(57)【要約】【課題】高感度及び広帯域を達成すると共に、人体との音響整合性が良く超音波の伝播特性に優れた超音波トランスデューサを提供する。【解決手段】超音波トランスデューサは、第１の表面に凹部及び凸部が形成された第１の圧電体と、第１の表面に凹部及び凸部が形成された第２の圧電体と、第１の圧電体の凹部及び凸部に沿って形成された第１の内部電極と、第２の圧電体の凹部及び凸部に沿って形成された第２の内部電極と、第１及び第２の圧電体の音響インピーダンスよりも小さい音響インピーダンスを有する充填材とを具備し、第１及び第２の圧電体の凹部の長さが凸部の長さよりも大きく、第１の内部電極と第２の内部電極との間に充填材が充填されるように第１の圧電体の凹部及び凸部と第２の圧電体の凸部及び凹部とが所定の間隔を伴って嵌合されて、積層圧電複合体が形成されている。【選択図】図４Ｂ
2009072349.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の表面に複数の凹部及び複数の凸部が形成された第１の圧電体と、
第１の表面に複数の凹部及び複数の凸部が形成された第２の圧電体と、
前記第１の圧電体の複数の凹部及び複数の凸部に沿って形成された第１の内部電極と、
前記第２の圧電体の複数の凹部及び複数の凸部に沿って形成された第２の内部電極と、
前記第１の圧電体の第１の表面に対向する第２の表面上に形成された第１の電極と、
前記第２の圧電体の第１の表面に対向する第２の表面上に形成された第２の電極と、
前記第１及び第２の圧電体の音響インピーダンスよりも小さい音響インピーダンスを有する充填材と、
を具備し、前記第１及び第２の圧電体の凹部の長さが凸部の長さよりも大きく、前記第１の内部電極と前記第２の内部電極との間に前記充填材が充填されるように、前記第１の圧電体の複数の凹部及び複数の凸部と前記第２の圧電体の複数の凸部及び複数の凹部とが所定の間隔を伴って嵌合されて、積層圧電複合体が形成されている、超音波トランスデューサ。
【請求項２】
前記第１及び第２の内部電極が露出する前記積層圧電複合体の第１の側面に形成され、前記第１及び第２の内部電極を被覆する絶縁膜と、
前記積層圧電複合体の第１の側面に形成され、前記絶縁膜上を橋絡して前記第１の電極と前記第２の電極とに接続された第１の側面電極と、
前記積層圧電複合体の第２の側面に形成され、前記第１の内部電極と前記第２の内部電極とに接続された第２の側面電極と、
をさらに具備する、請求項１記載の超音波トランスデューサ。
【請求項３】
前記充填材が、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂、メラミン樹脂の内の少なくとも１つを含む樹脂系材料と、銀ペーストと、ポリイミドと、半田と、グリセリンと、ガラスと、有機ガラスと、ポリスチロールと、硬質ゴムと、軟質ゴムとの内の少なくとも１つを含む、請求項１又は２記載の超音波トランスデューサ。
【請求項４】
前記充填材に対する前記圧電体の体積比率が、前記積層圧電複合体の長手方向において中心部から端部に行くに従って減少する、請求項１〜３のいずれか１項記載の超音波トランスデューサ。
【請求項５】
前記第１の圧電体及び／又は前記第２の圧電体に形成された複数の凹部及び／又は複数の凸部が、少なくともコーナー部において曲面を有する、請求項１〜４のいずれか１項記載の超音波トランスデューサ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項記載の超音波トランスデューサが複数配列されて形成されたトランスデューサアレイと、
前記トランスデューサアレイの背面に設けられたバッキング材と、
前記トランスデューサアレイの前面に設けられた少なくとも１層の音響整合層と、
を具備する超音波探触子。
【請求項７】
超音波を送信及び／又は受信するための超音波トランスデューサを製造する方法であって、
第１の圧電体の第１の表面に複数の凹部及び複数の凸部を形成すると共に、第２の圧電体の第１の表面に複数の凹部及び複数の凸部を形成して、前記第１及び第２の圧電体の凹部の長さを凸部の長さよりも大きくする工程（ａ）と、
前記第１の圧電体の複数の凹部及び複数の凸部に沿って第１の内部電極を形成すると共に、前記第２の圧電体の複数の凹部及び複数の凸部に沿って第２の内部電極を形成する工程（ｂ）と、
前記第１の圧電体の第１の表面に対向する第２の表面上に第１の電極を形成すると共に、前記第２の圧電体の第１の表面に対向する第２の表面上に第２の電極を形成する工程（ｃ）と、
前記第１及び第２の圧電体の音響インピーダンスよりも小さい音響インピーダンスを有する充填材が前記第１の内部電極と前記第２の内部電極との間に充填されるように、前記第１の圧電体の複数の凹部及び複数の凸部と前記第２の圧電体の複数の凸部及び複数の凹部とを所定の間隔を伴って嵌合して、積層圧電複合体を形成する工程（ｄ）と、
を具備する超音波トランスデューサの製造方法。
【請求項８】
前記積層圧電複合体の両端を除去する工程（ｅ）をさらに具備する、請求項７記載の超音波トランスデューサの製造方法。
【請求項９】
前記第１及び第２の内部電極が露出する前記積層圧電複合体の第１の側面に、前記第１及び第２の内部電極を被覆する絶縁膜を形成する工程（ｆ）と、
