CN1263173C - 复合压电体及其制造方法 - Google Patents

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CN1263173C CNB021543879A CN02154387A CN1263173C CN 1263173 C CN1263173 C CN 1263173C CN B021543879 A CNB021543879 A CN B021543879A CN 02154387 A CN02154387 A CN 02154387A CN 1263173 C CN1263173 C CN 1263173C
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Abstract

一种复合压电体的制造方法，形成单位复合薄板(6)，通过层叠它形成复合压电体(10)。不直接搬运或排列微细的柱状压电体(5)就能形成复合压电体。在制造单位复合薄板(6)时，通过进行减少板状压电体的厚度的处理，能使进一步的微细化变得容易，能提供对应于高频的超声波振动的复合压电体。

Description

复合压电体及其制造方法
技术领域
本发明涉及超声波探头等中使用的复合压电体及其制造方法和使用了该复合压电体的超声波探头以及超声波检查装置。
背景技术
复合压电体是用各种形态使压电体和树脂复合的压电材料，因为能扩大振动的频带，所以研讨在医疗用超声波诊断装置等中使用的超声波探头中加以利用。被称作1-3型复合压电体是具有多个柱状压电体规则或不规则地排列，并且树脂填充了其间隙部分的结构的复合体，被指出适合于高灵敏度和宽频带化。
在用于从体外诊断体内的超声波探头中，主要使用了3～10MHz左右的超声波频带。当在这样的频带中制作发送、接收超声波的1-3型的复合压电体时，如果把当柱状压电体的长度为L，与柱状压电体的长度方向垂直的剖面的尺寸为S时的比率(L/S)设计为5以上，就能发挥最优的性能。因此，为了把1-3型的复合压电体适用于3～10MHz左右的超声波频带的超声波探头，有必要形成排列了多个长度为160～500μm左右、剖面尺寸S为30～100μm左右以下的柱状压电体的结构体。
须指出的是，在本说明书中，把比率(L/S)称作“柱状压电体的纵横比”。在此，尺寸S当柱状压电体的剖面为圆时，是它的直径，当柱状压电体的剖面为长方形，是其长边的长度。另外，当柱状压电体的剖面为梯形时，把下底的长度称作尺寸S。
虽然从很早就指出了复合压电体的有用性，但是作为实际的超声波诊断装置用的超声波探头，到现在为止商品化的例子还不多。其主要理由在于：(1)所要的柱状压电体的结构极其微细，制造复合压电体很困难；(2)即使能制造，也需要有很高的制造成本。
近年来，为了诊断从血管内诊断血管狭窄的可能性，就要求能进行对血管壁的详细观察的高频(15～20MHz)的超声波诊断用探头。为了制作能在这样的频带振动的复合压电体，有必要形成排列了多个长度为80～100μm左右、剖面尺寸S为16～20μm左右以下、纵横比为5以上的柱状压电体的结构体。但是，用以往的制造方法制造具有这样的结构的复合压电体是极端困难的。
下面就以往的1-3型的复合压电体的制造方法加以说明。
特许1789409号公报和特许1590342号公报中描述了对块状压电体通过机械加工纵横地形成切断沟后，通过在切断沟中填充环氧树脂等有机高分子并使其硬化，来制造1-3型的复合压电体的方法。该方法被称作“切割和填充法”，通过切割加工法等机械加工法来形成了切断沟。
特公平5-33836号公报描述了代替用切割和填充法进行的切割加工法，而使用了激光加工法的制造方法。在该方法中，用激光在压电陶瓷上形成了沟之后，在沟中填充了树脂并使其硬化。
以上所述的任意一种以往技术都能适用于10MHz左右以下的超声波探头中使用的复合压电体的制造，但是几乎不可能适用于这以上的高频频带中使用的复合压电体的制造。另外，即使把所述以往的技术适用于10MHz左右以下的超声波探头，该制造也极端困难，或者即使可能，也存在制造成本升高这一问题。
作为复合压电体的其他的制造方法，有“IEEE 1997 ULTRASONICSYMPOSIUM，pp.877-881，1997”(下面称作先行技术文献1。)和“IEEE1998 Microelectro Mechanics Systems Workshop，pp.223-228，1998”(下面称作先行技术文献2。)中描述的方法。
先行技术文献1的制造方法如以下所述。
首先，通过使用了X射线的深平版印刷术形成具有高纵横比的空孔的树脂模。在该空孔中填充了陶瓷浆后，通过蚀刻等除去树脂后，使陶瓷烧结。这样一来，就能制造排列了多个高纵横比的微细柱状压电体的结构体。如果在该结构体的柱状压电体的间隙填充有机高分子，就能制造1-3型的复合压电体。
先行技术文献2的制造方法如以下所述。
首先，对于硅衬底通过深平版印刷术形成高纵横比的空孔。在该空孔中填充了陶瓷浆后，就在硅衬底中填充了陶瓷的状态下烧结。烧结后，通过蚀刻等除去硅衬底，形成排列了多个高纵横比的微细的柱状压电体的结构体。然后，如果在该结构体的柱状压电体的间隙填充有机高分子，就能制造1-3型的复合压电体。
所述先行技术文献记载了能形成具有20μm左右以下的剖面尺寸的复合压电体，但是这些制造方法的工序都很复杂，为了烧掉模，需要复杂的工艺和很长时间。另外，使用的制造装置也是高价的。其结果是制造成本的增加成了一大问题。
而且，作为复合压电体的压电体一般使用压电性能好的钛酸锆酸铅类的压电陶瓷(PZT)，但是PZT是含有挥发温度较低的铅的陶瓷，所以很难控制它的组成，很难进行烧结使其发挥充分的压电特性。
发明内容
本发明是鉴于所述问题而提出的，其主要目的在于：在不使性能下降的前提下，以低价提供一种具有微细、纵横比高的多个柱状压电体的复合压电体。
本发明的复合压电体具有把多个包含树脂层和排列在所述树脂层上的多个柱状压电体的单位复合薄板层叠的结构，各柱状压电体的长度方向与所述树脂层平行。
在某一优选实施例中，所述多个单位复合薄板层叠为各柱状压电体的长度方向近似一致。
在某一优选实施例中，还具有在与所述多个柱状压电体的长度方向交叉的方向上延伸的至少一个内部导电体，它横穿所述多个柱状压电体。
在某一优选实施例中，所述内部导电体在所述复合压电体的至少一个端面露出。
在某一优选实施例中，所述内部导电体在所述复合压电体的至少一个端面露出。
在某一优选实施例中，所述内部导电体沿着所述柱状压电体的列延伸。
在某一优选实施例中，具有多个所述内部导电体，所述多个内部导电体分别设置在所述柱状压电体的各列中。
在某一优选实施例中，在所述柱状压电体的各列中设置了多个所述内部导电体。
在某一优选实施例中，与所述柱状压电体的长度方向垂直的剖面的宽度为20μm以下。
在某一优选实施例中，当所述柱状压电体的长度为L，与所述柱状压电体的长度方向垂直的剖面的平均尺寸为S时，L/S在5以上。
在某一优选实施例中，在层叠的各单位复合薄板之间，插入了其他的树脂层。
在某一优选实施例中，在各单位复合薄板中相邻的柱状压电体之间存在空隙。
在某一优选实施例中，在各单位复合薄板中相邻的柱状压电体之间存在树脂。
在某一优选实施例中，所述多个柱状压电体沿着与所述柱状压电体的长度方向垂直的面二维地排列。
在某一优选实施例中，所述多个柱状压电体沿着与所述柱状压电体的长度方向垂直的面排列成行和列，所述柱状压电体的列与相邻的所述柱状压电体的列通过树脂层隔离。
本发明的单位复合薄板具有树脂层和配置在所述树脂层上的多个柱状压电体，各柱状压电体的长度方向与所述树脂层平行。
本发明的复合薄板层叠体中，层叠了多块具有树脂层和配置在所述树脂层上的多个柱状压电体的单位复合薄板；所述柱状压电体处于通过由所述树脂层夹着，固定了配置关系的状态，各柱状压电体的长度方向与所述树脂层平行。
本发明的复合压电体是通过横穿所述柱状压电体的长度方向，切断所述复合薄板层叠体而制作。
在某一优选实施例中，所述柱状压电体的周围被树脂包围。
在某一优选实施例中，所述树脂是单位复合薄板的树脂层的一部分流动、硬化而成的。
在某一优选实施例中，所述树脂是在所述柱状压电体的周围浸渍液态树脂，硬化而成的。
本发明的超声波探头具有所述任意一个复合压电体。
本发明的超声波检查装置具有所述超声波探头。
本发明的单位复合薄板的制造方法包含：(a)准备在板状压电体的一个表面上形成了树脂层的复合板的工序；(b)对于所述复合板的所述板状压电体不完全截断地形成多条沟，从所述板状压电体形成多个柱状压电体的工序。
