先ず、本発明の医療用超音波診断装置に用いられる超音波トランスデューサの考え方を説明する。本発明の超音波トランスデューサは、同じ厚みの圧電体をある決まりに従い積層することによって、3次以上の共振モード成分を効率良く送受波することができるという本件発明者の知見に基づき構成される積層圧電体から成るものである。圧電体を積層する手法はこれまで多く報告されているが、本発明は、前記3次以上の共振モード成分を送受波する際に圧電体内に歪み分布があることに着目したものである。
一例として、最も理解し易いと思われる図4に示す3枚の圧電体A1,A2,A3を積層したλ/4振動子について説明する。この、λ/4振動子のλ/4での励振状態では、前記3枚の圧電体A1,A2,A3が同期して伸縮を行い、全体で最大ΔZの伸縮を行うものとする。そして、固定端、すなわち前記の40MRayl.より小さいものの、充分大きい音響インピーダンスを有する背後層に接する1層目の圧電体A1の裏面の座標をz0とすると、前記伸縮に伴うその位置の変位は、z0=ΔZSsin0°=0である。これに対して、1層目の圧電体A1の表面の座標z1の変位は、z1=ΔZSsin30°=0.5ΔZとなり、2層目の圧電体A2の表面の座標z2の変位は、z2=ΔZSsin60°=0.85ΔZとなり、自由端、すなわち前記の0より大きいものの、充分小さい音響インピーダンスを有する空間と接する3層目の圧電体A3の表面の座標z3の変位は、z3=ΔZSsin90°=1.0ΔZとなる。ここで、圧電体A1,A2,A3の表裏は、該圧電体を厚み方向に加圧して、+の電圧が発生する方を表、−の電圧が発生する方を裏とする。
すなわち、図4の3層の圧電体A1,A2,A3の場合、全体の伸縮ΔZの内、固定端側の圧電体A1は、0.5ΔZの伸縮を受け持ち、2層目の圧電体A2は、0.35ΔZの伸縮を受け持ち、3層目の圧電体A3は、0.15ΔZしか伸縮しないことになる。このように積層型圧電体は、基本波のλ/4共振では、各圧電体A1,A2,A3は同期して(同じ方向に)伸縮を行うものの、各圧電体A1,A2,A3が一様に伸縮するのではなく、不均一な歪み分布を有する。
そこで本件発明者は、このような不均一な歪み分布に着目し、各圧電体の残留分極(PZT,PVDFなどの強誘電体)、あるいは結晶(水晶など)のC軸やA軸の向き(d33,e33,d11,e11の符号を決める軸)を、高調波送受信時の歪み分布における電気変位や電場の符号と一致するように、不一致の箇所(「−」の符号に該当する)の圧電体について、その表裏を反転して積層するようにした。図4および図5の場合には、その左側の矢印で示すように、2層目および3層目の圧電体A2,A3を、1層目の圧電体Aとは前記残留分極の向きあるいは結晶軸が逆方向となるように積層する。これによって、基本波λの成分が、0.5・ΔZ+0.35・(−ΔZ)+0.15・(−ΔZ)=0となって除去されると同時に、3次高調波3λの成分は、1・ΔZ+(−1)・(−ΔZ)+(−1)・(−ΔZ)=3ΔZとなって抽出することが可能となる。
一方、図6を用いて、n枚(nは4以上の整数)の圧電体を積層したλ/4振動子において、n次高調波を送受波する場合を説明する。モデルを単純化するため、積層膜の一端を基盤に固定し、もう一端を自由端とした。インピーダンス整合層や背後(バッキング)層など、さらに接着層の厚み等による影響は除くものとする。
図7は、図6に示したn層圧電体トランスデューサで、n次高調波を励振あるいは検出する際の変位と歪みとを模式的に示す図である。(a)は積層状況、(b)はある瞬間での各層の変位、(c)は歪の極性である。前述の図4や図5と同様に、基盤とそれに接する圧電体との境界面を原点z0として、素子の高さ(厚み)方向の座標をz1,z2,z3,・・・,znとする。積層圧電体内で、各圧電体層の変位は、背後層と第1段目の圧電体1の境界とを原点z0とした正弦波を形成する。
本願発明者は、上式(19),(22)から、単純な直列結合において、積層圧電体が出力する正味の電場が最大となる残留分極あるいは結晶C軸やA軸の配列の規則性を見出した。また、前記積層数nが4以上で、該積層数nと高調波の次数とを一致させれば、圧電体内を伝搬する弾性波の節と腹とを圧電体の境界面と一致させることができ、このとき各圧電体の歪みが絶対値が変わることなく位相が180度反転し、例えば各圧電体が直列の図7の場合、圧電体1の歪みを+とすれば「+,−,−,+」の周期性を4層おきに見出すことができ、n次高調波の検出をより効率良く行うことができることを見出した。このことを理論説明すると以下のようになる。
図8に、本発明における、n層圧電体で、n次高調波を検出する際の各々の圧電体の残留分極あるいは結晶のC軸やA軸の向きと、圧電正効果による電場(V/m)との関係の一例を示す。各圧電体の層間および両端の圧電体の表面には電極が設けられており、前記両端の電極を端子に接続し、各圧電体を直列接続している。また、残留分極(それを持たない圧電体の場合は結晶のC軸(水晶の場合はA軸))は、z軸方向に配向されている。図中では便宜上、圧電体1の残留分極あるいは結晶のC軸やA軸の方向を+Pと表記している。これは他の圧電体の残留分極あるいは結晶のC軸やA軸が圧電体1のそれと同方行か逆方行かを識別するためであり、圧電体1の分極方向を制限するものではない。
前述の図7(c)に示したように、各圧電体の歪みには、周期性がある。そのため、残留分極あるいは結晶のC軸やA軸の向きを平行とした場合、本発明の目的であるn次高調波における圧電体の効率を上げるためには、各々の電極を電気的に絶縁し、独立して配線しなければならなく、構造上かつ製造上のリスクは極めて高い。
しかしながら本発明によれば、図8に示す直列接続の場合に、4層毎の圧電体の残留分極あるいは結晶のC軸やA軸に、前記のように「+P,−P,−P,+P」の周期性を与えた、すなわち背後層に接する第1段目の圧電体の軸を基準として、それに接する第2段目の圧電体およびさらにその上の第3段目の圧電体では逆方行、さらにその上の第4段目の圧電体ではでは同方行とし、それ以後4層の圧電体毎に、同方向、逆方行、逆方行、同方行の周期性を持つように配列すれば、容易に前記n次高調波に対する受信感度を、単層の圧電体に比べて、n倍に増幅することができる。このとき、隣接する圧電体で、前記残留分極あるいは結晶のC軸やA軸の方向が同方向の箇所が存在するが(図8では、第2および第3段目、第4および第5段目、第6および第7段目、)、それらの箇所では、それぞれの厚みを加算した厚みを有する1つの圧電体に置換えることができる。
上述ではn次高調波を検出する場合を例として挙げたが、逆にn次高調波を送波する場合についても、図8において端子間に発振器を接続することで、従来よりも効率が向上する。送波の場合、歪みSと印加電場Eとの関係は、
