アレイ型超音波プローブ及びその製造方法
【課題】低い送波感度や低いS/Nの原因となる比誘電率及び圧電d33定数の小さいポリフッ化ビニリデンのような高分子圧電フィルムを用いることなく、またPZTのような脆い圧電材料をスライスしたり、基板に接着するという多くのロスを発生する工程を行うことなく、安定した特性をもつ微細な高周波のアレイ型超音波プローブを提供する。
【解決手段】耐熱、耐食性材料からなる基板上に配列したチタン電極と、その上に水熱合成法により設けられた圧電膜とから構成されたアレイ型超音波プローブであって、耐熱、耐食性材料からなる基板上に、スパッタリング又は化学蒸着によりチタン膜を被覆し、次いでこのチタン膜をホトリソグラフィー法によりアレイ状にパターニングしてチタン電極を形成させ、次にその上に水熱合成法により圧電膜を設けることにより製造する。
【解決手段】耐熱、耐食性材料からなる基板上に配列したチタン電極と、その上に水熱合成法により設けられた圧電膜とから構成されたアレイ型超音波プローブであって、耐熱、耐食性材料からなる基板上に、スパッタリング又は化学蒸着によりチタン膜を被覆し、次いでこのチタン膜をホトリソグラフィー法によりアレイ状にパターニングしてチタン電極を形成させ、次にその上に水熱合成法により圧電膜を設けることにより製造する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、超音波診断装置や超音波探傷器などに用いるのに好適なアレイ型超音波プローブ及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
近年、疾病の早期診断の重要性が認識されるようになり、体腔内超音波診断や血管内超音波診断、眼科領域超音波診断などの開発の必要性が高まるとともに、高周波数領域において、広い帯域を有する超小型超音波プローブや、高分解能アレイ超音波プローブの開発研究が盛んになってきている(非特許文献1参照)。
【0003】
ところで、医用超音波プローブには、短冊状の圧電素子をアレイ状に配列した一次元のアレイプローブや複数の振動子片が二次元的に配置され、各振動子片に対する信号線の接続がパッキング材内部で行われる構造の二次元アレイ型超音波プローブなどが知られているが、これらの超音波プローブの振動子には、圧電セラミックス材料や高分子圧電フィルムなどの圧電材料が用いられている(特許文献1、2参照)。
【0004】
しかしながら、振動子として、PZTのような圧電セラミックス材料を用いてアレイ型超音波プローブを製造する場合、吸音性を有する基板の上に圧電セラミックス振動子を接着し、所望の配列ピッチとなるようにダイヤモンドプレートでスライスする必要があるが、セラミックスは脆いため、高周波のアレイ型超音波プローブのように非常に薄い圧電セラミックス振動子を形成させる際、破壊して多くのロスを生じ、歩留りが数%から10%程度に低くなるのを免れない。また、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)のような高分子圧電フィルムを用いると、その比誘電率が非常に小さいため、高周波のアレイ型超音波プローブとした場合、入力インピーダンスが著しく高くなり、受信時のS/N比が劣化するとともに、圧電d33定数が25pC/N以下になり送波感度が低くなるのを免れない。
【0005】
他方、チタン成分を表面に有する基板を鉛化合物及びジルコニウム化合物を含有するアルカリ水溶液中で水熱合成することによりPZT薄膜を形成させる方法が知られているが(特許文献3参照)、この方法を利用してアレイ型超音波プローブのための圧電材料を製造することは知られていない。
【0006】
【非特許文献1】「ウルトラソーニック・イメージング(Ultrasonic Imaging)」、第26巻、2004年、p.71−84
【特許文献1】特開平7−87595号公報(特許請求の範囲その他)
【特許文献2】特開2006−174940号公報(特許請求の範囲その他)
【特許文献3】特開2002−12424号公報(特許請求の範囲その他)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明は、従来の医用超音波診断装置に用いられているアレイ型超音波プローブのもつ欠点を改善し、低い送波感度や低いS/Nの原因となる比誘電率及び圧電d33定数の小さいポリフッ化ビニリデン(PVDF)のような高分子圧電フィルムを用いることなく、またPZTのような脆い圧電材料をスライスしたり、基板に接着するという多くのロスを発生する工程を行うことなく、安定した特性をもつ微細な高周波のアレイ型超音波プローブを提供することを目的としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明者らは、超音波診断装置のような医用装置に用いるためのアレイ型超音波プローブを開発するために、種々研究を重ねた結果、耐熱、耐薬品性材料基板の表面にチタン被覆し、ホトリソグラフィー法や電子ビーム、イオンビームなどの走査によりチタン電極を形成した上に水熱合成法を利用して圧電膜を設けることにより、上記の目的を達成し得ることを見出し、この知見に基づいて本発明をなすに至った。
