(57)【要約】【課題】噴射堆積法を用いて、性能及び信頼性の高い超音波用探触子を作製することができる超音波用探触子の製造方法等を提供する。【解決手段】超音波用探触子は、音響整合層１１と、音響整合層の上層に形成された第１の電極１２と、第１の電極が形成された音響整合層に向けて、圧電性を有する材料の粉体をノズルから噴射して堆積させることによって第１の電極の上に形成された圧電素子層１３と、圧電素子層の上に形成された第２の電極と、第２の電極の上層に形成されたバッキング層１４とを含む。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
音響整合層として用いられる基板に、第１の電極を形成する工程（ａ）と、
前記第１の電極が形成された基板に向けて、圧電性を有する材料の粉体をノズルから噴射して堆積させることにより、前記第１の電極の上に圧電素子層を形成する工程（ｂ）と、
前記圧電素子層の上に、第２の電極を形成する工程（ｃ）と、
前記第２の電極の上に、バッキング層を形成する工程（ｄ）と、
を具備する超音波用探触子の製造方法。
【請求項２】
音響整合層として用いられる基板に、複数の第１の電極を２次元的な配列となるように形成する工程（ａ）と、
前記複数の第１の電極が形成された基板に向けて、圧電性を有する材料の粉体をノズルから噴射して堆積させることにより、前記複数の第１の電極の上に複数の圧電素子層をそれぞれ形成する工程（ｂ）と、
前記複数の圧電素子層の上に、複数の第２の電極をそれぞれ形成する工程（ｃ）と、
前記複数の第２の電極の上層に、バッキング層を形成する工程（ｄ）と、
を具備する超音波用探触子の製造方法。
【請求項３】
工程（ａ）の前に、前記音響整合層として用いられる基板に溝を形成することにより、前記基板上の領域を２次元的に配列された複数の領域に分割する工程をさらに具備し、
工程（ａ）〜（ｃ）が、前記複数の第１の電極、前記複数の圧電素子層、及び、前記複数の第２の電極を、前記２次元的に配列された複数の領域にそれぞれ形成することを含む、
請求項２記載の超音波用探触子の製造方法。
【請求項４】
前記複数の圧電素子層をそれぞれ含む複数の積層体の隙間に充填材を充填することにより該複数の積層体を固定する工程と、
前記音響整合層として用いられる基板を、該基板に形成された溝に至るまで削る工程をさらに具備する、
請求項３記載の超音波用探触子の製造方法。
【請求項５】
工程（ａ）の前に、材料の粉体をノズルから噴射して堆積させることにより、前記基板と前記圧電素子層とを音響的に整合する中間層を形成する工程（ｅ）をさらに具備する請求項１〜４のいずれか１項記載の超音波用探触子の製造方法。
【請求項６】
工程（ｅ）が、前記中間層における位置に応じて音響インピーダンスが変化するように、組成を変更しながら材料の粉体をノズルから噴射して堆積させることを含む、請求項５記載の超音波用探触子の製造方法。
【請求項７】
工程（ｂ）の後に、前記基板及び圧電素子層を含む積層体を熱処理する工程をさらに具備する請求項１〜６のいずれか１項記載の超音波用探触子の製造方法。
【請求項８】
基板に向けて、材料の粉体をノズルから噴射して堆積させることにより、音響整合層を形成する工程（ａ）と、
前記音響整合層の上層に第１の電極を形成する工程（ｂ）と、
前記第１の電極が形成された基板に向けて、圧電性を有する材料の粉体をノズルから噴射して堆積させることにより、前記第１の電極の上に圧電素子層を形成する工程（ｃ）と、
前記圧電素子層の上に、第２の電極を形成する工程（ｄ）と、
前記第２の電極の上に、バッキング層を形成する工程（ｅ）と、
前記基板を除去する工程（ｆ）と、
を具備する超音波用探触子の製造方法。
【請求項９】
基板に向けて材料の粉体をノズルから噴射して堆積させることにより、複数の音響整合層を２次元的な配列となるように形成する工程（ａ）と、
前記複数の音響整合層の上層に、複数の第１の電極をそれぞれ形成する工程（ｂ）と、
前記複数の第１の電極が形成された基板に向けて、圧電性を有する材料の粉体をノズルから噴射して堆積させることにより、前記複数の第１の電極の上に複数の圧電素子層をそれぞれ形成する工程（ｃ）と、
前記複数の圧電素子層の上に、複数の第２の電極をそれぞれ形成する工程（ｄ）と、
前記複数の第２の電極の上層に、バッキング層を形成する工程（ｅ）と、
前記基板を除去する工程（ｆ）と、
を具備する超音波用探触子の製造方法。
【請求項１０】
工程（ａ）が、前記音響整合層における位置に応じて音響インピーダンスが変化するように、組成を変更しながら材料の粉体をノズルから噴射して堆積させることを含む、請求項８又は９記載の超音波用探触子の製造方法。
【請求項１１】
工程（ｂ）の前に、材料の粉体をノズルから噴射して堆積させることにより、前記基板と前記圧電素子層とを音響的に整合する中間層を形成する工程（ｇ）をさらに具備する請求項８〜１０のいずれか１項記載の超音波用探触子の製造方法。
【請求項１２】
工程（ｇ）が、前記中間層における位置に応じて音響インピーダンスが変化するように、組成を変更しながら材料の粉体をノズルから噴射して堆積させることを含む、請求項１１記載の超音波用探触子の製造方法。
【請求項１３】
工程（ｂ）の後に、前記基板及び圧電素子層を含む積層体を熱処理する工程をさらに具備する請求項８〜１２のいずれか１項記載の超音波用探触子の製造方法。
【請求項１４】
音響整合層と、
前記音響整合層の上層に形成された第１の電極と、
前記第１の電極が形成された音響整合層に向けて、圧電性を有する材料の粉体をノズルから噴射して堆積させることによって前記第１の電極の上に形成された圧電素子層と、
前記圧電素子層の上に形成された第２の電極と、
前記第２の電極の上に形成されたバッキング層と、
を具備する超音波用探触子。
【請求項１５】
２次元的に配列された複数の音響整合層と、
前記複数の音響整合層の上層にそれぞれ形成された第１の電極と、
前記複数の第１の電極が形成された複数の音響整合層に向けて、圧電性を有する材料の粉体をノズルから噴射して堆積させることによって前記複数の第１の電極の上にそれぞれ形成された複数の圧電素子層と、
前記複数の圧電素子層の上にそれぞれ形成された複数の第２の電極と、
前記複数の第２の電極の上層に形成されたバッキング層と、
