JP4746302B2 - 超音波探触子 - Google Patents

Description

本発明は、生体の体腔内において超音波の送受信を行うことにより、超音波断層像を得る超音波探触子に関する。

超音波診断装置に用いられる超音波探触子は、その製造において微細な加工を必要とするものであり、従来より様々な製造方法の提案がなされている（例えば、特許文献１、特許文献２。）。

圧電振動子への配線方法としてＦＰＣ（フレキシブルプリント基板）を用いた場合、圧電振動子に接続した後、ダイシングソーで裁断し、分割することが一般的である（例えば、特許文献１。）。特許文献１では、ダイシングソー裁断時の負荷に耐えるため、接着剤を圧電振動子の側面に突出させるなどの剛性の向上が計られている。
特開平５−３５９８号公報 特公昭５９−２０２４０号公報

超音波内視鏡などに搭載される体腔内超音波探触子では、全体寸法を極力小さくし、内視鏡挿入時の患者への負担を軽減する必要がある。特許文献１の形状では、剛性向上のための接着剤の量を規定できないため、完成時の寸法は接着剤という不確定寸法を考慮した分大きくなってしまう。

特に、ＦＰＣを背面負荷材の側面に沿って曲げる場合、ＦＰＣ弾性の残留応力が圧電振動子近傍で大きくなり、配線の信頼性が低下する。また、特許文献１では、ＦＰＣと圧電振動子の接着と記載があるが、半田を使用した場合、半田量のコントロールが難しく、裁断後の各圧電振動子の振動への負荷質量がばらつき、超音波特性に影響がでる。

特許文献２に示すように、半田以外の方法として、導電性接着剤を使用する例もある。特許文献２では、背面負荷材側面に配線基板を設け、この基板と圧電振動子を導電性接着剤で配線している。

しかし、圧電振動子上に塗布される導電接着剤の量はコントロールが難しく、かつ、音響放射方向（＝振動方向）に導電性接着剤を塗布するため、各圧電振動子の振動への負荷質量が大きくなる。

上記の課題に鑑み、本発明では、小型で、信頼性の向上と圧電振動子の振動を妨げず、特性ばらつきを抑制した超音波探触子を提供する。

上記課題は、特許請求の範囲の請求項１に記載の発明によれば、音響整合層と、前記音響整合層上に積層され、上面及び下面に電極を配置した圧電素子と、前記音響整合層上に積層され、前記圧電素子に隣接する基板と、前記上面の前記電極及び前記基板を電気的に接続するために、前記上面及び前記基板上に配置された導電体と、を含み、前記基板は前記圧電素子よりも薄く、前記基板及び前記圧電素子の厚みの差により段差を形成し、前記導電体は少なくとも前記段差に接触するように配置されることを特徴とする超音波探触子を提供することによって達成できる。

上記課題は、特許請求の範囲の請求項２に記載の発明によれば、前記導電体は、前記圧電素子と前記基板を１組とする全ての組みについて均一の体積及び質量で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子を提供することによって達成できる。

上記課題は、特許請求の範囲の請求項３に記載の発明によれば、前記基板と前記圧電素子と前記音響整合層の各部材を接着させる該各部材の接着剤を塗布する表面について、少なくとも該部材のうちのいずれかの一部に該接着剤を充填する空間を設けたことを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子を提供することによって達成できる。

上記課題は、特許請求の範囲の請求項４に記載の発明によれば、前記圧電素子の角が、前記導電体に被覆される場合には、該角部分を面取りすることを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子を提供することによって達成できる。

上記課題は、特許請求の範囲の請求項５に記載の発明によれば、前記基板と前記圧電素子と前記音響整合層の各部材を接着させる接着剤は、弾性接着剤であることを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子を提供することによって達成できる。

上記課題は、特許請求の範囲の請求項６に記載の発明によれば、前記圧電素子の側面と前記導電体とが接する部分に弾性接着剤を塗布することを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子を提供することによって達成できる。

