JP4319644B2 - 音響バッキング組成物、超音波プローブ、及び超音波診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、音響バッキング組成物、この組成物からなる音響バッキング材を有し、被検体等に超音波信号を送受信する超音波プローブ、およびこの超音波プローブを有する超音波診断装置に関する。

医療用の超音波診断装置や超音波画像検査装置は、対象物に対し超音波信号を送信し、その対象物内からの反射信号（エコー信号）を受信して当該対象物内を画像化する。これら超音波診断装置や超音波画像検査装置は、超音波信号送受信機能を有するアレイ式の超音波プローブが主に用いられている。

超音波プローブは、診断時に例えばその超音波プローブの音響レンズ側を被検体に当接させて圧電素子を駆動させることにより、圧電素子前面から超音波信号を被検体内に送信する。この超音波信号は、圧電素子の駆動タイミングによる電子フォーカスおよび音響レンズによるフォーカスにより被検体内の所要位置に集束される。この時、圧電素子の駆動タイミングを制御することにより被検体内の所要範囲に超音波信号を送信することができ、被検体からのエコー信号を受信処理することにより前記所要範囲の超音波画像（断層像）が得られる。この圧電素子の駆動により背面側にも超音波信号が放出される。このため、圧電素子の背面に音響バッキング材を配置し、背面側への超音波信号をこの音響バッキング材で吸収（減衰）して正規の超音波信号が背面側からの超音波信号（反射信号）と共に被検体内に送信される、悪影響を回避することが行われている。

従来の音響バッキング材は、ベース樹脂であるエポキシ樹脂にタングステン（Ｗ）、鉛（Ｐｂ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの密度の高い粉末材料を充填した構成を有する。この音響バッキング材は、密度が２．０前後、音速が２５００ｍ／ｓ程度、音響インピーダンスが５ＭＲａｌｙｓ前後の特性を有する。

非特許文献１にはベース樹脂であるクロロプレンゴム（ＣＲ），ブチルゴム、ウレタンゴムなどのゴム系材料にＷ、Ｐｂ、ＺｎＯなどの密度の高い粉末材料を充填した構成の音響バッキング材が記載されている。この音響バッキング材は、密度が３．０前後、音速が１５００ｍ／ｓ程度、音響インピーダンスが５ＭＲａｌｙｓ前後の特性を有する。

特許文献１および特許文献２には、圧電素子と音響バッキング材との間に熱伝導率に優れた窒化アルミニウム、窒化ボロン、銅、カーボンのシートを配置した構造の超音波プローブや、窒化アルミニウム、炭化珪素、銅を充填材として含有する音響バッキング材を備えた超音波プローブが開示されている。このような超音波プローブは圧電素子の背面側に効率的に放熱させることが可能になる。

特許文献３には、エポキシ樹脂、アクリル樹脂のような合成樹脂またはゴムからなるコンパウンド材に金属繊維を圧電振動子の振動方向と同一方向に整列され、音響特性上、異方性を持たせた背面層を備えた超音波探触子が開示されている。

さらに、特許文献４及び特許文献５にはプリフォームとマトリクス材で形成されたバッキング材が開示されている。プリフォームは、直線的な繊維組織、合成樹脂メッシュシートのような平面的な繊維組織、三次元的な繊維組織であることが記載されている。マトリックス材は、ゴムおよび／またはエポキシ樹脂であることが記載されている。
特許第３４２０９５１号公報 特許第３４２０９５４号公報 特開昭６０−６８８３２号公報 特開平９−１２７９５５号公報 米国特許第５，６４８，９４１号 Haifeng Wan et al., IEEE transaction Ultrasonic Ferroelectrics and Frequency control, vol.48, No.1, p.78, 2001.

しかしながら、前述した各文献に開示された音響バッキング材は次のような問題があった。

超音波プローブは、音響バッキング材上に圧電素子および音響整合層この順序で接着し、音響整合層側から音響バッキング材に向けてダイシング加工して前記音響整合層および圧電素子をアレイ状に複数分割することにより複数のチャンネルを形成し、この後各チャンネルの音響整合層に音響レンズを取付けた構造を有する。このダイシング加工において、前記音響バッキング材にはダイシング箇所に対応して溝が形成される。このような超音波プローブにおいては、前記チャンネルの不良率を低減することが感度の向上および超音波プローブが組み込まれた超音波診断装置では断層像の画質向上の点で重要である。すなわち、音響バッキング材に形成された溝間の強度が不足すると、その上に形成されたチャンネルの圧電素子が音響バッキング材と共に倒れ、そのチャンネルが使用できなくなる。

前述した各文献に記載の音響バッキング材は、ベース樹脂がエポキシ樹脂、クロプレンゴム、ブチルゴム、ウレタンゴムのようなゴムであり、このベース樹脂に各種の充填材を含有させた構造を有し、脆いために、ダイシング加工時の応力でベース樹脂と充填材の間で破断や剥離が生じる。この破断や剥離は、音響バッキング材の溝間部分で折れを生じたり、音響バッキング材と圧電素子との剥離を生じたりして前記チャンネルの不良を起こす。特に、前記チャンネルの縮小化、つまり超音波プローブの小型化、アレイの高密度化を目的として５０〜２００μｍにピッチで音響整合層側から音響バッキング材に向けてダイシング加工した場合、大きなストレスにより音響バッキング材の溝間での折れや音響バッキング材と圧電振動子との剥離がより顕著になる。

音響バッキング材と圧電振動子との剥離は、それらの部材を高温硬化（１２０℃以上）のエポキシ樹脂接着剤で接着することにより、ある程度改善することが可能になる。ただし、音響バッキング材のベース樹脂としてクロプレンゴム、ブチルゴムまたはウレタンゴムを用いた場合にはこの温度で変形や変質を起こし、接着後の音響バッキング材と圧電素子の接着強度が不充分になる。

