(57)【要約】  本発明は、高出力超音波プローブに関するものであって、圧電材料が格子状に構成された圧電ウェーハと、圧電ウェーハの格子の間の空間を満たすポリマーと、を含む複合圧電素子が超音波プローブに使われることを特徴とする。超音波プローブは、高出力を有すると共に、広帯域幅を有し、超音波プローブで発生する熱を外部に放出させる熱排出部をさらに含むことによって、患者と接触する音響レンズの温度を低めることができる。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電材料からなるウェーハを格子状にカットする段階と、
前記ウェーハのカットされた格子の間にポリマーを満たす段階と、
前記ウェーハを研磨する段階と、
前記ウェーハに電極を生成させる段階と、
を含む高出力複合ウェーハの生産方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法で生産された高出力複合ウェーハ。
【請求項３】
請求項１に記載の方法で生産された高出力複合ウェーハを利用した複合圧電素子。
【請求項４】
請求項１に記載の方法で生産された高出力複合ウェーハを利用した複合圧電素子を含む超音波プローブ。
【請求項５】
超音波を集束または発散させる音響レンズと、
前記音響レンズで発生する熱を外部に排出させるために、前記音響レンズに連結された熱排出部と、
をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の超音波プローブ。
【請求項６】
圧電材料で作られた格子状の圧電ウェーハと、
前記圧電ウェーハの格子の間の空間を満たすポリマーと、
を含むことを特徴とする複合ウェーハ。
【請求項７】
圧電材料で作られた格子状の圧電ウェーハと、
前記圧電ウェーハの格子の間の空間を満たすポリマーと、
を含む複合ウェーハを利用した複合圧電素子。
【請求項８】
請求項５に記載の複合圧電素子を含む超音波プローブ。
【請求項９】
超音波を集束または発散させる音響レンズと、
前記音響レンズで発生する熱を外部に排出させるために、前記音響レンズに連結された熱排出部と、
をさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の超音波プローブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波プローブに係り、より詳細には、人体組職のバイブレーション（ｖｉｂｒａｔｉｏｎ）を誘導することができるほどの高出力を有しながらも、映像診断が可能な超音波プローブに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な超音波映像診断では、人体に超音波を伝達した後、反射信号を用いて映像を具現し、これを診断に活用する。しかし、最近、単に反射信号の映像具現にのみ留まらず、超音波が人体に伝達されたときに発生する人体組職のさまざまな変化を用いて多くの情報を得て、これを診断に活用する趨勢である。
【０００３】
そのような情報のうち、人体に伝達された超音波によって振動する人体組職の情報を用いて診断に活用する事例が増えている。そのためには、人体の振動を誘発するほどの高出力の超音波を使わなければならない。これにより、このような適用分野に使われる超音波プローブの場合、高出力を有しながら映像診断に問題のない広帯域幅を有しなければならない。すなわち、人体に伝達された超音波によって振動する人体組職の情報を用いて診断に活用する時、利用する超音波プローブは、高出力を有しながらも、広帯域幅を有する必要があるが、その具現が難しい実情である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする第１の課題は、高出力を有すると共に、広帯域幅を有する高出力複合ウェーハの生産方法を提供するところにある。
【０００５】
本発明が解決しようとする第２の課題は、高出力を有すると共に、広帯域幅を有する高出力複合ウェーハの生産方法で生産された高出力複合ウェーハを提供するところにある。
【０００６】
本発明が解決しようとする第３の課題は、高出力を有すると共に、広帯域幅を有する複合圧電素子を提供するところにある。
【０００７】
本発明が解決しようとする第４の課題は、高出力を有すると共に、広帯域幅を有する超音波プローブを提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、前記第１の課題を達成するために、圧電材料からなるウェーハを格子状にカットする段階と、前記ウェーハのカットされた格子の間にポリマーを満たす段階と、前記ウェーハを研磨する段階と、前記ウェーハに電極を生成させる段階と、を含む高出力複合ウェーハの生産方法を提供する。
【０００９】
本発明は、前記第２の課題を達成するために、前記高出力複合ウェーハの生産方法で生産された高出力複合ウェーハを提供する。
