JP6840635B2 - 超音波プローブ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は超音波プローブ及びその製造方法に関し、特に、超音波プローブにおける接着構造に関する。

超音波診断装置は、生体への超音波の送受波によって超音波画像を形成する医療装置である。超音波診断装置は、超音波を送受波する超音波プローブを有する。一般的な超音波プローブは、超音波ビームを形成する１Ｄ振動素子アレイを備えている。近時、生体内の三次元空間からボリュームデータを取得する２Ｄ振動素子アレイを備えた超音波プローブも利用されている。そのような超音波プローブは３Ｄプローブとも称されている。３Ｄプローブとして、体表に当接される３Ｄプローブ、体腔内に挿入される３Ｄプローブ等が知られている。

特許文献１に開示された１Ｄ又は３Ｄプローブは、複数の振動層及びその下側に設けられた複数の共振層（ハードバッキング層）を有する。複数の振動層と複数の共振層が接着され、これにより複数の共振体が構成されている。特許文献１には、第１整合層と第２整合層の接着に先立って、接着される各面の中心線平均粗さ（Ｒａ）を０．２〜１．０μｍにすることが記載されている。

特許文献２に開示された超音波プローブにおいて、振動層と共振層（デマッチング層、反射体）とが接着されている。振動層の接着面のＲａと共振層の接着面のＲａとを合わせた和が０．４μｍ以下とされている。これにより接着層の厚みが小さくされており、そこでの超音波の減衰が軽減されている。

なお、超音波プローブ製造過程では、整合板、振動板、共振板（ハードバッキング板）、等からなる積層体が土台としての基板等に保持されている状態において、積層体がダイシングソー等によって複数の素子に分割される。

特開２０１４−１２７８２１号 特開２０１５− ３６０５６号

振動層と共振層とを備えた超音波プローブにおいては、第１に、音響的特性（特に周波数帯域特性）を良好にすることが望まれる。換言すれば、振動層と共振層の間の接着部分あるいは接着構造に起因して音響的特性が低下してしまわないようにすることが求められる。第２に、振動層と共振層との間における機械的結合を向上させることが望まれる。そこでの接着強度が低下すると、超音波プローブ製造での素子分割工程において剥離又は接合不良が生じてしまうからである。

本発明の目的は、接着される複数の振動層及び複数の共振層を有する超音波プローブにおいて、音響的特性と接着強度の両方を良好にすることにある。

実施形態に係る超音波プローブは、複数の振動層と、前記複数の振動層の下側に設けられた複数の共振層と、前記複数の振動層と前記複数の共振層とを接着する複数の接着層と、を含み、前記各振動層の下面は鏡面であり、前記各共振層の上面は前記各振動層の下面よりも粗い粗面である、ことを特徴とするものである。

上記構成によれば、複数の振動層と複数の共振層とにより複数の共振体が構成される。個々の共振体において、振動層の下面（振動層側の接着面）が鏡面として構成され、共振層の上面（共振層側の接着面）が粗面として構成されているので、良好な音響的特性と良好な接着強度とを得られる。すなわち、振動層側の接着面が鏡面とされているので、それを粗面とした場合に生じる音響的特性の劣化を防止又は軽減できる。同時に、２つの接着面の内で一方面が粗面化されているので、それら両面を鏡面とした場合よりも、接着強度を高められる。後述するように、両面を鏡面とした場合には接着強度が不十分となるおそれがあり、両面を粗面とした場合には周波数特性が低下するおそれがある。結局、振動層下面の鏡面化且つ共振層上面の粗面化の組み合わせが最適なものであると言い得る。なお、下面及び上面は、生体側を上側、非生体側を下側と仮定した場合の表記であり、便宜上のものに過ぎない。

実施形態において、前記各振動層の下面のＲａは０．１μｍ以下であり、前記各共振層の上面のＲａは０．４μｍ以上である。すなわち、本願明細書においては、基本的に、Ｒａが０．１μｍ以下の面が鏡面として定義され、Ｒａが０．４μｍ以上が粗面として定義される。

実施形態において、前記各振動層の下面のＲａは０．０１μｍ以上０．１μｍ以下であり、前記各共振層の上面のＲａは０．４μｍ以上２．０μｍ以下である。実施形態において、前記各振動層は、その下面に形成された薄膜としての電極を含み、前記各共振層は、その上面に形成された薄膜としての電極を含む。すなわち、上記の下面及び上面のいずれにも電極が形成されており、これにより両面間での良好な電気的接続が確保されている。

