JP2023058937A - 超音波プローブ - Google Patents

Abstract

【課題】圧電素子と超音波放出面との間において不具合を抑え、且つ超音波の減衰を抑える。【解決手段】超音波プローブＰは、圧電素子１０を音響伝達部材側に押し付ける弾性部材４０と、液体７０と、を有する。超音波プローブＰは、圧電素子１０と超音波放出面との間において、複数の音響伝達部材の間又は圧電素子１０と音響伝達部材との間の隙間が非接合とされ、且つ非接合とされた隙間に液体７０が介在する。【選択図】図１

Description

本発明は、超音波プローブに関する。

特許文献１には、超音波プローブの一例が開示されている。特許文献１に開示される超音波プローブは、超音波探触子と音響放射窓との間に超音波伝達媒体が充満され、超音波伝達媒体としてオイルが用いられる。

特開２００２－３４５８１９号公報

特許文献１の技術を含む従来技術では、超音波を発生する圧電素子に対して、圧電素子で発生した超音波を伝達する音響伝達部材が接着剤や樹脂モールドなどの媒体によって固定される構成が用いられる。しかし、この構成では、媒体の起因する原因（残留応力や特性不良）によって圧電素子に不具合が生じる懸念がある。

本発明は、上述の事情に基づいて完成されたものであって、圧電素子と超音波放出面との間において不具合を抑えることができ、且つ超音波の減衰を抑えることができる超音波プローブを提供することを目的とする。

本発明の一つである超音波プローブは、
超音波を発生する圧電素子と、
前記圧電素子で発生した超音波を伝達する１つ以上の音響伝達部材を有し、自身の一方側の面によって前記圧電素子を支持し、自身の他方側の面が超音波放出面とされる超音波伝達部と、
を有する超音波プローブであって、
前記圧電素子を前記音響伝達部材側に押し付ける力を生じさせる弾性部材と、
液体と、
を有し、
前記圧電素子と前記超音波放出面との間において、複数の前記音響伝達部材の間又は前記圧電素子と前記音響伝達部材との間の隙間が非接合とされ、且つ前記隙間に前記液体が介在する。

上記の超音波プローブは、複数の音響伝達部材の間又は圧電素子と音響伝達部材との間の隙間が非接合とされるため、この隙間が接着剤によって接合されることに起因する不具合（例えば、接着剤の残留応力に起因する素子割れや接着剤厚みによる特性不良等の不具合）を生じさせないようにすることができる。しかも、この隙間には、液体が介在するため、接着剤の代わりに超音波減衰率が大きい気体が介在する構成と比較して、超音波の減衰を抑えることができる。

上記の超音波プローブにおいて、上記液体は、空気よりも超音波減衰率が小さくてもよい。

この超音波プローブは、液体の位置に空気が存在する場合と比較して、液体の位置を通過する超音波の減衰を抑えることができる。

上記の超音波プローブにおいて、上記液体は、上記隙間の幅よりも小さい固体粒子を含んでいてもよい。

この超音波プローブは、液体と固体粒子の両方によって音響インピーダンスを調整することができるため、音響インピーダンスの適切化を図る上で有利である。

上記の超音波プローブにおいて、上記弾性部材は、導体を有し、上記圧電素子に信号を伝送する経路をなしていてもよい。

この超音波プローブは、弾性部材を、圧電素子を音響伝達部材側に押し付ける部材として使用するだけでなく、信号を伝送する経路として兼用することができるため、別途専用の信号伝送経路を用意する構成と比較して、部品点数の削減を図ることができる。

上記の超音波プローブは、複数の上記音響伝達部材を有していてもよい。上記液体は、複数の上記音響伝達部材の間又は上記圧電素子と上記音響伝達部材との間のいずれか一の隙間に介在する第１液体と、他の隙間に介在する第２液体とを有していてもよい。上記第１液体の音響インピーダンスは、上記第２液体と異なっていてもよい。

この超音波プローブは、音響インピーダンスの異なる２種類の液体が用いられるため、液体を複数の位置にそれぞれ配置して超音波の減衰を一層抑える構成としつつ、各位置の音響インピーダンスを異ならせることができる。

上記の超音波プローブは、上記第１液体が収容される第１領域と上記第２液体が収容される第２領域とを仕切る仕切部を有していてもよい。上記仕切部は、上記第１領域と上記第２領域との間で上記液体が移動することを遮断する構成であってもよい。

この超音波プローブは、第１液体と第２液体とを異なる位置に配置しつつ、第１液体と第２液体とを、より確実に分離することができる。

本発明の一つである超音波プローブは、圧電素子と超音波放出面との間において、接合に起因する部材間の不具合を抑えることができ、且つ超音波の減衰を抑えることができる。

図１は、第１実施形態の超音波プローブを概略的に例示する断面図である。 図２は、図１の超音波プローブを製造する方法の一部の工程を説明する説明図である。 図３は、図１の超音波プローブを製造する方法について、図２の工程に続く工程を説明する説明図である。 図４は、図１の超音波プローブを製造する方法について、図３の工程に続く工程を説明する説明図である。 図５は、変形例の超音波プローブを製造する方法の一部の工程を説明する説明図であり、図４の工程を変更した工程を例示する説明図である。 図６は、図５の工程に続く工程を説明する説明図である。 図７は、効果を確認するための実験の装置を簡略的に示す説明図である。 図８は、効果を確認するための実験の結果を説明するグラフである。 図９は、第２実施形態の超音波プローブを概略的に例示する断面図である。

＜第１実施形態＞
１．超音波プローブＰの構成
以下の説明は、第１実施形態の超音波プローブＰに関する。
図１で示される第１実施形態の超音波プローブＰは、医療用または産業用の超音波装置に用いられる。超音波プローブＰは、超音波を送受信する。

図１のように、超音波プローブＰは、圧電素子１０、音響整合層３０、弾性部材４０、支持部材５０及びケース９０を備える。超音波プローブＰは、図示が省略された制御装置に電気的に接続され、この制御装置から電気信号を受信し得る。また、超音波プローブＰは、上記制御装置に対して電気信号を送信し得る。図１の構成では、音響整合層３０及びケース９０が音響伝達部材の一例に相当する。

