(57)【要約】  【課題】静電容量を増加させて最適な電気インピーダンスを得ることができる圧電構造を提供する。  【解決手段】本発明の圧電構造は、第１の径方向の長さを有する第１の圧電部と、前記第１の圧電部の軸方向に設けられ、前記第１の径方向の長さより大きい第２の径方向の長さを有する第２の圧電部とを含む圧電体を備える。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の径方向の長さを有する第１の圧電部と、前記第１の圧電部の軸方向に設けられ、前記第１の径方向の長さより大きい第２の径方向の長さを有する第２の圧電部とを含む圧電体を備えることを特徴とする圧電構造。
【請求項２】
前記第１の圧電部と前記第２の圧電部の間に設けられる内部電極と、
前記第１の圧電部の端部及び前記第２の端部に設けられる外部電極と
を備えることを特徴とする請求項１に記載の圧電構造。
【請求項３】
前記第１の圧電部の第１の軸方向の長さ及び前記第１の径方向の長さの比が、前記第２の圧電部の第２の軸方向の長さ及び前記第２の径方向の長さの比と略等しいことを特徴とする請求項１及び２に記載の圧電構造。
【請求項４】
予め設定された前記圧電構造の受信感度に応じて、前記第２の圧電部の前記第２の径方向の長さを前記第１の圧電部の前記第１の径方向の長さで除した値が所定の範囲内に設定されることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１つに記載の圧電構造。
【請求項５】
前記圧電体を囲む樹脂部を備え、
前記圧電体及び前記樹脂部の体積比率が、超音波診断装置の電気インピーダンスに応じて設定されることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１つに記載の圧電構造。
【請求項６】
複数の前記圧電体と、
前記複数の圧電体を囲む樹脂部とを備え、
前記複数の圧電体の総体積及び前記樹脂部の総体積の比が、前記超音波診断装置の電気インピーダンスに応じて設定されることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１つに記載の圧電構造。
【請求項７】
前記複数の圧電体は、それぞれの軸方向が略平行になるように配置され、
前記樹脂部は、前記第１の圧電部の端面及び前記第２の圧電部の端面の間に充填され、
前記複数の圧電体の総体積及び前記樹脂部の総体積の比に基づく超音波探触子の電気インピーダンスが、前記超音波診断装置の電気インピーダンスと略同じになるように、前記第１の圧電部及び前記第２の圧電部のうち少なくとも１つの軸方向の長さ及び径方向の長さの比が設定されることを特徴とする請求項６に記載の圧電構造。
【請求項８】
複数の請求項１乃至７の何れか１項に記載の圧電構造をアレイ化して形成されることを特徴とする超音波探触子。
【請求項９】
被検体内に送信して反射したエコー信号を受信するものであって、
請求項８に記載の超音波探触子と、
前記被検体に送信する超音波信号を前記超音波探触子に発生させるための電気信号を発生し、発生した電気信号を前記超音波探触子に送信するとともに、前記超音波探触子で受信したエコー信号を電気信号に変換する超音波送受信部と、
変化された電気信号から超音波画像を形成する超音波画像形成部と、
形成された超音波画像を表示する表示部と
を備えることを特徴とする超音波診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電構造に関し、特に、超音波診断装置の超音波探触子に用いられる圧電構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
医療画像診断に用いられる超音波診断装置は、生体の軟部組織の断層像や生体内を流れる血流像などをほぼリアルタイムでモニタに表示して観察できるため、医療の分野で広く用いられている。
【０００３】
このような特徴を有する超音波診断装置の超音波探触子に組み込まれるトランスデューサ材料として、Ｘ線リソグラフィー、メッキ、及び樹脂モールドを組み合わせて高アスペクト比の柱状圧電体を形成し、形成した柱状圧電体間に樹脂を充填して複合圧電構造がある（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２１７４６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に係る発明は、樹脂製の型にＰＺＴスラリーを流し込み、焼結することで柱状圧電体を形成している。樹脂製の型を得るには、Ｘ線リソグラフィーを金属の基板に照射し、レジスト構造体が作製される。そのレジスト構造体にニッケルを流し込み、金型が作製される。この金型を用いて樹脂にモールドすることで、樹脂製の型が得られる。しかしながら、この方法は、型を作製する工程が多いために作成が容易でない。また、特許文献１の方法では、誘電率が大きい圧電体の有効面積が減少することから、圧電体の静電容量が低下して、電気インピーダンスが上昇してしまうおそれがあった。
