(57)【要約】  【課題】  安価かつ簡易な手法で高密度層と低密度層とを形成することで、超音波振動子の背面からの不要な超音波を透過・減衰させ、広帯域で残響が少ないという高性能な超音波送受信器を提供する。  【解決手段】  超音波の送受信を行う超音波送受信器であって、バッキング材９は、流動性を有する硬化性の主材９ａに対して自重で沈降する混合材９ｂを添加して混合材９ｂの沈降後に主材９ａを硬化させることにより、超音波振動子３の近傍に混合材９ｂを偏在させた高密度層を備えるような超音波送受信器とした。【選択図】  図４
2006279170.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波の送受信を行う超音波送受信器であって、
超音波を送受信する超音波振動子と、
超音波振動子を囲むように形成される外囲部と、
主材に混合材を含有してなり、外囲部内に充填されるバッキング材と、
を備え、
このバッキング材は、流動性を有する硬化性の主材に対して自重で沈降する混合材を添加して混合材の沈降後に主材を硬化させることにより、超音波振動子近傍に混合材を偏在させた高密度層を備えることを特徴とする超音波送受信器。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波送受信器において、
前記外囲部は、
前記超音波振動子が取付けられる楔と、
前記超音波振動子を囲むように楔に接着固定されたスリーブと、
を備えることを特徴とする超音波送受信器。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の超音波送受信器において、
前記超音波振動子のプラス側接続部とマイナス側接続部とに形成される半田部と、
半田部に芯線が接続されるリード線と、
前記超音波振動子のプラス側接続部とマイナス側接続部、半田部、および、芯線を絶縁する絶縁部と、
前記超音波振動子の表面を被覆する表面絶縁部と、
を備えることを特徴とする超音波送受信器。
【請求項４】
請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の超音波送受信器において、
前記バッキング材の混合材は、最小単位の平均直径が異なる少なくとも二以上の混合材により組成されることを特徴とする超音波送受信器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波の送受信に用いられる超音波送受信器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超音波送受信器は各種分野で用いられている。その一例であるクランプオン型超音波流量計は、管状体の外周面の一部に装着されて、その管状体の内部を移動する流体の流量を管状体の外側から測定する、というものである。このクランプオン型超音波流量計は、さらに、伝搬時間差式とドップラー式とに分類できる。
【０００３】
伝搬時間差式は、超音波を、管状体の内部を移動する流体を斜めに横切るような経路で往復させて、超音波が往路と復路のそれぞれを伝搬するのに要する時間の差から、流体の流量を測定する方法である。
【０００４】
ドップラー式は、流体中に含まれる浮遊粒子や気泡が、流体と同じ速度で移動すると仮定して、浮遊粒子などの移動速度から流体の流量を測定する方法である。浮遊粒子などの移動速度は、流体中に超音波を送信して、浮遊粒子などに反射された超音波の周波数がドップラー効果により変化することから、超音波の周波数を検出することにより測定する。
【０００５】
しかし、流速分布は、超音波の反射体からの超音波エコーが信号処理されて求められるため、この超音波エコー信号に所望の音響信号のみが含まれるようにする必要があり、音響的なノイズ及び電気的なノイズを排除する必要がある。そのため、超音波送受信器が発する超音波は、広帯域で、短パルスで残響が少ない音響波形が望ましい。
【０００６】
このように音響波形を好ましい波形とするような従来技術例として、例えば、特許文献１（特開昭５８−１８８９９２号公報，「超音波送受波器」）に示されるものがある。この超音波送受波器は、超音波振動子とバッキング材との間に、背面吸音体の音響インピーダンスと略等しい接着層を有している。
【０００７】
また、他の従来技術例として、特許文献２（特開平７−１５９３８６号公報，「超音波アレイプローブおよび製造方法」）に示されるものがある。この超音波アレイプローブは、エポキシ樹脂と金属粉末との混合物を遠心分離器にて分離し、高密度層と低密度層に分離している。
