超音波トランスデューサ及び超音波トランスデューサアレイ
【課題】送信超音波の出力低下を招くことなく周波数特性を広帯域化することにより、実用的な広帯域超音波トランスデューサを提供する。
【解決手段】複数の電極層と交互に積層された複数の圧電体層であって、該複数の圧電体層のトータルの厚さが、第１の側から第２の側に向かって厚くなるように傾斜的に変化している複数の圧電体層１２及び１３と、該複数の圧電体層上に、電極層を介して形成された音響整合層１４とを有する。
【解決手段】複数の電極層と交互に積層された複数の圧電体層であって、該複数の圧電体層のトータルの厚さが、第１の側から第２の側に向かって厚くなるように傾斜的に変化している複数の圧電体層１２及び１３と、該複数の圧電体層上に、電極層を介して形成された音響整合層１４とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、医療用や非破壊検査用の超音波撮像装置において用いられる超音波トランスデューサ及び超音波トランスデューサアレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、超音波撮像装置（超音波診断装置、超音波検査装置等とも呼ばれる）において超音波の送受信に用いられる素子として、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）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）に代表される高分子圧電材料等の圧電体に電極を形成した超音波トランスデューサが知られている。このような超音波トランスデューサ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超音波が発生する。そこで、このような複数の超音波トランスデューサを１次元又は２次元に配列し、それら超音波トランスデューサを順次駆動することにより、所望の方向に送信される超音波ビームを形成することができる。また、超音波トランスデューサは、被検体から伝播した超音波により伸縮して電気信号を発生する。この電気信号は、超音波の受信信号として用いられる。
【０００３】
ところで、超音波診断においては、超音波の周波数帯域の広さが超音波画像の画質の良否に影響することが知られている。一般に、比較的高い周波数を有する超音波は、減衰され易いが、深さ分解能は高く、反対に、比較的低い周波数を有する超音波は、深部まで到達し易いが、深さ分解能が低下し易いという性質を有している。そのため、広い周波数帯域を有する超音波を用いることにより、被検体における微細な構造や組織を識別して、良質な超音波画像を得ることができる。
【０００４】
ここで、振動子における周波数帯域は、圧電材料の組成や、グレインサイズや密度等の構造に依存しており、材料が同一である場合には、振動子の厚さによって既定される。そのため、圧電材料の組成等を変更することによって振動子の帯域を変化させることはできるが、帯域を広くすることは容易ではない。
【０００５】
特許文献１には、各々が、互いに向かい合う第１の面及び第２の面に第１の電極及び第２の電極がそれぞれ形成された圧電材料層を含む複数の超音波トランスデューサであって、第１の面に対して第２の面が傾斜を有する複数の超音波トランスデューサと、該複数の超音波トランスデューサの間に配置された充填材とを含む超音波トランスデューサアレイが開示されている。即ち、特許文献１においては、振動子の厚さを場所により変化させることによって、周波数帯域を広げている。
【０００６】
ところで、図１２の（ａ）は、一般的な超音波トランスデューサの構造を示しており、図１２の（ｂ）は、そこから送受信される超音波の周波数特性を示している。図１２の（ａ）に示すように、一般的な超音波トランスデューサにおいては、厚さが略均一な圧電体層９１の両面に電極９２及び９３が形成されており、さらに、音響整合層９４が配置されている。また、図１３の（ａ）は、特許文献１に開示されている広帯域超音波トランスデューサの構造を示しており、図１３の（ｂ）は、そこから送受信される超音波の周波数特性を示している。図１３の（ａ）に示すように、この広帯域超音波トランスデューサにおいては、傾斜を有する圧電体層９５の両面に電極９６及び９７が形成されており、さらに、音響整合層９８が配置されている。図１２の（ｂ）及び図１３の（ｂ）において、横軸は周波数（ＭＨｚ）を示しており、縦軸は、超音波トランスデューサに所定の電圧を印加することにより超音波を送信し、その反射波を受信することによって超音波トランスデューサから出力される電圧（受信電圧、任意の単位）を示している。
【０００７】
ここで、特許文献１にも記載されているように、超音波トランスデューサの振動の周波数は、圧電材料の厚さと反比例する関係にある。そのため、図１３の（ａ）に示すように、圧電材料の厚さがＺ１〜Ｚ３の各部分に応する周波数特性を合成することにより、広帯域化された周波数特性が得られる。図１３の（ｂ）は、説明を簡単にするために、厚さがＺ１及びＺ３、並びに、その中間のＺ２の３箇所における周波数特性を合成することにより得られたものである。
【０００８】
図１２の（ｂ）と図１３の（ｂ）とを比較して明らかなように、一般的な超音波トランスデューサにおいては周波数帯域幅が約５０％となっているのに対して、広帯域超音波トランスデューサにおいては周波数帯域幅が約６３％となっており、広帯域化されていることがわかる。ここで、周波数帯域幅（％）とは、音圧がピーク値から６ｄＢ減衰する２つの周波数ｆＨとｆＬとの幅Δｆ＝ｆＨ−ｆＬを、それらの中心値（中心周波数）ｆＣ＝（ｆＨ＋ｆＬ）／２で割ることによって得られる（Δｆ／ｆＣ）。
【０００９】
しかしながら、一方で、広帯域超音波トランスデューサの受信電圧は全体的に低下しており、一般的な超音波トランスデューサを基準とすると、約４６％となっている。これは、放出されるエネルギーが広帯域化によって分散するためと考えられる。
また、超音波トランスデューサアレイを超音波内視鏡に適用する場合には、アレイ全体を小型化する必要があるが、そのような場合に、超音波トランスデューサが接続される送信系回路（駆動システム）や、配線ケーブルとの電気的なマッチングを取ることが困難になる。
【特許文献１】特開２００５−１１０１１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
そこで、上記の点に鑑み、本発明は、超音波の出力低下を招くことなく周波数特性を広帯域化することにより、実用的な広帯域超音波トランスデューサ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】
【００１１】
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、複数の電極層と交互に積層された複数の圧電体層であって、該複数の圧電体層のトータルの厚さが、第１の側から第２の側に向かって厚くなるように傾斜的に変化している複数の圧電体層と、該複数の圧電体層上に、電極層を介して形成された音響整合層とを具備する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、圧電体層の厚さを傾斜的に変化させることによって超音波トランスデューサを広帯域化すると共に、複数の圧電体層を積層することによって出力の低下を補うので、実用に適した広帯域超音波トランスデューサを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
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トランスデューサを示す斜視図である。図１の（ａ）に示すように、本実施形態に係る超音波トランスデューサは、例えば、底面の幅が０．１ｍｍ〜１５ｍｍ程度、高さが０．２ｍｍ〜１．０ｍｍ程度の微小な柱状の構造体であり、下部電極層１１と、厚さが傾斜的に変化する圧電体層１２と、厚さが略均一な２つの圧電体層１３と、音響整合層１４と、それらの間に配置されている複数の内部電極層１５ａ〜１５ｃとを有している。また、本実施形態に係る超音波トランスデューサは、内部電極層１５ａ〜１５ｃの端面（図１において超音波トランスデューサの左右の側面に露出している部分）に左右交互に形成された絶縁膜１６を含んでも良く、図１の（ｂ）に示すように、側面電極１７ａ及び１７ｂを含んでも良い。なお、図１の（ａ）には、２つの圧電体層１３が示されているが、圧電体層１３は少なくとも１層あれば良く、３つ以上あっても構わない。
【００１４】
圧電体層１２及び１３は、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）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）に代表される高分子圧電材料等によって形成されている。これらの圧電体層１２及び１３は、その両面に形成されている下部電極層１１や内部電極層１５ａ〜１５ｃを介して電界を印加されることにより伸縮する。
【００１５】
