JP3419327B2

JP3419327B2 - 磁器材料及び超音波探触子及び圧電振動子及びそれらの製造方法

Info

Publication number: JP3419327B2
Application number: JP31290898A
Authority: JP
Inventors: 純桑田; 篤志表; 雅彦橋本
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1998-11-04
Filing date: 1998-11-04
Publication date: 2003-06-23
Anticipated expiration: 2018-11-04
Also published as: JP2000143335A

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および
上記の超音波探触子の超音波送受信素子に使用される音
響整合用磁器材料および圧電磁器振動子用の磁器材料に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から医療、探傷などの計測の分野で
用いられる超音波探触子では、超音波の送受信を行なう
圧電体は所望の中心周波数fcの超音波を効率よく発生さ
せるため半波長共振の振動モードが使用されている。

【０００３】図９は従来の超音波探触子の断面図であ
る。図９において、１超音波探触子、２は圧電体、４は
バッキング材、５は第１整合層、６は第２整合層、１１
は圧電体の両端面に設けられた電極、１２は電極１１と
図示していない送受信回路とを結合する信号線である。

【０００４】図１０に示した構成において、信号線１２
を通して送信回路からの駆動信号が印加されると圧電体
２の内部には厚み方向のひずみが発生し、その結果厚み
方向の縦振動の基本共振である半波長共振が強く励振さ
れて超音波が放射される。したがって圧電体２の厚みは
放射される超音波の周波数の半波長にほぼ等しい。

【０００５】この場合には、圧電体に入る電気的パワー
はバッキング材４の方にも音響パワーとして分配される
ため、被検体への音響パワーが少なく、超音波探触子の
効率を落とす原因になっている。圧電板の背面側に圧電
体とは異なる層を設けて超音波探触子の効率を向上させ
る構造としては、例えば特開昭５３−２５３９号公報に
記載された超音波探触子が知られている。図１０は特開
昭５３−２５３９号公報に記載された超音波探触子の斜
視図である。

【０００６】図１０において、１は超音波探触子、２は
圧電体、３は背面層、４はバッキング材、１１は電極層
である。以上の構成において、圧電体２は使用され中心
周波数の１／４波長の厚みであり、背面層３は圧電体２
およびバッキング材４よりも大きな音響インピーダンス
を持ち、１／４波長あるいはその奇数倍の厚みに設計さ
れている。また圧電体２の材料は、酸化亜鉛などの圧電
材料であり、背面層３上にスパッタ等のプロセスのよっ
て作成されたものである。電極１４に駆動電圧を印加す
ることにより、圧電体２は１／４波長共振を行い超音波
を放射する。

【０００７】この際圧電体２の背面層側の端面からみ
た、インピーダンスが大きくなるため背面層３側へのエ
ネルギーの放射が少なくなり、効率の高い超音波探触子
を実現している。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記従来技
術の問題点に鑑みて開発されたもので、高圧電定数を有
する圧電磁器を用い、その圧電材料の音響インピーダン
スに比べて大きい音響インピーダンスを持つ磁器材料を
提供し、かつそれらを精密に接合して組み合わせ縦振動
姿態を基本定在波の4分の１にする。これにより従来の
振動姿態に加えて2倍の周波数にサブバンドを持つ圧電
振動子を可能にし、高感度の超音波探触子とその超音波
送受信素子である圧電振動子の製造方法を提供すること
を目的とする。

【０００９】しかしながら、従来の技術においては、ス
パッタ等のプロセスによって圧電体を形成しているた
め、圧電体の厚みは数１０μｍ程度であり、その周波数
は数１０ＭＨｚ程度になり、超音波診断装置で一般的に
使用されている数ＭＨｚ程度の周波数に適用することは
できず、また圧電体の厚みに対して動作面積が大きいｋ
ｔモードでの駆動方式であるため、素子の少なくとも１
つの辺が波長と同程度に狭く、ポアソン比などが特性に
大きく影響を与え、さらには切削微細加工の必要なアレ
イ型素子には直接適応できないという問題点を有してい
た。また、音響インピーダンスの大きい材料は硬く脆い
性質があるために加工が非常に困難であった。

