JP2006211058A - 超音波探触子、超音波診断装置及び超音波探傷装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 特性を劣化させずに接着強度の向上を実現し、かつ薄くて均一な接着層厚みにより圧電振動子の特性のバラツキも抑えた超音波探触子を提供する。
【解決手段】 超音波を送受信するための複数の圧電振動子２と、圧電振動子の背面側に設けた背面負荷材１とを備え、背面負荷材の圧電振動子との接着面に接着剤流入溝８が形成されることにより、圧電振動子と背面負荷材の接着過程において、余分な接着剤９が接着剤流入溝に流入することによって、薄くて均一な接着層１１を形成して強固な接着状態を実現することができ、超音波探触子を構成する圧電振動子の特性劣化並びに各圧電振動子ごとの特性のバラツキを抑えることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、診断、治療などの医療分野や、非破壊検査などの産業用分野で利用される超音波探触子と、超音波探触子を用いた超音波診断装置及び超音波探傷装置に関する。

近年、圧電振動子を２次元配列した超音波探触子を用いて、走査方向に加えてスライス方向にもダイナミックフォーカスなどの手法を用いて超音波画像の画質を向上させたり、あるいは電子的な制御によって超音波ビームを３次元に走査し３次元超音波画像を作成する装置が開発されてきている。

従来の圧電振動子を２次元配列した超音波探触子の構成として、製造過程において２次元に配列された微小な圧電振動子の倒壊を防ぐためにどのように強度を確保するかが提案されている。圧電振動子を２次元配列した超音波探触子の製造にあたっては、２次元配列を形成する際に例えばダイシングソーなどの分割装置を用いて機械加工により素子を分割する方法を採用することが一般的であり、その加工負荷に耐える必要がある。

図８に従来の超音波探触子の断面図を示す。図８に示す超音波探触子は、背面負荷材１の上に複数の圧電振動子２が配列された構成を有する。背面負荷材１の表面には硬質補助板３が固着されている。背面負荷材１の内部には複数の信号線４が埋設されており、その一端を硬質補助板３の表面に露出させ、圧電振動子２の電極５と硬質補助板３を導電性接着剤６によって固着することによって接着強度を高めると同時に、圧電振動子２の電極５と信号線４との電気的な接続を行うように構成されている（例えば下記の特許文献１参照）。

また、図９に示す従来の超音波探触子は、圧電振動子２の電極５側にも圧電振動子２の中央部分に貫通穴７を施した硬質補助板３を形成し、硬質補助板３同士を導電性接着剤６によって固着してさらに接着強度を高めるよう構成されている（例えば下記の特許文献２参照）。
特開２０００−４１２９９号公報（第３頁、第３図） 特開２００３−９２８９号公報（第２頁、第１図）

しかしながら、上述した従来の超音波探触子では、図８に示した構成の場合に、圧電振動子２と背面負荷材１との間に硬質補助板３が介在してしまう。背面負荷材１は、そのダンピング効果による分解能の向上や背面負荷材１側へ放射させる超音波の吸収といった役目を本来果たすものであるが、硬質補助板３の介在によってその効果が十分発揮されなくなるため、特性の劣化を引き起こしてしまう。また、硬質補助板３と圧電振動子２あるいは背面負荷材１との音響インピーダンスの整合がとれない場合には、この界面部分での超音波の多重反射が発生してしまうため、例えば超音波診断装置などに用いた場合には診断画像上に多重ノイズが出現してしまい、正確な超音波診断を妨げることも考えられる。

さらに、図９に示した構成の場合、圧電振動子２と背面負荷材１との間に更にもう一枚硬質補助板３が介在してしまうため、さらに上記問題が深刻になる可能性が高い。また、硬質補助板３の増加により、全体の高さを高くしてしまうことは、圧電振動子２の分割加工時の加工負荷による倒れの危険性を高くするので、接着強度を上げた効果と相殺されてしまうことも考えられる。また、圧電振動子２と背面負荷材１の間に介在してしまうものとしては、両者を接着するための接着剤の層（以下、接着層とする）もあり、その接着層を可能な限り薄くする必要がある。さらに、圧電振動子２を２次元配列した超音波探触子の場合は、接着層の厚みのバラツキが各圧電振動子２の特性のバラツキに直接影響を及ぼすので、均一な接着層の厚みが求められる。

