(57)【要約】【課題】簡易な製造プロセスで、より高精度に超音波信号を検出可能な超音波振動子を提供すること。【解決手段】超音波の送受信を行う圧電素子１１と、前記圧電素子１１の前面側に設けられた無機音響整合層１２と、を備える超音波振動子１であって、前記無機音響整合層１２は、音響インピーダンスが互いに異なる二種類以上の無機材料の混合物からなり、音響インピーダンスが背面側から前面側に向かって厚さ方向に連続的に低下するように、前記無機材料の混合物の組成比が厚さ方向に連続的に変化する。【選択図】図１
2018153313.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波の送受信を行う圧電素子と、前記圧電素子の前面側に設けられた無機音響整合層と、を備える超音波振動子であって、
前記無機音響整合層は、
音響インピーダンスが互いに異なる二種類以上の無機材料の混合物からなり、音響インピーダンスが背面側から前面側に向かって厚さ方向に連続的に低下するように、前記無機材料の混合物の組成比が厚さ方向に連続的に変化する、
超音波振動子。
【請求項２】
二種類以上の前記無機材料は、金属材料又はセラミック材料である、
請求項１に記載の超音波振動子。
【請求項３】
前記無機音響整合層は、第１の前記無機材料及び当該第１の前記無機材料よりも音響インピーダンスが小さい第２の前記無機材料を含み、
背面側から前面側に向かって、第１の前記無機材料を主成分とする混合物の層から第２の前記無機材料を主成分とする混合物の層になるように、第１の前記無機材料と第２の前記無機材料の組成比が厚さ方向に連続的に変化する、
請求項１又は２に記載の超音波振動子。
【請求項４】
第１の前記無機材料及び第２の前記無機材料は、それぞれ、Ｓｎ及びＩｎである、
請求項３に記載の超音波振動子。
【請求項５】
前記無機音響整合層は、気相堆積法によって形成された層である、
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の超音波振動子。
【請求項６】
前記無機音響整合層は、蒸着法によって形成された層である、
請求項５に記載の超音波振動子。
【請求項７】
前記無機音響整合層の音響インピーダンスは、背面側が前記圧電素子と略同一の音響インピーダンスであり、前面側が被検体と略同一の音響インピーダンスである、
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の超音波振動子。
【請求項８】
前記無機音響整合層の前面に、更に有機材料を含んで構成される有機音響整合層を有する、
請求項１乃至７のいずれか一項に記載の超音波振動子。
【請求項９】
前記有機音響整合層は、音響インピーダンスが背面側の方が前面側よりも大きくなるように形成される、
請求項８に記載の超音波振動子。
【請求項１０】
前記無機音響整合層の音響インピーダンスは、背面側が前記圧電素子と略同一の音響インピーダンスであり、前面側が前記有機音響整合層と略同一の音響インピーダンスである、
請求項８又は９に記載の超音波振動子。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の超音波振動子を有する超音波診断装置。
【請求項１２】
超音波の送受信を行う圧電素子と、前記圧電素子の前面側に設けられた無機音響整合層と、を備える超音波振動子の製造方法であって、
前記無機音響整合層は、
音響インピーダンスが互いに異なる二種類以上の無機材料の混合物からなり、音響インピーダンスが背面側から前面側に向かって厚さ方向に連続的に低下するように、前記無機材料の混合物の組成比を厚さ方向に連続的に変化するように気相堆積させる、
超音波振動子の製造方法。
【請求項１３】
前記無機音響整合層は、二種類以上の前記無機材料の蒸発源それぞれからの単位時間当たりの蒸発量を変化させることによって、前記無機材料の混合物の組成比を厚さ方向に連続的に変化させる、
