JP2003087897A - 超音波振動子及びその製造方法 - Google Patents

超音波振動子及びその製造方法

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JP2003087897A
JP2003087897A JP2001278050A JP2001278050A JP2003087897A JP 2003087897 A JP2003087897 A JP 2003087897A JP 2001278050 A JP2001278050 A JP 2001278050A JP 2001278050 A JP2001278050 A JP 2001278050A JP 2003087897 A JP2003087897 A JP 2003087897A
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shape
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ultrasonic transducer
piezoelectric
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JP2001278050A
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Toshikazu Tanaka
俊積 田中
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Fujinon Corp
Original Assignee
Fuji Photo Optical Co Ltd
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    • GPHYSICS
    • G11INFORMATION STORAGE
    • G11BINFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
    • G11B7/00Recording or reproducing by optical means, e.g. recording using a thermal beam of optical radiation by modifying optical properties or the physical structure, reproducing using an optical beam at lower power by sensing optical properties; Record carriers therefor
    • G11B7/004Recording, reproducing or erasing methods; Read, write or erase circuits therefor
    • G11B7/0045Recording
    • G11B7/00455Recording involving reflectivity, absorption or colour changes

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  • Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
  • Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 セラミック系の圧電材料等を円柱または多角
柱状の圧電素子ピースを束ねた集合体によって、円形,
円環状,楕円状等の所望の形状をした超音波振動子を容
易に形成できるようにする。 【解決手段】 圧電素子ピース5をそれらの表裏両端面
がほぼ一定の平面となるようにして圧電素子集合体30
を形成し、この圧電素子集合体30の表面側に円環状の
圧電素子11S,11M,11Lを構成する圧電素子ピ
ース5以外の不要な圧電素子ピース5の表面にマスキン
グシート31を貼り付け、その上に導電部材32を形成
した後に、マスキングシート31を剥離するが、この剥
離時に圧電素子11S,11M,11Lを構成する圧電
素子ピース5以外の不要の圧電素子ピース5がマスキン
グシート31と共に取り除かれて、表面側電極14S,
14M,14Lが形成され、各圧電素子11S,11
M,11Lに共通となる裏面側電極13が貼り付けられ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は超音波の送受信面を
