JP2004517521A

JP2004517521A - 多次元アレイとその製造

Info

Publication number: JP2004517521A
Application number: JP2002553759A
Authority: JP
Inventors: ラムハタンガディ，; サンジェイチャンドラン，; デイビッドチャートランド，
Original assignee: パラレルデザイン，インコーポレイテッド
Priority date: 2000-12-21
Filing date: 2001-12-14
Publication date: 2004-06-10
Anticipated expiration: 2021-12-14
Also published as: WO2002052544A3; AU2002230894A1; DE10197068T5; WO2002052544A2; US6759791B2; JP3824315B2; US20030009873A1

Abstract

本発明の様々な局面によると、基板アセンブリを提供する工程と、第一の方向に基板アセンブリの長い素子切断を行う工程と、第二の方向に基板アセンブリの短い素子切断を行う工程と、複数の信号線が短い素子切断と位置合わせするように、基板アセンブリ上に複数の信号線（例えばフレックス回路）を配置する工程と、複数の信号線が配置された後に、第二の方向に基板アセンブリに長い素子切断を行う工程とにより、トランスデューサは、製造される。本発明の様々な局面はまた、複数の素子を有する多次元トランスデューサを含む。
【選択図】図６ｂ

Description

【０００１】
（本発明の技術分野）
本発明は、概してトランスデューサに関する。特に、本発明は、トランスデューサの使用方法および構成と同様に、医療画像における使用に適した１．５次元超音波トランスデューサアレイに関する。
【０００２】
（発明の背景）
トランスデューサは、電気エネルギーを力学的エネルギーに変換するか、またはその逆のデバイスである。トランスデューサの一般的な用途は、医療用途、非破壊実験、およびそれと同様なものにおいてよく使用される超音波画像である。
【０００３】
医療画像に使用されるトランスデューサは、一般的には、同軸ケーブルまたはそれと同様なものを介してトランスデューサに接続された電子機器によって整合および駆動され得る一つ以上のトランスデューサ素子を含む。超音波画像用途において、例えば、一般的なトランスデューサは、電子機器によって発生される電気信号を人間の体を通って伝達され、反射され得る機械振動（例えば、超音波）に適切に変換する。その振動は、電荷を音響（例えば、音）エネルギーに適切に変換する一つ以上の圧電素子によって生成され得る。また、そのトランスデューサ素子は、音響エネルギーを受け取り得、それを付属の電子機器により処理され得る電気信号に変換し得る。
【０００４】
頻繁に、トランスデューサは、例えば、個々または均一に、直線軸または曲線軸に沿って配置され得るトランスデューサ素子に再分割される。それぞれのトランスデューサ素子は、一般的には、その特定の素子からの個々の超音波を生成するための電位によって駆動される。それぞれのトランスデューサ素子は、圧電（例えば、セラミック）層、導体層、および、一つ以上の音響整合層からなり得る。これらは、例えば、１９９７年６月１０日にＦｉｎｓｔｅｒｗａｌｄらに発行されたＵＳ特許番号５，６３７，８００に記載されており、本明細書においてそれを参考として援用する。それぞれの素子は、クロストークおよびその他のエラー信号を防ぐために他の素子のそれぞれから音響的に分離され得る。通例のトランスデューサのほとんどは、関連する電子機器により、それぞれの素子が個々にアドレス可能である一次元直線アレイに、製造され、かつ配置されている。
【０００５】
様々なトランスデューサ素子により発生される個々の波は、選ばれた場所で集束され得る正味の超音波またはビームを生成する。電気信号が同時にそれぞれの素子に印加される場合、その生成された波は、一般的には、比較的フラットである。異なる時間間隔で異なる素子に電気信号を印加することにより、生成された正味波は、角を成し得る。様々な実施形態において、正味効果超音波は、ガウス波としてモデル化され得る。この正味効果超音波は、画像化平面の画像をスキャンするために、トランスデューサの個々の素子を活性化または非活性化することにより、頻繁に「調整」されるか、または、「操作」され得る。
【０００６】
圧電トランスデューサ素子の１Ｄアレイは、一般的に、超音波エネルギーのビームが、高さ平面ではなく画像化平面の方位方向（例えば、横方向および軸方向）でのみ集束されることを可能にする。ビームの方位画像化平面にないオブジェクトは、一般的に、より小さい分解能を示す。なぜなら、１Ｄアレイは、一般的には、方位以外の平面においてビームを操作できないからである。
【０００７】
デジタルビーム形成テクノロジーにおける現在の変化により、医療画像化トランスデューサ中のチャネルの数が、規則的および急速に増加することが見込まれる。１Ｄトランスデューサの通常の実現には、一般的に１２８個の素子を利用する。一般的に、完全にサンプリングされた二次元開口が１００００個のオーダーの素子を一般的に利用する。チャネルを追加することは、一般的には、コストがかかり複雑になるという結果になり、一方で、それによりチャネルの数の適切な増加に伴ってどの程度性能が改良され得るかを評価することに関心がある。