請求項１２に記載の超音波振動子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、超音波振動子、超音波診断装置及び超音波振動子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波診断装置や非破壊検査装置等に利用される超音波振動子が知られている。超音波振動子は、一般に、超音波の送受信を行う圧電素子と、当該圧電素子の音響インピーダンス（圧電体の音響インピーダンスを表す。以下同じ）と被検体の音響インピーダンスを整合させる音響整合層を有している。
【０００３】
従来より、超音波を送受信した際の音響反射を抑制するため、音響整合層における音響インピーダンスを背面側から前面側に向かって、連続的に又は段階的に変化させる種々の態様が提案されている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、エポキシ樹脂中において、タングステン粉末の粒度等が厚さ方向に変化するような音響整合層を形成することによって、当該音響整合層の音響インピーダンスを厚さ方向に連続的に変化させることが記載されている。
【０００５】
又、特許文献２には、互いに異なる音響インピーダンスを有する第１の傾斜部材と第２の傾斜部材を厚さ方向に連結して音響整合層を形成し、平面視における第１の傾斜部材と第２の傾斜部材の構成割合を連続的に変化させることによって、音響整合層の音響インピーダンスを厚さ方向に段階的に変化させることが記載されている。
【０００６】
又、特許文献３には、互いに異なる音響インピーダンスを有する複数の整合層を積層することによって、音響整合層の音響インピーダンスを厚さ方向に段階的に変化させることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭５４−０２１０８２号公報
【特許文献２】特開２０１１−０７７７８９号公報
【特許文献３】特開２０１４−１８８００９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１乃至３の従来技術に係る音響整合層は、いずれも、音響整合層の層内部や圧電素子との接触面等において、音響インピーダンスの変化幅が大きい境界面が形成されてしまうため、当該境界面において音響反射が生じる。その結果、音響伝搬ロスが発生し、超音波信号（反射エコーに係る受信信号を表す。以下同じ）の検出精度が悪化してしまう課題がある。又、従来技術に係る音響整合層は、製造プロセス自体が煩雑且つ困難である。
【０００９】
例えば、特許文献１に係る従来技術では、エポキシ樹脂とタングステン粉末の音響インピーダンスの変化幅が大きく、当該タングステン粉末自体が音響反射の要因となる。又、特許文献１に係る従来技術のように、タングステン粉末の量や粒度を、音響整合層内の厚さ方向に連続的に変化するように、精度良く制御すること自体が困難である。
【００１０】
又、特許文献２に係る従来技術では、第１の傾斜部材と第２の傾斜部材を連結する位置において、音響インピーダンスの変化幅が大きい境界面が形成されてしまう。又、特許文献２に係る従来技術では、当該境界面が規則正しく整列することによって、内部共振が発生するおそれもある。加えて、特許文献２に係る従来技術のように、アスペクト比の高い構造物を均一に形成することは、困難である。
【００１１】
本開示は、上記の問題点に鑑みてなされたもので、簡易な製造プロセスで、より高精度に超音波信号を検出可能な超音波振動子、超音波診断装置及び超音波振動子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前述した課題を解決する主たる本開示は、
超音波の送受信を行う圧電素子と、前記圧電素子の前面側に設けられた無機音響整合層と、を備える超音波振動子であって、
前記無機音響整合層は、
音響インピーダンスが互いに異なる二種類以上の無機材料の混合物からなり、音響インピーダンスが背面側から前面側に向かって厚さ方向に連続的に低下するように、前記無機材料の混合物の組成比が厚さ方向に連続的に変化する、
超音波振動子である。
【００１３】
又、他の局面では、
