JP4153576B2

JP4153576B2 - 超音波トランスジューサ

Info

Publication number: JP4153576B2
Application number: JP32293297A
Authority: JP
Inventors: 智手塚; 新一橋本
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1997-11-25
Filing date: 1997-11-25
Publication date: 2008-09-24
Anticipated expiration: 2017-11-25
Also published as: JPH11164397A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は例えば超音波診断装置に用いられる超音波トランスジューサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超音波トランスジューサでは、例えば圧電セラミックスからなる圧電体からのリード線引き出しをフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）等を用いて行っている。フレキシブルプリント基板を圧電体に接続する方法としては、圧電体の背面に半田付けする方法が用いられている。
【０００３】
図１はこのような従来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。同図において、１は例えば圧電セラミックス、２は音響整合層、３はバッキング材、４は焼き付け銀電極、５はフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）を示している。スライス方向の辺縁において、圧電セラミックス１の背面側の焼き付け銀電極４は駆動電極であり、これにＦＰＣ５が半田付けによって接続されている。
【０００４】
ところで、柱状の圧電セラミックスの間隙に樹脂を注入し、前面（超音波放射面）及び背面（超音波放射面の反対面）に電極を配して成る複合圧電体を、圧電板として使用するタイプの超音波トランスジューサ（複合圧電体トランスジューサ）がある。複合圧電体では圧電セラミックスを柱状且つ小形状とすることによって、圧電体の電気音響変換効率を増大しトランスジューサの感度を増大させること、そして圧電体に占める圧電セラミックスの比率を低減し圧電板の音響インピーダンスを低減することで生体との音響整合性の向上を図ること、を主たる目的としている。この複合圧電体トランスジューサを製造する方法としては、先ず圧電セラミックスを分割して間隙に樹脂を充填し、これにより複合圧電板を形成したのち、その前面及び背面に薄膜電極を蒸着・スパッタなどによって形成する方法が知られている。
【０００５】
また、複合圧電体を用いていわゆるアレイ型のトランスジューサ（複合圧電体アレイトランスジューサ）が知られている。複合圧電体アレイトランスジューサを製造する方法としては、アレイ形状に分割された電極（薄膜金属など）を複合圧電体に形成し、音響整合層、バッキング材などを接続する方法や、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などを接続し、複数のアレイから駆動電極を引き出すためにＦＰＣ板を接続したのち、アレイ形状に分割する方法などが知られている。
【０００６】
ここで、圧電体の背面にＦＰＣを接続する従来の超音波トランスジューサは、接続エリアを比較的広く取ることができ接続作業が容易である上、信号電極と共通電極の引き出し方向を同一にすることができノイズ低減に効果があるという利点があるが、その反面として次のような問題点がある。すなわち、信号引き出し用基板を接続した部分（特に境界部）に物理的負荷がかかりやすく、振動子が破損し易いという問題点がある。また、振動子の放射面を有効に利用できないという問題点もある。
【０００７】
図２は、複合圧電体の一面に電極を形成したのち、これを分割することによりアレイが形成された従来の複合圧電体アレイトランスジューサを示すスライス方向の断面図である。スライス方向の辺縁において、ＦＰＣ５を焼き付け銀電極４に半田付けによって接続した後、図２の奥行き方向への分割処理（バッキング材３の中途に及ぶ溝を形成）を施すことにより複合圧電体のアレイが形成される。
【０００８】
圧電セラミックス１の背面には焼き付け銀電極４が形成される。従来ではこの焼き付け銀電極４を省くなど様々な構造が考案されている。複合圧電体の前面（音響放射面）および背面に設けられ、複数の圧電セラミックス１及び樹脂７を電気的に共通接続するための共通電極６は、前面の共通電極がアース電極として、背面の共通電極が駆動電極として用いられる。アレイを構成する複数の素子への駆動電極を引き出す方法としてＦＰＣ５が用いられる。