【００１０】本発明は上記課題に鑑み、現在の汎用的な
医用超音波診断装置に適用可能な圧電体に適合する弾性
体となる大きな音響インピーダンスを持つ磁器材料を背
面層に有するアレイ型超音波探触子及び圧電振動子を提
供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】このような問題点を解決
するため、本発明では、圧電体とバッキング材の間に上
記圧電体とバッキング材よりも音響インピーダンスの大
きな材料からなる背面層を設け、アレイを構成する各素
子幅と上記圧電体と背面層をあわせた厚みとの比を１以
下とする構成を実現したものである。

【００１２】この課題を解決するために、圧電磁器と接
合しやすく音響インピーダンスが大きい磁器材料とし
て、本発明における鉛、ランタン、チタン、亜鉛、ニオ
ブを主成分とする複合ペロブスカイト型酸化物において
組成式がＸＬａ(Ｚｎ_2/3Ｎｂ_1/ ₃)Ｏ₃-(１−Ｘ)ＰｂＴｉ
Ｏ₃で表せ、Xが0.05から0.35の範囲内にあり、さらにマ
ンガン酸化物を５重量％以下添加した磁器材料を提供す
る。

【００１３】さらに、本発明における圧電振動子あるい
は超音波探触子を実現するには、圧電磁器と接合状態を
良好にするためにメジアン径が0.7μｍ以下に微粒子化
した粉末を高分子材料（ニトロセルロース、ポリビニル
アルコール等）を粘着剤としたグリーンシートにし、数
μｍ以下の薄い電極を界面に形成した後に焼成すること
により接合層を0.5μｍ以下の厚みバラツキにし所望の
特性を持つ圧電振動子あるいは超音波探触子が得られ
る。これらの発明により、従来にない周波数帯域特性を
持つ高感度超音波探触子が得られる。

【００１４】また、さらに上記の圧電体磁器と組成式Ｘ
Ｌａ(Ｚｎ _2/3 Ｎｂ _1/3 )Ｏ ₃ −(１−Ｘ)ＰｂＴｉＯ ₃で表せ
る材料を主成分とした磁器材料の積層化を実現するため
の製造方法も明記した。

【００１５】上記発明により、超音波診断装置に適用可
能なアレイ型超音波探触子および圧電振動子を実現する
ことができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、鉛、ランタン、チタン、亜鉛、ニオブを主成分とす
る複合ペロブスカイト型酸化物において組成式が、ＸＬ
ａ(Ｚｎ_2/3Ｎｂ _1/3)Ｏ₃-(１−Ｘ)ＰｂＴｉＯ₃で表せ、
Ｘが0.05から0.35の範囲内にあり、さらにマンガン酸化
物を５重量％以下添加したことを特徴とする磁器材料を
用いることにより高圧電定数を持つ圧電磁器と組み合わ
せた高感度のアレイ型超音波探触子を実現することがで
きる。

【００１７】請求項２に記載の発明は、超音波を送受信
する圧電体と、上記圧電体の背面側に圧電体よりも大き
な音響インピーダンスをもつ背面層と上記背面層より音
響インピーダンスの小さなバッキング材を具備した多数
の超音波送受信素子を少なくとも1次元に配列したアレ
イ型超音波探触子において、背面層として鉛、ランタ
ン、チタン、亜鉛、ニオブを主成分とする複合ペロブス
カイト型酸化物において組成式がＸＬａ(Ｚｎ_2/3Ｎｂ
_1/3)Ｏ₃-(１−Ｘ)ＰｂＴｉＯ₃で表せ、Xが0.05から0.35
の範囲内にあり、さらにマンガン酸化物を５重量％以下
添加したことを特徴とする磁器材料を用いることにより
高圧電定数を持つ圧電磁器と組み合わせた高感度のアレ
イ型超音波探触子を実現することができる。

