(57)【要約】【課題】音響整合層と音響レンズとの境界に起因して周波数特性にリップルが生じることを抑制し良好な画像形成を可能にする音響整合層を提供すること。【解決手段】音響整合層７３は、超音波探触子７０において、超音波を発信する発振素子２０２と、超音波の発散を抑制する音響レンズ７４との間に配置される音響整合層７３であって、音響整合層７３は、発振素子２０２の音響インピーダンスと同等の音響インピーダンスを有する構造部材３１と、音響レンズ７４の音響インピーダンスと同等の音響インピーダンスを有する充填部材３２とによって形成され、構造部材３１は、音軸方向に沿って先端が先細りになる形状をそれぞれ有するとともにアレイ状に配置された複数の要素部３１ａを含み、アレイ状に配置された複数の要素部３１ａの空隙は、充填部材３２で満たされており、複数の要素部３１ａの先端から音響レンズ７４までの間に、充填部材３２で形成されたバッファ層７３ｂが設けられている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波探触子において、超音波を発信する発振素子と、超音波の発散を抑制する音響レンズとの間に配置される音響整合層であって、
前記音響整合層は、前記発振素子の音響インピーダンスと同等の音響インピーダンスを有する構造部材と、音響レンズの音響インピーダンスと同等の音響インピーダンスを有する充填部材とによって形成され、
前記構造部材は、音軸方向に沿って先端が先細りになる形状をそれぞれ有するとともにアレイ状に配置された複数の要素部を含み、
アレイ状に配置された前記複数の要素部の空隙は、前記充填部材で満たされており、
前記複数の要素部の先端から前記音響レンズまでの間に、前記充填部材で形成されたバッファ層が設けられていることを特徴とする音響整合層。
【請求項２】
前記構造部材の音響インピーダンスは、前記発振素子の音響インピーダンスの±６０％の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の音響整合層。
【請求項３】
前記構造部材は、金属材料で形成されることを特徴とする請求項１及び２のいずれか一項に記載の音響整合層。
【請求項４】
前記構造部材が、亜鉛、若しくは亜鉛を主とする材料で形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の音響整合層。
【請求項５】
前記充填部材の音響インピーダンスは、前記音響レンズの音響インピーダンスの±６０％の範囲内であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の音響整合層。
【請求項６】
前記充填部材は、横波音速が５００ｍ／ｓｅｃよりも大きく、かつ、前記構造部材の横波音速よりも小さい部材で形成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の音響整合層。
【請求項７】
前記充填部材は、エポキシ樹脂、若しくはエポキシ樹脂に音響インピーダンスを調整するためのフィラーを混ぜた複合材で形成されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の音響整合層。
【請求項８】
前記構造部材を構成する前記要素部の高さは、前記発振素子が発信する超音波に対して前記構造部材における０．５波長から１．５波長の範囲内であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の音響整合層。
【請求項９】
前記構造部材を構成する前記要素部の幅は、前記発振素子が発信する超音波に対して前記充填部材における０．０１波長から０．５波長の範囲内であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の音響整合層。
【請求項１０】
前記構造部材を構成する前記要素部の間隔は、前記発振素子が発信する超音波に対して前記充填部材における縦波音速を基準として０波長から０．０５波長の範囲内であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の音響整合層。
【請求項１１】
前記発振素子の射出側の発振素子面と平行に延びる前記構造部材の界面の面積が、前記発振素子面の６０％以上１００％以下の範囲内であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の音響整合層。
【請求項１２】
前記バッファ層の厚みは、前記発振素子が発信する超音波に対して前記充填部材における０．０５波長から０．５波長の範囲内であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の音響整合層。
【請求項１３】
前記発振素子と前記音響整合層とが接着剤で接合されていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の音響整合層。
【請求項１４】
前記発振素子と前記構造部材とが、直接接合されていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の音響整合層。
【請求項１５】
前記構造部材は、前記複数の要素部として成分が異なる２種類の要素部を含み、前記２種類の要素部は、互い違いに配置されていることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項に記載の音響整合層。
【請求項１６】
