JP2005117159A - 超音波トランスデューサアレイ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 電子回路に過大な負担をかけることなく、サイドローブが低減された超音波ビームを形成することができる超音波トランスデューサアレイ等を提供する。
【解決手段】 超音波トランスデューサアレイは、同一の印加電圧に対して互いに異なる振幅で振動する複数群の超音波トランスデューサであって、それぞれの群の振幅に応じて互いに異なる配列で配置されている複数群の超音波トランスデューサ１０、１１、…と、複数群の超音波トランスデューサを保持する充填材１８とを含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、医療用や構造物探傷用の超音波撮像装置において超音波を送信及び受信する超音波トランスデューサアレイに関する。

従来より、超音波の送信や受信に用いられる素子（振動子）として、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素子を含む圧電素子が一般的に用いられてきた。このような圧電素子に、電極を介して電圧を印加すると、圧電効果により圧電素子が伸縮して超音波が発生する。そこで、このような複数の圧電素子（振動子）を１次元又は２次元に配列し、それぞれの振動子に所定の遅延を与えて駆動することにより、所望の方向に送信される超音波ビームを形成することができる。

ところで、このような複数の振動子が配列された振動子アレイから超音波ビームを送信すると、送信方向及びその近傍の角度範囲に形成される高音圧領域（メインローブ）の他に、側方の複数の角度範囲にも高音圧領域が形成される。これらの側方に形成される高音圧領域はサイドローブと呼ばれ、超音波検出信号におけるＳＮ比を低下させる要因となっている。

サイドローブは、主に、複数の振動子に印加される電圧の分布関数を、振動子アレイの開口に合わせて打ち切ることによって生じる打切り誤差が要因となって発生する。そのため、理論的には、無限開口アレイを用いることにより、サイドローブをなくすことは可能である。しかしながら、実際には、振動子アレイの開口は有限なので、サイドローブを全くなくすことはできない。そこで、従来においては、複数の振動子の各々について、振動の振幅を回路的に制御して上記分布関数の打切りを少なくすることにより、サイドローブをキャンセル又は低減していた。しかしながら、近年の振動子の微細化及び高集積化に伴い、多数の振動子を回路的に制御することは、回路側にとって負担が大きい。特に、２次元アレイを用いる場合には、振動子数は２乗則的に増加するので、回路側の負担は激増する。

このような問題を解決するため、特許文献１には、複数の内部電極層と、複数の振動子の層をお互いに交互に積層してなる積層構造の振動子素子をアレイ状に配設した超音波探触子において、駆動される超音波素子の層数が振動子素子の長さ方向の中央部において多く、両端へ行くに従って少なくなるように構成されたことを特徴とする超音波探触子が開示されている。しかしながら、特許文献１の第１頁に示すように、そのような構造を有する振動子素子は、連続する振動子が異なる電極層に挟まれているので、構造的に壊れやすいものと考えられる。また、結果的に、共振が音圧レベルの大きい領域に収束してしまうことも考えられる。
特開２０００−８８８２２号公報（第１頁）

そこで、上記の点に鑑み、本発明は、電子回路に過大な負担をかけることなくサイドローブレベルが低減された超音波ビームを形成することができる超音波トランスデューサアレイを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る超音波トランスデューサアレイは、同一の印加電圧に対して互いに異なる振幅で振動する複数群の超音波トランスデューサであって、それぞれの群の振幅に応じて互いに異なる配列で配置されている複数群の超音波トランスデューサと、該複数群の超音波トランスデューサを保持する充填材とを具備する。

本発明の第１の観点に係る超音波トランスデューサアレイの製造方法は、同一の印加電圧に対して互いに異なる振幅で振動する複数群の超音波トランスデューサを、それぞれの群ごとに、複数の基板又は後で剥離可能な複数の基材の主面上に、互いに異なる配列で配置することにより、複数の素子アレイを作製する工程（ａ）と、複数の素子アレイを向かい合わせて張り合わせることにより、複数の素子アレイに配置されている複数群の超音波トランスデューサを同一面上に配置する工程（ｂ）と、張り合わせられた素子アレイの一方に含まれる基板又は基材を除去する工程（ｃ）と、工程（ｃ）の前又は後に、同一面上に配置された複数群の超音波トランスデューサの間に充填材を充填する工程（ｄ）とを具備する。

また、本発明の第２の観点に係る超音波トランスデューサアレイの製造方法は、同一の印加電圧に対して互いに異なる振幅で振動する複数群の超音波トランスデューサの各々に、充填材となる材料によって所定の厚さ及び形状を有するコーティング層を形成する工程と、コーティング層が形成された複数群の超音波トランスデューサを、それぞれの群の振幅に応じて互いに異なる配列で配置する工程と、複数群の超音波トランスデューサにそれぞれ形成されている複数のコーティング層を一体化させる工程とを具備する。

