JP3673035B2

JP3673035B2 - Ultrasonic transducer

Info

Publication number: JP3673035B2
Application number: JP28398696A
Authority: JP
Inventors: 智手塚; 新一橋本; 政由起高野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1996-10-25
Filing date: 1996-10-25
Publication date: 2005-07-20
Anticipated expiration: 2016-10-25
Also published as: JPH10136491A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、圧電セラミックスから形成された圧電振動子を複数個一列に配列した圧電体を使用して超音波を出力し、その反射した超音波を受信する超音波トランスジューサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波診断装置や探傷装置に使用されている超音波トランスジューサでは、超音波を送受信する素子として圧電振動子を使用しているが、細長い短冊状の圧電セラミックスから形成された圧電振動子多数個を一列に配列した電子フォーカスを行うことができるアレイ状の超音波トランスジューサが現在最も多く使用されている。
【０００３】
このアレイ状の超音波トランスジューサでは多数個の各素子( 圧電振動子 )の電極からそれぞれ送受信信号の授受を行うためリード線及びアース線を接続する必要がある。すなわち、制御回路からこのリード線を通して送信信号( 制御信号 )を各素子へ出力し、各素子から受信信号がこのリード線を通して信号処理回路へ入力される。
そのリード線及びアース線を各素子の電極に接続する方法として、フレキシブルプリント配線板を電極面に接続したり、振動子側面の回し込み電極部分にリード線を接続する等の方法が一般的にとられている。
【０００４】
振動子電極にフレキシブルプリント配線板を接続する方法としては、一般に半田付けや導電性接着剤、溶接、異方性導電フィルム等を使用する方法が知られている。
一般的に振動子電極の材料としては、従来の圧電セラミックスでは焼き付け銀電極が最も多く使用されているのに対し、複合圧電体ではスパッタや蒸着、メッキ等による金属薄膜等が使用されている。
【０００５】
超音波トランスジューサの駆動電極を引き出す方法としては、圧電板の電極にフレキシブルプリント配線板( ＦＰＣ )を接続し、このＦＰＣの配線パターンを利用して引き出す方法がある。この引出方法では、圧電板に単一のＦＰＣを電気接続した後、圧電板とＦＰＣとをＦＰＣの配線パターンに合せて切断することによってアレイ状の超音波トランスジューサを実現する。
コンベックス( 凸形 )形状の超音波トランスジューサを実現する方法としては圧電板とＦＰＣとを切断した後、アレイ方向にコンベックス形状に屈曲し、予めＦＰＣに設けられたＦＰＣ配線パターン間隙であって、かつ圧電板近傍に至るスリットを利用してＦＰＣを折り畳み収納する方法が開発されている。
【０００６】
図１２( ａ )の上面図、図１２( ｂ )の側面図及び図１５に示すように、超音波トランスジューサは、圧電板１０１とバッキング材１０３にＦＰＣ１０２が一部分挟み込まれた構造となっている。ＦＰＣ１０２には、銅等により形成された配線パターン( 引出線 )１０４-1〜１０４-16 が形成されており、配線パターン１０４-4と１０４-5との間隙、配線パターン１０４-8と１０４-9との間隙、配線パターン１０４-12 と１０４-13 との間隙に予備スリット１０５-1〜１０５-3が形成してある。
【０００７】
ＦＰＣ１０２の配線パターン１０４-1〜１０４-16 が形成された表面に圧電板１０１が固定され、圧電板の電極と各配線パターン１０４-1〜１０４-16 とが電気的に接続されている。
バッキング材１０３は音響特性を向上させるため、圧電板１０１の背面に固定されている。
図１３に示すように、ＦＰＣ１０２上の配線パターン１０４-1〜１０４-16 の各間隔は、信号引出が容易になるように、圧電板１０１側から離れる方向に向かって除々に広がるように形成されている。
【０００８】
図１４( ａ )の上面図及び図１４( ｂ )の側面図に示すように、超音波トランスジューサは、上述した構造体を各配線パターン１０４-1〜１０４-16 に基づいて分割することによりアレイ型超音波トランスジューサが形成される。
すなわち、圧電板１０１は、１６本の配線パターン１０４-1〜１０４-16 と１対１に対応した１６個の圧電板( 圧電素子、振動素子 )１０１-1〜１０１-16 に分割され、ＦＰＣ１０２は、予備スリット１０５-1〜１０５-3により、４個の分割基板１０２-1〜１０２-4に分割される。しかし、バッキング材１０３は、スリット溝が形成されるものの分割せずに、この超音波トランスジューサを一体型として保持している。なお、この分割の工程の前後に、音響整合層の形成やアース電極の引出し等が行われる。
【０００９】
さらに、コンベックス形状( 凸形形状 )にするためには、バッキング材１０３を圧電板１０１-1〜１０１-16 のアレイ配列方向沿って凸状に屈曲させ、図１５に示すように、ＦＰＣ１０２の各分割基板１０２-1〜１０２-4を折曲げて、図１６に示すように重ねることにより、この超音波トランスジューサを収納性良く取扱うことができる。
【００１０】
電子スキャン方式の超音波トランスジューサでは、スキャン方向( 超音波振動子のアレイ配列方向 )の音場形成を電子制御で行っているので、その音場特性を向上させるためには、アレイ配列方向の振動素子の配列ピッチを小さく微細にしたものが開発されている。
図１７は、電子スキャン方式の超音波トランスジューサのスライス方向( 超音波振動子のアレイ配列方向に直交する方向 )の概略の構成を示す断面図である。
【００１１】
この超音波トランスジューサは、圧電セラミックス層１１１を中層として、上層に音響整合層１１２が形成され、下層にバッキング材１１３が形成されている。さらに、音響整合層１１２の上層( 超音波送受信面側 )に音響レンズ１１４が設けられている。
【００１２】
圧電セラミックス層１１１は、図示しないがアレイ配列方向( 図面の紙面に垂直な方向 )に圧電素子( 振動素子 )が複数個配列されており、この圧電セラミックス層１１１の配列に応じて音響整合層１１２も分割されており、バッキング材１１３の上面部もそれに応じた形状になっている。
圧電セラミックス層１１１の上面( 音響整合層１１２との境界面 )には共通電極が形成され、この共通電極はグラウンド( ０ [Ｖ] )に接続されている。圧電セラミックス層１１１の下面( バッキング材１１３との境界面 )には駆動電極が形成され、この圧電セラミックス層１１１とバッキング材１１３との間に、ＦＰＣ１１５が介挿されている。そして各個別電極とＦＰＣの配線パターンとは１対１に対応して電気的に接続されている。
音響レンズは、スライス方向に超音波を収束させる機能を有し、最適な音場形成を行う。
【００１３】
また、図１８に示すように、超音波トランスジューサの圧電体( 振動素子 )１２１の下面( 背面＝超音波の出力面の反対側の面 )に形成された駆動電極１２２及びその上面( 前面＝超音波の出力面 )に形成された共通電極１２３から信号線及びアース線を引出すのに、まず、共通電極１２３を圧電体１２１の背面まで引き回し、信号線を引出すための信号用ＦＰＣ１２４の先端部を駆動電極１２２に半田付け等で接続し、またアース線を引出すためのアース板１２５の先端部を共通電極１２３の背面に引き回された部分に半田付け等で接続している。
なお、これらのＦＰＣ１２４と電極１２２，１２３との半田付け等による接続後、バッキング材１２６及び音響整合層１２７がそれぞれ圧電体１２１の背面及び前面に形成される。
【００１４】
また、診断能を向上させるため、より高分解能な超音波トランスジューサが要求されており、柱状の圧電セラミックスの間隙に樹脂を注入し、前面( 超音波送受信面 )及び背面に電極を形成した複合圧電体を圧電板として使用する超音波トランスジューサが開発されている。
この複合圧電体は、圧電セラミックスを柱状でかつ小形状にすることによって圧電体の電気・超音波の変換効率を増大し、超音波トランスジューサの感度を増大させること、圧電体に占める圧電セラミックスの比率を小さくして圧電板の音響インピーダンスを低減することによって生体との音響整合を向上するという特徴を持っている。
【００１５】
複合圧電体の製造方法の１例を、以下に説明する。
まず、図１９( ａ )に示すような圧電セラミックス板１２１の一方の面において、ダイシングマシーンやワイヤソー等により図１９( ｂ )に示すように、予め設定された深さで格子状の溝１２２を形成する。すなわち、圧電セラミックス板１２１の反対側の面はそのまま残す。
次に、図１９( ｃ )に示すように、格子状の溝１２２にエポキシ樹脂を充填して加熱硬化あるいは室温硬化させる。
このエポキシ樹脂が完全に硬化した後、図１９( ｄ )に示すように、圧電セラミックス板１２１の溝１２２の形成面の反対側のそのまま残した面を研削加工又は研磨加工により、予め設定された深さを厚さとして、完全に圧電セラミックスが柱状に分割されるまで成形する。このとき、柱状の各圧電セラミックスはエポキシ樹脂により確実に接合されている。
【００１６】
このようにして製造された、２次元配列の柱状の圧電セラミックスエレメントをエポキシ樹脂で接合した複合圧電体には、その前面及び背面に薄膜電極が蒸着法又はスパッタ法等によって形成される。
アレイ型の超音波トランスジューサを実現するためには、複合圧電体にアレイ形状に分割された電極を形成した後、音響整合層、バッキング材等を形成する方法や複合圧電体上に一面に電極を形成し、音響整合層、バッキング材等を形成した後、アレイ形状に音響整合層及び電極を分割する方法などがある。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
電極からの信号引出しに使用するＦＰＣは、配線パターンの精度に製造上の限界があり、超音波トランスジューサのアレイ方向の配列ピッチが小さく、配列数が多くなった場合、主に配線パターンのピッチ誤差が大きくなり、超音波トランスジューサのアレイ型の圧電体のアレイ配列ピッチの精度にも悪い影響を与える虞があるという問題があった。
さらに、超音波トランスジューサのアレイ方向の配列ピッチ及び配列数が、ＦＰＣの製造上の限界を越えてしまうと、ＦＰＣの製造が困難になるか又はＦＰＣの製造の歩留まりが低下して、ＦＰＣのコスト上昇になり、それにともなって著音波トランスジューサのコスト上昇になるという問題があった。
【００１８】
また、ＦＰＣの配線パターンの間隙が所定幅より狭くなると、予備スリットを形成することができなくなり、コンベックス形状の超音波トランスジューサが実現できなくなるという問題があった。
また、圧電セラミックスを分割してアレイ状に配列した複数個の振動素子を形成したとき、振動素子のスライス方向の長さが同じで、振動素子のアレイ方向( スキャン方向 )の長さ( 幅 )を小さくすると、振動素子の形状はより細長い棒状となり衝撃に対する強度が低下し、外力による衝撃により振動素子に損傷が発生しやすくなる。そのため外力による衝撃が振動素子に影響しないようにする必要がある。
【００１９】
また、スライス方向の音場形成のため音響レンズを超音波トランスジューサの前面に配置して使用しているが、音響レンズの音響的な減衰を受けて、超音波の送受信感度が低下するという問題があった。特に、音響レンズの焦点を近傍に設定する場合、音響レンズの厚さが厚くなり、減衰が大きくなって、超音波の送受信感度の低下が大きくなるという問題があった。
また、複合圧電体の前面及び背面一面に薄膜電極を形成した後、薄膜電極を各振動素子毎に分割するものでは、薄膜電極の複合圧電体への付着強度及び薄膜電極自体の強度が小さい等の理由により、その分割工程で、薄膜電極の一部が複合圧電体から剥離する不良や薄膜電極が断裂する不良が生じるという問題があった。
【００２０】
