JP4843395B2 - 超音波探触子 - Google Patents

Description

本発明は超音波の発生源である圧電素子の温度上昇を抑制した超音波探触子を技術分野とし、特に温度上昇の抑制効果を高めた超音波探触子に関する。

（発明の背景）
超音波探触子（圧電素子）は、電気エネルギーから機械的振動エネルギーへの変換時に熱を発生することから、例えば材料の熱劣化からくる強度不足による信頼性の低下、あるいは特性変動による品質の低下を生ずる。さらに、医用では、生体の皮膚への低温火傷など安全性の問題を生じる。このようなことから、例えばその一つに本出願人による後述の特許文献１や同２がある。

（従来技術の一例）
第４図はこの種の従来例を説明する超音波探触子の図で、同図（ａ）は一部破断とした長軸方向の断面図、同図（ｂ）は同短軸方向の断面図である。

超音波探触子は、短冊状とした複数の圧電素子１が幅方向に並べられ、バッキング材２上に列設する。この場合、圧電素子１の幅方向が超音波探触子の長軸方向、同長さ方向が短軸方向となる。そして、長軸方向に例えばセクタ駆動やリニア駆動される。

圧電素子１は両主面に駆動電極３（ａｂ）を有し、超音波の送受波面となる一主面の駆動電極３ａはアース電位として接地される。バッキング材２側となる他主面の駆動電極３ｂは連続したパルス電圧が印加される。なお、一主面の駆動電極３ａを便宜的にアース電極３ａとし、他主面の駆動電極３ｂを信号電極３ｂとする。これにより、アース電極３ａ側が生体に当接するので、安全性を高める。そして、信号電極３ｂに生体からの反射波に基く電気信号を得る。

これらの場合、他主面の信号電極３ｂは、圧電素子１の両端側でのバッキング材２との間に設けたフレキシブル基板４の信号線路４ｂに接続して、交互（千鳥状）に導出される。また、一主面のアース電極３ａは例えば圧電素子１の他端側で導線５によって共通接続され、フレキシブル基板４の図示しないアース線路に接続する。

あるいは、信号電極３ｂはバッキング材２との間に設けた図示しないＡg等からなる金属薄板を介在させて、フレキシブル基板４の各信号線に導線によって接続する。この場合、金属薄板はフレキシブル基板４よりも柔軟なので、圧電素子１に対する機械的変形を抑止して振動特性を良好にする（特許文献３）。

通常では、圧電素子１の一主面上には音響整合層６を、さらに音響レンズ７を設けてなる。音響整合層６は圧電素子１と生体との音響インピーダンスの整合を計り、超音波の伝播損失を抑制する。音響整合層６の厚みは超音波周波数のλ／４分として尾引き（所謂リンギング）を防止する。一般には、順次に生体の音響インピーダンスに接近する二層とする。音響レンズ７は圧電素子１の長さ方向（超音波探触子の短軸方向）に曲率を有し、同方向での超音波を曲率に基く位置に収束させる。

そして、特許文献１や２等では、バッキング材２の下面に例えば金属製（Ａｌ等）とした放熱用基台８を設けて、上記構成の探触子本体を放熱用基台８上に保持する。そして、圧電素子１の長さ方向における一端側の例えば一主面上に第１金属薄板９ａとした熱伝導材（Ａg）の一端側を導電性接着剤や半田等によって面接合する。

さらに、放熱用基台８の下面及び外周面に接合した例えばＣuとする第２金属薄板９ｂに、第１金属薄板９ａの他端側を同様に接合して熱的に結合する。さらに、特許文献２では放熱用基台８に図示しないケーブルを接続して、放熱用基台８の熱を外部に導出する。

これらにより、電気信号から機械的振動への変換時等に生ずる圧電素子１からの熱を放熱用基台８に放熱する。そして、ケーブルの伝熱線によって外部に放出する。材料の熱劣化からくる強度不足による信頼性の低下、あるいは特性変動による品質の低下や生体の皮膚への低温火傷などを防止する。
特開平５−２４４６９０号公報 特開平３−２０３２９０号公報 特開平１１−３０９１４３号公報（段落０００４〜０００５）