【００１０】
本発明の他の実施例による高出力複合ウェーハは、圧電材料で作られた格子状の圧電ウェーハと、前記圧電ウェーハの格子の間の空間を満たすポリマーと、を含みうる。
【００１１】
本発明は、前記第３の課題を達成するために、前記高出力複合ウェーハの生産方法で生産された高出力複合ウェーハを利用した複合圧電素子を提供する。
【００１２】
本発明の他の実施例による複合圧電素子は、圧電材料で作られた格子状の圧電ウェーハと、前記圧電ウェーハの格子の間の空間を満たすポリマーと、を含む複合ウェーハを利用することができる。
【００１３】
本発明は、前記第４の課題を達成するために、前記高出力複合ウェーハの生産方法で生産された高出力複合ウェーハを利用した複合圧電素子を含む超音波プローブを提供する。
【００１４】
本発明の一実施例によれば、超音波を集束または発散させる音響レンズと、前記音響レンズで発生する熱を外部に排出させるために、前記音響レンズに連結された熱排出部と、をさらに含みうる。
【００１５】
本発明の一実施例による高出力複合ウェーハの生産方法は、圧電材料からなるウェーハを格子状にカットする段階と、前記ウェーハのカットされた格子の間にポリマーを満たす段階と、前記ウェーハを研磨する段階と、前記ウェーハに電極を生成させる段階と、を含む。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、高出力を有すると共に、広帯域幅を有する超音波プローブを提供することができる。また、本発明によれば、高出力を有する超音波プローブで発生する熱を外部に放出させることによって、患者と接触する音響レンズの温度を低めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】低出力の超音波を発生させて超音波映像を得る超音波プローブの構造を示す図である。
【図２】高出力の超音波を発生させて超音波映像を得る超音波プローブの構造を示す図である。
【図３】本発明の望ましい一実施例による高出力超音波プローブの構造を示す図である。
【図４】一般的に使うウェーハと本発明の実施例による高いＱ値を有する複合ウェーハとの音響シミュレーション結果を示す。
【図５】本発明の一実施例による高いＱ値を有する複合ウェーハを製造する方法のフローチャートである。
【図６】高いＱ値を有する複合ウェーハを製造する方法の各段階でのウェーハを示す図である。
【図７】本発明の実施例によって製造された複合ウェーハを利用した超音波プローブを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、望ましい実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明する。しかし、これら実施例は、本発明をより具体的に説明するためのものであって、本発明の範囲が、これによって制限されないということは当業者に自明である。本発明が解決しようとする課題の解決方案を明確にさせるための発明の構成を本発明の望ましい実施例に基づいて、添付図面を参照して詳しく説明するが、図面の構成要素に参照番号を付与するに当って、同じ構成要素に対しては、たとえ他の図面上にあっても、同じ参照番号を付与し、当該図面についての説明時に必要な場合、他の図面の構成要素を引用できるということをあらかじめ明らかにする。同時に、本発明と関連した公知機能あるいは構成についての具体的な説明、そして、それ以外の諸般の事項が本発明の要旨を不明にする恐れがあると判断される場合、その詳細な説明を省略する。
【００１９】
図１は、低出力の超音波を発生させて超音波映像を得る超音波プローブの構造を示す図である。
【００２０】
図１を参照すると、超音波プローブは、レンズ１２０、音響整合層（ａｃｏｕｓｔｉｃｍａｔｃｈｉｎｇ  ｌａｙｅｒ）１３０、圧電素子（ｐｉｅｚｏ−ｍａｔｅｒｉａｌ）１４０、及び背面層１５０で構成される。
【００２１】
レンズ１２０は、超音波を集束させるために、超音波進行に時間差があるようにする。
【００２２】
音響整合層１３０は、圧電素子１４０の前面に位置しながら、圧電素子１４０と物体との間に超音波をよく伝達させる層であって、音響インピーダンスを物体に整合させる。
【００２３】
圧電素子１４０は、超音波を発生させて受信する能動素子であって、普通圧電物質を能動素子として使う。超音波センサーの感度と解像度は、圧電素子の電気的、機械的特性と密接な関連がある。圧電物質は、電気−機械結合係数が大きいＰＺＴ（Ｐｌｕｍｂｕｍ−Ｚｉｒｏｎａｔｅ−Ｔｉｔａｎａｔｅ）系の圧電セラミックスが使われるが、これに限定されるものではない。しかし、圧電セラミックスは、音響インピーダンスが大き過ぎてインピーダンス不整合（ｍｉｓｍａｔｃｈｉｎｇ）による難しさがある。このような音響インピーダンス不整合は、圧電素子１４０と物体との間に音響整合層１３０を使って解消する。
【００２４】
