JPH11146497A - 超音波振動子の製造方法及びその製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 超音波振動子の製造プロセスは、複数に分割
されており、製造効率や製造精度が悪い。 【解決手段】 バッキング層１４と、圧電セラミックス
１８と、第１，第２整合層２２，２４とを順次支持体２
８の枠体２８ａに落とし込み、位置決めを行いつつ相互
間に接着剤２６を介在させて積層体を形成する。続い
て、前記積層体最上面に対して加圧機構３０の加圧プレ
ート３０ａを降下させ、前記積層体を上面から均一圧力
で押圧し、未硬化の過剰な接着剤２６を排出する。そし
て、前記加圧状態を維持しながら前記接着剤２６を硬化
させて、超音波振動子１２を完成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波振動子の製
造方法及びその製造装置、特に効率的に高品質の超音波
振動子を製造することができる製造方法及び製造装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】被検体である生体に対して超音波の送受
を行い、生体の観察を行う超音波診断装置の超音波プロ
ーブに使用する超音波振動子は、一般に、積層構造を呈
している。例えば、実際に超音波を発生する圧電セラミ
ックスを中心として、その後面には機械的なダンピング
を行い、周波数帯域を広くするためのバッキング層が配
置されている。一方、前記圧電セラミックスの前面に
は、それぞれλ／４に相当する二層の整合層が配置され
されている。前記整合層は、前記圧電セラミックスなど
の音響インピーダンスと、被検体である生体の音響イン
ピーダンスとの整合を行うことによって、超音波の伝達
性の向上を図っている。なお、前記圧電セラミックスの
前面及び後面には、複数の電極が形成され、例えば、前
面側にマイナス用リード線（必要に応じてフレキシブル
ケーブル）が接続され、後面側にプラス用リード線（必
要に応じてフレキシブルケーブル）が接続され、圧電セ
ラミックスの表裏面に所定電圧を印加し超音波を送波す
ると共に、生体等で反射した反射波による受信信号の送
出を行う。なお、バッキング層や圧電セラミックス等は
接着剤により相互接着されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述したよう
な超音波振動子を製造する場合、圧電セラミックと整合
層との間に接着剤を塗布し硬化させるプロセスと、圧電
セラミックスとバッキング層との間に接着剤を塗布し硬
化させるプロセスとが別々に行われていた。また、プラ
スまたはマイナス用リード線として、フレキシブルケー
ブルを使用する場合には、さらに、当該フレキシブルケ
ーブルを接着するプロセスが分離され、製造プロセスが
増加し製造工程が煩雑になると共に、製造コストが増加
するという問題がある。

【０００４】また、超音波の伝達性向上のためには、バ
ッキング層、圧電セラミックス、整合層等の積層は正確
に行う必要があり相互の位置決めに時間がかかるという
問題がある。また、接着剤による接着層はできるだけ薄
くすることが望ましいが、接着剤の塗布と硬化からなる
プロセスを複数回繰り返すと、該当プロセスで必要とす
る接着部以外に接着剤が付着し硬化する恐れがある。こ
の場合、硬化した接着剤が他の部材の接着面にも回り込
むことによって、接着層が厚くなり、超音波振動子の性
能を低下させたり、品質のばらつきを発生させたりす
る。このため、各プロセスにおいて、接着部以外の部分
にマスキングを施す等の工程が必要になり製造効率が低
下するという問題があった。

【０００５】本発明は、上述の問題点を解決することを
課題としてなされたものであり、製造プロセスを簡略化
しつつ、安定した性能を有する超音波振動子の製造方法
及び超音波振動子製造装置を提供することを目的とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記のような目的を達成
するために、本発明の構成は、少なくともバッキング層
と、圧電体と、整合層とを含む超音波振動子の製造方法
において、枠体内に少なくともバッキング層と、圧電体
と、整合層とを落とし込みつつ相互間に接着剤を介在さ
せて積層体を形成する工程と、前記積層体最上面から当
該積層体を均一加圧する工程と、前記加圧状態を維持し
ながら前記接着剤を硬化させる工程と、を含むことを特
徴とする。

【０００７】この構成によれば、接着剤を介在させなが
ら枠体内にバッキング層や圧電体等を落とし込むことに
よって、相互間の位置決めを容易に行いながら積層体を
形成することができる。また、接着剤の塗布後、直ちに
形成された積層体の上面から加圧を行うことによって、
過剰な接着剤を接着面から排除することができるので接
着層の厚みを最小限にすることが可能になる。さらに、
この状態で、接着剤硬化を行うので、押圧時の密着状態
を維持しつつ相互間の固定が行える。つまり、積層体の
組立、接着剤塗布、硬化等の一連の作業を単一のプロセ
スで行うことができる。

