DE10139160A1

DE10139160A1 - Sensorarray und Sende-Empfangs-Gerät

Info

Publication number: DE10139160A1
Application number: DE10139160A
Authority: DE
Inventors: Junichi Hashimoto
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2000-08-11
Filing date: 2001-08-09
Publication date: 2002-05-16
Anticipated expiration: 2021-08-10
Also published as: JP3449345B2; JP2002058098A; US20020043896A1; DE10139160B4; US6483228B2

Abstract

Eine Ultraschallsonde, die als Sensorarray dient, das in einem Sende-Empfangs-Gerät verwendet wird, umfaßt ein Substrat, das aus einem Packungsmaterial hergestellt ist. Eine Mehrzahl von piezoelektrischen Schwingungselementen, die wie ein rechteckiges Parallelepiped geformt sind, sind in einer Matrix auf einer Hauptoberfläche des Substrats befestigt. Jedes der piezoelektrischen Schwingungselemente umfaßt eine Mehrzahl von piezoelektrischen Schichten, die in einer Richtung gestapelt sind, die zwei benachbarte Seitenflächen des piezoelektrischen Schwingungselements mit einem Winkel von etwa 45 DEG kreuzt. Zwischen den piezoelektrischen Schichten sind innere Elektroden gebildet, und an beiden Endflächen der piezoelektrischen Schichten sind äußere Elektroden gebildet.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Sensorarray und ein Sende-Empfangs-Gerät, und insbesondere auf ein Sen sorarray, wie z. B. eine Ultraschallsonde, für die Verwen dung in einem Ultraschalldiagnosegerät, einem Ultraschall mikroskop, einem Metallfehlerdetektor und dergleichen, und auf ein Sende-Empfangs-Gerät.

Als Hintergrund der vorliegenden Erfindung ist eine Ultra schallsonde oder dergleichen, die in einem herkömmlichen Ultraschalldiagnosegerät verwendet wird, beispielsweise of fenbart in "Hybrid Multi/Single Layer Array Transducers for Increased Signal-to-Noise Ratio", IEEE Transactions on Ul trasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Bd. 44, Nr. 2, März 1997.

Fig. 9 ist eine perspektivische Ansicht, die den Hauptteil einer Ultraschallsonde zeigt, die in einem herkömmlichen Ultraschalldiagnosegerät verwendet wird, und Fig. 10 ist eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Schwingungselements, das in der Ultraschallsonde verwendet wird. Eine in Fig. 9 gezeigte Ultraschallsonde 1 umfaßt ein Substrat 2, das aus einem schalldämmenden Material besteht, das als "Packungsmaterial" bezeichnet wird. Eine Mehrzahl von piezoelektrischen Schwingungselementen 3 sind in einer Matrix auf einer Hauptoberfläche des Substrats 2 befestigt.

Jedes piezoelektrische Schwingungselement 3 umfaßt eine Mehrzahl von gestapelten piezoelektrischen Schichten 4, wie es in Fig. 10 gezeigt ist. Zwischen den piezoelektrischen Schichten 4 sind innere Elektroden 5 gebildet, und auf den höchsten und tiefsten Oberflächen der piezoelektrischen Schichten 4 sind äußere Elektroden 6 gebildet. An beiden Enden der piezoelektrischen Schichten 4 sind Durchgangslö cher 7 gebildet, und in jedem der Durchgangslöcher 7 sind Verbindungselektroden 8 gebildet. Die piezoelektrischen Schichten 4 sind in entgegengesetzten Dickerichtungen ab wechselnd polarisiert. Die piezoelektrischen Schwingungs elemente 3 sind mit einem Haftmittel auf einer Hauptober fläche des Substrats 2 befestigt, so daß die Hauptoberflä chen der piezoelektrischen Schichten 4 parallel zu demsel ben angeordnet sind.

Ferner ist auf den piezoelektrischen Schwingungselementen 3 eine akustisch angepaßte Schicht gebildet, um eine akusti sche Anpassung mit dem menschlichen Körper herzustellen, und auf der akustisch angepaßten Schicht 9 ist eine akusti sche Linse 10 gebildet, um die Ultraschallwellen zu konver gieren.

Obwohl die inneren Elektroden 5 durch die Durchgangslöcher 7 in den piezoelektrischen Schwingungselementen 3 herausge führt werden, die in der oben beschriebenen Ultraschallson de 1 verwendet werden, können sie auch von den Seitenflä chen herausgeführt werden, wie bei einem allgemeinen Typ von Mehrschichtkondensator und dergleichen.

Da die in der in Fig. 9 gezeigten Ultraschallsonde 1 ver wendeten piezoelektrischen Schwingungselemente 3 keine Ein schichtstruktur, sondern eine Mehrschichtstruktur aufwei sen, können die Funktionen und die Auflösung verbessert werden, und die Empfindlichkeit ist hoch. Während der Her stellung ist jedoch eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit für die Durchgangslöcher und eine hohe Druckgenauigkeit für die Elektroden erforderlich, und aufgrund der Kontraktion des Materials beim Brennen ist es schwierig, die Durchgangslö cher auszurichten und das gebrannte Material in eine Matrix zu schneiden. Darüber hinaus sind die äußeren Elektroden anfällig dafür, nach dem Schneiden abzufallen. Dementspre chend ist während der Herstellung eine äußerst hohe Bear beitungsgenauigkeit notwendig, und daher gibt es viele Pro bleme bei der Herstellung gibt und die Charakteristika nei gen dazu, zu variieren.

