(57)【要約】【課題】超音波探触子の送信帯域の広帯域化を図りつつ、反射層からの不要な反射の影響を減じて高精細な超音波画像を得ることが可能な超音波探触子、及びかかる超音波探触子の製造方法を提供する。【解決手段】圧電素子の背面に反射層を設けている超音波探触子において、前記反射層は両面が平行で表面が平滑な板状であり、前記反射層の前記圧電素子と接する面は、音響インピーダンス値が前記圧電素子より大きい材料Ａと音響インピーダンス値が前記圧電素子より小さい材料Ｂがライン縞模様状に平行に繰り返される構造であり、前記材料Ａの前記反射層の圧電素子と接する面からの深さ方向の距離と、前記材料Ｂの前記反射層の圧電素子と接する面からの深さ方向の距離とは前記反射層内で各々一定である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子の背面に反射層を設けている超音波探触子において、
前記反射層は両面が平行で表面が平滑な板状であり、
前記反射層の前記圧電素子と接する面は、音響インピーダンス値が前記圧電素子より大きい材料Ａと音響インピーダンス値が前記圧電素子より小さい材料Ｂがライン縞模様状に平行に繰り返される構造であり、
前記材料Ａの前記反射層の圧電素子と接する面からの深さ方向の距離と、前記材料Ｂの前記反射層の圧電素子と接する面からの深さ方向の距離とは前記反射層内で各々一定であることを特徴とする超音波探触子。
【請求項２】
前記材料Ａと前記材料Ｂの各々が前記圧電素子と接する面からの各々の深さは、前記圧電素子が送信する超音波の主波長の５％以上であり、前記材料Ａが前記圧電素子と接する面からの深さが、材料Ｂが前記圧電素子と接する面からの深さより深いことを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子。
【請求項３】
材料Ａと材料Ｂとの一組が一定の距離ピッチで形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波探触子。
【請求項４】
材料Ａと材料Ｂとの一組が不定の距離ピッチで形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波探触子。
【請求項５】
前記距離ピッチは、前記圧電素子のエレベーション方向の長さまたはアジマス方向の長さよりも小さいことを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の超音波探触子。
【請求項６】
圧電素子の背面に反射層を設けている超音波探触子の製造方法において、
前記反射層は、両面が平行で表面が平滑な板状であり、前記圧電素子と接する面は、音響インピーダンス値が前記圧電素子より大きい材料Ａと音響インピーダンス値が前記圧電素子より小さい材料Ｂがライン縞模様状に平行に繰り返される構造であり、前記材料Ａの圧電素子と接する面からの深さ方向の距離と、前記材料Ｂの圧電素子と接する面からの深さ方向の距離とは各々一定であって、
前記材料Ａの平面である表面に、直線ライン状の一定深さの溝を平行に複数設け、該溝を前記材料Ｂにより埋め、前記表面を平滑面に研磨する工程を有することを特徴とする超音波探触子の製造方法。
【請求項７】
前記材料Ｂの前記圧電素子と接する面からの深さは、前記圧電素子が送信する超音波の主波長の５％以上であることを特徴とする請求項６に記載の超音波探触子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検体内に超音波を送信または受信する超音波探触子、及び、該超音波探触子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波は、通常、１６０００Ｈｚ以上の音波をいい、非破壊、無害及び略リアルタイムでその内部を調べることが可能なことから、欠陥の検査や疾患の診断等の様々な分野に応用されている。その一つに、被検体内を超音波で走査し、被検体内から来た超音波の反射波（エコー）から生成した受信信号に基づいて当該被検体内の内部状態を画像化する超音波診断装置がある。この超音波診断装置は、医療用では、他の医療用画像装置に較べて小型で安価であり、そしてＸ線等の放射線被爆が無く安全性が高いこと、また、ドップラ効果を応用した血流表示が可能であること等の様々な特長を有している。このため、超音波診断装置は、循環器系（例えば心臓の冠動脈等）、消化器系（例えば胃腸等）、内科系（例えば肝臓、膵臓及び脾臓等）、泌尿器系（例えば腎臓及び膀胱等）及び産婦人科系等で広く利用されている。
【０００３】
超音波診断装置には、被検体に対して超音波を送受信する超音波探触子が用いられている。超音波探触子は、圧電現象を利用することによって、送信の電気信号に基づいて機械振動して超音波を発生し、被検体内部で音響インピーダンスの不整合によって生じる超音波の反射波を受けて受信の電気信号を生成する複数の圧電素子を備え、これら複数の圧電素子が例えばアレイ状に２次元配列されて構成されている。
【０００４】
