JP4933392B2 - 超音波探触子及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波診断装置において超音波を送受信するために用いられる超音波探触子に関し、さらに、そのような超音波探触子の製造方法に関する。

超音波探触子においては、超音波を送信及び／又は受信するための超音波トランスデューサとして、一般的に、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Pb(lead) zirconate titanate）に代表される圧電セラミックや、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン：polyvinyliden difluoride）に代表される高分子圧電材料等の圧電体の両端に電極を形成した振動子（圧電振動子）が用いられている。

そのような振動子の電極に電圧を印加すると、圧電効果により圧電体が伸縮して弾性波が発生する。特に、広帯域な信号電圧を振動子の電極に印加することにより、圧電体の厚さに応じた波長を有する共振弾性波が生成される。特に、セラミック圧電体の厚さが数ｍｍ以下の場合には、圧電体から超音波が発生する。さらに、複数の振動子を１次元又は２次元状に配列し、所定の遅延を与えた複数の駆動信号によって駆動することにより、超音波ビームを所望の方向に向けて形成することができる。一方、振動子は、伝播する超音波を受信することによって伸縮し、電気信号を発生する。この電気信号は、超音波の検出信号として用いられる。

超音波診断装置は、超音波探触子を用いて、人体等の被検体に超音波を送信し、被検体から反射される超音波エコーを受信することにより、超音波の検出信号に基づいて画像を表示する。これにより、体内の臓器や血管の検査が行われる。しかしながら、振動子において圧電セラミックを用いる場合には、振動子の音響インピーダンスと人体等の音響インピーダンスとの間に大きな差があり、そのような音響インピーダンスの差がある境界面においては、超音波の反射が生じて伝播損失となってしまう。

ここで、音響インピーダンスとは、音響媒質密度と音速との積で表される物質固有の定数であり、その単位としては、一般に、ＭＲａｙｌ（メガ・レイル）が用いられ、１ＭＲａｙｌ＝１×１０^６ｋｇ・ｍ^−２・ｓ^−１である。一般的な圧電セラミックの音響インピーダンスは、約２５ＭＲａｙｌ〜約３５ＭＲａｙｌであり、人体の音響インピーダンスは、約１．５ＭＲａｙｌである。

振動子の音響インピーダンスをＺ_０とし、人体の音響インピーダンスをＺ_Ｍとすると、接触界面における超音波の反射率Ｒは、次式（１）で与えられる。
Ｒ＝｜Ｚ_０−Ｚ_Ｍ｜／（Ｚ_０＋Ｚ_Ｍ） ・・・（１）
式（１）において、Ｚ_０＝３５ＭＲａｙｌ、Ｚ_Ｍ＝１．５ＭＲａｙｌとすると、Ｒ＝０．９２となるので、ほとんどの超音波は接触界面で反射してしまい、超音波は１割も伝播しないことが分る。

この問題を解決するために、振動子と被検体との間に音響整合層を挿入して、音響インピーダンスの整合を図ることが行われている。さらに、音響整合層を多層構造とすれば超音波の伝播効率が改善されるが、製造上の都合により、音響整合層を２層〜３層とするのが限界である。

そこで、超音波の伝播効率をさらに改善するために、振動子自体の音響インピーダンスを低減することが考えられる。例えば、圧電体に格子状の溝を形成してアレイ化し、溝の内部に音響インピーダンスが２ＭＲａｙｌ〜４ＭＲａｙｌ程度の素材を充填することが有効である。その際に、溝の間隔は、溝によって分離される各々の振動子内を伝播する超音波の波長と比較して十分小さくする。一般的には、溝の間隔を、超音波の波長の１／８〜１／１０程度とすることが望ましい。そのようなアレイ振動子としては、例えば、１つの方向に長い棒状のＰＺＴを樹脂中に配置した複合圧電体が用いられており、この複合圧電体は、１−３コンポジットと呼ばれている。

１−３コンポジットの場合には、各々の振動子が棒状となることから、その振動モードは、３３振動モードとなる。３３振動モードとは、第３の方向（Ｚ軸方向）に分極処理（ポーリング処理）が施された圧電体を、同じ第３の方向に電界を印加して振動させた場合の振動モードをいう。一般に、振動子においては、３３振動モードにおける電気機械結合係数ｋ３３が、板状における電気機械結合係数ｋｔや、バー状における電気機械結合係数ｋ３３'よりも大きいので、各々の振動子を棒状とすることにより、高い変換効率が期待できる。

また、電気機械結合係数ｋ３３が大きいことは、振動子の帯域拡大にも寄与する。さらに、１−３コンポジットを採用することにより、音響インピーダンスの高い圧電体の一部が、音響インピーダンスの低い樹脂に置き換わるので、振動子の音響インピーダンスが低下して、超音波の伝播効率が改善される。ただし、誘電率が大きい圧電体の有効面積が減少することから、電気的には、振動子の容量が低下して、電気インピーダンスが上昇してしまう。

関連する技術として、下記の特許文献１には、微細な構造を持つ信頼性の高い低コストの複合圧電体を用いた超音波探触子が開示されている。この複合圧電体においては、樹脂層の表面に細線状焼結圧電体が複数本一定の方向に配列された複合シートが、各細線状焼結圧電体が樹脂層の間になるように複数枚積層されかつ一体化され、細線状焼結圧電体の長さ方向と直交する方向に切断されている。

