WO2007145073A1 - アレイ型超音波探触子及びその製造方法、並びにアレイ型超音波探触子の駆動方法 - Google Patents
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Classifications
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- A61B8/481—Diagnostic techniques involving the use of contrast agent, e.g. microbubbles introduced into the bloodstream
Definitions
- Array-type ultrasonic probe manufacturing method thereof, and driving method of array-type ultrasonic probe
- the present invention relates to an array-type ultrasonic probe used for medical diagnosis, a method for manufacturing the same, and a method for driving the array-type ultrasonic probe.
- An ultrasonic diagnostic apparatus is a medical imaging apparatus that non-invasively obtains a tomographic image of a soft tissue in a living body from a body surface by an ultrasonic pulse reflection method.
- this ultrasound diagnostic device has features such as small size, low cost, high safety without exposure to X-rays, and blood flow imaging using the Doppler effect. It is widely used in the circulatory system (coronary artery of the heart), digestive system (gastrointestinal), internal medicine (liver, spleen, spleen), urology (kidney, bladder), and obstetrics and gynecology.
- An ultrasonic probe used in such a medical ultrasonic diagnostic apparatus generally uses the piezoelectric effect of a piezoelectric ceramic in order to transmit and receive high-sensitivity and high-resolution ultrasonic waves.
- a single type probe or an array type probe in which a plurality of probes are two-dimensionally arranged is used as the vibration mode of the transmitting piezoelectric element. Since the array type can obtain a fine image, it is widely used as a medical image for a diagnostic examination.
- harmonic imaging diagnosis using harmonic signals is becoming a standard diagnostic modality because a clear diagnosis image that cannot be obtained by conventional B-mode diagnosis is obtained.
- Harmonic imaging technology transmits a fundamental wave (f 1) having a certain frequency from an ultrasound probe into the living body, and is an integer multiple of the fundamental wave generated from the living body (for example, 2 times, 3 times, 4 times) (5 times, etc.) is reflected by an ultrasonic probe, and the reflected waves are converted into electrical signals by an ultrasonic diagnostic device, and then subjected to various image processing to produce ultrasonic waves.
- This is a technique for improving the resolution of an image and forming a fine image.
- this Harmonic imaging technology is also used to administer an ultrasound contrast agent with microbubble force to the inside of a living body via a blood vessel and depict a diagnostic site as an image with enhanced contrast. The reason is that the microbubbles administered into the living body have the property of reflecting the harmonics more strongly.
- an ultrasonic probe including a two-dimensional array transducer needs to have a wide frequency range including a fundamental frequency component and a harmonic frequency component.
- harmonic imaging Compared to the fundamental wave, harmonic imaging has a sidelobe level force, which improves SZN, improves contrast resolution, and increases the frequency, resulting in narrower beam width and lateral resolution. Because the sound pressure is small and the sound pressure variation is small at a short distance, multiple reflections do not occur, attenuation beyond the focal point is similar to the fundamental wave, and the harmonic frequency is the fundamental wave. It has many advantages in that it has a greater depth than sound waves.
- a piezoelectric vibrator in which each vibrator element constituting the array is a broadband integrated type is used.
- a method of transmitting fundamental waves in the frequency region on the low frequency side of the wideband characteristics and receiving harmonics in the frequency region on the high frequency side is generally used.
- a conventional ultrasonic probe described in Patent Document 1 is known as a technique for improving sensitivity. This was achieved by using a vibrator in which fine columnar piezoelectric elements were solidified with an organic compound such as epoxy resin as an ultrasonic transmission / reception element, and improving the sensitivity by causing each columnar ceramic to vibrate longitudinally. Is.
- Narrowband ultrasonic waves are used so that the spectrum of the fundamental wave transmission ultrasonic wave and the spectrum of the harmonic wave reception ultrasonic wave do not overlap as much as possible.
- Narrowband ultrasound is generally the length of the tail fin and an ultrasonic pulse signal, which adversely affects the depth resolution.
- Patent Document 3 a center frequency in which a fundamental wave is transmitted and an ultrasonic wave including a harmonic wave is received, which also includes a plurality of arranged piezoelectric element forces having a first acoustic impedance.
- piezoelectric ceramic elements are laminated to form an ultrasonic transmission / reception element, the apparent impedance is lowered, the electrical matching condition with the drive circuit is improved, and the electric field exerted on the element is applied. Increasing the intensity generates large distortion and improves transmission sensitivity.
- the transmission sensitivity increases with the number of stacked layers in the stacked structure, the reception sensitivity is inversely proportional to the number of stacked layers, making it unacceptable for harmonic imaging.
- Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 63-252140
- Patent Document 2 JP-A-8-187245
- Patent Document 3 Japanese Patent Laid-Open No. 11-276478
- the composite vibrator described in Patent Document 1 forms a columnar structure by cutting a piezoelectric ceramic with a cutting machine such as a dicer, and then the cutting groove is made of an organic material such as epoxy resin. Manufactured by filling. Similarly, in an array type probe, each channel is divided by a cutting machine such as a dicer.
- the transmission / reception frequency of the ultrasonic probe depends on the thickness of the piezoelectric ceramic, the size of the columnar structure or channel pitch becomes smaller as the frequency becomes higher. Therefore, the machining process by a cutting machine such as a dicer increases, the mechanical strength of the ceramic decreases, and the deterioration of characteristics due to breakage, heat, strain, etc. cannot be ignored. The problem was that it was easy to induce a decrease in yield and performance degradation.
- a transmitting piezoelectric element corresponding to the desired frequency is manufactured. In order to make it, grinding and polishing of both end faces are indispensable, which increases the manufacturing cost. Using ceramic materials in this way has a problem to be solved in the manufacture of probes compared to organic materials!
- the present invention solves the above-mentioned problems of the prior art, and in particular, by adopting an array-type ultrasonic probe that separates the operations during transmission and reception of ultrasonic waves, the transmission piezoelectric element is made of ceramic.
- An object of the present invention is to provide a high-sensitivity array-type ultrasonic probe by using a material and using a high-sensitivity organic piezoelectric element material for reception.
- the array-type ultrasonic probe according to the present invention includes a transmission piezoelectric element and a reception element having a structure in which a sheet-shaped piezoelectric ceramic constituting each channel is single-layered or laminated. A single layer or a laminate of the sheet-like piezoelectric element of
- a highly sensitive ultrasonic probe is obtained as a transmission / reception separation type. Furthermore, the sensitivity can be increased by using an organic binder for compounding and introducing an organic binder layer.
- a plurality of sheet-like piezoelectric elements are provided as transmission / reception separation type composite piezoelectric elements, and the composite piezoelectric element
- the material constituting the transmitting piezoelectric element has a longitudinal elastic modulus under 23 ° C of lOGPa to LOOGPa
- the material constituting the receiving piezoelectric element has a longitudinal elastic modulus under 23 ° C of 10 MPa to lGPa
- the composite piezoelectric element is characterized in that the material constituting the transmitting piezoelectric element is a ceramic material, and the material constituting the receiving piezoelectric element is an organic material. Array type ultrasonic probe.
- the receiving piezoelectric element is an organic piezoelectric element having a sensitivity to receive a second or higher harmonic wave of a fundamental wave transmitted by a transmitting piezoelectric element force. Or the array type ultrasonic probe according to item (2).
- the organic piezoelectric element is bonded to the electrode with at least one organic binder.
- each of the transmitting piezoelectric element and the receiving piezoelectric element comprises a piezoelectric element in which the same kind of thin film material is laminated. Ultrasonic probe.
- the transmission / reception separation type composite piezoelectric element is sandwiched between the matching layer and the backing layer, the transmitting piezoelectric element is disposed on the matching layer side, and the receiving piezoelectric element is disposed on the backing layer side.
- the array-type ultrasonic probe according to any one of Items (1) to (5), characterized by:
- the material of the transmitting piezoelectric element is PZT, quartz, lithium niobate (LiNbO),
- LiTaO lithium
- strontium titanate strontium titanate
- the array type ultrasonic probe according to any one of items 1) to (6).
- the material of the receiving piezoelectric element is a resin containing 60 mol% to 100 mol% of at least one selected from polyvinylidene fluoride, polyurea, polyamide, polyimide, polyester, and polyolefin.
- the array-type ultrasonic probe according to any one of items (1) to (7).
- the organic binder is at least one kind of resin selected from polybutyral, polyolefin, polycyclohexylene, polyattalylate, polyamide, polyimide, polyester, polysulfone, silicone, epoxy and derivatives thereof.