前記積層圧電複合体の第１の側面に、前記絶縁膜上を橋絡して前記第１の電極と前記第２の電極とに接続される第１の側面電極を形成すると共に、前記積層圧電複合体の第２の側面に、前記第１の内部電極と前記第２の内部電極とに接続される第２の側面電極を形成する工程（ｇ）と、
をさらに具備する、請求項８記載の超音波トランスデューサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波診断装置において超音波を送受信するために用いられる超音波トランスデューサ（圧電振動子）、及び、その製造方法に関する。さらに、本発明は、そのような超音波トランスデューサを用いる超音波探触子に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波探触子においては、超音波を送信及び／又は受信するための超音波トランスデューサとして、一般的に、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Pb(lead) zirconate titanate）に代表される圧電セラミックや、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン：polyvinyliden difluoride）に代表される高分子圧電材料等の圧電体の両端に電極を形成した振動子（圧電振動子）が用いられている。
【０００３】
そのような振動子の電極に電圧を印加すると、圧電効果により圧電体が伸縮して弾性波が発生する。特に、広帯域な信号電圧を振動子の電極に印加することにより、圧電体の厚さに応じた波長を有する共振弾性波が生成される。特に、セラミック圧電体の厚さが数ｍｍ以下の場合には、圧電体から超音波が発生する。さらに、複数の振動子を１次元又は２次元状に配列し、所定の遅延を与えた複数の駆動信号によって駆動することにより、超音波ビームを所望の方向に向けて形成することができる。一方、振動子は、伝播する超音波を受信することによって伸縮し、電気信号を発生する。この電気信号は、超音波の検出信号として用いられる。
【０００４】
超音波診断装置は、超音波探触子を用いて、人体等の被検体に超音波を送信し、被検体から反射される超音波エコーを受信することにより、超音波の検出信号に基づいて画像を表示する。これにより、体内の臓器や血管の検査が行われる。しかしながら、振動子において圧電セラミックを用いる場合には、振動子の音響インピーダンスと人体等の音響インピーダンスとの間に大きな差があり、そのような音響インピーダンスの差がある境界面においては、超音波の反射が生じて伝播損失となってしまう。
【０００５】
ここで、音響インピーダンスとは、音響媒質密度と音速との積で表される物質固有の定数であり、その単位としては、一般に、ＭＲａｙｌ（メガ・レイル）が用いられ、１ＭＲａｙｌ＝１×１０６ｋｇ・ｍ−２・ｓ−１である。一般的な圧電セラミックの音響インピーダンスは、約２５ＭＲａｙｌ〜約３５ＭＲａｙｌであり、人体の音響インピーダンスは、約１．５ＭＲａｙｌである。
【０００６】
振動子の音響インピーダンスをＺ０とし、人体の音響インピーダンスをＺＭとすると、接触界面における超音波の反射率Ｒは、次式（１）で与えられる。
Ｒ＝｜Ｚ０−ＺＭ｜／（Ｚ０＋ＺＭ）  ・・・（１）
式（１）において、Ｚ０＝３５ＭＲａｙｌ、ＺＭ＝１．５ＭＲａｙｌとすると、Ｒ＝０．９２となるので、ほとんどの超音波は接触界面で反射してしまい、超音波は１割も伝播しないことが分る。
【０００７】
この問題を解決するために、振動子と被検体との間に音響整合層を挿入して、音響インピーダンスの整合を図ることが行われている。さらに、音響整合層を多層構造とすれば超音波の伝播効率が改善されるが、製造上の都合により、音響整合層を２層〜３層とするのが限界である。
【０００８】
そこで、超音波の伝播効率をさらに改善するために、振動子自体の音響インピーダンスを低減することが考えられる。例えば、圧電体に格子状の溝を形成してアレイ化し、溝の内部に音響インピーダンスが２ＭＲａｙｌ〜４ＭＲａｙｌ程度の素材を充填することが有効である。その際に、溝の間隔は、溝によって分離される各々の振動子内を伝播する超音波の波長と比較して十分小さくする。一般的には、溝の間隔を、超音波の波長の１／８〜１／１０以下とすることが望ましい。そのようなアレイ振動子としては、例えば、１つの方向に長い棒状のＰＺＴを樹脂中に配置した複合圧電体が用いられており、この複合圧電体は、１−３コンポジットと呼ばれている。
【０００９】
１−３コンポジットの場合には、各々の振動子が棒状となることから、その振動モードは、３３振動モードとなる。３３振動モードとは、第３の方向（Ｚ軸方向）に分極処理（ポーリング処理）が施された圧電体を、同じ第３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、振動子においては、３３振動モードにおける電気機械結合係数ｋ３３が、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、各々の振動子を棒状とすることにより、高い変換効率が期待できる。
【００１０】
