(57)【要約】【課題】感度の高いアレイ型圧電振動子を提供すること。【解決手段】長尺圧電体２３が、その長さ方向に、樹脂充填部２５を介して順次配列された複数個の圧電セラミックス部材２６から構成され、かつ圧電セラミックス部材のサイズと樹脂充填部のサイズとが下記の規定を満たすアレイ型圧電振動子。（１）２／３Ｗ≦Ｌ≦３／２Ｗ（２）２／３Ｔ≦Ｌ≦３／２Ｔ（３）１／２０Ｌ≦Ａ≦１／５Ｌ［但し、Ｌは、長尺圧電体の長さ方向に沿った圧電セラミックス部材の長さであり、Ｗは、長尺圧電体の幅方向に沿った圧電セラミックス部材の長さであり、Ｔは、圧電セラミックス部材の厚さ、Ａは、長尺圧電体の長さ方向に沿った樹脂充填部の長さである］【選択図】　　　図４
2004033814.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上下の両面に電極を備えた長尺圧電体からなる圧電振動子の複数個が、互いに非接触に並列固定されてなるアレイ型圧電振動子であって、該長尺圧電体が、その長さ方向に、樹脂充填部を介して順次配列された複数個の圧電セラミックス部材から構成され、かつ圧電セラミックス部材のサイズと樹脂充填部のサイズとが下記の規定を満たすことを特徴とするアレイ型圧電振動子。
（１）２／３Ｗ≦Ｌ≦３／２Ｗ
（２）２／３Ｔ≦Ｌ≦３／２Ｔ
（３）１／２０Ｌ≦Ａ≦１／５Ｌ
［但し、Ｌは、長尺圧電体の長さ方向に沿った圧電セラミックス部材の長さであり、Ｗは、長尺圧電体の幅方向に沿った圧電セラミックス部材の長さであり、Ｔは、圧電セラミックス部材の厚さ、Ａは、長尺圧電体の長さ方向に沿った樹脂充填部の長さである］
【請求項２】
圧電セラミックス部材のサイズが下記の規定を満たす請求項１に記載のアレイ型圧電振動子。
（１）３／４Ｗ≦Ｌ≦４／３Ｗ
（２）３／４Ｔ≦Ｌ≦４／３Ｔ
【請求項３】
圧電セラミックス部材のサイズが下記の規定を満たす請求項１もしくは２に記載のアレイ型圧電振動子。
（１）４／５Ｗ≦Ｌ≦５／４Ｗ
（２）４／５Ｔ≦Ｌ≦５／４Ｔ
【請求項４】
圧電セラミックス部材の厚さが、０．１〜０．３ｍｍの範囲にある請求項１乃至３のうちのいずれかの項に記載のアレイ型圧電振動子。
【請求項５】
樹脂充填部が、ポリウレタン樹脂からなる請求項１に記載のアレイ型圧電振動子。
【請求項６】
隣接する圧電振動子と圧電振動子との間の距離が、長尺圧電体の長さ方向に沿った樹脂充填部の長さに対して４／５〜５／４倍の範囲にある請求項１乃至５のうちのいずれかの項に記載のアレイ型圧電振動子。
【請求項７】
隣接する圧電振動子と圧電振動子との間に、エポキシ樹脂が充填されている請求項１乃至６のうちのいずれかの項に記載のアレイ型圧電振動子。
【請求項８】
圧電振動子が、その長さ方向に凹状に湾曲している請求項１乃至７のうちのいずれかの項に記載のアレイ型圧電振動子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アレイ型圧電振動子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
医療用超音波診断装置の電気音響変換素子には、アレイ型圧電振動子が広く利用されている。アレイ型圧電振動子は、一般に、上下の両面に電極を備えた長尺圧電体からなる圧電振動子の複数個が、互いに非接触に並列固定されて構成されている。圧電振動子の長尺圧電体としては、従来より、板状の圧電セラミックスが広く用いられている。この板状の圧電セラミックスを長尺圧電体として用いた圧電振動子では、圧電セラミックスの幅方向の長さと厚さとの比（幅／厚さ比）が０．６付近であるときに、高い電気機械変換効率を示す。
【０００３】
