JP5865873B2 - 超音波探触子 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、超音波探触子及び圧電振動子に関する。

超音波探触子において、レンズ方向音場のサイドローブ低減、均一音場を目的とした送信音圧強度や受信感度を重み付けする技術がある。その方法の１つとして、レンズ方向に対して圧電素子の中央部から端部にかけて圧電素子の面積が密から疎になるように圧電素子の溝を形成する方法がある。この場合においてこれらの溝によって完全に圧電素子を分断してもよいし、完全に分断しなくてもよい。この方法では、圧電素子の溝にエポキシ樹脂等の樹脂材のみを充填していた。しかし、これらの構造では樹脂で充填した溝と圧電素子との熱膨張係数が異なる複合構造となる。そのため、圧電素子の保管時と発熱時との温度変化によって樹脂で充填した溝と圧電素子との膨張する度合いが異なり、圧電素子への応力や歪が生じ機械的な信頼性が悪化する。また、樹脂の粘りのため、圧電素子をアレイ方向に切削する際の切削負荷が増加し、圧電素子が破壊されやすい。その結果、圧電素子の歩留まりが悪化する。

特開２００３−９２８８号公報

目的は、加工時や使用時における圧電素子の破壊を防止することを可能とする超音波探触子を提供することにある。

本実施形態に係る超音波探触子は、第１の方向に沿って配列された複数の溝をそれぞれ有し、前記第１の方向に直交する第２の方向に沿って配列された複数の圧電素子と、前記複数の溝に充填される、非導電性の樹脂部材に略１０^−５ｋ^−１以下の熱膨張係数を有し分断による快削性のための非導電性の粒状体が混合されてなる混合部材と、を具備する。

本実施形態における超音波探触子の構成を示す斜視図。 図１の超音波探触子の２−２断面を示す図。 図１の超音波探触子の３Ａ−３Ａ断面を示す図。 図２及び図３Ａの超音波探触子の３Ｂ−３Ｂ断面を示す図。 図１の超音波探触子の製造工程における初期段階を示す図。 図１の超音波探触子の製造工程における溝加工を示す図。 図１の超音波探触子の製造工程における複合材の充填を示す図。 図１の超音波探触子の製造工程における研磨加工を示す図。 図１の超音波探触子の製造工程における電極形成を示す図。 図１の超音波探触子の製造工程における第１音響整合層の接着を示す図。 図１の超音波探触子の製造工程における第２音響整合層の接着を示す図。 図１の超音波探触子の製造工程におけるとフレキシブル配線板の接合を示す図。 図１の超音波探触子の製造工程における背面材の接合を示す図。 図１の超音波探触子の製造工程におけるアレイ化加工を示す図。 図１の超音波探触子の製造工程における音響レンズの接合を示す図。 図４Ａ〜図４Ｋとは異なる超音波探触子の製造工程における初期段階を示す図。 図４Ａ〜図４Ｋとは異なる超音波探触子の製造工程における溝加工を示す図。 図４の圧電振動子の他の形状を示す図。 超音波探触子の使用時における圧電素子の温度［℃］と、複合材の熱膨張係数率［％］と、圧電素子の最大主応力［ＭＰａ］とを示す図。 圧電素子の使用時の温度が６０［℃］の場合における、引張り最大主応力値［ＭＰａ］と熱膨張係数率［％］との関係を示す図。 非導電性フィラーの種類別の比重［ｋｇ／ｍ^３］、線熱膨張係数［ｋ^−１］、必要混合比率［ｗｔ％］を示す図。 超音波探触子から発生される超音波ビームのスライス方向の音場の強度と充填材の種類との関係を示す図。 超音波探触子から発生される超音波ビームの音場の強度［ｄＢ］と振動数［ＭＨｚ］の関係を充填材の種類別に示す図。 超音波探触子に印加する信号電圧［Ｖｐｐ］と時間［μｓｅｃ］との関係を充填材の種類別に示す図。 図９と同一の非導電性フィラーの比重［ｋｇ／ｍ^３］、線熱膨張係数［ｋ^−１］、必要混合比率［ｗｔ％］、限界混合比率［ｗｔ％］を示す図。

