(57)【要約】【課題】超音波放射の有効面積を広く確保することができ、かつ鎖交磁束面積を小さくする接地リード線及び信号入出力リード線の配置も可能となる電極構造による圧電振動子を積層した超音波トランスデューサを提供すること。【解決手段】両面に電極を有する偶数個の圧電振動子１−１、１−２を積層構造に形成して奇数個の電極を備えた振動子体１と、この振動子体の上面に配置され、表面に電極３ｂを備えた非圧電体の音響整合層２と、この振動子体の下面に固着されるバッキング材７と、接地リード線５及び信号入出力リード線６とから成り、前記振動子体１の奇数個の電極３ａ、４ａ、４ｂ、及び前記音響整合層の電極３ｂから成る遇数個の電極が、交互に接続されて２つの電極組を形成して成ることを特徴とする超音波トランスデューサ。【選択図】　図１
2004056352.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
両面に導電体を有する偶数個の圧電振動子を積層構造に形成して奇数個の電極を形成した振動子体と、
この振動子体の一方の面に配置され、表面に電極を備えた音響整合層と、
この振動子体の前記面と反対側の面に固着されるバッキング材と、
前記振動子体の奇数個の電極及び前記音響整合層の電極から成る偶数個の電極が、交互に接続されて２つの電極組を形成して成り、
前記２つの電極組のうち一方に接続された接地リード線と他方に接続された信号入出力リード線とを有することを特徴とする超音波トランスデューサ。
【請求項２】
前記２つの電極組は、前記音響整合層の電極を含む第１の電極組に接地リード線が接続され、他の電極組の第２の電極組に信号入出力リード線が接続されて成ることを特徴とする請求項１記載の超音波トランスデューサ。
【請求項３】
前記第１の電極組に接続される接地リード線、及び前記第２の電極組に接続される信号入出力リード線は、前記積層構造の振動子体及びこの振動子体を保持するバッキング材の同一側面に、互いに近接されて配置されて成ることを特徴とする請求項２記載の超音波トランスデューサ。
【請求項４】
前記第１の電極組に接続される接地リード線は、共に内蔵される他の積層構造の振動子体に接続される接地リード線と共用する接地導体に接続され、前記第２の電極組に接続される信号入出力リード線は、共に内蔵される他の積層構造の振動子体に接続される信号入出力リード線と分離されて、共にフレキシブル印刷配線で接続供給されることを特徴とする請求項３記載の超音波トランスデューサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波診断装置や超音波探傷装置に使用される圧電振動子による超音波トランスデューサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波診断装置や超音波探傷装置では、圧電振動子を備えた超音波トランスデューサにより、超音波信号を送信して、これら超音波信号の一部が生体の組織や物体の欠陥キズ等の境界面で反射する反射超音波信号を、前記圧電振動子で再び受信して、この信号を画像化するものである。
【０００３】
図３は、従来の超音波トランスデューサの構造を模式的に示す断面図で、同図（ａ）に圧電振動子が単層の場合を、同図（ｂ）に積層構造の場合の断面構造を示す。
【０００４】
従来の超音波トランスデューサの基本的な構成は、圧電振動子が単層の場合の図３（ａ）に示すように、圧電振動子３１に平行な電極層３３、３４を備えて、さらに圧電振動子３１の超音波送受波面（上面）に音響整合層３２が形成される。さらに、音響整合層３２の上に、音響的集束を行うための音響レンズが形成されることもある。
【０００５】
また、音響整合層と対向する圧電振動子３１の電極３４側の面に、接着等により、この圧電振動子の固定のためと、後方へ放射される超音波の吸収を行うためのバッキング材３７が設けられる。
【０００６】
超音波診断装置等の医用超音波トランスデューサでは、電気的な安全性を考慮して生体に接する音響整合層３２側の電極３３に接地リード線３５が接続され、対の電極３４に信号電圧が入出力されるフレキシブル印刷配線の信号入出力リード線３６が接続される。
【０００７】
