頼性の高い超音波探触子が提供される。
【００１７】
また、本発明は、前記圧電素子に隣接する前記音響マッチング層を構成する前記複合材料は、絶縁性部材又は半導電性部材と、導電性部材とが、あらかじめ定めた領域に配置されていることを特徴とする。
この構成により、絶縁性部材又は半導電性部材と、導電性部材との体積率を任意に設定することが可能になり、音響インピーダンスの決定が容易になる。
【００１８】
また、本発明は、前記圧電素子に隣接する前記音響マッチング層の外表面部に積層された電気端子を備え、
前記電気端子は、絶縁性フィルムの一主面に導電性膜が披着され、かつ前記絶縁性フィルムの一主面が前記音響マッチング層に対向するように積層され、前記導電性膜が、前記音響マッチング層を構成する前記導電性部材を介して、前記圧電素子に形成された一方の前記電極と電気的に接続されていることを特徴とする。
この構成により、機械的な衝撃などによって圧電素子及び一方の電極が割れたとしても絶縁性のフィルムは割れ難いため、断線して故障することが極めて少なくなって操作性の良好な超音波探触子が提供される。
【００１９】
また、本発明は、所定の厚さを有し、厚さ方向の両面に電極が形成され、互いに厚さ方向と直交する方向に配置された複数の圧電素子と、前記複数の圧電素子の一方の電極形成面にそれぞれ積層された複数の音響マッチング層とを備えた超音波探触子において、
ｎを３以上の整数として、前記音響マッチング層は、前記圧電素子に順に積層される第１〜第ｎの音響マッチング層を含み、かつ第１の音響マッチング層と第２の音響マッチング層との間に電気端子が挿着され、
少なくとも前記第１の音響マッチング層は、絶縁性部材又は半導電性部材と、導電性部材とを含む複数の素材の複合材料で構成され、かつ前記導電性部材は、前記圧電素子の一方の電極形成面の複数箇所で、それぞれ層の厚さ方向に貫通する部位を有し、
前記電気端子は、絶縁性フィルムの一主面に導電性膜が披着され、かつ前記絶縁性フィルムの一主面が前記音響マッチング層に対向するように積層され、前記導電性膜が、前記第１の音響マッチング層を構成する前記導電性部材を介して、前記圧電素子に形成された一方の前記電極と電気的に接続されていることを特徴とする。
この構成により、音響マッチング層が多層化されるとともに、音響マッチング層の音響インピーダンスを所望の値にすることが可能になるため、高分解能の診断画像を得ることができ、また、第１の音響マッチング層を介して、圧電素子の一方の電極形成面の複数箇所に電気端子を接続することが可能になるため、信頼性が高められ、さらに、絶縁性のフィルムは割れにくいため、断線して故障することが極めて少なくなって操作性も良好な超音波探触子が提供される。
【００２０】
また、本発明は、所定の厚さを有し、厚さ方向の両面に電極が形成され、互いに厚さ方向と直交する方向に配置された複数の圧電素子と、前記複数の圧電素子の一方の電極形成面にそれぞれ積層された複数の音響マッチング層とを備えた超音波探触子において、
ｎを３以上の整数として、前記音響マッチング層は、前記圧電素子に順に積層される第１〜第ｎの音響マッチング層を含み、かつ第２の音響マッチング層と第３の音響マッチング層との間に電気端子が挿着され、
少なくとも前記第１及び第２の音響マッチング層は、絶縁性部材又は半導電性部材と、導電性部材とを含む複数の素材の複合材料で構成され、かつ前記導電性部材は、前記圧電素子の一方の電極形成面の複数箇所で、それぞれ層の厚さ方向に貫通する部位を有し、
前記電気端子は、絶縁性フィルムの一主面に導電性膜が披着され、かつ前記絶縁性フィルムの一主面が前記音響マッチング層に対向するように積層され、前記導電性膜が、前記第１の音響マッチング層を構成する前記導電性部材及び前記第２の音響マッチング層を構成する前記導電性部材を介して、前記圧電素子に形成された一方の前記電極と電気的に接続されていることを特徴とする。
この構成により、音響マッチング層が多層化されるとともに、音響マッチング層の音響インピーダンスを所望の値にすることが可能になるため、高分解能の診断画像を得ることができ、また、第１及び第２の音響マッチング層を介して、圧電素子の一方の電極形成面の複数箇所に電気端子を接続することが可能になるため、信頼性が高められ、さらに、機械的な衝撃などによっても割れにくい絶縁性のフィルムを使用しているため、操作性の良好な超音波探触子が提供される。
【００２１】
また、本発明は、前記第１の音響マッチング層を構成する前記複合材料は、絶縁性部材又は半導電性部材と、導電性部材とが、あらかじめ定めた領域に配置されていることを特徴とする。
この構成により、第１の音響マッチング層を構成する複合材料における絶縁性部材又は半導電性部材と、導電性部材との体積率を任意に設定することが可能になり、音響インピーダンスの決定が容易になる。
【００２２】
また、本発明は、前記第２の音響マッチング層を構成する前記複合材料は、絶縁性部材又は半導電性部材と、導電性部材とが、あらかじめ定めた領域に配置されていることを特徴とする。
この構成により、第２の音響マッチング層を構成する複合材料における絶縁性部材又は半導電性部材と、導電性部材との体積率を任意に設定することが可能になり、音響インピーダンスの決定が容易になる。
【００２３】
また、本発明は、前記圧電素子の厚さ方向をＺ方向、このＺ方向と直交する方向をＸ方向、これらＺ方向及びＸ方向と直交する方向をＹ方向として、
前記音響マッチング層を構成する前記複合材料は、
前記導電性部材がＺ方向のみにつながりがあって、Ｘ、Ｙ方向につながりがなく、前記絶縁性部材又は半導電性部材がＸ、Ｙ、Ｚの３方向につながりがある連結構造か、
又は、前記導電性部材がＹ及びＺの２方向につながりがあり、前記絶縁性部材又は半導電性部材がＹ及びＺの２方向につながりがある連結構造か、
又は、前記導電性部材がＸ、Ｙ、Ｚの３方向につながりがあり、前記絶縁性部材又は半導電性部材がＺ方向のみにつながりがあって、Ｘ、Ｙ方向につながりがない連結構造か、いずれか１つの連結構造を有していることを特徴とする。
この構成により、音響マッチング層を構成する複合材料における絶縁性部材又は半導電性部材と、導電性部材との体積率の設定が容易になり、また、一方の電極形成面の複数箇所で、それぞれ層の厚さ方向に導電性部材が貫通する部位を形成することが容易になる。
【００２４】
また、本発明は、所定の厚さを有し、厚さ方向の両面に電極が形成された圧電素子と、前記圧電素子の一方の電極形成面に積層された音響マッチング層とを備えた超音波探触子において、
前記音響マッチング層は、少なくとも導電性部材を含む複数の素材の複合材料で構成され、かつ前記導電性部材は、前記圧電素子の一方の電極形成面の複数箇所で、それぞれ層の厚さ方向に貫通する部位を有し、かつ厚さ方向に導電性部材は連続的に体積比率が傾斜した、若しくは段階的に体積比率を変えた構成にしていることを特徴とする。
この構成により、圧電素子の一方の電極形成面に積層される音響マッチング層の音響インピーダンスを所望の値にすることが可能になるため、周波数の広帯域化ができることによって、高分解能の診断画像を得ることができ、また、音響マッチング層を介して、圧電素子の一方の電極形成面の複数箇所に電気端子を接続することが可能になるため、信頼性の高い超音波探触子が提供される。
【００２５】
また、本発明は、前記音響マッチング層の前記複数の素材の複合材料は、絶縁性部材又は半導電性部材と、導電性部材とを含む材料で構成されていることを特徴とする。
この構成により、圧電素子の一方の電極形成面に積層される音響マッチング層の音響インピーダンスを所望の値にすることが可能になり、かつ多層化できるため、周波数の広帯域化ができることによって、高分解能の診断画像を得ることができ、また、音響マッチング層を介して、圧電素子の一方の電極形成面の複数箇所に電気端子を接続することが可能になるため、信頼性の高い超音波探触子が提供される。
【００２６】
また、本発明は、前記複合材料の前記導電性部材が、金属、金属と高分子材料の複合体、グラファイトの炭化物のうちの少なくとも１つを含んでいることを特徴とする。
この構成により、音響インピーダンスをも加味しての材料選択が可能となる。
【００２７】
また、本発明は、前記複合材料の絶縁性部材又は半導電性部材が、ガラス、セラミックス、水晶、有機高分子と金属の複合体、シリコンの単結晶若しくは多結晶のうちの少なくとも１つを含んでいることを特徴とする。
この構成により、音響インピーダンスの決定が容易となる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、圧電素子の一方の電極形成面に積層される音響マッチング層が、絶縁性部材又は半導電性部材と、導電性部材とを含む複数の素材の複合材料で構成されているため、音響インピーダンスを所望の値にすることが可能になり、周波数の広帯域化ができることによって、高分解能の診断画像を得ることができ、また、導電性部材が圧電素子の一方の電極形成面の複数箇所で、それぞれ層の厚さ方向に貫通する部位を有していることから、音響マッチング層を介して、圧電素子の一方の電極形成面の複数箇所に電気端子を接続することが可能になるため、信頼性の高い超音波探触子が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明を図面に示す好適な実施の形態に基づいて詳細に説明する。
＜第１の実施の形態＞
図１Ａは本発明に係る超音波探触子の第１の実施の形態の構成を示す断面図であり、図１Ｂは図１Ａに示す超音波探触子を構成する音響マッチング層の構成例を示す断面図である。
【００３０】
図１Ａにおいて、超音波探触子１０Ａは板状の圧電素子１と、この圧電素子１の前面（図面の上方）に積み重ねられた音響マッチング層２と、必要に応じて圧電素子１の背面（図面の下方）に装着される背面負荷材３と、同じく必要に応じて音響マッチング層２の前面に装着される音響レンズ４とを備えている。これらの構成要素のそれぞれの機能は、従来の超音波探触子を構成する要素が持つ機能と同様である。
【００３１】
超音波探触子１０Ａの構成要素のうち、圧電素子１はＰＺＴ系のような圧電セラミックス、ＰＺＮ-ＰＴ、ＰＭＮ-ＰＴ系のような圧電単結晶、又はこれらの材料と高分子材料を複合した複合圧電体、あるいはＰＶＤＦなどで代表される高分子材料の圧電体などによって形成される。圧電素子１の前面には接地電極５が形成され、圧電素子１の背面には信号用電極６が形成されている。接地電極５及び信号用電極６は、それぞれ金や銀の蒸着、スパッタリング、あるいは銀の焼き付けなどによって形成される。
【００３２】
また、圧電素子１に形成されている信号用電極６と背面負荷材３との間に、ポリイミドなどの高分子材料によって構成される絶縁性フィルム７ａの一主面に銅などの導電性膜７ｂが披着された信号用電気端子７が挿着されている。この場合、圧電素子１に形成されている信号用電極６に信号用電気端子７の導電性膜７ｂが接触し、かつ信号用電気端子７の絶縁性フィルム７ａが背面負荷材３に接触するように、絶縁性フィルム７ａの一主面が圧電素子１側に向けられる。一方、圧電素子１に形成されている接地電極５の前面には、少なくとも導電性部材を含む複合材料で構成される音響マッチング層２と、導電性を有する、例えば銅などの金属の薄膜などの接地用電気端子９とが順次積み重ねられている。この場合、音響マッチング層２の複合材料の導電性部材に接地用電気端子９が接触し、必要に応じて、接地用電気端子９の前面にはシリコーンゴムなどの材料を用いた音響レンズ４が装着される。なお、導電性膜７ｂ、接地用電気端子９は電気的に導電性を有する材料であれば何でも良く金属に限定するものではない。また、接地用電気端子９は、信号用電気端子７の構成のように高分子材料によって構成される絶縁性フィルムの一主面に導電性膜が披着され、この導電性膜が音響マッチング層２側になるように積層してもよい。
【００３３】
上記のように構成された超音波探触子１０Ａの動作について以下に説明する。
圧電素子１に形成された信号用電極６は、信号用電気端子７を介して、また、圧電素子１の接地電極５は音響マッチング層２の複合材料の導電性部材と接地用電気端子９とを介して、それぞれ不図示のケーブルの一端に電気的に接続され、これらのケーブルのそれぞれの他端は不図示の超音波診断装置の本体部に接続される。これによって、超音波診断装置の本体部で作られる規則正しいパルス電圧を圧電素子１に印加して超音波を発信し、また、受信した超音波のエコーを電気信号に変換して超音波診断装置の本体部に送信する。
【００３４】
導電性部材を含む複合材料で構成されている音響マッチング層２としては、その音響インピーダンスが圧電素子１と音響レンズ４側に位置する不図示の被検体の各音響インピーダンスの間になるような材料が選ばれる。この音響マッチング層２の導電性部材を含む複合材の構成例を図１Ｂに示す。図１Ｂにおいては、被検体に向けて超音波を放射する方向をＺ方向、これと直交する２つの方向をそれぞれＸ方向、Ｙ方向としている。
【００３５】
図１Ｂに示した音響マッチング層２は、導電性部材２０と、他の部材として例えば絶縁性部材又は半導電性部材２１とがＸ方向に交互に配置されたもので、このうち複数の導電性部材２０はＹ及びＺの２方向につながりがあり、また絶縁性部材又は半導電性部材２１も同じようにＹ及びＺの２方向につながりがある構造体になっている。ここで、複数の導電性部材２０は圧電素子１の前面に形成された接地電極５と、接地用電気端子９とにそれぞれ接触して、圧電素子１の接地電極５と接地用電気端子９とを電気的に接続する機能を有している。なお、導電性部材２０を、その端部をそれぞれＺ方向に向けた状態でＹ方向に列状に配置するとともに、Ｘ方向に複数列配置し、その周囲を絶縁性部材又は半導電性部材２１で取り囲んだもので、このうち導電性部材２０はＺ方向のみの１方向につながりがあり、Ｘ、Ｙ方向のつながりはないものにしてもよい。また絶縁性部材又は半導電性部材２１はＸ、Ｙ、Ｚの３方向につながりがある構造体、又は、複数の絶縁性部材又は半導電性部材２１を、その端部をそれぞれＺ方向に向けた状態でＹ方向に列状に配置するとともに、Ｘ方向に複数列配置し、その周囲を導電性部材２０で取り囲んだもので、このうち導電性部材２０はＸ、Ｙ、Ｚの３方向につながりがあり、また絶縁性部材又は半導電性部材２１は、Ｚ方向のみの１方向につながりがある構造体としても同様の効果を有する。また、導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１の複合体としたがこの他導電部材同士で材料が異なる複合体でも同様の効果を有する。
【００３６】
