(57)【要約】      （修正有）【課題】アレイダイシング後のチャンネル間の静電容量、結合係数、感度、比帯域などの性能を向上することができる複合単結晶圧電振動子を提供する。【解決手段】複数の単結晶圧電振動素子は、第１方向と前記第１方向に直交する第２方向とのうち少なくとも一つに沿って配列される。電極は、単結晶圧電振動素子における複数の面のうち、第１、第２方向にそれぞれ平行な超音波放射面側と背面側とに設けられる。医用複合単結晶圧電振動子は、前記超音波放射面側における前記単結晶振動素子の結晶方位が｛１００｝であり、前記単結晶圧電振動素子のうち少なくとも一つにおける前記第１方向に垂直な第１面の結晶方位が、他の単結晶圧電振動素子における前記第１面の結晶方位と異なり、前記単結晶圧電振動素子のうち少なくとも一つにおける前記第２方向に垂直な第２面の結晶方位が、他の単結晶圧電振動素子における前記第２面の結晶方位と異なる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１方向と前記第１方向に直交する第２方向とのうち少なくとも一つに沿って配列された複数の単結晶圧電振動素子と、
前記単結晶圧電振動素子における複数の面のうち、前記第１、第２方向にそれぞれ平行な超音波放射面側と背面側とに設けられた電極と、
を有する医用複合単結晶圧電振動子であって、
前記超音波放射面側における前記単結晶振動素子の結晶方位は｛１００｝であり、
前記単結晶圧電振動素子のうち少なくとも一つにおける前記第１方向に垂直な第１面の結晶方位は、他の単結晶圧電振動素子における前記第１面の結晶方位と異なり、前記単結晶圧電振動素子のうち少なくとも一つにおける前記第２方向に垂直な第２面の結晶方位は、他の単結晶圧電振動素子における前記第２面の結晶方位と異なること、
を特徴とする医用複合単結晶圧電振動子。
【請求項２】
前記第１面の結晶方位に関する差異は１０°乃至１７０°であり、
前記第２面の結晶方位に関する差異は１０°乃至１７０°であること、
を特徴とする請求項１に記載の医用複合単結晶圧電振動子。
【請求項３】
第１方向と前記第１方向に直交する第２方向とのうち少なくとも一つに沿って配列された５個以上の単結晶圧電振動素子と、
前記単結晶圧電振動素子における複数の面のうち、前記第１、第２方向にそれぞれ平行な超音波放射面側と背面側とに設けられた電極と、
を有する医用複合単結晶圧電振動子であって、
前記医用複合単結晶圧電振動子に関する前記第１または前記第２方向の幅は、４ｍｍ乃至１５ｍｍであり、
前記複数の単結晶圧電振動素子がそれぞれ有する複数のキュリー温度に関して、前記キュリー温度の最大値と最小値との温度差が５乃至３０℃であって、
前記５個以上の単結晶振動素子を配列した方向に沿った前記複数の単結晶圧電振動素子に対するキュリー温度の関係を示す曲線は、複数の変曲点を有すること、
を特徴とする医用複合単結晶圧電振動子。
【請求項４】
前記医用複合単結晶圧電振動子の体積に対する前記単結晶圧電振動素子が占める体積の割合は、９５％以上１００％未満であること、
を特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれか一項に記載の医用複合単結晶圧電振動子。
【請求項５】
前記医用複合単結晶圧電振動子は、前記第１方向の長さが３５ｍｍ乃至８０ｍｍであり、前記第２方向の長さが４ｍｍ乃至１５ｍｍであり、前記第１及び第２方向に直交する第３方向における長さが０．０５ｍｍ乃至０．５ｍｍであって、
前記複数のチャンネル各々の間隔は、前記第１、第２方向に沿って０．０５ｍｍ乃至０．４ｍｍの長さを有すること、
を特徴とする請求項１乃至請求項４のうちいずれか一項に記載の医用複合単結晶圧電振動子。
【請求項６】
前記単結晶圧電振動素子は、４０ｍｏｌ％乃至７５ｍｏｌ％のマグネシウムニオブ酸鉛と、０ｍｏｌ％乃至４０ｍｏｌ％のインジウムニオブ酸鉛と、２５ｍｏｌ％乃至６０ｍｏｌ％のチタン酸鉛とを含むリラクサ系単結晶を有すること、
を特徴とする請求項１乃至請求項５のうちいずれか一項に記載の医用複合単結晶圧電振動子。
【請求項７】
前記電極は、前記第１及び第２方向に直交する第３方向に沿って、かつ、前記単結晶圧電振動素子から離れる方向に沿って、５ｎｍ乃至３０ｎｍの厚みを有する空隙率が２０乃至８０％の多孔質の酸化マンガンと、１０ｎｍ乃至５０ｎｍの厚みを有する緻密質のパラジウム、ニッケル、クロム、チタンのうちいずれか一つの金属と、１００ｎｍ乃至４００ｎｍの厚みを有する緻密質の金との順で積層された複合電極であること、
を特徴とする請求項１乃至請求項６のうちいずれか一項に記載の医用複合単結晶圧電振動子。
【請求項８】
複数の単結晶圧電振動素子の材料となる圧電単結晶を作製し、
前記圧電単結晶の結晶方位が｛１００｝となる面で前記圧電単結晶を切断することにより、結晶方位｛１００｝面を有する単結晶ウエハを作製し、
前記結晶方位｛１００｝面に直交する第１面と前記第１面および前記結晶方位｛１００｝面に直交する第２面とに沿って前記単結晶ウエハを切断することにより、前記単結晶圧電振動素子を作製し、
前記作製された複数の単結晶圧電振動素子のうち少なくとも一つにおける前記第１、第２面の結晶方位が、他の単結晶圧電振動素子における前記第１、第２面の結晶方位とそれぞれ異なるように、前記結晶方位｛１００｝面を超音波放射面側に配置させて前記単結晶圧電振動素子を配列し、
前記配列された前記単結晶圧電振動素子の間に所定の樹脂を充填することにより、前記単結晶圧電振動素子と前記樹脂とを複合化し、
前記単結晶圧電振動素子の超音波放射面側と前記単結晶圧電振動素子の背面側とに電極を設けること、
を特徴とする医用複合単結晶振動子製造方法。
【請求項９】
複数の単結晶圧電振動素子の材料となる圧電単結晶を作製し、
前記圧電単結晶の結晶方位が｛１００｝となる面で前記圧電単結晶を切断することにより、結晶方位｛１００｝面を有する単結晶ウエハを作製し、
前記結晶方位｛１００｝面に直交する第１面と前記第１面および前記結晶方位｛１００｝面に直交する第２面とに沿って前記単結晶ウエハを切断することにより、前記単結晶圧電振動素子を作製し、
前記作製された単結晶圧電振動素子の中から異なるキュリー温度を有する単結晶圧電振動素子を選択し、前記結晶方位｛１００｝面を超音波放射面側に配置させて前記単結晶圧電振動素子を配列し、
前記配列された前記単結晶圧電振動素子の間に所定の樹脂を充填することにより、前記単結晶圧電振動素子と前記樹脂とを複合化し、
前記単結晶圧電振動素子の超音波放射面側と前記単結晶圧電振動素子の背面側とに電極を設けること、
を特徴とする医用複合単結晶振動子製造方法。
【請求項１０】
前記作製された単結晶ウエハの前記結晶方位｛１００｝面に、前記結晶方位｛１００｝面と前記背面との間の長さの０．４％乃至３％の厚みを有する磁性層を設けることをさらに具備し、
前記単結晶圧電振動素子を配列することは、
前記磁性層を引き付ける磁力を有する磁石を用いて、前記単結晶圧電振動素子を配列すること、
を特徴とする請求項９に記載の医用複合単結晶振動子製造方法。
【請求項１１】
第１方向と前記第１方向に直交する第２方向とのうち少なくとも一つに沿って配列された複数の単結晶圧電振動素子と、
前記単結晶圧電振動素子における複数の面のうち、前記第１、第２方向にそれぞれ平行な超音波放射面側と背面側とに設けられた電極と、
を有する超音波プローブであって、
前記超音波放射面側における前記単結晶振動素子の結晶方位は｛１００｝であり、
前記単結晶圧電振動素子のうち少なくとも一つにおける前記第１方向に垂直な第１面の結晶方位は、他の単結晶圧電振動素子における前記第１面の結晶方位と異なり、前記単結晶圧電振動素子のうち少なくとも一つにおける前記第２方向に垂直な第２面の結晶方位は、他の単結晶圧電振動素子における前記第２面の結晶方位と異なること、
を特徴とする医用超音波プローブ。
【請求項１２】
複数の単結晶圧電振動素子の材料となる圧電単結晶を作製し、
前記圧電単結晶の結晶方位が｛１００｝となる面で前記圧電単結晶を切断することにより、結晶方位｛１００｝面を有する単結晶ウエハを作製し、
前記結晶方位｛１００｝面に直交する第１面と前記第１面および前記結晶方位｛１００｝面に直交する第２面とに沿って前記単結晶ウエハを切断することにより、前記単結晶圧電振動素子を作製し、
前記作製された複数の単結晶圧電振動素子のうち少なくとも一つにおける前記第１、第２面の結晶方位が、他の単結晶圧電振動素子における前記第１、第２面の結晶方位とそれぞれ異なるように、前記結晶方位｛１００｝面を超音波放射面側に配置させて前記単結晶圧電振動素子を配列し、
前記配列された前記単結晶圧電振動素子の間に所定の樹脂を充填することにより、前記単結晶圧電振動素子と前記樹脂とを複合化し、
前記複合化された単結晶圧電振動素子の超音波放射面側と背面側とに電極を設け、
前記超音波放射面側の電極の前面に音響整合層を設け、
前記背面側の電極の背面にバッキング材を設けること、
を特徴とする医用超音波プローブ製造方法。
【請求項１３】
第１方向と前記第１方向に直交する第２方向とのうち少なくとも一つに沿って配列された複数の単結晶圧電振動素子と、
前記単結晶圧電振動素子における複数の面のうち、前記第１、第２方向にそれぞれ平行な超音波放射面側と背面側とに設けられた電極と、
を有する医用複合単結晶圧電振動子であって、
前記単結晶圧電振動素子は、４０ｍｏｌ％乃至７５ｍｏｌ％のマグネシウムニオブ酸鉛と、０ｍｏｌ％乃至４０ｍｏｌ％のインジウムニオブ酸鉛と、２５ｍｏｌ％乃至６０ｍｏｌ％のチタン酸鉛とを含むリラクサ系単結晶を有し、
前記超音波放射面側における前記単結晶振動素子の結晶方位は｛１００｝であり、
前記単結晶圧電振動素子のうち少なくとも一つにおける前記第１方向に垂直な第１面の結晶方位は、他の単結晶圧電振動素子における前記第１面の結晶方位と異なり、前記単結晶圧電振動素子のうち少なくとも一つにおける前記第２方向に垂直な第２面の結晶方位は、他の単結晶圧電振動素子における前記第２面の結晶方位と異なること、
を特徴とする医用複合単結晶圧電振動子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、圧電振動子及び医療用アレイ式超音波プローブに関する。
【背景技術】
【０００２】
医療用の超音波診断装置や超音波画像検査装置は、対象物に対し超音波信号を送信し、その対象物内からの反射信号（エコー信号）を受信して対象物内を画像化するものである。この医療用の超音波診断装置や超音波画像検査装置においては、超音波信号送受信機能を有する電子操作式のアレイ式超音波プローブが主に用いられている。
【０００３】
一般的な超音波プローブは、バッキング材料と、バッキング材料上に接合され、圧電体の両面に電極が形成された圧電素子と、圧電素子上に接合された音響整合層とを有する。圧電素子および音響整合層には、アレイ加工により複数のチャンネルが形成される。音響整合層上には音響レンズが形成される。各チャンネルのアレイ圧電素子の電極は、制御信号基板（フレキシブル印刷配線板（ＦＰＣ））を通して、さらにケーブルを介して診断装置に接続される。
【０００４】
このような超音波プローブにおいて、分極された圧電振動子は超音波の送受信を行う能動部品である。超音波プローブには、広帯域で高感度のプローブを実現するために、その誘電率が大きいこと、圧電定数ｄ３３が大きいこと、誘電損失ＤＦが小さいこと、および音響インピーダンス（Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ：以下ＡＩと呼ぶ）が低いことが要求される。更に個々のチャンネル間の静電容量や感度ばらつきが小さいことが、シグナル/ノイズ（Ｓ／Ｎ）比を向上させるために要望されている。
【０００５】
超音波プローブとしては、感度が高いことと、周波数帯域幅即ち比帯域（ＢＷ）が大きいこととが要求される。ここで感度は送信、受信感度がある。送信、受信感度は、圧電定数ｄ３３の重要な定数である電気機械結合係数と誘電率とで、決定される。一方、比帯域は次の方法で求められる。圧電体Ａ及びＢの周波数特性において、次式に従って、比帯域ＢＷ（％）は求められる。  
ＢＷ（％）＝１００×（ｆＨ−ｆＬ）／ｆＣ  ・・・（１）  
ここで、周波数ｆＬ及びｆＨ（ｆＬ＜ｆＨ）は、音圧がピーク値から６ｄＢ、及び２０ｄＢ減衰する周波数であり、周波数ｆＣは、次式（２）によって表されるように、周波数ｆＬと周波数ｆＨとによる求まる中心周波数である。  
ｆＣ＝（ｆＬ＋ｆＨ）／２  ・・・（２）  