上記の超音波振動子を有する超音波診断装置である。
【００１４】
又、他の局面では、
超音波の送受信を行う圧電素子と、前記圧電素子の前面側に設けられた無機音響整合層と、を備える超音波振動子の製造方法であって、
前記無機音響整合層は、
音響インピーダンスが互いに異なる二種類以上の無機材料の混合物からなり、音響インピーダンスが背面側から前面側に向かって厚さ方向に連続的に低下するように、前記無機材料の混合物の組成比を厚さ方向に連続的に変化するように気相堆積させる、
超音波振動子の製造方法である。
【発明の効果】
【００１５】
本開示に係る超音波振動子によれば、簡易な製造プロセスで、高精度に超音波信号を検出することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１の実施形態に係る超音波振動子の構成の一例を示す図
【図２】第１の実施形態に係る無機音響整合層を形成する工程について説明する図
【図３】第１の実施形態に係る無機音響整合層を形成する工程について説明する図
【図４】第２の実施形態に係る超音波振動子の構成の一例を示す図
【図５】第３の実施形態に係る超音波振動子を適用した超音波診断装置の構成の一例を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（第１の実施形態）
以下、図１〜図３を参照して、本実施形態に係る超音波振動子１の構成の一例について説明する。尚、本実施形態に係る超音波振動子１は、単振動子、１Ｄアレイ振動子又は２Ｄアレイ振動子等のいずれについても適用可能である。
【００１８】
図１は、本実施形態に係る超音波振動子１の構成の一例を示す図である。尚、以下では、超音波を送信する側（図１中の上側）を前面側及び被検体側として説明する。
【００１９】
超音波振動子１は、背面側から前面側に向かって順に、圧電素子１１、無機音響整合層１２、及び音響レンズ１３を備えている。
【００２０】
圧電素子１１は、電気信号を機械的な振動を変換し、及び機械的な振動を電気信号に変換して、超音波の送受信を行うトランスデューサーである。圧電素子１１は、公知の構成と同様の構成でよく、例えば、圧電体と、当該圧電体の厚さ方向の両側に配設された電極対（図示せず）とを含んで構成される。
【００２１】
圧電体の材料としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛等の圧電セラミックスが用いられる。但し、圧電体の材料は、任意であり、例えば、水晶又は有機高分子圧電材料等を用いてもよい。
【００２２】
尚、圧電素子１１の背面側には、当該圧電素子１１を支持し、後方へ放射される超音波を吸収し得るバッキング材（図示せず）が配設されている。
【００２３】
音響レンズ１３は、超音波振動子１の最前面に配設され、屈折を利用して超音波をスライス方向に集束する。音響レンズ１３は、例えば、被検体の音響インピーダンスと略同程度の音響インピーダンスを有する軟質の高分子材料により形成される。
【００２４】
音響レンズ１３の材料は、任意であり、例えば、シリコン系ゴム、ブタジエン系ゴム、共重合体ゴム等を用いることができる。
【００２５】
無機音響整合層１２は、圧電素子１１と音響レンズ１３の間に配設され、圧電素子１１の音響インピーダンスと被検体の音響インピーダンスを整合させる。無機音響整合層１２は、圧電素子１１の音響インピーダンスと被検体（図示せず）の音響インピーダンスの中間の音響インピーダンスを有し、音響インピーダンスが背面側から前面側に向かって厚さ方向に連続的に低下するように形成されている。
【００２６】
無機音響整合層１２は、より好適には、圧電素子１１の音響インピーダンスと略同一（同一値及びその公差の範囲（例えば、±０．１［ＭＲａｙｌ］）を含む。以下同じ）の音響インピーダンスから、被検体の音響インピーダンスと略同一の音響インピーダンスまで、厚さ方向に連続的に低下する構成とする。無機音響整合層１２の音響インピーダンスは、より好適には、背面側から前面側に向かって厚さ方向に、圧電素子１１の音響インピーダンス（圧電セラミックスであれば、例えば、２５［ＭＲａｙｌ］〜３５［ＭＲａｙｌ］）から、被検体の音響インピーダンス（人体の脂肪、臓器又は骨であれば、例えば、１［ＭＲａｙｌ］〜８［ＭＲａｙｌ］）まで連続的に低下する構成とする。
