JP2007036884A - アレイ型超音波トランスデューサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明では、接着の弊害を防止して構成されるアレイ型超音波振動子を提供する。
【解決手段】 上面に設けられ接地側となる第１の電極と下面に設けられた信号入出力側の第２の電極とを有する圧電振動子と、前記圧電振動子の上面に接合される音響整合部材とを有するアレイ型超音波トランスデューサは、前記アレイ型超音波トランスデューサの複数の振動子エレメントの接地電極間を接続する共通接地線と、前記第１の電極と前記共通接地線との間に層状に設けられた半田部材と、前記振動子エレメントのエレベーション方向の端部の前記音響整合部材断面に形成する補強部材とを備えることにより、上記課題の解決を図る。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧電振動子を用いたアレイ型超音波トランスデューサに関する。

近年、超音波内視鏡装置を用いて、体腔内に超音波を照射し、得られたエコー信号を体内の状態を画像化して診断する超音波診断法が広く普及している。超音波診断法により体腔内の画像を取得するためには、超音波を発生させたり、体腔内で反射した超音波を受信したりする超音波トランスデューサを先端に取り付けた挿入部を体腔内に挿入しなければならない。

従来アレイ型超音波トランスデューサは、例えば、圧電振動子に音響整合層を接着したものをダイシングして複数の振動子エレメントを形成し、その振動子エレメント間に共通接地配線を半田づけすることにより製造していた。以下の文献は、従来のアレイ型超音波トランスデューサの製造方法の一例を示す。
特開平７−２９８３９６号公報 特開平７−２９８３９７号公報 特開２００１−３０９４９３号公報

しかしながら、従来の製造方法の場合、接着時の接着剤が圧電振動子の共通接地線を接続する部分へはみ出したり、そのはみ出した接着剤が電極面を被覆して半田付けができなくなったり、また、はみ出した接着剤を硬化前に除去する際に、端部の接着剤が吸い出され、端部における接着力が低下したりする。このような弊害を防ぐために接着剤の量を加減すると、ダイシング時に超音波振動子エレメントを形成するダイシング加工時に、その接着部分が剥がれ落ちやすくなる。また、ダイシング加工後、そのダイシングによって形成された振動子エレメントが剥がれ易くなる。この結果、歩留まりを大きく低下させることになる。

上記の課題に鑑み、本発明では、接着の弊害を防止したり、普通接地線の配線を容易にするように構成されるアレイ型超音波トランスデューサ及びその製造方法を提供する。

上記課題は、特許請求の範囲の請求項１に記載の発明によれば、上面に設けられ接地側となる第１の電極と下面に設けられた信号入出力側の第２の電極とを有する圧電振動子と、前記圧電振動子の上面に接合される音響整合部材とを有するアレイ型超音波トランスデューサであって、前記アレイ型超音波トランスデューサの複数の振動子エレメントの接地電極間を接続する共通接地線と、前記第１の電極と前記共通接地線との間に層状に設けられた半田部材と、前記振動子エレメントのエレベーション方向の端部の前記音響整合部材断面に形成する補強部材と、を備えることを特徴とするアレイ型超音波トランスデューサを提供することによって達成できる。

上記課題は、特許請求の範囲の請求項２に記載の発明によれば、前記補強部材は、前記音響整合層と前記圧電振動子とを接着させる接着剤と同一の高分子材料であることを特徴とする請求項１に記載のアレイ型超音波トランスデューサを提供することによって達成できる。

上記課題は、特許請求の範囲の請求項３に記載の発明によれば、前記各半田部材の厚さは前記全振動子エレメントに亘り略一定であり、前記共通接地線は前記圧電振動子の上面に対して前記全振動子エレメントに亘り略平行に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のアレイ型超音波トランスデューサを提供することによって達成できる。

上記課題は、特許請求の範囲の請求項４に記載の発明によれば、前記共通接地線及び前記半田部材は、非鉛系金属材料からなることを特徴とする請求項１に記載のアレイ型超音波トランスデューサを提供することによって達成できる。

