JPH11113907A - 超音波探触子の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧電素子を、目的とする最終形状の複数個の
アレイ状素子群として精度よく配列させ、サイドローブ
を小さくして高分解能の超音波画像を得るようにする。 【解決手段】 製造工程の処理による変形を見越して、
予めその変化分だけ補正した形状の表面を有する背面負
荷材１を用意し、その表面に圧電素子２および少なくと
も１層以上の音響整合層３を有機高分子接着剤を用いて
順次接着する。次に、圧電素子２および音響整合層３を
切り込み溝５により複数個に分割して一列に配置された
アレイ状素子に加工した後、その切り込み溝に有機高分
子接着剤を充填し硬化する。この硬化収縮による変形を
見越して背面負荷材１の表面を補正したので、全工程終
了時点で、目的とする最終形状を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、医療用超音波診断
装置に用いられる超音波探触子の製造方法に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来、電子走査型超音波探触子は、改定
医療用超音波機器ハンドブック 社団法人 日本電子機
械工業会編 コロナ社の第42頁、図2.39に記載されたも
のが知られている。図５は、その従来例の構成を示した
もので、背面負荷材11の表面に圧電素子12、さらにその
圧電素子12の上に第１の音響整合層13を接着剤などによ
り順次接着し、次に、第１の音響整合層13、圧電素子12
および背面負荷材11の一部をダイシングマシーン等によ
り切り込んで複数個に分割し、圧電素子12を一列に配置
されたアレイ状素子に形成する。そして、切り込み溝15
にはエポキシ樹脂などの接着剤を充填して硬化した後、
第２の音響整合層14を接着した構成となっている。

【０００３】しかしながら、上記のように構成された従
来の電子走査型超音波探触子においては、目的とする最
終形状、例えばアレイ状の圧電素子12を一平面上に精度
よく配置しようとする場合でも、平坦な背面負荷材11の
上に圧電素子を接着していたため、ダイシングマシーン
などにより切り込み溝15を形成して複数個に分割し、そ
の溝にエポキシ樹脂などの接着剤を充填して硬化させた
とき、接着剤の硬化収縮などにより変形して、圧電素子
12を一平面上に配置する、目的の最終形状からずれたも
のとなる。

【０００４】本来目的とする圧電素子の配列の最終形状
から変化したものを、超音波探触子として使用すると、
以下の理由から超音波のサイドローブが増加し、超音波
画像の分解能が劣化する。また画像歪みが発生して精度
よく距離などの計測ができなくなる。

【０００５】電子走査型超音波探触子は、圧電素子を複
数個配列しており、これらある群の圧電素子を用いて電
子的に、この圧電素子に印加する信号に遅延時間を与え
て送信および受信する超音波を収束させ、あるいは超音
波を偏向させ、走査させる。

【０００６】超音波を収束させることにより超音波ビー
ムを細くすることができるため、分解能が著しく向上す
ることになり、現在の超音波診断装置は、すべてといっ
ていいほどこの機能を有している。超音波を収束および
偏向させるため、上記の圧電素子に印加する信号に個々
に電気的に遅延時間を与えているわけであるが、この遅
延時間を与える場合、圧電素子が目的とする形状に近く
配列したものであれば、個々の圧電素子に与える遅延時
間も当然目的とする形状に配列されていることを前提に
設定する。

【０００７】しかし、圧電素子の配列形状が実際に目的
とする形状からずれていると、遅延時間もずれて大きな
誤差となり、結果として超音波収束は目的からずれてし
まうため、目的とするような超音波ビームに収束させる
ことができなかったり、あるいは遅延時間の誤差によっ
て、サイドローブが増加してしまうという結果になり、
超音波画像の分解能劣化の大きな原因となる。

