JP2004140762A - 二次元アレイ超音波探触子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】各圧電振動子片の超音波送受信特性が高度な均質性を有する二次元アレイ超音波探触子を製造するための方法を提供する。
【解決手段】下記の工程からなる二次元アレイ超音波探触子の製造方法：
（１）上下に電極を備えた板状圧電体からなる圧電振動子の上側電極の表面に音響整合層を形成する工程；
（２）圧電振動子の下側電極の表面に対して、その二次元方向に、下側電極の表面から上側電極に向かって、板状圧電体の厚さの８０〜９５％の深さにまで延びる切り込みを入れて、下側電極と板状圧電体を複数個の細分化された下側電極片と板状圧電振動子片に分割する工程；
（３）別に用意した、圧電振動子の下側電極片のぞれぞれに対応する電極端子と、該電極端子のそれぞれに接続する電気配線とを有する配線基板の電極端子を、圧電振動子の下側電極片のそれぞれにリード線を介して電気的に接続する工程：そして、
（４）圧電振動子の下側電極片の表面に、硬化性樹脂材料を硬化させることにより吸音層を形成する工程。
【選択図】 図９
【解決手段】下記の工程からなる二次元アレイ超音波探触子の製造方法：
（１）上下に電極を備えた板状圧電体からなる圧電振動子の上側電極の表面に音響整合層を形成する工程；
（２）圧電振動子の下側電極の表面に対して、その二次元方向に、下側電極の表面から上側電極に向かって、板状圧電体の厚さの８０〜９５％の深さにまで延びる切り込みを入れて、下側電極と板状圧電体を複数個の細分化された下側電極片と板状圧電振動子片に分割する工程；
（３）別に用意した、圧電振動子の下側電極片のぞれぞれに対応する電極端子と、該電極端子のそれぞれに接続する電気配線とを有する配線基板の電極端子を、圧電振動子の下側電極片のそれぞれにリード線を介して電気的に接続する工程：そして、
（４）圧電振動子の下側電極片の表面に、硬化性樹脂材料を硬化させることにより吸音層を形成する工程。
【選択図】 図９
Description
【０００１】
本発明は、二次元アレイ超音波探触子の製造方法に関する。
【発明の属する技術分野】
【０００２】
【従来の技術】
医療用超音波診断装置に用いる超音波探触子として、上下に電極を備えた板状圧電体からなる圧電振動子を二次元方向に分割して、複数個の圧電振動子片とした構成の二次元アレイ超音波探触子が知られている。この二次元アレイ超音波探触子は、圧電振動子を一次元方向に分割した構成の一次元アレイ超音波探触子と比べて、立体的な超音波画像を容易に得ることができる、あるいは超音波ビームのフォーカスを電子的に調整できるなどの特徴がある。なお、超音波ビームのフォーカスを電子的に調整することを目的とする二次元アレイ超音波探触子を、特に１．５次元（１．５Ｄ）アレイ超音波探触子ということもあるが、本明細書では、圧電振動子を二次元方向に分割した構成のアレイ超音波探触子は全て、二次元アレイ超音波探触子という。
【０００３】
二次元アレイ超音波探触子では、各圧電振動子片の上下電極を電気的に外部に接続しなければならない。この電極を外部に接続する方法としては、次に述べるような方法が知られている。
【０００４】
特許文献１には、二次元状に配列された電極孔（スルーホール）と、その電極孔に接続する導通路を一方の表面に有する配線基板を用いて、圧電振動子片の下側電極を外部に接続することが開示されている。この特許文献１では、配線基板の導通路側の反対側の面に圧電振動子の下側電極を固着し、次いで圧電振動子の上側電極から配線基板に達するまで切り込みを入れて、圧電振動子を複数個の圧電振動子片に分割した後、圧電振動子片の下側電極を電極孔により導通路側の面に導出して圧電振動子片の下側電極を外部に接続している。なお、一方の圧電振動子片の上側電極は、その上に形成された共通電極を介して外部に接続できるようにしている。
【０００５】
特許文献２の図１には、スルーホールが設けられているリジッド部と、引き出し配線パータンを有するフレキシブル部とからなる配線基板を用いて、圧電振動子片の下側電極（第１の電極）を外部に接続した二次元アレイ超音波探触子が開示されている。この図に開示された二次元アレイ超音波探触子でも、圧電振動子片の上側電極（第２の電極）の上に共通電極が形成されている。
【０００６】
上記特許文献２の図４及び図５にはさらに、圧電振動子片と配線基板との間に、柱状導電体を配列した異方性導電層を設けて、圧電振動子片の下側電極と配線基板を接続した二次元アレイ超音波探触子が開示されている。これらの図に開示された二次元アレイ超音波探触子では、圧電振動子片の上側電極は共通電極となっているように見えるが、明細書の記載を考慮すると、共通電極は圧電振動子片の上側電極の上に形成されていると考えられる。
【０００７】
上記特許文献２の図７には、圧電振動子片の下側電極を、その圧電振動子片の配列数が少ない方向の両端に設けられた引き出し用パッドを介して外部に接続した二次元アレイ超音波探触子が開示されている。この図に開示された二次元アレイ超音波探触子でも、圧電振動子片の上側電極は共通電極となっているように見えるが、明細書の記載を考慮すると、共通電極は圧電振動子片の上側電極の上に形成されていると考えられる。
【０００８】
【特許文献１】
特許第２９４８６１０号公報
【特許文献２】
