(57)【要約】【課題】回路基板に接合された振動子ブランクを切削工具により切断してアレイ振動子を形成する。【解決手段】回路基板１６の振動子接合面３６には溝３８が形成されている。振動子接合面３６に、圧電素子素材の層を含む振動子ブランクを接合する。振動子ブランクを溝３８の位置に合わせて切削工具によって切断し、個振動子１２を切り出してアレイ振動子１４を作製する。予め溝３８が形成されていることにより、切削工具が、切削性の悪い回路基板１６に接触せずに、振動子ブランクを切断することができる。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アレイ振動子を有する超音波振動子ユニットの製造方法であって、
溝が形成された回路基板表面に、圧電素子素材の層を有する振動子ブランクを接合するステップと、
回路基板表面の溝の位置に合わせて切削工具を用いて振動子ブランクを切断してアレイ振動子を形成するステップと、
を含む、超音波振動子ユニットの製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波振動子ユニットの製造方法であって、振動子ブランクを切断する切断ブレードの厚さが回路基板表面に切られた溝の幅より薄い、超音波振動子ユニットの製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載の超音波振動子ユニットの製造方法であって、
さらに回路基板の表面に切削により溝を形成するステップを含み、
前記溝を切削する溝切りブレードの厚さは、振動子ブランクを切断する切断ブレードの厚さより厚い、超音波振動子ユニットの製造方法。
【請求項４】
請求項２または３に記載の超音波振動子ユニットの製造方法であって、振動子ブランクを切断する際、切断ブレードを回路基板表面の溝内に進入させる、超音波振動子ユニットの製造方法。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の超音波振動子ユニットの製造方法であって、振動子ブランクを接合するステップにおいて、回路基板表面の溝は、接合に用いる接着剤により埋められる、超音波振動子ユニットの製造方法。
【請求項６】
表面に溝が形成された回路基板と、
回路基板の溝により分けられた区画に対応して設けられた個振動子からなり、溝が形成された回路基板表面に接合されるアレイ振動子と、
を含み、
回路基板に形成された溝の幅が、この溝の両側に設けられた個振動子の間隔よりも広い、
超音波振動子ユニット。
【請求項７】
請求項７に記載の超音波振動子ユニットにおいて、回路基板に形成された溝は、回路基板とアレイ振動子の接合に用いる接着剤により埋められている、超音波振動子ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波探触子に用いられるアレイ振動子を有する超音波振動子ユニット、およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
医療の分野において超音波診断装置が活用されている。超音波診断装置は、生体に対して超音波を送受波し、これにより得られた受信信号に基づいて超音波画像を形成する装置である。生体に対する超音波の送受波は超音波探触子（プローブ）によって実行される。プローブは、圧電素子を含む振動子を備え、振動子を駆動することで超音波が送受される。多数の個振動子から構成されるアレイ振動子を備えたプローブが知られている。このプローブにおいては、それぞれの個振動子を駆動する位相を制御することにより超音波ビームの送受信方向、焦点を変更することができる。また、連続的な送受信方向の変更により、ビームの走査も可能となる。
【０００３】
取得画像の解像度を改善する目的で、また三次元空間の情報を得るなどの目的で、アレイ振動子をより多数の個振動子から構成することが要請されている。一方で、プローブの小型化の要請がある。これらから、多数の個振動子を高密度で配置したアレイ振動子が求められている。
【０００４】
