JPH06201664A - 超音波トランスデューサ製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 特に小型のトランスデューサに関して、信頼
性に優れかつ高品質な音響レンズを生産し、高品質な超
音波トランスデューサを容易に形成する。 【構成】 圧電素子２の両面には放射面側電極５と背面
電極６とが形成されている。放射面側電極５の表面に開
口部８を持つマスク７を載置する。マスク７の開口部８
に樹脂４を供給する。

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
圧電セラミックス等の圧電素子を用いて構成されてお
り、その構造（概念図）を図１３に示す。超音波トラン
スデューサ１は、圧電素子２の表裏面に形成された電極
５，６を使用して圧電素子２に高周波の電圧パルスを印
加し、圧電素子２を急速に変形させて超音波パルスを発
振させる。発振された超音波パルスは、音響レンズ層３
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。上記の音響レンズは、数十μ
ｍのレンズ厚さに関し数μｍオーダーの厚みの精度が要
求される。

【０００４】従来、音響レンズの加工としては、特開平
３−１８６２５５号公報等に示される様に、圧電素子上
にレンズの母材となるエポキシ等の樹脂層を接合あるい
は注型により形成した後、切削加工等により、レンズ形
状である凹面を形成することにより行われていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかるに、前記特開平
３−１８６２５５号公報等に記載される様な、平板の樹
脂層を接合した後に、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。

【０００６】また、近年その要求が高まっている、心臓
・血管等の循環器系に関する超音波診断を行うことを目
的とした超音波内視鏡の場合、その直径が１ｍｍ程度と
非常に小さくなるため、結果としてトランスデューサも
非常に小さくなる。このため、加工性・強度等から、上
記の問題点が更にクローズアップされることとなる。

【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、特に小型の超音波トラン
スデューサに関し、信頼性に優れ、高性能である音響レ
ンズを容易かつ安定して形成することのできる超音波ト
ランスデューサ製造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
スデューサ表面の音響放射面の周囲をマスクして音響放
射面に液状の樹脂を供給し、該液状樹脂の表面張力によ
って樹脂表面にメニスカスの凹面または凸面を形成した
後、前記液状樹脂を硬化させて樹脂性の音響レンズを形
成する製造法である。なお、前記マスクは形成後に除去
するが、ハウジング・電気配線用端子板等の機能部材と
して一体に固着したままとすることも可能である。

【０００９】

【作用】本発明では、メニカス凹面または凸面に形成さ
れた樹脂が、レンズ効果を持つ。

【００１０】

【実施例１】図１〜図５は本実施例を示し、図１〜図３
は斜視図、図４は断面図、図５は斜視図である。

【００１１】図１に示す様に、圧電素子２はφ１．５ｍ
ｍ程度の円板状に形成されており、且つその両面に放射
面側電極５・背面電極６が形成されている。上記圧電素
子放射面側電極５の表面に、図２に示す様に、φ１ｍｍ
程度の円形の開口部８を持つマスク７を圧接する様に載
置する。マスク７はポリエチレンテレフタレート（ＰＥ
Ｔ）を使用している。マスク７の厚さは９０μｍとし、
形成すべきレンズの辺縁部の高さに等しくした。

【００１２】マスク７を載置した後、図３に示す様に、
開口部８において露出している圧電素子２の放射面側電
極５に、形成する音響レンズと同一の材料である粘性係
数が３００００ｃｐｓクラス程度のエポキシ樹脂４を供
給する。樹脂の供給量は形成すべきレンズの体積に等し
いものとする。樹脂は、図４に示す様に、マスク開口部
８に囲まれた圧電素子放射面側電極５の全体に広げ、マ
スク開口部８の内壁に密接させる。その後、樹脂層を硬
化させ、マスク７を除去することにより、図５に示した
様に、その表面が凹面である樹脂層が形成され、音響レ
ンズ３となる。

