JP2007537818A - 超音波プローブ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

圧電素子と、前記圧電素子の第１主面の相当部分と第１側面と第２主面の一部との上に堆積した第１電極と、前記圧電素子の第２主面の相当部分と前記第２側面と前記第１主面の一部との上に堆積した第２電極とを含み、前記第１及び第２電極は、前記圧電素子の前記第１及び第２主面上であって前記圧電素子の前記側面の辺に対してそれぞれ平行に形成された２つの溝によって互いから分離されている超音波プローブは、良好な振動及びプロービング特性を有する。
【選択図】 図３ｂ

Description

本発明は、独自に設計された電極を有する超音波プローブ及びその製造方法に関する。

超音波映像装置は、広く使用されており、通常、超音波を電気的信号に変換するための超音波プローブと、その電気的信号を映像へと処理する処理装置と、その映像を表示する表示装置とを含んでいる。この超音波プローブは、高解像度映像を得るのに重要な役割を果たしており、高い電気機械的結合係数だけでなく、優れた超音波パルス及び超音波ビームのフォーカシング特性を必要とする。

一般に、超音波プローブは、一対の電極を有する圧電素子からなる超音波発信／受信素子を含んでおり、その圧電素子としては、従来は、ジルコン酸チタン酸鉛系セラミックス（ＰＺＴ）が用いられていたが、最近では、ジルコニウムニオブ酸チタン酸鉛−チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｎ_1/3Ｎｂ_2/3）Ｏ₃−ＰｂＴｉＯ₃、「ＰＺＮ−ＰＴ」）又はマグネシウムニオブ酸鉛−チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｍｇ_1/3Ｎｂ_2/3）Ｏ₃−ＰｂＴｉＯ₃、「ＰＭＮ−ＰＴ」）系の圧電性単結晶が好まれるようになってきている。しかし、ＰＺＮ−ＰＴ及びＰＭＴ−ＰＴには、相転移温度が低く、熱安定性が良くないという問題がある。例えば、ＰＺＴは相転移温度が約２００〜３８５℃の範囲内にあるのに対して、０．６７ＰＭＮ−０．３３ＰＴの場合、約１５０℃で相転移現象を示す。圧電素子はその相転移温度よりも高い温度では非分極化するので、そのような圧電素子を用いた超音波プローブの製造工程は高温段階を含んではならない。

従って、超音波プローブにおける電気的接続は、通常のソルダリングに比べて高温を要しないエポキシペーストによってなされている。しかし、エポキシペースト層の挿入はプローブの性能を低下させる傾向があり、それにフレキシブルプリント回路基板（ＦＰＣＢ）を接続させるには複雑な製作工程を要する。最近、エポキシペースト層の厚さを減らすために、非銀系エポキシペーストよりも優れた導電性を有する銀エポキシペーストを用いることが試みられたが、上述した低性能の問題は依然として解決されていない。

従って、本発明の目的は、取り付けに用いるペーストに影響を受けないように独自に設計された電極及びそれに取り付けられたＦＰＣＢを有する圧電素子を含んだ新規な超音波プローブを提供することにある。

本発明の一側面によると、
圧電性単結晶からなり、第１主面と第２主面と第１側面と第２側面とを有する圧電素子と、
前記圧電素子の前記第１主面の相当部分と前記第１側面と前記第２主面の一部との上に堆積した第１電極及び前記圧電素子の前記第２主面の相当部分と前記第２側面と前記第１主面の一部との上に堆積した第２電極，前記第１及び第２電極は、前記圧電素子の前記第１及び第２主面上であって前記圧電素子の前記側面の辺に対してそれぞれ平行に及び前記第２及び第１側面の辺からそれぞれ所定距離だけ離れた位置に形成された２つの溝によって互いから分離されている，と、
前記圧電素子の前記第２主面上に堆積した前記電極に取り付けられたバッキング層と、
前記圧電素子の前記第１側面の位置で前記第１電極に取り付けられた接地用電極と、
前記圧電素子の前記第２側面から延び、末端部が直角に曲げられることにより、第１主面上に位置した前記溝の前で前記第２電極に取り付けられたフレキシブルプリント回路基板と
を含んだ超音波プローブが提供される。

