JP4323487B2 - 超音波振動子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【技術分野】
【０００１】
本発明は超音波診断装置等に用いられる超音波振動子に関する。
【背景技術】
【０００２】
医療分野においては、超音波振動子から生体組織に向けて超音波を送信すると共に生体組織から反射される反射波を、超音波を送信した超音波振動子と同一あるいは別体に設けた超音波振動子で受信して信号処理を行って画像化することにより生体組織の情報を得る超音波診断装置が従来より種々提案されている。
【０００３】
このような超音波診断装置などに用いられる超音波振動子として、複数の圧電素子を規則的に配列した電子走査方式の超音波振動子がある。この超音波振動子には数多くの圧電素子が整列配置されており、それぞれの圧電素子には超音波観測装置から延出する信号線が電気的に接続されている。そして、前記圧電素子と前記信号線との電気的な接続は、配線基板或いはリード線によって行われている。
【０００４】
例えば、特公平４−１９８５８号公報のアレイ型超音波探触子では圧電振動子の配列間隔に略等しい間隔にて複数の基板電極を整列してプリントされているフレキシブル基板によって、このフレキシブル基板の基板電極とそれぞれの圧電振動子とを接着によって電気的に接続している。
【０００５】
また、特許２５０２６８５号公報の超音波探触子の製造方法ではフレキシブルの電気端子と曲面体上フレキシブル基板とを金線等のワイヤを用いて、ワイヤボンディング等によって各チャンネル毎に１対１で接続していた。
【０００６】
さらに、特許３２４８９２４号公報には、圧電材料とフレキシブルプリント回路基板とを平行もしくは平行に近い状態に保ちながら信号電極とリード線を電気的に接続し切り込んで各圧電素子を形成することによって、超音波送受波特性の良い超音波探触子の製造方法が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】
特公平４−１９８５８号公報
【特許文献２】
特許２５０２６８５号公報
【特許文献３】
特許３２４８９２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前記特公平４−１９８５８号公報のアレイ型超音波探触子では、フレキシブル基板の各電極と圧電振動子の各電極との位置合わせを行った後、接着固定して電気的接続を行っているが、この作業は熟練を要する作業の一つで、コストアップの要因になっていた。
【０００９】
また、前記特公平４−１９８５８号公報のアレイ型超音波探触子及び特許３２４８９２４号公報の超音波探触子の製造方法では、フレキシブル基板を曲げ状態にすることによってこのフレキシブル基板の弾性力が残留応力となることによって不具合が生じるおそれがある。
【００１０】
さらに、前記特許２５０２６８５号公報の超音波探触子の製造方法では、ワイヤを用いて、ワイヤボンディング等によって各チャンネル毎に１対１で接続していたため、残留応力の発生に加えて、配線のための空間が必要になるために小型化が制約されるとともに、配線作業が複雑且つ繁雑であるため信頼性に欠けるばかりでなく、コストアップの要因になっていた。
【００１１】
又、前記特許３２４８９２４号公報の超音波探触子の製造方法では、溝にＦＰＣを差し込み、信号電極と銅箔テープとを接着部を設けて接続し、その後、ダイシングを行って圧電素子切り込み及びチャンネル切り込みを形成し、その後、ダイシングによって分割された共通電極を一体にするために接着部を設けていたため、作業性が煩雑であるとともに、残留応力によって接着部が剥離して不具合が発生するおそれがあった。そして、切り込みを行った際に、接着部が剥離する等の不良が発生した場合、不良箇所の修正を行うことが難しく、歩留りが悪かった。
加えて、接着部を設けてフレキシブル基板を圧電素子に固定することによって、負荷重量によって各圧電素子の振動が抑制されるという不具合が発生する。
【００１２】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、圧電素子の振動が抑制されること及び残留応力による不具合の発生を防止し、作業性に優れ、歩留りの向上、コスト低減を図れ信頼性の高い超音波振動子の提供及びその製造方法を提供することを目的にしている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の超音波振動子は、少なくとも硬質な材料で形成された層を含む音響整合層と、前記音響整合層を構成する硬質な材料で形成された層の所定位置に積層固定される、両平面部に電極をそれぞれ設けた圧電体と、前記音響整合層を構成する硬質な材料で形成された層の面に積層配置されて、前記圧電体に隣接固定される、前記圧電体の一面側電極と電気的に接続される所定間隔で配列された複数の導電パターンを少なくとも一面側に形成した基板と、を備える超音波振動子であって、前記音響整合層の硬質な材料で形成された層の所定面側に設けられ、前記圧電体の他面側電極と電気的に接続されるグランド電極と、前記圧電体の一面側電極側に設けられて前記複数の導電パターンと前記一面側電極とを電気的に接続し、前記圧電体及び前記基板を所定数に分割する前記音響整合層の所定深さに到達する分割溝によって、前記基板上の分割された導電パターンと前記圧電体の分割された一面側電極とをそれぞれ電気的に接続する導電部材に分割される導電膜部と、前記分割溝で分割されたグランド電極を電気的に接続する、当該超音波振動子の形状を形成する形状形成部材に設けられた導電部とを具備している。そして、本発明の超音波振動子の製造方法は、少なくとも硬質な材料で形成された音響整合層にグランド電極を設ける工程と、硬質な材料から音響整合層に電極を有する所定形状の圧電体を固定して第１積層体を形成する工程と、硬質な材料で形成された音響整合層面に、所定間隔で形成した複数の導電パターンを有する所定形状の基板を、圧電体に隣接固定して第２積層体を形成する工程と、圧電体の電極と基板の導電パターンとを一体で電気的に接続する導電部材を設ける工程と、導電部材を設けて電気的に接続された圧電体及び基板に所定間隔及び所定深さ寸法の分割溝を形成する工程とを具備している。したがって、対応する圧電体の電極と基板の導電パターンとの電気的な接続を容易に行うことができるので、超音波振動子の小型化が可能になるとともに、作業性の向上及びコストの低減を図れる。また、圧電体の電極と基板の導電パターンとの電気的接続箇所に不良があった場合には容易に修正を行って歩留りの向上も図れる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、圧電素子の振動が抑制されること及び残留応力による不具合の発生を防止し、作業性に優れ、歩留りの向上、コスト低減を図れ、信頼性の高い超音波振動子の提供及びその製造方法を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】超音波振動子を示す斜視図
【図２Ａ】超音波振動子の構成を説明する長手方向断面図
【図２Ｂ】図２Ａの矢印Ｂで示す部分の拡大図
【図２Ｃ】図２Ａの矢印Ｂで示した部分の他の構成例を説明する図
【図２Ｄ】図２Ａの矢印Ｂで示した部分の他の構成例を説明する図
【図２Ｅ】図２Ａの矢印Ｃで示す部分の拡大図
【図３】図２ＡのＡ−Ａ線断面図
【図４Ａ】音響整合層を形成する部材を説明する図
【図４Ｂ】音響接合層を説明する図
【図５Ａ】第１積層体を形成する部材を説明する図
【図５Ｂ】第１積層体を説明する図
【図６Ａ】第２積層体を形成する部材を説明する図
【図６Ｂ】第２積層体を説明する図
【図７】基板の導電パターンと圧電セラミックの一面側電極とを電気的に接続する工程を説明する図
【図８Ａ】分割溝を形成して圧電セラミックを圧電素子に分割している状態を示す図
【図８Ｂ】切断工程により形成された分割溝を有する第２積層体を切断方向から見た側視図
【図９】複数の圧電素子を設けた第２積層体を円筒状に変形させた図
