JPH01244681A

JPH01244681A - 複合圧電体

Info

Publication number: JPH01244681A
Application number: JP63071480A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Arai; 新井　保夫; Chitose Nakatani; 中谷　千歳; Yutaka Sato; 裕佐藤
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Metals Ltd; Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd; Proterial Ltd
Priority date: 1988-03-25
Filing date: 1988-03-25
Publication date: 1989-09-29

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は９通常１−３型と呼ばれる複合圧電体。

すなわち３次元に連結した有機物中に、１次元に連結し
たセラミックスからなる圧電体を多数埋設した構造の複
合圧電体に関するものであり、特に電気機械結合係数が
高く、かつ音響インピーダンスが低い複合圧電体の構造
に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、医療分野においては生体組織を断層像として表示
観察するために超音波診断装置を効果的に使用している
。このような診断装置は超音波の送受信によって断層像
をリアルタイムで診断することができることと、安全性
が極めて高いものであるため、最近になって急速に普及
してきたものである。しかしながら、超音波診断にはか
なりの熟練を要するため、感度２分解能等の性能向上に
よる診断機能の向上が望まれている。一方上記の機能向
上のためには、センサ一部を構成する圧電材料の高性能
化が必要であり、電気機械結合係数が高く、音響インピ
ーダンスが生体に近い低い値のものが望ましい。

上記の圧電材料としては、ジルコン酸チタン酸鉛系セラ
ミックス（以下ＰＺＴと記す）若しくはチタン酸鉛系セ
ラミックス（以下ＰＴＯと記す）等の無機圧電材料の他
に、ポリフッ化ビニリデン（以下ｐｖｐｚと記す）等の
有機圧電材料がある。しかし上記材料のうち、　ＰＺＴ
およびＰＴＯは電気機械結合係数が極めて高い反面にお
いて音響インピーダンスも高いという欠点がある。また
一方のＰＶＦ！は音響インピーダンスが低いが、電気機
械結合係数もまた低い値であり９両特性値を同時に満足
する材料が存在しない。

最近、上記無機圧電材料と有機材料との組み合わせによ
る複合圧電体が提案されており、このうち電気機械結合
係数の高い、すなわち変換効率の高い無機圧電材料から
なる複数個の柱状圧電体を樹脂その他の有機材料からな
る有機体で支持した構成のものが医療用の超音波探触子
として検討されている。

第３図（ａｌ　（ｂｌは各々上記従来の複合圧電体を製
造する手段を説明する図である。まず第３図（ａ）に示
すものは１例えばＰＺＴからなる圧電体板１に９回転ブ
レード２を介して厚さ方向に途中の深さまで綱目状に複
数個の溝３を設け、これらの溝３に樹脂（図示せず）を
充填硬化させた後、適宜の厚さに切断研磨して複合圧電
体とするものである。また第３図（ｂｌに示すものは、
平滑に研磨仕上した基板４上に、薄板状に形成した上記
同様材料からなる圧電体板１を仮接着し、ダイシングソ
ー等の切断工具を介して綱目状に、かつ厚さ方向に完全
に切断して複数個の柱状圧電体５を形成し、切断により
形成した複数個の溝３内に樹脂６を充填硬化させた後、
基板４から剥離して複合圧電体とするものである。なお
上記複合圧電体を構成する圧電体の表裏面には電極を形
成して、圧電体を駆動し。

および／または信号の外部への取出しのためのリード線
を装着する必要があり、蒸着法若しくはスクリーン印刷
法等の手段によって導電性金属材料からなる薄膜によっ
て前記電極を形成するのが通常である。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記構造の複合圧電体を例えば医療用超音波探触子の構
成要素として使用する場合には、単位素子を構成するア
レー数が大である稈屑像度が高く。

高性能化することができることは当然であるが。

このような複合圧電体においては前記柱状圧電体が極め
て微小寸法となり、切断溝の幅寸法により有効変位部分
が極めて小さくなる。更にこれらの柱状圧電体表裏面に
設ける電極は、一般に前記のような蒸着法若しくはスク
リーン印刷によるものが多いため、形成される薄膜の厚
さが０．２〜０．３μｌにすぎない。この結果信号取出
しのためのリード線の取付けにははんだ付けを使用する
ことができず（はんだによる薄膜の食われ発生）、限ろ
う焼付は若しくは接着剤等によらざるを得ない。

