JP6016947B2 - ユニモルフ型超音波探触子およびその製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、ユニモルフ型超音波探触子およびその製造方法に係り、特に、マイクロマシニング技術により作製されたユニモルフ型探触子およびその製造方法に関する。

従来から、医療分野において、超音波画像を利用した超音波診断装置が実用化されている。一般に、この種の超音波診断装置は、超音波探触子から被検体内に向けて超音波ビームを送信し、被検体からの超音波エコーを超音波探触子で受信して、その受信信号を電気的に処理することにより超音波画像が生成される。

超音波探触子としては、バルク圧電体を用いたトランスデューサが利用されていたが、近年、微小サイズのアレイトランスデューサを容易に製造し得ることから、例えば、特許文献１および２に開示されているように、マイクロマシニング技術により作製されるユニモルフ型探触子が注目を浴びている。
このユニモルフ型探触子は、いわゆるｐＭＵＴ（圧電マイクロマシン超音波トランスデューサ）とも呼ばれ、シリコン等からなる基板を部分的に加工して形成された振動板上に、下部電極層と圧電体層と上部電極層を順次積層して形成された圧電素子を有している。

特許第４０４３７９０号公報 特表２００８−５３５６４３号公報

しかしながら、超音波探触子を超音波診断に適用して高精度の超音波画像を生成するためには、ＭＨｚ帯で高速に圧電素子を駆動する必要があり、このような高速駆動を行うと、互いに積層形成されて密着している各層間に作用する応力が無視できなくなる。そして、長時間の使用により、隣接する層が剥離するおそれを生じてしまう。層間の剥離が発生すると、もはや超音波探触子として機能することが困難となる。このような層間の剥離現象は、発生する音圧が比較的低い場合には、圧電素子の仕事量が小さいために問題とならないが、特に、高い音圧を発生する場合に、仕事量が大きくなるため顕著となる。

また、ユニモルフ型探触子の音響インピーダンスは、一般に４〜１０×１０^６ｋｇ／ｍ^２ｓ程度であり、従来の無機材料からなるバルク圧電体を用いた探触子の音響インピーダンスに比べると、かなり低いものの、超音波診断の対象となる生体の音響インピーダンス１．５×１０^６ｋｇ／ｍ^２ｓ程度よりは高い値を有している。このため、ユニモルフ型探触子をそのまま使用して超音波診断を行おうとすると、生体への超音波ビームの透過率の低下を来してしまう。特に、ユニモルフ型探触子は、微細に作製するには適しているものの、大きな音圧と高い受信感度を実現することが難しく、音響インピーダンスの不整合による超音波ビームの透過率の低下は、高精度の超音波診断を行う上で大きな問題となる。
このように、従来は、超音波診断への適用を考慮した際に、ユニモルフ型探触子の構造をどのような設計とすればよいのか判明しておらず、これを解決することが要求されていた。

この発明は、このような従来の問題点を解消するためになされたもので、高精度の超音波診断を長時間にわたって信頼性よく行うことができるユニモルフ型超音波探触子およびその製造方法を提供することを目的とする。

この発明に係るユニモルフ型超音波探触子は、それぞれエレベーション方向に延びると共にアジマス方向に所定の間隔を隔てて配列された複数の圧電素子領域が形成され且つそれぞれの圧電素子領域内にそれぞれ所定の形状を有する複数の開口が形成された基板と、それぞれの圧電素子領域内で複数の開口の一端をそれぞれ閉じるように基板に形成された複数の振動板と、それぞれの圧電素子領域内で複数の振動板の表面上に形成されると共にそれぞれ圧電体層と圧電体層の両面に形成された一対の電極層を有する複数の圧電素子部と、複数の圧電素子領域における複数の圧電素子部が埋め込まれるように基板の表面上に配置され且つ音響インピーダンス１．５×１０^６〜４×１０^６ｋｇ／ｍ^２ｓ、ショアＡ硬度７５以下の有機樹脂からなる被覆層と、複数の圧電素子領域に対応して基板の表面上に配置され且つそれぞれエレベーション方向に延びる複数の引き出し電極とを備え、それぞれの圧電素子領域内に形成された複数の圧電素子部が有する一対の電極層のうち一方の電極層が互いに１つに接続されて対応する引き出し電極に接続されているものである。

