JP2005064623A

JP2005064623A - 配列型の超音波探触子およびその製造方法

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Publication number: JP2005064623A
Application number: JP2003207931A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Fujiwara; 光浩藤原
Original assignee: OOKUSONIKKU KK
Current assignee: OOKUSONIKKU KK
Priority date: 2003-08-19
Filing date: 2003-08-19
Publication date: 2005-03-10
Anticipated expiration: 2023-08-19
Also published as: JP4439851B2

Abstract

【課題】送受波利得を小さくすることなく、広い指向特性を有した配列型の超音波探触を提供する。
【解決手段】隣接するもの同士の間に溝１１ａをあけて配列された複数の圧電振動子１と、これら複数の圧電振動子１の音響放射面上に積層された２層の音響整合層３ａ、３ｂと、上層の音響整合層３ｂの上に形成された音響レンズ４とを備え、２層の音響整合層３ａ、３ｂに圧電振動子間の溝１１ａに対応した溝１３ａ、１３ｂが設けられ、音響レンズ４に近い上層の音響整合層３ｂの溝１３ｂの幅ｇが、それより下層の圧電振動子１に近い音響整合層３ａの溝１３ａの幅Ｇよりも小さく設定されている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、医療用や非破壊検査用の超音波診断装置に用いられる超音波探触子に係り、特に、複数の圧電振動子を配列した配列型の超音波探触子、およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
配列型の超音波探触子は、複数の微小な圧電振動子を列状に配設し、これら複数の圧電振動子を電子走査（セクタ駆動やリニア駆動など）することで超音波検査を行うものであり、医療用や非破壊検査用の各種超音波診断装置における超音波送受波部として多用されている。
【０００３】
図１０は従来の配列型の超音波探触子の一例を示す斜視図、図１１は図１０のＡ−Ａ矢視断面図である。
この超音波探触子は、隣接するもの同士の間に溝（隙間）１１ａをあけて配列された複数の圧電振動子１と、これら圧電振動子１の背面側に配置された背面支持体２と、複数の圧電振動子１の音響放射面上に積層された音響整合層３と、音響整合層３の上に形成された音響レンズ４と、を備えている。
【０００４】
圧電振動子（ＰＺＴ等）１は、音響放射面側と背面側に表面電極を有し、電極間にインパルス電圧を印加することにより超音波を発生するものである。背面支持体２は、圧電振動子１の背面側から放出される超音波を減衰させて、圧電振動子１の前面側（放射面側）への音響的影響を無くし、圧電振動子１へのダンピングをするためのものである。音響整合層３は、圧電振動子１の音響インピーダンスが被検体（たとえば、生体組織）の音響インピーダンスに対して桁外れに大きいことから、両者間の音響インピーダンスのマッチング（整合）をとるためのもので、両者の中間的な値の音響インピーダンスとなるように設定されている。また、整合層の厚さは、圧電振動子１の発する超音波の周波数領域のうち中心周波数の波長λの１／４になるように設定されている。音響レンズ４はシリコンゴム等の軟質材料よりなり、圧電振動子１から前面側に放出される超音波ビームを集束するために設けられている。音響レンズ４の音響整合層３側の面には、耐薬品性を確保する目的で、例えば１２．５μｍのポリイミドフィルム５が予め取り付けられている。
【０００５】
前記の圧電振動子１は、背面支持体２の上に面状の圧電振動板１１を固着し、圧電振動板１１の上に面状に音響整合層（未分割の音響整合層）３を形成し、その状態で、例えば音響整合層３の上からダイシングして、圧電振動板１１を音響整合層３と共に短冊状に分離することで、一定方向に配列した状態に形成されている。圧電振動子１間の溝１１ａは、ダイシングで切断する際の分割溝（ダイシング溝と呼ばれる）であり、分割された音響整合層３間にも同じ幅の溝１３ａ、１３ｂが同時に形成されている。これら溝１１ａ、１３ａ、１３ｂは、通常、小片状の圧電振動子１の強度を維持したり不要振動を抑制したりする目的で、ゴム系やウレタン系の充填材６で埋められている。
