超音波探触子の製造方法
【課題】分極処理された圧電体の切削加工による圧電効果の劣化を抑制することができる超音波探触子の製造方法を提供する。
【解決手段】第１の工程において、少なくとも１次元アレイ状に所定間隔に配列された複数の柱状の圧電素子３１と、圧電素子３１の間に位置する高分子材からなる高分子層３２とを有し、超音波を送受する面及びそれに対向する面に電極２１及び共通電極２２が設けられた複合圧電体に、音響整合層４０及びバッキング層１０を積層して設ける。そして、第２の工程において、複合圧電体を、バッキング層１０が設けられる側とは反対側から、音響整合層４０とともに、高分子層３２に沿って切断して、超音波振動子３３をアレイ状に複数形成する。
【解決手段】第１の工程において、少なくとも１次元アレイ状に所定間隔に配列された複数の柱状の圧電素子３１と、圧電素子３１の間に位置する高分子材からなる高分子層３２とを有し、超音波を送受する面及びそれに対向する面に電極２１及び共通電極２２が設けられた複合圧電体に、音響整合層４０及びバッキング層１０を積層して設ける。そして、第２の工程において、複合圧電体を、バッキング層１０が設けられる側とは反対側から、音響整合層４０とともに、高分子層３２に沿って切断して、超音波振動子３３をアレイ状に複数形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波探触子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、超音波探触子は医用超音波診断装置、超音波探傷装置及びソナー等の装置において用いられている。この超音波探触子は、方位方向に列状に配列された複数の超音波振動子を備えて構成されている。この超音波振動子間は溝が形成されており、これにより、超音波振動子が個々に分割されている。
【０００３】
従来は、このような超音波振動子を、１枚の圧電体と音響整合層とを積層し、ダイシングにより所定ピッチ毎に切込みを入れることにより複数の振動子を形成するようにしていた（例えば、特許文献１、２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−３０３６３７号公報
【特許文献２】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】
【０００５】
しかしながら、上記各特許文献に記載の技術は何れも、ダイシングにより圧電体を切断する前に、圧電体の上下両面に設けられる電極に電界を印加することにより分極処理が行われる必要がある。そして、分極が行われた圧電体に対し、ダイシングが行われるので、ダイシングによる切削加工時において生じる熱や機械的衝撃により、切断後の圧電体（圧電素子）に脱分極が生じる。脱分極が生じた圧電素子は圧電効果が劣化し、超音波の受信における感度が低下して正確な受信信号を得ることができない等、性能の低下という問題が生じる。これに対し、上記特許文献２に記載の技術では、脱分極した圧電素子に対して再分極を行うようにしているが、切断後の圧電素子に対して個別に再分極を行う場合には、様々な条件を検討する必要がある等、大変手間がかかる作業となる。
【０００６】
本発明の課題は、分極処理された圧電体の切削加工による圧電効果の劣化を抑制することができる超音波探触子の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、超音波を送受する超音波振動子がアレイ状に配列された超音波探触子の製造方法であって、
少なくとも１次元アレイ状に所定間隔にて配列された複数の柱状の圧電素子と、該圧電素子の間に位置する高分子材からなる高分子層とを有し、超音波を送受する面及びそれに対向する面に一対の電極層が設けられた複合圧電体に、音響整合層及び基台を積層して設ける第１工程と、
前記複合圧電体を、前記基台が設けられる側とは反対側から、前記音響整合層とともに、前記高分子層に沿って切断して、前記超音波振動子をアレイ状に複数形成する第２工程と、
を含むことを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の超音波探触子の製造方法において、
前記複合圧電体は、硬質樹脂によって前記高分子層が形成されている。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の超音波探触子の製造方法において、
前記高分子層を切断して形成された切断部に前記高分子層を構成する高分子材よりも硬度の小さい材料を充填する第３工程をさらに含むことを特徴とする。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の超音波探触子の製造方法において、
前記基台はバッキング層であって、
前記第１の工程において、前記音響整合層、前記複合圧電体、前記バッキング層の順にこれらを積層し、
前記第３の工程において、前記切断部に有機合成系接着剤を充溢するとともに、音響レンズを、充溢した前記有機合成系接着剤にて前記音響整合層の表面に貼着することを特徴とする。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４の何れか一項に記載の超音波探触子の製造方法において、
前記複合圧電体は、前記圧電素子の配列方向における前記高分子層の幅が、前記第２の工程において切断によって生じる溝の幅の１１０％〜１５０％である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、分極処理された圧電体の切削加工による圧電効果の劣化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施の形態に係る超音波探触子の製造方法によって製造される超音波探触子の中間積層体の内部構造を模式的に表す斜視図である。
【図２】図１に示される中間積層体のうち、音響整合層及び共通電極を省略して表した斜視図である。
【図３】第１の実施の形態に係る製造方法にて製造された超音波探触子の内部構造を模式的に表す斜視図である。
【図４】本実施の形態に係る超音波探触子の製造方法の他の切断加工例について説明する側面図である。
【図５】第２の実施の形態に係る超音波探触子の製造方法によって製造される超音波探触子の中間積層体の内部構造を模式的に表す斜視図である。
【図６】図５に示される中間積層体のうち、音響整合層及び電極を省略して表した斜視図である。
【図７】第２の実施の形態に係る製造方法にて製造された超音波探触子の内部構造を模式的に表す斜視図である。
【図８】第３の実施の形態に係る製造方法にて製造された超音波探触子の内部構造を模式的に表す斜視図である。
【図９】図８に示される超音波探触子の部分拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。ただし、発明の範囲は図示例に限定されない。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有するものについては、同一の符号を付し、その説明を省略する。
本発明の実施の形態において適用される超音波探触子は、医用超音波診断装置の主要構成部品であって、電気信号が与えられることにより超音波を送信し、超音波を受信することより電気信号を出力する機能を有するものである。
【００１５】
（第１の実施の形態）
最初に、図１〜図３を参照しながら、第１の実施の形態に係る超音波探触子の製造方法について説明する。
【００１６】
先ず、第１工程として、図１に示すように、図上正面視下方から、バッキング層１０、電極２１、複合圧電体３０、共通電極２２、音響整合層４０の順に、接着し積層された中間積層体１００ａを形成する。
【００１７】
バッキング層１０は、複合圧電体３０を支持し、不要な超音波を吸収し得る超音波吸収体である。すなわち、バッキング層１０は、複合圧電体３０の被検体に超音波を送受信する方向と反対の板面に装着され、被検体の方向の反対側に発生する超音波を吸収する。
【００１８】
バッキング層１０を構成するバッキング材としては、天然ゴム、フェライトゴム、エポキシ樹脂や、これらの材料に酸化タングステンや酸化チタン、フェライト等の粉末を入れてプレス成形したゴム系複合材やエポキシ樹脂複合材、塩化ビニル、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）、ＡＢＳ樹脂、ポリウレタン（ＰＵＲ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡＬ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴＰ）、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ）ポリエチレングリコール、ポリエチレンテレフタレート−ポリエチレングリコール共重合体などの熱可塑性樹脂などが適用できる。
【００１９】
