JP2007104208A - Method for manufacturing acoustic matching layer used for ultrasonic sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超音波センサに用いられる音響整合層の製造方法の改善に関するものである。 The present invention relates to an improvement in a method for manufacturing an acoustic matching layer used in an ultrasonic sensor.
超音波センサには、圧電素子を含む送受信兼用のものがある。ここでいう「圧電素子」とは、厚み方向に分極された圧電体の両面に薄膜状の電極を形成したものである。送信を行なう場合には、両電極間に信号電圧を印加することによって、圧電体を振動させる。その結果、圧電体の表面から超音波が放射される。逆に受信の際には、圧電体の表面に超音波が当たることによって圧電体が振動し、その結果として両電極間から電気信号が出力される。そのような圧電体の典型例として、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)がしばしば利用されている。 Some ultrasonic sensors include a transmitter / receiver including a piezoelectric element. Here, the “piezoelectric element” is one in which thin-film electrodes are formed on both surfaces of a piezoelectric body polarized in the thickness direction. When transmission is performed, the piezoelectric body is vibrated by applying a signal voltage between both electrodes. As a result, ultrasonic waves are radiated from the surface of the piezoelectric body. Conversely, at the time of reception, the piezoelectric body vibrates by applying ultrasonic waves to the surface of the piezoelectric body, and as a result, an electrical signal is output between both electrodes. As a typical example of such a piezoelectric body, PZT (lead zirconate titanate) is often used.
一般に、物質はその固有の音響インピーダンスを有し、したがって圧電体もその固有の音響インピーダンスを有し、超音波が伝播する媒体である気体や液体もそれらに固有の音響インピーダンスを有している。ここで、音響インピーダンスの大きさが顕著に異なる物質同士の間では、効率良く超音波(または、音響エネルギ)を伝えることが困難である。そこで、圧電体と超音波伝播媒体との両者の中間の大きさの音響インピーダンスを有する音響整合層をそれら両者の間に設けることによって、圧電体と媒体との間での超音波の伝達が効率よく行なえるようになる。 In general, a substance has its own acoustic impedance, so that a piezoelectric body also has its own acoustic impedance, and gases and liquids that are the medium through which ultrasonic waves propagate also have their own acoustic impedance. Here, it is difficult to efficiently transmit ultrasonic waves (or acoustic energy) between substances having significantly different acoustic impedances. Therefore, by providing an acoustic matching layer having an acoustic impedance of an intermediate size between the piezoelectric body and the ultrasonic propagation medium between them, the transmission of ultrasonic waves between the piezoelectric body and the medium is efficient. You can do well.
図4から図6において、非特許文献1のIEEE ULTRASONICS SYMPOSIUM,2001,pp.1031−1034に開示された音響整合層を含む超音波センサの製造方法が模式的な斜視図で図解されている。 4 to 6, IEEE ULTRASONICS SYPOSIUM, 2001, pp. The manufacturing method of the ultrasonic sensor including the acoustic matching layer disclosed in 1031-1034 is illustrated in a schematic perspective view.
図4において、たとえば直径30mmで厚さ1mmの圧電セラミック基板1がダイシングされて、マトリックス状に配置された複数の圧電材料四角柱1aが形成される。これらの圧電材料四角柱1aのピッチ、間隔、および高さは、たとえば、それぞれ210μm、60μm、および500μmである。 In FIG. 4, for example, a piezoelectric ceramic substrate 1 having a diameter of 30 mm and a thickness of 1 mm is diced to form a plurality of piezoelectric material quadrangular columns 1a arranged in a matrix. The pitch, interval, and height of these piezoelectric material square pillars 1a are, for example, 210 μm, 60 μm, and 500 μm, respectively.