Wenn die inneren Elektroden 5 der piezoelektrischen Schwin gungselemente 3 in der Ultraschallsonde 1 von den Seiten flächen herausgeführt werden, ist ebenfalls eine hohe Bear beitungsgenauigkeit während der Herstellung notwendig.

Dementsprechend wurde eine hochempfindliche Ultraschallson de erfunden, die leicht hergestellt werden kann, wie in der japanischen Patentanmeldung Nr. 11-273078 des Anmelders der vorliegenden Erfindung. Fig. 11 ist eine perspektivische Ansicht, die den Hauptteil einer solchen Ultraschallsonde zeigt, und Fig. 12 ist eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Schwingungselements, das in der Ultra schallsonde verwendet wird. Eine in Fig. 11 gezeigte Ultra schallsonde 1 unterscheidet sich von der in Fig. 9 gezeig ten Ultraschallsonde 1 insbesondere bei den piezoelektri schen Schwingungselementen 3. Das heißt, während die piezo elektrischen Schichten 4 und die inneren Elektroden 5 bei den piezoelektrischen Schwingungselementen der in Fig. 9 gezeigten Ultraschallsonde 1 auf einer Hauptoberfläche des Substrats 2 vertikal gestapelt sind, sind die piezoelektri schen Schichten 4 und die inneren Elektroden 5 in einer Richtung gestapelt, die parallel zu den Seitenflächen des piezoelektrischen Schwingungselements 3 bei der in Fig. 11 gezeigten Ultraschallsonde 1 ist.

Die in Fig. 11 gezeigte Ultraschallsonde ist ebenfalls hochempfindlich, weil die piezoelektrischen Schwingungsele mente mit einer Schichtstruktur verwendet werden.

Die in Fig. 11 gezeigte Ultraschallsonde kann durch Her stellen eines laminierten Bauglieds durch Stapeln einer Mehrzahl von piezoelektrischen Schichten und einer Mehrzahl von inneren Elektroden, Schneiden des laminierten Bauglieds in der Stapelrichtung, um eine plattenartige Mutterplatine bzw. Hauptplatine zu bilden, Bilden von äußeren Elektroden auf Hauptoberflächen der Hauptplatine, Befestigen der Hauptplatine auf einer Hauptoberfläche des Substrats und Schneiden der Hauptplatine in eine Mehrzahl von piezoelek trischen Schwingungselementen hergestellt werden. Da die äußeren Elektroden auf den gesamten Hauptoberflächen der Hauptplatine gebildet sind, ist beim Befestigen der Haupt platine auf dem Substrat eine hohe Positionierungsgenauig keit unnötig, und dies erleichtert die Herstellung.

Bei der in Fig. 11 gezeigten Ultraschallsonde kann die Dic ke der piezoelektrischen Schichten, die die piezoelektri schen Schwingungselemente bilden, variieren, und kann nicht festgelegt werden.

Um piezoelektrische Schwingungselemente mit einer festen Form herzustellen, ist es notwendig, die Dicke der piezo elektrischen Schichten, die auf den Seiten der piezoelek trischen Schwingungselemente angeordnet sind, zu verringern und einzustellen. In diesem Fall ist es unmöglich, an die piezoelektrischen Schichten auf den Seiten eine Spannung anzulegen, weil dieselben keine Elektroden auf ihren äuße ren Seiten aufweisen, und dies ist eine Komponente, welche die Schwingung abschwächt. Die Abschwächungskomponente hat großen Einfluß auf das gesamte Element und ist daher der Hauptfaktor, der die Effizienz verringert.

Da darüber hinaus die Dicke der piezoelektrischen Schichten auf den Seiten unter piezoelektrischen Schwingungselemente variiert, variieren die Charakteristika unter den piezo elektrischen Schwingungselementen ebenfalls wesentlich.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein hochemp findliches Sensorarray mit verbesserten Charakteristika zu schaffen, das leicht hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch ein Sensorarray gemäß Anspruch 1 gelöst.

Dementsprechend ist es ein Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung, ein hochempfindliches Sensorarray zu schaffen, das leicht hergestellt werden kann, und bei dem Schwankun gen bei den Charakteristika unter piezoelektrischen Schwin gungselementen begrenzt sind.

Es ist ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, ein Sende-Empfangs-Gerät zu schaffen, das ein hochempfindliches Sensorarray umfaßt, das leicht hergestellt werden kann und bei dem Schwankungen bei den Charakteristika unter piezo elektrischen Schwingungselementen begrenzt sind.

Um die obigen Vorteile zu erhalten, ist gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Sensorarray vorgesehen, das ein Substrat und eine Mehrzahl von piezoelektrischen Schwingungselementen mit einer rechteckigen Parallelepiped form, die in einer Matrix auf einer Hauptoberfläche des Substrats befestigt sind, wobei jedes der piezoelektrischen Schwingungselemente eine Mehrzahl von piezoelektrischen Schichten umfaßt, die in einer Richtung gestapelt sind, die parallel zu der Hauptoberfläche des Substrats ist, wobei zumindest einige der piezoelektrischen Schichten in einer Richtung gestapelt sind, die zwei benachbarte Seitenflächen des piezoelektrischen Schwingungselements kreuzt, innere Elektroden, die zwischen den piezoelektrischen Schichten angeordnet sind, und äußere Elektroden, die auf Endflächen der piezoelektrischen Schichten vorgesehen sind, umfaßt.