【００１３】上記構成の音響レンズ３には、図４に示す
様に、液状のレンズ用樹脂の表面張力により、樹脂の表
面にメニスカス凹面が形成される。樹脂は上記の凹面を
保ったまま硬化する。形成される凹面の形状はメニスカ
スによるため球面ではないが、音場を集束する事ができ
る。よってのこの凹面により、硬化後の樹脂がレンズ効
果を持つ集束型音響レンズとして使用する。集束の効果
は、本実施例においてはＲ３程度の球面音響レンズに相
当した。

【００１４】曲面の形状は、樹脂の供給量，マスクの厚
さ，液状のレンズ用樹脂の表面張力およびマスク部材と
樹脂との間の濡れ性により制御される。同様にレンズの
中心部における厚さは、マスクの厚さ，液状のレンズ用
樹脂の表面張力およびマスク部材と樹脂との間の濡れ性
により制御される。

【００１５】例えば、１０ＭＨｚクラスの比較的低周波
数のトランスデューサに対応する音響レンズを作製する
場合は、マスクを厚くして必要なレンズ厚を確保するこ
とにより対応する。また観測深度を深くするために大き
なＲのレンズを作製する場合は、マスクを薄くすると共
に、表面張力が大きい樹脂を使用し、緩やかなメニスカ
ス曲面を形成することにより対応する。高周波型や短焦
点型に対応する場合は、それぞれ上述事例を逆にするこ
とにより、レンズを形成する事ができる。

【００１６】本実施例によれば、微小な大きさの超音波
トランスデューサの音響レンズを、注型の１工程のみで
形成できる。上記の工程を通して、レンズには全く応力
が加わることが無いため、従来の手法において問題とな
った、マイクロクラック等による信頼性の低下が生じる
ことはない。また同時に、圧電素子のハンドリングは載
置のみとなり、研削加工時の様な強固な固定が要求され
ることはない。

【００１７】尚、音響レンズの材質として本実施例で用
いたエポキシ樹脂の他に、フェノール系，ポリイミド
系，ポリウレタン系，ポリエチレン系およびシリコーン
系等の樹脂が使用可能である。また、これらにステンレ
スやタングテン等の金属、アルミナやジルコニア等のセ
ラミックス、ガラス等の粉体やファイバーをフィラーと
して混入させて、材質の音響特性を調整する事も可能で
ある。

【００１８】また、マスクの材質としてＰＥＴ樹脂シー
トを使用する場合について述べたが、この他にもＰＥＮ
や高密度ポリエチレン等の樹脂材、ステンレスやアルミ
等の金属、アルミナやジルコニア等のセラミックス板、
ガラス板等の板材に、フッ素樹脂，シリコーン樹脂等の
コーティングによる離型処理を行ったもの等の離型性に
優れるとともに、厚さ精度，平面度および平滑性を高め
る事のできる材質が使用可能である。

【００１９】さらに、図示を単純化するため、圧電素子
に直接音響レンズを構成する場合についてのみ示した
が、多層の音響整合層を採用した構造においても、音響
整合層上にマスクを載置するのみで、全く同様の工程で
レンズを形成する事が出来る。

【００２０】同様に凸レンズについても、樹脂量を多く
するとともに、マスクを薄くする事によって、液状のレ
ンズ樹脂の表面張力によってメニカスの凸面を形成する
事ができるため、本実施例と同一の手法により凸面の音
響レンズを作製できることは明白である。

【００２１】

【実施例２】図６〜図８は本実施例を示す斜視図であ
る。本実施例は、基本的な構成が前記実施例１と同様で
あり、差異について述べる。図７に示す様に、本実施例
においては圧電素子２は幅１．５ｍｍ×長さ３ｍｍ程度
の矩形板状に形成されおり、かつその両面に放射面側電
極５と背面電極６とが形成されている。両電極５，６は
圧電素子２の両側面に回り込むように形成され、側面電
極を構成している。