前記構造部材は、亜鉛、チタン、銅、ニッケル、ジルコニウム、スズ、シリコン、鉄、及び銀のいずれかを主とする材料で形成されることを特徴とする請求項１５に記載の音響整合層。
【請求項１７】
前記構造部材は、前記複数の要素部として高さが異なる２種類の要素部を含み、前記２種類の要素部は、互い違いに配置されていることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか一項に記載の音響整合層。
【請求項１８】
前記構造部材は、前記複数の要素部として幅が異なる２種類の要素部を含み、前記２種類の要素部は、互い違いに配置されていることを特徴とする請求項１〜１７のいずれか一項に記載の音響整合層。
【請求項１９】
請求項１〜１８のいずれか一項に記載の音響整合層と、
超音波を発信する前記発振素子と、
超音波の発散を抑制する前記音響レンズと
を備える超音波探触子。
【請求項２０】
超音波を発信する発振素子と超音波の発散を抑制する音響レンズとの間に配置される音響整合層の製造方法であって、
前記音響整合層は、音軸方向に沿って先端が先細りになる形状をそれぞれ有するとともにアレイ状に配置された複数の要素部を含む構造部材と、前記複数の要素部の空隙を満たす充填部材とによって形成され、
前記構造部材は、シリコンウェハに深穴を加工したものを型とし、前記深穴の内部をメッキ処理、若しくは、溶融した金属の流し込みよって充填し、充填された前記型のシリコンウェハを溶解によって除去し、
前記構造部材の充填に際して前記複数の要素部を埋め込むことによってバッファ層を形成することを特徴とする音響整合層の製造方法。
【請求項２１】
超音波を発信する発振素子と超音波の発散を抑制する音響レンズとの間に配置される音響整合層の製造方法であって、
前記音響整合層は、音軸方向に沿って先端が先細りになる形状をそれぞれ有するとともにアレイ状に配置された複数の要素部を含む構造部材と、前記複数の要素部の空隙を満たす充填部材とによって形成され、
前記構造部材は、金属ワイヤーを束ねて、エッチング処理によって金属ワイヤーの先端側をニードル形状にし、
前記構造部材の充填に際して前記複数の要素部を埋め込むことによってバッファ層を形成することを特徴とする音響整合層の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波測定その他の各種超音波応用機器に利用可能な音響整合層、かかる音響整合層を備える超音波探触子、並びに、音響整合層の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波探触子は、一般的には、超音波を発信する発振素子と、超音波の発散を抑制する音響レンズとの間に音響整合層を配置した構造を有する。この音響整合層について、音響インピーダンスが振動子側から被検体側に向けて厚さ方向に連続的に変化する構造としたものが公知となっている（特許文献１、２）。音響整合層では、第１の音響整合材で発振素子側の断面積が大きく被検体側の断面積が小さく形成された多数の先細柱状体を超音波の波長よりも短い間隔でマトリクス状に配列し、このマトリクス状に配列された多数の先細柱状体間の隙間を第２の音響整合材で充填している。特に特許文献２の超音波探触子では、先細柱状体からなる構造部の下側に複数層からなる積層型整合部を設けている。
【０００３】
しかしながら、本発明者らは、従来型の音響整合層の構造について種々の検討を行った結果、音響整合層と音響レンズとの境界に起因して周波数特性にリップルが生じ、このリップルが周波数ごとの感度に影響し良好な画像形成を妨げる原因となっていると考えるに至った。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−０８９８３５号公報
【特許文献２】特開２０１１−７７７８９号公報
【発明の概要】
【０００５】
本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、音響整合層と音響レンズとの境界に起因して周波数特性にリップルが生じることを抑制し良好な画像形成を可能にする音響整合層を提供することを目的とする。
【０００６】
また、本発明は、良好な画像形成を可能にする音響整合層、音響整合層を備える超音波探触子、並びに、かかる音響整合層の製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明に係る音響整合層は、超音波探触子において、超音波を発信する発振素子と、超音波の発散を抑制する音響レンズとの間に配置される音響整合層であって、音響整合層は、発振素子の音響インピーダンスと同等の音響インピーダンスを有する構造部材と、音響レンズの音響インピーダンスと同等の音響インピーダンスを有する充填部材とによって形成され、構造部材は、音軸方向に沿って先端が先細りになる形状をそれぞれ有するとともにアレイ状に配置された複数の要素部を含み、アレイ状に配置された複数の要素部の空隙は、充填部材で満たされており、複数の要素部の先端から音響レンズまでの間に、充填部材で形成されたバッファ層が設けられている。
【０００８】
上記音響整合層では、複数の要素部の先端から音響レンズまでの間に、充填部材で形成されたバッファ層が設けられているので、音響整合層と音響レンズとの境界に起因して周波数特性にリップルが生じることを抑制でき、良好な画像の形成が可能になる。ここで、バッファ層が構造部材を充填して構造部材の上層として延びる充填部材で形成されるので、バッファ層を簡易な工程で作製することができ、音響整合層を簡単な構造とすることができる。
