JP2007173309A - 積層型圧電素子、および積層型圧電素子の実装方法、並びに超音波プローブ - Google Patents

Abstract

【課題】積層型圧電素子の機械的、電気的な性能および信頼性を高め、超音波プローブの細径化を実現する。
【解決手段】超音波プローブ１１は、絶縁体４９ａ、４９ｂ、５０ａ、５０ｂと、電極５１ａ、５１ｂとが交互に積層されてなる第２の積層構造体４７ａ、４７ｂが、圧電体４２ａ〜４２ｃおよび内部電極４１ａ、４１ｂからなる第１の積層構造体４３の側面４８ａ、４８ｂに接合された超音波トランスデューサ３１を内蔵している。第２の積層構造体４７ａ、４７ｂは、絶縁体４９ａ、４９ｂ、５０ａ、５０ｂおよび電極５１ａ、５１ｂが、側面４８ａ、４８ｂで圧電体４２ａ〜４２ｃおよび内部電極４１ａ、４１ｂにそれぞれ接するように形成されている。表面、裏面電極４４、４５は、側面４８ａ、４８ｂに接合される第２の積層構造体４７ａ、４７ｂの面と対向する面に露出した電極５１ｂ、５１ａの端面５４ｂ、５４ａにそれぞれ延設されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、圧電体と電極とが交互に複数積層されてなる積層型圧電素子、およびその実装方法、並びに超音波プローブに関する。

近年、医療分野において、超音波画像を利用した医療診断が実用化されている。超音波画像は、超音波プローブから体腔内の被観察部位に超音波を照射し、そのエコー信号を電気的に検出することによって得られる。

また、超音波を走査しながら照射することにより、超音波断層画像を得ることも可能で、バッキング材、圧電体、電極、および音響整合層からなる超音波トランスデューサを機械的に回転あるいは揺動、もしくはスライドさせるメカニカルスキャン機構を備えた超音波プローブや、複数の超音波トランスデューサをアレイ状に配列し、駆動する超音波トランスデューサを電子スイッチなどで選択的に切り替える電子スキャン走査方式の超音波プローブも知られている。

最近では、血管などの微小部分を観察するために、より細径な超音波プローブの開発が待たれており、これに伴ってより小型な超音波トランスデューサへのニーズが高まっている。しかしながら、超音波トランスデューサを小型化すると、その電気インピーダンスが増加し、超音波トランスデューサを駆動する回路との電気インピーダンスの格差が拡がるため、感度が低下し、鮮明な超音波画像が得られなくなるという問題があった。この問題に対処するために、圧電体を積層構造とした積層型圧電素子を用いる手法が提案されている（特許文献１および２参照）。

図１７において、特許文献１に記載の積層型圧電素子２００は、内部電極２０１ａ、２０１ｂ、および表面、裏面電極２０２、２０３で表裏全面を覆うように挟まれた圧電体２０４ａ〜２０４ｃと、内部電極２０１ａ、２０１ｂの端面の一部を露出するように形成された絶縁パターン２０５ａ、２０５ｂと、絶縁パターン２０５ａ、２０５ｂを跨いで、内部電極２０１ａと裏面電極２０３、および内部電極２０１ｂと表面電極２０２をそれぞれ電気的に接続する導体パターン２０６ａ、２０６ｂとから構成される。

図１８において、特許文献２に記載の積層型圧電素子３００は、内部電極３０１ａ、３０１ｂ、および表面、裏面電極３０２、３０３で挟まれた圧電体３０４ａ〜３０４ｃと、内部電極３０１ａ、３０１ｂの片側に設けられた絶縁体３０５ａ、３０５ｂと、絶縁体３０５ａ、３０５ｂを跨いで、内部電極３０１ａと裏面電極３０３、および内部電極３０１ｂと表面電極３０２をそれぞれ電気的に接続する側面電極３０６ａ、３０６ｂとから構成される。
特開２０００−１３８４００号公報 特開２００５−２１０２４５号公報

図１７および図１８に示す特許文献１および２に記載の積層型圧電素子２００、３００には、圧電体２０４ａ〜２０４ｃ、３０４ａ〜３０４ｃの繰り返し伸縮に伴う応力によって、絶縁パターン２０５ａ、２０５ｂや絶縁体３０５ａ、３０５ｂと他の部材との界面や、導体パターン２０６ａ、２０６ｂや側面電極３０６ａ、３０６ｂと他の部材との界面などにクラックが発生するといった信頼性を損なう問題があった。

また、圧電体２０４ａ〜２０４ｃ、３０４ａ〜３０４ｃの伸縮運動が、絶縁パターン２０５ａ、２０５ｂや絶縁体３０５ａ、３０５ｂ、導体パターン２０６ａ、２０６ｂや側面電極３０６ａ、３０６ｂによってダンピングされることにより、機械的、電気的な性能が低下したりするなど、実用化に困難が予測される構造上の問題が多々あった。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、機械的、電気的な性能および信頼性を高めることができる積層型圧電素子、およびその実装方法を提供することを目的とする。

また、本発明は、機械的、電気的な性能を低下させることなく、細径化を実現することができる超音波プローブを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、圧電体と、前記圧電体の側面部に少なくとも一部が露出するよう形成された電極とが交互に積層されてなる積層型圧電素子において、絶縁体と、前記絶縁体の少なくとも一部に形成された電極とが交互に積層された積層構造体が少なくとも一つの側面に接合されており、前記積層構造体は、前記絶縁体および前記電極が、前記側面で前記圧電体および前記圧電体に積層された電極にそれぞれ接するように形成され、前記圧電体に積層された電極のうち異なる電位となる２層は、前記側面に接合される前記積層構造体の面と対向する面に露出した、等電位となる前記積層構造体の電極の端面にそれぞれ延設されていることを特徴とする。

