JP3258111B2 - 超音波送受信素子、超音波プローブおよび超音波治療装置用送波器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波送受信素子、超
音波プローブおよび超音波治療装置用送波器に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波プローブは、圧電素子を有する超
音波送受信素子を備えている。前記超音波プローブは、
超音波を対象物に向けて照射し、その対象物における音
響インピーダンスの異なる界面からの反射エコーを受信
することにより前記対象物の内部状態を画像化するため
に用いられる。このような前記超音波プローブを組み込
んだ超音波画像装置は、例えば人体内部を検査するため
の医療用診断装置および金属溶接内部の探傷を目的とす
る検査装置等に応用されている。

【０００３】近年、前記医療用診断装置の一つとして、
人体の断層像（Ｂモード像）に加え、心臓、肝臓、頸動
脈等を対象に超音波の血流によるドプラシフトを利用し
て血流の速度を２次元でカラー表示することが可能な
「カラーフローマッピング（ＣＦＭ）法」を採用したも
のが開発され、前記医療用診断装置によりその診断能力
が飛躍的に向上した。前記ＣＦＭ法を採用した医療用診
断装置は子宮や肝臓、脾蔵などの人体のあらゆる臓器、
器官の診断に用いられ、今後は冠血栓の診断も可能な装
置を目指して研究がなされている。

【０００４】前者のＢモード像の場合には、身体的変化
による小さな病変や空隙が明瞭に深部まで見えるように
するために、高解像度の画像が高感度で得られることが
要求される。後者のＣＦＭ像を得ることができるドプラ
モードの場合には、直径が数μｍ程度の微小な血球から
の反射エコーを用いるため、前記Ｂモードの場合に比べ
て得られる信号レベルが小さくなり、より高感度化が要
求される。

【０００５】ところで、従来、前記超音波プローブを構
成する前記超音波送受信素子はその性能面から以下のよ
うな構造のものが用いられている。

【０００６】（１）超音波プローブにより生体に超音波
を照射した際の超音波減衰は、骨等を除いて０．５〜１
ｄＢ／ＭＨｚ・ｃｍ程度であるため、前記生体から高感
度の信号を得るには前記超音波送受信素子から照射され
る超音波の周波数を下げることが好ましい。ただし、周
波数を下げ過ぎると超音波の波長が長くなって分解能が
低下する恐れがあるため、通常、２〜１０ＭＨｚの周波
数の超音波を放射するようにしている。

【０００７】（２）超音波送受信素子の圧電体は、電気
機械結合係数が大きく、かつケーブルや装置浮遊容量に
よる損失が少ない送受信回路とのマッチングが取りやす
い誘電率の大きい材料から形成することが必要である。
このため、前記圧電体は主としてチタン酸ジルコン酸鉛
（ＰＺＴ）系セラミックから形成されている。

【０００８】（３）短冊状の圧電体を有する超音波送受
信素子を数１０から２００個程度配列したアレイ形超音
波プローブは、高い分解能を有する。

【０００９】しかしながら、従来の超音波プローブは次
のような問題があった。

【００１０】（ａ）前記超音波送受信素子は、通常、前
記圧電体の厚み振動の共振を利用して超音波を放射す
る。生体の超音波減衰の影響を小さくするには、前述し
たように前記超音波の周波数を下げる必要がある。超音
波の周波数を下げるためには、前記圧電体の振動方向の
厚さを厚くする必要がある。例えば２．５ＭＨｚの周波
数の超音波を放射するには、前記ＰＺＴ系セラミックか
らなる圧電体はその振動方向の厚さを６００μｍにする
必要がある。このように圧電体の厚さが厚くなると、種
々の問題を生じる。すなわち、ブロック状のＰＺＴ系セ
ラミックから短冊状の圧電体を加工するには、半導体シ
リコンウェハ等の切断に用いられているダイサが使用さ
れている。前記圧電体の振動方向の厚さが厚くなると、
所定のピッチで切断する時の切り込みが深くなる。この
ため、薄いブレードを用いて切断すると切り込み溝が斜
めになったり、切り込み部の蛇行や前記圧電体の破損を
生じやすくなる。これを回避するために厚いブレードを
用いて加工を行うと、切り込み量が増大するため、加工
前のブロック状のＰＺＴ系セラミックの大きさは一定で
あることから、１枚当たりの圧電体の超音波送受信面の
面積が小さくなる。その結果、感度が低下すると共に、
サイドローブ（グレーティングローブ）レベルが増加す
る。

【００１１】（ｂ）アレイ形超音波プローブを生体と接
触させる場合、超音波放射面の口径を大きくすることが
できないため、超音波送受信素子の数が増大するに伴っ
て圧電体１個当たりのインピーダンスが高くなり、送受
信回路とのマッチングが取りにくくなる。前記マッチン
グ性に関しては、比誘電率の大きいＰＺＴ系セラミック
を圧電体として用いることにより回避することが可能で
ある。しかしながら、前記ＰＺＴ系セラミックは比誘電
率が３０００を越えると電気機械結合係数が小さくなる
性質を有するため、感度が低下するという問題が新たに
生じる。

【００１２】また、前記（ｂ）の問題に対して圧電体を
積層構造にしたり、インピーダンス変換器を組み込むこ
とによって送受信回路とのマッチングを取ることが行わ
れている。しかしながら、積層構造では送信感度が積層
数に応じて増大するものの、受信感度は積層数に反比例
する。このため、適用可能な分野は圧電体が通常より小
さい場合やケーブルが長い場合などの特殊な用途に限ら
れる。また、エミッタフォロワなどのインピーダンス変
換器を使用すると、超音波プローブの大型化を招くと共
にインピーダンス変換器固有の周波数特性により狭帯域
化を起こす。

【００１３】一方、メタニオブ酸鉛やポリフッ化ビニリ
デンまたはその共重合体のような高分子材料からなる圧
電体は周波数定数が小さく、低い周波数でもＰＺＴ系セ
ラミックより薄くすることが可能であることが知られて
いる。しかしながら、前記高分子材料は誘電率と電気機
械結合係数が小さく実用的ではない。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】以上のように高感度化
のために生体の超音波減衰が少ない低周波駆動の超音波
プローブを得るには、従来のＰＺＴ系セラミックでは厚
くなる。このため、短冊状に切断する際に薄いブレード
を用いると切り込み溝が斜めになったり、切り込み部の
蛇行や圧電体の破損を生じやすくなる。また、厚いブレ
ードを用いると１枚当たりの圧電体の超音波送受信面の
面積が切り込み部の増大に伴って小さくなり、感度が低
下すると共に、サイドローブレベルが増加する。さら
に、圧電体が厚くなると、電気インピーダンスが大きく
なることから送受信回路とのマッチングが取りにくくな
る。

【００１５】本発明の目的は、低周波駆動を達成できる
と共に、圧電体の振動方向の厚さを薄くでき、送受信回
路とのマッチングが取り易く、さらに高感度化が可能な
超音波送受信素子を提供しようとするものである。

【００１６】本発明の目的は、低周波駆動を達成できる
と共に、圧電体の振動方向の厚さを薄くでき、送受信回
路とのマッチングが取り易く、さらに高感度化が可能な
超音波送受信素子を備えた超音波プローブを提供しよう
とするものである。

【００１７】本発明の別の目的は、各超音波送受信素子
の超音波送受信面から放射される超音波の周波数を一定
にでき、高分解能の音波ビームを得ることが可能なアレ
イ形の超音波プローブを提供しようとするものである。

【００１８】本発明の別の目的は、強力で制御性が良好
な衝撃波を発生することが可能な超音波治療装置用送波
器を提供しようとするものである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明に係る超音波送受
信素子は、亜鉛ニオブ酸鉛−チタン酸鉛の固溶系単結晶
からなる圧電体と、この圧電体の超音波送受信面および
前記送受信面と反対側の面にそれぞれ設けられた一対の
電極とを有し、前記圧電体は、前記超音波送受信面およ
びこの超音波送受信面と反対側の面がそれぞれ０．４μ
ｍ以下の平均表面粗さを有し、かつ４μｍ以下の最大表
面粗さを有することを特徴とするものである。

