JPH06194348A

JPH06194348A - 音響レンズ加工法

Info

Publication number: JPH06194348A
Application number: JP4357541A
Authority: JP
Inventors: Yukihiko Sawada; 之彦沢田; Katsuhiro Wakabayashi; 勝裕若林
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1992-12-24
Filing date: 1992-12-24
Publication date: 1994-07-15

Abstract

(57)【要約】【目的】中心部厚さに代表されるレンズの形状精度お
よびそその再現性が高い高品質な音響レンズを多品種に
渡り生産する。【構成】音響整合層の表面２に音響レンズと同一な材
料から成る樹脂層１５を形成する。次に、表面２上にエ
ポキシ樹脂５を吐出する。その後、レンズ型６を樹脂層
１５に密接してエポキシ樹脂５を硬化させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波断層像を得てこ
れにより診断を行う体腔内超音波診断装置や、材料中に
存在する欠陥等を非破壊で検査する装置等に関し、詳し
くは送受信用超音波トランスデューサ用音響レンズの製
造法に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波内視鏡・探傷機は、超音波トラン
スデューサから発振した超音波ビームを走査し、内蔵の
内壁・病変部等や、材質内の構造欠陥により反射された
超音波を再度超音波トランスデューサで受信し、この情
報を処理する事により物体内の欠陥に関する情報や超音
波断層像を得る。

【０００３】上記の超音波トランスデューサは、一般に
圧電セラミックスを用いて構成されており、その表面に
形成された電極を使用して圧電セラミックスに高周波の
電圧パルスを印加して圧電セラミックスを急速に変形さ
せ、超音波パルスを発振させる。発振された超音波パル
スは、音響整合層および音響レンズ層を経て外部に放射
される。この時、レンズ層によって超音波パルスは集束
される。

【０００４】近年、超音波ビームの走査を連続かつ円滑
に行うこと、分解能向上・測定深度の自由度拡張のため
複数種の周波数・焦点距離を１本の内視鏡で使用するこ
と等を目的として、複数個の超音波トランスデューサを
実装することが行われている。これらに対応するため
に、非常に多くの形式の超音波トランスデューサが必要
とされている。その例として、動作周波数としては、数
ＭＨ_Z〜数十ＭＨ_Zの範囲で数種の周波数が必要とさ
れ、またその大きさとしては外径が数ｍｍ〜数十ｍｍを
もつものが観測対象により使い分けられている。このた
め音響レンズは、超音波トランスデューサの大きさ・動
作周波数・焦点距離の変更を反映し、種々の形状が必要
とされることとなる。このため、これらを高精度に安定
して生産する手法が求められている。

【０００５】従来、上記音響レンズの加工法として、例
えば特開平３−１８６２５５号公報に記載される様に、
平板状の樹脂部材を圧電素子の全面に接合した後、これ
を切削加工して凹面状の音響レンズを形成している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかるに、前記特開平
３−１８６２５５号公報に記載される平板の樹脂部材を
接合した後に、これを切削加工により凹球面等の曲面に
加工するレンズ形成法には以下の様な欠点がある。すな
わち、切削加工時に発生する応力により、レンズ層内に
マイクロクラックが発生する。また、上記と同様な理由
により、レンズ・圧電素子間へ剥離が発生する。さら
に、切削加工により形成する加工面は鏡面とはならず、
感度のロス・近距離音場の微妙な乱れが生じる等によ
り、性能の低下，バラツキおよび信頼性の低下等が発生
するとともに、これらの起因により製造コストが上昇す
る。

【０００７】因って、本発明は、前記従来技術における
欠点に鑑みて開発されたもので、信頼性に優れ、高性能
な音響レンズを容易かつ安定して形成することのできる
音響レンズ加工法の提供を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、超音波トラン
スデューサの音響放射面に、厚さが音響レンズ中心部の
厚さにほぼ等しく音響レンズと同一材質樹脂から成る厚
さ規制部材を形成した後、前記音響放射面に音響レンズ
の樹脂材料を吐出し、レンズ型の中心部を前記厚さ規制
部材表面に密接させた状態で樹脂を硬化させ、樹脂硬化
後にレンズ型と超音波トランスデューサとを分離して音
響レンズが一体に形成されたレンズ付き超音波トランス
デューサを得る方法である。