また、ベース樹脂としてクロプレンゴム、ブチルゴムまたはウレタンゴムを用いる音響バッキング材は、超音波の減衰性能が低い。つまり、圧電素子から背面側の音響バッキング材に向けて放射された超音波を十分に減衰させることが困難である。このような音響バッキング材により十分な超音波の減衰性能を達成するためには音響バッキング材の厚さを厚くする必要がある。しかしながら、音響バッキング材の厚さの増大は超音波プローブの小型化、軽量化および放熱性を損なう。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたもので、音響バッキング材に本来必要な、熱伝導特性を充分満足しつつ、強度が向上し、圧電素子との接着強度を向上させ、かつ小型化、軽量化が実現できる音響バッキング材、ないしそれを用いた超音波プローブ、及び超音波診断装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明の超音波プローブは、シート状の音響バッキング材上に圧電素子、音響整合層および音響レンズがこの順序で積層され、前記圧電素子および音響整合層がアレイ状に複数分割され、かつ分割箇所に対応して前記音響バッキング層に溝が形成された超音波プローブであって、前記音響バッキング材は、酢酸ビニルの含有率が２０〜８０重量％のエチレン−酢酸ビニル共重合体と前記エチレン−酢酸ビニル共重合体に含有された充填材とを含み、音響インピーダンスが２〜８ＭＲａｌｙｓであることを特徴とする。

また、本発明の超音波診断装置は、酢酸ビニルの含有率が２０〜８０重量％のエチレン−酢酸ビニル共重合体およびこのエチレン−酢酸ビニル共重合体に含有された充填材を含み、音響インピーダンスが２〜８ＭＲａｌｙｓであるシート状の音響バッキング材上に圧電素子、音響整合層および音響レンズがこの順序で積層され、前記圧電素子および音響整合層がアレイ状に複数分割され、かつ分割箇所に対応して前記音響バッキング層に溝が形成された超音波プローブと、前記超音波プローブにケーブルを通して接続された超音波プローブ制御器とを具備することを特徴とする。

本発明によれば、圧電振動子と音響バッキング材との接着強度を向上させることができ、さらに減衰率が大きいために音響バッキング材の厚みを薄くすることが可能で、小型化、軽量化が実現できる。

また、前記樹脂中に充填材、特に熱伝導に優れた充填材を有することで、圧電素子からの発熱を圧電素子全面に設けた音響バッキング材で十分に吸収し、その熱をプローブ先端部に伝えることなく、有効に超音波プローブの外部へ放熱することが可能となる。

以下、本発明の実施形態について説明する。

この第１実施形態に係る音響バッキング組成物は、酢酸ビニルの含有率が２０〜８０重量％のエチレン−酢酸ビニル共重合体（以下、ＥＶＡＣと称す）と、このエチレン−酢酸ビニル共重合体に含有された充填材とを含む。

前記ＥＶＡＣにおいて、酢酸ビニルの含有量を２０重量％未満にすると、ＥＶＡＣそのものが脆くなり、多量の充填材を配合させることが困難になる。充填材の配合量が制限されると、音速、音響インピーダンスとも所定の値、例えば音速が１５００〜４０００ｍ／ｓで音響インピーダンスが２．０〜８ＭＲａｌｙｓに合わせることが困難となる。一方、酢酸ビニルの含有量が８０重量％を超えると、ＥＶＡＣが柔らかくなり過ぎて、このＥＶＡＣを含む組成物から音響バッキング材を成型する際および表面を研磨加工する際に支障をきたす虞がある。より好ましいＥＶＣＡの酢酸ビニルの含有量は４０〜６０重量％である。

前記充填材は、例えば繊維、織布、粉末状、フレーク状の形態で前記ＥＶＡＣに含有される。この充填材は、音響バッキング材の強度、放熱性、超音波の減衰率の向上および音速の制御等に寄与する。

前記繊維は、各種の繊維を用いることができ、例えば炭素繊維、炭化ケイ素繊維およびアルミナ繊維の群から選ばれる少なくとも１つを挙げることができる。前記繊維は、１種類の材料から作られるものに限らず、例えばＳｉＣの繊維の表面にＣＶＤ法でダイヤモンド膜を被覆したり、樹脂を被覆したりしてもよい。

前記繊維の中でも特に炭素繊維が好ましい。炭素繊維としては、例えばピッチ系炭素繊維、ＰＡＮ系炭素繊維のような種々のグレードのものを用いることができる。炭素繊維は、この他にカーボンナノチューブを用いることができる。特に、密度が２．１以上、熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上のピッチ系炭素繊維が好ましい。

前記繊維は、平均径が２０μｍ以下、平均長さが５ｍｍ以上の材料を使用することが好ましい。前記繊維の平均径が２０μｍ以下の繊維を含む音響バッキング組成物からなる音響バッキング材は、これに取付けられたアレイ状圧電素子からの反射を抑制することが可能になる。また、ダイシング加工時に必要とする十分な強度向上を図ることが可能になる。前記繊維の平均長さを５ｍｍ以上の繊維を使用した音響バッキング組成物からなる音響バッキング材は、放熱性をより高めることが可能になる。例えば厚さが４ｍｍ以上が必要とされる２−５ＭＨｚ用の腹部用プローブに適用した場合、その音響バッキング材において有効に放熱させることが可能になる。より好ましい前記繊維の平均長さは、２０ｍｍ以上の材料を使用することである。

前記粉末状、フレーク状の充填材としては、例えば酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化チタン、炭化ケイ素、窒化アルミニウムおよび窒化ボロンの群から選ばれる少なくとも１つの無機系材料が挙げられる。粉末状充填材は、３０μｍ以下、より好ましくは２０μｍ以下の平均粒径を有することが望ましい。