また、下記の特許文献２には、高周波帯域の超音波振動に対応した複合圧電体の製造方法が開示されている。この製造方法においては、単位複合シートを形成し、これを積層することによって複合圧電体が形成される。単位複合シートの製造方法は、板状圧電体の一表面上に樹脂層が形成された複合板を用意する工程と、複合板の板状圧電体に対し、樹脂層を完全に分断することなく、複数の溝を形成することによって、板状圧電体から複数本の細線状圧電体を形成する工程とを含んでいる。

また、下記の特許文献３には、微細でアスペクト比の高い複数の柱状圧電体を有し、電気的インピーダンスの小さい複合圧電体を、性能を低下させることなく安価に提供できる複合圧電体の製造方法が開示されている。この製造方法は、一方向に伸びる複数の圧電体及び複数の導電体が交互に配置された複合板を樹脂層上に用意する工程と、複合板の板状圧電体に対し、圧電体の長手方向と交わる方向に伸びる複数の溝を形成することによって、複数の柱状圧電体と、複数の柱状圧電体を横切って伸びる複数の内部導電体とを樹脂層上に形成する工程とを含んでいる。

一方、近年においては、超音波探触子が、口から体内に挿入される内視鏡（経口内視鏡）や、鼻から体内に挿入される内視鏡（経鼻内視鏡）や、血管カテーテル等において用いられていることから、超音波探触子の微細化が求められている。経口内視鏡の直径は８ｍｍ〜１１ｍｍ程度であり、経鼻内視鏡の直径は４ｍｍ〜５ｍｍ程度であるから、振動子のサイズも小さくする必要がある。例えば、ＦＮＡ（fine needle aspiration：微細針吸引）用のコンベックス型アレイ振動子のエレベーション方向におけるサイズは、４ｍｍ〜５ｍｍ程度となっている。

しかしながら、振動子の微細化に伴って、振動子の電気インピーダンスが上昇してしまう。送受信される超音波の周波数帯域における振動子の電気インピーダンスが、超音波診断装置本体の受信回路の電気インピーダンス又は接続ケーブルの特性インピーダンスと比較して大きくなると、検出信号の伝送特性が低下する。また、振動子のサイズが小さくなることとも相乗して、受信時における感度が低下する。

そのような感度の低下を補うために、振動子を積層構造として、各層の振動子を並列に接続することにより、振動子の容量を増加させて電気インピーダンスを低下させることも行われている。
特開２００３−７００９６号公報（第１−２頁、図６） 特開２００３−１７４６９８号公報（第１−２頁、図５） 特開２００３−１８９３９５号公報（第１−２頁、図７）

そこで、上記の点に鑑み、本発明は、振動子を微細化しながら高感度及び広帯域を実現すると共に、発熱対策も考慮した超音波探触子を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の１つの観点に係る超音波探触子は、超音波を送信及び／又は受信するための複数の振動子を含む超音波探触子であって、（ｉ）バッキング材と、（ii）第１の方向に配列された複数の振動子が振動子群を構成し、複数の振動子群が第１の方向とは異なる第２の方向に配列された振動子アレイであって、各振動子が、バッキング材の主面上に形成された第１の電極層、複数の圧電体層、少なくとも１層の内部電極層、及び、各振動子群において共通の第２の電極層を含む積層構造を有する振動子アレイと、（iii）各振動子群において隣接する振動子の第１の電極層を互いに電気的に接続する第１層の導電性樹脂と、（iv）各振動子群において隣接する振動子の内部電極層を互いに電気的に接続する第２層の導電性樹脂と、（ｖ）各振動子群において複数の振動子間の所定の領域に配置された絶縁樹脂とを具備する。

また、本発明の１つの観点に係る超音波探触子の製造方法は、超音波を送信及び／又は受信するための複数の振動子を含む超音波探触子の製造方法であって、バッキング材の主面上に、第１の電極層、複数の圧電体層、少なくとも１層の内部電極層、及び、第２の電極層を含む積層構造体を形成する工程（ａ）と、積層構造体の主面に、バッキング材に達する複数の溝を形成することにより、積層構造体を第１の方向に配列された複数の振動子に分離する工程（ｂ）と、工程（ｂ）において形成された複数の溝に導電性樹脂を充填する工程（ｃ）と、工程（ｃ）において充填された導電性樹脂の一部を取り除く工程（ｄ）と、工程（ｄ）において導電性樹脂が取り除かれた複数の溝に絶縁樹脂を充填する工程（ｅ）と、工程（ｅ）において充填された絶縁樹脂の一部を取り除く工程（ｆ）と、工程（ｃ）〜（ｆ）を必要に応じて繰り返すことにより、隣接する振動子の第１の電極層を互いに電気的に接続する第１層の導電性樹脂と、隣接する振動子の内部電極層を互いに電気的に接続する第２層の導電性樹脂と、複数の振動子間の所定の領域に配置される絶縁樹脂とを形成する工程（ｇ）と、積層構造体の主面上に共通電極層を形成する工程（ｈ）と、共通電極層上に少なくとも１層の音響整合層を形成する工程（ｉ）と、積層構造体の主面に、バッキング材に達する複数の溝を第１の方向に形成することにより、各振動子を第１の方向とは異なる第２の方向に配列された複数の振動子に分離する工程（ｊ）とを具備する。