アレイ振動子は、これを駆動する電子回路を備えた基板上に素材（以下、振動子ブランクと記す。）を接合し、これを切断して分割し、多数の個振動子を切り出して作製することができる。下記特許文献１には、振動子ブランクの底部を一部残すようにダイシングソーを用いて切断した後、残りの部分をレーザを用いて焼損させて、個振動子を切り出す技術が示されている（段落００２１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００５−５０７５８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載された方法においては、アレイ振動子の製造のためにレーザ加工機を準備する必要があり、設備が大がかりとなる。一方、ダイシングソーのみを用いて振動子ブランクを切断する場合、確実に切断するために、つまり切り残しをなくすために、切削深さを振動子ブランクの厚さより深くし、基板の表面も同時に切削する必要がある。しかし、この場合、切削深さが深くなるために、切削液が十分には供給されず、冷却が難しいという問題がある。また、電子回路を備えた基板は、熱伝達率が低い材料である場合があり、前記のように切削液が十分に供給されないと、切削が困難となるという問題がある。
本発明は、電気回路を備えた基板上にアレイ振動子を作製する際、ダイシングソー等の切削工具を用いた加工により振動子ブランクを確実に切断することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のアレイ振動子を備えた超音波振動ユニットの製造方法においては、溝が設けられた回路基板表面に圧電素子素材の層を有する振動子ブランクを接合し、接合後、回路基板表面の溝の位置に合わせて切削工具を用いて振動子ブランクを切断して個振動子に分割してアレイ振動子を形成する。なお、切削工具とは、工作物に接触することにより、工作物から材料を削りとる工具を指す。
【０００８】
振動子ブランク切断の際、すでに回路基板に溝が形成されているため、切削工具の回路基板への接触が防止、または軽減され、加工が容易となる。
【０００９】
振動子ブランクを切断する際に用いる切断ブレードの厚さを、回路基板表面に設けられた溝の幅より薄くすることができる。これにより、切断ブレードが回路基板に接触することをより確実に防止することができる。
【００１０】
また、回路基板表面に溝は切削により形成することができ、溝を切削する際に用いる溝切りブレードの厚さを、振動子ブランクを切断する際に用いる切断ブレードの厚さより厚くすることができる。これにより、１回の溝切りにより切断ブレードの厚さより広い幅の溝を形成することができる。
【００１１】
さらにまた、振動子ブランクを切断する際、切断ブレードを回路基板表面の溝内に進入させることができる。これにより、確実に振動子ブランクを切断することができる。
【００１２】
さらにまた、振動子ブランクを接合する際、回路基板表面の溝を接合に用いる接着剤により埋めるようにできる。接合と同時に溝を埋めることができ、作業が簡略化される。また、切断ブレードの厚さが溝の幅より薄い場合、溝内の接着剤が回路基板と個振動子の接合に関与し、これらをより確実に接合することができる。
【００１３】
本発明の他の態様である超音波振動子ユニットは、表面に溝が形成された回路基板と、溝が形成された回路基板表面に接合されるアレイ振動子と、を含み、アレイ振動子を構成する個振動子は回路基板の溝により分けられた区画に対応して設けられ、回路基板に形成された溝の幅が、この溝の両側に設けられた個振動子の間隔よりも広くされている。
【００１４】
また、回路基板に設けられた溝、を回路基板とアレイ振動子の接合に用いる接着剤により埋めるようにできる。
【００１５】
超音波振動子ユニットの製造方法の好ましい一態様においては、振動子ブランクは音響整合層素材の層を更に含む。さらに、振動子ブランクは共振層素材の層を更に含むものとできる。
さらに、好ましい他の態様においては、複数の素材の層を有する振動子ブランクは、これらの層を接合して一体化した後、回路基板に接合される。
