JPH0833097A - 圧電素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 音響特性を劣化させることなく、所望の特性
のものを容易に得ることができると共に、電極への配線
を容易にできる圧電素子を提供する。 【構成】 圧電体２と、この圧電体２の両面にそれぞれ
形成した電極３，４とを有する圧電素子１において、電
極３，４の少なくとも一方は、圧電体２の外側に突出し
た突出部４ｂを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば、医療用超音
波診断に使われる超音波内視鏡や超音波プローブに用い
られる圧電素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば、超音波内視鏡として、挿入部の
先端に回転自在に超音波を発生する振動子を設け、この
振動子を回転させながらメカニカルスキャンを行うよう
にしたものがある。この種の超音波内視鏡に用いられる
振動子は、主として、圧電素子、これを支持する絶縁
層、圧電素子の背面に設けられたダンピング層等から構
成されている。ここで、圧電素子は、その両面に電極を
有し、これら電極間に電気的な配線を介してパルス電圧
を印加することにより、超音波を発生させるよう構成さ
れている。

【０００３】従来、圧電素子への配線は、圧電素子の電
極面に直接ケーブルを半田付けするようにしていた。し
かし、圧電素子電極、特に超音波放射面側の電極にケー
ブルを直接半田付けすると、半田を付けた部分が、半田
の重量により振動しにくくなり、これがため圧電素子全
体にわたって一様な振動が得られず、音響特性が劣化す
るという問題があった。この問題は、圧電素子が小型化
するほど、圧電素子に対する半田接続部の面積が相対的
に大きくなるため、著しくなる。

【０００４】このような問題を解決し得るものとして、
例えば、特開平４−１２７８００号公報には、圧電素子
に貼り合わせる圧電素子よりも大きな音響整合材に、同
様に圧電素子よりも大きな金属膜を予め形成し、この金
属膜を音響整合材と圧電素子とで挟むように、音響整合
材を圧電素子に貼り合わせて、圧電素子の外側にはみ出
た金属膜部分でケーブルを半田付けするようにしたもの
が提案されている。

【０００５】また、特開昭５９−１４１０６０号公報に
は、圧電素子の電極面上に、圧電素子のホルダに亘って
スパッタ、蒸着等により金属膜を形成し、ホルダの部分
において金属膜にケーブルを半田付けするか、あるいは
ホルダが金属の場合には、ホルダにケーブルを半田付け
するようにしたものが提案されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
特開平４−１２７８００号公報および特開昭５９−１４
１０６０号公報に記載された圧電素子においては、いず
れも、超音波放射面の電極上に、新たに金属膜を形成す
るようにしているため、この金属膜で超音波が減衰する
ことになる。特に、耐久性を向上させるために、金属膜
を厚くすると、減衰も大きくなって、音響特性等が劣化
することになる。また、逆に、金属膜を薄くすると、金
属膜の超音波振動に対する強度が十分に得られなくなっ
て、断線等が生じ易くなる。このため、これらの従来の
圧電素子においては、実際には、金属膜の材質、厚さの
選択が難しく、所望の特性のものを得るのが困難である
という問題がある。

【０００７】この発明は、このような従来の問題点に着
目してなされたもので、音響特性を劣化させることな
く、所望の特性のものを容易に得ることができると共
に、電極への配線を容易に行い得るよう適切に構成した
圧電素子を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の、この発明は、圧電体と、この圧電体の両面にそれぞ
れ形成した電極とを有する圧電素子において、前記電極
の少なくとも一方は、前記圧電体の外側に突出した突出
部を有することを特徴とするものである。

【０００９】前記圧電素子の側面に導電性の支持部材を
設け、この支持部材上に前記突出部を延在させるのが、
突出部の破損防止および電極への配線の点で好ましい。

【００１０】

【作用】この発明において、圧電体の外側に突出する突
出部は、配線の一部として作用させることができる。し
たがって、電極上に他の金属膜を設けることなく、その
突出部を介して電極に配線することが可能となる。

【００１１】

【実施例】図１は、この発明の第１実施例を示すもの
で、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は断面図を示す。
この実施例の圧電素子１は、円盤状の圧電体２の一方の
表面２ａに、圧電体２よりも径の小さい電極３を、圧電
体２と同心円状に設け、圧電体２の他方の表面２ｂに、
圧電体２よりも径の小さい円形部４ａおよびこれと一体
の突出部４ｂを有する電極４を、円形部４ａが圧電体２
と同心円状で、突出部４ｂが圧電体２の側面から突出す
るように設けたものである。