所望の形状となるように容易に形成できるようにした超
音波振動子及びその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】例えば医用検査手段として広く用いられ
ている超音波検査装置は、超音波プローブと超音波観測
装置とから構成され、超音波プローブは、被検者の体内
に向けて超音波ビームを送信し、体内組織の断層部分か
らの反射エコーを電気信号に変換するためのものであ
る。超音波プローブを構成する超音波振動子は、圧電素
子を挟んだ両側に電極を設ける構成としたものである。
そして、この超音波振動子には、その送受信面側に音響
整合層、音響レンズ等が積層され、反対側の面にはバッ
キング材が積層される。
【0003】圧電素子の材料としては、ジルコン酸チタ
ン酸塩、チタン酸バリウム等のセラミックス半導体があ
り、またPVDF(ポリフッ化ビニリデン)等の高分子
圧電材料も知られている。ただし、高分子圧電材料は、
セラミック系の圧電材料と比較して、送信効率が悪く、
また機械的強度も劣るために、特殊な場合を除いて、セ
ラミック系の圧電材料を用いるのが一般的である。ただ
し、セラミック系の圧電材料は加工性に劣るものであ
り、所望の形状に加工しようとすると、割れや欠け等が
発生するので、多角形状、通常は四角形状のものが用い
られる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】超音波検査装置は、体
内組織の断層情報を取得して、超音波画像としてモニタ
に表示されるものであり、この超音波画像に基づいて患
部の発見等といった検査を行うためのものである。超音
波画像の画質を向上させるには、体内組織の断層部分か
らの反射エコーの強度を高めなければならない。また、
検査の範囲を広げるには、超音波ビームの深達度を深く
する必要がある。ここで、超音波ビームのパワーは超音
波振動子の送受信面の面積に依存し、この送受信面を広
くすれば高い出力の超音波ビームを送信することができ
る。
【0005】超音波ビームは発散する傾向にあるので、
超音波振動子の送受信面には音響レンズを装着すること
によって、超音波ビームのビーム径を絞るようにする。
このように、超音波ビームのビーム径を有効に絞るため
には、超音波振動子の送受信面は円形状乃至円形に近い
形状となっているのが望ましい。
【0006】また、音響レンズは体内におけるある深さ
位置の超音波断層情報を取得するための音響的なフォー
カス機能を発揮する。ただし、音響レンズの焦点位置が
固定的であるために、所望の深さにおける超音波断層情
報を取得する、所謂ダイナミックフォーカス機能を持た
せることはできない。ダイナミックフォーカスを可能に
するには、円環状の超音波振動子を同心円状に所定数配
列することによってアニュラアレイを構成し、このアニ
ュラアレイを構成する各超音波振動子を電子走査させる
ようになし、各超音波振動子による超音波パルスの送信
タイミングを変化させるようにすれば良い。
【0007】以上のように、超音波ビームのビーム径を
絞るために、またダイナミックフォーカス機能を持たせ
るためには、超音波振動子は円形、円環状乃至楕円形,
楕円環形状とするのが望ましい。しかしながら、セラミ
ック系の圧電材料を用いる場合には、円形乃至円形に近
い形状に加工するのは著しく困難である。特に、アニュ
ラアレイを構成する円環状の超音波振動子はセラミック
系の圧電材料で形成するのは実質的に不可能であり、従
って実用化が可能な圧電材料としては、高分子圧電材料
しかなく、このために所望の送信効率が得られない等と
いった問題点があった。
【0008】本発明は以上の点に鑑みてなされたもので
あって、その目的とするところは、所望の形状をした超
音波振動子を容易に形成できるようにすることにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】前述した目的を達成する
ために、本発明に係る超音波振動子の構成としては、円
柱または多角柱状をした圧電素子ピースをそれらの表裏
両端面がほぼ一定の平面となるようにして束ね、少なく
ともその外周が曲線形状となった振動子構成体と、この
振動子構成体の表裏両面に積層させ、全ての圧電素子ピ
ースを覆うように形成した表面側及び裏面側の各電極
と、前記表面側電極及び裏面側電極にそれぞれ接続した
配線とから構成したことをその特徴とするものである。
【0010】また、本発明による超音波振動子の製造方
法としては、円柱または多角柱状の形状を有する圧電素
