JPWO2004089223A1 - 超音波振動子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

超音波振動子は、少なくとも硬質な材料からなる層を含む音響整合層と、この音響整合層より長さ寸法が短く、音響整合層を構成する硬質な材料からなる層の所定位置に固定配置され、この配置状態で複数の圧電素子に分割形成される圧電体と、分割形成された圧電素子の表面を内周面側に配置した状態で、この圧電素子から突出する音響整合層の圧電素子を配置した面に固定配置されて複数の圧電素子を所定形状に配列させる硬質な材料からなる振動子形状形成部材とを具備して構成されている。

Description

本発明は超音波診断装置等に用いられる超音波振動子に関する。

医療分野においては、超音波振動子から生体組織に向けて超音波を送信すると共に生体組織から反射される反射波を、超音波を送信した超音波振動子と同一あるいは別体に設けた超音波振動子で受信して信号処理を行って画像化することにより生体組織の情報を得る超音波診断装置が従来より種々提案されている。
このような超音波診断装置に用いられる超音波振動子として、複数の圧電素子を規則的に配列して順次駆動する電子走査式の超音波振動子がある。このような超音波振動子として、複数の圧電素子を円筒状に配列したラジアルアレイ型、略部分円筒状に配列したコンベックスアレイ型、或いは平板状に配列したリニアアレイ型等がある。
これらのうち、ラジアルアレイ型の超音波振動子は、例えば、特開平２−２７１８３９号公報に記載される超音波プローブに適用される。この超音波振動子は、ダンパー効果のある可撓性を有する薄板で形成された支持部材に、例えばチタン酸ジルコン酸鉛等を素材とした圧電素子板及び音響整合層を順次接着して振動子ユニットを形成する。その後、下層の支持部材を残して長手方向の一辺に直交する所定ピッチの切り溝を切断手段を用いて形成して複数の超音波振動子を有する振動子アレイを構成し、この振動子アレイを構成する支持部材の裏面を断面が円形状の固定部材を兼用したダンパー材（本願の明細書中にあっては「バッキング材」と記載する）の周囲に接着して形成される。
そして、特許２５０２６８５号公報には、圧電素子の両面にそれぞれ第１の音響整合層及び変形しやすい材料等で形成した背面負荷材を設け、切断手段で所望の間隔で第１音響整合層側から背面負荷材の一部に達する切り溝を形成し、所望の曲率に形成した曲面体の外面に背面負荷材を接着固定して超音波探触子を製造する方法が開示されている。
また、前記アレイ型の超音波振動子については例えば、特開平１０−３０８９９７号公報の超音波振動子がある。この超音波振動子では、電極を有する圧電体の第１面又は第２面の少なくとも一方に溝又は切り欠きによる凹部を形成し、この凹部に導体を係入配置するとともにこの導体を凹部近傍の電極に電気的に接続して超音波振動子を形成している。
また、特許２７２９４４２号公報には、超音波振動子と、この超音波振動子の前面側に設けられた接地電極と、前記超音波振動子の背面側に設けられた正極電極と、前記超音波振動子の接地電極面側に接合された音響整合層と、前記超音波振動子の正極電極側に設けられた背面負荷部材とを重畳させて重畳構造体を形成するとともに、この重畳構造体の片側の側端部において前記前面側の音響整合層から背面側の背面負荷材までの一部を切断除去して接地電極を露出させ、背面負荷材の前記切断面に導体を固着して前記接地電極の端面と電気的に接続し、また前記正極電極に接続された導体とを有する超音波探触子が示されている。
また、特開平２−２７８１４３号公報の電子走査型超音波プローブには振動子ユニットが形成している円筒の中にダンパー材を流し込みラジアル走査型の超音波プローブを構成することが示されている。
しかしながら、前記特開平２−２７１８３９号公報の超音波プローブに開示される可撓性の支持部材とダンパー材とを接着剤で固定して形成した超音波振動子では、支持部材とダンパー材との間に設けられる接着層の影響により、パルス幅が延びる等の不具合が発生するおそれがあった。そして、特に、柔らかな部材を接着によって固定した場合には硬質部材同士を接着する場合と異なり、接着層の厚みにばらつきが生じることや、部材形状を高精度にできないこと、接着後の振動子形状精度に不具合が発生して超音波画像の画質が不安定になるおそれがあった。また、ダンパー材や支持部材を曲げて接着固定することによって、これらダンパー材や支持部材に残留応力が加わって信頼性を低下させる要因になっていた。
また、前記特開平２−２７１８３９号公報及び特許２５０２６８５号公報に開示される超音波探触子の製造方法では、可撓性を有する或いは変形しやすい弾性部材を曲げた状態にしてダンパー材或いは曲面体に接着固定することにより所定の形状を形成していた。このため、弾性部材に応力が残留して断線等が発生するおそれがあった。
