超音波プローブ及び超音波プローブ製造方法
【課題】固溶系圧電単結晶と樹脂との複合圧電体を用いて、切断時の加工不良が生じない一次元及び二次元アレイ超音波プローブ及び当該超音波プローブの製造方法を提供すること。
【解決手段】少なくともチタン酸鉛を含む固溶系単結晶により形成され、アレイ状に配列された複数の圧電体と、前記各圧電体の下面に形成された第１の電極と、それぞれの幅が前記各圧電体のアレイ方向の幅よりも小さく、前記各圧電体の長手方向に沿って前記第１の電極と接続され、前記各第１の電極から電気配線を引き出して超音波診断装置本体に接続するための複数のパターン配線を有する第１のフレキシブル印刷配線基板と、を具備する超音波プローブである。
【解決手段】少なくともチタン酸鉛を含む固溶系単結晶により形成され、アレイ状に配列された複数の圧電体と、前記各圧電体の下面に形成された第１の電極と、それぞれの幅が前記各圧電体のアレイ方向の幅よりも小さく、前記各圧電体の長手方向に沿って前記第１の電極と接続され、前記各第１の電極から電気配線を引き出して超音波診断装置本体に接続するための複数のパターン配線を有する第１のフレキシブル印刷配線基板と、を具備する超音波プローブである。
【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治療装置等に用いられる超音波プローブと、当該超音波プローブ製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波プローブは、圧電体を主体として構成され、超音波を対象物に向けて照射し、その対象物における音響インピーダンスの異なる界面からの反射波を受信することにより、対象物の内部状態を画像化するために用いられる。このような超音波プローブが採用された超音波画像装置として、例えば、人体内部を検査するための医用診断装置や金属溶接内部の探傷を目的とする検査装置等が存在する。
【０００３】
この医用超音波画像装置である超音波診断装置では、人体の断層像（Ｂモード像）に加え、超音波の血流によるドプラシフトを利用して血流の速度を２次元でカラー表示するカラーフローマッピング（ＣＦＭ）法や、二次高調波を画像化したティッシュハーモニックイメージング（ＴＨＩ）法等の撮影技術が開発されている。超音波プローブは、これら種々の撮影方法に応じた形態を有し、人体のあらゆる臓器器官に関する超音波の送受信を可能にしている。
【０００４】
一般に超音波診断装置に使用される超音波プローブには、高分解能の画像が、高感度に得られることが要求される。これは、診断対象の深部まで明瞭に表示可能な画像により、小さな病変や空隙を発見できるようにするためである。近年、その方法の一つとして、センサー部分である超音波プローブをさらに高感度化、広帯域化することが考えられている。
【０００５】
上述した高感度化、広帯域化を達成するために、圧電体柱や圧電体粉を樹脂に埋め込んだ構成などの複合圧電体が研究されている（例えば、特許文献１〜１０等参照）。
【０００６】
これらに開示されている複合圧電体を使用した超音波プローブは、音響インピーダンスが低下して生体のインピーダンスに近づくこと、１−３型や２−２型などの構成では電気機械結合係数が薄板の場合に比べて増加すること等のメリットを有している。これは、複合圧電体には、誘電率が大きく電気機械結合係数ｋ33も大きいＰＺＴ系圧電セラミックが主として用いられているからである。
【０００７】
一方、複合圧電体を使用した超音波プローブは、樹脂を含むことによる誘電率低下に比べて電気機械結合係数の向上が小さいという問題も有している。従って現実には、複合圧電体は、素子面積が大きいシングル型メカニカルプローブやアニュラアレイ等に用いられているのみである。そこで、ｋｔに比べｋ33が飛躍的に高い固溶系圧電単結晶を用いることでこの問題を解決しようという試みもなされている（例えば、特許文献１１等参照）。
【０００８】
高感度、広帯域の超音波プローブを実現するためには、図１３（ａ）に示したアレイ状プローブ２８のように、固溶系圧電単結晶３２と樹脂３４、３６との複合圧電体３０を形成する方法がある。しかしながら、この複合圧電体３０の形成においては、切削加工時の不良が問題となっている。すなわち、一般的に固溶系圧電単結晶３２は破壊靭性が低く脆いため、図１３（ｂ）に示す溝３８をアレイ状に形成する切削加工時において、図１３（ｃ）に示すようなチッピングが発生する問題がある。このチッピングは、特性の劣化や素子へのクラックにより不良を引き起こしてしまう。
【０００９】
そこで我々はこれらの単結晶を用いた超音波プローブとして図１４（ａ）のような構造を提案し（例えば、特許文献１２等参照）、プローブ作製歩留まりの改善を試みてきた。図１４（ａ）は、単結晶振動素子を用いたアレイプローブの断面構造を示している。単結晶振動素子１の両面には電極４、５が形成されており、振動素子１の下面にはバッキング材２が設けられている。また、単結晶振動素子上面には音響マッチング層３ａ，３ｂが形成され、単結晶振動素子１および音響マッチング層３ａ、３ｂアレイ加工されている。アレイプローブの配列ピッチは、狭いもので０．１ｍｍ程度である。さらに音響マッチング層３ｂ上に設けられた音響レンズ８を通して超音波の送受信が行われる。単結晶振動素子１の両面に形成された電極４、５はＦＰＣ６、７を介してケーブルに接続され、診断装置に繋がる(図省略)。図１４（ａ）の構造においてＦＰＣ６は前記ＦＰＣの導電層を振動素子の面積分に拡張して前記振動素子と全面に渡ってエポキシ系接着剤で接合されている。また前記導電層としては一般に金属Ｃｕが用いられている。図１４（ｂ）は図１４（ａ）で示した信号用ＦＰＣの下部の導電層を単結晶振動素子１から見たものである。図１４（ａ）の信号用ＦＰＣの導電層６ａ’は図１４（ｂ）で示したように導電層６ａから千鳥に引き出されている。これらの配列構造は以下の説明の通りに作製される。一体形状の単結晶振動素子1に電極４、５を形成する。ＦＰＣを接着した振動素子をバッキング材２に接着し、音響マッチング層３ａ、３ｂを形成した後にダイシングソーを用いて、マッチング層側から切断する。その後、音響マッチング層３ｂ上に音響レンズ８を形成して完成となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特公昭５４−１９１５１号公報
【特許文献２】特開昭６０−９７８００号公報
【特許文献３】特開昭６１−５３５６２号公報
【特許文献４】特開昭６１−１０９４００号公報
【特許文献５】特開昭５７−４５２９０号公報
【特許文献６】特開昭５８−２１８８３号公報
【特許文献７】特開昭６０−５４６００号公報
【特許文献８】特開昭６０−８５６９９号公報
【特許文献９】特開昭６２−１２２４９９号公報
【特許文献１０】特開昭６２−１３１７００号公報
【特許文献１１】特開平０９−８４１９４号公報
【特許文献１２】特開２０００−１４６７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところが、上記の製造方法を採用し、導電層を単結晶振動素子の面積分に拡張したＦＰＣを前記振動素子と全面に渡ってエポキシ系接着剤し、バッキング材にエポキシ接着剤で前期振動素子を接着し、前期振動素子の上に音響マッチング層を形成した後、ダイシングソーでアレイ加工すると、単結晶振動素子のＦＰＣが接着された面のダイシングエッジ部にクラックやチッピングが発生することがあるという問題が生じた。これはアレイ加工時に機械的強度の弱い圧電単結晶と切削性の劣るＦＰＣの導電層を同時に切断するために生じるものと考えられる。また、加工中に生じる導電層からのばりは単結晶振動素子の切断面を荒らし、ブレードに巻き込まれた切削屑は切削製を低下させる原因となる。こうした単結晶振動素子のクラックやチッピングは、加工条件を調整しても抑制することが困難である。大きなクラックは断線不良となり、製造歩留まり低下させ、小さなクラックは使用中に進展し、市場事故を起こす原因となり得る。また、チッピングは短冊形状に加工された振動素子の電極面積を減少させるため、特性劣化を招くだけではなくアレイ素子間の特性ばらつきも大きくなる。アレイ素子数は数十から数百に及ぶため、アレイ素子間の特性ばらつきは診断装置に表示される断層像の画質に影響する。
【００１２】
本発明の目的は、上記課題を解決するためになされたものであり、固溶系圧電単結晶と樹脂との複合圧電体を用いて、切断時の加工不良が生じない一次元及び二次元アレイ超音波プローブ及び当該超音波プローブの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、上記目的を達成するため、次のような手段を講じている。
【００１４】
請求項１に記載の発明は、少なくともチタン酸鉛を含む固溶系単結晶により形成され、アレイ状に配列された複数の圧電体と、前記各圧電体の下面に形成された第１の電極と、それぞれの幅が前記各圧電体のアレイ方向の幅よりも小さく、前記各圧電体の長手方向に沿って前記第１の電極と接続され、前記各第１の電極から電気配線を引き出して超音波診断装置本体に接続するための複数のパターン配線を有する第１のフレキシブル印刷配線基板と、を具備することを特徴とする超音波プローブである。
【００１５】
請求項６に記載の発明は、樹脂部材上に所定の間隔で複数の導電性層が平行にパターン化されているフレキシブル印刷配線板と、単結晶圧電体とを、前記複数の導電性層が前記単結晶圧電体の長手方向に沿って電気的に接続されるように接着する第１のステップと、前記複数の導電性層の間を前記フレキシブル印刷基板と単結晶圧電体を共に切削して、前記導電性層よりも大きな幅を有する複数の圧電振動素子を形成する第２のステップと、を備えることを特徴とする超音波プローブ製造方法である。
【発明の効果】
【００１６】
以上本発明によれば、切断時の加工不良が生じない超音波プローブを製造することができる。その結果、高感度、広帯域特性を有する超音波プローブが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、第１、第２の実施形態に係る超音波プローブ１０の概略構成を示す斜視図。
【図２】図２は、第１、第２の実施形態に係る超音波プローブ１０の断面を示す図。
【図３】図３は、第３の実施形態に係る超音波プローブ３０の断面を示す図。
【図４】図４は、第５の実施形態に係るアレイ型超音波プローブの概略構成を示す図。
【図５】図５は、第６の実施形態に係るアレイ型超音波プローブ３５の断面図。
【図６】図６は、第２のフレキシブル配線基板４４の導電層４４０の上面図。
【図７】図７は、超音波プローブ３５の変形例を説明するための図。
【図８】図８は、変形例に係る超音波プローブ３５が有する第２のフレキシブル配線基板４４のパターン配線を示した図。