子ピースをそれらの表裏両端面がほぼ一定の平面となる
ようにして多数束ねて、圧電素子集合体を形成する工程
と、前記圧電素子集合体の表面に、所望のパターンを有
する表面側電極を積層・固着する工程と、前記振動子組
立体を形成する圧電素子ピースのうち、電極が形成され
ている部位以外の不要な圧電素子ピースを取り除くこと
により所定の形状となった振動子構成体を形成する工程
と、前記振動子構成体の裏面側に裏面側電極を形成する
工程とからなることをその特徴とするものである。
【0011】本発明においては、超音波振動子における
圧電素子を単一の圧電材料で形成するのではなく、微小
な圧電素子ピースを束ねることにより形成される。ここ
で、圧電素子ピースは、円柱形状、四角柱形状、六角柱
形状等というように、表裏両端面が平面形状となり、所
定の高さを有するものである。多数の圧電素子ピース
は、それらの端面がほぼ一定の平面となるように揃えた
状態で多数束ねられる。圧電素子ピースは、通常、ロッ
ド状に形成したものを所定の長さ毎に切断する等により
形成されるから、全ての圧電素子ピースが完全には同じ
長さとならないこともある。その結果、多数の圧電素子
ピースを束ねて圧電素子集合体とし、その表面を揃えて
も多少の凹凸が生じる。これら圧電素子ピースを束ねた
圧電素子集合体の表裏両面に電極が形成されることか
ら、各圧電素子ピース(後述する不要の圧電素子ピース
を除く)の表裏両面が電極と接合されなければならな
い。従って、圧電素子集合体が形成された時に、その表
裏両面を揃えるのは電極と接合させるためである。例え
ば、蒸着等の成膜手段により電極を形成する場合には、
ある程度まで表面に不揃いがあっても、その凹凸を十分
吸収して、全ての圧電素子ピースを電極と接合できる。
従って、圧電素子ピースの端面がほぼ一定の平面を形成
するというのは、電極を形成した時に全ての圧電素子ピ
ースの端面が確実に電極と当接できる程度に揃っている
ことを意味する。なお、圧電素子ピースを束ねた後に、
表面を研磨する等により完全な平面形状とすることも可
能である。
【0012】以上のようにして形成された圧電素子集合
体の表面及び裏面に形成される電極のうち、表面側電極
が所定のパターンになるように形成することにより、こ
のパターンが送受信面として機能する。圧電素子集合体
に所望形状の表面側電極のパターンを形成した場合に、
この表面側電極以外の位置の圧電素子ピースは実質的に
超音波の送受信機能を発揮しない不要な圧電素子ピース
である。これら不要の圧電素子ピースを残したままであ
っても、表面側電極が設けられていなければ、この不要
な圧電素子ピースには電流が流れず、従って機械的な変
形を受けることはない。ただし、表面側電極を形成した
部位の圧電素子ピースが電圧の印加により機械的な変形
を受けると、その影響で不要な圧電素子ピースが歪む結
果、送信される超音波ビームの形状が変化してしまう。
そこで、不要な圧電素子ピースを除去する。このよう
に、圧電素子集合体から不要な圧電素子ピースを取り除
くことによって、所望の形状の超音波振動子を形成する
ことができる。
【0013】不要の圧電素子ピースを取り除くには、例
えば所望のパターンを有し、粘着面を有するシート状の
部材を圧電素子集合体の表面に貼り付けた後に、このシ
ートを剥離すると、粘着面に粘着されている圧電素子ピ
ースがシートと共に圧電素子集合体から分離される。そ
の結果、パターン以外の領域が残ることになり、例えば
円形、楕円形、円環状、楕円環状等、1枚のセラミック
材をカットした場合では加工できないか、または極めて
加工が困難な形状の超音波振動子を極めて容易に形成で
きるようになる。
【0014】不要の圧電素子ピースを除去するシート状
の部材は、表面側電極を形成する際に設けられるマスキ
ングと兼用させることができる。即ち、粘着面を有する
マスキングシートを用いて、その粘着面に不要な圧電素
子ピースを粘着させておき、表面側電極形成後にマスキ
ングシートを除去するが、この時に不要な圧電素子ピー
スを結着したまま取り外すようにすれば良い。従って、
マスキングシートを所望の打ち抜き形状とすることによ
って、所望の形状をした超音波振動子を容易に形成する
ことができることになる。
【0015】
【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の実
施の形態について説明する。まず、図1乃至図3に円環
状に形成した超音波振動子の構成を示す。図1及び図2
において、1は圧電素子、2は表面側電極、3は裏面側
電極であり、これらで超音波振動子4が構成される。圧
