JP2006174940A - 超音波プローブとその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 多数かつ狭ピッチに配列する圧電振動子の電極配線を容易に形成することができる超音波プローブの製造方法を提供する。
【解決手段】 本発明の超音波プローブは、超音波診断に使用するプローブであって、複数の圧電振動子がアレイ状に配列し、圧電振動子の電極配線を形成した積層基板を備えることを特徴とする。本発明は、特に、圧電振動子が、２次元アレイ状に配列する超音波プローブにおいて有効である。プローブは、複合圧電材料からなるものが好ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超音波診断装置などに使用される超音波プローブとその製造方法に関する。特に、超音波ビームのフォーカスと走査を３次元的に行なう超音波診断においても有効に機能する超音波プローブに関する。

超音波診断装置は、フォーカスした超音波のパルスを送信し、反射エコーを受信し、超音波ビームを走査し、反射エコーの振幅と位相の情報に基き、イメージ映像をモニタに表示する。超音波診断装置は、ＣＴまたはＭＲＩなどの他の診断装置にはないリアルタイム性および非侵襲性を有するとともに、ドプラ効果に基づき血流動態の診断が可能であるなどの特性を有するため広く普及している。

超音波診断装置に使用する超音波プローブは、細長い直方体状の圧電振動子をアレイ状に配列した構造を有し、圧電振動子を１列に並べた１次元アレイ配列のプローブと、マトリックス状に並べた２次元アレイ配列のプローブがある。２次元アレイ配列の超音波プローブによれば、３次元の超音波診断画像を得ることができるが、２次元アレイ配列の超音波プローブに配列する圧電振動子は、ｍ×ｎのマトリックス形態をなし、ｍとｎは各々５０個以上必要であるから、圧電振動子間のピッチは０．５ｍｍ以下であり、縦２０ｍｍ×横２０ｍｍの超音波プローブから引き出される配線は２０００チャンネル以上になる。

多数の圧電振動子を狭ピッチで配列する必要のある超音波プローブを提供するために様々な提案がされている。たとえば、圧電振動子の信号電極から電気配線を引き出す信号ラインをプリント基板の一方の面に形成し、複数の圧電振動子を一端に沿って実装し、このようなプリント基板を所定のピッチで並設して形成する超音波プローブが知られている（特許文献１参照）。
特開２００１−３０９４９３号公報

しかし、この超音波プローブは、プリント基板上に平面状に形成された配線を多数の圧電振動子が挟んだ構造を有するため、圧電振動子間の距離が長く、超音波プローブ自体の大きさが大きくなる。また、配線数が多く、クロストークを起こしやすい。

本発明の課題は、多数かつ狭ピッチに配列する圧電振動子の電極配線を容易に形成することができる超音波プローブとその製造方法を提供することにある。

本発明の超音波プローブは、超音波診断に使用するプローブであって、複数の圧電振動子がアレイ状に配列し、圧電振動子の電極配線を形成した積層基板を備えることを特徴とする。本発明は、特に、圧電振動子が、２次元アレイ状に配列する超音波プローブにおいて有効である。このプローブは、複合圧電材料からなるものが好ましい。

積層基板は、異方性導電性フィルムを備える態様が好ましく、異方性導電性フィルムは、ポリテトラフルオロエチレン製多孔質フィルムからなるものが好適であり、貫通電極を有する態様が好ましい。一方、異方性導電性フィルムは、フィルムの厚さ方向に配向する柱状の微細端子を有し、微細端子が、先端部に電極と接続するコンタクタを備え、コンタクタが、電極を押し当てることにより弾性変形するバネ構造を有する態様が好ましい。

本発明の超音波プローブの製造方法は、超音波診断に使用し、複数の圧電振動子がアレイ状に配列するプローブの製造方法であって、複数の基板を積層することにより、圧電振動子の電極配線を形成することを特徴とする。

