JPH0218093B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 Ａ 技術分野 本発明は超音波探触子およびその製造方法に関
する。

Ｂ 先行技術とその問題点 超音波探触子は、例えば生体の断層像を実時間
で観察することのできる超音波診断装置や非破壊
検査を行なうための超音波探傷装置などのプロー
ブとして一般に広く利用されている。

超音波探触子では、超音波を情報的に応用する
ところから、指向性やＳ／Ｎ比を上げるため超音
波を発生させる振動子の他に、被検体との音響イ
ンピーダンス整合をとるための整合層、振動子で
発生した音波を収束せしめる音響レンズ、振動子
の自由振動及び背面に出る超音波を吸収するため
のバツキング材などを積層した構造を有してい
る。従来は、探触子の各構成部分であるバツキン
グ材、振動子、整合層、音響レンズ等を別個に製
作し、これらを接着剤を用いて所定の順序で接着
して探触子を製造するようにしていた。けれども
この方法では、例えば多数の振動子を一次元的に
配列しアレイ状とした電子走査型超音波探触子を
作る場合など極めて多くの加工工程や接着工程が
必要なため、製造作業が煩雑となり各工程の加
工・組立精度のバラツキの累積により探触子の特
性が劣化してしまうという欠点があつた。

また、振動子の一次元配列を容易にするため振
動子を短冊状に切断しアレイとする場合、振動子
の裏面側に貼着するバツキング材がゴム系（シリ
コーンゴム等）であるとき、バツキング材だけで
は機械的強度が不足し、スクライビング・ダイサ
で振動子を切断する基台には適合せず、このた
め、特開昭56−54833号公報に示す如く、前記バ
ツキング材の裏側に更にガラス等の保持板を接着
する提案がなされているが、保持板の接着工程及
び引き剥がし工程が増え作業が面倒で時間が掛か
るという欠点があつた。

振動子が直線状に配列された線形走査型の探触
子では、たとえば人体の胸部や首部などの曲部を
走査することができず、これらの曲面や自由な面
を走査するためには非線形走査型の探触子が必要
となるが、振動子の曲面加工及び切断が極めて困
難であるという製造上の問題があり、実用化を阻
む原因となつていた。

発明の目的 したがつて本発明は、製造工程を短縮すること
により、良好な特性を持ち安定度の高い超音波探
触子を製造することができる方法、およびそのよ
うな超音波探触子を提供することを目的とする。

本発明によれば、平板状圧電材の両主面に電極
を被着してこの電極にリード線を接続し、圧電材
の一方の主面に音響整合層を設けて振動子本体を
形成し、この振動子本体を少なくとも整合層の一
部を残して切込みを入れ複数素子アレイを形成す
るように分割し、この分割した振動子本体を、音
響レンズ成形用型穴とバツキング成形用型穴が互
いに連通して成る成形型に前記一方および他方の
主面の側が音響レンズ成形用型穴およびバツキン
グ成形用型穴にそれぞれ向くようにセツトし、こ
の成形型に流動性を持つ音響材料を注入して振動
子本体の周囲をモールドし音響レンズ部とバツキ
ング部を一体とした超音波探触子が形成される。

本発明の一つの態様によれば、超音波探触子の
製造方法における振動子本体の型へのセツトは振
動子本体の長手方向軸を実質的に鉛直方向にす
る。

本発明によれば次のような超音波探触子が提供
される。すなわちこの超音波探触子は、平板状圧
電材の両主面に電極が被着され、この電極にはリ
ード線が接続され、圧電材の一方の主面には音響
整合層が設けられて振動子本体をなし、この振動
子本体は、少なくとも整合層の一部を残して複数
素子に分割されたアレイ状をなし、このように分
割された振動子本体は、周囲を覆うようにモール
ドされた音響材料によつて振動子本体の前記一方
の主面の側に音響レンズ部、他方の主面の側にバ
ツキング部が一体的に形成されているものであ
る。