特許第３２８８８１５号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
二次元アレイ超音波探触子では、各圧電振動子片の超音波送受信特性がそれぞれ互いに高度な均質性を示すことが望ましい。しかしながら、これまでに知られている二次元アレイ超音波探触子のように、圧電振動子片の上側電極の上に共通電極を形成すると、その共通電極の厚さが不均一になりやすく、超音波送受信特性の均質性の低下をもたらすことがある。従って、本発明の課題は、各圧電振動子片の超音波送受信特性が高度な均質性を有する二次元アレイ超音波探触子の製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、下記の工程からなる二次元アレイ超音波探触子の製造方法にある。
（１）上下に電極を備えた板状圧電体からなる圧電振動子の上側電極の表面に音響整合層を形成する工程。
（２）圧電振動子の下側電極の表面に対して、その二次元方向に、下側電極の表面から上側電極に向かって、板状圧電体の厚さの８０〜９５％の深さにまで延びる切り込みを入れて、下側電極と板状圧電体を複数個の細分化された下側電極片と板状圧電振動子片に分割する工程。
（３）別に用意した、圧電振動子の下側電極片に対応する電極端子と、該電極端子に接続する電気配線とを有する配線基板の電極端子を、圧電振動子の下側電極片のそれぞれにリード線を介して電気的に接続する工程。
（４）圧電振動子の下側電極片の表面に、硬化性樹脂材料を硬化させることにより吸音層を形成する工程。
【００１１】
本発明の二次元アレイ超音波探触子の製造方法の好ましい態様を下記に示す。
（１）圧電振動子の切り込みに樹脂材料を充填する工程を含む。
（２）音響整合層の圧電振動子側とは反対側の表面から圧電振動子の手前まで、圧電振動子に形成されている切り込みに対応する位置にて切り込みを入れ、その切り込みに樹脂を充填する工程を含む。
【００１２】
本発明はまた、上下に電極を備えた板状圧電体からなり、下側電極の表面の対して、その二次元方向に形成された、下側電極からの表面から上側電極に向かって、板状圧電体の厚さの８０〜９５％の深さにまで延びる切り込みにより、下側電極と板状圧電体が複数個の細分化された下側電極片と板状圧電体片とに分割されている圧電振動子、圧電振動子の下側電極片のそれぞれにリード線を介して電気的に接続する電極端子と該電極端子のそれぞれに接続する電気配線とを有する配線基板、圧電振動子の下側電極片の表面に形成された吸音層、そして圧電振動子の上側電極の表面に上に形成された音響整合層からなる二次元アレイ超音波探触子にもある。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の二次元アレイ超音波探触子の製造方法について、添付図面を参照しながら説明する。
【００１４】
先ず初めに、図１に示すように、上下に電極１、２を備えた板状圧電体３からなる圧電振動子４の上側電極１の表面に、第一音響整合層５と第二音響整合層６とからなる音響整合層７を形成する。図１に示す例では、圧電振動子４の上側電極１を外部に取り出すためのスペースを確保するために、音響整合層７のサイズが、圧電振動子４のサイズよりも大きくなっているが、音響整合層７のサイズには特に制限はなく、圧電振動子４のサイズと同一であってもよい。
【００１５】
本発明において、圧電振動子４及び音響整合層７の材料には特に制限はなく、通常の超音波探触子に用いられている各種の材料を用いることができる。圧電振動子４の上下の電極１、２の材料の例としては、金、及び銀などの金属を挙げることができる。板状圧電体３の材料の例としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電セラミックスを挙げることができる。音響整合層７の材料の例としては、エポキシ樹脂、及びウレタン樹脂などの樹脂材料を挙げることができる。なお、音響整合層７は、必ずしも二層である必要はなく、一層であってもよいし、三層以上であってもよい。
【００１６】
音響整合層７の形成方法としては、上側電極１の上に未硬化の硬化性樹脂材料を流し込んだ後、硬化させる方法、あるいはシート状に形成した樹脂材料シートをあらかじめ用意して、これを上側電極１の上に接着剤（例：エポキシ樹脂系接着剤）にて貼り付ける方法などの公知の方法を採用することができる。
【００１７】
次に、図２（ａ）に示すように、圧電振動子４の上下を反対にし、圧電振動子４を、超音波を送受信させるための音響整合層が形成されている部分（超音波送受信部分）４ａと、上側電極を外部に接続し易くするスペースを確保するための音響整合層が形成されていない部分（上側電極接続部分）４ｂとに分けるために、下側電極２の表面から上側電極１に向かって、音響整合層７のサイズに対応する切り込み８ａを入れる。なお、切り込み８ａを入れる変わりに、上側電極接続部分４ｂの下側電極を削り取ってもよい。
【００１８】
続いて、図２（ｂ）に示すように、圧電振動子４の下側電極２の表面に対して、その二次元方向（図２（ｂ）においてＸ方向とＹ方向）に、下側電極２の表面から上側電極１に向かって切り込み８ｂを入れて、下側電極２と板状圧電体３を複数個の細分化された下側電極片２ａと板状圧電体片３ａに分割する。すなわち、切り込み８ｂを入れて、圧電振動子４の超音波送受信部分４ａを複数個の圧電振動子片４ａ’に、上側電極接続部分４ｂを複数個の上側電極接続部片４ｂ’に分割する。なお、図２（ｂ）においては、超音波送受信部分４ａは、Ｘ方向とＹ方向のそれぞれに５個の圧電振動子片４ａ’に分割されているが、圧電振動子片への分割数には特に制限はない。
