(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の超音波トランスジューサ素子を有する超音波トランスジューサ・アレイであって、該複数の超音波トランスジューサ素子の各々が、それぞれに前面と背面を有しており、圧電セラミック材料からなる第１及び第２の層であって、該第２層の前記前面は該第１層の前記背面に面している、第１及び第２の層と、
前記第１層の前記前面と接触している第１の電極と、
前記第２層の前記前面と前記第１層の前記背面の間にある第２の電極と、
前記第２層の前記背面と接触している第３の電極と、
前記第１と第３の電極を電気的に接続している第１の電極間接続と、
前記第１電極間接続と前記第２の電極の相対するエッジとの間、並びに前記第１と第３の電極の間に広がるような、前記圧電セラミック材料よりも低い誘電率を有する材料からなる第１のセグメントと、
を備えており、
前記第１のセグメントは、前記第１の層の厚さ及び第２の層の厚さと前記第２の電極の厚さの合計に概ね等しい厚さを有しており、前記第１のセグメントは、電界を前記圧電セラミック材料に限局させる、
超音波トランスジューサ・アレイ。
【請求項２】
前面と背面を有している前記圧電セラミック材料からなる第３の層（３４）であって、該第３層の前記前面は前記第３の電極がその間に来るようにして前記第２層の前記背面に面している、第３の層（３４）と、前記第３層の前記背面と接触している第４の電極（４２）と、前記第２と第４の電極を電気的に接続している第２の電極間接続（４４）と、前記第２電極間接続と前記第１電極の相対するエッジとの間、並びに前記第２と第４の電極の間に広がるような、前記圧電セラミック材料よりも低い誘電率を有する前記材料からなる第２のセグメント（３１）と、をさらに備える請求項１に記載の超音波トランスジューサ素子。
【請求項３】
前記圧電セラミック材料が焼結され、かつ前記圧電セラミック材料よりも低い誘電率を有する前記材料が焼結されている、請求項１に記載の超音波トランスジューサ素子。
【請求項４】
前記圧電セラミック材料はジルコン酸チタン酸鉛を含み、前記圧電セラミック材料よりも低い誘電率を有する前記材料は、アルミナと、スズ酸鉛と、二酸化チタンと、チタン酸マグネシウムと、チタン酸カルシウムと、チタン酸ストロンチウムと、イットリウム安定化酸化ジルコニウムと、チタン酸ビスマスと、鉛のジルコン酸塩及びスズ酸塩と、アルカリ土類酸化物及び希土類酸化物と、等価材料と、からなる群のうちの１つを含んでいる、請求項３に記載の超音波トランスジューサ素子。
【請求項５】
さらに、前記圧電セラミック材料からなる前記第１層の前記前面に面している表面を有する音響整合材料からなる層であって、前記第１層と該音響整合材料層との間に前記第１電極が配置されるようにした音響整合材料層を備えている、請求項１に記載の超音波トランスジューサ素子。
【請求項６】
前記圧電セラミック材料の誘電率が前記圧電セラミック材料よりも低い誘電率を有する前記材料の誘電率と比べ約１００倍の大きさである、請求項１に記載の超音波トランスジューサ素子。
【請求項７】
前記圧電セラミック材料層の総数が３層を超えている、請求項２に記載の超音波トランスジューサ素子。
【請求項８】
それぞれに前面と背面を有しており、圧電セラミック材料からなる第１及び第２の層であって、該第２層の前記前面は該第１層の前記背面に面している、第１及び第２の層と、
前記第１層の前記前面と接触している第１の電極と、
前記第２層の前記前面と前記第１層の前記背面の間にある第２の電極と、
前記第２層の前記背面と接触している第３の電極と、
前記第１と第３の電極を電気的に接続している第１の電極間接続と、
前記第１電極間接続と前記第２の電極の相対するエッジとの間、並びに前記第１と第３の電極の間に広がるような、前記圧電セラミック材料よりも低い誘電率を有する材料からなる第１のセグメントと、
を備えており、
前記第１のセグメントは、前記第１の層の厚さ及び第２の層の厚さと前記第２の電極の厚さの合計に概ね等しい厚さを有しており、前記第１のセグメントは、電界を前記圧電セラミック材料に限局させる、
超音波トランスジューサ素子。
【請求項９】