図4に比べて拡大された部分斜視図である図5において、たとえば30度のテーパ角を有するブレードを用いて、互いに直交する複数のV字状溝を形成する第2のダイシングを行うことによって、圧電材料四角柱1aの上部に圧電材料四角錐部1bが形成される。その後、互いに隣り合う圧電材料四角柱1a間に存在する幅60μmの溝が、絶縁性ポリマ材料2によって充填される。
In FIG. 5, which is an enlarged partial perspective view compared to FIG. 4, for example, by performing second dicing to form a plurality of V-shaped grooves orthogonal to each other using a blade having a taper angle of 30 degrees. The piezoelectric material
図6では、圧電材料四角錐部1bの表面に、たとえばCr−Auの電極膜3が蒸着によって形成される。その後、電極膜3は、導電性エポキシ樹脂とタングステン粉末とを含む導電性複合樹脂4によって埋め込まれる。すなわち、Cr−Au電極膜3と導電性複合樹脂4とは複数の圧電材料四角柱1aに対する共通電極として作用する。その後、圧電材料四角柱1aの底部に残存する基板部1が除去され、各圧電材料四角柱1aが分離される。そして、各圧電材料四角柱1aの底面に個別の電極膜を形成すれば、超音波センサが得られる。
In FIG. 6, for example, a Cr—
こうして得られた図6の超音波センサにおいて、圧電体の四角錐部1bと複合樹脂4とは、音響整合層として作用する。この音響整合層1b、4において、導電性複合樹脂4は超音波伝播媒体(気体または液体)に近い音響インピーダンスを有している。他方、圧電体の四角錐部1bは、圧電体の四角柱1aに近づくにしたがって水平断面積が増大している。したがって、この音響整合層1b、4においては、その上面から下面に向かって総合的音響インピーダンスが連続的に変化しており、超音波伝播媒体から圧電体の四角柱1aヘ音響エネルギを効率よく伝えることができる。
上述のように、非特許文献1における音響整合層1b、4は、圧電体柱1aと一体的に形成される。したがって、音響整合層1b、4は超音波センサと個別的に製造することができず、その音響整合層の製造における融通性に欠ける。
As described above, the acoustic
また、圧電体柱1aはダイシングによって形成されるので四角柱に限られ、したがって、その上にさらにダイシングで形成される圧電体の錐体部1bも四角錐の形状に限られる。そして、それら圧電体の四角錐部1bの間隔も、圧電体柱1aの間隔と同じ間隔に限定される。
In addition, since the piezoelectric column 1a is formed by dicing, it is limited to a square column. Accordingly, the
他方、音響整合層は、超音波センサの構造と関係なしに、個別的に設計および作製可能であることが望まれる。そうすれば、音響整合層の設計の自由度が拡大するとともに、作製のプロセスの簡便化やコストの低減を図ることができる。 On the other hand, it is desirable that the acoustic matching layer can be individually designed and manufactured regardless of the structure of the ultrasonic sensor. Then, the degree of freedom in designing the acoustic matching layer is expanded, and the manufacturing process can be simplified and the cost can be reduced.
そこで、本発明は、超音波センサの構造と関係なしに、個別的に音響整合層を簡便かつ低コストで製造し得る方法を提供することを目的としている。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a method capable of individually and easily manufacturing an acoustic matching layer at a low cost regardless of the structure of the ultrasonic sensor.
本発明による超音波センサ用音響整合層の製造方法は、樹脂層の表面に複数の凹部を形成し、それらの凹部を埋めるようにセラミックまたは金属からなる硬質層をエアロゾルデポジション法で形成する工程を含むことを特徴としている。 The method for manufacturing an acoustic matching layer for an ultrasonic sensor according to the present invention includes a step of forming a plurality of recesses on the surface of a resin layer and forming a hard layer made of ceramic or metal by an aerosol deposition method so as to fill the recesses. It is characterized by including.
なお、樹脂層の凹部の横断面積は、その樹脂層の厚さ方向において連続的に変化していることが好ましい。また、樹脂層の凹部は、好ましくは円錐、三角錐、多角錐、またはV字溝の形状で形成され得る。さらに、樹脂層の凹部は、好ましくはホットエンボス、紫外線硬化モールド、熱硬化モールド、マイクロドリル、レーザアブレーション、またはシンクロトロン放射アブレーションのいずれかを利用して形成され得る。 In addition, it is preferable that the cross-sectional area of the recessed part of a resin layer is changing continuously in the thickness direction of the resin layer. Further, the concave portion of the resin layer can be preferably formed in the shape of a cone, a triangular pyramid, a polygonal pyramid, or a V-shaped groove. Furthermore, the concave portion of the resin layer can be preferably formed by using any one of hot embossing, ultraviolet curing mold, thermosetting mold, micro drill, laser ablation, or synchrotron radiation ablation.