さらに、弾性を有する柔軟な部材を接着によって固定するとき、硬質部材同士を接着する場合と異なり、接着層の厚みにばらつきが生じたり、部材形状を高精度に形成できないことがあり、所望の形状精度を維持することが難しかった。
また、前記特開平１０−３０８９９７号公報の超音波振動子では、小さなスペースでグランド配線を確保するために圧電素子に溝を形成することによってマイクロクラック等が発生して素子の信頼性が低下するおそれがあった。一方、小型化するために導体の細線化を図ることによって容量が不足するという問題が発生する。
また、前記特許２７２９４４２号公報の超音波探触子では、音響整合層、圧電素子、バッキング材等を接合した後に、導電体を露出させるために端面部分を除去していたので、上述の超音波振動子と同様に導電体と圧電素子との間に加わる加工応力が大きく、この部分にマイクロクラック等が発生して素子の信頼性が低下するおそれがあった。
また、前記特開平２−２７８１４３号公報のラジアル走査型の超音波プローブではダンパー材を流し込んで硬化させただけであるので、ダンパー材を形成するために流し込んだこのダンパー材を形成する液状の樹脂部材に混入されている粉体や繊維等のフィラーの分布密度が硬化してダンパー材として形成されたときに不揃いになる。そして、その結果、それぞれの圧電素子に対するバッキング材の特性が不均一になり、複数配置されている圧電素子それぞれの特性にバラツキが生じて、良好な超音波画像を得難くなるという不具合が発生する。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、残留応力の影響を減少させて良好な超音波画像を得ることができる信頼性が高い超音波振動子を提供することを目的とする。
また、本発明は、さらに、小さなスペースで強固なグランドを確保するとともに、高信頼性とした超音波振動子を提供することを目的にしている。
さらに、本発明は、各圧電素子に対して均一な音響特性を有するバッキング材を配置して、良好な超音波画像を得られる高信頼性の超音波振動子を提供することを目的にしている。

本発明の超音波振動子は、少なくとも硬質な材料で構成される層を含む音響整合層と、この音響整合層より長さ寸法が短く、前記音響整合層を構成する硬質な材料で構成された層の所定位置に固定配置され、この配置状態で複数の圧電素子に分割形成される圧電体と、分割形成された前記圧電素子の表面を内周面側に配置した状態で、この圧電素子から突出する前記音響整合層の前記圧電素子を配置した面に固定配置されて、複数の圧電素子を所定形状に配列させる硬質な材料で構成される振動子形状形成部材とを具備している。そして、本発明の超音波振動子の製造方法は、少なくとも硬質な材料からなる第１音響整合層及び軟質な材料からなる第２音響整合層を積層した音響整合層を形成する工程と、前記音響整合層の第１音響整合層面に電極を有する所定形状の圧電体を固定して積層体を形成する工程と、前記圧電体に所定間隔の分割溝を形成して、前記積層体に所定数の圧電素子を設ける工程と、複数の圧電素子を有する積層体の所定位置に形状形成部材を配置して積層体を所定形状に構成する工程と、所定形状に形成した前記積層体を回動状態にして、この積層体内周面にフィラーを混入した液状樹脂を供給する工程と、前記積層体を所定時間回動状態にして、この積層体内周面に供給された前記液状樹脂を硬化させる工程とを具備している。したがって、圧電素子に接着剤を使用することなくフィラーを混入した液状樹脂を配置して、残留応力が発生することが確実に防止することができる。また、フィラーを混入した液状樹脂が各圧電素子に対して均一に配置されるので、均一な音響特性を有する超音波振動子を得られる。

第１図は超音波振動子を示す斜視図、第２Ａ図は超音波振動子の構成を説明する長手方向断面図、第２Ｂ図は第２Ａ図の矢印Ｂで示す部分の拡大図、第２Ｃ図は第２Ａ図の矢印Ｂで示した部分の他の構成例を説明する図、第２Ｄ図は第２Ａ図の矢印Ｂで示した部分の他の構成例を説明する図、第２Ｅ図は第２Ａ図の矢印Ｃで示す部分の拡大図、第３図は第２Ａ図のＡ−Ａ線断面図、第４Ａ図は音響整合層を形成する部材を説明する図、第４Ｂ図は音響接合層を説明する図、第５Ａ図は第１積層体を形成する部材を説明する図、第５Ｂ図は第１積層体を説明する図、第６Ａ図は第２積層体を形成する部材を説明する図、第６Ｂ図は第２積層体を説明する図、第７図は基板の導電パターンと圧電セラミックの一面側電極とを電気的に接続する工程を説明する図、第８Ａ図は分割溝を形成して圧電セラミックを圧電素子に分割している状態を示す図、第８Ｂ図は切断工程により形成された分割溝を有する第２積層体を切断方向から見た側視図、第９図は複数の圧電素子を設けた第２積層体を円筒状に変形させた図、第１０Ａ図は円筒状の振動子ユニットを形成する部材を説明する図、第１０Ｂ図は第１音響整合層に形状形成部材を配置