JP5083210B2

JP5083210B2 - アレイ型超音波探触子及びその製造方法

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Publication number: JP5083210B2
Application number: JP2008521139A
Authority: JP
Inventors: 武羽生; 敏久竹山; 頂之佐々木
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Description

本発明は医用診断に使用されるアレイ型超音波探触子及びその製造方法に関する。

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、膵臓、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がよく使用される。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いる。

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（ｆ１）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、マイクロバブル等から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いることにある。

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い帯域の周波数特性を有することが必要となる。

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が小さいことにより、Ｓ／Ｎ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く、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。

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い、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樹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。

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い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い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。

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。

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からなる、中心周波数ｆ1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の圧電素子からなり、第１の圧電層に重ねられ、中心周波数ｆ２＝２ｆ１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。

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、素子にか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利となっている。
特開昭６３−２５２１４０号公報特開平８−１８７２４５号公報特開平１１−２７６４７８号公報

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、切断溝をエポキシ樹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ャンネルの分割はダイサ等の切断機で行われる。

しかしながら、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いて解決すべき課題があった。

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。

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からなる圧電素子を複合化することにより
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。

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℃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℃下の縦弾性係数が１０ＭＰａ〜１ＧＰａである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、ポリエステル樹脂、ポリカーボネート樹脂、シクロオレフィンポリマー樹脂から選ばれる支持体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。
(2)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項(1)に記載のアレイ型超音波探触子の製造方法。
(3)アレイ型超音波探触子は、分極処理としてコロナ放電処理されることを特徴とする、項(1)または項(2)に記載のアレイ型超音波探触子の製造方法。
(4)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℃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℃下の縦弾性係数が１０ＭＰａ〜１ＧＰａであり、前記受信用圧電素子の材料が、ポリ（フッ化ビニリデン／パーフルオロアルキルビニルエーテルまたはパーフルオロアルコキシエチレン）共重合体でフッ化ビニリデン組成が８５モル％〜９９モル％であり、パーフルオロアルキルビニルエーテルまたはパーフルオロアルコキシエチレンが１モル％〜１５モル％であることを特徴とするアレイ型超音波探触子。
(5)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(4)に記載のアレイ型超音波探触子。
(6)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項(4)または項(5)に記載のアレイ型超音波探触子。
(7)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(6)に記載のアレイ型超音波探触子。
(8)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(4)〜(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項(4)〜(8)のいずれか１項に記載のアレイ型超音波探触子。

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。

（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。（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。（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。（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

１超音波探触子
２受信用圧電素子
３送信用圧電素子
４送信用電極
５バッキング材
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

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が、本発明はこれらに限定されるものではない。

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。

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信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は受信用圧電素子、３は送信用圧電素子、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、セラミッ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からなる積層型（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が探触子が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。

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３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って作成することが出来る。グリーンシートは厚みを１００μｍ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。受信用圧電素子２は、送信用圧電素子３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工程なしでポリマーシートのみを積層することで受信用圧電素子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い。

上記積層および電極の挿入には、有機結合材を使用しないでもよいが、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が、これらに限定されるものではない。

ポリビニルブチラール、ポリオレフィン、ポリシクロオレフィン、ポリアクリレート、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種の樹脂である。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１１、ポリアミド１２、ポリアミド４６、メトキシ化ポリアミド（既存化学物質（７）−３８３(polycondensates of polyalkylen(C3)polyamine/polyalkylene(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）−２２１１（ＣＡＳＮｏ．６１１−７９−０）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(C12)siloxane)、（７）−４７４、（polyalkyl(C12)siloxane）（７）−４７７、（polyalkyl(hydrogen)siloxane）、（７）−４８３、（polyalkyl(C9)alkeny(C4)siloxane）（７）−４８５（Polyalsodiumalkyl(C4)siliconate）等が挙げられる。エポキシ化合物としては、ポリフェノール型、ポリグリシジルアミン型、アルコール型、エステル型などがあるが、
特に脂環式型が好ましく、既存化学物質番号で３−２４５２（3,4-epoxycyclohexylmethyl(3,4-epoxy)cyclohexanecalboxylate）、３−３４５３、４−４７（2-(3,4-epoxy)cyclohexyl-5,1-spiro-(3,4-epoxy)cyclohexyl-m-dioxane）、５−１０５２（1,3,5-tris-glycidyl-isocyanuricacid）等が好ましい。脂環式型は耐熱性もよく、接着力もよいので好ましく使用できる。

これら樹脂の使用量は、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、１０ｎｍから６０μｍ、好ましくは２０ｎｍから３０μｍである。

