２次元アレイ型超音波プローブ
【課題】積層圧電素子を有するチャンネルを微細ピッチで精度良く配列し、優れた超音波指向特性を有する２次元アレイ超音波プローブを提供する。
【解決手段】スペースをあけて２次元方向に配列され、圧電体に複数の第１、第２の電極をその圧電体の厚さ方向に交互にかつ各第１電極、各第２電極が前記圧電体の一方の配列方向に沿う対向する２つの側面にそれぞれ露出するように配置して構成した積層圧電素子と、この積層圧電素子上に形成した音響整合層とを有する複数のチャンネル；各チャンネルの積層圧電素子が設置されたバッキング部材；各チャンネルの積層圧電素子における圧電体の両面からバッキング部材まで延出して形成された信号側電極、アース側電極；信号側電極、アース側電極に前記バッキング部材に位置する部分でそれぞれ接続された信号側印刷配線板、アース側印刷配線板；前記各チャンネル間のスペースにそれぞれ埋め込まれた充填部材を具備する。
【解決手段】スペースをあけて２次元方向に配列され、圧電体に複数の第１、第２の電極をその圧電体の厚さ方向に交互にかつ各第１電極、各第２電極が前記圧電体の一方の配列方向に沿う対向する２つの側面にそれぞれ露出するように配置して構成した積層圧電素子と、この積層圧電素子上に形成した音響整合層とを有する複数のチャンネル；各チャンネルの積層圧電素子が設置されたバッキング部材；各チャンネルの積層圧電素子における圧電体の両面からバッキング部材まで延出して形成された信号側電極、アース側電極；信号側電極、アース側電極に前記バッキング部材に位置する部分でそれぞれ接続された信号側印刷配線板、アース側印刷配線板；前記各チャンネル間のスペースにそれぞれ埋め込まれた充填部材を具備する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２次元アレイ型超音波プローブに関し、特に超音波診断装置や超音波探傷装置等に用いられる圧電素子を有するチャンネルをマトリックス状に配列した２次元アレイ型超音波プローブに関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波プローブは、圧電素子で発生させた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ことが可能である。このような超音波プローブが組み込まれた超音波画像装置には、例えば人体内部を検査するための超音波診断装置および金属溶接内部の探傷を目的とする検査装置などが知られている。
【０００３】
中でも、超音波診断装置はＸ線と比較して人体に悪影響を与えずに体内部を観察できるため、超音波診断用医療機器として広く普及している。この超音波診断装置には、圧電セラミック（圧電体）を有する圧電素子を備えた超音波プローブが超音波送受信器として用いられている。この超音波プローブとしては、人体内部を断層的に画像形成して診断するため、超小型の圧電素子を多数配置した構造の走査型の超音波プローブが用いられている。
【０００４】
例えば圧電素子を１次元的に配列した構造の走査型の超音波プローブは、圧電素子の配列数を選択することによって、焦点位置を超音波プローブヘッドの近傍から遠くまで任意に設定することが可能になる。しかしながら、超音波送受信面内で圧電素子の配列方向と直交する方向では、焦点位置の調整は音響レンズによるフォーカスのみである。したがって、ダイナミックに焦点位置を変更することは困難である。また、超音波ビームの走査方法としても、圧電素子の配列が１次元配列となっているため、超音波走査は２次元的（同一平面内）に制限される。
【０００５】
近年、圧電素子を２次元マトリックス状に配列した２次元アレイ型超音波プローブを用いて、超音波ビームの焦点位置を全方位的にダイナミックフォーカスし、更に超音波ビームの走査も３次元的に高速に行うことによって、３次元の超音波画像情報の収集、表示を行うシステムの検討が進められている。２次元アレイ型超音波プローブは、一般的に圧電素子の配列をｍ×ｎの行列（マトリックス）状の形態をとっている。前述した３次元的なダイナミックフォーカスや３次元的なビーム走査を十分に行うためには、ｍ、ｎそれぞれ約３０以上の圧電素子を４００μｍ程度以下の微細ピッチで配列することが好ましい。特に、２次元アレイ型超音波プローブを心臓の観察に適用する場合には例えば肋骨の間から超音波ビームを入射するため、超音波プローブヘッドの大きさは２０ｍｍ角程度以下にすることが好ましい。このヘッドを持つ２次元アレイ型超音波プローブは、引き出す配線が９００以上となる。
【０００６】
前記２次元アレイ型超音波プローブは、圧電素子を小型化して限られた面積内に高密度に配列することが高性能化の上で重要である。しかしながら、２次元アレイ型超音波プローブはこの性能要求から１つの圧電素子当りの面積を小さくする必要があるため、圧電素子の容量が１次元アレイ型超音波プローブに比べて著しく低下してしまうため、感度低下を招く。
【０００７】
このようなことから圧電体に複数の電極をその圧電体の厚さ方向に交互に配置した構造の積層圧電素子を用いることによって、圧電素子の容量を増大させて超音波プローブの性能を向上させることが行われている。このような積層圧電素子を有する２次元アレイ型超音波プローブに関する発明が種々提案されている。例えば特許文献１には、積層圧電素子の１つの側面に各電極を選択的にパターン化して露出させて信号線とアース線の両者を取り出し可能にし、この側面にフレキシブル印刷配線板に形成された信号線とアース線とをそれぞれを接続して１列分のアレイ群を形成することが開示されている。特許文献２には、１列分の積層圧電素子を配列したフレキシブル印刷配線板をさらに行方向に積層することによって、２次元アレイ型超音波プローブを実現することが開示されている。
【０００８】
積層圧電素子は、一般に圧電体に複数の電極をその圧電体の厚さ方向に交互に配置し、かつ前記圧電体の対向する２つの側面のうち、一方の側面に前記各第１電極を露出させ、他方の側面に各第２電極を露出させて構成され、第１、第２の電極間に電圧を印加することから、前記特許文献２の実装方法は多数の微細な積層圧電素子を扱う上で有用である。
【特許文献１】特開２０００−１３８４００
【特許文献２】特開２００５−２１０２４５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、前記積層圧電素子を組み込んだ２次元アレイ型超音波プローブでは積層圧電素子の一方の側面は印刷配線板と接続するため、対称性の優れた超音波指向特性を得ることが困難になる。すなわち、音響的負荷の大きな印刷配線板が積層圧電素子の側面に接続されるため、積層圧電素子の振動が不均一となり非対称性を生じる。超音波指向特性が非対称性になると、対象物からの反射エコー強度が対象物の位置によって異なるために画像化の際に画質が低下する。
【００１０】
前記問題の対策の一つとしては、例えば印刷配線板を積層圧電素子の両側の側面に接続することによって、対称な超音波指向特性を得ることが可能になる。しかしながら、印刷配線板は前述したように音響的負荷が大きいため、指向角が狭くなり、超音波の送受信領域が制限され、表示される画像領域も制限される。また、印刷配線板を薄層化することによって、この影響を低減することは可能である。しかしながら、印刷配線板の薄層化に伴ってその反りが大きくなるため、積層圧電素子を精度よく配列することが困難となる。その結果、画像の解像度が低下する。
【００１１】
したがって、従来、積層圧電素子を微細ピッチで精度よく配列し、優れた超音波指向特性を有する２次元アレイ超音波プローブを得ることが困難であった。
【００１２】
本発明は、積層圧電素子を有するチャンネルを微細ピッチで精度良く配列し、優れた超音波指向特性を有する２次元アレイ超音波プローブを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明によると、スペースをあけて２次元方向に配列され、圧電体に複数の第１、第２の電極をその圧電体の厚さ方向に交互にかつ前記圧電体の対向する２つの側面のうち、一方の側面に前記各第１電極が露出し、他方の側面に各第２電極が露出するように配置して構成した積層圧電素子と、この積層圧電素子上に形成した音響整合層とを有する複数のチャンネル；
前記各チャンネルの積層圧電素子が設置されたバッキング部材；
前記各チャンネルの積層圧電素子における圧電体の一方の側面から前記バッキング部材まで延出して形成され、その側面に露出する複数の前記第１電極と接続された信号側電極；
前記各チャンネルの積層圧電素子における圧電体の他方の側面から前記バッキング部材まで延出して形成され、その側面に露出する複数の前記第２電極と接続されたアース側電極；
前記信号側電極に前記バッキング部材に位置する部分で接続された信号側印刷配線板；
