JP6773484B2 - 超音波トランスデューサ、それを用いた超音波プローブ、および電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、超音波トランスデューサ、それを用いた超音波プローブ、および電子機器に関するものである。

超音波検査装置は、超音波を被検体内部に照射し、その反射波を受信して解析することにより内部構造を調査する。超音波検査では、被検体を非破壊、非侵襲で調べることができるので、医療目的の検査や建築構造物の内部の検査といった種々の用途に広く用いられている。

超音波検査装置では、圧電体が変換器（トランスデューサ）として用いられている。圧電体は、所定の電圧パルスが印加されることで変形して超音波を発信すると共に、当該超音波の反射波（エコー）が入射されることで変形して、当該圧電体の両端にエコーの強度に応じた電荷（電圧）を発生する。超音波検査装置は、この電荷（電圧）を電気信号として取得する。超音波検査装置は、圧電体に適宜なタイミングで超音波の送受信を行わせることで圧電体を超音波プローブとして機能させている。

近年、このような変換器（トランスデューサ）が複数、所定のパターンで配列された超音波プローブの小型化、高精度化が進んでいる。低電圧で高音圧が得られるように、低い電気インピーダンスで送信波が生成されるとともに、エコーによる微弱な入力を大きな電圧の変化として取得出来るように、高い電気インピーダンスでエコーに係る電気信号が取得されることが好ましい。そのため、超音波送信用変換器（トランスデューサ）とは別に反射波受信用変換器（トランスデューサ）をもつ超音波プローブが種々提案されている。

たとえば、特許文献１では、圧電セラミックスの厚み方向の振動で超音波を送受信し、圧電薄膜のたわみ振動で高調波を受信する構成が開示されている。また、特許文献２には、振動膜上に第１圧電体と第２圧電体とを重ねて形成し、第２圧電体のヤング率を第１圧電体よりも小さくすることで、第２圧電体からより大きな受信電気信号を受けられる構成が開示されている。

特開２０１１−０７１８４２号公報 特開２０１４−１９５４９４号公報

しかしながら、特許文献１、２に開示された構成では、未だエコーの受信により得られる情報の精度が低いという課題があった。

本発明は上記の課題に鑑みなされたもので、超音波の出力が大きく、受信感度にすぐれた超音波トランスデューサ、それを用いた超音波プローブ、および電子機器を提供することを目的とする。

本発明の超音波トランスデューサ装置は、第１圧電素子を備える第１圧電基板と、第２圧電素子を備える第２圧電基板と、前記第１圧電基板と前記第２圧電基板との間に配置さ
れた第１支持部材と、を備え、前記第１圧電基板は、第１振動板と、第１圧電体層と、一対の第１電極とを有し、前記第１圧電素子は、前記第１圧電体層と、該第１圧電体層を挟む一対の前記第１電極により構成され、前記第２圧電基板は、第２振動板と、第２圧電体層と、一対の第２電極とを有し、前記第２圧電素子は、前記第２圧電体層と、該第２圧電体層を挟む一対の前記第２電極により構成され、前記第１支持部材は、互いに対向する第１の面と第２の面とを有し、前記第１圧電基板の前記第１振動板が前記第１の面側に配置され、前記第２圧電基板が前記第２の面側に配置され、平面視して、前記第１圧電素子と前記第２圧電素子とは、重ならないように配置されるとともに、前記第１支持部材および前記第２圧電基板は、前記第１圧電素子に対応する位置に第１貫通孔を有し、前記第１圧電体層が、圧電磁器板であり、前記第２圧電体層が、圧電薄膜である。

本発明の超音波プローブは、上述の超音波トランスデューサと、該超音波トランスデューサを支持する筺体と、を備える。

本発明の電子機器は、上述の超音波トランスデューサと、前記第１電極および前記第２電極に接続された制御部とを備え、該制御部は、前記第１圧電素子に発信用の駆動信号を供給するとともに、前記第２圧電素子から受信信号を受領する。

本発明によれば、超音波の出力が大きくても他の振動モードによる超音波が発生しにくく、受信感度にすぐれた超音波トランスデューサ、それを用いた超音波プローブ、および電子機器を提供することができる。

電子機器である超音波装置の構成の一例を示す模式図である。 超音波トランスデューサの第１の実施形態を示すもので、（ａ）は平面視した平面図、（ｂ）は斜視図である。 図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。 （ａ）は第１圧電基板の電極配線を示す斜視図、（ｂ）は第２圧電基板の電極配線を示す斜視図である。 （ａ）は第１支持部材および第２圧電基板の第１貫通孔の配置を示す平面図、（ｂ）は第２支持部材の第１貫通孔および第２貫通孔の配置を示す平面図である。 第１の実施形態における超音波伝達媒体、音響レンズ、バッキング材の配置を示す断面図である。 超音波トランスデューサの第２の実施形態を示すもので、（ａ）は平面視した平面図、（ｂ）は斜視図である。 図７（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。 （ａ）は第２圧電基板の第１貫通孔の配置を示す平面図、（ｂ）は第１支持部材の第１貫通孔および第２貫通孔の配置を示す平面図である。 第２の実施形態における第２圧電基板の電極配線を示す斜視図である。 第２の実施形態における超音波伝達媒体、音響レンズ、バッキング材の配置を示す断面図である。