前記充填材は、前記ＥＶＡＣにこのＥＶＡＣおよび前記充填材の総量に対して２０〜７０体積％の量で含有されることが好ましい。前記充填材の含有量を２０体積％未満にすると、この充填材量の音響バッキング組成物から作られた音響バッキング材は強度、放熱性、減衰率、音速を効果的に向上させることが困難になる。一方、前記充填材の含有量が７０体積％を超えると、ＥＶＡＣへの練り込みが困難になって、この充填材量の音響バッキング組成物から所望する形状の音響バッキング材を作ることが困難になる。より好ましい充填材の量（前記ＥＶＡＣにこのＥＶＡＣおよび前記充填材の総量に対する量）は、４０〜６０体積％である。

実施形態の音響バッキング組成物において、さらにタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）および銀（Ａｇ）の群から選ばれる少なくとも１つの金属粉末を含有することを許容する。このような金属粉末を含む音響バッキング組成物から作られた音響バッキング材は、より高密度化されるため、超音波の減衰率を一層大きくすることが可能になる。なお、前記金属粉末は前記ＥＶＡＣ、前記充填材および金属粉末の総量に対して１０体積％以下にすることが好ましい。

また、実施形態の音響バッキング組成物において、さらに加硫剤、加硫促進剤、カルバナワックスのような潤滑剤、劣化防止剤、シリコン樹脂を含有することを許容する。

前述した実施形態の音響バッキング組成物は、主に後述する一次元アレイ型圧電素子を有する超音波プローブの音響バッキング材の原料素材に用いられる。また、音響バッキング組成物は二次元アレイ型圧電素子を有する超音波プローブまたは単素子の超音波プローブの音響バッキング材の原料素材としても用いられる。

次に、前述した音響バッキング組成物から作られるシート状の音響バッキング材を備えた超音波プローブを図面を参照して説明する。

図１は、この実施形態に係る超音波プローブの部分切欠斜視図、図２は図１の超音波プローブの要部断面図である。

超音波プローブ１は、支持台２を備えている。シート状の音響バッキング材３は、前記支持台２上に例えばエポキシ樹脂系接着剤からなる厚さ２０〜２００μｍの絶縁接着剤層４により接着、固定されている。圧電素子５は、音響バッキング材３上に例えばエポキシ樹脂系接着剤からなる厚さ２０〜２００μｍの絶縁接着剤層６により接着、固定されている。前記圧電素子５は、図２に示すように圧電振動子７とこの圧電振動子７の両面に形成された第１、第２の電極８ａ，８ｂとから構成されている。音響整合層９は、前記圧電素子５の第２電極８ｂに例えば厚さ２.０〜２００μｍのエポキシ樹脂系接着剤からなる絶縁接着剤層１０により接着、固定されている。前記圧電素子５および音響整合層９は、例えばダイシング加工によりアレイ状に複数分割され、複数のチャンネル１１を形成している。前記絶縁接着剤層６は、前記複数のチャンネル１１と共に分割されている。また、音響バッキング材３には前記複数のチャンネル１１の分割箇所に対応して溝１２が形成されている。音響レンズ１３は、前記複数のチャンネル１２の音響整合層９上に例えばシリコーン系接着剤からなる絶縁接着剤層（図示せず）により接着、固定されている。

前記支持台２、音響バッキング材３、圧電素子５、音響整合層９および音響レンズ１３は、ケース（筐体）１４内に収納されている。このケース１４内には、前記圧電素子５の駆動タイミングを制御する制御回路および圧電素子５に受信された受信信号を増幅するためのアンプ回路を含む信号処理回路（図示せず）が内蔵されている場合もある。前記第１、第２の電極８ａ，８ｂに接続されるケーブル１５は、音響レンズ１３と反対側のケース１４から外部に延出されている。

このような構成の超音波プローブにおいて、各チャンネル１１における圧電素子５の第１、第２の電極８ａ，８ｂ間に電圧を印加して、圧電振動子７を共振させることにより音響整合層９および音響レンズ１３を通して超音波を放射（送信）する。受信時には、音響レンズ１３および音響整合層９を通して受信された超音波によって圧電振動子７を振動させ、この振動を電気的に変換して信号とし、画像を得る。

前述した超音波プローブにおいて、前記支持台は例えば、変形の小さな高い硬度の材料から作られる。この支持台を高熱伝導性の金属またはセラミックから作ることによって、前記音響バッキング材からの放熱性を促進することが可能になる。

前述した超音波プローブにおいて、前記音響バッキング材３は、前述した音響バッキング組成物から作られ、図２に示すように酢酸ビニルの含有率が２０〜８０重量％のエチレン−酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡＣ）からなる基材１６と、この基材１６に含有された充填材（例えば繊維）１７とを含む構造を有する。

前記音響バッキング材に含有される充填材は、前記繊維の他に前述したように織布、粉末状、フレーク状の形態で前記ＥＶＡＣの基材に含有される。また、充填材は前記繊維とともに粉末状またはフレーク状の無機系材料を併用することを許容する。

前記充填材である繊維は、各種の繊維を用いることができ、例えば炭素繊維、炭化ケイ素繊維およびアルミナ繊維の群から選ばれる少なくとも１つを挙げることができる。前記繊維は、１種類の材料から作られるものに限らず、例えばＳｉＣの繊維にＣＶＤ法で表面にダイヤモンド膜を被覆したり、樹脂を被覆したりしてもよい。前記繊維は、平均径が２０μｍ以下、平均長さが５ｍｍ以上の繊維を使用することが音響バッキング材の強度、放熱性、超音波の減衰率を向上させる上で好ましい。