【００１８】請求項３に記載の発明は、背面層の厚みが
中心周波数における波長の0.05〜0.25倍であることを特
徴とする、請求項１の磁器材料と圧電磁器を組み合わせ
た圧電振動子であり、圧電体の厚みを上記の範囲に設定
することにより、所望の中心周波数において最大の感度
を得ることが可能となる。

【００１９】請求項４記載の発明は、請求項２記載の超
音波探触子を製造する際に請求項1記載の磁器材料と圧
電磁器材料をグリーンシートにし界面に電極を形成した
のち焼成することにより高感度の超音波探触子を得るこ
とが可能となる。

【００２０】請求項５記載の発明は、請求項３記載の圧
電磁器振動子を製造する際に請求項1記載の磁器材料と
圧電磁器材料をグリーンシートにし界面に電極を形成し
たのち焼成することにより形成した圧電磁器振動子が所
望の中心周波数において最大の出力を得ることが可能と
なる。

【００２１】請求項６記載の発明は、請求項1記載の磁
器材料を微粒子化し高分子材料と混合した粘性体と請求
項３記載の圧電磁器となる前駆体として粒子径が５ミク
ロン以下の強誘電体粒子を高分子材料と混合した粘性体
を予め所望の構造に加工し、さらに所望の位置に電極形
成を行った後、焼結させることにより、所望の形状の圧
電振動子を製造することが可能となる。

【００２２】なお、電極形成されたグリーンシートを予
め所望の構造に加工した後、炭素あるいは白金を主成分
とした金型に挿入した後、焼結させることにより、所望
の形状の圧電振動子を製造することが可能となる。

【００２３】また、グリーンシートを予め所望の構造に
レーザー加工した後、焼結させることにより、所望の２
次元あるいは３次元形状の圧電磁器振動子を製造するこ
とが可能となる。

【００２４】次に、本発明の具体例を説明する。（実施例１）まず、本発明にかかる鉛、ランタン、チタ
ン、亜鉛、ニオブを主成分とする複合ペロブスカイト型
酸化物において組成式がＸＬａ(Ｚｎ_2/3Ｎｂ_1/3)Ｏ₃-
(１−Ｘ)ＰｂＴｉＯ₃で表せ、Xが0.05から0.35の範囲内
にあり、さらにマンガン酸化物を５重量％以下添加した
ことを特徴とする磁器材料と圧電特性を持つセラミック
材料を粉体にする。

【００２５】上記の組成物ＸＬａ(Ｚｎ_2/3Ｎｂ_1/3)Ｏ₃-
(１−Ｘ)ＰｂＴｉＯ₃は、酸化ランタン、酸化亜鉛、五
酸化ニオブ、酸化チタン、酸化鉛を出発原料として800
℃から900℃で数時間数回仮焼成した状態の粉体を用い
る。この時、粉体はその平均粒径が0.7ミクロン以下及
び最大粒子径が5ミクロン以下になるように粉砕、分級
し、次に高分子材料であるポリビニルアルコール（PVA)
を含む水溶液あるいはポリビニルブチラール（PVB）を
含む有機溶媒を各々の粉体に加え、混合し、粘土状にす
る。圧電磁器材料も同様に粉砕、分級し、高分子溶液と
混合して粘土状にする。次に、最終寸法形状となるよう
に予め焼結時の収縮率を測定し、それぞれのシートの形
状を決定する。

【００２６】ここで本発明のＸＬａ(Ｚｎ_2/3Ｎｂ_1/3)Ｏ
₃-(１−Ｘ)ＰｂＴｉＯ₃系磁器材料と圧電磁器材料の収
縮率を合わせることが重要で、そのために両者の仮焼成
温度を調節して焼成後の寸法を一致させた。またこの
時、薄いグリーンシートにするときは粘度を低くして狭
いスリットの間から流し出しポリエチレンテレフタレー
トのシートの上に敷き乾燥させて柔軟性のある薄いグリ
ーンシートとする。

