(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表裏方向に分極された圧電セラミック片の表面に前面電極が、その裏面に背面電極が夫々形成されてなる複数の振動単位素子を、少なくとも外周円周上に配置し、基材用材料を流し込んで、基材中に埋入保持して、円板状に成形した超音波探触子用送受波素子。
【請求項２】
複数の振動単位素子が、基材中に各電極を表裏面に露出させて埋入保持されてなる請求項１記載の超音波探触子用送受波素子。
【請求項３】
複数の振動単位素子が、血液などの被検知媒体の音響インピーダンスと整合し得る材料からなる基材中に埋入保持されると共に、振動単位素子の前面電極が基材で肉厚状に覆われて、該肉厚の被覆部分を音響整合部としていることを特徴とする請求項１記載の超音波探触子用送受波素子。
【請求項４】
複数の振動単位素子が、入射した音波の透過を阻止し得る材料からなる基材中に埋入保持されると共に、振動単位素子の背面電極が基材で肉厚状に覆われて、該肉厚の被覆部分をバッキング部としていることを特徴とする請求項１記載の超音波探触子用送受波素子。
【請求項５】
前面電極または背面電極のいずれかを各圧電セラミック片全体を覆う共通電極により構成し、該共通電極をアース電極としている請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の超音波探触子用送受波素子。
【請求項６】
次の工程からなる請求項１記載の超音波探触子用送受波素子の製造方法
１  圧電セラミック材料をシート化し、該シートを金型を用いて打ち抜き、さらに焼成す  ることによって表裏面を有する圧電セラミック片を作製する。
２  複数個の圧電セラミック片を所望の位置に配列して、基材用材料を流し込み、固化し  た基材中に各圧電セラミック片を埋入保持する。
３  基材面を研磨して圧電セラミック片の表裏面を露出し、一面側にあっては、圧電セラ  ミック片の露出面に電極を形成し、かつ他面側にあっては圧電セラミック片の露出面ま  たは全面に電極を形成し、さらに各圧電セラミック片を分極して振動単位素子とする。
【請求項７】
次の工程からなる請求項１記載の超音波探触子用送受波素子の製造方法
１  圧電セラミック材料をシート化し、該シートを金型を用いて打ち抜き、さらに焼成す  ることによって表裏面を有する圧電セラミック片を作製する。
２  各圧電セラミック片の両面を研磨して所定の厚みに設定し、該セラミック片の表裏面  に電極を形成し、さらにそれを分極して振動単位素子とする。
３  複数個の振動単位素子を所望の位置に配列して、基材用材料を流し込み、固化した基  材中に各振動単位素子を埋入保持する。
【請求項８】
次の工程からなる請求項１記載の超音波探触子用送受波素子の製造方法
１  圧電セラミック材料をシート化し、該シートを金型を用いて打ち抜き、さらに焼成す  ることによって表裏面を有する圧電セラミック片を作製する。
２  各圧電セラミック片の表裏面に電極を形成し、さらにそれを分極して振動単位素子と  する。
３  複数個の振動単位素子を所望の位置に配列して、基材用材料を流し込み、固化した基  材中に各振動単位素子を埋入保持する。
４  基材面とともに振動単位素子群の表裏面を研磨して所定の厚みに設定した後、振動単  位素子の表裏部分に再び電極を形成する。
【請求項９】
次の工程からなる請求項１記載の超音波探触子用送受波素子の製造方法
１  圧電セラミック材料をシート化し、該シートを金型を用いて打ち抜き、さらに焼成す  ることによって表裏面を有する圧電セラミック片を作製する。
２  各圧電セラミック片の前面側にのみ電極を形成し、該電極にリード線を接続する。
３  複数個の圧電セラミック片を所望の位置に配列して、音響整合部として作用する基材  用材料を流し込みリード線が接続された前面電極を基材で肉厚状に覆って、該肉厚の被  覆部分を音響整合部とし、固化した基材中に各圧電セラミック片を埋入保持するととも  にリード線を引き出す。
４  基材の背面を研磨して圧電セラミック片の背面を露出し、該背面に電極を形成し、さ  らに各圧電セラミック片を分極して振動単位素子とする。
【請求項１０】
次の工程からなる請求項１記載の超音波探触子用送受波素子の製造方法
１  圧電セラミック材料をシート化し、該シートを金型を用いて打ち抜き、さらに焼成す  ることによって表裏面を有する圧電セラミック片を作製する。
２  圧電セラミック片の表裏面を研磨して所定の厚みに設定し、該セラミック片の表裏面  に電極を形成し、さらにそれを分極して振動単位素子とする。
３  振動単位素子の前面側の電極にリード線を接続する。
４  複数個の振動単位素子を所望の位置に配列して、音響整合部として作用する基材用材  料を流し込みリード線が接続された前面電極を基材で肉厚状に覆って、該肉厚の被覆部  分を音響整合部とし、固化した基材中に各振動単位素子を埋入保持するとともにリード  線を引き出す。
【請求項１１】
次の工程からなる請求項１記載の超音波探触子用送受波素子の製造方法
１  圧電セラミック材料をシート化し、該シートを金型を用いて打ち抜き、さらに焼成す  ることによって表裏面を有する圧電セラミック片を作製する。
２  各圧電セラミック片の表裏面に電極を形成し、さらにそれを分極する。
３  圧電セラミック片の前面側の電極にリード線を接続する。
４  複数個の圧電セラミック片を所望の位置に配列して、音響整合部として作用する基材  用材料を流し込みリード線が接続された前面電極を基材で肉厚状に覆って、該肉厚の被  覆部分を音響整合部とし、固化した基材中に各圧電セラミック片を埋入保持するととも  にリード線を引き出す。
５  固化した振動単位素子群の背面側を研磨して所定の厚みに設定した後、該振動単位素  子の背面に再び電極を形成する。
【請求項１２】
次の工程からなる請求項１記載の超音波探触子用送受波素子の製造方法
１  圧電セラミック材料をシート化し、該シートを金型を用いて打ち抜き、さらに焼成す  ることによって表裏面を有する圧電セラミック片を作製する。
