JP2015177537A - 超音波プローブ - Google Patents

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Abstract

【課題】落下時の圧電素子の破損の発生を防止できる超音波プローブを提供する。【解決手段】超音波プローブは、バッキングプレート４１と、圧電振動子４６を有する圧電素子４２であって、バッキングプレート上に設けられる圧電素子と、圧電素子においてバッキングプレート側の端部の表面に設けられ、内部に圧縮応力が作用するとともに内部の音の伝達速度が所定の速度である保護層４４を備える。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、圧電素子を用いて超音波を出力し、反射した超音波を受信する超音波プローブに関する。
圧電素子を用いて超音波を出力し、反射した超音波を受信する超音波プローブが提案されている。この種の超音波プローブでは、圧電素子に補強層を設けるとともに、隣り合う圧電素子間に充電材を充填することにより、圧電素子の機械的強度を向上することが行われている。
特開平１１−１７８８２３号公報
超音波プローブを落下した場合に、圧電素子が破損することを防止できる超音波プローブが求められている。
本発明が解決しようとする課題は、落下時の圧電素子の破損の発生を防止できる超音波プローブを提供することである。
実施形態によれば、超音波プローブは、バッキングプレートと、圧電振動子を有する圧電素子であって、前記バッキングプレート上に設けられる圧電素子と、前記圧電素子において前記バッキングプレート側の端部の表面に設けられ、内部に圧縮応力が作用するとともに内部の音の伝達速度が所定の速度である保護層を備える。
第１の実施形態に係る超音波プローブを示す斜視図。 同超音波プローブのヘッド部を示す断面図。 第２の実施形態に係る超音波プローブのヘッド部を示す断面図。 第３の実施形態に係る超音波プローブのヘッド部を示す断面図。
第１の実施形態に係る超音波プローブを、図１，２を用いて説明する。図１は、超音波プローブ１０を示す斜視図である。図１に示すように、超音波プローブ１０は、本体部２０と、診断装置５との間で信号を送受信するためのケーブル１５を備えている。本体部２０は、ケーシング３０と、ケーシング３０内に収容される検出部４０と、ケーシング３０において検出部４０と対向する位置に設けられてケーシング３０の表面から露出する音響レンズ５０を有している。
ケーシング３０においてケーブル１５が引き出される側の端部は、作業者が掴むことが可能に形成される持ち手部２１である。本体部２０において、持ち手部２１に対して反対側の部分は、超音波を放射可能に形成されるヘッド部２２である。ヘッド部２２は、上述した検出部４０と音響レンズ５０を有している。
図２は、ヘッド部２２を示す断面図である。図２に示すように、検出部４０は、バッキングプレート４１と、バッキングプレート４１上に積層される圧電素子４２と、圧電素子４２上に積層される音響整合層４３と、圧電素子４２と音響整合層４３からなる積層体６０上に積層される保護層４４を有している。なお、図２では、ケーシング３０は、図示が省略されている。検出部４０は、複数の積層体６０を有しているが、図２ではその一部を示しており、５つの積層体６０が示されている。
バッキングプレート４１は、後述される圧電素子４２の圧電振動子４６を機械的に支持し、超音波パルスを短くするために圧電振動子４６を制御可能に形成されている。バッキングプレート４１の厚みは、音響特性を良好に維持するために、使用する超音波の波長に対して十分な厚さ、言い換えると、後述する圧電振動子４６がバッキングプレート４１に向かって放射する超音波を十分に減衰できる厚さを有している。
圧電素子４２は、バッキングプレート４１上に、互いに離間して、複数設けられている。圧電素子４２の構造は、互いに同じである。圧電素子４２は、第１の電極部４５と、圧電振動子４６と、第２の電極部４７を有している。第１の電極部４５は、バッキングプレート４１上に積層されている。圧電振動子４６は、第１の電極部４５上に積層されている。第２の電極部４７は、圧電振動子４６上に積層されている。