近年では、超音波探触子から被検体内へ送信された超音波の周波数（基本周波数）成分ではなく、その高調波成分によって被検体内の内部状態の画像を形成するハーモニックイメージング（Ｈａｒｍｏｎｉｃ  Ｉｍａｇｉｎｇ）技術が研究、開発されている。ハーモニックイメージング技術は、基本周波数成分のレベルに比較してサイドローブレベルが小さく、Ｓ／Ｎ比（Ｓｉｇｎａｌ  ｔｏ  Ｎｏｉｓｅ  ｒａｔｉｏ）が良くなってコントラストが向上すること、周波数が高くなることによってビーム幅が細くなって横方向分解能が向上すること、近距離では音圧が小さくて音圧の変動が少ないために多重反射が抑制されること、及び、焦点以遠の減衰が基本波並みであり高周波を基本波とする場合に較べて深速度を大きく取れること等の様々な利点を有している。（例えば、特許文献１，２参照）。
【０００５】
かかる高調波成分を利用する場合には、超音波探触子自体の帯域を広げる必要があり、例えば、反射層を設けた構造体（例えば特許文献３）に対し、反射層の形状共振する波長を広げる反射層が提案されている（例えば、特許文献４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−１１８０６５号公報
【特許文献２】特開２００７−１８５５２５号公報
【特許文献３】特開２００９−２１３１３７号公報
【特許文献４】特開２００５−２８６７０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献４に記載の技術は、構造体に設けられた音響インピーダンスの異なる部分の形状に考慮されていないことから、各部分において超音波の不要な反射が生じ、超音波画像に影響を与えてしまうという不具合が生じる。
【０００８】
そこで、本発明は、超音波探触子の送信帯域の広帯域化を図りつつ、反射層からの不要な反射の影響を減じて高精細な超音波画像を得ることが可能な超音波探触子、及びかかる超音波探触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】
【０００９】
前述の目的は、下記に記載する発明により達成される。
【００１０】
１．圧電素子の背面に反射層を設けている超音波探触子において、
前記反射層は両面が平行で表面が平滑な板状であり、
前記反射層の前記圧電素子と接する面は、音響インピーダンス値が前記圧電素子より大きい材料Ａと音響インピーダンス値が前記圧電素子より小さい材料Ｂがライン縞模様状に平行に繰り返される構造であり、
前記材料Ａの前記反射層の圧電素子と接する面からの深さ方向の距離と、前記材料Ｂの前記反射層の圧電素子と接する面からの深さ方向の距離とは前記反射層内で各々一定であることを特徴とする超音波探触子。
【００１１】
２．前記材料Ａと前記材料Ｂの各々が前記圧電素子と接する面からの各々の深さは、前記圧電素子が送信する超音波の主波長の５％以上であり、前記材料Ａが前記圧電素子と接する面からの深さが、材料Ｂが前記圧電素子と接する面からの深さより深いことを特徴とする前記１に記載の超音波探触子。
【００１２】
３．材料Ａと材料Ｂとの一組が一定の距離ピッチで形成されていることを特徴とする前記１または２に記載の超音波探触子。
【００１３】
４．材料Ａと材料Ｂとの一組が不定の距離ピッチで形成されていることを特徴とする前記１または２に記載の超音波探触子。
【００１４】
５．前記距離ピッチは、前記圧電素子のエレベーション方向の長さまたはアジマス方向の長さよりも小さいことを特徴とする前記１から４の何れか一項に記載の超音波探触子。
【００１５】
６．圧電素子の背面に反射層を設けている超音波探触子の製造方法において、
前記反射層は、両面が平行で表面が平滑な板状であり、前記圧電素子と接する面は、音響インピーダンス値が前記圧電素子より大きい材料Ａと音響インピーダンス値が前記圧電素子より小さい材料Ｂがライン縞模様状に平行に繰り返される構造であり、前記材料Ａの圧電素子と接する面からの深さ方向の距離と、前記材料Ｂの圧電素子と接する面からの深さ方向の距離とは各々一定であって、
前記材料Ａの平面である表面に、直線ライン状の一定深さの溝を平行に複数設け、該溝を前記材料Ｂにより埋め、前記表面を平滑面に研磨する工程を有することを特徴とする超音波探触子の製造方法。
【００１６】
７．前記材料Ｂの前記圧電素子と接する面からの深さは、前記圧電素子が送信する超音波の主波長の５％以上であることを特徴とする前記６に記載の超音波探触子の製造方法。
【発明の効果】
【００１７】
超音波探触子の送信帯域の広帯域化を図りつつ、反射層からの不要な反射の影響を減じて高精細な超音波画像を得ることが可能な超音波探触子、及びかかる超音波探触子の製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施形態に係る超音波診断装置Ｓの外観構成を示す概要図である。
【図２】実施形態に係る超音波診断装置Ｓの電気的な構成を示すブロック図である。
【図３】実施形態に係る超音波診断装置Ｓの超音波探触子２の振動部３０の構成を示す概要図である。
