JP5065085B2 - 超音波探触子及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波探触子、特にカテーテルに装填するのに適した小型の超音波探触子及びその製造方法に関するものである。

超音波探触子は、医療用超音波診断装置の超音波送受信器として利用されている。最近では、カテーテルに超音波探触子を装填して、カテーテルを体内に挿入した状態で超音波診断をすることが行なわれている。このカテーテル装填用の超音波探触子では、患者負担軽減や、血管深部など、より細径な体腔への挿入性を高めるため、小型化の要求が高い。

超音波探触子は、一般に、上下の面が平面な薄肉の圧電セラミックシートと、圧電セラミックシートの上下面のそれぞれに対向して形成された一対の電極層からなる。超音波探触子の超音波の送受信を行なう側の電極層には、被検体への超音波の伝播効率を高めるための音響整合層が付設され、超音波の送受信を行なう側と反対側の電極層にはノイズとなる超音波を吸収するための吸音層が付設されている。音響整合層及び吸音層は、通常、非導電性の高分子材料から形成されているため、超音波探触子の小型化に伴い、圧電セラミックシートの上下面に形成された電極層をそれぞれ外部電源に接続するのが難しくなる傾向がある。

超音波探触子の外部電源への接続を容易にする方法として、圧電セラミックシートの上下面にそれぞれ形成された電極層の一方を反対側の面にまで引き延ばして、上下面の電極層を上下いずれか一方の方向から外部電源と接続できるようにする方法が知られている。一般に、上下面の電極層を反対側の面に引き延ばした電極層は折返電極層と呼ばれる。

特許文献１には、上側電極層を、圧電セラミックシートの側面に導電層を形成することによって、圧電セラミックシートの下面にまでに引き延ばした折返電極層を有する超音波探触子が開示されている。

特許文献２には、圧電セラミックシートの幅方向の周囲に配置した絶縁材料の表面に折返電極層に形成した超音波探触子が開示されている。
特開平８−２８００９５号公報 特開２００１−２９２４９５号公報

上述のように、超音波探触子の電極層とリード線との接続を容易にするために、折返電極層を形成することは有用である。しかしながら、超音波探触子の小型化に伴って、折返電極層を形成することが難しくなる。特に最近では、直径が１ｍｍ以下となるような血管用カテーテルに組み込むための、極めて小型の超音波探触子が望まれているが、このような小型の超音波探触子では、折返電極層を工業的に形成することは難しい。
従って、本発明の目的は、特に、カテーテル装填用に適した、小型でかつ折返電極層を有する超音波探触子を工業的に有利に製造するための技術を提供することにある。

本発明は、下記（１）乃至（７）の工程を含む超音波探触子の製造方法にある。
（１）シート平面に沿って整列配置された多数の小径貫通孔を有する圧電セラミックシートを用意する工程。
（２）該圧電セラミックシートの下面に、各小径貫通孔の下面開口部に接する下側電極層を形成し、また各小径貫通孔の内壁面に導電層を付設する工程。
（３）該圧電セラミックシートの上面に、各小径貫通孔の上面開口部の周囲に下側電極層用端子電極層を、そして上記下側電極層に対面し、かつ該下側電極層用端子電極層とは電気的に接触しない位置に上側電極層を、また該上側電極層に電気的に接続すると共に前記下側電極層用端子電極層と前記上側電極層の幅方向に併設された上側電極層用端子電極層を形成し、さらに各小径貫通孔の内壁面に導電層を付設する工程。
（４）上側電極層の表面に音響整合層を付設する工程。
（５）下側電極層の表面に吸音層を付設する工程。
（６）少なくとも上記（２）の工程と上記（３）の工程とを経た圧電セラミックシートについて、小径貫通孔、該小径貫通孔の導電層に電気的に接続されている下側電極層と下側電極層用端子電極層、そして該下側電極層と対面している上側電極層を一区画内に包含させ、かつ前記上側電極層用端子電極層と前記下側電極層用端子電極層とが一辺に沿い、前記小径貫通孔が該一辺の中心より偏心した位置に配置されるように裁断する工程。
（７）上側電極層用端子電極層と下側電極層用端子電極層のそれぞれにリード線を接続する工程。
ただし、上記（２）の工程と上記（３）の工程とは順序が逆でもよく、上記（４）の工程乃至上記（６）の工程の順序は任意である。

