JP2004120283A

JP2004120283A - 超音波プローブ

Info

Publication number: JP2004120283A
Application number: JP2002280288A
Authority: JP
Inventors: Yasuharu Hosono; 細野　靖晴; Mamoru Izumi; 泉　守; Kazuhiro Henmi; 逸見　和弘; Yohachi Yamashita; 山下　洋八
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-09-26
Filing date: 2002-09-26
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2022-09-26
Also published as: JP4118115B2

Abstract

【課題】感度のばらつきの小さい超音波プローブを提供する。
【解決手段】音響バッキング材と、音響バッキング材上に設けられ、圧電単結晶により形成される圧電体と、圧電体が音響バッキング材と対向する第１の面及びこの第１の面とは反対側の面である第２の面に夫々設けられる一対の電極とを有する圧電素子と、圧電素子の第２の面上に設けられ、音響インピーダンスが圧電体の音響インピーダンスの４０％以上８５％以下である固体無機物からなる第１の音響整合層と、第１の音響整合層上に設けられ、音響インピーダンスが第１の音響整合層よりも小さい第２の音響整合層とを具備し、圧電素子及び第１の音響整合層及び第２の音響整合層を含む複数の積層体が、音響バッキング材上に一次元若しくは二次元のアレイ状に配列されていることを特徴とする超音波プローブを提供する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波プローブに関する。
【０００２】
【従来の技術】
医用超音波診断装置や非破壊検査機器の分野においては、対象物の内部状態を画像化するために、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エコーを受信する超音波プローブが用いられている。
【０００３】
一般に、超音波プローブには、電圧を印加することで振動が生じる圧電振動子（圧電体）を用いる。圧電体としては、従来から、電気機械結合係数ｋ_３３’が７０％程度と高いことから電気的信号から機械的振動への変換効率の高い、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系の圧電セラミックが使用されてきた。
【０００４】
これに対して近年、たとえば亜鉛ニオブ酸鉛とチタン酸鉛との固溶体からなるＰｂ（（Ｚｎ_１／３Ｎｂ_２／３）_０．９１Ｔｉ_０．０９）Ｏ_３圧電単結晶のような、電気機械結合定数ｋ_３３’が約８０％以上と非常に効率の高い圧電単結晶が開発されている（例えば、特許文献１参照）。また、圧電単結晶は圧電セラミックに比べて機械的強度が小さく、チッピングなどが頻発して信頼性や感度の低下を招くことから、チッピング防止層を設けているものもある（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
しかしながら、上述した圧電単結晶を用いて超音波プローブを作製した場合、チッピングやクラックの発生は改善されたものの、依然としてプローブの感度ばらつきが大きいという問題があった。
【０００６】
【特許文献１】
特開平０６−３８９６３号公報（第３−１３頁、第１図）
【０００７】
【特許文献２】
特開２０００−１４６７２公報（第３−６頁、第１図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、感度のばらつきの小さい超音波プローブを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明の実施形態に係る超音波プローブは、音響バッキング材と、音響バッキング材上に設けられ、圧電単結晶により形成される圧電体と、圧電体が音響バッキング材と対向する第１の面及びこの第１の面とは反対側の面である第２の面に夫々設けられる一対の電極とを有する圧電素子と、圧電素子の第２の面上に設けられ、音響インピーダンスが圧電体の音響インピーダンスの４０％以上８５％以下である固体無機物からなる第１の音響整合層と、第１の音響整合層上に設けられ、音響インピーダンスが第１の音響整合層よりも小さい第２の音響整合層とを具備し、圧電素子及び第１の音響整合層及び第２の音響整合層を含む複数の積層体が、音響バッキング材上に一次元若しくは二次元のアレイ状に配列されていることを特徴とする。
【００１０】
本発明の実施形態に係る超音波プローブにおいては、音響バッキング材と圧電素子との間に、フレキシブル印刷配線板を具備しても良い。
【００１１】
また本発明の実施形態に係る超音波プローブにおいては、圧電単結晶が、Ｐｂ（Ｂ１，Ｂ２）_１−ｘＴｉ_ｘＯ_３（ただし、ｘの値は０．０４≦ｘ≦０．５５であり、Ｂ１はＺｎ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｓｃ、Ｉｎ及びＹｂよりなる群から選ばれる少なくとも一種であり、Ｂ２はＮｂ及びＴａよりなる群から選ばれる少なくとも一種である）で表される組成からなっても良い。
