JP2007273584A - 積層型圧電素子、および積層型圧電素子の作製方法、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２の超音波トランスデューサ１２は、圧電体３０ａ〜３０ｅと、表面、裏面電極３１、３２、および内部電極３３ａ〜３３ｄとが交互に積層された積層構造体３４と、積層構造体３４の対向する両側面３５ａ、３５ｂに形成された側面電極３６ａ、３６ｂとを有する積層型圧電素子からなる。両側面３５ａ、３５ｂに露出した内部電極３３ａ〜３３ｄの端面には、溝３７ａ〜３７ｄ、３８ａ〜３８ｄが全体的に形成され、導電材３９および絶縁材４０が充填されている。導電材３９および絶縁材４０は、機械的な対称性を持つように配されている。導電材３９と絶縁材４０とは、ヤング率、剛性率、およびポワソン比が略同一で、且つ音響インピーダンスが略同一となっている。
【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、およびその作製方法、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、超音波トランスデューサのエコー信号の受信感度が低下し、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方法が提案されている。

積層型圧電素子には、圧電体を挟む内部電極をその一端が短くなるように形成して、その部分に絶縁材を埋設し、等電位となる電極同士を接続する側面電極を形成したもの（特許文献１、および２参照）と、圧電体の表裏全面を覆うように内部電極を形成し、内部電極の露出した端面に絶縁材を取り付け、この絶縁材を覆うように側面電極を形成したものとがある。前者の場合、絶縁材を両端に交互に埋設しているために素子の内部構造が不均一となり、また、圧電体の繰り返し伸縮に伴って絶縁材と他の部材との界面にクラックが発生するおそれがあるので、後者のほうが前者よりも圧電性能や耐久性に優れていることが一般的に知られている。

ところが、複数の超音波トランスデューサを２次元アレイ状に配列し、使用周波数帯域を例えば３．５〜６．０ＭＨｚとした場合、２５〜５０μｍ程度の配列ピッチが要求されるため、内部電極の端面に絶縁材を取り付けた積層型圧電素子を超音波トランスデューサとして用いた場合、隣接する超音波トランスデューサ間での側面電極の接触や通電などの懸念があった。また、この懸念を払拭するために絶縁材を薄くすると耐電圧が低下し、側面電極を薄くすると抵抗値が増加したり内部電極との接触不良が起こったりするという問題があった。

上記のような問題を回避するために、内部電極の外周端部に沿って溝を形成し、この溝に絶縁部または導電部の少なくともいずれか一方を形成した積層型圧電素子が提案されている（特許文献３、および４参照）。
特開２００５−２１０２４５号公報 特開２００４−８０１９３号公報 特開２００５−７９３１３号公報 特開２００５−８６１１０号公報

しかしながら、特許文献３、および４に記載の積層型圧電素子では、導電部および絶縁部を含めた素子の機械的特性が不均一であるため、圧電体の積層方向の振動の効率が悪く、圧電体の性能を充分に引き出すまでには至らなかった。

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、およびその作製方法を提供することを目的とする。

また、本発明は、機械的、電気的な性能および信頼性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、圧電体と電極とが交互に複数積層された積層構造体を有する積層型圧電素子において、前記積層構造体の対向する両側面に露出した、前記電極の端面に形成された溝と、前記溝に充填された導電材および絶縁材と、前記両側面のうち少なくとも一方の面に形成され、前記導電材を介して前記電極が一層おきに電気的に接続される側面電極とを備え、前記溝、前記導電材、および前記絶縁材は、これらが形成された前記積層構造体が幾何学的な対称性を持つように設けられ、前記導電材および前記絶縁材は、少なくとも一つの機械的特性が略同一であることを特徴とする。

前記溝、前記導電材、および前記絶縁材は、前記積層構造体の積層方向に平行なＺ軸、前記積層方向に垂直且つ前記両側面に平行なＸ軸、および前記積層方向に垂直且つ前記両側面に垂直なＹ軸に平行な、前記積層構造体の中心点を通る３本の直線、並びに、ＸＹＺ３軸によるＸＹ平面、ＸＺ平面、およびＹＺ平面に平行な、前記中心点を通る３つの平面のいずれかに関して、軸対称、または面対称となるように設けられていることが好ましい。