前面と背面を有している前記圧電セラミック材料からなる第３の層であって、該第３層の前記前面は前記第３の電極がその間に来るようにして前記第２層の前記背面に面している、第３の層と、
前記第３層の前記背面と接触している第４の電極と、
前記第２と第４の電極を電気的に接続している第２の電極間接続と、
前記第２電極間接続と前記第１電極の相対するエッジとの間、並びに前記第２と第４の電極の間に広がるような、前記圧電セラミック材料よりも低い誘電率を有する前記材料からなる第２のセグメントと、
をさらに備える請求項８に記載の超音波トランスジューサ素子。
【請求項１０】
前記圧電セラミック材料が焼結され、かつ前記圧電セラミック材料よりも低い誘電率を有する前記材料が焼結されている、請求項８に記載の超音波トランスジューサ・アレイ。
【請求項１１】
前記圧電セラミック材料はジルコン酸チタン酸鉛を含み、前記圧電セラミック材料よりも低い誘電率を有する前記材料は、アルミナと、スズ酸鉛と、二酸化チタンと、チタン酸マグネシウムと、チタン酸カルシウムと、チタン酸ストロンチウムと、イットリウム安定化酸化ジルコニウムと、チタン酸ビスマスと、鉛のジルコン酸塩及びスズ酸塩と、アルカリ土類酸化物及び希土類酸化物と、等価材料と、からなる群のうちの１つを含んでいる、請求項８に記載の超音波トランスジューサ・アレイ。
【請求項１２】
前記圧電セラミック材料の誘電率が前記圧電セラミック材料よりも低い誘電率を有する前記材料の誘電率と比べ約１００倍の大きさである、請求項８に記載の超音波トランスジューサ・アレイ。
【請求項１３】
各素子内の前記圧電セラミック材料層の総数が３層を超えている、請求項９に記載の超音波トランスジューサ・アレイ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】
医用イメージングや非破壊検査に使用される超音波トランスジューサは、感度と帯域幅という、貫通度及びそのイメージング・システムの分解能と直接相関している２つの主要な特性によって特徴付けられる。多層圧電構造では、多層構造により圧電セラミック素子（例えば、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ））の電気的インピーダンスが低下するため従来の単一層デバイスと比べて感度が増強されることは当技術分野でよく知られている。
【０００２】
多層ＰＺＴトランスジューサ・アレイでは、Ｎ個の層（Ｎ＞１）を音響的に直列に結合させ、λ／２共鳴厚（ここでλは超音波の波長）がスタック厚ｔとなるようにしている。印加した電圧の極性がポーリング方向（ｐｏｌｉｎｇ  ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）に一致しているとき、圧電材料は厚さ方向に伸長する。各層に関してその電気的極性がポーリング方向と同じであるため、各層は一体となって伸長したり圧縮したりする。印加した所与の電圧に対して、各層（厚さｔ／Ｎ）間の電界は単一層トランスジューサ（厚さｔ）に対する電界より大きく、このため得られる音響出力エネルギーもより大きくなる。各層は、電気的には並列に接続させる。単一層デバイスと比較して、Ｎ層デバイスは、本質的にはより薄肉のコンデンサを並列接続でＮ個合成したものとなる。所与の動作周波数に対してこの構造体の全体の厚さは一定のままであるため、このデバイスのキャパシタンスはＮ2の関数として増加する。これに応じて、電気的インピーダンスはＮ2の逆数の関数として低下する。
【０００３】
従来の（単一層の）トランスジューサ素子は素子をコンソールに接続させているケーブルのインピーダンスと比べて高い電気的インピーダンスを有する傾向にあるため、これら従来のトランスジューサ素子では深刻なインピーダンス不整合が見られ、これにより素子とコンソールの電子回路の間での電気出力伝達が制限されている。こうした不整合は、素子インピーダンスがケーブルの５０オームと比較して典型的には数百オームであるような従来の１次元トランスジューサでは望ましくないものであるが、素子インピーダンスが典型的には数千オームであるような多列式プローブでは、こうした不整合は受容しがたい。数層を有する圧電構造体であってもこうした不整合を低下させるのに十分であり、これによりその感度が受容可能なレベルまで改善される。
【０００４】