２  各圧電セラミック片の背面側にのみ電極を形成し、該電極にリード線を接続する。
３  複数個の圧電セラミック片を所望の位置に配列して、バッキング材として作用する基  材用材料を流し込みリード線が接続された背面電極を基材で肉厚状に覆って、該肉厚の  被覆部分をバッキング部とし、固化した基材中に各圧電セラミック片を埋入保持すると  ともにリード線を引き出す。
４  基材の前面を研磨して圧電セラミック片の前面を露出し、該前面に電極を形成し、さ  らに各圧電セラミック片を分極して振動単位素子とする。
【請求項１３】
次の工程からなる請求項１記載の超音波探触子用送受波素子の製造方法
１  圧電セラミック材料をシート化し、該シートを金型を用いて打ち抜き、さらに焼成す  ることによって表裏面を有する圧電セラミック片を作製する。
２  圧電セラミック片の表裏面を研磨して所定の厚みに設定し、該セラミック片の表裏面  に電極を形成し、さらにそれを分極して振動単位素子とする。
３  振動単位素子の背面側の電極にリード線を接続する。
４  複数個の振動単位素子を所望の位置に配列して、バッキング材として作用する基材用  材料を流し込みリード線が接続された背面電極を基材で肉厚状に覆って、該肉厚の被覆  部分をバッキング部とし、固化した基材中に各振動単位素子を埋入保持するとともにリ  ード線を引き出す。
【請求項１４】
次の工程からなる請求項１記載の超音波探触子用送受波素子の製造方法
１  圧電セラミック材料をシート化し、該シートを金型を用いて打ち抜き、さらに焼成す  ることによって表裏面を有する圧電セラミック片を作製する。
２  各圧電セラミック片の表裏面に電極を形成し、さらにそれを分極する。
３  圧電セラミック片の背面側の電極にリード線を接続する。
４  複数個の圧電セラミック片を所望の位置に配列して、バッキング材として作用する基  材用材料を流し込みリード線が接続された背面電極を基材で肉厚状に覆って、該肉厚の  被覆部分をバッキング部とし、固化した基材中に各圧電セラミック片を埋入保持すると  ともにリード線を引き出す。
５  固化した振動単位素子群の前面側を研磨して所定の厚みに設定した後、該振動単位素  子の前面に再び電極を形成する。
【請求項１５】
請求項２に係る超音波探触子用送受波素子を用いて、その前面側に音響整合層を接合し、背面側にバッキング層を接合して構成したことを特徴とする超音波探触子。
【請求項１６】
請求項３に係る超音波探触子用送受波素子を用いて、その背面側にバッキング層を接合して構成したことを特徴とする超音波探触子。
【請求項１７】
請求項４に係る超音波探触子用送受波素子を用いて、その前面側に音響整合層を接合して構成したことを特徴とする超音波探触子。
【請求項１８】
送受波素子の中心にレーザの放射光路を形成したことを特徴とする請求項１５乃至請求項１７のいずれかに記載の超音波探触子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば血管等に挿入されて超音波診断等を行なうために用いられる超音波探触子に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
超音波診断、特に超音波画像情報は今日の臨床医学のあらゆる分野で必須の検査法になっている。例えば血管中で、コレステロールの堆積による血栓に引き起こされる動脈硬化は重大な疾病であるが、このような血管の内部の異常を診断するためには、外部からではなく直接内部から観察する方が解像度の高い観察が期待でき、効果的である。この場合、血管は血液で満たされているため光学的な手段で画像を得ることは不可能である。このような状況下では、超音波イメージングは有効な視覚化法となる。このため、血管内に超音波探触子を挿入し、血管内の画像化を行うという診断法が行われている。
【０００３】
しかし従来の方法は、超音波ビームを血管の径方向に送波し、二次元の画像を得るという方法がほとんどであった（例えば、米国特許第４９１７０９７号、米国特許第５６０３３２７号、特開平４−１５２８００等）。しかし、医療的見地からは、三次元画像をリアルタイムで得ることが好ましく、このために、例えば探触子の先端に複数個の圧電素子を円形に配置し、そのうちの一素子から球面波を前方に送波し、残りの全素子で受波させ、送波する素子を順番に変換することにより三次元の画像を得るという方法が提案されている。
【０００４】
この手法で三次元画像を得るために、球面波を前方向に送波しうる探触子が用いられる。この探触子の先端には、超音波を送受波するために圧電性を有する材料で作製した微細な素子が複数個配置される。
【０００５】
この素子の材料として、微細加工が容易なＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）などの圧電性ポリマーを用いて実用化されている。しかし、感度等の点から、電気機械結合係数のより高い圧電セラミックスを素子として用いることが好ましい。そこで、ＰＴ（チタン酸鉛）やＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電セラミックスが材料として用いられ、環状に加工した圧電セラミックスの表裏面に電極を形成して、これをダイシングソーにより複数個に分割し、複数の振動単位素子とすることにより超音波探触子を構成したものが提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のように、環状のセラミックスを分割するという手法で素子ｘを作製し、これを振動単位素子とした構成にあっては、素子の製造という観点においては、上述のようにセラミックスの切断によって、ここの振動単位素子を小さくしているため、セラミックス自体は従来法により比較的大きなものを成形して作製すれば良いという利点がある。しかし、図２２で示すように、各々の素子ｘが扇形の一部のような複雑な形状になるため、指向角θが小さくなり、かつ球面波が得られず、可視化できる範囲Ａが遠くかつ狭くなる。また各々の素子の形状が複雑であるため、振動モードが複雑になり、信号の処理が困難となる。この場合に、各々の圧電素子を円形とすることが考えられるが、遠距離音場の指向角の大きさは音源の直径と相反するため、指向角を大きくするには、非常に微細な素子を作製しなければならず、従来の圧電セラミック製造方法では、血管Ｖに挿入して超音波診断に適用し得る微小な素子を作製するのは非常に困難であった。