また、複合圧電体は、前述したように、電極材料として、焼け付け銀電極が使用できないため、薄膜電極等の電極が使用されており、薄膜電極から信号線の引出しを行う場合、薄膜電極等の薄膜電極の強度が弱いことや接合性が悪いことから、ハンダ付けによる接合が使用できず導電性接着剤を使用している。しかし、導電性接着剤では接合強度が低いため、接合面積を大きくする必要がある。この薄膜電極から信号線の引出しを行う部分( 接合部分 )は振動の無効部分であるから、送受信効率を向上させるためには、振動の無効部分を削減する必要があり、導電性接着剤の接合部分を小さくしなければならないという問題があった。
さらに、薄膜電極から信号線の引出しを行う場合、その信号線の引出し部分は、例えば図１８に示すように、ＦＰＣ１２４，１２５の先端が、圧電体１２１とバッキング材１２６との間に入り込んで剛性上の不連続点となり、例えば圧電体の切断によるアレイ形成時に印加される外力に対する応力が集中して損傷する可能性が高くなるという問題があった。
また、前面の引出し部分を設けた場合も同様に、剛性上の不連続点となり、外力に対する応力が集中して損傷する可能性が高くなるという問題があった。
【００２１】
そこでこの発明は、圧電板の電極からの信号線の引出しを高い精度で行うことができる超音波トランスジューサを提供することを目的とする。
また、圧電板の電極からの信号線を引き出す部分の損傷を防止することができる超音波トランスジューサを提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明は第１局面において、圧電セラミックスから形成された圧電振動子をＮ個一列に配列した圧電体を使用して超音波を出力し、その反射した超音波を受信する超音波トランスジューサにおいて、前記各圧電振動子の超音波出力面及びこの超音波出力面の反対側の面に形成された各電極に電気的に接続された並列的に配列された総計Ｎ本の配線パターンが形成されたＭ枚のフレキシブルプリント配線板を設けたことを特徴とする超音波トランスジューサである。
本発明は第２局面において、圧電セラミックスから形成された圧電振動子をＮ個一列に配列した圧電体を使用して超音波を出力し、その反射した超音波を受信する超音波トランスジューサにおいて、前記各圧電振動子の超音波出力面及びこの超音波出力面の反対側の面に形成された各電極に電気的に接続された並列的に配列された総計Ｎ本の配線パターンが形成されたフレキシブルプリント配線板を設け、このフレキシブルプリント配線板に形成された各配線パターンに、予め設定された間隔で導電体の露出した露出部を設け、前記各圧電振動子は、前記フレキシブルプリント配線板上に形成された配線パターンの配列方向と直交する方向にＫ個に分割され、これらの分割物の間の間隙に樹脂を充填して形成され、複数の分割物は、前記フレキシブルプリント配線板の各配線パターンに形成された複数の露出部を介して、対応する配線パターンに共通に接続されることを特徴とする超音波トランスジューサである。
本発明は第３局面において、圧電セラミックスから形成された圧電振動子を使用して超音波を出力し、その反射した超音波を受信する超音波トランスジューサにおいて、前記圧電振動子の超音波出力面及びこの超音波出力面の反対側の面に形成された各電極に電気的に接続された中継電極を設け、この中継電極は、前記各電極に電気的に接続する導電材により形成された電極接続部と、前記圧電振動子へ駆動電力を供給すると共に前記圧電振動子からの受信信号を引出す引出線を電気的に接続する導電材により形成された引出線接続部と、前記電極接続部と前記引出線接続部とを電気的に接続して保持する保持部材とから構成され、前記中継電極は、前記圧電振動子からなる圧電体の超音波出力面の反対側の面に前記背面部材に埋設されて前記各電極と電気的に接続されており、前記中継電極の前記圧電体の超音波出力面の反対側の面における占有範囲は、超音波の出力範囲の前記圧電体の超音波出力面の反対側の面に延長された範囲と重ならないように制限されていることを特徴とする超音波トランスジューサである。
【００２６】
請求項７対応の発明は、請求項６対応の発明において、中継電極は、圧電振動子の側面又は圧電振動子の超音波出力面の反対側の面に形成された背面部材の側面に設けられたものである。
請求項８対応の発明は、請求項６及び請求項７のいずれか１項対応の発明において、中継電極は、導電性接着剤を使用して各電極と電気的に接続したものである。
請求項９対応の発明は、請求項６及び請求項８のいずれか１項対応の発明において、中継電極は、圧電振動子からなる圧電体の超音波出力面の反対側の面に背面部材に埋設されて各電極と電気的に接続されており、中継電極の圧電体の超音波出力面の反対側の面における占有範囲は、超音波の出力範囲の圧電体の超音波出力面の反対側の面に延長された範囲と重ならないように制限されているものである。
【００２７】
【発明の実施の形態】
この発明の第１の実施の形態を図１を参照して説明する。
図１( ａ )及び図１( ｂ )は、この発明を適用した超音波トランスジューサを示す上面図及び側面図である。
振動素子に分割する前の圧電セラミックス板１の前面( 超音波出力面、上面 )及び背面( 超音波出力面の反対側の面、下面 )の表面に予め焼付銀電極を形成しておき、この焼付銀電極に隙間ない配列で複数枚のフレキシブルプリント配線板( 以下ＦＰＣと称する )２〜５を電気的に接続する。それぞれのＦＰＣ２〜５は、前記圧電セラミックス板１を分割して形成される振動素子の電極引出しのための配線パターンが形成されている。前記各ＦＰＣ２〜５は、配線パターンがそれに対応する圧電振動素子の位置に接続されるように位置合せして前記圧電セラミックス板１に接続される。前記圧電セラミックス板１の背面には、一部前記ＦＰＣ２〜５を挟んで、バッキング材６が形成されている。
【００２８】
前記各ＦＰＣ２〜５の両辺縁部は、前記圧電セラミックス板１に配線パターンを位置合せして接続した際に他のＦＰＣと重ね合わないように、最辺縁の配線パターンからその両最辺縁外周端までの寸法を規定している。すなわち、前記圧電セラミックス板１との接続部において、最辺縁配線パターンの中心と最辺縁外周までの距離が、この超音波トランスジューサのアレイ配列ピッチ( 圧電セラミックス板１を分割して形成される振動素子の配列ピッチ )より小さくなっている。
【００２９】
前記ＦＰＣ２〜５にそれぞれ形成された配線パターンの配列ピッチは同一ではなく、最辺縁配列パターンとそれに隣接する( 内側の )配線パターンとの間隙ｔ１は他の( 内側の )配線パターンの配列ピッチｔ２よりも狭くし、隣接するＦＰＣの隣接する最辺縁配線パターン間の間隙ｔ３は、前記他の配線パターンの配列ピッチを同一とした場合の配列ピッチ( 例えば振動素子の配列ピッチ )よりも大きくしてある。
【００３０】
前記圧電セラミックス板１に前記各ＦＰＣ２〜５を接続した後、バッキング材、音響整合層等を固定し、最終的に前記ＦＰＣ２〜５の各配線パターンに沿って、図１( ｂ )に示すように圧電セラミックス板、音響整合層、バッキング材等を分割することによって、この超音波トランスジューサが完成する。なお、簡単のため、図１( ｂ )には音響整合層等は省略してある。
さらに、この超音波トランスジューサをコンベックス型にするためには、この超音波トランスジューサを前記各ＦＰＣ２〜５の配線パターンに沿って分割した後、アレイ方向に凸状に屈曲させる。このとき、それぞれの前記各ＦＰＣ２〜５が独立した方向に、コンベックス型超音波トランスジューサとして小型に収納性良く折り畳むことが可能となる。
【００３１】
このように第１の実施の形態によれば、圧電セラミックス板１を分割して形成する振動素子からブロック的に信号線の引出しをする複数枚の前記ＦＰＣ２〜５を使用し、ＦＰＣの最辺縁配線パターンとそれに隣接する配線パターンとの間隙を他の配線パターンの配列ピッチよりも狭くし、隣接するＦＰＣの隣接する最辺縁配線パターン間の間隙を他の配線パターンの配列ピッチより大きくしてあることにより、ＦＰＣにスリットを形成する必要がなく、より配列ピッチの小さい超音波トランスジューサの振動素子の信号線引出しに高い精度で対応することができ、しかもコンベックス型として小型に収納性良く折り畳むことができる。
【００３２】
この発明の第２の実施の形態を図２乃至図７を参照して説明する。この第２の実施の形態は、スライス方向において複数個に分割された振動素子を使用した点に特徴がある。
図２は、この発明を適用した超音波トランスジューサを示す斜視図であり、図３は、超音波トランスジューサを示すＦＰＣの配線パターン部分のスライス方向の断面図である。なお、図２は、超音波トランスジューサの一部を示すもので、全体の超音波トランスジューサは矢印Ａ方向に繋がって伸びている。この図２中、矢印Ａ方向は超音波トランスジューサのアレイ方向を示し、矢印Ｓ方向は超音波トランスジューサのスライス方向を示している。
【００３３】
圧電体１２の上面( 前面＝超音波の出力面 )に形成された共通電極１３上に音響整合層１４が形成されている。また、前記圧電体１２の下面( 背面＝超音波の出力面の反対側の面 )に形成された駆動電極１５と電気的にも接続された複数枚のＦＰＣ１１が固定され、このＦＰＣ１１の下面にバッキング材１６が固定されている。
前記圧電体１２は、圧電セラミックス材により形成された振動素子１２-1と、この振動素子１２-1間に充填された樹脂部１２-2とから構成されている。
図３に示すように、前記ＦＰＣ１１の配線パターンには、突起状の導体露出部がちょうど前記圧電体１２の各振動素子のスライス方向の配列ピッチと同じ間隔で形成されており、この導体露出部を電気的に接続することにより圧電体１２の下面に形成された前記駆動電極１５と前記ＦＰＣ１１の配線パターンとは電気的に確実に接続される。
【００３４】
図４は、スライス方向に前記樹脂部１２-2を挟んで１列に配列された複数個の前記振動素子１２-1の電気接続の状態を示す図である。
すなわち、このスライス方向に１列に配列された前記各振動素子１２-1の下面の駆動電極１５には、ＦＰＣ１１の配線パターンを通して駆動部１７から１つのチャンネルを駆動する駆動信号が供給されるようになっている。この駆動信号は、各配線パターン毎に独立しており、この配線パターンに沿ってスライス方向に配列された振動素子は１個の振動子として同一信号系で接続され、アレイ方向に位置が異なる振動素子はそれぞれ異なる信号系で接続されている。
また、超音波トランスジューサの全ての前記各振動素子１２-1の上面の共通電極１３は、共通にグラウンド( ０ [Ｖ])に接続されている。
【００３５】
図５は、前記ＦＰＣ１１に形成された配線パターンを示す図である。
前記ＦＰＣ１１には、スライス方向に伸びている配線パターン２１-1，２１-2，２１-3，２１-4が形成されており、各配線パターン２１-1〜２１-4上には振動素子１２-1のスライス方向の配列ピッチで導体露出部２２-1〜２２-8，…が設けられている。これらの導体露出部２２-1〜２２-8，…は、マトリックス状に２次元的に配列されている。
【００３６】
図６は、前記導体露出部２２を示す断面図である。
前記各ＦＰＣ１１は、ベース層２３の上に接着剤２４により配線パターンを形成する導体層２５が形成され、この導体層２５の上に接着剤２６により絶縁材から形成されたカバーレイ２７が形成されている。
前記導体露出部２２は、前記導電層２５上の所定位置の前記カバーレイ２７に貫通孔を形成して、前記導体層２５に電気的に接続されて前記カバーレイ２７を通って前記カバーレイ２７の上表面に突出する構造になっている。
【００３７】
このような構成の第２の実施の形態の超音波トランスジューサの製造方法は、分割する前の圧電セラミックス板の背面( 超音波の出力面の反対側の面、図３では下面 )に駆動電極１５を形成し、この駆動電極１５にアレイ方向における振動素子の配置位置に合わせてＦＰＣ１１を位置決めして、ＦＰＣ１１の各配線パターンの導体露出部２２をそれぞれ駆動電極１５に電気的に接続して各ＦＰＣ１１を圧電セラミックス板の背面に固定する。
この電気的な接続方法としては、半田付け、導電性接着剤、異方導電性フィルムによる方法や、電気絶縁性接着材を使用して圧力を加えて接続する方法などがある。
【００３８】
次に、圧電セラミックス板の背面( 下面 )を覆うように、ＦＰＣ１１の背面にバッキング材１６を形成する。
次に、圧電セラミックス板の前面( 超音波の出力面、図２では上面 )をスライス方向において複数個に分割するための所定幅を持つ複数本の分割溝( アレイ方向に伸びる溝 )を予め設定されたピッチ( 振動素子のスライス方向の配列ピッチに対応するピッチ )で形成する。このとき、この分割溝は、ＦＰＣ１１の配線パターンを損傷しないように、圧電セラミックス板まであるいは圧電セラミックス板の厚さの途中まで到達すれば良い。
