JP4703382B2 - 振動子アレイの構造、およびその作製方法、並びに超音波プローブ - Google Patents

Description

本発明は、超音波プローブに内蔵される超音波トランスデューサアレイなどの、基板上に複数の振動子がアレイ状に配列された振動子アレイの構造、およびその作製方法、並びに超音波プローブに関する。

基板上に複数の振動子がアレイ状に配列された振動子アレイとして、超音波プローブに内蔵される超音波トランスデューサアレイが知られている。超音波トランスデューサアレイは、基板としてのバッキング材、振動子としての圧電素子、電極、および音響整合層などから構成される。

超音波トランスデューサアレイは、まず、圧電素子の材料であるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などのウエハーとバッキング材とを接着剤で接着し、ウエハー上に電極や音響整合層などを積層した後、所望の配列となるように、音響整合層側からバッキング材に至るまでダイシング加工を施してウエハーを複数の圧電素子に分割し、これにより形成されたダイシング溝に充填材を充填することで作製される。

ところで、超音波トランスデューサアレイでは、個々の圧電素子がその厚み方向に振動することによって超音波が発生されるが、この厚み方向の振動に伴う幅方向の振動によって、本来必要とされる厚み方向の振動が不安定となり、超音波トランスデューサアレイの音響特性に悪影響を及ぼすという問題があった。

上記のような問題を解決するために、バッキング材に向かって先太となるように、圧電素子を略台形状に形成して、不要な幅方向の振動を抑制するようにした超音波探触子の製造方法が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００１−４６３６８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の手法では、ダイシング加工の際の摩擦熱で圧電素子が熱変形することを防止するために、アルミナ粉末などの研磨粉をバッキング材に混入しているので、生産コストが嵩むという欠点があった。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、余計な生産コストを掛けずに、振動子の幅方向の振動を抑制することができる振動子アレイの構造、およびその作製方法を提供することを目的とする。

また、本発明は、製造時の作業性を向上させることができ、また、製品の信頼性を高めることができる超音波プローブを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、基板上に複数の振動子がアレイ状に配列された振動子アレイの構造において、前記基板に前記振動子を接着する接合部材により、前記振動子の底部の側面が囲繞されていることを特徴とする。なお、前記接合部材は、導電性を有することが好ましい。

また、前記振動子間に充填材が充填されることが好ましい。この場合、前記充填材は、硬度の異なる材料で形成された多層構造を有していることが好ましく、前記充填材の基板側の層の硬度が、他の充填材の層の硬度よりも高いことが好ましい。さらに、前記充填材は２層からなり、前記充填材の基板側の層と他の層の厚みの比率が、１：１〜１：３とされていることが好ましい。

前記振動子同士が、梁部材により連結されていることが好ましい。

また、本発明は、基板上に複数の振動子がアレイ状に配列された振動子アレイの作製方法において、前記振動子のウエハーに切り込みを入れてサブダイシング加工を施す工程と、前記基板に接合部材を塗布する工程と、前記接合部材に前記サブダイシング加工を施したウエハーを埋めた際に形成される前記接合部材の溜まりにより、前記振動子の底部の側面が囲繞されるように、前記基板に前記サブダイシング加工を施したウエハーを接着する工程とを備えたことを特徴とする。なお、前記接合部材に、導電性を有する材料を用いることが好ましい。

なお、前記基板に前記ウエハーを接着した後、前記サブダイシング加工で残った前記ウエハーの上側部分を取り除き、個々の振動子に分割する工程を備えることが好ましい。

また、前記振動子間に充填材を充填することが好ましい。この場合、前記充填材を、硬度の異なる材料で形成された多層構造とすることが好ましく、前記充填材の基板側の層の硬度を、他の充填材の層の硬度よりも高くすることが好ましい。さらに、前記充填材を２層とし、前記充填材の基板側の層と他の層の厚みの比率を、１：１〜１：３とすることが好ましい。

前記振動子同士を、梁部材により連結することが好ましい。

さらに、本発明の超音波プローブは、請求項１ないし７のいずれかに記載の構造を有する振動子アレイを、超音波トランスデューサアレイとして内蔵したことを特徴とする。なお、前記超音波トランスデューサアレイが、曲率を有する基材上に配置されることが好ましい。また、前記基材は、凸状、凹状、または円筒状に形成されていることが好ましい。