【０００８】上記のような目的を達成するために、本発
明の構成は、少なくとも積層体形成工程と、加圧工程
は、実質的真空状態内で行われることを特徴とする。

【０００９】ここで、実質的真空状態とは、超音波振動
子の性能に影響するような大きさの気泡が接着層内へ混
入することを排除できる程度の真空をいい、必ずしも完
全な真空状態を意味しない。この構成によれば、接着層
に気泡が巻き込まれることを防ぎ、さらに脱泡効果によ
り超音波振動子の性能に影響するような接着層内への気
泡の混入を確実に排除することができる。

【００１０】上記のような目的を達成するために、本発
明の構成は、超音波振動子を構成する積層体を保持可能
な保持体であって、前記積層体を載置する固定型の底面
基台と前記積層体を取り囲む可動型の枠体とを含む保持
体と、前記積層体の上方から下降して前記積層体の上面
を加圧する加圧プレートを有する加圧機構と、前記積層
体を底面基台上に保持しつつ、前記加圧プレートの押圧
による前記枠体の加圧方向への運動を許容するスライド
機構と、を含むことを特徴とする。

【００１１】この構成によれば、枠体が積層体の積層状
態を整えると共に、加圧プレートによって、積層体を押
圧する場合、枠体のみが加圧方向にスライドするので、
前記加圧プレートは、積層体のみを均一な力で加圧する
ことができるので、品質の均一な超音波振動子を製造す
ることができる。

【００１２】上記のような目的を達成するために、本発
明の構成は、前記枠体は付勢手段によって上方に付勢さ
れていることを特徴とする。

【００１３】ここで、前記付勢手段は、例えば、スプリ
ングである。この構成によれば、枠体は加圧プレートの
降下に応じて容易に下方に押し下げられるので、加圧プ
レートの加圧力のバランスを崩すことがない。従って、
加圧プレートは積層体のみを均一な力で加圧することが
できる。

【００１４】上記のような目的を達成するために、本発
明の構成は、前記枠体は、その内壁面に接着剤収容部を
有し、前記積層体を構成する少なくともバッキング層
と、圧電体と、整合層との間に介在する未硬化接着剤の
過剰分を収容することを特徴とする。

【００１５】この構成によれば、加圧プレートの加圧に
より積層体からはみ出した過剰な未硬化接着剤を接着剤
収容部で受け入れ、積層体表面に必要以上接着剤が残留
することを防止することが可能で、高品質の超音波振動
子を製造することができる。上記のような目的を達成す
るために、本発明の構成は、前記接着剤収容部は、溝形
状を呈することを特徴とする。

【００１６】この構成によれば、簡単な構成で未硬化接
着剤の収容を容易に行うことができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施形態を
図面に基づき説明する。図１（ａ），（ｂ）には、本実
施形態の超音波振動子製造装置１０（以下、単に製造装
置という）の概略説明図及び超音波振動子１２の概略構
成が示されている。まず、超音波振動子１２の構成を説
明する。本実施形態の場合、超音波振動子１２は、バッ
キング層１４、第１フレキシブルケーブル１６、圧電セ
ラミックス１８、第２フレキシブルケーブル２０、第１
整合層２２、第２整合層２４とが順次積層配置された積
層体を形成し、各部材間には熱硬化型の接着剤２６が介
在している。

【００１８】前記バッキング層１４は、例えばエポキシ
樹脂を主体にタングステン等の金属を混入させて成る硬
質層で、前記圧電セラミックス１８の後面側で当該圧電
セラミックス１８からの超音波振動の機械的なダンピン
グを行い、周波数帯域を広くすると共に、圧電セラミッ
クス１８を支持する機能を有している。また、前記圧電
セラミックス１８は単体タイプの振動素子でもアレイタ
イプの振動素子でもよいが、本実施形態では、遅延制御
により超音波ビームのフォーカシングが可能なアレイタ
イプの振動素子を例にとって説明している。