【００２７】次に、圧電磁器材料のグリーンシートの所
定の場所に電極を蒸着や印刷で形成しさらにそれを所望
の形状に加工し、本発明の磁器材料シートと圧電磁器材
料のシートを積層した状態で電気炉等で焼成する。

【００２８】この時、一度4００〜７００℃以下の温度
で数時間程度保持しバインダであるPVAあるいはPVBを除
去し、次に１１００〜１２５０℃の間で約２時間焼成し
て所望の圧電振動子を作成した。

【００２９】ここで、本発明にかかる磁器材料であるＸ
Ｌａ(Ｚｎ_2/3Ｎｂ_1/3)Ｏ₃-(１−Ｘ)ＰｂＴｉＯ₃系磁器
材料の音響インピーダンス特性について図１に示す。モ
ル比Xが0.2の時に最大値となり、圧電磁器材料との組み
合わせによりXが0.05から0.35の範囲が有効である。こ
の範囲を超えると圧電磁器材料の音響インピーダンスと
同程度の値になってしまう。

【００３０】さらに、ＸＬａ(Ｚｎ_2/3Ｎｂ_1/3)Ｏ₃-(１
−Ｘ)ＰｂＴｉＯ₃系磁器材料にマンガン酸化物を少量
（５重量％以下）添加して焼成すると音速が５％程度改
善された。

【００３１】また、この時の圧電磁器材料としては、ペ
ロブスカイト型酸化物の強誘電体やタングステンブロン
ズ構造の強誘電体を用いた。具体的には、鉛、バリウ
ム、ストロンチウム、亜鉛、ニオブ、タンタル、マグネ
シウム、チタン、ジルコニウム、ランタニド系の元素を
二つ以上含んだ酸化物圧電材料によって実施できた。

【００３２】また、圧電磁器材料の替りとして音響イン
ピーダンスの低い圧電材料として鉛を含むペロブスカイ
ト型酸化物の強誘電体の単結晶ＸＬａ(Ｚｎ_2/3Ｎｂ_1/3)
Ｏ₃-(１−Ｘ)ＰｂＴｉＯ₃(Ｘが0.08から0.15)との組み
合わせることもできた。電極材料としては白金、あるい
は銀を含むパラジウム、あるいはニッケルを使用した。

【００３３】一方、本発明のＸＬａ(Ｚｎ_2/3Ｎｂ_1/3)Ｏ
₃-(１−Ｘ)ＰｂＴｉＯ₃系磁器材料と前記の圧電材料が
焼結体あるいは単結晶板の状態の場合は背面層となる本
発明の磁器材料と圧電材料を表面粗さが0.25μｍ以下に
し、接着層を0.5μｍ以下になるように接着剤で接合し
た。この場合の電極材料は銀、金、白金、銅等の電極層
を蒸着で形成した。

【００３４】また、接着強度を増すためにクロム、ある
いはチタンを100nm以下で電極と圧電材料の界面に形成
した。

【００３５】以下に本発明の磁器材料を用いた超音波探
触子と圧電振動子について、図２ないし図８を用いて本
発明の実施の形態について説明する。

【００３６】（実施の形態１）図２は本発明、実施の形
態１における超音波探触子の斜視図である。図２におい
て１超音波探触子、２は超音波を送受信する圧電体、３
は圧電体２の背面に設けられた背面層、４は背面層の背
後に設けられ超音波探触子１全体を支持しているバッキ
ング材、５、６は図示されていない被検体との音響的マ
ッチングをとるための第1および第2整合層、７は短軸方
向のフォーカスを行うための音響レンズ、８はアレイを
構成するために設けられたダイシングギャップ、９はダ
イシングギャップに充填され超音波探触子の機械的強度
を保つための充填材、１０はアレイを構成する超音波送
受信素子である。