本发明的单位复合薄板的制造方法包含：(a)通过粘接薄板把板状压电体暂时固定在衬底上的工序；(b)通过在所述板状压电体上形成多条沟，从所述板状压电体形成多个柱状压电体的工序；(c)把暂时固定在所述衬底上的多个所述柱状压电体复制到树脂层上的工序。
在某一优选实施例中，还包含：在所述板状压电体的整个面上使所述板状压电体变薄的工序。
在某一优选实施例中，使所述板状压电体变薄的工序包含：对所述板状压电体的表面进行喷沙加工。
在某一优选实施例中，在所述工序(b)中，所述板状压电体的多条沟由喷沙加工形成。
在某一优选实施例中，在所述树脂层的至少一方的面上形成有内部导电体，使其与最终形成的柱状压电体交叉。
在某一优选实施例中，所述板状压电体是烧结压电陶瓷。
根据本发明的其他的单位复合薄板的制造方法包含：(a)在树脂层上准备在一个方向延伸的多个压电体和多个导电体交替配置的复合板的工序；(b)通过对于所述复合板的所述压电体形成在与所述压电体的长度方向交叉的方向上延伸的多条沟，在树脂层上形成多个柱状压电体和横穿所述多个柱状压电体而延伸的多个内部导电体的工序。
本发明其他的单位复合薄板的制造方法包含：(a)通过粘接薄板把在一个方向延伸的多个压电体和多个导电体交替配置的复合板暂时固定在衬底上的工序；(b)通过除去所述板状压电体的一部分，形成多个柱状压电体和横穿所述多个柱状压电体并且在与所述多个柱状压电体的长度方向交叉的方向延伸的多个内部导电体的工序；(c)把暂时固定在所述衬底上的多个柱状压电体和多个内部导电体复制到树脂层上的工序。
在某一优选实施例中，所述复合板是多个压电体和多个导电体交替层叠的层叠体与层叠方向平行切断而形成的。
在某一优选实施例中，所述复合板是在板状压电体上形成多条沟，在所述沟中填充了导电体而成的。
本发明的复合压电体的制造方法包含：(a)分别准备具有树脂层和配置在所述树脂层上的多个柱状压电体的多块单位复合薄板的工序；(b)层叠多块所述单位复合薄板的工序；(c)使层叠的多块所述单位复合薄板一体化的工序。
在某一优选实施例中，所述树脂层是通过液态树脂的涂敷而形成的。
在某一优选实施例中，所述树脂层是半硬化树脂薄板。
在某一优选实施例中，还包含：对于所述一体化的多块单位复合薄板，在横穿所述柱状压电体的方向上切断的工序。
本发明的压电体是具有多个柱状压电体和位于所述多个柱状压电体之间的介质部分的复合压电体，与所述柱状压电体的长度方向垂直的剖面的形状对于关于柱状压电体的中心轴的180o旋转是非对称的。
在某一优选实施例中，所述柱状压电体的长度方向垂直的剖面的形状为梯形。
本发明的复合压电体是具有多个柱状压电体和位于所述多个柱状压电体之间的介质部分的复合压电体，所述柱状压电体的侧面的至少一部分是自由烧结表面。
附图说明
下面简要说明附图。
图1是表示形成复合板的工序的一个例子的立体图。
图2A～图2C是表示把复合板的板状压电体加工成柱状压电体的工序的一个例子的立体图。
图3是与柱状压电体的长度方向垂直的剖视图。
图4是表示用于取得柱状压电体的加工方向的立体图。
图5是表示形成复合压电体的工序的一个例子的立体图。
图6是表示切断复合压电体的工序的一个例子的立体图。
图7A和图7B是表示减少复合板的板状压电体厚度的工序的一个例子的立体图。
图8是表示暂时固定板状压电体的工序的一个例子的立体图。
图9是表示加工板状压电体的工序的一个例子的立体图。
图10A和图10B是表示把柱状压电体复制到树脂层上的工序的一个例子的立体图。
图11是表示形成复合压电体的工序的一个例子的立体图。
图12是表示在复合压电体的空隙中填充树脂的工序的一个例子的立体图。
图13是表示形成复合压电体的一个例子的立体图。
图14表示柱状压电体的图案的变形例的立体图。
图15表示柱状压电体的图案的其他变形例的立体图。
图16表示柱状压电体的图案的其他变形例的立体图。
图17是表示柱状压电体的形状的变形例的立体图。
图18是表示单位复合薄板的层叠形态的变形例的立体图。
图19是表示构成单位复合薄板的树脂层的变形例的立体图。
图20是表示构成单位复合薄板的树脂层的其他变形例的立体图。
图21A和图21B是表示在本发明的复合压电体的实施例11中准备复合板的工序的一个例子的立体图。
图22是表示在图21的复合板上粘贴了树脂薄板的状态的立体图。
图23是表示在图22的复合板上形成了掩模图案的状态的立体图。
图24A和图24B是表示使用掩模图案加工图23的复合板，形成单位复合薄板的工序的一个例子的立体图。
图25是图24的单位复合薄板的剖视图。
图26是表示用于取得柱状压电体的加工方向的立体图。
图27是表示复合压电体的实施例11的立体图。
图28是表示在本发明的复合压电体的实施例12中准备复合板的工序的一个例子的立体图。
图29是表示在图28的复合板上形成了掩模图案的状态的立体图。
图30A和图30B是表示把柱状压电体和内部导电体复制到树脂层上的工序的一个例子的立体图。
图31是表示复合压电体的实施例12的立体图。
图32A和图32B是表示复合压电体的实施例13的制造工序的一个例子的立体图。
图33是表示复合压电体的实施例14的立体图。
图34A和图34B是表示在本发明的复合压电体的实施例15中准备复合板的工序的一个例子的立体图。
图35是表示在本发明的复合压电体的实施例16中，单位复合薄板的柱状压电体的形状和配置的其他一个例子的立体图。
图36是表示在本发明的复合压电体的实施例16中，单位复合薄板的柱状压电体的形状和配置的其他一个例子的立体图。
图37是表示本发明的超声波探头的实施例的剖视图。
图38A是表示本发明的超声波探头的实施例的发送接收波形的曲线图，图38B是表示其频带特性的曲线图。
图39A是表示超声波探头的比较例的发送接收波形的曲线图，图39B是表示其频带特性的曲线图。
图40是本发明的超声波诊断装置的实施例的剖视图。
图41是表示本发明的超声波探头及其驱动电路的模式剖视图。
图42是表示本发明的超声波检查装置的结构的模式图。
图43A～43F是表示本发明的复合压电体的实施例15的其他例子的工序的立体图。
下面简要说明附图符号。
1-板状压电体；2-树脂层；3-复合板；4-加工用掩模；5-柱状压电体；6-单位复合薄板；7-衬底；8-粘接薄板；9-填充用树脂；10-复合压电体；11-凸起；12-超声波发射面；13-声音调整层；14-底材；15-发送接收电路；16-超声波探头；17-超声波诊断装置主体；18-发送部；19-接收部；20-系统控制部；21-图象构成部；22-图象显示部。
具体实施方式
下面参照附图说明本发明的复合压电体的实施例。
(实施例1)
下面参照图1～图6说明本实施例的制造方法。
首先如图1所示，通过在板状压电体1的一个表面粘贴树脂层2，形成复合板3。作为板状压电体1的材料适合使用例如钛酸锆酸铅类(PZT)陶瓷。通过使低价的陶瓷生板(厚度：0.07mm左右)烧结，能容易并且低价地制造板状的PZT陶瓷。陶瓷生板是由陶瓷粉和树脂构成的烧结前的薄板，由刮刀法等方法制作，适用于形成薄层或层结构的压电体(层叠衬底等)时。虽然能切断块状的陶瓷制作板状压电体1，但是该方法需要切断、研磨工序等成本高的工序。而从陶瓷生板制造板状压电体的方法不需要切断、研磨等工序，所以从低成本化的观点出发是有利的。
当通过使陶瓷生板烧结制作板状压电体1时，从降低设备成本的观点出发，所以一般把块陶瓷生板重叠，同时烧结。此时，一边在各陶瓷生板之间涂满被称作剥离粉的MgO等粉，一边重叠，使重叠的上下陶瓷生板在烧结时不会接合。烧结后的板状压电体为了除去剥离粉，一块一块地洗净。当板状压电体1的尺寸为30mm角左右时，为了使搬运等处理容易，把其厚度设定在50μm以上，有必要确保充分的厚度。当为厚度不到50μm的薄板状压电体时，它的搬运很难，所以在搬运中容易发生断裂和缺损，有可能导致成品率下降，成本增加。
以图的X-Y-Z坐标为基准，本实施例中使用的板状压电体1的外形为：X方向尺寸30mm，Y方向尺寸30mm，Z方向尺寸0.05mm(＝50μm)。树脂层(厚度：0.025mm)2在平面上与板状压电体1具有相同的尺寸，例如由环氧类半硬化树脂薄板构成。复合体3的制作能按如下方法进行。即把在单面带剥离薄膜的环氧类半硬化树脂与板状压电体1重叠，通过活塞状夹具把它层叠120块，然后在把板状压电体1和树脂层2的层叠物放在夹具中的状态下加压。具体地说，在例如120℃、0.1Torr以下的大气气体介质中外加约1MPa的压力，加压5分钟。然后使气体介质回到大气，解除压力后，在150℃保持1小时。这样使树脂层2硬化后，从夹具取出层叠物后，通过剥下剥离薄膜就能得到120个复合板3。