前記絶縁体は、前記圧電体よりもヤング率が低いことが好ましい。また、前記絶縁体は、樹脂であることが好ましい。

前記圧電体に積層された電極は、前記圧電体に挟まれた内部電極であることが好ましい。あるいは、前記圧電体に積層された電極は、前記圧電体に挟まれた内部電極、および最外の前記圧電体の少なくとも一部に形成された表面、裏面電極であることが好ましい。

請求項６に記載の発明は、圧電体と、前記圧電体の側面部に少なくとも一部が露出するよう形成された電極とが交互に積層されてなる積層型圧電素子の実装方法において、前記圧電体および前記電極からなる第１の積層構造体を作製する工程と、絶縁体および前記絶縁体の少なくとも一部を覆う電極を交互に積層して第２の積層構造体を作製する工程と、前記第１の積層構造体の少なくとも一つの側面に、前記第２の積層構造体を接合する工程とを備え、前記絶縁体および前記第２の積層構造体の電極を、前記側面で前記圧電体および前記圧電体に積層された電極にそれぞれ接するように形成し、前記圧電体に積層された電極のうち異なる電位となる２層を、前記側面に接合される前記第２の積層構造体の面と対向する面に露出した、等電位となる前記第２の積層構造体の電極の端面にそれぞれ延設したことを特徴とする。

前記絶縁体として、前記圧電体よりもヤング率が低いものを用いることが好ましい。また、前記絶縁体として、樹脂を用いることが好ましい。

前記圧電体に積層された電極は、前記圧電体に挟まれた内部電極であることが好ましい。あるいは、前記圧電体に積層された電極は、前記圧電体に挟まれた内部電極、および最外の前記圧電体の少なくとも一部に形成された表面、裏面電極であることが好ましい。

請求項６ないし１０のいずれかに記載の方法で実装された積層型圧電素子を、前記圧電体に積層された、異なる電位となる２層の電極の延設部分を有する、所定のサイズの複数のブロックに分割することが好ましい。この場合、前記積層型圧電素子を基材上に設置した後、前記分割を行う。あるいは、前記分割を行った後、前記ブロックを基材上に設置する。

請求項１４に記載の発明は、圧電体と、前記圧電体の側面部に少なくとも一部が露出するよう形成された電極とが交互に積層されてなる積層型圧電素子の実装方法において、前記圧電体および前記電極からなる積層構造体を作製する工程と、引き出し電極が予め形成された基材上に前記積層構造体を載置し、前記積層構造体を所定のサイズで複数のブロックに分割する工程と、分割によりできた各ブロックの隙間を形成する前記積層構造体の側面の前記圧電体にあたる部分、および前記電極にあたる部分に、絶縁体、および電極をそれぞれ積層する工程であって、前記絶縁体に積層された電極を隣接するブロック間で切断した後に次の絶縁体を積層するようにした工程とを備えたことを特徴とする。

前記絶縁体および前記絶縁体に積層された電極を隣接するブロック間で切断する工程と、最外の圧電体、前記絶縁体、および前記絶縁体に積層された電極の表面全体に表面電極を形成する工程と、前記表面電極を隣接するブロック間で切断する工程と、等電位となる電極同士が電気的に接続されるように、前記表面電極の一部を除去する工程とをさらに備えることが好ましい。

前記絶縁体として、前記圧電体よりもヤング率が低いものを用いることが好ましい。また、前記絶縁体として、樹脂を用いることが好ましい。

請求項１８に記載の発明は、超音波プローブであって、請求項１ないし５のいずれかに記載の積層型圧電素子を用いた超音波トランスデューサを内蔵したことを特徴とする。

前記超音波トランスデューサは、単一の前記積層型圧電素子、または前記積層型圧電素子をアレイ状に配列してなることが好ましい。

本発明の積層型圧電素子、およびその実装方法によれば、絶縁体と、絶縁体の少なくとも一部に形成された電極とが交互に積層された積層構造体を少なくとも一つの側面に接合し、積層構造体は、絶縁体および電極が、側面で圧電体および圧電体に積層された電極にそれぞれ接するように形成され、圧電体に積層された電極のうち異なる電位となる２層は、側面に接合される積層構造体の面と対向する面に露出した電極のうち、等電位となる積層構造体の電極の端面にそれぞれ延設されているので、圧電体の繰り返し伸縮に伴う応力によるクラックの発生や、ダンピング効果による性能低下がなくなり、機械的、電気的な性能および信頼性を高めることができる。

また、本発明の超音波プローブによれば、請求項１ないし５のいずれかに記載の積層型圧電素子を用いた超音波トランスデューサを内蔵したので、機械的、電気的な性能を低下させることなく、細径化を実現することができる。

図１において、超音波診断装置２は、内視鏡１０と、超音波プローブ１１と、超音波観測器１２とからなる。内視鏡１０は、軟性部材からなり、体腔内に挿入される挿入部１３と、挿入部１３の基端部分に連設された操作部１４と、内視鏡用モニタ（図示せず）に接続されるコード１５とを備えている。挿入部１３の先端１３ａには、体腔内撮影用のカメラ（図示せず）が内蔵されており、このカメラで撮影した画像を内視鏡用モニタを介して観察することが可能となっている。