を具備する超音波用探触子。
【請求項１６】
前記複数の音響整合層が、音響整合層として用いられる基板に溝を形成することにより、前記基板上の領域を２次元的に配列された複数の領域に分割することによって作製されている、請求項１５記載の超音波用探触子。
【請求項１７】
前記第１の電極と前記圧電素子層との境界に、材料の粉体をノズルから噴射して堆積させることによって生じるアンカーリングが発生している、請求項１４〜１６のいずれか１項記載の超音波用探触子。
【請求項１８】
前記音響整合層が、該音響整合層における位置に応じて音響インピーダンスが変化するように、組成を変更しながら材料の粉体をノズルから噴射して堆積させることによって形成されている、請求項１４〜１７のいずれか１項記載の超音波用探触子。
【請求項１９】
前記音響整合層に向けて、材料の粉体をノズルから噴射して堆積させることにより形成された中間層であって、前記音響整合層と前記圧電素子層とを音響的に整合する前記中間層をさらに具備する請求項１４〜１８のいずれか１項記載の超音波用探触子。
【請求項２０】
前記中間層が、該中間層における位置に応じて音響インピーダンスが変化するように、組成を変更しながら材料の粉体をノズルから噴射して堆積させることによって形成されている、請求項１９記載の超音波用探触子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、医療用や非破壊検査用の超音波診断装置において用いられる超音波用探触子及びその製造方法に関し、特に、２次元センサアレイを含む超音波用探触子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１６に、一般的な超音波診断装置において用いられている超音波用探触子の構造を示す。超音波用探触子１００は、超音波の送信及び受信を行う複数の超音波トランスデューサ１１０を含んでいる。超音波トランスデューサ１１０としては、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）に代表される圧電セラミックや、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン：ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ  ｄｉｆｌｕｏｒｉｄｅ）に代表される高分子圧電材料等を含む圧電素子が用いられる。これらの圧電素子には電極１２０がそれぞれ取り付けられ、リード線１３０を介して、超音波診断装置本体に含まれる電子回路に接続されている。
【０００３】
圧電素子１１０の前方、即ち、超音波の送信方向側には、音響インピーダンスの整合を図って超音波を効率良く送受信するために、音響整合層１５０が設けられている。超音波は、２つの媒質の境界において少なからず反射する。この反射による超音波エネルギのロスを減らし、より多くの超音波を透過させるためには、２つの媒質において、物質の密度と超音波の音速とによって規定される音響インピーダンスをなるべく整合させることが望ましい。しかしながら、超音波を発生する圧電素子と、超音波を伝播させる被検体の音響インピーダンスは大きく異なる。そのため、圧電素子と被検体との中間の音響インピーダンスを有する材料を音響整合層として用いることにより、媒質の境界における超音波エネルギのロスを低減している。音響整合層１５０は、例えば、超音波を伝え易いパイレックス（登録商標）ガラスや金属粉入りエポキシ樹脂等によって構成される。また、音響整合層１５０には、超音波を集束するために、シリコンゴム等の音響レンズ材１６０が設けられている。
【０００４】
さらに、圧電素子１１０の後方、即ち、超音波の送信方向の反対側には、バッキング層１４０が設けられている。超音波は、圧電素子１１０の前方だけでなく、後方に向けても発生する。しかしながら、後方に向けて発生した超音波は探触子内において多重反射し、検出信号にノイズを生じさせてしまうので、このような超音波を早く減衰させる必要がある。そのため、圧電素子１１０の後方には、エポキシ樹脂やゴム等の超音波を吸収し易い材料によって構成されるバッキング層が設けられている。
【０００５】
従来、これらの音響整合層１５０やバッキング層１４０は、接着剤を用いて超音波トランスデューサ１１０に接着されていた。しかしながら、音響整合層１５０と超音波トランスデューサ１１０との間に接着剤層が存在すると、それらの境界において音響的に不整合が発生し、超音波の送受信効率が低下するという問題が生じていた。特に、超音波周波数を高域化するためには超音波トランスデューサを薄肉化する必要があるが、その場合には、超音波トランスデューサの厚さに対して接着剤層の厚さが無視できなくなるので、超音波の送受信特性は大きく低下してしまう。
【０００６】
また、一般的に、圧電素子は、圧電材料の板材をダイシングしたり研磨することによって形成される。しかしながら、このような手法によると、応力によって素子が破壊されたり、素子の特性が変化したり、或いは、素子を紛失してしまうことがあるので、歩留まりが悪く、製品の信頼性が低下するという問題が生じている。特に、複数の超音波トランスデューサが２次元に配列されたセンサアレイを作製する場合には、素子を成形し、接着剤を用いて各層を接続するという方法では、微細な素子を高集積化することは困難である。
【０００７】
或いは、基板上にスクリーン印刷法等の技術を用いて、超音波トランスデューサに含まれる各層を形成する方法も行われている。しかしながら、スクリーン印刷後の焼成工程においては、焼成温度が９００℃程度まで上昇するので、ガラス基板を用いることができないという問題がある。
【０００８】
一方、特許文献１には、基板上に下部電極及び圧電素子を順次形成して熱処理を行った後、この上面へ上部電極材料及び音響整合層材料の順に噴射堆積を行うことにより積層構造体を形成し、次いで該積層構造体の下面へダンピング層材料の噴射堆積を行うことにより、圧電素子、音響整合層及びダンピング層を基本構成要素とした超音波トランスデューサを得る超音波トランスデューサの製造方法が開示されている。噴射堆積法によって圧電素子等を形成することにより、圧電素子を機械的に加工したり、接着剤を用いる必要がなくなるので、上記のような問題を解消することができる。