本発明によれば、振動子の１−３コンポジット化により電気機械結合係数を向上させると共に音響インピーダンスを低下させ、振動子の積層化により電気インピーダンスを低下させて、高感度かつ広帯域な超音波探触子を実現することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る超音波探触子において用いられる超音波トランスデューサアレイ（振動子アレイ）を模式的に示す平面図である。この振動子アレイは、駆動信号が供給されることにより伸縮して超音波を被検体に向けて送信すると共に、被検体によって反射された超音波を受信することにより電気信号（検出信号）を出力する複数の超音波トランスデューサ（振動子）１を含んでいる。図１においては、複数の振動子１の配置を示すために、それらの振動子１の上部電極層、及び、それらの振動子１間の絶縁樹脂が省略されている。なお、複数の振動子１において、特に、図中左端の振動子を１ａとし、図中右端の振動子を１ｂとする。

図１に示すように、複数の振動子１は、２次元状に配置されているが、Ｘ軸方向（エレベーション方向）に並べられた１列の振動子１の電極が導電性樹脂２によって並列接続されているので、１列の振動子１が、同時に動作する１つの振動子群１０を構成する。従って、Ｙ軸方向（アジマス方向）に並べられた複数の振動子群１０が、１次元振動子アレイを構成している。このように、Ｘ軸方向に振動子を分割して形成することにより、個々の振動子に含まれている圧電体が１−３コンポジットの形状になるので、Ｘ軸方向に振動子を分割しない場合と比較して、電気機械結合係数を大きくすることができる。

図２は、本発明の第１の実施形態に係る超音波探触子の内部構造を示す正面図である。図２に示すように、バッキング材３上に、１列の振動子１によって構成される振動子群１０が形成されている。各々の振動子１は、積層構造を有しており、Ｘ軸方向に隣接する２つの振動子の電極を並列接続するために、複数層の導電性樹脂２ａ〜２ｃが配置されている。バッキング材３は、例えば、フェライト粉や金属粉やＰＺＴ粉入りのエポキシ樹脂や、フェライト粉入りのゴムのように、音響減衰の大きい材料によって形成されており、複数の振動子１から発生する不要な超音波の減衰を早める。また、複数の振動子１の間や周囲において、導電性樹脂２ａ〜２ｃが存在しない領域には、振動子間における干渉を低減し、振動子の横方向の振動を抑えて振動子が縦方向のみに振動するようにするために、絶縁樹脂４が配置されている。

複数の振動子１上には、少なくとも１層の音響整合層（図２においては、２層の音響整合層５及び６を示す）が形成されている。また、必要に応じて、音響整合層上に音響レンズ７を形成するようにしても良い。音響整合層５及び６は、例えば、超音波を伝播し易いパイレックス（登録商標）ガラスや金属粉入りエポキシ樹脂等によって形成されており、生体等の被検体と振動子１との間の音響インピーダンスのマッチングを改善する。それにより、振動子１から送信される超音波が、効率良く被検体中に伝播する。音響レンズ７は、例えば、シリコーンゴムによって形成されており、複数の振動子１から送信され、音響整合層５及び６を伝播した超音波を、被検体内の所定の深度において集束させる。これらの部分１〜７は、筐体に収納され、複数の振動子１から引き出された配線が、ケーブルを介して、超音波診断装置本体内の電子回路に接続される。

図３は、振動子の積層構造を拡大して示す斜視図であり、（Ａ）は、図２に示す振動子群１０における図中左端の振動子１ａを示しており、（Ｂ）は、図２に示す振動子群における図中右端の振動子１ｂを示している。各々の振動子は、下部電極層１１と、複数の圧電体層１２と、少なくとも１層の内部電極層と、通常は接地電位に共通接続される上部電極層１４とを有している。

望ましくは、内部電極層が、圧電体層を挟んで交互に形成された少なくとも１層の第１の内部電極層と少なくとも１層の第２の内部電極層とを含んでいる。図３においては、圧電体層１２を挟んで形成された第１の内部電極層１３ａと第２の内部電極層１３ｂとが示されている。ここで、下部電極層１１と最下層の圧電体層１２と内部電極層１３ａとによって第１の圧電素子が構成され、内部電極層１３ａと中間層の圧電体層１２と内部電極層１３ｂとによって第２の圧電素子が構成され、内部電極層１３ｂと最上層の圧電体層１２と上部電極層１４とによって第３の圧電素子が構成される。

さらに、図中左端の振動子１ａは、側面絶縁膜１５ａと、側面電極１６ａとを有している。側面電極１６ａは、内部電極層１３ａ及び上部電極層１４に接続されると共に、側面絶縁膜１５ａによって内部電極層１３ｂから絶縁される。また、図中右端の振動子１ｂは、側面絶縁膜１５ｂと、側面電極１６ｂとを有している。側面電極１６ｂは、内部電極層１３ｂ及び下部電極層１１に接続されると共に、側面絶縁膜１５ｂによって内部電極層１３ａから絶縁される。

図２及び図３を参照すると、１つの振動子群１０に含まれている複数の振動子の下部電極層１１は、第１層の導電性樹脂２ａによって互いに電気的に接続され、１つの振動子群１０に含まれている複数の振動子の内部電極層１３ａは、第２層の導電性樹脂２ｂによって互いに電気的に接続され、１つの振動子群１０に含まれている複数の振動子の内部電極層１３ｂは、第３層の導電性樹脂２ｃによって互いに電気的に接続される。

