(57)【要約】【課題】スパース法が適用された超音波振動子を製造する場合において、振動部おける有効素子パターンの変更があってもシグナル側リード部材をそのまま利用できるようにする。【解決手段】振動部１０は複数のブロックＢに区分され、各ブロックＢにおいては、所定の分散条件にしたがって有効素子１２が部分的に形成される。振動部１０の上側に設けられるシグナル側リード部材２２においては、各ブロックＢに対応して複数の電極面２２ａが形成されている。各電極面２２ａはブロックＢの全体を覆っており、かつ互いに電気的に分離されている。よって、有効素子パターンの変更があってもシグナル側リード部材２２をそのまま利用できる。【選択図】　　　　図１
2004007309.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一方面が仮想的に複数のブロックに区分され、所定の分散条件に従って各ブロック内の一部分に有効素子が形成された振動部と、
該振動部の一方面に接合され、前記各ブロックに対応する互いに電気的に分離された複数の電極面を有するシグナル側リード部材と、
前記振動部の他方面に接合されるグランド側リード部材と、
を含み、
前記各ブロック内のいずれの箇所に有効素子を形成した場合においても前記電極面が有効素子に接合されるようにしたことを特徴とする超音波振動子。
【請求項２】
請求項１記載の超音波振動子において、
前記振動部は、
圧電体と、
該圧電体の一方面の内で有効素子部分にのみ形成された部分電極からなるシグナル側電極部と、
前記圧電体の他方面に形成したグランド側電極部と、
で構成したことを特徴とする超音波振動子。
【請求項３】
請求項２記載の超音波振動子において、
前記圧電体の一方面の内で有効素子部分は、それ以外の無効部分に対して突出形状としたことを特徴とする超音波振動子。
【請求項４】
請求項１記載の超音波振動子において、
前記シグナル側リード部材はフレキシブル回路基板により構成したことを特徴とする超音波振動子。
【請求項５】
請求項１記載の超音波振動子において、
前記有効素子の周辺に音響的分離を行う手段が設けられたことを特徴とする超音波振動子。
【請求項６】
圧電体の少なくとも一方面を仮想的に複数のブロックに区分し、所定の分散条件に従って各ブロックの一部分に部分電極を形成する工程と、
前記圧電体の他方面に電極を形成する工程と、
前記圧電体の一方面に、前記各ブロックに対応した電極面を形成したシグナル側リード部材を接合させる工程と、
前記圧電体の他方面にグランド側リード部材を接合させる工程と、
を含むことを特徴とする超音波振動子の製造方法。
【請求項７】
請求項６記載の方法において、
前記圧電体における前記部分電極を形成した部分以外を所定深さに切削し、その後に前記シグナル側リード部材を接合したことを特徴とする超音波振動子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波振動子及びその製造方法に関し、特に、振動子面に複数の有効素子を分散形成するスパース法に基づいて設計・製造される超音波振動子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
二次元アレイ振動子（２Ｄ振動子）は、マトリクス状に配列された複数の振動素子を有する。各振動素子には個別に送信信号が供給され、また各振動素子からの受信信号も個別に処理される。このような２Ｄ振動子は例えば三次元画像を形成する場合に利用される。
【０００３】
２Ｄ振動子においては、上述のように多数の振動素子が含まれるため、各振動素子への電気的な配線は複雑であり、また製造時の負担が大きい。更に信号処理の面でも負担が大きく、回路規模が大きくなる。
【０００４】