前記アース側電極に前記バッキング部材に位置する部分で接続されたアース側印刷配線板；および
前記各チャンネル間のスペースにそれぞれ埋め込まれた充填部材；
を具備したことを特徴とする２次元アレイ型超音波プローブが提供される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、積層圧電素子を有するチャンネルを微細ピッチに精度よく配列し、優れた超音波指向特性を有し、高解像度の画像を得ることが可能な２次元アレイ型超音波プローブを得ることが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態に係る２次元型アレイ超音波プローブを図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は、実施形態に係る２次元型アレイ超音波プローブを示す斜視図、図２は図１のII−II線に沿う断面図、図３は図１のIII−III線に沿う断面図である。
【００１７】
バッキング部材１上には、複数のチャンネル１０がスペース５をあけてＸＹの２次元方向（マトリクス状）に配列されている。このバッキング部材１は、後述するチャンネル１０の積層圧電素子を機械的に支持し、かつ積層圧電素子を制動して超音波パルスを短くする機能を有する。バッキング部材１は、図２に示すようにＹ方向で分離されている。すなわち、複数のチャンネル１０は、図３に示すようにＸ方向において共通のバッキング部材１上に配列され、図２に示すようにＹ方向において分離されたバッキング部材１上に配列されている。また、バッキング部材１は、図３に示すようにＸ方向に配列された各チャンネル１０間のスペース５に対応して溝２が形成されている。
【００１８】
各チャンネル１０は、積層圧電素子２０とこの積層圧電素子２０上に配置された例えば１層の音響整合層３０とから構成されている。なお、音響整合層３０は、２層以上重ねた積層体であってもよい。
【００１９】
積層圧電素子２０は、前記バッキング部材１上に配置され、図２、図３に示すように例えばジルコンチタン酸鉛（ＰＺＴ）系圧電セラミック材料やリラクサ系単結晶材料からなる四角柱状の圧電体２１内に例えばＰｄ−Ａｇ合金からなる複数（例えば６つの）の第１、第２の電極２２，２３をその積層圧電素子２０の厚さ方向に交互に積層して配置した構造を有する。この積層圧電素子２０において、チャンネル１０の配列方向（前記２次元方向に垂直する方向）の側面に対向して位置する２つの側面２１ａ，２１ｂのうち、一方の側面２１ａには各第１電極２２が露出し、他方の側面２１ｂには各第２電極２３が露出している。具体的には、各第２電極２３の一方の側面２１ａに位置する部分には、例えば、エポキシ樹脂からなる絶縁部材２４が配置されている。また、各第１電極２２の他方の側面２１ｂに位置する部分には、例えば、エポキシ樹脂からなる絶縁部材２５が配置されている。絶縁部材２４は、一方の側面２１ａに位置する各第２電極２３の側端を含む圧電体２１部分をそれぞれ切欠し、これらの切欠部に例えばエポキシ樹脂を埋め込むことによって形成することができる。また、絶縁部材２５は、他方の側面２１ｂに位置する各第１電極２２の側端を含む圧電体２１部分をそれぞれ切欠し、これらの切欠部に例えばエポキシ樹脂を埋め込むことによって形成することができる。このような構成とすることで、各第１電極２２のみを一方の側面２１ａに、各第２電極２３のみを他方の側面２１ｂにそれぞれ露出させることができる。
【００２０】
信号側電極４１は、図２に示すように積層圧電素子２０の一方の側面２１ａからバッキング部材１まで延出して設けられ、その一方の側面２１ａに露出する複数の第１電極２２と接続されている。アース側電極４２は、積層圧電素子２０の他方の側面２１ｂからバッキング部材１まで延出して設けられ、その他方の側面２１ｂに露出する複数の第２電極２３と接続されている。
【００２１】
信号側印刷配線板（例えば信号用フレキシブル印刷配線板）４３は、表面にチャンネル１０の配列ピッチでパターン化された信号線４４を有し、それらの信号線４４が前記信号側電極４１のバッキング部材１に位置する部分で電気的に接続されている。アース側印刷配線板（例えばアース用フレキシブル印刷配線板）４５は、表面にチャンネル１０の配列ピッチでパターン化されたアース線４６を有し、そのアース線４６がアース側電極４２のバッキング部材１に位置する部分で電気的に接続されている。なお、パターン化されていないアース電極板を用いてアース線を共通化してもよい。なお、信号側印刷配線板４３およびアース側印刷配線板４５と、信号側電極４１およびアース側電極４２との接続は、図２に示すＹ方向のバッキング部材１に位置するスペース間で行われている。
【００２２】
充填部材４７は、Ｘ方向に配列されたチャンネル１０間のスペース５およびこのスペース５に連通するバッキング部材１の溝２とＹ方向に配列されるチャンネル１０間のスペース５およびバッキング部材１間に設けられている。
【００２３】
図示しない音響レンズは、複数のチャンネル１０の音響整合層３０上に形成されている。
【００２４】
バッキング部材１、複数のチャンネル１０および音響レンズ（図示せず）は、図示しないケース（筐体）内に収納されている。このケース内には、各チャンネル１０の積層圧電素子２０の駆動タイミングを制御する制御回路および積層圧電素子２０に受信された受信信号を増幅するためのアンプ回路を含む信号処理回路（図示せず）が内蔵されている。これら回路には、フレキシブル印刷配線板４３，４５の信号線４４、アース線４６が電気的に接続される。
【００２５】
バッキング部材１は、エポキシ樹脂にガラス不織布を織り込んだ複合材料で構成されていることが好ましい。このような材料からなるバッキング部材は、この上に支持する複数のチャンネル１０の位置精度を向上できる。また、複数のチャンネル１０を形成するためのダイシング加工に際し、チャンネル１０を構成する積層圧電素子２０のチッピングやクラックの発生を抑止することができる。バッキング部材１の厚さは、２次元アレイ型超音波プローブ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）を有することが好ましい。
【００２６】
チャンネル１０を構成する積層圧電素子２０は、それぞれ３つ（合計６つ）の第１、第２の電極２２、２３を圧電体２１内にその厚さ方向に交互に配置した例で説明しているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、圧電体２１内に第１、第２の電極２２、２３をそれぞれ２つまたは４つ以上配置してもよい。
【００２７】
積層圧電素子２０の第１、第２の電極２２、２３の配置形態および第１、第２の電極２２、２３のそれぞれの対向する側面への露出形態は前述した図２に限定されない。
【００２８】
第１、第２の電極２２、２３の配置形態は、例えば図４の（Ａ）に示すように最上層の第１電極２２を圧電体２１の上面に配置し、最下層の第２電極２３を圧電体２１の下面に配置して第１の電極２２と第２の電極２３を交互に複数積層して配置させる積層圧電素子２０で構成してもよい。このような積層圧電素子２０において最上層の第１電極２２を圧電体２１の一方の側面２１ａにのみ露出させる場合には、圧電体２１の他方の側面２１ｂに位置する最上層の第１電極２２の側端を含む圧電体２１およびその上の音響整合層３０部分を切欠し、この切欠部に例えばエポキシ樹脂からなる絶縁部材２５を埋め込む。また、最下層の第２電極２３を圧電体２１の他方の側面２１ｂにのみ露出させる場合には、圧電体２１の一方の側面２１ａに位置する最下層の第２電極２３の側端を含む圧電体２１およびその下のバッキング部材１の部分を切欠し、この切欠部に例えばエポキシ樹脂からなる絶縁部材２４を埋め込む。
【００２９】
第１、第２の電極２２、２３のそれぞれの対向する側面への露出形態は、例えば、図４の（Ｂ）に示すように圧電体２１の一方の側面２１ａに位置する各第２電極２３の側端に例えばエポキシ樹脂からなる絶縁層２６をそれぞれ形成することによって、各第１電極２２のみを一方の側面２１ａに露出させ、圧電体２１の他方の側面２１ｂに位置する各第１電極２２の側端に例えばエポキシ樹脂からなる絶縁層２７をそれぞれ形成することによって、各第２電極２３のみを他方の側面２１ｂに露出させてもよい。
【００３０】
音響整合層３０の音響インピーダンスは、超音波の対象物への伝播がスムーズに行えるように、圧電体２１の音響インピーダンスと対象物の音響インピーダンスとの間の値に設定することが好ましい。複数層を有する音響整合層３０を形成する場合には、積層圧電素子２０側から図示しない音響レンズに向かって音響インピーダンスが徐々に小さく、かつ対象物の音響インピーダンスに近似させることが好ましい。
