JP2024010877A - 振動子ユニット、超音波プローブ、装置及び振動子ユニットの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電素子が発振する超音波の周波数が高周波になっても、十分な出力が得られる振動子ユニットを提供する。【解決手段】振動子ユニット１０は、第１の振動子１ａと第１の振動子１ａと間隔を空けて配置された第２の振動子１ｂと、を有する。第１の振動子１ａは、第１の圧電素子３ａと、第１の圧電素子３ａの上に設けられた第１の音響整合部４ａと、を有する。第２の振動子１ｂは、第２の圧電素子３ｂと、第２の圧電素子３ｂの上に設けられた第２の音響整合部４ｂと、を有する。第１の圧電素子３ａと第２の圧電素子３ｂとの間隔Ｄ１が、１０μｍ以下であり、かつ、第１の音響整合部４ａ及び第２の音響整合部４ｂから遠ざかるにつれて狭くなることを特徴とする。【選択図】図３

Description

本開示は振動子ユニット、超音波プローブ、装置及び振動子ユニットの製造方法に関する。

超音波プローブは、複数の振動子を有する振動子ユニットを備える。複数の振動子は各々、圧電素子と音響整合部と、を含む。特許文献１及び特許文献２には、圧電素子及び音響整合部の形状を制御することにより、振動子が発振する超音波の指向性を向上させることが開示されている。

また、振動子ユニットが発生する超音波の周波数を高周波にすることによって、超音波プローブから得られる画像の分解能を高くできることが知られている。超音波の周波数を高周波にするためには、圧電素子のサイズを小さくする必要があることが知られている。

特開平２－２４６７００号公報 特開２００６－２７０７２５号公報

しかしながら、特許文献１及び特許文献２の開示に基いて圧電素子のサイズを小さくしようとすると、超音波の出力を十分に得られないことがあった。

上記課題を解決するための第１の態様は、第１の圧電素子と、前記第１の圧電素子の上に設けられた第１の音響整合部と、を有する第１の振動子と、第２の圧電素子と、前記第２の圧電素子の上に設けられた第２の音響整合部と、を有し、前記第１の振動子と間隔を空けて配置された第２の振動子と、を有する振動子ユニットであって、前記第１の圧電素子と前記第２の圧電素子との間隔Ｄ１が、１０μｍ以下であり、かつ、前記第１の音響整合部及び前記第２の音響整合部から遠ざかるにつれて狭くなることを特徴とする振動子ユニットである。

上記課題を解決するための第２の態様は、第１の圧電素子と、前記第１の圧電素子の上に設けられた第１の音響整合部と、を有する第１の振動子と、第２の圧電素子と、前記第２の圧電素子の上に設けられた第２の音響整合部と、を有し、前記第１の振動子と間隔を空けて配置された第２の振動子と、を有する振動子ユニットであって、前記振動子ユニットを側面視した際に、前記第１の音響整合部と前記第２の音響整合部が、矩形の間隔を空けて配置されており、前記第１の圧電素子と前記第２の圧電素子との間隔Ｄ１が、前記第１の音響整合部及び前記第２の音響整合部から遠ざかるにつれて狭くなることを特徴とする振動子ユニットである。

上記課題を解決するための第３の態様は、圧電素子部と、前記圧電素子部の上に設けられた音響整合材料と、を有する第１の部材をチャンバー内に設置する工程と、前記チャンバー内の圧力を大気圧より減圧させる工程と、波長３８０ｎｍ以下のレーザ光により前記第１の部材に溝を設け、第１の圧電素子と前記第１の圧電素子の上に設けられた第１の音響整合部とを有する第１の振動子と、第２の圧電素子と前記第２の圧電素子の上に設けられた第２の音響整合部とを有し前記第１の振動子と間隔を空けて配置された第２の振動子と、を設ける工程と、を有することを特徴とする振動子ユニットの製造方法である。

上記解決手段によれば、圧電素子が発振する超音波の周波数が高周波になっても、十分な出力が得られる振動子ユニットを提供することができる。また、その製造方法を提供することができる。

実施形態に係る超音波診断装置の概略図。 実施形態に係る超音波プローブの概略図。 （ａ）実施形態に係る振動子ユニットの斜視図。（ｂ）実施形態に係る振動子ユニットの側面図。 実施形態に係る振動子ユニットの製造方法の概略図。 比較例の振動子ユニットの側面図。

以下、本開示の実施形態について説明する。

［装置］
図１は、実施形態に係る装置の一例である超音波診断装置の概略図である。超音波診断装置１０００は、超音波プローブ１００と、本体部２００と、表示部３００及び入力部４００と、を有する。図１において５００は被検体（ヒト）である。

図２は、実施形態に係る超音波プローブの概略図である。超音波プローブ１００は、筐体１３０と、筐体１３０の中に振動子ユニット１０と、バッキング材１１０及び音響レンズ１２０と、を有する。超音波プローブ１００は、本体部２００に対して着脱可能である。振動子ユニット１０の詳細な構造については、図３及び図４を用いて説明する。

振動子ユニット１０は、被検体５００が位置する方向において、一方にバッキング材１１０が設けられており、他方に音響レンズ１２０が設けられている。振動子ユニット１０及びバッキング材１１０の界面は、不図示の接着剤により接合されている。同様に、振動子ユニット１０及び音響レンズ１２０の界面は、不図示の接着剤により接合されている。