【０００９】
しかしながら、このように製造された超音波トランスデューサにおいては、次のような別の問題が生じてしまう。即ち、圧電素子とダンピング層との間に支持基板を介在させると、圧電素子の後方に向けて発生した超音波が支持基板に反射されてしまうので、ダンピング層において効果的に超音波を減衰できなくなる。圧電素子をダンピング層の上に直接形成することも考えられるが、ダンピング層はポリイミド樹脂のように柔らかい材料によって形成されているので、支持基板を介在させることなく、噴射堆積法により圧電素子をダンピング層の上に直接形成することは困難である。また、ダンピング層は耐熱温度が低いので、ダンピング層の上層に圧電素子を形成して熱処理する場合には、熱処理温度を十分に（例えば、６００℃）上げることはできない。
【００１０】
【特許文献１】
特開平６−２８５０６３号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、上記の点に鑑み、本発明は、噴射堆積法を用いて、信頼性の高い超音波用探触子を歩留まり良く作製することができる超音波用探触子の製造方法を提供することを目的とする。また、本発明は、そのような製造方法を用いて作製された超音波用探触子を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するため、本発明の第１の観点に係る超音波用探触子の製造方法は、音響整合層として用いられる基板に、第１の電極を形成する工程（ａ）と、第１の電極が形成された基板に向けて、圧電性を有する材料の粉体をノズルから噴射して堆積させることにより、第１の電極の上に圧電素子層を形成する工程（ｂ）と、圧電素子層の上に、第２の電極を形成する工程（ｃ）と、第２の電極の上に、バッキング層を形成する工程（ｄ）とを具備する。
【００１３】
本発明の第１の観点によれば、音響整合層を基板として用いるので、噴射堆積法を用いて圧電素子層を形成し、これを熱処理することが可能になる。
【００１４】
また、本発明の第２の観点に係る超音波用探触子の製造方法は、音響整合層として用いられる基板に、複数の第１の電極を２次元的な配列となるように形成する工程（ａ）と、複数の第１の電極が形成された基板に向けて、圧電性を有する材料の粉体をノズルから噴射して堆積させることにより、複数の第１の電極の上に複数の圧電素子層をそれぞれ形成する工程（ｂ）と、複数の圧電素子層の上に、複数の第２の電極をそれぞれ形成する工程（ｃ）と、複数の第２の電極の上層に、バッキング層を形成する工程（ｄ）とを具備する。
【００１５】
本発明の第２の観点によれば、噴射堆積法を用いて圧電素子層を形成するので、２次元に配列された複数の超音波トランスデューサを含む超音波用探触子を容易に作製することができる。
【００１６】
本発明の第３の観点に係る超音波用探触子の製造方法は、基板に向けて、材料の粉体をノズルから噴射して堆積させることにより、音響整合層を形成する工程（ａ）と、音響整合層の上層に第１の電極を形成する工程（ｂ）と、第１の電極が形成された基板に向けて、圧電性を有する材料の粉体をノズルから噴射して堆積させることにより、第１の電極の上に圧電素子層を形成する工程（ｃ）と、圧電素子層の上に、第２の電極を形成する工程（ｄ）と、第２の電極の上に、バッキング層を形成する工程（ｅ）と、基板を除去する工程（ｆ）とを具備する。
【００１７】
本発明の第３の観点によれば、ダミーの基板を用い、最終的にこれを除去するので、噴射堆積法を用いて音響整合層及び圧電素子層を形成することができる。
【００１８】
本発明の第４の観点に係る超音波用探触子の製造方法は、基板に向けて材料の粉体をノズルから噴射して堆積させることにより、複数の音響整合層を２次元的な配列となるように形成する工程（ａ）と、複数の音響整合層の上層に、複数の第１の電極をそれぞれ形成する工程（ｂ）と、複数の第１の電極が形成された基板に向けて、圧電性を有する材料の粉体をノズルから噴射して堆積させることにより、複数の第１の電極の上に複数の圧電素子層をそれぞれ形成する工程（ｃ）と、複数の圧電素子層の上に、複数の第２の電極をそれぞれ形成する工程（ｄ）と、複数の第２の電極の上層に、バッキング層を形成する工程（ｅ）と、基板を除去する工程（ｆ）とを具備する。
【００１９】
本発明の第４の観点によれば、噴射堆積方を用いて音響整合層及び圧電素子層を２次元的な配列となるように形成するので、２次元的に配列された複数の超音波トランスデューサを含む超音波用探触子を容易に作製することができる。
【００２０】
本発明の第１の観点に係る超音波用探触子は、音響整合層と、該音響整合層の上層に形成された第１の電極と、該第１の電極が形成された音響整合層に向けて、圧電性を有する材料の粉体をノズルから噴射して堆積させることによって第１の電極の上に形成された圧電素子層と、該圧電素子層の上に形成された第２の電極と、該第２の電極の上層に形成されたバッキング層とを具備する。
【００２１】
本発明の第２の観点に係る超音波用探触子は、２次元的に配列された複数の音響整合層と、該複数の音響整合層の上層にそれぞれ形成された第１の電極と、該複数の第１の電極が形成された複数の音響整合層に向けて、圧電性を有する材料の粉体をノズルから噴射して堆積させることによって複数の第１の電極の上にそれぞれ形成された複数の圧電素子層と、該複数の圧電素子層の上にそれぞれ形成された複数の第２の電極と、該複数の第２の電極の上層に形成されたバッキング層とを具備する。
【００２２】
本発明によれば、音響整合層と圧電素子層とを接着剤等を用いることなく接続するので、超音波を効率良く送受信することができる。また、本発明によれば、圧電素子層とバッキング層との間に支持基板等を介在させることなく接続するので、超音波用探触子内において超音波を早く減衰させることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る超音波用探触子の一部を示す断面図である。この超音波用探触子は、音響整合層１１と、第１電極１２と、ＰＺＴ層１３と、第２電極１４と、バッキング層１５とを含む超音波トランスデューサ１０を有している。
【００２４】
