JPH01174199A - 多層型超音波探触子の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的コ （産業上の利用分野） 本発明は、超音波診断装置等に用いられる多層型超音波
探触子の製造方法に関するものである。

（従来の技術） 超音波探触子は、圧電素子を用いた超音波の送受波器で
あり、超音波の反射により対象物内部の状態を検査する
医用超音波診断装置や超音波金属探傷装置に用いられて
いる。各種の超音波探触子の中で、分解能を高める目的
で複数の細長い振動子をアレイ状に配列した、いわゆる
アレイ型超音波探触子が多用されている。また、近年、
血流のドツプラ情報を得ることが可能な超音波診断装置
が開発され、製造されている。かかる装置に使用される
超音波探触子は、いわゆる電子セクタ用超音波探触子と
称され、前記アレイ型超音波探触子と同様な構造を存す
るが、形状的に更に小さくなっている。こうしたアレイ
型超音波探触子や電子セクタ用超音波探触子は、例えば
心臓の冠状動脈のドツプラ信号を得るための研究に使用
されることから、その需要は今後更に増大するものと考
えられる。

一方、超音波探触子と送受信系との信号伝達を考えた場
合、Ｓ／Ｎの向上の観点からインピーダンスを小さくす
ることが望ましい。このため、圧電セラミックス材料の
開発、更に圧電セラミックス層と内部電極層との積層化
が図られている。例えば、次のような積層構造を有する
アレイ型超音波探触子の製造方法が知られている。まず
、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系の圧電セラミック
スを主成分とするグリーンシート上に内部電極用金属粉
末を含むペースト状物を塗布した後、該グリーンシート
を用いて前記ペースト状物の塗膜が少なくとも１層介在
された積層物を作製する。つづいて、この積層物を焼成
して圧電セラミックス層間に内部電極層を一体化した後
、外径加工を施した後、外部電極層を形成する。次いで
、この積層構造材をバッキング材に固定すると共に、前
記外部’Ｋ１層へのリードの接続を行い、更に上面に整
合層を形成した後、ダイヤモンドブレード等により整合
層及び積層構造材をアレイ状に切断してアレイ型超音波
探触子を製造する。こうして製造された超音波探触子は
、複数の圧電セラミックスの間に少なくとも１層の内部
電極層を形成し、史に外部電極を形成した積層構造材を
ブレードでアレイ状の切断した細長状の振動子と、これ
ら振動子を固定するバッキング材と、前記振動子の外部
電極に接続されるリード線と、前記各振動子の表面に設
けられた整合層とから構成されている。かかる構造の探
触子においては、前述した分解能の向上の観点から外部
電極層が形成された積層構造材をブレードにより狭い幅
に切断する必要がある。

また、ブレードでの切断後においては内部電極のオープ
ン不良が発生しないように焼成により圧電セラミックス
層に一体化された内部電極層がその切断方向に沿って繋
がっていることが必要である。

更に、前記分解能の向上を目的として今後、リードを通
して外部電極及び内部電極に高い周波数が与えられるこ
とから、内部電極を良好な導電状態に維持することが必
要である。

しかしながら、前述した方法で製造された超音波探触子
は焼成後での金属粉末を含む内部電極層が圧電セラミッ
クス層に対して良好に密着していないため、ダイヤモン
ドブレードによる切断に際し、内部電極が剥離する問題
があった。特に、該ブレードによる切断ピッチが狭くな
るほど、剥離が生じ易い傾向がある。内部電極が、一部
分で剥離された振動子は、不要モードの振動を励起し、
超音波探触子としての使用に耐えない。

このようなことから、内部電極用の金属粉末に圧電セラ
ミックス粉末を２〜１５重二％配合した組成のペースト
状物を圧電セラミックスを主成分とするグリーンシート
に印刷、塗布し、このグリーンシートを用いて前記と同
様に積層物を作製し、焼結して圧電振動子を製造するこ
とが特開昭５７−３６８８０号に開示されている。しか
しながら、かかる方法では焼成後において内部電極層を
圧電セラミックス層に対して良好に密着させるためには
、前記ペースト状物によるグリーンシートへの塗膜厚さ
を５〜９μｍと比較的薄くする必要がある。その結果、
切断後の内部電極の厚さを充分厚くてきず、導電性が悪
化するため、高い周波数での駆動が困難となる。また、
内部電極層の厚さを薄くした場合でも該電極層を構成す
る網目状の内部電極用金属に圧電セラミックスが荒く分
散してブレードによる切断後において、その切断方向に
沿って繋がらずに途中で断線される恐れがある。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は、上記従来の問題点を解決するためになされた
もので、インピーダンスの低減化を図れることは勿論、
圧電セラミックス層に対して良好に密着させると共に電
極用金属がブレードによる切断方向に沿って良好に繋が
った網状構造を有し、かつ充分な導電性を持つ内部電極
層の形成が可能な多層型超音波探触子の製造方法を提供
しようとするものである。

