JP2005110116A - 超音波トランスデューサアレイ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 振動周波数を広帯域化した超音波トランスデューサアレイ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 この超音波トランスデューサアレイは、各々が、互いに向かい合う第１の面１０ａ及び第２の面１０ｂに第１の電極１２及び第２の電極１４がそれぞれ形成された圧電材料層１３を含む複数の超音波トランスデューサであって、第１の面１０ａに対して第２の面１０ｂが傾斜を有する複数の超音波トランスデューサ１０と、該複数の超音波トランスデューサの間に配置された充填材１１とを含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、医療用や非破壊検査用の超音波撮像装置において用いられる超音波トランスデューサアレイ及びその製造方法に関する。

従来より、超音波の送信や受信に用いられる素子として、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Pb(lead) zirconate titanate）に代表される圧電セラミックや、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン：polyvinyliden difluoride）に代表される高分子圧電材料を含む圧電素子が一般的に用いられてきた。このような圧電素子に電極を形成した振動子に、電極を介して電圧を印加すると、圧電効果により圧電素子が伸縮して超音波が発生する。そこで、このような複数の振動子を１次元又は２次元に配列し、それぞれの振動子に所定の遅延を与えて駆動することにより、所望の方向に送信される超音波ビームを形成することができる。

ところで、超音波診断においては、超音波の周波数帯域の広さが超音波画像の画質の良否に影響することが知られている。一般に、比較的高い周波数を有する超音波は、減衰され易いが、良好な方位分解能を得やすく、反対に、比較的低い周波数を有する超音波は、深部まで到達し易いが、方位分解能が低下し易いという性質を有している。そのため、周波数帯域の広い超音波を用いることにより、被検体における微細な構造や組織を識別して、良質な超音波画像を得ることができる。

一般に、振動子における周波数帯域は、圧電材料の組成や、グレインサイズや密度等の構造に依存し、材料が同一である場合には、振動子の厚さによって既定される。そのため、圧電材料の組成等を変更することによって振動子の帯域を変化させることは容易であるが、帯域を広くすることは容易ではない。

また、特許文献１には、振動子の厚さを変化させることにより、超音波を広帯域化させることが開示されている。即ち、励振された時に超音波ビームを発生する変換器であって、複数の圧電要素を具備し、上記各要素は被検査領域に対面する少なくとも第１の点における厚みが上記表面の少なくとも第２の点における厚みよりも小さく、上記表面は非平面であり、上記超音波ビームの幅は、上記要素の励振の周波数に対して逆に変化することを特徴とする変換器が開示されている。しかしながら、特許文献１においては、圧電要素の中央部付近の厚みを小さく、端部付近の厚みを大きくしているので、広帯域の超音波を送受信する場合に、中央部付近から送信される超音波には、比較的高い周波数成分が多く含まれ、端部付近から送信される超音波には、比較的低い周波数成分が多く含まれる。即ち、送信される超音波ビームにおいて、超音波トランスデューサアレイの領域ごとに周波数成分が異なってしまうので、分解能が低下するという問題がある。
特開平７−１０７５９５号公報

上記の点に鑑み、本発明は、振動周波数を広帯域化した超音波トランスデューサアレイを提供すると共に、そのような超音波トランスデューサアレイを容易に製造できる製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る超音波トランスデューサアレイは、各々が、互いに向かい合う第１の面及び第２の面に第１の電極及び第２の電極がそれぞれ形成された圧電材料層を含む複数の超音波トランスデューサであって、第１の面に対して第２の面が傾斜を有する複数の超音波トランスデューサと、複数の超音波トランスデューサの間に配置された充填材とを具備する。

また、本発明の第１の観点に係る超音波トランスデューサアレイの製造方法は、複数の圧電材料の各々に、所定の傾斜角を有する傾斜面を形成する工程（ａ）と、傾斜面の上に、第１の電極を形成する工程（ｂ）と、第１の電極が形成された複数の圧電材料を所定の配列で配置すると共に、複数の圧電材料の間に充填材を配置する工程（ｃ）と、工程（ａ）の前又は工程（ｃ）の後に、複数の圧電材料の各々に第２の電極を形成する工程（ｄ）とを具備する。

