WO2004089223A1

WO2004089223A1 - 超音波振動子及びその製造方法

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Publication number: WO2004089223A1
Application number: PCT/JP2004/004773
Authority: WO
Inventors: Yukihiko Sawada
Original assignee: Olympus Corporation
Priority date: 2003-04-01
Filing date: 2004-04-01
Publication date: 2004-10-21
Also published as: EP1614389A1; JP2010207594A; JP4624921B2; EP1614389A4; JPWO2004089223A1; JP5513250B2; US7285898B2; US20060066184A1

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

明細書

超音波振動子及びその製造方法技術分野

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。背景技術

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ィ匕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ァレイ型等がある。

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、特閧平 2— 2 7 1 8 3 9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ュニットを形成する。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 2 5 0 2 6 8 5号公報には、圧電素子の両面にそれそれ第 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、特閧平 1 0— 3 0 8 9 9 7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 2 7 2 9 4 4 2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霉極と、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— 2 7 8 1 4 3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一材を流し込みラジアル走査型の超音波プロ一プ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— 2 7 1 8 3 9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つた。また、ダンパー材ゃ支持部材を曲げて接着固定することによって、これらダンパ一材ゃ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— 2 7 1 8 3 9号公報及び特許 2 5 0 2 6 8 5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 1 0— 3 0 8 9 9 7号公報の超音波振動子では、小さなスぺ —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つて容量が不足するという問題が発生する。

また、前記特許 2 7 2 9 4 4 2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— 2 7 8 1 4 3号公報のラジアル走査型の超音波プロ一プではダンパ一材を流し込んで硬ィ匕させただけであるので、ダンパ一材を形成するために流し込んだこのダンパ一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一の分布密度が硬化してダンパ一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ヅキが生じて、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。

発明の開示

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イラ一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、フイラ一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。図面の簡単な説明

第 1図は超音波振動子を示す斜視図、第 2 A図は超音波振動子の構成を説明する長手方向断面図、第 2 B図は第 2 A図の矢印 Bで示す部分の拡大図、第 2 C図は第 2 A図の矢印 Bで示した部分の他の構成例を説明する図、第 2 D図は第 2 A 図の矢印 Bで示した部分の他の構成例を説明する図、第 2 E図は第 2 A図の矢印 Cで示す部分の拡大図、第 3図は第 2 A図の A— A線断面図、第 4 A図は音響整合層を形成する部材を説明する図、第 4 B図は音響接合層を説明する図、第 5 A 図は第 1積層体を形成する部材を説明する図、第 5 B図は第 1積層体を説明する図、第 6 A図は第 2積層体を形成する部材を説明する図、第 6 B図は第 2積層体を説明する図、第 7図は基板の導電ノ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 8 A図は分割溝を形成して圧電セラミツクを圧電素子に分割している状態を示す図、第 8 B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 1 O A図は円筒状の振動子ュニットを形成する部材を説明する図、第 1 0 B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 1 0 C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 1 1 A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 1 1 B図はリニアアレイ型振動子ュニヅ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 1 2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 1 3図は回動状態の円筒状振動子ュニットを説明する図、第 1 4図は円筒状振動子ュ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 1 5図は円筒状の超音波振動子の長手方向断面図、第 1 6図は第 1 5図の E— E線断面図、第 1 7 A 図はコンベックスアレイ型振動子ュニヅ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 1 7 B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 1 7 C図はコンペ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。発明を実施するための最良の形態

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、ノツキング材 3、円筒状に形成した第 1の振動子形状形成部材 4 a、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） 4 b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 2 aと、軟質の材料で形成された第 2音響整合層 2 b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 2 A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 2 a及び第 2音響整合層 2 b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 4 aは音響整合層 2を構成する第 1音響整合層 2 a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、リジヅ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 4 bは基板 6 ©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 4 a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 2 a及び第 2音響整合層 2 bで構成されるが、第 1音響整合層 2 a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 2 bの材料としては、例えばシリコーン系、エポキシ系 · P E E K ·ポリイミド ·ポリエーテルィミド ·ポリサルフォン ·ポリエ一テルサルフォン ·フッ素系樹脂等の樹脂部材ゃ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 2 a及び圧電素子 5は所定数、例えば 1 9 2個に分割されて配列される。