本発明の振動子アレイの構造、およびその作製方法によれば、基板に振動子を接着する接合部材により、振動子の底部の側面が囲繞されるようにしたので、余計な生産コストを掛けずに、振動子の幅方向の振動を抑制することができる。

また、本発明の超音波プローブによれば、請求項１ないし７のいずれかに記載の構造を有する振動子アレイを、超音波トランスデューサアレイとして内蔵したので、製造時の作業性を向上させることができる。また、製品の信頼性を高めることができる。

図１（Ａ）、（Ｂ）において、超音波プローブ２の先端２ａには、超音波トランスデューサアレイ１０が配設されている。超音波トランスデューサアレイ１０は、（Ａ）に示す１次元、または（Ｂ）に示す２次元アレイ状に複数の超音波トランスデューサ１１が配列されたバッキング材２１（図２参照）を、蒲鉾状に形成された支持体２０（図２参照）に貼り合わせてなる、いわゆるコンベックス電子走査方式を採用している。

超音波トランスデューサアレイ１０に接続されたシース１２の上部には、生体内の観察部位の光学画像を取得するための撮像装置が搭載され、中央部には、穿刺針１３が挿通される穿刺針用チャンネル１４が設けられている。また、シース１３の内部には、超音波観測器と超音波トランスデューサアレイ１０、および内視鏡モニタと撮像装置とを電気的に接続するアレイ用配線ケーブル、および撮像装置用配線ケーブルが挿通されている。

図２において、超音波トランスデューサアレイ１０は、支持体２０上に、バッキング材２１、圧電素子アレイ２２、音響整合層２３、および音響レンズ２４が順次積層された構造を有する。

圧電素子アレイ２２は、１次元、または２次元アレイ状に配列された圧電素子２５と、圧電素子２５同士の隙間に充填された充填材２６とからなる。圧電素子２５は、その厚みが３００〜５００μｍ程度、幅が３００μｍ程度となっており、隣り合う圧電素子２５間の幅は、５０μｍ程度となっている。充填材２６には、例えば、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、あるいはシリコン樹脂（商品名シリコーンゴム、信越化学工業株式会社製）などが用いられる。

バッキング材２１と圧電素子２５とは、銀ペースト２７で接着されている。圧電素子２５の底部の側面２５ａは、この銀ペースト２７により囲繞されている。銀ペースト２７には、例えば、商品名ＮＨ０５０Ａ、ＮＨ０６０Ａ、ＮＨ０７０Ａ、ニホンハンダ株式会社製、あるいは商品名Ｈ２０Ｓ、Ｅｐｏｘｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社製などが用いられ、導電度が３．１×１０^−４［Ω・ｃｍ］程度、好ましくは１０×１０^−２〜１０×１０^−４［Ω・ｃｍ］程度のものである。

バッキング材２１は、ポリイミドなどの可撓性シートからなる。バッキング材２１には、その底面から圧電素子アレイ２２まで貫通するスルーホール２８が穿たれている。スルーホール２８には、アレイ用配線ケーブルから延設された配線２９（径８０μｍ程度）が挿通されており、この配線２９は、銀ペースト２７を介して各圧電素子２５の個別電極３０に接続されている。

音響整合層２３は、圧電素子２５と生体との間の音響インピーダンスの差異を緩和するために設けられている。音響レンズ２４は、シリコン樹脂などからなり、各圧電素子２５の共通電極３１上に積層され、超音波トランスデューサアレイ１０から発せられる超音波を、生体内の観察部位に向けて収束させる。なお、音響レンズ２４は無くてもよく、音響レンズ２４の代わりに保護層を設けてもよい。

超音波トランスデューサアレイ１０の作製にあたっては、まず、図３に示すように、スキージやドクターブレード、あるいはスクリーン印刷法を用いて、バッキング材２１上に銀ペースト２７の均一な厚み（圧電素子２５の厚みの１０〜２０％、３０μｍ程度）の膜を形成し、この上に、個別電極３０が形成されたサブダイス済みの圧電素子２５のウエハーを埋め、銀ペースト２７を硬化させる。これにより、圧電素子２５の底部の側面２５ａが、銀ペースト２７により囲繞される。

