DE10139160B4

DE10139160B4 - Sensorarray und Sende-Empfangs-Gerät

Info

Publication number: DE10139160B4
Application number: DE10139160A
Authority: DE
Inventors: Junichi Nagaokakyo 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: 2010-09-02
Anticipated expiration: 2021-08-10
Also published as: US6483228B2; US20020043896A1; JP3449345B2; DE10139160A1; JP2002058098A

Abstract

Sensorarray (22), das folgende Merkmale umfaßt:
ein Substrat (24); und
eine Mehrzahl von piezoelektrischen Schwingungselementen (26) mit einer rechteckigen Parallelepipedform, die in einer Matrix auf einer Hauptoberfläche des Substrats (24) befestigt sind,
wobei jedes der piezoelektrischen Schwingungselemente (26) eine Mehrzahl von piezoelektrischen Schichten (28), die in einer Richtung gestapelt sind, die parallel zu der Hauptoberfläche des Substrats (24) ist, wobei zumindest einige der piezoelektrischen Schichten (28) in einer Richtung gestapelt sind, die zwei benachbarte Seitenflächen des piezoelektrischen Schwingungselements (26) kreuzt, innere Elektroden (30), die zwischen den piezoelektrischen Schichten (28) angeordnet sind, und äußere Elektroden (32), die auf Endflächen der piezoelektrischen Schichten (28) vorgesehen sind, umfaßt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Sensorarray, und insbesondere auf ein Sensorarray, wie z. B. eine Ultraschallsonde, für die Verwendung in einem Ultraschalldiagnosegerät, einem Ultraschallmikroskop, einem Metallfehlerdetektor und dergleichen, und auf ein Sende-Empfangs-Gerät.
Hintergrund der vorliegenden Erfindung ist eine Ultraschallsonde oder dergleichen, die in einem herkömmlichen Ultraschalldiagnosegerät verwendet wird, beispielsweise offenbart in „Hybrid Multi/Single Layer Array Transducers for Increased Signal-to-Noise Ratio”, IEEE Transactions an Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Bd. 44, Nr. 2, März 1997.
9 ist eine perspektivische Ansicht, die den Hauptteil einer Ultraschallsonde zeigt, die in einem herkömmlichen Ultraschalldiagnosegerät verwendet wird, und 10 ist eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Schwingungselements, das in der Ultraschallsonde verwendet wird. Eine in 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 ist 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 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 abwechselnd polarisiert. Die piezoelektrischen Schwingungselemente 3 sind mit einem Haftmittel auf einer Hauptoberfläche des Substrats 2 befestigt, so daß die Hauptoberflächen der piezoelektrischen Schichten 4 parallel zu demselben angeordnet sind.
Ferner ist auf den piezoelektrischen Schwingungselementen 3 eine akustisch angepaßte Schicht gebildet, um eine akustische Anpassung mit dem menschlichen Körper herzustellen, und auf der akustisch angepaßten Schicht 9 ist eine akustische Linse 10 gebildet, um die Ultraschallwellen zu konvergieren.
Obwohl die inneren Elektroden 5 durch die Durchgangslöcher 7 in den piezoelektrischen Schwingungselementen 3 herausgeführt werden, die in der oben beschriebenen Ultraschallsonde 1 verwendet werden, können sie auch von den Seitenflächen herausgeführt werden, wie bei einem allgemeinen Typ von Mehrschichtkondensator und dergleichen.
Da die in der in 9 gezeigten Ultraschallsonde 1 verwendeten piezoelektrischen Schwingungselemente 3 keine Einschichtstruktur, sondern eine Mehrschichtstruktur aufweisen, können die Funktionen und die Auflösung verbessert werden, und die Empfindlichkeit ist hoch. Während der Herstellung 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 Durchgangslöcher auszurichten und das gebrannte Material in eine Matrix zu schneiden. Darüber hinaus sind die äußeren Elektroden anfällig dafür, nach dem Schneiden abzufallen. Dementsprechend ist während der Herstellung eine äußerst hohe Bearbeitungsgenauigkeit notwendig, und daher gibt es viele Pro bleme bei der Herstellung und die Charakteristika neigen dazu, zu variieren.