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は本実施形態における超音波探触子１０の構成を示す斜視図である。図１に示すように、超音波探触子１０は吸音性の背面材（バッキング材）２０を有している。背面材２０は矩形ブロック状に形成される。背面材２０の上部にはフレキシブル配線板（ＦＰＣ）３０を介して複数の圧電振動子４０が接合されている。

図２は、図１の超音波探触子１０の２−２断面を示す図である。図２に示すように、圧電振動子４０は、圧電素子４１と、圧電素子４１の上部に設けられたアース電極３２と、圧電素子４１の下部に設けられた信号電極３１とで構成されている。圧電素子４１は、短冊状に形成されている。複数の圧電素子４１各々は、アレイ方向に複数の隙間７１を空けて配列される。圧電素子４１は、超音波を送受信する。圧電素子４１の素材は、圧電セラミックや圧電単結晶である。信号電極３１とアース電極３２とは、銅箔などの金属箔で形成される。信号電極３１とアース電極３２とは、圧電素子４１に駆動電圧を印加する。

図３Ａは、図１の超音波探触子１０の３Ａ−３Ａ断面を示す図である。図３Ｂは、図２及び図３Ａの超音波探触子１０の３Ｂ−３Ｂ断面を示す図である。図３Ａ及び図３Ｂに示すように、圧電素子４１の上部にはレンズ方向に沿って配列される複数の溝が形成されている。各溝の方向は、アレイ方向に平行である。これら複数の溝のピッチ間隔は等間隔又はサイン関数に基づいて決められる。ここでピッチ間隔とは、図３Ａのｄで示す距離である。なお、サイン関数に基づいてピッチ間隔を決定するものとしたが、これに限定されるものではなく、例えばガウシアン関数等の他の関数を使用してもよい。

図３Ａ及び図３Ｂに示したレンズ方向に沿って配列される複数の溝には、複合材７０が充填される。複合材７０は、エポキシ樹脂等の非導電性の樹脂材にアルミナ粉末等の非導電性の粒状体（以下、非導電性フィラーと呼ぶ）が混合されてなる。樹脂材に非導電性フィラーを混入させることによって、複合材７０は、樹脂材に比べ研磨、切削、ダイシング等の加工がしやすくなる。すなわち、複合材７０は樹脂材に比べ快削性を有する。音響インピーダンスを考慮すると、複合材７０中に樹脂材と非導電性フィラーとがそれぞれ占める割合は、圧電素子４１の使用時の温度及び、圧電素子４１が耐えうる最大主応力値、複合材７０の比重、複合材７０の線熱膨張係数の少なくとも１つに基づいて決定される。具体的には、重量比にして樹脂材が４割程度、粒状体が６割程度、が望ましい。非導電性フィラーにはアルミナ粉末の他に、例えば、酸化ケイ素粉末、酸化イットリウム粉末、窒化アルミ粉末等が用いられる。非導電性フィラーの線熱膨張係数は、１０×１０^−６ｋ^−１＝１０^−５ｋ^−１以下である。なお、ｋ^−１は線熱膨張係数の単位であり、摂氏温度の逆数を示す。複合材７０の超音波ビームの音場強度分布及び音場強度の減衰、信号電圧と、時間との関係は、非導電性フィラーの種類に依らずほぼ一定である。これら粉末の粒径は、超音波ビームの反射を考慮すると送受信する超音波の波長の略８分の１以下であることが好ましい。

複数の信号電極３１は、フレキシブル配線板３０の複数の信号用配線３３にそれぞれ電気的に接続される。このような構成により、各圧電素子４１は、独立に駆動信号が印加され得る。

複数の圧電振動子４０の上部には、複数の音響整合層５０がそれぞれ設けられている。つまり、図２に示すように、各音響整合層５０と各圧電素子４１とは、対になって配置されている。音響整合層５０は、被検体と圧電素子４１との音響インピーダンスの違いによる超音波の反射を抑える役目をする。

