JP4936597B2

JP4936597B2 - Ultrasonic probe and ultrasonic probe manufacturing method

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Publication number: JP4936597B2
Application number: JP2001031281A
Authority: JP
Inventors: 俊武内; 靖晴細野; 守泉; 洋八山下
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2000-02-07
Filing date: 2001-02-07
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2021-02-07
Also published as: JP2001298795A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波診断装置や超音波治療装置等に用いられる超音波プローブと、当該超音波プローブ製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波プローブは、圧電体を主体として構成され、超音波を対象物に向けて照射し、その対象物における音響インピーダンスの異なる界面からの反射波を受信することにより、対象物の内部状態を画像化するために用いられる。このような超音波プローブが採用された超音波画像装置として、例えば、人体内部を検査するための医用診断装置や金属溶接内部の探傷を目的とする検査装置等が存在する。
【０００３】
この医用超音波画像装置である超音波診断装置では、人体の断層像（Ｂモード像）に加え、超音波の血流によるドプラシフトを利用して血流の速度を２次元でカラー表示するカラーフローマッピング（ＣＦＭ）法や、二次高調波を画像化したティッシュハーモニックイメージング（ＴＨＩ）法等の撮影技術が開発されている。超音波プローブは、これら種々の撮影方法に応じた形態を有し、人体のあらゆる臓器器官に関する超音波の送受信を可能にしている。
【０００４】
一般に超音波診断装置に使用される超音波プローブには、高分解能の画像が、高感度に得られることが要求される。これは、診断対象の深部まで明瞭に表示可能な画像により、小さな病変や空隙を発見できるようにするためである。近年、その方法の一つとして、センサー部分である超音波プローブをさらに高感度化、広帯域化することが考えられている。
【０００５】
上述した高感度化、広帯域化を達成するために、圧電体柱や圧電体粉を樹脂に埋め込んだ構成などの複合圧電体が研究されている。例えば、特公昭５４−１９１５１、特開昭６０−９７８００、特開昭６１−５３５６２、特開昭６１−１０９４００など、製造方法として特開昭５７−４５２９０、特開昭５８−２１８８３、特開昭６０−５４６００、特開昭６０−８５６９９、特開昭６２−１２２４９９、特開昭６２−１３１７００等にその構造が提案されている。
【０００６】
これらに開示されている複合圧電体を使用した超音波プローブは、音響インピーダンスが低下して生体のインピーダンスに近づくこと、１−３型や２−２型などの構成では電気機械結合係数が薄板の場合に比べて増加すること等のメリットを有している。これは、複合圧電体には、誘電率が大きく電気機械結合係数ｋ₃₃も大きいＰＺＴ系圧電セラミックが主として用いられているからである。
【０００７】
一方、複合圧電体を使用した超音波プローブは、樹脂を含むことによる誘電率低下に比べて電気機械結合係数の向上が小さいという問題も有している。従って現実には、複合圧電体は、素子面積が大きいシングル型メカニカルプローブやアニュラアレイ等に用いられているのみである。そこで、ｋｔに比べｋ₃₃が飛躍的に高い固溶系圧電単結晶を用いることでこの問題を解決しようという試みもなされている。（特開平０９−８４１９４）
高感度、広帯域の超音波プローブを実現するためには、図１３（ａ）に示したアレイ状プローブ２８のように、固溶系圧電単結晶３２と樹脂３４、３６との複合圧電体３０を形成する方法がある。しかしながら、この複合圧電体３０の形成においては、切削加工時の不良が問題となっている。すなわち、一般的に固溶系圧電単結晶３２は破壊靭性が低く脆いため、図１３（ｂ）に示す溝３８をアレイ状に形成する切削加工時において、図１３（ｃ）に示すようなチッピングが発生する問題がある。このチッピングは、特性の劣化や素子へのクラックにより不良を引き起こしてしまう。
【０００８】
そこで我々はこれらの単結晶を用いた超音波プローブとして図１４（ａ）のような構造を提案し（特開２０００−１４６７２号公報参照）、プローブ作製歩留まりの改善を試みてきた。図１４（ａ）は、単結晶振動素子を用いたアレイプローブの断面構造を示している。単結晶振動素子１の両面には電極４、５が形成されており、振動素子１の下面にはバッキング材２が設けられている。また、単結晶振動素子上面には音響マッチング層３ａ，３ｂが形成され、単結晶振動素子１および音響マッチング層３ａ、３ｂアレイ加工されている。アレイプローブの配列ピッチは、狭いもので０．１ｍｍ程度である。さらに音響マッチング層３ｂ上に設けられた音響レンズ８を通して超音波の送受信が行われる。単結晶振動素子１の両面に形成された電極４、５はＦＰＣ６、７を介してケーブルに接続され、診断装置に繋がる(図省略)。図１４（ａ）の構造においてＦＰＣ６は前記ＦＰＣの導電層を振動素子の面積分に拡張して前記振動素子と全面に渡ってエポキシ系接着剤で接合されている。また前記導電層としては一般に金属Ｃｕが用いられている。図１４（ｂ）は図１４（ａ）で示した信号用ＦＰＣの下部の導電層を単結晶振動素子１から見たものである。図１４（ａ）の信号用ＦＰＣの導電層６ａ’は図１４（ｂ）で示したように導電層６ａから千鳥に引き出されている。これらの配列構造は以下の説明の通りに作製される。一体形状の単結晶振動素子1に電極４、５を形成する。ＦＰＣを接着した振動素子をバッキング材２に接着し、音響マッチング層３ａ、３ｂを形成した後にダイシングソーを用いて、マッチング層側から切断する。その後、音響マッチング層３ｂ上に音響レンズ８を形成して完成となる。
【０００９】
ところが、上記の製造方法を採用し、導電層を単結晶振動素子の面積分に拡張したＦＰＣを前記振動素子と全面に渡ってエポキシ系接着剤し、バッキング材にエポキシ接着剤で前期振動素子を接着し、前期振動素子の上に音響マッチング層を形成した後、ダイシングソーでアレイ加工すると、単結晶振動素子のＦＰＣが接着された面のダイシングエッジ部にクラックやチッピングが発生することがあるという問題が生じた。これはアレイ加工時に機械的強度の弱い圧電単結晶と切削性の劣るＦＰＣの導電層を同時に切断するために生じるものと考えられる。また、加工中に生じる導電層からのばりは単結晶振動素子の切断面を荒らし、ブレードに巻き込まれた切削屑は切削製を低下させる原因となる。こうした単結晶振動素子のクラックやチッピングは、加工条件を調整しても抑制することが困難である。大きなクラックは断線不良となり、製造歩留まり低下させ、小さなクラックは使用中に進展し、市場事故を起こす原因となり得る。また、チッピングは短冊形状に加工された振動素子の電極面積を減少させるため、特性劣化を招くだけではなくアレイ素子間の特性ばらつきも大きくなる。アレイ素子数は数十から数百に及ぶため、アレイ素子間の特性ばらつきは診断装置に表示される断層像の画質に影響する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記課題を解決するためになされたものであり、固溶系圧電単結晶と樹脂との複合圧電体を用いて、切断時の加工不良が生じない一次元及び二次元アレイ超音波プローブ及び当該超音波プローブの製造方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、次の手段を講じている。
【００１２】
請求項１に記載の発明は、アレイ状に切削された単結晶圧電体と、前記圧電体の上面に形成され当該圧電体よりも音響インピーダンスが小さな上面樹脂層と、前記圧電体の下面に形成され当該圧電体よりも音響インピーダンスが小さく、前記上面樹脂層と同一材料である下面樹脂層と、を備えた超音波振動素子を具備し、前記上面樹脂層と、前記単結晶圧電体と、前記下面樹脂層とを切削し複数の溝を形成することで前記アレイ状の単結晶圧電体を形成する場合において、前記上面樹脂層及び前記下面樹脂層は、切削性と、前記圧電体の切削時の補強機能と、導電性とを備え、自身が電極として機能すること、を特徴とする超音波プローブである。
請求項２に記載の発明は、少なくともチタン酸鉛を含む固溶系単結晶により形成された圧電体と、前記圧電体の上面に形成され当該圧電体よりも音響インピーダンスが小さな上面樹脂層と、前記圧電体の下面に形成され当該圧電体よりも音響インピーダンスが小さく、前記上面樹脂層と同一材料である下面樹脂層と、から成る１−３型若しくは２−２型複合圧電体により形成された超音波振動素子を具備し、前記上面樹脂層と、前記単結晶圧電体と、前記下面樹脂層とを切削し複数の溝を形成することで前記アレイ状の単結晶圧電体を形成する場合において、前記上面樹脂層及び前記下面樹脂層は、切削性と、前記圧電体の切削時の補強機能と、導電性とを備え、自身が電極として機能すること、を特徴とする超音波プローブである。
請求項４に記載の発明は、単結晶圧電体の上面及び下面に、同一素材からなる前記単結晶圧電体よりも音響インピーダンスが小さな樹脂層を形成する第１のステップと、前記上面の樹脂層から前記圧電体を貫通して前記下面の樹脂層に亘る複数の溝を形成する第２のステップと、前記複数の溝へ樹脂を充填する第３のステップと、を具備することを特徴とする超音波プローブ製造方法である。
請求項７に記載の発明は、単結晶圧電体の上面に樹脂シートを接着すると共に、前記単結晶圧電体の下面に前記上面の樹脂シートと同一素材の樹脂シートを接着する第１のステップと、前記上面の樹脂シートから前記単結晶圧電体を貫通して前記下面の樹脂シートに亘る複数の溝を形成する第２のステップと、前記複数の溝へ樹脂を充填する第３のステップと、を具備することを特徴とする超音波プローブ製造方法である。
【００２０】
以上述べた構成を有する本発明によれば、切断時の加工不良が生じない超音波プローブを製造することができる。その結果、高感度、広帯域特性を有する超音波プローブが実現できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１実施形態〜第７実施形態を図面に従って説明する。
【００２２】
（第１の実施形態）
図１は、第１実施形態に係る超音波プローブ１０の概略構成を示している。
【００２３】
図１において、超音波プローブ１０は、複合圧電体（１−３型）１１、音響整合層１７、音響レンズ１９、共通電極板２１、フレキシブル配線基板２３、バッキング材２５を具備する構成となっている。
【００２４】