本発明はまた、厚み方向に延びた貫通孔を側面近傍に有する矩形の圧電セラミックシート片、該圧電セラミックシート片の上面に備えられた上側電極層と該上側電極層に電気的に接続する上側電極層用端子電極層、該圧電セラミックシート片の下面に備えられた下側電極層、該下側電極層に電気的に接続する上記貫通孔の内壁面に備えられた導電層、該導電層に電気的に接続する圧電セラミックシート片の上面に備えられた下側電極層用端子電極層、前記上側電極層用端子電極層と前記下側電極層用端子電極層のそれぞれに付設されたリード線、前記上側電極層の上面に備えられた音響整合層、そして前記下側電極層の下面に備えられた吸音層を含む超音波探触子にもある。本発明の超音波探触子において、前記貫通孔は、前記圧電セラミックシート片のいずれかの側面の近傍であって、該側面の中央から外れた位置に設けられ、前記上側電極層用端子電極層と前記下側電極層用端子電極層とは、前記側面の中央を境に併設していることが好ましい。

本発明の製造方法を利用することによって、折返電極層を有する小型の超音波探触子を、一個の圧電セラミックシートから複数個製造することが可能となる。
本発明の製造方法を利用して製造された小型の超音波探触子は、カテーテル装填用として有利に使用することができる。また、両面の電極層用端子電極層が一方の面（上面）に併設して形成されるため、信号線の取り付けが容易で、小型化に適した超音波探触子を得ることができる。

本発明の超音波探触子、そしてその製造方法について、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探触子の一例の斜視図である。
図１において、超音波探触子は、厚み方向に伸びた貫通孔１を側面近傍に有する矩形の圧電セラミックシート片２、圧電セラミックシート片２の上面に備えられた上側電極層３と上側電極層３に電気的に接続する上側電極層用端子電極層４、圧電セラミックシート片２の下面に備えられた下側電極層５、下側電極層５に電気的に接続する上記貫通孔１の内壁面に備えられた導電層６、導電層６に電気的に接続する圧電セラミックシート片２の上面に備えられた下側電極層用端子電極層７、上側電極層用端子電極層４と下側電極層用端子電極層７のそれぞれに接合材層８によって接続された上側電極層用リード線９ａと下側電極層用リード線９ｂ、上側電極層３の上面に備えられた音響整合層１０、そして下側電極層５の下面に備えられた吸音層１１からなる。

本発明の超音波探触子では、導電層６と下側電極層用端子電極層７とで、下側電極層５を圧電セラミックシート片２の上面に引き延ばす折返電極層を形成する。

圧電セラミックシート片２に形成されている貫通孔１は、上から見て円形状であることが製造を容易にするため好ましいが、矩形状であってもよい。下側電極層用端子電極層７のリード線９ｂとの接続領域を拡げるために、貫通孔１は下側電極層用端子電極層７の中央から外れた位置に形成されていることが好ましい。また、本実施態様において、下側電極層用端子電極層７は、矩形に形成されており、貫通孔１は、矩形の一辺の近傍であって、かつこの辺の中心から偏心した位置に設けられている。

圧電セラミックシート片２の材料の例としては、チタン酸ジルコニウム酸鉛（ＰＺＴ）やニオブ酸リチウムなどの圧電セラミック材料を挙げることができる。

上側電極層３は、超音波の送受信面となる。上側電極層３の幅Ｗと長さＬとの比（Ｗ：Ｌ）は、０．８：１．０〜１．０：０．８の範囲にあることが好ましい。

下側電極層５は、上側電極層３に対面する位置に形成される。下側電極層５は、圧電セラミックシート片２の下面全体に形成されていることが好ましい。

上側電極層用端子電極層４と下側電極層用端子電極層７とは、圧電セラミックシート片２の貫通孔１を有する側面側にて、下側電極層用端子電極層７と隣接する位置に該側面の中央を境に併設して配置されていることが好ましい。これにより２つの端子電極層４と７は上側電極層３の幅Ｗ方向に併設される。

上側電極層３、上側電極層用端子電極層４、下側電極層５、導電層６及び下側電極層用端子電極層７を形成する導電性材料の例としては、銀、クロム、銅、ニッケル、金などの金属、及びこれら金属の積層体を挙げることができる。

