JP4602740B2 - 超音波振動子およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波を送受波するための超音波振動子及びその製造方法に関する。

従来、医療用診断において、超音波振動子から生体組織内に超音波パルスを繰り返し送波し、生体組織から反射される超音波パルスのエコーを、同一あるいは別体に設けた超音波振動子で受波して、この超音波パルスを送受波する方向を徐々にずらすことによって、生体内の複数の方向から収集した情報を可視像の超音波断層画像として表示する超音波診断装置が用いられている。この超音波診断装置は、超音波診断装置本体と、超音波を送受波するための超音波振動子とから構成されている。

この超音波振動子は圧電振動子を有しており、この圧電振動子は、板状の圧電素子（圧電振動材）をダイシング加工することで、短冊状の振動子エレメントに分割されている。圧電素子の音響放射面側には、音響インピーダンスを整合させるための音響整合層が設けられ、さらに音響整合層の表面には、音響レンズが設けられている。また、圧電素子の背面側には、吸音性に優れたゴム等からなるバッキング材が接合されている。

上記超音波診断装置における超音波を送受する超音波振動子としては例えば、アレイ型振動子がある。このアレイ型振動子が有する圧電素子の一般形状は、幅Ｗ、厚さＴ、長さＬで形成され、幅Ｗの上下面に電極（接地電極、信号電極）を配置していた。

上記電極にパルス電圧を印加した場合、厚さＴ寸法に応じた縦振動が主に発生すると同時に、幅Ｗ寸法に応じた横振動も副次的に発生する。つまり、幅Ｗ寸法が一定であると横振動が強く発生し、形状によっては縦振動に重畳して、縦振動に悪影響を及ぼすことがある。このため、圧電素子を複数個に分割して横方向振動の共振周波数が特定の周波数とならないように形成していた。

ここで、圧電素子を分割して横方向振動の共振周波数が特定の周波数とならないようにする超音波振動子の一般的な製造工程を説明する（例えば、特許文献１参照。）。
（１）所定の形状にバッキング層を成型する（バッキング材成型工程）。
（２）上記バッキング材成型工程の前あるいは後に、所定形状の圧電素子に設けられている電極に例えばＦＰＣ（フレキシブル基板：Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）等からなるリード線を接続する（電極配線工程）。
（３）圧電素子とバッキング層とを接合して第１積層体を形成する（圧電振動子接合工程）。
（４）上記第１積層体を構成する圧電素子に第１音響整合層を接合して第２積層体である振動子部組を形成する（第１整合層接合工程）。
（５）上記振動子部組の第１音響整合層側からダイシング溝を加工して圧電素子を複数に分割して振動子エレメントを生成する（ダイシング工程）。
（６）上記ダイシング溝に溝埋め材を充填して補強する（溝埋め工程）。
（７）第１音響整合層に第２音響整合層を接合して第３積層体を形成する（第２音響整合層接合工程）。
（８）上記第３積層体に音響レンズを注型する（レンズ注型工程）。
（９）音響レンズを設けた第３積層体をケースに組み込む（ケース組み込み工程）。

以上の工程を通して超音波振動子を製造していた。
特開２００１−４６３６８号公報

しかしながら、横振動が縦振動に重畳して縦振動に悪影響を及ぼさないようにするために、横方向振動の共振周波数が特定の周波数とならないように振動子エレメントを分割すれば、必然的に分割する数が増え、その結果分割された振動子エレメント１個の幅が狭くなるため、リード線の接続が困難になるという問題点があった。

また、分割された振動子サブエレメント１個の幅が狭いと、ＦＰＣを直接にサブエレメントに接合した場合は、ＦＰＣの弾性が残留応力として残るために、超音波振動子の信頼性が低下するという問題点があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、振動子エレメントを微細に分割しても、容易にリード線を接続することができ、かつ、信頼性の高い超音波振動子を製造することが可能な超音波振動子の製造方法およびその製造方法によって製造された超音波振動子を提供することを目的にしている。