バッキング材１１０は、振動子ユニット１０の圧電素子３よりも高い音響インピーダンスを有する材質で構成され、圧電素子３と共に超音波の送受信を行う機能を有する。「超音波」とは、一般的に人間の耳には聞こえない高い振動数をもつ弾性振動波（音波）のことを指すが、本明細書においては２０ｋＨｚ以上の周波数をもつ音波のことを指す。バッキング材１１０があることにより、スプリアス振動を抑制し、超音波のパルス幅を短くすることができる。ただし、バッキング材１１０は、圧電素子３が発振する周波数が３０ＭＨｚ以上のような高周波になる場合は、必ずしも必要としない。バッキング材１１０の材質は特に限定されないが、例えば、フィラーを含有させた樹脂、炭化タングステンなど超硬材を用いることができる。

音響レンズ１２０は、圧電素子３より被検体５００に向けて送信される超音波を収束させる機能を有する。図２において音響レンズ１２０は、被検体５００と対向する面が平面であり、その平面が振動子ユニット１０の先端と平行になるように位置している。ただし、音響レンズ１２０の形状はこれに限定されず、例えば、被検体５００と対向する面が、被検体５００に向かって凸となる円弧状の形状であってもよい。その場合、振動子ユニット１０の各振動子１も被検体５００に向かって凸となる円弧状の形状であることが好ましい。音響レンズ１２０の材質は特に限定されないが、例えば、シリコーン系樹脂を主成分とするゴム、シリコーンゴムを用いることができる。

図１に戻り、本体部２００は、送受信回路部２１０と、画像生成部２２０及び記憶部２３０と、を有する。

本体部２００は、超音波プローブ１００による超音波の送受信を制御して、超音波プローブ１００が受信した反射波に基いて超音波画像を生成する機能を有する。本体部２００は不図示のケーブルによって超音波プローブ１００と接続されている。また、超音波プローブ１００は、本体部２００と着脱可能である。

送受信回路部２１０は、超音波プローブ１００に電気信号である駆動信号を供給する機能を有する。また、超音波プローブ１００から超音波が被検体５００内に照射され、被検体５００の内部から反射した超音波が再び超音波プローブ１００で電気信号に変換された際には、その電気信号を画像生成部２２０に送信する機能を有する。

画像生成部２２０は、送受信回路部２１０から出力された電気信号の遅延時間や信号強度の変化に基いて演算処理を行い、画像データを生成する機能を有する。また、生成された画像データを記憶部２３０及び／又は表示部３００に出力する機能を有する。

記憶部２３０は、例えば、ＨＤＤやＳＳＤといったストレージであり、画像生成部２２０が生成した超音波画像を記憶する機能を有する。また、送受信回路部２１０から出力される電気信号のデータを記憶する機能を有する。さらには、画像データと関連付けて記憶させる、患者のＩＤやカルテ情報といった被検体５００の診断情報を記憶する機能を有する。

表示部３００は、例えば、モニタであり、超音波診断装置１０００の操作者が入力部４００を用いて各種設定要求を入力するためのＧＵＩ（Ｇｒａｐｈｉｃａｌ Ｕｓｅｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）を表示する。また、画像生成部２２０において生成された超音波画像等を表示する。

入力部４００は、例えば、キーボードやタッチパネルであり、超音波診断装置１０００の操作者からの各種設定要求を受け付け、受け付けた各種設定要求を本体部２００へ転送する。例えば、入力部４００は、超音波プローブ１００を制御するための各種設定要求を受け付けて、送受信回路部２１０にその要求を転送する。

［振動子ユニット］
図３は、実施形態に係る振動子ユニットの概略図であり、図３（ａ）は斜視図、図３（ｂ）は側面図である。

振動子ユニット１０は、振動子１ａ，１ｂ，１ｃ及び１ｄと、を有する。振動子１ａは第１の振動子であり、振動子１ｂは第２の振動子である。振動子１の各々は、導電層２の上に設けられている。また、振動子１の各々は、圧電素子３と、音響整合部４及び音響整合部５と、を有する。振動子１の各々は、ｘ方向に所定の間隔を空けて配置されている。ｘ方向は超音波プローブ１００の被検体５００に対する走査方向である。

超音波プローブ１００から被検体５００に超音波が送信されると、送信された超音波は、被検体５００の体内組織における音響インピーダンスの不連続面で次々と反射され、反射波として超音波プローブ１００が有する各振動子１にて受信される。受信された反射波は、その反射波を受信した各振動子１の圧電素子３で電気信号である反射波信号に変換される。反射波信号の振幅は、超音波が反射される不連続面における音響インピーダンスの差に依存する。

図３において、振動子１の各々はｙ方向の長さがｘ方向の長さよりも長く、音響整合部４及び音響整合部５の形状が直方体である。しかし、振動子１の形状はこれに限定されず、音響整合部４及び音響整合部５の形状が立方体であっても構わない。図３において振動子の数は４つであるが、振動子は複数であればよく、その数はこれに限定されない。

導電層２は、バッキング材１１０の上に設けられる部材であり、圧電素子３に電気信号を供給するための不図示の配線を有する。導電層２は、例えば、ポリイミド基板に配線を設けられた部材である。配線は銅又は金によって形成することができる。バッキング材１１０を有さない形態においては、圧電素子３の電極の機能も兼ねることを可能である。