【０００８】
従来の１Ｄ位相アレイプローブの多くは、側方および軸方向に大変良い分解能を有する。これは、トランスデューサ技術の進歩、より感度の良いプリアンプの使用、およびトランスデューサ素子と透過受光（ｔｒａｎｓｍｉｔ−ｒｅｃｅｉｖｅ）電子機器とのよりよい適合によって成されてきた。しかしながら、近年にほとんど注目されなかったシステム性能の一つの局面は、画像化平面に垂直な平面のビーム幅であり、「高さビーム幅」または「スライス厚さ」としてしばしばよばれる。スライス厚さが、垂直方向または軸方向のどちらの分解能より、ほとんど注目されていない二つの主な理由がある。第一に、高さビーム幅の変化は、一般的に、側方と軸方向の分解能の変化と同じくらい劇的にＢスキャン画像のディスプレイに影響しないからである。第二に、既に小さい素子がさらに細分され個別にコントロールされなければならないので、必要な高さ特性でのトランスデューサアレイの構築は、難しいからである。
【０００９】
高さビーム幅に対する調整を行うために、さらなるビーム形成素子を有する多次元（例えば１．５Ｄおよび２Ｄ）アレイは、改良されたダイナミックフォーカスおよびアポタイゼーションを提供するために作製されている。多次元アレイを作製するための一つの技術は、トランスデューサ素子内にさらなる開口縞を作製することを含む。一次元トランスデューサアレイは、一般的に、画像化平面において一つの行に配置され得る１２８の素子を使用する。２Ｄアレイは、一般的には、ビームが方位方向および仰角方向の両方に操作および集束され得るように、音響波長に近い高さピッチで行および列に配置された素子を含む。１．５Ｄアレイは、トランスデューサ素子が開口縞および高さ縞に配置されていることと同様であるが、一般的にはビーム操作ではなく、ビームフォーカスが、仰角軸方向に可能であるように仰角ピッチは、比較的に大きいままである。
【００１０】
１．５Ｄおよび２Ｄアレイの作製は、一般的にいくつかの問題を引き起こす。十分に分離された開口縞は、電気的にかつ音響的に一つの問題である。Ｐａｌｃｚｅｗｓｋａらに１９９９年７月１３日に発行され、本明細書で参照として援用されるＵＳ特許番号５，９２０，９７２は、それぞれの縞に対して電気的接続を提供するための個別の開口縞にわたるパターンを付けられた導電性の金属化ブリッジを使用して、個々の開口縞を音響的および電気的に分離する方法を開示する。しかしながら、この方法は、一般的に、望まない素子内のクロストーク（例えば、隣接しているトランスデューサ素子間の電気的または音響的の干渉）を生成する。
【００１１】
相互接続する、多次元トランスデューサアレイの第２の通例の問題は、開口縞を信頼のおける方法を提供することを含む。Ｐａｌｃｚｅｗｓｋａらに１９９７年４月８日に発行され、本明細書で参照として援用するＵＳ特許番号５，６１７，８６５は、トランスデューサの圧電、セラミック層にわたって積層された二つの側のフレックス回路を有する多次元アレイ相互接続開口縞を開示する。この方法は、一般的に、フレキシブルプリント回路からの望ましくない反射を生成しパルスエコー反応での望ましくない妨害を生成する。さらに、開口縞を十分に分離して相互接続する現在の方法は、複雑であり、費用がかかる。Ｖｅｎｋａｔａｒａｍａｎｉらに１９９８年１月６日に発行され、本明細書で参照として援用されるＵＳ特許番号５，７０４，１０５は、例えば、１．５Ｄおよび２Ｄトランスデューサアレイを作製するための別の技術を開示しているが、そのなかで、その技術は、実現するのが複雑で、様々な素子を十分には分離し得ない。それゆえ、適当に分離し相互接続した開口縞を多次元アレイを効率的に作製し得る方法の発展が望まれる。
【００１２】
（発明の要旨）
本発明の様々な局面によると、トランスデューサは基板アセンブリを提供する工程と、第一の方向で基板アセンブリに開口分離切断部を作製する工程と、第２の方向で基板アセンブリに短い素子切断部を作製する工程と、複数の信号線が短い素子切断と位置合わせするように基板アセンブリ上に複数の信号線（例えばフレックス回路）を配置する工程と、信号線が配置された後に、第２の方向で基板アセンブリに長い素子切断部を作製する工程とによりトランスデューサは製造される。
【００１３】
本発明の様々な局面はまた、複数の素子を有する多次元トランスデューサを含む。そのトランスデューサは、導体と、導体を組立第一の方向に第一の複数の切断部を有する圧電アセンブリと、第一の方向の第二の複数の開口切断部を有する整合層アセンブリとを含み、その整合層は、圧電アセンブリと対向する導線と接続されており、それにより、第一および第二の複数の高さ切断部が高さ次元に複数の素子を分離するように位置合わせされる。
【００１４】
上述および他の特徴と利点は、添付の図と組み合わせて読まれるように以下の詳細な説明にて示された実施形態に記載されている。参照符字は、同様の視点で同じまたは同様の部品を識別するために使用されている。
【００１５】
（発明の説明）