上記課題は、特許請求の範囲の請求項７に記載の発明によれば、請求項１から６のうちいずれかに記載の超音波探触子を備える超音波内視鏡を提供することによって達成できる。

上記課題は、特許請求の範囲の請求項８に記載の発明によれば、対向する２つの面それぞれに電極を有する複数の圧電振動子と、前記２つの面のうち第１の面側に積層された音響整合層と、前記圧電振動子に接し前記音響整合層に積層された配線用基板と、該配線用基板と前記２つの面のうち第２の面側の前記電極とを電気的に接続する導電体と、から構成される超音波探触子の製造方法において、前記音響整合層に前記圧電振動子を形成する圧電振動子形成工程と、前記音響整合層の表面と前記圧電振動子の側面とに、該圧電振動子よりも薄い前記配線用基板を形成する配線用基板形成工程と、前記配線用基板形成工程の結果、構成された構造体の表面のうち、前記圧電振動子及び前記配線用基板の合わせ面を含む所定部分以外をマスキングするマスキング工程と、前記マスキング工程によりマスキングされていない部分に前記導電体を形成する導電体形成工程と、前記マスキングされた部分を除去するマスキング除去工程とからなることを特徴とする超音波探触子の製造方法を提供することによって達成できる。

上記課題は、特許請求の範囲の請求項９に記載の発明によれば、さらに、前記配線用基板と前記圧電振動子と前記音響整合層の各部材を接着させる該各部材の接着剤を塗布する表面について、少なくとも該部材のうちのいずれかの一部に該接着剤を充填する空間を設ける充填空間形成工程を行うことを特徴とする請求項８に記載の超音波探触子の製造方法を提供することによって達成できる。

上記課題は、特許請求の範囲の請求項１０に記載の発明によれば、さらに、前記圧電振動子の角が、前記導電体に被覆される場合には、該角部分を面取りする面取り工程を前記マスキング工程よりも前に行うことを特徴とする請求項８に記載の超音波探触子の製造方法を提供することによって達成できる。

上記課題は、特許請求の範囲の請求項１１に記載の発明によれば、さらに、前記圧電振動子の側面と前記導電体とが接する部分に弾性接着剤を塗布する接着剤塗布工程を行うことを特徴とする請求項８に記載の超音波探触子の製造方法を提供することによって達成できる。

本発明を用いることにより、小型で、信頼性の向上と圧電振動子の振動を妨げず、特性ばらつきを抑制することができる。

図１は、本実施形態における超音波内視鏡の外観構成を示す。超音波内視鏡１は、細長の挿入部２の基端に操作部６を備えて、一端にスコープコネクタ８を有する。この操作部６の側部からは、図示しない光源装置に接続されるユニバーサルコード７が延出している。さらに、スコープコネクタ８は図示しない超音波観測装置に接続される。

挿入部２は、先端側から順に先端部３、湾曲自在な湾曲部４、可撓性を有する可撓管部５を連設して構成されている。操作部６には湾曲操作ノブ６ａが設けられており、この湾曲操作ノブ６ａを操作することによって湾曲部４を湾曲させられるようになっている。

図２は、図１の超音波内視鏡１の先端部３の拡大図である。先端部３には、超音波探触子１０が設けられ、湾曲部４と超音波探触子１０の間には斜面部１２が設けられている。超音波探触子１０は、音響レンズ１１を形成した材質で被覆されている。斜面部１２には、観察部位に照明光を照射する照明光学部を構成する照明レンズカバー１４、観察部位の光学像を捉える観察光学部を構成する観察用レンズカバー１３、処置具が突出する開口である鉗子出口１５が設けてある。

図３は、超音波振動子の製造過程における超音波振動子を構成する構造体の斜視図を示す。同図において、超音波振動子を形成するに際し、まず配線用基板２０、導電体２１、電極２２（２２ａ，２２ｂ）、圧電振動子２３、音響整合層２４（第１音響整合層２４ａ，第２音響整合層２４ｂ）、ＧＮＤ導電部２５、溝２６から構成される構造体Ａを作製する。それでは、構造体Ａの作製について説明する。

まず、第２音響整合層２４ｂを形成した後に、第１音響整合層２４ａを形成する。次に、例えばダイシングソー（精密裁断機）を用いて、第１音響整合層２４ａに溝を形成し、その溝に導電性樹脂を注型し、ＧＮＤ導電部２５を形成する。次に、対向する両面に電極層２２ａ，２２ｂを形成した圧電振動子２３を接合する。次に、圧電振動子２３に隣接させて配線用基板２０を取り付ける。配線用基板２０の表面には、電極層２０ａが形成されている。そして、電極２０ａと電極２２ａを電気的に導通させるための導電体２１を取り付ける。

ダイシングソーを用いて、上記で形成した構造体Ａに切り込みを入れ、数十μｍ幅の溝（ダイシング溝）２６を複数形成する。この溝幅は、２０〜５０μｍであるのが好ましい。このとき、第２音響整合層２４ｂのみが完全に切断されずに数十μｍ切れ残るように構造体Ａに切り込みを入れるようにする。

