JPH0657080B2 - 超音波探触子およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 １．発明の背景 Ａ．技術分野 本発明は超音波探触子およびその製造方法に関する。

Ｂ．先行技術 超音波探触子は、例えば、生体の断層像を実時間で観察
することのできる超音波診断装置や、非破壊検査を行な
うための超音波探傷装置などのプローブとして、一般に
広く利用されている。

超音波探触子は、通常、駆動電圧に応じた超音波を発生
させたり受信される超音波を電気信号に変換するいわゆ
る圧電素子からなる振動子の他に、被検体との音響イン
ピーダンス整合をとるための音響整合層、振動子の自由
振動および背面に出る超音波を吸収するためのバッキン
グ材などを積層した構造を有している。

最近、かかる超音波探触子の振動子の材料として、例え
ばポリフッ化ビニリデン(PVDF)等の高分子系圧電材料か
ら形成されたフィルム状の高分子圧電材を用いる試みが
なされている。即ち、PVDF等の高分子系圧電材は、従来
のセラミック圧電材に比べて、音響インピーダンスが生
体に近いことから生体との音響整合に優れており、しか
も機械的なＱが低いので、感度および応答性の向上が期
待できる等の利点があるからである。さらに、高分子圧
電材は可撓性を有するので、振動子の形状を自由に加工
することも比較的容易だからである。

ところで、一般に振動子を形成する場合、圧電材に駆動
電圧を印加したり、あるいは受波信号を電圧として検出
するための１対の電極を圧電材を挾んで設けるととも
に、これら電極を別に設けられる前記駆動電圧の送信回
路や前記受波信号の受信回路に接続するリード線を設け
なければならない。

Ｃ．先行技術の問題点 しかしながら、高分子系圧電材は耐熱温度が低いため、
前記電極とリード線との接続を、はんだ付等によって行
なうと、その熱によって損傷されてしまう等の製造上の
問題があり、実用化を阻む原因となっていた。

II。発明の目的 そこで本発明は、上記先行技術の問題点を解決し、高分
子系圧電材に熱影響を与えることなく、音響特性、感度
および応答性に優れ、かつ製造工程を短縮することがで
きる構成の超音波探触子およびその製造方法を提供する
ことを目的とする。

本発明による超音波探触子は、高分子系圧電材料から形
成された圧電材と、該圧電材の１対の主面をそれぞれ実
質的に覆うごとく接着層を介して接着された第１と第２
の電極と、該第１と第２の電極にそれぞれ接続された外
部引出し用のリード導体とを有し、前記第１の電極とそ
のリード導体は可撓性を有する基板に一体形成され、前
記第２の電極とそのリード導体は前記基板又は可撓性を
有する他の基板に一体形成され、前記圧電材は前記第１
と第２の電極間に少なくとも電圧を印加して分極された
ものである。

また、本発明による超音波探触子は、高分子系圧電材料
から形成された圧電材と、該圧電材の一方の主面を実質
的に覆うごとく接着層を介して接着された第１の電極
と、前記圧電材の他の主面を実質的に覆うごとく被着さ
れた第２の電極と、前記第１の電極に接続された外部引
出し用の第１のリード導体と、前記第２の電極の端部に
接合された電極接合部を有する外部引出し用の第２のリ
ード導体とを有し、前記第１の電極と第１のリード導体
は可撓性を有する基板に一体形成され、前記第２のリー
ド導体は前記基板又は可撓性を有する他の基板に形成さ
れその電極接合部は当該基板を前記第２の電極に接着層
を介して接着することにより第２の電極に押着され、前
記圧電材は前記第１と第２の電極間に少なくとも電圧を
印加して分極されたものである。

さらに、本発明の１つの態様によれば、前記第１の電極
はアレイ状に配列された複数の電極からなり、前記第２
の電極は前記第１の電極に共通に対向配置された１つの
電極からなっていてもよい。

本発明の他の態様によれば、前記第１と第２の電極はそ
れぞれアレイ状に配列された複数の電極からなり、かつ
それらのアレイ方向を直交させて対向配置されていても
よい。