【００１９】また、前記圧電セラミックス１８の表裏面
には、当該圧電セラミックスに配列形成された複数の振
動素子に電圧を印加し超音波振動を発生すると共に、生
体等で反射した反射波による受信信号の送出を行うため
のフレキシブルケーブルが配置されている。本実施形態
の場合、圧電セラミックス１８の下面側に陽極側のフレ
キシブルケーブルとして、第１フレキシブルケーブル１
６が半田付け等の手段によって固定され、圧電セラミッ
クス１８の上面側には陰極（グランド)側のフレキシブ
ルケーブルとして、第２フレキシブルケーブル２０が半
田付け等の手段によって固定されている。

【００２０】さらに、前記第２フレキシブルケーブル２
０が接続された圧電セラミックス１８の上面にはλ／４
に相当する第１整合層２２、第２整合層２４が配置さ
れ、前記圧電セラミックス１８等の音響インピーダンス
と、被検体である生体の音響インピーダンスとの整合を
行うことによって、超音波の伝達性の向上を図ってい
る。

【００２１】次に、製造装置１０の構成を説明する。こ
の製造装置１０は、大別して、製造途中の超音波振動子
１２である積層体の周囲を取り囲むように保持する可動
型の枠体２８ａと、前記積層体の載置保持する固定型の
基台２８ｂとから成る支持体２８と、該支持体２８の上
方より降下して所定圧力で前記積層体を押下する加圧プ
レート３０ａを有する加圧機構３０とから構成されてい
る。前記枠体２８ａおよび基台２８ｂは、例えばテフロ
ン等の樹脂やステンレス等の金属、または金属に樹脂を
コーティングする等して、接着剤２６が硬化した場合で
も容易に剥離可能な材料で形成されている。

【００２２】前記枠体２８ａの内壁形状は、図２
（ａ），（ｂ）に示すように前記超音波振動子１２の各
部材の外周形状と同一形状を呈し、バッキング層１４か
ら第２整合層２４まで各部材間に接着剤２６を介在させ
つつ枠体２８ａ内に順次落とし込むことによって、各部
材の位置決めを行いながら積層を行うことができる。ま
た、該枠体２８ａの内壁面には接着剤収容部として複数
の溝２８ｃが形成されている。この溝２８ｃは、前述し
た加圧プレート３０ａで加圧したときに各部材間から押
し出される未硬化接着剤の過剰分を受け入れるためのも
のである。実際に、未硬化接着剤の押し出しが発生する
と、まず積層された積層体の外周面と枠体２８ａとの間
の極わずかな隙間（数十μｍ）に接着剤２６が侵入し、
積層体の外周面を薄膜でコーティングする。この結果、
枠体２８ａと積層体との間に形成された隙間（各部材の
位置決め精度を損なわない程度、かつ容易に各部材の落
とし込みが可能な程度に形成された隙間）を接着剤２６
で埋めて、積層体の外周形状を整えることができる。そ
して、前記コーティングでも使用されなかった過剰分の
接着剤２６が前記溝２８ｃに受け入れられる。溝２８ｃ
に押し出された接着剤２６は接着剤２６の硬化後にスク
レイパー等によって削り落とされる。なお、図２
（ａ），（ｂ）の場合、溝２８ｃは樋状である例を示し
ているが、溝２８ｃの一部に受け入れた接着剤２６を枠
体２８ａの外壁から排出する排出口を設けてもよい。ま
た、溝２８ｃ全体を外壁側に貫通させた貫通溝としても
よい。また、本実施形態の場合、枠体２８ａの任意の一
面は第１，第２フレキシブルケーブル１６，２０を外部
に引き出すために切欠窓２８ｄが形成されている。

【００２３】また、図１（ａ），（ｂ）に示すように、
前記枠体２８ａは固定型の基台２８ｂに収納配置された
付勢手段としてのスプリング３２で構成されるスライド
機構によって支持され前記基台２８ｂに対して、上下動
自在に保持されている。この枠体２８ａは、加圧機構３
０による加圧が行われていない状態では、図１（ａ）に
示すように超音波振動子１２の積層高さより高い位置ま
で突出保持され、超音波振動子１２の各部材の落とし込
み作業による位置決めを容易にしている。一方、図１
（ｂ）に示すように加圧機構３０による加圧が行われる
と、加圧プレート３０ａが、まずスプリング３２の付勢
力に反して枠体２８ａを押し下げる。この時、枠体２８
ａの下方へのスライドにより前述した接着剤２６による
コーティング処理が行われる。続いて、加圧プレート３
０ａが積層体の最上面に当接し、当該超音波振動子１２
の押圧を開始するが、枠体２８ａは加圧プレート３０ａ
の降下に応じて容易に下方に押し下げられるので、加圧
プレート３０ａの加圧力のバランスを崩すことがない。
従って、加圧プレート３０ａは積層体を均一な力で加圧
することが可能になり、過剰な接着剤２６の押し出しが
行われ必要最小限の厚みの接着層が形成される。