【図１０Ａ】円筒状の振動子ユニットを形成する部材を説明する図
【図１０Ｂ】第１音響整合層に形状形成部材を配置した状態を説明する図
【図１０Ｃ】基板に形状形成部材を配置した状態を説明する図
【図１１Ａ】コンベックスアレイ型振動子ユニットを形成するための形状形成部材及び第２積層体を示す図
【図１１Ｂ】リニアアレイ型振動子ユニットを形成するための形状形成部材及び第２積層体を示す図
【図１２Ａ】修正用マスク部材を使用して電気的接続不具合箇所の修正を行っている状態を説明する図
【図１２Ｂ】電気的接続不具合箇所の修正を金属部材と導電性接着部を設けて行った状態を示す図
【図１３】段差を有する圧電体と基板との電気的接続を説明する図
【図１４Ａ】他面側電極と導電パターンとの間の電気的な絶縁を図る一構成例を説明する図
【図１４Ｂ】他面側電極と導電パターンとの間の電気的な絶縁を図る他の構成例を説明する図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明を、添付の図面にしたがってより詳細に説明する。
第１図に示すように本実施形態に係る超音波振動子１はラジアルアレイ型に構成したものである。超音波振動子１は、音響整合層２、バッキング材３、円筒状に形成した第１の振動子形状形成部材４ａ、第２の振動子形状形成部材（以下、形状形成部材と略記する）４ｂ及び圧電素子５とを有する。音響整合層２は、硬質の材料で形成された第１音響整合層２ａと、軟質の材料で形成された第２音響整合層２ｂとを積層して形成される。ここで「硬質」とは、予め形成した形状を保つことができる程度の硬さを意味する。一方、「軟質」とは変形などに関して柔軟性を有することを意味する。
【００１７】
第２Ａ図及び第３図に示すようにバッキング材３、圧電素子５、第１音響整合層２ａ及び第２音響整合層２ｂは、超音波振動子１の円筒形状の中心から外周側に向けて順に配置される。第１の形状形成部材４ａは音響整合層２を構成する第１音響整合層２ａの内方向で、バッキング材３及び圧電素子５の一端側に隣接するように配置される。圧電素子５の他端側には基板６が配置される。
【００１８】
なお、基板６も超音波振動子１等の形状に倣い円筒状に形成される。基板６としては、例えば３次元基板、アルミナ基板、ガラスエポキシ基板、リジットフレキシブル基板、フレキシブル基板等が用いられる。
【００１９】
第２の形状形成部材４ｂは基板６の内周側で、バッキング材３の他端側に隣接するように配置される。また、超音波振動子１の第１の形状形成部材４ａが配置される側である一端側には音響整合層２が圧電素子５よりも長手軸方向に突出するように配置されている。
【００２０】
音響整合層２は、前述した通り第１音響整合層２ａ及び第２音響整合層２ｂで構成されるが、第１音響整合層２ａの材料としては、例えばエポキシ系、シリコーン系、ポリイミド系等の樹脂部材に、金属、セラミックス、ガラス等の粉体や繊維を混合したもの、あるいはガラス、マシナブルセラミックス・シリコン等が用いられる。一方、第２音響整合層２ｂの材料としては、例えばシリコーン系、エポキシ系・ＰＥＥＫ・ポリイミド・ポリエーテルイミド・ポリサルフォン・ポリエーテルサルフォン・フッ素系樹脂等の樹脂部材やゴム等が用いられる。
第１図及び第３図に示すように第１音響整合層２ａ及び圧電素子５は所定数、例えば１９２個に分割されて配列される。
【００２１】
バッキング材３としては、例えばアルミナ粉末入りのエポキシ樹脂を硬化させたものが用いられる。なお、バッキング材３として、エポキシ系、シリコン系、ポリイミド系、ポリエーテルイミド、ＰＥＥＫ・ウレタン系・フッ素系等の樹脂部材やクロロプレンゴム・プロピレン系ゴム・ブタジエン系ゴム・ウレタン系ゴム・シリコーンゴム・フッ素系ゴム等のゴム材、又はこれら樹脂部材やゴム材にタングステン等の金属、アルミナ・ジルコニア・シリカ・酸化タングステン・圧電セラミックス粉・フェライト等のセラミックス、ガラス、樹脂等の粉体や繊維、中空の粒子などで形成された単一又は複数の物質・形状のフィラーを混合したものを用いても良い。
【００２２】
圧電素子５は、板状に形成されたチタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸鉛・チタン酸バリウム系・ＢＮＴ−ＢＳ−ＳＴ系等の圧電セラミック又は、ＬｉＮｂＯ３・ＰＺＮＴ等の圧電性結晶・リラクサー強誘電体を切断して形成したものである。一面側電極５ａ及び他面側電極５ｂは板状の圧電セラミックの面上に金、銀、銅あるいはニッケル・クロム等の導電部材を焼付け又は蒸着・スパッタ・イオンプレーティング等の薄膜又はメッキ等により、単層・多層又は合金層として予め設けたものである。
【００２３】
ここで、第２Ａ図における範囲Ｂの部分拡大図である第２Ｂ図ないし第２Ｄ図及び範囲Ｃの部分拡大図である第２Ｅ図に基づき、超音波振動子１における導電系につき説明する。
第２Ｂ図に示すように圧電素子５の内周側には一面側電極５ａが設けられ、外周側には他面側電極５ｂが設けられている。音響整合層２を構成する第１音響整合層２ａの内周側には略全周に亘ってグランド電極８が配置形成される。音響整合層２を構成する第１音響整合層２ａの内周側かつ第１の形状形成部材４ａの一端には、グランド電極８と接するように導電部７が配置形成される。
なお、グランド電極８の配置については、製造方法の記載と併せて後述する。
【００２４】
第１の形状形成部材４ａは、第１音響整合層２ａの内周面に対して導電部材、例えば導電接着剤（不図示）で接着固定される。これにより導電部７とグランド電極８とが電気的に導通された状態になる。なお、導電部材は導電接着剤に限定されるものではなく、半田や銀ロウ、金ロウ等の金属ロウ部材、或いは導体被膜等であってもよい。
このように、他面側電極５ｂと、導電部７と、グランド電極８とが電気的に接続される。
【００２５】
第２Ｂ図にあっては他面側電極５ｂと導電部７とが一体的に形成されるが、他面側電極５ｂと、導電部７と、グランド電極８とは、電気的に等位となるように接続されれば良い。例えば第２Ｃ図に示すように、グランド電極８が音響整合層２の一端側まで連続して設けられるようにしても良い。
【００２６】
また、第２Ｄ図に示すように、第１の形状形成部材４ａの長手軸方向の長さである厚みより少量だけ長く形成して他面側電極５ｂ及び導電部７に長手方向前後の一部分のみが接するように形成しても良い。この場合は、グランド電極８が外側に露出する構成とし、導電部４ａとグランド電極６との間を、導電性樹脂・導電性塗料等の導体材料や、各種の導体薄膜・導体厚膜・メッキ等の導体皮膜で電気的な導通状態とする。また、これらの材料を組み合わせて用いても良い。
【００２７】
第２Ｅ図に示すように、圧電素子５と基板６とが隣接する部位の近傍にあっては、基板６の内周側に設けられた導電パターン６ａと、一面側電極５ａとを電気的に接続するように、導電部材９がバッキング材３の内周側に配置される。
【００２８】
第４Ａ図から第１０Ｃ図までを参照して、上述のように構成される超音波振動子１を製造する方法を説明する。
超音波振動子１を製造する方法は以下の工程で形成される。
【００２９】
（１）音響整合層２を形成する工程
音響整合層２を形成するために、まず、第４Ａ図に示すように所定寸法及び所定形状で、かつ所定の音響インピーダンス値に調整された第１音響整合層２ａ及び第２音響整合層２ｂを用意する。そして、第１音響整合層２ａの一面側の所定位置には板状のグランド電極８を配置する。
【００３０】
次に、第４Ｂ図に示すように第１音響整合層２ａと第２音響整合層２ｂとを一体的に積層して音響整合層２を形成する。このとき、第２音響整合層２ｂを、グランド電極６が設けられていない第１音響整合層２ａの他面側に配置する。音響整合層２は、各々を所定厚さとした後に一体化しても、一体化させた後に所定厚さにしても、接合せずに一方に他方を塗布、注型、成膜等により直接形成しても良く、これらの組合せにより形成しても良い。
【００３１】