圧電体層１２において、上面（内部電極１５ａ側）は、下面（下部電極層１１側）に対して傾斜している。また、圧電体層１３は、圧電体層１２の斜面上に配置されている。それにより、積層された圧電体層１２及び１３のトータルの厚さが、Ｚ１からＺ３に傾斜的に変化する。ここで、超音波トランスデューサの共振周波数ｆ０は、圧電体層の厚さに対して反比例する関係にあるので、このように少なくとも１つの圧電体層に傾斜を設けることにより、超音波トランスデューサの共振周波数を広帯域化することができる。
【００１６】
音響整合層１４は、例えば、超音波を伝え易いパイレックス（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、生体である被検体と超音波トランスデューサとの間の音響インピーダンスの不整合を解消することにより、超音波の伝播効率を高める。図１の（ａ）に示すように、音響整合層１４の形状は、その下面（内部電極１５ｃ側）が圧電体層１２および１３の傾斜に沿っており、その上面が圧電体層１２の下面に対して平行となるように設計されている。それにより、超音波トランスデューサ１０が、全体として直方体形状となる。
【００１７】
絶縁膜１６は、超音波トランスデューサ１０の向かい合う２つの面（図１においては、左側及び右側）に露出している下部電極層１１及び内部電極１５ａ〜１５ｃの端面を、左右交互に覆うように形成されている。
【００１８】
このような超音波トランスデューサを駆動する場合には、図１の（ｂ）に示すように、超音波トランスデューサ１０の１つの側面に、絶縁膜１６の外側を通るように側面電極１７ａを形成すると共に、他の側面に、絶縁膜１６の外側を通るように側面電極１７ｂを形成する。それにより、内部電極層１５ａと内部電極層１５ｃとが電気的に接続され、下部電極層１１と内部電極層１５ｂとが電気的に接続される。そして、側面電極１７ａ及び１７ｂを介して、所定の波形（例えば、パルス波）を有する駆動信号を超音波トランスデューサ１０に供給する。
【００１９】
なお、絶縁膜１６及び側面電極１７ａ及び１７ｂが形成される面は、図１に示す２つの面に限られず、下部電極層１１及び内部電極１５ａ〜１５ｃを１層おきに共通配線できれば超音波トランスデューサのどの領域でも構わない。例えば、図１の手前及び奥側の面（即ち、電極層が傾斜している面）に絶縁膜１６及び側面電極１７ａ及び１７ｂを形成しても良い。或いは、側面電極を形成する替わりに、下部電極層１１及び内部電極層１５ａ〜１５ｃにリード線を接続しても良い。
【００２０】
図２は、図１に示す超音波トランスデューサ１０から送受信される超音波の周波数特性のシミュレーション結果を示している。
このシミュレーションにおいては、圧電体層１２及び１３の音響インピーダンスを３４Ｍｒａｙｌとし、各部分（図の左端、中央、右端）の厚さを、それぞれ、Ｚ１＝３４２μｍ、Ｚ２＝２７３．６μｍ、Ｚ３＝２２８μｍとした。そして、それらの３箇所における周波数特性を合成したものを、本実施形態に係る超音波トランスデューサの周波数特性とした。なお、各部分の厚さに対応する中心周波数は、それぞれ、Ｚ１：６．０ＭＨｚ、Ｚ２：７．５ＭＨｚ、Ｚ３：９．０ＭＨｚである。
【００２１】
また、音響整合層１４については、音響インピーダンスを６Ｍｒａｙｌとし、次のように形状を設計した。即ち、下面については、圧電体層１２及び１３の傾斜に合わせ、上面については、圧電体層１２の下面に対して平行にすることにより、超音波トランスデューサ全体が直方体形状となるようにした。その際に、中央部分（圧電体層の厚さがＺ２の部分の上部）の厚さを、厚さＺ２の圧電体層から発生する超音波（中心周波数：７．５ＭＨｚ）の音響整合層１４における伝播波長の１／４となるように設定した。このときに、最も高い伝播効率が得られるからである。その結果、音響整合層１４の各部分の厚さは、左端において１４．９３μｍとなり、中央部分において８３．３μｍとなり、右端において１２８．９３μｍとなった。
さらに、音響インピーダンスが５．５Ｍｒａｙｌのバッキング材を超音波トランスデューサの背面に配置するという条件でシミュレーションを行った。
【００２２】
図２の（ａ）は、(i)本実施形態に係る超音波トランスデューサ（図１参照）の周波数特性（広帯域・３層）と、(ii)圧電体層の積層数を２層とした超音波トランスデューサ（図１において、圧電体層１３を１つにしたもの）の周波数特性（広帯域・２層）と、比較のために、(iii)圧電体層が単層の広帯域超音波トランスデューサの周波数特性（広帯域・単層）と、(iv)圧電体層の厚さが均一で単層の一般的な超音波トランスデューサの周波数特性（通常）とを示している。また、Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３と記載されている３つの曲線は、圧電体層の厚さがそれぞれＺ１、Ｚ２、Ｚ３である超音波トランスデューサ（単層）の周波数特性を示しており、広帯域・単層の超音波トランスデューサの周波数特性を求める際に用いたものである。図２の（ａ）において、横軸は周波数（ＭＨｚ）を示しており、縦軸は、超音波トランスデューサ超音波を送信し、その反射波を受信することによって超音波トランスデューサから出力された電圧（受信電圧、任意の単位）を示している。即ち、縦軸は、送信効率×受信効率を意味する。また、図２の（ｂ）は、図２の（ａ）に示された周波数特性の内で、(i)広帯域・３層の周波数特性と、(iv)通常の周波数特性とを規格化したものである。
【００２３】
図２の（ａ）に示すように、圧電体層の厚さを傾斜的に変化させた超音波トランスデューサにおいては、いずれも、通常の超音波トランスデューサよりも広帯域化されている。例えば、図２の（ｂ）示すように、通常の超音波トランスデューサの周波数帯域幅が約５０％であるのに対して、広帯域の超音波トランスデューサの周波数帯域幅は約６３％まで広がっている。また、広帯域の３つの超音波トランスデューサを比較すると、層数を増やすほど受信電圧が上昇していることが確認される。これは、全体の厚さを変えずに圧電体層の層数を増やすと（即ち、各圧電体層が薄くなる）、各圧電体層に印加される電界強度が大きくなるからである。
【００２４】
なお、Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３の周波数特性を比較すると、Ｚ２の受信電圧と比較して、Ｚ１及びＺ３の受信電圧は全体的に低下している。これは、音響整合層が、圧電体層の厚さがＺ２の場合に適切な伝播効率が得られるように設計されているからである。
【００２５】
以上説明したように、本実施形態によれば、圧電体層の厚さを傾斜的に変化させることにより、超音波トランスデューサの振動の周波数を広帯域化させることができる。また、その際に、複数の圧電体層を積層することにより、超音波の出力低下を抑制することができる。従って、超音波トランスデューサを小型化しても送信感度を維持できるようになるので、そのような超音波トランスデューサを適用した超音波用探触子や超音波内視鏡全体を、性能を維持したまま広帯域化及び小型化することが可能になる。さらに、圧電体層を積層することにより、送信系回路（駆動システム）や配線ケーブルとの電気的なマッチングを取り易くなるので、送信感度及び受信感度を向上させることが可能になる。
また、本実施形態においては、超音波トランスデューサ全体を直方体形状としているので、音響整合層１４上に別の音響整合層や音響レンズを配置する場合には、設計や操作性が容易となる。
【００２６】
次に、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について、図３を参照しながら説明する。
本実施形態に係る超音波トランスデューサは、図１に示す音響整合層１４の替わりに、図３に示す音響整合層２１を配置したものである。その他の構成については、図１に示すものと同様である。
【００２７】
ここで、先に図２の（ａ）に示したように、圧電体層の特定の部分の厚さ（例えば、Ｚ２）に合わせて音響整合層を設計すると、それ以外の部分の厚さ（例えば、Ｚ１及びＺ３）に対応する周波数成分の伝播効率が低下してしまう。そこで、本実施形態においては、圧電体層の各部分の厚さに対応する周波数成分について、適切な伝播効率が得られるように音響整合層を設計している。
【００２８】
即ち、超音波が音響整合層を通過する場合に、音響整合層の厚さがそこを伝播する超音波の波長λの１／４倍となっているときに、最も伝播効率が良くなる（以下において、λ／４整合という）。そのため、音響整合層２１の各部分は、その下部の圧電体層１２及び１３の厚さに対応する周波数成分についてλ／４整合が満たされるように、厚さを規定されている。ここで、音響整合層２１における音速をｃとし、超音波の周波数をｆｉとすると、波長λｉは、λｉ＝ｃ／ｆｉによって表される。従って、音響整合層２１の左端の厚さｄ１は、厚さがＺ１の圧電体層から発生する超音波の中心周波数をｆ１とすると、ｄ１＝（ｃ／ｆ１）／４となる。また、音響整合層２１の右端の厚さｄ３は、厚さがＺ３の圧電体層から発生する超音波の中心周波数をｆ３とすると、ｄ３＝（ｃ／ｆ３）／４となる。
【００２９】