【０００９】
本発明の具体的な側面では、上記音響整合層において、構造部材の音響インピーダンスは、発振素子の音響インピーダンスの±６０％の範囲内である。この場合、構造部材の材料を発振素子の音響インピーダンスと同等にすることになり、界面反射損失を抑えて周波数帯域全体の感度向上の効果と周波数特性のリップルを低減する効果とがある。
【００１０】
本発明の別の側面では、構造部材は、金属材料で形成される。この場合、高アスペクトの複数の要素部を作製することが容易になり、特に構造部材の材料として金属材料を用いることで、構造部材の音響インピーダンスを発振素子の音響インピーダンスと同等にしやすくなる。
【００１１】
本発明のさらに別の側面では、構造部材が、亜鉛、若しくは亜鉛を主とする材料で形成される。音響インピーダンスが３０ＭＲａｙｌｓである亜鉛を選択することで、メッキ（電鋳）技術を活用した作製プロセスを選択できるので、音響インピーダンスのマッチングと作製プロセスとの両立を達成できる。
【００１２】
本発明のさらに別の側面では、充填部材の音響インピーダンスは、音響レンズの音響インピーダンスの±６０％の範囲内である。この場合、構造部材の材料を音響レンズの音響インピーダンスと同等にすることになり、界面反射損失を抑えて周波数帯域全体の感度向上の効果と周波数特性のリップルを低減する効果とがある。
【００１３】
本発明のさらに別の側面では、充填部材は、横波音速が５００ｍ／ｓｅｃよりも大きく、かつ、構造部材の横波音速よりも小さい部材で形成される。構造型の音響整合層は、構造部材から充填部材に音波が伝達する際に横波が寄与していることが分かっており、横波音速が５００ｍ／ｓｅｃ以上となるようにすることで、構造部材から充填部材に音波を効率的に伝搬させることができ、周波数体全体の感度を向上させることができる。
【００１４】
本発明のさらに別の側面では、充填部材は、エポキシ樹脂、若しくはエポキシ樹脂に音響インピーダンスを調整するためのフィラーを混ぜた複合材で形成される。
【００１５】
本発明のさらに別の側面では、構造部材を構成する要素部の高さは、発振素子が発信する超音波に対して構造部材における０．５波長から１．５波長の範囲内である。この場合、低周波側において２ＭＨｚ帯まで音響整合を実現できる効果がある。
【００１６】
本発明のさらに別の側面では、構造部材を構成する要素部の幅は、発振素子が発信する超音波に対して充填部材における０．０１波長から０．５波長の範囲内である。この場合、高周波側において２０ＭＨｚ帯まで音響整合を実現できる効果がある。
【００１７】
本発明のさらに別の側面では、構造部材を構成する要素部の間隔は、発振素子が発信する超音波に対して充填部材における縦波音速を基準として０波長から０．０５波長の範囲内である。この場合、周波数特性のリップルを低減できる効果が高まる。
【００１８】
本発明のさらに別の側面では、発振素子の射出側の発振素子面と平行に延びる構造部材の界面の面積が、発振素子面の６０％以上１００％以下の範囲内である。
【００１９】
本発明のさらに別の側面では、バッファ層の厚みは、発振素子が発信する超音波に対して充填部材における０．０５波長から０．５波長の範囲内である。
【００２０】
本発明のさらに別の側面では、発振素子と音響整合層とが接着剤で接合されている。この場合、接着剤の音響インピーダンスの調整と、接着剤の厚みの調整とによって、発振素子と音響整合層との間に音響インピーダンスのギャップが形成されることを防止でき、高周波帯の感度低下を防ぐことができる。
【００２１】
本発明のさらに別の側面では、発振素子と構造部材とが、直接接合されている。この場合、発振素子と音響整合層との間に接着剤による音響インピーダンスのギャップが形成されることを防止でき、高周波帯の感度低下を防ぐことができる。
【００２２】
本発明のさらに別の側面では、構造部材は、複数の要素部として成分が異なる２種類の要素部を含み、２種類の要素部は、互い違いに配置されている。この場合、材料に起因してリップルの発生位置が異なる２材料の要素部を交互に配置させることで、お互いのリップルを打ち消す効果を高めることができる。
【００２３】
本発明のさらに別の側面では、構造部材は、亜鉛、チタン、銅、ニッケル、ジルコニウム、スズ、シリコン、鉄、及び銀のいずれかを主とする材料で形成される。
【００２４】
本発明のさらに別の側面では、構造部材は、複数の要素部として高さが異なる２種類の要素部を含み、２種類の要素部は、互い違いに配置されている。この場合、形状に起因してリップルの発生位置が異なる２形状の要素部を交互に配置させることで、お互いのリップルを打ち消す効果を高めることができる。
【００２５】
本発明のさらに別の側面では、構造部材は、複数の要素部として幅が異なる２種類の要素部を含み、２種類の要素部は、互い違いに配置されている。
【００２６】
上記目的を達成するため、本発明に係る超音波探触子は、上述した音響整合層と、超音波を発信する発振素子と、超音波の発散を抑制する音響レンズとを備える。
【００２７】
上記超音波探触子では、音響整合層として、アレイ状に配置された複数の要素部の空隙を充填部材で満たすとともに、複数の要素部の先端から音響レンズまでの間に充填部材で形成されたバッファ層を設けるので、音響整合層と音響レンズとの境界に起因して周波数特性にリップルが生じることを抑制でき、良好な画像の形成が可能になる。
【００２８】