なお、グランド電極８は、第１音響整合層２ａの所定位置に形成した所定幅寸法及び深さ寸法の溝１１に、所定幅寸法及び厚み寸法に形成した板状の導電部材１２を接着して配置しても良い。また、グランド電極８は、溝１１に所定幅寸法で前記深さ寸法より厚めに形成した板状の導電部材を接着して配置しても良い。また、グランド電極８は、図示しない導電樹脂等を突出するように塗布或いは充填した後、この導電部材の突出部分を第１音響整合層２ａの面と面一致状態になるように加工して形成しても良い。また、グランド電極８は、所定厚み寸法より厚めに形成した第１音響整合層２ａの溝１１内に導電部材を接合ないし塗布或いは充填した後、全体を所定厚み寸法になるように加工して形成しても良い。また、グランド電極８は、各種の導体膜で形成しても良い。
【００３２】
そして、グランド電極８には、例えば導電性樹脂・導電性塗料・金属等の導体材料や、各種の導体薄膜・導体厚膜・メッキ等の導体皮膜が使用される。
【００３３】
（２）第１積層体を形成する工程
前記第１の工程により形成された音響整合層２と、一面側電極５ａ及び他面側電極５ｂを圧電素子の両面に設けた圧電セラミック１３とから、第１積層体２１を形成する。圧電セラミック１３は、音響整合層２の長さ寸法より所定寸法だけ短く形成され、幅寸法は略同一寸法で形成され、厚み寸法は所定寸法に形成される。
【００３４】
具体的には、まず、第５Ａ図に示すように音響整合層２及び圧電セラミック１３を準備する。
次に、第５Ｂ図に示すように音響整合層２のグランド電極８が形成された面に、圧電セラミック１３の他面側電極５ｂを、グランド電極８と少なくとも一部が接触するよう、略矩形状の音響整合層２の一辺から所定量である例えば距離ａだけオフセットした位置に接着固定する。
【００３５】
こうして、他面側電極５ｂと圧電セラミック１３のグランド電極６とが電気的導通状態とされた一体的な第１積層体２１が形成される。このとき、グランド電極６が配置されている音響整合層２の一端面側が圧電セラミック１３の一端面側から距離ａだけ突出した状態になる。
【００３６】
（３）第２積層体を形成する工程
前述した工程で形成された第１積層体２１及び導電パターン６ａから第２積層体２２を形成する。
【００３７】
まず、第６Ａ図に示すように第２工程で形成した第１積層体２１と、例えば一面側に複数の導電パターン６ａ，…，６ａが所定の間隔で規則的に配列された基板６とを準備する。この基板の厚み寸法は、圧電セラミック１３の厚み寸法と略同寸法である。
【００３８】
次に、第６Ｂ図に示すように導電パターン６ａ，…，６ａを上向きにした状態で、基板６を圧電セラミック１３に隣接するように配設し、第１音響整合層２ａに対して接着固定する。
こうして、第１音響整合層２ａの面上に圧電セラミック１３と基板６とが隣接して配置された第２積層体２２が形成される。なお、基板６の幅寸法及び長さ寸法は所定寸法に設定される。
【００３９】
（４）基板の導電パターン６ａ，…，６ａと圧電セラミック１３の一面側電極５ａとを電気的に接続する工程
第７図に示すように第２積層体２２の導電パターン６ａが形成されている基板７及び一面側電極５ａが設けられている圧電セラミック１３の表面の所定位置に図示しないマスク部材を配置し、膜部材である導電性塗料又は導電性接着剤等を塗布したり、金、銀、クロム、二酸化インジウム等の金属や導体を蒸着、スパッタ、イオンプレーティング、ＣＶＤ等の方法で付着させて、導電膜部１４を設ける。
こうして導電膜部１４を形成することにより、導電パターン６ａ，…，６ａと一面側電極５ａとが電気的に接続される。
【００４０】
（５）圧電セラミック１３を複数の圧電素子５，…，５に分割する工程
第８Ａ図に示すように圧電セラミック１３及び基板６の表面側から音響整合層２を構成する第１音響整合層２ａを通過させて第２音響整合層２ｂの一部に到達する所定深さ寸法で所定幅寸法又は所定形状の分割溝１５を長手方向に対して直交する方向に所定ピッチで形成していく。尚、この分割溝１５は、図示しないダイシングソー又はレーザ装置等の切断手段を用いて形成する。このとき、前記切断手段を２つの導電パターン６ａ、６ａを分割する中央線上に配置させる。
【００４１】
この工程にあっては、複数の導電パターン６ａ，…，６ａを設けた基板６が、少なくとも１つの導電パターン６ａが配置された複数の基板６，…，６に分割されるとともに、圧電セラミック１３も複数個に分割される。このとき、導電膜部１４は複数の導電部材９に分割される。このことによって、１つの音響整合層２上に、個々の導電パターン６ａを導電部材９で電気的に接続した圧電素子５，…，５が複数個配列されるようになる。
【００４２】
第８Ｂ図に示すように第２積層体２２に分割溝１５を所定ピッチで所定個数形成する。このことによって、圧電セラミック１３、基板６、導電膜部１４及び第１音響整合層２ａが所定個数に分割されて、圧電セラミック１３及び基板６から形成されていた第２積層体２２が、複数の圧電素子５，…，５及び複数の基板６，…，６を配置した積層体群で形成された第２積層体２２ａになる。言い換えれば、音響整合層２を構成する柔軟性を有する第２音響整合層２ｂに、複数の圧電素子５，…，５を配列した状態になると言える。
【００４３】
次いで、第２音響整合層２ｂが最外周側に配置されるように第２積層体２２ａを曲げ変形させて、第９図に示すように第２積層体２２ａを円筒形状に形成する。
【００４４】
なお、分割溝１５を形成した後、超音波振動子１を形成するに当たって不要になる、例えば第８Ａ図の斜線に示す音響整合層２を除去する。また同様に、第２積層体２２を構成する各部材について、例えば長さなどについては所定形状よりも大きいものを用い、最終的に不要部分を除去しても良い。さらに必要に応じ、それぞれの圧電素子５，…，５の一面側電極５ａと、基板６，…，６の導電パターン６ａとが導電部材９によって電気的に接続されているかの導通検査を行う。
【００４５】
（６）円筒状振動子ユニット（以下、円筒状ユニットと略記する）２３を形成する工程 前述の工程で形成された第２積層体２２ａと、第１及び第２の形状形成部材４ａ、４ｂとから円筒状ユニット２３を形成する。
【００４６】
具体的には、第１０Ａ図に示すように第２積層体２２ａを円筒状に形作った後、第１０Ｂ図に示すように第１の形状形成部材４ａを音響整合層２の第１音響整合層２ａに導電接着剤で一体的に接着固定する。また、第１０Ｃ図に示すように第２の形状形成部材４ｂを圧電素子５，…，５に隣設する基板６，…，６の内周面側に非導電性の接着剤によって一体的に接着固定する。
【００４７】
こうして、硬質の材料で形成された第１音響整合層２ａと、第１の形状形成部材４ａ及び基板６と、第２の形状形成部材４ｂとを接着固定することにより、第２積層体２２ａから所定の曲率の円筒状ユニット２３が形成される。このとき、分割された圧電素子５，…，５にそれぞれ設けられている他面側電極５ｂと導通状態となっているグランド電極８と、第１の形状形成部材４ａの導電部７とは一体的に導通状態となる。
【００４８】
導電部７には、図示しない超音波観測装置から延出するグランド線が接続され、容量が十分に大きいグランドが確保される。なお、第１の形状形成部材４ａを第１音響整合層２ａに非導電性接着剤により接着し、その後に導体薄膜、導電性樹脂、導体厚膜等によって電気的に接続するようにしても良い。
【００４９】
このように、圧電セラミック１３に設けた所定の電極及び形状形成部材の導電部と電気的に導通状態になるグランド電極８を音響整合層２に予め設け、このグランド電極８と圧電セラミック１３に設けた所定の電極及び形状形成部材の導電部７とを組立てる工程時に電気的に接続することによって、各圧電素子５，…，５にそれぞれ設けられている他面側電極５ｂを、導電部７によって一体になったグランド電極８に接続して大容量のグランドを確保することができる。
【００５０】