S=dEあるいはS=(e/c)E …(23)である。図8に示す積層圧電体の両端子間に電圧発生器を繋げ、n次高調波に相当する周波数の電圧を印加すれば、図8に示す歪みおよび図7(b)に示す変位を生じ、超音波を媒質中に励振させることができる。そして、先に述べた電気インピーダンスの関係から、本願発明の構造では、高電圧低電流駆動となる。
第3の実施例は、同じ厚さの圧電体を6層積層したトランスデューサによる3次高調波の送受である。本実施例は、第2の実施例で示した3層圧電体において各圧電体を2つの圧電体に分割したものである。
図18は、その6層圧電体の構造を示し、3次高調波を送受波する際の変位および歪みを模式的に示す断面図である。図7と同様に、(a)は積層状況、(b)はある瞬間での各層の変位、(c)は歪みの係数である。
各圧電体の歪みS1,S2,S3,S4,S5,S6は、
S1=6ξ0sin(π/4)/h=6ξ0(1/21/2) …(46)
S2=6ξ0{sin(π/2)−sin(π/4)}/h
=6ξ0(1−1/21/2) …(47)
S3=6ξ0{sin(3π/4)−sin(π/2)}/h
=6ξ0(1/21/2−1) …(48)
S4=6ξ0{sin(π)−sin(3π/4)}/h
=6ξ0(−1/21/2) …(49)
S5=6ξ0{sin(5π/4)−sin(π)}
=6ξ0(−1/21/2) …(50)
S6=6ξ0{sin(3π/2)−sin(5π/4)}
=6ξ0(1/21/2−1) …(51)
となる。1/21/2≒0.7に近似すると、各圧電体の歪みの比は、図19の模式図に示すとおりとなる。
そして、各圧電体を電気的直列結合とした場合の残留分極あるいは結晶のC軸またはA軸の好ましい配列を、図19に示す。このように構成することで、λ/4共振による感度は減衰し、3λ/4共振による感度が最大となる。
上述のように構成される積層圧電体を超音波探触子の超音波トランスデューサに用いて、本発明の超音波診断装置は構成される。図20は、本発明の実施の一形態に係る超音波診断装置1の外観構成を示す斜視図である。この超音波診断装置1は、図略の生体等の被検体に対して超音波を送信すると共に、その被検体において反射などで生成された超音波を受信する超音波探触子2と、前記超音波探触子2とケーブル3を介して接続され、該ケーブル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に被検体に対して前記超音波信号を送信させるとともに、超音波探触子2で受信された信号に基づいて、被検体内の内部状態を断層画像として画像化する診断装置本体4とを備えて構成される。
前記診断装置本体4は、その上部に操作パネル5および表示パネル6を備え、前記操作パネル5からは各種設定操作等が行われ、表示パネル6には、その操作のための支援画像や、受信された超音波信号に基づき作成された断層画像などが表示される。また、前記操作パネル5や診断装置本体4の適所には、前記超音波探触子2を、その不使用時に保持するホルダ7が設けられている。
図21は、前記診断装置本体4の電気的構成を示すブロック図である。診断装置本体4は、操作入力部11(前記操作パネル5)と、送信部12と、受信部13と、信号処理部14と、画像処理部15と、表示部16(前記表示パネル6)と、制御部17と、電圧制御部18と、参照信号記憶部19とを備えて構成されている。
操作入力部11は、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から成り、診断開始を指示するコマンドや被検体の個人情報等のデータの入力などが行われる。
送信部12は、制御部17の制御に従って、前記超音波探触子2の各圧電素子からの送信パルスが所定の焦点位置に収束するようにフォーミングを行う回路であり、さらに本実施例では、前述の送信パルスを時間軸方向に伸張した複数の符号化されたパルスで構成する。作成された送信パルスは、制御部17を介して電圧制御部18に与えられ、振幅が拡大されて、各圧電素子へ与える。
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回路であり、この受信信号を信号処理部14へ出力する。
信号処理部14は、受信部13の出力と予め設定された参照信号との相関処理を行うことで、受信部13の出力から受信超音波を検出するものである。この参照信号は、送信超音波の周波数を基本周波数とした場合における検出すべき3次以上の高調波の次数および被検体の診断部位および診断深度から導かれる近似関数である。
なお、この信号処理部14では、前記相関処理を行う前に、前記符号化されたパルスを時間軸方向に圧縮し、送信パルスに対応する受信パルスを作成する。こうして、符号化パルスを用いることで、被検体である生体に与える影響が無闇に大きくなることなく、大振幅、すなわちS/Nの良好な受信パルスを得ることができる。この3次以上の高調波のみを抽出する復号フィルタは、基本波成分を抽出する場合の復号フィルタより構造が複雑になるのもの、バンドパスフィルタと組合わせたり、或いは符号化パルスの種類を変えることなどで、S/Nの改善と、前記3次以上の高周波の抽出とを両立することができる。前記符号化パルスによる伸張・圧縮については、たとえば特開2003−225237号公報に示されている。
参照信号記憶部19は、ROMあるいはEEPROM等の記憶素子を備えて構成され、被検体における複数の各診断部位および診断深度に対応した近似関数を前記参照信号として記憶するものである。そして、上記信号処理部14は、被検体の診断部位および診断深度に応じて、前記参照信号記憶部19に記憶されている複数の参照信号(近似関数)の中から1つの参照信号を選択して相関処理を行う。また、選択された前記参照信号に応答して、前記送信部12がビームフォーミングを行う。前記診断部位および診断深度は、操作入力部11から入力される。
画像処理部15は、制御部17の制御に従って、信号処理部14で相関処理された受信信号に基づいて、被検体の内部状態の画像(超音波画像)を生成する回路である。
表示部16は、制御部17の制御に従って、画像処理部15で生成された被検体の超音波画像を表示する装置である。表示部16は、CRTディスプレイ、LCD、有機ELディスプレイおよ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実現される。
制御部17は、マイクロプロセッサ、記憶素子およ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、電圧制御部18、受信部13、信号処理部14、参照信号記憶部19、画像処理部15および表示部16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1の全体制御を行う回路である。