【０００６】
本発明は、静電容量を増加させて最適な電気インピーダンスを得ることができる圧電構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の圧電構造は、第１の径方向の長さを有する第１の圧電部と、前記第１の圧電部の軸方向に設けられ、前記第１の径方向の長さより大きい第２の径方向の長さを有する第２の圧電部とを含む圧電体を備える。
【０００８】
この構成によれば、静電容量を増加させて最適な電気インピーダンス圧電構造を得ることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、圧電体の静電容量を増加させて最適な電気インピーダンスを得ることができる圧電構造を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施の形態の圧電構造を用いた超音波探触子を含む超音波診断装置の一例を示したブロック図である。
【図２】本実施の形態に係る圧電構造の一例を示した図である。
【図３】圧電セラミックス（圧電体）の一例を示した図である。
【図４】第１の圧電部の径方向の長さ及び第２の圧電部の径方向の長さの比と受信感度との関係を例示したグラフである。
【図５】圧電セラミックス（圧電体）と樹脂部の体積比率と静電容量及び電気インピーダンスとの関係を例示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態の圧電構造について、図面を用いて説明する。図１は、本実施の形態の圧電構造を用いた超音波探触子を含む超音波診断装置の一例を示したブロック図である。
【００１２】
図１に示すように、超音波診断装置１は、超音波探触子３、超音波送受信部４、超音波画像形成部５、表示部６、制御部７、及びコントロールパネル８を備える。
【００１３】
超音波診断装置１は、被検体２内に送信された超音波が反射して得られたエコー信号を用いて、診断部位の二次元超音波画像、三次元超音波画像、及び各種ドプラ画像を構成して表示する。超音波探触子３は、被検体２に超音波を送信して反射したエコー信号を受信する。超音波送受信部４は、送信パルス発生部と受信エコー信号変換部とを備える。送信パルス発生部は、被検体２に送信する超音波信号を超音波探触子３に発生させるためのパルス状の電気信号（送波パルス）を発生し、これを超音波探触子３に送信する。受信エコー信号変換部は、超音波探触子３で受信したエコー信号を電気信号に変換する。
【００１４】
超音波画像形成部５は、受信信号（変換された電気信号）から二次元超音波画像、三次元超音波画像、及び各種ドプラ画像を形成する。表示部６は、超音波画像形成部５で形成された超音波画像を表示する。制御部７は、各要素を制御する。コントロールパネル８は、制御部７に指示を与える。
【００１５】
超音波探触子３は、複数の圧電素子（圧電構造）をアレイ化して超音波探触子３の長手方向に１〜ｍチャンネル分配列する。超音波送受信部４は、超音波探触子３に送波パルスを供給するとともに、超音波探触子３が受信したエコー信号を処理する。超音波送受信部４は、超音波探触子３を制御して超音波ビームの送信を行う送信部と、送信された超音波ビームが被検体２内で反射して得られたエコー信号を受信する受信部と、受信部で受信したエコー信号を直交検波して複素信号に変換する複素信号変換部と、これらの各部を制御する超音波送受信制御部とを含む。
【００１６】
超音波画像形成部５は、超音波送受信部４の複素信号変換部で変換された複素信号を用いて、超音波断層像を形成する。超音波画像形成部５は、複素信号を用いて検査対象の超音波画像情報を生成する超音波画像情報生成部と、生成された超音波画像情報をテレビ表示画像パターンに走査変換して超音波画像データを生成するディジタルスキャンコンバータ部（Digital Scan Converter：以下、“ＤＳＣ部”と記載する）と、ＤＳＣ部で走査変換されて得られた画像データに基づく画像に付帯するグラフィックデータ（スケール、マーク、及び文字など）を生成するグラフィックデータ生成部と、ＤＳＣ部で生成された超音波画像データとグラフィックデータ生成部で生成されたグラフィックデータとを合成して記憶する合成記憶部（ハードディスクや一時記憶メモリＲＡＭ等を含む）と、各要素（超音波画像情報生成部、ＤＳＣ部、グラフィックデータ生成部、及び合成記憶部など）の処理に必要な初期値や制御パラメータなどを読み出して各要素に設定するインターフェィス（超音波画像形成部のインターフェース）とを備える。