なお、本実施形態においては第１形状形成部材４ａ及び第２形状形成部材４ｂを用いてラジアルアレイ型の超音波振動子１を形成する工程を説明したが、本工程で示した形状形成部材４ａ、４ｂを使用する代わりに、第１１Ａ図に示すように例えば部分円筒形状等に形成した第３の形状形成部材４ｃ、第４の形状形成部材４ｄを上述と同様に所定形状で所定数に分割された圧電素子５，…，５を有する第２積層体２２ｂの第１音響整合層２ａに固定することによってコンベックスアレイ型振動子ユニットが形成するようにしてもよい。
【００５１】
なお、第１１Ｂ図に示すように、端部が平坦である平板状の形状形成部材４ｅを準備するとともに、上述の工程と同様に第２積層体２２ｃの第１音響整合層２ａに該平坦部が接するように形状形成部材４ｅを固定すると、リニアアレイ型振動子ユニットが形成される。さらに、形状形成部材の端部形状は円弧や直線に限定されるものではなく、これらの組合せや変形も可能であり、これにより複数個配列されるアレイを自由に配置することができる。よって、超音波の走査方向を自在に設定することができる。
【００５２】
このとき、グランド電極６と形状形成部材４ａの導電部７とが導通状態になる。この導電部７に図示しない超音波観測装置から延出するグランド線を接続することによって十分な容量のグランドが確保される。形状形成部材４ａは、固定を非導電性接着剤により行い、その後に導体薄膜、導電性樹脂、導体厚膜等によって電気的に接続しても、何ら問題はない。さらに、形状形成部材４ａの端部形状は円弧や直線に限定されるものではなく、これらの組合せや変形も可能であり、これにより複数個配列されるアレイを自由に配置することができ、よって超音波の走査方向を自在に設定することができる。
【００５３】
また、前記導通検査で不合格であった第２積層体２２ａのうち、一面側電極５ａと導電パターン６ａとの電気的な接続に不具合がある場合には、必要に応じ不具合箇所の圧電素子５の一面側電極５ａと基板７の導電パターン６ａとを電気的に接続する修正作業を行う。
【００５４】
その際、第１２Ａ図に示すように第２積層体２２ａを修正治具（不図示）に配置し、不良箇所の圧電素子５及び基板６の導電パターン６ａに対応する位置に修正用マスク部材２４の開口２４ａを配置した状態にする。その後、例えば導電性塗料又は導電性接着剤等を塗布して、圧電素子５の一面側電極５ａと基板６の導電パターン６ａとを電気的に接続する修正用導体膜部を設ける修理を行う。
【００５５】
そして、不具合箇所の修正を完了後に再度導通検査を行って、この検査に合格であった場合には修正した第２積層体２２ａを円筒状ユニット２３を形成する工程に廻す。
【００５６】
また、第１２Ａ図に示したように導電性塗料を塗布して、圧電素子５の一面側電極５ａと基板６の導電パターン６ａとを電気的に接続する代わりに、第１２Ｂ図に示すように不具合のある一面側電極５ａと導電パターン６ａとの上に金属部材２５を配置し、この金属部材２５を、一面側電極５ａ及び導電パターン６ａに例えば導電性接着部２６を設けたり超音波接合するなどして固定する。
【００５７】
こうして、不具合箇所の圧電素子５の一面側電極５ａと基板６の導電パターン６ａとを電気的に接続する修正作業を行える。
なお、これらの方法は、不具合部の修正のみならず、圧電素子５及び基板６の導電パターン６ａとの間の電気的接続行為そのものにも使用できることは言うまでもない。
【００５８】
（７）バッキング材を形成する工程
バッキング材３は、圧電素子５の一面電極５ａ側に、フェライト入りゴム材・アルミナ粉入りエポキシ等を材料として用い、接着・注型等の方式により形成することにより前記第１図ないし第３図に示したような構成のラジアルアレイ型の超音波振動子を形成する。 なお、本実施形態においては圧電セラミック１３及び基板７の厚さ寸法を略同一としているが、圧電セラミック１３及び基板６の厚さ寸法は略同一に限定されるものではない。
【００５９】
例えば第１３図に示すように圧電セラミック１３と基板６の厚さ寸法が異なっている場合でも、圧電素子５の一面側電極５ａと基板６の導電パターン６ａとの電気的接続を前記薄膜や導電性塗料又は導電性接着剤等で形成した導電膜部１４などによる電気的接続部を設けた後、一点鎖線に沿って分割することによって、音響整合層２上に導電パターン６ａを導電部材９で電気的に接続した圧電素子５，…，５が配列される。
【００６０】
このように、圧電体に基板を隣接させて配置するとともに、基板に設けられている導電パターンと、この導電パターンに電気的に接続される圧電体の電極とを同一の向きに配置することによって、対応する圧電体の電極と基板の導電パターンとの電気的な接続を容易に行うことができる。
また、圧電体と基板との厚み寸法に関わらず、対応する圧電体の電極と基板の導電パターンとの電気的な接続を容易に行うことができる。
【００６１】
これらのことによって、超音波振動子の小型化が可能になるとともに、作業性の向上及びコストの低減を図れる。また、圧電体の電極と基板の導電パターンとの電気的接続箇所に不良があった場合には容易に修正を行って歩留りの向上も図れる。
【００６２】
尚、本発明は、以上述べた実施形態のみに限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能である。例えば、本実施形態では基板６を圧電素子５に併設配置し導電部材により両者を電気的に接続したが、これに限定されるものではなく、例えばバッキング材の内部又は側面に基板を位置させたり、フレームと基板とを合一すること、基板と圧電素子とを金属細線等で接続しても良い。
【００６３】
また、例えば、第１４Ａ図及び第１４Ｂ図に示すように、導電パターン６ｂを基板７の一端面から一主面に連続的に設けることで、この導電パターン６ｂのアレイ外部への取り出し端子を、外周に配置するように設計することが可能になる。このことによって、超音波振動子を製品に搭載する際に、設計の自由度が拡大するという効果を得られる。この際には、図に示すように、基板６の形状或いは圧電素子５の電極５ｂの形状等を調整して、導電パターン６ｂと電極５ｂとの間の電気的絶縁が確保される。
【００６４】
尚、本発明は、以上述べた実施形態のみに限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能である。
【産業上の利用可能範囲】
以上のように、本発明にかかる超音波振動子は、コスト低減が図られ、かつ信頼性が高いので、超音波断層画像を得るための超音波観察用等として有用である。
【０００１】
本発明は超音波診断装置等に用いられる超音波振動子に関する。
【背景技術】
【０００２】
医療分野においては、超音波振動子から生体組織に向けて超音波を送信すると共に生体組織から反射される反射波を、超音波を送信した超音波振動子と同一あるいは別体に設けた超音波振動子で受信して信号処理を行って画像化することにより生体組織の情報を得る超音波診断装置が従来より種々提案されている。
【０００３】
このような超音波診断装置などに用いられる超音波振動子として、複数の圧電素子を規則的に配列した電子走査方式の超音波振動子がある。この超音波振動子には数多くの圧電素子が整列配置されており、それぞれの圧電素子には超音波観測装置から延出する信号線が電気的に接続されている。そして、前記圧電素子と前記信号線との電気的な接続は、配線基板或いはリード線によって行われている。
【０００４】
例えば、特公平４−１９８５８号公報のアレイ型超音波探触子では圧電振動子の配列間隔に略等しい間隔にて複数の基板電極を整列してプリントされているフレキシブル基板によって、このフレキシブル基板の基板電極とそれぞれの圧電振動子とを接着によって電気的に接続している。
【０００５】
また、特許２５０２６８５号公報の超音波探触子の製造方法ではフレキシブルの電気端子と曲面体上フレキシブル基板とを金線等のワイヤを用いて、ワイヤボンディング等によって各チャンネル毎に１対１で接続していた。
【０００６】
さらに、特許３２４８９２４号公報には、圧電材料とフレキシブルプリント回路基板とを平行もしくは平行に近い状態に保ちながら信号電極とリード線を電気的に接続し切り込んで各圧電素子を形成することによって、超音波送受波特性の良い超音波探触子の製造方法が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】