本発明によれば、圧電振動子が多数かつ狭ピッチに配列する２次元アレイ状配列の超音波プローブであっても、圧電振動子の電極配線を容易に形成することができる。

本発明の超音波プローブは、図１（ａ）に示すように、複数の圧電振動子２ａ，３ａがアレイ状に配列し、圧電振動子２ａ，３ａの電極配線を形成した積層基板１を備えることを特徴とする。図１に示す例では、積層基板１は、プリント配線基板１ｂ，１ｄと、異方性導電性フィルム１ｃとを有する。プリント配線基板１ｂの構造を図１（ｂ）に示す。プリント配線基板１ｂは、電極２ｂ１と、電極配線２ｂ２を有し、積層基板１を組み立てると、電極２ｂ１は圧電振動子２ａと接続する。このため、圧電振動子２ａと、電極配線２ｂ２と、電極２ｂ１とを介して、信号を送受信することができる。

また、プリント配線基板１ｂは電極３ｂを有し、異方性導電フィルム１ｃは電極３ｃを有し、プリント配線基板１ｄは電極３ｄ１と電極配線３ｄ２を有する。電極３ｂ，３ｃを貫通電極とすることにより、積層基板を組み立てると、圧電振動子３ａと、電極３ｂ，３ｃ，３ｄ１と、電極配線３ｄ２とを導通することができる。このため、圧電振動子３ａと、電極３ｂ，３ｃ，３ｄ１と、電極配線３ｄ２とを介して、信号を送受信することができる。貫通電極である電極３ｂ，３ｃには、中実電極または中空電極を使用することができる。図１には、超音波プローブ１０の積層基板１が、２枚の積層基板１ｂ，１ｄと、異方性導電フィルム１ｃとからなる例を示すが、配線数などに応じて、さらに多数枚を積層することもできる。

リード線を半田付けで接続するなどの従来の方法では、圧電振動子間のピッチが０．５ｍｍ以下となり、縦２ｃｍ×横２ｃｍの超音波プローブから引き出される配線が２０００チャンネル以上になると、配線部のサイズが大きくなり、また、生産性および品質が低下しやすい。これに対し、本発明の超音波プローブの製造方法によれば、複数の基板を積層することにより、圧電振動子の電極配線を形成するため、多数かつ狭ピッチに配列する圧電振動子の電極配線を容易かつ確実に形成することができ、コンパクトな配線が可能である。また、配線間のクロストークを有効に低減することができる。このため、２次元アレイ状に配列する超音波プローブの電極配線にも対応することができ、３次元の超音波診断画像を得ることができる。

図１（ａ）には、超音波プローブが複合圧電材料からなる例を示す。複合圧電材料は、圧電セラミックスからなる微細な柱状の圧電振動子２ａ，３ａが、樹脂４内に埋め込まれた構造を有する。圧電振動子２ａ，３ａは、長手方向に垂直な平面で切断するときの最大径（断面が円形の場合は、その直径を指す。）が２０μｍ〜５０μｍであり、長手方向の長さが４０μｍ〜３５０μｍである。複合圧電材料を用いると、超音波に対する感度を高めることができる点で有利である。

積層基板は、クッション性が高く、実装しやすくなる点で、フィルムの厚さ方向に導電性を有する異方性導電性フィルムを備える態様が好ましい。フィルムの材質により異なるが、一般的には、十分なクッション性を得る点で、フィルムの厚さは、５０μｍ以上が好ましい。このような異方性導電性フィルムとしては、ポリテトラフルオロエチレン製多孔質フィルムからなるものが、耐熱性、化学安定性および耐電圧性が大きく、安価である点で好適である。また、フィルムは、厚さ方向に貫通孔を有し、貫通孔の内面にメッキ電極を形成した態様が、高いクッション性を有するとともに、貫通電極により厚さ方向に導通性を有するため、好適である。このようなフィルムには、たとえば、ポアフロン（登録商標）などがあり、このフィルムは、柔軟な繊維構造の多孔質体であるため、１０万回以上コンタクトを繰り返しても厚さの歪みが小さく、低荷重で導通が得られ、フィルムの反りも少ない点で好ましい。

