(57)【要約】【課題】  高周波の超音波信号を効率よく広い領域で送受信することができ、かつ製造が容易な二次元アレイ型超音波探触子を提供する。【解決手段】  音響整合層、音響整合層側電極層、及び配線端子単位毎に分割された板状圧電体と配線側電極層との複合体がこの順に積層されてなる積層体、そして該積層体の配線側電極層の各配線端子に電気的に接続している電極端子を有する配線具を含む二次元アレイ型超音波探触子であって、各配線端子単位の複合体が、互いに隣接し、かつ電気的に接続された二以上の角柱状の分割複合体から構成されており、該角柱状分割複合体が、互いに隣接する側の辺である長辺の長さＬと他の配線端子単位と隣接する側の辺である短辺の長さＳとの比率Ｌ／Ｓが１〜１００の範囲にあり、かつ短辺の長さＳと音響整合層側電極と板状圧電体と配線側電極層との合計厚みＴとの比率Ｓ／Ｔが０．３〜０．７の範囲にある二次元アレイ型超音波探触子。【選択図】        図２ 
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
音響整合層、音響整合層側電極層、及び配線端子単位毎に分割された板状圧電体と配線側電極層との複合体がこの順に積層されてなる積層体、そして該積層体の配線側電極層の各配線端子に電気的に接続している電極端子を有する配線具を含む二次元アレイ型超音波探触子であって、各配線端子単位の複合体が、互いに隣接し、かつ電気的に接続された二以上の角柱状の分割複合体から構成されており、該角柱状分割複合体が、互いに隣接する側の辺である長辺の長さＬと他の配線端子単位と隣接する側の辺である短辺の長さＳとの比率Ｌ／Ｓが１〜１００の範囲にあり、かつ短辺の長さＳと音響整合層側電極と板状圧電体と配線側電極層との合計厚みＴとの比率Ｓ／Ｔが０．３〜０．７の範囲にあることを特徴とする二次元アレイ型超音波探触子。
【請求項２】
互いに隣接する分割複合体が、その音響整合層電極に接する底面が板状圧電体の厚みの５〜２０％の部位に至るまでの部分で圧電体材料により互いに接続されている請求項１に記載の二次元アレイ型超音波探触子。
【請求項３】
音響整合層が、各配線端子単位の複合体に対応して分割されている請求項１に記載の二次元アレイ型超音波探触子。
【請求項４】
下記の工程を含む、請求項１に記載の二次元型アレイ超音波探触子の製造方法：
（１）両側表面に電極層を備えた板状圧電体からなる厚みがＴの圧電振動子の一方の電極層の表面に音響整合層を積層する工程；
（２）圧電振動子の他の一方の電極層の側から、圧電振動子の長さ方向と幅方向とに沿って、上面の長辺の長さがＬで短辺の長さがＳとなるように細分する各々複数個の切り込みを他の一方の電極層の表面に近接する部位まで入れて、角柱状の分割複合体を形成する工程；
（３）隣接する分割複合体同士を長さがＬの辺をまたぐようにして電気的に接続して、配線端子毎に分割された板状圧電体と配線側電極層との複合体を形成する工程；そして、
（４）該複合体の配線側電極層の各々を、別に用意した配線具の電極端子の各々に接続する工程。
【請求項５】
下記の工程を含む、請求項１に記載の二次元型アレイ超音波探触子の製造方法：
（１）両側表面に電極層を備えた板状圧電体からなる厚みがＴの圧電振動子の一方の電極層の表面に音響整合層を積層する工程；
（２）圧電振動子の他の一方の電極層の側から、圧電振動子の長さ方向と幅方向とに沿って、上面の一方の長さがＬで、この辺に隣接する辺の長さがＳの整数倍となるように分割するとなるように細分する各々複数の切り込みを他の一方の電極層の表面に近接する部位まで入れて、矩形角柱状の複合体を形成する工程；
（３）隣接する複合体同士を長さがＬの辺をまたぐように電気的に接続する工程；
（４）矩形角柱状の複合体を長さがＬの辺に沿って、長さＳ毎に分割して、配線単位毎に分割された板状圧電体と配線側電極層との複合体を形成する工程；そして、
（５）該複合体の配線側電極層の各々を、別に用意した配線具の電極端子の各々に接続する工程。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次元アレイ型超音波探触子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
医療用超音波診断装置用の超音波探触子として、両側表面に電極層を備えた板状圧電体からなる圧電振動子を長さ方向と幅方向の２つの方向に分割した構成の二次元アレイ型超音波探触子が知られている。
