JP2010051546A - 超音波振動子およびそれを用いる超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波振動子において、線数を削減する。
【解決手段】無機の送信用圧電層Ｔおよび有機の受信用圧電層Ｒを積層して成る超音波振動子１において、２層の間の中間電極Ｐを個別電極とするとともに、受信用圧電層Ｒに各圧電素子Ａに個別の信号電極Ｑを、送信用圧電層Ｔに共通のＧＮＤ電極Ｓを形成する。そして、２つの圧電層Ｔ，Ｒの側面に、光照射の有無に応答して導通状態と遮断状態とに切換わる感光層ＯＰ１，ＯＰ２を形成するとともに、光源Ｌ１，Ｌ２を設け、制御回路２がそれらの光源Ｌ１，Ｌ２を送受信に応答して相反動作させる。したがって、（ａ）で示すように光源Ｌ１を点灯、光源Ｌ２を消灯させると、送信用圧電層Ｔを使用した送信動作が可能になり、（ｂ）で示すように光源Ｌ２を点灯、光源Ｌ１を消灯させると、受信用圧電層Ｒを使用した受信動作が可能になる。こうして、送受信で信号線を共用できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波診断装置に使用される超音波探触子（プローブ）における超音波振動子の改良に関する。

前記超音波診断装置は、超音波パルス反射法により、体表から生体内の軟組織の断層像を無侵襲に得る医療用画像機器である。この超音波診断装置は、他の医療用画像機器に比べ、小型で安価、Ｘ線などの被爆がなく安全性が高い、ドップラー効果を応用して血流イメージングが可能等、多くの特長を有し、循環器系（心臓の冠動脈）、消化器系（胃腸）、内科系（肝臓、膵臓、脾臓）、泌尿科系（腎臓、膀胱）、および産婦人科系などで広く利用されている。

このような医療用超音波診断装置に使用される超音波探触子は、高感度、高解像度の超音波の送受信を行うために、圧電振動子の圧電効果が一般的に利用される。さらに、画像の分解能や高精細さ、或いは、スペックルノイズの低減、アーチファクトの低減等には、前記圧電振動子の広帯域化が有用であり、そのような特性をもつ圧電振動子が望まれていた。そこで、広帯域な画像が得られるとして、特許文献１によるシリコンマイクロマシーニング技術を用いてシリコン半導体基板を加工した超音波トランスデューサ（Micromachined Ultrasonic Transducer（以下、ｃＭＵＴと称する））が注目を集めている。しかしながら、この従来技術は、複雑なアレイ製作をＭＥＭＳ（Micro Electro-Mechanical System ：超小型電気・機械システム）技術で達成できるものの、送受信感度が低いという問題点があった。同様に、圧電振動子として、前記ｃＭＵＴのようなセラミックに対して、ポリマーは受信帯域がさらに広いという特徴を有するものの、感度が低いという欠点を有しているので、この克服の技術が求められているが、良い方法が見つかっていなかった。

一方、高調波信号を用いた組織ハーモニックイメージング（ＴＨＩ）診断は、従来のＢモード診断では得られない鮮明な診断像が得られることから、標準的な診断モダリティとなりつつある。前記ハーモニックイメージングは、基本波に比較して、サイドローブレベルが小さいことで、Ｓ／Ｎが良く、コントラスト分解能が良くなること、周波数が高くなることでビーム幅が細くなり横方向分解能が良くなること、近距離では音圧が小さく、さらに音圧の変動が少ないので多重反射が起こらないこと、焦点以遠の減衰は基本波並みであり、高調波の超音波は基本波の超音波に比べ深速度を大きく取れること、という多くの利点を有している。

そこで、前記ハーモニックイメージング用のアレイ型超音波探触子の具体的な構造として、アレイを構成する各振動子エレメントが広帯域一体型の圧電振動子が用いられている。その広帯域特性の低周波側の領域で基本波送信を行い、高周波側の領域で高調波受信を行う方法が一般的に利用されている。このような状況下において、ハーモニック感度の向上を図る技術として特許文献２に記載されたものが知られている。これは、微細な柱状のセラミック圧電素子をエポキシ樹脂のような有機化合物で固めた振動子を超音波送受信素子として使用し、各柱状セラミックを縦振動を行なわせることによって、前記ハーモニック感度の向上を図ったものである。

また、他のハーモニックイメージング用アレイ型超音波探触子の具体的な構造として、特許文献３には、送信用圧電振動子と受信用圧電振動子とを別体配置とした送受信分離型探触子が提案されている。

さらにまた、特許文献４では、基本波を送信し、高調波を含む超音波を受信するのに、第１の音響インピーダンスを有する配列された複数の第１の圧電素子から成る中心周波数ｆ1の超音波の送受信を担う第１の圧電層に、第２の音響インピーダンスを有する配列された複数の第２の圧電素子から成り、前記第１の圧電層に重ねられた第２の圧電層を設けることが提案されている。すなわち、広い帯域を得る超音波送受信素子にするために、圧電セラミック素子を積層化し、見かけ上のインピーダンスを低下させて駆動回路との電気的な整合条件を良好にし、素子にかかる電界強度を大きくして大きな歪を発生させ、送信感度を向上させることが行われている。