【図９】図９は、第７の実施形態に係る超音波プローブ５０の概略構成を説明するための図
【図１０】図１０は、第７の実施形態に係る超音波プローブの変形例を示した図。
【図１１】図１１は、第７の実施形態に係る超音波プローブの変形例を示した図。
【図１２】図１２は、第７の実施形態に係る超音波プローブの変形例を示した図。
【図１３】図１３（ａ）は、従来の複合圧電体３０の断面を示す図である。図１３（ｂ）、１３（ｃ）は、従来の複合圧電体３０の製造過程において発生するチッピング及びクラックを説明するための図である。
【図１４】図１４（ａ）は、従来の超音波プローブの断面を示す図。図１４（ｂ）は、従来の超音波プローブが有するフレキシブル配線基板６のパターン配線を示した図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の第１実施形態〜第７実施形態を図面に従って説明する。
【００１９】
（第１の実施形態）
図１は、第１実施形態に係る超音波プローブ１０の概略構成を示している。
【００２０】
図１において、超音波プローブ１０は、複合圧電体（１−３型）１１、音響整合層１７、音響レンズ１９、共通電極板２１、フレキシブル配線基板２３、バッキング材２５を具備する構成となっている。
【００２１】
複合圧電体（１−３型）１１は、単結晶圧電体１１１と上側ＰＶＣ樹脂層１１３と下側ＰＶＣ樹脂層１１５とを有している。すなわち、複合圧電体（１−３型）１１は、単結晶圧電セラミックスの一次元的な細棒が３次元的な高分子であるＰＶＣ樹脂マトリクスの中に埋め込まれた圧電体であり、高い電気機械結合係数と低い音響インピーダンスを有している。複合圧電体１１の上下両面には、圧電気直接効果及び圧電気逆効果による電気信号を送受信するための図示していない電極が、後述する方法により形成されている。
【００２２】
単結晶圧電体１１１は、亜鉛ニオブ酸鉛（ＰＺＮ）、チタン酸鉛（ＰＴ）等を含む固溶系単結晶圧電セラミックスであり、後述する方法により作成される。
【００２３】
上側ＰＶＣ樹脂層１１３は、圧電体１１１の超音波照射側（以下、上側）に銀入りＰＶＣ樹脂を塗布することにより形成された層であり、導電性、良好な切削性、単結晶圧電体に比して小さい音響インピーダンス（例えば、２×１０６ｇ／ｍ２ｓ乃至１０×１０６ｇ／ｍ２ｓ程度）を有している。
【００２４】
下側ＰＶＣ樹脂層１１５は、単結晶圧電体１１１の上側と反対側（以下、下側）に銀入りＰＶＣ樹脂を塗布することにより形成された層であり、導電性、良好な切削性、単結晶圧電体に比して小さい音響インピーダンスを有している。下側ＰＶＣ樹脂層１１５と上側ＰＶＣ樹脂層１１３は、単結晶圧電体１１１のチッピングやクラック発生を防止する役割を果たしている。この下側ＰＶＣ樹脂層１１５と上側ＰＶＣ樹脂層１１３の形成方法については、後で詳しく説明する。
【００２５】
音響整合層１７は、図示していない被検体と複合圧電体１１との間に位置するように設けられており、単層或いは多層から成っている。当該整合層１７における音速、厚み、音響インピーダンス等のパラメータを調節することで、被検体と複合圧電体１１との音響インピーダンスの整合を図ることができる。
【００２６】
音響レンズ１９は、音響インピーダンスが生体に近いシリコーンゴム等から成るレンズであり、音波の屈折を利用して超音波ビームを集束させ分解能を向上させる。
【００２７】
共通電極板２１は、上側ＰＶＣ樹脂層１１３の一端に設けられている。共通電極板２１は、複合圧電体１１上面に形成された図示していない電極に電力の印加等するための電極であり、アース接続されている。
【００２８】
フレキシブル配線基板２３は、下側ＰＶＣ樹脂層１１５の一端に設けられており、各複合圧電体１１に電力を印加するための柔軟性を備えた電極基板である。
【００２９】
バッキング材２５は、フレキシブル配線基板２３の背面に設けられており、複合圧電体１１を機械的に支持する。また、バッキング材２５は、超音波パルスを短くするために、複合圧電体１１を制動している。このバッキング材２５の厚さは、トランスデューサの音響的特性を良好に保つため、使用する超音波周波数の波長に対して十分な厚さ（十分減衰される厚さ）に保たれている。
【００３０】
次に、第１実施形態に係る超音波プローブ１０に使用される１−３型複合圧電体１１の製造方法について説明する。本製造方法は、単結晶圧電体１１１の作成（第１ステップ）、上下ＰＶＣ樹脂層の形成（第２ステップ）、ＰＶＣ樹脂層１１３、１５のダイシング（第３ステップ）、樹脂充填（第４ステップ）、ＰＶＣ樹脂層１１３、１５の研磨（第５ステップ）の５つの大きなステップに分けることができる。
【００３１】
まず、第１ステップの複合圧電体１１の形成について説明する。
【００３２】
亜鉛ニオブ酸鉛（ＰＺＮ）とチタン酸鉛（ＰＴ）とが９１：９のモル比をＰｂフラックスとともに白金容器に入れ昇温して溶解した後、室温まで冷却し固溶系単結晶を育成する。その後、ラウエカメラを用いて前記単結晶の＜００１＞軸方位を出し、この軸に垂直にカッターで切断する。そして、厚さ３００μｍに研磨後、スパッタ法によりＴｉ／Ａｕ電極を両面に形成することで単結晶圧電体１１１を作成することができる。
【００３３】
次に、第２ステップの上下ＰＶＣ樹脂層１１３、１５の形成について説明する。
【００３４】
第１ステップにおいて形成された圧電体１１１をガラス板へ仮留めし、周りをカプトンテープにてマスキングした後、導電性の銀入りＰＶＣ樹脂を塗布して３００μｍに平面研磨機にて研磨し切削性良好な上側ＰＶＣ樹脂層１１３を形成する。同様に、圧電体１１の裏面側も３００μｍの切削性良好な下側ＰＶＣ樹脂層１１５を形成する。なお、上側ＰＶＣ樹脂層１１３と下側ＰＶＣ樹脂層１１５の形成順序は、逆であっても構わない。
【００３５】
次に、第３ステップの上側ＰＶＣ樹脂層１１３と下側ＰＶＣ樹脂層１１５のダイシング、第４ステップの樹脂充填について説明する。
【００３６】
第２ステップにおいて形成された銀入りＰＶＣ樹脂の層１１３、１１５によってサンドイッチされた圧電体１１１を、ダイシングソーで５０μｍ厚のブレードにより２００μｍピッチで深さ８００μｍ（１００μｍの切り残し）の溝をアレイ状に入れ、エポキシ樹脂１２を切断溝に充填して硬化させる。同様に、先の切断溝に対して直角に同様の切断溝を形成してエポキシ樹脂１２を充填し硬化させる。
【００３７】
次に、第５ステップの上下ＰＶＣ樹脂層１１３、１１５の研磨について説明する。
【００３８】
その後、切り残し側を下面としてガラス板へ仮留めし、反対側の層を平面研磨機にて１５０μｍに研磨する。更に切り残し側を上面として同様に１５０μｍに研磨する。そして、スパッタリングにより両面にＴｉ／Ａｕ電極を形成することで、切削等によるチッピングやクラックの少ない１−３型複合圧電体１１を形成することができる。
【００３９】
最後に、上記製造方法により形成された１−３型複合圧電体１１へ、１ＫＶ／ｍｍの電界を印加して分極処理を施す。
【００４０】
なお、上記複合圧電体製造方法は、その本質を変えない範囲で種々変形可能である。例えば、１−３型複合圧電体１１を例として説明したが、本発明は、第２の実施形態で説明するように２−２型複合圧電体についても適用可能である。また、最初からマトリクス状にカットして、その後樹脂を充填しても良い。さらに、本実施例のようにエポキシ樹脂を２段階に分けて充填する場合は、その種類を変えても良い。
【００４１】
次に、上記製造方法によって製造された１−３型複合圧電体を用いて、一次元アレイ型超音波プローブ１０を製造する方法の例を、図２に従って説明する。
【００４２】
図２は、本実施形態に係る超音波プローブ１０の断面を示す図である。
【００４３】
まず、複合圧電体１１の上側ＰＶＣ樹脂層１１３に共通電極板２１を、下側ＰＶＣ樹脂層１１５にフレキシブル配線基板２３を、導電ペーストとを用いて接続し、超音波放射面側に第二の音響整合層１７を形成する。その後、バッキング材２５とフレキシブル配線基板２３とをエポキシ樹脂で接着する。
【００４４】
次に、ダイシングソーにより厚さ５０μｍのブレードで、アレイ方向に２００μｍピッチで切断する。その溝にシリコーン系の接着剤を充填し、音響レンズ１９を接着する。
【００４５】
そして、静電容量１１０ｐＦ／ｍ、長さ２ｍの同軸ケーブルを前記フレキシブル配線基板２３に接続することで、１次元アレイ型超音波プローブ１０を製造することができる。
【００４６】
次に、上記製造方法によって製造された超音波プローブによる作用について説明する。
【００４７】
超音波プローブ１０は、１−３型複合圧電体１１は、上側ＰＶＣ樹脂層１１３と下側ＰＶＣ樹脂層１１５とで単結晶圧電体１１１を挟んでいるので、アレイ状の溝を形成する際においてもチッピングの発生を防止することができる。
【００４８】
また、上側ＰＶＣ樹脂層１１３と下側ＰＶＣ樹脂層１１５とは、単結晶圧電体１１１に比して小さい音響インピーダンス、導電性、良好な切削性を有しているので、単結晶圧電体１１１に関する電気信号を送受信する電極、若しくは、音響整合層とすることが可能である。
【００４９】
なお、第１〜第４ステップによってアレイ状の溝形成、エポキシ樹脂１２を充填した後、すなわちチッピング発生の恐れがなくなった後、第５ステップにおいて上側ＰＶＣ樹脂層１１３と下側ＰＶＣ樹脂層１１５の少なくとも一方を全て研磨し、新たに電極或いは音響整合層を設ける構成であってもよい。
【００５０】
また、上側ＰＶＣ樹脂層１１３と下側ＰＶＣ樹脂層１１５は、デュロメータ硬さが７００乃至１０００ＨＤｄであることが好ましい。
【００５１】
従って、このような構成によれば、本発明に係わる切削性良好な層を固溶系圧電単結晶の上下面の少なくとも一方へ設けることで、切断時の加工不良を削減し高感度、広帯域な超音波プローブを容易に製造することができる。また、ＰＶＣ樹脂層が導電性を有するため、単結晶圧電体との電気的な接続性が高く、良好な特性の超音波振動素子を形成できる。
【００５２】
（第２実施形態）
第１の実施形態では、１−３型の複合圧電体１１の製造方法、及び当該圧電素子を使用した超音波プローブ１０の製造方法について説明を行った。これに対し、第２の実施形態では、２−２型の複合圧電体の製造方法、及び当該２−２型複合圧電体を使用した超音波プローブの製造方法について説明を行う。
【００５３】
なお、２−２型複合圧電体を使用した超音波プローブの外観は、図２に示した１−３型複合圧電体を使用した超音波プローブ１０と同様であるから、同図を援用するものとし、既に説明した構成要素についての説明は省略する。また、第１の実施形態で述べた製造方法と重複する部分はその説明を省略し、異なる部分のみ説明する。
【００５４】
第２の実施形態に係る２−２型複合圧電体の製造方法は、第１ステップ、第２ステップについては第１の実施形態と同様である。
【００５５】
第３ステップの上側ＰＶＣ樹脂層１１３と下側ＰＶＣ樹脂層１１５のダイシング、第４ステップの樹脂充填について説明する。