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。さらに、１−３コンポジットを採用することにより、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、超音波の伝播効率が改善される。ただし、誘電率が大きい圧電体の有効面積が減少することから、電気的には、振動子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。
【００１１】
一方、近年においては、超音波探触子が、口から体内に挿入される内視鏡（経口内視鏡）や、鼻から体内に挿入される内視鏡（経鼻内視鏡）や、血管カテーテル等において用いられていることから、超音波探触子の微細化が求められている。経口内視鏡の直径は８ｍｍ〜１１ｍｍ程度であり、経鼻内視鏡の直径は４ｍｍ〜５ｍｍ程度であるから、振動子のサイズも小さくする必要がある。
【００１２】
しかしながら、振動子の微細化に伴って、振動子の電気インピーダンスが上昇してしまう。送受信される超音波の周波数帯域における振動子の電気インピーダンスが、超音波診断装置本体の受信回路の電気インピーダンス又は接続ケーブルの特性インピーダンスと比較して大きくなると、検出信号の伝送特性が低下する。また、振動子のサイズが小さくなることとも相乗して、感度が低下する。
【００１３】
そのような感度の低下を補うために、振動子（圧電体及び電極）を積層構造として、各層の振動子を並列に接続することにより、振動子の静電容量を増加させて電気インピーダンスを低下させることが行われている。しかしながら、振動子の１−３コンポジット化と振動子の積層化とを両立させる試みは行われていないようである。その理由は、積層化において必要となる超音波放射方向と直交する内部電極構造と、１−３コンポジット化において必要となる超音波放射方向と平行な溝の形成とは、構造上及び加工上矛盾するので、両立し難いからである。
【００１４】
また、３３振動モードで振動する四角柱の振動子を積層化し、これをアレイ状に並べて１つの振動子として動作するように電極を形成し、さらに、このような振動子を複数並べて１次元振動子アレイとすることもできるが、これを製造するプロセスは、積層型の２次元振動子アレイを製造するプロセスと似たものとなり、大変な労力を必要とする。
【００１５】
関連する技術として、下記の特許文献１及び特許文献２には、複合圧電体の製造方法が開示されている。この複合圧電体の製造方法においては、表面に複数の凹部及び複数の凸部を有する２つの圧電体を、樹脂を挟んで嵌合させて貼り合わせ、貼り合わされた圧電体を直線に沿って切り出すことにより、複数の圧電体と複数の樹脂とが交互に並んだ複合圧電体が形成される。しかしながら、特許文献１及び特許文献２には、振動子の１−３コンポジット化と振動子の積層化とを両立させることは開示されていない。
【特許文献１】米国特許第５２３９７３６号明細書
【特許文献２】米国特許第６９８４２８４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
そこで、上記の点に鑑み、本発明は、高感度及び広帯域を達成すると共に、人体との音響整合性が良く超音波の伝播特性に優れた超音波トランスデューサ、及び、そのような超音波トランスデューサを用いる超音波探触子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】
【００１７】
上記課題を解決するため、本発明の１つの観点に係る超音波トランスデューサは、第１の表面に複数の凹部及び複数の凸部が形成された第１の圧電体と、第１の表面に複数の凹部及び複数の凸部が形成された第２の圧電体と、第１の圧電体の複数の凹部及び複数の凸部に沿って形成された第１の内部電極と、第２の圧電体の複数の凹部及び複数の凸部に沿って形成された第２の内部電極と、第１の圧電体の第１の表面に対向する第２の表面上に形成された第１の電極と、第２の圧電体の第１の表面に対向する第２の表面上に形成された第２の電極と、第１及び第２の圧電体の音響インピーダンスよりも小さい音響インピーダンスを有する充填材とを具備し、第１及び第２の圧電体の凹部の長さが凸部の長さよりも大きく、第１の内部電極と第２の内部電極との間に充填材が充填されるように、第１の圧電体の複数の凹部及び複数の凸部と第２の圧電体の複数の凸部及び複数の凹部とが所定の間隔を伴って嵌合されて、積層圧電複合体が形成されている。
【００１８】
また、本発明の１つの観点に係る超音波トランスデューサの製造方法は、超音波を送信及び／又は受信するための超音波トランスデューサを製造する方法であって、第１の圧電体の第１の表面に複数の凹部及び複数の凸部を形成すると共に、第２の圧電体の第１の表面に複数の凹部及び複数の凸部を形成して、第１及び第２の圧電体の凹部の長さを凸部の長さよりも大きくする工程（ａ）と、第１の圧電体の複数の凹部及び複数の凸部に沿って第１の内部電極を形成すると共に、第２の圧電体の複数の凹部及び複数の凸部に沿って第２の内部電極を形成する工程（ｂ）と、第１の圧電体の第１の表面に対向する第２の表面上に第１の電極を形成すると共に、第２の圧電体の第１の表面に対向する第２の表面上に第２の電極を形成する工程（ｃ）と、第１及び第２の圧電体の音響インピーダンスよりも小さい音響インピーダンスを有する充填材が第１の内部電極と第２の内部電極との間に充填されるように、第１の圧電体の複数の凹部及び複数の凸部と第２の圧電体の複数の凸部及び複数の凹部とを所定の間隔を伴って嵌合して、積層圧電複合体を形成する工程（ｄ）とを具備する。