図22は、前記超音波探触子2における超音波トランスデューサ20として用いられる超音波トランスデューサ21の構造を模式的に示す断面図である。この超音波トランスデューサ21は、複数の圧電素子が一直線上に配列されて成り、前記圧電素子の配列方向は、図22の紙面に垂直(厚み)方向である。この超音波トランスデューサ21は、基本的に有機無機積層型の超音波トランスデューサであり、バッキッング(背後)層22上に、先ず大パワー送信が可能なように、無機材料から成る送信用圧電層23を積層し、その送信用圧電層23の被検体側には、中間層24を介して、ハーモニックイメージングのための高調波帯域の受信が可能な有機材料から成る受信用圧電層25が設けられて構成される。そして、前記電圧制御部18からの送信パルスは、第2の圧電体である送信用圧電層23に与えられ、第1の圧電体である受信用圧電層25での受信信号は受信部13に与えられる。
ここで、前記送信用圧電層23と受信用圧電層25との間には、それらの音響インピーダンスの違いを緩和するための中間層24が設けられているが、本実施の形態では、前記受信用圧電層25が後述するような有機材料から成ることで、被検体である生体に音響インピーダンスが近くなり、音響整合層が設けられていない。こうして、該超音波トランスデューサ21は、構造が簡略化されている。ただし、該受信用圧電層25上には、必要に応じて、音響レンズが設けられてもよい。
上述のように構成される超音波トランスデューサ21において、前記有機材料から成る受信用圧電層25に、前述の図8、図11、図15または図19で示す積層圧電体が用いられる。そして、送信超音波の波長をλとするとき、送信用圧電層23はλ/4共振を行い、受信用圧電層25は3λ/4共振を行い、上述のようにして、受信用圧電層25は、前記波長λの3次高調波を高利得で抽出し、基本波を除去する。これによって、前記受信部13におけるフィルタやアンプを不要にすることができ、あるいはそれらのフィルタやアンプ用いる場合にも、フィルタの次数を低くしたり、アンプのゲインを小さくしたりすることができる。また、送信用と受信用とのそれぞれに適した無機圧電体および有機圧電体を用いることができ、大パワー送信を行い、被検体で発生した高調波を高利得で受信するハーモニックイメージングに好適な超音波探触子2を実現することができる。
一方、図23は、前記超音波探触子2における超音波トランスデューサ20として用いられる他の超音波トランスデューサ31の構造を模式的に示す断面図である。このトランスデューサ21も、複数の圧電素子が一直線上に配列されて成り、前記圧電素子の配列方向は、図23の紙面に垂直(厚み)方向である。この超音波トランスデューサ31は、有機無機並列配置の超音波トランスデューサであり、前記一直線上のバッキッング(背後)層32上で、その幅方向の中央部にハーモニックイメージングのための高調波帯域の受信が可能な有機材料から成る受信用圧電層35が設けられ、その幅方向の両側に大パワー送信が可能なように、無機材料から成る送信用圧電層33,34が並設されて構成されている。
そして、それらの圧電層33,34,35上には、被検体である生体との音響整合層33a,34a,35aおよび音響レンズ33b,34b,35bが積層されている。また、それらの圧電層33,34,35とバッキッング層32との間には介在部材33c,34c,35cがそれぞれ介在されており、中央の受信用圧電層35の介在部材35cが平板であるのに対して、両側の送信用圧電層33,34の介在部材33c,34cは、該送信用圧電層33,34を受信用圧電層35側に内傾させるために、楔形に形成されている。なお、図25では、分り易くするために、楔形の前記介在部材33c,34cの内傾角は、実際より大き目に強調して示している。
上述のように構成される超音波トランスデューサ31においても、前記有機材料から成る受信用圧電層35に、前述の図8、図11、図15または図19で示す積層圧電体が用いられる。そして、送信超音波の波長をλとするとき、送信用圧電層33,34はλ/4共振を行い、受信用圧電層35は3λ/4共振を行い、上述のようにして、受信用圧電層35は、前記波長λの3次高調波を高利得で抽出し、基本波を除去する。これによって、前記受信部13におけるフィルタやアンプを不要にすることができ、あるいはそれらのフィルタやアンプ用いる場合にも、フィルタの次数を低くしたり、アンプのゲインを小さくしたりすることができる。また、送信用と受信用とそれぞれ適した無機圧電体および有機圧電体を用いることができ、大パワー送信を行い、被検体で発生した高調波を高利得で受信するハーモニックイメージングに好適な超音波探触子2を実現することができる。
以下に、前記3λ/4共振を行う受信用圧電層25,35として用いられる積層圧電体の具体的な作成方法および材料について詳述する。一般に、超音波振動子は、膜状の圧電材料から成る圧電層(「圧電体層」、「圧電膜」、「圧電体膜」ともいう。)を挟んで一対の電極を配設して構成され、複数の振動子(圧電素子)を前記のような1次元や2次元に配列して前記の超音波トランスデューサ20が構成される。その複数の振動子を配列する方法としては、1枚の振動子をバッキング層に貼付け、必要に応じて音響整合層等を貼付けた後に、ダイシングによって各素子に分割することで行うことができる。
複数に分割された積層振動子の各素子のアスペクト比は、アジマス方向の幅をW、高さをHとすると、W/Hは0.4〜0.6にすることが好ましい。これは、超音波が伝播する送受信方向の振動と、送受信方向に直交する走査方向(配列方向)の振動(横振動)との干渉を抑制し、振動子の配列方向の指向特性が狭くなることを回避でき、ビームの指向角度が制限されることなく、大きい偏向角においても良好な感度を保つことができるためである。
そして、複数の振動子が配列された長軸方向の所定数の振動子を口径として設定し、その口径に属する複数の振動子を駆動して被検体内の計測部位に超音波ビームを収束させて照射すると共に、その口径に属する、またはその口径に属する振動子とは別の複数の振動子により被検体から発する超音波の反射エコー等を受信して電気信号に変換する機能を有している。
前述の図8、図11、図15または図19で示す積層圧電体を実現するにあたって、該積層圧電体がセラミックなどの無機材料から成る場合、圧電体層と電極層とが積層されて、焼成などによって一体化される。