上記課題は、特許請求の範囲の請求項５に記載の発明によれば、上面に設けられ接地側となる第１の電極と下面に設けられた信号入出力側の第２の電極とを有する圧電振動子と、前記圧電振動子の上面に接合される音響整合部材と、複数の振動子エレメントの接地電極間を接続する共通接地線と、前記第１の電極と前記共通接地線との間に層状に設けられた半田部材と、を備えるアレイ型超音波トランスデューサの製造方法において、前記圧電振動子と前記音響整合部材との間に接着剤を塗布し、前記圧電振動子と前記音響整合部材を加圧して接合させ、前記加圧により前記圧電振動子と前記音響整合部材間からはみ出した前記接着剤により、前記音響整合部材の側面と前記圧電振動子の表面と前記半田部材とを固着させることを特徴とするアレイ型超音波トランスデューサの製造方法を提供することによって達成できる。

上記課題は、特許請求の範囲の請求項６に記載の発明によれば、上面に設けられ接地側となる第１の電極と下面に設けられた信号入出力側の第２の電極とを有する圧電振動子と、前記圧電振動子の上面に接合される音響整合部材と、複数の振動子エレメントの接地電極間を接続する共通接地線と、前記第１の電極と前記共通接地線との間に層状に設けられた半田部材と、を備えるアレイ型超音波トランスデューサの製造方法であって、前記圧電振動子の上面の両端部に前記半田部材をライン状に形成し、前記圧電振動子と前記音響整合部材との間に接着剤を塗布し、前記圧電振動子と前記音響整合部材を加圧して接合させ、前記加圧により前記圧電振動子と前記音響整合部材間からはみ出させた前記接着剤により、前記音響整合部材の端部断面と、前記圧電振動子の電極表面と、前記半田部材とを被覆させて固着させ、前記半田部材を被覆している前記接着剤の一部を研削して、該半田部材を露出させ、次いで、ダイシング加工により前記振動子エレメントに分割し、前記各振動子エレメントの端部に位置する前記半田部材と前記共通接地線とを接合することを特徴とするアレイ型超音波トランスデューサの製造方法を提供することによって達成できる。

上記課題は、特許請求の範囲の請求項７に記載の発明によれば、スクリーン印刷法により半田ペーストを前記圧電振動子の上面にパターン形成して溶融させて該上面の両端部に前記半田部材を配設させることを特徴とする請求項６に記載のアレイ型超音波トランスデューサの製造方法を提供することによって達成できる。

上記課題は、特許請求の範囲の請求項８に記載の発明によれば、前記共通接地線及び前記半田部材は、非鉛系金属材料からなることを特徴とする請求項５または６に記載のアレイ型超音波トランスデューサの製造方法を提供することによって達成できる。

上記課題は、特許請求の範囲の請求項９に記載の発明によれば、前記研削により、さらに、露出された半田部材の表面を前記圧電振動子の上面に対して略平行に形成することを特徴とする請求項６に記載のアレイ型超音波トランスデューサの製造方法を提供することによって達成できる。

上記課題は、特許請求の範囲の請求項１０に記載の発明によれば、請求項１に記載のアレイ型超音波トランスデューサを備える超音波内視鏡装置を提供することによって達成できる。

上記課題は、特許請求の範囲の請求項１１に記載の発明によれば、請求項５または６に記載の製造方法によって製造されたアレイ型超音波トランスデューサを備える超音波内視鏡装置を提供することによって達成できる。

本発明を用いることにより、電極の上に半田ライン曳きをしてから、音響整合層を接着し、接着剤硬化後に接着剤ごと半田層の表面を研削することができる。また、接着剤を部材間に十分に塗布することができるので、振動子エレメントを構成する接着された部材が剥がれるのを防止することができる。また、半田層を研削し表面凹凸をなくすので、電極を研削する必要がなく、また半田面に凹凸がなくなるので、共通接地線に接続されない振動子エレメントが皆無となり、不良振動子エレメントの発生を抑制できるようになる。

図１は、本実施形態におけるアレイ型超音波トランスデューサの断面を示す。図２は、図１の上面図を示す（ただし、音響レンズは省略してある）。アレイ型超音波トランスデューサ１は、圧電振動子２、電極３（３ａ，３ｂ）、第１音響整合層４、第２音響整合層５、半田層６、補強部７、共通接地線８、音響レンズ９、フレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）１０、ダンピング層１１から構成される。