【０００６】
音響整合層３は、超音波の送受波効率を高めるために例えば２層構造とされており、圧電振動子１に近い第１層の音響整合層３ａはセラミック系の材料より構成され、音響レンズ４に近い第２層の音響整合層３ｂはエポキシ系の材料より構成されている。そして、この音響整合層３（３ａ、３ｂ）があることにより、圧電振動子１側から音響レンズ５側に音響インピーダンスが徐々に変化するように設定されている。
【０００７】
このような２層構造の音響整合層３の構成としては大きく分けて次の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の３種類がある。
（ａ）図１１に示すものは、１層目の音響整合層３ａと２層目の音響整合層３ｂとに、共に圧電振動子１と同じ溝幅の溝１３ａ、１３ｂが設けられているタイプのものである。このタイプは、２層の未分割の音響整合層３ａ、３ｂを圧電振動板１１の上に形成した後でダイシングすることにより作成したものである。
【０００８】
（ｂ）図１２に示すものは、１層目の音響整合層３ａと２層目の音響整合層３ｂが共に裁断されていないタイプのものである。このタイプは、圧電振動板１１をダイシングして複数の圧電振動子１に分離した後で、音響整合層３ａ、３ｂを２層重ねて形成することで作成したものである。
【０００９】
（ｃ）図１３に示すものは、１層目の音響整合層３ａは圧電振動板１１と共に裁断し、２層目の音響整合層３ｂは裁断しないタイプのものである。このタイプは、第１層の音響整合層３ａを圧電振動板１１の上に形成した上でダイシングし、その後で分割された第１層目の音響整合層３ａの上に第２層目の音響整合層３ｂを形成することで作成したものである。
【００１０】
（ａ）のタイプは、例えば特許文献１において知られている。また、（ｃ）のタイプは、例えば特許文献２において知られている。
【００１１】
【特許文献１】
特開２００１−２５８８８０号公報（図１）
【特許文献２】
特開２００２−１６５７９３号公報（図１）
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記（ａ）のタイプのように２層の音響整合層３ａ、３ｂに共に、圧電振動子１間の溝１１ａと同じ溝幅の溝１３ａ、１３ｂが形成されているものの場合、各分割部分の独立性が高いことから音響特性上においては広い指向特性を有しているが、第２の音響整合層３ｂの面積で決まる超音波送受波面が、溝がある分だけ狭くなることから、送受波利得が小さいという問題がある。
【００１３】
また、上記（ｂ）のタイプおよび（ｃ）のタイプは、上層の音響整合層３ｂに溝がないことから、送受波面積が（ａ）のタイプよりも広くなる。このため送受波利得は大きくなるが、第２層目の音響整合層３ｂが分割されていないことから、圧電振動子１の独立性が悪く、指向特性が狭くなるという問題がある。
【００１４】
因みに、指向特性は、信号を画像処理した際の虚像抑制のため、広い方が良いとされ、また、セクタ走査する際においては、画像においてどこまで広く見ることができるかの要素となるため、超音波探触子においては重要な特性の一つとされている。
【００１５】
なお、狭い溝幅にて圧電振動板１１（圧電振動子１）から音響整合層３ａ、３ｂまでを全て裁断することができれば、音響整合層が分割されていないものに比べて、指向特性を広く確保できると共に、送受波利得も大きくできるが、狭い溝幅で裁断する場合、カッティング装置（ダイシングソウ等）の刃厚が極めて薄くなるため、圧電振動板１１＋２層の音響整合層３ａ、３ｂの全層を裁断するのは困難である。特に中心周波数が２〜３ＭＨｚの低周波の超音波探触子の場合は、圧電振動板１１＋音響整合層３ａ＋音響整合層３ｂの厚さが１．５ｍｍ程度と厚くなるため、圧電振動板１１から２層の音響整合層３ａ、３ｂを全部一緒に２０〜３０μｍの狭い幅の溝にて安定裁断するのは実際上困難であり、全部の溝幅を狭くするには限界があった。
【００１６】