【００１９】
圧電振動子４に入れる切り込み８ａ、８ｂは、ダイシングソーなどの公知の切断装置を用いて形成することができる。切り込み８ａを形成する際には、その深さが圧電振動子４の板状圧電体３の厚さの９５％を超えないように設定することが好ましい。板状圧電体の厚さを９５％を超えるように設定すると、誤って上側電極１まで切断することがある。切り込み８ｂを形成する際には、切り込み８ａと同様に、その深さが圧電振動子４の板状圧電体３の厚さの９５％以下で、かつ板状圧電体３の厚さの８０％以上となるように設定する。切り込み８ｂの深さが板状圧電体の厚さの８０％未満となると、圧電振動子片同士のクロストークが起こり易くなる。
【００２０】
次に、図３に示すように、圧電振動子片同士のクロストークをさらに低減するために、切り込み８ａ、８ｂに樹脂９を充填する。樹脂９としては、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、及びシリコーン樹脂を用いることができる。
【００２１】
次に、図４に示すように、別に用意した、圧電振動子４の下側電極片２ａに対応する電極端子１０と、その電極端子１０に接続する電気配線１１とを有する配線基板１２の電極端子１０を、圧電振動子４の下側電極片２ａのそれぞれにリード線１３を介して電気的に接続する。
【００２２】
リード線１３の材料には、アルミニウムもしくは金を用いることができる。特に、金が好ましい。リード線１３の形成方法としては、ワイヤボンディング法を用いることができる。
【００２３】
配線基板１２には、フレキシブルプリント配線基板などの通常の超音波探触子に用いられる配線基板と同じものを用いることができる。
【００２４】
圧電振動子の下側電極片２ａと配線基板１２との接続パターンは、二次元アレイ超音波探触子の使用目的に応じて適宜設置することができる。以下、添付図面の図５〜図７を用いて、圧電振動子の下側電極片と配線基板との接続パターンについて説明する。
【００２５】
図５は、圧電振動子の下側電極片と配線基板とをリード線にて接続した状態を圧電振動子を下側電極側から見た一例の平面図である。図５において、配線基板は、二個の電極端子１０ａ、１０ｂを有する電極基板１２ａと、三個の電極端子１０ｃ、１０ｄ、１０ｅを有する配線基板１２ｂとからなる。圧電振動子４の５個の下側電極片のうち、下側電極片２ａ１はリード線１３ａにより電極端子１０ａに接続し、下側電極片２ａ２はリード線１３ｂにより電極端子１０ｂに接続し、下側電極片２ａ３はリード線１３ｅにより電極端子１０ｅ接続し、下側電極片２ａ５はリード線１３ｄにより電極端子１０ｄに接続している。この接続パターンを有する二次元アレイ超音波探触子では、各下側電極２ａ１、２ａ２、２ａ３、２ａ４、２ａ５にそれぞれ独立して電気エネルギーを供給することができる。従って、この接続パターンは、主に立体的な超音波画像を得ることを目的とする二次元アレイ超音波探触子に用いられる。
【００２６】
図６は、圧電振動子の下側電極片と配線基板とをリード線にて接続した状態を圧電振動子を下側電極側から見た別の一例の平面図である。図６において、配線基板は、二個の電極端子１０ａ、１０ｂを有する電極基板１２ａと、同じく二個の電極端子１０ｃ、１０ｄを有する配線基板１２ｂとからなる。圧電振動子４の５個の下側電極片のうち、下側電極片２ａ１はリード線１３ａにより電極端子１０ａに接続し、下側電極片２ａ２はリード線１３ｂにより電極端子１０ｂに接続し、下側電極片２ａ３はリード線１３ｃにより電極端子１０ｃ接続し、下側電極片２ａ５はリード線１３ｄにより下側電極片２ａ２に接続してリード線１３ｂにより電極端子１０ｂに接続し、下側電極片２ａ５はリード線１３ｅにより電極端子１０ｅに接続している。この接続パターンを有する二次元アレイ超音波探触子では、下側電極片２ａ２と下側電極片２ａ４とに同時に電気エネルギーを供給することができる。従って、この接続パターンは、主に超音波ビームのフォーカスを電子的に調製することを目的とする二次元アレイ超音波探触子に用いられる。
【００２７】
図７は、圧電振動子の下側電極片と配線基板とをリード線にて接続した状態を圧電振動子を下側電極側から見たさらに別の一例の平面図である。図７において、配線基板は、二個の電極端子１０ａ、１０ｂを有する電極基板１２ａと、一個の電極端子１０ｃを有する配線基板１２ｂとからなる。圧電振動子４の５個の下側電極片のうち、下側電極片２ａ１はリード線１３ａにより電極端子１０ａに接続し、下側電極片２ａ２はリード線１３ｂにより電極端子１０ｂに接続し、下側電極片２ａ３はリード線１３ｃにより電極端子１０ｃ接続し、下側電極片２ａ４はリード線１３ｄにより電極端子１０ｄに接続して、下側電極片２ａ２とともにリード線１３ｂにより電極端子１０ｂに接続し、下側電極片２ａ５はリード線１３ｅより下側電極片２ａ２と接続してリード線１３ｂにより電極端子１０ｂに接続している。このような接続パターンを有する二次元アレイ超音波探触子は、特に超音波ビームのフォーカスを電子的に調製することを目的とする場合に有利に用いられる。この接続パターンを有する二次元アレイ超音波探触子では、下側電極片２ａ２と下側電極片２ａ４、及び下側電極片２ａ１と下側電極片２ａ５に同時に電気エネルギーを供給することができる。従って、この接続パターンは、主に超音波ビームのフォーカスを電子的に調製することを目的とする二次元アレイ超音波探触子に用いられる。