【図４】圧電部３２をｚ方向から見た模式図である。
【図５】圧電部３２内で共振する超音波の共振周波数を決定する機能についての説明図である。
【図６】圧電部３２内で共振する超音波の共振周波数を決定する機能についての説明図である。
【図７】二軸方向に圧電素子３２１を有する圧電部３２の模式図である。
【図８】反射層３１の作製方法の一例の模式図である。
【図９】反射層３１の作製方法の他の例の模式図である。
【図１０】得られた第１バッキング層３１を用いて振動部３０を組み立てる順番を示した模式図である。
【図１１】作製した超音波探触子２、比較探触子Ａ、Ｂを用いて超音波の送受信を行い、ＦＦＴ解析をかけた周波数特性を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に本発明の実施形態を図面により説明するが、本発明は以下に説明する実施形態に限られるものではない。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。なお、本発明における圧電部とは、対向する２つの電極ではさまれた、圧電挙動を示す部分を指す。
【００２０】
図１は、実施形態に係る超音波診断装置Ｓの外観構成を示す概要図である。図２は、実施形態に係る超音波診断装置Ｓの電気的な構成を示すブロック図である。図３は、実施形態に係る超音波診断装置Ｓの超音波探触子２の構成を示す概要図である。
【００２１】
超音波診断装置Ｓは、図１及び図２に示すように、図略の生体等の被検体Ｈに対して超音波を送信すると共に、被検体Ｈで反射した超音波の反射超音波を受信する超音波探触子２と、超音波探触子２とケーブル３を介して接続され、超音波探触子２へケーブル３を介して電気信号の送信信号を送信することによって超音波探触子２に被検体Ｈに対して超音波を送信させると共に、超音波探触子２で受信された被検体Ｈ内からの反射超音波に応じて超音波探触子２で生成された電気信号の受信信号に基づいて被検体Ｈ内の内部状態を超音波画像として医用画像に画像化する超音波診断装置本体１とを備えて構成される。
【００２２】
超音波診断装置本体１には、超音波探触子２を使用しない時に、超音波探触子２を保持させておく超音波探触子フォルダ４が備えられている。
【００２３】
超音波診断装置本体１は、例えば、図２に示すように、操作入力部１１と、送信部１２と、受信部１３と、受信信号処理部１４と、画像処理部１５と、表示部１６と、制御部１７と、記憶部１９と、送信信号処理部１８と、を備えて構成されている。
【００２４】
操作入力部１１は、例えば、診断開始を指示するコマンドや被検体Ｈの個人情報等のデータを入力するものであり、例えば、複数の入力スイッチを備えた操作パネルやキーボード等である。
【００２５】
送信信号処理部１８は、制御部１７の制御に従って、後述する圧電部３２を駆動する電気信号の送信信号を生成する機能を有する送信手段としての回路である。
【００２６】
送信部１２は、送信信号処理部１８が生成した電気信号を増幅し、超音波探触子２内の圧電部３２へ、ケーブル３を介して送信信号を供給し、超音波探触子２に超音波を発生させる。送信部１２は、例えば、高電圧のパルスを生成する高圧パルス発生器等を備えて構成される。
【００２７】
受信部１３は、制御部１７の制御に従って、超音波探触子２からケーブル３を介して電気信号の受信信号を受信する受信手段としての回路であり、この受信信号を受信信号処理部１４へ出力する。受信部１３は、例えば、受信信号を予め設定された所定の増幅率で増幅する増幅器、及び、この増幅器で増幅された受信信号をアナログ信号からデジタル信号へ変換するアナログ−デジタル変換器等を備えて構成される。
【００２８】
受信信号処理部１４は、制御部１７の制御に従って、受信部１３からの電気信号から高調波成分を抽出したり、所定の信号処理を施す高調波抽出部としての回路であり、その信号処理した反射受信信号を画像処理部１５へ出力する。
【００２９】
画像処理部１５は、制御部１７の制御に従って、受信信号処理部１４で信号処理された反射受信信号に基づいて、ハーモニックイメージング技術等を用いて被検体Ｈ内の内部状態の超音波画像を生成する回路である。また、例えば、反射受信信号に対して包絡線検波処理を施すことにより、反射超音波の振幅強度に対応したＢモード信号を生成する。
【００３０】
記憶部１９はＲＡＭやＲＯＭで構成され、制御部１７に用いられるプログラムが記録され、また、表示部１６で表示する各種画像のテンプレートが記録されている。
【００３１】
制御部１７は、例えば、マイクロプロセッサ、記憶素子及びその周辺回路等を備えて構成され、これら操作入力部１１、送信部１２、受信部１３、受信信号処理部１４、画像処理部１５、表示部１６、送信信号処理部１８、記憶部１９を当該機能に応じてそれぞれ制御することによって超音波診断装置Ｓの全体制御を行う回路である。
【００３２】
表示部１６は、制御部１７の制御に従って、画像処理部１５で生成された超音波画像を表示する装置である。表示部１６は、例えば、ＣＲＴディスプレイ、ＬＣＤ、ＥＬディスプレイ及びプラズマディスプレイ等の表示装置やプリンタ等の印刷装置等である。