音響整合層１１は、圧電素子と被検体との間の音響インピーダンスの整合を図り、超音波を効率良く伝播させるために用いられる。音響整合層１１としては、例えば、一般的なガラスの他に、高耐熱ガラスや、セラミックや、マグネシウム（Ｍｇ）を含む金属等が用いられる。
【００２５】
ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）層１３は、圧電セラミックの厚膜であり、圧電素子として作用する。ＰＺＴ層１３の両側には、第１電極１２及び第２電極１４が形成されている。これらの電極を介して、超音波診断装置本体からパルス状の電気信号或いは連続波電気信号を送って電圧を印加すると、ＰＺＴ層１３は圧電効果により伸縮する。これにより、超音波パルス或いは連続波超音波が発生し、媒質中を伝搬する。
ＰＺＴ層１３は、第１電極１２が形成された音響整合層１１に向けて材料の粉体を噴射することによって成膜する噴射堆積法を用いて形成されている。これにより、ＰＺＴ層１３は、接着剤等を用いることなく下層に接続される。噴射堆積法については、後で詳しく説明する。
【００２６】
バッキング層１５は、ＰＺＴ層１３から発生した超音波を吸収することにより、超音波を早く減衰させる。これにより、超音波用探触子の内部における超音波の多重反射が抑制され、ノイズが低減される。バッキング層の材料としては、ポリイミド樹脂や、金属粉入りエポキシ樹脂や、フェライト粉入りゴム等の超音波を吸収し易い材料が用いられる。
【００２７】
次に、本発明の第１の実施形態に係る超音波用探触子の製造方法について、図１〜図３を参照しながら説明する。本実施形態に係る超音波用探触子は、音響整合層を基板として用い、ＰＺＴ層を噴射堆積法によって形成することを特徴としている。
噴射堆積法とは、成膜を行う基板等に向けて材料の粉体を噴射し、高速で基板等に衝突させることにより、該粉体を堆積させる成膜方法である。噴射堆積法は、次のような特徴を有している。（１）多元素を混合した材料によって均一な膜が得られる。（２）マスクを使用しないで、パターンを形成できる。（３）高速に成膜できる。（４）低温膜形成が可能であり、形成された膜は、強度及び基板等への付着度が高く、且つ、緻密である。
【００２８】
なお、噴射堆積法は、ガスデポジション法又はエアロゾルデポジション法とも呼ばれており、詳細については、特許第３０８４２８６号公報、及び、賀集誠一郎らによる「超微粒子のガス・デポジション」（真空、１９９２年、第３５巻、第７号、Ｐ．６４９−６５３）を参照されたい。
【００２９】
図２は、噴射堆積法を用いた成膜装置の一部を示す模式図である。この成膜装置は、容器１と、ガス導入管２と、搬送管３と、ノズル４と、可動ステージ５とを含んでいる。容器１は、材料の粉体６を配置するための容器である。噴射堆積法においては、材料の粉体６としては、サブミクロンオーダーの微粒子が用いられる。
【００３０】
ガス導入管２は、材料の粉体６を搬送するためのガス（キャリアガス）を供給する。ガス導入管２は、その先端が材料の粉体６に埋没するように配置されている。本実施形態においては、キャリアガスとして窒素（Ｎ２）を用いているが、その他にも、アルゴンガス、ヘリウムガス等の不活性ガスや、乾燥空気、酸素ガス、水素ガス等を用いることができる。
【００３１】
搬送管３は、材料の粉体をガスと共に吸引し、ノズル４に搬送する。
ノズル４は、搬送管３によって搬送された材料の粉体を、基板に向けて噴射する。ノズル４としては、基板への衝突時に、材料の粉体の速度が５０ｍ／ｓ〜４５０ｍ／ｓ程度になるように、流体を加速できるスリット型ノズルを用いることが望ましい。また、ノズルの出射端形状は、成膜のパターンに応じて調製されている。これにより、所望のパターンが高精度で形成される。
【００３２】
可動ステージ５は、ノズル４と戴置された基板７との相対位置を制御するための３次元に移動可能なステージである。可動ステージ５を移動させながらノズル４から粉体を噴射させることにより、基板７に所望のパターン８が形成される。本実施形態においては、ノズル４を固定し、可動ステージ５を移動させているが、反対に、ステージを固定し、ノズル側を移動させても良い。或いは、ノズルとステージの両方を可動として、それらの相対位置を変更するようにしても良い。これらのノズル４及び可動ステージ５は、雰囲気が調節された成膜室に配置されて用いられる。
【００３３】
図２において、材料の粉体６が配置された容器１に、ガス導入管２からキャリアガスを導入すると、材料の粉体６が噴き上げられてキャリアガス内に浮遊する。この材料の粉体６が浮遊しているキャリアガスを、搬送管３を介してノズル４に供給し、ノズル４から基板７に向けて噴射させる。これにより、高速に加速された超微粒子は、基板に衝突し、その際の衝突エネルギにより、基板又は先に堆積された堆積物に付着する。
【００３４】
図３は、本実施形態に係る超音波用探触子の製造方法を示すフローチャートである。
まず、ステップＳ１１において、音響整合層１１として用いられるガラス基板上に、スパッタ法を用いて第１電極１２を形成する。ここで、ガラス基板としては、後で行われる熱処理の温度を考慮して、高耐熱ガラスを用いることが望ましい。また、第１電極１２の材料としては、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）等の金属や、これらの合金を用いることができるが、本実施形態においては、融点の高い白金（Ｐｔ）を用いている。
【００３５】
次に、ステップＳ１２において、第１電極１２が形成されたガラス基板に、噴射堆積法によってＰＺＴ層１３を形成する。即ち、図２に示すように、ＰＺＴの粉体が配置された容器１に、ガス導入管２からＮ２等のキャリアガスを導入し、これによって浮遊した材料の粉体を、搬送管３を介してノズル４から基板７に向けて噴出させる。その際に、ノズル４と可動ステージ５との相対位置を制御することにより、基板上に所望のパターン及び膜厚を有するＰＺＴ厚膜を形成することができる。
【００３６】
ここで、材料の粉体６としては、予め準備しておいたものを用いても良いし、容器１に超微粒子生成室を接続し、そこで生成された粉体を容器１に直接供給するようにしても良い。材料の粉体１は、例えば、公知のアルコキシド法によって有機金属の水和物を生成し、これを熱分解することによって作成することができる。材料の粉体１の平均粒径は、０．１μｍ〜５μｍ程度であることが望ましく、上記のアルコキシド法を用いることにより、そのような粉体を作製することができる。
