JP3943731B2

JP3943731B2 - 超音波トランスデューサ用圧電板及びその製造方法

Info

Publication number: JP3943731B2
Application number: JP29702998A
Authority: JP
Inventors: 俊武内
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1998-10-19
Filing date: 1998-10-19
Publication date: 2007-07-11
Anticipated expiration: 2018-10-19
Also published as: JP2000125395A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波診断装置や超音波探傷装置等に用いられる超音波トランスデューサ用の圧電板及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電セラミックス等の圧電体を主体として構成される超音波トランスデューサ（超音波振動子）は、電気的振動を機械的な振動に変換し、それによって超音波を発生し、その超音波を対象物に向けて照射すると共に、音響インピーダンスの異なる界面で反射して戻ってきたエコーを電気的振動に変換するという機能を担っており、超音波診断装置や超音波探傷装置等の心臓部をなす重要な構成要素の１つである。
【０００３】
ところで、これまでに、高感度化を達成するために、超音波トランスデューサ自体または装置側から様々な試みがなされてきた。その中でも超音波送受信素子である圧電体の影響が大きく、圧電体としては電気機械結合係数が大きいジルコン・チタン酸鉛系圧電セラミック（ＰＺＴ）が主として用いられている。さらに最近の研究ではジルコン・チタン酸鉛系圧電セラミック（ＰＺＴ）が電気機械結合係数（ｋ３３）が７５％程度であるのに対して、Ｋ３３＞９０％という大きな電気機械結合係数を有するチタン酸鉛を含む固溶系圧電単結晶が報告されている。
【０００４】
その圧電単結晶は、一般的に白金坩堝にてＰｂフラックス中に固有された原材料を局所的に冷却することで析出され、任意の方向へ結晶育成する。
この育成される圧電単結晶は、方位によって特性が異なる。例えば、９１ＰＺＮ−９ＰＴ単結晶では、自発分極方向及び成長方向は［１１１］方向であるが、この［１１１］では比誘電率が５０００であり短冊状の電気機械結合係数ｋ３３′が５５％しかない。しかし［１００］方向では比誘電率が２５００であり短冊状の電気機械結合係数ｋ３３′は、８５％にも達する。
【０００５】
すなわち、高い電気機械結合係数を達成するには、［１００］方向を分極軸として振動子を構成する、つまり［１００］方向を厚みとして振動子を構成して、この向きに振動を起こさせることが重要である。
【０００６】
その為、図５に示すように、坩堝１０内で育成した圧電単結晶のインゴット１１の方位を、Ｘ線ラウエカメラ等を用いて同定し、分極軸（矢印Ａ方向（Ｚ軸とする））に垂直なＸＹ面でインゴット１１を薄くカットして、結晶板１２を切り出す。そして、この結晶板１２を研磨して、使用周波数に応じて厚みが調整された圧電板１を作り、その後、スパッタ等により表面にアース電極３を、そして背面に信号電極４を形成して、分極処理を行う。
【０００７】
このような圧電板１は、図６に示すように、超音波トランスデューサの一部を構成する。つまり、超音波トランスデューサは、圧電板１を中心として、その表面上に、アース電極３を引き出すためのアース板（共通電極板）７を挟んで１つ又は複数の音響マッチング層５を積み重ね、さらにこの音響マッチング層５の上に音響レンズ６を取り付け、一方、圧電板１の背面には、信号電極４からのリード引き出しのためのフレキブル印刷配線板８を挟んでバッキング材２が設けられている。
【０００８】
以上のように、高感度の超音波トランスデューサを実現するためには、電気機械結合係数の高い固溶系圧電単結晶を圧電板として使用することが望ましい。しかしながら、この固溶系圧電単結晶は、不純物の含有、クラックの発生などからなかなか大きなサイズのものが得られない。また、良好な単結晶が得られた場合でも、結晶の大きさは育成する坩堝の大きさを超えることは不可能である。