本発明の一つの態様によれば、超音波探触子
は、リード線が可撓性を有する基板に形成された
導電パターンである。

本発明の他の態様によれば、超音波探触子にお
ける整合層は可撓性部材で形成され、複数素子に
分割されたアレイ状の振動子本体は曲面に保持さ
れてモールドされたものである。

本発明の他の態様によれば、超音波探触子にお
けるバツキング部の背面は粗面をなす。

本発明の他の態様によれば、超音波探触子にお
ける整合層は、各々の音響インピーダンスが異な
る複層をなしている。

本発明の他の態様によれば、超音波探触子は、
一体化されたケースによつてモールドされてい
る。

発明の具体的説明 次に添付図面を参照して本発明の超音波探触子
および超音波探触子の製造方法を詳細に説明す
る。

第１図の中央部に示す実施例のように、全体が
平板矩形に形成された例えばセラミツク系、高分
子系或いはセラミツク複合高分子系の圧電材１０
に、蒸着、印刷等により銀などの導電材料を被着
し図の上下に位置する主面に電極１２，１４を設
ける。アレイタイプの探触子の場合、第１図に示
すように、２つの電極の内、一方の電極１２は、
側面１６を経て電極１４が在る他方の主面に折返
し後述するリード線との接続を容易にする。この
電極１２と電極１４とは長手方向に延長されたス
リツト１８により電気的に独立している。

次に、圧電材１０に被着した電極１２，１４に
リード線を接続するが、アレイタイプの場合、可
撓性を有する絶縁材料から成る基板を用いて行な
う。即ち、第１図の下部に示すように、全体が方
形平板に形成された例えばポリイミド等の可撓性
の基板２０の上部に、すくなくとも圧電材１０の
矩形より少し小さい幅を有する開口２２を設け、
この開口２２の周囲に図示のような形状を有する
第１の導電パターン２４及び第２の導電パターン
２６を形成する。両パターンは、例えば銅などの
導電性材料の箔を基板２０の主面に被着させたも
のである。第１の導電パターン２４は、開口２２
の一方の長辺に沿つた延設部２８と、外部の回路
に接続されるリード部３０とからなり、第２の導
電パターン２６は、開口２２の他方の長辺に沿つ
た延設部３２と、外部の回路に接続される多数の
リード部３４とからなる。第１の導電パターン２
４は超音波探触子６０（第７図参照）として完成
後は、その探触子に含まれる多数の超音波振動子
４０（第２図参照）の共通電極のリード線をな
し、第２の導電パターン２６は多数の超音波振動
子の個別電極のリード線をなすことになる。した
がつて第２の導電パターン２６のリード部３４は
この例では完成後の超音波探触子に含まれる振動
子の数に対応して設けられている。更に延設部を
除く上記リード部を覆うようにポリイミド等のカ
バーフイルムを貼布する。

次に、第１図の上部に示すように、圧電材１０
の矩形より若干長く、かつ、遥かに幅広な方形に
形成された整合層としての整合材３６を用意す
る。この整合材３６は、所定の厚さを有し、超音
波探触子として完成後被検体と振動子との間の音
響インピーダンスの差を緩和させて被検体との境
界で生じる反射を抑え、負荷側に有効に超音波を
出力させるものである。探触子を曲面を持つ非線
形アレイとする場合、前記整合材３６は可撓性の
ある高分子フイルム等が好ましく、例えば高分子
に音響インピーダンスの高いセラミツクやダング
ステン粉末を加えた高分子複合材料を用いること
ができる。この整合材３６は、圧電材１０を切断
する際の保持台としての機能を合わせ持つ。

ところで本発明による超音波探触子の製造方法
によれば、電極１２，１４を備えた圧電材１０を
第１図の中央に示す向きにしてそのまま同図下部
に示す可撓性基板２０の上に開口２２が圧電材１
０の矩形と重なるように載置する。この状態で第
１および第２の導電パターン２４および２６のそ
れぞれのリード部２８および３２と、これらにそ
れぞれ接する電極１２，１４の一部とをハンダ付
けなどによつて接合する。この場合基板２０の裏
面より加熱するのが工程的に有利である。これに
よつて電極１２，１４がそれぞれ第１および第２
の導電パターン２４および２６のリード部３０お
よび３４と電気的に接続されたことになる。

