JP6047074B2 - 超音波探触子およびその製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、超音波探触子およびその製造方法に係り、特に、複数の無機圧電素子と複数の有機圧電素子とが互いに積層形成された超音波探触子およびその製造方法に関する。

従来から、医療分野において、超音波画像を利用した超音波診断装置が実用化されている。一般に、この種の超音波診断装置は、超音波探触子から被検体内に向けて超音波ビームを送信し、被検体からの超音波エコーを超音波探触子で受信して、その受信信号を電気的に処理することにより超音波画像が生成される。

近年、より正確な診断を行うために、被検体の非線形性により超音波波形が歪むことで発生する高調波成分を受信して映像化するハーモニックイメージングが主流となっている。また、近年、超音波を用いた新たな診断方法として、レーザ光を生体に照射し、断熱膨張で発生する微弱で広帯域な弾性波を受信して映像化する、光音響イメージングが脚光を浴びつつある。
このハーモニックイメージングや光音響イメージングに適した超音波探触子として、例えば、特許文献１に開示されているように、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）等の無機圧電体を用いた複数の無機圧電素子とポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等の有機圧電体を用いた複数の有機圧電素子とを積層形成したものが提案されている。
無機圧電素子により高出力の超音波ビームを送信し、有機圧電素子により高調波の信号を高感度に受信することができる。また、無機圧電体素子により通常の超音波の受信信号を取得すると共に、有機圧電素子により光音響イメージングの広帯域な信号を高感度に受信することができる。

国際公開第２００８／０１０５０９号

ここで、複数の無機圧電素子から出力された超音波ビームは、有機圧電体を透過した後、超音波探触子から被検体内に送信されるため、有機圧電体の厚さは、超音波ビームの音響透過率が高まるように設計される。具体的には、有機圧電体は、複数の無機圧電素子から送信される基本波の波長λに対して、例えば、λ／４共振条件を満たす厚さの近傍に設計される。このため、有機圧電体は、厚みを自在に設計することができず、上記の共振条件を満たすためにある程度の厚みを備えて設計する必要があった。
一方、有機圧電体は比較的小さな比誘電率を有するため、有機圧電体の厚さを増大すると、電気容量が小さくなり、有機圧電素子で受信された超音波によって発生する受信信号を、回路上で効率よく取得することが困難であった。また、電気容量が小さいと、熱ノイズが大きくなるため、取得された信号とのＳ／Ｎ比が低下する傾向があった。

また、無機圧電素子の上に有機圧電素子を積層形成する場合、双方の素子の電極位置が互いに音軸方向に対して一致していないと、フォーカスずれや受信効率の低下を招くおそれがある。従って、互いに積層形成された無機圧電素子と有機圧電素子の電極位置を、音軸方向にそろえることが望ましいが、従来の超音波探触子の構成および製造方法では、双方の電極位置を正確に一致させることは困難であった。

さらに、有機圧電体は温度上昇によって徐々に結晶化度が低下するため、キュリー点よりかなり低い温度に使用上限温度がある。例えば、代表的なポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）では使用上限温度は８０℃であり、ポリフッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体（Ｐ（ＶＤＦ-ＴｒＦＥ））では１００℃である。従って、プロセス中に、これらの使用上限温度以上の温度に晒されると、強誘電性が劣化し、脱分極を生じるおそれがある。
誘電性の劣化は、再分極により回付させることができるが、有機圧電体の抗電界は極めて大きく、４００ｋＶ/ｃｍ〜４５０ｋＶ/ｃｍ程度である。従って、一度脱分極された有機圧電体をデバイス上で再分極するためには、極めて高い電圧を印加する必要があり、実際にはプロセス上困難である。以上のことから、無機圧電素子に有機圧電素子を積層する場合、低い温度プロセスで且つ少ない熱履歴回数で超音波探触子を作製することが望まれるが、従来の超音波探触子の構成および製造方法では困難であった。

この発明は、このような従来の問題点を解消するためになされたもので、複数の無機圧電素子と複数の有機圧電素子を互いに積層形成しながらも、超音波の送受信に対して優れた性能を有する超音波探触子およびその製造方法を提供することを目的とする。

この発明に係る超音波探触子は、バッキング材と、バッキング材の表面上に配列形成された複数の無機圧電素子と、複数の無機圧電素子の上に配置された第1の音響整合層と、第1の音響整合層の上に配置された第２の音響整合層とを備え、第２の音響整合層は、複数の無機圧電素子に対して平行に配列形成された複数の有機圧電素子を含み、それぞれの有機圧電素子は、音軸方向に互いに積層された第１の圧電素子部および第２の圧電素子部を有し、複数の有機圧電素子は、接地電極層を挟んで互いに積層されたシート状の第１および第２の有機圧電体層と、第１の有機圧電体層の接地電極層とは反対側の表面上に互いに分離して配列形成された複数の第１の信号電極層と、第２の有機圧電体層の接地電極層とは反対側の表面上に互いに分離して配列形成された複数の第２の信号電極層とを有し、第１の有機圧電体層と接地電極層と複数の第１の信号電極層により複数の第１の圧電素子部が形成され、第２の有機圧電体層と接地電極層と複数の第２の信号電極層により複数の第２の圧電素子部が形成されているものである。

