(57)【要約】【課題】低い送波感度や低いＳ／Ｎの原因となる比誘電率及び圧電ｄ33定数の小さいポリフッ化ビニリデンのような高分子圧電フィルムを用いることなく、またＰＺＴのような脆い圧電材料をスライスしたり、基板に接着するという多くのロスを発生する工程を行うことなく、安定した特性をもつ微細な高周波のアレイ型超音波プローブを提供する。【解決手段】耐熱、耐食性材料からなる基板上に配列したチタン電極と、その上に水熱合成法により設けられた圧電膜とから構成されたアレイ型超音波プローブであって、耐熱、耐食性材料からなる基板上に、スパッタリング又は化学蒸着によりチタン膜を被覆し、次いでこのチタン膜をホトリソグラフィー法によりアレイ状にパターニングしてチタン電極を形成させ、次にその上に水熱合成法により圧電膜を設けることにより製造する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
耐熱、耐食性材料からなる基板上に配列したチタン電極と、その上に水熱合成法により設けられた圧電膜とから構成されたことを特徴とするアレイ型超音波プローブ。
【請求項２】
耐熱、耐食性材料がヒドロキシアパタイトである請求項１記載のアレイ型超音波プローブ。
【請求項３】
耐熱、耐食性材料がポリフェニレンスルフィドである請求項１記載のアレイ型超音波プローブ。
【請求項４】
チタン電極が基板上にスパッタリング又は蒸着により配列されている請求項１ないし３のいずれかに記載のアレイ型超音波プローブ。
【請求項５】
耐熱、耐食性材料からなる基板上に、スパッタリング又は化学蒸着によりチタン膜を被覆し、次いでこのチタン膜をホトリソグラフィー法によりアレイ状にパターニングしてチタン電極を形成させ、次にその上に水熱合成法により圧電膜を設けた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アレイ型超音波プローブ。
【請求項６】
二次元配列したチタン電極をもつ請求項１ないし５のいずれかに記載のアレイ型超音波プローブ。
【請求項７】
同心円状に配列したチタン電極をもつ請求項１ないし５のいずれかに記載のアレイ型超音波プローブ。
【請求項８】
耐熱、耐食性材料からなる基板上に、スパッタリング又は化学蒸着によりチタン膜を被覆し、次いでこのチタン膜をホトリソグラフィー法によりアレイ状にパターニングしてチタン電極を形成させ、次にその上に水熱合成法により圧電膜を設けることを特徴とするアレイ型超音波プローブの製造方法。
【請求項９】
圧電膜を設けるに先立って、チタン電極のリード線接続用パッド部分をポリテトラフルオロエチレンでマスキングし、圧電膜を設けた後でこれを除去する請求項７記載のアレイ型超音波プローブの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波診断装置や超音波探傷器などに用いるのに好適なアレイ型超音波プローブ及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、疾病の早期診断の重要性が認識されるようになり、体腔内超音波診断や血管内超音波診断、眼科領域超音波診断などの開発の必要性が高まるとともに、高周波数領域において、広い帯域を有する超小型超音波プローブや、高分解能アレイ超音波プローブの開発研究が盛んになってきている（非特許文献１参照）。
【０００３】
ところで、医用超音波プローブには、短冊状の圧電素子をアレイ状に配列した一次元のアレイプローブや複数の振動子片が二次元的に配置され、各振動子片に対する信号線の接続がパッキング材内部で行われる構造の二次元アレイ型超音波プローブなどが知られているが、これらの超音波プローブの振動子には、圧電セラミックス材料や高分子圧電フィルムなどの圧電材料が用いられている（特許文献１、２参照）。
【０００４】