本明細書で開示された本発明の例示的な実施形態は、第一に、医療画像トランスデューサでの使用に対する多次元アレイの構成に関し議論する。しかしながら、任意の数の他の実施形態はいくつでも本発明の範囲内にある。例えば、本明細書で説明されたデバイスおよび技術は、オーディオラウドスピーカ、非破壊評価、非侵入手術、歯科学、などの、他のタイプのトランスデューサシステムに関連して使用され得る。同様に、１．５Ｄアレイに関連して本明細書で説明される技術はまた、２Ｄアレイまたは任意の他の多次元構造を実現するために使用され得る。さらに、位置合わせ、空間的配向、および本明細書で列挙された様々な素子の相対的な位置が、決して本発明の範囲から逸脱することなしに、変更され得ることが理解される。例えば、議論を簡単にするために、用語「方位方向」および「高さ」が本明細書において使用されるが、任意の次元、アレイサイズまたは配向でのトランスデューサアセンブリを作ることが可能である。さらに、従来の「単層」圧電素子を本明細書で説明するが、多層圧電構造のような様々な等価な構造物に置き換えられ得る。多層圧電トランスデューサは、例えば、２０００年１月２７日に出願された米国特許出願シリアル番号０９／４９２，４３０に記載され、これは参照として援用する。
【００１６】
本願において上述したように、１Ｄトランスデューサアレイは、画像のコントラスト分解能を調整する能力を制限している。この能力の制限は、一般的な１Ｄアレイが仰角方向に一つの開口のみを有するという事実に起因している。典型的には、仰角平面での単一の焦点の領域にトランスデューサを制限する。仰角次元において開口縞の数を増加することによって、焦点の領域の数は増加し、それにより、より深くにわたってスライス厚さを減らす。これは、次いでコントラスト分解能を改良する。
【００１７】
図１（ａ）および図１（ｂ）は、それぞれ、一般的な多次元トランスデューサアレイ１００の上面図および側面図である。図１を参照することで、アレイにおける多数の素子（例えば、素子１２４，１２６および１２８）は、方位方向（例えば、図１（ａ）の縦軸）および高さ（例えば、図１（ａ）および図１（ｂ）の横軸）を有する二次元マトリクスで構築される。それぞれの素子は、適切に圧電層１０２と第一の整合層１０４と第二の整合層１０６とを、含む。圧電層１０２は、導電層１０８によって整合層１０４および１０６と分けられ得る。これは、電気的グランドに接続され得る。
【００１８】
電位は特定の素子圧電層１０２を介して印加されるので、放射（例えば超音波放射）を生成するために共振周波数にてその素子は振動させられ得る。電気配線１３０のそれぞれは、個々のトランスデューサ素子に接続されており、適当に電位が印加される。整合層１０４および１０６は、適切には、超音波放射に関連する音響エネルギーを人間の体または他の物体に効率的に転送すること可能にする。トランスデューサアレイ１００のそれぞれの素子を選択的に活性化または非活性化することにより、アレイ全体により生成される正味のビームは、調整され得る。それ故、信号線１３０を介して印加された信号は、例えば、従来のトランスデューサ用途での超音波ビームを集束または操作するために使用され得、従ってトランスデューサの分解能を改良する。
【００１９】
トランスデューサアレイ１００における様々な素子は、共通のグランド（例えば導電層１０８）を共有し得るが、そうでない場合、クロストーク、ノイズおよびほかのエラーの原因を防ぐように電気的および音響的に様々な素子を分離することが一般的に望まれる。以下でより十分に示されるように、高さ方向での分離は、高さ切断部１１６および１１８を介して成され得、エポキシのような音響減衰材料で満たされ得る。方位方向での分離は、図１（ａ）の切断部１２０のような方位切断部で成され得る。様々な素子はまた、圧電層１０２の厚さモード振動を増加するために仰角方向に短い素子切断部（図１（ａ）の切断部１２２のような）を含み得る。それによって、トランスデューサアレイ１００の効率を増加させる。
【００２０】
図２は、トランスデューサ作製に対する典型的な技術２００のフローチャートである。図２を参照することで、典型的な技術２００は、整合層および圧電層アセンブリを準備する工程（それぞれ、工程２０２および２０４）、圧電および整合層アセンブリを追加する工程（工程２０６）、高さ開口を分離する工程（工程２０８）、短い素子切断を行う工程（工程２１０）、信号線を追加する工程（工程２１２）、長い素子切断を行う工程（工程２１４）、トランスデューサを構築する工程（工程２１６）を適切に含む。もちろん、トランスデューサを作製するほかの方法は、他の実施形態で使用され得、また、様々なプロセスの工程からの命令は、本発明の範囲から外れることなしに変更され得る。例えば整合層および圧電アセンブリは、一方または両方のアセンブリに対しての準備の完成の前に接続され得る。
【００２１】
整合層アセンブリ３００を準備する工程２０２は、導電層の上に一つ以上の整合層を形成する工程と、適切に、高さ次元のような、少なくとも一つの次元での整合層での音響的な分離を作製する工程を適切に含む。図３（ａ）〜（ｃ）は、整合層アセンブリ３００を形成する一つの技術を示す。図３を参照して、標準的な整合層アセンブリ３００は、導電層１０８と、第一の音響整合層１０４および第二の音響整合層１０６を適切に含む。導電層１０８は、銅、アルミ、金、銀またはそれと同様なもののような任意の電気導電材料である。典型的な実施形態において、導電層１０８は蒸着法、スパッタリング法、電気めっき法、または他のコーディングにより導電材料（例えば、金、銀、銅、または同様のもの）を有する平面（例えば、チタン平面）に形成される。
【００２２】