Vorzugsweise sind die piezoelektrischen Schichten in einer Richtung gestapelt, die zwei benachbarte Seitenflächen des piezoelektrischen Schwingungselements mit etwa 45° kreuzt.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Sende-Empfangs-Gerät vorgesehen, das das obige Sensor array umfaßt.

Das Sensorarray der vorliegenden Erfindung ist hochempfind lich, weil die piezoelektrischen Schwingungselemente mit einer Schichtstruktur verwendet werden.

Das Sensorarray kann durch Herstellen eines laminierten Bauglieds durch Stapeln einer Mehrzahl von piezoelektri schen Schichten und eine Mehrzahl von inneren Elektroden, Schneiden des laminierten Bauglieds in der Stapelrichtung, um eine plattenartige Hauptplatine zu bilden, Bilden äuße rer Elektroden auf Hauptoberflächen der Hauptplatine und Befestigen der Hauptplatine auf einer Hauptoberfläche des Substrats hergestellt werden. Da die äußeren Elektroden auf den gesamten Hauptoberflächen der Hauptplatine gebildet sind, ist beim Befestigen der Hauptplatine auf dem Substrat eine hohe Positionierungsgenauigkeit unnötig, und dies er leichtert die Herstellung.

Da zumindest einige der piezoelektrischen Schichten und der inneren Elektroden parallel mit den Hauptoberflächen des Substrats und in einer Richtung, die zwei benachbarte Sei tenoberflächen der piezoelektrischen Schwingungselemente kreuzt, gestapelt sind, ist der Bereich der Endflächen der äußersten piezoelektrischen Schichten in den piezoelektri schen Schwingungselementen, die keine Piezoelektrizität zeigen, reduziert. Aus diesem Grund ist der Faktor, der die Schwingung in den äußersten piezoelektrischen Schichten der piezoelektrischen Schwingungselemente abschwächt, redu ziert, und der Einfluß der Schwankungen bei der Dicke zwi schen den äußersten piezoelektrischen Schichten der piezo elektrischen Schwingungselemente auf die Charakteristika der piezoelektrischen Schwingungselemente ist verringert. Daher sind Schwankungen bei den Charakteristika unter den piezoelektrischen Schwingungselementen begrenzt.

Die obigen Aufgaben, weitere Aufgaben, Merkmale und Vortei le der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende de taillierten Beschreibung der Ausführungsbeispiele der vor liegenden Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnungen of fensichtlich. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorlie genden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Sende-Empfangs-Geräts ge mäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer Ultraschall sonde, die in dem in Fig. 1 gezeigten Sende- Empfangs-Gerät verwendet wird.

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines piezoelektri schen Schwingungselements, das in der in Fig. 2 gezeigten Ultraschallsonde verwendet wird.

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer Hauptplatine zum Herstellen von Ultraschallsonden.

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht, die einen Zustand zeigt, in dem die in Fig. 4 gezeigte Hauptplatine in der Stapelrichtung geschnitten wird.

Fig. 6 eine Draufsicht eines piezoelektrischen Schwin gungselements in einer Ultraschallsonde.

Fig. 7 eine Draufsicht eines piezoelektrischen Schwin gungselements in einer Ultraschallsonde.

Fig. 8 eine Ansicht, die die Ecke der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Schwingungselements in der Ultraschallsonde darstellt.

Fig. 9 eine perspektivische Ansicht, die den Hauptteil einer Ultraschallsonde zeigt, die in einem her kömmlichen Ultraschalldiagnosegerät verwendet wird.

Fig. 10 eine perspektivische Ansicht eines piezoelektri schen Schwingungselements, das in der in Fig. 9 gezeigten Ultraschallsonde verwendet wird.

Fig. 11 eine perspektivische Ansicht, die den Hauptteil einer anderen Ultraschallsonde zeigt.

Fig. 12 eine perspektivische Ansicht eines piezoelektri schen Schwingungselements, das in der in Fig. 11 gezeigten Ultraschallsonde verwendet wird.

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines Sende-Empfangs-Geräts gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht einer Ultraschallsonde, die in dem Sende-Empfangs-Gerät verwendet wird, und Fig. 3 ist ei ne perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Schwin gungselements, das in der Ultraschallsonde verwendet wird. Ein Sende-Empfangs-Gerät 20, das in Fig. 1 gezeigt ist, um faßt eine Ultraschallsonde 22.

Wie in Fig. 2 gezeigt, umfaßt die Ultraschallsonde 22 ein Substrat 24, das aus einem schalldämmenden Material herge stellt ist, das als "Packungsmaterial" bezeichnet wird. Ei ne Mehrzahl von piezoelektrischen Schwingungselementen 26, die wie ein rechteckiges Parallelepiped geformt sind, sind in einer Matrix auf einer Hauptoberfläche des Substrats 24 befestigt. Die piezoelektrischen Schwingungselemente 26 weisen beispielsweise eine Länge von 0,35 mm, eine Breite von 0,35 mm und eine Höhe von 0,7 mm auf. Obwohl die piezo elektrischen Schwingungselemente 26 in Fig. 2 in sieben Reihen und sieben Spalten angeordnet sind, sind in Wirk lichkeit mehr piezoelektrische Schwingungselemente angeord net.

