WO2013118768A1 - 超音波探触子およびその製造方法 - Google Patents

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WO2013118768A1
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organic layer
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organic
inorganic piezoelectric
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和田　隆亜
大澤　敦
山本　勝也
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富士フイルム株式会社
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    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/24—Probes
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    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/42—Piezoelectric device making

Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic probe and a method for manufacturing the same, and more particularly, to an ultrasonic probe in which a plurality of inorganic piezoelectric elements and a plurality of organic piezoelectric elements are laminated together, and a method for manufacturing the same.
  • an ultrasonic diagnostic apparatus using an ultrasonic image has been put into practical use.
  • this type of ultrasonic diagnostic apparatus transmits an ultrasonic beam from an ultrasonic probe into a subject, receives an ultrasonic echo from the subject with the ultrasonic probe, and receives the received ultrasonic echo.
  • An ultrasonic image is generated by electrically processing the signal.
  • harmonic imaging that receives and visualizes harmonic components generated by distortion of an ultrasonic waveform due to nonlinearity of a subject has become mainstream.
  • photoacoustic imaging which is a new diagnostic method using ultrasonic waves, is focused on photo-irradiation by irradiating a living body with laser and receiving weak and broadband elastic waves generated by adiabatic expansion.
  • an ultrasonic probe suitable for this harmonic imaging or photoacoustic imaging for example, as disclosed in Patent Document 1, an inorganic piezoelectric material such as lead zirconate titanate (Pb (Zr, Ti) O 3 ) is used.
  • a plurality of laminated inorganic piezoelectric elements using a plurality of organic piezoelectric elements using an organic piezoelectric material such as polyvinylidene fluoride (PVDF) has been proposed.
  • a high-power ultrasonic beam can be transmitted by the inorganic piezoelectric element, and a harmonic signal can be received with high sensitivity by the organic piezoelectric element.
  • a normal ultrasonic reception signal can be acquired by the inorganic piezoelectric element, and a wide-band signal of photoacoustic imaging can be received with high sensitivity by the organic piezoelectric element.
  • the thickness of the organic piezoelectric body is determined by the ultrasonic wave. Designed to increase the acoustic transmission of the beam. Specifically, the organic piezoelectric body is designed in the vicinity of a thickness that satisfies the ⁇ / 4 resonance condition with respect to the wavelength ⁇ of the fundamental wave transmitted from the plurality of inorganic piezoelectric elements. For this reason, the organic piezoelectric material cannot be designed freely, and has to be designed with a certain thickness in order to satisfy the above resonance condition.
  • the organic piezoelectric material has a small relative dielectric constant, when the organic piezoelectric element is formed thick, the electric capacity is reduced, and a reception signal generated by the ultrasonic wave received by the organic piezoelectric element is efficiently acquired on the circuit. It was difficult. Further, since the thermal noise increases when the electric capacity is small, the S / N with the acquired signal tends to be disadvantageous. In addition, when an organic piezoelectric body is stacked on an inorganic piezoelectric element, if the positions of the electrodes do not coincide with the beam transmission direction, focus deviation and reception efficiency decrease.
  • the electrode positions of the organic piezoelectric element laminated with the inorganic piezoelectric element match as much as possible with respect to the beam transmission direction, but it is difficult to accurately match with the conventional configuration and manufacturing method. It was. Furthermore, since the degree of crystallinity of an organic piezoelectric body gradually decreases as the temperature rises, there is a use upper limit temperature at a temperature considerably lower than the Curie point. For example, in a typical polyvinylidene fluoride (PVDF), the use upper limit temperature is 80 ° C., and in a polyvinylidene fluoride trifluoride ethylene copolymer (P (VDF-TrFE)), it is 100 ° C.
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • P (VDF-TrFE) polyvinylidene fluoride trifluoride ethylene copolymer
  • the present invention has been made to solve such a conventional problem, and has a plurality of organic piezoelectric elements while having excellent acoustic transmittance with respect to ultrasonic beams transmitted from a plurality of inorganic piezoelectric elements. Improve the conversion efficiency and S / N of the received signal in the element, accurately match the electrode position of the inorganic piezoelectric element that transmits and receives ultrasonic waves and the position of the organic piezoelectric element dedicated to ultrasonic reception in the beam transmission direction, and An object of the present invention is to provide an ultrasonic probe capable of maintaining high characteristics of an organic piezoelectric element even after the device is completed, and a method for manufacturing the same.
  • An ultrasonic probe includes a backing material, a plurality of inorganic piezoelectric elements arranged on the surface of the backing material, and a first acoustic matching layer disposed on the plurality of inorganic piezoelectric elements. And a second acoustic matching layer disposed on the first acoustic matching layer, wherein the second acoustic matching layer comprises an upper organic layer constituting a plurality of organic piezoelectric elements, and the upper organic layer A lower organic layer for performing acoustic matching with the plurality of inorganic piezoelectric elements together with the layer.
  • the upper organic layer is preferably formed thinner than the lower organic layer.
  • the plurality of organic piezoelectric elements include a sheet-like upper organic layer, a ground electrode layer extending over the surface of the upper organic layer, and a back surface of the upper organic layer facing the lower organic layer.
  • a plurality of signal electrode layers arranged in parallel to each other at the same pitch in the stacking direction so as to separate each layer from the plurality of signal electrode layers to the plurality of inorganic piezoelectric elements into a plurality of pieces. It is preferable that the plurality of organic piezoelectric elements and the plurality of inorganic piezoelectric elements are arranged at the same pitch.
  • each piece constituting the plurality of inorganic piezoelectric elements, or each piece constituting the plurality of inorganic piezoelectric elements and the first acoustic matching layer, respectively, or the plurality of inorganic piezoelectric elements and the first A sub die forming groove extending in the stacking direction may be provided so as to further separate each of the pieces constituting the acoustic matching layer and the lower organic layer of the second acoustic matching layer into a plurality of sub dice.
  • the plurality of organic piezoelectric elements are used as a receiving device for receiving ultrasonic waves transmitted from the plurality of inorganic piezoelectric elements, and the upper organic layer is efficient on a circuit using the received ultrasonic echoes as received signals.
  • the value is formed so that desired acoustic matching is performed with respect to the ultrasonic wave transmitted from the piezoelectric element.
  • the upper organic layer and the lower organic layer preferably have an acoustic impedance within a range of ⁇ 10%.
  • the lower organic layer preferably has an acoustic impedance larger than that of the upper organic layer and smaller than that of the first acoustic matching layer.
  • the plurality of inorganic piezoelectric elements includes a plurality of inorganic piezoelectric bodies separated from each other, and a plurality of signal electrode layers and a plurality of ground electrode layers respectively disposed on both surfaces of the plurality of inorganic piezoelectric bodies. preferable.
  • the plurality of inorganic piezoelectric materials may be composed of a Pb-based perovskite oxide such as lead zirconate titanate (Pb (Zr, Ti) O 3 ) or magnesium niobate / lead titanate solid solution (PMN-PT). it can.
  • the upper organic layer can be composed of only an organic material
  • the lower organic layer can be composed of an organic material or a composite material of an organic material and an inorganic material.