【００２０】本発明に係る超音波プローブは、前記超音
波送受信素子と、前記超音波送受信素子の前記超音波送
受信面上に設けられた音響マッチング層と、前記音響マ
ッチング層上に設けられた音響レンズと、前記超音波送
受信素子の前記超音波送受信面と反対側の面上に設けら
れたバッキング材とを具備したことを特徴とするもので
ある。

【００２１】以下、本発明に係る超音波送受信素子およ
び超音波プローブを図１を参照して詳細に説明する。

【００２２】亜鉛ニオブ酸鉛−チタン酸鉛の固溶系単結
晶からなる複数の圧電体１は、バッキング材２上に互い
に分離して接着されている。前記各々の圧電体１は図の
矢印Ａ方向に振動する。第１電極３は、前記各々の圧電
体１の超音波送受信面からその側面およびおよび前記送
受信面と反対側の面の一部に亘ってそれぞれ形成されて
いる。第２電極４は、前記各々の圧電体１の前記送受信
面と反対側の面に前記第１電極３と所望の距離隔ててそ
れぞれ形成されている。このような前記圧電体１、前記
第１、第２の電極３、４により超音波送受信素子が構成
される。音響マッチング層５は、前記各々の第１電極３
を含む前記各圧電体１の超音波送受信面にそれぞれ形成
されている。音響レンズ６は、前記各音響マッチング層
５の全体に亘って形成されている。アース電極板７は、
前記各々の第１電極３に接続されている。複数の導体
（ケーブル）を有するフレキシブル印刷配線板８は、前
記各々の第２電極４に例えばはんだ付けにより接続され
ている。

【００２３】このような図１に示す構造の超音波プロー
ブは、例えば次のような方法により作製される。

【００２４】まず、ブロック状をなす亜鉛ニオブ酸鉛−
チタン酸鉛の固溶系単結晶片に導電膜をスパッタ法によ
り蒸着し、選択エッチング技術によりの超音波送受信面
および前記送受信面と反対側の面に導電膜を残す。つづ
いて、前記単結晶片の超音波送受信面側の前記導電膜端
部上にアース電極７を例えばはんだ付けにより接続した
後、前記単結晶片の超音波送受信面となる面に音響マッ
チング層を形成する。ひきつづき、前記単結晶片の前記
超音波送受信面と反対側の面に位置する前記導電膜端部
上に複数の導体（ケーブル）を有するフレキシブル印刷
配線板８を例えばはんだ付けにより接続した後、これら
をバッキング材２上に接着する。その後、ブレードを用
いて前記音響マッチング層から前記単結晶片の前記超音
波送受信面と反対側の面に位置する前記導電膜に亘って
複数回切断することにより前記バッキング材２上に第
１、第２電極３、４を有する互いに分離された複数の圧
電体１と前記各圧電体１上にそれぞれ配置された複数の
音響マッチング層５が形成される。次いで、前記音響マ
ッチング層４に音響レンズ６を形成することにより超音
波プローブを作製する。

【００２５】前記圧電体１を構成する亜鉛ニオブ酸鉛−
チタン酸鉛の固溶系単結晶は、例えば次のような方法に
より製造される。

【００２６】まず、出発原料として化学的に高純度のＰ
ｂＯ、ＺｎＯ、Ｎｂ₂ Ｏ₅ 、ＴｉＯ₂ を用い、これらを
純度補正した後、亜鉛ニオブ酸鉛（ＰＺＮ）とチタン酸
鉛（ＰＴ）とが所望のモル比になるように秤量し、さら
にフラックスとして同量のＰｂＯを添加する。この粉末
に純水を添加し、例えばＺｒＯ₂ ボールが収納されたボ
ールミルで所望時間混合する。得られた混合物の水分を
除去した後、例えばライカイ機のような粉砕機で十分に
粉砕し、さらにゴム型容器に入れ、所望の圧力でラバー
プレスを行なう。ゴム型から取り出した固形物を例えば
白金からなる所望容量の容器に入れ、所望の温度で溶解
する。冷却後、さらに前記固形物を前記容器に入れ、例
えば白金からなる蓋で密閉し、前記容器を電気炉の中心
に設置する。前記溶解温度より高い温度まで昇温し、所
望の降温速度で溶解温度付近まで徐冷した後、室温まで
冷却する。その後、前記容器に所望濃度の硝酸を添加
し、煮沸して固溶系単結晶を取り出すことにより製造す
る。

【００２７】前記亜鉛ニオブ酸鉛−チタン酸鉛の固溶系
単結晶は、前述したフラックス法の他に、例えばブリッ
ジマン法やキロプーロス法、水熱育成法などによっても
同様に製造することが可能である。

【００２８】前記亜鉛ニオブ酸鉛−チタン酸鉛の固溶系
単結晶としては、チタン酸鉛のモル分率が２０％以下
（モル比で０．２０以下）の組成のものを用いることが
望ましい。このような固溶系単結晶からなる圧電体を用
いることにより、ＰＺＴセラミックからなる圧電体に比
べて音速を２０％以上遅くすることができるため、高感
度化が図られた超音波プローブを得ることが可能にな
る。

【００２９】特に、一般式 Ｐｂ_A ［（Ｚｎ_1/3 Ｎｂ_2/3 ）_1-x Ｔｉ_x ］_B Ｏ₃ （ただし、ｘは０．０５≦ｘ≦０．２０、化学量論比Ａ
／Ｂは０．９８≦Ａ／Ｂ＜１．００を示す）で表される
組成からなる亜鉛ニオブ酸鉛−チタン酸鉛の固溶系単結
晶を用いることが望ましい。

【００３０】前記一般式のｘを規定したのは次のような
理由によるものである。前記ｘを０．０５未満にする
と、前記固溶系単結晶のキュリー温度が低く、前記フレ
キシブル印刷配線板７および前記アース電極板８の半田
付け時や前記固溶系単結晶の切断時に脱分極する恐れが
ある。一方、前記ｘが０．２０を越えると大きな電気機
械結合係数が得られないばかりか、誘電率が低下して送
受信回路都の音響インピーダンスのマッチングが取り難
くなる恐れがある。より好ましいｘは０．０６〜０．１
２である。

【００３１】前記一般式の前記Ａ／Ｂが前記範囲を逸脱
すると得られた超音波プローブの実作動時における信頼
性が低下する恐れがある。

【００３２】前記圧電体１は、振動方向の厚さが２００
〜４００μｍであることが好ましい。

【００３３】前記圧電体１は、前記超音波送受信面およ
びこの超音波送受信面と反対側の面がそれぞれ０．４μ
ｍ以下の平均表面粗さを有し、かつ４μｍ以下の最大表
面粗さを有する。前記平均表面粗さおよび前記最大表面
粗さがそれぞれ０．４μｍ、４μｍを越えると感度のよ
うな長期信頼性が低下する恐れがある。より好ましい前
記平均表面粗さおよび前記最大表面粗さはそれぞれ０．
３μｍ以下、３μｍ以下である。

【００３４】前記圧電体１は、超音波送受信面が（００
１）面であることが望ましい。このような圧電体１は、
前記固溶系単結晶の［００１］軸（Ｃ軸）に対して垂直
に切り出すことにより作製される。

【００３５】前記第１、第２電極３、４は、例えばＴｉ
／Ａｕ、Ｎｉ／ＡｕもしくはＣｒ／Ａｕの二層導電膜、
またはガラスフリットを含む銀焼付け等から形成され
る。

【００３６】なお、前記電極３、４の配置の形態および
前記アース電極板７、前記フレキシブル印刷配線板８の
前記電極３、４への取付け形態は前述した図１に限定さ
れない。例えば、前記アース電極板７および前記フレキ
シブル印刷配線板８と前記電極３、４との接合は、はん
だ付け以外に、導電ペーストの使用、抵抗溶接による方
法で行ってもよい。

【００３７】前述した図１ではアレイ形の超音波プロー
ブを示したが、本発明は単一の超音波送受信素子を備え
た超音波プローブも包含する。

【００３８】また、本発明に係る超音波プローブは亜鉛
ニオブ酸鉛−チタン酸鉛の固溶系単結晶からなる圧電体
と、この圧電体の超音波送受信面およびこの超音波送受
信面と反対側の面にそれぞれ設けられた一対の電極とを
有する複数の超音波送受信素子；前記複数の超音波送受
信素子の前記超音波送受信面上にそれぞれ設けられた音
響マッチング層；前記音響マッチング層上に設けられた
音響レンズ；前記各超音波送受信素子の前記超音波送受
信面と反対側の面上に設けられたバッキング材；を具備
し前記圧電体は、前記超音波送受信面がその配列方向と
直交する方向に凹状に湾曲すると共に厚さが一定な形状
を有し、かつ前記凹状超音波送受信面の中央部が最大の
電気機械結合係数を有することを特徴とするものであ
る。