しかしながら、振動子として、ＰＺＴのような圧電セラミックス材料を用いてアレイ型超音波プローブを製造する場合、吸音性を有する基板の上に圧電セラミックス振動子を接着し、所望の配列ピッチとなるようにダイヤモンドプレートでスライスする必要があるが、セラミックスは脆いため、高周波のアレイ型超音波プローブのように非常に薄い圧電セラミックス振動子を形成させる際、破壊して多くのロスを生じ、歩留りが数％から１０％程度に低くなるのを免れない。また、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）のような高分子圧電フィルムを用いると、その比誘電率が非常に小さいため、高周波のアレイ型超音波プローブとした場合、入力インピーダンスが著しく高くなり、受信時のＳ／Ｎ比が劣化するとともに、圧電ｄ33定数が２５ｐＣ／Ｎ以下になり送波感度が低くなるのを免れない。
【０００５】
他方、チタン成分を表面に有する基板を鉛化合物及びジルコニウム化合物を含有するアルカリ水溶液中で水熱合成することによりＰＺＴ薄膜を形成させる方法が知られているが（特許文献３参照）、この方法を利用してアレイ型超音波プローブのための圧電材料を製造することは知られていない。
【０００６】
【非特許文献１】「ウルトラソーニック・イメージング（Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  Ｉｍａｇｉｎｇ）」、第２６巻、２００４年、ｐ．７１−８４
【特許文献１】特開平７−８７５９５号公報（特許請求の範囲その他）
【特許文献２】特開２００６−１７４９４０号公報（特許請求の範囲その他）
【特許文献３】特開２００２−１２４２４号公報（特許請求の範囲その他）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、従来の医用超音波診断装置に用いられているアレイ型超音波プローブのもつ欠点を改善し、低い送波感度や低いＳ／Ｎの原因となる比誘電率及び圧電ｄ33定数の小さいポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）のような高分子圧電フィルムを用いることなく、またＰＺＴのような脆い圧電材料をスライスしたり、基板に接着するという多くのロスを発生する工程を行うことなく、安定した特性をもつ微細な高周波のアレイ型超音波プローブを提供することを目的としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、超音波診断装置のような医用装置に用いるためのアレイ型超音波プローブを開発するために、種々研究を重ねた結果、耐熱、耐薬品性材料基板の表面にチタン被覆し、ホトリソグラフィー法や電子ビーム、イオンビームなどの走査によりチタン電極を形成した上に水熱合成法を利用して圧電膜を設けることにより、上記の目的を達成し得ることを見出し、この知見に基づいて本発明をなすに至った。
【０００９】
すなわち、本発明は、耐熱、耐食性材料からなる基板上に配列したチタン電極と、その上に水熱合成法により設けられた圧電膜とから構成されたことを特徴とするアレイ型超音波プローブ、及び耐熱、耐食性材料からなる基板上に、スパッタリング又は化学蒸着によりチタン膜を被覆し、次いでこのチタン膜をホトリソグラフィー法によりアレイ状にパターニングしてチタン電極を形成させ、次にその上に水熱合成法により圧電膜を設けることを特徴とするアレイ型超音波プローブの製造方法を提供するものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、従来のアレイ型超音波プローブにおける不安定要因、すなわちＰＺＴのような脆い圧電セラミックス材料を背板に接着する工程やダイシングマシンを用いてアレイ状にスライスする工程を省くことができ、高い歩留りで微細な高周波アレイ型超音波プローブを提供し得るという利点がある。
また、ポリフッ化ビニリデンのような比誘電率や圧電ｄ33定数の小さい高分子圧電フィルムを使用することなく、比誘電率や圧電ｄ33定数の大きい圧電膜すなわちＰＺＴを用いるので、従来のアレイ型超音波プローブにおける送波感度や受波時のＳ／Ｎが低いとう欠点を克服することができる。