次に、分割溝内に樹脂を充填する。
【００３９】
次に、圧電セラミックス板をスライス方向において分割したもの及び樹脂の前面に共通電極１３をスパッタ、蒸着等の薄膜形成の方法により形成する。
次に、この共通電極１３の上面に音響整合層１４を形成する。
次に、アレイ方向において複数個( チャンネル数 )に分割するための予め設定された幅の複数本の分割溝( スライス方向に伸びる溝 )を予め設定されたピッチ( 振動素子のアレイ方向の配列ピッチに対応するピッチ )で形成する。この分割溝は、この音響整合層１４、共通電極１３、圧電セラミックス板をスライス方向に分割したもの及び樹脂、ＦＰＣ１１及びバッキング材１６の厚さの途中までに到達すれば良い。
【００４０】
このように第２の実施の形態によれば、スライス方向において複数個に分割し、それらの間隙に樹脂を充填した圧電体( 複合圧電体の類似物 )を使用し、ＦＰＣ１１の配線パターンに突起した導体露出部２２を振動素子のスライス方向のピッチに対応した間隔で形成し、この導体露出部２２で振動素子と配線パターンとを接続したことにより、確実に電気的な接続を高い強度で行うことができ、引出し部における断線等の損傷を防止することができる。
【００４１】
その結果、長い１枚のセラミックスから形成された振動素子に比べて、この圧電体の樹脂を挟んだ短いセラミックスから形成された振動素子１２-1は、振動素子自体の強度が高く、しかも外力の衝撃を樹脂部１２-2が分散して吸収するため、振動素子１２-1の損傷を防止することができる。
なお、図７に示すように、圧電セラミックス板のスライス方向の分割数をより大きくして、振動素子のスライス方向の幅をより小さくすると、複合圧電体として機能し、電気機械的結合係数はより増大し、圧電体の音響インピーダンスをより減少させることができる。
【００４２】
この発明の第３の実施の形態を図８を参照して説明する。なお、この第３の実施の形態の超音波トランスジューサは、前述の第２の実施の形態と基本的には同一の構成を有しているが、そのスライス方向の形状が異なっており、その点に特徴がある。
図８は、この発明を適用した超音波トランスジューサを示すスライス方向の断面図である。
スライス方向に略凹レンズ状に屈曲された圧電体２１の上面( 前面＝超音波の出力面 )に形成された共通電極２２上に音響整合層２３が圧電体２１の屈曲形状に沿って形成されている。また、前記圧電体２１の下面( 背面＝超音波の出力面の反対側の面 )に形成された駆動電極２４と電気的にも接続されたＦＰＣ２５が固定され、このＦＰＣ２５の下面にバッキング材２６が固定されている。
前記圧電体２１は、圧電セラミックス材により形成された振動素子２１-1と、この振動素子２１-1間に充填された樹脂部２１-2とから構成されている。
複数個の振動素子の電気接続の状態及び、前記各ＦＰＣ２５上に形成された配線パターン及び導体露出部等の構成は前述の第２の実施の形態( 図４乃至図６参照 )と同一であるので、ここではその説明は省略する。
【００４３】
このような構成の第３の実施の形態の超音波トランスジューサの製造方法は、分割する前の圧電セラミックス板の背面( 超音波の出力面の反対側の面 )に駆動電極２４を形成し、この駆動電極２４に、アレイ方向における振動素子の配置位置に合わせてＦＰＣ２５を位置決めし、ＦＰＣ２５の各配線パターンの導体露出部をそれぞれ駆動電極２４に電気的に接続してＦＰＣ２５を圧電セラミックス板の背面に固定する。
次に、圧電セラミックス板の前面( 超音波の出力面 )をスライス方向において複数個に分割するための所定幅を持つ複数本の分割溝( アレイ方向に伸びる溝 )を予め設定されたピッチ( 振動素子のスライス方向の配列ピッチに対応するピッチ )で形成する。このとき、この分割溝は、ＦＰＣ２５の配線パターンを損傷しないように、圧電セラミックス板まで到達させる。
【００４４】
次に、スライス方向に分割された圧電セラミックス板が固定されている全てのＦＰＣ２５を、スライス方向に略凹レンズ状に屈曲させる。
次に、この屈曲した状態の各ＦＰＣ２５の背面を覆うように、バッキング材２６を形成する。
次に、分割溝内に樹脂を充填する。
次に、圧電セラミックス板をスライス方向に分割したもの及び樹脂の前面に共通電極２２をスパッタ、蒸着等の薄膜形成の方法により形成する。
次に、この共通電極２２の上面に音響整合層２３を形成する。
【００４５】
次に、アレイ方向において複数個( チャンネル数 )に分割するための予め設定された幅の複数本の分割溝を予め設定されたピッチ( 振動素子のアレイ方向の配列ピッチに対応するピッチ )で形成する。この分割溝は、この音響整合層２３、共通電極２２、圧電セラミックス板をスライス方向において複数個に分割したもの及び樹脂、ＦＰＣ２５及びバッキング材２６の厚さの途中までに到達すれば良い。
さらに、音響整合層２３の前面に、超音波の減衰が少ない材料で撮影対象物の表面との接触性を考慮した形状の保護用被膜( 保護層 )を形成しても良い。また、略凹レンズ状の音響整合層２３の前面の凹部を保護層により埋めて、超音波トランスジューサの前面として平坦な形状にしても良い。
【００４６】
このように第３の実施の形態によれば、前述した第２の実施の形態の効果を得ることができると共に、スライス方向に屈曲した振動素子を形成することができるので、超音波が収束して焦点を形成するように屈曲形状を適切に選択すれば従来の音響レンズを使用せずに、スライス方向の音場形成が可能であり、音響レンズによる超音波の減衰がなく、超音波感度を向上させることができる。
なお、この実施の形態では超音波トランスジューサの製造方法として、圧電セラミックス板にＦＰＣ２５を固定した後、直ぐに圧電セラミックス板をスライス方向において複数個に分割して、略凹レンズ状に屈曲させ、屈曲させた後バッキング材を形成する方法で説明したが、この発明はこれに限定されるものではなく、圧電セラミックス板にＦＰＣ２５を固定した後、ＦＰＣ２５の背面に屈曲するのに適したバッキング材( 薄いバッキング材 )やその他の部材を形成してから、圧電セラミックス板をスライス方向において複数個に分割して、略凹レンズ状に屈曲させても良いものである。
【００４７】
この発明の第４の実施の形態を図９乃至図１１を参照して説明する。
図９は、この発明を適用した超音波トランスジューサを示すスライス方向の断面図である。
複合圧電体３１は、例えば図７又は図１９( ｄ )に示すようなものである。この複合圧電体３１の上面( 前面＝超音波の出力面 )には、金属薄膜の共通電極３２が形成されており、その下面( 背面＝超音波の出力面の反対側の面 )には、金属薄膜の駆動電極３３が前記複合圧電体３１を構成する各振動素子( 図示せず )毎に形成されている。なお、ここでは電極として、金属薄膜を使用した例で説明するが、導電性の樹脂を使用しても良いものである。ただし、複合圧電体３１では焼け付け銀電極は使用できない。
【００４８】
なお、前記共通電極３２は、前記複合圧電体３１の下面までスライス方向に引き回されており、また、前記駆動電極３３は、前記複合圧電体３１の上面まで前記共通電極３２とは反対側からスライス方向に引き回されている。
前記共通電極３２の上面には、音響整合層３４が両端部を覆わない( 共通電極及び引き回された駆動電極が露出したままとなる )ようにスライス方向の幅を短くして形成されており、前記駆動電極３３の下面及び前記共通電極３２の引き回された部分の下面に、すなわち前記複合圧電体３１の下面全面にわたって、バッキング材３５が形成されている。
【００４９】
前記共通電極３２の下面までの引き回し部分( 露出部分 )及び前記駆動電極３３の上面までの引き回し部分( 露出部分 )には、導電性ペースト( 又は導電性接着剤 )３６，３７により引出用基板３８，３９が電気的・機械的に接続されている。
前記各引出用基板３８，３９には、前記共通電極３２及び前記駆動電極３３の形状に対応する電極層３８-1，３９-1が、前記引出用基板３８，３９の側面の表面を一周するように形成されており、前記各引出用基板３８，３９の前記共通電極３２又は前記駆動電極３３に接続される部分を内側としたときに、前記各引出用基板３８，３９の電極層３８-1，３９-1の外側部分の一部又は全面は、焼き付け銀電極により形成されている。
この各引出用基板３８，３９の焼き付け銀電極には、それぞれアース線を引出すためのアース板４０及び信号線を引出すための信号用ＦＰＣ４１の配線パターンが半田付け等により接続されている。
【００５０】
このような構成の第４の実施の形態においては、複合圧電体３１の薄膜の強度の低い共通電極３２及び駆動電極３３は、それぞれ強度の高い引出用基板３８，３９の電極層３８-1，３９-1に一旦引出された後、この電極層３８-1，３９-1に形成されている焼け付け銀電極に半田付けされたＦＰＣ４０，４１の各配線パターンに引出される。
このように第４の実施の形態によれば、複合圧電体３１の電極３２，３３の信号線及びアース線の引出しを引出用基板３８，３９を介してＦＰＣ４０，４１により行うことにより、ＦＰＣ４０，４１の配線パターンの制約を受けずに、引出用基板３８，３９の電極層３８-1，３９-1の形状を複合圧電体３１の共通電極３２及び駆動電極３３の形状に合わせることにより、十分な電気的接続面積及び自由な接続姿勢を得ることができ、ＦＰＣ４０，４１はこの引出用基板３８，３９の焼き付け銀電極に半田付けにより接続されるので、結果的に複合圧電体３１の電極３２，３３とＦＰＣ４０，４１とを高い強度で電気的に接続することができる。
【００５１】
また、ＦＰＣ４０，４１を引出用基板３８，３９を介して複合圧電体３１の電極３２，３３に接続したことにより、ＦＰＣ４０，４１の接続位置、接続姿勢を自由に選択することができるので、従来のようなＦＰＣの折曲げが必要なく、超音波トランスジューサの形状の選択性が大きくなり、小形化を実現することができると共に、コンベックス型超音波トランスジューサにも対応することができる。さらに、複合圧電体３１の背面の全面に対してバッキング材３５を形成することができ、剛性の不連続点がなく、切断( 分割 )によるアレイ形成時に印加される外力に対する応力が分散して損傷が生じにくいという効果を得ることができる。また、引出用基板３８，３９は、複合圧電体３１のスライス方向の側端を覆うことになるので、複合圧電体３１の保護する効果を得ることができる。
【００５２】
この第４の実施の形態の変形例を図１０及び図１１に示す。
図１０は、第１の変形例の超音波トランスジューサを示すスライス方向の断面図である。
複合圧電体５１の上面には、金属薄膜の共通電極５２が形成されており、その下面には、金属薄膜の駆動電極５３が前記複合圧電体５１を構成する各振動素子( 図示せず )毎に形成されている。なお、前記共通電極５２は、前記複合圧電体５１の下面までスライス方向に引き回されており、また、前記駆動電極５３は、前記複合圧電体５１の上面まで前記共通電極５２とは反対側からスライス方向に引き回されている。
【００５３】
前記共通電極５２の上面及び前記駆動電極５３の引き回された部分の上面に、すなわち、前記複合圧電体５１の上面全面にわたって、音響整合層５４が形成されており、前記駆動電極５３の端部( 上面へ引き回される側に端部 )の下面及び前記共通電極５２の下面に引き回された部分の下面にそれぞれ、導電性ペースト( 又は導電性接着剤 )５５，５６により引出用基板５７，５８の上面が電気的・機械的に接続されている。前記複合圧電体５１( 駆動電極５３ )の下面の前記引出用基板５７，５８の間及び下面にわたってバッキング材５９が形成されている。すなわち、バッキング材５９の中に引出用基板５７，５８が埋め込まれて一体型を形成している。
【００５４】
前記引出用基板５７，５８には、前記共通電極５２及び前記駆動電極５３の形状配置に対応する形状の電極層５７-1，５８-1が、前記引出用基板５７，５８の側面の表面を一周するように形成されており、前記各引出用基板５７，５８の前記バッキング材５９で覆われていない面の少なくとも一部又は全部は、焼き付け銀電極により形成されている。
この各引出用基板５７，５８の焼き付け銀電極には、それぞれアース線を引出すためのアース板６０及び信号線を引出すための信号用ＦＰＣ６１の配線パターンが半田付け等により接続されている。