一方、超音波トランスデューサと送受信回路との電気的マッチングを良好にするために、圧電振動子を積層構造とし、静電容量値を大きくして電気インピーダンスを下げる方法がある。この方法による圧電振動子が積層構造の場合では、図３（ｂ）に示すように、基本的構造は単層の場合と同様であるが、圧電振動子３１ａ、３１ｂは、それぞれの圧電振動子の電極３３、３４が焼成により形成され、これを導電性接着剤で重ね合わせて接合して積層構造とする。接地リード線３５及び信号入出力リード線３６の接続強度を維持するために、接続部分を面状にハンダ付けとするために、回し込み電極３４ａを形成する。
【０００８】
この積層された圧電振動子３１ａ、３１ｂでは、生体に接する音響整合層３２側の電極３３が、圧電振動子３１ａ、３１ｂの外側の側面に延長されて設けられ、バッキング材３７と接する面の電極３３ａに接地リード線３５がハンダ付け接続される。さらに、積層された圧電振動子３１ａ、３１ｂに挟み込まれる電極３４も、同じくバッキング材３７と接する面で接続するより他に面状にハンダ付け接続の場所が確保されず、本来なら電極３３ａとなる部分に回し込み電極３４ａを形成して、ここにフレキシブル印刷配線の信号入出力リード線３６が接続される。電極３３ａと電極３４ａの間には、両電極に高電圧が印加されるので耐圧ギャップ３９ａが設けられる。
【０００９】
圧電振動子の下面から２つのリード線を引き出すため、バッキング材７７の両側にそれぞれ接地共通リード線３５と信号入出力リード線３６が配置される構造となる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上に述べた従来の複数の圧電振動子を積層構造とした振動子体では、振動子の片面に２つの電極が形成される。この形成された２つの電極の一方は、対向する面から延長される回し込み電極の構造となるために、この電極の形成された図３（ｂ）の部分３８は電圧が印加されず、圧電振動子として機能せず、超音波信号の送受信に関与しない。また、同一面に２つの電極を設けるには、高電圧の駆動電圧に耐えるだけの間隔の電極間隙を要し、耐圧ギャップ３９ａ、３９ｂでは、同じく振動子として作動しないので、圧電振動子の実効範囲は図示したｗとなり、実質的な超音波放射面積がさらに減少することになる。特に、医用超音波診断装置の心臓用セクタ超音波トランスデューサでは、肋骨の間にこの超音波トランスデューサを装着して心拍動を観察するが、生体に適合させるために超音波トランスデューサの外形形状に限界があり、上述のように圧電振動子の実効範囲が狭くなると十分な有効放射口径が取れなく、これが大きな問題点となっていた。
【００１１】
また、バッキング材の両側面から接地リード線と信号入出力リード線がそれぞれ引き出されるため、これらのリード線に囲まれて形成される鎖交磁束面積が広くなり、隣接する他の振動子からのチャンネルクロストーク、及び電子機器からのノイズの影響を受け易く、連続波血流速表示モードの使用に支障が出る場合がある。
【００１２】
この発明は上記のような従来の問題点に鑑みてなされたもので、超音波放射の有効面積を広く確保することができ、かつ鎖交磁束面積を小さくする接地リード線及び信号入出力リード線の配置も可能となる電極構造による圧電振動子を積層した超音波トランスデューサを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の請求項１によれば、両面に電極を有する偶数個の圧電振動子を積層構造に形成して奇数個の電極を備えた振動子体と、この振動子体の上面に配置され、表面に電極を備えた音響整合層と、この振動子体の下面に固着されるバッキング材と、接地リード線及び信号入出力リード線とから成り、前記振動子体の奇数個の電極及び前記音響整合層の電極から成る遇数個の電極が、交互に接続されて２つの電極組を形成して成ることを特徴とする超音波トランスデューサを提供する。
【００１４】
さらに、本発明の請求項２によれば、前記２つの電極組は、前記音響整合層の電極を含む第１の電極組に接地リード線が接続され、他の電極組の第２の電極組に信号入出力リード線が接続されて成ることを特徴とする超音波トランスデューサを提供する。
【００１５】