一方、積層圧電体がPVDFなどの有機材料から成る場合、表裏両面の一部または全部に電極層が形成され、分極処理された有機材料のシートを積層し、層間を接着剤で接続することで一体化される。この際、電極層の接触面が互いに重なるようにすることが好ましい。これは振動子の駆動時や超音波の受信時に、不要な電界の形成を防ぎ、不均一な音場が形成されることを防ぐためである。なお、接着剤は絶縁性であるが、有機材料層および電極層の粗面(微細な凹凸)が、積層した際に互いに入り込み、隣接する電極同士は導通状態となる。積層接着後は、振動子端部の不要な部分をそぎ落とし、トランスデューサに搭載する大きさに成形する。その後、各圧電体を直列接続するにあたって、前述のように外表面の電極に導電性ペーストで結線することで、バッキング層22,32側の両側部に、信号電極とGND電極とをそれぞれ引出すことができる。
積層圧電体の材料としては、従来から用いられている水晶、圧電セラミックスPZT、PZLTや、圧電単結晶PZN−PT、PMN−PT、LiNbO3、LiTaO3、KNbO3、ZnO、AlNなどの薄膜などの無機圧電材料に加え、ポリフッ化ビニリデンやポリフッ化ビニリデン系共重合体、ポリシアン化ビニリデンやシアン化ビニリデン系共重合体、ナイロン9やナイロン11などの奇数ナイロン、芳香族ナイロン、脂環族ナイロン、ポリ乳酸、ポリヒドロキシブチレートなどのポリヒドロキシカルボン酸、セルロース系誘導体、あるいはポリウレアなどの有機圧電材料が挙げられる。さらに無機圧電材料と有機圧電材料、無機圧電材料と有機高分子材料を併用したコンポジット材料も挙げられる。図22および図23で示す超音波トランスデューサ21,31では、上述の無機材料を送信用圧電層23;33,34に用い、有機材料を受信用圧電層25;35に用いるものとする。
当該積層圧電体の1層の層厚は、設定する中心周波数(波長λ)にもよるが、加工性を考え、5〜200μmの範囲内にあることが好ましい。そして、各圧電体A1〜A3などの厚さが相互に等しいことで、各圧電体の製造が容易となるので、超音波トランスデューサ21,31の生産性を向上させることができる。
有機圧電材料から成る圧電層の形成方法には、塗布によって膜を形成する方法、蒸着(蒸着重合)によって膜を形成する方法が好ましい。前記の塗布方法としては、たとえばスピンコート法、ソルベントキャスト法、メルトキャスト法、メルトプレス法、ロールコート法、フローコート法、プリント法、ディップコート法、バーコート法等が挙げられる。また、蒸着(蒸着重合)方法としては、数百Pa以下程度の真空度で、単一、または複数の蒸発源よりモノマーを蒸発させ、基板上に付着、反応させることで膜を得ることができる。必要に応じて、適宜基板の温度調整が行われる。
上述のようにして作成された有機圧電体膜への電極層の形成は、先ずチタン(Ti)やクロム(Cr)などの下地金属をスパッタ法により0.02〜1.0μmの厚さに形成し、続いて金属元素を主体とする金属材料またはそれらの合金から成る金属材料に、必要に応じて一部絶縁材料を併せて、スパッタ法等の適当な方法で1〜10μmの厚さに形成することで行われる。その後、前記の圧電層(圧電体膜)の分極処理が行われる。前記の金属材料には、金(Au)、白金(Pt)、銀(Ag)、パラジウム(Pd)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、スズ(Sn)などが用いられる。電極形成は、上記のスパッタ法以外に、微粉末の金属粉末と低融点ガラスとを混合した導電ペーストを、スクリーン印刷やディッピング法、溶射法等で、塗布することで行うこともできる。
一方、図22の超音波トランスデューサ21では形成されないが、図23の超音波トランスデューサ31で形成される音響整合層33a,34a,35aや音響レンズ33b,34b,35bの形成方法は、以下の通りである。前記音響整合層33a,34a,35aは、振動子と生体組織との音響インピーダンスの差によって境界面での反射が発生し、自由振動が長く続いてしまうことを防止するために、振動子と生体組織との間に介在され、両者の中間的な音響インピーダンスを持つものである。この音響整合層を介在することで、前記境界面での反射が軽減されて自由振動が速やかに集束し、トランスデューサで送受信される超音波パルス幅が短くなって、生体内に超音波が効果的に伝搬されるようになる。
この音響整合層33a,34a,35aに用いられる材料としては、金属材料(アルミ、アルミ合金(例えばAl−Mg合金)、マグネシウム合金、等)、ガラス類(マコールガラス、ケイ酸塩ガラス、溶融石英、等)、炭素材料(カーボングラファイト、コッパーグラファイト、等)、樹脂材料(ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリカーボネート(PC)、ナイロン(PA6,PA6−6)、ポリフェニレンスルフィド(PPS、ガラス繊維入りも可)、ポリフェニレンエーテル(PPE)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリアミドイミド(PAI)、ポリエチレンテレフタレート(PETP)、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、ABC樹脂、ABS樹脂、AAS樹脂、AES樹脂、等)等である。好ましくは、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂に、充填剤として、亜鉛華、酸化チタン、シリカやアルミナ、ベンガラ、フェライト、酸化タングステン、酸化イットリビウム、硫酸バリウム、タングステン、モリブデン等を入れて成形したものを用いることができる。
前記音響整合層33a,34a,35aは、単層でもよいし、複数層から構成されてもよい。好ましくは、2層以上である。この音響整合層33a,34a,35aの厚さは、送信超音波の波長をλとすると、λ/4となるように定める必要がある(図24や図25では、送信用圧電層23;33,34内では、受信用圧電層25,35内より超音波の速度が速いので、厚くなっている)。これを満たさない場合、本来の共振周波数とは異なる周波数ポイントに複数の不要スプリアスが出現し、基本音響特性が大きく変動し、残響時間の増加や反射エコーの波形歪みによる感度やS/Nの低下を引き起こしてしまう。このような音響整合層33a,34a,35aの厚さとしては、概ね30μm〜500μmの範囲で用いられる。
また、バッキング層22,32は、超音波振動子の背面に配置され、後方へ放射された超音波の伝搬を抑制(吸収)する。これによってもまた、振動子側への不要な反射を抑え、パルス幅を短くすることができる。これらのバッキング層22,32に用いられる材料としては、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等の熱可塑性樹脂などを用いることができる。