【００２７】
無機音響整合層１２は、音響インピーダンスが互いに異なる少なくとも二種類以上の無機材料（「第１の無機材料」及び「第２の無機材料」とも称する）の混合物からなり、当該無機材料の混合物の組成比を厚さ方向に連続的に変化させることによって、音響インピーダンスを厚さ方向に連続的に変化させる。尚、無機音響整合層１２は、より好適には、音響インピーダンスが厚さ方向に略線形に変化するように、組成比を変化させる。
【００２８】
無機音響整合層１２は、より好適には、主成分として、比較的大きい音響インピーダンスを有する第１の無機材料としてＳｎ、及び、比較的小さい音響インピーダンスを有する第２の無機材料としてＩｎを含んで構成される。尚、Ｓｎの音響インピーダンスは３０［ＭＲａｙｌ］程度であり、Ｉｎの音響インピーダンスは１８［ＭＲａｙｌ］程度である。
【００２９】
図１中の右側のグラフは、無機音響整合層１２の厚さ方向における無機材料の組成比、及び無機音響整合層１２の厚さ方向における音響インピーダンスの一例を示している。
【００３０】
無機音響整合層１２は、ＩｎとＳｎの組成比（成分割合）が連続的に変化することによって、音響インピーダンスが厚さ方向に連続的に変化する。図１中の右グラフでは、無機音響整合層１２の厚さ方向におけるＩｎとＳｎの組成比（成分割合）が、背面側においてはＳｎが主成分（混合物中の略１００％がＳｎ）、前面側においてはＩｎが主成分（混合物中の略１００％がＩｎ）の組成比となっていることを示している。
【００３１】
無機音響整合層１２は、音響インピーダンスの変化幅が大きい境界が形成されないように、音響インピーダンスが互いに異なる無機材料同士が均一に分散した混合物とする。
【００３２】
この点、無機音響整合層１２を形成する際には、真空蒸着等の気相堆積法を用いて、第１の無機材料（ここではＳｎ）の単位時間当たり蒸発量と第２の無機材料（ここではＩｎ）の単位時間当たり蒸発量とを時間的に変化させる手法を用いるのが好適である。これによって、無機材料の粒径が小さくなり（例えば、数ｎｍオーダー）、音響インピーダンスが異なる無機材料同士が均一に分散した混合物を形成することができる（詳細は後述）。
【００３３】
無機音響整合層１２を形成する材料としては、上記したＩｎとＳｎの組み合わせが、特に好適である。Ｉｎは、Ｓｎ中において拡散しやすい特性を有しているため、より音響インピーダンスが異なる無機材料同士が均一に分散した混合物とすることができる。又、ＩｎとＳｎは、低融点材料であるため、気相堆積法で無機音響整合層１２を形成する際に、蒸発量の制御性に優れ、好適である。
【００３４】
但し、無機音響整合層１２を形成する材料は、上記に限らず、他の無機材料が用いられてもよい。例えば、比較的大きい音響インピーダンスを有する無機材料として、Ｍｎ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ｚｎ等を用いることができる。又、比較的小さい音響インピーダンスを有する無機材料として、Ａｌ、Ｍｇ、Ｇａ等を用いることができる。又、音響インピーダンスの異なる無機材料は、二種類に限らず、三種類以上含まれていてもよい。
【００３５】
又、無機音響整合層１２を形成する材料は、金属材料に代えて、又は金属材料と共に、セラミックを用いることもできる。比較的大きい音響インピーダンスを有するセラミック材料としては、例えば、ＬｉＮｂＯ３等を用いることができる。比較的小さい音響インピーダンスを有するセラミック材料としては、例えば、ＳｉＯ２、ＮａＣｌ等を用いることができる。一方、有機材料は、無機材料との間で、音響インピーダンスの変化幅が大きい境界が形成されるため、本実施形態に係る無機音響整合層１２には含有されない。
【００３６】
無機音響整合層１２の層厚は、例えば、超音波の波長をλとすると、λ／４となるように形成される。
【００３７】