板状压电体1最好由压电性高的材料形成。在本实施例中使用了PZT陶瓷，但是板状压电体1的材料并不局限于此，例如能使用钛酸铅、钛酸钡等的陶瓷、和水晶、铌酸锂、PZT单晶等单晶。
在本实施例中采用了环氧类半硬化树脂薄板的附着方法，但是也可以是能在板状压电体1一个表面形成均匀的树脂层的方法，能采用旋转镀膜法、丝网印刷法等任意的形成方法。
下面参照图2A～图C说明从板状压电体1制作多个柱状压电体5的方法。首先如图2A所示，在构成复合板3的板状压电体1的露出表面上形成加工用掩模4。本实施例中使用的加工用掩模4具有带状图案，通过刻膜使各带状部分的宽度为0.050mm(＝50μm)，间隔也为0.050mm。各带状部分的宽度规定了应该形成的柱状压电体的宽度。须指出的是，没必要使加工用掩模4的带状部分的间隔与带状部分的宽度一致。
在板状压电体1上粘贴了感光性的树脂薄板后，使用光掩模使树脂曝光，通过显影形成了加工用掩模4。在光掩模上形成了规定所述带状图案的遮光图案，能使用众所周知的光刻技术进行显影、曝光。通过变更光掩模的图案，能任意地设定加工用掩模4的图案的形状和尺寸。
接着对形成复合板3的加工用掩模4的面进行喷沙加工。喷沙加工是把微细的粒子(氧化铝和钻石的研磨粒子)与压缩空气一起喷射，一边通过冲击破坏被加工对象一边加工的处理。
根据喷沙加工，能不破坏树脂等柔软的物质，而有选择地破坏陶瓷等硬的材料。因此，通过使用树脂制的加工用掩模4进行喷沙加工，就能有选择地去掉板状压电体1的表面中未被加工用掩模4的带状部分覆盖的区域，在该部分形成切断沟。伴随着喷沙加工的进行，板状压电体1的露出表面上形成的切断沟加深，最后到达配置在板状压电体1的背面一侧的树脂层2。但是，树脂层2与加工用掩模4同样不会被喷沙加工破坏，所以即使板状压电体1上形成的切断沟到达树脂层2，树脂层2也几乎不被加工。这样在本实施例中，如图2B所示，能从板状压电体1形成多个柱状压电体5。在图2B中，为了简单化只表示了6个柱状压电体5，但是实际上同时形成了300个柱状压电体5。
根据所述的喷沙加工，能高速、精密地一次加工板状压电体1的宽阔的面，但是喷沙加工当加工用掩模4的深度对于开口部的宽度的比率(纵横比)大时，是不适合的加工方法。但是，在本实施例中，由喷沙加工形成的切断沟的深度方向与应该形成的柱状压电体5的长度方向不平行，而是垂直。因此，当由加工形成的切断沟的深度为D，切断沟的宽度为W时，本实施例的比率D/W为1左右。该比率D/W规定了切断沟的纵横比，虽然也根据压电体的材料，但是最好设定在1～2左右的范围内。而且当需要特别微细的加工时，最好比率D/W设定在1以下。
在本实施例中，如以上所述，从对于柱状压电体5的长度方向(Y方向)垂直的方向进行压电体的加工，所以即使具有“柱状压电体的纵横比”超过5的尺寸，也能使切断沟的纵横比小。因此，能容易地形成具有以往不可能的纵横比的柱状压电体。
形成了图2B所示的柱状压电体5后，如图2C所示，剥离加工用掩模4。这样就能制作具有由树脂层2保持了多个柱状压电体5的结构的单位复合薄板6。
柱状压电体5分别为：Y方向尺寸30mm，X方向尺寸约40～50μm，Z方向尺寸50μm。图3表示了与柱状压电体5的长度方向垂直的剖面。从图3可知，由本实施例得到的柱状压电体5的剖面是梯形的柱状压电体5的上表面的宽度为40～45μm左右，下表面的宽度为55～60μm左右。象这样在侧面形成锥度的理由是由于喷沙加工而产生的侧面蚀刻。柱状压电体5的上表面被加工用掩模4所覆盖，所以不受侧面蚀刻。本实施例的板状压电体1由烧结制作，所以其表面是自由烧结面，不受喷沙加工的柱状压电体5的上表面和下表面最终由自由烧结面构成。而柱状压电体5的侧面被加工，所以不是自由烧结面。
如以上所述，因为很难通过喷沙加工法形成深孔，所以如图4所示，如果想从箭头A的方向加工压电体，制作柱状压电体5，则极难形成纵横比为5以上的柱状压电体。但是根据本实施例的制造方法，因为从图4的箭头B的方向加工压电体，所以加工深度浅，能有效利用喷沙加工的高速性和可一次加工性等优点。
须指出的是，如果是能把板状压电体1加工成柱状的加工方法，就不一定局限于喷沙加工，也可以使用切割加工、超声波加工、激光加工等任意的加工方法。
接着准备120块由所述方法制作的单位复合薄板，进行层叠、一体化的工序。须指出的是，根据喷沙加工法，能一次进行大量的加工，所以加工120块所述尺寸的复合板3所需的时间非常短，为2小时以下。因此，能缩短单位复合薄板的制造时间，降低成本。
接着如图5所示，使在其间存在与构成单位复合薄板的树脂层2不同的树脂层2’，层叠单位复合薄板6。在图5中为了简单化，只表示了4块单位复合薄板6，但是实际上层叠了120块单位复合薄板6。在层叠时，配置为各层的柱状压电体5实质上平行，在最上部配置了2块X方向尺寸30mm、Y方向尺寸30mm，Z方向尺寸0.025mm的环氧类半硬化树脂薄板。须指出的是，在图5中表示为分别设置在相邻的2块单位复合薄板上的与柱状压电体5的位置彼此一致，是匹配的，但是实际上在各单位复合薄板上柱状压电体5的位置可以偏移。
把这样形成的层叠物在120℃、0.1Torr以下，外加约0.1Mpa左右的压力，放置10分钟后，恢复到大气压，不外加压力，在180℃加热1小时。这样，树脂层2、2’硬化，通过使层叠物一体化，能得到复合薄板层叠体即复合压电体10。得到的复合压电体10具有X方向尺寸30mm、Y方向尺寸30mm，Z方向尺寸12mm的长方体形状，在一个复合压电体10中通过树脂近平行地保持了36000(＝300×120)个柱状压电体5。
接着如图6所示，沿着与柱状压电体5的长度方向(Y方向)垂直的面(与X-Z面平行的面)把复合压电体10切断、分离为多个复合压电体10’。当切断间距设定为0.3mm，切割量为0.1mm时，从一个复合压电体10能得到100个X方向尺寸30mm、Y方向尺寸0.20mm、Z方向尺寸12mm的复合压电体10’。能通过变更切断间割，调节切断后的复合压电体10’的Z方向尺寸。当把本实施例的复合压电体在用于从体外进行体内诊断的超声波诊断装置用的探头中使用是，最好把切断后的复合压电体10’的Z方向尺寸设定在0.2～2mm的范围内。
接着通过溅射法在各复合压电体10’的上表面和下表面形成金电极后，在180℃、400V下进行极化处理，能得到表现压电特性的复合压电体元件。
根据本实施例的制造方法，不对各柱状压电体5进行直接的搬运，另外没必要把多个一个一个的排列在衬底上。根据本制造方法，与以往的制造方法相比，即使不使用高价的设备，也能在短时间以高成品率制造复合压电体。
这样制作的复合压电体因为使用了烧结薄的生板而制作的压电陶瓷，所以如以上所述，其两面为自由烧结表面。另外，自由烧结表面的一部分由树脂覆盖，不接受加工，在最终的复合压电体内也存在。压电体的自由烧结表面比接受了加工的表面要致密，耐环境性高，与周围的全体接受了喷沙加工时相比，更能发挥希望的特性。
另外，本实施例的复合压电体具有沿着单位复合薄板的厚度方向(Z方向)排列的多层结构。换言之，沿着X-Z面二维排列的多个柱状压电体中，在X方向排列的各列彼此由树脂层隔离。本实施例的复合压电体具有这样的层结构，所以能发挥减少横向的干涉的效果。
(实施例2)
下面说明发明的复合压电体的实施例2。
本实施例的复合压电体是适用于高频超声波振子的复合压电体。本实施例与实施例1的不同点在于：在制造时，附加了使复合板3的板状压电体1变薄的工序。该工序以外的制造工序与实施例1同样。
首先通过所述的方法准备图7A所示的复合板3。接着对于该复合板3的板状压电体1进行减小其厚度(Z方向的尺寸)的工序，加工成图7B所示的薄复合体3。在本实施例中，板状压电体1的厚度从0.050mm变薄为0.020(＝20μm)。
然后使用与图2所示的加工用掩模4同样的加工用掩模，从板状压电体1形成多个柱状压电体。此时本实施例中使用的加工用掩模的带状部分的宽度设定为0.020mm(＝20μm)。因为掩模材料和曝光装置的改进，所以现在能以高精度形成具有0.020mm的微细图案的加工用掩模。如以上所述那样规定掩模的带状部分的宽度，所以在本实施例中，与实施例1的复合压电体相比柱状压电体的剖面变小。但是，在本实施例中，使成为喷沙加工的对象的板状压电体1变薄，所以能以高精度形成把切断沟的纵横比维持在很小并且宽度窄的柱状压电体。须指出的是，加工用掩模的形成工序以后的工序与实施例1同样地进行。
用所述的方法把这样制作的单位复合薄板层叠、一体化后，通过进行切断、电极形成和极化处理，就得到了150个X方向尺寸30mm、Y方向尺寸30mm、Z方向尺寸0.100mm的复合压电体。