【００２４】また、枠体２８ａ及び超音波振動子１２を
押圧する加圧機構３０は、例えば、空気シリンダや油圧
シリンダ、モータ等によって構成され、一定圧力を積層
体に付与することができると共に、所定時間加圧状態を
維持できる構造を有している。

【００２５】そして、図１（ｂ）の加圧機構３０による
加圧状態を維持したままで、積層体は、加熱硬化炉等に
投入され接着剤２６の加熱硬化が行われ、超音波振動子
１２が完成する。

【００２６】このように、超音波振動子１２を構成する
各部材を接着剤２６を介在させながら積層する。そし
て、積層体全体の加圧と接着剤硬化を連続的に一度で行
う。この時、各部材は枠体２８ａ内に落とし込むことの
みで、相互間の位置決めを容易に行うことができる。ま
た、接着剤２６の塗布後、積層体の上面から直ちに加圧
を行うことによって、過剰な接着剤２６を接着面から排
除することができるので接着層の厚みを最小限にするこ
とが可能になる。その結果、組立精度にばらつきのない
安定した性能の超音波振動子１２を得ることができる。
また、超音波振動子１２の組立、接着剤塗布、硬化等の
一連の作業を単一のプロセスで行うことができるので、
製造効率を向上させることができる。

【００２７】なお、積層体形成工程、加圧工程は、実質
的真空状態内で行うことが望ましい。実質的真空状態内
で前記作業を行うことによって、接着層に気泡が巻き込
まれることを防止し、さらに脱泡効果により巻き込まれ
た気泡を接着層から排除することが可能になる。その結
果、超音波振動子の性能に影響するような気泡を接着層
内に含んだまま硬化することを確実に排除することがで
きる。ここで、実質的真空状態とは前記影響するような
気泡が接着層内へ混入することを排除できると共に、も
ともと混入していた気泡の脱泡が可能な程度の真空状態
をいい、必ずしも完全な真空状態である必要はない。

【００２８】図３（ａ），（ｂ）には、他の形態の超音
波振動子製造装置３４（以下、単に製造装置という）及
び、超音波振動子３６の概略構成が示されている。製造
装置３４は、図１（ａ），（ｂ）に示す製造装置１０同
様に枠体３８ａと基台３８ｂとから成る支持体３８と、
加圧プレート４０ａを有する加圧機構４０とから構成さ
れているが、枠体３８ａは基台３８ｂと同様に固定型で
ある。一方、加圧プレート４０ａは超音波振動子３６の
みと接触するように、枠体３８ａ内側に挿入可能な大き
さを呈している。

【００２９】また、超音波振動子３６も前記超音波振動
子１２と同様に、バッキング層４１、第１フレキシブル
ケーブル４２、圧電セラミックス４４、第２フレキシブ
ルケーブル４６、第１整合層４８、第２整合層５０とが
順次積層配置された積層体を形成し、各部材間には熱硬
化型の接着剤５２が介在しているが、図３の場合は、圧
電セラミックス４４と第１，第２フレキシブルケーブル
４２，４６の接続は、枠体３８ａへの落とし込み時に行
われる。本実施形態で使用する第１，第２フレキシブル
ケーブル４２，４６はシート形状を呈し、圧電セラミッ
クス４４の表裏面をそれぞれ覆うように配置され、接着
剤５２によって周囲から固定される。この時、シート状
の第１，第２フレキシブルケーブル４２，４６の圧電セ
ラミックス４４に対する位置決め（圧電セラミックス４
４上に形成されている複数の電極と第１，第２フレキシ
ブルケーブル４２，４６上に形成されている対応する電
極との接続のための位置決め）は、枠体３８ａの内壁面
によって行われるので、迅速かつ容易に超音波振動子３
６の組立作業を行うことができる。なお、加圧機構４０
の基本構成は、図１に示すものと同じであり、加圧によ
る過剰接着剤の押し出し作用等も同じである。また、前
記枠体３８ａには図２に示すものと同様な溝が形成さ
れ、押し出された接着剤の処理も同じである。