さらに、好ましい他の態様においては、アレイ振動子を構成する個振動子の間を目詰め剤で充填するステップを含む。
さらに、好ましい他の態様においては、目詰め剤を充填するステップの後に、アレイ振動子の、回路基板と対向する面の反対側の面に、個振動子に共通のグランド電極を接着するステップが含まれる。
さらに、好ましい一態様においては、グランド電極が接着されたアレイ振動子に、アレイ振動子を保護する保護層を接着するステップが含まれる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、切削工具を用いた振動子ブランクの切断を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施形態の超音波振動子ユニットの概略構成を示す斜視図である。
【図２】超音波振動子ユニットの製造過程の一工程を説明する斜視図であり、回路基板を示す図である。
【図３】超音波振動子ユニットの製造過程の一工程を説明する斜視図であり、溝が形成された回路基板を示す図である。
【図４】ダイシングソーの外観を示す図である。
【図５】超音波振動子ユニットの製造過程の一工程を説明する斜視図であり、回路基板に振動子ブランクが接合された状態を示す図である。
【図６】超音波振動子ユニットの製造過程の一工程を説明する斜視図であり、振動子ブランクが切断されて、アレイ振動子が形成された状態を示す図である。
【図７】図６に示すアレイ振動子の縦断面図である。
【図８】超音波振動子ユニットの製造過程の一工程を説明する斜視図であり、個振動子の間を目詰め剤で埋めた状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態を、図面に従って説明する。図１は、本実施形態の超音波振動子ユニット１０の完成状態を示す斜視図である。超音波振動子ユニット１０は、図１において上方に向けて超音波を送受する。なお、以下の説明において、「上方」や「下面」などの上下の関係を示す語句は、図における上下を示すのに限定したものであり、使用態様等における上下関係を示すものではない。超音波振動子ユニット１０は、個振動子１２が縦横に配置された二次元のアレイ振動子１４を含む。図示するアレイ振動子１４は、縦横に同数の個振動子１２が配列され、全体として略正方形に構成される。また、図においては、説明のために、個振動子１２の数を５×５配置の２５個としているが、実際のアレイ振動子１４は、格段に多くの、例えば数千個の個振動子１２を備えている。この構成においては、超音波ビームを交差する２方向に走査することができる。２方向の走査によって取り込まれた三次元空間内のデータから、三次元空間を表す三次元超音波画像を形成することができる。このデータから任意の断面における超音波画像を形成することもできる。アレイ振動子は、個振動子１２が一列に直線状に配列された一次元アレイであってもよい。また、縦方向と横方向において異なる個数の個振動子１２を配列した、略長方形のアレイであってもよい。
【００１９】
超音波振動子ユニット１０は、アレイ振動子１４を駆動する電子回路を備えた回路基板１６と、アレイ振動子１４を覆って保護する保護層１８を有する。このユニット１０の場合、回路基板１６は、電子回路が形成された電子回路基板２０と、この電子回路と個振動子１２を接続する配線または回路を有する中継基板２２を有する。中継基板２２は、電子回路上の端子と個振動子１２の接続を切り換える機能を有していてもよい。アレイ振動子１４は回路基板１６より小さく、回路基板１６のアレイ振動子１４が接合される面（振動子接合面３６）の一部が、アレイ振動子１４に覆われずに露出している。
【００２０】