【0009】
すなわち、本発明は、耐熱、耐食性材料からなる基板上に配列したチタン電極と、その上に水熱合成法により設けられた圧電膜とから構成されたことを特徴とするアレイ型超音波プローブ、及び耐熱、耐食性材料からなる基板上に、スパッタリング又は化学蒸着によりチタン膜を被覆し、次いでこのチタン膜をホトリソグラフィー法によりアレイ状にパターニングしてチタン電極を形成させ、次にその上に水熱合成法により圧電膜を設けることを特徴とするアレイ型超音波プローブの製造方法を提供するものである。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、従来のアレイ型超音波プローブにおける不安定要因、すなわちPZTのような脆い圧電セラミックス材料を背板に接着する工程やダイシングマシンを用いてアレイ状にスライスする工程を省くことができ、高い歩留りで微細な高周波アレイ型超音波プローブを提供し得るという利点がある。
また、ポリフッ化ビニリデンのような比誘電率や圧電d33定数の小さい高分子圧電フィルムを使用することなく、比誘電率や圧電d33定数の大きい圧電膜すなわちPZTを用いるので、従来のアレイ型超音波プローブにおける送波感度や受波時のS/Nが低いとう欠点を克服することができる。
【0011】
そして、本発明においては、圧電膜として水熱合成法により形成したPZT圧電多結晶膜が用いられているので、その圧電d33定数は、ポリフッ化ビニリデンの約3倍高い値の100pC/Nを有しており、高い送波感度が期待できる。さらに、PZT圧電多結晶膜の音響インピーダンスはほぼ10×106kg/m2sで、PZT圧電セラミックス振動子の音響インピーダンス(ほぼ35×106kg/m2s)の三分の一から四分の一と小さく生体軟部組織や水などの音響負荷の音響インピーダンス(ほぼ1.5×106kg/m2s)に近いため、PZT圧電セラミックス振動子を用いた超音波プローブのように単層あるいは多層の音響整合層を用いなくても高感度でかつ広い周波数特性を得ることができる。このように、本発明においては、水熱合成法によるPZT圧電多結晶膜を用いることにより、高分子圧電フィルムと圧電セラミックス両者の長所を併せもつ圧電振動子ということができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0012】
次に、添付図面に従い、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
図1は、本発明の一次元アレイ振動子の1例を示す斜視図である。この図において、基板1としては、強アルカリ、高温、高圧の水熱合成の条件下でも劣化しない耐熱、耐食性材料としてヒドロキシアパタイト(直径13mm、厚さ2mm)を用いた。
この基板1の上に蒸着例えばPVDにより形成されたチタン膜電極2が、またその上に水熱合成により設けられたPZT多結晶膜3がそれぞれ積層している。
【0013】
チタン膜電極2は、ホトエッチングにより一次元アレイ状にパターニングされており、パターニングした電極引き出し部に電極(図示せず)が接続されている。水熱合成に際しては、素子部以外の部分を保護するポリテトラフルオロエチレン製の冶具に固定され、PZT多結晶膜3はチタン膜2上のみに選択的に形成される。最後に金電極4を蒸着し、接地電極側を一体化する。この電極の方向は、パターニングしたチタン膜2を信号電極として用い、PZT多結晶膜表面の金電極4は共通電極とする。
なお、上記の耐熱、耐食性材料としては、ヒドロキシアパタイトのほかに、ポリフェニレンスルフィドを用いることが出来る。
【0014】
次に、図2は、本発明のアレイ型超音波プローブの製造方法を示す工程図である。
この製造方法においては、先ず基板を表面処理して清浄化する第1工程、スパッタリング又は蒸着によりチタン膜を成膜する第2工程、チタン膜状にホトレジストを塗布した後、パターニングする第3工程、チタン膜をウェットエッチング又はドライエッチングする第4工程、チタン膜の不要のホトレジストを除去する第5工程、水熱合成法により露出したチタン膜上にPZT多結晶膜を成膜する第6工程及び金蒸着により接地電極を作製する第7工程からなっている。
【0015】
図3(a)は、第4工程において、直径14mmのヒドロキシアパタイト基板上にPVD法によりチタン膜電極を、ホトエッチングによってパターニングして得たアレイ状チタン電極についてのデジタル顕微鏡写真であり、図3(b)は、そのチタン電極アレイ部分の拡大写真図である。この図に示すように、素子ピッチ75μm、素子幅35μm、長さ4mmのチタン電極が8本形成され、その左右に振り分けてリード線引き出し用の電極パッドが4か所ずつ設けられている。
【0016】