これにより、各々の振動子において、積層された第１〜第３の圧電素子が並列に接続されることにより、振動子の容量が増加して電気インピーダンスが低下する。また、１つの振動子群１０における複数の振動子が並列に接続されることにより、振動子の容量がさらに増加して電気インピーダンスがさらに低下する。これにより、超音波診断装置本体内の電子回路との電気インピーダンスのマッチングが向上する。

さらに、圧電素子を複合体化することによって、振動子全体の体積における圧電素子の体積の割合が減少し、発熱源となる圧電体の体積比が低減されることから、超音波探触子の表面温度の上昇を抑えることができる。特に、圧電素子が積層構造を有する場合には、圧電素子が単層構造を有する場合と比較して発熱量が非常に高くなることから、より効果的である。

本実施形態においては、圧電体の材料として圧電セラミックが用いられる。圧電セラミックは、電気・機械エネルギー変換能力が高いので、体内の深部まで到達可能な強力な超音波を発生することができ、また、受信感度も高い。具体的な材料としては、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Ｐｂ（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｏ_３）や、同様のペロブスカイト系結晶構造を有する変成組成の材料や、一般にリラクサ系材料と呼ばれている材料等を用いることができる。

また、本実施形態においては、導電性樹脂２の硬度が、絶縁樹脂４の硬度と比較して高くなっている。導電性樹脂及び絶縁樹脂の材料としては、例えば、図４に示す材料が用いられる。絶縁樹脂としては、エポキシテクノロジー（Ｅｐｏｘｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）社製のエポテック３１０（ＥＰＯ−ＴＥＫ３１０）、エポテック３０１−２ＦＬ（ＥＰＯ−ＴＥＫ３０１−２ＦＬ）、エポテック３３０（ＥＰＯ−ＴＥＫ３３０）等のエポキシ系樹脂を用いることができる。一方、導電性樹脂としては、同じエポキシテクノロジー社製のＨ２０Ｓ、Ｈ２０Ｅ等の導電ペーストを用いることができる。

図４には、それらの材料のショア硬度（Ｓｈｏｒｅ硬度）が示されている。ショア硬度とは、ＩＳＯ８６８に規定されている条件の下で、材料の中に押し込まれる所定の押し込み針の押し込み深さの測定値を表したものであり、Ａ規格よりもＤ規格のほうが硬く、また、各規格において数値が大きいほど硬いことを表している。例えば、図４に示す材料の中から、絶縁樹脂としてエポテック３１０を選択する場合には、導電性樹脂としてＨ２０Ｓを選択しても良いし、Ｈ２０Ｅを選択しても良い。なお、ショア硬度の規格は、ＡＳＴＭのＤ２２４０−９７ｅ１（Standard Test Method for Rubber Property-Durometer Hardness）や、ＪＩＳのＫ７２１５（Testing Method for Durometer Hardness of Plastics）等にも規定されている。

振動子を柱状に形成し、１−３コンポジットの形状とする場合には、複数の振動子間に軟性樹脂を充填しても、振動子の振動のぶれが大きくなってしまうので、所望の電気機械変換特性が得られず、また、複数の共振ピークが発生してしまう等の欠点が生じる。一方、複数の振動子間の全体に硬度の高い樹脂を充填すると、振動子の振動が抑制されてしまうので、同様に、所望の電気機械変換特性が得られない。

そこで、本実施形態においては、軟性樹脂の中に部分的に硬度の高い樹脂を配置することにより、振動子の振動のぶれを防止しながら振動を抑制しない構造としている。即ち、図２に示すように、複数の振動子１の間に比較的硬度が高い導電性樹脂２と比較的硬度が低い絶縁樹脂４とを配置することにより、上記の構造が実現されている。また、バッキング材３に形成された溝に、比較的硬度が高い導電性樹脂２が杭のように挿入されるので、振動子の振動のぶれがさらに防止される。

次に、本発明の第１の実施形態に係る超音波探触子の製造方法について説明する。図５Ａ〜図５Ｈは、本発明の第１の実施形態に係る超音波探触子の製造方法を説明するための図である。

第１の工程において、図５Ａに示すように、バッキング材３の主面上に、下部電極層１１、複数の圧電体層１２、内部電極層１３ａ及び１３ｂ、及び、上部電極層１４を含む積層構造体２０が形成される。

さらに、積層構造体２０の図中左側の側面に、内部電極層１３ｂを覆う側面絶縁膜１５ａと、積層構造体２０の図中右側の側面に、内部電極層１３ａを覆う側面絶縁膜１５ｂとが、電着法、ディスペンス法、又は、印刷法等によって形成される。側面絶縁膜１５ａ及び１５ｂの材料としては、エポキシ樹脂又はガラスペースト等が用いられる。

その後、積層構造体２０の図中左側の側面に、内部電極層１３ａ及び上部電極層１４に接続される側面電極１６ａと、積層構造体２０の図中右側の側面に、内部電極層１３ｂ及び下部電極層１１に接続される側面電極１６ｂとが、メッキ法やスパッタリング法等によって形成される。側面電極１６ａ及び１６ｂの材料としては、プラチナ、金、パラジウム、ニッケル、クロム、チタン、コバルト等の金属や、それらの内の少なくとも１つを含む合金等が用いられる。