特公平４−１９８５８号公報
【特許文献２】
特許２５０２６８５号公報
【特許文献３】
特許３２４８９２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前記特公平４−１９８５８号公報のアレイ型超音波探触子では、フレキシブル基板の各電極と圧電振動子の各電極との位置合わせを行った後、接着固定して電気的接続を行っているが、この作業は熟練を要する作業の一つで、コストアップの要因になっていた。
【０００９】
また、前記特公平４−１９８５８号公報のアレイ型超音波探触子及び特許３２４８９２４号公報の超音波探触子の製造方法では、フレキシブル基板を曲げ状態にすることによってこのフレキシブル基板の弾性力が残留応力となることによって不具合が生じるおそれがある。
【００１０】
さらに、前記特許２５０２６８５号公報の超音波探触子の製造方法では、ワイヤを用いて、ワイヤボンディング等によって各チャンネル毎に１対１で接続していたため、残留応力の発生に加えて、配線のための空間が必要になるために小型化が制約されるとともに、配線作業が複雑且つ繁雑であるため信頼性に欠けるばかりでなく、コストアップの要因になっていた。
【００１１】
又、前記特許３２４８９２４号公報の超音波探触子の製造方法では、溝にＦＰＣを差し込み、信号電極と銅箔テープとを接着部を設けて接続し、その後、ダイシングを行って圧電素子切り込み及びチャンネル切り込みを形成し、その後、ダイシングによって分割された共通電極を一体にするために接着部を設けていたため、作業性が煩雑であるとともに、残留応力によって接着部が剥離して不具合が発生するおそれがあった。そして、切り込みを行った際に、接着部が剥離する等の不良が発生した場合、不良箇所の修正を行うことが難しく、歩留りが悪かった。
加えて、接着部を設けてフレキシブル基板を圧電素子に固定することによって、負荷重量によって各圧電素子の振動が抑制されるという不具合が発生する。
【００１２】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、圧電素子の振動が抑制されること及び残留応力による不具合の発生を防止し、作業性に優れ、歩留りの向上、コスト低減を図れ信頼性の高い超音波振動子の提供及びその製造方法を提供することを目的にしている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の超音波振動子は、少なくとも硬質な材料で形成された層を含む音響整合層と、前記音響整合層を構成する硬質な材料で形成された層の所定位置に積層固定される、両平面部に電極をそれぞれ設けた圧電体と、前記音響整合層を構成する硬質な材料で形成された層の面に積層配置されて、前記圧電体に隣接固定される、前記圧電体の一面側電極と電気的に接続される所定間隔で配列された複数の導電パターンを少なくとも一面側に形成した基板と、を備える超音波振動子であって、前記音響整合層の硬質な材料で形成された層の所定面側に設けられ、前記圧電体の他面側電極と電気的に接続されるグランド電極と、前記圧電体の一面側電極側に設けられて前記複数の導電パターンと前記一面側電極とを電気的に接続し、前記圧電体及び前記基板を所定数に分割する前記音響整合層の所定深さに到達する分割溝によって、前記基板上の分割された導電パターンと前記圧電体の分割された一面側電極とをそれぞれ電気的に接続する導電部材に分割される導電膜部と、前記分割溝で分割されたグランド電極を電気的に接続する、当該超音波振動子の形状を形成する形状形成部材に設けられた導電部とを具備している。そして、本発明の超音波振動子の製造方法は、少なくとも硬質な材料で形成された音響整合層にグランド電極を設ける工程と、硬質な材料から音響整合層に電極を有する所定形状の圧電体を固定して第１積層体を形成する工程と、硬質な材料で形成された音響整合層面に、所定間隔で形成した複数の導電パターンを有する所定形状の基板を、圧電体に隣接固定して第２積層体を形成する工程と、圧電体の電極と基板の導電パターンとを一体で電気的に接続する導電部材を設ける工程と、導電部材を設けて電気的に接続された圧電体及び基板に所定間隔及び所定深さ寸法の分割溝を形成する工程とを具備している。したがって、対応する圧電体の電極と基板の導電パターンとの電気的な接続を容易に行うことができるので、超音波振動子の小型化が可能になるとともに、作業性の向上及びコストの低減を図れる。また、圧電体の電極と基板の導電パターンとの電気的接続箇所に不良があった場合には容易に修正を行って歩留りの向上も図れる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、圧電素子の振動が抑制されること及び残留応力による不具合の発生を防止し、作業性に優れ、歩留りの向上、コスト低減を図れ、信頼性の高い超音波振動子の提供及びその製造方法を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】超音波振動子を示す斜視図
【図２Ａ】超音波振動子の構成を説明する長手方向断面図
【図２Ｂ】図２Ａの矢印Ｂで示す部分の拡大図
【図２Ｃ】図２Ａの矢印Ｂで示した部分の他の構成例を説明する図
【図２Ｄ】図２Ａの矢印Ｂで示した部分の他の構成例を説明する図
【図２Ｅ】図２Ａの矢印Ｃで示す部分の拡大図
【図３】図２ＡのＡ−Ａ線断面図
【図４Ａ】音響整合層を形成する部材を説明する図
【図４Ｂ】音響接合層を説明する図
【図５Ａ】第１積層体を形成する部材を説明する図
【図５Ｂ】第１積層体を説明する図
【図６Ａ】第２積層体を形成する部材を説明する図
【図６Ｂ】第２積層体を説明する図
【図７】基板の導電パターンと圧電セラミックの一面側電極とを電気的に接続する工程を説明する図
【図８Ａ】分割溝を形成して圧電セラミックを圧電素子に分割している状態を示す図
【図８Ｂ】切断工程により形成された分割溝を有する第２積層体を切断方向から見た側視図
【図９】複数の圧電素子を設けた第２積層体を円筒状に変形させた図
【図１０Ａ】円筒状の振動子ユニットを形成する部材を説明する図
【図１０Ｂ】第１音響整合層に形状形成部材を配置した状態を説明する図
【図１０Ｃ】基板に形状形成部材を配置した状態を説明する図
【図１１Ａ】コンベックスアレイ型振動子ユニットを形成するための形状形成部材及び第２積層体を示す図
【図１１Ｂ】リニアアレイ型振動子ユニットを形成するための形状形成部材及び第２積層体を示す図
【図１２Ａ】修正用マスク部材を使用して電気的接続不具合箇所の修正を行っている状態を説明する図
【図１２Ｂ】電気的接続不具合箇所の修正を金属部材と導電性接着部を設けて行った状態を示す図
【図１３】段差を有する圧電体と基板との電気的接続を説明する図
【図１４Ａ】他面側電極と導電パターンとの間の電気的な絶縁を図る一構成例を説明する図
【図１４Ｂ】他面側電極と導電パターンとの間の電気的な絶縁を図る他の構成例を説明する図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明を、添付の図面にしたがってより詳細に説明する。
第１図に示すように本実施形態に係る超音波振動子１はラジアルアレイ型に構成したものである。超音波振動子１は、音響整合層２、バッキング材３、円筒状に形成した第１の振動子形状形成部材４ａ、第２の振動子形状形成部材（以下、形状形成部材と略記する）４ｂ及び圧電素子５とを有する。音響整合層２は、硬質の材料で形成された第１音響整合層２ａと、軟質の材料で形成された第２音響整合層２ｂとを積層して形成される。ここで「硬質」とは、予め形成した形状を保つことができる程度の硬さを意味する。一方、「軟質」とは変形などに関して柔軟性を有することを意味する。
【００１７】
第２Ａ図及び第３図に示すようにバッキング材３、圧電素子５、第１音響整合層２ａ及び第２音響整合層２ｂは、超音波振動子１の円筒形状の中心から外周側に向けて順に配置される。第１の形状形成部材４ａは音響整合層２を構成する第１音響整合層２ａの内方向で、バッキング材３及び圧電素子５の一端側に隣接するように配置される。圧電素子５の他端側には基板６が配置される。