従ってリード線取付は作業が著しく困難であると共に２
通常０．１〜０．２ｍｍφのリード線の取付は後の絶縁
性を確保することが困難であり、信頼性を著しく低下さ
せるという問題点がある。なお上記電極をマスキング手
段のみによって設ける場合においては、マスキング材の
幅寸法を大幅に微小化することは物理的に不可能である
ため、柱状圧電体の有効変位部分の面積が減少し、高い
電気機械結合係数を有する圧電材料本来の特性を活用す
ることができないという問題点がある。

本発明は、上記従来技術に存する問題点を解決し、電気
機械結合係数が高く、かつ音響インピーダンスの低い高
性能かつ高精度の複合圧電体、特にリード線の取付けを
簡便にするためのはんだ対応の電極層を有するリード線
ガイドを設けた複合圧電体を提供することを目的とする
。

〔課題を解決するための手段〕

上記従来技術に存在する問題点を解決するために１本発
明においては。

Ａ、圧電材料からなる複数個の圧電体を有機材料からな
る有機体を介して直角方向のピッチ各々ｐ＋＋　ｐｚに
て網目状に配設する。

Ｂ、上記ピッチル１若しくはｐ、何れか一方の方向に延
びる一対の平行端縁を有する平板に形成する。

Ｃ１前記複数個の圧電体の表裏両面に電極を設け。

前記平板の平行端縁に有機材料からなるリード部材を平
板と一体に固着する。

Ｄ、リード部材の外方には、対向する一対のリード部材
間のピッチＰ　（Ｐ＝２ｎｐ＋若しくはＰ＝２”ｐｔ　
；　ｎは１以上の正の整数）、同一リード部材上におけ
るピッチ２Ｐなる複数個の凹部を配設する。

Ｅ６　リード部材の長手方向と交差する方向に配設した
少なくとも１列の前記圧電体の表面に、それらの電極を
電気的に接続する導電帯を設ける。

Ｆ、前記リード部材の凹部にメッキ層を設ける。

Ｇ、この電極層と前記導電帯とを電気的に接続する。

という技術的手段を採用したのである。

〔作　用〕

以上の構成により、圧電材料からなる圧電体板を微小寸
法の柱状圧電体に形成すると共に、これらの柱状圧電体
を有機材料からなる有機体によって一体的に支持し、か
つ圧電体板の平行端縁部に一対のリード部材を一体的に
固着してなる複合圧電体を得ることができるのである。

〔実施例〕

第１図は本発明の実施例を示す要部拡大斜視図である。

同図において１０はＰＺＴ板であり、一対の平行端縁１
０ａを有し厚さｔなる平板状若しくは帯板状に形成する
と共に、ポリウレタン系若しくはエポキシ系等の樹脂材
料からなり幅−に形成した有機体１３を介して複数個の
圧電体１２をピッチｐにて配設する。次に１４はリード
部材であり１例えば接着剤を介してＰＺＴ板１０の両手
行端縁１０ａに一体に固着する。リード部材１４は９例
えば前記有機体１３を構成するポリウレタン系若しくは
エポキシ系等の樹脂に１例えばＰＺＴ粉体を混入してな
る材料により、外方に複数個の凹部１５をラック歯状に
設けた形状に成形する。なおリード部材１４に設ける凹
部１５のピッチＰは、対向する一対のリード部材１４、
１４間においてＰ　＝　２ｎｐ　（ｎは１以上の正の整
数；本実施例の場合ｎ＝１）、同一リード部材１４上に
おけるピッチを２Ｐとすると好都合である０次にリード
部材１４の高さを所定寸法りに形成すると共に、前記凹
部１５が属するリード部材１４の上面に。

夫々高さり、なる導電部１６を穿設する。この場合り。

＜ｈ　、　ｈｌ≧ｔとするのがよい。次に２０は厚さ１
）に形成した例えばＮｉからなるメッキ電極層であり。

前記平行端縁１０ａと交差する例えば２列の圧電体１２
の表面に有機体１９を介して配設する。なお圧電体１２
の裏面に設けるメッキ電極層２０は、全面電橋として、
有機体１９による分割部を形成しない。またリード部材
１４の凹部１５および導電部１６にも上記と同様のメッ
キ電極層（図示せず）を形成すると共に、圧電体１２の
表面に設けたメッキ電極層２０と電気的に接続する。

