JP3943630B2

JP3943630B2 - Ultrasonic transducer

Info

Publication number: JP3943630B2
Application number: JP27231396A
Authority: JP
Inventors: 新一橋本; 智手塚; 功小宮山
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1996-10-15
Filing date: 1996-10-15
Publication date: 2007-07-11
Anticipated expiration: 2016-10-15
Also published as: JPH10126889A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、圧電セラミックスから形成された圧電振動子を使用して超音波を出力し、その反射した超音波を受信する超音波トランスジューサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波診断装置や探傷装置等に使用されている超音波探触子では、超音波の出力及び受信を行うために圧電振動子が使用されているが、一般にこの圧電振動子の材料として圧電セラミックスが使用されている。
近年、圧電セラミックスと高分子材料とを複合化した超音波探触子用の複合圧電体が開発されている。この複合圧電体は、柱状の圧電セラミックスの間隙に樹脂を注入し、前面( 超音波の出力面 )及び背面( 超音波の出力面の反対側の面 )に電極を形成したもので、この複合圧電体を圧電板( 圧電振動子 )として使用する超音波プローブが開発されている。
【０００３】
複合圧電体は、一般に通常の( 圧電セラミックスのみからなる )圧電体に比べて音響インピーダンスが小さく、電気機械結合係数( 電気と超音波の変換効率 )が高いため、高感度な高分解能を備えた要素として期待されている。
しかし、この複合圧電体の製法には各種方法があるが、一般的に製造された圧電セラミックス板を加工して複合圧電体を製造するものが多い。
【０００４】
複合圧電体は、圧電セラミックスを柱状でかつ小形化することによって、圧電体としての電気機械結合係数を高くして感度を増大させることができる。この圧電体に占める圧電セラミックスの比率を小さくして、圧電板( 圧電振動子 )としての音響インピーダンスを低減することによって、撮影対象としての生体との音響整合が向上する。
【０００５】
この複合圧電体を使用した超音波プローブを実現する手段として、特開昭６０−８５６９９号や特開平４−２０００９７号等に記載されているように、圧電セラミックス板を分割し、間隙に樹脂を充填して複合圧電体を形成した後、この複合圧電体の前面及び背面に薄膜電極を蒸着・スパッタ等の技術によって形成して圧電板とする方法が開発されている。
【０００６】
以下、上述した従来の複合圧電体の製造方法の一例を詳細に説明する。
図８は、複合圧電体の製造工程を示す図である。
図８( ａ )に示すような圧電セラミックス板１０１の一方の面において、ダイシングマシーンやワイヤソー等により、図８( ｂ )に示すように、予め設定された深さで格子状の溝１０２を形成する。すなわち、圧電セラミックス板１０１の反対側の面はそのまま残す。
次に、図８( ｃ )に示すように、格子状の溝１０２にエポキシ樹脂１０３を充填して加熱硬化あるいは室温硬化させる。
このエポキシ樹脂が完全に硬化した後、図８( ｄ )に示すように、圧電セラミックス板１０１の溝１０２の形成面の反対側のそのまま残した面を研削加工又は研磨加工により、予め設定された深さを厚さとして、完全に圧電セラミックスが柱状に分割されるまで成形する。このとき、柱状の圧電セラミックスはエポキシ樹脂により確実に接合されている。
このようにして製造された、２次元配列の柱状の圧電セラミックスエレメントをエポキシ樹脂で接合した複合圧電体には、その前面及び背面に薄膜電極や導電性のペースト等により電極が形成される。なお、薄膜電極の形成法としては、蒸着法又はスパッタ法等がある。
【０００７】
複合圧電体を構成している樹脂部は、一般に柔軟な樹脂の方が圧電体( 圧電振動子 )として特性が優れていると評価されているが、製造上の問題から実際に充填樹脂として使用されているのは、比較的硬いエポキシ樹脂等が知られている。
【０００８】
複合圧電体を使用してアレイ状の超音波プローブ( アレイプローブ )を実現する場合には、複合圧電体の前面及び背面のいずれか一方に予め一方向( 後にアレイ方向となる )に分割した電極を形成し、その後で音響整合層、バッキング材等を形成する第１の方法と、複合圧電体の前面及び背面の全面に電極を一時的に形成しておき、さらに音響整合層及びバッキング材等を形成し、その後で一方向( アレイ方向となる )に電極( 及び付随する他の部材 )を分割する第２の方法とがある。
【０００９】
しかし、現状では、予め設定された形状の電極を形成しなければならない第１の方法に比べて、第２の方法の方が既存の高精度な加工技術が使用でき、製造の技術、時間、コストを低く抑えることができる。
【００１０】
図９に、従来の複合圧電体を使用した超音波トランスジューサを要部構成を示すスライス方向の断面図である。
複合圧電体１１１の前面( 上面 )には薄膜電極により共通電極１１２が形成され、その背面( 下面 )にはこの複合圧電体１１１のアレイ方向( アレイ方向及びスライス方向 )において複数個に分割して形成された振動素子( 図示せず )毎に薄膜電極により駆動電極１１３が形成されている。なお、共通電極１１２は、スライス方向に複合圧電体１１１の下面に引き回されている。
【００１１】
なお、複合圧電体１１１は樹脂が構成要素として含まれているので、焼き付け銀電極を形成するときに、その焼き付けの温度で樹脂が溶けて燃えてしまうという問題があり、焼き付け銀電極を形成することができない。従って、複合圧電体の電極としては、スパッタ法又は蒸着法によって形成する上記薄膜電極又は、導電性接着剤によって導電層として形成する電極等が使用されている。
【００１２】
共通電極１１２の上面には、音響整合層１１４が形成され、共通電極１１２の複合圧電体１１１の下面に引き回された部分には、アース線を引出すためのアース板１１５が導電性ペースト１１６により接続されている。また、駆動電極１１３の共通電極１１２が引き回された側と反対側の端部には、信号線を引出すための信号用のフレキシブル配線板( 以下、信号用ＦＰＣと称する )１１７が導電性ペースト１１８により接続されている。なお、アース板１１５は単にリード線であっても良い。複合圧電体１１１の下面、共通電極１１２の引き回された部分の下面、駆動電極１１３の下面、アース板１１５が接続された部分の下面及び信号用ＦＰＣ１１７が接続された部分の下面には、バッキング材１１９が形成されている。共通電極１１２及び駆動電極１１３のいずれか一方が形成されていない柱状の圧電セラミックス( 振動素子エレメント )及びＦＰＣ１１５，１１７が接続された部分上の柱状の圧電セラミックスは振動せず、超音波トランスジューサとしては無効部分になる。すなわち、共通電極１１２及び駆動電極１１３が両面に形成されており、各ＦＰＣ１１３，１１５が接続された部分上ではない柱状の圧電セラミックスは、実際に振動( 超音波発生 )に寄与する有効部分となる。
従って、図９においては、複合圧電体１１１の両端のそれぞれ２個の柱状の圧電セラミックスは振動せず、その両部分は無効部分であり、その間の部分が有効部分である。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、複合圧電体の従来の製造方法では、製造された圧電セラミックスをさらに加工しているので、時間及びコストが上昇するという問題があった。
【００１４】
また、アレイ状の超音波プローブを実現する方法としての、複合圧電体の前面及び背面の全面に電極を形成し、音響整合層及びバッキング材等を形成した後、アレイ方向に電極を分割する方法( 第２の方法 )では、複合圧電体の前面及び背面に形成される電極について、複合圧電体と電極との接合強度及び電極( 薄膜電極 )自体の強度が低い( 小さい )ため、分割( 加工 )の際に複合圧電体から電極が剥離する不良や電極自体が損傷( 断裂 )する不良が発生する虞があり、製造上の歩留まりが低いという問題があった。
【００１５】
さらに、上述したように、複合圧電体の電極は薄膜電極又は導電性ペースト等で形成するので、電極から信号引出用のリード部材( 例えばフレキシブルプリント配線板＝ＦＰＣ )を接続するときに半田付けが使用できず、導電性接着剤等による接続を行っていたので、その接続部の強度が弱いという問題があった。
また、複合圧電体の柱状の圧電セラミックス間の間隙を樹脂で充填しているが、何も充填しない空隙であった場合に比べて、電気機械結合係数が小さい、すなわち、電気と超音波の変換効率が低いという問題があった。
【００１６】
そこでこの発明は、複合圧電体の製造時間及びコストを低減することができる超音波トランスジューサを提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
以上の目的を達成するために本発明は、圧電振動子を使用して超音波を出力するとともに、その反射した超音波を受信する超音波トランスジューサにおいて、前記圧電振動子を、圧電セラミックスと樹脂とからなる複合圧電体で形成される第１の部分と、前記樹脂を含まない前記圧電セラミックスからなる非複合圧電体構造を中心として形成された第２の部分とを有するように構成した。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の第１の実施の形態を図１を参照して説明する。