圧電素子３は、圧電体及び複数の電極と、を有する。圧電素子３は、送受信回路部２１０から供給される駆動信号に基づき超音波を発生する。複数の振動子において、それぞれの圧電素子３は、被検体５００からの反射波を受信して、受信した反射波を電気信号に変換する機能を有する。圧電体は、例えば、ＰＺＴ，ＰＭＮ－ＰＴ，ＰＺＮ－ＰＴ，ＬｉＮｂＯ_３又はＢａＴｉＯ_３であり、これらのセラミックスや単結晶を用いることができる。電気機械結合係数が優れるという観点において、単結晶であることが好ましい。複数の電極は、例えば、図３のｚ方向の両面に設けることができる。圧電体に電圧を印加し、発生した超音波を送受信回路部２１０に送信するためである。電極の材質は特に限定されず、例えば、銅、銀、金といった金属や合金、導電性酸化物を用いることができる。

圧電素子３ａ，３ｂ，３ｃ及び３ｄは各々ｘ方向に所定の間隔を空けて配置されており、圧電素子３ａ及び圧電素子３ｂとの間隔は最大でＤ１である。また、圧電素子３ａ及び圧電素子３ｂとの間隔は音響整合部４から遠ざかるにつれて、徐々に狭くなっている。このような構成を採ることにより、圧電素子３ａと圧電素子３ｂが互いに分離している状態にも関わらず、圧電素子３ａ及び圧電素子３ｂの体積を大きくすることができる。そのため、圧電素子３が発振する超音波の周波数が高周波になっても、振動子ユニットの出力を十分に得ることができる。隣接する圧電素子の間隔Ｄ１は１０μｍ以下であることが好ましい。振動子ユニットの出力をより十分なものにするためである。また、各振動子１の間隔を短くすることができるため、生成する超音波画像に対するグレーティンググローブに起因するアーチファクトの影響を小さくすることができる。

また、隣接する圧電素子の間隔Ｄ１は、後述する隣接する音響整合部４の間隔Ｄ２以下であることが好ましい。圧電素子３が振動したときに、隣接する音響整合層４ａ，４ｂの接触を避けるためである。音響整合層４ａと音響整合層４ｂとが接触すると、スプリアス振動が発生し、超音波画像の精度が十分でなくなるおそれがある。圧電素子３の間隔は充填剤で充填されていても良い。充填剤が存在することにより振動子ユニット１０の機械的強度を高めることができる。充填剤の材質は特に限定されないが、例えば、シリコーンゴム、ウレタンゴム及びエポキシ樹脂を用いることができる。

図３における圧電素子３のｚ方向の長さである圧電素子３の厚さＨ１は１００μｍ以下であることが好ましい。圧電素子３が発生する超音波の周波数は厚さＨ１に依存し、厚さＨ１が薄くなれば薄くなるほど音波の周波数が高くなる。厚さＨ１は５０μｍ以下がより好ましく、超音波の周波数を３０ＭＨｚ以上にすることが容易となる。超音波の周波数が３０ＭＨｚ以上であると、超音波画像の分解能が十分に高くなる。厚さＨ１の下限は特に限定されないが、製造のしやすさを鑑みると２０μｍ以上であることが好ましい。また、隣接する圧電素子の間隔Ｄ１に対する厚さＨ１の比は５以上であることが好ましい。隣接する圧電素子３ａと３ｂの間に音響的又は電気的な結合を生じにくくさせるためである。

音響整合部４及び音響整合部５は、圧電素子３と被検体５００の間に位置することにより、これらの音響インピーダンスを整合する機能を有する。また、音響整合部５の圧電素子３から遠ざかる方向には音響レンズ１２０が設けられる。図３において音響整合部４と、音響整合部５と、２つの音響整合部が設けられているが、音響整合部は１つでも構わないし、３つ以上でも構わない。

隣接する音響整合部４ａ，５ａと音響整合部４ｂ，５ｂは、図３（ｂ）のように側面した際に矩形の間隔を空けて配置されている。このような配置を取ることにより、図５に示す比較例の振動子ユニットのように、側面視した際に音響整合部４Ｘが台形であり、その間隔も台形である場合に比べて、各々の振動子１が横振動（ｘ方向振動）することを低減できる。振動子１が横振動しにくくなることにより、超音波画像の精度をより高くすることができる。なお、この矩形の間隔は充填剤で充填されていても良い。充填剤が存在することにより振動子ユニット１０の機械的強度を高めることができる。充填剤の材質は特に限定されないが、例えば、シリコーンゴム、ウレタンゴム及びエポキシ樹脂を用いることができる。

音響整合部４の上に音響整合部５を設ける場合は、音響整合部５の音響インピーダンスを音響整合部４の音響インピーダンスよりも小さくすることが好ましい。すなわち、音響整合部４及び音響整合部５が、異なる材質よりなることが好ましい。音響整合部を複数の材質を用いて、層状に設けることにより被検体５００との音響インピーダンスとの差を小さくすることができ、送受信される超音波の振幅が減衰されることを抑制できる。音響整合部４及び音響整合部５の材質は特に限定されず、例えば、ガラス、カーボン、エポキシ樹脂を用いることができる。