また、第6工程の水熱合成は、例えば出発原料として、例えばZrOCl2・8H2O(濃度0.535mol/l)37.5g、Pb(NO3)2(濃度0.520mol/l)12.3g、KOH(濃度4.0mol/l)205.5g及びTiO2(アナターゼ型)1.2gからなる水溶液を用いて行った。この水溶液を、ポリテトラフルオロエチレン製容器に入れ、表1に示す条件下でチタン上にPZT多結晶膜を形成させた。
【0017】
【表1】
【0018】
この水熱合成は、次式に従って反応し、PZT多結晶が生成する。
Pb2++(1−x)Zr4++xTi4++6OH‐→Pb(Zr1-x,Tix)O3+3H2O
【0019】
この式におけるPb2+、Zr4+イオンは、出発原料溶液から供給され,Ti4+イオンは、チタン基板が溶出して供給される。このチタン基板から溶出したTi4+イオンとPb2+、Zr4+及びO2-イオンとが反応して、PZT結晶核が基板界面に形成される。この際の鉱化剤としては、濃度4mol/lの水酸化カリウム水溶液を用いた。
出発原料の酸化チタンとしては、表面処理をしない平均粒径180nmのアナターゼ型酸化チタンを用いた。
【0020】
なお、PZT多結晶膜の水熱合成実施に先立って、チタン電極アレイの左右に振り分けたリード線取り出し用電極パッドに、予めリード線を接続して、その周囲を耐熱、耐食性材料のポリテトラフルオロエチレンで保護コーティングした。
このようにして得たPZT圧電多結晶膜の300倍拡大SEM写真を図4に、100倍拡大SEM写真を図5に示す。
【0021】
これらの図より、結晶が横方向に成長したため、素子幅が設計した35μmから約5μm程度成長したことが分る。エレメントピッチに関しては、パターニングしたとおりの寸法で成膜された。成膜されたPZT多結晶膜の膜厚を、レーザー顕微鏡を用いて測定した結果、膜厚は約14μm±2μmであることが確認できた。
【0022】
図4及び図5からは、立方晶状の結晶が、35μm幅のチタン膜上に堆積していることを確認された。次に、エネルギー分散形X線分析装置を用いてこの成膜された結晶の元素分析を行った結果を図6に示す。この結果より、PZTに由来するPb、O、Ti、Zrの元素の存在が確認された。
【0023】
次に、このようにして製造されたアレイ型超音波プローブの1例の平面図を図7に、また側面図を図8に示す。
【0024】
これらの図において、直径14mm、厚さほぼ2mmのヒドロキシアパタイト製基板1上にパターニングした信号線として用いるチタン膜電極アレイ2の表面に水熱合成法を用いてPZT圧電多結晶膜3を成膜して作製した一次元アレイ振動子の背面に、音響吸音性能の良い厚さほぼ5mmフェライトゴム製の背板を接着などの手段によって配設されている。これによって、PZT圧電多結晶膜からヒドロキシアパタイト基板内に放射された不要な超音波が生体などの音響負荷成分から戻ってきた受診信号に雑音として重畳されて診断や非破壊検査の妨げとならないように不要な超音波が吸収される。
【0025】
次いで、フェライトゴム製背板の裏面にさらに厚さ14mmアクリル樹脂製のブロックを装着し、直径16mm、長さ30mmのアクリル樹脂製のパイプに挿入して、シリコンゴムを充填して固定する。
【0026】
続いて、ヒドロキシアパタイト基板上のチタン膜電極パッドから引き出した信号線用のリード線に同軸ケーブルが接続される。さらに、この周囲をノイズ対策のために銅箔テープで巻いて、シールドとした後に、ケースとして用いる外側のアクリル樹脂製パイプに挿入して固定される。
【0027】
次に、本発明において、水熱合成により形成されたPZT圧電多結晶膜を用いた一次元アレイ型超音波プローブの各振動子素子による超音波の受波が可能か否かを確認する実験を行った。この実験システム図を図9に示す。ファンクションジェネレータからの信号を増幅度50dBのパワーアンプで増幅して、共振周波数10MHzの水浸型超音波プローブに印加して超音波を水中に送波した。この例では、ファンクションジェネレータからの出力信号として、波漣長1波のトーンバースト波を送信した。水中に送波された超音波パルスを本発明の一次元アレイ超音波プローブで受信する。本発明の一次元アレイ超音波プローブからの出力信号を受信機内のプリアンプで40dB増幅してオシロスコープに表示することで受信波形の確認を行った。送信プローブから、本発明の一次元アレイ超音波プローブの距離は、約15mmとした。
【0028】