以下の説明では、図１のように、圧電素子１０の厚さ方向が上下方向である。圧電素子１０の厚さ方向一方側が下方側であり、圧電素子１０の厚さ方向他方側が上方側である。具体的には、圧電素子１０に対し、弾性部材４０側が上側であり、それとは反対側（図１では、音響整合層３０側）が下側である。図１には、超音波プローブＰを中心軸線Ｘに沿って切断した断面が概略的に示される。

圧電素子１０は、超音波を発生させる素子である。圧電素子１０は、圧電体１４と第１導電層１１と第２導電層１２とを有する。圧電素子１０は、所定の厚さの板状をなす。圧電素子１０は、中心軸線Ｘを中心とする円柱状であり、より詳しくは円板状である。圧電素子１０は、上面１１Ａの外縁及び下面１２Ｂの外縁がいずれも円形であり且つ外周面が円筒面である。

圧電体１４は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等からなる。圧電体１４は、所定の厚さの円板状をなす。

第１導電層１１は、圧電体１４の一方側の板面（上面）に配置される。第２導電層１２は、圧電体１４の他方側の板面（下面）に配置される。第１導電層１１及び第２導電層１２は、金又は銀、銅、錫等の蒸着、メッキ、スパッタリング、ペーストの印刷、焼付け等によって形成された導電性を有する電極層である。第１導電層１１は、圧電体１４の上面の全体を覆う構成で配置される。第２導電層１２は、圧電体１４の下面の全体を覆う構成で配置される。第１導電層１１の上面１１Ａと第２導電層１２の下面１２Ｂは、平行である。これら上面１１Ａ及び下面１２Ｂは、いずれも中心軸線Ｘに対して直交する面である。

第１導電層１１は、圧電素子１０の上面側の第１電極である。第１導電層１１の上面１１Ａは、圧電素子１０の一方の主面（上面）である。第１導電層１１は、図示されていない導電性部材によって弾性部材４０に電気的に接続される。第１導電層１１は、弾性部材４０を介して図示されていない基板に電気的に接続され、この基板との間で信号の伝達を行う。例えば、第１導電層１１には、弾性部材４０に印加される電圧と同一の電圧が印加される。

第２導電層１２は、圧電素子１０の下面側の第２電極である。第２導電層１２の下面１２Ｂは、圧電素子１０の他方の主面（下面）である。圧電素子１０は、音響整合層３０の上に載置される。第２導電層１２の下面１２Ｂは、後述される液体７０を介在させた構成で、音響整合層３０の上面によって支持される。第２導電層１２は、図示されていない導電性部材を介して上記基板に電気的に接続され、この基板との間で信号の伝達を行う。例えば、第２導電層１２には、上記導電性部材に印加される電圧と同一の電圧が印加される。

圧電素子１０は、第１導電層１１及び第２導電層１２を介して図示が省略された制御装置に対して電気信号を送信する動作を行い得る。更に、圧電素子１０は、上記制御装置からの電気信号を受信する動作を行い得る。圧電素子１０は、第１導電層１１と第２導電層１２との間に交流電圧が印加されることに応じて超音波を発生させる。

圧電素子１０の下方側には、超音波伝達部２０が設けられる。超音波伝達部２０は、圧電素子１０で発生した超音波を伝達する１つ以上の音響伝達部材を有してなるものである。図１の例では、複数の音響伝達部材（音響整合層３０及び底壁９２Ａ）が超音波伝達部２０を構成する。超音波伝達部２０は、自身の一方側の面である音響整合層３０の上面３０Ａによって圧電素子１０を支持し、自身の他方側の面である底壁９２Ａの下面（より具体的には、レンズ部９６の下面９６Ａ）が超音波放出面とされる。

音響整合層３０は、圧電素子１０で発生する超音波を伝達する部材である。音響整合層３０は、圧電素子１０の下方側に配置され、上下方向において圧電素子１０と底壁９２Ａとの間に挟まれている。音響整合層３０は、円板状である。音響整合層３０の上面３０Ａは、圧電素子１０の下面１２Ｂを支持する支持面であり、圧電素子１０を下方側から支える支持面である。音響整合層３０の下面３０Ｂは、底壁９２Ａによって下方側から支えられる面である。音響整合層３０の音響インピーダンスは、圧電素子１０の音響インピーダンスの大きさと、音響レンズとして機能する底壁９２Ａの音響インピーダンスの大きさとの間の中間の大きさである。

音響整合層３０は、中心軸線Ｘを中心とする円柱状である。音響整合層３０の上面３０Ａ及び下面３０Ｂはいずれも、平坦面である。音響整合層３０の上面３０Ａ及び下面３０Ｂのいずれの外縁も、中心軸線Ｘを中心とする円形である。音響整合層３０は、ケース９０に対する中心軸線Ｘと直交する平面方向の相対位置が周壁９２Ｂの内周面によって規定されている。音響整合層３０は、周壁９２Ｂによって囲まれているため、上記平面方向の相対移動が規制され、上記平面方向に大きく位置ずれしないようになっている。音響整合層３０及び圧電素子１０は、中心軸線Ｘを中心とする同軸の位置関係で積層される。超音波プローブＰは、底壁９２Ａと圧電素子１０との間に音響整合層３０が介在する構成であるため、超音波が底壁９２Ａへ効率良く伝播される。

ケース９０は、下側ケース体９２と上側ケース体９４とを有する。ケース９０は、例えば樹脂材料によって構成される。ケース９０の内部には、圧電素子１０、音響整合層３０、弾性部材４０、支持部材５０、液体７０などが収容されている。