複合圧電体（１−３型）１１は、単結晶圧電体１１１と上側ＰＶＣ樹脂層１１３と下側ＰＶＣ樹脂層１１５とを有している。すなわち、複合圧電体（１−３型）１１は、単結晶圧電セラミックスの一次元的な細棒が３次元的な高分子であるＰＶＣ樹脂マトリクスの中に埋め込まれた圧電体であり、高い電気機械結合係数と低い音響インピーダンスを有している。複合圧電体１１の上下両面には、圧電気直接効果及び圧電気逆効果による電気信号を送受信するための図示していない電極が、後述する方法により形成されている。
【００２５】
単結晶圧電体１１１は、亜鉛ニオブ酸鉛（ＰＺＮ）、チタン酸鉛（ＰＴ）等を含む固溶系単結晶圧電セラミックスであり、後述する方法により作成される。
【００２６】
上側ＰＶＣ樹脂層１１３は、圧電体１１１の超音波照射側（以下、上側）に銀入りＰＶＣ樹脂を塗布することにより形成された層であり、導電性、良好な切削性、単結晶圧電体に比して小さい音響インピーダンス（例えば、２×１０^６ｇ／ｍ^２ｓ乃至１０×１０^６ｇ／ｍ^２ｓ程度）を有している。
【００２７】
下側ＰＶＣ樹脂層１１５は、単結晶圧電体１１１の上側と反対側（以下、下側）に銀入りＰＶＣ樹脂を塗布することにより形成された層であり、導電性、良好な切削性、単結晶圧電体に比して小さい音響インピーダンスを有している。下側ＰＶＣ樹脂層１１５と上側ＰＶＣ樹脂層１１３は、単結晶圧電体１１１のチッピングやクラック発生を防止する役割を果たしている。この下側ＰＶＣ樹脂層１１５と上側ＰＶＣ樹脂層１１３の形成方法については、後で詳しく説明する。
【００２８】
音響整合層１７は、図示していない被検体と複合圧電体１１との間に位置するように設けられており、単層或いは多層から成っている。当該整合層１７における音速、厚み、音響インピーダンス等のパラメータを調節することで、被検体と複合圧電体１１との音響インピーダンスの整合を図ることができる。
【００２９】
音響レンズ１９は、音響インピーダンスが生体に近いシリコーンゴム等から成るレンズであり、音波の屈折を利用して超音波ビームを集束させ分解能を向上させる。
【００３０】
共通電極板２１は、上側ＰＶＣ樹脂層１１３の一端に設けられている。共通電極板２１は、複合圧電体１１上面に形成された図示していない電極に電力の印加等するための電極であり、アース接続されている。
【００３１】
フレキシブル配線基板２３は、下側ＰＶＣ樹脂層１１５の一端に設けられており、各複合圧電体１１に電力を印加するための柔軟性を備えた電極基板である。
【００３２】
バッキング材２５は、フレキシブル配線基板２３の背面に設けられており、複合圧電体１１を機械的に支持する。また、バッキング材２５は、超音波パルスを短くするために、複合圧電体１１を制動している。このバッキング材２５の厚さは、トランスデューサの音響的特性を良好に保つため、使用する超音波周波数の波長に対して十分な厚さ（十分減衰される厚さ）に保たれている。
【００３３】
次に、第１実施形態に係る超音波プローブ１０に使用される１−３型複合圧電体１１の製造方法について説明する。本製造方法は、単結晶圧電体１１１の作成（第１ステップ）、上下ＰＶＣ樹脂層の形成（第２ステップ）、ＰＶＣ樹脂層１１３、１５のダイシング（第３ステップ）、樹脂充填（第４ステップ）、ＰＶＣ樹脂層１１３、１５の研磨（第５ステップ）の５つの大きなステップに分けることができる。
【００３４】
まず、第１ステップの複合圧電体１１の形成について説明する。
【００３５】
亜鉛ニオブ酸鉛（ＰＺＮ）とチタン酸鉛（ＰＴ）とが９１：９のモル比をＰｂフラックスとともに白金容器に入れ昇温して溶解した後、室温まで冷却し固溶系単結晶を育成する。その後、ラウエカメラを用いて前記単結晶の＜００１＞軸方位を出し、この軸に垂直にカッターで切断する。そして、厚さ３００μｍに研磨後、スパッタ法によりＴｉ／Ａｕ電極を両面に形成することで単結晶圧電体１１１を作成することができる。
【００３６】
次に、第２ステップの上下ＰＶＣ樹脂層１１３、１５の形成について説明する。
【００３７】
第１ステップにおいて形成された圧電体１１１をガラス板へ仮留めし、周りをカプトンテープにてマスキングした後、導電性の銀入りＰＶＣ樹脂を塗布して３００μｍに平面研磨機にて研磨し切削性良好な上側ＰＶＣ樹脂層１１３を形成する。同様に、圧電体１１の裏面側も３００μｍの切削性良好な下側ＰＶＣ樹脂層１１５を形成する。なお、上側ＰＶＣ樹脂層１１３と下側ＰＶＣ樹脂層１１５の形成順序は、逆であっても構わない。
【００３８】
次に、第３ステップの上側ＰＶＣ樹脂層１１３と下側ＰＶＣ樹脂層１１５のダイシング、第４ステップの樹脂充填について説明する。
【００３９】
第２ステップにおいて形成された銀入りＰＶＣ樹脂の層１１３、１１５によってサンドイッチされた圧電体１１１を、ダイシングソーで５０μｍ厚のブレードにより２００μｍピッチで深さ８００μｍ（１００μｍの切り残し）の溝をアレイ状に入れ、エポキシ樹脂１２を切断溝に充填して硬化させる。同様に、先の切断溝に対して直角に同様の切断溝を形成してエポキシ樹脂１２を充填し硬化させる。
【００４０】
次に、第５ステップの上下ＰＶＣ樹脂層１１３、１１５の研磨について説明する。
【００４１】
その後、切り残し側を下面としてガラス板へ仮留めし、反対側の層を平面研磨機にて１５０μｍに研磨する。更に切り残し側を上面として同様に１５０μｍに研磨する。そして、スパッタリングにより両面にＴｉ／Ａｕ電極を形成することで、切削等によるチッピングやクラックの少ない１−３型複合圧電体１１を形成することができる。
【００４２】
最後に、上記製造方法により形成された１−３型複合圧電体１１へ、１ＫＶ／ｍｍの電界を印加して分極処理を施す。
【００４３】
なお、上記複合圧電体製造方法は、その本質を変えない範囲で種々変形可能である。例えば、１−３型複合圧電体１１を例として説明したが、本発明は、第２の実施形態で説明するように２−２型複合圧電体についても適用可能である。また、最初からマトリクス状にカットして、その後樹脂を充填しても良い。さらに、本実施例のようにエポキシ樹脂を２段階に分けて充填する場合は、その種類を変えても良い。
【００４４】
次に、上記製造方法によって製造された１−３型複合圧電体を用いて、一次元アレイ型超音波プローブ１０を製造する方法の例を、図２に従って説明する。
【００４５】
図２は、本実施形態に係る超音波プローブ１０の断面を示す図である。
【００４６】
まず、複合圧電体１１の上側ＰＶＣ樹脂層１１３に共通電極板２１を、下側ＰＶＣ樹脂層１１５にフレキシブル配線基板２３を、導電ペーストとを用いて接続し、超音波放射面側に第二の音響整合層１７を形成する。その後、バッキング材２５とフレキシブル配線基板２３とをエポキシ樹脂で接着する。
【００４７】
次に、ダイシングソーにより厚さ５０μｍのブレードで、アレイ方向に２００μｍピッチで切断する。その溝にシリコーン系の接着剤を充填し、音響レンズ１９を接着する。
【００４８】
そして、静電容量１１０ｐＦ／ｍ、長さ２ｍの同軸ケーブルを前記フレキシブル配線基板２３に接続することで、１次元アレイ型超音波プローブ１０を製造することができる。
【００４９】
次に、上記製造方法によって製造された超音波プローブによる作用について説明する。
【００５０】
超音波プローブ１０は、１−３型複合圧電体１１は、上側ＰＶＣ樹脂層１１３と下側ＰＶＣ樹脂層１１５とで単結晶圧電体１１１を挟んでいるので、アレイ状の溝を形成する際においてもチッピングの発生を防止することができる。
【００５１】
また、上側ＰＶＣ樹脂層１１３と下側ＰＶＣ樹脂層１１５とは、単結晶圧電体１１１に比して小さい音響インピーダンス、導電性、良好な切削性を有しているので、単結晶圧電体１１１に関する電気信号を送受信する電極、若しくは、音響整合層とすることが可能である。
【００５２】
なお、第１〜第４ステップによってアレイ状の溝形成、エポキシ樹脂１２を充填した後、すなわちチッピング発生の恐れがなくなった後、第５ステップにおいて上側ＰＶＣ樹脂層１１３と下側ＰＶＣ樹脂層１１５の少なくとも一方を全て研磨し、新たに電極或いは音響整合層を設ける構成であってもよい。
【００５３】
また、上側ＰＶＣ樹脂層１１３と下側ＰＶＣ樹脂層１１５は、デュロメータ硬さが７００乃至１０００ＨＤｄであることが好ましい。
【００５４】
従って、このような構成によれば、本発明に係わる切削性良好な層を固溶系圧電単結晶の上下面の少なくとも一方へ設けることで、切断時の加工不良を削減し高感度、広帯域な超音波プローブを容易に製造することができる。また、ＰＶＣ樹脂層が導電性を有するため、単結晶圧電体との電気的な接続性が高く、良好な特性の超音波振動素子を形成できる。
【００５５】
（第２実施形態）
第１の実施形態では、１−３型の複合圧電体１１の製造方法、及び当該圧電素子を使用した超音波プローブ１０の製造方法について説明を行った。これに対し、第２の実施形態では、２−２型の複合圧電体の製造方法、及び当該２−２型複合圧電体を使用した超音波プローブの製造方法について説明を行う。
【００５６】
なお、２−２型複合圧電体を使用した超音波プローブの外観は、図２に示した１−３型複合圧電体を使用した超音波プローブ１０と同様であるから、同図を援用するものとし、既に説明した構成要素についての説明は省略する。また、第１の実施形態で述べた製造方法と重複する部分はその説明を省略し、異なる部分のみ説明する。
【００５７】
第２の実施形態に係る２−２型複合圧電体の製造方法は、第１ステップ、第２ステップについては第１の実施形態と同様である。
【００５８】
第３ステップの上側ＰＶＣ樹脂層１１３と下側ＰＶＣ樹脂層１１５のダイシング、第４ステップの樹脂充填について説明する。
【００５９】
第２ステップにおいて形成された銀入りＰＶＣ樹脂の層３、４によってサンドイッチされた圧電体１１を、ダイシングソーで５０μｍ厚のブレードにより２００μｍピッチで深さ８００μｍ（１００μｍの切り残し）の溝をアレイ方向と垂直に入れた後、エポキシ樹脂１２を切断溝に充填して硬化させる。
【００６０】
次に、第５ステップの上下ＰＶＣ樹脂層１１３、１１５の研磨について説明する。
【００６１】
その後、切り残し側を下面としてガラス板へ仮留めし、反対側の層を平面研磨機にて１５０μｍに研磨する。更に切り残し側を上面として同様に１５０μｍに研磨する。そして、スパッタリングにより両面にＴｉ／Ａｕ電極を形成することで、切削等によるチッピングやクラックの少ない２−２型複合圧電体１１を形成することができる。
【００６２】
最後に、上記製造方法により形成された２−２型複合圧電体１１へ、１ＫＶ／ｍｍの電界を印加して分極処理を施す。
【００６３】
次に、上記製造方法によって製造された２−２型複合圧電体を用いて、一次元アレイ型超音波プローブ１０を製造する方法の例を説明する。
【００６４】
まず、複合圧電体１１の上側ＰＶＣ樹脂層１１３に共通電極板２１を、下側ＰＶＣ樹脂層１１５にフレキシブル配線基板２３を、導電ペーストとを用いて接続し、超音波放射面側に第二の音響整合層１８を形成する。その後バッキング材２５にエポキシ樹脂で接着する。
【００６５】
次にダイシングソーにより厚さ５０μｍのブレードで、アレイ方向に２００μｍピッチで切断した。その溝にシリコーン系の接着剤を充填し、音響レンズ６を接着する。
【００６６】
そして、静電容量１１０ｐＦ／ｍ、長さ２ｍの同軸ケーブルを前記フレキシブル配線基板２３に接続して一次元アレイ型超音波プローブ１０を製造することができる。