図１は、この発明を適用した超音波トランスジューサの要部構成を示す斜視図である。
複合圧電体１は、圧電セラミックスとエポキシ樹脂とから構成され、振動( 超音波発生 )に関与する有効部分Ｙのみ、スライス方向( 矢印Ｓ方向 )において複数個に分割されて、柱状の圧電セラミックスエレメント１-1の間にエポキシ樹脂１-2が充填されており、その振動しない無効部分Ｎはスライス方向においては分割されず圧電セラミックス１-3のみから構成されている。また、アレイ方向( 矢印Ａ方向 )においては、アレイ方向の全域にわたって予め設定された個数( チャンネル数 )に分割されている。
【００２４】
この複合圧電体１の超音波の出力面のとしての前面( 上面 )には、薄膜電極からなる共通電極( アース電極 )２が形成され、この共通電極２は、有効部分Ｙからスライス方向に前記複合圧電体１の前面の反対側の背面( 下面 )の引き回し側の無効部分Ｎまで引き回されている。前記複合圧電体１の背面には、薄膜電極からなる駆動電極３が形成され、この駆動電極３は、有効部分Ｙからスライス方向に前記共通電極２が引き回された無効部分Ｎとは反対側の無効部分Ｎまで引かれている。
【００２５】
前記共通電極２の前記複合圧電体１の背面の無効部分Ｎに引き回された部分の背面には、アース線を引出すためのアース板４の先端が導電性ペースト５により電気的に接続されており、前記駆動電極３の無効部分Ｎの背面には、信号線を引出すための信号用のフレキシブルプリント配線板( 以下、信号用ＦＰＣと称する )６の先端が導電性ペースト７により電気的に接続されている。なお、前記アース板４の代わりにリード線等を使用しても良いものである。
【００２６】
前記複合圧電体１の前面に形成された前記共通電極２の前面に、有効部分Ｙを十分に覆うように音響整合層８が形成され、前記複合圧電体１の背面に形成された前記駆動電極３及び共通電極２の引き回された部分の背面、前記アース板４の接続部分の背面、前記信号用ＦＰＣ６の接続部分の背面に、すなわち、前記複合圧電体１の背面の全面にわたって、バッキング材９が形成されている。
【００２７】
このような構成の第１の実施の形態において、複合圧電体１を製造する工程では、スライス方向において、無効部分Ｎの分割溝を形成する加工が必要無く、有効部分Ｙのみ分割溝を形成する加工が行われる。
このように第１の実施の形態によれば、複合圧電体１を製造する工程においてスライス方向における分割溝の加工が無効部分Ｎでは必要無く、有効部分Ｙのみとすることにより、製造時間及び製造コストを削減することができる。
【００２８】
この発明の第２の実施の形態を図２を参照して説明する。
図２は、この発明を適用した超音波トランスジューサの要部構成を示すスライス方向の断面図である。
複合圧電体１１は、前述した第１の実施の形態の複合圧電体１と同一のものである。この複合圧電体１１の前面の有効部分Ｙには、薄膜電極からなる共通電極( アース電極 )１２が形成され、その背面の有効部分Ｙには、薄膜電極からなる駆動電極１３が形成されている。
【００２９】
前記複合圧電体１１の前面の一方の無効部分Ｎからスライス方向に背面の引き回し側の無効部分Ｎまで焼き付け銀電極からなる補助共通電極１４が形成され、この補助共通電極１４は、前記共通電極１２とは電気的に接続されているが、前記駆動電極１３とは絶縁されている。前記複合圧電体１１の背面の前記補助共通電極１４が引き回された側とは反対側の無効部分Ｎには焼き付け銀電極からなる補助駆動電極１５が形成され、この補助駆動電極１５は前記駆動電極１３と電気的に接続されている。
【００３０】
前記補助共通電極１４の前記複合圧電体１１の背面の無効部分Ｎに引き回された部分の背面には、アース線を引出すためのアース板１６の先端が半田付けにより電気的に接続されており、前記補助駆動電極１５の背面には信号線を引出すための信号用ＦＰＣ１７の先端が半田付けにより電気的に接続されている。なお、前記アース板１６の代わりにリード線等を使用しても良いものである。
【００３１】
前記複合圧電体１１の前面に形成された前記共通電極１２の前面に、有効部分Ｙを覆うように音響整合層１８が形成され、前記複合圧電体１１の背面に形成された前記駆動電極１３の背面、前記補助共通電極１４の引き回された部分の背面、前記補助駆動電極１５の背面、前記アース板１６の接続部分の背面、前記信号用ＦＰＣ１７の接続部分の背面に、すなわち前記複合圧電体１１の背面の前面にわたって、バッキング材１９が形成されている。
【００３２】
このように第２の実施の形態によれば、前述の第１の実施の形態と同様な効果を得ることができ、さらに、複合圧電体１１の振動( 超音波発生 )に関与する有効部分Ｙに対しては、薄膜電極からなる共通電極１２及び駆動電極１３を形成して、複合圧電体１１の振動子としての結合係数を低下させることがなく、その振動しない無効部分Ｎに対しては、焼き付け銀電極からなる補助共通電極１４及び補助駆動電極１５を形成して、電極自体の強度を向上させ、信号線の引出し部分を半田付け等の強度の高い接合が使用できるようにしたことにより、超音波トランスジューサとしての特性及び信頼性、さらに取り扱いの作業性の向上を図ることができる。
【００３３】
この発明の第３の実施の形態を図３を参照して説明する。
図３は、この発明を適用した超音波トランスジューサの要部構成を示す斜視図である。
複合圧電体２１は、圧電セラミックスとエポキシ樹脂とから構成され、スライス方向( 矢印Ｓ方向 )において複数個に分割され、柱状の圧電セラミックスエレメント２１-1の間にエポキシ樹脂２１-2が充填されており、アレイ方向( 矢印Ａ方向 )においては予め設定された個数に分割されている。
【００３４】
この複合圧電体２１の前面には、薄膜電極からなる共通電極( アース電極 )２２が形成されており、この共通電極２２はアレイ方向に予め設定された個数に分割されているが電気的には接続されて共通電極となっており、またスライス方向においては分割されていない。前記複合圧電体２１の背面には、薄膜電極からなる駆動電極２３が形成されており、この駆動電極２３もアレイ方向に予め設定された個数に分割されているがスライス方向においては分割されていない。さらに、この駆動電極２３の背面には、金属箔２４が導電性接着剤等により電気的に接続固定され、この金属箔２４もアレイ方向に予め設定された個数に分割されているがスライス方向においては分割されていない。
【００３５】
前記共通電極２２の前面には、音響整合層２５が形成され、前記金属箔２４の背面にバッキング材２６が形成されている。
前記共通電極２２は全てグラウンド( ０ [Ｖ])に接続され、アレイ方向において予め設定された個数に分割された前記各駆動電極２３は、それぞれ各駆動回路２７-1，２７-2，…，に接続されて、それぞれ駆動信号( 送信信号 )が供給され、受信信号( 検出信号 )が出力されるようになっている。
【００３６】
このような構成の第３の実施の形態の超音波トランスジューサは、例えば以下に説明するようにして製造される。
まず、複合圧電体２１の元になる圧電セラミックス板( 図示せず )の一方の面に、後にスライス方向になる方向において複数個に分割する分割溝( アレイ方向に伸びる溝 )を形成する。
【００３７】
この分割溝にエポキシ樹脂を充填し、この樹脂が硬化した後に、圧電セラミックス板の他方の面を研削加工して、圧電セラミックス板をスライス方向において複数個に分割する。しかし、分割した圧電セラミックスは、充填した樹脂により接合されており分離することはない。
この樹脂により接合されている圧電セラミックス板の分割物の超音波を出力する面となる前面及びその反対側の背面に、スパッタ法又は蒸着法により薄膜電極を形成する。前面に形成された薄膜電極は後に共通電極２２になり、背面に形成された薄膜電極は後に駆動電極２３になる。
【００３８】
次に、駆動電極２３になる薄膜電極の背面に金属箔２４が導電性接着剤等によって電気的及び機械的に接続固定する。
次に、共通電極２２になる薄膜電極の前面に音響接合層２５を形成し、金属箔２４の背面にバッキング材２６を形成する。
次に、後にアレイ方向になる方向( スライス方向に対して直交する方向 )において予め設定された個数に分割する分割溝を形成する。この分割溝は、音響整合層２５、共通電極２２、圧電セラミックス板のスライス方向における分割物、駆動電極２３、金属箔２４を通り、バッキング材２６の表層部に到達するように形成される。
【００３９】
次に、この分割溝に樹脂( アレイ方向における超音波振動子間で超音波の送信・受信におけるクロストークの発生原因となる水等の異物が侵入するのを防ぎ、しかも音響インピーダンスの低い柔らかな樹脂 )を充填する。
この樹脂が硬化した後、アレイ方向において予め設定された個数に分割された全ての共通電極２２を共にグラウンドへ接続し、アレイ方向において予め設定された個数に分割された各駆動電極２３又は各金属箔２４を、それぞれ該当する駆動回路２７-1，２７-2，…，へ接続する。
【００４０】
このように第３の実施の形態によれば、駆動電極２３の背面に金属箔２４を導電性接着剤等により接続配置したことにより、駆動電極２３の強度を補強して損傷( 断裂 )を防止することができると共に、たとえ、駆動電極２３に損傷が生じても金属箔２４により電極の機能は補償される。
なお、この第３の実施の形態では、金属箔２４を駆動電極２３の背面に配置したものについて説明したが、この発明はこれに限定されるものではなく、共通電極２２の前面に配置したもの及び、共通電極２２及び駆動電極２３の両方に金属箔を配置したものでも良いし、さらに金属箔２４の代わりに導電性接着剤を薄く塗布して導電層を形成するものでも良いものである。さらに、金属箔２４を形成した面については、薄膜電極の形成を省略することができ、この場合には金属箔２４を直接複合圧電体( 圧電セラミックスエレメント )に電気接続することが必要になる。この金属箔についての議論は、導電性接着剤によって導電層の電極を形成した場合にも当てはまることである。