このようにこの変形例によれば、引出用基板５７，５８の全体が完全にバッキング材５９内に収納されるように引出用基板５７，５８をバッキング材５９と一体化したことにより、剛性の不連続点がなく、切断( 分割 )によるアレイ形成時に印加される外力に対する応力が分散して、損傷が生じにくいという効果を得ることができ、かつ、より小さい小形化を実現する効果も得ることができる。
【００５５】
図１１は、第２の変形例の超音波トランスジューサを示すスライス方向の断面図である。
複合圧電体７１の上面には、金属薄膜の共通電極７２が形成されており、その下面には、金属薄膜の駆動電極７３が前記複合圧電体７１を構成する各振動素子( 図示せず )毎に形成されている。なお、前記共通電極７２は、前記複合圧電体１の下面までスライス方向に引き回されており、また、前記駆動電極７３は、前記複合圧電体７１の上面まで前記共通電極７２とは反対側からスライス方向に引き回されている。
【００５６】
前記共通電極７２の上面及び前記駆動電極７３の引き回された部分の上面に、すなわち、前記複合圧電体７１の上面全面にわたって、音響整合層７４が形成されており、前記駆動電極７３の端部( 上面へ引き回される側の端部 )の下面及び前記共通電極７２の下面に引き回された部分の下面にそれぞれ、導電性ペースト( 又は導電性接着剤 )７５，７６により引出用基板７７，７８の上面が電気的・機械的に接続されている。前記複合圧電体７１( 駆動電極７３ )の下面の前記引出用基板７７，７８の間にバッキング材７９が形成されている。前述の変形例とは異なり、この引出用基板７７，７８の下面には、バッキング材７９は形成されない。
【００５７】
前記引出用基板７７，７８には、前記共通電極７２及び前記駆動電極７３の形状配置に対応する形状の電極層７７-1，７８-1が、前記引出用基板７７，７８の側面の表面を一周するように形成されており、前記各引出用基板７７，７８の前記バッキング材７９で覆われいない面の一部又は全面は、焼き付け銀電極により形成されている。
この各引出用基板７８，７９の焼き付け銀電極には、それぞれアース線を引出すためのアース板８０及び信号線を引出すための信号用プリント基板( 信号用ＰＣ )８１の配線パターンが半田付け等により接続されている。なお、各プリント基板( ＰＣ )８０，８１は、前述したＦＰＣに比べて機械的強度がかなり大きくなっており、前記バッキング材７９と同等かもしくはそれ以上の強度となっている。
【００５８】
図９乃至図１１を参照して説明した第４の実施の形態において、引出用基板３８，３９，５７，５８，７７，７８は、強度が高くかつ加工性の良いセラミックスで形成され、電極層３８-1，３９-1，５７-1，５８-1，７７-1，７８-1は焼き付け銀電極で構成されている。このため、圧電体を切断( 分割 )することによってアレイを形成するときに印加される外力に対する応力が電極部分に加わる( 集中する )ことなく( 分散して )引出用基板及び圧電体が破損なく保持される。
【００５９】
引出用基板の素材としてはセラミックスに限定されず、ガラスエポキシ樹脂等でも可能である。
特に、図９に示す例において、引出用基板のＦＰＣ、アース板を接続する面の複合圧電体３１の厚み方向の長さ( 高さ )は、圧電体を切断によってアレイを形成する際、引出用基板も分割される程度に短くかつＦＰＣ、アース板を接続する際、支障のない程度に長くしてある。すなわち、復号圧電体３１の厚さの１．５倍以上４倍以下の長さにしてある。
【００６０】
また、図１０に示す例において、引出用基板のＦＰＣ、アース板を接続する面の復号圧電体５１の厚み方向の長さ( 高さ )は、圧電体を切断によってアレイを形成する際、引出用基板も分割される程度に短くかつＦＰＣ、アース板を接続する際、支障のない程度に長くしてある。すなわち、復号圧電体５１の厚さの１倍以上３倍以下の長さにしてある。
【００６１】
また、図１１に示す例において、引出用基板のＦＰＣ、アース板を接続する面の復号圧電体７１の厚み方向の長さ( 高さ )は、圧電体を切断によってアレイを形成する際、引出用基板も分割される程度に短くかつＦＰＣ、アース板を接続する際、支障のない程度に長くしてある。すなわち、復号圧電体７１の厚さの３倍以下の長さにしてある。
【００６２】
このようにこの変形例によれば、上述した変形例の効果に加えて、さらに超音波トランスジューサの断面積を、圧電体の背面の断面積とほぼ同等にすることができるので、より細いプローブへの組み込みが可能となる。
なお、この第４の実施の形態及びその２つの変形例について、複合圧電体を使用した例について説明したが、この発明はこれに限定されるものではなく、スライス方向において分割されていない１個の振動素子が配列され、アレイ方向において複数個配列された圧電体を使用したものにも適用できるものである。
なお、ここでは２つの変形例を示したが、この発明は、引出用基板等の仲介部材を介してＦＰＣを圧電体の電極と電気的に接続することが要旨であるので、この要旨を逸脱しない範囲で、さらに各種変形が可能である。
【００６３】
【発明の効果】
以上詳述したようにこの発明によれば、圧電板の電極からの信号線の引出しを高い精度で行うことができる超音波トランスジューサを提供できる。
また、圧電板の電極からの信号線の引出しを高い精度で行うことができ、しかもこの引出し部分の損傷を防止することができる超音波トランスジューサを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の形態の超音波トランスジューサを示す上面図及び側面図。
【図２】この発明の第２の実施の形態の超音波トランスジューサを示す斜視図。
【図３】同実施の形態の超音波トランスジューサを示すＦＰＣの配線パターン部分のスライス方向の断面図。
【図４】同実施の形態の超音波トランスジューサのスライス方向に配列された複数個の振動素子の電気接続の状態を示す図。
【図５】同実施の形態の超音波トランスジューサのＦＰＣの上面に形成された配線パターンを示す図。
【図６】同実施の形態の超音波トランスジューサのＦＰＣの上面の導体露出部を示す断面図。
【図７】同実施の形態の超音波トランスジューサの変形例を示すＦＰＣの配線パターン部分のスライス方向の断面図。
【図８】この発明の第３の実施の形態の超音波トランスジューサを示すスライス方向の断面図。
【図９】この発明の第４の実施の形態の超音波トランスジューサを示すスライス方向の断面図。
【図１０】同実施の形態の第１の変形例の超音波トランスジューサを示すスライス方向の断面図。
【図１１】同実施の形態の第２の変形例の超音波トランスジューサを示すスライス方向の断面図。
【図１２】従来の超音波トランスジューサを示す上面図及び側面図。
【図１３】従来の超音波トランスジューサのＦＰＣの上面に形成された配線パターンを示す図。
【図１４】従来のアレイ型超音波トランスジューサを示す上面図及び側面図。
【図１５】従来のコンベックス形状のアレイ型超音波トランスジューサを製作するときのＦＰＣの分割基板を折曲げた状態を示すスライス方向の側面図。
【図１６】従来のコンベックス形状のアレイ型超音波トランスジューサを示す側面図。
【図１７】従来の電子スキャン方式の超音波トランスジューサのスライス方向の概略の構成を示す断面図。
【図１８】従来の他の例の超音波トランスジューサを示すスライス方向の断面図。
【図１９】従来の複合圧電体の製造工程を示す図。
【符号の説明】
１…圧電セラミックス板、
２〜５，１１-1，２５，４０，４１，
６０，６１…ＦＰＣ( フレキシブルプリント配線板 )、
６，１６，２６，３５，５９，７９…バッキング材、
１２，２１，３１，５１，７１…複合圧電体、
１３，２２，３２，５２，７２…共通電極、
１４，２３，３４，５４，７４…音響整合層、
１５，２４，３３，５３，７３…駆動電極、
２２-1〜２２-8…導体露出部、
３８，３９，５７，５８，７７，７８…引出用基板、
８０，８１…プリント基板。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ultrasonic transducer that outputs ultrasonic waves using a piezoelectric body in which a plurality of piezoelectric vibrators formed from piezoelectric ceramics are arranged in a line, and receives the reflected ultrasonic waves.
[0002]
[Prior art]
Ultrasonic transducers used in ultrasonic diagnostic equipment and flaw detection equipment use piezoelectric vibrators as elements that transmit and receive ultrasonic waves. However, many piezoelectric vibrators made of elongated strip-shaped piezoelectric ceramics are used. Currently, arrayed ultrasonic transducers that can perform electronic focusing arranged in a line are most frequently used.
[0003]
In this array-shaped ultrasonic transducer, it is necessary to connect a lead wire and a ground wire in order to transmit and receive transmission / reception signals from the electrodes of a large number of elements (piezoelectric vibrators). That is, a transmission signal (control signal) is output from the control circuit through the lead wire to each element, and a reception signal from each element is input to the signal processing circuit through the lead wire.
As a method of connecting the lead wire and the ground wire to the electrode of each element, a method such as connecting a flexible printed wiring board to the electrode surface or connecting a lead wire to the wrapping electrode portion on the side surface of the vibrator is generally used. It has been taken.
[0004]
As a method for connecting the flexible printed wiring board to the vibrator electrode, a method using soldering, a conductive adhesive, welding, an anisotropic conductive film or the like is generally known.
In general, a baked silver electrode is most frequently used as a material for a vibrator electrode in conventional piezoelectric ceramics, whereas a metal thin film or the like by sputtering, vapor deposition, plating, or the like is used in a composite piezoelectric body.