前記機械的特性は、ヤング率、剛性率、およびポワソン比を含み、これらのうちの少なくともいずれか一つが略同一であることが好ましい。

前記導電材および前記絶縁材は、少なくとも一つの音響的特性が略同一であることが好ましい。この場合、前記音響的特性は、音響インピーダンスを含み、少なくとも音響インピーダンスが略同一であることが好ましい。

前記絶縁材は、絶縁性樹脂に絶縁性粉末を混合したものであることが好ましい。

請求項７に記載の発明は、圧電体と電極とが交互に複数積層された積層構造体を有する積層型圧電素子の作製方法において、前記積層構造体の対向する両側面に露出した、前記電極の端面に溝を形成する工程と、少なくとも一つの機械的特性が略同一な導電材および絶縁材を前記溝に充填する工程と、前記両側面のうち少なくとも一方の面に、前記導電材を介して前記電極を一層おきに電気的に接続する側面電極を形成する工程とを備え、前記溝、前記導電材、および前記絶縁材を、これらが形成された前記積層構造体が幾何学的な対称性を持つように設けたことを特徴とする。

請求項８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６のいずれかに記載の積層型圧電素子を超音波トランスデューサとして用いたことを特徴とする。

前記超音波トランスデューサは、アレイ状に配列されてなることが好ましい。

本発明の積層型圧電素子、およびその作製方法によれば、圧電体と電極とが交互に複数積層された積層構造体の対向する両側面に露出した、電極の端面に形成された溝と、溝に充填された導電材および絶縁材と、両側面のうち少なくとも一方の面に形成され、導電材を介して電極が一層おきに電気的に接続される側面電極とを備え、溝、導電材、および絶縁材は、これらが形成された積層構造体が幾何学的な対称性を持つように設けられ、導電材および絶縁材は、少なくとも一つの機械的特性が略同一であるので、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６のいずれかに記載の積層型圧電素子を超音波トランスデューサとして用いたので、機械的、電気的な性能および信頼性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および図２において、本発明の超音波プローブ２の先端２ａには、超音波トランスデューサアレイ１０が配設されている。超音波トランスデューサアレイ１０は、凸状に形成された台座１１上に設けられ、複数の超音波トランスデューサ１２（例えば、幅３００μｍ、高さ６００μｍ）が２次元アレイ状に所定のピッチ（例えば、２５〜５０μｍ）で配列されてなる。

超音波トランスデューサ１２同士の隙間には、エポキシ樹脂からなる充填材１３が充填されている。超音波トランスデューサ１２上には、超音波トランスデューサ１２と生体との間の音響インピーダンスを緩和するための音響整合層１４が設けられている。また、超音波トランスデューサアレイ１０上には、シリコン樹脂などからなり、超音波トランスデューサアレイ１０から発せられる超音波を体腔内の被観察部位に向けて収束させる音響レンズ１５が取り付けられている。

台座１１は、先端２ａの基材１６上に載置されている。台座１１は、硬質ゴムなどの剛性を有する材料からなり、超音波減衰材（フェライト、セラミックスなど）が必要に応じて添加されている。

先端２ａに接続されたシース１７の上部には、体腔内の被観察部位の像光を取り込むための対物光学系１８と、像光を撮像して撮像信号を出力するＣＣＤ１９とが搭載され、中央部には、穿刺針２０が挿通される穿刺針用チャンネル２１が設けられている。シース１７の上部および下部には、超音波観測器（図示せず）と、ＣＣＤ１９および超音波トランスデューサアレイ１０とを電気的に接続するＣＣＤ用配線ケーブル２２およびアレイ用配線ケーブル２３が、穿刺針用チャンネル２１を挟むように挿通されている。

図３において、超音波トランスデューサ１２には、圧電体３０ａ〜３０ｅ（３０ｂ〜３０ｄは図示省略）と、表面、裏面電極３１、３２、および内部電極３３ａ〜３３ｄ（３３ｂ、３３ｃは図示省略）とが交互に積層された積層構造体３４と、積層構造体３４の対向する両側面３５ａ、３５ｂに形成された側面電極３６ａ、３６ｂとを有する積層型圧電素子が用いられている。