さらに、本発明の第２の観点に係る超音波トランスデューサアレイの製造方法は、圧電材料の連続体に、所定の傾斜角を有する傾斜面を形成する工程（ａ）と、傾斜面の上に、第１の電極を形成する工程（ｂ）と、第１の電極が形成された圧電材料の連続体を素子形状に分割することにより、複数の素子を作製する工程（ｃ）と、複数の素子を所定の配列で配置すると共に、複数の素子の間に充填材を配置する工程（ｄ）と、工程（ａ）の前又は工程（ｃ）の後に、複数の素子の各々に第２の電極を形成する工程（ｅ）とを具備する。

本発明によれば、圧電材料層に傾斜を設けることによって複数の超音波トランスデューサの各々を広帯域化すると共に、そのような複数の超音波トランスデューサを用いてアレイを作製するので、振動周波数を広帯域化した超音波トランスデューサアレイを実現することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１の（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る超音波トランスデューサアレイを示す一部断面斜視図である。この超音波トランスデューサアレイ１は、２次元に配置された複数の超音波トランスデューサ（以下において、単に「素子」ともいう）１０と、複数の素子１０の間及び周囲に配置された充填材１１とを含んでいる。充填材１１は、例えば、エポキシ系の樹脂材料によって形成されており、素子１０を保持すると共に、素子１０から発生した不要な振動を吸収する。

図１の（ｂ）は、図１の（ａ）に示す素子１０を拡大して示す斜視図である。素子１０は、例えば、底面の幅が０．２〜１．０ｍｍ程度、高さが１．０ｍｍ程度の微小な柱状の構造体である。素子１０は、下部電極１２と、圧電材料層１３と、上部電極１４と、ダミー層１５と、表面電極１６と、側面電極１７とを含んでいる。
圧電材料層１３は、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Pb(lead) zirconate titanate）に代表される圧電セラミックや、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン：polyvinyliden difluoride）に代表される高分子圧電材料等を含んでいる。圧電材料層１３は、下面１０ａに対して上面１０ｂが傾斜するような形状を有している。

ここで、一般に、超音波トランスデューサの振動の周波数ｆは、圧電材料の厚さｔと反比例する関係にある。そこで、図１の（ｂ）に示すように、圧電材料層１３の形状を、厚さがｔ_１からｔ_２に向けて傾斜するように規定することにより、超音波トランスデューサ１の振動の周波数を広帯域化することができる。

図２は、超音波トランスデューサから発生する超音波の周波数スペクトルを表す図である。図２に示す実線は、圧電材料層に傾斜を設けない場合（ｔ_２／ｔ_１＝１）における周波数スペクトルを表している。この場合に、超音波の周波数帯域は、５１％であった。ここで、振動の周波数帯域は、強度が１／２になるときの周波数ｆ_ａ及びｆ_ｂの帯域幅Δｆ＝ｆ_ｂ−ｆ_ａを、周波数ｆ_ａと周波数ｆ_ｂとの中心値（中心周波数）ｆ_ｃ＝（ｆ_ａ＋ｆ_ｂ）／２で割った値によって表される。これに対して、圧電材料層の厚さの比率をｔ_２／ｔ_１＝１．３とすると、図２の破線に示すように周波数スペクトルが変化し、帯域幅Δｆ＝ｆ_ｂ’−ｆ_ａ’も広がって帯域は７１％になった。即ち、ｔ_２／ｔ_１＝１．３となるように圧電材料層１３に傾斜を設けることにより、傾斜を設けない場合と比較して、帯域を約３０％広げることができた。

圧電材料層１３の傾斜は、１．５≧ｔ_２／ｔ_１＞１．０となる範囲で設けることが望ましい。ｔ_１とｔ_２との差が大きすぎると、圧電材料層１３に印加される電圧が、厚さｔ_１側に集中してしまうからである。また、圧電材料層１３における縦振動以外のモードの発生を防ぐために、ｔ_１／ｗ≦１．５となる範囲で圧電材料層１３の高さを規定することが望ましい。

図１の（ｂ）に示すように、圧電材料層１３の向かい合う２つの面１０ａ及び１０ｂには、下部電極１２及び上部電極１４がそれぞれ形成されている。上部電極１４は、側面電極１７を介して、ダミー層１５の上面に形成された表面電極１６と電気的に接続されている。
ダミー層１５は、傾斜が設けられた圧電材料層１３の高さを揃えるために配置されている。ダミー層１５の材料としては、ＰＺＴ等の圧電材料や、金属粉入りのエポキシ樹脂や、フェライト粉入りのゴム等のバッキング材が用いられる。後者を用いる場合には、超音波は、図の下方から送信される。