比帯域（ＢＷ）を拡大させるには前述の圧電定数ｄ３３のみならず、ＡＩが低いことが重要である。医用用途に用いられる圧電振動子では、超音波の送受信は、厚み方向に伸縮する厚み振動を利用する。また、プローブの駆動中心周波数が２−１０ＭＨｚの範囲であるために、圧電振動子には、０．１−０．５ｍｍの厚みを有する圧電材料が一般的には用いられる。
【０００６】
圧電材料としては、ジルコンチタン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ３（以下：ＰＺＴと呼ぶ）系圧電セラミクスが１９７０年代から用いられてきた。ＰＺＴ系セラミクスにおいて、抗電界Ｅｃは６ｋＶ／ｃｍ以上と大きいが、圧電定数ｄ３３は１０００ｐＣ／Ｎ以下と低いために、高感度の超音波プローブを製造出来ない欠点があった。この欠点を改善するために、１９９５年ごろから鉛複合ペロブスカイト構造を持つ高性能の圧電単結晶が研究、実用化されてきている。
【０００７】
鉛複合ペロブスカイト構造を持つ高性能の圧電単結晶は、少なくとも５から６０ｍｏｌ％のチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）と、６０から９５ｍｏｌ％のＰｂ（Ｂ１，Ｎｂ）Ｏ３（Ｂ１はマグネシウム、亜鉛、インジウム、スカンジウムなどの少なくとも一つ）とから構成されたリラクサ系鉛複合ペロブスカイト化合物である。なお、鉛複合ペロブスカイト構造を持つ高性能の圧電単結晶は、リラクサ系鉛複合ペロブスカイト化合物に加えてビスマススカンジウム酸鉛（ＢｉＳｃＯ３）を含んでいてもよい。代表的な圧電材料としてマグネシウムニオブ酸鉛−チタン酸鉛Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３（以下ＰＭＮ−ＰＴと呼ぶ）と、亜鉛ニオブ酸鉛−チタン酸鉛Ｐｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３（以下ＰＺＮ−ＰＴと呼ぶ）と、インジウムニオブ酸鉛−チタン酸鉛Ｐｂ（Ｉｎ１／２Ｎｂ１／２）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３（以下ＰＩＮ−ＰＴと呼ぶ）と、ＰＩＮ−ＰＭＮ−ＰＴ３成分型圧電材料とが知られている。
【０００８】
鉛複合ペロブスカイト構造を持つ高性能の圧電単結晶は、上記材料にジルコン酸鉛ＰｂＺｒＯ３を２０ｍｏｌ％以下で含ませてもよい。なお、図２８に示すように、矩形板振動子の６面の全ての面における結晶方位が｛１００｝である圧電材料が、振動子として用いられている。これらの圧電材料は、その厚みが０．１−０．５ｍｍとなるまで研磨される。銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、パラジウム（Ｐｄ）などを有する電極が、研磨された圧電材料の上下面に、焼付け方法、スパッタや蒸着方法、湿式メッキ方法などの方法で形成される。
【０００９】
電極が形成された圧電材料に、室温から２００℃の温度範囲で、１−１００分程度に亘って、２ｋＶ／ｃｍから３０ｋＶ／ｃｍの直流電界を印加する分極処理が実行される。これにより、超音波振動子が完成する。これらの圧電材料では、圧電材料の組成により相転移温度Ｔｒｔとキュリー温度Ｔｃとが異なる。超音波プローブには、抗電界Ｅｃが２−１０ｋＶ／ｃｍであり、圧電定数ｄ３３が１０００−３５００ｐＣ／Ｎであり、室温において１ｋＨｚで測定した時の誘電率が１０００−１００００である圧電材料が用いられる。また、さらに低いＡＩを得るためにＰＺＴセラミクスや圧電単結晶を樹脂と複合させた複合圧電材料も知られている。
【００１０】
しかしながら、これまで知られている圧電単結晶材料を用いて、従来の方法で医用複合振動子を製造した場合には次のような問題点がある。  
（１）単結晶振動子内部での特性差が大きい。特に３５ｍｍ以上の大型の振動子を用いて超音波プローブを製造した際、複数のチャンネルに関して静電容量、感度、帯域のばらつきが１０％以上となる。  
（２）複数の超音波プローブを製造した際、複数のプローブに関して感度および帯域のばらつきが１０％以上となる。  
（３）超音波プローブの製造過程におけるアレイダンシングにより、誘電率および圧電定数ｄ３３が低下する。これにより、誘電率および結合係数が設計値に到達せず、結果として感度が低下する。  
（４）脆い単結晶材料に対する分極処理において、単結晶材料に反りなどが発生することがある。これにより、単結晶材料に割れが生じることがある。更に単結晶材料から作製された振動子を整合層などと張り合わせる際の加圧で、振動子に割れが生じることがある。これにより、特に長さが３５ｍｍ以上の振動子、又は厚みが０．３ｍｍ以下の振動子を用いる超音波プローブにおいて、製造歩留りが低い。  
（５）特に従来のダイスアンドフィル（Ｄｉｃｅ  ＆  Ｆｉｌｌ）方法では、数か所の不良棒状振動子が生じるだけで、超音波プローブにおける振動子全体が不良となる。従って、腹部コンベックスプローブ用振動子のような大型形状（７０ｍｍ×１２ｍｍ×０．３ｍｍ（縦×横×厚み）以上）の単結晶振動子を安定的に製造することが難しい。また、複合振動子における単結晶の割合が９０％以上の充填率を持つ複合振動子が作製出来ないために、小型素子の電気容量が低下することにより、プローブの感度が低下する。  
（６）個々の棒状振動子の横振動モ−ドが同一方向で生じるために不要振動（スプリアス）が発生しやすく比帯域が減少する。
【００１１】
特に（１）の問題は長さが３５−５０ｍｍ程度の高周波リニアプローブ用振動子や長さが７５ｍｍ程度の腹部コンベックスプローブ用振動子を、直径８０ｍｍ以上の単結晶板から切り出して製造する場合は、図２２乃至図２４に示すように、単結晶ウエハにおける面内での周辺部と中心部とで、誘電率および結合係数が異なる。このために５０−３００チャンネルから構成される医用超音波プローブにおいては、チャンネル間やプローブ間の感度のばらつきが大きくなることが、量産において大きな問題となっている。これは結晶育成時に直径８０ｍｍを越えるような大型るつぼ周辺と中央部とでは温度が均一ではないために、ＰｂＯ、Ｎｂ２Ｏ５、ＭｇＯと異なる分配係数を有するＴｉＯ２の量が、周辺部と中心部とで異なるために生じる本質的な問題である。この本質的な問題は、解決が望まれている。
【００１２】
図２５は、単結晶圧電振動子を従来のＤｉｃｅ＆Ｆｉｌｌ法で作製する場合の振動子の加工途中の一例を示す図である。図２６および図２７は、従来のＤｉｃｅ＆Ｆｉｌｌ法で作製された振動素子間のスペースに樹脂を充填して作製した複合振動子の上面を示す上面図である。この作製方法ではすべての複合振動子のＸ、Ｙ、Ｚ面と、複数の単結晶圧電振動子各々におけるｘ、ｙ、ｚ面とが同一であることがわかる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開昭６２-１２２４９９号公報
【特許文献２】特許第３４２０８６６号公報
【特許文献３】特開２００１−２７６０６７号公報
【特許文献４】特開２００９−８２３８５号公報
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】Jian Tian, Pengdi Han, and David A. PayneMeasurements Along the Growth Direction of PMN-PT Crystals: Dielectric, Piezoelectric,and Elastic Properties, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, vol. 54, no. 9, (2007) 1895.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
目的は、アレイダイシング後のチャンネル間の静電容量、結合係数、感度、比帯域などの性能および一様性を向上することができる医用複合単結晶圧電振動子、超音波プローブ及び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】
【００１６】
本実施形態に係る医用複合単結晶圧電振動子は、複数の単結晶圧電振動素子と、電極とを具備する。複数の単結晶圧電振動素子は、第１方向と前記第１方向に直交する第２方向とのうち少なくとも一つに沿って配列される。電極は、前記単結晶圧電振動素子における複数の面のうち、前記第１、第２方向にそれぞれ平行な超音波放射面側と背面側とに設けられる。医用複合単結晶圧電振動子は、前記超音波放射面側における前記単結晶振動素子の結晶方位が｛１００｝であり、前記単結晶圧電振動素子のうち少なくとも一つにおける前記第１方向に垂直な第１面の結晶方位が、他の単結晶圧電振動素子における前記第１面の結晶方位と異なり、前記単結晶圧電振動素子のうち少なくとも一つにおける前記第２方向に垂直な第２面の結晶方位が、他の単結晶圧電振動素子における前記第２面の結晶方位と異なること、を特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本実施形態に係る複合単結晶圧電振動子を製造する手順の流れを示すフローチャートである。
【図２】図２は、本実施形態に係る板状振動素子の一例を示す図である。
【図３】図３は、本実施形態に係る棒状振動素子の一例を示す図である。
【図４】図４は、本実施形態に係る板状振動素子を配列させた板状振動素子アレイの一例を示す図である。
【図５】図５は、本実施形態に係る棒状振動素子を配列させた棒状振動素子アレイの一例を示す図である。
【図６】図６は、本実施形態に係る単結晶圧電振動素子に設けられる複合電極の一例を示す図である。
【図７】図７は、本実施形態に係る作製された医用複合単結晶圧電振動子の斜視図である。
【図８】図８は、本実施形態に係り、長手方向に７０ｍｍの長さを有するコンベックスプローブ用の複合圧電単結晶振動子の上面の概略を示す概略図である。
【図９】図９は、本実施形態に係り、長手方向に７０ｍｍの長さを有するコンベックスプローブ用の複合圧電単結晶振動子の上面の概略を示す概略図である。
【図１０】図１０は、本実施形態に係り、長手方向に７０ｍｍの長さを有するコンベックスプローブ用の複合圧電単結晶振動子の上面の概略を示す概略図である。
【図１１】図１１は、本実施形態に係り、長手方向に７０ｍｍの長さを有するコンベックスプローブ用の複合圧電単結晶振動子の上面の概略を示す概略図である。
【図１２】図１２は、本実施形態に係り、複数の単結晶圧電振動素子を磁力により固定する一例を示す図である。
【図１３】図１３は、本実施形態に係り、複数の単結晶圧電振動素子を磁力により固定する一例を示す図である。
【図１４】図１４は、本実施形態に係り、超音波プローブの構造の一例を示す図である。
【図１５】図１５は、本実施形態に係る医用超音波プローブを製造する手順の流れを示すフローチャートである。
【図１６】図１６は、本実施形態に係る複合単結晶圧電振動子を拡大した１チャンネルに含まれる単結晶圧電振動子の上面を、複合単結晶圧電振動子の上面とともに示す上面図である。
【図１７】図１７は、本実施形態に係る複合単結晶圧電振動子を拡大した１チャンネルに含まれる単結晶圧電振動子の上面を、複合単結晶圧電振動子の上面とともに示す上面図である。
【図１８】図１８は、本実施形態に係る複合単結晶圧電振動子を拡大した１チャンネルに含まれる単結晶圧電振動子の上面を、複合単結晶圧電振動子の上面とともに示す上面図である。
【図１９】図１９は、本実施形態に係るチャンネル毎の静電容量の値を、従来のチャンネル毎の静電容量の値とともに示す図である。
【図２０】図２０は、本実施形態に係るチャンネル毎の感度を、従来のチャンネル毎の感度とともに示す図である。
【図２１】図２１は、本実施形態に係り、感度測定の概略を示す概略図である。
【図２２】図２２は、従来に係り、直径８０ｍｍ単結晶ウエハの｛１００｝面を、切り出される医用超音波振動子（２５ｍｍ）とともに示す図である。
【図２３】図２３は、従来に係り、直径８０ｍｍ単結晶ウエハの｛１００｝面を、切り出される医用超音波振動子（７５ｍｍ）とともに示す図である。
【図２４】図２４は、従来に係り、直径８０ｍｍ単結晶ウエハの｛１００｝面を、切り出される医用超音波振動子（４５ｍｍ）とともに示す図である。
【図２５】図２５は、従来に係り、単結晶圧電振動子を従来のＤｉｃｅ＆Ｆｉｌｌ法で作製する場合の振動子の加工途中の一例を示す図である。
【図２６】図２６は、従来のＤｉｃｅ＆Ｆｉｌｌ法で作製された振動素子間のスペースに樹脂を充填して作製した複合振動子の上面を示す上面図である。