また、第２の音響整合層は、複数の第１の信号電極層の第１の有機圧電体層とは反対側の表面上に形成されると共に第1の音響整合層の上に配置された複数の第１の樹脂層と、複数の第２の信号電極層の第２の有機圧電体層とは反対側の表面上に形成されたシート状の第２の樹脂層とを含むことが好ましい。
ここで、第１の樹脂層の音響インピーダンスは、第１および第２の有機圧電体層の音響インピーダンス以上の値を有し、第２の樹脂層の音響インピーダンスは、第１および第２の有機圧電体層の音響インピーダンス以下の値を有することが好ましく、さらに、第１の樹脂層および第２の樹脂層は、それぞれ、第１および第２の有機圧電体層の音響インピーダンスに対して±１０％の範囲内の音響インピーダンスを有することが好ましい。
第１および第２の有機圧電体層は、フッ化ビニリデン系材料から形成することができる。

複数の無機圧電素子と複数の有機圧電素子は、互いに同一の配列ピッチで且つ音軸方向に対して互いに同じ位置に形成されていることが好ましい。
それぞれの無機圧電素子は、無機圧電体層と、無機圧電体層の表面上に配置された信号電極層と、無機圧電体層の裏面上に配置された接地電極層とを有することが好ましい。
それぞれの無機圧電素子は、複数の無機圧電素子の配列方向に沿って複数のサブダイスに分割されていてもよい。
複数の無機圧電体層は、Ｐｂ系のペロブスカイト構造酸化物から形成することができる。

第２の音響整合層の第１の音響整合層とは反対側の表面上に配置された音響レンズをさらに備えることができる。
また、複数の有機圧電素子にそれぞれ直結された複数の有機圧電素子用アンプをさらに備えることが好ましい。
また、被検体に向けて照射光を照射する光照射部をさらに有し、光照射部から照射光が照射されることで被検体から誘発された超音波を複数の有機圧電素子または複数の無機圧電素子で受信することもできる。

この発明に係る超音波探触子の製造方法は、バッキング材の表面上に第１の導電層を介してシート状の無機圧電体層を接合し、無機圧電体層の表面上に第２の導電層を介してシート状の音響整合層を接合し、音響整合層の表面上にシート状の第１の樹脂層を接合すると共に第１の樹脂層の全面上に第３の導電層を形成し、第３の導電層から無機圧電体層まで積層方向に所定のピッチでダイシングすることにより、複数の無機圧電素子を配列形成すると共に第３の導電層を複数の無機圧電素子と同一のピッチで分割し、分割された溝を樹脂で充填した後、第４の導電層を挟んで互いに積層されたシート状の第１および第２の有機圧電体層のうち第１の有機圧電体層を第３の導電層の表面上に接合し、音響レンズと接合されたシート状の第２の樹脂層の音響レンズとは反対側の表面上に形成された第５の導電層を前記所定のピッチでダイシングすることにより、第５の導電層を複数の無機圧電素子と同一のピッチで分割し、複数の無機圧電素子の配列方向における前記第３の導電層と前記第５の導電層の位置を互いに合わせながら第２の樹脂層の表面上に形成されている第５の導電層を第２の有機圧電体層の表面上に接合することにより、それぞれ、第３の導電層と第１の有機圧電体層と第４の導電層からなる第１の圧電素子部と、第５の導電層と第２の有機圧電体層と第４の導電層からなる第２の圧電素子部とが積層され、複数の無機圧電素子と同一のピッチで配列された複数の有機圧電素子を形成する方法である。

第３の導電層と第５の導電層の位置合わせは、複数の無機圧電素子の配列方向における双方の端部で行うことができる。

この発明によれば、複数の無機圧電素子の上に第1の音響整合層が配置され、第1の音響整合層の上に配置された第２の音響整合層が、複数の無機圧電素子に対して平行に配列形成された複数の有機圧電素子を含み、それぞれの有機圧電素子は、音軸方向に互いに積層された複数の圧電素子部を有するので、複数の無機圧電素子と複数の有機圧電素子を互いに積層形成しながらも、超音波の送受信に対して優れた性能を有する超音波探触子が実現される。

この発明の実施の形態１に係る超音波探触子を示す部分斜視図である。 実施の形態１に係る超音波探触子の構成を示す断面図である。 実施の形態１に係る超音波探触子の製造方法を工程順に示す断面図である。 実施の形態２に係る超音波探触子の構成を示す断面図である。 実施の形態３に係る超音波探触子の構成を示す図である。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１
図１および図２に、この発明の実施の形態１に係る超音波探触子の構成を示す。
バッキング材１は、超音波探触子の音軸方向をＺ方向として、このＺ方向に垂直なＸＹ面上に沿って延びる表面１ａを有し、バッキング材１の表面１ａ上に複数の無機圧電素子２が所定のピッチＰでＸ方向に配列形成されている。複数の無機圧電素子２は、互いに分離された複数の無機圧電体２１を有し、それぞれの無機圧電体２１の一方の面に信号電極層２２が接合され、他方の面に接地電極層２３が接合されている。すなわち、それぞれの無機圧電素子２は、Ｚ方向に積層された、専用の無機圧電体２１と信号電極層２２と接地電極層２３から形成されている。
このような複数の無機圧電素子２の上に複数の第１の音響整合層３が接合されている。複数の第１の音響整合層３は、複数の無機圧電素子２と同じピッチＰでＸ方向に配列され、それぞれ、対応する無機圧電素子２の直上に配置されている。すなわち、複数の第１の音響整合層３は、複数の無機圧電素子２に対して、複数の無機圧電素子２の配列方向であるＸ方向の位置が互いに一致するように配列されている。