【００１８】
なお、基板６も超音波振動子１等の形状に倣い円筒状に形成される。基板６としては、例えば３次元基板、アルミナ基板、ガラスエポキシ基板、リジットフレキシブル基板、フレキシブル基板等が用いられる。
【００１９】
第２の形状形成部材４ｂは基板６の内周側で、バッキング材３の他端側に隣接するように配置される。また、超音波振動子１の第１の形状形成部材４ａが配置される側である一端側には音響整合層２が圧電素子５よりも長手軸方向に突出するように配置されている。
【００２０】
音響整合層２は、前述した通り第１音響整合層２ａ及び第２音響整合層２ｂで構成されるが、第１音響整合層２ａの材料としては、例えばエポキシ系、シリコーン系、ポリイミド系等の樹脂部材に、金属、セラミックス、ガラス等の粉体や繊維を混合したもの、あるいはガラス、マシナブルセラミックス・シリコン等が用いられる。一方、第２音響整合層２ｂの材料としては、例えばシリコーン系、エポキシ系・ＰＥＥＫ・ポリイミド・ポリエーテルイミド・ポリサルフォン・ポリエーテルサルフォン・フッ素系樹脂等の樹脂部材やゴム等が用いられる。
第１図及び第３図に示すように第１音響整合層２ａ及び圧電素子５は所定数、例えば１９２個に分割されて配列される。
【００２１】
バッキング材３としては、例えばアルミナ粉末入りのエポキシ樹脂を硬化させたものが用いられる。なお、バッキング材３として、エポキシ系、シリコン系、ポリイミド系、ポリエーテルイミド、ＰＥＥＫ・ウレタン系・フッ素系等の樹脂部材やクロロプレンゴム・プロピレン系ゴム・ブタジエン系ゴム・ウレタン系ゴム・シリコーンゴム・フッ素系ゴム等のゴム材、又はこれら樹脂部材やゴム材にタングステン等の金属、アルミナ・ジルコニア・シリカ・酸化タングステン・圧電セラミックス粉・フェライト等のセラミックス、ガラス、樹脂等の粉体や繊維、中空の粒子などで形成された単一又は複数の物質・形状のフィラーを混合したものを用いても良い。
【００２２】
圧電素子５は、板状に形成されたチタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸鉛・チタン酸バリウム系・ＢＮＴ−ＢＳ−ＳＴ系等の圧電セラミック又は、ＬｉＮｂＯ３・ＰＺＮＴ等の圧電性結晶・リラクサー強誘電体を切断して形成したものである。一面側電極５ａ及び他面側電極５ｂは板状の圧電セラミックの面上に金、銀、銅あるいはニッケル・クロム等の導電部材を焼付け又は蒸着・スパッタ・イオンプレーティング等の薄膜又はメッキ等により、単層・多層又は合金層として予め設けたものである。
【００２３】
ここで、第２Ａ図における範囲Ｂの部分拡大図である第２Ｂ図ないし第２Ｄ図及び範囲Ｃの部分拡大図である第２Ｅ図に基づき、超音波振動子１における導電系につき説明する。
第２Ｂ図に示すように圧電素子５の内周側には一面側電極５ａが設けられ、外周側には他面側電極５ｂが設けられている。音響整合層２を構成する第１音響整合層２ａの内周側には略全周に亘ってグランド電極８が配置形成される。音響整合層２を構成する第１音響整合層２ａの内周側かつ第１の形状形成部材４ａの一端には、グランド電極８と接するように導電部７が配置形成される。
なお、グランド電極８の配置については、製造方法の記載と併せて後述する。
【００２４】
第１の形状形成部材４ａは、第１音響整合層２ａの内周面に対して導電部材、例えば導電接着剤（不図示）で接着固定される。これにより導電部７とグランド電極８とが電気的に導通された状態になる。なお、導電部材は導電接着剤に限定されるものではなく、半田や銀ロウ、金ロウ等の金属ロウ部材、或いは導体被膜等であってもよい。
このように、他面側電極５ｂと、導電部７と、グランド電極８とが電気的に接続される。
【００２５】
第２Ｂ図にあっては他面側電極５ｂと導電部７とが一体的に形成されるが、他面側電極５ｂと、導電部７と、グランド電極８とは、電気的に等位となるように接続されれば良い。例えば第２Ｃ図に示すように、グランド電極８が音響整合層２の一端側まで連続して設けられるようにしても良い。
【００２６】
また、第２Ｄ図に示すように、第１の形状形成部材４ａの長手軸方向の長さである厚みより少量だけ長く形成して他面側電極５ｂ及び導電部７に長手方向前後の一部分のみが接するように形成しても良い。この場合は、グランド電極８が外側に露出する構成とし、導電部４ａとグランド電極６との間を、導電性樹脂・導電性塗料等の導体材料や、各種の導体薄膜・導体厚膜・メッキ等の導体皮膜で電気的な導通状態とする。また、これらの材料を組み合わせて用いても良い。
【００２７】
第２Ｅ図に示すように、圧電素子５と基板６とが隣接する部位の近傍にあっては、基板６の内周側に設けられた導電パターン６ａと、一面側電極５ａとを電気的に接続するように、導電部材９がバッキング材３の内周側に配置される。
【００２８】
第４Ａ図から第１０Ｃ図までを参照して、上述のように構成される超音波振動子１を製造する方法を説明する。
超音波振動子１を製造する方法は以下の工程で形成される。
【００２９】
（１）音響整合層２を形成する工程
音響整合層２を形成するために、まず、第４Ａ図に示すように所定寸法及び所定形状で、かつ所定の音響インピーダンス値に調整された第１音響整合層２ａ及び第２音響整合層２ｂを用意する。そして、第１音響整合層２ａの一面側の所定位置には板状のグランド電極８を配置する。
【００３０】
次に、第４Ｂ図に示すように第１音響整合層２ａと第２音響整合層２ｂとを一体的に積層して音響整合層２を形成する。このとき、第２音響整合層２ｂを、グランド電極６が設けられていない第１音響整合層２ａの他面側に配置する。音響整合層２は、各々を所定厚さとした後に一体化しても、一体化させた後に所定厚さにしても、接合せずに一方に他方を塗布、注型、成膜等により直接形成しても良く、これらの組合せにより形成しても良い。
【００３１】
なお、グランド電極８は、第１音響整合層２ａの所定位置に形成した所定幅寸法及び深さ寸法の溝１１に、所定幅寸法及び厚み寸法に形成した板状の導電部材１２を接着して配置しても良い。また、グランド電極８は、溝１１に所定幅寸法で前記深さ寸法より厚めに形成した板状の導電部材を接着して配置しても良い。また、グランド電極８は、図示しない導電樹脂等を突出するように塗布或いは充填した後、この導電部材の突出部分を第１音響整合層２ａの面と面一致状態になるように加工して形成しても良い。また、グランド電極８は、所定厚み寸法より厚めに形成した第１音響整合層２ａの溝１１内に導電部材を接合ないし塗布或いは充填した後、全体を所定厚み寸法になるように加工して形成しても良い。また、グランド電極８は、各種の導体膜で形成しても良い。
【００３２】
そして、グランド電極８には、例えば導電性樹脂・導電性塗料・金属等の導体材料や、各種の導体薄膜・導体厚膜・メッキ等の導体皮膜が使用される。
【００３３】
（２）第１積層体を形成する工程
前記第１の工程により形成された音響整合層２と、一面側電極５ａ及び他面側電極５ｂを圧電素子の両面に設けた圧電セラミック１３とから、第１積層体２１を形成する。圧電セラミック１３は、音響整合層２の長さ寸法より所定寸法だけ短く形成され、幅寸法は略同一寸法で形成され、厚み寸法は所定寸法に形成される。
【００３４】
具体的には、まず、第５Ａ図に示すように音響整合層２及び圧電セラミック１３を準備する。
次に、第５Ｂ図に示すように音響整合層２のグランド電極８が形成された面に、圧電セラミック１３の他面側電極５ｂを、グランド電極８と少なくとも一部が接触するよう、略矩形状の音響整合層２の一辺から所定量である例えば距離ａだけオフセットした位置に接着固定する。
【００３５】
こうして、他面側電極５ｂと圧電セラミック１３のグランド電極６とが電気的導通状態とされた一体的な第１積層体２１が形成される。このとき、グランド電極６が配置されている音響整合層２の一端面側が圧電セラミック１３の一端面側から距離ａだけ突出した状態になる。