下側ケース体９２は、底壁９２Ａ及び周壁９２Ｂを有する。底壁９２Ａ及び周壁９２Ｂは、例えば同一の材料によって一体に形成されている。底壁９２Ａは、略円板状であり、上側又は下側から見ると外縁が円形状をなしている。底壁９２Ａは、ケース９０の下面の全体を塞いでいる。底壁９２Ａの上面は、音響整合層３０を下側から支えるように音響整合層３０を支持する支持面である。底壁９２Ａの下面は、超音波プローブＰの外側に露出する外面である。周壁９２Ｂは、底壁９２Ａの外縁部の全周に亘って連結され、底壁９２Ａから上方に立ち上がる構成をなす。周壁９２Ｂは、円筒状をなす。図１の例では、周壁９２Ｂは、中心軸線Ｘを中心とする円筒である。周壁９２Ｂの上端部は、開放した構成をなし、円形状の開口部として構成されている。周壁９２Ｂの内周面は、音響整合層３０の外周面を囲む面である。図１の構成では、周壁９２Ｂの内側に音響整合層３０が嵌り込んだ構成をなす。周壁９２Ｂの内周面及び外周面はいずれも、中心軸線Ｘを中心とする円筒面である。

ケース９０の底壁９２Ａの一部をなすレンズ部９６は、超音波を集束する音響レンズである。レンズ部９６の下面９６Ａは、湾曲面であり、底壁９２Ａの下面の一部をなす。レンズ部９６の上面は、平坦面であり、底壁９２Ａの上面の一部をなす。レンズ部９６の外縁（下面９６Ａ（湾曲面）の外縁）は、中心軸線Ｘを中心とする円形である。レンズ部９６と音響整合層３０は、中心軸線Ｘを中心とする同軸の位置関係で積層される。

上側ケース体９４は、下側ケース体９２の上端部の開口を塞ぐ蓋部として機能する。上側ケース体９４は、上壁９４Ａと周壁９４Ｂとを有する。上壁９４Ａ及び周壁９４Ｂは、例えば同一の材料によって一体に形成されている。上壁９４Ａは、略円板状である。上壁９４Ａは、ケース９０の上面の全体を塞いでいる。上壁９４Ａの下面は、弾性部材４０を上方側から支える支持面である。上壁９４Ａの下面は、弾性部材４０によって上方側に押される。周壁９４Ｂは、上壁９４Ａの外縁部の全周に亘って連結され、上壁９４Ａから下方に立ち下がる構成をなす。周壁９４Ｂは、円筒状をなす。周壁９４Ｂの下端部は、開放した構成をなし、円形状の開口部として構成されている。周壁９４Ｂの内周面及び外周面はいずれも、中心軸線Ｘを中心とする円筒面である。周壁９４Ｂの内周部は、内径が相対的に小さい第１内周部９８と、第１内周部９８よりも内径が大きい第２内周部９９とを有する。第１内周部９８は、第２内周部９９の上側に配置される。第１内周部９８の内周面９８Ａと第２内周部９９の内周面９９Ａは、段差状をなす。

第１内周部９８の内周面９８Ａは、中心軸線Ｘを中心とする円筒面である。図１の構成では、第１内周部９８の内側に支持部材５０の嵌合部５２が嵌り合った構成をなす。第１内周部９８は、嵌合部５２の移動方向を規制する内壁部である。第１内周部９８は、嵌合部５２が中心軸線Ｘと直交する平面方向に移動しないように嵌合部５２の周りを囲み、嵌合部５２が中心軸線Ｘの方向に沿って上下動することを許容するように上下の通路を構成する。

第２内周部９９の内周面９９Ａは、中心軸線Ｘを中心とする円筒面である。図１の構成では、第２内周部９９の内側に周壁９２Ｂが嵌り合った構成をなす。第２内周部９９と周壁９２Ｂとの間は密封される。

支持部材５０は、圧電素子１０を上側から押さえる部材である。支持部材５０は、例えば樹脂材料によって構成される。支持部材５０は、嵌合部５２と、嵌合部５２の下方側に配置される押圧部５４と、を備える。嵌合部５２と押圧部５４は、一体的に構成される。

嵌合部５２は、円筒状に構成される。図１の例では、嵌合部５２は、中心軸線Ｘを中心とする円筒である。嵌合部５２は、第１内周部９８と嵌まり合った状態で上下に摺動し得る。嵌合部５２の内側の空間には、弾性部材４０の一部が配置される。嵌合部５２と第１内周部９８とが嵌り合っているため、支持部材５０は、ケース９０に対して中心軸線Ｘと直交する方向に相対移動することが許容されず、ケース９０に対し中心軸線Ｘに沿った方向の相対移動のみが許容される。

押圧部５４は、嵌合部５２の下端部を塞ぐように配置される。即ち、嵌合部５２の内側の空間は、押圧部５４によって塞がれている。押圧部５４において嵌合部５２の内側に配置される上面５４Ａは、弾性部材４０を下方側から支える支持面である。押圧部５４の上面５４Ａは、弾性部材４０の弾性力に基づく押圧を受け、弾性部材４０によって下方側に押される。押圧部５４は、例えば、円柱状に構成され、嵌合部５２よりも下方側に突出した構成をなす。押圧部５４の外周面５４Ｂは、中心軸線Ｘを中心とする円筒面である。押圧部５４の外周面５４Ｂの径（外径）は、第１内周部９８及び第２内周部９９の内径よりも小さく、周壁９２Ｂの内径よりも小さい。押圧部５４の外周面５４Ｂと周壁９２Ｂの内周面との間には、空間が構成されており、この空間には後述の液体７０の一部が収容されている。

押圧部５４の下端部には、圧電素子１０の移動を規制しつつ圧電素子１０を抑える規制部５６が設けられている。規制部５６は、環状部５６Ａと押圧部５６Ｂとを備える。環状部５６Ａは、圧電素子１０の上端部付近の周囲に配置され、圧電素子１０の上端部付近の外周面を囲むように配置される。環状部５６Ａは、圧電素子１０の一部（少なくとも上端部を含む一部）と嵌まり合い、圧電素子１０が中心軸線Ｘと直交する平面方向に移動しないように規制する。押圧部５６Ｂは、圧電素子１０の上面１１Ａにおける外縁部付近を下方側に向かって押すように環状に配置される。押圧部５４は、弾性部材４０によって下方側に付勢され、弾性部材４０によって下向きに継続的に押され続ける。従って、押圧部５６Ｂには、上面１１Ａの外縁部付近を下方側に向かって継続的に押す力が生じ続け、圧電素子１０を上側から押さえ続ける。但し、衝撃や応力などによって押圧部５４に上向きに力が加わった場合、この力を吸収又は逃がすように支持部材５０が弾性部材４０の付勢に抗して上側に移動することは許容される。