【００３１】
信号側電極４１およびアース側電極４２は、例えばＣｒ／Ａｕ（表面側）の金属積層膜が用いられる。これらの電極は、１００ｎｍ〜２μｍの厚さを有することが好ましい。前記厚さが１００ｎｍ未満にすると、積層圧電素子２０の振動により信号側電極４１およびアース側電極４２が断絶する恐れがあり好ましくない。一方、前記厚さが２μｍを超えると、信号側電極４１およびアース側電極４２での音響的負荷が大きいため、指向角が狭くなり、超音波の送受信領域が制限され、表示される画像領域も制限されるという問題が生じる。
【００３２】
信号用、アース用の印刷配線板４３、４５は、フレキシブル印刷配線板に限らず、エポキシ樹脂にガラス不織布を織り込んだ複合材料からなる基板表面にＡｕ、Ｃｒ、Ｃｕ及びＮｉからなる群より選ばれる少なくとも１種からなる導電層（信号線、アース線）を形成したリジッド印刷配線板でもよい。
【００３３】
充填部材４７は、例えばシリコーン樹脂で構成されている。
【００３４】
以上、実施形態によれば信号側電極４１を各チャンネル１０の積層圧電素子２０の一方の側面２１ａからバッキング部材１まで延出し、その側面２１ａに露出する複数の第１電極２２と接続し、かつアース側電極４２を前記積層圧電素子２０の他方の側面２１ｂから前記バッキング部材１まで延出し、その側面２１ｂに露出する複数の第２電極２３と接続し、信号側印刷配線板４３およびアース側印刷配線板４５をバッキング部材１に位置する部分で信号側電極４１およびアース側電極４２と接続する、つまり従来のように積層圧電素子２０に信号側印刷配線板、アース側印刷配線板を直接接続するのを回避することによって、印刷配線板４３，４５による前記積層圧電素子２０の音響的負荷を抑止できる。その結果、前記積層圧電素子２０による対称な超音波指向特性を有し、さらに広角領域への超音波の伝播が可能で高解像度の画像を得ることが可能な２次元アレイ型超音波プローブを提供することができる。
【００３５】
さらに、信号側印刷配線板４３およびアース側印刷配線板４５を前記バッキング部材１に位置する部分で信号側電極４１およびアース側電極４２と接続することによって、積層圧電素子２０の圧電振動に不要振動を与えることを回避できるため、各印刷配線板４３，４５の基板を機械的強度の高い材料で形成できる。その結果、印刷配線板４３，４５を薄層化した場合でも、その反りを抑止できるためチャンネル１０を精度よく配列することが可能になる。
【００３６】
次に、実施形態の２次元型アレイ超音波プローブの製造方法を図５および図６を参照して詳細に説明する。
【００３７】
実施形態に係る２次元アレイ型超音波プローブの製造方法は、１）バッキング部材、積層圧電素子および音響整合層からなる短冊状積層体を作製する工程と、２）短冊状積層体と印刷配線板を接続して１列配置のチャンネルアレイユニットを作製する工程と、３）１列配置のチャンネルアレイユニットを行方向に積層する工程を含む。以下、工程毎に説明を行う。
【００３８】
１）短冊状積層体の作製
まず、例えばジルコンチタン酸鉛を含む材料からなる厚さ２０μｍの圧電グリーンシート（圧電体）とＰｄ−Ａｇ合金からなる厚さ２μｍの電極層を交互に積層した後、一体焼成して圧電体２１内部に６層の内部電極５１を有する平板状焼結体５２を得る。得られた平板状焼結体５２を平板状バッキング部材５３上にエポキシ接着剤で接着する。この平板状バッキング部材５３は、例えば樹脂材料またはゴム材料に酸化物粉末を混合させたものを用いることができる。特に、平板状バッキング部材５３は前述したようにエポキシ樹脂にガラス不織布を織り込んだ複合材料から作ることが好ましい。つづいて、前記平板状焼結体５２上面には予め所定の音響インピーダンス、厚さに加工された例えばエポキシ樹脂からなる平板状音響整合層５４をエポキシ接着剤によって接着することにより平板状バッキング部材５３、平板状焼結体５２、平板状音響整合層５４からなる平板状積層体５５を作製する。その後、平板状積層体５５をダイシングにより例えば４００μｍ程度の幅で切断することにより短冊状バッキング部材１上に圧電体２１に例えば６層の内部電極５１が交互に配置された短冊状焼結体５６と短冊状音響整合層５７がこの順序で形成された複数個の短冊状積層体５８を作製する（図５の（ａ）図示）。切り出す短冊状積層体５８の幅は、最終的に必要なチャンネル幅より広めに設定する。
【００３９】
次いで、図５の（ｂ）に示すように短冊状積層体５８の短冊状焼結体５６の長手方向に沿い対向する一方の側面に露出する電極５１の側端を含む圧電体部分をその側端に沿ってダイシングにより一層おきに溝を形成する。他方の側面に露出する電極５１の側端を含む圧電体部分をその側端に沿ってダイシングにより一方の側面で形成した溝と一つずらし、一層置きに溝を形成する。つづいて、短冊状焼結体５６の対向する側面にそれぞれ形成した溝にエポキシ接着剤を充填した後、さらに溝を形成した２つの側面を研磨する。これによって、圧電体内に配置され、一方の側面で側端が露出し、他方の側面で側端が絶縁部材２４で絶縁された第１電極２２と、圧電体内に配置され、他方の側面で側端が露出し、一方の側面で側端が絶縁部材（図示せず）で絶縁された第２電極２３とが形成される。これにより、バッキング部材１上に短冊状積層圧電素子５９が形成される。
【００４０】
次いで、図５の（ｃ）に示すようにスパッタ等によって絶縁部材２４が形成された一方の側面を含むバッキング部材１上に信号側電極４１を、他方の側面を含むバッキング部材１上にアース側電極（図示せず）を形成する。このとき、第１電極２２は信号側電極４１にのみ接続され、アース側電極と絶縁され、第２電極２３はアース側電極にのみ接続され、信号側電極４１と絶縁される。これにより、短冊状積層圧電素子５９の側面からバッキング部材１に延在された信号側電極４１およびアース側電極（図示せず）が形成される。バッキング部材１に延出される信号側電極４１の領域は、後述するチャンネル分割作業においてバッキング部材１を切り込む距離（長さ）より短く設定する。また、バッキング部材１に延出されるアース側電極の領域は、チャンネル分割作業においてバッキング部材１を切り込む距離（長さ）より長く設定する。このようにバッキング部材１に延出される信号側電極４１およびアース側電極の長さを設定することによって、信号側電極４１ではチャンネル分割作業によってチャンネル毎に分割され、一方アース側電極ではチャンネル分割作業後も共通化されることになる。なお、アース側電極も信号側電極４１と同じような方法で形成することでチャンネル毎に分割された電極郡を設けることも可能である。バッキング部材１にはマスキングによって短冊状積層圧電素子５９に近接した領域を露出させて電極が形成されるようにする。
【００４１】
なお、前述した短冊状積層体の作製工程において平板状焼結体５２を平板状バッキング部材５３上に接着し、さらに前記平板状焼結体５２上面に平板状音響整合層５４を接着して平板状積層体５５とし、これをダイシングして短冊状積層体５８を切り出した後、短冊状焼結体５６の内部電極を交互に接続する処理を実施したが、これに限定されない。例えば、内部電極を有する短冊状焼結体５６を先に完成させた後、その上下面に短冊状に加工した短冊状音響整合層５７と短冊状バッキング部材１を接着して短冊状積層体５８を形成してもよい。また、短冊状積層圧電素子５９の形成方法は圧電体に絶縁溝を形成する方法に限らず、前述した図４の（Ｂ）に示すように圧電体の対向する２つの側面の電極上にエポキシ系接着剤をスクリーン印刷することで圧電体の外部に絶縁層を設ける方法を採用してもよい。
【００４２】
２）短冊状積層体と印刷配線板とが接続された１列配置のアレイユニットの作製
図５の（ｄ）に示すように短冊状積層体５８を例えばダイシングソーによりその短冊状音響整合層５７側から短冊状バッキング部材１に向けて切断加工を施すことによって短冊状音響整合層５７および短冊状積層圧電素子５９を分割し、積層圧電素子２０および音響整合層３０を有する複数のチャンネル１０を形成する。各チャンネル１０は、通常、幅が１００〜３００μｍとする。また、バッキング部材１には１００〜３００μｍ程度の深さで切り込んで溝２を形成することによって、バッキング部材１の一方の側面まで延出された信号側電極４１をチャンネル毎に分割する。ただし、他方の側面まで延出されたアース側電極（図示せず）はチャンネル分割作業後も共通化される。
【００４３】