【００４１】
また、予め圧電セラミックス板の一方の面又は両面に焼き付け銀電極を形成しておき、この焼き付け銀電極も一緒に、圧電セラミックス板を上述したようにスライス方向及びアレイ方向において分割して樹脂を充填し、その後、薄膜電極を形成すれば、圧電セラミックスと( 前面及び背面における )薄膜電極との界面に焼け付け銀電極を形成するこが可能である。
なお、この第３の実施の形態では、超音波トランスジューサの製造方法の１つの例を説明したが、この発明はこれに限定されるものではなく、製造方法については適宜変更することが可能である。
【００４２】
この発明の第４の実施の形態を図４を参照して説明する。
図４は、この発明を適用した超音波トランスジューサの要部構成を示す斜視図である。
複合圧電体３１は、スライス方向( 矢印Ｓ方向 )において複数個に分割され、アレイ方向( 矢印Ａ方向 )において予め設定された個数に分割された柱状の圧電セラミックスエレメント３１-1から構成され、これらの各圧電セラミックスエレメント３１-1の間の間隙は空隙となっている。
【００４３】
この複合圧電体３１の前面には、導電性接着剤等により導電層３２が形成されており、この導電層３２はアレイ方向において予め設定された個数に分割され、スライス方向においては分割されていない。なお、この導電層３２は、音響整合層として最適な材料の導電性接着剤により必要な厚さと形状に形成されており、その前面には保護用の被覆( 図示せず )が形成されている。前記複合圧電体３１の背面には、金属箔３３が導電性接着剤等により電気的に接続されて配置され、この金属箔３３もアレイ方向において予め設定された個数に分割され、スライス方向においては分割されてない。
この金属箔３３の背面には、バッキング材３４が形成され、このバッキング材３４はアレイ方向及びスライス方向においても分割されていない。
前記導電層３２は全てグラウンド( ０ [Ｖ])に接続され、アレイ方向において予め設定された個数に分割された前記各金属箔３３は、それぞれ各駆動回路３５-1，３５-2，…，に接続されて、それぞれ駆動信号( 送信信号 )が供給され、受信信号( 検出信号 )が出力されるようになっている。
【００４４】
このような構成の第４の実施の形態の超音波トランスジューサは、例えば以下に説明するようにして製造される。
まず、複合圧電体３１の元になる圧電セラミックス板( 図示せず )の一方の面( 後に超音波が出力される面、前面となる面 )に、( 音響整合層の材質として最適な )導電性接着剤によって所定の厚さ及び形状( 音響整合層としての機能が得られる厚さ及び形状 )の導電層３２を形成する。
次に、圧電セラミックス板の他方の面、すなわち導電層３２が形成されていない方の面から、導電層３２の表層部に到達する、後にスライス方向になる方向において複数個に分割する分割溝( アレイ方向に伸びる溝 )を形成する。この分割溝の形成により圧電セラミックス板はスライス方向において複数個に分割されることになるが、導電層３２により連結して分離することはない。
【００４５】
次に、この導電層３２により連結している圧電セラミックスの分割物の背面に金属箔３３を導電性接着剤等によって電気的及び機械的に接続固定する。なお、このとき導電性接着剤が後に圧電セラミックスエレメントの間の空隙に侵入しないように、導電性接着剤を金属箔３３に必要最小限の薄さで塗布する等の配慮が必要である。
次に、金属箔３３の背面にバッキング材３４を形成する。
【００４６】
次に、後にアレイ方向になる方向において予め設定された個数に分割する分割溝を形成する。この分割溝は、導電層３２、圧電セラミックス板のスライス方向における分割物、金属箔３３、バッキング材３４の表層部に到達するようにする。
【００４７】
次に、導電層３２の前面に保護用の被覆を形成する。
次に、アレイ方向において予め設定された個数に分割された全ての導電層３２を共にグラウンドへ接続し、アレイ方向において予め設定された個数に分割された各金属箔３３を、それぞれ該当する駆動回路３５-1，３５-2，…，へ接続する。
【００４８】
このように第４の実施の形態によれば、圧電セラミックス板をスライス方向及びアレイ方向において分割して形成された各圧電セラミックスエレメントの間の間隙を空気で充填する( 空洞とする )ことができるので、音響インピーダンスを低くして、電気機械結合係数を増大させ、超音波トランスジューサとして感度を向上させることができる。
【００４９】
なお、この第４の実施の形態では、導電層３２を音響整合の機能を持たせるようにしているが、導電層３２の前面に専用の音響整合層を形成しても良いものである。
また、圧電セラミックスの前面に導電層３２が形成され、その背面に金属箔３３が形成されているものについて説明したが、この発明はこれに限定されるものではなく、例えば、逆に圧電セラミックスの前面に金属箔３３が形成され、その背面に導電層３２が形成されているものでも良いものである。しかし、この場合には、金属箔３３の前面に音響整合層を形成する必要がある。
【００５０】
また、この第４の実施の形態では、柱状の圧電セラミックスエレメントの間の間隙は、空気で充填されていた( 空洞となっていた )が、アレイ方向における超音波振動子( 圧電セラミックスエレメント )間で超音波の送信・受信におけるクロストークの発生原因となる水等の異物が侵入するのを防ぎ、しかも音響インピーダンスの低い柔らかな樹脂を充填しても良いものである。すなわち、この充填する樹脂は、圧電セラミックスエレメントを結合させる機能が求められておらず、この点が上述した第１，第２，第３の実施の形態で使用した樹脂( エポキシ樹脂 )とは異なる点である。
なお、この第４の実施の形態では、超音波トランスジューサの製造方法の１つの例を説明したが、この発明はこれに限定されるものではなく、製造方法については適宜変更することが可能である。
【００５１】
この発明の第５の実施の形態を図５を参照して説明する。
図５は、この発明を適用した超音波トランスジューサの要部構成を示す斜視図である。
複合圧電体４１は、前述の第３の実施の形態で説明したものと同一である。この複合圧電体４１の前面には、薄膜電極からなる共通電極( アース電極 )４２が形成されており、この共通電極４２はアレイ方向において予め設定された個数に分割されているがスライス方向においては分割されていない。前記複合圧電体４１の背面には、焼き付け銀電極４３が形成されており、この焼き付け銀電極４３はアレイ方向において予め設定された個数に分割されていると共にスライス方向においても複数個に分割されている。さらに、この焼き付け銀電極４３の背面には、導電層４４が導電性接着剤等により電気的及び機械的に接続されており、この導電層４４もアレイ方向において予め設定された個数に分割されているがスライス方向においては分割されていない。
【００５２】
前記共通電極４２の前面には、音響整合層４５が形成され、この音響整合層４５はアレイ方向において予め設定された個数に分割されているがスライス方向においては分割されていない。前記導電層４４の背面には、バッキング材４６が形成され、このバッキング材３４はアレイ方向及びスライス方向においても分割されていない。
前記共通電極４２は全てグラウンド( ０ [Ｖ])に接続され、アレイ方向において予め設定された個数に分割された前記各焼き付け銀電極４３は、それぞれ各駆動回路４７-1，４７-2，…，に接続されて、それぞれ駆動信号( 送信信号 )が供給され、受信信号( 検出信号 )が出力されるようになっている。
【００５３】
このような構成の第５の実施の形態の超音波トランスジューサは、例えば以下に説明するようにして製造される。
まず、複合圧電体４１の元になる圧電セラミックス板( 図示せず )の一方の面( 後に超音波が出力される前面の反対側の面となる面 )の全面に、焼け付け銀電極４３を形成する。
【００５４】
この焼け付け銀電極４３を形成した側の面に、後にスライス方向になる方向において複数個に分割する分割溝( アレイ方向に伸びる溝 )を形成する。
この分割溝にエポキシ樹脂を充填し、この樹脂が硬化した後に、圧電セラミックス板の他方の面を研削加工して、圧電セラミックス板をスライス方向において複数個に分割する。しかし、分割した圧電セラミックスは、充填した樹脂により接合されており分離することはない。
この樹脂により接合されている圧電セラミックス板の分割物の前面に、スパッタ法又は蒸着法により薄膜電極の共通電極４２を形成する。また、その圧電セラミックス板の分割物の背面に、導電性接着剤により導電層４４を形成する。
【００５５】
次に、共通電極４２の前面に音響整合層４５を形成し、さらに前記導電層４４の背面にバッキング材４６を形成する。
次に、後にアレイ方向になる方向( スライス方向に対して直交する方向 )において、予め設定された個数に分割する分割溝を形成する。この分割溝は、導電層４４を分割しないように、音響整合層４５、共通電極４２、圧電セラミックス板５のスライス方向における分割物、焼け付け銀電極４３を通り、導電層４４の表面に到達するように形成される。
【００５６】
次に、この分割溝に樹脂( アレイ方向における超音波振動子間で超音波の送信・受信におけるクロストークの発生原因となる水等の異物が侵入するのを防ぎ、しかも音響インピーダンスの低い柔らかな樹脂 )を充填する。
この樹脂が硬化した後、アレイ方向において予め設定された個数に分割された全ての共通電極４２を共にグラウンドへ接続し、アレイ方向において予め設定された個数に分割された各焼き付け銀電極４３を、それぞれ該当する駆動回路４７-1，４７-2，…，へ接続する。