【０００７】
本発明は、かかる従来構成の問題点を解決しうる超音波探触子用送受波素子及びその製造方法並びに該送受波素子を用いた超音波探触子の提供を目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、表裏方向に分極された圧電セラミック片の表面に前面電極が、その裏面に背面電極が夫々形成されてなる複数の振動単位素子を、少なくとも外周円周上に配置し、基材用材料を流し込んで、基材中に埋入保持して、円板状に成形した超音波探触子用送受波素子である。
【０００９】
ここで圧電セラミック片としては、短円柱状のほか四角柱など種々の形態が考えられる。また四角柱などの平面非円形とした場合にあって、その表裏面に形成される部分電極を円形とすることにより実質的に円柱状と同等の指向特性を生じさせることも可能である。
【００１０】
さらには圧電セラミック片の表面は、平面に限らず、球状等として凸レンズ又は凹レンズの作用を生じる構成としても良い。このように表面を球面とすることにより指向性を変えることができる。
【００１１】
このように指向角特性を改善した振動単位素子を、例えば円周方向に沿って配設し、そのうちの一振動単位素子から球面波を前方に送波し、残りの全振動単位素子で受波させ、送波する振動単位素子を順番に変換することにより三次元の画像を得ることができる。
【００１２】
ここで、複数の振動単位素子が、基材中に各電極を表裏面に露出させて埋入保持されてなるものが適用される。一方、該基材の一部により、音響整合部またはバッキング部を形成しても良い。
【００１３】
すなわち、複数の振動単位素子が、血液などの被検知媒体の音響インピーダンスと整合し得る材料からなる基材中に埋入保持されると共に、振動単位素子の前面電極が基材で肉厚状に覆われて、該肉厚の被覆部分を音響整合部としている超音波探触子用送受波素子が適用され得る。かかる構成にあっては、超音波探触子を構成する場合に、音響整合層が不要となる。ここでこの基材としては、例えば、エポキシ系樹脂等が用いられ得る。
【００１４】
また、複数の振動単位素子が、入射した音波の透過を阻止し得る材料からなる基材中に埋入保持されると共に、振動単位素子の背面電極が基材で肉厚状に覆われて、該肉厚の被覆部分をバッキング部としている超音波探触子用送受波素子も適用され得る。かかる構成にあっては、超音波探触子を構成する場合に、バッキング層が不要となる。ここでこの基材としては、例えば、エポキシ系樹脂，フッ素樹脂，シリコン樹脂等の樹脂材料に、骨材，金属粉を混合し、入射した音波を熱エネルギーに変換して消失させ得る材料が用いられる。
【００１５】
かかる構成にあって、前面電極または背面電極のいずれかを当該露出面全体に形成された共通電極により構成し、該共通電極をアース電極としたものも上述の構成の範囲である。この場合には、共通電極を用いているから、電極形成が容易となる利点がある。勿論、各圧電セラミック片の表裏面に夫々独立した電極を形成しても良い。ここで、アース電極のある面を送受波面としても良い。
【００１６】
また、かかる構成にあって、振動単位素子のある部分のみが圧電性を有し、指向角やその他の特性も振動単位素子の平面形状に相応な値となる。
【００１７】
かかる構成の超音波探触子用送受波素子の好適な製造方法としては、次の手段が採用される。
▲１▼  圧電セラミック材料をシート化し、該シートを金型を用いて打ち抜き、さらに焼成することによって表裏面を有する圧電セラミック片を作製する。
▲２▼  複数個の圧電セラミック片を所望の位置に配列して、音響整合部として作用する基材用材料を流し込み、固化した基材中に各圧電セラミック片を埋入保持する。
▲３▼  基材面を研磨して圧電セラミック片の表裏面を露出し、一面側にあっては、圧電セラミック片の露出面に電極を形成し、かつ他面側にあっては圧電セラミック片の露出面または全面に電極を形成し、さらに各圧電セラミック片を分極して振動単位素子とする。
【００１８】
かかる製造方法にあっては、各振動単位素子が基材中で一体的に保持されるとともに、該基材を研磨することにより、所望の厚さの送受波素子を形成できる。かかる製造方法にあって、基材の材料としては、例えば常温硬化性のエポキシ系樹脂等が好適に用いられる。尚、セメント等の材料を用いてもよい。
【００１９】
上述の製造方法にあっては、基材中に圧電セラミック片を埋入保持した後に、電極形成及び分極を行なって、送受波素子としたが、圧電セラミック片を単体で研磨し、電極形成及び分極を施した後に、基材中に埋入して送受波素子としても良い。
【００２０】
さらにまた、圧電セラミック片単体に電極形成及び分極を施し、基材中に埋入した後に、表裏面を研磨し、さらに電極を再形成して送受波素子としても良い。
【００２１】
次に音響整合部を備えた超音波探触子用送受波素子は次の手段により製造される。
▲１▼  圧電セラミック材料をシート化し、該シートを金型を用いて打ち抜き、さらに焼成することによって表裏面を有する圧電セラミック片を作製する。
▲２▼  各圧電セラミック片の前面側にのみ電極を形成し、該電極にリード線を接続する。
▲３▼  複数個の圧電セラミック片を所望の位置に配列して、音響整合部として作用する基材用材料を流し込みリード線が接続された前面電極を基材で肉厚状に覆って、該肉厚の被覆部分を音響整合部とし、固化した基材中に各圧電セラミック片を埋入保持するとともにリード線を引き出す。
▲４▼  基材の背面を研磨して圧電セラミック片の背面を露出し、該背面に電極を形成し、さらに各圧電セラミック片を分極して振動単位素子とする。
【００２２】
