JP2020102802A - 超音波発振デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】バッキング層における超音波吸収特性の向上を図ることができる超音波発振デバイスを提供する。【解決手段】本発明の一形態に係る超音波発振デバイスは、少なくとも１つの発振素子と、支持体と、バッキング材とを具備する。前記発振素子は、超音波出射面である第１の面と前記第１の面とは反対側の第２の面とを有する。前記支持体は、前記発振素子を支持する。前記バッキング材は、前記支持体に配置され、前記第２の面に対向し、チクソ性樹脂材料にフィラーを分散させた複合材料で構成される。【選択図】図２

Description

本発明は、対象物に照射される超音波を発生させる超音波発振デバイスに関する。

近年、対象物（被検体）へ超音波を照射しその反射波を受信することで対象物の形態や距離等を測定する超音波測定装置が、医療分野を含む様々な分野で広く利用されている。この種の超音波測定装置は、典型的には、超音波を出射し対象物からの反射波を受信する超音波発振デバイスを備える。

例えば特許文献１には、フレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）と、ＦＰＣの一方の面に配置された圧電組成物と、ＦＰＣの他方の面に配置されたバッキング層とを備えた超音波トランスデューサーが開示されている。バッキング層は、圧電組成物における被検体に超音波を送信する方向とは反対側に発生する不要な超音波を吸収可能な超音波吸収体であって、例えば、エポキシ樹脂と酸化タングステンなどの粉末との混合物をプレス成形した樹脂系複合材で構成される。

特開２０１６−２１９６６２号公報

バッキング層を構成する樹脂系複合材には、マトリクス樹脂中にフィラーの均一な分散が要求される。例えば、金属系のフィラーの場合、バッキング層の成形時において樹脂が硬化するまでにフィラーが沈殿しやすい。この場合、バッキング層における超音波の吸収効率が低下するだけでなく、マトリクス樹脂の一部の領域に偏在したフィラーの層による超音波の反射が生じるなど、超音波特性を変動させるノイズの原因になるという問題がある。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、バッキング層における超音波吸収特性の向上を図ることができる超音波発振デバイスを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る超音波発振デバイスは、少なくとも１つの発振素子と、支持体と、バッキング材とを具備する。
前記発振素子は、超音波出射面である第１の面と前記第１の面とは反対側の第２の面とを有する。
前記支持体は、前記発振素子を支持する。
前記バッキング材は、前記支持体に配置され、前記第２の面に対向し、チクソ性樹脂材料にフィラーを分散させた複合材料で構成される。

上記超音波発振デバイスにおいて、バッキング材がチクソ性樹脂材料にフィラーを分散させた複合材料で構成されているため、樹脂中におけるフィラーの分散性を高めることができる。これにより、バッキング層の超音波吸収特性を向上させることができる。

前記支持体は、前記バッキング材を収容する収容部と、前記収容部に連通する複数の開口部とを有する板状基材であってもよい。前記発振素子は、前記複数の開口部の各々に配置された複数の発振素子を含んでもよい。

前記バッキング材は、前記発振素子の厚みの２倍以上の厚みを有してもよい。

前記フィラーは、タングステン粉末であってもよい。
あるいは、前記フィラーは、ガラスビーズであってもよい。

前記超音波発振デバイスは、前記発振素子と電気的に接続される配線部を有し前記支持体を支持する配線基板をさらに具備してもよい。

以上述べたように、本発明によれば、バッキング層における超音波吸収特性の向上を図ることができる。

本発明の一実施形態に係る超音波発振デバイスの構成を示す概略平面図である。 上記超音波発振デバイスにおける発振部の要部の概略側断面図である。 上記超音波発振デバイスの適用例を説明する模式図である。 バッキング材の断面構造を説明する模式図であり、Ａは比較例を、Ｂは本発明の実施形態を示している。 比較例に係る超音波発振デバイスを用いて図３に示す実験を行ったときの実験結果である。 他の比較例に係る超音波発振デバイスを用いて図３に示す実験を行ったときの実験結果である。 本発明の一実施形態の超音波発振デバイスを用いて図３に示す実験を行ったときの実験結果である。 本発明の他の実施形態の超音波発振デバイスを用いて図３に示す実験を行ったときの実験結果である。 本発明のさらに他の実施形態の超音波発振デバイスを用いて図３に示す実験を行ったときの実験結果である。 図２に示した超音波発振デバイスの構成の変形例を示す概略側断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