  • the upper organic layer and the lower organic layer may be composed of a vinylidene fluoride compound such as polyvinylidene fluoride (PVDF) or polyvinylidene fluoride trifluoride ethylene copolymer (P (VDF-TrFE)). it can.
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • PVDF-TrFE polyvinylidene fluoride trifluoride ethylene copolymer
  • positioned on the said some organic piezoelectric element can be further provided.
  • a protective layer for protecting the plurality of organic piezoelectric elements may be further provided between the plurality of organic piezoelectric elements and the acoustic lens.
  • an organic piezoelectric element amplifier directly connected to each of the plurality of organic piezoelectric elements can be further provided.
  • an inorganic piezoelectric element layer extending over the backing material is bonded onto the surface of the backing material, and the inorganic piezoelectric element layer is extended over the inorganic piezoelectric element layer.
  • a plurality of inorganic piezoelectric elements are arranged and formed by dicing at an arbitrary pitch in the stacking direction to the element layer, and the first acoustic matching layer, the lower organic layer, and the signal electrode layer are formed on the plurality of inorganic piezoelectric elements.
  • Electrode layer in which are arranged forming an organic piezoelectric element (sheet) made up of the upper organic layer and the ground electrode layer.
  • the upper organic layer and the lower organic layer constitute a second acoustic matching layer, and the sum of the thickness of the upper organic layer and the thickness of the lower organic layer is determined from the plurality of inorganic piezoelectric elements. It is preferably formed in the vicinity of a value satisfying the ⁇ / 4 resonance condition with respect to the wavelength ⁇ of the fundamental wave to be transmitted.
  • the second acoustic matching layer includes an upper organic layer constituting a plurality of organic piezoelectric elements, and a lower organic layer for performing acoustic matching with respect to the plurality of inorganic piezoelectric elements in combination with the upper organic layer. So that the acquisition efficiency of the received signals generated in the plurality of organic piezoelectric elements is improved while having excellent acoustic transmittance for the ultrasonic beams transmitted from the plurality of inorganic piezoelectric elements, and S / N can be improved.
  • the position of the electrode of the inorganic piezoelectric element that transmits and receives ultrasonic waves and the position of the organic piezoelectric element dedicated to ultrasonic reception in the beam transmission direction must be accurately matched, and the characteristics of the organic piezoelectric element can be maintained high even after the device is completed. Is also possible.
  • FIG. 1 and 2 show the configuration of an ultrasonic probe according to an embodiment of the present invention.
  • a plurality of inorganic piezoelectric elements 2 are arranged at a pitch P on the surface of the backing material 1.
  • the plurality of inorganic piezoelectric elements 2 have a plurality of inorganic piezoelectric bodies 21 separated from each other, a signal electrode layer 22 is bonded to one surface of each inorganic piezoelectric body 21, and a ground electrode layer 23 is bonded to the other surface. It is joined. That is, each inorganic piezoelectric element 2 is formed of a dedicated inorganic piezoelectric body 21, signal electrode layer 22, and ground electrode layer 23.
  • the first acoustic matching layer 3 is bonded on the plurality of inorganic piezoelectric elements 2.
  • the first acoustic matching layer 3 is divided into a plurality of pieces and arranged at the same pitch P as the plurality of inorganic piezoelectric elements 2.
  • each piece constituting the plurality of inorganic piezoelectric elements 2 it is preferable to form each piece constituting the plurality of inorganic piezoelectric elements 2 separately into a plurality of sub-dies.
  • each piece constituting each of the plurality of inorganic piezoelectric bodies 21, the signal electrode layer 22, and the ground electrode layer 23 (the plurality of inorganic piezoelectric elements 2), or the plurality of inorganic piezoelectric bodies 21, the signal electrode layer 22, the ground electrode A sub die forming groove extending in the stacking direction can be formed so as to further divide each piece constituting the layer 23 and the first acoustic matching layer 3 into a plurality of pieces.
  • the stacking direction is such that each piece constituting the plurality of inorganic piezoelectric bodies 21, the signal electrode layer 22, the ground electrode layer 23, the first acoustic matching layer 3 and the lower organic layer 42 is further separated into a plurality of pieces. It is also possible to form a sub-die forming groove extending toward. At this time, it is preferable to form one or two sub die forming grooves for each inorganic piezoelectric element 2 to form two or three sub dice.
  • the piezoelectric multiplier of the plurality of inorganic piezoelectric elements 2 can be improved, and the transmission / reception sensitivity of the ultrasonic probe can be improved.
  • a second acoustic matching layer 4 is bonded on the first acoustic matching layer 3.
  • the second acoustic matching layer 4 has two layers, an upper organic layer 41 and a lower organic layer 42.
  • the lower organic layer 42 is divided into a plurality of pieces and arranged on the first acoustic matching layer 3 at the same pitch P as the plurality of inorganic piezoelectric elements 2.
  • the upper organic layer 41 has a sheet-like shape and extends over the entire lower organic layer 42 without being divided into a plurality of pieces.
  • the sum of the thickness of the upper organic layer 41 and the thickness of the lower organic layer 42 is formed to a value such that desired acoustic matching is performed on the ultrasonic waves transmitted from the plurality of inorganic piezoelectric elements.
  • the sum of the thickness of the upper organic layer 41 and the thickness of the lower organic layer 42 is the fundamental wave of the ultrasonic wave transmitted from the plurality of inorganic piezoelectric elements 2 (the center frequency of the ⁇ 6 dB band of the maximum sensitivity of the inorganic piezoelectric material 21).
  • the second acoustic matching layer 4 including the upper organic layer 41 and the lower organic layer 42 includes a plurality of layers. It can have excellent acoustic transmittance with respect to the ultrasonic wave transmitted from the inorganic piezoelectric element.
  • the upper organic layer 41 constitutes a plurality of organic piezoelectric elements 5. That is, a ground electrode layer 43 extending over the surface is joined to the upper organic layer 41 and separated from each other at the same pitch P as the plurality of inorganic piezoelectric elements 2 on the back surface facing the lower organic layer 42. Thus, the plurality of signal electrode layers 44 are joined, whereby the upper organic layer 4 functions as an organic piezoelectric body of the plurality of organic piezoelectric elements 5.
  • Each organic piezoelectric element 5 arranged in this manner is composed of a dedicated signal electrode layer 44, and an upper organic layer 41 and a ground electrode layer 43 common to the plurality of organic piezoelectric elements 5.
  • the arrangement pitch of the plurality of organic piezoelectric elements 5 is determined only by the arrangement pitch of the plurality of signal electrode layers 44 bonded on the back surface of the upper organic layer 41, and the plurality of organic piezoelectric elements 5 is a plurality of inorganic piezoelectric elements. They are arranged at the same pitch P as the elements 2.
  • a plurality of layers constituting the layers from the plurality of inorganic piezoelectric elements 2 to the signal electrode layer 44 are formed by aligning the positions between the layers and aligning them in the stacking direction, and filling each column with a filler.