上記の構成により、　１４ｍｍ　Ｘ　２２ｍｍ、厚さ０
．４１のＰＺＴ板内に、３５〜４０μｍの有機体１３を
介して、８０μｍ×８０μｍの微小柱状の圧電体１２を
、直角方向のピッチ各々１）０μ轡で配設した複合圧電
体を得た。なおＮｉメッキによるメッキ電極層２０の厚
さは。

リード部材１４の凹所１５および導電部夫々において２
μｍであった。従って凹所１５に０．１ｍ−φのリード
線をはんだによって確実に取付けることができ。

かつ夫々のリード線間の絶縁性は完全であることを確認
した。また上記複合圧電体の電気機械結合係数Ｋｔおよ
び音響インピーダンスＺａは表の通りであり、圧電体を
保持する有機体を形成する有機材料によって若干の差が
あるが、各々従来のものと比較して格段に優れた値を示
している。

次に前記構成の複合圧電体の製造方法について記述する
。第２図（ａ）〜（ｇ）は夫々本発明の実施例における
複合圧電体の製造工程の要部を示す拡大斜視図である。

まず第２図Ｔａｌに示すような厚さｔｏのＰＺＴ板１板
金０備する。この場合ＰＺＴ板の厚さｔｏは。

複合圧電体とした場合の厚さｔより若干大に形成してお
（０次にこのＰＺＴ　ｌ１ｉｔｌＯを平滑な基板（図示
せず）上にワックスその他の加熱軟化性樹脂を介して仮
接着し、第２図（ｂ）に示すようにＰＺＴ板１板金０面
に幅Ｗ、深さｄｌ　（ｄｌ　＜　ｔＪ　（深さｄｌにつ
いては第２図（ａ）参照）なる複数個の網目状に交差す
る溝１）を、一方をｐ、他方を２ｐなるピンチで穿設し
て。

複数個の柱状の圧電体１２を形成する。上記複数個の圧
電体１２は、　ＰＺＴ　ｖｉｌＯの底部にて一体に連結
した状態であるため、溝１）を穿設しても倒伏したり。

剥離散逸することはない。次に上記の溝１）内にポリウ
レタン系若しくはエポキシ系等の樹脂を充填硬化させ、
圧電体１２を支持する有機体１３を形成した後、加熱し
て前記ワックスを溶解させてＰＺＴ板１板金０離し、Ｎ
返して再び基板上に前記同様にして仮接着し、所定の厚
さｔに加工成形する。なお前記溝１）の深さｄｌはｄ、
＞ｔとなるように選定するのが好ましい。第２図中）は
上記のようにして形成したＰＺＴ板１板金０している０
次にＰＺＴ板１板金０行端縁１０ａに、第２図（Ｃ）に
示すようにリード部材１４を例えば接着材を介してＰＺ
Ｔ板１板金０体に固着する。リード部材１４を固着後、
凹部１５が属するリード部材１４の上面に第２図（ｄ）
に示すように導電部１６を穿設する。以上のように形成
した後、　ＰＺＴ板１板金０裏面、リード部材１４の凹
部１５および導電部１６に２例えばＮｉ等の導電性金属
材料からなる厚さｔ。

なるメッキ層（図示せず）を形成し、前記同様にしてワ
ックスを介して基板（図示せず）上に仮接着する。次に
複数個の圧電体１２を保持するように形成した有機体１
３のうち、ピッチ２ｐにて配設した有機体１３の中間に
１幅町深さｄｉ　（図示せず、但しｄ２≦１＋１．）な
る複数個の溝１７をピッチ２ｐで穿設して、複数個の圧
電体Ｉ２からなる群状整列複合圧電体１８を形成する。

なお′ａ１７内には前記と同様に樹脂を充填硬化させて
１群状整列複合圧電体１８を保持する有機体１９を形成
する。樹脂硬化後ＰＺＴ板１０およびリード部材１４を
基板から剥離すれば。

微小柱状の圧電体１２を内蔵する複合圧電体を得ること
ができる。第２図（ｅｌは上記のようにして形成した複
合圧電体であり、同一部分は前記第２図（ａｌ〜（ｄ）
と同一の参照符号で示す。同図において２０が厚さ１．
なるメッキ電極層（ハツチングで表示しである）であり
、微小柱状の複数個の圧電体１２の表裏面、導電部１６
および凹部１５の表面に夫々形成されていると共に、そ
れらは電気的接続状態にある。