音響整合層２１をこのように設計することにより、厚さが傾斜的に変化する圧電体層１２及び１３から発生する超音波の各帯域について、音響エネルギーのロスを低減できるようになる。その結果、帯域にかかわらず、超音波の送受信効率を向上させることが可能になる。
【００３０】
図４は、図３に示す超音波トランスデューサから送受信される超音波の周波数特性のシミュレーション結果を示している。図４の（ａ）の横軸は周波数（ＭＨｚ）を示しており、縦軸は、超音波トランスデューサ超音波を送信し、その反射波を受信した超音波トランスデューサから出力された電圧（受信電圧、任意の単位）を示している。また、図４の（ｂ）は、図４の（ａ）を規格化したものである。
【００３１】
このシミュレーションにおいては、圧電体層１２及び１３の音響インピーダンスを３４Ｍｒａｙｌとし、各部分（図の左端、中央、右端）の厚さを、それぞれ、Ｚ１＝３４２μｍ、Ｚ２＝２７３．６μｍ、Ｚ３＝２２８μｍとした。なお、それらの部分における周波数特性の中心周波数は、それぞれ、Ｚ１：６．０ＭＨｚ、Ｚ２：７．５ＭＨｚ、Ｚ３：９．０ＭＨｚである。また、音響整合層２１の音響インピーダンスを８Ｍｒａｙｌとし、各部分（左端、中央、右端）の厚さを、λ／４整合が取れるように、それぞれ、１０６．６４μｍ、８３．３３μｍ、６９．３２μｍとした。さらに、音響インピーダンスが５．５Ｍｒａｙｌのバッキング材を超音波トランスデューサの背面に配置するという条件で計算を行った。
【００３２】
図４の（ｂ）に示すように、圧電体層の厚さがＺ２の超音波トランスデューサの周波数特性と、圧電体層の厚さがＺ１〜Ｚ３の範囲で変化する広帯域超音波トランスデューサの周波数特性とを比較すると、前者の帯域幅が約５６％であるのに対して、後者の帯域幅は約６２％まで拡がっており、広帯域化されていることが確認できる。また、受信電圧のレベルは、中心付近だけでなく、低域側及び高域側を含めて全体的に上昇している。
【００３３】
このように、本実施形態によれば、圧電体層の各部分の厚さに応じて音響整合層の形状を決定するので、低域から高域に渡る広い帯域について、超音波の伝播効率を向上させることが可能になる。
【００３４】
次に、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ついて、図５を参照しながら説明する。
本実施形態に係る超音波トランスデューサは、図３に示す２つの圧電体層１３及び音響整合層２１の替わりに、図５に示す２つの圧電体層３１及び３２並びに音響整合層３３を配置したものである。その他の構成については、図３に示すものと同様である。
【００３５】
本実施形態においては、圧電体層１２だけでなく、その上に配置された圧電体層３１及び３２についても、厚さを傾斜的に変化させている。また、音響整合層３３は、傾斜的に変化する圧電体層１２、３１、３２の各部分に対してλ／４整合が満たされるように設計されている。
【００３６】
このように、各圧電体層１２、３１、３２の厚さを傾斜的に変化させることにより、低域〜高域を含む面内（図３においては紙面に平行な面内）における超音波の放射特性を均一にすることができる。それにより、送信パワーや、送信感度及び受信感度を、周波数帯域によらず均一にできるので、超音波を発生させるための駆動信号や超音波を受信することによって出力された受信信号に対する信号処理を簡単にすることができる。
【００３７】
次に、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ついて、図６を参照しながら説明する。
本実施形態に係る超音波トランスデューサは、図５に示す超音波トランスデューサに対して、ダミー層４１を更に設けたものである。ここで、図５に示す超音波トランスデューサにおいては、圧電体層１２、３１及び３２、並びに、音響整合層３３の各々において、低域側（図の左側）を厚くしているので、超音波トランスデューサ全体として、低域側と高域側との厚さの差が大きくなる。ところが、音響整合層３３の上に音響レンズを配置することや操作性等を考慮すると、超音波トランスデューサの上面（超音波送受信面）を下面に対して平行にする方が実用的であり好ましい。そこで、本実施形態においては、音響整合層３３上にダミー層４１を設けることにより、低域側と高域側との厚さのギャップを解消している。
【００３８】
ダミー層４１の材料としては、超音波の伝播効率を妨げないように、例えば、シリコーンゴムのように、音響インピーダンスが比較的生体に近い材料を用いることが望ましい。
なお、このようなダミー層を図３に示す超音波トランスデューサに設けても良い。
【００３９】
次に、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ついて、図７を参照しながら説明する。
本実施形態に係る超音波トランスデューサは、図５に示す超音波トランスデューサ１０に対して、傾斜を有するバッキング層４２をさらに設けたものである。ここで、先にも述べたように、超音波トランスデューサの超音波送信面は、超音波トランスデューサの背面に対して平行である方が望ましい。そこで、本実施形態においては、傾斜を有するバッキング層４２を圧電体層１２の背面に配置している。
【００４０】
次に、本発明の一実施形態に係る超音波トランスデューサアレイについて、図８を参照しながら説明する。
図８に示すように、この超音波トランスデューサアレイには、配線５２及び５３が形成されているバッキング層５１と、その上に配列された複数の超音波トランスデューサ１０とを含んでいる。図示されていないが、これらの超音波トランスデューサ１０の間や周囲には、超音波トランスデューサ１０の配置を固定すると共にそれらを保護する充填材が配置されている。
【００４１】
複数の超音波トランスデューサ１０は、例えば、アジマス方向（走査方向）に１２８行、エレベーション方向（アジマス方向に直交する方向）に７列となるように配列されている。各超音波トランスデューサ１０は、圧電体層１２（図１）がアジマス方向において傾斜するように配置されている。また、１行に含まれる７個の超音波トランスデューサ１０は、側面電極１７ａ及び１７ｂを介して、共通配線５２及び５３にそれぞれ接続されている。さらに、これらの超音波トランスデューサ１０の上部には、超音波を所定の深度に収束させる音響レンズが配置される。
【００４２】
このような超音波トランスデューサアレイにおいて、共通配線された超音波トランスデューサ１０を１行単位、又は、数行単位で駆動することにより、所定の深度に焦点を有する超音波ビームが送信される。このような動作を、アジマス方向について順次行うことにより、被検体が超音波ビームによって走査される。
なお、本実施形態においては、第１の実施形態に係る超音波トランスデューサによってアレイを形成しているが、その替わりに、第２〜第５の実施形態に係る超音波トランスデューサを適用しても良い。
【００４３】
図９は、本実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの変形例を示している。図９に示すように、各超音波トランスデューサ１０は、圧電体層１２（図１）がエレベーション方向において傾斜するように配置しても良い。
【００４４】
次に、本発明の一実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの製造方法について、図１０及び図１１を参照しながら説明する。
まず、図１０の（ａ）に示すように、厚さが傾斜的に変化している圧電体層６１と、電極層６２と、圧電体層６３とを含むシート状の積層体を形成する。ここで、圧電体層６３は、少なくとも１層形成すれば良い。或いは、電極層６２と圧電体層６３とを交互に３層以上形成しても良い。また、圧電体層６３の厚さは均一であっても良いし、圧電体層６１と同様に傾斜的に変化させても良い。このようなシート状の積層体は、厚さが均一な圧電体層と電極層とを交互に積層し、その後で、最下層の圧電体層を斜めに研磨することによって作製される。或いは、グリーンシート法を用い、圧電材料の層を形成する際に、スキージを傾けることによりその厚さを変化させても良い。後者は、２層目以上の圧電体層に傾斜を設ける場合にも適用できる。
【００４５】
次に、図１０の（ａ）に示す破線においてシート状の積層体を切断することにより、図１０の（ｂ）に示すように、バー状の積層体を順次作製する。そして、圧電体層６１の底面を研磨することにより、複数のバー状の積層体の高さを揃える。
【００４６】
次に、図１０の（ｃ）に示すように、圧電体層６１の下面に電極層６４を形成すると共に、圧電体層６３の上面に電極層６５を形成する。さらに、電極層６５上に、音響整合層６６を配置する。なお、図１０の（ｃ）には、上面が水平（圧電体層６１の下面に対して平行）な音響整合層６６が示されているが、図３に示すように、圧電体層６１及び６３の厚さに応じて上面が傾斜する音響整合層を形成しても良い。
【００４７】
次に、図１０の（ｄ）に示すように、バー状の積層体の長手方向に平行な２つの側面に、電極層６４、６２、６５を交互に覆うように絶縁膜６７を形成する。絶縁膜６７は、ディスペンサを用いて樹脂材料を塗布して硬化させることによって形成しても良いし、電着法やスパッタ法によりガラス等の絶縁材料を成膜することによって形成しても良い。