【０００８】以上の理由から、圧電素子の配列は、目的
とする形状に如何に近いものに作成するかが高分解能の
超音波画像を得るために重要なことである。また、目的
とする形状からずれたものの超音波探触子を用いると当
然のことながら歪んだ超音波画像になるので、画像上で
の距離計測にも誤差が生じてくる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、目的と
する最終形状から大きくずれた電子走査型超音波探触子
を超音波診断装置に接続して撮像した被検体などの超音
波断層像は、各圧電素子12から送受信する信号に電気的
な遅延時間をかけたとき、誤差が大きくなって超音波の
波面合成が精度よくできなくなるため、超音波ビームの
サイドローブが大きくなり、画像の劣化を招いたり、ま
た、診断画像に変形が生じて、画面上で形状などの計測
をするときにも誤差が生じるなどの問題があった。

【００１０】本発明は、このような従来の問題点を解決
するものであり、圧電素子を目的とする最終形状の複数
個のアレイ状に精度よく配列させ、サイドローブを小さ
くして高分解能の超音波画像を得るようにした電子走査
型超音波探触子の製造方法を提供することを目的とす
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の超音波探触子の製造方法は、製造工程の処理
による変形を見越して、予めその変化分だけ補正した形
状の表面を有する背面負荷材の前記表面に圧電素子およ
び少なくとも１層以上の音響整合層を有機高分子接着剤
を用いて順次接着する工程と、圧電素子および音響整合
層を切り込み溝により複数個に分割して一列に配置され
たアレイ状素子に加工する工程と、切り込み溝に有機高
分子接着剤を充填し硬化する工程とからなるものであ
る。

【００１２】また、本発明の超音波探触子の他の製造方
法は、背面負荷材の表面に圧電素子と第１の音響整合層
とを有機高分子接着剤を用いて順次接着する工程と、圧
電素子および第１の音響整合層を切り込み溝により複数
個に分割して一列に配置されたアレイ状素子に加工する
工程と、切り込み溝に有機高分子接着剤を充填するとと
もに、第１の音響整合層の上に有機高分子接着剤を塗布
した第２の音響整合層を積層し、製造工程の処理による
変形を見越して予めその変化分だけ補正した形状の表面
を有する一対の加圧治具で挾んで硬化する工程とからな
るものである。

【００１３】前記背面負荷材の予め変化分だけ補正した
表面形状、あるいは加圧治具の予め補正した表面形状
は、目的とする最終形状に対して凹面または凸面とする
ことができる。

【００１４】上記製造方法によれば、全工程終了時点
で、目的とする最終形状を得ることができ、超音波ビー
ムのサイドローブを小さくして高分解能の超音波画像を
得、また超音波画像の歪みがなくなるので、画面上で形
状などの計測をするときにも誤差が生じない。

【００１５】なお、有機高分子接着剤としては、エポキ
シ樹脂、ウレタン樹脂、シアノ系樹脂、シリコーン系樹
脂等を使用することができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照しながら詳細に説明する。 (実施の形態１)図１は本発明の実施の形態１における電
子リニア走査型の超音波探触子の要部断面を示したもの
である。図１において、１は背面負荷材であり、圧電素
子２を保持しかつ特性を向上させるためのもので、エポ
キシ樹脂やゴム系材料にタングステン粉あるいはマイク
ロバルーンなどを混入させたものや、フェライトゴムな
どの材料が用いられる。

【００１７】２は圧電素子で、電気信号を機械振動に変
換し、あるいは逆の変換をするいわゆる超音波の送受信
を行うものであり、チタン酸ジルコン酸鉛系のいわゆる
ＰＺＴ系、ＰbＴiＯ₃系の圧電セラミックや単結晶およ
びＰＶＤＦ等の有機高分子圧電材料などから構成されて
いる。

【００１８】３および４は第１の音響整合層および第２
の音響整合層であり、被検体(図示せず)に効率よく超音
波を送信し、あるいは被検体からきた反射波を効率よく
受信するためのものであり、グラファイトやガラス、セ
ラミックあるいは有機高分子に金属粉等を混入した樹脂
などの材料からなる。