【００３３】
一方、超音波探触子２は、振動部３０を備える。振動部３０は、図略の生体等の被検体Ｈに対して超音波を送信すると共に、被検体Ｈからの反射超音波を受信する。振動部３０は、図３に示すように、圧電部３２と、音響整合層３３と、音響レンズ３４と、反射層３１と、ＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ  ｐｒｉｎｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔｓ）３５と、バッキング層３６と、固定板３７とを有する。
【００３４】
図４は、圧電部３２をｚ方向から見た模式図である。圧電部３２は周期性が一軸方向（アジマス方向）のみの１次元状に複数の圧電素子３２１を備える。
【００３５】
圧電部３２は、圧電素子３２１における圧電現象を利用することによって電気信号と超音波との間で相互に信号を変換するものである。圧電部３２は、超音波診断装置本体１の送信部１２からケーブル３を介して入力された送信信号の電気信号を超音波へ変換して超音波を送信すると共に、受信した反射超音波を電気信号へ変換してこの電気信号（受信信号）を、ケーブル３を介して超音波診断装置本体１の受信部１３へ出力する。超音波探触子２が被検体Ｈに当接されることによって圧電部３２で生成された超音波が被検体Ｈ内へ送信され、被検体Ｈ内からの反射超音波が圧電部３２で受信される。圧電材料には無機材料や有機材料が使用される。
【００３６】
圧電部３２における圧電素子３２１には、送信信号を圧電素子３２１に印加するための図示しない電極が形成されている。後述するように、圧電部３２において超音波が共振せられるが、かかる超音波に比べて電極は十分薄いので、以下に説明する超音波の挙動には電極の存在は影響しない。従って、圧電素子３２１の反射層３１に対向する面は、反射層３１に接していると看做す。また、圧電部３２に超音波が共振するとは、圧電部３２内における圧電素子３２１内で超音波が共振することを示すものとする。
【００３７】
圧電ユニット３８は、圧電部３２と反射層３１とを有する。圧電ユニット３８は、圧電部３２内で所定の波長の超音波を共振させて送信する機能を有する。詳しくは後述する。
【００３８】
圧電部３２には、後述するＦＰＣ３５から反射層３１を通して形成される電極でショートしないように空隙の溝３０２が形成されている。
【００３９】
音響整合層３３は第１音響整合層３３１と、第２音響整合層３３２とを有する。
【００４０】
音響整合層３３は、圧電部３２の音響インピーダンスと被検体Ｈの音響インピーダンスの間の値の音響インピーダンスを備えることで、圧電部３２から送信される超音波を被検体Ｈに送信する際に、圧電部３２と被検体Ｈとの音響インピーダンスの差に応じて生じる反射超音波を軽減する機能を有し、圧電部３２で生じた超音波を被検体Ｈへ、また被検体Ｈ内で反射した超音波を圧電部３２へ効率良く伝達することができる。
【００４１】
本実施形態のごとく第１音響整合層３３１と第２音響整合層３３２の二つの音響整合層を備えることで、音響整合層が一つに場合に比べて、圧電部３２と被検体Ｈの音響インピーダンスを徐々に変化させることができ、圧電部３２と被検体Ｈの間で生じる反射超音波の大きさをより軽減することができる。なお、圧電部３２から被検体Ｈへ音響インピーダンスが徐々に近づいていくように３層以上の音響整合層を形成すれば、さらに反射超音波の大きさを軽減できることは言うまでもない。
【００４２】
音響レンズ３４は、圧電部３２から送信される超音波を測定箇所へ向けて集束させる機能を有する。
【００４３】
反射層３１は、両面が平行で表面が平滑な板状である。本願の平滑とは、研磨等の平滑化手段を施すことで平滑としている面であり、表面の算術平均粗さで表現すると、Ｒａが５μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは１μｍ以下であり、特に好ましくは３００ｎｍ以下である。表面の算術平均粗さＲａの下限値は特にないが、１ｎｍ以下を作成することは非常に制作コストが必要となるため、１ｎｍ以上が好ましい。
【００４４】
反射層３１は、圧電部３２の音響インピーダンスに比べて音響インピーダンスが大きい部分と小さい部分とを圧電部３２に接する面に備えている。
【００４５】
反射層３１は、圧電部３２で発生し、圧電部３２内で共振する超音波の周波数（共振周波数）を決定する機能を有する。詳しくは後述する。
【００４６】
ＦＰＣ３５はフレキシブルプリント基板であり、超音波探触子を電気的に制御するための回路が形成されている。
【００４７】
バッキング層３６は、超音波を吸収する材料から構成された部材であり、圧電部３２からバッキング層３６方向へ放射される超音波を吸収するものである。
【００４８】