【００３０】なお、図１に示す超音波振動子１２を図３
の製造装置３４で製造しても良いし、また、超音波振動
子３６を製造装置１０で製造しても迅速かつ容易に部材
間の接着層の厚みのばらつきの無い超音波振動子を製造
することができる。

【００３１】また、本実施形態では、略矩形の枠体を用
いて説明したが、枠体の形状は、超音波振動子の形状に
合わせて、任意に変更しても同様な効果を得ることがで
きる。

【００３２】また、接着剤収容部の形状の接着剤の逃げ
空間が形成されれば、溝以外の形状でも上述と同様な効
果を得ることができる。さらに、本実施形態では、スラ
イド機構として、スプリングを用いた構成を説明した
が、枠体が加圧に応じてスムーズに上下動作する構成で
あれば、他の機構を用いても上述と同様な効果を得るこ
とができる。

【００３３】さらに、前述した各実施形態では、枠体内
にバッキング層、フレキシブルケーブル、圧電セラミッ
クス、フレキシブルケーブル、整合層の順で落とし込む
例を示しているが、整合層、フレキシブルケーブル、圧
電セラミックス、フレキシブルケーブル、バッキング層
の順に落とし込んで積層体を形成しても同様な効果を得
ることができる。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、超音波振動子の組み立
てから硬化までを単一プロセスで行い完成品とするた
め、製造プロセスの簡略化、組み立て時間の短縮、製造
コストの低減が可能になると共に、組み立て時の各部材
の位置決めが容易かつ正確に行える。また、接着剤硬化
処理が一度なので不必要な部分での接着剤硬化が無くな
ると共に、過剰な接着剤の排除が可能になるので、安定
した接着層の形成が可能になり、超音波振動子の性能を
安定させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施形態に係る超音波振動子製造装
置及び超音波振動子の構成概念図である。

【図２】 本発明の実施形態に係る超音波振動子製造装
置の枠体の構成を説明する説明図である。

【図３】 本発明の実施形態に係る超音波振動子製造装
置及び超音波振動子の他の構成概念図である。

【符号の説明】

１０，３４ 超音波振動子製造装置、１２，３６ 超音
波振動子、１４，４１バッキング層、１６，４２ 第１
フレキシブルケーブル、１８，４４ 圧電セラミック
ス、２０，４６ 第２フレキシブルケーブル、２２，４
８ 第１整合層、２４，５０ 第２整合層、２６，５２
接着剤、２８，３８ 支持体、２８ａ、３８ａ 枠
体、２８ｂ，３８ｂ 基台、２８ｃ，３８ｃ 溝、３
０，４０ 加圧機構、３０ａ，４０ａ 加圧プレート、
３２ スプリング。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくともバッキング層と、圧電体と、
   整合層とを含む超音波振動子の製造方法において、 枠体内に少なくともバッキング層と、圧電体と、整合層
   とを落とし込みつつ相互間に接着剤を介在させて積層体
   を形成する工程と、 前記積層体最上面から当該積層体を均一加圧する工程
   と、 前記加圧状態を維持しながら前記接着剤を硬化させる工
   程と、 を含むことを特徴とする超音波振動子の製造方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の製造方法において、 少なくとも積層体形成工程と、加圧工程は、実質的真空
   状態内で行われることを特徴とする超音波振動子の製造
   方法。
3. 【請求項３】 超音波振動子を構成する積層体を保持可
   能な保持体であって、前記積層体を載置する固定型の底
   面基台と前記積層体を取り囲む可動型の枠体とを含む保
   持体と、 前記積層体の上方から下降して前記積層体の上面を加圧
   する加圧プレートを有する加圧機構と、 前記積層体を底面基台上に保持しつつ、前記加圧プレー
   トの押圧による前記枠体の加圧方向への運動を許容する
   スライド機構と、 を含むことを特徴とする超音波振動子製造装置。
4. 【請求項４】 請求項３記載の製造装置において、 前記枠体は付勢手段によって上方に付勢されていること
   を特徴とする超音波振動子製造装置。
5. 【請求項５】 請求項３または請求項４記載の製造装置
   において、 前記枠体は、その内壁面に接着剤収容部を有し、 前記積層体を構成する少なくともバッキング層と、圧電
   体と、整合層との間に介在する未硬化接着剤の過剰分を
   収容することを特徴とする超音波振動子製造装置。
6. 【請求項６】 請求項５記載の製造装置において、 前記接着剤収容部は、溝形状を呈することを特徴とする
   超音波振動子製造装置。