【００６７】
上記方法によって製造された２−２型複合圧電体を有する超音波プローブによれば、第１の実施形態で説明した１−３型複合圧電体を有する超音波プローブと同様の作用・効果を得ることができる。
【００６８】
（第３実施形態）
第３の実施形態では、１−３型の複合圧電体１１を使用して、超音波振動素子が２次元状配列（例えば、マトリックス状に配列）された２次元アレイ型超音波プローブを製造する方法について説明する。
【００６９】
図３は、第３の実施形態に係る２次元アレイ型超音波プローブ３０の横断面図である。
【００７０】
なお、図２で既に説明した構成要素には同一符号を付し、その説明は省略する。また、第１、第２の実施形態で述べた製造方法と重複する部分はその説明を省略し、異なる部分のみ説明する。
【００７１】
第３の実施形態に係る１−３型複合圧電体１１の製造方法は、第１ステップ、第２ステップについては第１の実施形態と同様である。
【００７２】
次に、第３ステップの上側ＰＶＣ樹脂層１１３と下側ＰＶＣ樹脂層１１５のダイシング、第４ステップの樹脂充填について説明する。
【００７３】
第２ステップにおいて形成された銀入りＰＶＣ樹脂の層３、４によってサンドイッチされた圧電体１１を、ダイシングソーで５０μｍ厚のブレードにより２００μｍピッチで深さ７００μｍ（１００μｍの切り残し）の溝をアレイ状に入れ、エポキシ樹脂１２を切断溝に充填して硬化させる。同様に、先の切断溝に対して直角に同様の切断溝を形成してエポキシ樹脂１２を充填し硬化させる。
【００７４】
次に、第５ステップの上下ＰＶＣ樹脂層１１３、１１５の研磨について説明する。
【００７５】
その後、切り残し側を下面としてガラス板へ仮留めし、反対側の層を平面研磨機にて１５０μｍに研磨する。更に切り残し側を上面として同様に１５０μｍに研磨する。すなわち研磨後も切り残し側の下面ＰＶＣ樹脂層１１３は切断されていない状態となっている。
【００７６】
そして、スパッタリングにより両面にＴｉ／Ａｕ電極を形成することで、切削等によるチッピングやクラックの少ない、２次元状配列を有する１−３型複合圧電体１１を形成することができる。
【００７７】
次に、上記製造方法によって製造された２次元配列の複合圧電体を用いて、２次元アレイ型超音波プローブ３０を製造する方法の例を説明する。
【００７８】
まず、切り残し側の上面ＰＶＣ樹脂層１１３へ共通電極板２１を接合し、その反対の面へ２次元的な信号配線を施したフレキシブル配線基板８を全面で接合する。超音波放射面側に第二の音響整合層１８を形成した後、バッキング材２５にエポキシ樹脂で接着した。これにシリコーン系の音響レンズ１９を接着した。ＦＰＣの信号側を一括して、信号側とＧＮＤ側との間に１ＫＶ／ｍｍの電圧を印加し、分極処理を施した。
【００７９】
これに、静電容量１１０ｐＦ／ｍ、長さ２ｍの同軸ケーブルを前記フレキシブル配線基板８に接続して、２次元アレイ型超音波プローブ３０を製造することができる。
【００８０】
なお、上記説明においては、１−３型複合圧電体を使用した２次元アレイ型超音波プローブ３０を説明したが、本発明は２−２型複合圧電体について適用可能である。
【００８１】
従って、第３の実施形態に係る、１−３型複合圧電体を有する２次元アレイ型超音波プローブ３０は、第１、第２の実施形態で説明した１次元アレイ型超音波プローブと同様の作用・効果を得ることができる。
【００８２】
（第４の実施形態）
第４の実施形態では、１−３型或いは２−２型の複合圧電体１１の他の製造方法について説明する。
【００８３】
まず、１−３型の複合圧電体１１を製造する他の方法について説明する。
【００８４】
第１の実施形態に示した第１ステップと同様の手法により、単結晶圧電体１１１を作成する。
【００８５】
続く第２ステップにおいて、本実施例では、上下ＰＶＣ樹脂層１１３、１１５を次に述べる様に形成する。すなわち、第１ステップにおいて形成された複数個の圧電体１１１を導電性樹脂シート上に並べて接着し、同シートを同圧電体１１の裏面の大きさに切り取る。導電性樹脂シートとしては導電性銀入りのＰＶＣ樹脂をシート状に成型したものを使用する。
【００８６】
続いて、第１の実施形態に示した第３ステップ、第４ステップ、第５ステップと同様の工程を経て、１−３型複合圧電体１１を形成する。形成された１−３型複合圧電体１１には、１ＫＶ／ｍｍの電界を印加して分極処理が施される。
【００８７】
以上述べた製造方法によっても、第１の実施形態で述べた１−３型複合圧電体１１を形成することが可能である。また、本製造方法は、圧電単結晶を用いた超音波プローブを大型化する場合に実益がある。すなわち、一般に、圧電単結晶自体を大型化することは困難であるから、圧電単結晶の複合圧電体を使用する超音波プローブを大型化することは容易ではない。しかし、本製造方法によれば、特に、導電性の樹脂シート上に複数の単結晶圧電体１１１を配列することにより、例えば単結晶圧電体１１１がアレイ方向に複数配列された１−３型複合圧電体１１も容易に製造することができ、超音波プローブを容易に大型化することができる。
【００８８】
次に、２−２型の複合圧電体１１を製造する他の方法について説明する。２−２型の複合圧電体１１においても、上記１−３型の複合圧電体１１の製造方法と同様の手順により、導電性樹脂シートに接着された単結晶圧電体から２−２型複合圧電体を形成することができる。その他の工程は、第２の実施形態と同様である。
【００８９】
なお、上記各製造方法によって形成された１−３型或いは２−２型複合圧電体を使用した１次元或いは２次元アレイ型超音波プローブは、既述の方法によって製造することができる。
【００９０】
（第５の実施形態）
第５の実施形態では、１−３型或いは２−２型の複合圧電体１１を用いた他の１次元或いは２次元アレイ型超音波プローブについて説明する。
【００９１】
図４は、本実施形態に係るアレイ型超音波プローブの概略構成を示している。図３に示したプローブと異なる点は、各単結晶圧電体１１１の下側ＰＶＣ樹脂層１１５に電極２４が設けられており、当該電極２４の一端からフレキシブル配線基板２３が引き出されていることである。この様な構成においても、第１乃至第３の実施形態で説明したアレイ型超音波プローブと同様の作用・効果を得ることができる。
【００９２】
（第６の実施形態）
第６の実施形態では、下側ＰＶＣ樹脂層及び上側ＰＶＣ樹脂層を形成せずに、チッピング及びクラックを低下させる１次元アレイ型超音波プローブについて説明する。
【００９３】
まず、図５、７を参照して本実施形態に係る１次元アレイ型超音波プローブ３５の概略構成について説明する。
【００９４】
図５は、本実施形態に係る１次元アレイ型超音波プローブ３５の断面図を示している。
【００９５】
図５に示すように、各単結晶圧電体１１１の上面には第１の電極４０、下面には第２の電極５０が形成されている。各第１の電極４０には第１のフレキシブル配線基板４２が導電ペーストにて接続されている。一方、各第２の電極５０には第２のフレキシブル配線基板４４がエポキシ系接着剤にて接続されている。
【００９６】
各電極４０、５０には、各フレキシブル配線基板４２、４４を介して所定の電力が印可され或いは検出される。第１のフレキシブル配線基板４２は、銅等からなる導電層４２０及びポリイミドフィルム等からなる絶縁層４２１とからなる多層基板であり、ＧＮＤ接続をとるためのものである。また、第２のフレキシブル配線基板４４は、銅等からなる導電層４４０、４４２と、ポリイミドフィルム等からなる絶縁層４４１、４４３、４４５とからなる多層基板となっており、プローブ３５と超音波診断装置本体とを電気的に接続する。なお、導電層４４４は、後述する所定の配線パターンを有している（図６参照）。
【００９７】
１次元アレイ型超音波プローブ３５は、第１の音響整合層１７、第２の音響整合層１８を有している。このプローブ３５の振動素子の配列ピッチは、狭いもので０．１ｍｍ程度である。
【００９８】
図６は、第２のフレキシブル配線基板４４の導電層４４０の上面図を示している。
【００９９】
図６に示すように、第２のフレキシブル配線基板４４は所定パターンの配線４４０ａを有している。当該配線４４０ａのピッチ幅は、プローブ３５が有する単結晶圧電体１１１のアレイ配列のピッチ幅以下である。各配線４４０ａは、各単結晶圧電体１１１に対応する各第２の電極に４の全面にエポキシ系接着剤にて接着され、図６に示すように交互に逆向きに引き出されている。この配線の交互の引き出しは必須ではなく、例えば全ての配線を同一方向に引き出す構成であってもよい。
【０１００】
なお、本実施形態では、第１のフレキシブル配線基板４２も第２のフレキシブル配線基板４４と同じものを用いている。
【０１０１】
この様なプローブ３５によれば、第１のフレキシブル配線基板４２及び第２のフレキシブル配線基板４４は単結晶圧電体１１１のアレイ配列のピッチ幅以下としているから、アレイ配列を形成する際の切削において、導電層４４４と単結晶圧電体１１１とを同時に切断する必要がない。すなわち、切削性の異なる導電層４４４と単結晶圧電体１１１とは同時に切削されないから、アレイ製造にけるクラックやチッピングの発生を抑制することが可能である。また、第１のフレキシブル配線基板４２及び第２のフレキシブル配線基板４４を接続した状態で単結晶圧電体１１１を切削することによっても、クラックやチッピングの発生は抑制される。
【０１０２】
本発明者らの実験によれば、完成したプローブ３５の特性を評価したところ、断線素子は全く存在せず、感度ばらつきも２ｄＢと小さいものとなった。
【０１０３】
これに対し、従来の手法、例えば第２のフレキシブル配線基板４４の導電層４４０を単結晶圧電体１１１の接触面サイズに拡張し、当該単結晶圧電体１１１の全面に渡ってエポキシ系接着剤で接合した場合、本発明者らの評価は次の様になった。すなわち、アレイ加工時にクラックが３割ほど発生した。プローブを完成させ、特性評価を行ったところ断線素子が２割ほどあり、感度ばらつきが１０ｄＢと大きかった。断線原因を調べると断線の起きたチャンネルの振動素子にはアレイ加工時に生じたと思われるクラックが存在していた。また、多くの振動素子にはチッピングも見られた。これらの結果は、感度のばらつきに影響を与えているものと考えられる。
【０１０４】
ところで、プローブ量産の観点からすれば、第１のフレキシブル配線基板４２を第２のフレキシブル配線基板４４と同じものを用いる必要はない場合がある。各フレキシブル配線基板の配線４４２は、アレイ配列された単結晶圧電体１１１と同じ幅以下でパターン化されているから、第１のフレキシブル配線基板４２と第２のフレキシブル配線基板４４との間の位置合わせすることは容易ではないからである。
【０１０５】
そこで、第２のフレキシブル配線基板４４にのみ図６に示した導体層を使用する構成としてもよい。この様な構成によれば、切断の必要な導電層は第１のフレキシブル配線基板４２の振動素子の端部近傍のみとなるため、その影響は無視できる程度となり加工中のクラックやチッピングが発生することはない。本発明者らの評価によれば、プローブ５３の断線素子は全くなく、感度ばらつきも２ｄＢと小さかった。
【０１０６】
