JP3792182B2 - Piezoelectric body for ultrasonic probe - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波探触子用圧電体に関し、特に、医学的診断治療や、材料の非破壊検査などに利用される超音波探触子用圧電体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波診断装置や非破壊検査装置は、超音波探触子から超音波ビームを被検体に送出し、被検体内部で反射された超音波信号を超音波探触子で受信して、被検体内部の情報を得る装置である。超音波診断装置や非破壊検査装置に用いられる超音波探触子は、多数の圧電体振動子を配列したものである。圧電体振動子を選択的に駆動することにより、超音波ビームの方向を変化させて、被検体内部を走査する。
【０００３】
超音波探触子のスライス方向(超音波ビームの走査方向と直交する方向)の分解能は、超音波ビームの径と周波数に依存する。近距離での超音波ビーム径は、超音波探触子の口径の依存度が高く、超音波探触子の口径を小さくすることで、近距離で高分解能が得られる。遠距離の超音波ビームは、拡散の影響を受けるために広がり、その広がりは、超音波探触子の口径と反比例するため、口径を大きくすると超音数ビーム径は小さくなる。また、減衰の影響を受けるために、遠距離での分解能は、低い周波数の超音波ビームで決まる。したがって、遠距離では、周波数を低く、口径を大きくすることで、高分解能が得られる。
【０００４】
近距離でも遠距離でも分解能が高くなるように、高い周波数の超音波を小口径で送出し、低い周波数の超音波を大口径で送出することができる超音波探触子を用いる。このような超音波探触子は、広い範囲の周波数の超音波を選択的に送受信できる圧電体振動子（以下圧電体）を、方位方向（超音波ビームの走査方向）に配列して構成する。以下に、広い範囲の周波数の超音波を選択的に送受信できる従来の超音波探触子の例を説明する。
【０００５】
図16に、特開昭58-29455号公報に開示された超音波探触子を示す。図16において、圧電体21は、短軸方向（超音波探触子の短軸方向）の中央部が薄く、短軸方向端部に行くに従って厚さが順次厚く変化していく平凹面形状の圧電振動子である。音響整合層22は、超音波を効率よく送信あるいは受信するために、圧電体21の厚さ変化に合わせて、中央部で薄く、端部で厚くなるように形成された層である。音響レンズ23は、短軸方向に関して１点の固定焦点で超音波を収束させるために設けられたレンズである。背面負荷材24は、圧電体１の背面で音響的なダンピング作用を行う部材である。
【０００６】
厚さが順次変化していく圧電体21は、中央部の薄い部分は高周波で振動し、端部に行くほど低周波で振動する。高い周波数で振動している中央部は、実効的な口径が小さく、端部の周波数が低くなるにつれて、実効的な口径が大きくなっていく。図16に示す超音波探触子を用いた超音波診断装置や非破壊検査装置では、高い周波数を使用すると、近距離で細い超音波ビームを形成することができる。逆に、低い周波数成分を使用すると、遠距離で細い超音波ビームが形成できる。使用する周波数を段階的に変化させて、近距離から遠距離に亘って細い超音波ビームを形成し、スライス分解能を向上させる。
【０００７】
図17と図18に、特開平7-107595号公報に開示された圧電体の製造方法を示す。図17に示す方法は、円板状の研削砥石25により研削加工する方法である。研削砥石25は、圧電体21と同じ幅である。所望の厚さ分布を有する圧電体21を研削加工することができるような形状となっている。研削砥石25は、平板形状の圧電体21の底面と平行なｘ軸を回転軸として回転しながら、ｙ軸方向に移動して加工する。
【０００８】
図18に示す方法では、回転軸を中心に回転する研削砥石26のエッジを、圧電体21の表面に接触するように傾ける。図18中のｘ軸方向に沿って、圧電体21の一端から加工を開始する。研削砥石26が逆端まで移動する間に、圧電体21が所望の厚さ分布を持つ形状になるよう、図18中のｚ軸方向における研削砥石26の位置を制御する。図18中のｙ軸方向に沿って移動しながら加工を繰り返し、圧電体21のｙ軸方向長さ全体に亘って加工する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の超音波探触子の製造方法では、研削加工中に圧電セラミクスが破損し易く、圧電体の加工が困難であるという問題があった。すなわち、超音波診断装置の超音波探触子で使用する周波数は数MHz程度であるから、圧電体の共振周波数を数MHz程度とすると、PZTなどの圧電セラミクスでは、厚さは数十μｍ〜数百μｍのオーダーとなる。場所によって厚さが異なる圧電セラミクスを、数十μｍ〜数百μｍのオーダーの厚さで研削加工すると、薄い部分を研削加工する時に破損する可能性が非常に高くなる。
【００１０】
本発明は、上記の問題を解決して、圧電セラミクスの研削加工をすることなく簡単に製造でき、近距離から遠距離まで方位分解能が高い超音波探触子を実現することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明では、超音波を送受信する基準方向に直交し、かつ基準方向に沿って前後関係に位置する２つの圧電層部と、スライス方向中心面に対して対称形となるように設けられた偶数個の充填層部とを有する圧電体を、２つの充填層部はスライス方向中心面を含む領域で接する２つの圧電層部の間に挟まれてスライス方向中心面の両側に超音波走査方向に並行して貫通するように設けられ、偶数個の充填層部における音速は、２つの圧電層部における音速より遅く、偶数個の充填層部のスライス方向中心面に並行な断面の断面積は、スライス方向中心面から離れるにつれて大きい構成とした。
【００１２】
このように構成したことにより、厚さが一様な圧電体であっても、スライス方向中央部では高い周波数の細い超音波ビームを送受信でき、スライス方向両端部で低い周波数の幅の広い超音波ビームを送受信できる。特に、音速の遅い充填材の割合を端部で増加させることで、端部での実効的な厚さを厚くできるので、一様な厚さの圧電体でも、低い周波数の超音波ビームを送受信できる。
【００１３】
また、超音波を送受信する基準方向に直交し、かつ基準方向に沿って前後関係に位置する３つの圧電層部と、スライス方向中心面に対して対称形となるように設けられた偶数個の充填層部とを有する圧電体を、偶数個の充填層部はスライス方向中心面を含む領域で接する３つの圧電層部の間に挟まれてスライス方向中心面の両側に超音波走査方向に並行して貫通するように設けられ、偶数個の充填層部における音速は、３つの圧電層部における音速より遅く、偶数個の充填層部のスライス方向中心面に並行な断面の断面積は、スライス方向中心面から離れるにつれて大きい構成とした。
【００１４】
このように構成したことにより、厚さが一様な圧電体であっても、スライス方向中央部では高い周波数の細い超音波ビームを送受信でき、スライス方向両端部で低い周波数の幅の広い超音波ビームを送受信できる。圧電体の厚さ振動の節にあたる厚さ方向中央部分には充填層部が存在しないので、厚さ振動が安定する。充填層部の厚さが、厚さ方向中央部に存在する圧電層部の厚さ分だけ薄くなるので、機械的強度を大きくできる。
【００１５】
また、超音波を送受信する基準方向に直交し、かつ基準方向に沿って前後関係に位置する２つの圧電層部と、スライス方向中心面に対して対称形となるように設けられた２つの充填層部とを有する圧電体を、２つの充填層部はスライス方向中心面を含む領域で接する２つの圧電層部の間に挟まれてスライス方向中心面の両側に超音波走査方向に並行して貫通するように設けられ、２つの充填層部における音速は、２つの圧電層部における音速より遅く、２つの充填層部のスライス方向中心面に並行な断面は、スライス方向中心面から離れるにつれて広い構成とした。
【００１６】
このように構成したことにより、厚さが一様な圧電体であっても、スライス方向中央部では高い周波数の細い超音波ビームを送受信でき、スライス方向両端部で低い周波数の幅の広い超音波ビームを送受信できる。厚さ方向に圧電材料の連続部分が複数存在するために、機械的強度をさらに大きくできる。
【００１７】
また、超音波を送受信する基準方向に直交し、かつ基準方向に沿って前後関係に位置する３つの圧電層部と、スライス方向中心面に対して対称形となるように設けられた４つの充填層部とを有する圧電体を、４つの充填層部はスライス方向中心面を含む領域で接する３つの圧電層部の間に挟まれてスライス方向中心面の両側に超音波走査方向に並行して貫通するように設けられ、４つの充填層部における音速は、３つの圧電層部における音速より遅く、４つの充填層部のスライス方向中心面に並行な断面は、スライス方向中心面から離れるにつれて広い構成とした。
【００１８】
このように構成したことにより、厚さが一様な圧電体であっても、スライス方向中央部では高い周波数の細い超音波ビームを送受信でき、スライス方向両端部で低い周波数の幅の広い超音波ビームを送受信できる。圧電体の厚さ振動の節にあたる厚さ方向中央部分には充填層部が存在しないので、厚さ振動が安定する。充填層部の厚さが、厚さ方向中央部に存在する圧電層部の厚さ分だけ薄くなるので、機械的強度を大きくできる。厚さ方向に圧電材料の連続部分が複数存在するために、機械的強度をさらに大きくできる。
【００１９】
また、偶数個の充填層部の走査方向に直交する断面形状を、円形とした。このように構成したことにより、製造方法が簡単になる。
【００２０】
また、偶数個の充填層部における音速が、偶数個の充填層部ごとに異なるようにした。このように構成したことにより、送受信超音波の周波数に関する設計の自由度を大きくできる。
【００２１】
また、偶数個の充填層部の位置がスライス方向中心面から離れるに従って、偶数個の充填層部における音速が遅くなるようにした。このように構成したことにより、送受信超音波の周波数範囲を大きくできる。
【００２２】
また、超音波を送受信する基準方向の中心面とスライス方向中心面とに対して対称形となるように設けられた周波数定数の異なる３つの圧電層部を有する圧電体を、スライス方向中心面から離れるに従って厚さが減少する周波数定数の大きい第１の圧電層部を、スライス方向中心面から離れるに従って厚さが増加する第１の周波数定数よりも小さい周波数定数の第２の圧電層部で挟んだ構成とした。
【００２３】
このように構成したことにより、厚さが一様な圧電体であっても、スライス方向中央部では高い周波数の細い超音波ビームを送受信でき、スライス方向両端部で低い周波数の幅の広い超音波ビームを送受信できる。
【００２４】
また、圧電体の製造方法を、圧電材料を含む圧電前駆材と空隙形成材とを積層して圧電前駆材積層体を形成する積層体形成工程と、圧電前駆材積層体を加圧して押し固める加圧工程と、押し固めた後に空隙形成材を引き抜く引抜工程と、空隙を形成した圧電前駆材積層体を焼成する焼成工程と、空隙の内部に充填材を充填する充填工程とを有する方法とした。このような方法としたことにより、研削加工することなく、近距離から遠距離まで細い超音波ビームが得られる超音波探触子用圧電体を製造できる。
【００２５】
また、引抜工程において、空隙形成材を、圧電前駆材積層体のスライス方向の端の面から引き抜く方法とした。このような方法としたことにより、引抜時の空隙形成材の移動量が減り、引抜作業が容易になる。
【００２６】
また、圧電体の製造方法を、圧電材料を含む圧電前駆材と空隙形成材とを積層して圧電前駆材積層体を形成する積層体形成工程と、圧電前駆材積層体を加圧して押し固める加圧工程と、押し固めた圧電前駆材積層体を焼成して空隙形成材を完全に燃焼させて空隙を形成する焼成工程と、空隙の内部に充填材を充填する充填工程とを有する方法とした。このような方法としたことにより、研削加工することなく、近距離から遠距離まで細い超音波ビームが得られる超音波探触子用圧電体を製造できる。圧電前駆材積層体の破損や空隙形状の乱れを防ぐこともできる。
【００２７】
また、積層体形成工程において、２つの圧電前駆材の間に、断面形状がスライス方向中心部側から離れるに従って広がっている偶数個の空隙形成材をスライス方向中心面に対して対称に並べて挟んで積層する方法とした。このような方法としたことにより、研削加工することなく、近距離から遠距離まで細い超音波ビームが得られる超音波探触子用圧電体を製造できる。
【００２８】
また、積層体形成工程において、２つの圧電前駆材の間に、断面形状がスライス方向中心部側から離れるに従って広がっている２つの空隙形成材をスライス方向中心面に対して対称に並べて挟んで積層する方法とした。このような方法としたことにより、研削加工することなく、近距離から遠距離まで細い超音波ビームが得られる超音波探触子用圧電体を製造できる。
【００２９】
また、積層体形成工程において、２つの圧電前駆材の間に、断面形状がスライス方向中心部側から離れるに従って広がっている４つの空隙形成材を、厚さ方向対称かつスライス方向対称に並べて挟んで積層する方法とした。このような方法としたことにより、研削加工することなく、近距離から遠距離まで細い超音波ビームが得られる超音波探触子用圧電体を製造できる。
【００３０】
また、積層体形成工程において、２つの圧電前駆材の間に、断面積が異なる４の倍数個の空隙形成材を厚さ方向対称かつスライス方向対称に並べて挟んで積層する方法とした。このような方法としたことにより、研削加工することなく、近距離から遠距離まで細い超音波ビームが得られる超音波探触子用圧電体を製造できる。
【００３１】
また、空隙形成材の断面を円形とする製造方法とした。このような方法としたことにより、加圧方向（厚さ方向）に垂直な平面が無くなり、引抜作業が容易になる。
【００３２】
また、充填工程において、空隙ごとに複数種類の充填材の１つを選択して充填する方法とした。このような方法としたことにより、研削加工することなく、近距離から遠距離まで細い超音波ビームが得られる超音波探触子用圧電体を製造できる。
【００３３】
また、周波数定数の異なる複数種類の圧電前駆材を積層して、圧電前駆材積層体を形成する積層工程と、圧電前駆材積層体を加圧して押し固める加圧工程と、押し固めた圧電前駆材積層体を焼成する焼成工程とを有する方法とした。このような方法としたことにより、研削加工することなく、近距離から遠距離まで細い超音波ビームが得られる超音波探触子用圧電体を製造できる。
【００３４】
また、積層工程において、圧電前駆材積層体のスライス方向中央部ほど周波数定数の大きい圧電前駆材の割合が多くなるように、圧電前駆材の種類を選択して積層する方法とした。このような方法としたことにより、研削加工することなく、近距離から遠距離まで細い超音波ビームが得られる超音波探触子用圧電体を製造できる。
【００３５】
また、超音波探触子を、上記の圧電体を備えた構成とした。このように構成したことにより、近距離から遠距離まで方位分解能が高い超音波探触子が実現できる。
【００３６】
また、超音波診断装置を、上記の超音波探触子を備えた構成とした。このように構成したことにより、近距離から遠距離まで方位分解能が高い超音波診断装置が実現できる。
【００３７】
また、非破壊検査装置を、上記の超音波探触子を備えた構成とした。このように構成したことにより、近距離から遠距離まで方位分解能が高い非破壊検査装置が実現できる。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図１〜図15を参照しながら詳細に説明する。
【００３９】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態は、２つの圧電層部と２つの充填層部とを、超音波送受信基準方向中心面とスライス方向中心面とに対して対称形となるように設け、両圧電層部の音速より遅い音速の２つの充填層部を、スライス方向中央部で接する両圧電層部の間に挟んで、スライス方向中心面の両側に超音波走査方向に貫通するように設け、両充填層部の走査方向直交断面を、スライス方向中心面から離れるにつれて広くなる三角形とした厚さが一様な圧電体を、直線状に多数配列した超音波探触子である。ここで、走査方向とスライス方向とに直交する超音波を送受信する方向を基準方向とする。
【００４０】
図１は、本発明の第１の実施の形態における超音波探触子の斜視図である。図２（ａ）は、超音波探触子に用いる圧電体の断面図である。図２（ｂ）と図２（ｃ）は、超音波送受信基準方向中心面27とスライス方向中心面28を示す図である。図１と図２において、圧電体１は、超音波を送受信する圧電振動子である。音響整合層２は、被検体に超音波ビームを効率良く送信するとともに、反射超音波を効率よく受信するための層である。背面負荷材４は、音響的なダンピング作用を行う部材である。圧電材料空隙部６は、圧電体１を構成する圧電材料が無い部分であり、製作途中段階で走査方向に貫通した空隙部とした部分である。充填材７は、圧電材料よりも音速が遅いエポキシ樹脂などの材料であり、充填材７を圧電材料空隙部６に充填することで、圧電体１としては空隙がふさがった状態となっている。外部電極８は、圧電体１の接地される電極である。アース線９は、接地用の導線である。内部電極10は、圧電体１に駆動信号を印加する電極であり、圧電体１中に白金の層として埋め込まれている。信号線11は、圧電体１に駆動信号を印加する導線であり、図示していない駆動装置に接続される。
【００４１】
なお、走査方向は、圧電体１の超音波送受信基準方向（超音波ビームを送受信する基準となる方向であり、超音波放射面に垂直な方向で、圧電体１の厚さ方向でもある）に直交する方向であり、超音波探触子から送出される超音波ビームの伝搬方向が変化する方向である。走査方向は、超音波探触子の長軸方向でもあり、方位方向とも呼ばれる。スライス方向は、圧電体１の超音波送受信基準方向と走査方向とに対して直交する方向であり、超音波ビームの走査面に垂直な方向である。スライス方向は、超音波探触子の短軸方向でもある。超音波送受信基準方向中心面27は、超音波送受信基準方向すなわち厚さ方向に垂直な面であって、厚さ方向の中央部分にある面である。スライス方向中心面28は、スライス方向に垂直な面であって、スライス方向の中央部分にある面である。走査方向直交断面は、走査方向に垂直な断面である。
【００４２】
図１と図２を参照しながら、本発明の第１の実施の形態における超音波探触子に用いる圧電体の構成と機能について説明する。図１に示すように、超音波探触子は、厚さが一様な圧電体１を、スライス方向の辺を隣接させて並列に多数配列して、背面負荷材４や音響整合層２などを付けて構成されている。超音波探触子に用いられる圧電体１の音響放射面上に、音響整合層２が設けられている。音響整合層２の厚さは、圧電体１のスライス方向の動作周波数分布に従って、スライス方向中央部では薄く、スライス方向端部では厚くなっている。すなわち、音響整合層２の厚さは、スライス方向中央部では、高い動作周波数に対応して薄くなっており、スライス方向端部に向かって動作周波数が低くなっていることに対応して、次第に厚くなっている。このような厚さ分布をもった形状とすることで、スライス方向中央部における高い周波数での応答感度と、スライス方向端部における低い周波数での応答感度とを、ともに高めることができ、広い周波数帯域における高感度特性が実現できる。
【００４３】
図２に示すように、圧電体１は、２つの圧電層部（1a,1b）と２つの充填層部（7a,7b）とを有する。２つの圧電層部（1a,1b）と２つの充填層部（7a,7b）は、超音波送受信基準方向中心面27とスライス方向中心面28とに対して対称形となるように設けられている。２つの圧電層部（1a,1b）は、スライス方向中心部で接している。すなわち、圧電体１のスライス方向中央部は、圧電材料のみで構成されている。２つの充填層部（7a,7b）は、２つの圧電層部（1a,1b）の間に挟まれて、スライス方向中心面の両側に、超音波走査方向に貫通して設けられている。２つの充填層部（7a,7b）における音速は、２つの圧電層部（1a,1b）における音速より遅い。
【００４４】
２つの充填層部（7a,7b）の走査方向直交断面は、スライス方向中心面から離れるにつれて広がる三角形をしている。つまり、スライス方向の端部になるほど、圧電材料空隙部６に充填された充填材７の占める割合が増える。圧電材料よりも音速の遅い充填材７の割合が増えることで、スライス方向端部に近いほど、圧電体１の動作周波数が低くなる。したがって、一様な厚さの圧電体１であっても、スライス方向中央部では動作周波数が高くなり、スライス方向端部では動作周波数が低くなる。圧電体１の中央部は高い周波数で振動し、実効的な口径は小さい。スライス方向端部に近いほど動作周波数は低くなり、実効的な口径は大きくなる。
【００４５】
圧電体１のスライス方向の両端において、厚さ方向に圧電材料が連続している部分は、可能な限り狭くすることが好ましい。さらに好ましくは、図２に示すように、圧電体１のスライス方向端部には、外部電極８か、内部電極10のどちらか一方だけが存在するように、電極パターンを構成する。このようにすることで、圧電体１のスライス方向端部の圧電材料が厚さ方向に連続している狭い部分で、高い周波数の超音波が発生したり、高い周波数の超音波を受信したりすることによる悪影響を除去できる。
【００４６】
圧電体１は、厚さ方向に分極させてあるので、電極に電圧を印加すると、印加電圧の極性に応じて、厚くなる方向または薄くなる方向に歪む。印加電圧の極性を適当な周波数で変化させると、厚み振動を起こす。厚み振動の周波数が特定の周波数になると、厚さ方向に定在波が発生して共振する。この共振周波数は、圧電特性と圧電体中の音速と厚さに応じて決まる。厚さに共振周波数をかけたものを、その圧電体の周波数定数という。すなわち、周波数定数を厚さで割れば、厚み振動の共振周波数が得られる。
【００４７】
共振周波数を高くするためには、圧電体の厚さを薄くすればよく、共振周波数を低くするためには、圧電体の厚さを厚くすればよい。したがって、従来例で説明したように、スライス方向で厚さの異なる圧電体を用いることで、高い周波数の細い超音波ビームを発生することと、低い周波数の太い超音波ビームを発生することができる。
【００４８】
圧電体の厚さを一様にした場合には、スプリアス振動や高調波を別にすれば、一様な圧電体では単一の周波数の超音波しか発生できない。そこで、音速の異なる材料を圧電体の間に挟むことにより、定在波の周波数を変えて、発生する超音波の周波数を変える。挟んだものの音速が圧電体の音速より速ければ、実効的な厚さが薄くなるので、定在波の周波数は高くなる。挟んだものの音速が圧電体の音速より遅ければ、実効的な厚さが厚くなるので、定在波の周波数は低くなる。したがって、音速の遅い材料の割合を位置に応じて変化させれば、異なる周波数の定在波を発生させることができる。
【００４９】
圧電体の間に挟む材料の音速を遅いものにし、スライス方向の中心部から端部に向かって、連続的にその割合を増やすことにより、中心部で高い周波数の細い超音波ビームを発生することができ、両端部で低い周波数の太い超音波ビームを発生することができる。このようにして、複合圧電体を一様な厚さにしても、高周波の細い超音波ビームと低周波の太い超音波ビームを発生することができる。
【００５０】