個振動子１２は、圧電素子２４を含む振動素子２６と整合層２８とを含む。振動素子２６は圧電素子２４のみで構成されてよく、また圧電素子２４と共振層３０を組み合わせて構成されてもよい。共振層３０は、圧電素子２４の背面側、つまり超音波を送受する向きの反対側に配置される。また、共振層３０は、圧電素子２４より音響インピーダンスが高くされており、ハード背面層を形成し、圧電素子２４と共振層３０が一体となって超音波の送波および受波を行っている。圧電素子２４と共振層３０の音響インピーダンスはそれぞれ、例えば３０ＭRayls程度、７０〜１００ＭRaylsである。共振層３０の材料は、例えばコバルトやジルコニア等とタングステン化合物等の複合体である超硬材と呼ばれるものである。共振層３０は、圧電素子２４と共振して生体に向けて効率よく超音波を発信するのに役立つ。この場合、圧電素子２４は、使用する周波数の超音波の波長λに対し、おおよそ四分の１（λ／４）の厚さに調整されている。
【００２１】
整合層２８は、圧電素子２４から生体へ音響インピーダンスを段階的に減少させ、圧電素子２４と生体を音響的に整合させるための層である。整合層２８は、１層のみにより構成されてもよいが、音響インピーダンスができるだけ滑らかに減少させるために複数の層を有してもよい。図示する例では、第１整合層２８Ａ、第２整合層２８Ｂの２層から構成されている。整合層２８の材料は樹脂、例えばエポキシ樹脂が用いられる。
【００２２】
個振動子１２の保護層１８に対向する面には、各個振動子１２に共通のグランド電極３２が接合されている。整合層２８は、導電性を有しており、グランド電極３２と振動素子２６を電気的に接続している。整合層２８は、導電性を持たせるために、カーボン、炭素、グラファイト材または導電性フィラーが混入された樹脂を用いることができる。一方、個振動子１２の回路基板１６に対向する面には、回路基板１６の表面に形成された電極パッド３４（図２参照）が接続している。振動素子２６が圧電素子２４のみにより構成される態様においては電極パッド３４が直接接続される。振動素子２６が共振層３０を含む場合、共振層３０が導電性とされて、圧電素子２４と電極パッド３４が電気的に接続される。
【００２３】
次に、超音波振動子ユニット１０の製造方法について説明する。図２には、回路基板１６が示されている。回路基板１６は、低温同時焼成セラミックス（LTCC）製である。低温同時焼成セラミックスは、他のセラミックス材料と比較して熱伝導率が低く、切削時に温度が高くなり、切削工具の変形、破損を生じやすい。したがって、低温同時焼成セラミックスを切削する場合には、切削液を十分に供給し冷却を行うこと、また切削工具の剛性を高めて工具の変形が生じないようにすることが必要となる。
【００２４】
回路基板１６の、アレイ振動子１４が後に接合される面３６（以下、振動子接合面３６と記す。）には、電極パッド３４が形成されている。この電極パッド３４は、回路基板１６内に形成された電子回路と電気的に接続されている。
【００２５】
図３は、回路基板１６の表面に溝が切られた状態を示す図である。回路基板１６の振動子接合面３６に縦横に溝３８を形成する。溝３８は、電極パッド３４の間を通るように形成される。この溝が図中に符号３８ａで示されている。溝３８はまた、複数の電極パッド３４の全体を囲むように形成される。この溝が図中に符号３８ｂで示されている。この結果、溝３８で囲まれ、かつ溝３８で分割されない一つの区画３９に、一つの電極パッド３４が配置される。
【００２６】
溝３８は、切削工具、例えばダイシングソーを用いて加工される。ダイシングソー４０の概略構成が図４に示されている。ダイシングソー４０は、円環板状のダイシングブレード４２（以下、ブレード４２と記す。）と、ブレード４２を支持するフランジ４４を有し、伝達軸４６により回転駆動される。後述するように、この実施形態では、回路基板１６に溝３８を形成するダイシングソーと、個振動子１２を形成するダイシングソーとは別のものを使用する。これらを区別するために、前者を符号４０Ａを用いて、また後者を符号４０Ｂを用いて説明する。ブレード４２がフランジ４４から突出している量、つまりブレード４２とフランジ４４の半径の差は刃出し量ｈと呼ばれている。また、図３に示すように、溝３８の幅はｗ、深さはｄである。ブレード４２の厚さｔをｗとすることにより、１回の切削で幅ｗの溝を形成することができる。溝幅ｗおよび溝深さｄは、例えばそれぞれ０．０４〜０．１ｍｍ、０．０５〜０．３ｍｍとすることができる。
【００２７】