【００１２】
また本発明の実施形態に係る超音波プローブにおいては、第１の音響整合層がＳｉＯ_２、ＭｇＯ及びＡｌ_２Ｏ_３を含むセラミックスと、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３及びＺｒＯ_２を含むセラミックスと、カルシウムシリケート及びリチウムアルミノシリケートを含むセラミックスと、フッ素金雲母セラミックスと、六方晶窒化ホウ素セラミックスとからなる群より選ばれる少なくとも一種のセラミックスを含んでも良い。
【００１３】
また本発明の実施形態に係る超音波プローブにおいては、アレイ状に配列された積層体間の空隙部分は、充填率が５体積％以下であっても良い。
【００１４】
また本発明の実施形態に係る超音波プローブにおいては、圧電素子は圧電体を複数層有し、圧電体間には電極を有してこれらが交互に積層される構成からなっても良い。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態に係る超音波プローブについて、図面を用いて説明する。
【００１６】
図１は、本発明の実施形態に係る超音波プローブを説明する断面図である。図１に示すように、本発明の実施形態に係る超音波プローブは、音響バッキング材２と、音響バッキング材２上に設けられ圧電単結晶により形成される圧電体１と、圧電体１が音響バッキング材２と対向する第１の面に設けられる第２の電極４と、圧電体１の第１の面とは反対側の面である第２の面に設けられる第１の電極５と、第１の電極５上に設けられる第１の音響整合層３ａと、第１の音響整合層３ａ上に設けられる第２の音響整合層３ｂとを有する。ここで、本発明の実施形態に係る超音波プローブにおいては、第１の音響整合層３ａは固体無機物からなり、第１の音響整合層３ａの音響インピーダンスは、圧電体１の音響インピーダンスの４０％以上８５％以下である。また、第２の音響整合層３ｂの音響インピーダンスは、第１の音響整合層３ａの音響インピーダンスよりも小さい。また、第１の電極５及び第２の電極４とこれらで挟まれる圧電体１とからなる圧電素子と、第１の音響整合層３ａと、第２の音響整合層３ｂとが積層された積層体は、複数に分割されていることから複数がアレイ状に配列された構成となっている。なお、図１においては第２の音響整合層３ｂ上に音響レンズ８を設けた構成としているが、これに限られたものではない。例えば、圧電素子と、第１の音響整合層３ａと、第２の音響整合層３ｂとを積層した積層体を二次元アレイ状に配列した構成とした場合には、音響レンズ８を設けなくとも、解像度や感度の著しい向上が可能となる。
【００１７】
本発明の実施形態に係る超音波プローブは、音響整合層を複数層設け、圧電素子に接する側の第１の音響整合層３ａとして、固体無機物からなり、圧電体１の音響インピーダンスの４０％以上８５％以下の音響インピーダンスを有するものである。複数の音響整合層を設けることにより音響インピーダンスの整合が取れ、第１の音響整合層３ａとして上記の構成とすることにより、圧電体の不要な振動を抑えることが出来、誘電率のばらつきが低減することから、超音波プローブ中に、圧電素子や音響整合層で構成される積層体ごとの感度のばらつき、つまりチャンネル間の感度のばらつきを低減することが出来る。以下に本発明の実施形態に係る構成により、チャンネル間の感度のばらつきを低減できる機構を説明する。
【００１８】
図２は、図１の圧電体１を一つ取り出した斜視図である。図２のｋ_３３’の矢印方向を上下方向（厚み方向）とした場合にこの圧電体１の上下面に第１の電極５及び第２の電極４が形成されるものとする。圧電体１が超音波を送受信する場合、圧電体１は、厚み方向（ｋ_３３’モード）及びｋ_３１の矢印方向（長さ方向、ｋ_３１モード）に振動する。また、圧電体１の厚み方向の振動の大きさで電気機械結合係数ｋ_３３’が決まり、長さ方向の振動の大きさで電気機械結合係数ｋ_３１が決まる。
【００１９】
一方、圧電素子をアレイ状に配列された超音波プローブの感度は、高周波数での誘電率ε_Ｓ１Ｓ３に依存し、このε_Ｓ１Ｓ３は電気機械結合係数（ｋ_３１、ｋ_３３’）及び低周波数（通常、１ｋＨｚとする）での誘電率ε_Ｔと関係があり、次に示す（１）式で表される。
【００２０】
ε_Ｓ１Ｓ３＝（１−ｋ_３３’）×（１−ｋ_３１ ^２）×ε_Ｔ　　　（１）