次いで、図４に示すように、サブダイスしたときに残ったウエハーの上側部分を研磨し、取り除く。そして、図５に示すように、各圧電素子２５間の銀ペースト２７をダイシングブレード（幅２０μｍ程度）で分断し、個々の圧電素子２５を切り離す。

銀ペースト２７の分断後、図６に示すように、圧電素子２５の上に耐熱テープを貼り、圧電素子２５同士の隙間に充填材２６を充填する。最後に、共通電極３１や音響整合層２３などを積層し、支持体２０の形状に沿うようにバッキング材２１を変形させて、バッキング材２１を支持体２０に貼り合わせる。

生体内の超音波画像を取得する際には、超音波プローブ２が生体内に挿入され、撮像装置で得られる光学画像が内視鏡モニタで観測されながら、生体内の所要部が探索される。そして、生体内の所要部に超音波プローブ２の先端２ａが到達し、超音波画像を取得する指示がなされると、超音波トランスデューサアレイ１０から超音波が発せられ、生体に超音波が走査されるとともに、生体からのエコー信号が超音波トランスデューサアレイ１０で受信される。このとき、圧電素子２５の底部の側面２５ａが、銀ペースト２７により囲繞されているので、圧電素子２５の幅方向の振動が抑制される。

生体からのエコー信号は、超音波観測器で超音波画像に変換され、モニタに表示される。また、光学画像または超音波画像が観測されながら、必要に応じて穿刺針１３が操作され、生体内の所要部が採取される。

以上説明したように、圧電素子２５の底部の側面２５ａが、バッキング材２１に圧電素子２５を接着する銀ペースト２７により囲繞されるようにしたので、余計な生産コストを掛けずに、圧電素子２５の幅方向の振動を抑制することができる。したがって、圧電素子２５の所望の振動方向である厚み方向の振動が安定し、超音波トランスデューサアレイの音響特性を改善することができる。

また、圧電素子２５の底部の側面２５ａが、銀ペースト２７により囲繞されたことで、バッキング材２１と圧電素子２５との接着が強固となる。したがって、バッキング材２１を変形させて支持体２０に接着する際の作業性を向上させることができ、また、超音波プローブ２の製品の信頼性を高めることができる。

ここで、上記実施形態で例示したコンベックス電子走査式や、複数の超音波トランスデューサを同心円上に配置したラジアル電子走査式など、曲率を有する基材上に超音波トランスデューサアレイを配する際には、超音波トランスデューサアレイの基板を反らして接着しなければならないため、基板と超音波トランスデューサとの接着が弱いと、基板から超音波トランスデューサが剥がれてしまうという問題があり、製品歩留りや製造コストに悪影響を及ぼしていたが、本発明によれば、前の段落に記載した効果から、上記問題を容易に解決することができる。

なお、超音波トランスデューサアレイ１０が１次元アレイである場合は、図７に示すように、銀ペースト２７の代わりに絶縁性接着剤４０を用いてもよい。絶縁性接着剤４０としては、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、あるいはシリコン樹脂（商品名シリコーンゴム、信越化学工業株式会社製）などが用いられる。但し、この場合、圧電素子２５の個別電極３０に銅などの導電板４１を取り付け、絶縁性接着剤４０から露呈するように、アレイ用配線が接続される端子部４２を導電板４１から延設する。

また、図８〜図１０に示す超音波トランスデューサ５０ａ〜５０ｃを採用してもよい。すなわち、図８に示す超音波トランスデューサ５０ａは、銀ペースト２７で囲繞された圧電素子２５の底部の側面２５ａにあたる部分が硬質の充填材５１で充填され、その他の部分が軟質の充填材５２で充填されている。図９に示す超音波トランスデューサ５０ｂは、圧電素子２５の中央部の側面にあたる部分が硬質の充填材５１で充填され、その他の部分が軟質の充填材５２で充填されている。図１０に示す超音波トランスデューサ５０ｃは、圧電素子２５の上部の側面にあたる部分が硬質の充填材５１で充填され、その他の部分が軟質の充填材５２で充填されている。このように充填材の材質を変更することで、さらに圧電素子２５の幅方向の振動を抑制することができる。