第２の工程において、図５Ｂに示すように、積層構造体２０の主面に、バッキング材３に達する複数の溝１７が、アジマス方向（図１におけるＹ軸方向）に形成される。これにより、積層構造体２０が、Ｙ軸方向に長い複数の振動子１'に分割される。

第３の工程において、図５Ｃに示すように、複数の溝１７に導電性樹脂２が充填される。さらに、第４の工程において、図５Ｄに示すように、複数の溝１７に沿って、少なくとも導電性樹脂２の一部が、ダイシングによりカットされて取り除かれる。これにより、第１層の導電性樹脂２ａが、最下層の圧電体層１２の下から１／３程度まで形成される。

第５の工程において、図５Ｅに示すように、第４の工程において導電性樹脂２が取り除かれた複数の溝１７の部分に絶縁樹脂４が充填される。さらに、第６の工程において、図５Ｆに示すように、複数の溝１７に沿って、少なくとも絶縁樹脂４の一部が、ダイシングによりカットされて取り除かれる。

第３の工程〜第６の工程を必要に応じて繰り返し、最後に第６の工程において絶縁樹脂４の突出部をカットすることにより、図５Ｇに示すように、第１層の導電性樹脂２ａ〜第３層の導電性樹脂２ｃ及び絶縁樹脂４が配置された構造が完成する。また、ダイシングによって上部電極層１４の一部がカットされているので、図５Ｈに示すように、積層構造体２０の主面上に、上部電極層１４を補充する共通電極層２１が形成される。

さらに、共通電極層２１上に、少なくとも１層の音響整合層が形成され、音響整合層が形成された積層構造体２０の主面に、バッキング材３に達する複数の溝が、第１の方向と異なる第２の方向（例えば、エレベーション方向（図１におけるＸ軸方向））に形成される。これにより、図１に示すように、Ｘ軸方向に並ぶ複数の振動子１を含む各々の振動子群１０が形成される。その後、電極層への配線が行われ、音響レンズ７が取り付けられて、図２に示す超音波探触子が完成する。

上記の製造方法の変形例として、絶縁樹脂４の一部をダイシングによりカットする第６の工程（図５Ｆ）において、ダイシングブレードの幅を徐々に大きくしたり、複数のダイシング処理を行うことにより、図６に示すように、溝１７の幅を段階的に大きくしても良い。これにより、第１層の導電性樹脂２ａ〜第３層の導電性樹脂２ｃの幅も段階的に大きくなる。その結果、振動子の側面形状は、図中下側が大きく上側が小さい台形となるので、振動子の振動が安定する。また、振動子の音響インピーダンスが被検体に向けて段階的に低下するので、人体等の被検体と振動子との間の音響インピーダンスのマッチングが向上して、超音波探触子の感度や帯域等の性能が向上する。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図７は、本発明の第２の実施形態に係る超音波探触子の内部構造を示す正面図である。第２の実施形態においては、各振動子群１０において、図７に示すように、図中左端の溝には、第３層の導電性樹脂２ｃが形成されずに、第１層の導電性樹脂２ａ及び第２層の導電性樹脂２ｂのみが形成され、図中右端の溝には、第２層の導電性樹脂２ｂが形成されずに、第１層の導電性樹脂２ａ及び第３層の導電性樹脂２ｃのみが形成される。

また、内部電極層は、圧電体層を挟んで交互に形成された少なくとも１層の第１の内部電極層と少なくとも１層の第２の内部電極層とを含んでいる。図７においては、圧電体層１２を挟んで形成された第１の内部電極層１３ａと第２の内部電極層１３ｂとが示されている。

各振動子群１０の図中左側の側面には、内部電極層１３ａ及び１３ｂ及び上部電極層１４に電気的に接続された側面電極８が形成され、各振動子群１０の図中右側の側面には、内部電極層１３ａ及び１３ｂ及び下部電極層１１に電気的に接続された側面電極９が形成されている。

各振動子群１０の図中左側の端部において、少なくとも内部電極層１３ｂを分離する溝が形成され、分離された内部電極層１３ｂの間に絶縁樹脂４が充填されている。また、各振動子群１０の図中右側の端部において、少なくとも内部電極層１３ａを分離する溝が形成され、分離された内部電極層１３ａの間に絶縁樹脂４が充填されている。その他の点に関しては、第１の実施形態と同様である。

このように、第２の実施形態においては、図５Ａに示す側面絶縁膜１５ａ及び１５ｂを形成しなくても、図中左端及び右端の溝における導電性樹脂２ａ〜２ｃ及び絶縁樹脂４の配置を変えることにより、積層体における電極の接続状態が確保されている。

次に、本発明の第２の実施形態に係る超音波探触子の製造方法について説明する。第２の実施形態に係る超音波探触子は、図５Ａ〜図５Ｈを参照しながら説明した第１の実施形態に係る超音波探触子の製造方法の一部を変更することにより製造される。