次いで、図５の（ｅ）に示すように積層圧電素子２０の配列ピッチでパターン化された例えば厚さ２０μｍ以下の信号線（図示せず）を有する信号側フレキシブル印刷配線板４３をバッキング部材１の一方の側面に接着し、分割された信号側電極４１に接続する。このフレキシブル印刷配線板４３の接着は、エポキシ系接着剤を使用してもよいし、エポキシ系接着剤に金属フィラーを混合させたものを使用してもよい。エポキシ系接着剤を使用した場合でも、これらの電極表面には微細な凹凸が存在するため、圧着することによって余剰接着剤は押し出されて部分的に印刷配線板４３の信号線と信号側電極４１同士が接して接続される。また、信号側電極４１に印刷配線板４３の信号線を半田を用いて直接接続してもよい。つづいて、共通化された例えば厚さ２０μｍ以下のアース線（図示せず）を有するアース側フレキシブル印刷配線板４５をバッキング部材１の他方の側面に接着し、アース側電極（図示せず）に接続する。この短冊状バッキング部材２７の反対側の共通化された側面電極５に接着接続する。このアース側フレキシブル印刷配線板４５の接着は、前記信号側フレキシブル印刷配線板４３と同様な方法でなされる。
【００４４】
このような工程によって、１列分の積層圧電素子２０および音響整合層３０からなるチャンネル１０がバッキング部材１上に所定のピッチで配置され、バッキング部材１の各々の側面において信号側電極４１、アース側電極（図示せず）がフレキシブル印刷配線板４３、４５上の信号線とアース線（いずれも図示せず）にそれぞれ電気的に接続された１列配置のチャンネルアレイユニット６０が作製される。
【００４５】
なお、前述したアレイユニットの作製工程において短冊状積層体５８をチャンネル分割後にフレキシブル印刷配線板４３、４５を接着する工程を説明したが、フレキシブル印刷配線板４３、４５を短冊状積層体５８に接着した後にチャンネル分割を行なってもよい。この場合、信号側フレキシブル印刷配線板４３の信号線（図示せず）の終端部、つまり信号側電極４１と接続される端子部分は、積層圧電素子２０の配列ピッチで分割された信号側電極群から形成されてもよく、または共通電極からなっていてもよく、短冊状積層体５８をチャンネル分割する工程で一緒に分割してもよい。
【００４６】
前記印刷配線板は、フレキシブル印刷配線板に限らず、エポキシ樹脂にガラス不織布を織り込んだ複合材料からなる基板表面にＡｕ、Ｃｒ、Ｃｕ及びＮｉからなる群より選ばれる少なくとも１種からなる導電層（信号線、アース線）を形成したリジッド印刷配線板を用いてもよい。
【００４７】
３）１列配置のチャンネルアレイユニットの行方向に積層する工程
図６の（ｆ）に示すように複数の１列配置のチャンネルアレイユニット６０をバッキング部材１側面の信号側フレキシブル印刷配線板４３とアース側フレキシブル印刷配線板４５とが互いに当接するように行方向に積み重ねて２次元アレイ化する。このとき、チャンネル１０の超音波放射面である音響整合層３０との接続面が概同一面となるよう、かつチャンネル１０の行、列がマトリックス状に配置されるよう位置合わせして積み重ね、接着により固定する。
【００４８】
この後、図示しないが複数のチャンネル間のスペースに例えばシリコーン樹脂からなる充填部材を埋め込み、複数のチャンネル上に音響レンズを接着し、各チャンネルの積層圧電素子の駆動タイミングを制御する制御回路および積層圧電素子に受信された受信信号を増幅するためのアンプ回路を含む信号処理回路が内蔵されたケース（筐体）に収納して２次元型アレイ超音波プローブを製造する。
【００４９】
このような実施形態の方法によれば、バッキング部材１上に積層圧電素子２０を有する複数のチャンネル１０を微細ピッチで精度よく配列できるため、優れた超音波指向特性を有する２次元アレイ型超音波プローブを製造することができる。
【００５０】
また、実施形態に係る２次元型アレイ超音波プローブの製造において信号線を有する信号側フレキシブル印刷配線板４３とアース線を有するアース側フレキシブル印刷配線板４５をそれぞれ用意して１列配置のチャンネルアレイユニット６０を作製し、このアレイユニット６０を行方向に積層したが、例えばアレイユニット６０間に位置するフレキシブル印刷配線板として両面に信号線とアース線を有する１枚のフレキシブル印刷配線板を用いてもよい。このようなフレキシブル印刷配線板を用いることによって、２つのアレイユニット６０間でのスペース長さをフレキシブル印刷配線板の絶縁材料からなる基板の厚さ分、短くできる。つまり、２つのアレイユニット６０当たりのフレキシブル印刷配線板の絶縁材料からなる基板の厚さ分、狭ピッチ化することが可能になる。その結果、チャンネル１０の配列ピッチを狭くすることができ、２次元アレイ超音波プローブの分解能を向上させることが可能になる。
【００５１】
さらに、バッキング部材をエポキシ樹脂にガラス不織布を織り込んだ複合材から作ることによって、このバッキング部材を有する平板状積層体から短冊状積層体を加工する際に圧電体に内部電極を形成した平板状焼結体（後加工で積層圧電素子になる）にクラックやチッピングの発生を防止できる。その結果、超音波の送受信感度のチャンネル間ばらつきを低減することが可能となる。また、平板状積層体からより薄い短冊状積層体を加工することが可能となるため、チャンネル間のスペース幅を小さくすることができ、超音波画像の解像度を上げることが可能となる。さらに、バッキング部材による積層圧電素子を有するチャンネルの保持性を向上できるため、反りなどに起因するチャンネルの位置ずれを防ぐことができる。
【００５２】
さらに、信号線側、アース側の印刷配線板としてエポキシ樹脂にガラス不織布を織り込んだ複合材料からなる基板表面にＡｕ、Ｃｒ、Ｃｕ及びＮｉからなる群より選ばれる少なくとも１種からなる導電層（信号線、アース線）を形成したリジッド印刷配線板を用いることによって、基板表面の導体層を薄く形成しても十分な強度が保持できるため、前述した短冊状積層体に接続した後にその短冊状積層体を安定的に支持できる。その結果、短冊状積層体の反り発生を防止してチャンネルの位置ずれを防止する、つまりチャンネルを精度よく配列する、ことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の実施形態に係る２次元アレイ型超音波プローブを示す斜視図。
【図２】図１のII−II線に沿う断面図。
【図３】図１のIII−III線に沿う断面図。
【図４】バッキング部材上のチャンネルの積層圧電素子における第１、第２の電極の別の形態を示す図。
【図５】本発明の実施形態に係る２次元アレイ超音波プローブの製造方法工程を示す斜視図。
【図６】本発明の実施形態に係る２次元アレイ超音波プローブの製造方法工程を示す斜視図。
【符号の説明】
【００５４】
１…バッキング部材、１０…チャンネル、２０…積層圧電素子、２１…圧電体、２１ａ，２１ｂ…圧電体の側面、２２…第１電極、２３…第２電極、３０…音響整合層、４１…信号側電極、４２…アース側電極、４３…信号側印刷配線板、４５…アース側印刷配線板、４６…充填部材、５２…平板状焼結体、５３…平板状バッキング部材、５５…平板状積層体、５８…短冊状積層体、５９…短冊状積層圧電素子、６０…チャンネルアレイユニット。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２次元アレイ型超音波プローブに関し、特に超音波診断装置や超音波探傷装置等に用いられる圧電素子を有するチャンネルをマトリックス状に配列した２次元アレイ型超音波プローブに関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波プローブは、圧電素子で発生させた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ことが可能である。このような超音波プローブが組み込まれた超音波画像装置には、例えば人体内部を検査するための超音波診断装置および金属溶接内部の探傷を目的とする検査装置などが知られている。
【０００３】
中でも、超音波診断装置はＸ線と比較して人体に悪影響を与えずに体内部を観察できるため、超音波診断用医療機器として広く普及している。この超音波診断装置には、圧電セラミック（圧電体）を有する圧電素子を備えた超音波プローブが超音波送受信器として用いられている。この超音波プローブとしては、人体内部を断層的に画像形成して診断するため、超小型の圧電素子を多数配置した構造の走査型の超音波プローブが用いられている。
【０００４】
例えば圧電素子を１次元的に配列した構造の走査型の超音波プローブは、圧電素子の配列数を選択することによって、焦点位置を超音波プローブヘッドの近傍から遠くまで任意に設定することが可能になる。しかしながら、超音波送受信面内で圧電素子の配列方向と直交する方向では、焦点位置の調整は音響レンズによるフォーカスのみである。したがって、ダイナミックに焦点位置を変更することは困難である。また、超音波ビームの走査方法としても、圧電素子の配列が１次元配列となっているため、超音波走査は２次元的（同一平面内）に制限される。
【０００５】