超音波プローブ１１は、内視鏡１０の鉗子孔１６に挿通され、挿入部１３と同様に軟性部材からなるシース１７と、モータ６１（図３参照）などが内蔵されたトランスレータ１８と、超音波観測器１２に接続されるコード１９とを備えている。超音波観測器１２は、超音波画像を表示するモニタ２０を備えている。なお、内視鏡用モニタとモニタ２０とを兼用してもよい。

図２において、シース１７の先端１７ａには、ポリエチレンを材質とするキャップ３０が取り付けられており、このキャップ３０内には、超音波トランスデューサ３１が内蔵されている。超音波トランスデューサ３１は、コントロールケーブル３２が連結された台座３３に載置されている。コントロールケーブル３２は、フレキシブルシャフト３２ａと、フレキシブルシャフト３２ａを被覆する可撓チューブ３２ｂとからなる。フレキシブルシャフト３２ａの先端は台座３３に連結され、その基端はトランスレータ１８内に延長されており、トランスレータ１８に内蔵されたモータ６１（図３参照）により、所定の回転速度（例えば１０〜４０回転／秒）で回転駆動される。これにより、超音波トランスデューサ３１は、フレキシブルシャフト３２ａを回転軸として所定の回転速度で回転される。

キャップ３０により密閉された空間内には、超音波伝達媒体３４が充填されている。超音波伝達媒体３４は、超音波の伝達効率を向上させるとともに、超音波トランスデューサ３１の回転を円滑にする潤滑油として働く。なお、超音波伝達媒体３４としては、水、カルボキシルメチルセルロース（ＣＭＣ）水溶液、生理食塩水、ひまし油、流動パラフィンなどを用いることができる。

図３に示すように、超音波トランスデューサ３１は、台座３３上に載置されるバッキング材４０（請求項１２〜１４に記載の基材に相当）、内部電極４１ａ、４１ｂおよび圧電体４２ａ〜４２ｃからなる第１の積層構造体４３、表面、裏面電極４４、４５、音響整合層４６、並びに第２の積層構造体４７ａ、４７ｂからなる。第１の積層構造体４３は、各電極４１ａ、４１ｂ、４４、４５により、圧電体４２ａ〜４２ｃが表裏面全体を覆うように挟まれた構造となっている。

第２の積層構造体４７ａ、４７ｂは、略直方体形状を有し、第１の積層構造体４３の一つの側面４８ａと、これに対向する側面４８ｂとにそれぞれ接合されている。第２の積層構造体４７ａ、４７ｂは、絶縁体４９ａ、４９ｂ、５０ａ、５０ｂと、電極５１ａ、５１ｂとが積層されてなる（図４（Ｂ）も参照）。

絶縁体４９ａ、５０ｂは、圧電体４２ａ、４２ｃと同じ厚みを有している。絶縁体４９ｂは、圧電体４２ｂ、４２ｃ、および内部電極４１ｂを合わせた層と同じ厚みを有している。同様に、絶縁体５０ａは、圧電体４２ａ、４２ｂ、および内部電極４１ａを合わせた層と同じ厚みを有している。また、電極５１ａ、５１ｂは、内部電極４１ａ、４１ｂと同じ厚みを有している。これにより、第２の積層構造体４７ａ、４７ｂを側面４８ａ、４８ｂに接合したときに、両側面４８ａ、４８ｂに接合される第２の積層構造体４７ａ、４７ｂの面に露出した電極５１ａ、５１ｂの端面５２ａ、５２ｂ（図４（Ｂ）参照）が、両側面４８ａ、４８ｂに露出した内部電極４１ａ、４１ｂの端面５３ａ、５３ｂ（図４（Ｂ）参照）にそれぞれ接する。

また、表面、裏面電極４４、４５は、圧電体４２ａの表面、および圧電体４２ｃの裏面から、両側面４８ａ、４８ｂに接合される第２の積層構造体４７ａ、４７ｂの面に対向する第２の積層構造体４７ａ、４７ｂの面に折れ曲がるように延設され、それぞれこの面に露出した電極５１ａ、５１ｂの端面５４ａ、５４ｂ（図４（Ｂ）参照）に接している。つまり、電極５１ａ、５１ｂは、内部電極４１ａと裏面電極４５、および内部電極４１ｂと表面電極４４とをそれぞれ電気的に接続している。したがって、内部電極４１ａと裏面電極４５、および内部電極４１ｂと表面電極４４は、それぞれ等電位となる。

バッキング材４０には、裏面電極４５に電気的に接続する引き出し電極５５が形成されている。この引き出し電極５５および表面電極４４には、配線５６ａ、５６ｂがそれぞれ接続されている。配線５６ｂは、アースに接続されている。一方、配線５６ａは、コントロールケーブル３２内に挿通され、トランスレータ１８内の送受信切替回路５７に接続されている。

送受信切替回路５７は、超音波トランスデューサ３１による超音波の送受信切り替えを所定の時間間隔で行う。送受信切替回路５７には、パルス発生回路５８および電圧測定回路５９が接続されている。パルス発生回路５８は、超音波トランスデューサ３１から超音波を発生させる際（超音波の送信時）に、各電極４１ａ、４１ｂ、４４、４５を介して、パルス電圧を圧電体４２ａ〜４２ｃに印加する。これにより、超音波トランスデューサ３１は、所定の周波数を有する超音波を発生する。