前記のような従来の超音波探触子は、使用中心周波数ｆｏが予め設定されてしまうので、その周波数によって生体の診断深さが決まってしまい、前記診断深さに自由度がなく、制限を受けるという問題がある。このため、１〜５ＭＨｚの低周波の探触子は深部を、６〜１０ＭＨｚの周波数の探触子は中程度の深さを、１１〜２５ＭＨｚの高周波の探触子は生体の表面に近い部位を診断するという具合に、探触子を使い分けるのが定法となっていた。そこで、新規な取り組みとして、送信用にはＰＺＴのようなセラミック圧電素子を低周波に使用し、受信用にＰＶＤＦのような広帯域の有機圧電素子を高周波に利用する方法が提案された（非特許文献１，２）。
特開平１０−８５２２１号公報 特開２０００−３００５５９号公報 特開２００６−１９２０３１号公報 特開２００３−３０５０４３号公報 The Journal of the Acoustic Society of America --May 1998 Volume103、Issue 5, p.3041 「Study of compund structured ultrasonic tranducer made of PZT/PVDF」 Moor Joon Kim et. al. 「ＰＺＴ／ＰＶＤＦ多層構造の超音波複合圧電素子の研究」（中国南京大学音響学研究所の南京大学報：数学半年刊１９９９年５期頁６３６ー６３８）

しかしながら、前記特許文献４から非特許文献１，２の積層構造では、送信用の圧電層と受信用の圧電層とにそれぞれ電極を形成しなければならず、たとえば中間をベタの共用電極、上下の面にそれぞれ個別の電極を形成することになり、素子数Ｎに対して、２Ｎ＋１本の信号線が必要になる。したがって、線数が多くなるとともに、送信信号の受信信号へのクロストークが発生するという問題がある。

本発明の目的は、線数を削減することができるとともに、クロストークを防止することができる超音波振動子およびそれを用いる超音波診断装置を提供することである。

本発明の超音波振動子は、複数の圧電素子を有し、各圧電素子は送信用圧電層と受信用圧電層とを積層して成る超音波振動子において、前記送信用圧電層と受信用圧電層との対向面間および離反面に形成される電極と、素子分離された各圧電素子の側部において、前記２つの圧電層の何れかをバイパスするように設けられ、光照射の有無に応答して導通状態と遮断状態とに切換わる感光層と、前記感光層にそれぞれ臨む光源と、送受信に応答して、前記光源を点滅動作させる制御手段とを含むことを特徴とする。

上記の構成によれば、複数の圧電素子を有し、各圧電素子は送信に適した送信用圧電層と受信に適した受信用圧電層とを積層して成る超音波振動子において、２層の間および２層の外表面にそれぞれ形成される電極に対して、素子分離された各圧電素子の側部において、前記２つの圧電層の何れかをバイパスするように、光照射の有無に応答して導通状態と遮断状態とに切換わる感光層を設けるとともに、その感光層に光照射を行う光源に、送受信に応答して、前記光源を点滅動作させる制御手段を設ける。

したがって、２層積層の圧電素子において、２層のうちの少なくとも一方が感光層でバイパスされる場合が生じ、その際、前記送信用圧電層と受信用圧電層との間に設けられる電極が２つの離反面の電極の内のバイパスされた側と一体となる。これによって、その電極に接続されるべき信号線を送受信で共用して、線数を削減することができるとともに、送信信号の受信信号へのクロストークを防止し、Ｓ／Ｎを向上することができる。

また、本発明の超音波振動子は、１次元配列された複数の圧電素子を有し、各圧電素子は送信用圧電層と受信用圧電層とを積層して成る超音波振動子において、前記送信用圧電層と受信用圧電層との対向面間に形成され、前記各圧電素子に個別の中間電極と、前記送信用圧電層と受信用圧電層との内の一方で、離反面に形成され、前記各圧電素子に個別の信号電極と、前記送信用圧電層と受信用圧電層との内の他方で、離反面に形成され、前記各圧電素子に共通のＧＮＤ電極と、前記積層される２つの圧電層の一方の側面に形成され、前記複数の中間電極と信号電極とを個別に接続し、光照射の有無に応答して導通状態と遮断状態とに切換わる第１の感光層と、前記積層される２つの圧電層の他方の側面に形成され、前記中間電極とＧＮＤ電極とを共通に接続し、光照射の有無に応答して導通状態と遮断状態とに切換わる第２の感光層と、前記第１および第２の感光層にそれぞれ臨む第１および第２の光源と、送受信に応答して、前記第１および第２の光源を相反動作させる制御手段とを含むことを特徴とする。

上記の構成によれば、１次元配列された複数の圧電素子を有し、各圧電素子は送信に適した送信用圧電層と受信に適した受信用圧電層とを積層して成る超音波振動子において、通常、そのような１次元配列で２層積層の圧電素子の場合、送信用圧電層と受信用圧電層との対向面間に形成され（挟み込まれ）る中間電極は、ベタのＧＮＤ電極とされ、前記送信用圧電層と受信用圧電層との離反面にそれぞれ個別電極を形成し、送信電極および受信電極とされるところ、本願発明では、中間電極を個別電極とするとともに、前記送信用圧電層と受信用圧電層との内の一方の離反面に形成されるのは各圧電素子に個別の信号電極であるものの、他方に形成されるのを共通のＧＮＤ電極とする。そして、光照射の有無に応答して導通状態と遮断状態とに切換わり、前記積層される２つの圧電層の一方の側面には前記複数の中間電極と信号電極とを個別に接続する第１の感光層を形成し、他方の側面には前記中間電極とＧＮＤ電極とを共通に接続する第２の感光層を形成するとともに、それらの感光層にそれぞれ臨んで第１および第２の光源を設け、制御手段がそれら第１および第２の光源を送受信に応答して相反動作させる。