好ましいバッキング材としては、ゴム系複合材料、及び／又は、エポキシ樹脂複合材からなるものであり、その形状は複合圧電体３０やこれを含むプローブヘッドの形状に応じて、適宜選択することができる。
【００２０】
複合圧電体３０の超音波を送受する面及びそれに対向する面には、一対の電極層である電極２１と共通電極２２とが設けられている。電極２１は、図示しない信号引き出しフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）からの電源電圧を複合圧電体３０に対して印加する。また、共通電極２２は、図示しないグランド引き出しＦＰＣを通じてアース接続される。なお、複合圧電体３０の側面に回り込み電極を設け、圧電体下面側で電極２１と絶縁されるように共通電極２２を引き出す構成にし、ＦＰＣを通じて電源やアースと接続してもよい。
【００２１】
電極２１及び共通電極２２に用いられる材料としては、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、スズ（Ｓｎ）などが挙げられる。電極２１及び共通電極２２は、まず、チタン（Ｔｉ）やクロム（Ｃｒ）などの下地金属をスパッタ法により０．００２〜１．０μｍの厚さに形成した後、上記金属元素を主体とする金属及びそれらの合金からなる金属材料、さらには必要に応じ一部絶縁材料をスパッタ法、蒸着法その他の適当な方法で０．０２〜１０μｍの厚さに形成する。これらの電極形成はスパッタ法以外でも微粉末の金属粉末と低融点ガラスを混合した導電ペーストをスクリーン印刷やディッピング法、溶射法で形成することもできる。
【００２２】
複合圧電体３０は、図２に示すように、角柱状の圧電素子３１及び高分子層３２が交互に１次元アレイ状に配列して構成された、いわゆる、２−２コンポジット圧電体である。本実施の形態において、圧電素子３１及び高分子層３２のＸ方向（配列方向）における外形寸法は、それぞれ、圧電素子３１を７０μｍとし、高分子層３２を３０μｍとしている。すなわち、圧電素子３１と高分子層３２の配列のピッチは１００μｍである。ここで、高分子層３２のＸ方向における寸法は、所定の振動子ピッチに適合するように設定するのが好ましい。また、本実施の形態では、説明を容易にするために、５つの圧電素子３１と、その間の４つの高分子層３２とによって表しているが、実際には、多数（例えば、１９２個）の圧電素子３１が設けられ、各圧電素子間にそれぞれ高分子層３２が設けられた構成となっている。
【００２３】
圧電素子３１に用いられる材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、リラクサ系，ニオブ酸鉛系及びチタン酸鉛系のセラミック等の圧電セラミックや、チタン酸亜鉛酸ニオブ酸鉛（ＰＺＮＴ）、マグネシウム酸ニオブ酸チタン酸（ＰＭＮＴ）等の単結晶が好適である。
高分子層３２を構成する高分子材としては、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリウレタン樹脂等の有機合成高分子材を用いることができる。なお、天然ゴム等の有機天然高分子材を適用してもよい。これらの有機高分子材は、上述した圧電材料に比べて比熱が大きく、熱伝導率が小さいので、後述する切断処理において発生する摩擦熱等の熱ダメージを抑制することができる。例えば、エポキシ樹脂は、熱伝導率が約０．２Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、比熱及び熱伝導率の点で有利である。また、これらの有機高分子材は、切断処理時における圧電材料に対する物理的損傷を防止することができる。本実施の形態に適用される有機高分子材は、切断処理時の切削加工精度を良好にするため所定の硬度を有する硬質樹脂を適用するのがよく、例えば、ロックウェル硬度が８０以上のものが好適である。また、アレイ化した後の素子特性を良好にするため、高分子材の音速として１ｋｍ／ｓ以上が好適である。本実施の形態では、音速が２ｋｍ／ｓ以上であり、ロックウェル硬度がＭ８０以上であるエポキシ樹脂を適用している。なお、有機高分子材に代えて、無機高分子材を適用してもよい。
【００２４】
上述のように構成された複合圧電体３０は、公知の製造方法により製造される。すなわち、上記圧電セラミックや単結晶等の圧電材を所定の大きさに切削して所定間隔の間隙を設けて複数の圧電素子３１を形成する。複数の圧電素子３１をモールドにより成形してもよい。そして、複数の圧電素子３１間における間隙に上記高分子材を充填・硬化させて高分子層３２を形成する。そして、所定厚みとなるように、一体化された圧電素子３１及び高分子層３２の上下面を研磨して複合圧電体３０が形成される。研磨済みの複合圧電体３０は、上下面に電極が挟着され、所定の分極電圧が印加されて分極処理がなされる。
【００２５】
音響整合層４０は、超音波振動子と被検体の間の音響インピーダンスを整合させ、境界面での反射を抑制するものである。音響整合層４０は、複合圧電体３０の、超音波の送受信が行われる送受信方向である被検体側に、共通電極２２を介して装着される。音響整合層４０は、複合圧電体３０と被検体との概ね中間の音響インピーダンスを有する。
【００２６】
音響整合層４０に用いられる材料としては、アルミ、アルミ合金（例えばＡＬ−Ｍｇ合金）、マグネシウム合金、マコールガラス、ガラス、溶融石英、コッパーグラファイト、ＰＥ（ポリエチレン）やＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＡＢＣ樹脂、ＡＢＳ樹脂、ＡＡＳ樹脂、ＡＥＳ樹脂、ナイロン（ＰＡ６、ＰＡ６−６）、ＰＰＯ（ポリフェニレンオキシド）、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド：ガラス繊維入りも可）、ＰＰＥ（ポリフェニレンエーテル）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＡＩ（ポリアミドイミド）、ＰＥＴＰ（ポリエチレンテレフタレート）、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂等を用いることができる。好ましくはエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂に、充填剤として、亜鉛華、酸化チタン、シリカやアルミナ、ベンガラ、フェライト、酸化タングステン、酸化イットリビウム、硫酸バリウム、タングステン、モリブデン等を入れて成形したものが適用できる。
【００２７】
音響整合層４０は、単層でもよいし複数層から構成されてもよいが、好ましくは２層以上、より好ましくは４層以上である。音響整合層４０の層厚は、超音波の波長をλとすると、λ／４となるように定めるのが好ましい。音響整合層４０の層厚が適切になされないと、本来の共振周波数とは異なる周波数ポイントに複数の不要スプリアスが出現し、基本音響特性が大きく変動してしまう場合がある。結果、残響時間の増加、反射エコーの波形歪みによる感度やＳ／Ｎの低下を引き起こす場合がある。このような音響整合層の厚さとしては、通常、概ね２０〜５００μｍの範囲のものが用いられる。
【００２８】
上述した各部を積層して中間積層体１００ａを形成する。すなわち、先ず、上述した分極処理済みの複合圧電体３０に形成した電極２１に対してバッキング材を貼着してバッキング層１０を形成するとともに、共通電極２２に対して音響整合層４０を貼着し、中間積層体１００ａを形成する。なお、電極２１及び共通電極２２を複合圧電体３０に直接設けず、それぞれ圧電体３０を挟んで接着されるＦＰＣ及び音響整合層４０に対し挟着した後に、これらを複合圧電体３０に対して接着するようにしてもよい。
【００２９】
次に、第２工程として、上述のようにして形成された中間積層体１００ａに対して切断処理を行って、超音波探触子１００を形成する。
【００３０】
本実施の形態では、図３に示すように、上述のようにして形成された中間積層体１００ａに対し、バッキング層１０を基台として、高分子層３２に沿って、Ｙ方向に、音響整合層４０側からバッキング層１０にかけて、ダイシングブレードにて所定間隔でダイシングする。このとき、高分子層３２が一部残存するような切断幅となるダイシングブレードが選択される。その結果、複合圧電体３０が複数に分割され、複数チャンネルの超音波振動子３３が１次元アレイ状に形成された超音波探触子１００が形成される。超音波振動子３３の間には、切断を行ったダイシングブレードの刃厚に応じた幅の空隙からなる切断部３４が形成される。本実施の形態では、所定間隔で配置された高分子層３２毎に切断するので、この超音波振動子３３の素子ピッチ（所定間隔で切断されて形成された素子のピッチ）は、圧電素子３１と高分子層３２の配列のピッチと同じ（上述の例の場合は１００μｍ）となる。ここで、高分子層３２の幅は、切断部３４の幅に対し、１１０〜１５０％とすることが好ましい。このようにすると、ダイシングブレードによるダイシング時におけるずれや切削摩耗を含めても、ダイシングの際に圧電素子３１にダイシングブレードが直接接触することがない。また、ダイシング後に高分子層３２が残存するため、圧電素子３１単体のみによって構成するものに比べ、圧電素子３１のアスペクト比が大きくなる。従って、入力エネルギーの効率がよく、厚み方向の振動の変換効率を向上させることができる。また、超音波振動子３３全体に対する高分子層３２の割合が大きいほど、生体等の被検体に対するマッチングが良化され、被検体に対して効率よく超音波を送信することができるようになる。本実施の形態では、上述したように、送信超音波の波長との関係で高分子層３２の幅を３０μｍとしているため、刃厚が２０μｍであるダイシングブレードを使用してダイシングを行うようにしている。この場合の切断部３４の幅は、ダイシングの条件にもよるが、通常は、ダイシングブレードの刃厚よりもわずかに大きく、２０μｍ〜２４μｍ程度となる。ダイシングブレードの刃厚は、高分子層３２の幅を考慮して適宜選択することができ、切断部３４の幅が上記範囲となるように選択することがより好ましい。