次に、このように基板２０の上に圧電材１０を
搭載したものに、第１図の上部に示す整合材３６
を圧電材１０の上側の主面（電極１２側）と一致
させるようにして載置し、振動子本体３７（第２
図参照）を形成する。整合材３６は圧電材１０の
主面とだけ接合し、たとえばエポキシ樹脂などの
接着剤にておこなう。

次に、アレイタイプの場合、第２図に示すよう
に整合材３６を下側とし、基板２０の両袖を整合
材３６に押し付け、たとえばスクライビングダイ
サなどの薄い研削砥石によつて圧電材１０の幅方
向に切込み３８を入れ、圧電材１０を長手方向に
等分割する。

この切込み３８は、第２図乃至第４図に示すよ
うに、基板２０ならびにこの基板２０に被着した
第１および第２の導電パターン２４および２６の
各延設部２８および３２を通つて、圧電材１０の
電極１４から圧電材１０並びに電極１２に達し、
その先端が延設部３２を完全に分断する位置（第
１図の矢印Ａの先端位置）まで、また、下側が電
極１２を完全に分断する位置まで整合材２０の中
にわずかに切込まれている。また、隣接する２つ
の切込み３８の間隔すなわちピツチは第２の導電
パターン２６の複数のリード部３４の配列ピツチ
に等しく、隣接する２本のリード部３４のほぼ中
央に１本の切込み３８が位置して隣接するリード
部３４相互を電気的に切断するようになされてい
る。切込み３８の先端４１は第１の導電パターン
２４の端部３６（この例では可撓性基板２０の端
部にもなつている）に達してはならず、第１の導
電パターン２４は切込み３８で分割されないで連
続したものとなつている（第１図の矢印Ｂ参照）。
これによつて、多数の超音波振動子４０を含む超
音波探触子の本体部分が形成される。

次に、上記のように、基板２０と整合材３６と
の間に圧電材１０を挾み必要に応じ切込み３８を
入れて多数の振動子４０を形成した振動子本体３
７を、基板２０の長短二つの両袖部分４２，４４
を整合材３６とは反対の第４図における上方へコ
字状に折り曲げた状態で、第５図、第６図に示す
モールド用の型４６に振動子４０および整合材３
６に歪みが生じないようにして取付ける。型４６
は線形走査用で、平板の台４８とこの台４８と別
体になつた箱形の枠５０とから成り、台４８の上
面側に穿設した断面が部分円状の音響レンズ用型
穴５２が設けられている。一方、枠５０は圧電材
１０より幅広でかつ長く形成されており、枠５０
で囲まれた内部空間がバツキング用型穴５４をな
す。この型４６に、振動子本体３７をセツトする
場合、台４８上に整合材３６を平面状に載置し、
圧電材１０が音響レンズ用型穴５２の真上に位置
するようにし、続いて枠５０を台４８の上に取着
しこのとき枠５０の下端に設けた溝５５で前記整
合材３６の幅方向に伸びた部分を押さえ位置決め
固定を行なう。型４６に振動子本体３７を取付け
ると、基板２０における第１の導電パターン２４
の延設部２８側の袖４４は枠５０の上端より低く
なり、このため後に述べるモールドとともに埋設
される。また、基板２０におけるリード部３０，
３４側の袖４２は枠５０の上端より更に上方へ突
設し、モールドした際外部に突出してコネクタ
（図示せず）と簡単に接続することができる。型
４６内の音響レンズ用型穴５２の長手方向端部
は、第６図に示す如く整合材３６の外側まで延設
されており、バツキング用型穴５４と連通してい
る。このため、型内をモールドすると、このモー
ルド材で二つの穴５２，５４が充満され一体化す
る。

