WO2016038926A1 - 超音波振動子アレイ - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to an ultrasonic transducer array having an acoustic matching layer having a laminated structure.
- An ultrasonic transducer array used for an ultrasonic endoscope includes a plurality of transducers subdivided into strips and a first acoustic matching, as disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-94981.
- the layer is laminated on the sheet-like second acoustic matching layer, and after the laminated body is curved, an acoustic lens is formed on the surface of the second acoustic matching layer.
- the ultrasonic transducer array it is necessary to select materials used for the acoustic matching layer and the acoustic lens so that the acoustic impedance gradually decreases in order to ensure the ultrasonic propagation efficiency from the transducer to the observation site.
- the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an ultrasonic transducer array capable of simultaneously improving the ultrasonic performance and the production yield.
- An ultrasonic transducer array includes a transducer unit including a transducer and a first acoustic matching layer disposed on the transducer, the transducer unit having a plurality of first grooves, and the first transducer unit.
- the first acoustic matching layer has a comb shape including a plurality of tooth portions arranged via a second groove portion having a width equal to or smaller than the groove width of the groove portion and a main body portion holding the plurality of tooth portions, and the main body portion side has the first acoustic matching layer.
- FIG. 1 is an overall configuration diagram of an ultrasonic endoscope according to a first embodiment of the present invention.
- Explanatory drawing which shows an endoscope front-end
- FIG. 1 shows an ultrasonic endoscope 1 having an ultrasonic transducer array according to the present invention.
- An ultrasonic transducer unit is formed on the distal end side of an insertion portion 2 that is formed in an elongated tubular shape and is inserted into a body cavity or the like.
- 50 is an electronic scanning ultrasonic endoscope provided with 50.
- an operation portion 3 that also serves as a gripping portion is connected, and on the distal end side of the universal cord 4 that extends from the side portion of the operation portion 3, A connector portion 5 is provided.
- the insertion portion 2 is provided with a hard portion 6 connected to the ultrasonic transducer unit 50 on the distal end side, and a bending portion 7 connected to the rear end side of the hard portion 6 and configured to be able to bend in the vertical direction, for example. And a flexible tube portion 8 provided continuously to the rear end side of the curved portion 7.
- the flexible tube portion 8 is provided between the bending portion 7 and the operation portion 3, and has a small diameter and long shape formed with flexibility so as to be passively flexible. It is a member.
- the operation unit 3 covers the proximal end of the flexible tube unit 8 and is connected to the flexible tube unit 8.
- the operation unit 3 is connected to the bending unit 3 a, and the user uses the endoscope 1.
- a grip portion 3b that is gripped by a hand when performing the operation.
- Various operation members are arranged on the upper end side of the grip portion 3b, and a treatment for guiding the treatment instrument into the body cavity is located on the lower end side of the grip portion 3b and on the upper portion of the anti-folding portion 3a.
- a tool insertion port 9 and the like are provided.
- a bending lever 10 for performing a bending operation of the bending unit 7 a plurality of operation buttons 11 for performing respective corresponding operations such as an air / water supply operation or suction operation, imaging, illumination, and the like.
- the universal cord 4 extends from the distal end of the insertion portion 2 through the bending portion 7 and the flexible tube portion 8 to the operation portion 3, and further passes various signal lines and the like extending from the operation portion 3 to the inside.
- This is a composite cable that passes through a light guide of a light source device (not shown) and further passes an air / water supply tube extended from an air / water supply device (not shown).
- the connector portion 5 disposed on the distal end side of the universal cord 4 includes an ultrasonic connector 5a for connecting with an ultrasonic observation device (not shown), an electrical connector portion 5b for connecting various signal cables, and a light source.
- the light source side connector 5c which connects between an apparatus and an air / water supply apparatus (not shown) is provided.
- a treatment tool such as an objective lens window 12 that constitutes an observation optical system, an illumination lens window 13 that constitutes an illumination optical system, and a puncture needle is led out to the hard portion 6 on the distal end side of the insertion portion 2.