また、本発明の他の側面によると、
圧電素子の第１主面と第２主面と第１側面と第２側面との上に電極層を堆積させ、
前記圧電素子の前記第１及び第２主面上であって前記圧電素子の前記側面の辺に対してそれぞれ平行に及び前記圧電素子の前記第２及び第１側面の辺からそれぞれ所定距離だけ離れた位置に２つの溝を形成して、前記電極層を２つの電極へと分離し、
前記圧電素子の前記第２主面上に堆積した前記電極層にバッキング層を取り付け、
前記圧電素子の前記側面の位置で前記第１電極に接地用電極を取り付け、
フレキシブルプリント回路基板を、前記圧電素子の前記第２側面から延ばし、末端部を直角に曲げることにより、第１主面上に位置した前記溝の前で前記第２電極に取り付けること
を含んだ超音波プローブの製造方法が提供される。

本発明の超音波プローブは、取り付けに用いるペーストによって影響を受けない独自に設計された電極及びそれに取り付けられたＦＰＣＢを含んでいることを特徴とする。

超音波プローブは、一般に、圧電性単結晶からなる圧電素子と、その圧電素子の超音波発信／受信面及びこの発信／受信面の反対側面にそれぞれ形成された第１及び第２電極と、第１電極上に形成された音響整合層と、その音響整合層の全面を覆うように形成された音響レンズと、第１電極に接続された接地用電極と、第２電極に接続された信号用フレキシブルプリント回路基板とを含んだ圧電装置（超音波発信／受信素子）を含んでいる。

本発明による超音波プローブは、圧電素子の第１主面の相当部分と第１側面と第２主面の一部との上に第１電極が形成され、圧電素子の第２主面の相当部分と第２側面と第１主面の一部との上に第２電極が形成され、それら２つの電極は、圧電素子の第１及び第２主面上であって圧電素子の側面の辺に対してそれぞれ平行に及び第２及び第１側面の辺からそれぞれ所定距離だけ離れた位置に形成された２つの溝によって互いから分離されていることを特徴とする。

本発明による超音波プローブは、図２及び図３に示すように製造できる。具体的には、単結晶圧電素子又はウエハー（１０）の第１主面（１０ａ）、第２主面（１０ｂ）、第１側面（１０ｃ）及び第２側面（１０ｄ）上に電極層（２０”）を堆積させて（図２ａ参照）、コーティングされたウエハーを得る（図２ｂ参照）。

圧電素子は、振動方向に２０〜５００，０００μｍの範囲内の厚さを有することができ、望ましくは５０〜４００μｍの範囲内の厚さを有する。

電極層は、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕなどのような導電性金属又はこれらの組合せで構成される。電極層は、スパッタリング、電子ビーム又は熱蒸着、或いは電気メッキ法を用いて堆積させることができ、堆積した電極の厚さは、望ましくは１００〜１０，０００Åの範囲内にある。

図２ｃに示すように、上記の２つの溝（３０、３０’）を形成して、電極層（２０”）を、主に第１主面（１０ａ）及び第１側面（１０ｃ）上に形成された第１電極（２０）（超音波発信／受信面）と、主に第２主面（１０ｂ）及び第２側面（１０ｄ）上に形成された第２電極（２０’）（超音波発信／受信面の反対側の面）とに分離する。

溝（３０、３０’）は、ダイシングソーを用いて、圧電素子の側面の辺からそれぞれ所定の距離，例えば後工程で電極をフレキシブルプリント回路基板又は接地用電極に接続するためのエポキシペーストを塗布するための余地を確保できる距離，だけ離れた位置に形成される。それら溝は、それぞれ側面の辺から１〜１．５ｍｍ程度内側の位置に、ウエハー厚さの７０〜８０％の深さで形成され得るが、これは望ましくない振動を抑制するという点で好ましい。