上述したように、図１Ａに示した音響マッチング層２の音響インピーダンスは圧電素子１の音響インピーダンスと被検体の音響インピーダンスの間の値を有していることが必要である。例えば圧電素子１として音響インピーダンスが約３０メガレールスの値を有するＰＺＴ-５Ｈの圧電セラミックスを用い、音響インピーダンスが約１．６メガレールスの値を有する生体のような被検体を対象とした場合には、音響マッチング層２は1層としているので６〜８メガレールス前後の値の材料を用いることになる。
【００３７】
そこで、例えば、図１Ａに示した超音波探触子１０Ａを用いて説明するが、音響マッチング層２として絶縁性部材又は半導電性部材を用い、圧電素子１の接地電極５の端部に対応する部位を切り欠いて音響マッチング層のない部分（図示せず）を作り、その部分から電気端子（図示せず）を取り出す構成も考えられる。しかし、このような構成にすると、性能的には周波数の広帯域化が可能になる反面、音響マッチング層の無い部分においても圧電素子１が振動して超音波を発生するため、被検体に送信する超音波が乱れて超音波画像が劣化する。また、接地電極５から取り出す電気端子は１箇所であるため、診断操作中に超音波探触子を落下させたり、あるいは超音波探触子に打撃など機械的な衝撃を加えたりしたことにより、圧電素子１が割れたとき、接地電極５も同じように割れて電気的な断線が発生するなどにより、故障するおそれもある。
【００３８】
図１Ａに示した第１の実施の形態は、これらの問題を解決し、しかも周波数の広帯域化が可能な構成を実現したものである。すなわち、圧電素子１の接地電極５が、音響マッチング層２の複数の導電性部材２０を介して、接地用電気端子９と電気的に接続される構成にしているため、圧電素子１の全面にて均一で所望の超音波の送信、受信をすることができるとともに、機械的な衝撃などによって圧電素子１及び接地電極５が割れたとしても、音響マッチング層２の複数個の導電性部材２０で接続されているため、断線して故障することは極めて少なくなる。
【００３９】
ここでは、音響マッチング層２の絶縁性部材又は半導電性部材２１として、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、ポリイミドなどで代表されるような高分子材料、ガラス、結晶化ガラス、タングステン粉体を高濃度で混入したエポキシ樹脂、ニオブ酸鉛セラミックス、加工性があるセラミックス（快削性セラミックス）、単結晶若しくは多結晶シリコン、水晶、チタン酸バリウムなどのセラミックスなどを用いる。また、音響マッチング層２の導電性部材２０として、グラファイト、銅などの金属を充填したグラファイト、銅、アルミニウム、銀、金、ニッケルなどの金属材料や、金、銀、銅、アルミニウムなどの金属若しくはカーボンの粉体をエポキシ樹脂などの高分子化合物に混入して導電性を持たせた高分子材料や、カーボンなどを用いる。なお、導電性部材２０あるいは絶縁性部材又は半導電性部材２１は、前述した材料に限定されるものではなく、前述した材料と同程度の音響インピーダンスを有するものであれば他の材料であってもよい。導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１の複合材料の音響インピーダンスはそれぞれの体積比率によって決まる。
【００４０】
例えば、音響マッチング層２に必要な音響インピーダンスとして７メガレールスの値にしようとした場合には、導電性部材２０として約１０メガレールスの値を有する銅を充填したグラファイトと絶縁性部材２１として約３メガレールスの値を有するエポキシ樹脂を用いた複合材にしてそれぞれの部材の体積比率を選択すればよい。つまり音響インピーダンスはエポキシ樹脂の体積比率が高い場合は音響インピーダンスが３メガレールスに近くなり、銅を充填したグラファイトの体積比率が高い場合は音響インピーダンスが１０メガレールスに近くなり、必要とする７メガレールスにすることは容易に選択できる。
【００４１】
なお、ここで導電性部材２０と、絶縁性部材又は半導電性部材２１との複合材料の構成を説明したが、この組み合わせの複合材料の構成以外に、例えば絶縁性部材又は半導電性部材２１に導電性部材を用いて導電性部材の複合材料にした構成でも良く、つまり少なくとも導電性部材２０を有し、圧電素子１の電極面と電気的な接続ができる機能と音響インピーダンスを可変できる機能を備えた複合材料であれば上記構成に限定されるものではないことは明らかである。
【００４２】
なお、ここでは音響マッチング層２は１層のタイプについて説明したが、この他２層以上の音響マッチング層を備える構成とした場合においても、それぞれの音響マッチング層に本複合材を設けても、また一部の層に設けた構成にしても同様の効果が得られる。
【００４３】
以上のように、圧電素子の被検体側に設けられる音響マッチング層として、少なくとも導電性部材を含む複合材料を設けることにより、音響マッチング層を所望の音響インピーダンスにすることが可能になり、これによって周波数の広帯域化ができるため、高分解能の診断画像を得ることができる。また、複合材料の音響マッチング層の導電性部材を介して、圧電素子の複数箇所に電気端子を接続することができるため、信頼性が高くかつ操作性の良好な超音波探触子を得ることができる。
【００４４】
また、第１の実施の形態では、図１Ｂに示す導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１とが、Ｚ方向に対して均一な幅で形成される場合について説明したが、絶縁性部材又は半導電性部材２１がＺ方向に対して幅が連続的に変化するいわゆる楔のような形状に、又は段階的に変化するようにして、Ｚ方向の厚みに対して音響インピーダンスが連続的に変化、あるいは段階的に変化するような構成にした場合においても同様の効果が得られる。
【００４５】
また、第１の実施の形態では、図１Ｂに示す導電性部材２０及び絶縁性部材又は半導電性部材２１がほぼ等間隔で、これらを交互に配列した場合について説明したが、このほかランダムの間隔若しくはランダムに配列した場合においても同様の効果が得られる。
【００４６】
また、第１の実施の形態では、圧電素子１の接地電極５と電気信号を授受するために、音響マッチング層２を介して、その前面に接地用電気端子９を設ける構成について説明したが、この代わりに、音響マッチング層２のＺ方向の両面又は片面に導電性部材をスパッタリング、めっきあるいは印刷などにより形成し、その部分に接地用電気端子９を接続する構成にしても同様の効果が得られる。
【００４７】
また、第１の実施の形態においては、音響マッチング層２として、それぞれ１つの材種で形成された導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１との連結構造のものを用いたが、導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１の少なくとも一方が２種類以上の材料で形成されていたとしても同様の効果が得られることは明らかであり、それぞれ１つの材種の連結構造に限定されるものではない。
【００４８】
また、第１の実施の形態においては、圧電素子１の前面の電極を接地電極５としてその被検体側に接地用電気端子９を配置するとともに、圧電素子１の背面の電極を信号用電極６として、さらに信号用電極６に信号用電気端子７を接触させているが、この代わりに、圧電素子１の前面の電極を信号用電極６としてその被検体側に信号用電気端子７を配置するとともに、圧電素子１の背面の電極を接地電極５として、さらに接地電極５に接地用電気端子９を接触させても、原理的には超音波を送受信することは可能である。
【００４９】
＜第２の実施の形態＞
図２Ａは本発明に係る超音波探触子の第２の実施の形態の構成を示す断面図であり、図２Ｂ、図２Ｄ、図２Ｅはそれぞれ図２Ａに示す超音波探触子を構成する第１の音響マッチング層の構成例を示す斜視図であり、図２Ｃは図２Ｂに示す第１の音響マッチング層の絶縁性部材又は導電性部材として用いたシリコン単結晶の体積比率と音響インピーダンスとの関係を示した線図である。
【００５０】
図２Ａにおいて、超音波探触子１０Ｂは板状の圧電素子１と、この圧電素子１の前面（図面の上方）に積み重ねられた２層の音響マッチング層２（２ａ、２ｂ）と、必要に応じて圧電素子１の背面（図面の下方）に装着される背面負荷材３と、同じく必要に応じて音響マッチング層２（２ａ、２ｂ）の前面に装着される音響レンズ４とを備えている。これらの構成要素のそれぞれの機能は、従来の超音波探触子を構成する要素が持つ機能と同様である。
【００５１】
超音波探触子１０Ｂの構成要素のうち、圧電素子１はＰＺＴ系のような圧電セラミックス、ＰＺＮ-ＰＴ、ＰＭＮ-ＰＴ系のような圧電単結晶、又はこれらの材料と高分子材料を複合した複合圧電体、あるいはＰＶＤＦなどで代表される高分子材料の圧電体などによって形成される。圧電素子１の前面には接地電極５が形成され、圧電素子１の背面には信号用電極６が形成されている。接地電極５及び信号用電極６は、それぞれ金や銀の蒸着、スパッタリング、あるいは銀の焼き付けなどによって形成される。
【００５２】
また、圧電素子１に形成されている信号用電極６と背面負荷材３との間に、ポリイミドなどの高分子材料によって構成される絶縁性フィルム７ａの一主面に銅などの導電性膜７ｂが披着された信号用電気端子７が挿着されている。この場合、圧電素子１に形成されている信号用電極６に信号用電気端子７の導電性膜７ｂが接触し、かつ信号用電気端子７の絶縁性フィルム７ａが背面負荷材３に接触するように、絶縁性フィルム７ａの一主面が圧電素子１側に向けられる。一方、圧電素子１に形成されている接地電極５の前面には、絶縁性部材又は半導電性部材と、導電性部材との複合材料で構成される第１の音響マッチング層２ａと、ポリイミドなどの高分子材料によって構成される絶縁性フィルム９ａの一主面に銅などの導電性膜(厚みは特性に影響が小さいように５マイクロメートル以下が好ましい)９ｂが披着された接地用電気端子９と、エポキシ樹脂、ポリイミドなどの高分子材料で構成される第２の音響マッチング層２ｂとが順次積み重ねられている。この場合、第１の音響マッチング層２ａの複合材料の導電性部材に接地用電気端子９の導電性膜９ｂが接触し、接地用電気端子９の絶縁性フィルム９ａに第２の音響マッチング層２ｂが接触するように、絶縁性フィルム９ａの一主面が第１の音響マッチング層２ａ側に向けられる。第２の音響マッチング層２ｂは絶縁性部材であっても、あるいは導電性部材であってもよい。そして、必要に応じて、第２の音響マッチング層２ｂの前面にはシリコーンゴムなどの材料を用いた音響レンズ４が装着される。なお、導電性膜７ｂ、９ｂは電気的に導電性を有する材料であれば何でも良く金属に限定するものではない。
【００５３】
上記のように構成された超音波探触子１０Ｂの動作について以下に説明する。
圧電素子１に形成された信号用電極６は、信号用電気端子７を介して、また、圧電素子１の接地電極５は第１の音響マッチング層２ａの複合材料の導電性部材と接地用電気端子９とを介して、それぞれ不図示のケーブルの一端に電気的に接続され、これらのケーブルのそれぞれの他端は不図示の超音波診断装置の本体部に接続される。これによって、超音波診断装置の本体部で作られる規則正しいパルス電圧を圧電素子１に印加して超音波を発信し、また、受信した超音波のエコーを電気信号に変換して超音波診断装置の本体部に送信する。
【００５４】
絶縁性部材又は半導電性部材と、導電性部材との複合材料（以下、導電性部材と絶縁性部材又は半導電性部材との複合材料と称する）で構成されている第１の音響マッチング層２ａとしては、その音響インピーダンスが圧電素子１と第２の音響マッチング層２ｂの各音響インピーダンスの中間になるような材料が選ばれる。この第１の音響マッチング層２ａの導電性部材と絶縁性部材又は半導電性部材とのそれぞれの連結構造の構成例を図２Ｂ、図２Ｄ及び図２Ｅに示す。図２Ｂ、図２Ｄ及び図２Ｅにおいては、被検体に向けて超音波を放射する方向をＺ方向、これと直交する２つの方向をそれぞれＸ方向、Ｙ方向としている。
【００５５】
図２Ｂに示した第１の音響マッチング層２ａ−１は、それぞれ短冊状に形成された導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１とがＸ方向に交互に配置されたもので、このうち導電性部材２０はＹ及びＺの２方向につながりがあり、また絶縁性部材又は半導電性部材２１も同じようにＹ及びＺの２方向につながりがある構造体になっており、以下の説明ではこの連結構造を２−２型連結構造と呼ぶこととする。ここで、複数の導電性部材２０は圧電素子１の前面に形成された接地電極５と、接地用電気端子９の絶縁性フィルム９ａの一主面に披着された導電性膜９ｂとにそれぞれ接触して、圧電素子１の接地電極５と接地用電気端子９の導電性膜９ｂとを電気的に接続する機能を有している。
【００５６】
図２Ｄに示した第１の音響マッチング層２ａ−２は、それぞれ円柱状に形成された複数の導電性部材２０を、その端部をそれぞれＺ方向に向けた状態でＹ方向に列状に配置するとともに、Ｘ方向に複数列配置し、その周囲を絶縁性部材又は半導電性部材２１で取り囲んだもので、このうち導電性部材２０はＺ方向のみの１方向につながりがあり、Ｘ、Ｙ方向のつながりはない。また絶縁性部材又は半導電性部材２１はＸ、Ｙ、Ｚの３方向につながりがある構造体となっており、この連結構造を１−３型連結構造と呼ぶこととする。ここで、複数の導電性部材２０は圧電素子１の前面に形成された接地電極５と、接地用電気端子９の絶縁性フィルム９ａの一主面に披着された導電性膜９ｂとにそれぞれ接触して、圧電素子１の接地電極５と接地用電気端子９の導電性膜９ｂとを電気的に接続する機能を有している。
【００５７】
図２Ｅに示した第１の音響マッチング層２ａ−３は、それぞれ四角柱状に形成された複数の絶縁性部材又は半導電性部材２１を、その端部をそれぞれＺ方向に向けた状態でＹ方向に列状に配置するとともに、Ｘ方向に複数列配置し、その周囲を導電性部材２０で取り囲んだもので、このうち導電性部材２０はＸ、Ｙ、Ｚの３方向につながりがあり、また絶縁性部材又は半導電性部材２１は、Ｚ方向のみの１方向につながりがある構造体となっており、この連結構造を３−１型連結構造と呼ぶこととする。ここで、導電性部材２０は圧電素子１の前面に形成された接地電極５と接地用電気端子９の絶縁性フィルム９ａの一主面に披着された導電性膜９ｂとにそれぞれ接触して、圧電素子１の接地電極５と接地用電気端子９の導電性膜９ｂとを電気的に接続する機能を有している。
【００５８】