上述の製造方法にあっては、基材中に圧電セラミック片を埋入保持した後に、背面電極形成及び分極を行なって、送受波素子としたが、圧電セラミック片を単体で研磨し、電極形成及び分極を施し、前面電極にリード線を接続した後に、基材中に埋入してリード線を引き出し、送受波素子としても良い。
また、圧電セラミック片単体に電極形成及び分極を施し、前面電極にリード線を接続し、基材中に埋入してリード線を引き出した後に、背面を研磨し、さらに背面電極を再形成して送受波素子としても良い。
【００２３】
バッキング部を備えた超音波探触子用送受波素子は次の手段により製造される。
▲１▼  圧電セラミック材料をシート化し、該シートを金型を用いて打ち抜き、さらに焼成することによって表裏面を有する圧電セラミック片を作製する。
▲２▼  各圧電セラミック片の背面側にのみ電極を形成し、該電極にリード線を接続する。
▲３▼  複数個の圧電セラミック片を所望の位置に配列して、バッキング材として作用する基材用材料を流し込みリード線が接続された背面電極を基材で肉厚状に覆って、該肉厚の被覆部分をバッキング部とし、固化した基材中に各圧電セラミック片を埋入保持するとともにリード線を引き出す。
▲４▼  基材の前面を研磨して圧電セラミック片の前面を露出し、該前面に電極を形成し、さらに各圧電セラミック片を分極して振動単位素子とする。
【００２４】
上述の製造方法にあっては、基材中に圧電セラミック片を埋入保持した後に、前面電極形成及び分極を行なって、送受波素子としたが、圧電セラミック片を単体で研磨し、電極形成及び分極を施し、背面電極にリード線を接続した後に、基材中に埋入してリード線を引き出し、送受波素子としても良い。
【００２５】
また、圧電セラミック片単体に電極形成及び分極を施し、背面電極にリード線を接続し、基材中に埋入してリード線を引き出した後に、前面を研磨し、さらに前面電極を再形成して送受波素子としても良い。
【００２６】
上述の送受波素子の、その送受波面側に音響整合層を接合し、背面側にバッキング層を接合することにより最適な超音波探触子を構成することができる。尚、音響整合部を有する送受波素子は背面側にバッキング層のみを、バッキング部を有する送受波素子は前面側に音響整合層のみを適用すれば良い。
【００２７】
このように、上述の送受波素子を用いた超音波探触子は、微細でかつ円形の単位振動素子を有しているため、前方向に指向角の大きい球面波を送波することが可能となり、例えば、血管内の診断に用いた場合、血管内の三次元画像をリアルタイムで得ることができる。このため、従来は医師が二次元画像をもとに頭の中で組み立てていた三次元画像を、可視化することが可能となり、超音波診断法の精度を向上させることができる。
【００２８】
上述の構成にあって、送受波素子を環状とし、超音波探触子の中心に貫通孔を形成して、該貫通孔をレーザの放射光路とすることができる。これにより、超音波探触子で探査をしながら、レーザーを放射して、例えば、血管中の血栓を破砕する等の治療等を行なうことができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第一実施例の超音波探触子１ａを示すものである。
この超音波探触子１ａは、複数の振動単位素子２を周方向に担持してなる送受波素子１０ａを備え、該送受波素子１０ａの送受波面側に音響整合層１３を配設し、背面側にバッキング層１４を配設し、さらにこの積層体に短管状の外側ケース１５を外嵌してなり、外側ケース１５には、ゴム管等の可撓性管体１６が嵌着される。
【００３０】
ここで音響整合層１３は、音波が直進するように、被検知媒体である血液等の音響インピーダンスと整合する材料、例えばエポキシ系樹脂，シリコン樹脂等により形成される。また、バッキング層１４は、振動単位素子２の背面側へ音波が放射されないように制限するものであり、エポキシ系樹脂，フッ素樹脂，シリコン樹脂等の樹脂材料に、骨材，金属粉を混合してなり、入射した音波を熱エネルギーに変換して消失させるようにしている。
【００３１】
次に、送受波素子１０ａの構成を図２に従って説明する。
この送受波素子１０ａは、基材６ａ中に複数の振動単位素子２を円周方向に等間隔で配設してなる。ここで振動単位素子２は、表裏方向に分極された圧電セラミック片３の、その表面に前面電極４が、その裏面に背面電極５が夫々形成されてなり、各電極４，５を表裏面に露出させ、前面電極が露出した面を送受波面としている。
【００３２】
この振動単位素子２は、図中、前面電極４を共通電極とし、送受波素子１０ａの前面に形成された全面電極により構成されており、アース電極としている。また、この振動単位素子２は短円柱状をなし、該振動単位素子２の背面に円形の背面電極５を形成している。
【００３３】
図３は、変形例の送受波素子１０ａ’を示し、前面電極４から周縁へ結線部９を延出し、該結線部にリード線７を接続し、各背面電極５にリード線８を接続して、各振動単位素子２への配線を確保したものである。このように結線部９を形成することにより、リード線７の接続が容易となる。尚、図１，２ではリード線７，８を省略して示している。
【００３４】
ここで、圧電セラミック片３としては、円柱状のほか四角柱など種々の形態が考えられる。また前記角柱などの平面非円形とした場合にあって、その表裏面に形成される部分電極を円形とすることにより実質的に円柱状と同等の指向特性を生じさせることも可能である。
【００３５】
次に送受波素子１０ａの製造方法を図４に従って説明する。
まず工程Ａで、チタン酸鉛などの圧電セラミック材料により生のセラミックシート３０を形成し、このセラミックシート３０を金型を用いて打ち抜いて工程Ｂで、短円柱状のセラミックシート片２９を作製する。ここで、セラミックシート片２９の径は焼成後にφ０．１ｍｍ〜２．０ｍｍとなるように、割掛率を考慮して設定する。次に工程Ｃで、このセラミックシート片２９を焼成し、圧電セラミック片３とする。然る後に、工程Ｄで、治具３１を用いて圧電セラミック片３を円周方向に沿って等間隔に配置する。
【００３６】