【０００９】
このような従来の複合圧電体アレイトランスジューサにおいては、圧電板の前面及び背面に形成した薄膜電極の複合圧電板への付着強度及び電極自体の強度が不十分であるなどの理由により、アレイ分割の際に電極が複合圧電板表面から剥離する、あるいは電極自体が断裂してしまう、といった不良が生じてしまうという問題点がある。このような電極断裂不良は、バッキング材の加工性が悪いこと及びＦＰＣの加工性が悪いこと、さらに背面における構造上の不連続部が存在すること（ＦＰＣが背面接続されている為）などの悪条件が重なって、圧電体の背面側において発生する傾向にあり、またＦＰＣ接続部近傍においても不良が集中して発生する傾向にある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述した事情を考慮してなされたものであり、以下の超音波トランスジューサを提供することを目的とする。
（１）圧電体からの電極引き出しを簡易に且つ強固に行なえる超音波トランスジューサ。
（２）アレイ分割において圧電体の電極断裂不良を低減できる超音波トランスジューサ。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決し目的を達成するために本発明は次のように構成されている。
（１）本発明の超音波トランスジューサは、音響整合層を介して超音波と電気信号との変換を行う圧電体の所定の面に第１の電極を有し、これとは反対側の面に第２の電極を有する超音波トランスジューサにおいて、前記圧電体の前記第１の電極側の端部に設けられ、前記音響整合層と同一あるいはそれ以下の厚みを有する接続部材を具備し、前記第１の電極を前記接続部材を介して前記圧電体の側面方向に引き出すと共に前記第２の電極をこれと同一方向に引き出し、前記第１及び第２の電極の引き出し部を略同一平面上としたことを特徴とする。
（２）本発明の超音波トランスジューサは、複合圧電体と、前記複合圧電体を駆動するための駆動電極と、前記駆動電極引き出し用のフレキシブルプリント配線板と、を具備し、前記フレキシブルプリント配線板は前記複合圧電体の前面位置において電気接続されることを特徴とする。
（３）本発明の超音波トランスジューサは、複合圧電体と、前記複合圧電体の背面から側面を経て前面の一部まで伸延するように設けられ、前記複合圧電体を駆動するための駆動電極と、前記複合圧電体の前面位置において前記駆動電極に接続されるフレキシブルプリント配線板と、を具備し、前記複合圧電体のアレイ形成が、前記フレキシブルプリント配線板の前記駆動電極への接続の後に行われることを特徴とする。
（４）本発明の超音波トランスジューサは、複合圧電体と、前記複合圧電体を駆動するための駆動電極と、前記駆動電極引き出し用のフレキシブルプリント配線板と、を具備し、前記フレキシブルプリント配線板は前記複合圧電体の側面位置において電気接続されることを特徴とする。
（５）本発明の超音波トランスジューサは、複合圧電体と、前記複合圧電体の背面から側面を経て前面の一部まで伸延するように設けられ、前記複合圧電体を駆動するための駆動電極と、前記複合圧電体の側面位置において前記駆動電極に接続されるフレキシブルプリント配線板と、を具備し、前記複合圧電体のアレイ形成が、前記フレキシブルプリント配線板の前記駆動電極への接続の後に行われることを特徴とする。
（６）本発明の超音波トランスジューサは、複合圧電体と、前記複合圧電体の背面に設けられる背面電極と、前記背面電極を保護する背面音響整合層と、を具備する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
（第１実施形態）
図３は本発明の第１実施形態に係る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。
【００１３】
圧電体１のアース電極（音響放射面側）６１の端部に、接続部材（パッド）１１が設けられる。この接続部材１１の厚みは、音響整合層（マッチング層２１及び２２）と同一あるいはそれ以下にすることが望ましい。これにより音響整合層の形成や音響レンズの付加の際に接続部材１１が障害とはならない。接続部材１１の表面には電極１２が形成されており、この電極１２と圧電体１のアース電極６１とが導電性の接着剤１３を介して電気的且つ物理的に接続される。また接続部材１１の一側面は、圧電体１の側面とほぼ同一面となるように位置合わせがなされる。
【００１４】
圧電体１の駆動電極６２は、その端部が圧電体１の背面から側面に回り込むように設けられており、且つこの駆動電極６２は、絶縁体１４によってアース電極６１及び接続部材１１の電極１２に対して絶縁される。
【００１５】