したがって、２層積層の圧電素子において、送信の際は受信用圧電層が第１および第２の感光層の一方で短絡され、受信の際は送信用圧電層が第１および第２の感光層の他方で短絡され、その短絡された層の両面の電極が一体となる。これによって、前記信号電極に接続されるべき信号線を送受信で共用して、素子数Ｎに対して、Ｎ＋１本に線数を削減することができるとともに（第１および第２の光源への電源線は、これらの光源が超音波振動子の外部に設けられるため、問題にはならない）、送信信号の受信信号へのクロストークを防止し、Ｓ／Ｎを向上することができる。また、超音波振動子の電極および配線はメッキなどで形成され、剥離し易いのに対して、有機感光体などから成る第１および第２の感光層は、強固な固着ができ、かつ確実なスイッチングも可能である。

さらにまた、本発明の超音波振動子は、２次元配列された複数の圧電素子を有し、各圧電素子は送信用圧電層と受信用圧電層とを積層して成る超音波振動子において、前記送信用圧電層と受信用圧電層とは、相互に異なる面積に形成されており、前記送信用圧電層と受信用圧電層との対向面間に形成され、前記各圧電素子に共通の第１の中間電極と、前記送信用圧電層と受信用圧電層との対向面側で、前記異なる面積による大面積側において、小面積側が重ならない部分に形成され、前記各圧電素子に個別の第２の中間電極と、前記送信用圧電層と受信用圧電層との内の小面積側の離反面に形成され、前記各圧電素子に個別の信号電極と、前記送信用圧電層と受信用圧電層との内の大面積側の離反面に形成され、前記各圧電素子に共通のＧＮＤ電極と、前記積層される２つの圧電層の内、前記小面積側の圧電層の側面に形成されて前記第２の中間電極と信号電極とを接続し、光照射の有無に応答して導通状態と遮断状態とに切換わる感光層と、前記感光層に臨む光源と、送受信に応答して、前記光源を点滅動作させる制御手段とを含むことを特徴とする。

上記の構成によれば、２次元配列された複数の圧電素子を有し、各圧電素子は送信に適した送信用圧電層と受信に適した受信用圧電層とを積層して成る超音波振動子において、前記送信用圧電層と受信用圧電層とを相互に異なる面積に形成しておき、それらの間に共通電極となる第１の中間電極を形成するとともに、はみ出た部分に個別電極となる第２の中間電極を形成し、さらに前記送信用圧電層と受信用圧電層との内の小面積側の離反面に各圧電素子に個別の信号電極を形成し、大面積側の離反面に共通のＧＮＤ電極を形成する。そして、積層される２つの圧電層の内、前記小面積側の圧電層の側面（段差、隙間）に、前記第２の中間電極と信号電極とを接続し、光照射の有無に応答して導通状態と遮断状態とに切換わる感光層を形成するとともに、その感光層に臨んで光源を設け、制御手段がその光源を送受信に応答して点滅動作させる。

したがって、２層積層の圧電素子において、送信または受信の一方の際は、信号電極とＧＮＤ電極となる第１の中間電極との間の小面積の圧電層が使用され、他方の際は前記小面積の圧電層が感光層でバイパスされて、信号電極と第２の中間電極とが接続され、該第２の中間電極とＧＮＤ電極との間の大面積の圧電層が使用される。これによって、前記信号電極に接続されるべき信号線を送受信で共用して、素子数Ｎに対して、Ｎ＋２本に線数を削減することができるとともに（光源への電源線は、光源が超音波振動子の外部に設けられるため、問題にはならない）、送信信号の受信信号へのクロストークを防止し、Ｓ／Ｎを向上することができる。また、超音波振動子の電極および配線はメッキなどで形成され、剥離し易いのに対して、有機感光体などから成る第１および第２の感光層は、強固な固着ができ、かつ確実なスイッチングも可能である。

また、本発明の超音波振動子では、前記のＧＮＤ電極は、透明電極から成り、該透明電極側から、前記光源から感光層への光を導入することを特徴とする。

上記の構成によれば、ＧＮＤ電極を、ＩＴＯなどの透明電極で形成することで、多数が２次元配列される各圧電素子の感光層へ、光源からの光を確実に導入することができ、スイッチ動作を確実に行わせることができる。

さらにまた、本発明の超音波振動子では、前記送信用圧電層は、下層（生体とは反対）側に設けられて狭帯域送信特性を持つ無機圧電層であり、前記受信用圧電層は、上層（生体）側に設けられて広帯域の受信特性を持つ有機圧電層であることを特徴とする。

上記の構成によれば、送信用圧電層を大パワーの超音波を送信可能な送信に適したものとし、受信用圧電層を生体で生じた高調波まで受信可能な受信に適したものとすることができる。

また、本発明の超音波振動子では、前記感光層は、電荷発生物質を含有し、前記電荷発生物質としては、フタロシアニン顔料またはペリレン顔料であることを特徴とする。

上記の構成によれば、繰返し使用に伴う残留電位増加を最も小さくできる。

さらにまた、本発明の超音波振動子は、前記感光層において、前記電荷発生物質の分散媒体として、ホルマール樹脂、ブチラール樹脂、シリコーン樹脂、シリコーン変性ブチラール樹脂またはフェノキシ樹脂を用いることを特徴とする。

上記の構成によれば、前記電荷発生物質の感光層への分散媒体としてバインダーを用いるにあたって、これらの樹脂を用いることで、繰返し使用に伴う残留電位増加を最も小さくすることができる。