（従来技術の問題点）
しかしながら、上記構成の超音波探触子では、圧電素子１における送受波面となる一主面の一端側のみから伝熱するので、即ち、一主面の一端側のみに第１金属薄板９ａを当接して伝熱するので、圧電素子１の中央から他端側にかけての熱が十分に伝熱されない。

この場合、例えばスパッタによるＡuとしたアース電極３ａよって、圧電素子１の一端側に伝熱されるが、電極厚みは数十ｎｍÅのオーダーとして極めて小さい。また、アース電極３ａをＡgとした場合は、付着力強度の点からガラスを混入して焼付けによって形成されるので熱伝導率が低下する。したがって、いずれの場合でも十分に伝熱しきれない。

さらに、特許文献１や２では、圧電素子１のいずれか一方の主面のみから伝熱するので、この点においても、圧電素子１の熱を十分に伝熱し切れない。これらのことから、電気機械変換による圧電素子１の熱がこもって、音響整合層６や接着剤等の周辺に対する悪影響を十分に解消できない問題があった。

（発明の目的）
本発明は電気機械変換による圧電素子の熱を十分に伝熱して放熱し、圧電素子の温度上昇を抑制した超音波探触子を提供することを目的とする。

本発明の超音波探触子は、駆動電極が両主面に形成された超音波発生用の圧電素子と、前記圧電素子の一主面側に形成された音響整合層と、前記圧電素子の他主面側に取着されたバッキング材と、前記バッキング材の下面に設けられた放熱用基台と、前記圧電素子の少なくともいずれかの主面と前記放熱用基台とを熱的に結合する伝熱用の金属薄板とを備えた超音波探触子において、前記伝熱用の金属薄板は前記圧電素子の一端側から中央を越えた他端側にまたがって面接合し、前記伝熱用の金属薄板は前記圧電素子の一主面側に面接合して前記放熱用基台に熱的に結合するとともに、前記伝熱用の金属薄板は前記圧電素子の他主面側にも面接合して前記駆動電極の電極導出を兼用しかつ前記放熱用基台に絶縁性熱伝導材を介在して熱的に結合した構成とする。

このような構成であれば、電極導出用の金属薄板を熱伝導性として圧電素子の一端側から中心よりも他端側にまたがって当接するので、いわば全面的に当接するので、電気機械変換による圧電素子の熱を伝熱し易くする。
また、圧電素子の両主面側に伝熱用の金属薄板が接合するので、圧電振動子の熱が両主面側から伝熱されるので、伝熱効果が最も高まる。

また、本発明の超音波探触子は、駆動電極が両主面に形成された短冊状圧電素子が面状に並んだ短冊状圧電素子群と、前記短冊状圧電素子の少なくともいずれかの主面に形成された伝熱用の金属薄板と、前記短冊状圧電素子群の一主面側に形成された音響整合層と、前記短冊状圧電素子群の他主面側に取着されたバッキング材と、前記バッキング材の下面に設けられた放熱用基台と、を備えた超音波探触子であって、前記伝熱用の金属薄板は、前記短冊状圧電素子と前記放熱用基台とを熱的に結合し、前記短冊状圧電素子の一端側から中央を越えた他端側にまたがって面接合し、隣り合う前記短冊状圧電素子に形成された前記伝熱用の金属薄板は分割され、前記伝熱用の金属薄板は、前記短冊状圧電素子における前記バッキング材と対向する主面に面接合し、前記駆動電極の電極導出を兼用し、前記放熱用基台に絶縁性熱伝導材を介在して熱的に結合した構成とする。
このような構成であれば、電極導出用の金属薄板を熱伝導性として圧電素子の一端側から中心よりも他端側にまたがって当接するので、いわば全面的に当接するので、電気機械変換による圧電素子の熱を伝熱し易くする。