図１は本発明の一実施形態に係る超音波発振デバイス１００の構成を示す概略平面図である。なお、図においてＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸は相互に直交する３軸方向を示しており、Ｚ軸は超音波発振デバイス１００の厚み（高さ）方向に相当する。

本実施形態の超音波発振デバイス１００は、発振素子１１と、発振素子１１を振動可能に支持する支持体１２とを有する発振部１０を備える。本実施形態において発振部１０は、複数（８個）の発振素子１１を有する場合を例に挙げて説明するが、発振素子１１の数はこれに限られず、単数でもよい。

超音波発振デバイス１００はさらに、発振部１０を支持する配線基板５０を備える。配線基板５０は、発振部１０の支持体１２を支持するリジッド性の基板本体５１と、発振部１０の周囲に沿って配置された複数の駆動端子５２と、共通端子５３と、図示しない制御装置と各端子５２，５３とを電気的に接続するコネクタ５４とを有する。駆動端子５２は、複数の発振素子１１に対応するように複数（８個）配置され、配線Ｗ１を介して各発振素子１１の一方の面に接続される。一方、共通端子５３は、配線Ｗ２を介して各発振素子１１の他方の面に共通に接続される共通電極に接続される。

超音波発振デバイス１００は、空中、水中その他の任意の媒質中に設置され、測定対象物（被検体）に向けて超音波を照射し、典型的にはその反射波を受信するまでの時間を計測することで、測定対象物の位置、距離、形状、内部構造などを測定するための超音波探触子として構成される。

以下、発振部１０の詳細について説明する。図２は、発振部１０のＹ軸方向に平行な要部の概略側断面図である。

図２に示すように、発振部１０は、複数の発振素子１１と、支持体１２と、バッキング材１３とを有する。

複数の発振素子１１は、それぞれ同一の構成を有し、同一平面上にアレイ状に配列される。各発振素子１１は、超音波出射面である第１の面１１ａと、その反対側の第２の面１１ｂとを有し、第１の面１１ａが同一の方向（Ｚ軸の正方向）に向くように支持体１２に支持される。各発振素子１１は、超音波の送信し、その反射波を受信することが可能に構成される。これに代えて、一部の発振素子を送信用とし、他の発振素子を受信用として構成されてもよい。

発振素子１１は、典型的には、所定の周波数で発振可能な圧電単結晶で構成される。圧電単結晶としては、例えば、ＰＭＮ−ＰＴ（マグネシウムニオブ酸・チタン酸鉛固溶体）が挙げられる。発振素子１１は、圧電単結晶に限られず、圧電性を有する有機ポリマーを含む圧電組成物で構成されてもよい。

発振素子１１の形状、大きさ等は特に限定されず、円形でもよいし、矩形でもよい。本実施系形態において各発振素子１１は、１辺が５ｍｍ〜１０ｍｍの矩形状に形成される。発振素子１１の発振周波数も特に限定されず、例えば、２０ｋＨｚ以上である。

支持体１２は、板状あるいはフィルム状の基材で構成され、各発振素子１１を発振可能に支持する。支持体１２は、電気絶縁性の樹脂材料で構成され、発振素子１１を収容する複数の開口部１２ｈを有する。各開口部１２ｈは、支持体１２をその厚み方向（Ｚ軸方向）に貫通する貫通孔として形成されてもよいし、発振素子１１の第２の面１１ｂを支持可能な底部を有する凹部であってもよい。