Jedes der piezoelektrischen Schwingungselemente 26 umfaßt eine Mehrzahl von gestapelten piezoelektrischen Schichten 28, die aus einem Material mit einer relativen dielektri schen Konstante von beispielsweise etwa 2000 bestehen, wie es in Fig. 3 gezeigt ist. Jede der piezoelektrischen Schichten 28 weist eine Dicke von beispielsweise 40 Mikro meter auf. Die piezoelektrischen Schichten 28 sind in einer Richtung gestapelt, die zwei benachbarte Seitenflächen des piezoelektrischen Schwingungselements 26 mit etwa 45° kreuzt. Innere Elektroden 30 mit einer Dicke von beispiels weise 3 µm sind zwischen den piezoelektrischen Schichten 28 gebildet. In diesem Fall erstrecken sich die inneren Elek troden 30 abwechselnd von den einen Endabschnitten zu den Mittelabschnitten der piezoelektrischen Schichten 28 und von den anderen Endabschnitten zu den Mittelabschnitten. Äußere Elektroden 32 sind auf beiden Endflächen der piezo elektrischen Schichten 32 gebildet. In diesem Fall ist eine der äußeren Elektroden 32 mit den abwechselnden inneren Elektroden 32 verbunden, und die andere äußere Elektrode 32 ist mit den anderen abwechselnden inneren Elektroden 30 verbunden. Die piezoelektrischen Schichten 28 sind abwech selnd in entgegengesetzte Dickerichtungen polarisiert. Die äußere Größe jedes piezoelektrischen Schwingungselements 26, d. h. die Länge von einer Seite der äußeren Elektrode 32 beträgt 0,35 mm. Um eine longitudinale Schwingung (d31- Modus), die als Hauptmodus dient, und andere unnötige Schwingungen daran zu hindern, gekoppelt zu werden, ist es vorzuziehen, daß die Dicke, d. h. der Abstand zwischen den äußeren Elektroden 32 mehr als doppelt so groß ist wie die äußere Größe, beispielsweise 0,7 mm. Die piezoelektrischen Schwingungselemente 26 sind in einer Matrix mit einem Haft mittel auf dem Substrat 24 befestigt, so daß die piezoelek trischen Schichten 28 parallel mit der Hauptoberfläche des Substrats 24 gestapelt sind.

Anschlußleitungen, die es ermöglichen, daß elektrische Si gnale in die piezoelektrischen Schwingungselemente 26 ein gegeben und von denselben ausgegeben werden, sind mit den äußeren Elektroden 32 auf den verbundenen Seiten des piezo elektrischen Schwingungselements 26 verbunden, so daß sie voneinander elektrisch unabhängig sind. Die Anschlußleitun gen erstrecken sich von der Rückoberfläche des Substrats 24 durch dieselbe nach außen.

Ein leitfähiger Dünnfilm 34 ist als eine gemeinsame Elek trode auf der gesamten Oberfläche des piezoelektrischen Schwingungselements 26 auf der Seite der oberen äußeren Elektrode 32 befestigt. Eine andere Anschlußleitung ist mit dem leitfähigen Dünnfilm 34 verbunden. Eine leitfähige aku stisch angepaßte Schicht kann zwischen dem piezoelektri schen Schwingungselement 26 und dem leitfähigen Dünnfilm 34 angeordnet sein. Eine leitfähige Ultraschallinse kann auf dem leitfähigen Dünnfilm 34 plaziert werden.

Das Sende-Empfangs-Gerät 20 umfaßt außerdem Mehrfachwahl schalter 40. Ein Sendeabschnitt 42 ist mit einem Ende von jedem Wahlschalter 40 verbunden, und ein Empfangsabschnitt 44 ist mit dem anderen Ende desselben verbunden. In diesem Fall wird ein Sinuswellenerzeugungsgerät, wie z. B. ein Funktionssynthesizer, als der Sendeabschnitt 42 verwendet, und ein Wellenformmeßgerät, wie z. B. ein Digitaloszil loskop wird als der Empfangsabschnitt 44 verwendet. Ein ge meinsames Referenzpotential wird sowohl für den Sendeab schnitt 42 als auch den Empfangsabschnitt 44 verwendet.

Die äußere Elektrode 32 auf der verbundenen Seite von jedem der piezoelektrischen Schwingungselemente 26 in der Ultra schallsonde 22 ist über eine Anschlußleitung mit dem Mit telpunkt eines Wahlschalters 40 verbunden. Ein Referenzpo tential wird über eine andere Anschlußleitung an die obere äußere Elektrode 32 von jedem der piezoelektrischen Schwin gungselemente 26 in der Ultraschallsonde 22 angelegt.

In Normalzuständen ist der Mittelpunkt jedes Auswahlschal ters 40 weder mit einem Ende noch mit dem anderen Ende ver bunden.

Bei dem Sende-Empfangs-Gerät 20 wird zunächst der Mittel punkt des ersten Wahlschalters 40 mit einem Ende verbunden und das erste piezoelektrische Schwingungselement 26 wird mit dem ersten Sendeabschnitt 42 verbunden. Dann werden fünf Zyklen von Sinuswellen, die als die Resonanzfrequenz für das erste piezoelektrische Schwingungselement 26 die nen, von dem ersten Sendeabschnitt 42 zu dem ersten piezo elektrischen Schwingungselement 26 eingegeben, und das er ste piezoelektrische Schwingungselement 26 schwingt und emittiert Ultraschallwellen.

