JP2020130628A - 超音波プローブ、超音波診断装置、および超音波プローブの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高画質化された超音波画像を得ることができる超音波プローブ、当該超音波プローブを有する超音波診断装置、および歩留まり率の高い超音波プローブの製造方法を提供すること。【解決手段】本発明の超音波プローブは、電圧の印加により超音波を送信し、生体内で反射した超音波を受信するための圧電材と、圧電材の背面側に接着され、圧電材の背面側に出力された超音波を被検体側に反射させるためのデマッチング層と、を有する超音波プローブであって、圧電材は、分極処理前後における変位率（％）に、電圧を印加される方向に直交する方向の長さの最大値（ｍｍ）を乗じた値が、６．０以下である。【選択図】図４

Description

本発明は、超音波プローブ、当該超音波プローブを有する超音波診断装置、および当該超音波プローブの製造方法に関する。

超音波診断装置は、当該超音波診断装置に接続され、または超音波診断装置と通信可能に構成された超音波プローブを、ヒトやその他の動物などを含む被検体の体表に当てるかまたは体内へ挿入することで、組織の形状および動きなどを超音波診断画像として得ることを可能とする。超音波診断装置は、安全性が高いため繰り返して検査を行うことができるという利点を有する。

超音波プローブは、超音波を送受信する圧電材などを内蔵する。圧電材は、超音波診断装置からの電気信号（送信信号）を受信し、受信した送信信号を超音波信号に変換して送波し、生体内で反射された超音波を受信して電気信号（受信信号）に変換し、電気信号に変換された受信信号を超音波診断装置に送信する。

特許文献１には、通常の送信方向に超音波を送信するための超音波振動素子に、通常の送信方向に対して、上面、下面、及び側面を持つ圧電材を形成するステップと、上記超音波振動素子に、下部電極層を配置または付与するステップと、上部電極層を配置または付与するステップと、導電層が圧電材の少なくとも１つの特定の圧電材の上部電極層および下部電極層に接続されるように、圧電材の少なくとも１つの特定の層の側面に、少なくとも部分的に導電層を付与するステップと、を有する超音波アセンブリの製造方法が記載されている。また、上記上部電極層には、少なくとも１つのマッチング層が形成され、上記下部電極層には、少なくとも１つのデマッチング層が形成されていることが記載されている。

特表２０１４−５２３６８９号公報

特許文献１によれば、圧電材の上部電極層に形成されている複数のマッチング層の側面、および下部電極層に少なくとも１つ形成されているデマッチング層の側面に導電層を付与することで、より簡易な製造方法で、超音波振動子アセンブリを提供できるとされている。

ところで、高周波の超音波を送受信する超音波プローブでは、使用される圧電材の厚みが、低周波用の超音波アセンブリで用いる圧電材と比較して、薄い。これにより、高周波用の超音波アセンブリに用いる圧電材は、製造中の破損を防ぐため、デマッチング層として使用する硬質な材料と貼り合わせて、製造（圧電材の薄板化、電極成膜、洗浄など）することが好ましい。ここで、圧電材の厚みが厚い場合と比較して、圧電材の厚みが薄い場合には、圧電材の製造時に、各種プロセスの影響によって圧電材の分極が部分的に抜ける可能性がある。特に、圧電材の厚みが厚い場合と比較して、圧電材の厚みが薄い場合には、圧電材表面の影響が大きくなる。圧電材とデマッチング層の積層体では、積層体全体が変形する事となり、その歪エネルギーが大きくなる。したがって、圧電材とデマッチング層の積層体は歪エネルギーの高い状態となっており、超音波プローブの製造時（とくに切断時）や使用時に、上記歪エネルギーを低減するために、部分的に応力集中が起こりチップ（素子）跳ねが生じやすいと考えられる。その結果、診断画像の劣化、歩留まり率の低下が生じやすくなるという課題がある。

本発明は、上記課題に鑑み、高画質化された超音波画像を得ることができるとともに、歩留まり率の高い超音波プローブ、当該超音波プローブを有する超音波診断装置、および当該超音波プローブの製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一実施の形態に係る超音波プローブは、電圧の印加により超音波を送信し、生体内で反射した前記超音波を受信するための圧電材と、前記圧電材の背面側に接着され、前記圧電材の背面側に出力された超音波を被検体側に反射させるためのデマッチング層と、を有する超音波プローブであって、前記圧電材は、分極処理前後における変位率（％）に、前記電圧を印加される方向に直交する方向の長さの最大値（ｍｍ）を乗じた値が、６．０以下である。