【００３７】図３は本発明の第1の実施例における超音
波探触子の断面の模式図である。図３において１１は圧
電体２の両端面に設けられた電極層、１２は圧電体の電
極層に接続された信号線であり、これらは図示されてい
ない本体内の送受信回路回路と接続されている。また１
３は圧電体２と背面層３を接合するための接着層であ
る。ここで、この接合層１３は製造方法によりゼロに
することもできる。

【００３８】以上のように構成された超音波探触子１の
製造方法の一例を説明する最初に計測に用いる超音波の
中心周波数を決定する。中心周波数は測定対象の大き
さ、測定対象までの距離、所望の分解能などから決定さ
れる。中心周波数が決定した後圧電体２の厚みを設定し
た中心周波数と圧電体２の音速の関係で決まる波長に対
しての0.2〜0.3倍程度に設定し、所定の厚みの圧電体２
を研削、研磨などにより作成する。また、厚み以外の寸
法に関しては、超音波探触子１の使用環境、測定対象な
どを考慮して決定し、予めダイサやワイヤソウなどによ
り所定の寸法に加工しておけばよい。

【００３９】圧電体２の材料はＰＺＴなどの圧電磁器、
また圧電コンポジット材料、圧電高分子材料などの圧電
性を有するものであれば良いが、電気機械結合係数の大
きいものが望ましい。この圧電体２の両面に、焼付け・
印刷・スパッタなどにより電極１１を形成する。電極材
料は導電性の良好な金属であればよく、音響特性上から
電極はなるべく薄く形成されている事が好ましい。

【００４０】電極１１を形成した圧電体２の背面側に、
圧電体２より音響インピーダンスの大きな材料で構成さ
れている背面層３を所定の寸法に加工したのち接着剤に
より接合する。背面層３の厚みは中心周波数fcと背面層
３の音速Ｖｂの関係で決まる波長に対しての0.05〜0.25
倍程度に設定し、研削、研磨などにより作成する。

【００４１】接着工程においてはダイセットや専用の接
着治具などを使用し接着層１３を可能な限り薄くするこ
とが必要である。背面層３の材料は、圧電体２より音響
インピーダンスの大きいものであればよいが、圧電体２
との接合性の良好なもので、かつアレイを形成するため
に切削性の良好な材料が望ましい。

【００４２】本発明にかかる背面層３として有効な磁器
材料は音響インピーダンスが３３Ｍｋｇ／（ｍ2・ｓ）
以上のものであれば、圧電体として音響インピーダンス
が３２Ｍｋｇ／（ｍ2・ｓ）程度の値を有するＰＺＴ系
の圧電セラミックスを使用した場合にも背面層として適
当な材料となる。本発明にかかる磁器材料であるＸＬａ
(Ｚｎ_2/3Ｎｂ_1/3)Ｏ₃-(１−Ｘ)ＰｂＴｉＯ₃系磁器材料
の音響インピーダンス特性は、この条件を満たしてい
た。

【００４３】圧電体２と背面層３を接着した後にバッキ
ング剤４、第１整合層５、第２整合層６を接着し、ダイ
サなどを使用してダンシングギャップ８を形成する。そ
の際各超音波送受信素子１幅Ｗと圧電体２と背面層３を
あわせた厚みＴとの比は０．８以下、望ましくは０．６
以下に設定する。超音波探触子１に機械的な強度が必要
である場合には、ダイシングギャップ８に充填材９を充
填する。

【００４４】充填材は各アレイ素子間のクロストークを
低く押さえるために、例えば硬度の低いエポキシ系の樹
脂やシリコン系の樹脂、あるいはポリウレタン系の樹脂
などを使用すればよい。充填材９の充填後音響レンズ７
を接着する。信号線１１は圧電体２の上下の電極１０と
の電気的接続ができればよく、背面層３を接合する前、
あるいは接合後に電極１０にハンダ付けや導電性ペース
トあるいはワイヤボンディングなどにより接合する。