ダンピング層１１は、圧電振動子２を背面保持するためと、超音波振動を減衰させて広帯域の超音波パルスを得るためのものである。ダンピング層１１の側面から上面にかけてＦＰＣ１０が配設されている。なお、ＦＰＣ１０の表面には本来信号を送受信するためのケーブルが配設されているが、同図では省略している。圧電振動子２の下面には電極３ａ、上面には電極３ｂが形成されている。

図２において、ダイシング加工により形成された溝（ダイシング溝）２１が複数ある。そのダイシングの結果、ダイシング溝２１間にある、ダイシングされていない部分を振動子エレメント（単にエレメントともいう）２０という。この振動子エレメント２０は、主として、電極３ａ、圧電振動子２、電極３ｂ、第１音響整合層４、第２音響整合層５、及び共通のダンピング層１１から構成されている。図２では、振動子エレメント２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，２０ｅがある。

電極３ａ，３ｂ間に電圧信号が印加されると、圧電振動子２は振動して、超音波を発生する。電圧信号は振動子エレメント単位に入力される。
ここで、第１音響整合層４、第２音響整合層５は、超音波を空気中や水や生体等にそのまま放出すると、圧電振動子と空気中や水や生体等の間では音響インピーダンス差があるので、その界面で超音波が跳ね返って効率よく放出されないので、それを抑制し効率よく放出するためのものである。

ダンピング層１１の上部には複数の振動子エレメント２０（２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，２０ｅ）が配設されている。圧電振動子２の左右両端の上部には、半田層６が配設されている。第１音響整合層４及び第２音響整合層５と、電極３ｂ及び半田層６とに渡って補強部（接着剤）７が形成されている。その補強部７に隣接して共通接地線８が形成されている。半田層６、補強部（接着剤）７、及び共通接地線８は、振動子エレメント２０間に渡って設けられている。

半田層６は、各振動子エレメントのエレベーション方向（走査方向（例えば、右から左へ走査する方向）に対して垂直方向）に位置する箇所に設けられている。そして、それらの各振動子エレメントを接続するように共通接地線８が設けられている（図２）。

上記したようにダンピング層１１上に振動子エレメント２０が複数形成され、これらの振動子エレメント２０を覆うようにして、音響レンズ９が設けられている。音響レンズ９は、単に音響レンズとして機能するだけでなく、外部からアレイ型超音波トランスデューサ１を被覆し保護する部材としても機能している。

図３及び図４は、本実施形態におけるアレイ型超音波トランスデューサの製造工程を示す。まず、第１音響整合層４と、第２音響整合層５とを接合する（図３（ａ））。以下では、この第１音響整合層４と第２音響整合層５とを接合したものを音響整合層３０という。

次に、下面に電極３ａと上面に電極３ｂとを設けた圧電振動子２を形成する（図３（ｂ））。電極３ａの下面にＦＰＣ１０を接着して、さらにダンピング層１１を接着する（図３（ｃ））。また、電極３ｂの上面両端に半田ラインを曳いて半田層６を形成する（図３（ｂ））。ここで用いる半田は、環境への負担を考慮して、非鉛系金属材料を用いるのが好ましい。

次に、電極３ｂの上面に接着剤３１（例えば、エポキシ系樹脂）を塗布して、音響整合層３０を接着する（図３（ｄ））。音響整合層３０と電極３ｂを加圧しながら接着すると、余分な接着剤３１がはみ出して、音響整合層３０の側面と電極３ｂと半田層６とに渡って補強部７が形成される。この補強部７を形成する接着剤は、接着剤３１と同一の部材を用いることができる。

その後、ダイシング加工を行い、振動子エレメントを形成する。ダイシング加工の結果、複数の振動子エレメントが形成され、振動子エレメント間にはダイシング加工によって生じた溝が形成される。

次に、後述する図５の処理を行って、各振動子エレメントの両端（振動子エレメントのエレベーション方向の端部）に共通接地線８を形成する（図４（ｅ））。ここで用いる共通接地線８は、環境への負担を考慮して、非鉛系金属材料を用いるのが好ましい。