本発明者らは、様々な方法により感度の向上を試みた結果、長さ方向の振動の大きさ、つまりのｋ_３１値がばらつくことにより、高周波数での誘電率ε_Ｓ１Ｓ３がばらつき、超音波プローブのチャンネル間の感度がばらつくことを見出した。そして、圧電体に近い側の第１の音響整合層として、固体無機物からなり、圧電体の音響インピーダンスの４０％以上８５％以下の音響インピーダンスを有するものを用いることにより、長さ方向の振動を抑えて圧電体の感度のばらつきを低減させるものである。固体無機物とは炭素を含まないものをいい、固体無機物を第１の音響整合層として用いることにより、圧電体を機械的に強固に固定することによって長さ方向の振動を抑えるという効果を得ることが出来る。また、第１の音響整合層の音響インピーダンスが、圧電体の音響インピーダンスの４０％以上８５％以下であることによって、圧電体と人体などの対象物との音響マッチングを取りつつ、かつ音響インピーダンスが大きいことから圧電体の長さ方向の振動を抑えるという効果を得ることが出来る。４０％未満となると圧電体の長さ方向の振動を抑える効果が十分に得られず、チャンネル間のばらつきを抑えることが困難となる。また、８５％を超えると例えば人体などの対象物との音響マッチングが取れず、超音波の送受信効率が著しく低下するおそれがある。このような音響インピーダンス特性を有する固体無機物としては、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ及びＡｌ_２Ｏ_３を含むセラミックスや、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３及びＺｒＯ_２を含むセラミックスや、カルシウムシリケート及びリチウムアルミノシリケートを含むセラミックスや、フッ素金雲母セラミックスや、六方晶窒化ホウ素セラミックス等があり、これらから選ばれる少なくとも一種を用いても良いし、複数種類を用いても良い。また、これらに添加元素を添加しても良い。この中でも特にＳｉＯ_２、ＭｇＯ及びＡｌ_２Ｏ_３を含むセラミックスは加工性も良好でダイシング時の単結晶の損傷が少なく、かつ強度が高いために超音波プローブの機械的強度を向上できると言う効果もある。
【００２１】
図１の超音波プローブにおいては、第１の電極５及び第２の電極４とこれらで挟まれる圧電体１とからなる圧電素子と、第１の音響整合層３ａと、第２の音響整合層３ｂとが積層された積層体は複数に分割されており、積層体間は簡単のため空隙になっている。従来から、この空隙部分（溝）には圧電体の割れなどを防ぎ、機械的強度を保つために、有機樹脂などが充填されてきた。本発明の実施形態に係る超音波プローブにおいては、積層体の間の溝の体積をＤ、溝への充填物の体積をＥとした場合に、充填率（Ｅ／Ｄ）が５体積％以下であることが好ましい。本発明の実施形態に係る超音波プローブにおいては、圧電素子に近い側に、上述したように固体無機物であり所定の音響インピーダンスを有する第１の音響整合層があることから、圧電体の機械的強度は十分に強い。また、充填物を減らすことにより、電気機械結合係数や誘電率の低下を防ぐことが出来ることから、圧電体の特性を十分に引き出すことが可能となる。充填率を５体積％以下とすることによって隣あった圧電体が密着せず、超音波の送受信に関係した厚み方向の振動を抑えることなく、超音波プローブの感度を高く保つことが出来る。充填物としては、シリコン系樹脂やエポキシ系樹脂を用いることが出来るが、シリコン系樹脂は軟らかいことから厚み方向の振動を抑え難く、より好ましい。また、充填率は３体積％以下であることがさらに好ましい。
【００２２】
また、本発明の実施形態に係る超音波プローブにおいては、図３に示すように、第１の電極５及び第２の電極４とこれらで挟まれる圧電体１とからなる圧電素子と音響バッキング材２との間にフレキシブル印刷配線板（ＦＰＣ）６を設けることが好ましい。圧電素子と音響バッキング材２との間にＦＰＣ６を設けることにより、圧電素子が第１の音響整合層５とＦＰＣ６とに挟まれることから、長さ方向の振動を抑えて圧電体１の感度のばらつきを低減させる効果が高まる。
【００２３】
ＦＰＣ６を圧電素子に接する側の面から見た構造を図４に示す。図４に示されるように、ＦＰＣ６は、絶縁層６ｂと、その上に印刷された導電層６ａとからなり、導電層６ａの一本一本が各圧電素子に電気的に接続される。絶縁層６ｂはポリイミドなどからなる。圧電素子に接する導電層６ａ部分は、銅や金等の金属などからなり、音響インピーダンスの値が３０〜４０Ｍｒａｙｌｓ程度であるため、第１の音響整合層５と同様に、圧電体１の長さ方向の振動を抑えることから、チャンネル間の感度のばらつきを低減する効果を高めることが出来るのである。ＦＰＣ６と圧電素子とが接触する面積のうち、５０％以上が導電層６ａと圧電素子との接触であることが好ましく、このような範囲である場合に、圧電体１の長さ方向の振動を効果的に抑えることが出来る。また、その際に導電層６ａの音響インピーダンスが圧電体１の音響インピーダンスの１００％以上であることが好ましい。図３に示すように、超音波を送受信するために設けられ、導電層７ａと絶縁層７ｂとからなるアース板７は第２の音響整合層３ｂに電気的に接続させるが、アース板７はＦＰＣを用いなくとも良い。また、図３においては、アース板７上と音響レンズ８との間に第３の音響整合層３ｃを設けている。第３の音響整合層３ｃの音響インピーダンスは、第２の音響整合層３ｂの音響インピーダンスよりも小さいものとする。このように音響整合層を３層以上とすることにより、圧電体（音響インピーダンス：２０〜３０程度）と例えば人体などの対象物（人体の音響インピーダンス：１．５）との間の音響マッチングを取ることが容易となる。
【００２４】