【００４５】なお、上記の製造方法によれば、圧電体２
と背面層３を接合する接着層１２以外に、背面層３とバ
ッキング材４、圧電体２と第１整合層５、第１整合層５
と第２整合層６、第２整合層６と音響レンズ７間に接着
層が存在するが図３では省略した。

【００４６】以上のように構成された超音波探触子１の
動作について図２を参照しながら説明する。図２に示さ
れる本発明の第１の実施例における探触子を設計した場
合、圧電体２の厚みは0.2〜0.3波長に設定され、一般的
な従来の１／２波長共振を用いた超音波探触子に比べて
薄く設計されている。

【００４７】駆動電圧Vを印加した場合、圧電体内部に
発生する電界強度は圧電体の厚みに反比例するため、本
発明の超音波探触子は従来の超音波探触子と比較して内
部の電界強度が大きく、したがって大きなひずみが発生
する。寸法的には本実施例における圧電体２の厚みは、
従来の圧電体２の厚みの1/2程度になるため、圧電体２
内部に電界により発生するひずみは従来の2倍程度にな
る。

【００４８】圧電体２の厚みを薄くして電界強度を高め
内部のひずみを大きくした場合、圧電体２の両端面がフ
リーに近い状態で振動するため、厚み方向の半波長共振
が強く励振されてしまい、中心周波数が上昇してしまう
が、本実施の形態における超音波探触子１では圧電体２
より音響インピーダンスが大きい背面層３として本発明
にかかる磁器材料であるＸＬａ(Ｚｎ_2/3Ｎｂ_1/3)Ｏ₃-
(１−Ｘ)ＰｂＴｉＯ₃系磁器材料を設けたことにより、
圧電体２の背面層側の振動を抑制し、中心周波数の上昇
を押さえた状態で大きなひずみを発生させることができ
た。結果的に送信時の効率が高く、受信感度も高い超音
波探触子となった。

【００４９】高効率のアレイ型超音波探触子を構成する
ためには、圧電体２の厚みと超音波送受信素子１０の幅
の関係が重要であり、従来の超音波探触子では、圧電体
の幅と厚みの比が１以下、望ましくは0.6以下であるこ
とが望ましいとされている。本発明の実施の形態１にお
ける超音波探触子１場合には、圧電体２と背面層３を一
体で考えた場合の振動特性が重要である。

【００５０】図４は圧電体２と背面層３をあわせた厚み
をＴとして、超音波送受信素子１０の幅との関係を変え
てインピーダンス特性をシミュレーションした結果であ
る。図４（ａ）はＷ／Ｔ＝０．５、（ｂ）はＷ／Ｔ＝
０．６、（ｃ）はＷ／Ｔ＝０．８の場合の結果である。

【００５１】図４（ａ）、（ｂ）では、４ＭＨｚから５
ＭＨｚ付近に大きな縦振動の共振が現れているが、
（ｃ）では反共振の部分に横方向の共振が発生し、全体
としての縦振動特性に影響を与えていることがわかる。
図４より、本実施の形態における超音波送受信素子１０
を高効率なものとするためには、超音波送受信素子１０
の幅Ｗと圧電体２と背面層３をあわせた厚みＴの比Ｗ／
Ｔが０．８以下、望ましくは０．６以下に設計すること
が必要である。

【００５２】また、背面層３の厚みと音響インピーダン
スは超音波探触子の感度に対して影響を与え、送信感度
および受信感度に対する影響が異なる。図５および図
６は本実施の形態における超音波探触子の感度特性と背
面層４の厚みおよび音響インピーダンスの関係を示した
もので、縦軸は相対感度を横軸は中心周波数の場合の波
長で規格化した背面層の厚みである。図５は送信感度、
図６は受信感度をそれぞれ示している。図５に示めすよ
うに送信感度は背面層の厚みが0.15波長付近で最大値に
達する。