理想的な圧電素子では、その電界は圧電材料全体にわたって均一かつ均質である。これと対照的に、被包電極（ｗｒａｐａｒｏｕｎｄ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）を有する圧電素子では、被包電極の近傍の電界は歪んでいる。したがって、電圧を印加すると、生じた電界により素子に望ましくない応力が生じる。これらの応力により所望の運動が低下する。詳細には、その電気機械的効率が平行プレートの幾何学構成と比べて低下する。
【０００５】
従来では、この問題は、ある場合には異なるコンテクストで認識されていたり、ある場合には回避しようとされたり（例えば、米国特許第４，２１７，６８４号を参照）、またある場合にはこれを活用して超音波イメージャのコントラスト分解能を改善しようとしている（例えば、米国特許第４，４６０，８４１号を参照）。圧電セラミックは、空気やその他大多数の材料と比べて際立って高い誘電率を有しており、典型的には、ハードＰＺＴでは数百倍、ソフトＰＺＴでは数千倍の大きさである。Ｄｅｓｉｌｅｔｓらによる「Ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  Ｗｒａｐａｒｏｕｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ  ｏｎ  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  Ａｒｒａｙ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ」（１９９８  ＩＥＥＥ  ＵｌｔｒａｓｏｎｉｃｓＳｙｍｐｏｓｉｕｍ）は、鋸引き切り溝（すなわち、ダイシング・スロット）を使用して圧電セラミック層のエッジ近傍の誘電率を変化させることについて教示している。これによって付随キャパシタンスを有するフリンジ電界が劇的に低下し、この電界の水平成分により生じる応力も最小限となる。したがって、ダイシング・スロットを用いることにより電界を限局して、より均一な機械的運動を生成することができる。しかし、この切り溝は随意に狭くすることはできない。その理由は、この切り溝を作るには鋸刃を用いる必要があり、また鋸刃の厚さはその刃材料の強度により左右されるためである。同様に、被包電極を支持しているセラミックのセグメントは、破損しないように十分堅固にする必要がある。この切り溝にはエポキシまたは別の低誘電率材料を充填し、さらに所望の効果を達成させることができる。しかし、この誘電率の低い材料は、セラミック構造体（高い誘電率を有する）を均質体として製作し終えた後で導入される。
【０００６】
すべての圧電トランスジューサは、デバイスの相対する面上にある電極に電圧を印加することにより動作している。単一層トランスジューサでは、圧電セラミックのエッジを被包するような電極を備える必要はない。ある種の製作方針では、素子の側面に利用可能な電極を備えること、あるいは、これらの表面のうちの一方だけからセラミックの最上面と最底面の両方に電気的接触をさせることが好都合である。
【０００７】
しかし、多層圧電トランスジューサを用いた動作の場合は、内部の電極への接続が必要となる。この接触は被包電極によって行われるのが通常である。多層圧電トランスジューサは、素子インピーダンスが高い（典型的には千オームを超える）ような多列式アレイで最も有用である。しかし（Ｄｅｓｉｌｅｔｓらによる教示のような）単純なダイシング切削では、こうしたトランスジューサ用の内部電極への接続が切断されてしまうことになる。
【０００８】
したがって、多層圧電トランスジューサの電界に対する制御を可能にするような技法が必要とされる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
超音波トランスジューサ・アレイは、多層圧電セラミックの製作中に、電界を限局させるために誘電率の低い材料を導入するような方法により製造されている。従来技術では、セラミックを均質体として形成し終えた後に、低い誘電率をもつ空気その他の材料をセラミックの厚みを通して導入していた。好ましい実施形態によれば、誘電率の低い材料で製作され厚さ方向に延びるエッジ・セグメントを、多層圧電セラミック構造体の相対する端部に形成させている。これらのエッジ・セグメントは、電界を限局させると共に、圧電セラミック材料の全体にわたって電界を実質的に均一かつ均質に維持する役目を果たす。