【００４８】
次に、図１１の（ａ）に示すように、絶縁膜６７の外側に側面電極６８を形成する。側面電極６８は、２つの側面全体に形成しても良いし、後の工程における切断ピッチに合わせてパターン形成（図１参照）しても良い。それにより、バー状の超音波トランスデューサ６９が作製される。
【００４９】
次に、図１１の（ｂ）に示すように、バー状の超音波トランスデューサ６９を、基板７１上にアジマス方向のピッチに合わせて配置する。そして、図１１の（ｃ）に示すように、バー状の超音波トランスデューサ６９を、エレベーション方向のピッチに合わせて切断する。それにより、超音波トランスデューサ１０の配列が形成される。さらに、これらの超音波トランスデューサ１０の間に充填材を流し込んで固化させることによって配列を固定する。そして、基板７１を除去して、その替わりに予め配線が形成されたバッキング材を配置する。それにより、図８に示す超音波トランスデューサアレイが完成する。
【００５０】
（実施例）
本発明の一実施形態に係る超音波トランスデューサアレイを作製し、その特性を試験した。実験条件及び結果は次の通りである。なお、３３モードにおける音速を３１００ｍ／ｓとし、スライバーモードにおける音速を４１００ｍ／ｓとした。ここで、３３モードとは、１辺の長さがｗである略正方形を底面とする超音波トランスデューサにおいて、厚さ（高さ）をｔとするときに、ｗ／ｔが約０．６以下の場合における振動モードのことを言う。また、スライバーモードとは、一方の辺の長さがＷ０（固定値）であり、他方の辺の長さがｗ（ｗ＜ｗ０）である長方形を底面とする棒状の超音波トランスデューサにおいて、厚さ（高さ）をｔとするときに、ｗ／ｔが０．６近傍の場合における振動モードのことを言う。
（１）超音波トランスデューサＡ
サイズ：底面０．３ｍｍ×０．３ｍｍ、高さ０．４７８ｍｍ
圧電体層の積層数：３層
圧電体層の材料：ＰＺＴ
誘電率４０００（共振周波数付近における実効値）
〃 ５８００（１ｋＨｚ付近）
共振周波数：３．００ＭＨｚ
キャパシタンス：６．６７ｐＦ
インピーダンス：７９４９Ω
振動モード：３３モード
【００５１】
この超音波トランスデューサＡを３．００ＭＨｚの駆動周波数で駆動したところ、単層の超音波トランスデューサに対して感度（受信電圧／送信電圧）は約３８．１ｄＢ向上した。この値は、通常の超音波トランスデューサ（広帯域・単層）の感度よりも非常に高いと言える。
このような超音波トランスデューサＡは、例えば、３２行３２列に配置することにより、胎児観察用２次元電子スキャン探触子用の超音波トランスデューサアレイに適用できる。
（２）超音波トランスデューサＢ
サイズ：底面５ｍｍ×０．１１ｍｍ、高さ０．２５ｍｍ
圧電体層の積層数：３層
圧電体層の材料：上記（１）と同じ
共振周波数：７．５９ＭＨｚ
キャパシタンス：７７．９２ｐＦ
インピーダンス：２６９Ω
振動モード：スライバーモード
【００５２】
この超音波トランスデューサＢを、７．５９ＭＨｚの駆動周波数で駆動したところ、単層の超音波トランスデューサに対して感度（受信電圧／送信電圧）は約１０．１ｄＢ向上した。この値は、通常の超音波トランスデューサ（広帯域・単層）の感度よりも非常に高いと言える。
このような超音波トランスデューサＢは、例えば、１２８列に配置することにより、消化管内視鏡用１次元アレイに適用できる。
（３）超音波トランスデューサＣ
サイズ：底面０．５ｍｍ×０．１１ｍｍ、高さ０．２ｍｍ
圧電体層の積層数：３層
圧電体層の材料：上記（１）と同じ
共振周波数：９．４９ＭＨｚ
キャパシタンス：９．７４ｐＦ
インピーダンス：１７２２Ω
振動モード：スライバーモード
【００５３】
この超音波トランスデューサＣを、１０．２５ＭＨｚの駆動周波数で駆動したところ、単層の超音波トランスデューサに対して感度（受信電圧／送信電圧）は約２５．０ｄＢ向上した。この値は、通常の超音波トランスデューサ（広帯域・単層）の感度よりも非常に高いと言える。
このような超音波トランスデューサＣは、例えば、１０行１２８列に配置することにより、消化管内視鏡用１．５次元アレイに適用できる。ここで、１．５次元アレイとは、複数の超音波トランスデューサが２次元面上に配列されているアレイの内で、行方向の配列数及び配列ピッチに比較して、列方向の配列数が少なく配列ピッチが大きいアレイのことである。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、医療用や非破壊検査用の超音波撮像装置において用いられる超音波トランスデューサ及び超音波トランスデューサアレイにおいて利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】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構造を示す斜視図である。
【図２】図１に示す超音波トランスデューサから送受信される超音波の周波数特性を示す図である。
【図３】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の構造を示す斜視図である。
【図４】図３に示す超音波トランスデューサから送受信される超音波の周波数特性を示す図である。
【図５】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の構造を示す斜視図である。
【図６】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の構造を示す斜視図である。
【図７】本発明の第５の実施形態係る超音波トランスデューサの構造を示す斜視図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る超音波トランスデューサアレイを示す斜視図である。
【図９】本発明の一実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの変形例を示す斜視図である。
【図１０】本発明の一実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの製造方法を説明するための図である。
【図１１】本発明の一実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの製造方法を説明するための図である。
【図１２】一般的な超音波トランスデューサの構造と、その周波数特性を示す図である。
【図１３】従来の広帯域超音波トランスデューサの構造と、その周波数特性を示す図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０、６９ 超音波トランスデューサ
１１ 下部電極層
１２、１３、３１、３２、６１、６３ 圧電体層
１４、２１、６６ 音響整合層
１５ａ〜１５ｃ 内部電極層
１６、６７ 絶縁膜
１７ａ、１７ｂ、６８ 側面電極
４１ ダミー層
４２、５１ バッキング層（バッキング材）
５２、５３ 共通配線
６２、６４、６５ 電極層
７１ 基板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、医療用や非破壊検査用の超音波撮像装置において用いられる超音波トランスデューサ及び超音波トランスデューサアレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、超音波撮像装置（超音波診断装置、超音波検査装置等とも呼ばれる）において超音波の送受信に用いられる素子として、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）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）に代表される高分子圧電材料等の圧電体に電極を形成した超音波トランスデューサが知られている。このような超音波トランスデューサ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超音波が発生する。そこで、このような複数の超音波トランスデューサを１次元又は２次元に配列し、それら超音波トランスデューサを順次駆動することにより、所望の方向に送信される超音波ビームを形成することができる。また、超音波トランスデューサは、被検体から伝播した超音波により伸縮して電気信号を発生する。この電気信号は、超音波の受信信号として用いられる。
【０００３】
ところで、超音波診断においては、超音波の周波数帯域の広さが超音波画像の画質の良否に影響することが知られている。一般に、比較的高い周波数を有する超音波は、減衰され易いが、深さ分解能は高く、反対に、比較的低い周波数を有する超音波は、深部まで到達し易いが、深さ分解能が低下し易いという性質を有している。そのため、広い周波数帯域を有する超音波を用いることにより、被検体における微細な構造や組織を識別して、良質な超音波画像を得ることができる。
【０００４】
ここで、振動子における周波数帯域は、圧電材料の組成や、グレインサイズや密度等の構造に依存しており、材料が同一である場合には、振動子の厚さによって既定される。そのため、圧電材料の組成等を変更することによって振動子の帯域を変化させることはできるが、帯域を広くすることは容易ではない。