- Polybulutyl, Polyimide, Epoxy, Silicone, Polysulfone are the chemical number substances number (6) -708 (Alkyl (C4) acetalpolyvinylalcohol), (7) -2211, (3) -3453, (7) 476 (polyalkyl (C12) sil oxane) and (7) -1262
- the array type ultrasonic probe according to item (4) characterized by that.
- the receiving piezoelectric element is an array type ultra-thin film characterized by forming a low temperature film by vapor deposition of a monomer species on a support (substrate) selected from polyester resin, polycarbonate resin, and cycloolefin polymer resin.
- a support selected from polyester resin, polycarbonate resin, and cycloolefin polymer resin.
- the method for producing an array-type ultrasonic probe wherein the monomer species is at least urea or a urea derivative.
- a method for manufacturing an array-type ultrasonic probe according to any one of items (1) to (6) and (8) to (10), wherein the array-type ultrasonic probe Is a method of manufacturing an array-type ultrasonic probe, characterized by being subjected to corona discharge treatment as polarization treatment (polling).
- a ceramic material is used for a transmission piezoelectric element, and a high-sensitivity organic piezoelectric element material is used for reception.
- a highly sensitive array-type ultrasonic probe can be provided.
- FIG. 1 (a) is a cross-sectional view of an ultrasonic probe, and (b) is a cross-sectional view of an ultrasonic probe having an organic binder layer.
- FIG. 2 (a) is a cross-sectional view of an ultrasonic probe in which a receiving piezoelectric element is a multilayer type, and (b) is a cross-sectional view of an ultrasonic probe having an organic binder layer.
- FIG. 3 (a) is a cross-sectional view of an ultrasonic probe in which the transmitting and receiving piezoelectric elements are stacked, and (b) is a cross-sectional view of the ultrasonic probe having an organic binder layer.
- FIG. 4 (a) is a side view where the probes are arranged in one dimension, and (b) is an upper view where the probes are arranged in two dimensions.
- Fig. 1a is a side view of the array-type ultrasonic probe according to the embodiment of the present invention.
- FIG. 1 b is a side view of the ultrasonic probe into which the organic binder layer 13 is introduced.
- FIG. 2a is a cross-sectional view in which the feeding piezoelectric elements constituting the array-type ultrasonic probe of the present embodiment are stacked.
- FIG. 2b is a side view of the ultrasonic probe into which the organic binder layer 13 is introduced.
- FIG. 3a is a cross-sectional view of an ultrasonic probe in which the transmitting piezoelectric element and the receiving piezoelectric element constituting the array-type ultrasonic probe of the present embodiment are of a stacked type.
- FIG. 3b is a side view of the ultrasonic probe into which the organic binder layer 13 is introduced.
- a is an ultrasonic probe
- 2 is a transmission piezoelectric element
- 3 is a reception piezoelectric element
- 4 is a transmission piezoelectric element.
- External electrode for voltage application 5 is a backing material
- 6 is a first positive matching layer
- 7 is a second matching layer
- 8 is the direction of ultrasonic wave transmission
- 9 is a pressure electrode for reception
- 13 is an organic binder layer .
- a is a figure without a binder layer using a binder
- b is an example in which a binder layer is introduced.
- an organic piezoelectric element is used alone and an ultrasonic probe is used, one organic binder layer (not shown) must be present between the electrode that is bonded to the ceramic material and the opposite electrode. Can do.
- a binder layer can be provided for each electrode. It is important to introduce a binder layer at the part where the transmitting ceramic piezoelectric element and the organic piezoelectric element are coupled via the electrode because they are directly affected by the piezoelectric effect of transmission.
- a is a side view in which the probes are arranged in one dimension
- b is a top view in which the probes are arranged in two dimensions.
- the transmitting piezoelectric element 2 is manufactured.
- the transmission / reception separation type piezoelectric element has a structure in which a transmission piezoelectric element 3 and a reception piezoelectric element 2 are laminated.
- the transmitting piezoelectric element 3 may have a structure in which a thin piezoelectric thin plate and an electrode layer are sandwiched as shown in FIG.
- Such a structure can be prepared by, for example, laminating a piezoelectric ceramic green sheet on which electrodes are formed by platinum paste or the like and laminating them before firing.
- the thickness of the green sheet can be easily reduced to 100 m or less, and the thickness of each layer can be set arbitrarily depending on the presence or absence of electrodes.
- the receiving organic piezoelectric element 3 can be manufactured by laminating organic polymer sheets in the same manner as the transmitting piezoelectric element 2. In that case, the receiving piezoelectric element 2 may be formed by laminating only the polymer sheets without printing the electrode layer using platinum paste, or the electrode layer may be formed as shown in FIG. It can be printed and inserted between the layers.
- an organic binder may be used, but a general-purpose adhesive may be used when it is adopted as a simple method.
- a general-purpose adhesive may be used when it is adopted as a simple method.
- the electrode sandwiching the organic piezoelectric element and the organic Since the adhesive strength at the interface of the piezoelectric element is insufficient and it is easy to peel off, it is preferable to use an organic binder.
- Preferred organic binders can include the following, but are not limited thereto.
- At least one type of resin selected from polybutyral, polyolefin, polycyclohexylene, polyacrylate, polyamide, polyimide, polyester, polysulfone, silicone and derivatives thereof.
- a typical example of polyvinyl butyral is (6) -708 (CAS No. 63148-65-2) Alkyl (C4) acetalpolyvinylalcohol) as an existing chemical substance of the Chemical Substances Control Law.
- Polyamide is polyamide 6, polyamide 66, polyamide 610, polyamide 612, polyamide MXD6, polyamide 1 1, polyamide 12, polyamide 46, methoxy polyamide (existing chemical substance (7) -383 (polycondensates of polyalkylen (C3) polyamine) / polyalkylene (C4) dicarboxylicacid / urea), etc.
- Polyimide includes the existing chemical substance number (7) —221 1 (CAS No. 61 1—79—0) developed by NASA.
- Epoxy compounds include polyphenol type, polyglycidylamine type, alcohol type and ester type.
- the alicyclic type is preferred, and the existing chemical number 3-2452 (3,4-epoxycyclohexylmethyl (3,4-epoxy) cyclohexanecaiboxylate), d- 3453, 4-47 (2- (3,4-epoxy) cyclohexyl — 5, 1— spiro— (3,4—epoxy) cyclohexyl— m—dioxane, 5—1052 (1,3, .— tris—glyciayl—isocy anuricacid) are preferred. Since it has good adhesion, it can be used preferably.
- lOrnn force is 60 ⁇ m, and preferably 20mn force is 30 ⁇ m.
- the method of using the resin may be used by dissolving in a solvent such as DMSO, DMF, or DME.
- the solvent may be heated to the dissolution temperature and dissolved by heating without using a solvent.
- the method of using the organic binder may be used for any layer in the stacking of the elements, but is preferably used when joining the transmitting piezoelectric element and the receiving piezoelectric element.
- the electrode is preferably printed on the receiving piezoelectric element.
- the transmitting piezoelectric element 3 and the receiving piezoelectric element 2 are combined together by printing electrodes on either one of the ceramic sheet and the organic thin film sheet, and bonding them together. Can be produced.
- the transmitting piezoelectric element 3 may be fired and manufactured by a green sheet laminating method, and the receiving piezoelectric element 2 may be coated later. It may be a structure in which the grooves between the probes are formed by bonding using processed materials and forming grooves between the probes.
- a laminated type in which a sheet uniaxially stretched so as to maximize the piezoelectric effect and subjected to polarization treatment (polling treatment) is bonded using an organic binder is particularly preferable.
- the organic piezoelectric sheet is particularly preferably a copolymer of vinylidene fluoride and fluoride which is a polymer piezoelectric film having a low tensile elastic modulus.
- the annealing rate during the heat treatment process after film formation is about 3 ° CZ.
- the modulus of elasticity can be slightly lowered by annealing at a temperature of lOOoC for several tens of minutes (20-30 minutes).
- any method can be used as long as the tensile elastic modulus is lowered by an operation during the manufacturing process.
- a polymer has a flexibility and flexibility that are specific to the polymer as the molecular weight increases, and a piezoelectric film having a low tensile elastic modulus.
- P (VDF—TrFE) and Z or P (VDF—TeFE) polymers having a Melt Flow Rate at 230 ° C of 0.02 gZ or less, more preferably 0. Olg / min or less
- TrFE is trifluoride Tylene
- TeFE represents tetrafluoroethylene.
- the copolymerization ratio of vinylidene fluoride in the copolymerization is preferably 60 mol% to 99 mol%. The optimum value varies depending on how the organic binder is used when stacking elements. The most preferred range of the former Co-Polymerization ratio is 85 mol% to 99 mol 0/0.