【００５６】
第２ステップにおいて形成された銀入りＰＶＣ樹脂の層３、４によってサンドイッチされた圧電体１１を、ダイシングソーで５０μｍ厚のブレードにより２００μｍピッチで深さ８００μｍ（１００μｍの切り残し）の溝をアレイ方向と垂直に入れた後、エポキシ樹脂１２を切断溝に充填して硬化させる。
【００５７】
次に、第５ステップの上下ＰＶＣ樹脂層１１３、１１５の研磨について説明する。
【００５８】
その後、切り残し側を下面としてガラス板へ仮留めし、反対側の層を平面研磨機にて１５０μｍに研磨する。更に切り残し側を上面として同様に１５０μｍに研磨する。そして、スパッタリングにより両面にＴｉ／Ａｕ電極を形成することで、切削等によるチッピングやクラックの少ない２−２型複合圧電体１１を形成することができる。
【００５９】
最後に、上記製造方法により形成された２−２型複合圧電体１１へ、１ＫＶ／ｍｍの電界を印加して分極処理を施す。
【００６０】
次に、上記製造方法によって製造された２−２型複合圧電体を用いて、一次元アレイ型超音波プローブ１０を製造する方法の例を説明する。
【００６１】
まず、複合圧電体１１の上側ＰＶＣ樹脂層１１３に共通電極板２１を、下側ＰＶＣ樹脂層１１５にフレキシブル配線基板２３を、導電ペーストとを用いて接続し、超音波放射面側に第二の音響整合層１８を形成する。その後バッキング材２５にエポキシ樹脂で接着する。
【００６２】
次にダイシングソーにより厚さ５０μｍのブレードで、アレイ方向に２００μｍピッチで切断した。その溝にシリコーン系の接着剤を充填し、音響レンズ６を接着する。
【００６３】
そして、静電容量１１０ｐＦ／ｍ、長さ２ｍの同軸ケーブルを前記フレキシブル配線基板２３に接続して一次元アレイ型超音波プローブ１０を製造することができる。
【００６４】
上記方法によって製造された２−２型複合圧電体を有する超音波プローブによれば、第１の実施形態で説明した１−３型複合圧電体を有する超音波プローブと同様の作用・効果を得ることができる。
【００６５】
（第３実施形態）
第３の実施形態では、１−３型の複合圧電体１１を使用して、超音波振動素子が２次元状配列（例えば、マトリックス状に配列）された２次元アレイ型超音波プローブを製造する方法について説明する。
【００６６】
図３は、第３の実施形態に係る２次元アレイ型超音波プローブ３０の横断面図である。
【００６７】
なお、図２で既に説明した構成要素には同一符号を付し、その説明は省略する。また、第１、第２の実施形態で述べた製造方法と重複する部分はその説明を省略し、異なる部分のみ説明する。
【００６８】
第３の実施形態に係る１−３型複合圧電体１１の製造方法は、第１ステップ、第２ステップについては第１の実施形態と同様である。
【００６９】
次に、第３ステップの上側ＰＶＣ樹脂層１１３と下側ＰＶＣ樹脂層１１５のダイシング、第４ステップの樹脂充填について説明する。
【００７０】
第２ステップにおいて形成された銀入りＰＶＣ樹脂の層３、４によってサンドイッチされた圧電体１１を、ダイシングソーで５０μｍ厚のブレードにより２００μｍピッチで深さ７００μｍ（１００μｍの切り残し）の溝をアレイ状に入れ、エポキシ樹脂１２を切断溝に充填して硬化させる。同様に、先の切断溝に対して直角に同様の切断溝を形成してエポキシ樹脂１２を充填し硬化させる。
【００７１】
次に、第５ステップの上下ＰＶＣ樹脂層１１３、１１５の研磨について説明する。
【００７２】
その後、切り残し側を下面としてガラス板へ仮留めし、反対側の層を平面研磨機にて１５０μｍに研磨する。更に切り残し側を上面として同様に１５０μｍに研磨する。すなわち研磨後も切り残し側の下面ＰＶＣ樹脂層１１３は切断されていない状態となっている。
【００７３】
そして、スパッタリングにより両面にＴｉ／Ａｕ電極を形成することで、切削等によるチッピングやクラックの少ない、２次元状配列を有する１−３型複合圧電体１１を形成することができる。
【００７４】
次に、上記製造方法によって製造された２次元配列の複合圧電体を用いて、２次元アレイ型超音波プローブ３０を製造する方法の例を説明する。
【００７５】
まず、切り残し側の上面ＰＶＣ樹脂層１１３へ共通電極板２１を接合し、その反対の面へ２次元的な信号配線を施したフレキシブル配線基板８を全面で接合する。超音波放射面側に第二の音響整合層１８を形成した後、バッキング材２５にエポキシ樹脂で接着した。これにシリコーン系の音響レンズ１９を接着した。ＦＰＣの信号側を一括して、信号側とＧＮＤ側との間に１ＫＶ／ｍｍの電圧を印加し、分極処理を施した。
【００７６】
これに、静電容量１１０ｐＦ／ｍ、長さ２ｍの同軸ケーブルを前記フレキシブル配線基板８に接続して、２次元アレイ型超音波プローブ３０を製造することができる。
【００７７】
なお、上記説明においては、１−３型複合圧電体を使用した２次元アレイ型超音波プローブ３０を説明したが、本発明は２−２型複合圧電体について適用可能である。
【００７８】
従って、第３の実施形態に係る、１−３型複合圧電体を有する２次元アレイ型超音波プローブ３０は、第１、第２の実施形態で説明した１次元アレイ型超音波プローブと同様の作用・効果を得ることができる。
【００７９】
（第４の実施形態）
第４の実施形態では、１−３型或いは２−２型の複合圧電体１１の他の製造方法について説明する。
【００８０】
まず、１−３型の複合圧電体１１を製造する他の方法について説明する。
【００８１】
第１の実施形態に示した第１ステップと同様の手法により、単結晶圧電体１１１を作成する。
【００８２】
続く第２ステップにおいて、本実施例では、上下ＰＶＣ樹脂層１１３、１１５を次に述べる様に形成する。すなわち、第１ステップにおいて形成された複数個の圧電体１１１を導電性樹脂シート上に並べて接着し、同シートを同圧電体１１の裏面の大きさに切り取る。導電性樹脂シートとしては導電性銀入りのＰＶＣ樹脂をシート状に成型したものを使用する。
【００８３】
続いて、第１の実施形態に示した第３ステップ、第４ステップ、第５ステップと同様の工程を経て、１−３型複合圧電体１１を形成する。形成された１−３型複合圧電体１１には、１ＫＶ／ｍｍの電界を印加して分極処理が施される。
【００８４】
以上述べた製造方法によっても、第１の実施形態で述べた１−３型複合圧電体１１を形成することが可能である。また、本製造方法は、圧電単結晶を用いた超音波プローブを大型化する場合に実益がある。すなわち、一般に、圧電単結晶自体を大型化することは困難であるから、圧電単結晶の複合圧電体を使用する超音波プローブを大型化することは容易ではない。しかし、本製造方法によれば、特に、導電性の樹脂シート上に複数の単結晶圧電体１１１を配列することにより、例えば単結晶圧電体１１１がアレイ方向に複数配列された１−３型複合圧電体１１も容易に製造することができ、超音波プローブを容易に大型化することができる。
【００８５】
次に、２−２型の複合圧電体１１を製造する他の方法について説明する。２−２型の複合圧電体１１においても、上記１−３型の複合圧電体１１の製造方法と同様の手順により、導電性樹脂シートに接着された単結晶圧電体から２−２型複合圧電体を形成することができる。その他の工程は、第２の実施形態と同様である。
【００８６】
なお、上記各製造方法によって形成された１−３型或いは２−２型複合圧電体を使用した１次元或いは２次元アレイ型超音波プローブは、既述の方法によって製造することができる。
【００８７】
（第５の実施形態）
第５の実施形態では、１−３型或いは２−２型の複合圧電体１１を用いた他の１次元或いは２次元アレイ型超音波プローブについて説明する。
【００８８】
図４は、本実施形態に係るアレイ型超音波プローブの概略構成を示している。図３に示したプローブと異なる点は、各単結晶圧電体１１１の下側ＰＶＣ樹脂層１１５に電極２４が設けられており、当該電極２４の一端からフレキシブル配線基板２３が引き出されていることである。この様な構成においても、第１乃至第３の実施形態で説明したアレイ型超音波プローブと同様の作用・効果を得ることができる。
【００８９】
（第６の実施形態）
第６の実施形態では、下側ＰＶＣ樹脂層及び上側ＰＶＣ樹脂層を形成せずに、チッピング及びクラックを低下させる１次元アレイ型超音波プローブについて説明する。
【００９０】
まず、図５、７を参照して本実施形態に係る１次元アレイ型超音波プローブ３５の概略構成について説明する。
【００９１】
図５は、本実施形態に係る１次元アレイ型超音波プローブ３５の断面図を示している。
【００９２】
図５に示すように、各単結晶圧電体１１１の上面には第１の電極４０、下面には第２の電極５０が形成されている。各第１の電極４０には第１のフレキシブル配線基板４２が導電ペーストにて接続されている。一方、各第２の電極５０には第２のフレキシブル配線基板４４がエポキシ系接着剤にて接続されている。
【００９３】
各電極４０、５０には、各フレキシブル配線基板４２、４４を介して所定の電力が印可され或いは検出される。第１のフレキシブル配線基板４２は、銅等からなる導電層４２０及びポリイミドフィルム等からなる絶縁層４２１とからなる多層基板であり、ＧＮＤ接続をとるためのものである。また、第２のフレキシブル配線基板４４は、銅等からなる導電層４４０、４４２と、ポリイミドフィルム等からなる絶縁層４４１、４４３、４４５とからなる多層基板となっており、プローブ３５と超音波診断装置本体とを電気的に接続する。なお、導電層４４４は、後述する所定の配線パターンを有している（図６参照）。
【００９４】
１次元アレイ型超音波プローブ３５は、第１の音響整合層１７、第２の音響整合層１８を有している。このプローブ３５の振動素子の配列ピッチは、狭いもので０．１ｍｍ程度である。
【００９５】
図６は、第２のフレキシブル配線基板４４の導電層４４０の上面図を示している。
【００９６】
図６に示すように、第２のフレキシブル配線基板４４は所定パターンの配線４４０ａを有している。当該配線４４０ａのピッチ幅は、プローブ３５が有する単結晶圧電体１１１のアレイ配列のピッチ幅以下である。各配線４４０ａは、各単結晶圧電体１１１に対応する各第２の電極４の全面にエポキシ系接着剤にて接着され、図６に示すように交互に逆向きに引き出されている。この配線の交互の引き出しは必須ではなく、例えば全ての配線を同一方向に引き出す構成であってもよい。
【００９７】
なお、本実施形態では、第１のフレキシブル配線基板４２も第２のフレキシブル配線基板４４と同じものを用いている。
【００９８】
この様なプローブ３５によれば、第１のフレキシブル配線基板４２及び第２のフレキシブル配線基板４４は単結晶圧電体１１１のアレイ配列のピッチ幅以下としているから、アレイ配列を形成する際の切削において、導電層４４４と単結晶圧電体１１１とを同時に切断する必要がない。すなわち、切削性の異なる導電層４４４と単結晶圧電体１１１とは同時に切削されないから、アレイ製造にけるクラックやチッピングの発生を抑制することが可能である。また、第１のフレキシブル配線基板４２及び第２のフレキシブル配線基板４４を接続した状態で単結晶圧電体１１１を切削することによっても、クラックやチッピングの発生は抑制される。
