JP3819315B2 - 超音波振動子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波を利用して生体内の形態的組織情報を断層像として画像化する超音波内視鏡に主に用いられる超音波振動子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、超音波を生体に照射し、生体における音響インピーダンスの変化部分で反射された超音波を受信して電気信号に変換し、画像化することにより、超音波断層像を得る超音波診断装置が広く用いられている。
【０００３】
又、例えば消化管等の体腔内に挿入可能な内視鏡挿入部の先端に超音波振動子を設け、この超音波振動子によって超音波断層画像を得られるようにした超音波内視鏡も実用化されている。
【０００４】
前記超音波内視鏡で使用される超音波振動子の圧電体は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ），チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3 ）等の圧電材料で形成されている。この圧電体の音響インピーダンスは約２０〜３０ＭＲａｙｌ程度あり、生体組織の音響インピーダンス約１．５ＭＲａｙｌ程度に比較し大きいため、超音波の送受信の伝送に際して効率的ではなく、両者間の音響的インピーダンスの整合を図るべく材料特性を最適化させた音響整合層なる部材を架装する必要がある。また生体内の所望の領域での分解能を向上させるべく音響レンズを配置することが望ましい。その具体的な方法としては従来前記音響整合層としての機能を具備した凹面形の音響レンズを構成していた。こうした構成の場合、前記音響レンズでのフォーカス点付近に於ける超音波の送受信信号の比帯域が約４０％であった。
【０００５】
一般的に比帯域の値が小さいと超音波断層像の画像深達度及び分解能と謂った性能が一義的であり、画像診断に際しての臨床適応範囲の選択性が狭いものであった。このため従来の比帯域４０％程度の振動子を実装した超音波内視鏡の検査では、適応する臨床目的に応じた周波数と口径をもった複数個の振動子を実装した超音波内視鏡が必要になり、このため前記内視鏡挿入先端部の形状が大きくなり、患者へ同内視鏡を挿入する際、その嚥下性を損ない患者に苦痛を与えることが少なくない。或いは前記比帯域４０％程度の従来振動子では、臨床目的に応じて種類の違う複数種類の超音波内視鏡を用意する必要があり、病院の経営及び管理と謂った観点では、必ずしも効率的ではなかった。このため広帯域化を図った超音波振動子が望まれていた。
【０００６】
前記比帯域を向上させるため、前記ＰＺＴ，ＰｂＴｉＯ3 等で形成した圧電体に対して所定の音響インピーダンスに設定した第１整合層及び第２整合層と、前記音響レンズとを別個に設けた構成の超音波振動子もある。この構成の超音波振動子では前記音響レンズフォーカス点付近に於ける超音波送受信信号の比帯域は約６０〜７０パーセントに向上する。そして、整合層を３層構造にすることにより、比帯域が約９０パーセントになることは知られているが、整合層を形成することが困難であり、これに起因した製造上の不良が多数発生してしまう。
【０００７】
前述した広帯域化を図った超音波振動子を提供するため、例えば特開２００１‐１７８７１９号公報には、超音波内視鏡の挿入部の細径化を図れ、感度低下を起こすことなく、広汎な画像深達度を有する比帯域が１００％を越える広帯域化した超音波振動子が示されている。これにより例えば前記超音波内視鏡で上部消化管を観察した場合、胃や食道等の消化管の上皮組織から壁外の胆嚢や膵臓及び胆管、膵管の管腔構造が単一の振動子で観察可能となった。
【０００８】
この超音波振動子では、図６（ａ）、（ｂ）の複合圧電体の斜視図及び複合圧電体を説明する断面図に示すように圧電体を、例えばＰＺＴで形成された複数の柱状圧電体２１と、これら柱状圧電体２１の隙間に充填されるエポキシ樹脂等の樹脂部材２２とで構成し、音響インピーダンスが所定の範囲となるようにこれら柱状圧電体２１の体積充填率を設定した複合圧電体２０としていた。そして、この複合圧電体２０の超音波放射面側に図示しない中央部から周辺方向に向かって厚み寸法が連続的に変化する、音響レンズを兼ねた、音響インピーダンスを所定範囲に設定した音響整合層を設けて超音波振動子を構成していた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特開２００１‐１７８７１９号公報の超音波振動子では、超音波振動子の駆動周波数が１５ＭＨｚを超える仕様で製造する場合、図７の超音波振動子の音響レンズフォーカス付近での超音波送受信特性の概念図で示すように高周波帯域での性能確保が困難であり、このため製造歩留まりが必ずしも高くない。
