超音波探触子及び圧電振動子

【課題】電極接続の信頼性の向上と歩留まりの向上とを可能とする。
【解決手段】厚さ方向Ｚに振動し、厚さ方向Ｚに略直交するアレイ方向Ｘに沿って配列される複数の圧電素子１５を具備し、圧電素子１５各々は、圧電材料からなる圧電体１７と、圧電体１７各々の厚さ方向Ｚに略直交する両端面に形成される複数の信号電極１９及びアース電極２１と、圧電体１７各々に収容され、厚さ方向Ｚ及びアレイＹ方向に略直交するレンズ方向Ｘに沿って配列され、略短冊形状を有する複数の非圧電部２３と、を有する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波の送信強度に重み付けがされた超音波探触子及び圧電振動子に関する。
【背景技術】
【０００２】
アレイ方向に一列に配列された複数の圧電振動子を有する一次元アレイ型の超音波探触子がある。この一次元アレイ型の超音波探触子において、圧電振動子に矩形波形の駆動信号を印加した場合、レンズ方向の音場にてサイドローブが発生したり、レンズ方向の音場が不均一となったりしてしまう。そのため、サイドローブの低減や音場を均一化させるための技術として、レンズ方向に関して、圧電振動子から送受信される超音波の強度分布を変化させるための重み付けが行なわれる。
【０００３】
このような重み付けの技術として、圧電振動子と圧電振動子を分割する溝とを所定の間隔で交互に配列させることによって、レンズ方向に関して超音波の強度に所望の重み付けを行なう方法がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
他の重み付けの技術として、圧電振動子の上面、下面、又はその両面に、重み付けに従った深さや間隔で配列され、且つ圧電振動子を分割しない溝をレンズ方向に形成する方法がある（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００３−９２８８号公報
【特許文献２】特開２００５−３２８５０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の技術は、溝によって圧電振動子が完全に分割される構造（いわゆるコンポジット構造）であることから、超音波探触子の製造が困難である。また、溝に充填された樹脂材に対しても電極を形成する必要があるが、樹脂材に対する電極の密着強度は低く超音波探触子の信頼性が低くなる。
【０００６】
また、特許文献２に記載の技術では、重み付け強度は溝の深さにも依存することになる。より強い重み付けを得るためには、より深い溝が必要となるが、深い溝を形成すると、圧電振動子の機械的強度は下がってしまう。また、この技術では、複数の溝により複数の圧電素子片が形成される。このような構造においては、複数の圧電素子片の各々に対して確実に電極が接続されることが重要となる。しかし、剛性の高い圧電素子片と音響整合層（又はフレキシブルＰＣ板）との加圧接着では、複数の圧電素子片に対して高い信頼性で電極を接続することは困難である。
【０００７】
本発明は上記事情を鑑みてなされたもので、その目的は、電極接続の信頼性の向上と歩留まりの向上とを可能とする超音波探触子及び圧電振動子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために本発明の超音波探触子は、ある局面において、第１の方向に振動し前記第１の方向に略直交する第２の方向に沿って配列される複数の圧電素子を具備し、前記圧電素子各々は、圧電材料からなる圧電体と、前記圧電体各々の前記第１の方向に略直交する両端面に形成される複数の電極と、前記圧電体各々に収容され、前記第１及び前記第２の方向に略直交する第３の方向に沿って配列され、略短冊形状を有する複数の非圧電部と、を有する。