好ましくは、開口は、４０〜８０μｍの径を有し、圧電体層は、１〜１０μｍの厚さを有し、圧電体層の厚さと振動板の厚さの比率は、１：０．８〜１．２に設定される。
さらに、送信音圧が予め設定された設定値以上となるように、開口の径と圧電体層の厚さの値の組み合わせが選択されることが好ましい。
例えば、開口が４０μｍの径を有し、圧電体層が１〜５μｍ、特に２〜３μｍの厚さを有する組み合わせ、開口が５０μｍの径を有し、圧電体層が１〜７μｍ、特に１〜６μｍの厚さを有する組み合わせ、開口が６０μｍの径を有し、圧電体層が２〜９μｍ、特に４〜８μｍの厚さを有する組み合わせ、開口が７０μｍの径を有し、圧電体層が４〜１０μｍ、特に５〜９μｍの厚さを有する組み合わせ、または、開口が８０μｍの径を有し、圧電体層が６〜１０μｍ、特に９μｍの厚さを有する組み合わせとすることができる。

好ましくは、基板は、絶縁層を介してＳｉ基材の上にＳｉ層が形成されたＳＯＩ基板であり、それぞれの圧電素子領域において、Ｓｉ基材に、それぞれ絶縁層が露出するように所定の形状を有する複数の開口が形成され、複数の開口に対応した部分のＳｉ層および絶縁層から複数の振動板が形成されている。
なお、開口の所定の形状は、円形または正多角形とすることができる。
圧電素子部は、対応する振動板の周縁部を越えないように振動板の表面上に形成されることが好ましい。
それぞれの圧電素子領域において、複数の圧電素子部は、それぞれエレベーション方向に所定のピッチで直線状に配列された複数の列を形成すると共に列毎に所定のピッチの１／２のずれ量を有する細密充填構造を有するように配置することができる。
また、被覆層は、音響整合条件を満たすような厚さを有することが好ましい。
さらに、それぞれの圧電素子領域がエレベーション方向に複数の領域に分割されていない１次元アレイを構成することができる。あるいは、それぞれの圧電素子領域がエレベーション方向に複数の領域に分割された１．５次元アレイまたは２次元アレイを構成することもできる。

この発明に係るユニモルフ型超音波探触子の製造方法は、基板にそれぞれエレベーション方向に延びると共にアジマス方向に所定の間隔を隔てて配列されるように複数の圧電素子領域を形成し、それぞれの圧電素子領域内で基板にそれぞれ所定の形状を有する複数の開口と複数の開口の一端をそれぞれ閉じる複数の振動板とを形成し、それぞれの圧電素子領域内で複数の振動板の表面上にそれぞれ複数の圧電素子部を形成し、複数の圧電素子領域に対応して基板の表面上にそれぞれエレベーション方向に延びるように複数の引き出し電極を形成し、それぞれの圧電素子領域内に形成された複数の圧電素子部が有する一対の電極層のうち一方の電極層を互いに１つに接続して対応する引き出し電極に接続し、複数の圧電素子領域における複数の圧電素子部が埋設されるように基板の表面上に音響インピーダンス１．５×１０^６〜４×１０^６ｋｇ／ｍ^２ｓ、ショアＡ硬度７５以下の有機樹脂からなる被覆層を形成する方法である。

この発明によれば、音響インピーダンス１．５×１０^６〜４×１０^６ｋｇ／ｍ^２ｓ、ショアＡ硬度７５以下の有機樹脂からなる被覆層を基板の表面上に配置して複数の圧電素子部を埋め込むので、それぞれの圧電素子部が被覆層によって保護されると共に生体への超音波ビームの透過率が向上し、音圧が高い生体用の超音波診断用途においても高精度の超音波診断を長時間にわたって信頼性よく行うことが可能となる。

この発明の実施の形態に係るユニモルフ型超音波探触子の構成を示す平面図である。 被覆層を除去した状態の実施の形態に係るユニモルフ型超音波探触子を示す平面図である。 実施の形態に係るユニモルフ型超音波探触子の要部を示す断面図である。 実施の形態に係るユニモルフ型超音波探触子の互いに隣接する２つの圧電素子領域とこれらの圧電素子領域に接続された引き出し電極を示す部分拡大平面図である。 実施の形態に係るユニモルフ型超音波探触子の製造方法を工程順に示す図である。 実施の形態に係るユニモルフ型超音波探触子をＦＰＣ上に搭載した状態を示す平面図である。 基板の開口の径を種々変化させたときの圧電体層の厚さと送信音圧との関係を示すグラフである。 有機樹脂材料の残留振動波形を示し、（Ａ）はショアＡ硬度１００以上の有機樹脂材料、（Ｂ）はショアＡ硬度６２の有機樹脂材料に対する波形図である。 有機樹脂材料のショアＡ硬度と残留振動の波数との関係を示すグラフである。 実施の形態に係るユニモルフ型超音波探触子の周波数と感度との関係を示すグラフである。 実施の形態に係るユニモルフ型超音波探触子を用いて撮像された超音波画像を表す写真である。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に、この発明の実施の形態に係るユニモルフ型超音波探触子の構成を示す。
基板１の表面上に、それぞれエレベーション（ＥＬ）方向に細長く延び、アジマス（ＡＺ）方向に互いにわずかな間隔を隔てて配列された複数の圧電素子領域２が形成され、それぞれの圧電素子領域２に、複数の微小な圧電素子部が配列形成されている。また、それぞれの圧電素子領域２には、エレベーション方向に、対応する引き出し電極３が接続されている。これらの引き出し電極３は、互いの配列ピッチを確保するために、交互に基板１の一対の側縁１ａおよび１ｂのうちのいずれかに延びている。
そして、すべての圧電素子領域２を覆うように、基板１の上に被覆層４が配置されている。