【００１０】
誘電率の低い材料は多層セラミックのエッジの位置に導入する。誘電率の低い材料で製作したエッジ・セグメントの各々は内部電極の遠位エッジが圧電セラミック成層の側面上にある相対する電極間接続から分離されるように配置し構成させる。これらの誘電率の低い領域によって、電界は誘電率の高い材料に限局され、この部分で電界が垂直方向に保たれる。このため、電極間に電圧を印加したときに、その圧電性の誘導歪みは概ね全体的に垂直となる。したがって、スプリアス・モードが実質的に低下する。
【００１１】
好ましい実施の一形態では、誘電率の低いエッジ・セグメントは印加した電圧によって歪みを受けない。これにより、素子の振動モードが平行プレートの幾何学構成と比較して修正される。この結果さらに、当技術分野でよく知られるように超音波がアポダイゼーションを受ける（例えば、米国特許第４，４６０，８４１号を参照）ために、ビーム・プロフィールが改善されることがある。ビームの中心ローブが少々広がっても、サイドローブのレベルが相当に低下することにより補償される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
従来の超音波のプローブは、プローブ・ハウジング内に支持する必要があるトランスジューサ・パレットを備えている。図１に示すように、従来のトランスジューサ・パレットは狭幅のトランスジューサ素子からなる線形アレイを備えている。各トランスジューサ素子は圧電セラミック材料層２を備えている。この圧電材料は典型的にはＰＺＴである。
【００１３】
典型的には、各トランスジューサ素子の圧電セラミック材料２は、その背面上に形成させた信号電極４と、その前方向面上に形成させた接地電極６と、を有している。各信号電極４は、柔軟な信号用プリント回路基板（ＰＣＢ）１０上にあるそれぞれの導電トレースを介して信号源（例えば、超音波イメージング・システムの送信器（図示せず）内のそれぞれのパルス発生器１２）と接続することができる。各信号電極は、典型的には、それぞれの受信器チャンネル（図示せず）とも選択的に接続可能である。パルス発生器が印加した送信パルスの振幅、タイミング及び送信シーケンスは、システムの送信器に組み込んだ様々な制御手段により決定される。各接地電極６は、柔軟な接地用ＰＣＢ１４上のそれぞれのトレース（図示せず）を介して、共通の接地（図示せず）に接続させている。これらの柔軟なＰＣＢは、共にパレットの同じ側に設けることが好ましいが、図１では図示を簡単にする目的のみから、パレットの相対する側に表している。
【００１４】
トランスジューサ・パレットはまた、大きな音響損失を有する適当な音響減衰材料（例えば、金属担持エポキシ（ｍｅｔａｌ−ｌｏａｄｅｄ  ｅｐｏｘｙ））からなる塊部１６を備え、トランスジューサ素子アレイの背側表面の位置で裏当て層として配置させている。この裏当て層１６は、トランスジューサ素子の背側表面と結合させて各素子の裏側から出る超音波を吸収し、これにより超音波が部分的に反射されて前進方向に伝搬する超音波と干渉しないようにしている。
【００１５】
典型的には、各トランスジューサ・アレイ素子はさらに第１の音響インピーダンス整合層１８を備えており、この音響インピーダンス整合層１８は圧電セラミック層２の金属被覆した前方向面（この金属被覆により接地電極６が形成される）と結合している。第１の音響インピーダンス整合層１８には第２の音響インピーダンス整合層２０を結合させている。トランスジューサ・パレットの層２、１８及び２０は、音響的に透明な薄肉の接着剤層で結合させている。第２の整合層２０の音響インピーダンスは、第１の整合層１８の音響インピーダンスより小さくし、かつトランスジューサ・アレイと音響的に結合させる媒質の音響インピーダンスより大きくする必要がある。
【００１６】