前述したように、図２Ａに示した第１の音響マッチング層２ａの音響インピーダンスは圧電素子１の音響インピーダンスと第２の音響マッチング層２ｂの音響インピーダンスの間の値を有していることが必要である。例えば圧電素子１として音響インピーダンスが約３０メガレールスの値を有するＰＺＴ-５Ｈの圧電セラミックスを用い、音響インピーダンスが約１．６メガレールスの値を有する生体のような被検体を対象とした場合には、第２の音響マッチング層２ｂの音響インピーダンスは３メガレールス前後の値の材料を用いることになる。したがって、第１の音響マッチング層２ａの音響インピーダンスは少なくとも３から３０メガレールスの間の値を有する材料が必要になる。
【００５９】
一般的に、第１の音響マッチング層２ａの音響インピーダンスは５から２０メガレールスの間の値にすることが望ましく、また、その値が大きくなるほど周波数特性の帯域が広くなる傾向にある。したがって、第１の音響マッチング層２ａとして１０から２０メガレールスの範囲の材料を用いることが好適である。音響インピーダンスが１０〜２０メガレールスの値を有する材料としては、例えばガラス、結晶化ガラス、金属タングステン粉体を高濃度で混入したエポキシ樹脂、ニオブ酸鉛セラミックス、加工性があるセラミックス（快削性セラミックス）、単結晶若しくは多結晶シリコン、水晶などがある。しかしながら、これらの材料はいずれも電気的には絶縁性部材又は半導電性部材である。
【００６０】
そこで、例えば、図２Ａに示した超音波探触子１０Ｂを用いて説明するが、第１の音響マッチング層２ａとして絶縁性部材又は半導電性部材を用い、圧電素子１の接地電極５の端部に対応する部位を切り欠いて音響マッチング層のない部分（図示せず）を作り、その部分から電気端子（図示せず）を取り出す構成も考えられる。しかし、このような構成にすると、性能的には周波数の広帯域化が可能になる反面、音響マッチング層の無い部分においても圧電素子１が振動して超音波を発生するため、被検体に送信する超音波が乱れて超音波画像が劣化する。また、接地電極５から取り出す電気端子は１箇所であるため、診断操作中に超音波探触子を落下させたり、あるいは超音波探触子に打撃など機械的な衝撃を加えたりしたことにより、圧電素子１が割れたとき、接地電極５も同じように割れて電気的な断線が発生するなどにより、故障するおそれがある。
【００６１】
図２Ａに示した第２の実施の形態は、これらの問題を解決し、しかも周波数の広帯域化が可能な構成を実現したものである。すなわち、圧電素子１の接地電極５が、第１の音響マッチング層２ａの複数の導電性部材２０を介して、接地用電気端子９の金属膜９ｂと電気的に接続される構成にしているため、圧電素子１の全面にて均一で所望の超音波の送信、受信をすることができるとともに、機械的な衝撃などによって圧電素子１及び接地電極５が割れたとしても、第１の音響マッチング層２ａの複数個の導電性部材２０で接続されているため、断線して故障することが極めて少なくなる。
【００６２】
ここでは、第１の音響マッチング層２ａ−１、２ａ−２、２ａ−３の絶縁性部材又は半導電性部材２１として、前述したガラス、結晶化ガラス、タングステン粉体を高濃度で混入したエポキシ樹脂、ニオブ酸鉛セラミックス、加工性があるセラミックス（快削性セラミックス）、単結晶若しくは多結晶シリコン、水晶、チタン酸バリウムなどのセラミックスなどを用いる。また、第１の音響マッチング層２ａ−１、２ａ−２、２ａ−３の導電性部材２０として、銅、アルミニウム、銀、金、ニッケルなどの金属材料や、金、銀、銅、アルミニウムなどの金属若しくはカーボンの粉体をエポキシ樹脂などの高分子化合物に混入して導電性を持たせた高分子材料や、グラファイト、カーボンなどを用いる。なお、導電性部材２０あるいは絶縁性部材又は半導電性部材２１は、前述した材料に限定されるものではなく、前述した材料と同程度の音響インピーダンスを有するものであれば他の材料であってもよい。導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１との複合材料の音響インピーダンスはそれぞれの体積比率によって決まる。
【００６３】
なお、ここで導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１との複合材料の構成を説明したが、この他、前記組み合わせの複合材料の構成以外、例えば絶縁性部材又は半導電性部材２１に導電性部材を用いて導電性部材の複合材料にした構成でも良く、つまり少なくとも導電性部材２０を有し、圧電素子１の電極面と電気的な接続ができる機能と音響インピーダンスを可変できる機能を備えた複合材料であれば上記構成に限定されるものではないことは明らかである。
【００６４】
導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１との複合材料は、連結構造が１−３型、２−２型、３−１型においては、２種類のそれぞれの材料が有する音響インピーダンスの間の値になり、しかも、それらの体積比率を変えることによって、所望の音響インピーダンスの材料を得ることができる。
【００６５】
また、１−３型、２−２型、３−１型の連結構造を有する導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１との複合材料を第１の音響マッチング層２ａとして機能させるためには、複合材料が一体として超音波を伝搬させるように、導電性部材２０の幅及びその配列間隔を決定する。また、導電性部材２０の体積比率が小さい場合には、その幅及び配列間隔を考慮する必要はなく、導電性部材２０は電気的な接続機能を主にしてその材料を選択すればよい。
【００６６】
また、音響マッチング層としての機能、すなわち導電性能を必要としないで音響インピーダンスのみを所望の値に整合させることを目的として図２Ｂ、図２Ｄ、図２Ｅに示した連結構造を用る場合には、導電性部材と絶縁性部材又は半導電性部材という材料の選択をする必要はなく、絶縁性部材どうしの連結構造、あるいはエポキシ樹脂のような絶縁性部材とシリコンのような半導電性部材との連結構造であってもよい。
【００６７】
次に、図２Ｂに示す２−２型連結構造を有する第１の音響マッチング層２ａ−１の製造方法の一例を以下に説明する。絶縁性部材又は半導電性部材２１としてシリコン単結晶を用いる。このシリコン単結晶は図２ＢのＺ方向が平坦になっているものとする。その平坦面に対してレーザ照射、化学的なエッチング、あるいはダイシングマシーンなどによる機械加工などにより、任意の間隔で図２ＢのＹ方向に導電性部材２０を装填するための溝を形成する。次に、溝の中に銀などの粉体を混入した導電性のエポキシ樹脂などの導電性接着剤を充填して硬化させる。この導電性接着剤はシリコン単結晶に比べて音響インピーダンスがより小さい材料である。次に、第１の音響マッチング層２ａとしてＺ方向に、ほぼ４分の１波長の厚みにスライス加工して形成する。この場合、シリコン単結晶に近い音響インピーダンスの第１の音響マッチング層２ａを要望するのであれば、導電性部材２０の導電性接着剤の体積比率を小さくすればよく、また小さい音響インピーダンスの値を必要とするのであれば体積比率を大きくすればよい。
【００６８】
例えば、導電性部材２０を形成するための導電性接着剤としてエコーボンド５６Ｃ（エマーソンアンドカミング社）を用い、絶縁性部材又は半導電性部材２１としてシリコン単結晶を用いた場合、それぞれの音響インピーダンスは約６．５メガレールス、１９．７メガレールスである。そこでシリコン単結晶をダイシングマシーンにより任意の間隔と溝幅で分割し、その溝の部分にエコーボンド５６Ｃを充填して作成した材料の音響インピーダンス（密度×音速）を測定すると、シリコン単結晶の体積比率が６３．５％の場合は１５．３メガレールスとなり、また、シリコン単結晶の体積比率が４３％の場合は１２．７メガレールスとなった。
【００６９】
図２Ｃは上述した２つの材料に対する測定結果に基づいて作成したシリコン単結晶の体積比率と音響インピーダンスとの関係を示した線図である。この線図から明らかなように、導電性部材２０を形成するための導電性接着剤としてエコーボンド５６Ｃを用い、シリコン単結晶の体積比率を０パーセント（導電性接着剤のみ）から１００パーセント（シリコン単結晶のみ）の範囲で変化させた場合、導電性接着剤とシリコン単結晶の複合材料の音響インピーダンスは約６．５メガレールスからシリコン単結晶の音響インピーダンス１９．７メガレールスまでほぼ直線的に変化することが分かる。また、発明者はこの体積比率と音響インピーダンスとに相関があることを確認することができた。
【００７０】
次に、図２Ｂに示す２−２型連結構造における第１の音響マッチング層２ａ−１の他の製造方法について説明する。絶縁性部材又は半導電性部材２１としての板状のシリコン単結晶と、導電性部材２０としての板状のグラファイトや金属とを、図２ＢのＸ方向に交互に積層して接着するか、あるいは絶縁性部材又は半導電性部材２１としての板状のシリコン単結晶の一主面にそれぞれ金属をスパッタリング、めっき、あるいは印刷などの方法で薄い膜を形成したものを、図２ＢのＸ方向に順次に積層して接着した後、図２ＢのＺ方向の厚みが得られるようにスライス加工する。この製造方法によれば大量生産することも可能である。
【００７１】
次に、図２Ｄに示す１−３型連結構造を有する第１の音響マッチング層２ａ−２の製造方法の一例を説明する。絶縁性部材又は半導電性部材２１として図２ＤのＺ方向に厚みを有するシリコン単結晶を用意する。そして、このシリコン単結晶にレーザ照射、化学的なエッチングあるいは機械加工などにより任意の間隔で複数個の導電性部材２０を設けるための穴を設ける。次に、その穴に、銀などの粉体を混入した導電性のエポキシ樹脂などの導電性接着剤を充填し硬化させる。その後、第１の音響マッチング層としてほぼ４分の１波長の厚みに加工して形成する。シリコン単結晶に近い音響インピーダンスの第１の音響マッチング層を要望するのであれば、導電性部材２１の導電性接着剤の体積比率を少なくすればよく、またもっと小さい音響インピーダンスの値を必要とするのであれば導電性部材２１の導電性接着剤の体積比率を大きくすればよい。
【００７２】
ちなみに、単結晶シリコンの音響インピーダンスは１９．７メガレールスで、また導電性接着剤としてエコーボンド５６Ｃ（エマーソンアンドカミング社）の音響インピーダンスは約６．５メガレールスであり、それぞれの体積比率を調整することにより図２Ｂの構造と同様に、音響インピーダンスを６．５メガレールスから１９．７メガレールスの範囲の値にすることができる。
【００７３】
次に、図２Ｅに示す３−１型連結構造を有する第１の音響マッチング層２ａ−３の製造方法の一例を以下に説明する。絶縁性部材又は半導電性部材２１としてシリコン単結晶を用意する。そして、このシリコン単結晶にレーザ照射、化学的なエッチングあるいはダイシングマシーンによる機械加工などにより任意の間隔でＸ、Ｙの両方向に複数個の溝を設けて角柱を形成し、その後、導電性接着剤などの導電性部材２０を複数の溝に充填し硬化させる。その後、第１の音響マッチング層として、ほぼ４分の１波長の厚みに加工して形成する。
【００７４】
以上のように、圧電素子の被検体側に設けられる音響マッチング層として、導電性部材と絶縁性部材又は半導電性部材との複合材料を設けることにより、音響マッチング層を所望の音響インピーダンスにすることが可能になり、これによって周波数の広帯域化ができるため、高分解能の診断画像を得ることができる。また、複合材料の音響マッチング層の導電性部材を介して、圧電素子の複数箇所に電気端子を接続することができるため、信頼性が高くかつ操作性の良好な超音波探触子を得ることができる。
【００７５】
なお、第２の実施の形態では、図２Ｄに示す１−３型連結構造の導電性部材２０として円柱の形状を有するものを用いたが、このほか角柱あるいは球など他の形状を有するものを用いても同様の効果が得られる。また、Ｚ方向に対してコーンのような円錐状の形状にして、Ｚ方向の厚みに対して音響インピーダンスが連続的に変化するような構成にした場合においても同様の効果が得られる。
【００７６】
また、第２の実施の形態では、図２Ｂに示す２−２型連結構造の導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１とが、Ｚ方向に対して均一な幅で形成される場合について説明したが、絶縁性部材又は半導電性部材２１がＺ方向に対して幅が連続的に変化するいわゆる楔のような形状にして、Ｚ方向の厚みに対して音響インピーダンスが連続的に変化するような構成にした場合においても同様の効果が得られる。
【００７７】
また、第２の実施の形態では、図２Ｂに示す２−２型、図２Ｄに示す１−３型及び図２Ｅに示す３−１型の各連結構造の導電性部材２０及び絶縁性部材又は半導電性部材２１がほぼ等間隔で、これらを交互に配列した場合について説明したが、このほかランダムの間隔若しくはランダムに配列した場合においても同様の効果が得られる。
【００７８】
また、第２の実施の形態では、圧電素子１の接地電極５と電気信号を授受するために、第１の音響マッチング層２ａを介して、その前面に接地用電気端子９を設ける構成について説明したが、この代わりに、第１の音響マッチング層２ａのＺ方向の両面又は片面に導電性部材をスパッタリング、めっきあるいは印刷などにより形成し、その部分に接地用電気端子９を接続する構成にしても同様の効果が得られる。
【００７９】
また、第２の実施の形態においては、第１の音響マッチング層２ａとして、それぞれ１つの材種で形成された導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１との連結構造のものを用いたが、導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１の少なくとも一方が２種類以上の材料で形成されていたとしても同様の効果が得られることは明らかであり、それぞれ１つの材種の連結構造に限定されるものではない。
【００８０】
また、第２の実施の形態においては、圧電素子１の前面の電極を接地電極５としてその被検体側に接地用電気端子９を配置するとともに、圧電素子１の背面の電極を信号用電極６として、さらに信号用電極６に信号用電気端子７を接触させているが、この代わりに、圧電素子１の前面の電極を信号用電極６としてその被検体側に信号用電気端子７を配置するとともに、圧電素子１の背面の電極を接地電極５として、さらに接地電極５に接地用電気端子９を接触させても、原理的には超音波を送受信することは可能である。
【００８１】
＜第３の実施の形態＞
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図３Ａは本発明に係る超音波探触子の第３の実施の形態の構成を、その一部を破断して示した斜視図であり、図３Ｂは、図３Ａに示した超音波探触子を、その図中に示した３つの方向Ｘ、Ｙ、Ｚのうち、Ｙ−Ｚ平面で切断した断面をＸ方向から見た断面図であり、図３Ｃ、３Ｄはそれぞれ図３Ａ及び図３Ｂに示した超音波探触子を構成する要素の具体的な構成例を示す斜視図である。