弾性部材４０は、圧電素子１０を音響伝達部材側に押し付ける力を生じさせる部材である。弾性部材４０は、中心軸線Ｘの周りに巻き回された構成をなすコイルばねを有する。弾性部材４０は、圧縮ばねとして機能する。弾性部材４０は、自身が収縮した状態で上壁９４Ａの下面と押圧部５４の上面５４Ａとの間に挟まれて配置される。弾性部材４０は、自身の下端部が押圧部５４の上面５４Ａに接触し、自身の弾性力に基づいて自身の下端部が押圧部５４を下方側に継続的に押し続ける。従って、押圧部５４には、圧電素子１０の上面を下方側に押す力が継続的に生じる。弾性部材４０は、導体を有する。図１の構成では、弾性部材４０の全体が導電性弾性材料などの導体によって構成されている。弾性部材４０は、第１導電層１１に電気的に接続され、圧電素子１０に信号を伝送する経路をなしている。

液体７０は、複数の音響伝達部材の間又は圧電素子１０と音響伝達部材との間の隙間に介在する媒体である。本構成では、圧電素子１０と超音波放出面（下面９６Ａ）との間において、複数の音響伝達部材の間及び圧電素子１０と音響伝達部材との間の隙間が非接合とされ、これらの隙間に液体７０が介在する。液体７０は、広義の液体であればよい。液体７０は、ゾル又はゲルであってもよく、ゾルやゲル以外の液体であってもよい。液体７０は、超音波プローブＰが使用される環境（例えば常温）において凝固せず且つ揮発して喪失しないものである。以下の説明では、液体７０としてグリセリンが用いられる構成を代表例として説明する。図１の構成では、圧電素子１０の下面１２Ｂと音響整合層３０の上面３０Ａとが非接合とされ、下面１２Ｂと上面３０Ａとの間の隙間に充填された構成で液体７０が介在する。下面１２Ｂと上面３０Ａとが非接合とされているため、下面１２Ｂが上面３０Ａに対して若干相対移動することが許容される。従って、圧電素子１０及び音響整合層３０のいずれか一方に応力、変形、衝撃等が生じても、その影響が他方に及びにくい。更に、音響整合層３０の下面３０Ｂと底壁９２Ａの上面との間の隙間に充填された構成で液体７０が介在する。下面３０Ｂと底壁９２Ａの上面とが非接合とされているため、下面３０Ｂが底壁９２Ａの上面に対して若干相対移動することが許容される。従って、音響整合層３０及び底壁９２Ａのいずれか一方に応力、変形、衝撃等が生じても、その影響が他方に及びにくい。更に、これらの隙間から漏れ出た液体７０が、ケース９０内における上記隙間の外側の空間に収容されている。

図１の構成では、圧電素子１０の外周面の外側且つ押圧部５４の外側に、液体７０の一部が収容される収容空間８０が構成されている。収容空間８０は、圧電素子１０の下面１２Ｂと音響整合層３０の上面３０Ａとの間の隙間に連通している。更に、収容空間８０は、音響整合層３０の下面３０Ｂと底壁９２Ａの上面との間の隙間に連通している。なお、図１の構成では、収容空間８０の一部領域が液体７０の領域となっているが、収容空間８０の全体に充填された形で液体７０が収容されていてもよい。

液体７０は、空気よりも超音波減衰率が小さい液体である。更に、液体７０内には、上記隙間の幅よりも径の小さい固体粒子が含まれている。固体粒子の径は、下面１２Ｂと上面３０Ａとの間の隙間の間隔よりも小さい。下面１２Ｂと上面３０Ａとの間の隙間の間隔とは、下面１２Ｂと上面３０Ａとの間において、上下方向の距離が最も大きくなる位置での上下の間隔である。固体粒子の径は、下面３０Ｂと底壁９２Ａの上面との間の隙間の間隔よりも小さい。下面３０Ｂと底壁９２Ａの上面との間の隙間の間隔とは、下面３０Ｂと底壁９２Ａの上面との間において、上下方向の距離が最も大きくなる位置での上下の間隔である。つまり、液体７０内に含まれる固体粒子のサイズは、下面１２Ｂと上面３０Ａとの間の隙間に入り込むことができるサイズであり、下面３０Ｂと底壁９２Ａの上面との間の隙間内に入り込むことができるサイズである。

例えば、圧電素子１０及び音響整合層３０のうちのいずれか一方の音響インピーダンスがＺ１であり、他方の音響インピーダンスがＺ２であり、Ｚ１＞Ｚ２である場合、下面１２Ｂと上面３０Ａとの間の隙間に介在する媒体の音響インピーダンスＺａは、Ｚ１＞Ｚａ＞Ｚ２であることが望ましい。例えば、下面１２Ｂと上面３０Ａとの間の隙間に液体７０のみが介在し、液体７０の音響インピーダンスがＺａである場合、Ｚ１＞Ｚａ＞Ｚ２であることが望ましい。例えば、下面１２Ｂと上面３０Ａとの間の隙間に上記固体粒子を含む液体７０が介在し、固体粒子を含む液体７０の音響インピーダンスがＺａである場合、Ｚ１＞Ｚａ＞Ｚ２であることが望ましい。