Wenn die inneren Elektroden 5 der piezoelektrischen Schwingungselemente 3 in der Ultraschallsonde 1 von den Seitenflächen herausgeführt werden, ist ebenfalls eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit während der Herstellung notwendig.
Dementsprechend wurde eine hochempfindliche Ultraschallsonde erfunden, die leicht hergestellt werden kann, wie in der japanischen Patentanmeldung JP 2001-103600 A gezeigt ist. 11 ist eine perspektivische Ansicht, die den Hauptteil einer solchen Ultraschallsonde zeigt, und 12 ist eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Schwingungselements, das in der Ultraschallsonde verwendet wird. Eine in 11 gezeigte Ultraschallsonde 1 unterscheidet sich von der in 9 gezeigten Ultraschallsonde 1 insbesondere bei den piezoelektrischen Schwingungselementen 3. Das heißt, während die piezoelektrischen Schichten 4 und die inneren Elektroden 5 bei den piezoelektrischen Schwingungselementen der in 9 gezeigten Ultraschallsonde 1 auf einer Hauptoberfläche des Substrats 2 vertikal gestapelt sind, sind die piezoelektrischen Schichten 4 und die inneren Elektroden 5 in einer Richtung gestapelt, die parallel zu den Seitenflächen des piezoelektrischen Schwingungselements 3 bei der in 11 gezeigten Ultraschallsonde 1 ist.
Die in 11 gezeigte Ultraschallsonde ist ebenfalls hochempfindlich, weil die piezoelektrischen Schwingungselemente mit einer Schichtstruktur verwendet werden.
Die in 11 gezeigte Ultraschallsonde kann durch Herstellen 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 piezoelektrischen Schwingungselementen 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 erleichtert die Herstellung.
Bei der in 11 gezeigten Ultraschallsonde kann die Dicke der piezoelektrischen Schichten, die die piezoelektrischen Schwingungselemente bilden, variieren, und kann nicht festgelegt werden.
Um piezoelektrische Schwingungselemente mit einer festen Form herzustellen, ist es notwendig, die Dicke der piezoelektrischen Schichten, die auf den Seiten der piezoelektrischen 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 äußeren 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 Schwingungselementen variiert, variieren die Charakteristika unter den piezoelektrischen Schwingungselementen ebenfalls wesentlich.
Aus der EP 08 72 285 A2 ist bereits ein Sensorarray bekannt, das ein Substrat und eine Mehrzahl von piezoelektrischen Wandlerarrayelementen aufweist, die eine rechteckige Parallelepipedform haben, die in einer Matrix auf einer Hauptoberfläche des Substrats befestigt sind. Jedes der Wandlerarrayelemente hat eine Mehrzahl von piezoelektrischen Schichten, die in einer Richtung gestapelt sind, die paral lel zu der Hauptrichtung des Substrats ist, wobei zumindest einige der piezoelektrischen Schichten in einer Richtung gestapelt sind, die zwei benachbarte Seitenflächen des piezoelektrischen Schwingungselements kreuzt. Die Wandlerarrayelemente haben äußere Elektroden, die auf Endflächen der piezoelektrischen Schichten vorgesehen sind. Die Wandlerarrayelemente haben zwischen den piezoelektrischen Schichten einen Füllstoff, wie z. B. Epoxid oder Urethan.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein hochempfindliches Sensorarray und ein Sende-Empfangs-Gerät mit verbesserten Charakteristika zu schaffen, das leicht hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Sensorarray gemäß Anspruch 1 und durch ein Sende-Empfangs-Gerät gemäß Anspruch 3 gelöst.
Dementsprechend ist es ein Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung, ein hochempfindliches Sensorarray zu schaffen, das leicht hergestellt werden kann, und bei dem Schwankungen bei den Charakteristika unter piezoelektrischen Schwingungselementen 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 piezoelektrischen 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 Parallelepipedform, 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 Sensorarray umfaßt.