上側電極層用リード線９ａと下側電極層用リード線９ｂとをそれぞれ電極層４、７に固定するための接合材層８の材料の例としては、ハンダ及び導電性接着剤を挙げることができる。リード線９ａ、９ｂを溶接によって電極層４、７に固定してもよい。また、リード線９ａ、９ｂをワイヤーボンディングによって形成してもよい。

音響整合層１０の材料の例としては、エポキシ樹脂などの樹脂材料を挙げることができる。音響整合層１０は、二層以上としてもよい。

吸音層１１の材料の例としては、ゴムや、タングステン粉末などの金属粉末を分散させたエポキシ樹脂などを挙げることができる。

上記本発明の超音波探触子は、下記の（１）乃至（７）の工程を含む方法によって製造することができる。
（１）シート平面に沿って整列配置された多数の小径貫通孔を有する圧電セラミックシートを用意する工程。
（２）該圧電セラミックシートの下面に、各小径貫通孔の下面開口部に接する下側電極層を形成し、また各小径貫通孔の内壁面に導電層を付設する工程。
（３）該圧電セラミックシートの上面に、各小径貫通孔の上面開口部の周囲に下側電極層用端子電極層を、そして上記下側電極層に対面し、かつ該下側電極層用端子電極層とは電気的に接触しない位置に上側電極層を、また該上側電極層に電気的に接続すると共に前記下側電極層用端子電極層と前記上側電極層の幅方向に併設された上側電極層用端子電極層を形成し、さらに各小径貫通孔の内壁面に導電層を付設する工程。
（４）上側電極層の表面に音響整合層を付設する工程。
（５）下側電極層の表面に吸音層を付設する工程。
（６）少なくとも上記（２）の工程と上記（３）の工程とを経た圧電セラミックシートについて、小径貫通孔、該小径貫通孔の導電層に電気的に接続されている下側電極層と下側電極層用端子電極層、そして該下側電極層と対面している上側電極層を一区画内に包含させ、かつ前記上側電極層用端子電極層と前記下側電極層用端子電極層とが一辺に沿い、前記小径貫通孔が該一辺の中心より偏心した位置に配置されるように裁断する工程。
（７）上側電極層用端子電極層と下側電極層用端子電極層のそれぞれにリード線を接続する工程。

上記の超音波探触子の製造方法を、添付図面の図２〜図８を参照して説明する。

図２は、（１）の工程で用意する小径貫通孔２１を有する圧電セラミックシート２２の一例の平面図である。図２において、圧電セラミックシート２２は、小径貫通孔２１がシート平面に沿って縦横方向にそれぞれ４個ずつ整列配置された円形状シートである。一個の小径貫通孔２１に対して、一個の超音波探触子を製造することができる。圧電セラミックシート２２一枚当たりの小径貫通孔２１の個数には、特には制限はないが、好ましくは２〜１０００個の範囲、特に好ましくは１０〜５００個の範囲である。

圧電セラミックシート２２の厚さは、好ましくは０．０１０〜０．２０ｍｍの範囲、特に好ましくは０．０２０〜０．１０ｍｍの範囲である。小径貫通孔２１の内径は、好ましくは０．０１０〜０．４０ｍｍの範囲、特に好ましくは０．０２０〜０．２０ｍｍの範囲である。小径貫通孔２１のアスペクト比（＝圧電セラミックシート２２の厚さ／小径貫通孔２１の内径）は、好ましくは０．１〜１．０の範囲、特に好ましくは０．２〜０．８の範囲である。

小径貫通孔２１を有する圧電セラミックシート２２は、例えば、予め所望の厚さに成形した薄肉の圧電セラミックシートに穿孔により所定の位置に小径貫通孔を形成する方法、あるいは所望の厚さよりも厚肉の圧電セラミック板に穿孔により所定の位置に小径貫通孔を形成し、次いで圧電セラミック板の上下面のそれぞれを研磨する方法によって製造することができる。後者の穿孔の後に研磨する方法が好ましい。

図３は、（２）の工程に従って、圧電セラミックシート２２の下面に、下側電極層２３と導電層２４とを付設した後の圧電セラミックシートの一例の部分拡大背面図である。図３において、下側電極層２３は各貫通孔２１に対応してそれぞれ一個ずつ形成されているが、下側電極層２３は縦又は横方向に延びたストライプ状に形成してもよく、また圧電セラミックシート２２の下面全体に形成してもよい。