【００５７】
このように第５の実施の形態によれば、複合圧電体の予め焼き付け銀電極が形成された背面に導電性接着剤により形成された導電層４４を形成したことにより、複合圧電体の電極として十分な耐久性を備え、損傷による電極不良の発生を防止することができる。
なお、この第５の実施の形態では、導電層４４を複合圧電体４１の背面側に形成した例で説明したが、この発明はこれに限定されるものではなく、導電層４４を複合圧電体４１の前面側に形成しても良いし、また複合圧電体の前面及び背面の両方に形成しても良いものである。
【００５８】
さらに、焼き付け銀電極４３も複合圧電体４１の前面又は背面のいずれか一方又は両方に形成しても良いものである。さらに、導電層４４が形成されている側については焼き付け銀電極４３の形成を省略することもできる。
なお、この第５の実施の形態では、超音波トランスジューサの製造方法の１つの例を説明したが、この発明はこれに限定されるものではなく、製造方法については適宜変更することが可能である。
【００５９】
この発明の第６の実施の形態を図６及び図７を参照して説明する。
この第６の実施の形態では、複合圧電体として電気機械結合係数を高くして感度を向上させたものを説明する。すなわち、複合圧電体の柱状の圧電セラミックスエレメントの間の間隙が空気又は音響インピーダンスの小さな媒体( 液体、気体を含む )で充填されたものである。
【００６０】
図６及び図７を参照して、上述した複合圧電体の製造方法を説明する。
まず、複合圧電体の元になる圧電セラミックス板５１を、図６( ａ )に示すように、透明な( 紫外線の透過率が高い )ガラス基台５２の上に固定された透明な( 紫外線の透過率が高い )接着シート５３により設置する。
次に、圧電セラミックス板５１の接着シート５３により接着されていない側の面から、図６( ｂ )に示すように、ダイシングマシーン等により、後にスライス方向になる方向において複数個に分割する分割溝( アレイ方向に伸びる溝 )及び後にアレイ方向( スライス方向に直交する方向 )になる方向において予め設定された個数に分割する分割溝( スライス方向に伸びる溝 )を形成する。この分割溝は、圧電セラミックス板５１を通して接着シート５３の上層部に到達するようにする。
【００６１】
次に、紫外線硬化樹脂５４を分割溝に充填する。このとき圧電セラミックス板５１の上面からの紫外線硬化樹脂５４の上面からの盛上がりの高さは、予め設定された高さとなるように調整される。
次に、この圧電セラミックス板５１の分割溝に充填された紫外線硬化樹脂５４の上面及び下面に対して、予め設定され強さの紫外線を予め設定された時間だけ照射して、図７( ａ )の斜線部分により示すように、紫外線硬化樹脂５４の上表層部及び下表層部の予め設定された強度( 複合圧電体の各圧電セラミックスエレメントの結合するのに十分な強度 )を持つ厚さ分を硬化させる。
【００６２】
次に、図７( ｂ )に示すように、紫外線硬化樹脂５４により接合された圧電セラミックス板５１を接着シート５３から剥がし、接着シート５３に接触していた側の紫外線硬化樹脂５４の所定箇所に硬化した部分を貫通する孔を形成し、内部の硬化していない紫外線硬化樹脂５４を外部へ排出する。
次に、紫外線硬化樹脂５４の圧電セラミックス板５１の分割溝の両面から盛上がっている( はみだしている )部分を切削加工により除去して、図７( ｃ )に示すように、圧電セラミックス板５１の厚みを持つ複合圧電体を形成する。
次に、図７( ｄ )に示すように、この複合圧電体の両面に電極５５，５６を形成する。
【００６３】
このように第６の実施の形態によれば、複合圧電体の圧電セラミックスエレメント間の結合させると共にその間隙を空洞とする紫外線硬化樹脂５４を形成したことにより、電気機械結合係数を高くして感度を向上させることができる。
また、この第６の実施の形態では、硬化させた紫外線硬化樹脂５４の内部の硬化していない部分を外部へ排出した後、空洞( 空気を充填 )状態のままとしたが、この発明はこれに限定されるものではなく、代わりに音響インピーダンスの小さな樹脂を充填しても良いものである。
なお、この第６の実施の形態では、紫外線硬化樹脂について説明したが、この発明はこれに限定されるものではなく、例えば空気に反応して硬化する樹脂等表層部のみを硬化させることができる樹脂ならば適用可能である。
【００６４】
なお、上述した各実施の形態においては、アレイ型の超音波トランスジューサ( アレイプローブ )について説明したが、この発明はこれに限定されるものではなく、シングル型の超音波トランスジューサ( シングルプローブ )にも適用できるものである。もちろん、シングル型の超音波トランスジューサでは、アレイ方向において予め設定された個数に分割する必要はないので、そのアレイ方向における分割のための分割溝の形成及びその分割溝への樹脂の充填を省くことができ、製造時間及びコストを削減することができる。
【００６５】
【発明の効果】
以上詳述したようにこの発明によれば、複合圧電体の製造時間及びコストを低減することができる超音波トランスジューサを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の形態の超音波トランスジューサの要部構成を示す斜視図。
【図２】この発明の第２の実施の形態の超音波トランスジューサの要部構成を示すスライス方向の断面図。
【図３】この発明の第３の実施の形態の超音波トランスジューサの要部構成を示す斜視図。
【図４】この発明の第４の実施の形態の超音波トランスジューサの要部構成を示す斜視図。
【図５】この発明の第５の実施の形態の超音波トランスジューサの要部構成を示す斜視図。
【図６】この発明の第６の実施の形態の超音波トランスジューサの複合圧電体の前半の製造工程を示す図。
【図７】同実施の形態の超音波トランスジューサの複合圧電体の後半の製造工程を示す図。
【図８】従来の超音波トランスジューサの複合圧電体の製造工程を示す図。
【図９】従来の超音波トランスジューサの要部構成を示すスライス方向の断面図。
【符号の説明】
１，１１，２１，３１，４１…複合圧電体、
２，１２，２２，４２…共通電極、
３，１３，２３…駆動電極、
８，１８，２５，４５…音響整合層、
９，１９，２６，３４，４６…バッキング材、
１４…補助共通電極、
１５…補助駆動電極、
２４，３３，４４…金属箔、
３２…導電層、
４３…焼き付け銀電極、
５４…紫外線硬化樹脂。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ultrasonic transducer that outputs an ultrasonic wave using a piezoelectric vibrator formed of piezoelectric ceramics and receives the reflected ultrasonic wave.
[0002]
[Prior art]
In an ultrasonic probe used in an ultrasonic diagnostic apparatus, a flaw detection apparatus, etc., a piezoelectric vibrator is used to output and receive an ultrasonic wave. Generally, piezoelectric ceramics are used as a material of the piezoelectric vibrator. Is used.
In recent years, composite piezoelectric bodies for ultrasonic probes in which piezoelectric ceramics and polymer materials are combined have been developed. This composite piezoelectric material is made by injecting resin into gaps between columnar piezoelectric ceramics and forming electrodes on the front surface (ultrasonic output surface) and back surface (the surface opposite to the ultrasonic output surface). An ultrasonic probe using a piezoelectric body as a piezoelectric plate (piezoelectric vibrator) has been developed.
[0003]
In general, composite piezoelectric bodies have low acoustic impedance and high electromechanical coupling coefficient (conversion efficiency between electricity and ultrasonic waves) compared with ordinary piezoelectric bodies (consisting only of piezoelectric ceramics), so they have high sensitivity and high resolution. Expected as an element.