【００１１】
そして、本発明においては、圧電膜として水熱合成法により形成したＰＺＴ圧電多結晶膜が用いられているので、その圧電ｄ33定数は、ポリフッ化ビニリデンの約３倍高い値の１００ｐＣ／Ｎを有しており、高い送波感度が期待できる。さらに、ＰＺＴ圧電多結晶膜の音響インピーダンスはほぼ１０×１０6ｋｇ／ｍ2ｓで、ＰＺＴ圧電セラミックス振動子の音響インピーダンス（ほぼ３５×１０6ｋｇ／ｍ2ｓ）の三分の一から四分の一と小さく生体軟部組織や水などの音響負荷の音響インピーダンス（ほぼ１．５×１０6ｋｇ／ｍ2ｓ）に近いため、ＰＺＴ圧電セラミックス振動子を用いた超音波プローブのように単層あるいは多層の音響整合層を用いなくても高感度でかつ広い周波数特性を得ることができる。このように、本発明においては、水熱合成法によるＰＺＴ圧電多結晶膜を用いることにより、高分子圧電フィルムと圧電セラミックス両者の長所を併せもつ圧電振動子ということができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次に、添付図面に従い、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
図１は、本発明の一次元アレイ振動子の１例を示す斜視図である。この図において、基板１としては、強アルカリ、高温、高圧の水熱合成の条件下でも劣化しない耐熱、耐食性材料としてヒドロキシアパタイト（直径１３ｍｍ、厚さ２ｍｍ）を用いた。
この基板１の上に蒸着例えばＰＶＤにより形成されたチタン膜電極２が、またその上に水熱合成により設けられたＰＺＴ多結晶膜３がそれぞれ積層している。
【００１３】
チタン膜電極２は、ホトエッチングにより一次元アレイ状にパターニングされており、パターニングした電極引き出し部に電極（図示せず）が接続されている。水熱合成に際しては、素子部以外の部分を保護するポリテトラフルオロエチレン製の冶具に固定され、ＰＺＴ多結晶膜３はチタン膜２上のみに選択的に形成される。最後に金電極４を蒸着し、接地電極側を一体化する。この電極の方向は、パターニングしたチタン膜２を信号電極として用い、ＰＺＴ多結晶膜表面の金電極４は共通電極とする。
なお、上記の耐熱、耐食性材料としては、ヒドロキシアパタイトのほかに、ポリフェニレンスルフィドを用いることが出来る。
【００１４】
次に、図２は、本発明のアレイ型超音波プローブの製造方法を示す工程図である。
この製造方法においては、先ず基板を表面処理して清浄化する第１工程、スパッタリング又は蒸着によりチタン膜を成膜する第２工程、チタン膜状にホトレジストを塗布した後、パターニングする第３工程、チタン膜をウェットエッチング又はドライエッチングする第４工程、チタン膜の不要のホトレジストを除去する第５工程、水熱合成法により露出したチタン膜上にＰＺＴ多結晶膜を成膜する第６工程及び金蒸着により接地電極を作製する第７工程からなっている。
【００１５】
図３（ａ）は、第４工程において、直径１４ｍｍのヒドロキシアパタイト基板上にＰＶＤ法によりチタン膜電極を、ホトエッチングによってパターニングして得たアレイ状チタン電極についてのデジタル顕微鏡写真であり、図３（ｂ）は、そのチタン電極アレイ部分の拡大写真図である。この図に示すように、素子ピッチ７５μｍ、素子幅３５μｍ、長さ４ｍｍのチタン電極が８本形成され、その左右に振り分けてリード線引き出し用の電極パッドが４か所ずつ設けられている。
【００１６】
また、第６工程の水熱合成は、例えば出発原料として、例えばＺｒＯＣｌ2・８Ｈ2Ｏ（濃度０．５３５ｍｏｌ／ｌ）３７．５ｇ、Ｐｂ（ＮＯ3）2（濃度０．５２０ｍｏｌ／ｌ）１２．３ｇ、ＫＯＨ（濃度４．０ｍｏｌ／ｌ）２０５．５ｇ及びＴｉＯ2（アナターゼ型）１．２ｇからなる水溶液を用いて行った。この水溶液を、ポリテトラフルオロエチレン製容器に入れ、表１に示す条件下でチタン上にＰＺＴ多結晶膜を形成させた。
【００１７】
【表１】
2008067099.tif 000003
【００１８】
この水熱合成は、次式に従って反応し、ＰＺＴ多結晶が生成する。