【図２７】図２７は、従来のＤｉｃｅ＆Ｆｉｌｌ法で作製された振動素子間のスペースに樹脂を充填して作製した複合振動子の上面を示す上面図である。
【図２８】図２８は、従来に係る複合圧電振動子を構成する振動素子の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照しながら本実施形態に係る複合圧電単結晶振動子及びアレイ式超音波プローブを説明する。  
本実施形態に係る複合単結晶圧電振動子は、以下の方法で作製される。  
図１は、複合単結晶圧電振動子を製造する手順の流れを示すフローチャートである。まず、マグネシウムニオブ酸鉛Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３（略号ＰＭＮ）、亜鉛ニオブ酸鉛Ｐｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３（略号ＰＺＮ）、またはインジウムニオブ酸鉛Ｐｂ（Ｉｎ１／２Ｎｂ１／２）Ｏ３（略号ＰＩＮ）と、チタン酸鉛ＰｂＴｉＯ３（略号ＰＴ）との混晶における相境界近傍の結晶（以下圧電単結晶と呼ぶ）がブリッジマン法などにより作製される（ステップＳａ１）。これらは、例えば、７１ＰＭＮ−２９ＰＴ、９３ＰＺＮ−７ＰＴ、６３ＰＩＮ−３７ＰＴおよび上記チタン酸鉛の混合物である２４ＰＩＮ−４４ＰＭＮ−３２ＰＴなどである。
【００１９】
ここで、図２８に示すように、矩形板振動子の６面の全ての面における結晶方位が｛１００｝である圧電材料が、振動子として用いられている。ここで、｛１００｝は、［１００］、［０１０］、［００１］が等価であることを表す。
【００２０】
結晶方位が｛１００｝となる面（以下｛１００｝面と呼ぶ）で圧電単結晶をワイヤーソーなどで切断することにより、単結晶ウエハが作製される（ステップＳａ２）。作製された単結晶ウエハは、０．１乃至０．６ｍｍの厚みと、０．５ｃｍ２乃至１００ｃｍ２の面積とを有する。なお、単結晶ウエハの形状は任意である。単結晶ウエハは、ダイサーを用いて、長さおよび幅が０．１乃至５ｍｍとなるように切断加工される。この切断加工により、０．０１乃至２５ｍｍ２の面積と、０．１乃至０．６ｍｍの厚みとを有する複数の単結晶圧電振動素子が作製される（ステップＳａ３）。なお、｛１００｝面が超音波放射面（以下、Ｚ面と呼ぶ）であれば、ダイサーによる切断加工（ダイシング）において、Ｚ面と異なる他の面の結晶方位は、｛１００｝から１０乃至１７０°ずれていた方が望ましい。他の面とは、例えばＺ面に直交する２面である。以下これら２面をＸ面、Ｙ面と呼ぶ。すなわち、ダイシングされた複数の単結晶圧電振動素子の｛１００｝における結晶方位のパターンは、１０乃至１７０°の範囲で異なる。
【００２１】
典型的な単結晶圧電振動素子の形状は、長さ、幅、厚みがそれぞれ０．１５ｍｍ、０．１５ｍｍ、０．５ｍｍまたは、２ｍｍ、２ｍｍ、０．５ｍｍとなる形状である。なお、長さ、幅、厚みがそれぞれ０．１５ｍｍ、０．１５ｍｍ、０．５ｍｍとなる形状を有する単結晶圧電振動素子を棒状振動素子と呼び、長さ、幅、厚みがそれぞれ２ｍｍ、２ｍｍ、０．５ｍｍとなる形状を有する単結晶圧電振動素子を板状振動素子と呼ぶ。図２は、板状振動素子の一例を示す図である。図３は、棒状振動素子の一例を示す図である。図２および図３におけるｘ面は、上記Ｘ面に平行な面である。図２および図３におけるｙ面は、上記Ｙ面に平行な面である。図２および図３におけるｚ面は、上記Ｚ面に平行な面である。
【００２２】
ダイサーにて切断後の単結晶圧電振動素子（棒状振動素子および板状振動素子）に対して、超音波洗浄を行い、乾燥される。乾燥後、単結晶圧電振動素子は、酸化アルミニウムのるつぼ（以下アルミナるつぼと呼ぶ）に投入される。アルミナるつぼに、２００乃至７００℃の熱が、数時間にわたって加えられる。これにより、単結晶圧電振動素子に熱処理が実行される。この熱処理により、加工歪が取り去られる。
【００２３】
熱処理された単結晶圧電振動素子は、｛１００｝面がＺ面と一致するように、樹脂などで予め形成された丸孔や角孔の中に投入することで、配列される（ステップＳａ４）。樹脂などで予め形成された丸孔や角孔とは、例えば、篩である。この篩に、熱処理された単結晶圧電振動素子を投入し振動を加えることで、｛１００｝面がＺ面に一致するように、熱処理された単結晶圧電振動素子を配列させることが出来る。この配列においてＺ面は｛１００｝面であればよいため、複数の単結晶圧電振動素子各々において、ｘ面の結晶方位は非一様となる。
【００２４】
具体的には、例えば、１つのチャンネルに含まれる複数の単結晶圧電振動素子のうち少なくとも一つにおけるｘ面の結晶方位は、同じチャンネルに含まれる他の単結晶圧電振動素子のｘの結晶方位と異なる。同様に、１つのチャンネルに含まれる複数の単結晶圧電振動素子のうち少なくとも一つにおけるｙ面の結晶方位は、同じチャンネルに含まれる他の単結晶圧電振動素子のｙ面の結晶方位と異なる。なお、ｘ面とＸ面、ｙ面とＹ面は、それぞれ非平行であってもよい。図４は、複数の板状振動素子を配列させた板状振動素子アレイの一例を示す図である。図５は、複数の棒状振動素子を配列させた棒状振動素子アレイの一例を示す図である。
【００２５】
複数の単結晶圧電振動素子の配列後に、粘性を低下させたエポキシ、シリコーン（Ｓｉｌｉｃｏｎｅ）、シアノアクリレート、ポリウレタン樹脂等など（以下、樹脂と呼ぶ）は、単結晶圧電振動素子の間に充填され、真空脱泡される。その後、樹脂は、室温から１００℃の間で１乃至２４時間かけて硬化される（ステップＳａ５）。
【００２６】
十分に樹脂を硬化させた後、複数の単結晶圧電振動素子と樹脂とを複合させた複合単結晶圧電振動素子（以下、複合振動素子と呼ぶ）を樹脂型から取り出す。取り出された複合振動素子の上下（超音波放射面と背面）面は、平面研磨機またはダイサーブレードを用いて研磨される（ステップＳａ６）。この研磨は、複合振動素子の厚みが所定の厚みＴとなるまで実行される。所定の厚みＴは、使用される超音波の周波数に依存する。所定の厚みＴは、例えば、０．１乃至０．４ｍｍである。
【００２７】
研磨後、ＭｎＯｘ、ＺｎＯ、ＴｉＯｘ、ＳＲＯ（ストロンチウムルテニウムオキサイド）、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）などの半導体下地電極が、研磨された両面に、スパッタ法やメッキ方法及び溶液方法でコートされる。半導体電極に続けて、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、パラジウム（Ｐｄ）などの下部電極が、スパッタ法やメッキ方法及び溶液方法で設けられる。下地電極に続けて、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）などの上部電極が、スパッタ法やメッキ方法及び溶液方法で設けられる（ステップＳａ７）。以下、半導体下地電極と下部電極がヘテロ構造に形成されたものを複合電極と呼ぶ。
【００２８】
図６は、単結晶圧電振動素子に設けられる複合電極の一例を示す図である。例えば、半導体下地電極の酸化マンガンは、５乃至３０ｎｍの厚みであって、多孔質となる。多孔質とは、例えば、単位体積当たりの隙間の割合を示す空隙率が２０乃至８０％となることを示す。例えば下部電極は、１０乃至５０ｎｍの厚みであって、一部は酸化マンガンの多孔質部の空隙を埋める形で緻密質となる。緻密質とは、例えばパラジウム、ニッケル、クロム、チタン金属の空隙率が０乃至５％となることを示す。例えば上部電極は、１００乃至４００ｎｍの厚みであって、緻密質となる。緻密質とは、例えば、金、白金、銀の空隙率が０乃至５％となることを示す。なお、電極は、３層に限定されず、単層または２層構造としてもよい。以下、電極が取り付けられた複合振動素子を複合振動子と呼ぶ。電極が取り付けられた後、複合振動子の外形を矩形版や円盤に加工して医用複合単結晶圧電振動子を作製する。図７は、作製された医用複合単結晶圧電振動子１の斜視図である。図８は、本実施形態に係り、コンベックスプローブ用の医用複合単結晶圧電振動子の上面の概略を示す上面図である。
【００２９】
図８の（ａ）は、長手方向に７０ｍｍの長さＬ、１２ｍｍの幅Ｗを有する本医用複合単結晶圧電振動子１の超音波放射面を示している。図８の（ａ）における本医用複合単結晶圧電振動子１は、複数の棒状振動素子と、樹脂とから構成されている。図８の（ｂ）は、図８（ａ）における医用複合単結晶圧電振動子１の一部を拡大した図を示している。図８の（ｂ）における棒状振動素子５０と棒状振動素子５２と棒状振動素子５５とにおける超音波放射面の結晶方位はそれぞれ｛１００｝である。棒状振動素子５０と棒状振動素子５２と棒状振動素子５５との間には、樹脂７が充填されている。棒状振動素子５０と棒状振動素子５２とにおける結晶方位のパターンの差異は、４５°である。棒状振動素子５０と棒状振動素子５５とにおいて、超音波放射面における結晶方位のパターンの差異は、３０°または６０°である。棒状振動素子５２と棒状振動素子５５とにおいて、超音波放射面における結晶方位のパターンの差異は、１５°または７５°である。超音波放射面における結晶方位のパターンの差異は、棒状振動素子５０と棒状振動素子５２と棒状振動素子５５とにおけるｘ面３、ｙ面５において結晶方位がそれぞれ異なることを示している。
【００３０】
図９の（ａ）は、長手方向に７０ｍｍの長さＬ、１２ｍｍの幅Ｗを有する医用複合単結晶圧電振動子１の超音波放射面を示している。図９の（ａ）における医用複合単結晶圧電振動子１は、複数の板状振動素子と、樹脂とから構成されている。図９の（ｂ）は、図９（ａ）における医用複合単結晶圧電振動子１の一部を拡大した図を示している。図９の（ｂ）における板状振動素子５１と板状振動素子５３とにおける超音波放射面の結晶方位はそれぞれ｛１００｝である。板状振動素子５１と板状振動素子５３との間には、樹脂７が充填されている。板状振動素子５１と板状振動素子５３とにおける結晶方位のパターンの差異は、４５°である。超音波放射面における結晶方位のパターンの差異は、板状振動素子５１と板状振動素子５３とにおけるｘ面３、ｙ面５において結晶方位がそれぞれ異なることを示している。
【００３１】
図１０の（ａ）は、長手方向に７０ｍｍの長さＬ、１２ｍｍの幅Ｗを有する医用複合単結晶圧電振動子１の超音波放射面を示している。図１０の（ｂ）は、板状振動素子の配列が図９の（ｂ）における板状振動素子の配列と異なることを示している。
【００３２】
図１１の（ａ）は、長手方向に７０ｍｍの長さＬ、１２ｍｍの幅Ｗを有する医用複合単結晶圧電振動子１の超音波放射面を示している。図１１の（ｂ）は、板状振動素子の配列が図９の（ｂ）および図１０の（ｂ）における板状振動素子の配列と異なることを示している。
【００３３】
医用複合単結晶圧電振動子を作製する他の方法（変形例）について説明する。まず、前述の７２ＰＭＮ−２８ＰＴ、９３ＰＺＮ−７ＰＴ、６３ＰＩＮ−３７ＰＴ、およびこれらの混合物である２４ＰＩＮ−４４ＰＭＮ−３２ＰＴなどの相境界近傍の結晶（以下圧電単結晶と呼ぶ）が作製される。
【００３４】
結晶方位が｛１００｝となる面（以下｛１００｝面と呼ぶ）で圧電単結晶を切断することにより、単結晶ウエハが作製される。作製された単結晶ウエハは、０．１乃至０．６ｍｍの厚みＴを有する。
【００３５】
この単結晶ウエハにおける切断面の少なくとも片面に、磁性層膜が、メッキまたはスパッタ法で設けられる。磁性層膜の厚みｔは、単結晶の厚みＴの０．００４乃至０．０３倍の厚みである。すなわち、磁性層膜の厚みｔは、単結晶の厚みＴの０．４％乃至３％である。具体的には、磁性層膜の厚みｔは、例えば０．５μｍ乃至１８μｍである。更に好ましくは磁性層膜の厚みｔは、１μｍ乃至５μｍである。磁性層膜が設けられた単結晶ウエハは、ダイサーを用いて、０．１乃至５ｍｍの長さおよび幅を有する複数の単結晶圧電振動素子に切断加工される。磁性層の材料は、例えばニッケルである。磁性層膜の作製に関する処理は、図１のフローチャートにおいて、ステップＳａ２とステップＳａ３との間に設けられる。
【００３６】
典型的な単結晶圧電振動素子の形状は、長さ、幅、厚みがそれぞれ０．１５ｍｍ、０．１５ｍｍ、０．５ｍｍ（棒状振動素子）または、２ｍｍ、２ｍｍ、０．５ｍｍ（板状振動素子）となる形状である。ダイサーにて切断後の単結晶圧電振動素子（棒状振動素子および板状振動素子）に対して、２００℃乃至４００℃での熱処理が実行されてもよい。
【００３７】