上記目的を達成するため、本発明に係る第１の音響整合層の製造方法は、超音波を発信する発振素子と超音波の発散を抑制する音響レンズとの間に配置される音響整合層の製造方法であって、音響整合層は、音軸方向に沿って先端が先細りになる形状をそれぞれ有するとともにアレイ状に配置された複数の要素部を含む構造部材と、複数の要素部の空隙を満たす充填部材とによって形成され、構造部材は、シリコンウェハに深穴を加工したものを型とし、深穴の内部をメッキ処理、若しくは、溶融した金属の流し込みよって充填し、充填された型のシリコンウェハを溶解によって除去し、構造部材の充填に際して複数の要素部を埋め込むことによってバッファ層を形成する。
【００２９】
上記製造方法では、複数の要素部の先端から音響レンズまでの間に充填部材で形成されたバッファ層を設けるので、音響整合層と音響レンズとの境界に起因して周波数特性にリップルが生じることを抑制でき、良好な画像の形成が可能になる。
【００３０】
上記目的を達成するため、本発明に係る第２の音響整合層の製造方法は、超音波を発信する発振素子と超音波の発散を抑制する音響レンズとの間に配置される音響整合層の製造方法であって、音響整合層は、音軸方向に沿って先端が先細りになる形状をそれぞれ有するとともにアレイ状に配置された複数の要素部を含む構造部材と、複数の要素部の空隙を満たす充填部材とによって形成され、構造部材は、金属ワイヤーを束ねて、エッチング処理によって金属ワイヤーの先端側をニードル形状にし、構造部材の充填に際して複数の要素部を埋め込むことによってバッファ層を形成する。
【００３１】
上記製造方法では、複数の要素部の先端から音響レンズまでの間に充填部材で形成されたバッファ層を設けるので、音響整合層と音響レンズとの境界に起因して周波数特性にリップルが生じることを抑制でき、良好な画像の形成が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施形態の音響整合層を備える超音波探触子び超音波診断装置を説明する断面図である。
【図２】発振素子の断面構造を説明する図である。
【図３】音響整合層の断面構造を説明する図である。
【図４】（Ａ）は、音響整合層の音響レンズ側にバッファ層を設けた場合のリップル低減を説明する図であり、（Ｂ）は、音響整合層の音響レンズ側にバッファ層を設けなかった場合を説明する図である。
【図５】（Ａ）は、図３に示す音響整合層の変形例を説明する拡大断面図であり、（Ｂ）は、図３に示す音響整合層の別の変形例を説明する拡大断面図である。
【図６】検討構造例１等について特性を比較した結果を示すグラフである。
【図７】（Ａ）〜（Ｄ）は、検討構造例２について特性を比較した結果を示すグラフである。
【図８】（Ａ）及び（Ｂ）は、検討構造例３について特性を比較した結果を示すグラフである。
【図９】検討構造例４について特性を比較した結果を示すグラフである。
【図１０】検討構造例５について特性を比較した結果を示すグラフである。
【図１１】検討構造例６及び７について特性を比較した結果を示すグラフである。
【図１２】（Ａ）及び（Ｂ）は、構造材料の形成方法の一例を説明する断面図である。
【図１３】（Ａ）及び（Ｂ）は、構造材料の形成方法の別例を説明する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、図面を参照しつつ、本発明の一実施形態である音響整合層及び超音波探触子、並びに、音響整合層の製造方法について説明する。
【００３４】
図１は、実施形態の超音波探触子を組み込んだ超音波診断装置を説明する概念図である。図示の超音波診断装置１００は、超音波探触子７０と、制御装置３００とを有する。
【００３５】
超音波探触子７０は、超音波プローブとも呼ばれ、発振素子２０２を含む振動部７１と、振動部７１の背後に配置されるバッキング材７２と、振動部７１の前面に配置される音響整合層７３と、音響整合層７３の前面であって診断対象側に配置される音響レンズ７４と、振動部７１を動作させる駆動回路７６とを備える。
【００３６】
振動部７１を構成する発振素子２０２は、圧電集合体１２０と、これを上下から挟む櫛歯状電極１４１，１４２とを有する。バッキング材７２は、超音波が振動部７１の後方へ放射されることを防止する。音響整合層７３は、振動部７１の前方へ出射される超音波の反射を抑制する役割を有する。音響レンズ７４は、振動部７１からの超音波を通過させる際にその発散を抑制する。
【００３７】
図２に示すように、圧電集合体１２０は、規定数ｎ個（具体的には例えば１２８チャンネル分）の図面横方向に配列された圧電体２０を有する。圧電集合体１２０の一方に設けられる櫛歯状電極１４１は、例えばプラス電極であり、圧電体２０に対応して設けられた個々の第１電極４１単位でリボン状の並列配線７８ａに接続され、圧電集合体１２０の他方に設けられる櫛歯状電極１４２は、例えばマイナス電極であり、圧電体２０に対応して設けられた個々の第２電極４２単位でリボン状の並列配線７８ｂに接続されている。両並列配線７８ａ，７８ｂは、駆動回路７６から延びており、圧電体２０と一対の電極４１，４２とからなる各圧電部材１０２（各チャンネルに対応する単位プローブ又は画素に相当）に超音波に対応する周期の電圧を印加して、これを構成する多数の圧電体２０に超音波振動を発生させるとともに、これら多数の圧電体２０で受けた超音波振動を電圧信号に変換する。
【００３８】
図３に示すように、音響整合層７３は、振動部７１側又は発振素子２０２側に配置される本体層７３ａと、音響レンズ７４側に配置されるバッファ層７３ｂとを有する。本体層７３ａは、発振素子２０２の音響インピーダンスと同等の音響インピーダンスを有する構造部材３１と、音響レンズ７４の音響インピーダンスと同等の音響インピーダンスを有する充填部材３２とによって形成される。ここで、充填部材３２は、本体層７３ａのための充填材で形成されている。充填部材３２は、バッファ層７３ｂを形成する部分でもあり、充填部材３２のうち構造部材３１の隙間を充填する部分を構造充填部３３と呼ぶ。