さらに、本発明の第３の観点に係る超音波トランスデューサアレイの製造方法は、基板上に、厚みが変化するように第１の圧電材料層を形成する工程（ａ）と、第１の圧電材料層の上層に電極層を形成することにより、積層体の連続体を形成する工程（ｂ）と、積層体の連続体を素子形状に分割することにより、基板上に所定の配列で配置された複数の素子を形成する工程（ｃ）と、複数の素子の間に充填材を配置すると共に基板を除去し、それによって露出した複数の素子の端面に電極を形成する工程（ｄ）とを具備する。

本発明によれば、同一の印加電圧に対して互いに異なる振幅で振動する複数群の超音波トランスデューサを、それぞれの群の振幅に応じて配置するので、電子回路に過大な負担をかけることなくサイドローブレベルが低減された超音波ビームを形成することができる。従って、サイドローブに起因するＳＮ比（信号対雑音比）やＤＵ比（希望波対不要波比）を高くして、超音波画像の画質を向上させることができる。

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トランスデューサアレイを示す斜視図である。本実施形態に係る超音波トランスデューサアレイ１００は、２次元マトリクス状に配置された複数群の超音波トランスデューサ（以下において、単に「素子」ともいう）１０、１１、…と、それらの間及び周囲に配置された充填材１８とを含んでいる。

複数群の素子１０、１１、…の各々は、例えば、底面の幅が０．２〜１．０ｍｍ程度、高さが１．０ｍｍ程度の微小な柱状の構造体である。それぞれの群の素子１０、１１、…は、それぞれ異なる圧電歪定数（ｍ／Ｖ）を有している。ここで、圧電歪定数は、（生じた歪）／（与えられた電界の強さ）によって表される。即ち、複数群の素子１０、１１、…は、印加される駆動電圧に対して異なる変位量で伸縮することにより、それぞれ異なる振幅で振動する。
これらの複数群の素子１０、１１、…には、共通電極１９が設けられている。また、充填材１８は、例えば、エポキシ系の樹脂材料であり、複数群の素子１０、１１、…を保持している。

図２は、図１のII−IIにおける断面の一部を拡大して示している。図２に示すように、例えば、素子１０は、交互に積層された複数の圧電材料層１０ａ及び複数の内部電極層１０ｂと、素子１０の向かい合う側面に設けられた２つの側面電極１０ｃとを含んでいる。また、素子１０の上面には、上部電極１０ｄが設けられている。

圧電材料層１０ａとしては、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素子等が用いられる。また、複数の内部電極層１０ｂの各々の端部には、絶縁領域１０ｅが左右互い違いに設けられている。これにより、内部電極層１０ｂが側面電極１０ｃの一方と接続され、他方と絶縁されるので、複数の圧電材料層１０ａの各々を挟む電極が並列に接続される。このような積層構造を有する構造体においては、単層の構造体と比較して、向かい合う電極の面積が増加しているので、電気的インピーダンスを下げることができる。従って、単層の構造体よりも、印加される駆動電圧に対して効率良く動作する。
なお、内部電極層と側面電極とを絶縁するためには、絶縁領域を設けるのではなく、側面に露出した内部電極層の端面を絶縁材料によって覆う方法を用いても良い。

他の群の素子１１、１２、…も、素子１０と同様の積層構造を有しているが、圧電材料層及び内部電極層の積層数、言い換えると、圧電材料層の厚さ（積層間隔）がそれぞれ異なっている。このように、積層間隔が異なる素子の間においては、同じ駆動電圧を印加した場合に、圧電材料層の伸縮に寄与する実効的な電界の大きさが異なる。即ち、それぞれの素子は、異なる圧電歪定数を有することになる。ここで、素子の積層間隔Ｄ（ｘ）と、所定の電圧が印加されたときの振幅ａ（ｘ）とは、反比例することが知られており、それらの関係は、次式によって表される。
Ｄ（ｘ）∝１／ａ（ｘ）
ここで、ｘは、超音波トランスデューサアレイの中央から端部に向けた距離であり、次式のように、Ｄ（ｘ）の値を調整することにより、所定の電圧が印加されたときの振幅ａ（ｘ）を、所望の値に近づけることができる。
ａ（ｘ）∝１／Ｄ（ｘ）