【００３６】
（３）第２積層体を形成する工程
前述した工程で形成された第１積層体２１及び導電パターン６ａから第２積層体２２を形成する。
【００３７】
まず、第６Ａ図に示すように第２工程で形成した第１積層体２１と、例えば一面側に複数の導電パターン６ａ，…，６ａが所定の間隔で規則的に配列された基板６とを準備する。この基板の厚み寸法は、圧電セラミック１３の厚み寸法と略同寸法である。
【００３８】
次に、第６Ｂ図に示すように導電パターン６ａ，…，６ａを上向きにした状態で、基板６を圧電セラミック１３に隣接するように配設し、第１音響整合層２ａに対して接着固定する。
こうして、第１音響整合層２ａの面上に圧電セラミック１３と基板６とが隣接して配置された第２積層体２２が形成される。なお、基板６の幅寸法及び長さ寸法は所定寸法に設定される。
【００３９】
（４）基板の導電パターン６ａ，…，６ａと圧電セラミック１３の一面側電極５ａとを電気的に接続する工程
第７図に示すように第２積層体２２の導電パターン６ａが形成されている基板７及び一面側電極５ａが設けられている圧電セラミック１３の表面の所定位置に図示しないマスク部材を配置し、膜部材である導電性塗料又は導電性接着剤等を塗布したり、金、銀、クロム、二酸化インジウム等の金属や導体を蒸着、スパッタ、イオンプレーティング、ＣＶＤ等の方法で付着させて、導電膜部１４を設ける。
こうして導電膜部１４を形成することにより、導電パターン６ａ，…，６ａと一面側電極５ａとが電気的に接続される。
【００４０】
（５）圧電セラミック１３を複数の圧電素子５，…，５に分割する工程
第８Ａ図に示すように圧電セラミック１３及び基板６の表面側から音響整合層２を構成する第１音響整合層２ａを通過させて第２音響整合層２ｂの一部に到達する所定深さ寸法で所定幅寸法又は所定形状の分割溝１５を長手方向に対して直交する方向に所定ピッチで形成していく。尚、この分割溝１５は、図示しないダイシングソー又はレーザ装置等の切断手段を用いて形成する。このとき、前記切断手段を２つの導電パターン６ａ、６ａを分割する中央線上に配置させる。
【００４１】
この工程にあっては、複数の導電パターン６ａ，…，６ａを設けた基板６が、少なくとも１つの導電パターン６ａが配置された複数の基板６，…，６に分割されるとともに、圧電セラミック１３も複数個に分割される。このとき、導電膜部１４は複数の導電部材９に分割される。このことによって、１つの音響整合層２上に、個々の導電パターン６ａを導電部材９で電気的に接続した圧電素子５，…，５が複数個配列されるようになる。
【００４２】
第８Ｂ図に示すように第２積層体２２に分割溝１５を所定ピッチで所定個数形成する。このことによって、圧電セラミック１３、基板６、導電膜部１４及び第１音響整合層２ａが所定個数に分割されて、圧電セラミック１３及び基板６から形成されていた第２積層体２２が、複数の圧電素子５，…，５及び複数の基板６，…，６を配置した積層体群で形成された第２積層体２２ａになる。言い換えれば、音響整合層２を構成する柔軟性を有する第２音響整合層２ｂに、複数の圧電素子５，…，５を配列した状態になると言える。
【００４３】
次いで、第２音響整合層２ｂが最外周側に配置されるように第２積層体２２ａを曲げ変形させて、第９図に示すように第２積層体２２ａを円筒形状に形成する。
【００４４】
なお、分割溝１５を形成した後、超音波振動子１を形成するに当たって不要になる、例えば第８Ａ図の斜線に示す音響整合層２を除去する。また同様に、第２積層体２２を構成する各部材について、例えば長さなどについては所定形状よりも大きいものを用い、最終的に不要部分を除去しても良い。さらに必要に応じ、それぞれの圧電素子５，…，５の一面側電極５ａと、基板６，…，６の導電パターン６ａとが導電部材９によって電気的に接続されているかの導通検査を行う。
【００４５】
（６）円筒状振動子ユニット（以下、円筒状ユニットと略記する）２３を形成する工程 前述の工程で形成された第２積層体２２ａと、第１及び第２の形状形成部材４ａ、４ｂとから円筒状ユニット２３を形成する。
【００４６】
具体的には、第１０Ａ図に示すように第２積層体２２ａを円筒状に形作った後、第１０Ｂ図に示すように第１の形状形成部材４ａを音響整合層２の第１音響整合層２ａに導電接着剤で一体的に接着固定する。また、第１０Ｃ図に示すように第２の形状形成部材４ｂを圧電素子５，…，５に隣設する基板６，…，６の内周面側に非導電性の接着剤によって一体的に接着固定する。
【００４７】
こうして、硬質の材料で形成された第１音響整合層２ａと、第１の形状形成部材４ａ及び基板６と、第２の形状形成部材４ｂとを接着固定することにより、第２積層体２２ａから所定の曲率の円筒状ユニット２３が形成される。このとき、分割された圧電素子５，…，５にそれぞれ設けられている他面側電極５ｂと導通状態となっているグランド電極８と、第１の形状形成部材４ａの導電部７とは一体的に導通状態となる。
【００４８】
導電部７には、図示しない超音波観測装置から延出するグランド線が接続され、容量が十分に大きいグランドが確保される。なお、第１の形状形成部材４ａを第１音響整合層２ａに非導電性接着剤により接着し、その後に導体薄膜、導電性樹脂、導体厚膜等によって電気的に接続するようにしても良い。
【００４９】
このように、圧電セラミック１３に設けた所定の電極及び形状形成部材の導電部と電気的に導通状態になるグランド電極８を音響整合層２に予め設け、このグランド電極８と圧電セラミック１３に設けた所定の電極及び形状形成部材の導電部７とを組立てる工程時に電気的に接続することによって、各圧電素子５，…，５にそれぞれ設けられている他面側電極５ｂを、導電部７によって一体になったグランド電極８に接続して大容量のグランドを確保することができる。
【００５０】
なお、本実施形態においては第１形状形成部材４ａ及び第２形状形成部材４ｂを用いてラジアルアレイ型の超音波振動子１を形成する工程を説明したが、本工程で示した形状形成部材４ａ、４ｂを使用する代わりに、第１１Ａ図に示すように例えば部分円筒形状等に形成した第３の形状形成部材４ｃ、第４の形状形成部材４ｄを上述と同様に所定形状で所定数に分割された圧電素子５，…，５を有する第２積層体２２ｂの第１音響整合層２ａに固定することによってコンベックスアレイ型振動子ユニットが形成するようにしてもよい。
【００５１】
なお、第１１Ｂ図に示すように、端部が平坦である平板状の形状形成部材４ｅを準備するとともに、上述の工程と同様に第２積層体２２ｃの第１音響整合層２ａに該平坦部が接するように形状形成部材４ｅを固定すると、リニアアレイ型振動子ユニットが形成される。さらに、形状形成部材の端部形状は円弧や直線に限定されるものではなく、これらの組合せや変形も可能であり、これにより複数個配列されるアレイを自由に配置することができる。よって、超音波の走査方向を自在に設定することができる。
【００５２】
このとき、グランド電極６と形状形成部材４ａの導電部７とが導通状態になる。この導電部７に図示しない超音波観測装置から延出するグランド線を接続することによって十分な容量のグランドが確保される。形状形成部材４ａは、固定を非導電性接着剤により行い、その後に導体薄膜、導電性樹脂、導体厚膜等によって電気的に接続しても、何ら問題はない。さらに、形状形成部材４ａの端部形状は円弧や直線に限定されるものではなく、これらの組合せや変形も可能であり、これにより複数個配列されるアレイを自由に配置することができ、よって超音波の走査方向を自在に設定することができる。
【００５３】
また、前記導通検査で不合格であった第２積層体２２ａのうち、一面側電極５ａと導電パターン６ａとの電気的な接続に不具合がある場合には、必要に応じ不具合箇所の圧電素子５の一面側電極５ａと基板７の導電パターン６ａとを電気的に接続する修正作業を行う。
【００５４】