本発明の一実施の形態に係る超音波診断装置は、上記超音波プローブを有する。

本発明の一実施の形態に係る超音波プローブの製造方法は、超音波を送受信するための圧電材と、前記圧電材の背面側に接着され、前記圧電材の背面側に出力された超音波を被検体側に反射させるためのデマッチング層と、を有する超音波プローブの製造方法であって、前記圧電材の材料と前記デマッチング層の材料とを貼り合わせる工程と、前記圧電材の材料を薄板化する工程と、を有し、前記圧電材は、その分極処理前後における変位率（％）に、前記超音波プローブにおける前記電圧を印加される方向に直交する方向の長さの最大値（ｍｍ）を乗じた値が、６．０以下である。

本発明によれば、高画質化された超音波画像を得ることができるとともに、歩留まり率の高い超音波プローブ、当該超音波プローブを有する超音波診断装置、および当該超音波プローブの製造方法を提供することができる。

図１は、本発明の一実施の形態に係る超音波プローブの全体構造の一例を示す断面図である。 図２Ａは、本発明の一実施の形態に係る超音波プローブを構成する圧電材の分極処理前の形状の一例を示す断面図であり、図２Ｂは、本発明の一実施形態に係る超音波プローブを構成する圧電材の分極処理後の形状の一例を示す断面図である。 図３Ａは、本発明の一実施の形態に係る超音波プローブに係るデマッチング層が接着された圧電材を切断した際の切断面の一例を示す図であり、図３Ｂおよび３Ｃは、圧電材とデマッチング層を別々に切断したものを接着した際の切断面の一例を示す図である。 図４は、本発明の一実施の形態に係る超音波プローブを備える超音波診断装置の一例を示す模式図である。 図５は、本発明の一実施形態に係る超音波プローブの変位率を示すグラフである。

本願発明者らは、種々の圧電材について検討する過程で、圧電材の切断時におけるチップ（素子）跳ねと、圧電材の変位率の関係の相関を見出し、以下の発明に至った。以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態について説明する。

１．超音波プローブの構成
図１は、本発明の一実施の形態に関する超音波プローブ１００の全体構造の一例を示す断面図である。

図１に示されるように、本発明の一実施の形態に係る超音波プローブ１００は、圧電材１１０と、圧電材１１０に電圧を印加するための信号電極１２０ａ、１２０ｂと、音響整合層１３０と、音響レンズ１４０と、デマッチング層１５０と、フレキシブルプリント基板１６０と、背面負荷材１７０と、を有する。超音波プローブ１００は、圧電材１１０から被検体に向けて、信号電極１２０ａ、音響整合層１３０および音響レンズ１４０がこの順に積層され、圧電材１１０から被検体とは反対側に向けて、信号電極１２０ｂ、デマッチング層１５０、フレキシブルプリント基板１６０および背面負荷材１７０がこの順に積層された構成を有する。

なお、本明細書において、超音波プローブ１００を構成する各部材に対して、診断される被検体により近づく方向を「上面側」といい、診断される被検体からより遠ざかる方向を「背面側」ともいう。

また、本発明の一実施の形態に係る超音波プローブ１００は、圧電材１１０、音響整合層１３０、音響レンズ１４０、被検体（生体）の順に、音響インピーダンスの大きさが、段階的に変化する。このようにすることで、各部材間での超音波の反射が起きにくくなり、診断画像の解像度を向上させることができる。

１−１．圧電材
圧電材１１０は、電圧の印加により超音波を送波する複数個の圧電素子（不図示）が１次元または２次元に配列されて形成される。圧電材１１０の厚さは、例えば、０.０５ｍｍ以上０.４ｍｍ以下とすることができる。

１−２．信号電極
信号電極１２０ａ、１２０ｂは、圧電材１１０の上面側および背面側に配置されて、圧電材１１０に電圧を印加するための電極である。信号電極１２０ａ、１２０ｂは、金および銀などを、蒸着、スパッタリングおよび銀の焼き付けなどの方法で形成したり、銅などの導体を絶縁性の基板に貼り付けてパターニングしたりして、形成することができる。

また、圧電材１１０の上面側（図１のＺ方向であり、被検体側）には、信号を取り出すために、導体層を用いてもよい。導体層の材料の例には、アルミニウム、銅、金、モリブデン、ニッケル、銀、タングステン、チタンなどが含まれる。上記導体層は、圧電材１１０の上面側に配置される、信号電極１２０ａとともに圧電素子に電圧を印加するための電極であり、圧電材１１０の上面側に配置されている信号電極１２０ａの表面に電気的に接続するように接着されている。また、上記導体層は、圧電材１１０と音響整合層１３０（後述）との間、または複数層の音響整合層の間に配置されてもよい。なお、上記導電層は、接地電極（ＧＮＤ）としての機能も有する。