音響整合部４ａ及び音響整合部５ａのｘ方向の長さＤ３は、圧電素子３ａのｘ方向の長さＷ１よりも短いことが好ましい。また、音響整合部４ａ及び音響整合部５ａのｘ方向の長さＤ３は、隣接する音響整合部４の間隔Ｄ２より長い。さらに、隣接する音響整合部４の間隔Ｄ２は１５μｍ以上であることが好ましい。いずれも圧電素子が発生する超音波の指向性を高めることができるためである。隣接する音響整合部４の間隔Ｄ２と音響整合部４ａ及び音響整合部５ａの長さＤ３との和は６０μｍ以下であることが好ましい。これにより、生成する超音波画像に対するグレーティンググローブに起因するアーチファクトの影響を小さくすることができる。音響整合部４の厚さＨ２及び音響整合部５の厚さＨ３の各々は、圧電素子３が発生する超音波の波長の４分の１の整数倍であることが好ましい。

以上、上述した実施形態によれば、圧電素子３ａ及び圧電素子３ｂとの間隔が音響整合部４から遠ざかるにつれて、徐々に狭くなっている。このような構成を採ることにより、圧電素子３ａと圧電素子３ｂが互いに分離している状態にも関わらず、圧電素子３ａ及び圧電素子３ｂの体積を大きくすることができる。そのため、圧電素子３が発振する超音波の周波数が高周波になっても、振動子ユニットの出力を十分に得ることができる。また、隣接する圧電素子の間隔Ｄ１を１０μｍ以下とすることにより、振動子ユニットの出力をより十分なものにすることができる。また、側面視した際に音響整合部同士を矩形の間隔を空けて配置することにより、各々の振動子１が横振動しにくく振動子ユニットの出力を十分に得ることができる。

［振動子ユニットの製造方法］
図４を用いて、実施形態に係る振動子ユニットの製造方法を説明する。

加工装置２０は、光源２１と、光源２１から発振されるレーザ光２２を集光する不図示の光学系と、チャンバー２４と、チャンバー２４内に光を入射させるための入射窓２３と、ステージ２５と、を有する。光源２１はレーザ光源であり、レーザ光の波長は３８０ｎｍ以下であり、すなわち紫外光である。光源は、例えば、エキシマレーザや、アルゴンイオンレーザの倍波やＮｄ：ＹＡＧ等の固体レーザの３倍波を用いることができる。圧電素子同士の間隔を狭ピッチにするためには、レーザ光の波長は短く、パルス幅も短いことが好ましい。また、好ましいレーザ光のパルス幅は数ｐｓ（ピコ秒）から数十ｆｓ（フェムト秒）であり、より好ましくは３００ｆｓ以下である。

まず、第１の部材１０Ａをチャンバー２４内のステージ２５上に設置する。第１の部材１０Ａは電極部２Ａと圧電素子部３Ａと音響整合材料部４Ａが積層された部材である。

続いて、チャンバー内の圧力を大気圧より減圧させる。具体的には、チャンバーを不図示のスクロールポンプやロータリーポンプといった排気手段により排気する。減圧して、チャンバー内の圧力は２００Ｐａ以下にすることが好ましい。

その後、レーザ光２２を音響整合材料部４Ａに入射させ、第１の部材１０Ａに溝を形成することにより、複数の振動子１を形成する（図４（ａ）及び（ｂ）参照）。複数の振動子とは、第１の圧電素子３ａと第１の圧電素子３ａの上に設けられた第１の音響整合部４ａとを有する第１の振動子１ａと、第２の圧電素子３ｂと第２の圧電素子３ｂの上に設けられた第２の音響整合部４ｂとを有する第２の振動子１ｂのことである。溝を形成する工程を、大気圧より減圧された減圧環境下で行うことにより、加工中に発生するデブリ（加工ゴミ）の平均自由工程が長くなる。そうすることで、デブリを溝の外へ排出しやすくし、小さな幅の溝を形成できるため、第１の振動子１ａと第２の振動子１ｂとの間隔を狭ピッチにすることが可能となる。振動子の間隔が狭ピッチになることで、生成する超音波画像に対するグレーティンググローブに起因するアーチファクトの影響を小さくすることができる。より好ましい雰囲気は１００Ｐａ以下である。

音響整合材料部４Ａにカーボンなどの昇華点が高い材料を用いることが好ましい。溝加工の際に、レーザ光の照射スポットのみを除去できる。また、ステージ２５を上下に移動させることで、深さ方向の焦点位置を変更して、矩形溝を容易に形成することできる。また、一方、圧電素子部３Ａに用いられる使われる圧電セラミックスまたは圧電体の単結晶は、融点がカーボンの昇華点より低いので、音響整合層４の形成後に、レーザパワーを制御することで、隣接する圧電素子の間隔Ｄ１を調整することできる。また、焦点位置を固定することにより、溝は内部（深さ方向）に行くにつれて、多重反射により細い溝を形成できる。そのため、焦点位置を圧電素子部に固定することによって、圧電素子の間隔が狭くなるＶ字状の高アスペクト比の溝を容易に形成することができる。

以上の工程により振動子ユニット１０を得ることができる。

また、第１の振動子１ａと第２の振動子１ｂの間を充填剤で充填する場合は、上記の工程が終わった後にチャンバー２４から振動子ユニット１０を取り出してから、シリコーンゴム等の充填剤を充填することができる。

従前知られた技術では、上述したような溝の形成工程はブレードによって行われていた。しかし、超音波プローブに必要とされる超音波の周波数が高周波になるにつれ、狭い幅の溝を形成することが求められていた。ブレード加工では２０μｍ以下の加工は著しく困難であった。