这样在本实施例中，因为减少了粘贴在树脂层2上的板状压电体1的厚度，所以能使用低价的PZT陶瓷作为板状压电体1，制作配置了多个剖面尺寸0.020mm左右的柱状压电体的复合压电体。当最终的复合压电体的柱状压电体的长度(Y方向尺寸)为“L”时，柱状压电体的纵横比L/S为5以上，取得了适合于发送接收高频的超声波的结构。
根据本实施例，能不使用高价的设备，以短时间、低成本制造对应于高频的复合压电体。
(实施例3)
下面说明本发明的复合压电体的实施例3。
首先如图8所示，用粘接薄板8把板状压电体1暂时固定在玻璃制的衬底7上。在本实施例中与实施例1同样，使用X方向尺寸30mm、Y方向尺寸30mm、Z方向尺寸0.050mm的压电陶瓷。使用热剥离薄板作为粘接薄板8。该粘接薄板8不局限于热剥离薄板，只要是能保持板状压电体1，并且在切断加工时板状压电体1不从粘接薄板8剥离，加工后能通过某种作用使其剥离的薄板就可以。例如，基于UV光照射的剥离薄板等也能作为粘接薄板8使用。
接着如图9所示，通过在板状压电体1上形成多条平行的沟，切断板状压电体1，形成多个柱状压电体5。具体地说，通过与参照图2A～图2C说明的方法同样的方法形成加工用掩模4后，进行喷沙加工。这样如图9所示，能得到通过粘接薄板8把柱状压电体5暂时固定在衬底7上的结构。在本实施例中与实施例1同样，加工掩模的带状部分的宽度和间隔设定为0.050mm。
接着如图10A所示，使暂时固定在衬底7上的多个柱状压电体5与薄板状的树脂层2相对。作为树脂层2能使用厚度0.050mm左右的环氧类半硬化树脂薄板。
接着对于使树脂层2和柱状压电体5接触的状态的树脂层2和衬底7外加例如约0.1Mpa的压力，在120℃加热10分钟。通过该加压、加热处理，把树脂层2和柱状压电体5接合的同时，因为粘接薄板8产生热剥离效果，所以如图10B所示，柱状压电体5从粘接薄板8剥离，复制到树脂层2上。
在本实施例中，使用环氧类半硬化树脂薄板作为树脂层2，但是，如果能发挥同样的效果，树脂层2也可以是其他粘接薄板。另外，可以通过印刷法在柱状压电体5之上涂敷液态树脂等，在形成树脂的层后，使它硬化后再剥离。
300个柱状压电体5通过所述复制工序，在维持了在衬底7上的配置的状态下，以高精度移动到粘接薄板2上。这样就制作了单位复合薄板。
准备120块该单位复合薄板，如图11所示的那样层叠后，在最上部配置X方向尺寸30mm、Y方向尺寸30mm、Z方向尺寸0.050mm的树脂层。然后在例如120℃、0.1Torr以下的大气气体介质中外加约0.1Mpa左右的压力，保持10分钟。然后使气体介质回到大气，解除压力后，在180℃保持1小时。这样使树脂层2硬化后，通过使层叠物一体化就形成复合压电体10。
在本实施例中，复制中使用的树脂层2只在从热剥离薄板的复制时，经历了120℃以下的热过程，所以在该复制后接合力持续，当使层叠物一体化时，没必要使新的粘接薄板在其间存在。因此，使层叠物一体化所需时间比实施例1缩短，能进一步降低成本。
须指出的是，一体化的复合压电体10具有X方向尺寸30mm、Y方向尺寸30mm、Z方向尺寸12mm的长方体形状，在该复合压电体中通过树脂层平行保持了36000个柱状压电体。
(实施例4)
下面说明本发明的复合压电体的实施例4。
本实施例的复合压电体是适用于高频超声波振子的复合压电体。本实施例如果除去在制造时附加进行了使复合板3的板状压电体1变薄的工序和使加工掩模的带状部分的宽度变窄为0.02mm，与实施例3同样。另外，使板状压电体1变薄的工序和加工掩模的形成工序与实施例2同样。
(实施例5)
下面说明本发明的复合压电体的实施例5。
在本实施例中，准备从实施例1到实施例4的复合压电体10后，在复合压电体的空隙部分浸渍填充用树脂9，使其硬化。然后与所述各实施例同样，进行复合压电体10的切断工序、电极形成工序和极化工序。
在从实施例1到实施例4的复合压电体10中，例如如图5所示，在排列在各单位复合薄板上的柱状压电体5之间存在空隙部分，该空隙部分处于由空气充满的状态。因为空气也是电介质，所以为了作为复合压电体起作用，就没必要用其他电介质材料填充该空隙部分。但是，如果用能硬化的电介质材料填充该空隙部分，使其硬化，就能提高复合压电体的机械强度，另外，能恰当调节复合压电体10的振动模式。
在本实施例中，如图12所示，通过对于在柱状压电体2之间形成的空隙部分，填充树脂9作为电介质材料，提高了复合压电体10的机械强度。
根据本实施例，更难产生切断等工序中的破损，提高了成品率，结果能进一步降低制造成本。另外，如果用树脂9填充空隙部分，则形成了电极的两个面不会通过空隙部分连通，所以即使使用非电解镀层形成电极，也能容易地防止两个电极短路。因此，对于大量的复合压电体能一次形成电极，能进一步实现低成本化。
(实施例6)
下面说明本发明的复合压电体的实施例6。
在本实施例中，使用与实施例5不同的方法，用树脂包围各柱状压电体5。
在本实施例中，层叠多块复合衬底，使各柱状压电体5配置在树脂层2之间，当一体化时，提高外加在层叠物上的压力。具体地说，在120℃、0.1Torr以下的大气气体介质中，在层叠物上外加1Mpa的压力，放置10分钟后，回到大气压，在加压的状态下在180℃加热1小时。如果象这样一边外加比较高的压力，一边进行接合和一体化，则在层叠时插入单位复合薄板之间的环氧类半硬化树脂薄板和未硬化的树脂层流动，填充了柱状压电体5的空隙。结果如图13所示，得到空隙全部被树脂填充了的复合压电体10。此后的工序与其他实施例同样。
在本实施例中，通过象上述那样在空隙部分填充树脂，能提高作为复合压电体的机械强度。
另外，很难发生切断等工序中的破损，提高了成品率。结果能降低制造成本。另外，在本实施例中，因为在电极形成时使用非电解镀层，所以对于大量的复合压电体能一次形成电极，能实现低成本化。
如果把本实施例与实施例5相比，则能省略层叠后的树脂填充工序，能缩短制造时间，能进一步降低制造成本。
(实施例7)
在以上的各实施例中，单位复合薄板的柱状压电体的形状都为直线，平行排列了柱状压电体。但是，单位复合薄板的柱状压电体的形状并不局限于直线，另外也不局限于平行排列。例如如图14～图16所示，也可以形成多种形态的柱状压电体。图14表示了不平行配置柱状压电体的例子。图15表示了柱状压电体不直线延伸，而是曲折延伸的例子。图16表示了连接柱状压电体，形成了格子图案的例子。图17表示了柱状压电体的剖面不是四角形，而是多角形的例子。为了通过例如喷沙加工形成具有这样的破面的柱状压电体，要控制喷沙加工的研磨粒子的喷射时间。与柱状压电体的长度方向垂直的剖面不一定是由直线的边构成的多角形，可以具有一部分由曲线构成的形状。在去除了加工用掩模后，通过附加进行短时间的喷沙加工或其他加工，能使柱状压电体的露出表面变化为平缓的曲面形状。如果柱状压电体的侧面具有曲面形状，相邻的压电体之间很难发生振动模式的干涉。
(实施例8)
在所述的各实施例中，当层叠单位复合薄板时使用了同一形状的单位复合薄板，并且配置单位复合薄板，使柱状压电体向着同一方向，但是本发明不局限于这样的配置。例如如图18所示，使各单位复合薄板的方向错开，柱状压电体的长度方向可以按各单位复合薄板旋转。
另外，也可以把图14～图17所示的单位复合薄板以任意的组合层叠，并使之一体化。层叠单位复合薄板，切断一体化的复合薄板层叠体时，切断面可以不是平面，而是曲面。
(实施例9)
在所述的各实施例中，作为保持压电体的树脂层，使用了无开口部的连续的一块薄板，但是树脂层并不局限于这样的薄板。例如如图19所示，可以使用在一部分上形成了开口部2a的树脂层2。另外，也可以使用一部分的厚度与其他部分不同的树脂层。
(实施例10)
在所述的各实施例中，各单位复合薄板上的柱状压电体的配置关系是固定的，但是在层叠多块单位复合薄板，进行一体化的工序中，能使其他单位复合薄板上的柱状压电体对于某一单位复合薄板上的柱状压电体的相对配关系变化。当为用于通常用途的复合压电体是，即使柱状压电体的彼此的位置关系变化，也对压电特性几乎不产生影响。因此，虽然柱状压电体的定位(对齐)不是特别必要，但是基于某种理由需要以高精度规定柱状压电体的相对的配置关系时，在层叠工序时，最好进行基于图象识别的定位。
为了容易地进行层叠单位复合薄板时的对位，如图20所示，可以在单位复合薄板的树脂层(与柱状压电体不接触的面)上周期地形成多个凸起11。凸起11的排列间隔设定为与树脂层2上相对配置的其他单位复合薄板的柱状压电体5的间隔相同。各凸起11的大小和形状被设计为当层叠单位复合薄板时，柱状压电体收纳在相邻的两个凸起11之间形成的凹部中。这样的凸起11使相邻的柱状压电体减小，能发挥使复合压电体的强度提高的功能。