複数の単結晶圧電振動素子は、磁石に張り付けられたフィルムの所定の位置に、Ｚ面が｛１００｝面となるように、磁力を用いて配列させる。磁力を用いて単結晶圧電振動素子を配列させる処理は、図１のフローチャートにおけるステップＳａ４に対応する。この配列においてＺ面は｛１００｝面であればよいため、複数の単結晶圧電振動素子各々において、Ｘ面の結晶方位は非一様となる。具体的には、例えば、１つのチャンネルに含まれる複数の単結晶圧電振動素子のうち少なくとも一つにおけるＸ面の結晶方位は、同じチャンネルに含まれる他の単結晶圧電振動素子のＸ面の結晶方位と異なる。同様に、１つのチャンネルに含まれる複数の単結晶圧電振動素子のうち少なくとも一つにおけるＹ面の結晶方位は、同じチャンネルに含まれる他の単結晶圧電振動素子のＹ面の結晶方位と異なる。
【００３８】
図１２の（ａ）は、単結晶圧電振動素子４０の厚みＴと、磁性層膜（ニッケル層）の厚みｔとを模式的に示した図である。図１２の（ｂ）は、櫛型の磁石１７と、櫛型形の凹部に充填された樹脂１５と、磁石に張り付けられたフィルム１３と、フィルム上に配列された複数の単結晶圧電振動素子４０とを示す図である。磁石を櫛形に成形し、非磁性体の樹脂を櫛型の凹部に充填することで、櫛または樹脂の間隔に従って、磁力により複数の単結晶圧電振動素子４０を配列させることが可能となる。また、櫛の間隔は、任意に設定可能である。
【００３９】
図１３は、磁石１６を用いて最密に配列させた複数の単結晶圧電振動素子４０の一例を示す図である。所定の間隔のスペーサ２３を使用することで、スペーサ間に複数の単結晶圧電振動素子を配列することが出来る。なお、スペーサ２３の間隔は、任意に設定可能である。
【００４０】
この配列の後、複数の単結晶圧電振動素子の間に低粘性の樹脂を真空で注入する。注入させた樹脂の硬化により、複数の単結晶圧電振動素子と樹脂とが複合化される。樹脂の硬化後、複合振動素子から上記フィルムが取り外される。フィルムが取り外された複合振動素子に対して、研磨加工および電極の取り付けが実行されることにより、医用複合単結晶圧電振動子が完成する。フィルムを除去する処理は、図１のフローチャートにおけるステップＳａ６の厚み研磨の処理により、実行されてもよい。
【００４１】
なお、医用複合単結晶圧電振動子の体積に対する棒状及び板状振動素子の体積の割合は、配列される複数の単結晶圧電振動素子の間の間隔を調整することで２０乃至９９．９％程度まで自由に変化させることが出来る。これにより、音響インピーダンス（ＡＩ）を変化させることが可能である。
【００４２】
室温から１８０℃程度までの温度範囲で、２ｋＶ／ｃｍから２０ｋＶ／ｃｍまでの範囲における直流電界が、研磨加工された複合単結晶圧電振動子に、１乃至３０分印加される。直流電界の印加により、複合単結晶圧電振動子は分極され、医用複合単結晶圧電振動子が完成される。
【００４３】
分極処理した２４時間後に、医用複合単結晶圧電振動子における静電容量と誘電損失と圧電特性とを測定して、評価を行う。圧電特性、誘電特性は２５℃においてＬＣＲメータで１ｋＨｚ、１ｖｒｍｓで行う。圧電歪定数ｄ３３はｄ３３メータを用いて測定する。電気機械結合係数はインピ−ダンスアナライザを用いて求める。
【００４４】
分極と特性の測定、評価に関する処理は、図１のフローチャートにおけるステップＳａ７の後に実行される。
【００４５】
今回の測定に用いた医用複合単結晶振動子の形状は、長さ、幅、厚みがそれぞれ１０ｍｍ、１０ｍｍ、０．３ｍｍと１０ｍｍ、０．１５ｍｍ、０．３ｍｍとである。前者で容量、誘電損失、誘電率、結合係数ｋｔを求め、後者では容量、誘電損失、誘電率、短冊状振動子の結合係数ｋ３３’を求めた。
【００４６】
続いて、超音波プローブの作製方法について説明する。  
まず、超音波プローブの構成について、図１４を参照して説明する。  
図１４に示すように、医用超音波プローブ２０１は、バッキング材１００と、信号用ＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ  Ｐｒｉｎｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）１０２と、医用複合単結晶圧電振動子１と、第１の音響整合層１０６と、第２の音響整合層１０８と、アース用ＦＰＣ１１０と、音響レンズ１１２とを有する。
【００４７】
バッキング材１００は、ゴム製であって、低い音響インピーンダンス（ＡＩ＝２乃至６ＭＲａｙｌｓ）を有する材料や硬度の高い金属が用いられる。信号用ＦＰＣ１０２は、バッキング材１００の超音波放射面側に設けられる。信号用ＦＰＣ１０２の超音波放射面側には、金属配線が配置される。医用複合単結晶圧電振動子１は、超音波放射面側と背面側とに図示していない電極層を有する。なお、電極層における医用複合単結晶圧電振動子１側には、下地電極が設けられていてもよい。第１の音響整合層１０６は、医用複合単結晶圧電振動子１の超音波放射面側に設けられる。第１の音響整合層１０６は、超音波放射面側と背面側とに図示していない電極を有する。第２の音響整合層１０８は、医用複合単結晶圧電振動子１の超音波放射面側に設けられる。第２の音響整合層１０８は、超音波放射面側と背面側とに図示していない電極を有する。アース用ＦＰＣ１１０は、背面側にアース用電極を有する。音響レンズ１１２は、アース用ＦＰＣの超音波放射面側に設けられる。
【００４８】
なお、医用複合単結晶圧電振動子１の超音波放射面側には、２層のみならず、３層または４層の音響整合層が配置されてもよい。複数の音響整合層が医用複合単結晶圧電振動子１の超音波放射面側に設けられている場合、音響整合層各々の音響インピーダンスは、医用複合単結晶圧電振動子１から音響レンズ１１２に向けて段階的に小さくなる。音響整合層が例えば１層の場合、医用複合単結晶圧電振動素子の直上の１番目の音響整合層（第１の音響整合層）は、２５℃にて４−７ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有する。音響整合層が２層の場合、医用複合単結晶圧電振動子１の直上の第１の音響整合層１０６は、２５℃にて５−１０ＭＲａｙｌｓ、２番目の音響整合層（第２の音響整合層１０８）は、２−４ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有する材料を用いることが好ましい。
【００４９】
音響整合層が１層の場合、第１の音響整合層１０６は、例えば導電材料のカーボン、有機物であるエポキシ樹脂に酸化物粒子を添加することで音響インピーダンスを調整した材料から作られることが好ましい。
【００５０】
音響整合層が２層の場合、第１の音響整合層１０６は例えばカーボン、酸化物含有エポキシ樹脂の材料から作られ、第２の音響整合層１０８は例えばエポキシシリコーンやポリエチレン系樹脂材料から作られることが好ましい。なお、絶縁性のエポキシ材料を音響整合層に用いる場合には、必要に応じてメッキなどにより音響整合層の表面に導電性が付与されても良い。
【００５１】
音響整合層が３層の場合、第１の音響整合層１０６は例えばガラス材料から作られ、第２の音響整合層１０８は例えばカーボン、エポキシに酸化物を充填した材料から作られ、第３の音響整合層はポリエチレン系樹脂材料、シリコーン系樹脂から作られることが好ましい。なお、絶縁性の材料を音響整合層に用いる場合には、必要に応じてスパッタやメッキなどにより音響整合層の表面に導電性が付与されても良い。
【００５２】
続いて、医用超音波プローブの作製方法について説明する。  
図１５は、図１４で説明した医用超音波プローブ２０１の製造方法の流れを示すフローチャートである。上記複合単結晶圧電振動子の製造方法で説明した方法で、複合単結晶圧電振動子が作製される（ステップＳｂ１乃至ステップＳｂ７）。複合単結晶圧電振動子の背面側に信号取り出し用ＦＰＣとバッキング材とが接着される（ステップＳｂ８）。複合単結晶圧電振動子の超音波放射面側に複数の音響整合層が接着される（ステップＳｂ９）。複合単結晶圧電振動子の超音波放射面側からバッキング材まで、ダイシングブレードにより、所定の間隔でダンシングが実行される（ステップＳｂ１０）。このダイシングにより、複合単結晶圧電振動子および複数の音響整合層は、複数に分割される。この分割により、複数のチャンネルが形成される。分割により生じた隙間の一部に絶縁性の樹脂が充填される場合もある。充填された樹脂の硬化後、分割された音響整合層の前に、音響レンズが接着される（ステップＳｂ１１）。
【００５３】
図１６は、棒状振動子を用いて製造された医用超音波プローブ２０１において、１チャンネルに含まれる複数の棒状振動素子の超音波放射面（ａ）と医用超音波プローブ２０１の側面（Ｘ面またはＹ面）（ｂ）との一例を示す図である。図１６の（ａ）において、１チャンネルに含まれる複数の棒状振動素子の数は１２である。図１６の（ａ）における棒状振動素子５０と棒状振動素子５２と棒状振動素子５５とにおける超音波放射面の結晶方位はそれぞれ｛１００｝である。棒状振動素子５０と棒状振動素子５２と棒状振動素子５４との間には、樹脂７が充填されている。図１６の（ａ）は、棒状振動素子５０と棒状振動素子５２と棒状振動素子５４とにおける結晶方位のパターンの差異を示している。また、単結晶圧電振動素子は、フィルムに設けられた丸穴６０に投入されることにより、配列される。
【００５４】
図１７は、板状振動素子を用いて製造された医用超音波プローブ２０１において、１チャンネルに含まれる複数の板状振動素子の超音波放射面（ａ）と医用超音波プローブ２０１の側面（Ｘ面またはＹ面）（ｂ）との一例を示す図である。図１７の（ａ）において、１チャンネルに含まれる複数の板状振動素子の数は６である。図１７の（ａ）における板状振動素子５１と板状振動素子５３とにおける超音波放射面の結晶方位はそれぞれ｛１００｝である。板状振動素子５１と板状振動素子５３との間には、樹脂７が充填されている。図１７の（ａ）は、板状振動素子５１と板状振動素子５３とにおける結晶方位のパターンの差異を示している。
【００５５】
図１８は、棒状振動子を用いて製造された医用超音波プローブ２０１において、１チャンネルに含まれる複数の棒状振動素子の超音波放射面（ａ）と医用超音波プローブ２０１の側面（Ｘ面またはＹ面）（ｂ）との一例を示す図である。図１８の（ａ）において、１チャンネルに含まれる複数の棒状振動素子の数は１２である。図１８の（ａ）における複数の棒状振動素子における超音波放射面の結晶方位はそれぞれ｛１００｝である。複数の棒状振動素子の間には、樹脂７が充填されている。図１８の（ａ）における１チャンネルに含まれる複数の棒状振動素子において、ｘ面とＸ面、ｙ面とＹ面はそれぞれ非平行である。また、単結晶圧電振動素子は、フィルムに設けられた丸穴６０に投入されることにより、配列される。
【００５６】
上記製造方法で製造された医用超音波プローブ２０１を用いた超音波の送信について説明する。被検体に医用超音波プローブ２０１が当接される。次いで、単結晶圧電振動素子の超音波放射面における電極と、単結晶圧電振動素子の超音波放射面における電極との間に所定の電圧が印加される。所定の電圧の印加により、単結晶圧電振動素子は共振し、超音波を発生する。発生された超音波は、第１の音響整合層１０６と第２の音響整合層１０８と音響レンズ１１２とを介して、被検体に送信される。
【００５７】
上記製造方法で製造された医用超音波プローブ２０１を用いた超音波の受信について説明する。被検体内で発生した超音波は、音響レンズ１１２と第１の音響整合層１０６と第２の音響整合層１０８とを介して、医用複合単結晶圧電振動子１を振動させる。医用複合単結晶圧電振動子１は、超音波による振動を電気信号に変換する。電気信号は、チャンネル毎に、被検体の深さに応じて遅延加算される。遅延加算された信号は、包絡線検波及び対数変換され、画像として表示される。また、第１の音響整合層１０６と第２の音響整合層１０８との音響インピーダンスを、医用複合単結晶圧電振動子１の音響インピーダンス（２０〜３０ＭＲａｙｌｓ）と被検体の音響インピーダンス（１．５ＭＲａｙｌｓ）との間で、徐々に被検体の音響インピーダンスに近付くように設定することよって、超音波の送受信効率を向上させることが可能になる。
【００５８】
なお、チャンネルを構成する音響整合層は２層に限らず、３層または４層にしてもよい。この場合、音響整合層は、アース側ＦＰＣ上に形成されてもよい。
【００５９】
以下、本医用複合単結晶圧電振動子について、より具体的に説明する。
【００６０】
（実施例１）  