【００８２】
図３Ａ及び図３Ｂに示した超音波探触子１０Ｃは、図３Ａ中に示したＸ、Ｙ、Ｚのうち、Ｘ方向に配列された複数の圧電素子１と、各圧電素子１に対応して被検体側となるＺ方向前面に設けられた２層の音響マッチング層２（２ａ、２ｂ）と、必要に応じて圧電素子１の背面に設けられる背面負荷材３と、同じく必要に応じて複数の音響マッチング層２（２ａ、２ｂ）上に共通に設けられる音響レンズ４と、圧電素子１と背面負荷材３との間に挿着された複数の信号用電気端子７と、第１の音響マッチング層２ａと第２の音響マッチング層２ｂとの間に挿着された接地用電気端子９とを備えている。これらの構成要素のそれぞれの機能は、従来の超音波探触子を構成する要素が持つ機能と同様である。
【００８３】
以下、説明の都合上、図３Ａ及び図３Ｂに示した超音波探触子１０Ｃの製造方法について説明する。
複数の圧電素子１を形成するために、ＰＺＴ系のような圧電セラミックス、ＰＺＮ-ＰＴ、ＰＭＮ-ＰＴ系のような圧電単結晶、又はこれらの材料と高分子材料を複合した複合圧電体、あるいはＰＶＤＦなどで代表される高分子材料の圧電体などで構成され、所定の厚さを有する板材、すなわち圧電板材を準備する。この圧電板材の一主面、すなわちＺ方向の前面には接地電極５を、その背面には信号用電極６を、それぞれ金や銀の蒸着、スパッタリング、あるいは銀の焼き付けなどによって形成する。
【００８４】
また、所定の厚さを有する板状の背面負荷材（背面負荷材を備えない超音波探触子ではこれに代わる部材）３と、導電性部材と絶縁性部材又は半導電性部材との複合材料で構成され、複数の第１の音響マッチング層２ａを形成するための板材と、エポキシ樹脂、ポリイミドなどの高分子材料で構成された複数の第２の音響マッチング層２ｂを形成するための板材と、ポリイミドなどの高分子材料によって構成される絶縁性フィルム７ａの一主面に銅などの導電性膜７ｂが披着され、全体がリボン状に形成された複数の信号用電気端子７と、ポリイミドなどの高分子材料によって構成される絶縁性フイルム９ａの一主面に銅などの導電性膜(厚みは音響特性に対する影響が少ないように５マイクロメートル以下が好ましい)９ｂが披着された接地用電気端子９とを準備する。なお、第２の音響マッチング層２ｂを形成するために用いるエポキシ樹脂、ポリイミドなどの高分子材料は絶縁性部材であるが、この代わりに導電性部材を用いてもよい。なお、導電性膜７ｂ、９ｂは電気的に導電性を有する材料であれば何でも良く金属に限定するものではない。
【００８５】
そこで、図３Ａに示したように、背面負荷材３の前面に、複数の信号用電気端子７をＸ方向に所定の間隔で載置し、その上に圧電素子１を形成するための圧電板材を重ね合わせ、さらに、圧電板材の前面に第１の音響マッチング層２ａを形成するための板材と、接地用電気端子９と、第２の音響マッチング層２ｂを形成するための板材とを順次に重ね合わせて、これらを一体的に固着する。この場合、背面負荷材３と圧電板材との間に装着される複数の信号用電気端子７は、それぞれ絶縁性フィルム７ａの一主面に披着されている導電性膜７ｂが圧電板材に形成された信号用電極６に接触し、絶縁性フィルム７ａが背面負荷材３に接触するように、絶縁性フィルム７ａの一主面が圧電板材側（図面の上方）に向けられる。また、第１の音響マッチング層２ａを形成するための板材と第２の音響マッチング層２ｂを形成するための板材との間に挿着される接地用電気端子９は、絶縁性フイルム９ａの一主面に形成された導電性膜９ｂが第１の音響マッチング層２ａに接触するように、絶縁性フイルム９ａの一主面が第１の音響マッチング層２ａ側に向けられる。
【００８６】
以上のようにして、背面負荷材３、複数の信号用電気端子７、圧電素子１を形成するための圧電板材、第１の音響マッチング層２ａを形成するための板材、接地用電気端子９及び第２の音響マッチング層２ｂを形成するための板材を一体的に固着した後、スライシングマシーンなどによって第２の音響マッチング層２ｂの前面から背面負荷材３の前面部まで掘り下げた複数の溝、すなわち第２の音響マッチング層２ｂ、接地用電気端子９、第１の音響マッチング層２ａ、圧電板材、信号用電気端子７及び背面負荷材３の一部を１ユニットとして、複数の圧電素子ユニットに分割する分割溝を形成する。この場合、Ｘ方向に所定の間隔で配置された信号用電気端子７の中間部に分割溝を形成する。これによって、圧電素子ユニットが並列に配置された圧電素子列が形成される。次に、音響的な結合が小さいシリコーンゴムやウレタンゴムなどのような材料（図示せず）を各分割溝に充填し、さらに、必要に応じて第２の音響マッチング層２ｂの上面にシリコーンゴムなどの材料を用いた音響レンズ４を装着する。背面負荷材を備えない超音波探触子においては、この段階で背面負荷材３に代わる部材を除去する。
【００８７】
なお、ここでは第１の音響マッチング層２ａと第２の音響マッチング層２ｂとの間に、絶縁性フイルム９ａに導電性膜９ｂを披着させた接地用電気端子９を挿着し、接地用電気端子９の導電性膜９ｂと第１の音響マッチング層２ａの導電性部材とを接触させることによって、接地用電気端子９と圧電素子１に形成された接地電極５とを電気的に接続するものについて説明したが、このほか、第２の音響マッチング層２ｂとして導電性部材を用い、この第２の音響マッチング層２ｂの前面に導電性膜９ｂを披着させた接地用電気端子９を装着し、第１の音響マッチング層２ａ及び第２の音響マッチング層２ｂを介して、接地用電気端子９と圧電素子１に形成された接地電極５とを電気的に接続するようにしても同様の動作をさせることができる。
【００８８】
上記のように構成された超音波探触子１０Ｃの動作について以下に説明する。
圧電素子１の背面に形成された信号用電極６は、信号用電気端子７を介して、また、圧電素子１の前面に形成された接地電極５は、第１の音響マッチング層２ａの複合材料の導電性部材と接地用電気端子９とを介して、それぞれ不図示のケーブルの一端に電気的に接続され、これらのケーブルのそれぞれの他端は不図示の超音波診断装置の本体部に接続される。これによって、超音波診断装置の本体部で作られる規則正しいパルス電圧を圧電素子１に印加して超音波を発信し、また、受信した超音波のエコーを電気信号に変換して超音波診断装置の本体部に送信する。
【００８９】
この場合、詳細を後述する第１の音響マッチング層２ａの導電性部材は、圧電素子１に形成された接地電極５と接地用電気端子９の導電性膜９ｂとを電気的に接続する形状であればよく、特定の形状に限定するものではない。また、第１の音響マッチング層２ａの導電性部材は、１つの圧電素子１に対して２箇所以上で、圧電素子１の接地電極５と接地用電気端子９の導電性膜９ｂとが電気的に接続されるような構成が望ましく、導電性部材２０の数が多いほど接地電極５が圧電素子１と共に割れても、信号電送経路が断線して故障する頻度は少なくなり、信頼性の高いものとなる。また、第１の音響マッチング層２ａの絶縁性部材又は半導電性部材は音響インピーダンスを選択することが主たる目的となる。そのため、第３の実施の形態のように２層の音響マッチング層を備えた場合、第１の音響マッチング層２ａの音響インピーダンスは、圧電素子１の音響インピーダンスと第２の音響マッチング層２ｂの音響インピーダンスとの間の値を有していることが必要で、例えば、５メガレールスから１５メガレールスの範囲の値が選ばれる。このような範囲の音響インピーダンスが得られる材料を導電性部材と絶縁性部材又は半導電性部材とを複合した材料とすればよい。
【００９０】
導電性部材と絶縁性部材又は半導電性部材との複合材料で構成した第１の音響マッチング層２ａにおける導電性部材と絶縁性部材又は半導電性部材材料とのそれぞれの連結構造の一例を図３Ｃ、図３Ｄに示す。図３Ｃ、図３Ｄにおいて、厚さ方向であるＺ方向は被検体側の方向、Ｘ方向は圧電素子１の配列方向、Ｙ方向はＸ方向及びＺ方向と直交する方向を示している。
【００９１】
図３Ｃにおいて、第１の音響マッチング層２ａ−４を構成する複数の導電性部材２０は円柱状に形成されたものを、その軸芯をＺ方向に揃えたもので、Ｚ方向の１方向のみにつながりがあり、絶縁性部材又は半導電性部材２１はＸ、Ｙ、Ｚの３方向につながりがある構造体となっている。この導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１との複合材料の連結構造を１−３型連結構造と呼ぶ。また、圧電素子ユニット、すなわち１個の圧電素子１に対応する１個の第１の音響マッチング層２ａ−４の導電性部材２０は、それぞれ３行×２２列にして合計６６個が配設されている。この導電性部材２０の数については、前述したように、圧電素子１の接地電極５との接続箇所が多くなるほど信頼性は高くなるが、導電性部材２０の数については２個以上であればよく、６６個に限定されるものではない。ただし、導電性部材２０が第１の音響マッチング層２ａとして機能するように、つまり、導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１の複合材料が音響的に１つの音響マッチング層として機能する形態にすることが必要である。なお、図３Ｃに示す第１の音響マッチング層２ａ−４は、圧電素子１に対応して既に分割された構成の状態を示しているが、分割される前の状態は、前述したように全体が１枚の板状のものになっている。一方、導電性部材２０に音響マッチング機能を持たせる必要がないとき、つまり導電性部材２０が、絶縁性部材又は半導電性部材２１に対してその体積比率が著しく少ない場合は、圧電素子１の接地電極５とを接続させる機能のみを持たせるだけで同じ効果が得られる。
【００９２】
このように、複数の導電性部材２０は、圧電素子１の接地電極５と接地用電気端子９の金属膜９ｂとにそれぞれ接触して、その厚さ方向であるＺ方向でこれらを電気的に接続させる機能を有している。ここでは、Ｚ方向の１方向につながりがあるものを導電性部材２０とし、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の３方向につながりがあるものを絶縁性部材又は半導電性部材２１としたが、これらの材料を互いに入れ替えて、絶縁性部材又は半導電性部材側がＺ方向の１方向につながりがあり、導電性部材側がＸ、Ｙ、Ｚの３方向につながりがある連結構造体、すなわち３−１型連結構造体（図示を省略）にしても同様の効果を得ることができる。
【００９３】
また、図３Ｄに示した音響マッチング層２ａ−５は、導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１と交互に配置したもので、導電性部材２０は、圧電素子１の配列方向のＸ方向と、厚さ方向であるＺ方向の２方向につながりがあり、また絶縁性部材又は半導電性部材２１も同様に、圧電素子１の配列方向のＸ方向と、Ｚ方向の２方向につながりがある構造体となっており、これらの複合材料の連結構造を２−２型連結構造と呼ぶ。したがって、複数の導電性部材２０は圧電素子１の接地電極５及び接地用電気端子９の導電性部材とは厚さ方向であるＺ方向で電気的な接続が可能となる。
【００９４】
図３Ｄにおいて、１個の圧電素子１に対応する１個の第１の音響マッチング層２ａ−５の導電性部材２０は、絶縁性部材又は半導電性部材２１と交互にしてＹ方向に１１個配置されている。この導電性部材２０は、前述したように、圧電素子１の接地電極５との接続箇所が多いほど信頼性は高くなるが、導電性部材２０の数については２個以上であればよい。ただし、導電性部材２０が第１の音響マッチング層２ａとして機能するように、つまり導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１との複合材料が１つの音響マッチング層として機能する形態にすることが必要である。なお、図３Ｄに示す第１の音響マッチング層２ａ−５は、圧電素子１に対応して既に分割された構成の状態を示しているが、分割される前の状態は、前述したように、全体が１枚の板状のものになっており、導電性部材２０及び絶縁性部材又は半導電性部材２１は圧電素子１の配列方向であるＸ方向に連結した構成になっている。一方、導電性部材２０に音響マッチング機能を持たせる必要がないとき、つまり導電性部材２０が、絶縁性部材又は半導電性部材２１に対してその体積比率が著しく少ない場合は、圧電素子１の接地電極５とを接続させる機能のみを持たせるだけで同じ効果が得られる。
【００９５】
また、図３Ｄでは、第１の音響マッチング層２ａ−５の導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１は、圧電素子１の配列方向とほぼ並行に構成した２−２型の連結構造としたが、このほか、圧電素子１の配列方向と直交する方向、あるいはそれ以外の方向に配列した２−２型の連結構造にしても同様の効果が得られる。
【００９６】
図３Ｃ又は３Ｄに示すような連結構造を有する第１の音響マッチング層２ａ−４、２ａ−５は、前述したように、その音響インピーダンスが圧電素子１の音響インピーダンスと第２の音響マッチング層２ｂの音響インピーダンスとの間の値を有することが必要であるが、本実施の形態のように音響マッチング層を２層タイプにした場合には、例えば圧電素子１として音響インピーダンスが約３０メガレールスの値を有するＰＺＴ-５Ｈの圧電セラミックを用い、音響インピーダンスが約１．６メガレールスの値を有する生体のような被検体を対象とした場合には、第２の音響マッチング層２ｂの音響インピーダンスは約３メガレールスの値の材料を用いることになる。
【００９７】
したがって、第１の音響マッチング層２ａの音響インピーダンスは少なくとも３から３０メガレールスの間の値を有する材料が必要になってくる。一般的に第１の音響マッチング層２ａの音響インピーダンスは、５から２０メガレールスの間の値にすることが望ましく、また、その値が大きくなるほど、周波数特性の帯域が広くなる傾向があり、広帯域の周波数特性を得るためには、第１の音響マッチング層２ａの音響インピーダンスの値を大きくする必要があり、１０から２０メガレールスの範囲の材料を用いる。
【００９８】
しかし、この範囲の値を有する材料は、例えば、ガラス、結晶化ガラス、金属タングステン粉体を高濃度で混入したエポキシ樹脂、ニオブ酸鉛セラミックス、加工性があるセラミックス（快削性セラミックス）、単結晶若しくは多結晶シリコン、水晶などがある。しかしながら、これらの材料は、いずれも電気的には絶縁物あるいは半導電性部材である。
【００９９】