しかし、上述した実施形態によれば、波長３８０ｎｍ以下の短波長のレーザを用いて振動子ユニット１０に溝を形成するため、音響整合部４から遠ざかるにつれて圧電素子３の間隔が狭くなるＶ字状の高アスペクト比の溝を容易に形成できる。そのため、圧電素子３が発振する超音波の周波数が高周波になっても、振動子ユニットの出力を十分に得ることができる。また、隣接する圧電素子の間隔Ｄ１を１０μｍ以下とすることにより、振動子ユニットの出力をより十分なものにすることができる。また、側面視した際に音響整合部同士を矩形の間隔を介して配置することにより、各々の振動子１が横振動しにくく振動子ユニットの出力を十分に得ることができる。

以下、実施例を挙げて説明する。まず、振動子ユニットの評価方法について説明する。

［振動子ユニットの評価方法］
作成した振動子ユニットをパルサレシーバに接続し、電圧１０Ｖ_ｐ０を加え、中心周波数２０ＭＨｚのパルス超音波を水中に発生させ、受信側の音波の振幅を出力値として測定した。パルサレシーバは、ジャパンプローブ株式会社製のＪＰＲ－５０Ｐと受信プローブを用いた。参考例の振動子ユニットの出力値を１として、実施例及び比較例の出力値の比（出力比）を算出した。出力比が１．４を超えるものをＡ、１．３以上１．４以下のものをＢ、１より大きく１．３未満のものをＣ、１以下をＤとし、Ａ，Ｂ及びＣを良品と判定した。

（実施例１－１）
図４に示した手順を用いて振動子ユニットを製造した。実施例１－１は、側面視した際に第１の音響整合部と第２の音響整合部が矩形の空間を介して離間して配置されていて、第１の圧電素子と第２の圧電素子との間隔Ｄ１が第１の音響整合部及び第２の音響整合部から遠ざかるに連れて狭くなる形態である。

まず、図４（ａ）のように振動子ユニットを製造するために第１の部材１０Ａをチャンバー２４の内部のステージ２５に設置した。第１の部材１０Ａは、電極部２Ａと圧電素子部３Ａと音響整合材料部４Ａが積層された部材である。音響整合材料部４Ａは、カーボンの平板であり、サイズは幅０．４ｃｍ、長さ１．０ｃｍ、厚さ１００μｍである。圧電素子部３Ａは、ＰＭＮ－ＰＴの単結晶に金電極を両面に設けたものであり、音響整合材料部と接していない面の金電極が電極部２Ａである。ＰＭＮ－ＰＴの単結晶のサイズは幅０．４ｃｍ、長さ１．０ｃｍ、厚さ１００μｍである。音響整合材料部４Ａと圧電素子部３は接着剤で貼り合わされている。

続いて、チャンバー内の圧力を大気圧より減圧させた。具体的には、チャンバーを不図示のロータリーポンプにより排気し、１００Ｐａになるまで減圧させた。

続いて、光源２１であるＬＩＧＨＴ ＣＯＮＶＥＲＳＩＯＮ社製のフェムト秒レーザＣＡＲＢＩＤＥからレーザ光２２を出射し、入射窓２３から第１の部材１０Ａにレーザ光２２を照射した。レーザ光のパルス幅は２４４ｆｓ（フェムト秒）であり、波長は３４３ｎｍであった。光源から発振されるレーザ光のビーム径は２．４ｍｍであり、不図示のＳｉｌｌＯｐｔｉｃｓ社製のビームエキスパンターＳ６ＥＸＺ５０７５／５７４により、４．８倍に拡大した。その後、シグマ光機製の焦点レンズＵＤＬ－３０－１００Ｐにより集光し、スポット径９．７μｍで溝加工を開始した。溝加工は、焦点位置を移動させるためにステージ２５を上下に移動させながら行った。

振動子１ａを形成した後、ステージ２５を移動させ、第１の部材１０Ａを図４（ｂ）のように紙面横方向に動かして溝加工を続けて行うことにより、実施例１－１の振動子ユニットを作成した。実施例１－１の振動子ユニットは、圧電素子の厚みＨ１が１００μｍ、圧電素子の間隔Ｄ１が１０μｍであり、その間隔は音響整合部４から遠ざかるにつれて狭くなっており、その最小の間隔は２μｍであった。すなわち、Ｈ１／Ｄ１は１０であった。また、Ｄ２は２０μｍであり、Ｄ３は４０μｍであった。

続いて、参考例１の振動子ユニットは実施例１－１の振動子ユニットと同様の方法で製造した。ただし参考例１の振動子ユニットは以下の点で実施例１－１と異なる。参考例１の振動子ユニットはＤ１とＤ２の幅が等しく２０μｍであった。また、圧電素子の間隔Ｄ１は音響整合部４から遠ざかっても一定であった。

そして、実施例１－１と参考例１の振動子ユニットの出力を評価した。実施例１－１の振動子ユニットの出力比は１．４５であったので、評価はＡとした。

（実施例１－２）
実施例１－２も実施例１－１と同様の方法で製造した。実施例１－２の振動子ユニットは、圧電素子の厚みＨ１が１００μｍ、圧電素子の間隔Ｄ１が２０μｍであり、その間隔は音響整合部４から遠ざかるにつれて狭くなっており、その最小の間隔は４μｍであった。すなわち、Ｈ１／Ｄ１は５であった。また、Ｄ２は２０μｍであり、Ｄ３は４０μｍであった。実施例１－２の振動子ユニットの出力比は１．４０であったので、評価はＢとした。