- a treatment instrument outlet 14 and the like are provided.
- the ultrasonic transducer unit 50 connected to the hard portion 6 includes an ultrasonic transducer array 15 and a nose piece 16 that accommodates the ultrasonic transducer array 15.
- the ultrasonic transducer array 15 is integrally disposed and held in a housing portion that forms a recess formed in a substantially central portion of the nosepiece 16, and forms an ultrasonic transmission / reception surface in the longitudinal axis direction of the insertion portion 2.
- An acoustic lens 30 is included.
- a substantially cylindrical projecting portion 16a is provided at the tip of the nose piece 16
- a first balloon holding groove 17a is formed on the outer periphery of the base portion of the projecting portion 16a
- a second balloon holding groove 17b is formed on the outer periphery of the connecting portion.
- a thin and highly shrinkable balloon formed of, for example, silicon rubber or latex rubber covers the nose piece 16 and is detachable. It is supposed to be disguised.
- the ultrasonic transducer array 15 includes a plurality of transducers 20 arranged in a curved shape along the convex surface, and the plurality of transducers 20 are accommodated in the nosepiece 16.
- the wiring board 45 is electrically connected.
- a plurality of signal cables 46 forming a signal line and a ground line are extended from the wiring board 45, and these signal cables 46 are inserted through the insertion portion 2 and connected to the ultrasonic connector 5a.
- the vibrator 20 is, for example, a piezoelectric element in which a known piezoelectric element is sandwiched between an upper electrode and a lower electrode, or a capacitance type that is separated by a pillar so that a predetermined distance is formed between the upper electrode and the lower electrode. Elements can be applied.
- a backing material 40 for attenuating unnecessary ultrasonic waves is disposed on the back side of the lower electrode of the vibrator 20.
- an insulating material such as epoxy resin, silicone, urethane, or various elastomers is used as a base material, and a material in which alumina, zirconia, titanium oxide, or the like is blended as a filler material is used. be able to.
- the ultrasonic transducer array 15 has a second acoustic matching layer 22 and a first acoustic matching layer 21 on the back side of the acoustic lens 30 held at the substantially central portion of the nosepiece 16.
- a plurality of transducers 20 are arranged, and the acoustic impedance from the transducers 20 to the living body is gradually reduced to obtain a shape and material that can ensure good ultrasonic wave propagation efficiency.
- the vibrator 20 and the first acoustic matching layer 21 are obtained by subdividing a thin plate-like structure integrally joined together with the second acoustic matching layer 22 into a strip shape by dicing. It is formed as a vibrator part 24 having a groove part 23.
- the second acoustic matching layer 22 is a comb composed of a plurality of tooth portions 22a protruding toward the acoustic lens 30 and a main body portion 22b that holds the plurality of tooth portions 22a and contacts the first acoustic matching layer 21. It is formed into a shape.
- a second groove portion 25 is formed that is disposed to face the first groove portion 23 of the first acoustic matching layer 21.
- the acoustic effect from the first acoustic matching layer 21 to the second acoustic matching layer 22 can be smoothly changed by the shape effect obtained by combining the plurality of tooth portions 22a and the second groove portion 25, and the vibrator 20 It is possible to make the sound velocity of the ultrasonic wave propagated from the sound closer to a desired sound velocity. As a result, good acoustic impedance matching can be obtained, the transmission efficiency of ultrasonic waves can be improved, and the sensitivity can be improved.
- the ultrasonic transducer array 15 includes an acoustic matching layer that can obtain a desired acoustic impedance, and can improve the ultrasonic propagation efficiency. It is set as the structure which can ensure the manufacturing yield including a process.
- the second groove portion 25 of the second acoustic matching layer 22 is set to a groove width equal to or smaller than the groove width of the first groove portion 23 of the vibrator portion 24, and the second acoustic matching layer 22 With respect to the acoustic matching layer 21, the second groove portion 25 is disposed so as to face the first groove portion 23 and fit within the groove width of the first groove portion 25.