その後は、コンベックスタイプ、リニアタイプ、及びラジアルタイプ等の超音波振動子の種類に応じた加工がなされる。例えば、図２の場合では、この超音波探触子は電子ラジアル型超音波探触子であるので、構造体Ａの両側面Ｘ１及びＸ２を向かい合わせるようにして円筒形状にする。

それでは、以下に各実施形態について説明する。
＜第１の実施形態＞
本実施形態では、各圧電振動子上の導電性接着剤の量を均一にし、さらに、圧電振動子に隣接する配線用基板の上面をその圧電振動子の上面よりも低くした超音波探触子について説明する。

図４は、本実施形態における超音波探触子１０内部を構成する超音波振動子の製造工程を示す。まず、上述したように、音響整合層２４を形成し、その上に圧電振動子２３を接着させる。また、配線用基板２０を音響整合層２４の上面及び圧電振動子２３の側面の両方の面に接着させる（図４（ａ））。このとき、配線用基板２０の上面が圧電振動子２３の上面より高くならないように、配線用基板２０の厚さは、圧電振動子２３の厚さより薄くする。なお、同図では、電極層２２ａ，２２ｂは省略してある。以下で説明する図５−図７についても同様である。

次に、圧電振動子２３と配線用基板２０とを電気的に接続させるため、スクリーン印刷により導電性接着剤３３を塗布する。すなわち、まず、図４（ｂ）に示すように、マスク部材３０を圧電振動子２３の上面に接触させる。本実施形態で用いるマスク部材３０は、平板であって、この平板には平面方向に細長い孔３１を設けている。上記の通り、配線用基板２０の上面が圧電振動子２３の上面より低いので、マスク３０の下面と配線用基板２０の上面との間には空隙が生じる。

次に、図４（ｃ）に示すように、マスク３０の上面の孔３１付近に導電性接着剤３３を山盛りに塗布し、スキージ３２の先端部分をマスク３０の上面に接したまま孔３１の方へ移動させる。そうすると、図４（ｄ）に示すように、導電性接着剤３３が孔３１に押し出され、導電性接着剤３３が孔３１の形状に沿った形状で圧電振動子２３と配線用基板２０に接着する（すなわち、導電体２１となる）。

その後、図４（ｅ）に示すように、マスク３０を外して、加熱することで、導電性接着剤３３が硬化する。なお、導電性接着剤３３はゲル状であって、粘性が高いので、マスク３０を取り除いた後で液だれすることはない。

以上より、マスク３０の下面が圧電振動子２３に必ず接触し、マスク３０の厚みとマスク３０の孔３１で導電性接着剤の量が一義的に定まるため、各圧電振動子２３上の導電性接着剤３３の量が均一になる。そして、圧電振動子２３上にかかる導電性接着剤３３の質量負荷が各振動子とも同一になるため、振動特性（＝超音波性能）が均一になる。したがって、超音波診断画像の画質のムラを抑制することができる。

なお、配線用基板２０の厚さを圧電振動子２３の厚さと同じにすることは機械加工上の精度では難しく、設計寸法上一致していても、公差レベルでは違いが必ず生じる。もし、配線用基板２０が圧電振動子２３より厚くなった場合、圧電振動子２３とマスク３０の間の隙間ができるため、スキージ３２でマスクが意図せず変形し圧電振動子２３上の導電性接着剤の量が不定となり、質量負荷が各振動子で不均一となる。なお、本実施形態では、配線用基板２０の厚さを圧電振動子２３の厚さより薄くしているが、実質的には圧電振動子２３の上面より配線用基板２０の上面の位置が低ければよい。

＜第２の実施形態＞
本実施形態では、導電性接着剤により接着される表面積を大きくすることにより、接着剤の接着力を高めた超音波探触子について説明する。

図５は、本実施形態における超音波探触子１０内部を構成する超音波振動子の製造工程を示す。第１の実施形態で説明したように、配線用基板２０は、音響整合層２４の上面と圧電振動子２３の側面に接着されているが、この接着は接着剤４０を用いてなされている（図５（ａ））。

上述の通り、構造体Ａはダイシングソーにより複数の切り込みを入れてダイシング溝２６を形成するが、接着剤４０を用いて十分に接着されていないと、ダイシング溝２６を形成するときに、配線用基板２０、音響整合層２４、または圧電振動子２３が剥がれて断線や接続不良となるおそれがある。