アレイ型圧電振動子において、高周波数の超音波を送受信可能とするためには、各圧電振動子の長尺圧電体の厚さを薄く形成する必要がある。しかしながら、圧電セラミックスの幅／厚さ比を０．６に維持したまま、その厚さを過度に薄く形成すると長尺圧電体の幅が狭くなり過ぎる。このため最近では、幅／厚さ比に関わらずに、高い電気機械変換効率を示す１−３型複合圧電材料を長尺圧電体に用いた圧電振動子が注目されている。
【０００４】
長尺圧電体に複合圧電材料を用いた圧電振動子からなる、従来の代表的なアレイ型圧電振動子の構成を、添付図面の図１と図２とに示す。
図１は、アレイ型圧電振動子の構成を示す図であり、図１の（ａ）は、アレイ型圧電振動子の平面図であり、図１の（ｂ）は、アレイ型圧電振動子の側面図であり、図１の（ｃ）は、図１の（ａ）のＩ−Ｉ断面図である。図２は、図１の圧電振動子に用いられている長尺圧電体の拡大斜視図である。
【０００５】
図１において、圧電振動子１０は、吸音材１１の上に互いに非接触に並列固定されている。隣接する圧電振動子１０と圧電振動子１０との間には、樹脂１２が充填されている。圧電振動子１０は、長尺圧電体１３と長尺圧電体１３の上下表面に備えられた電極１４ａ、１４ｂとからなる。
【０００６】
長尺圧電体１３は、図２に示すように、樹脂部１５を介して、長尺圧電体１３の長さ方向と幅方向のそれぞれに角柱状の圧電セラミックス部材１６の複数個が、互いに平行に、かつ電極１４ａ、１４ｂに対して垂直に固定された１−３型複合圧電材料からなる。この１−３型複合圧電材料を長尺圧電体として用いた圧電振動子では、長尺圧電体の幅／厚さ比に関わらず、長尺圧電体１３中の圧電セラミックス部材の体積分率が５０〜６０％（チタン酸ジルコン酸鉛の場合）の範囲にあるときに、高い電気機械変換効率を示す。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者の研究によると、上記の１−３型複合圧電材料を長尺圧電体として用いた圧電振動子は、長尺圧電体の幅／厚さ比に関わらず、高い電気機械変換効率を示すものの、アレイ型圧電振動子を構成するような、小型の圧電振動子では充分に高いと言える送受信感度を得ることは難しいことが判明した。
従って、本発明の目的は、長尺圧電体の幅／厚さ比に関わらず、高い感度が得られるアレイ型圧電振動子用の圧電振動子を開発すること、すなわち感度の高いアレイ型圧電振動子を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上下の両面に電極を備えた長尺圧電体からなる圧電振動子の複数個が、互いに非接触に並列固定されてなるアレイ型圧電振動子であって、該長尺圧電体が、その長さ方向に、樹脂充填部を介して順次配列された複数個の圧電セラミックス部材から構成され、かつ圧電セラミックス部材のサイズと樹脂充填部のサイズとが下記の規定を満たすことを特徴とするアレイ型圧電振動子にある。
【０００９】
【数１】
（１）２／３Ｗ≦Ｌ≦３／２Ｗ
（２）２／３Ｔ≦Ｌ≦３／２Ｔ
（３）１／２０Ｌ≦Ａ≦１／５Ｌ
【００１０】
［但し、Ｌは、長尺圧電体の長さ方向に沿った圧電セラミックス部材の長さであり、Ｗは、長尺圧電体の幅方向に沿った圧電セラミックス部材の長さであり、Ｔは、圧電セラミックス部材の厚さ、Ａは、長尺圧電体の長さ方向に沿った樹脂充填部の長さである。］
【００１１】
本発明のアレイ型圧電振動子の好ましい態様を下記に示す。
（ａ）圧電セラミックス部材のサイズが下記の規定を満たす。
【００１２】
【数２】
（１）３／４Ｗ≦Ｌ≦４／３Ｗ
（２）３／４Ｔ≦Ｌ≦４／３Ｔ
【００１３】
（ｂ）圧電セラミックス部材のサイズが下記の規定を満たす。
【００１４】
【数３】