- the combination of the transmitting ceramic piezoelectric element and the receiving organic piezoelectric element is particularly preferable because it suppresses the transmission fundamental wave and increases the sensitivity of harmonic reception. In the past, tetrafluoroethylene and trifluorinated ethylene were considered good.
- the poling treatment it is preferable to perform the poling treatment until the polarization inversion occurs.
- the polarization inversion is obtained by applying the poling electric field with the direction reversed repeatedly. In order to sufficiently form such a polarization distribution state, it varies depending on the temperature, and it is necessary to be several tens of thousands to several hundreds of thousands of times at room temperature.
- corona treatment of lmW to lkWZcm 2 may be performed at normal pressure when forming a thin film of the element.
- the receiving piezoelectric element is preferably an organic piezoelectric element having a sensitivity to receive second-order or higher harmonics generated by the fundamental wave transmitted from the transmitting piezoelectric element.
- the resonance frequency of the receiving piezoelectric element must be higher than the fundamental frequency of the transmitting piezoelectric element.
- the fundamental frequency fl is generally selected from 2 MHz to 20 MHz, but it is particularly preferable that the n-order harmonic is 1.5 times the fundamental frequency and up to 10 times the fundamental frequency.
- the external electrode 4 is formed on the transmitting radiation element and the opposite end face and side surface using platinum paste, silver paste or baked silver, etc., and the transmitting electrode 4, the ground electrode 9, and the receiving electrode An electrode 10 is formed.
- polarization processing (polling) is performed to connect a plurality of signal lines (not shown) for forming the elements of the array type probe to the electrodes, and then the first matching layer 6, the second matching layer 7, and the backing material.
- Join 5 using a method such as bonding.
- the ultrasonic probe 1 is formed by forming a cutting groove 6 reaching the backing material 5 from the second matching layer 7 using a dicer or the like to separate each channel element.
- PZT lead zirconate titanate
- Crystal lithium niobate (LiNbO), tan niobate
- an acoustic lens may be bonded to the second matching layer 7 for convergence of ultrasonic waves.
- the matching layer may be a multi-layer structure with a force object having a two-layer structure, or may have no single-layer force matching layer.
- a preferred number of matching layers is 2-3.
- the longitudinal elastic modulus of the piezoelectric element is a proportionality constant between stress and strain within the elastic change, and is expressed as the degree of deformation with respect to the compressive force.
- the transmission piezoelectric element and the reception piezoelectric element are separated, and the higher the elastic coefficient, the higher the output of transmission, but the transmission waveform is disturbed, the SZN ratio decreases, and the noise also increases.
- the longitudinal coefficient at 23 ° C of the transmitting piezoelectric element needs to be in the range of lOGPa to lOOGPa.
- a radical polymerization method in which several monomers are copolymerized using an initiator, a photopolymerization method in which a photosensitizer is used, a low pressure monomer.
- a vapor deposition polymerization method in which a thin film is formed while evaporating at a low temperature under an atmosphere.
- which polymerization method is employed in the present invention can be appropriately selected depending on the monomer species, copolymer composition ratio, and the like.
- Mono for polyurea As a mer, a force that can show an H NR-NH structure as a general formula, where R is arbitrary
- the polyurea may be a copolymer of a urea derivative and other monomers.
- Preferred polyureas include aromatic polyureas using 4,4, -diaminodiphenylmethane (MDA) and 4,4, -diphenylmethane diisocyanate (MDI).
- the support (substrate) on which the vapor-deposited monomer is deposited is optional, such as glass, resin, silicon wafer, etc.
- the support (substrate) on which the vapor-deposited monomer is deposited is optional, such as glass, resin, silicon wafer, etc.
- polyethylene phthalate, polyethylene naphtha A polyester resin such as a resin, a polycarbonate resin, a silicone resin, an alkylate resin, a cycloolefin resin, and the like can be appropriately selected.
- a signal such as a high voltage pulse or burst is supplied to the transmitting piezoelectric element 3 from P1 during transmission.
- the transmission piezoelectric element 3 is excited by the drive pulse applied to the transmitting piezoelectric element 2 to excite the resonance vibration of the entire thickness mode toward the subject.
- the ultrasonic wave 8 reflected from the subject passes through the transmitting piezoelectric element 3 and reaches the receiving piezoelectric element 2 and is converted into an electric signal, and then is transmitted to the receiving circuit of the main body as an output of P2 through the electrode wire. It is done.
- the transmission / reception separation type high-sensitivity array type probe is composed of a ceramic material and an organic material.
- a high-sensitivity ultrasonic probe can be realized.
- DMF dimethylformamide
- DMF dimethylformamide
- a film with a thickness of 48 ⁇ m was prepared by casting a film from a DMF (dimethylformamide) solution. Furthermore, this was crystallized at 138 ° C. Metal was vapor-deposited on this and electrodes were provided on both sides. A 2 Hz AC voltage (triangular wave) with a peak value of ⁇ 962 V was applied to this membrane, and polarization inversion was repeated at 86 ° C.
- DMF dimethylformamide
- Metal was vapor-deposited on this and electrodes were provided on both sides.
- a 2 Hz AC voltage (triangular wave) with a peak value of ⁇ 962 V was applied to this film, and polarization inversion was repeated at 86 ° C.
- the final composition of the component is (Ca La) Bi Ti O
- Each piezoelectric ceramic raw material powder having a different particle size was charged with 6% by mass of pure water as a binder, press-molded to obtain a plate-shaped temporary molded body having a thickness of 527 m, and this plate-shaped temporary molded body was vacuum packed. Thereafter, it was molded by pressing at a pressure of 235 MPa. Next, the molded body was fired. A final sintered body having a thickness of 520 m was obtained. The firing temperature was 1100 ° C. 1. Polarization was applied by applying an electric field of 5 X Ec (MV / m) or more for 1 minute.
- Lead, zirconium, and titanium component ranges 3 ⁇ 43 ⁇ 4 1: 1 13 ⁇ 4 0 (0. 47 ⁇ x ⁇ l)
- Each acid was weighed, added with pure water, mixed in pure water for 8 hours in a ball mill containing zirconia media, and sufficiently dried to obtain a mixed powder.
- the obtained mixed powder was temporarily molded and calcined in the air at 800 ° C. for 2 hours to prepare a calcined product.
- pure water was added to the obtained calcined product, finely pulverized with a ball mill containing Zircoure media in pure water, and dried to prepare a piezoelectric ceramic raw material powder.
- Each piezoelectric ceramic raw material powder having a different particle size is added with 6% by mass of pure water as a binder, press-molded to form a plate-shaped temporary molded body having a thickness of 526 m, and this plate-shaped temporary molded body is vacuum packed. After that, it was molded by pressing at a pressure of 235 MPa. Next, the molded body was fired to obtain a sintered body having a final sintered body thickness of 520 m. The firing temperature was 780 ° C. An electric field of 1.5 X Ec (MV / m 2) or more was applied for 1 minute for polarization treatment.
- a plurality of probes in which a transmitting piezoelectric element and a receiving organic piezoelectric element are combined, each having a single layer or stacked structure of sheet-like piezoelectric ceramic materials.
- a transmission / reception separation type high sensitivity ultrasonic probe can be realized.
- Durability can also be improved by introducing a binder layer between the electrode and the electrode.
- MDA 4,4′-diaminodiphenylmethane
- HMDI 4.4′-diphenylmethane diisocyanate
- 2 X 10- 3 Pa warmed to 100 ° C was placed in pan of MDA into the vacuum Chang bar, as the substrate was warmed to MDI to 66 ° C at the top of the chamber and foremost, the rough force Ji because 200nm pressure Vapor deposition was performed on aluminum-deposited 200 ⁇ m-pressure polyethylene terephthalate resin (PET) to a thickness of 48 ⁇ m.
- PET polyethylene terephthalate resin
- the resulting MDAZMDI ratio was 1.1.
- the electrode was vapor-deposited with aluminum, polarization treatment (polling) was 120 MVZm, temperature was 212 ° C, 10 minutes.
- film M5 Using the manufactured polyurea film (referred to as film M5), a test was conducted in the same manner as in Sample No. 6 of Example 1, but here, as the receiving piezoelectric element, the above polyurea piezoelectric was used instead of Ml. An element was used (Sample No. 15). A corona discharge treatment was performed as a polarization treatment (Sample No. 16). The corona treatment was 8 WZcm 2 at normal pressure. Furthermore, 1 m of polyimide bonding material was heat-sealed between the electrode and polyurea (sample number 17). Further, the force for producing the probe in the same manner as in sample No.