被覆層４を除去した状態を示す図２には、それぞれエレベーション方向に延びる複数の圧電素子領域２が明確に示されている。これらの圧電素子領域２は、例えばピッチＰ１＝２５０μｍで、アジマス方向に配列されている。
図３に示されるように、圧電素子領域２に配列形成されている複数の微小な圧電素子部５は、それぞれ、基板１の表面１ｃ上に形成された下部電極層６と、下部電極層６の上に形成された厚さＴ１の圧電体層７と、圧電体層７の上に形成された上部電極層８とを有している。圧電体層７は、正六角形の平面形状を有し、上部電極層８も圧電体層７と同一の正六角形に形成されている。

このような圧電素子部５は、図４に示されるように、探触子のエレベーション方向に所定のピッチＰ２で直線状に配列された複数の列を形成すると共に、列毎にピッチＰ２の１／２のずれ量ΔＰ＝Ｐ２／２だけエレベーション方向にずれた細密充填構造を有するように配置されている。そして、同一の圧電素子領域２に形成されている圧電素子部５の上部電極層８が、互いに接続されると共に対応する引き出し電極３に接続されている。なお、すべての圧電素子領域２に配列形成されている圧電素子部５の下部電極層６は、互いに１つに接続され、基板１の表面１ｃ上に１枚の電極層を形成している。
すなわち、圧電体層７は、個々の圧電素子部５毎に分離しており、上部電極層８は、同一の圧電素子領域２内で１つに接続されて引き出し電極３に接続され、下部電極層６は、すべての圧電素子領域２のすべての圧電素子部５に対して共通している。

図３に示されるように、それぞれの圧電素子部５の配置位置に対応する基板１の裏面１ｄ側に複数の開口９が形成されている。この開口９の形成により、基板１は薄くなり、基板１の表面１ｃ側に開口９の一端を閉じるように、厚さＴ２の振動板１０を形成している。圧電素子部５は、それぞれ対応する振動板１０の上に配置されている。
それぞれの開口９は、対応する圧電素子部５の圧電体層７と相似形で且つ圧電体層７と同じか、または、圧電体層７より大きな正六角形の平面形状を有している。すなわち、正六角形の内接円の直径と外接円の直径の平均を正六角形の径と呼ぶこととすると、開口９の径Ｄ２は、圧電素子部５の圧電体層７の径Ｄ１以上の値を有しており、圧電体層７は、振動板１０の周縁部を越えないように振動板１０の表面上に形成されている。このような構成とすることにより、振動板１０が圧電素子部５において生成される振動に共振しやすくなり、効率よく超音波を送信して音圧を高めることができる。なお、図３に示した探触子では、開口９の径Ｄ２が、圧電体層７の径Ｄ１より大きく設定されている。

基板１上に形成されたすべての圧電素子部５が被覆層４により被覆されている。被覆層４は、それぞれの圧電素子部５を埋め込むように、それぞれの圧電体層７の側面部分にまで充填されている。この被覆層４は、音響インピーダンス１．５×１０^６〜４×１０^６ｋｇ／ｍ^２ｓ（１．５〜４Ｍｒａｙｌ）で且つショアＡ硬度７５以下の有機樹脂から形成され、ユニモルフ型超音波探触子の使用周波数に対して音響整合条件、すなわち、１／４波長条件を満たすような厚さを有している。

このような被覆層４でそれぞれの圧電素子部５を埋め込むことにより、圧電素子部５が保護されるため、超音波診断に適したＭＨｚ帯でユニモルフ型超音波探触子を高速に且つ長時間駆動しても、圧電素子部５の層間で剥離が発生することが未然に防止され、信頼性の高い超音波診断が実現される。
また、被覆層４は、超音波診断の対象となる生体の音響インピーダンスに近い、１．５×１０^６〜４×１０^６ｋｇ／ｍ^２ｓの音響インピーダンスを有しているので、生体に対する超音波ビームの透過率の低下を抑制し、高精度の超音波診断画像を得ることが可能となる。