実施形態において、前記複数の振動層は一次元振動層アレイ又は二次元振動層アレイを構成し、前記複数の共振層は一次元共振層アレイ又は二次元共振層アレイを構成する。

実施形態に係る超音波プローブ製造方法は、振動材における鏡面としての下面と、共振材における上面であって前記下面よりも粗い粗面としての上面と、を接着することにより積層体を構成する工程と、前記積層体の分割により、前記振動材を一次元振動層アレイ又は二次元振動層アレイに加工し、同時に、前記共振材を一次元共振層アレイ又は二次元共振層アレイに加工する工程と、を含む。

上記構成によれば、積層体の分割時に振動材（振動層）及び共振材（共振層）において剥離、接着不良等が生じることを防止又は軽減できる。また、音響特性の良好な超音波プローブを製作できる。望ましくは、前記振動材の下面のＲａは０．０１μｍ以上０．１μｍ以下であり、前記共振材の上面のＲａは０．４μｍ以上２．０μｍ以下である。

本発明によれば、複数の振動層と複数の共振層とが複数の接着材で接着されている構造において、音響的特性と接着強度の両方を良好にすることができる。あるいは、本発明によれば、分割工程において複数の振動層と複数の共振層との間において剥離等の問題が生じることを防止又は軽減できる。

実施形態に係る超音波プローブの概略的な断面図である。 接着層によって接着された振動層及び共振層を示す断面図である。 実施例及び比較例１，２についての電気機械結合係数を示す図である。 実施例及び比較例１，２についての接着強度を示す図である。 実施形態に係る製造方法を示すフローチャートである。 変形例１を示す断面図である。 変形例２を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１には、実施形態に係る超音波プローブ１０が示されている。この超音波プローブ１０は、医療用の超音波診断装置本体に接続されるものであり、超音波の送受波器である。超音波プローブ１０によって超音波ビームが形成される。超音波ビームは電子的に走査される。電子走査方式としては電子セクタ走査方式、電子リニア走査方式等が知られている。実施形態の超音波プローブ１０は、超音波ビームの二次元走査により三次元データ取込空間を形成する３Ｄ超音波プローブである。超音波プローブ１０が１Ｄ超音波プローブであってもよい。超音波プローブ１０は、被検者の体表に当接されるものであり、あるいは、被検者の体腔（例えば食道）に挿入されるものである。上記のように１Ｄ超音波プローブに対して以下に説明する技術を適用するようにしてもよい。なお、図１において、Ｚ方向は送受波方向である。Ｚ方向に直交する方向としてＸ方向が定義されている。Ｚ方向及びＸ方向に直交する方向がＹ方向（紙面貫通方向）である。

図１において、超音波プローブ１０は、振動層アレイ、整合層アレイ及び共振層アレイからなる素子アレイを有している。素子アレイは、Ｘ方向及びＹ方向に整列した複数の素子１２により構成されるものである。個々の素子１２は、Ｚ方向を上下方向とした場合、下から上へ並んだ共振層１８、振動層１４及び整合層２２からなる。振動層１４の上面及び下面には薄膜としての電極が形成されている。

素子１２について説明する。振動層１４の下面と共振層１８の上面とが接着材によって接着されている。図１には、その接着材が接着層１６としてやや誇張して表現されている。振動層１４の上面と整合層２２の下面も接着されており、複数の整合層２２の上面と保護層２４の下面も接着されている。実際には、複数の整合層２２の上面と保護層２４の下面との間に、グランド又は共通電極を構成する薄い導電性シートが配置されつつ、それら両者が接着されている。保護層２４の上面が送受波面を構成し、その送受波面が生体表面に当接される。保護層２４に代えて音響レンズが配置されてもよい。

複数の素子１２は、図１に示されている構成において、中継基板２６上によって保持されている。具体的には、各共振層１８の下面が中継基板２６の上面に接着されている。中継基板２６は、インターポーザーであり、それは例えば多層基板により構成される。中継基板２６の下面側には半導体集積回路（ＩＣ）２８が設けられている。ＩＣ２８は、例えば、チャンネルリダクションのためのサブビームフォーマ―として機能する。隣接する２つの素子１２の間には分離溝１３が形成されている。後述するように、複数の板状部材からなる積層体を分割（ダイシング）することにより複数の分離溝１３が形成され、これにより複数の素子１２が形成される。個々の分離溝１３内には必要に応じて目詰め材が入れられる。

保護層２４は、例えば、シリコーンゴムにより構成される。整合層２２は、生体と振動層１４との間において音響インピーダンス整合を図るための部材である。積層された複数の整合層が設けられてもよい。振動層１４は、圧電材料により構成され、具体的には、ＰＺＴやＰＭＮ−ＰＴ等によって構成される。送信時においては、振動層１４が有する２つの電極間に電圧が印加される。受信時においては、振動層１４が有する２つの電極間に生じる電圧（又は電圧変化）が検出される。共振層１８は、ハードバッキング層として機能するものである。実施形態において、共振層１８の音響インピーダンスは、振動層１４の音響インピーダンスよりも高い。接合された振動層１４及び共振層１８からなる共振体２０それ全体が単一の振動体として機能する。

