JP2002305792A - 均一電界を有する多層圧電構造 - Google Patents
均一電界を有する多層圧電構造Info
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- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 電界の制御が可能な多層圧電トランスジュー
サ構造を提供する。 【解決手段】 超音波トランスジューサ素子は、圧電セ
ラミック層のスタックの電界を限局させるように低誘電
率材料を組み込んでいる。低い誘電率を有する材料によ
り製作した厚さ方向に延びるエッジ・セグメントは、多
層構造体の相対する端部に形成させる。低誘電率材料か
らなるこれらの領域によりその電界は誘電率が高い圧電
セラミック材料に限局され、電界はこの誘電率が高い圧
電セラミック材料部分で垂直方向に保たれる。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
みが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。
サ構造を提供する。 【解決手段】 超音波トランスジューサ素子は、圧電セ
ラミック層のスタックの電界を限局させるように低誘電
率材料を組み込んでいる。低い誘電率を有する材料によ
り製作した厚さ方向に延びるエッジ・セグメントは、多
層構造体の相対する端部に形成させる。低誘電率材料か
らなるこれらの領域によりその電界は誘電率が高い圧電
セラミック材料に限局され、電界はこの誘電率が高い圧
電セラミック材料部分で垂直方向に保たれる。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
みが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。
Description
【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。
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。
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。
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 ｅｌｅｃｔｒｏ
ｄｅ）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。
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 ｅｌｅｃｔｒｏ
ｄｅ）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４，２１７，６
８４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 Ｐｅｒｆ
ｏｒｍａｎｃｅ」（１９９８ ＩＥＥＥ Ｕｌｔｒａｓ
ｏｎｉｃｓＳｙｍｐｏｓｉｕｍ）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。
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４，２１７，６
８４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
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ｏｒｍａｎｃｅ」（１９９８ ＩＥＥＥ Ｕｌｔｒａｓ
ｏｎｉｃｓＳｙｍｐｏｓｉｕｍ）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。
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。
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。
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。
・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。
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。
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。
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１
２）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。
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１
２）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 ｅｐｏｘ
ｙ））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。
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 ｅｐｏｘ
ｙ））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。
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。
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。
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４
２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４
８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。
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４
２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４
８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３
３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。
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３
３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３
６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３
４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３
５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。
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３
６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３
４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３
５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ＰＣ
Ｂ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。
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ＰＣ
Ｂ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。
〜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。
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。
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。
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。
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（ｓｉｎｔｅｒａｂｉ
ｌｉｔｙ）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、Ｐ
ＺＴ層との共焼結を促進させることができる。
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（ｓｉｎｔｅｒａｂｉ
ｌｉｔｙ）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、Ｐ
ＺＴ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１
０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Ｒ
Ｆ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。
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１
０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Ｒ
Ｆ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。
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。
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。
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ＰＺ
Ｔ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。
Ｔ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ＰＺ
Ｔ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。
Ｔ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ＰＺ
Ｔ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。
Ｔ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ＰＺ