本発明のさらに他の態様によれば、前記第１又は第２の
電極が複数の電極からなり、該電極と前記圧電材の間の
接着層は異方性導電接着剤からなっていてもよい。

本発明のさらにもう１つの他の態様によれば、前記第２
の電極を形成している前記可撓性基板を音響整合層とし
てもよい。

また、本発明による超音波探触子の製造方法は、可撓性
を有する基板に第１の電極と該電極の側縁を起端として
当該基板面に延在させて第１のリード導体を一体形成
し、当該基板面又は可撓性を有する他の基板に第２の電
極と該電極の側縁を起端として当該基板面に延在させて
第２のリード導体を一体形成する導体パターン形成工程
と、前記第１の電極面と前記第２の電極面に接着剤を塗
布して高分子系圧電材料から形成された圧電材の対向す
る主面にそれぞれの電極を接着する接着工程と、前記第
１の電極と第２の電極の間に少なくとも電圧を印加して
前記圧電材を分極させる分極工程とを含んでなる。

さらに、本発明による超音波探触子の製造方法は、可撓
性を有する基板に第１の電極と該電極の側縁を起端とし
て当該基板面に延在させて第１のリード導体を一体形成
し、当該基板面又は可撓性を有する他の基板に一端に電
極接合部を有する第２のリード導体を形成する導体パタ
ーン形成工程と、高分子系圧電材料から形成された圧電
材の一方の主面に第２の電極を被着させる第２電極形成
工程と、前記第１の電極面に接着剤を塗布して前記第２
の電極が被着された圧電材の他の主面に接着し、前記電
極接合部に隣接する基板面に接着剤を塗布し当該電極接
合部を前記第２の電極の端部に接着する接着工程と、前
記第１の電極と第２の電極の間に少なくとも電圧を印加
して前記圧電材を分極させる分極工程とを含んでなる。

III．発明の具体的説明 次に、添付図面を参照しながら、本発明の超音波探触子
をその製造方法とともに詳細に説明する。

まず、本発明をリニア・アレイプローブに適用した場合
の一実施例を、第１図(A)，(B)，(C)に順次示す製造工
程図に沿って説明する。第１図(A)において、圧電材１
０は高分子系の圧電材料を用いて平板状に形成されてお
り、この状態では分極処理が施されていない。

高分子系圧電材料としては、ポリフッ化ビニル、ポリフ
ッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン−フッ化ビニル共重
合体、フッ化ビニリデン−３フッ化エチレン共重合体、
フッ化ビニリデン−４フッ化エチレン共重合体、シアン
化ビニリデン−酢酸ビニル共重合体、シアン化ビニリデ
ン−アクリロニトリル共重合体、シアン化ビニリデン−
塩化ビニリデン共重合体、ポリシアン化ビニリデン、ポ
リアクリロニトリル、ポリ塩化ビニルなどの成形物、一
軸延伸物あるいは二軸延伸物、又はポリフッ化ビニリデ
ン、ポリフッ化ビニル、ナイロン、ポリアセタール、ポ
リアクリロニトリルなどの高分子材料とチタン酸鉛、チ
タン酸ジルコン酸鉛などの強誘電体セラミックスの微粉
末を混練した複合物などを適用できる。基板１２は例え
ばポリイミド又はポリエステルなどのごとき、可撓性を
有する絶縁材料をフィルム状に成形したものである。

この基板１２の上面に、アレイ状に配列された複数の帯
状電極からなる第１の電極としてのアレイ電極１４と、
このアレイ電極１４に一端が接続され他端が外部引出し
端子１６とされた複数のリード導体１８と、アレイ電極
１４の形成された領域と線対称（図示一点鎖線３２を基
準として）な領域に、アレイ電極１４に対し一定の間隔
を有して隣接配置された第２の電極としての共通電極２
０と、この共通電極２０に一端が接続され他端が外部引
出し端子２２とされた１つのリード導体２４とを、銅箔
などからなる導体パターンとして一体的に形成する。こ
の導体パターン形成法としては、銅箔などの導体箔を基
板１２の全面に接着剤などにより接着した後、ホトエッ
チング等によりパターン形成する方法の他、周知の蒸着
あるいは印刷法などを適用する。次に、アレイ電極１４
部と共通電極２０部と外部引出し端子１６，２２部を除
く領域を、絶縁性フィルム２６などにより被覆する。な
お、基板１２を挾んで共通電極２０の裏面には、音響整
合層２８が形成され、外部引出し端子１６，２２の背面
には補強材３０が設けられている。