【０００９】
本発明の圧電振動子は、ある局面において、第１の方向に振動する圧電体と、前記圧電体の前記第１の方向に略直交する両端面に形成される複数の電極と、前記圧電体に収容され、前記第１の方向に略直交する第２の方向に沿って配列され、略短冊形状を有する複数の非圧電部と、を有することを特徴とする圧電振動子。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、電極接続の信頼性の向上と歩留まりの向上とが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
【００１２】
図１は、本実施形態における超音波探触子１の構造を示す図である。図１に示すように、超音波探触子１は、吸音材としての背面材（バッキング材）１１を有している。背面材１１は矩形ブロック状に形成され、その上部にはフレキシブルＰＣ板（ＦＰＣ）１３を介して圧電振動子１４が接合されている。
【００１３】
圧電振動子１４は、図２に示すように、図１の紙面に垂直な方向（以下、アレイ方向）Ｙに関して所定の間隔をあけて一列に配列される複数の圧電素子１５を有する。図２に示すように、圧電振動子１４及び超音波探触子１は、いわゆる一次元アレイ型である。各圧電素子１５は、アレイ方向Ｙに略直交する方向（以下、厚さ方向）に振動する圧電体１７、圧電体１７の平坦で均一な下端面に形成される信号電極１９、圧電体１７の平坦で均一な上端面に形成されるアース電極２１を有する。
【００１４】
圧電体１７は、アレイ方向Ｙ及び厚さ方向Ｚに略直交する方向（以下、レンズ方向と呼ぶ）に沿ってピッチ異なる複数の間隔ｐで配列され、圧電体１７をアレイ方向Ｙに貫通する略短冊形状の複数の非圧電部２３を収容する。ピッチ間隔（隣り合う非圧電部２３の中心間距離）ｐは、レンズ方向に沿う超音波強度の重み付けに基づく。非圧電部２３の厚さ方向Ｚに関する長さも、重みづけに基づく。重み付けにより、圧電振動子１４は、等しいピッチ間隔の場合に比して、レンズ方向に関して均一な超音波を送信することが可能となる。複数の非圧電部２３は、圧電体１７のアレイ方向に略直交する面（紙面に平行な面）の内側に形成される。換言すれば、複数の非圧電部２３は、圧電体１７の厚さ方向Ｚに略直交する両端面（電極１９、２１が形成された両端面）の何れにも達していない。非圧電部２３には、エポキシ樹脂や、エポキシ樹脂にフィラーを混入させた複合材等の接着剤が硬化されてなる。圧電体１７の素材は、２成分系或いは３成分系の圧電セラミックや圧電単結晶が用いられている。圧電振動子１４の構造に関する詳細は後述する。
【００１５】
信号電極１９各々は、銀や金等による金属メッキで形成される。信号電極１９各々はフレキシブルＰＣ板１３に設けられた複数の配線に一つ一つ電気的に接続され、複数の圧電素子１５に対して独立に駆動信号を印加できるようになっている。
【００１６】
フレキシブルＰＣ板１３は、上述のように背面材１１と圧電振動子１４との間に設けられる。フレキシブルＰＣ板１３は、複数の信号電極１９に電力を供給するための複数の配線及び柔軟性を有する基板等から構成されている。信号電極１９と配線とは電気的に接続されており、信号電極１９には図示しない超音波診断装置本体から所定の電圧が印加される。複数の圧電素子１５の上部には複数の音響整合層２５が設けられている。音響整合層２５は、被検体と圧電素子１５との音響インピーダンスの違いによる超音波の反射を抑える役目をする。音響整合層２５は、第１音響整合層２７と第２音響整合層２９とを備え、音響インピーダンスが圧電素子１５から被検体に向かって段階的に変化するようになっている。第１音響整合層２７は導電性材料により形成される。第１音響整合層２７の下部はアース電極２１を介して圧電素子１５と電気的に接続されている。第１音響整合層２７の上部は第２音響整合層２９と接合される。第２音響整合層２９は絶縁性材料により形成される。なお、音響整合層２５は、２層の音響整合層から構成されるとしたが、１層でも３層でも、或いはそれ以上の音響整合層から構成されるとしてもよい。