【００２８】
上記のように、圧電振動子の下側電極片に配線基板の電極端子を接続したら、図８に示すように、圧電振動子の下側電極片の表面に、未硬化の硬化性樹脂材料を硬化させることにより吸音層１４を形成し、次いで、圧電振動子４の上下を元に戻し、音響整合層７の圧電振動子４側とは反対側の表面から圧電振動子の手前まで、圧電振動子に形成されている切り込み８ｂに対応する位置にて切り込み１５を入れ、その切り込み１５に樹脂１６を充填する。
【００２９】
吸音層形成用の硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂を用いることができる。
【００３０】
音響整合層７の切り込み１５は、前記圧電振動子の切り込み８ｂと同様に、音響整合層７の厚さの８０〜９５％の深さとすることが好ましい。
【００３１】
上記のようにして製造された二次元アレイ超音波探触子の一例の切り欠き斜視図を図９に示す。図９において、二次元アレイ超音波探触子は、上下に電極１、２を備えた板状圧電体３からなり、下側電極２の表面の対して、その二次元方向に形成された、下側電極２からの表面から上側電極１に向かって、板状圧電体３の厚さの８０〜９５％の深さにまで延びる切り込み８ａ、８ｂにより、下側電極２と板状圧電体３が複数個の細分化された下側電極片２ａと板状圧電体片３ａとに分割されている（すなわち、圧電振動子４が、複数個の圧電振動子片４ａ’と上側電極接続部片４ｂ’に分割されている）圧電振動子４、圧電振動子４の下側電極片２ａのそれぞれにリード線１３を介して電気的に接続する電極端子１０と該電極端子のそれぞれに接続する電気配線１１とを有する配線基板１２、圧電振動子の下側電極片２ａの表面に形成された吸音層１４、そして圧電振動子の上側電極１の表面上に形成された第一音響整合層５と第二音響整合層６とからなる音響整合層７から構成されている。
【００３２】
切り込み８ａ、８ｂには、圧電振動子片同士のクロストークを低減するために、樹脂９が充填されている。さらに、音響整合層７には、切り込み１５が形成され、その切り込み１５にも樹脂１６が充填されている。
【００３３】
【発明の効果】
本発明の二次元アレイ超音波探触子の製造方法では、圧電振動子の上側電極を切断しないので、圧電振動子片の上側電極に共通電極を形成する必要がない。従って、本発明の方法により製造された二次元アレイ超音波探触子は、各圧電振動子片の超音波送受信特性が高度な均質性を有する。また、本発明の製造方法では、従来の製造方法では必要であった共通電極を形成する工程を省略できるので、二次元アレイ超音波探触子の生産性も高くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の二次元アレイ超音波探触子の製造方法に従い、上側電極の表面に音響整合層を形成した圧電振動子の一例の断面図である。
【図２】本発明の二次元アレイ超音波探触子の製造方法に従い、図１の圧電振動子に切り込みを入れた状態を示す圧電振動子の斜視図である。
【図３】本発明の二次元アレイ超音波探触子の製造方法に従い、図２の圧電振動子の切り込みに樹脂を充填した状態を示す圧電振動子の断面図である。
【図４】本発明の二次元アレイ超音波探触子の製造方法に従い、図３の圧電振動子の下側電極片と配線基板とをリード線にて接続した状態を示す圧電振動子の断面図である。
【図５】本発明の二次元アレイ超音波探触子の製造方法に従い、圧電振動子の下側電極片と配線基板とをリード線にて接続した状態を圧電振動子を下側電極側から見た一例の平面図である。
【図６】本発明の二次元アレイ超音波探触子の製造方法に従い、圧電振動子の下側電極片と配線基板とをリード線にて接続した状態を圧電振動子を下側電極側から見た別の一例の平面図である。
【図７】本発明の二次元アレイ超音波探触子の製造方法に従い、配線基板と圧電振動子の下側電極片とをリード線にて接続した状態を圧電振動子を下側電極側から見たさらに別の一例の平面図である。
【図８】本発明の二次元アレイ超音波探触子の製造方法に従い、図４の圧電振動子の下側電極片の表面に吸音層を形成し、音響整合層に切り込みを入れ、その切り込みを樹脂を充填した状態を示す圧電振動子の断面図である。
【図９】本発明の二次元アレイ超音波探触子の製造方法に従って製造された二次元アレイ超音波探触子の一例の切り欠き斜視図である。
【符号の説明】
１ 上側電極
２ 下側電極
２ａ、２ａ１、２ａ２、２ａ３、２ａ４、２ａ５ 下側電極片
３ 板状圧電体
３ａ 板状圧電体片
４ 圧電振動子
４ａ 超音波送受信部分
４ａ’ 圧電振動子片
４ｂ 上側電極接続部分
４ｂ’ 上側電極接続部片
５ 第一音響整合層
６ 第二音響整合層
７ 響整合層
８ａ、８ｂ 切り込み
９ 樹脂
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ 電極端子
１１ 電気配線
１２ 配線基板
１３、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ リード線
１４ 吸音層
１５ 切り込み
１６ 樹脂
本発明は、二次元アレイ超音波探触子の製造方法に関する。