例えば、音響整合層３０及び底壁９２Ａのうちのいずれか一方の音響インピーダンスがＺ３であり、他方の音響インピーダンスがＺ４であり、Ｚ３＞Ｚ４である場合、下面３０Ｂと底壁９２Ａの上面との間の隙間に介在する媒体の音響インピーダンスＺｂは、Ｚ３＞Ｚｂ＞Ｚ４であることが望ましい。例えば、下面３０Ｂと底壁９２Ａの上面との間の隙間に液体７０のみが介在し、液体７０の音響インピーダンスがＺｂである場合、Ｚ３＞Ｚｂ＞Ｚ４であることが望ましい。例えば、下面３０Ｂと底壁９２Ａの上面との間の隙間に上記固体粒子を含む液体７０が介在し、固体粒子を含む液体７０の音響インピーダンスがＺｂである場合、Ｚ３＞Ｚｂ＞Ｚ４であることが望ましい。

２．超音波プローブＰの製造方法
超音波プローブＰは、例えば、以下のような方法で製造することができる。
本実施形態に係る超音波プローブＰの製造方法では、まず、図２（Ａ）に示される第１注入工程が行われる。第１注入工程では、上述された所定形状の下側ケース体９２が用意される。下側ケース体９２の形成方法は特に限定されず、公知の様々な方法が採用される。第１注入工程では、用意された下側ケース体９２の内部に所定量の液体７０が注入される。第１注入工程で注入される液体７０の量は、底壁９２Ａの上面の大部分又は全部を覆う程度の量であることが望ましい。

図２（Ａ）に示される第１注入工程の後には、図２（Ｂ）に示される第１配置工程が行われる。第１配置工程では、第１注入工程で注入された液体７０の上に音響整合層３０が配置される。第１配置工程の後には、底壁９２Ａの上面と音響整合層３０の下面との間に液体７０が挟まれて介在した構成となる。

図２（Ｂ）に示される第１配置工程の後には、図２（Ｃ）に示される第２注入工程が行われる。第２注入工程では、第１配置工程を経て下側ケース体９２の内部に配置された音響整合層３０の上面上に所定量の液体７０が注入される。第２注入工程で注入される液体７０の量は、音響整合層３０の上面の大部分又は全部を覆う程度の量であることが望ましい。

図２（Ｃ）に示される第２注入工程の後には、図３（Ａ）に示される第２配置工程が行われる。第２配置工程では、第２注入工程で注入された液体７０の上に圧電素子１０が配置される。第２配置工程を行うにあたり、第２配置工程の前には上述された所定構造の圧電素子１０が予め形成され、このように形成された圧電素子１０が第２配置工程において配置される。第２配置工程の後には、音響整合層３０の上面と圧電素子１０の下面との間に液体７０が挟まれて介在した構成となる。

図３（Ａ）に示される第２配置工程の後には、図３（Ｂ）に示される導電路接続工程が行われる。導電路接続工程では、圧電素子１０の一方面に配置される第１導電層１１に対して第１の導電路をなす配線１０１が電気的に接続され、圧電素子１０の他方面に配置される第２導電層１２に対して第２の導電路をなす配線１０２が電気的に接続される。第１導電層１１と配線１０１とを接続する構造は、互いに導通し得る構造であればよい。第２導電層１２と配線１０２とを接続する構造は、互いに導通し得る構造であればよい。配線１０１と配線１０２は、別々の信号伝送経路として構成されていればよい。

図３（Ｂ）に示される導電路接続工程の後には、図４に示される押圧部配置工程が行われる。本実施形態では、上述された支持部材５０及び弾性部材４０によって圧電素子１０を押圧する押圧部が構成され、押圧部配置工程では、導電路接続工程を経た後の構造体に対し、押圧部が配置される。押圧部配置工程では、まず、支持部材５０を圧電素子１０の上に配置する。支持部材５０の配置においては、環状部５６Ａが圧電素子１０の上端部付近と嵌まり合い、押圧部５６Ｂが圧電素子１０の上面部における周縁部付近を押えるように配置される。更に、押圧部配置工程では、圧電素子１０上に配置される支持部材５０の上に、弾性部材４０が配置される。なお、導電路接続工程で接続された配線１０１，１０２は、信号経路を確保するように所定位置に配置される。例えば、一方の配線１０１は、支持部材５０に形成された配線配置部（例えば孔部）を経由する構成で、弾性部材４０に電気的に接続される。他方の配線１０２は、支持部材５０に形成された配線配置部（例えば孔部）を経由する構成で、圧電素子１０側から弾性部材４０側に跨るように配置され、更に弾性部材４０内を通るように配置される。

このように加圧部配置工程が行われた後に、上述された所定形状の上側ケース体９４が配置されるように密封工程が行われることで、図１のような超音波プローブＰが得られる。なお、図１では、配線１０１，１０２の図示は省略されているが、配線１０２は、図示されていない導出部（孔部等）を介してケース９０の内外に跨るように配置されていればよい。また、弾性部材４０側の信号経路については、弾性部材４０に電気的に接続される導体が、図示されていない導出部（孔部等）を介してケース９０の内外に跨るように配置されていればよい。

なお、図１、図４では、配線１０１が弾性部材４０に電気的に接続されるように配策される例が示されたが、図５のように配線１０１が配線１０２と同様に配策されるように押圧部配置工程が行われてもよい。そして、図６のように、図示されていない孔部等を介して配線１０１，１０２を導出し得るように上側ケース体９４が取り付けられる形で、密封工程が行われてもよい。

３．効果の例
次の説明は、超音波プローブＰの効果の一例に関する。
超音波プローブＰは、複数の音響伝達部材の間及び圧電素子１０と音響伝達部材との間の隙間が非接合とされるため、この隙間が接着剤によって接合されることに起因する不具合（例えば、接着剤の残留応力に起因する素子割れや接着剤厚みによる特性不良等の不具合）を生じさせないようにすることができる。しかも、この隙間には、液体７０が介在するため、接着剤の代わりに超音波減衰率が大きい気体が介在する構成と比較して、超音波の減衰を抑えることができる。