- Example 17 in Example 2 the polyurea film was deposited to a thickness of 6 / zm, and then aluminum was deposited as an electrode. was repeated eight times to produce a polyurea film with seven electrodes of a total thickness of 48 m inserted. After finishing the deposition of the final electrode, polarization treatment was performed for 120 minutes at an electrode force of 120 MVZm, a temperature of 212 ° C, and a treatment time of 10 minutes (Sample No. 18
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Abstract
少なくとも1次元的に配置された多チャンネル型のアレイ型超音波探触子において、 シート状の圧電素子を送受信分離型の複合型圧電素子として複数個備え、 該複合型圧電素子は送信用圧電素子を構成する材料の23°C下の縦弾性係数が10GPa~100GPaであり、受信用圧電素子を構成する材料の23°C下の縦弾性係数が10MPa~1GPaであることを特徴とするアレイ型超音波探触子。
Description
アレイ型超音波探触子及びその製造方法、並びにアレイ型超音波探触 子の駆動方法
技術分野
[0001] 本発明は医用診断に使用されるアレイ型超音波探触子、その製造法及び該アレイ 型超音波探触子の駆動方法に関する。
背景技術
[0002] 超音波診断装置は超音波パルス反射法により、体表から生体内の軟組織の断層 像を無侵襲に得る医療用画像機器である。この超音波診断装置は、他の医療用画 像機器に比べ、小型で安価、 X線などの被曝がなく安全性が高い、ドップラー効果を 応用して血流イメージングが可能等の特長を有し、循環器系(心臓の冠動脈)、消化 器系(胃腸)、内科系 (肝臓、脾臓、脾臓)、泌尿科系(腎臓、膀胱)、及び産婦人科 系などで広く利用されている。このような医療用超音波診断装置に使用される超音波 探触子は、高感度、高解像度の超音波の送受信を行うために、圧電セラミックの圧電 効果が一般的に利用される。この場合、送信用圧電素子の振動モードとしては、単 一型探触子であるシングル型または複数の探触子を 2次元配置したアレイ型探触子 力 く使用される。アレイ型は精細な画像を得ることができるので、診断検査のための 医療画像用として広く普及して 、る。
[0003] 一方、高調波信号を用いたハーモニックイメージング診断は、従来の Bモード診断 では得られない鮮明な診断像が得られることから標準的な診断モダリティとなりつつ ある。
ハーモニックイメージング技術は、超音波探触子からある周波数を有する基本波 (f 1 )を生体内に送信し、生体内から発生する上記基本波の整数倍 (例えば、 2倍、 3倍、 4倍、 5倍など)の周波数成分を有する高調波の反射波を超音波探触子により受信し 超音波診断装置で上記反射波を電気信号に変換した後にさまざまな画像処理を行 うことにより超音波画像の分解能を向上させ精細な画像を形成する技術である。この
ハーモニックイメージング技術は、マイクロバブル等力 なる超音波造影剤を血管を 介して生体内部へ投与し、診断部位をコントラストの強調された画像として描出する にも用いられる。その理由は、生体内へ投与されたマイクロバブルが高調波をより強 く反射する性質を有して 、ることにある。
[0004] このハーモニックイメージング技術を用いて診断部位の超音波画像の画質を向上 させることは、振動子素子が 2次元に配列された超音波探触子を用いる超音波診断 装置にとっても必要となる。このためには、 2次元配列振動子を備えた超音波探触子 は、基本波の周波数成分と高調波の周波数成分とを含む広!ヽ帯域の周波数特性を 有することが必要となる。
[0005] ハーモニックイメージングは基本波に比較して、サイドローブレベル力 、さいことに より、 SZNが良くコントラスト分解能が良くなること、周波数が高くなることによって、ビ ーム幅が細くなり横方向分解能が良くなること、近距離では音圧が小さぐ音圧の変 動が少ないため、多重反射が起こらないこと、焦点以遠の減衰は基本波並みであり、 高調波の周波数を基本波とする超音波に比べ深度を大きく取れることという多くの利 点を持っている。
[0006] ハーモニックイメージング用アレイ型超音波探触子の具体的な構造として、アレイを 構成する各振動子エレメントが広帯域一体型である圧電振動子が用いられている。 その広帯域特性の低周波側の周波数領域で基本波送信を行 \高周波側の周波 数領域で高調波受信を行う方法が一般的に利用されている。このような状況下従来 の超音波探触子において、感度向上を図る技術として特許文献 1に記載されたもの が知られている。これは、微細な柱状の圧電素子を例えばエポキシ榭脂のような有機 化合物で固めた振動子を超音波送受信素子として使用し、各柱状セラミックを縦振 動を行なわせることによって感度向上を図ったものである。
[0007] 基本波送信超音波のスペクトルと高調波受信超音波のスペクトルがなるべく重なら な 、ように狭帯域超音波が用いられる。狭帯域超音波は一般に尾曳の長 、超音波 パルス信号なので、深さ方向分解能に悪影響を及ぼすことになる。
[0008] 他のハーモニックイメージング用アレイ型超音波探触子の具体的な構造として、例 えば特許文献 2や特許文献 3に記載されているような、送信用圧電振動子と受信用
圧電振動子を別体別配置とした送受信分離型探触子が提案されている。
[0009] 例えば特許文献 3では、基本波を送信し、高調波を含む超音波を受信するのに、 第 1の音響インピーダンスを有する配列された複数の圧電素子力もなる、中心周波数
Πの超音波の送受信を担う第 1の圧電層と、第 2の音響インピーダンスを有する配列 された複数の第 2の圧電素子力 なり、第 1の圧電層に重ねられ、中心周波数 f2 = 2 flの超音波の受信を担う第 2の圧電層を設けるなどが提案されているが充分な感度 が得られていない。
[0010] さらに、感度向上を目的として超音波送受信素子にするために圧電セラミック素子 を積層化し、見かけ上のインピーダンスを低下させ駆動回路との電気的な整合条件 を良好にし、素子に力かる電界強度を大きくして大きな歪を発生させ送信感度を向 上させることが行われている。しかしながら、積層構造では送信感度が積層数に応じ て増大するものの、受信感度は積層数に反比例するため、ハーモニックイメージング には不禾 IJとなっている。
特許文献 1:特開昭 63 - 252140号公報
特許文献 2 :特開平 8— 187245号公報
特許文献 3:特開平 11― 276478号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0011] この特許文献 1に記載される複合振動子は、圧電セラミックをダイサ等の切断機に よって切断することにより、柱状構造を構成したのち、切断溝をエポキシ榭脂等の有 機材料で埋めることにより製造される。また、アレイ型探触子においても同様に各チヤ ンネルの分割はダイサ等の切断機で行われる。
[0012] し力しながら、超音波探触子の送受信周波数は、圧電セラミックの厚みに依存する ため、高周波になるほど、それらの柱状構造あるいはチャンネルピッチの寸法が小さ くなる。したがってダイサ等の切断機による機械加工の行程が増加するとともに、セラ ミックの機械的強度が低下し、破損や加工時の熱や歪等による特性劣化が無視でき なくなり、振動子あるいは探触子製造の歩留りの低下や性能劣化を誘発しやすくなる という問題点を含んでいた。また、所望する周波数に対応する送信用圧電素子を製
作するためには両端面の研削および研磨が不可欠であり、製造コストを引き上げる 要因となっている。このようにセラミック材料を使用することは有機材料に比べて探触 子の製造にお!、て解決すべき課題があった。
[0013] 本発明は、上記従来技術の課題を解決するもので、特に超音波の送信時と受信時 における動作を分離したアレイ型超音波探触子を採用することにおいて送信用圧電 素子にセラミック材料を使用し、受信用に高感度有機圧電素子材料を使用すること により高感度なアレイ型超音波探触子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
[0014] 上記課題を解決するために、本発明におけるアレイ型超音波探触子は、各チャン ネルを構成するシート状の圧電セラミックを単層又は積層した構造の送信用圧電素 子と受信用のシート状の圧電素子を単層又は積層させ、