音響整合層５０は、第１音響整合層５２と第２音響整合層５３とを備える。多層の音響整合層により、音響インピーダンスが圧電素子４１から被検体に向かって段階的に変化する。

第１音響整合層５２は導電性材料により形成される。第１音響整合層５２の下部はアース電極３２を介して圧電素子４１と電気的に接続される。第１音響整合層５２の上部は第２音響整合層５３と接合される。第２音響整合層５３は絶縁性材料により形成される。複数の第２音響整合層５３の上部には音響レンズ６０が設けられる。

音響レンズ６０は、生体に近い音響インピーダンスを有するシリコーンゴム等を素材としたレンズであり、超音波ビームを集束させ、レンズ方向の分解能を向上させる。

図２に示したアレイ方向に並列して形成された複数の隙間７１にはエポキシ樹脂等の樹脂材（非導電性接着剤）が充填される。

図３Ａ及び図３Ｂに示すように、フレキシブル配線板３０は２層構造をしている。第１層のフレキシブル配線板（第１層のＦＰＣ）にはアース用配線３４が設けられている。第１層のフレキシブル配線板の先端部は、アース取り出し電極３５の下端部側方に一体形成される。アース用配線３４とアース取り出し電極３５とは電気的に接続される。アース取り出し電極３５は導電性材料からなる第１音響整合層５２の側面に設けられ、電気的に接続されている。第２層のフレキシブル配線板（第２層のＦＰＣ）にはアレイ方向に関して所定間隔で並べられた複数の信号用配線３３が設けられている。第２層のフレキシブル配線板の先端部は、上述のように背面材２０と圧電素子４１との間に配置される。信号電極３１と信号用配線３３とは電気的に接続されている。アース電極３２と信号電極３１とには、所定電圧が印加される。

なお、第２音響整合層５３は非導電材料で形成するとしたが、第２音響整合層５３を導電材料で形成し、第２音響整合層５３とアース取り出し電極３５とを電気的に接続してもよい。

次に上記のように構成された超音波探触子１０の製造工程を説明する。
図４Ａ〜図４Ｋは本実施形態における超音波探触子１０の製造工程を説明するための図である。まず図４Ａに示すように、圧電体ブロック（圧電材料）４３を用意する。次に、図４Ｂに示すように圧電体ブロック４３に対してアレイ方向に沿って平行に複数の溝を形成する。この溝加工は、上述した超音波ビームを重み付けするための加工である。複数の溝は、所望の関数に基づく幅及びピッチ間隔で形成される。複数の溝は、圧電体ブロック４３を貫通せず、中途まで形成される。この溝加工された圧電体ブロック４３は圧電素子４１となる。次に図４Ｃに示すように、圧電素子４１の複数の溝に複合材７０を注入する。次に、図４Ｄに示すように、所望の周波数特性を得られるように圧電素子４１の凸部の上表面を露出させる。この露出をする際、結果的に複合剤７０は研磨されるわけだが、複合材７０は、非導電性フィラーを含むために樹脂材特有の粘りが抑えられ、研磨がしやすい。次に、図４Ｅに示すように、金等のメッキ又はスパッタを圧電素子４１に施すことによって、第１の電極３６を圧電素子４１の下部全体に、第２の電極３７を圧電素子４１の上部全体に形成する。その後、第１の電極３６と第２の電極３７とに所定の電圧を印加する。こうして圧電振動子４０が得られる。

このようにして圧電振動子４０が得られたら、図４Ｆに示すように、圧電振動子４０の上部に第１音響整合材料５４等をエポキシ接着剤等で接着し、第２の電極３７上に第１音響整合材料５４を電気的に接合する。次に、図４Ｇに示すように、第１音響整合材料５４の上部に第２音響整合材料５５を接合する。次に、図４Ｈに示すように、第１の電極３６にフレキシブル配線板３０を接合し、信号用配線３３と第１の電極３６とを電気的に接合する。