However, although there are various methods for producing this composite piezoelectric body, many composite piezoelectric bodies are manufactured by processing generally manufactured piezoelectric ceramic plates.
[0004]
The composite piezoelectric body can be increased in sensitivity by increasing the electromechanical coupling coefficient as a piezoelectric body by reducing the size and size of the piezoelectric ceramic. By reducing the ratio of the piezoelectric ceramics in the piezoelectric body and reducing the acoustic impedance as the piezoelectric plate (piezoelectric vibrator), the acoustic matching with the living body as the imaging target is improved.
[0005]
As means for realizing an ultrasonic probe using this composite piezoelectric material, as described in JP-A-60-85699, JP-A-4-200097, etc., a piezoelectric ceramic plate is divided and a resin is provided in the gap. A method has been developed in which a composite piezoelectric body is formed by filling and then a thin film electrode is formed on the front and back surfaces of the composite piezoelectric body by a technique such as vapor deposition and sputtering to form a piezoelectric plate.
[0006]
Hereinafter, an example of a method for manufacturing the above-described conventional composite piezoelectric body will be described in detail.
FIG. 8 is a diagram showing a manufacturing process of the composite piezoelectric body.
On one surface of the piezoelectric ceramic plate 101 as shown in FIG. 8 (a), a lattice-like groove 102 is formed at a preset depth as shown in FIG. 8 (b) by a dicing machine, a wire saw or the like. To do. That is, the opposite surface of the piezoelectric ceramic plate 101 is left as it is.
Next, as shown in FIG. 8 (c), the lattice-shaped groove 102 is filled with an epoxy resin 103 and cured by heating or room temperature.
After the epoxy resin is completely cured, as shown in FIG. 8 (d), the surface left as it is opposite to the formation surface of the groove 102 of the piezoelectric ceramic plate 101 is set in advance by grinding or polishing. The depth is set as the thickness until the piezoelectric ceramic is completely divided into pillars. At this time, the columnar piezoelectric ceramics are securely bonded by the epoxy resin.
In the composite piezoelectric body obtained by joining the two-dimensionally arranged columnar piezoelectric ceramic elements with an epoxy resin, electrodes are formed on the front surface and the back surface of the composite piezoelectric body by a thin film electrode, a conductive paste, or the like. As a method for forming the thin film electrode, there is a vapor deposition method or a sputtering method.
[0007]
The resin part that composes a composite piezoelectric body is generally evaluated as a flexible resin with superior characteristics as a piezoelectric body (piezoelectric vibrator), but it is actually used as a filling resin due to manufacturing problems. A relatively hard epoxy resin or the like is known.
[0008]
When an arrayed ultrasonic probe (array probe) is realized using a composite piezoelectric material, the electrodes are divided in one direction (later the array direction later) on either the front surface or the back surface of the composite piezoelectric material. And then forming an acoustic matching layer, a backing material, and the like, and temporarily forming electrodes on the entire front and back surfaces of the composite piezoelectric body, and further, an acoustic matching layer, a backing material, etc. There is a second method in which the electrodes (and other accompanying members) are divided in one direction (which becomes the array direction).
[0009]
However, at present, the second method can use the existing high-precision processing technique compared to the first method in which an electrode having a preset shape has to be formed, and the manufacturing technique, time, Cost can be kept low.
[0010]
FIG. 9 is a cross-sectional view in the slicing direction showing the configuration of the main part of an ultrasonic transducer using a conventional composite piezoelectric material.
A common electrode 112 is formed by a thin film electrode on the front surface (upper surface) of the composite piezoelectric body 111, and the back surface (lower surface) is divided into a plurality of pieces in the array direction (array direction and slice direction) of the composite piezoelectric body 111. A drive electrode 113 is formed of a thin film electrode for each formed vibration element (not shown). The common electrode 112 is routed around the lower surface of the composite piezoelectric body 111 in the slice direction.
[0011]
Since the composite piezoelectric body 111 contains a resin as a constituent element, there is a problem that when the baked silver electrode is formed, the resin melts and burns at the baking temperature, and the baked silver electrode is formed. I can't. Therefore, as the electrode of the composite piezoelectric material, the thin film electrode formed by sputtering or vapor deposition, the electrode formed as a conductive layer by a conductive adhesive, or the like is used.
[0012]
An acoustic matching layer 114 is formed on the upper surface of the common electrode 112, and a ground plate 115 for drawing out a ground wire is formed by a conductive paste 116 on a portion of the common electrode 112 drawn around the lower surface of the composite piezoelectric body 111. It is connected. Further, at the end of the drive electrode 113 opposite to the side where the common electrode 112 is routed, a signal flexible wiring board (hereinafter referred to as a signal FPC) 117 for drawing out a signal line is a conductive paste. 118 is connected. The ground plate 115 may simply be a lead wire. The lower surface of the composite piezoelectric body 111, the lower surface of the portion where the common electrode 112 is routed, the lower surface of the drive electrode 113, the lower surface of the portion to which the ground plate 115 is connected, and the lower surface of the portion to which the signal FPC 117 is connected A material 119 is formed. The columnar piezoelectric ceramics (vibration element element) in which either one of the common electrode 112 and the drive electrode 113 is not formed and the columnar piezoelectric ceramics on the portion where the FPCs 115 and 117 are connected do not vibrate, and as an ultrasonic transducer It becomes an invalid part. That is, the common electrode 112 and the drive electrode 113 are formed on both surfaces, and the columnar piezoelectric ceramic that is not on the portion to which the FPCs 113 and 115 are connected becomes an effective portion that actually contributes to vibration (ultrasonic wave generation). .
Therefore, in FIG. 9, the two columnar piezoelectric ceramics at both ends of the composite piezoelectric body 111 do not vibrate, both of which are ineffective portions, and the portion between them is the effective portion.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in the conventional method for manufacturing a composite piezoelectric body, the manufactured piezoelectric ceramic is further processed, and thus there is a problem that time and cost increase.
[0014]
Further, as a method for realizing an array-shaped ultrasonic probe, a method of forming electrodes on the entire front and back surfaces of a composite piezoelectric body, forming an acoustic matching layer, a backing material, and the like, and then dividing the electrodes in the array direction In the second method, the electrodes formed on the front surface and the back surface of the composite piezoelectric material are divided (processed) because the bonding strength between the composite piezoelectric material and the electrode and the strength of the electrode (thin film electrode) itself are low (small). ) May cause a defect that the electrode is peeled off from the composite piezoelectric body or a defect that the electrode itself is damaged (ruptured), resulting in a problem that the manufacturing yield is low.
[0015]
Furthermore, as described above, since the electrodes of the composite piezoelectric body are formed of a thin film electrode or a conductive paste, soldering is performed when connecting a lead member (for example, a flexible printed wiring board = FPC) for signal extraction from the electrode. Since it could not be used and the connection was made with a conductive adhesive or the like, there was a problem that the strength of the connection portion was weak.
In addition, the gap between the columnar piezoelectric ceramics of the composite piezoelectric body is filled with resin, but the electromechanical coupling coefficient is small compared to the case where the gap is not filled with anything, that is, conversion between electricity and ultrasonic waves. There was a problem of low efficiency.
[0016]
Accordingly, an object of the present invention is to provide an ultrasonic transducer capable of reducing the manufacturing time and cost of a composite piezoelectric body.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
To achieve the above object, the present invention provides an ultrasonic transducer that outputs an ultrasonic wave using a piezoelectric vibrator and receives the reflected ultrasonic wave. The piezoelectric vibrator includes a piezoelectric ceramic and a resin. And a second part formed around a non-composite piezoelectric structure made of the piezoelectric ceramic not containing the resin.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG.
FIG. 1 is a perspective view showing the main configuration of an ultrasonic transducer to which the present invention is applied.
The composite piezoelectric body 1 is composed of a piezoelectric ceramic and an epoxy resin, and only an effective portion Y involved in vibration (ultrasonic wave generation) is divided into a plurality of pieces in the slice direction (arrow S direction) to form a columnar piezoelectric ceramic element. The ineffective portion N that does not vibrate is filled with the piezoelectric resin 1-3 and is not divided in the slicing direction. In the array direction (arrow A direction), the number of channels (number of channels) is set in advance over the entire area in the array direction.
[0024]
A common electrode (earth electrode) 2 made of a thin film electrode is formed on the front surface (upper surface) as an ultrasonic wave output surface of the composite piezoelectric body 1, and the common electrode 2 extends from the effective portion Y in the slice direction. The composite piezoelectric body 1 is routed to the ineffective portion N on the rear side (lower surface) opposite to the front side. A driving electrode 3 made of a thin film electrode is formed on the back surface of the composite piezoelectric body 1, and this driving electrode 3 is opposite to the ineffective portion N where the common electrode 2 is routed from the effective portion Y in the slice direction. To the invalid part N of.