溝３８は、後述するように、個振動子１２を切り出す際のダイシングソー４０Ｂの逃げを作る目的で設けられており、溝深さｄは浅くてよい。したがって、回路基板１６の、ダイシングソー４０Ａが切削している部分に切削液を供給することができ、回路基板１６およびブレード４２が冷却不足にならないようにすることができる。また、ダイシングソー４０Ａの刃出し量ｈを小さくすることができ、ブレード４２の剛性が高くなり、その変形が抑制される。また、電極パッド３４を視認できる状態で溝３８の加工を行うことができるので、所定の位置に確実に溝を形成することができる。つまり、電極パッド３４を削ってしまわないようにできる。
【００２８】
図５は、溝３８が形成された回路基板１６に振動子ブランク４８を接合した状態を示す図である。溝３８が切られた後、アレイ振動子１４の素材である振動子ブランク４８を振動子接合面３６に接合する。振動子ブランク４８は、後に分割されて振動素子２６となる振動素子素材５０と、同様に分割されて整合層２８となる整合層素材５２を含む。振動素子素材５０は、圧電素子２４となる圧電素子素材５４を含む。また、振動素子２６が圧電素子２４と共振層３０を含む場合には、振動素子素材５０は共振層３０となる共振層素材５６を含む。整合層素材５２の層数は、整合層２８の層数と同じである。各素材は、層をなしており、積層して振動子ブランク４８を形成した後、回路基板１６上に接合される。また、回路基板１６上で順次積層されてもよい。
【００２９】
各層を構成する素材は、隣接する素材に対向する面の全体に電極層を有してよい。電極層は、金、銀、その他の導電性が良好な金属で形成される。電極層形成の手法は、メッキ、蒸着、イオンプレーティング、スパッタリング、焼き付け、化学気相堆積法（ＣＶＤ）などを採用することができる。また、振動子ブランク４８の回路基板１６に対向する面、すなわち振動素子素材５０の下面の全体に、前記の電極層と同様の電極層を設けることができる。同様に、振動子ブランク４８の保護層１８に対向する面の全体に前記の電極層と同様の電極層を設けることができる。
【００３０】
回路基板１６と振動子ブランク４８の接合は、非導電性の接着剤を用いて行われる。接着剤は、例えばエポキシ系接着剤、ウレタン系接着剤、シアノアクリレート系接着剤などを用いることができる。回路基板１６と振動子ブランク４８を接着する際、溝３８を接着剤により埋めることができる。溝３８内に充填された接着剤は、溝３８以外の部分に比べて厚いため、回路基板１６と振動子ブランク４８を強固に接合するのに貢献している。
【００３１】
図６は、振動子ブランク４８を切断して分割し、個振動子１２を形成した状態を示す図である。振動子ブランク４８は、回路基板１６の表面上にすでに形成されている溝３８の位置で切削工具、例えばダイシングソー４０Ｂにより切断される。切断により、振動素子２６と整合層２８が積層された個振動子１２が切り出される。一つの区画３９に対して１個の個振動子１２を形成してよく、この場合、１個の個振動子１２は、１個の電極パッド３４に接続される。振動子ブランク４８を切断する際に、溝３８が視認できるので、溝３８の位置に合わせて切断をすることができる。このように、振動子ブランク４８を個別の個振動子１２に分離してアレイ振動子１４が形成されるように、溝３８の位置において振動子ブランク４８が切断される。振動子ブランク４８を溝３８の位置で、または溝３８に沿って切断することで、電極パッド３４の位置に対応して個振動子１２を形成することができる。溝３８がなければ、振動子ブランク４８を切断する際に、目標がなく、溝３８がある場合に比べて、加工の確実性が低下する。
【００３２】