電圧測定回路５９は、生体からのエコー信号を超音波トランスデューサ３１で受信した際（超音波の受信時）に、圧電体４２ａ〜４２ｃに発生する電圧を測定する。電圧測定回路５９は、この測定結果をコントローラ６０に送信する。コントローラ６０は、電圧測定回路５９から送信された測定結果を超音波画像に変換し、超音波観測器１２に送信する。

以下、図４および図５の（Ａ）〜（Ｃ）を参照して、超音波トランスデューサ３１の製造手順を説明する。まず、図４（Ａ）に示すように、圧電体４２ａ〜４２ｃおよび内部電極４１ａ、４１ｂを交互に積層して第１の積層構造体４３を作製する。この積層に際しては、グリーンシート法で作製された圧電体シートにパラジウム銀（ＡｇＰｄ）導電ペーストを積層して焼結させる方法や、エアロゾルデポジション法で作製された圧電体厚膜上にスパッタにより白金（Ｐｔ）電極を成膜する工程を繰り返し行う方法を採用することができる。

次に、（Ｂ）に示すように、絶縁体４９ａ、４９ｂ、５０ａ、５０ｂおよび電極５１ａ、５１ｂを積層して第２の積層構造体４７ａ、４７ｂを作製し、これらを第１の積層構造体４３の両側面４８ａ、４８ｂに接合する。

第２の積層構造体４７ａ、４７ｂは、圧電体４２ａ〜４２ｃよりもヤング率が低いエポキシ樹脂やウレタン樹脂などの絶縁体４９ｂ、５０ｂを鋳型に流し込んで成形した後、絶縁体４９ｂ、５０ｂ上にスパッタにより白金（Ｐｔ）などの電極５１ａ、５１ｂを成膜して、さらにその上に絶縁体４９ａ、５０ａを流し込んで成形することで作製される。

このとき、絶縁体４９ａ、５０ｂを、圧電体４２ａ、４２ｃと同じ厚みに成形する。そして、絶縁体４９ｂを、圧電体４２ｂ、４２ｃ、および内部電極４１ｂを合わせた層と同じ厚みにし、絶縁体５０ａを、圧電体４２ａ、４２ｂ、および内部電極４１ａを合わせた層と同じ厚みに形成する。また、電極５１ａ、５１ｂを、内部電極４１ａ、４１ｂと同じ厚みに成膜する。

第２の積層構造体４７ａ、４７ｂの接合に際しては、電極５１ａ、５１ｂの端面５２ａ、５２ｂに導電性接着剤（例えば、藤倉化成株式会社製、商品名ＸＡ−８７４、ＸＡ−９１０、ＳＡ−２０２４、ＸＡ−４３６、ＦＡ−５４５、ニホンハンダ株式会社製、商品名ドーデントＮＨ０５０、ＮＨ０６０など）を、それ以外の絶縁体部分に絶縁性接着剤（例えば、エポキシテクノロジー社製、商品名Ｅｐｏｔｅｋ（登録商標）３０１−２ＦＬなど）を塗布し、これらの接着剤で第１の積層構造体４３と第２の積層構造体４７ａ、４７ｂとを接着する。

続いて、図５（Ｃ）に示すように、圧電体４２ａの表面、および圧電体４２ｃの裏面に、無電界メッキやスパッタなどで表面、裏面電極４４、４５を形成し、積層型圧電素子７０を完成させる。このとき、電極５１ａ、５１ｂの端面５４ａ、５４ｂに接するように、両側面４８ａ、４８ｂに接合される第２の積層構造体４７ａ、４７ｂの面に対向する第２の積層構造体４７ａ、４７ｂの面に表面、裏面電極４４、４５を延設する。その後、この積層型圧電素子７０をバッキング材４０の所定位置に載置し、表面電極４４に音響整合層４６を積層して、配線５６ａ、５６ｂを引き出し電極５５および表面電極４４に接続し、図３に示す超音波トランスデューサ３１を得る。

体腔内の超音波画像を取得する際には、超音波プローブ１１を鉗子孔１６に挿通した内視鏡１０の挿入部１３を体腔内に挿入し、内視鏡用モニタにより体腔内を観察しながら体腔内の被観察部位を探索する。

体腔内の被観察部位にシース１７の先端１７ａが到達し、超音波画像を取得する指示がなされると、フレキシブルシャフト３２ａを回転軸として、超音波トランスデューサ３１が所定の回転速度で回転される。そして、送受信切替回路５７により超音波トランスデューサ３１の超音波の送受信が切り替えられながら、パルス発生回路５８からのパルス電圧の印加により、超音波トランスデューサ３１から超音波が発せられ、キャップ３０を介して被観察部位に超音波が走査される。また、被観察部位からのエコー信号が超音波トランスデューサ３１で受信され、電圧測定回路５９により圧電体４２ａ〜４２ｃに発生した電圧が測定される。

電圧測定回路５９の測定結果はコントローラ６０に送信され、コントローラ６０で超音波画像に変換される。変換された超音波画像は、コード１９を介して超音波観測器１２に送信され、超音波観測器１２のモニタ２０に表示される。