図10及び図11に周波数10MHz、波漣長1波のトーンバースト波を本発明の一次元アレイ超音波プローブ中の一素子で受信した時の受信波形を示す。図10には、送信と同時に受信される、送信用の超音波プローブと本発明の一次元アレイ超音波プローブの間の電磁的な結合によって生じたフィードスルー信号、本発明の一次元アレイ超音波プローブが受信した直達受信波、さらに本発明の一次元アレイ超音波プローブの受音面で反射され、送信用超音波プローブの音響放射面でも反射され、水中を一往復伝搬して遅れて本発明の一次元アレイ超音波プローブで受信された波形が表示されている。図10に示されている3つの波形のうち、中央の直達受信波が注目すべき波形であり、これを時間的に拡大した波形が図11である。波漣長1波のトーンバースト波で駆動して、約2.5波の受信波形が得られているので、本発明の一次元アレイ超音波プローブは、相当の広帯域な周波数特性を有することが予想される。そこで、この受信波形を高速フーリエ変換(FFT)することによって周波数分析して、図12に示した。この図から、本発明の一次元アレイ超音波プローブは、音響整合層も使用せずに、中心周波数約10MHz、比帯域約100%の広帯域な周波数特性を有することが分る。
【0029】
以上、一次元アレイ型超音波プローブを例として説明したが、本発明においては二次元アレイ状に配列したチタン電極上に、水熱合成法で圧電多結晶膜を成膜した二次元アレイ型超音波プローブとすることもできる。
【0030】
図13に、この二次元アレイ型超音波プローブの1例の平面図を、また図14にその側面図を示す。
さらに、本発明のアレイ型超音波プローブは、同心円状アレイ型超音波プローブに形成することもできる。
図15は、このような同心円状アレイ型超音波プローブの1例を示す平面図であり、図16はその側面図である。
【産業上の利用可能性】
【0031】
本発明は、体腔内超音波診断、血管内超音波診断、眼科領域超音波診断などの高周波数、高分解能の医用超音波診断装置のためのアレイ型超音波プローブとして好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【0032】
【図1】本発明の一次元アレイ振動子の1例を示す斜視図。
【図2】本発明のアレイ型超音波プローブの製造方法を示す工程図。
【図3】(a)はアレイ状チタン電極のデジタル顕微鏡による写真図、(b)はその要部の拡大写真図。
【図4】PZT圧電多結晶膜の300倍拡大SEM写真。
【図5】PZT圧電多結晶膜の100倍拡大SEM写真。
【図6】成膜された結晶のX線による元素分析図。
【図7】アレイ型超音波プローブの1例の平面図。
【図8】図7の側面図。
【図9】水熱合成により形成されたPZT圧電多結晶膜を用いた一次元アレイ型超音波プローブの各振動子素子による超音波の受波が可能か否かを確認する実験システム図。
【図10】周波数10MHz、波漣長1波のトーンバースト波を本発明の一次元アレイ超音波プローブ中の一素子で受信した時の受信波形図。
【図11】図10の3つの波形のうち、中央の波形を時間的に拡大した波形図。
【図12】受信波形を高速フーリエ変換(FFT)により周波数分析した図。
【図13】二次元アレイ型超音波プローブの1例の平面図。
【図14】図13の側面図。
【図15】同心円状アレイ型超音波プローブの1例を示す平面図。
【図16】図15の側面図。
【符号の説明】
【0033】
1 基板
2 チタン電極
3 PZT多結晶膜
4 金電極
【技術分野】
【0001】
本発明は、超音波診断装置や超音波探傷器などに用いるのに好適なアレイ型超音波プローブ及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
近年、疾病の早期診断の重要性が認識されるようになり、体腔内超音波診断や血管内超音波診断、眼科領域超音波診断などの開発の必要性が高まるとともに、高周波数領域において、広い帯域を有する超小型超音波プローブや、高分解能アレイ超音波プローブの開発研究が盛んになってきている(非特許文献1参照)。
【0003】
ところで、医用超音波プローブには、短冊状の圧電素子をアレイ状に配列した一次元のアレイプローブや複数の振動子片が二次元的に配置され、各振動子片に対する信号線の接続がパッキング材内部で行われる構造の二次元アレイ型超音波プローブなどが知られているが、これらの超音波プローブの振動子には、圧電セラミックス材料や高分子圧電フィルムなどの圧電材料が用いられている(特許文献1、2参照)。
【0004】
しかしながら、振動子として、PZTのような圧電セラミックス材料を用いてアレイ型超音波プローブを製造する場合、吸音性を有する基板の上に圧電セラミックス振動子を接着し、所望の配列ピッチとなるようにダイヤモンドプレートでスライスする必要があるが、セラミックスは脆いため、高周波のアレイ型超音波プローブのように非常に薄い圧電セラミックス振動子を形成させる際、破壊して多くのロスを生じ、歩留りが数%から10%程度に低くなるのを免れない。また、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)のような高分子圧電フィルムを用いると、その比誘電率が非常に小さいため、高周波のアレイ型超音波プローブとした場合、入力インピーダンスが著しく高くなり、受信時のS/N比が劣化するとともに、圧電d33定数が25pC/N以下になり送波感度が低くなるのを免れない。
【0005】