【０００９】
一方、圧電板が使われる超音波トランスデューサは、比較的小型の体腔内用から、広視野で臓器を観測するための比較的大型の体表用のものまで幅広い。
上述したように固溶系圧電単結晶は従来では比較的小型のものしか作ることができないため、比較的大型の体表用超音波トランスデューサに適用できないという問題があった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、体表用超音波トランスデューサに適用できるような比較的大型の固溶系圧電単結晶の圧電板及びその製造方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の超音波トランスデューサ用圧電板は、少なくともチタン酸鉛を含む固溶系圧電単結晶の複数個の圧電ブロックが、分極軸を揃えて、板状に集成されてなり、前記圧電ブロックは、エポキシ樹脂により貼り合わされ、前記エポキシ樹脂の音響インピーダンスは、１×１０ ⁶ ＜Ｚｐ＜４×１０ ⁶ ｋｇ／ｍ ² ｓである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。（第１実施形態）
図１に本発明の第１実施形態に係る集成圧電板とその製造方法を示している。まず、固溶系圧電単結晶のインゴット２１を次のように作成する。出発原料として化学的に高純度のＰｂＯ，ＺｎＯ，Ｎｂ₂ Ｏ₅ ，ＴｉＯ₂ を用い、これらを純度補正した後、亜鉛ニオブ酸鉛（ＰＺＮ）とチタン酸鉛（ＰＴ）とが、９１：９のモル比で秤量し、さらにフラックスとして同量のＰｂＯを添加する。この粉末に純水を添加し、ＺｒＯ₂ ボールが収納されたボールミルで１時間混合し、得られた混合物の水分を除去した後、ライカイ機で十分に粉砕し、さらにゴム容器に入れて２トン／ｃｍ² の圧力でラバープレスを行う。
【００１３】
そして、ゴム型から取り出した固形物６００ｇを、直径５０ｍｍ、容量２５０ｃｃの白金容器に入れ、９００℃まで４時間で昇温して溶解する。冷却後、さらに固形物を４００ｇ入れ、白金製の蓋で密閉し、前記容器を電気炉の中心に設置した。１２６０℃の温度まで５時間で昇温し、０．８℃／ｈｒの速度で８００℃まで徐冷した後、室温まで冷却する。その後、白金製容器に３０％濃度の硝酸を添加し、８時間煮沸して固溶系圧電単結晶のインゴット２１を取り出した。
【００１４】
このようにして得られた固溶系圧電単結晶のインゴット２１は、矢じりの形状をなしており、その大きさは約２０ｍｍ角である。この固溶系圧電単結晶のインゴット２１の一部を粉砕し、Ｘ線回折を行って結晶構造を調べたところ、ペロブスカイト構造を有することが確認される。
【００１５】
その後、固溶系圧電単結晶のインゴット２１の［１００］軸、すなわち図１ではＡ（Ｚ軸とする）の方位をラウエカメラを用いて同定し、この同定したＺ軸（分極軸）を基準として、この分極軸に平行、すなわち図１ではＹＺ面でカッターにて切断固溶系圧電単結晶のインゴット２１を切断する。これにより約１０ｍｍ角の固溶系圧電単結晶の圧電ブロック２２が切り出される。
【００１６】
医用腹部診断の超音波トランスデューサのためには、口径が約２０ｍｍ×約１２０ｍｍの圧電板が必要とされる。そこで、約１０ｍｍ角の固溶系圧電単結晶の圧電ブロック２２を２４個用意し、この２４個の圧電ブロック２２を、Ｚ軸、つまり分極軸を揃えて、２×１２配列に並べ、エポキシ樹脂系の接着剤で貼り合わせて、１個の板状の一次集成圧電板２３として集成する。なお、用いたエポキシ樹脂系接着剤の音響インピーダンスは、３×１０⁶ ｋｇ／ｍ² ｓである。
【００１７】
そして、一次集成圧電板２３を、Ｚ軸に垂直に、すなわちＸＹ面でカッターにて約１ｍｍ厚に切断し、さらにその切断面を＃２０００の研磨材で厚さ３００μｍに研磨する。これにより、必要な共振周波数に応じた厚さに調整された二次集成圧電板２４が得られる。
【００１８】