【０００８】
【特許文献１】特開昭５８−１８８９９２号公報
【特許文献２】特開平７−１５９３８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１記載の「超音波送受波器」に開示されている方法では、接着層が必要であり、製造工程の工数がかかるという問題や音響インピーダンスの不連続性からの反射波の影響があった。
また、特許文献２記載の「超音波アレイプローブおよび製造方法」に開示されている製造方法では、高密度層と低密度層とに分離するのに、遠心分離器によって分離しており、製造工程の工数がかかるという問題があった。
【００１０】
そこで、本発明は上記した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、安価かつ簡易な手法で高密度層と低密度層とを形成することで、超音波振動子の背面からの不要な超音波を透過・減衰させ、広帯域で残響が少ないという高性能な超音波送受信器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、本発明の請求項１に係る発明の超音波送受信器は、
超音波の送受信を行う超音波送受信器であって、
超音波を送受信する超音波振動子と、
超音波振動子を囲むように形成される外囲部と、
主材に混合材を含有してなり、外囲部内に充填されるバッキング材と、
を備え、
このバッキング材は、流動性を有する硬化性の主材に対して自重で沈降する混合材を添加して混合材の沈降後に主材を硬化させることにより、超音波振動子近傍に混合材を偏在させた高密度層を備えることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の請求項２に係る発明の超音波送受信器は、
請求項１に記載の超音波送受信器において、
前記外囲部は、
前記超音波振動子が取付けられる楔と、
前記超音波振動子を囲むように楔に接着固定されたスリーブと、
を備えることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の請求項３に係る発明の超音波送受信器は、
請求項１または請求項２に記載の超音波送受信器において、
前記超音波振動子のプラス側接続部とマイナス側接続部とに形成される半田部と、
半田部に芯線が接続されるリード線と、
前記超音波振動子のプラス側接続部とマイナス側接続部、半田部、および、芯線を絶縁する絶縁部と、
前記超音波振動子の表面を被覆する表面絶縁部と、
を備えることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の請求項４に係る発明の超音波送受信器は、
請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の超音波送受信器において、
前記バッキング材の混合材は、最小単位の平均直径が異なる少なくとも二以上の混合材により組成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
以上のような本発明によれば、安価かつ簡易な手法で高密度層と低密度層とを形成することで、超音波振動子の背面からの不要な超音波を透過・減衰させ、広帯域で残響が少ないという高性能な超音波送受信器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
続いて、本発明を実施するための最良の形態について図を参照しつつ説明する。図１は本形態の超音波送受信器の断面構造図である。図２は絶縁前の超音波振動子の断面構造図である。図３は絶縁後の超音波振動子の断面構造図である。
図１で示すような本形態の超音波送受信器１００は、楔１、整合層２、超音波振動子３、リード線４、半田部５（図２参照）、絶縁部６（図１，図３参照）、表面絶縁部７（図３参照）、スリーブ８、バッキング材９を備えている。
【００１７】
楔１は、超音波透過材として一般的に用いられているエポキシ系樹脂などのブロックであり、所定角度の角部を有している。
整合層２は、超音波を効率よく被検体に放射するとともに被検体からの反射エコーを効率よく受信する役割をもつものである。一般に、整合層２の厚みを調整することで通過する超音波の周波数を制御できる。この整合層２の音響インピーダンスは、後述するが主材と混合物との混合比によって変化させることができる。主材は例えばエポキシ樹脂であり、混合物は例えばタングステン粒子や多数のタングステン粒子が固化されて所定直径に形成されたタングステン塊である。
