(57)【要約】【課題】長期間にわたって安定に使用することができる超音波振動子を提供すること。【解決手段】吸音性基台の上に圧電振動子層が積層されてなる超音波振動子において、吸音性基台が、圧電振動子層側に備えられた金属酸化物、金属炭化物、及び金属窒化物よりなる群から選ばれた少なくとも一種のセラミックスの粉末と、樹脂材料とからなる高剛度層と、圧電振動子層とは反対側に備えられた、高剛度層よりも高い吸音性を示す高吸音層とから形成され、かつ圧電振動子層と高剛度層とを同時に、切断具により高剛度層の底面近傍まで切断することにより溝が形成され、圧電振動子層が二以上に分割されている超音波振動子。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸音性基台の上に圧電振動子層が積層されてなる超音波振動子において、該吸音性基台が、圧電振動子層側に備えられた金属酸化物、金属炭化物、及び金属窒化物よりなる群から選ばれた少なくとも一種のセラミックスの粉末と、樹脂材料とからなる高剛度層と、圧電振動子層とは反対側に備えられた、高剛度層よりも高い吸音性を示す高吸音層とから形成され、かつ圧電振動子層と高剛度層とを同時に、切断具により高剛度層の内部にまで切断することにより溝が形成され、圧電振動子層が二以上に分割されていることを特徴とする超音波振動子。
【請求項２】
高剛度層のセラミックス粉末がアルミナ粉末であることを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子。
【請求項３】
高剛度層の樹脂材料がエポキシ樹脂であることを特徴とする請求項１もしくは２に記載の超音波振動子。
【請求項４】
高剛度層のセラミックス粉末充填量が５〜９０質量％の範囲にあることを特徴とする請求項１乃至３のうちのいずれかの項に記載の超音波振動子。
【請求項５】
高剛度層の音響インピーダンスが４〜７ＭＲａｙｌｓの範囲にあることを特徴とする請求項１乃至４のうちのいずれかの項に記載の超音波振動子。
【請求項６】
高剛度層の厚さが０．０３〜０．３ｍｍの範囲にあることを特徴とする請求項１乃至５のうちのいずれかの項に記載の超音波振動子。
【請求項７】
溝が高剛度層の上面より、その厚さの１／１０〜９／１０の範囲に至る深さにまで形成されていることを特徴とする請求項１乃至６のうちのいずれかの項に記載の超音波振動子。
【請求項８】
高吸音層が高剛度層の樹脂材料と同じ材料から形成されていて、高吸音層と高剛度層とが一体的に形成されていることを特徴とする請求項１乃至７のうちのいずれかの項に記載の超音波振動子。
【請求項９】
金属酸化物、金属炭化物、及び金属窒化物よりなる群から選ばれた少なくとも一種のセラミックスの粉末と、樹脂材料とからなる高剛度層と、高剛度層よりも高い吸音性を示す高吸音層とから形成されていることを特徴とする超音波振動子用の吸音性材料。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波振動子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
医療用超音波診断装置としては、吸音性基台（吸音材ともいう）の上に、二個以上の短冊状圧電振動子片を並列に配置し、その上に音響整合層、及び音響レンズを積層してなる超音波振動子（超音波探触子ともいう）が広く用いられている。このような超音波振動子は、一般に、吸音性基台の上に広幅の圧電振動子層を積層し、次いで、この圧電振動子層をダイシングソーなどの切断具により切断することにより溝を形成して分割することにより製造されている。なお、短冊状圧電振動子片のクローストークの低減を目的として、圧電振動子層を切断する前に、圧電振動子層の上に音響整合層を積層し、音響整合層から吸音性基台の表面の一部まで切断することが多い。
【０００３】
超音波振動子の吸音性基台には、従来より、フェライトが充填されたゴム材料やタングステンなどの金属粉末が充填された樹脂材料が用いられている。