本発明は、上記課題を解決するため、下記のような構成を採用した。
すなわち、本発明の一態様によれば、本発明の超音波振動子の製造方法は、複数個の振動子サブエレメントからなる振動子エレメントを複数個備えた超音波振動子の製造方法である。

そして、上記超音波振動子の製造方法は、接合した音響整合層と圧電素子板とに第１のダイシング溝を設けて複数の圧電素子に分割する第１の分割工程と、上記第１の分割工程により分割された各圧電素子と基板とを接合する圧電素子基板接合工程と、上記圧電素子基板接合工程により接合した圧電素子と基板との接合部分近傍の表面を導体膜で被う導体膜被膜工程と、上記第１の分割工程により設けられた第１のダイシング溝と第１のダイシング溝との間で、かつ上記導体膜被膜工程により導体膜で覆われた圧電素子と基板および上記音響整合層とに第２のダイシング溝を設けることにより、上記複数個の振動子エレメントを形成する第２の分割工程とを有することを特徴とする。

また、上記超音波振動子の製造方法は、接合したバッキング材と圧電素子板とに第１のダイシング溝を設けて複数の圧電素子に分割する第１の分割工程と、上記第１の分割工程により分割された各圧電素子と基板とを接合する圧電素子基板接合工程と、上記圧電素子基板接合工程により接合した圧電素子と基板との接合部分近傍の表面を導体膜で被う導体膜被膜工程と、上記第１の分割工程により設けられた第１のダイシング溝と第１のダイシング溝との間で、かつ上記導体膜被膜工程により導体膜で覆われた圧電素子と基板および上記バッキング材とに第２のダイシング溝を設けることにより、上記複数個の振動子エレメントを形成する第２の分割工程とを有することを特徴とする。

また、本発明の超音波振動子の製造方法は、上記圧電素子基板接合工程の後であって、上記導体膜被膜工程の前に、上記圧電素子基板接合工程により上記基板と接合した各圧電素子の表面で、かつ上記第１の分割工程により設けられた第１のダイシング溝をマスクするマスキング工程をさらに有することが望ましい。

また、本発明の超音波振動子の製造方法は、上記導体膜が、上記第１の分割工程により設けられた第１のダイシング溝に進入しない程度の粘性を有することが望ましい。
また、本発明の超音波振動子の製造方法は、上記導体膜が、薄膜であることが望ましい。

また、本発明の一態様によれば、本発明の超音波振動子は、複数の振動子サブエレメントからなる振動子エレメントを備えるアレイ型超音波振動子であって、該振動子エレメントは、該圧電素子と、該圧電素子に隣接して接合された基板と、該圧電素子の一主面に形成された電極と、該基板の一主面に形成された電極パターンとを電気的に接続する導体膜とを含んでおり、該圧電素子は、該振動子サブエレメント単位に分割されているとともに、該基板は、エレメント振動子単位に分割されていることを特徴とする。

本発明によれば、１つの振動子サブエレメントの幅が狭いものであっても、配線端子の取り出し位置設定の自由度が拡大するので、容易に超音波振動子を製造することが可能となる。

また、本発明によれば、全振動子サブエレメントについて、各振動子エレメント毎の配線を一括に行えるので、容易に超音波振動子を製造することが可能となる。
また、本発明によれば、導電性樹脂の厚膜乃至薄膜（導体膜）を導線とするため、配線スペースを小さくした超音波振動子の製造が可能となる。

また、本発明によれば、ＦＰＣの曲げ応力等が残らないので、信頼性の高い超音波振動子を製造することが可能となる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について述べる。
まず、図１乃至図１０を用いて本発明を適用した第１の実施の形態について説明する。
図１は、第１の実施の形態における超音波振動子の製造方法の手順を示したフローチャートであり、図２は、音響整合層圧電素子接合工程を説明するための斜視図であり、図３は、第１の分割工程を説明するための斜視図であり、図４は、第１の分割工程を説明するための上面図であり、図５は、圧電素子基板接合工程を説明するための斜視図であり、図６は、圧電素子基板接合工程を説明するための上面図であり、図７は、マスキング工程を説明するための斜視図であり、図８は、第１の実施の形態における導体膜被膜工程を説明するための上面図であり、図９は、第１の実施の形態における第２の分割工程を説明するための上面図であり、図１０は、マスク部材除去後の状態を示す上面図である。