Unmittelbar danach wird der Mittelpunkt des ersten Wahl schalters 40 zu dem anderen Ende geschaltet, und das erste piezoelektrische Schwingungselement 26 ist mit dem ersten Empfangsabschnitt 44 verbunden. Dann werden die emittierten Ultraschallwellen, die von einer Oberfläche reflektiert werden, die gemessen werden soll, über das erste piezoelek trische Schwingungselement 26 durch den ersten Empfangsab schnitt 44 empfangen. In diesem Fall wird die Zeit von der Emission zu dem Empfang gemessen und in dem ersten Emp fangsabschnitt 44 gespeichert.

Wenn die Messung und die Speicherung für das erste piezo elektrische Schwingungselement 26 abgeschlossen sind, wer den ähnliche Vorgänge für das nächste piezoelektrische Schwingungselement 26 wiederholt. Wenn die Vorgänge abge schlossen sind, werden ähnliche Vorgänge für das dritte piezoelektrische Schwingungselement 26, das nachfolgt, wie derholt.

Durch Durchführen ähnlicher Vorgänge für alle die piezo elektrischen Schwingungselemente 26 ist es möglich, die Un ebenheit der zu messenden Oberfläche zu erfassen, die den oberen Oberflächen der piezoelektrischen Schwingungselemen te 26 der Ultraschallsonde 22 gegenüberliegt, auf der Basis der Differenzen zwischen den Zeiten, die benötigt werden, um die reflektierten Wellen zu empfangen.

Da die piezoelektrischen Schwingungselemente 26 mit der Schichtstruktur in der Ultraschallsonde 22 des Sende- Empfangs-Geräts 20 verwendet werden, um zweidimensionale Verarbeitung durch die Ultraschallsonde mit dreidimensiona ler Bilderstellung und erhöhter Auflösung zu erreichen, ist es möglich, eine Impedanzanpassung und eine Wellenaufnahme empfindlichkeit zu erreichen, die ähnlich sind wie die bei der in Fig. 9 und 11 gezeigten Ultraschallsonde 1, und au ßerdem die Leistungsfähigkeit zu verbessern.

Da ferner bei dem Sende-Empfangs-Gerät 20 die piezoelektri schen Schwingungselemente 26 mit der Schichtstruktur, bei denen die Schichten in der in Fig. 3 gezeigten Richtung ge stapelt sind, verwendet werden, sind komplizierte Prozesse und eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit, wie z. B. die Bil dung von Durchgangslöchern und das Schneideverfahren für Durchgangslöcher, unnötig. Dies vereinfacht die Prozesse und eliminiert eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit beim Her stellen der piezoelektrischen Schwingungselemente 26.

Da die piezoelektrischen Schichten 28 und die inneren Elek troden 30 von jedem piezoelektrischen Schwingungselement 26 parallel mit der Hauptoberfläche des Substrats 24 und in der Richtung, die zwei benachbarte Oberflächen des piezo elektrischen Schwingungselements 26 kreuzt, gestapelt sind, ist der Bereich der Endflächen (obere und untere Oberflä chen in Fig. 3) der äußersten piezoelektrischen Schichten 28 des piezoelektrischen Schwingungselements 26, die keine Piezoelektrizität zeigen, reduziert. Aus diesem Grund ist der Faktor, der die Schwingung durch die äußersten piezo elektrischen Schichten 28 in dem piezoelektrischen Schwin gungselement 26 abschwächt, reduziert, und der Einfluß von Schwankungen bei der Dicke der äußersten piezoelektrischen Schichten 28 unter den piezoelektrischen Schwingungselemen ten 26 auf die Charakteristika der piezoelektrischen Schwingungselemente 26 ist ebenfalls reduziert. Daher sind Schwankungen bei den Charakteristika unter den piezoelek trischen Schwingungselementen 26 begrenzt.

Nachfolgend wird eine Beschreibung von Schwankungen unter den piezoelektrischen Schwingungselementen gegeben, bei de nen die piezoelektrischen Schichten und die inneren Elek troden parallel mit den Seitenflächen der piezoelektrischen Schwingungselemente gestapelt sind, wie bei der in Fig. 11 gezeigten Ultraschallsonde, und Schwankungen unter den pie zoelektrischen Schwingungselementen, bei denen die piezo elektrischen Schichten und die inneren Elektroden in der Richtung gestapelt sind, die zwei benachbarte Seitenflächen der piezoelektrischen Schwingungselemente kreuzt, wie bei der in Fig. 2 gezeigten Ultraschallsonde.

Zunächst wird ein Verfahren zum Herstellen einer Ultra schallsonde kurz beschrieben.

Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht einer Hauptplatine zum Herstellen von Ultraschallsonden. Eine Hauptplatine 50 weist beispielsweise eine Länge von 12 mm, eine Breite von 4 mm und eine Dicke von 0,7 mm auf. Die Hauptplatine 50 wird durch Stapeln von beispielsweise 95 piezoelektrischen Schichten 92 mit 0,7 mm × 12 mm × 42 µm gebildet. In diesem Fall werden zwischen den piezoelektrischen Schichten 52 in nere Elektroden 54 gebildet. Wenn äußere Elektroden auf der gesamten Vorder- und Rückoberfläche der Hauptplatine 50 ge bildet werden, sind die inneren Elektroden 54 abwechselnd mit der äußeren Elektrode der Vorderseite und äußeren Elek trode der Rückseite verbunden.