した状態を説明する図、第１０Ｃ図は基板に形状形成部材を配置した状態を説明する図、第１１Ａ図はコンベックスアレイ型振動子ユニットを形成するための形状形成部材及び第２積層体を示す図、第１１Ｂ図はリニアアレイ型振動子ユニットを形成するための形状形成部材及び第２積層体を示す図、第１２図は第１音響整合層に設けるグランド電極の他の形成方法を説明する図、第１３図は回動状態の円筒状振動子ユニットを説明する図、第１４図は円筒状振動子ユニットの内周面に液状樹脂を供給している状態を説明する図、第１５図は円筒状の超音波振動子の長手方向断面図、第１６図は第１５図のＥ−Ｅ線断面図、第１７Ａ図はコンベックスアレイ型振動子ユニットを形成するための形状形成部材及び第２積層体を示す図、第１７Ｂ図はコンベックスアレイ型超音波振動子を形成する他の方法を説明する図、第１７Ｃ図はコンベックスアレイ型超音波振動子を形成する別の方法を説明する図である。

本発明を、添付の図面にしたがってより詳細に説明する。
第１図に示すように本実施形態に係る超音波振動子１はラジアルアレイ型に構成したものである。超音波振動子１は、音響整合層２、バッキング材３、円筒状に形成した第１の振動子形状形成部材４ａ、第２の振動子形状形成部材（以下、形状形成部材と略記する）４ｂ及び圧電素子５とを有する。音響整合層２は、硬質の材料で形成された第１音響整合層２ａと、軟質の材料で形成された第２音響整合層２ｂとを積層して形成される。ここで「硬質」とは、予め形成した形状を保つことができる程度の硬さを意味する。一方、「軟質」とは変形などに関して柔軟性を有することを意味する。
第２Ａ図及び第３図に示すようにバッキング材３、圧電素子５、第１音響整合層２ａ及び第２音響整合層２ｂは、超音波振動子１の円筒形状の中心から外周側に向けて順に配置される。第１の形状形成部材４ａは音響整合層２を構成する第１音響整合層２ａの内方向で、バッキング材３及び圧電素子５の一端側に隣接するように配置される。圧電素子５の他端側には基板６が配置される。
なお、基板６も超音波振動子１等の形状に倣い円筒状に形成される。基板６としては、例えば３次元基板、アルミナ基板、ガラスエポキシ基板、リジットフレキシブル基板、フレキシブル基板等が用いられる。
第２の形状形成部材４ｂは基板６の内周側で、バッキング材３の他端側に隣接するように配置される。また、超音波振動子１の第１の形状形成部材４ａが配置される側である一端側には音響整合層２が圧電素子５よりも長手軸方向に突出するように配置されている。
音響整合層２は、前述した通り第１音響整合層２ａ及び第２音響整合層２ｂで構成されるが、第１音響整合層２ａの材料としては、例えばエポキシ系、シリコーン系、ポリイミド系等の樹脂部材に、金属、セラミックス、ガラス等の粉体や繊維を混合したもの、あるいはガラス、マシナブルセラミックス・シリコン等が用いられる。一方、第２音響整合層２ｂの材料としては、例えばシリコーン系、エポキシ系・ＰＥＥＫ・ポリイミド・ポリエーテルイミド・ポリサルフォン・ポリエーテルサルフォン・フッ素系樹脂等の樹脂部材やゴム等が用いられる。
第１図及び第３図に示すように第１音響整合層２ａ及び圧電素子５は所定数、例えば１９２個に分割されて配列される。
バッキング材３としては、例えばアルミナ粉末入りのエポキシ樹脂を硬化させたものが用いられる。なお、バッキング材３として、エポキシ系、シリコン系、ポリイミド系、ポリエーテルイミド、ＰＥＥＫ・ウレタン系・フッ素系等の樹脂部材やクロロプレンゴム・プロピレン系ゴム・ブタジエン系ゴム・ウレタン系ゴム・シリコーンゴム・フッ素系ゴム等のゴム材、又はこれら樹脂部材やゴム材にタングステン等の金属、アルミナ・ジルコニア・シリカ・酸化タングステン・圧電セラミックス粉・フェライト等のセラミックス、ガラス、樹脂等の粉体や繊維、中空の粒子などで形成された単一又は複数の物質・形状のフィラーを混合したものを用いても良い。
圧電素子５は、板状に形成されたチタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸鉛・チタン酸バリウム系・ＢＮＴ−ＢＳ−ＳＴ系等の圧電セラミック又は、ＬｉＮｂＯ３・ＰＺＮＴ等の圧電性結晶・リラクサー強誘電体を切断して形成したものである。一面側電極５ａ及び他面側電極５ｂは板状の圧電セラミックの面上に金、銀、銅あるいはニッケル・クロム等の導電部材を焼付け又は蒸着・スパッタ・イオンプレーティング等の薄膜又はメッキ等により、単層・多層又は合金層として予め設けたものである。
ここで、第２Ａ図における範囲Ｂの部分拡大図である第２Ｂ図ないし第２Ｄ図及び範囲Ｃの部分拡大図である第２Ｅ図に基づき、超音波振動子１における導電系につき説明する。