近年、圧電素子を２次元マトリックス状に配列した２次元アレイ型超音波プローブを用いて、超音波ビームの焦点位置を全方位的にダイナミックフォーカスし、更に超音波ビームの走査も３次元的に高速に行うことによって、３次元の超音波画像情報の収集、表示を行うシステムの検討が進められている。２次元アレイ型超音波プローブは、一般的に圧電素子の配列をｍ×ｎの行列（マトリックス）状の形態をとっている。前述した３次元的なダイナミックフォーカスや３次元的なビーム走査を十分に行うためには、ｍ、ｎそれぞれ約３０以上の圧電素子を４００μｍ程度以下の微細ピッチで配列することが好ましい。特に、２次元アレイ型超音波プローブを心臓の観察に適用する場合には例えば肋骨の間から超音波ビームを入射するため、超音波プローブヘッドの大きさは２０ｍｍ角程度以下にすることが好ましい。このヘッドを持つ２次元アレイ型超音波プローブは、引き出す配線が９００以上となる。
【０００６】
前記２次元アレイ型超音波プローブは、圧電素子を小型化して限られた面積内に高密度に配列することが高性能化の上で重要である。しかしながら、２次元アレイ型超音波プローブはこの性能要求から１つの圧電素子当りの面積を小さくする必要があるため、圧電素子の容量が１次元アレイ型超音波プローブに比べて著しく低下してしまうため、感度低下を招く。
【０００７】
このようなことから圧電体に複数の電極をその圧電体の厚さ方向に交互に配置した構造の積層圧電素子を用いることによって、圧電素子の容量を増大させて超音波プローブの性能を向上させることが行われている。このような積層圧電素子を有する２次元アレイ型超音波プローブに関する発明が種々提案されている。例えば特許文献１には、積層圧電素子の１つの側面に各電極を選択的にパターン化して露出させて信号線とアース線の両者を取り出し可能にし、この側面にフレキシブル印刷配線板に形成された信号線とアース線とをそれぞれを接続して１列分のアレイ群を形成することが開示されている。特許文献２には、１列分の積層圧電素子を配列したフレキシブル印刷配線板をさらに行方向に積層することによって、２次元アレイ型超音波プローブを実現することが開示されている。
【０００８】
積層圧電素子は、一般に圧電体に複数の電極をその圧電体の厚さ方向に交互に配置し、かつ前記圧電体の対向する２つの側面のうち、一方の側面に前記各第１電極を露出させ、他方の側面に各第２電極を露出させて構成され、第１、第２の電極間に電圧を印加することから、前記特許文献２の実装方法は多数の微細な積層圧電素子を扱う上で有用である。
【特許文献１】特開２０００−１３８４００
【特許文献２】特開２００５−２１０２４５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、前記積層圧電素子を組み込んだ２次元アレイ型超音波プローブでは積層圧電素子の一方の側面は印刷配線板と接続するため、対称性の優れた超音波指向特性を得ることが困難になる。すなわち、音響的負荷の大きな印刷配線板が積層圧電素子の側面に接続されるため、積層圧電素子の振動が不均一となり非対称性を生じる。超音波指向特性が非対称性になると、対象物からの反射エコー強度が対象物の位置によって異なるために画像化の際に画質が低下する。
【００１０】
前記問題の対策の一つとしては、例えば印刷配線板を積層圧電素子の両側の側面に接続することによって、対称な超音波指向特性を得ることが可能になる。しかしながら、印刷配線板は前述したように音響的負荷が大きいため、指向角が狭くなり、超音波の送受信領域が制限され、表示される画像領域も制限される。また、印刷配線板を薄層化することによって、この影響を低減することは可能である。しかしながら、印刷配線板の薄層化に伴ってその反りが大きくなるため、積層圧電素子を精度よく配列することが困難となる。その結果、画像の解像度が低下する。
【００１１】
したがって、従来、積層圧電素子を微細ピッチで精度よく配列し、優れた超音波指向特性を有する２次元アレイ超音波プローブを得ることが困難であった。
【００１２】
本発明は、積層圧電素子を有するチャンネルを微細ピッチで精度良く配列し、優れた超音波指向特性を有する２次元アレイ超音波プローブを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明によると、スペースをあけて２次元方向に配列され、圧電体に複数の第１、第２の電極をその圧電体の厚さ方向に交互にかつ前記圧電体の対向する２つの側面のうち、一方の側面に前記各第１電極が露出し、他方の側面に各第２電極が露出するように配置して構成した積層圧電素子と、この積層圧電素子上に形成した音響整合層とを有する複数のチャンネル；
前記各チャンネルの積層圧電素子が設置されたバッキング部材；
前記各チャンネルの積層圧電素子における圧電体の一方の側面から前記バッキング部材まで延出して形成され、その側面に露出する複数の前記第１電極と接続された信号側電極；
前記各チャンネルの積層圧電素子における圧電体の他方の側面から前記バッキング部材まで延出して形成され、その側面に露出する複数の前記第２電極と接続されたアース側電極；
前記信号側電極に前記バッキング部材に位置する部分で接続された信号側印刷配線板；
前記アース側電極に前記バッキング部材に位置する部分で接続されたアース側印刷配線板；および
前記各チャンネル間のスペースにそれぞれ埋め込まれた充填部材；
を具備したことを特徴とする２次元アレイ型超音波プローブが提供される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、積層圧電素子を有するチャンネルを微細ピッチに精度よく配列し、優れた超音波指向特性を有し、高解像度の画像を得ることが可能な２次元アレイ型超音波プローブを得ることが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態に係る２次元型アレイ超音波プローブを図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は、実施形態に係る２次元型アレイ超音波プローブを示す斜視図、図２は図１のII−II線に沿う断面図、図３は図１のIII−III線に沿う断面図である。
【００１７】
バッキング部材１上には、複数のチャンネル１０がスペース５をあけてＸＹの２次元方向（マトリクス状）に配列されている。このバッキング部材１は、後述するチャンネル１０の積層圧電素子を機械的に支持し、かつ積層圧電素子を制動して超音波パルスを短くする機能を有する。バッキング部材１は、図２に示すようにＹ方向で分離されている。すなわち、複数のチャンネル１０は、図３に示すようにＸ方向において共通のバッキング部材１上に配列され、図２に示すようにＹ方向において分離されたバッキング部材１上に配列されている。また、バッキング部材１は、図３に示すようにＸ方向に配列された各チャンネル１０間のスペース５に対応して溝２が形成されている。
【００１８】
各チャンネル１０は、積層圧電素子２０とこの積層圧電素子２０上に配置された例えば１層の音響整合層３０とから構成されている。なお、音響整合層３０は、２層以上重ねた積層体であってもよい。
【００１９】
積層圧電素子２０は、前記バッキング部材１上に配置され、図２、図３に示すように例えばジルコンチタン酸鉛（ＰＺＴ）系圧電セラミック材料やリラクサ系単結晶材料からなる四角柱状の圧電体２１内に例えばＰｄ−Ａｇ合金からなる複数（例えば６つの）の第１、第２の電極２２，２３をその積層圧電素子２０の厚さ方向に交互に積層して配置した構造を有する。この積層圧電素子２０において、チャンネル１０の配列方向（前記２次元方向に垂直する方向）の側面に対向して位置する２つの側面２１ａ，２１ｂのうち、一方の側面２１ａには各第１電極２２が露出し、他方の側面２１ｂには各第２電極２３が露出している。具体的には、各第２電極２３の一方の側面２１ａに位置する部分には、例えば、エポキシ樹脂からなる絶縁部材２４が配置されている。また、各第１電極２２の他方の側面２１ｂに位置する部分には、例えば、エポキシ樹脂からなる絶縁部材２５が配置されている。絶縁部材２４は、一方の側面２１ａに位置する各第２電極２３の側端を含む圧電体２１部分をそれぞれ切欠し、これらの切欠部に例えばエポキシ樹脂を埋め込むことによって形成することができる。また、絶縁部材２５は、他方の側面２１ｂに位置する各第１電極２２の側端を含む圧電体２１部分をそれぞれ切欠し、これらの切欠部に例えばエポキシ樹脂を埋め込むことによって形成することができる。このような構成とすることで、各第１電極２２のみを一方の側面２１ａに、各第２電極２３のみを他方の側面２１ｂにそれぞれ露出させることができる。
【００２０】
信号側電極４１は、図２に示すように積層圧電素子２０の一方の側面２１ａからバッキング部材１まで延出して設けられ、その一方の側面２１ａに露出する複数の第１電極２２と接続されている。アース側電極４２は、積層圧電素子２０の他方の側面２１ｂからバッキング部材１まで延出して設けられ、その他方の側面２１ｂに露出する複数の第２電極２３と接続されている。