１−３．音響整合層
音響整合層１３０は、圧電材１１０と音響レンズ１４０との間の音響特性を整合させるための層であり、一般に、圧電材１１０と音響レンズ１４０との概ね中間の音響インピーダンスを有する材料により構成される。音響整合層１３０は、一般に、複数層から構成される（図１参照）。

図１に示されるように、本発明の一実施の形態において、音響整合層１３０は、第１の音響整合層１３０ａ、第２の音響整合層１３０ｂおよび第３の音響整合層１３０ｃから構成される。圧電材１１０、第１の音響整合層１３０ａ、第２の音響整合層１３０ｂおよび第３の音響整合層１３０ｃの各音響インピーダンスの大きさは、この順に、小さくなることが好ましく、最も圧電材１１０の音響インピーダンスの大きさに近い第１の音響整合層１３０ａから、順に、被検体（生体）の音響インピーダンスに近づくように小さくすることが好ましい。

第１の音響整合層１３０ａおよび第１の音響整合層１３０ａの上面側に積層される第２の音響整合層１３０ｂの材料の例には、シリコン、水晶、快削性セラミックス、金属粉を充填したグラファイト、および金属または酸化物などのフィラーを充填したエポキシ樹脂などが含まれる。また、第３の音響整合層１３０ｃの材料の例には、ゴム材料を混合したプラスチック材、およびシリコーンゴム粉を充填した樹脂などが含まれる。

音響整合層１３０の各層は、エポキシ系接着剤などの、当該技術分野で通常使用される接着剤で接着されてもよい。

１−４．音響レンズ
音響レンズ１４０は、被検体（生体）と音響レンズ１４０との音速差による屈折を利用して圧電材１１０から送波された超音波を集束して、分解能を向上させる層である。図１に示されるように、本発明の一実施の形態では、音響レンズ１４０は、図１中Ｙ方向に沿って延び、Ｚ方向に凸状となる、シリンドリカル型の音響レンズであり、上記超音波をＹ方向に集束させて超音波プローブ１００の外部に出射する。また、音響レンズ１４０は、生体とは異なる音速を有する、例えば、軟質の高分子材料などにより構成されている。

上記軟質の高分子材料の例には、シリコーンゴムが含まれる。

１−５．デマッチング層
デマッチング層１５０は、圧電素子からなる超音波振動子（不図示）で発生される弾性振動を、反射する層であり、圧電材１１０の背面側に接着される。なお、「接着」とは、エポキシ系、シリコン系等の熱硬化性接着剤を用いての接着であってもよいし、融接、圧接、ろう接等による溶接または接合による接着であってもよい。

デマッチング層１５０は、圧電材１１０の音響インピーダンス（１０〜３０ＭＲａｙｌｓ）よりも音響インピーダンスが大きい材料（例えば、９０ＭＲａｙｌｓ）により形成されており、圧電材１１０に対し被検体の方向とは反対側（被検体から遠ざかる方向）に出力される超音波を反射する。

デマッチング層１５０に適用される材料としては、タングステン、タングステンカーバイド、タンタルなど、圧電材１１０とデマッチング層１５０との音響インピーダンスの差を大きくできる材料であれば、特に限定されない。上記材料の中では、タングステンカーバイドが好ましい。また、タングステンカーバイドとコバルト等の他の材料とを混合してなる、タングステン系合金であってもよい。

１−６．フレキシブルプリント基板
フレキシブルプリント基板１６０は、デマッチング層１５０と背面負荷材１７０（後述）との間に配置される。上記フレキシブルプリント基板１６０は、送信部（図示なし）からの送信信号を圧電材１１０に与え、圧電材１１０で生成された受信信号を受信部（図示なし）に与える。