異方性導電性フィルムは、たとえば、図３（ｃ）に示すように、フィルムの厚さ方向に配向する柱状の微細端子３１を有し、微細端子３１は、先端部に電極と接続するコンタクタ３１ａ，３１ｃを備え、コンタクタ３１ａ，３１ｃは、電極を押し当てることにより弾性変形するバネ構造を有する態様が好ましい。バネ構造を有するコンタクタが弾性変形するため、電極の形状に合わせて確実な接続を得ることができ、また、大きなストロークが得られる。

図２に、異方性導電性フィルムに使用するコンタクタを、長手方向に垂直な平面で切断したときの断面形状を例示する。図２（ａ）と図２（ｂ）は、断面形状が円形である場合の例であり、図２（ａ）は渦巻バネが１本の腕からなる例である。図２（ｂ）は、渦巻バネが２本の腕からなる例であり、３本以上の腕を有する態様も本発明に含まれる。図２（ｂ）の例では、２本の腕の先端が中心部で連結している。このように複数の腕が中心部で連結すると、バネ強度が大きくなる。

図２（ｃ）と図２（ｄ）に例示するバネは、蛇行する複数のバネが、コンタクタの外周部から中央部に向けて配置する構造（以下、「ジンバルバネ構造」という。）を有する。かかるバネ形状では、電流が、蛇行するバネに沿って流れるため、発生する電磁界が互いに打ち消され、高周波特性が良好である。また、図２（ｃ）には、コンタクタの全体形状が円形であり、３条のバネが中央部で連結していない態様を示す。図２（ｄ）には、コンタクタの全体形状が正方形であり、４条のバネが中央で連結する態様を示す。コンタクタの全体形状が正方形であると、バネの占める面積率が大きくなり、バネ効率が良好となる。

コンタクタは、図４に例示する方法により製造することができる。まず。図４（ａ）に示すように、導電性基板４１上にレジスト４２を形成する。導電性基板として、たとえば、銅、ニッケル、ステンレス鋼などからなる金属製基板、チタン、クロムなどの金属材料をスパッタリングしたシリコン基板などを用いる。レジストには、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）などのポリメタクリル酸エステルを主成分とするレジストなどを用いる。レジストの厚さは、形成しようとするコンタクタの厚さに合せて任意に設定することができ、たとえば５０μｍ〜５００μｍとすることができる。

つぎに、レジスト４２上にマスク４３を配置し、マスク４３を介してＸ線４４を照射する。高いアスペクト比を有するコンタクタを得るため、ＵＶ（波長２００ｎｍ）より短波長であるＸ線（波長０．４ｎｍ）を使用するが、Ｘ線の中でも指向性が高いため、シンクロトロン放射のＸ線（以下、「ＳＲ」という。）を使用する態様が好ましい。マスク４３は、コンタクタのパターンに応じて形成したＸ線吸収層４３ａと、透光性基材４３ｂとからなる。透光性基材４３ｂには、窒化シリコン、シリコン、ダイヤモンド、チタンなどを用いる。また、Ｘ線吸収層４３ａには、金、タングステン、タンタルなどの重金属またはその化合物などを用いる。Ｘ線４４の照射により、レジスト４２のうち、レジスト４２ａは露光され変質するが、レジスト４２ｂはＸ線吸収層４３ａにより露光されない。このため、現像により、Ｘ線４４により変質した部分のみが除去され、図４（ｂ）に示すようなレジスト４２ｂが得られる。

つぎに、電鋳を行ない、図４（ｃ）に示すように、レジスト４２ｂに金属材料４５ａを堆積する。電鋳とは、金属イオン溶液を用いて導電性基板上に金属材料からなる層を形成することをいう。導電性基板４１をめっき電極として電鋳を行なうことにより、レジスト４２ｂに金属材料４５ａを堆積することができる。金属材料には、ニッケル、銅、またはそれらの合金などを用いるが、コンタクタの耐摩耗性を高める点で、ニッケルまたはニッケルマンガンなどのニッケル合金が好ましい。