そこで、マトリクス状に配列された多数の振動素子の中で代表的なもののみを残し、他の振動素子を除外して超音波の送受波を行わせる手法が提案されている（スパース法）。この手法によると、例えば、圧電体の一方面に複数の電極要素が分散形成される。つまり、その部分が有効素子となり、その他の部分は無効部分とされる。有効素子パターンは、所定の分散条件（一定密度、一定線密度）に従って決定されるが、一般に、試行錯誤によって最適な有効素子パターンが判断される。つまり、この手法では、並列受信を行う場合に送信ビームの影響を必要以上に受けがちで、偏りのない受信ビームを得にくい面があるため、異なる有効素子パターンで検証を実行し、最終的に最も良好な有効素子パターンを決定するものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、上記のスパース法を利用して超音波振動子の設計及び製造を行う場合には、圧電体上に形成される電極要素パターンを度々変更する必要があり、それゆえその都度、各電極要素への電気的接続パターンを変更しなければならないという問題がある。シグナル側リード部材としては、例えばフレキシブル回路基板（ＦＰＣ）が利用されるが、そのＦＰＣの電極パターン・配線パターンを逐次的に設計変更するのは大変煩雑であり、コスト的な無駄が無視できない。
【０００６】
本発明の目的は、有効素子パターンの変更があっても、シグナル側リード部材の設計変更を不要にできるようにすることにある。
【０００７】
本発明の他の目的は、振動子の製造コストを低減することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、少なくとも一方面が仮想的に複数のブロックに区分され、所定の分散条件に従って各ブロック内の一部分に有効素子が形成された振動部と、該振動部の一方面に接合され、前記各ブロックに対応する互いに電気的に分離された複数の電極面を有するシグナル側リード部材と、前記振動部の他方面に接合されるグランド側リード部材と、を含み、前記各ブロック内のいずれの箇所に有効素子を形成した場合においても前記電極面が有効素子に接合されるようにしたことを特徴とする。
【０００９】
上記構成によれば、振動部においては各ブロックごとに１（又は複数）の有効素子が部分的に形成される。この場合、シグナル側リード部材は、各ブロックごとに各ブロック全体を覆う形態（複数の電極面）を有しているため、有効素子パターンによらずに、そのシグナル側リード部材を共通利用可能である。すなわち、振動部の仕様が変更されてもシグナル側リード部材の仕様を変更する必要がない。なお、振動子の両面に同じパターンで電極要素を形成し、これによって両面から有効素子を画定するようにしてもよい。
【００１０】
上記の所定の分散条件は、スパース法に基づく有効素子の分散的な配列条件であり、その場合に、有効素子がおよそ１つずつ入るマトリクスを想定可能である。よって、そのようなマトリクスに相当するものとして複数のブロックを定義すればよい。もちろん、ブロック内に１つの有効素子が割り当てられることを前提に分散条件を定義してもよい。なお、分散条件如何によっては、あるブロックに２つ以上の有効素子が割り当てられてしまう可能性もあるが、その場合でもそのようなブロックが少数であれば振動子全体としての特性の劣化は微少である。
【００１１】
望ましくは、前記振動部は、圧電体と、該圧電体の一方面の内で有効素子部分にのみ形成された部分電極からなるシグナル側電極部と、前記圧電体の他方面に形成したグランド側電極部と、で構成する。
【００１２】
望ましくは、前記圧電体の一方面の内で有効素子部分は、それ以外の無効部分に対して突出形状となる。この構成によれば、無効部分とシグナル側リード部材との容量結合による影響を防止できる。
【００１３】
望ましくは、前記シグナル側リード部材はフレキシブル回路基板により構成する。また望ましくは、前記有効素子の周辺に音響的分離を行う手段が設けられる。有効素子の相互間、有効素子と無効素子との間において音響的な隔絶を図れば超音波振動子の特性が良好となる。
【００１４】
上記目的を達成するために、本発明は、圧電体の少なくとも一方面を仮想的に複数のブロックに区分し、所定の分散条件に従って各ブロックの一部分に部分電極を形成する工程と、前記圧電体の他方面に電極を形成する工程と、前記圧電体の一方面に、前記各ブロックに対応した電極面を形成したシグナル側リード部材を接合させる工程と、前記圧電体の他方面にグランド側リード部材を接合させる工程と、を含むことを特徴とする。
【００１５】