【００３１】
従来の超音波探触子では、分極された圧電体に対してダイシングし、超音波振動子を形成するようにしていたので、ダイシングに伴う機械的衝撃及び摩擦熱により、圧電体の脱分極（減極ともいう）が引き起こされ、超音波振動子の感度が劣化する。分極処理時における分極強度を１００％とした場合、従来の超音波探触子の製造方法によれば、経験上、平均して約１０％の減極が振動子毎に生じている。このように脱分極化された超音波振動子に対して、従来では、再度高電圧を印加する再分極処理が行われていたが、個々の振動子に対して適切な分極処理が行われる必要があるため、分極のための検討事項が多く煩雑であった。
【００３２】
これに対し、本実施の形態では、圧電素子３１を直接切断することなく、高分子層３２を切断することにより、超音波振動子３３を形成するようにしたので、圧電素子３１に対する衝撃は小さく、また、摩擦熱も伝達されにくくなるので、圧電素子３１の脱分極の影響を極めて小さくすることができるようになる。本実施の形態によれば、従来のように圧電体を直接切断するものに比べ、圧電定数の劣化を約１０％改善することができる。
【００３３】
なお、本実施の形態では、高分子層３２毎に切断を行ったが、所定数の高分子層３２毎に切断を行って超音波探触子を形成するようにしてもよい。例えば、図４に示すように、３つの高分子層３２毎に切断を行うようにすると、３つの圧電素子３１により１チャンネルの超音波振動子３３ａが形成された超音波探触子１００ｂを形成することができる。この場合、超音波振動子３３ａの素子ピッチは１００μｍ×３＝３００μｍとなる。
【００３４】
（第２の実施の形態）
次に、図５〜図７を参照しながら、第２の実施の形態に係る超音波探触子の製造方法について説明する。
【００３５】
先ず、第１工程として、図５に示すように、図上正面視下方から、バッキング層２１０、電極２２１、複合圧電体２３０、共通電極２２２、音響整合層２４０の順に、接着し積層された中間積層体２００ａを形成する。
第２の実施の形態では、複合圧電体２３０の構成及び切断処理において、第１の実施の形態と相異する他は、第１の実施の形態と同様であるため、第１の実施の形態と相異する点について主に説明し、第１の実施の形態と同一の構成については、説明を省略する。
【００３６】
本実施の形態における複合圧電体２３０は、図６に示すように、方形状の圧電素子２３１が所定間隔で２次元アレイ状に複数配列され、複数の圧電素子２３１によって形成された間隙に高分子層２３２が形成された、いわゆる、１−３コンポジット圧電体である。本実施の形態において、圧電素子２３１のＸ方向及びＹ方向における外形寸法は７０×７０μｍとしている。また、高分子層２３２のＸ方向又はＹ方向の幅寸法は３０μｍとしている。すなわち、圧電素子２３１のＸ方向及びＹ方向のピッチはそれぞれ１００μｍである。その他の複合圧電体２３０の各部材質や製造方法については、第１の実施の形態における複合圧電体を同一であるため、説明を省略する。
【００３７】
次に、第２工程として、上述のようにして形成された中間積層体２００ａに対して切断処理を行って、超音波探触子２００を形成する。
すなわち、第２の実施の形態では、図７に示すように、上述のようにして形成された中間積層体２００ａに対し、高分子層２３２に沿って、Ｘ方向及びＹ方向に、音響整合層２４０側からバッキング層２１０にかけて、ダイシングブレードにて所定間隔で切断する。その結果、中間積層体２００ａが複数に分割され、複数チャンネルの超音波振動子２３３が２次元アレイ状に形成された超音波探触子２００が形成される。超音波振動子２３３の間には、切断を行ったダイシングブレードの幅の空隙からなる切断部２３４が形成される。
【００３８】
このように、第２の実施の形態のように、２次元アレイ状の超音波振動子としても、第１の実施の形態と同様の効果が得られる超音波探触子を製造することができる。
【００３９】
なお、第２の実施の形態では、複合圧電体２３０に対してＸ方向及びＹ方向の両方向に切断を行ったが、Ｙ方向のみに切断を行って超音波振動子を１次元アレイ状に形成するようにしてもよい。これによれば、１チャンネルにおける超音波振動子に対する高分子層の割合が大きくなり、超音波振動子全体のインピーダンスを下げることができる。
また、第２の実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に、所定数の高分子層３２毎に切断を行うようにしてもよい。
【００４０】
（第３の実施の形態）
次に、図８及び図９を参照しながら、第３の実施の形態に係る超音波探触子の製造方法について説明する。
【００４１】
第３の実施の形態に係る超音波探触子１００ｃは、図８に示すように、第１の実施の形態において上述した要領にて超音波探触子１００を形成した後、切断部３４に所定の充填剤を充填して分離部６０を形成するとともに、音響整合層４０の上面に音響レンズ５０を積層することにより形成されている。
その他の構成については、第１の実施の形態と同様であるため、第１の実施の形態と相異する点について主に説明し、第１の実施の形態と同一の構成については、説明を省略する。
【００４２】
本実施の形態における音響レンズ５０は、屈折を利用して超音波ビームを集束し分解能を向上するために配置されるものである。すなわち、音響レンズ５０は、超音波探触子１００ｂの被検体と接する側に設けられ、超音波振動子３３にて発生された超音波を、被検体に効率よく入射させる。音響レンズ５０は、被検体と接する部分で、内部の音速に応じて凸型又は凹型のレンズ形状を有し、被検体に入射される超音波を、撮像断面と直交する厚さ方向（エレベーション方向）で収束させる。
【００４３】
音響レンズ５０は、概ね被検体及び音響整合層４０の中間の音響インピーダンスを有する軟質の高分子材料により形成される。
【００４４】
音響レンズ５０を構成する素材としては、従来公知のシリコーン系ゴム、ブタジエン系ゴム、ポリウレタンゴム、エピクロルヒドリンゴム等のホモポリマー、エチレンとプロピレンとを共重合させてなるエチレン−プロピレン共重合体ゴム等の共重合体ゴム等が適用可能である。これらのうち、シリコーン系ゴム及びブタジエン系ゴムを用いることが好ましい。
【００４５】
本実施の形態に適用されるシリコーン系ゴムとしては、シリコーンゴム、フッ素シリコーンゴム等が挙げられる。特に、レンズ材の特性上、シリコーンゴムを使用するのが好ましい。シリコーンゴムとは、Ｓｉ−Ｏ結合からなる分子骨格を有し、そのＳｉ原子に複数の有機基が主結合したオルガノポリシロキサンをいい、通常は、その主成分はメチルポリシロキサンで、全体の有機基のうち９０％以上はメチル基である。メチル基に代えて水素原子、フェニル基、ビニル基、アリル基等を導入したものを使用することもできる。シリコーンゴムは、例えば、高重合度のオルガノポリシロキサンに過酸化ベンゾイルなどの硬化剤（加硫剤）を混練し、加熱加硫し硬化させることにより得ることができる。必要に応じてシリカ、ナイロン粉末等の有機又は無機充填剤、硫黄、酸化亜鉛等の加硫助剤等を添加してもよい。
【００４６】
本実施の形態に適用されるブタジエン系ゴムとしては、ブタジエン単独又はブタジエンを主体としこれに少量のスチロール又はアクリロニトリルが共重合した共重合ゴム等が挙げられる。特に、レンズ材の特性上、ブタジエンゴムを使用することが好ましい。ブタジエンゴムとは、共役二重結合を有するブタジエンの重合により得られる合成ゴムをいう。ブタジエンゴムは、共役二重結合を有するブタジエン単独が１．４又は１．２重合することにより得ることができる。ブタジエンゴムは、硫黄等により加硫させたものが使用できる。
【００４７】
本実施の形態に係る音響レンズ５０では、シリコーン系ゴムとブタジエン系ゴムとを混合し加硫硬化させることにより生成されたものを使用する。例えば、シリコーンゴムとブタジエンゴムとを適宜割合で、混練ロールにより、混合し、過酸化ベンゾイルなどの加硫剤を添加し、加熱加硫し架橋（硬化）させることにより得ることができる。その際に、加硫助剤として、酸化亜鉛を添加することが好ましい。酸化亜鉛は、レンズ特性を落とさずに、加硫促進を促し、加硫時間を短縮できる。他に、着色剤や音響レンズの特性を損なわない範囲内で他の添加剤を添加してもよい。シリコーン系ゴムとブタジエン系ゴムとの混合割合は、適宜設定することができるが、音響インピーダンスが被検体に近似するとともに、音響レンズ５０内における音速が被検体よりも小さく、減衰が少なくなるように設定するのが好ましく、１：１が最適である。