【００１９】
さらに、本発明の１つの観点に係る超音波探触子は、本発明に係る超音波トランスデューサが複数配列されて形成されたトランスデューサアレイと、トランスデューサアレイの背面に設けられたバッキング材と、トランスデューサアレイの前面に設けられた少なくとも１層の音響整合層とを具備する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、１−３コンポジット化と積層化とを両立させることにより、電気機械結合係数を向上させて電気インピーダンスを低下させ、高感度及び広帯域を達成すると共に、音響インピーダンスを低下させて、人体との音響整合性が良く超音波の伝播特性に優れた超音波トランスデューサを提供することができる。さらに、そのような超音波トランスデューサを用いる超音波探触子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る超音波探触子の内部構造を模式的に示す斜視図であり、図２は、図１に示す超音波探触子において用いられる超音波トランスデューサアレイ（振動子アレイ）をＸＹ平面と平行な面で切断したときの断面図である。この振動子アレイは、駆動信号が供給されることにより伸縮して超音波を被検体に向けて送信すると共に、被検体によって反射された超音波を受信することにより電気信号（検出信号）を出力する複数の超音波トランスデューサ（振動子）１を有している。
【００２２】
各々の振動子１は、第１の表面（下面）に複数の凹部及び複数の凸部が形成された圧電体２ａと、第１の表面（上面）に複数の凹部及び複数の凸部が形成された圧電体２ｂと、圧電体２ａの複数の凹部及び複数の凸部に沿って形成された内部電極３ａと、圧電体２ｂの複数の凹部及び複数の凸部に沿って形成された内部電極３ｂと、圧電体２ａの第１の表面に対向する第２の表面上に形成された上部電極５と、圧電体２ｂの第１の表面に対向する第２の表面上に形成された下部電極６と、圧電体２ａ及び２ｂの音響インピーダンスよりも小さい音響インピーダンスを有する充填材４とによって構成された積層圧電複合体を有している。
【００２３】
ここで、圧電体２ａ及び２ｂの凹部の長さが凸部の長さよりも大きく、内部電極３ａと内部電極３ｂとの間に充填材４が充填されるように、圧電体２ａの複数の凹部及び複数の凸部と圧電体２ｂの複数の凸部及び複数の凹部とが所定の間隔を伴って嵌合されている。さらに、複数の振動子１が、振動子アレイ８を構成している。
【００２４】
図１に示すように、超音波探触子は、バッキング材１１を有しており、振動子アレイ８は、このバッキング材１１上に設けられている。振動子アレイ８上には、１つ又は複数の音響整合層（図１においては、２つの音響整合層１２ａ及び１２ｂを示す）と、必要に応じて音響整合層上に音響レンズ１３とが設けられる。音響整合層１２ａ及び１２ｂは、例えば、超音波を伝播し易いパイレックス（登録商標）ガラスや金属粉入りエポキシ樹脂等によって形成されており、生体等の被検体と振動子１との間の音響インピーダンスのマッチングを改善する。それにより、振動子１から送信される超音波が、効率良く被検体中に伝播する。音響レンズ１３は、例えば、シリコーンゴムによって形成されており、複数の振動子１から送信され、音響整合層１２ａ及び１２ｂを伝播した超音波を、被検体内の所定の深度において集束させる。これらの部分は、筐体に収納され、複数の振動子１から引き出された配線が、ケーブルを介して、超音波診断装置本体内の電子回路に接続される。
【００２５】
図３は、本発明の第１の実施形態に係る超音波トランスデューサが１−３コンポジットを構成することを概念的に説明するための断面図である。図３（ａ）に示されるように、２個の圧電体２ａ及び２ｂの各々は、互いに向き合っている第１の表面に複数の凹部及び複数の凸部を有している。それらの凹部及び凸部に沿って、内部電極３ａ及び３ｂが形成されている。また、圧電体２ａの第２の表面上には、上部電極５が形成され、圧電体２ｂの第２の表面上には、下部電極６が形成されている。図３（ｂ）に示されるように、電極が形成された圧電体２ａと圧電体２ｂとを積層することにより、積層圧電複合体が形成される。
【００２６】
ここで、圧電体２ａ及び２ｂの複数の凸部が、１つの方向（図１に示すＸ軸方向）に並べられて同時に動作する１列の振動子群を形成していると見ることができる。これにより、１列の振動子群が、１−３コンポジットの特徴を有することになり、１列の振動子群を構成する個々の振動子（凸部）が、３３振動モードで振動する。一般に、圧電振動子においては、３３モードにおける電気機械結合定数ｋ３３が、板状における電気機械結合定数ｋｔやバー状における電気機械結合定数ｋ３３'よりも大きいので、高い変換効率を実現することができる。また、電気機械結合定数ｋ３３が大きいことは、振動子の帯域拡大にもつながる。従って、１−３コンポジット化を採用することは、圧電振動子の高感度及び広帯域をもたらす。さらに、圧電体及び電極を積層化することによって、静電容量が増加して電気インピーダンスが低下するので、検出信号の伝送効率が改善される。