送信と受信を別々の圧電素子に分離すると同時に
セラミック材料と有機材料カゝらなる圧電素子を複合ィ匕することにより
送受信分離型として高感度な超音波探触子が得られる。更に、複合化に有機結合 材を使用し、有機結合材層を導入することにより感度を高めることができる。
[0015] 従って本発明の上記課題は以下により達成される。
(1)少なくとも 1次元的に配置された多チャンネル型のアレイ型超音波探触子におい て、シート状の圧電素子を送受信分離型の複合型圧電素子として複数個備え、該複 合型圧電素子は送信用圧電素子を構成する材料の 23°C下の縦弾性係数が lOGPa 〜: LOOGPaであり、受信用圧電素子を構成する材料の 23°C下の縦弾性係数が 10 MPa〜lGPaであることを特徴とするアレイ型超音波探触子。
(2)前記複合型圧電素子は送信用圧電素子を構成する材料がセラミック材料からな り、受信用圧電素子を構成する材料が有機材料からなることを特徴とする項 (1)に記 載のアレイ型超音波探触子。
(3)前記受信用圧電素子は送信用圧電素子力 発信される基本波の 2次以上の高 調波を受信する感度を有する有機圧電素子であることを特徴とする請求の項 (1)ま たは項 (2)に記載のアレイ型超音波探触子。
(4)前記有機圧電素子は、少なくとも 1種の有機結合材で電極に結合されることを特
徴とする項 (3)に記載のアレイ型超音波探触子。
(5)前記送信用圧電素子または受信用圧電素子はそれぞれ同種薄膜材料を積層し た圧電素子からなることを特徴とする項(1)〜 (4)の ヽずれか 1項に記載のアレイ型 超音波探触子。
(6)前記送受信分離型の複合圧電素子は、整合層とバッキング層に挟まれ、整合層 側に送信用圧電素子が配置され、バッキング層側に受信用圧電素子が配置されて V、ることを特徴とする項(1)〜(5)の 、ずれか 1項に記載のアレイ型超音波探触子。
(7)前記送信用圧電素子の材料が、 PZT、水晶、ニオブ酸リチウム (LiNbO )、ニォ
3 ブ酸タンタル酸カリウム [K (Ta, Nb) 0 ]、チタン酸バリウム(BaTiO )、タンタル酸リ
3 3
チウム (LiTaO )、又はチタン酸ストロンチウム(SrTiO )であることを特徴とする項(1
3 3
)〜(6)の 、ずれか 1項に記載のアレイ型超音波探触子。
(8)前記受信用圧電素子の材料が、ポリフッ化ビニリデン、ポリ尿素、ポリアミド、ポリ イミド、ポリエステル、ポリオレフインから選ばれる少なくとも 1種を 60モル%〜 100モ ル%含む榭脂であることを特徴とする項(1)〜(7)のいずれか 1項に記載のアレイ型 超音波探触子。
(9)前記有機結合材がポリビュルプチラール、ポリオレフイン、ポリシクロォレフィン、 ポリアタリレート、ポリアミド、ポリイミド、ポリエステル、ポリスルホン、シリコーン、ェポキ シ及びその誘導体から選ばれる少なくとも 1種の榭脂であり、ポリビュルプチラール、 ポリイミド、エポキシ、シリコーン、ポリスルホンはそれぞれィ匕学番号物質番号 (6)-708 (Alkyl(C4)acetalpolyvinylalcohol) , (7)- 2211、 (3)- 3453、(7)- 476 (polyalkyl(C12)sil oxane)と (7)-1262に係わるものであることを特徴とする項 (4)に記載のアレイ型超音 波探触子。
(10)前記受信用圧電素子の材料力 ポリ(フッ化ビ-リデン Zパーフルォロアルキル ビュルエーテルまたはパーフルォロアルコキシエチレン)共重合体でフッ化ビ -リデ ン組成が 85モル%〜99モル%であり、パーフルォロアルキルビュルエーテルまたは パーフルォロアルコキシエチレンが 1モル%〜 15モル0 /0であることを特徴とする項( 1 )〜(6)の 、ずれか 1項に記載のアレイ型超音波探触子。
(11)項(1)〜(6)の 、ずれか 1項に記載のアレイ型超音波探触子の製造方法であつ
て、受信用圧電素子は、ポリエステル榭脂、ポリカーボネート榭脂、シクロォレフイン ポリマー榭脂から選ばれる支持体 (基板)上にモノマー種を蒸着重合で低温製膜形 成することを特徴とするアレイ型超音波探触子の製造方法。
(12)項(11)に記載のアレイ型超音波探触子の製造方法であって、
前記モノマー種が少なくとも尿素または尿素誘導体であることを特徴とするアレイ型 超音波探触子の製造方法。
(13)項(1)〜(6)、項 (8)〜(10)のいずれか 1項に記載のアレイ型超音波探触子の 製造方法であって、該アレイ型超音波探触子は、分極処理 (ポーリング)としてコロナ 放電処理されることを特徴とするアレイ型超音波探触子の製造方法。
(14) アレイ型超音波探触子は、分極処理 (ポーリング)としてコロナ放電処理される ことを特徴とする、項(11)または項(12)に記載のアレイ型超音波探触子の製造方 法。
(15) 項(1)〜(10)のいずれ力 1項に記載のアレイ型超音波探触子を駆動させるァ レイ型超音波探触子の駆動方法であって、送信用圧電素子と受信用圧電素子に電 圧負荷を交互に切り替えて送受信することを特徴とするアレイ型超音波探触子の駆 動方法。
発明の効果
[0016] 本発明により、超音波の送信時と受信時における動作を分離したアレイ型超音波 探触子において、送信用圧電素子にセラミック材料を使用し、受信用に高感度有機 圧電素子材料を使用することにより高感度なアレイ型超音波探触子を提供することが 出来る。
図面の簡単な説明
[0017] [図 1] (a)は超音波探触子の断面図、(b)は有機結合材層のある超音波探触子の断 面図である。
[図 2] (a)は受信用圧電素子が積層型である超音波探触子の断面図、 (b)は有機結 合材層のある超音波探触子の断面図である。
[図 3] (a)は送信及び受信圧電素子が積層型である超音波探触子の断面図、(b)は 有機結合材層のある超音波探触子の断面図である。
[図 4] (a)は探触子が 1次元に並列した側面図、 (b)は探触子が 2次元に並列した上 面図である。
符号の説明
[0018] 1 超音波探触子
2 送信用圧電素子
3 受信用圧電素子
4 送信用電極
5 ノ ッキング材
6 第 1整合層
7 第 2整合層
8 超音波
9 接地電極
10 受信用電極
11 探触子間溝
13 有機結合材層
発明を実施するための最良の形態
[0019] 以下本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する力 本発明はこ れらに限定されるものではない。
[0020] 以下、本発明の実施の形態について、図 1から図 4を用いて説明する。
[0021] 図 1の aは、本発明の実施の形態におけるアレイ型超音波探触子の側面図である。
図 1の bは有機結合材層 13を導入した超音波探触子の側面図である。また、図 2の a は、本実施の形態のアレイ型超音波探触子を構成する送用圧電素子が積層型の断 面図である。
図 2の bは有機結合材層 13を導入した超音波探触子の側面図である。図 3の aは、本 実施の形態のアレイ型超音波探触子を構成する送信用圧電素子及び受信用圧電 素子が積層型である超音波探触子の断面図である。図 3の bは有機結合材層 13を 導入した超音波探触子の側面図である。更に図 1から図 3の a及び bにおいて、 1は超 音波探触子、 2は送信用圧電素子、 3は受信用圧電素子、 4は送信用圧電素子に加
電圧する外部電極、 5はバッキング材、 6は第 1正整合層、 7は第 2整合層、 8は超音 波の発信方向、 9は受信用加圧電極、 13は有機結合材層である。 aは結合材を使用 した結合材層のない図で、 bは結合材層を導入した例で、有機圧電層がセラミック圧 電素子と電極を介して結合するとき、その電極と有機圧電層素子の間に結合材層が 形成せしめられたときの図を示す。
有機結合材層は、有機圧電素子が単体で超音波探触子が成り立つ場合は、セラミツ ク材料と結合する電極の間と反対側の電極の間に 1つ(図示していない)存在させる ことができる。有機圧電素子が複数力もなる積層型(図示していない)では、電極ごと に結合材層を設けることができる。送信するセラミック圧電素子と有機圧電素子が電 極を介して結合する部分は、送信の圧電効果の影響を直に受けるので結合材層を 導入することが重要である。
図 4は、 aは探触子が 1次元に並列した側面図、 bは探触子が 2次元に並列した上面 図である。