図１は、超音波トランスデューサを用いた電子機器の一例である超音波装置の構成を示す模式図である。超音波装置は、図１に示すように、超音波装置本体１と、超音波装置本体１に接続された超音波プローブ２とで構成される。超音波装置本体１は、操作部と出力表示部とを備えており、さらに制御部、送信部、受信部、送受信切替部、電圧供給部、画像処理部、記憶部などを備えていてもよい。

超音波プローブ２は、超音波（ここでは、１〜３０ＭＨｚ程度）を発生して生体などの被検体に対して発信するとともに、発信した超音波のうち被検体で反射された反射波（エコー）を受信して電気信号に変換する音響センサとして機能する。この超音波プローブ２は、超音波を送受信する超音波トランスデューサ（以下、超音波トランスデューサアレイ、ＵＴＡともいう）３と、超音波トランスデューサ３を支持する筺体４と、ケーブル５とを備えている。ケーブル５は、その一端に超音波装置本体１とのコネクタを有し、超音波プローブ２は、このケーブル５により超音波装置本体１に接続される。

＜第１の実施形態＞
ＵＴＡ３は、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、超音波トランスデューサ素子（ＵＴ素子）である第１圧電素子ＵＴ１を備える第１圧電基板６と、同じく超音波トランスデューサ素子（ＵＴ素子）である第２圧電素子ＵＴ２を備える第２圧電基板７と、を備えている。第１圧電素子ＵＴ１と第２圧電素子ＵＴ２とは、図２（ａ）に示すように平面視して互いに重なりあわないように配置されている。第１圧電基板６と第２圧電基板７との間には、図２（ｂ）に示すように第１支持部材８およびスペーサ９が介在している。なお、図２では、超音波トランスデューサ３の面方向をｘ方向およびｙ方向、厚さ方向をｚ方向として示している。ＵＴＡ３は、ＵＴＡ３に対してｚ方向のマイナス側に位置する被検体に向けて超音波を発信する。

図３は、図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。なお、本明細書の断面図では、説明を容易にするため、厚さ方向（ｚ方向）を拡大して記載している。特に、第２圧電基板７の厚さを拡大して記載しており、断面図における各部の厚さは、実際の厚さ関係を反映したものではない。

第１圧電基板６は、第１圧電体層６ａと第１振動板６ｂとが積層されたものである。第１圧電基板６の第１圧電素子ＵＴ１は、第１圧電体層６ａと、第１圧電体層６ａを挟んで配置された一対の第１電極６ｃ、６ｄにより構成されている。

一対の第１電極６ｃ、６ｄのうち、一方は第１圧電体層６ａの表面に配置された第１個別電極６ｃである。他方の第１電極６ｄは、第１圧電体層６ａと第１振動板６ｂとの間に配置された内部電極６ｄであり、第１圧電体層６ａの表面に配置された内部電極用端子（図示せず）と、ビアホール（図示せず）を介して電気的に接続されている。第１圧電基板６は、複数の第１圧電素子ＵＴ１、すなわち複数の第１個別電極６ｃを備えていてもよい。

第２圧電基板７は、第２圧電体層７ａと第２振動板７ｂとが積層されたものである。第２圧電基板７の第２圧電素子ＵＴ２は、第２圧電体層７ａと、第２圧電体層７ａを挟んで配置された一対の第２電極７ｃ、７ｄにより構成されている。

一対の第２電極７ｃ、７ｄのうち、一方は第２圧電体層７ａの表面に配置された第２個別電極７ｃである。他方の第２電極７ｄは、第２圧電体層７ａを挟んで第２個別電極７ｃと対向する位置に配置されている。第２圧電基板７は、複数の第２圧電素子ＵＴ２、すなわち複数の第２個別電極７ｃを備えていてもよい。

本実施形態では、第１圧電体層６ａは、圧電磁器板により構成されており、第２圧電体層７ａは、圧電薄膜により構成されている。

圧電磁器板とは、圧電性を有する複数の結晶粒子（および結晶粒界）により構成される板状の無機多結晶体であり、圧電セラミックス板ともいう。圧電磁器板を構成する結晶粒子は、通常アスペクト比が小さく、等方的に分布している。また、圧電磁器板は通常、配
向性が低い。圧電薄膜とは、圧電性を有する薄膜状の無機単結晶体、無機多結晶体、または有機材料（ポリマー）である。多結晶体の圧電薄膜は、通常、厚さ方向にのびる柱状晶により構成されている。圧電薄膜は通常、高い配向性を有しており、それにより高い圧電特性を有する。

＜第１圧電基板＞
第１圧電体層６ａに用いる圧電磁器板としては、たとえばチタン酸ジルコン酸鉛系（ＰＺＴ系）材料の圧電磁器（焼結体）や、ビスマス層状化合物系材料、タングステンブロンズ型化合物材料、ニオブ系材料、チタン酸バリウム系材料等のペロブスカイト型化合物材料などの非鉛系圧電材料の圧電磁器（焼結体）を用いればよい。第１振動板６ｂは、第１圧電体層６ａと同じ圧電磁器板であってもよいし、異なる磁器板であってもよい。