後に示すように、複数の素子１２の下側にソフトバッキング層を設けてもよい。その場合、ソフトバッキング層にリードアレイが埋設される。リードアレイは複数の素子に対応した複数のリードからなるものである。ソフトバッキング層の下面に中継基板が接合されてもよい。１Ｃ２８の下面側にソフトバッキング層を設けることも可能である。

図２には、共振体２０が拡大図として示されている。既に説明したように、共振体２０は振動層１４と共振層１８とからなる。本実施形態において、振動層１４の下面（非生体側の面）１４Ａは鏡面である。共振層１８の上面（生体側の面）１８Ａは粗面である。Ｒａが０．１μｍ以下の面を鏡面と称することにし、Ｒａが０．４μｍ以上の面を粗面と称することにする。鏡面としての下面１４Ａとそれよりも粗い粗面としての上面１８Ａとが接着材によって接着されている。図２においては、接着材が接着層１６として表現されている。実施形態においては、振動層１４の上面もその下面１４Ａと同様に鏡面であり、共振層１８の下面もその上面１８Ａと同様に粗面である。

上記のように、下面１４Ａ及び上面１８Ａのいずれにも薄膜としての電極が形成されている。上記した各Ｒａは電極形成後のものである。詳しくは、振動層の下面１４ＡのＲａが、そこへの電極形成後において、０．０１μｍ以上０．１μｍ以下となるように、振動層が構成される。０．１μｍ以下という条件は、良好な音響的特性を確保するための条件であり、実験に基づく数値を上限としたものである。０．０１μｍ以上という条件はおよそ現実的な下限を表したものである。また、共振層１８の上面１８ＡのＲａが、そこへの電極形成後において、０．４μｍ以上２．０μｍ以下となるように、電極層が構成される。０．４μｍ以上という条件は、相手方の面が鏡面であることを前提とし、一定の接着強度を得るための条件であり、実験に基づく数値を下限としたものである。２．０μｍ以下という条件はおよそ現実的な上限を表したものである。

以下に説明する実施例においては、振動層の下面のＲａが０．０５μｍであり、共振層（ＨＢ層）の上面のＲａが０．４μｍである。実施例は上側鏡面−下側粗面の組み合わせである。後述する比較例１においては、振動層の下面のＲａが０．６μｍであり、共振層（ＨＢ層）の上面のＲａが０．４μｍである。比較例１は上側粗面−下側粗面の組み合わせである。比較例２においては、振動層の下面のＲａが０．０５μｍであり、共振層（ＨＢ層）の上面のＲａが０．０２μｍである。比較例２は上側鏡面−下側鏡面の組み合わせである。

図３において、実施例における電気機械結合係数は５３であり、比較例２においても同様の数値が認められる。比較例１における電気機械結合係数は５０であり、実施例及び比較例２に比べて低い。振動層の下面を鏡面とした方が、それを粗面とするよりも、周波数特性の面で有利となる。

図４には、ダイシングに伴う接着強度の変化が示されている。超音波プローブ製造過程には積層体ダイシング工程が含まれ、ダイシングによる接着強度の低下が問題となる。符号４０ａは実施例についてのダイシング前の接着強度を示しており、符号４０ｂは実施例についてのダイシング後の接着強度を示している。符号４２ａは比較例１についてのダイシング前の接着強度を示しており、符号４２ｂは比較例１についてのダイシング後の接着強度を示している。符号４４ａは比較例２についてのダイシング前の接着強度を示しており、符号４４ｂは比較例２についてのダイシング後の接着強度を示している。実施例、比較例１、比較例２においては、いずれもダイシングを原因とする接着強度の低下が認められるが、比較例２の低下度合いは、実施例及び比較例１のそれよりも大きい。鏡面と鏡面とを接着した場合、やはり剥離が生じやすいといえる。ダイシングブレードの振動等に起因する外力が接着強度よりも大きければ剥離が生じ、つまり素子不良が生じる。鏡面−粗面の組み合わせの場合、いずれが上側であろうが大差なく接着強度として良好な結果が得られている。つまり素子不良が起こりにくい。

なお、実施例においては、振動層の上面が鏡面とされており、それを粗面とした場合に生じる音響特性低下という問題が回避されている。また、実施例においては、共振層の下面が粗面とされており、共振層とその下側の部材との間の接着強度を高められる。共振材（共振板）の両面を粗面とすれば、製造過程において、表面と裏面の入れ違いの問題が生じないという利点も得られる。