さらに、本発明の請求項３によれば、前記第１の電極組に接続される接地リード線、及び前記第２の電極組に接続される信号入出力リード線は、前記積層構造の振動子体及びこの振動子体を保持するバッキング材の同一側面に、互いに近接されて配置されて成ることを特徴とする超音波トランスデューサを提供する。
【００１６】
さらに、本発明の請求項４によれば、前記第１の電極組に接続される接地リード線は、共に内蔵される他の積層構造の振動子体に接続される接地リード線と共用する接地導体に接続され、前記第２の電極組に接続される信号入出力リード線は、共に内蔵される他の積層構造の振動子体に接続される信号入出力リード線と分離されて、共にフレキシブル印刷配線で接続供給されることを特徴とする超音波トランスデューサを提供する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面により詳細に説明する。
【００１８】
図１は、実施形態の超音波トランスデューサを、圧電振動子が２層の積層構造となる場合を例として模式的に示す断面図である。図１（ａ）には、超音波トランスデューサの断面図を、同図（ｂ）には、本実施形態を構成する部材の複数の圧電振動子、及び音響整合層のそれぞれの断面図を示す。
【００１９】
実施形態の超音波トランスデューサは、図１（ａ）に示すように、電極を焼成したチタン酸バリウム系やチタン酸ジルコン酸鉛系の圧電セラミックスの２個の圧電振動子１−１、１−２は、分極方向Ｅを互いに逆にして、接地に対応する電極３ａを挟み込んで、２層の積層構造の振動子体１を形成する。この振動子体１の圧電振動子１−１の上面には、信号の入出力に対応する電極４ａを、圧電振動子１−２の下の面には、同じく信号の入出力に対応する電極４ｂを備える。
【００２０】
予め電極３ｂを一端面に備えた音響整合層２の裏端面を、２層の一方の前記圧電振動子１−１の電極４ｂに接して、この音響整合層２が固着される。
【００２１】
電極３ｃ及び電極４ｃを、圧電振動子１−１、１−２または音響整合層２のそれぞれ側面に備えて、前記電極３ａと前記電極３ｂ、及び前記電極４ａと前記電極４ｂがそれぞれ連結接続される。
【００２２】
さらに、圧電振動子１−２の下面にある電極４ａに、信号の入出力を行うフレキシブル印刷配線の信号入出力リード線６の先端部を、ハンダ付けまたは導電性接着剤などで接続して、この接続部分と前記電極４ａを敷き込むように、バッキング材７に圧電振動子１−２が接着される。
【００２３】
前記音響整合層２に設けた電極３ｂに、接地に接続する接地リード線５の先端を、前述の信号入出力リード線６を配した側面と同じ側に、同じくハンダ付けまたは導電性接着剤などで接続して、この接続部分と前記電極３ｂを敷き込むように、音響レンズ８が音響整合層２の上面に接着される。
【００２４】
なお、上述の積層される圧電振動子１−１、１−２及び音響整合層２とこれらに備える電極３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂは、図１（ｂ）に示すようにそれぞれを部材として形成した後、積層してその接する電極相互を導電性接着剤により接着して組立てられる。
【００２５】
この組立では、最下層に位置する圧電振動子１−２では、チタン酸バリウム系やチタン酸ジルコン酸鉛系（ＰＺＴ）等の圧電セラミックスを所望の周波数の共振振動をする所定の厚み、形状に加工し、その１面、例えば下面に信号入出力電極４ａを、対面の上面に接地電極３ａを、それぞれの面の一方の側面端部に耐電圧ギャップ９ａ、９ｂを設けて銀電極ペーストなどの電極材で形成する。また、連結用電極４ｃを、例えば圧電振動子１−２の右側面に、同じく銀電極ペースト若しくは導電性塗料により同様に形成する。
【００２６】
また、圧電振動子１−２の上部に載せる中層の圧電振動子１−１では、同じく、圧電セラミックスを所定の厚み、形状に加工して、その圧電振動子１−２に接する１面に接地電極３ａを、対面の上面に信号入出力電極４ａを、同じくそれぞれの面の一方の側面端部に耐電圧ギャップ９ｃ、９ｄを設けて銀電極ペーストなどの電極材で形成する。なお、この耐電圧ギャップ９ｃは、対応する圧電振動子１−２に設けられた耐電圧ギャップ９ｂと同じ側の位置に設ける。入出力信号の連結用電極４ｃを、先の圧電振動子１−２の連結用電極４ｃと同じ側の圧電振動子１−１の側面に、及び接地の連結用電極３ｃを反対側の側面に、それぞれ同じく銀電極ペースト若しくは導電性塗料により形成する。