第１圧電基板６が複数の第１圧電素子ＵＴ１を備える場合、第１圧電体層６ａおよび第１振動板６ｂは、それぞれが複数の第１圧電素子ＵＴ１にわたって連続した単板であってもよいし、いずれか一方（好ましくは第１振動板６ｂ）が連続した単板で、他方がそれぞれの第１圧電素子ＵＴ１ごとに独立した複数の磁器板であってもよい。第１圧電体層６ａおよび第１振動板６ｂの厚さは、それぞれたとえば５〜４０μｍとすればよい。

第１電極（第１個別電極６ｃ、内部電極６ｄ）の材料としては、導電性を有するものならばいずれでもよく、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉやそれらの合金などを用いることができる。具体的には、例えばＡｇ−Ｐｄ合金を例示できる。第１電極（第１個別電極６ｃ、内部電極６ｄ）の厚さは、導電性を有しかつ第１圧電体層６ａの変位を妨げない程度である必要があり、一般に、０．１〜３μｍ、好ましくは０．２〜１．５μｍであるのがよい。第１圧電基板６が複数の第１圧電素子ＵＴ１を備える場合、内部電極６ｄは、それぞれの第１圧電素子ＵＴ１ごとに独立した電極であってもよいが、複数の第１圧電素子ＵＴ１にわたって連続した１枚の共通電極であってもよい。内部電極６ｄは、第１圧電体層６ａおよび第１振動板６ｂと同時焼成により形成してもよい。

第１個別電極６ｃは、図４（ａ）に示すように、第１個別電極本体６ｃ１と第１個別電極本体６ｃ１から引き出された第１引出電極６ｃ２とにより構成される。第１引出電極６ｃ２は、第１個別電極本体６ｃ１と、第１圧電基板６の端部に設けられた接続端子６ｃ３とを電気的に接続している。各第１個別電極本体６ｃ１における位相ずれを低減するという点から、各第１引出電極６ｃ２の長さは、同じ長さとすることが好ましい。なお、図４（ａ）に示す第１引出電極６ｃ２の配置は一例であり、実際の配置は、超音波の送信特性の最適化や加工の容易さという観点から適宜選択すればよい。

第１個別電極本体６ｃ１（第１圧電素子ＵＴ１）の大きさや形状は、使用する超音波の周波数に応じて適宜設定すればよい。たとえば、第１個別電極本体６ｃ１（第１圧電素子ＵＴ１）の形状は、円形状または矩形状とすればよく、大きさは、１ＭＨｚの超音波を使用する場合であれば、たとえば直径または１辺の長さを０．４〜０．６ｍｍなどとすればよい。

内部電極６ｄは、第１圧電体層６ａの表面に配置された内部電極用端子６ｄ３（図４（ａ）参照）と、第１圧電体層６ａに設けられたビアホール（図示せず）を介して電気的に接続されている。第１個別電極６ｃ、内部電極用端子６ｄ３は、第１圧電体層６ａ上に、たとえば印刷法などにより形成すればよい。

第１圧電素子ＵＴ１は、主として超音波の発信に用いる。第１圧電素子ＵＴ１は、第１電極６ｃ、６ｄ間に挟まれた第１圧電体層６ａが厚さ方向に分極されており、第１電極６ｃ、６ｄ間に電圧を印加することでたわみ変形する、ユニモルフ構造の圧電素子である。
第１圧電素子ＵＴ１では、第１圧電体層６ａを圧電磁器板とし、たわみ変形により超音波を発生する。したがって、第１圧電体層６ａの厚さや第１圧電素子ＵＴ１の大きさ（第１個別電極６ｃの面積）を調整することにより、発信する超音波の周波数を容易に制御することができる。さらに、厚み縦振動を利用した方式では曲げ、ねじれなど他の振動モードが発生しやすいが、たわみ変形方式ではこのような不要な共振モード発生しにくい。さらに圧電磁器を用いることにより、圧電薄膜を圧電体層とした圧電素子よりも高い出力が得られる。

＜第２圧電基板＞
第２圧電体層７ａに用いる圧電薄膜としては、たとえばチタン酸ジルコン酸鉛系（ＰＺＴ系）材料の圧電薄膜や、ビスマス層状化合物系材料、タングステンブロンズ型化合物材料、ニオブ系材料、チタン酸バリウム系材料等のペロブスカイト型化合物材料などの非鉛系圧電材料の圧電薄膜、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）またはＰＶＤＦ系共重合体などの有機強誘電体材料の圧電薄膜、またはこれらを併用したコンポジット材料の圧電薄膜を用いればよい。たとえばＰＺＴ系材料や非鉛圧電材料の圧電薄膜の場合、第２振動板７ｂとなるＳｉ材料やステンレス材料などの基材上に他方の第２電極７ｄを形成した後、スパッタリング法や溶液塗布法（ゾル・ゲル法や金属有機化合物分解法（ＭＯＤ））、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、エアロゾル堆積法などの周知の成膜法により、圧電薄膜を形成すればよい。圧電薄膜を形成した後、基材の圧電薄膜を形成した側とは反対側の面を研削、研磨、ウエットエッチング、またはドライエッチングして、所望の厚さを有する第２振動板７ｂとしてもよい。第２振動板７ｂは、第２圧電素子ＵＴ２の振動板であると同時に、第２圧電体層７ａである圧電薄膜を支持する基材としての機能も有する。基材としては、Ｓｉ材料、ステンレス材料のほか、コバール、サファイア、石英などの材料を用いてもよい。