他方、チタン成分を表面に有する基板を鉛化合物及びジルコニウム化合物を含有するアルカリ水溶液中で水熱合成することによりPZT薄膜を形成させる方法が知られているが(特許文献3参照)、この方法を利用してアレイ型超音波プローブのための圧電材料を製造することは知られていない。
【0006】
【非特許文献1】「ウルトラソーニック・イメージング(Ultrasonic Imaging)」、第26巻、2004年、p.71−84
【特許文献1】特開平7−87595号公報(特許請求の範囲その他)
【特許文献2】特開2006−174940号公報(特許請求の範囲その他)
【特許文献3】特開2002−12424号公報(特許請求の範囲その他)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明は、従来の医用超音波診断装置に用いられているアレイ型超音波プローブのもつ欠点を改善し、低い送波感度や低いS/Nの原因となる比誘電率及び圧電d33定数の小さいポリフッ化ビニリデン(PVDF)のような高分子圧電フィルムを用いることなく、またPZTのような脆い圧電材料をスライスしたり、基板に接着するという多くのロスを発生する工程を行うことなく、安定した特性をもつ微細な高周波のアレイ型超音波プローブを提供することを目的としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明者らは、超音波診断装置のような医用装置に用いるためのアレイ型超音波プローブを開発するために、種々研究を重ねた結果、耐熱、耐薬品性材料基板の表面にチタン被覆し、ホトリソグラフィー法や電子ビーム、イオンビームなどの走査によりチタン電極を形成した上に水熱合成法を利用して圧電膜を設けることにより、上記の目的を達成し得ることを見出し、この知見に基づいて本発明をなすに至った。
【0009】
すなわち、本発明は、耐熱、耐食性材料からなる基板上に配列したチタン電極と、その上に水熱合成法により設けられた圧電膜とから構成されたことを特徴とするアレイ型超音波プローブ、及び耐熱、耐食性材料からなる基板上に、スパッタリング又は化学蒸着によりチタン膜を被覆し、次いでこのチタン膜をホトリソグラフィー法によりアレイ状にパターニングしてチタン電極を形成させ、次にその上に水熱合成法により圧電膜を設けることを特徴とするアレイ型超音波プローブの製造方法を提供するものである。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、従来のアレイ型超音波プローブにおける不安定要因、すなわちPZTのような脆い圧電セラミックス材料を背板に接着する工程やダイシングマシンを用いてアレイ状にスライスする工程を省くことができ、高い歩留りで微細な高周波アレイ型超音波プローブを提供し得るという利点がある。
また、ポリフッ化ビニリデンのような比誘電率や圧電d33定数の小さい高分子圧電フィルムを使用することなく、比誘電率や圧電d33定数の大きい圧電膜すなわちPZTを用いるので、従来のアレイ型超音波プローブにおける送波感度や受波時のS/Nが低いとう欠点を克服することができる。
【0011】
そして、本発明においては、圧電膜として水熱合成法により形成したPZT圧電多結晶膜が用いられているので、その圧電d33定数は、ポリフッ化ビニリデンの約3倍高い値の100pC/Nを有しており、高い送波感度が期待できる。さらに、PZT圧電多結晶膜の音響インピーダンスはほぼ10×106kg/m2sで、PZT圧電セラミックス振動子の音響インピーダンス(ほぼ35×106kg/m2s)の三分の一から四分の一と小さく生体軟部組織や水などの音響負荷の音響インピーダンス(ほぼ1.5×106kg/m2s)に近いため、PZT圧電セラミックス振動子を用いた超音波プローブのように単層あるいは多層の音響整合層を用いなくても高感度でかつ広い周波数特性を得ることができる。このように、本発明においては、水熱合成法によるPZT圧電多結晶膜を用いることにより、高分子圧電フィルムと圧電セラミックス両者の長所を併せもつ圧電振動子ということができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0012】
次に、添付図面に従い、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
図1は、本発明の一次元アレイ振動子の1例を示す斜視図である。この図において、基板1としては、強アルカリ、高温、高圧の水熱合成の条件下でも劣化しない耐熱、耐食性材料としてヒドロキシアパタイト(直径13mm、厚さ2mm)を用いた。
この基板1の上に蒸着例えばPVDにより形成されたチタン膜電極2が、またその上に水熱合成により設けられたPZT多結晶膜3がそれぞれ積層している。
【0013】