以上、詳細に説明したように、超音波プローブ１１は、絶縁体４９ａ、４９ｂ、５０ａ、５０ｂおよび電極５１ａ、５１ｂが交互に積層された第２の積層構造体４７ａ、４７ｂが側面４８ａ、４８ｂにそれぞれ接合され、電極５１ａ、５１ｂで内部電極４１ａおよび裏面電極４５、内部電極４１ｂおよび表面電極４４をそれぞれ電気的に接続した積層型圧電素子７０を用いた超音波トランスデューサ３１を内蔵したので、圧電体４２ａ〜４２ｃの伸縮に伴うダンピング効果による性能低下がなくなる。実際に、図１７および図１８に示す従来の積層型圧電素子２００、３００を用いた場合、電機機械結合係数ｋ３３＝０．６３、圧電歪み係数ｄ３３＝６００ｐｍ／Ｖであったのに対し、積層型圧電素子７０を用いた場合、ｋ３３＝０．７０、ｄ３３＝６６０ｐｍ／Ｖとなり、従来よりも性能が約１０％向上した。

従来の積層型圧電素子２００、３００では、圧電体の繰り返し伸縮に伴う応力によるクラックが発生することがあったが、積層型圧電素子７０は、圧電体４２ａ〜４２ｃおよび内部電極４１ａ、４１ｂからなる第１の積層構造体４３には直接加工をせずにそのまま用いており、絶縁パターン２０５ａ、２０５ｂ、絶縁体３０５ａ、３０５ｂのように応力が掛かる部分を持たないので、クラックが発生するおそれがない。

また、絶縁パターン２０５ａ、２０５ｂ、絶縁体３０５ａ、３０５ｂと比較して、絶縁体４９ａ、４９ｂ、５０ａ、５０ｂを厚く形成することができるので、耐電圧牲が向上し、高電圧駆動が可能となる。したがって、超音波トランスデューサ３１から発せられる超音波の出力を高めることができる。さらに、第２の積層構造体４７ａ、４７ｂを接着剤で接合し、表面、裏面電極４４、４５を成膜するだけで内部電極４１ａ、４１ｂとの配線が済むので、製造コストを削減することができる。

また、絶縁体４９ａ、４９ｂ、５０ａ、５０ｂとして、圧電体４２ａ〜４２ｃよりもヤング率が低いものを用いたので、圧電体の繰り返し伸縮に伴う応力を効果的に吸収することができる。

上記実施形態では、フレキシブルシャフト３２ａを回転軸として超音波トランスデューサ３１を回転させる超音波プローブ１１を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されず、超音波トランスデューサを揺動、あるいはスライドさせて生体に超音波を走査する超音波プローブについても適用することができる。

また、メカニカルスキャン機構を備えた超音波プローブに限らず、複数の超音波トランスデューサをアレイ状に配列し、駆動する超音波トランスデューサを電子スイッチなどで選択的に切り替える電子スキャン走査方式の超音波プローブについても、本発明を適用することが可能である。

上記の場合、一次元アレイを作製する際には、まず、図４（Ａ）〜（Ｃ）に示す手順で積層型圧電素子７０を作製した後、図６（Ａ）に示すように、一次元アレイを構成する超音波トランスデューサ８４（（Ｂ）参照）の個数分（この場合５個）の引き出し電極８０ａ〜８０ｅ（８０ａ、８０ｅのみを図示する。）が所定の間隔で形成されたバッキング材８１上に積層型圧電素子７０を載置し、表面電極用引き出し線８２ａ〜８２ｅ（８２ａ、８２ｅのみを図示する。）を表面電極４４に設けた後、音響整合層４６を表面電極４４上に積層する。

そして、（Ｂ）に示すように、表面、裏面電極４４、４５の延設部分を有する、所定のサイズの複数のブロック８３（図６（Ａ）において２点鎖線で囲む部分）に積層型圧電素子７０を分割する。このようにして、直方体状の５個の超音波トランスデューサ８４を有する一次元超音波トランスデューサアレイ８５を得る。なお、積層型圧電素子７０の分割に際しては、ダイシングブレード、サンドブラスト、フォトリソグラフィーなどの周知の技術を利用することができる。

二次元アレイを作製する際には、まず、図４の（Ａ）〜（Ｃ）と同様の手順で、図７（Ａ）に示す直方体状の積層型圧電素子９０を作製する。表面電極４４には、表面電極用引き出し線９１ａ〜９１ｅ（９１ａ、９１ｅのみを図示する。煩雑を避けるため、（Ｂ）以降は不図示。）が、後述する各ブロック９４に対応した間隔でワイヤボンディング接合されて形成されている。次に、（Ｂ）に示すように、二次元アレイを構成する超音波トランスデューサ９５（図８（Ｃ）参照）の個数分（この場合５×５＝２５個）の貫通電極９２が形成されたバッキング材９３の所定位置に、５個の積層型圧電素子９０をチップアライナーなどで載置する。

続いて、図８（Ｃ）に示すように、音響整合層４６を表面電極４４上に積層した後、一次元超音波トランスデューサアレイ８４の作製時と同様に、ダイシングブレード、サンドブラスト、フォトリソグラフィーなどの周知の技術を利用して、表面、裏面電極４４、４５の延設部分を有する、所定のサイズの複数のブロック９４（図７（Ｂ）において２点鎖線で囲む部分）に積層型圧電素子９０を分割する。これにより、断面正方形状の直方体状の２５個の超音波トランスデューサ９５を有する二次元超音波トランスデューサアレイ９６を得る。なお、積層型圧電素子９０は、形状は異なるが、基本的には積層型圧電素子７０と同様の構成を有するため、共通部品、部位には同じ符号を付してある。