Ｔ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。
Ｔ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ＰＺ
Ｔ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。
Ｔ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ＰＺ
Ｔ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。
Ｔ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。
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。
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。
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
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 41/083 Ｈ０１Ｌ 41/08 Ｓ 41/187 41/18 １０１Ｄ 41/22 41/22 Ｚ (72)発明者 ダグラス・グレン・ワイルズ アメリカ合衆国、ニューヨーク州、ボール ストン・レイク、グレーテル・テラス、52 番 (72)発明者 ベンカト・サブラマン・ベンカタラマニ アメリカ合衆国、ニューヨーク州、クリフ トン・パーク、サクソニー・ストリート、 ５番 Ｆターム(参考） 2G047 CA01 EA05 GB02 GB16 GB21 GB23 GB28 GB32 GB33 GB35 4C301 EE06 GB03 GB18 GB20 GB21 GB33 GB34 GB36 5D019 BB02 BB14 BB19 BB28 BB29 CC01 CC02 FF04 FF05
Claims (23)
- 【請求項１】 その各々が、 それぞれに前面と背面を有している比較的高い誘電率を
有する圧電セラミック材料からなる第１及び第２の層
（３８、３６）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（３８、
３６）と、 前記第１層の前記前面と接触している第１の電極（４
８）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（４０）と、 前記第２層の前記背面と接触している第３の電極（４
６）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（５０）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、比較的低い誘電率を有する材料からなる第１のセグ
メント（３３）と、を備えている複数の素子を有する超
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（４
２）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、比較的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、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】 前記比較的高い誘電率が前記比較的低い
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】 超音波トランスジューサ素子の製造方法
であって、 （ａ）比較的高い誘電率を有する圧電セラミック材料か
らなる第１の層（３８）に第１及び第２のビア（５２、
５４）を形成するステップと、 （ｂ）前記第１層上で前記第１及び第２のビアのうちの
一方を除く領域に第１の金属電極（４０）を付着させる
ステップと、 （ｃ）前記第１層の最上面上で前記第１電極が間に入る
ようにして前記圧電セラミック材料からなる第２の層
（３６）を付着させて１つのスタックを形成させるステ
ップと、 （ｄ）前記圧電セラミック材料からなる前記第２層（３
６）に、前記第１層の前記第１及び第２のビアと整列す
るように配置した第１及び第２のビア（５２、５４）を
形成するステップと、 （ｅ）前記第１及び第２のビアに比較的低い誘電率をも
つ材料（２９、３１、３３）を充填するステップと、 （ｆ）前記第１及び第２の層をトリミングし比較的低い
誘電率をもつ前記材料の表面を露出させるステップと、
を含む方法。 - 【請求項９】 さらに、 （ａ）前記第２層の背面に第２の金属電極（４６）を結
合させるステップと、 （ｂ）前記スタックの前面に第３の金属電極（４８）を
結合させるステップと、 （ｃ）前記第２層の最上面上に前記第２電極が間に入る
ようにして前記圧電セラミック材料からなる第３の層
（３４）を付着させて前記スタックの高さを増加させる
ステップと、 （ｄ）前記第３層の背面に第４の金属電極（４２）を結
合させるステップと、 （ｅ）前記第２と第３の電極を電気的に接続させるよう
に、前記低誘電率材料からなる露出表面のうちの少なく
とも一方の上に金属の電極間接続（５０）を形成させる
ステップと、を含む請求項８に記載の製造方法。 - 【請求項１０】 さらに、前記圧電セラミック材料と前
記低誘電率材料とを共焼結させるステップを含む請求項
８に記載の製造方法。 - 【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、低い誘電率をもつ前記材料は、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、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に記載の製造方法。 - 【請求項１２】 さらに、 ステップ（ｂ）の前に、前記第１層の前記第１と第２の
ビアのうちの一方に一過性材料を充填するステップと、 その後、ステップ（ｅ）の前に、前記スタックを焼結さ
せて充填させた前記一方のビアから前記一過性材料を焼
き払うステップと、を含む請求項８に記載の製造方法。 - 【請求項１３】 さらに、前記第３層の前記前面に音響
整合材料からなる層（１８）を結合させるステップであ
って、前記第３層と該音響整合材料層との間に前記第４
電極が配置されるようにするステップを含む請求項８に
記載の製造方法。 - 【請求項１４】 前記比較的高い誘電率が前記比較的低
い誘電率と比べ約１００倍の大きさである、請求項８に
記載の製造方法。 - 【請求項１５】それぞれに前面と背面を有している比較
的高い誘電率を有するセラミック材料からなる第１及び
第２の層（３８、３６）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
（３８、３６）と、 前記第１層の前記前面と接触している第１の電極（４
８）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（４０）と、 前記第２層の前記背面と接触している第３の電極（４
６）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（５０）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、比較的低い誘電率を有する材料からなる第１のセグ
メント（３３）と、を備える超音波トランスジューサ素
子。 - 【請求項１６】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（４
２）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、比較的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１５に記
載の超音波トランスジューサ素子。 - 【請求項１７】 前記圧電セラミック材料が焼結され、
かつ低い誘電率を有する前記材料が焼結されている、請
求項１５に記載の超音波トランスジューサ・アレイ。 - 【請求項１８】 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、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１５に記
載の超音波トランスジューサ・アレイ。 - 【請求項１９】 前記比較的高い誘電率が前記比較的低
い誘電率と比べ約１００倍の大きさである、請求項１５
に記載の超音波トランスジューサ・アレイ。 - 【請求項２０】 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１６に記載の超音波
トランスジューサ・アレイ。 - 【請求項２１】複数のトランスジューサ素子（５８）
と、 前記トランスジューサ素子のうちの少なくとも１つを付
勢して超音波エネルギーを送信させるためのパルス発生
器（１２）と、 前記トランスジューサ素子に返される超音波エネルギー
に応答して生成される前記少なくとも１つのトランスジ
ューサ素子からの電気的受信信号を受け取るための受信
器チャンネルを含むビーム形成器（６０）と、 前記受信信号を処理して画像データを形成させるための
信号プロセッサ（６２）と、 前記画像データの関数であるような画像を表示するため
の表示サブシステム（６４、６６）と、を含む超音波イ
メージング・システムであって、 前記トランスジューサ素子の各々は、 それぞれに前面と背面を有している比較的高い誘電率を
有する圧電セラミック材料からなる第１及び第２の層
（３８、３６）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（３８、
３６）と、 前記第１層の前記前面と接触している第１の電極（４
８）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（４０）と、 前記第２層の前記背面と接触している第３の電極（４
６）と、 前記第１と第３の電極を電気的に接続している電極間接
続（５０）と、 前記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、
比較的低い誘電率を有する材料からなるセグメント（３
３）と、を備えている、超音波イメージング・システ
ム。 - 【請求項２２】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（４
２）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、比較的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２２に記
載の超音波イメージング・システム - 【請求項２３】 前記素子の各々において前記圧電セラ
ミック材料層の総数が３層を超えている、請求項２２に
記載の超音波イメージング・システム。
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