図１に示すパレットは、その各々が１つのスタックを形成するように互いに成層させた層２、４、６、１８及び２０を備えた別々のトランスジューサ素子になるようにダイシング（ｄｉｃｅ）している。しかし、１つのスタックを形成するようにシート状またはプレート状の材料を成層させることにより、ダイシングしていないパレットが製作されることも容易に理解されよう。次いで、このパレットは十分な深さまでダイシングし、それぞれのトランスジューサ素子を形成させる。平行な素子隔絶カット、すなわち切り溝（ｋｅｒｆ）２４を形成するにはダイシング鋸（ｄｉｃｉｎｇ  ｓａｗ）を使用している。各カットは音響整合層１８及び２０、並びに圧電セラミック層２を完全に貫通しているが、音響吸収層１６内には部分的にしか延びていない。切り溝２４には、引き続いてエラストマまたはゴム材料を充填させる。
【００１７】
ダイシングの後に、トランスジューサ素子の第２の音響インピーダンス整合層２０の前面は、シリコーン接着剤からなる音響的に透明な薄肉層を用いて従来のように凸形のシリンドリカル・レンズ２２の平面状の背面と結合させる。レンズ２２の役割には、（１）音響的集束をさせること（レンズ形状の断面及び低音速材料特性による）、（２）ジェル、身体の流体、清浄剤などによる作用からトランスジューサ素子を保護するための化学的隔壁を提供すること、並びに（３）通電されているトランスジューサ素子から患者を保護するための電気的隔壁を提供すること、の３つがある。このレンズは従来のようにシリコーン・ゴムで製作する。
【００１８】
隣接する層間に内部電極を挟み込んだ圧電材料の多層スタックを有する超音波トランスジューサでは、図１に示す単一層２が圧電スタックで置換される。平行な電極２８、３０のそれぞれのアレイと、誘電率の低いそれぞれのエッジ・セグメント２９、３１、３３及び３５と、を備える本発明の好ましい実施の一形態に従った多層ＰＺＴスタック２６を図２に示す。多層スタック２６の最上面が第１の音響整合層と音響的に結合しており、またその最底面が音響吸収材料からなる塊部と音響的に結合していると仮定すると、電極アレイ２８は接地に接続され、また電極アレイ３０は信号源に接続されることになる。図２に示すスタック２６は、その各層の厚さが一定であるような、３層の平行なシート状またはプレート状の圧電セラミック材料（それぞれ３４、３６及び３８）を備えている。３層式スタックでは、電極アレイ２８は圧電セラミック層３６と３８の間に配置した内部電極４０と、圧電セラミック層３４の最外面上に配置した外部電極４２と、層３４、３６及び３８のうちの１つの側面上で端部間にまたがっている電極間接続４４と、を備えている。電極間接続４４は電極４０と電極４２を電気的に接続させている。電極間接続４４はさらに、図１に示す柔軟な接地用ＰＣＢ１４と同様の柔軟な接地用ＰＣＢを含む接続を介して接地と電気的に接続させることが好ましい。電極アレイ３０はさらに、圧電セラミック層３４と３６の間に配置した内部電極４６と、圧電セラミック層３８の最外面上に配置した外部電極４８と、層３４、３６及び３８のうちの１つの側面上で端部間にまたがっている電極間接続５０と、を備えている。電極間接続５０は電極４６と電極４８を電気的に接続させている。さらに、電極間接続５０は、図１に示す柔軟なＰＣＢ１０と同様の柔軟な信号用ＰＣＢを含む接続を介して信号源と電気的に接続させることが好ましい。
【００１９】
好ましい実施の一形態によれば、スタック２６は、第１の誘電率の低いエッジ・セグメント３１を内部信号電極４６の端部と接地電極間接続４４の間に位置させて製作する。エッジ・セグメント３１は、セラミック層３４と３６の合計厚さ（内部信号電極４６の厚さは無視する）に概ね等しい高さと、内部信号電極４６の端部と接地電極間接続４４とを離間している距離に等しい幅とを有する平行パイプの形状であることが好ましい。同様に、第２の誘電率の低いエッジ・セグメント３３は内部接地電極４０の端部と信号電極間接続５０の間に位置させる。エッジ・セグメント３３は、セラミック層３６と３８の合計厚さ（内部信号電極４６の厚さは無視する）に概ね等しい高さと、内部接地電極４０の端部と信号電極間接続５０とを離間している距離に等しい幅とを有する平行パイプの形状である。さらに、第３の誘電率の低いエッジ・セグメント２９は層３８に隣接してエッジ・セグメント３１の下側に位置させ、また第４の誘電率の低いエッジ・セグメント３５は層３４に隣接してエッジ・セグメント３３の上側に位置させる。誘電率の低い材料からなるエッジ・セグメントにより電界を誘電率の高い材料に限局させ、誘電率の高い材料において電界が図２の矢印で示すように垂直方向に保たれるようにする。この方法では、電極間に電圧を印加したときに、圧電性の誘導歪みは概ね全体的に垂直となる。したがって、スプリアス・モードが実質的に低下する。