【発明の属する技術分野】
【０００２】
【従来の技術】
医療用超音波診断装置に用いる超音波探触子として、上下に電極を備えた板状圧電体からなる圧電振動子を二次元方向に分割して、複数個の圧電振動子片とした構成の二次元アレイ超音波探触子が知られている。この二次元アレイ超音波探触子は、圧電振動子を一次元方向に分割した構成の一次元アレイ超音波探触子と比べて、立体的な超音波画像を容易に得ることができる、あるいは超音波ビームのフォーカスを電子的に調整できるなどの特徴がある。なお、超音波ビームのフォーカスを電子的に調整することを目的とする二次元アレイ超音波探触子を、特に１．５次元（１．５Ｄ）アレイ超音波探触子ということもあるが、本明細書では、圧電振動子を二次元方向に分割した構成のアレイ超音波探触子は全て、二次元アレイ超音波探触子という。
【０００３】
二次元アレイ超音波探触子では、各圧電振動子片の上下電極を電気的に外部に接続しなければならない。この電極を外部に接続する方法としては、次に述べるような方法が知られている。
【０００４】
特許文献１には、二次元状に配列された電極孔（スルーホール）と、その電極孔に接続する導通路を一方の表面に有する配線基板を用いて、圧電振動子片の下側電極を外部に接続することが開示されている。この特許文献１では、配線基板の導通路側の反対側の面に圧電振動子の下側電極を固着し、次いで圧電振動子の上側電極から配線基板に達するまで切り込みを入れて、圧電振動子を複数個の圧電振動子片に分割した後、圧電振動子片の下側電極を電極孔により導通路側の面に導出して圧電振動子片の下側電極を外部に接続している。なお、一方の圧電振動子片の上側電極は、その上に形成された共通電極を介して外部に接続できるようにしている。
【０００５】
特許文献２の図１には、スルーホールが設けられているリジッド部と、引き出し配線パータンを有するフレキシブル部とからなる配線基板を用いて、圧電振動子片の下側電極（第１の電極）を外部に接続した二次元アレイ超音波探触子が開示されている。この図に開示された二次元アレイ超音波探触子でも、圧電振動子片の上側電極（第２の電極）の上に共通電極が形成されている。
【０００６】
上記特許文献２の図４及び図５にはさらに、圧電振動子片と配線基板との間に、柱状導電体を配列した異方性導電層を設けて、圧電振動子片の下側電極と配線基板を接続した二次元アレイ超音波探触子が開示されている。これらの図に開示された二次元アレイ超音波探触子では、圧電振動子片の上側電極は共通電極となっているように見えるが、明細書の記載を考慮すると、共通電極は圧電振動子片の上側電極の上に形成されていると考えられる。
【０００７】
上記特許文献２の図７には、圧電振動子片の下側電極を、その圧電振動子片の配列数が少ない方向の両端に設けられた引き出し用パッドを介して外部に接続した二次元アレイ超音波探触子が開示されている。この図に開示された二次元アレイ超音波探触子でも、圧電振動子片の上側電極は共通電極となっているように見えるが、明細書の記載を考慮すると、共通電極は圧電振動子片の上側電極の上に形成されていると考えられる。
【０００８】
【特許文献１】
特許第２９４８６１０号公報
【特許文献２】
特許第３２８８８１５号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
二次元アレイ超音波探触子では、各圧電振動子片の超音波送受信特性がそれぞれ互いに高度な均質性を示すことが望ましい。しかしながら、これまでに知られている二次元アレイ超音波探触子のように、圧電振動子片の上側電極の上に共通電極を形成すると、その共通電極の厚さが不均一になりやすく、超音波送受信特性の均質性の低下をもたらすことがある。従って、本発明の課題は、各圧電振動子片の超音波送受信特性が高度な均質性を有する二次元アレイ超音波探触子の製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、下記の工程からなる二次元アレイ超音波探触子の製造方法にある。
（１）上下に電極を備えた板状圧電体からなる圧電振動子の上側電極の表面に音響整合層を形成する工程。
（２）圧電振動子の下側電極の表面に対して、その二次元方向に、下側電極の表面から上側電極に向かって、板状圧電体の厚さの８０〜９５％の深さにまで延びる切り込みを入れて、下側電極と板状圧電体を複数個の細分化された下側電極片と板状圧電振動子片に分割する工程。
（３）別に用意した、圧電振動子の下側電極片に対応する電極端子と、該電極端子に接続する電気配線とを有する配線基板の電極端子を、圧電振動子の下側電極片のそれぞれにリード線を介して電気的に接続する工程。
（４）圧電振動子の下側電極片の表面に、硬化性樹脂材料を硬化させることにより吸音層を形成する工程。
【００１１】
本発明の二次元アレイ超音波探触子の製造方法の好ましい態様を下記に示す。
（１）圧電振動子の切り込みに樹脂材料を充填する工程を含む。
（２）音響整合層の圧電振動子側とは反対側の表面から圧電振動子の手前まで、圧電振動子に形成されている切り込みに対応する位置にて切り込みを入れ、その切り込みに樹脂を充填する工程を含む。
【００１２】