実施例１は、単結晶圧電振動子として亜鉛ニオブ酸鉛―チタン酸鉛を用いた場合である。具体的には、Ｐｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３における０．９３Ｐｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−０．０７ＰｂＴｉＯ３（９３ＰＺＴ−７ＰＴ）の単結晶が、酸化鉛（ＰｂＯ）のフラックスを用いた溶液ブリッジマン法により作製される。
【００６１】
次いで、この単結晶を｛１００｝面で切断することにより、０．５ｍｍの厚みＴを有する複数の単結晶ウエハが作製される。複数の単結晶ウエハ各々を切断することにより、１０ｍｍの幅及び長さを有する板（以下｛１００｝板と呼ぶ）が、１００枚準備される。この｛１００｝板の代表的な特性は、分極後の誘電率が５０００、相転移温度Ｔｒｔが１１０℃、キュリー温度Ｔｃが１６５℃、圧電定数ｄ３３が２２００ｐＣ／Ｎである。
【００６２】
１００枚の｛１００｝板各々は、ダイサーを用いて、長さおよび幅が２．５ｍｍとなるように切断される。この切断により、複数の単結晶圧電振動素子が作製される。複数の単結晶圧電振動素子各々のｚ面における結晶方位は、｛１００｝である。この切断は、作製された単結晶圧電振動素子のｘ面、ｙ面の結晶方位が｛１００｝ではなく、ｚ面における結晶方位パターンの差異が、１０°乃至１７０°の任意の範囲となるように実行される。
【００６３】
複数の単結晶圧電振動素子は、超音波洗浄の後で、乾燥し更に４００℃で1時間の熱処理が実行される。その後、予め角穴または丸穴を開けたフィルムが、ポリ四フッ化エチレン製の容器内に配置される。この容器に熱処理された複数の単結晶圧電振動素子を投入することにより、熱処理された複数の単結晶圧電振動素子は配列される。単結晶圧電振動素子間のスペースは、例えば、５０μｍである。このスペースに、エポキシ樹脂が注入される。その後、真空脱泡が５分間実行される。次いで、スペースに注入された液は、室温で２０時間経過後、１００℃で６時間の熱処理が実行され、完全に硬化される。
【００６４】
上記処理を複数の単結晶圧電素子各々に対して実行し、単結晶圧電振動素子間の溝を完全にエポキシ樹脂で埋めることにより、単結晶と樹脂との複合体を作製する。作製された複合体の厚みが０．３ｍｍとなるように、平面研削盤を用いて複合体の超音波放射面と背面と（以下両面と呼ぶ）が研磨される。その後、クロムが、両面に３０ｎｍの厚さでスパッタにより設けられる。次いで、金が、両面に３００ｎｍの厚さでスパッタにより設けられる。
【００６５】
クロムおよび金が設けられた複合体は、幅が１２ｍｍ、長さが７５ｍｍとなるよう切断される。切断された複合体に、室温で７ｋＶ／ｃｍの直流電界が１０分間印加される。この直流電界の印加により、複合体に含まれる複数の単結晶圧電振動素子は分極される。複合体の体積に対する複数の単結晶振動素子の体積の割合（以下充填率と呼ぶ）は９８％である。分極後の複合体の誘電率は４８００を示した。また、幅を０．１４ｍｍにアレイ及びサブダイシングした後の短冊状の複合体の結合係数ｋ３３’は８５乃至８８％であった。また、複合体を１９２チャンネルに分割した後での各チャンネルによる静電容量のばらつきは±３．５％以内であった。
【００６６】
比較として、直径５０ｍｍ径の同一材料の単結晶ウエハから切り出した２枚の｛１００｝板（幅１２ｍｍ、長さ３５ｍｍ）を接合した単結晶圧電振動子を作製した。この単結晶圧電振動子の結合係数ｋ３３’は８５乃至８８％で、誘電率は４９２０であり、１９２チャンネルに分割した後での各チャンネルによる静電容量の分布は±１８％であった。
【００６７】
比較として、誘電率が５５００の高誘電率ＰＺＴ系セラミクス材料を用いて幅１２ｍｍ、長さ７５ｍｍの圧電振動子を作製した。この圧電振動子を０．１４ｍｍにアレイ及びサブダイシングした後の短冊振動子の結合係数ｋ３３’は６６乃至７０％で、誘電率は４８００であり、１９２チャンネルに分割した後での各チャンネルによる静電容量の分布は±４％以内であった。  
以上のことから、本実施形態の方法で作製した複合単結晶圧電振動子は、単結晶ウエハから切り出して作製した単結晶圧電振動子と比べて、誘電率はほぼ同等、結合係数は数％大きく、更にチャンネル毎の静電容量のばらつきは通常のＰＺＴセラミクス並みに小さいことは明らかである。
【００６８】
（実施例２）  
実施例２は、単結晶圧電振動子として、マグネシウムニオブ酸鉛―チタン酸鉛を用いた場合である。具体的には、Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３―ＰｂＴｉＯ３における０．７１Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−０．２９ＰｂＴｉＯ３（７１ＰＭＮ−２９ＰＴ）の単結晶が、ブリッジマン法により作製される。
【００６９】
次いで、この単結晶を｛１００｝面で切断することにより、０．５ｍｍの厚みＴを有する複数の単結晶ウエハが作製される。複数の単結晶ウエハ各々を切断することにより、１０ｍｍの幅および長さを有する板（以下｛１００｝板と呼ぶ）が、１００枚準備される。この｛１００｝板の代表的な特性は、分極後の誘電率が８０００、相転移温度Ｔｒｔが９５℃、キュリー温度Ｔｃが１４０℃、圧電定数ｄ３３が２５００ｐＣ／Ｎ、抗電界が２．５ｋＶ／ｃｍである。
【００７０】
１００枚の｛１００｝板各々は、ダイサーを用いて、長さ及び幅が２．５ｍｍとなるように、切断される。なお、ダイサーによる｛１００｝板の切断に関する角度は、結晶方位｛１００｝のパターンが異なる任意の角度であってもよい。この切断により、複数の単結晶圧電振動素子が作製される。複数の単結晶圧電振動素子各々のｚ面における結晶方位は、｛１００｝である。
【００７１】
上記切断後に続いて、４００℃で０．２時間の熱処理が実行される。その後、予め２．５３ｍｍの幅を有するスリットを設けた０．１ｍｍの厚みのガラスエポキシ基板（以下、ガラエポと呼ぶ）が、ポリ四フッ化エチレン製の容器内に配置される。この容器に熱処理された複数の単結晶圧電振動素子を投入することにより、熱処理された複数の単結晶圧電振動素子は、このスリット内に１次元的に配列される。
【００７２】
幅２．５３ｍｍのスリットに幅２．５ｍｍの単結晶圧電振動素子を配列させるため、スリットの幅と単結晶圧電振動素子とのスペースは、３０μｍとなる。このスペースに、エポキシ樹脂が注入される。その後、真空脱泡が１５分間実行される。次いで、スペースに注入された液は、室温で２０時間経過後、１００℃で６時間の熱処理が実行され、完全に硬化される。
【００７３】
上記処理を複数の単結晶圧電素子各々に対して実行し、単結晶圧電振動素子間の溝を完全にエポキシ樹脂で埋めることにより、単結晶と樹脂との複合体を作製する。作製された複合体の厚みが０．３ｍｍとなるように、平面研削盤を用いて複合体の超音波放射面と背面と（以下両面と呼ぶ）が研磨される。これにより、ガラエポが複合体から除去される。その後、クロムが、両面に３０ｎｍの厚さでスパッタにより設けられる。次いで、金が、両面に３００ｎｍの厚さでスパッタにより設けられる。
【００７４】
クロムおよび金が設けられた複合体は、幅が１２ｍｍ、長さが７５ｍｍとなるよう切断される。切断された複合体に、室温で５ｋＶ／ｃｍの直流電界が１０分間印加される。この直流電界の印加により、複合体に含まれる複数の単結晶圧電振動素子は分極される。単結晶振動素子の充填率は９８％である。分極後の複合体の誘電率は７６００を示した。また、幅を０．１４ｍｍにアレイ及びサブダイシングした後の短冊状の複合体の結合係数ｋ３３’は８９乃至９２％であった。また、複合体を１９２チャンネルに分割した後での各チャンネルによる静電容量のばらつきは±４％以内であった。
【００７５】
比較として、直径８０ｍｍ径の同一材料の単結晶ウエハから切り出すことにより、｛１００｝板（幅１２ｍｍ、長さ３５ｍｍ）の単結晶圧電振動子を作製した。この単結晶圧電振動子の結合係数ｋ３３’は８７乃至９０％で、誘電率は７０００であり、１９２チャンネルに分割した後での各チャンネルによる静電容量の分布は±１７％であった。さらに、この工程により、振動子の割れが５５％で発生し、歩留まりは４５％であった。
【００７６】
比較として、誘電率が５５００の高誘電率ＰＺＴ系セラミクス材料を用いて幅１２ｍｍ、長さ７５ｍｍ、厚さ０．４５ｍｍの圧電振動子を作製した。この圧電振動子の幅を０．１４ｍｍにアレイ及びサブダイシングした後の短冊状の複合体の場合の結合係数ｋ３３’は６６乃至７０％で、誘電率は４８００であり、１９２チャンネルに分割した後での各チャンネルによる静電容量の分布は±４％以内であった。さらに、この工程により、振動子の割れが１０％で発生し、歩留まりは９０％であった。
【００７７】
以上のことから、本実施形態の方法で作製した複合単結晶圧電振動子における静電容量（誘電率）と結合係数とは、単結晶ウエハから切り出して作製した単結晶圧電振動子と比べてほぼ同等、更に複合単結晶圧電振動子におけるチャンネル毎の静電容量のばらつきは、通常のＰＺＴセラミクス並みに小さいことは明らかである。
【００７８】
加えて、本実施形態の方法で作製した複合単結晶圧電振動子の背面側に、信号用ＦＰＣと所定の厚みのバッキング材料とを接着し、超音波放射面側に複数の音響整合層とアース用ＦＰＣと音響レンズとを張り付けることにより、医用超音波プローブ２０１（以下、複合単結晶超音波プローブと呼ぶ）が作製される。上記単結晶圧電振動子の背面側に、信号用ＦＰＣと所定の厚みのバッキング材料とを接着し、超音波放射面側に複数の音響整合層とアース用ＦＰＣと音響レンズとを張り付けることにより、超音波プローブ（以下、単結晶超音波プローブと呼ぶ）が作製される。上記高誘電率ＰＺＴ系セラミクス材料による圧電振動子の背面側に、信号用ＦＰＣと所定の厚みのバッキング材料とを接着し、超音波放射面側に複数の音響整合層とアース用ＦＰＣと音響レンズとを張り付けることにより、超音波プローブ（以下、ＰＺＴセラミクス超音波プローブと呼ぶ）が作製される。この３種の超音波プローブ各々に対して、静電容量と感度との測定が実行される。
【００７９】
図１９は、本実施形態に係る複合単結晶超音波プローブと、従来の単結晶超音波プローブと、従来のＰＺＴセラミクス超音波プローブとにおける各チャンネルに対する静電容量のばらつきを示す図である。作製された超音波プローブ各々の静電容量は、インピーダンスアナライザ（４１９２Ａ、Ｙｏｋｏｇａｗａ  Ｈｅｗｌｅｔｔ  Ｐａｃｋａｒｄ）により測定される。静電容量は、共振周波数よりも十分に低い１ｋＨｚ、１ｖｒｍｓで測定される。測定された静電容量は、ＦＰＣの端部からの測定となるため、測定値にはＦＰＣの静電容量も含む。
【００８０】
図２０は、本実施形態に係る複合単結晶超音波プローブと、従来の単結晶超音波プローブと、従来のＰＺＴセラミクス超音波プローブとにおける各チャンネルに対する感度のばらつきを示す図である。図２１は、医用超音波プローブ２０１における各チャンネルの感度測定の方法を示す概略図である。水槽２００の水面近くに医用超音波プローブ２０１の先端が設置される。医用超音波プローブ２０１から引き出された信号用ＦＰＣ１０２にパルサー・レシーバ２０３（５８００、Ｐａｎａｍｅｔｒｉｃｓ）が接続される。パルサー・レシーバ２０３は、医用超音波プローブ２０１における各チャンネルを駆動させるための駆動信号を、各チャンネルに供給する。パルサー・レシーバ２０３には、オシロスコープ２０５が接続される。
【００８１】
医用超音波プローブ２０１は、パルサー・レシーバ２０３から供給された駆動信号により、超音波を発生する。また、医用超音波プローブ２０１は、パルサー・レシーバ２０３を介して、水面から深さ６ｃｍの位置に配置されたアクリル板２０７から反射された反射波を受信する。オシロスコープ２０５は、超音波の送受信により発生された送受信波形を計測する。３種類の超音波プローブにおける各チャンネルに対して、送受信波形の計測を実行することで、チャンネル間の感度分布が評価される。感度は、送受信波形の最大値と最小値の差（Ｖｐｐ）で表すこととした。
【００８２】
上記静電容量と感度との測定において、本実施形態の医用複合単結晶圧電振動子を有する医用超音波プローブ２０１における１９２チャンネルに亘る静電容量と感度とのばらつきは、ＰＺＴセラミクス超音波プローブ並みに小さく、かつ感度は単結晶圧電振動子からなる超音波プローブと同等であることが示される。また、接着、アレイダイシングなどのプローブ組み立て工程において、本実施形態の複合単結晶圧電振動子に割れなどは発生せず、歩留まりは100%であった。一方、通常の方法で製造した同一形状の単結晶振動子ではプローブの組み立て時に２０%以上の振動子に割れが生じ、製造歩留まりは８０％以下であった。
