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技術 超音波変換器アレーとその製造方法

出願人 パラレルデザイン,インコーポレイテッド
発明者 フィンスターワルド,ピー.マイクルダグラス,スチーブンジョセフジャスト,リッキーゲイル
出願日 1994年1月21日 (27年0ヶ月経過) 出願番号 1994-517111
公開日 1996年7月2日 (24年7ヶ月経過) 公開番号 1996-506227
状態 特許登録済
技術分野 超音波による材料の調査、分析 超音波変換器
主要キーワード 周波数応答帯域 凹形形状 凹形表面 接地導線 中間組立体 附属品 切残し 信号導線
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(1996年7月2日)のものです。
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図面 (12)

課題・解決手段

結像面内のアレー軸(A)に沿って整列された複数の変換器素子(12)を有する超音波変換器アレーとその製造方法。各変換器素子(12)は、圧電層(22)と一つ以上の音響整合層(24,26)を含む。この圧電層(22)は、前電極(42)で覆われた凹形前面と後電極(40)で覆われた後面を有する。各変換器素子(12)の形状は、その焦点機械的にこの結像面に合せるように選ばれている。裏当て支持体(80)は、各素子(12)が機械的にこの結像面に焦点を合せるように、これらの複数の変換器素子(12)をこのアレー軸(A)に沿って所定の関係に保持する。

概要

背景

概要

結像面内のアレー軸(A)に沿って整列された複数の変換器素子(12)を有する超音波変換器アレーとその製造方法。各変換器素子(12)は、圧電層(22)と一つ以上の音響整合層(24,26)を含む。この圧電層(22)は、前電極(42)で覆われた凹形前面と後電極(40)で覆われた後面を有する。各変換器素子(12)の形状は、その焦点機械的にこの結像面に合せるように選ばれている。裏当て支持体(80)は、各素子(12)が機械的にこの結像面に焦点を合せるように、これらの複数の変換器素子(12)をこのアレー軸(A)に沿って所定の関係に保持する。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
5件

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請求項1

超音波変換器アレーの製造方法であって:前電極で覆われた凹形の前面をもち、更に後電極で覆われた後面をもつ圧電基板を調製する工程;この圧電基板の凹形前面に、厚さがほぼ均一な音響整合層を付けて、中間組立体を作る工程;この中間組立体を柔軟な前キャリヤ板に貼付ける工程;この圧電基板の後面から、ほぼこの中間組立体のこの圧電層と音響整合層を通して、一連のほぼ平行な切れ目切り、これらの切れ目が、アレー軸に沿って整列された一連の個々の変換器素子を形成する工程;このアレー軸にほぼ垂直な軸の周りに、これらの層を、この柔軟な前キャリヤ板の降伏バイアスに抗して曲げることによって、この平行に切った中間組立体を所望の形状に成形する工程;この中間組立体の圧電基板の後面に裏当て材料を付ける工程;およびこの前キャリヤ板を除去して、超音波変換器アレーを生ずる工程を含む方法。

請求項2

請求項1に記載する方法において、圧電基板を調製する工程が:この基板の前面から、ほぼこの圧電基板を通して、一連の平行な切れ目を切る工程;およびプレスを使って、この平行に切った圧電基板を所定の形状に成形する工程を含む方法。

請求項3

請求項2に記載する方法において、ほぼこの圧電基板を通して切る工程で作る平行な切れ目が、この基板の中へ部分的に切込まれ、ほぼ均一に離間している方法。

請求項4

請求項2に記載する方法において、ほぼこの圧電基板を通して切る工程で作る平行な切れ目が、所定の最小間隔と所定の最大間隔の間で、ほぼ無作為に離間している方法。

請求項5

請求項2に記載する方法において、この平行に切った圧電基板を成形する工程と音響整合層を付ける工程をほぼ同時に行う方法。

請求項6

請求項2に記載する方法において、圧電基板を調製する工程が、更に、隣接する部分を音響的に絶縁するために、ほぼこの圧電基板を通して切る工程で作ったこの圧電基板の空間に、エラストマー充填材料を入れる工程を含む方法。

請求項7

請求項6に記載する方法において、このエラストマー充填材料を入れる工程で使う材料がエポキシ材料である方法。

請求項8

請求項1に記載する方法において、圧電基板を調製する工程が:圧電基板の全ての面を金属被覆する工程;並びにこの圧電基板上の金属被覆を通して切って、この基板の後面に後電極を、およびこの基板の前面に前電極を作り、この前電極がこの基板の後面の一部の上に伸びる工程を含む方法。

請求項9

請求項8に記載する方法であって、更にこの圧電基板上の後電極に柔軟な信号導線取付ける工程;およびこの圧電基板上の前電極に柔軟な接地導線を取付ける工程を含む方法。

請求項10

請求項9に記載する方法において、ほぼこの中間組立体の圧電層と音響整合層を通して切る工程が、各変換器素子毎に別々の信号導線を電気的に分離するように、これらの信号導線を切断する工程を含む方法。

請求項11

請求項1に記載する方法において、音響整合層を付ける工程が:平坦な、研磨した工具板を用意する工程;この工具板上に薄い、金属の電極層を電気めっきする工程;この電気めっきした電極層の上にエポキシ材料の一つ以上の音響整合層を形成する工程;この工具板からこの電極層と一つ以上の音響整合層を除去する工程;プレスを使って、この除去した電極層と一つ以上の整合層を所定の形状に成形する工程;およびこの圧電基板の凹形前面に、この成形した電極層と一つ以上の音響整合層を永久的に接着する工程を含む方法。

請求項12

請求項11に記載する方法において:この一つ以上の音響整合層を形成する工程が、エポキシ材料を流込む工程を含み;およびこの除去した電極層と一つ以上の整合層を成形する工程とこの永久的に接着する工程をほぼ同時に行う方法。