この圧電体１を用いることで、超音波探触子から放射される超音波ビームを、距離に応じて使い分けることができる。超音波探触子のスライス方向の分解能は、超音波ビームの径と周波数に依存する。近距離での超音波ビーム径は、超音波探触子の口径の依存度が高く、超音波探触子の口径を小さくすることで、近距離で高分解能が得られる。遠距離の超音波ビームは、拡散の影響を受けるために広がる。その広がりは、超音波探触子の口径と反比例する。そのため、口径を大きくすると超音数ビーム径は小さくなる。また、減衰の影響を受けるために、遠距離での分解能は、低い周波数の超音波ビームで決まる。したがって、遠距離では、周波数を低く、口径を大きくすることで、高分解能が得られる。近距離では、バンドパスフィルタの中心周波数を高くして、扱う超音波の周波数を高くする。遠距離になるに従い、バンドパスフィルタの中心周波数を低くして、扱う超音波の周波数を低くする。このように周波数制御することにより、近距離から遠距離まで、細い超音波ビームを実現でき、空間分解能を高めることができる。
【００５１】
図３は、本発明の第１の実施の形態における超音波探触子に用いる圧電体の製造方法を示す斜視図である。図３（ａ）は、圧電体の積層体形成工程を示す図である。図３（ｂ）は、圧電体の積層体形成工程の結果を示す図である。図３（ｃ）は、圧電体の加圧工程を示す図である。図３（ｄ）は、圧電体の引抜工程の結果を示す図である。図３（ｅ）は、圧電体の焼成工程の結果を示す図である。図３において、圧電体１は、超音波を送受信する圧電振動子である。圧電材料空隙部６は、圧電体１を構成する圧電材料が無い部分である。内部電極10は、圧電体１に駆動信号を印加する電極である。圧電前駆材12は、圧電材料の粉末を練って薄いシートとしたものである。空隙形成材13は、空隙を形成するために挟む金属などの部材である。圧電前駆材積層体14は、圧電前駆材12を積層したものである。加圧板15は、圧電前駆材積層体14を加圧して成形するための金属板などの部材である。
【００５２】
圧電体の一連の製造方法を簡単に説明する。圧電体の製造方法は、主に、積層体形成工程と、加圧工程と、引抜工程と、焼成工程と、充填工程とからなる。積層体形成工程では、圧電材料を含む圧電前駆材と空隙形成材とを積層して、圧電前駆材積層体を形成する。圧電体１は、圧電材料と充填材とから成っている。圧電セラミクスなどの圧電材料に、圧電材料空隙部６を設ける。圧電材料空隙部６は、圧電体の走査方向、すなわち方位方向（超音波探触子の長軸方向）に貫通している。圧電体のスライス方向中央部、すなわち超音波探触子の短軸方向中央部には、圧電材料空隙部６は設けない。圧電材料空隙部６は、圧電体のスライス方向、すなわち超音波探触子の短軸方向に左右対称に２か所設ける。
【００５３】
加圧工程では、圧電前駆材積層体を加圧して押し固める。引抜工程では、押し固めた後に、空隙形成材を引き抜く。焼成工程では、空隙を形成した圧電前駆材積層体を焼成する。充填工程では、空隙の内部に充填材を充填する。圧電材料空隙部６の中に、圧電材料よりも音速が遅いエポキシ樹脂などの材料を、充填材７として充填する。圧電材料空隙部６の断面は、圧電体１のスライス方向中央部から端部へ行くに従って広がるような三角形である。圧電体１の上下面には、それぞれ外部電極８が形成されている。どちらも、アース線９に接続されている。圧電材料空隙部６の上部と下部に沿って内部電極10を設ける。圧電体１の端面で、信号線11と接続する。この超音波探触子を、超音波診断装置（図14）や非破壊検査装置（図15）に用いる。
【００５４】
図３を参照しながら、超音波探触子に用いる圧電体１の製造方法を、各工程ごとに詳しく説明する。圧電前駆材成形工程（図示なし）で、圧電セラミクス粉末などの圧電材料から、シート状の圧電前駆材12を成形する。圧電前駆材成形工程では、PZTなどの圧電セラミクス粉末からなる圧電材料と、PVAなどの結合剤（必要ならばBPBGなどの可塑剤などを含める）とを混合して、酢酸ブチルなどの溶媒に溶かす。これを、ドクターブレード法などにより、数十μｍから数百μｍオーダーの厚さのシート状に成形して、圧電前駆材12とする。この工程はグリーンシートの一般的な周知の製法であり、詳しい説明は省略する。
【００５５】
図３(ａ)に示す積層体形成工程で、シート状の圧電前駆材12を、２つの空隙形成材13と共に積層する。圧電前駆材12は粘土のような柔軟性があり、少しの力を加えると変形する。積層体形成工程で用いる空隙形成材13は、ステンレスなどの金属材料からなる。圧電前駆材12は焼成すると収縮するので、焼成後の圧電材料空隙部６のサイズが所望の大きさになるように、圧電体の焼成時の収縮等を考慮して、空隙形成材13のサイズと形状を決める。圧電前駆材12のシート厚さと積層枚数についても、焼成まで済んだ最終段階において所望の厚さが出せるように、焼成時の収縮を予め考慮しておく。空隙形成材13を積層する位置についても予め考慮して、焼成後の最終段階において、短軸方向に対称な位置には２つの圧電材料空隙部６が形成されるようにし、短軸方向の中央部には圧電材料空隙部６が形成されないようにする。
【００５６】
圧電前駆材12と空隙形成材13の両者を積層した結果、図３(ｂ)に示す圧電前駆材積層体14が形成される。上下に内部電極10が形成されるように、内部電極10を表面に設けた圧電前駆材12を配置して、空隙形成材13を挟む形で積層する。積層時には、必要に応じて圧力および熱を加える。圧電前駆材12の焼成時の1300℃程度の高温に耐えられるように、電極材料として白金ペーストなどを用いる。内部電極10の端が圧電体１の端面から露出して、信号線（図示せず）と接続できるように、内部電極10を設けておく。
【００５７】
図３(ｃ)に示す加圧工程で、圧電前駆材積層体14を加圧して押し固めて、圧電体１を所望の形状に成形する。圧電前駆材積層体14を、鉄などの金属からなる加圧板15を用いて、圧電前駆材積層体14の厚さ方向に圧力(150kg/cm2程度)をかける。側面が変形しないように、必要に応じて、側面からも圧力を加える。押し固めた後に、引抜工程で、空隙形成材13を引き抜いて、図３(ｄ)に示すように、圧電材料空隙部６を形成する。こうして、圧電前駆材積層体14に圧電材料空隙部６を形成する。焼成工程で、圧電材料空隙部６を形成した圧電前駆材積層体14を焼成して、図３(ｅ)に示す状態にする。充填工程で、焼成でできた圧電材料空隙部６内部に、充填材を充填する。圧電材料空隙部６内部に、エポキシ樹脂からなる充填材を、真空充填などの充填方法を用いて充填する。
【００５８】
その後、金属のメッキ膜やスパッタ膜や焼付銀などを用いて、外部電極８を形成する。圧電特性を確保するために、外部電極８と内部電極10の間に電圧をかけて、分極処理をする。すなわち、焼成後の圧電材料を、キュリー点以上の温度（150℃程度）に加熱しながら高電圧（10kV/mm程度）をかけて、徐々に温度を下げながら、自発分極の方向を厚み方向にそろえる。その後、さらにエージングを行う。内部電極10が有るので、同一厚さの圧電体で同一駆動条件で駆動した場合に、電界強度が２倍程度となり、送信波強度が向上する。すなわち、薄い圧電体を高い電圧で駆動することになるので、強い超音波を発生することができる。圧電材料空隙部６に充填する充填材を変えることで、同一形状であっても、使用周波数帯域を変えることができる。充填材を音速が遅いものにすれば、発生する超音波の周波数は下がり、音速が速いものにすれば、周波数は上がる。
【００５９】
図４は、圧電体の製造方法のうちの引抜工程の別の実施例を示す図である。引抜工程における空隙形成材13の引抜方向は、走査方向以外の方向でもよい。圧電体１のスライス方向中央部で、厚さ方向に圧電材料が連続している箇所の強度が十分であれば、スライス方向両端部に圧電材料の連続部分を残すことなく、圧電材料空隙部６を形成することも可能である。図４に示すように、スライス方向と垂直な側面から、空隙形成材13を引き抜く。空隙形成材13の移動量が減るため、引抜作業が容易になり、圧電前駆材積層体14の破損や、圧電材料空隙部６の形状の乱れを防ぐこともできる。
【００６０】
第１の実施の形態における超音波探触子に用いる圧電体の変形例について説明する。上記の例では、圧電材料空隙部６の断面が三角形の場合について説明したが、三角形でなくてもよい。圧電体１のスライス方向中央部から端部へ向かうにつれて圧電材料空隙部６が広がるような形状であれば、断面が三角形の場合と同様の効果が得られる。
【００６１】
上記の例では、１つの空隙形成材13で、１つの圧電材料空隙部６を形成する場合について説明したが、１つの圧電材料空隙部６を、複数の空隙形成材13で形成してもよい。その場合には、空隙形成材13を小さくでき、接触抵抗も減少するため、引抜作業も容易になる。
【００６２】
上記の例では、音響整合層２が１層の場合について説明したが、音響整合層２の層数はいくつであってもよい。スライス方向に固定焦点で超音波を収束させるための音響レンズを設けていないが、音響レンズがあっても構わない。上記の例では、圧電体１を直線状に配列した場合について説明したが、円弧状に配列しても構わない。
【００６３】
上記のように、本発明の第１の実施の形態では、超音波探触子を、２つの圧電層部と２つの充填層部とを、超音波送受信基準方向中心面とスライス方向中心面とに対して対称形となるように設け、両圧電層部の音速より遅い音速の２つの充填層部を、スライス方向中央部で接する両圧電層部の間に挟んで、スライス方向中心面の両側に超音波走査方向に貫通するように設け、両充填層部の走査方向直交断面を、スライス方向中心面から離れるにつれて広くなる三角形とした厚さが一様な圧電体を、直線状に多数配列した構成としたので、スライス方向中央部では高い周波数の超音波を発生でき、スライス方向端部では低い周波数の超音波を発生できる厚さが一様な圧電体を用いた超音波探触子を、圧電セラミクスの研削加工をすることなく簡単に製造できる。
【００６４】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態は、２つの圧電層部と８つの充填層部とを、超音波送受信基準方向中心面とスライス方向中心面とに対して対称形となるように設け、両圧電層部の音速より遅い音速の充填層部を、スライス方向中央部で接する両圧電層部の間に挟んで、スライス方向中心面の両側に超音波走査方向に貫通するように設け、各充填層部の走査方向直交断面の面積が、スライス方向中心面から離れるにつれて大きくなるようにした厚さが一様な圧電体を、直線状に多数配列した超音波探触子である。
【００６５】
図５（ａ）は、本発明の第２の実施の形態における超音波探触子に用いる圧電体の断面図である。図５（ｂ）は、超音波送受信基準方向中心面27とスライス方向中心面28を示す図である。図５において、圧電材料空隙部６は、圧電体１を構成する圧電材料が無い部分であり、製作途中段階で走査方向に貫通した空隙部とした部分である。第１の実施の形態とは、偶数個（より具体的には４個以上の偶数個、この例では８個）の圧電材料空隙部６を、それぞれスライス方向に左右対称な位置に設けている点が相違している。その他は、第１の実施の形態と同じである。
【００６６】
図５を参照しながら、本発明の第２の実施の形態における超音波探触子に用いる圧電体の構成と機能について説明する。図５に示すように、圧電セラミクスなどの圧電材料に、走査方向に貫通した圧電材料空隙部６を、スライス方向に左右対称に８か所設ける。その中に、圧電材料よりも音速が遅いエポキシ樹脂などの材料を、充填材７として充填する。各圧電材料空隙部６の断面は、四角形である。圧電材料空隙部６の位置がスライス方向中央部から端部にいくに従って、断面積を次第に大きくする。複数の圧電材料空隙部６の上部と下部に沿って、内部電極10を設ける。内部電極10は、圧電体１の端面で信号線11に接続する。
【００６７】
圧電体１のスライス方向中央部は、圧電材料のみで構成されている。スライス方向端部になるほど、圧電材料空隙部６の断面が広くなり、充填材７の占める割合が増えていく。圧電材料よりも音速の遅い充填材７の割合が増えることで、スライス方向端部に近くなるほど、圧電体１の応答周波数は低くなる。各圧電材料空隙部６に充填する充填材７の材料特性を変えることで、スライス方向中央部から端部の間における応答周波数を、柔軟に変えることができる。圧電材料空隙部６がスライス方向中央部から端部に近くなるに従って、充填材７の音速が徐々に遅くなるように変化させることによって、スライス方向中央部から端部に至るまでの応答周波数の変化を、より大きく変えることができる。
【００６８】
図６は、本発明の第２の実施の形態における超音波探触子に用いる圧電体の製造方法のうち、積層体形成工程を示す図である。図６（ａ）は、積層体形成工程を示す図である。図６（ｂ）は、積層体形成後の状態を示す図である。図６を参照しながら、超音波探触子に用いる圧電体の製造方法を説明する。第２の実施の形態における超音波探触子に用いる圧電体では、圧電材料に貫通した圧電材料空隙部６を、スライス方向の左右対称な位置に、８個設ける。圧電材料空隙部６の断面は四角形である。中央部から端部へ行くに従って、圧電材料空隙部６の断面積を大きくする。８か所の圧電材料空隙部６を形成するために、８個の空隙形成材13を積層する。８つの空隙形成材13を使用するために、一つひとつの断面積は小さくなる。圧電材料との接触抵抗が小さくなるので、空隙形成材13の引抜作業が容易となる。引抜作業時の圧電前駆材積層体14の破損や、圧電材料空隙部６の形状の乱れ等を防ぎ、歩留まりを向上させることができる。
【００６９】
図６(ａ)に示すように、シート状の圧電前駆材12を積層する。焼成まで済んだ最終段階において所望の厚さが出せるように、予め圧電前駆材12のシート厚さと積層枚数を考慮する。また、焼成まで済んだ最終段階において、スライス方向に対称な位置に８つの圧電材料空隙部６が形成されるように、８つの空隙形成材13を積層する位置と各々の間隔を考慮する。圧電前駆材12と空隙形成材13を積層し、図６(ｂ)に示す圧電前駆材積層体14を形成する。圧電前駆材積層体14を、図示していない加圧工程で加圧し、引抜工程で空隙形成材13を引き抜き、焼成工程で焼成する。
【００７０】
その後、圧電材料空隙部６中に、圧電材料よりも音速が遅いエポキシ樹脂などの材料を充填材７として、真空充填などの充填方法を用いて充填する。充填する際に、充填したい圧電材料空隙部６以外を、テープマスキング等して、充填材７が必要となる個所以外に充填されないように塞いだ状態で、充填材７を変えながら充填を行うことで、各圧電材料空隙部６に、所望の充填材７を充填することもできる。圧電特性を確保するために、外部電極８と内部電極10の間で、分極処理をする必要がある。このようにして、圧電体１を製造する。製造方法におけるこれらの点以外は、第１の実施の形態と同じである。
【００７１】
図７（ａ）は、本発明の第２の実施の形態における超音波探触子に用いる圧電体の他の実施例の断面図である。図７（ｂ）は、超音波送受信基準方向中心面27とスライス方向中心面28を示す図である。図７に示すように、円形の断面を有する圧電材料空隙部６を形成する。この場合、径の異なる市販のタングステンワイヤなどの金属ワイヤを、そのまま利用することができ、空隙形成材13を新規作成する手間を省略できる。断面が円形で角がない空隙を形成するので、加圧方向（厚さ方向）に垂直な平面が無く、引抜作業が容易になる。引抜作業時に、空隙形成材13の角で、圧電前駆材積層体14を破損したり、圧電材料空隙部６の形状を乱したりすることが無くなる。
【００７２】
圧電材料空隙部６の数が多いので、一つひとつの圧電材料空隙部６の大きさを小さくすることができる。圧電材料空隙部６の間には、圧電材料が厚さ方向に連続する部分が複数存在するために、機械的強度を高めることができる。各圧電材料空隙部６に充填する充填材を変えることによって、発生する超音波の周波数をさらに柔軟に変えることができるので、スライス方向中央部から端部へ向かう周波数変化を自由に設定することができる。
【００７３】
上記の例では、圧電材料空隙部６の断面が四角形と円形の場合について説明したが、圧電体１のスライス方向中央部から端部に向かって、圧電材料空隙部６の断面積が大きくなるようにすれば、断面が四角形や円形でなくても、同様の効果が得られる。上記の例では、圧電体１を直線状に配列した場合について説明したが、円弧状に配列しても構わない。
【００７４】
上記のように、本発明の第２の実施の形態では、超音波探触子を、２つの圧電層部と８つの充填層部とを、超音波送受信基準方向中心面とスライス方向中心面とに対して対称形となるように設け、両圧電層部の音速より遅い音速の充填層部を、スライス方向中央部で接する両圧電層部の間に挟んで、スライス方向中心面の両側に超音波走査方向に貫通するように設け、各充填層部の走査方向直交断面の面積が、スライス方向中心面から離れるにつれて大きくなるようにした厚さが一様な圧電体を、直線状に多数配列した圧電体を、直線状に多数配列した構成としたので、スライス方向中央部では高い周波数の超音波を発生でき、スライス方向端部では低い周波数の超音波を発生できる厚さが一様な圧電体を用いた超音波探触子を、圧電セラミクスの研削加工をすることなく簡単に製造できる。
【００７５】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態は、３つの圧電層部と４つの充填層部とを、超音波送受信基準方向中心面とスライス方向中心面とに対して対称形となるように設け、各圧電層部の音速より遅い音速の充填層部を、スライス方向中央部で接する各圧電層部の間に挟んで、スライス方向中心面の両側に超音波走査方向に貫通するように設け、各充填層部の走査方向直交断面を、スライス方向中心面から離れるにつれて広がる三角形とした厚さが一様な圧電体を、直線状に多数配列した圧電体を、直線状に多数配列した超音波探触子である。
【００７６】
図８（ａ）は、本発明の第３の実施の形態における超音波探触子に用いる圧電体の断面図である。図８（ｂ）は、超音波送受信基準方向中心面27とスライス方向中心面28を示す図である。第１の実施の形態とは、４つの圧電材料空隙部６を、スライス方向と厚さ方向のそれぞれに対称な位置に設けている点が相違している。その他の点は、第１の実施の形態と同じである。
【００７７】
図８を参照しながら、本発明の第３の実施の形態における超音波探触子に用いる圧電体の構成と機能について説明する。図８に示すように、圧電セラミクスなどの圧電材料に、走査方向に貫通した圧電材料空隙部６を、スライス方向と厚さ方向の上下左右対称に４つ設ける。超音波送受信基準方向中心面27には、薄い圧電層部がある。圧電材料空隙部６の中に、圧電材料よりも音速が遅いエポキシ樹脂などの材料を、充填材７として充填する。各圧電材料空隙部６の断面は三角形である。スライス方向中央部から端部に向かって、圧電材料空隙部６部分が広がっていく。圧電体１の上下面には、それぞれ外部電極８が形成されている。
【００７８】
圧電体１の厚さ方向中央部は、圧電材料のみで構成されている。この超音波探触子は、圧電体１の厚み振動モードを利用する。圧電体１の厚さ方向の中心には、厚み振動の節が存在する。振動しない節を挟んで、厚さ方向の上下対称に伸縮する。振動しない節の部分が、充填材７より強固な圧電材料のみで構成されているので、安定した厚み振動特性が得られ、超音波探触子の応答特性も安定する。
【００７９】
図９は、本発明の第３の実施の形態における超音波探触子に用いる圧電体の製造方法のうち、積層体形成工程を示す図である。図９（ａ）は、積層体形成工程を示す図である。図９（ｂ）は、積層体形成後の状態を示す図である。図９を参照しながら、超音波探触子に用いる圧電体の製造方法を説明する。４つの空隙形成材13を、積層体形成工程において積層する点が、第１の実施の形態と相違している。その他の点は、第１の実施の形態と同じである。圧電体１の圧電材料に、走査方向に貫通した圧電材料空隙部６を、スライス方向と厚さ方向の上下左右対称な４か所の位置に設ける。圧電材料空隙部６の断面は三角形であり、スライス方向中央部から端部に向かって広がっている。圧電材料空隙部６の中に、圧電材料よりも音速が遅いエポキシ樹脂などを、充填材７として充填する。
【００８０】
４つの空隙形成材13を、スライス方向と厚さ方向の上下左右対称な位置に積層することによって、圧電体１の厚み振動の節にあたる圧電体１の厚さ方向の中心部分には、圧電材料空隙部６が無くて圧電材料が必ず有るようにできる。したがって、安定した厚み振動を実現することができる。また、圧電材料空隙部６の厚さ方向の厚さも薄くなるので、機械的強度を大きくできる。上記の例では、圧電体１を直線状に配列した場合について説明したが、円弧状に配列しても構わない。
【００８１】
上記のように、本発明の第３の実施の形態では、超音波探触子を、３つの圧電層部と４つの充填層部とを、超音波送受信基準方向中心面とスライス方向中心面とに対して対称形となるように設け、各圧電層部の音速より遅い音速の充填層部を、スライス方向中央部で接する各圧電層部の間に挟んで、スライス方向中心面の両側に超音波走査方向に貫通するように設け、各充填層部の走査方向直交断面を、スライス方向中心面から離れるにつれて広がる三角形とした厚さが一様な圧電体を、直線状に多数配列した構成としたので、厚さが一様な圧電体を用いた超音波探触子を、圧電セラミクスの研削加工をすることなく簡単に製造できる。厚み振動の節になる厚さ方向中央部分には圧電材料が必ず有るので、安定した厚み振動を実現でき、機械的強度も大きくなる。
【００８２】
（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態は、３つの圧電層部と20個の充填層部とを、超音波送受信基準方向中心面とスライス方向中心面とに対して対称形となるように設け、各圧電層部の音速より遅い音速の充填層部を、スライス方向中央部で接する各圧電層部の間に挟んで、スライス方向中心面の両側に超音波走査方向に貫通するように設け、各充填層部の走査方向直交断面の断面積が、スライス方向中心面から離れるにつれて大きくなる厚さが一様な圧電体を、直線状に多数配列した超音波探触子である。
【００８３】
図10（ａ）は、本発明の第４の実施の形態における超音波探触子に用いる圧電体の断面図である。図10（ｂ）は、超音波送受信基準方向中心面27とスライス方向中心面28を示す図である。第３の実施の形態との相違点は、スライス方向に断面積の異なる複数個（具体的には４の倍数個、この例では20個）の圧電材料空隙部６を形成したことである。その他の点は、第１〜３の実施の形態と同じである。
【００８４】
圧電セラミクスなどの圧電材料に、走査方向に貫通した圧電材料空隙部６を、スライス方向と厚さ方向の上下左右対称に20個設ける。その中に、圧電材料よりも音速が遅いエポキシ樹脂などの材料を、充填材７として充填する。圧電体１の厚さ方向中央部は、圧電材料のみで構成されている。振動しない節の部分が、充填材７より強固な圧電材料のみで構成されているので、安定した厚み振動特性が得られ、超音波探触子の応答特性も安定する。
【００８５】
図11に、本発明の第４の実施の形態における超音波探触子に用いる圧電体１の製造方法のうちの積層体形成工程を示す。図11（ａ）は、積層体形成工程を示す図である。図11（ｂ）は、積層体形成後の状態を示す図である。図11を参照しながら、超音波探触子に用いる圧電体の製造方法を説明する。第３の実施の形態とは、積層体形成工程において、スライス方向に複数の空隙形成材13を積層する点が相違している。その他の点は、第１〜３の実施の形態と同じである。
【００８６】