【００１７】
表示部６は、超音波画像形成部５で形成された画像を超音波画像として表示する。例えば、表示部６は、ＣＲＴモニタ及び液晶モニタを含む。制御部７は、コントロールパネル８からの指示に従って、各要素の動作を制御する。制御部７は、ユーザインターフェース回路とのインターフェースを有する制御用コンピュータシステムより構成されている。制御部７は、制御部７が有するユーザインターフェースやユーザインターフェースからの情報などにより、超音波送受信部４や超音波画像形成部５などの各要素を制御する。制御部７は、超音波画像形成部５で画像化された情報を表示部６の表示制御部に伝送する制御を行う。本実施の形態に係る圧電構造は、このような超音波診断装置１の超音波探触子３に用いられる圧電構造である。
【００１８】
図２は、本実施の形態に係る圧電構造の一例を示した図である。図２に示すように、超音波診断装置１の超音波探触子３に組み込まれる振動子（トランスデューサ）として、柱状の圧電セラミックス（圧電体）３００が、水平方向に複数配置されている。圧電セラミックス３００を柱状にすると、振動モードは、３３振動モードとなる。３３振動モードは、第三の方向（Ｚ軸方向）に分極処理（ポーリング処理）を施された圧電セラミックス３００を、同じ第三の方向に電界を印加して振動させた場合の振動モードをいう。一般に、柱状の圧電セラミックス（圧電体）３００の３３振動モードにおける電気機械結合係数（ｋ３３）は、板状における電気機械結合係数（ｋｔ）や、バー状における電気機械結合係数（ｋ３３’）よりも大きいので、各々の振動子を柱状とすることにより、高い変換効率を得ることができる。また、電気機械結合係数（ｋ３３）が大きいことは、振動子の帯域拡大にも寄与する。
【００１９】
また、複数の柱状の圧電セラミックス（圧電体）３００で圧電構造を形成し、複数の圧電セラミックス（圧電体）３００を樹脂で囲むことで、すべてが圧電セラミックス（圧電体）３００で形成された圧電構造に比べて、音響インピーダンスの高い圧電体の一部が、音響インピーダンスの低い樹脂に置き換わるので、振動子の音響インピーダンスが低下して、超音波の伝播効率を向上させることができる。
【００２０】
圧電構造２００は、圧電体３００、基板３０５、樹脂部３１０、内部電極３１１、及び外部電極（第１の外部電極３１２及び第２の外部電極３１３）を備える。圧電体３００は、第１の圧電部３０１と、第１の圧電部３０１の軸方向に設けられる第２の圧電部３０２とを含む。複数の圧電体３００（第１の圧電部３０１及び第２の圧電部３０２）は、基板３０５上で、それぞれの軸方向が略平行になるように配置されている。基板３０５として、焼結前のセラミックスグリーンシートが用いられる。樹脂部３１０は、第１の圧電部３０１の端面３１４及び第２の圧電部３０２の端面３１５の間に充填され、圧電体３００を囲む。
【００２１】
内部電極３１１は、第１の圧電部３０１と第２の圧電部３０２の間に設けられる。第１の外部電極３１２は、第１の圧電部３０１の端部（端面３１４）に設けられる。第２の外部電極３１３は、第２の圧電部３０２の端部（端面３１５）に設けられる。
【００２２】
複数の圧電セラミックス（圧電体）３００は、樹脂部３１０の中に所定の間隔で規則的に配列されている。第１の圧電部３０１は、内部電極３１１及び外部電極３１２の間に形成される。第２の圧電部３０２は、内部電極３１１及び外部電極３１３の間に形成される。このように、複数の圧電セラミックス（圧電体）３００と樹脂部３１０とを組み合わせて圧電構造２００を形成することにより、圧電セラミックス（圧電体）３００同士の干渉が少なくなり、圧電構造２００の発信強度及び受信感度がともに高くなる。また、第１の圧電部と第２の圧電部とを軸方向に積層することで、単層よりも圧電セラミックス（圧電体）３００の静電容量が増加するので、電気インピーダンスが低下する。
【００２３】