【００３７】
次に、ステップＳ１３において、ステップＳ１１及びＳ１２において形成された積層体を、例えば、６００℃の酸素雰囲気中において熱処理する。これにより、ＰＺＴの結晶性を向上させ、圧電素子としての性能を高めることができる。
【００３８】
次に、ステップＳ１４において、ＰＺＴ層１３の上に、スパッタ法によって第２電極１４を形成する。第２電極１４としては、第１電極１２と同様に、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）等の金属や、これらの合金を用いることができ、本実施形態においては、融点の高い白金（Ｐｔ）を用いている。
【００３９】
ステップＳ１５において、第２電極１４の上に、ポリイミド樹脂等を用いた注型法によってバッキング層１５を形成する。なお、バッキング層１５を形成する際には、この他にも、従来知られている方法を用いることができる。例えば、所定の形状に成形されたバッキング材のシートを、接着剤を用いて貼り付けても良い。
【００４０】
本実施形態においては、ＰＺＴ層１３が噴射堆積法によって形成される。噴射堆積法によれば、材料の粉体を高速に噴射して基板や先に堆積された堆積物に衝突させることにより成膜するので、特に、基板が金属のような延性材料である場合には、材料の粉体が基板に食い込む「アンカーリング」が顕著に生じる。音響整合層１１を基板として用い、第１電極１２の上にＰＺＴ層１３を形成すれば、第１電極１２側にアンカー層（粉体が食い込んだ層）が生じる。このアンカー層の深さは、基板の材質や粉体の速度によって異なるが、通常は、１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度となる。これにより、超音波用探触子に含まれる各層の界面を観察すれば、本実施形態に係る超音波用探触子の製造方法を用いたことを判別することが可能である。一方、バッキング層を基板として用い、第２電極に向けてＰＺＴ層を形成する場合には、第２電極側にアンカー層が生じるので、このような製造方法と本実施形態に係る製造方法とを明確に区別することができる。
【００４１】
以上説明したように、本実施形態によれば、音響整合層を基板として用いることにより、噴射堆積法によってＰＺＴ層を形成することができると共に、成膜後にＰＺＴ層を熱処理することもできる。従って、肉薄且つ性能の高い圧電素子を形成することが可能になる。また、このように作製された超音波用探触子においては、接着剤を用いることなくＰＺＴ層と音響整合層とが接続されているので、これらの層の境界における音響的な整合性が良く保たれている。また、支持基板等を用いることなくＰＺＴ層とバッキング層とが接続されているので、超音波用探触子の内部において、超音波を効率的に減衰させることができる。従って、短パルス幅の超音波を高感度で送受信できる信頼性の高い超音波用探触子を、歩留まり良く作製することが可能になる。
【００４２】
ここで、本実施形態においては、音響整合層として耐熱性を有するガラス基板を用いたが、この他にもセラミック基板や金属基板等を用いても良い。また、本実施形態においては、スパッタ法を用いて第１電極及び第２電極を形成したが、この他にも、マスクを用いて真空蒸着やメッキ等の方法により形成しても良い。或いは、図２に示す装置を用い、噴射堆積法によって形成しても良い。
【００４３】
第１電極を噴射堆積法によって形成する場合には、例えば、抵抗加熱法によって金属を加熱して蒸発させ、これをキャリアガスの原子と衝突させることにより、金属の微粒子を生成する。この金属の微粒子を、図２に示すように、キャリアガスと共に搬送管３を介してノズル４に供給し、基板に向けて噴射する。その際に、可動ステージ５を制御して、基板７とノズル４との位置を相対的に変更させることにより、所望の電極パターンを形成すれば良い。このように、噴射堆積法によれば、ノズル４を用いて基板７に直接描画することができるので、マスクを用いたパターン形成等の複雑な工程を省き、製造工程を簡略化することができる。
なお、金属の微粒子を生成する際には、誘導加熱法や、アーク加熱法や、誘導プラズマ加熱法や、レーザ加熱法等を用いて金属材料を加熱しても良い。
【００４４】
同様に、バッキング層１５についても、噴射堆積法によって形成することができる。噴射堆積法は、材料の粉体を高温にしたり、化学変化を生じさせるような工程を含まないので、比較的融点が低い樹脂であっても材料の粉体として用いることができるからである。
【００４５】
図４は、本実施形態に係る超音波用探触子の全体構成を示す図である。この超音波用探触子は、複数の超音波トランスデューサ１０が１次元に配置された１次元トランスデューサアレイを含んでいる。複数の超音波トランスデューサ１０は、エポキシ系の接着剤１６等によって固定され、筐体１７に収納されている。超音波トランスデューサ１０の前方、即ち超音波の送信方向には、超音波を集束するために、シリコンゴム等の音響レンズ１８が複数の音響整合層１１に接するように設けられている。各超音波トランスデューサ１０に含まれる第１電極１２及び第２電極１４は、リード線１９を介して、超音波診断装置本体に含まれる電子回路に接続される。或いは、複数の超音波トランスデューサ１０を２次元に配置することにより、２次元トランスデューサアレイを含む超音波用探触子を作製しても良い。
【００４６】
次に、本発明の第２の実施形態に係る超音波用探触子について説明する。図５は、本実施形態に係る超音波用探触子の一部を示す断面図である。この超音波用探触子は、音響整合層２１と、中間層２２と、第１電極２３と、ＰＺＴ層２４と、第２電極２５と、バッキング層２６とを含む超音波トランスデューサ２０を有している。
【００４７】
中間層２２は、ＰＺＴ層２４と音響整合層２１との間の音響インピーダンスを整合して、さらに効率良く超音波を伝播させるために用いられる。中間層２２の材料としては、ＰＺＴ層２４と音響整合層２１との間の音響インピーダンスを有する材料が用いられる。例えば、音響整合層２１としてガラスを用いる場合には、中間層２２として、ガラスにＰＺＴの粉末を混合したものを用いることができる。その場合に、中間層２２において材料の組成を均一にしても良いし、図６に示すように、中間層２２における位置に応じて音響インピーダンスが連続的又は不連続に変化するように、組成を変更しても良い。後者の場合には、音響整合層２１と中間層２２、及び、中間層２２とＰＺＴ層２４との境界における超音波の反射を大きく低減することができる。