また、本発明の超音波診断装置は、前記の超音波振動子を超音波探触子に用いることを特徴とする。

上記の構成によれば、超音波探触子の線数を削減することができるとともに、クロストークも防止することができる超音波診断装置を実現することができる。

本発明の超音波振動子およびそれを用いる超音波診断装置は、以上のように、複数の圧電素子を有し、各圧電素子は送信に適した送信用圧電層と受信に適した受信用圧電層とを積層して成る超音波振動子において、２層の間および２層の外表面にそれぞれ形成される電極に対して、素子分離された各圧電素子の側部において、前記２つの圧電層の何れかをバイパスするように、光照射の有無に応答して導通状態と遮断状態とに切換わる感光層を設けるとともに、その感光層に光照射を行う光源に、送受信に応答して、前記光源を点滅動作させる制御手段を設ける。

それゆえ、２層積層の圧電素子において、２層のうちの少なくとも一方が感光層でバイパスされる場合が生じ、その際、前記送信用圧電層と受信用圧電層との間に設けられる電極が２つの離反面の電極の内のバイパスされた側と一体となる。これによって、その電極に接続されるべき信号線を送受信で共用して、線数を削減することができるとともに、送信信号の受信信号へのクロストークも防止することができる。

［実施の形態１］
図１〜図４は、本発明の実施の一形態に係る超音波振動子１の斜視図であり、図１は完成状態、図２および図３は作成途中の状態を示し、図４は動作状態を示し、図１〜図３の（ａ）ならびに図４の（ａ）および（ｂ）は一方の（正面）側から見た図であり、図１〜図３の（ｂ）は他方の（裏面）側から見た図である。なお、図面の簡略化のために、接着層は省略してある。

この超音波振動子１は、１次元配列された複数の圧電素子Ａ１，Ａ２，・・・（総称するときは、以下参照符号Ａで示す）を有し、各圧電素子Ａは送信用圧電層Ｔと受信用圧電層Ｒとを積層して成る。前記送信用圧電層Ｔは、下層（生体とは反対）側に設けられて狭帯域送信特性を持つ無機圧電層であり、前記受信用圧電層Ｒは、上層（生体）側に設けられて広帯域の受信特性を持つ有機圧電層である。こうして、送信用圧電層Ｔを大パワーの超音波を送信可能な送信に適したものとし、受信用圧電層Ｒを生体で生じた高調波まで受信可能な受信に適したものとしている。

そして、送信用圧電層Ｔの下層には、不要反射によるアーティファクトを低減する目的でバッキング層Ｂが設けられており、また受信用圧電層Ｒの上層には、図示していないが、生体と圧電素子との音響インピーダンスの整合を行う音響整合層に、生体に等しい音響インピーダンスを有し、音響ビームを絞り込む音響レンズが設けられている。また、図面の簡略化のために電気配線は省略している。

注目すべきは、この超音波振動子１では、前記送信用圧電層Ｔと受信用圧電層Ｒとの対向面間に、前記各圧電素子Ａに個別の中間電極Ｐが形成され（挟み込まれ）、前記送信用圧電層Ｔと受信用圧電層Ｒとの内の一方で、離反面（図１〜４の例では受信用圧電層Ｒの上面側）に、前記各圧電素子Ａに個別の信号電極Ｑが形成され、前記送信用圧電層Ｔと受信用圧電層Ｒとの内の他方で、離反面（図１〜４の例では送信用圧電層Ｔの下面側）に、前記各圧電素子Ａに共通のＧＮＤ電極Ｓが形成されるとともに、前記積層される２つの圧電層Ｒ，Ｔの一方の側面（図１〜４の例では上層側の受信用圧電層Ｒの一方の側面）に、複数の前記中間電極Ｐと信号電極Ｑとを個別に接続し、光照射の有無に応答して導通状態と遮断状態とに切換わる第１の感光層ＯＰ１が形成され、前記積層される２つの圧電層Ｒ，Ｔの他方の側面（図１〜４の例では下層側の送信用圧電層Ｔの他方の側面）に、前記中間電極ＰとＧＮＤ電極Ｓとを共通に接続し、光照射の有無に応答して導通状態と遮断状態とに切換わる第２の感光層ＯＰ２が形成されることである。また、これに対応して、前記第１および第２の感光層ＯＰ１，ＯＰ２にそれぞれ臨む第１および第２の光源Ｌ１，Ｌ２と、送受信に応答して、前記第１および第２の光源ＯＰ１，ＯＰ２を相反動作させる制御回路２が設けられている。

この超音波振動子１の作成手順は、先ず図２を参照して、担持材となるとともに、送信用圧電層Ｔから背面側へ放射された超音波の吸収特性を有するバッキング層Ｂ上から一方の側面側にかけて、ＧＮＤ電極Ｓとなる電極層が蒸着または塗布によって形成される。なお、このようにバッキング層Ｂの２面に共有電極層（ＧＮＤ電極Ｓ）を設けるのではなく、導電性バッキングを用いてもよい。

次に、前記バッキング層Ｂ上の部分に無機の送信用圧電層Ｔが積層され、さらに前記中間電極Ｐとなる電極層が蒸着または塗布によって形成された後、バッキング層ＢにかからないようにＹ方向（図の左右方向）にダイシング加工され、前記送信用圧電層Ｔおよびその上に貼付けられた中間電極Ｐが、前記圧電素子Ａ毎に個別に切出されて素子分離が行われる。

続いて、ダイシングによって形成された溝内に、樹脂などの素子間充填材Ｖが埋込まれて各圧電素子Ａ間の音響結合が遮断（クロストーク等の相互干渉が低減）された後、高誘電率薄層接着層を介して受信用圧電層Ｒが接着され、さらにその上に、前記信号電極Ｑがマスク形成されて図２の状態となる。前記素子間充填材Ｖとしては、ポリイミド樹脂やエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂等を用いることができる。