- the groove width center of 23 and the groove width center of the second groove portion 25 are arranged on the same line.
- the laminate LA of the vibrator portion 24 having the first groove portion 23 and the second acoustic matching layer 22 having the second groove portion 25 is curved into a shape along the convex surface as shown in FIG. Further, the acoustic lens 30 is provided and laminated so as to cover the tooth portion 22a of the second acoustic matching layer 22, and the ultrasonic transducer array 15 is formed. The acoustic lens 30 is stacked so as to cover the tooth portion 22a after being filled in the second groove portion 25 of the second acoustic matching layer 22. It is also possible to fill the second groove 25 with a member made of a material different from that of the acoustic lens 30 and to stack the acoustic lens 30 thereon.
- the laminated body LA of the transducer unit 24 and the second acoustic matching layer 22 has a laminated structure that is highly resistant to mechanical stress caused by bending. That is, the laminate LA has a problem such that the vibrator portion 24 and the second acoustic matching layer 22 are peeled off during the bending process due to the groove width and the positional relationship of the first groove portion 23 and the second groove portion 25. It has a laminated structure that does not occur, and can be a product excellent in ultrasonic wave propagation efficiency without deteriorating the yield in product manufacture.
- the first groove portion 23 of the vibrator portion 24 and the second groove portion 25 of the second acoustic matching layer 22 are used.
- the laminated body LB having such an arrangement, when the main body portion 22b of the second acoustic matching layer 22 is bent at the neutral plane Lc during the bending process, as shown by an arrow in FIG.
- the bottom surface side of the first elastic matching layer 21 extends, and the corresponding first acoustic matching layer 21 side in the radius direction of curvature is compressed.
- interface peeling occurs between the main body portion 22b and the first acoustic matching layer 21 due to the stress acting on the bonding interface S between the main body portion 22b and the first acoustic matching layer 21.
- interfacial delamination may progress due to exposure to cleaning / disinfecting chemicals, sterilization gas, and the like.
- first groove portion 23 of the first acoustic matching layer 21 and the second groove portion 25 of the second acoustic matching layer 22 face each other and the groove width centers thereof coincide, Similarly, when the groove width of the groove portion 23 is smaller than the groove width of the second groove portion 25, the interface peeling may occur due to the stress generated between the main body portion 22b and the first acoustic matching layer 21. Becomes higher.
- the main body portion 22b of the second acoustic matching layer 22 when the main body portion 22b of the second acoustic matching layer 22 is curved at the neutral plane Lc, the main body portion 22b and the first acoustic matching layer are curved in the curvature radius direction. Since the second groove portion 25 does not overlap with the bonding interface S with the first stress matching layer 21, the stress acting on the bonding interface S between the main body portion 22b of the second acoustic matching layer 22 and the first acoustic matching layer 21 is small. Interfacial peeling does not occur between the main body portion 22 b of the acoustic matching layer 22 and the first acoustic matching layer 21. Thus, a product excellent in ultrasonic wave propagation efficiency can be obtained without deteriorating the yield in product manufacture.
- the ultrasonic transducer array 15 having such a laminate LA it is possible to select optimum materials for forming the first acoustic matching layer 21, the second acoustic matching layer 22, and the acoustic lens 30 with a relatively high degree of freedom. It becomes possible.
- the first acoustic matching layer 21 is formed of an epoxy resin
- the second acoustic matching layer 22 is formed of an engineering plastic that is excellent in heat resistance, mechanical strength, and chemical resistance but is usually difficult to match impedance. Is possible.
- polyimide polyimide
- polyetherimide Poly Imide; PE;
- polysulfone PSF
- polyetheretherketone Poly Ether Ketone; PEEK
- the acoustic lens 30 is filled and laminated in the second groove portion 25 of the second acoustic matching layer 22, thereby forming a sufficient adhesive strength due to the anchor effect while being formed of silicone rubber having excellent chemical resistance. Can be secured.