従来、超音波センサや超音波プローブに利用される圧電素子は音響伝達部材（音響整合層や音響レンズ等）との間に空隙が生まれないように、接着剤や樹脂モールドにより固定されるのが一般的である。しかし、この方法は、樹脂の硬化に際し、高温に保持して硬化するか、長時間の保持により硬化するなど、処理に手間を要する。また、上記の方法は、樹脂硬化時の残留応力による素子割れや、接着剤厚みによる特性不良等の不具合を招く懸念もある。更に、接着剤を高温に加熱処理するような製造方法を採用する製品では、圧電素子自体も高温に晒されるが、キュリー点を超えるような加熱は、分極状態が消失するため行うことができず、キュリー点に到達しないような加熱でも、キュリー点付近に近づくほど素子特性が悪化する懸念があるため避ける必要がある。特に、キュリー点が低い材料では、上記の問題がより生しやすいため、高温硬化の接着剤を避けることが望まれる。

この点に関し、本実施形態の超音波プローブＰは、接着剤を用いなくても圧電素子１０と超音波伝達部の位置関係を安定的に保つ構造を実現できる。例えば、支持部材５０及び弾性部材４０の存在により、単純圧着のような拘束力を必要とせずに保持することができるため、圧電素子１０の自由振動が妨げられない。従って、この超音波プローブＰは、接着剤を用いた従来構造と比べて遜色のない又はこれを上回る音響送受信特性が得られる可能性がある。

また、超音波プローブＰでは、弾性部材４０が各界面に発生する間隙を継続的に小さく抑えるように作用するため、圧電素子１０及び音響伝達部材の厚さが大きく変動することが抑えられる。従って、厚さの変化に起因する特性変化が生じにくい。更に、弾性部材４０、支持部材５０、ケース９０によって圧電素子１０や音響整合層３０を安定的に保持する構成を採用しているため、圧電素子１０や音響伝達部材が中心軸線Ｘと直交する水平方向にずれることも抑えられる。

更に、超音波プローブＰは、接着剤などに起因する内部残留応力が発生しないため、内部残留応力に起因する素子割れ等を抑制することができ、歩留まりを改善しやすい。また、超音波プローブＰは、圧電素子を固定するために熱処理（接着剤を加熱処理して接合する工程）を行わずに済む構成であるため、他の工程で熱処理が採用されなければ、低キュリー点の素子を使用しやすい。しかも、超音波プローブＰでは、圧電素子１０自体が接着されていないため、圧電素子１０がＰＺＴのような鉛含有物質によって構成されている場合には、このような物質を使用後に分別しやすく、環境に対する負荷を低減しやすい。

更に、液体７０は、空気よりも超音波減衰率が小さいため、液体７０の位置に空気が存在する場合と比較して、この位置を通過する超音波の減衰を抑えることができる。

更に、液体７０は、上記隙間の幅よりも小さい固体粒子を含んでいるため、液体７０と固体粒子の両方によって音響インピーダンスを調整することができる。よって、この超音波プローブＰは、音響インピーダンスの適切化を図る上で有利である。例えば、上記隙間において液体７０内に上記固体粒子が含まれる媒体が介在する場合、固体粒子の含有度合いによって当該媒体の音響インピーダンスを調整することもできるし、密度や音速を調整することもできる。

超音波プローブＰは、圧電素子１０を音響伝達部材側に押し付ける部材として弾性部材４０を使用するだけでなく、信号を伝送する経路として兼用することができるため、別途専用の信号伝送経路を用意する構成と比較して、部品点数の削減を図ることができる。

４．実験結果
以下では、本実施形態の効果を確認するための実験の結果が説明される。
この実験では、実施例として、図１の超音波プローブＰが用意された。この実施例は、図１の構成において、底壁９２Ａと音響整合層３０との間にグリセリンが介在し、圧電素子１０と音響整合層３０との間にグリセリンが介在した構成である。一方、比較例として、図１の構成において、液体７０に代えて接着剤を用いた構成が用意された。比較例は、図１の構成において、底壁９２Ａと音響整合層３０との間が接着剤によって接着され、圧電素子１０と音響整合層３０との間が接着剤によって接着されるように変更された構成である。比較例の上記接着剤は、エポキシ系接着剤である。上記の実施例及び比較例のいずれでも、圧電体１４として、狙い中心周波数２ＭＨｚのＰＺＴ－５Ａ系の素子が用いられた。

実験では、実施例及び比較例の超音波プローブの性能を比較するため、図７のような実験装置を用い、各例の超音波プローブを図７のプローブＳｐのように配置して超音波の送受信を行った。いずれの例でも、ファンクションジェネレータにより、圧電素子１０に対して振幅が１０Ｖ程度の正弦バースト波の電圧が印加され、期間は１０周期分とされた。いずれの例でも、超音波プローブ（プローブＳｐ）と金属板１２０との距離は６０ｍｍであり、超音波プローブ（プローブＳｐ）から水中に配置した金属板１２０に向けて超音波を発し、金属板１２０からの反射を超音波プローブが受信した結果に基づいて送受信損失を測定した。なお、図７のように、ファンクションジェネレータからの送信信号及び圧電素子１０からの受信信号はオシロスコープに入力され、送受信損失はオシロスコープに入力される信号に基づいて評価された。実験では、１～３ＭＨｚの範囲で０．１ＭＨｚごとに送受信損失が確認された。この実験の結果は、図８に示される。実施例の送受信損失は、狙い周波数である２ＭＨｚ近傍では比較例と遜色ない結果となった。

＜第２実施形態＞
次の説明は、第２実施形態の超音波プローブＰに関する。
図９に示される第２実施形態の超音波プローブＰは、音響整合層３０に代えて音響整合層２３０が用いられ、底壁９２Ａに代えて底壁２９２Ａが用いられ、液体７０に代えて第１液体２７１及び第２液体２７２が用いられ、更に、液体２７０の配置が第１実施形態で用いられる液体７０と異なっている。第２実施形態の超音波プローブＰは、これらの点以外は、第１実施形態の超音波プローブＰと同一の構成をなす。例えば、上側ケース体９４、周壁９２Ｂ、支持部材５０、弾性部材４０、圧電素子１０は、第１実施形態と同一の構成をなし、第１実施形態と同様に配置され、第１実施形態と同様に機能する。従って、これらの部品の詳細な説明は省略される。第２実施形態の超音波プローブＰにおいて、第１実施形態の超音波プローブＰと同様の構成をなす部分については、第１実施形態の超音波プローブＰの各部分と同一の符号が付される。