背面層１５０は、圧電素子１４０の背面に位置しながら、後方に放射された超音波を吸収することによって、超音波パルスの長さを減らす。背面層１５０の音響インピーダンスは、圧電素子の音響インピーダンスに近づくほど、その境界面で反射が少なくてパルスの持続時間が少なくなるので、軸方向の解像度が良くなり、理想的な場合、短い両極性の超音波パルスが得られる。しかし、背面層１５０による吸音損失が大きくなることによって、超音波センサーの感度が低下するので、パルス長との妥協が必要である。背面層１５０としては、エポキシにタングステン粉末を混合して浄化させた材料を使うことができる。
【００２５】
図１に示された超音波プローブは、鮮明な映像を得るために、広帯域幅を有しなければならず、そのために、電気機械結合係数（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ  ｆａｃｔｏｒ）が高い圧電体を使う。このように、電気機械結合係数が高い圧電体は、一般的にＱ値が小さくて高出力を出すことができなくなる。
【００２６】
一般的に、超音波プローブは、高い音響出力を有すると共に、映像診断が可能なプローブとして使用が難しい。一般的な超音波プローブは、映像診断に適した低いＱ値を有する圧電素子を使うために、印加することができる電圧に制限があって、高パワーを印加して高い音響出力を出すことができないためである。
【００２７】
図２は、高出力の超音波を発生させて超音波映像を得る超音波プローブの構造を示す図である。
【００２８】
図２に示された超音波プローブは、圧電素子１４０を除いて、図１に示された超音波プローブと同様に構成することができる。
【００２９】
図１に示された圧電素子１４０は、低いＱ値を有する圧電物質を使う一方、図２に示された圧電素子１４５は、高いＱ値を有する圧電物質を使う。
【００３０】
所望の高出力を出すために、高いＱ値の圧電物質を使うが、このような場合、高い音響出力を出すことはできるが、所望の品質の映像が得られない。これは、高いＱ値の圧電物質を使う場合、音響出力は高めることができるが、広帯域幅の信号を得にくいためである。
【００３１】
図３は、本発明の望ましい一実施例による高出力超音波プローブの構造を示す図である。
【００３２】
図３を参照すると、本実施例による高出力超音波プローブは、音響レンズ３２０、音響整合層３３０、圧電素子３４０、及び背面層３５０で構成される。
【００３３】
図３に示された音響レンズ３２０、音響整合層３３０、及び背面層３５０は、図１に示されたレンズ１２０、音響整合層１３０、及び背面層１５０と同様にされうる。
【００３４】
図３に示された圧電素子３４０と、図１及び図２に示された圧電素子１４０，１４５との差異点を以下で説明する。
【００３５】
本発明の実施例による圧電素子３４０は、高いＱ値を有する圧電物質を使用し、ポリマー（ｐｏｌｙｍｅｒ）と複合材料の形態で生産する。高いＱ値を有する圧電物質を使って高電圧を印加できるようになり、ポリマーとの複合材料によって変換効率も大きくなる。したがって、本発明の実施例による圧電素子３４０は、高い音響出力を出すと共に、広帯域幅の信号が得られる。
【００３６】
図４は、一般的に使うウェーハと本発明の実施例による高いＱ値を有する複合ウェーハとの音響シミュレーション結果を示す。
【００３７】
図４の（ａ）は、ＦＦＴスペクトルの結果を示したものであり、図４の（ｂ）は、パルス−エコーウェーブを示す図である。
【００３８】
一般的な圧電ウェーハを使ってプローブを作る場合と、高いＱ値を有する複合ウェーハ（ｈｉｇｈ  Ｑ−ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ  ウェーハ）を使ってプローブを作った場合とをシミュレーションすれば、複合ウェーハが既存の帯域幅は保持しながら高感度またはパワーを有することが分かる。
【００３９】
【表１】
2013518460.tif 000003
【００４０】
図４と表１とを参照すると、帯域幅は大きく差がないが、信号の大きさ（ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ）は、約４ｄＢ以上の複合ウェーハで製作したプローブが、既存の製品に比べて高いことが分かる。また高いＱ値を有する材料を使ったために、既存の製品に比べて高電圧を印加することができ、その音響出力効果は、さらに大きくなるように見える。
【００４１】
図５は、本発明の一実施例による高いＱ値を有する複合ウェーハを製造する方法のフローチャートであり、図６は、高いＱ値を有する複合ウェーハを製造する方法の各段階でのウェーハを示す図である。
【００４２】
以下、図５と図６とを参照して詳しく説明する。
【００４３】
５００段階で圧電ウェーハを格子状にカットする。図６の（ａ）と図６の（ｂ）とを参照すると、元の圧電ウェーハ（図６の（ａ））が格子状にカットされた状態のウェーハ（図６の（ｂ））に変化したことが分かる。
【００４４】