【００８３】
（実施例３）  
実施例３は、単結晶圧電振動子として、マグネシウムニオブ酸鉛−チタン酸鉛―ジルコン酸鉛を用いた場合である。具体的には、Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３―ＰｂＴｉＯ３−ＰｂＺｒＯ３における０．５Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−０．３４ＰｂＴｉＯ３−０．１６ＰｂＺｒＯ３（ＰＭＮＺＴ５０／３４／１６）の単結晶が、固体溶解結晶育成方法（Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ）により作製される。
【００８４】
次いで、この単結晶を｛１００｝面で切断することにより、０．５ｍｍの厚みＴを有する複数の単結晶ウエハが作製される。複数の単結晶ウエハ各々を切断することにより、１０ｍｍの幅及び長さを有する板（以下｛１００｝板と呼ぶ）が、１００枚準備される。複数の単結晶ウエハ各々における切断方向は、｛１００｝面（Ｚ面）に対して直角であることを除いて、任意である。この｛１００｝板の代表的な特性は、分極後の誘電率が６０００、相転移温度Ｔｒｔが１００℃、キュリー温度Ｔｃが１７５℃である。１００枚の｛１００｝板各々の片面に、無電界メッキ法により、パラジウムストライクが実行される。パラジウムストライクが実行された片面に、無電界メッキ法により、金属ニッケルが付けられる。金属ニッケルの厚みｔは、例えば、３μｍである。なお、金属ニッケルの厚みｔは、単結晶ウエハの厚みＴに対する金属ニッケルの厚みｔの割合が０．６％となるように、単結晶ウエハの厚みに応じて、適宜調整される。以下、付けられた金属ニッケルをＮｉ層と呼ぶ。
【００８５】
金属ニッケルが設けられた１００枚の｛１００｝板各々は、ダイサーを用いて、長さ及び幅が２．５ｍｍとなるように切断される。この切断により複数の平板振動素子が作製される。
【００８６】
複数の平板振動素子に対して、続いて、３００℃で１時間の熱処理が実行される。熱処理された複数の平板振動子は、５ｍｍの厚み、５０ｍｍの幅、１００ｍｍの長さを有するＮｄＦｅＢ系の磁石に、１００μｍの厚みを有するポリエチレンフィルムを介して３０μｍの間隔で配列される。具体的には、上記ＮｄＦｅＢ系磁石の５０×１００ｍｍの面に対して、２．５ｍｍの間隔で、３０μｍの幅と２００μｍの深さとを有する溝が作製される。溝が作製された面に１００μｍの厚みを有するポリエチレンフィルムが張り付けられる。Ｎｉ層を有する複数の板状振動素子が、溝が作製された磁石により、ポリエチレンフィルムを介して、３０μｍの間隔で固定される。
【００８７】
固定された複数の板状振動素子は、ポリ四フッ化エチレン製の容器に配置される。３０μｍの間隔に、エポキシ樹脂が注入される。その後、真空脱泡が５分間実行される。次いで、スペースに注入された液は、室温で２０時間さらに、６０℃で１２時間の熱処理が実行され、完全に硬化される。
【００８８】
上記処理を複数の単結晶圧電素子各々に対して実行し、単結晶圧電振動素子間の溝を完全にエポキシ樹脂で埋めることにより、単結晶と樹脂との複合体を作製する。作製された複合体におけるＮｉ層は、平面研削盤を用いて研磨されることにより、複合体から取り除かれる。この研磨により、複合体の厚みは０．３ｍｍとなる。その後、クロムが、両面に３０ｎｍの厚さでスパッタにより設けられる。次いで、金が、両面に３００ｎｍの厚さでスパッタにより設けられる。
【００８９】
クロムおよび金が設けられた複合体は、幅が１２ｍｍ、長さが７５ｍｍとなるよう切断される。切断された複合体に、室温で５ｋＶ／ｃｍの直流電界が１０分間印加される。この直流電界の印加により、複合体に含まれる複数の単結晶圧電振動素子は分極される。単結晶振動素子の充填率は９８％である。分極後の複合体の誘電率は５６００を示した。また、幅を０．１４ｍｍにアレイダイシングした後の短冊状の複合体の結合係数ｋ３３’は８９乃至９２％であった。また、複合体を１９２チャンネルに分割した後での各チャンネルによる静電容量のばらつきは±３％以内であった。
【００９０】
以上のことから、本実施形態の方法で作製した複合単結晶圧電振動子における静電容量（誘電率）と結合係数とは、単結晶ウエハから切り出して作製した単結晶圧電振動子と比べてほぼ同等、更に複合単結晶圧電振動子におけるチャンネル毎の静電容量のばらつきは、通常のＰＺＴセラミクス並みに小さいことは明らかである。
【００９１】
（実施例４）  
実施例４は、単結晶圧電振動子として、インジウムニオブ酸鉛−マグネシウムニオブ酸鉛―チタン酸鉛を用いた場合である。具体的には、Ｐｂ（Ｉｎ１／２Ｎｂ１／２）Ｏ３―Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３―ＰｂＴｉＯ３における０．２４Ｐｂ（Ｉｎ１／２Ｎｂ１／２）Ｏ３―０．４４Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３―０．３２ＰｂＴｉＯ３に（２４ＰＩＮ−４４ＰＭＮ−３２ＰＴ）の単結晶が、ブリッジマン法により作製される。
【００９２】
次いで、この単結晶を｛１００｝面で切断することにより、０．５ｍｍの厚みＴを有する複数の単結晶ウエハが作製される。複数の単結晶ウエハ各々を切断することにより、１０ｍｍの幅及び長さを有する板（以下｛１００｝板と呼ぶ）が、１００枚準備される。複数の単結晶ウエハ各々における切断方向は、｛１００｝面（Ｚ面）に対して直角であることを除いて、任意である。すなわち、複数の｛１００｝板のうち少なくとも一つにおけるＺ面と異なる他の面の結晶方位は、｛１００｝から１０°乃至１７０°の範囲で異なっている。
【００９３】
この｛１００｝板の代表的な特性は、室温２５℃において、分極後の誘電率が９０００、相転移温度Ｔｒｔが１００℃、キュリー温度Ｔｃが１８０℃、抗電界Ｅｃが６ｋＶ／ｃｍ、圧電定数ｄ３３が３５００ｐＣ／Ｎである。１００枚の｛１００｝板各々の両面に、無電界メッキ法により、パラジウムストライクが実行される。パラジウムストライクが実行された両面に、無電界メッキ法により、金属ニッケルが付けられる。金属ニッケルの厚みｔは、単結晶ウエハの厚みＴに対する金属ニッケルの厚みｔの割合（以下厚み割合ｔ／Ｔと呼ぶ）が０．２％、０．４％、０．６％、１％、２％、４％となるように、それぞれ１．０μｍ、２．０μｍ、３μｍ、５μｍ、１０μｍ、２０μｍである。以下、付けられた金属ニッケルをＮｉ層と呼ぶ。
【００９４】
金属ニッケルが設けられた１００枚の｛１００｝板各々は、ダイサーを用いたアレイダイシングにより、長さ及び幅が０．１５ｍｍとなるように切断される。ダイサーを用いた｛１００｝板の切断は、片面のＮｉ層を剥離させる。この切断により複数の棒状振動素子が作製される。
【００９５】
複数の棒状振動素子に対して、続いて、３００℃で１時間の熱処理が実行される。熱処理された複数の棒状振動素子は、５ｍｍの厚み、５０ｍｍの幅、１００ｍｍの長さを有するＮｄＦｅＢ系の磁石に、５０μｍの厚みを有するポリエチレンフィルムを介して配列される。しかしながら、厚み割合ｔ／Ｔが０．２％（金属ニッケルの厚み：１μｍ）において、磁力による棒状振動素子の固定はできずに、ポリエチレン上の任意の位置に配列および固定させることは困難であった。また、厚み割合ｔ／Ｔが４％では、アレイダイシングにより、複数の棒状状振動子のうち５０％以上の棒状振動素子に関して、剥離されたＮｉ層の反対面のＮｉ層の剥がれが生じた。このため、フィルムを介した磁力を用いて、棒状振動素子を任意の位置に固定させるためには、厚み割合ｔ／Ｔが０．５乃至３％の範囲が必要であることが判明した。加えて、厚み割合ｔ／Ｔが４％に達すると、Ｎｉ層の剥がれや基板のそりが生じて満足な複合単結晶圧電振動子が作製できないことが判明した。
【００９６】
厚み割合ｔ／Ｔが０．５％（金属ニッケルの厚み：２．５μｍ）のニッケル層を有する複数の棒状振動素子間の間隔を２０μｍにした３−１複合単結晶圧電振動子が作製される。具体的には、上記磁石に対して、０．１７ｍｍの間隔で、６０μｍの幅を有する溝が作製される。溝が作製された面に５０μｍの厚みを有するポリエチレンフィルムが張り付けられる。Ｎｉ層を有する複数の棒状振動素子が、溝が作製された磁石により、ポリエチレンフィルムを介して、６０μｍの間隔で固定される。
【００９７】
固定された複数の棒状振動素子は、ポリ四フッ化エチレン製の容器に配置される。６０μｍの間隔に、シリコーン樹脂が注入される。その後、真空脱泡が５分間実行される。次いで、スペースに注入された液は、室温で２０時間かけて硬化される。
【００９８】
上記処理を複数の単結晶圧電素子各々に対して実行し、単結晶圧電振動素子間の溝を完全にシリコーン樹脂で埋めることにより、単結晶と樹脂との複合体を作製する。作製された複合体におけるＮｉ層は、平面研削盤を用いて研磨されることにより、複合体から取り除かれる。この研磨により、複合体の厚みは０．３ｍｍとなる。その後、酸化マンガンが、両面に５ｎｍの厚さでスパッタにより設けられる。次いで、金属（例えばＴｉ）が、両面に３０ｎｍの厚さでスパッタにより設けられる。上記金属は、パラジウム、ニッケル、クロム、チタンのうちいずれか一つの金属である。最後に、金が両面に３００ｎｍの厚さでスパッタにより設けられる。
【００９９】
酸化マンガン、チタンおよび金が設けられた複合体は、幅が１２ｍｍ、長さが７５ｍｍとなるよう切断される。切断された複合体に、室温で８ｋＶ／ｃｍの直流電界が１０分間印加される。この直流電界の印加により、複合体に含まれる複数の棒状振動素子は分極される。棒状振動素子の充填率は７８％である。分極後の複合体の誘電率は７０００を示した。また、０．３ｍｍの幅でアレイダイシングした後の短冊状の複合体の結合係数ｋ３３’は９０乃至９３％であった。また、複合体を１９２チャンネルに分割した後での各チャンネルによる静電容量のばらつきは±４％以内であった。また、複合体から上記幅が１２ｍｍ、長さが７５ｍｍに切断された複合単結晶圧電振動子（厚み０．３ｍｍ）は１０枚作製されたが、この複合単結晶圧電振動子の作製工程において、割れは発生せず、歩留まりは１００％であった。
【０１００】
比較として、直径８０ｍｍ径の同一材料の単結晶ウエハから切り出すことにより、｛１００｝板（幅１２ｍｍ、長さ３５ｍｍ）の複数の単結晶圧電振動子を作製した。この単結晶圧電振動子に対する研磨、電極付け、分極において、３０％の単結晶圧電振動子に割れが生じた。また、０．１４ｍｍの幅でアレイダイシングした後の短冊状の単結晶圧電振動子の結合係数ｋ３３’は８７乃至９２％で、誘電率は７８００であり、１９２チャンネルに分割した後での各チャンネルによる静電容量の分布は±１９％であった。
【０１０１】
比較として、誘電率が５５００の高誘電率ＰＺＴ系セラミクス材料を用いて幅１２ｍｍ、長さ７５ｍｍの圧電振動子を作製した。この圧電振動子に対する研磨、電極付け、分極において、１０％の圧電振動子に割れが生じた。また、０．１４ｍｍの幅でアレイダイシングした後の短冊状の圧電振動子の結合係数ｋ３３’は６６乃至７０％で、誘電率は４８００であり、１９２チャンネルに分割した後での各チャンネルによる静電容量の分布は±４％であった。
【０１０２】
以上のことから、本実施形態の方法で作製した複合単結晶圧電振動子における誘電率は、単結晶ウエハから切り出して作製した単結晶圧電振動子と比べてほぼ同等、更に複合単結晶圧電振動子におけるチャンネル毎の静電容量のばらつきは、通常のＰＺＴセラミクス並みに小さく、さらに割れが少ないことは明らかである。
【０１０３】
（実施例５）  
実施例５は、単結晶圧電振動子として、マグネシウムニオブ酸鉛―チタン酸鉛を用い、複合単結晶圧電振動子の１チャンネルに含まれる複数の単結晶圧電振動子における少なくとも一つのキュリー温度が、他のキュリー温度と異なる場合である。具体的には、Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３―ＰｂＴｉＯ３における７４ＰＭＮ−２６ＰＴ、７３ＰＭＮ−２７ＰＴ、７２ＰＭＮ−２８ＰＴ、７１ＰＭＮ−２９ＰＴ、７０ＰＭＮ−３０ＰＴ、６９ＰＭＮ−３１ＰＴ、６８ＰＭＮ−３２ＰＴの単結晶各々が、ブリッジマン法により作製される。
【０１０４】