- the second acoustic matching layer 22 laminated on the first acoustic matching layer 21 of the transducer part 24 is replaced with the plurality of tooth parts 22a arranged via the second groove part 25.
- the second groove 25 of the second acoustic matching layer 22 is set to be equal to or smaller than the groove width of the first groove 23 of the vibrator unit 24, and the second groove 25 is opposed to the first groove 23 and the first groove 23.
- the curved shape can be made uniform and the vibrator 20 can be arranged uniformly. Thereby, it is possible to irradiate the ultrasonic waves so that the ultrasonic scanning lines are uniform, and it is possible to prevent a reduction in resolution due to variations in the scanning lines.
- the laminate LA2 of the second form is formed such that the groove width W1 of the first groove portion 23 is larger than the groove width W2 of the second groove portion 25 (W1> W2).
- the second groove portion 25 and the second groove portion 25 face each other so that the second groove portion 25 is positioned within the groove width of the first groove portion 23.
- the first groove portion 23 and the second groove portion 25 are preferably arranged so that the respective groove width centers are aligned on the same line, but the groove width center of the first groove portion 23 and the second groove portion.
- the center of the groove width of 25 may not necessarily coincide.
- a product excellent in ultrasonic wave propagation efficiency can be obtained without deteriorating the yield in product manufacture.
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Abstract
振動子20及び第1音響整合層21からなる振動子部24と第2音響整合層22との積層体LAに、音響レンズ30が積層されて超音波振動性アレイ15が形成される。積層体LAは、振動子部24の第1の溝部23と第2音響整合22の第2の溝部25とが同じ溝幅で第1の溝部23の溝幅中心と第2の溝部25の溝幅中心とが同一線上に並ぶように配置されており、湾曲によって生じる機械的な応力に対する耐性が高い積層構造となっており、湾曲加工の際に振動子部24と第2音響整合層22とが剥離する等の不具合を回避して製品製造上の歩留まりが悪化することなく、超音波伝播効率に優れた製品とすることができる。
Description