［発明の目的］ （問題点を解決するための手段） 本発明は、内部電極用金属粉末に圧電セラミックス粉末
を１６〜２５重量９６配合した組成のペースト状物を、
圧電セラミックスを主成分とするグリーンシートに１０
〜１５μｍの厚さに塗布した後、このグリーンシートを
用いて内部に前記ペースト状物の塗膜が少なくとも１層
介在された積層物を作製する工程と、この積層物を焼成
して圧電セラミックス層間に内部電極層を一体化し、更
に外部電極層を形成した後、アレイ状に切断する工程と
を具備したことを特徴とするものである。

上記圧電セラミックスとしては、例えばチタン酸ジルコ
ン酸鉛（ＰＺＴ）　、ＰＺＴをベースとしてマグネシウ
ム・ニオブ酸鉛などを固溶させた三成分系のもの、更に
この三成分系の鉛をバリウム、ストロンチウムなどのア
ルカリ土類元素で置換したもの等を挙げることができる
。

上記ペースト状物中に配合される圧電セラミックス粉末
は、焼成後において内部電極層を上下の圧電セラミック
ス層に対して強固に密着させる役目を果たすことから、
圧電セラミックス粉末を焼結後の内部電極層の厚さに近
似した大きさにして内部電極層中の圧電セラミックス粉
末と上下の圧電セラミックス層との接触度合を増加させ
ることが望ましい。

上記内部電極用金属としては、例えばＰｔ、Ｐｄ　、Ａ
ｇ−Ｐｄ等を挙げることができる。また、外部電極用金
属として例えばＡｇ等を挙げることができる。

上記ペースト状物を構成する圧電セラミックス粉末の配
合量を限定した理由は、その二を内部電極用金属粉末に
対して１６重量未満にすると、ペースト状物を上記範囲
内のように厚く塗布し、焼成した後において上下の圧電
セラミックス層との密着性を充分に向上できず、かとい
ってその量が２５重量％を越えると内部電極層中に占め
る絶縁性の圧電セラミックス量が多くなってその導電性
が損われるからである。

上記ペースト状物の塗布厚さを上記範囲に限定した理由
は、その厚さを１０μｍ未満にすると焼成により形成さ
れた内部電極層の導電性が損われ、かといってその厚さ
が１５μｍを越えると内部電極層中に圧電セラミックス
粉末が埋没されて上下の圧電セラミックスとの接触度合
が低下し、圧電セラミックスに対して内部電極層を良好
に密着できなるからである。なお、圧電セラミックス粉
末の大きさを既述したように焼成後の内部電極層の厚さ
に近似させれば、１５μｍを越える厚さでペースト状物
を塗布することも可能であるが、かかる場合にはペース
ト状物に配合する圧電セラミックス粉末自体の粒径が大
きくなり、それら粉末相互の焼結性が低下するため、ペ
ースト状物の厚さの上限は１５μｍ以下に制限される。

上記積層物の焼成温度は、１１００〜１３００℃とする
ことが望ましい。焼成は、大気中等の酸化性雰囲気で行
なえばよい。なお、圧電セラミックスの構成成分である
鉛の揮散を抑制するために鉛蒸気雰囲気で焼成してもよ
い。

（作用） 本発明によれば、内部電極用金属粉末に圧電セラミック
ス粉末を所定量配合した組成のペースト状物を、圧電セ
ラミックスを主成分とするグリーンシートに所定の厚さ
で塗布した後、このグリーンシートを用いて内部に前記
ペースト状物の塗膜が少なくとも１層介在された積層物
を作製し、焼成することによって、圧電セラミックス層
間に該セラミックス層に対して良好に密着し、かつ内部
電極用金属がブレードによる切断方向に沿って繋がった
網状構造を有し、さらに充分な導電性を持つ内部電極層
を一体的に形成した積層構造材を得ることができる。そ
の結果、該積層構造材に外部電極を形成し、所定のバッ
キング材等に固定した後、ダイヤモンドブレード等で切
断することによって、部分剥離、切断方向へのオーブン
不良がなく良好な導電性を有する内部電極が圧電セラミ
ックス層間に介在された振動子を備えたインピーダンス
が低くかつ高周波での駆動が可能な高分解能の多層型超
音波探触子を製造できる。