前記繊維の中でも特に炭素繊維が好ましい。炭素繊維としては、例えばピッチ系炭素繊維、ＰＡＮ系炭素繊維のような種々のグレードのものを用いることができる。炭素繊維は、この他にカーボンナノチューブを用いることができる。特に、密度が２．１以上、熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上のピッチ系炭素繊維が好ましい。

前記充填材である粉末、フレークの材料は、例えば酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化チタン、炭化ケイ素、窒化アルミニウムおよび窒化ボロンの群から選ばれる少なくとも１つの無機系材料が挙げられる。特に、窒化アルミニウムおよび窒化ボロンから選ばれる少なくとも１つの無機系材料の粉末、フレークは優れた熱伝導性を有するため、より高い放熱性を有する音響バッキング材を実現できる。

前記音響バッキング材は、前述した理由から前記充填材が２０〜７０体積％、より好ましくは４０〜６０体積％の量で含有されることが望ましい。

炭素繊維のような繊維が充填された音響バッキング材３において、図２に示すように充填された繊維１７の一部が溝１２間および溝１２と側面の間の部分に位置されることが好ましい。

特に、前記音響バッキング材は平均径が２０μｍ以下、平均長さが５ｍｍ以上の繊維が２０〜７０体積％の量で充填され、かつその繊維は全充填量の２０〜８０体積％が前記音響バッキング材の厚さ方向の軸に対して３０°以下の角度で配列されていることが好ましい。

前記音響バッキング材は、タングステン、モリブデンおよび銀の群から選ばれる少なくとも１つの金属粉末（例えば１０体積％以下の金属粉末）がさらに充填されることを許容する。

前記音響バッキング材は、密度が２．０以下であることが好ましい。特に、前記音響バッキング材は、音響インピーダンスが２〜８ＭＲａｌｙｓ、熱伝導率が５Ｗ／ｍＫ以上で、密度が２．０以下であることが好ましい。

前記音響バッキング材において、その側面に銅、銀のような金属からなるシールドを配置してより一層の放熱性を付与することを許容する。また、信号用電気端子または接地用電気端子に接続するケーブルの接地極線またはシールド線に前記音響バッキング材を接続してそのバッキング材からの放熱性を促進することを許容する。

前記圧電振動子は、例えばＰＺＴ系やリラクサ系などの圧電セラミックス、リラクサ系単結晶等から作られる。

前記第１、第２の電極は、例えば圧電振動子の両面に金、銀、ニッケルの粉末を含むペーストを焼付ける、金、銀、ニッケルをスパッタリングする、または金、銀、ニッケルをメッキする等の方法により形成される。

前記音響整合層は、例えばエポキシ樹脂をベースとする材料で作られる。この音響整合層は、１層構造に限らず、２層以上の多層の形態で用いることが可能である。

前記音響レンズは、例えばシリコーン系材料から作られる。

次に、前記音響バッキング材の作製方法を図３〜図６を参照して説明する。

まず、前述した酢酸ビニルの含有率が２０〜８０重量％のＥＶＡＣを熱ロール間に投入して混練した後、充填材、さらに加硫剤および加硫促進剤等を加えて、混練、シート化して図３に示すようにシート２１を形成する。シート２１は、厚さ０．５〜１．０ｍｍにすることが好ましい。ひきつづき、図４に示すように前記シート２１を例えば円形に打ち抜き加工して複数枚の円形シート２２を切り出す。次いで、図５に示すように切り出した円形シート２２を複数枚積層して積層物２３とする。この積層物２３を例えば１２０〜１８０℃で加熱して円形シート２２を相互に加硫（架橋）することにより、図６に示すように例えば厚さ１０〜３０ｍｍの円形ブロック２４を作った後、このブロック２４をその円形面に対して垂直な方向から複数裁断して複数枚のシート状の音響バッキング材２５を作製する。

特に、前述した方法において音響バッキング組成物としてＥＶＡＣおよび平均径が２０μｍ以下、平均長さが５ｍｍ以上の繊維（例えば炭素繊維）を使用して、これを２０〜７０体積％の量で含む組成のものを用いることによって、その繊維は全充填量の２０〜８０体積％が厚さ方向の軸に対して３０°以下の角度で配列されたシート状の音響バッキング材を得ることが可能になる。

次に、前述した超音波プローブの製造方法を図７、図８を参照して説明する。

まず、図７に示すように支持台２上に音響バッキング材３、圧電素子５、音響整合層８をこの順に積層すると共に、例えばそれらの部材間にエポキシ樹脂系接着剤をそれぞれ介在させる。音響バッキング材３は、例えば前述した図３〜図６に方法に従って作製する。つづいて、積層物を例えば１２０℃で１時間程度加熱し前記各エポキシ樹脂系接着剤を硬化させることにより支持台２と音響バッキング材３、音響バッキング材３と圧電素子４、圧電素子４と音響整合層９を絶縁接着剤層４、６，１０によりそれぞれ接着、固定する。

次いで、図８に示すように音響整合層９から音響バッキング材３に向かってダイヤモンドソーで例えば５０〜２００μｍの幅（ピッチ）にダイシング加工してアレイ状に複数分割し、圧電素子５および音響整合層９を含む複数のチャンネル１１を形成する。この時、前記複数のチャンネル１１の分割箇所に対応して溝１２が前記音響バッキング材３に形成される。その後、図示しないが各チャンネルの音響整合層に音響レンズをシリコーン系接着層で接着固定し、支持台を含む音響バッキング材、圧電素子、音響整合層および音響レンズをケース内に収納して超音波プローブを製造する。

次に、超音波プローブを備えた超音波診断装置について、図９を参照して説明する。対象物に対し超音波信号を送信し、その対象物からの反射信号（エコー信号）を受信して対象物を画像化する医療用の超音波診断装置（または超音波画像検査装置）は、超音波信号送受信機能を有するアレイ式の超音波プローブ１１を備えている。この超音波プローブ１１は、前述した組成の音響バッキング材が組込まれている。この超音波プローブ１は、ケーブル１５を通して介して超音波診断装置本体３０に接続されている。この超音波診断装置本体２０には、スクリーン３１が設けられている。