このようにして得られる組立体（１００）は、図３ａ〜３ｄに示すように、本発明の超音波プローブ製造に適用する。

図３ａは、圧電素子の第２主面（１０ｂ）上に位置した電極層に、通常の方法でエポキシペーストを用いてバッキング層（４０）を取り付ける工程を示し、図３ｂは、接地用電極板（５０）と信号用フレキシブルプリント回路基板（６０）とを取り付ける段階を示している。

本発明によれば、図３ｂに示すように、接地用電極板（５０）は、圧電素子（１０）の第１側面（１０ｃ）の位置で第１電極（２０）に取り付けられ、フレキシブルプリント回路基板（６０）は、圧電素子の第２側面（１０ｄ）から延び、第１主面（１０ａ）の溝（３０）の前の位置で末端部分が直角に曲げられて、第２電極（２０’）に取り付けられる。

接地用電極板及びフレキシブルプリント回路基板をそれぞれ第１及び第２電極に取り付けることは、図３ｃに示すように、導電性エポキシペースト（７０），望ましくは導電性銀エポキシペースト，を用いて通常に行うことができ、上記のように曲げた末端部を用いることで電極とフレキシブルプリント回路基板との結合がより強くなる。

その次に、図３ｄのように、圧電素子の第１主面上に堆積した電極層上に、少なくとも１つの音響整合層（８０）を形成し、その上に音響レンズを被せることができる。

本発明の方法によって製造された超音波プローブは、優れた振動特性、広周波数帯域及び高感度を示し得る。

本発明の超音波プローブに用いられる圧電性単結晶は、強誘電性の均質単結晶であって、例えば下記式（Ｉ）の組成を有するＰＭＮ−ＰＴであるのが好ましい。

ｘ［Ａ］ｙ［Ｂ］ｚ［Ｃ］−ｐ［Ｐ］ｎ［Ｎ］ （Ｉ）
式中、
［Ａ］はＰｂ（Ｍｇ_1/3Ｎｂ_2/3）Ｏ₃又はＰｂ（Ｚｎ_1/3Ｎｂ_2/3）Ｏ₃であり、
［Ｂ］はＰｂＴｉＯ₃であり、
［Ｃ］はＬｉＴａＯ₃であり、
［Ｐ］はＰｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ及びＲｈからなる群より選択される金属であり、
［Ｎ］はＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｓｒ、Ｓｃ、Ｒｕ、Ｃｕ及びＣｄからなる群より選択される金属の酸化物であり、
ｘは０．６５〜０．９８の範囲内の数値であり、
ｙは０．０１〜０．３４の範囲内の数値であり、
ｚは０．０１〜０．１の範囲内の数値であり、
ｐは０．０１〜５の範囲内の数値であり、
ｎは０．０１〜５の範囲内の数値である。

式（Ｉ）の単結晶は、韓国登録特許第３９２７５４号に開示された方法による固相反応後、溶融結晶化させることで製造できる。

式（Ｉ）の圧電性単結晶は、周囲温度における約５，５００以上の高い誘電定数と、−２０〜９０℃の広い温度範囲内における低い温度係数とを有している。

本発明の超音波プローブは、約１，０００〜１０，０００の相対誘電定数と、１，２００〜４，０００ｍ／ｓ（周波数定数：１，４００〜２，０００Ｈｚ．ｍ）の（００１）面で発散される音波の速度と、８０〜９５％の高い電気機械的結合係数（ｋ３３’）を有する。従って、本発明の超音波プローブは、医療用、軍事用及びその他産業分野で超音波診断に有利に適用され得る。