次に、図４Ｉに示すように、圧電振動子４０に接合されたフレキシブル配線板３０の下部に背面材２０を接合する。次に、図４Ｊに示すように、アレイ方向に沿って圧電振動子４０、第１音響整合材料５４、第２音響整合材料５５、第１の電極３６、第２の電極３７、フレキシブル配線板３０を第２音響整合材料５５の方からダイシング加工する。ダイシング加工により、圧電振動子４１、第１音響整合材料５４、第２音響整合材料５５、第１の電極３６、第２の電極３７、フレキシブル配線板３０がアレイ方向に沿って一定の間隔でそれぞれ複数の圧電素子４１、第１音響整合層５２、第２音響整合層５３、信号電極３１、アース電極３２に完全に分離され、これらの間には隙間７１が形成される。このダイシング加工時に圧電素子４１に充填されている複合材７０も分断されることになるが、複合材７０の快削性のために圧電素子４１は破壊されにくい。この段階で生じた各圧電振動子４０及び各音響整合層５０の間にある複数の隙間７１には、非導電性の樹脂材が充填される。

次に、図４Ｋに示すように、第２音響整合層５３の上部に音響レンズ６０を接合し、第１音響整合層５２の側方に導電性接着剤でアース取り出し電極３５を接合し、アース取り出し電極３５とフレキシブル配線板３０上のアース用配線３４とを電気的に接続する。これにより超音波探触子１０が完成する。

また、超音波探触子１０の製造工程は、図４Ａ〜図４Ｋに示した製造工程だけに限らない。以下、図５Ａ〜図５Ｂを参照しながら、一例として、圧電体ブロック４３の上部と下部に電極を形成した後に、圧電体ブロック４３に複数の溝を形成する方法による超音波探触子の製造工程を説明する。

まず、図５Ａに示すように、金等のメッキあるいはスパッタにより、圧電体ブロック４３の下部に形成された第１の電極３６と上部に形成された第２の電極３７とに所定の電圧を印加する。次に図５Ｂに示すように、アレイ方向に沿って第２の電極３７側から圧電体ブロック４３に、所望の関数に基づく幅及びピッチ間隔ｄで複数の溝を形成する。この溝加工は、図４Ｂと同様で超音波ビームを重み付けするために行われる。これにより、第２の電極３７はアレイ方向に沿って分断され、圧電振動子４０を得る。

図５Ｂの後は、図４Ｆ〜図４Ｋと同様の工程で超音波探触子１０は製造される。従って、この後の説明は省略する。図４Ｊにおいてアレイ方向に沿ってダイシング加工する際、圧電素子４１に充填されている複合材７０も分断されるわけだが、複合材７０の快削性のために樹脂特有の粘りが抑えられ、ダイシング加工しやすい。

なお、図６は、圧電素子４１の他の形状を示す図であるが、図６のように、複数の溝を形成するのでなく、圧電素子４１を複数の素子に分断してもよい。また、図４Ｊの工程において、隙間７１には樹脂材でなく複合材７０を充填しても構わない。

複合材７０の熱膨張係数は樹脂材の熱膨張係数の約１／３程度である。そのため、超音波探触子１０の使用時における複合材７０の熱膨張による圧電素子４１への応力は、樹脂材の熱膨張による圧電素子４１への応力に比べ小さくなる。超音波探触子１０の使用時や加工時には、圧電振動子４０が発熱する。圧電振動子４０が発熱することにより、圧電素子４１と複合材７０とは熱をもつが、圧電素子４１と複合材７０とは熱による膨張の度合いが近いので、複合材７０の熱膨張による圧電素子４１への応力や歪は生じにくい。