請求項13

請求項1に記載する方法において、この貼付け工程が、所定の温度以上でその接着力を失う熱可塑性接着剤を使って、この音響整合層をこの柔軟な前キャリヤ板に貼付ける工程を含む方法。

請求項14

請求項1に記載する方法において:この音響整合層を付ける工程が、少なくとも二つの音響整合層を、重ねて付ける工程を含み;およびほぼこの中間組立体のこの圧電層と音響整合層を通して切る工程が、この圧電基板の後面からこの中間組立体を完全に通って、前キャリヤ板に切込む工程を含む方法。

請求項15

請求項14に記載する方法において、この前キャリヤ板を除去する工程が、個々の変換器素子を音響的に絶縁するために、この中間組立体に露出された平行な切れ目にエラストマー充填材料を入れる工程を含む方法。

請求項16

請求項15に記載する方法において、このエラストマー充填材料を入れる工程で使う材料がポリウレタンである方法。

請求項17

超音波変換器アレーの製造方法であって:前電極で覆われた凹形の前面をもち、更に後電極で覆われた後面をもつ平坦な圧電基板を調製する工程;この基板の前面から、ほぼこの圧電基板を通して、一連の平行な切れ目を切る工程;この圧電基板の前面に、厚さがほぼ均一な音響整合層を付けて、中間組立体を作る工程;この中間組立体を柔軟な前キャリヤ板に貼付ける工程;この圧電基板の後面から、ほぼこの中間組立体のこの圧電層と音響整合層を通して、一連のほぼ平行な切れ目を切り、これらの切れ目を、先に、ほぼこの圧電基板を通して切った切れ目にほぼ垂直な平面内で切り、そしてこれらの切れ目が一連の個々の変換器素子を形成する工程;この中間組立体の圧電基板の後面に裏当て材料を付ける工程;およびこの前キャリヤ板を除去して、超音波変換器アレーを生ずる工程を含む方法。

請求項18

請求項17に記載する方法において、ほぼこの圧電基板を通して切る工程で作る平行な切れ目が、ほぼ均一に離間している方法。

請求項19

請求項17に記載する方法において、ほぼこの圧電基板を通して切る工程で作る平行な切れ目が、所定の最小間隔と所定の最大間隔の間で、ほぼ無作為に離間している方法。

請求項20

請求項17に記載する方法であって、更に、この平行に切った圧電基板を、この基板の前面が凹形であるように、プレスで成形する工程を含み、音響整合層を付ける工程をほぼ同時に行う方法。

請求項21

請求項17に記載する方法において、この平行に切った圧電基板を成形する工程と音響整合層を付ける工程をほぼ同時に行う方法。

請求項22

請求項17に記載する方法において、圧電基板を調製する工程が、更に、隣接する部分を音響的に絶縁するために、ほぼこの圧電基板を通して切る工程で作ったこの圧電基板の空間に、エラストマー充填材料を入れる工程を含む方法。

請求項23

請求項22に記載する方法において、このエラストマー充填材料を入れる工程で使う材料がエポキシ材料である方法。

請求項24

請求項17に記載する方法において:ほぼこの圧電基板を通して切る工程がこの前電極を完全に通して切り;並びに音響整合層を付ける工程が、この音響整合層の下側に薄い、金属電極層を形成する工程、およびこの音響整合層の電極層を圧電基板の前電極と電気的に接触させて、この音響整合層を圧電基板に付ける工程を含む方法。

請求項25

請求項17に記載する方法において:この音響整合層を付ける工程が、少なくとも二つの音響整合層を、重ねて付ける工程を含み;およびほぼこの中間組立体のこの圧電層と音響整合層を通して切る工程が、この圧電基板の後面からこの中間組立体を完全に通って、前キャリヤ板に切込む工程を含む方法。

請求項26

請求項25に記載する方法において、この前キャリヤ板を除去する工程が、個々の変換器素子を音響的に絶縁するために、この中間組立体に露出された平行な切れ目にエラストマー充填材料を入れる工程を含む方法。

請求項27

請求項26に記載する方法において、このエラストマー充填材料を入れる工程で使う材料がポリウレタンである方法。

請求項28

超音波変換器アレーの製造方法であって:前電極で覆われた前面をもち、更に後電極で覆われた後面をもつ圧電基板を調製する工程;この圧電基板の前面に、厚さがほぼ均一な音響整合層を付けて、中間組立体を作る工程;この中間組立体を柔軟な前キャリヤ板に貼付ける工程;この圧電基板の後面上の後電極に柔軟な信号導線を取付ける工程;この圧電基板の前面上の前電極に柔軟な接地導線を取付ける工程;この圧電基板の後面から、ほぼこの中間組立体のこの圧電層と音響整合層を通して、一連のほぼ平行な切れ目を切って、一連の個々の変換器素子を形成する工程であって、各変換器素子毎に別々の信号導線を電気的に分離するように、これらの信号導線を切断する工程を含む工程;この中間組立体の圧電面の後面に裏当て材料を付ける工程;およびこの前キャリヤ板を除去して、超音波変換器アレーを生ずる工程を含む方法。

請求項29

請求項28に記載する方法であって、更に、この中間組立体が所定の弓形形状になるように、これらの層を、この柔軟な前キャリヤ板の降伏バイアスに抗して曲げることによって、この平行に切った中間組立体を所望の形状に成形する工程を含む方法。