チタン膜電極2は、ホトエッチングにより一次元アレイ状にパターニングされており、パターニングした電極引き出し部に電極(図示せず)が接続されている。水熱合成に際しては、素子部以外の部分を保護するポリテトラフルオロエチレン製の冶具に固定され、PZT多結晶膜3はチタン膜2上のみに選択的に形成される。最後に金電極4を蒸着し、接地電極側を一体化する。この電極の方向は、パターニングしたチタン膜2を信号電極として用い、PZT多結晶膜表面の金電極4は共通電極とする。
なお、上記の耐熱、耐食性材料としては、ヒドロキシアパタイトのほかに、ポリフェニレンスルフィドを用いることが出来る。
【0014】
次に、図2は、本発明のアレイ型超音波プローブの製造方法を示す工程図である。
この製造方法においては、先ず基板を表面処理して清浄化する第1工程、スパッタリング又は蒸着によりチタン膜を成膜する第2工程、チタン膜状にホトレジストを塗布した後、パターニングする第3工程、チタン膜をウェットエッチング又はドライエッチングする第4工程、チタン膜の不要のホトレジストを除去する第5工程、水熱合成法により露出したチタン膜上にPZT多結晶膜を成膜する第6工程及び金蒸着により接地電極を作製する第7工程からなっている。
【0015】
図3(a)は、第4工程において、直径14mmのヒドロキシアパタイト基板上にPVD法によりチタン膜電極を、ホトエッチングによってパターニングして得たアレイ状チタン電極についてのデジタル顕微鏡写真であり、図3(b)は、そのチタン電極アレイ部分の拡大写真図である。この図に示すように、素子ピッチ75μm、素子幅35μm、長さ4mmのチタン電極が8本形成され、その左右に振り分けてリード線引き出し用の電極パッドが4か所ずつ設けられている。
【0016】
また、第6工程の水熱合成は、例えば出発原料として、例えばZrOCl2・8H2O(濃度0.535mol/l)37.5g、Pb(NO3)2(濃度0.520mol/l)12.3g、KOH(濃度4.0mol/l)205.5g及びTiO2(アナターゼ型)1.2gからなる水溶液を用いて行った。この水溶液を、ポリテトラフルオロエチレン製容器に入れ、表1に示す条件下でチタン上にPZT多結晶膜を形成させた。
【0017】
【表1】
【0018】
この水熱合成は、次式に従って反応し、PZT多結晶が生成する。
Pb2++(1−x)Zr4++xTi4++6OH‐→Pb(Zr1-x,Tix)O3+3H2O
【0019】
この式におけるPb2+、Zr4+イオンは、出発原料溶液から供給され,Ti4+イオンは、チタン基板が溶出して供給される。このチタン基板から溶出したTi4+イオンとPb2+、Zr4+及びO2-イオンとが反応して、PZT結晶核が基板界面に形成される。この際の鉱化剤としては、濃度4mol/lの水酸化カリウム水溶液を用いた。
出発原料の酸化チタンとしては、表面処理をしない平均粒径180nmのアナターゼ型酸化チタンを用いた。
【0020】
なお、PZT多結晶膜の水熱合成実施に先立って、チタン電極アレイの左右に振り分けたリード線取り出し用電極パッドに、予めリード線を接続して、その周囲を耐熱、耐食性材料のポリテトラフルオロエチレンで保護コーティングした。
このようにして得たPZT圧電多結晶膜の300倍拡大SEM写真を図4に、100倍拡大SEM写真を図5に示す。
【0021】
これらの図より、結晶が横方向に成長したため、素子幅が設計した35μmから約5μm程度成長したことが分る。エレメントピッチに関しては、パターニングしたとおりの寸法で成膜された。成膜されたPZT多結晶膜の膜厚を、レーザー顕微鏡を用いて測定した結果、膜厚は約14μm±2μmであることが確認できた。
【0022】
図4及び図5からは、立方晶状の結晶が、35μm幅のチタン膜上に堆積していることを確認された。次に、エネルギー分散形X線分析装置を用いてこの成膜された結晶の元素分析を行った結果を図6に示す。この結果より、PZTに由来するPb、O、Ti、Zrの元素の存在が確認された。
【0023】
次に、このようにして製造されたアレイ型超音波プローブの1例の平面図を図7に、また側面図を図8に示す。
【0024】
これらの図において、直径14mm、厚さほぼ2mmのヒドロキシアパタイト製基板1上にパターニングした信号線として用いるチタン膜電極アレイ2の表面に水熱合成法を用いてPZT圧電多結晶膜3を成膜して作製した一次元アレイ振動子の背面に、音響吸音性能の良い厚さほぼ5mmフェライトゴム製の背板を接着などの手段によって配設されている。これによって、PZT圧電多結晶膜からヒドロキシアパタイト基板内に放射された不要な超音波が生体などの音響負荷成分から戻ってきた受診信号に雑音として重畳されて診断や非破壊検査の妨げとならないように不要な超音波が吸収される。
【0025】
次いで、フェライトゴム製背板の裏面にさらに厚さ14mmアクリル樹脂製のブロックを装着し、直径16mm、長さ30mmのアクリル樹脂製のパイプに挿入して、シリコンゴムを充填して固定する。
【0026】
続いて、ヒドロキシアパタイト基板上のチタン膜電極パッドから引き出した信号線用のリード線に同軸ケーブルが接続される。さらに、この周囲をノイズ対策のために銅箔テープで巻いて、シールドとした後に、ケースとして用いる外側のアクリル樹脂製パイプに挿入して固定される。
