JP3559497B2

JP3559497B2 - 超音波探触子

Info

Publication number: JP3559497B2
Application number: JP2000092402A
Authority: JP
Inventors: 孝悦斉藤
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-03-29
Filing date: 2000-03-29
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2020-03-29
Also published as: JP2001285995A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波診断装置などに用いられる超音波探触子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波探触子は、生体を対象とした超音波診断装置などに用いられている。従来の超音波探触子として、例えば、特開平８−１２２３１０号公報に開示されたものがある。図５はこの公報に開示された超音波探触子の構成を示す縦断面図である。同図において、圧電素子１１は板状に形成され、板面の両面に電極が披着され、両電極間に交流電圧を印加して超音波を送信したり、超音波を受信して両電極間に電圧を誘起させたりするための素子である。
【０００３】
圧電素子１１の一方の面上、すなわち、図面の上方の面上には導体でなる音響整合層１５が積層されている。この音響整合層１５は被検体（生体）との間で超音波を効率よく送受信するためのものである。また、高分子フィルム１４ａの一方の面には蒸着などによって導体層１４が形成され、この高分子フィルム１４ａは導体層１４を音響整合層１５に接触させた状態で積層されている。この高分子フィルム１４ａの他方の面上には超音波を収束させる音響レンズ１６が装着されている。圧電素子１１の他方の面上、すなわち、図面の下方の面上には導電パターンを形成してなるＦＰＣ１７が積層され、さらに、ＦＰＣ１７の外側面には背面負荷材１８が積層されている。
【０００４】
このように構成することにより、外部からの機械的な衝撃によって圧電素子１１が割れたとしても、電気的には接続されており、故障することが少なくなって品質が安定するという構成を有している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の超音波探触子にあっては、音響整合層１５として導体で、かつ、加工性に優れた材料であることを要求される。そのため、音響整合層１５として所望の音響インピーダンスを有する材料を選択することが難しく、超音波探触子に望まれる音響特性、特に周波数特性の広帯域化の達成が困難になるという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、音響インピーダンスの値を自由に選択でき、超音波探触子にそれぞれ要求される音響特性、特に周波数特性の広帯域化を可能にするとともに、良好な感度を有する超音波探触子を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、板状に成形された板面の両面にそれぞれ電極が形成された圧電素子と、
前記圧電素子の一方の電極面側に設けた少なくとも１層以上の音響整合層と、
前記圧電素子の他方の電極面に接触させた電気端子取出しフィルムと、
前記電気端子取出しフィルム側に設けた背面負荷材と、
前記圧電素子の電極面と前記１層以上の音響整合層の間に設けたことにより周波数特性及び感度に影響を及ぼす導体層とを備えた超音波探触子であって、
前記導体層が前記圧電素子より形状が大きく電気端子として側方に導出し、前記導体層の厚みは、周波数の広帯域化及び高感度化のため、前記圧電素子の共振振動によって発生する超音波の波長の１／９０以下で、かつ前記圧電素子の共振振動の周波数が１から１０ＭＨｚの範囲のとき、１０μｍ以下の厚みを除く厚さである超音波探触子である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明に係る超音波探触子の第１の実施の形態の構成を示す縦断面図である。同図において、圧電素子１はＰＺＴ系などの圧電セラミックスや、ＰＺＮ、ＫＮｂＯ_３などの単結晶などを用いて板状に形成され、これによって超音波を送受信するものである。この圧電素子１の一方の面、すなわち、図面の上方の面には金や銀をスパッタリングで披着したり、銀を焼き付けたりして接地電極２を形成している。この圧電素子１の他方の面、すなわち、図面の下方の面には接地電極２と同じように金や銀をスパッタリングで披着したり、銀を焼き付けたりして信号用電極３を形成している。
【００１４】
圧電素子１の接地電極２の表面上には導電層４が電気的に接続するように接着されている。この導電層４は側方、すなわち、図面の左右方向に延出する延出端部を有している。圧電素子１から見て導電層４の外側に第１の音響整合層５が積層され、さらに、その外側に第２の音響整合層６が積層されている。
【００１５】