【００２７】
図４Ａ及び４Ｂは、本発明の第１の実施形態に係る超音波トランスデューサを示す図である。図４Ａに示されるように、２個の圧電体２ａ及び２ｂの各々は、互いに向き合っている第１の表面に複数の凹部及び複数の凸部を有している。図４Ａに示されるように、圧電体２ａ及び２ｂの凸部の長さをＬ１、凹部の長さをＬ２とし、内部電極３ａ及び３ｂの厚さが十分に小さいとすると、凹部及び凸部は、Ｌ１＜Ｌ２の関係が成立するように、かつ、圧電体２ａと圧電体２ｂとにおいて同一のピッチで形成される。Ｌ１及びＬ２の具体的な値としては、例えば、Ｌ１＝１５０μｍ、Ｌ２＝３００μｍである。
【００２８】
圧電体２ａの凹部及び凸部に沿って、内部電極３ａが形成され、圧電体２ｂの凹部及び凸部に沿って、内部電極３ｂが形成されている。また、圧電体２ａの第２の表面上には、上部電極５が形成され、圧電体２ｂの第２の表面上には、下部電極６が形成されている。各々の電極は、例えば、下地接着層をクロム（Ｃｒ）とし表面導電層を金（Ａｕ）とするクロム／金（Ｃｒ／Ａｕ）電極として形成され、電極の厚さは、例えば、３００ｎｍである。
【００２９】
図４Ｂに示されるように、圧電体２ａの複数の凹部及び複数の凸部と圧電体２ｂの複数の凸部及び複数の凹部とを、圧電体２ａ及び２ｂの音響インピーダンスよりも小さい音響インピーダンスを有する充填材４を挟んで嵌合することにより、積層圧電複合体が形成される。ここで、圧電体２ａ及び２ｂの凸部の長さＬ１と凹部の長さＬ２との間には、Ｌ１＜Ｌ２の関係が成立しているので、積層圧電複合体の長手方向において、内部電極３ａと内部電極３ｂとの間には隙間が形成され、この隙間にも充填材４が充填される。
【００３０】
圧電体２ａ及び２ｂは、例えば、リラクサ系圧電体である富士セラミックスのＣ−９１Ｈにより形成される。充填材４の材料は、音響インピーダンスが圧電セラミックスの音響インピーダンス２５Ｍｒａｙｌ〜３５Ｍｒａｙｌよりも低く、かつ、接着能力を有する材料の中から選択される。
【００３１】
そのような材料としては、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂、メラミン樹脂等の音響インピーダンス２．０Ｍｒａｙｌ〜３．５Ｍｒａｙｌ程度の樹脂系材料、音響インピーダンス１１．７Ｍｒａｙｌの銀ペースト（銀３０％、エポキシ樹脂７０％）、音響インピーダンス２．６１Ｍｒａｙｌのポリイミド、音響インピーダンス１８Ｍｒａｙｌ程度の半田、音響インピーダンス２．３８Ｍｒａｙｌのグリセリン、音響インピーダンス１３．０Ｍｒａｙｌ〜１５．０Ｍｒａｙｌ程度のガラス、音響インピーダンス３．２１Ｍｒａｙｌの有機ガラス、音響インピーダンス２．５Ｍｒａｙｌのポリスチロール、音響インピーダンス２．８０Ｍｒａｙｌの硬質ゴム、音響インピーダンス１．４６Ｍｒａｙｌの軟質ゴム等が挙げられる。
【００３２】
例えば、樹脂として、エポキシテクノロジー社のエポテック３０１−２ＦＬが使用される。また、樹脂に放熱効果を持たせる場合には、ケミテック（株）製のケシミールＳ−８５８６、又は、出光興産製のＸＥ１１−Ｃ２１４８が使用される。
【００３３】
図４Ｂにおいて、上部電極５及び下部電極６を接地電位に接続し、内部電極３ａ及び３ｂに駆動電圧を印加することにより、振動子１を駆動しても良い。あるいは、内部電極３ａ及び３ｂを接地電位に接続し、上部電極５及び下部電極６に駆動電圧を印加することにより、振動子１を駆動しても良い。このようにして形成された振動子１を１つの方向（図１に示すＹ方向）に並べることにより、１次元振動子アレイが形成される。振動子アレイの全体の大きさは、例えば、長さ５ｍｍ、幅５ｍｍ、厚さ６００μｍである。
【００３４】
本実施形態においては、圧電体２ａと圧電体２ｂとの間に、圧電体よりも音響インピーダンスの小さい樹脂が充填されるので、振動子１の音響インピーダンスが低くなり、界面における超音波の反射を低減することができる。これにより、被検体に効率的に超音波を伝播することができる。また、振動子１の間に、樹脂を充填することにより、静電容量が減少し、電気インピーダンスが増加するが、圧電体及び電極を積層することにより静電容量の増加を実現し、電気インピーダンスを低減している。さらに、振動子の厚さｔ１（電極を除く）、及び、圧電体２ａ及び２ｂの凹部における圧電体の厚さｔ２及びｔ３の値を適切に決めることによって、所望の複数の共振周波数を得ることができ、また、それらの領域の面積比を適切に決めることによって、周波数感度特性のバランスを取ることができる。従って、振動子の広帯域化を実現することが可能であり、特に、ハーモニックイメージングやコントラストドップラーイメージングを行う際に有利である。
【００３５】
本実施形態において、積層圧電複合体の厚さｔ１と、圧電体２ａ及び２ｂの凹部における圧電体の厚さｔ２及びｔ３を、それぞれｔ１＝６００μｍ、ｔ２＝ｔ３＝１５０μｍとした場合の、電気インピーダンスと位相の実測値について説明する。図５（ａ）は、電気インピーダンスの実測値の周波数依存性を示す図であり、図５（ｂ）は、位相の実測値の周波数依存性を示す図である。電気インピーダンス及び位相の実測値から、ｔ１＝６００μｍに対応するピーク値が２．５ＭＨｚ付近に存在し、ｔ２＝ｔ３＝１５０μｍに対応するピーク値が１０．５ＭＨｚ付近に存在することが読み取れる。