【００１９】５は圧電素子２を分割して一列に配置され
た複数個のアレイ状素子群とするための切り込み溝で、
第１の音響整合層３の表面から圧電素子２の下地の背面
負荷材１の一部まで切り込まれている。

【００２０】６は目的とする最終形状ラインであり、こ
こでは、切断されたアレイ状の圧電素子２が一平面上に
直線上に並ぶようにするものである。

【００２１】次に、本実施の形態１における製造方法を
説明する。まず、製造工程の処理、特に切り込み溝５に
充填して硬化させる有機高分子接着剤の硬化収縮による
変形を見越して、予めその変化分だけ補正した形状の表
面を有する背面負荷材１を用意する。つまり、目的とす
る最終形状ラインが平面であるのに対し、背面負荷材１
の表面を凸状にしておく。その凸状の表面に圧電素子２
および少なくとも１層以上の第１の音響整合層３を有機
高分子接着剤を用いて順次接着する。

【００２２】次いで、圧電素子２および第１の音響整合
層３を切り込み溝５により複数個に分割して一列に配置
されたアレイ状素子に加工する。その切り込み溝５には
有機高分子接着剤を充填し、さらにここでは、第１の音
響整合層３の上に第２の音響整合層４を有機高分子接着
剤により貼り付ける。図１(a)はこの状態を示してい
る。

【００２３】最後に、これを硬化炉に入れ、有機高分子
接着剤を加熱硬化する。加熱硬化後、室温まで冷却する
ことにより、有機高分子接着剤が収縮し、図１(b)に示
したように、切断されたアレイ状の圧電素子２が一平面
上に直線上に並ぶ、目的の最終形状ライン６に沿った状
態に形成される。

【００２４】なお、ここでは図示していないが、第２の
音響整合層４上には、圧電素子配列方向に対して直角の
方向に超音波ビームを収束させ、分解能を向上させる目
的でシリコーンゴムなどの材料で音響レンズを設ける場
合もある。また、第１および第２の音響整合層３，４
は、流し込みにより形成してもよい。

【００２５】処理よる変形の具体例を示せば、例えば、
圧電素子２の全長52mmを432分割し、切り込み溝５の充
填材および第２の音響整合層４の接着剤としてエポキシ
樹脂を用い、70℃の温度で硬化させ、第２の音響整合層
４を形成した場合、背面負荷材１の圧電素子接着面の形
状を直線状(平坦面)にして形成した従来方法によれば、
第２の音響整合層４の面上の形状は、図２のＡに示すよ
うに変形した形状になった。これは曲率が約1880mmに相
当するような曲面になり、最大と最小の高さの差が約0.
18mmであった。なお、図２において、横軸は圧電素子２
の配列方向の長さであり、縦軸は高さを表わしている。

【００２６】本実施の形態１のように、エポキシ樹脂の
硬化収縮により変化する量だけ予め補正した表面形状を
有する背面負荷材１を用いた場合、すなわち、背面負荷
材１の表面の形状を凸面状にし、その曲率を約1880mmに
したものを用いた場合で、圧電素子２の全長52mmを432
分割し、切り込み溝５および第２の音響整合層４の接着
剤としてエポキシ樹脂を用い、70℃の温度で硬化させ、
第２の音響整合層４を形成したときの第２の音響整合層
４の表面形状を測定すると、図２のＢに示す結果となっ
た。この結果から、最小、最大の高さの差は0.025mmと
なっており、目的とする最終形状の直線状に近くなり、
従来方法と比較して約７分の１の値であった。

【００２７】図２の従来のものＡと本実施の形態１にお
けるものＢとを比較すると、高さの差は従来のものより
約７分の１まで小さくできており、遅延時間の誤差もき
わめて小さくすることができるため、目的とする超音波
収束もでき、またサイドローブも低減できるため、高分
解能の超音波画像を得ることができるとともに、画像上
での計測も精度よくできる超音波探触子を提供すること
ができる。