【００２１】
信号側印刷配線板（例えば信号用フレキシブル印刷配線板）４３は、表面にチャンネル１０の配列ピッチでパターン化された信号線４４を有し、それらの信号線４４が前記信号側電極４１のバッキング部材１に位置する部分で電気的に接続されている。アース側印刷配線板（例えばアース用フレキシブル印刷配線板）４５は、表面にチャンネル１０の配列ピッチでパターン化されたアース線４６を有し、そのアース線４６がアース側電極４２のバッキング部材１に位置する部分で電気的に接続されている。なお、パターン化されていないアース電極板を用いてアース線を共通化してもよい。なお、信号側印刷配線板４３およびアース側印刷配線板４５と、信号側電極４１およびアース側電極４２との接続は、図２に示すＹ方向のバッキング部材１に位置するスペース間で行われている。
【００２２】
充填部材４７は、Ｘ方向に配列されたチャンネル１０間のスペース５およびこのスペース５に連通するバッキング部材１の溝２とＹ方向に配列されるチャンネル１０間のスペース５およびバッキング部材１間に設けられている。
【００２３】
図示しない音響レンズは、複数のチャンネル１０の音響整合層３０上に形成されている。
【００２４】
バッキング部材１、複数のチャンネル１０および音響レンズ（図示せず）は、図示しないケース（筐体）内に収納されている。このケース内には、各チャンネル１０の積層圧電素子２０の駆動タイミングを制御する制御回路および積層圧電素子２０に受信された受信信号を増幅するためのアンプ回路を含む信号処理回路（図示せず）が内蔵されている。これら回路には、フレキシブル印刷配線板４３，４５の信号線４４、アース線４６が電気的に接続される。
【００２５】
バッキング部材１は、エポキシ樹脂にガラス不織布を織り込んだ複合材料で構成されていることが好ましい。このような材料からなるバッキング部材は、この上に支持する複数のチャンネル１０の位置精度を向上できる。また、複数のチャンネル１０を形成するためのダイシング加工に際し、チャンネル１０を構成する積層圧電素子２０のチッピングやクラックの発生を抑止することができる。バッキング部材１の厚さは、２次元アレイ型超音波プローブ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）を有することが好ましい。
【００２６】
チャンネル１０を構成する積層圧電素子２０は、それぞれ３つ（合計６つ）の第１、第２の電極２２、２３を圧電体２１内にその厚さ方向に交互に配置した例で説明しているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、圧電体２１内に第１、第２の電極２２、２３をそれぞれ２つまたは４つ以上配置してもよい。
【００２７】
積層圧電素子２０の第１、第２の電極２２、２３の配置形態および第１、第２の電極２２、２３のそれぞれの対向する側面への露出形態は前述した図２に限定されない。
【００２８】
第１、第２の電極２２、２３の配置形態は、例えば図４の（Ａ）に示すように最上層の第１電極２２を圧電体２１の上面に配置し、最下層の第２電極２３を圧電体２１の下面に配置して第１の電極２２と第２の電極２３を交互に複数積層して配置させる積層圧電素子２０で構成してもよい。このような積層圧電素子２０において最上層の第１電極２２を圧電体２１の一方の側面２１ａにのみ露出させる場合には、圧電体２１の他方の側面２１ｂに位置する最上層の第１電極２２の側端を含む圧電体２１およびその上の音響整合層３０部分を切欠し、この切欠部に例えばエポキシ樹脂からなる絶縁部材２５を埋め込む。また、最下層の第２電極２３を圧電体２１の他方の側面２１ｂにのみ露出させる場合には、圧電体２１の一方の側面２１ａに位置する最下層の第２電極２３の側端を含む圧電体２１およびその下のバッキング部材１の部分を切欠し、この切欠部に例えばエポキシ樹脂からなる絶縁部材２４を埋め込む。
【００２９】
第１、第２の電極２２、２３のそれぞれの対向する側面への露出形態は、例えば、図４の（Ｂ）に示すように圧電体２１の一方の側面２１ａに位置する各第２電極２３の側端に例えばエポキシ樹脂からなる絶縁層２６をそれぞれ形成することによって、各第１電極２２のみを一方の側面２１ａに露出させ、圧電体２１の他方の側面２１ｂに位置する各第１電極２２の側端に例えばエポキシ樹脂からなる絶縁層２７をそれぞれ形成することによって、各第２電極２３のみを他方の側面２１ｂに露出させてもよい。
【００３０】
音響整合層３０の音響インピーダンスは、超音波の対象物への伝播がスムーズに行えるように、圧電体２１の音響インピーダンスと対象物の音響インピーダンスとの間の値に設定することが好ましい。複数層を有する音響整合層３０を形成する場合には、積層圧電素子２０側から図示しない音響レンズに向かって音響インピーダンスが徐々に小さく、かつ対象物の音響インピーダンスに近似させることが好ましい。
【００３１】
信号側電極４１およびアース側電極４２は、例えばＣｒ／Ａｕ（表面側）の金属積層膜が用いられる。これらの電極は、１００ｎｍ〜２μｍの厚さを有することが好ましい。前記厚さが１００ｎｍ未満にすると、積層圧電素子２０の振動により信号側電極４１およびアース側電極４２が断絶する恐れがあり好ましくない。一方、前記厚さが２μｍを超えると、信号側電極４１およびアース側電極４２での音響的負荷が大きいため、指向角が狭くなり、超音波の送受信領域が制限され、表示される画像領域も制限されるという問題が生じる。
【００３２】
信号用、アース用の印刷配線板４３、４５は、フレキシブル印刷配線板に限らず、エポキシ樹脂にガラス不織布を織り込んだ複合材料からなる基板表面にＡｕ、Ｃｒ、Ｃｕ及びＮｉからなる群より選ばれる少なくとも１種からなる導電層（信号線、アース線）を形成したリジッド印刷配線板でもよい。
【００３３】
充填部材４７は、例えばシリコーン樹脂で構成されている。
【００３４】
以上、実施形態によれば信号側電極４１を各チャンネル１０の積層圧電素子２０の一方の側面２１ａからバッキング部材１まで延出し、その側面２１ａに露出する複数の第１電極２２と接続し、かつアース側電極４２を前記積層圧電素子２０の他方の側面２１ｂから前記バッキング部材１まで延出し、その側面２１ｂに露出する複数の第２電極２３と接続し、信号側印刷配線板４３およびアース側印刷配線板４５をバッキング部材１に位置する部分で信号側電極４１およびアース側電極４２と接続する、つまり従来のように積層圧電素子２０に信号側印刷配線板、アース側印刷配線板を直接接続するのを回避することによって、印刷配線板４３，４５による前記積層圧電素子２０の音響的負荷を抑止できる。その結果、前記積層圧電素子２０による対称な超音波指向特性を有し、さらに広角領域への超音波の伝播が可能で高解像度の画像を得ることが可能な２次元アレイ型超音波プローブを提供することができる。
【００３５】
さらに、信号側印刷配線板４３およびアース側印刷配線板４５を前記バッキング部材１に位置する部分で信号側電極４１およびアース側電極４２と接続することによって、積層圧電素子２０の圧電振動に不要振動を与えることを回避できるため、各印刷配線板４３，４５の基板を機械的強度の高い材料で形成できる。その結果、印刷配線板４３，４５を薄層化した場合でも、その反りを抑止できるためチャンネル１０を精度よく配列することが可能になる。
【００３６】
次に、実施形態の２次元型アレイ超音波プローブの製造方法を図５および図６を参照して詳細に説明する。
【００３７】
実施形態に係る２次元アレイ型超音波プローブの製造方法は、１）バッキング部材、積層圧電素子および音響整合層からなる短冊状積層体を作製する工程と、２）短冊状積層体と印刷配線板を接続して１列配置のチャンネルアレイユニットを作製する工程と、３）１列配置のチャンネルアレイユニットを行方向に積層する工程を含む。以下、工程毎に説明を行う。
【００３８】
１）短冊状積層体の作製
まず、例えばジルコンチタン酸鉛を含む材料からなる厚さ２０μｍの圧電グリーンシート（圧電体）とＰｄ−Ａｇ合金からなる厚さ２μｍの電極層を交互に積層した後、一体焼成して圧電体２１内部に６層の内部電極５１を有する平板状焼結体５２を得る。得られた平板状焼結体５２を平板状バッキング部材５３上にエポキシ接着剤で接着する。この平板状バッキング部材５３は、例えば樹脂材料またはゴム材料に酸化物粉末を混合させたものを用いることができる。特に、平板状バッキング部材５３は前述したようにエポキシ樹脂にガラス不織布を織り込んだ複合材料から作ることが好ましい。つづいて、前記平板状焼結体５２上面には予め所定の音響インピーダンス、厚さに加工された例えばエポキシ樹脂からなる平板状音響整合層５４をエポキシ接着剤によって接着することにより平板状バッキング部材５３、平板状焼結体５２、平板状音響整合層５４からなる平板状積層体５５を作製する。その後、平板状積層体５５をダイシングにより例えば４００μｍ程度の幅で切断することにより短冊状バッキング部材１上に圧電体２１に例えば６層の内部電極５１が交互に配置された短冊状焼結体５６と短冊状音響整合層５７がこの順序で形成された複数個の短冊状積層体５８を作製する（図５の（ａ）図示）。切り出す短冊状積層体５８の幅は、最終的に必要なチャンネル幅より広めに設定する。