そこで、例えば、図３Ｂに示した超音波探触子１０Ｃについて説明すると、圧電素子１の接地電極５の端部に対応する部位を切り欠いて音響マッチング層のない部分（図示せず）を作り、その部分から電気端子（図示せず）を取り出す構成も考えられる。しかし、このような構成にすると、性能的には周波数の広帯域化が可能になる反面、音響マッチング層の無い部分においても圧電素子１は振動して超音波を発生するため、被検体に送信する超音波が乱れて超音波画像が劣化する。また、接地電極５から取り出す電気端子は１箇所であるため、診断操作中に超音波探触子を落下させたり、あるいは超音波探触子に打撃など機械的な衝撃を加えたりしたことにより、圧電素子１が割れたとき、接地電極５も同じように割れて電気的な断線が発生するなどにより故障するおそれがある。
【０１００】
第３の実施の形態は、これらの問題を解決し、しかも周波数の広帯域化が可能な構成を実現したものである。すなわち、圧電素子１の接地電極５が、第１の音響マッチング層２ａの複数の導電性部材２０を介して、接地用電気端子９の金属膜９ｂとの電気的に接続される構成にしているため、圧電素子１の全面に音響マッチング層を設ける構成にできているため、圧電素子１の全面にて均一で所望の超音波の送信、受信することができるとともに、機械的な衝撃などによって圧電素子１及び接地電極５が割れたとしても、第１の音響マッチング層２ａの複数個の導電性部材で接続されているため、断線して故障することが極めて少なくなる。
【０１０１】
一方、第１の音響マッチング層２ａ−３、２ａ−４の絶縁性部材又は半導電性部材２１としては、第２の実施の形態で用いた材料であるガラス、結晶化ガラス、タングステン粉体を高濃度で混入したエポキシ樹脂、ニオブ酸鉛セラミックス、加工性があるセラミックス（快削性セラミックス）、単結晶若しくは多結晶シリコン、水晶、チタン酸バリウムなどのセラミックスなどを用いる。また、第１の音響マッチング層２ａ−３、２ａ−４の導電性部材２０としては、銅、アルミニウム、銀、金、ニッケルなどの金属や、金、銀、銅、アルミニウムなどの金属若しくはカーボンの粉体をエポキシ樹脂などの高分子化合物に混入して導電性を持たせた高分子材料や、グラファイト、カーボンなどの材料を用いる。このような導電性部材２０、絶縁性部材又は半導電性部材２１を用いた１−３型、２−２型、３−１型連結構造の複合材料の音響インピーダンスは、導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１のそれぞれの体積比率によって決まる。例えば、導電性部材２０として銀を用い、絶縁性部材としてＸカット水晶を用いた場合、それぞれ材料単体の音響インピーダンスは３８、１５．３メガレールスである。この２種類の材料の体積比率を変えることにより、第２の実施の形態で説明した図２Ｃの線図と同様に、Ｘカット水晶の音響インピーダンス３８メガレールスと銀の音響インピーダンス１５．３メガレールスの間の所望の値にすることができる。
【０１０２】
なお、導電性部材２０、絶縁性部材又は半導電性部材２１が上述した以外の材料であっても本発明の目的が達成できる材料であればよく、上術した材料に限定するものではない。また、第３の実施の形態においては、１種類の導体２０と、１種類の絶縁性部材又は半導電性部材２１との連結構造を有する第１の音響マッチング層２ａについて説明したが、このほか、導電性部材を２種類、絶縁性部材を１種類〜３種類というように、２種類以上の材料を用いても同様の効果が得られることは明らかであり、それぞれ１種類の材料の連結構造に限定するものではない。
【０１０３】
また、１−３型、２−２型、３−１型の連結構造を有する導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１との複合材料を第１の音響マッチング層２ａとして機能させるためには、複合材料が一体として超音波が伝搬するように、導電性部材２０の幅及び配列間隔にする。また、導電性部材２０の体積比率が少ない場合は、導電性部材２０の幅及び配列間隔を考慮する必要はなく、電気的な接続機能を主にしてその材料を選択すればよい。
【０１０４】
図３Ｃに示す１−３型の連結構造を有する第１の音響マッチング層２ａ−４の製造方法としては、第２の実施の形態として図２Ｄに示した第１の音響マッチング層２ａ−２と同じような方法で製造すればよく、図３Ｄに示す２−２型の連結構造を有する第１の音響マッチング層２ａ−４の製造方法としては、第２の実施の形態として図２Ｂに示した第１の音響マッチング層２ａ−１と同じような方法で製造すればよい。
【０１０５】
以上のように、圧電素子の被検体側に設けられる音響マッチング層として、導電性部材と絶縁性部材又は半導電性部材とを複合した複合材料を用いることにより、その音響インピーダンスを所望の値にすることが可能になり、周波数の広帯域化ができることによって、高分解能の診断画像を得ることができ、また、複合材料を構成する導電性部材から電気端子を取り出すことができるため、信頼性が高くかつ操作性が良好な超音波探触子を得ることができる。
【０１０６】
なお、第３の実施の形態では、１−３型連結構造の導電性部材２０として、円柱の形状を有するものを用いたが、このほか角柱あるいは球など他の形状を有するものを用いても同様の効果が得られる。また、１−３型連結構造の導電性部材２０として、Ｚ方向に対してコーンのような円錐状の形状にして、Ｚ方向の厚みに対して音響インピーダンスが連続的に変化するような構成にした場合においても同様の効果が得られる。
【０１０７】
また、第３の実施の形態では、２−２型連結構造の導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１が、Ｚ方向に対して均一な幅で配列される場合について説明したが、これらの部材がＺ方向に対して幅が連続的に変化するいわゆる楔のような形状にして、Ｚ方向の厚みに対して音響インピーダンスが連続的に変化するような構成にした場合においても同様の効果が得られる。
【０１０８】
また、第３の実施の形態では、１−３型、２−２型及び３−１型の各連結構造の導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１とがほぼ等間隔で、これらを交互に配列した場合について説明したが、このほかランダムの間隔若しくはランダムに配列した場合においても同様の効果が得られる。
【０１０９】
また、第３の実施の形態では、圧電素子１の接地電極５と電気信号を授受するために、第１の音響マッチング層２ａの導電性部材を介して、その前面に接地用電気端子９を設ける構成の場合について説明したが、この代わりに、第１の音響マッチング層２ａのＺ方向の両面又は片面に導電性部材をスパッタリング、めっきあるいは印刷などにより形成し、その部分に電気端子を接続する構成にしても同様の効果が得られる。
【０１１０】
また、第３の実施の形態においては、圧電素子１を１次元に複数個配列した構成について説明したが、このほか、圧電素子１を２次元に複数個配列したいわゆる２次元アレイの構成にしても同様の効果が得られる。
【０１１１】
また、第３の実施の形態においては、圧電素子１の前面の電極を接地電極５としてその被検体側に接地用電気端子９を配置するとともに、圧電素子１の背面の電極を信号用電極６として、さらに信号用電極６に信号用電気端子７を接触させているが、この代わりに、圧電素子１の前面の電極を信号用電極６としてその被検体側に信号用電気端子７を配置するとともに、圧電素子１の背面の電極を接地電極５として、さらに接地電極５に接地用電気端子９を接触させても、原理的には超音波を送受信することは可能である。
【０１１２】
＜第４の実施の形態＞
次に、本発明に係る超音波探触子の第４の実施の形態について説明する。図４Ａは第４の実施の形態に係る超音波探触子の構成を、その一部を破断して示した斜視図であり、図４Ｂは、図４Ａに示した超音波探触子を、その図中に示した３つの方向Ｘ、Ｙ、Ｚのうち、Ｙ−Ｚ平面で切断した断面をＸ方向から見た断面図である。
【０１１３】
図４Ａ及び図４Ｂに示した超音波探触子１０Ｄは、図４Ａ中に示した３つの方向Ｘ、Ｙ、Ｚのうち、Ｘ方向に配列された複数の圧電素子１と、各圧電素子１に対応して被検体側となるＺ方向前面に積み重ねられた複数の第１の音響マッチング層２ａ、複数の第２の音響マッチング層２ｂ、及び第２の音響マッチング層２ｂ上に共通に積み重ねられた第３の音響マッチング層２ｃを含む音響マッチング層２と、必要に応じて圧電素子１の背面に設けられる背面負荷材３と、同じく必要に応じて音響マッチング層２の前面に設けられる音響レンズ４と、圧電素子１と背面負荷材３との間に挿着された複数の信号用電気端子７と、第１の音響マッチング層２ａと第２の音響マッチング層２ｂとの間に挿着された接地用電気端子９とを備えている。これらの構成要素のそれぞれの機能は、従来の超音波探触子を構成する要素が持つ機能と同様である。
【０１１４】
以下、説明の都合上、図４Ａ及び図４Ｂに示した超音波探触子１０Ｄの製造方法について説明する。
複数の圧電素子１を形成するために、ＰＺＴ系のような圧電セラミックス、ＰＺＮ-ＰＴ、ＰＭＮ-ＰＴ系のような圧電単結晶、又はこれらの材料と高分子材料を複合した複合圧電体、あるいはＰＶＤＦなどに代表される高分子材料の圧電体などで構成され、所定の厚さを有する板材、すなわち圧電板材を準備する。この圧電板材の一主面、すなわちＺ方向の前面には接地電極５を、その背面には信号用電極６を、それぞれ金や銀の蒸着、スパッタリング、あるいは銀の焼き付けなどによって形成する。
【０１１５】
また、所定の厚さを有する板状の背面負荷材（背面負荷材を備えない超音波探触子ではこれに代わる部材）３と、導電性部材と絶縁性部材又は半導電性部材との複合材料で構成され、複数の第１の音響マッチング層２ａを形成するための板材と、エポキシ樹脂、ポリイミドなどの高分子材料で構成された複数の第２の音響マッチング層２ｂを形成するための板材と、ポリイミドなどの高分子材料によって構成される絶縁性フィルム７ａの一主面に銅などの導電性膜７ｂが披着され、全体がリボン状に形成された複数の信号用電気端子７と、ポリイミドなどの高分子材料によって構成される絶縁性フイルム９ａの一主面に銅などの導電性膜(厚みは音響特性に対する影響が少ないように５マイクロメートル以下が好ましい)９ｂが披着された接地用電気端子９とを準備する。なお、第２の音響マッチング層２ｂを形成するために用いるエポキシ樹脂、ポリイミドなどの高分子材料は絶縁性部材であるが、導電性部材を用いてもよい。なお、導電性膜７ｂ、９ｂは電気的に導電性を有する材料であれば何でも良く金属に限定するものではない。
【０１１６】
そこで、図４Ａに示したように、背面負荷材３の前面に、複数の信号用電気端子７をＸ方向に所定の間隔で配置し、その上に圧電素子１を形成するための圧電板材を重ね合わせ、さらに、圧電板材の前面に第１の音響マッチング層２ａを形成するための板材と、接地用電気端子９と、第２の音響マッチング層２ｂを形成するための板材とを順次に重ね合わせて、これらを一体的に固着する。この場合、背面負荷材３と圧電板材との間に装着される複数の信号用電気端子７は、それぞれ絶縁性フィルム７ａの一主面に披着されている導電性膜７ｂが圧電板材に形成された信号用電極６に接触し、絶縁性フィルム７ａが背面負荷材３に接触するように、絶縁性フィルム７ａの一主面が圧電板材側（図面の上方）に向けられる。また、第１の音響マッチング層２ａを形成するための板材と第２の音響マッチング層２ｂを形成するための板材との間に挿着される接地用電気端子９は、絶縁性フイルム９ａの一主面に形成された導電性膜９ｂが第１の音響マッチング層２ａに接触するように、その一主面が第１の音響マッチング層２ａ側に向けられる。
【０１１７】
以上のようにして、背面負荷材３、複数の信号用電気端子７、圧電素子１を形成するための圧電板材、第１の音響マッチング層２ａを形成するための板材、接地用電気端子９及び第２の音響マッチング層２ｂを形成するための板材を一体的に固着した後、スライシングマシーンなどによって第２の音響マッチング層２ｂの前面から背面負荷材３の前面部まで掘り下げた複数の溝、すなわち第２の音響マッチング層２ｂ、接地用電気端子９、第１の音響マッチング層２ａ、圧電板材、信号用電気端子７及び背面負荷材３の一部を１ユニットとして、複数の圧電素子ユニットに分割する分割溝を形成する。この場合、Ｘ方向に所定の間隔で配置された信号用電気端子７の中間部に分割溝を形成する。これによって、圧電素子ユニットが並列に配置された圧電素子列が形成される。次に、音響的な結合が小さいシリコーンゴムやウレタンゴムなどのような材料（図示せず）を各分割溝に充填し、さらに、第２の音響マッチング層２ｂ及び分割溝に充填した部分の上面には、第３の音響マッチング層２ｃを装着する。
【０１１８】
第３の音響マッチング層２ｃは、図示のように分割しないで連結した状態で装着する。この第３の音響マッチング層２ｃの材料としては、シリコーンゴム、クロロプレンゴム、エチレン−プロピレン共重合ゴム、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム、及びウレタンゴムなどのゴム弾性体を主体とした材料を用いる。さらに、必要に応じて、第３の音響マッチング層２ｃの上面にはシリコーンゴムなどの材料を用いた音響レンズ４を装着する。背面負荷材を備えない超音波探触子においては、この段階で背面負荷材３に代わる部材を除去する。
【０１１９】
なお、第３の音響マッチング層２ｃは、第１の音響マッチング層２ａ、第２の音響マッチング層２ｂと同じように圧電素子１と一緒に分割してもよい。また、第２の音響マッチング層２ｂ、第３の音響マッチング層２ｃは絶縁性部材、導電性部材のいずれでもよい。
【０１２０】
なお、ここでは第１の音響マッチング層２ａと第２の音響マッチング層２ｂとの間に、絶縁性フイルム９ａに導電性膜９ｂを披着させた接地用電気端子９を挿着し、接地用電気端子９の導電性膜９ｂと第１の音響マッチング層２ａの導電性部材とを接触させることによって、接地用電気端子９と圧電素子１に形成された接地電極５とを電気的に接続するものについて説明したが、このほか、第２の音響マッチング層２ｂとして導電性部材を用い、この第２の音響マッチング層２ｂの前面に導電性膜９ｂを披着させた接地用電気端子９を装着し、第１の音響マッチング層２ａ及び第２の音響マッチング層２ｂを介して、接地用電気端子９と圧電素子１に形成された接地電極５とを電気的に接続するようにしても同様の動作をさせることができる。
【０１２１】
上記のように構成された超音波探触子１０Ｃの動作について以下に説明する。