電素子1は、図3から明らかなように、微小な圧電素子
ピース5を多数束ねたものから構成される。そして、図
示した圧電素子1は円環状のものからなり、その内部は
シリコン樹脂等、電気絶縁性を有する樹脂充填部6とな
っている。ここで、圧電素子1を構成する単位としての
圧電素子ピース5の形状としては、同じ直径で、同じ高
さを有する円柱状のものから構成されている。また、圧
電素子ピースは、これ以外でも、図4(A)に示したよ
うに、四角柱形状の圧電素子ピース5A、または同図
(B)に示したように、六角柱形状の圧電素子ピース5
B等の多角柱形状とすることもできる。ここで、圧電素
子ピース5は、ジルコン酸チタン酸塩、チタン酸バリウ
ム等のセラミックス半導体からなるセラミック系の圧電
材料で形成される。
【0016】このように、円環状に形成した圧電素子を
用いることによって、例えば、図5乃至図7に示したよ
うに、アニュラアレイ式の超音波トランスデューサ10
が形成される。即ち、図5及び図6から明らかなよう
に、前述した圧電素子ピースの集合体からなり、それぞ
れの内外径に差を持たせた円環状の圧電素子11S,1
1M,11Lが同心円状に配置されている。ここで、必
須ではないが、図5に示したように、それぞれ径差があ
る各圧電素子11S,11M,11Lの表面積を同じに
するのが望ましい。そして、最も小径の圧電素子11S
の内側と、圧電素子11S,11M間及び11M,11
L間に形成されている空間部分は、例えばシリコン樹脂
等のように、電気絶縁性があり、好ましくは軟性で接着
力のある素材からなり、スペーサとして機能する樹脂充
填部12となっている。さらに、図6から明らかなよう
に、裏面側には、圧電素子11S,11M,11Lに共
通する裏面側電極13が接続されており、また表面側で
は、各々の圧電素子11S,11M,11Lに対してそ
れぞれ表面側電極14S,14M,14Lが接続されて
いる。
【0017】以上のようにして、同心円状に配置した3
つの円環状の超音波振動子15S,15M,15Lから
なる超音波振動子のユニットが構成されるが、このユニ
ットには、さらに図6に示したように、その裏面側にバ
ッキング材16が、また表面側には音響整合層17がそ
れぞれ積層されており、バッキング材16は基板18等
に搭載される。そして、裏面側電極13及び各表面側電
極14S,14M,14Lには、それぞれ配線20及び
配線21S,21M,21Lが接続されており、また配
線21S,21M,21Lには可変ディレイ22S,2
2M,22Lが接続される。
【0018】アニュラアレイ式の超音波トランスデュー
サ10は以上のように構成されるものであって、表面側
電極14S,14M,14Lと裏面側電極13との間に
所定電圧の電圧を流すと、圧電素子11S,11M,1
1Lから超音波ビームが送信されるが、各配線21S,
21M,21Lに可変ディレイ22S,22M,22L
が接続されているので、各超音波振動子15S,15
M,15Lからの超音波ビームの送信に遅延が与えら
れ、これらの超音波ビームの合成波面は収束波面とな
る。そして、可変ディレイ22S,22M,22Lによ
る遅延時間を変化させると、図7に示したように、合成
波面は、超音波トランスデューサ10に近い位置P1に
収束させたり(同図に二点鎖線で示した波面)、また超
音波トランスデューサ10から遠い位置P2に収束させ
たり(同図に点線で示した波面)することができる。つ
まり、可変ディレイ22S,22M,22Lの遅延時間
を制御することによって、超音波ビームのフォーカス位
置を変化させることができる。
【0019】而して、圧電素子11S,11M間及び1
1M,11L間は、それぞれ円環状に形成した空間部分
が存在しているので、各超音波振動子15S,15M,
15Lから超音波ビームを送信する際に、各々の超音波
ビームの波面に他の超音波振動子を構成する圧電素子の
影響を受けることはない。ここで、前述した各空間部分
は樹脂充填部12となっているが、この樹脂充填部12
は、それぞれ圧電素子ピースの集合体であり、かつ円環
状に形成した圧電素子11S,11M,11Lの保形性
を良好にするためであり、その必要がない場合には、各
空間部分を空隙状態とするようにしても良い。
【0020】ところで、高分子圧電材料であればともか
く、高分子圧電材料より送信効率が高く、機械的強度も
良好なセラミック系の圧電材料を用いる場合には、1枚
の圧電素子を円環状に加工するのは極めて困難であり、
加工中に圧電材料に割れや欠け等が生じる等により著し
く歩留が悪い。しかしながら、セラミック系の圧電材料