第２Ｂ図に示すように圧電素子５の内周側には一面側電極５ａが設けられ、外周側には他面側電極５ｂが設けられている。音響整合層２を構成する第１音響整合層２ａの内周側には略全周に亘ってグランド電極８が配置形成される。音響整合層２を構成する第１音響整合層２ａの内周側かつ第１の形状形成部材４ａの一端には、グランド電極８と接するように導電部７が配置形成される。
なお、グランド電極８の配置については、製造方法の記載と併せて後述する。
第１の形状形成部材４ａは、第１音響整合層２ａの内周面に対して導電部材、例えば導電接着剤（不図示）で接着固定される。これにより導電部７とグランド電極８とが電気的に導通された状態になる。なお、導電部材は導電接着剤に限定されるものではなく、半田や銀ロウ、金ロウ等の金属ロウ部材、或いは導体被膜等であってもよい。
このように、他面側電極５ｂと、導電部７と、グランド電極８とが電気的に接続される。
第２Ｂ図にあっては他面側電極５ｂと導電部７とが一体的に形成されるが、他面側電極５ｂと、導電部７と、グランド電極８とは、電気的に等位となるように接続されれば良い。例えば第２Ｃ図に示すように、グランド電極８が音響整合層２の一端側まで連続して設けられるようにしても良い。
また、第２Ｄ図に示すように、第１の形状形成部材４ａの長手軸方向の長さである厚みより少量だけ長く形成して他面側電極５ｂ及び導電部７に長手方向前後の一部分のみが接するように形成しても良い。この場合は、グランド電極８が外側に露出する構成とし、導電部４ａとグランド電極６との間を、導電性樹脂・導電性塗料等の導体材料や、各種の導体薄膜・導体厚膜・メッキ等の導体皮膜で電気的な導通状態とする。また、これらの材料を組み合わせて用いても良い。
第２Ｅ図に示すように、圧電素子５と基板６とが隣接する部位の近傍にあっては、基板６の内周側に設けられた導電パターン６ａと、一面側電極５ａとを電気的に接続するように、導電部材９がバッキング材３の内周側に配置される。
第４Ａ図から第１０Ｃ図までを参照して、上述のように構成される超音波振動子１を製造する方法を説明する。
超音波振動子１を製造する方法は以下の工程で形成される。
（１）音響整合層２を形成する工程
音響整合層２を形成するために、まず、第４Ａ図に示すように所定寸法及び所定形状で、かつ所定の音響インピーダンス値に調整された第１音響整合層２ａ及び第２音響整合層２ｂを用意する。そして、第１音響整合層２ａの一面側の所定位置には板状のグランド電極８を配置する。
次に、第４Ｂ図に示すように第１音響整合層２ａと第２音響整合層２ｂとを一体的に積層して音響整合層２を形成する。このとき、第２音響整合層２ｂを、グランド電極６が設けられていない第１音響整合層２ａの他面側に配置する。音響整合層２は、各々を所定厚さとした後に一体化しても、一体化させた後に所定厚さにしても、接合せずに一方に他方を塗布、注型、成膜等により直接形成しても良く、これらの組合せにより形成しても良い。
なお、グランド電極８は、第１音響整合層２ａの所定位置に形成した所定幅寸法及び深さ寸法の溝１１に、所定幅寸法及び厚み寸法に形成した板状の導電部材１２を接着して配置しても良い。また、グランド電極８は、溝１１に所定幅寸法で前記深さ寸法より厚めに形成した板状の導電部材を接着して配置しても良い。また、グランド電極８は、図示しない導電樹脂等を突出するように塗布或いは充填した後、この導電部材の突出部分を第１音響整合層２ａの面と面一致状態になるように加工して形成しても良い。また、グランド電極８は、所定厚み寸法より厚めに形成した第１音響整合層２ａの溝１１内に導電部材を接合ないし塗布或いは充填した後、全体を所定厚み寸法になるように加工して形成しても良い。また、グランド電極８は、各種の導体膜で形成しても良い。
そして、グランド電極８には、例えば導電性樹脂・導電性塗料・金属等の導体材料や、各種の導体薄膜・導体厚膜・メッキ等の導体皮膜が使用される。
（２）第１積層体を形成する工程
前記第１の工程により形成された音響整合層２と、一面側電極５ａ及び他面側電極５ｂを圧電素子の両面に設けた圧電セラミック１３とから、第１積層体２１を形成する。圧電セラミック１３は、音響整合層２の長さ寸法より所定寸法だけ短く形成され、幅寸法は略同一寸法で形成され、厚み寸法は所定寸法に形成される。
具体的には、まず、第５Ａ図に示すように音響整合層２及び圧電セラミック１３を準備する。
次に、第５Ｂ図に示すように音響整合層２のグランド電極８が形成された面に、圧電セラミック１３の他面側電極５ｂを、グランド電極８と少なくとも一部が接触するよう、略矩形状の音響整合層２の一辺から所定量である例えば距離ａだけオフセットした位置に接着固定する。
こうして、他面側電極５ｂと圧電セラミック１３のグランド電極６とが電気的導通状態とされた一体的な第１積層体２１が形成される。このとき、グランド電極６が配置されている音響整合層２の一端面側が圧電セラミック１３の一端面側から距離ａだけ突出した状態になる。
（３）第２積層体を形成する工程
前述した工程で形成された第１積層体２１及び導電パターン６ａから第２積層体２２を形成する。