図２、図３は、本実施形態に係る無機音響整合層１２を形成する工程について説明する図である。
【００３８】
図２は、無機音響整合層１２を形成するための製造装置２の一例を示す図である。本実施形態に係る製造装置２は、例えば、第１の無機材料（ここでは、Ｓｎ）を蒸発させる第１の蒸発装置２１、第２の無機材料（ここでは、Ｉｎ）を蒸発させる第２の蒸発装置２２、及び、振動子ホルダ２３を備えた真空蒸着装置である。
【００３９】
第１の蒸発装置２１は、Ｓｎ蒸発源を有し、Ｓｎ蒸発源の温度を制御することによって、Ｓｎ蒸発源から気相に蒸発するＳｎの量を制御する。第２の蒸発装置２２は、Ｉｎ蒸発源を有し、Ｉｎ蒸発源の温度を制御することによって、Ｉｎ蒸発源から気相に蒸発するＩｎの量を制御する。振動子ホルダ２３は、Ｓｎ蒸発源及びＩｎ蒸発源と対向するように配設され、前面（図２中の下方）が露出した状態で圧電素子１１を保持する。
【００４０】
図３は、無機音響整合層１２を形成する際のＩｎ蒸発源からの単位時間当たりの蒸発量［ｍ３／ｓ］の制御、及びＳｎ蒸発源からの単位時間当たりの蒸発量［ｍ３／ｓ］の制御の一例を示す図である。
【００４１】
第１の蒸発装置２１及び第２の蒸発装置２２は、それぞれ、図３に示すように、同時に、材料を蒸発させつつ、無機音響整合層１２の厚さ方向における背面側から前面側に向かって、単位時間あたりの蒸発量を変化させる。
【００４２】
尚、ここでは、無機音響整合層１２の背面側においては、当該無機音響整合層１２内のＳｎの含有量が多くなるように、Ｓｎを蒸発させる単位時間あたりの蒸発量の方が、Ｉｎを蒸発させる単位時間あたりの蒸発量よりも多くなるように、第１の蒸発装置２１及び第２の蒸発装置２２を制御する。そして、無機音響整合層１２の前面側においては、当該無機音響整合層１２内のＩｎの含有量が多くなるように、Ｓｎを蒸発させる単位時間あたりの蒸発量の方が、Ｉｎを蒸発させる単位時間あたりの蒸発量よりも少なくなるように、第１の蒸発装置２１及び第２の蒸発装置２２を制御する。これによって、図１の右グラフに示したような組成比の無機音響整合層１２を形成することができる。
【００４３】
尚、無機音響整合層１２を形成した後には、例えば、ダイサーで複数の区画に切断することによって、複数のチャンネルを形成する。そして、無機音響整合層１２の前面に音響レンズ１３を取り付けると共に、圧電素子１１の背面にバッキングを取り付けることによって、超音波振動子１が完成する。
【００４４】
以上、本実施形態に係る超音波振動子１の無機音響整合層１２によれば、無機材料の混合物の組成比を厚さ方向に連続的に変化させることによって、音響インピーダンスが背面側から前面側に向かって厚さ方向に連続的に低下する構成を実現する。従って、この超音波振動子１は、音響整合層の内部に、音響インピーダンスの変化が大きい境界面が形成されることを抑制することができ、音響整合層内での音響反射に起因した音響伝搬ロスを低減することができる。その結果、超音波振動子１の感度及び分解能が向上し、より高精度に超音波信号を検出することが可能となる。
【００４５】
又、本実施形態に係る超音波振動子１の無機音響整合層１２は、無機材料の混合物の組成比を変化させることで、音響インピーダンスを変化させる構成であるため、比較的容易に音響インピーダンスを微調整することが可能である。従って、音響整合層と圧電素子の接触面、及び、音響整合層と被検体（又は、後述する第２の実施形態の有機音響整合層）の接触面に、音響インピーダンスの変化幅が大きい境界面が発生することを抑制することもできる。
【００４６】
又、本実施形態に係る超音波振動子１の無機音響整合層１２は、無機材料の混合物の組成比を厚さ方向に連続的に変化させるという比較的簡易な製造プロセスで形成することが可能であり、スループットの増加、製造コストの抑制にも資することになる。
【００４７】
（第２の実施形態）
以下、図４を参照して、第２の実施形態に係る超音波振動子１について、説明する。
【００４８】
図４は、本実施形態に係る超音波振動子１の構成の一例を示す図である。
【００４９】