図３は、圧電セラミックス（圧電体）３００の一例を示した図である。図３に示すように、圧電セラミックス（圧電体）３００は、第１の圧電部３０１と、第１の圧電部３０１の軸方向に設けられる第２の圧電部３０２とを含み、第１の圧電部３０１の径方向の長さが、第２の圧電部３０２の径方向の長さよりも大きい。圧電セラミックス（圧電体）３００は、圧電セラミックス焼結体であることが好ましい。圧電セラミックスには、チタン酸バリウムやジルコン酸鉛−チタン酸鉛系固溶体などの灰チタン石型構造の結晶が含まれ、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）やチタン酸ジルコン酸ランタン鉛（ＰＬＺＴ）などのチタン酸ジルコン酸塩が好ましく用いられる。また、圧電セラミックスとして、チタン酸鉛などが用いられてもよい。
【００２４】
圧電セラミックス（圧電体）３００は、高さ方向（軸方向）に垂直な断面（すなわち、径方向断面）が円形である円柱状である。円柱状とすれば、圧電セラミックス（圧電体）３００は、複数の圧電セラミックス（圧電体）３００の間で生じる干渉を少なくすることができ、圧電セラミックス（圧電体）３００の超音波の指向性が良く発信強度が高くすることができる。圧電セラミックス（圧電体）３００の径方向断面は、円形の他、正方形や長方形や多角形であってもよい。つまり、圧電セラミックス（圧電体）３００は、円柱状のほか、直方体状や多角柱状であってもよい。
【００２５】
第１の圧電部３０１の径方向の長さＷ１が、第２の圧電部３０２の径方向の長さＷ２よりも大きい。すなわち、Ｗ１＞Ｗ２となる。また、第１の圧電部３０１の軸方向の長さＴ１及び径方向の長さＷ１の比（Ｔ１／Ｗ１）が、第２の圧電部３０２の軸方向の長さＴ２及び径方向の長さＷ２の比（Ｔ２／Ｗ２）と略等しくてもよい。すなわち、Ｔ１／Ｗ１＝Ｔ２／Ｗ２であってもよい。これにより、不要共振モードをなくすことができる。
【００２６】
内部電極３１１及び外部電極３１２，３１３に用いられる導電体としては、銀ペーストの他、金、白金、及びニッケルなどの導電性材料を含むペーストが用いられる。これらの金属の中から、要求されるコスト及び導電率を考慮して最適な材料が選択されればよい。
【００２７】
内部電極３１１は、基板３０５の少なくとも一方の平面に形成されればよい。基板３０５上にセラミックス粒子を含むスラリーが円柱状に形成されることで、第１の圧電部３０１（又は、第２の圧電部３０２）が形成される。円柱状スラリーを形成するために、スクリーン印刷機が用いられる。印刷版のメッシュは、スラリーが円柱状に印刷されるようなパターンを有する。また、低粘度のスラリーよりも高粘度のスラリーを用いることが好ましい。低粘度のスラリーは有機溶剤を多く含むので、円柱状に形成されにくい。一方、高粘度のスラリーは円柱状に形成されやすい。スラリーの厚みは圧電体の高さを決める要素となるが、スクリーン印刷版によりスラリーの厚みは調整可能である。また、スラリーの印刷と乾燥の作業を繰り返し行うことで所定の厚みのスラリーを得ることができる。
【００２８】
基板３０５の少なくとも一方の平面に内部電極３１１が塗布される。内部電極３１１上にスラリーが円柱状に形成されることで、第２の圧電部３０２（又は、第１の圧電部３０１）が形成される。第１の圧電部３０１及び第２の圧電部３０２の形成位置は、それぞれの軸方向が略一致することが望ましい。そこで、基板３０５には、切り欠きが予め設けられ、画像認識装置により切り欠きが第１の圧電部３０１及び第２の圧電部３０２の形成位置の位置合わせに用いられる。第１の圧電部３０１の径方向の長さＷ１が第２の圧電部３０２の径方向の長さＷ２よりも大きいので、印刷版の印刷パターンのずれが数μｍ生じても、第１の圧電部３０１の径方向断面内に、第２の圧電部３０２が形成される。円柱状スラリーは、焼結によりセラミックス焼結体となる。
【００２９】
樹脂部３１０は、スラリーを焼結することで得られた複数の圧電セラミックス（圧電体）３００の隙間に充填されて硬化される。第１の圧電部３０１の端面３１４及び第２の圧電部３０２の端面３１５を超えた樹脂部は、研削や研摩によって除去される。樹脂部の研削面又は研磨面に外部電極３１２，３１３が形成されることにより、積層化された圧電セラミックス（圧電体）３００を含む圧電構造２００を得ることができる。
【００３０】
なお、基板３０５を設けずに、内部電極３１１の両面に第１の圧電部３０１及び第２の圧電部３０２がそれぞれ形成されてもよい。
【００３１】