【００５３】一方、図６に示すよう受信感度に関しては
背面層４の音響インピーダンスに対する依存性は少な
い。この場合には総合の感度は0.2〜0.25波長付近で最
大となり、また背面層３の圧電体３に対する音響インピ
ーダンスの比が大きいほど相対的な感度は大きくなる。
図５、図６に示すよう背面層の厚さと音響インピーダン
スの影響の違いを利用することにより、圧電体２などの
他の構成に大きな変更を加えることなしに送信感度ある
いは受信感度が異なる超音波探触子を容易に設計製作す
ることが可能になる。

【００５４】さらに、接着によって圧電体２と背面層３
を接合する場合には、図２における接着層１３の厚みと
音響インピーダンスが大きな影響を与える。図７は接着
層１３の厚みを一定にして、接着材の音響インピーダン
スZを０から１０まで変化させた場合の超音波探触子１
の帯域特性の変化のシミュレーション結果である。図７
に示すように音響インピーダンスが低い場合には、帯域
特性が狭帯域化し感度の低下が顕著である。

【００５５】図８は接着層の音響インピーダンスと中心
周波数で規格化した厚みを変化させた場合の感度の低下
を示している。接着層の厚みを０にすることは現実に不
可能であり、また一般的に使用されるエポキシ樹脂など
の高分子系の接着剤の音響インピーダンスは１０Ｍkg／
（ｍ²・ｓ）以下である。若干の感度低下は容赦するこ
とは不可欠であり、原理的感度に対して−３ｄＢ以内の
感度低下に押さえようとする場合には、接着層は０．０
１波長以下に制御することが必要である。

【００５６】以上のように本実施の形態によれば、超音
波を送受信する圧電体と、上記圧電体の背面側に圧電体
より大きな音響インピーダンスをもつ背面層を設け、か
つ超音波送受信素子の幅と圧電体、背面層の厚みの比を
０．８以下にし、また圧電体と背面層間の接着層を0.01
波長以下に制御することにより、高効率の超音波探触子
を実現できる。さらに、上記背面層の厚みおよび音響イ
ンピーダンスを変更することにより、送信感度、受信感
度を変更することができ超音波探触子の設計自由度を広
げることができる。

【００５７】本実施の形態を実現する上で本発明にかか
る磁器材料であるＸＬａ(Ｚｎ_2/3Ｎｂ_1/3)Ｏ₃-(１−Ｘ)
ＰｂＴｉＯ₃系磁器材料を背面層３に用い、圧電体２と
してＸＬａ(Ｚｎ_2/3Ｎｂ_1/3)Ｏ₃-(１−Ｘ)ＰｂＴｉＯ₃
系圧電磁器材料や単結晶ＸＬａ(Ｚｎ_2/3Ｎｂ_1/3)Ｏ₃-
(１−Ｘ)ＰｂＴｉＯ₃を用いた場合この予測と一致し
た。

【００５８】また、加工法として、焼結体あるいは単結
晶を切削研磨して所望の形状にした後に接合した場合と
焼結前にグリーンシートの段階でレーザーを用いて加工
した後に焼結する方法を行ったが両方ともに同様に設計
予測と合致した結果を得た。

【００５９】さらに、グリーンシートを切断、電極形成
等の加工した後にあらかじめ設計された白金あるいは炭
素を主成分とする金型にこの加工済みのグリーンシート
を挿入した後に焼結することにより図２、図３のような
平板形状以外に凹面形状や凸面形状の圧電体と背面層積
層型の圧電振動子やそれを用いた超音波探触子も形成で
きた。

【００６０】

【発明の効果】以上のように、本発明の高音響インピー
ダンスの磁器材料を用いた圧電振動子を設けた超音波探
触子によれば従来の超音波探触子と比較し、高効率の超
音波探触子が構成できるため送受信感度が向上し、高感
度な計測が可能となるものである。また本発明の超音波
探触子の構造によれば送信感度、受信感度などの設定を
背面層の厚みと音響インピーダンスを変化させることに
より制御でき、超音波探触子の設計の自由度を広げるこ
とが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の磁器材料の音響インピーダンスおよび
密度に関する説明図