なお上記メッキ電極層２０を形成する場合には、前処理
として酸その他のエツチング剤によってメッキ電極層２
０を形成すべき表面をエツチングするのであるが、この
エツチングによりリード部材１４中に混入するＰＺＴ粉
体が一部溶出してスパイク状の微小空孔を形成する。従
って通常はメッキ電極層２０を形成し難いとされている
樹脂材料から構成されるリード部材１４の導電部１６お
よび凹部１５の表面にメッキ電極層２０を容易に形成し
得るのである。

第２図（ｆ）　（ｇ）は各々本発明の他の実施例におけ
る複合圧電体の製造工程の要部を示す拡大斜視図であり
、同一部分は前記第２図（ａｌ〜ｔｅｌと同一の参照符
号で示す。まず第２図ｉｆ）に示すような厚さｔに形成
したＰＺＴ　Ｆｉｌｏを準備して、この表裏両面に例え
ばＮｉ等の導電性金属材料からなるメッキ電極層２０を
形成する０次にこのＰＺＴ板１板金０滑な基板（図示せ
ず）上にワックスその他の加熱軟化性樹脂を介して仮接
着し、第２図（幻に示すようにＰＺＴ板１板金０面に幅
−１深さａｔ　（図示せず、但しｄ２は前記実施例と同
様にａｔ≦ｔ　＋　ｔｌ）なる複数個の網目状に交差す
る溝１）をピッチｐにて穿設して、複数個の柱状の圧電
体１２を形成する。上記複数個の圧電体１２は、　ＰＺ
Ｔ板１板金０部若しくは底面のメッキ電極層２０によっ
て一体に連結した状態であるため、溝１）を交差して穿
設しても、前記圧電体１２が倒伏したり、剥離散逸する
ことはない。次に上記の溝１）内にポリウレタン系若し
くはエポキシ系等の樹脂を充填硬化させ、前記圧電体１
２を保持する有機体１３を形成した後、加熱して前記ワ
ックス番溶解させてＰＺＴ板１板金０離する。次に上記
のように形成したＰＺＴ板１板金０行端縁１０ａに、前
記実施例と同様に第２図（ｅ）に示すリード部材１４を
固着し。

リード部材１４を所定寸法りに加工すると共に、導電部
１６を穿設する（第２図（ｄ）参照）。交差して配設し
た有機体１３の何れか一方の表面に幅−（６１）なるマ
スキング材（図示せず）を２ｐのピッチで配設し、相隣
るマスキング材との間に例えばＮｉ等の導電性金属材料
からなる帯状のメッキ電極層を形成した後マスキング材
を剥離除去すれば、前記実施例と同様に、第２図（ｅ）
に示すような微小柱状の圧電体１２を内蔵する複合圧電
体を得ることができる。なお上記メッキ電極層を形成す
る前に行なうべきエツチングおよびリード部材の構成に
ついては、前記実施例と同様である。

本実施例においては、圧電材料がＰＺＴである場合につ
いて記述したが、　ＰＺＴ以外の圧電材料を使用するこ
とができる。また圧電体を支持するための有機体を形成
するために圧電体板に設けるべき網目状に交差する溝を
各々異なる幅ｗ１，１とすることができ、圧電体の配設
ピッチを直角方向において異なるピッチｐ＋＋　ｐｚと
してもよ（、更に網目の交差角を直角以外の任意の角度
とすることもできる。更に圧電体に圧電作用を行なわせ
るための導電部を形成すべき電極層をＮｉ以外の他の導
電性金属材料によって形成しても作用は同一である。

なお電極層の一方を共通電極として形成した例を示した
が２表裏両面を各々分割した構成としてもよい。また上
記電極層をメッキによって形成する場合には、圧電体表
面をエツチング処理すると電極層の形成を容易にするが
、この場合有機体の表面にも電極層の形成を促進するた
めに、有機材料中に圧電体粉末若しくは圧電体のエツチ
ング剤によって溶解若しくは除去され得る粉末を混入さ
せておくと、前記エツチング処理時に有機体表面の前記
粉末が溶解若しくは除去されてスパイク状の微小空洞を
形成するから、有機体表面への電極層の形成促進にも効
果的である。なお有機体の表面に設けるべきマスキング
材の配設ピッチはｎｌ）＋　（ｎは１以上の正の整数）
若しくはｎｌ）ｚとすることができ、複合圧電体の用途
その他を勘案してｎの値を定めることができる。また圧
電体の表裏両面ならびにリード部材の凹部および導電部
に設けるべき電極層をメッキ手段で形成する例を示した
が。