【０００５】
特許文献１には、各々が、互いに向かい合う第１の面及び第２の面に第１の電極及び第２の電極がそれぞれ形成された圧電材料層を含む複数の超音波トランスデューサであって、第１の面に対して第２の面が傾斜を有する複数の超音波トランスデューサと、該複数の超音波トランスデューサの間に配置された充填材とを含む超音波トランスデューサアレイが開示されている。即ち、特許文献１においては、振動子の厚さを場所により変化させることによって、周波数帯域を広げている。
【０００６】
ところで、図１２の（ａ）は、一般的な超音波トランスデューサの構造を示しており、図１２の（ｂ）は、そこから送受信される超音波の周波数特性を示している。図１２の（ａ）に示すように、一般的な超音波トランスデューサにおいては、厚さが略均一な圧電体層９１の両面に電極９２及び９３が形成されており、さらに、音響整合層９４が配置されている。また、図１３の（ａ）は、特許文献１に開示されている広帯域超音波トランスデューサの構造を示しており、図１３の（ｂ）は、そこから送受信される超音波の周波数特性を示している。図１３の（ａ）に示すように、この広帯域超音波トランスデューサにおいては、傾斜を有する圧電体層９５の両面に電極９６及び９７が形成されており、さらに、音響整合層９８が配置されている。図１２の（ｂ）及び図１３の（ｂ）において、横軸は周波数（ＭＨｚ）を示しており、縦軸は、超音波トランスデューサに所定の電圧を印加することにより超音波を送信し、その反射波を受信することによって超音波トランスデューサから出力される電圧（受信電圧、任意の単位）を示している。
【０００７】
ここで、特許文献１にも記載されているように、超音波トランスデューサの振動の周波数は、圧電材料の厚さと反比例する関係にある。そのため、図１３の（ａ）に示すように、圧電材料の厚さがＺ１〜Ｚ３の各部分に応する周波数特性を合成することにより、広帯域化された周波数特性が得られる。図１３の（ｂ）は、説明を簡単にするために、厚さがＺ１及びＺ３、並びに、その中間のＺ２の３箇所における周波数特性を合成することにより得られたものである。
【０００８】
図１２の（ｂ）と図１３の（ｂ）とを比較して明らかなように、一般的な超音波トランスデューサにおいては周波数帯域幅が約５０％となっているのに対して、広帯域超音波トランスデューサにおいては周波数帯域幅が約６３％となっており、広帯域化されていることがわかる。ここで、周波数帯域幅（％）とは、音圧がピーク値から６ｄＢ減衰する２つの周波数ｆＨとｆＬとの幅Δｆ＝ｆＨ−ｆＬを、それらの中心値（中心周波数）ｆＣ＝（ｆＨ＋ｆＬ）／２で割ることによって得られる（Δｆ／ｆＣ）。
【０００９】
しかしながら、一方で、広帯域超音波トランスデューサの受信電圧は全体的に低下しており、一般的な超音波トランスデューサを基準とすると、約４６％となっている。これは、放出されるエネルギーが広帯域化によって分散するためと考えられる。
また、超音波トランスデューサアレイを超音波内視鏡に適用する場合には、アレイ全体を小型化する必要があるが、そのような場合に、超音波トランスデューサが接続される送信系回路（駆動システム）や、配線ケーブルとの電気的なマッチングを取ることが困難になる。
【特許文献１】特開２００５−１１０１１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
そこで、上記の点に鑑み、本発明は、超音波の出力低下を招くことなく周波数特性を広帯域化することにより、実用的な広帯域超音波トランスデューサ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】
【００１１】
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、複数の電極層と交互に積層された複数の圧電体層であって、該複数の圧電体層のトータルの厚さが、第１の側から第２の側に向かって厚くなるように傾斜的に変化している複数の圧電体層と、該複数の圧電体層上に、電極層を介して形成された音響整合層とを具備する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、圧電体層の厚さを傾斜的に変化させることによって超音波トランスデューサを広帯域化すると共に、複数の圧電体層を積層することによって出力の低下を補うので、実用に適した広帯域超音波トランスデューサを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
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トランスデューサを示す斜視図である。図１の（ａ）に示すように、本実施形態に係る超音波トランスデューサは、例えば、底面の幅が０．１ｍｍ〜１５ｍｍ程度、高さが０．２ｍｍ〜１．０ｍｍ程度の微小な柱状の構造体であり、下部電極層１１と、厚さが傾斜的に変化する圧電体層１２と、厚さが略均一な２つの圧電体層１３と、音響整合層１４と、それらの間に配置されている複数の内部電極層１５ａ〜１５ｃとを有している。また、本実施形態に係る超音波トランスデューサは、内部電極層１５ａ〜１５ｃの端面（図１において超音波トランスデューサの左右の側面に露出している部分）に左右交互に形成された絶縁膜１６を含んでも良く、図１の（ｂ）に示すように、側面電極１７ａ及び１７ｂを含んでも良い。なお、図１の（ａ）には、２つの圧電体層１３が示されているが、圧電体層１３は少なくとも１層あれば良く、３つ以上あっても構わない。
【００１４】
圧電体層１２及び１３は、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）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）に代表される高分子圧電材料等によって形成されている。これらの圧電体層１２及び１３は、その両面に形成されている下部電極層１１や内部電極層１５ａ〜１５ｃを介して電界を印加されることにより伸縮する。
【００１５】
圧電体層１２において、上面（内部電極１５ａ側）は、下面（下部電極層１１側）に対して傾斜している。また、圧電体層１３は、圧電体層１２の斜面上に配置されている。それにより、積層された圧電体層１２及び１３のトータルの厚さが、Ｚ１からＺ３に傾斜的に変化する。ここで、超音波トランスデューサの共振周波数ｆ０は、圧電体層の厚さに対して反比例する関係にあるので、このように少なくとも１つの圧電体層に傾斜を設けることにより、超音波トランスデューサの共振周波数を広帯域化することができる。
【００１６】
音響整合層１４は、例えば、超音波を伝え易いパイレックス（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、生体である被検体と超音波トランスデューサとの間の音響インピーダンスの不整合を解消することにより、超音波の伝播効率を高める。図１の（ａ）に示すように、音響整合層１４の形状は、その下面（内部電極１５ｃ側）が圧電体層１２および１３の傾斜に沿っており、その上面が圧電体層１２の下面に対して平行となるように設計されている。それにより、超音波トランスデューサ１０が、全体として直方体形状となる。
【００１７】
絶縁膜１６は、超音波トランスデューサ１０の向かい合う２つの面（図１においては、左側及び右側）に露出している下部電極層１１及び内部電極１５ａ〜１５ｃの端面を、左右交互に覆うように形成されている。
【００１８】
このような超音波トランスデューサを駆動する場合には、図１の（ｂ）に示すように、超音波トランスデューサ１０の１つの側面に、絶縁膜１６の外側を通るように側面電極１７ａを形成すると共に、他の側面に、絶縁膜１６の外側を通るように側面電極１７ｂを形成する。それにより、内部電極層１５ａと内部電極層１５ｃとが電気的に接続され、下部電極層１１と内部電極層１５ｂとが電気的に接続される。そして、側面電極１７ａ及び１７ｂを介して、所定の波形（例えば、パルス波）を有する駆動信号を超音波トランスデューサ１０に供給する。
【００１９】
なお、絶縁膜１６及び側面電極１７ａ及び１７ｂが形成される面は、図１に示す２つの面に限られず、下部電極層１１及び内部電極１５ａ〜１５ｃを１層おきに共通配線できれば超音波トランスデューサのどの領域でも構わない。例えば、図１の手前及び奥側の面（即ち、電極層が傾斜している面）に絶縁膜１６及び側面電極１７ａ及び１７ｂを形成しても良い。或いは、側面電極を形成する替わりに、下部電極層１１及び内部電極層１５ａ〜１５ｃにリード線を接続しても良い。
【００２０】
図２は、図１に示す超音波トランスデューサ１０から送受信される超音波の周波数特性のシミュレーション結果を示している。
このシミュレーションにおいては、圧電体層１２及び１３の音響インピーダンスを３４Ｍｒａｙｌとし、各部分（図の左端、中央、右端）の厚さを、それぞれ、Ｚ１＝３４２μｍ、Ｚ２＝２７３．６μｍ、Ｚ３＝２２８μｍとした。そして、それらの３箇所における周波数特性を合成したものを、本実施形態に係る超音波トランスデューサの周波数特性とした。なお、各部分の厚さに対応する中心周波数は、それぞれ、Ｚ１：６．０ＭＨｚ、Ｚ２：７．５ＭＨｚ、Ｚ３：９．０ＭＨｚである。