Ｐｂ2+＋（１−ｘ）Ｚｒ4+＋ｘＴｉ4+＋６ＯＨ‐→Ｐｂ（Ｚｒ1-x，Ｔｉx）Ｏ3＋３Ｈ2Ｏ
【００１９】
この式におけるＰｂ2+、Ｚｒ4+イオンは、出発原料溶液から供給され，Ｔｉ4+イオンは、チタン基板が溶出して供給される。このチタン基板から溶出したＴｉ4+イオンとＰｂ2+、Ｚｒ4+及びＯ2-イオンとが反応して、ＰＺＴ結晶核が基板界面に形成される。この際の鉱化剤としては、濃度４ｍｏｌ／ｌの水酸化カリウム水溶液を用いた。
出発原料の酸化チタンとしては、表面処理をしない平均粒径１８０ｎｍのアナターゼ型酸化チタンを用いた。
【００２０】
なお、ＰＺＴ多結晶膜の水熱合成実施に先立って、チタン電極アレイの左右に振り分けたリード線取り出し用電極パッドに、予めリード線を接続して、その周囲を耐熱、耐食性材料のポリテトラフルオロエチレンで保護コーティングした。
このようにして得たＰＺＴ圧電多結晶膜の３００倍拡大ＳＥＭ写真を図４に、１００倍拡大ＳＥＭ写真を図５に示す。
【００２１】
これらの図より、結晶が横方向に成長したため、素子幅が設計した３５μｍから約５μｍ程度成長したことが分る。エレメントピッチに関しては、パターニングしたとおりの寸法で成膜された。成膜されたＰＺＴ多結晶膜の膜厚を、レーザー顕微鏡を用いて測定した結果、膜厚は約１４μｍ±２μｍであることが確認できた。
【００２２】
図４及び図５からは、立方晶状の結晶が、３５μｍ幅のチタン膜上に堆積していることを確認された。次に、エネルギー分散形Ｘ線分析装置を用いてこの成膜された結晶の元素分析を行った結果を図６に示す。この結果より、ＰＺＴに由来するＰｂ、Ｏ、Ｔｉ、Ｚｒの元素の存在が確認された。
【００２３】
次に、このようにして製造されたアレイ型超音波プローブの１例の平面図を図７に、また側面図を図８に示す。
【００２４】
これらの図において、直径１４ｍｍ、厚さほぼ２ｍｍのヒドロキシアパタイト製基板１上にパターニングした信号線として用いるチタン膜電極アレイ２の表面に水熱合成法を用いてＰＺＴ圧電多結晶膜３を成膜して作製した一次元アレイ振動子の背面に、音響吸音性能の良い厚さほぼ５ｍｍフェライトゴム製の背板を接着などの手段によって配設されている。これによって、ＰＺＴ圧電多結晶膜からヒドロキシアパタイト基板内に放射された不要な超音波が生体などの音響負荷成分から戻ってきた受診信号に雑音として重畳されて診断や非破壊検査の妨げとならないように不要な超音波が吸収される。
【００２５】
次いで、フェライトゴム製背板の裏面にさらに厚さ１４ｍｍアクリル樹脂製のブロックを装着し、直径１６ｍｍ、長さ３０ｍｍのアクリル樹脂製のパイプに挿入して、シリコンゴムを充填して固定する。
【００２６】
続いて、ヒドロキシアパタイト基板上のチタン膜電極パッドから引き出した信号線用のリード線に同軸ケーブルが接続される。さらに、この周囲をノイズ対策のために銅箔テープで巻いて、シールドとした後に、ケースとして用いる外側のアクリル樹脂製パイプに挿入して固定される。
【００２７】
次に、本発明において、水熱合成により形成されたＰＺＴ圧電多結晶膜を用いた一次元アレイ型超音波プローブの各振動子素子による超音波の受波が可能か否かを確認する実験を行った。この実験システム図を図９に示す。ファンクションジェネレータからの信号を増幅度５０ｄＢのパワーアンプで増幅して、共振周波数１０ＭＨｚの水浸型超音波プローブに印加して超音波を水中に送波した。この例では、ファンクションジェネレータからの出力信号として、波漣長１波のトーンバースト波を送信した。水中に送波された超音波パルスを本発明の一次元アレイ超音波プローブで受信する。本発明の一次元アレイ超音波プローブからの出力信号を受信機内のプリアンプで４０ｄＢ増幅してオシロスコープに表示することで受信波形の確認を行った。送信プローブから、本発明の一次元アレイ超音波プローブの距離は、約１５ｍｍとした。
【００２８】