以上説明した実施形態に係る音響バッキング組成物は、酢酸ビニルの含有率が２０〜８０重量％のＥＶＣＡをベース樹脂として含む。特定の酢酸ビニル含有率を有するＥＶＡＣは、超音波の減衰率が大きく、単体での音速が１５００ｍ／ｓ程度で、さらに比較的多量の充填材の配合が可能で、かつ高強度の特性を有する。また、ＥＶＡＣは比較的高い耐熱性を有する。このような特性のＥＶＣＡに充填材を含有させた音響バッキング組成物から作られる音響バッキング材は、音速が１５００〜４０００ｍ／ｓ、充填材の種類および充填量によっては音速が２０００〜４０００ｍ／ｓの特性を有する。このため、音響バッキング材は１．０〜２．５ｇ／ｃｍ³の低密度でも音響インピーダンスを２．０〜８ＭＲａｌｙｓにでき、軽量化を図ることが可能になる。また、前記音響バッキング材は従来のゴム系材料にＷ、Ｐｂ、ＺｎＯなどの密度の高い粉末材料を充填した音響バッキング材に比べて大きな減衰率（例えば３ＭＨｚの測定周波数で３．０〜６．０ｄＢ／ｍｍＭＨｚ）を有する。このため、音響バッキング材の厚さを薄くしても圧電素子の駆動により発生した超音波信号をその圧電素子の背面側で十分に吸収、減衰することが可能になる。その結果、薄い音響バッキング材を有する小型の超音波プローブを得ることができる。

前記充填材として繊維を用いることによって減衰率をより大きく（例えば３ＭＨｚの測定周波数で４．０〜６．０ｄＢ／ｍｍＭＨｚ）できるため、音響バッキング材をより薄膜化することが可能になる。特に、前記充填材として炭素繊維を用いることによって減衰率をさらに大きくできるため、音響バッキング材をより一層薄膜化することが可能になる。

また、前記音響バッキング組成物から作られる音響バッキング材は高強度である上に、ＥＶＡＣの比較的高い耐熱性を有するため、接着力の強いエポキシ樹脂系接着剤を用いて圧電素子と強固に接着することが可能になる。すなわち、音響バッキング材と圧電素子とのエポキシ樹脂系接着剤で接着する場合、その接着剤の硬化にあったて１２０℃以上に加熱する。従来の音響バッキング材に用いられるクロプレンゴム，ブチルゴム、ウレタンゴムのようなゴムはこの温度で変形や変質を起こし、接着後の音響バッキング材と圧電素子の接着強度が不充分になる。ＥＶＣＡは、比較的高い耐熱性を有し、前記硬化温度に耐えるため、ＥＶＣＡを含む音響バッキング組成物から作られる音響バッキング材に圧電素子をエポキシ樹脂系接着剤により熱変質を生じることなく接着でき、接着後でもその接着強度を維持することが可能になる。その結果、音響バッキング材に圧電素子をエポキシ樹脂系接着剤で接着し、この圧電素子に音響整合層を接着した後に、前述したように音響整合層側から音響バッキング材に向けて例えば５０〜２００μｍのピッチでダイシング加工して前記音響整合層および圧電素子をアレイ状に複数分割することにより複数のチャンネルを形成する際、音響バッキング材と圧電素子の間の剥離を防止できる。また、音響バッキング材自体もベース樹脂であるＥＶＣＡと充填材の接着力が強いために、前記ダイシング加工時にＥＶＣＡと充填材の間で破断や剥離を生じるのを防止できる。したがって、ダイシング加工時でのチャンネル不良を低減または防止でき、複数のチャンネルを有する高感度の超音波プローブを得ることができる。さらに、この超音波プローブが組み込まれた超音波診断装置では断層像の画質を向上できる。

さらに、充填材として高熱伝導性の窒化アルミニウム、窒化ボロンの粉末、または炭素繊維を含む音響バッキング組成物から作られた音響バッキング材は、より高い放熱性を有する。このため、この音響バッキング材を備えた超音波プローブにおいて圧電素子で発生する熱または超音波の多重反射により発生する熱を外部に良好に放射させることが可能になる。その結果、超音波プローブ表面を低い温度に保持することが可能になる。したがって、この超音波プローブが組み込まれた超音波診断装置は送信電圧を高めることができるため、観察可能な診断領域の距離を拡大でき、例えば人体の深部観察が可能になる。特に、前記炭素繊維は優れた熱伝導性を有するとともに、音響バッキング材中で熱伝達の指向性を持つため、この音響バッキング材を備えた超音波プローブにおいて圧電素子で発生する熱または超音波の多重反射により発生する熱を外部により一層良好に放射させることが可能になる。

したがって、実施形態の音響バッキング組成物によれば軽量で薄い音響バッキング材を得ることができ、さらにこの音響バッキング材を備えた小型、軽量、高感度の超音波プローブを得ることができる。また、この超音波プローブが組み込まれた超音波診断装置では断層像の画質を向上できる。さらに、充填材として高熱伝導性の窒化アルミニウム、窒化ボロンの粉末、または炭素繊維を選択することによって、音響バッキング材を備えた超音波プローブ表面を低い温度保持することが可能になる。このような超音波プローブが組み込まれた超音波診断装置は観察可能な診断領域の距離を拡大でき、例えば人体の深部観察が可能になる。

特に、音響バッキング組成物中の充填材として炭素繊維（中でも平均径が２０μｍ以下、平均長さが５ｍｍ以上の炭素繊維）を選択することによって、前記特性を満たす高性能の音響バッキング材を得ることが可能になる。