Das Sensorarray der vorliegenden Erfindung ist hochempfindlich, weil die piezoelektrischen Schwingungselemente mit einer Schichtstruktur verwendet werden.
Das Sensorarray kann durch Herstellen eines laminierten Bauglieds durch Stapeln einer Mehrzahl von piezoelektrischen Schichten und eine Mehrzahl von inneren Elektroden, Schneiden des laminierten Bauglieds in der Stapelrichtung, um eine plattenartige Hauptplatine zu bilden, Bilden äußerer 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 erleichtert 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 Seitenoberflächen der piezoelektrischen Schwingungselemente kreuzt, gestapelt sind, ist der Bereich der Endflächen der äußersten piezoelektrischen Schichten in den piezoelektrischen Schwingungselementen, die keine Piezoelektrizität zeigen, reduziert. Aus diesem Grund ist der Faktor, der die Schwingung in den äußersten piezoelektrischen Schichten der piezoelektrischen Schwingungselemente abschwächt, reduziert, und der Einfluß der Schwankungen bei der Dicke zwischen den äußersten piezoelektrischen Schichten der piezoelektrischen 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 Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende detaillierten Beschreibung der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnungen of fensichtlich. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Blockdiagramm eines Sende-Empfangs-Geräts gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
2 eine perspektivische Ansicht einer Ultraschallsonde, die in dem in 1 gezeigten Sende-Empfangs-Gerät verwendet wird.
3 eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Schwingungselements, das in der in 2 gezeigten Ultraschallsonde verwendet wird.
4 eine perspektivische Ansicht einer Hauptplatine zum Herstellen von Ultraschallsonden.
5 eine perspektivische Ansicht, die einen Zustand zeigt, in dem die in 4 gezeigte Hauptplatine in der Stapelrichtung geschnitten wird.
6 eine Draufsicht eines piezoelektrischen Schwingungselements in einer Ultraschallsonde.
7 eine Draufsicht eines piezoelektrischen Schwingungselements in einer Ultraschallsonde.
8 eine Ansicht, die die Ecke der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Schwingungselements in der Ultraschallsonde darstellt.
9 eine perspektivische Ansicht, die den Hauptteil einer Ultraschallsonde zeigt, die in einem herkömmlichen Ultraschalldiagnosegerät verwendet wird.
10 eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Schwingungselements, das in der in 9 gezeigten Ultraschallsonde verwendet wird.
11 eine perspektivische Ansicht, die den Hauptteil einer anderen Ultraschallsonde zeigt.
12 eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Schwingungselements, das in der in 11 gezeigten Ultraschallsonde verwendet wird.
1 ist ein Blockdiagramm eines Sende-Empfangs-Geräts gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, 2 ist eine perspektivische Ansicht einer Ultraschallsonde, die in dem Sende-Empfangs-Gerät verwendet wird, und 3 ist eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Schwingungselements, das in der Ultraschallsonde verwendet wird. Ein Sende-Empfangs-Gerät 20, das in 1 gezeigt ist, umfaßt eine Ultraschallsonde 22.
Wie in 2 gezeigt, umfaßt die Ultraschallsonde 22 ein Substrat 24, das aus einem schalldämmenden Material hergestellt ist, das als „Packungsmaterial” bezeichnet wird. Eine Mehrzahl von piezoelektrischen Schwingungselementen 26, die wie ein rechteckiges Parallelepiped geformt sind, ist 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 piezoelektrischen Schwingungselemente 26 in 2 in sieben Reihen und sieben Spalten angeordnet sind, sind in Wirklichkeit mehr piezoelektrische Schwingungselemente angeordnet.
Jedes der piezoelektrischen Schwingungselemente 26 umfaßt eine Mehrzahl von gestapelten piezoelektrischen Schichten 28, die aus einem Material mit einer relativen dielektrischen Konstante von beispielsweise etwa 2000 bestehen, wie es in 3 gezeigt ist. Jede der piezoelektrischen Schichten 28 weist eine Dicke von beispielsweise 40 Mikrometer 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 beispielsweise 3 μm sind zwischen den piezoelektrischen Schichten 28 gebildet. In diesem Fall erstrecken sich die inneren Elektroden 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 piezoelektrischen Schichten 28 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 abwechselnd 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 Haftmittel auf dem Substrat 24 befestigt, so daß die piezoelektrischen Schichten 28 parallel mit der Hauptoberfläche des Substrats 24 gestapelt sind.