【００１２】圧電体２は、ＰＺＴ、ニオブ酸鉛等の圧電
セラミックや圧電高分子等をもって構成する。また、電
極３および４は、銀、金、チタン等の金属を、厚さ１０
μｍ程度に焼き付けて形成するが、電極４については、
例えば、図２に示すように、圧電体２の側面に、突出部
４ｂが載るように、電極取り付け部材５を固定あるいは
接着した状態で、電極４を焼き付けた後、電極取り付け
部材５を除去して形成する。なお、電極４の突出部４ｂ
の幅は、例えば１ｍｍ程度とする。

【００１３】図３は、図１に示した圧電素子１を用いる
振動子の一例の構成を示すものである。この振動子７
は、導電性の環状のハウジング８、環状の絶縁層９、圧
電素子１およびバッキング材１０を有する。ハウジング
８には、その外周面にケーブル１１ａを電気的に接続し
て設け、内周側に絶縁層９を設ける。絶縁層９は、その
一端部内周側に段差９ａを形成し、この段差９ａに、圧
電素子１を、電極４を外側とし、その突出部４ｂを絶縁
層９およびハウジング８の一端面上を延在させて、ハウ
ジング８に電気的に接触させて装着する。圧電素子１に
は、その電極３にケーブル１１ｂを電気的に接続して設
けると共に、この電極３側に接触させて絶縁層９内にバ
ッキング材１０を設ける。

【００１４】ハウジング８は、ステンレス、アルミニウ
ム、鉄等の金属や導電性のプラスチック等をもって構成
し、絶縁層９は、ポリサルホン、ＡＢＳ樹脂、ポリエチ
レン等のプラスチックの熱可塑性樹脂やエポキシ、シリ
コン等の熱硬化樹脂をもって構成する。バッキング材１
０は、超音波を有効に減衰し得るように、例えば、エポ
キシ樹脂にタングステン粉を混合して構成する。また、
ハウジング８へのケーブル１１ａの電気的接続および圧
電素子１の電極３へのケーブル１１ｂの電気的接続は、
ハウジング８および電極３の材質に応じて、半田付け、
導電性ペーストあるいは導電性接着等によって行う。

【００１５】図３に示す振動子７においては、電極３
は、ケーブル１１ｂに電気的に直接接続され、電極４
は、その突出部４ｂおよびハウジング８を介してケーブ
ル１１ａに電気的に接続されているので、ケーブル１１
ｂを図示しない送信回路の一方の出力端子、例えば＋側
に接続し、ケーブル１１ａを送信回路の−側出力端子に
接続して、送信回路からパルス電圧を印加すれば、圧電
素子１からはその電極３，４間の厚み方向に超音波が放
射され、そのうち、電極３側に放射された超音波はバッ
キング材１０で吸収される。したがって、振動子７から
は、圧電素子１の電極４側から超音波が放射されること
になる。

【００１６】この実施例によれば、超音波の放射方向で
ある電極４上に金属膜を設けることなく、電極４を送信
回路に電気的に接続することができるので、構成および
組み立てを簡単にできると共に、金属膜による超音波の
反射、減衰がないので、振動子７のサイズが小さくて
も、音響特性を劣化させることなく、所望の特性のもの
を得ることができる。

【００１７】図４は、この発明の第２実施例を示すもの
で、図４（ａ）は断面図、図４（ｂ）は平面図を示す。
この実施例は、図１において、さらに、圧電体２の側面
に、圧電体２の表面２ｂと同一面を有する導電性の支持
部材１２を接着等により設け、この支持部材１２上に延
在して電極４の突出部４ｂを設けたものである。支持部
材１２は、例えば、ステンレス、アルミニウム、鉄等の
金属をもって構成し、電極４および３は、焼き付け、蒸
着、スパッタ等により設ける。

【００１８】この実施例によれば、電極４の突出部４ｂ
を、支持部材１２上に延在して設けたので、突出部４ｂ
の厚みが薄くても、突出部４ｂの破損を有効に防止する
ことができると共に、電極４を支持部材１２を介して電
気的に配線することができるので、配線処理も容易にで
きる利点がある。

【００１９】図５は、この発明の第３実施例を示すもの
で、図５（ａ）は断面図、図５（ｂ）は平面図を示す。
この実施例は、図４において、さらに、圧電体２の側面
に、圧電体２の表面２ａと同一面を有する導電性の支持
部材１３を接着等により設けると共に、電極３を電極４
と同様に、圧電体２よりも径の小さい円形部３ａおよび
これと一体の突出部３ｂをもって構成して、円形部３ａ
が圧電体２と同心円状で、突出部３ｂが支持部材１３上
に延在するように設けたものである。支持部材１３は、
支持部材１２と同様に、例えば、ステンレス、アルミニ
ウム、鉄等の金属をもって構成し、電極３および４は、
焼き付け、蒸着、スパッタ等により設ける。