【００３６】
図６は、本実施形態の振動子において、積層圧電複合体の厚さｔ１と、圧電体２ａの凹部の厚さｔ２と、圧電体２ｂの凹部の厚さｔ３を、それぞれｔ１＝２００μｍ、ｔ２＝ｔ３＝１３５μｍとし、平均音響インピーダンスＺａｖｅを、Ｚａｖｅ＝１５Ｍｒａｙｌとした場合に実測した送受信利得の周波数依存性を示す図である。
【００３７】
積層圧電複合体の厚さｔ１＝２００μｍに対応する送受信利得は、中心周波数８．０ＭＨｚをピークとして、比較的低い周波数帯域において大きな送受信利得値を示す。一方、圧電体２ａ及び２ｂの凹部の厚さｔ２＝ｔ３＝１３５μｍに対応する送受信利得は、中心周波数１１．０ＭＨｚをピークとして、比較的高い周波数帯域において大きな送受信利得値を示す。圧電体２ａと圧電体２ｂとを積層して形成された積層圧電複合体の送受信利得は、厚さｔ１に対応する送受信利得と厚さｔ２に対応する送受信利得とが重畳されることにより、広い周波数帯域において平坦な送受信利得値を示す。
【００３８】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図７及び図８は、本発明の第２の実施形態に係る超音波トランスデューサ及び超音波探触子、及び、それらの製造工程を示す図である。図８（ｄ）に示されるように、本実施形態に係る超音波トランスデューサは、積層圧電複合体の左右の側面に、内部電極３ａ及び３ｂに接続される側面電極１０ａと、上部電極５及び下部電極６に接続される側面電極１０ｂとを有する。
【００３９】
本実施形態に係る超音波トランスデューサ及び超音波探触子の製造工程を説明する。まず、図７（ａ）に示されるように、振動子形成のための素材となる圧電体２ａ及び２ｂを準備する。圧電体２ａ及び２ｂとしては、例えば、ＰＺＴが使用される。次に、図７（ｂ）に示されるように、圧電体２ａ及び２ｂの第１の表面に、ダイサー等により複数の溝を形成することにより、複数の凹部及び複数の凸部を形成する。
【００４０】
図７（ｃ）に示されるように、メッキ、スパッタリング、又は、蒸着等の方法により、圧電体２ａの表面に内部電極３ａ及び上部電極５を一体的に形成し、圧電体２ｂの表面に内部電極３ｂ及び下部電極６を一体的に形成する。これらの電極としては、下地接着層をクロム（Ｃｒ）とし表面導電層を金（Ａｕ）とするクロム／金（Ｃｒ／Ａｕ）電極を形成することが好ましい。クロム／金電極の厚さは、例えば、３００ｎｍとする。なお、上部電極５及び下部電極６は、後の工程において形成するようにしても良い。
【００４１】
図７（ｄ）に示されるように、圧電体２ａ及び２ｂの第１の表面に充填材４を充填する。充填材４としては、例えば、エポキシテクノロジー社のエポテック３０１−２ＦＬが使用される。次に、図７（ｅ）に示されるように、充填材４を挟んで圧電体２ａと圧電体２ｂとを貼り合わせて、圧電体２ａ及び２ｂを加圧しながら充填材４を硬化させる。これにより、積層圧電複合体が形成される。接着樹脂が硬化した後に、図７（ｆ）に示されるように、切断等の方法を用いて、積層圧電複合体の側面の不要部分を除去する。このとき、内部電極３ａと上部電極５とが分離され、内部電極３ｂと下部電極６とが分離される。
【００４２】
図８（ａ）に示されるように、積層圧電複合体の右側面の内部電極３ａ及び３ｂが露出する箇所に絶縁膜９を形成する。この絶縁膜９は、後の工程で、内部電極３ａ及び３ｂを側面電極１０ｂから絶縁するために使用される。次に、図８（ｂ）に示されるように、メッキ、スパッタリング、又は、蒸着等の方法により、積層圧電複合体の左側面に側面電極１０ａを形成し、積層圧電複合体の右側面に側面電極１０ｂを形成する。側面電極１０ａは、内部電極３ａ及び３ｂに接続される。側面電極１０ｂは、絶縁膜９の上を橋絡するように形成されて、上部電極５及び下部電極６に接続されると共に、絶縁膜９によって内部電極３ａ及び３ｂから分離される。これらの側面電極としては、下地接着層をクロム（Ｃｒ）とし、表面導電層を金（Ａｕ）とするクロム／金（Ｃｒ／Ａｕ）電極を形成することが好ましい。クロム／金電極の厚さは、例えば、３００ｎｍとする。
【００４３】
次に、図８（ｃ）に示されるように、積層圧電複合体の左上コーナー部と左下コーナー部とにおいて電極が除去される。これにより、上部電極５及び下部電極６が、側面電極１０ａから絶縁される。内部電極３ａ及び３ｂは、側面電極１０ａに接続されて、側面電極１０ａを介して外部に接続される。また、上部電極５及び下部電極６は、側面電極１０ｂに接続されて、側面電極１０ｂを介して外部に接続される。この工程で、圧電振動子１が完成する。
【００４４】
次に、図８（ｄ）に示されるように、バッキング材１１上に、圧電振動子１が配置される。圧電振動子１上には、音響整合層１２ａ及び１２ｂと、音響レンズ１３とが設けられる。超音波探触子の左側面には、グランド引出しペースト１４とグランド線１５とが設けられ、振動子１の内部電極３ａ及び３ｂは、側面電極１０ａ、グランド引出しペースト１４、グランド線１５を介して接地電位に接続される。