【００４８】
シリコーンゴムは、市販品として入手することができ、例えば信越化学社製、ＫＥ７４２Ｕ、ＫＥ７５２Ｕ、ＫＥ９３１Ｕ、ＫＥ９４１Ｕ、ＫＥ９５１Ｕ、ＫＥ９６１Ｕ、ＫＥ８５０Ｕ、ＫＥ５５５Ｕ、ＫＥ５７５Ｕ等や、モメンティブパフォーマンスマテリアル社製のＴＳＥ２２１−３Ｕ、ＴＥ２２１−４Ｕ、ＴＳＥ２２３３Ｕ、ＸＥ２０−５２３−４Ｕ、ＴＳＥ２７−４Ｕ、ＴＳＥ２６０−３Ｕ、ＴＳＥ−２６０−４Ｕやダウコーニング東レ社製のＳＨ３５Ｕ、ＳＨ５５ＵＡ、ＳＨ８３１Ｕ、ＳＥ６７４９Ｕ、ＳＥ１１２０ＵＳＥ４７０４Ｕなどを用いることができる。
【００４９】
なお、本実施の形態においては、上記シリコーン系ゴム等のゴム素材をベース（主成分）として、音速調整、密度調整等の目的に応じ、シリカ、アルミナ、酸化チタンなどの無機充填剤や、ナイロンなどの有機樹脂等を配合することもできる。
【００５０】
音響レンズ５０は、分離部６０を形成する充填剤により、音響整合層４０の上面に接着される。
すなわち、本実施の形態では、切断部３４に充填する充填剤として接着剤を適用し、これにより分離部６０を形成する。そして、充填剤を切断部３４から充溢させて、音響整合層４０の表面に接着層６１を形成する。音響整合層４０の表面に形成された接着層６１上に音響レンズ５０を積層し、接着層６１を硬化させることにより、音響レンズ５０が音響整合層４０に対して接着される。
【００５１】
ここで、切断部３４に充填される接着剤としては、エポキシ樹脂系、シリコーン系、ウレタン樹脂系、ポリエチレン樹脂系、ポリウレタン樹脂系等の有機合成系接着剤が適用可能である。なお、分離部６０を形成する充填剤の材料と、接着層６１を形成する材料とを異ならせるようにしてもよい。この場合、分離部６０を形成する充填剤の材料としては、各種有機高分子材が適用できるが、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリウレタン樹脂等の各種樹脂、あるいは、シリコーンゴム、ウレタンゴム、ブタジエンゴム等の各種ゴムが好適である。また、接着層６１を形成する接着剤は、上述した各種有機合成系接着剤が適用可能である。特に、分離部６０を形成する充填剤としては、横波の伝搬を低減させるために、超音波振動子３３において構成される圧電素子３１の占積率や送信周波数に応じて生じる位相波等の影響を考慮して選択するのがよく、レイリー波速度が１５００ｍ／ｓ以下である材料を含むものが好ましい。また、本実施の形態においては、音響レンズ５０が剥がれ難く、高分子層３２よりも硬度が小さいものを適用するのがより好ましい。このようにすれば、超音波探触子１００ｂの強度を保つことができ、音響クロストークが生じにくくなる。本実施の形態では、シリコーン系接着剤を適用している。
【００５２】
なお、本実施の形態では、第１の実施の形態における超音波探触子１００に対して適用したものを例に説明したが、第２の実施の形態における超音波探触子２００に対しても適用できることは言うまでもない。
また、分離部６０のみ設け、音響レンズ５０を設けない構成としてもよい。
【００５３】
以上説明したように、本発明の第１〜第３の実施の形態によれば、第１の工程において、少なくとも１次元アレイ状に所定間隔に配列された複数の柱状の圧電素子３１（２３１）と、圧電素子３１（２３１）の間に位置する高分子材からなる高分子層３２（２３２）とを有し、超音波を送受する面及びそれに対向する面に電極２１（２２１）及び共通電極２２（２２２）がそれぞれ設けられた複合圧電体３０（２３０）に、音響整合層４０（２４０）及びバッキング層１０（２１０）を積層して設ける。そして、第２の工程において、複合圧電体３０（２３０）を、バッキング層１０（２１０）が設けられる側とは反対側から、音響整合層４０（２４０）とともに、高分子層３２（２３２）に沿って切断して、超音波振動子３３（２３３）をアレイ状に複数形成する。その結果、分極処理された圧電素子を切断することなく超音波振動子を形成することができるので、分極処理された圧電体の切削加工による圧電効果の劣化を抑制することができる超音波探触子を製造することができる。
【００５４】
また、本発明の第１〜第３の実施の形態によれば、高分子層３２（２３２）が硬質樹脂によって形成されているので、切断処理時の機械加工性がよく、高精度な切断処理を行うことができる。
【００５５】
また、本発明の第３の実施の形態によれば、高分子層３２（２３２）を切断して形成された切断部３４（２３４）に高分子層３２（２３２）を構成する高分子材よりも硬度の小さい材料を充填する第３の工程をさらに含む。その結果、音響クロストークを抑制しつつ、超音波探触子の強度を確保することができる。
【００５６】
また、本発明の第３の実施の形態によれば、第１の工程において、音響整合層４０、複合圧電体３０、バッキング層１０の順にこれらを積層する。そして、第３の工程において、切断部３４（２３４）に高分子系接着剤を充溢するとともに、音響レンズ５０を、充溢した高分子系接着剤にて前記音響整合層４０の表面に貼着する。その結果、音響レンズが剥がれ難くなる。また、切断部３４に充填する作業と音響レンズの接着剤作業とを同時に行うことができるので、音響レンズの取り付け工程が簡素化できる。
【００５７】
また、本発明の第１〜第３の実施の形態によれば、圧電素子３１（２３１）の配列方向における高分子層３２（２３２）の幅が、第２の工程において切断によって生じる溝の幅の１１０％〜１５０％であるので、圧電材を直接切断して超音波振動子を形成する場合と比較して圧電定数の劣化を改善することができる。
【００５８】
なお、本発明の実施の形態における記述は、本発明に係る超音波探触子の一例であり、これに限定されるものではない。超音波探触子を構成する各機能部の細部構成及び細部動作に関しても適宜変更可能である。
【００５９】
また、本実施の形態では、複合圧電体３０（２３０）を切断するとき、バッキング層１０（２１０）を基台とし、音響整合層４０（２４０）より切断して超音波振動子３３（２３３）を形成するようにしたが、以下のようにして超音波振動子を形成することもできる。すなわち、例えば、複合圧電体と音響整合層とを積層し上で、基台としての捨て板を音響整合層の表面に貼着し、複合圧電体側から高分子層に沿って捨て板にかけて切断する。そして、切断後の複合圧電体に対してバッキング層を取り付け、捨て板を音響整合層から取り外す。このように超音波振動子を形成するようにしても、同様の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００６０】
１００，１００ｂ，１００ｃ 超音波探触子
１００ａ 中間積層体
１０ バッキング層
２１ 電極
２２ 共通電極
３０ 複合圧電体
３１ 圧電素子
３２ 高分子層
３３ 超音波振動子
３４ 切断部
４０ 音響整合層
５０ 音響レンズ
２００ 超音波探触子
２００ａ 中間積層体
２１０ バッキング層
２２１ 電極
２２２ 共通電極
２３０ 複合圧電体
２３１ 圧電素子
２３２ 高分子層
２３３ 超音波振動子
２３４ 切断部
２４０ 音響整合層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波探触子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、超音波探触子は医用超音波診断装置、超音波探傷装置及びソナー等の装置において用いられている。この超音波探触子は、方位方向に列状に配列された複数の超音波振動子を備えて構成されている。この超音波振動子間は溝が形成されており、これにより、超音波振動子が個々に分割されている。
【０００３】
従来は、このような超音波振動子を、１枚の圧電体と音響整合層とを積層し、ダイシングにより所定ピッチ毎に切込みを入れることにより複数の振動子を形成するようにしていた（例えば、特許文献１、２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−３０３６３７号公報
【特許文献２】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】
【０００５】
しかしながら、上記各特許文献に記載の技術は何れも、ダイシングにより圧電体を切断する前に、圧電体の上下両面に設けられる電極に電界を印加することにより分極処理が行われる必要がある。そして、分極が行われた圧電体に対し、ダイシングが行われるので、ダイシングによる切削加工時において生じる熱や機械的衝撃により、切断後の圧電体（圧電素子）に脱分極が生じる。脱分極が生じた圧電素子は圧電効果が劣化し、超音波の受信における感度が低下して正確な受信信号を得ることができない等、性能の低下という問題が生じる。これに対し、上記特許文献２に記載の技術では、脱分極した圧電素子に対して再分極を行うようにしているが、切断後の圧電素子に対して個別に再分極を行う場合には、様々な条件を検討する必要がある等、大変手間がかかる作業となる。