ここで、超音波トランスデューサアレイＵＴＡを平面視したとき、図２に示すように、第２振動板７ｂの輪郭は、第１圧電基板６の輪郭よりもひとまわり大きいものとする。すなわち、第１圧電基板６と第２振動板７ｂとを重ねて平面視した時、第２振動板７ｂの輪郭が第１圧電基板６の輪郭よりも外側に位置している。

第２圧電基板７が複数の第２圧電素子ＵＴ２を備える場合、第２圧電体層７ａは、それぞれの第２圧電素子ＵＴ２ごとに独立した複数の膜であってもよいし、複数の第２圧電素子ＵＴ２にわたって連続した単一の膜であってもよい。ただし、第２圧電体層７ａが単一の膜である場合、第２振動板７ｂの輪郭が第２圧電体層７ａの輪郭よりも外側に位置しているのがよい。第２圧電体層７ａの厚さは、第１圧電体層６ａよりも薄い、たとえば５μｍ以下とすればよい。また、第２振動板７ｂの厚さは、第１振動板６ｂよりも薄い、たとえば１〜５μｍとすればよい。

第２個別電極７ｃは、形成した圧電薄膜（第２圧電体層７ａ）上に、たとえばスパッタ法などの方法で形成すればよい。第２個別電極７ｃの材料は、第１電極６ｃ、６ｄと同様、導電性を有するものならばいずれでもよい。第２個別電極７ｃの厚さは、導電性を有しかつ第２圧電体層７ａの変位を妨げない程度である必要があり、たとえば０．２μｍ以下、好ましくは０．０５〜０．１μｍであるのがよい。

第２個別電極７ｃは、図４（ｂ）に示すように、第２個別電極本体７ｃ１と第２個別電極本体７ｃ１から引き出された第２引出電極７ｃ２とにより構成される。第２引出電極７ｃ２は、第２個別電極本体７ｃ１と、第２圧電基板７の端部に設けられた接続端子７ｃ３とを電気的に接続している。各第２引出電極７ｃ２の長さは、各第２個別電極本体７ｃ１における位相ずれを低減するという点から、同じ長さとすることが好ましい。なお、図４（ｂ）に示す第２引出電極７ｃ２の配置は一例であり、実際の配置は、超音波の受信特性
の最適化や加工の容易さというという観点から適宜選択すればよい。第２個別電極本体７ｃ１（第２圧電素子ＵＴ２）の大きさや形状は、使用する超音波の周波数に応じて適宜設定すればよい。たとえば、第２個別電極本体７ｃ１（第２圧電素子ＵＴ２）の形状は、円形状または矩形状とすればよく、大きさは、１ＭＨｚの超音波を使用する場合であれば、たとえば直径または１辺の長さを０．２〜０．３ｍｍなどとすればよい。

第２振動板７ｂ（基材）は、その表面にＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２などの酸化膜を有していてもよい。その酸化膜上に他方の第２電極７ｄ（以下、単に第２電極７ｄともいう）が配置され、さらに第２電極７ｄ上に圧電薄膜（第２圧電体層７ａ）が配置されている。第２振動板７ｂの表面の酸化膜の厚さは、たとえば２μｍ以下、特には１μｍ以下とすればよい。

他方の第２電極７ｄの厚さは、第２個別電極７ｃと同様、たとえば０．２μｍ以下、好ましくは０．０５〜０．１μｍであるのがよい。他方の第２電極７ｄは、それぞれの第２圧電素子ＵＴ２ごとに独立した電極であってもよいが、複数の第２圧電素子ＵＴ２にわたって連続した１枚の共通電極であってもよい。

第２電極７ｄは、第２振動板７ｂの端部の基材露出部に配置された他方の第２電極用端子７ｄ３（図４（ｂ）参照）と、電気的に接続されている。

第２圧電素子ＵＴ２は、主として超音波の受信に用いる。第２圧電素子ＵＴ２は、第２電極７ｃ、７ｄ間に挟まれた第２圧電体層７ａが厚さ方向に分極されており、超音波の反射波（エコー）が入射することでたわみ変形して、第２電極７ｃ、７ｄ間にエコーの強度に応じた電荷（電圧）を発生する、ユニモルフ構造の圧電素子である。第２圧電体層７ａを圧電薄膜とすることで、微弱なエコーであっても第２圧電体層７ａをたわみ変形させることが可能となり、受信感度が向上する。

＜支持部材およびスペーサ＞
本実施形態では、第１圧電基板６と第２圧電基板７との間に、第１支持部材８およびスペーサ９が配置されている。第１支持部材８は、互いに対向する一対の面である第１の面８ａと第２の面８ｂとを有している。第１の面８ａ側には、第１圧電基板６の第１振動板６ｂが配置され、第２の面８ｂ側には、第２圧電基板７の第２圧電体層７ａ（および第２個別電極７ｃ）が、スペーサ９を介して対向している。すなわち、第２圧電基板７は、第１支持部材８の第２の面８ｂとは離間している。スペーサ９が第１支持部材８と第２圧電基板７との間に介在し、第２圧電基板７の第２個別電極７ｃ（第２圧電素子ＵＴ２）上に空間が存在することにより、第２圧電素子ＵＴ２が超音波エコーによりたわみ変形することが可能となる。また、第２圧電基板７の第２振動板７ｂ上には、第２支持部材１０が配置されている。