  • a separation part 6 for separating the fragments is formed. That is, the separation portions 6 extend in parallel at the same pitch P in the stacking direction so as to penetrate each layer from the surface of the signal electrode layer 44 to the surface of the backing material 1.
  • an acoustic lens 8 is bonded on the plurality of organic piezoelectric elements 5 via a protective layer 7.
  • the inorganic piezoelectric element 21 of the inorganic piezoelectric element 2 is formed of an inorganic material for a piezoelectric body such as a Pb-based perovskite structure oxide.
  • Pb-based piezoelectric ceramic represented by lead zirconate titanate (Pb (Zr, Ti) O 3 ), or magnesium niobate / lead titanate solid solution (PMN-PT) and zinc niobate / lead titanate It can be formed from a relaxor-based piezoelectric single crystal typified by a solid solution (PZN-PT).
  • the upper organic layer 41 of the organic piezoelectric element 5 is formed of an organic material for a piezoelectric body such as a vinylidene fluoride (VDF) material.
  • VDF vinylidene fluoride
  • it can be formed from a polymer piezoelectric element such as polyvinylidene fluoride (PVDF) or polyvinylidene fluoride trifluoride ethylene copolymer (P (VDF-TrFE)).
  • the backing material 1 supports a plurality of inorganic piezoelectric elements 2 and absorbs ultrasonic waves emitted backward, and can be formed from a rubber material such as ferrite rubber.
  • the first acoustic matching layer 3 is for efficiently allowing the ultrasonic beams from the plurality of inorganic piezoelectric elements 2 to enter the subject, and is intermediate between the acoustic impedance of the inorganic piezoelectric element 2 and the acoustic impedance of the living body. It is formed from a material having a value acoustic impedance.
  • the second acoustic matching layer 4 is for efficiently allowing the ultrasonic beams from the plurality of inorganic piezoelectric elements 2 to enter the subject
  • the lower organic layer 42 is an organic material or an organic material and an inorganic material. It is composed of composite materials.
  • the lower organic layer 42 is made of polyvinylidene fluoride (VDF) such as polyvinylidene fluoride (PVDF) or polyvinylidene fluoride trifluoride copolymer (P (VDF-TrFE)) used in the upper organic layer 41.
  • VDF polyvinylidene fluoride
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • PVDF-TrFE polyvinylidene fluoride trifluoride copolymer
  • the lower organic layer 42 can also be formed from a composite material of an organic material and an inorganic material in which zirconia particles are dispersed in, for example, an epoxy resin.
  • the upper organic layer 41 and the lower organic layer 42 are preferably formed of materials having the same or close acoustic impedance as each other. For example, if the mutual acoustic impedance is within a range of ⁇ 10%, ultrasonic waves
  • the second acoustic matching layer 4 can be configured without affecting the acoustic matching.
  • the lower organic layer 42 may be formed of a material having an acoustic impedance larger than that of the upper organic layer 41 and having an acoustic impedance smaller than that of the first acoustic matching layer 3.
  • the filler forming the separation portion 6 is for fixing the position and posture of adjacent pieces, and is formed of, for example, an epoxy resin.
  • the protective layer 7 protects the ground electrode layer 43 of the organic piezoelectric element 5 and is formed of, for example, polyvinylidene fluoride (PVDF). If the protection of the ground electrode layer 43 is not hindered, the acoustic lens 8 can be directly bonded onto the plurality of organic piezoelectric elements 5 by forming the protective layer 7 except the protective layer 7.
  • the acoustic lens 8 narrows the ultrasonic beam using refraction and improves the resolution in the elevation direction, and is made of silicon rubber or the like.
  • the plurality of inorganic piezoelectric elements 2 are used as transducers dedicated to ultrasonic transmission
  • the plurality of organic piezoelectric elements 5 are used as transducers dedicated to ultrasonic reception.
  • a pulsed or continuous wave voltage is applied between the signal electrode layer 22 and the ground electrode layer 23 of the plurality of inorganic piezoelectric elements 2
  • the inorganic piezoelectric body 21 of each inorganic piezoelectric element 2 expands and contracts to be pulsed or continuous. Wave ultrasound is generated.
  • ultrasonic waves enter the subject through the first acoustic matching layer 3, the second acoustic matching layer 4, the protective layer 7, and the acoustic lens 8, and are combined with each other to form an ultrasonic beam. Propagates through the subject.
  • the upper organic layer 41 is subjected to ultrasonic harmonics.
  • the component expands and contracts in response to high sensitivity, an electric signal is generated between the signal electrode layer 44 and the ground electrode layer 43, and is output as a received signal. In this way, a harmonic image can be generated based on the reception signals output from the plurality of organic piezoelectric elements 5.
  • the subject is at the same arrangement position as the transmission position of the ultrasonic beam.
  • a plurality of inorganic piezoelectric elements 2 can also be used as transducers for transmitting and receiving ultrasonic waves.
  • the ultrasonic echoes received by the organic piezoelectric element 5 via the acoustic lens 8 and the protective layer 7 are further transmitted to the respective inorganic piezoelectric elements via the second acoustic matching layer 4 and the first acoustic matching layer 3.
  • the inorganic piezoelectric body 21 expands and contracts mainly in response to the fundamental wave component of the ultrasonic wave, and generates an electric signal between the signal electrode layer 22 and the ground electrode layer 23.
  • the fundamental wave component and the harmonics are obtained.
  • a compound image in which wave components are combined can be generated.
  • the fundamental component and the harmonic component of the ultrasonic echo are It is possible to receive at the same arrangement position, and it is possible to generate a compound image in which the fundamental wave component and the harmonic component are combined with high accuracy.
  • Such an ultrasonic probe can be manufactured as follows. First, as shown in FIG. 3A, an inorganic piezoelectric element layer 91a extending over the entire surface of the backing material 1 is bonded onto the surface of the backing material 1 with an adhesive or the like. In this inorganic piezoelectric element layer 91a, conductive layers 92 and 93 are formed on both surfaces of the inorganic piezoelectric layer 91 extending over the entire surface of the backing material 1, respectively. Next, as shown in FIG. 3B, an acoustic matching layer 94 extending over the entire area of the inorganic piezoelectric element layer 91a is bonded onto the conductive layer 93 at a temperature of 80 ° C. to 100 ° C., for example.
  • the dice forming groove is formed by dicing the inorganic piezoelectric element layer 91a or each layer of the acoustic matching layer 94 from the inorganic piezoelectric element layer 91a in the stacking direction. Can be formed. Then, as shown in FIG. 3C, the organic layer 95 is bonded on the acoustic matching layer 94.
  • the organic layer 95 has a size sufficient to extend over the entire surface of the acoustic matching layer 94, and a conductive layer 96 is formed in advance on the entire surface opposite to the surface facing the acoustic matching layer 94.
  • each layer of the conductive layer 96, the organic layer 95, the acoustic matching layer 94, and the inorganic piezoelectric element layer 91a is diced at a pitch P to separate each layer into a plurality of pieces. To do. At this time, since the dicing is performed so as to completely divide each layer from the conductive layer 96 to the inorganic piezoelectric element layer 91a, each piece of each divided layer is aligned and aligned in the stacking direction.