さらに、印刷法などを用いて、前記送信用圧電層Ｔの側面に第２の感光層ＯＰ２および受信用圧電層Ｒの側面に第１の感光層ＯＰ１が塗布形成され、図３の状態となる。その後、圧電層Ｒ，Ｔの一方の側面（第１の感光層ＯＰ１側）に絶縁および透光のために透明樹脂Ｍ１が塗布され、他方の側面（第２の感光層ＯＰ２側）では、バッキング層Ｂから前記第２の感光層ＯＰ２までの部分には透明樹脂Ｍ２が塗布され、その上の受信用圧電層Ｒの部分には遮光樹脂Ｎが塗布され、図１の状態となる。

前記第１および第２の感光層ＯＰ１，ＯＰ２は、電荷発生物質（ＣＧＭ）を含有し、前記ＣＧＭとしては、フタロシアニン顔料、アゾ顔料、ペリレン顔料、アズレニウム顔料などを用いることができる。これらの中で、繰返し使用に伴う残留電位増加を最も小さくできるＣＧＭは、複数の分子間で安定な凝集構造をとり得る立体、電位構造を有するものであり、具体的には、特定の結晶構造を有するフタロシアニン顔料、ペリレン顔料のＣＧＭが挙げられる。たとえば、Ｃｕ−Ｋα線に対するブラッグ角２θが２７．２°にピークを有するベンズイミダゾールペリレン等のＣＧＭは、繰返し使用に伴う劣化が殆どなく、残留電位増加を小さくすることができる。

そして、このＣＧＭの感光層への分散媒体としてバインダーを用いる場合、そのバインダーとしては公知の樹脂を用いることができるが、最も好ましい樹脂としては、ホルマール樹脂、ブチラール樹脂、シリコーン樹脂、シリコーン変性ブチラール樹脂、フェノキシ樹脂等が挙げられる。バインダー樹脂とＣＧＭとの割合は、バインダー樹脂１００質量部に対して、ＣＧＭ２０〜６００質量部が好ましい。これらの樹脂を用いることで、繰返し使用に伴う残留電位増加を最も小さくすることができる。

その後は、図示していないが、該超音波振動子１は、バッキング層Ｂ側が放熱性の良好な基板に搭載されるとともに、その何れか一方の側面にフレキシブルプリント基板が貼付けられて、そのパターンと各信号電極Ｑとの間がワイヤボンディングされる。また、前記透明樹脂Ｍ１，Ｍ２上に導光部材が貼付けられ、その端部に前記光源Ｌ１，Ｌ２が取付けられ、或いは、面発光する発光ダイオードなどが光源Ｌ１，Ｌ２として透明樹脂Ｍ１，Ｍ２上に貼付けられる。

前記送信用圧電層Ｔには、前記無機圧電材料の中でも、電気エネルギーを超音波振動エネルギーに変換する変換効率の高いセラミック圧電材料が好ましく、しかも近年は鉛を含まないものが推奨され、いわゆるＰＺＴ、水晶、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、ニオブ酸タンタル酸カリウム（Ｋ（Ｔａ，Ｎｂ）Ｏ_３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）およびチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）等を好適に用いることができる。或いは、酸化ニオブ(Ｎｂ_２Ｏ_５）と水酸化カリウム（ＫＯＨ）とを用い、１５０〜２００℃に加熱する水熱合成法によって、ＫＮｂＯ_３の高品質粉末を得る技術が提案されており（たとえば特開２００４−２８４８８９号公報参照）、このような材料も採用可能である。この系統は、化学式で（Ｋ、Ｌｉ、Ｎａ）（Ｎｂ、Ｔａ）Ｏ_３と表される。これらの音響インピーダンスは、２０〜５０（Ｍｒａｌｙｓ）の範囲にあり、比較的高い音響インピーダンスを持ち、好適である。

一方、受信用圧電層Ｒには、セラミック材料も使用可能ではあるが、前記有機圧電材料が好適である。中でも、ＰＶＤＦのような有機圧電素子が好適である。有機圧電素子は、音響インピーダンスが低いので、前記音響整合層を設けないでもよいという利点を有する。前記ＰＶＤＦとしては、トリ弗化エチレンを２５モル％、弗化ビニリデンを７５モル％含有する共重合体が好ましく、有機の圧電素子として高い圧電特性が得られ、広帯域でもある。また、前記ＰＶＤＦの代わりに、好ましい態様の１つとして、ポリ尿素を挙げることができる。ポリ尿素用のポリマーとして、一般式として（−ＮＨ−Ｒ−ＣＯ−）ｎの構造を示すことができるが、ここでＲが任意の置換基で置換されてもよく、アルキレン基、フェニレン基、２価のヘテロ環基、ヘテロ環基を含んでいてもよい。ポリ尿素は尿素誘導体とその他のモノマーとの共重合体であってもよい。好ましいポリ尿素として、４，４’−ジアミノジフェニルメタン（ＭＤＡ）と、４．４’−ジフェニルメタンジイソシアナート（ＭＤＩ）を使用する芳香族ポリ尿素を挙げることができる。

上述のように後述することで、図４（ａ）で示すように、制御回路２が光源Ｌ１を点灯させ、光源Ｌ２を消灯させると、第１の感光層ＯＰ１が導通して受信用圧電層Ｒのバイパス経路ＲＢが形成され、第２の感光層ＯＰ２が遮断して、中間電極Ｐは信号電極Ｑと一体となり、該中間電極ＰとＧＮＤ電極Ｓとの間に電圧を印加し、送信用圧電層Ｔを使用した送信動作が可能になる。