また、圧電単結晶としては、少なくともチタン酸鉛を含む固溶系圧電単結晶であることが望ましい。このような固溶系単結晶からなる圧電体を用いることにより、圧電セラミックからなる圧電体に比べて音速を遅くすることができるため、高感度な超音波プローブを得ることが可能になる。とくに亜鉛ニオブ酸鉛−チタン酸鉛の固溶系圧電単結晶としては、チタン酸鉛のモル分率が２０％以下の組成のものを用いることが望ましい。さらに前記圧電単結晶は、Ｐｂ（Ｂ１，Ｂ２）_１−ｘＴｉ_ｘＯ_３（ただし、ｘの値は０．０４≦ｘ≦０．５５であり、Ｂ１はＺｎ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｓｃ、Ｉｎ及びＹｂよりなる群から選ばれる少なくとも一種であり、Ｂ２はＮｂ及びＴａよりなる群から選ばれる少なくとも一種である）の一般式で表される組成からなることが望ましい。この一般式において、ｘを０．０４未満にすると、圧電単結晶のキュリー温度が低くなり、圧電単結晶の切断時に脱分極する恐れがある。一方、ｘが０．５５を越えると大きな電気機械結合係数が得られないばかりか、誘電率が低下して送受信を行う際に電気インピーダンスのマッチングが取りづらくなる恐れがある。
【００２５】
また、圧電素子は圧電体を複数層有し、圧電体間に電極を有して圧電体と電極とが交互に積層される構成としても良い。通常、ｎ層積層した圧電体においては、単層の圧電体と同一の共振周波数を得るために、１層あたりの圧電体の厚みを１／ｎとする。例えば、２層の圧電体を積層した場合には、１層の圧電体の厚みは１／２となり、３層の圧電体であれば１層の圧電体の厚みは１／３となる。さらに、積層する圧電体間には、金属等からなる電極（内部電極）層が（ｎ−１）層存在することになる。例えば、２層の圧電体を有する場合には内部電極は１層となり、３層の圧電体を有する場合には内部電極は２層となる。これらの内部電極は金属等からなるため音響インピーダンスが３０〜４０Ｍｒａｙｌｓと高く、また伸び縮みもし難いため、第１の音響整合層による効果と同様な、圧電体の長さ方向の振動を抑える効果がある。したがって、圧電素子として圧電体を複数層設けることにより、圧電体の長さ方向の振動をより効果的に低減することが出来、超音波プローブの感度ばらつきを抑えることが出来る。
【００２６】
本発明の実施形態に係る超音波プローブは、次のようにして用いることが出来る。図３に示すように、第１の電極５はアース板７を通じ、また第２の電極４はＦＰＣ６を通じて、図示しない超音波診断装置に接続されている。超音波診断装置からの駆動信号電圧を圧電体１に印加することで、圧電体１を振動させ音響レンズ８側から超音波を発信させる。また、受信時には、音響レンズ８側から受信した超音波を圧電体１によって電気信号に変換し、超音波診断装置中のビームフォーマにより各チャンネルの受信信号に所望の遅延をした後に超音波診断装置中の加算器で整相加算される。その後、基本波を測定する場合には超音波診断装置中の基本波通過型フィルタを通し、第２高調波を測定する場合には、超音波診断装置中にある、基本波成分を除去する高域通過型フィルタを通し、図示しないモニタにより映像化される。
【００２７】
次に、本発明の実施形態に係る超音波プローブの作製方法を説明する。
【００２８】
まず、圧電体として用いる圧電単結晶の製造方法を説明する。ここでは亜鉛ニオブ酸鉛−チタン酸鉛の固溶系単結晶の製造方法を説明する。
【００２９】
出発原料として化学的に高純度のＰｂＯ、ＺｎＯ、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２を用い、これらを純度補正した後、亜鉛ニオブ酸（ＰＺＮ）とチタン酸鉛（ＰＴ）とが所望のモル比になるように秤量し、さらにフラックスとしてＰｂＯを添加する。この粉末に純水を添加し、例えばＺｒＯ_２ボールが収納されたボールミルで所望時間混合する。得られた混合物の水分を除去した後、例えばライカイ機のような粉砕機で十分に粉砕し、さらにゴム型容器に入れ、所望の圧力でラバープレスを行う。ゴム型から取り出した固形物を例えば白金からなる所望容量の容器に入れ、所望の温度で溶解する。冷却後、さらに前記固形物を前記容器に入れ、例えば白金からなる蓋で密閉し、前記容器を電気炉の中心に設置する。前記溶解温度より高い温度まで昇温させ、所望の降温速度で溶解温度付近まで徐冷した後、室温まで冷却する。その後、前記容器に所望濃度の硝酸を添加し、煮沸して固溶系単結晶を取り出すことにより圧電単結晶を得る。
【００３０】
亜鉛ニオブ酸−チタン酸鉛の固溶系単結晶は、上述したフラックス法の他に、例えばブリッジマン法やキロプーロス法、水熱育成法などによっても同様に製造することが可能である。ここでは、亜鉛ニオブ酸鉛−チタン酸鉛を一例として挙げたが、出発原料のＺｎＯおよびＮｂ_２Ｏ_５を、他の元素に代えて得られるチタン酸鉛を含む固溶系圧電単結晶を製造することもできる。
【００３１】
次に、このような圧電単結晶を用いた超音波プローブの製造方法を説明する。
【００３２】