【００１７】
音響レンズ３１は、複数の音響整合層２５の上部に設けられている。音響レンズ３１は、生体に近い音響インピーダンスを有するシリコーンゴム等を素材としたレンズであり、超音波をレンズ方向に集束させ、分解能を向上させる。
【００１８】
次に圧電素子１５の具体的な構造を説明する、図３に示すように圧電体１７は、第１の圧電体部分３３と第２の圧電体部分３５とが積層接着等により接合されてなる。
【００１９】
第１の圧電体部分３３は、レンズ方向Ｘに沿って、超音波強度の重み付けに基づく複数の異なるピッチ間隔ｐで形成された溝に充填された複数の非圧電部２３を有する。複数のピッチ間隔ｐは、重み付けのために、レンズ方向Ｘの中心に行くにつれて大きくなっている。ピッチ間隔ｐ各々は、サイン関数やガウシアン関数等の関数によって決定される。第１の圧電体部分３３の下端面には、信号電極１９がスパッタリング等によって形成される。ここで、厚さ方向Ｚに関する非圧電部２３の下端から信号電極１９までの長さをｄ１、非圧電部２３の厚さをｄ２とする。非圧電部２３の厚さｄ２は、所望する超音波強度に応じて決定される。ここでは非圧電部２３の厚さＤ２は、一定とする。第２の圧電体部分３５は、平板状の圧電体であり、その上端面にはスパッタリング等によってアース電極２１が形成される。
【００２０】
信号電極１９に超音波診断装置本体から駆動信号が印加されると、第１の圧電体部分３３と第２の圧電体部分３５とは一体となって振動する。従って、基本的な圧電素子１４の共振特性は、第１の圧電体部分３３の厚さｄ１＋ｄ２と、第２の圧電体部分３５の長さｄ３（非圧電部２３の上端からアース電極２１までの長さ）とを合わせた長さ、つまり圧電体１７の厚さＤ（ｄ１＋ｄ２＋ｄ３）に基づいて決定される。また、信号電極１９及びアース電極２１は、第１及び第２の圧電体部分３３、３５の平坦で均一な端面に形成されることから、従来例（特許文献１及び特許文献２）に比して、高い電極接続の信頼性を有する。
【００２１】
次に、超音波探触子１による音圧分布を説明する。図４は、従来（特許文献２記載）の超音波探触子及び本実施形態に係る３種類の超音波探触子から発せられる超音波の音圧分布を比較したシミュレーション結果を示す。本実施形態に係る３種類の超音波探触子は、圧電振動子の構造のみが異なり、それぞれを圧電振動子１４Ａ、圧電振動子１４Ｂ、圧電振動子１４Ｃとする。図４は、縦軸を超音波の強度に規定し、横軸をレンズ方向Ｘの位置に規定したグラフである。Ｘ＝０は、レンズ方向Ｘに関する圧電振動子１４の中心である。このシミュレーションは、従来及び本実施形態共に中心周波数約２．５ＭＨｚで計算されている。シミュレーションに用いた４つの圧電振動子の圧電体の厚さＤは、全て等しい。グラフの実線は、超音波強度分布の理想曲線を示す。なお、図１７に従来（特許文献２記載）の超音波探触子の圧電振動子１００の構造を示す。
【００２２】
図１７の“従来例”における圧電振動子１００は、圧電体１１０の厚さＤに対して半分の長さの非圧電部を有している。この場合の圧電体１１０の厚さＤを１とすると、ｄ１＝０，５、ｄ２＝０，５、ｄ３＝０となる。“圧電振動子１４Ａ”は、非圧電部２３の長さｄ２の割合を圧電体１７の厚さＤの半分とした。つまり、“圧電振動子１４Ａ”においては、ｄ１＝０，２５、ｄ２＝０，５、ｄ３＝０，２５となる。“圧電振動子１４Ｂ”は、非圧電部２３の長さｄ２の割合を圧電体１７の１／４とした。つまり、“圧電振動子１４Ｂ”においては、ｄ１＝０，３７５、ｄ２＝０，２５、ｄ３＝０，３７５となる。“圧電振動子１４Ｃ”は、非圧電部２３の長さｄ２を圧電体の１／８とした。つまり、“圧電振動子１４Ｃ”においては、ｄ１＝０，４３７５、ｄ２＝０，１２５、ｄ３＝０，４３７５となる。