本発明は、上述した従来の問題を解決するためになされたもので、特性を劣化させずに接着強度の向上を実現し、かつ薄くて均一な接着層の厚みにより圧電振動子の特性のバラツキも抑えた超音波探触子と、超音波探触子を用いた超音波診断装置及び超音波探傷装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明に係る超音波探触子は、超音波を送受信するための複数の圧電振動子と、前記圧電振動子の背面側に設けた背面負荷材とを備えた超音波探触子において、前記背面負荷材の前記圧電振動子との接着面に、接着剤流入溝を形成したことを特徴とする。

この構成により、圧電振動子と背面負荷材との接着過程において、余分な接着剤が接着剤流入溝に流入することによって、薄くて均一な接着層を形成して強固な接着状態を実現することができ、超音波探触子を構成する圧電振動子の特性劣化並びに各圧電振動子ごとの特性のバラツキを抑えることができる。

また、本発明に係る超音波探触子は、前記複数の圧電振動子が、圧電振動子を分割することで形成され、前記接着剤流入溝は前記圧電振動子を分割する位置に配置されることを特徴とする。

この構成により、圧電振動子を分割することで複数の圧電振動子を形成する際に、分割位置を接着剤流入溝の位置に合わせて分割することで、正確な形状の圧電振動子配列を形成することができる。

また、本発明に係る超音波探触子は、前記圧電振動子を分割することで形成される分割溝の幅が、前記接着剤流入溝の幅よりも狭いことを特徴とする。

この構成により、圧電振動子と背面負荷材との接着強度をより高めることができる。

また、本発明に係る超音波診断装置は、上述した本発明の超音波探触子と、前記超音波探触子と電気的に接続された超音波診断装置本体とを含むことを特徴とする。

この構成により、本発明に係る超音波探触子の長所をいかし、精度の高い超音波診断を行うことができる。

さらに、本発明に係る超音波探傷装置は、上述した本発明の超音波探触子と、前記超音波探触子と電気的に接続された超音波探傷装置本体とを含むことを特徴とする。

この構成により、本発明に係る超音波探触子の長所をいかし、精度の高い非破壊検査を行うことができる。

本発明に係る超音波探触子は、超音波を送受信するための複数の圧電振動子と、圧電振動子の背面側に設けた背面負荷材とを備えた超音波探触子であって、背面負荷材の圧電振動子との接着面に、接着剤流入溝が形成されることにより、圧電振動子と背面負荷材との接着過程において、余分な接着剤が接着剤流入溝に流入することによって、薄くて均一な接着層を形成して強固な接着状態を実現することができ、超音波探触子を構成する圧電振動子の特性劣化並びに各圧電振動子ごとの特性のバラツキを抑えることができる。

また、本発明に係る超音波診断装置は、上述した超音波探触子を使用しているため、より正確な超音波診断をすることが可能となる。

さらに、本発明に係る超音波探傷装置は、上述した超音波探触子を使用しているため、より正確な非破壊検査をすることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態に係る超音波探触子について、図面を用いて説明する。
＜第１の実施の形態＞
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る超音波探触子の構成を示す断面図である。図１において、超音波探触子は、電気入力を変換して超音波を発生する、あるいは受波した超音波信号を電気信号として受信するための、例えば圧電セラミクスからなる圧電振動子２が配列された構成を有する。この圧電振動子２は、例えばフェライトゴムなどの音響減衰媒体からなる背面負荷材１上に配列されており、背面負荷材１側に送波された超音波を吸収減衰させる。圧電振動子２は、上下面に電極５を有し、下面の電極５は背面負荷材１の内部に埋め込まれた、例えばプリント基板やフレキシブルプリント基板、金属薄板から構成される信号線４に接続されている。上面の電極５は、例えば銅箔などからなる共通電極に共通接続され接地されるが図１ではこれを図示しない。