図３は、素子の配置を設計する際に用いられる素子の振幅分布を示している。素子１０、１１、…は、所定の駆動電圧を印加された場合に、図３に示す振幅で振動するように、それぞれの圧電歪定数に応じて配置されている。即ち、超音波トランスデューサアレイ１００の中央付近には、振幅ａ_１０で振動する素子１０が配置される。また、アレイ中央から距離Ｌ_１１だけ離れた位置には、振幅ａ_１１で振動する素子１１が配置される。同様に、アレイ中央からＬ_１２だけ離れた位置には、振幅ａ_１２で振動する素子１２が配置される。超音波トランスデューサアレイに配置される複数群の素子にこのような振幅分布を持たせることにより、形成される超音波ビームにおけるサイドローブを低減することができる。

本実施形態においては、この他にも様々な振幅分布に基づいて、素子配列を設計することができる。図４は、電気情報通信学会編、「アンテナ工学ハンドブック」（オーム社）に記載されているアンテナ工学において用いられる振幅分布を示している。図４において、サイドローブレベルは、メインローブの音圧強度を基準としている。また、Ｌは開口幅を表し、λは波長を表し、θ_μｐはビーム径を表している。これらの振幅分布は、超音波ビームを形成する場合にも適用することができる。その際に、図４に示すように、サイドローブレベルと利得係数とは背反する関係にあるので、目的に応じて適当な振幅分布を選択することが望ましい。また、この他にも、二項分布や、チェビコフ分布や、テイラー分布等の振幅分布を用いても良い。チェビコフ分布を用いる場合には、サイドローブレベルを一定レベル以下に抑えると共に、メインビームの幅を最小にすることができる。また、テイラー分布を用いる場合には、チェビコフ分布の利点に加えて、不要な超音波照射量を低減することができる。

次に、本実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの製造方法について、図５〜図８を参照しながら説明する。本実施形態においては、説明を簡単にするために、２つの群の素子が５×５の２次元マトリクス状に配列された超音波トランスデューサアレイを製造する。図５は、本実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの製造方法を示すフローチャートである。

図５のステップＳ１１において、図６に示すように、素子配列の最終設計に基づいて、それぞれの群ごとに素子アレイを作製する。図６には、基板２１ｂ上に第１の素子２１ａが配列された素子アレイ２１と、基板２２ｂ上に複数の素子２２ａが配列された素子アレイ２２とが示されている。これらの素子アレイ２１及び２２は、例えば、次のように作製される。図７の（ａ）に示すように、基板２２ｂ上に、圧電材料層２３ａと中間電極層２３ｂとを所定の回数だけ交互に積層することにより、積層構造体の連続体を形成する。圧電材料層２３ａは、圧電材料の板材を用いても良いし、材料の粉体を下層に向けて高速で吹き付けることによって材料を堆積させる噴射堆積法（エアロゾルデポジション法、又は、ガスデポジション法とも呼ばれる）を用いて形成しても良い。この場合には、ＰＺＴのグレインサイズを大きくするために、圧電材料層を焼成することが望ましい。また、中間電極層２３ｂは、スパッタ法や真空蒸着法を用いて形成することができる。次に、図７の（ｂ）に示すように、積層構造体の連続体を、例えば、ダイサーを用いて素子形状に分割すると共に、不要な領域にある積層構造体を間引く。或いは、サンドブラスト法を用いることにより、所定の配列で配列された素子形状の積層構造体を容易に形成することができる。さらに、これらの素子形状の積層構造体の各々に側面電極を設ける。これにより、図６に示す素子アレイ２２が作製される。また、素子アレイ２１も、圧電材料層の厚さ（積層間隔）及び積層数を変更して同様に作製される。

次に、ステップＳ１２において、図８の（ａ）に示すように、作製された素子アレイ２１と２２とを向かい合わせ、位置合わせをして貼り付ける。これにより、複数群の素子２１ａ及び２２ａが、素子配列の最終設計に合わせて、同一面上に配置される。

次に、ステップＳ１３において、図８の（ｂ）に示すように、同一面上に配置された複数群の素子の間に、充填材２４を配置する。そのためには、例えば、素子アレイ２１及び２２を貼り付けたものを、液体の充填材で満たされた容器の中に配置し、容器を真空にする。これにより、複数群の素子２１ａ及び２２ａの間に充填材が浸透する。さらに、充填材を硬化させた後で容器から素子アレイを取り出す。

ステップＳ１４において、研磨等により基板を除去し、それによって露出した複数群の素子２１ａ及び２２ａの端面に電極を形成する。その際に、図８の（ｃ）に示すように、複数群の素子２１ａ及び２２ａの一方の端面においては、各々に電極２５を形成し、他方の端面においては、共通電極２６を形成する。これにより、圧電歪定数が互いに異なる２つの群の素子を含む超音波トランスデューサアレイが製造される。