音響整合層１０４および１０６は、ポリマーまたはポリマー複合材料、または任意の適切な他の材料で形成される。典型的な実施形態において、第一の整合層１０４を作るポリマー材料は、基板および第二の音響整合層１０６の間に、中間の音響インピーダンス値を有するポリマーになるよう選択される。第一の整合層１０４は、適切に所望される厚さで成型され、接地される。例えば、使用され得る選択された特定の材質の音波の速さによって図られるので、そろいの厚さは、所望の駆動する周波数における、およそ４分の１波長に等しい。人間の体内における音波の速度はおよそ１５４０ｍ／ｓであり、もちろん、より厚いまたはより薄い整合層は使用され得るが、標準的な整合層は、およそ３〜６メガヘルツから周波数でのトランスデューサ測距でおよそ０．１３〜０．７ｍｍと一致する厚さを有する。他の材料は、代わりの実施形態で利用され得るが、第一の整合層を形成するのに適した典型的な第一の整合層は、ＤｅｘｔｅｒＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製の利用可能なＨＹＳＯＬ化合物である。
【００２３】
第二の音響整合層１０６は、第一の音響整合層およびトランスデューサが接触されるべき材質（例えば、人間の体）の間で、中間のインピーダンス値を示すよう同様にして選ばれる。典型的な実施形態において、第二の音響整合層は、適当な音響特性を有する任意の従来型整合層材料（例えば、第一の音響整合層で使用されるのと同様な任意の材質）から作られ得る。その材質は、同様な成型またそうでなければ、整合層１０４にわたって形成され、所望の厚さで接地されている。これは、特定のエポキシまたは他の選ばれた材質での音波の速度によって、測られるように所望の操作周波数におけるおよそ４分の１の波長に等しくされ得る。様々な実施形態において、その材質は、さらなるプロセスの工程において、補うように所望の暑さより薄く（例えばおよそ０．２５ミリメータかそこら）に接地される。典型的な実施形態は、およそ３〜６メガヘルツからの周波数でのトランスデューサ測距に対して、およそ０．０９〜０．０５ｍｍの所望される厚さを使用する。図は、様々な層の大きさを見せる必要はなく、現実の層の厚さは特にアプリケーションおよび材質の選択に依存することに留意されたい。
【００２４】
図３（ｂ）を参照し、整合層１０４および１０６が成型された後、平行切断３１０および３１２は、個別の高さ開口縞を分離するように、整合層に作られ得る。切断部３１０および３１２は、方形切断鋸のような任意の切断技術により作られ得る。その切断部は、素子間で音響分離を作製するのに十分な任意の深さデ作られ、この深さは、実施形態から実施形態で埋まる。典型的な実施形態において、切断部は、およそ０．４ｍｍ内の整合層１０４および１０６を通じて作られ、または、導電層１０８で作られる。
【００２５】
距離３２０は、率面方向での様々な素子のサイズと適当に一致し、実施形態から実施形態で劇的に埋まる。その距離は、例えば、高さ次元での所望される素子の数によるトランスデューサの表面部分を分割、「同じエリア方法」の使用（電気的インピーダンスおよび音響感度は、だいたい等しいので、外部列の結合範囲は、センター列の範囲にだいたい等しい。）最小絶対時間遅れエラー（ＭＩＡＥ）技術の使用、または、他の技術の使用によって決定され得る。ＭＩＡＥアプローチは、より狭い遠視野ビーム幅を与える高さ開港の幾何学的な打ち切りによるトランスデューサの軸に沿った最小絶対時間遅れエラーを減少させ最小化することを含む。ＭＩＡＥアプローチについてのより詳細は、本明細書で参照として援用されている、１９９７年９月にＤ．Ｇ．Ｗｉｌｄｅｓ，ＣｈｉａｏＲ．Ｙ．，Ｃ．Ｍ．ＷＤａｆｔ，Ｋ．Ｗ．Ｒｉｇｂｙ，Ｌ．Ｓ．Ｓｍｉｔｈ，Ｋ．Ｅ．Ｔｈｏｍｅｎｉｕｓ，らによる”ＥｌｅｖａｔｉｏｎＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆ１．２５Ｄａｎｄ１．５ＤＴｒａｎｓｄｕｃｅｒＡｒｒａｙｓ”ＩＥＥＥｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＵｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ，Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ，ａｎｄＦｒｅｑｕｅｎｃｙＣｏｎｔｒｏｌ，Ｖｏｌ．４４，Ｎｏ．５で提供されている。高さ方向に五個の素子を有する典型的なトランスデューサは、例えば、適切には、中間の列は高さ開口の半分のおよそ０．４５８回の距離で始められ得、外側の列は高さ開口の半分のおよそ０．７５４回の距離で始められ得る。再び、様々な列の空間は、任意の技術により得、実施形態から実施形態で広く埋まる。
【００２６】
二つの高さ開口切断部３１０および３１２のみが図３において示されるが、高さ開口切断部はいくらでも、特定のインプリメンテーションによって作られ得る。二つの溝を切断することは、例えば、一つの中央縞と二つの外側縞をに対応する三つの開口縞を適切に作る。二つの外側溝は、適切に、選択的に活性化または非活性化され得る一つの集束点を作るように、様々な実施形態において接続され得る。次いで、高さ開口切断部の数は、仰角方向において所望される集束の量によって決定され得る。四本の溝を切断することは、５本の開口縞（外側の縞（次の外側の縞と同様に）が互いに接続された場合、３個の集束点に対応する）を適切に生成する。例示的な実施形態において、７本の開口縞および４個の集束点を生成する６本の溝は、一次元トランスデューサアレイと比較して、高い分解能および領域の大きい深さを提供する。
【００２７】