[0005]
As a method of pulling out the drive electrode of the ultrasonic transducer, there is a method of connecting a flexible printed wiring board (FPC) to the electrode of the piezoelectric plate and pulling it out using this FPC wiring pattern. In this drawing method, an ultrasonic transducer in the form of an array is realized by electrically connecting a single FPC to the piezoelectric plate and then cutting the piezoelectric plate and the FPC in accordance with the FPC wiring pattern.
As a method of realizing a convex (convex) ultrasonic transducer, after cutting the piezoelectric plate and the FPC, it is bent into a convex shape in the array direction, and is an FPC wiring pattern gap provided in advance in the FPC, and A method of folding and storing an FPC using a slit reaching the vicinity of the piezoelectric plate has been developed.
[0006]
As shown in the top view of FIG. 12A, the side view of FIG. 12B, and FIG. 15, the ultrasonic transducer has a structure in which the FPC 102 is partially sandwiched between the piezoelectric plate 101 and the backing material 103. In the FPC 102, wiring patterns (leading lines) 104-1 to 104-16 formed of copper or the like are formed. A gap between the wiring patterns 104-4 and 104-5, and wiring patterns 104-8 and 104- are formed. Preliminary slits 105-1 to 105-3 are formed in the gap between the wiring patterns 104-12 and 104-13.
[0007]
The piezoelectric plate 101 is fixed to the surface of the FPC 102 on which the wiring patterns 104-1 to 104-16 are formed, and the electrodes of the piezoelectric plate and the wiring patterns 104-1 to 104-16 are electrically connected.
The backing material 103 is fixed to the back surface of the piezoelectric plate 101 in order to improve acoustic characteristics.
As shown in FIG. 13, the intervals between the wiring patterns 104-1 to 104-16 on the FPC 102 are formed so as to gradually widen in the direction away from the piezoelectric plate 101 side so as to facilitate signal extraction. ing.
[0008]
As shown in the top view of FIG. 14 (a) and the side view of FIG. 14 (b), the ultrasonic transducer divides the above-described structure based on the respective wiring patterns 104-1 to 104-16 to form an array. A type ultrasonic transducer is formed.
That is, the piezoelectric plate 101 is divided into 16 piezoelectric plates (piezoelectric elements, vibration elements) 101-1 to 101-16 corresponding to the 16 wiring patterns 104-1 to 104-16 on a one-to-one basis. Are divided into four divided substrates 102-1 to 102-4 by the preliminary slits 105-1 to 105-3. However, the backing material 103 holds the ultrasonic transducer as an integral type without being divided, although slit grooves are formed. In addition, before and after the dividing step, an acoustic matching layer is formed, a ground electrode is drawn out, and the like.
[0009]
Further, in order to obtain a convex shape (convex shape), the backing material 103 is bent in a convex shape along the array arrangement direction of the piezoelectric plates 101-1 to 101-16, and as shown in FIG. By bending the divided substrates 102-1 to 102-4 and stacking them as shown in FIG. 16, this ultrasonic transducer can be handled with good storage properties.
[0010]
In the electronic scanning type ultrasonic transducer, the sound field in the scanning direction (array arrangement direction of the ultrasonic transducers) is electronically controlled, so in order to improve the sound field characteristics, vibration in the array arrangement direction is required. Devices with smaller and finer arrangement pitches of elements have been developed.
FIG. 17 is a cross-sectional view showing a schematic configuration in the slice direction (direction orthogonal to the array arrangement direction of the ultrasonic transducers) of the electronic scan type ultrasonic transducer.
[0011]
This ultrasonic transducer has a piezoelectric ceramic layer 111 as an intermediate layer, an acoustic matching layer 112 formed on the upper layer, and a backing material 113 formed on the lower layer. Further, an acoustic lens 114 is provided on the acoustic matching layer 112 (on the ultrasonic transmission / reception surface side).
[0012]
Although not shown, the piezoelectric ceramic layer 111 has a plurality of piezoelectric elements (vibration elements) arranged in an array arrangement direction (a direction perpendicular to the drawing sheet), and an acoustic matching layer 112 is arranged according to the arrangement of the piezoelectric ceramic layers 111. Are also divided, and the upper surface portion of the backing material 113 is also shaped accordingly.
A common electrode is formed on the upper surface of the piezoelectric ceramic layer 111 (the boundary surface with the acoustic matching layer 112), and this common electrode is connected to the ground (0 [V]). A drive electrode is formed on the lower surface of the piezoelectric ceramic layer 111 (the boundary surface with the backing material 113), and an FPC 115 is interposed between the piezoelectric ceramic layer 111 and the backing material 113. Each individual electrode and the wiring pattern of the FPC are electrically connected in a one-to-one correspondence.
The acoustic lens has a function of converging ultrasonic waves in the slicing direction, and forms an optimal sound field.
[0013]
Further, as shown in FIG. 18, the drive electrode 122 formed on the lower surface (rear surface = surface opposite to the ultrasonic output surface) of the piezoelectric body (vibration element) 121 of the ultrasonic transducer and the upper surface (front surface = super In order to pull out the signal line and the ground line from the common electrode 123 formed on the sound wave output surface), first, the common electrode 123 is routed to the back surface of the piezoelectric body 121, and the front end portion of the signal FPC 124 for leading out the signal line is used. The drive electrode 122 is connected by soldering or the like, and the tip of the ground plate 125 for drawing out the ground wire is connected to the portion drawn around the back surface of the common electrode 123 by soldering or the like.
Note that after the connection between the FPC 124 and the electrodes 122 and 123 by soldering or the like, the backing material 126 and the acoustic matching layer 127 are formed on the back surface and the front surface of the piezoelectric body 121, respectively.
[0014]
In addition, in order to improve diagnostic performance, a higher-resolution ultrasonic transducer is required, and a composite piezoelectric device in which resin is injected into the gap between the columnar piezoelectric ceramics and electrodes are formed on the front surface (ultrasonic wave transmitting / receiving surface) and the back surface. Ultrasonic transducers have been developed that use the body as a piezoelectric plate.
This composite piezoelectric material increases the electrical / ultrasonic conversion efficiency of the piezoelectric body by making the piezoelectric ceramic columnar and small, increases the sensitivity of the ultrasonic transducer, and the proportion of piezoelectric ceramics in the piezoelectric body. The acoustic matching with a living body is improved by reducing the acoustic impedance of the piezoelectric plate by reducing the acoustic impedance.
[0015]
An example of a method for manufacturing a composite piezoelectric body will be described below.
First, on one surface of the piezoelectric ceramic plate 121 as shown in FIG. 19 (a), a grid-like groove 122 is formed at a preset depth as shown in FIG. 19 (b) by a dicing machine or a wire saw. Form. That is, the opposite surface of the piezoelectric ceramic plate 121 is left as it is.
Next, as shown in FIG. 19 (c), the lattice-shaped grooves 122 are filled with an epoxy resin and cured by heating or room temperature.
After the epoxy resin is completely cured, as shown in FIG. 19 (d), the surface left as it is on the opposite side of the formation surface of the groove 122 of the piezoelectric ceramic plate 121 is set in advance by grinding or polishing. The depth is set as the thickness until the piezoelectric ceramic is completely divided into pillars. At this time, each of the columnar piezoelectric ceramics is securely bonded by an epoxy resin.
[0016]
A thin film electrode is formed on the front and back surfaces of the composite piezoelectric body obtained by bonding the two-dimensionally arranged columnar piezoelectric ceramic elements with an epoxy resin by vapor deposition or sputtering.
In order to realize an array type ultrasonic transducer, an electrode divided into an array shape is formed on a composite piezoelectric material, and then an acoustic matching layer, a backing material, etc. are formed on the composite piezoelectric material. There is a method of forming an acoustic matching layer, a backing material, etc., and then dividing the acoustic matching layer and electrodes into an array shape.
[0017]
[Problems to be solved by the invention]
The FPC used for extracting signals from the electrodes has a manufacturing limit in the accuracy of the wiring pattern. When the array pitch of the ultrasonic transducers is small and the number of arrays increases, the pitch error of the wiring pattern mainly occurs. There is a problem that the accuracy of the array arrangement pitch of the array type piezoelectric body of the ultrasonic transducer may be adversely affected.
Further, if the arrangement pitch and the number of arrangements in the array direction of the ultrasonic transducers exceed the FPC manufacturing limit, it becomes difficult to manufacture the FPC or the manufacturing yield of the FPC is reduced, and the FPC cost is reduced. As a result, there was a problem that the cost of the ultrasonic transducer increased.
[0018]
Further, when the gap between the FPC wiring patterns becomes narrower than a predetermined width, there is a problem that a preliminary slit cannot be formed, and a convex-shaped ultrasonic transducer cannot be realized.
In addition, when a plurality of vibration elements are formed by dividing piezoelectric ceramics and arranged in an array, the length of the vibration element in the slice direction is the same, and the length (width) of the vibration element in the array direction (scan direction) When the value is reduced, the shape of the vibration element becomes a more elongated bar, the strength against impact is reduced, and damage to the vibration element is likely to occur due to the impact by an external force. For this reason, it is necessary to prevent an impact caused by an external force from affecting the vibration element.
[0019]
In addition, an acoustic lens is used in front of an ultrasonic transducer to form a sound field in the slice direction. However, there is a problem that the transmission / reception sensitivity of ultrasonic waves decreases due to the acoustic attenuation of the acoustic lens. there were. In particular, when the focal point of the acoustic lens is set in the vicinity, there is a problem that the thickness of the acoustic lens is increased, attenuation is increased, and a decrease in ultrasonic transmission / reception sensitivity is increased.
In addition, when a thin film electrode is formed on the entire front surface and back surface of a composite piezoelectric body and then the thin film electrode is divided for each vibration element, the adhesion strength of the thin film electrode to the composite piezoelectric material and the strength of the thin film electrode itself are small. For this reason, there has been a problem that in the dividing step, a defect in which a part of the thin film electrode is peeled off from the composite piezoelectric material or a defect in which the thin film electrode is torn is generated.
[0020]
In addition, as described above, since a burned silver electrode cannot be used as an electrode material in the composite piezoelectric material, an electrode such as a thin film electrode is used. When a signal line is drawn from the thin film electrode, the thin film electrode or the like is used. Since the strength of the thin film electrode is weak and the bonding property is poor, bonding by soldering cannot be used and a conductive adhesive is used. However, since the bonding strength of the conductive adhesive is low, it is necessary to increase the bonding area. Since the part where the signal line is drawn from this thin film electrode (joint part) is an ineffective part of vibration, it is necessary to reduce the ineffective part of vibration in order to improve transmission and reception efficiency. There was a problem that the part had to be made small.
Further, when the signal line is drawn out from the thin film electrode, the leading end of the FPC 124, 125 enters between the piezoelectric body 121 and the backing material 126, for example, as shown in FIG. There is a problem in that there is a high possibility of damage due to concentration of stress with respect to external force applied at the time of forming an array by cutting a piezoelectric body, for example.
Similarly, when the front drawer portion is provided, it becomes a discontinuity point in rigidity, and there is a problem that the possibility of damage due to concentration of stress with respect to external force increases.
[0021]
Accordingly, an object of the present invention is to provide an ultrasonic transducer capable of extracting a signal line from an electrode of a piezoelectric plate with high accuracy.
It is another object of the present invention to provide an ultrasonic transducer capable of preventing damage to a portion where a signal line from an electrode of a piezoelectric plate is drawn out.
[0022]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides, in the first aspect, an ultrasonic transducer that outputs an ultrasonic wave using a piezoelectric body in which N piezoelectric vibrators formed from piezoelectric ceramics are arranged in a row and receives the reflected ultrasonic wave. A total of N wiring patterns arranged in parallel and electrically connected to the electrodes formed on the ultrasonic output surface of each piezoelectric vibrator and the surface opposite to the ultrasonic output surface are formed. An ultrasonic transducer is provided with a single flexible printed wiring board.