であっても、圧電素子ピースの集合体を円環状に形成す
ることにより、アニュラアレイ式の超音波トランスデュ
ーサ10における同心円状に配列した円環状の圧電素子
11S,11M,11Lを極めて容易に形成することが
できる。そこで、図8に基づいて、円環状の圧電素子1
1S,11M,11Lの製造方法について説明する。
【0021】まず、図8(A)に示したように、多数の
圧電素子ピース、即ち図3に示した円柱状の圧電素子ピ
ース5(これ以外でも、図4(A)の四角柱形状の圧電
素子ピース5A、図4(B)の六角柱形状の圧電素子ピ
ース5B等を用いることができる)を立てた状態で密に
配列して端面を揃えることによって、表裏両端面がほぼ
同一平面となるようにして圧電素子集合体30を形成す
る。ここで、圧電素子集合体30の形状としては、四角
形状としたものが示されているが、例えば六角形、八角
形等、円に近い形状とすることもできる。なお、各圧電
素子ピース5は相互に接着等を行わない。
【0022】次に、図8(B)に示したように、圧電素
子集合体30の表面側において、円環状の圧電素子11
S,11M,11Lを構成する圧電素子ピース5以外の
不要な圧電素子ピース5の表面にマスキングシート31
を貼り付ける。ここで、マスキングシート31は圧電素
子集合体30への当接面には接着剤を塗布しておく。こ
れによって、マスキングシート31は不要な圧電素子ピ
ース5の表面に接着される。従って、圧電素子集合体3
0のうち、圧電素子11S,11M,11Lを構成する
圧電素子ピース5がマスキングシート31で覆われず露
出した状態となっている。
【0023】そして、図8(C)に示したように、マス
キングシート31を貼着した圧電素子集合体30の表面
に表面側電極14S,14M,14Lとなる導電部材3
2を形成する。この導電部材32は、蒸着、吹き付けや
印刷、塗布等により形成することができる。ここで、マ
スキングシート31を貼着した部位には導電部材32を
設ける必要はないが、この工程の簡略化のためには、圧
電素子集合体30の全体にわたって導電部材32を貼り
付けるようにするのが望ましい。ここで、導電部材32
は表面側電極14S,14M,14Lを構成するもので
あるが、さらにこの導電部材32は、相互に固着されて
いない各圧電素子ピース5の表面と接着して、圧電素子
11S,11M,11Lの円環形状を保形するための機
能も発揮する。従って、導電部材32の素材としては強
い接着機能を持ったものを用いるのが望ましい。
【0024】その後に、図8(D)に示したように、マ
スキングシート31を除去する。圧電素子11S,11
M,11Lを構成しない不要の圧電素子ピース5は、マ
スキングシート31に接着されているので、マスキング
シート31を取り外すと、これら不要の圧電素子ピース
5も同時に除去できる。これによって、同心円形状とな
った3重の円環状の圧電素子11S,11M,11Lが
形成され、かつこれら各圧電素子11S,11M,11
Lには導電部材32からなる表面側電極14S,14
M,14Lが積層された状態となる。
【0025】以上のようにして形成された圧電素子11
S,11M,11Lはばらばらの状態となっている。し
かしながら、各圧電素子11S,11M,11Lに共通
となる裏面側電極13を貼り付けることによって、相互
の位置関係を固定することができる。従って、裏面側電
極13は円形シート形状となし、かつ導電性接着剤を塗
布したものを用いるのが望ましい。このままであっても
良いが、圧電素子11S,11M,11Lの位置関係を
さらに安定させるためには、圧電素子11Sの内側と、
圧電素子11S,11M間及び圧電素子11M,11L
間の空間部分にはシリコン樹脂等を充填して樹脂充填部
12を形成する。
【0026】ここで、マスキングシートの形状を適宜設
定することによって、任意の形状の超音波振動子を形成
することができる。例えば、円形または楕円形に打ち抜
いたマスキングシートを用いれば、円形,楕円形の超音
波振動子を形成できる。要するに、マスキングシート等
の粘着面を有する部材を所望の形状にカットして、圧電
素子集合体に貼り付けた状態から、この部材を圧電素子
集合体から分離して、圧電素子集合体から不要な圧電素
子ピースを除去することによって、所望の形状をした超
音波振動子を形成することができる。
【0027】
【発明の効果】本発明は以上のように構成したので、所
望の形状をした超音波振動子を容易に形成できる等の効
果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による超音波振動子の一例として、円環