さらに、第１の音響整合層３の上に第２の音響整合層４が接合されている。第２の音響整合層４は、第１の音響整合層３の表面上に配置され且つ複数の無機圧電素子２と同じピッチＰでＸ方向に配列形成された複数の第１の樹脂層４１と、複数の第１の樹脂層４１の上に配置された複数の有機圧電素子５と、複数の有機圧電素子５の上に配置されたシート状の第２の樹脂層４２とを有している。
複数の有機圧電素子５は、接地電極層５１を挟んで互いに音軸方向であるＺ方向に積層されたシート状の第１の有機圧電体層５２および第２の有機圧電体層５３を有すると共に、第１の有機圧電体層５２の接地電極層５１とは反対側の表面上に互いに分離してＸ方向に配列形成された複数の第１の信号電極層５４と、第２の有機圧電体層５３の接地電極層５１とは反対側の表面上に互いに分離してＸ方向に配列形成された複数の第２の信号電極層５５を有している。

複数の第１の信号電極層５４および複数の第２の信号電極層５５は、複数の無機圧電素子２の配列ピッチＰと同一のピッチで且つ複数の無機圧電素子２の配列方向であるＸ方向における位置が互いに一致するように配列されており、互いに対応する第１の信号電極層５４および第２の信号電極層５５と、これらの間に配置されている接地電極層５１、第１の有機圧電体層５２および第２の有機圧電体層５３により、それぞれの有機圧電素子５が構成されている。
なお、接地電極層５１、第１の有機圧電体層５２および第２の有機圧電体層５３は、それぞれ、複数の無機圧電素子２の配列方向Ｘに分割されることなく、複数の有機圧電素子５にわたって延在している。

すなわち、個々の有機圧電素子５は、専用の第１の信号電極層５４と、複数の有機圧電素子５に共通の接地電極層５１、第１の有機圧電体層５２および第２の有機圧電体層５３と、専用の第２の信号電極層５５から構成される。このため、複数の有機圧電素子５の配列ピッチは、第１の信号電極層５４および第２の信号電極層５５の配列ピッチのみによって決定され、複数の無機圧電素子２と同一のピッチＰで配列されることとなる。
また、個々の有機圧電素子５において、第１の信号電極層５４と第１の有機圧電体層５２と接地電極層５１により第１の圧電素子部５ａが形成され、同様に、接地電極層５１と第２の有機圧電体層５３と第２の信号電極層５５により第２の圧電素子部５ｂが形成されている。すなわち、それぞれの有機圧電素子５が、Ｚ方向に互いに積層された第１の圧電素子部５ａおよび第２の圧電素子部５ｂを含んでいる。

複数の無機圧電素子２、複数の第１の音響整合層３、複数の第１の樹脂層４１および複数の第１の信号電極層５４は、互いに同一のピッチＰで且つＸ方向における位置が互いに一致するように配列されており、複数の無機圧電素子２から複数の第１の信号電極層５４までＺ方向に積層された積層体Ｓが、Ｘ方向に配列された構成を有している。そして、互いにＸ方向に隣接する積層体Ｓの間に第１の分離部６が形成されている。第１の分離部６は、互いに隣接する積層体Ｓの間に形成された溝の中に充填剤が充填されることで形成されている。第１の分離部６は、それぞれ、第１の信号電極層５４の表面上からバッキング材１の表面１ａ部分まで各層を貫通するように、Ｚ方向に延びており、Ｘ方向に配列された積層体Ｓを互いに分離している。

また、Ｘ方向に配列されている複数の第２の信号電極層５５の間には、第２の分離部７が形成されている。第２の分離部７は、第２の有機圧電体層５３に接触する第２の信号電極層５５の表面から第２の樹脂層４２の途中まで形成された溝の中に充填剤が充填されることで形成されている。
さらに、第２の音響整合層４の上に音響レンズ８が接合されている。

無機圧電素子２の無機圧電体２１は、Ｐｂ系のペロブスカイト構造酸化物などの圧電体用の無機材料から形成されている。例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）に代表されるＰｂ系の圧電セラミック、または、マグネシウムニオブ酸・チタン酸鉛固溶体（ＰＭＮ−ＰＴ）および亜鉛ニオブ酸・チタン酸鉛固溶体（ＰＺＮ−ＰＴ）に代表されるリラクサ系の圧電単結晶から形成することができる。
一方、有機圧電素子５の第１の有機圧電体層５２および第２の有機圧電体層５３は、フッ化ビニリデン（ＶＤＦ）系材料などの圧電体用の有機材料から形成されている。例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）またはポリフッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体（Ｐ（ＶＤＦ-ＴｒＦＥ））等の高分子圧電素子から形成することができる。

バッキング材１は、複数の無機圧電素子２を支持すると共に後方へ放出された超音波を吸収するもので、フェライトゴム等のゴム材から形成することができる。
第１の音響整合層３は、複数の無機圧電素子２から発せられた超音波を効率よく音響レンズ８から被検体内に入射させるためのもので、無機圧電素子２の音響インピーダンスと被検体である生体の音響インピーダンスの中間的な値の音響インピーダンスを有する材料から形成される。
また、第１の音響整合層３の厚さは、例えば、複数の無機圧電素子２から発せられる超音波の基本波（例えば、無機圧電体２１の最大感度の−６ｄＢ帯域の中心周波数）の波長λに対してλ／４共振条件を満たす値の近傍となるように設定される。

