JP3225007B2 - 超音波探触子及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は超音波探触子及びそ
の製造方法に関し、特に音響的なアポダイゼーション
（重み付け）の手法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一次元のアレイ振動子を備えた超音波探
触子では、一般に音響レンズが設けられ、その音響レン
ズによって振動素子の配列方向と直交する方向（スライ
ス方向、エレベーション方向）に超音波ビームが収束さ
れる。すなわち、配列方向（電子走査方向）については
電子フォーカスによって超音波ビームが絞り込まれ、ス
ライス方向については音響レンズによって超音波ビーム
が絞り込まれる。

【０００３】音響レンズによる超音波ビームの収束性は
それによる焦点近傍において良好であるものの、焦点以
外の領域、特に超音波探触子の近傍領域では音響レンズ
のみによっては良好なスライス方向の分解能を得られな
い。

【０００４】そこで、従来、スライス方向に沿って音響
的なアポダイゼーション（振幅（音圧）の重み付け）を
行って上記問題を軽減することが行われている。例え
ば、スライス方向に分極率を数段階に変える手法や電極
密度を変える手法などがある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
手法では、簡単に低コストでアポダイゼーションを行う
ことはできなかった。例えば、分極率を変える手法では
分極処理にかかる工程が複雑化し、製造コストが多大と
なる。また、この手法では分極率が１００％とならない
領域で分極率が不安定になる。一方、電極密度を変える
手法では、精密なエッチング技術などが要求され、製造
コストが増大する。なお、上記問題は一次元アレイ振動
子のみならず、他のタイプの超音波振動子でも同様に指
摘される。また、音響レンズを利用しないでアポダイゼ
ーションによってビームを形成するような場合にも上記
の問題が指摘される。

【０００６】本発明は、上記従来の課題に鑑みなされた
ものであり、その目的は、簡単に低コストで超音波振動
子のアポダイゼーションを行うことにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】（１）上記目的を達成す
るために、本発明は、圧電体と、前記圧電体の上面に設
けられ、重み付け方向に第１の幅をもった上面電極と、
前記圧電体の下面に設けられ、重み付け方向に第２の幅
をもった下面電極と、前記上面電極に電気的に接続され
た上面側リード電極と、前記下面電極に電気的に接続さ
れた下面側リード電極と、を含み、前記第１の幅及び前
記第２の幅の少なくとも一方は前記圧電体の幅よりも小
さく、前記上面リード電極及び前記下面リード電極の少
なくとも一方と前記圧電体との間には前記上面電極又は
前記下面電極が介在しない重み付け用の重み付け部が形
成されたことを特徴とする。

【０００８】上記構成によれば、リード電極と圧電体と
の間の一部分には電極が存在しない重み付け部が形成さ
れ、それがキャパシタのように機能して、音圧レベルを
引き下げる。よって、そのような重み付け部を利用して
重み付けを行える。その重み付け部は少なくとも圧電体
の上面及び下面の一方に設けられる。

【０００９】本発明の望ましい態様では、前記第１の幅
と前記第２の幅はいずれも前記圧電体の幅より小さくか
つ互いに異なり、前記重み付け方向に沿って３段階の重
み付けが行われることを特徴とする。圧電体の上下に重
み付け部が形成されると最も抑圧作用が大きくなり、上
下の一方のみに重み付け部が形成されれば中程度の抑圧
作用になる。よって、重み付け部が上下に存在しない部
分を含めて、単に重み付け部を設けるだけで３段階の重
み付けを行える。このように本発明によれば新規かつ簡
単な手法で重み付けを実現できる。なお、音響伝搬や構
造上の安定性を考慮して、前記重み付け部には非導通材
料が充填されるのが望ましい。

【００１０】本発明の望ましい態様では、前記重み付け
部を覆うリード電極部分の面積が前記圧電体の端部にか
けて小さく設定されたことを特徴とする。このようにリ
ード電極の形状を可変させて重み付け部領域内において
更に重み付けをもたせることができる。

【００１１】なお、本発明による重み付けは音響レンズ
を使用しない場合でも使用され又はそれと組み合わせて
使用される。本発明によれば、簡単な構成で、特に音響
レンズでは改善できない超音波探触子近傍の分解能を向
上でき、また深さに対して分解能を均一化できる。