[0022] 以下に図 1を用いて本発明の実施の形態におけるアレイ型超音波探触子の製造方 法の一例を説明する。最初に送信用圧電素子 2を製作する。図 1に示すごとく送受信 分離型圧電素子は送信用圧電素子 3と受信用圧電素子 2を積層した構造になって いる。送信用圧電素子 3は、図 2に示すように薄い圧電薄板と電極層の挟み込み構 造をなしてもよい。このような構造は例えば圧電セラミックグリーンシートに白金ペース ト等によって電極を印刷形成したものを焼成前に積層して一体で焼結することによつ て作成することが出来る。グリーンシートは厚みを 100 m以下にすることが容易で、 かつ電極の有無により各層の厚みを任意に設定できる。受信用有機圧電素子 3は、 送信用圧電素子 2と同様に有機ポリマーシートを積層して製作することが可能である 。その場合には、白金ペーストを使用した電極層の印刷行程なしでポリマーシートの みを積層することで受信圧電素子 2の部分を形成しても良いし、図 3に示すように電 極層を積層の間に印刷して挿入しても良 、。
[0023] 上記積層および電極の挿入には、有機結合材を使用しな!ヽでもよ ヽが、簡便な方 法として採用する場合には汎用の接着剤を使用してもよい。特に送信用セラミック圧 電素子と受信用有機圧電素子を合体させるときに有機圧電素子を挟む電極と有機
圧電素子の界面の接着強度が不足して剥離し易いので有機結合材を使用するのが 好ましい。好ましい有機結合材として以下のものを挙げることができる力 これらに限 定されるものではない。
[0024] ポリビュルブチラール、ポリオレフイン、ポリシクロォレフィン、ポリアタリレート、ポリア ミド、ポリイミド、ポリエステル、ポリスルホン、シリコーン及びその誘導体から選ばれる 少なくと 1種の榭脂である。ポリビニルブチラールは、化審法の既存化学物質として( 6) - 708 (CASNo . 63148— 65— 2) Alkyl(C4)acetalpolyvinylalcohol)を代表例に 挙げることができる。ポリアミドは、ポリアミド 6、ポリアミド 66、ポリアミド 610、ポリアミド 612、ポリアミド MXD6、ポリアミド 1 1、ポリアミド 12、ポリアミド 46、メトキシィ匕ポリアミド (既存ィ匕学物質 (7)― 383(polycondensates of polyalkylen(C3)polyamine/polyalkyle ne(C4)dicarboxylicacid/urea)等である。ポリイミドは、 NASAが開発した既存化学物 質番号(7)— 221 1 (CASNo . 61 1— 79— 0)を挙げることができる。シリコーンとして は、既存化学物質(7)— 476、 (polyalkyl(C 12)siloxane), (7)— 474、 (polyalkyl(C 12) siloxane) 7)—4 / 7^ 、polyalkyl(hydrogen)siloxaneノ、 )一 48 5、 (polyalkyl(C9)alke ny(C4)siloxane) (7)—485 (Polyalsodiumalkyl(C4)siliconate)等が挙げられる。ェポキ シ化合物としては、ポリフエノール型、ポリグリシジルァミン型、アルコール型、エステ ノレ型などがあるが、
特に脂環式型が好ましく、既存化学物質番号で 3— 2452 (3,4-epoxycyclohexylmeth yl(3,4-epoxy)cyclohexanecaiboxylate)、 d— 3453、 4— 47 (2— (3,4— epoxy)cyclohexyl — 5, 1— spiro— (3,4— epoxy)cyclohexyl— m— dioxaneノ、 5— 1052 ( 1 ,3,。— tris— glyciayl— isocy anuricacid)等が好ましい。脂環式型は耐熱性もよぐ接着力もよいので好ましく使用 できる。
[0025] これら榭脂の使用量は、求める感度、周波数特性などで適宜選択されるが、膜厚に して、 lOrnn力ら 60 μ m、好ましく ίま 20mn力ら 30 μ mである。
[0026] 榭脂の使用方法は、 DMSO、 DMF、 DME等の溶媒に溶解して使用してもよいし
、溶媒を使用せず、ノ レクを溶解温度まで加温して熱溶解して使用してもよい。
[0027] 有機結合材の使用方法は、素子の積層において何れの層にも使用してよいが、好 ましくは送信用圧電素子と受信用圧電素子を接合するときに使用するのが好ましい。
送信用圧電素子には、既に電極が印刷又は塗工されて形成されている場合には、 電極が印刷されて 、な 、受信用圧電素子の上に使用するのが好まし 、。
[0028] 上記の積層製作行程では、送信用圧電素子 3と受信用圧電素子 2をそれぞれセラ ミックシートと有機薄膜シート状態で何れか一方に電極を印刷しておいて張り合わせ ることで一体に合体製作することができる。この場合に、圧電素子材料の送受信感度 特性や駆動あるいは受信回路の入出力インピーダンス等を考慮して各積層構造の 厚みや材料を選択して送信用及び受信用圧電素子 2を製作することができる。した がって、送信圧電素子 3と受信圧電素子 2はそれぞれ、インピーダンスを適宜選択し たものとなることが好まし 、。
また、送信用圧電素子 3のみをグリーンシートの積層工法によって焼成製作し、受信 圧電素子 2を後から被覆してもよいし、あら力じめシートとして塗布乾燥され、 1軸延 伸されたシートを重ねて加工したものを使用して接着し、探触子間溝を形成させた構 造でもよい。
あら力じめ圧電効果が最大となるように一軸延伸し、分極処理 (ポーリング処理)を掛 けたシートを有機結合材を使用して貼り合わせた積層型のものが特に好ましい。
[0029] 有機圧電シートしては、低い引張弾性率を有する高分子圧電膜であるフッ化ビ-リ デンとフッ化ォレフインとの共重合体が特に好ましい。たとえば、製膜後の熱処理ェ 程 (強誘電 常誘電相転移点と融点との間の温度の熱を印加することで結晶性を高 める工程)時の徐冷速度を 3°CZ分程度に早めることにより得られるものがある。さら に、圧電膜を分極後、 lOOoCの温度で数 10分(20〜30分間)アニーリングを施すこ とで、弾性率を若干下げることができる。また、この他にも製造工程中の操作で引張 弾性率を低下させるのであればどのような方法を用いてもょ 、。
[0030] 原料ポリマーの分子量に関しては、一般に、高分子では分子量の増加にともなって 高分子特有の柔軟性やしなやかさを持ち、低い引張弾性率をもった圧電膜となる。 P (VDF— TrFE)および Zまたは P (VDF— TeFE)において、 230°Cにおけるメルト フローレイト(Melt Flow Rate)が 0. 02gZ分以下、より好ましくは、 0. Olg/分 以下である高分子圧電体を使用すると引張弾性率の低い高分子圧電膜になり、高 感度な圧電シートが得られる。上記 VDFは、フッ化ビ-リデンを、 TrFEは 3フッ化工
チレンを、 TeFEはテトラフルォロエチレンを示す。
[0031] 一方、フッ化ビ-リデンに 3フッ化工チレン、パーフルォロアルキルビュルエーテル( PFA)、パーフルォロアルコキシエチレン(PAE)、パーフルォ口へキサエチレン等を 共重合させる場合、共重合比によって厚み方向の電気機械結合定数 (圧電効果)が 変化すので、例えば、共重合に占めるフッ化ビ-リデンの共重合比が 60mol%〜99 mol%が好ましいが、セラミック圧電素子と有機圧電素子を重ねる時に使用する有機 結合材の使用方法にもよるので、その最適値は変化する。最も好ましい前者の共重 合比の範囲は 85モル%〜99モル0 /0である。フッ化ビ-リデンを 85モル%〜99モル %にして、パーフルォロアルキルビニルエーテル、パーフルォロアルコキシエチレン 、パーフルォ口へキサエチレン等を 1モル%〜15モル0 /0にしたポリマーは、送信用セ ラミック圧電素子と受信用有機圧電素子との組み合わせにおいて、送信基本波を抑 制して、高調波受信の感度を高めるので特に好ましい。従来は、テトラフルォロェチ レンや 3フッ化工チレンがよいとされていた力 本発明の複合素子では、パーフルォ 口アルキルビュルエーテル(PFA)やパーフルォロアルコキシエチレン(PAE)、パー フルォ口へキサエチレンを使用することが特に好ましい。
[0032] 高分子圧電膜は、ポーリング処理は分極反転が起こるまで行うことが好ましぐ分極 反転は、ポーリング電場を方向を繰り返し反転させて印加することによって得られる。 このような分極分布状態の形成を充分するには温度によって異なり、常温では数万 回〜数十万回と必要であるが、 80°C以上の高温では数回〜数十回でよい。また、受 信用圧電素子の場合には該素子の薄膜形成時に lmW〜lkWZcm2のコロナ処理 を常圧で実施してもよい。
[0033] ハーモニックイメージングには、受信用圧電素子は送信用圧電素子から発信される 基本波によって発生せられる 2次以上の高調波を受信する感度を有する有機圧電素 子であることが好ましい。 2次以上の高調波を受信できるには、送信圧電素子の基本 波の周波数に対して、受信用圧電素子の共振周波数が高いことが必要である。基本 周波数 flは、一般的には 2MHz〜20MHzが選択されるが n次の高調波は基本周 波数の 1. 5倍力も 10倍までが特に好ましい。送信用圧電素子 3と受信用圧電素子を 接合したのち、図 1〜図 3に示すように送信用圧電素子 3の内部電極と導通をとるた