請求項30

物体試験するための結像面をもつ超音波変換器アレーであって:この結像面内のアレー軸に沿って整列された複数の変換器素子であって、これらの複数の変換器素子の各が前電極で覆われた凹形の前面と後電極で覆われた後面をもつ圧電層、並びに凹形の前面、後面および均一な厚さを有し、この後面がこの圧電層の凹形前面に取付けられている第1音響整合層を有し、この圧電層とこの第1音響整合層の少なくとも一部が隣接する変換器素子から離間し;且つ、この圧電層と音響整合層の前面の形状が、それぞれの変換器素子の焦点機械的にこの結像面に合せるように選ばれている変換器素子;並びにこれらの複数の変換器素子を、各素子が機械的にこの結像面に焦点を合せるように、このアレー軸に沿って整列して離間した関係に支持する裏当て支持体を含む変換器アレー

請求項31

請求項30の超音波変換器アレーにおいて、複数の変換器素子の各が、更に、凹形の前面、後面および均一な厚さを有し、第1音響整合層の凹形前面に取付けられている第2音響整合層を含む変換器アレー。

請求項32

請求項30の超音波変換器アレーにおいて、これらの複数の変換器素子の各の後電極に柔軟な信号導線が取付けられ、およびこれらの複数の変換器素子の各の前電極に柔軟な接地導線が取付けられている変換器アレー。

請求項33

請求項32の超音波変換器アレーにおいて、これらの複数の変換器素子の各が下位素子に分割され、これらの下位素子が電気的に並列に接続されている変換器アレー。

請求項34

請求項30の超音波変換器アレーであって、更に、これらの複数の変換器素子に対して外面層を形成する誘電体材料を含む変換器アレー。

請求項35

請求項30の超音波変換器アレーにおいて、隣接する変換器素子の間の空間が低インピーダンスの音響的に減衰性の材料で満たされている変換器アレー。

請求項36

請求項30の超音波変換器アレーにおいて、この前電極および後電極が、各々ニッケル内層および銅の外層を含む変換器アレー。

請求項37

請求項36の超音波変換器アレーにおいて、この前電極および後電極が、更に金の外層を含む変換器アレー。

請求項38

請求項30の超音波変換器アレーにおいて、各変換器素子のために、この圧電層の前面がこのアレー軸の方向に配列された一連のスロットによって中断され、各変換器素子が、更にこの一連のスロットを横切る導電性経路を提供するための手段を含む変換器アレー。

請求項39

請求項38の超音波変換器アレーであって、更に、隣接する部分を音響的に絶縁するために、これらのスロットの中にエラストマー材料を含む変換器アレー。

請求項40

請求項39の超音波変換器アレーにおいて、このエラストマー充填材料がエポキシ材料である変換器アレー。

請求項41

請求項40の超音波変換器アレーにおいて、この導電性経路を提供するための手段が各変換器素子の圧電層と音響整合層の間に導電性層を含む変換器アレー。

請求項42

請求項40の超音波変換器アレーにおいて、この導電性経路を提供するための手段が音響整合層であり、この音響整合層が導電性材料である変換器アレー。

請求項43

請求項32の超音波変換器アレーにおいて、このアレー軸が凸形である変換器アレー。

請求項44

物体を試験するための結像面をもつ超音波変換器アレーであって:この結像面内のアレー軸に沿って整列された複数の変換器素子であって、これらの複数の変換器素子の各が前電極で覆われた前面と後電極で覆われた後面をもち、この前面がこのアレー軸の方向に配列された一連のスロットによって中断された圧電層、凹形の前面、および均一な厚さを有し、この圧電層の前面に取付けられた第1音響整合層、並びにこの圧電層の一連のスロットを横切る導電性経路を提供するための手段を含み、この圧電層とこの第1音響整合層の少なくとも一部が隣接する変換器素子から離間している変換器素子;並びにこれらの複数の変換器素子を、各素子が機械的にこの結像面に焦点を合せるように、このアレー軸に沿って整列して離間した関係に支持する裏当て支持体を含む変換器アレー。

請求項45

請求項44の超音波変換器アレーであって、更に、これらの複数の変換器素子の焦点をこの結像面に合せるための手段を含む変換器アレー。

請求項46

請求項44の超音波変換器アレーにおいて、この圧電層と音響整合層の前面の形状が、それぞれの変換器素子の焦点を機械的にこの結像面に合せるように選ばれている変換器アレー。

請求項47

請求項46の超音波変換器アレーにおいて、複数の変換器素子の各が、更に、凹形の前面、後面および均一な厚さを有し、第1音響整合層の凹形前面に取付けられている第2音響整合層を含む変換器アレー。

請求項48

請求項46の超音波変換器アレーにおいて、これらの複数の変換器素子の各の後電極に柔軟な信号導線が取付けられ、およびこれらの複数の変換器素子の各の前電極に柔軟な接地導線が取付けられている変換器アレー。

請求項49

請求項48の超音波変換器アレーにおいて、これらの複数の変換器素子の各が下位素子に分割され、これらの下位素子が電気的に並列に接続されている変換器アレー。

請求項50

請求項46の超音波変換器アレーであって、更に、これらの複数の変換器素子に対して外面層を形成する誘電体材料を含む変換器アレー。

請求項51

請求項46の超音波変換器アレーにおいて、隣接する変換器素子の間の空間が低インピーダンスの音響的に減衰性の材料で満たされている変換器アレー。

請求項52

請求項46の超音波変換器アレーにおいて、この前電極および後電極が、各々ニッケルの内層および銅の外層を含む変換器アレー。

請求項53

請求項52の超音波変換器アレーにおいて、この前電極および後電極が、更に金の外層を含む変換器アレー。

請求項54

請求項46の超音波変換器アレーにおいて、この導電性経路を提供するための手段が各変換器素子の圧電層と音響整合層の間に導電性層を含む変換器アレー。

請求項55

請求項46の超音波変換器アレーにおいて、この導電性経路を提供するための手段が音響整合層であり、この音響整合層が導電性材料である変換器アレー。

請求項56

請求項46の超音波変換器アレーにおいて、このアレー軸が凸形である変換器アレー。

請求項57

請求項44の超音波変換器アレーであって、更に、隣接する部分を音響的に絶縁するために、これらのスロットの中にエラストマー充填材料を含む変換器アレー。

請求項58

請求項57の超音波変換器アレーにおいて、このエラストマー充填材料がエポキシ材料である変換器アレー。

背景技術

0001

この発明は、一般的には超音波変換器アレー(列)に関し、更に詳しくは、直
線、曲線、またはその両方である軸に沿って均一に分布された、複数の個々の、
音響的に絶縁された素子をもつアレーに関する。