バヅキング材 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、ポリェ一テルイミド、 P E E K ·ウレタン系 ·フヅ素系等の樹月旨部材ゃクロロプレンゴム ·プロピレン系ゴム ·ブタジエン系ゴム ·ウレ夕ン系ゴム ·シリコーンゴム ·フヅ素系ゴム等のゴム材、又はこれら樹脂部材ゃゴム材にタングステン等の金属、アルミナ 'ジルコニァ '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 ·形状のフイラ一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 · B N T— : B S— S T系等の圧電セラミック又は、 L i N b 03 · P Z N T等の圧電性結晶■ リラクサ一強誘電体を切断して形成したものである。一面側電極 5 a及び他面側電極 5 b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■スパヅ夕 'イオンプレ一ティング等の薄膜又はメヅキ等により、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 2 A図における範囲 Bの部分拡大図である第 2 B図ないし第 2 D図及び範囲 Cの部分拡大図である第 2 E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 2 B図に示すように圧電素子 5の内周側には一面側電極 5 aが設けられ、外周側には他面側電極 5 b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 2 aの内周側には略全周に亘つてグランド電極 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 2 aの内周側かつ第 1の形状形成部材 4 a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 4 aは、第 1音響整合層 2 a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 5 bと、導電部 7と、グランド電極 8とが電気的に接さ

第 2 Β図にあっては他面側電極 5 bと導電部 7とが一体的に形成されるが、他面側電極 5わと、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 2 C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 2 D図に示すように、第 1の形状形成部材 4 a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 5 b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 4 a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 ·メツ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 2 E図に示すように、圧鼋素子 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夕一ン 6 aと、一面側電極 5 aとを電気的に接続するように、導電部材 9がノ、'ヅキング材 3の内周側に配置される。第 4 A図から第 1 0 C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 4 A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 2 a及び第 2音響整合層 2 bを用意する。そして、第 1音響整合層 2 a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 4 B図に示すように第 1音響整合層 2 aと第 2音響整合層 2 b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 2 bを、グランド電極 6が設けられていない第 1音響整合層 2 a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 2 aの所定位置に形成した所定幅寸法及び深さ寸法の溝 1 1に、所定幅寸法及び厚み寸法に形成した板状の導電部材 1 2を接着して配置しても良い。また、グランド電極 8は、溝 1 1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 2 a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 2 aの溝 1 1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 ·メツ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 5 a及び他面側電極 5 bを圧電素子の両面に設けた圧電セラミック 1 3とから、第 1積層体 2 1 を形成する。圧電セラミック 1 3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 ο

具体的には、まず、第 5 A図に示すように音響整合層 2及び圧電セラミック 1 3を準備する。

次に、第 5 B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 1 3の他面側電極 5 b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 5 bと圧電セラミック 1 3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 2 1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 1 3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 2 1及び導電パターン 6 aから第 2積層体 2 2を形成する。

まず、第 6 A図に示すように第 2工程で形成した第 1積層体 2 1と、例えば一面側に複数の導電パターン 6 a , …， 6 a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 1 3の厚み寸法と略同寸法である。

次に、第 6 B図に示すように導電パターン 6 a , ···, 6 aを上向きにした状態で、基板 6を圧電セラミック 1 3に隣接するように配設し、第 1音響整合層 2 a に対して接着固定する。

こうして、第 1音響整合層 2 aの面上に圧電セラミック 1 3と基板 6とが隣接して配置された第 2積層体 2 2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 6 a , …， 6 aと圧電セラミック 1 3の一面側電極 5 a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 2 2の導電パターン 6 aが形成されている基板 7及び一面側電極 5 aが設けられている圧電セラミック 1 3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、スパヅ夕、イオンプレーティング、 C V D等の方法で付着させて、導電膜部 1 4を設け o

こうして導電膜部 1 4を形成することにより、導電パターン 6 a， ···， 6 aと一面側電極 5 aとが電気的に接続される。

( 5 ) 圧電セラミック 1 3を複数の圧電素子 5 , ···, 5に分割する工程第 8 A図に示すように圧電セラミック 1 3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 2 aを通過させて第 2音響整合層 2 b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 1 5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 1 5は、図示しないダイシングソ一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つの導電パ夕一ン 6 a、 6 a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 6 a , …， 6 aを設けた基板 6が、少なくとも 1つの導電パターン 6 a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 1 3も複数個に分割される。このとき、導電膜部 1 4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 6 a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 8 B図に示すように第 2積層体 2 2に分割溝 1 5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 1 3、基板 6、導電膜部 1 4及び第 1音響整合層 2 aが所定個数に分割されて、圧電セラミック 1 3及び基板 6から形成されていた第 2積層体 2 2が、複数の圧電素子 5 , …， 5及び複数の基板 6 ₃ …， 6を配置した積層体群で形成された第 2積層体 2 2 a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 2 b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 2 bが最外周側に配置されるように第 2積層体 2 2 a を曲げ変形させて、第 9図に示すように第 2積層体 2 2 aを円筒形状に形成する c なお、分割溝 1 5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 8 A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 2 2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、それそれの圧電素子 5 ₃ …， 5の一面側電極 5 aと、基板 6 , …， 6の導電パ夕 —ン 6 a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） 2 3を形成する工程