本発明はまた、上下に電極を備えた板状圧電体からなり、下側電極の表面の対して、その二次元方向に形成された、下側電極からの表面から上側電極に向かって、板状圧電体の厚さの８０〜９５％の深さにまで延びる切り込みにより、下側電極と板状圧電体が複数個の細分化された下側電極片と板状圧電体片とに分割されている圧電振動子、圧電振動子の下側電極片のそれぞれにリード線を介して電気的に接続する電極端子と該電極端子のそれぞれに接続する電気配線とを有する配線基板、圧電振動子の下側電極片の表面に形成された吸音層、そして圧電振動子の上側電極の表面に上に形成された音響整合層からなる二次元アレイ超音波探触子にもある。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の二次元アレイ超音波探触子の製造方法について、添付図面を参照しながら説明する。
【００１４】
先ず初めに、図１に示すように、上下に電極１、２を備えた板状圧電体３からなる圧電振動子４の上側電極１の表面に、第一音響整合層５と第二音響整合層６とからなる音響整合層７を形成する。図１に示す例では、圧電振動子４の上側電極１を外部に取り出すためのスペースを確保するために、音響整合層７のサイズが、圧電振動子４のサイズよりも大きくなっているが、音響整合層７のサイズには特に制限はなく、圧電振動子４のサイズと同一であってもよい。
【００１５】
本発明において、圧電振動子４及び音響整合層７の材料には特に制限はなく、通常の超音波探触子に用いられている各種の材料を用いることができる。圧電振動子４の上下の電極１、２の材料の例としては、金、及び銀などの金属を挙げることができる。板状圧電体３の材料の例としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電セラミックスを挙げることができる。音響整合層７の材料の例としては、エポキシ樹脂、及びウレタン樹脂などの樹脂材料を挙げることができる。なお、音響整合層７は、必ずしも二層である必要はなく、一層であってもよいし、三層以上であってもよい。
【００１６】
音響整合層７の形成方法としては、上側電極１の上に未硬化の硬化性樹脂材料を流し込んだ後、硬化させる方法、あるいはシート状に形成した樹脂材料シートをあらかじめ用意して、これを上側電極１の上に接着剤（例：エポキシ樹脂系接着剤）にて貼り付ける方法などの公知の方法を採用することができる。
【００１７】
次に、図２（ａ）に示すように、圧電振動子４の上下を反対にし、圧電振動子４を、超音波を送受信させるための音響整合層が形成されている部分（超音波送受信部分）４ａと、上側電極を外部に接続し易くするスペースを確保するための音響整合層が形成されていない部分（上側電極接続部分）４ｂとに分けるために、下側電極２の表面から上側電極１に向かって、音響整合層７のサイズに対応する切り込み８ａを入れる。なお、切り込み８ａを入れる変わりに、上側電極接続部分４ｂの下側電極を削り取ってもよい。
【００１８】
続いて、図２（ｂ）に示すように、圧電振動子４の下側電極２の表面に対して、その二次元方向（図２（ｂ）においてＸ方向とＹ方向）に、下側電極２の表面から上側電極１に向かって切り込み８ｂを入れて、下側電極２と板状圧電体３を複数個の細分化された下側電極片２ａと板状圧電体片３ａに分割する。すなわち、切り込み８ｂを入れて、圧電振動子４の超音波送受信部分４ａを複数個の圧電振動子片４ａ’に、上側電極接続部分４ｂを複数個の上側電極接続部片４ｂ’に分割する。なお、図２（ｂ）においては、超音波送受信部分４ａは、Ｘ方向とＹ方向のそれぞれに５個の圧電振動子片４ａ’に分割されているが、圧電振動子片への分割数には特に制限はない。
【００１９】
圧電振動子４に入れる切り込み８ａ、８ｂは、ダイシングソーなどの公知の切断装置を用いて形成することができる。切り込み８ａを形成する際には、その深さが圧電振動子４の板状圧電体３の厚さの９５％を超えないように設定することが好ましい。板状圧電体の厚さを９５％を超えるように設定すると、誤って上側電極１まで切断することがある。切り込み８ｂを形成する際には、切り込み８ａと同様に、その深さが圧電振動子４の板状圧電体３の厚さの９５％以下で、かつ板状圧電体３の厚さの８０％以上となるように設定する。切り込み８ｂの深さが板状圧電体の厚さの８０％未満となると、圧電振動子片同士のクロストークが起こり易くなる。
【００２０】
次に、図３に示すように、圧電振動子片同士のクロストークをさらに低減するために、切り込み８ａ、８ｂに樹脂９を充填する。樹脂９としては、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、及びシリコーン樹脂を用いることができる。
【００２１】
次に、図４に示すように、別に用意した、圧電振動子４の下側電極片２ａに対応する電極端子１０と、その電極端子１０に接続する電気配線１１とを有する配線基板１２の電極端子１０を、圧電振動子４の下側電極片２ａのそれぞれにリード線１３を介して電気的に接続する。
【００２２】
リード線１３の材料には、アルミニウムもしくは金を用いることができる。特に、金が好ましい。リード線１３の形成方法としては、ワイヤボンディング法を用いることができる。
【００２３】
配線基板１２には、フレキシブルプリント配線基板などの通常の超音波探触子に用いられる配線基板と同じものを用いることができる。
【００２４】
圧電振動子の下側電極片２ａと配線基板１２との接続パターンは、二次元アレイ超音波探触子の使用目的に応じて適宜設置することができる。以下、添付図面の図５〜図７を用いて、圧電振動子の下側電極片と配線基板との接続パターンについて説明する。