接着剤流入溝８は、圧電振動子２が背面負荷材１上に接着される前に、例えばダイシングソーなどの溝加工が可能な装置を用いて背面負荷材１の表面に形成され、圧電振動子２を接着する際に接着剤９が流れ込むようになっている。分割溝１０は、圧電振動子２の配列を形成する際、例えばダイシングソーなどの分割装置によって形成されたものであり、図１ではその形成位置を接着剤流入溝８の位置と合わせている。なお、超音波探触子の構成として、圧電振動子２の上面、すなわち音響放射面側に超音波を効率良く送受信するための音響整合層や、超音波を収束させるための音響レンズを付ける場合もある。

次に、この超音波探触子の作成方法について図２から図４を用いて説明する。図２に接着剤流入溝８を形成した背面負荷材１の断面図を示す。図２に示すように、超音波探触子の圧電振動子２の配列間隔に合わせて位置決めされた信号線４が埋設された背面負荷材１の上面、後に圧電振動子配列が形成される面上に、例えばダイシングソーなどの溝加工可能な装置を用いて接着剤流入溝８をあらかじめ形成しておく。

続いて、図３に背面負荷材１の上に圧電振動子２を接着した状態を表す断面図を示す。図３に示すように、背面負荷材１上に圧電振動子２を接着すると、圧電振動子２と背面負荷材１の間に接着層１１が作成され両者が接着されると同時に接着剤流入溝８に接着剤９が流れ込む。一般的な接着作業では、接着させたい物に対して加圧しながら加熱して接着剤を硬化させるが、その接着過程において接着剤の粘度が一時的に下がり、加圧によって余分な接着剤が抜けていくことで薄くて均一な接着層を形成し、強固な接着状態を実現することができる。

接着物の周辺部の接着剤は外側に簡単に抜けていくが、中央付近は接着剤が逃げ場を失い周辺部に比べて接着剤が抜けにくい状況になってしまう。これに対して、本実施の形態に係る超音波探触子では、接着剤流入溝８をあらかじめ形成しておくことで、余分な接着剤９が接着剤流入溝８に流れ込むため、圧電振動子２の全体にわたって薄く均一な接着層１１を形成し、強固な接着状態を実現することができる。さらに、接着剤９が接着剤流入溝８に流れ込むことによるくさび効果が接着強度をより向上させる。

接着剤９は、例えばエポキシ系接着剤に銀フィラーを混入した導電性接着剤であっても、または例えば単なるエポキシ系接着剤などの導電性を有さない接着剤であっても、どちらでも構わない。導電性を有さない接着剤の場合には、接着層１１の厚みを極力薄くすることで、圧電振動子２の下面の電極５と信号線４が極めて局所的に直接接触することで電気的な接続を確保するオーミックコンタクトが適用できる。信号線４とのオーミックコンタクトをより確実にするために、背面負荷材１上に、例えばスパッタ膜などで１μｍ以下の音響的に影響のない厚みの導電膜を信号線４と導通が取れた状態で形成しておき、導電膜と圧電振動子２の電極５間でオーミックコンタクトを実現することも可能である。

導電性接着剤の場合は、導電性フィラー混入によって接着層１１が薄くならず接着強度も弱い傾向にあるため、超音波探触子の音響的性能を阻害せず強度も確保できる意味では導電性を有さない普通の接着剤を採用した方がよい。本実施の形態に係る超音波探触子は、導電性を有さない普通の接着剤を用いてオーミックコンタクトを実現する場合に特に適した構成である。

また、短冊状の圧電振動子２を１次元配列した超音波探触子の場合、接着層１１の厚みが若干不均一であったとしても、短冊状の圧電振動子２と背面負荷材１の間の接着層１１の厚みにムラがある状態となり、その特性に与える影響度合いが平均化される傾向にあるが、圧電振動子２を２次元配列した超音波探触子の場合には、微小な圧電振動子２の柱に分割されてしまうため、接着層１１の厚みが不均一であると、各圧電振動子２と背面負荷材１との間の接着層１１の厚みのムラではなく、圧電振動子２の厚みの違いとして直接現れ、各圧電振動子２間の特性のバラツキを発生させる。このため、本実施の形態に係る超音波探触子の構成は、圧電振動子２を２次元配列した超音波探触子に特に適した構成である。