まず、図１のステップＳ１１の音響整合層圧電素子接合工程において、図２に示したように、音響整合層２１と圧電素子２２とを接合する。圧電素子２２には、例えば、圧電素子放射面電極（接地リード線が接続される電極）および圧電素子背面電極（駆動リード線が接続される電極）が銀焼付けにより形成されている。

図１のステップＳ１２の第１の分割工程において、図３および図４に示したように、ステップＳ１１の音響整合層圧電素子接合工程により接合した音響整合層２１と圧電素子２２とに、ダイシングマシンを用いて所定ピッチの第１のダイシング溝３１を設ける。これにより接合した音響整合層２１と圧電素子２２は、複数の圧電素子３２に分割される。

そして、図１のステップＳ１３の圧電素子基板接合工程において、図５および図６に示したように、ステップＳ１２の第１の分割工程により分割された各圧電素子３２と、超音波を送波するための駆動信号を送信するため、または受波した超音波により発生する受信信号を受信するための伝達ケーブルやＦＰＣなどの他の基板が接続される基板５１とを接合する。基板５１は、３次元基板、アルミナ基板、ガラエポ基板、リジッドフレキ、ＦＰＣなどが可能である。そして、基板５１には、所定のピッチ（後述する振動子エレメント８２の配列ピッチに相当するピッチ）で電極パターン５２が形成されている。また、電極パターン５２は、基板５１の表側のみであっても良いし、裏面から側面を経由して表面まで形成されていても良い。なお、図５に示した基板５１の導体面表面の高さは、各圧電素子３２とほぼ同一にしてある。ただし、導電樹脂、導電薄膜、薄い（例えば、８マイクロメートル程度）金属箔、あるいはこれを用いたフレキシブルプリント基板を用いる場合、各圧電素子３２と基板５１の導体面表面との高さには、数十マイクロメートル程度の差異があっても（どちらが高くなっても）構わない。

次に、図１のステップＳ１４のマスキング工程において、図７に示したように、ステップＳ１３の圧電素子基板接合工程により上記基板５１と接合した各圧電素子３２の表面で、かつステップＳ１２の第１の分割工程により設けられた第１のダイシング溝３１を避けるように、マスク部材１２１でマスクする。マスク部材１２１としては、メタルマスクやメッシュマスクに代表される印刷用スクリーン、ステンレス・鋼・ニッケル・銅合金などの金属板、ポリイミド・ＰＴＦＥ（ポリテトラフロエラエチレン）・ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）等の樹脂を基材に用いたテープ、ＰＥＴ、石英ガラス、セラミックスおよびＦＲＰ（繊維強化樹脂：Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ）等の材質が使用可能である。

次に、図１のステップＳ１５の導体膜被膜工程において、図８に示したように、ステップＳ１３の圧電素子基板接合工程により接合した圧電素子３２と基板５１との双方の接合部分近傍であって、ステップＳ１４でマスク部材１２１にてマスクした部分近傍の表面を導体厚膜または導体薄膜からなる導体膜７１で被う。

そして、上記導体膜７１を形成したら、図１のステップＳ１６の第２の分割工程において、図９に示したように、ステップＳ１２の第１の分割工程により設けられた第１のダイシング溝３１と第１のダイシング溝３１との間で、かつステップＳ１５の導体膜被膜工程により導体膜７１で覆われた圧電素子３２と基板５１および上記音響整合層２１とに、ダイシングマシンを用いて所定ピッチの第２のダイシング溝８１を設けることにより複数個の振動子エレメント１５１を形成する。

最後に、図１のステップＳ１７のマスク部材除去工程において、図１０に示したように、マスク部材１２１を除去することにより、２個の振動子サブエレメントからなる振動子エレメント１５１を複数個備えた超音波振動子を製造することができる。