【００２０】
図２に示す多層圧電スタックの製造方法の各ステップを図３〜８に示す。図３に示すように、本製造工程は、その内部にビア、すなわちスリット５２及び５４を有する圧電セラミック材料からなるテープ、すなわちストリップ３８を敷設することで開始される。次いで、層３８内のビア５２に図４に示すように誘電率の低い材料２９を充填する。次いで、圧電セラミック材料層３８の最上面のビア５４より左側の部分（図３）と誘電率の低い材料２９の最上面とを金属で被覆し、図４に示すように電極４０を形成させる。次いで、ビア５２及び５４を有する圧電セラミック材料からなる第２の層３６を第１のセラミック層３８の最上部上に付着させる。この際、図５に示すように、層３６のビア５２及び５４のそれぞれを層３８のビア５２及び５４と一致させる。したがって、層３６のビア５２は、電極４０の誘電率の低い材料２９と重なっている部分に重なる。次いで、層３６及び３８のビア５４により形成された開口に誘電率の低い材料３３を充填させる。次いで、図６に示すように、圧電セラミック材料層３６の最上面のうちビア５２より右側の部分と誘電率の低い材料３３の最上面とを金属で被覆し電極４６を形成させる。次いで、ビア５２及び５４を有する圧電セラミック材料からなる第３の層３４を第２のセラミック層３６の最上部に付着させる。この際も、図６に示すように、層３４のビア５２及び５４のそれぞれを層３６及び３８のビア５２及び５４と一致させる。したがって、層３４のビア５４は、電極４６の誘電率の低い材料３３と重なっている部分に重なる。次いで、図７に示すように、層３４及び３６のビア５２により形成された開口に誘電率の低い材料３１を充填させる。さらに、層３４のビア５４にも誘電率の低い材料３５を充填させる。次いで、図７に示す成層させたスタックを焼結させ、焼結させた低誘電率材料によりエッジ・セグメント２９、３１、３３及び３５を形成させるようにする。次いで、焼結させた圧電スタックの端部をトリミングし、図８に示すように、両端面の位置で低誘電率材料を露出させる。さらに、圧電スタックの最上及び最底の外部表面も、エッジ・セグメントの各露出表面が確実にそれぞれ層３４及び３８の外部表面と面一になるまで研削することできる。その後、多層圧電スタックの外部表面の金属被覆により外部電極と電極間接続を付着させる。図８に示すように、外部電極４２は第３のセラミック層３４の露出表面上及びエッジ・セグメント３１の露出した最上面上に付着しており、電極間接続４４はエッジ・セグメント３１の露出側表面上に付着しており、外部電極４８は第１のセラミック層３８の露出表面上及びエッジ・セグメント３３の露出最底面上に付着しており、さらに電極間接続５０はエッジ・セグメント３３の露出側表面上に付着している。電極間接続４４は、電極４０と電極４２が電気的に接続されるようにして付着させる必要がある。同様に、電極間接続５０は、電極４６と電極４８が電気的に接続されるようにして付着させる必要がある。
【００２１】
図８に示す仕上がり後のスタックは、トランスジューサ・パレットに組み込む準備が整う。この後段の工程の一部として、セラミック層３８の電極被覆された最底面に音響吸収材料からなる塊部を付着させ、セラミック層３４の電極被覆された最上面に音響整合層を付着させ、柔軟な信号用ＰＣＢを電極間接続５０または後表面の電極４８に接続させ、さらに柔軟な接地用ＰＣＢを電極間接続４４または前表面の電極４２に接続させることになる。次いで、得られたスラブ状の材料を従来の方法でダイシングし、図９に示すトランスジューサ・アレイを製作する。
【００２２】
別の製造方法も可能である。例えば、図３〜８でビアとして示している領域に、最初のテープを作る際に一過性材料を充填することができる。次いで、この部分が焼結中に焼かれた際に、これら一過性の領域は焼き払われて穴が残され、次いでこの穴にエポキシや同様の誘電率の低い材料が充填される。全く異なる方式も可能である。例えば、特定の３次元構造体内に数種類の材料からなる粉末を配置させるようなコンピュータ制御の「プリンタ」が開発されている。別法として、エッジ・セグメントに対応する縞目状の低誘電率材料または一過性材料を付着させ、続いてこの縞目の周りに圧電材料を注型する。さもなくば、圧電材料層を注型し、注型させたものが「緑色の」（未焼結の）状態にある間に、ビア５２及び５４を写真平版的に画定してエッチング除去し、続いてこれらのビアに誘電率の低い材料を充填する。