なお、本実施形態に係る超音波プローブ３５は上記構成に限定する趣旨ではない。例えば次の様な変形が可能である。
【０１０７】
図７は、超音波プローブ３５の変形例を説明するための図である。また、図８は、当該変形例に係る超音波プローブ３５が有する第２のフレキシブル配線基板４４のパターン配線を示した図である。
【０１０８】
図７において、超音波プローブ３５は、図５に示した構成に加えてスルーホール４５を有している。このスルーホール４５により、図８に示すように導電層４４０の配線４４０ａと４４０ｂとの通電が取られている。
【０１０９】
以上述べた本実施形態に係る超音波プローブ３５によれば、チッピング及びクラックを低下させることができる。
【０１１０】
（第７の実施形態）
第７の実施形態では、第１の電極４０から引き出す配線と第２の電極５０から引き出す配線とを一体化し、単結晶圧電体１１１の下面から取り出す超音波プローブについて説明する。
【０１１１】
図９は、第７の実施形態に係る超音波プローブ５０の概略構成を説明するための図である。なお、同図は、第１の電極４０及び第２の電極５０と、第２のフレキシブル配線基板４４とを接着する前の状態を示している。図９において、ＧＮＤ用の第１の電極４０は、単結晶圧電体１１１上面から側面を経由して下面にまで連続する回し込み電極となっている。第１の電極４０は、第２のフレキシブル配線基板４４の導電層４４２に接続され、第２の電極５０は、第２のフレキシブル配線基板４４の導電層４４０に接続されている。なお、各導電層４４２、４４０には、図示していないが、単結晶圧電体１１１の各電極４０、５０に合わせて露出部が構成されている。
【０１１２】
なお、各導電層４４０、４４２の厚さは18μmである。また、ポリイミドからなる絶縁層４４３の厚さは12.5〜25μmである。
【０１１３】
次に、超音波プローブ５０の変形例を示す。
【０１１４】
図１０は、超音波プローブ５０の変形例である超音波プローブ５１を示した図である。図１０に示すように、導電層４４２を延長して単結晶圧電体１１１回り込ませた第１の電極４０に接続する。延長した導電層４４０を延長した絶縁層４４３に回り込ませて第２の電極５０と接続する。回し込み構造は端部をメッキするなどの方法で形成可能である。
【０１１５】
図９に示した超音波プローブ５０と比較した場合、図１０に示したプローブ５１では、導電層４４２と導電層４４との段差が無くなっている。従って、この様な構成であれば、加圧接着によって生じる可能性がある単結晶圧電体１１１の破壊を防止することができる。
【０１１６】
図１１は、超音波プローブ５１の変形例である超音波プローブ５２を示した図である。図１１に示すプローブ５２は、例えば、図１０に示したプローブ５１の形態で導電層４４０の回し込み構造を取るのが困難な場合に実益がある。図１１に示すように、プローブ５２では、導電層４４０と導電層４４２の上下関係は図１０の場合と逆になっている。また、第１の電極４０の回し込み構造の位置もプローブ５１と逆になっており、導電部材４８によって第１の電極４０、導電層４４２、４４２ａとの通電が取られている。
【０１１７】
この様な構成であれば、単結晶圧電体１１１と第２のフレキシブル配線基板４４とを接着した後、導電部材４８によって第１の電極４０と導電層４４２、４４２ａとを接続すればよい。なお、導電部材４８は導電ペーストが好ましい。また、導電部材４８による接続は、超音波振動素子アレイ形成後に行っても良い。
【０１１８】
図１２は、超音波プローブ５２の変形例である超音波プローブ５３を示した図である。図１２に示すように超音波プローブ５３は、導電層４４２の先端から露出部４４２ｂを露出させ、単結晶圧電体１１１接着後当該露出部４４２ｂを折り曲げて第１の電極４０と接続してある。この様な構成であれば、より安定な接続が得ることができる。
【０１１９】
なお、図１０、１２、１３中で示した第１のフレキシブル配線基板４２を第２のフレキシブル配線基板４４と同様に、ピッチ幅がプローブ３５が有する単結晶圧電体１１１のアレイ配列のピッチ幅以下であるパターン配線４４０ａを有する構成とすることで、加工中のクラックやチッピングが抑止できる。切削性の劣る導電層と単結晶圧電体１１１とを一緒に切断することがないからである。
【０１２０】
以上、本発明を実施形態に基づき説明したが、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変形例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。例えば以下に示す（１）、（２）のように、その要旨を変更しない範囲で種々変形可能である。
【０１２１】
（１）各実施形態で使用する単結晶圧電体は特に限定されない。例えば、Pb((Zn１/3Nb2/3)0.91Ti0.09)O3に代表される亜鉛ニオブ酸鉛とチタン酸鉛との固溶体からなる単結晶のように少なくともチタン酸鉛を含む複合ペロブスカイト型で、マグネシウムニオブ酸鉛とチタン酸鉛との固溶体からなる単結晶、スカンジウムニオブ酸鉛とチタン酸鉛との固溶体からなる単結晶などが挙げられる。あるいはニオブ酸リチウム、ニオブ酸カリウム等の単結晶を用いても良い。
【０１２２】
（２）上記本発明を第１の実施形態〜第３の実施形態においては、単結晶圧電体１１１の上下面にＰＶＣ樹脂層を形成してチッピング発生を防止し、さらに及び電極或いは音響整合層の機能を持たせる構成により、高感度広帯域の超音波プローブを実現した。しかし、ＰＶＣ樹脂層の形成を単結晶圧電体１１１の片面のみとしても、チッピング発生防止、電極或いは音響整合層の役割を果たすることは可能である。
【０１２３】
【発明の効果】
以上本発明によれば、切断時の加工不良が生じない超音波プローブを製造することができる。その結果、高感度、広帯域特性を有する超音波プローブが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、第１、第２の実施形態に係る超音波プローブ１０の概略構成を示す斜視図。
【図２】図２は、第１、第２の実施形態に係る超音波プローブ１０の断面を示す図。
【図３】図３は、第３の実施形態に係る超音波プローブ３０の断面を示す図。
【図４】図４は、第５の実施形態に係るアレイ型超音波プローブの概略構成を示す図。
【図５】図５は、第６の実施形態に係るアレイ型超音波プローブ３５の断面図。
【図６】図６は、第２のフレキシブル配線基板４４の導電層４４０の上面図。
【図７】図７は、超音波プローブ３５の変形例を説明するための図。
【図８】図８は、変形例に係る超音波プローブ３５が有する第２のフレキシブル配線基板４４のパターン配線を示した図。
【図９】図９は、第７の実施形態に係る超音波プローブ５０の概略構成を説明するための図。
【図１０】図１０は、第７の実施形態に係る超音波プローブの変形例を示した図。
【図１１】図１１は、第７の実施形態に係る超音波プローブの変形例を示した図。
【図１２】図１２は、第７の実施形態に係る超音波プローブの変形例を示した図。
【図１３】図１３（ａ）は、従来の複合圧電体３０の断面を示す図。図１３（ｂ）、１３（ｃ）は、従来の複合圧電体３０の製造過程において発生するチッピング及びクラックを説明するための図。
【図１４】図１４（ａ）は、従来の超音波プローブの断面を示す図。図１４（ｂ）は、従来の超音波プローブが有するフレキシブル配線基板６のパターン配線を示した図。
【符号の説明】
１０、３５、５０、５１、５２、５３…超音波プローブ
１１…複合圧電体
１２…エポキシ樹脂
１７…第１の音響整合層
１８…第２の音響整合層
１９…音響レンズ
２１…共通電極板
２３…フレキシブル配線基板
２４…電極
２５…バッキング材
３８…溝
４０…第１の電極
５０…第２の電極
４２…第１のフレキシブル配線基板
４４…第２のフレキシブル配線基板
４５…スルーホール
５０…第２の電極
１１１…単結晶圧電体
１１３…上側ＰＶＣ樹脂層
１１５…下側ＰＶＣ樹脂層
４２０、４４０、４４２…導電層
４２１、４４３、４４５…絶縁層
４４０ａ…パターン配線
４４２ｂ…露出部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ultrasonic probe used in an ultrasonic diagnostic apparatus, an ultrasonic treatment apparatus, and the like, and a method for manufacturing the ultrasonic probe.
[0002]
[Prior art]
The ultrasonic probe is composed mainly of a piezoelectric body, and irradiates ultrasonic waves toward the object and receives reflected waves from the interface with different acoustic impedances in the object, thereby imaging the internal state of the object. It is used to As an ultrasonic imaging apparatus employing such an ultrasonic probe, there are, for example, a medical diagnostic apparatus for inspecting the inside of a human body, an inspection apparatus for the purpose of flaw detection inside a metal weld, and the like.
[0003]
In this ultrasonic diagnostic apparatus, which is a medical ultrasonic imaging apparatus, in addition to a tomographic image (B-mode image) of a human body, a color flow that displays a blood flow velocity in two dimensions using Doppler shift due to ultrasonic blood flow. Imaging techniques such as a mapping (CFM) method and a tissue harmonic imaging (THI) method in which second harmonics are imaged have been developed. The ultrasonic probe has a form corresponding to these various imaging methods, and enables transmission and reception of ultrasonic waves related to all organs of the human body.