（発明の実施例） 以下、本発明の実施例及び比較例を図面を参照して詳細
に説明する。

実施例 まず、平均粒径０．５μｍの白金粉末に平均粒径１．３
μｍのＰＺＴを主成分とする圧電セラミックス粉末を２
５重量％配合し、これら混合物に有機バインダ、分散剤
及び溶剤を加えて内部電極用ペースト状物を調製した。

なお、前記ＰＺＴ系セラミックスはε５．Ｔ／ε。−＋
＝２０００、ｋ３３セ０．７５、ＱＭ−８０、Ｎ　ｔ　
七２０００　（Ｈｚ　ｍ　）の諸特性を有し、かつキュ
ーり温度が約２９０℃の性質を有するものである。

次いで、前記と同様なＰＺＴ系圧電セラミックスの仮焼
粉末とアクリル系バインダを６　：４の重量比で混合し
、この混合物を溶剤の存在下で２０時間攪拌して泥奨と
した後、この泥奨からドクターブレード法により厚さ０
．２５Ｍのグリーンシートを成形した。つづいて、この
グリーンシート上に予め調製した前記内部電極用ペース
ト状物を３２５メツシユのスクリーンを用いて印刷して
第１図に示すようにグリーンシート１上に２つの塗膜パ
ターン２．２を形成した。なお、これら塗膜パターン２
．２の膜厚をマイクロメータで５点測定したところ、平
均値で１２〜１３μｍであった。

次いで、前記グリーンシートの塗膜パターン側の表面上
に前記工程で形成した厚さ０．２５ｍｍのグリーンシー
トを重ねた後、金型中で７０℃、３００／（ｇ／−の条
件で３０分間加熱圧着して総厚が０．４８Ｂの積層物を
作製した。つづいて、この積層物を大気中、１２００℃
まで昇温し、２時間保持して焼成を行なった後、徐冷す
ることにより圧電セラミックス層で挟まれた２つの内部
電極層を有する厚さ約０．３９ｍｍの積層構造材を作製
した。ひきつづき、第２図に示すように前記積層構造材
３をダイヤモンドブレードにより一点鎖線に沿って切断
して外形加工を施した。この工程により２個の圧電振動
子素材が作られる。

次いで、前記圧電振動子素材に銀ペーストをスクリーン
印刷し、８００℃、１０分間の焼付けを行ない外部電極
層を形成した後、シリコンオイル中、１００℃で４８０
Ｖの電圧を３０分間印加して分極処理を施し、更に５０
℃で８時間エージング処理を行なうことにより第３図（
Ａ）〜（Ｃ）に示す１５Ｘ　１５Ｘ　Ｏ，３９ＩＩＩｊ
ｌ！の２層型圧電振動子４を製作した。なお、第３図（
Ａ）は圧電振動子の上面図、同図（Ｂ）は同圧電振動子
の背面図、同図（Ｃ）と同図（Ａ）のＸ−Ｘ線に沿う断
面図である。かかる２層型圧電振動子４は、矢印方向に
分極された圧電セラミックス層５と、この圧電セラミッ
クス層５により覆われ、−辺が外部に露出した内部電極
層６と、該圧電セラミックス層５の前記内部電極層６の
一辺側及びそれと直交する側の周縁を除く表面、内部電
極６の一辺と反対側の側面及び裏面に亙って形成された
一方の外部電極７ａと、前記圧電セラミックス層５の内
部電極層６の一辺側に設けられ、該内部電極層６と接続
された他方の外部電極層７ｂとから構成されている。

比較例 平均粒径０，５μｍの白金粉末に平均粒径１．３μｍの
前記Ｐ　Ｚ　Ｔ系圧電セラミックス粉末をＩＯ型重量６
配合し、これら混合物に有機バインダ、分散剤及び溶剤
を加えて内部電極用ペースト状物を調製した。つづいて
、このペースト状物を実施例と同様な厚さ０．２５ｍｍ
のグリーンシート上に３２５メツシユのスクリーンを用
いて印刷して平均厚さ７〜８μｍの２つの塗膜パターン
を形成した後、該グリーンシートの塗膜パターン側の表
面上に前記と同様な厚さ０．２５ｍｍのグリーンシート
を重ね、金型中で７０℃、３００に９／Ｃ’ｌｌｌの条
件で３０分間加熱圧着して総厚が約０．４８ｍＭの積層
物を作製した。この後、実施例と同様な工程により２層
型圧電振動子を製作した。