【０００９】

【作用】本発明では、厚さ規制部材の厚みにより、型と
トランスデューサの間のクリアランスの設定が行われ
る。これにより、規制部材の厚みがレンズ厚を規定す
る。

【００１０】

【実施例１】図１〜図５は本実施例を示し、図１は一部
を破断した斜視図、図２〜図５は製造工程を示す側面図
である。

【００１１】超音波トランスデューサ１は、図１に示す
様に、その両面に表面電極１２・裏面電極１３が形成さ
れた圧電セラミックス１１と、圧電セラミックス１１の
表面に接合または形成された１層以上の音響整合層１０
と、圧電セラミックス１１の裏面に接合または形成され
た背面制動材１４と、上記の各要素を収めた円環状のス
テンレス等からなる金属製筐体１７が構成されている。
上記表面電極１２は金属製筐体１７を経てＧＮＤ側配線
１８に接続され、裏面電極１３は信号側配線１９と接続
されている。

【００１２】上記の両配線１８，１９を経て、パルサ
（図示しない）から圧電セラミックス１１に高周波の電
圧パルスを印加して圧電セラミックス１１を急速に変形
させ、超音波パルスを発振させる。発振された超音波パ
ルスは、音響整合層１０を経て、その表面に形成される
音響レンズ７を介して外部に放射される。

【００１３】音響レンズ７の形成は以下の様に行う。超
音波トランスデューサ１の音響整合層１０の表面２に、
図２に示す様に、形成する音響レンズと同一の材料から
なる樹脂層１５をスクリーン印刷法により直接形成す
る。樹脂層１５の大きさは、音響整合層１０の中央部の
みを覆う大きさでよい。本実施例においては、樹脂層１
５の材質としてエポキシ樹脂を使用した。

【００１４】その後樹脂を硬化させ、厚さ規制部材とし
ての樹脂層１５を得る。樹脂層１５の厚さｔは、周波数
が１２ＭＨ_zを対象として、レンズが形成された後に６
０μｍとなる様にするため、５５μｍとした。なお一般
に、レンズを形成する樹脂の種類や周波数に応じて、こ
の樹脂層１５の厚さは音響レンズ７中心部の厚さよりも
数μｍ〜１０μｍ薄くする。樹脂層１５を形成すべき音
響レンズ７中心部の厚さより薄くすることは、後述する
ように、樹脂層１５とレンズ型６の間で、レンズ用樹脂
の注型・硬化を行うため、樹脂層１５とレンズ型６との
間に存在する液状樹脂の厚さをキャンセルすることをそ
の目的とする。

【００１５】樹脂の厚さは、樹脂の物性とレンズ型６と
の形状および押付圧により定まる。音響レンズの材料と
して粘性係数が３００００ｃｐｓクラスのエポキシ樹脂
を用い、Ｒ２０の球面型を５Ｎ（ニュートン）で押し当
てた場合、５μｍ薄くすることが必要であった。樹脂層
１５を形成した音響放射面である表面２上に、図３に示
す様に、レンズの材料であるエポキシ樹脂５を吐出す
る。吐出量は、レンズを形成するために必要な樹脂体積
から上記樹脂層１５の体積を引いた量と同一とする。

【００１６】樹脂吐出後、図４に示す様に、レンズ型６
の中心部を上記樹脂層１５表面に密接させる。レンズ型
６は、その表面にフッ素樹脂がコーティングされたステ
ンレス鋼製の凸球面であり、高剛性であると同時に離型
性が高められている。またレンズ型６の位置は、その中
心線が超音波トランスデューサ１のそれと一致してい
る。エポキシ樹脂５はその粘性と表面張力により、外周
面を規制する型を必要とせず、レンズ型６と音響放射面
の表面２との間に保持され、外周面にあふれでない。

【００１７】この状態でエポキシ樹脂５を硬化させる。
硬化は、室温程度の温度下で行い、硬化が進んで固体状
となった後に、８０℃以上の高温で後硬化される。後硬
化時の樹脂収縮により、型との離型性が高まる。この樹
脂の収縮変形は、例えば動作周波数が１２ＭＨ_zの超音
波トランスデューサを作製する場合、１μｍ程度であり
音場に影響を及ぼすレベルではなかった。