次に、円周方向に沿って配置した圧電セラミック片３を成形型内に収容し、例えば常温硬化性エポキシ樹脂等の基材用材料を流し込み、工程Ｅで、基材６ａ中に各圧電セラミック片３を埋入保持して円板状に成形する。そして固化した後、脱型し、工程Ｆで、その両面（又は一面）を研磨し、各圧電セラミック片３の表裏面を基材６ａの表裏面に露出させるとともに、その厚さを所望厚さとする。例えば厚み振動の共振周波数が５ＭＨｚとなるように、圧電セラミックの一般的な周波数定数から、素子の厚みを約０．４ｍｍ程度に設定する。次に、工程Ｇで、背面側をスクリーン印刷により銀ペーストを塗布して、各圧電セラミック片３の露出面に対応して円形の背面電極５を形成し、前面側に全面電極を形成して前面電極４を形成し、さらに電極４，５間に直流電圧を印加して分極する。ここで、前面電極４は、各振動単位素子２ごとにスクリーン印刷により形成しても良い。
【００３７】
電極４，５の形成手段としては、スクリーン印刷に代えてフォトリソグラフィーなどの手法を用いても良い。
【００３８】
このように、送受波素子１０ａを製造した後、工程Ｈで、各リード線７，８を接続し、さらに送受波素子１０ａの前面に音響整合層１３を配設し、さらに送受波素子１０ａの裏面にバッキング層１４を配設する。そしてこの積層体に短管状の外側ケース１５を外嵌し、さらに該外側ケース１５にゴム管等の可撓性管体１６を嵌着することにより、図１の超音波探触子１ａが構成される。
【００３９】
上述の製造方法にあっては、基材６ａ中に圧電セラミック片３を埋入保持した後に、電極形成及び分極を行なって、送受波素子１０ａとしたが、圧電セラミック片３を単体で研磨し、電極形成及び分極を施した後に、基材中に埋入して送受波素子１０ａとしても良い。かかる製造方法を図５に従って説明する。
【００４０】
まず工程Ａ，Ｂで、短円柱状のセラミックシート片２９を作製し、工程Ｃで焼成して、圧電セラミック片３とした後に、工程Ｄで各圧電セラミック片３の両面を研磨して所定の厚みに設定し、さらに工程Ｅで、その両面に電極４，５を形成してから分極を施し、振動単位素子２とする。そして工程Ｆで、治具３１を用いて振動単位素子２を円周方向に沿って配列し、成形型内に収容し、基材用材料を流し込み、工程Ｇで、基材６ａ中に各振動単位素子２を埋入保持して円板状に成形する。而して、送受波素子１０ａが完成し、工程Ｈで組み付けられる。
【００４１】
一方、圧電セラミック片単体に電極形成及び分極を施し、基材６ａ中に埋入した後に、表裏面を研磨し、さらに電極を再形成して送受波素子１０ａとしても良い。かかる製造方法を図６に従って説明する。
【００４２】
まず工程Ａ〜Ｃを経て、圧電セラミック片３を焼成した後に、工程Ｄで、その両面に電極を形成してから分極を施す。そして工程Ｅで、治具３１を用いて圧電セラミック片３を円周方向に沿って配列し、成形型内に収容し、基材用材料を流し込み、工程Ｆのように、基材６ａ中に各圧電セラミック片３を埋入保持して円板状に成形する。次に、工程Ｇで、基材面とともに振動単位素子群の表裏面を研磨して所定の厚みに設定した後、工程Ｈで振動単位素子２の表裏部分に再び電極４，５を形成する。而して、送受波素子１０ａが完成し、工程Ｉのように組み付けられる。
【００４３】
ここでかかる構成にあっては、前面電極４をアース電極（全面電極）とし、これによりリード線接続を容易としているが、背面電極５をアース電極（全面電極）としても良い。
【００４４】
また、アース電極を全面電極とせず、各振動単位素子２ごとに、夫々部分電極４，５を形成しても良い。尚、両側の電極４，５を夫々部分電極とした場合には、同一スクリーンで形成できるとともに、全面電極に比して高価な銀ペーストの使用量が減る利点があるが、一方、アース電極とするとリード線接続が容易となる。そこで、電極４，５を部分電極とした後、アース側の電極上に比較的低廉な導電塗料を全面電極として塗布するようにしてもよい。
【００４５】
図７は、本発明の第二実施例に係る超音波探触子１ｂを示すものである。
この超音波探触子１ｂは、上述した音響整合層１３に代わる音響整合部２０を備えた図８に係る送受波素子１０ｂを用い、その背面にバッキング層１４を接合し、さらにこの積層体に短管状のケース１５を外嵌し、該ケース１５にゴム管等の可撓性管体１６を嵌着してなるものである。
【００４６】
この送受波素子１０ｂの構成を図８に従って説明する。
この送受波素子１０ｂは、送受波素子１０ａと同じく複数の振動単位素子２を、基材（音響整合部）６ｂ中に埋入保持してなるものであるが、前面電極４を基材６ｂ中に非露出状に埋入させ、背面電極５のみを背面から露出させている点に大きな特徴がある。
【００４７】
すなわち、基材６ｂは上述の音響整合層１３と同様の、エポキシ樹脂系材料等からなる被検知媒体である血液の音響インピーダンスを整合する材料が用いられ、振動単位素子２の前面電極４が基材６ｂで肉厚状に覆われて、該肉厚の被覆部分を音響整合部２０としている。この音響整合部２０は、上述の音響整合層１３の厚さとほぼ等しくしている。この為、音響整合層１３を省略できて、超音波探触子１ｂの部品点数が減少し、組み付けが容易となる利点がある。
【００４８】
図９は、変形例の送受波素子１０ｂ’を示し、前面電極４から周縁へ結線部９を延出し、該結線部にリード線７を接続して基材６ｂから外方へ引き出し、さらに各背面電極５にリード線８を接続して、各振動単位素子２への配線を確保したものである。尚、図７，８ではリード線７，８を省略して示している。
【００４９】
次に送受波素子１０ｂの製造方法を図１０に従って説明する。
工程Ａ〜Ｃの圧電セラミック片３の作製工程までは、送受波素子１０ａと同様である。一方、工程Ｄで、圧電セラミック片３を治具３１を用いて円周方向に沿って整列させて、その一面に前面電極４をスクリーン印刷などにより形成し、さらに、各前面電極４にリード線７を接続する。次に工程Ｅで、整列した圧電セラミック片３を成形型内に収容し、音響整合特性の良い、例えばエポキシ系樹脂等の基材用材料を流し込んで円板状とし、固化した基材６ｂ中に各圧電セラミック片３を埋入保持する。ここで、リード線７が接続された前面電極４上を、固化した基材６ｂで肉厚状に覆うようにし、この肉厚の被覆部分を音響整合部２０とし、かつリード線７を基材６ｂから外側へ引き出すようにする。