圧電体３０ａ〜３０ｅは、例えば、リラクサー系ＰＭＮ（Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃）／ＰＴ(PbTiO₃)や、ＰＺＮ(Pb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃)／ＰＴからなる。圧電体３０ａ〜３０ｅは、表面、裏面電極３１、３２、および内部電極３３ａ〜３３ｄで表裏全面を覆うように挟まれている。圧電体３０ａ、３０ｃ、３０ｅは、表面電極３１側が＋、裏面電極３２側が−、圧電体３０ｂ、３０ｄは、表面電極３１側が−、裏面電極３２側が＋となるように、互い違いに逆向きに分極処理されている。

表面、裏面電極３１、３２、および内部電極３３ａ〜３３ｄは、例えば、パラジウム銀（AgPd）薄膜からなる。側面電極３６ａ、３６ｂは、例えば、Pt/Ti、Au/Ni/Cr薄膜や、銀ペースト塗布膜からなる。

両側面３５ａ、３５ｂに露出した内部電極３３ａ〜３３ｄの端面には、溝３７ａ〜３７ｄ、３８ａ〜３８ｄ（３７ｂ、３７ｃ、３８ｂ、３８ｃは図示省略）が全体的に形成されている。溝３７ａ〜３７ｄ、３８ａ〜３８ｄは、内部電極３３ａ〜３３ｄの端面よりも若干幅広に形成されており、それらの底部には、内部電極３３ａ〜３３ｄの両端が露呈されている。溝３７ａ〜３７ｄ、３８ａ〜３８ｄは、積層構造体３４の幾何学的な対称性を保つように、深さ幅などが同寸法に形成されている。なお、溝３７ａ〜３７ｄ、３８ａ〜３８ｄの形状は、図示するＶ字型に限らず、Ｕ字型やコの字型でも構わない。

溝３７ａ、３７ｃ、３８ｂ、３８ｄには、導電材３９（黒点で示す）が、溝３７ｂ、３７ｄ、３８ａ、３８ｃには、絶縁材４０がそれぞれ充填されている。導電材３９および絶縁材４０は、溝３７ａ〜３７ｄ、３８ａ〜３８ｄの底部で内部電極３３ａ〜３３ｄの両端に接触している。

ここで、積層構造体３４の積層方向に平行な軸をＺ軸、積層方向に垂直且つ両側面３５ａ、３５ｂに平行な軸をＸ軸、積層方向に垂直且つ両側面３５ａ、３５ｂに垂直な軸をＹ軸とすると、導電材３９および絶縁材４０の空間的な配置は、積層構造体３４の中心点Ｏを通るＸ軸に平行な直線Ｌ_Ｘに関して軸対称となっており、且つ中心点Ｏを通るＹＺ平面に平行な平面Ｐ_ＹＺに関して面対称となっている。

導電材３９には、導電性樹脂、例えば、商品名ＸＡ−９１０（藤倉化成株式会社製）、商品名Ｈ２０Ｓ（Epoxy Technology社製）、商品名ドーデンド０５０（日本ハンダ株式会社製）など、あるいは、銀ペースト、例えば、商品名ＴＣ−３７００（日立化成工業株式会社製）が用いられている。

絶縁材４０には、絶縁性樹脂、例えば、商品名Ｅｐｏ−Ｔｅｋ３０１−２ＦＬ、３１０、３３０（Epoxy Technology社製）などに、絶縁性粉末、例えば、中心粒径５μｍ以下のジルコニア粉末を６０〜８０ｗｔ％混合したものが用いられている。これにより、導電材３９と絶縁材４０とは、ヤング率、剛性率、およびポワソン比が略同一で、且つ音響インピーダンスが略同一となっている。また、上記のような混合比とすることにより、絶縁性粉末の沈降が起こりにくく、絶縁性粉末が全体的に分散した絶縁材４０を得ることができる。なお、絶縁性粉末としては、上記で挙げたジルコニア粉末の他に、アルミナやタングステンカーバイド（WC₂）を用いてもよい。また、粉末の中心粒径は、超音波プローブ２の使用周波数帯域に応じて変更する必要があり、例えば、３〜１０ＭＨｚ程度の使用周波数帯域では、上記で挙げた５μｍ以下の粉末を用いることが好ましい。