これに対して、図４（ｂ）で示すように、制御回路２が光源Ｌ２を点灯させ、光源Ｌ１を消灯させると、第２の感光層ＯＰ２が導通して送信用圧電層Ｔのバイパス経路ＴＢが形成され、第１の感光層ＯＰ１が遮断して、中間電極ＰはＧＮＤ電極Ｓと一体となり、該中間電極Ｐと信号電極Ｑとの間に発生した電圧を検知し、受信用圧電層Ｒを使用した受信動作が可能になる。

ここで、１次元配列された複数の圧電素子Ａを有し、各圧電素子Ａは送信に適した送信用圧電層Ｔと受信に適した受信用圧電層Ｒとを積層して成る超音波振動子において、通常、そのような１次元配列で２層積層の圧電素子の場合、送信用圧電層と受信用圧電層との対向面間に形成され（挟み込まれ）る中間電極は、ベタのＧＮＤ電極とされ、前記送信用圧電層と受信用圧電層との離反面にそれぞれ個別電極を形成し、送信電極および受信電極とされ、素子数Ｎに対して、線数は２Ｎ＋１本になる。或いは、線数を削減しようとすると複雑な切換え装置を要し、製造に複雑な工程を要し、生産性とコストとの両面に問題があり、さらに上手く生産できたとしても、送受信線間やスイッチング信号線に、干渉によるＳ／Ｎ劣化が生じる可能性がある。さらにまた、超音波振動子の電極および配線はメッキなどで形成され、剥離し易い。

これに対して、本実施の形態では、中間電極Ｐを個別電極とするとともに、前記受信用圧電層Ｒの離反面に形成されるのは各圧電素子Ａに個別の信号電極Ｑであるものの、送信用圧電層Ｔの離反面に形成されるのを共通のＧＮＤ電極Ｓとする。そして、光照射の有無に応答して導通状態と遮断状態とに切換わり、前記積層される２つの圧電層Ｔ，Ｒの一方の側面には前記複数の中間電極Ｐと信号電極Ｑとを個別に接続する第１の感光層ＯＰ１を形成し、他方の側面には前記中間電極ＰとＧＮＤ電極Ｓとを共通に接続する第２の感光層ＯＰ２を形成するとともに、それらの感光層ＯＰ１，ＯＰ２にそれぞれ臨んで第１および第２の光源Ｌ１，Ｌ２を設け、制御回路２がそれら第１および第２の光源Ｌ１，Ｌ２を送受信に応答して相反動作させる。

したがって、２層積層の圧電素子Ｔ，Ｒにおいて、送信の際は受信用圧電層Ｒが第１の感光層ＯＰ１で短絡され、受信の際は送信用圧電層Ｔが第２の感光層ＯＰ２で短絡され、その短絡された層の両面の電極が一体となる。すなわち、本実施の形態は、有機感光体（ＯＰＣ）などによる光スイッチングを用いた送受信素子切換え構造を有する。これによって、前記信号電極Ｑに接続されるべき信号線を送受信で共用して、素子数Ｎに対して、Ｎ＋１本に線数を削減することができるとともに、送信信号の受信信号へのクロストークを防止し、Ｓ／Ｎを向上することができる。なお、第１および第２の光源Ｌ１，Ｌ２への電源線は、これらの光源Ｌ１，Ｌ２が超音波振動子１の外部に設けられるため、問題にはならない。また、有機感光体（ＯＰＣ）などから成る第１および第２の感光層ＯＰ１，ＯＰ２は、強固な固着ができ、かつ確実なスイッチングも可能である。さらにまた、このような超音波振動子１を超音波探触子に用いることで、超音波探触子の線数を削減することができるとともに、クロストークも防止することができる超音波診断装置を実現することができる。

また、前記第１および第２の感光層ＯＰ１，ＯＰ２は、電荷発生物質（ＣＧＭ）を含有する有機感光体から成り、前記電荷発生物質としては、フタロシアニン顔料またはペリレン顔料を用いるので、繰返し使用に伴う残留電位増加を最も小さくできる。さらにまた、前記第１および第２の感光層ＯＰ１，ＯＰ２において、前記電荷発生物質（ＣＧＭ）の分散媒体として、ホルマール樹脂、ブチラール樹脂、シリコーン樹脂、シリコーン変性ブチラール樹脂またはフェノキシ樹脂を用いるので、前記電荷発生物質の感光層ＯＰ１，ＯＰ２への分散媒体としてバインダーを用いるにあたって、これらの樹脂を用いることで、繰返し使用に伴う残留電位増加を最も小さくすることができる。

［実施の形態２］
図５〜図９は、本発明の実施の他の形態に係る超音波振動子１ａの斜視図であり、図５は完成状態、図６〜図８は作成途中の状態を示し、図９は動作状態を示す。注目すべきは、この超音波振動子１ａは、複数の圧電素子Ａ１１，Ａ１２；Ａ２１，Ａ２２（総称するときは、以下参照符号Ａａで示す）が２次元配列されていることで、前述の図１〜図４で示す超音波振動子１と同様の部分には、同じ参照符号に添字ａを付して示す。