本実施形態において支持体１２は、第１の樹脂フィルム１２ａ、第２の樹脂フィルム１２ｂ、第３の樹脂フィルム１２ｃ、第４の樹脂フィルム１２ｄがこれらの順で積層された構造の板状基材で構成され、第１〜第４の樹脂フィルム１２ａ〜１２ｄをそれぞれ所定形状に加工することで、各発振素子１１を収容する開口部１２ｈおよびバッキング材１３を収容する収容部１４が形成される。第１〜第４の樹脂フィルム１２ａ〜１２ｄは、例えばフィルムレジストで構成され、フォトリソグラフィ技術を用いて所定形状にパターニングされる。各開口部１２ｈは、第１〜第３の樹脂フィルム１２ａ〜１２ｃで形成され、収納部１４は、第４の樹脂フィルム１２ｃで形成される。各開口部１２ｈは、収容部１４に連通するように支持体１２に形成されることで、各開口部１２ｈに配置される発振素子１１の第２の面１１ｂが収容部１４内のバッキング材１３に直接的に被覆される。

支持体１２は、各発振素子１１と電気的に接続される第１および第２の配線パターン１５ａ，１５ｂを有する。第１の配線パターン１５ａは、支持体１２の一方側の主面に形成され、各発振素子１１の第１の面１１ａに共通に接続される。第２の配線パターン１５ｂは、支持体１２の他方側の主面に形成され、各発振素子１１の第２の面１１ｂに個別に接続される。
第１の配線パターン１５ａは、共通電極１５ｃおよび配線基板５０上の配線Ｗ２を介して共通端子５３に接続され、第２の配線パターン１５ｂは、配線基板５０上の配線Ｗ１を介して各駆動端子５２にそれぞれ接続される。

バッキング材１３は、各発振素子１１の第２の面１１ｂに対向するように支持体１２に配置される。本実施形態においてバッキング材１３は、支持体１２の収容部１４に充填された板状の成形体で構成される。バッキング材１３は、各発振素子１１の駆動時にその第２の面１１ｂから放射される超音波を吸収可能な超音波吸収体として構成される。

例えば図３に示すように、水Ｌを貯えた容器１０１の底部に支柱１０２を介して超音波発振デバイス１００を設置し、各発振素子１１から液面近傍において上下移動する被検体Ｔへ超音波を照射して、超音波発振デバイス１００からの被検体Ｔの距離の時間変化を測定する実験モデルを考える。超音波発振デバイス１００からは各発振素子１１の第１の面１１ａより被検体Ｔに向かう測定用の超音波Ｓ１と、その反作用として、各発振素子１１の第２の面１１ｂより容器１０１の底部に向かう非測定用の超音波Ｓ２がそれぞれ出射される。バッキング材１３は、この非測定用の超音波Ｓ２を吸収して、容器１０１の底部における反射波の発振素子１１への入射を防ぎ、測定用の超音波Ｓ１による被検体Ｔの精度の高い距離測定の実現を目的とする。

ここで、従来のバッキング材においては、例えば、流動性の比較的高い汎用のエポキシ樹脂と酸化タングステンなどの粉末との混合物をプレス成形した樹脂系複合材で構成される。この種の材料は、典型的には、ペースト状態で塗工される。このため、例えば図４Ａに模式的に示すように、従来のバッキング材１３Ｒにおいては、母材である樹脂１３１Ｒが硬化するまでの間に、フィラー１３２が比重差などにより樹脂１３１Ｒ内に沈殿が避けられず、例えば、フィラー１３２が発振素子１１側に偏って分布する。このような構造のバッキング材１３Ｒにおいては、超音波吸収体としての本来の機能を確保することができず、不要な超音波吸収特性が低下し、ひいては超音波発振デバイスの測定精度を劣化させる。