フェライト充填ゴム材料は、基材のゴムが変形し易い材料であるため、これを吸音性基台に用いた超音波振動子では、吸音性基台の表面に形成した溝が収縮して、そのサイズが変動することがある。特に、圧電振動子層の分割数が１００個を超える多チャンネルの超音波振動子では、吸音性基台の収縮が数百μｍにも及ぶことがあるため、長期にわたって安定に使用することが難しい。
【０００４】
一方の金属粉末充填樹脂材料は、フェライト充填ゴム材料と比べて寸法安定性は高いものの、金属粉末は一般に導電性であるため、これを吸音性基台に用いた超音波振動子では、隣接する短冊状圧電振動子片の間にて電気的な短絡が発生することがある。この電気的な短絡を防止する方法として、吸音性基台と圧電振動子層との間に絶縁性材料を挿入する方法が知られている。例えば、特開平９−１４９４９６号公報には、金属粉末と有機可塑材から成る吸音材の上に短冊状の振動子素子を多数配列するとともに、前記振動子素子群の上に順次音響整合層と音響レンズとを設けて成る超音波探触子において、前記吸音材と前記振動素子との間に、音響伝播速度から決まる波長の１／４の厚さを有し、かつポアソン比が前記吸音材と略同一で絶縁性を有した材料を挿入固着させるとともに、前記振動子素子間の空隙を前記音響整合層から前記吸音材に至るまで連続的に形成した超音波探触子が提案されている。この公報には、絶縁性材料としてサイクロオレフィンポリマー樹脂を使用した例が開示されている。
【０００５】
導電性の吸音性基台と圧電振動子層との間に、絶縁性材料を挿入する方法は、隣接する短冊状圧電振動子片間での電気的な短絡を防止するには有効な方法である。しかしながら、本発明者の研究によれば、サイクロオレフィンポリマーなどの樹脂材料を絶縁性材料として用いると、その切り屑が切断具に付着して、切断具の切削性が悪化し、超音波振動子の生産性が低下することがあることが判明した。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、従来の超音波振動子に用いられている吸音性基台よりも寸法安定性が高く、かつ切断具の切削性を悪化させないように切断することのできる絶縁性の吸音性材料を開発することにより、長期間にわたって安定に使用することができる超音波振動子を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、吸音性基台の上に圧電振動子層が積層されてなる超音波振動子において、該吸音性基台が、圧電振動子層側に備えられた金属酸化物、金属炭化物、及び金属窒化物よりなる群から選ばれた少なくとも一種のセラミックスの粉末と、樹脂材料とからなる高剛度層と、圧電振動子層とは反対側に備えられた、高剛度層よりも高い吸音性を示す高吸音層とから形成され、かつ圧電振動子層と高剛度層とを同時に、切断具により高剛度層の内部にまで切断することにより溝が形成され、圧電振動子層が二以上に分割されていることを特徴とする超音波振動子にある。
【０００８】
本発明の超音波振動子の好ましい態様を以下に示す。
（１）高剛度層のセラミックス粉末がアルミナ粉末である。
（２）高剛度層の樹脂材料がエポキシ樹脂である。
（３）高剛度層のセラミックス粉末充填量が５〜９０質量％の範囲にある。
（４）高剛度層の音響インピーダンスが４〜７ＭＲａｙｌｓの範囲にある。
（５）高剛度層の厚さが０．０３〜０．３ｍｍの範囲にある。
（６）溝が高剛度層の上面より、その厚さの１／１０〜９／１０の範囲に至る深さにまで形成されている。
（７）高吸音層が高剛度層の樹脂材料と同じ材料から形成されていて、高吸音層と高剛度層とが一体的に形成されている。
【０００９】
本発明はまた、金属酸化物、金属炭化物、及び金属窒化物よりなる群から選ばれた少なくとも一種のセラミックスの粉末と、樹脂材料とからなる高剛度層と、高剛度層よりも高い吸音性を示す高吸音層とから形成されていることを特徴とする超音波振動子用の吸音性材料にもある。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の超音波振動子、及び超音波振動子用の吸音性材料について添付図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に従う超音波振動子の一例の斜視図である。