一方、圧電素子１の信号用電極３の表面上にはプリント配線が信号用電極３と電気的に接続するように電気端子取出しフィルムとしてのＦＰＣ（ＦｒｅｘｉｂｌｅＰｒｉｎｔＣｉｒｃｕｉｔ）７が接着され、さらに、このＦＰＣ７を圧電素子１とで挟むように背面負荷材８が装着されている。この背面負荷材８は不要な超音波を減衰させたり、有用な超音波を保持したりする機能を有している。なお、圧電素子１の信号用電極３の表面上の一部に電気端子取出しフィルムとしてのＦＰＣ７が接着されて、さらに、この信号電極３とＦＰＣ７の一部に背面負荷材８が装着されても同様の効果が得られる。さらに、図示を省略するが、第２の音響整合層６上に超音波ビームを収束する音響レンズなどが設けられる。
【００１６】
ここで、導体層４は、例えばエポキシ樹脂などの接着剤を極めて薄くして接着することにより接地電極２と電気的に接続したり、導電性接着剤で接着することにより接地電極２と電気的に接続したりする方法があるが、何れの方法でも電気的に接続できればよい。また、導体層４の構成材料としては、電気抵抗の低い材料であればよく、例えば、銅、ニッケル、アルミニウム、金、銀などの金属又はこれらの金属の合金でなる金属フィルム、あるいは、これらの金属フィルムを積層した、いわゆる複層化フィルムが望ましい。また導体層４は圧電素子１の接地電極と電気的に接続されてこの導体層４がケーブルを介して超音波診断装置に接続されることになるので、圧電素子１より長く形成し、圧電素子１の側方に延出させて電気的に接続しやすくしている。
【００１７】
一方、導体層４は圧電素子１と第１の音響整合層５との間に設けられているため、音響特性の周波数特性（帯域幅）、感度に影響を及ぼすことになる。したがって、導体層４の厚みの設定が重要となる。図２及び図３はその影響の計算結果を示した線図である。これは導体層４の材料として、例えば銅（密度：８．９ｋｇ／ｍ^３、音速：４．７ｋｍ／ｓ）を用い、波長に換算される厚みを変えた時の比帯域（−６ｄＢ）の変化を図２に示し、感度の変化を図３に示している。図２及び図３から明らかなように、導体層４の厚みが厚くなるにつれ、比帯域、感度ともに低下していく。これらの特性の劣化は少ないことが望ましいが、実際に製作する過程で特性にばらつきを生じる一方、ばらつきがあったとしても超音波画像に差異が見られない程度の劣化であれば問題は無いとされる状況にある。
【００１８】
問題のないばらつきのレベルは、周波数特性の比帯域で約−７．５％で、感度では１．５ｄＢである。しかし、これらの許容できるばらつきのレベルの値は、超音波探触子全体の値であり、各材料のばらつきや、各接着層のばらつきなどが含まれているので、導体層４の厚みはもっと小さく抑えることが必要である。このような観点から導体層４は、少なくとも比帯域では−３．５％、感度は約−１．０ｄＢになる厚みに制限することが望ましい。したがって、この特性を満足する導体層４の厚みは約１／９０波長以下であることが望ましい。
【００１９】
次に、第１の音響整合層５及び第２の音響整合層６は、音響インピーダンスが圧電素子１と被検体としての生体との間の値を有する材料が選択される。より詳細には、この音響インピーダンスの値により周波数特性の帯域幅が大きく変わり、要望される特性に合わせてその材料が選択される。この場合、超音波画像を高分解能、かつ、高感度にできるという点で、周波数の帯域幅を広げることが強く望まれる。一般的には、圧電素子１はＰＺＴ系の圧電セラミックスを使用しているので、この音響インピーダンスは約３０Ｍｒａｙｌであり、生体の音響インピーダンスは約１．６Ｍｒａｙｌである。したがって、第１の音響整合層５として例えば８Ｍｒａｙｌ前後の音響インピーダンスを持つ材料が用いられ、第２の音響整合層６として例えば３Ｍｒａｙｌ前後の音響インピーダンスを持つ材料が用いられる。
【００２０】
この構成によれば、第１の音響整合層５の材料として、導体、絶縁体を問わずに選択できることになり、このうち導体ではグラファイト、絶縁体では高分子に充填材を充填して音響インピーダンスを調整できる材料、あるいはガラス系、あるいはマシナブルのセラミックを用いてもよい。また、第２の音響整合層６としてはエポキシ樹脂を代表とする高分子材料が用いられる。なお、これら第１の音響整合層５及び第２の音響整合層６のそれぞれの厚みは基本的には１／４波長に選ばれる。しかし、これらの厚みは要望される特性により１／４波長からずれる場合もある。
【００２１】
上述したように、本発明に係る超音波探触子の第１の実施の形態によれば、圧電素子１と第１の音響整合層５との間に導体層４を設けているため、第１の音響整合層５として、従来装置に要求されたように導体で、かつ、加工性に優れたものという制約がなくなり、音響インピーダンスの値に着目してその材料を自由に選択できるため、それぞれに要求される音響特性、特に周波数特性の広帯域化を可能にするとともに、良好な感度を有する超音波探触子を提供することができる。この結果、超音波診断装置の画像の高分解能化、高感度化を可能にすることができる。
【００２２】
図４は本発明に係る超音波探触子の第２の実施の形態の構成を示す縦断面図である。図中、第１の実施の形態を示す図１と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。これは、圧電素子１に積層された導体層４が圧電素子１よりも横方向にはみ出した部位の圧電素子１側の表面に高分子材料層９を披着した点、並びに、導体層４が圧電素子１よりも横方向にはみ出した方向の圧電素子１の側面にそれぞれ絶縁層として所定の厚さの接着剤１０を塗着した点が第１の実施の形態と構成を異にしている。
【００２３】