【００３９】以下、本発明に係る超音波プローブ（アレ
イ形超音波プローブ）を図２を参照して詳細に説明す
る。

【００４０】亜鉛ニオブ酸鉛−チタン酸鉛の固溶系単結
晶からなる複数の圧電体１１は、バッキング材１２上に
互いに分離して接着されている。前記各々の圧電体１１
は、超音波送受信面がその配列方向と直交する方向に凹
状に湾曲すると共に厚さが一定な形状を有し、かつ前記
凹状超音波送受信面の中央部が最大の電気機械結合係数
を有する。前記各々の圧電体１１は、図２の矢印Ａ方向
に振動する。第１電極１３は、前記各々の圧電体１１の
凹状超音波送受信面にそれぞれ形成されている。第２電
極１４は、前記各々の圧電体１１の前記送受信面と反対
側の凸状面と前記バッキング材１２の間にそれぞれ介在
されて、前記各々の圧電体１１に良好に接触されてい
る。このような前記圧電体１１、前記第１、第２の電極
１３、１４により超音波送受信素子が構成される。音響
マッチング層１５は、前記各々の第１電極１３上にそれ
ぞれ形成されている。前記音響マッチング層１５は、前
記圧電体１１と同様に表面がその配列方向と直交する方
向に凹状に湾曲すると共に厚さが一定な形状を有する。
アース電極１６は、前記各々の第１電極１３と前記各々
の音響マッチング層１５の間に前記圧電体１１の配列方
向に沿って介在され、前記各々の第１電極１３に接続さ
れている。複数の導体（ケーブル）を有するフレキシブ
ル印刷配線板１７は、前記各々の第２電極１４と前記バ
ッキング材１２の間に前記圧電体１１の配列方向に沿っ
て介在され、前記各々の第２電極１４に接続されてい
る。

【００４１】このような図２に示す構造のアレイ型超音
波プローブは、例えば次のような方法により作製され
る。

【００４２】まず、超音波送受信面が凹状に湾曲され、
かつ前記送受信面と反対側の面が凸状に湾曲した厚さが
一定なブロック状をなす亜鉛ニオブ酸鉛−チタン酸鉛の
固溶系単結晶片を作製し、この単結晶片に導電膜をスパ
ッタ法により蒸着する。つづいて、この単結晶片の凹状
面側の導電膜端部上にアース電極１６を前記単結晶片の
湾曲方向と直交する方向に沿って導電ペーストを用いて
接着する。前記アース電極１６を含む前記凹状面側の導
電膜上に前記単結晶片と同様に厚さが一定で表面が凹状
に湾曲し音響マッチング層を形成する。ひきつづき、前
記単結晶片の前記凸状面に位置する前記導電膜端部上に
複数の導体（ケーブル）を有するフレキシブル印刷配線
板１７を前記単結晶片の湾曲方向と直交する方向に沿っ
て導電ペーストを用いて接着した後、これらをバッキン
グ材１２上に接着する。次いで、ブレードを用いて前記
音響マッチング層から前記単結晶片に亘ってその単結晶
片の湾曲方向と平行になるように複数回切断することに
より前記バッキング材１２上に第１、第２電極１３、１
４を有する互いに分離された複数の圧電体１１と前記各
々の圧電体１１上に形成された複数の音響マッチング層
５が形成されたアレイ形超音波プローブを作製する。

【００４３】前記圧電体１１を構成する亜鉛ニオブ酸鉛
−チタン酸鉛の固溶系単結晶としては、チタン酸鉛のモ
ル分率が２０％以下（モル比で０．２０以下）の組成の
ものを用いることが望ましい。特に、一般式Ｐｂ
_A ［（Ｚｎ_1/3 Ｎｂ_2/3 ）_1-x Ｔｉ_x ］_B Ｏ₃ （ただ
し、ｘは０．０５≦ｘ≦０．２０、化学量論比Ａ／Ｂは
０．９８≦Ａ／Ｂ＜１．００を示す）で表される組成か
らなる亜鉛ニオブ酸鉛−チタン酸鉛の固溶系単結晶を用
いることが望ましい。

【００４４】前記圧電体１１の凹状超音波送受信面の中
央部を最大の電気機械結合係数にするには、例えば前記
凹状超音波送受信面の中央部の結晶方位を電気機械結合
係数が最大になるように設定する手法を採用することが
できる。具体的には、前記凹状超音波送受信面の中央部
の結晶方位を（１００）面にすることにより達成され
る。

【００４５】前記圧電体１１は、振動方向の厚さが２０
０〜４００μｍであることが好ましい。

【００４６】前記圧電体１１は、前記凹状超音波送受信
面およびこの超音波送受信面と反対側の凸状面がそれぞ
れ０．４μｍ以下の平均表面粗さを有し、かつ４μｍ以
下の最大表面粗さを有することが好ましい。前記平均表
面粗さおよび前記最大表面粗さがそれぞれ０．４μｍ、
４μｍを越えると感度のような長期信頼性が低下する恐
れがある。より好ましい前記平均表面粗さおよび前記最
大表面粗さはそれぞれ０．３μｍ以下、３μｍ以下であ
る。

【００４７】前記第１、第２電極１３、１４は、例えば
Ｔｉ／Ａｕ、Ｎｉ／ＡｕもしくはＣｒ／Ａｕの二層導体
膜、またはガラスフリットを含む銀焼付け等から形成さ
れる。

【００４８】さらに、本発明に係わる超音波治療装置用
送波器は亜鉛ニオブ酸鉛−チタン酸鉛の固溶系単結晶か
らなる圧電体と、この圧電体の超音波発生面およびこの
超音波発生面と反対側の面にそれぞれ設けられた一対の
電極とを有する複数の超音波発生素子；前記複数の超音
波送発生素子の前記超音波送受信面上にそれぞれ設けら
れた音響マッチング層；を具備し、前記複数の超音波送
発生素子は、稠密配置されることを特徴とするものであ
る。

【００４９】前記圧電体は、超音波発生面が（００１）
面であることが望ましい。このような圧電体は、前記固
溶系単結晶の［００１］軸（Ｃ軸）に対して垂直に切り
出すことにより作製される。

【００５０】前記亜鉛ニオブ酸鉛−チタン酸鉛の固溶系
単結晶としては、チタン酸鉛のモル分率が２０％以下
（モル比で０．２０以下）の組成のものを用いることが
望ましい。特に、一般式Ｐｂ_A ［（Ｚｎ_1/3 Ｎｂ_2/3 ）
_1-x Ｔｉ_x ］_B Ｏ₃ （ただし、ｘは０．０５≦ｘ≦０．
２０、化学量論比Ａ／Ｂは０．９８≦Ａ／Ｂ＜１．００
を示す）で表される組成からなる亜鉛ニオブ酸鉛−チタ
ン酸鉛の固溶系単結晶を用いることが望ましい。

【００５１】前記電極は、例えばＴｉ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａ
ｕもしくはＣｒ／Ａｕの二層導体膜、またはガラスフリ
ットを含む銀焼付け等から形成される。

【００５２】

【作用】本発明に係る前述した図１に示す超音波プロー
ブは、圧電体１として亜鉛ニオブ酸鉛−チタン酸鉛の固
溶系単結晶を用いている。このため、前記固溶系単結晶
からなる圧電体に電極を形成して分極処理を施すことに
より、約２２００の比誘電率が得られる。また、超音波
送受信素子は前記固溶系単結晶を例えば［００１］軸に
対して垂直に切り出して最大の電気機械結合係数（ｋ₃₃
´）が得られる（００１）面が超音波送受信面になる短
冊状の圧電体を形成し、前記圧電体の（００１）面に第
１、第２の電極３、４をそれぞれ形成することにより作
製される。このような超音波送受信素子は、前記圧電体
１の（００１）面の方位を有する超音波送受信面から音
速が２７００〜３０００ｍ／ｓ（周波数定数１３５０〜
１５００Ｈｚ・ｍ）の超音波を放射する。このため、前
記超音波送受信素子は従来のＰＺＴ系セラミックからな
る圧電体を有する超音波送受信素子の同音速（４０００
ｍ／ｓ）に比べて３０％程度遅くすることができる。特
に、音速を速める成分であるチタン酸のモル分率を２０
％以下（モル比で０．２０以下）にした組成の亜鉛ニオ
ブ酸鉛−チタン酸鉛の固溶系単結晶からなる圧電体を用
いれば、音速をより一層遅くすることができる。