[0025]
The tip of the ground plate 4 for drawing out the ground wire is electrically connected by the conductive paste 5 to the back surface of the portion of the common electrode 2 drawn around the ineffective portion N on the back surface of the composite piezoelectric material 1. The tip of a signal flexible printed wiring board (hereinafter referred to as signal FPC) 6 for drawing out a signal line is electrically connected to the back surface of the invalid portion N of the drive electrode 3 by a conductive paste 7. Has been. A lead wire or the like may be used instead of the ground plate 4.
[0026]
An acoustic matching layer 8 is formed on the front surface of the common electrode 2 formed on the front surface of the composite piezoelectric body 1 so as to sufficiently cover the effective portion Y, and the drive electrode formed on the back surface of the composite piezoelectric body 1 3 and a back surface of the common electrode 2, a back surface of the connection portion of the ground plate 4, a back surface of the connection portion of the signal FPC 6, that is, the entire back surface of the composite piezoelectric body 1. 9 is formed.
[0027]
In the first embodiment having such a configuration, in the step of manufacturing the composite piezoelectric body 1, it is not necessary to form the dividing groove of the ineffective portion N in the slicing direction, and the dividing groove is formed only in the effective portion Y. Processing is performed.
As described above, according to the first embodiment, in the process of manufacturing the composite piezoelectric body 1, the processing of the dividing groove in the slicing direction is not necessary in the invalid portion N, and only the effective portion Y is used. Cost can be reduced.
[0028]
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 2 is a cross-sectional view in the slicing direction showing the configuration of the main part of an ultrasonic transducer to which the present invention is applied.
The composite piezoelectric body 11 is the same as the composite piezoelectric body 1 of the first embodiment described above. A common electrode (earth electrode) 12 made of a thin film electrode is formed on the effective portion Y on the front surface of the composite piezoelectric body 11, and a drive electrode 13 made of a thin film electrode is formed on the effective portion Y on the back surface. .
[0029]
An auxiliary common electrode 14 made of a baked silver electrode is formed from one ineffective portion N on the front surface of the composite piezoelectric body 11 to an ineffective portion N on the back side in the slicing direction, and the auxiliary common electrode 14 is formed of the common electrode 12. Are electrically connected to each other, but are insulated from the drive electrode 13. An auxiliary driving electrode 15 made of a baked silver electrode is formed on the ineffective portion N on the opposite side of the back surface of the composite piezoelectric body 11 from which the auxiliary common electrode 14 is routed. The electrode 13 is electrically connected.
[0030]
The tip of a ground plate 16 for drawing out a ground wire is electrically connected to the back surface of the auxiliary common electrode 14 that is routed to the invalid portion N on the back surface of the composite piezoelectric body 11 by soldering. The front end of the signal FPC 17 for drawing a signal line is electrically connected to the back surface of the auxiliary drive electrode 15 by soldering. A lead wire or the like may be used instead of the ground plate 16.
[0031]
An acoustic matching layer 18 is formed on the front surface of the common electrode 12 formed on the front surface of the composite piezoelectric body 11 so as to cover the effective portion Y, and the drive electrode 13 formed on the back surface of the composite piezoelectric body 11. On the back surface, the back surface of the portion where the auxiliary common electrode 14 is routed, the back surface of the auxiliary drive electrode 15, the back surface of the connection portion of the ground plate 16, and the back surface of the connection portion of the signal FPC 17, that is, the composite piezoelectric body A backing material 19 is formed over the front surface of the rear surface of the motor 11.
[0032]
As described above, according to the second embodiment, it is possible to obtain the same effect as that of the first embodiment described above, and further, the effective portion Y involved in the vibration (ultrasonic wave generation) of the composite piezoelectric body 11. For the ineffective portion N that does not vibrate without reducing the coupling coefficient as the vibrator of the composite piezoelectric body 11 by forming the common electrode 12 and the drive electrode 13 made of thin film electrodes. By forming the auxiliary common electrode 14 and the auxiliary driving electrode 15 made of the baked silver electrode, the strength of the electrode itself is improved, and the lead-out portion of the signal line can be used for high strength bonding such as soldering, It is possible to improve the characteristics and reliability as an ultrasonic transducer and the workability of handling.
[0033]
A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 3 is a perspective view showing the configuration of the main part of an ultrasonic transducer to which the present invention is applied.
The composite piezoelectric body 21 is composed of a piezoelectric ceramic and an epoxy resin, divided into a plurality of pieces in the slicing direction (arrow S direction), and the epoxy resin 21-2 is filled between the columnar piezoelectric ceramic elements 21-1. In the array direction (arrow A direction), the number is divided into a preset number.
[0034]
A common electrode (ground electrode) 22 made of a thin film electrode is formed on the front surface of the composite piezoelectric member 21. The common electrode 22 is divided into a predetermined number in the array direction, but electrically. They are connected to form a common electrode and are not divided in the slice direction. A drive electrode 23 made of a thin film electrode is formed on the back surface of the composite piezoelectric body 21. The drive electrode 23 is also divided into a predetermined number in the array direction, but not divided in the slice direction. . Further, a metal foil 24 is electrically connected and fixed to the back surface of the drive electrode 23 with a conductive adhesive or the like. The metal foil 24 is also divided into a predetermined number in the array direction, but in the slice direction. Is not divided.
[0035]
An acoustic matching layer 25 is formed on the front surface of the common electrode 22, and a backing material 26 is formed on the back surface of the metal foil 24.
The common electrodes 22 are all connected to the ground (0 [V]), and the drive electrodes 23 divided into a predetermined number in the array direction are connected to the drive circuits 27-1, 27-2,. Are connected to each other to supply a drive signal (transmission signal) and output a reception signal (detection signal).
[0036]
The ultrasonic transducer of the third embodiment having such a configuration is manufactured, for example, as described below.
First, split grooves (grooves extending in the array direction) are formed on one surface of a piezoelectric ceramic plate (not shown) that is the basis of the composite piezoelectric body 21 to be divided into a plurality of pieces in a direction that subsequently becomes the slice direction.
[0037]
After the epoxy resin is filled into the dividing grooves and the resin is cured, the other surface of the piezoelectric ceramic plate is ground to divide the piezoelectric ceramic plate into a plurality of pieces in the slice direction. However, the divided piezoelectric ceramics are joined by the filled resin and are not separated.
A thin film electrode is formed by sputtering or vapor deposition on the front surface which is an ultrasonic wave output surface of the divided piezoelectric ceramic plates bonded by the resin and on the opposite back surface. The thin film electrode formed on the front surface later becomes the common electrode 22, and the thin film electrode formed on the back surface becomes the drive electrode 23 later.
[0038]
Next, the metal foil 24 is electrically and mechanically connected and fixed to the back surface of the thin film electrode to be the drive electrode 23 with a conductive adhesive or the like.
Next, the acoustic bonding layer 25 is formed on the front surface of the thin film electrode that becomes the common electrode 22, and the backing material 26 is formed on the back surface of the metal foil 24.
Next, dividing grooves are formed that are divided into a predetermined number in the direction that later becomes the array direction (direction perpendicular to the slice direction). The dividing grooves are formed so as to reach the surface layer portion of the backing material 26 through the acoustic matching layer 25, the common electrode 22, the division in the slice direction of the piezoelectric ceramic plate, the drive electrode 23, and the metal foil 24.
[0039]
Next, it is possible to prevent foreign substances such as water, which cause crosstalk in ultrasonic transmission / reception between ultrasonic transducers in the array direction, from entering the divided grooves and to have a soft acoustic impedance. Resin).
After this resin is cured, all the common electrodes 22 divided in a predetermined number in the array direction are connected to the ground together, and each drive electrode 23 or each metal divided in a predetermined number in the array direction The foils 24 are connected to the corresponding drive circuits 27-1, 27-2,.
[0040]
Thus, according to the third embodiment, the metal foil 24 is connected to the back surface of the drive electrode 23 with a conductive adhesive or the like, thereby reinforcing the strength of the drive electrode 23 and preventing damage (rupture). In addition, even if the drive electrode 23 is damaged, the function of the electrode is compensated by the metal foil 24.
In the third embodiment, the metal foil 24 is disposed on the back surface of the drive electrode 23. However, the present invention is not limited to this and is disposed on the front surface of the common electrode 22. In addition, a metal foil may be disposed on both the common electrode 22 and the drive electrode 23, or a conductive layer may be formed by thinly applying a conductive adhesive instead of the metal foil 24. Further, the formation of the thin film electrode can be omitted on the surface on which the metal foil 24 is formed. In this case, it is necessary to electrically connect the metal foil 24 directly to the composite piezoelectric body (piezoelectric ceramic element). This argument about the metal foil is also applicable when the electrode of the conductive layer is formed by a conductive adhesive.
[0041]
In addition, a baked silver electrode is formed in advance on one or both surfaces of the piezoelectric ceramic plate, and this baked silver electrode is also divided and filled with resin by dividing the piezoelectric ceramic plate in the slice direction and the array direction as described above. After that, if a thin film electrode is formed, it is possible to form a burned silver electrode at the interface between the piezoelectric ceramic and the thin film electrode (on the front and back surfaces).