Anschlußleitungen, die es ermöglichen, daß elektrische Signale in die piezoelektrischen Schwingungselemente 26 eingegeben und von denselben ausgegeben werden, sind mit den äußeren Elektroden 32 auf den verbundenen Seiten des piezoelektrischen 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 Elektrode 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 akustisch angepaßte Schicht kann zwischen dem piezoelektrischen 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 Mehrfachwahlschalter 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 Digitaloszilloskop wird als der Empfangsabschnitt 44 verwendet. Ein gemeinsames Referenzpotential wird sowohl für den Sendeabschnitt 42 als auch den Empfangsabschnitt 44 verwendet.
Die äußere Elektrode 32 auf der verbundenen Seite von jedem der piezoelektrischen Schwingungselemente 26 in der Ultraschallsonde 22 ist über eine Anschlußleitung mit dem Mittelpunkt eines Wahlschalters 40 verbunden. Ein Referenzpotential wird über eine andere Anschlußleitung an die obere äußere Elektrode 32 von jedem der piezoelektrischen Schwingungselemente 26 in der Ultraschallsonde 22 angelegt.
In Normalzuständen ist der Mittelpunkt jedes Auswahlschalters 40 weder mit einem Ende noch mit dem anderen Ende verbunden.
Bei dem Sende-Empfangs-Gerät 20 wird zunächst der Mittelpunkt 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 dienen, von dem ersten Sendeabschnitt 42 zu dem ersten piezoelektrischen Schwingungselement 26 eingegeben, und das erste piezoelektrische Schwingungselement 26 schwingt und emittiert Ultraschallwellen.
Unmittelbar danach wird der Mittelpunkt des ersten Wahlschalters 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 piezoelektrische Schwingungselement 26 durch den ersten Empfangsabschnitt 44 empfangen. In diesem Fall wird die Zeit von der Emission zu dem Empfang gemessen und in dem ersten Empfangsabschnitt 44 gespeichert.
Wenn die Messung und die Speicherung für das erste piezoelektrische Schwingungselement 26 abgeschlossen sind, werden ähnliche Vorgänge für das nächste piezoelektrische Schwingungselement 26 wiederholt. Wenn die Vorgänge abgeschlossen sind, werden ähnliche Vorgänge für das dritte piezoelektrische Schwingungselement 26, das nachfolgt, wiederholt.
Durch Durchführen ähnlicher Vorgänge für alle die piezoelektrischen Schwingungselemente 26 ist es möglich, die Unebenheit der zu messenden Oberfläche zu erfassen, die den oberen Oberflächen der piezoelektrischen Schwingungselemente 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 dreidimensionaler Bilderstellung und erhöhter Auflösung zu erreichen, ist es möglich, eine Impedanzanpassung und eine Wellenaufnahmeempfindlichkeit zu erreichen, die ähnlich sind wie die bei der in 9 und 11 gezeigten Ultraschallsonde 1, und außerdem die Leistungsfähigkeit zu verbessern.
Da ferner bei dem Sende-Empfangs-Gerät 20 die piezoelektrischen Schwingungselemente 26 mit der Schichtstruktur, bei denen die Schichten in der in 3 gezeigten Richtung gestapelt sind, verwendet werden, sind komplizierte Prozesse und eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit, wie z. B. die Bildung von Durchgangslöchern und das Schneideverfahren für Durchgangslöcher, unnötig. Dies vereinfacht die Prozesse und eliminiert eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit beim Herstellen der piezoelektrischen Schwingungselemente 26.