（削除）

また、電極導出用の金属薄板は絶縁性熱伝導材を介在して放熱用基台に熱的に結合するので、金属薄板を伝熱用に兼用できる。

また、本発明の超音波探触子は、前記伝熱用の金属薄板には、前記短冊状圧電素子群の一端側からのみ導出して前記放熱用基台と熱的に結合する第１の伝熱用の金属薄板と、前記短冊状圧電素子群の他端側からのみ導出して前記放熱用基台と熱的に結合する第２の伝熱用の金属薄板と、があり、前記第１の伝熱用の金属薄板が形成された前記短冊状圧電素子と隣り合う前記短冊状圧電素子には前記第２の伝熱用の金属薄板が形成され、前記第２の伝熱用の金属薄板が形成された前記短冊状圧電素子と隣り合う前記短冊状圧電素子には前記第１の伝熱用の金属薄板が形成されていてもよい。
また、本発明の超音波探触子は、前記伝熱用の金属薄板は前記圧電素子から放射される超音波周波数のλ／２０以下の厚みであってもよい。この場合は、圧電素子の例えば送受波面側となる一主面側に金属薄板を全面的に設けても、超音波の波長に対して無視できる程度の厚みなので超音波の伝播損失を生じることがない。なお、音響整合層の厚みはこれらを考慮して全体としてλ／４に設定される。

また、他主面側に設けた場合でも、超音波の波長に対して無視できる程度の厚みなので、反射波を生ずることなく透過する。これにより、散乱・吸収等によって超音波の反射を抑止するバッキング材の効果を妨げることはない。

（第１実施形態）
第１図は本発明の一実施形態を説明する超音波探触子の短軸方向の一部破断の断面図である。なお、前従来例と同一部分には同番号を付与してその説明は簡略又は省略する。

超音波探触子は、前述したようにアース電極３ａ及び信号電極３ｂを有する圧電素子１をバッキング材２上に固着し、音響整合層６及び音響レンズ７を一主面側となる送受波面側に設ける。そして、圧電素子１の信号電極３ｂを両端側からフレキシブル基板４によって交互に導出した探触子本体を、放熱用基台８上に設けてなる。ここでは、超音波周波数を２．０ＭＨｚとする。

そして、この実施形態では、圧電素子１の一主面側の一端側から中央を越えて他端側にまたがって、熱伝導材としての第１金属薄板９ａを設けて、音響整合層６との間に介在させる。そして、前述のように、放熱用基台を周回する第２金属薄板９ｂに接合する。第１金属薄板９ａの厚みは約３０μｍとし、超音波周波数の波長λに対して約１／１００とする。

この場合、第１金属薄板９ａは例えばバッキング材２上に固着された図示しない圧電板上に導電性接着剤等によって接合した後、圧電板とともに一体的に切断・分割される。これにより、個々の圧電素子１上にそれぞれ第１金属薄板９ａが設けられる。その後、分割溝に充填材を埋設した後、コーティングや貼着によって二層とした音響整合層６が形成される。

このような構成であれば、発明の効果の欄でも記載するように、伝熱用の第１金属薄板９ａは圧電素子１の一端側から中心よりも他端側にまたがって当接し、いわば全面的に当接する（熱的に結合する）。したがって、電気機械変換による圧電素子１での発生熱を伝熱し易くし、第２金属薄板９ｂを経て放熱用基台８に放熱できる。そして、第１金属薄板９ａは生体に当接する圧電素子１の一主面側の熱を伝熱する。したがって、特に低温火傷に対して安全性を高める。

また、ここでは、第１金属薄板９ａの厚みは約３０μｍとするので、導電性接着剤の厚みを加味しても極めて薄い。したがって、送受波時の超音波は難なく透過するので、伝播損失を無視できる。この例では、超音波周波数を２．０ＭＨｚの低周波とするので、第１金属薄板９ａの厚みを相対的に小さくできる。

なお、現実的には超音波周波数の波長λに対して１／２０以下であれば、伝播損失を無視できる。したがって、第１金属薄板９ａの厚みをこの範囲内で大きくすれば、さらに伝熱効果を高められる。この点は、以降の実施形態でも同様である。