  • a plurality of inorganic piezoelectric elements 2 arranged at the arrangement pitch P are formed on the surface of the backing material 1, and the first acoustic matching layer 3 and the lower organic layer are formed on each inorganic piezoelectric element 2.
  • 42 and the signal electrode layer 44 are formed so as to overlap each other in sequence. Further, between each row in which a plurality of pieces of each layer are arranged in the stacking direction at a pitch P, a plurality of flat grooves 97 that penetrate each layer in the stacking direction are formed by dicing.
  • each layer is easily separated into a plurality of pieces and each piece of each separated layer is positioned in the stacking direction. Can be combined.
  • the signal electrode layers 44 of the plurality of organic piezoelectric elements 5 and the signal electrode layers 22 and the ground electrode layers 23 of the plurality of inorganic piezoelectric elements 2 can be accurately aligned with each other.
  • the inside of the plurality of grooves 97 formed by dicing is filled with a filler, and as shown in FIG. 3 (E), the separation portion 6 that fixes the position and posture of the plurality of pieces of each layer is formed.
  • the upper organic layer 41 is pressure-bonded onto the plurality of signal electrode layers 44 at a temperature of about 80 ° C., for example.
  • the upper organic layer 41 has a size that extends over the whole of the plurality of signal electrode layers 44, and the ground electrode layer 43 is previously formed on the entire surface on the opposite side of the surface facing the plurality of signal electrode layers 44. Is formed.
  • the upper organic layer 41 constitutes a part of the second acoustic matching layer 4 for acoustic matching of ultrasonic waves transmitted from the plurality of inorganic piezoelectric elements 2. It is sufficient that the combined thickness of the side organic layer 42 is formed so that a desired acoustic matching is performed with respect to the ultrasonic waves transmitted from the plurality of inorganic piezoelectric elements 2.
  • the electric capacity of the organic piezoelectric element 5 can be increased by forming the upper organic layer 41 thin without being limited by acoustic matching. That is, the upper organic layer 41 is formed with a desired thickness having an electric capacity such that the ultrasonic echo received by the organic piezoelectric element 5 is efficiently converted into a received signal.
  • the combined thickness of the upper organic layer 41 and the lower organic layer 42 is a range in which acoustic matching is performed on ultrasonic waves transmitted from the plurality of inorganic piezoelectric elements 2.
  • the upper organic layer 41 is formed thinner than the lower organic layer 42, so that the second acoustic matching layer 4 is acoustically matched to the ultrasonic waves transmitted from the plurality of inorganic piezoelectric elements 2.
  • a plurality of organic piezoelectric elements 5 can be formed thin while being formed within the range.
  • the sum of the thickness of the upper organic layer 41 and the thickness of the lower organic layer 42 is in the vicinity of a value that satisfies the ⁇ / 4 resonance condition with respect to the wavelength ⁇ of the fundamental wave transmitted from the plurality of inorganic piezoelectric elements 2. Preferably it is formed.
  • the upper organic layer 41 has a use upper limit temperature at a temperature considerably lower than the Curie point because the crystallinity is gradually lowered as the temperature rises.
  • a high temperature of 80 ° C. to 100 ° C. used when laminating each layer such as the acoustic matching layer 94 is applied, the organic layer 41 is easily depolarized, but the upper organic layer 41 excludes the protective layer 7 and the acoustic lens 8. It is laminated after the other layers are laminated. Therefore, the upper organic layer 41 can be prevented from being depolarized without being exposed to a high temperature when another layer is laminated or when the filler 97 is filled with the filler.
  • each layer laminated below the upper organic layer 41 that is, the signal electrode layer 22, the inorganic piezoelectric body 21, the ground electrode layer 23, the first acoustic matching layer 3, the lower organic layer 42, and the signal electrode layer 44 are formed. Since the upper organic layer 41 does not exist until they are sequentially bonded, these layers can be bonded to each other at a high temperature and laminated with a high adhesive force. After the upper organic layer 41 is laminated on the plurality of signal electrode layers 44 in this way, the acoustic lens 8 is bonded to the ground electrode layer 43 of the plurality of organic piezoelectric elements 5 via the protective layer 7. Thus, the ultrasonic probe shown in FIGS. 1 and 2 is manufactured.
  • the frequency of ultrasonic waves transmitted from the plurality of inorganic piezoelectric elements 2 is about 7 MHz
  • the acoustic impedance of the first acoustic matching layer 3 is about 8.9 Mrayl (kg / m 2 s)
  • the second acoustic matching layer In the case of producing a linear probe having an acoustic impedance of about 4.0 Mrayl, lead zirconate titanate (Pb (Zr, Ti) O 3 ) is used as the inorganic piezoelectric body 21 and the thickness thereof is about 190 ⁇ m.
  • the thickness of the first acoustic matching layer 3 can be formed to about 80 ⁇ m.
  • the lower organic layer 42 and the upper organic layer 41 are formed to have a thickness of approximately 60 ⁇ m, and the upper organic layer 41 is formed to have a thickness of approximately 20 ⁇ m.
  • the total thickness is set to about 80 ⁇ m, the plurality of organic piezoelectric elements 5 can be formed with a desired thickness while the second acoustic matching layer 4 satisfies the resonance condition for the plurality of inorganic piezoelectric elements 2. .
  • the upper organic layer 41 is made of a polyvinylidene fluoride trifluoride ethylene copolymer (P (VDF-TrFE)) and a thickness of about 10 ⁇ m
  • the lower organic layer 42 is 70 ⁇ m using zirconia particles dispersed in an epoxy resin so that the acoustic impedance is about 5 to 6 Mrayl. It is formed to a thickness of about.
  • the 1st acoustic matching layer 3 is formed in the thickness of about 100 micrometers using what disperse
  • the second acoustic matching layer 4 satisfies a resonance condition for the plurality of inorganic piezoelectric elements 2 and a plurality of organic piezoelectric elements. 5 can be formed in a desired thickness.
  • the second acoustic matching layer 4 has a two-layer structure of the upper organic layer 41 and the lower organic layer 42, and the upper organic layer 41 constituting the plurality of organic piezoelectric elements 5 is formed with a desired thickness.
  • the second acoustic matching layer 4 By forming the second acoustic matching layer 4 so that the combined thickness of the upper organic layer 41 and the lower organic layer 42 satisfies the resonance condition, it is superior to an ultrasonic beam transmitted from a plurality of inorganic piezoelectric elements.
  • the acquisition efficiency of the received signals in the plurality of organic piezoelectric elements 5 can be improved while maintaining the sound transmittance.
  • the plurality of inorganic piezoelectric elements 2 and the plurality of organic piezoelectric elements 5 are aligned with each other, high-accuracy harmonic images and compound images can be generated. Furthermore, when the ultrasonic probe is manufactured, the upper organic layer 41 that functions as the organic piezoelectric body of the organic piezoelectric element 5 is rarely exposed to a high temperature, so that the upper organic layer 41 can be prevented from being depolarized. it can.