【００２０】この実施例によれば、電極３についても突
出部３ｂを設け、かつこの突出部３ｂを支持部材１３に
より支持するようにしたので、突出部３ｂの厚みが薄く
ても、突出部３ｂの破損を有効に防止することができる
と共に、電極３を支持部材１３を介して電気的に配線す
ることができるので、配線処理もより容易にできる利点
がある。

【００２１】なお、図５においては、放射される超音波
ビームの形状が歪むのを防止するために、電極３の突出
部３ｂと電極４の突出部４ｂとが圧電体２を介して対向
しないように、これらを圧電体２に関して点対称の方向
に延在させたが、放射超音波ビーム形状が問題とならな
い場合には、突出部３ｂおよび突出部４ｂを同一方向を
含む任意の方向に延在させることができる。

【００２２】図６は、この発明の第４実施例を示すもの
である。この圧電素子１は、図４において、支持部材１
２をプラスチック製フィルム、ゴム等の弾性体、フレキ
シブル基板等の可撓性を有する材料で、例えば図３にお
いて振動子７の背面に届く程度（例えば、１０ｍｍ程
度）まで長く設けると共に、この支持部材１２に延在し
て電極４の突出部４ｂを設けたものである。なお、電極
４は、例えば、スパッタにより形成する。

【００２３】図６に示す圧電素子１を用いて、図３と同
様な振動子を構成する場合には、図７に示すように、支
持部材１２および突出部４を一体にして、ハウジング８
と絶縁層９との間を通して絶縁層９の他端面まで延在さ
せ、この絶縁層９の他端面側において突出部４ｂにケー
ブル１１ａを電気的に直接接続することができる。した
がって、この場合、ハウジング８は、導電性を有する必
要がないので、ポリエチレンやポリサルホン等のプラス
チックをもって構成することができる。

【００２４】図８は、この発明の第５実施例を示すもの
で、図８（ａ）は断面図、図８（ｂ）は底面図を示す。
この実施例は、図１に示した構成の圧電素子１を用い
て、図３と同様に振動子７を構成したもので、図３と異
なるのは、電極３を金属膜１５を介してケーブル１１ｂ
に電気的に接続した点にある。このため、この実施例で
は、絶縁層９の他端部の内周側に段差９ｂを形成し、一
端部の段差９ａに圧電素子１を装着した状態で、圧電素
子１の電極４側およびハウジング８の外側をテープ等で
マスキングして、圧電素子１の電極３および絶縁層９の
内周側に金属膜１５を蒸着により形成する。その後、段
差９ｂの水平部分において金属膜１５にケーブル１１ｂ
を電気的に接続すると共に、絶縁層９内にバッキング材
１０を充填する。なお、金属膜１５は、蒸着以外に、ス
パッタ、メッキ、金属箔によって形成することもでき
る。

【００２５】この実施例によれば、ケーブル１１ｂを電
極３に直接接続するのではなく、金属層１５を介して接
続するようにしているので、例えば、ケーブル１１ｂを
電極３に直接半田付けする場合のように、半田の重量に
よって圧電素子１の振動がしにくくなるということがな
いと共に、半田付けの際の熱によって圧電体２が脱分極
することもない。したがって、上述した実施例における
よりも、音響特性の劣化をより有効に防止することがで
きる。また、絶縁層９の段差９ｂの水平部分において、
金属膜１５にケーブル１１ｂを電気的に接続するように
しているので、例えば、ケーブル１１ｂを金属膜１５に
半田付けする場合には、絶縁層９の内周面で半田付けす
る場合よりも、作業が容易になるという利点がある。

【００２６】図９は、この発明の第６実施例を示すもの
である。この実施例は、図１に示した構成の圧電素子１
を用いて、図８と同様に振動子７を構成したもので、図
８と異なるのは、ハウジング８の外側にも金属層１５を
形成し、この金属層１５を介して電極４をケーブル１１
ａに接続するようにした点にある。このため、この実施
例では、絶縁層９の段差９ａに圧電素子１を装着した状
態で、図９（ａ）に示すように、全面に金属膜１５を形
成し、その後、図９（ｂ）に示すように、電極４側の端
面の金属層を剥離すると共に、それと反対側のハウジン
グ８および絶縁層９の端面の金属層を剥離する。なお、
電極４は、その突出部４がハウジング８の外周の金属層
１５に電気的に接触するようにする。次に、絶縁層９内
にバッキング材１０を充填すると共に、ハウジング８の
外側の金属層１５にケーブル１１ａを、絶縁層９の段差
９ｂの水平部分の金属膜１５にケーブル１１ｂをそれぞ
れ電気的に接続する。