第２の音響整合層４は、第１の音響整合層３と併せて、複数の無機圧電素子２から発せられた超音波を効率よく被検体内に入射させるためのもので、第１の樹脂層４１、第１の有機圧電体層５２、第２の有機圧電体層５３および第２の樹脂層４２の計４層により構成されている。

第１の樹脂層４１および第２の樹脂層４２は、第１の有機圧電体層５２および第２の有機圧電体層５３の音響インピーダンスに近い値の音響インピーダンスを有する樹脂材料から形成される。より具体的には、第１の樹脂層４１は、第１の音響整合層３の音響インピーダンスよりも小さく、且つ、第１の有機圧電体層５２および第２の有機圧電体層５３の音響インピーダンスと同等かわずかに大きな音響インピーダンスを有するように設定され、第２の樹脂層４２は、第１の有機圧電体層５２および第２の有機圧電体層５３の音響インピーダンスと同等かわずかに小さく、且つ、音響レンズ８の音響インピーダンス以上の音響インピーダンスを有するように設定される。第１の樹脂層４１および第２の樹脂層４２を、第１の有機圧電体層５２および第２の有機圧電体層５３の形成材料と同じ材料から形成することもできる。
また、第１の樹脂層４１、第１の有機圧電体層５２、第２の有機圧電体層５３および第２の樹脂層４２の４層の厚さの和が、例えば、複数の無機圧電素子２から発せられる超音波の基本波の波長λに対してλ／４共振条件を満たす値の近傍となるように設定される。

第１の分離部６および第２の分離部７に用いられる充填剤は、互いに隣接する積層体Ｓおよび第２の信号電極層５５の位置および姿勢を固定するためのもので、例えば、エポキシ樹脂などから形成される。
音響レンズ８は、屈折を利用して超音波ビームを絞り、エレベーション方向であるＹ方向の分解能を向上させるもので、シリコンゴム等から形成されている。

次に、この実施の形態１に係る超音波探触子の動作について説明する。
動作時には、例えば、複数の無機圧電素子２が超音波の送信専用の振動子として、複数の有機圧電素子５が超音波の受信専用の振動子として使用される。
複数の無機圧電素子２の信号電極層２２と接地電極層２３の間にそれぞれパルス状または連続波の電圧を印加すると、それぞれの無機圧電素子２の無機圧電体２１が伸縮してパルス状または連続波の超音波が発生する。これらの超音波は、第１の音響整合層３、第２の音響整合層４および音響レンズ８を介して被検体内に入射し、互いに合成され、超音波ビームを形成して被検体内を伝搬する。

続いて、被検体内を伝搬して反射された超音波エコーが、音響レンズ８および第２の樹脂層４２を介してそれぞれの有機圧電素子５に入射されると、それぞれの有機圧電素子５を構成する第２の圧電素子部５ｂおよび第１の圧電素子部５ａが超音波の高調波成分に高感度に応答し、第２の圧電素子部５ｂに含まれる第２の有機圧電体層５３と第１の圧電素子部５ａに含まれる第１の有機圧電体層５２がそれぞれ伸縮する。これにより、第２の圧電素子部５ｂの第２の信号電極層５５と接地電極層５１の間に電気信号が発生すると共に、第１の圧電素子部５ａの接地電極層５１と第１の信号電極層５４の間に電気信号が発生し、それぞれ受信信号として出力される。

第２の圧電素子部５ｂで得られた受信信号と第１の圧電素子部５ａで得られた受信信号は、互いに加算され、加算された受信信号に基づいて、高調波画像を生成することができる。ここで、複数の無機圧電素子２と複数の有機圧電素子５は、音軸方向であるＺ方向に互いに位置がそろうように、すなわち、複数の無機圧電素子２の配列方向Ｘにおける位置が互いに一致し、且つ互いに同じピッチＰで配列形成されているため、超音波ビームの送信位置と同じ配列位置で被検体からの超音波エコーを受信することができ、高精度に高調波画像を生成することができる。

ここで、第１の音響整合層３は、無機圧電素子２の音響インピーダンスと被検体である生体の音響インピーダンスの中間的な値の音響インピーダンスを有すると共に、λ／４共振条件を満たす値の近傍の厚さに形成され、一方、第２の音響整合層４の第１の樹脂層４１および第２の樹脂層４２は、第１の有機圧電体層５２および第２の有機圧電体層５３の音響インピーダンスに近い値の音響インピーダンスを有すると共に、第１の樹脂層４１、第１の有機圧電体層５２、第２の有機圧電体層５３および第２の樹脂層４２の４層の厚さの和がλ／４共振条件を満たす値の近傍に設定されているため、超音波の送受信を効率よく行うことができる。
また、それぞれの有機圧電素子５が、音軸方向であるＺ方向に互いに積層された第１の圧電素子部５ａおよび第２の圧電素子部５ｂから形成されているため、これら第１の圧電素子部５ａおよび第２の圧電素子部５ｂを互いに並列接続することにより、有機圧電素子５としての静電容量を高めることができ、超音波エコーによる受信信号を効率よく取得することが可能となり、熱ノイズを低減すると共に受信信号のＳ／Ｎ比を向上させることができる。

なお、複数の無機圧電素子２を超音波の送受信兼用の振動子として使用することもできる。この場合、音響レンズ８および第２の樹脂層４２を介して有機圧電素子５で受信された超音波エコーが、さらに、第１の樹脂層４１および第１の音響整合層３を介してそれぞれの無機圧電素子２に入射し、無機圧電体２１が主に超音波の基本波成分に応答して伸縮し、信号電極層２２と接地電極層２３の間に電気信号を発生する。
このようにして複数の無機圧電素子２から得られた基本波成分に対応する受信信号と、有機圧電素子５から得られた高調波成分に対応する受信信号とに基づいて、基本波成分と高調波成分を複合したコンパウンド画像を生成することができる。