この実施の形態に係るユニモルフ型超音波探触子は、例えば、次のようにして製造することができる。
まず、図５（Ａ）に示されるように、単結晶Ｓｉからなる厚さ５００μｍ程度のＳｉ基材１１の上に絶縁層となる厚さ１〜２μｍの熱酸化ＳｉＯ_２膜１２を介して厚さ数μｍの単結晶Ｓｉ層１３が形成されたＳＯＩ基板１４を作製する。
次に、図５（Ｂ）に示されるように、Ｓｉ基材１１および単結晶Ｓｉ層１３へのＰｂの拡散防止等を目的として、ＳＯＩ基板１４の両面にそれぞれ厚さ０．３μｍ程度の熱酸化ＳｉＯ_２膜１５および１６を形成する。

その後、図５（Ｃ）に示されるように、熱酸化ＳｉＯ_２膜１６の上に厚さ３０ｎｍのＴｉと厚さ１５０ｎｍのＰｔからなる電極層１７をスパッタリング法により形成し、電極層１７の上に厚さ１〜１０μｍのＰＺＴ膜１８をスパッタリング法により形成し、さらに、ＰＺＴ膜１８の上に厚さ３０ｎｍのＴｉと厚さ１５０ｎｍのＰｔからなる電極層１９をスパッタリング法により形成する。
図５（Ｄ）に示されるように、最上層の電極層１９の上にレジストを塗布し、硬化させ、ＵＶマスクをかけて露光した後、現像することで、これから作製しようとする圧電素子部５の上部電極層８に対応した上部マスク２０を形成する。

さらに、図５（Ｅ）に示されるように、反応性イオンエッチングにより、上部マスク２０から露出した部分の電極層１９を除去し、さらに、図５（Ｆ）に示されるように、上部マスク２０から露出した部分のＰＺＴ膜１８をエッチングにより除去する。
その後、図５（Ｇ）に示されるように、リムーバで上部マスク２０を除去すると共に、最下層の熱酸化ＳｉＯ_２膜１５の下面にレジストを塗布し、硬化させ、ＵＶマスクをかけて露光した後、現像することで、これから作製しようとする基板１の開口９に対応した裏面マスク２１を形成する。

次に、図５（Ｈ）に示されるように、反応性イオンエッチングにより、裏面マスク２１から露出した部分の熱酸化ＳｉＯ_２膜１５を除去し、さらに、図５（Ｉ）に示されるように、裏面マスク２１から露出した部分のＳＯＩ基板１４のＳｉ基材１１を深堀りドライエッチングにより除去する。このとき、ＳＯＩ基板１４の熱酸化ＳｉＯ_２膜１２がストップエッチ層として機能し、熱酸化ＳｉＯ_２膜１２が露出するようにＳｉ基材１１が裏面マスク２１により形成された形状にくり抜かれる。そして、図５（Ｊ）に示されるように、リムーバで裏面マスク２１が除去される。

Ｓｉ基材１１と熱酸化ＳｉＯ_２膜１２と単結晶Ｓｉ層１３により基板１が形成され、熱酸化ＳｉＯ_２膜１２と単結晶Ｓｉ層１３によって振動板１０が形成される。また、電極層１７により下部電極層６が形成され、ＰＺＴ膜１８により圧電体層７が形成され、電極層１９により上部電極層８が形成される。

このようにして、図２に示したように、被覆層４を有しない状態の探触子が作製されると、図６に示されるように、この状態の探触子をＦＰＣ（フレキシブルプリント回路）２２等に搭載し、複数の引き出し電極３をそれぞれＦＰＣ２２の対応する配線パターン２３に接続すると共に、すべての圧電素子部５に対して共通に存在する下部電極層６をＦＰＣ２２の接地パターン２４に接続する。これらの接続は、Ａｇペースト、ワイヤボンディング、低温ハンダ等を用いて行うことができる。
その後、すべての圧電素子領域２を覆うように、基板１の上に被覆層４をコーティング形成することで、ユニモルフ型超音波探触子の製造を完了する。

通常、高精度の超音波画像を生成するためには、５０ｋＰａ程度以上の送信音圧が必要となることが実験上で判明している。
そこで、まず、基板１の開口９の径Ｄ２と圧電体層７の厚さＴ１を種々の組み合わせにしながら、それぞれ、振動板１０の厚さＴ２を変化させたときの送信音圧の値を測定した。その結果、開口９の径Ｄ２および圧電体層７の厚さＴ１の値にかかわらず、振動板１０の厚さＴ２が圧電体層７の厚さＴ１に対して０．８〜１．２の比率を有する場合に、送信音圧は最大となり、比率が０．８を下回っても、あるいは、１．２を上回っても、送信音圧は最大値から低下することがわかった。