超音波トランスデューサ２０のその他の構成については、本発明の第１の実施形態において説明したものと同様である。
【００４８】
次に、本発明の第２の実施形態に係る超音波用探触子の製造方法について説明する。図７は、本実施形態に係る超音波用探触子の製造方法を示すフローチャートである。
ステップＳ２１において、音響整合層２１として用いられるガラス基板に、噴射堆積法を用いて中間層２２を形成する。即ち、図２に示す装置において、ガラスの超微粒子及びＰＺＴの超微粒子を混合したものを材料の粉体として容器１に配置し、材料の粉体をノズル４から噴射させることにより成膜を行う。
【００４９】
ここで、図６に示すように、中間層２２における音響インピーダンスを変化させる場合には、次のように成膜を行う。音響インピーダンスを連続的に変化させる場合には、例えば、最初に、ガラスとＰＺＴとの組成比が１００：０となるように材料の粉体を配合し、所定の時間成膜を行う。次に、ＰＺＴの割合が次第に多くなるようにガラスとＰＺＴとの配合を変更しながら成膜を行い、最終的にガラスとＰＺＴとの組成比が０：１００となるようにする。或いは、ガラスとＰＺＴとの組成比を、例えば、１００：０、８０：２０、６０：４０、…、０：１００となるように段階的に変更しながら、所定の時間ずつ成膜を行うことにより、音響インピーダンスを不連続に変化させても良い。
【００５０】
次に、ステップＳ２２において、中間層２２の上に第１電極２３を形成し、ステップＳ２３において、ＰＺＴ層２４を形成する。次いで、このように作製された積層体を熱処理し（ステップＳ２３）、さらに、第２電極２５及びバッキング層２６を形成する（ステップＳ２５、Ｓ２６）。なお、ステップＳ２２〜Ｓ２６における工程の詳細については、本発明の第１の実施形態において説明したものと同様である。
【００５１】
本実施形態によれば、中間層を設けることにより圧電素子と音響整合層との間の音響的な整合性を良くすることができるので、圧電素子から発生した超音波を効率良く被検体まで伝播させることができる。また、中間層において音響インピーダンスを変化させることにより、超音波用探触子における音響的な整合性をさらに良くすることができる。
【００５２】
次に、本発明の第３の実施形態に係る超音波用探触子の製造方法について説明する。図８は、本実施形態に係る超音波用探触子の製造方法を示すフローチャートである。また、図９は、本実施形態に係る超音波用探触子の製造方法を説明するための図である。この製造方法は、図１に示す第１の実施形態に係る超音波用探触子に含まれる音響整合層１１を、噴射堆積法によって形成することを特徴としている。
【００５３】
図８のステップＳ３１において、図９の（ａ）に示すように、ダミー基板３０に、噴射堆積法によって音響整合層１１を形成する。即ち、図２に示す装置において、音響整合層１１の材料となる粉体を容器１に配置してノズル４から噴出させることにより、成膜を行う。ここで、音響整合層１１の材料としては、ガラスや、セラミックや、マグネシウム等の金属や、これらを混合させたものが用いられる。また、ダミー基板３０としては、噴射堆積法において基板として用いることができる程度の機械的強度と、後の工程における熱処理に耐える程度の耐熱性を有する材料が用いられる。このような材料として、例えば、耐熱ガラスや、セラミックや、金属等が挙げられる。
【００５４】
次に、ステップＳ３２において、音響整合層１１の上に第１電極を形成し、ステップＳ３３において、ＰＺＴ層を形成する。次いで、このように作製された積層体を熱処理し（ステップＳ３４）、さらに、第２電極及びバッキング層を形成する（ステップＳ３５、Ｓ３６）。これにより、図９の（ｂ）に示すような積層体が形成される。なお、ステップＳ３２〜Ｓ３６における工程の詳細については、本発明の第１の実施形態において説明したものと同様である。
【００５５】
次に、ステップＳ３７において、例えば、研磨することによってダミー基板３０を除去する。これにより、図１に示すような超音波トランスデューサ１０が作製される。
本実施形態によれば、ダミー基板３０を用いることにより、音響整合層１１を噴射堆積法によって形成することが可能になる。これにより、音響整合層１１と電極１２とＰＺＴ層１３との境界における密着性が高くなるので、機械的強度が高くなると共に、それらの境界における音響的な整合性をより良くすることができる。
【００５６】
ここで、ステップＳ３１において音響整合層１４を形成する際に、音響整合層１４における位置に応じて音響インピーダンスが連続的又は不連続に変化するように、組成を変更しても良い。その場合には、それらの境界における音響的な整合性をさらに良くすることができる。なお、音響インピーダンスを変化させる方法については、本発明の第２の実施形態において説明したように、中間層において音響インピーダンスを変化させる場合（図７）と同様である。
【００５７】
本実施形態においては、音響整合層の上に第１電極及びＰＺＴ層が形成される。しかしながら、音響整合層の上に中間層をさらに形成しても良い。その場合に、中間層における材料の組成は均一でも良く、図６に示すように、中間層の位置に応じて音響インピーダンスを変化させても良い。
【００５８】
次に、本発明の第４の実施形態に係る超音波用探触子について説明する。図１０は、本実施形態に係る超音波用探触子の一部の構造を示す一部断面斜視図である。図１０の（ａ）又は（ｂ）に示すように、本実施形態に係る超音波用探触子は、２次元マトリクス状に配列された複数の超音波トランスデューサ４０ａ又は４０ｂを含む２次元トランスデューサアレイを有している。
【００５９】
図１０の（ａ）に示すように、複数の超音波トランスデューサ４０ａの各々は、音響整合層４１と、第１電極４２と、ＰＺＴ層４３と、第２電極４４と、バッキング層４５とを含んでいる。これらの超音波トランスデューサ４４の間には、吸音材４６が充填されている。これにより、複数の超音波トランスデューサ４４が固定されると共に、隣接する超音波トランスデューサの間における超音波のクロストークが低減される。吸音材４６としては、金属粉入りエポキシ樹脂や、フェライト粉入りゴム等が用いられる。