図１０及び図１１に周波数１０ＭＨｚ、波漣長１波のトーンバースト波を本発明の一次元アレイ超音波プローブ中の一素子で受信した時の受信波形を示す。図１０には、送信と同時に受信される、送信用の超音波プローブと本発明の一次元アレイ超音波プローブの間の電磁的な結合によって生じたフィードスルー信号、本発明の一次元アレイ超音波プローブが受信した直達受信波、さらに本発明の一次元アレイ超音波プローブの受音面で反射され、送信用超音波プローブの音響放射面でも反射され、水中を一往復伝搬して遅れて本発明の一次元アレイ超音波プローブで受信された波形が表示されている。図１０に示されている３つの波形のうち、中央の直達受信波が注目すべき波形であり、これを時間的に拡大した波形が図１１である。波漣長１波のトーンバースト波で駆動して、約２．５波の受信波形が得られているので、本発明の一次元アレイ超音波プローブは、相当の広帯域な周波数特性を有することが予想される。そこで、この受信波形を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）することによって周波数分析して、図１２に示した。この図から、本発明の一次元アレイ超音波プローブは、音響整合層も使用せずに、中心周波数約１０ＭＨｚ、比帯域約１００％の広帯域な周波数特性を有することが分る。
【００２９】
以上、一次元アレイ型超音波プローブを例として説明したが、本発明においては二次元アレイ状に配列したチタン電極上に、水熱合成法で圧電多結晶膜を成膜した二次元アレイ型超音波プローブとすることもできる。
【００３０】
図１３に、この二次元アレイ型超音波プローブの１例の平面図を、また図１４にその側面図を示す。
さらに、本発明のアレイ型超音波プローブは、同心円状アレイ型超音波プローブに形成することもできる。
図１５は、このような同心円状アレイ型超音波プローブの１例を示す平面図であり、図１６はその側面図である。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明は、体腔内超音波診断、血管内超音波診断、眼科領域超音波診断などの高周波数、高分解能の医用超音波診断装置のためのアレイ型超音波プローブとして好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一次元アレイ振動子の１例を示す斜視図。
【図２】本発明のアレイ型超音波プローブの製造方法を示す工程図。
【図３】（ａ）はアレイ状チタン電極のデジタル顕微鏡による写真図、（ｂ）はその要部の拡大写真図。
【図４】ＰＺＴ圧電多結晶膜の３００倍拡大ＳＥＭ写真。
【図５】ＰＺＴ圧電多結晶膜の１００倍拡大ＳＥＭ写真。
【図６】成膜された結晶のＸ線による元素分析図。
【図７】アレイ型超音波プローブの１例の平面図。
【図８】図７の側面図。
【図９】水熱合成により形成されたＰＺＴ圧電多結晶膜を用いた一次元アレイ型超音波プローブの各振動子素子による超音波の受波が可能か否かを確認する実験システム図。
【図１０】周波数１０ＭＨｚ、波漣長１波のトーンバースト波を本発明の一次元アレイ超音波プローブ中の一素子で受信した時の受信波形図。
【図１１】図１０の３つの波形のうち、中央の波形を時間的に拡大した波形図。
【図１２】受信波形を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）により周波数分析した図。
【図１３】二次元アレイ型超音波プローブの１例の平面図。
【図１４】図１３の側面図。
【図１５】同心円状アレイ型超音波プローブの１例を示す平面図。
【図１６】図１５の側面図。
【符号の説明】
【００３３】
１  基板
２  チタン電極
３  ＰＺＴ多結晶膜
４  金電極
【図６】
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【図１１】
2008067099.tif 000005
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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