超音波トランスデューサアレイ８５、９６を作製する際には、超音波トランスデューサアレイ９６の場合を例にとった図９に示すように、バッキング材９３に載置する前に積層型圧電素子９０をブロック９４単位で分割しておくか、あるいは、ブロック９４の集合体としての積層型圧電素子９０ではなく、ブロック９４自体を複数個作製しておき、このブロック９４をチップアライナーなどでバッキング材９３の所定位置に載置するようにしてもよい。

ここで、図１０〜図１４の（Ａ）〜（Ｍ）に示す手順で、超音波トランスデューサアレイ９６を作製することも可能である。まず、図１０（Ａ）に示すように、超音波トランスデューサ９５の個数分の貫通電極１００と、超音波トランスデューサ９５の片側にはみ出るように貫通電極１００上に形成された引き出し電極１０１とを備えたバッキング材１０２の所定位置に、第１の積層構造体４３を載置する。次いで、（Ｂ）に示すように、引き出し電極１０１のはみ出した部分を残して、第１の積層構造体４３を所定のサイズで複数のブロック１０３（２点鎖線で囲む部分）に分割する。

次に、図１１（Ｃ）に示すように、分割によりできた各ブロック１０３の隙間に、圧電体４２ｃと同じ高さまで絶縁体１０４を充填し、（Ｄ）に示すように、絶縁体１０４上に内部電極４１ｂと同じ高さまで電極１０５を積層する。そして、（Ｅ）に示すように、引き出し電極１０１がはみ出した側と反対側の電極１０５の一部を除去し、電極１０５を隣接するブロック１０３間で切断する。

続いて、図１１（Ｃ）〜（Ｅ）に示す工程を繰り返すようにして、図１２（Ｆ）に示すように、今度は圧電体４２ｂと同じ高さまで絶縁体１０４を充填し、（Ｇ）に示すように、絶縁体１０４上に内部電極４１ａと同じ高さまで電極１０５を積層する。そして、（Ｈ）に示すように、引き出し電極１０１がはみ出した片側と同じ側の電極１０５の一部を除去し、電極１０５を隣接するブロック１０３間で切断する。

次いで、図１３（Ｉ）に示すように、圧電体４２ａと同じ高さまで絶縁体１０４を充填し、（Ｊ）に示すように、絶縁体１０４および電極１０５を隣接するブロック１０３の中間で切断する。そして、（Ｋ）に示すように、圧電体４２ａ、絶縁体１０４、および電極１０５の表面全体に表面電極１０６を成膜する。

次に、図１４（Ｌ）に示すように、隣接したブロック１０３間の表面電極１０６およびバッキング材１０２の表面に切り込み１０７を入れ、表面電極１０６を隣接するブロック１０３間で切断し、（Ｍ）に示すように、引き出し電極１０１に繋がる表面電極１０６の側面上側部分１０８を除去する。これにより、内部電極４１ａおよび引き出し電極１０１、内部電極４１ｂおよび表面電極１０６が、それぞれ電極１０５で電気的に接続される。すなわち、内部電極４１ａおよび引き出し電極１０１を接続する電極１０５は、図３に示す電極５１ａにあたり、内部電極４１ｂおよび表面電極１０６を接続する電極１０５は、図３に示す電極５１ｂにあたる。

最後に、表面電極１０６上に音響整合層４６を積層し、ブロック１０３の分割方向と直交する方向に所定のサイズで複数に分割して、図８に示す超音波トランスデューサアレイ９６を得る。このようにすれば、図７、図８の（Ａ）〜（Ｃ）に示す手順で超音波トランスデューサアレイ９６を作製する場合と比較して、特に超音波トランスデューサ９５が多数有り、微小なサイズであった場合に、作製が容易となる。

なお、図１０〜図１４の（Ａ）〜（Ｍ）に示す手順では、上記実施形態で例示した周知の技術（無電界メッキ、スパッタ、ダイシングブレード、サンドブラスト、フォトリソグラフィーなど）を利用することができる。また、言う迄もないが、図１０〜図１４の（Ａ）〜（Ｍ）に示す方法で、図６に示すバッキング材８１を用いて超音波トランスデューサアレイ８５を作製することも可能である。さらに、超音波トランスデューサ８４、９５同士の隙間に、エポキシ樹脂などの充填材を充填してもよいし、必要に応じて音響レンズを音響整合層４６上に積層してもよい。

上記実施形態では、超音波トランスデューサの一側面とこれに対向する面とに第２の積層構造体４７ａ、４７ｂを接合しているが、隣り合う二側面に接合してもよい。また、図１５（Ａ）に示す第２の積層構造体１１０を用いてもよい。第２の積層構造体１１０は、第１の積層構造体４３の一つの側面１１１に接合されており、絶縁体１１２と、電極１１３ａ、１１３ｂとからなる。

電極１１３ａ、１１３ｂは、内部電極４１ａ、４１ｂと同じ厚みを有し、第２の積層構造体１１０を側面１１１に接合したときに、側面１１１に接合される第２の積層構造体１１０の面に露出した端面が、側面１１１に露出した内部電極４１ａ、４１ｂの端面にそれぞれ接するように形成されている。また、電極１１３ａ、１１３ｂは、第２の積層構造体１１０の中央部分にまで至らずに、絶縁体１１２により分断されている。

第２の積層構造体１１０を用いた場合、（Ｂ）に示すように、側面１１１に接合される面と対向する面に露出した電極１１３ａの端面に裏面電極４５を、電極１１３ｂの端面に表面電極４４をそれぞれ延設し、積層型圧電素子１１４を完成させる。このようにすれば、第２の積層構造体の個数を減らせるので、製造および部品コストを削減することができる。