The present invention provides, in a second aspect, an ultrasonic transducer that outputs an ultrasonic wave using a piezoelectric body in which N piezoelectric vibrators formed of piezoelectric ceramics are arranged in a row and receives the reflected ultrasonic wave. Flexible in which a total of N wiring patterns arranged in parallel and electrically connected to the electrodes formed on the ultrasonic output surface of each piezoelectric vibrator and the surface opposite to the ultrasonic output surface are formed. A printed wiring board is provided, and each wiring pattern formed on the flexible printed wiring board is provided with exposed portions of exposed conductors at predetermined intervals, and the piezoelectric vibrators are disposed on the flexible printed wiring board. The formed wiring pattern is divided into K pieces in a direction orthogonal to the arrangement direction of the wiring patterns, and is formed by filling a gap between the divided parts with a resin. Sheet through a plurality of exposed portions, which are formed on the wiring pattern of the bull printed wiring board, an ultrasonic transducer, characterized in that it is connected in common to the corresponding wiring patterns.
According to a third aspect of the present invention, in an ultrasonic transducer for outputting an ultrasonic wave using a piezoelectric vibrator formed of piezoelectric ceramics and receiving the reflected ultrasonic wave, an ultrasonic output surface of the piezoelectric vibrator and A relay electrode electrically connected to each electrode formed on the surface opposite to the ultrasonic output surface is provided, and this relay electrode is an electrode connection formed by a conductive material electrically connected to each electrode. A lead wire connecting portion formed of a conductive material for supplying driving power to the piezoelectric vibrator and electrically connecting a lead wire for drawing out a reception signal from the piezoelectric vibrator; the electrode connecting portion; A holding member that electrically connects and holds the lead wire connecting portion, and the relay electrode is embedded in the back member on the surface opposite to the ultrasonic output surface of the piezoelectric body made of the piezoelectric vibrator. Before being The occupying range of the relay electrode on the surface opposite to the ultrasonic output surface of the piezoelectric body is electrically connected to each electrode, and the ultrasonic output range is opposite to the ultrasonic output surface of the piezoelectric body. The ultrasonic transducer is limited so as not to overlap with the extended range.
[0026]
The invention corresponding to claim 7 is the invention corresponding to claim 6, wherein the relay electrode is provided on the side surface of the back member formed on the side surface of the piezoelectric vibrator or the surface opposite to the ultrasonic output surface of the piezoelectric vibrator. It is a thing.
The invention corresponding to claim 8 is the invention corresponding to any one of claims 6 and 7, wherein the relay electrode is electrically connected to each electrode using a conductive adhesive.
The invention corresponding to claim 9 is the invention corresponding to any one of claims 6 and 8, wherein the relay electrode is provided on the back member on the surface opposite to the ultrasonic output surface of the piezoelectric body comprising the piezoelectric vibrator. It is buried and electrically connected to each electrode, and the occupation range on the surface opposite to the ultrasonic output surface of the piezoelectric body of the relay electrode is the opposite side of the ultrasonic output surface of the piezoelectric body in the ultrasonic output range It is restricted so as not to overlap with the extended range.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
1 (a) and 1 (b) are a top view and a side view showing an ultrasonic transducer to which the present invention is applied.
A baked silver electrode is formed in advance on the front surface (ultrasonic output surface, upper surface) and rear surface (surface opposite to the ultrasonic output surface, lower surface) of the piezoelectric ceramic plate 1 before being divided into vibration elements. A plurality of flexible printed wiring boards (hereinafter referred to as FPCs) 2 to 5 are electrically connected in an array with no gap between the baked silver electrodes. Each of the FPCs 2 to 5 is provided with a wiring pattern for extracting electrodes of the vibration element formed by dividing the piezoelectric ceramic plate 1. The FPCs 2 to 5 are aligned and connected to the piezoelectric ceramic plate 1 so that the wiring pattern is connected to the position of the corresponding piezoelectric vibration element. A backing material 6 is formed on the back surface of the piezoelectric ceramic plate 1 with the FPCs 2 to 5 in part.
[0028]
Both edge portions of each of the FPCs 2 to 5 are arranged from the outermost edge wiring pattern so as not to overlap with other FPCs when the wiring pattern is aligned and connected to the piezoelectric ceramic plate 1. The dimensions to the end are specified. That is, the distance from the center of the outermost edge wiring pattern to the outer periphery of the outermost edge at the connection portion with the piezoelectric ceramic board 1 is formed by dividing the array arrangement pitch of the ultrasonic transducer (the piezoelectric ceramic board 1 is divided). The pitch is smaller than the vibration element array pitch).
[0029]
The arrangement pitches of the wiring patterns formed on the FPCs 2 to 5 are not the same, and the gap t1 between the outermost edge arrangement pattern and the adjacent (inner) wiring pattern is the arrangement pitch of the other (inner) wiring patterns. The gap t3 between the adjacent outermost edge wiring patterns of the adjacent FPCs, which is narrower than t2, is larger than the arrangement pitch (for example, the arrangement pitch of the vibration elements) when the arrangement pitch of the other wiring patterns is the same. It is.
[0030]
After connecting the FPCs 2 to 5 to the piezoelectric ceramic plate 1, a backing material, an acoustic matching layer and the like are fixed, and finally along the wiring patterns of the FPCs 2 to 5, as shown in FIG. The ultrasonic transducer is completed by dividing the piezoelectric ceramic plate, the acoustic matching layer, the backing material, and the like. For simplicity, the acoustic matching layer and the like are omitted in FIG.
Furthermore, in order to make this ultrasonic transducer into a convex type, this ultrasonic transducer is divided along the wiring patterns of the FPCs 2 to 5 and then bent in a convex shape in the array direction. At this time, each of the FPCs 2 to 5 can be folded as a convex ultrasonic transducer in a small direction with good storage properties.
[0031]
As described above, according to the first embodiment, the plurality of FPCs 2 to 5 that draw signal lines in a block manner from the vibration element formed by dividing the piezoelectric ceramic plate 1 are used, and the outermost side of the FPC is used. The gap between the edge wiring pattern and the wiring pattern adjacent thereto is narrower than the arrangement pitch of the other wiring patterns, and the gap between the adjacent outermost edge wiring patterns of the adjacent FPC is made larger than the arrangement pitch of the other wiring patterns. As a result, it is not necessary to form slits in the FPC, and it is possible to handle the signal lines of the transducer elements of ultrasonic transducers with a smaller arrangement pitch with high accuracy, and it is compact and folds well with ease of storage. be able to.
[0032]
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. This second embodiment is characterized in that a vibration element divided into a plurality of pieces in the slice direction is used.
FIG. 2 is a perspective view showing an ultrasonic transducer to which the present invention is applied, and FIG. 3 is a cross-sectional view in the slice direction of a wiring pattern portion of an FPC showing the ultrasonic transducer. FIG. 2 shows a part of the ultrasonic transducer, and the entire ultrasonic transducer extends in the direction of arrow A. In FIG. 2, the arrow A direction indicates the array direction of the ultrasonic transducers, and the arrow S direction indicates the slice direction of the ultrasonic transducers.
[0033]
An acoustic matching layer 14 is formed on the common electrode 13 formed on the upper surface (front surface = ultrasonic wave output surface) of the piezoelectric body 12. A plurality of FPCs 11 electrically connected to the drive electrodes 15 formed on the lower surface of the piezoelectric body 12 (the rear surface = the surface opposite to the ultrasonic output surface) are fixed, and the lower surface of the FPC 11 is fixed. A backing material 16 is fixed.
The piezoelectric body 12 includes a vibration element 12-1 formed of a piezoelectric ceramic material, and a resin portion 12-2 filled between the vibration elements 12-1.
As shown in FIG. 3, in the wiring pattern of the FPC 11, protruding conductor exposed portions are formed at exactly the same interval as the arrangement pitch in the slice direction of the vibration elements of the piezoelectric body 12. Are electrically connected to each other so that the drive electrode 15 formed on the lower surface of the piezoelectric body 12 and the wiring pattern of the FPC 11 are electrically connected reliably.
[0034]
FIG. 4 is a diagram illustrating a state of electrical connection of the plurality of vibration elements 12-1 arranged in a line with the resin portion 12-2 interposed therebetween in the slice direction.
That is, a drive signal for driving one channel from the drive unit 17 through the wiring pattern of the FPC 11 is supplied to the drive electrodes 15 on the lower surface of the vibrating elements 12-1 arranged in a line in the slice direction. It has become. This drive signal is independent for each wiring pattern, and the vibration elements arranged in the slice direction along this wiring pattern are connected in the same signal system as one vibrator, and vibrations having different positions in the array direction. The elements are connected by different signal systems.
Further, the common electrode 13 on the upper surface of each of the vibration elements 12-1 of the ultrasonic transducer is commonly connected to the ground (0 [V]).
[0035]
FIG. 5 is a diagram showing a wiring pattern formed on the FPC 11.
Wiring patterns 21-1, 21-2, 21-3, 21-4 extending in the slice direction are formed on the FPC 11, and the vibration element 12 is formed on each of the wiring patterns 21-1 to 21-4. Conductor exposed portions 22-1 to 22-8,... Are provided at an arrangement pitch of −1 slice direction. These conductor exposed portions 22-1 to 22-8,... Are two-dimensionally arranged in a matrix.
[0036]
FIG. 6 is a sectional view showing the conductor exposed portion 22.
In each FPC 11, a conductor layer 25 is formed on the base layer 23 to form a wiring pattern with an adhesive 24, and a cover lay 27 made of an insulating material is formed on the conductor layer 25 with an adhesive 26. ing.
The conductor exposed portion 22 forms a through-hole in the cover lay 27 at a predetermined position on the conductive layer 25 and is electrically connected to the conductor layer 25 through the cover lay 27 and the cover lay 27. It has a structure that protrudes from the upper surface.
[0037]
In the ultrasonic transducer manufacturing method of the second embodiment having such a configuration, the drive electrode 15 is formed on the back surface (the surface opposite to the ultrasonic output surface, the lower surface in FIG. 3) of the piezoelectric ceramic plate before the division. The FPC 11 is positioned on the drive electrode 15 in accordance with the arrangement position of the vibration element in the array direction, and the conductor exposed portions 22 of the respective wiring patterns of the FPC 11 are electrically connected to the drive electrode 15 respectively. Is fixed to the back surface of the piezoelectric ceramic plate.
As this electrical connection method, there are a method using soldering, a conductive adhesive, an anisotropic conductive film, a method using an electrical insulating adhesive and applying a pressure, and the like.
[0038]
Next, a backing material 16 is formed on the back surface of the FPC 11 so as to cover the back surface (lower surface) of the piezoelectric ceramic plate.
Next, a plurality of division grooves (grooves extending in the array direction) having a predetermined width for dividing the front surface (ultrasonic output surface, upper surface in FIG. 2) of the piezoelectric ceramic plate into a plurality of pieces in the slice direction are set in advance. Formed at a pitch (pitch corresponding to the array pitch in the slice direction of the vibration elements). At this time, the division grooves may reach the piezoelectric ceramic plate or the middle of the thickness of the piezoelectric ceramic plate so as not to damage the wiring pattern of the FPC 11.
Next, resin is filled into the dividing grooves.
[0039]
Next, the common electrode 13 is formed on the front surface of the resin obtained by dividing the piezoelectric ceramic plate in the slice direction by a thin film forming method such as sputtering or vapor deposition.
Next, the acoustic matching layer 14 is formed on the upper surface of the common electrode 13.