素子１０を駆動する際には、充填材１１の表面１１ａ及び１１ｂに露出した下部電極１２及び表面電極１６を介して駆動信号を供給する。これにより、下部電極１２及び上部電極１４に挟まれた圧電材料層１３に電圧が印加され、圧電材料層１３が伸縮して超音波を発生する。また、圧電材料層１３は、超音波を受信することによって伸縮し、電気信号を発生する。この電気信号は、下部電極１２、及び、上部電極１４と接続された表面電極１６を介して、検出信号として出力される。

次に、本発明の第１の実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの製造方法について説明する。図３及び図４は、本実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの製造方法を説明するための図である。
まず、図３の（ａ）に示すように、片面に電極層２１が形成された圧電材料の板材２０を、ダイシングソーを用いて棒状に切断する。これにより、電極２３が設けられた棒状の圧電材料２２が作製される。次いで、このようにして作製された複数の棒状の圧電材料２２の向きを揃え、電極２３が形成された面に粘着テープ５０を貼付する。電極２３を保護すると共に、後の工程を容易に進めるためである。本実施形態においては、電極層２１としては、例えば、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）を含む３層電極を用いている。これにより、素子の作製時や素子を駆動する際に応力や熱が発生しても、金属酸化や剥がれによる電極の機能低下を防ぐことができるからである。このような３層電極は、上記の３種類の金属を、圧電材料の板材に順次スパッタすることによって形成することができる。

次に、図３の（ｂ）に示すように、平行に揃えられた複数の圧電材料２２を角度θだけ傾け、角を出した状態で治具にセットして接着剤等により固定する。次いで、複数の圧電材料２２の角を、破線Ｂ−Ｂの位置まで研磨する。これにより、図３の（ｃ）に示すように、各圧電材料２２の上面に傾斜が形成される。

次に、図３の（ｄ）に示すように、圧電材料２２を揃えて治具７０に固定し、スパッタ法を用いて傾斜面に電極層２４を形成する。本実施形態においては、電極層２４としては、酸化チタン（ＴｉＯ_２）と白金（Ｐｔ）を積層した２層電極を用いることが望ましい。その理由については、後で説明する。

次に図４の（ａ）に示すように、噴射堆積法を用いて、圧電材料層２２の傾斜を埋めるように、電極層２４の上にダミー層２５を形成する。本実施形態においては、ダミー層２５として、ＰＺＴを用いている。ここで、噴射堆積法とは、材料の粉体を下層に向けて高速で吹き付けて堆積させることによって層を形成する方法であり、エアロゾルデポジション（ＡＤ）法、又は、ガスデポジション法とも呼ばれる。ＡＤ法においては、材料の粉体が下層に食い込むアンカーリングと呼ばれる現象により、上層が下層に密着する。そのため、下層に用いられる材料には、上層の材料の粉体が食い込むことができる程度の硬度と、厚さを有していることが求められる。そこで、本実施形態においては、白金と、白金を下層の圧電材料層２２に密着させるための酸化チタンとを用いて、電極層２４を形成している。また、予め酸化されたチタンを用いることにより、下層の圧電材料層２２を酸素が透過してきても、酸化による電極材料の変質を防ぐことができるので、必要であれば、後の工程においてＰＺＴ層２５を熱処理することも可能である。

次に、図４の（ｂ）に示すように、研磨によってダミー層２５の表面を平滑にし、図４の（ｃ）に示すように、電極層２６を形成する。次に、図４の（ｄ）に示すように、例えば、ダイシングソーを用いて、連続したダミー層２５及び電極層２６を分割する。さらに、図４の（ｅ）に示すように、分割されたダミー層２５の側面に、側面電極２７を形成することにより、電極層２４と電極層２６とを電気的に接続する。これにより、短冊状の素子３０が作製される。

図５の（ａ）に示すように、基板や粘着テープ等の剥離可能な基材３１の上に、短冊状の素子３０を１次元に配置し、素子３０の間及び周囲に充填材３２を配置して基材３１を除去することにより、図５の（ｂ）に示す１次元の超音波トランスデューサアレイが製造される。