【０００６】
本発明の課題は、分極処理された圧電体の切削加工による圧電効果の劣化を抑制することができる超音波探触子の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、超音波を送受する超音波振動子がアレイ状に配列された超音波探触子の製造方法であって、
少なくとも１次元アレイ状に所定間隔にて配列された複数の柱状の圧電素子と、該圧電素子の間に位置する高分子材からなる高分子層とを有し、超音波を送受する面及びそれに対向する面に一対の電極層が設けられた複合圧電体に、音響整合層及び基台を積層して設ける第１工程と、
前記複合圧電体を、前記基台が設けられる側とは反対側から、前記音響整合層とともに、前記高分子層に沿って切断して、前記超音波振動子をアレイ状に複数形成する第２工程と、
を含むことを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の超音波探触子の製造方法において、
前記複合圧電体は、硬質樹脂によって前記高分子層が形成されている。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の超音波探触子の製造方法において、
前記高分子層を切断して形成された切断部に前記高分子層を構成する高分子材よりも硬度の小さい材料を充填する第３工程をさらに含むことを特徴とする。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の超音波探触子の製造方法において、
前記基台はバッキング層であって、
前記第１の工程において、前記音響整合層、前記複合圧電体、前記バッキング層の順にこれらを積層し、
前記第３の工程において、前記切断部に有機合成系接着剤を充溢するとともに、音響レンズを、充溢した前記有機合成系接着剤にて前記音響整合層の表面に貼着することを特徴とする。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４の何れか一項に記載の超音波探触子の製造方法において、
前記複合圧電体は、前記圧電素子の配列方向における前記高分子層の幅が、前記第２の工程において切断によって生じる溝の幅の１１０％〜１５０％である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、分極処理された圧電体の切削加工による圧電効果の劣化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施の形態に係る超音波探触子の製造方法によって製造される超音波探触子の中間積層体の内部構造を模式的に表す斜視図である。
【図２】図１に示される中間積層体のうち、音響整合層及び共通電極を省略して表した斜視図である。
【図３】第１の実施の形態に係る製造方法にて製造された超音波探触子の内部構造を模式的に表す斜視図である。
【図４】本実施の形態に係る超音波探触子の製造方法の他の切断加工例について説明する側面図である。
【図５】第２の実施の形態に係る超音波探触子の製造方法によって製造される超音波探触子の中間積層体の内部構造を模式的に表す斜視図である。
【図６】図５に示される中間積層体のうち、音響整合層及び電極を省略して表した斜視図である。
【図７】第２の実施の形態に係る製造方法にて製造された超音波探触子の内部構造を模式的に表す斜視図である。
【図８】第３の実施の形態に係る製造方法にて製造された超音波探触子の内部構造を模式的に表す斜視図である。
【図９】図８に示される超音波探触子の部分拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。ただし、発明の範囲は図示例に限定されない。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有するものについては、同一の符号を付し、その説明を省略する。
本発明の実施の形態において適用される超音波探触子は、医用超音波診断装置の主要構成部品であって、電気信号が与えられることにより超音波を送信し、超音波を受信することより電気信号を出力する機能を有するものである。
【００１５】
（第１の実施の形態）
最初に、図１〜図３を参照しながら、第１の実施の形態に係る超音波探触子の製造方法について説明する。
【００１６】
先ず、第１工程として、図１に示すように、図上正面視下方から、バッキング層１０、電極２１、複合圧電体３０、共通電極２２、音響整合層４０の順に、接着し積層された中間積層体１００ａを形成する。
【００１７】
バッキング層１０は、複合圧電体３０を支持し、不要な超音波を吸収し得る超音波吸収体である。すなわち、バッキング層１０は、複合圧電体３０の被検体に超音波を送受信する方向と反対の板面に装着され、被検体の方向の反対側に発生する超音波を吸収する。
【００１８】
バッキング層１０を構成するバッキング材としては、天然ゴム、フェライトゴム、エポキシ樹脂や、これらの材料に酸化タングステンや酸化チタン、フェライト等の粉末を入れてプレス成形したゴム系複合材やエポキシ樹脂複合材、塩化ビニル、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）、ＡＢＳ樹脂、ポリウレタン（ＰＵＲ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡＬ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴＰ）、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ）ポリエチレングリコール、ポリエチレンテレフタレート−ポリエチレングリコール共重合体などの熱可塑性樹脂などが適用できる。
【００１９】
好ましいバッキング材としては、ゴム系複合材料、及び／又は、エポキシ樹脂複合材からなるものであり、その形状は複合圧電体３０やこれを含むプローブヘッドの形状に応じて、適宜選択することができる。
【００２０】
複合圧電体３０の超音波を送受する面及びそれに対向する面には、一対の電極層である電極２１と共通電極２２とが設けられている。電極２１は、図示しない信号引き出しフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）からの電源電圧を複合圧電体３０に対して印加する。また、共通電極２２は、図示しないグランド引き出しＦＰＣを通じてアース接続される。なお、複合圧電体３０の側面に回り込み電極を設け、圧電体下面側で電極２１と絶縁されるように共通電極２２を引き出す構成にし、ＦＰＣを通じて電源やアースと接続してもよい。
【００２１】
電極２１及び共通電極２２に用いられる材料としては、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、スズ（Ｓｎ）などが挙げられる。電極２１及び共通電極２２は、まず、チタン（Ｔｉ）やクロム（Ｃｒ）などの下地金属をスパッタ法により０．００２〜１．０μｍの厚さに形成した後、上記金属元素を主体とする金属及びそれらの合金からなる金属材料、さらには必要に応じ一部絶縁材料をスパッタ法、蒸着法その他の適当な方法で０．０２〜１０μｍの厚さに形成する。これらの電極形成はスパッタ法以外でも微粉末の金属粉末と低融点ガラスを混合した導電ペーストをスクリーン印刷やディッピング法、溶射法で形成することもできる。
【００２２】
複合圧電体３０は、図２に示すように、角柱状の圧電素子３１及び高分子層３２が交互に１次元アレイ状に配列して構成された、いわゆる、２−２コンポジット圧電体である。本実施の形態において、圧電素子３１及び高分子層３２のＸ方向（配列方向）における外形寸法は、それぞれ、圧電素子３１を７０μｍとし、高分子層３２を３０μｍとしている。すなわち、圧電素子３１と高分子層３２の配列のピッチは１００μｍである。ここで、高分子層３２のＸ方向における寸法は、所定の振動子ピッチに適合するように設定するのが好ましい。また、本実施の形態では、説明を容易にするために、５つの圧電素子３１と、その間の４つの高分子層３２とによって表しているが、実際には、多数（例えば、１９２個）の圧電素子３１が設けられ、各圧電素子間にそれぞれ高分子層３２が設けられた構成となっている。
【００２３】
圧電素子３１に用いられる材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、リラクサ系，ニオブ酸鉛系及びチタン酸鉛系のセラミック等の圧電セラミックや、チタン酸亜鉛酸ニオブ酸鉛（ＰＺＮＴ）、マグネシウム酸ニオブ酸チタン酸（ＰＭＮＴ）等の単結晶が好適である。