図11(ａ)に示す積層体形成工程では、シート状の圧電前駆材12と空隙形成材13を積層する。焼成まで済んだ最終段階において所望の厚さが出せるように、予め圧電前駆材12のシート厚さと積層枚数を考慮する。また、焼成まで済んだ最終段階において、スライス方向に対称な位置に20個の圧電材料空隙部６が形成されるように、20個の空隙形成材13を積層する位置と各々の間隔を考慮する。両者を積層し、図11(b)に示す圧電前駆材積層体14を形成する。
【００８７】
厚さ方向に対称かつスライス方向に複数列の空隙形成材13を配置することで、個々の空隙形成材13の大きさ、特に、スライス方向の幅を狭くすることができる。その結果、圧電材料との接触抵抗を下げることができ、空隙形成工程における引抜作業も容易となる。スライス方向の圧電材料空隙部６間には、厚さ方向に圧電材料の連続する部分が存在する。厚さ方向対称に圧電材料空隙部６を配置することで、各圧電材料空隙部６の厚さも薄くなり、機械的強度が大きくなる。
【００８８】
以上の第１〜４の実施の形態では、空隙形成材13を引き抜く方法で圧電材料空隙部６を形成する例を説明したが、他の方法を利用してもよい。空隙形成材13の材質を、圧電材料の焼成温度よりも低い温度で完全に燃焼してしまう樹脂などにする。空隙形成材13を引き抜かずに、そのまま焼成工程へ移って焼成してしまう。空隙形成材13を完全に燃焼して焼きとばしてしまうことで、圧電材料空隙部６を作製することもできる。空隙形成材13を引き抜く作業を省略でき、引抜作業時における圧電前駆材積層体14の破損や圧電材料空隙部６の形状の乱れを防ぐことができる。上記の例では、圧電体１を直線状に配列した場合について説明したが、円弧状に配列しても構わない。
【００８９】
上記のように、本発明の第４の実施の形態では、超音波探触子を、３つの圧電層部と20個の充填層部とを、超音波送受信基準方向中心面とスライス方向中心面とに対して対称形となるように設け、各圧電層部の音速より遅い音速の20個の充填層部を、スライス方向中央部で接する各圧電層部の間に挟んで、スライス方向中心面の両側に超音波走査方向に貫通するように設け、各充填層部の走査方向直交断面の断面積が、スライス方向中心面から離れるにつれて大きくなる厚さが一様な圧電体を、直線状に多数配列した構成としたので、厚さが一様な圧電体を用いた超音波探触子を、圧電セラミクスの研削加工をすることなく簡単に製造できる。充填層部の間に圧電材料が厚さ方向に連続する部分が存在して、機械的強度が大きくなる。また、充填材の特性、例えば、音速などの物理的な材料特性を充填層部ごとに変えることによって、超音波周波数のスライス方向変化を制御できる。
【００９０】
（第５の実施の形態）
本発明の第５の実施の形態は、周波数定数の異なる３つの圧電層部を有し、超音波送受信基準方向中心面とスライス方向中心面とに対して対称形となるように、スライス方向中心面から離れるに従って厚さが減少する周波数定数の大きい第１の圧電層部を、スライス方向中心面から離れるに従って厚さが増加する第１の圧電層部よりも周波数定数の小さい第２の圧電層部で挟んだ厚さが一様な圧電体を、直線状に多数配列した超音波探触子である。
【００９１】
図12（ａ）は、本発明の第５の実施の形態における超音波探触子に用いる圧電体の断面図である。図12（ｂ）は、超音波送受信基準方向中心面27とスライス方向中心面28を示す図である。図12において、圧電体１は、超音波を送受信する圧電振動子であり、３つの圧電層部で構成している。圧電層部1aは、これら３つの圧電層部の中でも周波数定数の小さい圧電材料からなる層である。圧電層部1bは、周波数定数の大きい圧電材料からなる層である。音響整合層２は、被検体に超音波ビームを効率良く送信するとともに、反射超音波を効率よく受信するための層である。背面負荷材４は、音響的なダンピング作用を行う部材である。外部電極８は、圧電体１の接地される電極である。アース線９は、接地用の導線である。信号線11は、圧電体１に駆動信号を印加する導線であり、図示していない駆動装置に接続される。
【００９２】
図12を参照しながら、本発明の第５の実施の形態における超音波探触子に用いる圧電体の構成と機能について説明する。圧電体１は、圧電セラミクスなどの圧電材料からなる２種類の異なる圧電材料から構成されている。２種類の圧電材料は、圧電体の音響的特性である周波数定数が異なる圧電材料である。例えば、周波数定数の大きなチタン酸鉛を主成分とする圧電セラミクスを高周波用圧電材料とし、この高周波用圧電材料に比べて周波数定数の小さなチタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電セラミクスを低周波用圧電材料とする。
【００９３】
２種類の異なる圧電材料のうち、高周波用圧電材料は、圧電体１の中央部分で厚くなるように配置して、圧電層部1bとする。すなわち、スライス方向中央部から端部に近づくにつれて薄く（厚さの割合として小さく）なるように、厚さが傾斜的に変化するように配置する。低周波用圧電材料は、スライス方向中央部から端部に近づくにつれて、厚さ割合（よって面積の割合も）が大きくなるように傾斜的に配置して、圧電層部1aとする。圧電体１のスライス方向中央部では、高周波用圧電材料の割合が多く、スライス方向端部では、低周波用圧電材料の占める割合が多い。一様な厚さの圧電体でも、スライス方向中央部では、発生する超音波の周波数が高くなり、スライス方向端部では、発生する超音波の周波数が低くなる。
【００９４】
図13は、本発明の第５の実施の形態における超音波探触子に用いる圧電体の製造方法を示す斜視図である。図13（ａ）は、圧電体の積層体形成工程を示す図である。図13（ｂ）は、圧電体の積層体形成後の状態を示す図である。図13（ｃ）は、圧電体の加圧工程を示す図である。図13（ｄ）は、圧電体の加圧工程の結果を示す図である。図13（ｅ）は、圧電体の焼成工程の結果を示す図である。図13において、圧電体１は、超音波を送受信する圧電振動子である。圧電前駆材12は、圧電材料の粉末を練って薄いシートとしたものである。圧電前駆材積層体14は、圧電前駆材12を積層したものである。加圧板15は、圧電前駆材積層体14を加圧して成形するための金属板などの部材である。
【００９５】
図13を参照しながら、圧電体の製造方法を説明する。圧電前駆材成形工程（図示なし）で、圧電セラミクス粉末などの圧電材料から、シート状の圧電前駆材12を成形する。周波数定数の異なる２種類の圧電材料を個別に使用した２種類の圧電前駆材12を、予め圧電前駆材成形工程で作製しておく。
【００９６】
図13(ａ)に示す積層体形成工程で、シート状の２種類の圧電前駆材12を積層して、図13(ｂ)に示す圧電前駆材積層体14を形成する。低周波用圧電材料からなる圧電前駆材12から積層を開始する。次に、高周波用圧電材料からなる圧電前駆材12をスライス方向中央部分に、低周波用圧電材料からなる圧電前駆材12を、スライス方向両端部分に積層する。続いて、同様に、スライス方向中央部には、高周波用圧電材料からなる圧電前駆材12、両端部には低周波用圧電材料からなる圧電前駆材12を積層していく。
【００９７】
その際に、積層する圧電前駆材12のスライス方向の幅を、中央部の高周波用圧電材料からなる圧電前駆材12は徐々に広く、両端部の低周波用圧電材料からなる圧電前駆材12は徐々に狭くなるように順次積層していく。圧電前駆材積層体14の厚さ方向の中央には、高周波用圧電材料からなる圧電前駆材12のみを積層する。その後は逆に、積層する圧電前駆材12のスライス方向の幅を中央部の高周波用圧電材料からなる圧電前駆材12は徐々に狭く、両端部の低周波用圧電材料からなる圧電前駆材12は徐々に広くなるように順次積層していく。最後に、低周波用圧電材料からなる圧電前駆材12のみを積層する。
【００９８】
図13(ｃ)に示す加圧工程で、圧電前駆材積層体14を押し固めるために加圧する。加圧工程では、図13(ｃ)に示すように、鉄などの金属からなる加圧板15を用いて、圧電前駆材積層体14の厚さ方向に圧力をかけて押し固める。この際に、前後左右の側面からも同様に圧力を加えるとなお良い。圧力をかけて押し固めることによって、図13(ｄ)に示すように、中央部分に積層した高周波用圧電材料からなる圧電前駆材12と、周辺部分の低周波用圧電材料からなる圧電前駆材12は、お互いに変形しながら馴染み合う。階段状の境界部分が円滑になった圧電前駆材積層体14が作製できる。
【００９９】
焼成工程で、加圧された圧電前駆材積層体14を焼成し、図13(ｅ)に示す最終的な圧電体１を形成する。その後、金属のメッキ膜やスパッタ膜や焼付銀などを利用して、外部電極８を作成する。さらに、圧電特性を確保するために、外部電極８間で分極処理をする。このようにして、研削加工などの機械的な加工をすることなく、所望の厚さの圧電体１を作製することができる。この圧電体１は、スライス方向中央部では高周波用圧電材料の割合が大きく、スライス方向の端部にいくに従って、逆に低周波用圧電材料の割合が大きくなる。厚さが一様な圧電体１でありながら、スライス方向中心部で発生する超音波の周波数が高くなり、端部に行くほど発生する超音波の周波数が低くなる。スライス方向の実効的な口径は、発生する超音波の周波数が高くなるにつれて小さくなる。
【０１００】
上記の例では、２種類の圧電前駆材12を用いる場合を説明したが、３種類以上の圧電前駆材12を用いてもよい。また、外部電極８のみを設ける場合を説明したが、内部電極を設けてもよい。上記の例では、圧電体１を直線状に配列した場合について説明したが、円弧状に配列しても構わない。
【０１０１】
上記のように、本発明の第５の実施の形態では、超音波探触子を、超音波送受信基準方向中心面とスライス方向中心面とに対して対称形となるように、スライス方向中心面から離れるに従って厚さが減少する周波数定数の大きい圧電層部を、スライス方向中心面から離れるに従って厚さが増加する周波数定数の小さい圧電層部で挟んだ厚さが一様な圧電体を、直線状に多数配列した構成としたので、スライス方向中央部では発生する超音波の周波数が高くなり、スライス方向端部では発生する超音波の周波数が低くなる厚さが一様な圧電体を用いた超音波探触子を、圧電セラミクスの研削加工をすることなく簡単に製造できる。
【０１０２】
（第６の実施の形態）
本発明の第６の実施の形態は、第１の実施の形態から第５の実施の形態で説明した超音波探触子のうちのいずれかの超音波探触子を備えた超音波診断装置である。
【０１０３】
図14に示すように、超音波診断装置17に、第１の実施の形態から第５の実施の形態で説明した超音波探触子のうちのいずれかの超音波探触子16を設ける。超音波探触子16と超音波診断装置本体17とは、有線で接続されている。超音波診断装置17の基本的な構成は、従来の装置と同じである。超音波探触子16の構成が、従来の装置と異なっている。
【０１０４】
超音波診断装置17は、第１の実施の形態から第５の実施の形態で説明した超音波探触子のうちのいずれかの超音波探触子16を備えているので、空間分解能の高い超音波診断画像を得ることが可能である。すなわち、超音波探触子16は、スライス方向の中心部で高い周波数の応答を得ることができ、端部で低い周波数の応答を得ることができ、さらに、スライス方向の実効的な口径が周波数に逆比例して変化することで、近距離から遠距離まで細い超音波ビームが得られる。これらの機能は、従来の超音波探触子と同様であるが、超音波探触子16では、研削加工などの困難な機械加工を用いずに低コストで製造できるという長所があるので、従来と同等以上の性能の超音波診断装置17を、従来の装置より低コストで実現できる。
【０１０５】
（第７の実施の形態）
本発明の第７の実施の形態は、第１の実施の形態から第５の実施の形態で説明した超音波探触子のうちのいずれかの超音波探触子を備えた非破壊検査装置である。
【０１０６】
図15に示すように、非破壊検査装置18に、第１の実施の形態から第５の実施の形態で説明した超音波探触子のうちのいずれかの超音波探触子16を設ける。超音波探触子16と非破壊検査装置本体18とは、有線で接続されている。非破壊検査装置18の基本的な構成は、従来の装置と同じである。超音波探触子16の構成が、従来の装置と異なっている。
【０１０７】
非破壊検査装置18は、第１の実施の形態から第５の実施の形態で説明した超音波探触子のうちのいずれかの超音波探触子16を備えているので、空間分解能の高い非破壊検査を行うことが可能である。すなわち、超音波探触子16は、スライス方向の中心部で高い周波数の応答を得ることができ、端部で低い周波数の応答を得ることができ、さらに、スライス方向の実効的な口径が周波数に逆比例して変化することで、近距離から遠距離まで細い超音波ビームが得られる。これらの機能は、従来の超音波探触子と同様であるが、超音波探触子16では、研削加工などの困難な機械加工を用いずに低コストで製造できるという長所があるので、従来と同等以上の性能の非破壊検査装置18を、従来の装置より低コストで実現できる。
【０１０８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明では、超音波探触子用の厚さが一様な圧電体を、２つの圧電層部と２つの充填層部が、超音波送受信基準方向中心面とスライス方向中心面とに対して対称形となるように設け、スライス方向中心面の両側で、スライス方向中心部で接する両圧電層部の間に、両圧電層部における音速より遅い、超音波走査方向に貫通する２つの充填層部を挟み、両充填層部の走査方向直交断面が、スライス方向中心面から離れるにつれて広くなる構成としたので、発生する超音波の周波数がスライス方向中央部では高く、スライス方向端部では低い、厚さが一様な圧電体を、研削加工することなく簡単に製造できる。したがって、近距離から遠距離まで方位分解能が高い超音波探触子が低コストで実現できる。
【０１０９】
また、超音波探触子用の厚さが一様な圧電体を、超音波送受信基準方向中心面とスライス方向中心面とに対して対称形となるように、スライス方向中心面から離れるに従って厚さが減少する周波数定数の大きい圧電層部を、スライス方向中心面から離れるに従って厚さが増加する周波数定数の小さい圧電層部で挟んだ構成としたので、発生する超音波の周波数がスライス方向中央部では高く、スライス方向端部では低い、厚さが一様な圧電体を、研削加工することなく簡単に製造できる。したがって、近距離から遠距離まで方位分解能が高い超音波探触子が低コストで実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における超音波探触子の概略斜視図、
【図２】（ａ）本発明の第１の実施の形態における超音波探触子に用いる圧電体の断面図と、（ｂ）超音波送受信基準方向中心面とスライス方向中心面を示す説明用斜視図と、（ｃ）超音波送受信基準方向中心面とスライス方向中心面を示す説明用正面図、
【図３】本発明の第１の実施の形態における超音波探触子に用いる圧電体の製造方法を示す図、
【図４】本発明の第１の実施の形態における超音波探触子に用いる圧電体の製造方法のうちの引抜工程の他の例を示す図、
【図５】本発明の第２の実施の形態における超音波探触子に用いる圧電体の断面図、
【図６】本発明の第２の実施の形態における超音波探触子に用いる圧電体の製造方法のうちの積層体形成工程を示す図、
【図７】本発明の第２の実施の形態における超音波探触子に用いる圧電体の断面図、
【図８】本発明の第３の実施の形態における超音波探触子に用いる圧電体の断面図、
【図９】本発明の第３の実施の形態における超音波探触子に用いる圧電体の製造方法のうちの積層体形成工程を示す図、
【図１０】本発明の第４の実施の形態における超音波探触子に用いる圧電体の断面図、
【図１１】本発明の第４の実施の形態における超音波探触子に用いる圧電体の製造方法のうちの積層体形成工程を示す図、
【図１２】本発明の第５の実施の形態における超音波探触子に用いる圧電体の断面図、
【図１３】本発明の第５の実施の形態における超音波探触子に用いる圧電体の製造方法を示す図、
【図１４】本発明の第６の実施の形態における超音波診断装置の概略図、
【図１５】本発明の第７の実施の形態における非破壊検査装置の概略図、
【図１６】従来の超音波探触子の概略斜視図、
【図１７】従来の超音波探触子に用いる圧電体の製造方法を示す概念図、
【図１８】従来の超音波探触子に用いる圧電体の他の製造方法を示す概念図である。
【符号の説明】
１ 圧電体
1a 圧電層部
1b 圧電層部
２ 音響整合層
４ 背面負荷材
６ 圧電材料空隙部
７ 充填材
7a 充填層部
7b 充填層部
８ 外部電極
９ アース線
10 内部電極
11 信号線
12 圧電前駆材
13 空隙形成材
14 圧電前駆材積層体
15 加圧板
16 超音波探触子
17 超音波診断装置（本体）
18 非破壊検査装置（本体）
21 圧電体
22 音響整合層
23 音響レンズ
24 背面負荷材
25 研削砥石
26 研削砥石
27 超音波送受信基準方向中心面
28 スライス方向中心面[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a piezoelectric body for an ultrasonic probe, and more particularly to a piezoelectric body for an ultrasonic probe used for medical diagnostic treatment, non-destructive inspection of materials, and the like.
[0002]
[Prior art]
Ultrasound diagnostic devices and nondestructive inspection devices send an ultrasonic beam from an ultrasound probe to the subject, receive an ultrasonic signal reflected inside the subject with the ultrasound probe, and It is a device that obtains internal information. An ultrasonic probe used in an ultrasonic diagnostic apparatus and a nondestructive inspection apparatus is an array of a large number of piezoelectric vibrators. By selectively driving the piezoelectric vibrator, the direction of the ultrasonic beam is changed to scan the inside of the subject.
[0003]
The resolution in the slice direction of the ultrasonic probe (direction orthogonal to the scanning direction of the ultrasonic beam) depends on the diameter and frequency of the ultrasonic beam. The ultrasonic beam diameter at a short distance is highly dependent on the diameter of the ultrasonic probe, and high resolution can be obtained at a short distance by reducing the diameter of the ultrasonic probe. A long-distance ultrasonic beam spreads due to the influence of diffusion, and the spread is inversely proportional to the aperture of the ultrasonic probe. Therefore, when the aperture is increased, the ultrasonic beam diameter is decreased. In addition, because of the influence of attenuation, the resolution at a long distance is determined by a low-frequency ultrasonic beam. Therefore, at a long distance, high resolution can be obtained by decreasing the frequency and increasing the aperture.
[0004]
An ultrasonic probe capable of transmitting high-frequency ultrasonic waves with a small diameter and transmitting low-frequency ultrasonic waves with a large diameter so as to increase the resolution at a short distance or a long distance is used. Such an ultrasonic probe is configured by arranging piezoelectric vibrators (hereinafter referred to as piezoelectric bodies) that can selectively transmit and receive ultrasonic waves in a wide range of frequencies in an azimuth direction (scanning direction of an ultrasonic beam). . Hereinafter, an example of a conventional ultrasonic probe capable of selectively transmitting and receiving ultrasonic waves in a wide range of frequencies will be described.
[0005]