【００５３】前記超音波送受信素子から放射された超音
波の周波数をｆ₀、前記超音波の音速をｖ、前記素子の
圧電体の振動方向の厚さをｔとすると、ｆ₀は次式で表
される。

【００５４】ｆ₀＝ｖ／２ｔ したがって、前記超音波送受信素子は前述したように音
速が遅い超音波を放射できるために、前記式より前記周
波数（ｆ₀ ）を低い値にしても、前記素子の圧電体の厚
さを薄くすることができる。換言すれば、高感度信号が
得られる低周波駆動を計れると共に、前記固溶系単結晶
からなる圧電体の振動方向の厚さを薄くすることができ
る。

【００５５】このようなことから、前記固溶系単結晶を
短冊状に加工するに際してダイシングマシーンのブレー
ドの切り込み深さを浅くでき、薄いブレードを用いても
切り込み部の蛇行などを生じることなく真っ直ぐに切り
込むことができる。しかも、切断工程での切り込み量を
少なくすることができる。その結果、製造歩留まりを向
上できると共に、前記圧電体の超音波送受信面を所望の
面積に維持できるため、サイドローブが低減された高性
能の超音波プローブを得ることができる。

【００５６】また、前記固溶系単結晶からなる圧電体は
前述したように従来のＰＺＴ系セラミックからなる圧電
体と同等以上の比誘電率を有するため、送受信回路との
マッチングが良好となる。このため、ケーブルや装置浮
遊容量分による損失を低減でき、高感度の信号を得るこ
とができる。

【００５７】さらに、超音波送受信素子は前記亜鉛ニオ
ブ酸鉛−チタン酸鉛の固溶系単結晶として、Ｐｂ
_A ［（Ｚｎ_1/3 Ｎｂ_2/3 ）_1-x Ｔｉ_x ］_B Ｏ₃ （ただ
し、ｘは０．０５≦ｘ≦０．２０、化学量論比Ａ／Ｂは
０．９８≦Ａ／Ｂ＜１．００を示す）で表される組成か
らなるものを用い、前記固溶系単結晶を例えば［００
１］軸に対して垂直に切り出して最大の電気機械結合係
数（ｋ₃₃´）が得られる（００１）面を超音波送受信面
になる短冊状に加工し、前記（００１）面に電極をそれ
ぞれ形成することにより構成される。このような超音波
送受信素子は、（００１）面の方位を有する超音波送受
信面からの音速は２７００〜３０００ｍ／ｓ（周波数定
数１３５０〜１５００Ｈｚ・ｍ）になり、かつ前記ｋ₃₃
´は８０〜８５％の大きな値が得られる。その結果、前
記超音波送受信素子を備えた超音波プローブを診断装置
に接続し、実可動条件である５０〜１５０Ｖのパルス電
圧、３〜１５ｋＨｚの繰り返し周波数で１０００時間程
度の試験を行った場合でも可動初期の良好な感度を維持
することができる。

【００５８】さらに、前記超音波送受信素子を構成する
圧電体が超音波送受信面およびこの超音波送受信面と反
対側の面がそれぞれ０．４μｍ以下の平均表面粗さを有
し、かつ４μｍ以下の最大表面粗さを有する亜鉛ニオブ
酸鉛−チタン酸鉛の固溶系単結晶から形成されると、例
えば実可動条件である５０〜１５０Ｖのパルス電圧、３
〜１５ｋＨｚの繰り返し周波数で１０００時間以上実作
動試験を行っても感度の低下が認められず、長期信頼性
の優れた超音波プローブを実現できる。

【００５９】本発明に係わる前述した図２に示すアレイ
形超音波プローブは、亜鉛ニオブ酸鉛−チタン酸鉛の固
溶系単結晶からなる圧電体１１を有する超音波送受信素
子を複数配列した形態をなし、前記各圧電体１１は超音
波送受信面がその配列方向と直交する方向に凹状に湾曲
すると共に厚さが一定な形状を有し、かつ前記凹状超音
波送受信面の中央部が最大の電気機械結合係数を有す
る。このため、前記超音波送受信素子は前記圧電体１１
の凹状超音波送受信面の端部に向かうに伴って電気機械
結合係数を減少させることができる。その結果、前記各
超音波送受信素子の超音波送受信面から放射される超音
波の周波数を一定にでき、かつ前記電気機械結合係数に
分布を持たせることができる。したがって、サイドロー
ブを抑制でき、高分解能の音波ビームを得ることができ
る。また、図２に示すアレイ型超音波プローブは、前述
した図１の超音波プローブのように音響レンズを使用せ
ずに超音波ビームを集束することができる。このため、
前記音響レンズの配置に起因する超音波減衰を回避で
き、Ｓ／Ｎを著しく向上することができる。

【００６０】また、前記超音波送受信素子を構成する圧
電体が凹状超音波送受信面およびこの超音波送受信面と
反対側の面（凸状面）がそれぞれ０．４μｍ以下の平均
表面粗さを有し、かつ４μｍ以下の最大表面粗さを有す
る固溶系単結晶から形成されると、例えば実可動条件で
ある５０〜１５０Ｖのパルス電圧、３〜１５ｋＨｚの繰
り返し周波数で１０００時間以上実作動試験を行っても
感度の低下が認められず、長期信頼性の優れたアレイ形
超音波プローブを実現できる。

【００６１】さらに、本発明に係る超音波治療装置用送
波器は亜鉛ニオブ酸鉛−チタン酸鉛の固溶系単結晶から
なる圧電体の超音波発生面およびこれと反対側の面に電
極をそれぞれ形成した超音波発生素子を備え、前記固溶
系単結晶からなる圧電体に大きな電界を印加することが
できるため、放射音波を増大することができる。その結
果、前記超音波発生素子を有する超音波治療装置用送波
器は体外から衝撃波を照射して肝石や胆石を微細に砕き
自然に排出させて治療する結石破砕装置や温熱治療装置
の衝撃波源に応用することができる。

【００６２】また、前記固溶系単結晶からなる圧電体は
比重が８．２〜８．５で、比重が７．５〜８．０である
従来のＰＺＴ系セラミックからなる圧電体の比重（７．
５〜８．０）とほぼ近似し、かつ前記従来の圧電体に比
べて薄くすることができるため、重量で約２５％軽量化
できる。その結果、前記固溶系単結晶からなる圧電体を
有する超音波発生素子が組み込まれた送波器は、軽量の
結石破砕装置を実現できる。このような結石破砕装置
は、結石の微妙な位置に前記送波器を制御性よく合わせ
ることができるため、破砕効率を向上でき、かつ駆動機
構の小型化を達成することができる。

【００６３】

【実施例】以下、本発明の好ましい実施例を詳細に説明
する。

【００６４】実施例１ まず、出発原料として化学的に高純度のＰｂＯ、Ｚｎ
Ｏ、Ｎｂ₂ Ｏ₅ 、ＴｉＯ₂ を用い、これらを純度補正し
た後、亜鉛ニオブ酸鉛（ＰＺＮ）とチタン酸鉛（ＰＴ）
とが９１：９のモル比になるように秤量し、さらにフラ
ックスとして同量のＰｂＯを添加した。この粉末に純水
を添加し、ＺｒＯ₂ ボールが収納されたボールミルで１
時間混合した。得られた混合物の水分を除去した後、ラ
イカイ機で十分に粉砕し、さらにゴム型容器に入れ、２
トン／ｃｍ² の圧力でラバープレスを行った。ゴム型か
ら取り出した固形物６００ｇを直径５０ｍｍ、容量２５
０ｃｃの白金製容器に入れ、９００℃の温度まで４時間
で昇温して溶解した。冷却後、さらに前記固形物を４０
０ｇ入れ、白金製の蓋で密閉し、前記容器を電気炉の中
心に設置した。１２５０℃の温度まで５時間で昇温し、
０．８℃／ｈｒの速度で８００℃まで徐冷した後、室温
まで冷却した。その後、前記白金製容器に２０％濃度の
硝酸を添加し、８時間煮沸して固溶系単結晶を取り出し
た。