図３（ｃ）を参照することにより、音響減衰化合物３１４は、素子間の音響的な分離を改良するように、開口切断部３１０および３１２に成型され得る。使われる化合物は、音響的減衰ポリマーまたは、減衰するような特性、縦、および音響速度剪断を有する任意の他の材料である。そして音響インピーダンスは、整合層の特性と適切に合う。（図８および以下の添付の文章参照）。様々な実施形態において、化合物３１４は、実質的に、二つの整合層縞の間でラム波モード（すなわち、表面波）の伝搬を最小化する（すなわち、少なくとも減少する）。例示的な実施形態において、減衰化合物３１４は、Ｃｉｂａｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能な、ショアー硬さＡ８０を有するポリウレタンであり得る。化合物３１４が配置された後、その化合物は、適切に硬化し、整合層アセンブリ３００は、任意の所望のサイズに切断され得る。切断は、鋸またはほかの適切なデバイスで行われ得る。
【００２８】
図２に続けて瞬間の参照で、ステップ２０４は、整合層アセンブリ３００に接合され得る圧電アセンブリ４００を準備することを含む。図４（ａ）〜（ｂ）は圧電アセンブリ４００を準備するための例示的な技術を示す側面図である。図４（ａ）〜（ｂ）を参照することにより、選ばれた基板４０２（例えば、圧電特性を有するセラミックまたは他の材料）は、平面（例えば、研削によって）にされ得、適切に長方形に切断され得る。適切な基板材料は、圧電特性を有するセラミックまたは他の材料である。例示的な実施形態において、基板４０２は、（ＣＴＳ）ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能なＰＺＴ５Ｈセラミックである。導電層４０４は、めっき、電気めっき、スプレーコーティング、真空沈積、または任意の他の硬化技術のような、任意の方法によって基板４０２に塗布され得る。導電層４０４を塗布する一つの例示的な方法は、初めに、酸性溶液（例えば５％フルロホウ酸溶液）で基板４０２の表面をエッチングし、次いで、従来のめっき技術を使用する秘伝会のニッケルで基板４０２をめっきする。導電コーティング４０４に対して使用され得る他の材料は、ハンダ、金、銀、銅、または任意のほかの導電材料を含む。様々な実施形態において、導電コーティング４０４は、圧電材料４０２の表面範囲全体にわたって覆われる。他の実施形態において、圧電材料４０２の選択表面（例えば、上部および／または下部表面）のみが、導電材料４０４でコーティングされる。例えば、めっき材料は、基板の周囲が導電材料で適切に覆われ、四面の隣接している基板の表面にわたって完全に広げさせられ得、基板の二面（前と後ろの面に対応）は、覆われないままである。
【００２９】
図４（ｃ）を参照することで、高さ開口切断部４０６および４０８は、素子間の電気的分離を改良するような圧電層４００で作られ得る。様々な実施形態において、切断部４０６と４０８は導電層４０４を介して作られる、これは、厚さ０．０１３ミリメートルかそこらのオーダーで作られる。開口切断部４０６および４０８は、方形切断鋸でのような、任意の技術によって作られ得る。切断部４０６および４０８の幅は実施形態により劇的に埋まるが、およそ０．５ミリメータかそこらのオーダーで作られ得る。複合（ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）切断部４０８は、方形切断鋸、または、積層または所望の内部焦点範囲を作るような他の形成メカニズムでのトランスデューサの挿入を容易にするような他の技術で圧電アセンブリ４００に作られ得る。複合切断およびトランスデューサアセンブリ技術は、例えば、本明細書で参照として援用される従来の特許であるｔｈｅＦｉｎｓｔｅｒｗａｌｄらにおいて、かなり詳しく議論されている。
【００３０】
瞬時に再び図２で参照して、整合層３００および圧電層４００が完成した後、二つのアセンブリは適切に接合され得る（工程２０６）。図５（ａ）を参照して、圧電アセンブリ４００および整合層アセンブリ３００は、圧電アセンブリ４００における開口切断部４０６および４０８が、整合層アセンブリ３００における開口切断部３１２および３１０に対応するように、適切に位置合わせされ配置される。その二つのアセンブリは、接着、積層、ハンダ付けまたはそれと同様の任意の技術を介して接合される。例示的な実施形態において、整合層アセンブリ３００の導電層１０８と硬化された圧電アセンブリ４００の表面との間に加えられるＭａｓｔｅｒＢｏｎｄｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能な接着剤ＥＰ３０Ｖ、または任意の他の適する接着剤のような低い粘度の接着剤５０２を使用することによりアセンブリ３００および４００は、積層される。そのような実施形態において接着剤は、圧電アセンブリ４００のギャップ４０６および４０８を満たし得る。
【００３１】