１−７．背面負荷材
背面負荷材１７０は、圧電材１１０から背面側に送波された超音波を減衰させる層である。背面負荷材１７０は、天然ゴム、フェライトゴム、エポキシ樹脂や、これらの材料に酸化タングステン、酸化チタン、フェライト等の粉末を入れてプレス成形したゴム系複合材やエポキシ樹脂複合材、塩化ビニル樹脂、ポリビニルブチラール樹脂（ＰＶＢ）、ＡＢＳ樹脂、ポリウレタン樹脂（ＰＵＲ）、ポリビニルアルコール樹脂（ＰＶＡＬ）、ポリエチレン樹脂（ＰＥ）、ポリプロピレン樹脂（ＰＰ）、ポリアセタール樹脂（ＰＯＭ）、ポリエチレンテレフタレート樹脂（ＰＥＴＰ）、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ）、ポリエチレングリコール樹脂、ポリエチレンテレフタレート−ポリエチレングリコール共重合体などの熱可塑性樹脂などが適用できる。

２．圧電材について
図２Ａおよび図２Ｂに示されるように、圧電材１１０は、分極状態により、形状が変化する。図２Ａは、圧電材１１０に分極が生じていない状態を示し、図２Ｂは、圧電材１１０に分極が生じている状態を示す。圧電材１１０は、上記分極の有無により、高さ方向Ｌ_０、Ｌ_１および幅方向Ｗ_０、Ｗ_１において伸縮される。

また、本発明の一実施の形態に係る圧電材１１０は、高周波用の超音波プローブに用いることができる。圧電材の背面側に出力された超音波を被検体側に反射させるためのデマッチング層を有する超音波プローブでは、１／４λ共振を利用するために、一般のデマッチング層を有さないプローブと比較して圧電材の厚みが約半分程度となる。また、本発明に関連する高周波プローブでは、低周波プローブに比べて圧電材の厚みは薄く、圧電材の厚みは、およそ０．１ｍｍ以下となる。したがって、圧電材１１０は、デマッチング層１５０を構成できるタングステンカーバイドなどの硬質な材料に貼り合わせて、加工することが好ましい。

２−１．圧電材の変位率
圧電材１１０は、分極処理前後における変位率（％）に、上記電圧を印加される方向に直交する方向の長さの最大値（ｍｍ）を乗じた値が、６．０以下であることが好ましい。上記値が６．０以下である場合には、切断（ダイシング）時にチップ（素子）跳ねが生じることを抑制できる。なお、「電圧を印加される方向に直交する方向の長さの最大値」とは、ダイシングソーを用いて素子サイズ（例えば０．２ｍｍ間隔）に分割される前の長さのことをいう。本発明において、「電圧を印加される方向に直交する方向の長さの最大値」は、超音波プローブの有効開口における長辺方向の長さに相当する。

また、圧電材の「変位率」とは、下記式で求めることができる値のことである。

上記変位率は、分極率１００％の状態の圧電材１１０の１辺の長さ（電圧を印加される方向に直交する方向の長さの最大値（ｍｍ））を光学顕微鏡またはレーザー変位計等を用いて測定し、次いで、電気炉などで圧電材１１０の有するキュリー点よりも十分に高い温度に十分にさらした後、分極率１００％の状態のときと同様にして、分極率０％の状態の圧電材１１０の１辺の長さを計測することにより求めることができる。なお、分極状態はピエゾメーター「ＰＭ３００」（ＰＩＥＺＯＴＥＳＴ社製）、またはインピーダンスアナライザを用いた共振・反共振法などを用いて圧電特性を測定することにより確認することができる。ここで、「分極率１００％」とは、圧電材を分極してから、加工または超音波プローブとして駆動させていない状態のことをいう。

上記圧電材１１０の変位率は、０．１５％以下であることが好ましい。変位率が上記範囲内にある場合には、例えば、４００ｍｍ^２以上の面積において、素子サイズである０．２ｍｍ間隔で上記圧電材を切断（ダイシング）してもひずみの発生を抑制でき、ひずみによるチップ（素子）跳ねも抑制できる。なお、チップ（素子）跳ねは、目視または顕微鏡「ＳＺ６１」（オリンパス株式会社）などによって確認することができる。なお、４００ｍｍ^２以上の面積における、上記圧電材はデマッチング層と接着された後、研磨などにより薄板化され、４０ｍｍ×５ｍｍの必要な大きさに切り出された後に、アッセンブリに必要な部材を接着されたものである。

また、図３Ａに示されるように、圧電材１１０からデマッチング層１５０にかけて一続きのソーマーク１８０（斜線）が切断面にある場合には、ソーマーク（斜線）が切断前に圧電材１１０とデマッチング層１５０とを接着して板材を形成していることを示す判断材料となることができる。とくに、その板材の面積が４００ｍｍ^２以上である場合には、一続きのソーマーク（斜線）が顕著に確認される。それに対して、図３Ｂおよび３Ｃに示されるように、一続きのソーマーク（斜線）となっていない（ソーマーク１８０、１８１となっている）場合には、圧電材１１０およびデマッチング層１５０の大きさに関わらず、別々に切断した後、接着していると判断することができる。なお、本発明の一実施の形態に係る圧電材において、上記一続きのソーマーク１８０（斜線）が検出されるものについては、より歩留まりよく超音波プローブを作製することができる。なお、上記一続きのソーマークは一断面にのみ見られてもよい。