【００１０】
この製造歩留まり不具合を解消するため製造工程及び各部品の見直しを行ったところ、前記複合圧電体２０の超音波放射面側２３ａ及びその反対側であるバッキング材接着面側２３ｂの表面状態、特にその表面粗さに違いがあることが電子顕微鏡の観察でわかった。
【００１１】
この表面粗さの違いについては複合圧電体を製造する工程で発生するものである。
【００１２】
この点に関して詳細な説明を加えると前記複合圧電体２０は幾つかの工程を経て製造されるが、振動子の使用目的に応じた周波数にすべく、圧電体の厚み寸法を前記図６（ｂ）に示すように所定の値に設定するために圧電体の両面２３ａ、２３ｂを研削或いは研磨加工を実施する必要がある。この所定の厚み寸法ｔであるが、合目的的な振動子の周波数Ｆoと圧電体部材内の超音波伝播速度Ｖoから計算される圧電体部材内の音波波長λo（＝Ｖo/Ｆo）の半分 即ちλo/２に等価である。研削又は研磨はこの所定厚みｔ＝λo/２を狙って慎重に加工するが、前記複合圧電体を構成する柱状圧電体２１と樹脂部材２２では材料特性 特に弾性率（＝硬さ）熱膨張率に大きな隔たりがあるため、前記研削或いは研磨加工を実施すると、両者間に加工ダレが生じ、図８に示すように柱状圧電体２１と樹脂部材２２との間に厚み段差として現れていた。この段差を０に抑制し加工することは材料の特性上不可能であり、又、複合圧電体の表裏両面間で前記厚み段差のばらつきに多寡が生じることも、一般的な研削または研磨加工の特質から勘案して不可避なところである。そこで複合圧電体の前記厚み段差と超音波振動子の特性との関係を調査したところ、前記厚み段差の大きさが、前記超音波の波長λoの４％より大きな場合には所望する広帯域な特性を有する超音波振動子を製造することが出来なかった。
【００１３】
つまり、従来の製造工程においては、複合圧電体を所定厚みに加工する際、厚み寸法の精度だけを規定して、放射面及びその反対側のバッキング材接着面の表面処理状態、言いかえれば表面粗さに関して何ら規定をしていなかった。
【００１４】
また、前記複合圧電体の放射面側及びバッキング材接着面側に信号の伝送を司る電極としてスパッタ-等の手段により成膜される金等の膜厚に対しても概略寸法の規定しかなく、膜厚が厚めであった場合には前記同様高周波数帯域での特性確保が出来なかった。
【００１５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、広汎な診断領域と高い空間分解能を両立させるべく比帯域が１００％を越える複合圧電型の超音波振動子を歩留り良く提供することを目的にしている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の超音波振動子は、複数の柱状圧電体及びこれら柱状圧電体の隙間に充填される有機物で形成され音響インピーダンスを所定の範囲に設定した複合圧電体と、この複合圧電体の超音波放射面側に配置された音響インピーダンスを所定範囲に設定した音響整合層に設けられる音響レンズとを具備する超音波振動子であって、
前記複合圧電体の超音波が放射される放射面表面における有機物と柱状圧電体との厚み段差を、その反対側のバッキング材接着面表面における有機物と柱状圧電体との厚み段差より小さく設定している。
【００１７】
そして、前記複合圧電体の放射面表面の有機物と柱状圧電体との厚み段差を、圧電体中の超音波の波長λoの４％以下に設定している。
【００１８】
これら表面粗さを規定することにより、超音波振動子として必要な性能を満足する複合圧電体が提供される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００２０】
図１ないし図５は本発明の一実施形態に係り、図１は超音波振動子の概略構成を示す斜視図、図２は図１のＡ‐Ａ線断面図、図３は複合圧電体の構成を説明する断面図、図４は厚み段差及び電極を説明する図、図５は超音波振動子の音響レンズフォーカス付近での超音波送受信特性の概念図である。
なお、図４（ａ）は複合圧電体の柱状圧電体と樹脂部材との厚み段差を説明する図、図４（ｂ）は複合圧電体の前面及び後面に成膜する前面電極及び後面電極を説明する図である。
【００２１】