まず、図３に示すように、ブロック状の圧電単結晶を圧電体１として、これに導電膜をスパッタ法により蒸着し、選択エッチング技術により圧電体１の超音波送受信面および前記送受信面と反対側の面に夫々第１の電極５及び第２の電極４とを形成し、圧電素子を得る。つづいて、圧電素子の第１の電極５側に、全面に導電層（図示せず）を形成した第１の音響整合層３ａを例えばエポキシ接着剤により接着する。第１の音響整合層３ａは固体無機物からなり圧電体１の音響インピーダンスの４０％以上８５％以下の音響インピーダンスを有する。同様にして、第１の音響整合層３ａ上にめっきなどにより金属等からなる導電層（図示せず）を全面に形成した第２の音響整合層を接着する。第２の音響整合層３ｂの音響インピーダンスは、対象物との音響インピーダンスマッチングを取る為に、第１の音響整合層３ａの音響インピーダンスよりも小さくする。次に、圧電素子の第２の電極４側に、絶縁層６ｂ上に複数の導体層（ケーブル）６ａを有するＦＰＣ６を、例えばエポキシ接着剤より接着する。この後、これらを音響バッキング材２上に、ＦＰＣ６が音響バッキング材２と接するよう接着する。ブレードを用いて音響整合層からＦＰＣ６に亘って複数回切断することにより、前記音響バッキング材２上に圧電素子と音響整合層との積層体がアレイ状に配列され互いに分離された構成となる。次いで、第２の音響整合層３ｂ上に、絶縁層７ｂ上に導電層７ａがメッキされたアース板７を例えばエポキシ接着剤により接着する。さらにアース板７上に第３の音響マッチング層３ｃをエポキシ接着剤により接着し、その上に音響レンズ８を形成することにより超音波プローブを得る。
【００３３】
圧電素子として、圧電体と電極とを交互に複数層積層させた構造とするには、次のような工程により圧電素子を形成すればよい。例えば３層の圧電体を持つ圧電素子とする場合には、図５に示すように圧電体と電極とを、圧電体が全て電極に挟まれるように積層する。その際、電極は交互に、対向する２つの側面に延出させる。そして、その２つの側面にも電極を形成して積層した電極と接続することにより、側面に形成した電極と積層した１層おきの電極により第３の電極１１もしくは第４の電極１２が出来る。各々の電極を第３の電極もしくは第４の電極に選択的に接続するために、積層する電極とそれには接続しない側面の電極との間には、樹脂等を形成し、絶縁することが好ましい。そして、第３の電極１１と第４の電極１２との間に所定の電圧を印加することにより、図に矢印で示したように、隣り合う圧電体が逆向きに分極された圧電素子を形成することが可能となる。３層積層した場合でも、全体の厚みｔは単層の圧電素子と同様である。また、積層圧電体では、例えば、図５において第３の電極の一番下側の電極が第１の電極となり、第４の電極の一番上側の電極が第２の電極となる。
【００３４】
圧電体１として用いる圧電単結晶は、その結晶系が菱面体晶あるいは擬立方晶の場合、第１の電極５側である超音波送受信面が（００１）面であることが望ましい。このような圧電体１は、圧電単結晶の［００１］軸（Ｃ軸）に対して垂直に切り出すことにより作製される。また、圧電体１は、厚み方向の厚さが約２００〜４００μｍであることが好ましい。
【００３５】
第１の電極５や第２の電極４は、例えばＴｉ／Ａｕ、Ｎｉ／ＡｕもしくはＣｒ／Ａｕの二層導電膜、またはガラスフリットを含む銀焼付け等から形成される。
【００３６】
また、音響マッチング層としては２層構造および３層構造を示したが、それ以上の多層構造でも良い。なお、２層目以上の音響マッチング層は固体無機物である必要はなく、圧電体から対象物に向けて、音響インピーダンスが順に小さくなっていればよい。
【００３７】
アース板７は導電層をスパッタした第２の音響整合層３ｂに接着されるが、第２の音響整合層３ｂ全体に接着する必要は無く、両端部のみに接着しても良い。また、アース板７は、第１の音響整合層３ａに接着されても良い。
【００３８】
以下、具体例を示して本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００３９】
【実施例】
（実施例１）
まず、亜鉛ニオブ酸鉛Ｐｂ（Ｚｎ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３（ＰＺＮ）とチタン酸鉛ＰｂＴｉＯ_３（ＰＴ）とを９１：９のモル比となるよう秤量し、ＰｂＯからなるＰｂフラックスとともに２００ｃｃの白金容器に入れ１２００℃に昇温して溶解した後、室温まで冷却し固溶系圧電単結晶を育成した。その後、この圧電単結晶をラウエカメラを用いて＜００１＞軸の方位を出し、この軸に垂直にカッターで切断して厚さ５００μｍのウェハとした。切断した圧電単結晶を、厚さ３００μｍに研磨して３０ｍｍ×２０ｍｍ×０．３ｍｍの大きさの圧電体とした後、スパッタ法によりＣｒ／Ａｕからなる第１の電極及び第２の電極を形成し、圧電素子とした。この圧電素子に１ｋＶ／ｍｍの電界を印加して分極処理を施した。この圧電素子の音響インピーダンスは２２Ｍｒａｙｌｓであった。
【００４０】