ここで、導電材３９のヤング率は、日立化成株式会社製ＴＣ−３７００を例に挙げると、３．６ＧＰａである。また、絶縁材４０は、ガラス転移温度以下における一般的なエポキシ樹脂の値を例に挙げると、ヤング率３．０ＧＰａ、ポアソン比０．３０〜０．３５である。一方、圧電体３０ａ〜３０ｅは、商品名Ｃ−９１Ｈ（株式会社富士セラミックス製）を例に挙げると、ヤング率５５．０ＧＰａ、ポアソン比０．３２である。なお、導電材３９および絶縁材４０の硬度は、硬化条件（温度、時間など）を変化させることで調整することも可能である。

側面電極３６ａは、側面３５ａ側に露出した裏面電極３２の端面から、溝３７ａに充填された導電材３９までを覆っている。側面電極３６ｂは、側面３５ｂ側に露出した表面電極３１の端面から、溝３８ｄに充填された導電材３９までを覆っている。

側面電極３６ａは、裏面電極３２、および溝３７ａ、３７ｃに充填された導電材３９を介して内部電極３３ａ、３３ｃを電気的に接続し、溝３７ｂ、３７ｄに充填された絶縁材４０により内部電極３３ｂ、３３ｄから絶縁されている。また、側面電極３６ｂは、表面電極３１、および溝３８ｂ、３８ｄに充填された導電材３９を介して内部電極３３ｂ、３３ｄを電気的に接続し、溝３８ａ、３８ｃに充填された絶縁材４０により内部電極３３ａ、３３ｃから絶縁されている。これにより、表面電極３１と内部電極３３ｂ、３３ｄ、および裏面電極３２と内部電極３３ａ、３３ｃは、それぞれ等電位となり、圧電体３０ａ〜３０ｄの分極状態に見合った電圧が印加される。なお、表面電極３１は、他の超音波トランスデューサ１２の表面電極３１に繋がれる共通電極であり、裏面電極３２は、超音波トランスデューサ１２を個別に駆動させるための個別電極である。

以下、図４〜図６の（Ａ）〜（Ｅ）を参照して、超音波トランスデューサ１２の作製手順を説明する。まず、図４（Ａ）に示すように、圧電体３０ａ〜３０ｄ、および表面、裏面電極３１、３２、内部電極３３ａ〜３３ｄを積層し、積層構造体３４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導電ペーストを積層して焼結させる方法が採用されている。

次に、（Ｂ）に示すように、側面３５ａに露出した内部電極３３ａ、３３ｃの端面、および側面３５ｂに露出した内部電極３３ｂ、３３ｄの端面に、溝３７ａ、３７ｃ、および溝３８ｂ、３８ｄを形成する。これらの溝３７ａ、３７ｃ、３８ｂ、３８ｄは、フッ化水素やリン酸などによるウエットエッチング、六フッ化硫黄（SF₆）などによる反応性ドライエッチング、マイクロドリル、ダイシングソーなどの各種方法が適宜選択されて形成される。

続いて、図５（Ｃ）に示すように、（Ｂ）で形成した溝３７ａ、３７ｃ、３８ｂ、３８ｄに、ディスペンサーなどを用いて導電材３９を充填する。そして、溝３７ａ、３７ｃ、３８ｂ、３８ｄからはみ出た余分な導電材３９を研磨して取り除いた後、（Ｄ）に示すように、（Ｂ）の場合と同様の方法で、側面３５ａに露出した内部電極３３ｂ、３３ｄの端面、および側面３５ｂに露出した内部電極３３ａ、３３ｃの端面に、溝３７ｂ、３７ｄ、および溝３８ａ、３８ｃを形成する。