樹脂の使用方法は、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、バルクを溶解温度まで加温して熱溶解して使用してもよい。

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、電極が印刷されていない受信用圧電素子の上に使用するのが好ましい。

上記の積層製作工程では、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、送信用圧電素子３と受信用圧電素子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い。
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、受信用圧電素子２を後から被覆してもよいし、あらか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。
あらか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。

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ニリデンとフッ化オレフィンとの共重合体が特に好ましい。たとえば、製膜後の熱処理工程（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℃／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、１００oC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よい。

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／またはＰ（ＶＤＦ−ＴｅＦＥ）において、２３０℃におけるメルトフローレイト（ＭｅｌｔＦｌｏｗＲａｔｅ）が０．０２ｇ／分以下、より好ましくは、０．０１ｇ／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、フッ化ビニリデンを、ＴｒＦＥは３フッ化エチレンを、ＴｅＦＥはテトラフルオロエチレンを示す。

一方、フッ化ビニリデンに３フッ化エチレン、パーフルオロアルキルビニルエーテル（ＰＦＡ）、パーフルオロアルコキシエチレン（ＰＡＥ）、パーフルオロヘ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ニリデンの共重合比が６０ｍｏｌ％〜９９ｍｏｌ％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％である。フッ化ビニリデンを８５モル％〜９９モル％にして、パーフルオロアルキルビニルエーテル、パーフルオロアルコキシエチレン、パーフルオロヘキサエチレン等を１モル％〜１５モル％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、テトラフルオロエチレンや３フッ化エチレンがよいとされていたが、本発明の複合素子では、パーフルオロアルキルビニルエーテル（ＰＦＡ）やパーフルオロアルコキシエチレン（ＰＡＥ）、パーフルオロヘキサエチレンを使用することが特に好ましい。

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く、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℃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１ｍＷ〜１ｋＷ／ｃｍ²のコロナ処理を常圧で実施してもよい。

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ｆ１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倍から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。

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（ＬｉＮｂＯ₃）、ニオブ酸タンタル酸カリウム［Ｋ（Ｔａ，Ｎｂ）Ｏ₃］、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ₃）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃）、又はチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ₃）等である。

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層構造であるが、被検体によってより多層にする場合、あるいは１層か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。

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いで表される。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Ｓ／Ｎ比が低下し、ノイズも増大するので、送信圧電素子の２３℃下の縦弾性係数は１０ＧＰａから１００ＧＰａ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、Ｓ／Ｎ比が低下するので、受信用圧電素子の２３℃下の弾性係数は１０ＭＰａから１ＧＰａの範囲である。

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Ｈ₂Ｎ−Ｒ−ＮＨ₂構造を示すことができるが、ここでＲが任意の置換基で置換されてもよいアルキレン基、フェニレン基、２価のヘテロ環基、ヘテロ環基を含んでもよい。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ってもよい。好ましいポリ尿素として、４，４’−ジアミノジフェニルメタン（ＭＤＡ）と４，４’−ジフェニルメタンジイソシアナート（ＭＤＩ）を使用する芳香族ポリ尿素を挙げることができる。

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、樹脂、シリコンウエ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ーート等のポリエステル樹脂、ポリカーボネート樹脂、シリコン樹脂、アルキレート樹脂、シクロオレフィン樹脂等を適宜選択できる。

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３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。

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。

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。

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。

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Ｍ１の作製）
Ｐ（ＶＤＦ−ＰＦＡ）（組成モル比：ＶＤＦ／パーフロオロアルキルビニルエーテル＝９０／２０）膜をＤＭＦ（ジメチルホルムアミド）溶液から流延して厚さ４８μｍの膜を作製し、さらにこれを１４０℃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±９４０Ｖのピーク値をもつ１Ｈｚの交流電圧（三角波）を印加して７７℃で分極反転を繰り返した。

（膜Ｍ２の作製）
Ｐ（ＶＤＦ−ＰＦＥ）（組成モル比：ＶＤＦ／パーフロオロアルキルビニルエーテル＝８８／１２）膜をＤＭＦ（ジメチルホルムアミド）溶液から流延して厚さ４８μｍの膜を作製し、さらにこれを１４０℃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℃で分極反転を繰り返した。

（膜Ｍ３の作製）
Ｐ（ＶＤＦ−ＨＦＰ）（組成モル比：ＶＤＦ／ＨＦＰ（ヘキサフルオロプロピレン）＝８６／１２）膜をＤＭＦ（ジメチルホルムアミド）溶液から流延して厚さ４８μｍの膜を作製し、さらにこれを１３８℃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℃で分極反転を繰り返した。

