JP5318904B2 - 積層型超音波トランスデューサ及びその製造方法 - Google Patents

積層型超音波トランスデューサ及びその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、積層型超音波トランスデューサ及びその製造方法に関し、特に、振動特性を改善させた積層型超音波トランスデューサ及びその製造方法に関する。
医療用超音波トランスデューサは多数の構成要素を有し、それらの間のピッチも小さくなっている。このように構成要素のサイズが小さくなるにつれて、超音波映像診断システムとそのトランスデューサとの間の電気インピーダンスのミスマッチが深刻な問題として浮上している。
一般的に、超音波映像診断システムとトランスデューサとの間の通信のために用いられる電線の電気インピーダンスは５０〜８５Ωであるが、トランスデューサの構成要素は約１００〜５００Ωであり、大きな差がある。このようなミスマッチは結局、エネルギー変換効率を低下させて、トランスデューサの感度を低下させ、信号対ノイズ比を増加させて超音波映像の実現のための信号処理を妨げる。超音波映像診断において、最も重要なのは映像の明るさと解像度である。しかしながら、トランスデューサとシステムとのミスマッチは明るい映像の実現にも障害となっている。
同じ厚さの圧電基板が音響的には直列に、電気的には並列に接続されている場合、電圧及びインピーダンスと基板の数との関係は、下記の式で表すことができる(参考資料:[Ｍｉｃｈａｅｌ Ｇｒｅｅｎｓｔｅｉｎ ａｎｄ Ｕｍｅｓｈ Ｋｕｍａｒ, “Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ ｆｏｒ ｍｅｄｉｃａｌ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ,“ ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ， Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ ａｎｄ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ， ｖｏｌ. ４３, ｐｐ． ６２２−６２４(１９９６)]):
Ｖ(Ｎ)＝Ｖ(１)／Ｎ
Ｚ(Ｎ)＝Ｚ(１)／Ｎ２
前記式において、Ｎは基板の数であり、Ｖは電圧であり、Ｚはインピーダンスである。
すなわち、基板の数(Ｎ)が増加するほど、インピーダンスはＮの自乗に比例して減少する。従って、このような原理に基づいて構成要素の高いインピーダンスを減少させることで、前述したミスマッチの問題を低減できることが分かる。
このような積層型圧電トランスデューサを医療用超音波トランスデューサに適用する試みは既に多く行われてきた(文献[Ｄａｖｉｄ Ｍ． Ｍｉｌｌ ｅｔ ａｌ．， “Ｍｕｌｔｉ−ｌａｙｅｒｅｄ ＰＺＴ−Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｔｏ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｓｉｇｎａｌ ｔｏ ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ ａｎｄ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｆｏｒ ｍｅｄｉｃａｌ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ”， ＩＥＥＥ ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ, ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ， ａｎｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｔｒｏｌ， Ｖｏｌ． ４６， Ｎｏ． ４， Ｊｕｌｙ １９９９]参照)。
しかしながら、このような前述した積層型圧電超音波トランスデューサは前面に整合層以外の更なる層が結合されているため、振動特性がよくないという短所がある。例えば、米国特許第６、１２１、７１８号及び第６、４３７、４８７号には圧電材料を用いた積層型超音波トランスデューサを開示しているが、積層体の前面と後面の両方にＦＰＣＢを接着して電気的に接続している。従って、積層型トランスデューサの前面に整合層以外に数十ミクロンのポリイミド／Ｃｕ層またはＣｕ層からなるＦＰＣＢが形成される構造を有する。その結果、積層体の振動特性が低いという短所がある。