【００９９】
本発明者らの実験によれば、完成したプローブ３５の特性を評価したところ、断線素子は全く存在せず、感度ばらつきも２ｄＢと小さいものとなった。
【０１００】
これに対し、従来の手法、例えば第２のフレキシブル配線基板４４の導電層４４０を単結晶圧電体１１１の接触面サイズに拡張し、当該単結晶圧電体１１１の全面に渡ってエポキシ系接着剤で接合した場合、本発明者らの評価は次の様になった。すなわち、アレイ加工時にクラックが３割ほど発生した。プローブを完成させ、特性評価を行ったところ断線素子が２割ほどあり、感度ばらつきが１０ｄＢと大きかった。断線原因を調べると断線の起きたチャンネルの振動素子にはアレイ加工時に生じたと思われるクラックが存在していた。また、多くの振動素子にはチッピングも見られた。これらの結果は、感度のばらつきに影響を与えているものと考えられる。
【０１０１】
ところで、プローブ量産の観点からすれば、第１のフレキシブル配線基板４２を第２のフレキシブル配線基板４４と同じものを用いる必要はない場合がある。各フレキシブル配線基板の配線４４２は、アレイ配列された単結晶圧電体１１１と同じ幅以下でパターン化されているから、第１のフレキシブル配線基板４２と第２のフレキシブル配線基板４４との間の位置合わせすることは容易ではないからである。
【０１０２】
そこで、第２のフレキシブル配線基板４４にのみ図６に示した導体層を使用する構成としてもよい。この様な構成によれば、切断の必要な導電層は第１のフレキシブル配線基板４２の振動素子の端部近傍のみとなるため、その影響は無視できる程度となり加工中のクラックやチッピングが発生することはない。本発明者らの評価によれば、プローブ５３の断線素子は全くなく、感度ばらつきも２ｄＢと小さかった。
【０１０３】
なお、本実施形態に係る超音波プローブ３５は上記構成に限定する趣旨ではない。例えば次の様な変形が可能である。
【０１０４】
図７は、超音波プローブ３５の変形例を説明するための図である。また、図８は、当該変形例に係る超音波プローブ３５が有する第２のフレキシブル配線基板４４のパターン配線を示した図である。
【０１０５】
図７において、超音波プローブ３５は、図５に示した構成に加えてスルーホール４５を有している。このスルーホール４５により、図８に示すように導電層４４０の配線４４０ａと４４０ｂとの通電が取られている。
【０１０６】
以上述べた本実施形態に係る超音波プローブ３５によれば、チッピング及びクラックを低下させることができる。
【０１０７】
（第７の実施形態）
第７の実施形態では、第１の電極４０から引き出す配線と第２の電極５０から引き出す配線とを一体化し、単結晶圧電体１１１の下面から取り出す超音波プローブについて説明する。
【０１０８】
図９は、第７の実施形態に係る超音波プローブ５０の概略構成を説明するための図である。なお、同図は、第１の電極４０及び第２の電極５０と、第２のフレキシブル配線基板４４とを接着する前の状態を示している。図９において、ＧＮＤ用の第１の電極４０は、単結晶圧電体１１１上面から側面を経由して下面にまで連続する回し込み電極となっている。第１の電極４０は、第２のフレキシブル配線基板４４の導電層４４２に接続され、第２の電極５０は、第２のフレキシブル配線基板４４の導電層４４０に接続されている。なお、各導電層４４２、４４０には、図示していないが、単結晶圧電体１１１の各電極４０、５０に合わせて露出部が構成されている。
【０１０９】
なお、各導電層４４０、４４２の厚さは18μmである。また、ポリイミドからなる絶縁層４４３の厚さは12.5〜25μmである。
【０１１０】
次に、超音波プローブ５０の変形例を示す。
【０１１１】
図１０は、超音波プローブ５０の変形例である超音波プローブ５１を示した図である。図１０に示すように、導電層４４２を延長して単結晶圧電体１１１回り込ませた第１の電極４０に接続する。延長した導電層４４０を延長した絶縁層４４３に回り込ませて第２の電極５０と接続する。回し込み構造は端部をメッキするなどの方法で形成可能である。
【０１１２】
図９に示した超音波プローブ５０と比較した場合、図１０に示したプローブ５１では、導電層４４２と導電層４４との段差が無くなっている。従って、この様な構成であれば、加圧接着によって生じる可能性がある単結晶圧電体１１１の破壊を防止することができる。
【０１１３】
図１１は、超音波プローブ５１の変形例である超音波プローブ５２を示した図である。図１１に示すプローブ５２は、例えば、図１０に示したプローブ５１の形態で導電層４４０の回し込み構造を取るのが困難な場合に実益がある。図１１に示すように、プローブ５２では、導電層４４０と導電層４４２の上下関係は図１０の場合と逆になっている。また、第１の電極４０の回し込み構造の位置もプローブ５１と逆になっており、導電部材４８によって第１の電極４０、導電層４４２、４４２ａとの通電が取られている。
【０１１４】
この様な構成であれば、単結晶圧電体１１１と第２のフレキシブル配線基板４４とを接着した後、導電部材４８によって第１の電極４０と導電層４４２、４４２ａとを接続すればよい。なお、導電部材４８は導電ペーストが好ましい。また、導電部材４８による接続は、超音波振動素子アレイ形成後に行っても良い。
【０１１５】
図１２は、超音波プローブ５２の変形例である超音波プローブ５３を示した図である。図１２に示すように超音波プローブ５３は、導電層４４２の先端から露出部４４２ｂを露出させ、単結晶圧電体１１１接着後当該露出部４４２ｂを折り曲げて第１の電極４０と接続してある。この様な構成であれば、より安定な接続が得ることができる。
【０１１６】
なお、図１０、１２、１３中で示した第１のフレキシブル配線基板４２を第２のフレキシブル配線基板４４と同様に、ピッチ幅がプローブ３５が有する単結晶圧電体１１１のアレイ配列のピッチ幅以下であるパターン配線４４０ａを有する構成とすることで、加工中のクラックやチッピングが抑止できる。切削性の劣る導電層と単結晶圧電体１１１とを一緒に切断することがないからである。
【０１１７】
以上、本発明を実施形態に基づき説明したが、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変形例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。例えば以下に示す（１）、（２）のように、その要旨を変更しない範囲で種々変形可能である。
【０１１８】
（１）各実施形態で使用する単結晶圧電体は特に限定されない。例えば、Pb((Zn１/3Nb2/3)0.91Ti0.09)O3に代表される亜鉛ニオブ酸鉛とチタン酸鉛との固溶体からなる単結晶のように少なくともチタン酸鉛を含む複合ペロブスカイト型で、マグネシウムニオブ酸鉛とチタン酸鉛との固溶体からなる単結晶、スカンジウムニオブ酸鉛とチタン酸鉛との固溶体からなる単結晶などが挙げられる。あるいはニオブ酸リチウム、ニオブ酸カリウム等の単結晶を用いても良い。
【０１１９】
（２）上記本発明を第１の実施形態〜第３の実施形態においては、単結晶圧電体１１１の上下面にＰＶＣ樹脂層を形成してチッピング発生を防止し、さらに及び電極或いは音響整合層の機能を持たせる構成により、高感度広帯域の超音波プローブを実現した。しかし、ＰＶＣ樹脂層の形成を単結晶圧電体１１１の片面のみとしても、チッピング発生防止、電極或いは音響整合層の役割を果たすことは可能である。
【符号の説明】
【０１２０】
１０、３５、５０、５１、５２、５３…超音波プローブ、１１…複合圧電体、１２…エポキシ樹脂、１７…第１の音響整合層、１８…第２の音響整合層、１９…音響レンズ、２１…共通電極板、２３…フレキシブル配線基板、２４…電極、２５…バッキング材、３８…溝、４０…第１の電極、５０…第２の電極、４２…第１のフレキシブル配線基板、４４…第２のフレキシブル配線基板、４５…スルーホール、５０…第２の電極、１１１…単結晶圧電体、１１３…上側ＰＶＣ樹脂層、１１５…下側ＰＶＣ樹脂層、４２０、４４０、４４２…導電層、４２１、４４３、４４５…絶縁層、４４０ａ…パターン配線、４４２ｂ…露出部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波診断装置や超音波治療装置等に用いられる超音波プローブと、当該超音波プローブ製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波プローブは、圧電体を主体として構成され、超音波を対象物に向けて照射し、その対象物における音響インピーダンスの異なる界面からの反射波を受信することにより、対象物の内部状態を画像化するために用いられる。このような超音波プローブが採用された超音波画像装置として、例えば、人体内部を検査するための医用診断装置や金属溶接内部の探傷を目的とする検査装置等が存在する。
【０００３】
この医用超音波画像装置である超音波診断装置では、人体の断層像（Ｂモード像）に加え、超音波の血流によるドプラシフトを利用して血流の速度を２次元でカラー表示するカラーフローマッピング（ＣＦＭ）法や、二次高調波を画像化したティッシュハーモニックイメージング（ＴＨＩ）法等の撮影技術が開発されている。超音波プローブは、これら種々の撮影方法に応じた形態を有し、人体のあらゆる臓器器官に関する超音波の送受信を可能にしている。
【０００４】
一般に超音波診断装置に使用される超音波プローブには、高分解能の画像が、高感度に得られることが要求される。これは、診断対象の深部まで明瞭に表示可能な画像により、小さな病変や空隙を発見できるようにするためである。近年、その方法の一つとして、センサー部分である超音波プローブをさらに高感度化、広帯域化することが考えられている。
【０００５】
上述した高感度化、広帯域化を達成するために、圧電体柱や圧電体粉を樹脂に埋め込んだ構成などの複合圧電体が研究されている（例えば、特許文献１〜１０等参照）。
【０００６】
これらに開示されている複合圧電体を使用した超音波プローブは、音響インピーダンスが低下して生体のインピーダンスに近づくこと、１−３型や２−２型などの構成では電気機械結合係数が薄板の場合に比べて増加すること等のメリットを有している。これは、複合圧電体には、誘電率が大きく電気機械結合係数ｋ33も大きいＰＺＴ系圧電セラミックが主として用いられているからである。
【０００７】