【００６５】このようなフラックス法により得られた単
結晶は、不定形であるが、大きさが約７ｍｍ角であっ
た。前記単結晶の一部を粉砕し、Ｘ線回折を行なったと
ころ、良好な結晶構造を有することが確認された。前記
粉末をＩＣＰにより化学分析を行ったところ、亜鉛ニオ
ブ酸鉛（ＰＺＮ）とチタン酸鉛（ＰＴ）とが９１：９の
モル比を有する９１ＰＺＮ−９ＰＴの組成であることが
確認された。

【００６６】また、前記単結晶をラウエカメラを用いて
［００１］軸の方位を出し、この軸に垂直にカッタで切
断した。つづいて、切断した単結晶片の（００１）面に
Ｎｉ／Ａｕ電極をスパッタ法によりそれぞれ形成し、１
５０〜２００℃のシリコーンオイル中で１ｋＶ／ｍｍの
電界を３０分間印加した後、電界を加えながら冷却し
た。この単結晶片を短冊状に切断し、容量と共振、***
振周波数を測定した。その結果、比誘電率は２２００、
音速は２８５０ｍ／ｓ、電気機械結合係数ｋ₃₃´は８０
〜８５％であることが確認された。

【００６７】さらに、前記９１ＰＺＮ−９ＰＴの単結晶
を用いて前述した図１に示すアレイ形超音波プローブを
作製した。すなわち、まず前記９１ＰＺＮ−９ＰＴの単
結晶から厚さが４００μｍの単結晶片を形成し、この単
結晶片の（００１）面にＴｉ／Ａｕ導体膜をスパッタ法
により蒸着し、選択エッチング技術により前記圧電体の
一方の側面に位置する前記導電膜部分および前記送受信
面と反対側の面に位置する前記導電膜の一部を除去し
た。つづいて、前記単結晶片の超音波送受信面側の前記
導電膜端部上にアース電極７を例えばはんだ付けにより
接続した後、前記単結晶片の超音波送受信面となる面に
音響マッチング層を形成した。ひきつづき、前記単結晶
片の前記超音波送受信面と反対側の面に位置する前記導
電膜端部上にフレキシブル印刷配線板８を例えばはんだ
付けにより接続した後、これらをバッキング材２上に接
着した。その後、厚さ３０μｍのブレードを用いて前記
音響マッチング層から前記単結晶片の前記超音波送受信
面と反対側の面に位置する前記導電膜に亘って１ｍｍの
切り込み深さ、０．１９ｍｍのピッチで短冊状に切断し
た。この切断により、前記バッキング材２上に第１、第
２電極３、４を有する互いに分離された複数の圧電体１
と前記各圧電体１上にそれぞれ配置された複数の音響マ
ッチング層５が形成された。切断後の切り込み部を上面
および側面から顕微鏡により観察したところ、蛇行や傾
斜した切り込みは全く認められなかった。次いで、前記
音響マッチング層４に音響レンズ６を形成し、静電容量
１１０ｐＦ／ｍ、長さ２ｍのケーブルを前記フレキシブ
ル印刷配線板７に接続してアレイ形超音波プローブを製
造した。

【００６８】前記超音波プローブについてパルスエコー
法により反射エコーを測定したところ、全ての超音波送
受信素子から約２．５ＭＨｚの中心周波数を有するエコ
ーが受信された。

【００６９】比較例 比誘電率２０００のＰＺＴ系セラミックからなる圧電体
を用いて実施例１と同様な超音波プローブを作製した。
この時、約２．５ＭＨｚの中心周波数を有するエコーを
放射する超音波プローブを作製するには、前記ＰＺＴ系
セラミックからなる圧電体の厚さを６００μｍにする必
要がある。したがって、ブレードを用いて圧電体となる
ＰＺＴ系セラミックブロックを切断する際にはその切り
込み深さを１．３ｍｍ程度にする必要があり、厚さ３０
μｍのブレードを用いて音響マッチング層から前記セラ
ミックブロック下面の導電膜に亘って短冊状に切断する
と前記ブレードが前記セラミックブロックに対して斜め
に入り込んだ。その結果、切断後の超音波送受信素子の
インピーダンス特性を測定すると、５％の素子が不良に
なった。

【００７０】そこで、厚さが５０μｍのブレードに交換
し、同様に切断した後、前述した図１と同様な構造のア
レイ形超音波プローブを作製し、パルスエコーを測定し
た。その結果、実施例１に比べてエコー感度が−３ｄＢ
低下した。

【００７１】また、前記実施例１および比較例の超音波
プローブについて音場測定を行い、印加パルスの遅延時
間を制御してビームを６０゜偏向させた状態でサイドロ
ーブレベルを測定した。その結果、実施例１の超音波プ
ローブは比較例の同プローブに比べてサイドローブレベ
ルが約１０ｄＢ低くなった。

【００７２】さらに、前記実施例１および比較例の超音
波プローブについて縦波音速を調べた。その結果、実施
例１は２８００ｍ／ｓの音速になり、比較例の音速が４
０００ｍ／ｓであるのに比べて約３０％遅くなることが
確認された。

【００７３】実施例２〜４、参照例１〜３ まず、出発原料として化学的に高純度のＰｂＯ、Ｚｎ
Ｏ、Ｎｂ₂ Ｏ₅ 、ＴｉＯ₂ を用い、これらを純度補正し
た後、これらの原料を所定量秤量し、さらにフラックス
として同量のＰｂＯを添加した。この粉末にアルコール
を添加し、ＺｒＯ₂ ボールが収納されたボールミルで１
時間混合した。得られた混合物のアルコールを除去した
後、ライカイ機で十分に粉砕し、さらにゴム型容器に入
れ、２トン／ｃｍ² の圧力でラバープレスを行なった。
ゴム型から取り出した固形物１０００ｇを直径５０ｍ
ｍ、容量２５０ｃｃの白金製容器に入れ、白金製の蓋で
密閉した後、前記容器を電気炉の中心に設置した。１０
００〜１３００℃の温度まで５時間で昇温し、０．５〜
５℃／ｈｒの速度で７００〜９００℃まで徐冷した。こ
の徐冷工程において、前記容器の下部から１０〜１００
０ｍｌ／ｍｉｎの流速で空気を吹き付け、容器下部を選
択的に冷却し、その後室温まで冷却した。その後、前記
白金製容器に５０％濃度の硝酸を添加し、８時間煮沸し
てフラックス部分を溶解し、固溶系単結晶を取り出し
た。

【００７４】前記単結晶の作製工程において、フラック
ス量、最高温度、冷却速度を制御することにより淡黄色
から濃褐色のペロブスカイト構造を有する６種の単結晶
が得られた。これらの単結晶はいずれも不定形である
が、大きさが約１０ｍｍ角であった。前記各単結晶の一
部を粉砕し、Ｘ線回折を行なったところ、良好な結晶構
造を有することが確認された。前記各粉末をＩＣＰによ
り化学分析を行った結果を下記表１に示す。なお、前記
各単結晶の組成をＰｂ_A ［（Ｚｎ_1/3 Ｎｂ_2/3 ）_1-x Ｔ
ｉ_x ］_B Ｏ₃ で表した時の化学量論比Ａ／Ｂを表１に併
記する。

【００７５】

【表１】

【００７６】また、前記各々の単結晶をラウエカメラを
用いて［００１］軸方位を出し、この軸に垂直にカッタ
で切断した。つづいて、切断した単結晶片の（００１）
面にＮｉ／Ａｕ電極をスパッタ法によりそれぞれ形成
し、１５０〜２００℃のシリコーンオイル中で１ｋＶ／
ｍｍの電界を３０分間印加した後、電界を加えながら冷
却した。これら単結晶片を短冊状に切断し、容量と共
振、***振周波数を測定した。その結果、比誘電率は２
０００〜２８００、音速は２７００〜３０００ｍ／ｓ、
電気機械結合係数ｋ₃₃´は８０〜８５％であることが確
認された。