このような問題を解決するため、本実施形態におけるバッキング材１３は、チクソ（チクソトロピー）性を有する合成樹脂材料にフィラーを分散させた複合材料で構成される。

チクソ性とは、せん断応力を受け続けると粘度が次第に低下して液状になり、静置すると粘度が次第に上昇して固体状になる性質をいう。本実施形態では、バッキング材１３の母材として上記チクソ性を有する合成樹脂材料を用いることで、図４Ｂに模式的に示すように、樹脂１３１中のフィラー１３２の分散性が高まり、比重差などにより樹脂１３１中のフィラー１３２の偏分布を抑え、樹脂１３１中におけるフィラー１３２の分布の均一性を高めて所望とする超音波吸収機能を安定に確保することができる。これにより、超音波発振デバイス１００の測定精度の向上を図ることができる。

チクソ性を有する合成樹脂材料としては、例えば、２５℃におけるＢ型回転粘度系で測定される粘度（以下、Ｂ型回転粘度ともいう）が５０００〜２５０００［ｃｐｓ］、２種類の回転数で取得した粘度の比であるチクソトロピーインデックス（ＴＩ値＝ηｂ／ηａ：ηａ＝高回転測定時粘度、ηｂ＝低回転測定時粘度）が３〜５、のものが用いられる。主成分としては、例えば、エポキシ樹脂、脂肪族ポリアミンなどが挙げられる。このような樹脂材料としては、例えば、株式会社テスク製二液性エポキシ樹脂「Ｃ−１０５２Ａ／Ｂ」が挙げられる。

フィラーは特に限定されず、例えば、タングステン、酸化タングステン等の金属あるいは金属化合物からなる無機材料の粉末が挙げられる。粉末は、球状、針状、鱗片状等の種々の形態のものが採用可能である。金属あるいは金属酸化物系無機フィラーのほか、ガラスやアルミナ、酸化ケイ素等のセラミックス系無機フィラーが用いられてもよい。フィラーの含有率は、典型的には、４０ｗｔ％以上７０ｗｔ％以下である。これにより、所望とする超音波吸収特性を安定して得ることができる。

バッキング材１３の厚みは特に限定されないが、典型的には、発振素子１１の厚みよりも大きく、好ましくは、発振素子１１の厚みの２倍以上である。バッキング材１３の厚みを大きくすることで、安定した超音波吸収機能を確保することができる。本実施形態では、発振素子１１の厚みは０．０９ｍｍであり、バッキング材１３の厚みは、５ｍｍ以上８ｍｍ以下である。

図５および図６は、比較例として、汎用の（非チクソ性の）エポキシ系樹脂（２５℃におけるＢ型回転粘度が１００００［ｃｐｓ］）にタングステンフィラーをそれぞれ４１．６ｗｔ％および７０ｗｔ％混合したバッキング材１３Ｒ（図４Ａ参照））を備えた超音波発振デバイスを用いて図３に示す実験を行ったときの結果を示している。

一方、図７および図８に、チクソ性エポキシ樹脂（株式会社テスク製二液性エポキシ樹脂「Ｃ−１０５２Ａ」）にタングステンフィラーをそれぞれ４１．６ｗｔ％および７０ｗｔ％混合した本実施形態のバッキング材１３（図４Ｂ参照）を備えた超音波発振デバイス１００を用いて図３に示す実験を行ったときの結果を示す。

なお、図５〜図８において上段は、超音波の受信波形、中段は、超音波Ｓ１，Ｓ２の反射波の受信強度分布、下段は、その二値化画像である。
各図の上段において、符号Ｐ１は、被検体Ｔからの反射波を、符号Ｐ２は、容器１０１の底部からの反射波にそれぞれ対応する。

図５および図６に示すように、比較例に係る超音波発振デバイスにおいては、測定用の超音波Ｓ１による被検体Ｔからの反射波Ｐ１の受信強度よりも、非測定用の超音波Ｓ２による容器１０１の底部からの反射波Ｐ２の受信強度の方が高いことから、Ｓ／Ｎの向上が図れず、反射波Ｐ１の測定精度が低下する。これは、バッキング材１３Ｒを構成するフィラー１３２が樹脂１３１Ｒ中に偏在しているため、非測定用の超音波Ｓ２に対する目的とする吸収特性が得られなかったためと推認される。特に、フィラーの含有量が少ないほどその傾向が顕著であった。