FIG. 16 shows an ultrasonic probe disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 58-29455. In FIG. 16, the piezoelectric body 21 has a plano-concave shape in which the central portion in the short axis direction (the short axis direction of the ultrasonic probe) is thin and the thickness gradually increases toward the end in the short axis direction. It is a piezoelectric vibrator. The acoustic matching layer 22 is a layer formed so as to be thin at the center and thick at the end in accordance with the thickness change of the piezoelectric body 21 in order to efficiently transmit or receive ultrasonic waves. The acoustic lens 23 is a lens provided for converging ultrasonic waves at a single fixed focal point in the minor axis direction. The back load member 24 is a member that performs an acoustic damping action on the back surface of the piezoelectric body 1.
[0006]
In the piezoelectric body 21 whose thickness changes sequentially, a thin portion at the center vibrates at a high frequency, and vibrates at a low frequency toward the end portion. The central portion that vibrates at a high frequency has a small effective diameter, and the effective diameter increases as the frequency of the end portion decreases. In the ultrasonic diagnostic apparatus and nondestructive inspection apparatus using the ultrasonic probe shown in FIG. 16, a thin ultrasonic beam can be formed at a short distance by using a high frequency. Conversely, when a low frequency component is used, a thin ultrasonic beam can be formed at a long distance. By changing the frequency to be used in steps, a thin ultrasonic beam is formed from a short distance to a long distance to improve slice resolution.
[0007]
17 and 18 show a method for manufacturing a piezoelectric body disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 7-107595. The method shown in FIG. 17 is a method of grinding with a disc-shaped grinding wheel 25. The grinding wheel 25 has the same width as the piezoelectric body 21. The piezoelectric body 21 having a desired thickness distribution can be ground. The grinding wheel 25 is moved and processed in the y-axis direction while rotating with the x-axis parallel to the bottom surface of the plate-shaped piezoelectric body 21 as the rotation axis.
[0008]
In the method shown in FIG. 18, the edge of the grinding wheel 26 that rotates about the rotation axis is tilted so as to contact the surface of the piezoelectric body 21. Machining is started from one end of the piezoelectric body 21 along the x-axis direction in FIG. While the grinding wheel 26 moves to the opposite end, the position of the grinding wheel 26 in the z-axis direction in FIG. 18 is controlled so that the piezoelectric body 21 has a shape having a desired thickness distribution. The processing is repeated while moving along the y-axis direction in FIG. 18 to process the entire length of the piezoelectric body 21 in the y-axis direction.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional ultrasonic probe manufacturing method has a problem that the piezoelectric ceramic is easily damaged during the grinding process, and it is difficult to process the piezoelectric body. That is, since the frequency used in the ultrasonic probe of the ultrasonic diagnostic apparatus is about several MHz, when the resonance frequency of the piezoelectric body is about several MHz, the thickness of piezoelectric ceramics such as PZT is several tens μm to The order is several hundred μm. When piezoelectric ceramics having different thicknesses depending on the location is ground with a thickness of the order of several tens of μm to several hundreds of μm, the possibility of breakage when grinding a thin portion becomes very high.
[0010]
An object of the present invention is to solve the above problems and to realize an ultrasonic probe that can be easily manufactured without grinding piezoelectric ceramics and has high azimuth resolution from a short distance to a long distance.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, in the present invention, two piezoelectric layer portions that are orthogonal to a reference direction for transmitting and receiving ultrasonic waves and are positioned in a longitudinal relationship along the reference direction are symmetrical with respect to the slice center plane. A piezoelectric body having an even number of filling layer portions provided so as to form a shape, and the two filling layer portions are sandwiched between two piezoelectric layer portions that are in contact with each other in a region including the center plane in the slice direction, The sound velocity in the even number of packed layer portions is slower than the sound speed in the two piezoelectric layer portions, and the center plane in the slice direction of the even number of packed layer portions. The cross-sectional area of the cross section parallel to is made larger as the distance from the center plane in the slice direction increases.
[0012]
With this configuration, even a piezoelectric body having a uniform thickness can transmit and receive a high-frequency thin ultrasonic beam at the center in the slice direction, and a low-frequency wide ultrasonic wave at both ends in the slice direction. Can transmit and receive beams. In particular, by increasing the proportion of the filler with slow sound velocity at the end, the effective thickness at the end can be increased, so even a uniform thickness piezoelectric body can transmit and receive low-frequency ultrasonic beams. it can.
[0013]
In addition, three piezoelectric layer portions that are orthogonal to the reference direction for transmitting and receiving ultrasonic waves and are positioned in a longitudinal relationship along the reference direction, and an even number of pieces provided to be symmetric with respect to the central plane in the slice direction A piezoelectric body having a filling layer portion is sandwiched between three piezoelectric layer portions that are in contact with each other in an area including the slice plane center plane, and parallel to the ultrasonic scanning direction on both sides of the slice direction center plane. The sound velocity in the even number of filling layer portions is slower than the sound speed in the three piezoelectric layer portions, and the cross-sectional area of the cross section parallel to the central plane in the slice direction of the even number of filling layer portions is sliced. The larger the distance from the center plane, the larger the configuration.
[0014]
With this configuration, even a piezoelectric body having a uniform thickness can transmit and receive a high-frequency thin ultrasonic beam at the center in the slice direction, and a low-frequency wide ultrasonic wave at both ends in the slice direction. Can transmit and receive beams. Since the filling layer portion does not exist in the central portion in the thickness direction corresponding to the node of the thickness vibration of the piezoelectric body, the thickness vibration is stabilized. Since the thickness of the filling layer portion is reduced by the thickness of the piezoelectric layer portion existing in the central portion in the thickness direction, the mechanical strength can be increased.
[0015]
In addition, two piezoelectric layer portions that are orthogonal to the reference direction for transmitting and receiving ultrasonic waves and are positioned in a longitudinal relationship along the reference direction, and two fillings provided so as to be symmetrical with respect to the central plane in the slice direction The piezoelectric body having the layer portion is sandwiched between the two piezoelectric layer portions that are in contact with each other in the region including the central plane in the slice direction, and parallel to the ultrasonic scanning direction on both sides of the central plane in the slice direction. The speed of sound in the two filling layer portions is lower than that of the two piezoelectric layer portions, and the cross section parallel to the center plane in the slice direction of the two filling layer portions becomes wider as the distance from the center plane in the slice direction increases. The configuration.
[0016]
With this configuration, even a piezoelectric body having a uniform thickness can transmit and receive a high-frequency thin ultrasonic beam at the center in the slice direction, and a low-frequency wide ultrasonic wave at both ends in the slice direction. Can transmit and receive beams. Since there are a plurality of continuous portions of the piezoelectric material in the thickness direction, the mechanical strength can be further increased.
[0017]
In addition, three piezoelectric layer portions orthogonal to the reference direction for transmitting and receiving ultrasonic waves and positioned in the front-rear direction along the reference direction, and four fillings provided so as to be symmetrical with respect to the central plane in the slice direction A piezoelectric body having a layer portion is sandwiched between three piezoelectric layer portions that are in contact with each other in a region including the central plane in the slice direction, and the four filling layer portions are parallel to the ultrasonic scanning direction on both sides of the central plane in the slice direction. The sound velocity in the four filling layer portions is lower than the sound velocity in the three piezoelectric layer portions, and the cross section parallel to the center plane in the slice direction of the four filling layer portions becomes wider as the distance from the center plane in the slice direction increases. The configuration.
[0018]
With this configuration, even a piezoelectric body having a uniform thickness can transmit and receive a high-frequency thin ultrasonic beam at the center in the slice direction, and a low-frequency wide ultrasonic wave at both ends in the slice direction. Can transmit and receive beams. Since the filling layer portion does not exist in the central portion in the thickness direction corresponding to the node of the thickness vibration of the piezoelectric body, the thickness vibration is stabilized. Since the thickness of the filling layer portion is reduced by the thickness of the piezoelectric layer portion existing in the central portion in the thickness direction, the mechanical strength can be increased. Since there are a plurality of continuous portions of the piezoelectric material in the thickness direction, the mechanical strength can be further increased.