めの外部電極 4を白金ペースト又は銀ペーストや焼き付け銀等を使用して送信用圧 電素子の音波放射面とその反対の端面および側面に形成し、送信用電極 4、接地電 極 9、受信用電極 10を形成する。その後分極処理 (ポーリング)を行い、アレイ型探触 子の素子を形成するための図示していない複数の信号線を電極と接続した後、第 1 整合層 6、第 2整合層 7ならびにバッキング材 5を接着等の工法を用いて接合する。 その後各チャンネル素子を分離するためにダイサ等を使用して第 2整合層 7からバッ キング材 5に達する切断溝 6を形成することによって超音波探触子 1を形成する。
[0034] 送信用圧電素子の材料は PZT (チタン酸ジルコン酸鉛)が屡々使用されるが、近年 は鉛を含まないものが推奨される。水晶、ニオブ酸リチウム (LiNbO )、ニオブ酸タン
3
タル酸カリウム [K (Ta, Nb) 0 ]、チタン酸バリウム(BaTiO )、タンタル酸リチウム(Li
3 3
TaO )、又はチタン酸ストロンチウム(SrTiO )等である。
3 3
[0035] 図 1〜図 3に図示してはいないが、超音波の収束のために音響レンズを第 2整合層 7に接合させてもよい。またここでは整合層は 2層構造である力 被検体によってより 多層にする場合、あるいは 1層力整合層のない場合であってもよい。好ましい整合層 数は 2〜3である。
[0036] 圧電素子の縦弾性率は、弾性変化内での、応力とひずみの間の比例定数で圧縮 力に対する変形度合!、で表される。本発明の実施形態では送信圧電素子と受信圧 電素子は分離され、弾性係数は高い程送信の出力を上げることができるが、送信波 形が乱れ SZN比が低下し、ノイズも増大するので、送信圧電素子の 23°C下の縦弹 性係数は lOGPaから lOOGPaの範囲であることが必要である。同様に受信用圧電 素子の弾性係数は高い程よいが、 SZN比が低下するので、受信用圧電素子の 23 °C下の弾性係数は lOMPaから lGPaの範囲である。
[0037] 本発明の受信用圧電素子の作成において、数種のモノマーを開始剤を使用して共 重合するラジカル重合法、光増感剤を使用して光重合する方法、モノマーを低い圧 力雰囲気下において、低温で蒸発させながら、薄膜形成する蒸着重合法などがある 。本発明においていずれの重合法を採用するかは、モノマ種や共重合組成比などで 適宜選択することができる。本発明の受信用圧電素子に作用する好ましい態様の 1 つとしてポリ尿素の場合は、蒸着重合法を採用するのが好ましい。ポリ尿素用のモノ
マーとして、一般式として H N-R-NH構造を示すことができる力 ここで Rが任意
2 2
の置換基で置換されてもよいアルキレン基、フエ-レン基、 2価のへテロ環基、ヘテロ 環基を含んでもょ 、。ポリ尿素は尿素誘導体とその他のモノマーとの共重合体であつ てもよい。好ましいポリ尿素として、 4, 4,ージアミノジフエ-ルメタン(MDA)と 4, 4, ージフエニルメタンジイソシアナ一ト(MDI)を使用する芳香族ポリ尿素を挙げることが できる。
[0038] 受信用圧電素子を作成する場合、蒸着モノマを堆積させる支持体 (基板)としては、 硝子、榭脂、シリコンウェハー等任意であるが、低温薄膜形成には、ポリエチレンフタ レート、ポリエチレンナフタレ一一ト等のポリエステル榭脂、ポリカーボネート榭脂、シ リコン榭脂、アルキレート榭脂、シクロォレフイン榭脂等を適宜選択できる。
[0039] 本発明の実施の形態における超音波探触子の動作を図 3を参照して説明する。図 3において送信時には P1から高電圧パルスあるいはバースト等の信号が送信用圧 電素子 3に供給される。パルスエコーモードの場合には、送信用圧電素子 2に印加さ れた駆動パルスにより、送信用圧電素子 3は全体の厚みモードの共振振動を励起さ れ被検体にむけてパルス状の超音波 8を送信する。被検体から反射してきた超音波 8は、送信用圧電素子 3を通過して受信用圧電素子 2に達し電気信号に変換された 後、電極線を介して P2の出力として本体の受信回路に伝えられる。以上のように本 発明の実施の形態によれば、超音波診断装置等に使用される超音波探触子におい て、送受信分離型の高感度アレイ型探触子をセラミック材料と有機材料で構成し高 感度超音波探触子を実現することができる。
[0040] さらに、上記に示した超音波探触子を使用することによって、有機材料の加工性を 応用してコストを抑えて高感度な医療用超音波診断装置を実現することができる。 実施例
[0041] 以下に実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定され るものではない。
[0042] 本実施例で探触子の試作とその性能および耐久性の結果を示す。
[0043] 実施例 1
《アレイ型超音波探触子 1〜 14の作製》
〈受信用圧電素子膜の作製〉
(膜 Mlの作製)
P (VDF-PFA) (組成モル比: VDF/パーフロォ口アルキルビュルエーテル = 90 /20)膜を DMF (ジメチルホルムアミド)溶液力も流延して厚さ 48 μ mの膜を作製し 、さらにこれを 140°Cで結晶化を行なった。これに金属蒸着して電極を両面に設けた 。この膜に士 940Vのピーク値をもつ 1Hzの交流電圧(三角波)を印加して 77°Cで分 極反転を繰り返した。
[0044] (膜 M2の作製)
P (VDF-PFE) (組成モル比: VDF/パーフロォ口アルキルビュルエーテル =88 /12)膜を DMF (ジメチルホルムアミド)溶液カゝら流延して厚さ 48 μ mの膜を作製し 、さらにこれを 140°Cで結晶化を行なった。これに金属蒸着して電極を両面に設けた 。この膜に ± 920Vのピーク値をもつ 3Hzの交流電圧(三角波)を印加して 82°Cで分 極反転を繰り返した。
[0045] (膜 M3の作製)
P (VDF-HFP) (組成モル比: VDFZHFP (へキサフルォロプロピレン) =86Zl 2)膜を DMF (ジメチルホルムアミド)溶液カゝら流延して厚さ 48 μ mの膜を作製し、さら にこれを 138°Cで結晶化を行なった。これに金属蒸着して電極を両面に設けた。この 膜に ± 962Vのピーク値をもつ 2Hzの交流電圧(三角波)を印加して 86°Cで分極反 転を繰り返した。
[0046] (膜 M4の作製)
P (VDF-HFP) (組成モル比: VDFZHFP (へキサフルォロプロピレン) =86Zl 2)膜を DMF (ジメチルホルムアミド)溶液に溶解し、更にカーボンナノチューブを 3質 量%添加してプレンダ一で混練後流延して厚さ 48 mの膜を作製し、さらにこれを 1 38°Cでアニーリングを行なった。これに金属蒸着して電極を両面に設けた。この膜に ± 962Vのピーク値をもつ 2Hzの交流電圧(三角波)を印加して 86°Cで分極反転を 繰り返した。
[0047] 〈送信用圧電素子の作製〉
(膜 S1:鉛を含まないチタン酸系圧電素子の作製)
成分原料である CaCO、 La O、 Bi Oおよび TiO、および副成分原料である Mn
3 2 3 2 3 2
Oを準備し、成分原料については、成分の最終組成が(Ca La ) Bi Ti O
0. 97 0. 03 4. 01 4 15 となるように秤量した。次に、純水を添カ卩し、純水中でジルコユア製メディアを入れた ボールミルにて 8時間混合し、十分に乾燥を行い、混合粉体を得た。得られた混合粉 体を、仮成形し、空気中、 800°C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カ卩し、純水中でジルコユ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 100 nm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%添カ卩し、プレス成形して、厚み 527 m 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た。最終焼結体の厚さは 520 m の焼結体を得た。なお、焼成温度は、それぞれ 1100°Cであった。 1. 5 X Ec (MV/ m)以上の電界を 1分間印加して分極処理を施した。
[0048] (膜 S2 :圧電素子 PZTの作製)
鉛、ジルコニウム、チタンの成分カ¾¾ 1:1ー 1¾ 0 (0. 47≤x≤l)の式の範囲
3