この二次集成圧電板２４の両面に、スパッタ法により、Ｔｉ／Ａｕ電極２５，２６を形成する。なお、二次集成圧電板２４の表面に形成される電極２５は最終的にアース電極とされ、また二次集成圧電板２４の背面に形成される電極２６は最終的に信号電極とされるものである。
【００１９】
次に、この二次集成圧電板２４を常温にて、１ｋＶ／ｍｍの電界を印加して、分極処理を施す。
こうして製造された二次集成圧電板２４からアレイ型超音波トランスデューサを作成するには、まず、回し込み電極部形成のため、一方の電極２５又は２６にエッチングにより縁にほぼ平行に１本のスリットを入れ、次に、端部を導電ペーストにより導通をとって回し込み電極とした。本実施形態では、回し込み電極を作製したが、これにこだわる必要はない。
【００２０】
次に、電極２５，２６を形成した二次集成圧電板２４に、図５に示したように、フレキシブル配線基板８とアース板（共通電極板）７を導電ペーストを用いて接続し、表面（超音波放射面）に音響マッチング層５を形成した後、バッキング材２をエポキシ樹脂系接着剤で接着する。
【００２１】
次にダイシングソーにより厚さ５０μｍのブレードで、二次集成圧電板２４を音響マッチング層５及び電極２５，２６を含めて２００μｍピッチで平行に切断し、１個１個が１つのチャンネルを構成する複数の圧電素子に分割する。そして、音響マッチング層５の上に、音響レンズ６を接着する。これに静電容量１１０ｐＦ／ｍ、長さ２ｍの同軸ケーブルをフレキシブル配線基板８に接続することにより、中心周波数３ＭＨｚの腹部用アレイ型トランスデューサが完成する。
【００２２】
以上のように本実施形態によれば、最大でも坩堝の大きさ程度の比較的小型にしか製造できない固溶系圧電単結晶のインゴットから、圧電ブロックを切り出し、この圧電ブロックを複数個張り合わせることにより、比較的大型の固溶系圧電単結晶の圧電板を提供することができる。さらに、クラック（ひび割れ）は生じたり不純物が部分的に混入して従来では廃棄処分送りとなっていたインゴットから、これらクラック等の不良部分を削り落として、使用することができるので、製品コストの低下にも寄与するものである。
（第２実施形態）
図２に本発明の第２実施形態に係る集成圧電板とその製造方法を示している。第１実施形態で説明したのと同様に育成された固溶系圧電単結晶のインゴット２１を、分極軸に平行、すなわち図２ではＹＺ面でカッターにて切断し、約０．５ｍｍ厚の固溶系圧電単結晶の薄板２７を切り出す。その固溶系圧電単結晶の薄板２７のＹＺ面を＃２０００の研磨材でＸ方向に１８０μｍに厚み研磨する。この厚み（Ｘ方向）は最終的に圧電板として必要な分極軸に垂直な厚み（Ｘ方向）の３００μｍに対して０．６以下である必要がある。
【００２３】
この固溶系圧電単結晶の薄板２７を、分極軸を揃えて数百枚重ね合わせ、エポキシ樹脂系の接着剤２８により張り合わせ集成して、一次圧電ブロックを作成する。この一次圧電ブロックをさらにＺＸ面でカッターにて約０．５ｍｍ厚に切断し、そのＺＸ面を＃２０００の研磨材でＹ方向に１８０μｍに厚み研磨することにより、二次圧電ブロック２９を作成する。この二次圧電ブロック２９を分極軸を揃えて数十枚平面的に配列し、エポキシ樹脂系接着剤２８で貼り合わせて、一次集成圧電板に集成する。この一次集成圧電板を、Ｚ軸に垂直、すなわちＸＹ面でカッターにて約１ｍｍ厚に切断し、さらにその切断面を＃２０００の研磨材で厚さ３００μｍに研磨することにより二次集成圧電板３０を作成する。
【００２４】
この二次集成圧電板３０の両面に、スパッタ法により、Ｔｉ／Ａｕ電極３１，３２を形成する。次に、この単結晶を常温にて、１ｋＶ／ｍｍの電界を印加し分極処理を施す。
【００２５】
この二次集成圧電板３０を用いて、第１実施形態と同様に中心周波数３ＭＨｚの腹部用アレイ型トランスデューサを組み立てる。
このように本実施形態によっても、第１実施形態と同様に、比較的小型の固溶系圧電単結晶のインゴットから、その薄板を切り出し、その薄板を集成して圧電ブロックを作り、この圧電ブロックを複数個張り合わせることにより、比較的大型の固溶系圧電単結晶の圧電板を提供することができる。さらに、クラック（ひび割れ）は生じたり不純物が部分的に混入して従来では廃棄処分送りとなっていたインゴットから、これらクラック等の不良部分を削り落として、使用することができるので、製品コストの低下にも寄与するものである。