二次元アレイ型超音波探触子は、一般に、音響整合層と分割された圧電振動子との積層体、そして分割された圧電振動子を各分割単位ごとに外部に電気的に接続するための配線具からなる。通常、分割された圧電振動子の音響整合層側電極は、互いに電気的に接続され共通電極として利用される。他方の電極層は、各分割単位ごとに電気エネルギーを供給できるように、分割単位毎に配線具により配線されている。
【０００３】
特許文献１には、配線側の電極層が、スルーホールが設けられたリジッド部と、引き出し配線パターンを有するフレキシブル部とからなる配線具に接続された二次元アレイ型超音波探触子が開示されている。
【０００４】
二次元アレイ型超音波探触子は、圧電振動子を長さ方向又は幅方向のいずれか１つの方向に分割した構成の一次元アレイ超音波探触子と比べて、立体的な超音波画像を容易に得ることができる、あるいは超音波ビームのフォーカスを電子的に調整できるなどの特徴がある。なお、超音波ビームのフォーカスを電子的に調整することを目的とする二次元アレイ型超音波探触子を、特に１．５次元（１．５Ｄ）アレイ超音波探触子ということもあるが、本明細書では、圧電振動子を二次元方向に分割した構成のアレイ超音波探触子は全て、二次元アレイ型超音波探触子という。
【特許文献１】特許第３２８８８１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
医療用超音波診断装置に用いる二次元アレイ型超音波探触子では、送受信する超音波信号の高周波化が要求されている。超音波探触子が送受信する超音波信号の周波数は、圧電振動子の厚さに依存しており、一般に圧電振動子の厚さが薄いほど、送受信する超音波信号の周波数は高くなる傾向にある。従って、高周波化への要求に応じるためには、圧電振動子の厚さを薄くする必要がある。
【０００６】
一方、圧電振動子の超音波信号の送受信効率（電気−音響変換効率）は、圧電振動子の短辺の長さＳと圧電振動子の厚さＴとのＳ／Ｔ比に依存することが知られている。一般に、Ｓ／Ｔ比が０．３〜０．７の範囲にあると、超音波信号の送受信効率が高いと言われている。
従って、高周波の超音波信号を効率よく送受信するためには、圧電振動子の厚さに伴って、その分割単位のサイズ（特に、短辺の長さ）を小さくする必要がある。
【０００７】
高周波の超音波信号を効率よく送受信するために、Ｓ／Ｔ比が０．３〜０．７となるように圧電振動子を分割すると、各分割単位の超音波の送受信面積が狭くなる。このため、二次元アレイ型超音波探触子全体の超音波信号の送受信面積を広くするためには、圧電振動子の分割単位数を増やすことが必要となる。しかしながら、二次元アレイ型超音波探触子では、各分割単位毎に配線側電極層を配線具に接続しなければならないため、分割単位数が増えると、その製造が煩雑になるという問題がある。
【０００８】
従って、本発明の目的は、高周波の超音波信号を効率よく広い領域で送受信することができ、かつ製造が容易な二次元アレイ型超音波探触子、及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、音響整合層、音響整合層側電極層、及び配線端子単位毎に分割された板状圧電体と配線側電極層との複合体がこの順に積層されてなる積層体、そして該積層体の配線側電極層の各配線端子に電気的に接続している電極端子を有する配線具を含む二次元アレイ型超音波探触子であって、各配線端子単位の複合体が、互いに隣接し、かつ電気的に接続された二以上の角柱状の分割複合体から構成されており、該角柱状分割複合体が、互いに隣接する側の辺である長辺の長さＬと他の配線端子単位と隣接する側の辺である短辺の長さＳとの比率Ｌ／Ｓが１〜１００の範囲にあり、かつ短辺の長さＳと音響整合層側電極と板状圧電体と配線側電極層との合計厚みＴとの比率Ｓ／Ｔが０．３〜０．７の範囲にあることを特徴とする二次元アレイ型超音波探触子にある。
【００１０】
本発明の二次元アレイ型超音波探触子の好ましい態様を下記に示す。
（１）互いに隣接する分割複合体が、その音響整合層電極に接する底面が板状圧電体の厚みの５〜２０％の部位に至るまでの部分で圧電体材料により互いに接続されている。
（２）音響整合層が、各配線端子単位の複合体に対応して分割されている。
【００１１】
本発明はまた、下記の工程を含む、上記本発明の二次元型アレイ超音波探触子の製造方法にもある。
（１）両側表面に電極層を備えた板状圧電体からなる厚みがＴの圧電振動子の一方の電極層の表面に音響整合層を積層する工程；
（２）圧電振動子の他の一方の電極層の側から、圧電振動子の長さ方向と幅方向とに沿って、上面の長辺がＬで短辺がＳとなるように細分する各々複数個の切り込みを他の一方の電極層の表面に近接する部位まで入れて、角柱状の分割複合体を形成する工程；