本実施形態では接続部材１１の電極１２及び駆動電極６２に対し、リジット／フレキシブルプリント基板を接続する。リジット／フレキシブルプリント基板は、比較的柔らかく自在に屈曲可能な基材上に信号線が配されて成る信号基板Ｓと、比較的固く耐熱性を有する基材（例えばセラミック）からなる接続部Ｃとによって構成される。接続部Ｃの接続エリアには駆動電極引き出し用リードとアース電極引き出し用リードが配されており、この接続エリアは、圧電体１の駆動電極６２及び電極１２（アース電極６１と導通）に対し、ハンダ１５を介し同一面上で接続可能となっている。なおハンダ１５は圧電体とリジット／フレキシブルプリント基板との接合工程の以前に少なくともいずれか一方の接続エリアに予め塗布されている。リジット／フレキシブルプリント基板の信号線は、接続部Ｃにおいて一のライン状に形成されており、アレイ形成に係る圧電体の分割工程において個々の信号線に切断される。当然ながらアース線は全て共通である。
【００１６】
以上のように構成された本実施形態によれば、次のような作用効果が得られる。
すなわち、音響整合層と同一あるいはそれ以下の厚みの接続部材１１が圧電体１の端部に設けられており、この接続部材１１の電極１２はアース電極６１と導通する。また、圧電体１の駆動電極６２は、その端部が圧電体１の背面から側面に回り込むように設けられている。これにより、アース電極６１と駆動電極６２の引き出しを、圧電体１の同一側面において簡易且つ強固に行うことができる。この場合、信号基板との接続において圧電体１に掛かる物理的な負荷も軽減される。
【００１７】
また、電気接続材料に半田１５等の熱溶接材を用いて強固な接続を得ようとする場合、本実施形態では信号基板Ｓの接続部Ｃが比較的固く耐熱性を有する基材（ここではセラミック）によって構成されているので、この信号基板Ｓの接続部Ｃを、上述したように電極引き出しがなされたアース電極６１及び駆動電極６２に対して容易に位置合わせでき、半田１５への一度の加熱処理によって接続できる。
【００１８】
（第２実施形態）
図４は本発明の第２実施形態に係る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。同図に示すように本実施形態の圧電体は、柱状の圧電セラミックス１とその間隙に充填された樹脂７とからなる複合圧電体である。この複合圧電体は、製造時において焼き付け銀電極４が背面に形成され、これが樹脂７により分離されているものが用いられており、これらを電気接続するため共通薄膜電極６が外側に形成されている。また、共通薄膜電極６は複合圧電体の前面にも形成される。背面側の共通薄膜電極６はトランスジューサの駆動電極として機能し、前面側の共通薄膜電極６はアース電極として機能する。
【００１９】
特に本実施形態は、スライス方向辺縁において、圧電セラミックス１の背面の焼き付け銀電極４が、圧電セラミックス１の側面を経て前面の一部まで伸延された廻し電極構造を有している。複合圧電体の駆動電極引き出しのためのＦＰＣ５は、このような廻し電極４に対し、圧電体の前面（音響整合層２に接する面）位置において例えば半田付けによって電気的に接続する。
【００２０】
トランスジューサのアレイ形成は駆動電極引き出し用ＦＰＣ５を圧電体に接続したのちに行なう。
このような本実施形態によれば、加工性が悪いとされる複合圧電体の背面側（バッキング材３側）に構造的な不連続性が無くなるため、背面側における電極断裂不良を軽減することができる。なお、本実施形態では背面の電極構造として薄膜電極６及び焼き付け銀電極４の複合構造を採用しているがこの限りではなく適宜変更可能である。さらに、上述した廻し電極は焼き付け銀電極４によって形成しているがこの限りではない。また、ＦＰＣ５の接続方法は半田付けのみによらず例えば導電性接着材等によって行っても良い。
【００２１】
（第３実施形態）
図５は本発明の第３実施形態に係る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。本実施形態の圧電体は上記第２実施形態と同様に、柱状の圧電セラミックス１とその間隙に充填された樹脂７とからなる複合圧電体である。この複合圧電体は、製造時において焼き付け銀電極４が背面に形成され、これが樹脂７により分離されているものが用いられており、これらを電気接続するため共通薄膜電極６が外側に形成されている。また、共通薄膜電極６は複合圧電体の前面にも形成される。背面側の共通薄膜電極６はトランスジューサの駆動電極として機能し、前面側の共通薄膜電極６はアース電極として機能する。
【００２２】
特に本実施形態は、スライス方向辺縁において、圧電セラミックス１の背面の焼き付け銀電極４が、圧電セラミックス１の側面を経て前面の一部まで伸延された廻し電極構造を有している。さらに、複合圧電体の駆動電極引き出し用のＦＰＣ５はトランスジューサの側面において、その先端が圧電体の前面に突出するように配置されており、圧電体の廻し電極４に対し導電性接着材８を介して接続されている。なお、図６に示すようにＦＰＣ５の先端を圧電体の前面に突出させないように配置して接続するように構成しても良い。