【００２７】
上述の電極構造の圧電振動子は、回し込み電極の構造の部分が無いので、従来の圧電振動子に比べて、図１（ａ）に図示すように圧電振動子として動作する領域Ｗが、両耐電圧ギャップ９を除く全域となって増大する。
【００２８】
さらに、最上層になる音響整合層２を、非圧電性材料で、耐熱性も有する、例えば開削セラミックス等を、所定の厚み・形状に加工し、その下面に耐電圧ギャップ９ｅの間隙を備えた信号入出力電極４ｂを、対面の上面に接地電極３ｂを、及び下部の圧電振動子１−１の連結用電極３ｃと同じ側の側面に接地の連結用電極３ｃを、それぞれ銀電極ペースト若しくは導電性塗料により形成する。ここでは、１層で構成している音響整合層２の場合を示したが、音響整合層２が２層や３層で構成される場合は、２層若しくは３層の整合層を形成した後、前述の信号入出力電極４ｂ、接地電極３ｂ、及び連結用電極３ｃを形成して２層若しくは３層の音響整合層２が得られる。
【００２９】
このように、それぞれ電極を形成したこれらセラミックスを焼成して、電極を固着した後、音響整合層２以外の圧電セラミックスの圧電振動子１−１及び１−２は、この電極間に約１ｋＶ／ｍｍ×（セラミックスの厚さ）の電圧を印加して分極処理を施し、積層して組立てる圧電振動子１−１、１−２として使用する。
【００３０】
なお、音響整合層２が、音響インピーダンス調整用粉体を混合した樹脂により形成される場合は、信号入出力電極４ａ、接地電極３ｂ、及び連結用電極３ｃを導電性塗料により形成して、焼成を行わずに塗料の乾燥を行って、積層した振動子の上部に導電性接着剤にて接着して組立てる。
【００３１】
上述の説明では、超音波トランスデューサを、各電極を形成し、焼成した後、分極処理を行って圧電セラミックスを積層用圧電振動子１−１、１−２としてこれらを導電性接着剤で接着して、積層構造の圧電振動子体１を形成する手順を示したが、各電極を形成し、焼成した後、これらを導電性接着剤で接着して、電極３及び電極４に約１ｋＶ／ｍｍの電圧を印加し、分極処理を行って積層構造の圧電振動子体１を形成する手順で組立てを行っても、本実施形態の超音波トランスデューサを構成することができる。
【００３２】
なお、電子走査超音波診断装置に使用されるアレイ型超音波トランスデューサは、上述の音響整合層２及び積層圧電振動子体１を、ダイシングソーにより図１（ａ）の断面と並行な面で切断してアレイ形状に加工し、接地リード線５及び信号入出力リード線６は、その目的とする各電極に接続を維持して成される。特に、多数の信号線を要する信号入出力リード線６はフレキシブル印刷配線により好適に構成できる。
【００３３】
上述のように構成した本実施形態の超音波トランスデューサの動作を説明する。
【００３４】
図１（ａ）の接地リード線５に対し、信号入出力リード線６に積層圧電振動子体１の共振周波数の交流電圧を印加する。積層された圧電振動子１−１及び圧電振動子１−２は、共にその厚み方向に縮む、或いは伸びる変形をして振動する。この変形は、質量としては充分大きいバッキング材７に１面が固定されており、電極４ｂが施された面の振動の振幅は、同じ共振周波数となる単層の圧電振動子のほぼ４倍となる。
【００３５】
この振動は、積層圧電振動子体１の上面に設けられた音響整合層２を伝搬する。この音響整合層２は、積層圧電振動子の共振周波数の１／４波長に相当する厚さで形成されるので、波動伝搬の１／４波長マッチング効果により、超音波トランスデューサの外部の媒質に、積層圧電振動子体１で生じた超音波振動を効率良く伝搬して放射する。
【００３６】
一方、本実施形態の超音波トランスデューサに外部から超音波振動が伝搬してくると、上述の作動が可逆的に行われて、積層圧電振動子体１の電極３及び電極４間に振動共振電圧が生じ、それぞれの電極に接続されて、この超音波トランスデューサの一側面に揃えて設けられた接地リード線５及び信号入出力リード線６間から信号電圧として取り出すことができ、これを画像化の信号として供する。
【００３７】
上述の説明では、２層の積層について説明したが、さらに４層、６層のように偶数の積層数を有する他の実施形態を、４層に積層した場合を図２に示す。