【００１８】このとき、型の押し付け圧が例えば１０Ｎ
（ニュートン）以上の様に高過ぎると、上記樹脂層１５
及び圧電セラミックス１１に変形や樹脂硬化後の残留応
力の発生等が生じ、好ましくない。樹脂硬化後、図５に
示す様に、レンズ型６と超音波トランスデューサ１とを
分離することにより、音響レンズ７が一体に形成された
レンズ付き超音波トランスデューサ８が形成される。

【００１９】上記の手法において、樹脂層１５上端面が
レンズ型６位置の規制作用をもち、レンズ型６と超音波
トランスデューサ１の間のクリアランスの設定を行う。
よって、樹脂層１５の厚さがレンズ厚を規定する。

【００２０】本実施例によれば、事前に形成された樹脂
層がレンズの厚さを規定する型の作用の一部を受け持つ
ため、レンズ型の形状はレンズ表面形状である球面・非
球面等のみと単純になる。このため、生産が予想される
最大の超音波トランスデューサに関して充分な大きさを
持つ型を使用する事により、より小型のトランスデュー
サについても同一の設備で対応できる。また、樹脂層の
厚さを変更するのみで、全く同一の型で、発振周波数の
異なる複数種のトランスデューサの生産にも対応可能で
ある。さらに、レンズの厚さ方向に関しては、厳密な型
位置合わせの工程を省略することができるため、加工工
程が簡略化される。

【００２１】同様な理由により、Ｒ等のレンズの形状変
更には、上述したように単純な形状であるレンズ型を変
更するのみで対応でき、焦点距離が異なる複数種のトラ
ンスデューサの生産にも有効である。以上の理由によ
り、大きさ・発振周波数・焦点距離等の変更等による、
多種生産への適応性が非常に高い。

【００２２】尚、本実施例中で示した音響整合層１０お
よび背面制動材１４は、本工程の前工程において必ずし
もこれを設けなくてもよい。また、本実施例では樹脂の
材質としてエポキシ樹脂を用いたが、本発明はこれに限
定するものではなく、フェノール樹脂やシリコーンゴム
等を用いてもよい。

【００２３】また、型はガラス・セラミックス等の高硬
度の材質に離型性を持たせたものを用いても良く、また
硬質ポリエチレン・フッ素樹脂等の離型性が高い材質に
よって構成してもよいことは、言うまでもない。同様に
その形状も凸球面に限定されるものではなく、放物面に
代表される非球面や、ホログラフィックな凹凸面等も可
能である。また、５０ＭＨ_z以上等の高周波・短波長に
対応する場合は、上述した樹脂の収縮が音場に影響を及
ぼす可能性があるので、型の形状を、樹脂の収縮による
変形を見込んで設計する必要がある。

【００２４】

【実施例２】本実施例では、前記実施例１と同様に図１
〜図５を用いて説明する。なお、図６は本実施例の変形
例を示す側面図である。

【００２５】本実施例においては、樹脂層１５は別途形
成されたフィルム状の樹脂を、トランスデューサの音響
整合層表面に接合して形成する。材質は、音響レンズと
同一のエポキシ樹脂とし、その形状は、前記実施例１と
同様に音響接合層１０の中央部のみを覆う大きさである
が、φ８ｍｍ程度の超音波トランスデューサに対してφ
１ｍｍ以下と極力小さくした。またその形成には、エポ
キシ樹脂板材の精密研削を用いた。接合には、エポキシ
接着剤・嫌気性接着剤等を用い、特に粘性係数が５００
ｃｐｓクラスの低粘性係数の接着剤を使用して、接合層
の厚さを数μｍ以下と極力薄くした。