高分子層３２を構成する高分子材としては、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリウレタン樹脂等の有機合成高分子材を用いることができる。なお、天然ゴム等の有機天然高分子材を適用してもよい。これらの有機高分子材は、上述した圧電材料に比べて比熱が大きく、熱伝導率が小さいので、後述する切断処理において発生する摩擦熱等の熱ダメージを抑制することができる。例えば、エポキシ樹脂は、熱伝導率が約０．２Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、比熱及び熱伝導率の点で有利である。また、これらの有機高分子材は、切断処理時における圧電材料に対する物理的損傷を防止することができる。本実施の形態に適用される有機高分子材は、切断処理時の切削加工精度を良好にするため所定の硬度を有する硬質樹脂を適用するのがよく、例えば、ロックウェル硬度が８０以上のものが好適である。また、アレイ化した後の素子特性を良好にするため、高分子材の音速として１ｋｍ／ｓ以上が好適である。本実施の形態では、音速が２ｋｍ／ｓ以上であり、ロックウェル硬度がＭ８０以上であるエポキシ樹脂を適用している。なお、有機高分子材に代えて、無機高分子材を適用してもよい。
【００２４】
上述のように構成された複合圧電体３０は、公知の製造方法により製造される。すなわち、上記圧電セラミックや単結晶等の圧電材を所定の大きさに切削して所定間隔の間隙を設けて複数の圧電素子３１を形成する。複数の圧電素子３１をモールドにより成形してもよい。そして、複数の圧電素子３１間における間隙に上記高分子材を充填・硬化させて高分子層３２を形成する。そして、所定厚みとなるように、一体化された圧電素子３１及び高分子層３２の上下面を研磨して複合圧電体３０が形成される。研磨済みの複合圧電体３０は、上下面に電極が挟着され、所定の分極電圧が印加されて分極処理がなされる。
【００２５】
音響整合層４０は、超音波振動子と被検体の間の音響インピーダンスを整合させ、境界面での反射を抑制するものである。音響整合層４０は、複合圧電体３０の、超音波の送受信が行われる送受信方向である被検体側に、共通電極２２を介して装着される。音響整合層４０は、複合圧電体３０と被検体との概ね中間の音響インピーダンスを有する。
【００２６】
音響整合層４０に用いられる材料としては、アルミ、アルミ合金（例えばＡＬ−Ｍｇ合金）、マグネシウム合金、マコールガラス、ガラス、溶融石英、コッパーグラファイト、ＰＥ（ポリエチレン）やＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＡＢＣ樹脂、ＡＢＳ樹脂、ＡＡＳ樹脂、ＡＥＳ樹脂、ナイロン（ＰＡ６、ＰＡ６−６）、ＰＰＯ（ポリフェニレンオキシド）、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド：ガラス繊維入りも可）、ＰＰＥ（ポリフェニレンエーテル）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＡＩ（ポリアミドイミド）、ＰＥＴＰ（ポリエチレンテレフタレート）、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂等を用いることができる。好ましくはエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂に、充填剤として、亜鉛華、酸化チタン、シリカやアルミナ、ベンガラ、フェライト、酸化タングステン、酸化イットリビウム、硫酸バリウム、タングステン、モリブデン等を入れて成形したものが適用できる。
【００２７】
音響整合層４０は、単層でもよいし複数層から構成されてもよいが、好ましくは２層以上、より好ましくは４層以上である。音響整合層４０の層厚は、超音波の波長をλとすると、λ／４となるように定めるのが好ましい。音響整合層４０の層厚が適切になされないと、本来の共振周波数とは異なる周波数ポイントに複数の不要スプリアスが出現し、基本音響特性が大きく変動してしまう場合がある。結果、残響時間の増加、反射エコーの波形歪みによる感度やＳ／Ｎの低下を引き起こす場合がある。このような音響整合層の厚さとしては、通常、概ね２０〜５００μｍの範囲のものが用いられる。
【００２８】
上述した各部を積層して中間積層体１００ａを形成する。すなわち、先ず、上述した分極処理済みの複合圧電体３０に形成した電極２１に対してバッキング材を貼着してバッキング層１０を形成するとともに、共通電極２２に対して音響整合層４０を貼着し、中間積層体１００ａを形成する。なお、電極２１及び共通電極２２を複合圧電体３０に直接設けず、それぞれ圧電体３０を挟んで接着されるＦＰＣ及び音響整合層４０に対し挟着した後に、これらを複合圧電体３０に対して接着するようにしてもよい。
【００２９】
次に、第２工程として、上述のようにして形成された中間積層体１００ａに対して切断処理を行って、超音波探触子１００を形成する。
【００３０】
本実施の形態では、図３に示すように、上述のようにして形成された中間積層体１００ａに対し、バッキング層１０を基台として、高分子層３２に沿って、Ｙ方向に、音響整合層４０側からバッキング層１０にかけて、ダイシングブレードにて所定間隔でダイシングする。このとき、高分子層３２が一部残存するような切断幅となるダイシングブレードが選択される。その結果、複合圧電体３０が複数に分割され、複数チャンネルの超音波振動子３３が１次元アレイ状に形成された超音波探触子１００が形成される。超音波振動子３３の間には、切断を行ったダイシングブレードの刃厚に応じた幅の空隙からなる切断部３４が形成される。本実施の形態では、所定間隔で配置された高分子層３２毎に切断するので、この超音波振動子３３の素子ピッチ（所定間隔で切断されて形成された素子のピッチ）は、圧電素子３１と高分子層３２の配列のピッチと同じ（上述の例の場合は１００μｍ）となる。ここで、高分子層３２の幅は、切断部３４の幅に対し、１１０〜１５０％とすることが好ましい。このようにすると、ダイシングブレードによるダイシング時におけるずれや切削摩耗を含めても、ダイシングの際に圧電素子３１にダイシングブレードが直接接触することがない。また、ダイシング後に高分子層３２が残存するため、圧電素子３１単体のみによって構成するものに比べ、圧電素子３１のアスペクト比が大きくなる。従って、入力エネルギーの効率がよく、厚み方向の振動の変換効率を向上させることができる。また、超音波振動子３３全体に対する高分子層３２の割合が大きいほど、生体等の被検体に対するマッチングが良化され、被検体に対して効率よく超音波を送信することができるようになる。本実施の形態では、上述したように、送信超音波の波長との関係で高分子層３２の幅を３０μｍとしているため、刃厚が２０μｍであるダイシングブレードを使用してダイシングを行うようにしている。この場合の切断部３４の幅は、ダイシングの条件にもよるが、通常は、ダイシングブレードの刃厚よりもわずかに大きく、２０μｍ〜２４μｍ程度となる。ダイシングブレードの刃厚は、高分子層３２の幅を考慮して適宜選択することができ、切断部３４の幅が上記範囲となるように選択することがより好ましい。
【００３１】
従来の超音波探触子では、分極された圧電体に対してダイシングし、超音波振動子を形成するようにしていたので、ダイシングに伴う機械的衝撃及び摩擦熱により、圧電体の脱分極（減極ともいう）が引き起こされ、超音波振動子の感度が劣化する。分極処理時における分極強度を１００％とした場合、従来の超音波探触子の製造方法によれば、経験上、平均して約１０％の減極が振動子毎に生じている。このように脱分極化された超音波振動子に対して、従来では、再度高電圧を印加する再分極処理が行われていたが、個々の振動子に対して適切な分極処理が行われる必要があるため、分極のための検討事項が多く煩雑であった。
【００３２】
これに対し、本実施の形態では、圧電素子３１を直接切断することなく、高分子層３２を切断することにより、超音波振動子３３を形成するようにしたので、圧電素子３１に対する衝撃は小さく、また、摩擦熱も伝達されにくくなるので、圧電素子３１の脱分極の影響を極めて小さくすることができるようになる。本実施の形態によれば、従来のように圧電体を直接切断するものに比べ、圧電定数の劣化を約１０％改善することができる。
【００３３】
なお、本実施の形態では、高分子層３２毎に切断を行ったが、所定数の高分子層３２毎に切断を行って超音波探触子を形成するようにしてもよい。例えば、図４に示すように、３つの高分子層３２毎に切断を行うようにすると、３つの圧電素子３１により１チャンネルの超音波振動子３３ａが形成された超音波探触子１００ｂを形成することができる。この場合、超音波振動子３３ａの素子ピッチは１００μｍ×３＝３００μｍとなる。
【００３４】
（第２の実施の形態）
次に、図５〜図７を参照しながら、第２の実施の形態に係る超音波探触子の製造方法について説明する。
【００３５】