次いで、図６（Ｅ）に示すように、（Ｄ）で形成した溝３７ｂ、３７ｄ、３８ａ、３８ｃに、導電材３９の場合と同様にディスペンサーなどを用いて絶縁材４０を充填し、はみ出た余分な絶縁材４０を研磨して取り除く。その後、側面３５ａ、３５ｂに、スパッタリングや蒸着（Pt/Ti、Au/Ni/Cr薄膜を用いる場合）、あるいは塗布・焼結（銀ペーストを用いる場合）により、側面電極３６ａ、３６ｂを成膜し、図３に示す超音波トランスデューサ１２を得る。このようにして作製した超音波トランスデューサ１２を、チップアライナーなどで所定のピッチで台座１１上に載置し、超音波トランスデューサアレイ１０を完成させる。

体腔内の超音波画像を取得する際には、超音波プローブ２のシース１７を体腔内に挿入し、内視鏡用モニタによりＣＣＤ１９で取得された光学画像を観測しながら、体腔内の被観察部位を探索する。そして、体腔内の被観察部位に先端２ａが到達し、超音波画像を取得する指示がなされると、超音波トランスデューサ１２には、表面電極３１と内部電極３３ｂ、３３ｄと側面電極３６ｂ側が＋、裏面電極３２と内部電極３３ａ、３３ｃと側面電極３６ａ側が−となるように規定の電圧が印加される。これにより、圧電体３０ａ〜３０ｄが励振され、音響整合層１４および音響レンズ１５を介して、被観察部位に超音波が発せられる。

超音波の照射後、被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１２で受信される。この超音波の照射、およびエコー信号の受信は、駆動する超音波トランスデューサ１２を電子スイッチによりずらしながら繰り返し行われる。これにより、被被観察部位に超音波が走査され、得られたエコー信号から超音波画像が生成される。生成された超音波画像は、超音波用モニタに表示される。また、光学画像または超音波画像が観測されながら、必要に応じて穿刺針２０が操作され、被被観察部位の組織が採取される。

以上、詳細に説明したように、超音波プローブ２は、両側面３５ａ、３５ｂに露出した内部電極３３ａ〜３３ｄの端面に形成された溝３７ａ〜３７ｄ、３８ａ〜３８ｄに、機械的、音響的特性が略同一な導電材３９および絶縁材４０を充填してなる積層型圧電素子を超音波トランスデューサ１２として用いたので、幾何学的、機械的な対称性を均一にすることができ、圧電性能を向上させることが可能となる。

直接内部電極の端面に側面電極を接触させる従来の場合と比べて、内部電極３３ａ〜３３ｄと側面電極３６ａ、３６ｂとの接触面積を大きくとることができる。このため、内部電極３３ａ〜３３ｄの厚みを薄くすることができ、これにより圧電体３０ａ〜３０ｄのＺ軸方向の振動が内部電極３３ａ〜３３ｄによって抑制されることが少なくなる。また、内部電極３３ａ〜３３ｄと側面電極３６ａ、３６ｂとの接触抵抗が低減され、低電圧駆動を実現することができる。

さらに、導電材３９および絶縁材４０により側面３５ａ、３５ｂでの濡れ性が改善されるので、側面電極３６ａ、３６ｂに銀ペーストなどの比較的柔らかい材料を使用することができ、圧電体３０ａ〜３０ｄのＺ軸方向の振動の抑制をさらに低減させることが可能となる。したがって、電機−機械結合係数ｋ３３（Ｚ軸方向の振動変換効率を表す係数）の低下が抑えられる。

なお、超音波トランスデューサとしては、上記実施形態で例示したものに限らず、例えば、図７〜図９に示す超音波トランスデューサ５０、６０、７０を用いてもよい。これらの超音波トランスデューサ５０、６０、７０は、積層構造体３４、溝３７ａ〜３７ｄ、３８ａ〜３８ｄの構造、等電位となる電極の組み合わせは超音波トランスデューサ１２と同様であるが、導電材３９および絶縁材４０の空間的な配置と側面電極の形状が超音波トランスデューサ１２と異なる。