【００７７】さらに、前記各々の単結晶を用いて前記実
施例１と同様な方法により前述した図１に示すアレイ形
超音波プローブ（素子数９６個）を作製した。これら超
音波プローブについてパルスエコー法により反射エコー
を測定した。その結果、全ての超音波送受信素子から約
２．５ＭＨｚの中心周波数を有するエコーが受信され
た。

【００７８】前記素子数９６個の実施例２〜４および参
照例１〜３のアレイ形超音波プローブについて、繰り返
し周波数５ｋＨｚ、電圧１００Ｖ、負荷比（デューテイ
レシオ）１：１、パルス幅０．２μｓの矩形２波で１０
００時間の実作動試験を行った後、反射エコーの波高値
を測定した。得られた波高値が実作動試験前の値に比べ
て３０以上劣化した場合を故障と定義してプローブに組
み込まれた９６個の素子の故障数を調べた。その結果を
下記表２に示す。

【００７９】

【表２】

【００８０】前記表２から明らかなように化学量論比Ａ
／Ｂが０．９８≦Ａ／Ｂ＜１．００である単結晶からな
る圧電体を用いた実施例２〜４のアレイ形超音波プロー
ブは、長期間に亘って高い信頼性を維持できることがわ
かる。

【００８１】なお、前記亜鉛ニオブ酸鉛−チタン酸鉛の
固溶系単結晶中のチタン酸鉛量を５〜２０モル％（モル
比で０．０５〜０．２０）の範囲で変化させ、これら単
結晶から切り出した圧電体を用いて図１に示す超音波プ
ローブを作製した。このような超音波プローブは、前記
化学量論比に起因する長期信頼性に及ぼす効果はほぼ同
等であった。

【００８２】実施例５ 図３は、超音波プローブおよび前記プローブの発熱制御
機能を備えた装置を示す概略図である。図中の２１は、
前記実施例１と同様な９１ＰＺＮ−９ＰＴの固溶系単結
晶からなる圧電体を有する前述した図１と同様な構造の
アレイ形超音波プローブである。前記９１ＰＺＮ−９Ｐ
Ｔの固溶系単結晶は、温度−比誘電率の関係を示す図４
のように５０〜９０℃において菱面体晶から正方晶への
相変態が生じ、これに伴ってその比誘電率が高くなると
いう性質を有する。具体的には、前記固溶系単結晶は室
温では比誘電率が約２２００であるが、５０℃では前記
相変態により比誘電率が３５００と高くなる。

【００８３】パルスを発生するためのパルサ２２は、前
記超音波プローブ２１にケーブルを通して接続されてい
る。レシーバ２３は、前記超音波プローブ２１にケーブ
ルを通して接続されている。インピーダンス検出回路２
４は、前記超音波プローブ２１にケーブルを通して接続
されている。前記インピーダンス検出回路２４は、前記
超音波プローブ２１の比誘電率に相関するインピーダン
スの変化を検出する。前記検出回路２４は、前記パルサ
２２に接続され、前記パルサ２２から前記超音波プロー
ブ２１に印加するパルス（電圧）は前記検出回路２４に
よる検出結果に基づいて制御されるにようになってい
る。例えば前記検出回路２４は、前記超音波プローブ２
１が前記超音波プローブ２１に電圧を印加しない時のイ
ンピーダンスに比べて２／３倍のインピーダンスになっ
た時に、前記パルサ２２から前記超音波プローブ２１に
印加する電圧が１／２になるように制御する。

【００８４】前述した図３に示す装置の前記超音波プロ
ーブ２１を体腔内に挿入し、パルサ２２から前記超音波
プローブ２１に電圧を印加すると、発生した超音波は生
体の所定部位に照射される以外、一部は超音波プローブ
２１の構成部材である音響マッチング層、音響レンズ、
バッキング材に吸収されて熱を発生する。このように超
音波プローブ２１が発熱すると、前記超音波プローブ２
１の圧電体である固溶系単結晶の比誘電率が前述した図
４に示すように高くなる。前記超音波プローブ２１に
は、前記比誘電率に相関するインピーダンスを検出する
インピーダンス検出回路２４が接続されているため、前
記超音波プローブ２１の圧電体の比誘電率がある値以上
（例えば３５００以上）になると、前記インピーダンス
検出回路２４から前記パルサ２２に信号が出力され、前
記パルサ２２から前記超音波プローブ２１に前記信号出
力前の電圧の１／２の電圧が印加され、前記超音波プロ
ーブ２１の過度の発熱が抑制される。

【００８５】事実、前記超音波プローブ２１の音響レン
ズ表面に熱電対を設置し、空中放置における発熱測定を
行った。その結果、図５に示す外気との温度差の時間変
化を表した特性図が得られた。この図５から、実施例５
の装置では超音波プローブ２１が室温より１０℃高くな
った時にインピーダンス検出回路２４からパルサ２２に
フィードバックが加わり、駆動電圧を１／２にしたこと
により発生した熱を低下できることがわかる。

【００８６】以上のように、実施例５の装置によれば超
音波プローブ２１の発熱量を前記超音波プローブ２１に
組み込まれた９１ＰＺＮ−９ＰＴの固溶系単結晶からな
る圧電体の比誘電率の変化からインピーダンス検出回路
２４によりインピーダンス変化として読み取ることがで
きる。したがって、前記インピーダンス変化に基づいて
前記超音波プローブ２１への駆動電圧を制御できるた
め、患者の体腔部が過度に加熱されて低温火傷を生じる
のを防止することができる。しかも、前記超音波プロー
ブ２１の低発熱時には駆動電圧を上げることができるた
め高感度の信号を得ることができ、診断能を向上でき
る。例えば、前記インピーダンス検出回路を備えない場
合には、超音波プローブの発熱の関係から駆動電圧を５
７Ｖに抑える必要があったが、実施例５の装置ではそれ
よりも４．５ｄＢ高い９６Ｖに設定することが可能とな
る。これにより、０．５ｄＢ／ＭＨｚ・ｃｍのファント
ムを用いた感度測定において、前記駆動電圧を５７Ｖし
か設定できない従来技術に比べて駆動電圧を９６Ｖまで
上げられる実施例５の装置では約２ｃｍペネトレーショ
ンを向上することができた。

【００８７】実施例６ 前記実施例１により得られた９１ＰＺＮ−９ＰＴの単結
晶を（００１）面で切り出した後、（００１）面が中央
部となるように凹状に加工して厚さが一定の単結晶片を
形成した。この単結晶片の凹状面（超音波放射面）およ
び凸状面にＴｉ／Ａｕ電極をスパッタ法によりそれぞれ
形成し、１５０〜２００℃のシリコーンオイル中で１ｋ
Ｖ／ｍｍの電界を３０分間印加した後、電界を加えなが
ら冷却した。前記単結晶片および前記電極を前記単結晶
片の前記湾曲方向に沿って短冊状に切断して湾曲した圧
電体の凹状面および凸状面に電極が形成された超音波送
受信素子を作製した。前記素子を前記圧電体の湾曲方向
と直交する方向に５つに分割して電気機械結合係数（ｋ
₃₃´）を測定した。その結果を図６に示す。なお、図６
中の横軸は前記超音波送受信素子の湾曲方向の長さをｌ
₀とし、前記素子の一端から前記５つの分割素子までの
長さをｌとした時、前記各分割素子の位置をｌ／ｌ₀と
して示している。

【００８８】図６から明らかなように超音波放射面が凹
状で、その中央部が（００１）面の結晶方位を有する圧
電体を備えた素子は、中心部の電気機械結合係数が大き
く、端部に向かうにしたがって小さくなることがわか
る。