【００２６】本実施例によれば、前記実施例１の効果に
加え以下の様な効果をもつ。音響レンズ用樹脂は、トラ
ンスデューサの音響整合層と樹脂層の両者の表面に形成
される。この２者のうち、樹脂層は音響レンズと同一の
材質で形成されているため、両者の付着性は極めて高
い。また樹脂層は、接着剤により上記音響放射面に接合
されており、この両者の接合性も高い。このため、樹脂
層のアンカー効果により、音響整合層と音響レンズの接
合強度が高まることとなる。よって音響レンズ用樹脂と
して音響整合層との付着性が低い樹脂を選択することも
可能となり、樹脂選択の範囲が広がる。

【００２７】この時、上記の様に樹脂層の形状を小さく
することにより、接着層が超音波トランスデューサの音
場特性に及ぼす影響は、事実上無視してよいレベルとな
る。以上により、音響特性・耐環境性等を重視した樹脂
の選定が可能になり、高性能なトランスデューサを実現
できる。

【００２８】尚、本実施例では、凹面を形成する場合に
ついてのみ説明したが、音響放射面上に平板状の樹脂層
ではなく、図６に示す様に樹脂突起２３を接合し、これ
に凹面のレンズ型４の頂部を密接する様に工程の一部を
変更することにより、凸型の音響レンズを形成すること
も可能である。

【００２９】

【実施例３】図７〜図１３は本実施例を示し、図７〜図
１２は製造工程を示す斜視図、図１３は使用状態を示す
斜視図である。本実施例は、基本的には前記実施例１と
同様であり、差異について述べる。

【００３０】本実施例においては、図７に示す様に、超
音波トランスデューサ９は方形の板状部材を積層するこ
とにより構成されている。これを形成する各層は、それ
ぞれ音響整合層・圧電セラミックス１１・背面制動材１
４である。圧電セラミックス１１の表裏面にはその側面
まで回り込む電極が構成され、それぞれ表面電極１２・
裏面電極１３となっている。

【００３１】上記超音波トランスデューサ９の音響放射
面に、図８に示す様に、音響レンズと同一の樹脂層１５
を形成する。形成の手法は、前記各実施例で説明した様
なスクリーン印刷法による直接形成またはフィルム状の
樹脂の接合の両者が可能である。本実施例においては、
図９に示す様に、レンズ型６の形状を円柱状とし、レン
ズ型６の中心部を上記樹脂層１５表面に密接させる。ま
た、レンズ型６の位置は、その中心線が超音波トランス
デューサのそれと一致している。

【００３２】樹脂硬化後、図１０に示す様に、レンズ型
６とトランスデューサ９とを分離する。分離後、図１１
に示す様に、トランスデューサ９を所定の幅に裁断２０
することにより、音響レンズ７が一体に形成されたレン
ズ付き超音波トランスデューサ２１が形成される。レン
ズ付き超音波トランスデューサ２１形成後、図１２に示
す様に、表裏面電極１２，１３の側面に回り込んだ部分
にＧＮＤ側配線１８および信号側配線１９を接続するこ
とにより動作可能となる。使用時には、図１３に示す様
に、筐体１７に実装する。

【００３３】本実施例によれば、方形の板状部材を積層
することにより構成されているトランスデューサについ
ても、高性能の音響レンズを形成できる。

【００３４】尚、本実施例の手法を用いて、アレイ型等
への適用も可能になる。また、本実施例においては裁断
する場合についてのみ触れたが、大型の方形超音波トラ
ンスデューサが必要な場合は、裁断を省略することがで
きることは言うまでもない。

【００３５】

【実施例４】図１４〜図１６は本実施例の製造工程を示
す側面図である。本実施例は、基本的には前記各実施例
と同様であり、差異について述べる。本実施例では、前
記実施例１と同様に、樹脂層を厚さ規制部材として使用
し、上記樹脂層形成後に同一の樹脂を吐出・硬化させ
る。

【００３６】本実施例においては、図１４に示す様に、
レンズ型６に高密度ポリエチレン樹脂のシート１６を密
着させたものを、音響レンズ注型用の型として使用す
る。上記樹脂シート１６の表面は接着性が低いので、レ
ンズ用樹脂５と接触する表面は、コロナ放電により事前
に接着性を高めた。また、超音波トランスデューサを構
成している音響整合層は、音響インピーダンスが比較的
高い物質であるマシナブルセラミックスとし、また音響
レンズ用樹脂５は、硬化後の音響インピーダンスが中程
度の物質である硬質のエポキシ樹脂等とした。