電鋳後、研磨または研削により所定の厚さに揃えた後（図４（ｄ））、図４（ｅ）に示すように、ウエットエッチングまたはプラズマエッチングによりレジスト４２ｂを除去する。つづいて、酸もしくはアルカリによりウエットエッチングし、または機械的に加工して導電性基板４１を除去すると、図４（ｆ）に示すような金属微細構造体４５が得られる。つぎに、１５０℃〜３５０℃で、２時間〜４８時間の加熱処理を施し、スプリング特性を付与することにより、コンタクタを得ることができる。得られたコンタクタは、電子装置などの電極との電気的な導通性を高めるために、必要に応じて、厚さ０．０５μｍ〜１μｍの金コートを施す。

つぎに、得られたコンタクタから異方性導電性フィルムを製造する方法を図３に例示する。まず、図３（ａ）に示すように、実装するプローブの圧電振動子に対応した位置に、収容するコンタクタの外径に合わせて、フィルム３２に貫通孔を形成する。つづいて、同様に、圧電振動子の配置に対応した位置に、収容するコンタクタの外径より小さい孔を形成した下蓋シート３３を、フィルム３２に張り合せる。

その後、図３（ｂ）に示すように、フィルム３２の貫通孔に、コンタクタ３１ｃと、リング３１ｂと、コンタクタ３１ａを、この順序で嵌合する。リング３１ｂは、電極に押し当てたときに、コンタクタ３１ａ，３１ｃが接触することなくストロークできる空間を提供するために加える。このリング３１ｂは、コンタクタ３１ａ、３１ｃと同様の金属微細構造体であるため、コンタクタと同様の方法で製造することができる。その後、下蓋シート３３と同様の上蓋シート３４をフィルム３２に張り付けると、図３（ｃ）に示すような異方性導電フィルムが得られる。フィルム３２、下蓋シート３３および上蓋シート３４は、電気絶縁性を有する材料、たとえば、ポリイミド樹脂、または、一般の繊維強化樹脂（ＦＲＰ）などにより形成する。

実施例１
図５に示す方法により、複合圧電材料からなるプローブを製造した。まず、図５（ａ）に示すように、導電性基板５１上にリソグラフィのためのレジスト５２を形成した。導電性基板には、Ｔｉをスパッタリングしたシリコン基板を使用した。レジストには、ポリメタクリル酸メチルを使用し、レジストの厚さは、３００μｍとした。つぎに、基板５１上にマスク５３を配置し、マスク５３を介してＳＲをレジスト５２に照射した。マスク５３は、窒化シリコンからなる透光性基材上に、タングステンからなるＸ線吸収層５３ａを形成したものを使用した。

露光したレジストを現像し、ＳＲにより変質した部分を除去すると、図５（ｂ）に示すようなレジスト５４が得られた。その後、図５（ｃ）に示すように、レジスト５４上に、ニッケルからなる金型５５を電鋳により形成した。つづいて、ウエットエッチングにより基板５１を除去し、プラズマエッチングによりレジスト５４を除去し、金型５５を取り出した。つぎに、図５（ｄ）に示すように、金型５５により、ポリメタクリル酸メチルからなる樹脂型５６を作成してから、金型５５を除き、樹脂型５６を取り出した。

その後、図５（ｅ）に示すように、樹脂型５６に、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）のセラミック粒子を含有するスラリ５７を充填し、乾燥し、固化した。その後、樹脂型５６を除去し、セラミックススラリの乾燥固化物を焼成すると、図５（ｆ）に示すようなセラミックス焼結体からなる微細構造体５８が得られた。つづいて、図５（ｇ）に示すように、エポキシ樹脂５９を充填し、硬化した。最後に、微細構造体５８の台座部と天面を研磨し、複合圧電材料からなる超音波プローブ５０を得た。