次いで、この単結晶各々を｛１００｝面で切断することにより、０．５ｍｍの厚みＴを有する複数の単結晶ウエハが作製される。複数の単結晶ウエハ各々を切断することにより、１１ｍｍの幅および長さを有する板（以下｛１００｝板と呼ぶ）が、単結晶各々に対して、１０枚ずつ準備される。単結晶各々に対応する｛１００｝板のキュリー温度は、それぞれ約１２５℃、１３０℃、１３５℃、１４０℃、１４５℃、１５０℃、１５５℃である。
【０１０５】
７０枚の｛１００｝板各々は、ダイサーを用いて、長さ及び幅が１．５ｍｍとなるように、切断される。なお、ダイサーによる｛１００｝板の切断に関する角度は、結晶方位｛１００｝のパターンが異なる任意の角度であってもよい。この切断により、複数の単結晶圧電振動素子が作製される。複数の単結晶圧電振動素子各々のｚ面における結晶方位は、｛１００｝である。
【０１０６】
複数の単結晶圧電振動素子は混合されて、その後、６００℃で１時間の熱処理が実行される。続いて、予め角穴または丸穴を開けたフィルムが、ポリ四フッ化エチレン製の容器内に配置される。この容器に熱処理された複数の単結晶圧電振動素子を投入することにより、熱処理された複数の単結晶圧電振動素子は配列される。単結晶圧電振動素子間のスペースは、例えば、５０μｍである。このスペースに、エポキシ樹脂が注入される。その後、真空脱泡が５分間実行される。次いで、スペースに注入された液は、室温で２０時間経過後、１００℃で６時間の熱処理が実行され、完全に硬化される。
【０１０７】
上記処理を複数の単結晶圧電素子各々に対して実行し、単結晶圧電振動素子間の溝を完全にエポキシ樹脂で埋めることにより、単結晶と樹脂との複合体を作製する。作製された複合体の厚みが０．３ｍｍとなるように、平面研削盤を用いて複合体の超音波放射面と背面と（以下両面と呼ぶ）が研磨される。その後、クロムが、両面に３０ｎｍの厚さでスパッタにより設けられる。次いで、金が、両面に３００ｎｍの厚さでスパッタにより設けられる。
【０１０８】
クロムおよび金が設けられた複合体は、幅が１２ｍｍ、長さが７５ｍｍとなるよう切断される。切断された複合体に、室温で５ｋＶ／ｃｍの直流電界が１０分間印加される。この直流電界の印加により、複合体に含まれる複数の単結晶圧電振動素子は分極される。作製された複合体に関する単結晶振動素子の充填率は９８％である。分極後の複合体の誘電率は５３００を示した。また、幅を０．１５ｍｍにアレイ及びサブダイシングした後の短冊状の複合体の誘電率は５２００であった。また、複合体を１９２チャンネルに分割した後での各チャンネルによる静電容量のばらつきは±４％以内であった。
【０１０９】
比較として、キュリー温度Ｔｃの異なる長さ及び幅が１２ｍｍの｛１００｝板を６枚張り合わせて、長さが７２ｍｍ、幅が１２ｍｍの貼り合わせ振動子が作製された。貼り合わせ振動子を１９２チャンネルに分割した後での各チャンネルによる静電容量のばらつきは±３４％であった。
【０１１０】
比較として、誘電率が６０００の高誘電率ＰＺＴ系セラミクス材料を用いて、長さ７５ｍｍ、幅１２ｍｍの圧電振動子を作製した。
【０１１１】
この圧電振動子を０．３ｍｍの幅でアレイ及びサブダイシングした場合の短冊振動子の誘電率は５６００であり、１９２チャンネルに分割した後での各チャンネルによる静電容量分布は±４％であった。
【０１１２】
以上のことから、本実施形態の方法で作製した複合単結晶圧電振動子における誘電率は、単一の単結晶ウエハから切り出して作製した単結晶圧電振動子と比べてほぼ同等、更に複合単結晶圧電振動子におけるチャンネル毎の静電容量のばらつきは、通常のＰＺＴセラミクス並みに小さいことは明らかである。このように、異なるキュリー温度Ｔｃを有する複数の単結晶圧電振動子を混合、配列させることで、１チャンネル内に複数のキュリー温度Ｔｃと、チャンネル間で静電容量の均一性とを有し、長さが７０ｍｍ以上の大型の医用複合単結晶圧電振動子を作製することが出来る。さらに、単結晶ウエハに対する振動子への利用可能部分が増えるため、低コスト化も実現できる。
【０１１３】
（実施例６）  
実施例６は、単結晶圧電振動子としてインジウムニオブ酸鉛−マグネシウムニオブ酸鉛―チタン酸鉛を用いて、高周波リニア振動子を作製した場合である。具体的には、まず、Ｐｂ（Ｉｎ１／２Ｎｂ１／２）Ｏ３―Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３―ＰｂＴｉＯ３における０．３２Ｐｂ（Ｉｎ１／２Ｎｂ１／２）Ｏ３―０．３６Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３―０．３２ＰｂＴｉＯ３に（３２ＰＩＮ−３６ＰＭＮ−３２ＰＴ）の単結晶が、ブリッジマン法により作製される。
【０１１４】
次いで、この単結晶を｛１００｝面で切断することにより、０．３ｍｍの厚みＴを有する複数の単結晶ウエハが作製される。複数の単結晶ウエハ各々を切断することにより、１０ｍｍの幅及び長さを有する板（以下｛１００｝板と呼ぶ）が、５０枚準備される。この｛１００｝板における代表的な特性は、実施例４における特性と同一である。この５０枚の｛１００｝板各々の両面に、無電界メッキ法により、パラジウムストライクが実行される。パラジウムストライクが実行された両面に、無電界メッキ法により、金属ニッケルが付けられる。金属ニッケルの厚みｔは、単結晶ウエハの厚みＴに対する金属ニッケルの厚みｔの割合（以下厚み割合ｔ／Ｔと呼ぶ）が０．７５％となるように、２．５μｍである。以下、付けられた金属ニッケルをＮｉ層と呼ぶ。
【０１１５】
金属ニッケルが設けられた５０枚の｛１００｝板各々は、ダイサーを用いたアレイダイシングにより、長さ及び幅が２ｍｍとなるように切断される。複数の単結晶ウエハ各々における切断方向は、｛１００｝面（Ｚ面）に対して直角であることを除いて、任意である。すなわち、複数の｛１００｝板のうち少なくとも一つにおけるＺ面と異なる他の面の結晶方位は、｛１００｝から１０°乃至１７０°の範囲で異なっている。この切断により複数の板状振動素子が作製される。
【０１１６】
複数の板状振動素子に対して、続いて、３００℃で０．５時間の熱処理が実行される。その後、熱処理された複数の板状振動素子は分極される。分極された複数の板状振動素子に関する静電容量とインピーダンスとが測定される。この測定により、各々の平均値から±１０％以内の板状振動素子が選別される。
【０１１７】
選別された複数の板状振動素子は、５ｍｍの厚み、６０ｍｍの幅、６０ｍｍの長さを有するＮｄＦｅＢ系またはＳｍＣｏＦｅ系の磁石に、５０μｍの厚みを有するポリ四フッ化エチレンのフィルムを介して、磁力により、５μｍの間隔で配列される。具体的には、上記ＮｄＦｅＢ系磁石の６０×６０ｍｍの面に対して、２．００５ｍｍの間隔で、０．３ｍｍの幅と０．５ｍｍの深さとを有する溝が作製される。溝が作製された面に５０μｍの厚みを有するポリ四フッ化エチレンのフィルムが張り付けられる。例えば、図１２のように、Ｎｉ層を有する複数の板状振動素子が、溝が作製された磁石により、ポリ四フッ化エチレンのフィルムを介して、５μｍの間隔で固定される。
【０１１８】
固定された複数の板状振動素子は、ポリ四フッ化エチレン製の容器に配置される。固定された複数の板状振動素子の周囲に、直径が５５ｍｍで厚みが０．５ｍｍのポリ四フッ化エチレン製のリングが、外枠として配置される。エポキシ樹脂が、外枠内部に、注入される。その後、真空脱泡が１５分間実行される。次いで、スペースに注入された液は、室温で１時間さらに、８０℃で６時間の熱処理が実行され、完全に硬化される。
【０１１９】
上記処理を複数の単結晶圧電素子各々に対して実行し、単結晶圧電振動素子間の溝を完全にエポキシ樹脂で埋めることにより、単結晶と樹脂との複合体を作製する。作製された複合体におけるＮｉ層は、平面研削盤を用いて研磨されることにより、複合体から取り除かれる。この研磨により、複合体の厚みは０．１ｍｍとなる。その後、チタンが、両面に３０ｎｍの厚さでスパッタにより設けられる。次いで、金が、両面に３００ｎｍの厚さでスパッタにより設けられる。
【０１２０】
チタンおよび金が設けられた複合体は、幅が８ｍｍ、長さが４５ｍｍとなるよう切断される。切断された複合体に、室温で５−１０ｋＶ／ｃｍの直流電界が０．５ｋｖ/mmステップで段階的に各５分間印加される。この直流電界の印加により、複合体に含まれる複数の単結晶圧電振動素子は分極される。複合体に対する単結晶振動素子の充填率は９９．７５％である。分極後の複合体の誘電率は７０００を示した。また、幅を０．０５ｍｍにアレイダイシングした後の短冊状の複合体の結合係数ｋ３３’は８６乃至９０％であった。また、複合体を１９２チャンネルに分割した後での各チャンネルによる静電容量のばらつきは±４％以内であった。また、上記製造方法で複合体を１０枚作製したが、全工程において割れは発生せず、歩留まりは１００％であった。
【０１２１】
比較として、直径６０ｍｍ径の同一材料の単結晶ウエハから切り出すことにより、｛１００｝板（幅８ｍｍ、長さ４５ｍｍ、厚み０．１ｍｍ）の複数の単結晶圧電振動子を作製した。この単結晶圧電振動子に対する研磨、電極付け、分極及び測定中において、約５０％の単結晶圧電振動子に割れが生じた。さらに、単結晶圧電振動子を短冊状に切断した後における短冊状の単結晶圧電振動子の結合係数ｋ３３’は８６乃至９０％で、誘電率は６８００であり、１００チャンネルに分割した後での各チャンネルによる静電容量の分布は±１５％であった。
【０１２２】
比較として、誘電率が５５００の高誘電率ＰＺＴ系セラミクス材料を用いて幅８ｍｍ、長さ４５ｍｍ、厚み０．１３ｍｍの圧電振動子を作製した。続けて、また、０．１４ｍｍの幅でアレイダイシングした後における短冊状の圧電振動子の結合係数ｋ３３’は６３乃至６８％で、誘電率は４４００であり、１００チャンネルに分割した後での各チャンネルによる静電容量の分布は±４％であった。また、製造歩留まりは８０％であった。
【０１２３】
以上のことから、本実施形態の方法で作製した複合単結晶圧電振動子における誘電率は、単結晶ウエハから切り出して作製した単結晶圧電振動子と比べてほぼ同等、更に複合単結晶圧電振動子におけるチャンネル毎の静電容量のばらつきは、通常のＰＺＴセラミクス並みに小さい。加えて、０．１ｍｍの厚みを有する薄い複合単結晶圧電振動子を本実施形態の製造方法で作製しても、製造歩留まりが高いことは明らかである。
【０１２４】
（実施例７）  
実施例７は、単結晶圧電振動子としてインジウムニオブ酸鉛−マグネシウムニオブ酸鉛―チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｉｎ１／２Ｎｂ１／２）Ｏ３―Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３―ＰｂＴｉＯ３における０．２４Ｐｂ（Ｉｎ１／２Ｎｂ１／２）Ｏ３―０．４４Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３―０．３２ＰｂＴｉＯ３に（２４ＰＩＮ−４４ＰＭＮ−３２ＰＴ））の単結晶を用いて、医用超音波プローブ２０１を作製した場合である。具体的には、まず、実施例４に示した製造方法で複合単結晶圧電振動子（幅１２ｍｍ、長さ７５ｍｍ、厚み０．３ｍｍ）が作製される。
【０１２５】
作製された複合単結晶圧電振動子の｛１００｝面に、第１の音響整合として、０．４ｍｍの厚みであって、１５ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有するガラス板が接着される。第１の音響用整合層の前面に、第２の音響用整合層として、０．２ｍｍの厚みがであって、５．８ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有するカーボンが接着される。電極取出しとして、アース用ＦＰＣが、カーボンの前面に接着される。アース用ＦＰＣの前面に、第３の音響用整合層として、０．１８ｍｍの厚みがであって、２．１ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有する軟質エポキシ樹脂が接着される。電極取出しとして、信号用ＦＰＣが複合単結晶圧電振動子の背面に接着される。
【０１２６】