振動子本体３７の型４６への取付けを終えたな
らば、型４６内に流動性を有する音響材料から成
る注型用樹脂を注入し（第６図の矢印Ｃ参照）固
化せしめて振動子本体３７の周囲をモールドし、
このとき振動子本体３７の整合材３６側（完成し
た探触子の前側）に音響レンズ部５６、振動子本
体３７の基板２０側（完成した探触子の後側）に
バツキング部５８を同時に一体的に形成し、か
つ、モールド部内に振動子本体３７を埋設固定す
る（第７図乃至第９図参照）。音響レンズ部５６
は被検体に接触し、超音波を収束せしめるための
ものであり、被検体に近い音響インピーダンス
（生体では1.5×10⁵ｇ／cm²・ｓ）を有するものが
望ましい。バツキング部５８は、探触子の超音波
出力方向とは反対の方向すなわち背面側に放射さ
れた超音波を反射させることで前面負荷への超音
波出力を増し、探触子としての感度を良くするた
めの反射材として、または背面へ放射された超音
波を吸収して超音波パルスを尖鋭にする吸収材と
して、探触子の応答性を良くする役目を果す。こ
のためバツキング材は吸収率が高く低音響インピ
ーダンスであるものが望ましく、例えばバツキン
グ材背面からのエコーが−80dB程度になるのが
よい。従つて、音響レンズとバツキング材の両方
の機能を果すに適した材料としてはシリコーンゴ
ムなどがある。尚、音響レンズ用型穴５２の断面
形は、モールドにより形成した音響レンズ部５６
の曲率ｒが、 ｒ＝Ｆ（１−v_p／Ｃ） Ｆ：焦点距離 v_p：被検体中の音速 Ｃ：モールド部材の音速 となるように設定されている。

前記注型用樹脂が完全に固化したならば、モー
ルド部を型４６から脱型し、第７図及び第８図の
二点鎖線に示す整合材３６の不用部分を切除す
る。これによつて、音響レンズ部５６、バツキン
グ部５８を備えた超音波探触子６０が完成する。

第１０図は、整合材３６の他の構成例を示す。
同図では、整合材を、第１整合材３６Ａ及び第２
の整合材３６Ｂの二層で形成しており、各整合材
３６Ａ，３６Ｂの音響インピーダンスを段階的に
変えて整合性を改善し、超音波の出力効率、応答
性の向上を図るようにしている。二つの整合材３
６Ａ，３６Ｂは予め接着剤で貼着してから圧電材
１０と接合する。アレイタイプとする場合、振動
子本体の切込み３８は第１１図又は第１２図に示
すように振動子側の第１整合材３６Ａの一部まで
か、又は第２整合材３６Ｂの一部まで切断する。

第１３図は、バツキング部５８の背面を粗面５
９とした例を示す。第１４図の如く、振動子４０
から背面方向に出力される超音波を乱反射させた
もので、背面エコーによる雑音成分が減少する。
型に音響材料を注入するとき、バツキング部５８
の背面が解放されているので、粗面を持つ型材を
押しつけるなどして容易に粗面を形成することが
でき、従来圧電材を切断するなどのため製造上平
行度を要したバツキング材で粗面を形成する如き
困難が無くなる。

第１５図は、振動子本体３７Ａの周囲をモール
ドする際、超音波探触子のケース６２を一緒に装
着する例を示す。ケース６２は音響レンズ用型穴
５２に相当する部分が開口し、全体が箱形に形成
されている。このケース６２を樹脂注入前に型４
６Ａの内面側に内接して載置する。整合材３６の
幅をケース６２の内幅と同一とし、整合材３６の
長さをケース６２の内側長さよりやや短かくした
振動子本体３７Ａを、型４６Ａの中に入れ、整合
材３６の袖６４を取付金具６６によつてケース６
２内側の開口端縁６８にねじ止め固定し、次に樹
脂を注入して、モールド部外面にケース６２を一
体化し工程の短縮を図る。