上述した本実施例及び比較例の２層型圧電振動子につい
て１ｋＨｚにおける容量及びｔａｎδを測定した。その
結果、本実施例及び比較例の圧電振動子は容量、ｔａｎ
δが共に測定誤差範囲内で一致し、Ｃ＝３５　ｎＦ　、
　ｔａｎδ−０，０１８であった。これにより、狭い幅
に切断する前の板状圧電振動子の電気的特性は実施例と
比較例の間で違いがみられないことがわかった。

また、実施例及び比較例の２層型圧電振動子を５×５Ｍ
の寸法に切断して試験片を作製し、これら試験片の両面
から引張り力を加えた時の内部電極層の剥離強度を測定
した。その結果、本実施例及び比較例の圧電振動子は内
部電極層と圧電セラミックス層の剥離強度が共に測定誤
差範囲内で−致し、８０〜１５０／（ｇ／ｄであった。

これにより、狭い幅に切断する前の板状圧電振動子の剥
離強度は実施例と比較例の間で差異が認められないこと
がわかった。

更に、剥離した後の実施例及び比較例の内部電極層の表
面を走査型電子顕微鏡で観察した。それらの顕微鏡写真
を、第４図及び第５図の模式図で示した。これら第４図
及び第５図の模式図より、実施例及び比較例の内部電極
層は内部電極用金属である白金２１が圧電セラミ 金２１が圧電セラミックス２２内に２次元的な網目状に
接続されていることがわかる。典型的な白金２１の幅は
、３〜８μｍであるが、場所によっては１μｍ以下の幅
で接続されている箇所もあった。

また、圧電セラミックス２２は至る所で上下の圧電セラ
ミックス層と密着していた形跡が認められた。

これは、白金２１間から内部電極層の表面まではみ出し
ている圧電セラミックス粒子が見られること、白金２１
間にみえる圧電セラミックス粒子が直線により形成され
る外形を呈していることがらも判断された。但し、本実
施例の内部電極層（第４図図示）は網目状の白金２１に
圧電セラミックス２２が細かく分散してブレードによる
切断後においてもその切断方向に沿って良好に繋がった
状態にできるのに対し、比較例の内部電極層（第５図図
示）では網目状の白金２１に圧電セラミックス２２が荒
く分散してブレードによる切断後においてその切断方向
に沿って繋がらず、途中で断線される恐れがある。

次に、前述した実施例及び比較例の２層型圧電振動子か
ら医用診断装置用アレイ型超音波探触子の製造を説明す
る。

まず、２層型圧電振動子４における一方の外部電極層７
ａにフレキシブルプリント基板の複数の信号側リード線
８を半田付けにより接合し、他方の外部電極層７ｂに厚
さ０．０５ｍｍの銅板からなるアース取出し電極９を半
田付けにより接合した。つづいて、フェライトゴム製バ
ッキング材１ｏの表面に接着材を塗布し、この接着材層
上に前記２層型圧電振動子４を予め接合した信号側リー
ド線８及びアース電極９が接着材層に当接するように配
置して接着した。ひきつづき、前記圧電振動子４上にエ
ポキシ系樹脂からなる厚さがλ／４　（λ：波長）の音
響整合層１１を形成した。この後、スクライバダイサに
取付けた厚さ０．０５ｚｘのダイヤモンドブレードによ
り音響整合層１１側からバッキング材１０表面に亙って
０．２５ａｍピッチで前記フレキシブルプリント基板の
各信号側リード線に合せて矢印方向に切断して４８個の
短冊状振動子（エレメント）を有する共振周波数３．７
５ＭＨｚの２層アレイ型超音波探触子を製造した（第６
図（Ａ）、（Ｂ）図示）。

なお、第６図（Ａ）は２層アレイ型超音波探触子の斜視
図、同図（Ｂ）は同図（Ａ）のＹ−Ｙ線に沿う断面図で
ある。

製造された実施例及び比較例のアレイ型超音波探触子に
ついて、各短冊状振動子の共振特性（ｋ３３−）を測定
し、振動子の動作状況を調べた。

その結果、比較例の探触子ては４８個の短冊状振動子の
うち７個の振動子において異常な共振が認められた。こ
れら７個の不良モードは、いずれも内部電極が原因とな
っており、途中で内部電極か断線し、インピーダンスが
高くなっている振動子が３個、内部電極の抵抗率が途中
で高くなっているために共振点にスプリアスが発生した
振動子が４個であった。これら７個の不良モード発生は
、内部電極層が前述した第５図図示のように網目状の白
金２１に圧電セラミックス２２が荒く分散しているため
、これをダイヤモンドブレードにより狭い幅で切断した
短冊状振動子がその切断方向に沿って繋がらず、途中で
断線されたこと、内部電極の厚さが薄く導電率が低いこ
とが原因であると考えられる。これに対し、本実施例の
超音波探触子では４８個の短冊状振動子が全て正常な共
振特性を有することか確認された。