【００２３】
別法として、多層トランスジューサ・アレイは、電極に対して高分子セラミック・インクを被覆した「緑色の」シート状セラミックを成層させるステップと、スタックをダイシングまたはレーザ・ドリルしてスリットまたはビアを形成させるステップと、生成された部分を焼結させるステップと、次いでこのスリットまたはビアを充填させるステップと、を含む方法を使用して製作することができる。外部電極は、電極組成に応じて、焼結後に追加することや、また別法として、適所に共焼結させることができる。こうした焼結温度に耐えることができる金属としては例えば、白金やパラジウムがある。
【００２４】
この好ましい実施形態は３つの層（Ｎ＝３）を有する例示的な圧電スタックに関連させて開示しているが、本発明は層の数と無関係（すなわち、Ｎ＞１）に任意の多層圧電スタックに応用できることを理解されたい。
【００２５】
エッジ・セグメントを製作する際に使用する電界を限局させるための誘電率の低い材料には可能な幾つかの選択肢が存在する。圧電セラミックと同時燃焼させるような材料、すなわち、適合した別のセラミック、を選択すると有利である。従来の多くのセラミックは、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）などのように別の電子的用途で使用されている。アルミナは、超音波イメージングに使用するような低いＭＨｚレンジの周波数では比誘電率が約１０である。比誘電率が１，０００を超えるような圧電セラミックと比較したとき、均質な圧電材料で生ずる場合と比べその力線が１００倍以上限局される、すなわち真っ直ぐになることになる。
【００２６】
具体的な材料は、その誘電率だけではなく、処理特性にも関連して選択することができる。圧電セラミックは、その組成が相境界の近傍にあるため誘電率が高くなる。構成材料の多くは、著しく低い誘電率を有している。したがって、低誘電率領域に対してこれらの構成材料のうちの１つを用いることが期待できる。しかし、ＰＺＴの通例として、構成酸化物、酸化鉛、酸化ジルコニウム及び酸化チタンは、ＰＺＴと同じ条件下で焼結させることができない。例えば、酸化鉛は拡散または揮発することになり、サンプルの残りと混合されることになる。元々純粋な酸化鉛であった領域は密度が下がると共によりもろくなり、恐らくは、処理中にクラックを生じることになる。さらに、アルミナは、鉛と反応してより弱い構成物を形成する傾向がある。
【００２７】
低誘電率の領域に使用することが可能な別のより優れた組成が存在する。これらより優れた組成は、低い誘電率と強い焼結可能性（ｓｉｎｔｅｒａｂｉｌｉｔｙ）により特徴付けられる、例えば、チタン酸マグネシウム、チタン酸カルシウム、チタン酸ストロンチウム、イットリウム安定化酸化ジルコニウム、チタン酸ビスマス、などである。少量の鉛をこれらの材料に添加することにより共焼結性を高めることができる。さらに、鉛のジルコン酸塩及びスズ酸塩、アルカリ土類及び希土類の酸化物、並びに二酸化チタンは、ＰＺＴと共焼結させるべきその他の材料である。さらに、これらの長い誘電率材料を選択したガラス・フリットと混合し、ＰＺＴ層との共焼結を促進させることができる。
【００２８】
本発明の超音波トランスジューサ・プローブはこれ以外に従来の超音波イメージング・システムに組み込むこともできる。本発明を組み込んだＢモード・イメージング・システムの基本信号処理チェーンを図１０に示す。図１０では、超音波プローブ５６は、その各々が図９に示すような１つの多層圧電セラミック・スタックを含むような多数のトランスジューサ素子を備えたトランスジューサ・アレイ５８を含んでいる。トランスジューサ・アレイの個々の素子は、ビーム形成器６０の送信器部分に組み込まれたそれぞれのパルス発生器により付勢される。これらのパルス発生器は、トランスジューサ・アレイにより送信焦点位置に集束した超音波ビームが発生されるように制御している。反射された超音波エネルギーはこのトランスジューサ素子により電気的ＲＦ信号に変換される。