【００３９】
次いで、図５の（ｂ）に示すように短冊状積層体５８の短冊状焼結体５６の長手方向に沿い対向する一方の側面に露出する電極５１の側端を含む圧電体部分をその側端に沿ってダイシングにより一層おきに溝を形成する。他方の側面に露出する電極５１の側端を含む圧電体部分をその側端に沿ってダイシングにより一方の側面で形成した溝と一つずらし、一層置きに溝を形成する。つづいて、短冊状焼結体５６の対向する側面にそれぞれ形成した溝にエポキシ接着剤を充填した後、さらに溝を形成した２つの側面を研磨する。これによって、圧電体内に配置され、一方の側面で側端が露出し、他方の側面で側端が絶縁部材２４で絶縁された第１電極２２と、圧電体内に配置され、他方の側面で側端が露出し、一方の側面で側端が絶縁部材（図示せず）で絶縁された第２電極２３とが形成される。これにより、バッキング部材１上に短冊状積層圧電素子５９が形成される。
【００４０】
次いで、図５の（ｃ）に示すようにスパッタ等によって絶縁部材２４が形成された一方の側面を含むバッキング部材１上に信号側電極４１を、他方の側面を含むバッキング部材１上にアース側電極（図示せず）を形成する。このとき、第１電極２２は信号側電極４１にのみ接続され、アース側電極と絶縁され、第２電極２３はアース側電極にのみ接続され、信号側電極４１と絶縁される。これにより、短冊状積層圧電素子５９の側面からバッキング部材１に延在された信号側電極４１およびアース側電極（図示せず）が形成される。バッキング部材１に延出される信号側電極４１の領域は、後述するチャンネル分割作業においてバッキング部材１を切り込む距離（長さ）より短く設定する。また、バッキング部材１に延出されるアース側電極の領域は、チャンネル分割作業においてバッキング部材１を切り込む距離（長さ）より長く設定する。このようにバッキング部材１に延出される信号側電極４１およびアース側電極の長さを設定することによって、信号側電極４１ではチャンネル分割作業によってチャンネル毎に分割され、一方アース側電極ではチャンネル分割作業後も共通化されることになる。なお、アース側電極も信号側電極４１と同じような方法で形成することでチャンネル毎に分割された電極郡を設けることも可能である。バッキング部材１にはマスキングによって短冊状積層圧電素子５９に近接した領域を露出させて電極が形成されるようにする。
【００４１】
なお、前述した短冊状積層体の作製工程において平板状焼結体５２を平板状バッキング部材５３上に接着し、さらに前記平板状焼結体５２上面に平板状音響整合層５４を接着して平板状積層体５５とし、これをダイシングして短冊状積層体５８を切り出した後、短冊状焼結体５６の内部電極を交互に接続する処理を実施したが、これに限定されない。例えば、内部電極を有する短冊状焼結体５６を先に完成させた後、その上下面に短冊状に加工した短冊状音響整合層５７と短冊状バッキング部材１を接着して短冊状積層体５８を形成してもよい。また、短冊状積層圧電素子５９の形成方法は圧電体に絶縁溝を形成する方法に限らず、前述した図４の（Ｂ）に示すように圧電体の対向する２つの側面の電極上にエポキシ系接着剤をスクリーン印刷することで圧電体の外部に絶縁層を設ける方法を採用してもよい。
【００４２】
２）短冊状積層体と印刷配線板とが接続された１列配置のアレイユニットの作製
図５の（ｄ）に示すように短冊状積層体５８を例えばダイシングソーによりその短冊状音響整合層５７側から短冊状バッキング部材１に向けて切断加工を施すことによって短冊状音響整合層５７および短冊状積層圧電素子５９を分割し、積層圧電素子２０および音響整合層３０を有する複数のチャンネル１０を形成する。各チャンネル１０は、通常、幅が１００〜３００μｍとする。また、バッキング部材１には１００〜３００μｍ程度の深さで切り込んで溝２を形成することによって、バッキング部材１の一方の側面まで延出された信号側電極４１をチャンネル毎に分割する。ただし、他方の側面まで延出されたアース側電極（図示せず）はチャンネル分割作業後も共通化される。
【００４３】
次いで、図５の（ｅ）に示すように積層圧電素子２０の配列ピッチでパターン化された例えば厚さ２０μｍ以下の信号線（図示せず）を有する信号側フレキシブル印刷配線板４３をバッキング部材１の一方の側面に接着し、分割された信号側電極４１に接続する。このフレキシブル印刷配線板４３の接着は、エポキシ系接着剤を使用してもよいし、エポキシ系接着剤に金属フィラーを混合させたものを使用してもよい。エポキシ系接着剤を使用した場合でも、これらの電極表面には微細な凹凸が存在するため、圧着することによって余剰接着剤は押し出されて部分的に印刷配線板４３の信号線と信号側電極４１同士が接して接続される。また、信号側電極４１に印刷配線板４３の信号線を半田を用いて直接接続してもよい。つづいて、共通化された例えば厚さ２０μｍ以下のアース線（図示せず）を有するアース側フレキシブル印刷配線板４５をバッキング部材１の他方の側面に接着し、アース側電極（図示せず）に接続する。この短冊状バッキング部材２７の反対側の共通化された側面電極５に接着接続する。このアース側フレキシブル印刷配線板４５の接着は、前記信号側フレキシブル印刷配線板４３と同様な方法でなされる。
【００４４】
このような工程によって、１列分の積層圧電素子２０および音響整合層３０からなるチャンネル１０がバッキング部材１上に所定のピッチで配置され、バッキング部材１の各々の側面において信号側電極４１、アース側電極（図示せず）がフレキシブル印刷配線板４３、４５上の信号線とアース線（いずれも図示せず）にそれぞれ電気的に接続された１列配置のチャンネルアレイユニット６０が作製される。
【００４５】
なお、前述したアレイユニットの作製工程において短冊状積層体５８をチャンネル分割後にフレキシブル印刷配線板４３、４５を接着する工程を説明したが、フレキシブル印刷配線板４３、４５を短冊状積層体５８に接着した後にチャンネル分割を行なってもよい。この場合、信号側フレキシブル印刷配線板４３の信号線（図示せず）の終端部、つまり信号側電極４１と接続される端子部分は、積層圧電素子２０の配列ピッチで分割された信号側電極群から形成されてもよく、または共通電極からなっていてもよく、短冊状積層体５８をチャンネル分割する工程で一緒に分割してもよい。
【００４６】
前記印刷配線板は、フレキシブル印刷配線板に限らず、エポキシ樹脂にガラス不織布を織り込んだ複合材料からなる基板表面にＡｕ、Ｃｒ、Ｃｕ及びＮｉからなる群より選ばれる少なくとも１種からなる導電層（信号線、アース線）を形成したリジッド印刷配線板を用いてもよい。
【００４７】
３）１列配置のチャンネルアレイユニットの行方向に積層する工程
図６の（ｆ）に示すように複数の１列配置のチャンネルアレイユニット６０をバッキング部材１側面の信号側フレキシブル印刷配線板４３とアース側フレキシブル印刷配線板４５とが互いに当接するように行方向に積み重ねて２次元アレイ化する。このとき、チャンネル１０の超音波放射面である音響整合層３０との接続面が概同一面となるよう、かつチャンネル１０の行、列がマトリックス状に配置されるよう位置合わせして積み重ね、接着により固定する。
【００４８】
この後、図示しないが複数のチャンネル間のスペースに例えばシリコーン樹脂からなる充填部材を埋め込み、複数のチャンネル上に音響レンズを接着し、各チャンネルの積層圧電素子の駆動タイミングを制御する制御回路および積層圧電素子に受信された受信信号を増幅するためのアンプ回路を含む信号処理回路が内蔵されたケース（筐体）に収納して２次元型アレイ超音波プローブを製造する。
【００４９】
このような実施形態の方法によれば、バッキング部材１上に積層圧電素子２０を有する複数のチャンネル１０を微細ピッチで精度よく配列できるため、優れた超音波指向特性を有する２次元アレイ型超音波プローブを製造することができる。
【００５０】