その際、第１２Ａ図に示すように第２積層体２２ａを修正治具（不図示）に配置し、不良箇所の圧電素子５及び基板６の導電パターン６ａに対応する位置に修正用マスク部材２４の開口２４ａを配置した状態にする。その後、例えば導電性塗料又は導電性接着剤等を塗布して、圧電素子５の一面側電極５ａと基板６の導電パターン６ａとを電気的に接続する修正用導体膜部を設ける修理を行う。
【００５５】
そして、不具合箇所の修正を完了後に再度導通検査を行って、この検査に合格であった場合には修正した第２積層体２２ａを円筒状ユニット２３を形成する工程に廻す。
【００５６】
また、第１２Ａ図に示したように導電性塗料を塗布して、圧電素子５の一面側電極５ａと基板６の導電パターン６ａとを電気的に接続する代わりに、第１２Ｂ図に示すように不具合のある一面側電極５ａと導電パターン６ａとの上に金属部材２５を配置し、この金属部材２５を、一面側電極５ａ及び導電パターン６ａに例えば導電性接着部２６を設けたり超音波接合するなどして固定する。
【００５７】
こうして、不具合箇所の圧電素子５の一面側電極５ａと基板６の導電パターン６ａとを電気的に接続する修正作業を行える。
なお、これらの方法は、不具合部の修正のみならず、圧電素子５及び基板６の導電パターン６ａとの間の電気的接続行為そのものにも使用できることは言うまでもない。
【００５８】
（７）バッキング材を形成する工程
バッキング材３は、圧電素子５の一面電極５ａ側に、フェライト入りゴム材・アルミナ粉入りエポキシ等を材料として用い、接着・注型等の方式により形成することにより前記第１図ないし第３図に示したような構成のラジアルアレイ型の超音波振動子を形成する。 なお、本実施形態においては圧電セラミック１３及び基板７の厚さ寸法を略同一としているが、圧電セラミック１３及び基板６の厚さ寸法は略同一に限定されるものではない。
【００５９】
例えば第１３図に示すように圧電セラミック１３と基板６の厚さ寸法が異なっている場合でも、圧電素子５の一面側電極５ａと基板６の導電パターン６ａとの電気的接続を前記薄膜や導電性塗料又は導電性接着剤等で形成した導電膜部１４などによる電気的接続部を設けた後、一点鎖線に沿って分割することによって、音響整合層２上に導電パターン６ａを導電部材９で電気的に接続した圧電素子５，…，５が配列される。
【００６０】
このように、圧電体に基板を隣接させて配置するとともに、基板に設けられている導電パターンと、この導電パターンに電気的に接続される圧電体の電極とを同一の向きに配置することによって、対応する圧電体の電極と基板の導電パターンとの電気的な接続を容易に行うことができる。
また、圧電体と基板との厚み寸法に関わらず、対応する圧電体の電極と基板の導電パターンとの電気的な接続を容易に行うことができる。
【００６１】
これらのことによって、超音波振動子の小型化が可能になるとともに、作業性の向上及びコストの低減を図れる。また、圧電体の電極と基板の導電パターンとの電気的接続箇所に不良があった場合には容易に修正を行って歩留りの向上も図れる。
【００６２】
尚、本発明は、以上述べた実施形態のみに限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能である。例えば、本実施形態では基板６を圧電素子５に併設配置し導電部材により両者を電気的に接続したが、これに限定されるものではなく、例えばバッキング材の内部又は側面に基板を位置させたり、フレームと基板とを合一すること、基板と圧電素子とを金属細線等で接続しても良い。
【００６３】
また、例えば、第１４Ａ図及び第１４Ｂ図に示すように、導電パターン６ｂを基板７の一端面から一主面に連続的に設けることで、この導電パターン６ｂのアレイ外部への取り出し端子を、外周に配置するように設計することが可能になる。このことによって、超音波振動子を製品に搭載する際に、設計の自由度が拡大するという効果を得られる。この際には、図に示すように、基板６の形状或いは圧電素子５の電極５ｂの形状等を調整して、導電パターン６ｂと電極５ｂとの間の電気的絶縁が確保される。
【００６４】
尚、本発明は、以上述べた実施形態のみに限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能である。
【産業上の利用可能範囲】
以上のように、本発明にかかる超音波振動子は、コスト低減が図られ、かつ信頼性が高いので、超音波断層画像を得るための超音波観察用等として有用である。
Claims (11)
- 少なくとも硬質な材料で形成された層を含む音響整合層と、前記音響整合層を構成する硬質な材料で形成された層の所定位置に積層固定される、両平面部に電極をそれぞれ設けた圧電体と、前記音響整合層を構成する硬質な材料で形成された層の面に積層配置されて、前記圧電体に隣接固定される、前記圧電体の一面側電極と電気的に接続される所定間隔で配列された複数の導電パターンを少なくとも一面側に形成した基板と、を備える超音波振動子において、
前記音響整合層の硬質な材料で形成された層の所定面側に設けられ、前記圧電体の他面側電極と電気的に接続されるグランド電極と、
前記圧電体の一面側電極側に設けられて前記複数の導電パターンと前記一面側電極とを電気的に接続し、前記圧電体及び前記基板を所定数に分割する前記音響整合層の所定深さに到達する分割溝によって、前記基板上の分割された導電パターンと前記圧電体の分割された一面側電極とをそれぞれ電気的に接続する導電部材に分割される導電膜部と、
前記分割溝で分割されたグランド電極を電気的に接続する、当該超音波振動子の形状を形成する形状形成部材に設けられた導電部と、
を具備することを特徴とする超音波振動子。 - 前記導電膜部は、金属ロウ、超音波接合、接着剤で接続固定される導電性部材、導電性接着剤、導電性塗料、焼付け、スパッタ、イオンプレーティング、ＣＶＤ又は蒸着の中のいずれか及びこれらの組合わせによって設けられる導電性の膜部材であることを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子。
- 前記膜部材は、厚膜であることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか一つに記載の超音波振動子。
- 前記膜部材は、薄膜であることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか一つに記載の超音波振動子。
- 前記圧電体の厚み寸法及び前記基板の厚み寸法を略同一に設定したことを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子。
- 前記分割溝が到達する前記音響整合層は、前記硬質な材料で形成された層とは異なる軟質な材料で形成された層であることを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子。
- 少なくとも硬質な材料で形成された音響整合層にグランド電極を設ける工程と、
前記硬質な材料から音響整合層に電極を有する所定形状の圧電体を固定して第１積層体を形成する工程と、
前記硬質な材料で形成された音響整合層面に、所定間隔で形成した複数の導電パターンを有する所定形状の基板を前記圧電体に隣接固定して第２積層体を形成する工程と、
前記圧電体の電極と前記基板の導電パターンとを一体で電気的に接続する導電部材を設ける工程と、
前記導電部材を設けて電気的に接続された圧電体及び基板に所定間隔及び所定深さ寸法の分割溝を形成する工程と、
を具備することを特徴とする超音波振動子の製造方法。 - 前記圧電体の厚み寸法及び前記基板の厚み寸法を略同一に設定したことを特徴とする請求項７に記載の超音波振動子の製造方法。
- 前記導電部材は膜部材であることを特徴とする請求項７または請求項８のいずれか一つに記載の超音波振動子の製造方法。
- 前記膜部材は厚膜であることを特徴とする請求項７ないし請求項９のいずれか一つに記載の超音波振動子の製造方法。
- 前記膜部材は薄膜であることを特徴とする請求項７ないし請求項９のいずれか一つに記載の超音波振動子の製造方法。
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