次に、アレイ電極１４と共通電極２０および圧電材１０
に対応した基板１２の表面に接着剤を塗布する。そし
て、第１図(B)に示すように、アレイ電極１４上に圧電
材１０を載置するとともに、基板１２を前記対称基準線
３２位置にて上方に折り曲げることによって、共通電極
２０を圧電材１０の上面に密着する。この状態で、アレ
イ電極１４下面の基板１２と音響整合層２８間に所定の
圧力付与するとともに、所定の温度に加温して接着剤を
固化させる。これによってアレイ電極１４、共通電極２
０と圧電材１０間が接着され、第２図(A)，(B)にそれぞ
れ示す第１図(B)のＸ−Ｘ線とＹ−Ｙ線に沿った断面図
のように、圧電材１０とアレイ電極１４間には接着層３
４が、圧電材１０と共通電極２０間には接着層３６がそ
れぞれ形成される。

この接着層３４，３６は良導電性を確保するために薄く
形成することが好ましいが、導電性を有する接着剤を用
いることが望ましい。ただし、アレイ電極１４を形成す
る各帯状電極相互間は絶縁しなければならないので、接
着材として異方性導電接着剤を用いる。これによって、
アレイ電極１４と圧電材１０の主面とを電気的に接続
し、かつアレイ電極１４の帯状電極相互間を絶縁するこ
とができる異方性導電性を有する、即ち、厚み方向には
良導電性を有し、これと直角の方向には絶縁性を有する
接着層３４が形成される。なお、上記接着時の温度は１
０℃〜１８０℃、好ましくは８０℃〜１５０℃、圧力は
５〜８０Kg/cm²、好ましくは１０〜５０Kg/cm²、時間は
１秒〜１０分、好ましくは２秒〜３０秒の範囲にて、適
切な組み合わせを選定する。また、第２図(A)，(B)に
て、符号３８は接着層であり、アレイ電極１４、共通電
極２０、リード導体１６，１８，２２，２４、音響整合
層２８と基板１２間を接着するものである。

第１図(B)の状態に形成した後、外部引出し端子１６と
２２を介してアレイ電極１４と共通電極２０間に電圧を
印加し、圧電材１０の分極処理を施す。このときの分極
条件は圧電材１０の種類によって異なるが、例えば、温
度１０℃〜１８０℃、好ましくは４０〜１７５℃、電界
強度５０kV/cm〜絶縁破壊強度、好ましくは１００kV/cm
〜２０００kV/cm、印間時間１０秒〜１０時間、好まし
くは１０分〜２時間の範囲において選定する。なお、ア
レイ電極１４および外部引出し端子１６と、共通電極２
０および外部引出し端子２２との離間距離は、分極電圧
印加時に沿面放電が生じない寸法に設計することが肝要
である。

このようにして圧電材１０の分極が完了した後、第１図
(C)に示すように、アレイ電極１４の背面の基板１２に
バッキング材４０を接着するとともに、第１のリード導
体１８部の基板１２をバッキング材４０の側面位置に折
り曲げることにより超音波探触子が形成される。

上述したように、本実施例によれば、アレイ電極と共通
電極およびそれらの電極に接続されるリード導体を、可
撓性を有する同一の基板に一体的に形成した後、それら
電極を接着剤によって圧電材に接着して振動子本体を形
成していることから、電極とリード導体とのはんだ付作
業を不要とすることができ、高分子系の圧電材を熱によ
り損傷させることなく振動子を形成することができる。

また、単一の製造工程で電極とリード導体とを実質的に
接続することができ、かつ圧電材を複数のアレイ振動子
に実質上分割形成することができることから、製造工程
が短縮されるという効果がある。