以下では、第２実施形態の超音波プローブＰにおいて、第１実施形態と異なる点が重点的に説明される。第２実施形態の超音波プローブＰは、圧電素子１０と、超音波伝達部２２０と、弾性部材４０と、支持部材５０と、ケース２９０と、液体２７０とを有する。ケース２９０において、上側ケース体９４は、第１実施形態の上側ケース体９４と同一である。下側ケース体２９２は、周壁９２Ｂについては第１実施形態の周壁９２Ｂと同一であり、底壁９２Ａに代えて底壁２９２Ａが用いられる点が第１実施形態の下側ケース体９２と異なっている。超音波伝達部２２０は、圧電素子１０で発生した超音波を伝達する２つの音響伝達部材（音響整合層２３０及び底壁２９２Ａ）を有する。超音波伝達部２２０は、自身の一方側の面である音響整合層２３０の上面によって圧電素子１０を支持し、自身の他方側の面である底壁２９２Ａの下面が超音波放出面とされる。具体的には、底壁２９２Ａには、第１実施形態におけるレンズ部９６と同様のレンズ部２９６が設けられており、このレンズ部２９６の下面２９６Ａが超音波放出面とされる。

第２実施形態の超音波プローブＰでも、弾性部材４０は、圧電素子１０を超音波伝達部２２０側に押し付ける力を生じさせる。なお、弾性部材４０は、図１のように、圧電素子１０の第１導電層１１に信号を伝送する経路をなしていてもよく、図６のように、第１導電層１１に信号を伝送する経路とは別で構成されていてもよい。

この構成でも、圧電素子１０と超音波放出面（下面２９６Ａ）との間において、複数の音響伝達部材の間及び圧電素子１０と音響伝達部材との間の隙間が非接合とされ、且つそれぞれの隙間に液体２７０が介在する。具体的には、液体２７０は、第１液体２７１と第２液体２７２とを有する。そして、複数の音響伝達部材の間又は圧電素子１０と音響伝達部材との間のいずれか一の隙間（具体的には、圧電素子１０と音響整合層２３０の間の隙間）が非接合とされ、この隙間に第１液体２７１が充填された構成で介在する。更に、複数の音響伝達部材の間又は圧電素子１０と音響伝達部材との間の他の隙間（具体的には、音響整合層２３０と底壁２９２Ａの間の隙間）が非接合とされ、この隙間に第２液体２７２が充填された構成で介在する。第１液体２７１及び第２液体２７２は、空気よりも超音波減衰率が小さい。第１液体２７１の音響インピーダンスは、第２液体２７２と異なっていることが望ましいが、同一であってもよい。

図９の例では、音響整合層２３０の上面部において、下側に凹むように凹部２３２が形成され、この凹部２３２内の上面２３６上に圧電素子１０が載置されている。圧電素子１０の厚さ方向一方側の一部分は、凹部２３２内に配置されている。更に、底壁２９２Ａの上面部において、下側の凹むように凹部２９３が形成され、凹部２９３内の上面２９５上に音響整合層２３０が載置されている。音響整合層３０の厚さ方向一方側の一部分は、凹部２９３内に配置されている。

超音波プローブＰは、圧電素子１０の下面１２Ｂと音響整合層２３０の上面２３６の間に構成される上記一の隙間を含む第１領域２８１と、下面１２Ｂと上面２３６との間に構成される上記他の隙間を含む第２領域２８２とを含む。これら第１領域２８１と第２領域２８２とを仕切る構成で仕切部２９９が設けられる。図９の例では、音響整合層２３０が仕切部２９９を構成する。仕切部２９９は、第１領域２８１と第２領域２８２との間において相互の領域間で液体が移動することを遮断する。

第１領域２８１は、上記一の隙間の領域と、この一の隙間に連通する圧電素子１０の周囲の領域とを含む。上記一の隙間内の領域と圧電素子１０の周囲の領域とに及ぶ構成で第１液体２７１が収容される。第１液体２７１は、上記一の隙間内に充填され、この隙間から溢れた構成で、圧電素子１０の周囲の領域にも存在する。

第２領域２８２は、環状に構成された溝部２９８内の領域と、上記他の隙間（具体的には、溝部２９８の内側における音響整合層２３０の下面と凹部２９３内の上面２９５との間の隙間）の領域とを含む。溝部２９８内の領域と上記他の隙間内の領域とに及ぶ構成で第２液体２７２が収容される。溝部２９８は、上面２９５において、下方に凹んだ溝であり、中心軸線Ｘを中心とする環状（具体的には円形状）の溝として形成されている。第２液体２７２は、上記他の隙間内に充填され、この隙間から溢れた構成で溝部２９８内にも存在する。

仕切部２９９では、凹部２９３内における外縁部付近（具体的には溝部２９８の外側の内壁部）と、音響整合層２３０の外周面及び下面の一部（外縁部付近）とが密着し、この密着部分によって第１領域２８１と第２領域２８２との間で液体が通過することが遮断される。従って、第１液体２７１は、第２領域２８２には入り込まず、第２液体２７２は、第１領域２８１には入り込まない。

例えば、圧電素子１０及び音響整合層２３０のうちのいずれか一方の音響インピーダンスがＺ１であり、他方の音響インピーダンスがＺ２であり、Ｚ１＞Ｚ２である場合、下面１２Ｂと音響整合層２３０の上面との間の隙間に介在する媒体の音響インピーダンスＺａは、Ｚ１＞Ｚａ＞Ｚ２であることが望ましい。例えば、下面１２Ｂと音響整合層２３０の上面との間の隙間に第１液体２７１のみが介在し、第１液体２７１の音響インピーダンスがＺａである場合、Ｚ１＞Ｚａ＞Ｚ２であることが望ましい。また、下面１２Ｂと音響整合層２３０の上面との間の隙間に第１実施形態と同様の上記固体粒子を含む第１液体２７１が介在し、固体粒子を含む第１液体２７１の音響インピーダンスがＺａである場合、Ｚ１＞Ｚａ＞Ｚ２であることが望ましい。