一方、複合圧電体を使用した超音波プローブは、樹脂を含むことによる誘電率低下に比べて電気機械結合係数の向上が小さいという問題も有している。従って現実には、複合圧電体は、素子面積が大きいシングル型メカニカルプローブやアニュラアレイ等に用いられているのみである。そこで、ｋｔに比べｋ33が飛躍的に高い固溶系圧電単結晶を用いることでこの問題を解決しようという試みもなされている（例えば、特許文献１１等参照）。
【０００８】
高感度、広帯域の超音波プローブを実現するためには、図１３（ａ）に示したアレイ状プローブ２８のように、固溶系圧電単結晶３２と樹脂３４、３６との複合圧電体３０を形成する方法がある。しかしながら、この複合圧電体３０の形成においては、切削加工時の不良が問題となっている。すなわち、一般的に固溶系圧電単結晶３２は破壊靭性が低く脆いため、図１３（ｂ）に示す溝３８をアレイ状に形成する切削加工時において、図１３（ｃ）に示すようなチッピングが発生する問題がある。このチッピングは、特性の劣化や素子へのクラックにより不良を引き起こしてしまう。
【０００９】
そこで我々はこれらの単結晶を用いた超音波プローブとして図１４（ａ）のような構造を提案し（例えば、特許文献１２等参照）、プローブ作製歩留まりの改善を試みてきた。図１４（ａ）は、単結晶振動素子を用いたアレイプローブの断面構造を示している。単結晶振動素子１の両面には電極４、５が形成されており、振動素子１の下面にはバッキング材２が設けられている。また、単結晶振動素子上面には音響マッチング層３ａ，３ｂが形成され、単結晶振動素子１および音響マッチング層３ａ、３ｂアレイ加工されている。アレイプローブの配列ピッチは、狭いもので０．１ｍｍ程度である。さらに音響マッチング層３ｂ上に設けられた音響レンズ８を通して超音波の送受信が行われる。単結晶振動素子１の両面に形成された電極４、５はＦＰＣ６、７を介してケーブルに接続され、診断装置に繋がる(図省略)。図１４（ａ）の構造においてＦＰＣ６は前記ＦＰＣの導電層を振動素子の面積分に拡張して前記振動素子と全面に渡ってエポキシ系接着剤で接合されている。また前記導電層としては一般に金属Ｃｕが用いられている。図１４（ｂ）は図１４（ａ）で示した信号用ＦＰＣの下部の導電層を単結晶振動素子１から見たものである。図１４（ａ）の信号用ＦＰＣの導電層６ａ’は図１４（ｂ）で示したように導電層６ａから千鳥に引き出されている。これらの配列構造は以下の説明の通りに作製される。一体形状の単結晶振動素子1に電極４、５を形成する。ＦＰＣを接着した振動素子をバッキング材２に接着し、音響マッチング層３ａ、３ｂを形成した後にダイシングソーを用いて、マッチング層側から切断する。その後、音響マッチング層３ｂ上に音響レンズ８を形成して完成となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特公昭５４−１９１５１号公報
【特許文献２】特開昭６０−９７８００号公報
【特許文献３】特開昭６１−５３５６２号公報
【特許文献４】特開昭６１−１０９４００号公報
【特許文献５】特開昭５７−４５２９０号公報
【特許文献６】特開昭５８−２１８８３号公報
【特許文献７】特開昭６０−５４６００号公報
【特許文献８】特開昭６０−８５６９９号公報
【特許文献９】特開昭６２−１２２４９９号公報
【特許文献１０】特開昭６２−１３１７００号公報
【特許文献１１】特開平０９−８４１９４号公報
【特許文献１２】特開２０００−１４６７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところが、上記の製造方法を採用し、導電層を単結晶振動素子の面積分に拡張したＦＰＣを前記振動素子と全面に渡ってエポキシ系接着剤し、バッキング材にエポキシ接着剤で前期振動素子を接着し、前期振動素子の上に音響マッチング層を形成した後、ダイシングソーでアレイ加工すると、単結晶振動素子のＦＰＣが接着された面のダイシングエッジ部にクラックやチッピングが発生することがあるという問題が生じた。これはアレイ加工時に機械的強度の弱い圧電単結晶と切削性の劣るＦＰＣの導電層を同時に切断するために生じるものと考えられる。また、加工中に生じる導電層からのばりは単結晶振動素子の切断面を荒らし、ブレードに巻き込まれた切削屑は切削製を低下させる原因となる。こうした単結晶振動素子のクラックやチッピングは、加工条件を調整しても抑制することが困難である。大きなクラックは断線不良となり、製造歩留まり低下させ、小さなクラックは使用中に進展し、市場事故を起こす原因となり得る。また、チッピングは短冊形状に加工された振動素子の電極面積を減少させるため、特性劣化を招くだけではなくアレイ素子間の特性ばらつきも大きくなる。アレイ素子数は数十から数百に及ぶため、アレイ素子間の特性ばらつきは診断装置に表示される断層像の画質に影響する。
【００１２】
本発明の目的は、上記課題を解決するためになされたものであり、固溶系圧電単結晶と樹脂との複合圧電体を用いて、切断時の加工不良が生じない一次元及び二次元アレイ超音波プローブ及び当該超音波プローブの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、上記目的を達成するため、次のような手段を講じている。
【００１４】
請求項１に記載の発明は、少なくともチタン酸鉛を含む固溶系単結晶により形成され、アレイ状に配列された複数の圧電体と、前記各圧電体の下面に形成された第１の電極と、それぞれの幅が前記各圧電体のアレイ方向の幅よりも小さく、前記各圧電体の長手方向に沿って前記第１の電極と接続され、前記各第１の電極から電気配線を引き出して超音波診断装置本体に接続するための複数のパターン配線を有する第１のフレキシブル印刷配線基板と、を具備することを特徴とする超音波プローブである。
【００１５】
請求項６に記載の発明は、樹脂部材上に所定の間隔で複数の導電性層が平行にパターン化されているフレキシブル印刷配線板と、単結晶圧電体とを、前記複数の導電性層が前記単結晶圧電体の長手方向に沿って電気的に接続されるように接着する第１のステップと、前記複数の導電性層の間を前記フレキシブル印刷基板と単結晶圧電体を共に切削して、前記導電性層よりも大きな幅を有する複数の圧電振動素子を形成する第２のステップと、を備えることを特徴とする超音波プローブ製造方法である。
【発明の効果】
【００１６】
以上本発明によれば、切断時の加工不良が生じない超音波プローブを製造することができる。その結果、高感度、広帯域特性を有する超音波プローブが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、第１、第２の実施形態に係る超音波プローブ１０の概略構成を示す斜視図。
【図２】図２は、第１、第２の実施形態に係る超音波プローブ１０の断面を示す図。
【図３】図３は、第３の実施形態に係る超音波プローブ３０の断面を示す図。
【図４】図４は、第５の実施形態に係るアレイ型超音波プローブの概略構成を示す図。
【図５】図５は、第６の実施形態に係るアレイ型超音波プローブ３５の断面図。
【図６】図６は、第２のフレキシブル配線基板４４の導電層４４０の上面図。
【図７】図７は、超音波プローブ３５の変形例を説明するための図。
【図８】図８は、変形例に係る超音波プローブ３５が有する第２のフレキシブル配線基板４４のパターン配線を示した図。
【図９】図９は、第７の実施形態に係る超音波プローブ５０の概略構成を説明するための図
【図１０】図１０は、第７の実施形態に係る超音波プローブの変形例を示した図。
【図１１】図１１は、第７の実施形態に係る超音波プローブの変形例を示した図。
【図１２】図１２は、第７の実施形態に係る超音波プローブの変形例を示した図。
【図１３】図１３（ａ）は、従来の複合圧電体３０の断面を示す図である。図１３（ｂ）、１３（ｃ）は、従来の複合圧電体３０の製造過程において発生するチッピング及びクラックを説明するための図である。
【図１４】図１４（ａ）は、従来の超音波プローブの断面を示す図。図１４（ｂ）は、従来の超音波プローブが有するフレキシブル配線基板６のパターン配線を示した図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の第１実施形態〜第７実施形態を図面に従って説明する。
【００１９】
（第１の実施形態）
図１は、第１実施形態に係る超音波プローブ１０の概略構成を示している。
【００２０】
図１において、超音波プローブ１０は、複合圧電体（１−３型）１１、音響整合層１７、音響レンズ１９、共通電極板２１、フレキシブル配線基板２３、バッキング材２５を具備する構成となっている。
【００２１】
複合圧電体（１−３型）１１は、単結晶圧電体１１１と上側ＰＶＣ樹脂層１１３と下側ＰＶＣ樹脂層１１５とを有している。すなわち、複合圧電体（１−３型）１１は、単結晶圧電セラミックスの一次元的な細棒が３次元的な高分子であるＰＶＣ樹脂マトリクスの中に埋め込まれた圧電体であり、高い電気機械結合係数と低い音響インピーダンスを有している。複合圧電体１１の上下両面には、圧電気直接効果及び圧電気逆効果による電気信号を送受信するための図示していない電極が、後述する方法により形成されている。
【００２２】
単結晶圧電体１１１は、亜鉛ニオブ酸鉛（ＰＺＮ）、チタン酸鉛（ＰＴ）等を含む固溶系単結晶圧電セラミックスであり、後述する方法により作成される。
【００２３】
上側ＰＶＣ樹脂層１１３は、圧電体１１１の超音波照射側（以下、上側）に銀入りＰＶＣ樹脂を塗布することにより形成された層であり、導電性、良好な切削性、単結晶圧電体に比して小さい音響インピーダンス（例えば、２×１０６ｇ／ｍ２ｓ乃至１０×１０６ｇ／ｍ２ｓ程度）を有している。
【００２４】
下側ＰＶＣ樹脂層１１５は、単結晶圧電体１１１の上側と反対側（以下、下側）に銀入りＰＶＣ樹脂を塗布することにより形成された層であり、導電性、良好な切削性、単結晶圧電体に比して小さい音響インピーダンスを有している。下側ＰＶＣ樹脂層１１５と上側ＰＶＣ樹脂層１１３は、単結晶圧電体１１１のチッピングやクラック発生を防止する役割を果たしている。この下側ＰＶＣ樹脂層１１５と上側ＰＶＣ樹脂層１１３の形成方法については、後で詳しく説明する。
【００２５】
音響整合層１７は、図示していない被検体と複合圧電体１１との間に位置するように設けられており、単層或いは多層から成っている。当該整合層１７における音速、厚み、音響インピーダンス等のパラメータを調節することで、被検体と複合圧電体１１との音響インピーダンスの整合を図ることができる。
【００２６】
音響レンズ１９は、音響インピーダンスが生体に近いシリコーンゴム等から成るレンズであり、音波の屈折を利用して超音波ビームを集束させ分解能を向上させる。
【００２７】
共通電極板２１は、上側ＰＶＣ樹脂層１１３の一端に設けられている。共通電極板２１は、複合圧電体１１上面に形成された図示していない電極に電力の印加等するための電極であり、アース接続されている。
【００２８】