【００１８】
超音波振動子３は、例えば、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ・Ｔｉ）０３ ）のような圧電素子である。超音波振動子３は、詳しくは図２で示すように、プラス側接続部３ａ、マイナス側接続部３ｂ、正極３ｃ、負極（折り返し電極）３ｄを備えている。この超音波振動子３では、図２で示したようにプラス側接続部３ａが正極３ｃ側に、また、マイナス側接続部３ｂが負極３ｄ側に電気的に接続された状態で設けられている。
リード線４は、図２で示すように、芯線４ａと、この芯線４ａを覆う絶縁被覆部４ｂ（本発明の絶縁部である）を備える。リード線４は二本あり、芯線４ａが、超音波振動子２のプラス側接続部２ａと、マイナス側接続部２ｂと、にそれぞれ一本ずつ接続されることとなる。
【００１９】
半田部５は、図２で示すように、超音波振動子３のプラス側接続部３ａと芯線４ａとを、また、超音波振動子３のマイナス側接続部３ｂと芯線４ａとを電気的に接続する。
絶縁部６は、図３で示すように、超音波振動子３のプラス側接続部３ａ、半田部５、および、リード線４の芯線４ａを覆って絶縁する。同様に、超音波振動子３のマイナス側接続部３ｂ、半田部５、および、リード線４の芯線４ａを覆って絶縁する。絶縁部６は、絶縁被覆部６ｂも覆って絶縁を確かなものとする。この絶縁部６は、導電箇所をバッキング材９の特にタングステン粒子・タングステン塊のような金属の混合材から電気的に絶縁するものである。絶縁部６は、エポキシ樹脂等（または熱収縮チューブ＋エポキシ樹脂等）で形成されている。
表面絶縁部７は、図３に示すように超音波振動子３の外側を覆う絶縁体であり、正極３ｃ、負極３ｄは絶縁が確保されてバッキング材９の混合材に直接接触しないようになされている。表面絶縁部７もエポキシ樹脂等で形成されている。
【００２０】
スリーブ８は、超音波振動子３を囲むように楔１に接着される。この楔１とスリーブ８とで形成される外囲部は、本発明の外囲部の一具体例である。
バッキング材９は、不要な超音波の振動を吸収する機能を有しており、楔１およびスリーブ８で囲まれる空間に充填される。バッキング材９により、整合層２、超音波振動子３、リード線４、絶縁部６が覆われる。
【００２１】
続いて、本発明の特徴的なバッキング材の詳細について図を参照しつつ説明する。図４は、バッキング材を説明するための説明図である。
バッキング材９は、流動性物質を硬化させて形成するものであり、流動性物質は高分子材料である主材と、主材に添加する金属である混合材と、含むものである。この主材として、例えば絶縁性に優れたエポキシ樹脂を採用し、また、混合材として、例えばエポキシ樹脂内でも自重で沈降するように十分重い物質であるタングステン粒子や多数のタングステン粒子が固化されたタングステン塊を採用する。沈降するか否かは、主材の粘性と混合材の粒子径および密度との関係で決定され、このような条件を満たす主材と混合材とを選択する。
【００２２】
続いてバッキング材９の実際の形成工程について説明する。楔１に整合層２を介して超音波振動子３が取付けられ、リード線４を接続して、図２のような組立体を形成する。その後、図３で示すように、絶縁部６および表面絶縁部７で覆った後、楔１の周囲にスリーブ８を形成する。
【００２３】
そして、主材に混合材を添加した後に攪拌して流動体を生成し、スリーブ８内にこの流動体を充填する。すると流動体内で主材に添加された混合材が次第に下側（つまり超音波振動子３側）へ沈降していく。沈降後に主材を硬化させる。硬化は熱硬化や紫外線硬化などによる。最終的には、図４で示すように、バッキング材９は、超音波振動子３の近傍に混合材９ｂを偏在させた高密度層が形成される。
【００２４】
その結果、バッキング材９の音響インピーダンス（密度×音速）を、超音波振動子３の音響インピーダンス（密度×音速）に近づけることができ、音響透過率を大きくできることから、背面からの不要な音響ノイズを反射させることなく減衰させることができる。
また、混合材９ｂを自重で沈降させることにより、下側にある超音波振動子３の近傍で混合材９ｂを偏在させて高密度層を形成するというものであり、遠心分離器等が必要なく、組立工数を低減でき、コストダウンに寄与できる。
