JPH02220600A

JPH02220600A - 超音波振動子及びその製造法

Info

Publication number: JPH02220600A
Application number: JP1040949A
Authority: JP
Inventors: Kouta Teraoka; 寺岡　甲太
Original assignee: Toyo Medical Co Ltd
Current assignee: Toyo Medical Co Ltd
Priority date: 1989-02-21
Filing date: 1989-02-21
Publication date: 1990-09-03

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】（技術分野）本発明は、超音波振動子及びその製造法に係り、特に板
状の圧電セラミック体に短冊状乃至は簾状或いはマトリ
ックス状の圧電振動子エレメント群を設けてなる、特性
の優れたアレー型超音波振動子並びにその製造法に関す
るものである。

（背景技術）従来から、この種のアレー型超音波振動子は、例えば電
子走査式医療超音波診断装置の探触子等として使用され
ているが、このようなアレー型の超音波振動子は、一般
に、ＰＺＴ等の圧電セラミック材料からなる矩形の圧電
セラミック板の表面に、銀等の金属からなる導体箔にて
構成される電極層を設け、更に裏面側にも銀等の金属か
らなる電極層（導体箔）を設けた後、分極処理を施して
、圧電セラミック体全体を分極せしめ、その後、表面側
の電極層（導体箔）をエツチング等によって短冊状或い
はマトリックス状に形成して複数の表面電極とすること
により、製造されている。

而して、このような超音波振動子を駆動する場合におい
て、超音波が発生させられるべき−の表面電極と裏面電
極との間に高電圧が印加される一方、その両サイドの表
面電極と裏面電極とは接地されているところから、電流
はかかるーの表面電極から両サイドの表面電極へ、更に
はそれら両サイドの表面電極に対向する裏面電極部位に
電流が流れ、必要な該−の表面電極と裏面電極との間の
振動以外に、不必要な横振動や縦振動が生じ、そのため
に超音波振動子としての分解能が低下し、また指向特性
が悪くなる等の種々の不都合を内在している。

このため、特開昭５５−１２４６６号公報、特開昭５５
−１２４６７号公報、特開昭５５−１４０１４号公報等
においては、板状の圧電セラミック体の一方の面に設け
られた表面電極を、かかる圧電セラミック体を切断して
、その下方に設けられるバッキング材に達する深さの溝
によって完全に分断せしめて、それぞれ独立した複数の
振動子エレメント（素子）群と為すことにより、両サイ
ドの振動子エレメント（電極）への電流の流れを阻止し
て、超音波振動子としての分解能を高め、且つ指向特性
を向上せしめるようにした構造が明らかにされている。

しかしながら、この従来の溝による完全な分断構造にあ
っては、各振動子エレメント毎にばらばらとなるために
、温度変化や操作等によって振動子エレメントが傾いた
り、ずれたりする問題を内在しているのである。即ち、
各振動子エレメントの分断幅が狭く、また溝深さが深く
、更にバッキング材まで食い込ませて切断されていると
ころから、温度変化や経時的変化等により振動子エレメ
ントが傾いたり、ずれたりするのであり、それによって
ビーム方向が揃わず、グレーティングローブの原因とな
ったり、位置精度が悪く、解像度の低下の原因となる等
の不具合を生じるのである。

更に、振動子エレメント上に形成される整合層やバンキ
ング材、フレキシブル基板等との接着面積も小さくなる
ため、その接合部に剥がれも生じ、多重反射の原因とも
なることとなる。

一方、特開昭５７−１１３７００号公報には、所定の圧
電セラミック板上に分離された複数の表面電極を設けた
後、それら表面電極と対向する裏面側電極部分とに挟ま
れた圧電セラミック仮部位のみ分極することにより、複
数の表面電極間に位置する圧電セラミ・ツク坂部位を非
分極領域として形成するようにした構造が明らかにされ
ているが、このような構造にあっては、隣合う表面電極
間の電流の流れを未だ充分に阻止することが出来ず、例
えば上記の如き、それら表面電極が溝によって分断され
ている場合に比べて、成る程度の横方向の振動が惹起さ
れ、これが解像度等に不具合をもたらしているのである
。

（解決課題）ここにおいて、本発明は、かかる事情を背景にして為さ
れたものであって、その解決課題とするところは、短冊
状或いはマド・リックス状の複数の表面電極が設けられ
てなるアレー型超音波振動子において、その分解能乃至
は解像度を高め、且つ指向特性を向上せしめると共に、
それらの特性の耐久化を図り、更にはその信頼性を高め
ようとすることにある。

（解決手段）そして、本発明は、かかる課題を解決するために、板状
の圧電セラミック体の少なくとも一方の面に分離された
複数の表面電極が設けられてなるアレー型超音波振動子
にして、該複数の表面電極が、それら電極間に位置する
圧電セラミック体部位に形成された、該圧電セラミック
体を切断しない深さの溝によって、それぞれ分離されて
いると共に、該溝の少なくとも底部がその表面より所定
深さにおいて非分極領域とされていることを特徴とする
超音波振動子を、その要旨とするものである。