【００２２】マスクとしては、図８に示す様に、矩形の
開口部８を持つマスク７を使用し、これを圧接する様に
載置する。開口部８の幅および長さは、圧電素子２の幅
・長さよりもそれぞれ０．２ｍｍ程度短いものとする。
液状樹脂を供給し、メニスカスにより曲面を形成させた
後に樹脂層を硬化させ、マスク７を除去することによ
り、図９に示す様に、音響レンズ３を形成する。

【００２３】本実施例によれば、矩形の形状を持つ微小
な大きさの超音波トランスデューサに関しても、音響レ
ンズを注型の１工程のみで形成できる。

【００２４】尚、本実施例において解説した手法によれ
ば、リニアアレイ，コンベックスアレイおよびラジアル
アレイ等の電子スキャン型超音波内視鏡用の超音波トラ
ンスデューサ群についても、同様にレンズ形成を行うこ
とが出来る。この場合、圧電素子およびマスクの開口部
の形状を超音波トランスデューサ群を形成する個々のト
ランスデューサに相当する大きさとして、個別に形成し
た後にアレイ状に実装する。または、圧電素子およびマ
スクの開口部の幅をアレイ状トランスデューサの幅に相
当するものとし、一体に作製して実装した後に裁断する
等が実施可能である。

【００２５】

【実施例３】本実施例は、前記各実施例と同様であり、
図示を省略する。以下に、差異について述べる。本実施
例においては、石英ガラスから成るマスクの裏面に紫外
線硬化型の粘着剤を塗布、または同形状の粘着テープを
固着し、粘着性を持つマスクを形成する。このマスクを
圧電素子表面に圧着する。この粘着テープは、ＵＶ硬化
型ダイシング用テープにおいて実現されている。樹脂硬
化後、紫外線照射により粘着剤を硬化して粘着性を失わ
せた後、マスクを剥離する。

【００２６】本実施例では、粘着剤によりマスクが保持
される。

【００２７】本実施例によれば、粘着剤によりマスクが
保持されるため、マスクの圧接が不要になる。また、粘
着剤によってマスクと圧電素子の放射面電極が完全に密
着するため、レンズ用樹脂の回り込みを完全に防止する
ことができる。

【００２８】尚、本実施例で使用した石英ガラスから成
るマスクの他に、ガラス、フィラー・顔料を含まない透
明な樹脂等の紫外線を透過する材質がマスクとして使用
可能である。またその透過の割合は、上述の紫外線硬化
型粘着剤を硬化させる事ができれば充分であり、例えば
厚さ１００μｍ以下のマシナブルセラミックスの様に光
学的には不透明または半透明の材質であっても、照射す
る紫外線の強度を高める事により使用可能となる。

【００２９】また、熱硬化型両面テープの様な加熱によ
り粘着性を失う形式の粘着剤を使用する事も可能であ
る。この場合、レンズ用樹脂を硬化させた後にトランス
デューサを加熱する事により、マスクを容易に剥離する
事ができる。この場合、マスクの材質には紫外線透過性
は要求されない。

【００３０】

【実施例４】図９および図１０は本実施例を示す斜視図
である。本実施例は、基本的な構成は前記実施例１と同
様であり、差異について述べる。本実施例のマスク９
は、図９に示す様に、前記実施例１におけるマスク７の
下部へ圧電素子を収納できる円筒を一体に形成したステ
ンレスのマスク９である。また、本実施例においては、
マスク９の全表面のうち、少なくとも開口部はその表面
が粗面であり、樹脂の付着性に優れていることとする。
樹脂硬化工程終了後、図１０に示す様に、マスク９は圧
電素子およびレンズ３と一体化される。