（実施例１－３）
実施例１－３も実施例１－１と同様の方法で製造した。実施例１－３の振動子ユニットは、圧電素子の厚みＨ１が１００μｍ、圧電素子の間隔Ｄ１が２５μｍであり、その間隔は音響整合部４から遠ざかるにつれて狭くなっており、その最小の間隔は５μｍであった。すなわち、Ｈ１／Ｄ１は４であった。また、Ｄ２は３０μｍであり、Ｄ３は３０μｍであった。実施例１－３の振動子ユニットの出力比は１．３５であったので、評価はＢとした。

（比較例１）
比較例１の振動子ユニット１０Ｘの形状は図５に示す形状である。振動子ユニット１０Ｘは、４つの振動子１Ｘを有する。振動子１Ｘの各々は、導電層２Ｘの上に設けられている。また、振動子１Ｘの各々は、圧電素子３Ｘと、音響整合部４Ｘと、を有する。比較例１の振動子ユニットは、隣接する音響整合部４Ｘの間隔が矩形ではなく台形であること、隣接する圧電素子３の間隔が矩形であることが実施例１－１、１－２及び実施例１－３と異なる。

比較例１の振動子ユニットはＤ２が２０μｍであり、Ｄ３が４０μｍであった。また、圧電素子の間隔Ｄ１は音響整合部４Ｘから遠ざかっても一定であった。

そして、比較例１の振動子ユニットの出力を評価した。比較例１の振動子ユニットの出力比は０．９２であったので、評価はＤとした。

（実施例２－１）
実施例２－１は、第１の圧電素子と第２の圧電素子との間隔Ｄ１が１０μｍ以下であり、かつ、第１の音響整合部及び第２の音響整合部から遠ざかるに連れて狭くなる形態である。

実施例２－１においても第１の部材１０Ａは、電極部２Ａと圧電素子部３Ａと音響整合材料部４Ａが積層された部材であるが、圧電素子部３ＡのＰＭＮ－ＰＴの単結晶のサイズが幅０．４ｃｍ、長さ１．０ｃｍ、厚さ５０μｍである。

その点以外は実施例１－１と同様の方法で製造した。実施例２－１の振動子ユニットは、圧電素子の厚みＨ１が５０μｍ、圧電素子の間隔Ｄ１が５μｍであり、その間隔は音響整合部４から遠ざかるにつれて狭くなっており、その最小の間隔は１．５μｍであった。すなわち、Ｈ１／Ｄ１は１０であった。また、Ｄ２は１０μｍであり、Ｄ３は２０μｍであった。

続いて、参考例２の振動子ユニットは実施例２－１の振動ユニットと同様の方法で製造した。ただし参考例２の振動子ユニットは以下の点で実施例２－１と異なる。参考例２の振動子ユニットはＤ１とＤ２の幅が等しく１０μｍであった。また、圧電素子の間隔Ｄ１は音響整合部４から遠ざかっても一定であった。

そして、実施例２－１と参考例２の振動子ユニットの出力を評価した。実施例２－１の振動子ユニットの出力比は１．４３であったので、評価はＡとした。

（実施例２－２）
実施例２－２も実施例２－１と同様の方法で製造した。実施例２－２の振動子ユニットは、圧電素子の厚みＨ１が５０μｍ、圧電素子の間隔Ｄ１が１０μｍであり、その間隔は音響整合部４から遠ざかるにつれて狭くなっており、その最小の間隔は３μｍであった。すなわち、Ｈ１／Ｄ１は５であった。また、Ｄ２は１０μｍであり、Ｄ３は２０μｍであった。実施例２－２の振動子ユニットの出力比は１．３５であったので、評価はＢとした。

（比較例２）
比較例２の振動子ユニット１０Ｘの形状も比較例１と同様に図５に示す形状である。

比較例２の振動子ユニットはＤ２が１０μｍであり、Ｄ３が２０μｍであった。また、圧電素子の間隔Ｄ１は音響整合部４Ｘから遠ざかっても一定であった。

そして、比較例２の振動子ユニットの出力を評価した。比較例２の振動子ユニットの出力比は０．９１であったので、評価はＤとした。

これらの結果を表１及び表２にまとめる。

表１に示すように、圧電素子３の電圧印加時と電圧を除荷時の形状変位により発生する力は、面積に比例して大きくなる。そのため、奥行き方向の寸法が同一である場合、Ｄ１をＤ２より狭くすると、Ｄ１とＤ２と同じである場合に比べて、出力比が向上することを確認できた。さらに圧電素子の間隔を音響整合部から遠ざかるにつれて狭くなるＶ字形状にすることによって、圧電体の除去体積を減少させ、出力比が向上することを確認できた。

また、表２に示すように、素子（振動子）ピッチが狭くなった場合においても、圧電素子の間隔を音響整合部から遠ざかるにつれて狭くなるＶ字形状にすることによって、高い出力が得られることを確認できた。ピッチ幅を狭くすることで、超音波プローブの走査方向に対して素子の数を増やすことができるようになるので、出力をさらに向上させることが期待できる。またグレーティングローブの発生も抑制できるため、超音波画像の分解能の向上も期待できる。