Next, a plurality of division grooves (grooves extending in the slice direction) having a predetermined width for dividing into a plurality of (number of channels) in the array direction are set to a predetermined pitch (arrangement pitch of vibration elements in the array direction). At a pitch corresponding to. The dividing groove may reach the middle of the acoustic matching layer 14, the common electrode 13, the piezoelectric ceramic plate divided in the slice direction, and the thickness of the resin, the FPC 11, and the backing material 16.
[0040]
As described above, according to the second embodiment, a piezoelectric body (similar to a composite piezoelectric body) that is divided into a plurality of pieces in the slicing direction and that is filled with a resin is used to project the wiring pattern of the FPC 11. The exposed conductor portions 22 are formed at intervals corresponding to the pitch of the vibrating element in the slice direction, and the vibrating elements and the wiring pattern are connected by the exposed conductor portions 22, so that the electrical connection is reliably performed with high strength. It is possible to prevent damage such as disconnection in the drawer portion.
[0041]
As a result, the vibration element 12-1 formed of a short ceramic sandwiching the piezoelectric resin is higher in strength than the vibration element formed of a single piece of ceramic, and has an external force. Since the resin part 12-2 disperses and absorbs the impact, the vibration element 12-1 can be prevented from being damaged.
As shown in FIG. 7, when the number of divisions in the slice direction of the piezoelectric ceramic plate is increased and the width in the slice direction of the vibration element is reduced, the piezoelectric ceramic plate functions as a composite piezoelectric body, and the electromechanical coupling coefficient is further increased. The acoustic impedance of the piezoelectric body can be further reduced.
[0042]
A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The ultrasonic transducer of the third embodiment has basically the same configuration as that of the second embodiment described above, but the shape in the slice direction is different. There is a feature.
FIG. 8 is a sectional view in the slice direction showing an ultrasonic transducer to which the present invention is applied.
An acoustic matching layer 23 is formed along the bent shape of the piezoelectric body 21 on the common electrode 22 formed on the upper surface (front surface = ultrasonic wave output surface) of the piezoelectric body 21 bent in a substantially concave lens shape in the slice direction. Yes. Further, an FPC 25 electrically connected to the drive electrode 24 formed on the lower surface of the piezoelectric body 21 (back surface = a surface opposite to the ultrasonic output surface) is fixed. Is fixed.
The piezoelectric body 21 includes a vibration element 21-1 formed of a piezoelectric ceramic material, and a resin portion 21-2 filled between the vibration elements 21-1.
The state of electrical connection of the plurality of vibration elements and the configuration of the wiring pattern and conductor exposed portion formed on each FPC 25 are the same as those in the second embodiment (see FIGS. 4 to 6). Therefore, the description is omitted here.
[0043]
In the method of manufacturing the ultrasonic transducer of the third embodiment having such a configuration, the drive electrode 24 is formed on the back surface (the surface opposite to the ultrasonic output surface) of the piezoelectric ceramic plate before being divided. The FPC 25 is positioned on the drive electrode 24 in accordance with the arrangement position of the vibration elements in the array direction, and the conductor exposed portions of the respective wiring patterns of the FPC 25 are electrically connected to the drive electrode 24 to connect the FPC 25 to the back surface of the piezoelectric ceramic plate. Fix it.
Next, a plurality of dividing grooves (grooves extending in the array direction) having a predetermined width for dividing the front surface (ultrasonic output surface) of the piezoelectric ceramic plate into a plurality of pieces in the slice direction are set at a predetermined pitch (vibration). It is formed at a pitch corresponding to the arrangement pitch in the slice direction of the element. At this time, the divided grooves reach the piezoelectric ceramic plate so as not to damage the wiring pattern of the FPC 25.
[0044]
Next, all the FPCs 25 to which the piezoelectric ceramic plates divided in the slice direction are fixed are bent in a substantially concave lens shape in the slice direction.
Next, a backing material 26 is formed so as to cover the back surface of each bent FPC 25.
Next, resin is filled into the dividing grooves.
Next, the common electrode 22 is formed on the piezoelectric ceramic plate divided in the slicing direction and on the front surface of the resin by a thin film forming method such as sputtering or vapor deposition.
Next, the acoustic matching layer 23 is formed on the upper surface of the common electrode 22.
[0045]
Next, a plurality of division grooves having a preset width for dividing into a plurality of (number of channels) in the array direction are formed at a preset pitch (pitch corresponding to the arrangement pitch of the vibration elements in the array direction). To do. This dividing groove may be reached in the middle of the thickness of the acoustic matching layer 23, the common electrode 22, the piezoelectric ceramic plate divided into a plurality of pieces in the slicing direction, and the resin, the FPC 25, and the backing material 26.
Further, a protective coating (protective layer) having a shape that takes into consideration the contact property with the surface of the object to be imaged may be formed on the front surface of the acoustic matching layer 23 with a material with less ultrasonic attenuation. Further, the concave portion on the front surface of the acoustic matching layer 23 having a substantially concave lens shape may be filled with a protective layer to form a flat shape as the front surface of the ultrasonic transducer.
[0046]
As described above, according to the third embodiment, the effects of the second embodiment described above can be obtained, and the vibration element bent in the slice direction can be formed, so that the ultrasonic waves converge. If the bending shape is appropriately selected so as to form a focal point, it is possible to form a sound field in the slice direction without using a conventional acoustic lens, there is no attenuation of ultrasonic waves by the acoustic lens, and ultrasonic sensitivity is improved. Can be improved.
In this embodiment, as a method of manufacturing an ultrasonic transducer, after fixing the FPC 25 to the piezoelectric ceramic plate, the piezoelectric ceramic plate is immediately divided into a plurality of pieces in the slicing direction, bent into a substantially concave lens shape, and bent. The method for forming the rear backing material has been described. However, the present invention is not limited to this, and after the FPC 25 is fixed to the piezoelectric ceramic plate, the backing material suitable for bending to the back surface of the FPC 25 (thin backing material) ) And other members, the piezoelectric ceramic plate may be divided into a plurality of pieces in the slicing direction and bent into a substantially concave lens shape.
[0047]
A fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 9 is a sectional view in the slice direction showing an ultrasonic transducer to which the present invention is applied.
The composite piezoelectric body 31 is, for example, as shown in FIG. 7 or FIG. 19 (d). A common electrode 32 of a metal thin film is formed on the upper surface (front surface = ultrasonic output surface) of the composite piezoelectric body 31, and on the lower surface (rear surface = surface opposite to the ultrasonic output surface) A metal thin film drive electrode 33 is formed for each vibration element (not shown) constituting the composite piezoelectric body 31. Note that although an example in which a metal thin film is used as the electrode will be described here, a conductive resin may be used. However, the composite piezoelectric body 31 cannot use a burned silver electrode.
[0048]
The common electrode 32 is routed in the slicing direction to the lower surface of the composite piezoelectric body 31, and the drive electrode 33 extends from the side opposite to the common electrode 32 to the upper surface of the composite piezoelectric body 31. It is routed in the slice direction.
On the upper surface of the common electrode 32, the acoustic matching layer 34 is formed with a reduced width in the slice direction so as not to cover both end portions (the common electrode and the driven drive electrode remain exposed). A backing material 35 is formed on the lower surface of the drive electrode 33 and the lower surface of the routed portion of the common electrode 32, that is, over the entire lower surface of the composite piezoelectric material 31.
[0049]
The lead-out substrate 38 is formed by conductive paste (or conductive adhesive) 36 and 37 on the lead-out portion (exposed portion) to the lower surface of the common electrode 32 and the lead-out portion (exposed portion) to the upper surface of the drive electrode 33. , 39 are electrically and mechanically connected.
In each of the extraction substrates 38 and 39, electrode layers 38-1 and 39-1 corresponding to the shapes of the common electrode 32 and the drive electrode 33 go around the surface of the side surface of the extraction substrates 38 and 39. When the portion connected to the common electrode 32 or the drive electrode 33 of each of the extraction substrates 38 and 39 is set inside, the electrode layer 38- of each of the extraction substrates 38 and 39 is formed. A part or the entire surface of the outer portion of 1,39-1 is formed by a baked silver electrode.
A wiring pattern of a ground plate 40 for drawing out a ground wire and a signal FPC 41 for drawing out a signal line is connected to the baked silver electrodes of each of the drawing substrates 38 and 39 by soldering or the like.
[0050]
In the fourth embodiment having such a configuration, the common electrode 32 and the drive electrode 33 having a low strength of the thin film of the composite piezoelectric body 31 are formed of the electrode layers 38-1 and 381 of the extraction substrates 38 and 39 having a high strength, respectively. After being drawn out to 39-1, it is drawn out to each wiring pattern of the FPCs 40 and 41 soldered to the burned silver electrodes formed on the electrode layers 38-1 and 39-1.
As described above, according to the fourth embodiment, the signal lines and the ground lines of the electrodes 32 and 33 of the composite piezoelectric body 31 are drawn out by the FPCs 40 and 41 through the lead-out substrates 38 and 39, so that the FPC 40, By matching the shapes of the electrode layers 38-1 and 39-1 of the lead-out substrates 38 and 39 with the shapes of the common electrode 32 and the drive electrode 33 of the composite piezoelectric body 31 without being restricted by the wiring pattern 41, sufficient Therefore, the FPCs 40 and 41 are connected to the baked silver electrodes of the lead-out substrates 38 and 39 by soldering. As a result, the electrodes 32 of the composite piezoelectric body 31 are obtained. 33 and the FPCs 40 and 41 can be electrically connected with high strength.
[0051]
In addition, since the FPCs 40 and 41 are connected to the electrodes 32 and 33 of the composite piezoelectric body 31 via the extraction substrates 38 and 39, the connection positions and connection postures of the FPCs 40 and 41 can be freely selected. FPC bending as described above is not necessary, the selectivity of the shape of the ultrasonic transducer is increased, miniaturization can be realized, and a convex ultrasonic transducer can also be accommodated. Further, the backing material 35 can be formed on the entire back surface of the composite piezoelectric material 31, and there is no discontinuity of rigidity, and the stress applied to the external force applied during array formation by cutting (dividing) is dispersed and damaged. The effect that it is hard to produce can be acquired. Further, since the drawing substrates 38 and 39 cover the side edges of the composite piezoelectric body 31 in the slice direction, the effect of protecting the composite piezoelectric body 31 can be obtained.
[0052]
A modification of the fourth embodiment is shown in FIGS.
FIG. 10 is a cross-sectional view in the slice direction showing the ultrasonic transducer of the first modification.
A metal thin film common electrode 52 is formed on the upper surface of the composite piezoelectric body 51, and a metal thin film drive electrode 53 is formed on the lower surface of each vibration element (not shown) constituting the composite piezoelectric body 51. Is formed. The common electrode 52 is routed in the slicing direction to the lower surface of the composite piezoelectric body 51, and the drive electrode 53 extends from the side opposite to the common electrode 52 to the upper surface of the composite piezoelectric body 51. It is routed in the slice direction.
[0053]
An acoustic matching layer 54 is formed on the upper surface of the common electrode 52 and the upper surface of the routed portion of the drive electrode 53, that is, over the entire upper surface of the composite piezoelectric body 51. An extraction substrate 57 is formed on each of the lower surface of the (drawn to the upper surface side) and the lower surface of the portion routed to the lower surface of the common electrode 52 with conductive paste (or conductive adhesive) 55 and 56, respectively. 58 are electrically and mechanically connected. A backing material 59 is formed between the drawing substrates 57 and 58 on the lower surface of the composite piezoelectric body 51 (drive electrode 53) and across the lower surface. That is, the drawer substrates 57 and 58 are embedded in the backing material 59 to form an integral type.
[0054]
Electrode layers 57-1 and 58-1 having shapes corresponding to the shape and arrangement of the common electrode 52 and the drive electrode 53 are formed on the surface of the side surfaces of the lead substrates 57 and 58. At least part or all of the surface of each of the drawing substrates 57 and 58 that is not covered with the backing material 59 is formed of a baked silver electrode.