この圧電素子の第１の電極側に、Ｃｒ／Ａｕ電極をスパッタ法で全面に形成し音響インピーダンスが９Ｍｒａｙｌｓのケイ酸塩ガラスからなる第１の音響整合層をエポキシ系接着剤にて接着した。第１の音響整合層上には、スパッタしたＣｒ／Ａｕからなる電極を塗布することで導電性を付加したアルミナ粉末とエポキシ系樹脂の混合物からなる第２の音響整合層をエポキシ系接着剤にて接着した。第２の音響整合層の音響インピーダンスは５Ｍｒａｙｌｓであった。その後、圧電素子の第２の電極側に音響インピーダンスが３５Ｍｒａｙｌｓの銅からなる導電層を有するＦＰＣと音響バッキング材とを順にエポキシ系接着剤で接着した。ＦＰＣと圧電素子とが接触する面積のうち、５０％が導電層と圧電素子との接触であった。次に、圧電素子と音響整合層とからなる積層体を、厚さ５０μｍのブレードを持つダイシングソーで、２００μｍピッチでアレイ状に切断した。その後、第２の音響整合層上全体に金からなるアース板をエポキシ接着剤で接着し、アース板上にシリコンゴムからなる音響レンズを接着した。アース板をエポキシ接着剤で接着したことから、積層体間の溝のうち、５体積％がエポキシ接着剤で充填されていた。完成した超音波プローブの圧電体の容量をＦＰＣの端部から１０ＭＨｚ（反共振周波数の２倍の周波数）で測定し誘電率ε_Ｓ１Ｓ３を算出したところ、１つの超音波プローブに配列された、１００チャンネルの圧電体の平均値は３７０であり、ばらつきは１０％以下と良好な値であった。その後これに静電容量が１１０ｐＦ／ｍであり、長さが２ｍの同軸ケーブルをＦＰＣに接続して診断装置に繋いで超音波プローブ特性の評価を行ったところ、高感度、広帯域を有するとともにチャンネル間の感度ばらつきが７％以下と非常に小さかった。
【００４１】
（実施例２）
第１の音響整合層として、音響インピーダンスが１３ＭｒａｙｌｓのＳｉＯ_２、ＭｇＯ及びＡｌ_２Ｏ_３を含むセラミックスを用い、アース板上にポリエチレンシートからなり音響インピーダンスが２Ｍｒａｙｌｓである第３の音響整合層を形成してから音響レンズを形成する他は実施例１と同様にして超音波プローブを作製した。実施例１と同様にして誘電率ε_Ｓ１Ｓ３を算出したところ、１つの超音波プローブが有する１００チャンネルの圧電体の平均値は３５０であり、ばらつきは８％以下と良好な値であった。また、実施例１と同様にして超音波プローブ特性の評価を行ったところ、高感度、広帯域を有するとともにチャンネル間の感度ばらつきが６％以下と非常に小さかった。
【００４２】
（実施例３）
まず、インジウムニオブ酸鉛Ｐｂ（Ｉｎ_１／２Ｎｂ_１／２）Ｏ_３（ＰＩＮ）とマグネシウムニオブ酸鉛Ｐｂ（Ｍｇ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３（ＰＭＮ）とチタン酸鉛ＰｂＴｉＯ_３（ＰＴ）とを１６：５１：３３のモル比となるよう秤量した混合粉０．１６Ｐｂ（Ｉｎ_１／２Ｎｂ_１／２）Ｏ_３−０．５１Ｐｂ（Ｍｇ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−０．３３ＰｂＴｉＯ_３（ＰＩＭＮＴ１６／５１／３３）と、フラックスとして用いるＰｂＯと、Ｂ_２Ｏ_３とを、ＰＩＭＮＴ１６／５１／３３：ＰｂＯ：Ｂ_２Ｏ_３＝５０：４０：１０のモル比となるように２００ｃｃの白金容器に入れ１２５０℃に昇温して溶解した後、室温まで冷却し固溶系圧電単結晶を育成した。その後、この圧電単結晶をラウエカメラを用いて＜００１＞軸の方位を出し、この軸に垂直にカッターで切断して厚さ６００μｍのウェハとした。切断した圧電単結晶を、厚さ４００μｍに研磨して３０ｍｍ×２０ｍｍ×０．４ｍｍの大きさの圧電体とした後、スパッタ法によりＣｒ／Ａｕからなる第１の電極及び第２の電極を形成し、圧電素子とした。この圧電素子に１ｋＶ／ｍｍの電界を印加して分極処理を施した。この圧電素子の音響インピーダンスは２５Ｍｒａｙｌｓであった。
【００４３】
この後、実施例２と同様にして超音波プローブを作製した。実施例１と同様にして誘電率ε_Ｓ１Ｓ３を算出したところ、１つの超音波プローブが有する１００チャンネルの圧電体の平均値は３４０ｐＦであり、ばらつきは８％以下と良好な値であった。また、実施例１と同様にして超音波プローブ特性の評価を行ったところ、高感度、広帯域を有するとともにチャンネル間の感度ばらつきが７％以下と非常に小さかった。
【００４４】
（実施例４）
第１の音響整合層として、音響インピーダンスが１６Ｍｒａｙｌｓのフッ素金雲母セラミックスを用い、第２の音響整合層として、音響インピーダンスが７ＭｒａｙｌｓでありスパッタでＣｒ／Ａｕからなる電極と塗布したアルミナとエポキシ系樹脂の混合物を用い、第３の音響整合層として、音響インピーダンスが３Ｍｒａｙｌｓのエポキシ系樹脂を用いる他は実施例２と同様にして超音波プローブを作製した。実施例１と同様にして誘電率ε_Ｓ１Ｓ３を算出したところ、１つの超音波プローブが有する１００チャンネルの圧電体の平均値は３００であり、ばらつきは６％以下と良好な値であった。また、実施例１と同様にして超音波プローブ特性の評価を行ったところ、高感度、広帯域を有するとともにチャンネル間の感度ばらつきが５％以下と非常に小さかった。
【００４５】
（実施例５）
第２の音響整合層上にフィルム状接着剤を用いてアース板を接着する他は実施例２と同様にして超音波プローブを作製した。フィルム状接着剤を用いたことから、積層体間の溝は３体積％が接着剤で充填されていた。実施例１と同様にして誘電率ε_Ｓ１Ｓ３を算出したところ、１つの超音波プローブが有する１００チャンネルの圧電体の平均値は３９０であり、ばらつきは６％以下と良好な値であった。また、実施例１と同様にして超音波プローブ特性の評価を行ったところ、高感度、広帯域を有するとともにチャンネル間の感度ばらつきが５％以下と非常に小さかった。
【００４６】
（実施例６，７）
圧電素子と音響整合層とからなる積層体を、ダイシングソーでアレイ状に切断する際に、積層体間の溝にシリコーン系樹脂接着剤からなる有機樹脂を充填率が夫々５０体積％、９５体積％となるよう充填した他は、実施例１，２と同一のプロセスで作製した超音波プローブを、夫々実施例６，７とする。