図１において、超音波振動子は、吸音性材料（基台）１の上に積層された圧電振動子層２、第一音響整合層３、第二音響整合層４、そして音響レンズ５からなる。吸音性材料１は、圧電振動子層２側に備えられた金属酸化物、金属炭化物、及び金属窒化物よりなる群から選ばれた少なくとも一種のセラミックスの粉末６と、樹脂材料７とからなる高剛度層８と、圧電振動子２層とは反対側に備えられた、高剛度層８よりも高い吸音性を示す高吸音層９とから形成されている。そして、第二音響整合層４から高剛度層８を同時に、切断具により高剛度層８の底面近傍まで切断することにより溝１０が形成され、圧電振動子層２、第一音響整合層３、及び第二音響整合層４の各層が分割されている。
【００１１】
圧電振動子層２は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電セラミックスからなる圧電セラミックス層１１と、その圧電セラミックス層１１の上下に付設された金や銀などの金属からなる電極１２、１３とから形成されている。第一音響整合層３、及び第二音響整合層４はそれぞれ、金属（例：タングステン）やセラミックス（例：アルミナ）の粉末が充填されたエポキシ樹脂やウレタン樹脂などの樹脂、あるいはガラスなどの通常の音響整合層に用いられている材料から形成されている。音響レンズ５は、シリコーン樹脂などの通常の音響レンズに用いられている材料から形成されている。溝１０により分割された圧電振動子片２ａの上下の電極には、それぞれ電気配線（図示せず）がそれぞれ取り付けられており、各圧電振動子片ごとに超音波の送受信が可能となっている。溝１０には、短冊状圧電振動子片２ａのクローストークを低減させるために、エポキシ樹脂やウレタン樹脂などの樹脂が充填されていることが好ましい。
【００１２】
吸音性材料１の高剛度層８に充填するセラミックス粉末６の材料の例としては、アルミナ、炭化ケイ素、そして窒化ケイ素などのセラミックスを挙げることができる。これらのセラミックス材料の中でも特に、アルミナが好ましい。セラミックス粉末は二種以上を併用してもよい。セラミックス粉末６は、レーザ回折法による平均粒子径が０．５〜２０μｍの範囲にあることが好ましい。
【００１３】
高剛度層８の樹脂材料７の例としては、尿素樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アルキド樹脂、及びウレタン樹脂などの熱硬化樹脂を挙げることができる。これらの樹脂材料の中でもエポキシ樹脂が好ましい。
【００１４】
高剛度層８のセラミックス粉末充填量は、５〜９０質量％の範囲にあることが好ましい。セラミックス粉末充填量が５質量％未満であると、樹脂材料の切り屑が切断具に付着し易くなる傾向があり、９０質量％を超えると高剛度層の硬度が高くなりすぎて切断具で切断しにくくなる傾向にある。
【００１５】
高剛度層８は、高吸音層に効率よく超音波を伝搬させるために、音響インピーダンスが４〜７ＭＲａｙｌｓの範囲にあることが好ましい。この音響インピーダンスは、セラミック粉末や樹脂材料の材料、及びセラミック粉末の充填量により調整することができる。
【００１６】
高剛度層８の厚さは、０．０３〜０．３ｍｍの範囲にあることが好ましく、０．１〜０．３ｍｍの範囲にあることがより好ましい。なお、溝１０は、高剛度層の上面より、その厚さの１／１０〜９／１０の範囲に至る深さにまで形成されていることが好ましい。
【００１７】
高吸音層９は、超音波の減衰量が、１〜６０ｄＢの範囲あることが好ましく、２〜５０ｄＢの範囲にあることがより好ましい。また、高吸音層９の音響インピーダンスは、上記の高剛度層８と同様に４〜７ＭＲａｙｌｓの範囲にあることが好ましい。高吸音層９の材料には、フェライト充填ゴム材料、タングステン粉末充填樹脂材料などの従来の超音波振動子の吸音性基台として使用されている材料を使用することができる。また、高吸音層９は、高剛度層８の樹脂材料と同じ材料から形成してもよい。この場合には、高剛度層と高吸音層とを一体的に形成することが好ましい。このような吸音性材料は、例えば、未硬化の樹脂材料にセラミックス粉末を添加して静置し、セラミックス粉末を樹脂材料内で沈降させた後、樹脂材料を硬化させて、セラミックス粉末が高密度で充填された樹脂層、上面側にセラミックス粉末が存在しない樹脂層を形成することにより製造することができる。