【００２３】
このような本実施形態によれば、加工性が悪いとされる複合圧電体の背面側（バッキング材３側）に構造的な不連続性が無くなるため、背面側における電極断裂不良を軽減することができる。また、複合圧電体の最も辺縁に位置する樹脂７とＦＰＣ５の接続部との間隔を拡大することが可能となり、アレイ分割工程を経ても背面における電極断裂不良を軽減することができる。また、ＦＰＣ５の接続領域を小さくすることが可能となり、スライス方向の有効口径の拡大が可能となる。
【００２４】
なお、本実施形態では背面の電極構造として薄膜電極６及び焼き付け銀電極４の複合構造を採用しているがこの限りではなく適宜変更可能である。また、上述した廻し電極は焼き付け銀電極４によって形成しているがこの限りではない。
【００２５】
また図５及び図６に示したように本実施形態ではＦＰＣ５の接続を導電性接着材８によって行っているがこの限りではなく例えば半田付け等によって行っても良い。
【００２６】
（第４実施形態）
図７は本発明の第４実施形態に係る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。本実施形態の圧電体は上記第２実施形態と同様に、柱状の圧電セラミックス１とその間隙に充填された樹脂７とからなる複合圧電体である。この複合圧電体は、製造時において焼き付け銀電極４が背面に形成され、これが樹脂７により分離されているものが用いられており、これらを電気接続するため共通薄膜電極６が外側に形成されている。また、共通薄膜電極６は複合圧電体の前面にも形成される。背面側の共通薄膜電極６はトランスジューサの駆動電極として機能し、前面側の共通薄膜電極６はアース電極として機能する。
【００２７】
特に本実施形態では、圧電体の背面において、バッキング材３よりも加工性の良い部材からなる背面音響整合層９をＦＰＣ５の接続部を覆うように形成して成る。この背面音響整合層９は例えばエポキシ樹脂中に無機物を充填して成る。
【００２８】
この背面音響整合層９の被覆によって背面側電極（共通薄膜電極６）が適切に保護されることになり、アレイ分割工程を経ても背面における電極断裂不良を低減することができる。なおアレイ分割工程において背面音響整合層９を分割することも可能であり、また分割溝を背面音響整合層９の中途で留めるといった加工処理も可能である。
【００２９】
なお、本実施形態では背面の電極構造として薄膜電極６及び焼き付け銀電極４の複合構造を採用しているがこの限りではなく適宜変更可能である。
また背面音響整合層９はエポキシ樹脂中に無機物を充填したものとしたがこの限りではなく導電性を有する部材によって形成するなど適宜変更可能である。なお背面音響整合層９を導電性部材によって形成する場合は、アレイ分割工程に於いて完全に分割することが必要となる。
【００３０】
また駆動電極引き出し用ＦＰＣ５を圧電体の背面に接続しているがこの限りでは無く他の構造も取り得る。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず種々変形して実施可能である。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、共通電極端部に音響整合層と同一あるいはそれ以下の厚みを有する接続部材を設置し、信号基板の圧電体側面の側にアース電極が引き出される構造としたことにより、アース電極の引き出しを駆動電極と同一方向の圧電体側面で行うことがでる。このとき、接続部材は音響整合層の形成や音響レンズの付加の障害とはならない。また、信号基板に駆動電極とアース電極の両者の引き出しリードを設け、圧電体側面の接続部において引き出す構造としたことで、電極引き出しを簡易且つ強固に行うことが可能となる。さらに、接続部の電気接続材料に半田等の熱溶接材を用いて強固な接続を得ようとした場合、信号引き出し基板の接続部を耐熱性材料によって構成することで、アース電極と駆動電極の接続を一度の加熱接続により行うことが可能となる。
【００３２】
また本発明によれば、駆動電極引き出し用のＦＰＣの接続位置を圧電板の背面から前面若しくは側面に変更することで、圧電板背面における構造的な不連続性を無くすことが可能となる。
【００３３】
さらに、複合圧電体の背面に音響整合層を形成することにより、付着強度が不十分であり且つそれ自体の強度が不十分であるとされる背面共通電極を被覆保護することが可能となる。これらにより、アレイ分割工程において電極断裂などの不良を低減可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来例に係る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２】従来例に係る複合圧電体アレイトランスジューサを示すスライス方向の断面図。