下記実施例は、本発明を例示する目的でのみ与えられ、発明の範囲を限定するものではない。

（実施例）
図２及び図３に示す工程を含んだ方法によって、本発明による図１の超音波プローブを製作した。

２５−２０ｍｍ×１５−２０ｍｍ×０．４−０．５ｍｍの大きさ及び（００１）面（表面１０ａ）を有する圧電性単結晶基板（１０）を準備し、この基板の表面１０ａ、１０ｂ、１０ｃ及び１０ｄ上に（表面１０ｅ及び１０ｆ上を除く）、ＤＣスパッタリング法を用いて、常温、１．２×１０^-7ｍｍＨｇの圧力下で、金属層（Ｃｒ／Ｃｕ／Ａｕ）（２０”）を堆積させた（図２ａ及び２ｂ参照）。

次に、ダイシングソーを用いて、金属を堆積させた圧電性単結晶基板の表面１０ａ及び１０ｂ上にそれぞれ溝（３０、３０’）を形成して、金属層（２０”）を２つの電極（２０、２０’）に分離した。この時、溝（３０）は、表面１０ａ上に堆積させた電極層（２０”）上であって表面１０ｄの辺に対して平行に及びその辺から１−１．５ｍｍ離れた位置に形成し、溝（３０’）は、表面１０ｂ上に堆積させた電極層（２０”）上であって表面１０ｃの辺から１−１．５ｍｍ離れた位置に形成した。これら２つの溝（３０、３０’）のそれぞれの深さは０．２５−０．３５ｍｍであった。

この圧電基板（１０）の表面１０ｂ上に堆積させた電極層上に、エポキシペーストを用いてバッキング層（４０）を積層し、この圧電基板（１０）の第１側面１０ｃに電極（２０）に接地用電極板（５０）を取り付けた。この際、圧電基板（１０）の第２側面１０ｄの溝（３０）の前部分で、電極（２０’）にフレキシブルプリント回路基板を直角に曲げて取り付けた（図３ｂ参照）。その次に、圧電基板（１０）の表面１０ａ上に堆積させた電極層上に音響整合層（８０）を積層し、その上に音響レンズを被せて図１に示す本発明の超音波プローブを製作した。

（比較例）
分離させるべき部分（３０、３０’）上にマスキングテープを付着させた後、電極材料をコーティングし、その後、マスキングテープを除去することで２つの電極（２０、２０’）を形成したことを除き、実施例の工程を繰り返して超音波プローブを製造した。

振動特性
実施例及び比較例によって電極を堆積させた圧電素子の振動特性を試験し、その結果をそれぞれ図４ａ及び４ｂに示した。

図４ｂから、比較例による圧電素子は、点線のボックスで見られるように、望ましくない振動が発生することが分かる。これに対して、図４ａは、本発明による圧電素子では前記のような望ましくない振動が生じなかったことを示している。

プロービング特性
パルス−エコー法を用いて実施例及び比較例で製作したプローブのプロービング特性（相対感度及び帯域幅）を測定して、その結果を下記表１に示した。

表１は、電極分離溝を有する本発明のプローブは単純分離部を有する比較例のプローブに比べて感度及び帯域幅において特性に優れていることを示している。

以上、本発明を具体例と関連付けて記述したが、添付された請求の範囲によって限定される本発明の範疇でなくても当業者は本発明を多様に変化及び変更し得ることを認識しなければならない。

本発明による超音波プローブの概略図。 本発明によって圧電素子上に２つの電極を形成する過程を示す図。 本発明によって圧電素子上に２つの電極を形成する過程を示す図。 本発明によって圧電素子上に２つの電極を形成する過程を示す図。 本発明によって、図２ｃの組立体を用いて本発明の超音波プローブを製造する過程を示す図。 本発明によって、図２ｃの組立体を用いて本発明の超音波プローブを製造する過程を示す図。 本発明によって、図２ｃの組立体を用いて本発明の超音波プローブを製造する過程を示す図。 本発明によって、図２ｃの組立体を用いて本発明の超音波プローブを製造する過程を示す図。 本発明の実施例によって形成された電極を有する圧電素子の振動特性を示すグラフ。 比較例で形成された電極を有する圧電素子の振動特性を示すグラフ。