二つのアセンブリ３００および４００が接合された後、素子は、ギャップ４０６および４０８または任意の他の深さに対する圧電アセンブリ４００の広い表面から、さらに高さ開口切断部５０４および５０６を作ることにより、高さ次元（図２の工程２０８）においてさらに分離され得る。図５（ｂ）を参照して、開口切断部５０４および５０６は方形切断鋸またはトランスデューサ素子の隣接を音響的に分離するような他のデバイスで作られ得る。分離は、本明細書で上述した材料３１４および図８と関連して、音響減衰材料を有する切断部を満たすことにより向上される。使用される材料は、減衰、縦および剪断音響速度、および、圧電材料の特性に適した音響インピーダンスなどの特性を有するポリマーが適している。選ばれたポリマーは、適切に横モードおよびセラミック開口縞の間のクロストークを最小化（または、少なくとも減少）する。切断部５０４および５０６を満たすために使用される材料は、整合層３００で使用される材料３１４と同一であり得、または二つの材料は異なり得る。例えば、高さ開口５０４および５０６を満たすことに使用され得る材料は、ＣｈｉｂａＩｎｃから入手可能なＳｈｏｒｅＡ８０ポリウレタンのようなポリウレタンで満たされ得る。音響減衰材料が硬化された後、仰角方向の素子間の電気的分離および音響的分離を有する圧電アセンブリ５００は適切に完成し、方位方向の工程に備える。
【００３２】
図２を参照して、方位方向の圧電アセンブリ５００の工程は、短い素子切断を作る工程と（工程２１０）、信号線の取り付ける工程と（工程２１２）、および仰角方向の長い素子切断を作製する工程を含む。図６（ａ）、（ｂ）および（ｃ）はこれらそれぞれの工程における断面図である。図６（ａ）を参照して、短い素子切断６０２は、方形切断鋸または他のデバイスで仰角方向に作られる。短い素子切断６０２は、適切に、全体の圧電アセンブリ５００を貫通して作られ得、アセンブリ５００を貫通する方向の一部（例えば、導電層の範囲までのみ）でのみ作られ得る。短い素子切断は、「準素子」を生成することによりトランスデューサ素子の厚いモード振動を適切に増加するにしたがい、トランスデューサの効率を改善する。にもかかわらず、短い素子切断は、様々に代わる実施形態において省略され得る光学切断である。短い素子切断６０２（図１の短い素子切断と対応する）は、５〜１００ミクロンオーダのような、任意の切れ目幅であり得る。例示的な実施形態において、短い素子切断の切れ目幅は、もちろん他の幅も使用され得るが、およそ３０ミクロンである。
【００３３】
短い素子切断６０２が、圧電アセンブリ５００において作られる後、信号線６０６は取り付けられ得る。図６を参照して、フレックス回路６０４は、トランスデューサアレイのそれぞれの高さ縞に印加され得る。フレックス回路６０４は、領域６１２を絶縁すること／分離することによって、多くの信号線部分が離されることを含む。信号線部分６０６は個々のトランスデューサ素子に適切に対応する。フレックス回路の一つの例は、Ｕｎｉｃｉｒｃｕｉｔｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能である。これは、ポリマイド（ｐｏｌｙｍｉｄｅ）または同様のフィルムに包埋される多数の導電線６０６を含む。もちろん、任意の信号線、回路または他の仕組みは、代わる実施形態において使用され得る。例えば、個々の導線は、トランスデューサ内のそれぞれの素子に、適切に配置され接続され得る。
【００３４】
フレックス回路バス６０４は、任意の技術によって圧電アセンブリ５００に位置合わせされ得る。例示的な実施形態において、「ｖ切れ目」６０８は、フレックス回路バス６０４上の以前の配置にレーザエッチングされ得、マークされ得る。ｖ切れ目の様々な構成が作られ得るが、一つの実施形態は、少なくとも一つの導電線６０６の中央から線の端へラインを作る工程を含む。代わりに、矢印または他のマーカは、圧電アセンブリ５００の短い素子切断部６０２の一つを位置合わせされ得るフレックス回路バス６０４上に作られ得る。微小切断部６０２およびｖ切れ目６０８を見ることによって位置合わせは、起こり得る。位置合わせは、顕微鏡または他の観察デバイスを介して、短い素子切断部６０２およびｖ−切れ目６０８を観察することによって行われ、適切なようにフレックス回路バス６０４を位置決定し得る。フレックス回路バス６０４は、素子の金属化された表面に鉛をハンダ付けすることによって、糊で固定することによって、エポキシまたは他の接着剤によって、または任意の他の技術によって、圧電アセンブリ５００に固定され得る。
【００３５】
信号線６０６が圧電アセンブリ５００に取り付けられた後で、仰角方向の長い素子切断部６１０が作製され得る。図６（ｃ）を参照すると、長い素子切断部６１０は、方位方向に種々の素子を分離するようにダイシングソーまたは他のデバイスを用いて作製され得る。短い素子切断部６０２と同様に、長い素子切断部６１０は、全体の圧電アセンブリ５００にわたって作製され、種々の素子を完全に分離し得る。あるいは、長い素子切断部６１０は、例えば図１の導電層１０８のように、アセンブリ５００の全体の方向の一部のみで作製され得る。種々の実施形態では、長い素子切断部６１０の切り口の幅は、短い素子切断部６０２の切り口の幅以上であり得る。任意の切り口の幅が使用されるが、例示的実施形態は、約５０ミクロンの切り口幅を使用して、方位方向の種々の素子を分離する。狭いサブ素子の切り口およびより広い主要素子の切り口の使用は、全体の素子の縦横比を維持するように貢献し得、これにより、厚さモードの素子応答に影響を与える。そして、隣接する素子間のより広いギャップによる内部素子クロストークを低減し得る。図６（ｃ）に示される例示的実施形態では、主要素子切断部が、適切であるように高さ開口切断部５０４からフレックス回路６０４の絶縁／分離領域６１２にフレックス回路６０４を介してなされ、各個々の素子に接続されたリード線６０６を電気的に絶縁する。
【００３６】