さらに、図４に圧電振動子２を分割して圧電振動子配列を形成する工程を表す断面図を示す。ダイシングソー１２は、圧電振動子配列を形成するために圧電振動子２を分割する機能を有する。

また、図５には、図３の背面負荷材１の上に圧電振動子２を接着した状態を表す上面図を示す。図５に示すように、背面負荷材１の大きさを圧電振動子２の大きさよりも一回り大きくすることで、接着剤流入溝８の位置を上から視認することができる。図４に示すように、圧電振動子２の配列間隔をもって圧電振動子２を分割する位置に接着剤流入溝８をあらかじめ形成しておく。その理由は、特に圧電振動子２を２次元配列した超音波探触子の場合、背面負荷材１に埋設された信号線４の位置は、圧電振動子２を接着した後でその位置を上から視認することができないためである。すなわち、圧電振動子２の分割時には、信号線４の位置を把握することができなくなるために、分割溝１０を正確な位置に形成して圧電振動子２の配列を正確に形成することが困難となる。

本実施の形態に係る超音波探触子では、圧電振動子２を分割する位置に接着剤流入溝８をあらかじめ形成しておき、かつ図５に示すように、接着剤流入溝８の位置は上から視認することができるので、その位置にダイシングソー１２の位置を合わせて分割していくことで、圧電振動子２の配列を正確に形成することができる。

なお、図１並びに図４では、分割溝１０の深さが接着剤流入溝８の深さよりも浅い場合について図示したが、分割溝１０の深さが変化しても本発明を逸脱するものではない。また、図１並びに図４では、分割溝１０の幅が接着剤流入溝８の幅よりも狭い場合について図示した。分割溝１０の幅が狭い方が、接着剤流入溝８に流入した接着剤９が残るために、くさび効果による接着強度向上効果がより期待できるため最良ではあるが、薄く均一な接着層１１を実現することで十分な接着強度を維持することができるのであれば、分割溝１０の幅を接着剤流入溝８より広くしても構わない。

さらに、本実施の形態では、接着剤流入溝８と分割溝１０の位置を合わせ、かつ分割溝１０の位置以外には接着剤流入溝８を形成していない場合について説明したが、超音波探触子の性能を阻害しない範囲で接着剤流入溝８の位置や数、形状は変更可能であり、本発明を逸脱するものではない。

＜第２の実施の形態＞
次に、本発明に係る超音波診断装置の一例を示す概略図を図６に示す。
図６に示す超音波診断装置は、超音波診断装置本体１３と、これと電気的に接続された超音波探触子１４とを備えており、超音波探触子１４は、本発明の第１の実施の形態に係る超音波探触子の構成を備えている。

上述した構成の超音波診断装置の動作について説明する。まず、操作者（不図示）が、超音波探触子１４の超音波送受信面を被検者１５の体表面に当てる。この状態で、超音波診断装置本体１３から超音波探触子１４に電気信号（駆動信号）が送信される。駆動信号は、超音波探触子１４内の圧電振動子において超音波に変換されて、被検者１５に送波される。この超音波は被検者１５の体内で反射され、反射波の一部が超音波探触子１４内の圧電振動子で受波され、電気信号（受信信号）に変換されて、超音波診断装置本体１３に入力される。入力された受信信号は、超音波診断装置本体１３にて信号処理され、例えば断層画像としてＣＲＴなどの表示装置に出力される。

上述した超音波診断装置において、超音波探触子１４としては、第１の実施の形態で説明したような本発明の超音波探触子が使用される。このような超音波診断装置によれば、第１の実施の形態で示した超音波探触子の長所をいかし、精度の高い超音波診断を行うことができる。

＜第３の実施の形態＞
次に、本発明に係る超音波探傷装置の一例を示す概略図を図７に示す。
図７に示す超音波探傷装置は、超音波探傷装置本体１６と、これと電気的に接続された超音波探触子１４とを備えており、超音波探触子１４は、本発明の第１の実施の形態に係る超音波探触子の構成を備えている。