【００２５】
続いてさらに改良したバッキング材の詳細について図を参照しつつ説明する。図５は、他のバッキング材を説明するための説明図である。
このバッキング材９は、流動性物質を硬化させて形成するものであり、流動性物質は高分子材料である主材と、主材に添加する金属塊であって最小単位（粒子・粉体・塊体）の平均直径が大きい第１混合材と、主材に添加する金属であって最小単位（粒子・粉体・塊体）の平均直径が、第１混合材の平均直径よりも小さい第２混合材と、を含むものである。第２混合材の平均直径は、好ましくは平均直径が大きい多数の第１混合剤が密接したときに形成される隙間に入り込むまで小さい平均直径である。この主材として、例えば絶縁性に優れたエポキシ樹脂を採用し、また、第１，第２混合材として、例えばエポキシ樹脂内でも沈降するタングステン粒子や多数のタングステン粒子が固化されたタングステン塊を採用する。
なお、ここでいう平均直径については各種定義があるが、本明細書中における平均直径とは、例えば、真円ではなくいびつな略楕円上の最小単位を想定し、この最小単位の長軸径・短軸径の平均値である２軸平均径や長軸径・短軸径・中間軸の平均値である３軸平均径などである。
【００２６】
続いてバッキング材９の実際の形成工程について説明する。楔１に整合層２を介して超音波振動子３を取り付け、リード線４を接続して、図２のような組立体を形成する。その後、図３で示すように、絶縁部６および表面絶縁部７で覆った後、楔１の周囲にスリーブ８を形成する。
【００２７】
そして、主材に第１混合材，第２混合材を添加した後に攪拌して流動体を生成し、スリーブ８内にこの流動体を充填する。すると流動体内で主材に添加された第１混合材，第２混合材が次第に沈降していく。第１混合材，第２混合材は主材内において自重で沈降するように十分重い物質が選択されている。第１混合材，第２混合材の沈降後に主材を硬化させる。硬化は熱硬化や紫外線硬化などによる。最終的には、図５で示すように、バッキング材９は、超音波振動子３の近傍に第１混合材９ｃ，第２混合材９ｄを偏在させた高密度層が形成される。特に第２混合材９ｄは最小単位の平均直径が小さいため、多数の第１混合材９ｃ同士の間に形成される隙間に沈降して隙間を埋めて更なる高密度層を形成することとなる。このような隙間が少ない高密度層を形成しつつ主材が硬化してバッキング材９が形成される。
【００２８】
その結果、バッキング材９の音響インピーダンス（密度×音速）を、超音波振動子３の音響インピーダンス（密度×音速）に近づけることができ、音響透過率を大きくできることから、背面からの不要な音響ノイズを反射させることなく減衰させることができる。
また、第１混合材９ｃ，第２混合剤９ｄを自重で沈降させることにより、下側にある超音波振動子３の近傍で第１混合材９ｃ，第２混合剤９ｄを偏在させて高密度層を形成するというものであり、遠心分離器等が必要なく、組立工数を低減でき、コストダウンに寄与できる。
【００２９】
なお、本発明では混合剤９ｂ、第１混合材９ｃおよび第２混合材９ｄとしてタングステン粒子や、多数のタングステン粒子を固化させた塊によるタングステン塊を想定して説明した。しかしながら、これ以外でも、フェライト粒子やフェライト塊、セラミックス粒子やセラミクス塊等、密度が大きい固形粒子を採用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明を実施するための最良の形態の超音波送受信器の断面構造図である。
【図２】絶縁前の超音波振動子の断面構造図である。
【図３】絶縁後の超音波振動子の断面構造図である。
【図４】バッキング材を説明するための説明図である。
【図５】他のバッキング材を説明するための説明図である。
【符号の説明】
【００３１】
１００：超音波送受信器
１：楔
２：整合層
３：超音波振動子
３ａ：プラス側接続部
３ｂ：マイナス側接続部
３ｃ：正極
３ｄ：負極
４：リード線
４ａ：芯線
４ｂ：絶縁被覆部
５：半田部
６：絶縁部
７：表面絶縁部
８：スリーブ
９：バッキング材
９ａ：主材
９ｂ：混合材（大径粒子）
９ｃ：第１混合材（大径粒子）
９ｄ：第２混合材（小径粒子）
【図１】
2006279170.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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