まず、第６Ａ図に示すように第２工程で形成した第１積層体２１と、例えば一面側に複数の導電パターン６ａ，…，６ａが所定の間隔で規則的に配列された基板６とを準備する。この基板の厚み寸法は、圧電セラミック１３の厚み寸法と略同寸法である。
次に、第６Ｂ図に示すように導電パターン６ａ，…，６ａを上向きにした状態で、基板６を圧電セラミック１３に隣接するように配設し、第１音響整合層２ａに対して接着固定する。
こうして、第１音響整合層２ａの面上に圧電セラミック１３と基板６とが隣接して配置された第２積層体２２が形成される。なお、基板６の幅寸法及び長さ寸法は所定寸法に設定される。
（４）基板の導電パターン６ａ，…，６ａと圧電セラミック１３の一面側電極５ａとを電気的に接続する工程
第７図に示すように第２積層体２２の導電パターン６ａが形成されている基板７及び一面側電極５ａが設けられている圧電セラミック１３の表面の所定位置に図示しないマスク部材を配置し、膜部材である導電性塗料又は導電性接着剤等を塗布したり、金、銀、クロム、二酸化インジウム等の金属や導体を蒸着、スパッタ、イオンプレーティング、ＣＶＤ等の方法で付着させて、導電膜部１４を設ける。
こうして導電膜部１４を形成することにより、導電パターン６ａ，…，６ａと一面側電極５ａとが電気的に接続される。
（５）圧電セラミック１３を複数の圧電素子５，…，５に分割する工程
第８Ａ図に示すように圧電セラミック１３及び基板６の表面側から音響整合層２を構成する第１音響整合層２ａを通過させて第２音響整合層２ｂの一部に到達する所定深さ寸法で所定幅寸法又は所定形状の分割溝１５を長手方向に対して直交する方向に所定ピッチで形成していく。尚、この分割溝１５は、図示しないダイシングソー又はレーザ装置等の切断手段を用いて形成する。このとき、前記切断手段を２つの導電パターン６ａ、６ａを分割する中央線上に配置させる。
この工程にあっては、複数の導電パターン６ａ，…，６ａを設けた基板６が、少なくとも１つの導電パターン６ａが配置された複数の基板６，…，６に分割されるとともに、圧電セラミック１３も複数個に分割される。このとき、導電膜部１４は複数の導電部材９に分割される。このことによって、１つの音響整合層２上に、個々の導電パターン６ａを導電部材９で電気的に接続した圧電素子５，…，５が複数個配列されるようになる。
第８Ｂ図に示すように第２積層体２２に分割溝１５を所定ピッチで所定個数形成する。このことによって、圧電セラミック１３、基板６、導電膜部１４及び第１音響整合層２ａが所定個数に分割されて、圧電セラミック１３及び基板６から形成されていた第２積層体２２が、複数の圧電素子５，…，５及び複数の基板６，…，６を配置した積層体群で形成された第２積層体２２ａになる。言い換えれば、音響整合層２を構成する柔軟性を有する第２音響整合層２ｂに、複数の圧電素子５，…，５を配列した状態になると言える。
次いで、第２音響整合層２ｂが最外周側に配置されるように第２積層体２２ａを曲げ変形させて、第９図に示すように第２積層体２２ａを円筒形状に形成する。
なお、分割溝１５を形成した後、超音波振動子１を形成するに当たって不要になる、例えば第８Ａ図の斜線に示す音響整合層２を除去する。また同様に、第２積層体２２を構成する各部材について、例えば長さなどについては所定形状よりも大きいものを用い、最終的に不要部分を除去しても良い。さらに必要に応じ、それぞれの圧電素子５，…，５の一面側電極５ａと、基板６，…，６の導電パターン６ａとが導電部材９によって電気的に接続されているかの導通検査を行う。
（６）円筒状振動子ユニット（以下、円筒状ユニットと略記する）２３を形成する工程
前述の工程で形成された第２積層体２２ａと、第１及び第２の形状形成部材４ａ、４ｂとから円筒状ユニット２３を形成する。
具体的には、第１０Ａ図に示すように第２積層体２２ａを円筒状に形作った後、第１０Ｂ図に示すように第１の形状形成部材４ａを音響整合層２の第１音響整合層２ａに導電接着剤で一体的に接着固定する。また、第１０Ｃ図に示すように第２の形状形成部材４ｂを圧電素子５，…，５に隣設する基板６，…，６の内周面側に非導電性の接着剤によって一体的に接着固定する。
こうして、硬質の材料で形成された第１音響整合層２ａと、第１の形状形成部材４ａ及び基板６と、第２の形状形成部材４ｂとを接着固定することにより、第２積層体２２ａから所定の曲率の円筒状ユニット２３が形成される。このとき、分割された圧電素子５，…，５にそれぞれ設けられている他面側電極５ｂと導通状態となっているグランド電極８と、第１の形状形成部材４ａの導電部７とは一体的に導通状態となる。
導電部７には、図示しない超音波観測装置から延出するグランド線が接続され、容量が十分に大きいグランドが確保される。なお、第１の形状形成部材４ａを第１音響整合層２ａに非導電性接着剤により接着し、その後に導体薄膜、導電性樹脂、導体厚膜等によって電気的に接続するようにしても良い。