0002

超音波変換器アレーは、この技術分野では良く知られ、医療診断画像流体流
れ検出および材料の非破壊検査を含む多くの用途がある。そのような用途は、典
型的には最適分解能を得るために、高感度広帯域周波数応答を要求する。

0003

超音波変換器アレーには、典型的には、直線(即ち、線形アレー)、または曲
線(例えば、凹アレーまたは凸アレー)であるアレー軸に沿って均一に離間した
、複数の個々の変換器素子がある。これらの変換器素子は、各々圧電層を含む。
これらの変換器素子にはまた、典型的には各々厚さが四分の一波長である、一つ
以上の音響整合層が重なっている。このアレーは、隣接する変換器素子間で発信
イミングを変えて電気的に駆動され、結像面集束した音ビームを生ずる。個
々の変換器素子をパルサレシーバ回路と電気的に整合することにより、個々の
変換器素子を試験すべき物体と音響的に整合することにより、および個々の素子
を互いから音響的に絶縁することによって、変換器の性能は向上する。これらの
音響整合層は、普通、圧電素子から試験すべき物体の中への音エネルギーの伝達
を改善するために使う。

0004

結像面内での電子焦点合せに加えて、面外焦点合せに備えることも必要であ
る。これは、典型的には、凹面の圧電層を使うことにより、または音響レンズ
関連して平面の圧電層を使うことにより機械的になされる。

0005

機械的焦点合せを具体化した既知変換器アレーの一つは、平凹圧電基板で作
られている。この凹面が作る空洞は、タングステンエポキシ混合物のような、
ポリマー混合物で埋めてから、平ら研磨する。次に、エポキシ層基板または適
当な四分の一波長整合層基板をこの充填層の平らな面に貼付けて、この装置から
音響エネルギーの伝達を改善する。この結果できたサンドイッチ基板をダイシ
ングで切断して個々の変換器素子を作る。この切断工程では、個々の変換器素
子が結合されたままにするために、この四分の一波長整合層基板は切らないか、
部分的に切るだけである。この構成の結果、前面が平面の、機械的に焦点合せし
たアレーが得られる。個々の変換器素子に電気接続をし、このアレーを所望の形
状(例えば、直線、凹形、凸形)に成形してから、裏当て層を付けて変換器素子
を支持し、この圧電基板から伝達された音響エネルギーを吸収または反射する。

0006

このアレーの欠点の一つは、その周波数応答帯域が狭くて、感度が低く、好ま
しくないことである。特に、この充填層の厚さが不均一であることが、この圧電
材料から走査する物体の中へ音響エネルギーが広い周波数範囲にわたって伝達す
ることを阻止する。更に、周波数応答帯域が狭いことが、伝達される音響波のパ
ルス長を増し、それでこのアレーの軸方向解像度を制限する。もう一つの欠点は
隣接する音響整合層が、好ましくない素子間クロストークを起こすことである。

0007

変換器アレーを作るためのもう一つの普通の構成技術が、イシヤマの米国特許
明細書第4,734,963号に記述されている。その技術では、圧電材料の平
板を使い電極リードパターンのある柔軟なプリント基板をこの平板の裏面の一
部に接着する。同様に、均一な厚さの平坦な四分の一波長整合層を、この平坦な
圧電板の前面に貼付ける。柔軟な裏当て板をこの圧電板の裏面に取付け、取付け
た柔軟なプリント基板の一部を捕らえる。ダイシング鋸で、この圧電板と対応す
る平坦な音響整合層を、この柔軟な裏当て板まで切断することによって、個々の
変換器素子を作る。次に、この柔軟な裏当て板を、直線、凹形、または凸形であ
る軸に沿って成形して、裏当てベースに接着する。シリコンエラストマーレンズ
を、この四分の一波長整合層の前面に貼付けて、個々の素子の所望の機械的焦点
合せをする。

0008

この構成の欠点の一つは、これらの変換器素子の感度に、このシリコンレンズ
の効率の悪さが否定的に影響することである。シリコンレンズは、周波数依存性
損失を生じ、それは、結像アレーに普通使用する範囲(3.5ないし10Mh
z)で高い。生産性にも、このシリコンレンズをこのアレーの個々の素子に
関して精密に整列する必要が否定的に影響する。

0009

デュビューの米国特許明細書第5,042,492号に記載されている更なる
構成技術は、凹形に配置した圧電素子を使い、それらの前面を連続していて、変
形可能である音響転移ブレードに貼付ける。このブレードには、金属被覆層があ
って、圧電素子の前面を電気的に接続する。圧電素子の裏面は、個々に別々のリ
ド線に接続されている。この構成の欠点は、ブレードの金属被覆とブレードそ
れ自身が、圧電素子を横切って連続していて、それがこの変換器の性能に不利に
影響することである。その上、リード線を圧電素子に個々に取付けることは、時
間がかかり、ことによると、この材料を損傷する。