図７に示す超音波トランスデューサ５０は、溝３７ａ〜３７ｄ、３８ａ〜３８ｄに、導電材３９および絶縁材４０が丁度半分ずつ、Ｚ軸方向に並べて充填されている。導電材３９および絶縁材４０の空間的な配置は、直線Ｌ_Ｘに関して軸対称となっており、且つ中心点Ｏを通るＸＹ平面に平行な平面Ｐ_ＸＹ、およびＸＺ平面に平行な平面Ｐ_ＸＺに関して面対称となっている。

側面電極５１ａは、側面３５ａ側に露出した裏面電極３２の端面、溝３７ｄの絶縁材４０、溝３７ｃの導電材３９、溝３７ｂの絶縁材４０、および溝３７ａの導電材３９の中央部分にそれぞれ接触するように、棒状に屈曲して形成されている。また、側面電極５１ｂは、図示はしていないが、側面３５ｂ側に露出した表面電極３１の端面、溝３８ａの絶縁材４０、溝３８ｂの導電材３９、溝３８ｃの絶縁材４０、および溝３８ｄの導電材３９の中央部分にそれぞれ接触するように、棒状に屈曲して形成されている。

図８に示す超音波トランスデューサ６０は、溝３７ａ〜３７ｄ、３８ａ〜３８ｄに、導電材３９および絶縁材４０が丁度半分ずつ、Ｚ軸方向に交互に充填されている。導電材３９および絶縁材４０の空間的な配置は、直線Ｌ_Ｘ、およびＹ軸に平行な直線Ｌ_Ｙに関して軸対称となっており、且つ平面Ｐ_ＸＺに関して面対称となっている。

側面電極６１ａは、側面３５ａ側に露出した裏面電極３２の端面、溝３７ｄの絶縁材４０、溝３７ｃの導電材３９、溝３７ｂの絶縁材４０、および溝３７ａの導電材３９の中央部分にそれぞれ接触するように、棒状に形成されている。また、側面電極６１ｂは、図示はしていないが、側面３５ｂ側に露出した表面電極３１の端面、溝３８ａの絶縁材４０、溝３８ｂの導電材３９、溝３８ｃの絶縁材４０、および溝３８ｄの導電材３９の中央部分にそれぞれ接触するように、棒状に形成されている。

図９に示す超音波トランスデューサ７０は、導電材３９および絶縁材４０の空間的な配置が超音波トランスデューサ６０の場合と同様となっており、直線Ｌ_Ｘ、およびＬ_Ｙに関して軸対称、且つ平面Ｐ_ＸＺに関して面対称となっている。

側面電極７１ａは、側面３５ａ側に露出した裏面電極３２の端面、溝３７ｄの絶縁材４０、溝３７ｃの導電材３９、溝３７ｂの絶縁材４０、および溝３７ａの導電材３９の中央部分にそれぞれ接触するように、棒状に形成されている。また、側面電極７１ｂは、側面３５ａ側に露出した表面電極３１の端面、溝３７ａの絶縁材４０、溝３７ｂの導電材３９、溝３７ｃの絶縁材４０、および溝３７ｄの導電材３９の中央部分にそれぞれ接触するように、棒状に形成されている。なお、側面３５ｂには、幾何学的な対称性を維持するために、側面電極７１ａ、７１ｂと同様のダミー電極７２ａ、７２ｂ（７２ａは不図示）が設けられている。

超音波トランスデューサ５０、６０、７０の作製にあたっては、まず、溝３７ａ〜３７ｄ、３８ａ〜３８ｄを同時に形成し、これらに導電材３９および絶縁材４０を交互に充填していく。その他は、超音波トランスデューサ１２の作製と同様の手順で行う。

このように、本発明では、幾何学的な対称性が崩れず、等電位となる電極同士が側面電極で接続される限りは、導電材３９および絶縁材４０の空間的な配置を如何様に変更してもよい。また、溝についても、幾何学的な対称性を保つものであれば、内部電極の端面全体に限らず、一部であっても構わない。

上記実施形態では、複数の超音波トランスデューサ１２をアレイ状に配列し、駆動する超音波トランスデューサ１２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２を例示して説明したが、単体の超音波トランスデューサを回転、揺動、あるいはスライドさせて超音波を走査するメカニカルスキャン機構を備えた超音波プローブについても適用することができる。