フレキシブル配線基板２３は、下側ＰＶＣ樹脂層１１５の一端に設けられており、各複合圧電体１１に電力を印加するための柔軟性を備えた電極基板である。
【００２９】
バッキング材２５は、フレキシブル配線基板２３の背面に設けられており、複合圧電体１１を機械的に支持する。また、バッキング材２５は、超音波パルスを短くするために、複合圧電体１１を制動している。このバッキング材２５の厚さは、トランスデューサの音響的特性を良好に保つため、使用する超音波周波数の波長に対して十分な厚さ（十分減衰される厚さ）に保たれている。
【００３０】
次に、第１実施形態に係る超音波プローブ１０に使用される１−３型複合圧電体１１の製造方法について説明する。本製造方法は、単結晶圧電体１１１の作成（第１ステップ）、上下ＰＶＣ樹脂層の形成（第２ステップ）、ＰＶＣ樹脂層１１３、１５のダイシング（第３ステップ）、樹脂充填（第４ステップ）、ＰＶＣ樹脂層１１３、１５の研磨（第５ステップ）の５つの大きなステップに分けることができる。
【００３１】
まず、第１ステップの複合圧電体１１の形成について説明する。
【００３２】
亜鉛ニオブ酸鉛（ＰＺＮ）とチタン酸鉛（ＰＴ）とが９１：９のモル比をＰｂフラックスとともに白金容器に入れ昇温して溶解した後、室温まで冷却し固溶系単結晶を育成する。その後、ラウエカメラを用いて前記単結晶の＜００１＞軸方位を出し、この軸に垂直にカッターで切断する。そして、厚さ３００μｍに研磨後、スパッタ法によりＴｉ／Ａｕ電極を両面に形成することで単結晶圧電体１１１を作成することができる。
【００３３】
次に、第２ステップの上下ＰＶＣ樹脂層１１３、１５の形成について説明する。
【００３４】
第１ステップにおいて形成された圧電体１１１をガラス板へ仮留めし、周りをカプトンテープにてマスキングした後、導電性の銀入りＰＶＣ樹脂を塗布して３００μｍに平面研磨機にて研磨し切削性良好な上側ＰＶＣ樹脂層１１３を形成する。同様に、圧電体１１の裏面側も３００μｍの切削性良好な下側ＰＶＣ樹脂層１１５を形成する。なお、上側ＰＶＣ樹脂層１１３と下側ＰＶＣ樹脂層１１５の形成順序は、逆であっても構わない。
【００３５】
次に、第３ステップの上側ＰＶＣ樹脂層１１３と下側ＰＶＣ樹脂層１１５のダイシング、第４ステップの樹脂充填について説明する。
【００３６】
第２ステップにおいて形成された銀入りＰＶＣ樹脂の層１１３、１１５によってサンドイッチされた圧電体１１１を、ダイシングソーで５０μｍ厚のブレードにより２００μｍピッチで深さ８００μｍ（１００μｍの切り残し）の溝をアレイ状に入れ、エポキシ樹脂１２を切断溝に充填して硬化させる。同様に、先の切断溝に対して直角に同様の切断溝を形成してエポキシ樹脂１２を充填し硬化させる。
【００３７】
次に、第５ステップの上下ＰＶＣ樹脂層１１３、１１５の研磨について説明する。
【００３８】
その後、切り残し側を下面としてガラス板へ仮留めし、反対側の層を平面研磨機にて１５０μｍに研磨する。更に切り残し側を上面として同様に１５０μｍに研磨する。そして、スパッタリングにより両面にＴｉ／Ａｕ電極を形成することで、切削等によるチッピングやクラックの少ない１−３型複合圧電体１１を形成することができる。
【００３９】
最後に、上記製造方法により形成された１−３型複合圧電体１１へ、１ＫＶ／ｍｍの電界を印加して分極処理を施す。
【００４０】
なお、上記複合圧電体製造方法は、その本質を変えない範囲で種々変形可能である。例えば、１−３型複合圧電体１１を例として説明したが、本発明は、第２の実施形態で説明するように２−２型複合圧電体についても適用可能である。また、最初からマトリクス状にカットして、その後樹脂を充填しても良い。さらに、本実施例のようにエポキシ樹脂を２段階に分けて充填する場合は、その種類を変えても良い。
【００４１】
次に、上記製造方法によって製造された１−３型複合圧電体を用いて、一次元アレイ型超音波プローブ１０を製造する方法の例を、図２に従って説明する。
【００４２】
図２は、本実施形態に係る超音波プローブ１０の断面を示す図である。
【００４３】
まず、複合圧電体１１の上側ＰＶＣ樹脂層１１３に共通電極板２１を、下側ＰＶＣ樹脂層１１５にフレキシブル配線基板２３を、導電ペーストとを用いて接続し、超音波放射面側に第二の音響整合層１７を形成する。その後、バッキング材２５とフレキシブル配線基板２３とをエポキシ樹脂で接着する。
【００４４】
次に、ダイシングソーにより厚さ５０μｍのブレードで、アレイ方向に２００μｍピッチで切断する。その溝にシリコーン系の接着剤を充填し、音響レンズ１９を接着する。
【００４５】
そして、静電容量１１０ｐＦ／ｍ、長さ２ｍの同軸ケーブルを前記フレキシブル配線基板２３に接続することで、１次元アレイ型超音波プローブ１０を製造することができる。
【００４６】
次に、上記製造方法によって製造された超音波プローブによる作用について説明する。
【００４７】
超音波プローブ１０は、１−３型複合圧電体１１は、上側ＰＶＣ樹脂層１１３と下側ＰＶＣ樹脂層１１５とで単結晶圧電体１１１を挟んでいるので、アレイ状の溝を形成する際においてもチッピングの発生を防止することができる。
【００４８】
また、上側ＰＶＣ樹脂層１１３と下側ＰＶＣ樹脂層１１５とは、単結晶圧電体１１１に比して小さい音響インピーダンス、導電性、良好な切削性を有しているので、単結晶圧電体１１１に関する電気信号を送受信する電極、若しくは、音響整合層とすることが可能である。
【００４９】
なお、第１〜第４ステップによってアレイ状の溝形成、エポキシ樹脂１２を充填した後、すなわちチッピング発生の恐れがなくなった後、第５ステップにおいて上側ＰＶＣ樹脂層１１３と下側ＰＶＣ樹脂層１１５の少なくとも一方を全て研磨し、新たに電極或いは音響整合層を設ける構成であってもよい。
【００５０】
また、上側ＰＶＣ樹脂層１１３と下側ＰＶＣ樹脂層１１５は、デュロメータ硬さが７００乃至１０００ＨＤｄであることが好ましい。
【００５１】
従って、このような構成によれば、本発明に係わる切削性良好な層を固溶系圧電単結晶の上下面の少なくとも一方へ設けることで、切断時の加工不良を削減し高感度、広帯域な超音波プローブを容易に製造することができる。また、ＰＶＣ樹脂層が導電性を有するため、単結晶圧電体との電気的な接続性が高く、良好な特性の超音波振動素子を形成できる。
【００５２】
（第２実施形態）
第１の実施形態では、１−３型の複合圧電体１１の製造方法、及び当該圧電素子を使用した超音波プローブ１０の製造方法について説明を行った。これに対し、第２の実施形態では、２−２型の複合圧電体の製造方法、及び当該２−２型複合圧電体を使用した超音波プローブの製造方法について説明を行う。
【００５３】
なお、２−２型複合圧電体を使用した超音波プローブの外観は、図２に示した１−３型複合圧電体を使用した超音波プローブ１０と同様であるから、同図を援用するものとし、既に説明した構成要素についての説明は省略する。また、第１の実施形態で述べた製造方法と重複する部分はその説明を省略し、異なる部分のみ説明する。
【００５４】
第２の実施形態に係る２−２型複合圧電体の製造方法は、第１ステップ、第２ステップについては第１の実施形態と同様である。
【００５５】
第３ステップの上側ＰＶＣ樹脂層１１３と下側ＰＶＣ樹脂層１１５のダイシング、第４ステップの樹脂充填について説明する。
【００５６】
第２ステップにおいて形成された銀入りＰＶＣ樹脂の層３、４によってサンドイッチされた圧電体１１を、ダイシングソーで５０μｍ厚のブレードにより２００μｍピッチで深さ８００μｍ（１００μｍの切り残し）の溝をアレイ方向と垂直に入れた後、エポキシ樹脂１２を切断溝に充填して硬化させる。
【００５７】
次に、第５ステップの上下ＰＶＣ樹脂層１１３、１１５の研磨について説明する。
【００５８】
その後、切り残し側を下面としてガラス板へ仮留めし、反対側の層を平面研磨機にて１５０μｍに研磨する。更に切り残し側を上面として同様に１５０μｍに研磨する。そして、スパッタリングにより両面にＴｉ／Ａｕ電極を形成することで、切削等によるチッピングやクラックの少ない２−２型複合圧電体１１を形成することができる。
【００５９】
最後に、上記製造方法により形成された２−２型複合圧電体１１へ、１ＫＶ／ｍｍの電界を印加して分極処理を施す。
【００６０】
次に、上記製造方法によって製造された２−２型複合圧電体を用いて、一次元アレイ型超音波プローブ１０を製造する方法の例を説明する。
【００６１】
まず、複合圧電体１１の上側ＰＶＣ樹脂層１１３に共通電極板２１を、下側ＰＶＣ樹脂層１１５にフレキシブル配線基板２３を、導電ペーストとを用いて接続し、超音波放射面側に第二の音響整合層１８を形成する。その後バッキング材２５にエポキシ樹脂で接着する。
【００６２】
次にダイシングソーにより厚さ５０μｍのブレードで、アレイ方向に２００μｍピッチで切断した。その溝にシリコーン系の接着剤を充填し、音響レンズ６を接着する。
【００６３】
そして、静電容量１１０ｐＦ／ｍ、長さ２ｍの同軸ケーブルを前記フレキシブル配線基板２３に接続して一次元アレイ型超音波プローブ１０を製造することができる。
【００６４】
上記方法によって製造された２−２型複合圧電体を有する超音波プローブによれば、第１の実施形態で説明した１−３型複合圧電体を有する超音波プローブと同様の作用・効果を得ることができる。
【００６５】
（第３実施形態）
第３の実施形態では、１−３型の複合圧電体１１を使用して、超音波振動素子が２次元状配列（例えば、マトリックス状に配列）された２次元アレイ型超音波プローブを製造する方法について説明する。
【００６６】
図３は、第３の実施形態に係る２次元アレイ型超音波プローブ３０の横断面図である。
【００６７】
なお、図２で既に説明した構成要素には同一符号を付し、その説明は省略する。また、第１、第２の実施形態で述べた製造方法と重複する部分はその説明を省略し、異なる部分のみ説明する。
【００６８】
第３の実施形態に係る１−３型複合圧電体１１の製造方法は、第１ステップ、第２ステップについては第１の実施形態と同様である。
【００６９】
次に、第３ステップの上側ＰＶＣ樹脂層１１３と下側ＰＶＣ樹脂層１１５のダイシング、第４ステップの樹脂充填について説明する。
【００７０】
第２ステップにおいて形成された銀入りＰＶＣ樹脂の層３、４によってサンドイッチされた圧電体１１を、ダイシングソーで５０μｍ厚のブレードにより２００μｍピッチで深さ７００μｍ（１００μｍの切り残し）の溝をアレイ状に入れ、エポキシ樹脂１２を切断溝に充填して硬化させる。同様に、先の切断溝に対して直角に同様の切断溝を形成してエポキシ樹脂１２を充填し硬化させる。
【００７１】
次に、第５ステップの上下ＰＶＣ樹脂層１１３、１１５の研磨について説明する。
【００７２】
その後、切り残し側を下面としてガラス板へ仮留めし、反対側の層を平面研磨機にて１５０μｍに研磨する。更に切り残し側を上面として同様に１５０μｍに研磨する。すなわち研磨後も切り残し側の下面ＰＶＣ樹脂層１１３は切断されていない状態となっている。