プローブ５０は、縦２０ｍｍ×横２０ｍｍであり、プローブ上の各圧電振動子は円柱状で、直径３５μｍ、高さは２５０μｍであった。この圧電振動子が、縦４００本×横４００本（計１６００００本）形成され、電極ピッチは縦横ともに２００μｍで、２次元アレイ配列の超音波プローブであった。得られたプローブの片面に、共通グランド電極として導電性樹脂フィルムを取り付け、共通グランド電極上に、マッチング層と樹脂製の音響レンズを取り付けた。マッチング層は、音響整合のためのものであり、Ｗ粉末を充填したエポキシ樹脂からなるものを使用した。

プローブのもう一方の面には、図１に示すように、圧電振動子の電極配線用に積層基板１を形成した（図１には、図の明確化のため、プローブと積層基板１の一部のみを示す）。積層基板１は、２枚のプリント配線基板１ｂ，１ｄからなり、基板間に異方性導電性フィルム１ｃを備える。プリント配線基板１ｂ，１ｄには、プローブ内の圧電振動子に対応して、所定の電極２ｂ１，３ｂ，３ｄ１および電極配線２ｂ２，３ｄ２を形成した。異方性導電性フィルム１ｃは、厚さ１００μｍのポリテトラフルオロエチレン製多孔質フィルム（住友電気工業製のポアフロン（登録商標））を用い、取り付けるプローブの圧電振動子に合わせて貫通電極３ｃを形成した。貫通電極３ｃは、フィルムに孔径３０μｍの貫通孔を形成し、貫通孔の内壁をＡｕでメッキして形成した。

本実施例では、圧電振動子の電極配線を、従来のようなリード線を用いた半田接続によることなく、複数の基板を積層することにより形成したため、配線構造をコンパクトとすることができた。また、配線作業を容易に行なうことができ、得られた超音波プローブの配線品質は良好で、クロストークは認められなかった。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

２次元アレイ配列の超音波プローブを容易に提供することができ、３次元の超音波診断画像が得られる。

本発明の超音波プローブの構造を示す斜視図である。 本発明の超音波プローブの積層基板に使用するコンタクタの断面図である。 本発明の超音波プローブに使用する異方性導電性フィルムの製造方法を示す工程図である。 本発明の超音波プローブの積層基板に使用するコンタクタの製造方法を示す工程図である。 本発明における複合圧電材料からなるプローブの製造方法を示す工程図である。

符号の説明

１ 積層基板、１ｂ，１ｄ プリント配線基板、１ｃ 異方性導電性フィルム、２ａ，３ａ 圧電振動子、２ｂ１，３ｂ，３ｃ，３ｄ１ 電極、２ｂ２，３ｄ２ 電極配線、１０ 超音波プローブ。

Claims (8)

1. 超音波診断に使用するプローブであって、複数の圧電振動子がアレイ状に配列し、前記圧電振動子の電極配線を形成した積層基板を備えることを特徴とする超音波プローブ。
2. 前記圧電振動子が、２次元アレイ状に配列する請求項１に記載の超音波プローブ。
3. 前記プローブは、複合圧電材料からなる請求項１に記載の超音波プローブ。
4. 前記積層基板は、異方性導電性フィルムを備える請求項１に記載の超音波プローブ。
5. 前記異方性導電性フィルムは、ポリテトラフルオロエチレン製多孔質フィルムからなる請求項４に記載の超音波プローブ。
6. 前記異方性導電性フィルムは、貫通電極を有する請求項４に記載の超音波プローブ。
7. 前記異方性導電性フィルムは、該フィルムの厚さ方向に配向する柱状の微細端子を有し、該微細端子は、先端部に電極と接続するコンタクタを備え、該コンタクタは、電極を押し当てることにより弾性変形するバネ構造を有する請求項４に記載の超音波プローブ。
8. 超音波診断に使用し、複数の圧電振動子がアレイ状に配列するプローブの製造方法であって、複数の基板を積層することにより、前記圧電振動子の電極配線を形成することを特徴とする超音波プローブの製造方法。

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