（３）隣接する分割複合体同士を長さがＬの辺をまたぐようにして電気的に接続して、配線端子毎に分割された板状圧電体と配線側電極層との複合体を形成する工程；そして、
（４）該複合体の配線側電極層の各々を、別に用意した配線具の電極端子の各々に接続する工程。
【００１２】
本発明はまた、下記の工程を含む、上記本発明の二次元型アレイ超音波探触子の製造方法にもある。
（１）両側表面に電極層を備えた板状圧電体からなる厚みがＴの圧電振動子の一方の電極層の表面に音響整合層を積層する工程；
（２）圧電振動子の他の一方の電極層の側から、圧電振動子の長さ方向と幅方向とに沿って、上面の一方の長さがＬで、この辺に隣接する辺の長さがＳの整数倍となるように分割するとなるように細分する各々複数の切り込みを他の一方の電極層の表面に近接する部位まで入れて、矩形角柱状の複合体を形成する工程；
（３）隣接する複合体同士を長さがＬの辺をまたぐように電気的に接続する工程；
（４）矩形角柱状の複合体を長さがＬの辺に沿って、長さＳ毎に分割して、配線単位毎に分割された板状圧電体と配線側電極層との複合体を形成する工程；そして、
（５）該複合体の配線側電極層の各々を、別に用意した配線具の電極端子の各々に接続する工程。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の二次元アレイ型超音波探触子では、配線端子単位の複合体を二以上の角柱状の分割複合体から構成するので、配線端子単位の複合体のサイズを角柱状の分割複合体の接続個数により任意に調製することができる。また、角柱状分割複合体は、長辺の長さＬと他の配線端子単位と隣接する側の辺である短辺の長さＳとの比率Ｌ／Ｓが１〜１００の範囲にあり、かつ短辺の長さＳと音響整合層側電極と板状圧電体と配線側電極層との合計厚み（圧電振動子の厚み）Ｔとの比率Ｓ／Ｔが０．３〜０．７の範囲にあるので、超音波信号の送受信効率（電気−音響変換効率）が高くなる。従って、本発明の二次元アレイ型超音波探触子は、高周波の超音波信号を広い領域で、効率よく送受信することができる。
また、本発明の製造方法によれば、上記本発明の二次元アレイ型超音波探触子を工業的に有利に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の二次元アレイ型超音波探触子、及びその製造方法を添付図面を参照しながら説明する。
【００１５】
図１は、本発明に従う二次元アレイ型超音波探触子の一例の斜視図である。
図２は、図１に示す二次元アレイ型超音波探触子を配線側電極層の側から見た斜視図である。なお、図２では、図１中の符号７（吸音材）は省略してある。
図１及び図２において、二次元アレイ型超音波探触子は、第一音響整合層１と第二音響整合層２とからなる音響整合層、音響整合層側電極層３、及び板状圧電体４と配線側電極層５との複合体６がこの順に積層されてなる積層体、そして該積層体の配線側電極層５の各配線端子単位に電気的に接続している配線端子１２と、その配線端子に接続する配線１３とを有する二個のプリント配線板１４ａ、１４ｂからなる。配線側電極層５の板状圧電体４側の反対側の表面には、吸音材７が積層されている。
【００１６】
複合体６は、配線端子単位（超音波信号を送受信する際の基本単位）毎に分割されており、その分割された配線端子単位の複合体６ａは、互いに隣接し、かつ導電体８により電気的に接続された二個の角柱状の分割複合体９ａ、９ｂから構成されている（図２を参照）。配線端子単位の複合体６ａを構成する角柱状分割複合体の個数は、２〜５個が好ましく、２個が特に好ましい。
導電体８としては、金バンプ、半田バンプ、導電ペースト、リード銅箔、及びリード線を用いることができる。
【００１７】
角柱状分割複合体９ａ、９ｂは、互いに隣接する側の辺である長辺の長さＬと他の配線端子単位と隣接する側の辺である短辺の長さＳとの比率Ｌ／Ｓが１〜１００の範囲にあり、かつ短辺の長さＳと音響整合層側電極３と板状圧電体４と配線側電極層５との合計厚みＴとの比率Ｓ／Ｔが０．３〜０．７の範囲、好ましくは０．５〜０．７、特に好ましくは０．６にある。厚みＴに特には制限はないが、一般に０．１〜１ｍｍの範囲にある。
【００１８】
角柱状分割複合体は、その音響整合層電極に接する底面が板状圧電体の厚みの５〜２０％の部位に至るまでの部分で圧電体材料により互いに接続されていること、すなわち、板状圧電体４と配線側電極層５とを分割する切り込み１０の深さが、板状圧電体の厚みの８０〜９５％の部位に至る深さであることが好ましい。切り込み１０の幅は、０．０２５〜０．５０μｍの範囲にあることが好ましい。