0010

上記から、各素子が、音響レンズを必要とすることなく機械的に焦点合せをし
、一つ以上の均一な厚さの、同様に焦点合せをした、四分の一波長整合層に貼付
けた圧電層をもつ、改良した超音波変換器素子アレーに対する要求がまだあるこ
とを理解すべきである。それぞれの圧電層と整合層を含む個々の変換器素子は、
直線または曲線の経路に沿って成形可能な独立の変換器素子を作るために、互い
から機械的に分離されるべきでもある。横共振モードを減少し、および圧電層の
全部の音響インピーダンスを減少したアレーに対する更なる要求がある。電気接
続作業中に変換器アレーに生ずる損傷を最少にすることは勿論、変換器素子に個
々のリード線および/または接地線を接続するために必要な時間を減少する要求
もある。この発明は、この要求を満たす。
発明の概要

0011

この発明は、機械的に結像面に焦点を合せ、調べる媒体と音響的に整合し、お
よびこの結像面のアレー軸に沿って互いから音響的に絶縁した個々の変換器素子
をもつ超音波変換器アレーに具体化し、その結果音響性能が改善し、感度が改善
し、帯域幅が増し、そして焦点特性が改善した。この発明は、更に、上記のアレ
ーを作り、およびリード線および接地線を個々の変換器素子に、比較的容易で損
傷のない単一作業で、電気的に接続するための改良された方法に具体化する。こ
の改良された方法も、変換器素子が特にこのアレー軸に沿って変らず、均一であ
るアレーを生ずる。

0012

この発明の超音波変換器アレーは、超音波装置に使うためのプローブの形をし
ていてもよい。このアレーには、複数の個々の変換器素子があり、各変換器素子
には、凹形前面および後面を有する圧電層と、凹形前面および後面を有し、厚さ
が均一な音響整合層とがある。凹形という用語は、湾曲部分または直線部分また
はそれらの組合せで作られた凹みを含むことを意味する。この音響整合層の後面
は、圧電層の凹形前面に取付ける。この圧電層の前面並びに音響整合層の前面お
よび後面の形状は、それぞれの変換器素子の焦点を機械的に結像面に合せるのに
適している。このアレーは、更に、これらの変換器素子を離間した関係に支持し
、変換器素子をこの結像面にあるアレー軸に沿って整列する裏当て支持体を含む

0013

この発明の別の特徴で、この圧電層の前面は、このアレー軸の方向に配列され
一連スロットを含んでもよい。これらのスロットは、この圧電層の横共振
ードを最少にし、全部の音響インピーダンスを減少する目的に役立つ。その上、
もし、機械的焦点合せのために、凹面形を望むなら、これらのスロットが、この
圧電層を容易に凹面形に成形することを可能にする。

0014

この発明のもう一つの特徴は、このアレーの個々の変換器素子の電気接続であ
る。特に、製造プロセス中に、圧電基板(後に音響整合層基板に取付けて切断し
、個々の変換器素子を作る)を金属被覆して、その後面に分離切れ目を入れて、
巻き付いた表面電極と分離した後表面電極を作る。この圧電基板と音響整合層基
板の組合せを切断して個々の変換器素子にする前に、この分離した後表面電極に
電極リードパターンのある柔軟なプリント基板をはんだ付けしてもよい。この巻
き付き前表面電極に、接地箔をはんだ付けしてもよい。こうして、この圧電基板
を切断すると、それぞれ自分自身の電極リードおよび接地接続をもつ各変換器
子ができる。凹形前面に上述のようにスロットを入れた場合(従って、巻き付き
電極が不連続になる)には、銅のような、適当な導電性材料の層を、この圧電
基板と音響整合層基板の間に挿入して、これらのスロットを横切り接地接続への
電気的に接続することを保証する。

0015

この発明のもう一つの特徴は、これら個々の変換器素子の相互接続を維持しな
がら、それら自身を細分してもよいことである。そのような構成は、疑似横共振
モードおよび素子間クロストークを更に減ずる。

0016

上述の超音波変換器アレーを作る、改良された方法には、凹形の前面と後面と
をもつ圧電基板を調製し、この圧電基板の凹形前面に、厚さがほぼ均一な一つ以
上の音響整合層を付けて、中間組立体を作る工程がある。この中間組立体を柔軟
な前キャリヤ板に貼付け、この中間組立体を完全に通ってこの柔軟な前キャリヤ
板の中へ、一連のほぼ平行な切れ目を切る。これらの切れ目が、アレー軸に沿っ
て整列され、各々圧電層と音響整合層をもつ一連の個々の変換器素子を形成する
。次に、この結像面のアレー軸の周りに、これらの層を、この柔軟な前キャリヤ
板の降伏バイアスに抗して曲げることによって、この平行に切った中間組立体を
所望の形状に成形する。次に、この成形した中間組立体を、この圧電基板の後面
に隣接して裏当て支持体に貼付け、この一時的前キャリヤ板を除去して、超音波
変換器アレーを生ずる。

0017

上述の方法に付加する有益な工程は、ほぼこの圧電基板を通して、一連の平行
な切れ目を切って、この圧電基板の凹形前面に前述のスロットを作ることである
。更に他の有益な工程は、この柔軟な前キャリヤ板と音響整合層の間に熱可塑性
接着剤を使うことで、この熱可塑性接着剤は、所定の温度以上でその接着力を失
い、このキャリヤ板を放す。

0018

上記の方法は、このアレーの共振特性を更に改善するために、これらの切れ目
およびスロットを低インピーダンスの音響的に減衰性の材料で満たすことによっ
て、更に改良することができる。この柔軟な前キャリヤ板を除去してから、この
音響整合層の露出された凹形表面エラストマー充填層を貼付け、それによって
個々の変換器素子を電気的に絶縁し、音響結合を改善することによって、更なる
利益が得られるかもしれない。