【００１２】（２）上記目的を達成するために、本発明
は、圧電体の上面及び下面の全面に形成された上面電極
及び下面電極の少なくとも一方について、重み付け方向
の両端部を除去する工程と、前記圧電体の上面及び下面
に上面用リード電極及び下面用リード電極を設ける工程
であって、その際に電極除去領域といずれかのリード電
極との間に重み付け部を形成する工程と、を含むことを
特徴とする。

【００１３】圧電体の上下全面に電極が形成された状態
で分極処理を行えば、その処理を簡単に行うことがで
き、更にエッチングによって所望の重み付けを達成でき
る。

【００１４】本発明の望ましい態様では、前記電極除去
工程では、前記上面電極及び前記下面電極について、重
み付け方向にそれぞれ異なる幅を残すことを特徴とす
る。上面及び下面の内でいずれの方の重み付け部の幅を
小さくしてもよい。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施形態を
図面に基づいて説明する。

【００１６】図１には、本発明に係る超音波探触子の断
面が示されている。図１において、圧電材料で構成され
る圧電体１０の下面側にはシグナル側電極１２が設けら
れ、圧電体１０の上面側にはグランド側電極１４が設け
られている。これらの電極は例えばスパッタ法等によっ
て形成されるものであり、その電極の厚みは例えば０．
５μｍ程度に設定される。

【００１７】図１に示されるように、本実施形態では、
圧電体１０のスライス方向（図において左右方向）の幅
よりもシグナル側電極１２及びグランド側電極１４の幅
が小さく設定されている。さらに、シグナル側電極１２
よりもグランド側電極１４の幅の方が小さく設定されて
いる。これによって、図示されるように、圧電体１０の
下面側の両端には圧電体電極除去領域（重み付け部）と
してのギャップＧ２が存在し、一方、圧電体１０の上面
側には両端に圧電体電極除去領域（重み付け部）として
のギャップＧ１が存在する。なお、このギャップによる
作用については後に詳述する。

【００１８】圧電体１０の上面側には、グランド側電極
１４及びギャップＧ１が存在する露出領域の全面を覆う
ように、電気的な引き出しのためのグランドリード箔１
６が設けられている。このグランドリード箔１６の端部
は圧電体１０の側面を回り込んで引き出されており、こ
れによって図示されていない送受信回路にグランド側電
極１４が電気的に接続される。これと同様に、圧電体１
０の下面側においては、シグナル側電極１２及びギャッ
プＧ２が形成された露出領域の全面を覆うようにシグナ
ルＦＰＣ（フレキシブル印刷回路）１８が設けられてい
る。このシグナルＦＰＣ１８の左右端も引き出されてお
り、それが図示されていない送受信回路に接続される。

【００１９】ちなみに、本実施形態では、ギャップＧ１
及びＧ２には例えば非導通性の接着剤等の樹脂が充填さ
れる。これによって、音響的な伝搬の確保及び構造上の
安定化が図られている。

【００２０】グランド側電極１４の上面側には第一音響
整合層２０及び第二音響整合層２２が設けられている。
これらの整合層２０，２２は生体の音響インピーダンス
と圧電体１０の音響インピーダンスとのマッチングを図
るために設けられているものである。シグナルＦＰＣ１
８の下面側には後方に放射された超音波を吸収するため
のバッキング２４が設けられている。

【００２１】

【００２２】以上のように、スライス方向に沿って見た
場合、圧電体１０の中央部においては、上下の面に電極
が形成され、そこから端部にかけて一方の電極のみが形
成されている領域及び両方の電極が除去されている領域
が形成されている。従って、このような超音波探触子に
おける送信波の音圧分布を考えると図２に示すようにな
る。

【００２３】図２において横軸はスライス方向すなわち
エレベーション方向であり、圧電体中心から左右にかけ
て、両面に電極がある領域と、片面のみに電極がある領
域と、両面とも電極がない領域と、の３つの領域が形成
される。これによって三段階に重み付けを行うことが可
能である。ちなみに、このような重み付けは超音波の送
信時及び受信時の両者において機能する。