バッキング層３６に用いられるバッキング材としては、天然ゴム、フェライトゴム、エポキシ樹脂に酸化タングステンや酸化チタン、フェライト等の粉末を入れてプレス成形した材料、塩化ビニル、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）、ＡＢＳ樹脂、ポリウレタン（ＰＵＲ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡＬ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴＰ）、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ）ポリエチレングリコール、ポリエチレンテレフタレート−ポリエチレングリコール共重合体などの熱可塑性樹脂などを用いることができる。
【００４９】
好ましいバッキング材としては、ゴム系複合材料及びまたはエポキシ樹脂複合材からなるものであり、その形状は圧電体や圧電体を含むプローブヘッドの形状に応じて、適宜選択することができる。
【００５０】
バッキング材の厚さは、概ね１〜１０ｍｍが好ましく、特に１〜５ｍｍであることが好ましい。
【００５１】
固定板３７は、バッキング層３６を固定し、超音波探触子２に剛性を持たせたり、加工時に固定したりする機能を有するものである。
【００５２】
次いで、圧電ユニット３８の機能、すなわち圧電部３２内で共振する超音波の共振周波数を決定する機能について説明する。
【００５３】
図５と図６は、圧電部３２内で共振する超音波の共振周波数を決定する機能についての説明図である。なお超音波の伝搬は縦波であるが、理解しやすいように横波表記している。
【００５４】
圧電素子３２１は一定の帯域を有する超音波を発生させる。超音波は複数の波長の超音波を束ねたものであり、圧電素子３２１の面Ｍ１と面Ｍ２との間、または面Ｍ１と面Ｍ３との間で共振した超音波が増幅されて送信され、超音波診断に供される。
【００５５】
共振に際しては、面Ｍ１と面Ｍ２、または面Ｍ１と面Ｍ３において超音波の腹、または節が形成される。具体的には、圧電素子３２１と外部の境界面において圧電素子３２１の音響インピーダンスが外部の音響インピーダンスより大きければ、その境界面は超音波にとって自由端となるので、超音波の腹が形成される。
【００５６】
一方、圧電素子３２１と外部の境界面において圧電素子３２１の音響インピーダンスが外部の音響インピーダンスより小さければ、その境界面は超音波にとって固定端となるので、超音波の節が形成される。
【００５７】
つまり、圧電素子３２１と外部の境界面において圧電素子３２１の音響インピーダンスが外部の音響インピーダンスに対して大きいか小さいかを制御することで、超音波が節を結ぶか腹を形成するかを制御することができるので、波長の大きさを制御することができることとなる。
【００５８】
なお、ここでは最も基本的な現象について説明したが、実際には接する材料の音響インピーダンスの大きさや、境界面での音響インピーダンスの差の大きさによっても超音波の共振現象は変化しうる。従って、ここでは音響インピーダンスの大小関係と共振現象について、圧電部３２の音響インピーダンスをＺｐ、溝５１の音響インピーダンスをＺｋ、部材５２の音響インピーダンスをＺｄとした場合、Ｚｐ≧Ｚｋでは自由端反射、Ｚｐ＜Ｚｄでは固定端反射と定義する。
【００５９】
図５において、反射層３１は、凸部５２と溝５１とを有する。
【００６０】
反射層３１は、被検体Ｈ方向に存在する第１音響整合層３３１と接する面Ｍ１を有している。
【００６１】
凸部５２と溝５１とは、紙面奥行き方向（ｘ方向）に直線的に延在している。反射層３１をｚ方向から見渡すと凸部５２と溝５１とがライン縞模様状に平行に繰り返される構造となっている。凸部５２と溝５１とは、各々一定の距離ピッチ（以下、単にピッチ）で配列されている。凸部５２と溝５１とで一組とした場合、場所に依らずに一定のピッチであることが製造容易性の面で好ましい。
【００６２】
一方、凸部５２と溝５１とは、場所によって同一でない不定ピッチで配列されていてもよい。
【００６３】
凸部５２は、圧電部３２に接する面Ｍ３を備え、圧電部３２の音響インピーダンスに比べて音響インピーダンスが大きい部分である。
【００６４】
溝５１は、圧電部３２に接する面Ｍ２を備え、圧電部３２の音響インピーダンスに比べて音響インピーダンスが小さい部分である。
【００６５】
面Ｍ３から、凸部５２の深さ方向の面までの距離は、各凸部５２毎に反射層３１内で一定である。また、面Ｍ２から、溝５１の深さ方向の面までの距離は、溝５１毎に反射層３１内で一定にしている。
【００６６】
これは、凸部５２の深さ方向の面から圧電部３２方向に反射する超音波の大きさを各凸部５２毎に一定にし、また同じく溝５１の深さ方向の面から圧電部３２方向に反射する超音波の大きさを各溝５１毎に一定にすることで、超音波診断に与える影響を減ずるためである。
【００６７】
図５では、溝５１は、反射層３１の表面を掘り込んだ形状となっているが、溝５１が反射層３１の下面まで到達していてもよい。なお、反射層３１において、溝５１の圧電素子３２１に接する面から、反対面までの距離を深さと表現する。また、反射層３１において、凸部５２の圧電素子３２１に接する面から、反対面までの距離も同様に深さと表現する。