これらの電気信号はビーム形成器６０の受信器部分のそれぞれのチャンネルで受け取られる。ビーム形成器６０の受信器部分は、よく知られた方法により受信信号をスキャン線に沿った相次ぐ距離に動的に集束させ、受信ベクトルを形成させている。各スキャン線に対するビーム形成器の出力データ（Ｉ／Ｑまたは無線周波数）は、信号プロセッサ６２に送られ包絡線検出及び対数圧縮が行われる。次いで、得られた画像データは、表示プロセッサ６４により処理して表示モニタ６６上に表示させる。システム制御はホストコンピュータまたはシステム・コントローラ６８に集中させており、これらによりオペレータが入力したコマンドをオペレータ・インタフェース７０を介して受け取り、続いて様々なサブシステムを制御している。
【００２９】
本発明の特定の好ましい特徴のみを図示し記載してきたが、当業者であれば多くの修正や変更を行うであろう。さらに、本発明は感度を増強させた超音波トランスジューサを必要とする任意の分野（例えば、非破壊検査分野）で応用できる。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の精神の域内に属するような修正及び変更をすべて包含させる意図であると理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の単一ＰＺＴ層トランスジューサ・パレットの等角図を表している模式図である。
【図２】ＰＺＴ材料の電界が矢印で示す方向にあるような、本発明の好ましい実施の一形態による多層ＰＺＴスタックの模式図である。
【図３】本発明の好ましい実施の一形態による多層ＰＺＴスタックを製作する各ステップのそれぞれを表している模式図である。
【図４】本発明の好ましい実施の一形態による多層ＰＺＴスタックを製作する各ステップのそれぞれを表している模式図である。
【図５】本発明の好ましい実施の一形態による多層ＰＺＴスタックを製作する各ステップのそれぞれを表している模式図である。
【図６】本発明の好ましい実施の一形態による多層ＰＺＴスタックを製作する各ステップのそれぞれを表している模式図である。
【図７】本発明の好ましい実施の一形態による多層ＰＺＴスタックを製作する各ステップのそれぞれを表している模式図である。
【図８】本発明の好ましい実施の一形態による多層ＰＺＴスタックを製作する各ステップのそれぞれを表している模式図である。
【図９】本発明の好ましい実施形態によるトランスジューサ・アレイの等角図である。
【図１０】好ましい実施形態による多層ＰＺＴトランスジューサを組み込むことができるリアルタイム・ディジタル超音波イメージング・システムを表している全体ブロック図である。
【符号の説明】
２  圧電セラミック材料層
４  信号電極
６  接地電極
１０  柔軟な信号用プリント回路基板（ＰＣＢ）
１２  パルス発生器
１４  柔軟な接地用ＰＣＢ
１６  音響吸収層、音響減衰材料塊部
１８  第１の音響インピーダンス整合層
２０  第２の音響インピーダンス整合層
２２  シリンドリカル・レンズ
２４  切り溝
２６  多層ＰＺＴスタック
２８  電極アレイ
２９、３１、３３、３５  エッジ・セグメント
３０  電極アレイ
３４、３６、３８  圧電セラミック層
４０  内部電極
４２  外部電極
４４  電極間接続
４６  内部電極
４８  外部電極
５０  電極間接続
５２、５４  ビア、スリット
５６  超音波プローブ
５８  トランスジューサ・アレイ
６０  ビーム形成器
６２  信号プロセッサ
６４  表示プロセッサ
６６  表示モニタ
６８  ホストコンピュータ、システム・コントローラ
７０  オペレータ・インタフェース
【図１】
0004012721.tif 000002
【図２】
0004012721.tif 000003
【図３】
0004012721.tif 000004
【図４】
0004012721.tif 000005
【図５】
0004012721.tif 000006
【図６】
0004012721.tif 000007
【図７】
0004012721.tif 000008
【図８】
0004012721.tif 000009
【図９】
0004012721.tif 000010
【図１０】
0004012721.tif 000011