（膜Ｍ４の作製）
Ｐ（ＶＤＦ−ＨＦＰ）（組成モル比：ＶＤＦ／ＨＦＰ（ヘキサフルオロプロピレン）＝８６／１２）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％添加してブレンダーで混練後流延して厚さ４８μｍの膜を作製し、さらにこれを１３８℃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℃で分極反転を繰り返した。

〈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ＣａＣＯ₃、Ｌａ₂Ｏ₃、Ｂｉ₂Ｏ₃および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（Ｃａ_０．９７Ｌａ_０．０３）Ｂｉ_４．０１Ｔｉ_４Ｏ_１５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、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℃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５２７μｍ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５２０μｍの焼結体を得た。なお、焼成温度は、それぞれ１１００℃であった。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。

（膜Ｓ２：圧電素子ＰＺＴの作製）
鉛、ジルコニウム、チタンの成分がＰｂ（Ｚｒ１−ｘＴｉｘ）Ｏ₃（０．４７≦ｘ≦１）の式の範囲以内ものであり、ここでは、ｘ＝０．２のＰＺＴを調整した。それぞれの酸化物を秤量して純水を添加し、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、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℃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。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５２６μｍ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５２０μｍの焼結体を得た。なお、焼成温度は、それぞれ７８０℃であった。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。

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、７．５ＭＨｚの基本周波数ｆ１を発信させ、受信高調波ｆ２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（ＳｏｎｏｒａＭｅｄｉｃａｌ
Ｓｙｓｔｅｍ，Ｉｎｃ：２０２１ＭｉｌｌｅｒＤｒｉｖｅＬｏｎｇｍｏｎｔ，Ｃｏｌｏｒａｄｏ（０５０１ＵＳＡ）の音響強度測定システムＭｏｄｅｌ８０５（１〜５０ＭＨｚ）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℃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かじめこの超音波波長に適したものをあらかじめ用意しておいた。その結果を表１に示す。

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。

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’−ジアミノジフェニルメタン（ＭＤＡ）、４．４’−ジフェニルメタンジイソシアナート（ＭＤＩ）を選択し、蒸着重合を実施した。２×１０^-3Ｐａの真空チャンバー内にＭＤＡを受け皿に入れ１００℃に加温し、ＭＤＩを６６℃に加温してチャンバーの上部に基板として、あらかじめ２００ｎｍ圧のアルミ蒸着を施した２００μｍ圧ポリエチレンテレフタレート樹脂（ＰＥＴ）に４８μｍ厚になるまで蒸着させた。
得られたＭＤＡ／ＭＤＩ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１２０ＭＶ／ｍ、温度は２１２℃、１０分間行った。

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、Ｍ１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８Ｗ／ｃｍ²とした。更に電極とポリ尿素の間にポリイミド結合材を１μｍ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、探触子を作製したが、ここでは、ポリ尿素膜の厚さを６μｍ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４８μｍ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、電極からのリード線を通じて、分極処理を１２０ＭＶ／ｍ、温度２１２℃、処理時間として１０分間行った（試料番号１８）。

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。

上表から、蒸着重合法で作製しても実施例１と同様に、良好な超音波探触子の性能が得られることが分かる。

Claims

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℃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℃下の縦弾性係数が１０ＭＰａ〜１ＧＰａである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、ポリエステル樹脂、ポリカーボネート樹脂、シクロオレフィンポリマー樹脂から選ばれる支持体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。
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請求項１に記載のアレイ型超音波探触子の製造方法。
アレイ型超音波探触子は、分極処理としてコロナ放電処理されることを特徴とする、請求項１または２に記載のアレイ型超音波探触子の製造方法。
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℃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℃下の縦弾性係数が１０ＭＰａ〜１ＧＰａであり、前記受信用圧電素子の材料が、ポリ（フッ化ビニリデン／パーフルオロアルキルビニルエーテルまたはパーフルオロアルコキシエチレン）共重合体でフッ化ビニリデン組成が８５モル％〜９９モル％であり、パーフルオロアルキルビニルエーテルまたはパーフルオロアルコキシエチレンが１モル％〜１５モル％であることを特徴とするアレイ型超音波探触子。
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項４に記載のアレイ型超音波探触子。
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項４または５に記載のアレイ型超音波探触子。
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項６に記載のアレイ型超音波探触子。
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請求項４〜７のいずれか１項に記載のアレイ型超音波探触子。
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項４〜８のいずれか１項に記載のアレイ型超音波探触子。