【００３９】
発振素子２０２と音響整合層７３とは、接着層７９によって接合されているが、発振素子２０２と音響整合層７３とを直接接合することもできる。発振素子２０２と音響整合層７３とを直接接合する場合、発振素子２０２の櫛歯状電極１４１と音響整合層７３の構造部材３１の根元側とを加熱その他の手法によって融着させる。
【００４０】
音響整合層７３の本体層７３ａにおいて、構造部材３１は、アレイ状に配置された複数の先細りの要素部３１ａを有し、各要素部３１ａは、音軸に沿ったＺ方向に沿って先端が先細りになる形状をそれぞれ有する構造体である。要素部３１ａの形状は、円錐、角錐等を含む様々な先細り形状とできる。構造部材３１の具体的な音響インピーダンスは、例えば発振素子２０２の音響インピーダンスの±６０％である同等範囲内とする。構造部材３１は、金属材料で形成され、具体的には、例えば亜鉛、若しくは亜鉛を主とする材料で形成される。構造部材３１を構成する各要素部３１ａの高さ、つまり構造部材３１の構造高さｈは、発振素子２０２が発信する超音波に対して構造部材３１における０．５波長から１．５波長の範囲内となっている。構造部材３１の構造高さｈは、具体的には２００μｍ〜６００μｍの範囲となっている。また、構造部材３１を構成する各要素部３１ａの幅、つまり構造部材３１の構造幅ｗは、発振素子２０２が発信する超音波に対して充填部材３２における０．０１波長から０．５波長の範囲内となっている。構造部材３１の構造幅ｗは、具体的には５μｍ〜４０μｍの範囲となっている。構造部材３１を構成する各要素部３１ａの間隔、つまり構造部材３１の構造ギャップｇは、発振素子２０２が発信する超音波に対して充填部材３２における縦波音速を基準として０波長〜０．０５波長の範囲内である。構造部材３１の構造ギャップｇは、具体的には０μｍ〜５μｍの範囲となっている。
【００４１】
充填部材３２のうち、構造充填部３３の形状は、構造部材３１の形状を反転したものとなっており、バッファ層７３ｂの形状は、一様な厚みの層である。充填部材３２の具体的な音響インピーダンスは、音響レンズ７４の音響インピーダンスの±６０％である同等範囲内とする。充填部材３２は、横波音速が５００ｍ／ｓｅｃよりも大きく、かつ、構造部材３１の横波音速よりも小さい部材で形成される。充填部材３２は、熱硬化性樹脂、若しくは熱硬化性樹脂に音響インピーダンスを調整するためのフィラーを混ぜた複合材で形成される。ここで、充填部材３２の音響インピーダンスを調整するためのフィラーは、例えばシリコーンゴムである。充填部材３２は、フェノール樹脂その他の熱硬化性樹脂で形成され、特にエポキシ樹脂で形成されることが好ましい。バッファ層７３ｂの厚みは、発振素子２０２が発信する超音波に対して充填部材３２における０．０５波長から０．５波長の範囲内である。
【００４２】
以上の音響整合層７３において、充填部材３２からなるバッファ層７３ｂを設けることで、音響整合層７３から染み出した音波の不要振動を抑え、周波数特性のリップルを低減できる効果がある。検証の結果、構造部材３１の要素部３１ａの頂点と、充填部材３２と、音響レンズ７４との３界面がある距離内に存在すると、相互に影響しあい音波の伝達の際に不要な振動が生まれると分かった（図４（Ｂ）参照）。一方、要素部３１ａの頂点と音響レンズ７４との間にバッファ層７３ｂを設けることで、構造部材３１、充填部材３２、及び音響レンズ７４の３材料の相互の影響を防ぐ役割をもたせることができ、意図しない振動であるリップルを低減できると考えられる（図４（Ａ）参照）。
【００４３】
構造部材３１の材料を、構造部材３１の音響インピーダンスと発振素子２０２の音響インピーダンスとが同等になるように選択することで、界面反射損失を抑えて周波数帯域全体の感度向上の効果と、周波数特性のリップルを低減する効果とがある。構造部材３１の材料として金属を選択することは、音響インピーダンスが振動子（３０ＭＲａｙｌｓ〜３５ＭＲａｙｌｓ）と同等の材料であって、高アスペクトのピラミッド形状を有する要素部３１ａを作製する観点で利点がある。なお、セラミックは脆さの観点で難がありハンドリングが難しく、フィラー複合材は針先端まで超高密度の充填にする必要があり、製造技術の難易度の観点で不利である。特に、構造部材３１の材料として音響インピーダンスが３０ＭＲａｙｌｓである亜鉛を選択することで、メッキ（電鋳）技術を活用した作製プロセスを選択でき、音響インピーダンスのマッチングと作製プロセスの容易性との両立を達成できる。
【００４４】
充填部材３２の材料を、音響レンズ７４の音響インピーダンスと充填部材３２の音響インピーダンスとが同等になるように選択することで、界面反射損失を抑えて周波数帯域全体の感度向上の効果と、周波数特性のリップルを低減する効果とがある。音響レンズ７４の音響インピーダンスは、生体の音響インピーダンス（１．５ＭＲａｙｌｓ）と整合をとる材料を使用している。一般的には、音響レンズ７４の材料として、１．５ＭＲａｙｌｓ〜２．５ＭＲａｙｌｓのシリコーンゴムが使用されることが多い。また、構造型の音響整合層７３は、シミュレーションの結果、構造部材３１から充填部材３２に音波が伝達する際に、横波が寄与していることが分かった。構造部材３１及び充填部材３２での横波音速を５００ｍ／ｓｅｃ以上とすることで、構造部材３１から充填部材３２に音波を効率的に伝搬させることができ、周波数体全体の感度向上の効果がある。