本発明は、積層構造の音響整合層を有する超音波振動子アレイに関する。
超音波内視鏡に使用される超音波振動子アレイは、例えば日本国特開2006-94981号公報に開示されているように、短冊状に細分化された複数の振動子と第1音響整合層とを、シート状の第2音響整合層に積層しており、その積層体を湾曲させた後、第2音響整合層の表面に音響レンズを形成している。
超音波振動子アレイは、振動子から観察部位までの超音波伝播効率を確保するため、音響インピーダンスが徐々に小さくなるように、音響整合層や音響レンズに使用する材料を選定する必要がある。
しかしながら、音響整合層や音響レンズに使用する材料を選定する際には、積層体の湾曲加工時の不具合発生を回避可能な材料を選定する必要がある。このため、生産上の歩留まりを考慮すると材料選定に制約が生じ、超音波性能を向上する上での支障となる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、超音波性能の向上と生産上の歩留まり向上とを同時に実現可能な超音波振動子アレイを提供することを目的としている。
本発明の一態様による超音波振動子アレイは、振動子および前記振動子の上に配置された第1音響整合層からなり、複数の第1の溝部を有する振動子部と、前記第1の溝部の溝幅以下の第2の溝部を介して配置される複数の歯部および複数の前記歯部を保持する本体部からなる櫛形状を有し、前記本体部側に前記第1音響整合層が接触し、前記第2の溝部が前記第1の溝部に対向して前記第1の溝部の溝幅内に位置するように配置される第2音響整合層と、前記歯部を覆うように前記第2音響整合層に積層される音響レンズと、を含む。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。尚、図面は模式的なものであり、各部材の厚みと幅との関係、それぞれの部材の厚みの比率などは現実のものとは異なることに留意すべきであり、図面の相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
先ず、本発明の実施の第1形態について説明する。図1は、本発明の超音波振動子アレイを備えた超音波内視鏡1を示し、細長管状に形成されて体腔内等に挿入される挿入部2の先端側に、超音波振動子ユニット50を備えた電子走査型超音波内視鏡である。この超音波内視鏡1の挿入部2の基端側には、把持部を兼用する操作部3が連設され、この操作部3の側部から延出されるユニバーサルコード4の先端側に、コネクタ部5が配設されている。
挿入部2は、先端側の超音波振動子ユニット50に連設される硬質部6と、この硬質部6の後端側に連設され、例えば上下方向に湾曲自在に構成される湾曲部7と、この湾曲部7の後端側に連設される可撓管部8とを有して構成されている。可撓管部8は、湾曲部7から操作部3に至るまでの間に設けられ、受動的に可撓可能となるように柔軟性を持たせて形成される細径且つ長尺形状の管状部材である。
操作部3は、可撓管部8の基端を覆って可撓管部8と接続される折れ止め部3aと、この折れ止め部3aに連設され、使用者が内視鏡1を使用するときに手によって把持する把持部3bとを有している。把持部3bの上端側には、各種の操作部材が配設され、把持部3bの下端側に位置して折れ止め部3aの上部となる部位には、処置具を体腔内に導くための処置具挿通口9等が設けられている。操作部3に設けられる操作部材としては、例えば湾曲部7の湾曲操作を行う湾曲レバー10、送気送水操作又は吸引操作、撮像、照明等の各対応する操作を行うための複数の操作ボタン11等がある。
ユニバーサルコード4は、挿入部2の先端から湾曲部7及び可撓管部8の内部を挿通して操作部3に至り、さらに操作部3から延出する各種信号線等を内部に挿通すると共に、光源装置(図示せず)のライトガイドを挿通し、さらに送気送水装置(図示せず)から延出される送気送水用チューブを挿通する複合ケーブルである。このユニバーサルコード4の先端側に配設されるコネクタ部5は、超音波観測装置(図示せず)との間を接続する超音波コネクタ5a、各種信号ケーブルが接続される電気コネクタ部5b、光源装置や送気送水装置(図示せず)との間を接続する光源側コネクタ5cを備えて構成されている。
次に、挿入部2の先端側の構成について図2を用いて説明する。図2に示すように、挿入部2先端側の硬質部6には、観察光学系を構成する対物レンズ窓12、照明光学系を構成する照明レンズ窓13、穿刺針等の処置具が導出される処置具導出口14等が設けられている。