ここで、図８の超音波トランスデューサ５０ａを例にとって、充填材５１、５２の充填方法を説明する。まず、圧電素子２５同士の隙間全体を埋めるように、硬質の充填材５１を充填した後、圧電素子２５の底部の側面２５ａにあたる部分を残して、硬質の充填材５１をダイシングブレードで削り、この削った部分に軟質の充填材５２を充填する。なお、硬質の充填材５１としては、エポキシ樹脂が、軟質の充填材５２としては、ウレタン樹脂、およびシリコン樹脂（商品名シリコーンゴム、信越化学工業株式会社製）が挙げられる。

図８に示す超音波トランスデューサ５０ａを、充填材５１、５２の厚みの比率を変えて作製し、圧電素子２５の電機機械結合係数ｋ３３を求めた結果を表１に示す。充填材５１、５２には、エポキシ樹脂およびウレタン樹脂をそれぞれ用い、共振周波数Ｆｒ、および反共振周波数Ｆａを異なる圧電素子２５で複数回測定し、これらの周波数Ｆｒ、Ｆａからｋ３３を算出した。この表によれば、充填材５１、５２の厚みの比率を１：１〜１：３とすれば、比率１：０（エポキシ樹脂１００％）の場合ｋ３３＝０．６０であったのが、ｋ３３＝０．６５となり、圧電素子２５の幅方向の振動が抑制されることが分かる。

さらに、図８〜図１０に示す超音波トランスデューサ５０ａ〜５０ｃと同様の目的で、図１１〜１３に示す超音波トランスデューサ６０ａ〜６０ｃを採用してもよい。すなわち、図１１に示す超音波トランスデューサ６０ａは、各圧電素子２５の中央部が梁６１で連結されている。図１２に示す超音波トランスデューサ６０ｂは、各圧電素子２５の上部が梁６１で連結されている。図１３に示す超音波トランスデューサ６０ｃは、各圧電素子２５の上面が梁６１で連結されている。なお、超音波トランスデューサ６０ａ〜６０ｃが２次元アレイであった場合は、上方から見ると、梁６１は井桁状に組まれている。

なお、上記実施形態で用いた銀ペースト２７に代表される導電性接合部材は、導電度が３．１×１０^−４［Ω・ｃｍ］程度のものであり、好ましくは１０×１０^−２〜１０×１０^−４［Ω・ｃｍ］程度のものを多く用いているが、この導電度の範囲は上記に限らず、２５℃の常温に於いて、〜１０×１０^１４［Ω・ｃｍ］、または伝導電子濃度がおよそ１０^１２［ｃｍ^−３］〜１０^２４［ｃｍ^−３］の範囲であればよい。つまり、半導体であるシリコンを主材料とした接合部材（後者の範囲に当てはまる）であっても、電圧を印加することが可能であれば、これを接合部材として用いてもよい。

上記実施形態では、コンベックス電子走査方式の超音波トランスデューサアレイ１０、５０ａ〜５０ｃ、６０ａ〜６０ｃを例示して説明したが、複数の超音波トランスデューサを同心円上に配置したラジアル電子走査式の超音波トランスデューサアレイなどについても、本発明は有効である。

また、本発明は、上記実施形態で挙げた超音波トランスデューサアレイ１０に加えて、カメラのフォーカスレンズやズームレンズを駆動させるためのアクチュエータや、角速度センサなどに用いられる振動式ジャイロなどの他の振動子アレイについても、適用することが可能である。