異なる３つ以上の群の素子を含む超音波トランスデューサアレイを製造するためには、次のようにすれば良い。即ち、図４のステップＳ１１において、素子配列の最終設計に基づいて、異なる３つ以上の素子群を、それぞれの群ごとに、基板又は後で剥離可能な基材の上に、互いに異なる配列で配置することにより、複数の素子アレイを作製する。後で剥離可能な基材としては、例えば、透明粘着シートが用いられる。そして、ステップＳ１２において、各素子アレイに配置されている素子群を、透明粘着シート等に位置合わせをしながら張り合わせ、基板又は基材を除去する。この工程を繰り返すことにより、複数の素子アレイに配列されていた素子群が、同一面上に配置される。この後の工程については、図４に示すものと同じである。

以上説明したように、本実施形態においては、積層数及び積層間隔を変更することにより、素子の圧電歪定数を変化させるので、素子の振動の振幅を任意に設計することができる。また、そのように設計された複数群の素子を、所定の振幅分布に基づいて配置するので、分布関数の打ち切り誤差に起因するサイドローブを低減して、検出信号のＳＮ比及びＤＵ比を高くすることが可能になる。さらに、複数群の素子が同じ印加電圧に対して互いに異なる振幅で振動するように設計されているので、回路側の負担を増大させることなく素子配置に応じた振幅変調を制御することができ、将来の更なる素子の増加や高集積化にも対応することも可能になる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの製造方法について、図９〜図１１を参照しながら説明する。図９は、本実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの製造方法を示すフローチャートである。
図９のステップＳ２１において、超音波トランスデューサアレイに配置される複数群の素子を作製する。即ち、まず、図１０の（ａ）に示すように、複数の圧電材料層３１ａと複数の内部電極層３１ｂとを所定の回数だけ交互に積層することにより、積層構造体の連続体を作製する。そのためには、例えば、所定の厚さを有するＰＺＴ板材に内部電極材料の薄膜を形成して積層したり、噴射堆積法を用いて、基板上にＰＺＴ層と内部電極層とを交互に形成する。次に、図１０の（ｂ）に示すように、積層構造体の連続体の側面において、複数の内部電極層３１ｂの一方の端面を互い違いに覆うように、絶縁材料３１ｃを形成する。そのためには、例えば、電気泳動法を用いて、ガラス等の絶縁材料を内部電極層３１ｂの端面に付着させる。次に、図１０の（ｃ）に示すように、絶縁材料３１ｃが形成された積層構造体の連続体の側面に、側面電極３１ｄを形成する。さらに、図１０の（ｄ）に示すように、ダイサーを用いて積層構造体の連続体を素子サイズに切断する。これにより、素子３０が作製される。同様にして、圧電材料層の厚さ（積層間隔）及び積層数の異なる複数群の素子を作製する。

図９の工程Ｓ２２において、図１１の（ａ）に示すように、複数群の素子３０の各々を、充填材１８（図１）の材料によってコーティングする。コーティング層３２の厚さや形状は、超音波トランスデューサアレイにおける素子の配置に応じて決定される。コーティングする方法としては、例えば、（１）フィルム状に成形された樹脂材料によって素子を包む方法や、（２）液状のコーティング材に素子を浸す方法や、（３）成形型に素子を配置し、液状のコーティング材を注入して硬化させる方法や、（４）液状のコーティング材を素子にスプレーしたり、刷毛で塗布する方法等が考えられる。コーティング層の厚さは、フィルムの厚さや、液状のコーティング材の粘度や、素子の形状や表面性状や、コーティング作業の回数等によって制御することができる。なお、コーティング作業によって、素子の側面だけでなく、底面もコーティング材によって覆われてしまった場合には、その面に対して研磨等を行うことにより、コーティング材を除去する。

次に、工程Ｓ２３において、図１１の（ｂ）に示すように、複数群の素子の各々をコーティングすることによって得られた複数群のコーティング済み素子３３、３４、３５を、素子配列の最終設計に基づいて配置する。配置方法としては、複数群のコーティング済み素子を束ねたり、ジグに寄せたり、ボンダーを用いて、コーティング済み素子の各々を吸引して所定の位置に配置する方法等が用いられる。

さらに、工程Ｓ２４において、例えば、加熱することにより、複数群のコーティング済み素子のコーティング層を一体化させる。さらに、図１１の（ｃ）に示すように、複数群の素子の各々の端面に上部電極３６を形成すると共に、共通電極３７を形成することにより、圧電歪定数が異なる複数群の素子を含む超音波トランスデューサアレイが製造される。