前述の工程で形成された第 2積層体 2 2 aと、第 1及び第 2の形状形成部材 4 a、 4 bとから円筒状ユニット 2 3を形成する。

具体的には、第 1 O A図に示すように第 2積層体 2 2 aを円筒状に形作った後、第 1 0 B図に示すように第 1の形状形成部材 4 aを音響整合層 2の第 1音響整合層 2 aに導電接着剤で一体的に接着固定する。また、第 1 0 C図に示すように第 2の形状形成部材 4 b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 2 aと、第 1の形状形成部材 4 a及び基板 6と、第 2の形状形成部材 4 bとを接着固定することにより、第 2積層体 2 2 aから所定の曲率の円筒状ュニット 2 3が形成される。このとき、分割された圧電素子 5 , ···, 5にそれそれ設けられている他面側電極 5 b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 4 a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 4 aを第 1音響整合層 2 a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 1 3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 1 3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にそれそれ設けられている他面側電極 5 bを、導電部 7によつて一体になつたグランド電極 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 4 a及び第 2形状形成部材 4 b 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、本ェ程で示した形状形成部材 4 a、 4 bを使用する代わりに、第 1 1 A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 4 c、第 4の形状形成部材 4 d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 2 2 bの第 1音響整合層 2 aに固定することによってコンペヅクスアレイ型振動子ュニットが形成するようにしてもよい。

なお、第 1 1 B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 4 e を上述と同様に第 2積層体 2 2 cの第 1音響整合層 2 a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 2 aの所定位置に形成した所定幅寸法及び深さ寸法の溝 1 1に、板状の導電部材 1 2を接着配置して構成しているが、第 1 2図に示すように、第 1の音響整合層 2 aの所定位置に導電性の材料で構成されるグランド膜部 2 4を設けるようにしても良い。具体的には、グランド膜部 2 4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つて形成しても良く、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 2 a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 2 a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

ノソキング材 3は、圧電素子 5の一面電極 5 a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 1 3図に示すように円筒状ュニット 2 3を図示しない治具に載置し、この円筒状ュニヅト 2 3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 1 4図に示すように供給パイプ 3 1を介して、混入装置 3 2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 3 3を円筒状ュニヅト 2 3の内周面 2 3 aに供給する c 次に、円筒状ュニット 2 3を回転した状態のまま液状樹脂 3 3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 3 3を硬化させる。なお、円筒状ュニット 2 3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、逆方向であつてもよい。

こうして、複数の圧電素子 5 , …， 5の一面側電極 5 a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 3 3が円筒状振動子ユニット 2 3の回転している状態で硬化して形成されるので、第 1 5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 1 6図に示すように各圧電素子 5 , …， 5 の一面側電極 5 a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 5 aの内周面側から一点鎖線に示す範囲 5 1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つ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 5 2を形成したバヅキング材 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イラ一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イラ一が均一に分布して、均一な厚さのバヅ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、バヅ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 1 7 A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揷通用凹部を設けた形状形成部材 4 c、 4 d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 2 2 bの第 1音響整合層 2 aに固定してコンペヅクスアレイ型振動子ユニット 2 2 cを形成する。その後、第 1 7 B図に示すようにこのコンペヅクスアレイ型振動子ュニヅト 2 2 cを円筒状ュニット 2 3と略同形状にするダミー部材 2 4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 3 3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 2 4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 c また、第 1 7 C図に示すようにコンベックスアレイ型振動子ュニット 2 2 c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 2 2 cを所定の状態で揺動させて液状樹脂 3 3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。

産業上の利用可能性

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

請求の範囲

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それ設けた圧電体と、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。

1 0 . 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それ設けた圧電体と、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、前記圧鼋体に平行で、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。

1 1 . 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 1 0項に記載の超音波振動子。

1 2 . 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 1 0項に記載の超音波振動子。

1 3 . 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 1 2項に記載の超音波振動子。

1 4 . 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ー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イラ一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。

1 5 . 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。

1 6 . 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。

1 7 . 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。

1 8 . 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 0項に記載の超音波振動子。

1 9 . 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 4項に記載の超音波振動子。

2 0 . 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 —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。

2 1 . 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 0項に記載の超音波振動しの製造方法。