【００７３】
そして、スパッタリングにより両面にＴｉ／Ａｕ電極を形成することで、切削等によるチッピングやクラックの少ない、２次元状配列を有する１−３型複合圧電体１１を形成することができる。
【００７４】
次に、上記製造方法によって製造された２次元配列の複合圧電体を用いて、２次元アレイ型超音波プローブ３０を製造する方法の例を説明する。
【００７５】
まず、切り残し側の上面ＰＶＣ樹脂層１１３へ共通電極板２１を接合し、その反対の面へ２次元的な信号配線を施したフレキシブル配線基板８を全面で接合する。超音波放射面側に第二の音響整合層１８を形成した後、バッキング材２５にエポキシ樹脂で接着した。これにシリコーン系の音響レンズ１９を接着した。ＦＰＣの信号側を一括して、信号側とＧＮＤ側との間に１ＫＶ／ｍｍの電圧を印加し、分極処理を施した。
【００７６】
これに、静電容量１１０ｐＦ／ｍ、長さ２ｍの同軸ケーブルを前記フレキシブル配線基板８に接続して、２次元アレイ型超音波プローブ３０を製造することができる。
【００７７】
なお、上記説明においては、１−３型複合圧電体を使用した２次元アレイ型超音波プローブ３０を説明したが、本発明は２−２型複合圧電体について適用可能である。
【００７８】
従って、第３の実施形態に係る、１−３型複合圧電体を有する２次元アレイ型超音波プローブ３０は、第１、第２の実施形態で説明した１次元アレイ型超音波プローブと同様の作用・効果を得ることができる。
【００７９】
（第４の実施形態）
第４の実施形態では、１−３型或いは２−２型の複合圧電体１１の他の製造方法について説明する。
【００８０】
まず、１−３型の複合圧電体１１を製造する他の方法について説明する。
【００８１】
第１の実施形態に示した第１ステップと同様の手法により、単結晶圧電体１１１を作成する。
【００８２】
続く第２ステップにおいて、本実施例では、上下ＰＶＣ樹脂層１１３、１１５を次に述べる様に形成する。すなわち、第１ステップにおいて形成された複数個の圧電体１１１を導電性樹脂シート上に並べて接着し、同シートを同圧電体１１の裏面の大きさに切り取る。導電性樹脂シートとしては導電性銀入りのＰＶＣ樹脂をシート状に成型したものを使用する。
【００８３】
続いて、第１の実施形態に示した第３ステップ、第４ステップ、第５ステップと同様の工程を経て、１−３型複合圧電体１１を形成する。形成された１−３型複合圧電体１１には、１ＫＶ／ｍｍの電界を印加して分極処理が施される。
【００８４】
以上述べた製造方法によっても、第１の実施形態で述べた１−３型複合圧電体１１を形成することが可能である。また、本製造方法は、圧電単結晶を用いた超音波プローブを大型化する場合に実益がある。すなわち、一般に、圧電単結晶自体を大型化することは困難であるから、圧電単結晶の複合圧電体を使用する超音波プローブを大型化することは容易ではない。しかし、本製造方法によれば、特に、導電性の樹脂シート上に複数の単結晶圧電体１１１を配列することにより、例えば単結晶圧電体１１１がアレイ方向に複数配列された１−３型複合圧電体１１も容易に製造することができ、超音波プローブを容易に大型化することができる。
【００８５】
次に、２−２型の複合圧電体１１を製造する他の方法について説明する。２−２型の複合圧電体１１においても、上記１−３型の複合圧電体１１の製造方法と同様の手順により、導電性樹脂シートに接着された単結晶圧電体から２−２型複合圧電体を形成することができる。その他の工程は、第２の実施形態と同様である。
【００８６】
なお、上記各製造方法によって形成された１−３型或いは２−２型複合圧電体を使用した１次元或いは２次元アレイ型超音波プローブは、既述の方法によって製造することができる。
【００８７】
（第５の実施形態）
第５の実施形態では、１−３型或いは２−２型の複合圧電体１１を用いた他の１次元或いは２次元アレイ型超音波プローブについて説明する。
【００８８】
図４は、本実施形態に係るアレイ型超音波プローブの概略構成を示している。図３に示したプローブと異なる点は、各単結晶圧電体１１１の下側ＰＶＣ樹脂層１１５に電極２４が設けられており、当該電極２４の一端からフレキシブル配線基板２３が引き出されていることである。この様な構成においても、第１乃至第３の実施形態で説明したアレイ型超音波プローブと同様の作用・効果を得ることができる。
【００８９】
（第６の実施形態）
第６の実施形態では、下側ＰＶＣ樹脂層及び上側ＰＶＣ樹脂層を形成せずに、チッピング及びクラックを低下させる１次元アレイ型超音波プローブについて説明する。
【００９０】
まず、図５、７を参照して本実施形態に係る１次元アレイ型超音波プローブ３５の概略構成について説明する。
【００９１】
図５は、本実施形態に係る１次元アレイ型超音波プローブ３５の断面図を示している。
【００９２】
図５に示すように、各単結晶圧電体１１１の上面には第１の電極４０、下面には第２の電極５０が形成されている。各第１の電極４０には第１のフレキシブル配線基板４２が導電ペーストにて接続されている。一方、各第２の電極５０には第２のフレキシブル配線基板４４がエポキシ系接着剤にて接続されている。
【００９３】
各電極４０、５０には、各フレキシブル配線基板４２、４４を介して所定の電力が印可され或いは検出される。第１のフレキシブル配線基板４２は、銅等からなる導電層４２０及びポリイミドフィルム等からなる絶縁層４２１とからなる多層基板であり、ＧＮＤ接続をとるためのものである。また、第２のフレキシブル配線基板４４は、銅等からなる導電層４４０、４４２と、ポリイミドフィルム等からなる絶縁層４４１、４４３、４４５とからなる多層基板となっており、プローブ３５と超音波診断装置本体とを電気的に接続する。なお、導電層４４４は、後述する所定の配線パターンを有している（図６参照）。
【００９４】
１次元アレイ型超音波プローブ３５は、第１の音響整合層１７、第２の音響整合層１８を有している。このプローブ３５の振動素子の配列ピッチは、狭いもので０．１ｍｍ程度である。
【００９５】
図６は、第２のフレキシブル配線基板４４の導電層４４０の上面図を示している。
【００９６】
図６に示すように、第２のフレキシブル配線基板４４は所定パターンの配線４４０ａを有している。当該配線４４０ａのピッチ幅は、プローブ３５が有する単結晶圧電体１１１のアレイ配列のピッチ幅以下である。各配線４４０ａは、各単結晶圧電体１１１に対応する各第２の電極４の全面にエポキシ系接着剤にて接着され、図６に示すように交互に逆向きに引き出されている。この配線の交互の引き出しは必須ではなく、例えば全ての配線を同一方向に引き出す構成であってもよい。
【００９７】
なお、本実施形態では、第１のフレキシブル配線基板４２も第２のフレキシブル配線基板４４と同じものを用いている。
【００９８】
この様なプローブ３５によれば、第１のフレキシブル配線基板４２及び第２のフレキシブル配線基板４４は単結晶圧電体１１１のアレイ配列のピッチ幅以下としているから、アレイ配列を形成する際の切削において、導電層４４４と単結晶圧電体１１１とを同時に切断する必要がない。すなわち、切削性の異なる導電層４４４と単結晶圧電体１１１とは同時に切削されないから、アレイ製造にけるクラックやチッピングの発生を抑制することが可能である。また、第１のフレキシブル配線基板４２及び第２のフレキシブル配線基板４４を接続した状態で単結晶圧電体１１１を切削することによっても、クラックやチッピングの発生は抑制される。
【００９９】
本発明者らの実験によれば、完成したプローブ３５の特性を評価したところ、断線素子は全く存在せず、感度ばらつきも２ｄＢと小さいものとなった。
【０１００】
これに対し、従来の手法、例えば第２のフレキシブル配線基板４４の導電層４４０を単結晶圧電体１１１の接触面サイズに拡張し、当該単結晶圧電体１１１の全面に渡ってエポキシ系接着剤で接合した場合、本発明者らの評価は次の様になった。すなわち、アレイ加工時にクラックが３割ほど発生した。プローブを完成させ、特性評価を行ったところ断線素子が２割ほどあり、感度ばらつきが１０ｄＢと大きかった。断線原因を調べると断線の起きたチャンネルの振動素子にはアレイ加工時に生じたと思われるクラックが存在していた。また、多くの振動素子にはチッピングも見られた。これらの結果は、感度のばらつきに影響を与えているものと考えられる。
【０１０１】
ところで、プローブ量産の観点からすれば、第１のフレキシブル配線基板４２を第２のフレキシブル配線基板４４と同じものを用いる必要はない場合がある。各フレキシブル配線基板の配線４４２は、アレイ配列された単結晶圧電体１１１と同じ幅以下でパターン化されているから、第１のフレキシブル配線基板４２と第２のフレキシブル配線基板４４との間の位置合わせすることは容易ではないからである。
【０１０２】
そこで、第２のフレキシブル配線基板４４にのみ図６に示した導体層を使用する構成としてもよい。この様な構成によれば、切断の必要な導電層は第１のフレキシブル配線基板４２の振動素子の端部近傍のみとなるため、その影響は無視できる程度となり加工中のクラックやチッピングが発生することはない。本発明者らの評価によれば、プローブ５３の断線素子は全くなく、感度ばらつきも２ｄＢと小さかった。
【０１０３】
なお、本実施形態に係る超音波プローブ３５は上記構成に限定する趣旨ではない。例えば次の様な変形が可能である。
【０１０４】
図７は、超音波プローブ３５の変形例を説明するための図である。また、図８は、当該変形例に係る超音波プローブ３５が有する第２のフレキシブル配線基板４４のパターン配線を示した図である。
【０１０５】
図７において、超音波プローブ３５は、図５に示した構成に加えてスルーホール４５を有している。このスルーホール４５により、図８に示すように導電層４４０の配線４４０ａと４４０ｂとの通電が取られている。
【０１０６】
以上述べた本実施形態に係る超音波プローブ３５によれば、チッピング及びクラックを低下させることができる。
【０１０７】
（第７の実施形態）
第７の実施形態では、第１の電極４０から引き出す配線と第２の電極５０から引き出す配線とを一体化し、単結晶圧電体１１１の下面から取り出す超音波プローブについて説明する。
【０１０８】
図９は、第７の実施形態に係る超音波プローブ５０の概略構成を説明するための図である。なお、同図は、第１の電極４０及び第２の電極５０と、第２のフレキシブル配線基板４４とを接着する前の状態を示している。図９において、ＧＮＤ用の第１の電極４０は、単結晶圧電体１１１上面から側面を経由して下面にまで連続する回し込み電極となっている。第１の電極４０は、第２のフレキシブル配線基板４４の導電層４４２に接続され、第２の電極５０は、第２のフレキシブル配線基板４４の導電層４４０に接続されている。なお、各導電層４４２、４４０には、図示していないが、単結晶圧電体１１１の各電極４０、５０に合わせて露出部が構成されている。