振動子ブランク４８の切断は、振動子ブランク４８の厚さより深く実施される。つまり、この切断の深さは、振動子ブランク４８の厚さにある量αを加えたものである。αは、個振動子１２同士を確実に分離することができる値であって、溝３８の深さｄより小さな値である。例えば、溝３８の深さｄが０．１５ｍｍであれば、αは０．１２ｍｍとすることができる。振動子ブランク４８の厚さより深く切断することで、溝３８を埋めている接着剤５８に再び溝が形成される。この溝を再形成溝６０と記す。また、振動子ブランク４８の、回路基板１６に対向する面に電極層が形成されている場合、振動子ブランク４８の厚さより深く切断することで、この電極層を確実に切断することができる。一方で、振動子ブランク４８の厚さのため、振動子ブランク４８の切断の際、深い位置に切削液を供給しにくく、またダイシングソー４０Ｂの刃出し量ｈを大きくする必要がある。これらは、冷却能力の不足およびダイシングソー４０Ｂの剛性低下を招き、切削加工に関して不利な要因である。しかし、ダイシングソー４０Ｂは、切削の難しい材料からなる回路基板１６を切断しないので、切削液の供給量が少なくても、必要な冷却を行うことができる。
【００３３】
振動子ブランク４８に用いられるダイシングソー４０Ｂのブレード厚さｔは、溝３８の幅より小さくすることができる。溝３８の幅ｗが０．０４〜０．１ｍｍであれば、例えば０．０２ｍｍとすることができる。説明の順序から、ダイシングソー４０Ｂのブレード厚さｔが、溝３８の幅から決められるように記載したが、一般的な設計過程においては、隣接する個振動子１２の間隔が先に決定される。よって、実際には、まずダイシングソー４０Ｂのブレード４２の厚さｔが決定され、これに合わせて溝３８の幅ｗが決定される。また、溝３８の深さｄも、実際には、個振動子１２を確実に分離することができるαが先に決定され、これに合わせて溝３８の深さが決定される。
【００３４】
図７は、図６の縦断面図である。溝３８は、溝３８の両側に位置する個振動子１２の間隔より広く形成され、個振動子１２の下方の一部にも存在する。この溝３８に面する個振動子１２の下面に接着剤５８が接している。溝３８に面する部分以外の部分でも、個振動子１２と回路基板１６は接着剤５８により接着されているが、この部分に形成された接着剤５８の層の厚さは薄い。これに対して、溝３８内の接着剤５８の層の厚さは厚く、より強く接着することができる。これにより、個振動子１２がより強固に回路基板１６に接合され、例えば切断時に受けるダイシングソー４０Ｂからの力による剥がれを防止することができる。
【００３５】
図８は、隣接する個振動子１２の間の隙間を目詰めした状態を示す図である。個振動子１２の隙間には、目詰め剤６２が充填されている。目詰め剤６２は、エポキシ系接着剤、ウレタン系接着剤、シリコーン系接着剤などの接着剤を用いることができ、また接着剤にフィラーを混ぜたものを用いることもできる。目詰め剤６２は、接着剤５８と同じものを用いてもよい。また、再形成溝６０内に目詰め剤６２を充填してもよい。
【００３６】
最後に、アレイ振動子１４の上面に複数の個振動子１２に共通のグランド電極３２を形成し、更に保護層１８を形成する。この結果、図１に示す超音波振動子ユニット１０が完成する。グランド電極３２と保護層１８を形成する工程は、前工程である目詰めの工程を同時に行うようにもできる。例えば、アレイ振動子１４に対向する面にグランド電極３２が形成された保護層１８を用意し、これをアレイ振動子１４に接着する際、その接着に使用する接着剤を用いて目詰めも行うようにする。
【００３７】
保護層１８は、図１に示す平板形状以外の形状であってもよい。例えば、アレイ振動子１４の側面全体、または一部を覆う縁を有するキャップ形状とすることができる。また、保護層１８の上面を曲面、特に凸面とすることもできる。
【符号の説明】
【００３８】
１０  超音波振動子ユニット、１２  個振動子、１４  アレイ振動子、１６  回路基板、２０  電子回路基板、２２  中継基板、２４  圧電素子、２６  振動素子、２８  整合層、３０  共振層、３４  電極パッド、３６  振動子接合面、３８  溝、４８  振動子ブランク、５０  振動素子素材、５２  整合層素材、５４  圧電素子素材、５６  共振層素材。
【図１】
2014110601.tif 000003
【図２】
2014110601.tif 000004
【図３】
2014110601.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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