（１）４／５Ｗ≦Ｌ≦５／４Ｗ
（２）４／５Ｔ≦Ｌ≦５／４Ｔ
【００１５】
（ｃ）圧電セラミックス部材の厚さが、０．１〜０．３ｍｍの範囲にある。
（ｄ）樹脂充填部が、ポリウレタン樹脂からなる。
（ｅ）隣接する圧電振動子と圧電振動子との間の距離が、長尺圧電体の長さ方向に沿った樹脂充填部の長さに対して４／５〜５／４倍の範囲にある。
（ｆ）隣接する圧電振動子と圧電振動子との間に、エポキシ樹脂が充填されている。
（ｇ）圧電振動子、その長さ方向に凹状に湾曲している。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明のアレイ型圧電振動子を、添付図面を参照しながら説明する。
図３は、本発明に従うアレイ型圧電振動子の構成を示す図であり、図３の（ａ）は、アレイ型圧電振動子の平面図であり、図３の（ｂ）は、アレイ型圧電振動子の側面図であり、図３の（ｃ）は、図３の（ａ）のＩＩ−ＩＩ断面図である。図４は、図３の圧電振動子に用いられている長尺圧電体の拡大斜視図である。
【００１７】
図３において、圧電振動子２０は、吸音材２１の上に互いに非接触に並列固定されている。隣接する圧電振動子２０と圧電振動子２０との間には、樹脂２２が充填されている。圧電振動子２０は、長尺圧電体２３と長尺圧電体２３の上下表面に備えられた電極２４ａ、２４ｂとからなる。樹脂２２の材料としては、エポキシ樹脂を挙げることができる。
【００１８】
長尺圧電体２３は、その長さ方向に、樹脂充填部２５を介して順次配列された複数個の圧電セラミックス部材２６から構成されている。長尺圧電体２３の構成については図４を用いて説明する。
【００１９】
図４において、Ｌは、長尺圧電体２３の長さ方向に沿った圧電セラミックス部材２６の長さであり、Ｗは、長尺圧電体２３の幅方向に沿った圧電セラミックス部材２６の長さであり、Ｔは、圧電セラミックス部材２６の厚さ、Ａは、長尺圧電体２３の長さ方向に沿った樹脂充填部２５の長さである。
【００２０】
長尺圧電体２３は、樹脂充填部２５と圧電セラミックス部材２６とから構成されている点においては、複合圧電材料の一形態と言えるが、本発明では、長尺圧電体２３のＬ、Ｗ、Ｔ、及びＡがそれぞれ次の関係を満足する構成となっている点に特徴がある。
【００２１】
【数４】
（１）２／３Ｗ≦Ｌ≦３／２Ｗ
（２）２／３Ｔ≦Ｌ≦３／２Ｔ
（３）１／２０Ｌ≦Ａ≦１／５Ｌ
【００２２】
圧電セラミックス部材２６のＬ、Ｗ、及びＴの関係は、次の関係を満足することが好ましい。
【００２３】
【数５】
（１）３／４Ｗ≦Ｌ≦４／３Ｗ
（２）３／４Ｔ≦Ｌ≦４／３Ｔ
【００２４】
圧電セラミックス部材２６のＬ、Ｗ、及びＴの関係は、さらに次の関係を満足することが好ましい。
【００２５】
【数６】
（１）４／５Ｗ≦Ｌ≦５／４Ｗ
（２）４／５Ｔ≦Ｌ≦５／４Ｔ
【００２６】
本発明において、長尺圧電体２３の樹脂充填部２５、圧電セラミックス部材２６の材料には特には制限はなく、公知の複合圧電材料に用いられている材料を用いることができる。樹脂充填部２５の材料の材料の例としては、ポリウレタン樹脂、エポキシ樹脂を挙げることができる。特に、ポリウレタン樹脂が好ましい。圧電セラミックス部材２６の材料の例としては、チタン酸ジルコン酸鉛（以下、ＰＺＴという）を挙げることができる。
【００２７】
本発明のアレイ型圧電振動子において、長尺圧電体２３の長さ方向の長さ（圧電振動子１０の長さ方向の長さと同じ）は、通常は長尺圧電体の幅方向の長さの２〜２００倍にある。圧電セラミックス部材２６の厚さＴは、通常は０．１〜０．３ｍｍの範囲にある。長尺圧電体２３に配列される圧電セラミックス部材２６の個数は、通常は３〜１００個の範囲にあり、好ましくは１０〜８０個の範囲にある。