Da die piezoelektrischen Schichten 28 und die inneren Elektroden 30 von jedem piezoelektrischen Schwingungselement 26 parallel mit der Hauptoberfläche des Substrats 24 und in der Richtung, die zwei benachbarte Oberflächen des piezoelektrischen Schwingungselements 26 kreuzt, gestapelt sind, ist der Bereich der Endflächen (obere und untere Oberflächen in 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 piezoelektrischen Schichten 28 in dem piezoelektrischen Schwingungselement 26 abschwächt, reduziert, und der Einfluß von Schwankungen bei der Dicke der äußersten piezoelektrischen Schichten 28 unter den piezoelektrischen Schwingungselementen 26 auf die Charakteristika der piezoelektrischen Schwingungselemente 26 ist ebenfalls reduziert. Daher sind Schwankungen bei den Charakteristika unter den piezoelektrischen Schwingungselementen 26 begrenzt.
Nachfolgend wird eine Beschreibung von Schwankungen unter den piezoelektrischen Schwingungselementen gegeben, bei denen die piezoelektrischen Schichten und die inneren Elektroden parallel mit den Seitenflächen der piezoelektrischen Schwingungselemente gestapelt sind, wie bei der in 11 gezeigten Ultraschallsonde, und Schwankungen unter den piezoelektrischen Schwingungselementen, bei denen die piezoelektrischen Schichten und die inneren Elektroden in der Richtung gestapelt sind, die zwei benachbarte Seitenflächen der piezoelektrischen Schwingungselemente kreuzt, wie bei der in 2 gezeigten Ultraschallsonde.
Zunächst wird ein Verfahren zum Herstellen einer Ultraschallsonde kurz beschrieben.
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 52 mit 0,7 mm × 12 mm × 42 μm gebildet. In diesem Fall werden zwischen den piezoelektrischen Schichten 52 innere Elektroden 54 gebildet. Wenn äußere Elektroden auf der gesamten Vorder- und Rückoberfläche der Hauptplatine 50 gebildet werden, sind die inneren Elektroden 54 abwechselnd mit der äußeren Elektrode der Vorderseite und äußeren Elektrode der Rückseite verbunden.
Die Hauptplatine 50 ist auf der Hauptoberfläche eines Substrats befestigt und wird mit einem festen Abstand in eine Matrix geschnitten, wie in 5 gezeigt, und bildet dadurch 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 befestigt wird.
In einem Fall, in dem piezoelektrische Schichten und innere Elektroden der piezoelektrischen Schwingungselemente parallel mit den Seitenflächen der piezoelektrischen Schwingungselemente gestapelt sind, wie bei der in 11 gezeigten Ultraschallsonde 1, variieren die Positionen der inneren Elektroden 54 unter den piezoelektrischen Schwingungselementen 60, da der Abstand, mit dem die Hauptplatine 50 geschnitten wird, nicht gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Dicke der piezoelektrischen Schichten 52 ist. Wenn die Positionen der inneren Elektroden 54 auf diese Weise variieren, werden die piezoelektrischen Schwingungselemente 60, die unterschiedliche Anzahlen von piezoelektrischen Schichten 52 umfassen, hergestellt. Als Folge werden piezoelektrische Schwingungselemente 60 mit der Kapazität, die sich um beispielsweise 10% oder mehr unterscheidet, gemischt, und dies erzeugt Schwankungen bei den Charakteristika, wie z. B. der Wellenempfangsempfindlichkeit.
Im Gegensatz dazu, in einem Fall, in dem die piezoelektrischen Schichten und die inneren Elektroden der piezoelektrischen Schwingungselemente in der Richtung gestapelt sind, die zwei benachbarte Seitenflächen der piezoelektrischen Schwingungselemente kreuzt, wie in der in 2 gezeigten Ultraschallsonde 22, 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 piezoelektrischen Schichten der piezoelektrischen Schwingungselemente, die keine Piezoelektrizität zeigen, reduziert ist, ist der Faktor, der die Schwingung durch die äußersten piezoelektrischen Schichten in dem piezoelektrischen Schwingungselement abschwächt, reduziert, und der Einfluß von Schwankungen bei der Dicke der äußersten piezoelektrischen Schichten unter den piezoelektrischen Schwingungselementen auf die Charakteristika der piezoelektrischen Schwingungselemente ist reduziert. Daher sind Schwankungen bei den Charakteristika unter den piezoelektrischen Schwingungselementen 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 Stapelrichtung gebildet werden. 6 zeigt die obere Oberfläche des piezoelektrischen Schwingungselements 60 in diesem Beispiel. Das piezoelektrische Schwingungselement 60 weist beispielsweise eine Länge von 350 μm und eine Breite von 350 μm auf. Piezoelektrische Schichten 52 weisen beispielsweise eine Dicke von 42 μm auf. Wie in 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 Elektroden unter den piezoelektrischen Schwingungselementen 60.
