JP2001102651A - 圧電素子・圧電素子の製造方法および超音波発振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 再分極時にも、形成する音場の対称性が良好
であり、また端部におけるクラックなどを発生させない
圧電振動子の提供。 【解決手段】 一対の電極６、７により、圧電材料１お
よび補強材２とを挟持した圧電素子を用い、この圧電素
子を駆動させるための一対のリード線を電極６、７を介
して補強材上に形成すれば、接合材あるいはリード線の
付着による圧電素子の振動の変化を抑制することができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電素子および超
音波発振器に係る発明であり、特に圧電単結晶を用いた
圧電素子、およびこの圧電素子を用い、超音波プローブ
に好適な超音波発振器に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に医用超音波診断装置の超音波プロ
ーブでは圧電素子として電気機械結合係数のｋ33が７０
％程度のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系圧電セラミ
ック材料が使用されている。

【０００３】また、一般に医用超音波診断装置の超音波
プローブでは、このような圧電セラミック材料に一対の
電極を形成した圧電素子を短冊状に形成し、この短冊状
の圧電素子を複数個用意し、これをアレイ型に配列し、
超音波電子ビームを電子的に制御し、解像度の高い断層
像をリアルタイムで取得している。

【０００４】ここで、図６にアレイ型の超音波プローブ
のアレイの配列方向から見た断面図を示す。

【０００５】超音波プローブは、バッキング材などの基
板６１表面に、下部電極６３および上部電極６４からな
る一対の電極に圧電材料６２を挟持した圧電素子を形成
しており、さらに圧電素子上には音響マッチング層６５
および音響レンズ６６が形成されている。また、前記一
対の電極６３、６４には半田６７などを用いてフレキシ
ブルプリントサーキット６８（ＦＰＣ）が接合されてい
る。

【０００６】このような超音波プローブにおいて、前記
圧電材料６２の全てを分極し、圧電特性を持たせた場
合、接合部では、半田や導電層の影響で、圧電特性が左
右対称ではなくなってしまう。

【０００７】そのため、従来は下部電極６３を圧電材料
の下部全面に形成せず中央部にのみ形成し、下部電極と
は電気的に接続されない端部電極６３'を別途形成し、
下部電極６３にのみ分極処理を施すことで、圧電素子の
端部を振動子として機能させず、前記中央部（圧電材料
６２中の斜線部）のみを振動子として機能させた圧電素
子を作製し、この分極させた圧電素子をバッキング材６
１上に形成して超音波プローブを作製していた。すなわ
ち、このようにすることで、振動子として機能する部分
に導電層や半田などの付着量を低減し音場の対象性を保
持していた。

【０００８】一方、圧電材料として亜鉛ニオブ酸鉛とチ
タン酸鉛の固溶体であるＰｂ（（Ｚｎ_1/3Ｎｂ_2/3）_0.91
Ｔｉ_0.09）₃などを用いた圧電単結晶は、電気機械結合
係数が大きく、非常に効率に優れる材料であり、超音波
プローブの特性向上が期待されている。

【０００９】この圧電単結晶は、キュリー点が低いため
に、半田付けや、圧電素子をアレイ状に切断加工する時
に生じる熱で脱分極する。そのため、超音波プローブに
圧電素子を組込んだ後に再分極することが必要である。

【００１０】しかしながら、従来の超音波プローブなど
の超音波発振器においては、組立て後に圧電素子の中央
部のみを分極することは困難であり、半田付け部、ある
いは導電性層部までもが分極され、振動子として機能
し、短冊状の圧電素子によって生じる音場の対象性を損
ねてしまうという問題が生じる。

【００１１】また、圧電単結晶は、圧電セラミックに比
べ機械的な強度が弱いために、半田付けによる局所的な
加熱のヒートショックによりクラックを生じさせたり、
また、アレイ加工前にＦＰＣをバッキング材側に沿って
略直角に折り曲げる際に半田付けされた振動子の端部に
圧力が加わり、ＦＰＣが半田付けされた領域に割れを生
じたりする。これらの割れによって振動子の電極が分断
されると断線不良となり、プローブの歩留りが低下する
という問題もあった。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、超音
波プローブなどの超音波発振器においては、用いられる
圧電素子を再分極する際に、圧電素子に接合される導電
層あるいは接合するための半田の付着により、音場の対
象性が得られなくなるという問題が生じた。