[0019]
Moreover, the cross-sectional shape orthogonal to the scanning direction of the even number of filled layer portions was circular. Such a configuration simplifies the manufacturing method.
[0020]
In addition, the sound speed in the even number of packed layer portions is made different for each even number of packed layer portions. With this configuration, it is possible to increase the degree of design freedom regarding the frequency of transmission / reception ultrasonic waves.
[0021]
In addition, the sound speed in the even number of packed layer portions is decreased as the positions of the even number of packed layer portions are separated from the center plane in the slice direction. By comprising in this way, the frequency range of a transmission / reception ultrasonic wave can be enlarged.
[0022]
Further, a piezoelectric body having three piezoelectric layer portions having different frequency constants provided so as to be symmetrical with respect to the center plane in the reference direction for transmitting and receiving ultrasonic waves and the center plane in the slice direction is separated from the center plane in the slice direction. The first piezoelectric layer portion having a large frequency constant that decreases in thickness as it moves away is sandwiched between second piezoelectric layer portions having a frequency constant that is smaller than the first frequency constant that increases in thickness as it moves away from the central plane in the slice direction. It was a configuration.
[0023]
With this configuration, even a piezoelectric body having a uniform thickness can transmit and receive a high-frequency thin ultrasonic beam at the center in the slice direction, and a low-frequency wide ultrasonic wave at both ends in the slice direction. Can transmit and receive beams.
[0024]
In addition, a piezoelectric body manufacturing method includes a laminate forming step in which a piezoelectric precursor including a piezoelectric material and a gap forming material are stacked to form a piezoelectric precursor stack, and the piezoelectric precursor stack is pressed and pressed. A method having a pressurizing step, a drawing step of pulling out the void forming material after being pressed, a firing step of firing the piezoelectric precursor laminate having the void formed therein, and a filling step of filling the inside of the void with the filler. did. By adopting such a method, it is possible to manufacture an ultrasonic probe piezoelectric body that can obtain a thin ultrasonic beam from a short distance to a long distance without grinding.
[0025]
In the drawing process, the void forming material was drawn from the end surface in the slice direction of the piezoelectric precursor laminate. By adopting such a method, the amount of movement of the gap forming material during drawing is reduced, and the drawing work is facilitated.
[0026]
In addition, a piezoelectric body manufacturing method includes a laminate forming step in which a piezoelectric precursor including a piezoelectric material and a gap forming material are stacked to form a piezoelectric precursor stack, and the piezoelectric precursor stack is pressed and pressed. A method having a pressurizing step, a firing step of firing the compacted piezoelectric precursor laminate to completely burn the void forming material to form voids, and a filling step of filling the inside of the voids with a filler. did. By adopting such a method, it is possible to manufacture an ultrasonic probe piezoelectric body that can obtain a thin ultrasonic beam from a short distance to a long distance without grinding. It is also possible to prevent breakage of the piezoelectric precursor laminate and disorder of the void shape.
[0027]
Further, in the laminated body forming step, an even number of gap forming materials whose cross-sectional shape is widened with increasing distance from the central portion in the slice direction are sandwiched between two piezoelectric precursor materials symmetrically with respect to the central plane in the slice direction. A method of stacking was used. By adopting such a method, it is possible to manufacture an ultrasonic probe piezoelectric body that can obtain a thin ultrasonic beam from a short distance to a long distance without grinding.
[0028]
Further, in the laminated body forming step, two gap forming materials whose cross-sectional shape is widened with increasing distance from the central portion in the slicing direction are sandwiched between the two piezoelectric precursor materials so as to be symmetrically arranged with respect to the central plane in the slicing direction. It was a method to do. By adopting such a method, it is possible to manufacture an ultrasonic probe piezoelectric body that can obtain a thin ultrasonic beam from a short distance to a long distance without grinding.
[0029]
Further, in the laminated body forming step, four gap forming materials whose cross-sectional shape is widened as being farther from the central portion in the slice direction are sandwiched between two piezoelectric precursor materials in a thickness direction symmetry and a slice direction symmetry. A method of stacking was used. By adopting such a method, it is possible to manufacture an ultrasonic probe piezoelectric body that can obtain a thin ultrasonic beam from a short distance to a long distance without grinding.
[0030]
Further, in the laminated body forming step, a method of laminating two gap precursors having different cross-sectional areas between the two piezoelectric precursor materials by arranging them symmetrically in the thickness direction and symmetrically in the slice direction. By adopting such a method, it is possible to manufacture an ultrasonic probe piezoelectric body that can obtain a thin ultrasonic beam from a short distance to a long distance without grinding.
[0031]
Moreover, it was set as the manufacturing method which makes the cross section of a space | gap formation material circular. By adopting such a method, there is no plane perpendicular to the pressing direction (thickness direction), and the drawing work is facilitated.
[0032]
In the filling process, one of a plurality of kinds of fillers is selected and filled for each gap. By adopting such a method, it is possible to manufacture an ultrasonic probe piezoelectric body that can obtain a thin ultrasonic beam from a short distance to a long distance without grinding.
[0033]
In addition, a plurality of types of piezoelectric precursors having different frequency constants are laminated to form a piezoelectric precursor laminate, a pressurizing step of pressing and compacting the piezoelectric precursor laminate, and a compacted piezoelectric precursor And a firing step of firing the material laminate. By adopting such a method, it is possible to manufacture an ultrasonic probe piezoelectric body that can obtain a thin ultrasonic beam from a short distance to a long distance without grinding.
[0034]
Further, in the laminating process, the method of laminating by selecting the type of the piezoelectric precursor so that the ratio of the piezoelectric precursor having a large frequency constant increases toward the center in the slice direction of the piezoelectric precursor laminate. By adopting such a method, it is possible to manufacture an ultrasonic probe piezoelectric body that can obtain a thin ultrasonic beam from a short distance to a long distance without grinding.
[0035]
Further, the ultrasonic probe is configured to include the above-described piezoelectric body. With this configuration, an ultrasonic probe having a high azimuth resolution from a short distance to a long distance can be realized.
[0036]
Further, the ultrasonic diagnostic apparatus is configured to include the above-described ultrasonic probe. With this configuration, an ultrasonic diagnostic apparatus having a high azimuth resolution from a short distance to a long distance can be realized.
[0037]
Moreover, the nondestructive inspection apparatus is configured to include the above-described ultrasonic probe. With this configuration, a nondestructive inspection apparatus with high azimuth resolution from a short distance to a long distance can be realized.
[0038]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
[0039]
(First embodiment)
In the first embodiment of the present invention, two piezoelectric layer portions and two filling layer portions are provided so as to be symmetrical with respect to the ultrasonic transmission / reception reference direction center plane and the slice direction center plane. Two filling layer portions having a sound velocity slower than the sound velocity of the piezoelectric layer portion are sandwiched between both piezoelectric layer portions that are in contact with each other at the center portion in the slice direction, and are provided so as to penetrate in the ultrasonic scanning direction on both sides of the center surface in the slice direction. This is an ultrasonic probe in which a large number of piezoelectric bodies having a uniform thickness, in which the cross-sections perpendicular to the scanning direction of both packed layer portions have a triangular shape that becomes wider with increasing distance from the center plane in the slice direction, are arranged in a straight line. Here, a direction in which ultrasonic waves that are orthogonal to the scanning direction and the slice direction are transmitted and received is set as a reference direction.
[0040]
FIG. 1 is a perspective view of an ultrasonic probe according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2A is a cross-sectional view of a piezoelectric body used for an ultrasonic probe. FIGS. 2B and 2C are views showing the ultrasonic transmission / reception reference direction center plane 27 and the slice direction center plane 28. 1 and 2, a piezoelectric body 1 is a piezoelectric vibrator that transmits and receives ultrasonic waves. The acoustic matching layer 2 is a layer for efficiently transmitting an ultrasonic beam to a subject and efficiently receiving reflected ultrasonic waves. The back load material 4 is a member that performs an acoustic damping action. The piezoelectric material gap portion 6 is a portion where there is no piezoelectric material constituting the piezoelectric body 1, and is a portion formed as a gap portion penetrating in the scanning direction in the middle of manufacture. The filler 7 is a material such as an epoxy resin whose sound speed is lower than that of the piezoelectric material. By filling the filler 7 into the piezoelectric material gap 6, the piezoelectric body 1 is in a state where the gap is closed. The external electrode 8 is an electrode for grounding the piezoelectric body 1. The ground wire 9 is a grounding conductor. The internal electrode 10 is an electrode for applying a driving signal to the piezoelectric body 1 and is embedded in the piezoelectric body 1 as a platinum layer. The signal line 11 is a conducting wire for applying a driving signal to the piezoelectric body 1 and is connected to a driving device (not shown).
[0041]
Note that the scanning direction is an ultrasonic transmission / reception reference direction of the piezoelectric body 1 (a direction serving as a reference for transmitting / receiving an ultrasonic beam, a direction perpendicular to the ultrasonic radiation surface and a thickness direction of the piezoelectric body 1). It is a direction in which the propagation direction of the ultrasonic beam transmitted from the ultrasonic probe changes. The scanning direction is also the major axis direction of the ultrasonic probe and is also called the azimuth direction. The slice direction is a direction orthogonal to the ultrasonic transmission / reception reference direction of the piezoelectric body 1 and the scanning direction, and is a direction perpendicular to the scanning surface of the ultrasonic beam. The slicing direction is also the short axis direction of the ultrasonic probe. The ultrasonic transmission / reception reference direction central plane 27 is a plane perpendicular to the ultrasonic transmission / reception reference direction, that is, the thickness direction, and located in the center portion in the thickness direction. The slicing direction center plane 28 is a plane perpendicular to the slicing direction and located in the center portion in the slicing direction. The cross section orthogonal to the scanning direction is a cross section perpendicular to the scanning direction.
[0042]
With reference to FIGS. 1 and 2, the configuration and function of the piezoelectric body used in the ultrasonic probe according to the first embodiment of the present invention will be described. As shown in FIG. 1, the ultrasonic probe includes a large number of piezoelectric bodies 1 having a uniform thickness arranged in parallel with adjacent sides in the slice direction, and the back load material 4 and the acoustic matching layer 2. It is configured with. An acoustic matching layer 2 is provided on the acoustic radiation surface of the piezoelectric body 1 used for the ultrasonic probe. The acoustic matching layer 2 is thin at the center in the slice direction and thick at the end in the slice direction according to the operating frequency distribution in the slice direction of the piezoelectric body 1. That is, the thickness of the acoustic matching layer 2 is gradually reduced in response to a high operating frequency at the central portion in the slice direction, and gradually decreased in response to the operating frequency being reduced toward the end in the slice direction. It is thick. By adopting a shape with such a thickness distribution, it is possible to increase both the response sensitivity at the high frequency in the central part in the slice direction and the response sensitivity at the low frequency at the edge part in the slice direction. High sensitivity characteristics in the band can be realized.
[0043]
As shown in FIG. 2, the piezoelectric body 1 has two piezoelectric layer portions (1a, 1b) and two filling layer portions (7a, 7b). The two piezoelectric layer portions (1a, 1b) and the two filling layer portions (7a, 7b) are provided so as to be symmetrical with respect to the ultrasonic transmission / reception reference direction central plane 27 and the slice direction central plane 28. Yes. The two piezoelectric layer portions (1a, 1b) are in contact with each other at the central portion in the slice direction. That is, the central portion in the slice direction of the piezoelectric body 1 is composed of only a piezoelectric material. The two filling layer portions (7a, 7b) are sandwiched between the two piezoelectric layer portions (1a, 1b) and are provided on both sides of the central plane in the slice direction so as to penetrate in the ultrasonic scanning direction. The speed of sound in the two packed layer portions (7a, 7b) is slower than the speed of sound in the two piezoelectric layer portions (1a, 1b).
[0044]
The cross sections perpendicular to the scanning direction of the two packed layer portions (7a, 7b) have a triangular shape that spreads away from the central plane in the slice direction. That is, the proportion of the filling material 7 filled in the piezoelectric material gap 6 increases as the end in the slice direction is reached. By increasing the ratio of the filler 7 whose sound speed is slower than that of the piezoelectric material, the closer to the end in the slice direction, the lower the operating frequency of the piezoelectric body 1. Therefore, even with the piezoelectric body 1 having a uniform thickness, the operating frequency is high at the center in the slice direction, and the operating frequency is low at the end in the slice direction. The central portion of the piezoelectric body 1 vibrates at a high frequency, and the effective aperture is small. The closer to the edge in the slice direction, the lower the operating frequency and the larger the effective aperture.
[0045]
At both ends of the piezoelectric body 1 in the slice direction, it is preferable that the portion where the piezoelectric material is continuous in the thickness direction is as narrow as possible. More preferably, as shown in FIG. 2, the electrode pattern is configured such that only one of the external electrode 8 and the internal electrode 10 exists at the end of the piezoelectric body 1 in the slice direction. By doing so, high-frequency ultrasonic waves are generated or received at high-frequency ultrasonic waves in a narrow portion where the piezoelectric material at the end in the slice direction of the piezoelectric body 1 is continuous in the thickness direction. The bad influence by doing can be removed.
[0046]
Since the piezoelectric body 1 is polarized in the thickness direction, when a voltage is applied to the electrodes, the piezoelectric body 1 is distorted in a direction of increasing or decreasing thickness depending on the polarity of the applied voltage. When the polarity of the applied voltage is changed at an appropriate frequency, thickness oscillation occurs. When the frequency of the thickness vibration becomes a specific frequency, a standing wave is generated in the thickness direction and resonates. This resonance frequency is determined according to the piezoelectric characteristics, the speed of sound in the piezoelectric body, and the thickness. The thickness multiplied by the resonance frequency is called the frequency constant of the piezoelectric body. That is, if the frequency constant is divided by the thickness, the resonance frequency of the thickness vibration can be obtained.
[0047]
In order to increase the resonance frequency, the thickness of the piezoelectric body may be reduced. To decrease the resonance frequency, the thickness of the piezoelectric body may be increased. Therefore, as described in the conventional example, by using piezoelectric bodies having different thicknesses in the slice direction, it is possible to generate a high-frequency thin ultrasonic beam and a low-frequency thick ultrasonic beam. .
[0048]
When the thickness of the piezoelectric body is made uniform, only a single frequency ultrasonic wave can be generated with the uniform piezoelectric body, except for spurious vibrations and harmonics. Therefore, by sandwiching materials having different sound speeds between the piezoelectric bodies, the frequency of the standing wave is changed and the frequency of the generated ultrasonic wave is changed. If the sound speed of the sandwiched object is faster than the sound speed of the piezoelectric body, the effective thickness is reduced, so that the frequency of the standing wave is increased. If the sound speed of the sandwiched object is slower than the sound speed of the piezoelectric body, the effective thickness increases, so the frequency of the standing wave decreases. Therefore, standing waves having different frequencies can be generated by changing the ratio of the material having a slow sound speed according to the position.
[0049]
By making the sound velocity of the material sandwiched between the piezoelectric bodies slow, and increasing the ratio continuously from the center to the edge in the slice direction, a thin ultrasonic beam with high frequency is generated at the center. And a thick ultrasonic beam with a low frequency can be generated at both ends. In this way, even if the composite piezoelectric body has a uniform thickness, a high-frequency thin ultrasonic beam and a low-frequency thick ultrasonic beam can be generated.
[0050]
By using this piezoelectric body 1, the ultrasonic beam radiated from the ultrasonic probe can be used properly according to the distance. The resolution in the slice direction of the ultrasonic probe depends on the diameter and frequency of the ultrasonic beam. The ultrasonic beam diameter at a short distance is highly dependent on the diameter of the ultrasonic probe, and high resolution can be obtained at a short distance by reducing the diameter of the ultrasonic probe. A long-distance ultrasonic beam spreads due to diffusion effects. The spread is inversely proportional to the aperture of the ultrasound probe. Therefore, when the aperture is increased, the supersonic beam diameter is decreased. In addition, because of the influence of attenuation, the resolution at a long distance is determined by a low-frequency ultrasonic beam. Therefore, at a long distance, high resolution can be obtained by decreasing the frequency and increasing the aperture. At a short distance, the center frequency of the bandpass filter is increased to increase the frequency of the ultrasonic wave to be handled. As the distance increases, the center frequency of the bandpass filter is lowered, and the frequency of the ultrasonic wave to be handled is lowered. By controlling the frequency in this way, a thin ultrasonic beam can be realized from a short distance to a long distance, and the spatial resolution can be enhanced.
[0051]
FIG. 3 is a perspective view showing a method for manufacturing a piezoelectric body used in the ultrasonic probe according to the first embodiment of the present invention. FIG. 3A is a diagram illustrating a piezoelectric layered body forming step. FIG. 3B is a diagram showing a result of the piezoelectric layered body forming step. FIG. 3C is a diagram illustrating a pressing process of the piezoelectric body. FIG. 3D is a diagram showing the result of the piezoelectric body drawing process. FIG. 3E is a diagram showing the result of the firing process of the piezoelectric body. In FIG. 3, a piezoelectric body 1 is a piezoelectric vibrator that transmits and receives ultrasonic waves. The piezoelectric material gap 6 is a portion where there is no piezoelectric material constituting the piezoelectric body 1. The internal electrode 10 is an electrode that applies a drive signal to the piezoelectric body 1. The piezoelectric precursor 12 is a thin sheet obtained by kneading a piezoelectric material powder. The gap forming material 13 is a member such as a metal sandwiched in order to form a gap. The piezoelectric precursor laminate 14 is a laminate of piezoelectric precursors 12. The pressure plate 15 is a member such as a metal plate for pressing and forming the piezoelectric precursor laminate 14.
[0052]
A series of manufacturing methods of the piezoelectric body will be briefly described. The method for manufacturing a piezoelectric body mainly includes a laminate forming process, a pressurizing process, a drawing process, a firing process, and a filling process. In the laminated body forming step, a piezoelectric precursor material including a piezoelectric material and a gap forming material are laminated to form a piezoelectric precursor laminated body. The piezoelectric body 1 is composed of a piezoelectric material and a filler. A piezoelectric material gap 6 is provided in a piezoelectric material such as piezoelectric ceramics. The piezoelectric material gap 6 penetrates in the scanning direction of the piezoelectric body, that is, the azimuth direction (the long axis direction of the ultrasonic probe). The piezoelectric material gap 6 is not provided in the central portion in the slice direction of the piezoelectric body, that is, the central portion in the short axis direction of the ultrasonic probe. Two piezoelectric material gaps 6 are provided symmetrically in the piezoelectric slice direction, that is, in the short axis direction of the ultrasonic probe.