また、各電極４１ａ、４１ｂ、４４、４５は、必ずしも圧電体４２ａ〜４２ｃの一面全体に設ける必要はなく、例えば、図１６に示す積層型圧電素子１２０を用いてもよい。積層型圧電素子１２０は、各電極１２１ａ、１２１ｂ、１２２、１２３の一部分のみが一側面に露出している。この場合、各電極１２１ａ、１２１ｂ、１２２、１２３の露出した部分と対応した部分に電極１２４が設けられた絶縁体１２５からなる第２の積層構造体１２６を作製し、これを側面に接合する。なお、符号１２７は、内部電極１２１ａ、１２１ｂの切欠き部分を埋める絶縁体である。

本発明は、上記実施形態で例示した内視鏡の鉗子孔に挿通するタイプの超音波プローブ１１に限らず、体腔内撮影用のカメラと超音波トランスデューサとが先端に配置された、いわゆる超音波内視鏡に適用してもよい。また、積層型圧電素子の用途は、超音波トランスデューサに限らず、例えば、カメラのレンズ駆動機構に内蔵されるアクチュエータに適用することも可能である。

超音波診断装置の構成を示す概略図である。 超音波プローブの先端の構造を示す拡大断面図である。 超音波トランスデューサの構成およびトランスレータの電気的構成を示す説明図である。 超音波トランスデューサの作製手順を示す図であり、（Ａ）は、第１の積層構造体の構成、（Ｂ）は、第１の積層構造体に第２の積層構造体を接合する様子をそれぞれ示す。 超音波トランスデューサの作製手順を示す図であり、（Ｃ）は、表面、裏面電極を成膜し、積層型圧電素子を完成させた状態を示す。 一次元超音波トランスデューサアレイの作製手順を示す図であり、（Ａ）は、積層型圧電素子をバッキング材に載置した状態、（Ｂ）は、積層型圧電素子を複数のブロックに分割し、一次元超音波トランスデューサアレイを完成させた状態をそれぞれ示す。 二次元超音波トランスデューサアレイの作製手順を示す図であり、（Ａ）は、作製に用いる積層型圧電素子の構成、（Ｂ）は、積層型圧電素子をバッキング材上に載置している状態をそれぞれ示す。 二次元超音波トランスデューサアレイの作製手順を示す図であり、（Ｃ）は、積層型圧電素子を複数のブロックに分割し、二次元超音波トランスデューサアレイを完成させた状態を示す。 二次元超音波トランスデューサアレイの別の作製方法を示す図である。 超音波トランスデューサアレイの別の作製方法を示す図であり、（Ａ）は、第１の積層構造体をバッキング材上に載置している状態、（Ｂ）は、第１の積層構造体を複数のブロックに分割した状態をそれぞれ示す。 超音波トランスデューサアレイの別の作製方法を示す図であり、（Ｃ）は、分割によりできた隙間に絶縁体を充填した状態、（Ｄ）は、絶縁体上に電極を積層した状態、（Ｅ）は、電極を隣接するブロック間で切断した状態をそれぞれ示す。 超音波トランスデューサアレイの別の作製方法を示す図であり、（Ｆ）は、図１１（Ｄ）で積層した電極上に絶縁体を充填した状態、（Ｇ）は、（Ｆ）で充填した絶縁体上に電極を積層した状態、（Ｈ）は、（Ｇ）で積層した電極を隣接するブロック間で切断した状態をそれぞれ示す。 超音波トランスデューサアレイの別の作製方法を示す図であり、（Ｉ）は、図１２（Ｇ）で積層した電極上に絶縁体を充填した状態、（Ｊ）は、絶縁体および電極を隣接するブロック間で切断した状態、（Ｋ）は、最外の圧電体、絶縁体、および電極の表面全体に表面電極を形成した状態をそれぞれ示す。 超音波トランスデューサアレイの別の作製方法を示す図であり、（Ｌ）は、表面電極を隣接するブロック間で切断した状態、（Ｍ）は、表面電極を一部除去した状態をそれぞれ示す。 第２の積層構造体の別の例を示す斜視図である。 積層型圧電素子および第２の積層構造体の別の例を示す図である。 従来の積層型圧電素子の概略構成を示す平面図である。 従来の積層型圧電素子の概略構成を示す平面図である。

符号の説明

２ 超音波診断装置
１０ 内視鏡
１１ 超音波プローブ
１２ 超音波観察器
３１、８４、９５ 超音波トランスデューサ
４０、８１、９３、１０２ バッキング材
４１ａ、４１ｂ 内部電極
４２ａ〜４２ｃ 圧電体
４３ 第１の積層構造体
４４、１０６、１２２ 表面電極
４５、１２３ 裏面電極
４７ａ、４７ｂ、１１０、１２６ 第２の積層構造体
４８ａ、４８ｂ、１１１ 側面
４９ａ、４９ｂ、５０ａ、５０ｂ、１０４、１１２、１２５ 絶縁体
５１ａ、５１ｂ、１０５、１１３ａ、１１３ｂ、１２４ 電極
５２ａ〜５４ａ、５２ｂ〜５４ｂ 端面
６０ コントローラ
７０、９０、１１４、１２０ 積層型圧電素子
８３、９４、１０３ ブロック
８５ 一次元超音波トランスデューサアレイ
９６ 二次元超音波トランスデューサアレイ
１０１ 引き出し電極