【００１３】また、圧電素子と導電層との接合部におい
ては、半田付け時のヒートショック、あるいは導電層の
加工などにより、圧電材料にクラックが生じるという問
題があった。

【００１４】本発明はこのような問題に鑑みて為された
ものであり、再分極後においても音場の対象性を維持で
きる圧電素子および超音波発振器を提供することを目的
とする。あるいは、圧電素子と導電層との接合部におけ
るクラックの発生を低減させる圧電素子および超音波発
振器を提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】以下に本発明について説
明する。

【００１６】第１の発明は、第１の電極と、前記第１の
電極上に配置された圧電材料と、前記第１の電極上に前
記圧電材料に併設された前記圧電材料とは異なる材料か
らなる補強材と、前記圧電材料上に形成された対向電極
とを有することを特徴とする圧電素子である。

【００１７】すなわち、電圧印加するためのリード線を
電極を介して補強材上で接合することができるため、圧
電材料直上に半田などの接合材あるいはリード線を配置
する必要が無くなり、接合材あるいはリード線による圧
電素子の振動の変化を抑制し、ひいては圧電素子から発
生される超音波によって形成される超音波の対称性が良
好になる。

【００１８】また、前記電極とは別途端部電極等を形成
する必要がなくなるため、構造が簡略化され、製造工程
も簡略化できる。

【００１９】また、圧電素子の端部に補強材を設けるこ
とで、リード線あるいは、圧電素子の加工時にクラック
が発生しやすい圧電素子の端部において、圧電単結晶の
クラック発生を低減することが可能となる。

【００２０】また、前記圧電材料は、圧電単結晶を用い
ることができる。

【００２１】圧電単結晶は、圧電特性が良好である反
面、半田付けなどの加熱により脱分極しやすい材料であ
るため、半田接合後、再分極する必要がある。本発明の
圧電素子によれば、再分極を施しても圧電素子の振動部
に半田などの接合材が付着していないために、圧電振動
子から発生される超音波の対称性良好な状態に維持する
ことができる。

【００２２】また、前記補強材は、非圧電材料であるこ
とが好ましい。

【００２３】前記補強材は、前記圧電材料と共振周波数
が異なるものであればその前述の効果は得られるが、よ
り確実に補強材による振動を抑えるためには補強材は圧
電特性のない材料を選択することが望ましい。

【００２４】また、本発明は、超音波を少なくとも発振
する２つの主面を有する板状または棒状の圧電材料部
と、この圧電材料部の側縁の少なくとも一部に固着され
前記圧電材料部の前記主面と共通の面を持つ非圧電材料
部と、前記２つの主面に沿って前記圧電材料部から非圧
電材料部にかけて形成され前記圧電材料部を挟んで電圧
を印加する電極となる導電体部とを有することを特徴と
する圧電素子である。

【００２５】第２の発明は、基板と、第１の電極、前記
第１の電極上に配置された圧電材料、前記第１の電極上
に前記圧電材料と併設された前記圧電材料とは異なる材
料からなる補強材、前記圧電材料および前記補強材表面
に形成された対向電極とを有し、前記基板上に形成され
た圧電素子と、前記圧電素子上に形成された音響レンズ
とを具備することを特徴とする超音波発振器である。

【００２６】すなわち、第１の発明の圧電素子は、圧電
素子から発生する超音波を音響レンズを用いて集束させ
る超音波発生器に特に有効である。さらには、超音波の
発振および受信を行う超音波プローブに好適に用いられ
る。

【００２７】前記超音波発振器は、一端を駆動回路に接
続され、他端を第１の電極あるいは対向電極を介して前
記補強材上に接合されるリード線を有し、このリード線
を介して圧電材料に所定の電圧を印加することで、圧電
材料を分極したり、圧電素子を振動させ、超音波を発振
することができる。

【００２８】第３の発明は、圧電材料およびこの圧電材
料に併設された補強材とを挟持する一対の電極を形成す
る工程と、前記補強材上の一対の電極にそれぞれリード
線を接合する工程と、前記一対の電極間に所定の電界を
与え、前記圧電材料を分極する工程とを有することを特
徴とする圧電振動子の製造方法である。