次に、圧電体層７の厚さＴ１と振動板１０の厚さＴ２の比率を、１：０．８〜１．２に保ちながら、基板１の開口９の径Ｄ２を４０〜１００μｍの範囲内で種々変化させたときの圧電体層７の厚さＴ１と送信音圧との関係をＦＥＭ（有限要素法）シミュレーションにより測定したところ、図７に示されるような結果が得られた。なお、図７の縦軸は、規格化された送信音圧の値を示しており、例えば、規格値５００〜６００が１００ｋＰａ程度の音圧に相当している。
開口９の径Ｄ２が大きくなるほど、送信音圧のピーク値を示す圧電体層７の厚さＴ１は大きくなることがわかる。例えば、開口９の径Ｄ２＝５０μｍのときの送信音圧は、圧電体層７の厚さＴ１＝４μｍ程度でピーク値を示し、開口９の径Ｄ２＝８０μｍのときの送信音圧は、圧電体層７の厚さＴ１＝９μｍ程度でピーク値を示す。
また、それぞれの開口９の径Ｄ２における送信音圧のピーク値は、開口９の径Ｄ２＝５０μｍのときに最大となり、径Ｄ２が５０μｍから小さくなっても、大きくなっても、徐々に低下することがわかる。例えば、開口９の径Ｄ２＝５０μｍのときの送信音圧は、規格値５００を越えるピークを有し、開口９の径Ｄ２＝１００μｍになると、規格値２００程度のピークしか得ることができなくなる。

ここで、図７の縦軸に示した送信音圧の規格値と、探触子の性能レベルとの関係を実験上で調べたところ、以下の表１に示されるように、送信音圧の規格値に応じて探触子を評価ＡＡから評価Ｄまでの５段階に分類することが可能であることがわかった。

すなわち、送信音圧の規格値が４００以上の場合は、超音波診断装置の探触子として高性能なレベルを有するため、評価ＡＡとし、送信音圧の規格値が３００以上４００未満の場合は、超音波診断装置の探触子として実用レベルを有し、これを評価Ａとする。送信音圧の規格値が２００以上３００未満の場合は、簡易的な超音波画像用途であれば実用可能なレベルを有し、評価Ｂとする。
これに対して、送信音圧の規格値が２００未満になると、実用可能な超音波画像を得ることが難しくなり、送信音圧の規格値が１００以上２００未満の場合は、センシング用途であれば実用可能なレベルであって、これを評価Ｃとし、送信音圧の規格値が１００未満の場合は、センシング用途でも実用レベル以下で、これを評価Ｄとする。

図７のグラフから、開口９の径Ｄ２と圧電体層７の厚さＴ１のそれぞれの組み合わせに対する送信音圧の規格値を読み取ると、以下の表２および表３に示されるような評価結果を得ることができる。

この評価結果に基づき、開口９の径Ｄ２と圧電体層７の厚さＴ１の組み合わせとして、Ｄ２＝４０μｍのときにＴ１＝１〜５μｍ、Ｄ２＝５０μｍのときにＴ１＝１〜７μｍ、Ｄ２＝６０μｍのときにＴ１＝２〜９μｍ、Ｄ２＝７０μｍのときにＴ１＝４〜１０μｍ、Ｄ２＝８０μｍのときにＴ１＝６〜１０μｍに設定することで、評価はＡＡ、ＡおよびＢのいずれかとなり、実用可能レベル以上の超音波画像の取得が可能であることがわかる。
なお、図７では、圧電体層７の厚さＴ１＝１〜９μｍに対する送信音圧が示され、圧電体層７の厚さＴ１＝１０μｍに対する測定点がプロットされていないが、それぞれの開口９の径Ｄ２に対する特性曲線から、Ｄ２＝７０μｍおよびＴ１＝１０μｍのときの送信音圧と、Ｄ２＝８０μｍおよびＴ１＝１０μｍのときの送信音圧が、いずれも規格値２００を越えることが予想される。このため、Ｄ２＝７０μｍ、Ｔ１＝１０μｍとＤ２＝８０μｍ、Ｔ１＝１０μｍの組み合わせも、上記の、実用可能レベル以上の超音波画像の取得が可能な組み合わせの中に組み込まれている。