【００２１】
また、音響整合層１４については、音響インピーダンスを６Ｍｒａｙｌとし、次のように形状を設計した。即ち、下面については、圧電体層１２及び１３の傾斜に合わせ、上面については、圧電体層１２の下面に対して平行にすることにより、超音波トランスデューサ全体が直方体形状となるようにした。その際に、中央部分（圧電体層の厚さがＺ２の部分の上部）の厚さを、厚さＺ２の圧電体層から発生する超音波（中心周波数：７．５ＭＨｚ）の音響整合層１４における伝播波長の１／４となるように設定した。このときに、最も高い伝播効率が得られるからである。その結果、音響整合層１４の各部分の厚さは、左端において１４．９３μｍとなり、中央部分において８３．３μｍとなり、右端において１２８．９３μｍとなった。
さらに、音響インピーダンスが５．５Ｍｒａｙｌのバッキング材を超音波トランスデューサの背面に配置するという条件でシミュレーションを行った。
【００２２】
図２の（ａ）は、(i)本実施形態に係る超音波トランスデューサ（図１参照）の周波数特性（広帯域・３層）と、(ii)圧電体層の積層数を２層とした超音波トランスデューサ（図１において、圧電体層１３を１つにしたもの）の周波数特性（広帯域・２層）と、比較のために、(iii)圧電体層が単層の広帯域超音波トランスデューサの周波数特性（広帯域・単層）と、(iv)圧電体層の厚さが均一で単層の一般的な超音波トランスデューサの周波数特性（通常）とを示している。また、Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３と記載されている３つの曲線は、圧電体層の厚さがそれぞれＺ１、Ｚ２、Ｚ３である超音波トランスデューサ（単層）の周波数特性を示しており、広帯域・単層の超音波トランスデューサの周波数特性を求める際に用いたものである。図２の（ａ）において、横軸は周波数（ＭＨｚ）を示しており、縦軸は、超音波トランスデューサ超音波を送信し、その反射波を受信することによって超音波トランスデューサから出力された電圧（受信電圧、任意の単位）を示している。即ち、縦軸は、送信効率×受信効率を意味する。また、図２の（ｂ）は、図２の（ａ）に示された周波数特性の内で、(i)広帯域・３層の周波数特性と、(iv)通常の周波数特性とを規格化したものである。
【００２３】
図２の（ａ）に示すように、圧電体層の厚さを傾斜的に変化させた超音波トランスデューサにおいては、いずれも、通常の超音波トランスデューサよりも広帯域化されている。例えば、図２の（ｂ）示すように、通常の超音波トランスデューサの周波数帯域幅が約５０％であるのに対して、広帯域の超音波トランスデューサの周波数帯域幅は約６３％まで広がっている。また、広帯域の３つの超音波トランスデューサを比較すると、層数を増やすほど受信電圧が上昇していることが確認される。これは、全体の厚さを変えずに圧電体層の層数を増やすと（即ち、各圧電体層が薄くなる）、各圧電体層に印加される電界強度が大きくなるからである。
【００２４】
なお、Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３の周波数特性を比較すると、Ｚ２の受信電圧と比較して、Ｚ１及びＺ３の受信電圧は全体的に低下している。これは、音響整合層が、圧電体層の厚さがＺ２の場合に適切な伝播効率が得られるように設計されているからである。
【００２５】
以上説明したように、本実施形態によれば、圧電体層の厚さを傾斜的に変化させることにより、超音波トランスデューサの振動の周波数を広帯域化させることができる。また、その際に、複数の圧電体層を積層することにより、超音波の出力低下を抑制することができる。従って、超音波トランスデューサを小型化しても送信感度を維持できるようになるので、そのような超音波トランスデューサを適用した超音波用探触子や超音波内視鏡全体を、性能を維持したまま広帯域化及び小型化することが可能になる。さらに、圧電体層を積層することにより、送信系回路（駆動システム）や配線ケーブルとの電気的なマッチングを取り易くなるので、送信感度及び受信感度を向上させることが可能になる。
また、本実施形態においては、超音波トランスデューサ全体を直方体形状としているので、音響整合層１４上に別の音響整合層や音響レンズを配置する場合には、設計や操作性が容易となる。
【００２６】
次に、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について、図３を参照しながら説明する。
本実施形態に係る超音波トランスデューサは、図１に示す音響整合層１４の替わりに、図３に示す音響整合層２１を配置したものである。その他の構成については、図１に示すものと同様である。
【００２７】
ここで、先に図２の（ａ）に示したように、圧電体層の特定の部分の厚さ（例えば、Ｚ２）に合わせて音響整合層を設計すると、それ以外の部分の厚さ（例えば、Ｚ１及びＺ３）に対応する周波数成分の伝播効率が低下してしまう。そこで、本実施形態においては、圧電体層の各部分の厚さに対応する周波数成分について、適切な伝播効率が得られるように音響整合層を設計している。
【００２８】
即ち、超音波が音響整合層を通過する場合に、音響整合層の厚さがそこを伝播する超音波の波長λの１／４倍となっているときに、最も伝播効率が良くなる（以下において、λ／４整合という）。そのため、音響整合層２１の各部分は、その下部の圧電体層１２及び１３の厚さに対応する周波数成分についてλ／４整合が満たされるように、厚さを規定されている。ここで、音響整合層２１における音速をｃとし、超音波の周波数をｆｉとすると、波長λｉは、λｉ＝ｃ／ｆｉによって表される。従って、音響整合層２１の左端の厚さｄ１は、厚さがＺ１の圧電体層から発生する超音波の中心周波数をｆ１とすると、ｄ１＝（ｃ／ｆ１）／４となる。また、音響整合層２１の右端の厚さｄ３は、厚さがＺ３の圧電体層から発生する超音波の中心周波数をｆ３とすると、ｄ３＝（ｃ／ｆ３）／４となる。
【００２９】
音響整合層２１をこのように設計することにより、厚さが傾斜的に変化する圧電体層１２及び１３から発生する超音波の各帯域について、音響エネルギーのロスを低減できるようになる。その結果、帯域にかかわらず、超音波の送受信効率を向上させることが可能になる。
【００３０】
図４は、図３に示す超音波トランスデューサから送受信される超音波の周波数特性のシミュレーション結果を示している。図４の（ａ）の横軸は周波数（ＭＨｚ）を示しており、縦軸は、超音波トランスデューサ超音波を送信し、その反射波を受信した超音波トランスデューサから出力された電圧（受信電圧、任意の単位）を示している。また、図４の（ｂ）は、図４の（ａ）を規格化したものである。
【００３１】
このシミュレーションにおいては、圧電体層１２及び１３の音響インピーダンスを３４Ｍｒａｙｌとし、各部分（図の左端、中央、右端）の厚さを、それぞれ、Ｚ１＝３４２μｍ、Ｚ２＝２７３．６μｍ、Ｚ３＝２２８μｍとした。なお、それらの部分における周波数特性の中心周波数は、それぞれ、Ｚ１：６．０ＭＨｚ、Ｚ２：７．５ＭＨｚ、Ｚ３：９．０ＭＨｚである。また、音響整合層２１の音響インピーダンスを８Ｍｒａｙｌとし、各部分（左端、中央、右端）の厚さを、λ／４整合が取れるように、それぞれ、１０６．６４μｍ、８３．３３μｍ、６９．３２μｍとした。さらに、音響インピーダンスが５．５Ｍｒａｙｌのバッキング材を超音波トランスデューサの背面に配置するという条件で計算を行った。
【００３２】
図４の（ｂ）に示すように、圧電体層の厚さがＺ２の超音波トランスデューサの周波数特性と、圧電体層の厚さがＺ１〜Ｚ３の範囲で変化する広帯域超音波トランスデューサの周波数特性とを比較すると、前者の帯域幅が約５６％であるのに対して、後者の帯域幅は約６２％まで拡がっており、広帯域化されていることが確認できる。また、受信電圧のレベルは、中心付近だけでなく、低域側及び高域側を含めて全体的に上昇している。
【００３３】
このように、本実施形態によれば、圧電体層の各部分の厚さに応じて音響整合層の形状を決定するので、低域から高域に渡る広い帯域について、超音波の伝播効率を向上させることが可能になる。
【００３４】
次に、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ついて、図５を参照しながら説明する。
本実施形態に係る超音波トランスデューサは、図３に示す２つの圧電体層１３及び音響整合層２１の替わりに、図５に示す２つの圧電体層３１及び３２並びに音響整合層３３を配置したものである。その他の構成については、図３に示すものと同様である。
【００３５】
本実施形態においては、圧電体層１２だけでなく、その上に配置された圧電体層３１及び３２についても、厚さを傾斜的に変化させている。また、音響整合層３３は、傾斜的に変化する圧電体層１２、３１、３２の各部分に対してλ／４整合が満たされるように設計されている。
【００３６】