図４は、（３）の工程に従って、圧電セラミックシート２２の上面に導電層２４、下側電極層用端子電極層２５、上側電極層２６及び上側電極層用端子電極層２７を付設した後の圧電セラミックシートの一例の部分拡大平面図であり、図５は、図４のＩ−Ｉ線断面図である。

本発明では、（２）の工程において、下側電極層２３と導電層２４とを付設し、（３）の工程において、導電層２４と下側電極層用端子電極層２５とを付設することによって、下側電極層２３と導電層２４と下側電極層用端子電極層２５とが一体的に高い導電性を持って形成される。また、（３）の工程において、上側電極層２６と上側電極層用端子電極層２７とを付設することによって、上側電極層２６と上側電極層用端子電極層２７とも一体的に高い導電性を持って形成される。なお、（２）の工程と（３）の工程は、順序を逆にしてもよい。このように、導電層２４は、（２）の工程と（３）の工程とで二度に渡って形成されるので、一面からのみでは導電体が不十分に形成されるおそれがあるが、これを防止することができる。

各電極層及び導電層は、例えば、マスク材を用いたイオンプレーティング法、蒸着法、スパッタ法により形成することができる。

図６は、（４）の工程に従って、図４の圧電セラミックシート２２に音響整合層２８を形成した後の圧電セラミックシートの一例の部分拡大平面図である。図６において、音響整合層２８は複数個の上側電極層２６の表面に横方に延びたストライプ状に形成されているが、音響整合層２８は各上側電極層２６に対応してそれぞれ一個ずつ形成してもよいし、上側電極層用端子電極層２７及び下側電極層用端子電極層２５が形成されている部分を除く、圧電セラミックシート２２の上面全体に形成してもよい。

音響整合層２８は、音響整合層形成用樹脂シートを貼り合わせる方法、あるいは液状の音響整合層形成用樹脂材料を塗布して、硬化させる方法などによって形成することができる。

図７は、（５）の工程に従って、図６の圧電セラミックシート２２に吸音層２９を形成した後の圧電セラミックシートの一例の部分拡大背面図である。図７において、吸音層２９は複数個の下側電極層２３の表面に横方に延びたストライプ状に形成されているが、吸音層２９は各下側電極層２３に対応して一個ずつ形成してもよいし、圧電セラミックシート２２の下面全体に形成してもよい。

吸音層２９は、吸音層形成用シートを貼り合わせる方法、あるいは液状の吸音層形成用材料を塗布して、硬化させる方法などによって形成することができる。

上側電極層用端子電極層及び下側電極層用端子電極層とリード線とを接合材によって接続する場合は、音響整合層２８の形成［（４）の工程］の後、圧電セラミックシートの裁断［（６）の工程］の前に、上側電極層用端子電極層と下側電極層用端子電極層のそれぞれに接合材層を形成しておくことが好ましい。

図８は、上側電極層用端子電極層２７と下側電極層用端子電極層２５のそれぞれに接合材層３０を形成した後の圧電セラミックシートの一例の部分拡大平面図である。接合材層３０の形成は、吸音層の形成［（５）の工程］前に行なってもよい。

図９は、（６）の工程に従って、圧電セラミックシート２２を裁断する際の裁断線３１を示す圧電セラミックシートの一例の部分拡大平面図である。本発明では、裁断線３１に従って小径貫通孔、小径貫通孔の導電層に電気的に接続されている下側電極層と下側電極層用端子電極層、そして該下側電極層と対面している上側電極層を一区画内に包含させるように裁断する。

そして、（７）の工程で、上記（６）の工程によって得られた圧電セラミックシート片の上側電極層用端子電極層と下側電極層用端子電極層のそれぞれに接合材層を介してリード線を接続することによって、前記図１に示した超音波探触子を製造することができる。

上記（４）の工程乃至（６）の工程の順序は任意に決定することができる。例えば、音響整合層の形成と吸音層の形成とを逆にしてもよいし［（５）、（４）、（６）の工程の順］、音響整合層を形成し、次いで圧電セラミックシートを裁断した後、吸音層を形成してもよいし［（４）、（６）、（５）の工程の順］、さらに、圧電セラミックシートを裁断した後、音響整合層と吸音層とを形成してもよい［（６）、（４）、（５）の工程の順］。