【００３７】レンズ用樹脂５を超音波トランスデューサ
の音響放射面の表面２上に供給した後、図１５に示す様
に、上記の音響レンズ注型用の型を密接させ、そのまま
の状態で樹脂を硬化させる。樹脂硬化後にレンズ型６と
トランスデューサ１とを分離したとき、樹脂シート１６
は型から離れ、音響レンズ７側に固着される。この後、
図１６に示す様に、トランスデューサ１の外形からはみ
出した余剰の樹脂シート２２を除去する。以上により、
音響レンズ表面に軟質の樹脂層が一体に形成された、レ
ンズ付き超音波トランスデューサ８が形成される。

【００３８】上記によりレンズ表面に形成された低イン
ピーダンスの樹脂シートからなる樹脂層は、音響整合層
として作用する。

【００３９】本実施例によれば、多層の音響整合層をも
つレンズ付き超音波トランスデューサ８が形成される。
これにより、高ゲイン・広帯域な超音波トランスデュー
サを実現できる。また、型と樹脂との間に樹脂シートを
介在させたため、型と樹脂との離型性を考慮する必要が
なくなる。このため、型の材質選定の自由度が広がると
ともに、型表面の劣化が事実上全くなくなり、形成され
るレンズの形状精度・再現性が向上するとともに、型の
耐久性が向上する。

【００４０】尚、本実施例においては、樹脂のシートと
して高密度ポリエチレンを使用したが、低密度ポリエチ
レン・ポリミド・ポリウレタン等の軟質で音響インピー
ダンスが比較的低い樹脂を使用することも可能である。
また、音響整合層の材質としては、上述の他に、フィラ
ーの重点密度を高めたエポキシ樹脂・セラミックス・ガ
ラス等の音響インピーダンスが比較的高い物資が、また
音響レンズ用樹脂としては、上述の他にフェノール樹脂
等の音響インピーダンスが中程度の物質が使用可能であ
る。さらに、本実施例においては音響整合層が３層の場
合について触れたが、材質の構成を変えることにより、
４層等の他の積層数についても対応できることは言うま
でもない。

【００４１】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明に係る音響レ
ンズ加工法によれば、中心部厚さに代表されるレンズの
形状精度およびその再現性が高い高品質な音響レンズ
を、多品種に渡って生産できる手法を実現できる。これ
により、高感度・高品質な超音波トランスデューサを容
易に形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１を示す斜視図である。

【図２】実施例１を示す側面図である。

【図３】実施例１を示す側面図である。

【図４】実施例１を示す側面図である。

【図５】実施例１を示す側面図である。

【図６】実施例２の変形例を示す側面図である。

【図７】実施例３を示す斜視図である。

【図８】実施例３を示す斜視図である。

【図９】実施例３を示す斜視図である。

【図１０】実施例３を示す斜視図である。

【図１１】実施例３を示す斜視図である。

【図１２】実施例３を示す斜視図である。

【図１３】実施例３を示す斜視図である。

【図１４】実施例４を示す側面図である。

【図１５】実施例４を示す側面図である。

【図１６】実施例４を示す側面図である。

【符号の説明】

１超音波トランスデューサ２音響整合層表面５エポキシ樹脂６レンズ型７音響レンズ８音響レンズ付きトランスデューサ１０音響整合層１１圧電セラミックス１２表面電極１３裏面電極１４背面制動材１５樹脂層１７金属性筐体１８ＧＮＤ側配線１９信号側配線

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超音波トランスデューサの音響放射面
に、厚さが音響レンズ中心部の厚さにほぼ等しく音響レ
ンズと同一材質樹脂から成る厚さ規制部材を形成した
後、前記音響放射面に音響レンズの樹脂材料を吐出し、
レンズ型の中心部を前記厚さ規制部材表面に密接させた
状態で樹脂を硬化させ、樹脂硬化後にレンズ型と超音波
トランスデューサとを分離して音響レンズが一体に形成
されたレンズ付き超音波トランスデューサを得ることを
特徴とする音響レンズ加工法。