【００２８】
本発明のアレイ型圧電振動子において、隣接する圧電振動子２０と圧電振動子２０との間の距離は、長尺圧電体２３の長さ方向に沿った樹脂充填部２５の長さＡに対して４／５〜５／４倍の範囲にあることが好ましい。アレイ型圧電振動子の圧電振動子の個数に特に制限はないが、通常は５〜３００個の範囲にある。
【００２９】
本発明のアレイ型圧電振動子は、例えば、上下の両面に電極を備えた樹脂充填部を介して順次配列された複数個の圧電セラミックス部材からなる幅広の複合圧電材料シートを吸音材の上に貼り付け、次いで幅広の複合圧電材料シートを所望とする幅にて裁断することによって製造することができる。
【００３０】
幅広の複合圧電材料シートは、例えば、次の操作を行うことによって得ることができる。先ず、圧電セラミックスブロック体の表面に、その幅方向に沿った複数個の所望とするシートの厚さに相当する深さの溝を形成し、その溝に樹脂を充填する。次いで、圧電セラミックスブロック体を表面に沿って、上記の溝の深さと同じ厚さでスライスして、複合材料シートを得る。次に、複合材料シートの上下の面に電極を形成して、その上下電極間に電界を印加して、圧電セラミックスを分極させる。
【００３１】
本発明のアレイ型圧電振動子は、各圧電振動子の長尺圧電体が、その長さ方向に、樹脂充填部を介して順次配列された複数個の圧電セラミックス部材から構成されているので、比較的容易に各圧電振動子をその長さ方向に凹状に湾曲させることができる。そのようなアレイ型圧電振動子の例を図５に示す。
【００３２】
図５は、本発明に従うアレイ型圧電振動子の別の構成を示す図であり、図５の（ａ）は、アレイ型圧電振動子の平面図であり、図５の（ｂ）は、アレイ型圧電振動子の側面図であり、図５の（ｃ）は、図５の（ａ）のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。図５において、圧電振動子３０は、表面が湾曲した吸音材３１の上に互いに非接触に並列固定されている。隣接する圧電振動子３０と圧電振動子３０との間には、樹脂３２が充填されている。圧電振動子３０は、長尺圧電体３３と長尺圧電体３３の上下表面に備えられた電極３４ａ、３４ｂとからなる。長尺圧電体３３は、その長さ方向に、樹脂充填部３５を介して順次配列された複数個の圧電セラミックス部材３６から構成されている。
【００３３】
図５では、圧電振動子３０は、その長さ方向に凹状に湾曲した形状である。圧電振動子３０の曲率半径は、圧電振動子の長さ方向に対して、通常は４〜１０倍の範囲にあり、好ましくは４〜７倍の範囲にある。例えば、圧電振動子の長さ方向の長さが６ｍｍであれば、曲率半径は２４〜６０ｍｍの範囲、好ましくは２５〜４０ｍｍの範囲にある。
【００３４】
【実施例】
［実施例１］
ＰＺＴブロック体（長さ６ｍｍ×幅９ｍｍ×厚さ１ｍｍ）の表面に、幅方向に沿って、溝（幅０．０３ｍｍ×深さ０．１５ｍｍ）を０．１２ｍｍの間隔で３９個形成し、その溝にポリウレタン樹脂を充填した。次いでＰＺＴブロック体を、その表面に沿って０．１５ｍｍ（溝の深さ）にてスライスして、厚さ０．１５ｍｍの複合材料シートを得た。得られた複合材料シートの上下の表面に、蒸着法を用いて金電極を形成し、次いで上下電極間に電界を印加して、ＰＺＴを分極させることによって、複合圧電材料シートを得た。
【００３５】