【００５０】
さらに工程Ｆで、その裏面のみを研磨し、圧電セラミック片３の裏面を基材６ｂの裏面に露出するとともに、その厚さを所要厚さとする。次に、工程Ｇで、背面側をスクリーン印刷により銀ペーストを塗布して、各圧電セラミック片３の露出面に対応して円形の背面電極５を形成し、さらに電極４，５間に直流電圧を印加して分極する。而して、送受波素子１０ｂが構成されることとなる。
【００５１】
然る後、工程Ｈで、送受波素子１０ｂの各背面電極５にリード線８を接続してから、送受波素子１０ｂの裏面にバッキング層１４を配設する。そして、この積層体に短管状の外側ケース１５を外嵌し、該外側ケース１５にゴム管等の可撓性管体１６を嵌着することにより、図９の超音波探触子１ｂが構成される。
【００５２】
上述の製造方法にあっては、基材６ｂ中に圧電セラミック片３を埋入保持した後に、背面電極形成及び分極を行なって、送受波素子１０ｂとしたが、圧電セラミック片３を単体で研磨し、電極形成及び分極を施し、前面電極４にリード線７を接続した後に、基材６ｂ中に埋入してリード線７を引き出し、送受波素子１０ｂとしても良い。かかる製造方法を図１１に従って説明する。
【００５３】
まず工程Ａ〜Ｃで圧電セラミック片３を焼成した後に、工程Ｄで、各圧電セラミック片３の両面を研磨して所定の厚みに設定し、さらに工程Ｅで、その両面に電極４，５を形成してから分極を施し、振動単位素子２とする。そして工程Ｆで、治具３１を用いて振動単位素子２を円周方向に沿って配列し、リード線７を各前面電極４に接続し、成形型内に収容し、エポキシ系樹脂等の基材用材料を流し込み、工程Ｇのように、基材６ｂ中に各振動単位素子２を埋入保持して、リード線７を引き出した状態で円板状に成形する。ここで、リード線７が接続された前面電極４上を、固化した基材で肉厚状に覆うようにし、この肉厚の被覆部分を音響整合部２０とする。而して、送受波素子１０ｂが完成し、工程Ｈのように組み付けられる。
【００５４】
一方、圧電セラミック片３単体に電極形成及び分極を施し、前面電極４にリード線７を接続し、基材６ｂに埋入してリード線７を引き出した後に、背面を研磨し、さらに背面電極５を再形成して送受波素子１０ｂとしても良い。かかる製造方法を図１２に従って説明する。
【００５５】
工程Ａ〜Ｃを経て、圧電セラミック片３を焼成した後に、工程Ｄで、その両面に電極を形成してから分極を施す。そして工程Ｅで、治具３１を用いて圧電セラミック片３を円周方向に沿って配列し、各前面電極４にリード線７を接続して、工程Ｆで、成形型内に収容し、基材用材料を流し込み、基材６ｂ中に各圧電セラミック片３を埋入保持してリード線７を引き出した状態で、円板状に成形する。ここで前面電極４上を、固化した基材で肉厚状に覆うようにし、この肉厚の被覆部分を音響整合部２０とする。次に、工程Ｇで、基材面とともに振動単位素子群の背面を研磨して所定の厚みに設定した後、工程Ｈで振動単位素子２の背面部分に再び背面電極５を形成する。而して、送受波素子１０ｂが完成し、工程Ｉのように組み付けられる。
【００５６】
図１３は、本発明の第三実施例に係る超音波探触子１ｃを示すものである。
この超音波探触子１ｃは、上述したバッキング層１４に代わるバッキング部２１を備えた図１４に係る送受波素子１０ｃを用い、その前面に音響整合層１３を接合し、さらにこの積層体に短管状のケース１５を外嵌し、該ケース１５にゴム管等の可撓性管体１６を嵌着してなるものである。
【００５７】
この送受波素子１０ｃの構成を説明する。
この送受波素子１０ｃは、図１４で示すように、送受波素子１０ａ，１０ｂと同じく複数の振動単位素子２を、基材６ｃ中に埋入保持してなるものであるが背面電極５を基材６ｃ中に非露出状に埋入させ、前面電極４のみを前面から露出させている。
【００５８】
すなわち、基材６ｃは上述のバッキング層１４と同様の材料の、例えば、エポキシ系樹脂，フッ素樹脂，シリコン樹脂等の樹脂材料に、骨材，金属粉を混合し、入射した音波を熱エネルギーに変換して消失させ得るバッキング材が用いられ、振動単位素子２の背面電極５を基材６ｃで肉厚状に覆って、該肉厚の被覆部分をバッキング部２１としている。このバッキング部２１は、上述のバッキング層１４の厚さとほぼ等しくしている。この為、バッキング層１４を省略でき、超音波探触子１ｃの部品点数が減少し、組み付けが容易となる利点がある。
【００５９】
図１５は、変形例の送受波素子１０ｃ’を示し、前面電極４から周縁へ結線部９を延出し、該結線部にリード線７を接続し、各背面電極５にリード線８を接続して、バッキング部２１を介して外側へ引き出し、該リード線７，８により各振動単位素子２への配線を確保したものである。このように結線部９を形成することにより、リード線７の接続が容易となる。尚、図１３，１４ではリード線７，８を省略して示している。
【００６０】
一方、かかる構成からなる送受波素子１０ｃは、図１６で示すように、次の手段により形成される。
送受波素子１０ａ，１０ｂと同様に、工程Ａ〜Ｃで圧電セラミック片３を焼成した後、工程Ｄで、圧電セラミック片３を治具３１で整列させて、その一面に背面電極５をスクリーン印刷などにより形成し、さらに、各背面電極５にリード線８を接続する。次に工程Ｅで、この圧電セラミック片３を成形型内に収容し、バッキング特性の良い、基材用材料を流し込み、固化した基材６ｃ中に各圧電セラミック片３を埋入保持して円板状に成形する。これにより、リード線が接続された背面電極５を基材で肉厚状に覆って、該肉厚の被覆部分をバッキング部２１とし、かつリード線８を基材６ｃから外側へ引き出す。
【００６１】
そして固化した後、工程Ｆで、その前面のみ研磨し、圧電セラミック片３の前面を基材６ｃの前面に露出するとともに、その全厚さを所望厚さとする。次に、工程Ｇで、前面側をスクリーン印刷により銀ペーストを塗布して、送受波素子１０ｃの露出面全体を前面電極４とする。ここで、各圧電セラミック片３の露出面に対応して円形の部分前面電極４を形成しても良い。次に、接続したリード線７，８を介して前面電極４，背面電極５間に直流電圧を印加して分極する。