共通接地線８を形成した後、アレイ型超音波トランスデューサの上面に音響レンズ９を形成する（図４（ｆ））。音響レンズ９は、外部からアレイ型超音波トランスデューサ１を被覆する部材としても機能している。したがって、音響レンズ９のうち、実際に音響レンズとして機能する部分以外の部分（例えば、アレイ型超音波トランスデューサ１の側面部分）は保護膜９ａとして機能している。なお、音響レンズ９は振動子エレメント間にある溝部を充填している溝充填部材を兼ねていてもよい。この場合、接着剤３１、補強部７は、同一の高分子材料（例えば、エポキシ系樹脂等）からなり、振動子エレメント間の間隙部を音響レンズ材が埋めることになり、これにより振動子エレメントが倒れるのを防止するための補強となる。

図５は、図３及び図４で説明したアレイ型超音波トランスデューサの製造工程の詳細を示す。まず、焼付けＡｇ電極付き圧電振動子２を用意する（図５（ａ））。この圧電振動子２には、上面及び下面にＡｇ電極が焼き付けてある。

次に、この圧電振動子２の上面両端に半田ライン（予備半田ともいう）６を曳く（図５（ｂ））。この半田ライン６は、スクリーン印刷法によりパターン形成することができる。この半田ライン６は、後の工程で接合させる共通接地線を圧電振動子２の第１の電極と接合するのを容易にするためである。ここで用いる半田６は、鉛フリーのものを使用するのが好ましく、例えば、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系（例えば、商品名「ＬＦＳＯＬＤＥＲ ＬＦ−２０４−１」、タムラ化研製）、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｃｕ系を使用することができる。

次に、上面両端に半田ライン６が曳かれた圧電振動子２の上面のうち音響整合層３０と接合しようとする部分に接着剤３１を塗布して、音響整合層３０を接着する（図５（ｃ））。この接着時の加圧により、音響整合層３０の下面と圧電振動子２の上面間から余分な接着剤３１が圧電振動子２の上面の両端部分にはみ出して、そのはみ出した部分周辺を被覆する。このはみ出した接着剤３１は、半田ライン６と圧電振動子２の上面の電極の一部と音響整合層３０の側面とに付着してこれらを一括して固定してしまう。

次に、はみ出した接着剤３１のうち半田ライン６を覆っている部分を、研削ブレード４０を用いて研削し、半田ライン６を露出させる（図５（ｄ））。このとき、半田ライン６表面も研削するようにする。これにより、半田ライン６の表面を均一な平面にすることができる。

その後、ダイシング加工を行うことにより複数の振動子エレメントが形成され、各振動子エレメントの両端の半田ライン６の上面に共通接地線を接合する。上記で、研削により半田ライン６の表面を圧電振動子２の上面に対して略平行となるような平面に形成しているので、その半田ライン６に接合された共通接地線も前記圧電振動子の上面に対して略平行に形成されることになる。

このようにすることにより、アレイ型超音波振動子エレメントのエレベーション方向の端部において、音響整合層の側面、圧電振動子表面、及び半田ラインを同一材料で一括して固着することができる。

以上より、電極の上に半田ライン曳きをしてから、音響整合層を接着し、接着剤ごと半田層の表面を研削することができる。また、接着剤を部材間に十分に塗布することができるので、振動子エレメントを構成する接着された部材が剥がれるのを防止することができる。また、半田層を研削するので、電極を研削する必要がなく、また半田面の高さが不揃いになることがないので、安定した半田ラインを形成することができる。

本実施形態におけるアレイ型超音波トランスデューサの断面を示す。 図１の上面図を示す。 本実施形態におけるアレイ型超音波トランスデューサの製造工程（その１）を示す。 本実施形態におけるアレイ型超音波トランスデューサの製造工程（その２）を示す。 図３及び図４で説明したアレイ型超音波トランスデューサの製造工程の詳細を示す。

符号の説明

１ アレイ型超音波トランスデューサ
２ 圧電振動子
３（３ａ，３ｂ） 電極
４ 第１音響整合層
５ 第２音響整合層
６ 半田層
７ 補強部
８ 共通接地線
９ 音響レンズ
１０ ＦＰＣ
１１ ダンピング層
２０（２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，２０ｅ） 振動子エレメント
３０ 音響整合層
３１ 接着剤
４０ 研削ブレード