[0053]
In the pressing step, the piezoelectric precursor laminate is pressed and pressed. In the drawing process, after pressing and solidifying, the void forming material is drawn out. In the firing step, the piezoelectric precursor laminate having the voids is fired. In the filling step, a filler is filled in the gap. In the piezoelectric material gap 6, a material such as an epoxy resin whose sound speed is slower than that of the piezoelectric material is filled as the filler 7. The cross section of the piezoelectric material gap 6 has a triangular shape that widens from the central portion of the piezoelectric body 1 in the slice direction to the end portion. External electrodes 8 are respectively formed on the upper and lower surfaces of the piezoelectric body 1. Both are connected to the ground wire 9. Internal electrodes 10 are provided along the upper and lower portions of the piezoelectric material gap 6. The end face of the piezoelectric body 1 is connected to the signal line 11. This ultrasonic probe is used for an ultrasonic diagnostic apparatus (FIG. 14) and a nondestructive inspection apparatus (FIG. 15).
[0054]
With reference to FIG. 3, the manufacturing method of the piezoelectric body 1 used for an ultrasonic probe is demonstrated in detail for every process. In a piezoelectric precursor forming step (not shown), a sheet-like piezoelectric precursor 12 is formed from a piezoelectric material such as a piezoelectric ceramic powder. In the piezoelectric precursor molding process, a piezoelectric material made of piezoelectric ceramic powder such as PZT and a binder such as PVA (including a plasticizer such as BPBG if necessary) are mixed and dissolved in a solvent such as butyl acetate. . This is formed into a sheet having a thickness on the order of several tens of μm to several hundreds of μm by a doctor blade method or the like to obtain a piezoelectric precursor 12. This step is a general well-known method for producing a green sheet, and detailed description thereof is omitted.
[0055]
In the laminated body forming step shown in FIG. 3A, the sheet-like piezoelectric precursor 12 is laminated together with the two gap forming members 13. The piezoelectric precursor 12 is flexible like clay and deforms when a little force is applied. The gap forming material 13 used in the laminate forming process is made of a metal material such as stainless steel. Since the piezoelectric precursor material 12 shrinks when fired, the size of the gap forming material 13 is taken into consideration such as shrinkage during firing of the piezoelectric body so that the size of the piezoelectric material gap 6 after firing becomes a desired size. Determine the shape. Regarding the sheet thickness and the number of laminated layers of the piezoelectric precursor 12, the shrinkage during firing is taken into consideration in advance so that a desired thickness can be obtained at the final stage after firing. In consideration of the position where the gap forming material 13 is laminated in advance, in the final stage after firing, two piezoelectric material gaps 6 are formed at positions symmetrical to the minor axis direction, and the center in the minor axis direction is formed. The piezoelectric material gap 6 is not formed in the portion.
[0056]
As a result of laminating both the piezoelectric precursor material 12 and the gap forming material 13, a piezoelectric precursor laminate 14 shown in FIG. 3B is formed. The piezoelectric precursor material 12 provided with the internal electrode 10 on the surface is disposed so that the internal electrode 10 is formed on the upper and lower sides, and the gap forming material 13 is sandwiched therebetween. During lamination, pressure and heat are applied as necessary. A platinum paste or the like is used as an electrode material so that it can withstand a high temperature of about 1300 ° C. when the piezoelectric precursor material 12 is fired. The internal electrode 10 is provided so that the end of the internal electrode 10 is exposed from the end face of the piezoelectric body 1 and can be connected to a signal line (not shown).
[0057]
In the pressurization step shown in FIG. 3C, the piezoelectric precursor laminate 14 is pressurized and pressed to form the piezoelectric body 1 into a desired shape. Using a pressure plate 15 made of a metal such as iron, the piezoelectric precursor laminate 14 is pressed in the thickness direction of the piezoelectric precursor laminate 14 (150 kg / cm 2 Degree). Pressure is also applied from the side surface as necessary so that the side surface does not deform. After the compaction, in the drawing process, the gap forming material 13 is pulled out to form the piezoelectric material gap 6 as shown in FIG. In this way, the piezoelectric material gap 6 is formed in the piezoelectric precursor laminate 14. In the firing step, the piezoelectric precursor laminate 14 formed with the piezoelectric material gap 6 is fired to a state shown in FIG. In the filling step, a filler is filled into the piezoelectric material gap 6 made by firing. The piezoelectric material gap 6 is filled with a filler made of an epoxy resin using a filling method such as vacuum filling.
[0058]
Thereafter, the external electrode 8 is formed using a metal plating film, a sputtered film, a baked silver or the like. In order to ensure the piezoelectric characteristics, a voltage is applied between the external electrode 8 and the internal electrode 10 to perform polarization treatment. That is, while heating the piezoelectric material after firing to a temperature above the Curie point (about 150 ° C), applying a high voltage (about 10 kV / mm) and gradually lowering the temperature, the direction of spontaneous polarization is changed to the thickness direction. Align. Thereafter, further aging is performed. Since the internal electrode 10 is provided, the electric field strength is approximately doubled and the transmission wave strength is improved when the piezoelectric material having the same thickness is driven under the same driving condition. That is, since a thin piezoelectric body is driven at a high voltage, strong ultrasonic waves can be generated. By changing the filler that fills the piezoelectric material gap 6, it is possible to change the operating frequency band even with the same shape. If the filler has a slow sound speed, the frequency of the generated ultrasonic wave will decrease, and if the sound speed is high, the frequency will increase.
[0059]
FIG. 4 is a diagram showing another embodiment of the drawing step in the method for manufacturing a piezoelectric body. The drawing direction of the gap forming material 13 in the drawing process may be a direction other than the scanning direction. If the strength of the portion where the piezoelectric material is continuous in the thickness direction at the central portion in the slice direction of the piezoelectric body 1 is sufficient, the piezoelectric material gap 6 is left without leaving the continuous portion of the piezoelectric material at both ends in the slice direction. It is also possible to form As shown in FIG. 4, the gap forming material 13 is pulled out from the side surface perpendicular to the slicing direction. Since the amount of movement of the gap forming material 13 is reduced, the drawing operation is facilitated, and damage to the piezoelectric precursor laminate 14 and disorder of the shape of the piezoelectric material gap 6 can be prevented.
[0060]
A modification of the piezoelectric body used for the ultrasonic probe in the first embodiment will be described. In the above example, the case where the piezoelectric material gap 6 has a triangular cross section has been described. As long as the piezoelectric material gap 6 expands from the central portion of the piezoelectric body 1 in the slicing direction toward the end, the same effect as in the case where the cross section is triangular can be obtained.
[0061]
In the above example, a case where one piezoelectric material gap 6 is formed by one gap forming material 13 has been described, but one piezoelectric material gap 6 may be formed by a plurality of gap forming materials 13. . In that case, the gap forming material 13 can be made smaller and the contact resistance is reduced, so that the drawing work is facilitated.
[0062]
In the above example, the case where the acoustic matching layer 2 is one layer has been described. However, the acoustic matching layer 2 may have any number of layers. An acoustic lens for converging ultrasonic waves with a fixed focus in the slice direction is not provided, but an acoustic lens may be provided. In the above example, the case where the piezoelectric bodies 1 are arranged linearly has been described, but they may be arranged in an arc shape.
[0063]
As described above, in the first embodiment of the present invention, the ultrasonic probe includes two piezoelectric layer portions and two filling layer portions, an ultrasonic transmission / reception reference direction center plane, and a slice direction center plane. The two filling layer portions having a sound speed slower than the sound speed of both piezoelectric layer portions are sandwiched between the two piezoelectric layer portions that are in contact with each other at the center portion in the slice direction, A large number of linearly arranged piezoelectric bodies with a uniform thickness, with the cross-sections perpendicular to the scanning direction of both packed layers extending in the ultrasonic scanning direction and becoming wider as the distance from the center plane in the slice direction increases. Therefore, an ultrasonic probe using a piezoelectric body with a uniform thickness that can generate high-frequency ultrasonic waves at the center in the slice direction and low-frequency ultrasonic waves at the end in the slice direction. , Without the need to grind piezoelectric ceramics It can be produced in.
[0064]
(Second Embodiment)
In the second embodiment of the present invention, two piezoelectric layer portions and eight filling layer portions are provided so as to be symmetrical with respect to the ultrasonic transmission / reception reference direction center plane and the slice direction center plane. A filling layer portion with a sound velocity slower than the sound velocity of the piezoelectric layer portion is sandwiched between both piezoelectric layer portions that are in contact with each other at the central portion in the slice direction, and is provided so as to penetrate in the ultrasonic scanning direction on both sides of the central plane in the slice direction. This is an ultrasonic probe in which a large number of piezoelectric bodies having a uniform thickness, in which the area of the cross section perpendicular to the scanning direction of the layer portion increases with distance from the center plane in the slicing direction, are arranged in a straight line.
[0065]
FIG. 5A is a cross-sectional view of a piezoelectric body used in an ultrasonic probe according to the second embodiment of the present invention. FIG. 5B is a diagram showing the ultrasonic transmission / reception reference direction center plane 27 and the slice direction center plane 28. In FIG. 5, the piezoelectric material gap 6 is a part where there is no piezoelectric material constituting the piezoelectric body 1, and is a part formed as a gap penetrating in the scanning direction during the manufacturing process. In the first embodiment, an even number (more specifically, an even number of four or more, in this example, eight) of piezoelectric material gaps 6 are provided at positions symmetrical to each other in the slice direction. The point is different. Others are the same as those in the first embodiment.
[0066]
With reference to FIG. 5, the configuration and function of the piezoelectric body used in the ultrasonic probe according to the second embodiment of the present invention will be described. As shown in FIG. 5, piezoelectric material gaps 6 penetrating in the scanning direction are provided in eight piezoelectric material such as piezoelectric ceramics symmetrically in the slice direction. A material such as an epoxy resin whose sound speed is slower than that of the piezoelectric material is filled therein as the filler 7. Each piezoelectric material gap 6 has a square cross section. As the position of the piezoelectric material gap 6 moves from the center in the slice direction to the end, the cross-sectional area is gradually increased. Internal electrodes 10 are provided along the upper and lower portions of the plurality of piezoelectric material gaps 6. The internal electrode 10 is connected to the signal line 11 at the end face of the piezoelectric body 1.
[0067]
The central portion in the slice direction of the piezoelectric body 1 is composed of only a piezoelectric material. The closer to the end in the slicing direction, the wider the cross-section of the piezoelectric material gap 6 and the proportion occupied by the filler 7 increases. As the ratio of the filler 7 having a slower sound speed than the piezoelectric material increases, the response frequency of the piezoelectric body 1 becomes lower as it approaches the end in the slice direction. By changing the material characteristics of the filler 7 that fills each piezoelectric material gap 6, the response frequency between the central portion and the end portion in the slice direction can be flexibly changed. Changes in the response frequency from the center in the slice direction to the end by changing the sound speed of the filler 7 gradually as the piezoelectric material gap 6 approaches the end from the center in the slice direction. Can be changed more greatly.
[0068]
FIG. 6 is a diagram illustrating a laminated body forming step in the method of manufacturing a piezoelectric body used for the ultrasonic probe according to the second embodiment of the present invention. Fig.6 (a) is a figure which shows a laminated body formation process. FIG.6 (b) is a figure which shows the state after laminated body formation. With reference to FIG. 6, a method of manufacturing a piezoelectric body used for an ultrasonic probe will be described. In the piezoelectric body used for the ultrasonic probe according to the second embodiment, eight piezoelectric material gaps 6 penetrating the piezoelectric material are provided at symmetrical positions in the slice direction. The cross section of the piezoelectric material gap 6 is square. The cross-sectional area of the piezoelectric material gap 6 is increased from the center to the end. In order to form eight piezoelectric material gaps 6, eight gap forming members 13 are laminated. Since eight gap forming members 13 are used, each cross-sectional area becomes small. Since the contact resistance with the piezoelectric material is reduced, the drawing operation of the gap forming material 13 is facilitated. Yield can be improved by preventing damage to the piezoelectric precursor laminate 14 at the time of drawing operation, disorder of the shape of the piezoelectric material gap 6 and the like.
[0069]
As shown in FIG. 6A, a sheet-like piezoelectric precursor material 12 is laminated. The sheet thickness and the number of laminated layers of the piezoelectric precursor material 12 are considered in advance so that a desired thickness can be obtained in the final stage after the firing. Further, in the final stage after the firing, the positions where the eight gap forming members 13 are laminated and the respective intervals are considered so that the eight piezoelectric material gaps 6 are formed at positions symmetrical to the slice direction. The piezoelectric precursor material 12 and the gap forming material 13 are laminated to form the piezoelectric precursor laminate 14 shown in FIG. The piezoelectric precursor laminate 14 is pressurized in a pressurizing step (not shown), the void forming material 13 is pulled out in the pulling step, and fired in the firing step.
[0070]
Then, the piezoelectric material gap 6 is filled with a filling method such as vacuum filling using a material such as an epoxy resin whose sound speed is slower than that of the piezoelectric material as the filler 7. When filling, the filling material 7 is filled while changing the filling material 7 in a state where the filling material 7 is closed so as not to be filled other than the necessary portion by tape masking or the like other than the gap 6 of the piezoelectric material to be filled. Thus, each piezoelectric material gap 6 can be filled with a desired filler 7. In order to ensure the piezoelectric characteristics, it is necessary to perform polarization treatment between the external electrode 8 and the internal electrode 10. In this way, the piezoelectric body 1 is manufactured. Except for these points in the manufacturing method, the second embodiment is the same as the first embodiment.
[0071]
FIG. 7A is a cross-sectional view of another example of the piezoelectric body used in the ultrasonic probe according to the second embodiment of the present invention. FIG. 7B shows the ultrasonic transmission / reception reference direction center plane 27 and the slice direction center plane 28. As shown in FIG. 7, a piezoelectric material gap 6 having a circular cross section is formed. In this case, a commercially available metal wire such as a commercially available tungsten wire having a different diameter can be used as it is, and the labor for newly creating the gap forming material 13 can be omitted. Since a gap having a circular cross section and no corners is formed, there is no plane perpendicular to the pressing direction (thickness direction), and the drawing work is facilitated. During the drawing operation, the piezoelectric precursor laminate 14 is not damaged or the shape of the piezoelectric material gap 6 is not disturbed at the corners of the gap forming material 13.
[0072]
Since the number of piezoelectric material gaps 6 is large, the size of each piezoelectric material gap 6 can be reduced. Since there are a plurality of portions where the piezoelectric material continues in the thickness direction between the gaps 6 of the piezoelectric material, the mechanical strength can be increased. Since the frequency of the generated ultrasonic wave can be changed more flexibly by changing the filling material filling each gap 6 in the piezoelectric material, it is possible to freely set the frequency change from the central part in the slice direction to the end part. it can.
[0073]
In the above example, the case where the cross section of the piezoelectric material gap 6 is square and circular has been described. However, the cross sectional area of the piezoelectric material gap 6 increases from the center in the slice direction to the end of the piezoelectric body 1. In this case, the same effect can be obtained even if the cross section is not square or circular. In the above example, the case where the piezoelectric bodies 1 are arranged linearly has been described, but they may be arranged in an arc shape.
[0074]
As described above, in the second embodiment of the present invention, the ultrasonic probe includes two piezoelectric layer portions and eight filling layer portions, an ultrasonic transmission / reception reference direction center plane, and a slice direction center plane. Is placed symmetrically with respect to both sides of the center plane in the slicing direction, with the filling layer portion of the sonic velocity slower than the sonic velocity of both piezoelectric layer portions sandwiched between the piezoelectric layer portions in contact at the central portion in the slicing direction. A large number of linearly arranged piezoelectric bodies that are provided so as to penetrate in the acoustic wave scanning direction and the area of the cross-section orthogonal to the scanning direction of each filling layer portion increase as the distance from the center plane in the slice direction increases. Since the piezoelectric bodies are arranged in a straight line, a piezoelectric with a uniform thickness that can generate high-frequency ultrasonic waves at the center in the slice direction and low-frequency ultrasonic waves at the end in the slice direction. An ultrasonic probe using the body It can be easily manufactured without the grinding of the scan.
[0075]
(Third embodiment)
In the third embodiment of the present invention, three piezoelectric layer portions and four filling layer portions are provided so as to be symmetrical with respect to the ultrasonic transmission / reception reference direction center plane and the slice direction center plane. A filling layer portion with a sound velocity slower than the sound velocity of the piezoelectric layer portion is sandwiched between each piezoelectric layer portion in contact with the central portion in the slice direction so as to penetrate in the ultrasonic scanning direction on both sides of the central plane in the slice direction. Ultrasound probe in which a large number of linearly arranged piezoelectric bodies are arranged in a straight line, and the thickness of the layer is a triangle that spreads as the distance from the center plane in the slice direction increases. A child.
[0076]
FIG. 8A is a cross-sectional view of a piezoelectric body used in an ultrasonic probe according to the third embodiment of the present invention. FIG. 8B shows the ultrasonic transmission / reception reference direction central plane 27 and the slice direction central plane 28. The first embodiment is different from the first embodiment in that four piezoelectric material gaps 6 are provided at symmetrical positions in the slice direction and the thickness direction. Other points are the same as in the first embodiment.
[0077]
With reference to FIG. 8, the configuration and function of the piezoelectric body used in the ultrasonic probe according to the third embodiment of the present invention will be described. As shown in FIG. 8, four piezoelectric material gaps 6 penetrating in the scanning direction are provided in a piezoelectric material such as piezoelectric ceramics symmetrically in the vertical and horizontal directions in the slice direction and the thickness direction. The ultrasonic transmission / reception reference direction center plane 27 has a thin piezoelectric layer portion. In the piezoelectric material gap 6, a material such as an epoxy resin whose sound speed is slower than that of the piezoelectric material is filled as the filler 7. Each piezoelectric material gap 6 has a triangular cross section. The piezoelectric material gap 6 portion expands from the center in the slicing direction toward the end. External electrodes 8 are respectively formed on the upper and lower surfaces of the piezoelectric body 1.