而して、これにより送受波素子１０ｃが構成されることとなる。
【００６２】
然る後、工程Ｈで、送受波素子１０ｃの前面電極４にリード線７を接続した後、送受波素子１０ｃの前面に音響整合層１３を配設する。さらにこの積層体に短管状の外側ケース１５を外嵌し、該外側ケース１５にゴム管等の可撓性管体１６を嵌着することにより、図１３の超音波探触子１ｃが構成される。
【００６３】
上述の製造方法にあっては、基材６ｃ中に圧電セラミック片３を埋入保持した後に、前面電極形成及び分極を行なって、送受波素子１０ｃとしたが、圧電セラミック片３を単体で研磨し、電極形成及び分極を施し、背面電極５にリード線８を接続した後に、基材６ｃ中に埋入してリード線８を引き出し、送受波素子１０ｃとしても良い。かかる製造方法を図１７に従って説明する。
【００６４】
まず工程Ａ〜Ｃで圧電セラミック片３を焼成した後に、工程Ｄで、各圧電セラミック片３の両面を研磨して所定の厚みに設定し、さらに工程Ｅで、その両面に電極を形成してから分極を施す。そして工程Ｆで、治具３１を用いて振動単位素子２を円周方向に沿って配列し、リード線８を各背面電極５に接続し、成形型内に収容し、基材用材料を流し込み、工程Ｇで、基材６ｃ中に各振動単位素子２を埋入保持して、リード線８を引き出した状態で円板状に成形する。ここで、リード線８が接続された背面電極５上を、固化した基材で肉厚状に覆うようにし、この肉厚の被覆部分をバッキング部２１とする。然る後、工程Ｈで、振動単位素子群の前面部分の全面に電極４を形成する。而して、送受波素子１０ｃが完成し、工程Ｉのように組み付けられる。
【００６５】
一方、圧電セラミック片３単体に電極形成及び分極を施し、背面電極５にリード線８を接続し、基材６ｃ中に埋入してリード線８を引き出した後に、前面を研磨し、さらに前面電極４を再形成して送受波素子１０ｃとしても良い。かかる製造方法を図１８に従って説明する。
【００６６】
まず工程Ａ〜Ｃを経て、圧電セラミック片３を焼成した後に、工程Ｄで、その両面に電極を形成してから分極を施す。そして工程Ｅで、治具３１を用いて圧電セラミック片３を円周方向に沿って配列し、各背面電極５にリード線８を接続して、工程Ｆで、成形型内に収容し、基材用材料を流し込み、基材６ｃ中に各圧電セラミック片３を埋入保持してリード線８を引き出した状態で、円板状に成形する。ここで背面電極５上を、固化した基材で肉厚状に覆うようにし、この肉厚の被覆部分をバッキング部２１とする。次に、工程Ｇで、基材面とともに振動単位素子群の前面を研磨して所定の厚みに設定した後、工程Ｈで振動単位素子２の前面部分に再び電極４を形成する。而して、送受波素子１０ｃが完成し、工程Ｉのように組み付けられる。
【００６７】
上述した各構成の超音波探触子１ａ〜１ｃの特性につき考察する。
中心軸状の音圧に対し、その音圧が１／２に減衰する角度を示す指向角θは、遠距離音場の場合にあって、
ｓｉｎθ＝０．７０４λ／ｄ（λ：音波の波長、ｄ：音源の直径）
で近似的に示される。ここで上述の音源である短円柱状の振動単位素子２を直径０．３ｍｍとし、波長λを、水中の縦波音速≒５００ｍ／ｓと素子の共振周波数３ＭＨｚとからλ＝０．３ｍｍとすると、上式に従えば、θ＝４４．７°と計算される。これについて探触子走査装置にて水中で指向角を実測したところ、θ＝４５°となり、計算値とほぼ等しい値を得た。
【００６８】
このように音源の直径は、振動単位素子２の径により規定される。そして上述したように、セラミックシート３０の打ち抜き工程において、金型の径を変更することにより、振動単位素子２の径を容易に小さくできる。そして、上式から明らかなように、音源の直径が小さくなれば、指向角は大きくなるため、良好な指向角特性を確保することができる。
【００６９】
かかる、構成からなる超音波探触子１ａ〜１ｄは、図２１で示すように、血管Ｖ内に挿入され、可撓性管体１６の可撓性により該血管Ｖ内に深く侵入する。そして一振動単位素子２から球面波を前方に送波し、残りの全振動単位素子２で受波させる。次に、送波する振動単位素子２を順番に変換し、さらに受波された信号を画像処理することにより、血管Ｖ内の三次元画像をリアルタイムで得ることができる。また、各振動単位素子２により放射される球面波の指向角θは、振動単位素子２の径を小さくすることにより、容易に４５°以上とすることができ、これにより可視化できる範囲Ａを近くかつ広くすることができる。しかも送受波部が円形であるため振動モードが整一かつ単純であるため信号の処理が簡単となる。このため、血管Ｖ内を写出す三次元画像が広く、かつ鮮明となり、診察が容易となり、適正な診断を確実に行うことができる。
【００７０】
ところで上述の各構成にあって、図１９で示すように、振動単位素子２の表面は、球面ｆとして凸レンズの作用を生じる構成としても良い。この場合には、該球面ｆの曲率を変えることにより、任意の指向特性を得ることが可能となる。尚、圧電セラミック片振動単位素子２の表面を凹面としてもよい。
【００７１】
さらに、上述の各手段にあっては、三次元画像をリアルタイムで視ることが可能となるため、例えば、血管Ｖ内の診断に用いた場合、血管Ｖ内の三次元画像に基づいて、レーザー治療を行うことが考えられる。そこで、図２０で示す超音波探触子１ｄのように、環状の送受波素子１０ｄを使用し、かつ音響整合層１３，バッキング層１４も環状として、その組み付け状態で挿入孔４０を生じさせ、該挿入孔４０に光ファイバーなどからなるレーザの放射光路４１を形成するようにしてもよい。そして、該放射光路４１を介して、端部からレーザーを放射し、血栓を破砕するなどにより、本発明の超音波探触子１ｄは治療具としても用いることが可能となる。
【００７２】
上述した構成にあっては、送受波素子１０ａ〜１０ｃでは振動単位素子２を円周方向に沿って等間隔で配設したが、検知対象により該振動単位素子２を一列状に配設するなど種々の配設態様が提案され、この場合にも、基材で振動単位素子２を保持するものであるから、複雑な保持手段を不要として、随意の形態で振動単位素子２を保持することができる。