そこで、本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、超音波トランスデューサに用いられる圧電基板積層体及びその製造方法を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、圧電基板積層体とその製造方法を適用して振動特性に優れた積層型超音波トランスデューサを提供することにある。
本発明の第１の側面によって、圧電基板積層体において、第１圧電基板であって、前記第１圧電基板の第１及び第２主面、第１及び第２側面上に形成されている第１電極層を備え、前記第１電極層を第１電極と第２電極とにそれぞれ分離する第１及び第２主面上に第１及び第２溝が形成されている第１圧電基板と、第２圧電基板であって、前記第２圧電基板の第１及び第２主面、第１及び第２側面上に形成されている第２電極層を備え、第２電極層を第３電極と第４電極にそれぞれ分離する第３及び第４溝が形成され、前記第１溝は前記第２圧電基板の前記第１主面に形成されている第２圧電基板を含み、ここで、前記第１圧電基板と前記第２圧電基板は、前記第２溝と前記第３溝とが互いに向かい合って第１電極ノードと第２電極ノードを形成し、前記第１電極ノードは前記第１及び前記第３電極を有し、前記第２電極ノードは前記第２及び第４電極を有することを特徴とする圧電基板積層体が提供される。
本発明の第２の側面によって、前述したような前記圧電基板積層体を含む積層型超音波トランスデューサが提供される。
本発明の第３の側面によって、圧電基板積層体の製造方法において、伝導性物質の電極層が塗布されている第１及び第２圧電基板をそれぞれ用意し、前記第１及び第２圧電基板の上面及び下面に第１、２、３、４溝を設け、前記電極層を第１、２、３、４電極に分離して形成し、前記第１圧電基板の前記第２溝と前記第２圧電基板の前記第３溝とを互いに向かい合うようにそれぞれの上部に前記第１及び第２圧電基板を積層し、前記第１電極と第３電極を第１電極ノードに、前記第２電極と第４電極を第２電極ノードに形成することを含む圧電基板積層体の製造方法が提供される。
本発明の第４の側面によって、前述したように、製造方法により製造した前記圧電基板積層体を含む積層型超音波トランスデューサの製造方法が提供される。
前述した本発明によれば、超音波トランスデューサの製造に用いられる圧電基板積層体の形成時に電極層の単離を溝の形成及びエッジの研磨により行い電極ノードを形成するのにその特徴がある。このような構造の圧電基板積層体を用いることで、接地用柔軟性印刷回路基板を電極のエッジと電極の側面のみ用いて結合させて、圧電基板積層体の前面と整合層との間に不要な層が挿入されないようにする。その結果、振動特性に優れ、広い帯域幅と高い感度を有する積層型超音波トランスデューサを提供できるという効果を奏する。
本発明による圧電基板の積層方法は、通常、超音波トランスデューサに用いられる圧電セラミックだけでなく、圧電単結晶も用いることができる。通常、圧電単結晶を用いた超音波トランスデューサは従来のＰＺＴのような圧電セラミックを用いるよりも４０〜５０％以上の高い帯域幅を有しており、超音波映像診断において高解像度を実現できる。しかしながら、これも一般の圧電セラミックを用いる場合と同様に、トランスデューサの構成要素とシステムとのミスマッチが大きいため、感度やＳ／Ｎ比を改善するのには限界があった。また、圧電単結晶は機械的に弱く、熱的にも非常に弱いため、グラインディング、ラッピング、ダイシングなどのような加工工程、ボンディングのようなトランスデューサの製造工程中に破損し易いという不具合があった。しかしながら、本発明によれば、トランスデューサの前面に層がないので、従来のような感度の低下という問題を解決でき、電極の単離をエッジの研磨のような簡単な操作で行うので、製造工程中に破損する問題も解決できる。
本発明によれば、特に圧電単結晶で構成された圧電素子は商用化されているＰＺＴ系セラミックからなる圧電要素に比べてより大きい誘電率を提供する。従って、本発明による圧電単結晶で構成された圧電素子を用いることで、ケーブルや機器の浮遊容量に起因する損失が減少し、それにより高感度の信号を得ることができる。
この発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴については、本発明の記述及び添付図面から明らかになるであろう。