これに対して、図７および図８に示すように、本実施形態に係る超音波発振デバイス１００においては、容器１０１の底部からの反射波Ｐ２の受信強度よりも、被検体Ｔからの反射波Ｐ１の受信強度を高いことから、Ｓ／Ｎが向上し、反射波Ｐ１に基づく被検体Ｔの位置の時間変化を高精度に測定することができる。これは、バッキング材１３を構成するフィラー１３２が樹脂１３１中にほぼ均一に分散しているため、非測定用の超音波Ｓ２に対する目的とする吸収特性が得られたためと推認される。

さらに本実施形態では、フィラー含有量が４１．６ｗｔ％のときの方が、フィラー願流量が７０ｗｔ％のときよりも、反射波Ｒ１の受信強度が高い。つまり、チクソ性の樹脂材料をバッキング材１３の母材として用いる場合は、非チクソ性の樹脂材料を用いる場合とは逆に、フィラーの含有量を抑えることで反射波Ｐ１の受信強度を高められることができるという結果が得られた。フィラーの含有量は、バッキング材１３の厚み、発振素子１１の周波数等に応じて最適化することができる。

本実施形態において、フィラー１３２（図４Ｂ）にガラスビーズ（４１．６ｗｔ％）を用いてバッキング材１３を構成した超音波発振デバイス１００における図７および図８と同様な実験結果を図９に示す。同図に示すように、フィラー１３２をガラスビーズにすることで、容器１０１の底部からの反射波が認められなくなることから、Ｓ／Ｎの大幅な改善を図ることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく種々変更を加え得ることは勿論である。

例えば以上の実施形態では、バッキング材１３として、各発振素子１１に共通に支持体１２に配置されたが、これに限られず、図１０に示すように、各発振素子１１に個別に複数配置されてもよい。

さらに以上の実施形態では、複数の発振素子１１をマトリクス状に配列された超音波発振デバイスを例に挙げて説明したが、これに限られず、直線状あるいは環状に複数の発振素子が配列されてもよい。

１０…発振部
１１…発振素子
１２…支持体
１２ｈ…開口部
１３…バッキング材
１４…収容部
５０…配線基板
１００…超音波発振デバイス
１３１…樹脂
１３２…フィラー

Claims (6)

1. 超音波出射面である第１の面と、前記第１の面とは反対側の第２の面とを有する少なくとも１つの発振素子と、
   前記発振素子を支持する支持体と、
   前記支持体に配置され、前記第２の面に対向し、チクソ性樹脂材料にフィラーを分散させた複合材料で構成されたバッキング材と
   を具備する超音波発振デバイス。
2. 請求項１に記載の超音波発振デバイスであって、
   前記支持体は、前記バッキング材を収容する収容部と、前記収容部に連通する複数の開口部とを有する板状基材であり、
   前記発振素子は、前記複数の開口部の各々に配置された複数の発振素子を含む
   超音波発振デバイス。
3. 請求項１又は２に記載の超音波発振デバイスであって、
   前記バッキング材は、前記発振素子の厚みの２倍以上の厚みを有する
   超音波発振デバイス。
4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載の超音波発振デバイスであって、
   前記フィラーは、タングステン粉末である
   超音波発振デバイス。
5. 請求項１〜３のいずれか１つに記載の超音波発振デバイスであって、
   前記フィラーは、ガラスビーズである
   超音波発振デバイス。
6. 請求項１〜５のいずれか１つに記載の超音波発振デバイスであって、
   前記発振素子と電気的に接続される配線部を有し前記支持体を支持する配線基板をさらに具備する
   超音波発振デバイス。