また、硬質層をエアロゾルデポジション法で形成する際に用いられる微粉末原料として、100nm以下の粒径を有するナノ粒子が用いられることが好ましい。そして、硬質層の材料としては、アルミナ、ジルコニア、タングステン、またはモリブデンが好ましく選択され得る。 Moreover, it is preferable that the nanoparticle which has a particle size of 100 nm or less is used as a fine powder raw material used when forming a hard layer by the aerosol deposition method. As the material for the hard layer, alumina, zirconia, tungsten, or molybdenum can be preferably selected.
このような本発明によれば、超音波センサの構造と関係なしに、個別的に音響整合層を簡便かつ低コストで製造することができる。 According to the present invention as described above, the acoustic matching layer can be individually and easily manufactured at a low cost regardless of the structure of the ultrasonic sensor.
図1と図2において、本発明の一実施形態による超音波センサ用音響整合層の製造過程が模式的断面図で図解されている。 1 and 2, a manufacturing process of an acoustic matching layer for an ultrasonic sensor according to an embodiment of the present invention is illustrated in schematic cross-sectional views.
図1において、まず、複数の凹部11aを有する樹脂層11が形成される。樹脂層11におけるそれらの凹部11aは、その樹脂層の深さ方向において連続的に変化する横断面積を有している。そのような樹脂層の深さ方向において連続的に変化する横断面積を有する凹部11aの形状として、たとえば円錐、三角錐、多角錐、またはV字溝などの形状を好ましく採用することができる。 In FIG. 1, first, a resin layer 11 having a plurality of recesses 11a is formed. These recesses 11a in the resin layer 11 have a cross-sectional area that continuously changes in the depth direction of the resin layer. As the shape of the concave portion 11a having a transverse area that continuously changes in the depth direction of the resin layer, for example, a shape such as a cone, a triangular pyramid, a polygonal pyramid, or a V-shaped groove can be preferably employed.
それらの凹部11aを有する樹脂層11は、たとえば機械加工などによって形成された複数の錐体状の凸部を有する金型を用いて、樹脂層に対するホットエンボス加工、またはUV(紫外線)硬化樹脂モールドもしくは熱硬化樹脂モールドを行うことによって、簡便かつ低コストで作製することができる。 The resin layer 11 having the concave portions 11a is formed by, for example, using a mold having a plurality of cone-shaped convex portions formed by machining or the like, hot embossing the resin layer, or UV (ultraviolet) curable resin mold. Or it can manufacture simply and at low cost by performing a thermosetting resin mold.
また、凹部11aを有する樹脂層11は、平板状樹脂層に対してマイクロドリルによる機械的加工、または所定パターンのマスクとともにレーザアブレーションもしくはシンクロトロン放射アブレーションを施すことによっても、簡便かつ低コストで作製することができる。 In addition, the resin layer 11 having the recesses 11a can be easily and inexpensively manufactured by performing mechanical processing with a micro drill on the flat resin layer or laser ablation or synchrotron radiation ablation together with a mask having a predetermined pattern. can do.
次に、図2に示されているように、樹脂層11における複数の凹部11aを埋め込むように、セラミックまたは金属からなる硬質層12が形成される。このような硬質層12の材料としては、たとえばアルミナやジルコニアなどのセラミックス、またはタングステンやモリブデンなどの金属が好ましく採用され得る。
Next, as shown in FIG. 2, a
ここで、硬質層12用のこれらの材料は非常に高い融点を有し、焼結して硬質層12を形成するとしても非常に高い焼結温度を要するので、樹脂層11はそのような高温に耐えることができない。
Here, these materials for the
図3は、そのような高融点材料からなる硬質層12を形成するために好ましく利用され得る高速噴射成形(エアロデポジション)装置を模式的ブロック図で図解している。このエアロデポジション装置は減圧室21を備え、この減圧室21内は排気口21aに接続された真空ポンプ(図示せず)によって排気され得る。 減圧室21の内部には、可動ステージ22が設けられている。可動ステージ22は、水平面内において縦横方向(XY方向)の移動と回転運動(θ運動)が可能である。この可動ステージ22上に、複数の凹部11aを下に向けて樹脂層11が装着される。