そこで、接着剤４０による接着力を高めるため、図５（ｂ）に示すように、配線用基板２０の角を面取り（４１）して、接着される表面積を大きくする。また、図５（ｃ）に示すように、音響整合層２４に凹部４２を設けて、そこに接着剤を充填することで接着される表面積を大きく、かつアンカー効果を期待してもよい。また、図５（ｂ）と図５（ｃ）を組み合わせても良い。

また、接着剤としては、例えば弾性接着剤を用いるのが良い。弾性接着剤を用いると、接着された部材が振動により剥離することを抑制することができるからである。また、弾性接着剤を用いると、接着剤と接着された部材との界面において振動の伝搬が阻害されるのを極力抑えることができるからである。

以上より、接着剤のアンカー効果が高まり、配線用基板をダイシングする時の負荷に余裕をもって耐えることができる。これにより、歩留まりを改善することができる。
また、変形例として、配線用基板を圧電振動子と同じセラミクスとし、ダイシングブレードへの負荷を同じにしてもいい。

＜第３の実施形態＞
本実施形態では、圧電振動子２３の角を面取りすることにより、導電性接着剤と圧電振動子との接合を高めた超音波探触子について説明する。

図６は、本実施形態における超音波探触子１０内部を構成する超音波振動子の製造工程を示す。同図では、圧電振動子２３の角を面取り（５０）している。このようにするのは、導電性接着剤と圧電振動子面積が増加することで導電性接着剤と圧電振動子との接合を高めることができる。

また、圧電振動子が上下方向に振動すると、応力が圧電振動子の角（鋭角部分）に集中し、圧電振動子２３から導電性接着剤が剥がれ、断線する可能性がある。このような断線を回避するため、鋭角を面取りして応力を分散している。

以上より、導電接着剤と圧電振動子の接触面積が増加し、さらに応力を分散させることにより、断線等する割合を減少させることができるので、歩留まりが改善する。
＜第４の実施形態＞
本実施形態では、上下方向以外の不要な振動を抑止した超音波探触子について説明する。

図７は、接着剤を圧電振動子２３の側面に塗布した様子を示す。図７（ａ）では、配線用基板２０の側面と接着する部分に対応する圧電振動子２３の側面部分にのみ接着剤６０を塗布した場合を示す。図７（ｂ）では、接着剤６２を圧電振動子２３側面全体に塗布した場合を示す。

圧電振動子に電圧を印加すると上下方向に電界が発生し、この電界と同方向の振動が生じる。本来は、このように圧電振動子２３の上面と下面との間に電界が生じ、上下方向のみに振動するのが好ましい。

しかしながら、図７（ａ）では、圧電振動子２３の側面の一部６１が導電接着剤３３に直接接触しているため、矢印６５で示すように、側面６１と圧電振動子２３の底面との間に斜め方向にも電界が生じるため、この方向と同方向で振動が発生する。この斜め方向の振動が不要振動となるため、本来必要な振動に対して損失となる。その結果、音響特性が低下する。また、導電接着剤３３に伝搬する振動も上下方向の振動だけでなく、不要振動の振動も伝搬する。このような異方向の振動に対して、導電接着剤３３に歪みが生じて割れる恐れもある。

また、圧電振動子の同一側面に異なる部材（接着剤６０と導電接着剤３３）が接していると、圧電振動子の振動時において、振動の伝搬状態が異なってしまい、振動を阻害することにもなる。

そこで、図７（ｂ）に示すように、圧電振動子２３の側面の全面に接着剤６２を塗布する。そうすると、図７（ａ）のように、圧電振動子２３の側面の一部と導電接着剤３３とが直接接触することがないため、側面６１に接する部材が１つとなり、音響的な不連続面がなくなる。したがって、側面からの不要な振動の発生を抑制することができる。

このとき、接着剤には、第２の実施形態で説明したように弾性接着剤を用いるのが好ましい。また、弾性接着剤は、不要な電界の発生を防止するという観点から、より絶縁性であるのが好ましい。

なお、第１〜第４の実施形態において、これらの実施形態を複数組み合わせてもよい。また、弾性接着剤は第１〜第４の実施形態のいずれにおいても用いて良い。
以上より、圧電振動子の側面全体を弾性接着剤で塗布することで、不要な電界の発生を抑制し、それにより不要な振動の発生を除去することができる。また、導電接着剤への振動を規制することができるので、導電接着剤に余計な負担をかけることがなくなるため、導電接着剤の割れを防止し、歩留まりを改善することができる。