【００４５】
構造部材３１の要素部３１ａの構造高さｈを２００μｍ〜６００μｍとすることで、低周波側に２ＭＨｚ帯までの音響整合を達成できる。また、構造部材３１の要素部３１ａの構造幅ｗを５μｍ〜４０μｍとするこで、高周波側に２０ＭＨｚ帯までの音響整合を達成できる。構造部材３１の要素部３１ａの間隔（構造ギャップのこと）を０μｍ〜５μｍとすることで、周波数特性のリップルを低減できる効果がある。
【００４６】
発振素子２０２と音響整合層７３との間については、音響インピーダンスのギャップが無いことが好ましいが、発振素子２０２と音響整合層７３とを接合する材料の音響インピーダンスによって両者にギャップが生じる。発振素子２０２と音響整合層７３との間に接着層７９を介在させる場合、接着層７９の接着剤は一般的に１．５ＭＲａｙｌｓ〜３ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスとなるため、接着層７９の厚みを２μｍより小さくすることで、高周波帯の感度低下を抑制できる。
【００４７】
図５（Ａ）は、図３に示す音響整合層７３の変形例を説明する拡大断面図である。この場合、構造部材３１は、要素部３１ａとして、構造高さｈが大きい第１要素部３８ａと、構造高さｈが小さい第２要素部３８ｂとを含み、相対的に高い要素部３８ａと相対的に低い要素部３８ｂとがＸ方向に交互に配列されている。なお、図示を省略しているが、構造部材３１において、相対的に高い第１要素部３８ａと相対的に低い第２要素部３８ｂとがＹ方向にも交互に配列されている。構造部材３１の要素部３１ａに起因するリップルは、要素部３１ａの高さや幅に依存して発生する周波数帯が異なる傾向が見られている。そのため、リップルの発生位置が異なる２形状による２種の要素部３８ａ，３８ｂを交互に配置させることで、お互いのリップルを打ち消しあう効果がある。
【００４８】
図５（Ｂ）は、図３に示す音響整合層７３の別の変形例を説明する拡大断面図である。この場合、構造部材３１は、要素部３１ａとして、第１材料で形成された第１要素部３８ａと、第１材料と異なる第２材料で形成された第２要素部１３８ｂとを含み、第１材料で形成された第１要素部３８ａと、第２材料で形成された第２要素部１３８ｂとがＸ方向に交互に配列されている。両要素部３８ａ，１３８ｂは、亜鉛、チタン、銅、ニッケル、ジルコニウム、スズ、シリコン、鉄、及び銀のいずれかを主とする材料で形成することができる。なお、図示を省略しているが、構造部材３１において、第１材料で形成された要素部３８ａと第２材料で形成された第２要素部１３８ｂとがＹ方向にも交互に配列されている。構造部材３１の要素部３１ａに起因するリップルは、要素部３１ａの材料とニードル形状とに依存して発生する傾向が見られている。そのため、リップルの発生位置が異なる２材料による２種の要素部３１ａを交互に配置させることで、お互いのリップルを打ち消しあう効果がある。
【００４９】
〔検討構造例１〕
まず、超音波探触子７０に対応する超音波装置について具体的な検討構造例１を設定し、仮想的に発振素子２０２の内部に圧力を発生させ、振る舞いを検討した。超音波探触子７０に対応する超音波装置として、ＰＺＴ／音響整合層／水の構成を、シミュレーションにて再現した。具体的には、発振素子２０２の材料をＰＺＴとし、構造部材３１の材料を亜鉛とし、充填部材３２の充填材料をエポキシにシリコーンフィラーを充填させたものとし、音響レンズ７４と音響レンズ７４が接触する生体との２材料の代わりに、同等の音響インピーダンスを持つ水を想定した。シミュレーションは、音響解析ソフトウェアのＰＺＦｌｅｘを使用した。この際、亜鉛の密度を７ｇ／ｃｍ３とし、縦波音速を４２００ｍ／ｓｅｃとし、横波音速を２４００ｍ／ｓｅｃとした。充填材料の密度を１．１ｇ／ｃｍ３とし、縦波音速を１８５０ｍ／ｓｅｃとし、横波音速を７００ｍ／ｓｅｃとした。ＰＺＴの密度を７．８ｇ／ｃｍ３とし、縦波音速を４６００ｍｍ／ｓｅｃとし、横波音速を１８００ｍ／ｓｅｃとした。水の密度を１ｇ／ｃｍ３とし、縦波音速を１５００ｍ／ｓｅｃとし、横波音速を０ｍ／ｓｅｃとした。構造部材３１の要素部３１ａについては、その高さを５００μｍとし、１つの要素部３１ａの幅２０μｍとし、先細りの先端の幅が３μｍとなるような錐台形状を有するものとした。この構造がアレイ形状に並んでいると想定するために、単一の構造体を配置し、周囲の境界条件は、対称境界設定とした。発振素子２０２としてのＰＺＴから仮想的な正弦波圧力を発生させ、水の中へ伝わった圧力を受信し、その圧力の変化に対してフーリエ変換を行い、周波数帯域と感度との検証を行った。
【００５０】
超音波探触子７０に対応する超音波装置については、検討構造例１を部分的に変更した比較例１を設定した。比較例１の場合、検討構造例１の音響整合層７３の部分を４層の積層型構成とし、検討構造例１と同様に、ＰＺＴ／音響整合層／水の系を、シミュレーションにて再現した。検討構造例１と同様に、ＰＺＴから仮想的な正弦波圧力を発生させ、水の中へ伝わった圧力を受信し、その圧力の変化に対してフーリエ変換を行い、周波数帯域と感度の検証を行った。
【００５１】
図６は、検討構造例１と比較例１とについて音響整合層の通過特性を比較した結果である。グラフで、横軸を周波数とし縦軸を送信感度としている。ここで、送信感度は、発生させた圧力パルス波形［Ｐａ］（時間応答）をフーリエ変換した値＝Ｐ０（周波数応答）と、水中で受信した圧力パルス波形の周波数応答Ｐ１との２つの値に基づき、音圧レベル（ｄＢ）＝２０×ｌｏｇ１０（Ｐ１／Ｐ０）として計算したものである。つまり、上方向がゼロ点になり、ゼロに近いほど、損失が小さい。結果的に、構造型整合層からなる検討構造例１（構造体）の方が構造型整合層からなる比較例１（４層）よりも周波数帯域が広く、２ＭＨｚ帯から３０ＭＨｚ帯まで広く感度が高い特性が得られることが分かった。