また、図６の（ａ）に示すように、短冊状の素子３０をさらに分割することにより、素子４０を作製しても良い。さらに、図６の（ｂ）に示すように、基板や粘着テープ等の剥離可能な基材４１の上に、素子４０を２次元に配置し、素子４０の間及び周囲に充填材を配置して基材４１を除去することにより、図１の（ａ）に示すような２次元の超音波トランスデューサアレイが製造される。
なお、本実施形態においては、下部電極及び表面電極を、短冊状の素子を作製する段階で形成したが、１次元又は２次元に配置された素子の間に充填材を配置した後で、下部電極及び表面電極を形成しても良い。

図７は、本実施形態に係る超音波トランスデューサアレイを含む超音波用探触子を示す一部断面斜視図である。図７に示すように、この超音波用探触子は、図１に示す超音波トランスデューサアレイ１と、バッキング層２と、音響整合層３と、音響レンズ４とを含んでいる。これらの各部は、筐体５に収納されている。また、超音波トランスデューサアレイ１から引き出された配線は、ケーブル６を介して超音波撮像装置本体に含まれる電子回路に接続されている。

バッキング層２は、例えば、フェライト等金属粉やＰＺＴの粉体入りのエポキシ樹脂や、フェライト粉入りのゴムのように音響減衰の大きい材料によって形成されており、超音波トランスデューサアレイ１から発生した不要な超音波を早く減衰させる。また、音響整合層３は、例えば、超音波を伝え易いパイレックス（登録商標）ガラスや金属粉入りエポキシ樹脂等によって形成されており、生体である被検体と超音波トランスデューサとの間の音響インピーダンスの不整合を解消する。これにより、超音波トランスデューサから送信された超音波が、効率良く被検体中に伝播する。さらに、音響レンズ４は、例えば、シリコンゴムによって形成されており、超音波トランスデューサアレイ１から送信され、音響整合層３において音響インピーダンスを整合された超音波ビームを、所定の深度において集束させる。

図７に示すように、超音波トランスデューサアレイ１は、各超音波トランスデューサ１０に含まれる圧電材料層の傾斜面が図の上を向くように配置されているが、反対に、傾斜面が図の下を向くように、超音波トランスデューサアレイ１を配置しても良い。先に説明したように、本実施形態においては、各超音波トランスデューサ１０に含まれるダミー層がＰＺＴによって形成されているので、いずれの向きに各超音波トランスデューサアレイ１を配置しても、音響的に不整合を生じさせることなく超音波を送信することができる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る超音波トランスデューサアレイ及びその製造方法について、図４を参照しながら説明する。本実施形態に係る超音波トランスデューサアレイは、図１の（ｂ）に示すダミー層の材料、及び、図４の（ａ）に示すダミー層を形成する工程が、第１の実施形態におけるものと異なっている。その他の工程については、第１の実施形態におけるものと同様である。

本実施形態においては、ダミー層の材料として、音響インピーダンスが１０以上のバッキング機能を有する材料が用いられている。そのため、ダミー層を形成する際には、まず、図４の（ａ）に示すように、電極２４が形成された圧電材料層２２の傾斜面の上に、液体のバッキング材料を流し込んで硬化させる。次に、図４の（ｂ）に示すように、ダミー層２５の表面を平滑化する。なお、本実施形態においては、ダミー層２５を形成した後に熱処理等を行うことはないので、電極層２４の材料として、酸化チタン及び白金を含む２層電極の他に、チタン及び白金を含む２層電極を用いることもできる。この後の工程については、第１の実施形態において説明したものと同様である。

図８は、本実施形態に係る超音波トランスデューサアレイを含む超音波用探触子を示す図である。図８に示す超音波トランスデューサアレイ５０は、バッキング材によって形成されたダミー層を有する複数の超音波トランスデューサ５１と、充填材５２とを含んでいる。本実施形態においては、超音波は、各超音波トランスデューサ５１に含まれる圧電材料層の傾斜面の反対側から送信される。そのため、図８に示すように、超音波トランスデューサアレイ５０は、その傾斜面が図の下を向くように配置されている。その他の構成については、図７に示す超音波用探触子と同様である。