状に形成した超音波振動子の平面図である。
【図2】図1のA−A断面図である。
【図3】図1の超音波振動子を構成する圧電素子の外観
斜視図である。
【図4】他の形状の圧電素子ピースを示す斜視図であ
る。
【図5】本発明による超音波振動子の一例として、アニ
ュラアレイ式の超音波プローブとして構成される超音波
振動子の平面図である。
【図6】アニュラアレイ式の超音波プローブの断面図で
ある。
【図7】アニュラアレイ式の超音波プローブの作動説明
図である。
【図8】アニュラアレイ式の超音波プローブにおける超
音波振動子を形成するための工程説明図である。
【符号の説明】
1,11S,11M,11L 圧電素子 2,14S,14M,14L 表面側電極 3,13 裏面側電極 4,15S,15M,15L 超音波振動子 5,5A,5B 圧電素子ピース 12 樹脂充填部 30 圧電素子集合体 31 マスキングシート 32 導電部材
───────────────────────────────────────────────────── 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) H01L 41/22 H01L 41/18 101B H04R 31/00 330 41/22 Z Fターム(参考) 4C301 EE20 GB05 GB14 GB16 GB18 GB33 GB37 4C601 EE30 GB01 GB02 GB03 GB04 GB14 GB19 GB41 GB42 GB45 5D019 AA21 BB02 BB20 FF04 HH03 5D107 AA03 AA12 AA16 BB07 CC01 CC10 CC12 FF01

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 円柱または多角柱状をした圧電素子ピー
    スをそれらの表裏両端面がほぼ一定の平面となるように
    して束ね、少なくともその外周が曲線形状となった振動
    子構成体と、 この振動子構成体の表裏両面に積層させ、全ての圧電素
    子ピースを覆うように形成した表面側及び裏面側の各電
    極と、 前記表面側電極及び裏面側電極にそれぞれ接続した配線
    とから構成したことを特徴とする超音波振動子。
  2. 【請求項2】 前記圧電素子ピースは、円柱状、四角柱
    状、六角柱状のものであることを特徴とする請求項1記
    載の超音波振動子。
  3. 【請求項3】 前記振動子構成体は、円形、楕円形、円
    環状のいずれかの形状としたことを特徴とする請求項1
    記載の超音波振動子。
  4. 【請求項4】 前記振動子構成体は同心円形状に配列さ
    れた複数の円環状振動子構成体から構成され、最内側の
    円環状振動子構成体の内部と、各円環状振動子構成体間
    との空間に接着機能を有する樹脂充填部が形成されてい
    ることを特徴とする請求項1記載の超音波振動子。
  5. 【請求項5】 円柱または多角柱状の形状を有する圧電
    素子ピースをそれらの表裏両端面がほぼ一定の平面とな
    るようにして多数束ねて、圧電素子集合体を形成する工
    程と、 前記圧電素子集合体の表面に、所望のパターンを有する
    表面側電極を積層・固着する工程と、 前記振動子組立体を形成する圧電素子ピースのうち、電
    極が形成されている部位以外の不要な圧電素子ピースを
    取り除くことにより所定の形状となった振動子構成体を
    形成する工程と、 前記振動子構成体の裏面側に裏面側電極を形成する工程
    とからなることを特徴とする超音波振動子の製造方法。
  6. 【請求項6】 前記圧電素子集合体に、前記表面側電極
    の積層前に、この電極が形成されない不要部分にマスキ
    ングを行い、このマスキングされた部分にも電極を積層
    させることを特徴とする請求項5記載の超音波振動子の
    製造方法。
  7. 【請求項7】 前記マスキングは粘着性のあるマスキン
    グシートを用いて行い、さらに前記電極を積層させた後
    に、不要な圧電素子ピースをマスキングシートに粘着さ
    せた状態で取り除くことを特徴とする請求項6記載の超
    音波振動子の製造方法。
  8. 【請求項8】 前記電極は蒸着、成膜、塗布により形成
    することを特徴とする請求項5記載の超音波振動子の製
    造方法。
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