第１支持部材８および第２圧電基板７は、図２、３および図５（ａ）に示すように、平面視して第１圧電基板６の第１圧電素子ＵＴ１に対応する位置に、第１個別電極本体６ｃ１と相似形状で同じ大きさ、または第１個別電極本体６ｃ１よりもひとまわり大きい第１貫通孔１１を有している。また、スペーサ９は、第１圧電素子ＵＴ１および第２圧電素子ＵＴ２が設けられた領域の外側に設けられるとともに、第１貫通孔１１を囲むように設けられている。

第２支持部材１０は、図２、３および図５（ｂ）に示すように、平面視して第１圧電基板６の第１圧電素子ＵＴ１に対応する位置に、第１個別電極本体６ｃ１と相似形状で同じ大きさ、または第１個別電極本体６ｃ１よりもひとまわり大きい第１貫通孔１１を有している。第２支持部材１０は、さらに、平面視して第２圧電基板７の第２圧電素子ＵＴ２に
対応する位置に、第２個別電極本体７ｃ１と相似形状で同じ大きさ、または第２個別電極本体７ｃ１よりもひとまわり大きい第２貫通孔１２を有している。なお、各図においては、第１個別電極本体６ｃ１よりもひとまわり大きい第１貫通孔１１、および第２個別電極本体７ｃ１よりもひとまわり大きい第２貫通孔１２について示した。

第１支持部材８および第２支持部材１０の厚さは、それぞれたとえば１００μｍ以下とすればよい。スペーサ９の厚さは、たとえば２００μｍ以下とすればよい。

第１圧電素子ＵＴ１は、たわみ変形により超音波を発生し、発生した超音波は第１貫通孔１１を通して被検体に入射する。被検体の内部で反射した超音波のエコーは、第２貫通孔１２を通して第２圧電素子ＵＴ２に入射し、ＵＴ２をたわみ変形させる。

本実施形態においては、第１圧電基板６の第１振動板６ｂが第１支持部材８と接合されており、第１支持部材８と接合されない第１圧電体層６ａの面に第１個別電極６ｃおよび内部電極用端子６ｄ３が配置されている。すなわち、第１圧電基板６の第１電極６ｃ、６ｄいずれも、超音波を発信する面（第１振動板６ｂ）とは反対側（ｚ方向のプラス側）の面に電極配線（６ｃ２）および端子（６ｃ３、６ｄ３）を有している。

また、第２圧電基板７の第２振動板７ｂが、第２支持部材１０と接合されており、スペーサ９と接合されている第２圧電体層７ａの面に第２個別電極７ｃが配置されており、第２振動板７ｂの第２電極７ｄを有する面（第２支持部材１０と接合されない側の面）に他方の第２電極用端子７ｄ３が配置されている。すなわち、第２圧電基板７の第２電極７ｃ、７ｄはいずれも、超音波（エコー）が入射する面（第２振動板７ｂの第２支持部材１０と接合される面）とは反対側（ｚ方向のプラス側）に電極配線（７ｃ２）および端子（７ｃ３、７ｄ３）を有している。このような構成では、超音波による電極配線への影響（寄生容量、電気的インピーダンスなどの変動）を受けにくく、分解能にすぐれた超音波トランスデューサアレイＵＴＡとすることができる。

第１貫通孔１１および第２貫通孔１２には、図６に示すように超音波伝達媒体（音響整合層）１３を配置してもよい。超音波伝達媒体１３には、圧電体と被検体（たとえば生体）との中間の音響インピーダンスを有する材料、たとえばエポキシ樹脂などを用いればよい。超音波伝達媒体１３は、第１圧電素子ＵＴ１と被検体との音響インピーダンスの差を低減し、超音波を効率よく被検体内部に入射できるよう音響整合を取る機能を有している。なお、図６では第１振動板６ｂ、内部電極６ｄ、第２振動板７ｂ、および第２電極７ｄの記載を省略した。超音波伝達媒体１３は、少なくとも第１圧電素子ＵＴ１の被検体側（ｚ方向のマイナス側）に位置する第１貫通孔１１、および第２圧電素子ＵＴ２の被検体側（ｚ方向のマイナス側）に位置する第２貫通孔１２に配置されていればよい。超音波伝達媒体１３は、第２支持部材１０上に配置されていてもよい。

超音波伝達媒体１３上には、ＵＴ１から発射された超音波を収束させる音響レンズ１４が配置されていてもよい。音響レンズ１４の材料としては、たとえばシリコーン樹脂などを用いればよい。なお、音響レンズ１４を配置せず、保護層を設けてもよい。

第１圧電基板６の第１個別電極６ｃを有する面には、バッキング材１５が配置されていてもよい。バッキング材１５は、第１圧電素子ＵＴ１から、被検体とは反対側（ｚ方向のプラス側）に発信される超音波を吸収する。バッキング材としては、たとえば、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂などを用いればよい。

第１圧電基板６と第１支持部材８とは、たとえば熱硬化性の接着剤で接合される。同様に、第２圧電基板７とスペーサ９および第２支持部材１０とは、たとえば熱硬化性の接着
剤で接合される。接着剤は、電気的絶縁性を有するものがよい。スペーサ９は、第１支持部材８と一体化していてもよいし、スペーサ９と第１支持部材８とが接着剤で接合されていてもよい。

第１支持部材８、スペーサ９、および第２支持部材１０の材料としては、剛性が高い材料、たとえばステンレスなどの金属、またはガラスエポキシ樹脂（ガラス繊維にエポキシ樹脂をしみ込ませ熱硬化処理を施したもの）などを用いればよい。

なお、金属製の第１支持部材８は、第１の面８ａを酸化膜や絶縁性の樹脂膜などの絶縁膜で被覆するのがよい。金属製のスペーサ９は、第２圧電基板７と接合される面を酸化膜や絶縁性の樹脂膜などの絶縁膜で被覆するのがよい。金属製の第２支持部材１０は、第２圧電基板７に接合される面が酸化膜や絶縁性の樹脂膜などの絶縁膜で被覆されているのがよい。

また、第１圧電基板６の第１個別電極６ｃ上および第２圧電基板７の第２個別電極７ｃ上に、絶縁性の樹脂膜などを配置してもよい。

上述したように、本実施形態では、超音波を発信する第１圧電素子ＵＴ１に圧電磁器板を用い、たわみ変形により超音波を発信させることで、高い出力の超音波の発信が可能で、かつ他の振動モードによる超音波が励起されにくい。また、本実施形態では、エコーを受信する第２圧電素子ＵＴ２に圧電薄膜を用い、エコーの受信によりたわみ変形させることでエコーの受信感度が向上する。その結果、超音波診断などの画質を向上させることができ、また、音響整合層１３を簡素化することができる。

＜第２の実施形態＞
第２の実施形態では、第１の実施形態とは異なり、超音波トランスデューサアレイＵＴＡを平面視したとき、第２振動板７ｂ（第２圧電基板７）の輪郭は、図７（ａ）に示すように、第１圧電基板６の輪郭より大きい必要はない。第１圧電基板６と第２振動板７ｂ（第２圧電基板７）とを重ねて平面視した時、第２振動板７ｂの輪郭が第１圧電基板６の輪郭と重なっている、または、第２振動板７ｂの輪郭が第１圧電基板６の輪郭よりも内側に位置していてもよい。なお、第２圧電体層７ａが単一の膜である場合、第２振動板７ｂの輪郭が第２圧電体層７ａの輪郭よりも外側に位置しているのがよい。

図８は図７（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。第２の実施形態では、図７（ａ）、図８、図９（ｂ）に示すように、第１圧電基板６と第２圧電基板７との間に配置されている第１支持部材８が、第１貫通孔１１のほか、第２圧電素子ＵＴ２に対応する位置に、第２個別電極本体７ｃ１と相似形状で同じ大きさ、または第２個別電極本体７ｃ１よりも一回り大きい第２貫通孔１２を有している。また、第１支持部材８と第２圧電基板７とは、直接接合されている。すなわち、第２の実施形態では、第１支持部材８と第２圧電基板７との間にスペーサを配さなくてもよい。第１支持部材８が第２貫通孔１２を有し、第２圧電基板７の第２圧電素子ＵＴ２上に空間が存在することにより、第２圧電素子ＵＴ２が超音波エコーによりたわみ変形することが可能となる。

また、第２の実施形態では、第２支持部材を有していなくてもよい。なお、各図においては、第１個別電極本体６ｃ１よりもひとまわり大きい第１貫通孔１１、および第２個別電極本体７ｃ１よりもひとまわり大きい第２貫通孔１２について示した。

さらに、第２圧電基板７は、第２振動板７ｂが第１支持部材８と接合されている。第２圧電体層７ａの面には、第２個別電極７ｃが配置されており、第２振動板７ｂの第２電極７ｄを有する面（第１支持部材８と接合されない側の面）に他方の第２電極用端子７ｄ３
が配置されている。すなわち、第２圧電基板７の第２電極７ｃ、７ｄはいずれも、図１０に示すように、超音波（エコー）が入射する側（ｚ方向のマイナス側）の面に電極配線（７ｃ２）および端子（７ｃ３、７ｄ３）を有している。

第１貫通孔１１には、図１１に示すように超音波伝達媒体（音響整合層）１３を配置してもよい。超音波伝達媒体１３は、第２圧電基板７の第２圧電体層７ａおよび第２個別電極７ｃ上に配置されていてもよい。

なお、第２の実施形態では、第１の実施形態と同様に、超音波伝達媒体１３上に、ＵＴ１から発射された超音波を収束させる音響レンズ１４が配置されていてもよい。また、第１圧電基板６の第１個別電極６ｃを有する面には、バッキング材１５が配置されていてもよい。