次に、図１１乃至図１５を用いて本発明を適用した第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と異なるところを中心に説明し、共通する部分は説明を省略する。

図１１は、第２の実施の形態における超音波振動子の製造方法の手順を示したフローチャートであり、図１２は、第２の実施の形態における導体膜被膜工程を説明するための斜視図であり、図１３は、第２の実施の形態における第２の分割工程を説明するための斜視図であり、図１４は、第２の実施の形態における第２の分割工程を説明するための上面図であり、図１５は、１個の振動子エレメントを示す斜視図である。

図１１に示したフローチャートが図１に示したフローチャートと異なる点は、図１１には図１に示したステップＳ１４のマスキング工程および図１７のマスク部材除去工程が存在しないことである。すなわち、第２の実施の形態における超音波振動子の製造方法は、マスキング処理が不要であることを特徴の１つとしている。

具体的には、ステップＳ１３の圧電素子基板接合工程に続いて、ステップＳ１５の導体膜被膜工程において、図１２に示したように、ステップＳ１３の圧電素子基板接合工程により接合した圧電素子３２と基板５１との双方の接合部分近傍の表面を導体膜７１で被う。導体膜７１は、導電性塗料、導電性樹脂、導電性接着剤、等からなる導体厚膜、メッキあるいはスパッタリング、蒸着、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：化学的気相成長法）等による導体薄膜により形成することが可能である。

そして、上記導体膜７１が硬化したら、図１１のステップＳ１６の第２の分割工程において、図１３および図１４に示したように、ステップＳ１２の第１の分割工程により設けられた第１のダイシング溝３１と第１のダイシング溝３１との間で、かつステップＳ１５の導体膜被膜工程により導体膜７１で覆われた圧電素子３２と基板５１および上記音響整合層２１とに、ダイシングマシンを用いて所定ピッチの第２のダイシング溝８１を設けることにより複数個の振動子エレメント８２を形成する。

これにより、超音波を送波するための駆動信号を送信する、または受波した超音波により発生する受信信号を受信するための１本の伝達ケーブル（不図示）に接続された２個の振動子サブエレメントからなる振動子エレメント８２を複数個備えた超音波振動子を製造することができる。

図１５は、１個の振動子エレメントを示す斜視図である。
図１５において、振動子エレメント８２は、図１１のステップＳ１６の第２の分割工程によって分割されたものであり、分割された音響整合層２１、圧電素子２２、電極パターン５２を有する基板５１、導体膜７１により構成され、第１のダイシング溝３１により２つの圧電素子サブエレメントを有している。

なお、導電性接着剤あるいは導電性塗料で、その粘性を３０００ｃｐｓ以上とし、かつ上記第１のダイシング溝３１の幅を１００マイクロメートル以下とすれば、第１のダイシング溝３１内に導体膜７１が侵入しにくくなるので、第１のダイシング溝３１を何かしらの手段で覆い隠す必要が無い。特に、チクソ性がある導電性接着剤あるいは導電性塗料を用い、印刷法で導体膜７１を作成する場合は、第１のダイシング溝３１内への侵入を確実に防止することができる。

以上本発明の実施の形態を図面を用いて説明してきたが、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、種々の変更、改変等が可能である。

例えば、上述の各実施の形態においては、２個の振動子サブエレメントからなる振動子エレメントを例に用いたが、振動子エレメントは、３個あるいはそれ以上の振動子サブエレメントからなるものであっても良い。

また圧電素子の電極材質も、銀電極に限定される物ではなく、金、クロム、銅、ニッケル等の金属材料を用い、スパッタ、蒸着、ＣＶＤ、メッキ等の手法により形成した電極が、使用可能である。

同様にマスクの形状についても、上記の実施の形態において示したような、第１のダインシング溝の導体膜を形成する部分を覆う形状ないし機能を果たすものであれば、本願で図示した形状に限定されるものではなく、例えば櫛歯状などの、印刷マスクや薄膜用のマスクとして使用されている形状が、適用可能である。