２−２．圧電材の厚み
一般に、圧電材の厚みが大きいほど、印加できる電圧を大きくすることができる、ここで、圧電材の厚みと印加できる電圧の大きさの関係は、下記式に示すことができる。なお、抗電界（Ｅｃ）は、材料によって固定される値である。

超音波プローブの感度を高める観点から、圧電材に印加できる電圧は大きいことが好ましい。圧電材に印加できる電圧は、上記圧電材の厚みが大きいほど、印加できる電圧も大きくすることができる。一般に、低周波プローブに用いられる圧電材の厚みは、０．１２ｍｍ以上であるのに対して、高周波プローブに用いられる圧電材の厚みは、０．０７〜０．１ｍｍ程度である。この場合、上記式より、高周波プローブに用いられる圧電材の厚みでは、印加できる電圧が小さくなるので、超音波プローブとしての感度を高めることが困難となる。したがって、圧電材の厚みが薄くても、大きい抗電界を有することができる材料から圧電材を作製することが好ましい。

ここで、超音波プローブとしての感度を高めるためには、高周波プローブの圧電材の厚みが０．０７〜０．１ｍｍ程度あっても、一般的な超音波診断装置に用いられる電圧である８０Ｖを入力できることが求められる。そこで、高周波プローブで使用可能な圧電材の最大厚み（０．１ｍｍ）にしたときに、入力できる電圧を８０Ｖとしたときの抗電界（Ｅｃ）の値を求め、当該値以上の値を有する材料から構成される圧電材を用いれば、十分に高い電圧を印加することができる。本発明の一実施の形態に係る圧電材の抗電界（Ｅｃ）の値は、上記計算から８．０ｋＶ／ｃｍ以上とすることができる。抗電界（Ｅｃ）の値を８．０ｋＶ／ｃｍ以上とすることにより、圧電材の厚みが薄くても、８０Ｖ以上の電圧を印加することができるようになる（表４参照）。なお、「８０Ｖ以上の電圧を印加する」とは、一般的に分極の抜けやすい、圧電材の分極方向（自発分極方向）とは逆方向の電圧を印加することをいう。

ここで、「抗電界」とは、圧電材における分極の符号（向き）が反転する電場の強さを意味する。

３．超音波診断装置
図４は、超音波プローブ１００を備える超音波診断装置１０の一例を示す模式図である。超音波診断装置１０は、超音波プローブ１００、本体部１１、コネクタ部１２およびディスプレイ１３を備える。

超音波プローブ１００は、コネクタ部１２に接続されたケーブル１４を介して超音波診断装置１０と接続される。

超音波診断装置１０からの電気信号（送信信号）は、ケーブル１４を通じて超音波プローブ１００の圧電材１１０に送信される。この送信信号は、圧電材１１０において超音波に変換され、生体内に送波される。送波された超音波は生体内の組織などで反射され、当該反射波の一部がまた圧電材１１０に受波され電気信号（受信信号）に変換され、超音波診断装置１０の本体部１１に送信される。受信信号は、超音波診断装置１０の本体部１１において画像データに変換されディスプレイ１３に表示される。

上記の実施の形態の超音波診断装置１０は、圧電材１１０に十分な電圧を印加できる本発明の超音波プローブを有することからより高画質化された超音波画像を生成することができる。

なお、上述の一実施の形態では、背面負荷材を有する超音波プローブについて説明したが、超音波プローブは、背面負荷材を有さなくてもよい。また、チタン酸ジルコン酸鉛（以下、「ＰＺＴ」ともいう）と背面負荷材の間には、ＰＺＴ同等以上の音響インピーダンスの材料を設けて、背面側に向かう超音波を反射させ、上面側に向かう超音波とを重ね合わせるような構成にしてもよい。

４．超音波プローブの製造方法
本発明の超音波プローブの製造方法は、上述した圧電材１１０を含む、超音波プローブ１００の製造方法である。具体的には、本発明の超音波プローブの製造方法は、圧電材の材料とデマッチング層の材料とを貼り合わせる工程と、圧電材の材料を薄板化する工程と、圧電材の背面側と反対側の面に電極を形成する工程と、接着した圧電材とデマッチング層を切断する工程と、を有する。