本発明による圧電基板積層体の製造過程を順に示す図である。 本発明による圧電基板積層体の製造過程を順に示す図である。 本発明による圧電基板積層体の製造過程を順に示す図である。 本発明による圧電基板積層体の製造過程を順に示す図である。 本発明による圧電基板積層体の製造過程を順に示す図である。 本発明による圧電基板積層体の製造過程を順に示す図である。 本発明による圧電基板積層体の製造過程を順に示す図である。 図１〜図７の圧電基板積層体を用いた積層型超音波トランスデューサの製造過程を順に示す図である。 図１〜図７の圧電基板積層体を用いた積層型超音波トランスデューサの製造過程を順に示す図である。 図１〜図７の圧電基板積層体を用いた積層型超音波トランスデューサの製造過程を順に示す図である。 図１０の積層型トランスデューサを示す概略図である。 ＰＺＴ単層型トランスデューサの振動特性を示す波形及び周波数スペクトラムである。 ＰＺＴ単層型トランスデューサの振動特性を示す波形及び周波数スペクトラムである。 ＰＭＮ−ＰＴを用いた単層型トランスデューサの振動特性を示す波形及び周波数スペクトラムである。 ＰＭＮ−ＰＴを用いた単層型トランスデューサの振動特性を示す波形及び周波数スペクトラムである。 本発明による積層型超音波トランスデューサの振動特性を示す波形及び周波数スペクトラムである。 本発明による積層型超音波トランスデューサの振動特性を示す波形及び周波数スペクトラムである。
以下、添付の図面を参照して本発明の好適な実施例を説明する。
本発明による積層型超音波トランスデューサは、図１〜１０に示すような工程によって製造できる。
まず、図１に示すように、２枚の圧電基板を用意し、図面には簡単に１枚の圧電基板のみを示している。本実施例において、２枚の圧電基板を用いるが、必要に応じて３枚以上を用いて積層型トランスデューサを製造することもできる。交流電流が超音波トランスデューサの圧電基板に流れると、圧電基板が振動し、超音波信号が発生する。第１圧電基板１０は、第１主面１２(上面)、第２主面１４(下面)、第１側面１６(左側面)、第２側面１８(右側面)からなっている。
次に、図２に示すように、第１圧電基板１０の前記４面１２、１４、１６、１８にスパッタリング、電子−ビーム、熱蒸発または電解メッキなどの方法を通じて電極層２１を蒸着させる。その後、第１及び第２溝３２、３４が前記第１圧電基板１０の第１主面１２及び第２主面１４上に形成されて、第１及び第２側面１６、１８の長さ方向に沿って延びる。前記第１及び第２溝３２、３４を形成することで、前記電極層２１が第１電極２２と第２電極２４とにそれぞれ分離させて、２つの分離された電極２２、２４を有する第１圧電基板１０を得る。後で第１電極２２は１次電極(マイナス極)となり、第２電極２４は２次電極(プラス極)となる。
本発明に用いられる圧電基板１０は、２２〜５００μｍの範囲、好ましくは、５０〜２２０μｍの厚さ範囲を有する圧電セラミックまたは圧電単結晶基板であってもよい。
電極２２、２４は、それぞれクロム、銅、ニッケル、金などの伝導性膜から構成されてもよく、電極２２、２４の厚さは１００〜１、０００Åの範囲であってもよい。
このような電極層２１の分離は、例えば、ダイシングソーにより一定深さの溝を形成することで行える。具体的に、前記第１及び第２溝３２、３４はそれぞれ、前記第１圧電基板１０の第１主面１２及び第２主面１４の対向するエッジから所定距離だけ離れて形成され、電極層１２を、(ａ)第１側面１６と第２主面１４の一部及び第１主面１２の大部分を覆っている第１電極層２２と、(ｂ)第２側面１８と第１主面１２の一部及び第２主面１４の大部分を覆っている第２電極層２４とに分離する。
第１溝３２は、第１圧電基板１０の第１主面１２の右側エッジから所定距離だけ離れた位置に形成され、この空間は電極層２１と接地用電極板(図示せず)とを結合するための接着剤のために用いられる。例えば、第１溝３２は、約０.０３〜０.１ｍｍの幅を有し、第１主面１２の右側エッジから約１〜１.５ｍｍだけ離れて内側へ形成されることが好ましい。また、前記第２溝３４は、第２主面１４の左側エッジから約１〜１.５ｍｍだけ離れて内側へ約０.２〜０.５ｍｍの幅で形成されることが好ましい。
本発明によれば、第２溝３４は第１溝３２よりも広く形成されることが好ましい。また、前記溝３２、３４は、第１圧電基板１０の厚さの７０〜８０％範囲の深さまで形成されることが振動の発生を抑制する側面で好ましい。前記電極層２１と接地用電極板との結合に用いられる接着剤として、エポキシペースト、好ましくは、銀エポキシペーストが用いられる。