このように、圧電セラミック１３に設けた所定の電極及び形状形成部材の導電部と電気的に導通状態になるグランド電極８を音響整合層２に予め設け、このグランド電極８と圧電セラミック１３に設けた所定の電極及び形状形成部材の導電部７とを組み立てる工程時に電気的に接続することによって、各圧電素子５，…，５にそれぞれ設けられている他面側電極５ｂを、導電部７によって一体になったグランド電極８に接続して大容量のグランドを確保することができる。
なお、本実施形態においては第１形状形成部材４ａ及び第２形状形成部材４ｂを用いてラジアルアレイ型の超音波振動子１を形成する工程を説明したが、本工程で示した形状形成部材４ａ、４ｂを使用する代わりに、第１１Ａ図に示すように例えば部分円筒形状等に形成した第３の形状形成部材４ｃ、第４の形状形成部材４ｄを上述と同様に所定形状で所定数に分割された圧電素子５，…，５を有する第２積層体２２ｂの第１音響整合層２ａに固定することによってコンベックスアレイ型振動子ユニットが形成するようにしてもよい。
なお、第１１Ｂ図に示すように、端部が平坦である平板状の形状形成部材４ｅを上述と同様に第２積層体２２ｃの第１音響整合層２ａに該平坦部が接するように固定すると、リニアアレイ型振動子ユニットが形成される。さらに、形状形成部材の端部形状は円弧や直線に限定されるものではなく、これらの組合せや変形も可能であり、これにより複数個配列されるアレイを自由に配置することができ、よって超音波の走査方向を自在に設定することができる。
また、本実施形態においては、グランド電極８を、第１音響整合層２ａの所定位置に形成した所定幅寸法及び深さ寸法の溝１１に、板状の導電部材１２を接着配置して構成しているが、第１２図に示すように、第１の音響整合層２ａの所定位置に導電性の材料で構成されるグランド膜部２４を設けるようにしても良い。具体的には、グランド膜部２４は、金、銀、銅或いはニッケル・クロム等の導電部材を焼付け又は蒸着等によって形成しても良く、また導電性塗料或いは導電性接着剤等を塗布して形成しても良い。
このことによって、第１音響整合層２ａの所定位置に所定幅寸法及び深さ寸法の溝を形成することなく、第１音響整合層２ａの所定位置にグランド電極６を設けることができる。
（７）バッキング材を形成する工程
バッキング材３は、圧電素子５の一面電極５ａ側に、フェライト入りゴム材・アルミナ粉入りエポキシ等を材料として用い、接着・注型等の方式により形成することにより前記図１ないし図３に示したような構成のラジアルアレイ型の超音波振動子を形成する。
以下に、その詳細を説明する。
第１３図に示すように円筒状ユニット２３を図示しない治具に載置し、この円筒状ユニット２３を曲率の中心を回動軸にして所定速度で例えば矢印に示す方向へ回転させる。この状態で、第１４図に示すように供給パイプ３１を介して、混入装置３２で予めエポキシ樹脂にアルミナ粉末を混入してかき混ぜておいた所定の粘性を有する、液状樹脂３３を円筒状ユニット２３の内周面２３ａに供給する。次に、円筒状ユニット２３を回転した状態のまま液状樹脂３３を所定量供給し、その後、所定時間回転状態にして液状樹脂３３を硬化させる。なお、円筒状ユニット２３の回転方向は矢印に示す方向に限定されるものではなく、逆方向であってもよい。
こうして、複数の圧電素子５，…，５の一面側電極５ａ側にバッキング材３を設けた、ラジアルアレイ型の超音波振動子１が形成される。
このとき、バッキング材３は、液状樹脂３３が円筒状振動子ユニット２３の回転している状態で硬化して形成されるので、第１５図に示すように各圧電素子５，…，５に対して均一な厚さで、かつ第１６図に示すように各圧電素子５，…，５の一面側電極５ａの内周面側から中心方向に向かってアルミナ粉末を均一に分布した状態に形成される。具体的には、一面側電極５ａの内周面側から一点鎖線に示す範囲５１にアルミナ粉末を高密度に配置して、中心方向に向かうにしたがってアルミナ粉末の密度が徐々に低下して、二点鎖線から中心側にエポキシ樹脂だけのいわゆる上澄み層５２を形成したバッキング材３になっている。
このように、円筒状ユニットを形成し、この円筒状ユニットを所定速度で回動状態にして、硬化させることによってバッキング材となるフィラーを混入した液状の樹脂部材を所定量供給した後、回動状態を保持して供給された樹脂部材を硬化させることによって、各圧電素子の内周面側から中心方向に向かってフィラーが均一に分布して、均一な厚さのバッキング材を形成してラジアルアレイ型の超音波振動子を得ることができる。このことによって、各圧電素子に対して均一な音響特性を有するバッキング材を配置したラジアルアレイ型の超音波振動子で超音波観察を行うことによって良好なラジアル画像の超音波画像を得られる。