本発明は、上記事情を考慮し、送受波利得を小さくすることなく、広い指向特性を有した配列型の超音波探触子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の超音波探触子は、隣接するもの同士の間に溝をあけて配列された複数の圧電振動子と、これら複数の圧電振動子の音響放射面上に積層された単層または複数層の音響整合層と、最上層の音響整合層の上に形成された音響レンズと、を備えた配列型の超音波探触子において、前記単層または複数層の音響整合層に前記圧電振動子間の溝に対応した溝が設けられ、少なくとも前記音響レンズに近い最上層の音響整合層の溝の幅が、前記圧電振動子間の溝の幅よりも小さく設定されていることを特徴とする。
【００１８】
請求項２の発明は、請求項１に記載の配列型の超音波探触子であって、前記音響整合層が前記圧電振動子に近い第１層と前記音響レンズに近い第２層の２層設けられ、第１層の音響整合層の溝の幅が前記圧電振動子の溝の幅と等しい寸法Ｇに設定され、第２層の音響整合層の溝の幅ｇが前記Ｇよりも小さく設定されていることを特徴とする。
【００１９】
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の超音波探触子であって、前記音響レンズの前記音響整合層に接する側にポリイミドフィルムが一体化されていることを特徴とする。
【００２０】
請求項４の発明の配列型の超音波探触子の製造方法は、
（ａ）背面に背面支持体を配した圧電振動板の音響放射面上に第１の音響整合層を設ける工程と、
（ｂ）該工程後に前記第１の音響整合層の上から前記圧電振動板に第１の溝を形成することで前記圧電振動板および第１の音響整合層を複数の圧電振動子とそれに対応した第１の音響整合層に分離する工程と、
（ｃ）該工程後に前記第１の溝に充填材を充填する工程と、
（ｄ）該工程後に前記第１の音響整合層の上に第２の音響整合層を積層する工程と、
（ｅ）該工程後に前記第２の音響整合層に前記第１の溝の位置に対応させて第１の溝よりも小さい溝幅の第２の溝を形成することで、第２の音響整合層をその下側の分離された圧電振動子および第１の音響整合層に対応させて分離する工程と、
（ｆ）該工程後に前記第２の溝に充填材を充填する工程と、
（ｇ）該工程後に前記第２の音響整合層の上に音響レンズを設ける工程と、を備えることを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の実施形態の超音波探触子の断面図である。
この超音波探触子は、隣接するもの同士の間に溝（隙間）１１ａをあけて配列された複数の圧電振動子１と、これら圧電振動子１の背面側に配置された背面支持体２と、複数の圧電振動子１の音響放射面上に積層された音響整合層３と、音響整合層３の上に形成された音響レンズ４と、を備えている。音響レンズ４の音響整合層３に接する側には、予めポリイミドフィルム５が一体化されている。
【００２２】
音響整合層３は、圧電振動子１に近い方の第１層３ａと、音響レンズ４に近い方の第２層３ｂの２層構造とされており、第１層の音響整合層３ａと第２層の音響整合層３ｂに共に、圧電振動子１間の溝１１ａに対応した溝１３ａ、１３ｂが設けられ、それら溝１１ａ、１３ａ、１３ｂは、小片状の圧電振動子１の強度を維持したり、不要振動を抑制したりする目的で、ゴム系やウレタン系の充填材６で埋められている。
【００２３】
ここまでの構成は、図１０、図１１に示した従来例と同じであるが、次の点で異なる。即ち、第１層の音響整合層３ａの溝１３ａの幅は、圧電振動子１間の溝１１ａの幅と等しい寸法Ｇに設定されているが、第２層の音響整合層３ｂの溝１３ｂの幅ｇは、圧電振動子１および第１層目の音響整合層３ａの溝幅Ｇよりも小さく設定されている点である。
【００２４】
このように、２層の音響整合層３ａ、３ｂを共に分割しながらも、圧電振動子１側の第１層目の音響整合層３ａの溝１３ａの幅Ｇより、音響レンズ４側の第２層目の音響整合層３ｂの溝１３ｂの幅ｇを小さくしたことにより、指向特性の広さを落とさずに、超音波送受波面をできるだけ広く確保して、送受波利得を大きくすることができ、安定した特性を発揮することができる。また、音響レンズ４にポリイミドフィルム５を一体化してあるから、薬品の侵入を防止することもできる。
【００２５】
次に、この超音波探触子を得るための製造方法について説明する。
図１の構造の超音波探触子を得る場合には、まず、図２に示すように、背面支持体２の上に表裏面に表面電極を取り付けた圧電振動板１１を固着し、圧電振動板１１の上面（超音波放射面）に、分割されていない状態の第１の音響整合層３ａを設ける。この音響整合層３ａとしては、例えば、シート状に加工したセラミック板を固着する。
【００２６】