電極部４５，４７は、ケーブル１５内を通る信号送受信用の信号線に電気的に接続されており、診断装置５からの駆動信号電圧を圧電振動子４６に印加可能に形成される。また、電極部４５，４７は、圧電振動子４６が発生した電圧を診断装置５に送信可能に形成される。
圧電振動子４６は、電極部４５,４７から印加される電圧によって振動可能に形成される。また、圧電振動子４６は、超音波を受信すると電圧を発生可能に形成されている。圧電振動子４６は、一例として、圧電セラミクスで形成されている。圧電セラミクスのヤング率Ｅ１は、６２ＧＰａである。圧電セラミクスの密度ρ１は、７．９ｇ／ｃｍ３である。圧電セラミクス内の音の伝達速度Ｃ１は、√（Ｅ１／ρ１）である。また、圧電セラミクスで形成される圧電振動子４６内の音の伝達速度も同じ値になる。
音響整合層４３は、第２の電極部４７上に積層されている。音響整合層４３は、被検体と圧電振動子４６との音響インピーダンスを整合可能に形成されている。
保護層４４は、圧電素子４２と音響整合層４３とからなる積層体６０においてバッキングプレート４１に固定されている部分以外の全面上に積層されている。より具体的には、積層体６０は一例として直方体であり、積層体６０において、積層体６０が延びる方向回りの周面６１全域と、積層体６０の上面６２とに、保護層４４が積層されている。
周面６１は、第１の電極部４５の周面４５ａと、圧電振動子４６の周面４６ａと、第２の電極部４７の周面４７ａと、音響整合層４３の周面４３ａを有している。上面６２は、音響整合層４３の上面である。
さらに言い換えると、保護層４４は、積層体６０のバッキングプレート４１に固定される底面４２ｂ以外を除く全面に設けられている。また、保護層４４は、バッキングプレート４１の表面において、互いに隣り合う積層体６０間の部分にも積層されている。
保護層４４は、内部に圧縮応力が作用するように、形成されている。保護層４４内に圧縮応力が作用していることによって、保護層４４に囲まれる圧電素子４２と音響整合層４３とには、圧縮力が作用する。特に、圧電素子４２において保護層４４に接触する部分である表面部分には、特に、圧縮力が作用する。保護層４４の内部に作用する圧縮応力の大きさについては、後で具体的に説明する。
保護層４４は、積層体６０間を埋めることがない厚みを有している。つまり、隣り合う積層体６０間には、隙間が形成されている。
保護層４４は、その内部での音の伝達速度が、圧電振動子４６内の音の伝達速度と同じである。より具体的には、保護層４４は、ＤＬＣ（Diamond Like Carbon）を材料として形成されている。ＤＬＣのヤング率Ｅ２は、１００〜８００ＧＰａである。ＤＬＣの密度ρ２は、１．４〜３．５ｇ／ｃｍ３である。保護層４４内の音の伝達速度Ｃ２は、√（Ｅ２／ρ２）である。保護層４４を形成するＤＬＣのヤング率Ｅ２と密度ρ２とは、保護層４４内の音の伝達速度Ｃ２が、圧電振動子４６内の音の伝達速度Ｃ１と同じになるように、調整されている。
次ぎに、検出部４０の製造方法について、その一例を説明する。まず、バッキングプレート４１上に、例えば、ＣＶＤやスパッタリングなどの成膜技術によって、第１の電極部４５を形成する材料を積層する。次に、圧電振動子４６を第１の電極部４５上に例えば接着剤で貼り合わせる。次に、第１の電極部４５上に、例えば、ＣＶＤやスパッタリングなどの成膜技術によって、第２の電極部４７を形成する材料を積層する。次に、第２の電極部４７上に、音響整合層４３を形成する材料を塗布する。
そして、ダイシングソーなどの切断装置によって、バッキングプレート４１上に積層された各層を切断することによって、圧電素子４２と音響整合層４３との積層体６０に切り分ける。
次に、バッキングプレート４１と各積層体６０との積層物上に、ＣＶＤやスパッタリングなど成膜技術によって、保護層４４を形成する。保護層４４を形成する際の成膜条件は、保護層４４に所望の圧縮応力が生じる条件である。この条件は、実験などによって求めることができる。
このように構成される超音波プローブ１０では、落下した場合であっても、圧電素子４２が破損することを防止できる。この点について、具体的に説明する。
ケーブル１５は、超音波プローブ１０の持ち手部２１側から外側に延びている。また、作業者は、持ち手部２１を掴んで超音波プローブ１０の操作を行う。このため、超音波プローブ１０は、落下すると、持ち手部２１に対して音響レンズ５０側を下にした姿勢で落下する傾向にある。