【００４５】
超音波探触子の右側面には、引出しペースト１６、アドレス引出し線１７、半田１８、及び、アドレス引出しＦＰＣ（可撓性回路基板）１９が設けられ、上部電極５及び下部電極６は、引出しペースト１６、アドレス引出し線１７、及び、半田１８を介してアドレス引出しＦＰＣ１９に接続される。グランド引出しペースト１４と引出しペースト１６は、例えば、銀（Ａｇ）を主な成分とする。アドレス引出し線１７は、例えば、銅（Ｃｕ）によって形成される。この工程で、超音波探触子の組み立てが完成する。
【００４６】
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。
図９は、本発明の第３の実施形態に係る超音波トランスデューサにおける積層圧電複合体を示す断面図である。第３の実施形態においては、充填材４を挟んで、台形の側面形状を有する複数の凹部及び複数の凸部が形成された圧電体２ａ及び２ｂを嵌合することにより、積層圧電複合体が形成される。圧電体２ａ及び２ｂの側面形状を台形とすることにより、複数の凹部及び複数の凸部のコーナー部において発生する不要振動が抑制される。このように、圧電体の第１の表面に形成される複数の凹部及び複数の凸部の側面形状は、矩形に限定されるものではない。
【００４７】
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。
第４の実施形態においては、圧電体２ａ及び２ｂの互いに向き合う第１の表面の形状を、互いに異なるようにしている。例えば、図１０（ａ）は、格子形状に形成された凹部と、そのような凹部に囲まれた凸部とによって構成される第１の表面を有する圧電体を示しており、図１０（ｂ）は、１つの方向に長い溝形状に形成された複数の凹部と、そのような凹部に挟まれた山形状に形成された複数の凸部とによって構成される第１の表面を有する圧電体を示している。図１０（ａ）に示される圧電体の凹部及び凸部と、図１０（ｂ）に示される圧電体の凸部及び凹部とを互いに嵌合することにより、積層圧電複合体が形成される。
【００４８】
圧電体２ａ及び２ｂの第１の表面に形成される複数の凹部及び／又は複数の凸部は、直方体に限らず、少なくともコーナー部において丸みを持たせるようにしても良い。図１１（ａ）は、格子形状に配置された円柱形状の複数の凸部が第１の表面に形成された圧電体を示しており、図１１（ｂ）は、溝形状に配置されコーナー部に丸みを有する複数の凹部が第１の表面に形成された圧電体を示している。凹部及び／又は凸部のコーナー部に丸みを持たせることにより、横方向の不要共振を低減することができる。
【００４９】
次に、本発明の第５の実施形態について説明する。
図１２（ａ）は、本発明の第５の実施形態に係る超音波トランスデューサのアポタイゼーション構造の一例をＸＹ平面（図１参照）に平行な断面で示す断面図である。図１２（ｂ）は、本発明の第５の実施形態に係る超音波トランスデューサのアポタイゼーション構造の一例をＸＺ平面（図１参照）に平行な断面で示す断面図である。図１２においては、説明を簡単にするために、電極が省略されている。
【００５０】
振動子の端部においては、不要振動が発生する。本実施形態においては、この不要振動を低減するために、アポタイゼーション構造を採用することにより、振動子の端部に近付くに従って徐々に音響インピーダンス及び音圧出力が小さくなるように振動子が構成されている。即ち、振動子の端部に近付くに従って、圧電体の凸部の長さを小さくすると共に、充填材の長さを大きくすることにより、アポタイゼーション構造が実現されている。この他に、電極を小さくしたり、圧電体の分極量を減らしたり、ピッチの長さを変えることにより、アポタイゼーション構造を実現しても良い。
【００５１】
次に、本発明の第５の実施形態の変形例について説明する。図１３（ａ）は、本発明の第５の実施形態の変形例に係る超音波トランスデューサのアポタイゼーション構造の一例をＸＹ平面（図１参照）に平行な断面で示す断面図である。図１３（ｂ）は、本発明の第５の実施形態の変形例に係る超音波トランスデューサの長手方向における位置と、樹脂に対する圧電体の体積比率との関係を示す図である。図１３（ａ）においては、説明を簡単にするために、電極が省略されている。
【００５２】
本実施形態の振動子においては、振動子の長手方向（図１におけるＸ軸方向）について、振動子の中心において圧電体の体積比率が最大となるようにし、振動子の端部に近付くに従って圧電体の体積比率をガウス分布に従って減少させることによって、アポタイゼーション構造を実現している。ガウス分布ｆ（ｘ）は、平均をｍ、標準偏差をσとすると、次式で表される。
ｆ（ｘ）＝１／ｓｑｒｔ（２π）σ×ｅｘｐ（−（ｘ−ｍ）２／２σ２）
本実施形態においては、このガウス分布ｆ（ｘ）を離散化することによって、圧電体の体積比率が定められている。
【００５３】