さらに、Ｄ２＝４０μｍのときにＴ１＝２〜３μｍ、Ｄ２＝５０μｍのときにＴ１＝１〜６μｍ、Ｄ２＝６０μｍのときにＴ１＝４〜８μｍ、Ｄ２＝７０μｍのときにＴ１＝５〜９μｍ、Ｄ２＝８０μｍのときにＴ１＝９μｍに設定すれば、いずれも評価ＡＡまたは評価Ａが得られ、超音波診断装置の探触子として高性能レベルまたは実用レベルとなる。

なお、インクジェット等に用いられる圧電素子においても、振動板の上に圧電体を形成する構造体が知られているが、通常、振動板の径は１００μｍを大きく上回っており、図７に示される、径１００μｍ以下の振動板を用いた超音波送信用の素子構造と音圧の関係は、本願発明に際した検討により初めて判明したものである。振動板の径１００μｍ以下において、超音波診断装置に実用可能な大きな音圧を得られる構造があることが、明らかとなった。

また、被覆層４に用いる有機樹脂材料を検討するため、図８に、ショアＡ硬度の異なる２種類の有機樹脂の残留振動波形を示す。図８（Ａ）は、ショアＡ硬度１００以上の有機樹脂Ｒ１（ＥＰＯＴＥＫ社製のエポキシ３０１−２ＦＬ）に対する波形図、図８（Ｂ）は、ショアＡ硬度６２の有機樹脂Ｒ２（ＥＰＯＴＥＫ社製のエポキシ３０１Ｍ）に対する波形図である。これらの有機樹脂Ｒ１とＲ２を比較すると、より大きなショアＡ硬度を有する有機樹脂Ｒ１では、残留振動が長く残るのに対して、ショアＡ硬度の小さい有機樹脂Ｒ２では、残留振動が短時間のうちに減衰している。

大きな残留振動が残っているタイミングで次の超音波の送信を行うと、送信ビームの波面を乱すこととなり、高精度の超音波診断が困難となる。仮に、超音波の送信周波数を１０ＭＨｚとすると、周期は、０．１μｓとなる。この周期程度の時間内に残留振動がある程度減衰していることが望まれる。
残留振動の最大ピーク電圧値に対して１０％以上の電圧強度となる波数Ｎを求めたところ、図８（Ａ）に示した有機樹脂Ｒ１では、Ｎ＝１６波、図８（Ｂ）に示した有機樹脂Ｒ２では、Ｎ＝８波であった。同様に、ショアＡ硬度５７のシリコーン樹脂について波数Ｎを求めると、Ｎ＝７波であった。このシリコーン樹脂を含めて、有機樹脂のショアＡ硬度の値と波数Ｎとの関係を示すと、図９のグラフのようになる。なお、被覆層４を有しないユニモルフ型探触子が、その構造上、理想的に３波の残留振動を有するため、図９において、ショアＡ硬度０に対する波数Ｎ＝３がプロットされている。ショアＡ硬度が大きな樹脂材料ほど、残留振動の最大ピーク電圧値に対して１０％以上の電圧強度となる波数Ｎが増大する傾向にある。

ここで、図８（Ａ）に示した有機樹脂Ｒ１のように、残留振動の最大ピーク電圧値に対して１０％以上の電圧強度となる波数Ｎが１０波を越えるような有機樹脂材料は、超音波診断に適した周波数帯域を設定することができなくなるおそれがあり、被覆層４の材料として不向きである。
一方、図８（Ｂ）に示した有機樹脂Ｒ２のように、残留振動の最大ピーク電圧値に対して１０％以上の電圧強度となる波数Ｎが１０波以下となる有機樹脂材料を被覆層４として用いれば、十分に超音波診断を行い得る周波数帯域を設定することができる。このような樹脂材料を図９から読み取ると、ショアＡ硬度が７５以下となる。

そこで、この発明においては、被覆層４の材料として、ショアＡ硬度７５以下の有機樹脂を用いることとしている。
このような被覆層４ですべての圧電素子部５を被覆することにより、圧電素子部５を機械的に保護しつつ、超音波診断に適したＭＨｚ帯でユニモルフ型超音波探触子を駆動して、高精度の超音波診断を実行することが可能となる。
なお、被覆層４として使用される有機樹脂材料のショアＡ硬度の下限値は、特に限定されるものではないが、例えば、ショアＡ硬度２０程度以上であれば、十分に圧電素子部５を保護して圧電素子部５の層間で剥離が発生することを防止することができる。