另外，根据本实施例，当象实施例5那样在空隙部分填充树脂时，能用更少量的树脂填充全部空隙。另外，当象实施例6那样，使树脂层流动，用树脂包围压电体时，能以更低的压力执行层叠一体化工序。
(实施例11)
下面参照图21A～图27说明本实施例的制造方法。
首先，如图21A所示，形成交替层叠了压电体31和导电体32的层叠体33。在图21A所示的坐标系中，各压电体31的外形例如为X方向尺寸0.5mm(500μm)、Y方向尺寸20mm、Z方向尺寸20mm。另外，各导电体32的外形为X方向尺寸0.01mm(10μm)以下、Y方向尺寸20mm、Z方向尺寸20mm。通过层叠多个压电体31和导电体32，形成了具有X方向尺寸20mm、Y方向尺寸20mm、Z方向尺寸20mm的层叠体33。压电体31以及导电体32和层叠体33的尺寸并不局限于这些值，能按照用途选择适当的尺寸。
作为构成压电体31的材料，最好为压电性高的材料。例如由钛酸锆酸铅、钛酸铅、钛酸钡等的陶瓷、和水晶、铌酸锂、钛酸锆酸铅构成的单晶。作为导电体32可以是导电性高的材料，例如按照成本和用途，考虑要求的导电性，从金、银、白金、镍等金属和碳等中选择。
可以通过适当的结合剂接合具有所述外形的压电体31以及导电体32，也可以把由所述材料构成的陶瓷生板和导电性胶层叠，通过烧结形成层叠体33。
接着如图21B所示，在与层叠方向(X方向)平行的面(XY平面)中切断层叠体33，得到多个复合板34。在本实施例中，使用切割加工机，以0.1mm的间隔切断层叠体33，然后通过研磨使复合板34的厚度为0.05mm(50μm)。这样就从层叠体33得到了200块复合板34。在切断层叠体33时，除了切割加工机以外，还能使用运用了线状锯、激光、超声波等的各种加工机。另外，切断的间隔和复合板34的厚度也可以按照用途来选择其他的值。
接着如图22所示，准备包含树脂层35和剥离薄膜36的树脂粘接薄板50，在复合板34的一面粘贴树脂层。树脂层35的外形例如为X方向尺寸20mm、Y方向尺寸20mm、Z方向尺寸0.025mm(25μm)。树脂粘接薄板20的粘贴例如按如下方法进行。首先使在单面带福利薄膜36的环氧类半硬化树脂35与复合板34重叠，把它通过活塞状夹具层叠200块。接着在夹具上外加约1MPa的压力，把由夹具保持的层叠物在0.1Torr以下的减压状态下，在120℃加热5分钟。然后，恢复大气压，解除夹具的加压，在180℃使层叠物过热，使环氧类半硬化树脂硬化。然后冷却到诗文，除去福利薄膜36。
在本实施例中，使用树脂粘接薄板50在复合板34上形成了树脂层35，但是也可以通过旋转镀膜法、丝网印刷法，在复合板34的一面上形成均匀的膜厚的树脂层。
下面参照图23和图24，说明从复合板34形成多个柱状压电体和横穿柱状压电体，在与其交叉的方向延伸的多个内部导电体的方法。
如图23所示，在复合板34的未形成树脂层35的面上形成加工用掩模37。加工用掩模37包含完全覆盖复合板34的导电体32的上部的图案37a和用于从复合板31形成多个柱状压电体的图案37b。图案37b的宽度分别为0.05mm(50μm)，图案37b的间隔也是0.05mm。图案37b的宽度没必要与间隔相同。
在复合板34上粘贴感光性树脂薄板后，使用光掩模使树脂薄板曝光，通过显影形成了加工用掩模37。在光掩模上形成了规定所述的图案37a和图案37b的遮光图案，能使用众所周知的光刻技术进行显影、曝光。通过变更光掩模的图案，能任意地设定加工用掩模37的图案的形状和尺寸。
接着对于复合板34形成了树脂层35的面进行喷沙加工。喷沙加工是把微细的粒子(氧化铝和钻石的研磨粒子)与压缩空气(或水等流体)一起喷射，一边通过冲击破坏被加工对象一边加工的处理。
根据喷沙加工，能不破坏树脂等柔软的物质，而有选择地脆性破坏陶瓷等硬的材料。因此，通过使用树脂制的加工用掩模37进行喷沙加工，就能有选择地去掉复合板31的表面中未被图案37b覆盖的区域，在该部分形成切断沟。伴随着喷沙加工的进行，复合板31的露出表面上形成的切断沟加深，最后到达配置在复合板31的背面一侧的树脂层35。但是，树脂层35与加工用掩模37同样不会被喷沙加工破坏，所以即使复合板31上形成的切断沟到达树脂层35，树脂层35也几乎不被加工。另外，因为形成导电体32的部分被图案37a所覆盖，所以导电体32完全不被去掉。
这样如图24A所示，得到剩下了被包含图案37a和37b的加工用掩模37覆盖的部分的复合板34。切断沟形成在图案37b之间，但是由图案37a截断。然后如图24B所示，通过剥离加工用掩模37，得到在树脂层35上形成了多个柱状压电体39和横穿各柱状压电体39，在与柱状压电体39的长度方向交叉的方向延伸，并且连接了相邻的柱状压电体39的多个内部导电体38的单位复合薄板40。须指出的是，在图24B中，只表示了8个柱状压电体39和3个内部导电体38，但是实际上形成了250个柱状压电体39和40个内部导电体38。另外在图24B中，内部导电体38完全截断地横穿柱状压电体39，但是，如果内部导电体38横穿柱状压电体39的至少一部分，就能从柱状压电体39内部发送接收信号。最好内部导电体38横穿柱状压电体39的Z方向的厚度的约80％。因此，在本说明书中，“横穿”是指内部导电体38完全截断柱状压电体39地与之相交时和内部导电体38只切断柱状压电体39的一部分地与之相交时的两者。
根据所述的喷沙加工，能高速、精密地一次加工复合板34的宽阔的面，但是喷沙加工当加工用掩模37的深度对于开口部的宽度的比率(纵横比)大时，是不适合的加工方法。但是，在本实施例中，由喷沙加工形成的切断沟的深度方向与应该形成的柱状压电体39的长度方向不平行，而是垂直。因此，当由加工形成的切断沟的深度为D，切断沟的宽度为W时，本实施例的比率D/W为1左右。该比率D/W规定了切断沟的纵横比，虽然也根据压电体的材料，但是最好设定在1～2左右的范围内。而且当需要特别微细的加工时，最好比率D/W设定在1以下。
在本实施例中，如以上所述，从对于柱状压电体39的长度方向(Y方向)垂直的方向进行压电体的加工，所以即使具有“柱状压电体的纵横比”超过5的尺寸，也能使切断沟的纵横比小。因此，能容易地形成具有以往不可能的纵横比的柱状压电体。
图25表示了与柱状压电体39的长度方向垂直的剖面。从图25可知，在本实施例得到的柱状压电体39的剖面对于关于柱状压电体的中心轴的180o旋转是非对称的，具体地说是近梯形的。柱状压电体39的的上表面9a的宽度为40～45μm左右，下表面9b的宽度为55～60μm左右。象这样在侧面形成锥度的理由是由于喷沙加工而产生的侧面蚀刻。
如以上所述，因为很难通过喷沙加工法形成深的孔，所以如图26所示，如果要从箭头A的方向加工压电体，制作柱状压电体39，则很难形成纵横比在5以上的柱状压电体。并且，因为存在横穿各柱状压电体39，并且连接相邻的柱状压电体39的内部导电体38，所以不可能不切削内部导电体38而进行压电体的切削，再把压电体形成柱状。但是，根据本实施例的制造法，因为从图24的箭头B的方向加工压电体，所以加工深度浅，能有效利用喷沙加工的高速性和可一次加工性等优点。另外，在剩下了连接相邻的柱状压电体而设置的内部导电体38的状态下，就能形成柱状压电体39。
须指出的是，如果是能把板状压电体31加工成柱状的加工方法，就不一定局限于喷沙加工，也可以使用切割加工、超声波加工、激光加工等任意的加工方法。
根据所述方法准备200块单位复合薄板40。加工200块所述尺寸的复合薄板所需的时间非常短，为2小时以下。因此，能缩短单位复合薄板的制造时间，降低成本。
接着层叠多块单位复合薄板40，进行一体化。如图27所示，使在其间存在与构成单位复合薄板40的树脂层35不同的树脂层35’，层叠单位复合薄板40。在图27中为了简单化，只表示了6块单位复合薄板40，但是实际上层叠了200块单位复合薄板40。在最上部配置了1块X方向尺寸20mm、Y方向尺寸20mm，Z方向尺寸0.05mm的环氧类半硬化树脂薄板。
当层叠200块单位复合薄板40时，进行对位使内部导电体38的位置在X方向为相同的位置。即如果在X方向不产生位置偏差，向Y方向的一些位置偏差就不成问题。因此，没必要使用用于对位的高价设备，另外也缩短了对位所需时间。由此，能降低成本。
把这样形成的层叠物在120℃、0.1Torr以下，外加约0.1Mpa左右的压力，放置10分钟后，恢复到大气压，不外加压力，在180℃加热1小时。这样，树脂层35、35’硬化，通过使层叠物一体化，能得到复合薄板层叠体即复合压电体41。得到的复合压电体41具有X方向尺寸20mm、Y方向尺寸20mm，Z方向尺寸20mm的长方体形状。复合压电体41中，形成了在图中沿着X方向延伸的40000个柱状压电体和在Y方向延伸的8000个内部导电体38。