一方、硬質部6に連設される超音波振動子ユニット50は、超音波振動子アレイ15と、この超音波振動子アレイ15を収容するノーズピース16とを備えて構成されている。超音波振動子アレイ15は、ノーズピース16の略中央部に形成された凹部をなす収容部に一体的に配設されて保持され、挿入部2の長手軸方向に超音波送受信面を形成する音響レンズ30を含んでいる。
また、ノーズピース16の先端には略円筒状の突出部16aが設けられ、この突出部16aの基部側外周に第1のバルーン保持溝17aが形成されると共に、硬質部6とノーズピース16との連結部外周に、第2のバルーン保持溝17bが形成されている。第1のバルーン保持溝17aと第2のバルーン保持溝17bとの間には、例えばシリコンゴムやラテックスゴム等で形成された肉薄で収縮性に富むバルーンがノーズピース16を覆って着脱自在に介装されるようになっている。
図3に示すように、超音波振動子アレイ15は、コンベックス面に沿った湾曲形状に配列された複数の振動子20を備え、これらの複数の振動子20が、ノーズピース16内に収容された配線基板45に電気的に接続されている。配線基板45からは、信号ライン、接地ラインを形成する複数の信号ケーブル46が延出され、これらの信号ケーブル46が挿入部2内を挿通されて超音波コネクタ5aに接続されている。
尚、振動子20は、例えば、公知の圧電素子を上部電極および下部電極で挟み込んだ圧電型のエレメント、又は柱により上部電極および下部電極の間に所定距離空隙ができるよう離間した静電容量型のエレメントを適用することができる。また、振動子20の下部電極の背面側には、不要な超音波を減衰させるためのバッキング材40が配設されている。バッキング材40は、例えば、エポキシ樹脂、シリコーン、ウレタン、若しくは各種エラストマ等の絶縁性を有する材料を母材として、この母材に、アルミナやジルコニア、酸化チタン等をフィラー材として配合したものを用いることができる。
超音波振動子アレイ15は、図3,図4に示すように、ノーズピース16の略中央部に保持される音響レンズ30の背面側に、第2音響整合層22、第1音響整合層21、複数の振動子20を配置し、振動子20から生体までの音響インピーダンスを徐々に小さくして良好な超音波伝播効率を確保することのできる形状及び材質とされている。
詳細には、振動子20と第1音響整合層21とは、第2音響整合層22を含めて一体的に接合された薄板状の構造体をダイシングによって短冊状に細分化し、複数の第1の溝部23を有する振動子部24として形成されている。また、第2音響整合層22は、音響レンズ30側に突出する複数の歯部22aと、この複数の歯部22aを保持して第1音響整合層21に接触する本体部22bとからなる櫛形状に形成されている。
第2音響整合層22の複数の歯部22aの間には、第1音響整合層21の第1の溝部23に対向して配置される第2の溝部25が形成されている。これらの複数の歯部22aと第2の溝部25とを組み合わせた形状効果により、第1音響整合層21から第2音響整合層22にかけての音響インピーダンスを滑らかに変化させることができ、振動子20から伝播される超音波の音速を所望の音速に近づけることが可能となる。その結果、良好な音響インピーダンス整合を得ることができ、超音波の伝達効率を向上して感度を向上することができる。
更に、本実施の形態における超音波振動子アレイ15は、所望の音響インピーダンスを得ることのできる音響整合層を備えて超音波伝播効率の向上を図ることができるばかりでなく、振動子アレイとして湾曲加工を含む製造上の歩留まりを確保することのできる構成とされている。
このため、第2音響整合層22の第2の溝部25は、振動子部24の第1の溝部23の溝幅以下の溝幅に設定されており、第2音響整合層22は、第1音響整合層21に対して、第2の溝部25が第1の溝部23に対向して第1の溝部25の溝幅内に収まるように配置されている。本実施の形態においては、図4に示すように、第1の溝部23の溝幅W1と第2の溝部25の溝幅W2とが同じ幅(W1=W2)に設定され、第1の溝部23の溝幅中心と第2の溝部25の溝幅中心とが同一線上に並ぶように配置されている。