圧電材１１０の背面側に、デマッチング層を接着する工程では、圧電材１１０とデマッチング層１５０とは、接着層（不図示）を介して積層されている。接着層を形成するための接着剤としては、エポキシ系等の熱硬化性接着剤を用いることができる。また、接着層の厚みを０．５μｍ以下とすることが好ましい。接着層の厚みを０．５μｍ以下とするために、熱硬化前の粘度が４０℃以下において６００ｃｐｓ以下である低粘度接着剤を用いることが好ましい。低粘度接着剤を用いることにより、圧電材１１０とデマッチング層１５０との間の接着層の厚みを薄くでき、圧電材１１０とデマッチング層１５０との導通の確保が容易になるとともに、接着層における不要な反射を抑制できるので、超音波プローブ１００の音響特性に影響を与えることなく両者を接着することができる。

圧電材１１０の上面側（デマッチング層が接着されていない面）を薄板化する工程では、研磨、研削、エッチング等の方法を用いることができる。たとえば、薄板化工程として、研磨を用いる場合には、円盤状の平坦なラップ盤に、一体化（例えば接着）された圧電材１１０およびデマッチング層１５０を配置し、上記ラップ盤に遊離砥粒と液体とを混合した液体研磨剤を流し込みつつ上下から圧力を加えながら摺動させることにより圧電材を薄板化することができる。または、基材フィルムに研磨剤粒子が塗布された研磨フィルムを用いて、圧電材１１０の上面側を研磨してもよい。

また、薄板化工程として、研削工程を用いる場合には、ラップ盤の代わりに研削砥石を用いて、圧電材を薄板化することができる。また、薄板化工程として、エッチングを用いる場合には、市販のドライエッチ装置を用いることができる。

上記圧力を加えながらの摺動では、分極している圧電材から分極が抜けやすく、研磨中に圧電材の大きさが変化してしまうおそれがある。よって、本発明の一実施の形態では、研磨フィルムを用いて圧電材１１０の上面の研磨をすることが好ましい。

本発明の実施形態で用いることができる基材フィルムの例には、ポリイミド、ポリアミド、ポリイミドアミド、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴＰ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）のようなポリエステル、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）のようなポリアクリレート、ポリメタクリレート、ポリカーボネート樹脂、ポリウレタン、シクロオレフィンポリマーのようなプラスチックのフィルムなどが含まれる。また、本発明の実施形態で用いることができる研磨剤粒子の例には、炭化珪素（ＳｉＣ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化クロム（Ｃｒ_２Ｏ_３）、酸化鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）、ダイヤモンド（Ｃ）、酸化セリウム（ＣｅＯ_２）、酸化珪素（ＳｉＯ_２）などの無機材料、フェノール樹脂およびエポキシ樹脂などの有機材料、上述の無機材料と有機材料を複合化した材料が含まれる。

圧電材１１０は、複数層あるいは単層の圧電素子（不図示）によって構成されている。上記圧電材１１０への信号電極１２０ａ、１２０ｂの形成する工程は、先ずチタン（Ｔｉ）やクロム（Ｃｒ）などの下地金属をスパッタ法により０．０２〜１．０μｍの厚さに形成し、続いて金属元素を主体とする金属材料またはそれらの合金から成る金属材料に、必要に応じて一部絶縁材料を併せて、スパッタ法等の適当な方法で１〜１０μｍの厚さに形成する。上記金属材料には、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、スズ（Ｓｎ）などが用いられる。また、電極形成は、上記スパッタ法以外に、微粉末の金属粉末と低融点ガラスとを混合した導電ペーストを、スクリーン印刷やディッピング法、溶射法等で、塗布することで行うこともできる。

接着した圧電材とデマッチング層を切断する工程では、ダイシングソーを用いて、所定の大きさに切断することができる。このとき、圧電材１１０からデマッチング層１５０にかけて一続きのソーマーク１８０（斜線）が形成される。

なお、本発明の一実施の形態では、圧電材１１０の加工（研磨等）をするために、デマッチング層１５０と貼り合わせて加工（研磨等）をする方法を説明したが、圧電材１１０を前述の導体層もしくは音響整合層と貼り合わせて、加工（研磨等）をしてもよい。