次に、図３に示すように、圧電振動板１１と共に第１の音響整合層３ａを、例えば、溝幅Ｇ＝５０μｍの第１の溝１１ａ、１３ａを音響整合層３ａの上から切ることで複数に分割し、第１の溝１１ａ、１３ａ内に充填材６を充填する。そして、電気信号等を確認しながら、音響整合層３ａの厚み調整を研磨等により行う。
【００２７】
次に、図４に示すように、第１の音響整合層３ａの上に、エポキシ系の材料よりなる第２の音響整合層３ｂを積層する。
【００２８】
次に、図５に示すように、第２の音響整合層３ｂに第１の溝１１ａ、１３ａの位置に対応させて、第１の溝１１ａ、１３ａの溝幅Ｇよりも小さい溝幅ｇ（例えばｇ＝３０μｍ）の第２の溝１３ｂを形成することで、第２の音響整合層３ｂを、その下側の圧電振動子１および第１の音響整合層３ａに対応させて分離する。
この際の第２の溝１３ｂの深さは、第２の音響整合層３ｂが分割されていさえすればよいので、例えば深さ０．４ｍｍ程度とする。第２の溝１３ｂによって第２の音響整合層１３ｂを分割したら、その溝１３ｂに充填材６を充填する。
【００２９】
そして、第１の音響整合層３ａと同じように電気信号等を確認しながら、第２の音響整合層３ｂの厚さ調整を研磨等により行い、最後に図６に示すように、ポリイミドフィルム５を予め取り付けてある音響レンズ４を、第２の音響整合層３ｂの上面に固着する。以上により、図１に示した配列型の超音波探触子ができあがる。
【００３０】
図７は、音響レンズを付ける前の各サンプルの指向特性の測定結果を示す図である。
（ａ）第１のサンプル（分割無）は、第２の音響整合層３ｂに分割溝を設けず（つまり、第２の音響整合層３ｂは分割せず）、圧電振動板１１（圧電振動子１）と第１の音響整合層３ａを５０μｍ幅の溝で分割した例である。
（ｂ）第２のサンプル（分割５０μｍ）は、第２の音響整合層３ｂから圧電振動板１１までを、同じ５０μｍ幅の溝で分割した例である。
（ｃ）第３のサンプル（分割６０μｍ）は、第２の音響整合層３ｂから圧電振動板１１までを、同じ６０μｍ幅の溝で分割した例である。
（ｄ）第４のサンプル（分割７５μｍ）は、第２の音響整合層３ｂから圧電振動板１１までを、同じ７５μｍ幅の溝で分割した例である。
【００３１】
この図７のデータから、分割の幅の広い方が指向特性が広いことが分かる。
【００３２】
図８は、図７の各サンプルに、ポリイミドフィルムを予め取り付けてある音響レンズを固着した場合の指向特性の測定結果を示している。この図８のデータから、分割無のサンプルは明らかに異なるが、分割されているサンプルに関しては、分割溝の幅の広さにあまり関係なく、指向特性の広さが同等レベルとなることが分かる。つまり、ポリイミドフィルム付音響レンズを付けると、溝幅の増減による指向特性の変化はほとんどなくなることが分かる。更に言い換えると、指向特性を左右するのは、溝の幅の大きさではなく、溝があるか否かであると言うことができる。このことは、つまり指向特性を保ちながら、溝幅は適当に選択してもよい、ということを意味する。
【００３３】
図９は、このことに着目して実施形態のように製作したサンプルの指向特性を、分割無のサンプルと比較して示している。この図９のデータから、２層目の音響整合層を分割していない製品に比べて、本発明の実施形態のサンプル（２層目の音響整合層の溝幅を３０μｍとしたもの）は指向特性が広いことが分かる。
【００３４】
以上により、第２層目の音響整合層３ｂの溝（第２の溝）１３ｂの幅を第１層目の音響整合層３ａの溝（第１の溝）１３ａの幅よりも狭くしても、指向特性が落ちないことが分かった。そこで、次に送受波利得について調べてみた。その結果を表１に示す。この表１は、構造の違いによる送受波利得の比較表である。
【００３５】
【表１】

【００３６】
この表から分かるように、本発明の実施形態のサンプルは、圧電振動子、第１の音響整合層、第２の音響整合層を同じ溝幅（５０μｍ、６０μｍ、７５μｍ）でそれぞれ分割したサンプルよりも送受波利得が大きくなる。２層目の音響整合層を分割してないサンプル（分割無）が一番送受波利得が大きくなるが、２層目の音響整合層を細幅の溝で分割したサンプル（発明品）は、分割無のサンプルより若干小さい値を示すだけで、分割無サンプルに近い送受波利得を示すことが分かった。
【００３７】
なお、上記実施形態では、平板状の配列型の超音波探触子について説明したが、本発明は、必ずしもこれに限られるものではなく、曲率のついたコンベックス型の超音波探触子にも適用することができる。