[0004]
In general, an ultrasonic probe used in an ultrasonic diagnostic apparatus is required to obtain a high-resolution image with high sensitivity. This is to make it possible to find small lesions and voids with an image that can be clearly displayed up to the deep part of the diagnosis target. In recent years, as one of the methods, it has been considered to further increase the sensitivity and bandwidth of an ultrasonic probe as a sensor portion.
[0005]
In order to achieve the above-described high sensitivity and wide band, a composite piezoelectric body having a structure in which a piezoelectric column or piezoelectric powder is embedded in a resin has been studied. For example, JP-B-54-19151, JP-A-60-97800, JP-A-61-53562, JP-A-61-109400 and the like, and JP-A-57-45290, JP-A-58-21818, Nos. 60-54600, JP-A 60-85699, JP-A 62-122499, JP-A 62-131700 and the like have been proposed.
[0006]
The ultrasonic probe using the composite piezoelectric material disclosed in these documents has a low acoustic impedance and approaches the impedance of a living body, and the electromechanical coupling coefficient is thin in the 1-3 type or 2-2 type configuration. It has the merit of increasing compared to the case. This is because the composite piezoelectric material has a large dielectric constant and an electromechanical coupling coefficient k. ₃₃ This is because a large PZT piezoelectric ceramic is mainly used.
[0007]
On the other hand, the ultrasonic probe using the composite piezoelectric material also has a problem that the improvement of the electromechanical coupling coefficient is small as compared with the decrease in the dielectric constant due to the resin. Therefore, in reality, the composite piezoelectric body is only used for a single-type mechanical probe or an annular array having a large element area. So k compared to kt ₃₃ Attempts have also been made to solve this problem by using a solid solution type piezoelectric single crystal that is dramatically higher. (JP 09-84194 A)
In order to realize a high-sensitivity and wide-band ultrasonic probe, a composite piezoelectric body 30 of a solid solution type piezoelectric single crystal 32 and resins 34 and 36 is formed as in the array probe 28 shown in FIG. There is a way to do it. However, in the formation of the composite piezoelectric body 30, there is a problem of defects during cutting. That is, since the solid solution type piezoelectric single crystal 32 is generally brittle with low fracture toughness, chipping as shown in FIG. 13C is performed during the cutting process for forming the grooves 38 shown in FIG. There are problems that occur. This chipping causes defects due to deterioration of characteristics and cracks in the element.
[0008]
Therefore, we have proposed a structure as shown in FIG. 14A as an ultrasonic probe using these single crystals (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-14672), and have tried to improve the probe manufacturing yield. FIG. 14A shows a cross-sectional structure of an array probe using a single crystal vibration element. Electrodes 4 and 5 are formed on both surfaces of the single crystal vibration element 1, and a backing material 2 is provided on the lower surface of the vibration element 1. In addition, acoustic matching layers 3a and 3b are formed on the upper surface of the single crystal vibration element, and the single crystal vibration element 1 and the acoustic matching layers 3a and 3b are arrayed. The array pitch of the array probes is narrow and is about 0.1 mm. Furthermore, ultrasonic waves are transmitted and received through the acoustic lens 8 provided on the acoustic matching layer 3b. The electrodes 4 and 5 formed on both surfaces of the single crystal vibrating element 1 are connected to a cable via the FPCs 6 and 7 and connected to a diagnostic device (not shown). In the structure of FIG. 14A, the FPC 6 has the conductive layer of the FPC expanded to the area of the vibration element and is bonded to the vibration element with an epoxy-based adhesive over the entire surface. The conductive layer is generally made of metal Cu. FIG. 14B shows the conductive layer under the signal FPC shown in FIG. 14A as viewed from the single crystal resonator element 1. As shown in FIG. 14B, the conductive layer 6a ′ of the signal FPC in FIG. 14A is drawn out from the conductive layer 6a in a staggered manner. These arrangement structures are prepared as described below. The electrodes 4 and 5 are formed on the single crystal vibrating element 1 having an integral shape. The vibration element to which the FPC is bonded is bonded to the backing material 2 to form the acoustic matching layers 3a and 3b, and then cut from the matching layer side using a dicing saw. Thereafter, the acoustic lens 8 is formed on the acoustic matching layer 3b to complete.
[0009]
However, adopting the above manufacturing method, FPC with the conductive layer expanded to the area of the single crystal vibrating element is bonded with epoxy adhesive over the entire vibrating element, and the previous vibrating element is bonded to the backing material with epoxy adhesive. After bonding, forming an acoustic matching layer on the previous vibration element, and performing array processing with a dicing saw, cracks and chipping may occur at the dicing edge portion of the surface to which the FPC of the single crystal vibration element is bonded. There was a problem. This is considered to be caused by simultaneously cutting a piezoelectric single crystal having a low mechanical strength and an FPC conductive layer having a poor machinability during array processing. In addition, the flash from the conductive layer generated during the processing roughens the cut surface of the single crystal vibration element, and the cutting waste caught in the blade causes a reduction in cutting. Such cracks and chipping of the single crystal vibrating element are difficult to suppress even if the processing conditions are adjusted. Large cracks can lead to poor disconnection, reduce manufacturing yield, and small cracks can develop during use and cause market accidents. Further, since chipping reduces the electrode area of the vibration element processed into a strip shape, not only the characteristic deterioration is caused, but also the characteristic variation between the array elements is increased. Since the number of array elements ranges from several tens to several hundreds, variation in characteristics between array elements affects the image quality of tomographic images displayed on the diagnostic apparatus.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, using a composite piezoelectric body of a solid solution type piezoelectric single crystal and a resin, so as not to cause a processing defect during cutting. An object of the present invention is to provide an acoustic probe and a method for manufacturing the ultrasound probe.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention takes the following measures.
[0012]
According to the first aspect of the present invention, the single crystal piezoelectric body cut in an array, the upper surface resin layer formed on the upper surface of the piezoelectric body and having an acoustic impedance smaller than that of the piezoelectric body, and the lower surface of the piezoelectric body are formed. Acoustic impedance is smaller than the piezoelectric body The same material as the upper surface resin layer An ultrasonic vibration element comprising a lower surface resin layer Equipped with , In the case of forming the array-shaped single crystal piezoelectric body by cutting the upper surface resin layer, the single crystal piezoelectric body, and the lower surface resin layer to form a plurality of grooves, The upper surface resin layer and the lower surface resin layer are an ultrasonic probe characterized by having cutting properties, a reinforcing function during cutting of the piezoelectric body, and conductivity, and functioning as electrodes.
According to a second aspect of the present invention, there is provided a piezoelectric body formed of a solid solution single crystal containing at least lead titanate, an upper surface resin layer formed on an upper surface of the piezoelectric body and having an acoustic impedance smaller than that of the piezoelectric body, It is formed on the lower surface of the piezoelectric body and has a lower acoustic impedance than the piezoelectric body. The same material as the upper surface resin layer An ultrasonic vibration element formed of a 1-3 type or 2-2 type composite piezoelectric body comprising a lower surface resin layer; In the case of forming the array-shaped single crystal piezoelectric body by cutting the upper surface resin layer, the single crystal piezoelectric body, and the lower surface resin layer to form a plurality of grooves, The upper surface resin layer and the lower surface resin layer are an ultrasonic probe characterized by having cutting properties, a reinforcing function during cutting of the piezoelectric body, and conductivity, and functioning as electrodes.
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an upper surface of a single crystal piezoelectric body. Surface and On the bottom , Made of the same material Resin layer with smaller acoustic impedance than the single crystal piezoelectric body Form A first step; The resin layer on the upper surface penetrates the piezoelectric body and extends from the resin layer on the lower surface. An ultrasonic probe manufacturing method comprising: a second step of forming a plurality of grooves; and a third step of filling the plurality of grooves with a resin.
According to the seventh aspect of the present invention, a resin sheet is bonded to the upper surface of the single crystal piezoelectric body, and the lower surface of the single crystal piezoelectric body is bonded to the lower surface of the single crystal piezoelectric body. Of the same material as the resin sheet on the top surface A first step of bonding the resin sheet; The resin sheet on the upper surface penetrates the single crystal piezoelectric body and extends to the resin sheet on the lower surface. An ultrasonic probe manufacturing method comprising: a second step of forming a plurality of grooves; and a third step of filling the plurality of grooves with a resin.
[0020]
According to the present invention having the above-described configuration, it is possible to manufacture an ultrasonic probe that does not cause processing defects during cutting. As a result, an ultrasonic probe having high sensitivity and broadband characteristics can be realized.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, first to seventh embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0022]
(First embodiment)
FIG. 1 shows a schematic configuration of an ultrasonic probe 10 according to the first embodiment.
[0023]
In FIG. 1, an ultrasonic probe 10 includes a composite piezoelectric body (1-3 type) 11, an acoustic matching layer 17, an acoustic lens 19, a common electrode plate 21, a flexible wiring board 23, and a backing material 25. Yes.
[0024]
The composite piezoelectric body (1-3 type) 11 includes a single crystal piezoelectric body 111, an upper PVC resin layer 113, and a lower PVC resin layer 115. That is, the composite piezoelectric body (1-3 type) 11 is a piezoelectric body in which one-dimensional thin rods of single crystal piezoelectric ceramics are embedded in a PVC resin matrix that is a three-dimensional polymer. It has a mechanical coupling coefficient and low acoustic impedance. Electrodes (not shown) for transmitting and receiving electrical signals by the piezoelectric direct effect and the piezoelectric inverse effect are formed on the upper and lower surfaces of the composite piezoelectric body 11 by a method described later.
[0025]
The single crystal piezoelectric body 111 is a solid solution single crystal piezoelectric ceramic containing lead zinc niobate (PZN), lead titanate (PT), and the like, and is produced by a method described later.
[0026]
The upper PVC resin layer 113 is a layer formed by applying a PVC resin containing silver on the ultrasonic irradiation side (hereinafter referred to as the upper side) of the piezoelectric body 111. Small acoustic impedance (eg 2 × 10 ⁶ g / m ² s to 10 × 10 ⁶ g / m ² s).
[0027]
The lower PVC resin layer 115 is a layer formed by applying a silver-containing PVC resin on the opposite side (hereinafter referred to as the lower side) of the single crystal piezoelectric body 111, and has conductivity, good machinability, The acoustic impedance is smaller than that of the crystal piezoelectric material. The lower PVC resin layer 115 and the upper PVC resin layer 113 play a role in preventing chipping and cracking of the single crystal piezoelectric body 111. A method for forming the lower PVC resin layer 115 and the upper PVC resin layer 113 will be described in detail later.
[0028]
The acoustic matching layer 17 is provided so as to be positioned between a subject (not shown) and the composite piezoelectric body 11, and is composed of a single layer or multiple layers. By adjusting parameters such as sound velocity, thickness, and acoustic impedance in the matching layer 17, it is possible to match the acoustic impedance between the subject and the composite piezoelectric body 11.