同様に、上記の各実施の形態では音響整合層上に圧電素子板および基板を載置する例について述べているが、他の主な音響部材であるバッキング材や完成時には除去する仮固定板などの、音響整合層以外の部材上に圧電素子と基板とを載置しても、同様の工程・構造を取ることができる。

第１の実施の形態における超音波振動子の製造方法の手順を示したフローチャートである。 音響整合層圧電素子接合工程を説明するための斜視図である。 第１の分割工程を説明するための斜視図である。 第１の分割工程を説明するための上面図である。 圧電素子基板接合工程を説明するための斜視図である。 圧電素子基板接合工程を説明するための上面図である。 マスキング工程を説明するための斜視図である。 第１の実施の形態における導体膜被膜工程を説明するための上面図である。 第１の実施の形態における第２の分割工程を説明するための上面図である。 マスク部材除去後の状態を示す上面図である。 第２の実施の形態における超音波振動子の製造方法の手順を示したフローチャートである。 第２の実施の形態における導体膜被膜工程を説明するための斜視図である。 第２の実施の形態における第２の分割工程を説明するための斜視図である。 第２の実施の形態における第２の分割工程を説明するための上面図である。 １個の振動子エレメントを示す斜視図である。

符号の説明

２１ 音響整合層
２２ 圧電素子板
３１ 第１のダイシング溝
３２ 圧電素子
５１ 基板
５２ 電極パターン
７１ 導体膜
８１ 第２のダイシング溝
８２ 振動子エレメント
１２１ マスク部材
１５１ 振動子エレメント

Claims (5)

1. 複数個の振動子サブエレメントからなる振動子エレメントを複数個備えた超音波振動子の製造方法において、
   接合した音響整合層と圧電素子板とに第１のダイシング溝を設けて複数の圧電素子に分割する第１の分割工程と、
   前記第１の分割工程により分割された各圧電素子と基板とを接合する圧電素子基板接合工程と、
   前記圧電素子基板接合工程により接合した圧電素子と基板との接合部分近傍の表面を導体膜で被う導体膜被膜工程と、
   前記第１の分割工程により設けられた第１のダイシング溝と第１のダイシング溝との間で、かつ前記導体膜被膜工程により導体膜で覆われた圧電素子と基板および前記音響整合層とに第２のダイシング溝を設けることにより、前記複数個の振動子エレメントを形成する第２の分割工程と、
   を有することを特徴とする超音波振動子の製造方法。
2. 複数個の振動子サブエレメントからなる振動子エレメントを複数個備えた超音波振動子の製造方法において、
   接合したバッキング材と圧電素子板とに第１のダイシング溝を設けて複数の圧電素子に分割する第１の分割工程と、
   前記第１の分割工程により分割された各圧電素子と基板とを接合する圧電素子基板接合工程と、
   前記圧電素子基板接合工程により接合した圧電素子と基板との接合部分近傍の表面を導体膜で被う導体膜被膜工程と、
   前記第１の分割工程により設けられた第１のダイシング溝と第１のダイシング溝との間で、かつ前記導体膜被膜工程により導体膜で覆われた圧電素子と基板および前記バッキング材とに第２のダイシング溝を設けることにより、前記複数個の振動子エレメントを形成する第２の分割工程と、
   を有することを特徴とする超音波振動子の製造方法。
3. 前記圧電素子基板接合工程の後、前記導体膜被膜工程の前に、
   前記圧電素子基板接合工程により前記基板と接合した各圧電素子の表面で、かつ前記第１の分割工程により設けられた第１のダイシング溝をマスクするマスキング工程を、
   さらに有することを特徴とする請求項１または２に記載の超音波振動子の製造方法。
4. 前記導体膜は、前記第１の分割工程により設けられた第１のダイシング溝に進入しない程度の粘性を有することを特徴とする請求項１または２に記載の超音波振動子の製造方法。
5. 前記導体膜は、薄膜であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の超音波振動子の製造方法。