本実施形態に係る超音波振動子１は、無機音響整合層１２と音響レンズ１３の間に、有機材料を含んで構成される有機音響整合層１４を備えている点で、第１の実施形態に係る超音波振動子１と相違する。尚、第１の実施形態と共通する構成については、説明を省略する。
【００５０】
第１の実施形態で示した無機音響整合層１２は、無機材料のみで形成されるため、超音波振動子１の最前面の音響インピーダンスを所定値以下（例えば、１．０［ＭＲａｙｌ］以下）に低減するのが困難である。この点、被検体の種別によっては、超音波振動子１の最前面の音響インピーダンスを所定値以下（例えば、１．０［ＭＲａｙｌ］）程度まで低減することが必要な場合がある。
【００５１】
本実施形態に係る超音波振動子１は、かかる観点から、有機音響整合層１４を用いて、無機音響整合層１２と被検体の間の音響インピーダンスの差を補完する。
【００５２】
有機音響整合層１４を形成する材料は、公知の材料であってよく、例えば、ポリエチレン、エポキシ樹脂等を用いることができる。
【００５３】
有機音響整合層１４は、背面側の音響インピーダンスが無機音響整合層１２の前面の音響インピーダンスと略同一となるように形成される。
【００５４】
又、有機音響整合層１４は、より好適には、厚さ方向において背面側から前面側に向かって音響インピーダンスが段階的に又は連続的に小さくなるように形成される。尚、有機音響整合層１４の音響インピーダンスを厚さ方向において背面側から前面側に向かって段階的に又は連続的に小さくする手法は、公知の手法（例えば、特許文献３を参照）を用いればよい。
【００５５】
以上、本実施形態に係る超音波振動子１によれば、有機音響整合層１４を無機音響整合層１２の前面側に配設する構成を有する。従って、この超音波振動子１は、被検体の音響インピーダンスが比較的小さい場合であっても、圧電素子１１の音響インピーダンスから被検体の音響インピーダンスまで、低下させることができる。
【００５６】
（第３の実施形態）
以下、図５を参照して、第３の実施形態に係る超音波振動子１について、説明する。
【００５７】
図５は、本実施形態に係る超音波振動子１を適用した超音波診断装置Ｕの構成の一例を示す図である。
【００５８】
本実施形態に係る超音波診断装置Ｕは、本体Ｂに超音波プローブＡが取り付けられて構成されている。そして、超音波プローブＡの先端に、本発明に係る超音波振動子１が配設されている。
【００５９】
本発明に係る超音波振動子１は、上記したように、より高精度に超音波信号を検出することが可能である。従って、本実施形態に係る超音波振動子１は、例えば、かかる超音波診断装置Ｕの超音波プローブＡに好適に適用することができる。これによって、例えば、超音波診断装置Ｕが生成する超音波画像をより鮮明なものにすることができる。
【００６０】
（その他の実施形態）
本発明は、上記実施形態に限らず、種々に変形態様が考えられる。
【００６１】
上記実施形態では、超音波振動子１の一例として、無機音響整合層１２の前面側に音響レンズ１３を配設する態様を示したが、音響レンズ１３を配設しない構成としてもよいのは勿論である。
【００６２】
又、上記実施形態では、超音波振動子１を適用する対象の一例として、超音波診断装置Ｕ示したが、その他、種々の非破壊検査装置等にも適用することができる。
【００６３】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本開示に係る超音波振動子によれば、簡易な製造プロセスで、高精度に超音波信号を検出することが可能である。
【符号の説明】
【００６５】
１  超音波振動子
１１  圧電素子
１２  無機音響整合層
１３  音響レンズ
１４  有機音響整合層
２  製造装置
２１  第１の蒸発装置
２２  第２の蒸発装置
２３  振動子ホルダ
【図１】
2018153313.tif 000003
【図２】
2018153313.tif 000004
【図３】
2018153313.tif 000005
【図４】
2018153313.tif 000006
【図５】
2018153313.tif 000007