【００８９】また、（００１）面が中央部となるように
凹状に加工した厚さが一定の９１ＰＺＮ−９ＰＴの単結
晶片を用いて前述した図２に示すアレイ形超音波プロー
ブを作製した。すなわち、前記単結晶片の凹状面および
凸状面にＴｉ／Ａｕの導電膜をスパッタ法によりそれぞ
れ形成した。つづいて、前記単結晶片の凹状面側の導電
膜端部上にアース電極１７を前記単結晶片の湾曲方向と
直交する方向に沿って導電ペーストを用いて接着した。
前記アース電極１７を含む前記凹状面側の導体膜上に前
記単結晶片と同様に表面が凹状に湾曲すると共に厚さが
一定な形状を有する音響マッチング層を形成した。ひき
つづき、前記単結晶片の前記凸状面に位置する前記導電
膜端部上に複数の導体（ケーブル）を有するフレキシブ
ル印刷配線板１８を前記単結晶片の湾曲方向と直交する
方向に沿って導電ペーストを用いて接着した後、これら
をバッキング材１２上にエポキシ樹脂で接着する。次い
で、厚さ３０μｍのブレードを用いて前記音響マッチン
グ層から前記単結晶片に亘って前記単結晶片の湾曲方向
と平行になるように１ｍｍの切り込み深さ、０．１９ｍ
ｍのピッチで短冊状に切断した。この切断により、前記
バッキング材１２上に第１、第２電極１３、１４を有す
る互いに分離された複数の圧電体１１と前記各々の圧電
体１１上に配置された複数の音響マッチング層５が形成
され、アレイ形超音波プローブが作製された。

【００９０】前記超音波プローブを用いて前記圧電体の
切断方向の音場測定を行った。その結果を図７に示す。

【００９１】また、比較のために前記９１ＰＺＮ−９Ｐ
Ｔの単結晶からなる圧電体を平板状にし、かつ音響マッ
チング層に音響レンズを設けた以外、前述した図２と同
様な構造のアレイ形超音波プローブを作製した。この超
音波プローブについて同様な音場測定を行った結果を図
８に示す。

【００９２】図７、図８から明らかなように実施例６の
超音波プローブは平板状の圧電体を有する超音波プロー
ブに比べて特に−２０ｄＢのビーム幅に顕著な差が認め
られた。また、実施例６の超音波プローブはサイドロー
ブレベルが抑制されることにより細いビームになること
が確認された。さらに、実施例６の超音波プローブは信
号のＳ／Ｎが音響レンズを用いた超音波プローブに比べ
て５ｄＢ向上したことが確認された。

【００９３】なお、実施例６において前記アース電極板
１７と前記導体膜との接合、および前記フレキシブル印
刷配線板１８と前記導体膜との接合は導電ペーストによ
る方法以外に、はんだ付けや抵抗溶接による方法で行っ
てもよい。

【００９４】実施例７ 前記実施例１により得られた９１ＰＺＮ−９ＰＴの単結
晶をラウエカメラを用いて［００１］軸方位を出し、こ
の軸に垂直にカッタで切断した。つづいて、切断した単
結晶片の（００１）面にＴｉ／Ａｕ電極をスパッタ法に
よりそれぞれ形成し、１５０〜２００℃のシリコーンオ
イル中で１ｋＶ／ｍｍの電界を３０分間印加した後、電
界を加えながら冷却した。ひきつづき、前記単結晶片お
よび前記電極を正六角形状に切断し、容量と共振、***
振周波数を測定した。その結果、比誘電率は２２００、
音速は３２５０ｍ／ｓ、電気機械結合係数ｋ_t は７０〜
７５％であることが確認された。

【００９５】さらに、前記９１ＰＺＮ−９ＰＴの単結晶
を用いて図９に示す複数の超音波発生素子３５を備えた
送波器３６を作製した。すなわち、図１０に示すように
前記単結晶から共振周波数が５００ｋＨｚになるように
厚さを設定した圧電体３１を切り出し、この圧電体３１
の（００１）面にＴｉ／Ａｕ電極３２、３３をスパッタ
法によりそれぞれ形成した後、前記上部電極３２側に音
響マッチング層３４を形成して超音波発生素子３５を作
製した。つづいて、複数の前記超音波発生素子３５を直
径３３０ｍｍ、曲率２６０ｍｍの略球殻状に稠密配置し
て前述した図９に示す送波器３６を構成した。

【００９６】前記送波器３６は、前記各々の超音波発生
素子３５に組み込まれる前記圧電体３１の厚さが約３．
２ｍｍと従来のＰＺＴ系セラミックからなる圧電体の厚
さ（４ｍｍ）に比べて薄くできた。その結果、前記各々
の超音波発生素子３５はＰＺＴ系セラミックからなる圧
電体を有する超音波発生素子に比べて前記圧電体３１に
電極３２、３３から２５％大きい電界を印加することが
でき、放射音圧も電界に比例して増大させることができ
た。また、前記各々の超音波発生素子３５の重量は従来
の超音波発生素子に比べて２０％低減でき、軽量化が図
られた。

【００９７】なお、前記実施例７では正六角形の超音波
発生素子を用い、これらを稠密配置して送波器を構成し
たが、これに限定されない。例えば、図１１（ａ）、
（ｂ）に示すように扇型の超音波発生素子３５₁ および
長さの異なる対向辺を曲率とした台形状の超音波発生素
子３５₂ を球殻状に稠密配置して送波器３６を構成して
もよい。

【００９８】実施例８〜１２および参照例４、５ まず、出発原料として化学的に高純度のＰｂＯ、Ｚｎ
Ｏ、Ｎｂ₂ Ｏ₅ 、ＴｉＯ₂ を用い、これらを純度補正し
た後、これらの原料を所定量秤量し、さらにフラックス
として同量のＰｂＯを添加した。この粉末にアルコール
を添加し、ＺｒＯ₂ ボールが収納されたボールミルで１
時間混合した。得られた混合物のアルコールを除去した
後、ライカイ機で十分に粉砕し、さらにゴム型容器に入
れ、２トン／ｃｍ² の圧力でラバープレスを行なった。
ゴム型から取り出した固形物１０００ｇを直径５０ｍ
ｍ、容量２５０ｃｃの白金製容器に入れ、白金製の蓋で
密閉した後、前記容器を電気炉の中心に設置した。１０
００〜１２８０℃の温度まで５時間で昇温し、０．５〜
５℃／ｈｒの速度で７００〜９００℃まで徐冷した。そ
の後、前記白金製容器に３０％濃度の硝酸を添加し、２
４時間煮沸してフラックス部分を溶解し、固溶系単結晶
を取り出した。このようなフラックス法により得られた
単結晶は、不定形であるが、大きなものは約２０ｍｍ角
であった。前記単結晶の一部を粉砕し、Ｘ線回折を行な
ったところ、良好な結晶構造を有することが確認され
た。前記粉末をＩＣＰにより化学分析を行ったところ、
亜鉛ニオブ酸（ＰＺＮ）とチタン酸鉛（ＰＴ）とが９
１：９のモル比を有する９１ＰＺＮ−９ＰＴの組成であ
ることが確認された。

【００９９】次いで、前記単結晶をラウエカメラを用い
て［００１］軸方位を出し、この軸に垂直にカッタで切
断して７個の単結晶片を形成した。前記各単結晶片の両
面、つまり超音波送受信面および前記送受信面の反対側
の面となる（００１）面を＃４００〜＃８０００のアル
ミナまたは炭化珪素からなる砥粒または１μｍの酸化セ
リウム粉末を含むペーストで研摩した。研摩後の各単結
晶片の表面粗さを接触式表面粗さ計を用いて１ｍｍの間
隔で１０箇所測定した。この測定による最大表面粗さお
よび平均表面粗さを下記表３に示す。つづいて、前記各
単結晶片の研摩面（両面）にＮｉ／Ａｕ電極をスパッタ
法によりそれぞれ形成し、１５０〜２００℃のシリコー
ンオイル中で０．５〜１ｋＶ／ｍｍの電界を１５分間印
加した後、電界を加えながら４０℃まで冷却した。ひき
つづき、前記各単結晶片および前記電極を８０μｍの幅
に短冊状に切断し、容量と共振、***振周波数を測定し
た。その結果、比誘電率は３０００、音速は２８５０ｍ
／ｓであることが確認された。また、電気機械結合係数
ｋ₃₃´は下記表３に示す値であった。

【０１００】

【表３】

【０１０１】さらに、前記単結晶を振動方向の厚さが３
００μｍになるように切りだし、前述したように砥粒ま
たは酸化セリユウム粉末を含むペーストで研摩して作製
した７個の単結晶片を用いて実施例１とほぼ同様な方法
により９６個の素子数を有する前述した図１に示すアレ
イ形超音波プローブを作製した。なお、３０μｍ幅のブ
レードによる切断は１ｍｍの切り込み深さ、０．１３ｍ
ｍのピッチで行なわれ、得られた９６個の圧電体は幅が
約８０μｍであった。