検出部４０は、ヘッド部２２内で、音響レンズ５０に対向する位置に配置されている。このため、超音波プローブ１０の落下による衝撃は、音響レンズ５０を通して、検出部４０に入力されやすくなる。
積層体６０に衝撃が入力されることによって、バッキングプレート４１が湾曲する。バッキングプレート４１が湾曲することによって、バッキングプレート４１に固定される圧電素子４２に引張力が作用する。
しかしながら、本実施形態では、圧電素子４２は、その周面の全域に保護層４４が積層されている。保護層４４は、その内部に圧縮応力が作用しており、この圧縮応力によって、圧電素子４２の内部にも圧縮応力が作用している。
このため、上述のように圧電素子４２に引っ張り力が作用しても、この引張力と、保護層４４によって生じる圧電素子４２内の圧縮応力とが互いに打ち消し合うことにより、圧電素子４２が変形することが防止されるので、圧電素子４２が破損することが防止される。さらに、保護層４４は、その内部での音の伝達速度が、圧電振動子４６の内部での音の伝達速度と同じである。このため、音響特性が劣化することがない。このように、音響特性の劣化を防止しつつ、落下時の圧電素子の破損の発生を防止できる。
保護層４４内の圧縮応力は、例えば、超音波プローブ１０を作業者が落とす場合など、想定される高さから落下させても圧電素子４２が破損しない圧縮応力となるように、例えば実験などによって、決定することができる。
本実施形態のように、ダイシングによって切り分けられる場合、圧電素子４２の表面部にはクラックが形成される場合がある。しかしながら、圧電素子４２上に保護層４４が形成されることによって、保護層４４に起因する圧縮応力によってクラックが押し広げられるようなことが防止される。このため、クラックの成長が防止されるので、圧電素子４２破損することが防止できる。
特に、圧電素子４２のバッキングプレート４１側の端部は、引っ張り力が作用することによってクラックが成長しやすい傾向にあるが、保護層４４によってクラックが成長することを防止できる。このため、圧電素子４２のバッキングプレート４１側の端部４２ ａの周面４２ｃ上に保護層４４が設けられることは有効である。
また、保護層４４は、積層体６０の延びる方向回りに沿って一周つながる環形状である。積層体６０が延びる方向回りは、バッキングプレート４１に対して圧電素子４２が突出する方向回りと同じである。このため、保護層４４によってより確実に支持することができる。
次に、第２の実施形態に係る超音波プローブを、図３を用いて説明する。なお、第１の実施形態と同様の機能を有する構成は、第１の実施形態と同一の符号を付して説明を省略する。第２の実施形態では、保護層４４が第１の実施形態と異なる。他の構造は、第１の実施形態と同じである。上記異なる点について、具体的に説明する。
図３は、本実施形態のヘッド部２２を、図２と同様に切断して示す断面図である。本実施形態では、例えば、圧電素子４２と音響整合層４３との積層体６０がダイシングにより切り分けられることなく１つずつ個別に形成される。この場合は、圧電素子４２の表面部にクラックが形成されにくい。
図３に示すように、保護層４４は、圧電素子４２においてバッキングプレート４１側の端部４２ａの周面４２ｃに形成されている。周面４２ｃは、第１の電極部４５の周面４５ａと、圧電振動子４６の周面４６ａにおいて第１の電極部４５側の端部を有している。
端部４２ａは、他の部分に比べてバッキングプレート４１の湾曲により引っ張り力が強く作用する部分である。保護層４４は、端部４２ａの周方向につながる環状に形成されている。また、保護層４４は、バッキングプレート４１において互いに隣り合う積層体６０間の部分上にも設けられている。
このように、圧電素子４２の表面にクラックが形成されにくい場合では、落下に起因して引っ張り力が強く作用する端部４２ａに保護層４４を形成することによっても、音響特性の劣化を防止しつつ、落下時の圧電素子の破損の発生を防止できる。
また、保護層４４が、圧電振動子４６のバッキングプレート４１側の端部の表面を覆うことによって、比較的破損しやすい圧電振動子４６の破損を防止することができる。
次に、第３の実施形態に係る超音波プローブを、図４を用いて説明する。なお、第１の実施形態と同様の機能を有する構成は、第１の実施形態と同一の符号を付して説明を省略する。第３の実施形態では、保護層４４が第１の実施形態と異なる。他の構造は、第１の実施形態と同じである。上記異なる点について説明する。