本発明の第１の実施形態に係る超音波トランスデューサアレイ、及び、そこに含まれる超音波トランスデューサの構造を示す図である。 超音波トランスデューサにおける振動の周波数スペクトルを示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの製造方法を説明するための図である。 本発明の第１の実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの製造方法を説明するための図である。 １次元超音波トランスデューサアレイの製造方法を説明するための図である。 ２次元超音波トランスデューサアレイの製造方法を説明するための図である。 本発明の第１の実施形態に係る超音波トランスデューサアレイを含む超音波用探触子を示す一部断面斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る超音波トランスデューサアレイを含む超音波用探触子を示す一部断面斜視図である。

符号の説明

１ 超音波トランスデューサアレイ
２ バッキング層
３ 音響整合層
４ 音響レンズ
５ 筐体
６ ケーブル
１０、３０、４０、５０ 超音波トランスデューサ（素子）
１１ 充填材
１２ 下部電極
１３、２０、２２ 圧電材料層（圧電材料）
１４ 上部電極
１５、２５ ダミー層
１６ 表面電極
１７、２７ 側面電極
２１、２３、２４、２６ 電極層
２５ ダミー層
４１ 基材
６０ 粘着テープ
７０ 治具

Claims (11)

1. 各々が、互いに向かい合う第１の面及び第２の面に第１の電極及び第２の電極がそれぞれ形成された圧電材料層を含む複数の超音波トランスデューサであって、前記第１の面に対して前記第２の面が傾斜を有する、前記複数の超音波トランスデューサと、
   前記複数の超音波トランスデューサの間に配置された充填材と、
   を具備する超音波トランスデューサアレイ。
2. 前記複数の超音波トランスデューサアレイが２次元に配置されている、請求項１記載の超音波トランスデューサアレイ。
3. 前記複数の超音波トランスデューサの各々が、前記圧電材料層の前記第２の電極の上に形成されたダミー層をさらに具備する、請求項１又は２記載の超音波トランスデューサアレイ。
4. 前記ダミー層が、圧電材料によって形成されている、請求項３記載の超音波トランスデューサアレイ。
5. 前記ダミー層が、バッキング材によって形成されている、請求項３記載の超音波トランスデューサアレイ。
6. 前記複数の超音波トランスデューサの各々が、前記ダミー層の上に形成され、前記第２の電極と電気的に接続された第３の電極をさらに具備する、請求項３〜５のいずれか１項記載の超音波トランスデューサアレイ。
7. 複数の圧電材料の各々に、所定の傾斜角を有する傾斜面を形成する工程（ａ）と、
   前記傾斜面の上に、第１の電極を形成する工程（ｂ）と、
   前記第１の電極が形成された複数の圧電材料を所定の配列で配置すると共に、前記複数の圧電材料の間に充填材を配置する工程（ｃ）と、
   工程（ａ）の前又は工程（ｃ）の後に、前記複数の圧電材料の各々に第２の電極を形成する工程（ｄ）と、
   を具備する超音波トランスデューサアレイの製造方法。
8. 圧電材料の連続体に、所定の傾斜角を有する傾斜面を形成する工程（ａ）と、
   前記傾斜面の上に、第１の電極を形成する工程（ｂ）と、
   前記第１の電極が形成された圧電材料の連続体を素子形状に分割することにより、複数の素子を作製する工程（ｃ）と、
   前記複数の素子を所定の配列で配置すると共に、前記複数の素子の間に充填材を配置する工程（ｄ）と、
   工程（ａ）の前又は工程（ｃ）の後に、前記複数の素子の各々に第２の電極を形成する工程（ｅ）と、
   を具備する超音波トランスデューサアレイの製造方法。
9. 工程（ｂ）の後に、前記第１の電極の上に、ダミー層を配置する工程と、
   前記工程の前又は後に、前記ダミー層の上に、前記第１の電極と電気的に接続された第３の電極を形成する工程と、
   を具備する請求項７又は８記載の超音波トランスデューサアレイの製造方法。
10. 前記工程が、圧電材料の粉体を高速で前記基板に吹き付けて堆積させる噴射堆積法を用いて前記ダミー層を形成することを含む、請求項９記載の超音波トランスデューサアレイの製造方法。
11. 前記工程が、液体のバッキング材を前記第１の電極の上に流し込んで硬化させることにより、前記ダミー層を形成することを含む、請求項９記載の超音波トランスデューサアレイの製造方法。

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