図１３（ｂ）は、振動子の長手方向における長さを１１等分して複数のセクションに分け、各セクションにおける樹脂に対する圧電体の体積比率の分布を示している。圧電体としては、ＰＺＴが用いられる。図１３（ｂ）に示す分布は、標準正規分布となっている。この場合に、振動子のエレベーション方向の長さを５．００ｍｍとすると、１セクションの長さは０．４５ｍｍ程度となる。本実施形態に係る超音波トランスデューサは、均一な駆動信号が印加された場合に、振動子の長手方向の中心において最大となり、端部に近付くに従って減少するガウス分布（正規分布）に近い音圧分布を有する。これにより、虚像を少なくすることが可能となる。また、サイドローブによるアーチファクトを減少し、コントラスト分解能を向上させることができる。
【００５４】
以上述べたように、本発明の実施形態によれば、１−３コンポジット化を採用することによって、圧電振動子の高感度及び広帯域が実現されると共に、振動子を積層化することによって、電気インピーダンスが低下して検出信号の伝送効率が改善される。また、圧電体の間に充填した充填材を利用して筐体に放熱することができるので、振動子の積層化による発熱の増大に伴う振動子の温度上昇を低減することが可能となる。
【００５５】
グリーンシート法等による同時焼成によれば積層圧電体を作ることが困難な素材もあるが、本発明の実施形態によれば、個々の圧電体を積層することにより、積層圧電体を形成することができる。また、本発明の実施形態に係る超音波トランスデューサ及び超音波探触子においては、従来の側面絶縁方式と比較して、初期信頼性及び経時信頼性が向上する。さらに、本発明の実施形態に係る超音波トランスデューサの製造方法は、電着法、印刷法、及び、ディスペンス法を用いる場合と比較して、簡易で再現性に優れている。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明は、超音波診断装置において超音波を送受信するために用いられる超音波トランスデューサアレイ及び超音波探触子において利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る超音波探触子を示す斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る超音波探触子の内部構造を示す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る超音波トランスデューサが１−３コンポジットを構成することを概念的に説明するための断面図である。
【図４Ａ】本発明の第１の実施形態に係る超音波トランスデューサを示す断面図である。
【図４Ｂ】本発明の第１の実施形態に係る超音波トランスデューサを示す断面図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る超音波トランスデューサのインピーダンスを示す図である。
【図６】積層圧電体の各部の厚さによる送受信利得の周波数依存性の変化を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る超音波トランスデューサ及び超音波探触子の製造工程を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る超音波トランスデューサ及び超音波探触子の製造工程を示す図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る超音波トランスデューサにおける積層圧電複合体を示す断面図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態に係る超音波トランスデューサにおける圧電体を示す断面図である。
【図１１】本発明の第４の実施形態に係る超音波トランスデューサにおける圧電体の変形例を示す断面図である。
【図１２】本発明の第５の実施形態に係る超音波トランスデューサにおける積層複合圧電体を示す断面図である。
【図１３】本発明の第５の実施形態の変形例に係る超音波トランスデューサにおける積層圧電複合体とその構成を示す図である。
【符号の説明】
【００５８】
１  振動子
２ａ、２ｂ  圧電体
３ａ、３ｂ  内部電極
４  充填材
５  上部電極
６  下部電極
８  振動子アレイ
９  絶縁膜
１０ａ、１０ｂ  側面電極
１１  バッキング材
１２ａ、１２ｂ  音響整合層
１３  音響レンズ
１４  グランド引出しペースト
１５  グランド線
１６  引出しペースト
１７  アドレス引出し線
１８  半田
１９  アドレス引出しＦＰＣ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
2009072349.tif 000006
【図４Ｂ】
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【図５】
2009072349.tif 000008
【図６】
2009072349.tif 000009
【図７】
2009072349.tif 000010
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2009072349.tif 000014
【図１２】
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【図１３】
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