符号の説明

１０…圧電素子又は単結晶ウエハー、１０ａ…圧電素子の第１主面、１０ｂ…圧電素子の第２主面、１０ｃ…圧電素子の第１側面、１０ｄ…圧電素子の第２側面、２０”…電極層、２０…第１電極、２０’…第２電極、３０、３０’…溝、４０…バッキング層、５０…接地用電極板、６０…フレキシブルプリント回路基板、７０…導電性エポキシペースト、８０…音響整合層、１００…組立体。

Claims (10)

1. （Ａ）圧電性単結晶からなり、第１主面と第２主面と第１側面と第２側面とを有する圧電素子と、
   （Ｂ）前記圧電素子の前記第１主面の相当部分と前記第１側面と前記第２主面の一部との上に堆積した第１電極及び前記圧電素子の前記第２主面の相当部分と前記第２側面と前記第１主面の一部との上に堆積した第２電極，前記第１及び第２電極は、前記圧電素子の前記第１及び第２主面上であって前記圧電素子の前記側面の辺に対してそれぞれ平行に及び前記第２及び第１側面の辺からそれぞれ所定距離だけ離れた位置に形成された２つの溝によって互いから分離されている，と、
   （Ｃ）前記圧電素子の前記第２主面上に堆積した前記電極に取り付けられたバッキング層と、
   （Ｄ）前記圧電素子の前記第１側面の位置で前記第１電極に取り付けられた接地用電極と、
   （Ｅ）前記圧電素子の前記第２側面から延び、末端部が直角に曲げられることにより、第１主面上に位置した前記溝の前で前記第２電極に取り付けられたフレキシブルプリント回路基板とを含んだ超音波プローブ。
2. 前記溝は、エポキシペーストを塗布して前記電極を前記フレキシブルプリント回路基板又は前記接地用電極に取り付けるための余地を確保する距離で、前記圧電素子の各側面の辺から内側に位置している請求項１に記載の超音波プローブ。
3. 前記２つの溝は、前記圧電素子の各側面の辺から１〜１.５ｍｍ内側に位置している請求項２に記載の超音波プローブ。
4. 前記２つの溝は、前記圧電素子の総厚さの７０〜８０％の深さを有している請求項１に記載の超音波プローブ。
5. （Ａ）圧電素子の第１主面と第２主面と第１側面と第２側面との上に電極層を堆積させ、
   （Ｂ）前記圧電素子の前記第１及び第２主面上であって前記圧電素子の前記側面の辺に対してそれぞれ平行に及び前記圧電素子の前記第２及び第１側面の辺からそれぞれ所定距離だけ離れた位置に２つの溝を形成して、前記電極層を２つの電極へと分離し、
   （Ｃ）前記圧電素子の前記第２主面上に堆積した前記電極層にバッキング層を取り付け、
   （Ｄ）前記圧電素子の前記側面の位置で前記第１電極に接地用電極を取り付け、
   （Ｅ）フレキシブルプリント回路基板を、前記圧電素子の前記第２側面から延ばし、末端部を直角に曲げることにより、第１主面上に位置した前記溝の前で前記第２電極に取り付けることを含んだ超音波プローブの製造方法。
6. 前記２つの溝は、エポキシペーストを塗布して前記電極を前記フレキシブルプリント回路基板又は前記接地用電極に取り付けるための余地を確保する距離で、前記圧電素子の各側面の辺から内側に形成される請求項５に記載の方法。
7. 前記２つの溝は、前記圧電素子の各側面の辺から１〜１.５ｍｍ内側の位置に形成される請求項６に記載の方法。
8. 前記エポキシペーストは銀エポキシペーストである請求項６に記載の方法。
9. 前記２つの溝は、前記圧電素子の総厚さの７０〜８０％の深さに形成される請求項５に記載の方法。
10. 前記２つの溝はダイシングソーを用いて形成される請求項５に記載の方法。

Images