【００２５】
図５は、圧電振動子の下側電極片と配線基板とをリード線にて接続した状態を圧電振動子を下側電極側から見た一例の平面図である。図５において、配線基板は、二個の電極端子１０ａ、１０ｂを有する電極基板１２ａと、三個の電極端子１０ｃ、１０ｄ、１０ｅを有する配線基板１２ｂとからなる。圧電振動子４の５個の下側電極片のうち、下側電極片２ａ１はリード線１３ａにより電極端子１０ａに接続し、下側電極片２ａ２はリード線１３ｂにより電極端子１０ｂに接続し、下側電極片２ａ３はリード線１３ｅにより電極端子１０ｅ接続し、下側電極片２ａ５はリード線１３ｄにより電極端子１０ｄに接続している。この接続パターンを有する二次元アレイ超音波探触子では、各下側電極２ａ１、２ａ２、２ａ３、２ａ４、２ａ５にそれぞれ独立して電気エネルギーを供給することができる。従って、この接続パターンは、主に立体的な超音波画像を得ることを目的とする二次元アレイ超音波探触子に用いられる。
【００２６】
図６は、圧電振動子の下側電極片と配線基板とをリード線にて接続した状態を圧電振動子を下側電極側から見た別の一例の平面図である。図６において、配線基板は、二個の電極端子１０ａ、１０ｂを有する電極基板１２ａと、同じく二個の電極端子１０ｃ、１０ｄを有する配線基板１２ｂとからなる。圧電振動子４の５個の下側電極片のうち、下側電極片２ａ１はリード線１３ａにより電極端子１０ａに接続し、下側電極片２ａ２はリード線１３ｂにより電極端子１０ｂに接続し、下側電極片２ａ３はリード線１３ｃにより電極端子１０ｃ接続し、下側電極片２ａ５はリード線１３ｄにより下側電極片２ａ２に接続してリード線１３ｂにより電極端子１０ｂに接続し、下側電極片２ａ５はリード線１３ｅにより電極端子１０ｅに接続している。この接続パターンを有する二次元アレイ超音波探触子では、下側電極片２ａ２と下側電極片２ａ４とに同時に電気エネルギーを供給することができる。従って、この接続パターンは、主に超音波ビームのフォーカスを電子的に調製することを目的とする二次元アレイ超音波探触子に用いられる。
【００２７】
図７は、圧電振動子の下側電極片と配線基板とをリード線にて接続した状態を圧電振動子を下側電極側から見たさらに別の一例の平面図である。図７において、配線基板は、二個の電極端子１０ａ、１０ｂを有する電極基板１２ａと、一個の電極端子１０ｃを有する配線基板１２ｂとからなる。圧電振動子４の５個の下側電極片のうち、下側電極片２ａ１はリード線１３ａにより電極端子１０ａに接続し、下側電極片２ａ２はリード線１３ｂにより電極端子１０ｂに接続し、下側電極片２ａ３はリード線１３ｃにより電極端子１０ｃ接続し、下側電極片２ａ４はリード線１３ｄにより電極端子１０ｄに接続して、下側電極片２ａ２とともにリード線１３ｂにより電極端子１０ｂに接続し、下側電極片２ａ５はリード線１３ｅより下側電極片２ａ２と接続してリード線１３ｂにより電極端子１０ｂに接続している。このような接続パターンを有する二次元アレイ超音波探触子は、特に超音波ビームのフォーカスを電子的に調製することを目的とする場合に有利に用いられる。この接続パターンを有する二次元アレイ超音波探触子では、下側電極片２ａ２と下側電極片２ａ４、及び下側電極片２ａ１と下側電極片２ａ５に同時に電気エネルギーを供給することができる。従って、この接続パターンは、主に超音波ビームのフォーカスを電子的に調製することを目的とする二次元アレイ超音波探触子に用いられる。
【００２８】
上記のように、圧電振動子の下側電極片に配線基板の電極端子を接続したら、図８に示すように、圧電振動子の下側電極片の表面に、未硬化の硬化性樹脂材料を硬化させることにより吸音層１４を形成し、次いで、圧電振動子４の上下を元に戻し、音響整合層７の圧電振動子４側とは反対側の表面から圧電振動子の手前まで、圧電振動子に形成されている切り込み８ｂに対応する位置にて切り込み１５を入れ、その切り込み１５に樹脂１６を充填する。
【００２９】
吸音層形成用の硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂を用いることができる。
【００３０】
音響整合層７の切り込み１５は、前記圧電振動子の切り込み８ｂと同様に、音響整合層７の厚さの８０〜９５％の深さとすることが好ましい。
【００３１】
上記のようにして製造された二次元アレイ超音波探触子の一例の切り欠き斜視図を図９に示す。図９において、二次元アレイ超音波探触子は、上下に電極１、２を備えた板状圧電体３からなり、下側電極２の表面の対して、その二次元方向に形成された、下側電極２からの表面から上側電極１に向かって、板状圧電体３の厚さの８０〜９５％の深さにまで延びる切り込み８ａ、８ｂにより、下側電極２と板状圧電体３が複数個の細分化された下側電極片２ａと板状圧電体片３ａとに分割されている（すなわち、圧電振動子４が、複数個の圧電振動子片４ａ’と上側電極接続部片４ｂ’に分割されている）圧電振動子４、圧電振動子４の下側電極片２ａのそれぞれにリード線１３を介して電気的に接続する電極端子１０と該電極端子のそれぞれに接続する電気配線１１とを有する配線基板１２、圧電振動子の下側電極片２ａの表面に形成された吸音層１４、そして圧電振動子の上側電極１の表面上に形成された第一音響整合層５と第二音響整合層６とからなる音響整合層７から構成されている。
【００３２】