以下、本発明を以下の試験を用いてさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されない。

１．圧電材の変位率の算出
変位率の測定に用いた圧電材は以下のとおりである。
（圧電材Ａ）
圧電材Ａは、富士セラミックス社製のＣ６材であり、その比誘電率（ε_３３ ^Ｔ／ε_０）は、約２２００であり、そのキュリー温度は、約３００℃である。
（圧電材Ｂ）
圧電材Ｂは、富士セラミックス社製のＣ８４材であり、その比誘電率（ε_３３ ^Ｔ／ε_０）は、約４８００であり、そのキュリー温度は、約１９０℃である。
（圧電材Ｃ）
圧電材Ｃは、ＰＭＮ−ＰＺＴ系から構成されており、その比誘電率（ε_３３ ^Ｔ／ε_０）は、約２８００であり、そのキュリー温度は、約２８０℃である。

（測定方法）
１０ｍｍ×１０ｍｍの大きさで、厚みが０.４ｍｍの上記圧電材Ａ〜Ｃを用意し、圧電材Ａ〜Ｃの分極率を１００％にした状態における１辺の長さを測定顕微鏡「ＭＭ−４００」（株式会社ニコン製）で測定した。次いで、分極率１００％の圧電材Ａ〜Ｃを、電気炉を用いて、それぞれが有するキュリー点よりも十分に高い温度で、約１時間保持して、脱分極を行い、１辺の長さ（電圧を印加される方向に直交する方向の長さの最大値）を測定顕微鏡で測定した。なお、「１辺の長さ」とは、電圧を印加される方向（分極方向）に直行する方向の長さの最大値のことをいう。この場合、分極方向の向きとは圧電材の厚み方向のことであり、分極方向に直行する方向の長さは１０ｍｍに相当する長さである。

なお、圧電材Ａ〜Ｃの変位率は以下の式で算出することができる。

上記式より算出された圧電材Ａ〜Ｃの変位率を図５に示す。なお、圧電材Ａ、Ｂはそれぞれ５個のサンプル、圧電材Ｃは２個のサンプルについて変位率を算出した。

図５に示されるように、圧電材Ａの変位率が０．１５％以上であるのに対して、圧電材Ｂ、Ｃの変位率は、いずれも０．１５％未満であった。これは、圧電材Ｂ、Ｃが圧電材Ａと比較して、残留歪みが小さいであるためと考えられる。ここで、「残留歪み」とは、圧電分野で定義された、未分極処理の状態から最初に電界・歪曲線を測定した場合、電界を取り去っても残っている電界方向の変位量である。

２．圧電材の変位率およびチップ（素子）跳ね
圧電材Ａ〜Ｃの圧電材の変位率の測定およびチップ（素子）跳ねの有無の評価を行った。

（変位率）
各長軸の長さにおける圧電材Ａ〜Ｃの変位率を、分極処理前後における圧電材の変位率（％）に、電圧を印加される方向に直交する方向の長さの最大値（ｍｍ）を乗じることにより求めた。圧電材Ａ〜Ｃの変位率の算出結果を表１に示す。なお、表１に記載の変位率は、図５に示したグラフの値の平均値を示している。

（チップ（素子）跳ね）
上記変位率を有する圧電材Ａ〜Ｃの切断（ダイシング）時のチップ（素子）跳ねの有無の評価を行った。また、大面積（面積が４００ｍｍ^２以上）の圧電材Ａ〜Ｃのチップ（素子）跳ねの有無の評価を行った。

（サンプル作製）
圧電材Ａ〜Ｃを、ダイシングソーを用いて、０．２ｍｍ間隔で切断した。大面積の圧電材Ａ〜Ｃは、上記圧電材とデマッチング層とを接着した後、薄板化し、次いで４０ｍｍ×５ｍｍの必要な大きさに切り出し、アッセンブリに必要な部材と接着後、ダイシングソーを用いて、０．２ｍｍ間隔で切断した。なお、上記大面積の圧電材Ａ〜Ｃの面積の大きさは、４００ｍｍ^２、８００ｍｍ^２、１２００ｍｍ^２、１６００ｍｍ^２および５０００ｍｍ^２であった。

（評価方法）
上記切断した圧電材それぞれについて、チップ（素子）跳ねの有無を目視または顕微鏡「ＳＺ６１」（オリンパス株式会社製）などを用いて観察した。チップ（素子）跳ねの有無の評価基準は以下のとおりである。