（第３実施形態）
図３に本発明の第３実施形態に係る集成圧電板とその製造方法を示している。第１実施形態で説明したのと同様に育成された固溶系圧電単結晶のインゴット２１を、分極軸に平行すなわち図３ではＹＺ面，ＺＸ面でΦ０．５ｍｍのワイヤーソーにて、１ｍｍピッチで切断する。これにより固溶系圧電単結晶の０．５ｍｍ角の柱体４１を切り出す。その後、固溶系圧電単結晶の０．５ｍｍ角の柱体４１を、Φ３００ｍｍの円筒形のジグに挿入して、１ｍｍピッチに固定し、バインダーとなるエポキシ樹脂系接着剤を充填して硬化させ、一次集成圧電板４２に集成する。
【００２６】
この円柱形の一次集成圧電板４２を、Ｚ軸に垂直にすなわちＸＹ面でカッターにて約２ｍｍ厚に切断し、その切断面を＃２０００の研磨材で厚さ１．８ｍｍに研磨することにより、二次集成圧電板４３を作成する。この二次集成圧電板４３の両面に、スパッタ法により、Ｔｉ／Ａｕ電極４４，４５を形成する。次に、この二次集成圧電板４３を常温にて、１ｋＶ／ｍｍの電界を印加し、分極処理を施す。
【００２７】
この二次集成圧電板４３を用いて第１実施形態と同様に中心周波数５００ｋＨｚの超音波探傷用トランスデューサが作成され得る。
このように本実施形態によっても、第１実施形態と同様に、比較的小型の固溶系圧電単結晶のインゴットから、その柱体を切り出し、その柱体を集成して比較的大型の固溶系圧電単結晶の圧電板を、円板状又は任意形状で提供することができる。さらに、クラック（ひび割れ）は生じたり不純物が部分的に混入して従来では廃棄処分送りとなっていたインゴットから、これらクラック等の不良部分を削り落として、使用することができるので、製品コストの低下にも寄与するものである。
（第４実施形態）
図４に本発明の第４実施形態に係る集成圧電板とその製造方法を示している。第１実施形態で説明したのと同様に育成された固溶系圧電単結晶のインゴット２１を、分極軸に平行すなわち図４ではＹＺ面，ＺＸ面でΦ０．５ｍｍのワイヤーソーにて、１ｍｍピッチでカットする。このカット深度は、底面部４７は切り離さない程度に調整されている。これにより底面部４７から０．５ｍｍ角の複数本の柱体４８が剣山状にたっている圧電ブロック４６が形成される。この圧電ブロック４６を数十個、３０ｍｍ×３０ｍｍ×１０ｍｍの直方体のジグに底面４７を下にして敷き詰め、その柱体４８の隙間にバインダーとなるエポキシ樹脂系接着剤４９を充填して硬化させる。これにより一次集成圧電板５０が作成される。この一次集成圧電板５０を、Ｚ軸に垂直にすなわちＸＹ面でカッターにて約２ｍｍ厚に切断し、その切断面を＃２０００の研磨材で厚さ１．８ｍｍに研磨することにより、二次集成圧電板５１を作成する。この二次集成圧電板５１の両面に、スパッタ法により、Ｔｉ／Ａｕ電極５２，５３を形成する。次に、この二次集成圧電板５１を常温にて、１ｋＶ／ｍｍの電界を印加し、分極処理を施す。
【００２８】
この二次集成圧電板５１を用いて第１実施形態と同様に中心周波数５００ｋＨｚの超音波探傷用トランスデューサを作成する。
このように本実施形態によっても、第１実施形態と同様に、比較的小型の固溶系圧電単結晶のインゴットから、その剣山状の圧電ブロックを切り出し、その圧電ブロックを集成して比較的大型の固溶系圧電単結晶の圧電板を提供することができる。さらに、クラック（ひび割れ）は生じたり不純物が部分的に混入して従来では廃棄処分送りとなっていたインゴットから、これらクラック等の不良部分を削り落として、使用することができるので、製品コストの低下にも寄与するものである。
本発明は、上述した実施形態に限定されることなく、種々変形して実施可能である。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、最大でも坩堝の大きさ程度の比較的小型にしか製造できない固溶系圧電単結晶のインゴットから、圧電ブロックを切り出し、この複数個の圧電ブロックを張り合わせることにより、比較的大型の固溶系圧電単結晶の圧電板を提供することができる。さらに、クラック（ひび割れ）は生じたり不純物が部分的に混入して従来では廃棄処分送りとなっていたインゴットから、これらクラック等の不良部分を削り落として、使用することができるので、製品コストの低下にも寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る圧電板とその製造方法を示す図。