切り込み８ａ、８ｂには、圧電振動子片同士のクロストークを低減するために、樹脂９が充填されている。さらに、音響整合層７には、切り込み１５が形成され、その切り込み１５にも樹脂１６が充填されている。
【００３３】
【発明の効果】
本発明の二次元アレイ超音波探触子の製造方法では、圧電振動子の上側電極を切断しないので、圧電振動子片の上側電極に共通電極を形成する必要がない。従って、本発明の方法により製造された二次元アレイ超音波探触子は、各圧電振動子片の超音波送受信特性が高度な均質性を有する。また、本発明の製造方法では、従来の製造方法では必要であった共通電極を形成する工程を省略できるので、二次元アレイ超音波探触子の生産性も高くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の二次元アレイ超音波探触子の製造方法に従い、上側電極の表面に音響整合層を形成した圧電振動子の一例の断面図である。
【図２】本発明の二次元アレイ超音波探触子の製造方法に従い、図１の圧電振動子に切り込みを入れた状態を示す圧電振動子の斜視図である。
【図３】本発明の二次元アレイ超音波探触子の製造方法に従い、図２の圧電振動子の切り込みに樹脂を充填した状態を示す圧電振動子の断面図である。
【図４】本発明の二次元アレイ超音波探触子の製造方法に従い、図３の圧電振動子の下側電極片と配線基板とをリード線にて接続した状態を示す圧電振動子の断面図である。
【図５】本発明の二次元アレイ超音波探触子の製造方法に従い、圧電振動子の下側電極片と配線基板とをリード線にて接続した状態を圧電振動子を下側電極側から見た一例の平面図である。
【図６】本発明の二次元アレイ超音波探触子の製造方法に従い、圧電振動子の下側電極片と配線基板とをリード線にて接続した状態を圧電振動子を下側電極側から見た別の一例の平面図である。
【図７】本発明の二次元アレイ超音波探触子の製造方法に従い、配線基板と圧電振動子の下側電極片とをリード線にて接続した状態を圧電振動子を下側電極側から見たさらに別の一例の平面図である。
【図８】本発明の二次元アレイ超音波探触子の製造方法に従い、図４の圧電振動子の下側電極片の表面に吸音層を形成し、音響整合層に切り込みを入れ、その切り込みを樹脂を充填した状態を示す圧電振動子の断面図である。
【図９】本発明の二次元アレイ超音波探触子の製造方法に従って製造された二次元アレイ超音波探触子の一例の切り欠き斜視図である。
【符号の説明】
１ 上側電極
２ 下側電極
２ａ、２ａ１、２ａ２、２ａ３、２ａ４、２ａ５ 下側電極片
３ 板状圧電体
３ａ 板状圧電体片
４ 圧電振動子
４ａ 超音波送受信部分
４ａ’ 圧電振動子片
４ｂ 上側電極接続部分
４ｂ’ 上側電極接続部片
５ 第一音響整合層
６ 第二音響整合層
７ 響整合層
８ａ、８ｂ 切り込み
９ 樹脂
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ 電極端子
１１ 電気配線
１２ 配線基板
１３、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ リード線
１４ 吸音層
１５ 切り込み
１６ 樹脂
Claims (4)
- 下記の工程からなる二次元アレイ超音波探触子の製造方法：
（１）上下に電極を備えた板状圧電体からなる圧電振動子の上側電極の表面に音響整合層を形成する工程；
（２）圧電振動子の下側電極の表面に対して、その二次元方向に、下側電極の表面から上側電極に向かって、板状圧電体の厚さの８０〜９５％の深さにまで延びる切り込みを入れて、下側電極と板状圧電体を複数個の細分化された下側電極片と板状圧電振動子片に分割する工程；
（３）別に用意した、圧電振動子の下側電極片に対応する電極端子と、該電極端子に接続する電気配線とを有する配線基板の電極端子を、圧電振動子の下側電極片のそれぞれにリード線を介して電気的に接続する工程：そして、
（４）圧電振動子の下側電極片の表面に、硬化性樹脂材料を硬化させることにより吸音層を形成する工程。 - 圧電振動子の切り込みに樹脂材料を充填する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の二次元アレイ超音波探触子の製造方法。
- 音響整合層の圧電振動子側とは反対側の表面から圧電振動子の手前まで、圧電振動子に形成されている切り込みに対応する位置にて切り込みを入れ、その切り込みに樹脂を充填する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の二次元アレイ超音波探触子の製造方法。
- 上下に電極を備えた板状圧電体からなり、下側電極の表面の対して、その二次元方向に形成された、下側電極からの表面から上側電極に向かって、板状圧電体の厚さの８０〜９５％の深さにまで延びる切り込みにより、下側電極と板状圧電体が複数個の細分化された下側電極片と板状圧電体片とに分割されている圧電振動子、圧電振動子の下側電極片のそれぞれにリード線を介して電気的に接続する電極端子と該電極端子のそれぞれに接続する電気配線とを有する配線基板、圧電振動子の下側電極片の表面に形成された吸音層、そして圧電振動子の上側電極の表面に上に形成された音響整合層からなる二次元アレイ超音波探触子。
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