このときも、複数の無機圧電素子２と複数の有機圧電素子５が、音軸方向であるＺ方向に互いに位置がそろい且つ互いに同じピッチＰで配列形成されているため、超音波エコーの基本波成分と高調波成分を同じ配列位置で受信することができ、基本波成分と高調波成分を高精度に複合したコンパウンド画像を生成することができる。

このような超音波探触子は、次のようにして製造することができる。
まず、図３（Ａ）に示されるように、バッキング材１の全域にわたって延びるシート状の無機圧電素子層９１ａを接着剤等によりバッキング材１の表面１ａの上に接合する。この無機圧電素子層９１ａは、バッキング材１の表面１ａにわたって延びる無機圧電体層９１の両面に、全面にわたってそれぞれ第１の導電層９２および第２の導電層９３が形成されたもので、第１の導電層９２がバッキング材１の表面１ａ上に接合される。
次に、図３（Ｂ）に示されるように、無機圧電素子層９１ａの全域にわたって延びるシート状の音響整合層９４を、例えば８０℃〜１００℃の温度で第２の導電層９３の上に接合する。
さらに、音響整合層９４の上にシート状の第１の樹脂層９５が接合される。この第１の樹脂層９５は、音響整合層９４の全面にわたって延びるだけの大きさを有し、音響整合層９４に対向する面とは反対側の表面には全面にわたって第３の導電層９６が予め形成されている。

続いて、図３（Ｃ）に示されるように、第３の導電層９６、第１の樹脂層９５、音響整合層９４および無機圧電素子層９１ａの各層を所定のピッチＰでダイシングすることにより、各層を複数の断片に分離する。このとき、ダイシングは、第３の導電層９６から無機圧電素子層９１ａまでの各層を完全に分断するように行われるため、分断された各層のそれぞれの断片は音軸方向すなわちＺ方向に位置を合わせて整列される。これにより、バッキング材１の表面１ａ上には配列ピッチＰで配列された複数の無機圧電素子２が形成され、それぞれの無機圧電素子２の上に、複数の無機圧電素子２、複数の第１の音響整合層３、複数の第１の樹脂層４１および複数の第１の信号電極層５４からなる積層体Ｓが、Ｚ方向に位置をそろえて形成される。また、ダイシングにより、互いにＸ方向に隣接する積層体Ｓの間に、Ｚ方向に延びる溝９７が形成される。
このように、第３の導電層９６から無機圧電素子層９１ａまでの各層をピッチＰでダイシングすることにより、各層が簡便に複数の断片に分離されると共に分離された各層のそれぞれの断片をＺ方向にそろえることができる。そして、複数の有機圧電素子５の第１の信号電極層５４と、複数の無機圧電素子２の信号電極層２２および接地電極層２３とを互いに正確に位置合わせすることができる。

次に、図３（Ｄ）に示されるように、ダイシングにより形成された複数の溝９７の内部に充填剤を充填して、各積層体Ｓの位置および姿勢を固定する第１の分離部６を形成した後、第３の導電層９６の上に、第４の導電層９８を挟んで互いに積層されたシート状の第１および第２の有機圧電体層５２および５３のうち、第１の有機圧電体層５２を、例えば８０℃程度の温度で圧着させる。

ここで、図３（Ｅ）に示されるように、表面上にシート状の第２の樹脂層９９および第５の導電層１００が順次形成された音響レンズ８に対し、図３（Ｃ）におけるダイシングと同一のピッチＰで、第５の導電層１００の表面からダイシングを行うことにより、第５の導電層１００をＸ方向にピッチＰで分割する。このとき、肉薄の第５の導電層１００のみを切断することは困難であるため、第５の導電層１００の表面から第２の樹脂層９９の厚さ方向の途中までダイシングが行われ、互いに隣接する第５の導電層１００の間に溝１０１が形成されると共に、それぞれの溝１０１が第２の樹脂層９９の途中にまで入り込む。

そして、図３（Ｆ）に示されるように、複数の溝１０１の内部に充填剤を充填して、第５の導電層１００の位置を固定する第２の分離部７を形成した後、Ｘ方向における第３の導電層９６と第５の導電層１００の位置を互いに合わせながら、第５の導電層１００を第２の有機圧電体層５３の表面上に接合する。このとき、第３の導電層９６と第５の導電層１００の位置合わせは、Ｘ方向における双方の端部で行うことが望ましい。Ｘ方向における第３の導電層９６の端部とバッキング材１の端部が一致し、且つ、Ｘ方向における第５の導電層１００の端部と音響レンズ８の端部が一致する場合には、バッキング材１の端部と音響レンズ８の端部を互いに位置合わせすることで、第３の導電層９６と第５の導電層１００の位置をそろえることができる。

これにより、図１および図２に示した超音波探触子が製造される
第１の分離部６により分割された無機圧電体層９１、第１の導電層９２および第２の導電層９３が、それぞれ、無機圧電素子２の無機圧電体２１、信号電極層２２および接地電極層２３を形成し、第１の分離部６により分割された音響整合層９４、第１の樹脂層９５および第３の導電層９６が、それぞれ、第１の音響整合層３、第１の樹脂層４１および第１の信号電極層５４を形成する。また、第４の導電層９８、第２の樹脂層９９、および第２の分離部７により分割された第５の導電層１００が、それぞれ、接地電極層５１、第２の樹脂層４２および第２の信号電極層５５を形成する。