【００６８】
かかる圧電素子３２１は、溝５１が圧電部３２の音響インピーダンスに比べて音響インピーダンスが小さいので、面Ｍ１と面Ｍ２との間で共振する超音波ｗ１は１／２波長共振を生じ、面Ｍ１、面Ｍ２ともに腹を形成する。
【００６９】
また、凸部５２が圧電部３２の音響インピーダンスに比べて音響インピーダンスが大きい部分であるので、面Ｍ１と面Ｍ３との間で共振する超音波ｗ２は１／４波長共振を生じ、面Ｍ１では腹を、面Ｍ３では節を形成する。
【００７０】
図５では、面Ｍ１において腹を形成するとして波形状態を描いている。このように、超音波ｗ１、ｗ２は、面Ｍ１においては、共振時、腹の同じ波形状態となり、他方の面Ｍ２，Ｍ３において、異なる波形状態となるので、共振する波長が異なるので共振周波数が異なることとなる。
【００７１】
具体的には、図５においては、波長が最も長くなるように描かれ、超音波ｗ１の波長は超音波ｗ２の波長の半分の大きさとなっている。また、図６のような場合には、超音波ｗ１の波長は超音波ｗ２の波長の１／４の大きさとなっている。
【００７２】
このように、圧電部３２の音響インピーダンスに比べて音響インピーダンスが大きい凸部５２、と小さい溝５１とは、互いに異なる材料を適宜選択して設定する。
【００７３】
溝５１に用いられる材料としては、Ｚｐ≧Ｚｋを満たす材料であり、凸部５２に用いられる材料としては、Ｚｐ＜Ｚｄを満たす材料である。
【００７４】
特に圧電部３２が有機圧電材料の場合、Ｚｐは２〜４ＭＲａｙｌ．のため、溝５１に用いられる材料は、Ｚｋが１．５〜４ＭＲａｙｌ．のものが好ましい。また凸部５２に用いられる材料は、Ｚｄが５〜１２０ＭＲａｙｌ．のものが好ましく、１０〜４０ＭＲａｙｌ．のものがより好ましい。
【００７５】
一方、圧電部３２が無機圧電材料の場合、モノリシック、コンポジット（１−３、２−２、１−３−０）など様々な構造を取りうる。おおよそＺｐは１０〜４０ＭＲａｙｌ．のため、溝５１に用いられる材料は、Ｚｋが１．５〜１０ＭＲａｙｌ．のものが好ましい。また凸部５２に用いられる材料は、Ｚｄが４０〜１２０ＭＲａｙｌ．のものが好ましく、４０〜１２０ＭＲａｙｌ．のものがより好ましい。
【００７６】
溝５１の音響照射軸方向の深さは０．００１〜１ｍｍが好ましく、また詳細には溝５１，凸部５２のうち、浅い方の深さが、駆動時の超音波の波長の５％以上であれば、境界条件の違いを明確に発現することができるので好ましい。さらには、溝５１に侵入した超音波が溝５１の底面で反射し、再度圧電部３２に入ってノイズとならないように、面Ｍ２で打ち消しあうような溝の深さを設定することも好ましい。
【００７７】
また、図５に示されているように、溝５１，凸部５２は、各圧電素子３２１内に、複数の共振が発生するように、エレベーション方向で比べると、圧電素子３２１の幅（エレベーションの長さ）より小さい幅を有していることが望ましい。各圧電素子３２１のエレベーション方向において、周期性を持たせたりしてもよいし、周期性を変化させて不定ピッチにしたりすることもできる。
【００７８】
特に、エレベーション方向で比べると、溝５１，凸部５２の各々の長さは圧電素子３２１の長さの整数分の一であることが望ましい。また、溝５１，凸部５２の各々の長さは同一でなくともよい。また、場所によって異なっていてもよい。さらに、溝５１と凸部５２とで一組とした場合、この一組は周期的に並んでいてもよいし、非周期的に並んでいてもよい。ただし、溝５１が圧電素子３２１に接する総面積と、凸部５２が圧電素子３２１に接する総面積の比が０．５〜２．０であることが、各圧電素子内に複数の共振周波数を生じさせる点で好ましい。すなわち、全ての溝５１が圧電素子３２１に接する総面積が、全ての凸部５２が圧電素子３２１に接する総面積の０．５倍から１倍の間であり、または、全ての凸部５２が圧電素子３２１に接する総面積が、全ての溝５１が圧電素子３２１に接する総面積の０．５倍から１倍の間であることが好ましい。
【００７９】
図７は、二軸方向に圧電素子３２１を有する圧電部３２の模式図である。
【００８０】
周期性が一軸方向、二軸方向の両方の場合においても、圧電素子３２１の長軸の長さをＬとした場合、溝５１と凸部５２とを一組とした場合の周期性の繰り返しピッチは平均Ｌ／３以下であることが好ましい。
【００８１】
このような２次元配置の圧電素子３２１に用いる電極も２次元状の電極となる。
【００８２】
凸部５２に用いられる材料としては、タングステン、タンタル、コバルト、モリブデン、ハフニウム、クロムなどの炭化物、窒化物、ホウ化物などがあげられる。好ましくは、タングステンカーバイド（ＷＣ、Ｗ２Ｃ）、ホウ化タングステン（ＷＢ、Ｗ２Ｂ５）、タンタルカーバイド（ＴａＣ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、ホウ化タンタル（ＴａＢ２）のような化合物から、金属単体、合金（例えばＳＵＳ）などである。
【００８３】