（第２実施形態）
第２図は本発明の第２実施形態を説明する超音波探触子の図で、同図（ａ）は短軸方向の断面図、同図（ｂ）は一部断面とした長軸方向の側面図、同図（ｃ）は製造時の平面図である。なお、前実施形態と同一部分の説明は省略又は簡略する。

第２実施形態では、圧電素子１の他主面側（バッキング材側）に熱伝導用の金属薄板９を設ける。すなわち、第２実施形態では、圧電素子１の他主面側（信号電極３ｂ）の一端側から中央を越えて他端側にまたがる第３金属薄板９ｃを奇数番目に、他端側から中央を越えて一端側にまたがる第４金属薄板９ｄを偶数番目に設ける。そして、圧電素子１の両端側から交互に第３及び第４金属薄板９（ｃｄ）を導出する。

バッキング材２及び放熱用基台８の両側面には絶縁性熱伝導材例えば熱伝導板１０が接着剤によって接合する。圧電素子１の両端側から交互に導出された第３及び第４金属薄板９（ｃｄ）は熱伝導板１０の上端側に固着される。また、熱伝導板１０の下端側にはフレキシブル基板４の先端側が固着される。そして、第３及び第４金属薄板９（ｃｄ）とフレキシブル基板４の信号線４ｂとが導線（Ａg等）１１によって接続される。

ここでは、例えばバッキング材２上に電極指９（ｍｎ）が交互に延出した一体化金属薄板９Ｘを圧電板１Ａの下面に導電性接着剤等によって接合する。そして、バッキング材２上に圧電板１Ａに接合した一体化金属薄板９Ｘを固着する。そして、圧電板１Ａとともに一体化金属薄板９Ｘを切断分割し、個々の圧電素子２及び各金属薄板９（ｃｄ）を得る。

このような構成であれば、第１実施形態と同様に、電極導出用の第３及び第４金属薄板９（ｃｄ）は圧電素子１の一端側（他端側）から中心よりも他端側（一端側）にまたがって当接し、いわば全面的に当接する（熱的に結合する）。したがって、電気機械変換による圧電素子１での発生熱を伝熱し易くし、熱伝導板１０経て放熱用基台８に伝熱できる。

そして、ここでは、例えばＡｌとした金属性の放熱用基台８と第３及び第４金属薄板９（ｃｄ）とを絶縁性熱伝導材（熱伝導板１０）を介在させて熱的にのみ結合して電気的には遮断される。したがって、第３及び第４金属薄板９（ｃｄ）は各圧電素子１の信号電極３ｂの導出用として伝熱用に兼用できる。

（第３実施形態）
第３図は本発明の第３実施形態を説明する超音波探触子の短軸方向の断面図である。なお、前実施形態と同一部分の説明は省略又は簡略する。

第３実施形態で圧電素子１の両主面（音響整合層及びバッキング材側）に熱伝導用の金属薄板９を設ける。すなわち、第３実施形態では、前第２実施形態と同様に、圧電素子１の他主面側（信号電極３ｂ）の一端側（他端）から中央を越えて他端側（一端側）にまたがる第３及び第４金属薄板９（ｃｄ）を交互に設ける。

第３及び第４金属薄板９（ｃｄ）は、圧電素子１の両端側から交互に導出し、両側面の絶縁性熱伝導材（第１熱伝導板）１０（ａｂ）に接合する。そして、第１実施形態と同様に、圧電素子１の一主面上に一端側から中央を越えて他端側にまたがる第１金属薄板９ａを設ける。第１金属薄板９ａは圧電素子１の一端側に導出した第３金属薄板９ｃ上に設けられた第２熱伝導板１０ｃに接合する。

このような構成であれば、第２実施形態と同様に、第３及び第４金属薄板９（ｃｄ）は圧電素子１の他主面側に全面的に当接して熱的に結合し、第１熱伝導板１０（ａｂ）を経て放熱用基台８に伝熱される。さらに、圧電素子１の一主面側においても第１金属薄板９ａが全面的に結合し、第１及び第２熱伝導板１０（ａｂｃ）を経て放熱用基台８に伝熱される。