【０１０９】
なお、各導電層４４０、４４２の厚さは18μmである。また、ポリイミドからなる絶縁層４４３の厚さは12.5〜25μmである。
【０１１０】
次に、超音波プローブ５０の変形例を示す。
【０１１１】
図１０は、超音波プローブ５０の変形例である超音波プローブ５１を示した図である。図１０に示すように、導電層４４２を延長して単結晶圧電体１１１回り込ませた第１の電極４０に接続する。延長した導電層４４０を延長した絶縁層４４３に回り込ませて第２の電極５０と接続する。回し込み構造は端部をメッキするなどの方法で形成可能である。
【０１１２】
図９に示した超音波プローブ５０と比較した場合、図１０に示したプローブ５１では、導電層４４２と導電層４４との段差が無くなっている。従って、この様な構成であれば、加圧接着によって生じる可能性がある単結晶圧電体１１１の破壊を防止することができる。
【０１１３】
図１１は、超音波プローブ５１の変形例である超音波プローブ５２を示した図である。図１１に示すプローブ５２は、例えば、図１０に示したプローブ５１の形態で導電層４４０の回し込み構造を取るのが困難な場合に実益がある。図１１に示すように、プローブ５２では、導電層４４０と導電層４４２の上下関係は図１０の場合と逆になっている。また、第１の電極４０の回し込み構造の位置もプローブ５１と逆になっており、導電部材４８によって第１の電極４０、導電層４４２、４４２ａとの通電が取られている。
【０１１４】
この様な構成であれば、単結晶圧電体１１１と第２のフレキシブル配線基板４４とを接着した後、導電部材４８によって第１の電極４０と導電層４４２、４４２ａとを接続すればよい。なお、導電部材４８は導電ペーストが好ましい。また、導電部材４８による接続は、超音波振動素子アレイ形成後に行っても良い。
【０１１５】
図１２は、超音波プローブ５２の変形例である超音波プローブ５３を示した図である。図１２に示すように超音波プローブ５３は、導電層４４２の先端から露出部４４２ｂを露出させ、単結晶圧電体１１１接着後当該露出部４４２ｂを折り曲げて第１の電極４０と接続してある。この様な構成であれば、より安定な接続が得ることができる。
【０１１６】
なお、図１０、１２、１３中で示した第１のフレキシブル配線基板４２を第２のフレキシブル配線基板４４と同様に、ピッチ幅がプローブ３５が有する単結晶圧電体１１１のアレイ配列のピッチ幅以下であるパターン配線４４０ａを有する構成とすることで、加工中のクラックやチッピングが抑止できる。切削性の劣る導電層と単結晶圧電体１１１とを一緒に切断することがないからである。
【０１１７】
以上、本発明を実施形態に基づき説明したが、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変形例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。例えば以下に示す（１）、（２）のように、その要旨を変更しない範囲で種々変形可能である。
【０１１８】
（１）各実施形態で使用する単結晶圧電体は特に限定されない。例えば、Pb((Zn１/3Nb2/3)0.91Ti0.09)O3に代表される亜鉛ニオブ酸鉛とチタン酸鉛との固溶体からなる単結晶のように少なくともチタン酸鉛を含む複合ペロブスカイト型で、マグネシウムニオブ酸鉛とチタン酸鉛との固溶体からなる単結晶、スカンジウムニオブ酸鉛とチタン酸鉛との固溶体からなる単結晶などが挙げられる。あるいはニオブ酸リチウム、ニオブ酸カリウム等の単結晶を用いても良い。
【０１１９】
（２）上記本発明を第１の実施形態〜第３の実施形態においては、単結晶圧電体１１１の上下面にＰＶＣ樹脂層を形成してチッピング発生を防止し、さらに及び電極或いは音響整合層の機能を持たせる構成により、高感度広帯域の超音波プローブを実現した。しかし、ＰＶＣ樹脂層の形成を単結晶圧電体１１１の片面のみとしても、チッピング発生防止、電極或いは音響整合層の役割を果たすことは可能である。
【符号の説明】
【０１２０】
１０、３５、５０、５１、５２、５３…超音波プローブ、１１…複合圧電体、１２…エポキシ樹脂、１７…第１の音響整合層、１８…第２の音響整合層、１９…音響レンズ、２１…共通電極板、２３…フレキシブル配線基板、２４…電極、２５…バッキング材、３８…溝、４０…第１の電極、５０…第２の電極、４２…第１のフレキシブル配線基板、４４…第２のフレキシブル配線基板、４５…スルーホール、５０…第２の電極、１１１…単結晶圧電体、１１３…上側ＰＶＣ樹脂層、１１５…下側ＰＶＣ樹脂層、４２０、４４０、４４２…導電層、４２１、４４３、４４５…絶縁層、４４０ａ…パターン配線、４４２ｂ…露出部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともチタン酸鉛を含む固溶系単結晶により形成され、アレイ状に配列された複数の圧電体と、
前記各圧電体の下面に形成された第１の電極と、
それぞれの幅が前記各圧電体のアレイ方向の幅よりも小さく、前記各圧電体の長手方向に沿って前記第１の電極と接続され、前記各第１の電極から電気配線を引き出して超音波診断装置本体に接続するための複数のパターン配線を有する第１のフレキシブル印刷配線基板と、
を具備することを特徴とする超音波プローブ。
【請求項２】
前記各圧電体の上面に形成された第２の電極と、
それぞれの幅が前記各圧電体のアレイ方向の幅よりも小さく、前記各第２の電極から電気配線を引き出してＧＮＤ接続するための複数のパターン配線を有する第２のフレキシブル印刷配線基板と、
をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の超音波プローブ。
【請求項３】
前記各圧電体の上面から側面を介し下面の一部まで回り込むように形成された、ＧＮＤ接続用の少なくとも一つの第２の電極をさらに具備し、
前記第１のフレキシブル印刷配線基板は、前記少なくとも一つの第２の電極をＧＮＤ接続するための少なくとも一つのパターン配線をさらに有すること、
を特徴とする請求項１記載の超音波プローブ。
【請求項４】
前記複数のパターン配線は、前記各第１の電極から交互に逆向きに引き出され、前記各圧電体の長手方向の全面を前記第1の電極と接続するように形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一項記載の超音波プローブ。
【請求項５】
前記複数のパターン配線は、前記各第１の電極から同一方向に引き出され、前記各圧電体の長手方向の全面を前記第1の電極と接続するように形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一項記載の超音波プローブ。
【請求項６】
樹脂部材上に所定の間隔で複数の導電性層が平行にパターン化されているフレキシブル印刷配線板と、単結晶圧電体とを、前記複数の導電性層が前記単結晶圧電体の長手方向に沿って電気的に接続されるように接着する第１のステップと、
前記複数の導電性層の間を前記フレキシブル印刷基板と単結晶圧電体を共に切削して、前記導電性層よりも大きな幅を有する複数の圧電振動素子を形成する第２のステップと、
を備えることを特徴とする超音波プローブ製造方法。
【請求項１】
少なくともチタン酸鉛を含む固溶系単結晶により形成され、アレイ状に配列された複数の圧電体と、
前記各圧電体の下面に形成された第１の電極と、
それぞれの幅が前記各圧電体のアレイ方向の幅よりも小さく、前記各圧電体の長手方向に沿って前記第１の電極と接続され、前記各第１の電極から電気配線を引き出して超音波診断装置本体に接続するための複数のパターン配線を有する第１のフレキシブル印刷配線基板と、
を具備することを特徴とする超音波プローブ。
【請求項２】
前記各圧電体の上面に形成された第２の電極と、
それぞれの幅が前記各圧電体のアレイ方向の幅よりも小さく、前記各第２の電極から電気配線を引き出してＧＮＤ接続するための複数のパターン配線を有する第２のフレキシブル印刷配線基板と、
をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の超音波プローブ。
【請求項３】
前記各圧電体の上面から側面を介し下面の一部まで回り込むように形成された、ＧＮＤ接続用の少なくとも一つの第２の電極をさらに具備し、
前記第１のフレキシブル印刷配線基板は、前記少なくとも一つの第２の電極をＧＮＤ接続するための少なくとも一つのパターン配線をさらに有すること、
を特徴とする請求項１記載の超音波プローブ。
【請求項４】
前記複数のパターン配線は、前記各第１の電極から交互に逆向きに引き出され、前記各圧電体の長手方向の全面を前記第1の電極と接続するように形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一項記載の超音波プローブ。
【請求項５】
前記複数のパターン配線は、前記各第１の電極から同一方向に引き出され、前記各圧電体の長手方向の全面を前記第1の電極と接続するように形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一項記載の超音波プローブ。
【請求項６】
樹脂部材上に所定の間隔で複数の導電性層が平行にパターン化されているフレキシブル印刷配線板と、単結晶圧電体とを、前記複数の導電性層が前記単結晶圧電体の長手方向に沿って電気的に接続されるように接着する第１のステップと、
前記複数の導電性層の間を前記フレキシブル印刷基板と単結晶圧電体を共に切削して、前記導電性層よりも大きな幅を有する複数の圧電振動素子を形成する第２のステップと、
を備えることを特徴とする超音波プローブ製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１１−１３０４７７（Ｐ２０１１−１３０４７７Ａ）
【公開日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１１３０（Ｐ２０１１−２１１３０）
【出願日】平成２３年２月２日（２０１１．２．２）
【分割の表示】特願２００１−３１２８１（Ｐ２００１−３１２８１）の分割
【原出願日】平成１３年２月７日（２００１．２．７）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２日（２０１１．２．２）
【分割の表示】特願２００１−３１２８１（Ｐ２００１−３１２８１）の分割
【原出願日】平成１３年２月７日（２００１．２．７）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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