また、本実施例によれば、アレイ状に配列された帯状電
極からなるアレイ電極と、これらに対向する共通電極を
圧電材に接着した後、アレイ電極と共通電極を介して圧
電材の分極処理を行なっていることから、従来のような
圧電材のアレイ電極パターンピッチと基板上のアレイ状
パターンピッチとを正確に一致させる工程が不要となる
だけでなく、高密度アレイ・パターンを精度高く形成す
ることができる。

さらに、本実施例によれば、予め音響整合層を電極が形
成される基板に一体化させて設けていることから、電極
とリード導体の形成工程と同時に、音響整合層をも所定
位置に形成することができる。

このように、本実施例によれば、製造工程が短縮されて
価格が低減されるのみならず、音響特性、感度および応
答性に優れ、高精度かつ高密度のアレイ超音波探触子が
得られる。

即ち、このようにして得られた超音波探触子は、音響整
合層の厚さ、接着層の厚さの均一性が高いことから、ア
レイ振動子個々の特性（感度、パルス応答性）が均一な
ものとなり、広い視野にわたって均一な超音波断層像を
生みだす効果を有する。また、探触子全体が可撓性を有
しているため、自由な形状に変形させることが可能であ
り、リニア・アレイプローブの他にアーク・アレイ、コ
ンベックス・アレイ等の探触子にも変化させることが可
能である。したがって種々の超音波診断法および診断部
位への適用が拡張される効果を有している。

第３図(A)〜(C)に、本発明をリニア・アレイプローブに
適用した他の実施例を、その製造工程に沿って示す。第
１図図示実施例との相異点は、アレイ電極１４の密度を
２倍にするため、アレイ電極１４の各帯状電極と一体形
成されるリード導体１８を、アレイ電極１４の両側に交
互に延在させて、外部引出し端子１６の相互間隔寸法を
十分確保している点にあり、これに伴って共通電極２０
はアレイ電極１４の側面に張り出し形成された基板１３
上に形成されていることにある。その他の構成および製
造工程は第１図の実施例と同様なので、同一構成部品に
同一符号を付して説明は省略する。

なお、第４図に第３図(C)のＺ−Ｚ線に沿った断面図
を、第５図にアレイ電極１４とリード導体１８の配列例
を拡大して示す。第５図に示すように、アレイ電極１４
の１つの帯状電極の幅は0.７５mm、長さは5.０mm、それ
らの相互間隔は0.０５mmとなっている。

したがって、第３図図示の実施例によれば、第１図の実
施例の効果に加えて、さらに高密度なアレイ状超音波探
触子を得ることができるという効果がある。

第６図(A)〜(C)に、本発明をリニア・アレイプローブに
適用したさらに他の実施例を、その製造工程に沿って示
す。第１図の実施例との相違点は、共通電極２０を基板
１２上に形成せず、圧電材１０の対応する主面全面に銀
アルミニウム等の蒸着などにより共通電極２１を形成
し、これに応じて、音響整合層２８が設けられている部
分の基板１２を折り曲げて共通電極２１上面に接着させ
たとき、共通電極２１の端部に接触される位置の基板１
２面に所定幅の電極接合部２５がリード導体２４と一体
形成されていることにある。そして、電極接合部２５
は、第７図(A)，(B)に示された第６図(B)の図示XX-XX
線、YY-YY線に沿った断面図に表わされるように、接着
層３８によって共通電極２１の端部上面に押着されて電
気的接続がなされる。その他の構成および製造工程は第
１図の実施例と同様なので、同一部品に同一符号を付し
て説明は省略する。

したがって、第６図の実施例によれば、前記第１図の実
施例の効果に加えて、銅箔などの音響インピーダンスの
高い材料から形成される電極接合部（第１図では共通電
極２０）を薄くし、共通電極２１を音波放射面の外に設
け、媒質と振動子間の音響的不整合を軽減することが出
来、送受信波形の伝達に与える悪影響を軽減することが
できる。