在复合压电体41中，柱状压电体39在与其长度方向垂直的面(X-Z平面)中配置为成行(Y方向)和列(Z方向)的矩阵状，柱状压电体39的各列由树脂层35和5’隔绝。如参照图25说明的那样，与各柱状压电体39的长度方向(X方向)垂直的剖面(Y-Z平面)是梯形形状。
在柱状压电体39的各列中，内部导电体38横穿各柱状压电体39，并且在柱状压电体39的行方向延伸，连接了在行方向配置的柱状压电体39。由内部导电体38截断的柱状压电体39与内部导电体38接触，并电连接。因此，内部导电体38与各列中的柱状压电体39电连接。另外，在复合压电体41的两个端面11a和11b上露出了各内部导电体38的端部。因此，柱状压电体39分别通过内部导电体38能容易并且完全地与外部电路连接。
单位复合薄板40在其厚度方向(Z方向)层叠，沿着Y-Z平面二维配置的多个柱状压电体39中排列在Y方向的各列彼此由树脂层隔离。因为具有这样的层结构，所以由树脂层隔离的柱状压电体间很难发生干涉。
而在本实施例的各单位复合薄板40中，未用树脂填充柱状压电体39之间，形成了空间。可以在复合压电体41完成后，在空间中注入树脂等，也可以通过作为空间留下，以空气充满柱状压电体39之间。当以空气充满柱状压电体39之间时，具有来自柱状压电体39的声音泄漏少的优点。
另外，没必要直接处理或排列柱状的柱状压电体和内部导电体，也没必要为了把柱状压电体配置为矩阵状而进行精密的对位，所以与以往的制造方法相比，能以短时间、高成品率，使用低价的设备就能制造。
(实施例12)
下面说明本发明的复合压电体的实施例12。
首先，与实施例11同样，如图28所示，准备200块把在一个方向延伸的压电体31和导电体32交替层叠的复合板34。然后，使用粘接薄板44把复合板34暂时固定在玻璃等衬底43上。在本实施例中，使用热剥离薄板作为粘接薄板44。该粘接薄板44不局限于热剥离薄板，只要是能保持复合板34，并且在切断加工时复合板34不从粘接薄板44剥离，加工后能通过某种作用使其剥离的薄板就可以。例如，基于UV光照射的剥离薄板等也能作为粘接薄板44使用。
接着通过加工复合板34，如图29所示，形成由粘接薄板44保持了多个柱状压电体39和在大致正交的方向横穿多个柱状压电体39而延伸并且连接了柱状压电体39的多个内部导电体38的玻璃板43。具体地说，通过与参照图22～图24说明的方法同样的方法形成了加工掩模后，进行喷沙加工。
接着如图30A所示，使暂时固定在衬底43上的柱状压电体39和连接了它们的内部导电体38与薄板状的树脂层35相对。能使用厚度0.050mm左右的环氧类半硬化树脂薄板作为树脂层35。
然后，在使树脂层35与柱状压电体39以及内部导电体38接触的状态下，对于树脂层35和衬底43外加例如约0.1Mpa的压力，在120℃加热10分钟。通过该加压、加热处理，把树脂层35和柱状压电体39以及内部导电体38接合的同时，因为粘接薄板44产生热剥离效果，所以如图30B所示，柱状压电体39和内部导电体38从粘接薄板44剥离，复制到树脂层35上。
在本实施例中，使用环氧类半硬化树脂薄板作为树脂层35，但是，如果能发挥同样的效果，树脂层35也可以是其他粘接薄板。另外，可以通过印刷法在柱状压电体39和内部导电体38之上涂敷液态树脂等，在形成树脂的层后，使它硬化后再剥离。
结果，由40个内部导电体38连接的200个柱状压电体39通过所述复制工序，在以高精度维持了在衬底43上的配置的状态下，移动到树脂层35上。这样就制作了单位复合薄板。
准备200块该单位复合薄板，如图31所示的那样层叠后，在最上部配置X方向尺寸20mm、Y方向尺寸20mm、Z方向尺寸0.050mm的树脂层35’。然后在例如120℃、0.1Torr以下的减压气体介质中外加约0.1Mpa左右的压力，保持10分钟。然后使气体介质回到大气，解除压力后，在180℃保持1小时。这样使树脂层35硬化后，通过使层叠物一体化就形成复合压电体42。
在本实施例中，复制中使用的树脂层35只在从热剥离薄板的复制时，经历了120℃以下的热过程，所以在该复制后接合力仍持续，当使层叠物一体化时，没必要使新的粘接薄板在其间存在。因此，使层叠物一体化所需时间比实施例11缩短，能进一步降低成本。
须指出的是，一体化的复合压电体42具有X方向尺寸20mm、Y方向尺寸20mm、Z方向尺寸20mm的长方体形状，在该复合压电体中通过树脂层35分别平行保持了8000个内部导电体38和40000个柱状压电体。
(实施例13)
在本实施例中，说明如图32所示，通过切割加工机与内部导电体38平行切断实施例11和实施例12中得到的复合压电体41和42，制造包含配置在柱状压电体39的列方向的一层内部导电体38的复合压电体41’的方法。
如图32A和图32B所示，以0.1mm的切割量切断以0.5mm的间隔配置在X方向的内部导电体38的列间，得到具有X方向尺寸20mm、Y方向尺寸20mm、Z方向尺寸0.4mm的尺寸，并且包含一层的内部导电体38的复合压电体41’。在该切断的面上形成电极，通过在内部导电体38和两面的电极之间外加电压，进行极化处理，在柱状压电体上就产生了压电特性。
在本实施例的复合压电体41’中，所述长度方向的长度L对于与各柱状压电体的长度方向垂直的剖面的尺寸S的比率(纵横比)为8(0.4mm/0.05mm)，满足了1-3型的复合压电体中性能最好所需的在5以上的条件。
另外，在各柱状压电体39中，在其长度方向的大致正中央的位置设置了内部导电体38。因此，当在内部导电体38上外加驱动信号时，与原来的复合压电体相比，与并联了两个厚度为一半的复合压电体是等价的，复合压电体的容量变为4倍。结果与不设置内部导电体38时相比，电阻约变为1/4，纵横比增大，能实现电阻小的复合压电体。
在本实施例中制造了具有一层的内部导电体的复合压电体，但是通过改变切断位置，也能形成具有任意数量的内部电极的复合压电体。另外，作为切断方法，除了切割加工法以外，还可以使用线状锯和激光等其他加工机器。
(实施例14)
下面说明本发明的复合压电体的实施例14。
在实施例11和实施例12的复合压电体41和42中，例如如图27所示，在配置在各单位复合薄板上的柱状压电体39之间存在空隙部分，该空隙部分处于被空气充满的状态。因为空气也是电介质，所以没必要为了作为复合压电体起作用而用其他电介质材料填充该空隙部分。但是，如果用能硬化的电介质材料填充该空隙部分，使其硬化，就能提高复合压电体的机械强度，另外，能恰当调节复合压电体41和42的振动模式。
因此，在本实施例中，层叠多块复合薄板，使柱状压电体39配置在树脂层35之间，当一体化时，提高外加在层叠物上的压力。具体地说，在120℃、0.1Torr以下的气体介质中，在层叠物上外加1Mpa的压力，放置10分钟后，回到大气压，在加压的状态下在180℃加热1小时。如果象这样一边外加比较高的压力，一边进行接合和一体化，则在层叠时插入单位复合薄板之间的环氧类半硬化树脂薄板和未硬化的树脂层流动，填充了柱状压电体39的空隙。结果如图33所示，得到空隙全部被树脂5”填充了的复合压电体41”。
在本实施例中，如以上所述，通过在空隙部分填充树脂，能提高作为复合压电体的机械强度。另外，很难发生切断等工序中的破损，提高了成品率。结果能降低制造成本。另外，在本实施例中，因为在电极形成时使用非电解镀层，所以对于大量的复合压电体能一次形成电极，能实现低成本化。
(实施例15)
下面说明本发明的复合压电体的实施例15。
在本实施例中，在板状压电体上形成沟，通过填充导电体，形成单位复合薄板中使用的复合板。
如图34A所示，把X方向尺寸20mm、Y方向尺寸0mm、Z方向尺寸0.05mm的板状压电体47通过粘贴在玻璃等的衬底43上的热剥离薄板46固定，对于板状压电体47以0.5mm的间隔形成在Y方向延伸的沟45(宽度约0.03mm)。然后，如图34B所示，在形成的沟45中填充导电体32。
在本实施例中，使用了使陶瓷生板烧结而形成的压电陶瓷作为板状压电体47。陶瓷生板是由陶瓷粉和树脂构成的烧结前的薄板，由刮刀法等方法制作，适用于形成薄层或层结构的压电体(层叠衬底等)时。从陶瓷生板制造板状压电体的方法不需要切断、研磨等工序，所以从低成本化的观点出发是有利的。如果是挤压成形法等能以低成本制造薄的陶瓷的方法，也可以使用由刮刀法以外的方法制造的压电陶瓷。