本実施形態によれば、超音波トランスデューサアレイに含まれる素子の種類が増えても、製造工程をそれほど増加させることなく、超音波トランスデューサアレイを容易に製造することができる。また、本実施形態によれば、超音波トランスデューサアレイにおける素子の配置を、コーティング層の厚さや形状によって決定するので、基板上において精密に位置合わせをする必要がなくなり、製造工程を簡単にすることができる。

本実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの製造方法の変形例として、次のような方法を用いても良い。図９の工程Ｓ２２において、複数群の素子の各々を、後の工程において、薬品や、加熱や、冷却や、風化等の物理的又は化学的作用によって除去可能な材料によってコーティングする。そのような材料としては、例えば、熱酸化によって分解されるエポキシ系や、ポリイミド系や、ＰＭＭＡ（poly methyl methacrylate）系のレジスト材料が挙げられる。次に、複数群のコーティング済み素子を基板上に配置して固定する。次に、コーティング済み素子のコーティング層を、物理的又は化学的作用によって除去し、基板上に露出した複数群の素子の間及び周囲に、充填材を配置する。さらに、基板を除去し、複数群の素子に上部電極及び共通電極を配置する。
この変形例によれば、溶解や硬化といった変化を可逆的に繰り返すことができない材料であっても、充填材として用いることができる。

次に、本発明の第３の実施形態に係る超音波トランスデューサアレイについて説明する。図１２は、本実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの一部を示している。ここで、図１に示す超音波トランスデューサアレイにおいては、積層数（積層間隔）を変更することにより、複数群の素子における圧電歪定数を互いに変更し、それにより、素子における振動の振幅を制御している。しかしながら、実質的に圧電歪定数の異なる複数群の素子は、次のような構成によっても実現することができる。

図１２に示すように、本実施形態に係る超音波トランスデューサアレイは、複数群の超音波トランスデューサ（素子）４１、４２、…を含んでいる。これらの素子４１、４２、…は、下部電極４１ａ、４２ａ、…と、圧電材料層４１ｂ、４２ｂ、…と、上部電極４１ｃ、４２ｃ、…とをそれぞれ含んでいる。また、上部電極４１ｃ、４２ｃ、…の上層には、複数群の素子の高さを揃えるために、圧電材料層４１ｄ、４２ｄ、…が設けられている。

圧電材料層４１ｂ、４２ｂ、…の各々は、素子配置に応じて、所定の厚さ分布を有している。このように、本実施形態においては、各素子において圧電材料層の厚さに分布を持たせることにより、積層間隔を調節して圧電歪定数を変化させている。

図１３は、本実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの製造方法を説明するための図である。まず、図１３の（ａ）に示すように、基板４４上に、厚みが変化するように圧電材料層４５を形成する。その際に、噴射堆積法を用いることにより、圧電材料層４５の厚みを容易に制御することができる。次に、圧電材料層４５の表面に電極層４６を形成する。次に、図１３の（ｃ）に示すように、噴射堆積法を用いて電極層４６の上に圧電材料層４７を形成することにより、高さの均一な連続体を形成する。次に、図１３の（ｄ）に示すように、図１３の（ｃ）に示す連続体を、サブダイス加工によって素子形状に分割する。さらに、複数の素子の間に充填材を配置して基板を除去し、それによって露出した素子の端面に電極を形成することにより、超音波トランスデューサアレイが製造される。
本実施形態においては、圧電材料層の厚さを変化させるために噴射堆積法を用いたが、その他に、例えば、表面が平坦な圧電材料に、ザグリ加工により凹部を形成することによって傾斜をつける方法を用いても良い。また、圧電材料層４５を形成する前に、基板４４に電極層を予め形成しておくことにより、下部電極４１ａ、４１ｂ、…（図１２）を作製しても良い。

本発明の第４の実施形態に係る超音波トランスデューサアレイについて説明する。図１４は、本実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの一部を示している。
図１４に示すように、本実施形態に係る超音波トランスデューサアレイは、複数群の超音波トランスデューサ（素子）５１、５２、…を含んでいる。複数群の素子５１、５２、…の各々は、複数の圧電材料層５１ａ、５２ａ、…と、複数の内部電極層５１ｂ、５２ｂ、…と、側面電極５１ｃ、５２ｃ、…と、上部電極５１ｄ、５２ｄ、…を含んでいる。これらの素子５１、５２、…には、共通電極５４が設けられている。