好ましいバッキング材としては、ゴム系複合材料および/またはエポキシ樹脂複合材から成るものであり、その形状は、該圧電体や、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。
前記のゴム系複合材としては、ゴム成分および充填剤を含有する物が好ましく、JIS K6253に準拠したスプリング硬さ試験機(デュロメータ硬さ)におけるタイプAデュロメータでA70からタイプDデュロメータでD70までの硬さを有するものであり、さらに、必要に応じて各種の他の配合剤を添加してもよい。
前記のゴム成分としては、たとえば、エチレンプロピレンゴム(EPDMまたはEPM)、水素化ニトリルゴム(HNBR)、クロロプレンゴム(CR)、シリコーンゴム、EPDMとHNBRのブレンドゴム、EPDMとニトリルゴム(NBR)のブレンドゴム、NBRおよび/またはHNBRと高スチレンゴム(HSR)のブレンドゴム、EPDMとHSRブレンドゴムなどが好ましい。より好ましくは、エチレンプロピレンゴム(EPDMまたはEPM)、水素化ニトリルゴム(HNBR)、EPDMとHNBRのブレンドゴム、EPDMとニトリルゴム(NBR)のブレンドゴム、NBRおよび/またはHNBRと高スチレンゴム(HSR)とのブレンドゴム、EPDMとHSRとのブレンドゴムなどが挙げられる。本実施例のゴム成分は、加硫ゴムおよび熱可塑性エラストマーなどのゴム成分の1種を単独で使用してもよいが、ブレンドゴムのように2種以上のゴム成分をブレンドしたブレンドゴムを用いてもよい。
ゴム成分に添加される充填剤としては、通常使用されているものから比重の大きいものに至るまで、その配合量と共に様々な形で選ぶことができる。たとえば、亜鉛華、チタン白、ベンガラ、フェライト、アルミナ、三酸化タングステン、酸化イットリビウムなどの金属酸化物、炭酸カルシウム、ハードクレイ、ケイソウ土などのクレイ類、炭酸カルシウム、硫酸バリウムなどの金属塩類、ガラス粉末等やタングステン、モリブデン等の各種の金属系微粉末類、ガラスバルーン、ポリマーバルーン等の各種バルーン類が挙げられる。これらの充填剤は、種々の比率で添加することができるが、好ましくはゴム成分100質量部に対して、50〜3000質量部、より好ましくは100〜2000質量部、または300〜1500質量部程度である。また、これらの充填剤は、1種または2種以上を組み合わせて添加してもよい。
ゴム系複合材料には、さらに他の配合剤を必要に応じて添加することができ、このような配合剤としては、加硫剤、架橋剤、硬化剤、それらの助剤類、劣化防止剤、酸化防止剤、着色剤などが挙げられる。たとえば、カーボンブラック、二酸化ケイ素、プロセスオイル、イオウ(加硫剤)、ジクミルパーオキサイド(Dicup、架橋剤)、ステアリン酸などを配合することができる。これらの配合剤は必要に応じて使用されるものであるが、その使用量は、一般にゴム成分100質量部に対し、それぞれ1〜100質量部程度であるが全体的バランスや特性によって適宜変更することもできる。
前記のエポキシ樹脂複合剤としては、エポキシ樹脂成分および充填剤を含有するのが好ましく、さらに必要に応じて各種の配合剤を添加することもできる。エポキシ樹脂成分としては、たとえばビスフェノールAタイプ、ビスフェノールFタイプ、レゾールノボラックタイプ、フェノール変性ノボラックタイプ等のノボラック型エポキシ樹脂、ナフタレン構造含有タイプ、アントラセン構造含有タイプ、フルオレン構造含有タイプ等の多環芳香族型エポキシ樹脂、水添脂環型エポキシ樹脂、液晶性エポキシ樹脂などが挙げられる。本実施例のエポキシ樹脂成分は単独で用いても良いが、ブレンド樹脂のように2種類以上のエポキシ樹脂成分を混合して用いてもよい。
前記のエポキシ樹脂成分に添加される充填剤としては、前述のゴム成分に混合する充填剤と同様のものから、上記ゴム系複合剤を粉砕して作成した複合粒子まで、いずれも好ましく使用することができる。前記複合粒子としては、たとえばシリコーンゴム中にフェライトを充填したものを粉砕器にて粉砕し、200μm程度の粒径にしたものを挙げることができる。
前記エポキシ樹脂複合剤を使用する際には、さらに架橋剤を添加する必要があり、たとえばジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン、ジプロピレンジアミン、ジエチルアミノプロピルアミン等の鎖状脂肪族ポリアミン、N−アミノエチルピペラジン、メンセンジアミン、イソフォロンジアミン等の環状脂肪族ポリアミン、m−キシレンジアミン、メタフェニレンジアミン、ジアミノジフェニルメタン、ジアミノジフェニルスルフォン等の芳香族アミン、ポリアミド樹脂、ピペリジン、NN−ジメチルピペラジン、トリエチレンジアミン、2,4,6−トリス(ジメチルアミノメチル)フェノール、ベンジルジメチルアミン、2−(ジメチルアミノメチル)フェノール等の2級および3級アミン等、2−メチルイミダゾール、2−エチルイミダゾール、1−シアノエチル−2−ウンデシルイミダゾリウム・トリメリテート等のイミダゾール類、液状ポリメルカプタン、ポリスルフィド、無水フタル酸、無水トリメリット酸、メチルテトラヒドロ無水フタル酸、メチルエンドメチレンテトラヒドロ無水フタル酸、メチルブテニルテトラヒドロ無水フタル酸、メチルヘキサヒドロフタル酸等の酸無水物を挙げることができる。
このようにして成るバッキング層22,32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。
一方、前記音響レンズ33b,34b,35bは、屈折を利用して超音波ビームを集束し、分解能を向上するために設けられるものであり、超音波を収束するとともに、被検体である生体とよく密着して、圧電層33,34,35側と生体との音響インピーダンス(密度×音速;(1.4〜1.6)×106kg/m2・sec)を整合させ、超音波の反射を少なくし得ること、レンズ自体の超音波減衰量が小さいことが必要条件とされている。このため、従来から、高分子材料をベースにして作られた音響レンズが設けられている。
ここに用いられるレンズ材料としては、その音速が人体のそれより充分小さくて、減衰が少なく、また音響インピーダンスが人体の皮膚の値に近いものが望まれる。レンズ材の音速が人体のそれより充分小さければ、レンズ形状を凸状となすことができ、診断を行う際に滑りが良くなり、安全に行うことができる。また、減衰が少なくなれば、感度良く超音波の送受信が行え、さらに、音響インピーダンスが人体の皮膚の値に近いものであれば、反射が小さくなり、換言すれば、透過率が大きくなるので、同様に超音波の送受信感度が良くなるからである。