另外，作为填充导电体的沟45的形成方法，在本实施例中使用了切割加工机。具体地说，使用宽度0.025的刀，完全切断板状压电体47。由此，能形成深度0.05mm、宽度0.03mm的沟45。沟45是以比较宽的间隔形成的，在本实施例中间隔为0.5mm，形成了40个。因此，即使是切割加工这样的一条沟一条沟地形成的方法也能在短时间内完成，加工所需成本低。
在切割加工时，只通过变更磨削程序，就能容易地调节填充导电体的沟的间隔。因此，能形成与用途相应的导电体的图案，能调整复合压电体的电阻等。
另外，作为沟45的形成方法，除了切割加工法，还有例如喷沙加工法、激光方法、蚀刻方法等，可以按照制造数量和制造成本、要求的尺寸精度等，选择其他的加工方法。
作为导电体，在本实施例中，使用了在树脂中分散了银粒子的银胶。通过橡胶制的橡皮滚，在形成了沟45的板状压电体47上刷真空脱泡的银胶，在80℃放置1小时，使其硬化。由此，刷上的银胶只填充了沟45，并固定下来。
作为导电体能不局限于银胶，能使用包含金、白金、镍等具有导电性的材料的胶。可以考虑要求的成本和导电率，从这些金属中选择最佳的材料。
在本实施例中，因为在衬底43和板状压电体47的暂时固定中使用了树脂制的热剥离薄板46，所以不适合使用高温处理所必要的玻璃胶。但是，在衬底32和板状压电体47的暂时固定方法中，例如通过使用在多孔性陶瓷中真空吸附的方法，能使用含有玻璃的胶。含玻璃的胶有必要在500℃左右进行热处理，但是与压电陶瓷的紧贴力强。因此，如果在导电体的形成时使用含有玻璃的胶，就能制造可靠性更高的复合板。
在通过切割加工机形成沟45中填充银胶，使其硬化，通过在120℃把复合板加热10分钟，使热剥离薄板46从复合板34’剥离。接着如实施例11所说明的那样，为了形成柱状压电体图案，对复合板34’进行喷沙加工。当根据实施例12制造复合压电体时，不从复合板34’剥离热剥离薄板43，就这样对复合板34’进行喷沙加工。须指出的是，当在沟45内形成的导电体充分地包含树脂成分时，当对复合板34’进行喷沙加工时，也可以不形成覆盖导电体的掩模图案。因为导电体包含树脂成分，所以导电体的硬度下降，很难发生脆性破坏。
在本实施例中，沟45完全切断了板状压电体47，但是也可以到板状压电体47的中途为止形成沟，填充导电体。此时，设置达到板状压电体47的厚度的约80％的沟45，通过用导电体填充该沟，能得到与完全切断板状压电体47时几乎同等的性能。此时，即使形成了沟45板状压电体47也不会变得散乱，所以没必要把板状压电体47暂时固定在热剥离薄板等上。因此，能使用上述的含玻璃的金属胶填充沟45，能制作可靠性更高的复合板。
另外，也可以采用完全不在板状压电体上形成沟，而是在板压电体的表面或树脂薄板的表面形成导电体图案的制造方法。下面参照图43A～43F，说明该例子。
首先如图43A所示，在树脂层35之上形成线条的内部导电体32。接着如图43B所示，把树脂层35和板状压电体31粘合后，在板状压电体31上形成加工用掩模37。
接着如图43C所示，从该加工用掩模37形成图案37a后，通过喷沙加工法等加工板状压电体31。此时如图43D所示，有选择地去掉了板状压电体中未被图案37a覆盖的部分，从板状压电体31形成了多个柱状压电体39。柱状压电体39与内部导电体32。
如果除去加工图案37a，就完成了图43E所示的单位复合薄板40。通过层叠该单位复合薄板40，得到图43F所示的层叠体33。
如果根据图43所示的例子，各柱状压电体39的一个侧面与内部导电体32接触。通过在树脂薄板35的两面形成内部导电体32，就得到内部导电体39与各柱状压电体的两个侧面接触的结构。
这样，根据本发明，使用由刮刀法等形成的低价的陶瓷薄板，在其上设置沟，通过在沟中填充导电体，与使用切断、研磨等工序从大型的块形成复合板时相比，能以低成本制造复合板。另外，因为能容易地变更填充导电体的沟的间隔，所以能以低成本制造多种复合压电体。
(实施例16)
在以上的各实施例中，单位复合薄板的柱状压电体的形状都为直线，平行排列了柱状压电体。但是，单位复合薄板的柱状压电体的形状并不局限于直线，另外也不局限于平行排列。例如如图35和图36所示，也可以形成多种形态的柱状压电体。图35表示了在柱状压电体50的两端，与相邻的柱状压电体的间隔不同，未平行配置的例子。图36表示了柱状压电体不直线延伸，而是曲折延伸的例子。图35和图36中未表示内部导电体，但是实际上设置了多个在Y方向延伸并且分别横穿柱状压电体50和51的内部导电体。
与柱状压电体的长度方向垂直的剖面没必要是由直线的边构成的多角形，可以具有一部分由曲线构成的形状。在区除了加工用掩模后，例如通过在短时间内附加进行喷沙加工或其他加工，能使柱状压电体的露出表面边为平缓的曲面形状。如果柱状压电体的侧面具有曲面形状，相邻的压电体之间很难发生振动模式的干涉。
(实施例17)
下面说明本发明的超声波探头的实施例。
在本实施例中，把实施例6的复合压电体(柱状压电体的剖面一边0.020mm，厚度0.100mm)作为超声波探头使用。
下面说明制造本实施例的超声波探头的方法。
首先通过切断所述的复合压电体，制作具有长12mm、宽12mm、厚0.1mm的尺寸的复合压电体。接着，通过非电解镀层，在复合压电体的上表面和下表面形成镍/金的电极后，通过砂纸剥离附着在端面上的电极，使上下表面的电极彼此电分离。
接着进行极化处理。具体地说，把上表面的电极接地，在下表面的电极上外加+200V的电压，在温度180℃把该状态保持1小时。这样得到的复合压电体取得了机电耦合系数68％，机械Q＝10的结果。
如图37所示，在所述的复合压电体的超声波发射面12一侧设置声音调整层13，在背面一侧设置底材14。声音调整层13是在树脂中混入陶瓷装填物，一体化而得到的，底材14是使铁粉分散的橡胶。把复合压电体的超声波发射面一侧的电极接地，把背面一侧的电极作为驱动电极，与发送接收电路15相连。
图38是表示具有所述结构的超声波探头16的特性的曲线图，图39是表示在同样的结构中，使用压电陶瓷代替复合压电体的超声波探头的特性的曲线图。图38A和图39A分别表示超声波探头的发送接收波形，图38B和图39B表示了其频带特性。
从图38A～图39A可知，使用了复合压电体的超声波探头具有与使用了以往的压电陶瓷的超声波探头近相同的发送接收灵敏度，在-6dB的带宽率中，能实现约50％以上的宽带化。
(实施例18)
在本实施例中，如图40所示，把实施例17的超声波探头连接在超声波诊断装置主体17上。超声波诊断装置主体17如图40所示，具有：用于发出使超声波探头发射超声波信号的电压信号的发送部18；接收从超声波探头输出的电压信号的接收部19；进行关于超声波信号的发送接收的各种控制的系统控制部20；根据得到的超声波信号形成图象的图象构成部21；根据从图象构成部21输出的图象信号显示图象的图象显示部22。在超声波诊断装置主体17的各部中能采用众所周知的结构。
如果使用图42的超声波诊断装置进行人体的图象化，通过宽频带化的超声波探头的有利效果，就能鲜明地以高分辨率观察到深部的图象，就能进行高精度的诊断。
(实施例19)
下面说明本发明的超声波探头的实施例。
在本实施例中，首先象实施例13中说明的那样，切断实施例14的复合压电体，使其包含一层的内部导电体，得到图41所示的内部导电体200。内部导电体200长200mm、宽20mm、厚0.4mm，在厚度方向的中心0.2mm的位置包含内部导电体。在该厚度方向的上表面和下表面上，形成基于非电解镀层的镍和金构成的电极205a和205c。另外，也形成连接各内部导电体的端面的电极205b，通过喷沙加工剥离附着在复合压电体200的端面上的不要的导电体，分别电分离了205a、205b和205c。
接着，进行极化处理。具体地说，把上表面的电极205a和下表面的电极205c接地，在连接了内部导电体的电极205b上外加+400V的电压，在180℃把该状态保持1小时。这样得到的复合压电体具有约68％的机电耦合系数。
如图41所示，在上表面的电极205a上设置声音调整层201，在下表面的电极205c上设置底材203。是在树脂中混入陶瓷装填物，一体化而得到的，底材203是使铁粉分散的橡胶。把上表面的电极205a和下表面的电极205c接地，把连接在内部导电体上的电极205b作为驱动电极与发送接收电路206相连。与发送接收电路206的连接时，使用在聚酰亚胺树脂上设置了由金构成的布线图案的平板用电缆，通过沿着金的布线图案进行切割加工，完全地切断声音调整层201和复合压电体200。底材203不被切断而留下。在切断的沟中填充硅橡胶。
此时，切沟的宽度为0.03mm，各元件的宽度为0.2mm。