圧電素子１の背面に形成された信号用電極６は、信号用電気端子７を介して、また、圧電素子１の前面に形成された接地電極５は、第１の音響マッチング層２ａの複合材料の導電性部材と接地用電気端子９とを介して、それぞれ不図示のケーブルの一端に電気的に接続され、これらのケーブルのそれぞれの他端は不図示の超音波診断装置の本体部に接続される。これによって、超音波診断装置の本体部で作られる規則正しいパルス電圧を圧電素子１に印加して超音波を発信し、また、受信した超音波のエコーを電気信号に変換して超音波診断装置の本体部に送信する。
【０１２２】
この場合、詳細を後述する第１の音響マッチング層２ａの導電性部材は、圧電素子１に形成された接地電極５と接地用電気端子９の導電性膜９ｂとを電気的に接続する形状であればよく、特定の形状に限定するものではない。また、第１の音響マッチング層２ａの導電性部材は、１つの圧電素子１に対して２箇所以上で、圧電素子１の接地電極５と接地用電気端子９の導電性膜９ｂとが電気的に接続されるような構成が望ましく、導電性部材２０の数が多いほど接地電極５が圧電素子１と共に割れても、信号電送経路が断線して故障する頻度は少なくなり、信頼性の高いものとなる。
【０１２３】
また、第１の音響マッチング層２ａの絶縁性部材又は半導電性部材２１は音響インピーダンスを整合の状態の近づけることが主たる目的となる。そのため、本実施の形態のように３層の音響マッチング層を備えた場合、第１、第２、第３の音響マッチング層２ａ、２ｂ、２ｃの各音響インピーダンスは、それぞれの目的とする周波数特性に応じて使用する値の範囲が選択される。例えば、特開昭６０−５３３９９号公報では、第１、第２及び第３の音響マッチング層の音響インピーダンスは、それぞれ１２．６から１８．１、３．８から６．０、及び１．７から２．４メガレールスの範囲を、また、特開昭６０−１８５４９９号公報では、それぞれ５から１５、１．９から４．４、及び１．６から２メガレールスの範囲を、さらに特開２００３−１２５４９４号公報には１９．７、７．４、２．４４メガレールスの値が示されている。したがって、３層タイプの音響マッチング層における第１の音響マッチング層２ａの音響インピーダンスは、およそ５から２０メガレールスの範囲の値を有する材料が用いられる。音響マッチング層の層数が多くなるほど周波数特性の広帯域化、高感度化が可能になり、少なくとも２層の音響マッチング層のタイプより３層の音響マッチング層タイプの方が周波数の広帯域化が可能となる。
【０１２４】
導電性部材と絶縁性部材又は半導電性部材との複合材料で構成した第１の音響マッチング層２ａの導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１とのそれぞれの連結構造の一例は、第３の実施の形態で説明した図３Ｃ、図３Ｄに示すような１−３型、２−２型あるいは前述した３−１型の構造のものを用いればよい。
【０１２５】
第１の音響マッチング層２ａの導電性部材２０としては、銅、アルミニウム、銀、金、ニッケルなどの金属や、金、銀、銅、アルミニウムなどの金属若しくはカーボンの粉体をエポキシ樹脂などの高分子化合物に混入して導電性を持たせた高分子材料や、グラファイト、カーボンなどの材料を用いる。また、第１の音響マッチング層２ａの絶縁性部材又は半導電性部材２１としては、ガラス、結晶化ガラス、タングステン粉体を高濃度で混入したエポキシ樹脂、ニオブ酸鉛セラミックス、加工性があるセラミックス（快削性セラミックス）、単結晶若しくは多結晶シリコン、水晶、チタン酸バリウムなどのセラミックスなどを用いる。
【０１２６】
なお、導電性部材２０、絶縁性部材又は半導電性部材２１として上記以外の材料を用いたとしても、本願発明の目的が達成できる材料であればよい。また、導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１との複合材料としての音響インピーダンスは、１−３型、２−２型、３−１型連結構造を有する複合材料は、導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１とのそれぞれの体積比率によって決まることは、第２の実施の形態で説明したとおりである。例えば、導電性部材２０として音響インピーダンスは３８メガレールスの値を有する銀を用い、絶縁性部材２１として音響インピーダンスは１５．３メガレールスの値を有する水晶Ｘカット板を用いて体積比率を任意に選択することにより、第２の実施の形態を示す図２Ｃと同様に、複合材料の音響インピーダンスは１５．３から３８メガレールスの範囲で任意に所望の値を得ることができる。この範囲の音響インピーダンスは、３層音響マッチング層の第１の音響マッチング層２ａに要望される値の範囲である５から２０メガレールスに相当する範囲を有する体積比率が存在し、この範囲で作成した材料は、第１の音響マッチング層２ａとしての機能を有していることになる。また、第４の実施の形態の第１の音響マッチング層２ａのほかの機能としては、第１の音響マッチング層２ａの導電性部材２０が圧電素子１の接地電極５と接地用電気端子９の導電性部材と電気的に接続できる構成であるため、電気端子を取り出しできる構成にしている。
【０１２７】
連結構造が１−３型、２−２型、３−１型構造においては、２種類のそれぞれの材料が有する音響インピーダンスの範囲内の値になり、それぞれの材料の体積比率を変えることによって、所望の音響インピーダンスの材料を得ることができる。また、第４の実施の形態は、導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１との連結構造を有する第１の音響マッチング層２ａについて説明したが、このほか、２種類以上の導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１材料を用いても同様の効果が得られることは明らかであり、それぞれ１種類ずつ、合計２種類の材料の連結構造に限定するものではない。
【０１２８】
また、１−３型、２−２型、３−１型の連結構造を有する導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１との複合材料を第１の音響マッチング層２ａとして機能させるためには、複合材料が一体として超音波が伝搬するように、導電性部材２０の幅及び配列間隔にする。また、導電性部材２０の体積比率が少ない場合は、導電性部材２０の幅及び配列間隔を考慮する必要はなく、電気的な接続機能を主にしてその材料を選択すればよい。
【０１２９】
また、図４Ａに示すように、第３の音響マッチング層２ｃを圧電素子１に対応して分割しない構造としているが、当然のことながら、分割した構成にしても同様の効果が得られるので、図４Ａの構成に限定するものではない。
【０１３０】
以上のように、圧電素子の被検体側に設けられる音響マッチング層として、導電性部材と絶縁性部材又は半導電性部材とを複合した複合材料を用いることにより、その音響インピーダンスを所望の値にすることが可能になり、周波数の広帯域化ができることによって、高分解能の診断画像を得ることができ、また、複合材料を構成する導電性部材から電気端子を取り出すことができるため、信頼性が高くかつ操作性が良好な超音波探触子を得ることができる。
【０１３１】
なお、第４の実施の形態では、１−３型連結構造の導電性部材２０として、円柱の形状を有するものを用いたが、このほか角柱あるいは球など他の形状を有するものを用いても同様の効果が得られる。また、１−３型連結構造の導電性部材２０として、Ｚ方向に対してコーンのような円錐状の形状にして、Ｚ方向の厚みに対して音響インピーダンスが連続的に変化するような構成にした場合においても同様の効果が得られる。
【０１３２】
また、第４の実施の形態では、２−２型連結構造の導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１が、Ｚ方向に対して均一な幅で配列される場合について説明したが、これらの部材がＺ方向に対して幅が連続的に変化するいわゆる楔のような形状にして、Ｚ方向の厚みに対して音響インピーダンスが連続的に変化するような構成にした場合においても同様の効果が得られる。
【０１３３】
また、第４の実施の形態では、１−３型、２−２型及び３−１型の各連結構造の導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１とがほぼ等間隔で、これらを交互に配列した場合について説明したが、このほかランダムの間隔若しくはランダムに配列した場合においても同様の効果が得られる。また、第４の実施の形態では、圧電素子１の接地電極５と電気信号を授受するために、第１の音響マッチング層２ａの導電性部材を介して、その前面に接地用電気端子９を設ける構成の場合について説明したが、この代わりに、第１の音響マッチング層２ａのＺ方向の両面又は片面に導電性部材をスパッタリング、めっきあるいは印刷などにより形成し、その部分に電気端子を接続する構成にしても同様の効果が得られる。
【０１３４】
また、第４の実施の形態では、圧電素子１を１次元に複数個配列した構成の場合について説明したが、このほか、圧電素子１を２次元に複数個配列したいわゆる２次元アレイの構成にしても同様の効果が得られる。また、第４の実施の形態では、導電性部材及び絶縁性部材若しくは半導電性部材は、２種類用いた場合について説明したが、このほか、導電性部材を２種類、絶縁性部材を１種類〜３種類というように、２種類以上の材料を用いても同様の効果が得られる。
【０１３５】
また、第４の実施の形態においては、圧電素子１の前面の電極を接地電極５としてその被検体側に接地用電気端子９を配置するとともに、圧電素子１の背面の電極を信号用電極６として、さらに信号用電極６に信号用電気端子７を接触させているが、この代わりに、圧電素子１の前面の電極を信号用電極６としてその被検体側に信号用電気端子７を配置するとともに、圧電素子１の背面の電極を接地電極５として、さらに接地電極５に接地用電気端子９を接触させても、原理的には超音波を送受信することは可能である。
【０１３６】
＜第５の実施の形態＞
次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。図５Ａは本発明に係る超音波探触子の第５の実施の形態の構成を、その一部を破断して示した斜視図であり、図５Ｂは、図５Ａに示した超音波探触子を、その図中に示した３つの方向Ｘ、Ｙ、Ｚのうち、Ｙ−Ｚ平面で切断した断面をＸ方向から見た断面図である。
【０１３７】
図５Ａ及び図５Ｂに示した超音波探触子１０Ｅは、図５Ａ中に示した３つの方向Ｘ、Ｙ、Ｚのうち、Ｘ方向に配列された複数の圧電素子１と、各圧電素子１に対応して被検体側となるＺ方向の前面に積み重ねられた複数の第１の音響マッチング層２ａ、複数の第２の音響マッチング層２ｂ、及び第２の音響マッチング層２ｂ上に共通に積み重ねられた第３の音響マッチング層３ｃを含む音響マッチング層２と、必要に応じて圧電素子１の背面に設けられる背面負荷材３と、同じく必要に応じて音響マッチング層２（２ａ、２ｂ、２ｃ）上に設けられる音響レンズ４と、圧電素子１と背面負荷材３との間に挿着された複数の信号用電気端子７と、第２の音響マッチング層２ｂと第３の音響マッチング層２ｃとの間に挿着された接地用電気端子９とを備えている。これらの構成要素のそれぞれの機能は、従来の超音波探触子を構成する要素が持つ機能と同様である。
【０１３８】
第５の実施の形態は第４の実施の形態と比較して、圧電素子１、第１の音響マッチング層２ａ、第３の音響マッチング層２ｃの積層構造は同じであるが、基本的に違う点は、第２の音響マッチング層２ｂに導電性部材、又は第１の音響マッチング層２ａと同じように導電性部材と絶縁性部材又は半導電性部材との複合材料を用いた点、第２の音響マッチング層２ｂの上面にポリイミドなどの高分子材料によって構成される絶縁性フイルム９ａの一主面に銅などの金属膜９ｂが披着された接地用電気端子９を設けた点にある。このように構成にすることにより、第１の音響マッチング層２ａ及び第２の音響マッチング層２ｂを介して、接地用電気端子９と圧電素子１に形成された接地電極５とを電気的に接続することができる。
【０１３９】
第１の音響マッチング層２ａ及び第２の音響マッチング層２ｂの両方に複合材料を用いる場合には、これの音響マッチング層２ａ、２ｂの各導電性部材部が少なくとも電気的に接続されるような構成にする必要がある。また、第１の音響マッチング層２ａと第２の音響マッチング層２ｂの複合材料の連結構造は必ずしも同じ構造にする必要はなく、例えば第１の音響マッチング層２ａの連結構造を１−３型にして、第２の音響マッチング層２ｂの連結構造を２−２型にしてもよく、両音響マッチング層の導電性部材部が電気的に接続される構成にして、接地用電気端子９と圧電素子１に形成された接地電極５とが電気的に接続されるとともに、それぞれが音響マッチング層としての音響インピーダンスの値を有するように構成すればよい。
【０１４０】
また、第２の音響マッチング層２ｂとしては、グラファイトのような導電性部材を用いても、導電性部材と絶縁性部材又は半導電性部材との複合材料を用いてもよい。導電性部材と絶縁性部材又は半導電性部材との複合材料を用いる場合には、例えば、導電性部材２０として音響インピーダンスが３８メガレールスの銀を用い、絶縁性部材２１として音響インピーダンスが３メガレールスのエポキシ樹脂を用いて、体積比率を変えることにより音響インピーダンスを任意に設定することができ、例えば６メガレールス付近の値にすることが可能である。これは１−３型、２−２型、３−１型のいずれの連結構造の複合材料にも可能である。
【０１４１】
一方、第５の実施の形態においては、第２の音響マッチング層２ｂの前面に装着される接地用電気端子９の基材となる絶縁性のフィルムとして、ポリイミドのような音響インピーダンスが約３メガレールスの材料を用いた場合には、この材料の音響インピーダンスが第２の音響マッチング層２ｂと第３の音響マッチング層２ｃとの間の値か、若しくはこれに近い値であるので、音響的な不整合がなくなって良好な周波数特性が得られやすい。
【０１４２】
以上のように、圧電素子の被検体側面に設ける３層の音響マッチング層の構成において、第１及び第２の音響マッチング層にそれぞれ導電性部材と絶縁性部材又は半導電性部材との複合材料を用いることにより、第１及び第２の音響マッチング層のいずれをもその音響インピーダンスを所望の値にすることが可能になり、周波数の広帯域化ができることによって、高分解能の診断画像を得ることができ、また、第１及び第２の音響マッチング層の各導電性部材を介して、接地用電気端子９を接地電極５に電気的に接続することができるので、信頼性が高く、かつ操作性が良好な超音波探触子を得ることができる。
【０１４３】