In the third embodiment, one example of the manufacturing method of the ultrasonic transducer has been described. However, the present invention is not limited to this, and the manufacturing method can be changed as appropriate. .
[0042]
A fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 4 is a perspective view showing the configuration of the main part of an ultrasonic transducer to which the present invention is applied.
The composite piezoelectric body 31 is composed of columnar piezoelectric ceramic elements 31-1 that are divided into a plurality of pieces in the slice direction (arrow S direction) and divided into a predetermined number in the array direction (arrow A direction). The gaps between the piezoelectric ceramic elements 31-1 are gaps.
[0043]
A conductive layer 32 is formed on the front surface of the composite piezoelectric material 31 with a conductive adhesive or the like. The conductive layer 32 is divided into a predetermined number in the array direction and is not divided in the slice direction. . The conductive layer 32 is formed in a necessary thickness and shape with a conductive adhesive of an optimum material as an acoustic matching layer, and a protective coating (not shown) is formed on the front surface thereof. . A metal foil 33 is disposed on the back surface of the composite piezoelectric body 31 by being electrically connected by a conductive adhesive or the like. The metal foil 33 is also divided into a predetermined number in the array direction, and in the slice direction. Not divided.
A backing material 34 is formed on the back surface of the metal foil 33, and the backing material 34 is not divided in the array direction and the slice direction.
The conductive layers 32 are all connected to the ground (0 [V]), and the metal foils 33 divided into a predetermined number in the array direction are respectively connected to the drive circuits 35-1, 35-2,. Are connected to each other to supply a drive signal (transmission signal) and output a reception signal (detection signal).
[0044]
The ultrasonic transducer of the fourth embodiment having such a configuration is manufactured, for example, as described below.
First, a conductive material (optimally suitable for the material of the acoustic matching layer) is formed on one surface of a piezoelectric ceramic plate (not shown) that is the basis of the composite piezoelectric body 31 (the surface on which ultrasonic waves are output later, the front surface). The conductive layer 32 having a predetermined thickness and shape (thickness and shape capable of obtaining a function as an acoustic matching layer) is formed by the adhesive.
Next, a dividing groove (which is divided into a plurality of grooves in the direction of slicing later) reaches the surface layer portion of the conductive layer 32 from the other surface of the piezoelectric ceramic plate, that is, the surface where the conductive layer 32 is not formed. Grooves) extending in the array direction are formed. Although the piezoelectric ceramic plate is divided into a plurality of pieces in the slicing direction by the formation of the dividing grooves, the piezoelectric ceramic plates are not connected and separated by the conductive layer 32.
[0045]
Next, the metal foil 33 is electrically and mechanically connected and fixed to the back surface of the piezoelectric ceramic segment connected by the conductive layer 32 with a conductive adhesive or the like. At this time, it is necessary to consider that the conductive adhesive is applied to the metal foil 33 with a minimum thickness so that the conductive adhesive does not enter the gaps between the piezoelectric ceramic elements later.
Next, a backing material 34 is formed on the back surface of the metal foil 33.
[0046]
Next, a dividing groove is formed that is divided into a predetermined number in the direction that becomes the array direction later. The division grooves reach the surface layer portions of the conductive layer 32, the division in the slice direction of the piezoelectric ceramic plate, the metal foil 33, and the backing material 34.
[0047]
Next, a protective coating is formed on the front surface of the conductive layer 32.
Next, all the conductive layers 32 divided in a predetermined number in the array direction are connected to the ground together, and the respective metal foils 33 divided in a predetermined number in the array direction are respectively connected to corresponding drive circuits. Connect to 35-1, 35-2,.
[0048]
As described above, according to the fourth embodiment, the gap between the piezoelectric ceramic elements formed by dividing the piezoelectric ceramic plate in the slicing direction and the array direction can be filled with air (made hollow). Therefore, the acoustic impedance can be lowered, the electromechanical coupling coefficient can be increased, and the sensitivity as an ultrasonic transducer can be improved.
[0049]
In the fourth embodiment, the conductive layer 32 has an acoustic matching function, but a dedicated acoustic matching layer may be formed on the front surface of the conductive layer 32.
Moreover, although the conductive layer 32 is formed on the front surface of the piezoelectric ceramic and the metal foil 33 is formed on the back surface thereof, the present invention is not limited to this. The metal foil 33 may be formed on the front surface, and the conductive layer 32 may be formed on the back surface. However, in this case, it is necessary to form an acoustic matching layer on the front surface of the metal foil 33.
[0050]
In the fourth embodiment, the gap between the columnar piezoelectric ceramic elements was filled with air (which was a cavity), but between the ultrasonic vibrators (piezoelectric ceramic elements) in the array direction. Therefore, it is possible to prevent the entry of foreign matters such as water, which causes crosstalk in ultrasonic transmission / reception, and to be filled with a soft resin having low acoustic impedance. That is, the filling resin is not required to have a function of bonding the piezoelectric ceramic element, and this is different from the resin (epoxy resin) used in the first, second, and third embodiments described above. Is a point.
In the fourth embodiment, one example of the method of manufacturing the ultrasonic transducer has been described. However, the present invention is not limited to this, and the manufacturing method can be changed as appropriate. .
[0051]
A fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 5 is a perspective view showing a configuration of a main part of an ultrasonic transducer to which the present invention is applied.
The composite piezoelectric body 41 is the same as that described in the third embodiment. A common electrode (ground electrode) 42 formed of a thin film electrode is formed on the front surface of the composite piezoelectric body 41. The common electrode 42 is divided into a predetermined number in the array direction, but in the slice direction. Not divided. A baked silver electrode 43 is formed on the back surface of the composite piezoelectric body 41. The baked silver electrode 43 is divided into a predetermined number in the array direction and divided into a plurality in the slice direction. Yes. Further, a conductive layer 44 is electrically and mechanically connected to the back surface of the baked silver electrode 43 by a conductive adhesive or the like. The conductive layer 44 is also divided into a predetermined number in the array direction. However, it is not divided in the slice direction.
[0052]
An acoustic matching layer 45 is formed on the front surface of the common electrode 42. The acoustic matching layer 45 is divided into a predetermined number in the array direction, but is not divided in the slice direction. A backing material 46 is formed on the back surface of the conductive layer 44, and the backing material 34 is not divided in the array direction and the slice direction.
The common electrodes 42 are all connected to the ground (0 [V]), and the baked silver electrodes 43 divided in a predetermined number in the array direction are respectively connected to the drive circuits 47-1, 47-2,. , And a drive signal (transmission signal) is supplied, and a reception signal (detection signal) is output.
[0053]
The ultrasonic transducer of the fifth embodiment having such a configuration is manufactured, for example, as described below.
First, a baked silver electrode 43 is formed on the entire surface of one surface of a piezoelectric ceramic plate (not shown) that is the basis of the composite piezoelectric body 41 (a surface that is the surface opposite to the front surface from which ultrasonic waves are output later). Form.
[0054]
Divided grooves (grooves extending in the array direction) are formed on the surface on which the burned silver electrode 43 is formed, and are divided into a plurality of pieces in the direction of the slice direction later.
After the epoxy resin is filled into the dividing grooves and the resin is cured, the other surface of the piezoelectric ceramic plate is ground to divide the piezoelectric ceramic plate into a plurality of pieces in the slice direction. However, the divided piezoelectric ceramics are joined by the filled resin and are not separated.
A common electrode 42 of a thin film electrode is formed on the front surface of the piezoelectric ceramic plate divided by the resin by sputtering or vapor deposition. Further, a conductive layer 44 is formed on the back surface of the piezoelectric ceramic plate by a conductive adhesive.
[0055]
Next, an acoustic matching layer 45 is formed on the front surface of the common electrode 42, and a backing material 46 is formed on the back surface of the conductive layer 44.
Next, division grooves that are divided into a preset number are formed in the direction that later becomes the array direction (direction orthogonal to the slice direction). This division groove reaches the surface of the conductive layer 44 through the acoustic matching layer 45, the common electrode 42, the division in the slice direction of the piezoelectric ceramic plate 5, and the burned silver electrode 43 so as not to divide the conductive layer 44. Formed as follows.
[0056]
Next, it is possible to prevent foreign substances such as water, which cause crosstalk in ultrasonic transmission / reception between ultrasonic transducers in the array direction, from entering the divided grooves and to have a soft acoustic impedance. Resin).
After this resin is cured, all the common electrodes 42 divided in a predetermined number in the array direction are connected to the ground together, and each baked silver electrode 43 divided in a predetermined number in the array direction is These are connected to the corresponding drive circuits 47-1, 47-2,.
[0057]
As described above, according to the fifth embodiment, the conductive layer 44 formed of the conductive adhesive is formed on the back surface of the composite piezoelectric body on which the pre-baked silver electrode is formed. Sufficient durability can be provided, and electrode failure due to damage can be prevented.