0019

この発明の他の特徴および利点は、この発明の原理を、例として、図解する添
付の図面に関連した、以下の好ましい実施例の説明から明白となろう。

図面の簡単な説明

0020

第1図は、この発明に従って作った超音波変換器アレーの好ましい実施例の、
分断面透視図である。説明のために、このアレーの一部を残りの部分から引き
出してある。

0021

第2A図は、第1図のアレーの引き出した部分の拡大部分図で、変換器素子を
詳細に示す。第2B図は、第2A図のアレーの部分の修正形で、変換器の下位素
子を示す。

0022

最3図は、この発明の圧電基板の断面側面図である。

0023

第4図は、一連の鋸切れ目のある、第3図の圧電基板の断面側面図である。

0024

第5図は、この発明の音響整合層基板の断面側面図である。

0025

第6A図および第6B図は、この発明のプレス作業を示す側面図である。

0026

第7図は、この発明に従って、柔軟な前キャリヤ板に取付けた圧電基板と音響
整合層基板の断面側面図である。

0027

第8図は、この発明に従って凸形成形型に取付けた、前キャリヤ板と、対応す
る柔軟なプリント回路リード付の変換器素子の断面正面図である。

0028

第9図は、この発明に従って、誘電体表面層によって封入された変換器素子と
対応するリード附属品および裏当て材料の断面正面図である。
好ましい実施例の詳細な説明

0029

この発明に従って作った超音波変換器アレー10を第1図に示す。このアレー
には、ハウジング14に入った、複数の、個々の超音波変換器素子12がある。
これらの個々の素子は、柔軟なプリント基板のリード線16および、ポリマー
当て材料80によって適当な位置に固定された接地箔18に電気的に接続されて
いる。誘電体表面層20がこのアレーおよびハウジングの周りに作られている。

0030

各個々の超音波変換器素子12は、圧電層22、第1音響整合層24および第
2音響整合層26から構成されている(第2A図も参照)。これらの個々の素子
は、この圧電層および隣接する音響整合層が凹面形状をしているために、所望の
結像面(x−y軸によって定義される)に機械的に焦点を合わせている。これら
の個々の素子は、この結像面に位置するアレー軸A(各変換器素子の両端の間に
伸びる弦の中点で定義してもよい)に沿って、互いから機械的に分離もされてい
る。

0031

この好ましい実施例では、このアレー軸Aは、扇形走査ができるようにするた
めに、凸形である。しかし、以下の説明から、このアレー軸が直線でも、曲線で
も、更には直線部と曲線部の組合せでさえもよいことが明白となろう。

0032

この個々の超音波変換器素子のアレーは、以下の好ましい方法で作ることがで
きる。第3図を参照して、一片圧電セラミック材料を平らに研磨し、矩形に切
断して、前面32および後面34のある基板30を作る。特に適した圧電セラ
ック材料は、モトローラセラミックプロダクツが作る3203HD型のもの
である。この材料は、密度および強度が高く、個々の素子を破断することなく、
切断工程を容易に行うことができる。

0033

この圧電基板30を、例えば、最初に表面を5%のフルオロホウ酸溶液でエッ
チングして、次に普通利用できる市販のめっき材料および手段を使って、無電解
ニッケルめっきして、金属被覆層36を付けることによって更に調製する。クロ
ーム、ニッケル、金、またはその他の金属の真空蒸着のような他の方法で、この
圧電基板のめっきを置き換えてもよい。このめっき材料は、この圧電基板の表面
全体の周りに完全に伸びるように作る。この好ましい実施例では、次に銅層(厚
さ約2ミクロン)をこの第1ニッケル層(厚さ約1ミクロン)の上に電気めっき
し、更に金の薄い層(厚さ<0.1ミクロン)を電気めっきすることによって腐
食に対して保護する。

0034

この圧電基板の後面34に二つの鋸切れ目38を入れることによって、金属被
覆層36を分離して二つの電極を作る。この目的に、ウェーハダイシング鋸を使
ってもよい。これらの二つの鋸切れ目は、後面電極40および別の前面電極42
を作る。この前面電極には、この圧電基板の前面32から後面34の周りへ伸び
る巻き付き端44がある。これらの巻き付き端44は、この後面の各側に沿って
約1mm伸びるのが好ましい。

0035

第4図を参照して、圧電基板30をひっくり返し、後面電極34を、例えば絶
ポリエステルフィルムのような、キャリヤフィルム46に取付けることによっ
て、切断の準備をする。この圧電基板をキャリヤフィルムに貼付けるために、熱
可塑性接着剤を使ってもよい。ウェーハダイシング鋸を使って、好ましくは、鋸
切れ目の内端49とこの基板の後面34の間に、基板材料を少量、例えば50ミ
クロンだけ切残して、この圧電基板30のほぼ端から端までに、一連の鋸切れ目
48を作る。その代わりに、この基板30を通り、この後面電極の全部ではない
が、それに切込んで、鋸切れ目を作ってもよい。十分な数の切れ目を、小さな間
隔でこの基板に作ると、この基板は、柔軟になり、後に、望む通りに湾曲または
凹面にすることができるようになる。その代わりに、この基板を平らなままにし
てもよい。また、その代わりに、これら一連の鋸切れ目を、圧電基板は完全に通
るが、金属被覆層は通らないように作ってもよい。

0036

鋸切れ目48の他の目的は、完成した装置の横共振モードを最小にすることで
ある。この点で、これらの鋸切れ目に、硬度が低く、損失の多いエポキシ材料
詰めてもよい。その上、これらの切れ目は、それらの間隔を規則的にし、または
その他の秩序だった方法にし、またはその代わりに、この変換器アレーの動作周
波数の近くの、好ましくない共振モードを更に抑制するために、無作為にしても
よい。

0037

この好ましい実施例では、鋸切れ目の周期性は、この基板の厚さ(前面から後
面まで計った)の約半分である。しかし、基板が薄くてこれができないなら、隣
接する鋸切れ目の間の距離を、基板の厚さの約2倍である所定の最大値からこの
厚さの約半分である所定の最小値まで、長さをばらつかせて、無作為に配置して
もよい。厚さが約0.025−0.051mmのブレードを使ってもよい。