第１６図及び第１７図の図Ａ乃至第１９図の図
Ａは、完成した超音波探触子の種々の変形例を示
す。第１６図は、振動子７０が１個だけ設けられ
た単プローブ７２で、全体が円柱をなしている。
単プローブ７２では、電気的構成が簡単であり、
振動子７０の電極は折り返すことなく両主面のみ
に被着し、ワイヤ状のリード線を接続する。この
振動子７０に整合材７１を貼着して振動子本体と
すればよい。第１７図の図Ａは扇形、第１８図の
図Ａは端部扇形とした曲面アレイ型の超音波探触
子７４，７６を示す。いずれも、同図Ｃに示す如
く振動子のアレイ７８，８０を凸状に配置するこ
とで走査範囲を拡大するものである。これらの超
音波探触子７４，７６の製造方法としては、第１
７図の図Ｂ、第１８図の図Ｂに示すように、振動
子本体３７Ｂ，３７Ｃの整合材３６に可撓性部材
を用い、型４６Ｂ，４６Ｃの台４８Ｂ，４８Ｃの
上面を下に凹んだ曲面とし、整合材３６の伸延部
を枠５０Ｂ，５０Ｃの曲面を持つ溝で押さえて振
動子アレイ７８，８０を曲面状に保持した状態で
モールドを行なう。第１９図の図Ａは、円弧形と
した曲面アレイ型の超音波探触子８２を示す。同
図Ｃに示す如く、振動子アレイ８４を凹状に配置
し、被検体深部での走査線密度を高め分解能を向
上させるとともに、頚部など被検体曲部との接触
を良好にする。この超音波探触子８２の製造方法
は、同図Ｂに示すように、型４６Ｄの台４８Ｄの
上面を上に凸の曲面とし、枠５０Ｄで整合材３６
を曲面状に保持して歪みをなくし、これにモール
ドを施してなす。第１７図のＢ〜第１９図のＢに
於て、基板２０の袖４２に切込み８５を入れると
アレイの曲面化が容易となる。

第２０図は、型を縦型にしてモールドを行なう
例を示す。振動子本体３７の主面（整合材３６の
主面）を下向きにして横軸が水平となるように型
４６に取付けると、振動子本体３７の自重及びモ
ールド材の重量で整合材３６が撓み振動子に歪み
を生じてしまう。第２０図では、振動子本体３７
の横軸を垂直にして型８６に取付けることによ
り、整合材３６の撓みを少なくし振動子面の平面
性を向上させる。振動子本体３７は、整合材３６
がＬ形枠８８と板枠９０によつて音響レンズ用型
穴５２を設けた台枠９２に押し付けられ、基板２
０のリード部を設けた袖４２がＬ形枠８８により
板枠９０に押し付られて固定されている。前記音
響レンズ用型穴５２が縦長に位置するため、注型
作業を行なう際、モールド材の自重で密に注入さ
れるので、音響レンズ部分に好ましくない気泡が
残存しない効果がある。

発明の具体的作用効果 本発明の超音波探触子および超音波探触子の製
造方法によれば、音響レンズとバツキング材の形
成並びに振動子とバツキングとの接着及び整合材
と音響レンズとの接着を単一の工程で同時に行な
つている。したがつて、製造に必要な工程数を大
幅に短縮し、製品コストの低廉化を図ることがで
きる。また、整合材と基板の間に振動子を挾むこ
とにより比較的大きな強度が得られるので余分な
工程を要することなく簡単に分割しアレイとでき
る。また、整合材は可撓性を持たせることで任意
の曲面を有する探触子を容易に製造することがで
きる。更に、振動子と外部回路との接続を基板を
用いて行なうので高精度の機械的寸法を得ること
ができ、しかもこのような基板の使用はモールド
作業と良好な適合性を生ずる。