【００１９】
角柱状分割複合体の切り込み１０には、角柱状分割複合体同士のクロストークを低減するために、吸音性樹脂が充填されていることが好ましい。吸音性樹脂としては、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、及びシリコーン樹脂を用いることができる。
【００２０】
第一音響整合層１及び第二音響整合層２はそれぞれ、第二音響整合層２の表面から音響整合層側電極層３の表面に近傍する部位まで延びた切り込み１１により、各配線端子単位の複合体に対応して分割されていることが好ましい。音響整合層の切り込み１１にも吸音性樹脂が充填されていることが好ましい。吸音性樹脂としては、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、及びシリコーン樹脂を用いることができる。
【００２１】
音響整合層側電極３は、角柱状分割複合体の共通電極である。音響整合層側電極３は、外部への電気の取り出しを容易にするために、第一音響整合層１よりサイズが大きくなっている。配線側電極層５の第一音響整合層１からはみ出る部位は、切り込みによって分離されている。また、切り込みを入れる代わりに、配線側電極層５の第一音響整合層からはみ出た領域を削り落としてもよい。
【００２２】
配線側電極層５は、各配線端子単位の複合体毎にプリント配線板１４ａ、１４ｂにより電気的に外部に取り出される。配線側電極層５とプリント配線板１４ａ、１４ｂの配線端子１２とはリード線１５ａ、１５ｂ、１５ｃを介して電気的に接続している。角柱状分割複合体の長辺の方向に配列された三つの配線端子単位複合体のうちの両端の配線端子単位複合体は、リード線１５ａにより互いに電気的に接続され、リード線１５ｃによってプリント配線板１４ｂの配線端子１２に電気的に接続されている。中央の配線端子単位複合体はリード線１５ｂにより、プリント配線板１４ａの配線端子１２に電気的に接続されている。
【００２３】
図１及び図２の二次元アレイ型超音波探触子においては、配線具としてプリント配線板を用いているが、配線具の構成には特に制限はなく、通常の二次元アレイ型超音波探触子に用いられている公知の配線具を用いることができる。また、配線具と配線側電極層との接続方法にも特に制限はなく、通常の二次元アレイ型超音波探触子に用いられている公知の方法を利用することができる。
【００２４】
図３は、本発明に従う二次元アレイ型超音波探触子の別の一例の斜視図である。
図３の二次元アレイ型超音波探触子では、配線具として、一方の表面に各配線端子単位の複合体に対応する位置に電極端子（図示せず）を有し、他方の表面に、その電極端子のそれぞれに電気的に接続する電気配線１６を有するプリント配線板１７が用いられている。
【００２５】
本発明の二次元アレイ型超音波探触子において、配線端子単位の複合体の配列数に特に制限はないが、一般に、角柱状分割複合体の長辺の方向に３〜１０個の範囲、短辺の方向に５〜２００個の範囲である。
【００２６】
次に、本発明の二次元アレイ型超音波探触子の製造方法の一例を、図４と図５とを参照しながら説明する。
まず、図４（Ａ）に示すように、両側表面に電極層２０、２１を備えた板状圧電体２２からなる厚みがＴの圧電振動子２３の電極層２０の表面に、第一音響整合層２４、第二音響整合層２５をこの順にて積層する。圧電振動子２３のサイズが、第一音響整合層２４よりも大きい場合は、電極層２１の第一音響整合層からはみ出た領域を切り込みにより分離するか、電極層２１の第一音響整合層からはみ出た領域を削り落とす。
【００２７】
次に、図４（Ｂ）に示すように、圧電振動子２３の電極層２１の側から、圧電振動子の長さ方向（Ｙ方向）と幅方向（Ｘ方向）とに沿って、上面の長辺（Ｘ方向の辺）がＬで短辺（Ｙ方向の辺）がＳとなるように分割する各々複数個の切り込み２６を電極層（音響整合層側電極層）２０の表面に近接する部位まで入れて、角柱状の分割複合体２７を形成する。
【００２８】
次に、図５に示すように、隣接する角柱状分割複合体２７同士を長さがＬの辺をまたぐようにして、導電体２８にて電気的に接続して、配線端子毎に分割された板状圧電体と配線側電極層とからなる配線端子単位の複合体２９を形成する。
【００２９】
そして、配線端子単位の複合体２９の配線側電極層の各々を、別に用意した配線具の電極端子の各々に接続する。最後に、配線側電極層の表面に吸音材を積層する。
【００３０】