【００５２】
〔検討構造例２〕
検討構造例２の超音波探触子について、構造体の幅と出力帯域との関係性の検証を行った。検討構造例２は、構造部材３１の要素部３１ａの寸法を除いて検討構造例１と同じ構造を有する。要素部３１ａの高さを５００μｍとし、その幅を２０μｍ、２５μｍ、３３μｍ、及び４０μｍの４種類のいずれかとし、高周波帯域の感度低下を検証した。
【００５３】
図７（Ａ）〜７（Ｄ）は、検討構造例２について超音波装置の送信感度を評価した結果である。検討構造例２の構造の場合、要素部３１ａの幅が広くなると、高周波側の感度が低下することが分かった。医療診断に使用する場合、超音波プローブは高周波帯として２０ＭＨｚ付近まで使用する場合もある。検討構造例２の構造を医療診断に応用する場合、要素部３１ａの幅は、少なくとも４０μｍより細くすることが好ましいことが分かった。
【００５４】
〔検討構造例３〕
検討構造例３の超音波探触子について、構造体の高さと出力帯域との関係性の検証を行った。検討構造例３は、構造部材３１の要素部３１ａの寸法を除いて検討構造例１と同じ構造を有する。要素部３１ａの幅を２０μｍとし、その高さを１５０μｍ、２００μｍ、…、及び５００μｍとし、低周波の感度検証を行った。
【００５５】
図８（Ａ）及び８（Ｂ）は、検討構造例３について超音波装置の送信感度を評価した結果である。検討構造例３の構造の場合、要素部３１ａの高さが低くなると、低い周波側の感度が低下することが分かった。医療診断に使用する場合、超音波プローブは高周波帯として５ＭＨｚよりも小さい周波数帯域まで使用する場合もある。検討構造例３の構造を医療診断に応用する場合、要素部３１ａの高さは、少なくとも２００μｍより高くすることが好ましいことが分かった。
【００５６】
〔検討構造例４〕
検討構造例４の超音波探触子では、発振素子２０２に電圧を印可することで振動を発生するような解析モデルに変更し、発振素子２０２で発生した音波が音響整合層７３と音響レンズ７４とを通過し、音響レンズ７４から生体と同じ音響インピーダンスをもつ水に伝搬し、この超音波を受信する送信型の超音波装置をモデルとした。測定されるデータは、印加した電場の波形と、受信した圧力応答の変化とを周波数変換したものである。この場合、実際の超音波探触子に対応する系を用いることで、より正確な検証を行うことを目的とした。音響レンズ７４としては、密度が１．４ｇ／ｃｍ３であり、縦波音速が９００ｍ／ｓｅｃであり、横波音速が１００ｍ／ｓｅｃであるシリコーンゴムを想定した。
【００５７】
構造部材３１の理想的な能力を確認するため、構造部材３１の要素部３１ａの材料を、発振素子２０２と同じ材料であるＰＺＴとしたものと、それに対して音響インピーダンスが高いニッケル（５０ＭＲａｙｌｓ）としたものと、音響インピーダンスが低いスズ（２４ＭＲａｙｌｓ）としたものとを比較対象とした。要素部３１ａに対応する構造体の高さは５００μｍとし、構造体の幅１４μｍとし、構造体の天面を３μｍとした。また、充填部材３２の材料は、音響インピーダンスが２．７ＭＲａｙｌｓのものを想定した。検討構造例４における検証は、構造部材３１の材料ごとの相対的なズレを確認することを念頭としており、充填部材３２の音響インピーダンスは、音響レンズ７４にマッチングさせていない。
【００５８】
図９は、検討構造例４について超音波探触子の送信感度を評価した結果である。検討構造例４の構造の場合、構造部材３１の要素部３１ａの材料を発振素子２０２と同じであるＰＺＴをとした場合の周波数波形が最も形が整い良好という結果となった。したがって、構造部材３１の要素部３１ａとして最も理想的な材料は、発振素子２０２と同等の音響インピーダンスを有するものであると言える。構造部材３１の要素部３１ａの材料としてニッケルやスズを用いたものは、やや周波数特性のリップルの発生が強いものの、性能に影響しうる致命的な波形の乱れはなく、音響インピーダンスが６０％程度のずれは許容でき、広い周波数帯域における帯域確保できると分かった。
【００５９】
〔検討構造例５〕
検討構造例５の超音波探触子は、構造部材３１の充填部材３２の材料のマッチングを確認するための解析モデルである。構造部材３１の要素部３１ａの材料として、検討構造例４で用いたニッケルを使用し、充填部材３２の材料として、音響レンズ７４に対応させて、シリコーンゴムフィラーによって音響インピーダンスが２．０ＭＲａｙｌｓに調整されたエポキシ接着剤又は充填剤を仮定した。検討構造例５の比較例として、充填部材３２について、２．７ＭＲａｙｌｓで音響インピーダンスが調整さていないエポキシ接着剤又は充填剤を想定した。
【００６０】
図１０は、検討構造例５について超音波探触子の送信感度を評価した結果である。実線は充填部材３２として音響インピーダンス２．７Ｒａｙｌｓのエポキシ充填剤を用いた場合（比較例）を示し、点線は充填部材３２として音響インピーダンス２．０Ｒａｙｌｓのシリコーンゴムフィラーを入れたエポキシ充填材を用いた場合（検討構造例５）を示す。検討構造例５の構造の場合、充填部材３２が２．７ＭＲａｙｌｓの比較例に比べて、全体的な感度の向上効果が見られた。この結果から、充填部材３２の音響インピーダンスは、音響レンズ７４の音響インピーダンスと同等であることが好ましいと分かった。相対的に見た場合は、音響レンズ７４の音響インピーダンスが２．７ＭＲａｙｌｓでも他の条件の最適化によって使える可能性があることがわかった。