望ましくは、前記圧電体における前記部分電極を形成した部分以外を所定深さに切削し、その後に前記シグナル側リード部材を接合する。
【００１６】
上記を別の観点から見ると、電極を含む圧電体の少なくとも一方面を複数のブロックに区分し、所定の分散条件に従って各ブロックの一部分を有効素子として機能させる場合に、互いに電気的に分離され前記各ブロックを個別的に覆う複数の電極面が形成されたフレキシブル基板をシグナル側リード部材とすることにより、有効素子パターンが変更されてもシグナル側リード部材を変更することなく超音波振動子が組み立て可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１８】
図１には、本発明に係る超音波振動子の要部構成が示されている。この超音波振動子は超音波探触子内に設けられ、超音波を送受波するものである。
【００１９】
図１において、振動部１０は、例えばＰＺＴなどの圧電体１６と、その下面側に形成される電極１８と、圧電体１６の上面側に形成される複数の部分電極１４ａからなる電極と、で構成される。図示されるように、振動部１０は、マトリクス状に複数のブロックＢによって仮想的に区分され、各ブロックＢごとに有効素子１２が部分的に形成されている。なお、実際の超音波振動子においては、振動部１０が多数のブロックＢによって区分されるが、図においては説明のため、振動部３×３のブロックＢによって区分されている。
【００２０】
有効素子１２は、実質的に超音波振動素子として機能する部分であり、圧電体１６におけるそれ以外の部分は無効部分１３とされている。後に詳述するように、圧電体１６において無効部分１３は切削されており、つまり薄い厚みで形成されており、それにより残された部分が符号１６ａとして示されている。その部分１６ａの上面には上記の部分電極１４ａが形成されており、それらによって有効素子１２が構成されている。もちろん、部分１６ａの下側に存在する圧電体領域も有効素子の一部として機能する。
【００２１】
有効素子１２は、基本的に、各ブロックＢごとに１つずつ設定される。この場合、各ブロックＢ内における有効素子１２の位置は所定の分散条件によって決定される。ちなみに、このように比較的多くの無効部分１３を形成するのは、その部分に素子を形成した場合に信号線の本数や回路規模が増大して上述のような問題が生じるからであり、そのような問題を回避しつつかつできるだけ有効な送受信特性を得るために有効素子パターンが設定される。
【００２２】
なお、図１においては有効素子１２が矩形形状を有しているがそれには限られず、例えば円形の形状を有していてもよい。
【００２３】
振動部１０の下面側には、グランド側リード部材２０が接合される。具体的には、このグランド側リード部材２０は金属箔で構成される。
【００２４】
一方、振動部１０の上面側にはシグナル側リード部材２２が接合される。ちなみに、図１においては、そのシグナル側リード部材２２が裏返しになった状態が示されている。
【００２５】
シグナル側リード部材２２において、上述した各ブロックＢに対応して複数の電極面２２ａが形成されている。各電極面２２ａは実質的にブロックＢの全体を覆う面積を有し、それぞれの電極面２２ａは相互に電気的に分離されている。したがって、振動部１０において、各ブロックＢ内におけるいずれの位置に有効素子１２が形成されていても、電極面２２ａによって全ての有効素子１２に対して個別的に電気的な接続を図ることができる。
【００２６】
これにより、振動部１０における有効素子パターンを変更したとしても、シグナル側リード部材２２を設計変更する必要はなく、共通の部材をそのまま利用可能である。本実施形態において、シグナル側リード部材２２はフレキシブル回路基板（ＦＰＣ）で構成されている。
【００２７】
図１においては、振動部１０の上面側にのみ有効素子１２が形成されているが、振動部１０の下面側においても上面側と同一のパターンでそのような有効素子を形成してもよい。有効素子１２は図示の通り突起形状を有しているが、電気的及び音響的に適正に機能すればその形態としては各種の形態が考えられる。
【００２８】