[0029]
The acoustic lens 19 is a lens made of silicone rubber or the like whose acoustic impedance is close to that of a living body, and uses ultrasonic wave refraction to focus an ultrasonic beam to improve resolution.
[0030]
The common electrode plate 21 is provided at one end of the upper PVC resin layer 113. The common electrode plate 21 is an electrode for applying electric power to an electrode (not shown) formed on the upper surface of the composite piezoelectric body 11 and is grounded.
[0031]
The flexible wiring substrate 23 is an electrode substrate provided at one end of the lower PVC resin layer 115 and having flexibility for applying electric power to each composite piezoelectric body 11.
[0032]
The backing material 25 is provided on the back surface of the flexible wiring board 23 and mechanically supports the composite piezoelectric body 11. The backing material 25 brakes the composite piezoelectric body 11 in order to shorten the ultrasonic pulse. The thickness of the backing material 25 is kept at a sufficient thickness (thickness that is sufficiently attenuated) with respect to the wavelength of the ultrasonic frequency to be used in order to keep the acoustic characteristics of the transducer good.
[0033]
Next, a method for manufacturing the 1-3 type composite piezoelectric body 11 used in the ultrasonic probe 10 according to the first embodiment will be described. This manufacturing method includes creation of a single crystal piezoelectric body 111 (first step), formation of upper and lower PVC resin layers (second step), dicing of the PVC resin layers 113 and 15 (third step), and resin filling (fourth step). ), And can be divided into five major steps of polishing the PVC resin layers 113 and 15 (fifth step).
[0034]
First, the formation of the composite piezoelectric body 11 in the first step will be described.
[0035]
Lead zinc niobate (PZN) and lead titanate (PT) are mixed in a platinum vessel with a Pb flux at a molar ratio of 91: 9 and heated to dissolve, and then cooled to room temperature to grow a solid solution single crystal. Then, the <001> axis orientation of the single crystal is taken out using a Laue camera and cut with a cutter perpendicular to this axis. Then, after polishing to a thickness of 300 μm, the single crystal piezoelectric body 111 can be formed by forming Ti / Au electrodes on both surfaces by sputtering.
[0036]
Next, the formation of the upper and lower PVC resin layers 113 and 15 in the second step will be described.
[0037]
The piezoelectric body 111 formed in the first step is temporarily fixed to a glass plate, and the periphery is masked with Kapton tape, and then a conductive silver-containing PVC resin is applied and polished to 300 μm with a flat polishing machine. A good upper PVC resin layer 113 is formed. Similarly, the lower PVC resin layer 115 having a good machinability of 300 μm is also formed on the back surface side of the piezoelectric body 11. Note that the order of forming the upper PVC resin layer 113 and the lower PVC resin layer 115 may be reversed.
[0038]
Next, dicing of the upper PVC resin layer 113 and the lower PVC resin layer 115 in the third step and resin filling in the fourth step will be described.
[0039]
The piezoelectric body 111 sandwiched between the silver-filled PVC resin layers 113 and 115 formed in the second step is formed into an array of grooves having a depth of 800 μm (100 μm left uncut) at a pitch of 200 μm by a blade of 50 μm thickness with a dicing saw. The epoxy resin 12 is filled in the cutting groove and cured. Similarly, a similar cut groove is formed at right angles to the previous cut groove, and the epoxy resin 12 is filled and cured.
[0040]
Next, the polishing of the upper and lower PVC resin layers 113 and 115 in the fifth step will be described.
[0041]
Thereafter, the uncut side is temporarily attached to the glass plate with the lower surface as the lower surface, and the opposite layer is polished to 150 μm with a flat polishing machine. Furthermore, it grind | polishes similarly to 150 micrometers by making an uncut side into an upper surface. Then, by forming Ti / Au electrodes on both surfaces by sputtering, the 1-3 type composite piezoelectric element 11 with few chipping and cracks due to cutting or the like can be formed.
[0042]
Finally, a polarization process is performed by applying an electric field of 1 KV / mm to the 1-3 type composite piezoelectric element 11 formed by the above manufacturing method.
[0043]
The above-described composite piezoelectric material manufacturing method can be variously modified without changing the essence. For example, although the 1-3 type composite piezoelectric body 11 has been described as an example, the present invention can also be applied to a 2-2 type composite piezoelectric body as described in the second embodiment. Alternatively, it may be cut into a matrix from the beginning and then filled with resin. Further, when the epoxy resin is filled in two stages as in this embodiment, the type may be changed.
[0044]
Next, an example of a method for manufacturing the one-dimensional array type ultrasonic probe 10 using the 1-3 type composite piezoelectric material manufactured by the above manufacturing method will be described with reference to FIG.
[0045]
FIG. 2 is a view showing a cross section of the ultrasonic probe 10 according to the present embodiment.
[0046]
First, the common electrode plate 21 is connected to the upper PVC resin layer 113 of the composite piezoelectric body 11, the flexible wiring board 23 is connected to the lower PVC resin layer 115 using a conductive paste, and the second surface is connected to the ultrasonic radiation surface side. The acoustic matching layer 17 is formed. Thereafter, the backing material 25 and the flexible wiring board 23 are bonded with an epoxy resin.
[0047]
Next, it is cut at a pitch of 200 μm in the array direction with a blade of 50 μm thickness by a dicing saw. The groove is filled with a silicone-based adhesive, and the acoustic lens 19 is bonded.
[0048]
The one-dimensional array type ultrasonic probe 10 can be manufactured by connecting a coaxial cable having a capacitance of 110 pF / m and a length of 2 m to the flexible wiring board 23.
[0049]
Next, the effect | action by the ultrasonic probe manufactured by the said manufacturing method is demonstrated.
[0050]
In the ultrasonic probe 10, the 1-3 type composite piezoelectric material 11 has the single-crystal piezoelectric material 111 sandwiched between the upper PVC resin layer 113 and the lower PVC resin layer 115. Also, occurrence of chipping can be prevented.
[0051]
Further, since the upper PVC resin layer 113 and the lower PVC resin layer 115 have smaller acoustic impedance, conductivity, and good cutting properties than the single crystal piezoelectric body 111, the upper PVC resin layer 113 and the lower PVC resin layer 115 are related to the single crystal piezoelectric body 111. It can be an electrode for transmitting and receiving electrical signals or an acoustic matching layer.
[0052]
In addition, after the formation of the array-shaped grooves in the first to fourth steps and the filling of the epoxy resin 12, that is, the possibility of occurrence of chipping is eliminated, in the fifth step, the upper PVC resin layer 113 and the lower PVC resin layer 115 are formed. A configuration in which at least one of all is polished and a new electrode or acoustic matching layer is provided may be employed.
[0053]
The upper PVC resin layer 113 and the lower PVC resin layer 115 preferably have a durometer hardness of 700 to 1000 HDd.
[0054]
Therefore, according to such a configuration, the layer having good machinability according to the present invention is provided on at least one of the upper and lower surfaces of the solid solution type piezoelectric single crystal, thereby reducing processing defects during cutting and achieving high sensitivity and wide bandwidth. An acoustic probe can be easily manufactured. In addition, since the PVC resin layer has electrical conductivity, it has high electrical connectivity with the single crystal piezoelectric body, and an ultrasonic vibration element with good characteristics can be formed.
[0055]
(Second Embodiment)
In the first embodiment, the manufacturing method of the 1-3 type composite piezoelectric body 11 and the manufacturing method of the ultrasonic probe 10 using the piezoelectric element have been described. In contrast, in the second embodiment, a method for manufacturing a 2-2 type composite piezoelectric material and a method for manufacturing an ultrasonic probe using the 2-2 type composite piezoelectric material will be described.
[0056]
The appearance of the ultrasonic probe using the 2-2 type composite piezoelectric material is the same as that of the ultrasonic probe 10 using the 1-3 type composite piezoelectric material shown in FIG. The description of the components already described is omitted. Moreover, the description which overlaps with the manufacturing method described in 1st Embodiment is abbreviate | omitted, and only a different part is demonstrated.
[0057]
The manufacturing method of the 2-2 type composite piezoelectric material according to the second embodiment is the same as the first embodiment in the first step and the second step.
[0058]
The dicing of the upper PVC resin layer 113 and the lower PVC resin layer 115 in the third step and the resin filling in the fourth step will be described.
[0059]
The piezoelectric body 11 sandwiched between the layers 3 and 4 of the PVC resin containing silver formed in the second step is formed into a groove of 800 μm depth (100 μm uncut) at a pitch of 200 μm with a blade of 50 μm thickness by a dicing saw. Then, the epoxy resin 12 is filled in the cutting groove and cured.
[0060]
Next, the polishing of the upper and lower PVC resin layers 113 and 115 in the fifth step will be described.
[0061]
Thereafter, the uncut side is temporarily attached to the glass plate with the lower surface as the lower surface, and the opposite layer is polished to 150 μm with a flat polishing machine. Furthermore, it grind | polishes similarly to 150 micrometers by making an uncut side into an upper surface. Then, by forming Ti / Au electrodes on both surfaces by sputtering, it is possible to form the 2-2 type composite piezoelectric element 11 with less chipping and cracking due to cutting or the like.
[0062]
Finally, a polarization process is performed by applying an electric field of 1 KV / mm to the 2-2 type composite piezoelectric body 11 formed by the above manufacturing method.
[0063]
Next, an example of a method for manufacturing the one-dimensional array type ultrasonic probe 10 using the 2-2 type composite piezoelectric material manufactured by the above manufacturing method will be described.
[0064]
First, the common electrode plate 21 is connected to the upper PVC resin layer 113 of the composite piezoelectric body 11, the flexible wiring board 23 is connected to the lower PVC resin layer 115 using a conductive paste, and the second surface is connected to the ultrasonic radiation surface side. The acoustic matching layer 18 is formed. Thereafter, it is bonded to the backing material 25 with an epoxy resin.
[0065]
Next, it cut | disconnected with the pitch of 200 micrometers in the array direction with the blade of 50 micrometers in thickness with the dicing saw. The groove is filled with a silicone-based adhesive, and the acoustic lens 6 is bonded.
[0066]
The one-dimensional array type ultrasonic probe 10 can be manufactured by connecting a coaxial cable having a capacitance of 110 pF / m and a length of 2 m to the flexible wiring board 23.
[0067]
According to the ultrasonic probe having the 2-2 type composite piezoelectric material manufactured by the above method, the same operation and effect as the ultrasonic probe having the 1-3 type composite piezoelectric material described in the first embodiment are obtained. be able to.
[0068]
(Third embodiment)
In the third embodiment, a 1-3 type composite piezoelectric body 11 is used to manufacture a two-dimensional array type ultrasonic probe in which ultrasonic vibration elements are arranged two-dimensionally (for example, arranged in a matrix). A method will be described.
[0069]
FIG. 3 is a cross-sectional view of a two-dimensional array type ultrasonic probe 30 according to the third embodiment.