以内ものであり、ここでは、 x=0. 2の PZTを調整した。それぞれの酸ィ匕物を秤量して 純水を添カ卩し、純水中でジルコニァ製メディアを入れたボールミルにて 8時間混合し 、十分に乾燥を行い、混合粉体を得た。得られた混合粉体を、仮成形し、空気中、 8 00°C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 、純水中でジルコユ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。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%添カ卩し、プレス成形して、厚み 526 m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て最終焼結体の厚さ 520 m の焼結体を得た。なお、焼成温度は、それぞれ 780°Cであった。 1. 5 X Ec (MV/m )以上の電界を 1分間印加して分極処理を施した。
[0049] 上記セラミック材料、有機圧電素子を作製した後に、超音波探触子を試作し、 7. 5
MHzの基本周波数 flを発信させ、受信高調波 f 2として 15MHzの受信相対感度を 調べた。受信相対感度は、ソノーラメディカルシステム社 (Sonora Medical
System, Inc: 2021Miller Drive Longmont, Colorado (0501 USA)の 音響強度測定システム Model805 (l〜50MHz)測定システムを使用した。また、耐 久性の試験として、試作探触子を温度 60°Cの部屋で 100時間連続発信受信の試験 を行った。尚、 2層の整合層及びバッキング層はあら力じめこの超音波波長に適した ものをあら力じめ用意してぉ 、た。その結果を表 1に示す。
[表 1]
[0051] 上表から、本発明によれば、シート状の圧電セラミック材料をそれぞれ単層又は積 層した構造の送信用圧電素子と受信用有機圧電素子を複合化した探触子を複数個 備え、上記の探触子を少なくとも 1次元に配置した多チャンネル型のアレイ型超音波 探触子を使用して送受信分離型の高感度超音波探触子を実現することができ、更に 有機圧電素子と電極の間に結合材層を導入することにより耐久性も向上することが できる。
[0052] 実施例 2
《蒸着重合によるポリ尿素圧電素子の作製》
モノマーとして、 4, 4'ージアミノジフエ-ルメタン(MDA)、 4. 4'ージフエ-ルメタ ンジイソシアナ一 HMDI)を選択し、蒸着重合を実施した。 2 X 10— 3Paの真空チャン バー内に MDAを受け皿に入れ 100°Cに加温し、 MDIを 66°Cに加温してチャンバ 一の上部に基板として、あら力じめ 200nm圧のアルミ蒸着を施した 200 μ m圧ポリエ チレンテレフタレート榭脂(PET)に 48 μ m厚になるまで蒸着させた。
得られた MDAZMDI比は 1. 1であった。電極はアルミ蒸着し、分極処理(ポーリン グ)は 120MVZm、温度は 212°C、 10分間行った。
[0053] 作製されたポリ尿素膜 (膜 M5とする)を使用して実施例 1の試料番号 6と同様に試 験したが、ここでは、受信圧電素子として、 Mlの代わりに上記ポリ尿素圧電素子を使 用した (試料番号 15)。分極処理としてコロナ放電処理を行った (試料番号 16)。コロ ナ処理は、常圧で 8WZcm2とした。更に電極とポリ尿素の間にポリイミド結合材を 1 m熱融着させた (試料番号 17)。更に、実施例 2の試料番号 17と同様にして、探触 子を作製した力 ここでは、ポリ尿素膜の厚さを 6 /z m厚さに蒸着し、ついで電極とし てアルミを蒸着し、これを 8回繰り返して厚さ合計 48 mの電極が 7つ挿入されたポリ 尿素膜を作製した。最終電極の蒸着を終了してから、電極力 のリード線を通じて、 分極処理を 120MVZm、温度 212°C、処理時間として 10分間行った (試料番号 18
) o
[0054] 上記試料を実施例 1と同様な評価を行い、結果を表 2に示す。
Claims
[1] 少なくとも 1次元的に配置された多チャンネル型のアレイ型超音波探触子において、 シート状の圧電素子を送受信分離型の複合型圧電素子として複数個備え、該複合 型圧電素子は送信用圧電素子を構成する材料の 23°C下の縦弾性係数が 10GPa〜 lOOGPaであり、受信用圧電素子を構成する材料の 23°C下の縦弾性係数が 10MP a〜lGPaであることを特徴とするアレイ型超音波探触子。
[2] 前記複合型圧電素子は送信用圧電素子を構成する材料がセラミック材料からなり、 受信用圧電素子を構成する材料が有機材料からなることを特徴とする請求の範囲第
1項に記載のアレイ型超音波探触子。
[3] 前記受信用圧電素子は送信用圧電素子から発信される基本波の 2次以上の高調波 を受信する感度を有する有機圧電素子であることを特徴とする請求の範囲第 1項ま たは第 2項に記載のアレイ型超音波探触子。
[4] 前記有機圧電素子は、少なくとも 1種の有機結合材で電極に結合されることを特徴と する請求の範囲第 3項に記載のアレイ型超音波探触子。
[5] 前記送信用圧電素子または受信用圧電素子はそれぞれ同種薄膜材料を積層した 圧電素子力 なることを特徴とする請求の範囲第 1〜4項のいずれか 1項に記載のァ レイ型超音波探触子。
[6] 前記送受信分離型の複合圧電素子は、整合層とバッキング層に挟まれ、整合層側 に送信用圧電素子が配置され、バッキング層側に受信用圧電素子が配置されている ことを特徴とする請求の範囲第 1〜5項のいずれか 1項に記載のアレイ型超音波探触 子。
[7] 前記送信用圧電素子の材料が、 PZT、水晶、ニオブ酸リチウム (LiNbO )、ニオブ酸
3 タンタル酸カリウム [K(Ta, Nb) 0 ]、チタン酸バリウム(BaTiO )、タンタル酸リチウ
3 3
ム(LiTaO )、又はチタン酸ストロンチウム(SrTiO )であることを特徴とする請求の範
3 3
囲第 1〜6項のいずれか 1項に記載のアレイ型超音波探触子。
[8] 前記受信用圧電素子の材料が、ポリフッ化ビニリデン、ポリ尿素、ポリアミド、ポリイミド 、ポリエステル、ポリオレフインから選ばれる少なくとも 1種を 60モル%〜100モル0 /0 含む榭脂であることを特徴とする請求の範囲第 1〜7項のいずれ力 1項に記載のァレ
ィ型超音波探触子。
[9] 前記有機結合材がポリビュルプチラール、ポリオレフイン、ポリシクロォレフィン、ポリ アタリレート、ポリアミド、ポリイミド、ポリエステル、ポリスルホン、シリコーン、エポキシ 及びその誘導体力も選ばれる少なくとも 1種の榭脂であり、ポリビニルブチラール、ポ リイミド、エポキシ、シリコーン、ポリスルホンはそれぞれィ匕学番号物質番号 (6)-708 ( Alkyl(C4)acetalpolyvinylalcohol) , (7)- 2211、 (3)- 3453、(7)- 476 (polyalkyl(C12)silox ane)と (7)- 1262に係わるものであることを特徴とする請求の範囲第 4項に記載のァレ ィ型超音波探触子。
[10] 前記受信用圧電素子の材料が、ポリ(フッ化ビ-リデン Zパーフルォロアルキルビ- ルエーテルまたはパーフルォロアルコキシエチレン)共重合体でフッ化ビ-リデン組 成が 85モル%〜99モル%であり、パーフルォロアルキルビュルエーテルまたはパー フルォロアルコキシエチレンが 1モル%〜 15モル0 /0であることを特徴とする請求の範 囲第 1〜6項のいずれか 1項に記載のアレイ型超音波探触子。
[11] 請求の範囲第 1〜6項のいずれか 1項に記載のアレイ型超音波探触子の製造方法で あって、受信用圧電素子は、ポリエステル榭脂、ポリカーボネート榭脂、シクロォレフ インポリマー榭脂から選ばれる支持体 (基板)上にモノマー種を蒸着重合で低温製膜 形成することを特徴とするアレイ型超音波探触子の製造方法。
[12] 請求の範囲第 11項に記載のアレイ型超音波探触子の製造方法であって、
前記モノマー種が少なくとも尿素または尿素誘導体であることを特徴とするアレイ型 超音波探触子の製造方法。
[13] 請求の範囲第 1〜6項、請求の範囲第 8〜10項のいずれか 1項に記載のアレイ型超 音波探触子の製造方法であって、該アレイ型超音波探触子は、分極処理 (ポーリン グ)としてコロナ放電処理されることを特徴とするアレイ型超音波探触子の製造方法。
[14] アレイ型超音波探触子は、分極処理 (ポーリング)としてコロナ放電処理されることを 特徴とする、請求の範囲第 11項または第 12項に記載のアレイ型超音波探触子の製 造方法。
[15] 請求の範囲第 1〜10項のいずれか 1項に記載のアレイ型超音波探触子を駆動させ るアレイ型超音波探触子の駆動方法であって、送信用圧電素子と受信用圧電素子
に電圧負荷を交互に切り替えて送受信することを特徴とするアレイ型超音波探触子 の駆動方法。
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