【００４７】
実施例１と同様にして評価を行う。まず、実施例６について誘電率ε_Ｓ１Ｓ３を算出したところ、１つの超音波プローブが有する１００チャンネルの圧電体の平均値は３３０であり、ばらつきは８％以下と良好な値であった。また、実施例６について実施例１と同様にして超音波プローブ特性の評価を行ったところ、高感度、広帯域を有するとともにチャンネル間の感度ばらつきが７％以下と非常に小さかった。
【００４８】
また実施例７について誘電率ε_Ｓ１Ｓ３を算出したところ、１つの超音波プローブが有する１００チャンネルの圧電体の平均値は３１０であり、ばらつきは７％以下と良好な値であった。また、実施例７について実施例１と同様にして超音波プローブ特性の評価を行ったところ、高感度、広帯域を有するとともにチャンネル間の感度ばらつきが６％以下と非常に小さかった。
【００４９】
（実施例８）
圧電単結晶を実施例１と同様に形成し、このウェハを、厚さ１５０μｍに研磨して３０ｍｍ×２０ｍｍ×０．１５ｍｍの大きさの圧電体を２枚形成した後、スパッタ法によりＣｒ／Ａｕからなる電極を両面に形成した。このとき、一方の面では一つの辺の端部に電極が形成されず、この面の反対側の面ではこの辺と点対称の辺の端部に電極が形成されないようにする。このような電極のパターニングは、圧電体にマスクを施してから電極を形成しても良いし、圧電体の両面全体に電極を形成してからダイシングによって電極の一部を削り取っても良い。そして、この２つの圧電体を電極が同じ形で重なるようにエポキシ系接着剤で接着した。エポキシ系接着剤で接着することにより、電極間は電気的に接続され、また電極を形成しない辺の端部はエポキシ系接着剤で充填され、対向する側面に交互に電極が出ている構成となった。そして、交互に電極が出ている２つの側面にも電極を形成することにより、圧電体に挟まれた電極とこれに接続する側面の電極からなる第３の電極と、圧電体を挟む２つの電極とこれらに接続する側面の電極からなる第４の電極とが出来た。そして、第３の電極と第４の電極との間に１ｋＶ／ｍｍの電界を印加して分極処理を施したところ、この圧電素子の音響インピーダンスは２２Ｍｒａｙｌｓであった。
【００５０】
この後、実施例２と同様にして超音波プローブを作製した。実施例１と同様にして誘電率ε_Ｓ１Ｓ３を算出したところ、１つの超音波プローブが有する１００チャンネルの圧電体の平均値は１０００であり、ばらつきは６％以下と良好な値であった。また、実施例１と同様にして超音波プローブ特性の評価を行ったところ、高感度、広帯域を有するとともにチャンネル間の感度ばらつきが５％以下と非常に小さかった。
【００５１】
（比較例１）
音響整合層の作製方法を以下の方法とする他は実施例１と同様にして超音波プローブを作製した。
【００５２】
圧電素子の第１の電極側に、Ｃｒ／Ａｕ電極をスパッタ法で全面に形成し、音響インピーダンスが７Ｍｒａｙｌｓであり、エポキシ系樹脂とアルミナとの混合物からなる第１の音響整合層をエポキシ接着剤で接着する。次に、第１の音響整合層上には、音響インピーダンスが３Ｍｒａｙｌｓであり、Ｃｒ／Ａｕ電極をスパッタ法で全面に形成することで導電性を付加したエポキシ系樹脂からなる第２の音響整合層をエポキシ接着剤で接着する。
【００５３】
実施例１と同様にして誘電率ε_Ｓ１Ｓ３を算出したところ、１００チャンネルの圧電体の平均値は３６０であり、ばらつきは２５％以上と大きかった。これは、第１の音響整合層の音響インピーダンスの値が圧電体の音響インピーダンスの値の４０％未満であり、かつ有機物からなる第１の音響整合層を用いていることから、長さ方向の振動を抑えることが出来ず、圧電体の誘電率のばらつきが大きくなっているものと考えられる。また、実施例１と同様にして超音波プローブ特性の評価を行ったところ、高感度、広帯域を有するチャンネルは所々に見られるものの、チャンネル間の感度ばらつきが２０％以上と非常に大きかった。このようなチャンネル間の感度ばらつきは診断装置に表示される断層像の画質に悪影響を与えた。
【００５４】
（比較例２）
第１の音響整合層として、音響インピーダンスが９Ｍｒａｙｌｓの、エポキシ系樹脂とタングステン粉末との混合物を用いる他は実施例１と同様にして超音波プローブを作製した。実施例１と同様にして誘電率ε_Ｓ１Ｓ３を算出したところ、１つの超音波プローブが有する１００チャンネルの圧電体の平均値は３４０であり、ばらつきは２０％以上と大きかった。これは、第１の音響整合層として、音響インピーダンスの値を圧電体の音響インピーダンスの値の４０％以上としているものの、有機物を用いていることから、有機物が伸縮性を有するために長さ方向の振動を抑えることが出来ず、圧電体の誘電率のばらつきが大きくなっているものと考えられる。また、実施例１と同様にしてプローブ特性の評価を行ったところ、比較的良好な感度、帯域を示すチャンネルは所々に見られるものの、チャンネル間の感度ばらつきが１５％以上と非常に大きかった。このようなチャンネル間の感度ばらつきは診断装置に表示される断層像の画質に悪影響を与えた。
【００５５】
（比較例３）