【００１８】
本発明の超音波振動子は、従来の超音波振動子と同様に、吸音性材料（基台）の上に、圧電振動子層、及び音響整合層をこの順で積層し、次いでダイシングソーなどの切断具により、音響整合層から吸音性基台の表面の一部まで切断して溝を形成することによって製造することができる。吸音性材料の高剛度層には、セラミックス粉末が充填されているので、切断具により高剛度層を切断しても樹脂材料の切り屑が切断具に付着しにくい。
【００１９】
本発明の超音波振動子は、リニア走査、セクター走査などの各種の走査方法に適用することができる。
【００２０】
【実施例】
［実施例１］
未硬化エポキシ樹脂１００質量部にアルミナ粉末（平均粒子径：１０μｍ）２質量部を添加して充分に混合し、容器に入れて静置し、アルミナ粉末をエポキシ樹脂中で沈降させた後、エポキシ樹脂を硬化させた。次いで、このように形成した底面側にアルミナ粉末が高密度で充填され、上面側にアルミナ粉末が存在しないアルミナ充填エポキシ樹脂硬化物を容器から取り出し、ダイシングソーを用いて、縦６ｍｍ、横５０ｍｍ、エポキシ層（高吸音層）の厚さ１０ｍｍ、そしてアルミナ充填層（高剛度層）の厚さ０．１０ｍｍのアルミナ充填エポキシ樹脂硬化物成形体を二個作成した。
【００２１】
アルミナ充填エポキシ樹脂硬化物成形体の一個を用いて測定したアルミナ充填層の音響インピーダンスは５Ｍｒａｙｌｓであった。なお、音響インピーダンスは下記の方法により測定したアルミナ充填層の音速と密度とを乗じて求めた値である。
【００２２】
（１）アルミナ充填層の音速の測定
アルミナ充填エポキシ樹脂硬化物成形体のアルミナ充填層にインパルスを印加して反射時間（単位：秒）を測定し、反射時間とアルミナ充填層の厚さ（１×１０４ｍ）とから下記式（１）によりアルミナ充填層の音速（単位：ｍ／秒）を算出する。
【００２３】
【数１】
式（１）
音速（単位：ｍ／秒）＝２×アルミナ充填層の厚さ（１×１０４ｍ）／反射時間（単位：秒）
【００２４】
（２）アルミナ充填層の密度の測定
アルミナ充填エポキシ樹脂硬化物成形体のアルミナ充填層とエポキシ層とを切断分離してアルミナ充填層の重量と寸法サイズと測定して、アルミナ充填層の密度（ｇ／ｃｍ３）を算出する。
【００２５】
次に、別の一個のアルミナ充填エポキシ樹脂硬化物成形体を上下逆に配置して、アルミナ充填層の上に圧電振動子層（サイズ：約０．２ｍｍ）、第一音響整合層、及び第二音響整合層をこの順で積層し、ダイシングソー（幅０．０３ｍｍ）により、第二音響整合層からアルミナ充填層の上面より深さ０．０５ｍｍにまで、０．０２ｍｍ間隔で切断して、１９１個の溝を形成した。なお、この切断中にダイシングソーにエポキシ樹脂はほとんど付着せず、ダイシングソーの切削性は変わらなかった。また、切断終了後のアルミナ充填層のサイズを計測したところ、サイズの変動がほとんどないことが確認できた。
【００２６】
【発明の効果】
本発明の超音波振動子は、吸音性基台の寸法安定性が高いので、長期間にわたって安定に使用することができる。また、本発明の超音波振動子では、吸音性基台の高剛度層にはセラミックス材料が充填され、絶縁性であるので、隣接する短冊状圧電振動子片間にて電気的な短絡が起こりにくい。さらに、本発明の超音波振動子では、切断具に樹脂材料の切り屑が付着しにくいので、その製造時に切断具の切削性が悪化しにくく、生産性が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従う超音波振動子の一例の斜視図である。
【符号の説明】
１　吸音性材料（基台）
２　圧電振動子層
２ａ　短冊状圧電振動子片
３　第一音響整合層
４　第二音響整合層
５　音響レンズ
６　セラミックス粉末
７　樹脂材料
８　高剛度層
９　高吸音層
１０　溝
１１　圧電セラミックス層
１２　電極
１３　電極
【図１】
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