図１、図２及び図３に示すように本実施形態の超音波振動子１は、例えばＰＺＴで形成された複数の柱状圧電体と、これら柱状圧電体の隙間に充填されるエポキシ樹脂等の樹脂部材とで形成された音響インピーダンスが所定の範囲となるように前記柱状圧電体の体積充填率を設定して平板で略円形状の複合圧電体２と、超音波を放射する或いは超音波を送受する超音波放射面或いは超音波送受面（単に前面とも記す）に金等をスパッタ等の蒸着手段によって設けた金電極である前面電極３ａ及び前記複合圧電体２の超音波放射面とは反対側の面（前面に対して後面と記す）に金等をスパッタ等の蒸着手段によって設けた金電極である後面電極３ｂと、前記複合圧電体２の前面電極３ａに接着によって積層された複合圧電体２の音響インピーダンスと生体の音響インピーダンスとの整合性を向上させるエポキシ樹脂、より具体的にはポリイミド樹脂或いはウルテム樹脂等で構成された樹脂層及びアルミナ粉末入り樹脂層で厚み寸法を、波長（λとも記載する）に対して所定の割合の寸法に形成した音響整合層４及び前記複合圧電体２から放射された超音波を所望の位置に集束させて超音波ビームを出射させる集束手段となる樹脂製の音響レンズ４ａと、前記複合圧電体２の後面電極３ｂに接着剤によって積層され、後方側への超音波を減衰させる例えばフェライト粉末或いはその他添加剤を配合したゴムで形成したバッキング材５と、前記複合圧電体２，前面電極３ａ，後面電極３ｂ，音響整合層４，音響レンズ４ａ及びバッキング材５の一部をそれぞれの表面を覆う耐水性、耐薬品性に優れたポリパラキシリレン樹脂をコーティングして形成した保護膜６とで主に構成している。
【００２２】
なお、前記前面電極３ａにはアース線７が電気的に接続され、前記後面電極３ｂには信号線８が電気的に接続されている。そして、これら電線７，８はリード線９としてひとまとめにされて延出し、図示しない超音波観測装置の信号端子及びアース端子にそれぞれ接続されている。
【００２３】
また、前記音響整合層４に設けられる音響レンズ４ａは、所定の厚み寸法に形成した音響整合層４に対して形成配置されるものであり、この音響整合層４と音響的に観てほぼ等価なエポキシ樹脂を音響整合層４の超音波放射面に積層して例えば中央部から周方向にいくにしたがって連続的に厚み寸法が大きくなるように変化する凹んだ曲面形状に形成してある。
【００２４】
図３に示すように前記複合圧電体２を構成する複数の柱状圧電体２ａは、例えば波長より小さな所定ピッチ（図中ｐで示す）で配列されており、それら柱状圧電体２ａの間に樹脂部材２ｂが充填されている。また、前記複合圧電体２の厚み寸法ｔoは、研削或いは研磨加工によって前述の如く所定寸法であるλo／２に加工されるようになっている。
【００２５】
前記複合圧電体２の厚み寸法をλo／２に加工する際、まず、前記複合圧電体２の一面側２ｃを研削又は研磨加工し、その後、他面側２ｄを研削又は研磨加工して厚み寸法をλｏ／２に仕上げる。この場合、前記他面側２ｄを研削又は研磨加工する際、既に加工済みである一面側２ｃを加工機の取付け台に配置させゲル状の仮止め材を用いてクランプして研削又は研磨加工に入る。本加工に於いて取り付け台にてクランプされている前記一面側２ｃでは前記柱状圧電体部２１と樹脂部２２に研削又は研磨の際に生じる力学的/熱的加工負荷が生じる。前記柱状圧電体部２１は所謂セラミックで構成されているため、材料力学的に観て非常に硬く熱的にも膨張の少ない材料である。一方前記樹脂部２２はエポキシ系樹脂で構成されているため弾性に富みこれら負荷に対して伸びる方向に作用する。従って当該研削又は研磨加工により前記他面側２ｃの稜線にダレが発生し、前述の如き厚み段差が生じたりする。
【００２６】
したがって、本実施形態においては、超音波振動子１を構成する際、最後に加工される面である例えば他面側２ｄを前面側に設定する。そして、この前面になる他面側２ｄ即ち最終研削又は研磨加工面を加工する際、図４（ａ）に示すように前記柱状圧電体２ａと樹脂部材２ｂとの段差（ｈ）が、波長の４％以下（ｈ ＜０．０４×λo ）になるように計測しながら行う。このことにより、厚み寸法が所定寸法に仕上げられ、前面の加工状態を所定状態に規定した複合圧電体２が形成される。
【００２７】
次に、上記のように加工された複合圧電体２に外部からの電気信号の入出力を行うべく電極を形成する製造工程が必要であるが、一般的に柱状圧電体２１とエポキシ樹脂２２で構成された複合圧電体に対する電極形成の場合、スパッタ-等の蒸着手段により金やクロムの薄膜で形成することが多い。この金等の電極薄膜の厚みであるが、電極の強度や音響特性等を考慮し、電極となる材料の超音波伝播速度Ｖeと振動子周波数Ｆoから計算される電極材料中の波長λe（＝Ｖe/Ｆo：前述のλoとは異なる値）の数十分の一以下に設定することが一般的である。然し乍ら金電極薄膜の厚みが前記のとおり数十分の一程度の場合、上記図８に示したような高周波帯域での特性が維持出来ない振動子が多く出現した。この技術的機序は不明な点もあるが、電極厚みの増加に伴い振動子の電気機械結合係数が悪化する傾向が認められため、様々な検討の結果、電極厚み寸法ｔeが電極材料の超音波伝播速度から計算される波長λeの４００分の１から２００分の１程度とした場合所望の高周波特性を満足する振動子を達成することが出来た。