したがって、前記２次元配列のために若干構造は複雑になっており、先ず図６（ａ）を参照して、Ｚ方向に貫通する信号線Ｈを有し、担持材となるとともに、送信用圧電層Ｔａから背面側へ放射された超音波の吸収特性を有するバッキング層Ｂａが用意される。そのバッキング層Ｂａ上に、図６（ｂ）で示すように、個別の信号電極Ｑａとなる電極層が蒸着または塗布によって形成される。次に、図６（ｃ）で示すように、前記個別電極Ｑａ上に無機の送信用圧電層Ｔａが積層され、さらに図６（ｄ）で示すように、バッキング層ＢａにかかるようにＹ方向（図の前後方向）にダイシング加工され、前記送信用圧電層Ｔａおよびその下層の個別電極Ｑａが、Ｘ方向に素子分離される。

ここで、図７（ａ）で示すように、前記Ｘ方向に素子分離された送信用圧電層Ｔａの片側に露出した信号電極Ｑａの電極面が樹脂Ｊなどで被服絶縁され、さらに前記ダイシングによって形成された溝内に、図７（ｂ）で示すように、感光層ＯＰａが埋込まれる。その後、図７（ｃ）で示すように、バッキング層ＢａにかかるようにＸ方向（図の左右方向）にもダイシング加工され、前記送信用圧電層Ｔａおよびその下層の個別電極Ｑａが、Ｙ方向にも素子分離され、前記各圧電素子Ａ１１，Ａ１２；Ａ２１，Ａ２２となる。続いて、図７（ｄ）で示すように、ダイシングによって形成された溝内に、樹脂などの素子間充填材Ｖａが埋込まれて各圧電素子Ａａ間の音響結合が遮断（クロストーク等の相互干渉が低減）される。

続いて、図８（ａ）で示すように、送信用圧電層Ｔａの共通のＧＮＤ電極となり、Ｙ方向に引回される第１の中間電極Ｐａ１と、後に積層される受信用圧電層Ｒａの個別電極となる第２の中間電極Ｐａ２とが、マスク形成される。前記第２の中間電極Ｐａ２は、ＩＴＯのような透明電極であることが好ましい。その後、必要に応じて、図８（ｂ）で示すように、各中間電極Ｐａ１，Ｐａ２間に樹脂Ｗなどが埋込まれて平滑化および短絡の防止が図られた後、図８（ｃ）で示すように、高誘電率薄層接着層を介して前記受信用圧電層Ｒａが接着され、さらにその上に、前記受信用圧電層Ｒａに共通のＧＮＤ電極Ｓａが形成されて図５の状態となる。

その後は、図示していないが、該超音波振動子１ａは、バッキング層Ｂａ側が放熱性の良好な基板に搭載されて前記各信号線Ｈが接続されるとともに、その何れか一方の側面にフレキシブルプリント基板が貼付けられて、そのパターンとＧＮＤとなる中間電極Ｐａ１およびＧＮＤ電極Ｑａが接続される。また、ＧＮＤ電極Ｓａ上に導光部材が貼付けられ、その端部に前記光源Ｌａが取付けられる。

上述のように後述することで、図９（ａ）で示すように、制御回路２ａが光源Ｌａを消灯させると、感光層ＯＰａが遮断して、第２の中間電極Ｐａ２はフローティングとなり、信号線Ｈから信号電極Ｑａと第１の中間電極Ｐａ１との間に電圧を印加し、送信用圧電層Ｔａを使用した送信動作が可能になる。

これに対して、図９（ｂ）で示すように、制御回路２ａが光源Ｌａを点灯させると、感光層ＯＰａが導通して信号電極Ｑａのバイパス経路ＱＢが形成され、第２の中間電極Ｐａ２は信号電極Ｑａと一体となり、該第２の中間電極Ｐａ２とＧＮＤ電極Ｓａとの間に発生した電圧を検知し、受信用圧電層Ｒａを使用した受信動作が可能になる。

このように本実施の形態では、送信用圧電層Ｔａと受信用圧電層Ｒａとを相互に異なる面積に形成しておき、それらの間に共通電極となる第１の中間電極Ｐａ１を形成するとともに、はみ出た部分に個別電極となる第２の中間電極Ｐａ２を形成し、さらに前記送信用圧電層Ｔａと受信用圧電層Ｒａとの内の小面積側の送信用圧電層Ｔａの離反面に各圧電素子Ａａに個別の信号電極Ｑａを形成し、大面積側の受信用圧電層Ｒａの離反面に共通のＧＮＤ電極Ｓａを形成する。そして、積層される２つの圧電層Ｔａ，Ｒａの内、前記小面積側の送信用圧電層Ｔａの側面（段差、隙間）に、前記第２の中間電極Ｐａ２と信号電極Ｑａとを接続し、光照射の有無に応答して導通状態と遮断状態とに切換わる感光層ＯＰａを形成するとともに、その感光層ＯＰａに臨んで光源Ｌａを設け、制御回路２ａがその光源Ｌａを送受信に応答して点滅動作させる。

したがって、２層積層の圧電素子Ａａにおいて、送信の際は、信号電極ＱａとＧＮＤ電極となる第１の中間電極Ｐａ１との間の小面積の送信用圧電層Ｔａが使用され、受信の際は前記小面積の送信用圧電層Ｔａが感光層ＯＰａでバイパスされて、信号電極Ｑａと第２の中間電極Ｐａ２とが接続され、該第２の中間電極Ｐａ２とＧＮＤ電極Ｓａとの間の大面積の受信用圧電層Ｒａが使用される。これによって、前記信号電極Ｑａに接続されるべき信号線Ｈを送受信で共用して、素子数Ｎに対して、Ｎ＋２本に線数を削減することができるとともに、送信信号の受信信号へのクロストークを防止し、Ｓ／Ｎを向上することができる。また、有機感光体（ＯＰＣ）などから成る感光層ＯＰａは、強固な固着ができ、かつ確実なスイッチングも可能である。さらにまた、２次元配列の圧電素子Ａａでは、ビームをＸ，Ｙの２軸方向に振ることができる。