Wenn bei dem in 6 gezeigten piezoelektrischen Schwingungselement 60 die Anzahl von mittleren aktiven piezoelektrischen Schichten 52 acht beträgt, d. h., wenn 0 < t1 < 14 μm, t1 + t2 = 350 μm –42 × 8 μm = 14 μm und daher ist t2 = 14 μm –t1.
Aus diesem Grund ist die Summe s1 + s2 der Bereiche der äußersten piezoelektrischen Schichten 52 an beiden Enden, die nicht polarisiert werden können gleich wie (t1 + t2)× 350 μm = 14 μm × 350 μm = 4900 [μm × μm].
Wenn bei dem in 6 gezeigten piezoelektrischen Schwingungselement 60 die Anzahl der mittleren aktiven piezoelektrischen Schichten 52 sieben beträgt, d. h. wenn 14 μm ≤ t1 ≤ 42 μm, t1 + t2 = 350 μm –42 × 7 μm = 56 μm und daher ist t2 = 56 μm –t1.
Aus diesem Grund ist die Summe s1 + s2 der Bereiche der äußersten piezoelektrischen Schichten 52 an beiden Enden, die nicht polarisiert werden können, gleich wie (t1 + t2) × 350 μm = 56 μm × 350 μm = 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 beträgt.
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. 7 zeigt die obere Oberfläche des piezoelektrischen Schwingungselements 60 in diesem Beispiel. Das piezoelektrische 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 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 erhöht ist, beträgt die Anzahl von mittleren aktiven piezoelektrischen Schichten 52 elf oder zehn.
Wenn bei dem in 7 gezeigten piezoelektrischen Schwingungselement 60 die Anzahl von mittleren aktiven piezoelektrischen Schichten 52 elf beträgt, d. h. wenn 0 < t1 < 33 μm, t1 + t2 = 495 μm –42 × 11 μm = 33 μm, und daher ist t2 = 33 μm –t1.
Aus diesem Grund ist die Summe s1 + s2 der Bereiche der äußersten 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 μm –t1)² = 2 × t1² – 66t1 + 33² μm².
Wenn die Hauptplatine daher diagonal geschnitten wird, können 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 aktiven piezoelektrischen Schichten 52 außer der mittleren piezoelektrischen Schicht mit s2 bezeichnet wird, ist s3 = 42² × 10.
Wenn A = 33² μm² + 42² × 10 μm², s1 + s2 + s3 = 2 × t1² – 66t1 + A.
Danach wird der Bereich der nicht polarisierten Abschnitte der mittleren piezoelektrischen Schicht 52 gefunden. 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 μm ± (16,5 μm – t1).
Ferner ist s4 + s5 + s6 = t4²+ (42 μm – t4)² + (42 μm – 2t4) × t4 × 2 = –2t4² + 42² μm².
Wenn B = A + 42² μm² und der Gesamtbereich der nicht polarisierten Abschnitte als s bezeichnet wird, ist s gleich 2 × t1² – 66 × t1 – 2 × t4² + B μm².
Wenn 0 ≤ t1 ≤ 16,5 μm, t4 = 21 μm – (16,5 μm – t1) = 4,5 μm + t1, und s = –66 × t1 – 2 × 9 × t1 – 2 × 4,5² + B μm² = –84 × t1 – 2 × 4,5² + B μm².
Wenn 16,5 μm < t1 ≤ 33 μm, t4 = 21 μm – (t1 – 16, 5 μm) = 37,5 μm –t1, und s = –66 × t1 + 2 × 75 × t1 – 2 × 37,5² + B μm² = 84 × t1 – 2 × 37,5² + B μm².