第１の音響整合層として、音響インピーダンスが２０Ｍｒａｙｌｓのメタニオブ酸鉛ＰｂＮｂ_２Ｏ_６を用い、第２の音響整合層として、音響インピーダンスが７Ｍｒａｙｌｓであり、スパッタでＣｒ／Ａｕからなる電極を塗布した、アルミナとエポキシ系樹脂の混合物を用いる他は実施例２と同様にして超音波プローブを作製した。実施例１と同様にして誘電率ε_Ｓ１Ｓ３を算出したところ、１つの超音波プローブが有する１００チャンネルの圧電体の平均値は３００であり、ばらつきは５％以下と良好な値であった。しかしながら、実施例１と同様にして超音波プローブ特性の評価を行ったところ、音響インピーダンスが大きすぎて人体などの対象物と圧電体との音響マッチングが不十分であるために、得られた超音波プローブの周波数スペクトラムが揃わず、低感度、狭帯域特性を示した。診断装置に表示される断層像は、著しく劣った。
【００５６】
以上に示すように、各実施例では、高感度で広帯域であり、感度のばらつきの小さい超音波プローブが得られるのに比べ、各比較例では、感度のばらつきの大きな、若しくは音響マッチングの不十分な超音波プローブとなってしまっている。
【００５７】
特に、各実施例の中でも、音響整合層を３層以上とすることにより、より感度のばらつきの小さい超音波プローブを得られることが分かる。また、第１の音響整合層の音響インピーダンスの値を、圧電体の音響インピーダンスの値の４０％以上８５％以下とした中では、第１の音響整合層の音響インピーダンスが低いほど圧電体の誘電率を大きくすることが出来、高いほどチャンネル間の感度のばらつきを低減することが出来る。さらに、積層体間の樹脂などによる充填率を５体積％以下とすることにより圧電体の誘電率を大きくすることが出来、充填率を３体積％以下とすることによりその効果はさらに高まる。また、圧電素子として圧電体を複数含み、圧電体と電極とを複数積層した構造とすることにより、チャンネル間の感度のばらつきが低減できるのみならず、圧電体の誘電率を著しく上昇させることが可能となる。
【００５８】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、感度のばらつきの小さい超音波プローブを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る超音波プローブを説明する斜視図である。
【図２】圧電体の振動方向を説明する斜視図である。
【図３】本発明の実施形態に係る超音波プローブを説明する断面図である。
【図４】フレキシブル印刷配線板の構造を示す説明図である。
【図５】圧電体と電極とを交互に複数積層して構成した圧電素子を説明する斜視図である。
【符号の説明】
１…圧電体
２…音響バッキング材
３ａ…第１の音響整合層
３ｂ…第２の音響整合層
３ｃ…第３の音響整合層
３…音響整合層
４…第２の電極
５…第１の電極
６ａ…導電層
６ｂ…絶縁層
６…フレキシブル印刷配線板
７ａ…導電層
７ｂ…絶縁層
７…アース板
８…音響レンズ
１１…第３の電極
１２…第４の電極

Claims

音響バッキング材と、
前記音響バッキング材上に設けられ、圧電単結晶により形成される圧電体と、前記圧電体が前記音響バッキング材と対向する第１の面及びこの第１の面とは反対側の面である第２の面に夫々設けられる一対の電極とを有する圧電素子と、
前記圧電素子の前記第２の面上に設けられ、音響インピーダンスが前記圧電体の音響インピーダンスの４０％以上８５％以下である固体無機物からなる第１の音響整合層と、
前記第１の音響整合層上に設けられ、音響インピーダンスが前記第１の音響整合層よりも小さい第２の音響整合層とを具備し、
前記圧電素子及び前記第１の音響整合層及び前記第２の音響整合層を含む複数の積層体が、前記音響バッキング材上に一次元若しくは二次元のアレイ状に配列されていることを特徴とする超音波プローブ。
前記音響バッキング材と前記圧電素子との間に、フレキシブル印刷配線板を具備することを特徴とする請求項１記載の超音波プローブ。
前記圧電単結晶が、Ｐｂ（Ｂ１，Ｂ２）_１−ｘＴｉ_ｘＯ_３（ただし、ｘの値は０．０４≦ｘ≦０．５５であり、Ｂ１はＺｎ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｓｃ、Ｉｎ及びＹｂよりなる群から選ばれる少なくとも一種であり、Ｂ２はＮｂ及びＴａよりなる群から選ばれる少なくとも一種である）で表される組成からなることを特徴とする請求項１もしくは２記載の超音波プローブ。
前記第１の音響整合層がＳｉＯ_２、ＭｇＯ及びＡｌ_２Ｏ_３を含むセラミックスと、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３及びＺｒＯ_２を含むセラミックスと、カルシウムシリケート及びリチウムアルミノシリケートを含むセラミックスと、フッ素金雲母セラミックスと、六方晶窒化ホウ素セラミックスとからなる群より選ばれる少なくとも一種のセラミックスを含むことを特徴とする請求項１もしくは２記載の超音波プローブ。
アレイ状に配列された前記積層体間の空隙部分は、充填率が５体積％以下であることを特徴とする請求項１もしくは２記載の超音波プローブ。
前記圧電素子は前記圧電体を複数層有し、前記圧電体間には電極を有してこれらが交互に積層される構成からなることを特徴とする請求項１もしくは２記載の超音波プローブ。