次に、上記の複合圧電材料シートを吸音材の上に貼り付けた後、複合圧電材料シートに、その長さ方向に沿って、幅０．０３ｍｍの切り込みを０．１２ｍｍの間隔で５９個入れて、６０個の圧電振動子（長さ６ｍｍ×幅０．１２ｍｍ）からなるアレイ型圧電振動子を得た。圧電振動子の長尺圧電体は、長尺圧電体の長さ方向に沿った圧電セラミックス部材の長さ（Ｌ）が０．１２ｍｍ、長尺圧電体の幅方向に沿った圧電セラミックス部材の長さ（Ｗ）が０．１２ｍｍ、圧電セラミックス部材の厚さ（Ｔ）が０．１５ｍｍ、そして長尺圧電体の長さ方向に沿った樹脂充填部の長さ（Ａ）が０．０３ｍｍであり、長尺圧電体中の圧電セラミックス部材の体積分率は、８０％であった。このアレイ型圧電振動子の圧電振動子の感度は、−５６ｄＢであった。
【００３６】
［比較例１］
ＰＺＴブロック体（長さ６ｍｍ×幅９ｍｍ×厚さ１ｍｍ）の表面に、幅方向に沿って、溝（幅０．０２５ｍｍ×深さ０．１５ｍｍ）を０．０５ｍｍの間隔で７９個形成し、次いで、長さ方向に沿って、溝（幅０．０２５ｍｍ×深さ０．１５ｍｍ）を０．０５ｍｍの間隔で１１９個形成して、それぞれの溝にポリウレタン樹脂を充填した。次いでＰＺＴブロック体の表面を０．１５ｍｍ（溝の深さ）にてスライスして、厚さ０．１５ｍｍの複合材料シートを得た。得られた複合材料シートの上下の表面に、蒸着法を用いて金電極を形成し、次いで上下電極間に電界を印加して、ＰＺＴを分極させることによって、圧電体シートを得た。
【００３７】
次に、圧電体シートを吸音材の上に貼り付けた後、圧電体シートに、その長さ方向に沿って、幅０．０２ｍｍの切り込みを０．１３ｍｍの間隔で５９個入れて、６０個の圧電振動子（長さ６ｍｍ×幅０．１３ｍｍ）からなるアレイ型圧電振動子を得た。圧電振動子の長尺圧電体は、０．０５０ｍｍ角の角柱状の圧電セラミックス部材を含む１−３型複合圧電材料であり、長尺圧電体中の圧電セラミックス部材の体積分率は、５１％であった。このアレイ型圧電振動子の圧電振動子の感度は、−６３ｄＢであった。
【００３８】
【発明の効果】
本発明のアレイ型圧電振動子では、各圧電振動子の感度が、従来の一般的な１−３型複合圧電材料を長尺圧電体に用いた圧電振動子の感度よりも高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の代表的なアレイ型圧電振動子の構成を示す図であり、（ａ）は、アレイ型圧電振動子の平面図であり、（ｂ）は、アレイ型圧電振動子の側面図であり、（ｃ）は、図１（ａ）の正面図である。
【図２】図１の圧電振動子に用いられている長尺圧電体の拡大斜視図である。
【図３】本発明に従うアレイ型圧電振動子の構成を示す図であり、（ａ）は、アレイ型圧電振動子の平面図であり、（ｂ）は、アレイ型圧電振動子の側面図であり、（ｃ）は、（ａ）のＩＩ−ＩＩ断面図である。
【図４】図３の圧電振動子に用いられている長尺圧電体の拡大斜視図である。
【図５】本発明に従うアレイ型圧電振動子の別の構成を示す図であり、（ａ）は、アレイ型圧電振動子の平面図であり、（ｂ）は、アレイ型圧電振動子の側面図であり、（ｃ）は、（ａ）のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。
【符号の説明】
１０　圧電振動子
１１　吸音材
１２　樹脂
１３　長尺圧電体
１４ａ、１４ｂ　電極
１５　樹脂部
１６　圧電セラミックス部材
２０　圧電振動子
２１　吸音材
２２　樹脂
２３　長尺圧電体
２４ａ、２４ｂ　電極
２５　樹脂充填部
２６　圧電セラミックス部材
３０　圧電振動子
３１　吸音材
３２　樹脂
３３　長尺圧電体
３４ａ、３４ｂ　電極
３５　樹脂充填部
３６　圧電セラミックス部材
【図１】
2004033814.tif 000003
【図２】
2004033814.tif 000004
【図３】
2004033814.tif 000005
【図４】
2004033814.tif 000006
【図５】
2004033814.tif 000007