ここで、高分子材料層９は、導体層４を薄いフィルム状のものにしたとき、超音波探触子を製作する過程で、圧電素子１に面接触する部位以外のはみだした部分の導体層４が破損しやすくなるため、この破損を防止する機能と、導体層４を最終的にはＦＰＣ７の側面及び背面負荷材８の側面に沿わせた構成にするとき、ＦＰＣ７の導体部と導体層４とを電気的に絶縁する機能とを有しているもので、柔軟性のあるものが好適である。高分子材料層９としては、例えば、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）ポリスルフォンなどの材料が望ましく、厚みは柔軟性があり折り曲げられる程度の厚みであればよく、例えば、１０ないし５０μｍ程度でよい。これらの高分子材料層９は導体層４に直接披着しても、接着剤を用いて接着してもよい。
【００２４】
一方、接着剤１０は、圧電体素子１の側面に塗着されるとともに、圧電素子１から側方にはみだした導体層４の基部における高分子材料層９にも塗着した構成になっている。これにより、導体層４を折り曲げてＦＰＣ７及び背面負荷材８の側面に固定する時、導体層４と高分子材料層９の延出基部の破損を未然に防止する機能を果たしている。接着剤１０としてはエポキシ樹脂などに代表されるような一般的な接着剤であればよいが、硬度的にはショア硬度で約８０以上のものであれば、接着剤１０の効果は十分である。
特に、このような構成でその効果を発揮するのは、図４の紙面と直交する方向に圧電素子１、導体層４、第１の音響整合層５及び第２の音響整合層６を、例えば、０．１ｍｍから０．３ｍｍのピッチで数百個並設する、いわゆる、アレイ型超音波探触子の場合である。
【００２５】
上述した第２の実施の形態によれば、圧電素子１と第１の音響整合層５との間に導体層４を設けているため、第１の音響整合層５として、従来装置に要求されたように導体で、かつ、加工性に優れたものという制約がなくなり、音響インピーダンスの値に着目してその材料を自由に選択できるため、それぞれに要求される音響特性、特に周波数特性及び感度を有する超音波探触子を提供することができる。この結果、超音波診断装置の画像の高分解能化、高感度化を可能にすることができる。
【００２６】
また、圧電素子１に積層された導体層４が圧電素子１よりも側方にはみ出した部位の圧電素子１側の表面に高分子材料層９を披着し、さらに、導体層４が圧電素子１よりも横方向にはみ出した方向の圧電素子１の側面にそれぞれ所定の厚さの接着剤１０を塗着したので、導体層４を折り曲げてＦＰＣ７及び背面負荷材８の側面に固定する時、導体層４と高分子材料層９の延出基部の破損を未然に防止することができるという効果も得られる。
【００２７】
なお、上記各実施の形態では、導体層の外側に第１の音響整合層５及び第２の音響整合層６を設け２層としたが、所望の周波数特性及び感度を満たすことができれば音響整合層を１層としても、あるいは必要に応じて３層以上にしても上述したのと同様な効果が得られる。
【００２８】
【発明の効果】
以上の説明によって明らかなように、本発明によれば、圧電素子と、音響整合層の間に導体層を設けたことにより、音響整合層が導体で、かつ、加工性に優れた材料でなければならないという制約はなくなり、音響インピーダンスに着目した材料を自由に選択でき、それぞれの超音波探触子に要望される音響特性、特に周波数特性の広帯域化を可能にするとともに、良好な感度を有する超音波探触子を提供することができる。この結果、超音波診断装置の画像を高分解能化、高感度化を可能にすることができる。
【００２９】
また、導体層を圧電素子より平面形状を大きく形成するとともに、側方に導出した部位の、圧電素子側の導体層の表面に高分子材料を披着したことにより、導体層を折り曲げて背面負荷材の側面に固定する時、導体層の延出基部の破損を未然に防止することができるという効果も得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超音波探触子の第１の実施形態の構成を示す縦断面図である。
【図２】図１に示した超音波探触子の第１の実施形態における導体層の厚みと比帯域幅との関係を示した線図である。
【図３】図１に示した超音波探触子の第１の実施形態における導体層の厚みと感度との関係を示した線図である。
【図４】本発明に係る超音波探触子の第２の実施形態の構成を示す縦断面図である。
【図５】従来の超音波探触子の構成を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１圧電素子
２接地電極
３信号用電極
４導体層
５第１の音響整合層
６第２の音響整合層
７ＦＰＣ（電気端子取出しフィルム）
８背面負荷材
９高分子材料層
１０接着剤（絶縁層）

Claims

板状に成形された板面の両面にそれぞれ電極が形成された圧電素子と、
前記圧電素子の一方の電極面側に設けた少なくとも１層以上の音響整合層と、
前記圧電素子の他方の電極面に接触させた電気端子取出しフィルムと、
前記電気端子取出しフィルム側に設けた背面負荷材と、
前記圧電素子の電極面と前記１層以上の音響整合層の間に設けたことにより周波数特性及び感度に影響を及ぼす導体層とを備えた超音波探触子であって、
前記導体層が前記圧電素子より形状が大きく電気端子として側方に導出し、前記導体層の厚みは、周波数の広帯域化及び高感度化のため、前記圧電素子の共振振動によって発生する超音波の波長の１／９０以下で、かつ前記圧電素子の共振振動の周波数が１から１０ＭＨｚの範囲のとき、１０μｍ以下の厚みを除く厚さである超音波探触子。