JPH0683516B2 - 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】 Ｉ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
ピーダンスの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）樹脂等の高分子系圧電
材料から形成されたフィルム状の高分子電圧材を用いる
試みがなされている。即ち、PVDF等の高分子圧電材は、
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半田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、実用可を阻む原因となっていた。

II発明の目的 本発明は、高分子系材料から形成された圧電材を用い、
この圧電材が半田付等による熱損傷を受ける恐れのない
構造を有し、音響整合特性、感度および応答性に優れた
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
外部引出し用の第１と第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
一体形成されたものとし、前記第２の電極と第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一体形
成されたものとし、前記圧電材は予め分極されたもので
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たものとし、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
押着されたものとし、前記圧電材は予め分極されたもの
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なって
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間の接
着層は異方性導電接着剤からなっていてもよい。

また、本発明のさらに他の態様によれば、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。

また本発明の超音波探触子の製造方法は、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をそれぞれ覆
うごとく２つの導体板を配置し、該導体板間に少なくと
も所定の電圧を印加して前記圧電材を分極処理する分極
処理工程と、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の面に延在させて第１のリ
ード導体を一体形成し、前記基板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電極
面と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
着工程とからなる。

また、本発明による他の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探と
して前記基板の面に延在させて第１のリード導体を一体
形成し、前記基板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、該圧電材の他の主面を覆うごとく導体板を
配置し、該導体板と前記第２の電極との間に少なくとも
所定の電圧を印加して前記圧電材を分極処理する分極処
理工程と、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前記電極
接合部を前記第２の電極の端部に接着する接着工程とか
らなる。

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10は高分子系の圧電材料を用いて平板状に形成さ
れている。

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導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。

この圧電材10は第３図（Ａ）〜（Ｄ）に示す工程に沿っ
て分極処理が施されている。即ち、第３図（Ａ）に示す
ように平板状に圧電材１を形成する。この状態において
は圧電材１は分極されていない。そして、第３図（Ｂ）
に示すように、圧電材１の対向する１対の主面を覆うよ
うな形状に導体板（たとえば銅板）2,4を形成し、この
導体板2,4を第３図（Ｃ）に示すように、圧電材１を挾
んで配置し、これらの導体板２と同４との間に電圧を印
加して圧電材１に分極処理を施す。このときの分極条件
は、圧電材の種類によって異なるが、例えば、温度は10
℃〜180℃の範囲内、好ましくは40〜175℃、電界強度は
50kV/cm〜絶縁破壊強度（好ましくは100kV/cm〜2000kV/
cm）の範囲内、印加時間は10秒〜10時間の範囲内、好ま
しくは10分〜２時間の範囲内において選択する。これに
よって第３図（Ｄ）に示す分極処理された圧電材10が得
られる。

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20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の全面に接着材などに
より接着した後、フォ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の部分と共通電極20の部分と
外部引出し端子16,22の部分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6,22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
に下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20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34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材を用いるこ
とが望ましい。ただし、アレイ電極14を形成する各帯状
電極の相互間は絶縁しなければならないので、接着層34
の接着剤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の帯状電極の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10℃〜180℃の範囲、好まし
くは80℃〜150℃の範囲、圧力は５〜80kg/cm²、好まし
くは10〜50kg/cm²の範囲、時間は１秒〜10分の範囲、好
ましくは２秒〜30秒の範囲にて、適切な組み合わせを選
択する。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1
6,18,22,24、音響整合層28と基板12間を接着するもので
ある。

このようにして振動子本体を形成した後、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のリード導体部の基板
12をバッキング材40の側面位置に下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半田付作業
を不要とすることができ、高分子系の圧電材を熱により
損傷させることに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
可撓性を有する基板に形成し、この基板を圧電材に接着
して圧電材の電極パターンを形成するようにしているこ
とから、従来のような圧電材のアレイ電極パターンのピ
ッチと基板上のアレイ状パターンのピッチとを正確に一
致させる工程が不要となるばかりでなく、高密度アレイ
電極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られていることから、
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４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、その製造工程に従って説
明する。第１図に示した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
側に各電極を交互に延在させて、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、その説明は省略する。

なお、第５図に第４図（Ｃ）のZ-Z線に沿った断面図
を、第６図にアレイ電極14とリード導体18配列例を拡大
して示す。第６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。しかし、リード導体18の間隔
は、0.85mmとなって幅広となっている。

したがって、第４図図示実施例によれば、第１図に示し
た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７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図に示した実施例との相異点は、共通電
極20を基板12上に形成せず、圧電材10の対応する主面の
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
る基板12の部分を折り曲げて、それを共通電極21上面に
接着させたとき、共通電極21の端部に接触する位置の基
板12の部分面上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８図（Ａ），（Ｂ）に示された第７図（Ｂ）の
図示XX-XX線、YY-YY線に沿った断面図に表わされたよう
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。また、圧電材10の分極処理は
第９図（Ａ）〜（Ｄ）に示す工程に沿ってなされてお
り、前記第３図（Ａ）〜（Ｄ）と異なる点は、第９図
（Ａ）に示すように、前述した共通電極21が蒸着法等に
より形成されることから、導体板２が不要となることに
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、同一部品に同一符号を付してその説明は省
略する。

したがって、第７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10図（Ａ）〜（Ｃ）に示す他の実施例は、円形探触子
50を形成する製造手段であり、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52a,
52bと、折り曲げ部52cと、リード導体指示部52d,52eと
を有している。基板52の円形部52a,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とそれのリード線となる第１のリード導体
58、および第２の電極60とそれのリード線となる第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の電極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10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10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11図は本発明を２次元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は音響整合層である。

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12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、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・アレイプローグの他にア
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図は第１図実施例の圧電材の分極工程図、 第４図は本発明の他の実施例の製造工程図、 第５図は第４図（Ｃ）の図示Z-Z線に沿った断面図、 第６図は第４図実施例の部分拡大図、 第７図は本発明の他の実施例の製造工程図、 第８図は第７図（Ｂ）の図示XX-XX線、YY-YY線に沿った
断面図、 第９図は第７図実施例の圧電材の分極工程図、 第10図は本発明の他の実施例の製造工程図、 第11図は本発明の他の実施例の製造工程を示す図、 第12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 １……圧電材、2,4……導体板、10……分極された圧電
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、28,68,8
8……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55−151891（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−95800（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−109936（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
   の第１と第２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続され、 前記第１の電極と第１のリード導体とは可撓性を有する
   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の電極と第２のリード導体とは前記基板又は可
   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、予め分極処理の施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のアレイ方向を直交させて対向配置されていることを
   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項のいずれかに記載
   の超音波探触子。
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】高分子系圧電材料から形成された単一の圧
   電材の対向する主面をそれぞれ覆うごとく２つの導体板
   を配置し、該導体板の間に少なくとも所定の電圧を印加
   して前記圧電材を分極処理する分極処理工程と、 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
   縁を起端として前記基板の面に延在させて第１のリード
   導体を一体形成し、前記基板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の
   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、 前記複数の第１の電極面と前記第２の電極面に接着剤を
   塗布して前記単一の圧電材の対向する主面にそれぞれ電
   極を接着する接着工程とからなり、 該接着工程のうち、少なくとも前記第１の電極面は異方
   性導電性接着剤により前記圧電材と接着され、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。