Claims (11)

1. 上面に設けられ接地側となる第１の電極と下面に設けられた信号入出力側の第２の電極とを有する圧電振動子と、前記圧電振動子の上面に接合される音響整合部材とを有するアレイ型超音波トランスデューサであって、
   前記アレイ型超音波トランスデューサの複数の振動子エレメントの接地電極間を接続する共通接地線と、
   前記第１の電極と前記共通接地線との間に層状に設けられた半田部材と、
   前記振動子エレメントのエレベーション方向の端部の前記音響整合部材断面に形成する補強部材と、
   を備えることを特徴とするアレイ型超音波トランスデューサ。
2. 前記補強部材は、前記音響整合層と前記圧電振動子とを接着させる接着剤と同一の高分子材料であることを特徴とする請求項１に記載のアレイ型超音波トランスデューサ。
3. 前記各半田部材の厚さは前記全振動子エレメントに亘り略一定であり、
   前記共通接地線は前記圧電振動子の上面に対して前記全振動子エレメントに亘り略平行に形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のアレイ型超音波トランスデューサ。
4. 前記共通接地線及び前記半田部材は、非鉛系金属材料からなる
   ことを特徴とする請求項１に記載のアレイ型超音波トランスデューサ。
5. 上面に設けられ接地側となる第１の電極と下面に設けられた信号入出力側の第２の電極とを有する圧電振動子と、前記圧電振動子の上面に接合される音響整合部材と、複数の振動子エレメントの接地電極間を接続する共通接地線と、前記第１の電極と前記共通接地線との間に層状に設けられた半田部材と、を備えるアレイ型超音波トランスデューサの製造方法において、
   前記圧電振動子と前記音響整合部材との間に接着剤を塗布し、
   前記圧電振動子と前記音響整合部材を加圧して接合させ、
   前記加圧により前記圧電振動子と前記音響整合部材間からはみ出した前記接着剤により、前記音響整合部材の側面と前記圧電振動子の表面と前記半田部材とを固着させる
   ことを特徴とするアレイ型超音波トランスデューサの製造方法。
6. 上面に設けられ接地側となる第１の電極と下面に設けられた信号入出力側の第２の電極とを有する圧電振動子と、前記圧電振動子の上面に接合される音響整合部材と、複数の振動子エレメントの接地電極間を接続する共通接地線と、前記第１の電極と前記共通接地線との間に層状に設けられた半田部材と、を備えるアレイ型超音波トランスデューサの製造方法であって、
   前記圧電振動子の上面の両端部に前記半田部材をライン状に形成し、
   前記圧電振動子と前記音響整合部材との間に接着剤を塗布し、
   前記圧電振動子と前記音響整合部材を加圧して接合させ、
   前記加圧により前記圧電振動子と前記音響整合部材間からはみ出させた前記接着剤により、前記音響整合部材の端部断面と、前記圧電振動子の電極表面と、前記半田部材とを被覆させて固着させ、
   前記半田部材を被覆している前記接着剤の一部を研削して、該半田部材を露出させ、
   次いで、ダイシング加工により前記振動子エレメントに分割し、
   前記各振動子エレメントの端部に位置する前記半田部材と前記共通接地線とを接合する
   ことを特徴とするアレイ型超音波トランスデューサの製造方法。
7. スクリーン印刷法により半田ペーストを前記圧電振動子の上面にパターン形成して溶融させて該上面の両端部に前記半田部材を配設させる
   ことを特徴とする請求項６に記載のアレイ型超音波トランスデューサの製造方法。
8. 前記共通接地線及び前記半田部材は、非鉛系金属材料からなることを特徴とする請求項５または６に記載のアレイ型超音波トランスデューサの製造方法。
9. 前記研削により、さらに、露出された半田部材の表面を前記圧電振動子の上面に対して略平行に形成する
   ことを特徴とする請求項６に記載のアレイ型超音波トランスデューサの製造方法。
10. 請求項１に記載のアレイ型超音波トランスデューサを備える超音波内視鏡装置。
11. 請求項５または６に記載の製造方法によって製造されたアレイ型超音波トランスデューサを備える超音波内視鏡装置。