【図２】本発明の実施の形態１における超音波探触子の
斜視図

【図３】本発明の実施の形態１における超音波探触子の
断面の模式図

【図４】本発明の実施の形態１における超音波探触子の
超音波送受信素子幅と圧電体背面層の厚みの比を代えた
場合のインピーダンス特性の変化を示した図

【図５】本発明の実施の形態１における超音波探触子の
背面層の厚みと音響インピーダンスと送信感度の関係を
示す図

【図６】本発明の実施の形態１における超音波探触子の
背面層の厚みと音響インピーダンスと受信感度の関係を
示す図

【図７】本発明の実施の形態１における超音波探触子の
圧電体と背面層間の接着層の厚さと音響インピーダンス
と超音波探触子の帯域特性の関係を示す図

【図８】本発明の実施の形態１における超音波探触子の
圧電体と背面層間の接着層の厚さと音響インピーダンス
と超音波探触子の感度特性の関係を示す図

【図９】従来の超音波探触子の断面図

【図１０】従来の超音波探触子の断面図

【符号の説明】

１アレイ型超音波探触子２圧電体３背面層４バッキング材５第1整合層６第2整合層７音響レンズ８ダイシングギャップ９充填材１０超音波送受信素子１１電極層１２信号線１３接着層１４金属膜層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平４−130682（ＪＰ，Ａ) 特開平３−288481（ＪＰ，Ａ) ＬＶ 10072 Ｂ (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C04B 35/42 - 35/50 ＣＡ（ＳＴＮ) ＲＥＧＩＳＴＲＹ（ＳＴＮ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】鉛、ランタン、チタン、亜鉛、ニオブを
主成分とする複合ペロブスカイト型酸化物において組成
式がＸＬａ(Ｚｎ_2/3Ｎｂ_1/3)Ｏ₃−(１−Ｘ)ＰｂＴｉＯ₃
で表せ、Ｘが0.05から0.35の範囲内にあり、さらにマン
ガン酸化物を５重量％以下添加したことを特徴とする磁
器材料。
【請求項２】超音波を送受信する圧電体と、上記圧電
体の背面側に圧電体よりも大きな音響インピーダンスを
もつ背面層と上記背面層より音響インピーダンスの小さ
なバッキング材を具備した多数の超音波送受信素子を少
なくとも１次元に配列したアレイ型超音波探触子におい
て、請求項１記載の磁器材料を前記の圧電体よりも大き
な音響インピーダンスをもつ背面層として備えたことを
特徴とする超音波探触子。
【請求項３】請求項１記載の磁器材料を圧電磁器と組
み合わせたことを特徴とする圧電振動子。
【請求項４】請求項２記載の超音波探触子を製造する
際に請求項１記載の磁器材料と圧電材料をグリーンシー
トにし界面に電極を形成したのち焼成することを特徴と
した超音波探触子。
【請求項５】請求項３記載の圧電振動子を製造する際
に請求項１記載の磁器材料と圧電材料をグリーンシート
にし界面に電極を形成したのち焼成することを特徴とし
た圧電振動子。
【請求項６】請求項１記載の磁器材料を平均粒子径
０．７ミクロン以下及び最大粒子径５ミクロン以下の微
粒子とし高分子材料と混合した粘性体と請求項３記載の
圧電材料となる前駆体として平均粒子径０．７ミクロン
以下及び最大粒子径５ミクロン以下の強誘電体粒子を高
分子材料と混合した粘性体を予め所望の構造に加工し、
さらに所望の位置に電極形成を行った後、焼結させるこ
とにより、所望の形状の振動子を製造する圧電振動子の
製造方法。