  • the inorganic piezoelectric element A / D converter 9 is connected to the signal line electrode layer 22 of each inorganic piezoelectric element 2, and the signal line electrode layer 44 of each organic piezoelectric element 5 is organically connected.
  • the piezoelectric element amplifier 10 and the organic piezoelectric element A / D converter 11 can be sequentially connected.
  • the electric capacity of the plurality of organic piezoelectric elements 5 can be increased by setting the thickness of the organic piezoelectric body to be small as described above. However, it is possible to obtain a received signal having sufficient strength by itself. Therefore, it is necessary to amplify by the organic piezoelectric element amplifier 10.
  • the organic piezoelectric element amplifier 10 is placed near the signal line electrode layer 44 of the organic piezoelectric element 5. It is preferably connected or directly connected. Further, the number of signal lines drawn from the ultrasonic probe can be reduced by arranging the multiplexer in the ultrasonic probe. For example, a multiplexer is disposed after the A / D converter 9 for the inorganic piezoelectric element and the A / D converter 11 for the organic piezoelectric element, and is drawn from the A / D converter 9 for the inorganic piezoelectric element and the A / D converter 11 for the organic piezoelectric element. These two signal lines can be combined into one.
  • the lower organic layer 95 in which the conductive layer 96 is previously formed on the surface is laminated on the first acoustic matching layer 94.
  • the present invention is not limited to this.
  • the lower organic layer 95 may be laminated, and then the conductive layer 96 may be formed on the surface of the lower organic layer 95.
  • the upper organic layer 41 in which the ground electrode layer 43 is previously formed on the surface is bonded onto the plurality of signal electrode layers 44, but after the upper organic layer 41 is bonded onto the plurality of signal electrode layers 42.
  • the ground electrode layer 43 may be formed on the surface of the upper organic layer 41.
  • ultrasonic waves generated by the plurality of inorganic piezoelectric elements 2 are transmitted toward the subject, and ultrasonic echoes reflected within the subject are transmitted to the plurality of inorganic piezoelectric elements 2 or the plurality of inorganic piezoelectric elements 2.
  • irradiation is performed from the light irradiation unit 31 toward the subject by newly providing the light irradiation unit 31 that irradiates the irradiation light L toward the subject.
  • a plurality of organic piezoelectric elements 5 can receive photoacoustic waves U (ultrasonic waves) induced from the subject by irradiation with the light L.
  • the light irradiation unit 31 sequentially irradiates a subject with a plurality of irradiation lights L having different wavelengths, and may be composed of a semiconductor laser (LD), a light emitting diode (LED), a solid-state laser, a gas laser, or the like. It can.
  • the light irradiation unit 31 uses pulsed laser light as the irradiation light L and irradiates the subject with the pulsed laser light while sequentially switching the wavelength for each pulse.
  • irradiation light L is irradiated from the light irradiation unit 31 toward the subject, and when the irradiated irradiation light L is irradiated to a predetermined biological tissue V in the subject, the living body
  • the tissue V absorbs the light energy of the irradiation light L and emits a photoacoustic wave U (ultrasonic wave) that is an elastic wave.
  • the object is sequentially irradiated with irradiation light L having a wavelength of about 750 nm and irradiation light L having a wavelength of about 800 nm from the light irradiation unit 31.
  • oxygenated hemoglobin contained in a large amount in human arteries has a higher molecular absorption coefficient than the irradiation light L having a wavelength of 800 nm with respect to the irradiation light L having a wavelength of 750 nm.
  • deoxygenated hemoglobin contained in a large amount in veins has a lower molecular absorption coefficient for irradiation light L with a wavelength of 750 nm than irradiation light L with a wavelength of 800 nm.
  • the irradiation light L having a wavelength of 800 nm and the irradiation light L having a wavelength of 750 nm are respectively irradiated to an artery and a vein
  • photoacoustic waves U having an intensity corresponding to the molecular absorption coefficient of the artery and vein are respectively emitted.
  • the photoacoustic wave U emitted from the artery or vein is received by the plurality of organic piezoelectric elements 5 of the ultrasonic probe in the same manner as in the above embodiment.