【００３８】
また、上記実施形態では、２層の音響整合層３ａ、３ｂのうち、下側の音響整合層３ａの溝１３ａの幅が、圧電振動子１間の溝１１ａの幅と等しい場合を示したが、下側の音響整合層３ａの溝１３ａの幅を、上側の音響整合層３ｂの溝１３ｂの幅と等しく設定することもできる。あるいは、下側の音響整合層３ａの溝１３ａの幅を、圧電振動子１間の溝１１ａの幅と上側の音響整合層３ｂの溝１３ｂの幅との中間の寸法に設定することもできる。
【００３９】
また、上記実施形態では、音響整合層が２層構造である場合について説明したが、３層以上の多層構造の音響整合層を設ける場合にも本発明は適用することができる。その場合は、最上層の音響整合層の分割溝の幅が、少なくとも圧電振動子の分割溝の幅より小さくなっていればよい。
【００４０】
また、音響整合層が１層（単層）の場合にも本発明は適用することができる。その場合は、単層の音響整合層の分割溝の幅が、圧電振動子の分割溝の幅よりも小さくなっていればよい。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、指向特性が広く、送受波利得の大きい安定した特性の超音波探触子を得ることができる。また、音響レンズにポリイミドフィルムを一体化しておくことで、耐薬品性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の超音波探触子の断面図である。
【図２】前記超音波探触子の製造工程の説明図であり、最初の工程説明図である。
【図３】図２の次の工程説明図である。
【図４】図３の工程説明図である。
【図５】図４の工程説明図である。
【図６】図５の工程説明図である。
【図７】音響レンズを取り付ける前の超音波探触子のサンプルの指向特性を示す図である。
【図８】音響レンズを取り付けた後の超音波探触子のサンプルの指向特性を示す図である。
【図９】本発明の実施形態のサンプルと比較例の指向特性を示す図である。
【図１０】従来の超音波探触子の外観斜視図である。
【図１１】図１０のＡ−Ａ矢視断面図である。
【図１２】他のタイプの従来例の断面図である。
【図１３】更に他のタイプの従来例の断面図である。
【符号の説明】
１圧電振動子
２背面支持体
３，３ａ，３ｂ音響整合層
４音響レンズ
５ポリイミドフィルム
１１圧電振動板
１１ａ溝（第１の溝）
１３ａ溝（第１の溝）
１３ｂ溝（第２の溝）

Claims

隣接するもの同士の間に溝をあけて配列された複数の圧電振動子と、これら複数の圧電振動子の音響放射面上に積層された単層または複数層の音響整合層と、最上層の音響整合層の上に形成された音響レンズと、を備えた配列型の超音波探触子において、
前記単層または複数層の音響整合層に前記圧電振動子間の溝に対応した溝が設けられ、少なくとも前記音響レンズに近い最上層の音響整合層の溝の幅が、前記圧電振動子間の溝の幅よりも小さく設定されていることを特徴とする配列型の超音波探触子。
請求項１に記載の配列型の超音波探触子であって、
前記音響整合層が前記圧電振動子に近い第１層と前記音響レンズに近い第２層の２層設けられ、第１層の音響整合層の溝の幅が前記圧電振動子の溝の幅と等しい寸法Ｇに設定され、第２層の音響整合層の溝の幅ｇが前記Ｇよりも小さく設定されていることを特徴とする配列型の超音波探触子。
請求項１または２に記載の超音波探触子であって、
前記音響レンズの前記音響整合層に接する側にポリイミドフィルムが一体化されていることを特徴とする配列型の超音波探触子。
（ａ）背面に背面支持体を配した圧電振動板の音響放射面上に第１の音響整合層を設ける工程と、
（ｂ）該工程後に前記第１の音響整合層の上から前記圧電振動板に第１の溝を形成することで前記圧電振動板および第１の音響整合層を複数の圧電振動子とそれに対応した第１の音響整合層に分離する工程と、
（ｃ）該工程後に前記第１の溝に充填材を充填する工程と、
（ｄ）該工程後に前記第１の音響整合層の上に第２の音響整合層を積層する工程と、
（ｅ）該工程後に前記第２の音響整合層に前記第１の溝の位置に対応させて第１の溝よりも小さい溝幅の第２の溝を形成することで、第２の音響整合層をその下側の分離された圧電振動子および第１の音響整合層に対応させて分離する工程と、
（ｆ）該工程後に前記第２の溝に充填材を充填する工程と、
（ｇ）該工程後に前記第２の音響整合層の上に音響レンズを設ける工程と、を備えることを特徴とする配列型の超音波探触子の製造方法。