（評価基準）
○：圧電材のチップ（素子）跳ねは見られない
△：圧電材のチップ（素子）跳ねは時折見られる
×：圧電材のチップ（素子）跳ねが見られる

上記変位率を有する圧電材Ａ〜Ｃの切断（ダイシング）時のチップ（素子）跳ねの有無を表２に示す。また、圧電材およびデマッチング層から構成される板材の各面積における切断（ダイシング）時のチップ（素子）跳ねの有無を表３に示す。なお、表２、３に記載の変位率は、図５に示したグラフの値の平均値を示している。

表１、２に示されるように、上記長軸（電圧を印加される方向に直交する方向の長さの最大値）の長さ（３６〜８０ｍｍ）に対して、圧電材の変位率が６．０以下になる範囲（３６〜６０ｍｍ）では、切断（ダイシング）時にチップ（素子）跳ねを生じないことがわかった。また、表３に示されるように、上記変位率の範囲内であれば、圧電材の歪エネルギーを小さくすることができるので、切断（ダイシング）前の圧電材の面積が１６００ｍｍ^２までチップ（素子）跳ねが生じることを抑制して、所望する大きさに切断できることがわかった。これにより、圧電材の製造における歩留まり率を向上させることができる。

上述した残留歪みを抑制し、所望する圧電材の変位率を得ることは、材料組成の最適化により設計可能であるが、これまで、チップ（素子）跳ねと、残留歪み、および変位率の関係は全く知られていなかった。しかしながら、表１〜３に示した結果により、圧電材の変位率とチップ（素子）跳ねとの相関関係を見出すことができた。

３．圧電材の厚み
表４に示される抗電界値を有する圧電材Ａ〜Ｃの各厚みに対して印加できる電圧の大きさを下記式から算出し、その結果を表４に示した。

高周波プローブで使用可能な圧電材の最大厚み（０．１ｍｍ）にしたときに、入力できる電圧を８０Ｖとしたときの抗電界（Ｅｃ）の値が、８．０ｋＶ／ｃｍを有する圧電材を基準としているところ、表４に示されるように、抗電界（Ｅｃ）の値が、８．０ｋＶ／ｃｍ以上である圧電材Ｃでは、圧電材の厚みが０．１ｍｍ以下であっても８０Ｖ以上を印加することができることがわかった。特に、圧電材Ｃでは、０.０７ｍｍといった厚みでも、９０Ｖ以上の電圧を印加することができる。これにより、圧電材の厚みが小さい、高周波プローブを用いた場合であっても、高画質の診断画像を得ることができる。

本発明は、デマッチング層を有する高周波プローブにおいて、感度に優れて画質のよい超音波画像を得ることを目的とする超音波装置の超音波プローブとして有用である。

１０ 超音波診断装置
１１ 本体部
１２ コネクタ部
１３ ディスプレイ
１４ ケーブル
１００ 超音波プローブ
１１０ 圧電材
１２０ａ、１２０ｂ 信号電極
１３０ 音響整合層
１３０ａ 第１の音響整合層
１３０ｂ 第２の音響整合層
１３０ｃ 第３の音響整合層
１４０ 音響レンズ
１５０ デマッチング層
１６０ フレキシブルプリント基板
１７０ 背面負荷材
１８０、１８１ ソーマーク

Claims (5)

1. 電圧の印加により超音波を送信し、生体内で反射した前記超音波を受信するための圧電材と、
   前記圧電材の背面側に接着され、前記圧電材の背面側に出力された超音波を被検体側に反射させるためのデマッチング層と、
   を有する超音波プローブであって、
   前記圧電材は、分極処理前後における変位率（％）に、前記電圧を印加される方向に直交する方向の長さの最大値（ｍｍ）を乗じた値が、６．０以下である、
   超音波プローブ。
2. 前記圧電材の分極処理前後における変位率は、０．１５％以下である、請求項１に記載の超音波プローブ。
3. 前記圧電材の抗電界（Ｅｃ）の値は、０．１Ｈｚにおいて、８．０ｋＶ／ｃｍ以上である、請求項１または請求項２に記載の超音波プローブ。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の超音波プローブを有する、超音波診断装置。
5. 超音波を送受信するための圧電材と、前記圧電材の背面側に接着され、前記圧電材の背面側に出力された超音波を被検体側に反射させるためのデマッチング層と、を有する超音波プローブの製造方法であって、
   前記圧電材の材料と前記デマッチング層の材料とを貼り合わせる工程と、
   前記圧電材の材料を薄板化する工程と、
   を有し、
   前記圧電材は、その分極処理前後における変位率（％）に、前記超音波プローブにおける前記電圧を印加される方向に直交する方向の長さの最大値（ｍｍ）を乗じた値が、６．０以下である、
   超音波プローブの製造方法。

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