先ず、第１工程として、図５に示すように、図上正面視下方から、バッキング層２１０、電極２２１、複合圧電体２３０、共通電極２２２、音響整合層２４０の順に、接着し積層された中間積層体２００ａを形成する。
第２の実施の形態では、複合圧電体２３０の構成及び切断処理において、第１の実施の形態と相異する他は、第１の実施の形態と同様であるため、第１の実施の形態と相異する点について主に説明し、第１の実施の形態と同一の構成については、説明を省略する。
【００３６】
本実施の形態における複合圧電体２３０は、図６に示すように、方形状の圧電素子２３１が所定間隔で２次元アレイ状に複数配列され、複数の圧電素子２３１によって形成された間隙に高分子層２３２が形成された、いわゆる、１−３コンポジット圧電体である。本実施の形態において、圧電素子２３１のＸ方向及びＹ方向における外形寸法は７０×７０μｍとしている。また、高分子層２３２のＸ方向又はＹ方向の幅寸法は３０μｍとしている。すなわち、圧電素子２３１のＸ方向及びＹ方向のピッチはそれぞれ１００μｍである。その他の複合圧電体２３０の各部材質や製造方法については、第１の実施の形態における複合圧電体を同一であるため、説明を省略する。
【００３７】
次に、第２工程として、上述のようにして形成された中間積層体２００ａに対して切断処理を行って、超音波探触子２００を形成する。
すなわち、第２の実施の形態では、図７に示すように、上述のようにして形成された中間積層体２００ａに対し、高分子層２３２に沿って、Ｘ方向及びＹ方向に、音響整合層２４０側からバッキング層２１０にかけて、ダイシングブレードにて所定間隔で切断する。その結果、中間積層体２００ａが複数に分割され、複数チャンネルの超音波振動子２３３が２次元アレイ状に形成された超音波探触子２００が形成される。超音波振動子２３３の間には、切断を行ったダイシングブレードの幅の空隙からなる切断部２３４が形成される。
【００３８】
このように、第２の実施の形態のように、２次元アレイ状の超音波振動子としても、第１の実施の形態と同様の効果が得られる超音波探触子を製造することができる。
【００３９】
なお、第２の実施の形態では、複合圧電体２３０に対してＸ方向及びＹ方向の両方向に切断を行ったが、Ｙ方向のみに切断を行って超音波振動子を１次元アレイ状に形成するようにしてもよい。これによれば、１チャンネルにおける超音波振動子に対する高分子層の割合が大きくなり、超音波振動子全体のインピーダンスを下げることができる。
また、第２の実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に、所定数の高分子層３２毎に切断を行うようにしてもよい。
【００４０】
（第３の実施の形態）
次に、図８及び図９を参照しながら、第３の実施の形態に係る超音波探触子の製造方法について説明する。
【００４１】
第３の実施の形態に係る超音波探触子１００ｃは、図８に示すように、第１の実施の形態において上述した要領にて超音波探触子１００を形成した後、切断部３４に所定の充填剤を充填して分離部６０を形成するとともに、音響整合層４０の上面に音響レンズ５０を積層することにより形成されている。
その他の構成については、第１の実施の形態と同様であるため、第１の実施の形態と相異する点について主に説明し、第１の実施の形態と同一の構成については、説明を省略する。
【００４２】
本実施の形態における音響レンズ５０は、屈折を利用して超音波ビームを集束し分解能を向上するために配置されるものである。すなわち、音響レンズ５０は、超音波探触子１００ｂの被検体と接する側に設けられ、超音波振動子３３にて発生された超音波を、被検体に効率よく入射させる。音響レンズ５０は、被検体と接する部分で、内部の音速に応じて凸型又は凹型のレンズ形状を有し、被検体に入射される超音波を、撮像断面と直交する厚さ方向（エレベーション方向）で収束させる。
【００４３】
音響レンズ５０は、概ね被検体及び音響整合層４０の中間の音響インピーダンスを有する軟質の高分子材料により形成される。
【００４４】
音響レンズ５０を構成する素材としては、従来公知のシリコーン系ゴム、ブタジエン系ゴム、ポリウレタンゴム、エピクロルヒドリンゴム等のホモポリマー、エチレンとプロピレンとを共重合させてなるエチレン−プロピレン共重合体ゴム等の共重合体ゴム等が適用可能である。これらのうち、シリコーン系ゴム及びブタジエン系ゴムを用いることが好ましい。
【００４５】
本実施の形態に適用されるシリコーン系ゴムとしては、シリコーンゴム、フッ素シリコーンゴム等が挙げられる。特に、レンズ材の特性上、シリコーンゴムを使用するのが好ましい。シリコーンゴムとは、Ｓｉ−Ｏ結合からなる分子骨格を有し、そのＳｉ原子に複数の有機基が主結合したオルガノポリシロキサンをいい、通常は、その主成分はメチルポリシロキサンで、全体の有機基のうち９０％以上はメチル基である。メチル基に代えて水素原子、フェニル基、ビニル基、アリル基等を導入したものを使用することもできる。シリコーンゴムは、例えば、高重合度のオルガノポリシロキサンに過酸化ベンゾイルなどの硬化剤（加硫剤）を混練し、加熱加硫し硬化させることにより得ることができる。必要に応じてシリカ、ナイロン粉末等の有機又は無機充填剤、硫黄、酸化亜鉛等の加硫助剤等を添加してもよい。
【００４６】
本実施の形態に適用されるブタジエン系ゴムとしては、ブタジエン単独又はブタジエンを主体としこれに少量のスチロール又はアクリロニトリルが共重合した共重合ゴム等が挙げられる。特に、レンズ材の特性上、ブタジエンゴムを使用することが好ましい。ブタジエンゴムとは、共役二重結合を有するブタジエンの重合により得られる合成ゴムをいう。ブタジエンゴムは、共役二重結合を有するブタジエン単独が１．４又は１．２重合することにより得ることができる。ブタジエンゴムは、硫黄等により加硫させたものが使用できる。
【００４７】
本実施の形態に係る音響レンズ５０では、シリコーン系ゴムとブタジエン系ゴムとを混合し加硫硬化させることにより生成されたものを使用する。例えば、シリコーンゴムとブタジエンゴムとを適宜割合で、混練ロールにより、混合し、過酸化ベンゾイルなどの加硫剤を添加し、加熱加硫し架橋（硬化）させることにより得ることができる。その際に、加硫助剤として、酸化亜鉛を添加することが好ましい。酸化亜鉛は、レンズ特性を落とさずに、加硫促進を促し、加硫時間を短縮できる。他に、着色剤や音響レンズの特性を損なわない範囲内で他の添加剤を添加してもよい。シリコーン系ゴムとブタジエン系ゴムとの混合割合は、適宜設定することができるが、音響インピーダンスが被検体に近似するとともに、音響レンズ５０内における音速が被検体よりも小さく、減衰が少なくなるように設定するのが好ましく、１：１が最適である。
【００４８】
シリコーンゴムは、市販品として入手することができ、例えば信越化学社製、ＫＥ７４２Ｕ、ＫＥ７５２Ｕ、ＫＥ９３１Ｕ、ＫＥ９４１Ｕ、ＫＥ９５１Ｕ、ＫＥ９６１Ｕ、ＫＥ８５０Ｕ、ＫＥ５５５Ｕ、ＫＥ５７５Ｕ等や、モメンティブパフォーマンスマテリアル社製のＴＳＥ２２１−３Ｕ、ＴＥ２２１−４Ｕ、ＴＳＥ２２３３Ｕ、ＸＥ２０−５２３−４Ｕ、ＴＳＥ２７−４Ｕ、ＴＳＥ２６０−３Ｕ、ＴＳＥ−２６０−４Ｕやダウコーニング東レ社製のＳＨ３５Ｕ、ＳＨ５５ＵＡ、ＳＨ８３１Ｕ、ＳＥ６７４９Ｕ、ＳＥ１１２０ＵＳＥ４７０４Ｕなどを用いることができる。
【００４９】
なお、本実施の形態においては、上記シリコーン系ゴム等のゴム素材をベース（主成分）として、音速調整、密度調整等の目的に応じ、シリカ、アルミナ、酸化チタンなどの無機充填剤や、ナイロンなどの有機樹脂等を配合することもできる。
【００５０】
音響レンズ５０は、分離部６０を形成する充填剤により、音響整合層４０の上面に接着される。
すなわち、本実施の形態では、切断部３４に充填する充填剤として接着剤を適用し、これにより分離部６０を形成する。そして、充填剤を切断部３４から充溢させて、音響整合層４０の表面に接着層６１を形成する。音響整合層４０の表面に形成された接着層６１上に音響レンズ５０を積層し、接着層６１を硬化させることにより、音響レンズ５０が音響整合層４０に対して接着される。
【００５１】
ここで、切断部３４に充填される接着剤としては、エポキシ樹脂系、シリコーン系、ウレタン樹脂系、ポリエチレン樹脂系、ポリウレタン樹脂系等の有機合成系接着剤が適用可能である。なお、分離部６０を形成する充填剤の材料と、接着層６１を形成する材料とを異ならせるようにしてもよい。この場合、分離部６０を形成する充填剤の材料としては、各種有機高分子材が適用できるが、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリウレタン樹脂等の各種樹脂、あるいは、シリコーンゴム、ウレタンゴム、ブタジエンゴム等の各種ゴムが好適である。また、接着層６１を形成する接着剤は、上述した各種有機合成系接着剤が適用可能である。特に、分離部６０を形成する充填剤としては、横波の伝搬を低減させるために、超音波振動子３３において構成される圧電素子３１の占積率や送信周波数に応じて生じる位相波等の影響を考慮して選択するのがよく、レイリー波速度が１５００ｍ／ｓ以下である材料を含むものが好ましい。また、本実施の形態においては、音響レンズ５０が剥がれ難く、高分子層３２よりも硬度が小さいものを適用するのがより好ましい。このようにすれば、超音波探触子１００ｂの強度を保つことができ、音響クロストークが生じにくくなる。本実施の形態では、シリコーン系接着剤を適用している。