Daher beträgt der minimale Wert des Bereichs s der nicht polarisierten Abschnitte 19066,5 [μm × μm], wenn t1 gleich 16,5 μm.
Wenn bei dem in 7 gezeigten piezoelektrischen Schwingungselement 60 die Anzahl von mittleren aktiven piezoelektrischen Schichten 52 zehn beträgt, d. h. wenn 33 μm < t1 < 42 μm, t2 = 495 μm – 42 × 10 μm – t1 = 75 μm – t1.
Die Summe s2 + s2 der Bereiche der äußersten piezoelektrischen Schichten 52 an beiden Enden ist gleich wie t1² + t2² = 2t1² – 150t1 + 75² μm².
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 Bereich dieser Abschnitte als s3 bezeichnet wird, ist s3 = 42² × 9 μm² und D = 75² + 42² × 9 μm².
Nicht polarisierte Abschnitte, die jeweils aus zwei Dreiecken und einem Rechteck bestehen, verbleiben nur an beiden Enden der mittleren piezoelektrischen Schicht 52.
Wenn E = D + 42² μm² ist, ist der Gesamtbereich s der nicht polarisierten Abschnitte gleich wie 2 × t1² – 150 × t1 – 2t4² + E μm².
Zu dieser Zeit ist t4 = 37,5 μm –t1.
Daher ist s gleich 2 × t1² – 150 × t1 – 2 × t1² + 2 × 75 × t1 – 2 × 37,5² + E = –2 × 37,52 + E μm² = 20452,5 [μm × μm], was festgelegt ist.
Obwohl die Schwankungen bei dem Bereich zwischen den nicht polarisierten Abschnitten oben untersucht wurden, sind, von einem anderen Standpunkt aus betrachtet, die Schwankungen zwischen den polarisierten Abschnitten dieselben. 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 desselben 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 Hauptplatine mit einem Winkel von 45° zu der Stapelrichtung geschnitten wird, wie es oben beschrieben ist, der Minimalwert 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 geschnitten wird, während sie in dem Bereich von ±0,7% liegen, 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 verwendet werden, können auch piezoelektrische Schwingungselemente mit einer anderen Größe verwendet werden.
Obwohl die abwechselnden inneren Elektroden 30 in dem obigen 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 Sensorarray, wie z. B. einer Ultraschallsonde, die in dem Sende-Empfangs-Gerät verwendet wird, angewendet, sondern auch bei Sensorarrays, die in Ultraschalldiagnosegeräten, Ultraschallmikroskopen und Metallfehlerdetektoren verwendet werden.

Claims

Sensorarray (22), das folgende Merkmale umfaßt: ein Substrat (24); und eine Mehrzahl von piezoelektrischen Schwingungselementen (26) mit einer rechteckigen Parallelepipedform, die in einer Matrix auf einer Hauptoberfläche des Substrats (24) befestigt sind, wobei jedes der piezoelektrischen Schwingungselemente (26) eine Mehrzahl von piezoelektrischen Schichten (28), die in einer Richtung gestapelt sind, die parallel zu der Hauptoberfläche des Substrats (24) ist, wobei zumindest einige der piezoelektrischen Schichten (28) in einer Richtung gestapelt sind, die zwei benachbarte Seitenflächen des piezoelektrischen Schwingungselements (26) kreuzt, innere Elektroden (30), die zwischen den piezoelektrischen Schichten (28) angeordnet sind, und äußere Elektroden (32), die auf Endflächen der piezoelektrischen Schichten (28) vorgesehen sind, umfaßt.
Sensorarray (22) gemäß Anspruch 1, bei dem die piezoelektrischen Schichten (28) in einer Richtung gestapelt sind, die zwei benachbarte Seitenflächen des piezoelektrischen Schwingungselements (26) mit etwa 45° kreuzt.
Sende-Empfangs-Gerät (20), das ein Sensorarray (22) gemäß Anspruch 1 oder 2 umfaßt.