第１の工程において、図５Ａに示すように、バッキング材３の主面上に、下部電極層１１、複数の圧電体層１２、内部電極層１３ａ及び１３ｂ及び上部電極層１４を含む積層構造体２０が形成される。ただし、図５Ａに示す側面絶縁膜１５ａ及び１５ｂは形成されずに、図７に示すように、積層構造体の図中左側の側面に、内部電極層１３ａ及び１３ｂ及び上部電極層１４に接続される側面電極８が形成されると共に、積層構造体の図中右側の側面に、内部電極層１３ａ及び１３ｂ及び下部電極層１１に接続される側面電極９が形成される。

また、第２の工程において、図７に示すように、積層構造体の図中左側の端部において、少なくとも内部電極層１３ｂを分離する溝がアジマス方向（図１のＹ軸方向）に形成され、積層構造体の図中右側の端部において、少なくとも内部電極層１３ａを分離する溝がアジマス方向に形成される。

さらに、第３の工程〜第６の工程を必要に応じて繰り返すことにより、第１層〜第３層の導電性樹脂２ａ〜２ｃ及び絶縁樹脂４が形成される。ここで、図７に示すように、積層構造体の図中左端の溝において分離された内部電極層１３ａの間に絶縁樹脂４が充填され、積層構造体の図中右端の溝において分離された内部電極層１３ｂの間に絶縁樹脂４が充填される。

次に、本発明の第３の実施形態について説明する。
図８は、本発明の第３の実施形態に係る超音波探触子の内部構造を示す正面図である。第３の実施形態においては、第１の実施形態に係る超音波探触子における振動子群の具体的な形状を決定して実際に振動子群を製造し、振動子の電気インピーダンス特性を測定している。

本実施形態においては、バッキング材３として、フェライト粉を混入した塩素化ポリエチレンが用いられ、その音響インピーダンスは６ＭＲａｙｌ程度である。また、導電性樹脂２ａ〜２ｃとして、エポキシテクノロジー社製の銀（Ａｇ）ペーストであるＨ２０Ｓが用いられ、絶縁樹脂４として、エポキシテクノロジー社製のエポキシ系樹脂であるエポテック３３０（ＥＰＯ−ＴＥＫ３３０）が用いられる。

圧電体１２としては、グリーンシート成形された１層の厚さが１００μｍである３層の圧電セラミック（具体的には、ＰＺＴ）が、内部電極１３ａ及び１３ｂを挟んで積層される。この圧電セラミックの比誘電率は、１ｋＨｚにおいて４５００である。また、圧電体１２と樹脂領域（導電性樹脂２ａ〜２ｃ及び絶縁樹脂４）との体積比率は、１：２程度である。

図８において、１つの振動子群１０の長さ（エレベーション方向）は５．０ｍｍであり、幅（アジマス方向）は０．１１ｍｍ（１１０μｍ）であり、高さは０．３ｍｍ（３００μｍ）である。また、導電性樹脂２ａ〜２ｃ及び絶縁樹脂４の配列ピッチは５５０μｍであり、下部電極層１１における１つの電極の長さは２５０μｍであり、上部電極層１４における１つの電極の長さは２００μｍである。側面電極１６ａ及び１６ｂの各々は、クロム（Ｃｒ）と金（Ａｕ）との２層構造を有しており、トータルの厚さは４５０ｎｍ程度である。

図９は、バッキング材上に製造された振動子群の切断面の一部を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって撮影した映像を示す図である。図９の（Ａ）には、７個の振動子を含む振動子群が示されている。図９の（Ｂ）は、図９の（Ａ）に示されている振動子群の一部を拡大して示す図である。図９の（Ｂ）に示すように、各振動子は、圧電体と圧電体との間に内部電極を有しており、隣接する２つの振動子の内部電極を接続するために、絶縁樹脂（エポテック３３０）に囲まれて導電性樹脂（銀ペーストＨ２０Ｓ）が配置されている。図９の（Ｃ）は、図９の（Ｂ）に示されている振動子と樹脂領域の一部を拡大して示す図である。図９の（Ｃ）において、内部電極と導電性樹脂とが良好に接続されていることが分る。

図１０は、本発明の第３の実施形態において製造された振動子の電気インピーダンス特性を測定した結果を示す図である。図１０の（Ａ）及び（Ｂ）において、横軸は周波数（ＭＨｚ）を示しており、図１０の（Ａ）における縦軸は、電気インピーダンスの絶対値｜Ｚ｜（オーム）を表しており、図１０の（Ｂ）における縦軸は、電気インピーダンスの偏角φ（度）を表している。測定用の振動子のサンプル数は３個である。２ＭＨｚにおける振動子の電気インピーダンスの測定値に基づいて圧電体の見掛け上の比誘電率を計算すると、約１２５７０となった。

本実施形態におけるように、比誘電率が４５００の圧電体と比誘電率が５程度の樹脂とを体積比率１：２でコンポジット化すると、コンポジット材の比誘電率は、１５００程度となる。また、一般に、Ｎ層の圧電体を積層して作製した積層構造の振動子においては、同じサイズの単層構造の振動子と比較して静電容量がＮ^２倍となるので、単層構造の振動子に換算した見かけ上の比誘電率もＮ^２倍になると考えられる。従って、比誘電率が１５００のコンポジット材を用いて３層構造の振動子を作製すると、見かけ上の比誘電率は、１５００×３^２＝１３５００となることが予想される。本実施形態における見かけ上の比誘電率の測定値は１２５７０であり、これは予想値の９３％であるから、予想値と良く一致していると言える。また、本実施形態における電気インピーダンスの偏角の測定値も予想通りであり、これらの測定結果は、コンポジット材を用いた３層構造の振動子の製造に成功していることを示している。