【００２９】

【発明の実施の形態】第１の実施形態 図１は、本発明の圧電素子の製造方法の一例を示す平面
図である。

【００３０】圧電単結晶１の両端に補強材２を配置し、
これらを接着剤（図示せず）を介して接合する（図１
ａ）。さらに圧電単結晶１および連結された補強材２の
両主面には、導電層から成る電極６、７を形成すること
で圧電素子が形成される（図１ｂ）。

【００３１】この圧電素子を所望の幅で切断加工するこ
とで、複数の短冊状圧電素子からなるアレイが形成され
る（図１ｃ）。

【００３２】前記圧電材料は、本発明においては圧電材
料であれば特に限定されるものではないが、ｋ33の大き
な圧電単結晶を使用することが望ましい。また、前記圧
電単結晶としては、圧電素子として用いられる単結晶で
あれば特に限定されずに使用することができる。例え
ば、Ｐｂ（（Ｚｎ_1/3Ｎｂ_2/3）_0.91Ｔｉ_0.09）₃など亜
鉛ニオブ酸鉛とチタン酸鉛のと固溶体からなる複合ぺロ
ブスカイト型の圧電単結晶や、マグネシウムニオブ酸鉛
とチタン酸鉛との固溶体からなる単結晶、スカンジウム
ニオブ酸鉛とチタン酸鉛との固溶体からなる単結晶など
が挙げられる。

【００３３】また、前記接着剤は、ＦＰＣ（フレキシブ
ルプリントサーキット）などのリードと電極６あるいは
７とを半田付けする時の２００℃程度の高温に耐えうる
材料を選択することが望ましく、例えば高温用のエポキ
シ接着剤や、封止用ガラスを用いることが望ましい。

【００３４】また、本発明に係る前記補強材２は、製造
面、あるいは超音波発振器などへの適応性から、圧電単
結晶１と同じ厚さのものを用いることが望ましい。

【００３５】また、この補強材２は、後述する電極を支
持するものであり、前記圧電単結晶１の共振周波数にお
いて共振しない材料であれば良く、すなわち、前記圧電
単結晶と異なる部材であれば特に限定されずに使用する
ことができる。しかしながら、補強材２部の振動を確実
に抑えるためには、圧電材料以外の材料を使用すること
が望ましい。また、前記接着剤と同様に半田付け温度に
耐えうる材料を選択することが望ましい。具体的には例
えばアルミナなどのセラミックス、ガラスあるいは高温
用エポキシ樹脂などが挙げられる。

【００３６】また、補強材２は、マコール（石原薬品社
製）や、マセライト（三井鉱山マテリアル社製）などの
快削性のセラミック材料を使用することが望ましい。圧
電素子をアレイ状に切断する時はダイサなどを用いる
が、圧電単結晶などは切りはじめ、切り終わりの部分で
クラックが生じ易いために、端部に快削性セラミックを
配置することで、加工時のクラック発生を低減すること
が可能となる。

【００３７】本発明に係る前記電極は、導電性材料であ
れば特に限定されないが、半田付け性の良好な、銅やニ
ッケルを主成分とした金属層を形成することが望まし
い。また、圧電体との接着性を考慮して、下地層として
Ｔｉ層を形成したり、酸化防止層として金などの表面層
を形成することもできる。

【００３８】この圧電素子の両電極６、７間に所定の電
位差を持たせて電圧を印加する際に、電極６、７を介し
て補強材上のみに半田等で端子を接続することで、圧電
材料を分極する。このようにして得られる素子は、振動
部が均一な構成となるため各圧電素子から発せられる音
場は対称性の良好なものとなる。

【００３９】第２の実施の形態 図２に第２の実施の形態を説明するための圧電素子の平
面図を示す。

【００４０】第１の実施の形態においては、圧電単結晶
の両端のみに補強材を形成したが、本実施の形態におい
ては、圧電単結晶１を囲む４辺全てに補強材２を形成し
ている。この圧電素子は、第１の実施の形態と同様に、
圧電素子８の両面に電極を形成して得られている（図示
せず）。

【００４１】また、圧電素子８の電極には、フレキシブ
ル基板９とその基板内に導電層１０からなるリード配線
が形成されたＦＰＣ１１を接合している（ＦＰＣは、圧
電素子の下面側にも接合されるが、図２では省略す
る）。そして、点線で示す位置で圧電素子８を切断する
ことで、アレイ状の圧電素子を形成する。