圧電アセンブリ５００の種々の素子が仰角次元および方位次元の両方において絶縁された後、アセンブリ５００は、トランスデューサハウジングに配置され得る（図２のステップ２１６）。図７は、１つ以上の接地リード線７０６、バッキング材料７０２、および音響レンズ７０４と共に上述されたようなトランスデューサアセンブリ５００を有する例示的なトランスデューサ７００の断面図である。図７に示される実施形態では６つの素子が仰角次元に存在するが、もちろん、より多くの素子が種々の他の実施形態で使用され得る。
【００３７】
音響レンズ７０４を生成するためには、上面材料は音響整合層に隣接するトランスデューサの前面に配置され得る。シリコンゴムまたはポリウレタン等の任意の適切な上面材料が使用され得る。種々の形態の上面材料がレンズとして機能し、音響層を特定の焦点にフォーカスし、さらに保護シールとして機能し得る。あるいは、音響整合層および／または圧電層は、適切に曲げられ、角度が与えられ、または他の場合では、放射をフォーカスするように形成され得（超音波放射等）る。このような実施形態では、分離音響レンズ７０４が利用されてもよいし、利用されなくてもよい。
【００３８】
バッキング材料７０２は、音響整合層に対向する基板上に配置され、トランスデューサ７００の面から受信された反射を減衰させ得る。適切なバッキング材料は、ポリマー、エポキシなどを含む。例示的なポリマーは、例えば、参加アルミニウムまたは酸化タングステンが使用され得る。バッキング材料７０２は、セラミック層上に付与され、トランスデューサ素子ならびに対応する信号リード線および接地リード線を封入し得る。バッキング材料７０２は、セラミック層から発生した音波を適切に吸収および／または分離し、所望のトランスデューサのための適切な帯域幅を保存する。
【００３９】
信号接地リード線７０６は、圧電アセンブリ５００に電気的に接続され得る。図７に示されるように圧電アセンブリ５００の末端７０８および７１０は、金属化され（例えば、ステップ２０４（図２））、その結果、導電層１０８によって供給された共通のグラウンドが圧電アセンブリ５００の前面に電気的に接続される。
【００４０】
図８および図９は、例示的なトランスデューサのためのさらなる設計の細部を提供する。図８を参照すると、音響減衰材料中のフィルター（酸化アルミニウム、酸化タングステン等の任意の種類であり得る）の種々の重量分率に対して２つの音響特性のプロット（厚さモード電子機械結合因子（ｋｔ’）および音響インピーダンス（Ｚ））がある。一般的に、整合層中で使用するためのポリマーのインピーダンス（Ｚ）を最小化し、圧電層中で使用するためのインピーダンス（Ｚ）最大化することが望ましくあり得る。図から理解され得るように、フィルターの種々の集中（ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ）が異なる音響効果を生成し、特定のトランスデューサに対して望ましい特定の効果が実施形態ごとに広範囲に変動し得る。
【００４１】
図９を参照すると、アクティブにされた１つ、３つ、５つ、および７つの仰角方向の素子を有する７つの仰角方向のストリップトランスデューサそれぞれに対するビーム幅対深さのプロットが提供される。さらに単一の方向アレイのためのプロットが比較のために提供される。単一の方向アレイに対するプロットは、また比較のために提供される。図から理解され得るように、４つのアパーチャを用いて結合された仰角方向のビームプロフィールは、より高い解像度およびより大きいフィールドの深さと共に、３ミリメートルを超えるビーム幅（６ミリメートル〜１５０ミリメートルの範囲のビーム幅）を提供する。もちろんこのプロットは、一実施形態に対する例示的結果を表し、他のトランスデューサから得られた結果が著しく変動し得る。
【００４２】
本明細書中で「必要とされた」または「重要である」のように明確に説明された素子またはコンポーネントが本発明の実施に対して必要である。上記特許請求の範囲の全ての素子の対応する構造、材料、作用、および等価物は、具体的に請求された場合、他の請求された請求された構成要素と組み合わせて機能を実行するための任意の構造、材料、または作用を含むことが意図される。さらに、任意の方法クレームに記載されたステップは、任意の順序で実行され得る。本発明の範囲は上記で与えられた例によってではなく添付の特許請求の範囲およびその均等物によって決定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】
図１（ａ）は、例示的なトランスデューサ素子の上面図である。
【図１ｂ】
図１（ｂ）は、例示的なトランスデューサ素子の側面図である。
【図２】
図２は、トランスデューサ作製のための例示的な工程のフローチャートである。
【図３ａ】
図３（ａ）は、整合層アセンブリを形成するための例示的な工程を明確に示した側面図である。
【図３ｂ】
図３（ｂ）は、整合層アセンブリを形成するための例示的な工程を明確に示した側面図である。
【図３ｃ】
図３（ｃ）は、整合層アセンブリを形成するための例示的な工程を明確に示した側面図である。
【図４ａ】
図４（ａ）は、圧電層アセンブリを形成するための例示的な工程を明確に示した側面図である。
【図４ｂ】
図４（ｂ）は、圧電層アセンブリを形成するための例示的な工程を明確に示した側面図である。
【図４ｃ】
図４（ｃ）は、圧電層アセンブリを形成するための例示的な工程を明確に示した側面図である。
【図４ｄ】
図４（ｄ）は、圧電層アセンブリを形成するための例示的な工程を明確に示した側面図である。
【図５ａ】
図５（ａ）は、仰角方向にドランスデューサ素子を分離するための例示的な工程を明確に示した側面図である。
【図５ｂ】