本発明に従う超音波探触子の一例の斜視図である。 本発明の超音波探触子の製造方法において用いる、小径貫通孔を有する圧電セラミックシートの一例の平面図である。 図２の圧電セラミックシートに下側電極層と貫通孔内壁面の導電層を形成した後の圧電セラミックシートの一例の拡大背面図である。 図３の圧電セラミックシートに上側電極層、上側電極層用端子電極層、下側電極層用端子電極層、及び貫通孔内壁面の導電層を形成した後の圧電セラミックシートの一例の拡大平面図である。 図４のＩ−Ｉ線断面図である。 図４の圧電セラミックシートに音響整合層を形成した後の圧電セラミックシートの一例の拡大平面図である。 図６の圧電セラミックシートに吸音層を形成した後の圧電セラミックシートの一例の拡大背面図である。 図７の圧電セラミックシートの上側電極層用端子電極層と下側電極層用端子電極層のそれぞれに接合材層を形成した後の圧電セラミックシートの一例の拡大平面図である。 圧電セラミックシートの裁断線を説明する圧電セラミックシートの一例の拡大平面図である。

符号の説明

１ 貫通孔
２ 圧電セラミックシート片
３ 上側電極層
４ 上側電極層用端子電極層
５ 下側電極層
６ 導電層
７ 下側電極層用端子電極層
８ 接合材層
９ａ 上側電極層用リード線
９ｂ 下側電極層用リード線
１０ 音響整合層
１１ 吸音層
２１ 小径貫通孔
２２ 圧電セラミックシート
２３ 下側電極層
２４ 導電層
２５ 下側電極層用端子電極層
２６ 上側電極層
２７ 上側電極層用端子電極層
２８ 音響整合層
２９ 吸音層
３０ 接合材層
３１ 裁断線

Claims (3)

1. 下記の工程を含む超音波探触子の製造方法：
   （１）シート平面に沿って整列配置された多数の小径貫通孔を有する圧電セラミックシートを用意する工程；
   （２）該圧電セラミックシートの下面に、各小径貫通孔の下面開口部に接する下側電極層を形成し、また各小径貫通孔の内壁面に導電層を付設する工程；
   （３）該圧電セラミックシートの上面に、各小径貫通孔の上面開口部の周囲に下側電極層用端子電極層を、そして上記下側電極層に対面し、かつ該下側電極層用端子電極層とは電気的に接触しない位置に上側電極層を、また該上側電極層に電気的に接続すると共に前記下側電極層用端子電極層と前記上側電極層の幅方向に併設された上側電極層用端子電極層を形成し、さらに各小径貫通孔の内壁面に導電層を付設する工程；
   （４）上側電極層の表面に音響整合層を付設する工程；
   （５）下側電極層の表面に吸音層を付設する工程；
   （６）少なくとも上記（２）の工程と上記（３）の工程とを経た圧電セラミックシートについて、小径貫通孔、該小径貫通孔の導電層に電気的に接続されている下側電極層と下側電極層用端子電極層、そして該下側電極層と対面している上側電極層を一区画内に包含させ、かつ前記上側電極層用端子電極層と前記下側電極層用端子電極層とが一辺に沿い、前記小径貫通孔が該一辺の中心より偏心した位置に配置されるように裁断する工程；
   （７）上側電極層用端子電極層と下側電極層用端子電極層のそれぞれにリード線を接続する工程；
   ただし、上記（２）の工程と上記（３）の工程とは順序が逆でもよく、上記（４）の工程乃至上記（６）の工程の順序は任意である。
2. 厚み方向に延びた貫通孔を側面近傍に有する矩形の圧電セラミックシート片、該圧電セラミックシート片の上面に備えられた上側電極層と該上側電極層に電気的に接続する上側電極層用端子電極層、該圧電セラミックシート片の下面に備えられた下側電極層、該下側電極層に電気的に接続する上記貫通孔の内壁面に備えられた導電層、該導電層に電気的に接続する圧電セラミックシート片の上面に備えられた下側電極層用端子電極層、前記上側電極層用端子電極層と前記下側電極層用端子電極層のそれぞれに付設されたリード線、前記上側電極層の上面に備えられた音響整合層、そして前記下側電極層の下面に備えられた吸音層を含む超音波探触子。
3. 前記貫通孔は、前記圧電セラミックシート片のいずれかの側面の近傍であって、該側面の中央から外れた位置に設けられ、前記上側電極層用端子電極層と前記下側電極層用端子電極層とは、前記側面の中央を境に併設していることを特徴とする請求項２に記載の超音波探触子。

Images