A wiring pattern of a ground plate 60 for drawing out a ground wire and a signal FPC 61 for drawing out a signal line is connected to the baked silver electrode of each of the drawing substrates 57 and 58 by soldering or the like.
As described above, according to this modification, since the extraction substrates 57 and 58 are integrated with the backing material 59 so that the entire extraction substrates 57 and 58 are completely accommodated in the backing material 59, the rigidity is increased. There is no discontinuity, the stress against the external force applied during array formation by cutting (division) is dispersed, and the effect that damage is difficult to occur can be obtained, and the effect of realizing smaller miniaturization can also be obtained Can do.
[0055]
FIG. 11 is a sectional view in the slice direction showing the ultrasonic transducer of the second modification.
A metal thin film common electrode 72 is formed on the upper surface of the composite piezoelectric body 71, and a metal thin film drive electrode 73 is formed on the lower surface of each of the vibrating elements (not shown) constituting the composite piezoelectric body 71. Is formed. The common electrode 72 is routed in the slicing direction to the lower surface of the composite piezoelectric body 1, and the drive electrode 73 extends from the side opposite to the common electrode 72 to the upper surface of the composite piezoelectric body 71. It is routed in the slice direction.
[0056]
An acoustic matching layer 74 is formed on the upper surface of the common electrode 72 and the upper surface of the routed portion of the drive electrode 73, that is, over the entire upper surface of the composite piezoelectric body 71. A conductive substrate (or conductive adhesive) 75, 76 is used to bring out a drawing substrate 77 on the lower surface of the (the end on the side routed to the upper surface) and the lower surface of the portion routed to the lower surface of the common electrode 72. 78 are electrically and mechanically connected. A backing material 79 is formed between the extraction substrates 77 and 78 on the lower surface of the composite piezoelectric body 71 (drive electrode 73). Unlike the above-described modification, the backing material 79 is not formed on the lower surfaces of the drawing substrates 77 and 78.
[0057]
The extraction substrates 77 and 78 have electrode layers 77-1 and 78-1 having shapes corresponding to the arrangement of the common electrode 72 and the drive electrode 73 on the side surfaces of the extraction substrates 77 and 78. A part of or the entire surface of each of the drawing substrates 77 and 78 that is not covered with the backing material 79 is formed of a baked silver electrode.
The wiring patterns of the ground plate 80 for drawing out the ground wire and the printed circuit board for signal (signal PC) 81 for drawing out the signal wire are soldered to the silver electrodes of the lead-out substrates 78 and 79, respectively. It is connected. Each printed circuit board (PC) 80, 81 has a considerably higher mechanical strength than the above-described FPC, and has a strength equal to or higher than that of the backing material 79.
[0058]
In the fourth embodiment described with reference to FIGS. 9 to 11, the extraction substrates 38, 39, 57, 58, 77, 78 are made of ceramics having high strength and good workability, and are electrode layers. Reference numerals 38-1, 39-1, 57-1, 58-1, 77-1, and 78-1 are formed of baked silver electrodes. For this reason, the substrate for drawing and the piezoelectric body are not damaged without applying (concentrating) stress to the external force applied to the electrode part when the array is formed by cutting (dividing) the piezoelectric body. Retained.
[0059]
The material of the drawing substrate is not limited to ceramics, and glass epoxy resin or the like is also possible.
In particular, in the example shown in FIG. 9, the length (height) of the composite piezoelectric body 31 in the thickness direction of the surface connecting the FPC and ground plate of the extraction substrate is determined when the array is formed by cutting the piezoelectric body. The circuit board is also short enough to be divided, and long enough to prevent trouble when connecting the FPC and the ground plate. That is, the length is 1.5 times or more and 4 times or less the thickness of the decoding piezoelectric body 31.
[0060]
Further, in the example shown in FIG. 10, the length (height) of the decoding piezoelectric body 51 in the thickness direction of the surface connecting the FPC and grounding plate of the extraction substrate is determined when the array is formed by cutting the piezoelectric body. The circuit board is also short enough to be divided, and long enough to prevent trouble when connecting the FPC and the ground plate. That is, the length is 1 to 3 times the thickness of the decoding piezoelectric body 51.
[0061]
In the example shown in FIG. 11, the length (height) of the decoding piezoelectric body 71 in the thickness direction of the surface connecting the FPC and grounding plate of the extraction substrate is determined when the array is formed by cutting the piezoelectric body. The circuit board is also short enough to be divided, and long enough to prevent trouble when connecting the FPC and the ground plate. That is, the length of the decoding piezoelectric body 71 is three times or less.
[0062]
As described above, according to this modification, in addition to the effects of the above-described modification, the cross-sectional area of the ultrasonic transducer can be made substantially equal to the cross-sectional area of the back surface of the piezoelectric body. Can be incorporated.
In addition, although the example which uses a composite piezoelectric material was demonstrated about this 4th Embodiment and its two modifications, this invention is not limited to this, One piece which is not divided | segmented in the slice direction The present invention can also be applied to a piezoelectric element using a plurality of piezoelectric elements arranged in the array direction.
Although two modified examples are shown here, the present invention departs from the gist because the FPC is electrically connected to the electrodes of the piezoelectric body through a mediating member such as a drawing substrate. Various modifications can be made without departing from the scope.
[0063]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, it is possible to provide an ultrasonic transducer capable of performing signal line drawing from an electrode of a piezoelectric plate with high accuracy.
Further, it is possible to provide an ultrasonic transducer capable of leading out signal lines from the electrodes of the piezoelectric plate with high accuracy and preventing damage to the lead portions.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a top view and a side view showing an ultrasonic transducer according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view showing an ultrasonic transducer according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view in the slice direction of the wiring pattern portion of the FPC showing the ultrasonic transducer of the embodiment;
4 is a diagram showing a state of electrical connection of a plurality of vibration elements arranged in the slice direction of the ultrasonic transducer of the embodiment. FIG.
FIG. 5 is a view showing a wiring pattern formed on the upper surface of the FPC of the ultrasonic transducer according to the embodiment;
6 is a cross-sectional view showing a conductor exposed portion on the upper surface of the FPC of the ultrasonic transducer of the embodiment; FIG.
FIG. 7 is a cross-sectional view in the slice direction of the wiring pattern portion of the FPC showing a modification of the ultrasonic transducer according to the embodiment;
FIG. 8 is a cross-sectional view in the slice direction showing an ultrasonic transducer according to a third embodiment of the invention.
FIG. 9 is a sectional view in a slice direction showing an ultrasonic transducer according to a fourth embodiment of the invention.
FIG. 10 is a sectional view in the slice direction showing the ultrasonic transducer of the first modification of the embodiment;
FIG. 11 is a cross-sectional view in the slice direction showing an ultrasonic transducer of a second modification of the embodiment;
FIG. 12 is a top view and a side view showing a conventional ultrasonic transducer.
FIG. 13 is a diagram showing a wiring pattern formed on the upper surface of an FPC of a conventional ultrasonic transducer.
FIG. 14 is a top view and a side view showing a conventional array-type ultrasonic transducer.
FIG. 15 is a side view in the slice direction showing a state in which an FPC divided substrate is bent when a conventional convex array ultrasonic transducer is manufactured.
FIG. 16 is a side view showing a conventional convex array ultrasonic transducer.
FIG. 17 is a cross-sectional view showing a schematic configuration in a slice direction of a conventional electronic scanning ultrasonic transducer.
FIG. 18 is a cross-sectional view in the slicing direction showing another conventional ultrasonic transducer.
FIG. 19 is a view showing a manufacturing process of a conventional composite piezoelectric body.
[Explanation of symbols]
1 ... piezoelectric ceramic plate,
2-5, 11-1, 25, 40, 41,
60, 61 ... FPC (flexible printed circuit board),
6, 16, 26, 35, 59, 79 ... backing material,
12, 21, 31, 51, 71 ... composite piezoelectric material,
13, 22, 32, 52, 72 ... common electrode,
14, 23, 34, 54, 74 ... acoustic matching layer,
15, 24, 33, 53, 73 ... drive electrodes,
22-1 to 22-8 ... conductor exposed part,
38, 39, 57, 58, 77, 78...
80, 81 ... printed circuit board.

Claims

In an ultrasonic transducer that outputs ultrasonic waves using a piezoelectric body in which N piezoelectric vibrators formed from piezoelectric ceramics are arranged in a row and receives the reflected ultrasonic waves,
A total of N wiring patterns arranged in parallel and electrically connected to the electrodes formed on the ultrasonic output surface of each piezoelectric vibrator and the surface opposite to the ultrasonic output surface were formed. ultrasonic transducer, wherein the kite is provided with M pieces of the flexible printed wiring board.

In an ultrasonic transducer that outputs ultrasonic waves using a piezoelectric body in which N piezoelectric vibrators formed from piezoelectric ceramics are arranged in a row and receives the reflected ultrasonic waves,
A total of N wiring patterns arranged in parallel and electrically connected to the electrodes formed on the ultrasonic output surface of each piezoelectric vibrator and the surface opposite to the ultrasonic output surface were formed. Provide a flexible printed wiring board,
In each wiring pattern formed on this flexible printed wiring board, an exposed portion where a conductor is exposed at a predetermined interval is provided,
Each piezoelectric vibrator is divided into K pieces in a direction orthogonal to the arrangement direction of the wiring pattern formed on the flexible printed wiring board,
It is formed by filling the gap between these divisions with resin,
The ultrasonic transducer according to claim 1, wherein the plurality of divided objects are commonly connected to corresponding wiring patterns via a plurality of exposed portions formed in each wiring pattern of the flexible printed wiring board .

The piezoelectric vibrators are curved in a direction orthogonal to the arrangement direction of the wiring pattern formed on the flexible printed wiring board, and the ultrasonic waves output from the piezoelectric vibrators are converged to a predetermined focus. The ultrasonic transducer according to claim 2, which is characterized.

The piezoelectric body, one of the claims 1 to 3, characterized in that a composite piezoelectric body is composed of a filled resin into the gap between the piezoelectric ceramic and these piezoelectric ceramics of a plurality of column-shaped The ultrasonic transducer according to claim 1.

In an ultrasonic transducer that outputs ultrasonic waves using a piezoelectric vibrator formed from piezoelectric ceramics and receives the reflected ultrasonic waves,
Providing a relay electrode electrically connected to each of the electrodes formed on the ultrasonic output surface of the piezoelectric vibrator and the surface opposite to the ultrasonic output surface;
The relay electrode electrically connects an electrode connecting portion formed of a conductive material that is electrically connected to each of the electrodes and a lead line that supplies driving power to the piezoelectric vibrator and draws a reception signal from the piezoelectric vibrator. A lead wire connecting portion formed by a conductive material to be connected electrically, and a holding member that electrically connects and holds the electrode connecting portion and the lead wire connecting portion,
The relay electrode is embedded in the back member on the surface opposite to the ultrasonic output surface of the piezoelectric body made of the piezoelectric vibrator and is electrically connected to each of the electrodes, and the piezoelectric body of the relay electrode The occupying range on the surface opposite to the ultrasonic output surface is limited so as not to overlap with the extended range of the ultrasonic output range on the surface opposite to the ultrasonic output surface of the piezoelectric body. A featured ultrasonic transducer.

The ultrasonic wave according to claim 6, wherein the relay electrode is provided on a side surface of the back member formed on a side surface of the piezoelectric vibrator or a surface opposite to an ultrasonic output surface of the piezoelectric vibrator. Transducer.

The ultrasonic transducer according to claim 5, wherein the relay electrode is electrically connected to each of the electrodes using a conductive adhesive.