[0078]
The central portion in the thickness direction of the piezoelectric body 1 is composed of only a piezoelectric material. This ultrasonic probe uses the thickness vibration mode of the piezoelectric body 1. At the center of the piezoelectric body 1 in the thickness direction, there is a thickness vibration node. It stretches symmetrically in the thickness direction across a node that does not vibrate. Since the portion of the node that does not vibrate is composed of only a piezoelectric material stronger than the filler 7, a stable thickness vibration characteristic can be obtained and the response characteristic of the ultrasonic probe is also stable.
[0079]
FIG. 9 is a diagram showing a laminated body forming step in the method of manufacturing a piezoelectric body used for the ultrasonic probe according to the third embodiment of the present invention. Fig.9 (a) is a figure which shows a laminated body formation process. FIG. 9B is a diagram illustrating a state after the stacked body is formed. With reference to FIG. 9, a method of manufacturing a piezoelectric body used for an ultrasonic probe will be described. The point which laminates the four space | gap formation materials 13 in a laminated body formation process differs from 1st Embodiment. Other points are the same as in the first embodiment. Piezoelectric material gaps 6 penetrating in the scanning direction are provided in the piezoelectric material of the piezoelectric body 1 at four positions symmetrical in the vertical and horizontal directions in the slice direction and the thickness direction. The cross section of the piezoelectric material gap 6 is triangular, and spreads from the center in the slice direction toward the end. The piezoelectric material gap 6 is filled with, for example, an epoxy resin having a sound speed slower than that of the piezoelectric material as the filler 7.
[0080]
By stacking the four gap forming members 13 in the vertical and laterally symmetrical positions in the slicing direction and the thickness direction, a piezoelectric material is provided at the central portion in the thickness direction of the piezoelectric body 1 corresponding to the thickness vibration node of the piezoelectric body 1. It is possible to ensure that the piezoelectric material is present without the gap 6. Therefore, stable thickness vibration can be realized. Moreover, since the thickness of the piezoelectric material gap 6 in the thickness direction is also reduced, the mechanical strength can be increased. In the above example, the case where the piezoelectric bodies 1 are arranged linearly has been described, but they may be arranged in an arc shape.
[0081]
As described above, in the third embodiment of the present invention, the ultrasonic probe includes three piezoelectric layer portions and four filling layer portions, an ultrasonic transmission / reception reference direction center plane, and a slice direction center plane. Is provided so as to be symmetric with respect to each piezoelectric layer portion, and sandwiched between each piezoelectric layer portion contacting at the central portion in the slice direction with a filling layer portion having a sound speed slower than that of each piezoelectric layer portion, A configuration in which a large number of piezoelectric bodies having a uniform thickness, which are provided so as to penetrate in the acoustic wave scanning direction, and have a triangular shape in which the cross section perpendicular to the scanning direction of each filling layer portion spreads away from the center plane in the slice direction, are arranged linearly Therefore, an ultrasonic probe using a piezoelectric body having a uniform thickness can be easily manufactured without grinding the piezoelectric ceramic. Since there is always a piezoelectric material in the center in the thickness direction that becomes a node of thickness vibration, stable thickness vibration can be realized and mechanical strength is also increased.
[0082]
(Fourth embodiment)
In the fourth embodiment of the present invention, three piezoelectric layer portions and 20 filling layer portions are provided so as to be symmetrical with respect to the ultrasonic transmission / reception reference direction center plane and the slice direction center plane, Provided so as to penetrate in the ultrasonic scanning direction on both sides of the central plane in the slice direction, sandwiching between each piezoelectric layer portion contacting the central portion in the slice direction, a filling layer portion having a sound speed slower than the sound speed of each piezoelectric layer portion, This is an ultrasonic probe in which a large number of piezoelectric bodies having a uniform thickness, with the cross-sectional area of the cross-section orthogonal to the scanning direction of the packed layer portion increasing as the distance from the center plane in the slicing direction increases.
[0083]
FIG. 10A is a cross-sectional view of a piezoelectric body used in an ultrasonic probe according to the fourth embodiment of the present invention. FIG. 10B is a diagram showing the ultrasonic transmission / reception reference direction center plane 27 and the slice direction center plane 28. The difference from the third embodiment is that a plurality of piezoelectric material gaps 6 (specifically, multiples of 4 and 20 in this example) having different cross-sectional areas in the slice direction are formed. Other points are the same as in the first to third embodiments.
[0084]
Twenty piezoelectric material gaps 6 penetrating in the scanning direction are provided in a piezoelectric material such as a piezoelectric ceramic symmetrically in the vertical and horizontal directions in the slice direction and the thickness direction. A material such as an epoxy resin whose sound speed is slower than that of the piezoelectric material is filled therein as the filler 7. The central portion in the thickness direction of the piezoelectric body 1 is composed of only a piezoelectric material. Since the portion of the node that does not vibrate is composed of only a piezoelectric material stronger than the filler 7, a stable thickness vibration characteristic can be obtained and the response characteristic of the ultrasonic probe is also stable.
[0085]
FIG. 11 shows a laminated body forming step in the manufacturing method of the piezoelectric body 1 used for the ultrasonic probe in the fourth embodiment of the present invention. FIG. 11A is a diagram illustrating a laminated body forming step. FIG. 11 (b) is a diagram showing a state after the stacked body is formed. With reference to FIG. 11, a method of manufacturing a piezoelectric body used for an ultrasonic probe will be described. The third embodiment is different from the third embodiment in that a plurality of gap forming members 13 are stacked in the slice direction in the stacked body forming step. Other points are the same as in the first to third embodiments.
[0086]
In the laminated body forming step shown in FIG. 11 (a), the sheet-like piezoelectric precursor material 12 and the gap forming material 13 are laminated. The sheet thickness and the number of laminated layers of the piezoelectric precursor material 12 are considered in advance so that a desired thickness can be obtained in the final stage after the firing. In addition, in the final stage after the firing, the positions where the 20 gap forming members 13 are stacked and the respective intervals are considered so that the 20 piezoelectric material gaps 6 are formed at positions symmetrical to the slice direction. . Both are laminated to form the piezoelectric precursor laminate 14 shown in FIG. 11 (b).
[0087]
By disposing a plurality of rows of gap forming members 13 symmetrically in the thickness direction and in the slicing direction, the size of each gap forming member 13, particularly the width in the slicing direction, can be reduced. As a result, the contact resistance with the piezoelectric material can be lowered, and the drawing work in the gap forming step is facilitated. Between the piezoelectric material gaps 6 in the slice direction, there are continuous portions of the piezoelectric material in the thickness direction. By arranging the piezoelectric material gaps 6 symmetrically in the thickness direction, the thickness of each piezoelectric material gap 6 is also reduced, and the mechanical strength is increased.
[0088]
In the above first to fourth embodiments, the example in which the piezoelectric material gap 6 is formed by the method of pulling out the gap forming material 13 has been described, but other methods may be used. The material of the gap forming material 13 is a resin that completely burns at a temperature lower than the firing temperature of the piezoelectric material. Without pulling out the gap forming material 13, the process proceeds to the firing step as it is and is fired. The piezoelectric material gap 6 can also be produced by completely burning and burning the gap forming material 13. The operation of pulling out the gap forming material 13 can be omitted, and the piezoelectric precursor laminate 14 can be prevented from being damaged and the shape of the piezoelectric material gap 6 can be prevented from being disturbed during the pulling operation. In the above example, the case where the piezoelectric bodies 1 are arranged linearly has been described, but they may be arranged in an arc shape.
[0089]
As described above, in the fourth embodiment of the present invention, the ultrasonic probe includes three piezoelectric layer portions and 20 filling layer portions, the ultrasonic transmission / reception reference direction center plane and the slice direction center plane. The slicing direction center plane is sandwiched between each of the piezoelectric layer portions that are in contact with each other at the central portion in the slice direction. A piezoelectric body having a uniform thickness that increases as the cross-sectional area of the cross-section orthogonal to the scanning direction of each packed layer portion increases from the center plane in the slicing direction is linearly provided. Since a large number of arrangements are adopted, an ultrasonic probe using a piezoelectric body having a uniform thickness can be easily manufactured without grinding the piezoelectric ceramic. There is a portion where the piezoelectric material is continuous in the thickness direction between the filling layer portions, and the mechanical strength is increased. Moreover, the change in the slice direction of the ultrasonic frequency can be controlled by changing the characteristics of the filler, for example, physical material characteristics such as the speed of sound, for each filled layer portion.
[0090]
(Fifth embodiment)
The fifth embodiment of the present invention has three piezoelectric layer portions having different frequency constants, and is symmetrical with respect to the ultrasonic transmission / reception reference direction central plane and the slice direction central plane. The first piezoelectric layer portion having a large frequency constant that decreases in thickness as it moves away from the surface is a second piezoelectric layer that has a smaller frequency constant than the first piezoelectric layer portion that increases in thickness as it moves away from the central plane in the slice direction. This is an ultrasonic probe in which a large number of piezoelectric bodies having a uniform thickness sandwiched between the portions are linearly arranged.
[0091]
FIG. 12A is a cross-sectional view of a piezoelectric body used for an ultrasonic probe according to the fifth embodiment of the present invention. FIG. 12B is a diagram showing the ultrasonic transmission / reception reference direction central plane 27 and the slice direction central plane 28. In FIG. 12, a piezoelectric body 1 is a piezoelectric vibrator that transmits and receives ultrasonic waves, and includes three piezoelectric layer portions. The piezoelectric layer portion 1a is a layer made of a piezoelectric material having a small frequency constant among these three piezoelectric layer portions. The piezoelectric layer portion 1b is a layer made of a piezoelectric material having a large frequency constant. The acoustic matching layer 2 is a layer for efficiently transmitting an ultrasonic beam to a subject and efficiently receiving reflected ultrasonic waves. The back load material 4 is a member that performs an acoustic damping action. The external electrode 8 is an electrode for grounding the piezoelectric body 1. The ground wire 9 is a grounding conductor. The signal line 11 is a conducting wire for applying a driving signal to the piezoelectric body 1 and is connected to a driving device (not shown).
[0092]
With reference to FIG. 12, the configuration and function of the piezoelectric body used in the ultrasonic probe according to the fifth embodiment of the present invention will be described. The piezoelectric body 1 is composed of two different piezoelectric materials made of piezoelectric materials such as piezoelectric ceramics. The two types of piezoelectric materials are piezoelectric materials having different frequency constants which are acoustic characteristics of the piezoelectric body. For example, a piezoelectric ceramic mainly composed of lead titanate having a large frequency constant is used as a high-frequency piezoelectric material, and a piezoelectric ceramic mainly composed of lead zirconate titanate having a small frequency constant compared to this high-frequency piezoelectric material is used as a low frequency. Piezoelectric material for use.
[0093]
Of the two different types of piezoelectric materials, the high-frequency piezoelectric material is arranged so as to be thick at the central portion of the piezoelectric body 1 to form the piezoelectric layer portion 1b. That is, it arrange | positions so that thickness may change so that it may become thin (it becomes small as a ratio of thickness) as it approaches an edge part from the center part in a slice direction. The low-frequency piezoelectric material is disposed in an inclined manner so that the thickness ratio (and hence the area ratio) also increases from the central portion in the slicing direction toward the end portion, thereby forming the piezoelectric layer portion 1a. The piezoelectric material 1 has a large proportion of the high-frequency piezoelectric material in the center portion in the slice direction, and the low-frequency piezoelectric material has a large proportion in the end portion in the slice direction. Even in a piezoelectric body having a uniform thickness, the frequency of the generated ultrasonic wave is high at the center in the slice direction, and the frequency of the generated ultrasonic wave is low at the end in the slice direction.
[0094]
FIG. 13 is a perspective view showing a method for manufacturing a piezoelectric body used in an ultrasonic probe according to the fifth embodiment of the present invention. FIG. 13A is a diagram illustrating a piezoelectric layered body forming step. FIG. 13 (b) is a diagram showing a state after the piezoelectric laminate is formed. FIG. 13C is a diagram showing a pressing process of the piezoelectric body. FIG. 13D is a diagram showing the result of the pressing process of the piezoelectric body. FIG. 13 (e) is a diagram showing the result of the piezoelectric body firing step. In FIG. 13, a piezoelectric body 1 is a piezoelectric vibrator that transmits and receives ultrasonic waves. The piezoelectric precursor 12 is a thin sheet obtained by kneading a piezoelectric material powder. The piezoelectric precursor laminate 14 is a laminate of piezoelectric precursors 12. The pressure plate 15 is a member such as a metal plate for pressing and forming the piezoelectric precursor laminate 14.
[0095]
A method for manufacturing a piezoelectric body will be described with reference to FIG. In a piezoelectric precursor forming step (not shown), a sheet-like piezoelectric precursor 12 is formed from a piezoelectric material such as a piezoelectric ceramic powder. Two types of piezoelectric precursors 12 that individually use two types of piezoelectric materials having different frequency constants are prepared in advance in a piezoelectric precursor forming step.
[0096]
In the laminated body forming step shown in FIG. 13 (a), two kinds of sheet-like piezoelectric precursors 12 are laminated to form the piezoelectric precursor laminated body 14 shown in FIG. 13 (b). Lamination is started from a piezoelectric precursor 12 made of a low-frequency piezoelectric material. Next, the piezoelectric precursor 12 made of a high-frequency piezoelectric material is laminated on the central portion in the slice direction, and the piezoelectric precursor 12 made of a low-frequency piezoelectric material is laminated on both end portions in the slice direction. Subsequently, similarly, a piezoelectric precursor 12 made of a high-frequency piezoelectric material is laminated at the central portion in the slicing direction, and a piezoelectric precursor 12 made of a low-frequency piezoelectric material is laminated at both ends.
[0097]
At that time, the width of the piezoelectric precursor 12 to be laminated in the slice direction is gradually wider for the piezoelectric precursor 12 made of the high-frequency piezoelectric material in the center, and the piezoelectric precursor 12 made of the low-frequency piezoelectric material at both ends is Laminate sequentially so that it gradually becomes narrower. In the center of the piezoelectric precursor laminate 14 in the thickness direction, only the piezoelectric precursor 12 made of a high-frequency piezoelectric material is laminated. After that, on the contrary, the piezoelectric precursor 12 made of the high frequency piezoelectric material in the central portion is gradually narrowed in the slice direction width of the laminated piezoelectric precursor 12 and the piezoelectric precursor 12 made of the low frequency piezoelectric material at both ends is Laminate sequentially so that it gradually widens. Finally, only the piezoelectric precursor 12 made of the low frequency piezoelectric material is laminated.
[0098]
In the pressurizing step shown in FIG. 13 (c), pressure is applied in order to press and solidify the piezoelectric precursor laminate 14. In the pressurizing step, as shown in FIG. 13C, a pressure plate 15 made of metal such as iron is used to press and harden the piezoelectric precursor laminate 14 in the thickness direction. At this time, it is even better to apply pressure in the same manner from the front, rear, left and right side surfaces. By pressing and compressing, as shown in FIG. 13 (d), a piezoelectric precursor 12 made of a high-frequency piezoelectric material laminated in the central portion and a piezoelectric precursor 12 made of a low-frequency piezoelectric material in the peripheral portion. Are familiar with each other while deforming. The piezoelectric precursor laminate 14 with smooth stepped boundaries can be produced.
[0099]
In the firing step, the pressurized piezoelectric precursor laminate 14 is fired to form the final piezoelectric body 1 shown in FIG. Thereafter, the external electrode 8 is formed using a metal plating film, a sputtered film, or a baked silver. Further, in order to ensure the piezoelectric characteristics, a polarization process is performed between the external electrodes 8. In this manner, the piezoelectric body 1 having a desired thickness can be manufactured without performing mechanical processing such as grinding. In the piezoelectric body 1, the ratio of the high-frequency piezoelectric material is large at the central portion in the slice direction, and the ratio of the low-frequency piezoelectric material is conversely increased toward the end in the slice direction. Although the piezoelectric body 1 has a uniform thickness, the frequency of ultrasonic waves generated at the central portion in the slice direction increases, and the frequency of ultrasonic waves generated decreases toward the end. The effective aperture in the slicing direction decreases as the frequency of the generated ultrasonic wave increases.
[0100]
In the above example, the case where two types of piezoelectric precursors 12 are used has been described, but three or more types of piezoelectric precursors 12 may be used. Moreover, although the case where only the external electrode 8 was provided was demonstrated, you may provide an internal electrode. In the above example, the case where the piezoelectric bodies 1 are arranged linearly has been described, but they may be arranged in an arc shape.
[0101]
As described above, in the fifth embodiment of the present invention, the ultrasonic probe is symmetrical with respect to the ultrasonic transmission / reception reference direction central plane and the slice direction central plane. A piezoelectric body with a uniform thickness is sandwiched between a piezoelectric layer with a large frequency constant that decreases in thickness as it moves away from a piezoelectric layer with a small frequency constant that increases as it moves away from the center plane in the slice direction. Because the frequency of the ultrasonic wave generated at the center in the slice direction is high and the frequency of the ultrasonic wave generated at the end in the slice direction is low, a piezoelectric body with a uniform thickness is used. An ultrasonic probe can be easily manufactured without grinding piezoelectric ceramics.
[0102]
(Sixth embodiment)
The sixth embodiment of the present invention is an ultrasonic diagnostic apparatus including any one of the ultrasonic probes described in the first to fifth embodiments. It is.
[0103]
As shown in FIG. 14, the ultrasonic diagnostic apparatus 17 is provided with any one of the ultrasonic probes described in the first to fifth embodiments. The ultrasonic probe 16 and the ultrasonic diagnostic apparatus main body 17 are connected by wire. The basic configuration of the ultrasonic diagnostic apparatus 17 is the same as that of a conventional apparatus. The configuration of the ultrasonic probe 16 is different from the conventional apparatus.
[0104]
Since the ultrasonic diagnostic apparatus 17 includes any one of the ultrasonic probes described in the first to fifth embodiments, the spatial resolution is high. Ultrasonic diagnostic images can be obtained. That is, the ultrasound probe 16 can obtain a high frequency response at the center in the slice direction, a low frequency response at the end, and an effective aperture in the slice direction. By changing in inverse proportion to, a thin ultrasonic beam can be obtained from a short distance to a long distance. These functions are the same as the conventional ultrasonic probe, but the ultrasonic probe 16 has the advantage that it can be manufactured at low cost without using difficult machining such as grinding. Can be realized at a lower cost than conventional devices.