【００４２】一般に、超音波プローブを作製する場合、
圧電素子１１はプローブとして使用する幅Ｗよりも大き
な振動子を準備し、幅Ｗよりも両側にはみ出す領域を加
工時の固定等に用い、最終的にはアレイ加工時に切落さ
れ、プローブとして使用される際には捨てられてしまう
無駄な領域である。圧電単結晶の場合、単結晶を大きく
育成することは困難であり、大きな振動子ほど量産性が
低下してしまう。

【００４３】そこで、図２に示すように、圧電単結晶１
を囲む４辺全てに補強材２を形成することで、使用する
圧電単結晶を小型化することが可能となり、ひいてはそ
の生産性を向上させることが可能となる。

【００４４】第３の実施形態 図３に圧電素子にＦＰＣを接続した本発明の超音波発振
器の断面図を示す。

【００４５】バッキング材３表面に、図１（b）に示す
ような圧電素子で一度分極したものを積層し、電極６、
７にそれぞれＦＰＣを半田接合した。この時、圧電単結
晶１上にはみ出さないように、補強材上に形成されるよ
うに半田接合を行った。

【００４６】さらに、電極６表面に音響マッチング層４
および４'を設けた後、図１（ｃ）に示すように、ＦＰ
Ｃ、音響マッチング層と合わせて圧電素子を分割し、ア
レイ状に加工した。

【００４７】その後、バッキング材に沿ってＦＰＣを折
り曲げ加工したが、圧電単結晶１にも、電極接合支持材
にもクラックは観測されなかった。

【００４８】さらに、アレイ状に配列された圧電単結晶
間にシリコン接着剤を充填し固定した後に、音響マッチ
ング層表面にシリコン製の音響レンズ１２を形成した。

【００４９】このようにして超音波発振器を作製した後
に、ＦＰＣの端部端子から１ｋＶ／ｍｍの電界を印加し
て、常温大気中で圧電素子を再分極した。

【００５０】このようにして得られた超音波発振器は、
半田接合によって加熱される端部に圧電単結晶が存在し
ないために、再分極時に補強材は分極されず、超音波発
振器の駆動時に振動しない。そのため、対象性を保った
超音波を発信することが可能となる。

【００５１】また、このように圧電素子端部に補強材を
設けたことで、圧電素子の振動面に形成する電極とは別
途端部電極を設ける必要がなくなるために、超音波発振
器の構成を簡略化でき、その製造工程も簡略化すること
ができる。

【００５２】この超音波発振器を超音波プローブとして
用い、超音波の送受信を行い、この超音波発振器で発生
する音場を測定したが、乱れのない対照的な音場を示し
ていた。また、クラックによる断線も存在しなかった。

【００５３】比較例 電極接合部材を用いずに、圧電単結晶の主面全面に電極
を形成した圧電素子を用いたことを除き、前述の第２の
実施形態と同様の超音波発振器を作製した。

【００５４】この超音波発振器においては、ＦＰＣの半
田付け時にクラックが２割程発生した。さらにＦＰＣ折
り曲げ時に残りの３割ほどにさらにクラックが加わっ
た。

【００５５】また、クラックの発生していない圧電素子
を用いて超音波発振器を駆動してみたが、得られた音場
は対象性のないものであった。

【００５６】第４の実施の形態 図４は、超音波発振器を、超音波プローブとして用いた
概略断面図であり、図４（ａ）は、アレイの配列方向の
断面図、図４（ｂ）は図４（ａ）の直角方向の断面図で
ある。

【００５７】図４においては、図４に示すＦＰＣをバッ
キング材側に折り曲げ、図２に示す超音波発振器をケー
ス１３内に収納している。なお、ＦＰＣは接着剤１４で
固定され、かつこの接着剤で超音波発振器とケース１３
とを固定している（図２と重複する符号の説明は省
く）。

【００５８】また、本実施の形態においては、図２に示
す圧電素子を用い、アレイ方向端部の補強材をプローブ
中に残している。

【００５９】通常、超音波発振器は、図４に示されるよ
うにケース１３に収納して用いられる。

【００６０】超音波発振器から発生した超音波は主にレ
ンズ方向に進むが、一部はケース１３で反射される。超
音波プローブにおいては、レンズを通過した被測定対象
物によって反射された超音波を圧電素子によって受信す
るため、ケース１３で反射された超音波はノイズとして
圧電素子が受信してしまう。