また、開口９の径Ｄ２＝７０μｍ、圧電体層７の厚さＴ１＝７μｍ、圧電体層７の厚さＴ１と振動板１０の厚さＴ２の比率を１：１．１として６４チャネルのユニモルフ型超音波探触子を製造し、水中において送信および受信の２ｗａｙによる周波数と感度との関係を測定したところ、図１０に示されるような結果が得られた。
最大感度ピーク値からの−６ｄＢ帯域は、４〜１８ＭＨｚ程度をカバーしており、従来の探触子に比べて非常に広い超広帯域を示すことがわかった。
さらに、上記の６４チャネルのユニモルフ型超音波探触子を用いて、実際に無反響嚢胞を撮像した超音波画像を図１１に示す。探触子の駆動電圧を±５０ｖとし、音響レンズを用いずに深度４ｃｍまで撮像したものである。高精度の鮮明な超音波画像が得られることが実証された。

なお、上記の実施の形態に係るユニモルフ型超音波探触子では、図４に示したように、それぞれの圧電素子部５の圧電体層７および上部電極層８が、正六角形の平面形状を有していたが、これに限るものではなく、例えば、円形または六角以外の正多角形とすることもできる。この場合、基板１の開口９も、圧電素子部５の圧電体層７および上部電極層８と相似形の平面形状を有することが好ましい。正多角形を用いる際には、正六角形の場合と同様に、正多角形の内接円の直径と外接円の直径の平均を正多角形の径と呼ぶこととする。
また、上記の実施の形態に係るユニモルフ型超音波探触子では、複数の圧電素子領域２がアジマス方向に配列された、いわゆる１Ｄ（次元）アレイが例示されていたが、この発明は、１Ｄアレイに限るものではない。例えば、それぞれの圧電素子領域がエレベーション方向にも３〜５程度の複数領域に分割されて深さ方向に超音波ビームを段階的に調整可能な、いわゆる１．５Ｄアレイ、あるいは、それぞれの圧電素子領域がエレベーション方向にも多数の領域に分割されてアジマス方向にもエレベーション方向にも自在に超音波ビームを振ることができる、いわゆる２Ｄアレイに対しても、この発明に係るユニモルフ型超音波探触子を適用することができ、さらに、従来型の超音波探触子に比べて、このような１．５Ｄアレイまたは２Ｄアレイの作製が容易となる。

１ 基板、１ａ，１ｂ 基板の側縁、１ｃ 基板の表面、１ｄ 基板の裏面、２ 圧電素子領域、３ 引き出し電極、４ 被覆層、５ 圧電素子部、６ 下部電極層、７ 圧電体層、８ 上部電極層、９ 開口、１０ 振動板、１１ Ｓｉ基材、１２，１５，１６ 熱酸化ＳｉＯ_２膜、１３ 単結晶Ｓｉ層、１４ ＳＯＩ基板、１７，１９ 電極層、１８ ＰＺＴ膜、２０ 上部マスク、２１ 裏面マスク、２２ ＦＰＣ、２３ 配線パターン、２４ 接地パターン、Ｐ１ 圧電素子領域の配列ピッチ、Ｐ２ 圧電素子部のエレベーション方向の配列ピッチ、ΔＰ 列毎のエレベーション方向のずれ量、Ｔ１ 圧電体層の厚さ、Ｔ２ 振動板の厚さ、Ｄ１ 圧電体層の径、Ｄ２ 開口の径。

Claims (21)