  • the ultrasonic probe can be used not only for an ultrasonic image but also for a photoacoustic image, and various ultrasonic diagnosis can be performed by using one ultrasonic probe. It can be carried out.
  • the photoacoustic wave U induced from the subject by the irradiation of the irradiation light L can be received by the plurality of inorganic piezoelectric elements 2.

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Abstract

　バッキング材１、無機圧電素子層９１ａ、音響整合層９４、有機層９５および導電層９６を順次積層し、導電層９６から無機圧電素子層９１ａまで積層方向に任意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２、第１の音響整合層３、下側有機層４２および信号電極層４４の各断片を位置を合わせて順次重ねて形成し、信号電極層４４の上に上側有機層４１と接地電極層４３を重ねて接合して、信号電極層４４、上側有機層４１および接地電極層４３から構成される複数の有機圧電素子５を形成する。

Description

超音波探触子およびその製造方法
　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、レーザーを生体に照射し、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）Ｏ３）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出来る。
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。一方で、有機圧電体は比誘電率が小さいため、有機圧電素子を厚く形成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、回路上で効率良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も不利になる傾向があった。
　また、無機圧電素子に有機圧電体を積層する場合、互いの電極位置がビーム送信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。従って、無機圧電素子と積層された有機圧電素子の電極位置は、ビーム送信方向に対して出来る限り一致していることが望ましいが、従来の構成や製造方法では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為、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、この温度以上をかけると強誘電性が劣化し、脱分極される。強誘電性の劣化回復手段として再分極が有効な手段であるが、有機圧電体の抗電界（Ｅｃ）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のは極めて高い電圧を印加する必要があり、プロセス上困難である。以上のことから、無機圧電体に有機圧電体を積層する場合、なるべく低い温度プロセス、少ない熱履歴回数で作製する必要があるが、従来の構成や製造方法では殆ど熱履歴をかけないプロセスは困難であった。
　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有しながらも複数の有機圧電素子における受信信号の変換効率とS/Nを向上し、かつ、超音波を送受信する無機圧電素子の電極位置と超音波受信専用の有機圧電素子のビーム送信方向の位置を正確に合致させ、さらに、デバイス完成後にも有機圧電素子の特性を高く維持させることができ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、前記バッキング材の表面上に配列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、複数の有機圧電素子を構成する上側有機層と、前記上側有機層と併せて前記複数の無機圧電素子に対する音響整合を行うための下側有機層とからなるものである。
　ここで、前記上側有機層は、前記下側有機層より薄く形成されるのが好ましい。
　また、前記複数の有機圧電素子は、シート状の前記上側有機層と、前記上側有機層の表面上にわたって延在する接地電極層と、前記下側有機層に対向する前記上側有機層の裏面上に配列された複数の信号電極層とを有し、前記複数の信号電極層から前記複数の無機圧電素子までの各層を複数の断片に分離するように、積層方向に向かってそれぞれ同じピッチで平行に延びる複数の分離部をさらに備えることにより、前記複数の有機圧電素子と前記複数の無機圧電素子が互いに同じピッチで配列されるのが好ましい。
　また、前記複数の無機圧電素子を構成する各断片、または、前記複数の無機圧電素子と前記第１の音響整合層をそれぞれ構成する各断片、または、前記複数の無機圧電素子と前記第１の音響整合層と前記第２の音響整合層の前記下側有機層をそれぞれ構成する各断片をさらに複数のサブダイスに分離するように、積層方向に向かって延びるサブダイス形成溝を備えることができる。
　また、前記複数の有機圧電素子は、前記複数の無機圧電素子から送信された超音波を受信する受信デバイスとして利用され、前記上側有機層は、受信した超音波エコーを受信信号として回路上で効率良く取得し、かつ、S/Nを向上するために、所定の電気容量を有する厚さで形成され、前記上側有機層の厚さと前記下側有機層の厚さの和は、前記複数の無機圧電素子から送信される超音波に対して所望の音響整合が行われるような値に形成されるのが好ましい。
　また、前記上側有機層と前記下側有機層は、互いに±１０％の範囲内の音響インピーダンスを有するのが好ましい。また、下側有機層は、前記上側有機層より大きな音響インピーダンスを有し、且つ、前記第１の音響整合層より小さな音響インピーダンスを有するのが好ましい。
　また、前記複数の無機圧電素子は、互いに分離された複数の無機圧電体と、前記複数の無機圧電体の両面にそれぞれ配置された複数の信号電極層および複数の接地電極層とを有するのが好ましい。
　また、前記複数の無機圧電体は、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）またはマグネシウムニオブ酸・チタン酸鉛固溶体（ＰＭＮ-ＰＴ）などPb系ペロブスカイト酸化物から構成することができる。また、前記上側有機層は、有機材料のみから構成され、前記下側有機層は、有機材料、または、有機材料と無機材料の複合材料から構成することができる。さらに、前記上側有機層および前記下側有機層は、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））などフッ化ビニリデン系化合物から構成することができる。
　また、前記複数の有機圧電素子の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、前記複数の有機圧電素子と前記音響レンズの間に、前記複数の有機圧電素子を保護する保護層をさらに備えることもできる。
　また、前記複数の有機圧電素子にそれぞれ直結された有機圧電素子用アンプをさらに備えることができる。
　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、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ことができる。
　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前記バッキング材にわたって延在する無機圧電素子層を接合し、前記無機圧電素子層の上に前記無機圧電素子層にわたって延在する音響整合層を接合し、前記音響整合層の上に前記音響整合層にわたって延在する有機層を接合すると共に前記有機層の全面上に導電層を形成し、前記導電層から前記無機圧電素子層まで積層方向に任意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複数の無機圧電素子の上に第１の音響整合層、下側有機層および信号電極層の各断片が位置を合わせて一括形成され、前記信号電極層の上に前記信号電極層にわたって延在する上側有機層を全面上に接地電極層を形成された後に接合することで、前記信号電極層、前記上側有機層および前記接地電極層から構成された有機圧電素子（シート）を配列形成するものである。
　ここで、前記上側有機層と前記下側有機層は第２の音響整合層を構成し、前記上側有機層の厚さと前記下側有機層の厚さの和は、前記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λ／４共振条件を満たす値の近傍に形成されるのが好ましい。
　この発明によれば、第２の音響整合層が、複数の有機圧電素子を構成する上側有機層と、上側有機層と併せて複数の無機圧電素子に対する音響整合を行うための下側有機層とから構成されるので、複数の無機圧電素子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有しながらも複数の有機圧電素子で発生する受信信号の取得効率を向上させ、かつ、S/Nを向上することが可能となる。
　また、超音波を送受信する無機圧電素子の電極位置と超音波受信専用の有機圧電素子のビーム送信方向の位置を正確に合致させ、さらに、デバイス完成後にも有機圧電素子の特性を高く維持させることも可能となる。
この発明の実施の形態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。 変形例に係る超音波探触子の構成を示す断面図である。 他の変形例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。
　図１および図２に、この発明の実施の形態に係る超音波探触子の構成を示す。
　バッキング材１の表面上に複数の無機圧電素子２がピッチＰで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、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の上に第１の音響整合層３が接合されている。第１の音響整合層３は、複数の断片に分断され、複数の無機圧電素子２と同じピッチＰで配列されている。
　なお、複数の無機圧電素子２を構成する各断片は、複数のサブダイスに分離して形成すのが好ましい。例えば、複数の無機圧電体２１、信号電極層２２および接地電極層２３（複数の無機圧電素子２）の各層を構成する各断片、または、複数の無機圧電体２１、信号電極層２２、接地電極層２３および第１の音響整合層３を構成する各断片をさらに複数の断片に分離するように、積層方向に向かって延びるサブダイス形成溝を形成することができる。また、複数の無機圧電体２１、信号電極層２２、接地電極層２３、第１の音響整合層３および下側有機層４２を構成する各断片をさらに複数の断片に分離するように、積層方向に向かって延びるサブダイス形成溝を形成することもできる。