本発明の実施の一形態に係る超音波振動子の完成状態を示す斜視図である。 前記超音波振動子の作成途中の状態を示す斜視図である。 前記超音波振動子の作成途中の状態を示す斜視図である。 前記超音波振動子の動作状態を示す斜視図である。 本発明の実施の他の形態に係る超音波振動子の完成状態を示す斜視図である。 図５で示す超音波振動子の作成途中の状態を示す斜視図である。 図５で示す超音波振動子の作成途中の状態を示す斜視図である。 図５で示す超音波振動子の作成途中の状態を示す斜視図である。 図５で示す超音波振動子の動作状態を示す斜視図である。

符号の説明

１，１ａ 超音波振動子
２，２ａ 制御回路
Ａ１，Ａ２，・・・圧電素子
Ａ１１，Ａ１２；Ａ２１，Ａ２２ 圧電素子
Ｂ，Ｂａ バッキング層
Ｊ，Ｗ 樹脂
Ｌ１ 第１の光源
Ｌ２ 第２の光源
Ｌａ 光源
Ｍ１，Ｍ２ 透明樹脂
Ｎ 遮光樹脂
ＯＰ１ 第１の感光層
ＯＰ２ 第２の感光層
ＯＰａ 感光層
Ｐ 中間電極
Ｐａ１ 第１の中間電極
Ｐａ２ 第２の中間電極
Ｑ，Ｑａ 信号電極
Ｒ，Ｒａ 受信用圧電層
Ｓ，Ｓａ ＧＮＤ電極
Ｔ，Ｔａ 送信用圧電層
Ｖ，Ｖａ 素子間充填材

Claims (8)

1. 複数の圧電素子を有し、各圧電素子は送信用圧電層と受信用圧電層とを積層して成る超音波振動子において、
   前記送信用圧電層と受信用圧電層との対向面間および離反面に形成される電極と、
   素子分離された各圧電素子の側部において、前記２つの圧電層の何れかをバイパスするように設けられ、光照射の有無に応答して導通状態と遮断状態とに切換わる感光層と、
   前記感光層にそれぞれ臨む光源と、
   送受信に応答して、前記光源を点滅動作させる制御手段とを含むことを特徴とする超音波振動子。
2. 前記複数の圧電素子は１次元配列されており、
   前記電極は、
   前記送信用圧電層と受信用圧電層との対向面間に形成され、前記各圧電素子に個別の中間電極と、
   前記送信用圧電層と受信用圧電層との内の一方で、離反面に形成され、前記各圧電素子に個別の信号電極と、
   前記送信用圧電層と受信用圧電層との内の他方で、離反面に形成され、前記各圧電素子に共通のＧＮＤ電極とを備えて構成され、
   前記感光層は、
   前記積層される２つの圧電層の一方の側面に形成され、前記複数の中間電極と信号電極とを個別に接続する第１の感光層と、
   前記積層される２つの圧電層の他方の側面に形成され、前記中間電極とＧＮＤ電極とを共通に接続する第２の感光層とを備えて構成され、
   前記光源は、前記第１および第２の感光層にそれぞれ臨む第１および第２の光源から成り、
   前記制御手段は、前記送受信に応答して、前記第１および第２の光源を相反動作させることを特徴とする請求項１記載の超音波振動子。
3. 前記複数の圧電素子は２次元配列され、前記送信用圧電層と受信用圧電層とは、相互に異なる面積に形成されており、
   前記電極は、
   前記送信用圧電層と受信用圧電層との対向面間に形成され、前記各圧電素子に共通の第１の中間電極と、
   前記送信用圧電層と受信用圧電層との対向面側で、前記異なる面積による大面積側において、小面積側が重ならない部分に形成され、前記各圧電素子に個別の第２の中間電極と、
   前記送信用圧電層と受信用圧電層との内の一方で、離反面に形成され、前記各圧電素子に個別の信号電極と、
   前記送信用圧電層と受信用圧電層との内の他方で、離反面に形成され、前記各圧電素子に共通のＧＮＤ電極とを備えて構成され、
   前記感光層は、前記積層される２つの圧電層の内、前記異なる面積による小面積側の圧電層の側面に形成されて前記第２の中間電極と信号電極とを接続することを特徴とする請求項１記載の超音波振動子。
4. 前記のＧＮＤ電極は、透明電極から成り、該透明電極側から、前記光源から感光層への光を導入することを特徴とする請求項３記載の超音波振動子。
5. 前記送信用圧電層は、下層側に設けられて狭帯域送信特性を持つ無機圧電層であり、前記受信用圧電層は、上層側に設けられて広帯域の受信特性を持つ有機圧電層であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波振動子。
6. 前記感光層は、電荷発生物質を含有し、前記電荷発生物質としては、フタロシアニン顔料またはペリレン顔料であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の超音波振動子。
7. 前記感光層において、前記電荷発生物質の分散媒体として、ホルマール樹脂、ブチラール樹脂、シリコーン樹脂、シリコーン変性ブチラール樹脂またはフェノキシ樹脂を用いることを特徴とする請求項６記載の超音波振動子。
8. 前記請求項１〜７のいずれか１項に記載の超音波振動子を超音波探触子に用いることを特徴とする超音波診断装置。

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