溝５１に用いられる材料としては、エポキシ樹脂、シリコン樹脂等の汎用樹脂、さらには前記汎用樹脂にフィラー、微粒子、微粉末を添加したものなどが利用できる。特にフィラーなど添加したものは、音響インピーダンスの調整が可能となるため好ましい。また圧電部３２との接着性や超音波伝達の音響特性にも関係するため、エポキシ樹脂、シリコン樹脂が特に好ましい。
【００８４】
図８は、反射層３１の作製方法の一例の模式図である。図８の反射層３１の作製方法においては、ダイサーを利用する。図８（ａ）に示すように、音響インピーダンスが圧電部３２より大きい材料の平板９１を用意し、この平板９１をダイシングして溝９２と凸部５２を形成する。そして、図８（ｂ）に示すように、音響インピーダンスが圧電部３２より小さい値の材料を液状にし、溝９２に流し込む。平板９１の上面からはみ出る材料は除去する。液状の材料を乾燥させるためにオーブンにて焼成、もしくは硬化し、必要ならダイシング加工面の研磨を行い、溝５１を形成する。そうして固体化された反射層３１を得る。なお溝９２を加工後に、溝９２に流し込む材料を用いて圧電部３２を接着し、溝９２への材料充填と圧電部３２との接着を同時に行うことも可能である。こちらの方が工程を短縮できるメリットがある。
【００８５】
かかる作製方法によれば、凸部５２圧電素子３２１と接する面からの深さが、溝５１が圧電素子３２１と接する面からの深さより深くなる。
【００８６】
図９は、反射層３１の作製方法の他の例の模式図である。最初に、音響インピーダンスが圧電部３２より大きい固体材料１０１と、音響インピーダンスが圧電部３２より小さい値の固体材料１０２とを図９（ａ）に示すように複数枚張り合わせる。そしてカットラインＣＬに沿ってダイサーなどでカットし、図９（ｂ）に示すように薄板状に形成する。この状態で反射層３１が得られたことになるが、寸法の最適化や剛性強化のために、図９（ｃ）に示すように、平板１０３を接合してもよい。
【００８７】
図１０は、得られた反射層３１を用いて振動部３０を組み立てる順番を示した模式図である。
【００８８】
最初に図１０（ａ）に示すように、予め積層しておいた音響整合層３３と圧電部３２と反射層３１を接合する。次いで、図１０（ｂ）に示すように、圧電部３２の信号線とグランド線がショートしないように、反射層３１に、溝３０１を形成する。溝３０１は例えばダイサー等で形成される。その後図１０（ｃ）に示すように、予めＦＰＣ３５、バッキング層３６、固定板３７を積層しておいたものを、ＦＰＣ３５と反射層３１が接するように接着する。最後に図１０（ｄ）に示すように音響レンズ３４を接着し、振動部３０を得る。
【実施例】
【００８９】
（超音波探触子２の作製）
反射層３１について、５．１ｍｍ×５２．５ｍｍ×１００μｍに成型したタングステンカーバイド板に、ダイシングにより幅４０μｍ、深さ２０μｍ、６０μｍピッチで長軸方向に溝入れした。次いで、形成した溝にエポキシ系樹脂Ｃ−１００１Ａ／Ｂ（株式会社テスク社製）を真空中で充填し、熱硬化後表面を算術平均粗さＲａが２μｍ以下になるように研磨した。
【００９０】
次いで、音響整合層３３と圧電部３２と反射層３１をエポキシ系接着剤ＤＰ−４６０（３Ｍ社製）で、２．９４×１０６Ｐａの圧力下、５０℃４時間で接着した。
【００９１】
次いで、無機圧電素子を用いた圧電部３２の信号線とグランド線がショートしないように、反射層３１に、完全に切断した溝３０１をダイシングにより形成した。
【００９２】
その後、パターニングされたＦＰＣ３５、バッキング層３６、固定板３７を予め先と同様の接着条件で積層接着しておいたものを、ＦＰＣ３５と反射層３１が接するように接着した。
【００９３】
その後、長手方向（アジマス方向）に０．１５ｍｍピッチで２０μｍの厚みを有するブレードでダイシングを行った。さらに、パリレン処理にて３μｍ程度の絶縁層を設け、さらにその上に音響レンズ３４を接着した。次いで、ＦＰＣ３５にコネクタを接続し、こうして作製した振動部３０（超音波トランスデューサ）をケースに収め、超音波探触子２を作製した。
（比較探触子Ａ、Ｂの作製）
超音波探触子２の構造中の反射層３１を除いたものを作製し、比較探触子Ａとした。また超音波探触子２の構造中の反射層３１の溝入れ加工をしなかったものを搭載した探触子を比較探触子Ｂとした。
（超音波探触子の評価）
作製した超音波探触子２、比較探触子Ａ、Ｂに、パルサーレシーバー（ＰＡＮＡＭＥＴＲＩＣＳ−ＮＤＴ  ＭＯＤＥＬ  ５９００ＰＲ、オリンパス社製、入力インピーダンス５０００Ω）とオシロスコープ（ＴＰＳ５０３２、Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ社製）を接続し、脱気した水の中に入れ、超音波放射面側に金属製の反射板を配置した。送受信した超音波は、電気信号に変換され、オシロスコープでその電圧波形を確認した。超音波探触子２と反射板とのアライメントは、電圧波形の実効値が最大となる座標で決定した。アライメントの後、超音波の送受信を行い、ＦＦＴ解析をかけた周波数特性を比較した。その結果を図１１に示す。横軸は周波数、縦軸は感度を表す。また各々の特性について、最大感度から−６ｄＢにおける帯域幅（ＭＨｚ）と中心周波数（ＭＨｚ）、比帯域（％）（帯域幅／中心周波数×１００）をそれぞれ求め、表１に示した。