【００２３】
図４に示すように、非圧電部の長さｄ２が同じ“従来例”と“圧電振動子１４Ａ”とを比較すると、“圧電振動子１４Ａ”の方が重み付けの効果がより強く現れている。これは、レンズ方向に関してより均一な音場が得られることを意味する。この結果から、同じ割合の長さで非圧電部（溝）を形成した場合、本実施形態に係る圧電振動子１４の方が、従来例よりも強い重みづけの効果が得られることがわかる。
【００２４】
次に、“圧電振動子１４Ａ”と“圧電振動子１４Ｂ”と“圧電振動子１４Ｃ”とを比較すると、重み付けの効果は、非圧電部２３の長さｄ２によって変化することが見て取れる。“従来例”と“圧電振動子１４Ｂ”とは、近い重み付けの効果を得ているが、非圧電部（溝）の長さｄ２の割合を比べると、“圧電振動子１４Ｂ”は、“従来例”の半分である。
【００２５】
以上のシミュレーション結果により、従来例に比して、より短い非圧電部２３の長さｄ２で、より強い重み付けの効果が得られることがわかる。
【００２６】
次に、図５〜図１４を参照しながら圧電振動子１４及び超音波探触子１の製造工程の一例を説明する。まず圧電振動子１４の所望の共振特性を把握した上で、圧電体１７の厚さＤ、第１の圧電体部分３３の厚さｄ１＋ｄ２、第２の圧電体部分３５の厚さｄ３を決定する。一般に中心周波数が高ければ高いほど、圧電体１７の厚さＤを薄くする。また、所望の超音波の重み付けを得るための溝（非圧電部）２３のピッチ間隔を決定する。
【００２７】
次に図５（製造工程Ｓ１）に示すように、複数の溝２３´が形成されスパッタリング等により下端面に第１の電極１９´が形成された第１の圧電体ブロック（圧電材料）３３´を形成する。溝２３´は、ダイシング等によって第１の圧電体３３ブロック´の上端面に形成される。複数の溝２３´各々のピッチ間隔ｐは、上記のように超音波の重み付けに基づいて決定される。また、スパッタリング等により上端面に第２の電極２１´が形成された第２の圧電体ブロック（圧電材料）３５´を形成する。
【００２８】
次に図６（製造工程Ｓ２）に示すように、第１の圧電体ブロック３３´の複数の溝２３´に接着剤を充填する。接着剤として粒状のフィラーを混入させた複合材を充填させることによって、樹脂材のみの充填材に比べ研磨、切削、ダイシング等の加工がしやすくなる。フィラーには、アルミナ粉末、酸化亜鉛粉末、窒化アルミ粉末等の非導電性部材が用いられる。溝２３´に接着剤４３が充填されると、図７（製造工程Ｓ３）に示すように、第１の圧電体ブロック３３´の上端面と第２の圧電体ブロック３５´の下端面とが加圧接着される。加圧接着後の接着剤の厚さは数μｍになる。接着により、溝２３´は非圧電部２３´となる。
【００２９】
図８（製造工程Ｓ４）に示すように、接着剤が硬化すると、第１の圧電体ブロック３３´と第２の圧電体ブロック３５´とが一体となり、圧電振動子１４´が形成される。その後、第１の電極１９´と第２の電極２１´とに所定の電圧を印加する(分極する)。分極方向は、厚さ方向と同様である。
【００３０】
次に図９（製造工程Ｓ５）に示すように、圧電振動子１４´の上部に第１音響整合材料２７´等を接着剤等で接着し、第２の電極２１´上に第１音響整合材料２７´を電気的に接合する。次に、図１０（製造工程Ｓ６）に示すように、第１音響整合材料２７´の上部に第２音響整合材料２９´を接合する。次に、図１１（製造工程Ｓ７）に示すように、第１の電極１９´にフレキシブル配線板１３´を接合し、信号用配線と第１の電極１９´とを電気的に接続する。
【００３１】