　この時、各無機圧電素子２に対し１本または２本のサブダイス形成溝を形成して、２つまたは３つのサブダイスを形成することが好ましい。このように、複数のサブダイスを形成することにより、複数の無機圧電素子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できる。
　この第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、上側有機層４１と下側有機層４２の２層を有する。
　下側有機層４２は、複数の断片に分断され、複数の無機圧電素子２と同じピッチＰで第１の音響整合層３の上に配列されている。一方、上側有機層４１は、シート状の形状を有し、複数の断片に分断されることなく、下側有機層４２の全体にわたって延在している。上側有機層４１の厚さと下側有機層４２の厚さの和は、複数の無機圧電素子から送信される超音波に対して所望の音響整合が行われるような値に形成される。例えば、上側有機層４１の厚さと下側有機層４２の厚さの和が複数の無機圧電素子２から送信される超音波の基本波（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共振条件を満たす厚さの近傍となるように形成することにより、上側有機層４１と下側有機層４２を併せた第２の音響整合層４が複数の無機圧電素子から送信される超音波に対して優れた音響透過率を有することができる。
　さらに、上側有機層４１は、複数の有機圧電素子５を構成する。すなわち、上側有機層４１には、表面上にわたって延在する接地電極層４３が接合されると共に、下側有機層４２に対向する裏面上に複数の無機圧電素子２と同じピッチＰで互いに分離された複数の信号電極層４４が接合され、これにより上側有機層４が複数の有機圧電素子５の有機圧電体として機能する。このように配列形成されたそれぞれの有機圧電素子５は、専用の信号電極層４４と、複数の有機圧電素子５に共通の上側有機層４１および接地電極層４３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、上側有機層４１の裏面上に接合された複数の信号電極層４４の配列ピッチのみにより決定され、複数の有機圧電素子５は複数の無機圧電素子２と同じピッチＰで配列されることとなる。
　また、複数の無機圧電素子２、第１の音響整合層３、第２の音響整合層４の下側有機層４２および信号電極層４４の各層において同じピッチＰで分離された複数の断片は、それぞれの層の間で位置を合わせて積層方向に整列し、それぞれの列の間には充填剤が充填されることにより、複数の無機圧電素子２から信号電極層４４までの各層を構成する複数の断片を互いに分離する分離部６が形成されている。すなわち、分離部６は、それぞれ信号電極層４４の表面上からバッキング材１の表面上まで各層を貫通するように、積層方向に向かってそれぞれ同じピッチＰで平行に延びている。
　さらに、複数の有機圧電素子５の上に保護層７を介して音響レンズ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）Ｏ３）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の上側有機層４１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からの超音波ビームを効率よく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。
　第２の音響整合層４は、複数の無機圧電素子２からの超音波ビームを効率よく被検体内に入射させるためのもので、下側有機層４２は、有機材料、または、有機材料と無機材料の複合材料から構成されている。例えば、下側有機層４２は、上側有機層４１において用いられた、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））等のフッ化ビニリデン（ＶＤＦ）系材料を含む有機材料から形成することができる。また、下側有機層４２は、例えばエポキシ樹脂にジルコニア粒子を分散させた、有機材料と無機材料の複合材料から形成することもできる。
　なお、上側有機層４１と下側有機層４２は、互いに同じまたは近い音響インピーダンスを有する材料で形成されるのが好ましく、例えば互いの音響インピーダンスが±１０％の範囲内のものであれば超音波の音響整合に影響を与えずに第２の音響整合層４を構成することができる。さらに、下側有機層４２は、上側有機層４１より大きな音響インピーダンスを有し、且つ、第１の音響整合層３より小さな音響インピーダンスを有する材料で形成することもできる。
　分離部６を形成する充填剤は、隣り合う断片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。
　保護層７は、有機圧電素子５の接地電極層４３を保護するもので、例えばポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）により形成される。なお、接地電極層４３の保護に支障がなければ、保護層７を除いて形成し、複数の有機圧電素子５の上に音響レンズ８を直接接合することもできる。
　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、保護層７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および保護層７を介してそれぞれの有機圧電素子５に入射されると、上側有機層４１が超音波の高調波成分に高感度に応答して伸縮し、信号電極層４４と接地電極層４３の間に電気信号が発生して、受信信号として出力される。
　このようにして、複数の有機圧電素子５から出力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、積層方向に互いに位置合わせして同じピッチ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。
　また、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および保護層７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２の音響整合層４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、積層方向に互いに位置合わせして同じピッチ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の表面全域にわたって延びる無機圧電素子層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の全面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導電層９２および９３が形成されたものである。
　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音響整合層９４を、例えば８０℃～１００℃の温度で導電層９３の上に接合する。この時、複数の無機圧電体２１にサブダイスを形成する場合には、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の各層を積層方向にダイシングすることにより、サブダイス形成溝を形成することができる。
　そして、図３（Ｃ）に示されるように、音響整合層９４の上に有機層９５が接合される。この有機層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導電層９６が予め形成されている。
　続いて、図３（Ｄ）に示されるように、導電層９６、有機層９５、音響整合層９４および無機圧電素子層９１ａの各層をピッチ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。この時、ダイシングは、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積層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の上には第１の音響整合層３、下側有機層４２および信号電極層４４の各断片が位置を合わせて順次重なるように形成される。また、各層の複数の断片がピッチＰで積層方向に整列されたそれぞれの列の間には、ダイシングにより各層を積層方向に貫通した平板状の複数の溝９７が形成される。
　このように、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積層方向に位置合わせすることができる。そして、複数の有機圧電素子５の信号電極層４４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、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、図３（Ｅ）に示されるように、各層の複数の断片の位置および姿勢を固定する分離部６を形成した後、複数の信号電極層４４の上に上側有機層４１を、例えば８０℃程度の温度で圧着させる。上側有機層４１は、複数の信号電極層４４の全体にわたって延びるだけの大きさを有し、複数の信号電極層４４に対向する面とは反対側の表面には全面にわたって接地電極層４３が予め形成されている。
　ここで、上側有機層４１は、複数の無機圧電素子２から送信される超音波を音響整合するための第２の音響整合層４の一部を構成しているが、上側有機層４１と下側有機層４２を併せた厚さが、複数の無機圧電素子２から送信される超音波に対して所望の音響整合が行われるような値に形成されていればよく、上側有機層４１のみに着目すると、音響整合に制限されることなく上側有機層４１を薄く形成して有機圧電素子５の電気容量を高めることができる。すなわち、有機圧電素子５で受信される超音波エコーが受信信号に効率よく変換されるような電気容量を有する所望の厚さで上側有機層４１を形成し、この上側有機層４１の厚さに下側有機層４２の厚さを加算することにより、上側有機層４１と下側有機層４２を併せた厚みが複数の無機圧電素子２から送信される超音波に対して音響整合が行われる範囲に収まるように形成する。このように、上側有機層４１が下側有機層４２より薄く形成されることにより、第２の音響整合層４が複数の無機圧電素子２から送信される超音波に対して音響整合が行われる範囲内で形成されながらも複数の有機圧電素子５を薄く形成することができる。なお、上側有機層４１の厚さと下側有機層４２の厚さの和は、複数の無機圧電素子２から送信される基本波の波長λに対してλ／４共振条件を満たす値の近傍に形成されるのが好ましい。