図４は、本実施形態のヘッド部２２を、図２と同様に切断して示す断面図である。図４に示すように、保護層４４は、圧電素子４２と音響整合層４３との積層体６０の全面に形成されてもよい。具体的には、積層体６０の周面６１と上面６２と、積層体６０の底面となる底面４２ｂに、保護層４４が設けられる。
本実施形態では、第１の実施形態と同様の効果が得られる。また、保護層４４が底面４４ｂの全面を覆うことによって、落下に起因する圧電素子の破損の防止をより一層防止することができる。
なお、第２の実施形態で示された保護層４４は、第３の実施形態の保護層４４のように、さらに、底面４４ｂにも設けられてもよい。
なお、第１〜３の実施形態では、一例として、保護層４４内の音の伝達速度Ｃ２は、圧電振動子４６内の音の伝達速度Ｃ１と同じである。保護層４４内の音の伝達速度Ｃ２と圧電振動子４６内の音の伝達速度Ｃ１とが同じであることによって、音響特性は劣化しない。つまり、超音波プローブ１０の性能に影響は生じない。
保護層４４内の音の伝達速度Ｃ２は、保護層４４による超音波プローブ１０の音響特性の劣化が、超音波プローブ１０に求められる性能に影響を及ぼさない範囲であればよい。このため、保護層４４内の音の伝達速度Ｃ２は、圧電振動子４６内の音の伝達速度Ｃ１とは、同一でなくてもよく、例えば、略同じであってもよい。
なお、第１，３の実施形態では、保護層４４は、積層体６０の表面に形成されており、それゆえ、音響整合層４３上に形成されている。他の例としては、保護層４４は、音響整合層４３を含まず、圧電素子４２上のみに形成されてもよい。
より具体的に説明すると、圧電素子４２の周面４２ｃと上面４２ｄ上に保護層４４が形成される。または、圧電素子４２の周面４２ｃと上面４２ｄと底面４２ｂ上に保護層４４が形成される。そして、保護層４４上に音響整合層４３が形成される。
以上説明した実施形態によれば、落下時の圧電素子の破損の発生を防止できる超音波プローブを提供できる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省力、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１０…超音波プローブ、２０…本体部、２２…ヘッド部、３０…ケーシング、４０…検出部、４１…バッキングプレート、４２…圧電素子、４２ａ…端部、４２ｂ…底面（表面）、４２ｃ…周面（表面）、４６…圧電振動子、４６ａ…周面、５０…音響レンズ。
さらに言い換えると、保護層４４は、積層体６０のバッキングプレート４１に固定される底面４２ｂ以外の全面に設けられている。また、保護層４４は、バッキングプレート４１の表面において、互いに隣り合う積層体６０間の部分にも積層されている。
また、保護層４４は、積層体６０の延びる方向回りに沿って一周つながる環形状である。積層体６０が延びる方向回りは、バッキングプレート４１に対して圧電素子４２が突出する方向回りと同じである。このため、積層体６０を保護層４４によってより確実に支持することができる。

Claims (4)

  1. バッキングプレートと、
    圧電振動子を有する圧電素子であって、前記バッキングプレート上に設けられる圧電素子と、
    前記圧電素子において前記バッキングプレート側の端部の表面に設けられ、内部に圧縮応力が作用するとともに内部の音の伝達速度が所定の速度である保護層
    を具備することを特徴とする超音波プローブ。
  2. 前記保護層は、前記圧電振動子の前記バッキングプレート側の端部の表面に設けられる
    ことを特徴とする請求項１に記載の超音波プローブ。
  3. 前記保護層は、前記圧電素子の、前記バッキングプレートに対して前記圧電素子が突出する方向回りにつながる環状に形成される
    ことを特徴とする請求項１に記載の超音波プローブ。
  4. 前記保護層は、前記圧電振動子の、前記バッキングプレートに対して前記圧電素子が突出する方向回りの周面全域に設けられる
    ことを特徴とする請求項１に記載の超音波プローブ。
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