【００２７】この実施例によれば、金属膜１５を形成す
るにあたって、第５実施例におけるようなマスキングを
行う必要がないので、振動子７を簡単かつ短時間で得る
ことができる。

【００２８】図１０（ａ）は、この発明の第７実施例を
示すものである。この実施例は、図１に示した構成の圧
電素子１を用いて、図８と同様に振動子７を構成したも
ので、図８と異なるのは、絶縁層９内に、図１０（ｂ）
に示すような中間部材１７を設けた点にある。中間部材
１７は、一端面を平坦に、他端面を球面状に形成すると
共に、中央部に電極３に対応する開口１７ａを設けて構
成し、この中間部材１７を、その平坦面を圧電素子１に
接触させて絶縁層９内に装填した状態で、金属層１５を
形成する。これにより、圧電素子１と絶縁層９のエッジ
部において、金属層１５を中間部材１７により球面状に
彎曲して形成すると共に、中間部材１７の開口１７ａに
おいて、金属膜１５と電極３とを電気的に接触させる。

【００２９】このように、圧電素子１と絶縁層９のエッ
ジ部において、金属層１５を彎曲して形成すれば、該エ
ッジ部での金属層１５の断裂等を有効に防止することが
できる。

【００３０】図１１は、この発明の第８実施例を示すも
のである。この実施例は、第７実施例の振動子７におい
て、中間部材１７に代えて、圧電素子１と絶縁層９のエ
ッジ部に充填剤１８を球面状に設けたもので、その他の
構成は第７実施例と同様である。充填剤１８は、例え
ば、エポキシ接着剤、シリコン、ゴム等をもって構成す
る。

【００３１】この実施例によれば、第７実施例と比較し
て部品点数を少なくできるので、安価にできる利点があ
る。

【００３２】図１２（ａ）は、この発明の第９実施例を
示すものである。この実施例は、図１１に示す構成の振
動子７において、金属層１５を形成する絶縁層９の他端
部側の段差９ｂを球面状にしたものである。

【００３３】この振動子７は、例えば、ハウジング８の
内部にエポキシ接着剤を充填して硬化させた後、図１２
（ｂ）に示すように、ドリル１９で中央部を穴開けして
環状の絶縁層９を形成し、その後、絶縁層９の一端部に
圧電素子１を装着する段差９ａを形成すると共に、他端
部に段差９ｂを球面状に形成する。次に、絶縁層９の段
差９ａに圧電素子１を接着した後、該圧電素子１と絶縁
層９のエッジ部にエポキシ接着剤等の充填剤１８を球面
状に設ける。その後は、第５実施例で説明したと同様に
して、金属膜１５の形成、バッキング材１０の充填、ケ
ーブル１１ａ，１１ｂの接続処理を行って、振動子７を
作成する。

【００３４】この実施例によれば、第８実施例と同様
に、部品点数を少なくできる他、段差９ｂの部分におい
ても金属層１５の断裂等を有効に防止することができ
る。

【００３５】「付記」請求項１記載の圧電素子におい
て、前記圧電素子の側面に導電性の支持部材を設け、こ
の支持部材上に前記突出部を延在させたことを特徴とす
る圧電素子。

【００３６】

【発明の効果】この発明によれば、電極の少なくとも一
方に、圧電体の外側に突出する突出部を形成したので、
電極上に他の金属膜を設けることなく、この突出部を配
線の一部として作用させることができる。したがって、
音響特性を劣化させることなく、所望の特性のものを容
易に得ることができると共に、電極への配線を容易に行
うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施例を示す図である。

【図２】図１に示す電極の形成工程を説明するための図
である。

【図３】図１に示す圧電素子を用いる振動子の一例の構
成を示す断面図である。

【図４】この発明の第２実施例を示す図である。

【図５】同じく、第３実施例を示す図である。

【図６】同じく、第４実施例を示す図である。

【図７】図６に示す圧電素子を用いる振動子の一例の構
成を示す断面図である。

【図８】この発明の第５実施例を示す図である。

【図９】同じく、第６実施例を示す図である。

【図１０】同じく、第７実施例を示す図である。

【図１１】同じく、第８実施例を示す図である。

【図１２】同じく、第９実施例を示す図である。

【符号の説明】

１ 圧電素子 ２ 圧電体 ３，４ 電極 ４ｂ 突出部 ７ 振動子 ８ ハウジング ９ 絶縁層 １０ バッキング材 １１ａ，１１ｂ ケーブル

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電体と、この圧電体の両面にそれぞれ
   形成した電極とを有する圧電素子において、前記電極の
   少なくとも一方は、前記圧電体の外側に突出した突出部
   を有することを特徴とする圧電素子。