本発明の二次元アレイ型超音波探触子の製造方法の別法を、図６と図７とを参照しながら説明する。
【００３１】
まず、図６（Ａ）に示すように、両側表面に電極層３０、３１を備えた板状圧電体３２からなる厚みがＴの圧電振動子３３の電極層３０の表面に第一音響整合層３４、第二音響整合層３５をこの順にて積層する。圧電振動子３３のサイズが、第一音響整合層３４よりも大きい場合は、電極層３１の第一音響整合層からはみ出た領域を切り込みにより分離するか、電極層３１の第一音響整合層からはみ出た領域を削り落とす。
【００３２】
次に、図６（Ｂ）に示すように、圧電振動子３３の電極層３１の側から、圧電振動子の長さ方向（Ｙ方向）と幅方向（Ｘ方向）とに沿って、上面の一方の長さがＬで、この辺に隣接する辺の長さがＳの２倍となるように分割するとなるように細分する各々複数の切り込み３６を電極層（音響整合層側電極層）３０の表面に近接する部位まで入れて、矩形角柱状の複合体３７を形成する。
【００３３】
次に、図７（Ａ）に示すように、隣接する矩形角柱状複合体３７同士を長さがＬの辺をまたぐように導電体３８にて電気的に接続する。
【００３４】
次に、図７（Ｂ）に示すように、矩形角柱状複合体３７を長さがＬの辺に沿って、切り込み３９を入れ、長さＳ毎に分割する。これにより矩形角柱状複合体３７は、角柱状複合体３７ａ、３７ｂに分割され、配線単位毎に分割された板状圧電体と配線側電極層とからなる配線端子単位の複合体４０が形成される。
【００３５】
そして、配線端子単位の複合体４０の配線側電極層の各々を、別に用意した配線具の電極端子の各々に接続する。最後に、配線側電極層の表面に吸音材を積層する。
【００３６】
矩形角柱状複合体３７の長さがＬの辺に隣接する辺の長さをＳの３倍以上の整数とし、隣接する複合体同士を長さがＬの辺をまたぐように電気的に接続した後、矩形角柱状の複合体を長さがＬの辺に沿って、長さＳ毎に分割してもよい。但し、この場合は、電気的に独立した角柱状の分割複合体が形成されるため、再度複合体同士を電気的に接続する工程が必要となる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に従う二次元アレイ型超音波探触子の一例の斜視図である。
【図２】図１に示す二次元アレイ型超音波探触子を配線側電極層の側から見た斜視図である。
【図３】本発明に従う二次元アレイ型超音波探触子の別の一例の斜視図である。
【図４】本発明の二次元アレイ型超音波探触子の製造方法に従って、圧電振動子から分割複合体を形成するまでの工程を模式的に示す斜視図である。
【図５】図４にて形成した分割複合体を、電気的に接続する工程を示す斜視図である。
【図６】本発明の二次元アレイ型超音波探触子の別の製造方法に従って、圧電振動子から、矩形角柱状の複合体を形成するまでの工程を模式的に示す斜視図である。
【図７】図６にて形成した分割複合体を、電気的に接続する工程から配線単位毎に分割された板状圧電体と配線側電極層との複合体を形成する工程を模式的に示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  第一音響整合層
２  第二音響整合層
３  音響整合層側電極層
４  板状圧電体
５  配線側電極層
６  複合体
６ａ  配線端子単位複合体
７  吸音材
８  導電体
９ａ、９ｂ  角柱状分割複合体
１０  切り込み
１１  切り込み
１２  配線端子
１３  配線
１４ａ、１４ｂ  プリント配線板
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ  リード線
１６  電気配線
１７  プリント配線板
２０、２１  電極層
２２  板状圧電体
２３  圧電振動子
２４  第一音響整合層
２５  第二音響整合層
２６  切り込み
２７  角柱状分割複合体
２８  導電体
２９  配線端子単位複合体
３０、３１  電極層
３２  板状圧電体
３３  圧電振動子
３４  第一音響整合層
３５  第二音響整合層
３６  切り込み
３７  矩形状分割複合体
３７ａ、３７ｂ  角柱状分割複合体
３８  導電体
３９  切り込み
４０  配線端子単位複合体
【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６】
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【図７】
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