　また、上側有機層４１は、温度上昇によって徐々に結晶化度が低下する為、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℃の高い温度を与えると容易に脱分極されてしまうが、上側有機層４１は保護層７および音響レンズ８を除くその他の層が積層された後に積層される。このため、上側有機層４１は、その他の層を積層する際または充填剤が溝９７に充填される際の高い温度に曝されることがなく、脱分極するのを抑制することができる。
　さらに、上側有機層４１の下側に積層された各層、すなわち信号電極層２２、無機圧電体２１、接地電極層２３、第１の音響整合層３、下側有機層４２および信号電極層４４を順次接着するまでの間は、上側有機層４１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。
　このようにして複数の信号電極層４４の上に上側有機層４１が積層された後、複数の有機圧電素子５の接地電極層４３の上に保護層７を介して音響レンズ８を接合することにより、図１および図２に示した超音波探触子が製造される。
　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／ｍ２ｓ）、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）Ｏ３）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の厚みを８０μｍ程度に形成することができる。そして、下側有機層４２および上側有機層４１としてそれぞれＰＶＤＦを使用し、下側有機層４２の厚みを６０μｍ程度、上側有機層４１の厚みを２０μｍ程度に形成し、第２の音響整合層４全体としての厚みを８０μｍ程度とすることにより、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。
　また、第２の音響整合層４の下側有機層４２を有機材料と無機材料の複合材料から構成する場合には、例えば、上側有機層４１を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））で構成すると共にその厚みを１０μｍ程度に形成し、下側有機層４２は音響インピーダンスが約５～６Ｍｒａｙｌになるようにジルコニア粒子をエポキシ樹脂に分散させたものを用いて７０μｍ程度の厚みに形成する。そして、第１の音響整合層３は、音響インピーダンスが約８Ｍｒａｙｌになるように、ジルコニア粒子をエポキシ樹脂に分散させたものを用いて１００μｍ程度の厚みに形成する。このように第１の音響整合層３および第２の音響整合層４を構成することにより、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、第２の音響整合層４を上側有機層４１と下側有機層４２の２層構造とし、複数の有機圧電素子５を構成する上側有機層４１を所望の厚さで形成すると共に上側有機層４１と下側有機層４２を併せた厚みが共振条件を満たすように第２の音響整合層４を形成することにより、複数の無機圧電素子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。
　また、複数の無機圧電素子２と複数の有機圧電素子５が互いに位置を合わせ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の有機圧電体として機能する上側有機層４１を高温に曝すことが少ないため、上側有機層４１が脱分極するのを抑制することができる。
　なお、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を接続し、それぞれの有機圧電素子５の信号線電極層４４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、上記のように有機圧電体の厚さを小さく設定することで高めることはできるが、それだけでは、まだ十分な強度を有する受信信号を得ることが難しく、有機圧電素子用アンプ１０により増幅する必要がある。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の信号線電極層４４の近傍に接続または直結させるのが好ましい。
　また、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。
　また、表面上に導電層９６が予め形成された下側有機層９５を第１の音響整合層９４の上に積層したが、これに限るものではなく、第１の音響整合層９４の上に下側有機層９５を積層し、その後、下側有機層９５の表面上に導電層９６を形成してもよい。
　同様に、表面上に接地電極層４３が予め形成された上側有機層４１を複数の信号電極層４４の上に接合したが、複数の信号電極層４２の上に上側有機層４１を接合した後、上側有機層４１の表面上に接地電極層４３を形成してもよい。
　また、上記の実施の形態では、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、上記の実施の形態と同様にして、超音波探触子の複数の有機圧電素子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、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、６　分離部、７　保護層、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、２２，４４　信号電極層、２３，４３　接地電極層、４１　上側有機層、４２　下側有機層、９１　無機圧電体層、９１ａ　無機圧電素子層、９２，９３，９６　導電層、９４　音響整合層、９５　有機層、９７　溝、３１　光照射部、Ｐ　配列ピッチ、Ｌ　照射光、Ｕ　光音響波。

Claims (17)

  1. 　バッキング材と、
    　前記バッキング材の表面上に配列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、複数の有機圧電素子を構成する上側有機層と、前記上側有機層と併せて前記複数の無機圧電素子に対する音響整合を行うための下側有機層とからなることを特徴とする超音波探触子。
  2. 　前記上側有機層は、前記下側有機層より薄く形成される請求項１に記載の超音波探触子。
  3. 　前記複数の有機圧電素子は、
    　シート状の前記上側有機層と、
    　前記上側有機層の表面上にわたって延在する接地電極層と、
    　前記下側有機層に対向する前記上側有機層の裏面上に配列された複数の信号電極層と
    　を有し、
    　前記複数の信号電極層から前記複数の無機圧電素子までの各層を複数の断片に分離するように、積層方向に向かってそれぞれ同じピッチで平行に延びる複数の分離部をさらに備えることにより、前記複数の有機圧電素子と前記複数の無機圧電素子が互いに同じピッチで配列される請求項１または２に記載の超音波探触子。
  4. 　前記複数の無機圧電素子を構成する各断片、または、前記複数の無機圧電素子と前記第１の音響整合層をそれぞれ構成する各断片、または、前記複数の無機圧電素子と前記第１の音響整合層と前記第２の音響整合層の前記下側有機層をそれぞれ構成する各断片をさらに複数のサブダイスに分離するように、積層方向に向かって延びるサブダイス形成溝を備えた請求項３に記載の超音波探触子。
  5. 　前記複数の有機圧電素子は、前記複数の無機圧電素子から送信された超音波を受信する受信デバイスとして利用され、
    　前記上側有機層は、受信した超音波エコーを受信信号に変換するために、所定の電気容量を有する厚さで形成され、
    　前記上側有機層の厚さと前記下側有機層の厚さの和は、前記複数の無機圧電素子から送信される超音波に対して所望の音響整合が行われるような値に形成される請求項１～４のいずれか一項に記載の超音波探触子。
  6. 　前記上側有機層と前記下側有機層は、互いに±１０％の範囲内の音響インピーダンスを有する請求項１～５のいずれか一項に記載の超音波探触子。
  7. 　前記下側有機層は、前記上側有機層より大きな音響インピーダンスを有し、且つ、前記第１の音響整合層より小さな音響インピーダンスを有する請求項１～５のいずれか一項に記載の超音波探触子。
  8. 　前記複数の無機圧電素子は、
    　互いに分離された複数の無機圧電体と、
    　前記複数の無機圧電体の両面にそれぞれ配置された複数の信号電極層および複数の接地電極層と
    　を有する請求項１～７のいずれか一項に記載の超音波探触子。
  9. 　前記複数の無機圧電体は、Ｐｂ系のペロブスカイト構造酸化物から構成される請求項８に記載の超音波探触子。
  10. 　前記上側有機層は、有機材料のみから構成され、
    　前記下側有機層は、有機材料、または、有機材料と無機材料の複合材料から構成される請求項１～９のいずれか一項に記載の超音波探触子。
  11. 　前記上側有機層および前記下側有機層は、フッ化ビニリデン系材料から構成される請求項１０に記載の超音波探触子。
  12. 　前記複数の有機圧電素子の上に配置された音響レンズをさらに備えた請求項１～１１のいずれか一項に記載の超音波探触子。
  13. 　前記複数の有機圧電素子と前記音響レンズの間に、前記複数の有機圧電素子を保護する保護層をさらに備えた請求項１２に記載の超音波探触子。
  14. 　前記複数の有機圧電素子にそれぞれ直結された有機圧電素子用アンプをさらに備えた請求項１～１３のいずれか一項に記載の超音波探触子。
  15. 　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１～１４のいずれか一項に記載の超音波探触子。
  16. 　バッキング材の表面上に前記バッキング材にわたって延在する無機圧電素子層を接合し、
    　前記無機圧電素子層の上に前記無機圧電素子層にわたって延在する音響整合層を接合し、
    　前記音響整合層の上に前記音響整合層にわたって延在する有機層を接合すると共に前記有機層の全面上に導電層を形成し、
    　前記導電層から前記無機圧電素子層まで積層方向に任意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複数の無機圧電素子の上に第１の音響整合層、下側有機層および信号電極層の各断片を位置を合わせて順次重ねて形成し、
    　前記信号電極層の上に前記信号電極層にわたって延在する上側有機層を接合すると共に前記上側有機層の全面上に接地電極層を形成することにより、前記信号電極層、前記上側有機層および前記接地電極層から構成される複数の有機圧電素子を配列形成する
    　ことを特徴とする超音波探触子の製造方法。
  17. 　前記上側有機層と前記下側有機層は第２の音響整合層を構成し、前記上側有機層の厚さと前記下側有機層の厚さの和は、前記複数の無機圧電素子から送信される超音波に対して所望の音響整合が行われるような値に形成される請求項１６に記載の超音波探触子の製造方法。
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