また、炭素繊維のような繊維が充填された音響バッキング材において以下の構造にすることによって、前記特性のより一層の向上を図ることが可能になる。

音響バッキング材３において、図２に示すように充填された繊維１７の一部を溝１２間および溝１２と側面の間の部分に位置させることによって、強度の弱い溝１２間および溝１２と側面の間の部分に繊維１７が侵入されて強化される。このため、前記チャンネル１１を形成するためのダイシング加工時においてその溝１２間および溝１２と側面の間の部分で折れるのを防ぐことが可能になる。その結果、ダイシング加工時でのチャンネル不良をより効果的に防止することができる。

音響バッキング材において、平均径が２０μｍ以下、平均長さが５ｍｍ以上の繊維を使用してこれらが２０〜７０体積％の量で充填され、かつその繊維は全充填量の２０〜８０体積％が前記音響バッキング材の厚さ方向の軸に対して３０°以下の角度で配列される形態にすることによって、大きな超音波の減衰率を発現することが可能になる。すなわち、前述した図２に示すように圧電素子５で発生した超音波は全面の音響レンズ１１のみならず背面の音響バッキング材３にも放出される。このとき、音響バッキング材３において充填された繊維の相当量がその厚さ方向に配列されている、つまり超音波の進行方向に配列されていると、驚くべきことに超音波がその繊維を伝達する間に効率的な減衰がなされ、結果としてより大きな減衰率を発現することが可能になる。特に、繊維として炭素繊維を選択することによってより一層大きな減衰率を発現することが可能になる。

また、前記構成の音響バッキング材は充填された炭素繊維の配列により厚さ方向および面方向の強度を釣り合わせることができるため、ダイシング加工時の応力を良好に緩和してクラック発生を防ぐことが可能になる。その結果、チャンネル不良をより効果的に防止することができる。

さらに、前記構成の音響バッキング材は放熱性をより一層向上することが可能になる。特に、繊維として炭素繊維を選択することによって放熱性をより顕著に一層向上することが可能になる。

さらに、前記炭素繊維のような繊維の配列を規定した音響バッキング材において、充填された前記繊維の一部を前記溝間および溝と側面の間の部分に位置させることによって、溝間および溝と側面の間のバッキング材部分での折れをより効果的に防ぐことが可能になる。その結果、ダイシング加工時でのチャンネル不良をより効果的に防止することができる。

以下、本発明の実施例を詳細に説明する。

（実施例１）
まず、約７０℃に加熱された熱ロール間に酢酸ビニルの配合量が５０重量％、エチレン−酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡＣ）を供給して予備混練を２０分間行う。つづいて、予備混練したＥＶＡＣ１００重量部に平均径１５μｍ、平均長さ２０ｍｍのガラス繊維（充填材）、dioctylsebacate（加硫剤）６重量部、ステアリン酸亜鉛（加硫促進剤）２重量部、カルバナワックス４重量部およびシリコン樹脂３重量部を添加し、さらに混練、シート化を２０分間行って、幅４００ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのシートとする。なお、前記ガラス繊維は混練物中に７０体積％の量で配合する。ひきつづき、このシートから直径１００ｍｍの円板を打ち抜く。円板状シートを４０枚積層した後、この積層物を金型に入れ、加圧下にて１８０℃で１５分間加熱加硫を行って直径１００ｍｍ、厚さ２０ｍｍの円板状ブロックを作製する。円板状ブロックを円形面に対して垂直な方向から厚さが３ｍｍになるようにスライスして長さ５０−１００ｍｍ、幅２０ｍｍ、厚さ３ｍｍのスライス片を得る。これらのスライス片から長さ８０ｍｍのものを評価用の音響バッキング材とする。この音響バッキング材は、ガラス繊維の全充填量の２５体積％がバッキング材の厚さ方向の軸に対して３０°以下の角度で配列された構造を有している。

（実施例２〜７）
ＥＶＡＣとして下記表１に示す酢酸ビニルの配合量、充填材として同表１に示す種類、量のものを用いた以外、実施例１と同様な方法で６種の評価用の音響バッキング材を得る。なお、充填材であるＺｒＯ₂粉末、ＺｎＯ粉末は平均粒径１５μｍのもの、ＳｉＣ繊維、Ａｌ₂Ｏ₃繊維は平均径１５μｍ、平均長さ２０ｍｍのものを用いる。また、ＳｉＣ繊維、Ａｌ₂Ｏ₃繊維を含有する評価用バッキング材は繊維の全充填量の２５体積％がバッキング材の厚さ方向の軸に対して３０°以下の角度で配列された構造を有している。

（比較例１〜５）
エポキシ樹脂（epoxy）に平均径１５μｍ、平均長さ２０ｍｍのＡｌ₂Ｏ₃繊維を３０体積％含有させた直径１００ｍｍ、厚さ２０ｍｍの円板状ブロック、クロロプレンゴム（ＣＲ）に同寸法のＡｌ₂Ｏ₃繊維を３０体積％含有させた同寸法の円板状ブロック、イソプレンゴム（ＩＲ）に同寸法のＡｌ₂Ｏ₃繊維を３０体積％含有させた同寸法の円板状ブロック、ノルマルブタジエンゴム（ＮＢＲ）に同寸法のＡｌ₂Ｏ₃繊維を３０体積％含有させた同寸法の円板状ブロック、およびウレタン樹脂（urethane）に同寸法のＡｌ₂Ｏ₃繊維を３０体積％含有させた同寸法の円板状ブロックからそれぞれ実施例１と同様な方法でスライスし、８０ｍｍ、幅２０ｍｍ、厚さ３ｍｍの５種の評価用の音響バッキング材を得た。