上述した構成の超音波探傷装置の動作について説明する。まず、操作者（不図示）が、超音波探触子１４の超音波送受信面を被検物１７の表面に当てる。この状態で、超音波探傷装置本体１６から超音波探触子１４に電気信号（駆動信号）が送信される。駆動信号は、超音波探触子１４内の圧電振動子において超音波に変換されて、被検物１７に送波される。この超音波は被検物１７の内部の傷や欠陥で反射され、反射波の一部が超音波探触子１４内の圧電振動子で受波され、電気信号（受信信号）に変換されて、超音波探傷装置本体１６に入力される。入力された受信信号は、超音波探傷装置本体１６にて信号処理され、例えば断層画像としてＣＲＴなどに表示される。

上述した超音波探傷装置において、超音波探触子１４としては、第１の実施の形態で説明したような本発明の超音波探触子が使用される。このような超音波探傷装置によれば、第１の実施の形態で示した超音波探触子の長所をいかし、精度の高い非破壊検査を行うことができる。

以上のように、本発明に係る超音波探触子は、超音波を送受信するための複数の圧電振動子と、圧電振動子の背面側に設けた背面負荷材とを備えた超音波探触子において、背面負荷材の圧電振動子との接着面に、接着剤流入溝が形成されることにより、圧電振動子と背面負荷材の接着過程において、余分な接着剤が接着剤流入溝に流入することによって、薄くて均一な接着層を形成して強固な接着状態を実現することができ、超音波探触子を構成する圧電振動子の特性劣化並びに各圧電振動子ごとの特性のバラツキを抑えることができるため、この超音波探触子を使用した超音波診断装置は、正確な超音波診断を可能とする効果を有し、診断、治療などの医療分野に有用であり、また、この超音波探触子を使用した超音波探傷装置は、非破壊検査などの産業用分野で有用である。

本発明の第１の実施の形態に係る超音波探触子の断面図 本発明の第１の実施の形態に係る超音波探触子を構成する接着剤流入溝を形成した背面負荷材の断面図 本発明の第１の実施の形態に係る超音波探触子の背面負荷材の上に圧電振動子を接着した状態を表す断面図 本発明の第１の実施の形態に係る超音波探触子の圧電振動子を分割して圧電振動子配列を形成する工程を表す断面図 本発明の第１の実施の形態に係る超音波探触子の背面負荷材の上に圧電振動子を接着した状態を表す上面図 本発明の第２の実施の形態に係る超音波診断装置の一例を示す概略図 本発明の第３の実施の形態に係る超音波探傷装置の一例を示す概略図 従来の超音波探触子の断面図 従来の他の超音波探触子の断面図

符号の説明

１ 背面負荷材
２ 圧電振動子
３ 硬質補助板
４ 信号線
５ 電極
６ 導電性接着剤
７ 貫通穴
８ 接着剤流入溝
９ 接着剤
１０ 分割溝
１１ 接着層
１２ ダイシングソー
１３ 超音波診断装置本体
１４ 超音波探触子
１５ 被検者
１６ 超音波探傷装置本体
１７ 被検物

Claims (5)

1. 超音波を送受信するための複数の圧電振動子と、前記圧電振動子の背面側に設けた背面負荷材とを備えた超音波探触子において、
   前記背面負荷材の前記圧電振動子との接着面に、接着剤流入溝を形成したことを特徴とする超音波探触子。
2. 前記複数の圧電振動子は、圧電振動子を分割することで形成され、前記接着剤流入溝は前記圧電振動子を分割する位置に配置されることを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子。
3. 前記圧電振動子を分割することで形成される分割溝の幅が、前記接着剤流入溝の幅よりも狭いことを特徴とする請求項２に記載の超音波探触子。
4. 請求項１から３のいずれか１つに記載の超音波探触子と、前記超音波探触子と電気的に接続された超音波診断装置本体とを含む超音波診断装置。
5. 請求項１から３のいずれか１つに記載の超音波探触子と、前記超音波探触子と電気的に接続された超音波探傷装置本体とを含む超音波探傷装置。