【００６０】
本実施形態において、音響整合層は、図１０の（ａ）に示す音響整合層４１のように、隣接する超音波トランスデューサの間で完全に分離されていても良く、図１０の（ｂ）に示す音響整合層４７のように、一部が連続していても良い。いずれにしても、音響整合層の一部を分離させることにより、隣接する超音波トランスデューサ間におけるクロストークの発生を抑制することができる。
【００６１】
本発明の第４の実施形態に係る超音波用探触子の製造方法について説明する。図１１は、本実施形態に係る超音波用探触子の製造方法を示すフローチャートである。また、図１２及び図１３は、本実施形態に係る超音波用探触子の製造方法を説明するための図である。
図１１のステップＳ４１において、図１２の（ａ）に示すように、音響整合層として用いられるガラス基板４１ａに、超音波トランスデューサの配列ピッチに合わせて溝を形成する。
【００６２】
ステップＳ４２において、図１２の（ｂ）に示すように、ガラス基板４１ａの溝以外の領域に、スパッタ法を用いて第１電極４２を形成する。
ステップＳ４３において、図１２の（ｃ）に示すように、第１電極４２の上に、噴射堆積法を用いてＰＺＴ層４３を形成する。噴射堆積法の詳細については、本発明の第１の実施形態において説明したものと同様である。ここで、図２に示すように、噴射堆積法においては、基板７とノズル４との位置を相対的に変更させることにより、所望のパターンを形成することができる。その際に、ノズル４に各種のスリットを設けることにより、様々なパターンに対応することが可能になる。また、ノズル４から噴射された粉体が、パターンからはみ出てしまったとしても、粉体は、ガラス基板４１ａの溝に蓄積されるだけなので、２次元マトリクスのパターンを形成することは可能である。ガラス基板４１ａの溝に蓄積された粉体は、後の工程においてガラス基板４１ａの不要部分と共に除去しても良い。
【００６３】
ステップＳ４４において、ステップＳ４１〜Ｓ４３において作製された積層体を、例えば、６００℃の酸素雰囲気中において熱処理する。
ステップＳ４５において、図１３の（ａ）に示すように、ＰＺＴ層４３の上に、スパッタ法を用いて第２電極４４を形成する。なお、噴射堆積法を用いて第１電極４１及び第２電極４４を形成しても良い。
【００６４】
ステップＳ４６において、図１３の（ｂ）に示すように、第２電極４４の上に、注型法を用いてバッキング層４５を形成する。なお、バッキング層４５を形成する際には、この他にも従来知られている方法を用いることができる。例えば、所定の形状に成形されたバッキング材を第２電極４４に接着剤を用いて貼り付けても良い。
【００６５】
ステップＳ４７において、ステップＳ４２〜Ｓ４６において形成された積層体の側面から配線を引き出し、図１３の（ｃ）に示すように、ガラス基板４１ａに形成された溝、及び、積層体の隙間に吸音材４６を充填する。なお、第２電極については、ステップＳ４６においてバッキング層を形成する前に配線を引き出しても良い。
【００６６】
これにより、図１０の（ｂ）に示すように、２次元マトリクス状に配列された複数の超音波トランスデューサ４０ｂを含む２次元トランスデューサアレイが作製される。さらに、ステップＳ４８において、図１３の（ｃ）に示すガラス基板４１ａを、図の下側から一点鎖線Ａによって示す領域まで研磨して削ることにより、音響整合層４１を分離させても良い。これにより、図１０の（ａ）に示すように、２次元マトリクス状に配列された複数の超音波トランスデューサ４０ａを含む２次元トランスデューサアレイが作製される。
【００６７】
本実施形態においては、音響整合層として用いられるガラス基板上に、噴射堆積法によって少なくともＰＺＴ層を形成するので、複数の超音波トランスデューサが所望のピッチで１次元又は２次元マトリクス状に配列された超音波用探触子を容易に作製することができる。また、積層体をダイシングしたり研磨する工程が不要となるので、応力によって層が剥がれたり、クラックが発生するのを防止することができ、また、ＰＺＴ層の圧電素子としての性能の低下を防止することができる。従って、信頼性の高い超音波用探触子を歩留まり良く作製することができる。
本実施形態においては、複数の超音波トランスデューサを２次元マトリクス状に配列したが、この他にも様々なパターンを用いることができる。
【００６８】
本実施形態に係る超音波用探触子の製造方法の変形例について、図１２〜図１５を参照しながら説明する。図１４は、この変形例を示すフローチャートである。また、図１５は、この変形例を説明するための図である。
図１４のステップＳ４１〜Ｓ４５において、図１２の（ａ）〜（ｃ）及び図１３の（ａ）に示すように、ガラス基板４１ａに溝を形成し、第１電極４２、ＰＺＴ層４３、第２電極４４を順次形成する。
【００６９】
次に、ステップＳ４９において、各超音波トランスデューサの側面又は上面から配線を引き出し、図１５の（ａ）に示すように、ガラス基板４１ａに形成された溝、及び、ステップＳ４２〜Ｓ４５において形成された積層体の隙間に吸音材４６を充填する。
【００７０】
次に、ステップＳ５０において、図１５の（ｂ）に示すように、注型法を用い、第２電極４４の上層を覆うようにバッキング層４５ａを形成する。その際に、バッキング層は、圧電素子において発生した超音波を早く減衰させるために用いられるので、隣接する超音波トランスデューサの間でバッキング層が連続していても構わない。或いは、所定の形状に成形されたバッキング材のシートを、第２電極４４の上層に接着剤を用いて貼り付けることによってバッキング層４５ａを形成しても良い。
これにより、２次元に配列された複数の超音波トランスデューサを含む２次元トランスデューサアレイが作製される。さらに、図１５の（ｂ）において、ガラス基板４１ａを図の下側から研磨して削ることにより、音響整合層を分離させても良い。
【００７１】
本実施形態に係る超音波用探触子の製造方法の別の変形例について説明する。図１５に示すように、第１の変形例においては、吸音材４６を充填した後にバッキング層４５ａを形成したが、第２電極４４を形成した後に注型法を用いることにより、吸音材４６及びバッキング層４５ａを一体として同時に形成しても良い。吸音材４６及びバッキング層４５ａの材料としては、ポリイミド樹脂や、金属粉入りエポキシ樹脂や、フェライト粉入りゴム等が用いられる。