第１の有機圧電体層５２および第２の有機圧電体層５３は、温度上昇によって徐々に結晶化度が低下するため、キュリー点よりかなり低い温度に使用上限温度がある。例えば、音響整合層９４などの各層を積層する際に使用される８０℃〜１００℃の高い温度を直接与えると容易に脱分極されてしまうが、第１の有機圧電体層５２は、バッキング材１から第３の導電層９６までの各層が積層された後に第３の導電層９６の上に積層され、また、図３（Ｅ）に示される別工程で形成された音響レンズ８と第２の樹脂層９９と第５の導電層１００の積層体が第２の有機圧電体層５３の上に接合される。このため、第１の有機圧電体層５２および第２の有機圧電体層５３は、他の層を積層する際または充填剤が溝９７および１０１に充填される際等の高い温度に曝されることがなく、脱分極することを抑制することができる。
さらに、バッキング材１から第３の導電層９６までの各層を順次接着するまでの間は、第１の有機圧電体層５２および第２の有機圧電体層５３が存在しないため、これらの層を互いに高温で接着して高い接着力で積層させることができる。

例えば、複数の無機圧電素子２から送信される超音波の周波数が７ＭＨｚ程度、第１の音響整合層３の音響インピーダンスが約８．９Ｍｒａｙｌ（ｋｇ／ｍ^２ｓ）、および第２の音響整合層４の音響インピーダンスが約４．０Ｍｒａｙｌのリニアプローブを作成する場合には、無機圧電体２１としてチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）を使用して、この厚みを１９０μｍ程度に形成し、第１の音響整合層３の厚み並びに第２の音響整合層４を構成する第１の樹脂層４１、第１の有機圧電体層５２、第２の有機圧電体層５３および第２の樹脂層４２の計４層の厚さの和を、それぞれ８０μｍ程度に形成することができる。これにより、第２の音響整合層４が複数の無機圧電素子２に対する共振条件を満たしながらも複数の有機圧電素子５を所望の厚さで形成することができる。

このように、個々の有機圧電素子５をＺ方向に互いに積層された第１の圧電素子部５ａおよび第２の圧電素子部５ｂから構成し、第１の音響整合層３の厚み並びに第２の音響整合層４を構成する第１の樹脂層４１、第１の有機圧電体層５２、第２の有機圧電体層５３および第２の樹脂層４２の計４層の厚さの和を、それぞれ共振条件を満たすように設定することにより、複数の無機圧電素子２から送信される超音波ビームに対して優れた音響透過率を保ちながらも複数の有機圧電素子５における受信信号の取得効率を向上させることができる。さらに、有機圧電素子５としての静電容量を高めることができ、超音波エコーによる受信信号を効率よく取得することが可能となり、熱ノイズを低減すると共に受信信号のＳ／Ｎ比を向上させることができる。
また、複数の無機圧電素子２と複数の有機圧電素子５が互いに音軸方向であるＺ方向に位置をそろえて配列されているため、高精度な高調波画像およびコンパウンド画像を生成することができる。
さらに、超音波探触子を製造する際に有機圧電素子５の第１の有機圧電体層５２および第２の有機圧電体層５３を高温に曝すことが少ないため、これら第１の有機圧電体層５２および第２の有機圧電体層５３が脱分極するのを抑制することができる。

なお、それぞれの無機圧電素子２は、複数のサブダイスに分割することもできる。例えば、個々の無機圧電素子２を構成する無機圧電体２１、信号電極層２２および接地電極層２３が、それぞれ、複数の無機圧電素子２の配列方向であるＸ方向に沿って複数の断片に分割される。このように、個々の無機圧電素子２を複数のサブダイスに分割することにより、無機圧電素子２の圧電乗数を向上させ、超音波探触子の送受信感度を向上させることが可能となる。
このような超音波探触子を製造するには、図３（Ｃ）に示したダイシングの際に、無機圧電素子層９１ａ、または、無機圧電素子層９１ａから音響整合層９４までの各層を音軸方向であるＺ方向にさらにダイシングして、サブダイス形成溝を形成すればよい。

実施の形態２
図４に示されるように、それぞれの無機圧電素子２の信号線電極層２２に無機圧電素子用Ａ／Ｄコンバータ９を接続すると共に、有機圧電素子５の第１の圧電素子部５ａの第１の信号電極層５４および第２の圧電素子部５ｂの第２の信号電極層５５からの引出線を接続点Ａで互いに接続して、この接続点Ａに有機圧電素子用アンプ１０および有機圧電素子用Ａ／Ｄコンバータ１１を順次接続することができる。
ここで、複数の有機圧電素子５の電気容量は、第１の圧電素子部５ａおよび第２の圧電素子部５ｂを互いに並列接続することにより、高めることができるが、有機圧電素子用アンプ１０で増幅することが望ましい。このとき、有機圧電素子５から有機圧電素子用アンプ１０に伝送される間に受信信号が減衰するのを防ぐために、有機圧電素子用アンプ１０を有機圧電素子５の第１の信号電極層５４および第２の信号電極層５５の近傍に接続または直結させるのが好ましい。

なお、音軸方向であるＺ方向に沿った第１の有機圧電体層５２および第２の有機圧電体層５３の分極方向が互いに逆方向であり、第１の圧電素子部５ａおよび第２の圧電素子部５ｂから得られた受信信号が互いに同一の極性になり、図４の接続点Ａで互いに加算させることができる。