図７は、超音波探触子１０の使用時における圧電素子４１の温度［℃］と、樹脂材の線熱膨張係数を１００とした場合の複合材７０の線熱膨張係数（以下、熱膨張係数率［％］と呼ぶ）と、圧電素子４１の最大主応力（引張り最大主応力と圧縮最大主応力）［ＭＰａ］とを示す図である。図７に示すデータは、ＦＥＭ（有限要素法）解析によって得られた。ＦＥＭ解析では、圧電素子４１の上下方向の厚さを２００μｍ、圧電素子４１に形成された上下方向の溝の深さを１００μｍとした。本実施形態に係る圧電素子４１が破壊されずに耐えうる最大主応力値の上限値は、略８０ＭＰａである。安全性のために使用時の温度は６０℃以下にするよう要請されている。そこで、使用時における温度の上限値は、６０℃であるとする。図７に示すように、温度が６０℃の時、熱膨張係数率７０％の複合材７０が充填された圧電素子４１に加わる引張り最大主応力は、８１．９ＭＰａとなる。この場合、圧電素子４１は、破壊される。同様に、温度が６０℃の時、熱膨張係数率３０％の複合材が充填された圧電素子４１に加わる引張り最大主応力は、４６．１［ＭＰａ］となる。この場合、圧電素子４１は、破壊されない。図７のデータは、熱膨張係数率が低いほど最大主応力は小さいことを示す。なお、８０ＭＰａを超える部分は、斜線で示される。図７のデータは、温度が低いほど最大主応力は小さいことを示す。なお、引張り最大主応力値の方が圧縮最大主応力値よりも大きいので、以下、引張り最大主応力値のみ考慮する。

図８は、使用時の温度が６０℃の場合における、引張り最大主応力［ＭＰａ］と熱膨張係数率［％］との関係を示す図である。図８に示すように、６０℃加熱時に圧電素子４１が破壊されないためには、熱膨張係数率が略７０％以下でなければならない。

図９は、非導電性フィラーの種類別の比重［ｋｇ／ｍ^３］、線熱膨張係数［ｋ^−１］、必要混合比率［ｗｔ％］を示す図である。ここでは、非導電性フィラーとして、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、ジルコニア（ＺｒＯ₂）、酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）、酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）が例示されている。図９に示すように、各非導電性フィラーは、１０×１０^−６ｋ^−１以下の線熱膨張係数を有する。必要混合比率［ｗｔ％］とは、熱膨張係数率を７０％にするための、複合材７０に対する非導電性フィラーの重量比［ｗｔ％］である。各非導電性フィラーの必要混合率は、３０ｗｔ％以上である。つまり、図８と図９との関係から、非導電性フィラーの種類に関係なく、非導電性フィラーの重量比が３０ｗｔ％以上の複合材７０を溝に充填させれば、使用時における複合材７０の熱膨張によって圧電素子４１が破壊されることはない。重量比が３０ｗｔ％以下であれば、使用時に圧電素子４１が破壊される危険性がある。すなわち、重量比３０ｗｔ％は、非導電性フィラーの重量比の下限である。

重量比が高ければ高いほど、音場の強度分布は理想から逸れる。音場の強度分布は、非導電性フィラーの粒径や複合材の比重により変化するのであり、非導電性フィラーの種類によっては変化しない。また、樹脂材に混入することができる非導電性フィラーの量には上限値がある。アルミナのこの上限値は、重量比にして６０数ｗｔ％である。

樹脂材にアルミナを重量比にして４：６で混入させた複合材（以下、アルミナ複合材と呼ぶ）から発生される超音波ビームの特性について説明する。以下に挙げる図１０、図１１、図１２のデータはシミュレーションの結果得られたものである。図１０は、超音波探触子から発生される超音波ビームのスライス方向の音場の強度と溝に充填させる部材の種類との関係を示す図であり、縦軸は音場の強度、横軸はスライス方向距離である。なお、それぞれの充填材での音圧のピーク位置は揃えてある。

図１０に示す実線はアルミナ複合材、点線は樹脂材、一点鎖線は空気（溝に何も充填させない）の超音波探触子１０から発生される超音波ビームの音場の強度を表わす。二点鎖線は音場強度の理想的な関数（重み関数）を表わす。アルミナ複合材を充填した超音波探触子１０から発生される超音波ビームは、樹脂材のみを充填した超音波探触子１０と何も充填しない超音波探触子１０とから発生される超音波ビームの音場の強度分布とほとんど変わらない。