本発明を適用した超音波トランスデューサアレイを示す平面図であり、（Ａ）は１次元アレイ、（Ｂ）は２次元アレイをそれぞれ示す。 超音波トランスデューサアレイの構成を示す拡大断面図である。 バッキング材上に形成した銀ペーストの均一な厚みの膜上に、サブダイス済みの圧電素子のウエハーを埋める工程を示す説明図である。 サブダイスしたときに残ったウエハーの上側部分を研磨し、取り除く工程を示す説明図である。 各圧電素子間の銀ペーストをダイシングブレードで分断し、個々の圧電素子を切り離す工程を示す説明図である。 圧電素子同士の隙間に充填材を充填する工程を示す説明図である。 銀ペーストの代わりに絶縁性接着剤を用いた例を示す斜視図である。 圧電素子の底部の側面にあたる部分を硬質の充填材で充填した例を示す拡大断面図である。 圧電素子の中央部の側面にあたる部分を硬質の充填材で充填した例を示す拡大断面図である。 圧電素子の上部の側面にあたる部分を硬質の充填材で充填した例を示す拡大断面図である。 各圧電素子の中央部を梁で連結した例を示す拡大断面図である。 各圧電素子の上部を梁で連結した例を示す拡大断面図である。 各圧電素子の上面を梁で連結した例を示す拡大断面図である。

符号の説明

２ 超音波プローブ
１０、５０ａ〜５０ｃ、６０ａ〜６０ｃ 超音波トランスデューサアレイ
１１ 超音波トランスデューサ
２１ バッキング材
２２ 圧電素子アレイ
２３ 音響整合層
２５ 圧電素子
２５ａ 側面
２６ 充填材
２７ 銀ペースト
４０ 絶縁性接着剤
５１ 硬質の充填材
５２ 軟質の充填材
６１ 梁

Claims (16)

1. 基板上に複数の振動子がアレイ状に配列された振動子アレイの構造において、
   前記基板に前記振動子を接着する接合部材により、前記振動子の底部の側面が囲繞され、
   前記振動子間に、硬度の異なる材料で形成された多層構造を有する充填材が充填されたことを特徴とする振動子アレイの構造。
2. 前記接合部材は、導電性を有することを特徴とする請求項１に記載の振動子アレイの構造。
3. 前記充填材の基板側の層の硬度が、他の充填材の層の硬度よりも高いことを特徴とする請求項１または２に記載の振動子アレイの構造。
4. 前記充填材は２層からなり、前記充填材の基板側の層と他の層の厚みの比率が、１：１〜１：３とされていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の振動子アレイの構造。
5. 前記振動子同士が、梁部材により連結されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の振動子アレイの構造。
6. 基板上に複数の振動子がアレイ状に配列された振動子アレイの作製方法において、
   前記振動子のウエハーに切り込みを入れてサブダイシング加工を施す工程と、
   前記基板に接合部材を塗布する工程と、
   前記接合部材に前記サブダイシング加工を施したウエハーを埋めた際に形成される前記接合部材の溜まりにより、前記振動子の底部の側面が囲繞されるように、前記基板に前記サブダイシング加工を施したウエハーを接着する工程とを備えたことを特徴とする振動子アレイの作製方法。
7. 前記基板に前記ウエハーを接着した後、前記サブダイシング加工で残った前記ウエハーの上側部分を取り除き、個々の振動子に分割する工程を備えたことを特徴とする請求項６に記載の振動子アレイの作製方法。
8. 前記接合部材に、導電性を有する材料を用いたことを特徴とする請求項６または７に記載の振動子アレイの作製方法。
9. 前記振動子間に充填材を充填したことを特徴とする請求項６ないし８のいずれかに記載の振動子アレイの作製方法。
10. 前記充填材を、硬度の異なる材料で形成された多層構造としたことを特徴とする請求項９に記載の振動子アレイの作製方法。
11. 前記充填材の基板側の層の硬度を、他の充填材の層の硬度よりも高くしたことを特徴とする請求項１０に記載の振動子アレイの作製方法。
12. 前記充填材を２層とし、前記充填材の基板側の層と他の層の厚みの比率を、１：１〜１：３としたことを特徴とする請求項９ないし１１のいずれかに記載の振動子アレイの作製方法。
13. 前記振動子同士を、梁部材により連結したことを特徴とする請求項６ないし１２のいずれかに記載の振動子アレイの作製方法。
14. 請求項１ないし５のいずれかに記載の構造を有する振動子アレイを、超音波トランスデューサアレイとして内蔵したことを特徴とする超音波プローブ。
15. 前記超音波トランスデューサアレイが、曲率を有する基材上に配置されたことを特徴とする請求項１４に記載の超音波プローブ。
16. 前記基材は、凸状、凹状、または円筒状に形成されていることを特徴とする請求項１５に記載の超音波プローブ。

Images