【００２４】図３には、本実施形態の超音波探触子にお
ける超音波の送受波の面から見た等価回路が示されてい
る。上述した３つの領域に対応して便宜上圧電体１０は
５つに区分けされ、そのうちの中央部分の両隣の領域に
おいては一方側においてギャップＧ１による容量が形成
されている。また、その両側の領域においてはギャップ
Ｇ１及びＧ２による２つの容量が形成されている。すな
わち、このような等価回路から理解されるように、ギャ
ップによる容量結合によって音響的なパワーに対する重
み付けが行われ、例えば中央部分の重み付けを１００％
とした場合、一方側に容量結合が生じている場合には、
重み付けは５０〜７０％となり、両側に容量結合が生じ
ている場合には、重み付けは２０〜４０％となる。もち
ろん、このような重み付けの大きさは圧電体の誘電率や
ギャップの大きさとそこに充填される接着剤の誘電率に
依存するものである。

【００２５】以上のように、図１に示す構成によれば、
電極の大きさを調整するだけで簡単に重み付けを行うこ
とができ、従来のような煩雑な処理は不要となる。

【００２６】ちなみに、ギャップＧ１及びＧ２が形成さ
れている露出領域を覆った電極（リード）の面積をその
端部にかけて徐々に変化させれば、電極がない領域にお
いて重み付けの勾配を設定することができる。例えば、
ギャップＧ２に対応するシグナルＦＰＣの部分の幅（ス
ライス方向と直交する方向幅）をシグナル側電極１２か
ら端部にかけて徐々に細くするように形成してもよい。

【００２７】次に、本発明に係る超音波探触子の製造方
法について図４を用いて説明する。図４において、Ｓ１
０１では、スパッタ法などによって平板状の圧電体１０
に対してその上面及び下面に一定の厚さで電極が形成さ
れる。Ｓ１０２では、そのように形成された２つの電極
を利用して圧電体１０に対する分極処理がなされる。こ
れは直流の高電圧を印加することによって行われる。

【００２８】Ｓ１０３では、上面電極及び下面電極を形
成するため、Ｓ１０１で形成された上面および下面の全
面電極に対する両端のカッティングが行われる。具体的
には、電極をエッチングすることによって必要な電極部
分のみが残されることになる。そのエッチング後の状態
が図５に示されている。次に、Ｓ１０４では、接着剤等
によって図５に示すアッセンブリに対してシグナルＦＰ
Ｃ１８及びグランドリード箔１６が接着され、更に図１
に示したように、第一音響整合層２０及び第二音響整合
層２２が設けられ、下面側にはバッキング２４が設けら
れる。第一音響整合層２０が導電体である場合には、グ
ランドリード箔１６を省いて、第一音響整合層をグラン
ドリード箔と兼ねて使用することができる。そして、Ｓ
１０５では、そのように形成された組み立て体に対して
各振動素子を分離するために素子配列方向に沿ってカッ
ティングが行われる。その状態が図６に示されている。
ちなみに、シグナルＦＰＣ１８の配線パターンはこのカ
ッティングに対応するようにあらかじめ設定しておく。

【００２９】図６に示すような超音波探触子によれば、
上述したように、簡単な構成によって重み付けを実現で
き、これによって深さ方向に渡って良好なスライス分解
能を得ることができる。特に、図４に示す製造方法によ
れば、圧電体の上下の全面に電極を形成してそれを利用
して分極処理を行った後にエッチングによって必要な幅
の電極を形成できるので、分極処理を従来同様に行いつ
つ簡単な処理によって重み付けを実現できる。

【００３０】図４に示す製造方法では、圧電体の上下の
全面に電極を形成し、それを利用して分極処理を行って
いたが、圧電体の上下の電極を必要な幅で形成し、リー
ド電極で覆った後、都合のよい工程で分極処理を施すこ
とも可能である。