【００３８】
この実施形態では、前述の電極構造を有する２層の圧電振動子の組２１−１、２１−２を、繰返し積層することにより、４層の積層２１−１〜２１−４を構成する。すなわち、２ｎ（偶数）層で構成する振動子体は、図１（ｂ）に示す圧電振動子１−１、及び圧電振動子１−２の電極構造を有して積層した２層の圧電振動子の組をｎ組積み重ねて、その両側面の連結用電極２３ｃ、２４ｃをそれぞれの積み重ねの間で接続する。さらに、この積層した振動子の上部に、図１（ｂ）の最上段に示す表面に電極を有する音響整合層と同形態である、電極２３ｂを表面に有する音響整合層２２を固着し、この積層した振動子の側面の電極２３ｃと表面の電極２３ｂとを接続する。
【００３９】
上述のように形成した偶数の積層した圧電振動子と音響整合層に対し、図示しない接地リード線を、連結電極２３ｃの施されていない音響整合層２２の電極２３ｂの側端部に接続し、また、図示しない信号入出力リード線を最下部の振動子の電極２４ａの前記接地リード線と同側の端部に接続する。
【００４０】
さらに、図示しないバッキング材及び音響レンズが、それぞれ最下部の振動子及び音響整合層に固着されて、偶数の積層された圧電振動子を有する他の実施形態が構成される。この偶数の積層圧電振動子による他の実施形態の超音波トランスデューサにおいても、両リード線間から信号電圧を取り出すことができ、これを画像化の信号として供することが同じくできる。
【００４１】
上述のように本実施形態では、偶数個の圧電振動子を積層構造として電気インピーダンスを下げる超音波トランスデューサであって、積層する圧電振動子に回し込み電極を不要とする電極構造により、圧電セラミックスの圧電振動子として機能する領域を増大させて超音波放射効率を高めることができる。また、音響整合層の表面に電極を設けて、これを接地リード線を介し、接地に接続して、超音波トランスデューサとしての電気的最外周部分は、接地リード線、及びこれに接続される電極であり、医用機器に求められる電気的侵襲から生体を保護する効果がある。
【００４２】
また、鎖交磁束面積が小さくなるように接地リード線部及び信号入出力リード線部を超音波トランスデューサの側面で揃えて引き出すため、アレイのチャンネル間クロストークや外来ノイズの影響が少ない超音波信号の送受信が行える効果がある。
【００４３】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明による超音波トランスデューサは、偶数個の圧電振動子を積層する超音波トランスデューサであっても、超音波放射の有効面積を確保するために回し込み電極を不要とした電極構造により、圧電振動子の超音波放射の領域を増大し、さらに、超音波トランスデューサの電気構造物の最外周に接地電極が配置されて、電気的な安全性が確保できる。また、接地電極及び信号入出力電極が、音響整合層を備える圧電信導体の最上面と最下面に配置されるので、接地リード配線及び信号入出力リード配線を超音波トランスデューサの一側面に纏めて配置できて、チャンネル間クロストーク及び外来ノイズ影響が少ない出力信号が得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波トランスデューサの実施形態を模式的に示す断面図。
【図２】本発明の超音波トランスデューサの他の実施形態の例として４層積層を模式的に示す断面図。
【図３】従来の積層された圧電振動子による超音波トランスデューサを模式的に示す断面図。
【符号の説明】
１・・・圧電振動子体、
１ａ、１ｂ、１−１、１−２、２１−１〜２１−４・・・圧電振動子、
２、２２・・・音響整合層、
３ａ、３ｂ、３ｃ、２３ｂ、２３ｃ、・・・電極、
４ａ、４ｂ、４ｃ、２４ａ、２４ｃ、・・・電極、
５・・・接地リード線、
６・・・信号入出力リード線、
７、２７・・・バッキング材、
８・・・音響レンズ、
９、９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅ、３９・・・耐圧ギャップ、
３４ａ・・・回し込み電極。
【図１】
2004056352.tif 000003
【図２】
2004056352.tif 000004
【図３】
2004056352.tif 000005