以上の実施形態によれば、振動子の１−３コンポジット化により電気機械結合係数を向上させると共に音響インピーダンスを低下させ、振動子の積層化により電気インピーダンスを低下させて、高感度かつ広帯域な超音波探触子を実現することができる。その結果、従来の超音波探触子よりも、ハーモニック・イメージングやコントラスト・ドップラー・イメージングにおける画質や診断性能が向上する。また、振動子による発熱も低減される。さらに、複数の振動子の間に、比較的硬度が高い導電性樹脂と比較的硬度が低い絶縁樹脂とを配置することにより、振動子の振動のぶれを防止しながら振動を抑制しない構造とすることができる。なお、本発明は、セクタ型、リニア型、コンベックス型、ラジアル型等、いずれの形状の超音波探触子にも適用可能である。

本発明は、超音波診断装置において超音波を送受信するために用いられる超音波探触子において利用することが可能である。

本発明の第１の実施形態に係る超音波探触子において用いられる超音波トランスデューサアレイを模式的に示す平面図である。 本発明の第１の実施形態に係る超音波探触子の内部構造を示す正面図である。 振動子の積層構造を拡大して示す斜視図である。 導電性樹脂及び絶縁樹脂の材料を示す表である。 本発明の第１の実施形態に係る超音波探触子の製造方法を説明するための図である。 本発明の第１の実施形態に係る超音波探触子の製造方法を説明するための図である。 本発明の第１の実施形態に係る超音波探触子の製造方法を説明するための図である。 本発明の第１の実施形態に係る超音波探触子の製造方法を説明するための図である。 本発明の第１の実施形態に係る超音波探触子の製造方法を説明するための図である。 本発明の第１の実施形態に係る超音波探触子の製造方法を説明するための図である。 本発明の第１の実施形態に係る超音波探触子の製造方法を説明するための図である。 本発明の第１の実施形態に係る超音波探触子の製造方法を説明するための図である。 本発明の第１の実施形態に係る超音波探触子の製造方法の変形例を説明するための図である。 本発明の第２の実施形態に係る超音波探触子の内部構造を示す正面図である。 本発明の第３の実施形態に係る超音波探触子の内部構造を示す正面図である。 バッキング材上に製造された振動子群の切断面の一部を走査電子顕微鏡によって撮影した映像を示す図である。 本発明の第３の実施形態において製造された振動子の電気インピーダンス特性を測定した結果を示す図である。

符号の説明

１、１ａ、１ｂ 振動子
２、２ａ〜２ｃ 導電性樹脂
３ バッキング材
４ 絶縁樹脂
５、６ 音響整合層
７ 音響レンズ
８、９ 側面電極
１０ 振動子群
１１ 下部電極層
１２ 圧電体
１３ａ、１３ｂ 内部電極層
１４ 上部電極層
１５ａ、１５ｂ 側面絶縁膜
１６ａ、１６ｂ 側面電極
１７ 溝
２０ 積層構造体
２１ 共通電極層

Claims (12)