さらに、本発明は、上記実施形態で例示した超音波トランスデューサ１２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や、自動車のエンジンの燃料噴射調整バルブ用アクチュエータに適用することも可能である。

超音波プローブの先端の構造を示す拡大断面図である。 超音波プローブの先端の構造を示す平面図である。 超音波トランスデューサの構成を示す斜視図である。 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、積層構造体を作製した状態、（Ｂ）は、導電材を充填するための溝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の作製手順を示す図であり、（Ｃ）は、溝に導電材を充填した状態、（Ｄ）は、絶縁材を充填するための溝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の作製手順を示す図であり、（Ｅ）は、溝に絶縁材を充填した状態を示す。 超音波トランスデューサの別の実施形態を示す斜視図である。 超音波トランスデューサの別の実施形態を示す斜視図である。 超音波トランスデューサの別の実施形態を示す斜視図である。

符号の説明

２ 超音波プローブ
１０ 超音波トランスデューサアレイ
１２、５０、６０、７０ 超音波トランスデューサ
３０ａ〜３０ｄ 圧電体
３１、３２ 表面、裏面電極
３３ａ〜３３ｄ 内部電極
３４ 積層構造体
３５ａ、３５ｂ 側面
３６ａ、３６ｂ、５１ａ、５１ｂ、６１ａ、６１ｂ、７１ａ、７１ｂ 側面電極
３７ａ〜３７ｄ、３８ａ〜３８ｄ 溝
３９ 導電材
４０ 絶縁材

Claims (9)

1. 圧電体と電極とが交互に複数積層された積層構造体を有する積層型圧電素子において、
   前記積層構造体の対向する両側面に露出した、前記電極の端面に形成された溝と、
   前記溝に充填された導電材および絶縁材と、
   前記両側面のうち少なくとも一方の面に形成され、前記導電材を介して前記電極が一層おきに電気的に接続される側面電極とを備え、
   前記溝、前記導電材、および前記絶縁材は、これらが形成された前記積層構造体が幾何学的な対称性を持つように設けられ、
   前記導電材および前記絶縁材は、少なくとも一つの機械的特性が略同一であることを特徴とする積層型圧電素子。
2. 前記溝、前記導電材、および前記絶縁材は、前記積層構造体の積層方向に平行なＺ軸、前記積層方向に垂直且つ前記両側面に平行なＸ軸、および前記積層方向に垂直且つ前記両側面に垂直なＹ軸に平行な、前記積層構造体の中心点を通る３本の直線、
   並びに、ＸＹＺ３軸によるＸＹ平面、ＸＺ平面、およびＹＺ平面に平行な、前記中心点を通る３つの平面のいずれかに関して、軸対称、または面対称となるように設けられていることを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電素子。
3. 前記機械的特性は、ヤング率、剛性率、およびポワソン比を含み、これらのうちの少なくともいずれか一つが略同一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. 前記導電材および前記絶縁材は、少なくとも一つの音響的特性が略同一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. 前記音響的特性は、音響インピーダンスを含み、少なくとも音響インピーダンスが略同一であることを特徴とする請求項４に記載の積層型圧電素子。
6. 前記絶縁材は、絶縁性樹脂に絶縁性粉末を混合したものであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の積層型圧電素子。
7. 圧電体と電極とが交互に複数積層された積層構造体を有する積層型圧電素子の作製方法において、
   前記積層構造体の対向する両側面に露出した、前記電極の端面に溝を形成する工程と、
   少なくとも一つの機械的特性が略同一な導電材および絶縁材を前記溝に充填する工程と、
   前記両側面のうち少なくとも一方の面に、前記導電材を介して前記電極を一層おきに電気的に接続する側面電極を形成する工程とを備え、
   前記溝、前記導電材、および前記絶縁材を、これらが形成された前記積層構造体が幾何学的な対称性を持つように設けたことを特徴とする積層型圧電素子の作製方法。
8. 請求項１ないし６のいずれかに記載の積層型圧電素子を超音波トランスデューサとして用いたことを特徴とする超音波プローブ。
9. 前記超音波トランスデューサは、アレイ状に配列されてなることを特徴とする請求項８に記載の超音波プローブ。

Images