複数群の素子５１、５２、…は、互いに等しい積層数を有しているが、それらにそれぞれ含まれる内部電極層５１ｂ、５２ｂ、…は、互いに異なる厚さを有している。これにより、素子５１、５２、…における積層間隔を調節して圧電歪定数を変化させている。
内部電極層の厚さが異なる素子を作製するためには、例えば、基板上に形成された圧電材料層の上に、面内において厚みが変化するように電極層を形成する。このような電極層や、その上に形成される圧電材料層は、例えば、噴射堆積法を用いることにより、容易に形成することができる。

次に、本発明の第５の実施形態に係る超音波トランスデューサアレイについて説明する。
図１５の（ａ）に示すように、本実施形態に係る超音波トランスデューサは、複数群の超音波トランスデューサ（素子）６１、６２、…を含んでいる。これらの素子６１、６２、…の各々は、圧電材料層（例えば、素子６５においては圧電材料層６５ａ）及び上部電極（例えば、素子６５においては、上部電極６５ｂ）を含んでいる。また、複数群の素子６１、６２、…には共通電極６６が設けられており、素子６１、６２、…の間には、充填材６７が配置されている。

複数群の素子６１、６２、…にそれぞれ含まれる複数の圧電材料層は、素子の配置に応じて、互いに異なる材料によって形成されている。図１５の（ｂ）は、素子の配置と、圧電材料を形成している材料の配合との関係を示している。図１５の（ａ）及び（ｂ）に示すように、超音波トランスデューサアレイの中心付近に配置されている素子（例えば、素子６１）には、ほとんど原料Ａによって形成された圧電材料層が用いられている。反対に、周縁部に近い素子（例えば、素子６４）には、原料Ａの割合が減らされ、それに伴い、原料Ｂの割合が増やされた圧電材料層が用いられている。このように、原料の配合を変化させることにより、材料の機能を連続的又は段階的に変化させる材料は、傾斜機能材料と呼ばれている。本実施形態においては、原料Ａ及びＢの配合を調節することにより、圧電歪定数を変化させている。

図１６は、図１５に示す超音波トランスデューサアレイの製造方法を説明するための図である。図１６の（ａ）に示すように、基板７０上に、２つのノズルを用いた噴射堆積法によって圧電材料層７１を形成する。その際に、原料Ａを噴射するノズル７２、及び、原料Ｂを噴射するノズル７３の位置を制御しながら基板上を走査させることにより、基板７０上の位置に応じて原料Ａ及びＢの配合を変化させる。次に、図１６の（ｂ）に示すように圧電材料層７１を分割し、充填材を配置した後で基板７０を除去し、上部電極及び共通電極を配置する（図１５の（ａ）参照）。なお、圧電材料層７１を形成する前に、基板７０に電極層を予め形成しておくことにより、各素子に下部電極を設けても良い。

本実施形態においては、図１５の（ｂ）に示すように、原料Ａ及びＢの配合が連続的に変化する傾斜機能材料を用いたが、それらの配合を段階的に変化させた傾斜機能材料を用いても良い。
或いは、各素子の圧電歪定数を変化させる方法として、分極処理（ポーリング）を用いても良い。ここで、単位長さ当たりに印加する電圧が異なる分極処理により、素子の圧電歪定数が変化することは知られている。そこで、異なる分極処理が施された複数群の素子を、その分極処理に応じてアレイに配置することにより、超音波トランスデューサアレイを作製しても良い。または、同じ材料によって作製された複数群の素子をアレイに配置し、それぞれの群ごとに、その配置に応じて異なる分極処理を施しても良い。

以上説明した第１〜第５の実施形態において、噴射堆積法を用いて圧電材料層や電極層を形成した場合には、それらの層の下層において、材料の粉体が衝突することによって食い込む「アンカーリング」が生じる。このアンカー層（粉体が食い込んだ層）の深さは、下層の密度や粉体の速度等によって異なるが、通常は、１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度となる。そのため、各超音波トランスデューサに含まれる層の界面を観察することにより、その層が噴射堆積法を用いて形成されたものであるか否かを判別することが可能である。

本発明の第１〜第５の実施形態においては、底面が正方形である複数群の素子が、２次元マトリクス状に配置された超音波トランスデューサアレイについて説明した。しかしながら、複数群の素子の配置はこれに限られず、例えば、複数群の素子を、それぞれの群の圧電歪定数に応じて同心円状に配置することにより、アニュラアレイを作製しても良い。或いは、図１７の（ａ）に示すように、底面が長方形である複数群の素子８１、８２、…を、それぞれの圧電歪定数に応じて１次元に配置することにより、１次元超音波トランスデューサアレイを作製しても良い。また、図１７の（ｂ）に示すように、複数の１次元超音波トランスデューサアレイを１つの方向に並べることにより、１．５次元超音波トランスデューサアレイを作製しても良い。