[0070]
In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the component already demonstrated in FIG. 2, and the description is abbreviate | omitted. Moreover, the description which overlaps with the manufacturing method described by 1st, 2nd embodiment is abbreviate | omitted, and only a different part is demonstrated.
[0071]
The manufacturing method of the 1-3 type composite piezoelectric body 11 according to the third embodiment is the same as that of the first embodiment in the first step and the second step.
[0072]
Next, dicing of the upper PVC resin layer 113 and the lower PVC resin layer 115 in the third step and resin filling in the fourth step will be described.
[0073]
The piezoelectric body 11 sandwiched between the silver-containing PVC resin layers 3 and 4 formed in the second step is formed into an array of grooves of 700 μm depth (100 μm left uncut) at a pitch of 200 μm by a blade of 50 μm thickness with a dicing saw. The epoxy resin 12 is filled in the cutting groove and cured. Similarly, a similar cut groove is formed at right angles to the previous cut groove, and the epoxy resin 12 is filled and cured.
[0074]
Next, the polishing of the upper and lower PVC resin layers 113 and 115 in the fifth step will be described.
[0075]
Thereafter, the uncut side is temporarily attached to the glass plate with the lower surface as the lower surface, and the opposite layer is polished to 150 μm with a flat polishing machine. Furthermore, it grind | polishes similarly to 150 micrometers by making an uncut side into an upper surface. That is, the lower PVC resin layer 113 on the uncut side is not cut even after polishing.
[0076]
Then, by forming Ti / Au electrodes on both surfaces by sputtering, it is possible to form the 1-3 type composite piezoelectric body 11 having a two-dimensional array with less chipping and cracking due to cutting or the like.
[0077]
Next, an example of a method of manufacturing the two-dimensional array type ultrasonic probe 30 using the two-dimensional array of composite piezoelectric bodies manufactured by the above manufacturing method will be described.
[0078]
First, the common electrode plate 21 is bonded to the upper surface PVC resin layer 113 on the uncut side, and the flexible wiring board 8 to which the two-dimensional signal wiring is applied is bonded to the entire opposite surface. After forming the second acoustic matching layer 18 on the ultrasonic radiation surface side, it was bonded to the backing material 25 with an epoxy resin. A silicone-based acoustic lens 19 was bonded thereto. The signal side of the FPC was collectively applied and a voltage of 1 KV / mm was applied between the signal side and the GND side to perform polarization treatment.
[0079]
A two-dimensional array type ultrasonic probe 30 can be manufactured by connecting a coaxial cable having a capacitance of 110 pF / m and a length of 2 m to the flexible wiring board 8.
[0080]
In the above description, the two-dimensional array type ultrasonic probe 30 using the 1-3 type composite piezoelectric material has been described. However, the present invention is applicable to the 2-2 type composite piezoelectric material.
[0081]
Therefore, the two-dimensional array type ultrasonic probe 30 having the 1-3 type composite piezoelectric material according to the third embodiment is the same as the one-dimensional array type ultrasonic probe described in the first and second embodiments. Actions and effects can be obtained.
[0082]
(Fourth embodiment)
In the fourth embodiment, another manufacturing method of the 1-3 type or 2-2 type composite piezoelectric body 11 will be described.
[0083]
First, another method for manufacturing the 1-3 type composite piezoelectric body 11 will be described.
[0084]
The single crystal piezoelectric body 111 is created by the same method as the first step shown in the first embodiment.
[0085]
In the subsequent second step, in this embodiment, the upper and lower PVC resin layers 113 and 115 are formed as described below. That is, the plurality of piezoelectric bodies 111 formed in the first step are arranged and bonded on the conductive resin sheet, and the sheet is cut to the size of the back surface of the piezoelectric body 11. As the conductive resin sheet, a sheet of PVC resin containing conductive silver is used.
[0086]
Subsequently, the 1-3 type composite piezoelectric body 11 is formed through the same steps as the third step, the fourth step, and the fifth step shown in the first embodiment. The formed 1-3 type piezoelectric composite 11 is subjected to polarization treatment by applying an electric field of 1 KV / mm.
[0087]
Also by the manufacturing method described above, it is possible to form the 1-3 type composite piezoelectric body 11 described in the first embodiment. In addition, this manufacturing method has an actual benefit when an ultrasonic probe using a piezoelectric single crystal is enlarged. That is, in general, since it is difficult to increase the size of the piezoelectric single crystal itself, it is not easy to increase the size of an ultrasonic probe using a piezoelectric single crystal composite piezoelectric body. However, according to this manufacturing method, in particular, by arranging a plurality of single crystal piezoelectric bodies 111 on a conductive resin sheet, for example, a 1-3 type composite in which a plurality of single crystal piezoelectric bodies 111 are arranged in the array direction, for example. The piezoelectric body 11 can also be easily manufactured, and the ultrasonic probe can be easily enlarged.
[0088]
Next, another method for manufacturing the 2-2 type composite piezoelectric body 11 will be described. Also in the 2-2 type composite piezoelectric body 11, the 2-2 type composite piezoelectric material is changed from the single crystal piezoelectric material bonded to the conductive resin sheet by the same procedure as the manufacturing method of the 1-3 type composite piezoelectric body 11. The body can be formed. Other processes are the same as those in the second embodiment.
[0089]
The one-dimensional or two-dimensional array type ultrasonic probe using the 1-3 type or 2-2 type composite piezoelectric material formed by the above manufacturing methods can be manufactured by the method described above.
[0090]
(Fifth embodiment)
In the fifth embodiment, another one-dimensional or two-dimensional array type ultrasonic probe using the 1-3 type or 2-2 type composite piezoelectric body 11 will be described.
[0091]
FIG. 4 shows a schematic configuration of the array-type ultrasonic probe according to the present embodiment. The difference from the probe shown in FIG. 3 is that an electrode 24 is provided on the lower PVC resin layer 115 of each single crystal piezoelectric body 111, and the flexible wiring board 23 is drawn from one end of the electrode 24. is there. Even in such a configuration, the same operation and effect as the array-type ultrasonic probe described in the first to third embodiments can be obtained.
[0092]
(Sixth embodiment)
In the sixth embodiment, a one-dimensional array type ultrasonic probe that reduces chipping and cracks without forming a lower PVC resin layer and an upper PVC resin layer will be described.
[0093]
First, a schematic configuration of the one-dimensional array type ultrasonic probe 35 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
[0094]
FIG. 5 shows a cross-sectional view of the one-dimensional array type ultrasonic probe 35 according to the present embodiment.
[0095]
As shown in FIG. 5, the first electrode 40 is formed on the upper surface of each single crystal piezoelectric body 111, and the second electrode 50 is formed on the lower surface. A first flexible wiring board 42 is connected to each first electrode 40 with a conductive paste. On the other hand, a second flexible wiring board 44 is connected to each second electrode 50 with an epoxy adhesive.
[0096]
Predetermined electric power is applied or detected to each electrode 40, 50 via each flexible wiring board 42, 44. The first flexible wiring board 42 is a multilayer board including a conductive layer 420 made of copper or the like and an insulating layer 421 made of polyimide film or the like, and is used for making a GND connection. The second flexible wiring board 44 is a multilayer board composed of conductive layers 440 and 442 made of copper or the like and insulating layers 441, 443 and 445 made of polyimide film or the like. Electrically connect to the device body. Note that the conductive layer 444 has a predetermined wiring pattern to be described later (see FIG. 6).
[0097]
The one-dimensional array type ultrasonic probe 35 includes a first acoustic matching layer 17 and a second acoustic matching layer 18. The arrangement pitch of the vibration elements of the probe 35 is narrow and about 0.1 mm.
[0098]
FIG. 6 shows a top view of the conductive layer 440 of the second flexible wiring board 44.
[0099]
As shown in FIG. 6, the second flexible wiring board 44 has a predetermined pattern of wiring 440a. The pitch width of the wiring 440 a is equal to or smaller than the pitch width of the array arrangement of the single crystal piezoelectric bodies 111 included in the probe 35. Each wiring 440a is bonded to the entire surface of the second electrode corresponding to each single crystal piezoelectric body 111 with an epoxy adhesive, and is alternately drawn out in the opposite direction as shown in FIG. This alternate drawing of the wirings is not essential. For example, a configuration in which all the wirings are drawn in the same direction may be employed.
[0100]
In the present embodiment, the first flexible wiring board 42 is the same as the second flexible wiring board 44.
[0101]
According to such a probe 35, since the first flexible wiring board 42 and the second flexible wiring board 44 are set to be equal to or smaller than the pitch width of the array arrangement of the single crystal piezoelectric bodies 111, in cutting when forming the array arrangement, It is not necessary to cut the conductive layer 444 and the single crystal piezoelectric body 111 at the same time. That is, since the conductive layer 444 and the single crystal piezoelectric body 111 having different machinability are not simultaneously cut, it is possible to suppress the occurrence of cracks and chipping in the manufacture of the array. In addition, by cutting the single crystal piezoelectric body 111 in a state where the first flexible wiring board 42 and the second flexible wiring board 44 are connected, the occurrence of cracks and chipping is suppressed.
[0102]
According to the experiments by the present inventors, when the characteristics of the completed probe 35 were evaluated, there was no disconnection element, and the sensitivity variation was as small as 2 dB.
[0103]
On the other hand, for example, the conductive layer 440 of the second flexible wiring board 44 is expanded to the contact surface size of the single crystal piezoelectric body 111 and an epoxy adhesive is applied over the entire surface of the single crystal piezoelectric body 111. In the case of joining, the inventors' evaluation was as follows. That is, about 30% of cracks occurred during array processing. When the probe was completed and the characteristics were evaluated, there were about 20% of disconnecting elements and the sensitivity variation was as large as 10 dB. When the cause of the disconnection was investigated, cracks that were thought to have occurred during array processing were present in the vibrating element of the channel where the disconnection occurred. In addition, chipping was also observed in many vibration elements. These results are thought to affect the sensitivity variation.
[0104]
By the way, from the viewpoint of mass production of probes, it may not be necessary to use the same first flexible wiring board 42 as the second flexible wiring board 44. Since the wirings 442 of each flexible wiring board are patterned with the same width or less as the arrayed single crystal piezoelectric bodies 111, the positions between the first flexible wiring board 42 and the second flexible wiring board 44 are the same. It is because it is not easy to match.
[0105]
Therefore, the conductor layer shown in FIG. 6 may be used only for the second flexible wiring board 44. According to such a configuration, since the conductive layer that needs to be cut is only in the vicinity of the end of the vibration element of the first flexible wiring board 42, the influence is negligible and cracks and chipping occur during processing. There is nothing. According to the evaluation by the present inventors, there was no disconnection element of the probe 53, and the sensitivity variation was as small as 2 dB.
[0106]
The ultrasonic probe 35 according to the present embodiment is not limited to the above configuration. For example, the following modifications are possible.
[0107]
FIG. 7 is a view for explaining a modification of the ultrasonic probe 35. FIG. 8 is a diagram showing pattern wiring of the second flexible wiring board 44 included in the ultrasonic probe 35 according to the modification.