得られた実施例１−７および比較例１−５の評価用の音響バッキング材の密度、音速、音響インピーダンス（ＡＩ）、減衰率、熱伝導率およびチャンネル不良率を測定した。

なお、前記密度は円板状ブロックの状態での値として求めた。

前記音速および減衰率は、プローブ（３．０ＭＨｚの測定周波数）を用いて評価用の音響バッキング材を、２５℃の水中法により測定した。

前記ＡＩは、測定した音速と密度からその積として求めた。

前記熱伝導率は、レーザフラッシュ法により測定した。

前記チャンネル不良率は、以下の方法により測定した。

前記評価用の音響バッキング材に圧電素子およびエポキシ樹脂をベースとする音響整合層をこの順序で、かつそれらの間にエポキシ樹脂系接着剤を介在し重ねた後、１２０℃で１時間程度加熱硬化させることにそれら部材を相互に接着した。この後、前記音響整合層から評価用の音響バッキング材に向かって幅５０μｍ、音響バッキング材への切り込み深さ２００μｍになるようにダイシング加工することにより２００チャンネル×２列（合計４００チャンネル）を形成した。各チャンネルの圧電素子の信号強度を測定し、初期設計値に対して２０％以上低下したチャンネルを不良とし、４００チャンネルでの不良率（％）を求めた。なお、圧電素子はＰＺＴ系圧電セラミックス（圧電振動子）の両面にＮｉからなる第１、第２の電極を形成した構造のものを用いた。

これらの結果を下記表１に示す。なお、表１には評価用の音響バッキング材の組成を併記する。

表１から明らかなように酢酸ビニルの含有率が２０〜８０重量％のＥＶＡＣに充填材である繊維または粉末を含有させた実施例１〜７の音響バッキング材は、３．１〜７．９ＭＲａｙｌｓと適切な音響インピーダンス（ＡＩ）を示し、３．１〜４．８ｄＢ／ｍｍMHzと大きな減衰率を有し、さらにダイシング加工時のチャンネル不良が生じ難い性能を有することがわかる。特に、充填材としてＳｉＣ繊維およびＡｌ₂Ｏ₃繊維を用いた実施例４〜７の音響バッキング材は充填材として無機材料粉末を用いた実施例２，３の音響バッキング材に比べてより大きな減衰率を示すことがわかる。

その結果、実施例１〜７の音響バッキング材は薄膜化が可能になり、これら音響バッキング材を超音波プローブに組み込むことによって小型化することが可能になる。また、実施例１〜７の音響バッキング材はチャンネル不良が生じ難い性能を有するため、これら音響バッキング材を超音波プローブに組み込むことによって高感度化することが可能になる。特に、ＳｉＣ繊維を充填材として含む実施例４〜６の音響バッキング材は、熱伝導率が３．３Ｗ／ｍＫ以上と高いために、これらの音響バッキング材を超音波プローブに組み込むことによって、それらプローブ表面を低い温度に保持することが可能になる。したがって、これらの超音波プローブを超音波診断装置に組み込むことによって送信電圧を高めることができるため、観察可能な診断領域の距離を拡大でき、例えば人体の深部観察が可能になる。

これに対し、エポキシ樹脂をベース樹脂として用いた比較例１の音響バッキング材は減衰率が低い上に、ダイシング加工時のチャンネル不良率が著しく増加することがわかる。このチャンネル不良率の増加は、ダイシング加工時にエポキシ樹脂とこれに充填されたアルミナ繊維の間で破断、剥離が生じたためである。

また、ブチルゴム、クロロプレンゴム、ノルマルブチレンゴム、ウレタンゴムをベース樹脂として用いた比較例２〜５の音響バッキング材は減衰率が低い上に、ダイシング加工時にチャンネル不良率が増加することがわかる。このチャンネル不良率の増加は、圧電素子を接着するためのエポキシ樹脂系接着剤の加熱硬化時（１２０℃で１時間程度）において劣化が生じたためである。

（実施例８〜１８）
ＥＶＡＣとして下記表２に示す重合比率のもの、炭素繊維として下記表２に示すもので、バッキング材の含有量が同表２に示す割合にした以外、実施例１と同様な方法で１１種の評価用の音響バッキング材を得た。なお、炭素繊維は熱伝導率が５００Ｗ／ｍＫのピッチ系炭素繊維を用いた。評価用の音響バッキング材は、炭素繊維の全充填量の２５体積％がバッキング材の厚さ方向の軸に対して３０°以下の角度で配列された構造を有していた。

得られた実施例８−１８の評価用バッキング材の密度、音速、音響インピーダンス（ＡＩ）、減衰率、熱伝導率およびチャンネル不良率を実施例１と同様な方法で測定した。その結果を下記表２に示す。

表２から明らかなように酢酸ビニルの含有率が２０〜８０重量％のＥＶＡＣに充填材である炭素繊維を含有させた実施例８〜１８の音響バッキング材は、２．０〜７．６ＭＲａｙｌｓと適切な音響インピーダンス（ＡＩ）を示すことがわかる。また、音響バッキング材は前記表１の比較例１〜５の音響バッキング材に比べて３．６〜６．０ｄＢ／ｍｍＭＨｚと大きな減衰率を有し、さらにダイシング加工時のチャンネル不良が生じ難い性能を有することがわかる。

特に、表１および表２において酢酸ビニル量が同一のＥＶＣＡおよび充填材の含有量が同一で、充填材の種類の異なる音響バッキング材（例えば実施例４：ＳｉＣ繊維、実施例１５：炭素繊維）の減衰率、すなわち前者が４．５ｄＢ／ｍｍＭＨｚ，後者が５．０ｄＢ／ｍｍＭＨｚ、の対比から充填材として炭素繊維を用いることによって、より一層大きな減衰率を示す音響バッキング材を得ることができることがわかる。