【００６１】
以下では、検討構造例１〜５の結果を踏まえ、バッファ層７３ｂがあることによる効果検証を行った結果を説明する。
【００６２】
〔検討構造例６〕
検討構造例６の超音波探触子では、構造部材３１の要素部３１ａの材料は、発振素子２０２に音響インピーダンスが近い３０ＭＲａｌｙｅｓの亜鉛とし、充填部材３２の材料は、音響レンズ７４に音響インピーダンスが近い２．０ＭＲａｙｌｓのシリコーンゴムフィラー含有のエポキシ接着剤とした。構造部材３１の要素部３１ａについては、錐台形状とし、要素部３１ａの構造高さを４５０μｍとし、要素部３１ａの１本の幅２０μｍとし、先細りの先端の幅が３μｍとなるようにした。
【００６３】
〔検討構造例７〕
検討構造例７の超音波探触子は、検討構造例６の超音波探触子に対して、構造部材３１の要素部３１ａの先端から３０μｍの部分に、充填材料からなるバッファ層７３ｂを追加した構造を有するものとした。
【００６４】
図１１は、検討構造例６、７について超音波探触子の送信感度を評価した結果である。結果を検証するため、感度帯域を６ｄＢ範囲で抽出した。もっとも感度が高いトップピーク位置から、隣り合うボトムピークの差分を比較した時に、バッファ層７３ｂがない検討構造例６の場合は、約２．４ｄＢの感度の落差が生じ、バッファ層７３ｂがある場合の検討構造例７の場合は、約１．１ｄＢの感度の落差が生じた。
【００６５】
実際の超音波診断装置では、送信した超音波が生体組織で反射し、再度、音響レンズ７４、音響整合層７３、及び発振素子２０２の順に伝達され、発振素子２０２の圧力が電圧に変換される。つまり、実際の系では音響整合層７３を２度通過することになり、本結果の感度に対して、２倍低下することが想定される。言い換えると、バッファ層７３ｂが無い検討構造例６の場合、１パスで２．４ｄＢの感度のリップルであったが、２パスにすることで約５ｄＢの感度差があるリップルに拡張されることが想定できる。検討構造例６に想定される感度差は、良好な画像を形成させるための感度としては、経験的に大きく、超音波診断装置として使用が難しいと判断できる。
【００６６】
図１２（Ａ）及び１２（Ｂ）は、図３等に示す構造部材３１の要素部３１ａの形成方法の一例を説明する図である。図１２（Ａ）に示すように、シリコンウェハ８１に多数の深穴８１ａを加工したものを型８０として準備する。この型８０に対して、深穴８１ａの内部をメッキ処理、若しくは、溶融した金属の流し込みよって、充填材８８で充填する。その後、図１２（Ｂ）に示すように、充填された型８０のシリコンウェハ８１を溶解によって除去することで、多数の要素部３１ａからなる構造体１０が得られる。構造体１０の隙間を充填部材３２で充填する際に、複数の要素部３１ａを先端が所定深さとなるまで埋め込むことによってバッファ層７３ｂを併せて形成することができる。なお、構造体１０の根元部分１０ａは、発振素子２０２に接続する前に除去することができる。
【００６７】
図１３（Ａ）及び１３（Ｂ）は、図３等に示す構造部材３１の要素部３１ａの形成方法の別例を説明する図である。図１３（Ａ）に示すように、多数の金属ワイヤー９１ａを束ねた前駆体９１を準備する。その後、図１３（Ｂ）に示すように、エッチング処理によって前駆体９１を構成する金属ワイヤー９１ａの先端側をニードル形状にすることで、多数の要素部３１ａからなる構造体１０が得られる。構造体１０の隙間を充填部材３２で充填する際に、複数の要素部３１ａを先端が所定深さとなるまで埋め込むことによってバッファ層７３ｂを併せて形成することができる。
【００６８】
以上で説明した実施形態の音響整合層７３では、複数の要素部３１ａの先端から音響レンズ７４までの間に、充填部材３２で形成されたバッファ層７３ｂが設けているので、音響整合層７３と音響レンズ７４との境界に起因して周波数特性にリップルが生じることを抑制でき、良好な画像の形成が可能になる。ここで、バッファ層７３ｂが構造部材３１を充填して構造部材３１の上層として延びる充填部材３２で形成されるので、バッファ層７３ｂを簡易な工程で作製することができ、音響整合層７３を簡単な構造とすることができる。
【００６９】
以上、実施形態に即して本発明を説明したが、本発明に係る音響整合層等は、上記のものには限られない。例えば構造部材３１の要素部３１ａの形状は、例示のものに限らず、様々なものとできる。
【符号の説明】
【００７０】
１０…構造体、  １０ａ…根元部分、  ２０…圧電体、  ３１…構造部材、  ３１ａ…要素部、  ３２…充填部材、  ３３…構造充填部、  ３８ａ，１３８ｂ，３８ｂ…要素部、  ４１，４２…電極、  ７０…超音波探触子、  ７１…振動部、  ７２…バッキング材、  ７３…音響整合層、  ７３ａ…本体層、  ７３ｂ…バッファ層、  ７４…音響レンズ、  ７６…駆動回路、  ７８ａ，７８ｂ…並列配線、  ７９…接着層、  ８０…型、  ８１…シリコンウェハ、  ８１ａ…深穴、  ８８…充填材、  ９１…前駆体、  ９１ａ…金属ワイヤー、  １００…超音波診断装置、  １０２…各圧電部材、  １２０…圧電集合体、  １４１，１４２…櫛歯状電極、  ２０２…発振素子、  ３００…制御装置
【図１】
2019135824.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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