このように、各圧電体層１２、３１、３２の厚さを傾斜的に変化させることにより、低域〜高域を含む面内（図３においては紙面に平行な面内）における超音波の放射特性を均一にすることができる。それにより、送信パワーや、送信感度及び受信感度を、周波数帯域によらず均一にできるので、超音波を発生させるための駆動信号や超音波を受信することによって出力された受信信号に対する信号処理を簡単にすることができる。
【００３７】
次に、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ついて、図６を参照しながら説明する。
本実施形態に係る超音波トランスデューサは、図５に示す超音波トランスデューサに対して、ダミー層４１を更に設けたものである。ここで、図５に示す超音波トランスデューサにおいては、圧電体層１２、３１及び３２、並びに、音響整合層３３の各々において、低域側（図の左側）を厚くしているので、超音波トランスデューサ全体として、低域側と高域側との厚さの差が大きくなる。ところが、音響整合層３３の上に音響レンズを配置することや操作性等を考慮すると、超音波トランスデューサの上面（超音波送受信面）を下面に対して平行にする方が実用的であり好ましい。そこで、本実施形態においては、音響整合層３３上にダミー層４１を設けることにより、低域側と高域側との厚さのギャップを解消している。
【００３８】
ダミー層４１の材料としては、超音波の伝播効率を妨げないように、例えば、シリコーンゴムのように、音響インピーダンスが比較的生体に近い材料を用いることが望ましい。
なお、このようなダミー層を図３に示す超音波トランスデューサに設けても良い。
【００３９】
次に、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ついて、図７を参照しながら説明する。
本実施形態に係る超音波トランスデューサは、図５に示す超音波トランスデューサ１０に対して、傾斜を有するバッキング層４２をさらに設けたものである。ここで、先にも述べたように、超音波トランスデューサの超音波送信面は、超音波トランスデューサの背面に対して平行である方が望ましい。そこで、本実施形態においては、傾斜を有するバッキング層４２を圧電体層１２の背面に配置している。
【００４０】
次に、本発明の一実施形態に係る超音波トランスデューサアレイについて、図８を参照しながら説明する。
図８に示すように、この超音波トランスデューサアレイには、配線５２及び５３が形成されているバッキング層５１と、その上に配列された複数の超音波トランスデューサ１０とを含んでいる。図示されていないが、これらの超音波トランスデューサ１０の間や周囲には、超音波トランスデューサ１０の配置を固定すると共にそれらを保護する充填材が配置されている。
【００４１】
複数の超音波トランスデューサ１０は、例えば、アジマス方向（走査方向）に１２８行、エレベーション方向（アジマス方向に直交する方向）に７列となるように配列されている。各超音波トランスデューサ１０は、圧電体層１２（図１）がアジマス方向において傾斜するように配置されている。また、１行に含まれる７個の超音波トランスデューサ１０は、側面電極１７ａ及び１７ｂを介して、共通配線５２及び５３にそれぞれ接続されている。さらに、これらの超音波トランスデューサ１０の上部には、超音波を所定の深度に収束させる音響レンズが配置される。
【００４２】
このような超音波トランスデューサアレイにおいて、共通配線された超音波トランスデューサ１０を１行単位、又は、数行単位で駆動することにより、所定の深度に焦点を有する超音波ビームが送信される。このような動作を、アジマス方向について順次行うことにより、被検体が超音波ビームによって走査される。
なお、本実施形態においては、第１の実施形態に係る超音波トランスデューサによってアレイを形成しているが、その替わりに、第２〜第５の実施形態に係る超音波トランスデューサを適用しても良い。
【００４３】
図９は、本実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの変形例を示している。図９に示すように、各超音波トランスデューサ１０は、圧電体層１２（図１）がエレベーション方向において傾斜するように配置しても良い。
【００４４】
次に、本発明の一実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの製造方法について、図１０及び図１１を参照しながら説明する。
まず、図１０の（ａ）に示すように、厚さが傾斜的に変化している圧電体層６１と、電極層６２と、圧電体層６３とを含むシート状の積層体を形成する。ここで、圧電体層６３は、少なくとも１層形成すれば良い。或いは、電極層６２と圧電体層６３とを交互に３層以上形成しても良い。また、圧電体層６３の厚さは均一であっても良いし、圧電体層６１と同様に傾斜的に変化させても良い。このようなシート状の積層体は、厚さが均一な圧電体層と電極層とを交互に積層し、その後で、最下層の圧電体層を斜めに研磨することによって作製される。或いは、グリーンシート法を用い、圧電材料の層を形成する際に、スキージを傾けることによりその厚さを変化させても良い。後者は、２層目以上の圧電体層に傾斜を設ける場合にも適用できる。
【００４５】
次に、図１０の（ａ）に示す破線においてシート状の積層体を切断することにより、図１０の（ｂ）に示すように、バー状の積層体を順次作製する。そして、圧電体層６１の底面を研磨することにより、複数のバー状の積層体の高さを揃える。
【００４６】
次に、図１０の（ｃ）に示すように、圧電体層６１の下面に電極層６４を形成すると共に、圧電体層６３の上面に電極層６５を形成する。さらに、電極層６５上に、音響整合層６６を配置する。なお、図１０の（ｃ）には、上面が水平（圧電体層６１の下面に対して平行）な音響整合層６６が示されているが、図３に示すように、圧電体層６１及び６３の厚さに応じて上面が傾斜する音響整合層を形成しても良い。
【００４７】
次に、図１０の（ｄ）に示すように、バー状の積層体の長手方向に平行な２つの側面に、電極層６４、６２、６５を交互に覆うように絶縁膜６７を形成する。絶縁膜６７は、ディスペンサを用いて樹脂材料を塗布して硬化させることによって形成しても良いし、電着法やスパッタ法によりガラス等の絶縁材料を成膜することによって形成しても良い。
【００４８】
次に、図１１の（ａ）に示すように、絶縁膜６７の外側に側面電極６８を形成する。側面電極６８は、２つの側面全体に形成しても良いし、後の工程における切断ピッチに合わせてパターン形成（図１参照）しても良い。それにより、バー状の超音波トランスデューサ６９が作製される。
【００４９】
次に、図１１の（ｂ）に示すように、バー状の超音波トランスデューサ６９を、基板７１上にアジマス方向のピッチに合わせて配置する。そして、図１１の（ｃ）に示すように、バー状の超音波トランスデューサ６９を、エレベーション方向のピッチに合わせて切断する。それにより、超音波トランスデューサ１０の配列が形成される。さらに、これらの超音波トランスデューサ１０の間に充填材を流し込んで固化させることによって配列を固定する。そして、基板７１を除去して、その替わりに予め配線が形成されたバッキング材を配置する。それにより、図８に示す超音波トランスデューサアレイが完成する。
【００５０】
（実施例）
本発明の一実施形態に係る超音波トランスデューサアレイを作製し、その特性を試験した。実験条件及び結果は次の通りである。なお、３３モードにおける音速を３１００ｍ／ｓとし、スライバーモードにおける音速を４１００ｍ／ｓとした。ここで、３３モードとは、１辺の長さがｗである略正方形を底面とする超音波トランスデューサにおいて、厚さ（高さ）をｔとするときに、ｗ／ｔが約０．６以下の場合における振動モードのことを言う。また、スライバーモードとは、一方の辺の長さがＷ０（固定値）であり、他方の辺の長さがｗ（ｗ＜ｗ０）である長方形を底面とする棒状の超音波トランスデューサにおいて、厚さ（高さ）をｔとするときに、ｗ／ｔが０．６近傍の場合における振動モードのことを言う。
（１）超音波トランスデューサＡ
サイズ：底面０．３ｍｍ×０．３ｍｍ、高さ０．４７８ｍｍ
圧電体層の積層数：３層
圧電体層の材料：ＰＺＴ
誘電率４０００（共振周波数付近における実効値）
〃 ５８００（１ｋＨｚ付近）
共振周波数：３．００ＭＨｚ
キャパシタンス：６．６７ｐＦ
インピーダンス：７９４９Ω
振動モード：３３モード
【００５１】
この超音波トランスデューサＡを３．００ＭＨｚの駆動周波数で駆動したところ、単層の超音波トランスデューサに対して感度（受信電圧／送信電圧）は約３８．１ｄＢ向上した。この値は、通常の超音波トランスデューサ（広帯域・単層）の感度よりも非常に高いと言える。
このような超音波トランスデューサＡは、例えば、３２行３２列に配置することにより、胎児観察用２次元電子スキャン探触子用の超音波トランスデューサアレイに適用できる。
（２）超音波トランスデューサＢ
サイズ：底面５ｍｍ×０．１１ｍｍ、高さ０．２５ｍｍ
圧電体層の積層数：３層
圧電体層の材料：上記（１）と同じ
共振周波数：７．５９ＭＨｚ
キャパシタンス：７７．９２ｐＦ
インピーダンス：２６９Ω
振動モード：スライバーモード
【００５２】