このような第1の溝部23を有する振動子部24と第2の溝部25を有する第2音響整合層22との積層体LAは、図5に示すように、コンベックス面に沿った形状に湾曲され、更に、第2音響整合層22の歯部22aを覆うように音響レンズ30が設けられて積層され、超音波振動子アレイ15が形成される。音響レンズ30は、第2音響整合層22の第2の溝部25内に充填された上で歯部22aを覆うように積層されている。尚、第2の溝部25内に音響レンズ30とは異なる材料の部材を充填し、その上に音響レンズ30を積層することも可能である。
この場合、振動子部24及び第2音響整合層22の積層体LAは、湾曲によって生じる機械的な応力に対する耐性が高い積層構造を有している。すなわち、積層体LAは、第1の溝部23及び第2の溝部25の溝幅と位置関係により、湾曲加工の際に振動子部24と第2音響整合層22とが剥離する等の不具合を生じることのない積層構造とされており、製品製造上の歩留まりが悪化することなく、超音波伝播効率に優れた製品とすることができる。
ここで、本実施の形態の積層体LAと対比する例として、例えば、図6に示すように、振動子部24の第1の溝部23と第2の音響整合層22の第2の溝部25とが対向配置されておらず、振動子部24の第1の溝部23の位置に第2の音響整合層22の歯部22aが対向するように配置されている積層構造の積層体LBについて説明する。
このような配置の積層体LBでは、湾曲加工の際に第2音響整合層22の本体部22bが中立面Lcで湾曲するとき、図6中に矢印で示すように、第2の溝部25の底面側が伸長して、湾曲の曲率半径方向で対応する第1音響整合層21側が圧縮される。このため、本体部22bと第1音響整合層21との接合界面Sに作用する応力により、本体部22bと第1音響整合層21との間に界面剥離が発生する可能性が高くなる。更には、洗浄・消毒の薬品、滅菌用ガス等への曝露により、界面剥離が進行する虞がある。
また、図7に示すように、第1音響整合層21の第1の溝部23と第2音響整合層22の第2の溝部25とが略対向していても、同図中に破線で示すように両者がずれているような積層体LB2では、界面剥離が発生する可能性が高くなるばかりでなく、所望の湾曲形状を実現することが困難となる。
すなわち、積層体LB2では、本体部22bと第1音響整合層21との間に、図7中に矢印で示すように、第2の溝部25の底面側に対応する接合界面Sに発生する応力によって界面剥離が発生する可能性が高くなるばかりでなく、第1の溝部23と第2の溝部25とがずれているため、第2の溝部25の底面側の変形のし易さのばらつきが大きくなる。このため、所望の湾曲形状を実現することが困難となり、振動子部24の振動子20の間隔が不均一となって分解能の低下に繋がる。
尚、第1音響整合層21の第1の溝部23と第2音響整合層22の第2の溝部25とが対向して両者の溝幅中心が一致している場合であっても、第1の溝部23の溝幅が第2の溝部25の溝幅よりも小さい場合には、同様に、本体部22bと第1音響整合層21との間に発生する応力によって界面剥離が発生する可能性が高くなる。
これに対して、本実施の形態における積層体LAでは、第2音響整合層22の本体部22bが中立面Lcで湾曲するとき、湾曲の曲率半径方向で本体部22bと第1音響整合層21との接合界面Sに第2の溝部25が重ならないため、第2音響整合層22の本体部22bと第1音響整合層21との間に接合界面Sに作用する応力が小さく、第2音響整合層22の本体部22bと第1音響整合層21との間に界面剥離を引き起こすことがない。これにおり、製品製造上の歩留まりが悪化することなく、超音波伝播効率に優れた製品とすることができる。
このような積層体LAを有する超音波振動子アレイ15では、第1音響整合層21、第2音響整合層22、音響レンズ30を形成する最適な材料を、比較的自由度高く選定することが可能となる。例えば、第1音響整合層21をエポキシ樹脂で形成し、第2音響整合層22を、耐熱性や機械的強度、耐薬品性に優れるものの、通常はインピーダンス整合が困難なエンジニアリングプラスチックで形成することが可能となる。エンジニアリングプラスチックとしては、例えば、ポリイミド(polyimide;PI)、ポリエーテルイミド(Poly Ether Imide;PEI)、ポリサルフォン(polysulfone;PSF)、ポリエーテルエーテルケトン(Poly Ether Ether Ketone;PEEK)等を採用することができる。
また、音響レンズ30は、第2音響整合層22の第2の溝部25内に充填して積層することにより、耐薬品性に優れたシリコーンゴムで形成しながら、アンカー効果による十分な接着強度を確保することができる。