Claims (19)

1. 圧電体と、前記圧電体の側面部に少なくとも一部が露出するよう形成された電極とが交互に積層されてなる積層型圧電素子において、
   絶縁体と、前記絶縁体の少なくとも一部に形成された電極とが交互に積層された積層構造体が少なくとも一つの側面に接合されており、
   前記積層構造体は、前記絶縁体および前記電極が、前記側面で前記圧電体および前記圧電体に積層された電極にそれぞれ接するように形成され、
   前記圧電体に積層された電極のうち異なる電位となる２層は、前記側面に接合される前記積層構造体の面と対向する面に露出した、等電位となる前記積層構造体の電極の端面にそれぞれ延設されていることを特徴とする積層型圧電素子。
2. 前記絶縁体は、前記圧電体よりもヤング率が低いことを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電素子。
3. 前記絶縁体は、樹脂であることを特徴とする請求項１または２に記載の積層型圧電素子。
4. 前記圧電体に積層された電極は、前記圧電体に挟まれた内部電極であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の積層型圧電素子。
5. 前記圧電体に積層された電極は、前記圧電体に挟まれた内部電極、および最外の前記圧電体の少なくとも一部に形成された表面、裏面電極であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の積層型圧電素子。
6. 圧電体と、前記圧電体の側面部に少なくとも一部が露出するよう形成された電極とが交互に積層されてなる積層型圧電素子の実装方法において、
   前記圧電体および前記電極からなる第１の積層構造体を作製する工程と、
   絶縁体および前記絶縁体の少なくとも一部を覆う電極を交互に積層して第２の積層構造体を作製する工程と、
   前記第１の積層構造体の少なくとも一つの側面に、前記第２の積層構造体を接合する工程とを備え、
   前記絶縁体および前記第２の積層構造体の電極を、前記側面で前記圧電体および前記圧電体に積層された電極にそれぞれ接するように形成し、
   前記圧電体に積層された電極のうち異なる電位となる２層を、前記側面に接合される前記第２の積層構造体の面と対向する面に露出した、等電位となる前記第２の積層構造体の電極の端面にそれぞれ延設したことを特徴とする積層型圧電素子の実装方法。
7. 前記絶縁体として、前記圧電体よりもヤング率が低いものを用いたことを特徴とする請求項６に記載の積層型圧電素子の実装方法。
8. 前記絶縁体として、樹脂を用いたことを特徴とする請求項６または７に記載の積層型圧電素子の実装方法。
9. 前記圧電体に積層された電極は、前記圧電体に挟まれた内部電極であることを特徴とする請求項６ないし８のいずれかに記載の積層型圧電素子の実装方法。
10. 前記圧電体に積層された電極は、前記圧電体に挟まれた内部電極、および最外の前記圧電体の少なくとも一部に形成された表面、裏面電極であることを特徴とする請求項６ないし８のいずれかに記載の積層型圧電素子の実装方法。
11. 請求項６ないし１０のいずれかに記載の方法で実装された積層型圧電素子を、前記圧電体に積層された、異なる電位となる２層の電極の延設部分を有する、所定のサイズの複数のブロックに分割したことを特徴とする積層型圧電素子の実装方法。
12. 前記積層型圧電素子を基材上に設置した後、前記分割を行うことを特徴とする請求項１１に記載の積層型圧電素子の実装方法。
13. 前記分割を行った後、前記ブロックを基材上に設置することを特徴とする請求項１１に記載の積層型圧電素子の実装方法。
14. 圧電体と、前記圧電体の側面部に少なくとも一部が露出するよう形成された電極とが交互に積層されてなる積層型圧電素子の実装方法において、
    前記圧電体および前記電極からなる積層構造体を作製する工程と、
    引き出し電極が予め形成された基材上に前記積層構造体を載置し、前記積層構造体を所定のサイズで複数のブロックに分割する工程と、
    分割によりできた各ブロックの隙間を形成する前記積層構造体の側面の前記圧電体にあたる部分、および前記電極にあたる部分に、絶縁体、および電極をそれぞれ積層する工程であって、前記絶縁体に積層された電極を隣接するブロック間で切断した後に次の絶縁体を積層するようにした工程とを備えたことを特徴とする積層型圧電素子の実装方法。
15. 前記絶縁体および前記絶縁体に積層された電極を隣接するブロック間で切断する工程と、
    最外の圧電体、前記絶縁体、および前記絶縁体に積層された電極の表面全体に表面電極を形成する工程と、
    前記表面電極を隣接するブロック間で切断する工程と、
    等電位となる電極同士が電気的に接続されるように、前記表面電極の一部を除去する工程とをさらに備えたことを特徴とする請求項１４に記載の積層型圧電素子の実装方法。
16. 前記絶縁体として、前記圧電体よりもヤング率が低いものを用いたことを特徴とする請求項１４または１５に記載の積層型圧電素子の実装方法。
17. 前記絶縁体として、樹脂を用いたことを特徴とする請求項１４ないし１６のいずれかに記載の積層型圧電素子の実装方法。
18. 請求項１ないし５のいずれかに記載の積層型圧電素子を用いた超音波トランスデューサを内蔵したことを特徴とする超音波プローブ。
19. 前記超音波トランスデューサは、単一の前記積層型圧電素子、または前記積層型圧電素子をアレイ状に配列してなることを特徴とする請求項１８に記載の超音波プローブ。

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