FIG. 3 is a schematic block diagram illustrating a high-speed injection molding (aero deposition) apparatus that can be preferably used to form the
減圧室21の外部には、エアロゾル化室23とそれに接続された高圧ガスボンベ24が設けられている。エアロゾル化室23は攪拌用振動台25上に載置され、エアロゾル化室23の底部にはセラミックまたは金属の微粉末原料23aが装填される。そして、エアロゾル化室23は、減圧室21内に設けられらノズル26に接続されている。
Outside the
エアロゾル化室23内の微粉末原料23aには、高圧ボンベ24からバルブ27およびガス配管28を介して、高圧ガスが噴射される。そのような高圧ガスとして、たとえば空気、窒素ガス、アルゴンガスなどが好ましく用いられ得る。
High-pressure gas is injected from the high-
微粉末原料23aに高圧ガスが噴射されるとき、エアロゾル化室23は攪拌用振動台25によって振動させられ、その振動と噴射高圧ガスの作用によって、微粉末原料23aがエアロゾル化される。そのエアロゾル化された微粉末原料は、バルブ29およびエアロゾル輸送管30を介して、ノズル26へ送られる。
When the high pressure gas is injected into the fine powder raw material 23a, the
ノズル26と可動ステージ22との間には可動のシャッタまたはマスク31が設けられ、樹脂層11に対するエアロゾルの噴射の開始および停止はこのシャッタ31によって確実に制御され得る。
A movable shutter or
このような図3のエアロゾルデポジション装置において、エアロゾル化された微粉末原料を高圧のキャリアガスでノズル26から高速で樹脂層11に噴射衝突させることによって、硬質層12を形成することができる。すなわち、高速で樹脂層11に衝突した微粉末原料は、それらの微粉末同士が衝突破砕し合って緻密な膜に成形され得る。このとき、ポア(気孔)が少なくて緻密な硬質層12を形成するためには、微粉末原料の粒子径が小さいほど好ましく、粒径が約100nm以下のナノ粒子を用いることが好ましい。
In the aerosol deposition apparatus shown in FIG. 3, the
また、ナノ粒子を微粉末原料23aとして用いれば、エアロゾル化室23内におけるエアロゾル化も容易かつ完全に行うことができ、バルブ29およびエアロゾル輸送管30を通るエアロゾルの輸送、さらにはノズル26からの噴射がスムーズに行われ得る。
Further, if the nanoparticles are used as the fine powder raw material 23a, the aerosolization in the
上述のように、図3に示されているようなエアロゾルデポジション装置を用いることによって、樹脂層11における複数の凹部11aを埋め込む硬質層12を簡易かつ低コストで形成することができ、すなわち超音波センサ用音響整合層を簡易かつ低コストで製造して提供することができる。
As described above, by using the aerosol deposition apparatus as shown in FIG. 3, the
以上のような本発明によれば、超音波センサの構造と関係なしに、個別的に音響整合層を簡便かつ低コストで製造して提供することができる。 According to the present invention as described above, the acoustic matching layer can be individually and simply manufactured at low cost regardless of the structure of the ultrasonic sensor.
1 圧電体基板、1a 圧電体の四角柱、1b 圧電体の四角錐部、2 絶縁性ポリマ、3 Cr−Au電極膜、4 導電性複合樹脂、11 樹脂層、11a 凹部、12 セラミックまたは金属からなる硬質層、21 減圧室、21a 排気口、22 可動ステージ、23 エアロゾル化室、23a 微粉末原料、24 高圧ガスボンベ、25 攪拌用振動台、26 ノズル、27 バルブ、28 高圧ガス輸送管、29 バルブ、30 エアロゾル輸送管、31 シャッタ。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Piezoelectric substrate, 1a Piezoelectric quadratic column, 1b Piezoelectric quadrangular pyramid part, 2 Insulating polymer, 3 Cr-Au electrode film, 4 Conductive composite resin, 11 Resin layer, 11a Recess, 12 From ceramic or metal Hard layer, 21 Decompression chamber, 21a Exhaust port, 22 Movable stage, 23 Aerosolization chamber, 23a Fine powder raw material, 24 High pressure gas cylinder, 25 Stirring shaking table, 26 Nozzle, 27 Valve, 28 High pressure gas transport pipe, 29 Valve , 30 aerosol transport tube, 31 shutter.
Claims (7)
前記複数の凹部を埋めるようにセラミックまたは金属からなる硬質層をエアロゾルデポジション法で形成する工程を含むことを特徴とする超音波センサ用音響整合層の製造方法。 Forming a plurality of recesses on the surface of the resin layer;
A method for producing an acoustic matching layer for an ultrasonic sensor, comprising: forming a hard layer made of ceramic or metal by an aerosol deposition method so as to fill the plurality of recesses.
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