第８図(A)〜(C)に示す他の実施例は、円形探触子５０を
形成する製造手順であり、可撓性を有する基板５２は円
形の高分子系の圧電材５４に対応する２つの円形部５２
ａ，５２ｂと、折り曲げ部５２ｃと、リード導体支持部
５２ｄ，５２ｅとを有している。基板５２の円形部５２
ａ，５２ｂとリード導体支持部５２ｄ，５２ｅの基板面
には、銅箔から一体形成された第１の電極５６と第１の
リード導体５８、および第２の電極６０と第２のリード
導体６２が、それぞれ接着層を介して接着されている。
第１と第２のリード導体５８と６２の端部はそれぞれ外
部引出し端子６４，６６とされ、第２電極６０の背面に
は音響整合層６８が設けられている。次に、第１と第２
の電極５６と６０の電極面に導電性接着材を塗布して、
第８図(B)に示すように、第１と第２の電極５６と６０
間に圧電材５４を挾んで接着する。この接着条件とつづ
く分極処理は前述の第１図の実施例と同様である。この
ようにして形成された振動子本体に、第８図(C)に示す
ように、バッキング材７０を接着する。

したがって、本実施例によれば、第１図の実施例と同様
の効果が得られる。

第９図は本発明を２次元のマトリックス・アレイ探触子
に適用した実施例の製造工程の一部を示すものである。
第１図の実施例と異なる点は、第１の電極と第２の電極
がともにアレイ電極７２，７４となっており、それらは
別々の可撓性を有する基板７６，７８にそれぞれ第１と
第２のリード導体８０，８２と一体形成されている点
と、アレイ電極７２，７４は相互にアレイ方向が直交す
るように圧電材１０に接着される点にある。また、図中
符号８４，８６は外部引出し端子であり、８８は音響整
合層を示す。

なお、上述以外の製造工程は第１の実施例と同一である
から、説明は省略する。また、基板７６と７８を一体化
することも可能であり、これによれば、複雑なマトリッ
クス・アレイの電極形成および外部との接続が極めて容
易になる。

したがって、本実施例によれば、第１図の実施例と同一
の効果が得られる。

第１０図(A)〜(C)は第１図の実施例の変形例であり、可
撓性を有する基板をアレイ電極１４用の基板１２ａと、
共通電極２０用の基板１２ｂとに分割した点が異なるだ
けである。

IV．発明の具体的作用効果 以上説明したように、本発明の超音波探触子およびその
製造方法によれば、電極又は電極接合部とリード導体と
を同一の基板に一体形成した後、それら電極又は電極接
合部を高分子系の圧電材又は圧電材面に形成された電極
に接着していることから、電極とリード線とのはんだ付
が不要となり、圧電材を熱損傷させることなく振動子本
体を形成することができる。しかも、単一の製造工程
で、電極とリード導体の接続が実質的になされ、かつ圧
電材を複数のアレイ振動子又はマトリックス・アレイ振
動子に実質上分割することができるので、製造工程が短
縮されるという効果がある。

また、所定形状の電極を未分極の高分子系圧電材に接着
した後、当該電極を介して圧電材の分極処理を行なって
いることから、電極パターンと圧電材のアレイ又はマト
リックス・アレイパターンとが必然的に一致することか
ら、高密度アレイパターン等を高精度で形成することが
できるという効果がある。

さらに、このようにして得られた超音波探触子は、音響
特性、感度（分解能）および応答性に優れ、高精度かつ
高密度のものであるという効果がある。また、音響整合
層および接着層の厚さが均一なことから、アレイ又はマ
トリックス・アレイ振動子個々の特性（感度、パルス応
答性）が均一なものとなり、広い視野にわたって均一な
超音波断層像が得られるという効果がある。しかも、探
触子全体が可撓性を有していることから、自由な形状に
変形させることができ、リニア・アレイプローブの他に
アーク・アレイ、コンベックス・アレイ等の探触子にも
変化させることができるので、種々の超音波診断法およ
び診断部位への適用が拡張されるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の製造工程図、 第２図は第１図(B)の図示Ｘ−Ｘ線、Ｙ−Ｙ線に沿った
断面図、 第３図は本発明の他の実施例の製造工程図、 第４図は第３図(C)の図示Ｚ−Ｚ線に沿った断面図、 第５図は第３図の実施例の部分拡大図、 第６図は本発明の他の実施例の製造工程図、 第７図は第６図(B)の図示ＸＸ−ＸＸ線、ＹＹ−線に沿
った断面図、 第８図は本発明の他の実施例の製造工程図、 第９図は本発明の他の実施例の製造工程の途中を示す
図、 第１０図は本発明の他の実施例の製造工程図である。 主要部分の符号の説明 １０…圧電部材 １２，１３，５２，７６，７８…基板 １４，７２，７４…アレイ電極 １６，２２，６４，６６，８４，８６…外部引出し端子 １８，２４，５８，６２，８０，８２…リード導体 ２０，２１…共通電極 ２８，６８，８８…音響整合層 ３４，３６…接着層 ５６，６０…電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 瀬尾 巌 茨城県稲敷郡阿見町大字若栗1315番地 (72)発明者 佐々木 政弘 茨城県稲敷郡阿見町大字若栗1315番地 (56)参考文献 特開 昭55−151896（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−95800（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−109936（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−156295（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−31298（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−188195（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−59889（ＪＰ，Ａ) 実開 昭57−60488（ＪＰ，Ｕ)