【図３】本発明の第１実施形態に係る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４】本発明の第２実施形態に係る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５】本発明の第３実施形態に係る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６】第３実施形態の変形例を示す図。
【図７】本発明の第４実施形態に係る超音波トランスジューサを示すスライス方向の断面図。
【符号の説明】
１…圧電セラミックス
２…音響整合層
３…バッキング材
４…焼き付け銀電極
５…フレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）
６…共通薄膜電極
７…樹脂
８…導電性接着剤
９…背面音響整合層

Claims

音響整合層を介して超音波と電気信号との変換を行う圧電体の第１の面に前記圧電体を接地するための第１の電極を有し、これとは反対側の第２の面に前記圧電体を駆動するための第２の電極を有する超音波トランスジューサにおいて、
スライス方向における前記圧電体の前記第１の電極側の端部に設けられ、前記音響整合層と同一あるいはそれ以下の厚みを有し、前記第１の電極に対しては電気的且つ物理的に接続され、前記第２の電極に対しては電気的に絶縁される導電性接続部材を具備し、
前記第１の電極を前記圧電体の第１の面に平行な前記導電性接続部材の第１の面に接するように接続し、該導電性接続部材の第１の面は、前記圧電体の側面に平行な該導電性接続部材の第２の面に電気的に接続されており、
前記第２の電極を前記圧電体の第２の面から該圧電体の側面に沿って引き出し、該第２の電極の引き出し部と前記導電性接続部材の第２の面とが略同一平面上にあることを特徴とする超音波トランスジューサ。
比較的固い基材から成る接続部と、当該接続部に配置される第１及び第２の信号線とを有する信号基板をさらに具備し、前記第１及び第２の信号線が前記接続部を介して前記第２の電極の引き出し部及び前記導電性接続部材の第２の面に接続されることを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスジューサ。
前記信号基板の接続部は、耐熱性材料によって構成されることを特徴とする請求項２に記載の超音波トランスジューサ。
複合圧電体と、前記複合圧電体の背面に設けられ、前記複合圧電体を駆動するための駆動電極と、前記駆動電極に接続され、前記複合圧電体の背面から側面を経て前面の一部まで伸延するように設けられる廻し電極と、前記駆動電極引き出し用のフレキシブルプリント配線板と、を具備し、前記フレキシブルプリント配線板は前記複合圧電体の前面位置において前記廻し電極に電気接続されることを特徴とする超音波トランスジューサ。
前記複合圧電体のアレイ形成が、前記フレキシブルプリント配線板の前記廻し電極への接続の後に行われることを特徴とする請求項４に記載の超音波トランスジューサ。
複合圧電体と、前記複合圧電体を駆動するための駆動電極と、前記駆動電極引き出し用のフレキシブルプリント配線板と、前記駆動電極に接続され、前記複合圧電体の背面から側面を経て前面の一部まで伸延するように設けられる廻し電極とを具備し、前記フレキシブルプリント配線板は前記複合圧電体の側面位置において前記廻し電極に電気接続されることを特徴とする超音波トランスジューサ。
前記複合圧電体のアレイ形成が、前記フレキシブルプリント配線板の前記廻し電極への接続の後に行われることを特徴とする請求項６に記載の超音波トランスジューサ。
前記フレキシブルプリント配線板は、その先端が前記複合圧電体の前面の方向に突出して設けられることを特徴とする請求項６又は７に記載の超音波トランスジューサ。
前記フレキシブルプリント配線板は、その先端が前記複合圧電体の側面の中途の位置又はバッキング材の位置に留めて設けられることを特徴とする請求項６又は７に記載の超音波トランスジューサ。
複合圧電体と、前記複合圧電体の背面に設けられ、前記複合圧電体をスライス方向に共通して接続すされる背面電極と、前記背面電極を保護する背面音響整合層と、を具備することを特徴とする超音波トランスジューサ。
前記背面音響整合層は、導電性部材により構成されることを特徴とする請求項１０に記載の超音波トランスジューサ。
前記複合圧電体は、複数に分割された圧電セラミックスと、その間隙に充填された樹脂とによって構成されることを特徴とする請求項４乃至１１のいずれかに記載の超音波トランスジューサ。
前記複合圧電体のアレイ分割形成における分割溝が前記背面音響整合層の中途で留まるように、前記背面音響整合層を形成することを特徴とする請求項１０乃至１２に記載の超音波トランスジューサ。