５１０段階でカットされた格子の間にポリマーを満たす。図６の（ｃ）を参照すると、カットされた格子の間にポリマーが満たされていることが分かる。ポリマーは、エポキシ（ｅｐｏｘｙ）が使われる。
【００４５】
５２０段階で研磨（ｌａｐｐｉｎｇ）して平らにする。平坦度が良い定盤にウェーハを押した後、研磨剤を加えながらウェーハと定盤とを相対運動させてウェーハの破片を除去する。研磨剤としては、Ａｌ２Ｏ３とグリセリン（ｇｌｙｃｅｒｉｎｅ）とを混ぜて使うことができる。
【００４６】
５３０段階でウェーハの一面に電極を生成させて、複合ウェーハを生成させる。図６の（ｄ）を参照すると、電極が生成された複合ウェーハが示されている。断面を見ると、圧電材料（ｐｉｅｚｏ  ｍａｔｅｒｉａｌ）とポリマー（ｐｏｌｙｍｅｒ）とが交互に位置していることが分かる。
【００４７】
図７は、本発明の他の実施例によって製造された複合ウェーハを利用した超音波プローブを示す図である。
【００４８】
図７を参照すると、本実施例による超音波プローブは、音響レンズ７１０、音響整合層７２０、複合圧電素子７３０、熱排出部７４０、及び背面層７５０で構成される。
【００４９】
音響レンズ７１０は、超音波進行に時間差があるようにして、超音波を集束または発散させる。
【００５０】
音響整合層７２０は、複合圧電素子７３０の前面に位置し、複合圧電素子７３０と物体との間に超音波をよく伝達させる層であって、音響インピーダンスを物体に整合させる。
【００５１】
複合圧電素子７３０は、圧電材料とポリマーとが図５に示された方法で交差するように構成されたものであって、高いＱ値を有しながらも、高い音響出力を有する。
【００５２】
熱排出部７４０は、音響レンズ７１０の熱を外部に排出する排出通路である。本実施例による超音波プローブは、高い音響出力を有するので、振動する複合圧電素子７３０によって熱が多く発生し、この熱は、患者に害を与える可能性があるので、患者と接触する音響レンズ７１０部分の温度を制限する必要がある。
【００５３】
ところが、高い音響出力を使用できるにも拘らず、音響レンズ７１０の表面温度の制限で高い音響出力が使用できなくなれば問題になる。これにより、複合圧電素子７３０で発生する熱を外部によく排出させることが重要となる。熱排出部７４０は、音響レンズ７１０に連結されて音響レンズ７１０の熱を外部に排出することが望ましいが、複合圧電素子７３０または音響整合層７２０に連結されて熱を外部に排出することも可能である。
【００５４】
背面層７５０は、複合圧電素子７３０の背面に位置しながら、後方に放射された超音波を吸収することによって、超音波パルスの長さを短くする。背面層７５０の音響インピーダンスは、複合圧電素子７３０の音響インピーダンスに近づくほど、その境界面で反射が少なく、パルスの持続時間が短くなるので、軸方向の解像度が良くなり、理想的な場合、短い両極性の超音波パルスが得られる。しかし、背面層７５０による吸音損失が大きくなることによって、超音波センサーの感度が低下するので、パルス長との妥協が必要である。背面層７５０としては、エポキシにタングステン粉末を混合して浄化させた材料を使うことができる。
【００５５】
以上、本発明についてその望ましい実施例を中心に説明した。当業者ならば、本発明が、本発明の本質的な特性から外れない範囲で変形された形態として具現可能であるということを理解できるであろう。したがって、開示された実施例は、限定的な観点ではなく、説明的な観点で考慮されなければならない。本発明の範囲は、特許請求の範囲に示されており、それと同等な範囲内にあるあらゆる差異点は、本発明に含まれたものと解析しなければならない。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明は、高出力超音波プローブ関連の技術分野に適用されうる。
【図１】
2013518460.tif 000004
【図２】
2013518460.tif 000005
【図５】
2013518460.tif 000006
【図６】
2013518460.tif 000007
【図３】
2013518460.tif 000008
【図４】
2013518460.tif 000009
【図７】
2013518460.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成24年7月24日(2012.7.24)
【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】請求項８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項８】
請求項７に記載の複合圧電素子を含む超音波プローブ。
【国際調査報告】
2013518460.tif 000011
2013518460.tif 000012
2013518460.tif 000013
2013518460.tif 000014