【００７３】
【発明の効果】
本発明は、表裏面を有する圧電セラミック片の、その表面に前面電極を、その裏面に背面電極を夫々具備し、かつ表裏方向に分極してなる複数の振動単位素子が、基材中に埋入保持されてなる超音波探触子用送受波素子であるから、厚みを増加させることなく整一に保持され、送受波素子の小形化が可能となる。
【００７４】
また、環状のセラミックスを分割して振動単位素子とした従来手段と異なり、振動単位素子を微細でかつ任意の整一な形状とすることができ、指向角を大きくすることができ、かつ球面波を得ることができ、可視化できる範囲が広がるとともに、振動モードが単純化し、信号の処理が容易となる。
【００７５】
このため、振動単位素子を、例えば円周方向に沿って配設し、そのうちの一振動単位素子から球面波を前方に送波し、残りの全振動単位素子で受波させ、送波する振動単位素子を順番に変換することにより三次元の画像を得ることができる。
【００７６】
一方、圧電セラミック片をシートから打ち抜いて整列させ、樹脂等を流し込んで基材中に保持し、その表裏面を研磨し、かつ電極を形成し、分極するようにした本発明の製造手段にあっては、微細な振動単位素子をシートの打ち抜きにより容易に形成でき、このため、該送受波素子を容易に製造し得ると共に、基材を研磨することにより、所望の厚さの送受波素子を形成でき、所要の特性の送受波素子を容易に製造し得ると共に、振動単位素子の微細化により指向角を広げ得ることができる。
【００７７】
また、複数の振動単位素子を、血液などの被検知媒体の音響インピーダンスと整合し得る樹脂材料等からなる基材中に埋入保持すると共に、振動単位素子の前面電極を該基材で肉厚状に覆って、該肉厚の被覆部分を音響整合部とした送受波素子にあっては、その背面にバッキング層のみを適用すればよいから、部品点数が減少して組付けが容易である。
【００７８】
同様に、複数の振動単位素子を、入射した音波の透過を阻止し得る樹脂材料等からなる基材中に埋入保持すると共に、振動単位素子の背面電極を基材で肉厚状に覆わって、該肉厚の被覆部分をバッキング部とした送受波素子にあっては、その前面に音響整合層のみを適用すればよいから、部品点数が減少して組付けが容易である。
【００７９】
このように、音響整合部またはバッキング部を基材に形成した送受波素子にあっては、シートから打ち抜いて焼成した圧電セラミック片の一面側に電極をあらかじめ形成して、該電極にリード線を接続した後、基材用の樹脂材料等により電極を肉厚状に覆って、各圧電セラミック片を埋入保持し、基材の他面を研磨して圧電セラミック片の他面を露出して、該面に電極を形成することにより、上述と同様に簡易に製造することが可能となる。
【００８０】
さらにまた、上述の構成にあって、送受波部の中心にレーザの放射光路を形成した場合には、超音波探触子で探査をしながら、レーザーを放射して、血栓を破砕する等の治療等を行なうことが可能となる。
【００８１】
而して、上述の送受波素子を用いた超音波探触子は、基材に埋入保持される振動単位素子を超音波探触子の送受波要素として用いることにより、前方向に指向角の大きい球面波を送波することが可能となり、このため、可視化できる範囲が近くかつ広くなり、しかも振動モードが整一かつ単純であるため信号の処理が簡単となって、広く、かつ鮮明な三次元の超音波画像情報を得ることができる。例えば、血管内の診断に用いた場合、血管内の三次元画像をリアルタイムで得ることができ、超音波診断法の精度を向上させることができる。このように、超音波診断のほか、管路の亀裂確認等、種々の分野で応用可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図ｌ】本発明の送受波素子１０ａを具備する第一実施例に係る超音波探触子１ｂの縦断側面図である。
【図２】送受波素子１０ａの縦断側面図である。
【図３】変形例の送受波素子１０ａ’の縦断側面図である。
【図４】送受波素子１０ａの第一の製造工程を示す説明図である。
【図５】送受波素子１０ａの第二の製造工程を示す説明図である。
【図６】送受波素子１０ａの第三の製造工程を示す説明図である。
【図７】本発明の送受波素子１０ｂを具備する第二実施例に係る超音波探触子１ｂの縦断側面図である。
【図８】送受波素子１０ｂの縦断側面図である。
【図９】変形例の送受波素子１０ｂ’の縦断側面図である。
【図１０】送受波素子１０ｂの第一の製造工程を示す説明図である。
【図１１】送受波素子１０ｂの第二の製造工程を示す説明図である。
【図１２】送受波素子１０ｂの第三の製造工程を示す説明図である。
【図ｌ３】本発明の送受波素子１０ｃを具備する第三実施例に係る超音波探触子１ｃの縦断側面図である。
【図１４】送受波素子１０ｃの縦断側面図である。
【図１５】変形例の送受波素子１０ｃ’の縦断側面図である。
【図１６】送受波素子１０ｃの第一の製造工程を示す説明図である。
【図１７】送受波素子１０ｃの第二の製造工程を示す説明図である。
【図１８】送受波素子１０ｃの第三の製造工程を示す説明図である。
【図１９】振動単位素子２の変形例を示す縦断側面図である。
【図２０】本発明の一実施例に係る超音波探触子１ｄの縦断側面図である。
【図２１】血管Ｖ内に挿入された超音波探触子１ａ〜１ｄの指向角を示す概念斜視図である。
【図２２】従来構成の指向角を示す概念斜視図である。
【符号の説明】
１ａ〜１ｄ  超音波探触子
２  振動単位素子
３  圧電セラミック片
４  前面電極
５  背面電極
６ａ，６ｂ，６ｃ  基材
７，８  リード線
１０ａ〜１０ｃ，１０ａ’〜１０ｃ’，１０ｄ  送受波素子
１３  音響整合層
１４  バッキング層
２０  音響整合部
２１  バッキング部
３０  シート
【図１】
0004223629.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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