以上、本開示によれば、圧電素子３ａと圧電素子３ｂが互いに分離している状態にも関わらず、従来よりも圧電素子３ａ及び圧電素子３ｂの体積を大きくすることができる。そのため、圧電素子３が発振する超音波の周波数が高周波になっても、振動子ユニットの出力を十分に得ることができる。また、隣接する圧電素子の間隔Ｄ１を１０μｍ以下とすることにより、振動子ユニットの出力をより十分なものにすることができる。また、側面視した際に音響整合部同士を矩形の間隔を空けて配置することにより、各々の振動子１が横振動しにくく振動子ユニットの出力を十分に得ることができる。

本実施形態の開示は、以下の構成および方法を含む。

（構成１）
第１の圧電素子と、前記第１の圧電素子の上に設けられた第１の音響整合部と、を有する第１の振動子と、
第２の圧電素子と、前記第２の圧電素子の上に設けられた第２の音響整合部と、を有し、前記第１の振動子と間隔を空けて配置された第２の振動子と、を有する振動子ユニットであって、
前記第１の圧電素子と前記第２の圧電素子との間隔Ｄ１が、１０μｍ以下であり、かつ、前記第１の音響整合部及び前記第２の音響整合部から遠ざかるにつれて狭くなる
ことを特徴とする振動子ユニット。

（構成２）
前記振動子ユニットを側面視した際に、前記第１の音響整合部と前記第２の音響整合部が、矩形の間隔を空けて配置される構成１に記載の振動子ユニット。

（構成３）
前記Ｄ１に対する前記第１の圧電素子の高さＨ１の比が、５以上である構成１又は２に記載の振動子ユニット。

（構成４）
前記第１の圧電素子及び前記第２の圧電素子から発生する超音波の周波数が、３０ＭＨｚ以上である構成１乃至３のいずれか１項に記載の振動子ユニット。

（構成５）
前記第１の音響整合部と前記第２の音響整合部との間隔Ｄ２が、１５μｍ以上である構成１乃至４のいずれか１項に記載の振動子ユニット。

（構成６）
前記振動子ユニットを側面視した際に、前記Ｄ２と前記第１の音響整合部の幅Ｄ３の和が、６０μｍ以下である構成５に記載の振動子ユニット。

（構成７）
前記第１の圧電素子及び前記第２の圧電素子が、単結晶の圧電体を含む構成１乃至６のいずれか１項に記載の振動子ユニット。

（構成８）
前記第１の音響整合部及び前記第２の音響整合部が、複数の材質よりなる構成１乃至７のいずれか１項に記載の振動子ユニット。

（構成９）
第１の圧電素子と、前記第１の圧電素子の上に設けられた第１の音響整合部と、を有する第１の振動子と、
第２の圧電素子と、前記第２の圧電素子の上に設けられた第２の音響整合部と、を有し、前記第１の振動子と間隔を空けて配置された第２の振動子と、を有する振動子ユニットであって、
前記振動子ユニットを側面視した際に、前記第１の音響整合部と前記第２の音響整合部が、矩形の間隔を空けて配置されており、
前記第１の圧電素子と前記第２の圧電素子との間隔Ｄ１が、前記第１の音響整合部及び前記第２の音響整合部から遠ざかるにつれて狭くなる
ことを特徴とする振動子ユニット。

（構成１０）
前記Ｄ１に対する前記第１の圧電素子の高さＨ１の比が、５以上である構成９に記載の振動子ユニット。

（構成１１）
前記第１の圧電素子及び前記第２の圧電素子から発生する超音波の周波数が、３０ＭＨｚ以上である構成９又は１０に記載の振動子ユニット。

（構成１２）
前記第１の音響整合部と前記第２の音響整合部との間隔Ｄ２が、１５μｍ以上である構成９乃至１１のいずれか１項に記載の振動子ユニット。

（構成１３）
前記振動子ユニットを側面視した際に、前記Ｄ２と前記第１の音響整合部の幅Ｄ３との和が、６０μｍ以下である構成１２に記載の振動子ユニット。

（構成１４）
前記第１の圧電素子及び前記第２の圧電素子が、単結晶の圧電体を含む構成９乃至１３のいずれか１項に記載の振動子ユニット。

（構成１５）
前記第１の音響整合部及び前記第２の音響整合部が、複数の材質よりなる構成９乃至１４のいずれか１項に記載の振動子ユニット。

（構成１６）
筐体と、
前記筐体の中に配置された構成１乃至１５のいずれか１項に記載に振動子ユニットと、
を有することを特徴とする超音波プローブ。

（構成１７）
構成１６に記載に超音波プローブと、
前記超音波プローブが受信した反射波に基いて画像を生成する画像生成部と、を有することを特徴とする装置。

（方法１）
圧電素子部と、前記圧電素子部の上に設けられた音響整合材料と、を有する第１の部材をチャンバー内に設置する工程と、
前記チャンバー内の圧力を大気圧より減圧させる工程と、
波長３８０ｎｍ以下のレーザ光により前記第１の部材に溝を設け、第１の圧電素子と前記第１の圧電素子の上に設けられた第１の音響整合部とを有する第１の振動子と、第２の圧電素子と前記第２の圧電素子の上に設けられた第２の音響整合部とを有し前記第１の振動子と間隔を空けて配置された第２の振動子と、を設ける工程と、
を有することを特徴とする振動子ユニットの製造方法。