金属製の第１支持部材８は、第２の面８ｂが酸化膜や絶縁性の樹脂膜などの絶縁膜で被覆されているのがよい。

第２実施形態では、第１実施形態と比べてスペーサ９および第２支持部材１０を備える必要がなく、より薄型の超音波トランスデューサアレイＵＴＡとすることができる。

＜超音波装置＞
超音波装置本体１の制御部は、操作入力部であるキーボード、またはマウスなどの入力デバイスに対する、外部からの入力操作に基づき、超音波プローブ２に駆動信号を出力して超音波を出力させる。また、制御部は、超音波プローブ２から、超音波受信による受信信号を取得して各種処理を行い、必要に応じて出力表示部の表示画面などに結果などを表示させる。

制御部は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、およびＲＡＭ（Random Access Memory）などを備えている。ＣＰＵは、ＨＤＤに記憶されている各種プログラムを読み出し、当該読み出したプログラムに従って超音波装置の各部の動作を統括制御する。ＨＤＤは、超音波装置を動作させる制御プログラム、各種処理プログラム、および各種設定データ等を記憶する。これらのプログラムや設定データは、ＨＤＤの他、例えば、フラッシュメモリーなどの不揮発性メモリーを用いた補助記憶装置に、読み書き更新可能に記憶させてもよい。ＲＡＭは、ＳＲＡＭやＤＲＡＭなどの揮発性メモリーであり、ＣＰＵに作業用のメモリー空間を提供し、一時データを記憶する。

送信部は、制御部から入力される制御信号に従って超音波プローブ２に供給するパルス信号を出力し、超音波プローブ２に超音波を発生させる。送信部は、例えば、クロック発生回路、パルス発生回路、パルス幅設定部、及び、遅延回路を備えている。クロック発生回路は、パルス信号の送信タイミングや送信周波数を決定するクロック信号を発生させる回路である。パルス発生回路は、所定の周期で予め設定された電圧振幅のバイポーラー型の矩形波パルスを発生させる回路である。パルス幅設定部は、パルス発生回路から出力される矩形波パルスのパルス幅を設定する。パルス発生回路で生成された矩形波パルスは、パルス幅設定部への入力前又は入力後に、超音波プローブ２の個々の第１圧電素子ＵＴ１ごとに異なる配線経路に分離される。遅延回路は、生成された矩形波パルスを各第１圧電素子ＵＴ１に送信するタイミングに応じて、これらの配線経路ごとに設定された遅延時間それぞれ遅延させて出力させる回路である。

受信部は、制御部の制御に従って超音波プローブ２から入力された受信信号を取得する。受信部は、例えば、増幅器、Ａ／Ｄ変換回路、整相加算回路を備えている。増幅器は、超音波プローブ２の各第２圧電素子ＵＴ２により受信された超音波に応じた受信信号を、
予め設定された所定の増幅率でそれぞれ増幅する回路である。Ａ／Ｄ変換回路は、増幅された受信信号を、所定のサンプリング周波数でデジタルデータに変換する回路である。整相加算回路は、Ａ／Ｄ変換された受信信号に対して、第２圧電素子ＵＴ２毎に対応した配線経路毎に遅延時間を与えて時相を整え、これらを加算（整相加算）して音線データを生成する回路である。なお、受信部は、各第１圧電素子ＵＴ１により受信された超音波を取得するように構成されていてもよい。

送受信切替部は、制御部の制御に基づいて第１圧電素子ＵＴ１から超音波を発振する場合に、駆動信号を送信部から第１圧電素子ＵＴ１に送信させる一方、第２圧電素子ＵＴ２（および第１圧電素子ＵＴ１）から送信された超音波の反射波（エコー）を受信する場合に、受信信号を受信部に出力させるための切り替え動作を行う。

電圧供給部は、外部電源やバッテリーなどから供給される電力を所定の電圧で制御部などの各部や超音波プローブ２に供給する。

画像処理部は、制御部のＣＰＵとは独立して制御演算を行うＣＰＵやＲＡＭなどを備え、超音波の受信データに基づく診断用画像を生成するための演算処理を行う。診断用画像としては、出力表示部に略リアルタイムで表示させる画像データやその一連の動画データ、スナップショットの静止画データなどが含まれる。

記憶部は、例えば、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）などの揮発性メモリーである。或いは、高速書き換えが可能な各種不揮発性メモリーやこれらの組み合わせであっても良い。記憶部は、画像処理部で処理されたリアルタイム表示用の診断用画像データをフレーム単位で記憶する。記憶部に記憶された超音波診断用画像データは、制御部の制御に従って読み出され、出力表示部に送信されたり、通信部を介して超音波診断装置の外部に出力されたりする。

操作入力部は、押しボタンスイッチ、キーボード、マウス、若しくはトラックボール、又はこれらの組合せを備えており、ユーザーの入力操作を操作信号に変換し、超音波装置本体１に入力する。或いは、操作入力部としてタッチセンサーを備え、出力表示部の表示画面に対するタッチ動作を検出して動作種別や位置に係る走査信号を出力する構成を有していてもよい。

出力表示部は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）、有機ＥＬ（Electro-Luminescent
）ディスプレイ、無機ＥＬディスプレイ、プラズマディスプレイ、ＣＲＴ（Cathode Ray Tube）ディスプレイといった種々の表示方式のうち、いずれかを用いた表示画面と、その駆動部とを備える。出力表示部は、制御部から出力された制御信号や、画像処理部で生成された画像データに従って表示画面（各表示画素）の駆動信号を生成し、表示画面上に超音波検査にかかるメニュー、ステータスや、受信された超音波に基づく計測データの表示を行う。また、一または複数のランプ（ＬＥＤランプなど）を備え、その点灯状態により電源のオンオフなどの表示を行わせることができる。