したがって、電気機械変換による圧電素子１での発生熱を圧電素子１の両主面側に全面的に結合した第１及び第３、第４金属薄板９（ａｃｄ）によって伝熱するので、放熱用基台８に対する伝熱(放熱）効果をさらに高められる。

（他の事項）
上記実施形態では圧電素子１の信号電極３ｂは両端側から交互に導出したが、一端側からのみ導出した場合でも同様に適用できる。この場合、一主面側の金属薄板９ａは圧電素子１のアース電位面なので、放熱用基台８に対して直接に接合できる。また、絶縁性熱伝導材は熱伝導板１０としたが、絶縁性の熱伝導接着剤であってもよい。

本発明の第１実施形態を説明する超音波探触子の短軸方向の断面図である。 本発明の第２実施形態を説明する超音波探触子の図で、同図（ａ）は短軸方向の断面図、同図（ｂ）は一部断面とした長軸方向の側面図、同図（ｃ）は製造時の平面図である。 本発明の第３実施形態を説明する超音波探触子の短軸方向の断面図である。 従来例を説明する超音波探触子の図で、同図（ａ）は長軸方向の、同図（ｂ）は短軸方向の一部破断の断面図である。

１ 圧電素子、２ バッキング材、３ａ アース電極、３ｂ 信号電極、４ フレキシブル基板、４ｂ 信号線、５、１１ 導線、６ 音響整合層、７ 音響レンズ、８ 放熱用基台、９ 金属薄板、１０ 熱伝熱板。

Claims (3)

1. 駆動電極が両主面に形成された超音波発生用の圧電素子と、前記圧電素子の一主面側に形成された音響整合層と、前記圧電素子の他主面側に取着されたバッキング材と、前記バッキング材の下面に設けられた放熱用基台と、前記圧電素子の少なくともいずれかの主面と前記放熱用基台とを熱的に結合する伝熱用の金属薄板とを備えた超音波探触子において、前記伝熱用の金属薄板は前記圧電素子の一端側から中央を越えた他端側にまたがって面接合し、前記伝熱用の金属薄板は前記圧電素子の一主面側に面接合して前記放熱用基台に熱的に結合するとともに、前記伝熱用の金属薄板は前記圧電素子の他主面側にも面接合して前記駆動電極の電極導出を兼用しかつ前記放熱用基台に絶縁性熱伝導材を介在して熱的に結合したことを特徴とする超音波探触子。
2. 駆動電極が両主面に形成された短冊状圧電素子が面状に並んだ短冊状圧電素子群と、
   前記短冊状圧電素子の少なくともいずれかの主面に形成された伝熱用の金属薄板と、
   前記短冊状圧電素子群の一主面側に形成された音響整合層と、
   前記短冊状圧電素子群の他主面側に取着されたバッキング材と、
   前記バッキング材の下面に設けられた放熱用基台と、を備えた超音波探触子であって、
   前記伝熱用の金属薄板は、前記短冊状圧電素子と前記放熱用基台とを熱的に結合し、前記短冊状圧電素子の一端側から中央を越えた他端側にまたがって面接合し、
   隣り合う前記短冊状圧電素子に形成された前記伝熱用の金属薄板は分割され、
   前記伝熱用の金属薄板は、前記短冊状圧電素子における前記バッキング材と対向する主面に面接合し、前記駆動電極の電極導出を兼用し、前記放熱用基台に絶縁性熱伝導材を介在して熱的に結合したことを特徴とする超音波探触子。
3. 前記伝熱用の金属薄板には、前記短冊状圧電素子群の一端側からのみ導出して前記放熱用基台と熱的に結合する第１の伝熱用の金属薄板と、前記短冊状圧電素子群の他端側からのみ導出して前記放熱用基台と熱的に結合する第２の伝熱用の金属薄板と、があり、
   前記第１の伝熱用の金属薄板が形成された前記短冊状圧電素子と隣り合う前記短冊状圧電素子には前記第２の伝熱用の金属薄板が形成され、
   前記第２の伝熱用の金属薄板が形成された前記短冊状圧電素子と隣り合う前記短冊状圧電素子には前記第１の伝熱用の金属薄板が形成された、請求項２に記載の超音波探触子。