なお、圧電素子の一面側電極側に接着剤を使用することなくバッキング材を配置したことによって、バッキング材に残留応力が発生することを確実に防止することができる。
また、バッキング材の上澄み層を除去して、超音波振動子の有する内孔の内径を大径に形成することによって、超音波内視鏡を構成する内容物を収容する収容スペースを拡張するようにしてもよい。
また、本実施形態においてはラジアルアレイ型の超音波振動子を形成する工程を説明したが、図示は省略するが例えば直径に沿って長手方向に切断して断面形状を例えば略半円状にするなど、所定角度で切断することによってコンベックスアレイ型の超音波振動子を得ることができる。
さらに、第１７Ａ図に示すように例えば半円形形状等に形成した供給パイプ挿通用凹部を設けた形状形成部材４ｃ、４ｄを上述と同様に所定形状で所定数に分割された圧電素子５，…，５を有する第２積層体２２ｂの第１音響整合層２ａに固定してコンベックスアレイ型振動子ユニット２２ｃを形成する。その後、第１７Ｂ図に示すようにこのコンベックスアレイ型振動子ユニット２２ｃを円筒状ユニット２３と略同形状にするダミー部材２４を一体的に配置する。そして、その状態で上述と同様に液状樹脂３３を供給するとともに硬化させてバッキング材を形成する。その後、ダミー部材２４及びバッキング材の不要箇所を除去することにより、前述と同様にコンベックスアレイ型の超音波振動子を得ることができる。
また、第１７Ｃ図に示すようにコンベックスアレイ型振動子ユニット２２ｃを図示しない治具に配置する。そして、この状態で、コンベックスアレイ型振動子ユニット２２ｃを所定の状態で揺動させて液状樹脂３３を所定量供給するとともに、所定時間揺動状態にして硬化させることによって、上述の実施形態と同様に各圧電素子に対して均一な音響特性を有するバッキング材を配置したコンベックスアレイ型の超音波振動子を得ることができる。
このように、圧電素子から突出している音響整合層を構成する硬質な材料で構成された第１音響整合層に、所定形状に形成した硬質な材料で構成された形状形成部材を固定配置することによって、所定形状の超音波振動子を高精度に形成することができるとともに、残留応力に起因する不具合の発生を確実に防止した超音波振動子を形成するすることができる。
このことによって、圧電セラミックを複数に分割して形成した圧電素子が高精度に配列されて、高画質の超音波観察像を長期にわたって安定して得ることができる。
尚、本発明は、以上述べた実施形態のみに限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能である。例えば、本実施形態においてはでは基板６を圧電素子５に併設配置し導電部材により両者を電気的に接続したが、これに限定されるものではなく、例えばバッキング材の内部又は側面に基板を位置させたり、フレームと基板とを合一すること、基板と圧電素子とを金属細線等で接続しても良い。

以上のように、本発明にかかる超音波振動子は、信頼性が高いので、超音波断層画像を得るための超音波観察用等として有用である。

Claims (21)

1. 少なくとも硬質な材料で構成される層を含む音響整合層と、
   この音響整合層より長さ寸法が短く、前記音響整合層を構成する硬質な材料で構成された層の所定位置に固定配置され、この配置状態で複数の圧電素子に分割形成される圧電体と、
   分割形成された前記圧電素子の表面を内周面側に配置した状態で、この圧電素子から突出する前記音響整合層の前記圧電素子を配置した面に固定配置されて、複数の圧電素子を所定形状に配列させる硬質な材料で構成される振動子形状形成部材と、
   を具備することを特徴とする超音波振動子。
2. 少なくとも硬質な材料で構成される第１音響整合層及び軟質な材料で構成される第２音響整合層を積層して形成した音響整合層と、
   この音響整合層より長さ寸法が短く、前記第１音響整合層面の所定位置に固定配置され、この配置状態で複数の圧電素子に分割形成される圧電体と、
   分割形成された前記圧電素子の表面を内周面側に配置した状態で、この圧電素子から突出する前記音響整合層を構成する第１音響整合層側の面に固定配置されて、複数の圧電素子を所定形状に配列させる硬質な材料で構成される振動子形状形成部材と、
   を具備する超音波振動子。
3. 前記圧電素子は、前記第１音響整合層に固定配置された圧電体の表面から第１音響整合層を通過して前記第２音響整合層に至る所定間隔の分割溝を設けて形成される請求の範囲第２項記載の超音波振動子。
4. 前記振動子形状形成部材は円形形状である請求の範囲第２項記載の超音波振動子。
5. 前記振動子形状形成部材は部分円筒形形状である請求の範囲第２項記載の超音波振動子。
6. 前記振動子形状形成部材は平板状である請求の範囲第２項記載の超音波振動子。