【００９４】
本発明にかかる超音波探触子２の比帯域は比較探触子Ａ，Ｂに対して大きくなっていることが分かる。すなわち、超音波探触子２は比較探触子Ａ，Ｂに対して広帯域化が可能となった。
【００９５】
【表１】
2012129595.tif 000003
【００９６】
以上のように、本実施形態によれば、圧電素子の背面に反射層を設けている超音波探触子において、前記反射層は両面が平行で表面が平滑な板状であり、前記反射層の前記圧電素子と接する面は、音響インピーダンス値が前記圧電素子より大きい材料Ａと音響インピーダンス値が前記圧電素子より小さい材料Ｂがライン縞模様状に平行に繰り返される構造であり、前記材料Ａの前記反射層の圧電素子と接する面からの深さ方向の距離と、前記材料Ｂの前記反射層の圧電素子と接する面からの深さ方向の距離とは前記反射層内で各々一定であることから、
前記材料Ａの深さ方向の面から圧電部３２方向に反射する超音波の大きさを前記材料Ａ毎に一定にし、また同じく前記材料Ｂの深さ方向の面から圧電部３２方向に反射する超音波の大きさを前記材料Ｂ毎に一定にすることで、
超音波探触子の送信帯域の広帯域化を図りつつ、反射層からの不要な反射の影響を減じて高精細な超音波画像を得ることが可能な超音波探触子を提供できる。
【００９７】
また、他の実施形態によれば、前記材料Ａと前記材料Ｂの各々が前記圧電素子と接する面からの各々の深さは、前記圧電素子が送信する超音波の主波長の５％以上であり、前記材料Ａが前記圧電素子と接する面からの深さが、前記材料Ｂが前記圧電素子と接する面からの深さより深いことから、前記材料Ａと前記材料Ｂの各々が前記圧電素子と接する面における境界条件の違いを明確に発現することができる。さらに、音響インピーダンスが前記圧電素子より大きい材料に対して、溝を形成し前記圧電素子よりインピーダンスが小さい値の材料を液状にして流し込むという簡易な方法で製造できることとなる。
【００９８】
また、他の実施形態によれば、材料Ａと材料Ｂとの一組が一定の距離ピッチで形成されていることから、製造容易性な超音波探触子を提供できる。
【００９９】
また、他の実施形態によれば、前記距離ピッチは、前記圧電素子のエレベーション方向の長さまたはアジマス方向の長さよりも小さいことから、一つの圧電素子内で複数の異なる共振状態を生成することが可能な超音波探触子を提供できる。
【０１００】
また、他の実施形態によれば、圧電素子の背面に反射層を設けている超音波探触子の製造方法において、前記反射層は、両面が平行で表面が平滑な板状であり、前記圧電素子と接する面は、音響インピーダンス値が前記圧電素子より大きい材料Ａと音響インピーダンス値が前記圧電素子より小さい材料Ｂがライン縞模様状に平行に繰り返される構造であり、前記材料Ａの圧電素子と接する面からの深さ方向の距離と、前記材料Ｂの圧電素子と接する面からの深さ方向の距離とは各々一定であって、前記材料Ａの平面である表面に、直線ライン状の一定深さの溝を平行に複数設け、該溝を前記材料Ｂにより埋め、前記表面を平滑面に研磨する工程を有することから、前記反射層を容易に作製可能であるので、低コスト、高歩留りで広帯域化された超音波探触子を容易に製造可能な製造方法を提供できる。
【０１０１】
また、他の実施形態によれば、前記材料Ｂの前記圧電素子と接する面からの深さは、前記圧電素子が送信する超音波の主波長の５％以上であることから、前記材料Ａと前記材料Ｂの各々が前記圧電素子と接する面における境界条件の違いを明確に発現することができる超音波探触子を容易に製造可能な製造方法を提供できる。
【符号の説明】
【０１０２】
１  超音波診断装置本体
２  超音波探触子
３  ケーブル
４  超音波プローブフォルダ
１１  操作入力部
１２  送信部
１３  受信部
１４  受信信号処理部
１５  画像処理部
１６  表示部
１７  制御部
１８  送信信号処理部
１９  記憶部
３０  振動部
３１  反射層
３２  圧電部
３３  音響整合層
３３１  第１音響整合層
３３２  第２音響整合層
３４  音響レンズ
３５  ＦＰＣ
３６  バッキング層
３７  固定板
５１  溝
５２  凸部
Ｈ  被検体
Ｓ  超音波診断装置
【図１】
2012129595.tif 000004
【図２】
2012129595.tif 000005
【図３】
2012129595.tif 000006
【図４】
2012129595.tif 000007
【図５】
2012129595.tif 000008
【図６】
2012129595.tif 000009
【図７】
2012129595.tif 000010
【図８】
2012129595.tif 000011
【図９】
2012129595.tif 000012
【図１０】
2012129595.tif 000013
【図１１】
2012129595.tif 000014