【０１０２】前記各超音波プローブについてパルスエコ
ー法により反射エコーを測定したところ、全ての超音波
送受信素子から約２．５ＭＨｚの中心周波数を有するエ
コーが受信された。

【０１０３】また、前記各アレイ形超音波プローブにつ
いて、繰り返し周波数５ｋＨｚ、電圧１００Ｖ、負荷比
（デューテイレシオ）１：１、パルス幅０．２μｓの矩
形２波で１０００時間および３０００時間の実作動試験
を行った後、反射エコーの波高値を測定した。得られた
波高値が実作動試験前の値に比べて３０以上劣化した場
合を故障と定義してプローブに組み込まれた９６個の素
子の故障数を調べた。その結果を下記表４に示す。

【０１０４】

【表４】

【０１０５】前記表３および表４から明らかなように超
音波送受信面およびこの超音波送受信面の反対側の面の
平均表面粗さがそれぞれ０．４μｍ以下、最大表面粗さ
が４μｍ以下の圧電体を有する実施例８〜１２の超音波
プローブは、高い電気機械結合係数ｋ₃₃´を有するばか
りか、長期信頼性が優れていることがわかる。

【０１０６】なお、前記亜鉛ニオブ酸鉛−チタン酸鉛の
固溶系単結晶中のチタン酸鉛量を５〜２０モル％（モル
比で０．０５〜０．２０）の範囲で変化させたり、マグ
ネシウムまたはジルコニウムを一部含む組成の単結晶か
ら切り出した圧電体を用いて図１に示す超音波プローブ
を作製した。このような超音波プローブは、前記表面粗
さに起因する長期信頼性に及ぼす効果ほぼ同等であっ
た。

【０１０７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば低
周波駆動を達成できると共に、圧電体の振動方向の厚さ
を薄くできるため、送受信回路とのマッチングが取り易
く、さらに高感度化が可能な超音波送受信素子を提供で
きる。

【０１０８】また、本発明によれば低周波駆動を達成で
きると共に、圧電体の振動方向の厚さを薄くできるた
め、送受信回路とのマッチングが取り易く、さらに高感
度化が可能な超音波送受信素子を備え、医療用診断装置
等に有用な超音波プローブを提供できる。

【０１０９】さらに、強力で制御性が良好な衝撃波を発
生することができ、結石破砕装置や温熱治療装置の衝撃
波源として好適な超音波治療装置用送波器を提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる超音波プローブを示す斜視図。

【図２】本発明に係わる別の超音波プローブを示す斜視
図。

【図３】本発明の実施例５における超音波プローブの発
熱制御機能を備えた装置を示す概略図。

【図４】図３の超音波プローブに用いられる圧電体とし
ての９１ＰＺＮ−９ＰＴの固溶系単結晶における温度−
比誘電率の関係を示す線図。

【図５】図３の装置において超音波プローブの発熱制御
を行った時の外気との温度差の時間変化を示す特性図。

【図６】超音波送受信面が凹状をなす圧電体を有する超
音波送受信素子における前記圧電体のスライス方向に沿
う電気機械結合係数を示す特性図。

【図７】実施例６のアレイ形超音波プローブにおける音
場測定結果を示す特性図。

【図８】平板状の圧電体を有するアレイ形超音波プロー
ブにおける音場測定結果を示す特性図。

【図９】本発明の実施例７にける送波器を示す平面図。

【図１０】図９の送波器に組み込まれる超音波発生素子
を示す斜視図。

【図１１】本発明の送波器の他の例を示す概略図。

【符号の説明】

１、１１、３１…圧電体、３、４、１３、１４、３２、
３３…電極、５、１５、３４…音響マッチング層、６…
音響レンズ、７、１６…アース電極、８、１７…フレキ
シブル印刷配線板、３６…送波器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 泉 守 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 橋本 新一 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株式会社東芝研究開発センター内 (56)参考文献 特開 昭54−34581（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−115582（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−115586（ＪＰ，Ａ) 実開 昭56−71211（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) A61B 8/00 - 8/15 G01N 29/00 - 29/28 H01L 41/18 H04R 17/00 332 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 亜鉛ニオブ酸鉛−チタン酸鉛の固溶系単
   結晶からなる圧電体と、この圧電体の超音波送受信面お
   よび前記送受信面と反対側の面にそれぞれ設けられた一
   対の電極とを有し、 前記圧電体は、前記超音波送受信面およびこの超音波送
   受信面と反対側の面がそれぞれ０．４μｍ以下の平均表
   面粗さを有し、かつ４μｍ以下の最大表面粗さを有する
   ことを特徴とする超音波送受信素子。
2. 【請求項２】 前記亜鉛ニオブ酸鉛−チタン酸鉛の固溶
   系単結晶は、 Ｐｂ_A ［（Ｚｎ_1/3 Ｎｂ_2/3 ）_1-x Ｔｉ_x ］_B Ｏ₃ （た
   だし、ｘは０．０５≦ｘ≦０．２０、化学量論比Ａ／Ｂ
   は０．９８≦Ａ／Ｂ＜１．００を示す）で表される組成
   からなることを特徴とする請求項１記載の超音波送受信
   素子。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載の超音波送受信素
   子と、 前記超音波送受信素子の前記超音波送受信面上に設けら
   れた音響マッチング層と、 前記音響マッチング層上に設けられた音響レンズと、 前記超音波送受信素子の前記超音波送受信面と反対側の
   面上に設けられたバッキング材とを具備したことを特徴
   とする超音波プローブ。
4. 【請求項４】 亜鉛ニオブ酸鉛−チタン酸鉛の固溶系単
   結晶からなる圧電体と、この圧電体の超音波送受信面お
   よびこの超音波送受信面と反対側の面にそれぞれ設けら
   れた一対の電極とを有する超音波送受信素子； 前記超音波送受信素子の前記超音波送受信面上に設けら
   れた音響マッチング層； 前記音響マッチング層上に設けられた音響レンズ； 前記超音波送受信素子の前記超音波送受信面と反対側の
   面上に設けられたバッキング材； を具備したことを特徴とする超音波プローブ。
5. 【請求項５】 前記亜鉛ニオブ酸鉛−チタン酸鉛の固溶
   系単結晶は、 Ｐｂ_A ［（Ｚｎ_1/3 Ｎｂ_2/3 ）_1-x Ｔｉ_x ］_B Ｏ₃ （た
   だし、ｘは０．０５≦ｘ≦０．２０、化学量論比Ａ／Ｂ
   は０．９８≦Ａ／Ｂ＜１．００を示す）で表される組成
   からなることを特徴とする請求項４記載の超音波プロー
   ブ。
6. 【請求項６】 亜鉛ニオブ酸鉛−チタン酸鉛の固溶系単
   結晶からなる圧電体と、この圧電体の超音波送受信面お
   よびこの超音波送受信面と反対側の面にそれぞれ設けら
   れた一対の電極とを有する複数の超音波送受信素子； 前記複数の超音波送受信素子の前記超音波送受信面上に
   それぞれ設けられた音響マッチング層； 前記音響マッチング層上に設けられた音響レンズ； 前記各超音波送受信素子の前記超音波送受信面と反対側
   の面上に設けられたバッキング材； を具備し前記圧電体は、前記超音波送受信面がその配列
   方向と直交する方向に凹状に湾曲すると共に厚さが一定
   な形状を有し、かつ前記凹状超音波送受信面の中央部が
   最大の電気機械結合係数を有することを特徴とする超音
   波プローブ。
7. 【請求項７】 亜鉛ニオブ酸鉛−チタン酸鉛の固溶系単
   結晶からなる圧電体と、この圧電体の超音波発生面およ
   びこの超音波発生面と反対側の面にそれぞれ設けられた
   一対の電極とを有する複数の超音波発生素子； 前記複数の超音波送発生素子の前記超音波送受信面上に
   それぞれ設けられた音響マッチング層； を具備し、 前記複数の超音波送発生素子は、稠密配置されることを
   特徴とする超音波治療装置用送波器。