次に、もう１枚の圧電基板が以下のように用意されて製造される。図４に示すように、図２と同様の方法により、２枚の基板のうち、もう１枚の圧電基板、すなわち第２圧電基板２０の４面に伝導性物質の電極層を蒸着させた後、第１主面１２上の電極層２１には第３溝３６を形成する。また、第２主面１４と第２側面１８との間のエッジ部分の電極層２１は第２側面の長さ方向に沿って研磨してエッジ研磨部３８を形成する。従って、前述したのと同様に、電極層は第３及び第４電極２６、２８に分離されて、電極分離された第２圧電基板２０を得る。後で前記第３電極２６は２次電極(プラス極)となり、第４電極２８は１次電極(マイナス極)となる。
より詳細には、前記第３溝３６は、第２圧電基板２０の第１主面１２の左側エッジから離れて第２圧電基板２０の第１主面に形成され、左側エッジからの距離は、図２と同様に、第２溝３４と第１圧電基板１０の第１側面との間の距離と同間隔だけ離れる。さらに、前記第３溝３６は前記第２溝３４と同じ形状を有し、研磨によりエッジ研磨部３８が形成される。
次に、前記電極形成された圧電基板１０、２０をそれぞれ図３及び図５に示すように、分極処理して第１電極２２及び第４電極２８を１次電極(マイナス極)とし、第２電極２４及び第３電極２６を２次電極(プラス極)とする。その後、これらの２枚の圧電基板１０、２０を図６及び図７に示すように、１次電極は１次電極同士、２次電極は２次電極同士で接続されるように(すなわち、前記第２溝３４と第３溝３６とが互いに結合されるように)、それぞれ接合する。従って、第１電極ノード４２及び第２電極ノード４４が形成されて、本発明による圧電基板積層体１００が得られる。
前記２枚の圧電基板の接合は、この分野において公示となっている銀エポキシ接着剤を用いて行える。前記第２溝３４と第３溝３６は、前述したように比較的に広いギャップにより電極を分離しているので、接合時に２枚の基板がずれる場合にも１次電極と２次電極との間で電気的ショットが発生するのを防止できる。
圧電基板積層体１００を形成した後、前記第２圧電基板２０の第２主面上に位置する第１電極ノード４２に、ステープラー状の薄い信号用柔軟性印刷回路基板(ＦＰＣＢ)４００が接合され、後面層３００は上部面及び両側面が前記信号用ＦＰＣＢ４００に取り囲まれて印刷回路基板４００の下に位置する。信号用ＦＰＣＢ４００は、圧電基板積層体１００に電気的信号を伝達し、それから超音波を受ける。そして、前記後面層３００は超音波信号を吸収する機能をして、圧電基板積層体１００の超音波に起因する振動により発生する不要な信号を防止する。前記信号用ＦＰＣＢ４００は、まず後面層３００の３面を取り囲むように後面層３００と接合された後、前記第１電極ノード４２に接合される。
その後、図９に示すように、接地用柔軟性電極板５００は、第１溝３２付近の近い側に位置し、銀エポキシペースト６００を用いて第２電極ノード４４に接合される。
次に、図１０に示すように、音響整合層７００は前記圧電基板積層体１００の第１電極ノード４２に接合する。音響整合層７００の広さは圧電基板積層体１００よりも小さく、圧電基板積層体１００と並んで位置し、第２溝３２を覆っている。音響整合層７００は、圧電基板積層体１００と媒体、例えば人体とマッチさせて、圧電基板積層体１００の超音波が所望の方向に被検査体にスムーズに伝達できるようにする。その次に、音響整合層７００に音響レンズ(図示せず)を覆い、積層型超音波トランスデューサを得る。ここで、前記音響整合層は圧電基板積層体１００上に２層以上積層することもできる。
図８は、図１０に示す多層超音波トランスデューサを示す簡略断面図である。従って、本発明による積層型超音波トランスデューサは優れた振動特性を有するので、医療用超音波診断システムまたは軍事用／産業用超音波トランスデューサのような多様な装置に適用され得る。
以下、本発明の好適な実施例について詳細に説明する。ここで、以下の実施例は本発明に限定されるのではない。
実施例
本発明による積層型超音波トランスデューサは、以下のような方法により製造される。
厚さ０.４〜０.５ｍｍ、大きさ約２５〜２０ｍｍ×１５〜２０ｍｍの＜００１＞圧電単結晶基板(ＰＭＮ-(０.３〜０.３５)ＰＴが用意される(図１参照)。その後、第１圧電基板１０の第１主面１２、第２主面１４、第１側面１６及び第２側面１８に電子−ビーム蒸着法により伝導性物質を１、０００〜２、２００Åの厚さに蒸着した。
その後、電極をその上面に備えたもう１枚の単結晶圧電基板は、前述したのと同様の方法で製造され、それにより第２圧電基板２０が得られる。
次に、前記第１圧電基板１０の第１主面１２及び第２主面１４上の電極層にダイシングソーによりそれぞれ溝３２、３４を形成して前記電極層を２つの電極２２、２４に分離した(図２参照)。このとき、溝３２、３４はそれぞれ第１圧電基板１０の第２側面１８及び第１側面１６から１〜１.５ｍｍだけ離れて内側へ形成し、各溝の深さは０.２５〜０.３５ｍｍである。