また、実施の形態２に係る超音波探触子を内蔵する超音波プローブ内にマルチプレクサを配置することで超音波プローブから引き出される信号線の本数を減少させることができる。例えば、無機圧電素子用Ａ／Ｄコンバータ９および有機圧電素子用Ａ／Ｄコンバータ１１の後段にマルチプレクサを配置し、無機圧電素子用Ａ／Ｄコンバータ９と有機圧電素子用Ａ／Ｄコンバータ１１から引き出された２本の信号線を１本にまとめることができる。

なお、上記の実施の形態１および２では、それぞれの有機圧電素子５が、音軸方向に互いに積層された２つの圧電素子部５ａおよび５ｂを有していたが、これに限るものではなく、それぞれの有機圧電素子５が、音軸方向に互いに積層された３つ以上の圧電素子部を有するように構成することもできる。３つ以上の圧電素子部を互いに並列接続することにより、有機圧電素子５としての静電容量が高まり、受信信号のＳ／Ｎ比を向上させることが可能となる。

実施の形態３
上記の実施の形態１および２では、複数の無機圧電素子２で発生させた超音波を被検体に向けて送信すると共に被検体内で反射された超音波エコーが複数の無機圧電素子２または複数の有機圧電素子５で受信されたが、図５に示すように、被検体に向けて照射光Ｌを照射する光照射部３１を新たに設けることにより、光照射部３１から被検体に向けて照射光Ｌを照射すると共に照射光Ｌの照射により被検体から誘発された光音響波Ｕ（超音波）を例えば複数の有機圧電素子５で受信することができる。これにより、光音響効果を利用して被検体内を画像化する、いわゆる光音響イメージング（ＰＡＩ：Photoacoustic Imaging）を行うことができる。
光照射部３１は、互いに異なる波長を有する複数の照射光Ｌを被検体に向けて順次照射するもので、半導体レーザ（ＬＤ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）、固体レーザ、ガスレーザ等から構成することができる。光照射部３１は、例えば、パルスレーザ光を照射光Ｌとして用い、パルス毎に順次波長を切り換えながら被検体に向けてパルスレーザ光を照射する。

光音響イメージングを行う際には、光照射部３１から被検体に向けて照射光Ｌが照射され、その照射された照射光Ｌが被検体内の所定の生体組織Ｖに照射されると、生体組織Ｖは照射光Ｌの光エネルギーを吸収することにより弾性波である光音響波Ｕ（超音波）を放出する。
例えば、光照射部３１から約７５０ｎｍの波長を有する照射光Ｌと、約８００ｎｍの波長を有する照射光Ｌを順次被検体に照射する。ここで、ヒトの動脈に多く含まれる酸素化ヘモグロビン(酸素と結合したヘモグロビン:oxy-Hb)は、波長８００ｎｍの照射光Ｌよりも波長７５０ｎｍの照射光Ｌに対して、高い分子吸収係数を有する。一方、静脈に多く含まれる脱酸素化ヘモグロビン（酸素と結合していないヘモグロビンdeoxy-Hb)は、波長８００ｎｍの照射光Ｌよりも波長７５０ｎｍの照射光Ｌに対して、低い分子吸収係数を有する。このため、動脈および静脈に波長８００ｎｍの照射光Ｌおよび波長７５０ｎｍの照射光Ｌをそれぞれ照射すると、動脈および静脈の分子吸収係数に応じた強度の光音響波Ｕがそれぞれ放出されることになる。
動脈または静脈から放出された光音響波Ｕは、上記の実施の形態１および２と同様にして、超音波探触子の複数の有機雑電素子５で受信される。

このように、超音波探触子は、超音波画像用として使用されるだけでなく、光音響画像用として使用することもでき、１つの超音波探触子を用いて多様な超音波診断を行うことができる。
なお、照射光Ｌの照射により被検体から誘発される光音響波Ｕは、複数の無機圧電素子２で受信することもできる。

１ バッキング材、１ａ バッキング材の表面、２ 無機圧電素子、３ 第１の音響整合層、４ 第２の音響整合層、５ 有機圧電素子、５ａ 第１の圧電素子部、５ｂ 第２の圧電素子部、６，７ 分離部、８ 音響レンズ、９ 無機圧電素子用Ａ／Ｄコンバータ、１０ 有機圧電素子用アンプ、１１ 有機圧電素子用Ａ／Ｄコンバータ、２１ 無機圧電体、２２ 信号電極層、２３ 接地電極層、３１ 光照射部、４１ 第１の樹脂層、４２ 第２の樹脂層、５１ 接地電極層、５２ 第１の有機圧電体層、５３ 第２の有機圧電体層、５４ 第１の信号電極層、５５ 第２の信号電極層、９１ 無機圧電体層、９１ａ 無機圧電素子層、９２ 第１の導電層、９３ 第２の導電層、９４ 音響整合層、９５ 第１の樹脂層、９６ 第３の導電層、９７，１０１ 溝、９８ 第４の導電層、９９ 第２の樹脂層、１００ 第５の導電層、Ｐ 配列ピッチ、Ｌ 照射光、Ｕ 光音響波。

Claims (14)