このようにして提供された超音波探触子は、製
造工程の短縮化でバラツキの累積が回避され、探
触子内での音響インピーダンス不連続面が減少す
るとともに、切断された振動子間に音響インピー
ダンスの低い材料が介在し、振動子相互間での振
動時の干渉が少なくなり、探触子の特性が向上し
て安定化し、かつ、耐水性、機械的強度が増大す
るという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は振動子本体の製造工程を説明する組立
斜視図、第２図は、振動子を切断する工程を説明
する斜視図、第３図、第４図は各々第２図の−
線、−線に沿つた断面図、第５図は探触子
のモールド工程を説明する一部切除した斜視図、
第６図は第５図の−線に沿つた断面図、第７
図はモールド後脱型して完成した超音波探触子を
示す外観斜視図、第８図、第９図は第７図の−
線、−線に沿つた断面図、第１０図乃至第
１２図は整合層を複層とした変形例を示すもので
第１０図は一部切除した斜視図、第１１図、第１
２図は部分断面図、第１３図はバツキング部の変
形例を示す針視図、第１４図は第１３図の−
線に沿つた断面図、第１５図は超音波探触子
にケースを一体化してモールドする実施例を示す
部分組立斜視図、第１６図乃至第１９図は各々超
音波探触子の変形例を示すもので、第１６図及び
第１７図の図Ａ〜第１９図の図Ａは完成した探触
子を示す斜視図、第１７図の図Ｂ〜第１９図の図
Ｂはモールド工程を説明する構成図、第１７図の
図Ｃ〜第１９図の図Ｃは各々探触子の作用説明
図、第２０図は、モールド工程の他の実施例を示
す斜視図、第２１図は第２０図に示す実施例の平
面図である。 主要部分の符号の説明、１０……圧電材、１
２，１４……電極、２０……基板、３６，３６
Ａ，３６Ｂ……整合材、３７，３７Ａ，３７Ｂ，
３７Ｃ……振動子本体、３８……切込み、４６，
４６Ａ，４６Ｂ，４６Ｃ，４６Ｄ，８６……型、
５２……音響レンズ用型穴、５４……バツキング
用型穴、５６……音響レンズ部、５８……バツキ
ング部、６２……ケース。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 平板状圧電材の両主面に電極が被着され、該
   電極にはリード線が接続され、 前記圧電材の一方の主面には音響整合層が設け
   られて振動子本体をなし、 該振動子本体は、少なくとも前記整合層の一部
   を残して複数素子に分割されたアレイ状をなし、 前記分割された振動子本体は、その周囲を覆う
   ようにモールドされた音響材料によつて振動子本
   体の前記一方の主面の側に音響レンズ部、他方の
   主面の側にバツキング部が一体的に形成されてい
   ることを特徴とする超音波探触子。 ２ 前記リード線は可撓性を有する基板に形成さ
   れた導電パターンであることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の超音波探触子。 ３ 前記整合層は可撓性部材で形成され、前記複
   数素子に分割されたアレイ状の振動子本体は、曲
   面に保持されてモールドされたことを特徴とする
   特許請求の範囲第１項又は第２項記載の超音波探
   触子。 ４ 前記バツキング部の背面は粗面をなすことを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の超音波探
   触子。 ５ 前記整合層は各々の音響インピーダンスが異
   なる複層をなしていることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の超音波探触子。 ６ 平板状圧電材の両主面に電極および該電極に
   接続されたリード線形成用のパターンを被着する
   工程と、 前記圧電材の一方の主面に音響整合層を設けて
   振動子本体を形成する工程と、 該振動子本体を前記整合層を保持部材として、
   少なくとも前記整合層の一部を残して切り込みを
   入れ複数素子アレイを形成するように分割すると
   ともに共通電極のリード線および個別電極のリー
   ド線を形成する工程と、 前記分割した振動子本体を、音響レンズ成形用
   型穴とバツキング成形用型穴が互いに連通して成
   る成形型に前記一方の主面の側が音響レンズ成形
   用型穴、他方の主面の側がバツキング成形用型穴
   にそれぞれ向くようにセツトする工程と、 該成形型に流動性を持つ音響材料を注入して振
   動子本体の周囲をモールドし音響レンズ部とバツ
   キング部を一体的に形成する工程とを含むことを
   特徴とする超音波探触子の製造方法。 ７ 前記振動子本体は、長手方向軸が実質的に鉛
   直方向となるようにして前記成形型にセツトされ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第６項記載の
   超音波探触子の製造方法。