以上説明した本発明の第１〜第５の実施形態に係る超音波トランスデューサアレイを用いて、超音波用探触子を作製することができる。図１８は、本発明の一実施形態に係る超音波用探触子を示す一部断面斜視図である。
図１８に示すように、この超音波用探触子は、超音波トランスデューサアレイ１００と、バッキング層２と、音響整合層３と、音響レンズ４とを含んでいる。これらの各部は、筐体５に収納されている。また、超音波トランスデューサアレイ１００から引き出された配線は、ケーブル６を介して超音波撮像装置本体に含まれる電子回路に接続されている。

バッキング層２は、例えば、フェライト等金属粉やＰＺＴの粉体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、超音波トランスデューサアレイ１００から発生した不要な超音波の減衰を早める。また、音響整合層３は、例えば、超音波を伝え易いパイレックス（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、生体である被検体と超音波トランスデューサとの間の音響インピーダンスの不整合を解消する。これにより、超音波トランスデューサから送信された超音波が、効率良く被検体中に伝播する。さらに、音響レンズ４は、例えば、シリコンゴムによって形成されており、超音波トランスデューサアレイ１００から送信され、音響整合層３において音響インピーダンスを整合された超音波ビームを、所定の深度において集束させる。

超音波トランスデューサアレイ１００を駆動することにより、そこに含まれる複数群の素子１０、１１、…（図１）は、それぞれの群の圧電歪定数に応じた振幅で振動して超音波を発生する。その際に、超音波撮像装置本体に含まれる電子回路を用いて複数群の素子１０、１１、…を所定のタイミングで駆動することにより、所望の方向に送信される超音波ビームを形成することができる。また、複数群の素子１０、１１、…は、超音波を受信することによって伸縮し、電気信号（検出信号）を発生する。ここで、強度の大きい超音波を発生させるために、圧電歪定数の大きい素子を用いると、反対に、圧電出力定数（Ｖ・ｍ／Ｎ）が下がるので、その素子における超音波の受信感度も低下してしまう。この圧電出力定数は、（生じた電界の強さ）／（与えられた応力）によって表される。特に、第１の実施形態におけるもののように、素子の積層数を変化させる場合には、その傾向が顕著である。従って、超音波を受信するための素子については、別途設けることが望ましい。なお、第５の実施形態において説明したように、材料を変更することにより圧電歪定数を高くする場合には、誘電率の分だけ多少感度が落ちることもあるが、送信素子と受信素子とを兼用することは可能である。

本発明の第１の実施形態に係る超音波トランスデューサアレイを示す斜視図である。 図１に示す超音波トランスデューサアレイのＩ−Ｉにおける断面の一部を示す図である。 素子の配置を設計する際に用いられる振幅分布を示す図である。 アンテナ工学において用いられる振幅分布を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの製造方法を示すフローチャートである。 本発明の第１の実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの製造方法を説明するための図である。 図７に示す素子アレイの作製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トランスデューサアレイの製造方法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トランスデューサアレイの製造方法を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの製造方法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トランスデューサアレイの製造方法を説明するための図である。 本発明の第３の実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの一部を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの製造方法を説明するための図である。 本発明の第４の実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの一部を示す図である。 本発明の第５の実施形態に係る超音波トランスデューサアレイを示す斜視図である。 本発明の第５の実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの製造方法を説明するための図である。 超音波トランスデューサアレイにおける素子の形状及び配列の変形例を示す斜視図である。 図１に示す超音波トランスデューサアレイを適用した超音波用探触子を示す一部断面斜視図である。

符号の説明

２ バッキング層
３ 音響整合層
４ 音響レンズ
５ 筐体
６ ケーブル
１０〜１４、２１ａ、２２ａ、３０、４１〜４３、５１〜５３、６１〜６５、
８１〜８５ 超音波トランスデューサ（素子）
１０ａ、２３ａ、３１ａ、４１ｂ〜４３ｂ、４１ｄ〜４３ｄ、５１ａ〜５３ａ、
４５、４７、７１ 圧電材料層
１０ｂ、２３ｂ、３１ｂ、５１ｂ〜５３ｂ 内部電極層
１０ｃ、３１ｄ、５１ｃ〜５３ｃ 側面電極
１０ｄ、２５、３６、４１ｃ〜４３ｃ、５１ｄ〜５３ｄ 上部電極
１０ｅ 絶縁領域
１８、２４、６７ 充填材
１９、２６、３７、５４、６６ 共通電極
２１、２２ 素子アレイ
２１ｂ、２２ｂ、４４、７０ 基板
３１ｃ 絶縁材料
３２ コーティング層
３３〜３５ コーティング済み素子
４１ａ〜４３ａ 下部電極
４６ 電極層
７２、７３ ノズル
１００ 超音波トランスデューサアレイ