また、かかる本発明に従う超音波振動子において、複数
の表面電極を分離する溝は、レーザによる溝加工によっ
て形成されているのが望ましく、更には圧電セラミック
体は、チタン酸鉛系圧電セラミック材料にて構成されて
いることが有利である。

本発明は、また、上記の如き超音波振動子を得るために
、板状の圧電セラミック体の少なくとも一方の面に所定
の電極層を形成して分極処理を施した後、レーザによる
溝加工によって、該電極層を切断して複数に分離せしめ
ると共に、更に該電極層の下方の圧電セラミック体を切
断しない深さにおいて溝を設けることにより、複数の表
面電極を形成すると同時に、レーザ照射熱にて、かかる
溝の少なくとも底部に、その表面より所定深さに至る非
分極領域を形成せしめることを特徴とする超音波振動子
の製造法をも、その要旨とするものである。

（具体的構成・実施例）要するに、かかる本発明に従う超音波振動子は、例えば
第１図に示されるように、ＰＺＴ、チタン酸鉛等の圧電
セラミック材料からなる所定厚さの板状の圧電セラミッ
ク体２の一方の面に対して、互いに分離された短冊状の
複数の表面電極４が設けられている一方、かかる圧電セ
ラミック体２の他方の面には、共通電極としての裏面電
極６が一体的に形成されてなる構造を有している。また
、複数の表面電極４間には、圧電セラミック体２に達す
る（但し、圧電セラミック体２を切断することはない）
深さにおいて溝８が形成されており、そしてこの溝８の
少なくとも底部部位が、かかる溝表面より所定深さにお
いて非分極領域１０とされているのである。なお、圧電
セラミック体２の他の領域、即ち非分極領域ｌＯを除く
点線斜線部が分極された領域となっている。

従って、このような超音波振動子における非分極領域１
０の存在により、表面電極４に所定の電圧を印加しても
、かかる非分極領域ｌＯには電流が流れず、加えて溝８
による分断効果と相俟って、両サイドの電極部位への影
響が効果的に解消され得て、電圧印加表面電極４と裏面
電極６との間のみにおける振動に限定され、以て必要な
振動のみが効果的に惹起され得て、不要な振動が除去さ
れることとなった結果、解像度乃至は分解性能が向上さ
れ、更には指向特性が有利に改善され得るのである。

なお、このような超音波振動子において、圧電セラミッ
ク体２として、チタン酸鉛系圧電セラミック材料から得
られる板状体を用いると、溝８による不要な圧電効果の
防止と共に、素材による不要な圧電効果の防止が可能と
なり、本発明の目的を達成する上において有利となる。

従来から、圧電セラミック材料として用いられているＰ
ＺＴの場合には、横方向の電気機械結合係数が約３０％
もあり、大きいのに対して、チタン酸鉛系の場合は数％
と極めて小さいからであり、従ってチタン酸鉛系の方が
不要な圧電効果の防止には有利となるのである。

また、超音波振動子における不要な横方向、縦方向の振
動は、溝８の深さ、更には非分極領域１０の深さ（厚さ
）によって規制されるものであるが、また圧電セラミッ
ク体２の素材等によっても影響を受けるものであるとこ
ろから、かがる溝８の深さや非分極領域１０の深さは、
目的とする不要な振動の防止を図る上において充分な深
さにおいて設けられ、例えばＰＺＴ材料の場合にあって
は、厚みの１／２程度の深さ若しくはそれ以上の深さの
溝にて、そのような振動の除去が可能であり、またチタ
ン酸鉛系では、圧電セラミック体２の厚みの１／４程度
の深さ若しくはそれ以上の深さの溝で充分な効果を得る
ことが出来る。なお、溝８の幅は、広過ぎると発振超音
波素子間の緩衝が生じるところから、狭い方が良く、通
常３０〜５０μｍ程度とされることとなる。

なお、このような超音波振動子には、従来と同様に、外
部リードが形成されているフレキシブル基板が半田や導
電性樹脂等によって電気的に接続せしめられ、また超音
波吸収材、エポキシ樹脂、ゴム等で構成されたバッキン
グ材゛が接着せしめられ、更には音響整合層が形成され
る等として、超音波探触子等の目的とする用途に供せし
められるのである。

ところで、このような超音波探触子は、次のようなレー
ザ加工により溝を設けると同時に、熱効果により非分極
領域を形成する手法を用いて有利に得ることが出来る。

すなわち、第２図（ａ）〜（ｄ）に工程順に示される如
く、所定の圧電セラミック材料、好ましくはチタン酸鉛
系材料を用いて形成された、所定厚さの圧電セラミック
体の一方の面に対して、先ず、表面電極を与える一体的
な構造の一体電極１４が、印刷、貼付、蒸着、メツキ、
スパッタリング等の公知の手法に従って、Ａｕ、Ａｇ、
Ａ１等の金属薄膜の形態において所定厚さで形成される
。

また、圧電セラミック体２の裏面側にも、同様な手法に
よって一体的な構造の裏面電極６が形成される。そして
、この両面に電極６．１４が形成されてなる圧電セラミ
ック体２に対して、常法に従って分極処理が施され、以
て圧電セラミック体２の全体が分極せしめられる。