複合単結晶圧電振動子に複数の音響整合層とＦＰＣとを接着した接着体は、５０μｍの厚みのダイサーブレードを用いて、接着体の長さ７５ｍｍに対して０．１４ｍｍの幅でサブダイスされる。サブダイスされた０．１４ｍｍ×１２ｍｍを有する複数の領域において、２つの領域で１チャンネルが構成される。すなわち、上記サブダイスにより１９２チャンネルを有するコンベックス型超音波プローブが作製される。上記サブダイス後、複合単結晶圧電振動子に含まれる複数の単結晶圧電振動子各々に、２４０Ｖ（０．８ｋＶ／ｍｍ）の直流電圧が、１分間印加される。上記直流電圧の印加により、複数の単結晶圧電振動子各々は分極される。作製された医用超音波プローブ２０１における各チャンネルの特徴が通常の方法で測定される。以下の表１は、実施例７で作製された医用超音波プローブ２０１において、測定された各チャンネルの特徴を示す表である。なお、表１には、比較として、参考例１が示されている。参考例１は、２４ＰＩＮ−４４ＰＭＮ−３２ＰＴにより作製された複合化されていない超音波プローブに対して測定された各チャンネルの特徴を示している。
【表１】
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【０１２７】
上記表１から明らかなように、実施例４に関する複合単結晶圧電振動子を用いて作製したコンベックス型超音波プローブ（実施例７）は、同一材料の単結晶（ＰＩＮ−ＰＭＮ−ＰＴ）に関する１枚の｛１００｝板から作製した３成分系振動子を用いたプローブ（参考例１）に比べて、チャンネル間の帯域のばらつき、感度ばらつきが小さい。更に本実施例の複合単結晶圧電振動子を用いてプローブを作製する場合、複合単結晶圧電振動子の長さが７０ｍｍ以上と大きくても、更に厚みが０．１５ｍｍ以下と薄くても、プローブの製造プロセス中に割れが生じないために、高い製造歩留まりで医用超音波プローブ２０１を作製することが出来る。
【０１２８】
なお、本実施例おける医用複合単結晶圧電振動子に含まれる単結晶圧電振動素子の結晶方位｛１００｝を超音波放射面側に配置したのは、従来に比べて高い誘電率と結合係数とを得るためである。また、チャンネル各々について、単結晶圧電振動素子のうち少なくとも一つにおける第１方向に垂直な第１面（ｘ面）の結晶方位は、他の単結晶圧電振動素子における第１面（ｘ面）の結晶方位と異なり、単結晶圧電振動素子のうち少なくとも一つにおける第２方向に垂直な第２面（ｙ面）の結晶方位は、他の単結晶圧電振動素子における第２面（ｙ面）の結晶方位と異なること、すなわち、ｚ面における結晶方位パターンの差異が、１０°乃至１７０°の任意の範囲で異なるようにしたのは、この角度範囲において、単結晶圧電振動子の横振動（スプリアス）を効果的に抑制するためと、チャンネル毎の誘電率（静電容量）や結合係数のばらつきを低減させるためである。上記角度範囲以外では、スプリアス効果的に抑制することは困難であり、チャンネル毎の誘電率（静電容量）や結合係数のばらつきは大きくなる。
【０１２９】
また、１チャンネルに含まれる複数の単結晶圧電振動素子が少なくとも３個以上としたのは、チャンネル毎の静電容量のばらつきを低下させ、スプリアスを抑制し、振動子の割れを低減させるためである。1チャンネルに含まれる単結晶圧電振動素子が３個以下では、チャンネル毎の静電容量のばらつきを低減させることと、スプリアスを抑制することと、振動子の割れを低減させることとに対する効果は薄れる。さらに好ましくは、１チャンネルに含まれる単結晶圧電振動素子の数は、４乃至１０個である。
【０１３０】
本実施例に係り、複数の棒状振動子または板状振動子の分極方向に垂直なｚ面が同一平面内に位置するように配列された医用複合単結晶圧電振動子において、医用複合単結晶圧電振動子の最長辺の長さを３５乃至８０ｍｍに限定した理由は、以下の通りである。まず、最長辺の長さが３５ｍｍ以下の振動子を持つ超音波プローブの場合、例えば、図２２に示すように、単結晶圧電振動子内の特性ばらつきは比較的に小さいために、チャンネル間や振動子間の特性ばらつきは大きな問題にならないためである。また、最長辺の長さが８０ｍｍを超える単結晶圧電振動子は、超音波プローブの製造工程において、変形（反り）が生じること、およびこの変形により割れが生じやすいためである。
【０１３１】
本実施例に係り、１チャンネルを構成する第２方向の長さ（例えば図７の幅Ｗ）を４乃至１５ｍｍに限定した理由は、４ｍｍ以下の長さでは、本方法を用いても均一な特性を有する複合単結晶圧電振動子を作製することが困難であり、１５ｍｍ以上では、超音波プローブの製造工程において、変形（反り）が生じること、およびこの変形により割れが生じやすいためである。
【０１３２】
本実施例に係り、複合単結晶圧電振動子の厚みを０．０５乃至０．５ｍｍに限定した理由は、以下のとおりである。被検体体表面から最も深い部分（例えば胎児、心臓など）に送信される超音波の中心周波数は２ＭＨｚであり、被検体体表面から最も浅い部分（例えば眼球、皮膚など）に送信される超音波の中心周波数は２０ＭＨｚであるので、これらの周波数に対応した振動子の厚みの幅が、０．０５乃至０．５ｍｍである。
【０１３３】
本実施例に係り、アレイダイシングされる幅が０．０５乃至０．４ｍｍに限定した理由は、以下のとおりである。スプリアスを抑えるためのアレイダイシングの幅は、概ね上記振動子の厚みの７０％であるため、０．０３５乃至０．３５ｍｍである。０．０３５ｍｍでアレイダイシングを実行すると超音波プローブの歩留まりが悪いため、アレイダイシングされる幅の下限は、歩留まりを向上させるために０．０５ｍｍとなる。また、スプリアスを低減させるために、アレイダイシングされる幅の上限は、０．４ｍｍとなる。
【０１３４】
本実施例に係り、１チャンネルに含まれる複数の単結晶圧電振動素子にそれぞれ対応する複数のキュリー温度Ｔｃに関して、キュリー温度Ｔｃの最大値と最小値との温度差を５乃至３０℃に限定する理由は、以下のとおりである。温度差が５℃以下の場合、大型形状の単結晶圧電振動子の特性に関する均一性が改善される効果が乏しくなる。また、温度差が３０℃以上の場合、上記特性の均一性の改善、更に高い誘電率、感度を得ることが困難となる。キュリー温度Ｔｃの最大値と最小値との温度差を５乃至３０℃（以下、温度差範囲と呼ぶ）に限定することにより、１チャンネルに含まれる複数の単結晶圧電振動素子に関する特性のばらつきは、±１０％以下にすることが出来る。従って、本製造方法で製造された医用複合単結晶圧電振動子において、１チャンネルに含まれる複数の単結晶圧電振動素子に関するチャンネル番号に対するキュリー温度の関係を示す曲線は、上記温度差範囲において、複数の変曲点を有する。
【０１３５】
本実施例に係る単結晶圧電振動素子の圧電材料として、４０乃至７５ｍｏｌ％のマグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ）、０乃至３５ｍｏｌ％のインジウムニオブ酸鉛（ＰＩＮ）及び２５乃至６０ｍｏｌ％のチタン酸鉛（ＰＴ）を含むことに限定した理由は、上記以外の範囲では高い誘電率や結合係数が得られないためである。また、これらの材料に２０ｍｏｌ％以下のジルコン酸鉛、または１ｍｏｌ％以下の少量の鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）、バナジウム（Ｖ）などの酸化物が、上記圧電材料に添加されてもよい。これらの単結晶は、ブリッジマン法以外に、引き上げ法、固相反応法、フラックス法で作製されてもよい。
【０１３６】
本実施例に係る電極において、半導体性酸化マンガンの厚みを５ｎｍ乃至３０ｎｍで空隙率は、２０乃至８０％（多孔質）に限定する理由は、以下のとおりである。まず、酸化マンガンの厚みが５ｎｍより薄いと、誘電率を増加させる効果はほとんど見られない。また、酸化マンガンの厚みが３０ｎｍを超えると、誘電率は低下する。従って、酸化マンガンの厚みは、５ｎｍ乃至３０ｎｍである必要がある。なお、上記範囲の厚みを有する酸化マンガンの空隙率は、２０乃至８０％（多孔質）とする理由は２０％以下の空隙率では誘電率を向上させる効果が充分でなく、８０％を超えると誘電率が低下するためである。また酸化マンガンと同様に金属と比較して抵抗率が大きな酸化物電極であるＺｎＯ、ＴｉＯｘ、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）、ＳＲＯ（ストロンチウムルテニウムオキサイド）、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）などを用いても同様な効果が得られるためにこれらも本発明の範囲である。
【０１３７】
多孔質の酸化マンガンに次いで、パラジウム、ニッケル、クロム、チタンのうちいずれか一つの金属を１０乃至５０ｎｍの厚みで下地電極として設け、下地電極に続けて１００乃至４００ｎｍの厚みで金を積層させることで、医用複合単結晶圧電振動子の誘電率および圧電定数を向上させることが出来る。加えて、チャンネル感度も向上され、チャンネル感度のばらつきも均一化できる。
【０１３８】
本実施形態の医用複合単結晶圧電振動子を作製する方法において、作製された単結晶圧電振動素子の中で一つのチャンネルを構成する複数の単結晶圧電振動素子のうち少なくとも一つにおける第１面（ｘ面）、第２面（ｙ面）の結晶方位が、上記一つのチャンネルに含まれる他の単結晶圧電振動素子における第１面（ｘ面）、第２面（ｙ面）の結晶方位とそれぞれ異なるように、結晶方位｛１００｝面を超音波放射面側に配置させて単結晶圧電振動素子を配列することにより、効率的に、均一な特性を有する大型の複合単結晶圧電振動子を作製することができる。なお、本実施形態の医用複合単結晶圧電振動子を作製する方法は、複数の単結晶圧電振動素子を作製後、作製された複数の単結晶圧電振動素子に対して熱処理、混合、検査選別する工程をさらに具備していてもよい。
【０１３９】
本実施形態の医用複合単結晶圧電振動子を作製する方法において、複数の棒状振動素子または複数の板状振動素子を配列させる場合、上記素子の厚みＴに対して０．４乃至３％の磁性層厚みｔを上記素子に設け、磁性層が設けられた複数の棒状振動素子または複数の板状振動素子を、磁力を用いて任意の位置に配列させることに関して、ｔ／Ｔを０．４乃至３％に限定する理由は、以下のとおりである。ｔ／Ｔが０．４％以下の磁性層では磁力で素子を配列、固定させることが困難となり、更に３％以上の厚みではダイサーで切断時に磁性層が剥がれが生じやすく、さらに基板の反りが出るためである。なお、更に好ましい磁性層の厚みは片面で１乃至５μｍである。
【０１４０】
以上に述べた構成および方法によれば、以下の効果を得ることができる。  
本実施形態によれば、長さＬが３５乃至５０ｍｍ程度、幅Ｗが５乃至１０ｍｍ程度で厚みＴが０．０５乃至０．１５ｍｍの高周波リニアプローブ用振動子や、長さＬが７５ｍｍ程度で幅Ｗが１０乃至１５ｍｍ程度で厚みＴが０．２乃至０．４ｍｍの腹部コンベックスプローブ用振動子のような大型の複合単結晶圧電振動子を製造する際に、チャンネル間、及び振動子間におけるプローブ感度のバラツキと、アレイダイシング後における振動子の特性の劣化とを低減させることができる。また、これらの方法で作製された複合単結晶圧電振動子を用いて医療用アレイ式超音波プローブを作製することにより、超音波プローブにおけるチャンネルの感度と比帯域の特性ばらつきとを低減させることが出来る。更に、超音波プローブに含まれる短冊振動子の幅振動によるスプリアスを効果的に低下させることが出来る。これにより、プローブ感度を向上させることが出来る。加えて、本実施形態における他の効果として、単結晶インゴットのより多くの場所から単結晶ウエハを多量に効率良く作製できるとともに、超音波プローブの組み立て時において、振動素子の破壊が生じにくいために、製造歩留まりの良い超音波プローブを作製することが出来る。
【０１４１】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【０１４２】
１…医用複合単結晶圧電振動子、３…ｘ面、５…ｙ面、７…樹脂、４０…単結晶圧電振動素子、５０…棒状振動素子、５１…板状振動素子、５２…棒状振動素子、５３…板状振動子、５５…棒状振動素子、１３…フィルム、１５…樹脂、１６…磁石、１７…櫛形磁石、２３…スペーサ、１００…バッキング材、１０２…信号用ＦＰＣ、１０６…第１の音響整合層、１０８…第２の音響整合層、１１０…アース用ＦＰＣ、１１２…音響レンズ、６０…丸穴、２００…水槽、２０１…医用超音波プローブ、２０３…パルサー・レシーバ、２０５…オシロスコープ、２０７…アクリル板
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【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１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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