【図２】本発明の第２実施形態に係る圧電板とその製造方法を示す図。
【図３】本発明の第３実施形態に係る圧電板とその製造方法を示す図。
【図４】本発明の第４実施形態に係る圧電板とその製造方法を示す図。
【図５】従来の圧電板とその製造方法を示す図。
【図６】超音波トランスデューサの構成を示す斜視図。
【符号の説明】
１…圧電板、
２…バッキング材、
３…アース電極、
４…信号電極、
５…音響マッチング層、
６…音響レンズ、
７…アース板（共通電極板）、
８…フレキシブル配線基板、
１０…坩堝、
１１…固溶系圧電単結晶のインゴット、
１２…固溶系圧電単結晶板、
２１…固溶系圧電単結晶のインゴット、
２２…圧電ブロック、
２３…一次集成圧電板、
２４…二次集成圧電板、
２５…表面電極（アース電極）、
２６…背面電極（信号電極）。

Claims

少なくともチタン酸鉛を含む固溶系圧電単結晶の複数個の圧電ブロックが、分極軸を揃えて、板状に集成されてなり、
前記圧電ブロックは、エポキシ樹脂により貼り合わされ、
前記エポキシ樹脂の音響インピーダンスは、１×１０ ⁶ ＜Ｚｐ＜４×１０ ⁶ ｋｇ／ｍ ² ｓであることを特徴とする超音波トランスデューサ用圧電板。
前記圧電単結晶は、ｘ＝０．０５〜０．５５、Ｂ１がＺｎ，Ｍｇ，Ｓｃ，Ｉｎ，Ｙｂの少なくとも何れか一つ、Ｂ２がＮｂ又はＴａとして、Ｐｂ［（Ｂ１，Ｂ２）_1-x Ｔｉ_x ］Ｏ₃ であることを特徴とする請求項１記載の超音波トランスデューサ用圧電板。
少なくともチタン酸鉛を含む固溶系圧電単結晶の複数の薄板が、分極軸を揃えて、複数枚板状に集成されてなることを特徴とする超音波トランスデューサ用圧電板。
少なくともチタン酸鉛を含む固溶系圧電単結晶の複数本の柱体が、分極軸を揃えて、複数個板状に集成されてなることを特徴とする超音波トランスデューサ用圧電板。
少なくともチタン酸鉛を含む固溶系圧電単結晶であって剣山形状に加工された複数の圧電ブロックが、分極軸を揃えて、隙間に充填した樹脂により板状に集成されてなることを特徴とする超音波トランスデューサ用圧電板。
少なくともチタン酸鉛を含む固溶系圧電単結晶のインゴットを圧電ブロックに切り出し、この切り出した複数個の圧電ブロックを分極軸を揃えて板状に貼り合わせた後、所望の厚みに研磨することを特徴とする超音波トランスデューサ用圧電板の製造方法。
少なくともチタン酸鉛を含む固溶系圧電単結晶のインゴットを薄板に切り出し、この切り出した複数枚の薄板を分極軸を揃えて板状に貼り合わせた後、所望の厚みに研磨することを特徴とする超音波トランスデューサ用圧電板の製造方法。
少なくともチタン酸鉛を含む固溶系圧電単結晶のインゴットを柱体に切り出し、この切り出した複数本の柱体を分極軸を揃えて板状に貼り合わせた後、所望の厚みに研磨することを特徴とする超音波トランスデューサ用圧電板の製造方法。
少なくともチタン酸鉛を含む固溶系圧電単結晶のインゴットを剣山形状の圧電ブロックに切り出し、この切り出した複数個の圧電ブロックを分極軸を揃えて隙間に充填した樹脂により板状に貼り合わせた後、所望の厚みに研磨することを特徴とする超音波トランスデューサ用圧電板の製造方法。
前記圧電単結晶は、ｘ＝０．０５〜０．５５、Ｂ１がＺｎ，Ｍｇ，Ｓｃ，Ｉｎ，Ｙｂの少なくとも何れか一つ、Ｂ２がＮｂ又はＴａとして、Ｐｂ［（Ｂ１，Ｂ２） _1-x Ｔｉ _x ］Ｏ ₃ であることを特徴とする請求項３又は４記載の超音波トランスデューサ用圧電板。
前記圧電ブロックは、エポキシ樹脂により貼り合わされていることを特徴とする請求項３又は４記載の超音波トランスデューサ用圧電板。
前記エポキシ樹脂の音響インピーダンスは、１×１０ ⁶ ＜Ｚｐ＜４×１０ ⁶ ｋｇ／ｍ ² ｓであることを特徴とする請求項１１記載の超音波トランスデューサ用圧電板。