その結果、実施例８〜１８の音響バッキング材は一層の薄膜化が可能になり、これらの音響バッキング材が組み込まれた超音波プローブを小型化することが可能になる。また、チャンネル不良が生じ難い性能を有する実施例８〜１８の音響バッキング材を有する超音波プローブは、高感度化が可能になる。さらに、炭素繊維を充填材として含む実施例８〜１８の音響バッキング材は、熱伝導率が４．０Ｗ／ｍＫ以上と高いために、これらの音響バッキング材を超音波プローブに組み込むことによって、それらプローブ表面を低い温度に保持することが可能になる。したがって、これらの超音波プローブを超音波診断装置に組み込むことによって送信電圧を高めることができるため、観察可能な診断領域の距離を拡大でき、例えば人体の深部観察が可能になる。

なお、上述した各実施例は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を実施例に開示されたもののみに特定するものではない。本発明はその要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができるものである。

本発明の実施形態に係る超音波プローブの概略構成を示す斜視図。 図１の超音波プローブの圧電素子の周辺部分を示す断面図。 本発明の実施形態に係る音響バッキング材の作製工程を示す断面図。 本発明の実施形態に係る音響バッキング材の作製工程を示す断面図。 本発明の実施形態に係る音響バッキング材の作製工程を示す断面図。 本発明の実施形態に係る音響バッキング材の作製工程を示す断面図。 本発明の実施形態に係る超音波プローブの製造工程を示す断面図。 本発明の実施形態に係る超音波プローブの製造工程を示す断面図。 本発明の実施形態に係る超音波診断装置を示す概略図。

符号の説明

１ … 超音波プローブ
２ … 支持台
３、２５ … 音響バッキング材
４、６、１０ … 絶縁接着剤層
５ … 圧電素子
７ … 圧電振動子
８ａ、８ｂ … 第１、第２の電極
９ … 音響整合層
１１ … チャンネル
１２ … 溝
１３ … 音響レンズ
１４ … ケース
１５ … ケーブル
１６ … 基材
１７ … 充填材（繊維）
２１ … シート
２２ … 円形シート
２３ … 積層物
２４ … 円形ブロック
３０ … 超音波診断装置本体
３１ … スクリーン

Claims (14)

1. シート状の音響バッキング材上に圧電素子、音響整合層および音響レンズがこの順序で積層され、前記圧電素子および音響整合層がアレイ状に複数分割され、かつ分割箇所に対応して前記音響バッキング層に溝が形成された超音波プローブであって、
   前記音響バッキング材は、酢酸ビニルの含有率が２０〜８０重量％のエチレン−酢酸ビニル共重合体と前記エチレン−酢酸ビニル共重合体に含有された充填材とを含み、音響インピーダンスが２〜８ＭＲａｌｙｓであることを特徴とする超音波プローブ。
2. 前記充填材は、繊維であることを特徴とする請求項１記載の超音波プローブ。
3. 前記繊維は、平均径が２０μｍ以下、平均長さが５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項２記載の超音波プローブ。
4. 前記繊維は、炭素繊維、炭化ケイ素繊維およびアルミナ繊維の群から選ばれる少なくとも１つであることを特徴とする請求項２記載の超音波プローブ。
5. 前記充填材は、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化チタン、炭化ケイ素、窒化アルミニウムおよび窒化ボロンの群から選ばれる少なくとも１つの無機系材料粉末であることを特徴とする請求項１記載の超音波プローブ。
6. 前記充填材は、前記エチレン−酢酸ビニル共重合体にこのエチレン−酢酸ビニル共重合体および前記充填材の総量に対して２０〜７０体積％の量で含有されることを特徴とする請求項１記載の超音波プローブ。
7. タングステン、モリブデンおよび銀の群から選ばれる少なくとも１つの金属粉末は、さらに前記エチレン−酢酸ビニル共重合体に含有されることを特徴とする請求項１に記載の超音波プローブ。
8. 前記炭素繊維は、密度が２．１以上、熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする請求項３記載の超音波プローブ。
9. 前記音響バッキング材は、平均径が２０μｍ以下、平均長さが５ｍｍ以上の繊維が２０〜７０体積％の量で含有され、かつその繊維は全充填量の２０〜８０体積％が前記音響バッキング材の厚さ方向の軸に対して３０°以下の角度で配列されていることを特徴とする請求項２記載の超音波プローブ。
10. 前記音響バッキング層は、充填された前記繊維の一部が前記溝間および溝と側面の間に位置されることを特徴とする請求項２記載の超音波プローブ。
11. 前記音響バッキング材は、密度が２．０以下であることを特徴とする請求項１記載の超音波プローブ。
12. 前記音響バッキング材は、熱伝導率が５Ｗ／ｍＫ以上で、密度が２．０以下であることを特徴とする請求項１記載の超音波プローブ。
13. 酢酸ビニルの含有率が２０〜８０重量％のエチレン−酢酸ビニル共重合体およびこのエチレン−酢酸ビニル共重合体に含有された充填材を含み、音響インピーダンスが２〜８ＭＲａｌｙｓであるシート状の音響バッキング材上に圧電素子、音響整合層および音響レンズがこの順序で積層され、前記圧電素子および音響整合層がアレイ状に複数分割され、かつ分割箇所に対応して前記音響バッキング層に溝が形成された超音波プローブと、
    前記超音波プローブにケーブルを通して接続された超音波プローブ制御器とを具備することを特徴とする超音波診断装置。
14. 前記音響バッキング材は、平均径が２０μｍ以下、平均長さが５ｍｍ以上の繊維を前記充填材として２０〜７０体積％の量で含有し、かつその繊維は全充填量の２０〜８０体積％が前記音響バッキング材の厚さ方向の軸に対して３０°以下の角度で配列されていることを特徴とする請求項１３記載の超音波診断装置。

Images