Claims (13)

1. 同一の印加電圧に対して互いに異なる振幅で振動する複数群の超音波トランスデューサであって、それぞれの群の振幅に応じて互いに異なる配列で配置されている前記複数群の超音波トランスデューサと、
   前記複数群の超音波トランスデューサを保持する充填材と、
   を具備する超音波トランスデューサアレイ。
2. 前記複数群の超音波トランスデューサが、それぞれの群ごとに、互いに異なる厚さを有する圧電材料層を含む、請求項１記載の超音波トランスデューサアレイ。
3. 前記複数群の超音波トランスデューサの各々が、複数の圧電材料層と複数の内部電極層とが交互に積層された積層構造を有しており、それぞれの群ごとに、積層構造の積層間隔及び／又は積層数が互いに異なる、請求項１又は２記載の超音波トランスデューサアレイ。
4. 前記複数群の超音波トランスデューサが、それぞれの群ごとに、配合が互いに異なる原料によって形成された圧電材料層を含む、請求項１記載の超音波トランスデューサアレイ。
5. 前記圧電材料層が、材料の粉体を高速で下層に吹き付けることによって堆積させる噴射堆積法を用いて形成されている、請求項３又は４記載の超音波トランスデューサアレイ。
6. 前記複数群の超音波トランスデューサが、それぞれの群ごとに、互いに異なる分極処理を施された圧電材料層を含む、請求項１記載の超音波トランスデューサアレイ。
7. 超音波を受信するために用いられる少なくとも１つの超音波トランスデューサをさらに具備する請求項１〜６のいずれか１項記載の超音波トランスデューサアレイ。
8. 同一の印加電圧に対して互いに異なる振幅で振動する複数群の超音波トランスデューサを、それぞれの群ごとに、複数の基板又は後で剥離可能な複数の基材の主面上に、互いに異なる配列で配置することにより、複数の素子アレイを作製する工程（ａ）と、
   前記複数の素子アレイを向かい合わせて張り合わせることにより、前記複数の素子アレイに配置されている複数群の超音波トランスデューサを同一面上に配置する工程（ｂ）と、
   張り合わせられた素子アレイの一方に含まれる基板又は基材を除去する工程（ｃ）と、
   工程（ｃ）の前又は後に、同一面上に配置された複数群の超音波トランスデューサの間に充填材を充填する工程（ｄ）と、
   を具備する超音波トランスデューサアレイの製造方法。
9. 工程（ａ）が、前記複数の基板又は前記基材上に超音波トランスデューサの連続体を形成し、該連続体をサンドブラスト加工を含むエッチング加工方法を用いて前記超音波トランスデューサの連続体を分割することを含む、請求項８記載の超音波トランスデューサアレイの製造方法。
10. 同一の印加電圧に対して互いに異なる振幅で振動する複数群の超音波トランスデューサの各々に、充填材となる材料によって所定の厚さ及び形状を有するコーティング層を形成する工程と、
    コーティング層が形成された前記複数群の超音波トランスデューサを、それぞれの群の振幅に応じて互いに異なる配列で配置する工程と、
    前記複数群の超音波トランスデューサにそれぞれ形成されている複数のコーティング層を一体化させる工程と、
    を具備する超音波トランスデューサアレイの製造方法。
11. 基板上に、厚みが変化するように第１の圧電材料層を形成する工程（ａ）と、
    前記第１の圧電材料層の上層に電極層を形成することにより、積層体の連続体を形成する工程（ｂ）と、
    前記積層体の連続体を素子形状に分割することにより、基板上に所定の配列で配置された複数の素子を形成する工程（ｃ）と、
    前記複数の素子の間に充填材を配置すると共に前記基板を除去し、それによって露出した複数の素子の端面に電極を形成する工程（ｄ）と、
    を具備する超音波トランスデューサアレイの製造方法。
12. 前記電極層の上層に第２の圧電材料層を形成する工程をさらに具備する請求項１１記載の超音波トランスデューサアレイの製造方法。
13. 工程（ａ）が、材料の粉体を高速で前記基板に吹き付けることによって堆積させる噴射堆積法を用いて第１の圧電材料層を形成することを含む、請求項１１又は１２記載の超音波トランスデューサアレイの製造方法。

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