図１に示した構成において、グランド側リード部材２０の下側にはバッキング層が接合される。また、シグナル側リード部材２２の上側には整合層を設け、その整合層の上側には例えば音響レンズなどを接合することにより、超音波振動子の全体が構成される。
【００２９】
図２には、振動部１０の製造プロセスが示されている。（Ａ）に示す圧電体１６に対して例えば（Ｂ）に示すように上面及び下面に電極１４，１８を形成する。次に（Ｃ）に示すように、その内の例えば電極１４に対してエッチングなどの処理により有効素子に相当する部分のみの電極を部分電極１４ａとして残す処理がなされる。次に、（Ｄ）に示すように、無効部分１３に相当する圧電体１６の部分を切削する。つまり、その部分の厚みを薄くする。これは、そのような無効部分においてシグナル側リード電極との相互作用により容量結合が生じないようにするためである。
【００３０】
図２に示した製造プロセスにおいては、圧電体１６の上面に対して全面的に電極１４を形成した後に必要な電極要素部分のみを残し、他の部分をエッチングしたが、最初から電極要素部分のみを形成するように電極１４を形成してもよい。
【００３１】
次に、図３を用いて、他の製造プロセスについて説明する。図３に示す実施形態は、音響的な隔絶（音響的クロストークの低減）を図った構成を有し、以下それを中心として説明する。なお、図１及び図２に示した構成と同様の構成には同一符号を付しその説明を省略する。
【００３２】
（Ａ）に示す工程は、例えば図２の（Ｄ）に示す工程に引き続いて実施される。振動部１０に対して、有効素子１２の外周部（周辺）に側溝４１が形成される。それに先立って、各部分が分離しないように、振動部１０に対して音響整合層３０が接着される。上記の側溝４１はダイシングソーなどを利用して切削形成される。但し、グランド側リード部材２０はそのまま残すようにする。側溝４１の形成は、有効素子４１の周囲のみに対して形成してもよいし、図示のように振動部１０の全体に対してマトリクス状に側溝４１を形成してもよい。いずれにしても、側溝４１が有効素子４１の周囲で、音響的な分離（隔絶）機能を発揮する。つまり、有効素子１２と無効素子１３ａとの間（及び有効素子１２間）で、クロストークの発生が効果的に抑制される。この機能を発揮させるとともに機械的な強度を補うために、側溝４１内に音響的な減衰が大きい充填剤を充填するのが望ましい。
【００３３】
（Ｂ）に示す工程では、上記の加工が施された振動部１０に対して、既に説明したシグナル側リード部材２２が接合される。次に、（Ｃ）に示す工程では、シグナル側リード部材２２上に背面負荷部材であるバッキング５０が接合される。また、音響整合層３０に対し、各有効素子１２の外周囲に形成された側溝４１に対応して、あるいは、マトリクス状に形成された側溝４１に対応して、切削加工が施され、これによって分離溝６１が形成され、同時に音響整合素子３１が形成される。但し、分離溝６１の深さはグランド側リード部材２０の表面までとするか、あるいは、その表面の近傍（直前）までとする。分離溝６１により、音響整合層３０内におけるクロストークを防止、軽減できる。
【００３４】
このように図３に示す実施形態によれば、側溝４１及び分離溝６１の両者が形成されているために、超音波振動子の特性を極めて良好にできる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、有効素子パターンの変更があっても、シグナル側リード部材について設計変更をすることなく共通に使用することができる。超音波振動子の製造コストを削減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超音波振動子の要部構成を示す図である。
【図２】本発明に係る超音波振動子の製造プロセスを示す図である。
【図３】本発明に係る超音波振動子の他の製造プロセスを示す図である。
【符号の説明】
１０　振動部、１２　有効素子、１３　無効部分、１４，１８　電極、２０　グランド側リード部材、２２　シグナル側リード部材（フレキシブル回路基板）。
【図１】
2004007309.tif 000003
【図２】
2004007309.tif 000004
【図３】
2004007309.tif 000005