【００３１】本実施例では、圧電素子およびレンズ３と
一体化されたマスク９は、ハウジングとして機能する。

【００３２】本実施例によれば、レンズ形成工程と同時
にハウジングを一体に形成することができる。

【００３３】尚、本実施例においては、前記実施例１に
おいて述べた様な圧電素子を使用した場合について述べ
たが、前記実施例２で述べた様な矩形板状の圧電素子を
使用した場合についても、適用可能であることは言うま
でもない。また、本実施例ではマスクの材質としてステ
ンレスを用いたが、これに限らず、金属，セラミック
ス，樹脂およびＦＲＰ等の構造部材として充分な強度と
加工性を持つ材質であれば、いずれも使用可能である。
さらに、マスクの密着性向上のためには、機械加工やサ
ンドブラスト等により物理的に粗面にする手法と、コロ
ナ放電，真空紫外域照射およびカップリング処理等によ
り化学的に付着性を高める手法とがある。

【００３４】

【実施例５】図１１および図１２は本実施例を示す斜視
図である。本実施例は、基本的な構成は前記実施例１と
同様であり、差異について述べる。本実施例において
は、マスク１０をセラミックスやガラスエポキシ板等の
電気絶縁性を持つ構造部材によって構成する。マスク１
０は図１１に示す様に、開口部を持つとともに、その裏
面には焼き付け電極あるいは銅箔等の導体から成る配線
パターン１１が形成されている。また、本実施例におい
ては、マスク１０の全表面のうち、少なくとも開口部は
前記実施例４と同様に付着性に優れていることとする。

【００３５】マスク１０は、圧電素子の放射面側電極上
に、低粘性の嫌気性接着剤を用い、両者を押圧しながら
接合する。この時、接着剤の粘性係数が低いために粘着
層は非常に薄くなり、接合の界面において、上記圧電素
子放射面側電極と上記配線パターン１１とが直接密接す
る部分を生じる。このため、上記配線パターン１１と上
記放射面側電極の間の電気的接続が保たれる様に接合さ
れる。樹脂硬化工程終了後、図１２に示す様に、マスク
１０は圧電素子およびレンズ３と一体化される。上記の
全工程終了後、リード線１２を配線パターン１１に半田
付け等により電気的に接続する。

【００３６】本実施例では、圧電素子およびレンズ３と
一体化されたマスク１０は、その裏面に形成された配線
パターン１１により、電気的端子として機能する。

【００３７】本実施例においては、前記実施例１におい
て述べた様な円板上の圧電素子を使用した場合について
述べたが、前記実施例２で述べた様な矩形板状の圧電素
子を使用した場合についても、適用可能であることは言
うまでもない。同様に前記実施例４において述べた様な
マスク形状とし、電気端子とハウジングとを同時に一体
形成することも可能であることは当然である。

【００３８】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明に係る超音波
トランスデューサ製造法によれば、特に小型のトランス
デューサに関して、信頼性に優れかつ高品質な音響レン
ズを生産できる手法が実現できる。これにより、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を示す斜視図である。

【図３】実施例１を示す斜視図である。

【図４】実施例１を示す断面図である。

【図５】実施例１を示す斜視図である。

【図６】実施例２を示す斜視図である。

【図７】実施例２を示す斜視図である。

【図８】実施例２を示す斜視図である。

【図９】実施例４を示す斜視図である。

【図１０】実施例４を示す斜視図である。

【図１１】実施例５を示す斜視図である。

【図１２】実施例５を示す斜視図である。

【図１３】従来例を示す一部を破断した斜視図である。

【符号の説明】

１ 超音波トランスデューサ ２ 圧電素子 ３ 音響レンズ ４ レンズ用樹脂 ５ 放射面側電極 ６ 背面側電極 ７ マスク ８ マスク開口部 ９ マスク １０ マスク １１ 配線パターン １２ リード線

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超音波トランスデューサ表面の音響放射
   面の周囲をマスクして音響放射面に液状の樹脂を供給
   し、該液状樹脂の表面張力によって樹脂表面にメニスカ
   スの凹面または凸面を形成した後、前記液状樹脂を硬化
   させて樹脂性の音響レンズを形成することを特徴とする
   超音波トランスデューサ製造法。