【００３１】ちなみに、図１に示した構成では、グラン
ド側電極１４及びシグナル側電極１２の両者を互いに異
なる幅としたが、重み付けを二段階に行う場合にはそれ
らの幅を一致させてもよいし、あるいはグランド側電極
１４またはシグナル側電極１２の片方のみについて重み
付け方向に沿って幅を狭くしてもよい。それらの幅を異
ならせれば三段階の重み付けを実現できる。また、図１
に示す構成では、シグナル側電極１２よりもグランド側
電極１４の幅を小さく設定したが、必ずしもそれには限
定されず、シグナル側電極１２の幅の方を小さくしても
よい。

【００３２】上記実施形態では直線状に配列されたアレ
イ振動子についての説明を行ったが、例えば曲線状に各
振動素子が配列されるコンベックス型の超音波探触子に
も本発明を適用でき、さらに、図７に示すような円形の
圧電体１０を利用する円盤形振動子にも本発明を適用で
きる。すなわち、図７に示すように中心から直径方向に
三段階の重み付けを行うものである。

【００３３】以上は三段階までの重み付けを行う場合で
あるが、ギャップを覆うリード電極部分の配列方向の幅
を端部に近づくほど狭くしたり、または電極の重み付け
方向の幅を一様とする代わりに電極密度的に端部に近づ
くほど低くなるように、電極の幅に変化をもたせること
によって、連続的な重み付けも可能となる。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
簡単にかつ低コストで超音波振動子のアポダイゼーショ
ンを行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る超音波探触子の断面を示す断面
図である。

【図２】 エレベーション方向に沿った重み付けを示す
特性図である。

【図３】 超音波探触子の等価回路である。

【図４】 超音波探触子の製造方法を示すフローチャー
トである。

【図５】 シグナル側電極及びグランド側電極が形成さ
れた圧電体を示す図である。

【図６】 カッティングがなされた後の超音波探触子を
示す図である。

【図７】 他の実施形態を示す図である。

【符号の説明】

１０ 圧電体、１２ シグナル側電極、１４ グランド
側電極、１６ グランドリード箔、１８ シグナルＦＰ
Ｃ、２０ 第一音響整合層、２２ 第二音響整合層、２
４ バッキング。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−345300（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−38335（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−161492（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H04R 17/00 332 H04R 31/00 330

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電体と、 前記圧電体の上面に設けられ、重み付け方向に第１の幅
   をもった上面電極と、 前記圧電体の下面に設けられ、重み付け方向に第２の幅
   をもった下面電極と、 前記上面電極に電気的に接続された上面側リード電極
   と、 前記下面電極に電気的に接続された下面側リード電極
   と、 を含み、 前記第１の幅及び前記第２の幅の少なくとも一方は前記
   圧電体の幅よりも小さく、 前記上面リード電極及び前記下面リード電極の少なくと
   も一方と前記圧電体との間には前記上面電極又は前記下
   面電極が介在しない重み付け用の重み付け部が形成され
   たことを特徴とする超音波探触子。
2. 【請求項２】 請求項１記載の超音波探触子において、 前記第１の幅と前記第２の幅はいずれも前記圧電体の幅
   より小さくかつ互いに異なり、 前記重み付け方向に沿って３段階の重み付けが行われる
   ことを特徴とする超音波探触子。
3. 【請求項３】 請求項１記載の超音波探触子において、 前記重み付け部には非導通材料が充填されることを特徴
   とする超音波探触子。
4. 【請求項４】 請求項１記載の超音波探触子において、 前記重み付け部を覆うリード電極部分の面積が前記圧電
   体の端部にかけて小さく設定されたことを特徴とする超
   音波探触子。
5. 【請求項５】 圧電体の上面及び下面の全面に形成され
   た上面電極及び下面電極の少なくとも一方について、重
   み付け方向の両端部を除去する工程と、 前記圧電体の上面及び下面に上面用リード電極及び下面
   用リード電極を設ける工程であって、その際に電極除去
   領域といずれかのリード電極との間に重み付け部を形成
   する工程と、 を含むことを特徴とする超音波探触子の製造方法。
6. 【請求項６】 請求項５記載の方法において、 前記電極除去工程では、前記上面電極及び前記下面電極
   について、重み付け方向にそれぞれ異なる幅を残すこと
   を特徴とする超音波探触子の製造方法。