また、本実施例の２層アレイ型超音波探触子、及び圧電
振動子を単層とした以外、実施例と同構造、同一１法、
同一共振周波数（３，７５ＭＨｚ）の単層アレイ型超音
波探触子（従来例）について、パルスエコー特性を調べ
た。その結果、従来例の単層アレイ型超音波探触子では
第７図に示すパルスエコー特性の線図が、本実施例の２
層アレイ型超音波探触子では第８図に示すパルスエコー
特性の線図が得られた。これら第７図及び第８図から明
らかなように本実施例の超音波探触子では従来例の単層
型の超音波探触子とほぼ同一の波形が得られ、しかも感
度は７　ｄＢ向上でき、多層化による有用性が示されて
いる。

更に、本実施例の２層アレイ型超音波探触子を実際の医
用超音波診断装置に組込み、評価試験を行なった。その
結果、実機においても単層アレイ型超音波探触子に比べ
て感度、Ｓ／Ｎが向上しており、画像についても従来の
探触子では見られなかった部位が観察される等、顕著な
性能改善が認められた。しかも、連続駆動に対する耐久
性も確認され、実施例の超音波探触子が実用に耐える機
械的強度も備えていることが確認された。

なお、上記実施例ではグリーンシートに内部電極用のペ
ースト状物の塗膜パターンを２つ形成したが、これに限
定されない。例えば４つ、６つ、８つ等の塗膜パターン
をグリーンシート上に形成してもよい。

上記実施例では、２層アレイ型超音波探触子の製造につ
いて説明したが、３層以上の多層アレイ型超音波探触子
の製造にも同様に適用できる。

［発明の効果］ 以上詳述した如く、本発明によればインピーダンスの低
減化を図れることは勿論、圧電セラミックス層に対して
良好に密着させると共に電極用金属がブレードによる切
断方向に沿って良好に繋がった網状構造を有し、かつ充
分な導電性を持つ内部電極層の形成でき、ひいてはアレ
イ状にするために狭い幅で切断した後でも特性の揃った
振動子の形成が可能で不良発生を著しく低減され、更に
所定の機械的強度が保持された医用超音波診断装置や超
音波金属探傷装置等に有用な高信頼性で高分解能の多層
型超音波探触子の製造方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は本発明の実施例における２層型圧電振
動子の製造工程を示す図であり、第１図及び第２図は平
面図、第３図（Ａ）は上面図、同図（Ｂ）は同図（Ａ）
の背面図、同図（Ｃ）は同図（Ａ）のＸ−Ｘ線に沿う断
面図である。第４図は本実施例に係わる内部電極層の電
子顕微鏡写真の模式図、第５図は比較例に係わる内部電
極層の電子顕微鏡写真の模式図、第６図（Ａ）は本実施
例により製造された２層アレイ型超音波探触子音波探触
子のパルスエコー特性を示す線図、第８図は実施例の２
層アレイ型超音波探触子のパルスエコー特性を示す線図
である。 １・・・グリーンシート、２・・・ペースト状物の塗膜
パターン、４・・・２層型圧電振動子、５・・・圧電セ
ラミックス層、６・・・内部電極層、７ａ、　７ｂ・・
・外部電極層、１０・・・バッキング材、１１・・・音
響整合層、２１・・・白金（内部電極用金属）、２２・
・・圧電セラミックス。 出願人代理人　弁理士　　鈴江武彦 第２図 （Ａ） （Ｂ） 第３図 第４図 第５図 （Ａ） （Ｂ） 第６図 第８図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 内部電極用金属粉末に圧電セラミックス粉末を１６〜２
   ５重量％配合した組成のペースト状物を、圧電セラミッ
   クスを主成分とするグリーンシートに１０〜１５μｍの
   厚さに塗布した後、このグリーンシートを用いて内部に
   前記ペースト状物の塗膜が少なくとも１層介在された積
   層物を作製する工程と、この積層物を焼成して圧電セラ
   ミックス層間に内部電極層を一体化し、更に外部電極層
   を形成した後、アレイ状に切断する工程とを具備したこ
   とを特徴とする多層型超音波探触子の製造方法。