本実施例において、音響レンズ33b,34b,35bを構成する素材としては、従来公知のシリコーン系ゴム、ブタジエン系ゴム、ポリウレタンゴム、エピクロルヒドリンゴム等のホモポリマー、エチレンとプロピレンとを共重合させて成るエチレン−プロピレン共重合体ゴム等の共重合体ゴム等を用いることができる。これらのうち、シリコーン系ゴムを用いることが特に好ましい。
本実施例に使用されるシリコーン系ゴムとしては、シリコーンゴム、フッ素シリコーンゴム等が挙げられる。中でも、レンズ材の特性上、シリコーンゴムを使用することが好ましい。シリコーンゴムとは、Si−O結合から成る分子骨格を有し、そのSi原子に複数の有機基が主結合したオルガノポリシロキサンを言い、通常は、その主成分はメチルポリシロキサンで、全体の有機基のうち90%以上はメチル基である。メチル基に代えて水素原子、フェニル基、ビニル基、アリル基等を導入したものも使用することができる。当該シリコーンゴムは、たとえば高重合度のオルガノポリシロキサンに過酸化ベンゾイルなどの硬化剤(加硫剤)を混練し、加熱加硫し硬化させることにより得ることができる。必要に応じてシリカ、ナイロン粉末等の有機または無機の充填剤、硫黄、酸化亜鉛等の加硫助剤等を添加してもよい。
本実施例に使用されるブタジエン系ゴムとしては、ブタジエン単独またはブタジエンを主体とし、これに少量のスチロールまたはアクリロニトリルが共重合した共重合ゴム等が挙げられる。中でも、レンズ材の特性上、ブタジエンゴムを使用することが好ましい。ブタジエンゴムとは、共役二重結合を有するブタジエンの重合により得られる合成ゴムを言う。ブタジエンゴムは、共役二重結合を有するブタジエン単独が1.4〜1.2重合することにより得ることができる。ブタジエンゴムは、硫黄等により加硫させることが好ましい。
本実施例に係る音響レンズ33b,34b,35bにおいては、シリコーン系ゴムとブタジエン系ゴムとを混合し加硫硬化させて得たものであってもよい。具体的には、シリコーンゴムとブタジエンゴムとを適宜割合で、混練ロールによって混合し、過酸化ベンゾイルなどの加硫剤を添加し、加熱加硫し、架橋(硬化)させることにより得ることができる。その際に、加硫助剤として、酸化亜鉛を添加することが好ましい。酸化亜鉛は、レンズ特性を落とさずに、加硫を促し、加硫時間を短縮できる。他に、着色剤や音響レンズの特性を損なわない範囲内で他の添加剤を添加してもよい。シリコーン系ゴムとブタジエン系ゴムとの混合割合は、その音響インピーダンスが人体に近似しているとともに、その音速が人体より小さく、減衰が少ないものを得るには、通常、1:1が好ましいが、当該混合割合は適宜変更可能である。
シリコーンゴムは、市販品として入手することができ、たとえば信越化学社製、KE742U、KE752U、KE931U、KE941U、KE951U、KE961U、KE850U、KE555U、KE575U等や、モメンティブパフォーマンスマテリアル社製、TSE221−3U、TE221−4U、TSE2233U、XE20−523−4U、TSE27−4U、TSE260−3U、TSE−260−4Uや、ダウコーニング東レ社製のSH35U、SH55UA、SH831U、SE6749U、SE1120USE4704Uなどを用いることができる。
なお、本実施例においては、上記シリコーン系ゴム等のゴム素材をベース(主成分)として、音速調整や密度調整等の目的に応じて、シリカ、アルミナ、酸化チタンなどの無機充填剤や、ナイロンなどの有機樹脂等を配合することもできる。また、当該音響レンズ33b,34b,35bの被検体表面に近い領域に、励起光を照射することで発光する物質、すなわち発光物質が添加されていてもよい。
一方、本実施例に用いる部材間の接着には、一般的に用いられるエポキシ系樹脂が好適である。市販のエポキシ接着剤の具体例としては、スリーエム カンパニー製のDP−420、DP−460、DP−460EG、セメダイン社製のエクセルエポ、EP001、EP008、EP330、EP331、ハンツマン・アドバンスト・マテリアルズ社製のアラルダイト スタンダード(登録商標)、アラルダイト ラピッド(登録商標)、システムスリー社製のシステムスリーエポキシ、ゲルマジック、スリーボンド社製の2087L(高強度二液性エポキシ配合樹脂)、2082C(常温硬化型二液性エポキシ樹脂高せん断接着力タイプ)、2081D(軟質塩ビ用接着剤エポキシ系)、コニシ社製のEセットL、コトロニクス社製デュラルコ4525IP、7050、NM25、4461IP等を挙げることができる。ただし、ダイシング加工適性、薬剤耐性の面から、強固な接着性、低反応性、などが要求される。さらに、接着層は可能な限り薄くすることが求められるため、低粘度のものが好ましい。接着層の厚みとしては、0.5〜3μmが好ましい。
以下に、圧電体の作製方法について述べる。先ず、送信用圧電体23;33,34として用いられる無機圧電体である。成分原料であるCaCO3、La2O3、Bi2O3とTiO2、および副成分原料であるMnOを準備し、成分原料については、成分の最終組成が、(Ca0.97La0.03)Bi4.01Ti4O15となるように秤量した。
次に、純水を添加し、純水中でジルコニア製メディアを入れたボールミルにて8時間混合し、充分に乾燥を行い、混合粉体を得た。得られた混合粉体を、仮成形し、空気中、800℃で2時間仮焼を行い、仮焼物を作製した。
次に、得られた仮焼物に純水を添加し、純水中でジルコニア製メディアを入れたボールミルにて微粉砕を行い、乾燥することにより圧電セラミックス原料粉末を作製した。微粉砕においては、微粉砕を行う時間および粉砕条件を変えることにより、それぞれ粒子径100nmの圧電セラミックス原料粉末を得た。
それぞれ粒子径の異なる各圧電セラミックス原料粉末に、バインダーとして純水を6質量%添加し、プレス成形して、厚み100μmの板状仮成形体とし、この板状仮成形体を真空パックした後、235MPaの圧力でプレスにより成形した。
次に、上記の成形体を焼成し、最終焼結体の厚さは20μmである。なお、焼成温度は、それぞれ1100℃であった。その後、1.5×Ec(MV/m)以上の電界を1分間印加して、分極処理を施した。
次に、受信用圧電体25,35として用いられる有機圧電体の作製方法について述べる。本実施例に係る有機圧電材料は、前述の高分子材料を主たる構成成分として有する室温以上、融点から10℃低い温度以下の温度において、延伸可能なフィルム状であり、張力を一定の範囲に保ちながら熱処理され、続いて室温まで冷却される間に二段階目の延伸をして作製することができる。