その後は、図１２（製造工程Ｓ８）に示すように、圧電振動子１４´に接合されたフレキシブル配線板１３´の下部に背面材１１を接合する。次に、図１３（製造工程Ｓ９）に示すように、アレイ方向Ｙに沿って圧電振動子１４´、第１音響整合材料２７´、第２音響整合材料２９´、第１の電極１９´、第２の電極２１´、フレキシブル配線板１３を第２音響整合材料２９´の方からブレードによりダイシング加工する。このダイシング加工により、圧電振動子１４´、第１音響整合材料２７´、第２音響整合材料２９´、第１の電極１９´、第２の電極２１´及びフレキシブル配線板１３´の各々が、アレイ方向Ｙに沿って一定の間隔で配列される複数の圧電素子１５、第１音響整合層２７、第２音響整合層２９、信号電極１９、アース電極２１に分離される。ダイシング加工によって複数の圧電素子１５、第１音響整合層２７、第２音響整合層２９、信号電極１９、アース電極２１の間には複数の隙間が形成される。次に、図１４（製造工程Ｓ１０）に示すように、複数の第２音響整合層２９の上部全体を覆うように音響レンズ３１を接合し、これにより超音波探触子１が完成する。
【００３２】
なお、製造工程Ｓ４（図５）にて作製される、アレイ方向Ｘに関してダイシングされていない圧電振動子１４´を予め用意しておき、この圧電振動子１４´を用いて、製造工程Ｓ５〜製造工程Ｓ１０によって超音波探触子１を作製してもよい。
【００３３】
上記構成により、圧電体１７各々は、レンズ方向に沿って複数配列される略短冊形状の非圧電部２３を収容する。そのため、圧電体１７は、超音波の強度分布を変化させるための重み付けをなす場合において従来例ではなしえなかった、厚み方向Ｚに略直交する平坦な両端面を有することが可能となる。その平坦な両端面上に電極を形成するため、圧電体１７の電極密着強度を高めることができる。また圧電振動子１４は、従来に比してより短い非圧電部（溝）２３で所望の重み付けを行なうことができるため、超音波探触子１及び圧電振動子１４の機械的強度が向上する。従って本実施形態により、電極形成の信頼性の向上と歩留まりの向上とが可能となる。
【００３４】
また溝２３には、接着剤が充填されるとしたが、何も充填されなくてもよい。
【００３５】
なお、非圧電部２３の長さｄ２や形状は上記の実施形態だけに留まらない。例えば、図１５に示す圧電振動子５１のように、複数の非圧電部２３は略同じピッチ間隔に配列されており、レンズ方向Ｘの両側に行くにつれて徐々に深くなるように形成されていても良い。
【００３６】
また、図１５に示す圧電振動子５３のように、非圧電部２３の底は矩形に限るものではなく、円弧状などでもよい。非圧電部２３の底を円弧状にすることで、矩形構造に起因する角部での外力に対する応力集中を避けることができる。そのため圧電振動子５３は、圧電振動子１５や圧電振動子５１に比して機械的強度が向上する。なお。非圧電部２３の底の形状は、非圧電部２３を形成する際のダイシングに用いるブレードの形状に依存する。
【００３７】
さらに、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施形態に係る超音波探触子の構造を示す断面図。
【図２】図１の圧電振動子の構造を示す斜視図。
【図３】図１の圧電振動子の構造を示す断面図。
【図４】本実施形態に係る３種類の超音波探触子と従来の超音波探触子とから発せられる超音波の音圧分布を比較するためのシミュレーション結果を示す図。
【図５】図１の超音波探触子及び圧電振動子の製造工程Ｓ１を示す図。
【図６】図１の超音波探触子及び圧電振動子の製造工程Ｓ２を示す図。
【図７】図１の超音波探触子及び圧電振動子の製造工程Ｓ３を示す図。
【図８】図１の超音波探触子及び圧電振動子の製造工程Ｓ４を示す図。
【図９】図１の超音波探触子及び圧電振動子の製造工程Ｓ５を示す図。