このように本実施の形態においては、振動子部24の第1音響整合層21に積層される第2音響整合層22を、第2の溝部25を介した配置される複数の歯部22aと、複数の歯部22aを保持する本体部22bとからなる櫛形状とすることにより、複数の歯部22aと第2の溝部25との形状効果により、音響インピーダンスを所望に整合させることが可能となる。これにより、超音波の伝達効率を向上して感度を向上することができる。
また、第2音響整合層22の第2の溝部25を、振動子部24の第1の溝部23の溝幅以下として、第2の溝部25を第1の溝部23に対向して第1の溝部23の溝幅内に位置するように配置することにより、湾曲加工の際に第1音響整合層21と第2音響整合層22との接合界面に剥離を生じるような大きな応力がかかることを回避することができる。これにより、音響整合層の形状効果と相まって、超音波性能の向上と生産上の歩留まり向上とを同時に実現することが可能となる。
しかも、第1の溝部23と第2の溝部25とを対向配置することにより、湾曲形状を均一化して振動子20を均一に配置することができる。これにより、超音波の走査線が均等になるように超音波を照射することができ、走査線のばらつきによる分解能低下を防止することができる。
更に、第2の溝部25内に音響レンズ30と同一の材料を充填することにより、第2音響整合層22から音響レンズ30にかけて徐々に音響インピーダンスが変化するような積層構造とすることができる。これにより、より良好な音響インピーダンス整合を得ることができ、超音波の伝達効率を向上して感度を向上することができる。
次に、本発明の実施の第2形態について説明する。第2形態は、第1形態の積層体LAにおける第1の溝部23と第2の溝部25との配置を若干変更して、積層体LA2とするものである。
図8に示すように、第2形態の積層体LA2は、第1の溝部23の溝幅W1が第2の溝部25の溝幅W2よりも大きく(W1>W2)形成されており、第1の溝部23と第2の溝部25とが対向して第2の溝部25が第1の溝部23の溝幅内に位置するように配置されている。尚、第1の溝部23と第2の溝部25とは、それぞれの溝幅中心が同一線上に並ぶように配置されることが望ましいが、第1の溝部23の溝幅中心と第2の溝部25の溝幅中心とは必ずしも一致していなくとも良い。
このような積層体LA2を湾曲させると、図9に示すように、第2音響整合層22の本体部22bが中立面Lcを境として第2の溝部25の底面側で伸長され、第1の溝部23の底面側で圧縮される。こののとき、第2の溝部25に対向する第1の溝部23の溝幅が第2の溝部25よりも広いため、第2の溝部25の底面側に比較的大きな伸長方向の力が作用しても、振動子部24の第1音響整合層21と第2音響整合層22の本体部22bとの接合界面Sには、界面の剥離を生じさせるような大きな力は作用しない。
第2形態においても、第1形態と同様、製品製造上の歩留まりが悪化することなく、超音波伝播効率に優れた製品とすることができる。
本出願は、2014年9月9日に日本国に出願された特願2014-183512号を優先権主張の基礎として出願するものであり、上記の内容は、本願明細書、請求の範囲、図面に引用されたものである。
Claims (4)
- 振動子および前記振動子の上に配置された第1音響整合層からなり、複数の第1の溝部を有する振動子部と、
前記第1の溝部の溝幅以下の第2の溝部を介して配置される複数の歯部および複数の前記歯部を保持する本体部からなる櫛形状を有し、前記本体部側に前記第1音響整合層が接触し、前記第2の溝部が前記第1の溝部に対向して前記第1の溝部の溝幅内に位置するように配置される第2音響整合層と、
前記歯部を覆うように前記第2音響整合層に積層される音響レンズと、
を含むことを特徴とする超音波振動子アレイ。 - 前記第1の溝部の溝幅中心と前記第2の溝部の溝幅中心とが同一線上に並ぶように配置されることを特徴とする請求項1に記載の超音波振動子アレイ。
- 前記音響レンズは、前記第2の溝部に充填されて前記歯部を覆うように前記第2音響整合層に積層されることを特徴とする請求項1に記載の超音波振動子アレイ。
- 前記第2音響整合層はエンジニアリングプラスチックからなることを特徴とする請求項1に記載の超音波振動子アレイ。
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