测定了各元件的电阻，不设置内部导电体的超声波探头的复合压电体相比，得到了约1/4的值。这是因为通过在复合压电体的厚度方向的中心附近设置内部导电体，与原来的复合压电体相比，与厚度为一半的复合压电体并联等价，复合压电体的容量边为4倍。
通过发送接收电路206使图41所示的超声波探头驱动，确认了发送接收效率，与包含不设置内部导电体的复合压电体的超声波探头相比，能确认约6dB左右的灵敏度的提高。
(实施例20)
在本实施例中，如图42所示，把实施例19的超声波探头连接在超声波诊断装置主体17上。超声波诊断装置主体17如图42所示，具有：用于发出使超声波探头发射超声波信号的电压信号的发送部118；接收从超声波探头输出的电压信号的接收部119；进行关于超声波信号的发送接收的各种控制的系统控制部120；根据得到的超声波信号形成图象的图象构成部121；根据从图象构成部121输出的图象信号显示图象的图象显示部122。在超声波诊断装置主体117的各部中能采用众所周知的结构。
如果使用图42的超声波诊断装置进行人体的图象化，通过宽频带化、高灵敏度化的超声波探头的有利效果，就能鲜明地以高分辨率观察到深部的图象，就能进行高精度的诊断。
发明的效果
在根据本发明第一形态的复合压电体中，通过层叠在树脂层上配置了柱状压电体的单位复合薄板，进行一体化，就得到复合压电体。由树脂层把柱状压电体固定并保持在任意的位置，柱状压电体的位置在一体化工序中也不变动。因此，没必要直接搬运容易破损的柱状压电体，也不需要排列多个柱状压电体的工序。通过按照柱状压电体的大小和数量选择适当的加工方法，不用使用高价的设备就能在短时间内以低成本制造复合压电体。
在根据本发明第二形态的复合压电体中，因为设置了多个横穿柱状压电体的内部导电体，所以柱状压电体具有夹着各内部导电体的层叠结构。因此，通过连接内部导电体和外部电路，能降低电阻，提高超声波的发送接收灵敏度。
另外，把在树脂层上配置了柱状压电体和内部导电体的单位复合薄板层叠，通过一体化制作了复合压电体。通过树脂层固定了柱状压电体和内部导电体的配置关系，所以不用担心进行层叠和一体化时这些配置会改变。换言之，没必要直接搬运容易破损的柱状压电体和内部导电体，也不需要配置多个柱状压电体和内部导电体。并且，例如通过喷沙加工，能以短时间、低成本制作在树脂层上配置了这样的柱状压电体和内部导电体的单位复合薄板。因此，通过简单的方法就能以低成本制作复合压电体。
另外，不用单独制造包含内部导电体的复合压电体，就能制造包含多层内部导电体的复合压电体的块，所以通过在给定位置上切断块状的复合压电体，就能以短时间、低成本来制作多个复合压电体。

Claims (34)

1.一种复合压电体，其特征在于：
具有把多个包含树脂层和排列在所述树脂层上的多个柱状压电体的单位复合薄板层叠的结构；
各柱状压电体的长度方向与所述树脂层平行。
2.根据权利要求1所述的复合压电体，其特征在于：
所述多个单位复合薄板被层叠为：使各柱状压电体的长度方向一致。
3.根据权利要求2所述的复合压电体，其特征在于：
还具有在与所述多个柱状压电体的长度方向交叉的方向上延伸的至少一个内部导电体，使之横穿所述多个柱状压电体。
4.根据权利要求3所述的复合压电体，其特征在于：
所述内部导电体在所述复合压电体的至少一个端面露出。
5.根据权利要求4所述的复合压电体，其特征在于：
所述内部导电体沿着所述柱状压电体的列延伸。
6.根据权利要求5所述的复合压电体，其特征在于：
具有多个所述内部导电体，所述多个内部导电体分别设置在所述柱状压电体的各列中。
7.根据权利要求1所述的复合压电体，其特征在于：
与所述柱状压电体的长度方向垂直的剖面的宽度为20μm以下。
8.根据权利要求7所述的复合压电体，其特征在于：
当所述柱状压电体的长度为L，与所述柱状压电体的长度方向垂直的剖面的平均尺寸为S时，L/S在5以上。
9.根据权利要求1所述的复合压电体，其特征在于：
在所层叠的各单位复合薄板之间，插入有其他的树脂层。
10.根据权利要求1所述的复合压电体，其特征在于：
在各单位复合薄板中相邻的柱状压电体之间存在着空隙。
11.根据权利要求1所述的复合压电体，其特征在于：
在各单位复合薄板中相邻的柱状压电体之间存在着树脂。
12.根据权利要求1所述的复合压电体，其特征在于：
所述多个柱状压电体沿着与所述柱状压电体的长度方向垂直的面二维地排列。
13.根据权利要求12所述的复合压电体，其特征在于：
所述多个柱状压电体沿着与所述柱状压电体的长度方向垂直的面排列成行和列，所述柱状压电体的列与相邻的所述柱状压电体的列通过树脂层隔离。
14.根据权利要求1所述的复合压电体，其特征在于：
所述柱状压电体的周围被树脂包围着。
15.根据权利要求14所述的复合压电体，其特征在于：
所述树脂是单位复合薄板的树脂层的一部分流动、硬化而形成的。
16.根据权利要求14所述的复合压电体，其特征在于：
所述树脂是在所述柱状压电体的周围浸渍液态树脂，硬化而形成的。
17.一种单位复合薄板，其特征在于：
具有树脂层和配置在所述树脂层上的多个柱状压电体，各柱状压电体的长度方向与所述树脂层平行。
18.一种超声波探头，其特征在于：
具有权利要求1所述的复合压电体。
19.一种超声波检查装置，其特征在于：
具有权利要求18所述的超声波探头。
20.一种单位复合薄板的制造方法，其特征在于：包含：
(a)准备在板状压电体的一个表面上形成了树脂层的复合板的工序；
(b)对于所述复合板的所述板状压电体，通过并不完全截断所述树脂层地形成多条沟，从所述板状压电体形成多个柱状压电体的工序。
21.根据权利要求20所述的单位复合薄板的制造方法，其特征在于：还包含：
在所述板状压电体的整个面上使所述板状压电体变薄的工序。
22.根据权利要求21所述的单位复合薄板的制造方法，其特征在于：
使所述板状压电体变薄的工序包含：对所述板状压电体的表面进行喷沙加工。
23.根据权利要求20所述的单位复合薄板的制造方法，其特征在于：
在所述工序(b)中，所述板状压电体的多条沟通过喷沙加工形成。
24.根据权利要求20所述的单位复合薄板的制造方法，其特征在于：
在所述树脂层的至少一方的面上形成有内部导电体，使其与最终形成的柱状压电体交叉。
25.根据权利要求20所述的单位复合薄板的制造方法，其特征在于：所述板状压电体是烧结压电陶瓷。
26.一种单位复合薄板的制造方法，其特征在于：包含：
(a)通过粘接薄板把板状压电体暂时固定在衬底上的工序；
(b)通过在所述板状压电体上形成多条沟，从所述板状压电体形成多个柱状压电体的工序；
(c)把暂时固定在所述衬底上的多个所述柱状压电体复制到树脂层上的工序。
27.一种单位复合薄板的制造方法，其特征在于：包含：
(a)在树脂层上准备在一个方向延伸的多个压电体和多个导电体交替配置的复合板的工序；
(b)通过对于所述复合板的所述压电体形成在与所述压电体的长度方向交叉的方向上延伸的多条沟，在树脂层上形成多个柱状压电体和横穿所述多个柱状压电体而延伸的多个内部导电体的工序。
28.一种单位复合薄板的制造方法，其特征在于：包含：
(a)通过粘接薄板把在一个方向延伸的多个压电体和多个导电体交替配置的复合板暂时固定在衬底上的工序；
(b)通过除去所述板状压电体的一部分，形成多个柱状压电体和横穿所述多个柱状压电体并在与所述多个柱状压电体的长度方向交叉的方向上延伸的多个内部导电体的工序；
(c)把暂时固定在所述衬底上的多个柱状压电体和所述多个内部导电体复制到树脂层上的工序。
29.根据权利要求28所述的单位复合薄板的制造方法，其特征在于：
所述复合板是将多个压电体和多个导电体交替层叠的层叠体与层叠方向平行地切断而形成的。
30.根据权利要求28所述的单位复合薄板的制造方法，其特征在于：
所述复合板是在板状压电体上形成多条沟，在所述沟中填充了导电体而形成的。
31.一种复合压电体的制造方法，其特征在于：包含：
(a)分别准备具有树脂层和配置在所述树脂层上的多个柱状压电体的多块单位复合薄板的工序；
(b)层叠多块所述单位复合薄板的工序；
(c)使层叠的多块所述单位复合薄板一体化的工序。
32.根据权利要求31所述的复合压电体的制造方法，其特征在于：所述树脂层是通过液态树脂的涂敷而形成的。
33.根据权利要求31所述的复合压电体的制造方法，其特征在于：所述树脂层是半硬化树脂薄板。
34.根据权利要求31所述的复合压电体的制造方法，其特征在于：还包含：
对于所述一体化的多块单位复合薄板，在横穿所述柱状压电体的方向上进行切断的工序。
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