第２圧電基板２０において、第２圧電基板２０の第１主面上の電極層にはダイシングソーにより溝３６が形成され、第２圧電基板２０の第２主面と第２側面との間のエッジ上の電極層を除去してエッジ研磨部３８を形成することで、前記電極層を２つの電極２６、２８に分離した(図４参照)。このとき、溝３６は前記第１圧電基板１０の前記溝３４と同一の形状に形成しており、前記エッジ研磨部３８は第２圧電基板２０の第２主面と第２側面との間のエッジ上の電極層を研磨して形成する。
次に、前記第１及び第２圧電基板１０、２０をそれぞれ図３及び図５に示すように、分極処理して電極２２、２６を１次電極(マイナス極)とし、電極２４、２８を２次電極(プラス極)とする。その後、それらの２枚の圧電基板１０、２０を図６及び図７に示すように、溝３４と溝３６とを銀エポキシを用いて互いに結合し、１次電極は１次電極同士で、２次電極は２次電極同士で結合されて第１及び第２電極ノード４２、４４を形成した。その結果、本発明による多層構造の圧電単結晶積層体１００が得られた。
次に、図８に示すように、後面層３００の第１主面及び両側面上に予め接合された信号用柔軟性印刷回路基板４００の上部面が圧電単結晶積層体１００の第２圧電基板２０の第２主面上に位置する第１電極ノード４２に接合される。
その後、図９に示すように、接地用柔軟性印刷回路基板５００を銀エポキシペースト６００を用いて第１溝３２の前方にある圧電多層基板組立体１００の 第２電極ノード４４と接合する。次に、図１０に示すように、前記第１圧電基板１０の第１主面上の第１電極層上に音響整合層７００を形成し、その上に音響レンズで音響整合層７００を覆って、本発明による積層型超音波トランスデューサを完成した。
実験例
積層型超音波トランスデューサのそれぞれのパルスエコー特性について、米国特許第６、４３７、４８７号のＰＺＴ(Ａｃｕｓｏｎ Ｐ２−３ＡＣ、韓国メディソン社製)単層トランスデューサ(比較例１)と、ＰＭＮ-(０.３〜０.３５)ＰＴ系単層トランスデューサ(比較例２)とを比較して、その結果を下記の表１及び図９〜図１１に示す。
Figure 0005318904
前記表から本発明による積層型トランスデューサは、一般のＰＺＴタイプや圧電単結晶断層トランスデューサに比べて感度に極めて優れており、帯域幅もより大きいことが分かる。
さらに、図９〜図１１を比較することで、本発明による積層型トランスデューサの感度が単層型に比べて約４ｄＢ以上高いことが分かる。
前述したように、本発明による積層型超音波トランスデューサは、複数の圧電材料を新たな構造で積層及び電極形成することで製造される。それにより、積層型超音波トランスデューサは振動特性が改善され、広い帯域幅と高感度を有する。
以上、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明はかかる実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載から把握される技術的範囲において種々の実施形態に変更可能である。

Claims (4)

  1. 圧電基板積層体の製造方法において、
    伝導性物質の電極層が塗布されている第１及び第２圧電基板をそれぞれ用意し、
    前記第１及び第２圧電基板の上面及び下面に第１、２、３溝及びエッジ研磨部を設け、前記電極層を第１、２、３、４電極に分離して形成し、前記エッジ研磨部は前記第２圧電基板の下面と側面との間のエッジ部分を研磨して形成され、
    前記第１圧電基板の前記第２溝と前記第２圧電基板の前記第３溝とを互いに向かい合うようにそれぞれの上部に前記第１及び第２圧電基板を積層し、前記第１電極と第４電極を第１電極ノードに、前記第２電極と第３電極を第２電極ノードに形成され、
    前記第２溝は、前記第１溝よりも広く、前記第３溝の広さと大体同じで形成することを含む圧電基板積層体の製造方法。
  2. 前記第１及び第２圧電基板の前記第１及び第２電極ノードが互いに異なる極性を有するようにする方法を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の圧電基板積層体の製造方法。
  3. 前記第１、２、３溝のそれぞれは、ダイシングソーにより形成されることを特徴とする請求項１に記載の圧電基板積層体の製造方法。
  4. 請求項１に記載の製造方法により製造した前記圧電基板積層体を含む積層型超音波トランスデューサの製造方法。
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