[0105]
(Seventh embodiment)
The seventh embodiment of the present invention is a nondestructive inspection apparatus provided with any one of the ultrasonic probes described in the first to fifth embodiments. It is.
[0106]
As shown in FIG. 15, the non-destructive inspection apparatus 18 is provided with any one of the ultrasonic probes described in the first to fifth embodiments. The ultrasonic probe 16 and the nondestructive inspection apparatus main body 18 are connected by wire. The basic configuration of the nondestructive inspection apparatus 18 is the same as that of a conventional apparatus. The configuration of the ultrasonic probe 16 is different from the conventional apparatus.
[0107]
Since the nondestructive inspection device 18 includes the ultrasonic probe 16 of any of the ultrasonic probes described in the first to fifth embodiments, the spatial resolution is high. Non-destructive inspection is possible. That is, the ultrasound probe 16 can obtain a high frequency response at the center in the slice direction, a low frequency response at the end, and an effective aperture in the slice direction. By changing in inverse proportion to, a thin ultrasonic beam can be obtained from a short distance to a long distance. These functions are the same as the conventional ultrasonic probe, but the ultrasonic probe 16 has the advantage that it can be manufactured at low cost without using difficult machining such as grinding. The non-destructive inspection device 18 with the same or better performance can be realized at a lower cost than the conventional device.
[0108]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, in the present invention, a piezoelectric body having a uniform thickness for an ultrasonic probe, two piezoelectric layer portions and two filling layer portions are arranged in the ultrasonic transmission / reception reference direction center plane. Between the piezoelectric layer portions that are in contact with each other at the center portion in the slice direction on both sides of the slice direction center plane and that is slower than the sound velocity in both piezoelectric layer portions. Since the two cross sections in the scanning direction are sandwiched between the two filling layer portions, and the cross section in the scanning direction of both filling layer portions becomes wider as the distance from the center plane in the slicing direction increases, A piezoelectric body having a high thickness and a low thickness at the end in the slicing direction and a uniform thickness can be easily manufactured without grinding. Therefore, an ultrasonic probe having a high azimuth resolution from a short distance to a long distance can be realized at low cost.
[0109]
In addition, a piezoelectric body having a uniform thickness for an ultrasonic probe is thickened as the distance from the center plane in the slicing direction becomes symmetrical with respect to the center plane in the ultrasonic transmission / reception reference direction and the center plane in the slicing direction. Since the piezoelectric layer part with a large frequency constant that decreases is sandwiched between the piezoelectric layer parts with a small frequency constant that increases in thickness as it moves away from the center plane in the slice direction, the frequency of the generated ultrasonic wave is at the center in the slice direction. A piezoelectric body having a uniform thickness, which is high at the portion and low at the end portion in the slice direction, can be easily manufactured without grinding. Therefore, an ultrasonic probe having a high azimuth resolution from a short distance to a long distance can be realized at low cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic perspective view of an ultrasonic probe according to a first embodiment of the present invention,
2A is a cross-sectional view of a piezoelectric body used in the ultrasonic probe according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2B is an explanatory diagram showing an ultrasonic transmission / reception reference direction center plane and a slice direction center plane. A perspective view, and (c) a front view for explanation showing an ultrasonic transmission / reception reference direction center plane and a slice direction center plane;
FIG. 3 is a view showing a method for manufacturing a piezoelectric body used in the ultrasonic probe according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 4 is a diagram showing another example of a drawing step in the method of manufacturing a piezoelectric body used for the ultrasonic probe according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 5 is a cross-sectional view of a piezoelectric body used in an ultrasonic probe according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing a laminated body forming step in a method of manufacturing a piezoelectric body used for an ultrasonic probe according to the second embodiment of the present invention;
FIG. 7 is a cross-sectional view of a piezoelectric body used in an ultrasonic probe according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a cross-sectional view of a piezoelectric body used in an ultrasonic probe according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing a laminated body forming step in a method of manufacturing a piezoelectric body used for an ultrasonic probe according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a cross-sectional view of a piezoelectric body used for an ultrasonic probe according to a fourth embodiment of the present invention;
FIG. 11 is a diagram showing a laminated body forming step in a method of manufacturing a piezoelectric body used for an ultrasonic probe according to the fourth embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a cross-sectional view of a piezoelectric body used for an ultrasonic probe according to a fifth embodiment of the present invention;
FIG. 13 is a diagram showing a method for manufacturing a piezoelectric body used for an ultrasonic probe according to a fifth embodiment of the present invention;
FIG. 14 is a schematic diagram of an ultrasonic diagnostic apparatus according to the sixth embodiment of the present invention;
FIG. 15 is a schematic diagram of a nondestructive inspection apparatus according to a seventh embodiment of the present invention;
FIG. 16 is a schematic perspective view of a conventional ultrasonic probe;
FIG. 17 is a conceptual diagram showing a method for manufacturing a piezoelectric body used in a conventional ultrasonic probe;
FIG. 18 is a conceptual diagram showing another method for manufacturing a piezoelectric body used in a conventional ultrasonic probe.
[Explanation of symbols]
1 Piezoelectric material
1a Piezoelectric layer
1b Piezoelectric layer
2 Acoustic matching layer
4 Back load material
6 Piezoelectric material gap
7 Filler
7a packed bed
7b packed bed
8 External electrode
9 Ground wire
10 Internal electrode
11 Signal line
12 Piezoelectric precursor
13 Void forming material
14 Piezoelectric precursor laminate
15 Pressure plate
16 Ultrasonic probe
17 Ultrasonic diagnostic equipment (main unit)
18 Nondestructive inspection equipment (main unit)
21 Piezoelectric material
22 Acoustic matching layer
23 Acoustic lens
24 Back load material
25 Grinding wheel
26 Grinding wheel
27 Center plane of ultrasonic transmission / reception reference direction
28 Slice direction center plane

Claims (21)

超音波を送受信する基準方向に直交し、かつ前記基準方向に沿って前後関係に位置する２つの圧電層部と、スライス方向中心面に対して対称形となるように設けられた偶数個の充填層部とを有する圧電体であって、前記２つの充填層部はスライス方向中心面を含む領域で接する前記２つの圧電層部の間に挟まれてスライス方向中心面の両側に超音波走査方向に並行して貫通するように設けられ、前記偶数個の充填層部における音速は、前記２つの圧電層部における音速より遅く、前記偶数個の充填層部のスライス方向中心面に並行な断面の断面積は、スライス方向中心面から離れるにつれて大きいことを特徴とする圧電体。  Two piezoelectric layer portions orthogonal to the reference direction for transmitting and receiving ultrasonic waves and positioned in a longitudinal relationship along the reference direction, and an even number of fillings provided so as to be symmetrical with respect to the central plane in the slice direction A piezoelectric body having a layer portion, wherein the two filling layer portions are sandwiched between the two piezoelectric layer portions that are in contact with each other in a region including the central plane in the slice direction, and are arranged on both sides of the central plane in the slice direction. The sound speed of the even number of filling layer portions is slower than the sound speed of the two piezoelectric layer portions, and has a cross section parallel to the center plane in the slice direction of the even number of filling layer portions. A piezoelectric body characterized in that the cross-sectional area increases with distance from the central plane in the slice direction. 超音波を送受信する基準方向に直交し、かつ前記基準方向に沿って前後関係に位置する３つの圧電層部と、スライス方向中心面に対して対称形となるように設けられた偶数個の充填層部とを有する圧電体であって、前記偶数個の充填層部はスライス方向中心面を含む領域で接する前記３つの圧電層部の間に挟まれてスライス方向中心面の両側に超音波走査方向に並行して貫通するように設けられ、前記偶数個の充填層部における音速は、前記３つの圧電層部における音速より遅く、前記偶数個の充填層部のスライス方向中心面に並行な断面の断面積は、スライス方向中心面から離れるにつれて大きいことを特徴とする圧電体。  Three piezoelectric layer portions orthogonal to a reference direction for transmitting and receiving ultrasonic waves and positioned in a longitudinal relationship along the reference direction, and an even number of fillings provided so as to be symmetric with respect to the central plane in the slice direction And the even number of filling layer portions are sandwiched between the three piezoelectric layer portions in contact with each other in a region including the slice direction center plane, and are ultrasonically scanned on both sides of the slice direction center plane. The sound velocity in the even number of filling layer portions is lower than the sound speed in the three piezoelectric layer portions, and is a cross section parallel to the slice direction center plane of the even number of filling layer portions. The piezoelectric body is characterized in that the cross-sectional area increases as the distance from the central plane in the slice direction increases. 超音波を送受信する基準方向に直交し、かつ前記基準方向に沿って前後関係に位置する３つの圧電層部と、スライス方向中心面に対して対称形となるように設けられた４つの充填層部とを有する圧電体であって、前記４つの充填層部はスライス方向中心面を含む領域で接する前記３つの圧電層部の間に挟まれてスライス方向中心面の両側に超音波走査方向に並行して貫通するように設けられ、前記４つの充填層部における音速は、前記３つの圧電層部における音速より遅く、前記４つの充填層部のスライス方向中心面に並行な断面は、スライス方向中心面から離れるにつれて広いことを特徴とする請求項２記載の圧電体。Orthogonal to the reference direction for transmitting and receiving ultrasonic waves, and the three piezoelectric layers portion positioned context along the reference direction, four filling layer provided so as to be symmetrical with respect to the slice direction center plane a piezoelectric body having a section, said four fill layer portion on both sides in the ultrasonic scanning direction pinched slice direction center plane between the three piezoelectric layers portion in contact with a region including the slice direction center plane parallel provided to penetrate, speed of sound in the four packed bed section, slower than the acoustic velocity in the three piezoelectric layers portion, the four cross-section parallel to the slice direction center plane of the filling layer portion, slice direction 3. The piezoelectric body according to claim 2 , wherein the piezoelectric body is wider as the distance from the center plane increases. 前記偶数個の充填層部の走査方向に直交する断面形状は、円形であることを特徴とする請求項１または２に記載の圧電体。 It said even number of cross-sectional shape perpendicular to the scanning direction of the filling layer portion, the piezoelectric body according to claim 1 or 2, characterized in that a circular. 前記偶数個の充填層部における音速が、前記偶数個の充填層部ごとに異なることを特徴とする請求項１または２に記載の圧電体。3. The piezoelectric body according to claim 1 , wherein sound speeds of the even number of filling layer portions are different for each of the even number of filling layer portions . 前記偶数個の充填層部の位置がスライス方向中心面から離れるに従って、前記偶数個の充填層部における音速が遅くなることを特徴とする請求項１または２に記載の圧電体。3. The piezoelectric body according to claim 1 , wherein the sound speed of the even number of filling layer portions decreases as the positions of the even number of filling layer portions move away from the center plane in the slice direction . 超音波を送受信する基準方向の中心面とスライス方向中心面とに対して対称形となるように設けられた周波数定数の異なる３つの圧電層部を有する圧電体であって、スライス方向中心面から離れるに従って厚さが減少する周波数定数の大きい第１の圧電層部を、スライス方向中心面から離れるに従って厚さが増加する前記第１の周波数定数よりも小さい周波数定数の第２の圧電層部で挟んだ構成としたことを特徴とする圧電体。 A piezoelectric body having three piezoelectric layer portions with different frequency constants provided so as to be symmetrical with respect to a center plane in a reference direction for transmitting and receiving ultrasonic waves and a center plane in a slice direction, A first piezoelectric layer portion having a large frequency constant that decreases in thickness as it moves away is a second piezoelectric layer portion having a frequency constant that is smaller than the first frequency constant that increases in thickness as it moves away from the central plane in the slice direction. A piezoelectric body characterized by being sandwiched . 圧電材料を含む圧電前駆材と空隙形成材とを積層して圧電前駆材積層体を形成する積層体形成工程と、前記圧電前駆材積層体を加圧して押し固める加圧工程と、押し固めた後に前記空隙形成材を引き抜く引抜工程と、空隙を形成した圧電前駆材積層体を焼成する焼成工程と、前記空隙の内部に充填材を充填する充填工程とを有することを特徴とする圧電体の製造方法。 A laminate forming step of forming a piezoelectric precursor laminate by laminating a piezoelectric precursor containing a piezoelectric material and a gap forming material, a pressing step of pressing and compressing the piezoelectric precursor laminate, and pressing A piezoelectric material comprising: a drawing step of pulling out the gap forming material later; a firing step of firing the piezoelectric precursor laminate in which the gap is formed; and a filling step of filling the filler inside the gap. Manufacturing method . 前記引抜工程において、前記空隙形成材を前記圧電前駆材積層体のスライス方向の端の面から引き抜くことを特徴とする請求項８に記載の圧電体の製造方法。 9. The method of manufacturing a piezoelectric body according to claim 8, wherein, in the drawing step, the gap forming material is pulled out from a surface of an end in a slice direction of the piezoelectric precursor laminate . 圧電材料を含む圧電前駆材と空隙形成材とを積層して圧電前駆材積層体を形成する積層体形成工程と、前記圧電前駆材積層体を加圧して押し固める加圧工程と、押し固めた圧電前駆材積層体を焼成して前記空隙形成材を完全に燃焼させて空隙を形成する焼成工程と、前記空隙の内部に充填材を充填する充填工程とを有することを特徴とする圧電体の製造方法。 A laminate forming step of forming a piezoelectric precursor laminate by laminating a piezoelectric precursor containing a piezoelectric material and a gap forming material, a pressing step of pressing and compressing the piezoelectric precursor laminate, and pressing A piezoelectric body comprising: a firing step of firing a piezoelectric precursor laminate to completely burn the void forming material to form a void; and a filling step of filling a filler inside the void . Production method. 前記積層体形成工程において、２つの圧電前駆材の間に、断面形状がスライス方向中心部側から離れるに従って広がっている偶数個の空隙形成材をスライス方向中心面に対して対称に並べて挟んで積層することを特徴とする請求項８ないし１０のいずれかに記載の圧電体の製造方法。 In the laminated body forming step, an even number of void forming materials whose cross-sectional shape is widened with increasing distance from the central portion in the slicing direction are sandwiched between two piezoelectric precursors in a symmetrical manner with respect to the central plane in the slicing direction. The method for manufacturing a piezoelectric body according to claim 8, wherein: 前記積層体形成工程において、２つの圧電前駆材の間に、断面形状がスライス方向中心部側から離れるに従って広がっている２つの空隙形成材をスライス方向中心面に対して対称に並べて挟んで積層することを特徴とする請求項８ないし１０のいずれかに記載の圧電体の製造方法。Stacked in the laminate forming step, between two piezoelectric precursor material, sandwiching arranged symmetrically two gap forming material is spread in accordance with the cross-sectional shape away from the slice direction center side with respect to the slice direction center plane The method for manufacturing a piezoelectric body according to claim 8, wherein: 前記積層体形成工程において、２つの圧電前駆材の間に、断面形状がスライス方向中心部側から離れるに従って広がっている４つの空隙形成材を、厚さ方向対称かつスライス方向対称に並べて挟んで積層することを特徴とする請求項８ないし１０のいずれかに記載の圧電体の製造方法。Stacked in the laminate forming step, between two piezoelectric precursor material, the four gap forming material is spread in accordance with the cross-sectional shape away from the slice direction central portion side, across side by side in the thickness direction of symmetry and the slice direction symmetrical The method for manufacturing a piezoelectric body according to claim 8, wherein: 前記積層体形成工程において、２つの圧電前駆材の間に、断面積が異なる４の倍数個の空隙形成材を厚さ方向対称かつスライス方向対称に並べて挟んで積層することを特徴とする請求項８ないし１０のいずれかに記載の圧電体の製造方法。In the laminate forming step, the claims between the two piezoelectric precursor material, wherein the laminated sandwich side by side multiples of the gap forming material 4 is cross sectional area different in the thickness direction of symmetry and the slice direction symmetrical A method for manufacturing a piezoelectric body according to any one of 8 to 10 . 前記空隙形成材の断面が円形であることを特徴とする請求項１２または１４に記載の圧電体の製造方法。 15. The method for manufacturing a piezoelectric body according to claim 12, wherein the gap forming member has a circular cross section . 前記充填工程において、前記空隙ごとに複数種類の充填材の１つを選択して充填することを特徴とする請求項１２または１４に記載の圧電体の製造方法。 15. The method of manufacturing a piezoelectric body according to claim 12 , wherein in the filling step, one of a plurality of kinds of fillers is selected and filled for each gap . 周波数定数の異なる複数種類の圧電前駆材を積層して、圧電前駆材積層体を形成する積層体形成工程と、前記圧電前駆材積層体を加圧して押し固める加圧工程と、押し固めた圧電前駆材積層体を焼成する焼成工程とを有することを特徴とする圧電体の製造方法。 A laminated body forming step of forming a piezoelectric precursor laminate by laminating a plurality of types of piezoelectric precursors having different frequency constants, a pressurizing step of pressing and compressing the piezoelectric precursor laminate, and a compacted piezoelectric A method for manufacturing a piezoelectric body, comprising: a firing step of firing the precursor laminate . 前記積層体形成工程において、前記圧電前駆材積層体のスライス方向中央部ほど周波数定数の大きい圧電前駆材の割合が多くなるように、前記圧電前駆材の種類を選択して積層することを特徴とする請求項１７に記載の圧電体の製造方法。 In the laminated body forming step, the piezoelectric precursor material is laminated by selecting the type of the piezoelectric precursor so that the ratio of the piezoelectric precursor having a large frequency constant increases toward the center in the slice direction of the piezoelectric precursor laminated body. The method for manufacturing a piezoelectric body according to claim 17 . 請求項１ないし７のいずれかに記載の圧電体を備えたことを特徴とする超音波探触子。 An ultrasonic probe comprising the piezoelectric body according to claim 1 . 請求項１９に記載の超音波探触子を備えたことを特徴とする超音波診断装置。 An ultrasonic diagnostic apparatus comprising the ultrasonic probe according to claim 19 . 請求項１９に記載の超音波探触子を備えたことを特徴とする非破壊検査装置。 A nondestructive inspection apparatus comprising the ultrasonic probe according to claim 19 .
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