なお、第５の実施の形態では、それぞれ１種類の導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１などの材料の連結構造を有する第１、第２の音響マッチング層２ａ、２ｂについて説明したが、このほか、２種類以上の導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１とを用いても同様の効果が得られることは明らかであり、それぞれ１種類の材料の連結構造に限定するものではない。
【０１４４】
また、第５の実施の形態では、１−３型連結構造の導電性部材は円柱の形状を用いた場合について説明したが、このほか角柱あるいは球など他の形状に場合においても同様の効果が得られる。また、第５の実施の形態では、１−３型連結構造の導電性部材として円柱の形状を有するものを用いたが、このほかＺ方向に対してコーンのような円錐状の形状にして、Ｚ方向の厚みに対して音響インピーダンスが連続的に変化するような構成にした場合においても同様の効果が得られる。
【０１４５】
また、第５の実施の形態では、１−３型、２−２型及び３−１型の各連結構造の導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１とがほぼ等間隔で、これらを交互に配列した場合について説明したが、このほかランダムの間隔若しくはランダムに配列した場合においても同様の効果が得られる。
【０１４６】
また、第５の実施の形態では、圧電素子１の接地電極５と電気信号を授受するために、第１の音響マッチング層２ａと第２の音響マッチング層２ｂの各導電性部材２０を介して、それらの前面に電気端子を設ける構成の場合について説明したが、この代わりに、第２の音響マッチング層２ｂのＺ方向の両面又は片面に導電性部材をスパッタリング、めっきあるいは印刷などにより形成し、その部分に電気端子を接続する構成にしても同様の効果が得られる。
【０１４７】
また、第５の実施の形態においては、圧電素子１を１次元に複数個配列した構成について説明したが、このほか、圧電素子１を２次元に複数個配列したいわゆる２次元アレイの構成にしても同様の効果が得られる。
【０１４８】
また、第５の実施の形態では、第１の音響マッチング層２ａの前面に、第２の音響マッチング層２ｂ及び第３の音響マッチング層２ｃを積層して、合計３層の音響マッチング層２を備えたものについて説明したが、ｎを３以上の整数として、音響マッチング層２が第１〜第ｎの音響マッチング層を含み、かつ第２の音響マッチング層と第３の音響マッチングとの間に電気端子を装着する構成としても、上述したと同様の効果が得られる。
【０１４９】
また、第５の実施の形態においては、圧電素子１の前面の電極を接地電極５としてその被検体側に接地用電気端子９を配置するとともに、圧電素子１の背面の電極を信号用電極６として、さらに信号用電極６に信号用電気端子７を接触させているが、この代わりに、圧電素子１の前面の電極を信号用電極６としてその被検体側に信号用電気端子７を配置するとともに、圧電素子１の背面の電極を接地電極５として、さらに接地電極５に接地用電気端子９を接触させても、原理的には超音波を送受信することは可能である。
【０１５０】
＜第６の実施の形態＞
図６Ａは本発明に係る超音波探触子の第６の実施の形態の構成を示す断面図であり、図６Ｂは図６Ａに示す超音波探触子を構成する音響マッチング層の構成例を示す断面図である。
【０１５１】
図６Ａにおいて、超音波探触子１０Ｆは板状の圧電素子１と、この圧電素子１の前面（図面の上方）に積み重ねられた音響マッチング層２と、必要に応じて圧電素子１の背面（図面の下方）に装着される背面負荷材３と、同じく必要に応じて音響マッチング層２の前面に装着される音響レンズ４とを備えている。これらの構成要素のそれぞれの機能は、従来の超音波探触子を構成する要素が持つ機能と同様である。
【０１５２】
超音波探触子１０Ｆの構成要素のうち、圧電素子１はＰＺＴ系のような圧電セラミックス、ＰＺＮ-ＰＴ、ＰＭＮ-ＰＴ系のような圧電単結晶、又はこれらの材料と高分子材料を複合した複合圧電体、あるいはＰＶＤＦなどで代表される高分子材料の圧電体などによって形成される。圧電素子１の前面には接地電極５が形成され、圧電素子１の背面には信号用電極６が形成されている。接地電極５及び信号用電極６は、それぞれ金や銀の蒸着、スパッタリング、あるいは銀の焼き付けなどによって形成される。
【０１５３】
また、圧電素子１に形成されている信号用電極６と背面負荷材３との間に、ポリイミドなどの高分子材料によって構成される絶縁性フィルム７ａの一主面に銅などの金属膜７ｂが披着された信号用電気端子７が挿着されている。この場合、圧電素子１に形成されている信号用電極６に信号用電気端子７の金属膜７ｂが接触し、かつ信号用電気端子７の絶縁性フィルム７ａが背面負荷材３に接触するように、絶縁性フィルム７ａの一主面が圧電素子１側に向けられる。一方、圧電素子１に形成されている接地電極５の前面には、導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１との複合材料で構成される音響マッチング層２と、ポリイミドなどの高分子材料によって構成される絶縁性フィルム９ａの一主面に銅などの導電性膜(厚みは特性に影響が小さいように５マイクロメートル以下が好ましい)９ｂが披着された接地用電気端子９とが順次積み重ねられている。この場合、音響マッチング層２の複合材料の導電性部材２０に接地用電気端子９の導電性膜９ｂが接触するように、絶縁性フィルム９ａの一主面が音響マッチング層２側に向けられる。そして、必要に応じて、音響マッチング層２の前面にはシリコーンゴムなどの材料を用いた音響レンズ４が装着される。
【０１５４】
上記のように構成された超音波探触子１０Ｆの動作について以下に説明する。
圧電素子１に形成された信号用電極６は、信号用電気端子７を介して、また、圧電素子１の接地電極５は音響マッチング層２の複合材料の導電性部材２０と接地用電気端子９とを介して、それぞれ不図示のケーブルの一端に電気的に接続され、これらのケーブルのそれぞれの他端は不図示の超音波診断装置の本体部に接続される。これによって、超音波診断装置の本体部で作られる規則正しいパルス電圧を圧電素子１に印加して超音波を発信し、また、受信した超音波のエコーを電気信号に変換して超音波診断装置の本体部に送信する。
【０１５５】
図６Ｂにおいて、導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１との複合材料で構成されている音響マッチング層２としては、音響インピーダンスが圧電素子１と被検体（例えば生体）の間になるような材料が選ばれる。絶縁性部材又は半導電性部材２１は厚み方向（図面では上下方向）に対して連続的に形状（体積）が変化し、図面では下方は体積が大きく上方にいくに従って体積が小さくなるような形状（例えば円錐、三角錐、四角錐など）にし、その間隙に導電性部材２０を満たした構成にしている。例えば絶縁性部材又は半導電性部材２１が、導電性部材２０の音響インピーダンスより大きい値を有する材料の場合には、図面では下方は体積が大きいため音響インピーダンスの値が最も大きく、上方にいくに従って徐々に体積が小さくなって導電性部材２０の体積が大きくなることにより音響インピーダンスが徐々に小さくなっていく。つまり音響マッチング層２は上下方向に音響インピーダンスが連続的に変化した構成となっている。図６Ａのような構成で図面の下方が音響インピーダンスは大きく、上方にいくに従って小さくなる構成の場合は、当然ながら圧電素子１側は下方になり被検体側は上方になるように構成される。
【０１５６】
このように音響マッチング層２の形状が厚み方向に連続的に可変する構成にすることにより、音響マッチング層２は、厚み方向（圧電素子１から被検体の方向）に対して音響インピーダンスが連続的に変化する特性となっており、圧電素子１の接地電極２側に位置する音響マッチング層２の部分は、音響インピーダンスが圧電素子１に近い値で大きく、そして被検体側（図面では上方）に位置する部分の音響マッチング層２の音響インピーダンスは、被検体の値に近い値となっている。このように音響インピーダンスを連続的に傾斜させる音響マッチング層２を用いることにより、周波数の広帯域化が可能となる。また、本音響マッチング層２の厚みは周波数に依存しないため、中心周波数の約２分の１波長以上の厚みであれば音響整合層としての効果を発揮でき、厚みに対して周波数特性はあまり関係しない。
【０１５７】
音響マッチング層２の導電性部材２０は圧電素子１の一方の電極と電気的な接続がなされ、もう一方の導電性部材２０の面には、接地用電気端子９の導電性膜９ｂが接触して電気的に接続される構成となっており、接地用電気端子９から信号の取り入れ、取り出しをする。本音響マッチング層２の絶縁性部材又は半導電性部材２１と、導電性部材２０の連結構造としては、第２の実施の形態で説明した２−２型、１−３型、３−１型連結構造が望ましい。例えば絶縁性部材又は半導電性部材２１として半導体などに使用されている音響インピーダンスが約１９．７メガレールスを有するシリコンの単結晶、また導電性部材２０として音響インピーダンス約６．５メガレールスを有する導電性接着剤のエコーボンド５６Ｃ（エマーソンアンドカミング社）を用いると音響インピーダンスはシリコン単結晶の体積比率がほぼ１００％の部分は、１９．７メガレールスの音響インピーダンスであり徐々に体積比率が減少していき、導電性接着剤の体積比率が徐々に増加していくことにより音響インピーダンスは６．５メガレールスに近づいていくような特性を得ることができる。
【０１５８】
ここでは、音響マッチング層２の絶縁性部材又は半導電性部材２１として、ガラス、結晶化ガラス、タングステン粉体を高濃度で混入したエポキシ樹脂、ニオブ酸鉛セラミックス、加工性があるセラミックス（快削性セラミックス）、単結晶若しくは多結晶シリコン、水晶、チタン酸バリウムなどのセラミックスなどを用いる。また、音響マッチング層２の導電性部材２０として、銅、アルミニウム、銀、金、ニッケルなどの金属材料や、金、銀、銅、アルミニウムなどの金属若しくはカーボンの粉体をエポキシ樹脂などの高分子化合物に混入して導電性を持たせた高分子材料や、グラファイト、カーボンなどを用いる。なお、導電性部材２０あるいは絶縁性部材又は半導電性部材２１は、前述した材料に限定されるものではなく、前述した材料と同程度の音響インピーダンスを有するものであれば他の材料であってもよい。
【０１５９】
以上のように、圧電素子の被検体側に設けられる音響マッチング層として、導電性部材と絶縁性部材又は半導電性部材との複合材料を設けることにより、音響マッチング層を所望の音響インピーダンスを連続的に傾斜させることが可能になり、これによって周波数の広帯域化ができるため、高分解能の診断画像を得ることができる。また、複合材料の音響マッチング層の導電性部材を介して、圧電素子の複数箇所に電気端子を接続することができるため、信頼性が高くかつ操作性の良好な超音波探触子を得ることができる。
【０１６０】
また、第６の実施の形態では、図６Ｂに示すように導電性部材２０及び絶縁性部材又は半導電性部材２１がほぼ等間隔で、これらを交互に配列した場合について説明したが、このほかランダムの間隔若しくはランダムに配列した場合においても同様の効果が得られる。
【０１６１】
また、第６の実施の形態では、圧電素子１の接地電極５と電気信号を授受するために、音響マッチング層２を介して、その前面に接地用電気端子９を設ける構成について説明したが、この代わりに、音響マッチング層２のＺ方向の両面又は片面に導電性部材をスパッタリング、めっきあるいは印刷などにより形成し、その部分に接地用電気端子９を接続する構成にしても同様の効果が得られる。
【０１６２】
また、第６の実施の形態においては、音響マッチング層２として、それぞれ１つの材種で形成された導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１との連結構造のものを用いたが、導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１の少なくとも一方が２種類以上の材料で形成されていたとしても同様の効果が得られることは明らかであり、それぞれ１つの材種の連結構造に限定されるものではない。
【０１６３】
また、第６の実施の形態においては、圧電素子１の前面の電極を接地電極５としてその被検体側に接地用電気端子９を配置するとともに、圧電素子１の背面の電極を信号用電極６として、さらに信号用電極６に信号用電気端子７を接触させているが、この代わりに、圧電素子１の前面の電極を信号用電極６としてその被検体側に信号用電気端子７を配置するとともに、圧電素子１の背面の電極を接地電極５として、さらに接地電極５に接地用電気端子９を接触させても、原理的には超音波を送受信することは可能である。
【０１６４】
＜第７の実施の形態＞
図７Ａは本発明に係る超音波探触子を構成する音響マッチング層の第７の実施の形態の構成を示す断面図である。なお、超音波探触子の概略断面図は第６の実施の形態で説明した図６Ａと同じであり音響マッチング層２の構成が違うだけなので、超音波探触子は図６Ａを用いて説明し、音響マッチング層の部分は図７Ａを用いて説明する。
【０１６５】
図６Ａにおいて、超音波探触子１０Ｆは板状の圧電素子１と、この圧電素子１の前面（図面の上方）に音響マッチング層２と、必要に応じて圧電素子１の背面（図面の下方）に装着される背面負荷材３と、同じく必要に応じて音響マッチング層２の前面に装着される音響レンズ４とを備えている。これら構成要素のそれぞれの機能は、従来の超音波探触子を構成する要素が持つ機能と同様である。超音波探触子１０Ｆの構成要素及び動作については第６の実施の形態で説明しているのでここでは割愛する。
【０１６６】
図７Ａにおいて、導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１との複合材料で構成されている音響マッチング層２としては、音響インピーダンスが圧電素子１と被検体（例えば生体）の間になるような材料が選ばれる。絶縁性部材又は半導電性部材２１は厚み方向（図面では上下方向）に対して、例えば図面では幅を２段階に段階的に可変して形状（体積）を変化させ、下段（Ｔ１の領域）は幅が大きく、上段（Ｔ２の領域）は幅が小さくなるような形状にし、その間隙に導電性部材２０を満たした構成にしている。例えば絶縁性部材又は半導電性部材２１が、導電性部材２０の音響インピーダンスより大きい値を有する材料の場合は、Ｔ１の領域は幅が大きいため音響インピーダンスの値が大きく、Ｔ２の領域は幅が狭くなる。それに対して、導電性部材２０の幅は逆になり、それぞれの幅（体積）が広い方の部材の音響インピーダンスに近づく。Ｔ１、Ｔ２の領域の導電性部材２０と、絶縁性部材又は半導電性部材２１の体積比率によって音響インピーダンスを段階的に変えることができる。したがって、図７Ａに示すように２段階になる構成では、２層の音響マッチング層が構成されたことになる。当然ながらＴ１、Ｔ２のそれぞれの厚みは４分の１波長の厚みを基本にして設定される。