図５には、実施形態に係る超音波プローブ製造方法がフローチャートとして示されている。Ｓ１０では、板状の振動材、板状のハードバッキング材（共振材）、板状の整合材、等が用意される。その際には、振動材の下面が鏡面化され、ハードバッキング材の上面が粗面化される。Ｓ１２においては、Ｓ１０で用意された複数の部材が接着され、これによって積層体が構成される。Ｓ１４では、積層体がダイシングされ、これにより積層体が複数の素子に分割される。それに先立って積層体の下面には土台（例えば、中継基板、ソフトバッキング層）が接着される。ダイシングにおいては土台までが切断されないように切削深さが調整される。各接着部分において十分な接着強度が得られているので、剥離等の接着不良が生じることが防止されている。Ｓ１６においては、必要な他の加工が実施され、最終的に超音波プローブが組み立てられる。

図６には、変形例１が示されている。図２に示した構成と同様の構成には同一符号を付しその説明を省略する。複数の共振体２０の下面にはソフトバッキング層５６が接着されている。ソフトバッキング層５６は、背面側に漏れ出てきた超音波を散乱、吸収するための部材である。ソフトバッキング層５６には、複数の共振体２０（つまり複数の振動層）に対応した複数のリード５８からなるリードアレイが埋設されている。このように複数の共振体２０の下側に、中継基板に代えて、リードアレイ内蔵のソフトバッキング層を設けてもよい。

図７には、変形例２が示されている。図２に示した構成と同様の構成には同一符号を付しその説明を省略する。振動層１４の上面１４Ｂは鏡面であり、それに接する、導電性整合層２２の下面２２Ａは粗面である。上面１４Ｂと下面２２Ａとの間に低粘度をもった絶縁性接着材６０が展開している。上面１４Ｂと下面２２Ａの両者に電極が形成されており、それらの電極は複数の箇所で物理的に接触している。これにより振動層１４の上面１４Ｂの電極と整合層２２とが電気的に接続されている。そこでの接着構造においても、周波数帯域の低下が回避されており、かつ、十分な接着強度が確保されている。

上記実施形態によれば、複数の振動層と複数の共振層とが複数の接着材で接着されている構造において、音響的特性と接着強度の両方を良好にすることができる。また、ダイシング工程において複数の振動層と複数の共振層との間において剥離等の問題が生じることを防止又は軽減できる。

１０ 超音波プローブ、１２ 素子、１４ 振動層、１６ 接着層、１８ 共振層、２０ 振動体、２２ 整合層、２４ 保護層、２６ 中継基板、２８ 半導体集積回路（ＩＣ）。

Claims (6)

1. 複数の振動層と、
   前記複数の振動層の下側に設けられた複数の共振層と、
   前記複数の振動層と前記複数の共振層とを接着する複数の接着層と、
   を含み、
   前記各振動層の下面は薄膜としての電極を含む鏡面であり、電極形成後の当該下面のＲａは０．０１μｍ以上０．１μｍ以下であり、
   前記各共振層の上面は薄膜としての電極を含む粗面であり、電極形成後の当該上面のＲａは０．４μｍ以上２．０μｍ以下である、
   ことを特徴とする超音波プローブ。
2. 請求項１記載の超音波プローブにおいて、
   前記各振動層の上面は鏡面である、
   ことを特徴とする超音波プローブ。
3. 請求項２記載の超音波プローブにおいて、
   前記各振動層の上面は電極を含む鏡面である、
   ことを特徴とする超音波プローブ。
4. 請求項１記載の超音波プローブにおいて、
   前記各共振層の下面は粗面である、
   ことを特徴とする超音波プローブ。
5. 請求項１記載の超音波プローブにおいて、
   前記複数の振動層は一次元振動層アレイ又は二次元振動層アレイを構成し、
   前記複数の共振層は一次元共振層アレイ又は二次元共振層アレイを構成する、
   ことを特徴とする超音波プローブ。
6. 振動材における鏡面としての下面と、共振材における上面であって前記下面よりも粗い粗面としての上面と、を接着することにより積層体を構成する工程と、
   前記積層体の分割により、前記振動材を一次元振動子アレイ又は二次元振動層アレイに加工し、同時に、前記共振材を一次元共振層アレイ又は二次元共振層アレイに加工する工程と、
   を含み、
   前記振動材の下面には薄膜としての電極が形成されており、電極形成後の当該下面のＲａは０．０１μｍ以上０．１μｍ以下であり、
   前記共振材の上面には薄膜としての電極が形成されており、電極形成後の当該上面のＲａは０．４μｍ以上２．０μｍ以下である、
   ことを特徴とする超音波プローブ製造方法。