次いで、この分極処理が施されてなる圧電セラミック体
２に対して、レーザによる溝加工が実施され、それによ
って、第２図（ｄ）（第１図）に示される如く、一体電
極１４を切断して複数に分離せしめると共に、更に該電
極１４下方の圧電セラミック体部位に切り込み、該圧電
セラミック体２を切断しない深さにおいて？Ｒ８を設け
ることによって、短冊状乃至はストライプ状の複数の表
面電極４を形成するのである。なお、このレーザ加工に
よって形成される溝８の深さは、レーザの収束ビーム径
、出力パワー、走査速度の調整によって、所定の値にす
ることが出来る。また、レーザビームは、通常２０〜５
０μｍφ程度に収束され、一体電極１４及び圧電セラミ
ック体２を削り取り、所定深さの溝８を形成する。この
場合、電極１４表面は可視光の反射体となっており、ア
ルゴンレーザ等の可視レーザは効果がないため、上記の
溝加工される材料が吸収する波長のレーザ、即ち赤外レ
ーザが好ましく用いられる。例えば、ＹＡＧレーザ（λ
＝１．０６４μｍ）やＣＯ２レーザ（λ−１０，６μｍ
）等があり、ＹＡＧレーザの場合には、連続発振で５０
〜５００Ｗレーザ出力で加工が行なわれる。

そして、このようなレーザ照射による溝加工によって、
溝８は通常略円錐状の形状を呈するようになるが、その
側面と下部は、レーザ照射の熱効果により部分的に高温
（３００〜５００℃）となり、圧電セラミックをキュリ
ー点以上とすることにより、当該圧電セラミック部位に
おける分極を解除して、かかる溝表面より所定深さに至
る非分極領域１０を形成する。具体的には、？ａ　８に
沿ってレーザビームを再走査するか、出力パワー或いは
走査速度を調整することに゛よって、圧電セラミックを
キュリー点以上の高温度に加熱して非分極領域ｌＯを形
成するのであり、これにより、溝８の深さに加えて、所
定厚さ乃至は深さの非分極領域１０の存在によって、横
方向の不要の振動の発生を効果的に防止することが出来
るのである。

そして、このようにして得られた第２図（ｄ）（第１図
）に示される如き、本発明に従う超音波振動子には、前
述の如く、フレキシブル基板の接続やパフキング材の接
着、音響整合層の形成等の公知の加工が適宜に施されて
、アレー型超音波探触子等として用いられるのである。

（発明の効果）以上の説明から明らかなように、本発明に従う超音波振
動子にあっては、その圧電セラミック体が完全に分断さ
れることなく、その表面に設けられた複数の表面電極が
溝によって分離され、更にかかる溝の底部には、所定深
さにおいて電流の流れない非分極領域が形成されている
ところから、両サイドの表面電極への影響が効果的に阻
止され得て、対向する電極間以外への圧電効果を良好に
防止せしめ、以て分解能乃至は解像度を高め、また指向
特性を向上させると共に、圧電セラミソク体で振動子エ
レメント毎が接続されているために、バラバラとなった
り、傾いたり、更には振動子エレメントの間隔がずれる
等の問題点が良好に解消され得、ｌＫ鎖性や耐久性に優
れたものとなるのである。

【図面の簡単な説明】第１図は、本発明に係る超音波振動子の一例を示す断面
説明図であり、第２図（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、本
発明に従う超音波振動子の製造法における各工程図であ
る。２：圧電セラミック体４：表面電極　　　６：裏面電極８：溝　　　　　ｌＯ：非分極領域１４ニ一体電極出願人　　東洋メディカル株式会社第、２図第１第２図（Ｃ）（ｄ）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）板状の圧電セラミック体の少なくとも一方の面に
分離された複数の表面電極が設けられてなるアレー型超
音波振動子にして、該複数の表面電極が、それら電極間
に位置する圧電セラミック体部位に形成された、該圧電
セラミック体を切断しない深さの溝によって、それぞれ
分離されていると共に、該溝の少なくとも底部がその表
面より所定深さにおいて非分極領域とされていることを
特徴とする超音波振動子。
（２）前記溝が、レーザによる溝加工によって形成され
ている請求項（１）記載の超音波振動子。
（３）前記圧電セラミック体が、チタン酸鉛系圧電セラ
ミック材料にて構成されている請求項（１）または（２
）に記載の超音波振動子。
（４）板状の圧電セラミック体の少なくとも一方の面に
所定の電極層を形成して分極処理を施した後、レーザに
よる溝加工によって、該電極層を切断して複数に分離せ
しめると共に、更に該電極層の下方の圧電セラミック体
を切断しない深さにおいて溝を設けることにより、複数
の表面電極を形成すると同時に、レーザ照射熱にて、か
かる溝の少なくとも底部に、その表面より所定深さに至
る非分極領域を形成せしめることを特徴とする超音波振
動子の製造法。
（５）前記圧電セラミック体が、チタン酸鉛系圧電セラ
ミック材料にて構成されている請求項（４）記載の製造
法。