【００６１】本発明によれば、圧電素子の端部に補強材
が存在するために、圧電素子とケースとの間隔が広がる
ために、圧電素子で受信する、ケース１３による反射波
を減少させることが可能となる。

【００６２】また、図６は、本発明の超音波発振器の変
形例である。

【００６３】図６においては、リード配線１０を補強部
材２上のみでなく、圧電材料１上にも接続するように配
置したものである。圧電材料１と補強部材２の連結部は
段差が生じやすいため、電極６、７がスパッタなどで形
成された薄膜では、この連結部での断線が発生しやすい
が、リード配線１０を圧電材料２上に接続することで連
結部の断線を防止することができる。

【００６４】

【発明の効果】本発明によれば、圧電素子とリード配線
との接合部に対応する位置に、圧電材料を配置しないこ
とで、圧電素子を再分極しても接合部を振動子として駆
動させずにすむことから、対称性の良好な超音波を圧電
素子から発生することが可能となる。

【００６５】別の効果は、圧電素子の加工あるいは、圧
電素子に接合されるリード線の加工時に圧電素子端部に
おけるクラックの発生を低減させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の圧電素子の製造工程を示す斜視図。

【図２】 本発明の圧電振素子とリード配線とを接続し
た図。

【図３】 本発明の超音波発振器の断面図。

【図４】 （ａ）は本発明の超音波発振器のアレイの配
列方向から見た断面図。（ｂ）は図４（ａ）の垂直方向
から見た断面図。

【図５】 本発明の超音波発振器の変形例を示す図。

【図６】 従来の超音波プローブの断面図。

【符号の説明】

１・・・圧電材料 ２・・・補強材 ３・・・バッキング材 ６、７・・・電極 １０・・・導電層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０４Ｒ 17/00 ３３２ Ｈ０１Ｌ 41/08 Ｕ 41/22 Ｚ Ｆターム(参考） 5D019 AA01 AA20 BB18 BB25 BB28 GG03 HH01 5D107 AA09 BB07 CC02 CC05 CC10 CC12

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１の電極と、 前記第１の電極上に配置された圧電材料と、 前記第１の電極上に前記圧電材料に併設された前記圧電
   材料とは異なる材料からなる補強材と、 前記圧電材料および補強材上に形成された対向電極とを
   有すること特徴とする圧電素子。
2. 【請求項２】前記圧電材料は、圧電単結晶であることを
   特徴とする請求項１記載の圧電素子。
3. 【請求項３】前記補強材は、非圧電材料であることを特
   徴とする請求項１記載の圧電素子。
4. 【請求項４】超音波を少なくとも発振する２つの主面を
   有する板状または棒状の圧電材料部と、この圧電材料部
   の側縁の少なくとも一部に固着され前記圧電材料部の前
   記主面と共通の面を持つ非圧電材料部と、前記２つの主
   面に沿って前記圧電材料部から非圧電材料部にかけて形
   成され前記圧電材料部を挟んで電圧を印加する電極とな
   る導電体部とを有することを特徴とする圧電素子。
5. 【請求項５】基板と、 第１の電極、前記第１の電極上に配置された圧電材料、
   前記第１の電極上に前記圧電材料と併設された前記圧電
   材料とは異なる材料からなる補強材、前記圧電材料およ
   び前記補強材表面に形成された対向電極とを有し、前記
   基板上に形成された圧電素子と、 前記圧電素子上に形成された音響レンズとを具備するこ
   とを特徴とする超音波発振器。
6. 【請求項６】一端を駆動回路に接続され、他端を第１の
   電極あるいは対向電極を介して前記補強材上に接合され
   るリード線を有することを特徴とする請求項４記載の超
   音波発振器。
7. 【請求項７】圧電材料およびこの圧電材料に併設された
   補強材とを挟持する一対の電極を形成する工程と、 前記補強材上の一対の電極にそれぞれリード線を接合す
   る工程と、 前記一対の電極間に所定の電界を与え、前記圧電材料を
   分極する工程とを有することを特徴とする圧電素子の製
   造方法。