超音波内視鏡の外観構成を示す図である。 図１の超音波内視鏡１の先端部３の拡大図である。 超音波振動子の製造過程における超音波振動子を構成する構造体の斜視図である。 第１の実施形態における超音波探触子１０内部を構成する超音波振動子の製造工程を示す図である。 第２の実施形態における超音波探触子１０内部を構成する超音波振動子の製造工程を示す図である。 第３の実施形態における超音波探触子１０内部を構成する超音波振動子の製造工程を示す図である。 接着剤を圧電振動子２３の側面に塗布した様子を示す図である。

符号の説明

１ 超音波内視鏡
２ 挿入部
３ 先端部
４ 湾曲部
５ 可撓管部
６ 操作部
６ａ 湾曲操作ノブ
１０ 超音波振動子
１１ 音響レンズ
１２ 斜面部
１３ 観察用レンズカバー
１４ 鉗子出口
２０ 基板
２０ａ 電極
２１ 導電体
２２（２２ａ，２２ｂ） 電極
２３ 圧電素子
２４ 音響整合層
２４ａ 第１音響整合層
２４ｂ 第２音響整合層
２５ ＧＮＤ導電部
２６ 溝
３０ マスク
３１ 孔
３２ スキージ
３３ 導電性接着剤
４０ 接着剤
４１ 面取り部分
４２ 凹部
５０ 面取り部分
６０ 接着剤
６１ 圧電振動子２３の側面の一部
６２ 接着剤

Claims (11)

1. 音響整合層と、
   前記音響整合層上に積層され、上面及び下面に電極を配置した圧電素子と、
   前記音響整合層上に積層され、前記圧電素子に隣接する基板と、
   前記上面の前記電極及び前記基板を電気的に接続するために、前記上面及び前記基板上に配置された導電体と、を含み、
   前記基板は前記圧電素子よりも薄く、前記基板及び前記圧電素子の厚みの差により段差を形成し、
   前記導電体は少なくとも前記段差に接触するように配置されることを特徴とする超音波探触子。
2. 前記導電体は、前記圧電素子と前記基板を１組とする全ての組みについて均一の体積及び質量で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子。
3. 前記基板と前記圧電素子と前記音響整合層の各部材を接着させる該各部材の接着剤を塗布する表面について、少なくとも該部材のうちのいずれかの一部に該接着剤を充填する空間を設けたことを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子。
4. 前記圧電素子の角が、前記導電体に被覆される場合には、該角部分を面取りすることを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子。
5. 前記基板と前記圧電素子と前記音響整合層の各部材を接着させる接着剤は、弾性接着剤であることを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子。
6. 前記圧電素子の側面と前記導電体とが接する部分に弾性接着剤を塗布することを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子。
7. 請求項１から６のうちいずれかに記載の超音波探触子を備える超音波内視鏡。
8. 対向する２つの面それぞれに電極を有する複数の圧電振動子と、前記２つの面のうち第１の面側に積層された音響整合層と、前記圧電振動子に接し前記音響整合層に積層された配線用基板と、該配線用基板と前記２つの面のうち第２の面側の前記電極とを電気的に接続する導電体と、から構成される超音波探触子の製造方法において、
   前記音響整合層に前記圧電振動子を形成する圧電振動子形成工程と、
   前記音響整合層の表面と前記圧電振動子の側面とに、該圧電振動子よりも薄い前記配線用基板を形成する配線用基板形成工程と、
   前記配線用基板形成工程の結果、構成された構造体の表面のうち、前記圧電振動子及び前記配線用基板の合わせ面を含む所定部分以外をマスキングするマスキング工程と、
   前記マスキング工程によりマスキングされていない部分に前記導電体を形成する導電体形成工程と、
   前記マスキングされた部分を除去するマスキング除去工程と
   からなることを特徴とする超音波探触子の製造方法。
9. さらに、前記配線用基板と前記圧電振動子と前記音響整合層の各部材を接着させる該各部材の接着剤を塗布する表面について、少なくとも該部材のうちのいずれかの一部に該接着剤を充填する空間を設ける充填空間形成工程
   を行うことを特徴とする請求項８に記載の超音波探触子の製造方法。
10. さらに、前記圧電振動子の角が、前記導電体に被覆される場合には、該角部分を面取りする面取り工程を前記マスキング工程よりも前に行うことを特徴とする請求項８に記載の超音波探触子の製造方法。
11. さらに、前記圧電振動子の側面と前記導電体とが接する部分に弾性接着剤を塗布する接着剤塗布工程
    を行うことを特徴とする請求項８に記載の超音波探触子の製造方法。