0038

上に成形するために圧電基板を調製する特定の好ましい方法を説明したが、当
業者は、機械加工熱成形または他の既知の方法によって、この基板を別な方法
凹形形状に成形してもよいことが分かるだろう。この凹形という用語は、湾曲
部分または直線部分またはそれらの組合せで作られた凹みを含むことを意味する
。更に、この発明に、セラミックス(例えば、亜鉛酸鉛、チタン酸バリウム、メ
ニオブ酸鉛およびチタン酸鉛)、圧電プラスチック(例えば、PVDFポリマ
ーおよびPVDF−TrFeコポリマー)、複合材料(例えば、1−3PZT
ポリマー複合物ポリマーマトリックス(0−3複合物)中に分散したPZT粉
末、並びにPZTおよびPVDFまたはPVDF−TrFeの配合物)、または
リラックサ強誘電体(例えば、PMN:PT)を含む種々の圧電材料を使っても
よいことが分かるだろう。

0039

今度は、第5図を参照して、音響整合層を調製する方法を説明する。特に、第
1および第2音響整合層、それぞれ24、26を示す。これらの音響整合層は、
各々、この圧電基板30に付着したときの各材料中の音速によって決まる四分の
波長にほぼ等しい均一な厚さのポリマーまたはポリマー複合材料で作ってもよ
い。これらの四分の一層の音響インピーダンスは、この圧電基板のインピーダ
スと調べるべき物体または媒体のインピーダンス中間値になるように選ぶ。例
えば、この発明のこの好ましい実施例で、圧電材料の全部の音響インピーダンス
は、約29MRaylsである。第1四分の一波長層24の音響インピーダンス
は、約6.5MRaylsである。この音響インピーダンスは、珪酸リチウム
ルミニウムを充填したエポキシで得ることができる。第2四分の一波長整合層2
6のインピーダンスは、約2.5MRaylsで、充填しないエポキシ層で作る
ことができる。

0040

この好ましい実施例では、チタンで出来た平らな、磨いた工具板(図示せず)
をキャリヤとして使用して、この音響整合層を加工する。第1段階として、厚さ
約1ミクロンの銅またはその他の導電性材料の層52を、このチタンの工具板の
平らな表面上に電気めっきする。次に、エポキシ材料製の第1音響整合層をこの
銅層の上に流し込み、硬化中にそれに接着する。次に、このエポキシ層を、所望
動作周波数(この材料中の音速で計った)での約四分の一波長に等しい厚さに
研磨する。第2音響整合層も同様に流し込み、厚さを約四分の一波長(この材料
中の音速で計った)に研磨する。この銅層と第1音響整合層の間の接着を改善す
るために、この銅層の上に錫層を電気めっきしてもよい。

0041

第2音響整合層の研磨が終了してから、これらの整合層と接着した銅層とをチ
タン板から外して、二つの音響整合層と銅層の貼合せを得る。このようにして、
少なくとも表面の一つが導電性である、音響整合層基板54を作る。

0042

この好ましい実施例では、上述のように、二つの音響整合層と銅層を使用する
。しかし、三つ以上の整合層を使ってもよいこと、およびこれらの四分の一波長
層を作れる手段はいくつかあることに注意すべきである。その代わりに、黒鉛
銀を充填したエポキシ、またはガラス質炭素のような、適当な音響インピダン
スをもつ導電性材料を、第1整合層として使い、銅層を省略してもよい。多重
合層の代わりに、音響インピーダンスが、例えば、4Mraylsの単一整合層
を使うことも可能である。この四分の一波長材料を、この圧電基板の表面上に成
形して作ることも、その代わりに、流し込みと研磨による方法によってもできる

0043

次に、この圧電基板30と音響整合層基板54を凹面に形成する好ましい方法
を説明する。第6A図を参照すると、凹面の母型56と押え棒58をもつプレス
が示されている。この母型と押え棒の間に、銅層52を母型に向けて音響整合層
基板54を挿入する。次のプレス作業で圧電基板30をこの銅層に接着するので
、この銅層と母型の間にプラスチックシム62を置いて、偏差補償する。

0044

この音響整合層を凹面形にプレスするのと同時に、柔軟な前キャリヤ板64を
、この第2音響整合層26に一時的に取付ける。このキャリヤ板64は、第2音
響整合層に向いた面66が凹面形であり、曲率は、この音響整合層基板に押し込
まれた曲率と同じである。熱可塑性接着剤層67を使って、このキャリヤ板64
と基板54の間の結合を維持し、例えば、120°C以下の温度で、このキャリ
ヤ板が整合層に固定されたままであるようにしてもよい。このキャリヤ板は、ダ
イシング棒70に一時的に取付けるために、平らな面68もある。このダイシン
グ棒は、押え棒58に取外し可能に取付けられるので、スプレー接着剤を使って
、このキャリヤ板をダイシング棒に取付けてもよい。

0045

音響整合層基板を凹面に形成して、柔軟な前キャリヤ板に一時的に接着する第
1プレス作業が終わってから、このプレス加工した音響整合層基板と母型56の
間に圧電基板30(まだそのキャリヤフィルム46に取付けられている)を置く
ことによって、このプレスは、第2プレス作業の準備が出来る(第6B図参照
。この母型の曲率の偏差を補償するために、薄いプラスチックシム60を、圧電
基板と母型の間に置いてもよい。

0046

圧電基板を凹面に形成すると同時に、適当な接着剤71を使って、この柔軟な
前キャリヤ板を備えた音響整合層基板をこの圧電基板に永久的に接着してもよい
。この好ましい実施例では、両プレス作業を、例えば、このプレスをオーブン
に置くことによって、高い温度で行う。