【0027】
次に、本発明において、水熱合成により形成されたPZT圧電多結晶膜を用いた一次元アレイ型超音波プローブの各振動子素子による超音波の受波が可能か否かを確認する実験を行った。この実験システム図を図9に示す。ファンクションジェネレータからの信号を増幅度50dBのパワーアンプで増幅して、共振周波数10MHzの水浸型超音波プローブに印加して超音波を水中に送波した。この例では、ファンクションジェネレータからの出力信号として、波漣長1波のトーンバースト波を送信した。水中に送波された超音波パルスを本発明の一次元アレイ超音波プローブで受信する。本発明の一次元アレイ超音波プローブからの出力信号を受信機内のプリアンプで40dB増幅してオシロスコープに表示することで受信波形の確認を行った。送信プローブから、本発明の一次元アレイ超音波プローブの距離は、約15mmとした。
【0028】
図10及び図11に周波数10MHz、波漣長1波のトーンバースト波を本発明の一次元アレイ超音波プローブ中の一素子で受信した時の受信波形を示す。図10には、送信と同時に受信される、送信用の超音波プローブと本発明の一次元アレイ超音波プローブの間の電磁的な結合によって生じたフィードスルー信号、本発明の一次元アレイ超音波プローブが受信した直達受信波、さらに本発明の一次元アレイ超音波プローブの受音面で反射され、送信用超音波プローブの音響放射面でも反射され、水中を一往復伝搬して遅れて本発明の一次元アレイ超音波プローブで受信された波形が表示されている。図10に示されている3つの波形のうち、中央の直達受信波が注目すべき波形であり、これを時間的に拡大した波形が図11である。波漣長1波のトーンバースト波で駆動して、約2.5波の受信波形が得られているので、本発明の一次元アレイ超音波プローブは、相当の広帯域な周波数特性を有することが予想される。そこで、この受信波形を高速フーリエ変換(FFT)することによって周波数分析して、図12に示した。この図から、本発明の一次元アレイ超音波プローブは、音響整合層も使用せずに、中心周波数約10MHz、比帯域約100%の広帯域な周波数特性を有することが分る。
【0029】
以上、一次元アレイ型超音波プローブを例として説明したが、本発明においては二次元アレイ状に配列したチタン電極上に、水熱合成法で圧電多結晶膜を成膜した二次元アレイ型超音波プローブとすることもできる。
【0030】
図13に、この二次元アレイ型超音波プローブの1例の平面図を、また図14にその側面図を示す。
さらに、本発明のアレイ型超音波プローブは、同心円状アレイ型超音波プローブに形成することもできる。
図15は、このような同心円状アレイ型超音波プローブの1例を示す平面図であり、図16はその側面図である。
【産業上の利用可能性】
【0031】
本発明は、体腔内超音波診断、血管内超音波診断、眼科領域超音波診断などの高周波数、高分解能の医用超音波診断装置のためのアレイ型超音波プローブとして好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【0032】
【図1】本発明の一次元アレイ振動子の1例を示す斜視図。
【図2】本発明のアレイ型超音波プローブの製造方法を示す工程図。
【図3】(a)はアレイ状チタン電極のデジタル顕微鏡による写真図、(b)はその要部の拡大写真図。
【図4】PZT圧電多結晶膜の300倍拡大SEM写真。
【図5】PZT圧電多結晶膜の100倍拡大SEM写真。
【図6】成膜された結晶のX線による元素分析図。
【図7】アレイ型超音波プローブの1例の平面図。
【図8】図7の側面図。
【図9】水熱合成により形成されたPZT圧電多結晶膜を用いた一次元アレイ型超音波プローブの各振動子素子による超音波の受波が可能か否かを確認する実験システム図。
【図10】周波数10MHz、波漣長1波のトーンバースト波を本発明の一次元アレイ超音波プローブ中の一素子で受信した時の受信波形図。
【図11】図10の3つの波形のうち、中央の波形を時間的に拡大した波形図。
【図12】受信波形を高速フーリエ変換(FFT)により周波数分析した図。
【図13】二次元アレイ型超音波プローブの1例の平面図。
【図14】図13の側面図。
【図15】同心円状アレイ型超音波プローブの1例を示す平面図。
【図16】図15の側面図。
【符号の説明】
【0033】
1 基板
2 チタン電極
3 PZT多結晶膜
4 金電極
【特許請求の範囲】
【請求項1】
耐熱、耐食性材料からなる基板上に配列したチタン電極と、その上に水熱合成法により設けられた圧電膜とから構成されたことを特徴とするアレイ型超音波プローブ。
【請求項2】
耐熱、耐食性材料がヒドロキシアパタイトである請求項1記載のアレイ型超音波プローブ。
【請求項3】
耐熱、耐食性材料がポリフェニレンスルフィドである請求項1記載のアレイ型超音波プローブ。
【請求項4】