1. バッキング材と、
   前記バッキング材の表面上に配列形成された複数の無機圧電素子と、
   前記複数の無機圧電素子の上に配置された第1の音響整合層と、
   前記第1の音響整合層の上に配置された第２の音響整合層と
   を備え、
   前記第２の音響整合層は、前記複数の無機圧電素子に対して平行に配列形成された複数の有機圧電素子を含み、
   それぞれの前記有機圧電素子は、音軸方向に互いに積層された第１の圧電素子部および第２の圧電素子部を有し、
   前記複数の有機圧電素子は、
   接地電極層を挟んで互いに積層されたシート状の第１および第２の有機圧電体層と、
   前記第１の有機圧電体層の前記接地電極層とは反対側の表面上に互いに分離して配列形成された複数の第１の信号電極層と、
   前記第２の有機圧電体層の前記接地電極層とは反対側の表面上に互いに分離して配列形成された複数の第２の信号電極層と
   を有し、
   前記第１の有機圧電体層と前記接地電極層と前記複数の第１の信号電極層により複数の前記第１の圧電素子部が形成され、
   前記第２の有機圧電体層と前記接地電極層と前記複数の第２の信号電極層により複数の前記第２の圧電素子部が形成されていることを特徴とする超音波探触子。
2. 前記第２の音響整合層は、
   前記複数の第１の信号電極層の前記第１の有機圧電体層とは反対側の表面上に形成されると共に前記第1の音響整合層の上に配置された複数の第１の樹脂層と、
   前記複数の第２の信号電極層の前記第２の有機圧電体層とは反対側の表面上に形成されたシート状の第２の樹脂層と
   を含む請求項１に記載の超音波探触子。
3. 前記第１の樹脂層の音響インピーダンスは、前記第１および第２の有機圧電体層の音響インピーダンス以上の値を有し、前記第２の樹脂層の音響インピーダンスは、前記第１および第２の有機圧電体層の音響インピーダンス以下の値を有する請求項２に記載の超音波探触子。
4. 前記第１の樹脂層および前記第２の樹脂層は、それぞれ、前記第１および第２の有機圧電体層の音響インピーダンスに対して±１０％の範囲内の音響インピーダンスを有する請求項３に記載の超音波探触子。
5. 前記第１および第２の有機圧電体層は、フッ化ビニリデン系材料から形成される請求項１〜４のいずれか一項に記載の超音波探触子。
6. 前記複数の無機圧電素子と前記複数の有機圧電素子は、互いに同一の配列ピッチで且つ音軸方向に対して互いに同じ位置に形成されている請求項１〜５のいずれか一項に記載の超音波探触子。
7. それぞれの前記無機圧電素子は、
   無機圧電体層と、
   前記無機圧電体層の表面上に配置された信号電極層と、
   前記無機圧電体層の裏面上に配置された接地電極層と
   を有する請求項１〜６のいずれか一項に記載の超音波探触子。
8. それぞれの前記無機圧電素子は、前記複数の無機圧電素子の配列方向に沿って複数のサブダイスに分割されている請求項７に記載の超音波探触子。
9. 前記複数の無機圧電体層は、Ｐｂ系のペロブスカイト構造酸化物から形成される請求項７または８に記載の超音波探触子。
10. 前記第２の音響整合層の前記第１の音響整合層とは反対側の表面上に配置された音響レンズをさらに備えた請求項１〜９のいずれか一項に記載の超音波探触子。
11. 前記複数の有機圧電素子にそれぞれ直結された複数の有機圧電素子用アンプをさらに備えた請求項１〜１０のいずれか一項に記載の超音波探触子。
12. 被検体に向けて照射光を照射する光照射部をさらに有し、
    前記光照射部から照射光が照射されることで被検体から誘発された超音波を前記複数の有機圧電素子または前記複数の無機圧電素子で受信する請求項１〜１１のいずれか一項に記載の超音波探触子。
13. バッキング材の表面上に第１の導電層を介してシート状の無機圧電体層を接合し、
    前記無機圧電体層の表面上に第２の導電層を介してシート状の音響整合層を接合し、
    前記音響整合層の表面上にシート状の第１の樹脂層を接合すると共に前記第１の樹脂層の全面上に第３の導電層を形成し、
    前記第３の導電層から前記無機圧電体層まで積層方向に所定のピッチでダイシングすることにより、複数の無機圧電素子を配列形成すると共に前記第３の導電層を前記複数の無機圧電素子と同一のピッチで分割し、
    分割された溝を樹脂で充填した後、第４の導電層を挟んで互いに積層されたシート状の第１および第２の有機圧電体層のうち前記第１の有機圧電体層を前記第３の導電層の表面上に接合し、
    音響レンズと接合されたシート状の第２の樹脂層の前記音響レンズとは反対側の表面上に形成された第５の導電層を前記所定のピッチでダイシングすることにより、前記第５の導電層を前記複数の無機圧電素子と同一のピッチで分割し、
    前記複数の無機圧電素子の配列方向における前記第３の導電層と前記第５の導電層の位置を互いに合わせながら前記第２の樹脂層の表面上に形成されている前記第５の導電層を前記第２の有機圧電体層の表面上に接合することにより、それぞれ、前記第３の導電層と前記第１の有機圧電体層と前記第４の導電層からなる第１の圧電素子部と、前記第５の導電層と前記第２の有機圧電体層と前記第４の導電層からなる第２の圧電素子部とが積層され、前記複数の無機圧電素子と同一のピッチで配列された複数の有機圧電素子を形成する
    ことを特徴とする超音波探触子の製造方法。
14. 前記第３の導電層と前記第５の導電層の位置合わせは、前記複数の無機圧電素子の配列方向における双方の端部で行われる請求項１３に記載の超音波探触子の製造方法。

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