1. それぞれエレベーション方向に延びると共にアジマス方向に所定の間隔を隔てて配列された複数の圧電素子領域が形成され且つそれぞれの前記圧電素子領域内にそれぞれ所定の形状を有する複数の開口が形成された基板と、
   それぞれの前記圧電素子領域内で前記複数の開口の一端をそれぞれ閉じるように前記基板に形成された複数の振動板と、
   それぞれの前記圧電素子領域内で前記複数の振動板の表面上に形成されると共にそれぞれ圧電体層と前記圧電体層の両面に形成された一対の電極層を有する複数の圧電素子部と、
   前記複数の圧電素子領域における前記複数の圧電素子部が埋め込まれるように前記基板の表面上に配置され且つ音響インピーダンス１．５×１０^６〜４×１０^６ｋｇ／ｍ^２ｓ、ショアＡ硬度７５以下の有機樹脂からなる被覆層と、
   前記複数の圧電素子領域に対応して前記基板の表面上に配置され且つそれぞれエレベーション方向に延びる複数の引き出し電極と
   を備え、
   それぞれの前記圧電素子領域内に形成された前記複数の圧電素子部が有する前記一対の電極層のうち一方の電極層が互いに１つに接続されて対応する前記引き出し電極に接続されていることを特徴とするユニモルフ型超音波探触子。
2. 前記開口は、４０〜８０μｍの径を有し、
   前記圧電体層は、１〜１０μｍの厚さを有し、
   前記圧電体層の厚さと前記振動板の厚さの比率は、１：０．８〜１．２である請求項１に記載のユニモルフ型超音波探触子。
3. 送信音圧が予め設定された設定値以上となるように、前記開口の径と前記圧電体層の厚さの値の組み合わせが選択される請求項２に記載のユニモルフ型超音波探触子。
4. 前記開口は、４０μｍの径を有し、前記圧電体層は、１〜５μｍの厚さを有する請求項３に記載のユニモルフ型超音波探触子。
5. 前記圧電体層は、２〜３μｍの厚さを有する請求項４に記載のユニモルフ型超音波探触子。
6. 前記開口は、５０μｍの径を有し、前記圧電体層は、１〜７μｍの厚さを有する請求項３に記載のユニモルフ型超音波探触子。
7. 前記圧電体層は、１〜６μｍの厚さを有する請求項６に記載のユニモルフ型超音波探触子。
8. 前記開口は、６０μｍの径を有し、前記圧電体層は、２〜９μｍの厚さを有する請求項３に記載のユニモルフ型超音波探触子。
9. 前記圧電体層は、４〜８μｍの厚さを有する請求項８に記載のユニモルフ型超音波探触子。
10. 前記開口は、７０μｍの径を有し、前記圧電体層は、４〜１０μｍの厚さを有する請求項３に記載のユニモルフ型超音波探触子。
11. 前記圧電体層は、５〜９μｍの厚さを有する請求項１０に記載のユニモルフ型超音波探触子。
12. 前記開口は、８０μｍの径を有し、前記圧電体層は、６〜１０μｍの厚さを有する請求項３に記載のユニモルフ型超音波探触子。
13. 前記圧電体層は、９μｍの厚さを有する請求項１２に記載のユニモルフ型超音波探触子。
14. 前記基板は、絶縁層を介してＳｉ基材の上にＳｉ層が形成されたＳＯＩ基板であり、
    それぞれの前記圧電素子領域において、前記Ｓｉ基材に、それぞれ前記絶縁層が露出するように前記所定の形状を有する前記複数の開口が形成され、
    前記複数の開口に対応した部分の前記Ｓｉ層および前記絶縁層から前記複数の振動板が形成されている請求項１〜１３のいずれか一項に記載のユニモルフ型超音波探触子。
15. 前記開口の前記所定の形状は、円形または正多角形である請求項１〜１４のいずれか一項に記載のユニモルフ型超音波探触子。
16. 前記圧電素子部は、対応する前記振動板の周縁部を越えないように前記振動板の表面上に形成されている請求項１〜１５のいずれか一項に記載のユニモルフ型超音波探触子。
17. それぞれの前記圧電素子領域において、前記複数の圧電素子部は、それぞれエレベーション方向に所定のピッチで直線状に配列された複数の列を形成すると共に列毎に前記所定のピッチの１／２のずれ量を有する細密充填構造を有するように配置されている請求項１〜１６のいずれか一項に記載のユニモルフ型超音波探触子。
18. 前記被覆層は、音響整合条件を満たすような厚さを有する請求項１〜１７のいずれか一項に記載のユニモルフ型超音波探触子。
19. それぞれの前記圧電素子領域がエレベーション方向に複数の領域に分割されていない１次元アレイを構成する請求項１〜１８のいずれか一項に記載のユニモルフ型超音波探触子。
20. それぞれの前記圧電素子領域がエレベーション方向に複数の領域に分割された１．５次元アレイまたは２次元アレイを構成する請求項１〜１８のいずれか一項に記載のユニモルフ型超音波探触子。
21. 基板にそれぞれエレベーション方向に延びると共にアジマス方向に所定の間隔を隔てて配列されるように複数の圧電素子領域を形成し、
    それぞれの前記圧電素子領域内で前記基板にそれぞれ所定の形状を有する複数の開口と前記複数の開口の一端をそれぞれ閉じる複数の振動板とを形成し、
    それぞれの前記圧電素子領域内で前記複数の振動板の表面上にそれぞれ圧電体層と前記圧電体層の両面に形成された一対の電極層を有する複数の圧電素子部を形成し、
    前記複数の圧電素子領域に対応して前記基板の表面上にそれぞれエレベーション方向に延びるように複数の引き出し電極を形成し、
    それぞれの前記圧電素子領域内に形成された前記複数の圧電素子部が有する前記一対の電極層のうち一方の電極層を互いに１つに接続して対応する前記引き出し電極に接続し、
    前記複数の圧電素子領域における前記複数の圧電素子部が埋設されるように前記基板の表面上に音響インピーダンス１．５×１０^６〜４×１０^６ｋｇ／ｍ^２ｓ、ショアＡ硬度７５以下の有機樹脂からなる被覆層を形成することを特徴とするユニモルフ型超音波探触子の製造方法。

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