本実施例に係るフッ化ビニリデンを含む有機圧電材料を振動子とする場合、フィルム状に形成し、ついで電気信号を入力するための表面電極を形成する。本実施例は、表面に形成した電極を介して電場を厚さ方向にかけ、圧迫しながら分極することを特徴とするが、表面に電極を形成せずに、圧迫部材の材料に接触する面に電圧をかけられる電極を設置し、同様に圧迫しながら材料の厚さ方向に電場をかけながら分極することでも効果は同じである。
フィルム形成は、溶融法、流延法など一般的な方法を用いることができる。ポリフッ化ビニリデン−トリフルオロエチレン共重合体の場合、フィルム状にしたのみで自発分極を持つ結晶型を有することが知られているが、さらに特性を上げるには、分子配列を揃える処理を加えることが有用である。手段としては、延伸製膜、分極処理などが挙げられる。
延伸製膜の方法については、種々の公知の方法を採用することができる。たとえば、上記高分子材料をエチルメチルケトン(MEK)などの有機溶媒に溶解した液をガラス板などの基板上に流延し、常温にて溶媒を乾燥させ、所望の厚さのフィルムを得て、このフィルムを室温で所定の倍率の長さに延伸する。当該延伸は、所定形状の有機圧電材料が破壊されない程度に、一軸あるいは二軸方向に行うことができる。延伸倍率は2〜10倍、好ましくは2〜6倍である。
なお、フッ化ビニリデン−トリフルオロエチレン共重合体および/またはフッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン共重合体において、230℃における溶融流動速度(Melt Flow Rate)が0.03g/min以下である。より好ましくは、0.02g/min以下、更に好ましくは、0.01g/min以下である高分子圧電体を使用すると、高感度な圧電体の薄膜が得られる。
一般に、フィルム状の材料を熱処理する場合、フィルム面内に効率的かつ均一に熱を与えるために、チャックやクリップなどで端部を支持して、所定温度環境下に置くことが好ましい。この際に、フィルム面にヒートプレート等の熱源を直接触れるような形態で熱を与えることは、加熱の際に収縮する材料の場合、平面性を損なうので好ましくない。むしろ、加熱の際の熱収縮に対し、わずかに弛緩処理を行うことの方が平面性に対しては効果がある。ここでいう弛緩処理とは、熱処理およびその終了後室温まで冷却される過程でフィルムにかかる収縮ないしは膨張しようとする力に追従しながら、フィルム両端の応力を変化させることである。弛緩処理は、フィルムが弛むことで平面性が保てなくなったり、応力が大きくなって破断したりしない限り、応力を緩和させるように縮めても、さらに張力をかける方向に延伸しない程度に広げてもよい。本実施例においては、延伸した方向をプラスと定めた場合、長さにして10%程度、フィルムが冷却中に伸びる場合は、弛みに追従するように、最大でも10%程度、二段階目の延伸を行う。この二段階目の延伸は、フィルムがピンと張った状態となるように、弛みを無くす程度に延伸チャックを稼動させることで行うものとする。それ以上の処理は、冷却中の延伸となり、フィルム破断のおそれがある。
本実施例の有機圧電材料の熱処理としては、フィルム面内に効率的かつ均一に熱を与えるために、チャックやクリップなどで端部を支持して、フィルムの融点よりも10℃低い温度を上限とした温度付近下に置くことが好ましい。たとえば、ポリフッ化ビニリデンを主成分とする有機圧電材料の場合、融点が150〜180℃にあることから、110〜140℃の温度で熱処理をすることが好ましい。また、その時間は、30分以上行うことで効果が発現し、長ければ長い程、結晶成長が促進されるが、時間とともに飽和することから、現実的には10時間程度、長くとも一昼夜程度である。この間もフィルムの平面性を維持するために、一定の張力がフィルムにかかるようにしておくことが好ましい。熱処理中の張力は、仕上がりの平面性の観点から0.1〜500kPaの範囲内が好ましく、より好ましくは、可能な限り小さい応力が好ましい。熱処理中のフィルムは柔らかく、張力がこの値よりも大きくなると、さらに延びてしまうため、熱処理の効果が失われてしまうだけでなく、破断が起こるおそれがある。
上述のようにして作成された有機圧電材料の両面には、電極が貼付けられた後に、絶縁部材による圧迫下で、その電極間に電圧が印加されて分極処理が施される。一般に、圧電材料は、電場応答に対して変形応答をする特性を持っている材料である。そのため、分極処理中における電場によっても変形応答する。すなわち、材料に電場を加えて分極処理を施すことで圧電材料としての特性を付与するその最中にも、電場によって変形してしまう。このため、材料はしばしば分極処理後に変形して、初期の形状を保たないことがある。そこで本実施例では、その分極中の変形を抑制するために、上述のように圧迫をしつつ、分極処理を行うことで、より変形の少ない、好ましくは分極処理前後での平面性が保たれ、かつ高い圧電特性を有する有機圧電材料を得るようにしている。
ここで、押圧力、すなわち、押圧する圧力の程度としては、少なくとも0.98MPa(10kg/cm2)以上、9.8MPa(100kg/cm2)以下であることが好ましい。これは、0.98MPa(10kg/cm2)以上とすることで変形を抑えることができ、9.8Ma(100kg/cm2)以下とすることで厚さ方向の変形の発生を防止したり、初期の厚さを保つことができ、もしくは分極処理の印加電流が短絡することを防止できるためである。本実施例に係る分極処理方法としては、公知の直流電圧印加処理、もしくは交流電圧印加処理等の電圧印加処理の方法が適用され得る。
以下に、有機圧電材料の具体的な例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれらに限定されない。本実施例では、有機圧電材料として、P(VDF−TrFE)を用いる。その合成方法は、以下のとおりである。内容積14Lのステンレス製の耐圧オートクレーブに、フッ化ビニリデン(VDF;シグマアルドリッチ社製)70部(3000g)、3フッ化エチレン(TrFE;シグマアルドリッチ社製)30部、純水210部、メチルセルロース(東京化成社製)0.1部、ピロリン酸ナトリウム(太平化学産業社製)0.2部、ジノルマルプロピルパーオキシジカーボネート(日油株式会社製)0.61部を仕込み、25℃で重合を開始した。3時間に酢酸エチル3.0部を添加し、重合反応を継続した。その後オートクレーブの内圧が25kg/cm2に低下した時点で、未反応物を回収し、重合物の脱水、水洗を順に3回繰り返した後、減圧乾燥を行った。収率は26%であった。得られたP(VDF−TrFE)について評価を行うと、分子量は255000、分散は2.4であった。
なお、重量平均分子量(Mn)および分子量分布(Mw/Mn)は、下記の要領で、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)により算出した。測定条件は以下の通りである。