[0108]
In FIG. 7, the ultrasonic probe 35 has a through hole 45 in addition to the configuration shown in FIG. Through the through hole 45, the wirings 440a and 440b of the conductive layer 440 are energized as shown in FIG.
[0109]
According to the ultrasonic probe 35 according to the present embodiment described above, chipping and cracks can be reduced.
[0110]
(Seventh embodiment)
In the seventh embodiment, a description will be given of an ultrasonic probe in which a wiring drawn out from the first electrode 40 and a wiring drawn out from the second electrode 50 are integrated and taken out from the lower surface of the single crystal piezoelectric body 111.
[0111]
FIG. 9 is a diagram for explaining a schematic configuration of an ultrasonic probe 50 according to the seventh embodiment. The figure shows a state before the first electrode 40 and the second electrode 50 are bonded to the second flexible wiring board 44. In FIG. 9, the first electrode 40 for GND is a spiral electrode that continues from the upper surface of the single crystal piezoelectric body 111 to the lower surface via the side surface. The first electrode 40 is connected to the conductive layer 442 of the second flexible wiring board 44, and the second electrode 50 is connected to the conductive layer 440 of the second flexible wiring board 44. Although not shown, each conductive layer 442, 440 has an exposed portion corresponding to each electrode 40, 50 of the single crystal piezoelectric body 111.
[0112]
The thickness of each conductive layer 440, 442 is 18 μm. The insulating layer 443 made of polyimide has a thickness of 12.5 to 25 μm.
[0113]
Next, a modification of the ultrasonic probe 50 will be shown.
[0114]
FIG. 10 is a view showing an ultrasonic probe 51 which is a modification of the ultrasonic probe 50. As shown in FIG. 10, the conductive layer 442 is extended and connected to the first electrode 40 which is wound around the single crystal piezoelectric body 111. The extended conductive layer 440 wraps around the extended insulating layer 443 and is connected to the second electrode 50. The wrap-around structure can be formed by a method such as plating the end portion.
[0115]
When compared with the ultrasonic probe 50 shown in FIG. 9, the step difference between the conductive layer 442 and the conductive layer 44 is eliminated in the probe 51 shown in FIG. 10. Therefore, with such a configuration, it is possible to prevent the single crystal piezoelectric body 111 from being broken due to pressure adhesion.
[0116]
FIG. 11 is a view showing an ultrasonic probe 52 which is a modification of the ultrasonic probe 51. The probe 52 shown in FIG. 11 is practically useful when it is difficult to take the conductive layer 440 structure in the form of the probe 51 shown in FIG. As shown in FIG. 11, in the probe 52, the vertical relationship between the conductive layer 440 and the conductive layer 442 is opposite to that in FIG. Further, the position of the wrap-around structure of the first electrode 40 is also opposite to that of the probe 51, and the first electrode 40 and the conductive layers 442 and 442 a are energized by the conductive member 48.
[0117]
With such a configuration, the first electrode 40 and the conductive layers 442 and 442a may be connected by the conductive member 48 after the single crystal piezoelectric body 111 and the second flexible wiring board 44 are bonded. The conductive member 48 is preferably a conductive paste. Further, the connection by the conductive member 48 may be performed after the ultrasonic vibration element array is formed.
[0118]
FIG. 12 is a view showing an ultrasonic probe 53 which is a modification of the ultrasonic probe 52. As shown in FIG. 12, the ultrasonic probe 53 has the exposed portion 442 b exposed from the tip of the conductive layer 442, and the exposed portion 442 b is bent and connected to the first electrode 40 after the single crystal piezoelectric body 111 is bonded. With such a configuration, a more stable connection can be obtained.
[0119]
10, 12, and 13, the first flexible wiring board 42 is the same as the second flexible wiring board 44, and the pitch width is equal to or less than the pitch of the array arrangement of the single crystal piezoelectric bodies 111 included in the probe 35. With the configuration having the pattern wiring 440a, cracks and chipping during processing can be suppressed. This is because the conductive layer having inferior machinability and the single crystal piezoelectric body 111 are not cut together.
[0120]
Although the present invention has been described based on the embodiments, those skilled in the art can come up with various changes and modifications within the scope of the idea of the present invention. It is understood that it belongs to the scope of the present invention. For example, as shown in the following (1) and (2), various modifications can be made without changing the gist thereof.
[0121]
(1) The single crystal piezoelectric material used in each embodiment is not particularly limited. For example, it is a composite perovskite type containing at least lead titanate like a single crystal consisting of a solid solution of lead zinc niobate and lead titanate represented by Pb ((Zn1 / 3Nb2 / 3) 0.91Ti0.09) O3, Examples thereof include a single crystal composed of a solid solution of lead magnesium niobate and lead titanate, and a single crystal composed of a solid solution of lead scandium niobate and lead titanate. Alternatively, a single crystal such as lithium niobate or potassium niobate may be used.
[0122]
(2) In the first to third embodiments of the present invention, a PVC resin layer is formed on the upper and lower surfaces of the single crystal piezoelectric body 111 to prevent chipping, and further, an electrode or an acoustic matching layer A high-sensitivity broadband ultrasonic probe has been realized with the above-mentioned configuration. However, even if the PVC resin layer is formed only on one side of the single crystal piezoelectric body 111, it is possible to prevent the occurrence of chipping and serve as an electrode or an acoustic matching layer.
[0123]
【Effect of the invention】
As described above, according to the present invention, it is possible to manufacture an ultrasonic probe that does not cause processing defects during cutting. As a result, an ultrasonic probe having high sensitivity and broadband characteristics can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of an ultrasonic probe 10 according to first and second embodiments.
FIG. 2 is a diagram showing a cross section of an ultrasonic probe 10 according to the first and second embodiments.
FIG. 3 is a diagram showing a cross section of an ultrasonic probe 30 according to a third embodiment.
FIG. 4 is a diagram showing a schematic configuration of an array-type ultrasonic probe according to a fifth embodiment.
FIG. 5 is a cross-sectional view of an array-type ultrasonic probe 35 according to a sixth embodiment.
FIG. 6 is a top view of a conductive layer 440 of a second flexible wiring board 44. FIG.
FIG. 7 is a view for explaining a modification of the ultrasonic probe 35;
FIG. 8 is a diagram showing pattern wiring of a second flexible wiring board 44 included in an ultrasonic probe 35 according to a modification.
FIG. 9 is a diagram for explaining a schematic configuration of an ultrasonic probe 50 according to a seventh embodiment.
FIG. 10 is a view showing a modification of the ultrasonic probe according to the seventh embodiment.
FIG. 11 is a view showing a modification of the ultrasonic probe according to the seventh embodiment.
FIG. 12 is a view showing a modification of the ultrasonic probe according to the seventh embodiment.
13A is a view showing a cross section of a conventional composite piezoelectric body 30. FIG. FIGS. 13B and 13C are views for explaining chipping and cracks that occur in the manufacturing process of the conventional composite piezoelectric body 30. FIG.
FIG. 14A is a diagram showing a cross section of a conventional ultrasonic probe. FIG. 14B is a diagram showing pattern wiring of the flexible wiring board 6 included in the conventional ultrasonic probe.
[Explanation of symbols]
10, 35, 50, 51, 52, 53 ... ultrasonic probe
11 ... Composite piezoelectric material
12 ... Epoxy resin
17 ... 1st acoustic matching layer
18 ... Second acoustic matching layer
19 ... Acoustic lens
21 ... Common electrode plate
23. Flexible wiring board
24 ... Electrode
25 ... backing material
38 ... groove
40. First electrode
50 ... second electrode
42. First flexible wiring board
44 ... Second flexible wiring board
45 ... Through hole
50 ... second electrode
111 ... Single crystal piezoelectric material
113 ... Upper PVC resin layer
115 ... Lower PVC resin layer
420, 440, 442 ... conductive layer
421, 443, 445 ... insulating layer
440a ... Pattern wiring
442b ... exposed portion

Claims

Single crystal piezoelectric material cut into an array,
And acoustic impedance small upper surface resin layer than the formed on the upper surface of the piezoelectric said piezoelectric said formed on the lower surface of the piezoelectric rather small acoustic impedance than the piezoelectric body is the upper surface resin layer of the same material A bottom resin layer;
Comprising an ultrasonic vibration element comprising
In the case where the arrayed single crystal piezoelectric body is formed by cutting the upper surface resin layer, the single crystal piezoelectric body, and the lower surface resin layer to form a plurality of grooves, the upper surface resin layer and the lower surface resin layer are formed. The resin layer has machinability, a reinforcing function at the time of cutting the piezoelectric body, and conductivity, and functions as an electrode itself.
Ultrasonic probe characterized by.

A piezoelectric body formed of a solid solution-based single crystal containing at least lead titanate, an upper surface resin layer formed on the upper surface of the piezoelectric body and having a lower acoustic impedance than the piezoelectric body, and formed on the lower surface of the piezoelectric body. acoustic impedance rather smaller than the body, comprising a lower surface resin layer wherein a top resin layer and the same material, the ultrasonic vibration element formed by 1-3 type or 2-2 type composite piezoelectric element made of,
In the case where the arrayed single crystal piezoelectric body is formed by cutting the upper surface resin layer, the single crystal piezoelectric body, and the lower surface resin layer to form a plurality of grooves, the upper surface resin layer and the lower surface resin layer are formed. The resin layer has machinability, a reinforcing function at the time of cutting the piezoelectric body, and conductivity, and functions as an electrode itself.
Ultrasonic probe characterized by.

At least one of the upper surface resin layer or the lower surface resin layer has an acoustic impedance of 2 × 10 ⁶ g / m ² s to 10 × 10 ⁶ g / m ² s and functions as an acoustic matching layer. The ultrasonic probe according to claim 2.

The upper surface and the lower surface of the single crystalline piezoelectric body, a first step of acoustic impedance to form a small resin layer than the single crystalline piezoelectric material composed of the same material,
A second step of forming a plurality of grooves extending from the upper surface resin layer through the piezoelectric body to the lower surface resin layer ;
A third step of filling the plurality of grooves with resin;
An ultrasonic probe manufacturing method comprising:

The ultrasonic probe manufacturing method according to claim 4, wherein in the second step, the plurality of grooves are formed in a lattice shape.

The ultrasonic probe manufacturing method according to claim 4, wherein the ultrasonic probe manufacturing method includes a fourth step of polishing and removing the resin layer.

A first step of bonding a resin sheet to the upper surface of the single crystal piezoelectric body, and bonding a resin sheet of the same material as the resin sheet of the upper surface to the lower surface of the single crystal piezoelectric body;
A second step of forming a plurality of grooves extending from the upper surface resin sheet to the lower surface resin sheet through the single crystal piezoelectric body ;
A third step of filling the plurality of grooves with resin;
An ultrasonic probe manufacturing method comprising: