(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を打ち出すと共にその反射波を受信する超音波振動子と、この超音波振動子の背面に設けられその背面からの超音波の戻りを防止するバッキング材と、上記超音波振動子の前面に設けられ該超音波振動子の音響インピーダンスと生体の音響インピーダンスとの整合をとる音響整合層とを有して成る超音波探触子において、
上記超音波振動子は、所定の厚さの板状に形成された圧電素子を複数層積層し、この積層された圧電素子の全体の上面及び下面に外部電極を形成し、上記圧電素子の各層の境目には平板状の内部電極をそれぞれ形成し、かつ上記圧電素子の各層の厚み内には一又は複数の平板状の変形防止材を挿入した構造としたことを特徴とする超音波探触子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波診断装置等において超音波を打ち出すと共にその反射波を受信する超音波探触子に関し、特に所定の厚さの板状に形成された圧電素子を複数層積層して成る超音波振動子の反りの発生を少なくして仕上がりの寸法サイズを高精度とすることができる超音波探触子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種の超音波探触子は、図７に示すように、超音波を打ち出すと共にその反射波を受信する超音波振動子１と、この超音波振動子１の背面に設けられその背面から出る超音波が再び振動子面に戻ってこないようにするバッキング材２と、上記超音波振動子１の前面に設けられ該超音波振動子１の音響インピーダンスと生体の音響インピーダンスとの整合をとる音響整合層３とを有して成っていた。なお、上記超音波振動子１の上面及び下面には、それぞれ外部電極４ａ，４ｂが設けられており、両電極４ａ，４ｂ間に電圧を印加することにより、圧電材料から成る超音波振動子１をその厚さ方向に伸縮させるようになっている。また、図７においては、超音波振動子１は所定のピッチ幅で短冊形に切断されており、この短冊形の多数の振動子素子５，５，…をアレイ状に配列したものを示している。
【０００３】
上記多数の振動子素子５，５，…をアレイ状に配列した超音波振動子１を例えば電子セクタ走査用探触子に用いる場合、各振動子素子５，５，…のピッチ幅は、得られる超音波画像のアーチファクトの原因となるグレイティングローブの発生を避けるためにできるだけ小さくする必要がある。しかし、上記各振動子素子５，５，…のピッチ幅を小さくすると、１素子当たりの圧電材料のサイズは小さくなり、その結果電気的容量が小さくなる一方、電気的インピーダンスは大きくなる。また、多数の振動子素子５，５，…を二次元方向にアレイ状に配列した超音波振動子１を用いた二次元アレイ探触子の場合は、１素子当たりの圧電材料のサイズはさらに小さくなる。このような、電気的容量の低下及び電気的インピーダンスの増大は、超音波診断装置本体側の送波回路系との電気的整合が悪く、また超音波診断装置本体と接続するケーブルの容量の影響を受けて電気的整合が悪く、超音波探触子としてのＳ／Ｎを劣化させるものであった。
【０００４】
これに対し、上記超音波振動子１の１素子当たりの電気的容量の低下及び電気的インピーダンスの増大を抑える方策として、図８に示すように、超音波振動子１を構成する圧電材料を薄く形成し、これを複数層たとえば３層積層し（５ａ，５ｂ，５ｃ）、各層の間に内部電極６ａ，６ｂを挿入した構造のものがある。この場合、３層の積層構造では、上面の外部電極４ａを２層目の内部電極６ｂに接続し、下面の外部電極４ｂを１層目の内部電極６ａに接続して、積層方向に交互に逆向きに分極した構造とされている。このようにすると、３層に積層された圧電素子５ａ，５ｂ，５ｃが音響的には直列となり、電気的には並列接続となる。この結果、図７に示す単層の超音波振動子１と図８に示す３層の超音波振動子１とが同じ厚さの場合には、両者の共振周波数は等しくなるが、一般にｎ層積層の圧電材料では１層当たりの厚さが１／ｎで面積がｎ倍になるため、電気的容量はｎ２倍、電気的インピーダンスは１／ｎ２となる。
【０００５】
そして、このような複数層積層構造の超音波振動子１の製造方法としては、複数層積層した圧電素子５ａ，５ｂ，５ｃと各層間に挿入された内部電極６ａ，６ｂとを同時に焼成することにより一体化する一体焼成積層法が用いられていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような従来の複数層積層構造の超音波振動子１においては、複数層積層した圧電素子５ａ，５ｂ，５ｃと各層間に挿入された内部電極６ａ，６ｂとを同時に焼成することにより、焼成後に超音波振動子１の反りが発生すると共に、その反りの程度がばらつき、且つ厚みのばらつきが発生し、高精度の寸法サイズの超音波振動子１を製造するのが難しかった。特に、１層当たりの圧電材料の厚さが増すほど上記の問題点が顕著となるものであった。このことから、従来の超音波探触子としては、単一共振周波数の振動モードが得られないことがあり、超音波診断装置として画質のよい超音波画像が得られないことがあった。
【０００７】
そこで、本発明は、このような問題点に対処し、所定の厚さの板状に形成された圧電素子を複数層積層して成る超音波振動子の反りの発生を少なくして仕上がりの寸法サイズを高精度とすることができる超音波探触子を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明による超音波探触子は、超音波を打ち出すと共にその反射波を受信する超音波振動子と、この超音波振動子の背面に設けられその背面からの超音波の戻りを防止するバッキング材と、上記超音波振動子の前面に設けられ該超音波振動子の音響インピーダンスと生体の音響インピーダンスとの整合をとる音響整合層とを有して成る超音波探触子において、上記超音波振動子は、所定の厚さの板状に形成された圧電素子を複数層積層し、この積層された圧電素子の全体の上面及び下面に外部電極を形成し、上記圧電素子の各層の境目には平板状の内部電極をそれぞれ形成し、かつ上記圧電素子の各層の厚み内には一又は複数の平板状の変形防止材を挿入した構造としたものである。
【０００９】
また、上記圧電素子の各層の厚み内に挿入された平板状の変形防止材は、平板状の内部電極と熱膨張率が同一又は同等の材料から成るものとする。
【００１０】
さらに、上記圧電素子の各層の厚み内に挿入された平板状の変形防止材は、導電材料又は絶縁材料から成るものとする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明による超音波探触子の実施の形態を示す一部断面斜視図である。この超音波探触子は、超音波診断装置等において超音波を打ち出すと共にその反射波を受信するもので、図１に示すように、超音波振動子１と、バッキング材２と、音響整合層３とから成る。
【００１４】
上記超音波振動子１は、超音波を打ち出すと共にその反射波を受信するもので、電気エネルギーと超音波エネルギーとを変換する圧電材料で構成されている。この圧電材料としては、例えばジルコン・チタン酸鉛（ＰＺＴ）系の圧電セラミックス又はチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）系の圧電セラミックスなどがある。ＰＺＴ系の圧電セラミックスは、電気エネルギーと超音波エネルギーとの変換効率を表わす電気機械結合係数が大きいことと、誘電率が大きく電気回路系との電気的インピーダンス整合がとりやすいという特徴がある。また、ＰｂＴｉＯ３系の圧電セラミックスは、横効果の振動結合が著しく弱いことから、不要振動が激減し、純粋に厚み縦振動のみの理想に近い送受波特性が得られる点に特徴がある。
【００１５】
バッキング材２は、上記超音波振動子１の背面に設けられその背面から出る超音波が再び振動子面に戻ってこないようにするもので、超音波の減衰の大きい材料を使用している。また、音響整合層３は、上記超音波振動子１の前面に設けられ該超音波振動子１の音響インピーダンスと生体の音響インピーダンスとの整合をとるもので、これにより超音波振動子１の振動が効率よく生体に伝播できるようになる。なお、この音響整合層３は、２層設けてもよい。また、図１では省略しているが、上記音響整合層３のさらに前面に音響レンズを設けてもよい。
【００１６】
なお、上記超音波振動子１の上面及び下面には、それぞれ外部電極４ａ，４ｂが設けられており、両電極４ａ，４ｂ間に電圧を印加することにより、圧電材料から成る超音波振動子１をその厚さ方向に伸縮させて超音波を発生させるようになっている。また、図１においては、超音波振動子１は所定のピッチ幅で短冊形に切断されており、この短冊形の多数の振動子素子５，５，…をアレイ状に配列したものを示している。
【００１７】
ここで、本発明においては、上記超音波振動子１は、図２に示すように、所定の厚さの板状に形成された圧電素子５ａ，５ｂ，５ｃを複数層積層し、この複数層積層された圧電素子５ａ〜５ｃの全体の上面及び下面に外部電極４ａ，４ｂを形成すると共に、各層の境目には平板状の内部電極６ａ，６ｂをそれぞれ形成し、かつ上記圧電素子５ａ，５ｂ，５ｃの各層の厚み内には一又は複数の平板状の変形防止材７，７，…が等間隔で挿入されている。
【００１８】
すなわち、例えば１層の厚さが０．２１ｍｍ程度の圧電素子５ａ，５ｂ，５ｃを３層積層し、各層５ａ，５ｂ，５ｃの境目には平板状の内部電極６ａ，６ｂをそれぞれ形成し、かつ各圧電素子５ａ，５ｂ，５ｃの厚み内には例えば０．０７ｍｍ間隔で２枚の平板状の変形防止材７，７，…が挿入されている。従って、図２の例による超音波振動子１は、例えば０．０７ｍｍの厚さの圧電素子を９枚積層して、全体で約０．６３ｍｍの厚さになる。そして、上記変形防止材７，７，…は、内部電極６ａ，６ｂと同一の材料でできており、その内部電極６ａ，６ｂと熱膨張率が同一の導電材料から成る。
【００１９】
このような状態で、上記上面の外部電極４ａ及び下面の外部電極４ｂをそれぞれ１層おきに異なる内部電極６ａ，６ｂに対し接続すると共に、各層内の平板状の変形防止材７，７，…とは絶縁する。すなわち、上面の外部電極４ａと連続する一方の側部電極８ａを設け、この側部電極８ａの一部を２層目の内部電極６ｂに接続し、下面の外部電極４ｂと連続する他方の側部電極８ｂを設け、この側部電極８ｂの一部を１層目の内部電極６ａに接続する。このとき、一方の側部電極８ａは、２層目の内部電極６ｂに接続する部分以外は絶縁物が充填されるなどして他の内部電極６ａ及び変形防止材７，７，…とは絶縁されている。また、他方の側部電極８ｂは、１層目の内部電極６ａに接続する部分以外は絶縁物が充填されるなどして他の内部電極６ｂ及び変形防止材７，７，…とは絶縁されている。これにより、上面の外部電極４ａは２層目の内部電極６ｂにのみ接続され、下面の外部電極４ｂは１層目の内部電極６ａにのみ接続される。この結果、３層に積層された圧電素子５ａ，５ｂ，５ｃが音響的には直列となり、電気的には並列接続となる。
【００２０】
そして、この状態で上記複数層積層された圧電素子５ａ〜５ｃの全体を積層方向に交互に逆向きに分極した構造とする。すなわち、上面の外部電極４ａと下面の外部電極４ｂとの間に直流高電界を印加して分極処理を行い、圧電素子５ａ〜５ｃの各層を分極し、圧電性を付与する。これにより、本発明に係る超音波振動子１が構成される。この場合、各層の圧電素子５ａ，５ｂ，５ｃ内に挿入された変形防止材７，７，…の存在により、複数層積層された圧電素子５ａ〜５ｃの全体を焼成する際の反りの発生を少なくし、仕上がりの寸法サイズを高精度とすることができる。なお、図２においては、音響整合層３を２層（３ａ，３ｂ）設けた場合を示している。また、上記変形防止材７を、内部電極６ａ，６ｂと熱膨張率が同一の材料から成るものとしたことにより、複数層積層された圧電素子５ａ，５ｂ，５ｃの全体を焼成する際の反りの発生をさらに少なくし、仕上がりの寸法サイズをさらに高精度とすることができる。
【００２１】
なお、図１及び図２においては、超音波振動子１は、圧電素子を３層（５ａ，５ｂ，５ｃ）積層したものとしたが、本発明はこれに限らず、２層以上の複数層であれば何層でもよい。また、各層の圧電素子５ａ，５ｂ，５ｃ内に挿入する変形防止材７，７，…も２枚に限らず、何枚であってもよい。さらに、上記変形防止材７は、内部電極６ａ，６ｂと熱膨張率が同一の材料から成るものとしたが、これに限らず、略同等の熱膨張率の材料から成るものであってもよい。さらにまた、上記変形防止材７は、内部電極６ａ，６ｂと熱膨張率が同一又は同等の材料から成るものであるならば、導電材料又は絶縁材料のどちらであってもよい。変形防止材７が絶縁材料であるならば、上述の説明において、側部電極８ａ，８ｂの内側面と上記変形防止材７の端部との間に絶縁物を充填する必要はない。
【００２２】
次に、上記超音波探触子の製造方法について、図３及び図４を参照して説明する。まず、図３において、圧電材料を用いて所定の厚さで平板状の圧電素子片９，９，…を形成する。すなわち、圧電材料としてＰＺＴ系又はＰｂＴｉＯ３系の圧電セラミックス粉末を用い、これに有機バインダを加え、ドクターブレード法と呼ばれる製法により所定の厚さで平板状の圧電素子片９を作製する。このとき、その厚さは以後の圧着焼成工程での収縮を考慮し、焼成後に研磨しなくても所定の厚さ、例えば厚さ０．０７ｍｍとなるように設定すればよい。
【００２３】
次に、上記圧電素子片９の片面に図２に示す内部電極６ａ，６ｂとなる導電ペースト１０を印刷塗布し、この導電ペースト１０を印刷塗布した複数枚の圧電素子片９，９，…を積層して加熱圧着する。すなわち、導電ペースト１０として銀パラジウム等の材料を用い、この銀パラジウム等をスクリーン印刷等により、圧電素子片９の表面全体に塗布する。このとき、一番上に位置する圧電素子片９の表面には上記の導電ペースト１０を印刷塗布しない。そして、上記導電ペースト１０を印刷塗布した圧電素子片９，９，…を乾燥した後、例えば９枚の圧電素子片９を積層し、金型中で加熱圧着する。
【００２４】
次に、この加熱圧着された圧電素子片９，９，…の積層体を所定温度で焼成する。このとき、徐々に昇温しながら圧電素子片９中の有機バインダを除去し、さらに例えば１１５０℃で５時間焼成する。そして、この焼成後に、圧電素子片９，９，…の積層体の外形を所望の寸法に加工する。
【００２５】
次に、上記複数層積層された圧電素子片９，９，…の全体の上面及び下面に外部電極４ａ，４ｂ用の導電ペーストを焼き付け、上記上面の外部電極４ａ及び下面の外部電極４ｂをそれぞれ同数の複数層おきに異なる内部電極６ａ，６ｂ用の導電ペーストに対し接続すると共に、その他の導電ペーストとは絶縁する。なお、上記外部電極４ａ，４ｂは導電材料を蒸着又はメッキ等により形成してもよい。そして、この実施例では図４に示すように、図３において９枚の圧電素子片９を積層したもののうち、下から数えて３枚目と６枚目の圧電素子片９の片面に塗布された導電ペーストはそれぞれ内部電極６ｂ，６ａとし、それ以外の圧電素子片９の片面に塗布された導電ペーストは総て変形防止材７としている。
【００２６】
そして、上面の外部電極４ａと連続する一方の側部電極８ａを焼付け等により設け、この側部電極８ａの一部を一方の内部電極６ｂに接続し、また下面の外部電極４ｂと連続する他方の側部電極８ｂを焼付け等により設け、この側部電極８ｂの一部を他方の内部電極６ａに接続する。このとき、一方の側部電極８ａは、上記内部電極６ｂに接続する部分以外は絶縁物が充填されるなどして他の内部電極６ａ及び変形防止材７，７，…とは絶縁されている。また、他方の側部電極８ｂは、上記内部電極６ａに接続する部分以外は絶縁物が充填されるなどして他の内部電極６ｂ及び変形防止材７，７，…とは絶縁されている。これにより、上面の外部電極４ａは一方の内部電極６ｂにのみ接続され、下面の外部電極４ｂは他方の内部電極６ａにのみ接続される。この結果、上記内部電極６ａ，６ｂを境にして３層に積層された圧電素子５ａ，５ｂ，５ｃが音響的には直列となり、電気的には並列接続となる。
【００２７】
その後、上記上面の外部電極４ａと下面の外部電極４ｂとの間に直流高電界を印加して上記複数層積層された圧電素子片９，９，…の全体を分極処理して圧電性を付与し、超音波振動子１を構成する。この場合、各層の圧電素子５ａ，５ｂ，５ｃ内に挿入された変形防止材７，７，…の存在により、複数層積層された圧電素子５ａ〜５ｃの全体を焼成する際に反りの発生を少なくし、仕上がりの寸法サイズを高精度とすることができる。このように作製された超音波振動子１は、例えば上記内部電極６ａ，６ｂを境にして３層に積層された圧電素子５ａ，５ｂ，５ｃの厚さがそれぞれ０．２１ｍｍとなり、全体の厚さが０．６３ｍｍとなる３層の積層構造の超音波振動子と等価となる。
【００２８】
その後、図２に示すように、上記超音波振動子１の背面側にその背面から出る超音波が再び振動子面に戻ってこないようにするバッキング材２を設けると共に、上記超音波振動子１の前面側には該超音波振動子１の音響インピーダンスと生体の音響インピーダンスとの整合をとる音響整合層３ａ，３ｂを設ける。これにより、本発明の超音波探触子が製造される。
【００２９】
なお、上記超音波探触子の製造工程において、図４に示すように超音波振動子１が作製されたところで、該超音波振動子１を所定のピッチ幅ｐ，ｐ，…で短冊形に切断してアレイ状に形成してもよい。この場合は、多数の振動子素子をアレイ状に配列した電子走査型の超音波探触子を製造することができる。
【００３０】
図５及び図６は超音波探触子の製造方法の他の例を示す説明図である。この例による製造方法は、基本的には図３及び図４に示す製造方法と同一であるが、圧電材料を用いて所定の厚さで平板状の圧電素子片９，９，…を形成した後、上記圧電素子片９の片面に図２に示す内部電極６ａ，６ｂとなる導電ペースト１０を印刷塗布する際に、その両側辺部に導電ペースト１０の塗布されていない絶縁部分１１を形成したものである。なお、このとき、実際に図２に示す内部電極６ａ，６ｂとなる導電ペースト１０を印刷塗布する際は、外部電極８ａ，８ｂと接続する側には絶縁部分１１を形成しないようにする。
【００３１】
このような状態で、図６に示すように、９層の圧電素子片を積層すると共に内部電極６ａ，６ｂ及び変形防止材７，７，…を形成し、かつ上面及び下面に外部電極４ａ，４ｂを形成し、さらに両側面に側部電極８ａ，８ｂを形成する。そして、上面の外部電極４ａと連続する側部電極８ａを一方の内部電極６ｂに接続し、下面の外部電極４ｂと連続する側部電極８ｂを他方の内部電極６ａに接続する。このように製造することにより、図４において側部電極８ａ，８ｂの内側面と９層の圧電素子片の側端部との間に絶縁物を充填することを要せず、製造工程を簡略化できる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明による超音波探触子は以上のように構成されたので、その超音波振動子を、所定の厚さの板状に形成された圧電素子を複数層積層し、この積層された圧電素子の全体の上面及び下面に外部電極を形成し、上記圧電素子の各層の境目には平板状の内部電極をそれぞれ形成し、かつ上記圧電素子の各層の厚み内には一又は複数の平板状の変形防止材を挿入した構造としたことにより、上記変形防止材の挿入によって複数層積層された１層当たりの厚さを実質的に薄くできると共にその変形防止材の存在により、上記複数層積層された圧電素子の全体を焼成する際の反りの発生を少なくし、仕上がりの寸法サイズを高精度とすることができる。従って、本発明による超音波探触子によれば、単一共振周波数の振動モードが得られ、超音波診断装置として画質のよい超音波画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による超音波探触子の実施の形態を示す一部断面斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】上記超音波探触子の製造方法の工程の一部を示す斜視説明図である。
【図４】上記超音波探触子の製造方法で作製した超音波振動子を示す斜視説明図である。
【図５】他の例による超音波探触子の製造方法の工程の一部を示す斜視説明図である。
【図６】上記超音波探触子の製造方法で作製した超音波振動子を示す断面説明図である。
【図７】従来の超音波探触子を示す一部断面斜視図である。
【図８】従来の複数層積層構造の超音波振動子を有する超音波探触子を示す一部断面斜視図である。
【符号の説明】
１…超音波振動子
２…バッキング材
３，３ａ，３ｂ…音響整合層
４ａ，４ｂ…外部電極
５…振動子素子
５ａ，５ｂ，５ｃ…圧電素子
６ａ，６ｂ…内部電極
７…変形防止材
８ａ，８ｂ…側部電極
９…圧電素子片
１０…導電ペースト
１１…絶縁部分
【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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