図１１は、超音波探触子１０から発生される超音波ビームの音場の強度［デシベル、ｄＢ］と振動数［ＭＨｚ］の関係を充填材の種類別に示す図である。

また、図１２は、超音波探触子１０に印加する信号電圧［Ｖｐｐ］と時間［μｓｅｃ］との関係を充填材の種類別に示す図である。図１０、図１１、図１２に示すように、アルミナ複合材を充填した超音波探触子１０から発生される超音波ビームは、樹脂材のみ充填した超音波探触子１０や何も充填しない超音波探触子１０から発生される超音波ビームと略同等の特性を備えているので、複合材７０を使用した場合でも超音波探触子１０の超音波ビームの特性の変化はほとんどない。

アルミナを重量比６０ｗｔ％で樹脂材に混合してなる複合材７０の比重は、２．８２ｋｇ／ｍ^３である。比重２．８２ｋｇ／ｍ^３は、圧電素子４１の比重の略１／３倍である。

図１３は、図９と同一の非導電性フィラーの比重［ｋｇ／ｍ^３］、線熱膨張係数［ｋ^−１］、必要混合比率［ｗｔ％］、限界混合比率［ｗｔ％］を示す図である。限界混合比率［ｗｔ％］とは、複合材７０の比重が２．８２ｋｇ／ｍ^３の場合の非導電性フィラーの重量比である。換言すれば、樹脂材に混入可能な非導電性フィラーの重量比の上限値である。図１３に示すように、例えばアルミナの場合、重量比３３〜６０ｗｔ％程度であれば、音場の強度分布や使用時における圧電素子４１の破壊等に関する問題はない。

上記のように、複合材７０の非導電性フィラーの重量比は、圧電素子４１の使用時の温度、圧電素子４１が耐えうる主応力値、複合材７０の比重等に基づいて決定される。この様にして重量比が決定されることで、超音波音場の乱れを抑えつつ、温度上昇に伴う複合材７０の膨張による圧電素子４１の破壊防止が実現される。

かくして本実施形態によれば、加工時や使用時における圧電素子の破壊を防止することが可能となる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１０…超音波探触子、２０…背面材、３０…フレキシブル配線板、３１…信号電極、３２…アース電極、４０…圧電振動子、４１…圧電素子、５０…音響整合層、５２…第１音響整合層、５３…第２音響整合層、６０…音響レンズ、７０…複合材。

Claims (7)

1. 第１の方向に沿って配列された複数の溝をそれぞれ有し、前記第１の方向に直交する第２の方向に沿って配列された複数の圧電素子と、
   前記複数の溝に充填される、非導電性の樹脂部材に略１０^−５ｋ^−１以下の熱膨張係数を有し分断による快削性のための非導電性の粒状体が混合されてなる混合部材と、
   を具備する超音波探触子。
   
2. 前記樹脂部材と前記粒状体との混合比率は、前記圧電素子の温度、前記圧電素子が耐えうる応力値、前記混合部材の比重、前記混合部材の熱膨張係数の少なくとも１つに基づいて決定される、
   ことを特徴とする請求項１記載の超音波探触子。
3. 前記混合部材の比重は、前記圧電素子の比重の略１／３以下である、
   ことを特徴とする請求項１記載の超音波探触子。
4. 前記混合部材の熱膨張係数は、使用時における前記混合部材の温度に基づいて決定される、
   ことを特徴する請求項１記載の超音波探触子。
5. 前記混合部材は、前記混合部材が熱膨張した場合でも前記圧電素子を破壊できない程度の応力を発生する熱膨張係数を有する、
   ことを特徴とする請求項１記載の超音波探触子。
6. 前記粒状体の粒径は、前記圧電素子が送受信する超音波の波長の略１／８以下である、
   ことを特徴とする請求項１記載の超音波探触子。
7. 前記複数の溝は、前記第１の方向に関する中央部から端部へいくに従って送受信される超音波強度が弱くなるように前記圧電素子各々に形成される、
   ことを特徴とする請求項１記載の超音波探触子。

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