チタン電極が基板上にスパッタリング又は蒸着により配列されている請求項1ないし3のいずれかに記載のアレイ型超音波プローブ。
【請求項5】
耐熱、耐食性材料からなる基板上に、スパッタリング又は化学蒸着によりチタン膜を被覆し、次いでこのチタン膜をホトリソグラフィー法によりアレイ状にパターニングしてチタン電極を形成させ、次にその上に水熱合成法により圧電膜を設けたことを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載のアレイ型超音波プローブ。
【請求項6】
二次元配列したチタン電極をもつ請求項1ないし5のいずれかに記載のアレイ型超音波プローブ。
【請求項7】
同心円状に配列したチタン電極をもつ請求項1ないし5のいずれかに記載のアレイ型超音波プローブ。
【請求項8】
耐熱、耐食性材料からなる基板上に、スパッタリング又は化学蒸着によりチタン膜を被覆し、次いでこのチタン膜をホトリソグラフィー法によりアレイ状にパターニングしてチタン電極を形成させ、次にその上に水熱合成法により圧電膜を設けることを特徴とするアレイ型超音波プローブの製造方法。
【請求項9】
圧電膜を設けるに先立って、チタン電極のリード線接続用パッド部分をポリテトラフルオロエチレンでマスキングし、圧電膜を設けた後でこれを除去する請求項7記載のアレイ型超音波プローブの製造方法。
【請求項1】
耐熱、耐食性材料からなる基板上に配列したチタン電極と、その上に水熱合成法により設けられた圧電膜とから構成されたことを特徴とするアレイ型超音波プローブ。
【請求項2】
耐熱、耐食性材料がヒドロキシアパタイトである請求項1記載のアレイ型超音波プローブ。
【請求項3】
耐熱、耐食性材料がポリフェニレンスルフィドである請求項1記載のアレイ型超音波プローブ。
【請求項4】
チタン電極が基板上にスパッタリング又は蒸着により配列されている請求項1ないし3のいずれかに記載のアレイ型超音波プローブ。
【請求項5】
耐熱、耐食性材料からなる基板上に、スパッタリング又は化学蒸着によりチタン膜を被覆し、次いでこのチタン膜をホトリソグラフィー法によりアレイ状にパターニングしてチタン電極を形成させ、次にその上に水熱合成法により圧電膜を設けたことを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載のアレイ型超音波プローブ。
【請求項6】
二次元配列したチタン電極をもつ請求項1ないし5のいずれかに記載のアレイ型超音波プローブ。
【請求項7】
同心円状に配列したチタン電極をもつ請求項1ないし5のいずれかに記載のアレイ型超音波プローブ。
【請求項8】
耐熱、耐食性材料からなる基板上に、スパッタリング又は化学蒸着によりチタン膜を被覆し、次いでこのチタン膜をホトリソグラフィー法によりアレイ状にパターニングしてチタン電極を形成させ、次にその上に水熱合成法により圧電膜を設けることを特徴とするアレイ型超音波プローブの製造方法。
【請求項9】
圧電膜を設けるに先立って、チタン電極のリード線接続用パッド部分をポリテトラフルオロエチレンでマスキングし、圧電膜を設けた後でこれを除去する請求項7記載のアレイ型超音波プローブの製造方法。
【図6】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【公開番号】特開2008−67099(P2008−67099A)
【公開日】平成20年3月21日(2008.3.21)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−243304(P2006−243304)
【出願日】平成18年9月7日(2006.9.7)
【新規性喪失の例外の表示】特許法第30条第1項適用申請有り 平成18年3月7日 社団法人 日本音響学会発行の「日本音響学会2006年春季研究発表会講演論文集 講演要旨・講演論文CD−ROM」に発表
【新規性喪失の例外の表示】特許法第30条第1項適用申請有り 2006年7月5日 社団法人 電子情報通信学会発行の「電子情報通信学会技術研究報告 信学技報Vol.106 No.147」に発表
【出願人】(593232206)学校法人桐蔭学園 (33)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成20年3月21日(2008.3.21)
【国際特許分類】
【出願日】平成18年9月7日(2006.9.7)
【新規性喪失の例外の表示】特許法第30条第1項適用申請有り 平成18年3月7日 社団法人 日本音響学会発行の「日本音響学会2006年春季研究発表会講演論文集 講演要旨・講演論文CD−ROM」に発表
【新規性喪失の例外の表示】特許法第30条第1項適用申請有り 2006年7月5日 社団法人 電子情報通信学会発行の「電子情報通信学会技術研究報告 信学技報Vol.106 No.147」に発表
【出願人】(593232206)学校法人桐蔭学園 (33)
【Fターム(参考)】
[ Back to top ]