1. 超音波を送信及び／又は受信するための複数の振動子を含む超音波探触子であって、
   バッキング材と、
   第１の方向に配列された複数の振動子が振動子群を構成し、複数の振動子群が第１の方向とは異なる第２の方向に配列された振動子アレイであって、各振動子が、前記バッキング材の主面上に形成された第１の電極層、複数の圧電体層、少なくとも１層の内部電極層、及び、各振動子群において共通の第２の電極層を含む積層構造を有する、前記振動子アレイと、
   各振動子群において隣接する振動子の第１の電極層を互いに電気的に接続する第１層の導電性樹脂と、
   各振動子群において隣接する振動子の内部電極層を互いに電気的に接続する第２層の導電性樹脂と、
   各振動子群において前記複数の振動子間の所定の領域に配置された絶縁樹脂と、
   を具備する超音波探触子。
2. 前記第１層の導電性樹脂及び前記第２層の導電性樹脂が、前記絶縁樹脂の硬度よりも高い硬度を有する、請求項１項記載の超音波探触子。
3. 前記第１層の導電性樹脂が、前記第２層の導電性樹脂の硬度よりも高い硬度を有する、請求項１又は２記載の超音波探触子。
4. 前記バッキング材の主面に複数の溝が形成されており、前記第１層の導電性樹脂の一部が前記複数の溝の内部に充填されている、請求項１〜３のいずれか１項記載の超音波探触子。
5. 前記第２層の導電性樹脂が、前記第１層の導電性樹脂が形成されている領域よりも広い領域に形成されている、請求項１〜４のいずれか１項記載の超音波探触子。
6. 各振動子が、圧電体層を挟んで交互に形成された少なくとも１層の第１の内部電極層及び少なくとも１層の第２の内部電極層を含み、
   各振動子群の第１の側面に形成され、前記第２の内部電極層を覆う第１の側面絶縁膜と、
   各振動子群の第２の側面に形成され、前記第１の内部電極層を覆う第２の側面絶縁膜と、
   各振動子群の第１の側面に形成され、前記第１の内部電極層及び前記第２の電極層に接続されると共に、前記第１の側面絶縁膜によって前記第２の内部電極層から絶縁された第１の側面電極と、
   各振動子群の第２の側面に形成され、前記第２の内部電極層及び前記第１の電極層に接続されると共に、前記第２の側面絶縁膜によって前記第１の内部電極層から絶縁された第２の側面電極と、
   をさらに具備する、請求項１〜５のいずれか１項記載の超音波探触子。
7. 各振動子が、圧電体層を挟んで交互に形成された少なくとも１層の第１の内部電極層及び少なくとも１層の第２の内部電極層を含み、
   各振動子群の第１の側面に形成され、前記第１及び第２の内部電極層及び前記第２の電極層に接続された第１の側面電極と、
   各振動子群の第２の側面に形成され、前記第１及び第２の内部電極層及び前記第１の電極層に接続された第２の側面電極と、
   をさらに具備し、各振動子群の第１の側面側の端部において、少なくとも前記第２の内部電極層を分離する溝が形成され、分離された前記第２の内部電極層の間に前記絶縁樹脂が充填されており、各振動子群の第２の側面側の端部において、少なくとも前記第１の内部電極層を分離する溝が形成され、分離された前記第１の内部電極層の間に前記絶縁樹脂が充填されている、請求項１〜５のいずれか１項記載の超音波探触子。
8. 超音波を送信及び／又は受信するための複数の振動子を含む超音波探触子の製造方法であって、
   バッキング材の主面上に、第１の電極層、複数の圧電体層、少なくとも１層の内部電極層、及び、第２の電極層を含む積層構造体を形成する工程（ａ）と、
   前記積層構造体の主面に、前記バッキング材に達する複数の溝を形成することにより、前記積層構造体を第１の方向に配列された複数の振動子に分離する工程（ｂ）と、
   工程（ｂ）において形成された複数の溝に導電性樹脂を充填する工程（ｃ）と、
   工程（ｃ）において充填された前記導電性樹脂の一部を取り除く工程（ｄ）と、
   工程（ｄ）において前記導電性樹脂が取り除かれた複数の溝に絶縁樹脂を充填する工程（ｅ）と、
   工程（ｅ）において充填された前記絶縁樹脂の一部を取り除く工程（ｆ）と、
   工程（ｃ）〜（ｆ）を必要に応じて繰り返すことにより、隣接する振動子の第１の電極層を互いに電気的に接続する第１層の導電性樹脂と、隣接する振動子の内部電極層を互いに電気的に接続する第２層の導電性樹脂と、前記複数の振動子間の所定の領域に配置される絶縁樹脂とを形成する工程（ｇ）と、
   前記積層構造体の主面上に共通電極層を形成する工程（ｈ）と、
   前記共通電極層上に少なくとも１層の音響整合層を形成する工程（ｉ）と、
   前記積層構造体の主面に、前記バッキング材に達する複数の溝を第１の方向に形成することにより、各振動子を第１の方向とは異なる第２の方向に配列された複数の振動子に分離する工程（ｊ）と、
   を具備する超音波探触子の製造方法。
9. 前記第１層の導電性樹脂及び前記第２層の導電性樹脂が、前記絶縁樹脂の硬度よりも高い硬度を有する、請求項８記載の超音波探触子の製造方法。
10. 前記第１層の導電性樹脂が、前記第２層の導電性樹脂の硬度よりも高い硬度を有する、請求項８又は９記載の超音波探触子の製造方法。
11. 前記積層構造体が、圧電体層を挟んで交互に形成された少なくとも１層の第１の内部電極層及び少なくとも１層の第２の内部電極層を含み、
    工程（ａ）が、
    前記積層構造体の第１の側面に、前記第２の内部電極層を覆う第１の側面絶縁膜を形成し、前記積層構造体の第２の側面に、前記第１の内部電極層を覆う第２の側面絶縁膜を形成する工程と、
    前記積層構造体の第１の側面に、前記第１の内部電極層及び前記第２の電極層に接続されると共に、前記第１の側面絶縁膜によって前記第２の内部電極層から絶縁される第１の側面電極を形成し、前記積層構造体の第２の側面に、前記第２の内部電極層及び前記第１の電極層に接続されると共に、前記第２の側面絶縁膜によって前記第１の内部電極層から絶縁される第２の側面電極を形成する工程と、
    を含む、請求項８〜１０のいずれか１項記載の超音波探触子の製造方法。
12. 前記積層構造体が、圧電体層を挟んで交互に形成された少なくとも１層の第１の内部電極層及び少なくとも１層の第２の内部電極層を含み、
    工程（ａ）が、前記積層構造体の第１の側面に、前記第１及び第２の内部電極層及び前記第２の電極層に接続される第１の側面電極を形成し、前記積層構造体の第２の側面に、前記第１及び第２の内部電極層及び前記第１の電極層に接続される第２の側面電極を形成する工程を含み、
    工程（ｂ）が、前記積層構造体の第１の側面側の端部において、少なくとも前記第２の内部電極層を分離する溝を形成し、前記積層構造体の第２の側面側の端部において、少なくとも前記第１の内部電極層を分離する溝を形成することを含み、
    工程（ｇ）が、分離された前記第１の内部電極層の間に前記絶縁樹脂を充填し、分離された前記第２の内部電極層の間に前記絶縁樹脂を充填することを含む、
    請求項８〜１０のいずれか１項記載の超音波探触子の製造方法。