Die Hauptplatine 50 ist auf der Hauptoberfläche eines Sub strats befestigt und wird mit einem festen Abstand in eine Matrix geschnitten, wie in Fig. 5 gezeigt, und bildet da durch piezoelektrische Schwingungselemente 60 und stellt eine Ultraschallsonde her. Auf der gesamten Vorder- und Rückoberfläche der Hauptplatine 50 werden äußere Elektroden gebildet, bevor die Hauptplatine 50 auf dem Substrat befe stigt wird.

In einem Fall, in dem piezoelektrische Schichten und innere Elektroden der piezoelektrischen Schwingungselemente paral lel mit den Seitenflächen der piezoelektrischen Schwin gungselemente gestapelt sind, wie bei der in Fig. 11 ge zeigten Ultraschallsonde, variieren die Positionen der in neren Elektroden 54 unter den piezoelektrischen Schwin gungselementen 60, da der Abstand, mit dem die Hauptplatine 50 geschnitten wird, nicht gleich einem ganzzahligen Viel fachen der Dicke der piezoelektrischen Schichten 52 ist. Wenn die Positionen der inneren Elektroden 54 auf diese Weise variieren, werden die piezoelektrischen Schwingungs elemente 60, die unterschiedliche Anzahlen von piezoelek trischen Schichten 52 umfassen, hergestellt. Als Folge wer den piezoelektrische Schwingungselemente 60 mit der Kapazi tät, die sich um beispielsweise 10% oder mehr unterschei det, gemischt, und dies erzeugt Schwankungen bei den Cha rakteristika, wie z. B. der Wellenempfangsempfindlichkeit.

Im Gegensatz dazu, in einem Fall, in dem die piezoelektri schen Schichten und die inneren Elektroden der piezoelek trischen Schwingungselemente in der Richtung gestapelt sind, die zwei benachbarte Seitenflächen der piezoelektri schen Schwingungselemente kreuzt, wie in der in Fig. 2 ge zeigten Ultraschallsonde, auch wenn der Abstand, mit dem die Hauptplatine 50 geschnitten wird, nicht gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Dicke der piezoelektrischen Schichten 52 ist, da der Bereich der äußersten piezoelek trischen Schichten der piezoelektrischen Schwingungselemen te, die keine Piezoelektrizität zeigen, reduziert ist, ist der Faktor, der die Schwingung durch die äußersten piezo elektrischen Schichten in dem piezoelektrischen Schwin gungselement abschwächt, reduziert, und der Einfluß von Schwankungen bei der Dicke der äußersten piezoelektrischen Schichten unter den piezoelektrischen Schwingungselementen auf die Charakteristika der piezoelektrischen Schwingungs elemente ist reduziert. Daher sind Schwankungen bei den Charakteristika unter den piezoelektrischen Schwingungsele menten begrenzt.

Nachfolgend werden Schwankungen unter den piezoelektrischen Schwingungselementen in der Ultraschallsonde mit konkreten numerischen Werten beschrieben.

Zunächst wird eine Beschreibung von piezoelektrischen Schwingungselementen 60 gegeben, die beispielsweise durch Schneiden einer Hauptplatine in eine Matrix in der Stapel richtung gebildet werden. Fig. 6 zeigt die obere Oberfläche des piezoelektrischen Schwingungselements 60 in diesem Bei spiel. Das piezoelektrische Schwingungselement 60 weist beispielsweise eine Länge von 350 µm und eine Breite von 350 µm auf. Piezoelektrische Schichten 52 weisen beispiels weise eine Dicke von 42 µm auf. Wie in Fig. 6 gezeigt, ist die Dicke der äußersten piezoelektrischen Schicht an einem Ende mit t1 bezeichnet, der Bereich derselben ist mit s1 bezeichnet, die Dicke der äußersten piezoelektrischen Schicht 52 an dem anderen Ende ist mit t2 bezeichnet und der Bereich derselben ist mit s2 bezeichnet.

Obwohl der Abstand, mit dem die Hauptplatine geschnitten wird, in diesem Beispiel etwa 350 µm beträgt, ist derselbe nicht gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Dicke der piezoelektrischen Schichten 52.

Aus diesem Grund variieren die Positionen der inneren Elek troden unter den piezoelektrischen Schwingungselementen 60. Wenn bei dem in Fig. 6 gezeigten piezoelektrischen Schwin gungselement 60 die Anzahl von mittleren aktiven piezoelek trischen Schichten 52 acht beträgt, d. h., wenn 0 < t1 < 14 µm, t1+t2 = 350-42×8 = 14 µm und daher ist t2 = 14-t1.

Aus diesem Grund ist die Summe s1+s2 der Bereiche der äu ßersten piezoelektrischen Schichten 52 an beiden Enden, die nicht polarisiert werden können gleich wie (t1+t2)×350- 14×350 = 4900 [µm×µm].