【００２８】(実施の形態２)図３は、本発明の実施の形
態２における電子リニア走査型超音波探触子の製造方法
を示したものである。図３において、図１と同一部分に
は同一の符号を付してあり、また、７，８は、有機高分
子接着剤を硬化する際に超音波探触子を挾む一対の加圧
治具である。

【００２９】ここでは、表面が平面状に形成された背面
負荷材１の一方の面に圧電素子２の板をエポキシ樹脂な
どの接着剤を用いて接着し、さらに圧電素子２の表面に
第１の音響整合層３を接着若しくは流し込みなどにより
形成する。次に、ダイシングマシーン等により第１の音
響整合層３の表面から背面負荷材１の一部まで達する切
り込み溝５を入れ、圧電素子２、第１の音響整合層３を
複数個に分割する。

【００３０】次に、第１の音響整合層３および圧電素子
２を分割した切り込み溝５にエポキシ樹脂などの接着剤
を充填し、また、接着剤を塗布した第２の音響整合層４
を第１の音響整合層３の上に重ね、加圧治具７，８を用
いて挾持、加圧した状態で一定の温度に保持した恒温槽
内に入れ、加熱硬化させる。

【００３１】ここで、加圧治具７，８は、製造工程の処
理による超音波探触子の変形を見越して予めその変化分
だけ補正した形状の加圧面を有する。つまり、切り込み
溝５に充填し、また第２の音響整合層４に塗布した有機
高分子接着剤が硬化し、冷却する際に収縮して素子が変
形する量を予め見越して、加圧治具７，８の加圧面を補
正した形状としているものである。

【００３２】例えば、実施の形態１の場合と同様に、圧
電素子２の全長52mmを432分割し、その切り込み溝５の
充填材および第２の音響整合層４の接着剤としてエポキ
シ樹脂を用い、70℃の温度で硬化させ、室温に戻して上
記432分割した圧電素子２を配列させるようにする場
合、加圧治具の加圧面の形状を平坦面、すなわち曲率を
設けない表面形状としたときは、圧電素子２の配列方向
を第２の音響整合層４の面上で測定すると、図４のＡの
ような形状になった。図４のＡの場合、最大最小の高さ
の差は0.18mmとなり、大きな値となっており、この時の
面の状態は曲率で表わすと約1880mmであった。

【００３３】これに対し、本実施の形態２のように、加
圧治具７，８の加圧面に1500mmの曲率を持たせた形状の
ものを使用した場合、第２の音響整合層４の面上を測定
した結果、図４のＣのような形状となり、最大最小の高
さの差は0.031mmであった。

【００３４】これは、図４のＡと比較すると約６分の１
であり、ほぼ目的とする最終形状の直線状に圧電素子２
を配列することができていると言える。

【００３５】なお、加圧治具８の曲率については、加圧
治具７の曲率に、背面負荷材１、圧電素子２、第１の音
響整合層３および第２の音響整合層４の高さを加算した
曲率とするのが望ましい。

【００３６】以上のような製造方法によれば、高さの差
は、従来のものより約６分の１まで小さくすることがで
き、遅延時間の誤差もきわめて小さくすることができる
ため、目的とする超音波収束も良好で、またサイドロー
ブも低減でき、高分解能の超音波画像を得ることができ
るとともに、画像上での計測も精度よくできる。

【００３７】なお、実施の形態１，２では、圧電素子
２、第１の音響整合層３を分割した後、その切り込み溝
５にエポキシ樹脂を充填するとともに、第２の音響整合
層４を同様のエポキシ樹脂で接着する場合について説明
したが、この外、圧電素子２、第１の音響整合層３、第
２の音響整合層４を形成した後、それらを切り込み溝に
より分割し、その切り込み溝に有機高分子接着剤を充填
して製造する場合においても同様の効果が得られる。

【００３８】また、有機高分子接着剤にエポキシ樹脂を
使用した場合について説明したが、この外、ウレタン樹
脂、シアノ系樹脂、シリコーン系樹脂等を用いても同様
の効果が得られる。