これらの操作入力部や出力表示部は、超音波装置本体１の筐体に一体となって設けられたものであってもよいし、ＵＳＢケーブルやＨＤＭＩ（登録商標）ケーブルなどを介して超音波装置本体１の外部に取り付けられていてもよい。また、超音波装置本体１に操作入力端子や表示出力端子が設けられ、これらの端子に従来の操作用及び表示用の周辺機器を接続して利用するものであってもよい。

本実施形態の超音波トランスデューサは、たとえば、体外式の超音波プローブ、電子内視鏡またはカテーテルに挿入される体内式の超音波プローブ、電子内視鏡と一体化された
超音波内視鏡などに適用可能である。また、発信した超音波を収束させて被検体を発熱させる用途にも適用可能である。

１ 超音波装置本体
２ 超音波プローブ
３ 超音波トランスデューサ（アレイ）
６ 第１圧電基板
６ａ 第１圧電体層
６ｂ 第１振動板
６ｃ 第１個別電極（第１電極）
６ｄ 内部電極（第１電極）
７ 第２圧電基板
７ａ 第２圧電体層
７ｂ 第２振動板
７ｃ 第２個別電極（第２電極）
７ｄ 第２電極（第２電極）
８ 第１支持部材
９ スペーサ
１０ 第２支持部材
１１ 第１貫通孔
１２ 第２貫通孔
１３ 超音波伝達媒体
１４ 音響レンズ
１５ バッキング材

Claims (12)

1. 超音波を発信する第１圧電素子を備える第１圧電基板と、超音波を受信する第２圧電素子を備える第２圧電基板と、前記第１圧電基板と前記第２圧電基板との間に配置された第１支持部材と、を備え、
   前記第１圧電基板は、第１振動板と、第１圧電体層と、一対の第１電極とを有し、前記第１圧電素子は、前記第１圧電体層と、該第１圧電体層を挟む一対の前記第１電極により構成され、
   前記第２圧電基板は、第２振動板と、第２圧電体層と、一対の第２電極とを有し、前記第２圧電素子は、前記第２圧電体層と、該第２圧電体層を挟む一対の前記第２電極により構成され、
   前記第１支持部材は、互いに対向する第１の面と第２の面とを有し、前記第１圧電基板の前記第１振動板が前記第１の面側に配置され、前記第２圧電基板が前記第２の面側に配置され、
   平面視して、前記第１圧電素子と前記第２圧電素子とは、重ならないように配置されるとともに、前記第１支持部材および前記第２圧電基板は、前記第１圧電素子に対応する位置に第１貫通孔を有し、
   前記第１圧電体層が、圧電磁器板であり、前記第２圧電体層が、圧電薄膜であり、
   前記第２圧電基板の前記第２圧電体層が、前記第１支持部材の前記第２の面と対向するように配置され、前記第２圧電体層と前記第２の面との間に、スペーサが介在するとともに、
   前記第２振動板上に配置された第２支持部材を備え、
   該第２支持部材は、前記第１圧電素子に対応する位置に前記第１貫通孔を有するとともに、前記第２圧電素子に対応する位置に第２貫通孔を有しており、
   前記第１圧電素子は前記第１貫通孔を介して超音波を発信し、前記第２圧電素子は前記第２貫通孔を介して超音波を受信し、
   前記第１貫通孔の開口面積が前記第２貫通孔の開口面積よりも大きい、
   超音波トランスデューサ。
2. 前記圧電磁器板の材料が、チタン酸ジルコン酸鉛系の圧電材料である、請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
3. 前記圧電薄膜の材料が、チタン酸ジルコン酸鉛系の圧電材料である、請求項１または２に記載の超音波トランスデューサ。
4. 前記第１圧電体層の厚さが、５〜４０μｍの範囲である、請求項１〜３のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
5. 前記第２圧電体層の厚さが、５μｍ以下である、請求項１〜４のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
6. 前記第１圧電基板が、複数の前記第１圧電素子を備える、請求項１〜５のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
7. 前記複数の第１圧電素子は、単一の前記第１圧電体層に配置されている、請求項６に記載の超音波トランスデューサ。
8. 前記第２圧電基板が、複数の前記第２圧電素子を備える、請求項１〜７のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
9. 前記複数の第２圧電素子は、単一の前記第２圧電体層に配置されている、請求項８に記載の超音波トランスデューサ。
10. 前記第１貫通孔に、超音波伝達媒体が配置されている、請求項１〜９のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
11. 請求項１〜１０のいずれかに記載の超音波トランスデューサと、該超音波トランスデューサを支持する筺体と、を備える、超音波プローブ。
12. 請求項１〜１０のいずれかに記載の超音波トランスデューサと、前記第１電極および前記第２電極に接続された制御部とを備え、該制御部は、前記第１圧電素子に発信用の駆動信号を供給するとともに、前記第２圧電素子から受信信号を受領する、電子機器。