Wenn bei dem in Fig. 6 gezeigten piezoelektrischen Schwin gungselement 60 die Anzahl der mittleren aktiven piezoelek trischen Schichten 52 sieben beträgt, d. h. wenn 14 µm ≦ t1 ≦ 42 µm, t1+t2 = 350-42×7 = 56 µm und daher ist t2 = 56-t1. Aus diesem Grund ist die Summe s1+s2 der Bereiche der äu ßersten piezoelektrischen Schichten 52 an beiden Enden, die nicht polarisiert werden können, gleich wie (t1+t2)×350 = 56 × 350 = 19600 [µm×µm].

Wenn 42 µm < t1 ist die Summe der Bereiche der äußersten piezoelektrischen Schichten 52 an beiden Enden, die nicht polarisiert werden können, 4900 [µm×µm], auf eine Weise, die ähnlich ist wie in dem Fall, in dem die Anzahl von mittleren aktiven piezoelektrischen Schichten 52 acht be trägt.

Nachfolgend wird eine Beschreibung eines piezoelektrischen Schwingungselements 60 gegeben, der beispielsweise durch Schneiden einer Hauptplatine in eine Matrix, die mit einem Winkel von 45° zu der Stapelrichtung geneigt ist, gebildet wird. Fig. 7 zeigt die obere Oberfläche des piezoelektri schen Schwingungselements 60 in diesem Beispiel. Das piezo elektrische Schwingungselement 60 weist beispielsweise eine Länge von 350 µm, eine Breite von 350 µm und eine diagonale Länge von 495 µm auf. Die piezoelektrischen Schichten 52 weisen beispielsweise eine Dicke von 42 µm auf. Wie in Fig. 7 gezeigt, ist die Höhe der äußersten piezoelektrischen Schicht 52 an einem Ende, die wie ein rechtwinkliges gleichschenkliges Dreieck geformt ist, mit t2 bezeichnet, und der Bereich derselben ist mit s2 bezeichnet.

Da die Länge in der Stapelrichtung bei diesem Beispiel er höht ist, beträgt die Anzahl von mittleren aktiven piezoelektrischen Schichten 52 elf oder zehn.

Wenn bei dem in Fig. 7 gezeigten piezoelektrischen Schwin gungselement 60 die Anzahl von mittleren aktiven piezoelek trischen Schichten 52 elf beträgt, d. h. wenn 0 < t1 < 33 µm, t1+t2 = 495-42×11 = 33 µm, und daher ist t2 = 33-t1.

Aus diesem Grund ist die Summe s1+s2 der Bereiche der äu ßersten piezoelektrischen Schichten 52 an beiden Enden, die nicht polarisiert werden können, gleich wie 1/2×t1×(2×t1)+1/2×t2×(2×t2) = t1²+t2² = t1²+(33-t1)² = 2×t1²-66t1+33².

Wenn die Hauptplatine daher diagonal geschnitten wird, kön nen nicht nur die äußersten piezoelektrischen Schichten 52 sondern außerdem beide Enden von jeder piezoelektrischen Schicht 52 nicht polarisiert werden. Wenn angenommen wird, daß der Bereich der nicht polarisierten Abschnitte der ak tiven piezoelektrischen Schichten 52 außer der mittleren piezoelektrischen Schicht mit s2 bezeichnet wird, ist s3 = 42²×10.

Wenn A = 33²+42²×10, s1+s2+s3 = 2×t1²-66t1+A.

Danach wird der Bereich der nicht polarisierten Abschnitte der mittleren piezoelektrischen Schicht 52 gefunden. Fig. 8 ist eine vergrößerte Ansicht von einer Ecke der mittleren piezoelektrischen Schicht 52. An dieser Ecke wird der nicht polarisierte Abschnitt in zwei Dreiecke und ein kleines Rechteck unterteilt. Der Bereich des kleineren Dreiecks wird mit s4/2 bezeichnet, der Bereich des größeren Dreiecks ist mit s5/2 bezeichnet und der Bereich des verbleibenden Rechtecks ist mit s6/2 bezeichnet.

Wenn die Höhe des Dreiecks s4 mit t4 bezeichnet ist, ist t4 = 21±(16,5-t1).

Ferner ist s4+s5+s6 = t4²+(42-t4)²+(42-2t4)×t4×2 = -2t4²+42².

Wenn B = A+42² und der Gesamtbereich der nicht polarisier ten Abschnitte als s bezeichnet wird, ist s gleich 2×t1²-66xt1-2xt4²+B.

Wenn 0 ≦ t1 ≦ 16,5 µm, t4 = 21-(16,5-t1) = 4,5+t1, und s = -66xt1-2×9xt1-2×4,5²+B = -84×t1-2×4,5²+B.

Wenn 16,5 µm < t1 ≦ 33 µm, t4 = 21-(t1-16,5) = 37,5-t1, und s = -66×t1+2×75×t1-2×37,5²+B = 84×t1-2×37,5²+B.

Daher beträgt der minimale Wert des Bereichs s der nicht polarisierten Abschnitte 19066,5 [µm×pm), wenn t1 gleich 16,5 µm.

Wenn bei dem in Fig. 7 gezeigten piezoelektrischen Schwin gungselement 60 die Anzahl von mittleren aktiven piezoelek trischen Schichten 52 zehn beträgt, d. h. wenn 33 µm < t1 < 42 µm, t2 = 495-42×10-t1 = 75-t1.

Die Summe s2+s2 der Bereiche der äußersten piezoelektri schen Schichten 52 an beiden Enden ist gleich wie t1²+t2² = 2t1²-150t1+75².