溶媒 :30mMLiBr in N−メチルピロリドン
装置 :HLC−8220GPC(東ソー(株)製)
カラム :TSKgel SuperAWM−H×2本(東ソー(株)製)
カラム温度:40℃
試料濃度 :1.0g/L
注入量 :40μl
流量 :0.5ml/min
校正曲線 :標準ポリスチレン:PS−1(Polymer Laboratories社製)Mw=580〜2,560,000までの9サンプルによる校正曲線を使用した。
組成については、1H−NMRにより決定した。得られたP(VDF−TrFE)の3wt%重ジメチルスルホキシド溶液を調製し、サンプル管に入れ、NMR(核磁気共鳴)装置( <http://www.varianjapan.com/product/nmr/001/index.html>Varian 400−MR、Varian社製)にて400MHzの周波数で解析した。得られたデータ(図24参照)の解析から、5.3−6.0ppm付近に現れるTrFEに特有のプロトンのシグナルと、2.3−3.3ppm付近に現れるVDFに特有のプロトンのシグナルとの比より、VDF/TrFE=3/1と決定した。
また同様にして、VDFのホモポリマーPVDFも重合した。GPC評価から分子量200000、分散2.1であった。
得られたP(VDF−TrFE)をメチルエチルケトン(関東化学社製)を溶媒とし、乾燥膜厚40±1μmとなるようにガラス板に塗布し、60℃で30分乾燥し、有機圧電膜を作製した。
そして、そのP(VDF−TrFE)(膜厚:40±1μm)の表面に、厚さ0.1μmのクロム電極を蒸着により形成した後、厚さ0.2μmの金電極を蒸着により形成し、有機圧電膜の両端部を除く部分に30kgf/cm2の圧力が均一に加わるようアクリル製の板で挟み込み、有機圧電膜の厚さ方向に電圧が印加されるように、有機圧電膜の一方の電極層をグランドに、他方をファンクションジェネレータ(20MHz Function/Arbitary Waveform Generator 33220A;Agilent Technology(株)製)とパワーアンプ(AC/DC AMPLIFIER HVA4321;nF社製)に接続し、0.1HzのSin波印加条件下、20秒おきに100Vずつ昇圧し、最大100MV/mの電場を印加し、ポーリング処理を施した。その後、電極に3−メルカプトプロピルトリメトキシシランの1%(メタノール−pH4酢酸ナトリウム水溶液)混合溶液中に5分浸漬し、乾燥後水洗し、再度乾燥させ、表面処理を行った。
その有機圧電膜を3層または6層積層し、電極を含めて0.12mmの厚さで、表裏の電極のオーバーラップ部分(電圧印加範囲)を3.3mmとした。その積層の際、該有機圧電膜の分極方向を、3層では前述の図15の同方行、逆方行、逆方行、6層では前述の図8の同方行、逆方行、逆方行、同方行、…とした。なお比較例として、3層で、前述の図17で示す同方行、同方行、同方行のものや、無機材料のPZTを使用したものを作成した。積層時に用いた接着剤は、エポキシ系接着剤であり、30kgf/cm2の圧力で厚み方向に均一に加圧した。積層後、ダイシングにより7.5mm×50mmのサイズに切り出し、側面電極を形成し、積層圧電体1〜4および積層圧電体5,6を作成した。
以下に、これらの積層圧電体1〜6の評価方法について説明する。先ず、有機圧電体自体の評価を行った。それには、その積層圧電体1〜6の側面に、電極がパターンニングされたFPC、背面に3.0mm厚のバッキング層を順に接着し、超音波射出側に音響整合層(ML層)を接着した(積層圧電体1,2,5,6)。その後、長手方向に0.15mmピッチで30μm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、音響整合層を積層したものについては、さらにその上にレンズを接着した。その後、FPCにコネクタを接続し、こうして作成した超音波トランスデューサをケースに収め、送受兼用の超音波探触子1〜6を作成した。
その超音波探触子1〜6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。この超音波探触子1〜6の駆動は、符号化なしのパルス駆動の場合と、前記特開2003−225237号公報に記載の符号化パルスを用いる場合との2通り行った。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、図27が符号化なしの場合の受信波形であり、図28が符号化ありの場合の受信波形である。こうして得られたパルスについて、符号化パルスを用いたものはパルス圧縮を行い、符号化パルスを用いなかったものはそのままのFFT解析をかけた帯域特性から、基本波における感度を求めた。その結果を表1に示す。
本結果より、本発明に基づいた規則性を有する積層方法により作成した積層圧電体1〜4を搭載した超音波探触子1〜4を用いれば、生体内で反射した高周波を感度良く受信することが可能であり、高解像・高分解能を有する診断画像が得られることが理解される。
次に、これらの上述の積層圧電体1〜6を無機圧電体の上に搭載して、送受別体として評価を行った。すなわち、図22の構造であり、無機の送信用圧電層23から上層の受信用圧電層への音の通りを良くするため、中間層(IL(Intermediate Layer))24が存在する。すなわち、前述の積層圧電体1〜6の側面に、電極がパターンニングされたFPCを、背面側に、中心周波数5MHzのPZT層およびバッキング層を順に接着し、必要に応じて超音波射出側に音響整合層を接着した。その後、長手方向に0.15mmピッチで30μm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、前記音響整合層を積層したものについては、さらにその上にレンズを接着した。その後、FPCにコネクタを接続し、こうして作成した超音波トランスデューサをケースに収め、送受別体の超音波探触子1〜6を作成した。
その超音波探触子1〜6に、前述のパルサーレシーバーおよびオシロスコープを接続し、実験方法は上述と同様である。得られたパルスについて、符号化パルスを用いたものはパルス圧縮を行い、符号化パルスを用いなかったものはそのままのFFT解析をかけた帯域特性から、3次高調波帯域における感度を求めた。その結果を表2に示す。
本結果より、本発明に基づいた規則性を有する積層方法により作成した積層圧電体1〜4を搭載した超音波探触子1〜4を用いれば、生体内で生じた3次高調波を感度良く受信することが可能であり、高解像・高分解能を有する診断画像が得られることが理解される。