【００３９】さらに、圧電素子２を一平面上に一列に配
置するいわゆるリニア走査型超音波探触子について説明
したが、この外、凸面の曲率形状を有するコンベックス
走査型若しくは凹面形状したコンケーブ走査型等種々の
形状についても同様の効果が得られる。

【００４０】また、実施の形態では、音響整合層を２層
設けた場合について説明したが、この外、１層若しくは
３層以上の音響整合層を用いた場合でも、同様の効果が
得られる。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、背
面負荷材の上に積層した圧電素子および少なくとも１層
以上の音響整合層に切り込み溝を入れて複数に分割した
アレイ状の素子を形成するものにおいて、切り溝に充填
し、さらにその上に第２の音響整合層を接着する有機高
分子接着剤の硬化収縮による変形を見越して、予め背面
負荷材の表面形状を補正し、若しくは加圧治具の加圧面
の形状を補正することにより、全工程終了時点で、目的
とする最終形状を得ることができる。

【００４２】従って、各圧電素子から送受信する信号に
電気的な遅延をかけたとき、その遅延時間の誤差もきわ
めて小さくすることができるため、超音波の波面合成が
精度よくでき、またサイドローブも低減できるため、高
分解能の超音波画像を得ることができる。そして、超音
波画像歪みもなく、画像上での距離などの計測で誤差が
小さく、高精度の計測が可能になるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１における超音波探触子の
概略要部断面図

【図２】本発明の実施の形態１における形状測定の結果
を示す図

【図３】本発明の実施の形態２における超音波探触子の
製造方法示す図

【図４】本発明の実施の形態２における形状測定の結果
を示す図

【図５】従来の超音波探触子の概略要部断面図

【符号の説明】

１ 背面負荷材 ２ 圧電素子 ３ 第１の音響整合層 ４ 第２の音響整合層 ５ 切り込み溝 ６ 最終形状ライン ７，８ 加圧治具

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 製造工程の処理による変形を見越して、
   予めその変化分だけ補正した形状の表面を有する背面負
   荷材の前記表面に圧電素子および少なくとも１層以上の
   音響整合層を有機高分子接着剤を用いて順次接着する工
   程と、前記圧電素子および音響整合層を切り込み溝によ
   り複数個に分割して一列に配置されたアレイ状素子に加
   工する工程と、前記切り込み溝に有機高分子接着剤を充
   填し硬化する工程とからなり、全工程終了時点で、目的
   とする最終形状を得ることを特徴とする超音波探触子の
   製造方法。
2. 【請求項２】 背面負荷材の予め変化分だけ補正した表
   面形状は、目的とする最終形状に対して凹面または凸面
   であることを特徴とする請求項１記載の超音波探触子の
   製造方法。
3. 【請求項３】 背面負荷材の表面に圧電素子と第１の音
   響整合層とを有機高分子接着剤を用いて順次接着する工
   程と、前記圧電素子および第１の音響整合層を切り込み
   溝により複数個に分割して一列に配置されたアレイ状素
   子に加工する工程と、前記切り込み溝に有機高分子接着
   剤を充填するとともに、前記第１の音響整合層の上に前
   記有機高分子接着剤を塗布した第２の音響整合層を積層
   し、製造工程の処理による変形を見越して予めその変化
   分だけ補正した形状の表面を有する一対の加圧治具で挾
   んで硬化する工程とからなり、全工程終了時点で、目的
   とする最終形状を得ることを特徴とする超音波探触子の
   製造方法。
4. 【請求項４】 加圧治具の予め補正した表面形状は、目
   的とする最終形状に対して凹面または凸面であることを
   特徴とする請求項３記載の超音波探触子の製造方法。
5. 【請求項５】 有機高分子接着剤は、エポキシ樹脂、ウ
   レタン樹脂、シアノ系樹脂、シリコーン系樹脂の１種か
   らなることを特徴とする請求項１または請求項３記載の
   超音波探触子の製造方法。