【図１０】図１の超音波探触子及び圧電振動子の製造工程Ｓ６を示す図。
【図１１】図１の超音波探触子及び圧電振動子の製造工程Ｓ７を示す図。
【図１２】図１の超音波探触子及び圧電振動子の製造工程Ｓ８を示す図。
【図１３】図１の超音波探触子及び圧電振動子の製造工程Ｓ９を示す図。
【図１４】図１の超音波探触子及び圧電振動子の製造工程Ｓ１０を示す図。
【図１５】本実施形態に係る他の圧電振動子の構造を示す断面図。
【図１６】本実施形態に係る、図１４とは異なる他の圧電振動子の構造を示す断面図。
【図１７】従来の圧電振動子の構造を示す断面図。
【符号の説明】
【００３９】
１…超音波探触子、１１…背面材、１３…フレキシブルＰＣ板、１４…圧電振動子、１５…圧電素子、１７…圧電体、１９…信号電極、２１…アース電極、２３…非圧電部、２５…音響整合層、２７…第１音響整合層、２９…第２音響整合層、３１…音響レンズ、３３…第１の圧電体部分、３５…第２の圧電体部分

【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の方向に振動し前記第１の方向に略直交する第２の方向に沿って配列される複数の圧電素子を具備し、
前記圧電素子各々は、
圧電材料からなる圧電体と、
前記圧電体各々の前記第１の方向に略直交する両端面に形成される電極と、
前記圧電体各々に収容され、前記第１及び前記第２の方向に略直交する第３の方向に沿って配列され、略短冊形状を有する複数の非圧電部と、
を有することを特徴とする超音波探触子。
【請求項２】
前記圧電体各々は、
前記第１の方向に略直交する両端面のうちの一方の端面に前記第３の方向に沿って配列される複数の溝を有し、前記第１の方向に略直交する両端面のうちのもう一方の端面に第１の電極が形成される第１の圧電体部分と、
前記複数の溝が配列された前記第１の圧電体部分の端面に接合され、前記第１の方向に略直交する両端面のうち、前記第１の圧電体部分と接合されていない端面に第２の電極が形成される第２の圧電体部分と、を有し、
前記非圧電部各々は、前記複数の溝に充填される、
ことを特徴とする請求項１記載の超音波探触子。
【請求項３】
前記第１の方向に関する前記非圧電部各々の長さと、前記第３の方向に関する前記非圧電部各々の間隔とは、超音波の強度分布を変化させるための重みづけに基づいて決定されることを特徴とする請求項１記載の超音波探触子。
【請求項４】
前記非圧電部各々は、樹脂部材からなることを特徴とする請求項１記載の超音波探触子。
【請求項５】
前記非圧電部各々は、フィラー材と樹脂部材とを混合した複合材からなることを特徴とする請求項１記載の超音波探触子。
【請求項６】
第１の方向に振動する圧電体と、
前記圧電体の前記第１の方向に略直交する両端面に形成される複数の電極と、
前記圧電体に収容され、前記第１の方向に略直交する第２の方向に沿って配列され、略短冊形状を有する複数の非圧電部と、
を有することを特徴とする圧電振動子。
【請求項７】
前記圧電体は、
前記第１の方向に略直交する両端面のうちの一方の端面に前記第２の方向に沿って配列される複数の溝を有し、前記両端面のうちのもう一方の端面に前記第１の電極が形成される第１の圧電体部分と、
前記複数の溝が配列された前記第１の圧電体部分の端面に接合され、前記第１の方向に略直交する両端面のうち、前記第１の圧電体部分と接合されていない端面に前記第２の電極が形成される第２の圧電体部分と、を有し、
前記非圧電部各々は、前記複数の溝に充填される、
ことを特徴とする請求項６記載の圧電振動子。
【請求項８】
前記第１の方向に関する前記複数の非圧電部各々の長さと、前記第２の方向に関する前記非圧電部の複数の間隔とは、超音波の強度分布を変化させるための重み付けに基づいて決定されることを特徴とする請求項６記載の圧電振動子。

【図１】