また、音響整合層２３０及び底壁２９２Ａのうちのいずれか一方の音響インピーダンスがＺ３であり、他方の音響インピーダンスがＺ４であり、Ｚ３＞Ｚ４である場合、音響整合層２３０の下面と底壁２９２Ａの上面との間の隙間に介在する媒体の音響インピーダンスＺｂは、Ｚ３＞Ｚｂ＞Ｚ４であることが望ましい。例えば、音響整合層２３０の下面と底壁２９２Ａの上面との間の隙間に第２液体２７２のみが介在し、第２液体２７２の音響インピーダンスがＺｂである場合、Ｚ３＞Ｚｂ＞Ｚ４であることが望ましい。また、音響整合層２３０の下面と底壁２９２Ａの上面との間の隙間に上記固体粒子を含む第２液体２７２が介在し、固体粒子を含む第２液体２７２の音響インピーダンスがＺｂである場合、Ｚ３＞Ｚｂ＞Ｚ４であることが望ましい。

以上のように、第２実施形態の超音波プローブＰは、音響インピーダンスの異なる２種類の液体が用いられるため、複数の液体を複数の位置にそれぞれ配置して超音波の減衰を一層抑える構成としつつ、各位置の特性（特に音響インピーダンス）を異ならせることができる。

更に、第２実施形態の超音波プローブＰは、第１液体２７１と第２液体２７２とを異なる位置に配置しつつ、第１液体２７１と第２液体２７２とを、より確実に分離することができる。

＜他の実施形態＞
本開示は、上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述又は後述の実施形態の特徴は、矛盾しない範囲であらゆる組み合わせが可能である。また、上述又は後述の実施形態のいずれの特徴も、必須のものとして明示されていなければ省略することもできる。更に、上述した実施形態は、次のように変更されてもよい。

上述の実施形態では、複数の音響伝達部材の間及び圧電素子１０と音響伝達部材との間の各隙間が非接合とされ、各隙間に液体７０が充填されていたが、いずれか一方の隙間に液体７０が充填され、他方の隙間に接着剤が介在して部材間が接着されていてもよい。この構成でも、液体７０が充填された隙間において効果を生じさせることができる。

上述の実施形態では、固体粒子を含む液体７０が隙間内に介在した構成が例示されたが、この例に限定されない。複数の音響伝達部材の間又は圧電素子と音響伝達部材との間の隙間に、固体粒子を含まない液体７０が介在していてもよい。

上述の実施形態では、ケース９０の底壁９２Ａは音響レンズであるが、この例に限定されず、ケースの底壁は、音響レンズでなくてもよい。

上述の実施形態では、複数の音響伝達部材が存在していたが、単一の音響伝達部材であってもよい。例えば、図１の構成から音響整合層３０が省略された構成であってもよい。この場合、圧電素子１０が底壁９２Ａ上に支持され、圧電素子１０と底壁９２Ａとの間の隙間に液体７０が介在していればよい。また、上述の実施形態では、支持部材５０を介して、圧電素子１０を音響伝達部材側へ押さえていたが、支持部材５０が省略された構成であってもよい。この場合、弾性部材４０が圧電素子１０に直接接触することで圧電素子１０が音響整合層３０側へ押さえられ、音響整合層３０やケース９０などにより上下方向軸に垂直な方向への移動が制限されていればよい。

第２実施形態では、複数の液体を有する構成が例示されたが、この例に限定されない。複数の液体を有する構成では、少なくとも第１液体及び第２液体を有していればよく、その他の第３液体、第４液体などを更に備えていてもよい。

なお、今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、今回開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示された範囲内又は特許請求の範囲と均等の範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

Ｐ…超音波プローブ
１０…圧電素子
２０，２２０…超音波伝達部
３０，２３０…音響整合層（音響伝達部材）
４０…弾性部材
７０，２７０…液体
９０、２９０…ケース（音響伝達部材）
２７１…第１液体
２７２…第２液体
２８１…第１領域
２８２…第２領域
２９９…仕切部

Claims (6)

1. 超音波を発生する圧電素子と、
   前記圧電素子で発生した超音波を伝達する１つ以上の音響伝達部材を有し、自身の一方側の面によって前記圧電素子を支持し、自身の他方側の面が超音波放出面とされる超音波伝達部と、
   を有する超音波プローブであって、
   前記圧電素子を前記音響伝達部材側に押し付ける力を生じさせる弾性部材と、
   液体と、
   を有し、
   前記圧電素子と前記超音波放出面との間において、複数の前記音響伝達部材の間又は前記圧電素子と前記音響伝達部材との間の隙間が非接合とされ、且つ前記隙間に前記液体が介在する
   超音波プローブ。
2. 前記液体は、空気よりも超音波減衰率が小さい
   請求項１に記載の超音波プローブ。
3. 前記液体は、前記隙間の幅よりも小さい固体粒子を含む
   請求項１又は請求項２に記載の超音波プローブ。
4. 前記弾性部材は、導体を有し、前記圧電素子に信号を伝送する経路をなす
   請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の超音波プローブ。
5. 複数の前記音響伝達部材を有し、
   前記液体は、複数の前記音響伝達部材の間又は前記圧電素子と前記音響伝達部材との間のいずれか一の隙間に介在する第１液体と、他の隙間に介在する第２液体とを有し、
   前記第１液体の音響インピーダンスは、前記第２液体と異なる
   請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の超音波プローブ。
6. 前記第１液体が収容される第１領域と前記第２液体が収容される第２領域とを仕切る仕切部を有し、
   前記仕切部は、前記第１領域と前記第２領域との間で前記液体が移動することを遮断する
   請求項５に記載の超音波プローブ。

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