図５（ｂ）は、仰角方向にドランスデューサ素子を分離するための例示的な工程を明確に示した側面図である。
【図６ａ】
図６（ａ）は、回路をトランスデューサ素子に接続し、方位方向にトランスデューサ素子を分離するための例示的な工程を明確に示した上面図である。
【図６ｂ】
図６（ｂ）は、回路をトランスデューサ素子に接続し、方位方向にトランスデューサ素子を分離するための例示的な工程を明確に示した上面図である。
【図６ｃ】
図６（ｃ）は、回路をトランスデューサ素子に接続し、方位方向にトランスデューサ素子を分離するための例示的な工程を明確に示した上面図である。
【図７】
図７は、例示的なトランスデューサの側面図である。
【図８】
図８は、例示的なトランスデューサにおけるフィルタ百分率に対する音響特性の点である。
【図９】
図９は、例示的なトランスデューサにおけるビーム深さに対するビーム幅のプロットである。

Claims

基板アセンブリを提供するステップと、
該基板アセンブリにおいてアパーチャ位置切断を第１の方向に行うステップと、
該基板アセンブリにおいて短い素子切断を第２の方向に行うステップと、
複数の信号線が該短い素子切断部に位置合わせされるように、該基板アセンブリ上の該複数の信号線を位置決定するステップと、
該信号線が多素子トランスデューサアセンブリを生成するように位置決定された後、該基板アセンブリにおいて長い素子切断を第２の方向に行うステップと
を含むトランスデューサを製造するための方法。
前記基板アセンブリを提供するステップは、
圧電アセンブリを調製するステップと、
整合層アセンブリを調製するステップと、
該基板アセンブリを生成するように、該圧電アセンブリを該整合層アセンブリに取り付けるステップと
を含む、請求項１に記載のトランスデューサを製造するための方法。
前記整合層アセンブリを調製するステップは、
導電層上に少なくとも１つの整合層を形成するステップと、
前記第１の方向に該少なくとも１つの整合層を貫通する切断部を形成するステップと、
前記少なくとも１つの整合層の切断部を音響減衰材料で満たすステップと
を含む、請求項２に記載のトランスデューサを製造するための方法。
前記圧電アセンブリを調製するステップは、
基板材料上の導電層を付与するステップと、
該基板材料において前記第１の方向に絶縁切断部を形成するステップと
を含む、請求項３に記載のトランスデューサを製造するための方法。
前記圧電アセンブリを前記整合層アセンブリに取り付けるステップは、前記少なくとも１つの整合層の前記切断部を前記基板材料の前記絶縁切断部に位置合わせするステップを含む、請求項４に記載のトランスデューサを製造するための方法。
前記基板材料の前記絶縁切断部を前記音響減衰材料で満たすステップをさらに含む、請求項５に記載のトランスデューサを製造するための方法。
前記圧電アセンブリを調製するステップは、前記基板材料の複合切断部を形成するステップをさらに含む、請求項４に記載のトランスデューサを製造するための方法。
前記複合切断部は前記第１の方向で作製される、請求項７に記載のトランスデューサを製造するための方法。
前記複数の信号線は、フレックス回路を含む、請求項１に記載のトランスデューサを製造するための方法。
前記複数の信号線上に位置決定されたステップは、
前記フレックス回路にマークを形成するステップと、
前記基板アセンブリにおける前記短い素子切断部の内の１つにマークを位置合わせするステップと
を含む、請求項９に記載のトランスデューサを製造するための方法。
前記第１の方向における前記切断部間の距離は、最小時間遅れエラー法によって決定される、請求項１に記載のトランスデューサを製造するための方法。
請求項１に記載の方法によって製造されたトランスデューサ。
請求項２に記載の方法によって製造されたトランスデューサ。
請求項５に記載の方法によって製造されたトランスデューサ。
請求項１０に記載の方法によって製造されたトランスデューサ。
複数の素子を有する多次元トランスデューサであって、
導電層と、
第１の方向に第１の複数の切断部を有する、該導電層の第１の面上の圧電アセンブリと、
該第１の方向に第２の複数のアパーチャを有する整合層アセンブリを含み、
該整合層は、該第１および該第２の複数の仰角方向切断部が仰角次元において複数の素子を絶縁するように位置合わせするように、該圧電アセンブリに対向する該導電層に接続される、多次元トランスデューサ。
前記第１および第２の複数の切断部のそれぞれが音響減衰材料で満たされる、請求項１６に記載の多次元トランスデューサ。
前記圧電アセンブリは、第２の方向に複数の切断部をさらに含む、請求項１７に記載の多次元トランスデューサ。
前記第２の方向の前記複数の切断部は方位方向の前記複数の素子を絶縁する、請求項１８に記載の多次元トランスデューサ。
前記第２の方向の前記複数の切断部は方位方向の前記複数の素子を絶縁する長い素子を含む、請求項１８に記載の多次元トランスデューサ。
前記第２の方向の前記複数の切断部は、複数の短い素子切断部をさらに含む、請求項２０に記載の多次元トランスデューサ。
複数の信号リード線をさらに含み、該複数の信号リード線のそれぞれが前記複数の素子の内の１つに接続される、請求項２１に記載の多次元トランスデューサ。
前記複数の信号リード線はフレックス回路を含む、請求項２２に記載の多次元トランスデューサ。
前記フレックス回路は、前記複数の長い素子切断部の切断の前に前記トランスデューサに接続される、請求項２３に記載の多次元トランスデューサ。