【００５２】
なお、本実施の形態では、第１の実施の形態における超音波探触子１００に対して適用したものを例に説明したが、第２の実施の形態における超音波探触子２００に対しても適用できることは言うまでもない。
また、分離部６０のみ設け、音響レンズ５０を設けない構成としてもよい。
【００５３】
以上説明したように、本発明の第１〜第３の実施の形態によれば、第１の工程において、少なくとも１次元アレイ状に所定間隔に配列された複数の柱状の圧電素子３１（２３１）と、圧電素子３１（２３１）の間に位置する高分子材からなる高分子層３２（２３２）とを有し、超音波を送受する面及びそれに対向する面に電極２１（２２１）及び共通電極２２（２２２）がそれぞれ設けられた複合圧電体３０（２３０）に、音響整合層４０（２４０）及びバッキング層１０（２１０）を積層して設ける。そして、第２の工程において、複合圧電体３０（２３０）を、バッキング層１０（２１０）が設けられる側とは反対側から、音響整合層４０（２４０）とともに、高分子層３２（２３２）に沿って切断して、超音波振動子３３（２３３）をアレイ状に複数形成する。その結果、分極処理された圧電素子を切断することなく超音波振動子を形成することができるので、分極処理された圧電体の切削加工による圧電効果の劣化を抑制することができる超音波探触子を製造することができる。
【００５４】
また、本発明の第１〜第３の実施の形態によれば、高分子層３２（２３２）が硬質樹脂によって形成されているので、切断処理時の機械加工性がよく、高精度な切断処理を行うことができる。
【００５５】
また、本発明の第３の実施の形態によれば、高分子層３２（２３２）を切断して形成された切断部３４（２３４）に高分子層３２（２３２）を構成する高分子材よりも硬度の小さい材料を充填する第３の工程をさらに含む。その結果、音響クロストークを抑制しつつ、超音波探触子の強度を確保することができる。
【００５６】
また、本発明の第３の実施の形態によれば、第１の工程において、音響整合層４０、複合圧電体３０、バッキング層１０の順にこれらを積層する。そして、第３の工程において、切断部３４（２３４）に高分子系接着剤を充溢するとともに、音響レンズ５０を、充溢した高分子系接着剤にて前記音響整合層４０の表面に貼着する。その結果、音響レンズが剥がれ難くなる。また、切断部３４に充填する作業と音響レンズの接着剤作業とを同時に行うことができるので、音響レンズの取り付け工程が簡素化できる。
【００５７】
また、本発明の第１〜第３の実施の形態によれば、圧電素子３１（２３１）の配列方向における高分子層３２（２３２）の幅が、第２の工程において切断によって生じる溝の幅の１１０％〜１５０％であるので、圧電材を直接切断して超音波振動子を形成する場合と比較して圧電定数の劣化を改善することができる。
【００５８】
なお、本発明の実施の形態における記述は、本発明に係る超音波探触子の一例であり、これに限定されるものではない。超音波探触子を構成する各機能部の細部構成及び細部動作に関しても適宜変更可能である。
【００５９】
また、本実施の形態では、複合圧電体３０（２３０）を切断するとき、バッキング層１０（２１０）を基台とし、音響整合層４０（２４０）より切断して超音波振動子３３（２３３）を形成するようにしたが、以下のようにして超音波振動子を形成することもできる。すなわち、例えば、複合圧電体と音響整合層とを積層し上で、基台としての捨て板を音響整合層の表面に貼着し、複合圧電体側から高分子層に沿って捨て板にかけて切断する。そして、切断後の複合圧電体に対してバッキング層を取り付け、捨て板を音響整合層から取り外す。このように超音波振動子を形成するようにしても、同様の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００６０】
１００，１００ｂ，１００ｃ 超音波探触子
１００ａ 中間積層体
１０ バッキング層
２１ 電極
２２ 共通電極
３０ 複合圧電体
３１ 圧電素子
３２ 高分子層
３３ 超音波振動子
３４ 切断部
４０ 音響整合層
５０ 音響レンズ
２００ 超音波探触子
２００ａ 中間積層体
２１０ バッキング層
２２１ 電極
２２２ 共通電極
２３０ 複合圧電体
２３１ 圧電素子
２３２ 高分子層
２３３ 超音波振動子
２３４ 切断部
２４０ 音響整合層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を送受する超音波振動子がアレイ状に配列された超音波探触子の製造方法であって、
少なくとも１次元アレイ状に所定間隔にて配列された複数の柱状の圧電素子と、該圧電素子の間に位置する高分子材からなる高分子層とを有し、超音波を送受する面及びそれに対向する面に一対の電極層が設けられた複合圧電体に、音響整合層及び基台を積層して設ける第１工程と、
前記複合圧電体を、前記基台が設けられる側とは反対側から、前記音響整合層とともに、前記高分子層に沿って切断して、前記超音波振動子をアレイ状に複数形成する第２工程と、
を含むことを特徴とする超音波探触子の製造方法。
【請求項２】
前記複合圧電体は、硬質樹脂によって前記高分子層が形成されている請求項１に記載の超音波探触子の製造方法。
【請求項３】
前記高分子層を切断して形成された切断部に前記高分子層を構成する高分子材よりも硬度の小さい材料を充填する第３工程をさらに含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波探触子の製造方法。
【請求項４】
前記基台はバッキング層であって、
前記第１の工程において、前記音響整合層、前記複合圧電体、前記バッキング層の順にこれらを積層し、
前記第３の工程において、前記切断部に有機合成系接着剤を充溢するとともに、音響レンズを、充溢した前記有機合成系接着剤にて前記音響整合層の表面に貼着することを特徴とする請求項３に記載の超音波探触子の製造方法。
【請求項５】
前記複合圧電体は、前記圧電素子の配列方向における前記高分子層の幅が、前記第２の工程において切断によって生じる溝の幅の１１０％〜１５０％である請求項１〜４の何れか一項に記載の超音波探触子の製造方法。
【請求項１】
超音波を送受する超音波振動子がアレイ状に配列された超音波探触子の製造方法であって、
少なくとも１次元アレイ状に所定間隔にて配列された複数の柱状の圧電素子と、該圧電素子の間に位置する高分子材からなる高分子層とを有し、超音波を送受する面及びそれに対向する面に一対の電極層が設けられた複合圧電体に、音響整合層及び基台を積層して設ける第１工程と、
前記複合圧電体を、前記基台が設けられる側とは反対側から、前記音響整合層とともに、前記高分子層に沿って切断して、前記超音波振動子をアレイ状に複数形成する第２工程と、
を含むことを特徴とする超音波探触子の製造方法。
【請求項２】
前記複合圧電体は、硬質樹脂によって前記高分子層が形成されている請求項１に記載の超音波探触子の製造方法。
【請求項３】
前記高分子層を切断して形成された切断部に前記高分子層を構成する高分子材よりも硬度の小さい材料を充填する第３工程をさらに含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波探触子の製造方法。
【請求項４】
前記基台はバッキング層であって、
前記第１の工程において、前記音響整合層、前記複合圧電体、前記バッキング層の順にこれらを積層し、
前記第３の工程において、前記切断部に有機合成系接着剤を充溢するとともに、音響レンズを、充溢した前記有機合成系接着剤にて前記音響整合層の表面に貼着することを特徴とする請求項３に記載の超音波探触子の製造方法。
【請求項５】
前記複合圧電体は、前記圧電素子の配列方向における前記高分子層の幅が、前記第２の工程において切断によって生じる溝の幅の１１０％〜１５０％である請求項１〜４の何れか一項に記載の超音波探触子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−１８２７５８（Ｐ２０１２−１８２７５８Ａ）
【公開日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４５８００（Ｐ２０１１−４５８００）
【出願日】平成２３年３月３日（２０１１．３．３）
【出願人】（３０３０００４２０）コニカミノルタエムジー株式会社 (2,950)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３日（２０１１．３．３）
【出願人】（３０３０００４２０）コニカミノルタエムジー株式会社 (2,950)
【Ｆターム（参考）】
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