In diesem Fall existieren nicht polarisierte Abschnitte ebenfalls an beiden Enden der aktiven piezoelektrischen Schichten 52, außer bei der mittleren piezoelektrischen Schicht 52. Bei den aktiven piezoelektrischen Schichten 52, außer der mittleren piezoelektrischen Schicht, sind feste Dreiecke an beiden Enden derselben gebildet. Wenn der Be reich dieser Abschnitte als s3 bezeichnet wird, ist s3 = 42²×9 und D = 75²+42²×9.

Nicht polarisierte Abschnitte, die jeweils aus zwei Dreiec ken und einem Rechteck bestehen, verbleiben nur an beiden Enden der mittleren piezoelektrischen Schicht 52.

Wenn E = D+42² ist, ist der Gesamtbereich s der nicht polarisierten Abschnitte gleich wie 2×t1²-150×t1-2t4²+E.

Zu dieser Zeit ist t4 = 37,5-t1.

Daher ist s gleich 2×t1²-150×t1-2×t1²+2×75×t1-2×37,5²+E = -2×37,5²+E = 20452,5 [µm×µm], was festgelegt ist.

Obwohl die Schwankungen bei dem Bereich zwischen den nicht polarisierten Abschnitten oben untersucht wurden, sind die selben Schwankungen zwischen den polarisierten Abschnitten von einem anderen Standpunkt aus. Die Schwankungen beziehen sich auf Schwankungen bei der Kapazität und erscheinen als Schwankungen bei der Wellenempfangsempfindlichkeit.

Wie oben beschriebenen beträgt in dem Fall, in dem die Hauptplatine in der Stapelrichtung geschnitten wird, der minimale Wert des Bereichs der polarisierten Abschnitte 102900 [µm×µm] (350×350-19600), und der maximale Wert des selben beträgt 117600 [µm×µm] (350×350-4900). Die Differenz zwischen denselben beträgt 14700 [µm×µm]. Der Medianwert und die Differenzen zwischen denselben werden einfach als 110250±7350 [µm×µm] (±7%) ausgedrückt.

Im Gegensatz dazu beträgt in dem Fall, in dem die Hauptpla tine mit einem Winkel von 45° zu der Stapelrichtung ge schnitten wird, wie es oben beschrieben ist, der Minimal wert des Bereichs der polarisierten Abschnitte 102047,5 [µm×µm] (350×350-20452,5) und der maximale Wert desselben beträgt 103433,5 [µm×µm] (350×350-19066,5). Die Differenz zwischen denselben beträgt 1386 [µm×µm]. Der Medianwert und die Differenzen zwischen denselben werden einfach als 102740,5±693 [µm×µm] (± 0,7%) ausgedrückt.

Die obigen Beispiele zeigen, daß die Schwankungen groß sind, ± 7%, wenn die Hauptplatine in der Stapelrichtung ge schnitten wird, während sie in dem Bereich von ± 0,7% lie gen, wenn die Hauptplatine mit einem Winkel von 45° zu der Stapelrichtung geschnitten wird.

Obwohl in der Ultraschallsonde des obigen Sende-Empfangs- Geräts Schwingungselemente mit einer speziellen Größe ver wendet werden, können auch piezoelektrische Schwingungsele mente mit einer anderen Größe verwendet werden.

Obwohl die abwechselnden inneren Elektroden 30 in dem obi gen piezoelektrischen Schwingungselement 26 mit den äußeren Elektroden 32 verbunden sind, können auch innere Elektroden gebildet werden, die nicht mit den äußeren Elektroden 32 verbunden sind.

Die vorliegende Erfindung wird nicht nur bei dem Sensorar ray, wie z. B. einer Ultraschallsonde, die in dem Sende- Empfangs-Gerät verwendet wird, angewendet, sondern auch bei Sensorarrays, die in Ultraschalldiagnosegeräten, Ultra schallmikroskopen und Metallfehlerdetektoren verwendet wer den.

Claims

1. Sensorarray, das folgende Merkmale umfaßt:
ein Substrat (24); und
eine Mehrzahl von piezoelektrischen Schwingungselemen ten (26) mit einer rechteckigen Parallelepipedform, die in einer Matrix auf einer Hauptoberfläche des Sub strats (24) befestigt sind,
wobei jedes der piezoelektrischen Schwingungselemente (26) eine Mehrzahl von piezoelektrischen Schichten (28), die in einer Richtung gestapelt sind, die paral lel zu der Hauptoberfläche des Substrats (24) ist, wo bei zumindest einige der piezoelektrischen Schichten (28) in einer Richtung gestapelt sind, die zwei be nachbarte Seitenflächen des piezoelektrischen Schwin gungselements (26) kreuzt, innere Elektroden (30), die zwischen den piezoelektrischen Schichten (28) angeord net sind, und äußere Elektroden (32), die auf Endflä chen der piezoelektrischen Schichten (28) vorgesehen sind, umfaßt.

2. Sensorarray gemäß Anspruch 1, bei dem die piezoelek trischen Schichten (28) in einer Richtung gestapelt sind, die zwei benachbarte Seitenflächen des piezo elektrischen Schwingungselements (26) mit etwa 45° kreuzt.

3. Sende-Empfangs-Gerät (20), das ein Sensorarray gemäß Anspruch 1 oder 2 umfaßt.