【０１６７】
図６Ａのように音響マッチング層２の導電性部材２０は圧電素子１の一方の電極と電気的な接続がされ、もう一方の導電性部材２０の面には、接地用電気端子９の導電性膜９ｂが接触して電気的に接続される構成となっており、接地用電気端子９から信号の取り入れ、取り出しをする。図７Ａに示した音響マッチング層２の導電性部材２０と、絶縁性部材又は半導電性部材２１との連結構造としては、第２の実施の形態で説明した２−２型、１−３型、３−１型連結構造が望ましい。
【０１６８】
以上のように、圧電素子の被検体側に設けられる音響マッチング層として、導電性部材と絶縁性部材又は半導電性部材との複合材料を設けることにより、音響マッチング層を所望の音響インピーダンスを段階的に可変させることが可能になり、これによって周波数の広帯域化ができるため、高分解能の診断画像を得ることができる。また、複合材料の音響マッチング層の導電性部材を介して、圧電素子の複数箇所に電気端子を接続することができるため、信頼性が高くかつ操作性の良好な超音波探触子を得ることができる。
【０１６９】
また、第７の実施の形態では、図７Ａに示すように導電性部材２０及び絶縁性部材又は半導電性部材２１がほぼ等間隔で、これらを交互に配列した場合について説明したが、このほかランダムの間隔若しくはランダムに配列した場合においても同様の効果が得られる。
【０１７０】
また、第７の実施の形態では、圧電素子１の接地電極５と電気信号を授受するために、音響マッチング層２を介して、その前面に接地用電気端子９を設ける構成について説明したが、この代わりに、音響マッチング層２のＺ方向の両面又は片面に導電性部材をスパッタリング、めっきあるいは印刷などにより形成し、その部分に接地用電気端子９を接続する構成にしても同様の効果が得られる。
【０１７１】
また、第７の実施の形態においては、音響マッチング層２として、それぞれ１つの材種で形成された導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１との連結構造のものを用いたが、導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１の少なくとも一方が２種類以上の材料で形成されていたとしても同様の効果が得られることは明らかであり、それぞれ１つの材種の連結構造に限定されるものではない。
【０１７２】
また、第７の実施の形態においては、圧電素子１の前面の電極を接地電極５としてその被検体側に接地用電気端子９を配置するとともに、圧電素子１の背面の電極を信号用電極６として、さらに信号用電極６に信号用電気端子７を接触させているが、この代わりに、圧電素子１の前面の電極を信号用電極６としてその被検体側に信号用電気端子７を配置するとともに、圧電素子１の背面の電極を接地電極５として、さらに接地電極５に接地用電気端子９を接触させても、原理的には超音波を送受信することは可能である。
【０１７３】
また、第７の実施の形態を構成する音響マッチング層２の他の構成例として図７Ｂに示したものがある。図７Ｂの音響マッチング層２は図７Ａに示したように２層の音響マッチング層Ｔ１、Ｔ２を構成しているが、図７Ｂは導電性部材２０を厚みＴ１の領域で１００％を占め、厚みＴ２の領域に導電性部材２０と音響インピーダンスの値が違う部材、例えば絶縁性若しくは半導体部材を任意の体積比率で設ける。例えば導電性部材２０としてグラファイトに銅、銀などの金属粉を充填した材料を用いて音響インピーダンスを６〜１６メガレールスの値を用いて厚みＴ１を１００％占めて第１の音響マッチング層とする、また厚みＴ２の領域は所望の音響インピーダンスにするように導電性部材２０に溝を形成し、その溝に絶縁性部材であるエポキシ樹脂、ウレタン、シリコーンゴムなどの音響インピーダンス（１〜３メガレールス）の低い材料を充填して形成し導電性部材２０と絶縁性若しくは半導体部材２１の体積比率で厚みＴ２の音響インピーダンスにすることにより第２の音響マッチング層を構成することができる。このような構成にすることにより導電性部材２０はＴ１、Ｔ２の厚み方向に連結しているため、図７Ａの実施の形態と同様の効果を得ることができる。なお、図７Ｂでは２層の音響マッチング層で構成した場合について説明したが、この他２層以上つまり３層以上の音響マッチング層で構成することも可能であり、２層の音響マッチング層に限定するものではない。
【０１７４】
＜第８の実施の形態＞
図８は本発明に係る超音波探触子の第８の実施の形態を構成する音響マッチング層の構成を示す断面図である。なお、超音波探触子の概略断面図は第２の実施の形態で説明した図２Ａと同じであり第１の音響マッチング層２ａの構成が違うだけなので、超音波探触子は図２Ａを用いて説明し、第１の音響マッチング層の部分は図８を用いて説明する。
【０１７５】
図２Ａにおいて、超音波探触子１０Ｂは板状の圧電素子１と、この圧電素子１の前面（図面の上方）に積み重ねられた２層の音響マッチング層２（２ａ、２ｂ）と、必要に応じて圧電素子１の背面（図面の下方）に装着される背面負荷材３と、同じく必要に応じて音響マッチング層２（２ａ、２ｂ）の前面に装着される音響レンズ４とを備えている。これらの構成要素のそれぞれの機能は、従来の超音波探触子を構成する要素が持つ機能と同様である。超音波探触子の構成要素及び動作については第２の実施の形態で説明しているのでここでは割愛する。
【０１７６】
導電性部材と絶縁性部材又は半導電性部材との複合材料で構成されている第１の音響マッチング層２ａとしては、その音響インピーダンスが圧電素子１と第２の音響マッチング層２ｂの各音響インピーダンスの中間になるような材料が選ばれる。この第１の音響マッチング層２ａとして、導電性部材と、複数の絶縁性部材又は半導電性部材との構成例を図８に示す。図８においては、被検体に向けて超音波を放射する方向をＺ方向、これと直交する２つの方向をそれぞれＸ方向、Ｙ方向としている。
【０１７７】
図８に示した第１の音響マッチング層２ａは、導電性部材２０と、複数のここでは２種類の絶縁性部材又は半導電性部材２１とがＸ方向に順次に配置された連結構造をしており、この導電性部材２０は少なくともＺ方向につながりがある構造体になっている。図８の構成は、２種類の絶縁性部材又は半導電性部材２１の幅（体積）に対して、導電性部材２０の幅（体積）は極めて狭くなった構成にしている。
【０１７８】
この構成は２種類の絶縁性部材又は半導電性部材２１の体積比率（図面ではＸ方向の幅）を変えることにより第１の音響マッチング層２ａの音響インピーダンスを任意に設定することを可能にし、導電性部材２０は前記２種類の絶縁性部材又は半導電性部材２１の体積比率に比べて極めて小さい値つまり、図８のＸ方向の幅が極めて狭くして音響インピーダンスの可変にはほとんど寄与しないような構成にする。例えば２種類の絶縁性部材又は半導電性部材２１としてシリコン単結晶とエポキシ樹脂を用いてＸ方向の幅をそれぞれ０．１ｍｍに、また導電性部材２０としてシリコン単結晶又はエポキシ樹脂の側面に銅、銀、金などをメッキあるいはスパッタリングなどの方法により形成しての幅を０．００２ｍｍにすると、これら合計の幅に対して導電性部材２０の幅の割合は約１％となり、音響インピーダンスの可変の寄与度は極めて小さくなる。したがって、前記導電性部材２０としての機能は圧電素子１の電極面から電気的な接続が主となる。このような構成にすると作成が容易にしかも精度よくでき、しかも導電性部材に金属を使用する場合には、超音波探触子を作成するときの加工が困難になるという短所も解消できる。
【０１７９】
当然のことながら導電性部材２０の幅が広くなったとしても２種類の絶縁性部材又は半導電性部材２１と含めて３種類の部材の幅の割合を変えることで体積比率を選択することにより音響インピーダンスは任意に選択できるので導電性部材の幅を限定するものではない。
【０１８０】
図２Ａのように音響マッチング層２ａの導電性部材２０は圧電素子１の一方の電極と電気的な接続がされ、もう一方の導電性部材２０の面には、接地用電気端子９の金属膜９ｂが接触して電気的に接続される構成となっており、接地用電気端子９から信号の取り入れ、取り出しをする。
【０１８１】
以上のように、圧電素子の被検体側に設けられる音響マッチング層として、導電性部材と複数の絶縁性部材又は半導電性部材との複合材料を設けることにより、音響マッチング層を所望の音響インピーダンスを任意に可変させることが可能になり、これによって周波数の広帯域化ができるため、高分解能の診断画像を得ることができる。また、複合材料の音響マッチング層の導電性部材を介して、圧電素子の複数箇所に電気端子を接続することができるため、信頼性が高くかつ操作性の良好な超音波探触子を得ることができる。
【０１８２】
また、第８の実施の形態では、図８に示すように導電性部材２０及び複数の絶縁性部材又は半導電性部材２１がほぼ等間隔で、これらを交互に配列した場合について説明したが、このほかランダムの間隔若しくはランダムに配列した場合においても同様の効果が得られる。
【０１８３】
また、第８の実施の形態では、圧電素子１の接地電極５と電気信号を授受するために、音響マッチング層２ａを介して、その前面に接地用電気端子９を設ける構成について説明したが、この代わりに、音響マッチング層２ａのＺ方向の両面又は片面に導電性部材をスパッタリング、めっきあるいは印刷などにより形成し、その部分に接地用電気端子９を接続する構成にしても同様の効果が得られる。
【０１８４】
また、第８の実施の形態においては、音響マッチング層２ａとして、それぞれ１つの材種で形成された導電性部材２０と２種類の絶縁性部材又は半導電性部材２１との連結構造のものを用いたが、複数の導電性部材２０と絶縁性部材又は半導電性部材２１の連結構造若しくはそれ以外に複数種類の連結構造で形成されていたとしても同様の効果が得られることは明らかである。
【０１８５】
また、第８の実施の形態では、図８に示す導電性部材２０と複数の絶縁性部材又は半導電性部材２１とが、Ｚ方向に対して均一な幅で形成される場合について説明したが、第６の実施の形態で示したように絶縁性部材又は半導電性部材２１がＺ方向に対して幅が連続的に変化するいわゆる楔のような形状にして、Ｚ方向の厚みに対して音響インピーダンスが連続的に変化するような構成にし、導電部材はその傾斜の側面に形成しても、あるいは、第７の実施の形態で示したように絶縁性部材又は半導電性部材２１の幅を段階的に変えて音響インピーダンスが変化する構成にしてその側面に導電性部材２０を設けた構成にしても同様の効果が得られる。
【０１８６】
また、第８の実施の形態においては、２層の音響マッチング層の第１の音響マッチング層２ａとして、それぞれ１つの材種で形成された導電性部材２０と２種類の絶縁性部材又は半導電性部材２１との連結構造のものを用いたが、このほか３層以上の音響マッチング層として設けた場合においてそれぞれの層に設けたとしても同様の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【０１８７】
本発明に係る超音波探触子は、圧電素子の一方の電極形成面に積層される音響マッチング層の音響インピーダンスを所望の値にすることが可能になるため、周波数の広帯域化ができることによって、高分解能の診断画像を得ることができ、また、音響マッチング層を介して、圧電素子の一方の電極形成面の複数箇所に電気端子を接続することが可能になるため、信頼性が高められて、人体などの被検体の超音波診断を行う各種医療分野に好適で、さらには材料や構造物の内部探傷を目的とした工業分野において利用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１８８】
【図１Ａ】本発明に係る超音波探触子の第１の実施の形態の構成を示す断面図
【図１Ｂ】図１Ａに示す超音波探触子を構成する音響マッチング層の構成例を示す断面図
【図２Ａ】本発明に係る超音波探触子の第２の実施の形態の構成を示す断面図
【図２Ｂ】図２Ａに示す超音波探触子を構成する第１の音響マッチング層の構成例を示す斜視図
【図２Ｃ】図２Ｂに示す第１の音響マッチング層の絶縁性部材又は導電性部材の体積比率と音響インピーダンスとの関係を示した線図
【図２Ｄ】図２Ａに示す超音波探触子を構成する第１の音響マッチング層の構成例を示す斜視図
【図２Ｅ】図２Ａに示す超音波探触子を構成する第１の音響マッチング層の構成例を示す斜視図
【図３Ａ】本発明に係る超音波探触子の第３の実施の形態の構成を、その一部を破断して示した斜視図
【図３Ｂ】図３Ａに示した超音波探触子の断面図
【図３Ｃ】図３Ａ及び図３Ｂに示した超音波探触子を構成する要素の具体的な構成例を示す斜視図
【図３Ｄ】図３Ａ及び図３Ｂに示した超音波探触子を構成する要素の具体的な構成例を示す斜視図
【図４Ａ】本発明に係る超音波探触子の第４の実施の形態の構成を、その一部を破断して示した斜視図
【図４Ｂ】図４Ａに示した超音波探触子の断面図
【図５Ａ】本発明に係る超音波探触子の第５の実施の形態の構成を、その一部を破断して示した斜視図
【図５Ｂ】図５Ａに示した超音波探触子の断面図
【図６Ａ】本発明に係る超音波探触子の第６の実施の形態の構成を、その一部を破断して示した断面図
【図６Ｂ】図６Ａに示す超音波探触子を構成する音響マッチング層の構成例を示す断面図
【図７Ａ】本発明に係る超音波探触子の第７の実施の形態を構成する音響マッチング層の構成例を示す断面図
【図７Ｂ】本発明に係る超音波探触子の第７の実施の形態を構成する音響マッチング層の他の構成例を示す断面図
【図８】本発明に係る超音波探触子の第８の実施の形態を構成する音響マッチング層の構成例を示す断面図
【図９】従来の超音波探触子の構成例を示した断面図
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
2008056611.tif 000029
【図２Ｅ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
2008056611.tif 000034
【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
2008056611.tif 000040
【図７Ａ】
2008056611.tif 000041
【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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