また、実施形態に係る２次元型アレイ超音波プローブの製造において信号線を有する信号側フレキシブル印刷配線板４３とアース線を有するアース側フレキシブル印刷配線板４５をそれぞれ用意して１列配置のチャンネルアレイユニット６０を作製し、このアレイユニット６０を行方向に積層したが、例えばアレイユニット６０間に位置するフレキシブル印刷配線板として両面に信号線とアース線を有する１枚のフレキシブル印刷配線板を用いてもよい。このようなフレキシブル印刷配線板を用いることによって、２つのアレイユニット６０間でのスペース長さをフレキシブル印刷配線板の絶縁材料からなる基板の厚さ分、短くできる。つまり、２つのアレイユニット６０当たりのフレキシブル印刷配線板の絶縁材料からなる基板の厚さ分、狭ピッチ化することが可能になる。その結果、チャンネル１０の配列ピッチを狭くすることができ、２次元アレイ超音波プローブの分解能を向上させることが可能になる。
【００５１】
さらに、バッキング部材をエポキシ樹脂にガラス不織布を織り込んだ複合材から作ることによって、このバッキング部材を有する平板状積層体から短冊状積層体を加工する際に圧電体に内部電極を形成した平板状焼結体（後加工で積層圧電素子になる）にクラックやチッピングの発生を防止できる。その結果、超音波の送受信感度のチャンネル間ばらつきを低減することが可能となる。また、平板状積層体からより薄い短冊状積層体を加工することが可能となるため、チャンネル間のスペース幅を小さくすることができ、超音波画像の解像度を上げることが可能となる。さらに、バッキング部材による積層圧電素子を有するチャンネルの保持性を向上できるため、反りなどに起因するチャンネルの位置ずれを防ぐことができる。
【００５２】
さらに、信号線側、アース側の印刷配線板としてエポキシ樹脂にガラス不織布を織り込んだ複合材料からなる基板表面にＡｕ、Ｃｒ、Ｃｕ及びＮｉからなる群より選ばれる少なくとも１種からなる導電層（信号線、アース線）を形成したリジッド印刷配線板を用いることによって、基板表面の導体層を薄く形成しても十分な強度が保持できるため、前述した短冊状積層体に接続した後にその短冊状積層体を安定的に支持できる。その結果、短冊状積層体の反り発生を防止してチャンネルの位置ずれを防止する、つまりチャンネルを精度よく配列する、ことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の実施形態に係る２次元アレイ型超音波プローブを示す斜視図。
【図２】図１のII−II線に沿う断面図。
【図３】図１のIII−III線に沿う断面図。
【図４】バッキング部材上のチャンネルの積層圧電素子における第１、第２の電極の別の形態を示す図。
【図５】本発明の実施形態に係る２次元アレイ超音波プローブの製造方法工程を示す斜視図。
【図６】本発明の実施形態に係る２次元アレイ超音波プローブの製造方法工程を示す斜視図。
【符号の説明】
【００５４】
１…バッキング部材、１０…チャンネル、２０…積層圧電素子、２１…圧電体、２１ａ，２１ｂ…圧電体の側面、２２…第１電極、２３…第２電極、３０…音響整合層、４１…信号側電極、４２…アース側電極、４３…信号側印刷配線板、４５…アース側印刷配線板、４６…充填部材、５２…平板状焼結体、５３…平板状バッキング部材、５５…平板状積層体、５８…短冊状積層体、５９…短冊状積層圧電素子、６０…チャンネルアレイユニット。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スペースをあけて２次元方向に配列され、圧電体に複数の第１、第２の電極をその圧電体の厚さ方向に交互にかつ前記圧電体の対向する２つの側面のうち、一方の側面に前記各第１電極が露出し、他方の側面に各第２電極が露出するように配置して構成した積層圧電素子と、この積層圧電素子上に形成した音響整合層とを有する複数のチャンネル；
前記各チャンネルの積層圧電素子が設置されたバッキング部材；
前記各チャンネルの積層圧電素子における圧電体の一方の側面から前記バッキング部材まで延出して設けられ、その側面に露出する複数の前記第１電極と接続された信号側電極；
前記各チャンネルの積層圧電素子における圧電体の他方の側面から前記バッキング部材まで延出して設けられ、その側面に露出する複数の前記第２電極と接続されたアース側電極；
前記信号側電極に前記バッキング部材に位置する部分で接続された信号側印刷配線板；
前記アース側電極に前記バッキング部材に位置する部分で接続されたアース側印刷配線板；および
前記各チャンネル間のスペースに設けられた充填部材；
を具備したことを特徴とする２次元アレイ型超音波プローブ。
【請求項２】
前記信号側印刷配線は、エポキシ樹脂にガラス不織布を織り込んだ複合材料で構成された絶縁基板と、前記絶縁基板上にＡｕ、Ｃｒ、ＣｕおよびＮｉからなる群より選ばれる少なくとも１つの導電層を形成したリジッド印刷配線板であることを特徴とする請求項１記載の２次元アレイ型超音波プローブ。
【請求項３】
前記アース側印刷配線板は、エポキシ樹脂にガラス不織布を織り込んだ複合材料で構成されたと、前記絶縁基板上にＡｕ、Ｃｒ、ＣｕおよびＮｉからなる群より選ばれる少なくとも１つの導電層を形成したリジッド印刷配線板であることを特徴とする請求項１記載の２次元アレイ型超音波プローブ。
【請求項４】
前記バッキング部材がエポキシ樹脂にガラス不織布を織り込んだ複合材料で構成されていることを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項に記載の２次元アレイ型超音波プローブ。
【請求項５】
前記充填部材は、シリコーン樹脂で構成されていることを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項に記載の２次元アレイ型超音波プローブ。
【請求項１】
スペースをあけて２次元方向に配列され、圧電体に複数の第１、第２の電極をその圧電体の厚さ方向に交互にかつ前記圧電体の対向する２つの側面のうち、一方の側面に前記各第１電極が露出し、他方の側面に各第２電極が露出するように配置して構成した積層圧電素子と、この積層圧電素子上に形成した音響整合層とを有する複数のチャンネル；
前記各チャンネルの積層圧電素子が設置されたバッキング部材；
前記各チャンネルの積層圧電素子における圧電体の一方の側面から前記バッキング部材まで延出して設けられ、その側面に露出する複数の前記第１電極と接続された信号側電極；
前記各チャンネルの積層圧電素子における圧電体の他方の側面から前記バッキング部材まで延出して設けられ、その側面に露出する複数の前記第２電極と接続されたアース側電極；
前記信号側電極に前記バッキング部材に位置する部分で接続された信号側印刷配線板；
前記アース側電極に前記バッキング部材に位置する部分で接続されたアース側印刷配線板；および
前記各チャンネル間のスペースに設けられた充填部材；
を具備したことを特徴とする２次元アレイ型超音波プローブ。
【請求項２】
前記信号側印刷配線は、エポキシ樹脂にガラス不織布を織り込んだ複合材料で構成された絶縁基板と、前記絶縁基板上にＡｕ、Ｃｒ、ＣｕおよびＮｉからなる群より選ばれる少なくとも１つの導電層を形成したリジッド印刷配線板であることを特徴とする請求項１記載の２次元アレイ型超音波プローブ。
【請求項３】
前記アース側印刷配線板は、エポキシ樹脂にガラス不織布を織り込んだ複合材料で構成されたと、前記絶縁基板上にＡｕ、Ｃｒ、ＣｕおよびＮｉからなる群より選ばれる少なくとも１つの導電層を形成したリジッド印刷配線板であることを特徴とする請求項１記載の２次元アレイ型超音波プローブ。
【請求項４】
前記バッキング部材がエポキシ樹脂にガラス不織布を織り込んだ複合材料で構成されていることを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項に記載の２次元アレイ型超音波プローブ。
【請求項５】
前記充填部材は、シリコーン樹脂で構成されていることを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項に記載の２次元アレイ型超音波プローブ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−２２２６６（Ｐ２００８−２２２６６Ａ）
【公開日】平成２０年１月３１日（２００８．１．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１９２０２０（Ｐ２００６−１９２０２０）
【出願日】平成１８年７月１２日（２００６．７．１２）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１月３１日（２００８．１．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年７月１２日（２００６．７．１２）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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