図４は、第１の圧電部の径方向の長さＷ１及び第２の圧電部の径方向の長さＷ２の比（Ｗ１／Ｗ２）と受信感度との関係を例示したグラフである。横軸が第１の圧電部の径方向の長さＷ１及び第２の圧電部の径方向の長さＷ２の比（Ｗ１／Ｗ２）を表し、縦軸が受信感度を表している。図４に示すように、Ｗ１／Ｗ２＝１の場合に受信感度が最大となる。Ｗ１／Ｗ２の値が“１”から遠ざかるほど、受信感度が小さくなる。したがって、許容される受信感度を“Ｎ”とすると、Ｗ１／Ｗ２の値が許容される範囲が、Ａ≦Ｗ１／Ｗ２≦Ｂとなる。このように、予め設定された圧電構造２００の受信感度に応じて、第２の圧電部の径方向の長さＷ２を第１の圧電部の径方向の長さＷ１で除した値（Ｗ１／Ｗ２）が所定の範囲内（Ａ≦Ｗ１／Ｗ２≦Ｂ）に設定される。
【００３２】
図５は、圧電構造２００の圧電セラミックス（圧電体）３００と樹脂部３１０の体積比率（Ｒ）と静電容量及び電気インピーダンスとの関係を例示したグラフである。横軸は圧電セラミックス（圧電体）３００と樹脂部３１０の体積比率（Ｒ）を表し、縦軸は静電容量及び電気インピーダンスを示している。ここでは、圧電セラミックス（圧電体）３００はＰＺＴを材料としている。図５に示すように、圧電セラミックス（圧電体）３００と樹脂部３１０の体積比率（Ｒ）が大きくなるほど、静電容量が大きくなり、電気インピーダンスが小さくなる。このように、圧電構造２００の静電容量を増加させて最適な電気インピーダンスを得ることができる。例えば、図５に示すように、超音波診断装置１本体の電気インピーダンスを５０Ωとすると、圧電セラミックス（圧電体）３００と樹脂部３１０の体積比率（Ｒ）を“８：２”とすることで、超音波探触子３と超音波診断装置１本体とのインピーダンスマッチングを図ることができる。
【００３３】
つまり、圧電構造２００は、圧電セラミックス（圧電体）３００を囲む樹脂部３１０を備え、圧電セラミックス（圧電体）３００及び樹脂部３１０の体積比率（Ｒ）が、超音波診断装置１の電気インピーダンスに応じて設定される。また、図２に示すように、圧電構造２００が複数の圧電セラミックス（圧電体）３００を備える場合は、圧電構造２００は、複数の圧電セラミックス（圧電体）３００を囲む樹脂部を備え、複数の圧電セラミックス（圧電体）３００の総体積及び樹脂部３１０の総体積の比（Ｒ）が、超音波診断装置１の電気インピーダンスに応じて設定される。
【００３４】
さらに、複数の圧電セラミックス（圧電体）３００は、それぞれの軸方向が略平行になるように配置され、樹脂部３１０は、第１の圧電部３０１の端面３１４及び第２の圧電部３０２の端面３１５の間に充填され、複数の圧電セラミックス（圧電体）３００の総体積及び樹脂部３１０の総体積の比に基づく超音波探触子３の電気インピーダンスが、超音波診断装置１の電気インピーダンスと略同じになるように、第１の圧電部３０１及び第２の圧電部３０２のうち少なくとも１つの軸方向の長さ及び径方向の長さの比が設定される。例えば、図３に示すように、第１の圧電部３０１の軸方向の長さＴ１及び径方向の長さＷ１の比（Ｔ１／Ｗ１）を調整することにより、複数の圧電セラミックス（圧電体）３００の総体積を調整することができ、最適な電気インピーダンスを得ることができる。この場合、不要共振モードをなくすために、図３に示すように、第１の圧電部３０１の軸方向の長さＴ１及び径方向の長さＷ１の比（Ｔ１／Ｗ１）が、第２の圧電部３０２の軸方向の長さＴ２及び径方向の長さＷ２の比（Ｔ２／Ｗ２）と略等しくてもよい。
【００３５】
以上、本発明にかかる実施の形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、請求項に記載された範囲内において変更・変形することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明に係る圧電構造は、圧電体の静電容量を増加させて最適な電気インピーダンスを得ることができ、超音波診断装置の超音波探触子に用いられる圧電構造などとして有用である。
【符号の説明】
【００３７】
１  超音波診断装置
３  超音波探触子
４  超音波送受信部
５  超音波画像形成部
６  表示部
７  制御部
８  コントロールパネル
２００  圧電構造
３００  圧電セラミックス（圧電体）
３０１  第１の圧電部
３０２  第２の圧電部
３０５  基板
３１０  樹脂部
３１１  内部電極
３１２，３１３  外部電極
【図１】
2014158087.tif 000003
【図２】
2014158087.tif 000004
【図３】
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【図４】
2014158087.tif 000006
【図５】
2014158087.tif 000007