（方法２）
前記レーザ光のパルス幅が、３００ｆｓ以下である方法１に記載の振動子ユニットの製造方法。

（方法３）
前記チャンバー内の圧力が、２００Ｐａ以下である方法１又は２に記載の振動子ユニットの製造方法。

１ 振動子
２ 導電部
３ 圧電素子
４ 音響整合部
５ 音響整合部
２０ 加工装置
２１ レーザ光源
２２ レーザ光
２３ 入射窓
２４ チャンバー
２５ ステージ
１０Ａ 第１の部材
２Ａ 導電部
３Ａ 圧電素子部
４Ａ 音響整合材料
１０ 振動子ユニット
１００ 超音波プローブ
１１０ バッキング材
１２０ 音響レンズ
２００ 本体部
２１０ 送受信回路部
２２０ 画像生成部
２３０ 記憶部
３００ 表示部
４００ 入力部
５００ 被検体
１０００ 超音波診断装置（装置）

Claims (20)

1. 第１の圧電素子と、前記第１の圧電素子の上に設けられた第１の音響整合部と、を有する第１の振動子と、
   第２の圧電素子と、前記第２の圧電素子の上に設けられた第２の音響整合部と、を有し、前記第１の振動子と間隔を空けて配置された第２の振動子と、を有する振動子ユニットであって、
   前記第１の圧電素子と前記第２の圧電素子との間隔Ｄ１が、１０μｍ以下であり、かつ、前記第１の音響整合部及び前記第２の音響整合部から遠ざかるにつれて狭くなる
   ことを特徴とする振動子ユニット。
2. 前記振動子ユニットを側面視した際に、前記第１の音響整合部と前記第２の音響整合部が、矩形の間隔を空けて配置される請求項１に記載の振動子ユニット。
3. 前記Ｄ１に対する前記第１の圧電素子の高さＨ１の比が、５以上である請求項１に記載の振動子ユニット。
4. 前記第１の圧電素子及び前記第２の圧電素子から発生する超音波の周波数が、３０ＭＨｚ以上である請求項１に記載の振動子ユニット。
5. 前記第１の音響整合部と前記第２の音響整合部との間隔Ｄ２が、１５μｍ以上である請求項１に記載の振動子ユニット。
6. 前記振動子ユニットを側面視した際に、前記Ｄ２と前記第１の音響整合部の幅Ｄ３の和が、６０μｍ以下である請求項５に記載の振動子ユニット。
7. 前記第１の圧電素子及び前記第２の圧電素子が、単結晶の圧電体を含む請求項１に記載の振動子ユニット。
8. 前記第１の音響整合部及び前記第２の音響整合部が、複数の材質よりなる請求項１に記載の振動子ユニット。
9. 第１の圧電素子と、前記第１の圧電素子の上に設けられた第１の音響整合部と、を有する第１の振動子と、
   第２の圧電素子と、前記第２の圧電素子の上に設けられた第２の音響整合部と、を有し、前記第１の振動子と間隔を空けて配置された第２の振動子と、を有する振動子ユニットであって、
   前記振動子ユニットを側面視した際に、前記第１の音響整合部と前記第２の音響整合部が、矩形の間隔を空けて配置されており、
   前記第１の圧電素子と前記第２の圧電素子との間隔Ｄ１が、前記第１の音響整合部及び前記第２の音響整合部から遠ざかるにつれて狭くなる
   ことを特徴とする振動子ユニット。
10. 前記Ｄ１に対する前記第１の圧電素子の高さＨ１の比が、５以上である請求項９に記載の振動子ユニット。
11. 前記第１の圧電素子及び前記第２の圧電素子から発生する超音波の周波数が、３０ＭＨｚ以上である請求項９に記載の振動子ユニット。
12. 前記第１の音響整合部と前記第２の音響整合部との間隔Ｄ２が、１５μｍ以上である請求項９に記載の振動子ユニット。
13. 前記振動子ユニットを側面視した際に、前記Ｄ２と前記第１の音響整合部の幅Ｄ３との和が、６０μｍ以下である請求項１２に記載の振動子ユニット。
14. 前記第１の圧電素子及び前記第２の圧電素子が、単結晶の圧電体を含む請求項９に記載の振動子ユニット。
15. 前記第１の音響整合部及び前記第２の音響整合部が、複数の材質よりなる請求項９に記載の振動子ユニット。
16. 筐体と、
    前記筐体の中に配置された請求項１乃至１５のいずれか１項に記載に振動子ユニットと、
    を有することを特徴とする超音波プローブ。
17. 請求項１６に記載に超音波プローブと、
    前記超音波プローブが受信した反射波に基いて画像を生成する画像生成部と、を有することを特徴とする装置。
18. 圧電素子部と、前記圧電素子部の上に設けられた音響整合材料と、を有する第１の部材をチャンバー内に設置する工程と、
    前記チャンバー内の圧力を大気圧より減圧させる工程と、
    波長３８０ｎｍ以下のレーザ光により前記第１の部材に溝を設け、第１の圧電素子と前記第１の圧電素子の上に設けられた第１の音響整合部とを有する第１の振動子と、第２の圧電素子と前記第２の圧電素子の上に設けられた第２の音響整合部とを有し前記第１の振動子と間隔を空けて配置された第２の振動子と、を設ける工程と、
    を有することを特徴とする振動子ユニットの製造方法。
19. 前記レーザ光のパルス幅が、３００ｆｓ以下である請求項１８に記載の振動子ユニットの製造方法。
20. 前記チャンバー内の圧力が、２００Ｐａ以下である請求項１８に記載の振動子ユニットの製造方法。

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