In the fifth embodiment, the example in which the conductive layer 44 is formed on the back side of the composite piezoelectric body 41 has been described. However, the present invention is not limited to this, and the conductive layer 44 is formed of the composite piezoelectric body. It may be formed on the front surface side of 41 or may be formed on both the front surface and the back surface of the composite piezoelectric material.
[0058]
Further, the baked silver electrode 43 may also be formed on one or both of the front surface and the back surface of the composite piezoelectric body 41. Further, the formation of the baked silver electrode 43 can be omitted on the side where the conductive layer 44 is formed.
In the fifth embodiment, one example of the manufacturing method of the ultrasonic transducer has been described. However, the present invention is not limited to this, and the manufacturing method can be changed as appropriate. .
[0059]
A sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
In the sixth embodiment, a composite piezoelectric body having an increased electromechanical coupling coefficient and improved sensitivity will be described. That is, the gaps between the columnar piezoelectric ceramic elements of the composite piezoelectric material are filled with air or a medium (including liquid and gas) having a low acoustic impedance.
[0060]
With reference to FIG. 6 and FIG. 7, the manufacturing method of the composite piezoelectric material mentioned above is demonstrated.
First, as shown in FIG. 6 (a), a piezoelectric ceramic plate 51 that is a base of a composite piezoelectric body is a transparent (ultraviolet ray) fixed on a transparent (high ultraviolet transmittance) glass base 52. Installed with adhesive sheet 53).
Next, from the surface of the piezoelectric ceramic plate 51 that is not bonded by the adhesive sheet 53, as shown in FIG. 6 (b), a dividing groove that is divided into a plurality of pieces in a direction that subsequently becomes a slicing direction by a dicing machine or the like. Divided grooves (grooves extending in the slice direction) that are divided into a predetermined number are formed in the direction that becomes the array direction (direction orthogonal to the slice direction) and the groove that extends later (the grooves extending in the array direction). The divided grooves reach the upper layer portion of the adhesive sheet 53 through the piezoelectric ceramic plate 51.
[0061]
Next, the ultraviolet curable resin 54 is filled into the dividing grooves. At this time, the height of the rising from the upper surface of the ultraviolet curable resin 54 from the upper surface of the piezoelectric ceramic plate 51 is adjusted to be a preset height.
Next, the upper and lower surfaces of the ultraviolet curable resin 54 filled in the dividing grooves of the piezoelectric ceramic plate 51 are irradiated with ultraviolet rays having a preset intensity for a preset time, and FIG. 7 (a). As shown by the hatched portion, the thickness portion having a predetermined strength (sufficient strength for bonding each piezoelectric ceramic element of the composite piezoelectric material) of the upper surface layer portion and the lower surface layer portion of the ultraviolet curable resin 54 is obtained. Harden.
[0062]
Next, as shown in FIG. 7 (b), the piezoelectric ceramic plate 51 bonded by the ultraviolet curable resin 54 is peeled off from the adhesive sheet 53, and the predetermined portion of the ultraviolet curable resin 54 on the side in contact with the adhesive sheet 53 is removed. A hole penetrating the cured portion is formed, and the uncured ultraviolet curable resin 54 inside is discharged to the outside.
Next, the portions of the ultraviolet curable resin 54 that protrude from both sides of the dividing groove of the piezoelectric ceramic plate 51 are removed by cutting, and as shown in FIG. A composite piezoelectric body having a thickness of 1 mm is formed.
Next, as shown in FIG. 7D, electrodes 55 and 56 are formed on both surfaces of the composite piezoelectric body.
[0063]
As described above, according to the sixth embodiment, the piezoelectric ceramic elements of the composite piezoelectric body are coupled and the ultraviolet curable resin 54 having the gap as a cavity is formed, so that the electromechanical coupling coefficient is increased and the sensitivity is increased. Can be improved.
Further, in this sixth embodiment, the uncured portion of the cured ultraviolet curable resin 54 is discharged to the outside and then left in a hollow state (filled with air). It is not limited to the above, and instead, a resin having a small acoustic impedance may be filled.
In the sixth embodiment, the ultraviolet curable resin has been described. However, the present invention is not limited to this, and for example, only the surface layer portion such as a resin that cures in response to air can be cured. Any resin can be used.
[0064]
In each of the above-described embodiments, the array type ultrasonic transducer (array probe) has been described. However, the present invention is not limited to this, and the single type ultrasonic transducer (single probe) is also used. Applicable. Of course, in a single-type ultrasonic transducer, it is not necessary to divide into a predetermined number in the array direction, so that it is not necessary to form division grooves for division in the array direction and to fill the division grooves with resin. Manufacturing time and cost can be reduced.
[0065]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, it is possible to provide an ultrasonic transducer capable of reducing the manufacturing time and cost of the composite piezoelectric material.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a main part of an ultrasonic transducer according to a first embodiment of the invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view in the slice direction showing the main configuration of an ultrasonic transducer according to a second embodiment of the invention.
FIG. 3 is a perspective view showing a main configuration of an ultrasonic transducer according to a third embodiment of the invention.
FIG. 4 is a perspective view showing the main configuration of an ultrasonic transducer according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a perspective view showing the main configuration of an ultrasonic transducer according to a fifth embodiment of the invention.
FIG. 6 is a diagram showing manufacturing steps of the first half of a composite piezoelectric body of an ultrasonic transducer according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a view showing the latter half of the manufacturing process of the composite piezoelectric body of the ultrasonic transducer according to the embodiment;
FIG. 8 is a view showing a manufacturing process of a composite piezoelectric body of a conventional ultrasonic transducer.
FIG. 9 is a cross-sectional view in the slice direction showing the configuration of the main part of a conventional ultrasonic transducer.
[Explanation of symbols]
1, 11, 21, 31, 41... Composite piezoelectric body,
2, 12, 22, 42 ... common electrode,
3, 13, 23 ... drive electrodes,
8, 18, 25, 45 ... acoustic matching layer,
9, 19, 26, 34, 46 ... backing material,
14 ... auxiliary common electrode,
15 ... Auxiliary drive electrode,
24, 33, 44 ... metal foil,
32 ... conductive layer,
43 ... Bake silver electrode,
54: UV curable resin.

Claims

圧電振動子を使用して超音波を出力するとともに、その反射した超音波を受信する超音波トランスジューサにおいて、
前記圧電振動子は、
圧電セラミックスと樹脂とからなる複合圧電体で形成される第１の部分と、
前記樹脂を含まない前記圧電セラミックスからなる非複合圧電体構造を中心として形成された第２の部分とを有することを特徴とする超音波トランスジューサ。In an ultrasonic transducer that outputs ultrasonic waves using a piezoelectric vibrator and receives the reflected ultrasonic waves,
The piezoelectric vibrator is
A first portion formed of a composite piezoelectric body made of piezoelectric ceramic and resin;
And a second portion formed around a non-composite piezoelectric structure made of the piezoelectric ceramic that does not contain the resin.

前記圧電振動子に駆動電力を供給する電極をさらに具備し、この電極は、前記無効部分に接する部分は前記有効部分に接する部分に比較して強度の高い材料を使用したことを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスジューサ。 The electrode further includes an electrode for supplying driving power to the piezoelectric vibrator, and the electrode is made of a material having a higher strength than a portion in contact with the effective portion in a portion in contact with the ineffective portion. Item 2. The ultrasonic transducer according to Item 1.

前記圧電振動子の超音波出力面又はこの超音波出力面の反対側の面のいずれか一方又は両方に金属箔を補助電極又は電極として配置したことを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスジューサ。 2. The ultrasonic wave according to claim 1, wherein a metal foil is disposed as an auxiliary electrode or an electrode on one or both of an ultrasonic output surface of the piezoelectric vibrator and a surface opposite to the ultrasonic output surface. Transducer.

前記圧電振動子の超音波出力面又はこの超音波出力面の反対側の面のいずれか一方又は両方に導電性接着物質からなる導電層を補助電極又は電極として配置したことを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスジューサ。 The conductive layer made of a conductive adhesive material is disposed as an auxiliary electrode or an electrode on one or both of the ultrasonic output surface of the piezoelectric vibrator and the surface opposite to the ultrasonic output surface. 2. The ultrasonic transducer according to 1.

前記導電層は、超音波の出力及び受信特性を改善する音響整合の機能を有するように形成されていることを特徴とする請求項４記載の超音波トランスジューサ。 5. The ultrasonic transducer according to claim 4, wherein the conductive layer is formed so as to have an acoustic matching function for improving ultrasonic output and reception characteristics.

前記圧電振動子を、独立して超音波を出力すると共にその反射した超音波を独立して受信するように複数個備えたアレイ型であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の超音波トランスジューサ。 6. An array type comprising a plurality of the piezoelectric vibrators so as to independently output ultrasonic waves and to independently receive reflected ultrasonic waves. The ultrasonic transducer according to claim 1.