7. 硬質な材料で構成される層を含む音響整合層と、前記音響整合層を構成する硬質な層の所定位置に前記音響整合層の一部が突出する位置関係に固定配置され、この配置状態で複数の圧電素子に分割される両平面部に一面側電極及び他面側電極をそれぞれ設けた圧電体と、分割形成された前記圧電素子の表面を内周面側に配置した状態で、この圧電素子から突出する前記音響整合層の前記圧電素子を配置した面に固定配置されて、複数の圧電素子を所定形状に配列させる硬質な材料で構成される振動子形状形成部材とを備える超音波振動子において、
   前記音響整合層の端部側所定位置に、前記圧電体に平行で、この圧電体の平面部に設けた電極に対向する所定幅の帯状導電材料を設ける一方、前記振動子形状形成部材に前記圧電体から延出配置された導電材料に対向配置される導電部を設けたことを特徴とする超音波振動子。
8. 前記圧電体の平面部に設けた電極と前記音響整合層に設けた帯状の導電材料との電気的導通、或いはこの導電材料と前記振動子形状形成部材の導電部との電気的導通の少なくとも一方を接触によって行うことを特徴とする請求の範囲第７項に記載の超音波振動子。
9. 前記圧電体の平面部に設けた電極と前記音響整合層に設けた帯状の導電材料との電気的導通、或いはこの導電材料と前記振動子形状形成部材の導電部との電気的導通の少なくとも一方を導電部材を介して行うことを特徴とする請求の範囲第７項に記載の超音波振動子。
10. 少なくとも硬質な材料で構成される層を含む音響整合層と、前記音響整合層を構成する硬質な層の所定位置に前記音響整合層の一部が突出する位置関係に固定配置され、この配置状態で複数の圧電素子に分割される両平面部に一面側電極及び他面側電極をそれぞれ設けた圧電体と、分割形成された前記圧電素子の表面を内周面側に配置した状態で、この圧電素子から突出する前記音響整合層の前記圧電素子を配置した面に固定配置されて、複数の圧電素子を所定形状に配列させる硬質な材料で振動子形状形成部材とを備える超音波振動子において、
    前記音響整合層の端部側所定位置に、前記圧電体に平行で、この圧電体の平面部に設けた電極に対向する所定幅の帯状導電材料を設ける一方、前記振動子形状形成部材に前記圧電体から延出配置された導電材料に対向配置される導電部を設けた超音波振動子。
11. 前記圧電体の平面部に設けた電極と前記音響整合層に設けた帯状の導電材料との電気的導通、或いはこの導電材料と前記振動子形状形成部材の導電部との電気的導通の少なくとも一方を接触によって行う請求の範囲第１０項に記載の超音波振動子。
12. 前記圧電体の平面部に設けた電極と前記音響整合層に設けた帯状の導電材料との電気的導通、或いはこの導電材料と前記振動子形状形成部材の導電部との電気的導通の少なくとも一方を導電部材を介して行う請求の範囲第１０項に記載の超音波振動子。
13. 前記導電部材は、金属ロウ部材、導電性接着剤、或いは導体被膜である請求の範囲第１２項に記載の超音波振動子。
14. 複数の圧電素子を円周上に配列して構成され、これら複数の圧電素子の一面側に音響整合層、他面側にバッキング材を配置した超音波振動子において、
    前記バッキング材を、前記音響整合層と複数の圧電素子とが一体な積層体を予め所定形状に構成し、この積層体を回動状態にしてフィラーを混入した液状樹脂を前記積層体内周面に供給するとともにこの回動状態で硬化させて、圧電素子に対して一体に配置したことを特徴とする超音波振動子。
15. 前記超音波振動子はアレイ型であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の超音波振動子。
16. 前記超音波振動子はアレイ型であることを特徴とする請求の範囲第２項に記載の超音波振動子。
17. 前記超音波振動子はアレイ型であることを特徴とする請求の範囲第７項に記載の超音波振動子。
18. 前記超音波振動子はアレイ型であることを特徴とする請求の範囲第１０項に記載の超音波振動子。
19. 前記超音波振動子はアレイ型であることを特徴とする請求の範囲第１４項に記載の超音波振動子。
20. 少なくとも硬質な材料からなる第１音響整合層及び軟質な材料からなる第２音響整合層を積層した音響整合層を形成する工程と、
    前記音響整合層の第１音響整合層面に電極を有する所定形状の圧電体を固定して積層体を形成する工程と、
    前記圧電体に所定間隔の分割溝を形成して、前記積層体に所定数の圧電素子を設ける工程と、
    複数の圧電素子を有する積層体の所定位置に形状形成部材を配置して積層体を所定形状に構成する工程と、
    所定形状に形成した前記積層体を回動状態にして、この積層体内周面にフィラーを混入した液状樹脂を供給する工程と、
    前記積層体を所定時間回動状態にして、この積層体内周面に供給された前記液状樹脂を硬化させる工程と、
    を具備する超音波振動子の製造方法。
21. 前記超音波振動子はアレイ型であることを特徴とする請求の範囲第２０項に記載の超音波振動しの製造方法。

Images