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】高分子系圧電材料から形成された圧電材
   と、 該圧電材の１対の主面をそれぞれ実質的に覆うごとく接
   着層を介して接着された第１と第２の電極と、 該第１と第２の電極にそれぞれ接続された外部引出し用
   のリード導体とを有し、 第１の電極は相互間に間隙を介してアレイ状に配列され
   た複数の電極からなり、 前記圧電材の一方の主面と前記第１の電極は異方性導電
   接着剤からなる接着層で接着され、 前記第１の電極とそのリード導体は可撓性を有する基板
   に一体形成され、 前記異方性導電接着剤は、前記圧電材および前記基板の
   厚み方向には良好な導電性を有し、該厚み方向と実質的
   に垂直な方向には電気的絶縁性を有し、 前記第２の電極とそのリード導体は前記基板又は可撓性
   を有する他の基板に一体形成され、 前記圧電材は、前記複数の第１の電極にわたって一体的
   に形成され、前記第１と第２の電極間に少なくとも電圧
   を印加して分極されたものであることを特徴とする超音
   波探触子。
2. 【請求項２】第２の電極は前記第１の電極に共通に対向
   配置された１つの電極からなることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の超音波探触子。
3. 【請求項３】第２の電極は相互間に間隙を介してアレイ
   状に配列された複数の電極からなり、かつ第１および第
   ２の電極のアレイ方向を直交させて対向配置されてなる
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の超音波探
   触子。
4. 【請求項４】第２の電極が複数の電極からなり、該電極
   と前記圧電材の間の接着層は異方性導電接着剤からな
   り、該異方性導電接着剤は、前記圧電材および前記基板
   の厚み方向には良好な導電性を有し、該厚み方向と実質
   的に垂直な方向には電気的絶縁性を有することを特徴と
   する特許請求の範囲第１項乃至第３項のいずれか１項に
   記載された超音波探触子。
5. 【請求項５】第２の電極を形成している前記可撓性基板
   を、音響整合層としたことを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の超音波探触子。
6. 【請求項６】可撓性を有する基板に相互間に間隙を介し
   てアレイ状に配列された複数の電極からなる第１の電極
   と該電極の側縁を起端として当該基板面に延在させて第
   １のリード導体を一体形成し、当該基板面又は可撓性を
   有する他の基板に第２の電極と該電極の側縁を起端とし
   て当該基板面に延在させて第２のリード導体を一体形成
   する導体パターン形成工程と、 前記第１の電極面と前記第２の電極面に接着剤を塗布し
   て高分子系圧電材料か形成された単一の圧電材の対向す
   る主面にそれぞれの電極を接着する接着工程と、 前記第１の電極と第２の電極の間に少なくとも電圧を印
   加して前記圧電材を分極させる分極工程とを含み、 前記第１の電極面と前記圧電材は異方性導電接着剤によ
   り接着され、該異方性導電接着剤は、前記圧電材および
   前記基板の厚み方向には良好な導電性を有し、該厚み方
   向と実質的に垂直な方向には電気的絶縁性を有すること
   を特徴とする超音波探触子の製造方法。