【００７２】
本実施形態においては、音響整合層として用いられるガラス基板上に第１電極を直接形成したが、超音波用探触子における音響的な整合性をさらに良くするために、音響整合層の上に中間層をさらに設けても良い。中間層として用いることができる材料や中間層の形成方法については、本発明の第２の実施形態において説明したものと同様である。
【００７３】
また、本実施形態においては、ガラス基板をそのまま音響整合層として用いたが、ダミー基板を用い、噴射堆積法によって複数の音響整合層及びＰＺＴ層等を２次元的に配列されるように形成し、最後にダミー基板を除去しても良い。この場合には、ガラス基板に溝を形成する工程が不要となる。また、音響整合層の内部において音響インピーダンスを変化させることが可能になるので、超音波用探触子における音響的な整合性をさらに良くすることが可能になる。
【００７４】
さらに、第１電極及び第２電極を噴射堆積法によって形成しても良い。この場合には、図１１に示すステップＳ４２〜Ｓ４５の工程を噴射堆積法によって行うことができるようになるので、製造工程や設備を簡略化することが可能になる。
【００７５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、音響整合層を基板として用いることにより、噴射堆積法を用いてＰＺＴ層を形成し、それを熱処理することが可能になる。また、音響整合層とＰＺＴ層とを接着剤を用いることなく接続することができるので、これらの層の境界における音響的な整合性を損なうことがなくなる。さらに、ＰＺＴ層とバッキング層とを、支持基板等を介在させることなく接続することができるので、超音波用探触子の内部において超音波を早く減衰させることができる。また、噴射堆積法を用いることにより、複数の超音波トランスデューサが２次元に配列された超音波用探触子を容易に作製することができる。従って、信頼性の高い超音波用探触子を歩留まり良く製造することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る超音波用探触子の一部の構造を示す断面図である。
【図２】噴射堆積法を用いた成膜装置の構成を示す模式図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る超音波用探触子の製造方法を示すフローチャートである。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る超音波用探触子の全体構成を示す模式図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る超音波用探触子の一部の構造を示す断面図である。
【図６】図５に示す中間層に音響インピーダンスを変化させる場合について説明するための図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る超音波用探触子の製造方法を示すフローチャートである。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る超音波用探触子の製造方法を示すフローチャートである。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る超音波用探触子の製造方法を説明するための図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態に係る超音波用探触子の一部の構造構造を示す一部断面斜視図である。
【図１１】本発明の第４の実施形態に係る超音波用探触子の製造方法を示すフローチャートである。
【図１２】本発明の第４の実施形態に係る超音波用探触子の製造方法を説明するための図である。
【図１３】本発明の第４の実施形態に係る超音波用探触子の製造方法を説明するための図である。
【図１４】本発明の第４の実施形態に係る超音波用探触子の製造方法の変形例を示すフローチャートである。
【図１５】本発明の第４の実施形態に係る超音波用探触子の製造方法の変形例を説明するための図である。
【図１６】一般的な超音波診断装置において用いられている超音波用探触子の構造を示す模式図である。
【符号の説明】
１  容器
２  ガス導入管
３  搬送管
４  ノズル
５  可動ステージ
６  材料の粉体
７  基板
８  パターン
１０、２０、４０ａ、４０ｂ、１１０  超音波トランスデューサ
１１、２１、４１、４７、１５０  音響整合層
１２、２３、４２  第１電極
１３、２４、４３  ＰＺＴ層（圧電素子）
１４、２５、４４  第２電極
１５、２６、４５、４５ａ、１４０  バッキング層
１６  接着剤
１７  筐体
１８、１６０  音響レンズ
１９、１３０  リード線
２２  中間層
３０  ダミー基板
４１ａ  ガラス基板
４６  吸音材
１００  超音波用探触子
１１０  圧電素子
１２０  電極
【図１】
2004343304.tif 000003
【図２】
2004343304.tif 000004
【図３】
2004343304.tif 000005
【図４】
2004343304.tif 000006
【図５】
2004343304.tif 000007
【図６】
2004343304.tif 000008
【図７】
2004343304.tif 000009
【図８】
2004343304.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2004343304.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
2004343304.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
2004343304.tif 000016
【図１５】
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【図１６】
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