0047

プレス加工後、その結果接着され、成形された、圧電基板および音響整合層基
板をこのプレスから取出す。そこで、キャリヤフィルムを除き、縁を切って中間
組立体72を作る(第7図参照)。今説明したプレス作業が、機械的に焦点を合
わせ、相当する音響整合層を備えた圧電基板を作る。

0048

第7図および第8図を参照して、この凹面にされた圧電基板30上の各分離切
れ目38に隣接した、巻き付き前面電極42に、二つの銅”接地箔”ストリップ
18をはんだ付けすることによって、電気接続をしてもよい。次に、各分離切れ
目に隣接し、この凹面にされた圧電基板上の接地箔ストリップに対向して、柔軟
プリント板のリード線16を後面電極40にはんだ付けする。

0049

ダイシングする前に、これらのリード線と接地箔を折曲げて、柔軟な前キャリ
ヤ板64を通って下へ伸びるようにし、ウェーハダイシング鋸をこの中間組立体
72(ダイシング棒70を付けたまま)の上に取付ける。結像面と直交する一連
の鋸切れ目82を作り、柔軟なプリント板のリード線16、接地箔18、圧電基
板30および音響整合層基板54を通るが、柔軟な前キャリヤ板64は完全には
通らずにダイシングすることによって、このアレーの個々の変換器素子12を作
る。このようにして、個々のアレー素子とそれに対応するリード付属品が互いか
ら分離される。この好ましい実施例では、圧電基板の鋸切れ目48の間の間隔(
第4図参照)および中間組立体72の鋸切れ目82は、均一で等しく、このアレ
ーの複数の圧電棒90を形成する(第2A図参照)。

0050

ダイシングする前に、リード線および接地箔を折下げることによって、これら
のリード線および接地箔が部分的に切られるだけであり、それでこの柔軟なプリ
ント板および接地接続の一体性が保たれることが分かるだろう(例えば、第2A
図参照)。第7図には、二つのリード線16を示す。この場合、一つおきの変換
器素子を片側のリード線に接続し、それらの間の変換器素子を他の側のリード線
に接続する。この付加的な接地箔は余分である。

0051

第2B図に示す代替実施例においては、この超音波変換器アレーがいくつかの
変換器素子をもち、各素子が、電気的に並列に接続された、二つの下位素子12
A、12Bから成る。そのようなアレーは、鋸切れ目を、柔軟なプリント板のリ
ード線16上の信号導体72の間にだけでなく、信号導体それ自身にも作るよう
に、この中間組立体をダイシングすることによって構成する。これらの下位素子
は、疑似横共振モードおよび素子間クロストークを減少する役に立つ。代わって
、この変換器素子を三つ以上の下位素子で構成してもよい。

0052

ダイシング作業の後に、ダイシング棒を除去し、柔軟な前キャリヤ板64に結
合した個々の変換器素子12を曲げて、このキャリヤ板を凸面、凹面、または平
面形の工具76に一時的に貼付けることによって、所望のアレー軸に沿って成形
することができる(第8図参照)。次に、何か適当な材料(例えば、アルミ)で
作ったハウジング14を上記前キャリヤ板とそれに対応するアレー素子の周りに
取付ける。この好ましい実施例では、鋸切れ目82を、例えば硬度の低いポリ
レタンのような、低インピーダンスの音響的に減衰性の材料(図示せず)で埋め
て、応答特性を改善する。

0053

第1図および第9図を参照して、このハウジング14と前キャリヤ板64が作
る空洞の中へ、ポリマー裏当て材料80を流込んで、変換器素子とそれらに対応
する電気的リード付属品を封入する。そのような裏当て材料は、理想的には音響
インピーダンスが低く、例えば<2MRaylsで、その音響インピーダンスを
下げるためにプラスチックまたはガラス微小中空球を充填したポリマーで構成
してもよい。その代わりに、音響インピーダンスの高い配合物を使い、感度をい
くらか犠牲にして、これらの変換器素子の周波数帯域幅を改善することができる

0054

完成品に到達するためには、この変換器アレーを120°Cを超える温度に加
熱し、柔軟な前キャリヤ板を剥がすことによって、このキャリヤ板を取り除き、
第2整合層の凹表面を露出する。変換器素子は、このポリマー裏当て材料80に
よって、このハウジングに固定されたままである。次に、このアレーを金型に入
れ、その中にポリウレタンポリマーを注いで、誘電体表面層20を作り、それが
、この第2整合層26の凹面を埋めて封止し、試験すべき物体との音響的結合
改善するために選んだ外面形状(例えば、平面または凸面)を作る。この表面層
の中の音速は、焦点ぼけの影響を最小にするために、この音が伝搬する媒体また
は試験すべき媒体の中の音速に近く選ぶ。1.6MRaylsの音響インピーダ
ンスで、この四分の一波長層と、水または人体組織のような媒体との間の整合
が良くなる。

0055

上記の説明から、この発明は、音響レンズを必要とすることなく、凹面の圧電
素子と、隣接する、同様に凹面で、均一な厚さの音響整合層を使うことによって
、機械的に焦点を合せた、個々の変換器素子をもつ、超音波変換器アレーを提供
することを理解すべきである。これら個々の変換器素子は、このアレー軸に沿っ
て、互いから音響的に絶縁され、独立の素子を作るためにこの圧電基板と整合層
をほぼ貫通して切断することにより互いから分離されている。

0056

勿論、この現在好ましい実施例の変更が当業者には明白であることは理解され
よう。従って、この発明の範囲は、上に議論した特定の実施例によって限定され
るべきではなく、以下に示す請求の範囲とその均等物によってのみ定義されるべ
きである。

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