銀ペースト塗布その他の手段によってもよい。

〔発明の効果〕

本発明は以上記述のような構成および作用であるから、
下記の効果を期待し得る。

（１）ブロック状の圧電体板から薄板状に切断する加工
をせず、最終肉厚寸法に近似する厚さ寸法の圧電体板か
ら成形するため、微小柱状の圧電体を保持する有機体を
構成する有機材料には。

例えば可撓性に富み、かつ音響インピーダンスの低い材
料を自由に選定することができ、高性能かつ高精度の複
合圧電体を製造し得る。

（２）圧電体板から複数個の微小柱状の圧電体を形成す
る場合における圧電体の倒伏、剥離散逸等がな（、欠は
等の疵の発生がないため、複合圧電体の信鎖性を大幅に
向上させ得ると共に、製造歩留りが高い。

（３）素材である圧電体板は比較的薄いものを使用する
ため、有機体を形成するために圧電体板に穿設する溝の
幅寸法を極めて小とすることができ、高歩留り、高効率
の生産が可能である。

（４）　　圧電体の表裏両面に形成する電極層をメッキ
処理によって形成するものであるため、従来の蒸着膜に
よるものにおけるようなはんだによる食われが皆無とな
り、リード線の取付けが容易かつ確実となる。

（５）　　リード部材の凹所の配設ピッチが整列化した
圧電体の配設ピッチの２ｎ倍（ｎは１以上の整数）゛　
　であるため、微小間隔で圧電体を配設しても。

リード線間の絶縁性を充分に確保し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す要部拡大斜視図。第２図ｔａ＋〜（ＩＩＯは夫々本発明の実施例における
複合圧電体の製造工程の要部を示す拡大斜視図、第３図
ｉａ）　（ｂ）は各々従来の複合圧電体を製造する手段
を説明する図である。１）：溝、１２：圧電体、１３：有機体、１４：リード
部材、２０：メッキ電極層。第１図１２：圧電体　１３：有ＩＩ（本　１４ニリ一ド部材第
２図（（７）　　　　　　　　　　　　（ｂ）ＩＩ、１３１）、溝　　１２：圧電体　　１３：有機体　　１４−
リ〜ト部材第　　２　図１）：溝　１２：圧電体　　１３：有機体　　１４．リ
ート部材２０：ヌ−）〜電槽層第３図（Ｇ）（ｂ）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）圧電材料からなる複数個の圧電体を有機材料から
なる有機体を介して直角方向のピッチ各々ｐ＿１、ｐ＿
２にて網目状に配設すると共に、上記ピッチｐ＿１若し
くはｐ＿２何れか一方の方向に延びる一対の平行端縁を
有する平板に形成し、前記複数個の圧電体の表裏両面に
電極を設け、前記平板の平行端縁に有機材料からなるリ
ード部材を平板と一体に固着し、リード部材の外方には
、対向する一対のリード部材間のピッチＰ（Ｐ＝２ｎｐ
＿１若しくはＰ＝２ｎｐ＿２；ｎは１以上の正の整数）
、同一リード部材上におけるピッチ２Ｐなる複数個の凹
部を配設し、リード部材の長手方向と交差する方向に配
設した少なくとも１列の前記圧電体の表面に、それらの
電極を電気的に接続する導電帯を設け、前記リード部材
の凹部にメッキ層を設けると共に、この電極層と前記導
電帯とを電気的に接続したことを特徴とする複合圧電体
。
（２）圧電体を構成する材料がジルコン酸チタン酸鉛系
セラミックス若しくはチタン酸鉛系セラミックスである
請求項１記載の複合圧電体。
（３）有機体を構成する有機材料がポリウレタン系樹脂
若しくはエポキシ系樹脂である請求項１若しくは２記載
の複合圧電体。
（４）溝の交差角が直角である請求項１ないし３何れか
に記載の複合圧電体。
（５）圧電体の配設ピッチがｐ＿１＝ｐ＿２である請求
項１ないし４何れかに記載の複合圧電体。
（６）有機体を構成する有機材料とリード部材を構成す
る有機材料とが同一である請求項１ないし５何れかに記
載の複合圧電体。
（７）圧電体板の厚さｔとリード部材の厚さｈとがｔ≦
ｈである請求項１ないし６何れかに記載の複合圧電体。