この超音波トランスデューサＢを、７．５９ＭＨｚの駆動周波数で駆動したところ、単層の超音波トランスデューサに対して感度（受信電圧／送信電圧）は約１０．１ｄＢ向上した。この値は、通常の超音波トランスデューサ（広帯域・単層）の感度よりも非常に高いと言える。
このような超音波トランスデューサＢは、例えば、１２８列に配置することにより、消化管内視鏡用１次元アレイに適用できる。
（３）超音波トランスデューサＣ
サイズ：底面０．５ｍｍ×０．１１ｍｍ、高さ０．２ｍｍ
圧電体層の積層数：３層
圧電体層の材料：上記（１）と同じ
共振周波数：９．４９ＭＨｚ
キャパシタンス：９．７４ｐＦ
インピーダンス：１７２２Ω
振動モード：スライバーモード
【００５３】
この超音波トランスデューサＣを、１０．２５ＭＨｚの駆動周波数で駆動したところ、単層の超音波トランスデューサに対して感度（受信電圧／送信電圧）は約２５．０ｄＢ向上した。この値は、通常の超音波トランスデューサ（広帯域・単層）の感度よりも非常に高いと言える。
このような超音波トランスデューサＣは、例えば、１０行１２８列に配置することにより、消化管内視鏡用１．５次元アレイに適用できる。ここで、１．５次元アレイとは、複数の超音波トランスデューサが２次元面上に配列されているアレイの内で、行方向の配列数及び配列ピッチに比較して、列方向の配列数が少なく配列ピッチが大きいアレイのことである。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、医療用や非破壊検査用の超音波撮像装置において用いられる超音波トランスデューサ及び超音波トランスデューサアレイにおいて利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】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構造を示す斜視図である。
【図２】図１に示す超音波トランスデューサから送受信される超音波の周波数特性を示す図である。
【図３】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の構造を示す斜視図である。
【図４】図３に示す超音波トランスデューサから送受信される超音波の周波数特性を示す図である。
【図５】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の構造を示す斜視図である。
【図６】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の構造を示す斜視図である。
【図７】本発明の第５の実施形態係る超音波トランスデューサの構造を示す斜視図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る超音波トランスデューサアレイを示す斜視図である。
【図９】本発明の一実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの変形例を示す斜視図である。
【図１０】本発明の一実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの製造方法を説明するための図である。
【図１１】本発明の一実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの製造方法を説明するための図である。
【図１２】一般的な超音波トランスデューサの構造と、その周波数特性を示す図である。
【図１３】従来の広帯域超音波トランスデューサの構造と、その周波数特性を示す図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０、６９ 超音波トランスデューサ
１１ 下部電極層
１２、１３、３１、３２、６１、６３ 圧電体層
１４、２１、６６ 音響整合層
１５ａ〜１５ｃ 内部電極層
１６、６７ 絶縁膜
１７ａ、１７ｂ、６８ 側面電極
４１ ダミー層
４２、５１ バッキング層（バッキング材）
５２、５３ 共通配線
６２、６４、６５ 電極層
７１ 基板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電極層と交互に積層された複数の圧電体層において、前記複数の圧電体層のトータルの厚さが、第１の側から第２の側に向かって厚くなるように傾斜的に変化している前記複数の圧電体層と、
前記複数の圧電体層上に、電極層を介して形成された音響整合層と、
を具備する超音波トランスデューサ。
【請求項２】
前記複数の圧電体層の内の第１層の厚さが傾斜的に変化しており、
前記複数の圧電体層の内の第２層目以降の層の厚さが略均一である、
請求項１記載の超音波トランスデューサ。
【請求項３】
前記複数の圧電体層の各々の厚さが、前記第１の側から前記第２の側に向かって厚くなるように傾斜的に変化する、請求項１記載の超音波トランスデューサ。
【請求項４】
前記音響整合層の厚さが、前記第１の側から前記第２の側に向かって厚くなるように傾斜的に変化する、請求項１〜３のいずれか超音波トランスデューサ。
【請求項５】
前記音響整合層の各部分の厚さが、前記複数の圧電体層の対応する部分の厚さに基づいて決定されている、請求項４記載の超音波トランスデューサ。
【請求項６】
前記音響整合層の上面が、前記複数の圧電体層の下面に対して平行である、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７】
前記音響整合層上に形成され、上面が前記複数の圧電体層の下面に対して平行であるダミー層をさらに具備する請求項１〜５のいずれか１項記載の超音波トランスデューサ。
【請求項８】
前記複数の圧電体層の下面に形成され、下面が前記音響整合層の上面に対して平行であるバッキング層をさらに具備する請求項１〜５のいずれか1項記載の超音波トランスデューサ。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項記載の複数の超音波トランスデューサと、
前記複数の超音波トランスデューサの間に配置された充填材と、
を具備する超音波トランスデューサアレイ。
【請求項１】
複数の電極層と交互に積層された複数の圧電体層において、前記複数の圧電体層のトータルの厚さが、第１の側から第２の側に向かって厚くなるように傾斜的に変化している前記複数の圧電体層と、
前記複数の圧電体層上に、電極層を介して形成された音響整合層と、
を具備する超音波トランスデューサ。
【請求項２】
前記複数の圧電体層の内の第１層の厚さが傾斜的に変化しており、
前記複数の圧電体層の内の第２層目以降の層の厚さが略均一である、
請求項１記載の超音波トランスデューサ。
【請求項３】
前記複数の圧電体層の各々の厚さが、前記第１の側から前記第２の側に向かって厚くなるように傾斜的に変化する、請求項１記載の超音波トランスデューサ。
【請求項４】
前記音響整合層の厚さが、前記第１の側から前記第２の側に向かって厚くなるように傾斜的に変化する、請求項１〜３のいずれか超音波トランスデューサ。
【請求項５】
前記音響整合層の各部分の厚さが、前記複数の圧電体層の対応する部分の厚さに基づいて決定されている、請求項４記載の超音波トランスデューサ。
【請求項６】
前記音響整合層の上面が、前記複数の圧電体層の下面に対して平行である、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７】
前記音響整合層上に形成され、上面が前記複数の圧電体層の下面に対して平行であるダミー層をさらに具備する請求項１〜５のいずれか１項記載の超音波トランスデューサ。
【請求項８】
前記複数の圧電体層の下面に形成され、下面が前記音響整合層の上面に対して平行であるバッキング層をさらに具備する請求項１〜５のいずれか1項記載の超音波トランスデューサ。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項記載の複数の超音波トランスデューサと、
前記複数の超音波トランスデューサの間に配置された充填材と、
を具備する超音波トランスデューサアレイ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００８−４８２７６（Ｐ２００８−４８２７６Ａ）
【公開日】平成２０年２月２８日（２００８．２．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２２３３３３（Ｐ２００６−２２３３３３）
【出願日】平成１８年８月１８日（２００６．８．１８）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年２月２８日（２００８．２．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年８月１８日（２００６．８．１８）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
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