【００２８】
以上纏めると、振動子の厚み寸法ｔoがλo／２で規定され、且つ柱状圧電体２ａと樹脂部材２ｂとの厚み段差が、圧電体の超音波波長の４％以下になるように加工された前面を有する複合圧電体２の前面及び、この前面より多少面状態が粗れた後面とに、図４（ｂ）に示すように例えば金等を厚み寸法（ｔe）が電極材料の超音波波長λeとしてｔe＝λe／400 〜 λe／200の範囲に収まる前面電極３ａと後面電極３ｂとを成膜する。このように形成した複合圧電体を有する超音波振動子では、図５に示すように音響レンズフォーカス付近での超音波送受信特性が高帯域周波数特性を有する。
なお、前面電極３ａ及び後面電極３ｂの成膜は、例えばスパッタ成膜装置の条件を規定して行う。
【００２９】
このように、複合圧電体の厚み寸法を所定寸法に加工する際、最終加工面側を超音波放射面である前面側に設定し、この前面表面の柱状圧電体と樹脂部材との厚み段差を波長の４％以下になるように加工するとともに、この複合圧電体の前面及び後面に所定厚み寸法の金電極を成膜することにより、高帯域周波数特性を有する超音波振動子を形成するために必要な複合圧電体を安定的に供給することができる。
【００３０】
このことによって、高帯域周波数特性を有する超音波振動子を製造する際、複合圧電体の不具合を原因にした歩留りを向上させることが出来た。
【００３１】
尚、本発明は、以上述べた実施形態のみに限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能である。
【００３２】
［付記］
以上詳述したような本発明の上記実施形態によれば、以下の如き構成を得ることができる。
【００３３】
（１）複数の柱状圧電体及びこれら柱状圧電体の隙間に充填される有機物で形成された音響インピーダンスを所定の範囲に設定した複合圧電体と、この複合圧電体の放射面側に配置された音響インピーダンスを所定範囲に設定した音響整合層に設けられる音響レンズとを具備する超音波振動子において、
前記複合圧電体の超音波が放射される放射面表面における有機物と柱状圧電体との厚み段差を、反対側の表面における有機物と柱状圧電体との厚み段差より小さく設定した超音波振動子。
【００３４】
（２）前記複合圧電体の放射面表面の有機物と柱状圧電体との厚み段差を、圧電体を伝播する超音波の波長の４％以下に設定した付記１に記載の超音波振動子。
【００３５】
（３）前記複合圧電体の厚み寸法を所定寸法に加工する際、最後に加工される加工面が放射面である付記２に記載の超音波振動子。
【００３６】
（４）前記複合圧電体の柱状圧電体と樹脂部材との段差を波長の４％以下になるように加工した放射面表面及びその反対面表面に設ける金等の電極の厚み寸法を電極材料を伝播する超音波波長の1／400 ないし 1／200の範囲に規定した付記１に記載の超音波振動子。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、広汎な範囲を観察可能で高い空間分解能を両立させる比帯域１００％を越える広帯域特性の超音波振動子を歩留り良く提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は超音波振動子の概略構成を示す斜視図
【図２】図１のＡ‐Ａ線断面図
【図３】複合圧電体の構成を説明する断面図
【図４】段差及び電極を説明する図
【図５】超音波振動子の音響レンズフォーカス付近での超音波送受信特性の概念図
【図６】図６ないし図８は従来例にかかり、図６は従来の複合圧電体を説明する図
【図７】超音波振動子の音響レンズフォーカス付近での超音波送受信特性の概念図
【図８】複合圧電体の柱状圧電体と樹脂部材との段差を説明する図
【符号の説明】
１…超音波振動子
２…複合圧電体
２ａ…柱状圧電体
２ｂ…樹脂部材
ｈ…段差

Claims (2)

1. 複数の柱状圧電体及びこれら柱状圧電体の隙間に充填される有機物で形成され音響インピーダンスを所定の範囲に設定した複合圧電体と、この複合圧電体の放射面側に配置され音響インピーダンスを所定範囲に設定した音響整合層に設けられる音響レンズとを具備する超音波振動子において、
   前記複合圧電体の超音波が放射される放射面表面における有機物と柱状圧電体との厚み段差を、当該放射面と反対側の表面における有機物と柱状圧電体との厚み段差より小さく設定したことを特徴とする超音波振動子。
2. 前記複合圧電体の放射面表面の有機物と柱状圧電体との厚み段差を、圧電体を伝播する超音波の波長の４％以下に設定したことを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子。

Images